CN108780297B - 用于优化图像质量的显示装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于二维和/或三维物体(1)的全息重建的显示装置。物体(1)包括多个物点(1a‑d)。显示装置包括照明单元、空间光调制器装置和分离器。照明装置发出足够相干的光。要显示的物点(1a‑d)的子全息图(3a‑d)被编码在空间光调制器装置的像素中。提供分离器用于分离由相邻物点(1a‑d)的子全息图(3a‑d)产生的观察者眼睛中的相邻的点扩散函数，以使相邻的点扩散函数彼此互不相干。

Description

用于优化图像质量的显示装置和方法
本发明涉及一种用于优化和提高重建场景的图像质量的显示装置和方法，利用该显示装置和方法可以抑制视网膜物点间串扰。
该显示装置适于显示二维(2D)和/或三维(3D)图像。应当理解的是，二维图像或三维图像还包括二维或三维内容或电影。
本发明的应用领域优选地包括用于全息图的三维呈现的显示装置。
在用于呈现二维图像或电影/视频的商业可得的显示装置中，必须以高分辨率实现整个表面的明亮且均匀的照明。用作显示面板的空间光调制器装置需要以大的角度范围发射光。要呈现的信息被写入显示装置的空间光调制器装置中。利用写入空间光调制器装置的信息调制由包括光源单元的照明单元发射的光，其中空间光调制器装置通常同时用作屏幕或显示面板。因此，必须严格确保光束平行入射到空间光调制器装置上并实现空间光调制器装置的高刷新率。为了实现写入空间光调制器装置的信息的三维呈现的高质量，除了空间光调制器装置的整个表面的均匀照明之外，需要在照明单元之外耦合的波阵面(wave front)的至少限定准直。这对于要产生的重建形式的全息呈现非常重要。可以是例如由三维场景的物点组成的物体的全息信息被编码为空间光调制器装置的像素中的振幅和相位值的形式。通过空间光调制器装置发射的波场重建编码的物点。
不能以常规空间光调制器装置的单个像素直接满意地显示用于调制波阵面的相位和振幅的复合全息图值。然而，每个像素仅有一个值的调制(即仅相位调制或仅振幅调制)仅导致优选移动的三维场景的全息重建不足。在广义参数意义上，复合全息图值的直接且因此优化的表示只能通过优选在同一平面并且同时在空间光调制器装置中的复合值调制来实现。
然而，由单个物点或物点云组成的优选的三维物体的全息重建导致在查看重建物体的观察者眼睛视网膜处的物点间串扰，这通过引入添加到设计的视网膜图像的颗粒度而降低了呈现的图像质量。这里，必须指出的是，术语“视网膜物点间串扰”与术语“散斑”描述并不相同。初看起来可能是一样的，但仔细观察就会发现本质区别。
散斑是一种真实的随机三维(3D)干扰效应。换句话说，散斑效应导致相同频率的相干波阵面的干扰，其加到一起以获得振幅随机变化的合成波阵面。例如，可以通过利用激光照射粗糙表面来产生散斑。存在两种散斑，客观散斑和主观散斑。客观散斑被定义为在3D空间中，即当散射离开粗糙表面的相干光落在另一表面或平面上时产生的3D干涉图案。主观散斑被定义为由个体对象识别的干扰图案，即当用相干光照射的粗糙表面被成像然后在图像平面中观察到散斑图案时。使用了成像装置。例如在Goodman，J.W.(1976)，“散斑的一些基本属性”，JOSA，66(11)，1145-1150描述了术语散斑。
术语“视网膜物点间串扰”是由于相邻点扩散函数(PSF)的相干叠加。在空间中产生的相邻物点被变换为在查看物点的用户/观察者眼睛的视网膜处呈现的相邻点扩散函数。在观察者的眼睛的视网膜处产生的干涉图案取决于表示通过使用子全息图编码技术(例如，在WO 2004/044659 A1中公开的)在空间中产生的两个相邻3D物点的相邻点扩散函数的复合值分布。例如，即使轻微的相位变化也可以引起在观察者眼睛的视网膜处获得的强度分布的明显变化，因此可以由观察者检测到。根据互相干性和相互相位差描述这种相邻点扩散函数叠加的示例可以在G.Fütterer的文章“紫外-剪切干涉法测量光刻‘相移’掩模和VUV结构”，现代光学进展，Vol.4，IOIP，MPF，埃尔兰根-纽伦堡大学，2005，ISBN：3-932392-61-2第4.1.1节中找到。
可以分析地考虑视网膜物点间串扰的这种影响，并且可以调整视网膜点扩散函数以便实现3D物点或3D物点云的设计强度分布而没有可见的颗粒度。描述如何通过定制要转移到探测平面(例如视网膜)上的物体的相位和强度分布来产生目标强度分布的示例可以在G.Fütterer，的文章“紫外-剪切干涉法测量光刻‘相移’掩模和VUV结构”，现代光学进展，Vol.4，IOIP，MPF，埃尔兰根-纽伦堡大学，2005，ISBN：3-932392-61-2第1.1.1节中找到。
术语“散斑”仍然经常被误导地用于描述由视网膜物点间串扰引起的效应。除了内部物点间串扰之外存在的散斑必须与术语视网膜物点间串扰清楚地区分。如上所述，这两个不同的术语描述了在物理意义上基本上不同的两种现象。
已知的现有技术文献描述了全息图的一维(1D)编码，其具有在约1/20度内的滤色器和一个RGB(红色、绿色、蓝色)滤色器组或具有跨越约1/20度至略小的水平角度范围(这意味着仍然大于1/40度角度范围)内的竖直子全息的彩色连续1D编码的RGB。
文献WO2010/052331A1描述了一种具有滤色器的显示器。具有RGB基色的平行竖直彩色条的滤色器被分配给图像分离装置。彩色条以周期性方式在滤色器内水平重复。光调制器包括两个全息图的序列，每个颜色交织成针对观察者的左眼和右眼的几个像素列。滤色器和全息图的周期以相同的膨胀程度相对于彼此设置，其中彩色条和具有所述彩色条颜色的全息图的至少两个像素列被分配给分离元件。
在另一现有技术的文献中，公开了一种显示装置，其中在空间光调制器装置中设置正交偏振滤光器，以减少空间光调制器装置的相邻像素之间的串扰。然而，这里应该注意的是，不应该将串扰与视网膜物点间串扰相混淆。
文献US 8,441,703 B2描述了如何重建空间上较细的物点，该物点彼此以合理的大距离放置，以便不显示重建的点扩散函数的叠加。
因此，本发明的一个目的是提供一种用于优化和提高全息重建的二维和/或三维物体的图像质量的显示装置和方法。尤其地，本发明的一个目的是提供一种显示装置和方法，利用该显示装置和方法可以抑制点扩散函数的旁瓣(side lobe)，并且可以减少视网膜物点间串扰，以实现增加的或优化的图像质量。
为此，通过权利要求1的特征实现了根据本发明的目的。
用于二维和/或三维物体的全息重建的显示装置包括多个物点。显示装置包括照明单元、空间光调制器装置和分离器。照明单元发射足够的相干光，其入射在空间光调制器装置上。在空间光调制器装置上，要显示的物点的子全息图以像素编码。设置分离器用于分离由相邻物点的子全息图产生的在观察者眼中的相邻点扩散函数，使得相邻点扩散函数彼此互不相干以实现增加的图像质量。
视网膜上设计的强度分布的优化可以通过互相干的物点优化来实现，例如，包括相位和振幅适应，并通过在其强度分布中调整物点的互不相干子集，以获得最终设计/目标强度分布。这意味着互相干的点扩散函数(角度间隔1/30度的那些)的总强度分布是可以通过改变点扩散函数的复合值分布来优化，以便获得目标强度分布，其代表理想3D内容的一部分。现在优化的物点相干子集与不相干的其他子集叠加。因此，不同的物点子集相对于彼此不相干。
可以使用复合值空间光调制器装置(SLM(C-SLM))。空间光调制器装置可以是例如夹层型空间光调制器装置，其包括例如调制振幅(A-SLM)的第一空间光调制器和例如调制相位(P-SLM)的第二空间光调制器，反之亦然。
因此，根据本发明的主要思想是使用重建点扩散函数的互不相干子集，其相当于成像的三维(3D)物点，其在人眼的角分辨率极限内成角度地放置，其中在最佳情况下人眼的角分辨率极限是1/60度。
在从属权利要求中限定了本发明的进一步优选实施例和改进。
在本发明的第一优选实施例中，显示装置可以设计成使得物体被分成至少两个物平面，其中每个物平面被分成至少两个(优选三个)竖直子集和至少两个(优选三个)的水平子集，子集相对于彼此成角度地移位或移动。
可以提供用于重建空间上较细的物点。这意味着例如具有在1/30度范围内的物点网格的角分辨率的重建，其大于人眼的角分辨率，即1/60度。另外，设置为使用两个或优选三个竖直子集和两个或优选三个水平子集，这些子集相对于彼此成角度地移位或移动以便提高图像质量，图像质量受到在观察者眼睛的视网膜上出现的物点间串扰的影响。
在图2中，示出了点扩散函数的旁瓣干扰图，其是视网膜物点间串扰的原因。具体地，图2示出了相邻点扩散函数的叠加，其通过使用艾瑞函数(Airy-functions)来描述。实线表示在光学系统的分辨率极限处的不相干叠加，分辨率极限相当于人眼情况下的1/60度的角间距。图2中的虚线表示在分辨率极限处两个点扩散函数的相干叠加。这两个相干点扩散函数之间的相对相位差为零。存在于两个点之间的中心的强度降低的百分比与不相干情况中的相同，其约为强度分布中心的左侧和右侧存在的峰值强度的75％。虚线表示在分辨率极限下两个点扩散函数的相干叠加。这两个相干点扩散函数之间的相对相位差是π(Pi)。在这种情况下，在两个点扩散函数之间存在零强度值。图2示出了相干情况下的互相干和相互相位差对于在人眼视网膜上获得的强度分布的限定是重要的。
相邻的视网膜点扩散函数(其表示三维物点)彼此干扰。防止或消除相邻视网膜点扩散函数的干扰的一种方法是完全减少或减小所产生的衍射图案的旁瓣，这减少了点扩散函数的外部叠加区域中的干扰。然而，通常这样做不能解决视网膜物点间串扰的问题。作为开始，衍射图案的旁瓣减小以实现物体强度分布。如果相干点扩散函数移动为靠近在一起并因此将它们的叠加区域放大，则所引入的相移限定了所获得的强度分布。π(Pi)的相对相移(例如用于相移掩模)将在两个相邻的物点之间产生暗线并增加它们彼此识别的相互距离。这在图2中示出。为了避免两个相邻物点之间的暗线，优选使用π/2的相互相位差。应该注意的是，这可以仅作为优化的起始值。这也指出在重建的物点之间存在的随机相位分布不是优选的。接近π的相邻相位差的值降低了在观察重建物体的观察者眼睛的视网膜上呈现的图像质量。
根据本发明，提供了避免视网膜点扩散函数PSFij的任何明显叠加的不同方法，其优化衍射图案旁瓣形状、减少旁瓣并优化相邻视网膜点扩散函数PSFij的相对相位差，从而能够实现三维物体的合理恒定强度分布，这可以从观察者平面中的虚拟观察窗内的不同位置看到。如果对相邻物点之间的随机相对相移进行编码，则优选将所使用的相位范围限制为小于±π/4。这也可以用于放置在例如3x1/60或4x1/60度的相对角度距离处的物点，这被称为HD(高清晰度)观看。
在本发明的另一优选实施例中，设置为对于一维编码全息图或者对于空间光调制器装置中的二维编码全息图而言，分离器可以设计为滤色器条布置，优选地是基色滤色器条布置。
