CN112305887A - 全息图显示装置和用于提供扩展查看窗口的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种能够提供扩展观看窗口的全息图显示装置和显示方法。全息图显示装置包括图像处理器，被配置为将计算机生成的全息图(CGH)数据提供给空间光调制器，其中，图像处理器还被配置为：以第一分辨率或小于第一分辨率的分辨率生成包括将要再现的全息图像的信息的全息图数据阵列；以第二分辨率对全息图数据阵列进行离轴相位计算；以及然后以第一分辨率生成CHG数据。

Description

全息图显示装置和用于提供扩展查看窗口的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年7月25日向韩国特许厅提交的第10-2019-0090298号韩国专利申请的权益，其全部公开内容通过引用合并于此。
技术领域
与示例性实施例一致的装置和方法涉及全息图显示装置和显示方法，并且更具体地，涉及当通过离轴(off-axis)技术再现全息图像时能够提供扩展观看窗口的全息图显示装置和显示方法。
背景技术
诸如眼镜型方法和非眼镜型方法的方法被广泛用于实现3D图像。眼镜型方法的示例包括偏转眼镜型方法和快门眼镜型方法，并且非眼镜型方法的示例包括双凸透镜方法和视差屏障方法。当使用这些方法时，由于双眼视差导致可能实现的视点数量有限。此外，由于大脑感知的深度与眼睛的焦点之间的差异，这些方法使观看者感到疲劳。
近来，全息图3D图像显示方法已经逐渐投入实际应用，该全息图3D图像显示方法提供全视差并且能够使大脑感知的深度与眼睛的焦点一致。根据这种全息图显示技术，当光被照射到记录有通过光与从原始对象反射的对象光之间的干涉而获得的干涉图案的全息图案时，该光被衍射并且原始对象的图像被再现。当使用当前商业化的全息图显示技术时，计算机生成的全息图(CGH)而不是通过将原始对象直接暴露于光而获得的全息图案作为电信号被提供给空间光调制器。然后，空间光调制器根据输入的CGH信号形成全息图案并衍射光，从而生成3D图像。
发明内容
根据示例实施例的一方面，提供一种全息图显示装置，包括：空间光调制器，包括以第一分辨率二维排列的多个显示像素，以显示用于调制照明光的全息图案来再现全息图像；掩模构件，被布置为面对空间光调制器，并且包括以高于第一分辨率的第二分辨率不规则地排列的多个光透射图案的阵列；以及图像处理器，被配置为：生成包括将以第一分辨率或低于第一分辨率的分辨率再现的全息图像的信息的全息图数据阵列；以第二分辨率对全息图数据阵列执行离轴相位计算；以第一分辨率生成计算机生成的全息图(CHG)数据；以及将CGH数据提供给空间光调制器。
掩模构件的多个光透射图案可以包括不规则地排列在不透明基板上的多个开口。
多个开口中的每个开口的尺寸可以小于空间光调制器的多个显示像素中的一个显示像素的尺寸。
多个开口中的一个开口可以对应于空间光调制器的一个显示像素。
可以不规则地设置空间光调制器的多个显示像素与分别与之对应的掩模构件的多个开口之间的相对位置。
空间光调制器的第一显示像素和与之对应的掩模构件的第一开口之间的相对位置以及空间光调制器的第二显示像素和与之对应的掩模构件的第二开口之间的相对位置可以彼此不同。
掩模构件的多个光透射图案可以包括不规则地二维排列的多个微透镜。
可以不规则地设置空间光调制器的多个显示像素与分别与之对应的掩模构件的多个微透镜的中心之间的相对位置。
空间光调制器的第一显示像素和与之对应的掩模构件的第一微透镜的中心之间的相对位置以及空间光调制器的第二显示像素和与之对应的掩模构件的第二微透镜的中心之间的相对位置可以彼此不同。
掩模构件可以包括相位延迟板阵列，其中，二维地不规则地排列具有不同相位延迟特性的多个相位延迟板。
空间光调制器可以包括滤色器阵列，且滤色器阵列可以包括：多个第一滤色器，仅透射第一波长的光；多个第二滤色器，仅透射与第一波长不同的第二波长的光；以及多个第三滤色器，仅透射与第一波长和第二波长不同的第三波长的光，并且多个第一滤色器、多个第二滤色器和多个第三滤色器可以不规则地排列在滤色器阵列中。
可以不规则地设置空间光调制器的多个第一滤色器和分别与之对应的掩模构件的多个光透射图案之间的相对位置，可以不规则地设置空间光调制器的多个第二滤色器和分别与之对应的掩模构件的多个光透射图案之间的相对位置，并且可以不规则地设置空间光调制器的多个第三滤色器和分别与之对应的掩模构件的多个光透射图案之间的相对位置。
全息图显示装置还可以包括被配置为跟踪观察者的瞳孔位置的眼睛跟踪器。
图像处理器还可以被配置为：为了生成全息图数据阵列，接收图像数据；对图像数据的每个深度的图像数据执行第一傅立叶运算；对在第一傅立叶运算之后获得的每个深度的图像数据执行透镜相位操作；将透镜相位操作之后获得的每个深度的图像数据合并为单个合并图像数据；以及对单个合并图像数据执行第二傅立叶运算。
第一傅立叶运算可以包括将被配置为在观察者的视网膜中形成的第一光波前(wavefront)转换为被配置为在观察者的瞳孔中形成的第二光波前的第一傅立叶逆变换，并且第二傅立叶运算包括将第二光波前转换为在空间光调制器的平面中形成的第三波前的第二傅立叶逆变换。
图像处理器还可以被配置为：当执行离轴相位计算时，以第二分辨率生成离轴相位阵列；基于掩模构件的多个光透射图案的位置从离轴相位阵列中选择数据，并将所选择的数据转换为具有第一分辨率；以及将全息图数据阵列乘以转换为第一分辨率的所选择的数据。
图像处理器还可以被配置为：当执行离轴相位计算时，以第二分辨率上缩放(upscale)全息图数据阵列；将离轴相位阵列乘以上缩放的全息图数据阵列；以及基于掩模构件的多个光透射图案的位置从全息图数据阵列中选择数据，并将全息图数据阵列转换为第一分辨率。
图像处理器可以包括预先计算的相位阵列，其被预先计算以将在掩模构件的多个光透射图案的位置上显示的图像透射到观察者眼睛的位置，并且预先计算的相位阵列可以包括分别对应于观察者眼睛的不同位置的多个相位阵列。
图像处理器还可以被配置为：当执行离轴相位计算时，选择与观察者眼睛的位置相对应的预先计算的相位阵列；以及将全息图数据阵列乘以所选择的预先计算的相位阵列。
例如，预先计算的相位阵列是通过执行以下操作生成的：第一操作，假定布置在空间光调制器的平面上的第一数据阵列包括统一的亮度和不规则的相位；第二操作，将掩模构件的多个光透射图案的特性添加到第一数据阵列，然后在观察者的瞳孔平面上执行傅立叶运算以生成第二数据阵列；第三操作，将表示观察者眼睛的位置的掩模阵列乘以第二数据阵列以生成第三数据阵列；第四操作，在空间光调制器的平面上对第三数据阵列执行傅立叶逆运算，以生成第四数据阵列；第五操作，将第四数据阵列与第一数据阵列相加得到第五数据阵列，调整第五数据阵列的亮度，使得第五数据阵列的亮度与第一数据阵列的亮度相同；第六操作，对第五数据阵列多次重复第二操作至第五操作，以生成第六数据阵列；以及第七操作，基于掩模构件的多个光透射图案的位置从第六数据阵列中选择数据，以生成第七数据阵列。
第一数据阵列可以具有第二分辨率或高于第二分辨率的分辨率，并且第七数据阵列具有第一分辨率。
根据另一示例实施例的一方面，提供一种全息图显示装置的显示方法，所述全息图显示装置包括：图像处理器；空间光调制器，被配置为形成用于调制照明光并再现全息图像并且包括以第一分辨率二维排列的多个显示像素的全息图案；以及掩模构件，被布置为面对空间光调制器，并且包括以高于第一分辨率的第二分辨率不规则地排列的多个光透射图案的阵列。所述显示方法可以包括：由图像处理器生成包括将以第一分辨率或低于第一分辨率的分辨率再现的全息图像的信息的全息图数据阵列；由图像处理器以第二分辨率对全息图数据阵列执行离轴相位计算；由图像处理器以第一分辨率生成计算机生成的全息图(CHG)数据；以及将CGH数据从图像处理器提供给空间光调制器。
根据另一实施例的一方面，提供一种计算机可读记录介质，其上记录有在计算机上执行全息图显示装置的显示方法的程序。
附图说明
通过结合附图的描述一些示例性实施例，上述和/或其他方面将变得更加明显，在附图中：
图1是示出根据示例性实施例的全息图显示装置的配置的示意图；
图2是示出根据另一示例性实施例的全息图显示装置的配置的示意图；
图3示出根据示例性实施例的掩模构件的配置的示例；
图4示出通过根据不使用掩模构件的比较示例的全息图显示装置在观察者眼睛的瞳孔平面内的光的分布的示例；
图5示出通过根据使用掩模构件的实施例的全息图显示装置在观察者眼睛的瞳孔平面内的光的分布的示例；
图6示出根据另一示例性实施例的掩模构件的配置的示例；
图7示出图6所示的掩模构件沿线A-A'的截面图；
图8是示出另一示例性实施例的掩模构件的配置的示例。
图9是示意性地示出提供与图3、图6和图8所示的掩模构件相同效果的照明光学系统的配置的截面图；
图10示出根据示例性实施例的空间光调制器的滤色器阵列的滤色器分布的示例；
图11示出根据另一示例性实施例的掩模构件的配置的示例；
图12是示意性地示出根据示例性实施例的由全息图显示装置执行的操作方法的流程图；
图13是示出全息图显示装置的图12所示的操作方法中的离轴相位计算的示例的流程图；
图14是示出全息图显示装置的图12所示的操作方法中的离轴相位计算的另一示例的流程图；
图15是示出全息图显示装置的图12所示的操作方法中的离轴相位计算的另一示例的流程图；以及
图16是示出计算图15中示出的相位阵列的处理的示例的流程图。
具体实施方式
现将参照附图更详细地描述示例性实施例。
在下面的描述中，即使在不同附图中，相似的附图标记也用于相似的元件。提供在说明书中限定的诸如具体结构和元件的主题以帮助全面理解示例性实施例。然而，显然的是，无需那些特别限定的主题也能够实践示例性实施例。此外，因为公知功能或结构将在不必要的细节上使说明书模糊，所以没有具体描述它们。
如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。当诸如“至少一个”的表述在元素列表之后时，修饰整个元素列表而不修饰列表中的单个元素。例如，表述“a、b和c中的至少一个”应当被理解为包括仅a、仅b、仅c、a和b二者、a和c二者、b和c二者、abc全部或前述示例的任意变体。
在下文中，参照附图，将详细描述用于提供扩展观看窗口的全息图显示装置和方法。贯穿全文，类似的参考标号指代类似的元件，并且在附图中，为了清楚和便于解释，可能会放大元件的尺寸。以下描述的示例性实施例仅是示例性的，并且可以根据实施例进行各种修改。在以下描述的层结构中，表述“之上”或“在…上”不仅可以包括“以接触方式直接在…上”，而且可以包括“以非接触方式在…上”。
图1是示出根据示例性实施例的全息图显示装置100的配置的示意图。参照图1，根据示例性实施例的全息图显示装置100可以包括：光源110，用于发出照明光；空间光调制器130，用于显示全息图案，全息图案用于调制从光源110发出的照明光以再现全息图像；聚焦光学系统120，用于将全息图像聚焦在空间中；以及掩模构件140，用于扩展观看窗口，通过该观看窗口可以观看再现的全息图像。全息图显示装置100还可以包括：图像处理器160，用于根据将要再现的全息图像生成全息图信号，并将全息图信号提供给空间光调制器130；眼睛跟踪器170，用于跟踪观察者的瞳孔位置；以及致动器180，用于响应于眼睛跟踪器170提供的瞳孔位置信息来驱动光源110。
在图1中，聚焦光学系统120、空间光调制器130和掩模构件140沿着从光源110发出的照明光的行进方向被顺序地排列，但是这仅仅是示例。聚焦光学系统120、空间光调制器130和掩模构件140的排列顺序可以被任意和不同地选择。例如，聚焦光学系统120可以在照明光的路径上被布置为最后一个。此外，掩模构件140可以被布置成面对空间光调制器130的光入射表面或面对空间光调制器130的光出射表面。
光源110可以包括：第一光源110L，被配置为发射光以在观察者的左眼中形成全息图像；以及第二光源110R，被配置为发射光以在观察者的右眼中形成的全息图像。第一光源110L和第二光源110R中的每一个可以被排列为提供倾斜地入射在空间光调制器130上的照明光。例如，第一光源110L可以被布置在相对于空间光调制器130的观察者的左眼的相对侧，且第二光源110R可以被布置在相对于空间光调制器130的观察者的右眼的相对侧。
第一光源110L和第二光源110R可以包括激光二极管，以提供具有高相干性的照明光。然而，当照明光具有一定程度的空间相干性时，由于照明光可以被空间光调制器130充分地衍射和调制，因此发光二极管(LED)可以被用作第一光源110L和第二光源110R。除了LED之外，可以使用任何其他光源，只要发出具有空间相干性的光即可。尽管为了便于描述，在图1中示出了一个第一光源110L和一个第二光源110R，但是第一光源110L和第二光源110R可以包括多个激光器或LED的阵列。
空间光调制器130可以根据由图像处理器160提供的全息图数据信号，例如，计算机生成的全息图(CGH)数据信号，形成用于衍射和调制照明光的全息图案。为此，空间光调制器130可以包括多个二维排列的显示像素。空间光调制器130可以使用用于执行相位调制的相位调制器、用于执行幅度调制的幅度调制器以及执行相位调制和幅度调制两者的复合调制器中的任何一种。尽管图1的空间光调制器130是透射型空间光调制器，但是也可以使用反射型空间光调制器。透射型空间光调制器可以使用例如基于诸如GaAs的化合物半导体的半导体调制器或液晶设备(LCD)。反射型空间光调制器可以使用例如数字微镜设备(DMD)、硅基液晶(LCoS)技术或半导体调制器。