在使用意为例如仅需要竖直视差(VPO)的一维(1D)编码的情况下，必须使用空间光调制器装置的互不相干列，以便产生三维场景或三维物体的物点。这可以通过使用滤色器条布置并且也通过使用时间顺序的颜色产生来实现。
可以按时间顺序显示不同的颜色，例如，在LC(液晶)-偏振光栅用于精细跟踪的情况下。这也意味着本发明一般不明确限定使用滤色器条或滤色器。
优选使用比HD(高清晰度)分辨率所需数量还多的空间光调制器装置(SLM)的一维(1D)编码条，其相当于1/60度角分辨率或每度60个物点。这可以通过使用滤色器来实现。然而，在某些情况下，滤色器并非是正确的方式。如果使用滤色器，则应在1/60°的水平角度范围内放置至少两个RGB(红色、绿色、蓝色)滤色器条组。可以以交错的方式重建物点。因此，在观察由多个物点组成的重建场景的观察者眼睛的视网膜上重建的相邻物点彼此不相干。
优选地，空间光调制器装置的每个初级子全息图或初始像素可以被分为表示至少两个子集并产生至少两个波场的至少两个限定的部分。换句话说，包括初级子全息图的空间光调制器装置上的区域或部分可以被分为至少两个子集或限定的部分。可以为每个子集分配三色(RGB)滤色器条。更优选的是将分配给光调制器装置的初级子全息图或单个初始像素的色条的密度增加到例如每像素的三色条的原始密度的三倍(3x)或四倍(4x)。这意味着每个初级子全息图或每个初始像素被分为三个或四个定义的部分，即所谓的三个或四个子集，其中三色(RGB)滤色器条被分配给每个定义的部分或子集。
在本发明的另一优选实施例中，可以设置的是，滤色器条布置是基于吸收型染料的滤光器布置或介质滤光器布置，其被构造成分配给初始像素或初级子全息图的子集。
滤色器条布置或者通常的滤色器可以用来降低提供复合调制波场的SLM所必需的帧速率。可以优选使用基于吸收型染料的滤光器阵列，其构造为与SLM像素对齐。现代涂层技术可以应用陷波滤光器，例如条布置也是如此。这意味着色条可以反射两种基色RGB(红色、绿色、蓝色)，而只传输一种颜色。这可以通过大于0.9的透射系数来实现，而该特定色条的另外两种不需要的波长以接近1的系数被反射。
有利地，可以设置的是，对于要编码的二维(2D)全息图而言，初级子全息图或初始像素的至少两个限定部分形成两个半部，其中像素被水平或竖直分离。
空间光调制器装置(SLM)具有作为调制要素的像素。像素可以具有矩形或正方形或圆形或六边形或任何其他形状。SLM的这种像素可以分成至少两个限定的部分。像素的这两个限定部分可以形成两个半部。这意味着像素可以水平或竖直分开，以形成右和左部分/半部/子集或上和下部分/半部/子集。实质上，由SLM产生像素的两个部分或子集。SLM的右子集和左子集或SLM的下子集和上子集在SLM的傅里叶平面中产生等效强度分布。换句话说，如果在SLM中使用恒定相位，则右/上子集的振幅分布和左/下子集的振幅分布的傅里叶平面中的强度分布是相同的。两者傅立叶变换的相位值与此解释无关。因此，使用SLM的两个子集的不相干叠加作为振幅分布。
此外，可以有利地设置的是，分离器被设计为图案化延迟器的布置，优选地用于将具有限定偏振态的光转换成光的两个图案化的子集。
设置图案化延迟器的布置以将初始偏振态(其可以是例如线性偏振态)转换为两个图案化的子集。两个图案化子集具有正交偏振态。例如，SLM像素的主孔(例如方形像素孔或任何其他合适的形状)分为两部分。这意味着它是SLM的初始像素数的两倍，因此也使SLM的初始像素密度加倍。初始像素或初级子全息图的两个子集设有限定的图案化延迟器。第一子集可以设置有+π/4图案化延迟器，第二子集可以设置有-π/4图案化延迟器。如果用线性偏振光照射包含每个像素的这两个子集的SLM，则在SLM的出射平面处将存在两个正交偏振波场，其与携带不同图案化延迟器的SLM的每个像素的两个子集相关。换句话说，图案化延迟器的布置可以设置在像素的平面中并且分配给空间光调制器装置的像素，其中像素的每个限定部分或像素的每个子集设置有图案化延迟器布置的限定的图案化延迟器。像素的至少两个限定部分具有提供正交偏振的不同图案化延迟器。有利地，仅在水平方向上或仅在竖直方向上看到的相邻图案化延迟器的偏振取向彼此正交。
在本发明的另一实施例中，可以设置的是，图案化延迟器的布置被设计为分配给像素的至少两个限定部分的图案化偏振滤光器的布置。这允许像素的一个子集的水平定向的电场的透射以及像素的另一个子集的竖直定向的电场的透射。因此，图案化偏振滤光器的布置提供条状图案，其具有透射的偏振态的交替取向。
根据本发明，可以设置的是，图案化偏振滤光器的布置提供正交偏振态的图案，该图案是沿着竖直方向(y方向)和水平方向(x方向)的固定图案，其中沿着深度方向(z方向)图案被反转并以交替方式使用。
可以在空间中的不同网格处产生物点。在三维空间中，物体的深度平面可以具有交替的分配图案。这意味着具有相同x坐标和相同y坐标但放置在相邻深度平面的物点可以优选地具有正交偏振态。换句话说，可以沿着z坐标以交替方式使用向表示偏振态的物体的深度平面的分配图案。因此，对于相邻的z平面，偏振态被反转。然而，最简单的方式可以是沿竖直方向和水平方向使用固定图案，并沿z坐标(深度坐标)以交替方式反转，z坐标是到观察者的距离或物体被分割的不同z平面的距离。
在本发明的另一有利实施例中，可以设置的是，显示装置包括从光的传播方向看布置在空间光调制器装置后面的非图案化延迟器，其提供具有包含两个互不相干波场的单个出射偏振态的光。
添加设置在SLM后面优选设计为偏振滤光器的非图案化延迟器提供光的单个出射偏振态，其包含两个互不相干的波场。这两个互不相干的波场包括或承载三维(3D)物体或场景的一部分。
此外，根据本发明的显示装置可以以这样的方式设置：在表示物点的子全息图的计算中，使用楔形函数在限定的角度范围内横向移动物点。
为了实现两个正交偏振，可以编码子全息图中的楔形函数，其可以在观察者平面中的观察窗所跨越的角度范围内横向移动物点。对于将全息图二维(2D)编码到SLM中，可以沿竖直方向以及水平方向完成楔形函数的编码。换句话说，例如，像素的方形/正方形区域的左和右分离可以产生水平分离，其是相邻正交偏振视网膜点扩散函数的左和右分离。像素区域的上和下分离可以产生竖直分离，该竖直分离是相邻正交偏振视网膜点扩散函数的上和下分离。这也可以应用于像素的矩形或任何其他合适的像素形状。
相对于全息图的一维(1D)编码，全息图的二维(2D)编码提供了实现任意形状的二维相位楔形函数的可能性。只需要潜在的二维楔形分布的子集。也就是说，楔形函数可以是任意形状的二维相位楔形函数。
在本发明的另一实施例中，可以设置的是，各个物点的波阵面的复合值的相对相位以这样的方式限定：使得由表示物体的相邻物点的点扩散函数产生的观察者眼睛中的总强度分布和目标强度分布之间的差最小化。通过计算视网膜上的物点，可以进行此操作。视网膜上的强度在强度太高的区域减小，并且在强度太低的区域强度增加。换句话说，强度的实际分布适应于强度的目标分布。
可以以使“观察者眼睛视网膜平面中的应为/目标强度分布I(X，Y)_视网膜”和“眼睛视网膜平面中的实为/总强度分布I(X，Y)_视网膜”的差最小化的方式选择物体或场景的各个物点的相对相位，即相互相位差。通过使用分析模型，可以直接计算优化相位和强度。如果不能使用这样的分析模型，则可以使用以下过程。尚未考虑视网膜物点间串扰的优化图像可以在模型中传播到视网膜，例如通过使用波传播方法(WPM)或通过使用菲涅耳变换。此后，确定目标强度分布与总强度分布之间的偏差。在下一步骤中，可以以减小偏差的方式修改或改变各个物点的相位。该过程可以迭代。在计算空间光调制器的优化复合值期间，这涉及另外的迭代。
可以以使由表示物体的相邻物点的点扩散函数产生的观察者眼睛中的总强度分布和目标强度分布之间的差最小化的方式有利地限定各个物点的波阵面复合值的振幅。通过计算视网膜上的物点可以进行此操作。在强度太高的情况下，视网膜上的强度降低，而在强度太低的情况下强度增加。换句话说，强度的实际分布适应于强度的目标分布。
可以以使得“观察者眼睛的视网膜平面中的应为/目标强度分布I(X，Y)_视网膜”和“眼睛的视网膜平面中的实为/总强度分布I(X，Y)_视网膜”的差最小化的方式来选择各个物点的强度，即波阵面复合值的振幅。通过使用分析模型，可以直接计算优化相位和强度。如果不能使用这样的分析模型，则可以使用以下过程。尚未考虑视网膜物点间串扰的优化图像可以在模型中传播到视网膜，例如通过使用波传播方法(WPM)或通过使用菲涅耳变换。此后，确定目标强度分布与总强度分布之间的偏差。在下一步骤中，可以以减小偏差的方式修改各个物点的振幅。该过程可以迭代。在计算空间光调制器的优化复合值期间这涉及另外的迭代。
换句话说，可以选择迭代优化。在哪个方向上必须移动两个物点之间的相对相位以便更接近目标强度分布取决于要编码的图像内容。叠加是分析性的。通过这种方式，也可以在数学上产生一个点和其他点。可以分析地定位到一点的相邻点。也就是说，可以沿着所述图像的边缘产生图像。
可选地，也可以用于初始编码，然后迭代地优化该初始编码。在此过程中，应检查与目标强度分布或与目标图像的偏差或差。提供阈值以停止迭代。
此外，可以有利地设置变迹剖析(apodization profile)或变迹函数。可以在空间光调制器装置的像素平面中提供变迹剖析，以实现物体的各个物点的变迹子全息图。
在可以合理大(即例如≤HD/2(最大分辨率的一半))的物点情况下，可以以使“应为/目标强度分布I(X，Y)_视网膜”和“实为/总强度分布I(X，Y)_视网膜”的差最小化的方式修改物点。这可以通过表示物点的变迹子全息图来实现，所述物点形成在将由眼睛的点扩散函数拾取的平面内。观察者正在查看的所有物点都是由SLM产生的。因此，可以使用存在于SLM子全息图中的复合值强度分布，以便产生具有减小的旁瓣的点扩散函数。这意味着例如使用能够在观察者眼睛的视网膜上产生点扩散函数的变迹子全息图。这些点扩散函数不应该是艾瑞分布，而是例如没有任何旁瓣的高斯分布。可以以使“应为/目标强度分布I(X，Y)_视网膜”和“实为/总强度分布I(X，Y)_视网膜”的差最小化的方式抑制物点强度分布中的旁瓣或者甚至影响它们的形状。然而，如果在叠加中可以实现与视网膜上的目标强度分布的较低偏差，也可以增加旁瓣以这样做。
这种做法可以更好地应用于合理的大物点。然而，它不限于该应用。对于非常小的物点和由此产生的大的子全息图，旁瓣强度的变化不是那么有效。
子全息图的变迹函数可以是a(x，y)_SLM(SLM平面中的变迹函数)以及相位(x，y)_SLM(SLM平面中的变迹函数)，这意味着c(x，y)_SLM(SLM平面中的变迹函数)。因此，SLM平面内使用的变迹函数可以是复合值的。
在本发明的另一实施例中，可以设置的是，SLM的子全息图在其形状上是可修改的。