图像处理器160可以被配置为根据将要提供给观察者的全息图像来生成全息图信号，将全息图信号提供给空间光调制器130，并且控制光源110的操作。例如，处理器160可以控制第一光源110L和第二光源110R的开启和关断。图像处理器160可以使用软件来实现，或者可以以嵌入这种软件的功能的半导体芯片的形式来实现。
眼睛跟踪器170可以通过相机等获得观察者的图像，在图像中检测观察者的瞳孔，并分析瞳孔的位置。眼睛跟踪器170可以实时跟踪观察者的瞳孔位置变化并将结果提供给图像处理器160。图像处理器160然后可以响应于由眼睛跟踪器提供的观察者的瞳孔位置信息来生成全息图信号。例如，图像处理器160可以基于根据观察者的位置改变的视点改变来生成全息图信号，并且可以将生成的全息图信号提供给空间光调制器130。另外，图像处理器160可以控制致动器180改变第一光源110L和第二光源110R的位置，使得照明光朝向观察者的瞳孔行进。
聚焦光学系统120可以将通过空间光调制器130调制照明光而形成的再现光聚焦到预定空间上。例如，聚焦光学系统120可以将再现光聚焦在观察者的瞳孔位置上。可以通过聚焦光学系统120将再现光聚焦在空间上，使得可以在空间上形成全息图像。
图2是示出根据另一示例性实施例的全息图显示装置200的配置的示意图。参照图2，根据示例性实施例的全息图显示装置200可以包括：光源110，用于发出照明光；空间光调制器130，用于显示全息图案，全息图案用于调制从光源110发出的照明光以再现全息图像；聚焦光学系统120，用于将全息图像聚焦在空间中；掩模构件140，用于扩展观看窗口，通过该观看窗口可以观看再现的全息图像；图像处理器160，用于根据将要再现的全息图像生成全息图信号，并将全息图信号提供给空间光调制器130；照明光学系统210，用于将从光源110发出的光传输到空间光调制器130；以及眼睛跟踪器170，用于跟踪观察者的瞳孔位置。
根据本实施例的全息图显示装置200可以使用用于左眼和右眼二者的单个光源110，而不包括两个单独的光源(例如，用于左眼的第一光源110L和用于右眼的第二光源110R)。单个光源110可以通过使用照明光学系统210提供用于左眼的全息图像和用于右眼的全息图像。为此，照明光学系统210可以被配置为对从光源110入射的光进行分光并沿左眼方向和右眼方向行进。例如，照明光学系统210可以包括：透明光导板211，包括输入耦合器212和输出耦合器213；以及光束偏转器214，用于将从光源110发出的光提供给输入耦合器212。
光束偏转器214可以是液晶偏转器，将入射光衍射以生成以不同角度行进的两个光束。这两个光束可以以不同的角度入射在输入耦合器212上，并且在光导板211内以不同的角度行进。其结果是，通过输出耦合器213发出的两个光束的出射角也可以彼此不同。来自输出耦合器213的两个光束可以透射通过聚焦光学系统120、空间光调制器130和掩模构件140，然后最终分别朝着观察者的左眼和右眼行进。光束偏转器214还可以响应于从眼睛跟踪器170提供的观察者的瞳孔位置信息来调节入射在输入耦合器212上的两个光束的入射角。
同时，掩模构件140可以包括多个不规则且随机排列的光透射图案的阵列，以扩展全息图显示装置100和200的观看窗口并减小高阶噪声。例如，图3示出了根据示例性实施例的掩模构件140的配置的示例。参照图3，掩模构件140可以包括用于阻挡光的不透明基板141和不规则地排列在不透明基板141上的多个开口142。开口142可以通过完全穿透不透明基板141而形成并且可以透射光。因此，掩模构件140的多个光透射图案可以由多个开口142构成。
在图3中用虚线指示的正方形格子140a和140b可以对应于空间光调制器130的显示像素130a和130b。如图3所示，一个开口142可以对应于空间光调制器130的显示像素。因此，掩模构件140的开口142可以与空间光调制器130的显示像素一一对应，并且掩模构件140的开口142的数量可以近似等于空间光调制器130的显示像素的数量。此外，开口142的尺寸可以小于空间光调制器130的对应显示像素的尺寸。对此，可以看出掩模构件140的光透射图案的阵列具有大于空间光调制器130的分辨率的分辨率。例如，当掩模构件140的开口142的尺寸约为空间光调制器130的显示像素的尺寸的四分之一时，掩模构件140的分辨率可以被认为是空间光调制器130的分辨率的4倍。在图3中，虽然掩模构件140的开口142的尺寸约为空间光调制器130的显示像素的四分之一，但是不必限于此。
根据本示例性实施例，可以不规则地设置掩模构件140的多个开口142相对于分别与其对应的空间光调制器130的多个显示像素的相对位置。每个开口142可以位于对应显示像素的部分区域中，因为每个开口142的尺寸小于空间光调制器130的每个显示像素的尺寸。开口142的位置可以是不规则地和随机地不同。换句话说，掩模构件140的任何一个开口142相对于空间光调制器130的一个对应显示像素的相对位置可以不同于掩模构件140的另一开口142相对于空间光调制器130的另一对应显示像素的相对位置，并且差异的程度可以是不规则的。
因此，当掩模构件140被布置在空间光调制器130的光入射表面上时，照明光可以入射在小于空间光调制器130的显示像素的多个部分区域上。此外，当掩模构件140被布置在空间光调制器130的光出射表面上时，仅可以看到从小于空间光调制器130的显示像素的多个部分区域发出的光。其结果是，组合了空间光调制器130和掩模构件140的配置可以获得与显示分辨率大于空间光调制器130的分辨率的空间光调制器的图像相同的效果，关断一些显示像素并仅显示不规则排列的一些显示像素。通常，当空间光调制器130的分辨率增加时，全息图显示装置100的观看窗口的尺寸增加。因此，可以通过使用掩模构件140来提供大于由空间光调制器130的实际分辨率确定的观看窗口的尺寸的扩展观看窗口。
当使用上述具有多个开口142的掩模构件140时，可以基于开口142的位置来计算包括将被再现的全息图像的信息的CGH数据。为此，关于多个开口142的位置的信息可以被存储在图像处理器160的存储器中，并且可以基于多个开口142的位置来生成CGH数据，并将其提供给空间光调制器130。稍后将描述图像处理器160参考多个开口142的位置计算CGH数据的处理。
然而，由于空间光调制器130配置有多个显示像素的阵列，因此多个显示像素的物理阵列结构可以充当衍射栅格。因此，照明光不仅会被由空间光调制器130形成的全息图案衍射和干扰，而且会被空间光调制器130的显示像素的阵列的规则像素栅格衍射和干扰。此外，一些照明光可以不被全息图案衍射，而是可以照原样通过空间光调制器130。其结果是，在全息图像会聚到一点的聚焦光学系统120的焦平面(或瞳孔平面)上可能会出现多个栅格斑点。多个栅格斑点可能充当图像噪声，其降低了再现的全息图像的质量并且使得观察全息图像不舒服。例如，由未衍射的照明光形成的0阶噪声可能出现在聚焦光学系统120的轴上。此外，由于由空间光调制器130的规则显示像素结构衍射的光之间的干涉，在0阶噪声周围可能会出现规则栅格图案的高阶噪声。
为了防止观察者看到噪声，可以通过离轴技术再现全息图像，使得在避免噪声的同时再现全息图像的斑点。噪声是由于空间光调制器130的内部结构而生成的，并且与全息图案无关，因此，噪声的位置总是固定的。然而，根据全息图案来确定全息图像的斑点位置，因此可以形成全息图案，使得在不存在噪声的位置处再现全息图像。例如，图像处理器160可以将周期性正弦波形式的棱镜相位阵列或离轴相位阵列添加到包括全息图像信息的CGH数据。然后，除了空间光调制器130中的全息图案之外，还可以通过显示的周期性棱镜图案与聚焦光学系统120的光轴分开来再现全息图像。因此，再现的全息图像可能远离0阶噪音。
根据本示例性实施例，通过利用掩模构件140扩展观看窗口，再现的全息图像的位置可以远离0阶噪声。此外，根据本示例性实施例，掩模构件140的开口142被不规则地布置，因此，由空间光调制器130的规则显示像素结构生成的高阶噪声可以被衰减或去除。
例如，图4示出根据不使用掩模构件140的比较示例的全息图显示装置在观察者眼睛的瞳孔平面内的光的分布的示例。参照图4，由于0阶衍射引起的0阶噪声N0可以形成在瞳孔平面的中心上，即在光轴上。此外，在0阶噪声N0周围，可能以栅格的形式规则地形成由高于±1阶的高阶衍射生成的高阶噪声N1。在图4中，由高阶噪声N1包围的以粗实线指示的矩形可以是由空间光调制器130的分辨率确定的观看窗口。尽管图4未示出，但是可以在观看窗口外规则地生成高阶噪声N1。
全息图像L可以使用离轴技术稍微远离0阶噪声N0来再现。相对于0阶噪声N0，可以在全息图像L的相对侧上生成复共轭图像L*。即使使用离轴技术，离轴相位的表达极限也可以小于空间光调制器130的像素间距，如图4所示，全息图像L可能离高阶噪声N1不远。换句话说，全息图像L可能不会在由空间光调制器130的分辨率确定的观看窗口之外被再现。
图5示出根据使用掩模构件140的示例性实施例的全息图显示装置100和200在观察者眼睛的瞳孔平面内的光的分布的示例。参照图5，由于在瞳孔平面的中心上的0阶衍射，可能形成0阶噪声N0。然而，由于掩模构件140的开口142的不规则布置，因此几乎不会生成由大于±1阶的高阶衍射生成的高阶噪声N1。由于掩模构件140的开口142具有小于空间光调制器130的显示像素的尺寸，因此全息图像L可以在由空间光调制器130的分辨率确定的观看窗口之外被再现。
因此，可以充分扩展观看窗口，并且全息图像L可以远离0阶噪声N0，因此可以更舒适地观看全息图像L。此外，当如上所述扩展观看窗口时，即使眼睛跟踪器170和致动器180的精度降低，也可以容易地在观看窗口中再现全息图像L。因此，可以在不使用具有高精度的高价眼睛跟踪器170和高价致动器180的情况下再现低串扰的全息图像L。
在图3所示的掩模构件140的情况下，可以为空间光调制器130的每个显示像素设置一个开口142。换句话说，空间光调制器130的显示像素和掩模构件140的开口142可以一一对应，但是不必限于此。开口142的排列可以被不同地选择。例如，在空间光调制器130的一些显示像素中可以不布置开口142，而在其他显示像素中可以排列两个开口142。这些开口142的排列可以被不规则地并且随机地确定。如上所述，空间光调制器130的显示像素和掩模构件140的开口142可能不是完美地一一对应。
此外，在图3所示的掩模构件140的情况下，一个开口142的尺寸可以约为一个显示像素的尺寸的1/4。因此，开口142在掩模构件140的总面积中所占的面积比率(以下称为占有率)可以是25％，但不限于此。各种占有率的掩模构件140是可能的。此外，可以以各种方式选择掩模构件140的开口142的排列图案。根据掩模构件140的开口142的占有率以及排列开口142的图案形式，观看窗口被扩展的程度、高阶噪声N1被衰减的程度、高阶噪声N1的位置等可以不同。
掩模构件140的不规则光透射图案被描述为上述穿过不透明基板141形成的开口142。然而，在使用不透明基板141和开口142的情况下，因为仅照明光部分地透射穿过开口142，所以光利用效率可能降低。因此，代替多个开口142，可以使用多个微透镜的阵列。例如，图6示出根据另一示例性实施例的掩模构件140'的配置的示例，并且图7示出图6所示的掩模构件140'沿线A-A'的截面图。参照图6，掩模构件140'可以包括不规则且二维排列的多个微透镜143。在此，掩模构件140'的多个光透射图案可以是多个微透镜143。
如图6和图7所示，掩模构件140'的微透镜143可以与空间光调制器130的显示像素一一对应，并且微透镜143的数量可以与显示像素的数量相同。根据本示例性实施例，可以不规则地设置掩模构件140'的多个微透镜143相对于空间光调制器130的多个对应显示像素的相对位置。换句话说，每个微透镜143可以具有中心光轴。在每个微透镜143中，中心光轴的位置可以是不规则的并且随机地不同。因此，掩模构件140'的一个微透镜143的中心光轴相对于空间光调制器130的任何一个对应显示像素的相对位置可以不同于掩模构件140'的其他微透镜143的中心光轴相对于空间光调制器130的其他对应显示像素的相对位置，并且差异的程度可以是不规则的。与包括开口142的掩模构件140相比，掩模构件140'的其他微透镜143的中心光轴可以与掩模构件140的开口142的中心重合。
每个微透镜143可以仅布置在对应空间光调制器130的显示像素的区域中。因为相对于空间光调制器130的每个显示像素，与空间光调制器130的显示像素相对应的微透镜143的中心光轴的位置可以不同，如图7的截面图所示，对应于不同显示像素的两个相邻微透镜143之间的边界可以是不连续的。
另外，包括开口142的掩模构件140的描述大部分适用于包括微透镜143的掩模构件140'。例如，在空间光调制器130的一些显示像素中可以不布置微透镜143，并且在其他显示像素中可以布置两个微透镜143。尽管空间光调制器130的显示像素和掩模构件140'的微透镜143不是完美地一一对应，但是掩模构件140'的微透镜143的总数可以被设计成等于或大于空间光调制器130的显示像素的数量。
图8示出根据另一示例性实施例的掩模构件240的配置的示例。参照图8，掩模构件240可以包括相位延迟板阵列，其中不规则地二维排列具有不同相位延迟特性的多个相位延迟板241、242、243和244。因此，在图8所示的掩模构件240中的多个光透射图案可以是多个相位延迟板241、242、243和244。图8中每个相位延迟板241、242、243和244的尺寸可以小于图3中空间光调制器130的一个显示像素130a的尺寸。在图8中，对于空间光调制器130的一个显示像素130a布置四个相位延迟板241、242、243和244，但是不限于此。例如，可以对于空间光调制器130的一个显示像素130a布置两个、三个、五个或更多个相位延迟板。多个相位延迟板241、242、243和244的相位延迟特性可以被随机确定。