SLM的子全息图可以具有任何形状。子全息图的外形可以变化。这种参数变化改变了各个物点的视网膜点扩散函数的形状。它可以使用例如圆形或方形/正方形，其中也可以使用其他所有形状。尤其对于二维(2D)编码而言，可以使用通过使用子全息图的修改形状来对物点进行整形。可以根据物点调整子全息图的形状。适应的形状与c(x，y)_SLM有关，例如其可以仅使用固定的圆形或方形。字符“c”表示它涉及复合值。
优选地，可以设置的是，在观察者眼睛的情况下使用固定的预定义点扩散函数网格。
可以使用固定网格的点扩散函数PSFij，以优化由物点产生的强度分布中的旁瓣。该点扩散函数的固定网格也可用于优化点扩散函数PSFij的相对相位差和强度。利用这种优化，可以获得重建的视网膜图像，其合理地接近三维(3D)场景的目标视网膜图像。关于点扩散函数PSFij的后缀ij是表明二维网格的点(优选地是放置在视网膜受体的二维球形弯曲网格处的点)的指标。
还可以设置的是，照明单元适于以优选地通过使用线栅偏振器结构的方式发射两个正交偏振波场。
照明单元可以包括用于发射两个正交偏振波场的装置或者可以适合于它。优选地，这种装置可以是例如优选地是二维线栅偏振器结构的线栅偏振器结构或线栅偏振器。线栅偏振器结构可以实施为设置在照明单元中的两个反射镜的镜子，其用在照明单元的至少一个光源的谐振器的端部。至少一个光源可以是例如激光或激光二极管。这种特殊的线栅偏振器结构的周期通常小于п/2n，其中п是激光波长并且n是线栅偏振器的基板/结构的相应折射率，激光在这种情况下用于所用的光源，即它也可以是激光二极管或LED。通过使用线栅偏振器结构，两个线性正交偏振态具有最大反射率，反射率接近1(100％)。通过添加介电层堆，可以增强金属的二维条状线栅偏振器结构的反射率。这种二维线栅偏振器结构也可用于照明单元。例如，线栅偏振器结构或另一种镜子可以用在照明单元的光源腔的端部，以便提供例如两种正交线性出射偏振态。
照明单元可以包括至少一个光源，优选为激光器或激光二极管，其设置用于产生波场。照明单元可以包括根据基色的至少一个光源。还可以规定的是，照明单元包括条状光源布置。
优选地，可以设置根据基色RGB(红色、绿色、蓝色)的至少两个互不相干的光源。
根据本发明，还可以设置的是，空间光调制器装置利用沿着相干方向的≤1/60度和沿着不相干方向的0.5到1度的平面波的角谱照射。
空间光调制器装置可以用例如水平方向(这是不相干方向)上0.5到1度的平面波的角谱照射。这足以跨越观察者平面中的水平最佳点。平面波的角谱优选地明显小于1/60度，这意味着例如沿竖直方向的仅1/120度，其是相干方向或换言之，一维(1D)编码的全息三维(3D)显示装置的子全息图编码的方向。根据所需的情况，相干方向也可以是水平方向，不相干方向可以是竖直方向。
有利地，可以设置的是，互相干场限定于最大延伸，最大延伸是空间光调制器装置中最大子全息图的尺寸。
关于所使用的光源，由光源发射的光的相干性必须尽可能低，但高达将物点全息编码到空间光调制器装置中所需的程度。如果观察者移动到另一位置，则跟踪装置可以跟踪观察者平面中的观察者窗口。在根据本发明的显示装置的光路中跟踪观察者窗口和附加衍射光学元件所需的跟踪角度在与空间光调制器装置上的子全息图的延伸相关的区域内引入光程差。这是照明单元的光源的线宽≤0.1nm的原因。除了引入光程差之外，增加的线宽还会在重建中引入物体或场景的模糊。这样的模糊是由显示装置中使用的衍射光学元件产生的衍射色散所造成的。
光源的线宽(优选地必须≤0.1nm)是所需的相干特性的仅一个方面。另一方面是空间相干性的延伸或更准确地说是互相干的绝对值。当沿滤色器条方向提供光的足够的相干性(例如>0.8)时，例如在空间光调制器装置的像素平面中提供的相邻滤色器条之间的互相干可以消除。另外，被定制为例如可以与滤色器条平行取向的一维线状部分的互相干场限定于最大延伸。最大延伸可以具有最大子全息图的尺寸。
例如，为了设定光程差的最大值以及因此设定所使用的光源的线宽或互相干的最大延伸(其中这样的程序可以用来限定空间光调制器装置上的子全息图的尺寸)，不必考虑观察窗口的尺寸及其在空间光调制器装置上的投影。然而，应该使用或考虑人眼的入射瞳孔以便使其设定并且获得足够的参数以实现光的尽可能低的相干性。
空间光调制器装置可以有利地设计为复合值空间光调制器装置。这种复合值空间光调制器装置应该能够重建与不同基色(RGB)相关的不同不相干物点子集。
本发明仅描述了使用单个空间光调制器装置(SLM)的显示装置，其能够一次重建与不同基色相关的不同不相干物点的子集。
本发明的目的还通过根据权利要求31的方法来实现。
本发明涉及一种用于优化和提高重建的二维和/或三维物体的图像质量的方法，其中每个物体包括多个物点。针对每个物点计算子全息图，其以空间光调制器装置的像素编码。重建的相邻物点在观察者的眼睛中产生相邻的点扩散函数。点扩散函数由分离器分离，使得相邻点扩散函数仅在观察者的眼睛中不相干地叠加，以便有利地消除视网膜物点间串扰。
有利地，可以设置的是，表示要向观察者显示的物点的波场的不相干子集被不相干地产生和叠加。
现存在用于有利地布置和改进本发明的教导和/或尽可能地将上述实施例彼此组合的多种可能性。在这方面，一方面参考从属于专利权利要求1的专利权利要求，另一方面参考下面借助于附图对本发明的优选示例性实施例的说明。结合借助于附图对本发明的优选示例性实施例的说明，通常还解释了该教导的优选布置和改进。
在图中：
图1示出了与利用计算机产生的全息图来重建三维物体的方法相关的显示装置的示意图；
图2示出了根据现有技术的点扩散函数的强度分布，其中相邻点扩散函数是叠加的；
图3示出了根据本发明的设计为滤色器条布置的分离器；
图4示出了由图1所示的空间光调制器装置的一部分重建的七个白色物点的单个线；
图5示出了查看包括物点的场景的观察者对聚焦和非聚焦物点的视网膜放置的图示；
图6示出了空间光调制器装置的一部分，其表示十乘十的像素，具有像素孔和0.9的填充因子，其中提供了二元振幅透射；
图7示出了图6所示的强度分布的傅里叶变换的强度分布，其表示空间光调制器装置的平面的振幅分布；
图8示出了仅使用右半部分像素孔和约为0.5的填充因子的空间光调制器装置的一部分，其中提供了二元振幅透射；
图9示出了图8所示的强度分布的傅里叶变换的强度分布，其表示空间光调制器装置的平面的振幅分布；
图10示出了仅使用左半部分像素孔和约为0.5的填充因子的空间光调制器装置的一部分，其中提供了二元振幅透射；
图11示出了在根据本发明的显示装置的照明单元中使用的二维线栅偏振器结构的图示；
图12示出了具有像素孔和0.5的填充因子的空间光调制器装置的一部分，其中提供了二元振幅透射，并且使用了用于水平定向电场的透射的图案化偏振滤光器；
图13示出了具有像素孔和0.5的填充因子的空间光调制器装置的一部分，其中提供了二元振幅透射，并且使用了用于竖直定向电场的透射的图案化偏振滤光器；
图14示出了设置有图案化延迟器布置的空间光调制器装置的一部分，其中空间光调制器装置的像素的两个子集是嵌套的，其中两个子集具有正交的出射偏振态；
图15示出了具有像素孔和约为0.25的填充因子的空间光调制器装置的一部分，其中提供了二元振幅透射；
图16示出了图15所示的强度分布的傅里叶变换的强度分布；
图17示出了设置有图案化延迟器布置的空间光调制器装置的一部分，其中空间光调制器装置的像素的两个子集与图14中的一个子集正交嵌套，其中这两个子集具有正交出射偏振态；
图18示出了正交偏振态的棋盘状分配图案的图示，其与在空间中或在观察者眼睛的视网膜处重建的三维物点有关。
相同的参考标记表示各个图中和在提供的情况下所附描述中类似的组件。在下文中，名称“在……前面”和“在……后面”，例如，在空间光调制器装置前面，表示关于光的传播方向所看到的光。
用于二维和/或三维场景或物体的全息重建的显示装置包括空间光调制器装置4和照明单元5。场景或物体包括多个物点，如图1所示。图1示意性地表示将场景或物体编码到空间光调制器装置4中。三维物体1由多个物点构成，其中在这里表示为仅四个物点1a、1b、1c和1d，以便解释编码。另外示出虚拟观察者窗口2，观察者(在此由所示出的眼睛表明)可以通过虚拟观察者窗口2观察重建的场景。利用虚拟观察者窗口2作为限定的观察区域或可见区域以及四个所选择的物点1a、1b、1c和1d，锥体分别投射通过这些物点1a、1b、1c和1d，并且继续至空间光调制器装置4的调制表面3上(在此仅部分表示)。在调制表面3中，这产生空间光调制器装置4中的编码区域，其中编码区域的形状不必与观察窗口2的形状相对应。也就是说，空间光调制器装置4上的编码区域也可以比由物点投射通过观察窗口2到达调制表面3所设定的更大或更小。编码区域被分配给物体相应的物点1a、1b、1c和1d，其中物点1a、1b、1c和1d在子全息图3a、3b、3c和3d中被全息编码。因此，每个子全息图3a、3b、3c和3d仅在空间光调制器装置的调制表面3的一个区域中被写入或编码。从图1中可以看出，根据物点1a、1b、1c和1d的位置，各个子全息图3a、3b、3c和3d可以在调制表面3上完全或仅部分(即仅在某些区域中)叠加。为了以这种方式编码或写入要重建到调制表面3中的物体1的全息图，必须对物体1的所有物点执行上述过程。因此，全息图由多个单独的子全息图3a、3b、3c、3d，……3n构成。以这种方式在空间光调制器装置中的计算机产生的全息图由照明单元5(仅示意性地示出)结合光学系统照明以进行重建。
参考图1，由编码区域限定的全息图部分内的各个子全息图3a、3b、3c和3d具有基本恒定的振幅，振幅值根据物点的亮度和距离以及相位而变化，相位对应于透镜的功能、透镜的焦距以及随着物点的深度坐标而变化的编码区域的尺寸。在由编码区域限定的部分之外，各个子全息图的振幅值为0。通过所有子全息图3a、3b、3c、3d...3n的复合值的加和获得全息图。
照明单元5可以包含几个特定的修改，以优选地用在全息显示装置中。照明单元可以用于相干光和用于仅显示降低的空间和/或时间相干性的光。振幅变迹和相位变迹可以用于优化在照明单元5的入射平面之后的传播的强度轮廓。滤色器提供了分别针对不同颜色优化该强度分布的机会。说明书依据离散的实施例。
在下文中，将描述和解释抑制视网膜物点间串扰，串扰降低重建场景或物点的图像质量。在三维场景或物体的全息重建期间引起该视网膜物点间串扰。
在显示装置中存在多个要优化的参数以便获得所需的图像质量。要考虑的一个参数是人眼入射瞳孔的直径。为此，使用点扩散函数的先验知识，其接近应用于观看全息三维场景的观察者的真实情况。可以使用通过使用眼睛跟踪和眼睛检测系统获得的数据，该系统在相对于显示器的限定位置处检测观察者的眼睛的位置。观察者眼睛的入射瞳孔的直径取决于观察者正在观看的场景或物体的亮度。因此，可以使用代表场景或物体的当前亮度的值。此外，由眼睛跟踪和眼睛检测系统提供的图片也可用于提取观察者眼睛入射瞳孔直径的更准确的值，眼睛跟踪和眼睛检测系统包括用于记录观察者位置并且尤其用于记录观察者眼睛的入射瞳孔的至少一个摄像机。