当使用图8中所示的掩模构件240时，来自空间光调制器130的一个显示像素130a的光可以穿过多个相位延迟板241、242、243和244，并且具有不同相位。因此，可以获得提高空间光调制器130的分辨率的效果。另外，由于由相位延迟板241、242、243和244引起的相位延迟是不规则的，因此具有不同相位的光之间的干涉效果可以被抵消并且不会出现。
在图6至图8所示的掩模构件140'和240中，与图3所示的掩模构件140相比，光可以不被不透明基板141阻挡。因此，穿过掩模构件140'和240的光的量可以大于穿过掩模构件140的光的量，因此可以提高光利用效率。当使用包括上述多个微透镜143的掩模构件140'或包括上述多个相位延迟板241、242、243和244的掩模构件240时，可以基于微透镜143的中心光轴的位置或多个相位延迟板241、242、243和244的相位信息计算包括将再现的全息图像的信息的CGH数据。为此，图像处理器160的存储器可以存储微透镜143的中心光轴的位置或多个相位延迟板241、242、243和244的相位信息。稍后将描述图像处理器160通过参考微透镜143的中心光轴的位置或多个相位延迟板241、242、243和244的相位信息计算CGH数据的处理。
图9是示意性地示出提供与图3、图6和图8所示的掩模构件相同效果的照明光学系统210′的配置的截面图。参照图9，照明光学系统210'的配置与图2所示的照明光学系统210的配置大致相同，仅输出耦合器213'的配置不同。在图9中，为了方便，没有示出图2中所示的光源110和光束偏转器214。在图2中示出的照明光学系统210中，通过输出耦合器213输出的光可以是平行光，并且可以由聚焦光学系统120聚焦。相反，在图9所示的示例性实施例中，输出耦合器213'可以允许光在各个方向上不规则地行进。例如，从输出耦合器213'输出的光的一部分可以作为平行光入射到空间光调制器130，而另一部分光可以倾斜地入射到空间光调制器130。特别地，光可以在空间光调制器130的一个显示像素内以各个方向入射。
如上所述，通过有意地使光的行进方向不规则，可以获得与图3、图6和图8所示的掩模构件140、140'和240相同的效果。例如，当平行光仅垂直入射在空间光调制器130的显示像素的部分区域上并且斜射光入射在显示像素的其余区域上时，平行光垂直入射的部分区域可以用作掩模构件140的开口142。可以将入射到空间光调制器130上的光的行进方向的详细方向分布存储在图像处理器160的存储器中。如下所述，图像处理器160可以通过参考关于入射在空间光调制器130上的光的方向分布的信息来计算CGH数据。
当全息图显示装置100和200提供彩色全息图像时，空间光调制器130可以被实现为具有红色、绿色和蓝色像素的彩色显示装置。为此，空间光调制器130可以包括分别对应于显示像素的多个滤色器的阵列。例如，图10示出根据示例性实施例的空间光调制器130的滤色器阵列131的滤色器分布的示例。参照图10，滤色器阵列131可以包括仅透射具有红色波长波段的光的多个红色滤色器131a、仅透射具有绿色波长波段的光的多个绿色滤色器131b以及仅透射具有蓝色波长波段的光的多个蓝色滤色器131c。红色滤色器131a、绿色滤色器131b和蓝色滤色器131c可以与空间光调制器130的显示像素一一对应。
另外，如图10所示，多个红色滤色器131a、多个绿色滤色器131b和多个蓝色滤色器131c可以不规则地排列。高阶噪声N1可以是由具有相同波长的光之间的相长干涉和相消干涉生成的干涉条纹图案。当红色滤色器131a、绿色滤色器131b和蓝色滤色器131c被规则地排列时，红色滤色器131a可以是相对于红色波长波段的光的衍射栅格，绿色滤色器131b可以是相对于绿色波长波段的光的衍射栅格，并且蓝色滤色器131c可以相对于蓝色波长波段的光的衍射栅格。根据本示例性实施例，可以不规则地排列多个红色滤色器131a、多个绿色滤色器131b和多个蓝色滤色器131c，从而抑制相同波长的光彼此干涉。
在空间光调制器130的整个区域中，红色滤色器131a、绿色滤色器131b和蓝色滤色器131c的数量可以相同。红色滤色器131a、绿色滤色器131b和蓝色滤色器131c可以在空间光调制器130中相对均匀和不规则地分布。图像处理器160可以分别基于红色滤色器131a、绿色滤色器131b和蓝色滤色器131c的位置来计算红色CGH数据、绿色CGH数据和蓝色CGH数据。
图11示出根据另一实施例的掩模构件140的配置的示例。参照图11，分别对应于多个红色滤色器131a、绿色滤色器131b和蓝色滤色器131c的掩模构件140的多个开口142可以被不规则地排列。在图11中用虚线指示的正方形格子可以对应于空间光调制器130的一个显示像素或一个滤色器。在图11中，每个开口142的尺寸约近似为空间光调制器130的一个显示像素的尺寸的1/3，但是不必限于此。
掩模构件140的多个开口142可以相对于空间光调制器130的整个显示像素被不规则地排列，并且可以相对于各个滤色器被不规则地排列。例如，可以不规则地设置多个开口142相对于分别与之对应的多个红色滤色器131a的相对位置，可以不规则地设置多个开口142相对于分别与之对应多个绿色滤色器131b的相对位置，并且可以不规则地设置多个开口142相对于分别与之对应的多个蓝色滤色器131c的相对位置。
在图11中，与空间光调制器130的多个滤色器相对应的掩模构件140的光透射图案是开口142，但是代替开口142，也可以使用微透镜143或相位延迟板241、242、243和244。另外，可以使用在不规则方向上发光的图9中所示的照明光学系统210'。
上述全息图显示装置100和200的一般操作如下。首先，图像处理器160可以根据将要再现的全息图像生成全息图数据信号，并将全息图数据信号提供给空间光调制器130。全息图数据信号可以是被计算来在空间上再现目标全息图像的CGH数据信号。当图像处理器160计算CGH数据信号时，图像处理器160可以考虑从掩模构件140、140'和240或照明光学系统210'发射的光的行进方向的分布。
空间光调制器130可以根据从图像处理器160提供的CGH数据信号在空间光调制器130的屏幕上显示全息图。空间光调制器130显示全息图案的原理可以是例如，与显示面板显示图像的原理相同。例如，全息图案可以由空间光调制器130以包括将要再现的全息图像的信息的干涉图案的形式显示。