原则上，观察者的眼睛可以具有艾瑞形状的点扩散函数，其用于“拾取”从物体发出的三维场。如果观察者的眼睛聚焦在例如在1米处放置的物点上，则放置在所述1米处并且在眼睛的视网膜上成像的物点的点扩散函数小于例如放置在0.8米处的物点的点扩散函数，并且小于放置在1.5米处的物点的点扩散函数。换句话说，观察者所关注的物点在最小点扩散函数的情况下被转移到其眼睛的视网膜。然而，失焦或即使是仅稍微失焦的物点具有比聚焦的物点的点扩散函数更大的点扩散函数。散焦意味着加宽相应的散焦物体平面的点扩散函数。
物体所有物点的波场的这些“拾取和波转移”函数(即在其上聚焦的平面的点扩散函数)必须通过观察者眼睛的相同入射瞳孔。由于观察者正在观看的物体的相邻物点彼此非常接近，因此从这些物点发出的转移波场在相同的位置或地方处以及以近似相同的角度到达观察者眼睛的入射瞳孔。因此，必须考虑的眼睛入射瞳孔的相位函数是相同的。换句话说，这里有共同的路径安排。拾取并转移到视网膜的相邻物点的复合值点扩散函数是相同的。另外，对于相距很远的物点，必须考虑略微不同的点扩散函数。例如，对于接近显示装置的光轴的物点的转移，可以使用较窄的点扩散函数作为利用稍宽的点扩散函数转移的图像边缘处的物点。
为了使物体的相邻物点之间的视网膜物点间串扰最小化，应改进以下参数：
I)从物点发射的相对相位，
II)从物点发射的相对振幅，以及
III)相邻物点的彼此横向位置或距离，其可在两个相邻衍射级的角范围内稍微移动。也就是说，使用小的相位楔形物，其中例如±1/60度或±1/40度范围的物点可以移动。因此，它与等距点阵略有不同。
为了优化重建的物体或场景的图像质量，在执行全息重建之前将物体或场景划分为单独的深度平面。必须针对每个单独的离散深度平面(例如128个深度平面)、与呈现给眼睛的亮度相关的一组入射瞳孔直径(例如2mm、2.2mm、2.4mm、……3.6mm)以及每种基色RGB(红色、绿色、蓝色)的相对相位、相对振幅和横向位置的值进行优化。因此，包括相对相位、相对振幅和横向位置的优化值的产生的数据集可以保存在查找表(LUT)中。这些产生的数据集可以包括在要在空间光调制器装置中编码的子全息图的计算中。
用于确定观察者眼睛的瞳孔的可假设孔的第一种方法可以使用平均亮度(例如，电视为50-250cd/m2、桌面显示器为100-300cd/m2)，从而能够选择可以至少在正确的范围内的入射瞳孔直径。可以根据图像内容计算亮度强度。
第二种方法可以使用眼睛跟踪系统的数据来测量入射瞳孔直径并选择查找表的正确数据子集。
在计算对应于物点的子全息图期间，作为优化上述参数的一种解决方案，可以使用平均亮度(例如在25cd/m2和1000cd/m2之间)来选择基本上在所需范围内的眼睛的入射瞳孔直径。另一种解决方案是使用眼睛跟踪和检测系统所获得的数据。利用这些数据，可以测量入射瞳孔直径，并且可以选择查找表的所需数据子集。换句话说，由眼睛跟踪和检测系统的摄像机记录的与距离测量有关的图像可以用于确定瞳孔的直径。
另一解决方案是使用观察者眼睛的入射瞳孔的距离来限定眼睛的两个光轴的旋转角度。以这种方式，可以确定处于眼睛焦距的两个光轴的交叉点。为此，可以需要为每个观察者进行单独校准。这可以通过实施由每个观察者处理一次的校准例程来完成。
但是，只能修改或调整或更改一组有限的参数。
一个示例是真实并且由此在显示装置前面的多个物点。观察者的眼睛可以聚焦在物点的这个平面上。观察者眼睛的点扩散函数拾取这些物点并将它们转移到观察者眼睛的视网膜。
有几个选项可供选择，在需要或必要或适合的情况下，可以组合这些选项：
1)
单个物点可以在其深度平面中以使“观察者眼睛视网膜上的应为/目标强度分布I(X，Y)_视网膜”和“观察者眼睛视网膜上的实为/总强度分布I(X，Y)_视网膜”的差最小化的方式虚拟地移动，其中I是眼睛视网膜平面中的强度分布，x和y是眼睛视网膜内的坐标，其被称为x轴和y轴的值。这可以通过在计算要编码到空间光调制器(在下文中也称为SLM)装置中的子全息图中引入小偏移相位函数来完成。在观察者平面中提供的一维或二维观察窗口的角度范围内的物点的移动与本发明无关。
2)
相对相位或更准确地说是各个物点的相互相位差被选择为使“观察者眼睛视网膜上的应为/目标强度分布I(X，Y)_视网膜”和“眼睛视网膜上的实为/总强度分布I(X，Y)_视网膜”的差最小化。为此，观察者的眼睛包括在计算过程中。计算图像在视网膜上的产生。因此，视网膜是参考平面。起点是要编码的场景。可以执行视网膜上的图像的迭代优化。在第一步中，可以添加所有子全息图并将其传播到视网膜。然后，可以确定视网膜上的总强度分布与视网膜上的目标强度分布的偏差。可以改变相位、振幅和位置。可以重新确定偏差。这可以通过使用迭代循环来执行。可以选择偏差阈值作为终止条件，例如，以偏差小于5％为条件。也可以限制迭代次数。
3)
各个物点的强度或振幅可以被选择为使得“观察者眼睛视网膜上的应为/目标强度分布I(X，Y)_视网膜”和“眼睛视网膜上的实为/总强度分布I(X，Y)_视网膜”之间的差最小化。为此，观察者的眼睛包括在计算过程中。计算图像在视网膜上的产生。因此，视网膜是参考平面。起点是要编码的场景。可以执行视网膜上的图像的迭代优化。在第一步中，可以添加所有子全息图并将其传播到视网膜。然后，可以确定视网膜上的总强度分布与视网膜上的目标强度分布的偏差。可以改变相位、振幅和位置。可以重新确定偏差。这可以通过使用迭代循环来执行。可以选择偏差阈值作为终止条件，例如，以偏差小于5％为条件。也可以限制迭代次数。
4)
对于合理大的物点，其可以是例如与拾取物点并将它们转移到观察者眼睛的视网膜上的点扩散函数的50％一样大，可以通过使“观察者眼睛视网膜上的应为/目标强度分布I(X，Y)_视网膜”和“眼睛视网膜上的实为/总强度分布I(X，Y)_视网膜”之间的差最小化的方式改变物点。这可以通过例如使用表示物点的变迹子全息图来完成，物点设置在由眼睛的点扩散函数拾取的平面内。观察者正在观察的所有物点都是由SLM产生的。因此，可以使用存在于SLM的子全息图中的复合值分布，以便产生具有减小的旁瓣的点扩散函数。这可以通过使用变迹子全息图来执行，该子全息图能够在观察者眼睛的视网膜处产生点扩散函数。点扩散函数不应该是艾瑞分布，而是没有任何旁瓣的例如高斯分布。
可以抑制或甚至以使“观察者眼睛视网膜上的应为/目标强度分布I(X，Y)_视网膜”和“眼睛视网膜上的实为/总强度分布I(X，Y)_视网膜”之间的差最小化的方式形成由物点产生的强度分布中的旁瓣。也可以如此增加旁瓣。旁瓣形状变化用作进一步的参数变化，其可以减小观察者眼睛视网膜上的总强度分布I(X，Y)_视网膜与目标强度分布I(X，Y)_视网膜的差。
对于物体或场景的合理大的物点，这样的过程可以更有效地发挥作用。“观察者眼睛视网膜上的应为/目标强度分布I(X，Y)_视网膜”和“眼睛视网膜上的实为/总强度分布I(X，Y)_视网膜”之间的差的变化在物点非常小的情况下并非非常有效，并且因此使用大的子全息图。
子全息图变迹可以是a(x，y)_SLM(振幅-SLM)和相位(x，y)_SLM(相位-SLM)，其产生c(x，y)_SLM(复合值SLM)。因此，SLM平面内使用的变迹可以是复合值。
5)
对于二维(2D)编码，可以通过使用所使用的子全息图的修改形状来设置物点的形状。子全息图的适应形状与复合值SLM c(x，y)_SLM有关，例如，其仅使用固定的圆形或方形/正方形。例如，它也可以使用六边形子全息图或在纵横比上稍微改变的子全息图。通常，复合值分布可以变化。使用的参数可以取决于三维场景的内容。这意味着可以与内容的改变相关的来改变子全息图的变迹复合值分布。换句话说，可以改变各个子全息图的相位和振幅的分布。
6)
如果不能实现重建的物体或场景的整体优化，其包括例如：所有z平面，其中z是平行于显示装置的光轴的纵向距离，则可以使用聚散(注视)跟踪来限定关注的深度平面。为此，确定观察者观看或注视的是什么。眼睛跟踪和检测系统可以确定该观看或注视，以便可以限定观察者的观看。因此，可以与观察者注视的z-平面或z-平面的范围相关地来优化将子全息图编码到SLM中的结果。
1)至6)中说明的选项可以相互组合以实现良好或所需的高质量。
虽然之前提到的这些选项可以组合，但最直接的方法或更实用的方法是使用固定网格的点扩散函数PSFij并优化点扩散函数PSFij的旁瓣、相对相位差和强度，从而得到重建的视网膜图像，该图像合理地接近于三维物体或场景的设计的视网膜图像。关于点扩散函数PSFij的后缀ij是表明放置在二维球形弯曲检测器平面或视网膜表面处的二维网格(优选为虚拟网格)的点的指标。
在下文中，针对SLM中的一维(1D)编码全息图描述了本发明：
通常，上述选项1)至6)可以另外用于一维编码全息图的以下选项。因此，可以进一步增强旁瓣抑制、视网膜物点间串扰减少和关于图像质量的优化。以下说明仅涉及一个维度。仅在一个维度上优化视网膜图像，这意味着仅在一个维度上分析和优化最邻近的点扩散函数PSFij，其可以比在二维中优化邻近的点扩散函数PSFij更快地实现。出于这个原因，例如，可以实时进行迭代优化或分析优化。这对于活跃的用户交互来说足够快速和有效，如同在游戏中一样。
使用人眼(即观察者的眼睛)的有限角分辨率是可用于SLM中的一维编码全息图的一种选择。为此，提供了几个一维编码的物点线，它们彼此不相干并且被视为一个编码线。因此，SLM上的不相干方向的像素密度增加。每个一维编码线产生例如以1/60度呈现给观察者的物点的1/3。在不相干方向内使用达到例如每度180个像素或更少的像素密度以减少观察者可以看到的相邻物点之间的串扰。
举例来说，人眼的角分辨率(在最佳情况下为1/60度)相当于可以分辨的物点的横向延伸。在与显示装置(总体上可以假设为电视(TV))的平均观看距离为3.5米时，1/60度相当于两个物点彼此的1.02mm的横向延伸。尽管实际分辨率明显较小，但例如1.2mm的周期性间隔可以用作电视应用的分辨率极限。在该上下文中，实际分辨率意味着并非针对最佳情况提供亮度，或者观察者眼睛的各个像差会降低所获得的有效分辨率。这里选择1.2mm的值只是为了使示例尽可能简单。如果使用竖直全息编码(这意味着仅竖直视差(VPO))，则子全息图被布置为SLM上的竖直条。
可以使用滤色器来降低提供复合调制波场的SLM所必需的帧速率。如通常已知的，基于吸收型染料的滤光器阵列可以用于结构上与SLM像素对齐的情况。现代涂层技术可以应用陷波滤光器，例如也以条布置。这意味着色条可以反射两种基色RGB，同时透射剩余的基色。这可以通过大于0.9的透射系数同时以接近1的系数反射该特定条的两个非要求的波长来完成。
例如，可以假设在1.2mm的水平宽度内提供三个滤色器条，这在3.5米观察距离处合理接近人眼的最佳情况的分辨率极限(1/60度)，如上面所说明的。