同时，光源110可以向空间光调制器130提供照明光。入射到空间光调制器130上的照明光可以被空间光调制器130显示的全息图案衍射和干涉。其后，衍射和干涉的光可以聚焦在聚焦光学系统120的焦平面上，并且因此具有三维效果的全息图像可以在空间光调制器130前面的预定空间上被再现。可以根据在空间光调制器130中显示的全息图案来确定将要再现的全息图像的形状和深度。在此，因为空间光调制器130的分辨率通过掩模构件140、140'和240而增加，所以可以扩展需要再现全息图像时观看的空间，即，观看窗口。
然而，如上所述，因为掩模构件140、140'和240的分辨率高于空间光调制器130的实际分辨率，所以图像处理器160可以基于从掩模构件140、140'和240或照明光学系统210'发射的光的行进方向的分布来生成CGH数据。例如，图12是示意性地示出由根据示例性实施例的全息图显示装置100和200执行的与CGH数据的生成相关的操作方法的流程图。
参照图12，在操作S100中，图像处理器160可以接收图像数据。例如，当输入运动图像时，图像处理器160可以以帧为单位接收图像数据。换句话说，图像处理器160可以接收和处理一帧的图像数据，并且然后接收和处理随后帧的图像数据。例如，当使用基于层的算法时，一帧的图像数据可以包括彩色图像数据和深度图像数据。更具体地，图像数据可以包括左眼红色图像数据、左眼绿色图像数据、左眼蓝色图像数据、左眼深度图像数据、右眼红色图像数据、右眼绿色图像数据、右眼蓝色图像数据和右眼深度图像数据。
在操作S110中，图像处理器160可以使用基于层的算法来转换输入图像数据。基于层的算法是相对于深度将全息图的再现区域分解(split)到多个平面层并处理每个分解层的数据的方法。图像处理器160可以基于输入深度图像数据的深度信息对每个层分离彩色图像数据。可以预先确定要分离的层数并将其存储在图像处理器160中。
在操作S120中，图像处理器160可以对每个分解平面层的彩色数据执行傅立叶变换或快速傅立叶变换(FFT)。例如，图像处理器160可以对具有二维(2D)矩阵的图像数据执行FFT。图像处理器160可以执行两次1D FFT以执行2D FFT。换句话说，图像处理器160可以对图像数据逐行执行1D FFT，并且对转换后的图像数据逐列执行1D FFT。图像处理器160可以通过FFT将图像数据转换成具有复值的复图像数据。
在操作S120中执行的傅立叶运算可以是从观察者的视网膜到观察者的瞳孔的傅立叶逆变换(IFT)运算或快速傅立叶逆变换(IFFT)运算。换句话说，在观察者的视网膜中形成的光的波前(wavefront)可以通过操作S120的第一傅立叶运算被转换为在观察者的瞳孔中形成的波前。
之后，在操作S130中，图像处理器160可以使用深度图像数据的深度信息执行聚焦项操作或透镜相位操作。透镜相位操作可以是在将通过执行第一傅立叶运算获得的最终数据乘以深度值之后执行频率滤波。例如，深度值乘以通过对一层的彩色图像数据执行第一傅立叶运算而获得的最终数据可以指示该层在深度方向上的位置。
可以对在操作S110中针对每个层分离的图像数据执行操作S120和S130。换句话说，在操作S120和S130中，可以对针对每一层分离的多个2D图像数据执行第一傅立叶运算和透镜相位操作。然后，在操作S140中，图像处理器160可以合并经历透镜相位操作的、针对每一层分离的多个2D图像数据，以生成具有所有深度信息的一个图像数据。
在操作S150中，图像处理器160可以对具有所有深度信息的一个图像数据执行第二傅立叶运算。在操作S150中执行的第二傅立叶运算可以是从观察者的瞳孔到空间光调制器130的平面的第二IFT运算或第二IFFT运算。换句话说，通过操作S150的第二傅立叶运算，可以将在观察者的瞳孔中形成的光的波前转换为从空间光调制器130的表面发射的光的波前。
在操作S160中，图像处理器160可以执行棱镜相位计算或离轴相位计算以调整再现全息图像的位置。离轴相位计算可以是在没有点阵点噪声的空间中再现全息图像，避免了由空间光调制器130的物理像素结构引起的点阵点噪声。为此，图像处理器160可以将在操作S150中获得的2D全息图数据阵列乘以预定复值(即，棱镜相位阵列或离轴相位阵列)，从而向在操作S150中获得的2D全息图数据阵列提供根据预定周期重复的正弦波。可以根据再现全息图像的位置来预先确定预定复值。
在操作S170中，图像处理器160可以执行像素编码以最终生成要输入到空间光调制器130的CGH数据。例如，图像处理器160可以将在操作S160中获得的复图像数据中的复值编码为与空间光调制器130的每个像素相对应的整数值。换句话说，图像处理器160可以将在操作S160中获得的复图像数据的复值编码为n比特无符号整数值。在此，n是自然数。例如，当空间光调制器130的每个像素能够表示从0到255的256个灰度值时，图像处理器160可以将复图像数据的复值编码为8比特无符号整数值。
最后，在操作S180中，图像处理器160可以输出通过像素编码获得的最终CGH数据，并将最终CGH数据提供给空间光调制器130。然后，空间光调制器130可以基于从图像处理器160接收的CGH数据在屏幕上显示全息图案。
根据本示例性实施例，为了最小化在图12中所示的生成CGH数据的处理中的计算量，图像处理器160可以以空间光调制器130的分辨率或比空间光调制器130的分辨率低的分辨率执行操作S100至S150，以掩模构件140、140'和240的分辨率执行操作S160，并且以空间光调制器130的分辨率执行操作S170和S180。换句话说，图像处理器160可以以空间光调制器130的分辨率或比空间光调制器130的分辨率低的分辨率生成包括将要再现的全息图像的信息的全息图数据阵列，以掩模构件140、140'和240的分辨率对全息图数据阵列执行离轴相位计算，然后最终以空间光调制器130的分辨率生成CGH数据。然后，与在以掩模构件140、140'和240的分辨率执行从操作S100至S160的处理之后在操作S170中根据掩模构件140、140'和240的位置采样必要数据相比，可以大大减少图像处理器160的计算量。在这种情况下，因为通过操作S100至S150获得的全息图数据阵列的分辨率与掩模构件140、140'和240的分辨率不同，所以可以在执行离轴相位计算的操作S160中执行适当地转换全息图数据阵列或离轴相位阵列的处理。
例如，图13是示出全息图显示装置100和200的图12所示的操作方法中的离轴相位计算的示例的流程图。参照图13，在操作S210中，图像处理器160可以以掩模构件140和140'的分辨率生成离轴相位阵列。可以根据再现全息图像的位置来确定离轴相位阵列的复值。例如，图像处理器160可以通过定义可以将全息图像移动到期望位置的离轴相位函数并从离轴相位函数中提取与掩膜构件140和140'的所有区域相对应的值，来以掩模构件140和140'的分辨率生成离轴相位阵列。
然后，在操作S211中，图像处理器160可以基于掩模构件140和140'的多个光透射图案的位置从离轴相位阵列中仅选择一些数据，以将高分辨率离轴相位阵列转换为空间光调制器130的分辨率。例如，当使用图2中所示的掩模构件140时，图像处理器160可以从高分辨率离轴相位阵列中仅选择开口142的位置处的数据。另外，当使用图6所示的掩模构件140'时，图像处理器160可以从高分辨率离轴相位阵列中仅选择微透镜143的中心光轴的位置处的数据。另外，当使用图9中所示的照明光学系统210'时，图像处理器160可以从高分辨率离轴相位阵列中仅选择平行光垂直入射到的区域的位置处的数据。然后，具有掩模构件140和140'的分辨率的高分辨率离轴相位阵列可以被转换成具有与空间光调制器130的分辨率相同的分辨率的低分辨率离轴相位阵列。
例如，参照图3，假定通过掩模构件140将空间光调制器130的每个显示像素划分为由①、②、③和④表示的四个区域。在这种情况下，在操作S210中，图像处理器160可以生成高分辨率离轴相位阵列，以对应于包括①、②、③和④的掩模构件140的所有区域。此后，在操作S211中，图像处理器160可以选择与布置在图3中最上行最左列中的第一显示像素130a的区域②的位置相对应的离轴相位阵列的数据，并且选择与布置在左起第二列中的第二显示像素130b的区域④的位置相对应的离轴相位阵列的数据。
在操作S212中，图像处理器160可以执行离轴相位计算，将转换为低分辨率的离轴相位阵列的所选择的数据乘以在图12的操作S150中获得的2D全息图数据阵列。当以空间光调制器130的分辨率执行操作S100至S150时，可以在不转换全息图数据阵列的情况下执行操作S212。然而，当以比空间光调制器130的分辨率低的分辨率执行操作S100至S150时，图像处理器160可以首先执行上缩放，以将在操作S150中获得的2D全息图数据阵列的分辨率转换为空间光调制器130的分辨率。上缩放可以使用例如最近插值、线性插值、双线性插值、样条插值等。然后，图像处理器160可以将上缩放到空间光调制器130的分辨率的全息图数据阵列乘以被转换为低分辨率的离轴相位阵列。
同时，离轴相位阵列的数据值可以被容易地定义为简单的函数方程，因为数据值具有周期性正弦波的形式，诸如正弦波或锯齿波。因此，可以在一个操作中执行操作S210和S211。例如，在上述操作S211中，图像处理器160可以从定义离轴相位的函数中提取与掩模构件140和140'的所有区域相对应的值，并以掩模构件140和140'的分辨率生成离轴相位阵列。然而，替代地，图像处理器160可以从定义离轴相位的函数中提取与掩模构件140开口142的位置或掩模构件140'的微透镜143的中心光轴的位置相对应的值，以在单个处理中直接生成具有空间光调制器130的分辨率的离轴相位阵列。
图14是示出全息图显示装置100和200的图12所示的操作方法中的离轴相位计算的另一示例的流程图。参照图14，在操作S220中，图像处理器160可以以掩模构件140和140'的分辨率生成离轴相位阵列。可以根据再现全息图像的位置来确定离轴相位阵列的复值。例如，图像处理器160可以通过定义可以将全息图像移动到期望位置的离轴相位函数并从离轴相位函数中提取与掩膜构件140和140'的所有区域相对应的值来以掩模构件140和140'的分辨率生成离轴相位阵列。
此后，在操作S221中，图像处理器160可以将图12的操作S150中获得的2D全息图数据阵列上缩放到掩模构件140和140'的分辨率。上缩放可以使用例如最近插值、线性插值、双线性插值、样条插值等。
然后，在操作S220中获得的离轴相位阵列和在操作S221中获得的全息图数据阵列具有相同的分辨率。在操作S222中，图像处理器160可以通过将上缩放到掩模构件140和140'的分辨率的高分辨率全息图数据阵列乘以离轴相位阵列来执行离轴相位计算。
最终，在操作S223中，图像处理器160可以将被转换为具有离轴相位阵列的高分辨率全息图数据阵列转换为空间光调制器130的分辨率。当使用图2中所示的掩模构件140时，图像处理器160可以从高分辨率全息图数据阵列中仅选择开口142的位置处的数据。另外，当使用图6所示的掩模构件140'时，图像处理器160可以从高分辨率全息图数据阵列中仅选择微透镜143的中心光轴的位置处的数据。另外，当使用图9中所示的照明光学系统210'时，图像处理器160可以从高分辨率全息图数据阵列中仅选择平行光垂直入射到的区域的位置处的数据。然后，具有掩模构件140和140'的分辨率的高分辨率全息图数据阵列可以被转换为具有与空间光调制器130的分辨率相同的分辨率的全息图数据阵列。
在图13和图14所示的方法中，图像处理器160可以关于在操作S100中输入的图像数据针对每个帧新生成离轴相位阵列，以执行离轴相位计算。另外，图像处理器160可以根据由眼睛跟踪器170跟踪的观察者的瞳孔位置的改变来新执行离轴相位计算。然而，因为掩模构件140、140'和240的形状已经确定并且已经定义了离轴相位函数，所以可以预先计算用于将在掩模构件140、140'和240的光透射图案上显示的图像透射到观察者眼睛的位置的转换表并将其存储在存储器中，并且可以将预先计算和存储的转换表应用于在操作S150中获得的2D全息图数据阵列，因此可以进一步减少计算量。
例如，图15是示出全息图显示装置100和200的图12所示的操作方法中的离轴相位计算的另一示例的流程图。参照图15，在操作S310中，可以预先计算用于将在掩模构件140、140'和240的多个光透射图案的位置上显示的图像透射到观察者眼睛的位置的相位阵列。可以根据观察者眼睛的位置分别计算相位阵列。例如，当使用图2中所示的掩模构件140时，可以预先计算并存储用于将在开口142的位置上显示的图像透射到观察者眼睛的第一位置的第一相位阵列，并且可以预先计算和存储用于将在开口142的位置上显示的图像透射到观察者眼睛的第二位置的第二相位阵列。以这种方式，可以根据观察者眼睛的各种位置预先计算多个不同的相位阵列，并且可以以2D表的形式将每个预先计算的相位阵列存储在图像处理器160中。预先计算并存储在图像处理器160中的2D表形式的相位阵列的分辨率可以与空间光调制器130的分辨率相同。
然后，可以执行图12所示的操作S100至S150以再现全息图像。在操作S311中，基于眼睛跟踪器170提供的观察者眼睛的位置信息，图像处理器160可以从预先计算和存储的多个相位阵列中选择与观察者眼睛的当前位置相对应的相位阵列。在操作S312中，图像处理器160可以将在操作S150中获得的2D全息图数据阵列乘以选择的相位阵列。此后，可以对在操作S312中获得的全息图数据阵列执行图12的操作S170所示的像素编码。因此，可以仅以一种计算来执行离轴相位计算。