在现有技术中，已知在1.2mm的宽度内使用三个滤色器条。因此，存在三个RGB滤色器条，每个条的宽度为400μm。因此，红色、绿色和蓝色滤色器条的宽度均为400μm。
根据图3，竖直条的密度进一步增加。竖直条的密度比现有技术的密度高两倍、三倍(3x)或四倍(4x)。现在，在该示例性宽度1.2mm内有两对、三对或甚至四对或RGB滤色器条。这意味着存在宽度为仅133.3μm或100μm的色条。
使用例如具有40度的总累积衍射角的衍射元件的全息显示装置的条件是照明单元的光源的线宽<0.1nm。此外，在光的掠入射所使用的抗反射涂层(例如可以应用于照明单元的背光源的透明表面)和显示装置中使用的基于布拉格衍射的体光栅的光谱选择性提供光源的0.1nm中心波长的稳定性。这可以通过例如将二极管泵浦固态(DPSS)激光器作为光源来实现，例如该光源各自在光功率>500mW在447nm、457nm、532nm、638nm和650nm下可用。此外，在有源介质内或在合理地接近该介质具有布拉格谐振器光栅的作为分布式反馈(DFB)激光二极管或者利用外部布拉格谐振器的波长稳定的激光二极管的光源也可以满足这些要求。
如果光源(例如激光二极管)的切换时间由于任何原因必须减少到例如1ms，可以在照明单元中使用从投影仪已知的另外的机械快门或时间同步滤色器转盘。分布式反馈激光二极管显示出合理的快速切换，可以使用不同的设计波长。此外，所谓的Q开关激光器装置可以与波长稳定的布拉格谐振器方法结合使用。这表明实际可用的激光光源可用于根据本发明的显示装置。
在观察者平面中的观察窗口到显示装置距离为3.5米处，8mm的竖直观察窗口需要SLM上的195.6μm的像素尺寸。这意味着近似为200μm的像素尺寸。因此，竖直像素间距大于水平像素间距。
如果从观察者平面中的观察窗口到显示装置仅使用1.5米而非3.5米的平均观看距离，则必须将给定数量的像素尺寸除以因子2.3。在某些情况下可能需要这种情况。然而，对于全息1D编码的3D电视应用，3.5米距离更合理。
图3在主视图示出了SLM的一部分。SLM设置有分离器，分离器用于分离由相邻物点的子全息图产生的观察者眼睛中的相邻点扩散函数，使得相邻点扩散函数彼此互不相干。分离器在此设计为滤色器布置，优选地是基色(RGB)滤色器布置。这种滤色器布置主要提供用于三倍高清晰度(HD)过采样1D编码全息3D电视显示装置，但也可以提供用于二维(2D)编码全息3D电视显示装置。这种显示装置被设计用于与显示装置的平均观察者观看距离z平均＝3.5m。在该观察距离处，如图3所示的1.2mm的滤光器布置的水平延伸相当于1/60度，这是人眼的角分辨率。在用于每个基色RGB(红色、绿色、蓝色)的分离器或滤色器布置的该实施例中，提供三个条状滤色器r1、g1、b1、r2、g2、b2、r3、g3、b3并将其分配给SLM的水平尺寸为1.2mm的部分。换句话说，SLM的水平尺寸为1.2mm的每个部分设置有滤色器布置，该滤色器布置包括用于每个基色RGB的三个条状滤色器r1、g1、b1、r2、g2、b2、r3、g3、b3。这意味着，在1/60度的水平角度范围内提供九个条状滤色器。附图标记r1、r2和r3表示红色滤色器条，附图标记g1、g2和g3表示绿色滤色器条，附图标记b1、b2和b3表示蓝色滤色器条。在图3中，不同的填充图案标记三种不同基色RGB的滤色器条。
当然，如果编码方向位于水平方向，也可以在水平方向上布置滤色器布置。
在图4中示出了由图3所示的SLM的部分重建的物点的示意性表示。为了说明，使用七个物点。
图4A)示出了在竖直角距离为1/60°的物体的七个白色物点OP的重建。所示出的圆圈分别标记观察者眼睛的视网膜上存在的点扩散函数的衍射图案的强度分布的第一最小值。为简单起见，这里假设物点OP的圆形形状。这只是为了说明这方面。然而，物点OP的这种圆形形状对于一维编码全息图来说可能不是非常正确的，一维编码全息图仅用术语竖直视差来标识。
图4B)示出了在1/60度的竖直角距离下重建七个红色物点。这七个红色物点形成根据图4A)的白色物点的红色子集。如图所示，红色子集包括由滤色器条r1、r2和r3产生的所有部分。
图4C)示出了仅由滤色器条r1产生的红色子集的部分的重建。换句话说，滤色器条r1产生根据4A)的白色物点OP的第一、第四、第七、第十......物点OP的红色子集。在这里可以看出，滤色器条r1产生红色物点，这里是三个不叠加的红色物点。
图4D)示出了仅由滤色器条r2产生的红色子集的部分的重建。换句话说，滤色器条r2产生根据图4A)的白色物点OP的第二、第五、第八、第十一......物点OP的红色子集。同样地，滤色器条r2产生不叠加的红色物点，这里是两个物点。由滤色器条r2产生的物点重建为相对于由滤色器条r1产生的物点偏移半个圆。
图4E)示出了仅由滤色器条r3产生的红色子集的部分的重建。换句话说，滤色器条r3产生根据图4A)的白色物点OP的第三、第六、第九、第十二......物点OP的红色子集。同样地，滤色器条r3产生不叠加的红色物点，这里是两个物点。由滤色器条r3产生的物点重建为相对于由滤色器条r2产生的物点偏移半个圆。
根据红色的过程相应地应用于其他绿色基色和蓝色基色。
因此，通过与三个横向位移的滤色器条一起地使用三基色RGB来重建七个白色物点，这三个滤色器条被分配给每种基色RGB。在1/60度的水平角度范围内，提供了由r1、g1、b1、r2、g2、b2、r3、g3和b3表示的竖直滤色器条，如图3所示。用于照明具有分离器的SLM，分离器在此设计为滤色器条布置，使用定制的水平不相干光。所用光的空间相干性可以是沿子全息图的编码方向的竖直方向例如>0.9。合理的高相干性的纵向延伸(即意思是接近1)可以是例如5毫米或5毫米至10毫米。
以相邻列彼此不相干的方式准备用于1D编码的SLM的共同列的互相干性是重要的。这可以通过在照明单元中使用条状光源布置来完成。
从图4中可以看出，一维(1D)编码的全息显示装置的单行或部分被分成三种不同的颜色并分成另外的子集，这些子集指的是单一基色RGB。
从图4中可以进一步看出，在由相干子集重建的物点之间没有重叠或叠加。每个圆圈显示重建的物点的衍射图案的第一最小值，这意味着视网膜点扩散函数的第一最小值。正确地，必须显示或提供另外的圆圈，其显示点扩散函数的外旁瓣。然而，为了清楚起见，在图4中仅示出了第一最小值或第一旁瓣。
通常，各个圆圈不叠加意味着提供了观察者眼睛的视网膜上的相邻点扩散函数的充分分离。然而，会存在一小部分光，其仍然与重建的两个相邻的相干物点叠加。但这对重建的场景或物体的质量没有显著影响。另外，可以考虑在观察者眼睛视网膜上获得的目标强度分布的这些小的残留误差值，并将其用于优化过程的优化算法，其使检测到的视网膜图像接近目标视网膜图像，意味着没有可识别的视网膜物点间串扰。该算法涉及参数的目标/实际比较和迭代变化。可以通过应用以上在第1)至6)项中描述和解释的例如各个或所有选项提供避免视网膜物点间串扰的视网膜图像的进一步优化。
包括设计为滤色器条布置的分离器的所述SLM由具有至少一个光源的照明单元照射，光源沿水平方向发射例如0.5度至1度的平面波的角谱。如果相干方向是竖直方向，则平面波的这种角谱足以跨越观察者平面中的水平最佳点，反之亦然。平面波的角谱沿竖直方向优选明显小于1/60度，例如仅1/120度，该方向是用于重建三维场景或物体的一维(1D)编码全息显示装置的子全息图的编码方向。
显示装置中提供的编码单元或计算单元根据图4将物点的内容(优选高清晰度(HD)内容)分成子集。因此，图4还示出了用于重组要编码的内容的指令。在SLM上的一维(1D)竖直线的≤1/60度的平面波的角谱内的四个滤色器条布置的每第三点或甚至每第四点被分配给图3所示的SLM部分的另一子滤色器线。这可以简单地转移到电子电路的方框图中，该电子电路提供各个子全息图的快速重新分配，这些子全息图由三维(3D)空间中限定的物点产生。
图4中示意性示出的实施例描述了在观察者聚焦在物点上的情况下物点的空间位移的情况，这些物点是互相干的。
图5示出了观察者眼睛中的物体或场景的聚焦和未聚焦物点的视网膜定位。可以看出，未聚焦物点的能量被展开并因此将产生视网膜背景。如果观察者观看三维(3D)场景的前景，则存在最高的相对模糊。如果观察者观看三维(3D)场景的背景，则存在最低的相对模糊，这意味着看着远处的全息重建的物点，例如，在全息显示平面后面几米处，全息显示平面是子全息图的计算机产生的全息图(CGH)所在的平面。
图5A示出了最放松的情况。由具有物点焦距的最大负值的子全息图产生的视网膜背景被广泛分散开。但这个背景可以在观察者正在观看或正在聚焦的物点上相干地叠加。换句话说，观察者正在观看大约在眼睛和CGH之间的小圆圈。因此，圆圈的图像恰好在眼睛的视网膜上成像。未聚焦物点(此处显示为矩形和星形)也被成像到眼睛中，但它们没有聚焦在眼睛的视网膜上。以矩形示出的物点在图示为CGH的显示装置后面很远处，因此将仅导致分布广泛的背景，如图5的右手侧所示。
图5B示出了观察者正在观看设置在CGH平面中的星形的情况。未聚焦物点(如矩形和星形所示)也成像到眼睛并且位于眼睛后面，但它们没有聚焦在眼睛的视网膜上。
图5C示出了观察者正在观看设置在CGH平面之后的矩形的情况。未聚焦物点(如圆圈和星形所示)在眼睛的视网膜后面成像，因此它们不会聚焦在眼睛的视网膜上。
通过在SLM上提供作为分隔器的滤色器条布置，可以消除滤色器条布置的相邻滤色器条之间的互相干性。为此，可以在照明单元中使用空间扩展光源。要准直的光源的纵横比可以是例如1:60。以这种方式，在水平方向上(未编码方向)没有相干性。因此，可以防止相邻滤色器条的相干叠加以及以这种方式引起的对图像质量的干扰。
根据本发明，除了一组滤色器条(仅包括一个红色条、一个绿色条和一个蓝色条)之外，通过使用附加的滤色器条引入的附加竖直分离以及因此的更高的像素数消除了在沿竖直方向相邻的物点之间的互相干性。这具有进一步减少互相干性从而进一步减少视网膜物点间串扰的效果。
然而，内轴物点的相干性仍然存在。表述“内轴物点的相干性”是指共享其子全息图的共同叠加区域的物点的相干性，该子全息图被编码为一维(1D)透镜线段。这意味着它不再处理所有其他物点串扰，尽管物点产生的串扰指的是单个滤色器，其中在失焦的情况下物点在意为沿平行于显示装置的光轴的z方向位于彼此后面并且在垂直于z轴的平面中定位为彼此相邻。这意味着在这种情况下观察者正在查看不同的平面，并且这里考虑的平面不是聚焦平面。
上述优化必须仅应用于减少数量的限定物点。这意味着，对于滤色器条布置和全息图的一维编码，优化仅在一个维度中执行，并且例如仅针对3到4个相邻物点执行。
图5还包含产生加权矩阵的构思。这种加权矩阵可用于例如特定的不同物点的相位值的优化。在图5A的情况下，在显示装置后面远处的并且被示为矩形的物点仅导致视网膜上广泛分布的背景，并且因此可以在一阶方法中被忽略。
在图5C的情况下，由于三个轴向物点彼此靠近，沿着空间相干性的延伸(例如竖直方向5毫米)，与相同的滤色器条相关的所有线内和接近线内的物点的相对相位值必须相应地相互优化。线内在这里意味着例如在1/60度内三条交错线被视为仅一条线。一种选择是将与单个滤色器条的相同相干区域相关的线内物点的叠加子全息图设置为相同的相位值。然而，通常，仅作为一个参数的相位值必须针对所显示的图像内容进行优化。这还包括叠加的锐利或模糊的相干物点的相对强度。
以下说明涉及包括至少一个光源的照明单元，该光源可用于全息图的一维编码。由至少一个光源发射的光的相干性必须尽可能低，但是与全息编码所要求的一样高。用于根据观察者的运动在观察者平面内跟踪观察窗口而引入的跟踪角度以及在显示装置中设置的另外的衍射光学元件基于子全息图的延伸在区域内引入光程差。因此，要使用的设计为例如激光光源的光源的线宽必须≤0.1nm。除了引入的光程差之外，增加的线宽也会在重建中引入模糊。模糊可能是由于显示装置中使用的衍射光学元件引入的衍射色散。在此过程中，所有效果合起来。
照明单元的光源的线宽必须≤0.1nm，这只是相干性的一个方面。另一方面是空间相干的扩展或更明确的是互相干的绝对值。如上所述，可以消除相邻滤色器条之间的互相干性，同时可以沿着滤色器条的方向(即沿着编码方向)提供光的充分相干性(例如>0.8)。另外，被定制为与滤色器条平行取向的一维线状区段的互相干区域被限制为根据最大子全息图的尺寸的最大延伸。
为了设定光程差以及由此所用光源的线宽的最大值或互相干的最大范围，并非必须考虑观察窗口及用于限定子全息图尺寸的观察窗口在SLM上的投影的整个尺寸。最好只考虑人眼或观察者眼睛的入射光瞳孔。眼睛的入射光瞳孔可用于设定光程差以及由此的所用光源的线宽的最大值或互相干的最大程度，以便获得具有最低相干特性的所需相干参数。
降低所用光的相干性是在没有干扰效果的情况下提供高图像对比度和预期视网膜图像的基本要求。换句话说，重要的是以提供所需的合理的高相干性从而防止无意的相干串扰的方式降低光的相干性。此外，包括照明单元、SLM和观察者眼睛的视网膜的整个系统(即与观察者的眼睛相关的整个显示装置)的复合值点扩散函数也必须被优化。
在下文中，针对SLM中的二维(2D)编码全息图描述了本发明，其具体使用了用于减少视网膜物点间串扰的过程：
与全息图的二维(2D)编码的关系具有若干方面。已经在上面针对一维编码全息图描述并解释优化与最终设计强度分布或由观察者眼睛的视网膜检测到的完美图像的目标强度分布相关的点扩散函数的总体要求。
已经针对一维(1D)编码的全息图描述的表示波场的三维(3D)物体的独立且互不相干的子集的产生也可以应用于二维(2D)编码的全息图。换句话说，设计为滤色器布置的分离器也可以应用于二维编码的全息图。滤色器布置必须适合于所使用的SLM，其中全息图以两个相干方向编码。例如，它可以使用拜耳滤色器阵列或拜耳图案作为滤色器布置。
例如，为了减少观察者眼睛的视网膜上的相邻点扩散函数之间的串扰，可以使用SLM的像素的标准像素孔，例如在600mm的观看距离处使用的二维编码的三维全息显示装置的例如33μm×33μm的孔。为了简单起见，可以假设像素的矩形像素孔。此外，可以应用变迹剖析，例如，高斯型振幅变迹或所谓的贝塞尔窗(Kaiser-Bessel-Window)。
举例来说，假设使用具有矩形像素孔的SLM。这在图6中示出，其中示出了10×10个像素。SLM的填充因子FF约为FF＝0.9，这是理想值。这种填充因子只能例如通过像素间距为33μm的反射型SLM(例如LCoS，硅上的液晶)而非透射型SLM实现。
图7示出了图6中所示的强度分布的傅立叶变换的强度分布，其表示SLM平面的振幅分布。中心点等效于其傅里叶变换平面内SLM的衍射图案的第0衍射级，傅里叶变换平面是观察窗口的平面或观察者平面。由于假设SLM的FF＝0.9的填充因子非常高，因此可能没有比中心零衍射级点更高的可见衍射级。对于该计算，假设SLM相位恒定。换句话说，由编码引入的相位变化必然会导致较高衍射级的强度值显著增加，其存在于观察者眼睛的平面内。FF＝1的填充因子不会完全消除较高衍射级的强度，即衍射级指数m大于0或两个方向中mx和my>1的衍射级强度。在没有将恒定的相位分布写入SLM的情况下，则呈现较高的衍射级。但总体而言，虽然较高衍射级峰的值将随着SLM上显示的编码内容而改变，但与较小的填充因子相比，较高的填充因子将导致较高衍射级中的强度较小。然而，假设这里描述的SLM的通用布局是恒定的相位。
如上所述，假设SLM具有像素的矩形孔。然而，像素例如现在是非正方形的并且具有1到2的宽度与高度比。这种SLM在图8中示出，其中示出了10×10像素。SLM的填充因子FF约为FF＝0.5，即它也可以略小于0.5，例如，仅0.45。但是为了使所述实施例保持简单和易于理解，这里可以假设填充因子为0.5。像素间距在两个方向上(即水平和竖直)是例如33μm。SLM的像素的高度接近33μm，而所述像素的宽度仅接近16μm。在该实施例中仅使用SLM的左半部分像素孔。
图9示出了在观察者眼睛的平面中的图8所示的强度分布的傅里叶变换的强度分布。中心峰是第0衍射级的强度。SLM在y方向上(即在水平方向上)的较大填充因子导致观察者眼睛的平面(其是观察窗口的平面或观察者平面)中沿y方向的旁瓣减小。因此，沿SLM的水平方向优选使用较大的填充因子。图8中所示的强度分布等同于在编码空全息图的情况下观察窗平面的强度分布，即在SLM平面中使用恒定相位值并且对于SLM的所有像素使用相同振幅。与图6中所示以及图7中所示的其傅里叶变换相比，像素的水平宽度减小导致SLM在其傅里叶变换平面中的±1st水平衍射级增加，该傅里叶变换平面是将观察者眼睛设置在其内的观察窗口的平面。对于图8和图9中所示的实施例，比m＝±3更大的水平衍射级显示出使它们不会干扰相邻眼睛的观看体验的足够小的强度。这里，不存在显著水平的±第4衍射级。
举例来说，如果假设蓝色基色的波长λ＝450nm、在桌面型全息三维(3D)显示装置中使用的基于体光栅的场透镜的焦距f＝600mm并且像素间距为33μm，则由蓝光形成的观察者平面中的观察窗口具有大约8mm乘以8mm的延伸。第三衍射级设置在距零级衍射点约24mm处。对于λ＝650nm的波长，假设红色为基色，则第三衍射级设置在距零级衍射点约35mm处。这意味着对于观察者的两只眼睛的65mm的平均距离而言，35mm的距离就足够了。
图10示出了SLM的二元振幅转换，其具有像素的矩形孔和约0.5的填充因子。这里再次示出10×10的像素。图10中所示的实施例相当于仅使用图6中所示的像素孔的左半部分，或者使用图8中所示的分布中未使用的区域。也就是说，根据图10仅使用了像素孔的左半部分。这里重要的是，使用图6中所示的像素的初始情况并且产生该初始SLM中的两个子集。右子集由图8的SLM示出，左子集由图10的SLM示出。
图6中所示的初始SLM的右子集(其在图8中示出)和初始SLM的左子集(其由图10中示出的SLM示出)在SLM的傅立叶平面中产生等效强度分布。换句话说，图8中所示的振幅分布和图10中所示的振幅分布的傅立叶平面的强度分布是相同的并且在SLM中使用恒定相位的情况下如图9所示。在这一点上，两个傅里叶变换的相位不同是不相关的。只要考虑图7和图9的SLM的两个子集是否相互叠加。然而，根据本发明，使用图7和图9中所示的SLM的两个子集的不相干叠加作为振幅分布。
可以使用SLM的不同类型的子集，以便产生表示要向观察者显示的三维(3D)全息物体的波场的不相干子集。为了产生不相干的波场子集，可以使用分离器。关于提供空间分离颜色的滤色器条布置的分离器，可以使用提供空间分离的正交偏振状态的图案化延迟器布置或提供照射SLM的波场的空间分离分配的照明单元中的光源布置。
使用SLM的物理50％寻址。为了简单起见和对本发明的简单解释，仅集中于本发明的简单实施例。简单的实施例意味着仅使用SLM的简单子集，即例如使用图6中所示的SLM的两个简单子集，其在图8和图10中示出。
如果填充因子FF远小于图10中所示的填充因子FF，则优选将例如33μm×33μm的主要正方形像素分成两个子集，这两个子集是通过使用像素的上部和下部而不是使用像素的右部和左部而获得的。因此，可以优选的是，将像素的宽度与高度的比实现为2比1。然后，SLM的更高衍射级沿竖直方向而不是沿水平方向占优势，这减少了显示给观察者的左眼和右眼的内容之间的潜在串扰。如果SLM的制造过程的临界尺寸(例如SLM的实施布局的最小结构尺寸)是例如仅5μm，则使用该实施例的概率增加。3μm的临界尺寸将导致更大的填充因子。因此，优选使用例如仅5μm的临界尺寸。
以下描述了设置有分离器的SLM的实施例，该分离器被设计为图案化延迟器布置。图案化延迟器布置用于将入射在SLM上并具有初始偏振态的光转换成两个图案化的光子集，该初始偏振态可以是例如线性偏振态。两个图案化的光子集具有正交偏振态。例如，主要例如方形/正方形像素孔(例如图6中看到的)分为两部分。这意味着初始像素数量以及因此的初始像素密度也加倍。SLM的所有像素的两个像素子集(例如在图8和图10中看到的)设置有图案化延迟器布置。像素的第一子集设置有例如+π/4的图案化延迟器并且像素的第二子集设置有例如-π/4的图案化延迟器。如果在SLM出射平面处用线性偏振光照射包括像素的这两个子集的SLM，则将存在两个正交偏振波场，其指的是携带不同图案化延迟器的两个SLM子集。
在下一节中，描述了是否提供每种颜色一个、两个或数个光源。如果使用经典光学器件或通常的非偏振选择光学器件来形成观察窗的平面，那么可以使用所描述的实施例以便产生表示要呈现给观察者的三维物体的波场的两个空间交错子集。在观察者眼睛的视网膜上成像的相邻物点显示正交偏振态并且因此以与互不相干点相同或者更详细地与视网膜点扩散函数相同的方式干扰。换句话说，沿着一个方向没有相干性。因此，沿着一个方向在相邻的物点之间没有相干的视网膜物点间串扰，邻近物点是在观察者眼睛的视网膜上相邻的点扩散函数。
然而，如果在光束路径内在SLM后面的光学元件是偏振选择性的或仅需要单个偏振态，则必须使用不同的方式以实现两个互不相干的波场。在这种情况下，必须使用共同的出射偏振态。这意味着如果使用单个主光源，则不存在互不相干性。
每种基色应使用照射SLM的至少两个互不相干的光源。SLM包括例如设计为图案化延迟器布置的分离器。图案化延迟器布置被分配给SLM的像素。优选地，图案化延迟器布置被设计为分配给像素的至少两个限定部分(尤其是分配给SLM的像素孔的两个子集)的图案化偏振滤光器布置。
例如，它可以用作楔形照明单元，其被优化以便接受两个正交偏振波场。一个波场来自照明单元的第一光源。这种光可以是例如TE(横向电)极化。另一波场来自照明单元的第二光源。这种光可以是例如TM(横向磁性)极化。最后，SLM被两个波场照射。
图11示出了二维线栅偏振器的实施例，其可以实施为在作为光源的激光二极管的谐振器端部处的两个反射镜之一。所示的图案可以通过产生两个交叉的高反射一维(1D)线栅结构来实现。该特殊线栅型偏振器的周期小于п/2n，其中п是例如激光二极管的光源的波长，n是偏振器的基板/结构的折射率。两个线性正交偏振态具有接近1的最大反射率。通过添加介电层堆，可以增强金属二维条线栅偏振器结构的反射率。例如，在图11中示出的线栅偏振器结构或不同的镜子版本可以用在光源腔的末端，以便例如提供从SLM出射的两个正交线性出射偏振态。通过将例如布拉格型谐振器镜添加至照明单元，也可以实现波长稳定化。因此，可将例如0.1nm的光源的线宽与在显示装置操作期间平移例如大约小于0.1nm的稳定的波长组合。该结构可以进一步组合或者可以进一步发展以获得从SLM出射的、互不相干的两个正交偏振出射光束。这意味着它可以实现成本有效的单个光源，例如，激光二极管型光源，其可用于根据本发明的显示装置中。
关于其他应用，例如可以产生SLM中的三个或更多个互不相干的出射光束。这些出射光束是线性偏振的。
在图12中，示出了SLM的二元振幅透射。SLM包括矩形像素孔和大约FF＝0.5的填充因子。这里，作为示例，再次示出10×10个像素。填充因子与图8中所示的SLM的填充因子相同。设计为图案化延迟器布置的分离器(优选为图案化偏振滤光器)被分配给SLM的像素，特别是分配给SLM的像素的孔。图案化偏振滤光器允许水平定向电场的透射。这里，仅需要一个图案化偏振滤光器，其可以分配给SLM的所有像素。
图13示出了具有矩形像素孔和大约FF＝0.5的填充因子的SLM的二元振幅透射。这里，作为示例，再次示出10×10个像素。填充因子与图10中所示的SLM的填充因子相同。设计为图案化延迟器布置的分隔器(优选为图案化的偏振滤光器)被分配给SLM的像素，特别是分配给SLM的像素的孔。图案化的偏振滤光器允许竖直定向的电场的透射。这里，仅需要一个图案化偏振滤光器，其可以分配给SLM的所有像素。
图14中示出了SLM的像素的两个子集的嵌套布置。在SLM的一列中的两个相邻子集均产生从SLM出射的光的正交出射偏振。这意味着SLM的两个相邻列产生从SLM出射的光的正交出射偏振。图14中所示的该实施例是图12和图13中所示的实施例的组合。只有一个根据图12和图13所示的图案化滤波器的图案化偏振滤光器不能用于SLM的这个实施例。因此，必须使用包括分配给SLM的各个像素或各列的嵌套偏振段的图案化偏振滤光器。或者，必须使用两个图案化的偏振滤光器，这两个图案化的偏振滤光器以使得像素的两个相邻子集产生从SLM出射的光的正交出射偏振的方式彼此布置。
在光的传播方向上看，在SLM后面添加另外的单个偏振滤光器提供单个光出射偏振态，其包含两个互不相干的波场，两个波场都承载三维物体场景的一部分。该波场现在可以传播通过显示装置的所有光学元件，其遵循光束路径，而不管这些元件的偏振选择性如何。例如，必须用圆偏振光照射在光束路径中遵循SLM的偏振型LC光栅；然后，使用延迟器来提供照射它的波场所需的偏振态。
而且，在全息图的二维(2D)编码中，可以在SLM平面中使用滤色器条布置。为此，由于SLM的像素的初始像素孔(其对于全息三维桌面显示装置而言为33μm乘以33μm)必须被划分为至少三个子像素或三个子集或总体划分为像素的三个限定部分，因此它更复杂。图15示出了具有矩形像素孔和FF仅为约0.25的填充因子的SLM的二元振幅透射。这里，作为示例，再次示出10×10个像素。这相当于使用图6中所示的像素孔的右下四分之一，即最大孔的仅1/4。当然，也可以使用像素的不同限定部分，例如像素的左上四分之一。
图16示出了图15中所示的强度分布的傅里叶变换的强度分布。该强度分布产生于观察者的眼睛的平面中。图中的中心峰示出了第0衍射级的强度。SLM的FF＝0.25的小填充因子增加了较高衍射级的强度。可以看出，可以实施在如初始33μm乘以33μm的像素尺寸中的例如三个子像素，同时将在观察者平面内的观察窗口平面中存在的较高衍射级保持在可接受的限度内。
包括与其中一种基色RGB相关的滤色器条布置的滤色器区段的像素的子像素或子集具有例如仅16μm乘以16μm的延伸。实现如此小的像素可能很昂贵。然而，这在几年后可以是可行而不需要高技术工作的。另外，在像素的制造中需要小的临界尺寸，以便保持尽可能高的填充因子。因此，可以需要例如3μm的临界尺寸，以便在二维编码的复合值SLM中实现滤色器。
此外，二维滤色器条布置可以与设计为例如正交偏振滤光器的图案化延迟器布置有利地组合。然而，这可以将SLM制造中的实际临界尺寸降低至例如仅2μm。例如33μmx33μm的初始像素尺寸必须被分成例如像素或子像素的6个限定部分或子集。这意味着与滤色器条有关的三种颜色和两个附加的图案化偏振滤光器。每个偏振滤光器被分配给三个滤色器条。因此，每种基色RGB由像素的两个小子集表示。像素的两个子集发射正交偏振光。
例如，图14中所示的每个像素孔可以分为例如像素的三色子集。然而，这需要大量的技术工作，因此可能并非是通向初始产品的最快方式。
除了SLM像素的矩形孔布置之外，还可以使用例如像素孔的六边形布置。这些布置还可以设置有图案化延迟器布置，优选地是图案化偏振滤光器和/或图案化滤色器条布置。
由SLM发射的光的两个正交偏振的可行更实际的实现方式通常是将楔形函数编码到SLM的子全息图中。以这种方式，由观察窗口跨越的角度范围内的物点可以横向移动。对于全息图的二维编码，这可以沿竖直方向以及水平方向进行。换句话说，如在图14中可以看到的，像素的方形/正方形区域的左分离和右分离可以产生水平分离，其是相邻正交偏振视网膜点扩散函数的左分离和右分离。像素的正方形区域的上分离和下分离可以产生竖直分离，其是相邻正交偏振视网膜点扩散函数的上分离和下分离。如果SLM平面内的像素形状的初始方形区域被划分为上矩形和下矩形部分或子集，则这也适用。如果图14中所示的SLM顺时针或逆时针旋转大约90度，则这种SLM将是如此。这在图17中示出，其中示出了SLM平面中的偏振滤光器布置，其中偏振滤光器布置设置为与图14中的布置正交。
概括地说，根据本发明，存在由显示装置的SLM产生的例如两个或更多个波场子集，它们是互不相干的。在一维编码滤色器条布置的情况下，可以使用图案化延迟器布置，特别是具有正交偏振的偏振滤光器布置，或者它们的组合，以便提供部分表示三维物体或场景的互不相干的波场子集。对于在一个维度上编码的二维编码的情况，同样可行的是，可以利用具有两个正交偏振态以及从照明单元中的不同光源发射的光照射SLM。该光可以照射偏振滤光器条图案，该偏振滤光器具有透射偏振态的交替取向。而且，对于二维编码的情况，偏振滤光器之后是附加的非图案化延迟器，尤其是仅透射单个偏振态的偏振滤光器。可能的是光在这里丢失。但是现在存在两个互不相干的编码波场，其在显示装置的光束路径中照射SLM后面的光学元件。它还可以沿着一个方向在子全息图中编码附加的相位楔形。与一维编码的情况相反，二维编码提供了在SLM的子全息图中编码的任意形状的二维相位楔形函数的实现。为此，仅需要潜在二维楔形分布的一个子集。
以棋盘状分布给出相邻物点的有利偏振编码图案，其应用于重建的物点。此外，还可以使用蜂窝梳状分布，其也提供两个正交偏振。在观察者聚焦在物点上的情况下，这被设置在物点的平面中或者在观察者眼睛的视网膜平面中。此外，还可以使用例如互不相干图案的其他随机分布。
在图18中，示出了正交偏振态的棋盘状分配图案的图示，其是指在观察者聚焦于这些物点的情况下在空间中或在观察者眼睛的视网膜上重建的三维物点。可以在空间中的不同网格处产生物点。在图18中，可以看到在空间中重建的98像素乘以98像素的偏振态。这是例如物体的仅一个平面。在三维空间中，相邻深度的平面可以包括交替的分配图案。这意味着具有相同x坐标(水平方向)和y坐标(竖直方向)但放置在相邻深度平面处的物点可以优选地具有正交偏振态。换句话说，图18中所示的偏振态分配图案可以沿着z方向(深度方向，即平行于显示装置的光轴)以交替的方式(即，相邻z平面的偏振态被反转)使用。
图18的这个简单网格也可以改变为六边蜂窝形网格。还可以任意改变与场景内容相关的初始图案。然而，这会进一步增加编码过程优化的复杂性。此外，偏振态分配图案可以在两个维度(x和y方向)以及沿z坐标改变。然而，最简单的方法可以是沿竖直方向(y方向)和水平方向(x方向)使用固定图案，并沿深度方向(z方向)以交替方式反转，深度方向是与观察者的距离或不同z平面彼此的距离。
以下说明涉及与头戴式显示器相关的视网膜物点间串扰减少的点扩散函数PSFij的计算。然而，如前所述，视网膜点扩散函数优化可以用于所有类型的基于子全息图的全息显示装置，也用于一维编码和二维编码。因此，本发明还可以用于直视显示装置，例如，用于使用仅使用一维竖直视差编码全息图的电视显示装置的二维编码的桌面显示装置。
最简单的情况是只使用一维编码竖直视差(VPO)全息技术，其使用竖直定向的子全息图。如果照明单元的光源适合于提供相干复杂度的优化绝对值，即它不是简单的点光源，其可以确保只有具有等于或小于最大子全息图的尺寸的相互距离的一条竖直线的像素是互相干的。
假设照明单元是只有一维竖直视差编码和定制的照明，可以沿着一个方向和SLM的每个列分别执行相邻点扩散函数的优化。此外，只需要考虑要优化的紧邻的离散点扩散函数。
例如，采用SLM左上角的子全息图，可以分别提供每种颜色，然后可以计算视网膜点扩散函数PSFij。索引i可用于标记计算过程中使用的SLM的列，索引j可用于标记计算过程中使用的SLM的行。这些是在空间中产生的物点的视网膜网格的索引。这些索引也可用于指示与视网膜物点有关的离散子全息图。可以相对于场景的亮度设定人眼的入射瞳孔的限定直径，例如对于100cd/m2而言是2.9mm。可以是已经产生了所有非优化的子全息图，或者非优化的子全息图将仅在彼此之后产生。例如，假设已经产生了所有非优化的子全息图。然后计算第一点扩散函数PSF11。
优化过程的计算负荷可以集中在高清晰度(HD)锥体上。这意味着高清晰度的1/60度分辨率只能在例如处于约10度的角度的中心锥体中看到。在优化期间，可以主要集中在该中心锥体上。因此，高清晰度(HD)锥体中的更多电力可以用于其他区域，例如，在视网膜的边缘。对于观察者平面中的单个观察者而言，根据眼睛和颜色提供一个高清晰度锥体。锥体的数量取决于观察者的数量。需要注视跟踪以准确地提供高清晰度锥体。这意味着优选将注视跟踪集成在显示装置中。
此外，可以使用非高清晰度锥体区域中的较细物体。例如，在视场的边缘处，4x4细化可以用于二维编码，只要用16倍大的亮度重建物点即可。由于每个区域的光能保持恒定，因此这不是问题。对于二维编码而言，可以仅沿着竖直方向和沿着水平方向每四个物点使用该细化。对于仅竖直视差编码的全息图而言，只能沿着SLM的列执行四倍细化。
还可以根据眼睛和颜色将一个高清晰度锥体投射到低分辨率平截头体中。这可以是直视显示装置和投影显示装置的组合。或者它可以是大的低分辨率截头产生显示装置和高清晰度锥体产生显示装置的组合，其由注视跟踪数据限定。然而，这会潜在地增加重要技术工作。
返回到仅竖直视差编码全息图示例的第二子全息图，其在观察者眼睛的视网膜上产生点扩散函数PSF12。现在，例如仅改变第二子全息图，即改变点扩散函数PSF12相对于点扩散函数PSF11的相位偏移和强度值，以便获得点扩散函数PSF11加上点扩散函数PSF12的目标强度，该强度是设计强度。也就是说，例如使用相位偏移和强度变化。然后，点扩散函数PSF13被放置为邻近两个相干相加的点扩散函数PSF11和PSF12。现在，再次使用例如相位偏移和强度变化以改变初始点扩散函数PSF13，以便获得点扩散函数PSF11+PSF12+PSF13的相干加和的设计强度分布。这可以通过从j到j+1到j+2...j+N(即到由SLM的离散列形成的最后的点扩散函数PSF)的方式来示出，这里列是1。然后，执行SLM的下一列。对于仅竖直视差编码的全息图而言，可以沿着SLM的列并行执行优化过程。这是因为在使用定制的照明的情况下，SLM的列是互不相干的。为了使计算和优化算法快速且简单，可以将视网膜上局部提供的点扩散函数的峰值强度值用作优化过程的标准。例如使用1/60度角度范围的积分强度值而非单峰值强度值仍然是合理的。然而，差异很小。将例如单点扩散函数的三个或更多个采样点用于优化会增加更多的工作，即更多的计算负荷。
对于全息图的二维编码而言，可以以与全息图的一维编码类似的方式执行优化。可以开始于例如在子全息图的左上角或物点的视网膜点扩散函数PSFij。形成第一点扩散函数PSF11，并添加第二点扩散函数PSF12。如果需要，通过使用相位偏移和强度变化来优化该加和的点扩散函数。然后，同样添加例如点扩散函数PSF21并且使用相位和强度进行优化。现在，添加点扩散函数PSF22，并且根据需要改变相位偏移和强度值。然后，例如添加点扩散函数PSF13，并优化相位偏移和强度值。点扩散函数PSF的下一个索引可以是例如23和31，之后是例如14等等。这意味着，例如，它可以从子全息图的左上角开始，并逐步填充和优化场景，直到到达右下角。
可以使用该优化过程的不同路径。例如，可以以点扩散函数PSF11开始，然后转到点扩散函数PSF12、PSF13、PSF14……PSF1N，其中N是要产生的竖直物点的数量，例如，1000个物点或者甚至是2000个物点。在M中水平产生的物点的数量可以是例如2000到4000。具体而言，这意味着首先填充并完成子全息图的第一列，然后逐步添加第二列的元素，即点扩散函数PSF21、PSF22、PSF23、PSF24……至PSF2N。这里，从子全息图的左手侧到右手侧执行逐步填充和优化。以这种方式，可以创建以M、N的二维矩阵。
沿着SLM上的可预定方向继续的这种优化也可以以并行方式执行，例如，在使用多核集成电路的情况下。因此，可以以任意方式选择子全息图中的起始点，或者可以选择至少几个起始点。如果子全息图的局部优化区域(在优化期间填充的区域)彼此碰撞，则可以优化过渡区域。如果共同的间隙是例如只有五个点扩散函数PSFij，则这可以已经完成。这意味着点扩散函数可以被添加到一个区域的边缘，并且在填充存在于两个相邻区域之间的间隙期间，可以考虑相邻区域的边缘的小部分。
使用多个随机化起始点的随机局部优化可用于避免出现人为和干扰的低空间频率调制。通过仅使用单点扩散函数PSFij的相位偏移和强度偏移，可以使优化过程简单。
为了增加实时应用会需要的计算速度，可以使用已经预先优化的图像片段(例如线、面、三角形和小的分离物)的查找表(LUT)。
如果例如为了在例如直视显示器中使用10度的高清晰度锥体方法而已经使用注视跟踪数据，并且如果眼睛跟踪数据用于获得观察者眼睛的入射瞳孔的直径，则可以监测拾取空间中的物点的眼睛的点扩散函数。这意味着可以使用更接近实际情况的点扩散函数的数据。因此，可以获得更好的优化结果。查找表还可用于表示人眼的不同点扩散函数，即眼睛的入射瞳孔的不同直径和不同的焦距f眼睛。
当然，关于头戴式显示器描述的优化过程可以用于其他显示装置，例如，直视显示装置、投影显示装置。
最后，必须明确说明，根据本发明描述的显示装置的实施例应仅被理解为说明所要求保护的教导，但是所要求保护的教导不限于这些实施例。实施例的组合也是可行的。

Claims (33)

1.一种用于包括多个物点的二维和/或三维物体的全息重建的显示装置，包括：
-照明单元，所述照明单元发射足够相干的光；
-空间光调制器装置，要显示的所述物点的子全息图被编码在所述空间光调制器装置的像素中；
-分离器，所述分离器用于分离由相邻物点的所述子全息图产生的在观察者眼睛中的相邻的点扩散函数，以使所述相邻的点扩散函数彼此互不相干。
2.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述物体被分成至少两个物体平面，其中每个所述物体平面被分成相对于彼此成角度地移动的至少两个竖直子集和至少两个水平子集。
3.根据权利要求1所述的显示装置，其中对于所述空间光调制器装置中的一维编码全息图或二维编码全息图，所述分离器被设计为滤色器条布置。
4.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述空间光调制器装置的每个初始像素被分成表示至少两个子集并且产生至少两个波场的至少两个限定部分。
5.根据权利要求4所述的显示装置，其中为每个所述子集分配三色滤色器条。
6.根据权利要求3所述的显示装置，其中所述滤色器条布置是构造为分配给所述空间光调制器装置的每个初始像素的子集的基于吸收型染料的滤光器布置或介电滤光器布置。
7.根据权利要求4所述的显示装置，其中对于要编码的二维全息图，所述初始像素的所述至少两个限定部分形成两个半部，其中所述像素被水平或竖直分开。
8.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述分离器被设计为图案化延迟器布置。
9.根据权利要求8所述的显示装置，其中所述图案化延迟器布置被设置用于将具有限定偏振态的光转换成两个图案化光子集。
10.根据权利要求8所述的显示装置，其中所述图案化延迟器布置被设置在所述像素的平面中并且被分配给所述空间光调制器装置的所述像素，其中初始像素的每个限定部分被设置有所述图案化延迟器布置的限定的图案化延迟器。
11.根据权利要求10所述的显示装置，其中所述初始像素的至少两个限定部分具有提供正交偏振的不同图案化延迟器。
12.根据权利要求8所述的显示装置，其中仅在水平方向上或仅在竖直方向上看到的相邻图案化延迟器的偏振取向彼此正交。
13.根据权利要求8所述的显示装置，其中所述图案化延迟器布置被设计为分配给初始像素的至少两个限定部分的图案化偏振滤光器布置。
14.根据权利要求13所述的显示装置，其中所述图案化偏振滤光器布置提供条状图案，所述条状图案具有透射的偏振态的交替取向。
15.根据权利要求13所述的显示装置，其中所述图案化偏振滤光器布置提供正交偏振态的图案，所述正交偏振态的图案是沿竖直方向(y方向)和水平方向(x方向)的固定图案，其中沿深度方向(z方向)的图案被反转并以交替方式使用。
16.根据权利要求1所述的显示装置，进一步包括从光的传播方向看布置在所述空间光调制器装置后面的非图案化延迟器，所述非图案化延迟器用于提供具有单个出射偏振态的光，所述单个出射偏振态包含两个互不相干波场。
17.根据权利要求1所述的显示装置，其中在表示所述物点的所述子全息图的计算中，楔形函数被用于在所限定的角度范围内横向移动所述物点。
18.根据权利要求17所述的显示装置，其中所述楔形函数是任意形状的二维相位楔形函数。
19.根据权利要求1所述的显示装置，其中各个所述物点的波阵面的复合值的相对相位通过使由所述点扩散函数产生的观察者眼睛中的总强度分布与目标强度分布之间的差最小化的方式来限定，所述点扩散函数表示所述物体的相邻物点。
20.根据权利要求1所述的显示装置，其中各个所述物点的波阵面的复合值的振幅通过使由所述点扩散函数产生的观察者眼睛中的总强度分布与目标强度分布之间的差最小化的方式来限定，所述点扩散函数表示所述物体的相邻物点。
21.根据权利要求1所述的显示装置，其中变迹剖析被设置在所述空间光调制器装置的所述像素的平面中，以获得物体的各个物点的变迹子全息图。
22.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述子全息图的形状是可修改的。
23.根据权利要求1所述的显示装置，其中在所述观察者眼睛中提供的物体的点扩散函数的固定预定网格被使用。
24.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述照明单元以优选地通过使用线栅偏振器结构发射两个正交偏振波场的方式被调整。
25.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述照明单元包括设置用于产生波场的至少一个光源，所述至少一个光源优选为激光器或激光二极管。
26.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述照明单元包括根据基色的至少一个光源。
27.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述照明单元包括条状光源布置。
28.根据权利要求1所述的显示装置，其中根据基色提供至少两个互不相干的光源。
29.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述空间光调制器装置以沿着相干方向的≤1/60°的平面波角谱以及沿着不相干方向的0.5°至1°的平面波角谱照射。
30.根据权利要求1所述的显示装置，其中互相干场限定于最大延伸，所述最大延伸是所述空间光调制器装置中的最大子全息图的尺寸。
31.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述空间光调制器装置被设计为复合值空间光调制器装置，所述复合值空间光调制器装置能够重建与不同基色相关的不同不相干物点子集。
32.一种用于优化重建的二维和/或三维物体的图像质量的方法，其中每个所述物体包括多个物点，其中对于每个所述物点，计算子全息图，所述子全息图被编码在空间光调制器装置的像素中，其中重建的相邻物点在观察者眼睛中产生相邻的点扩散函数，所述点扩散函数被分离器分离，以使所述相邻的点扩散函数在所述观察者眼睛中仅仅不相干地叠加。
33.根据权利要求32所述的方法，其中表示要向所述观察者显示的所述物点的波场的不相干子集被产生并且不相干地叠加。
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