在操作S310中，存在基于掩模构件140、140'和240而根据观察者眼睛的位置来预先计算相位阵列的各种方法。图16是示出计算图15中示出的计算相位阵列的处理的示例的流程图。参照图16，首先，在操作S320中，假定2D数据阵列被布置在空间光调制器130的平面中。假定2D数据阵列具有统一的亮度和不规则的相位。例如，数据阵列的值可以由复数表示，复数的绝对值可以是统一的，并且可以不规则地选择复数的实部值和虚部值。另外，假定2D数据阵列具有掩模构件140、140'和240的分辨率或比掩模构件140、140'和240的分辨率高的分辨率，以便充分表达掩模构件140、140'和240的特性。
在操作S321中，可以将掩模构件140、140'和240的特性添加到在以上操作S320中假定的2D数据阵列。当使用图2中所示的掩模构件140时，可以将与开口142的位置相对应的数据阵列的一部分的亮度保持原样，并且可以将与不透明基板141的位置相对应的数据阵列的一部分的亮度变为0。另外，当使用图9所示的照明光学系统210'，可以将与平行光垂直入射到的区域的位置相对应的部分的亮度保持原样，并且可以将其余部分的亮度变为0。另外，当使用图6中所示的掩模构件140'时，可以将微透镜143对每个位置的相位改变添加到在操作S320中假定的数据阵列的对应位置的相位值。另外，当使用图8中所示的掩模构件240时，可以将多个相位延迟板241、242、243和244对每个位置的相位延迟添加到在操作S320中假设的数据阵列的对应位置的相位值。添加了掩模构件140、140'和240的特性的数据阵列可以传播到观察者的瞳孔平面上。例如，对其添加了掩模构件140、140'和240的特性的数据阵列可以被传播到观察者的瞳孔平面。例如，对于对其添加了掩模构件140、140'和240的特性的数据阵列，可以在观察者的瞳孔平面上执行傅立叶变换或快速傅立叶变换。
在操作S322中，可以将表示假定在瞳孔平面上的观察者眼睛的位置的掩模阵列乘以傅立叶变换后的数据阵列。掩模阵列可以使与观察者眼睛的位置相对应的一部分数据阵列变亮，并使其余部分变暗。例如，与假定在瞳孔平面上的观察者眼睛的位置相对应的一部分数据阵列可以被乘以“1”，而其余部分被乘以“0”。
在操作S323中，可以将在操作S322中获得的数据阵列再次传播到空间光调制器130的平面上。例如，可以对在操作S322中获得的数据阵列执行傅立叶逆变换或快速傅立叶逆变换，以到空间光调制器130的平面。
在操作S324中，可以将执行了傅立叶逆变换到空间光调制器130的平面的数据阵列添加到相对于空间光调制器130的平面预先假定的数据阵列。在此，相对于空间光调制器130的平面假定的数据阵列是在操作S321中添加掩模构件140、140'和240的特性之后恰在执行傅立叶运算之前的数据阵列。在这种情况下，为了控制在随后的重复处理中最终数据阵列收敛到恒定值的速度，可以将要相加的两个数据阵列乘以预定系数。例如，可以将执行了傅立叶逆变换到空间光调制器130的平面的数据阵列乘以第一系数，并且可以将傅立叶运算之前的操作S321中的数据阵列乘以第二系数。然后，可以调整合并且生成的数据阵列的亮度，使得合并且生成的数据阵列的亮度与在操作S320中最初假定的数据阵列的亮度相同。此时，数据阵列的相位可以保持原样。例如，可以调整由复数表示的数据阵列的像素值的绝对值，但是可以保持复数的实部值和虚部值的比率。
然后，可以重复操作S321至S324，直到空间光调制器130的平面上的当前数据阵列与空间光调制器130的平面上的紧邻先前数据阵列之间的差减小为止。例如，在操作S325中，可以将在操作S324中获得的数据阵列(即，空间光调制器130的平面上的当前数据阵列)和在操作S321中傅立叶运算之前的数据阵列(即，空间光调制器130的平面上的紧邻先前数据阵列)进行比较。在操作S326中，当差大于参考值时，处理返回到操作S321。通常，操作S321至S324可以被重复5至20次。
当在操作S326中确定差小于或等于参考值时，可以执行操作S327。在操作S327中，可以从在操作S325中获得的数据阵列中仅选择一些数据以获得最终相位阵列。例如，当使用图2中所示的掩模构件140时，可以仅获得在操作S325中获得的数据阵列中与开口142的位置相对应的数据，并且可以丢弃其余数据。另外，当使用图6中所示的掩模构件140'时，可以仅获得在操作S325中获得的数据阵列中与微透镜143的位置相对应的数据，并且可以丢弃其余数据。另外，当使用图8中所示的掩模构件240时，可以仅获得在操作S325中获得的数据阵列中与特定相位延迟板相对应的数据，并且可以丢弃其余数据。另外，当使用图9中所示的照明光学系统210'时，可以仅获得在操作S325中获得的数据阵列中与平行光垂直入射到的区域相对应的数据，并且可以丢弃其余数据。然后，最终相位阵列的分辨率可以与空间光调制器130的分辨率相同。由此获得的最终相位阵列可以被存储在图像处理器160的存储器中。
在改变在操作S322中假定的观察者眼睛的位置的同时，可以多次执行图16所示的方法。然后，可以获得对观察者眼睛的各种位置计算的多个相位阵列。这样获得的多个相位阵列可以被存储在图像处理器16的存储器中。如上所述，图像处理器160可以基于由眼睛跟踪器170提供的观察者眼睛的位置信息从存储在存储器中的多个相位阵列中选择与观察者眼睛的当前位置相对应的相位阵列。
尽管已经参照附图中示出的示例性实施例示出并描述了用于提供扩展观看窗口的全息图显示装置和方法，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离所附权利要求书所限定的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种改变。应当理解，本文描述的示例性实施例应仅在描述性意义上考虑，而不是出于限制的目的。每个实施例中的特征或方面的描述通常应被认为可用于其他示例性实施例中的其他类似特征或方面。
虽然未对其进行限制，但是示例性实施例可以被体现为计算机可读记录介质上的计算机可读代码。计算机可读记录介质是能够存储此后能够被计算机系统读取的数据的任何数据存储设备。计算机可读记录介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光学数据存储设备。计算机可读记录介质也可以经由网络耦合的计算机系统分布，使得以分布式方式存储和运行计算机代码。此外，示例性实施例可以被编写为经由计算机可读传输介质传送的计算机程序，诸如载波，并且在运行程序的通用或专用数字计算机中被接收和实现。此外，应当明白，在示例性实施例中，上述装置和设备的一个或更多个单元能够包括电路、处理器、微处理器等，并且可以执行存储在计算机可读介质中的计算机程序。
前述示范性实施例仅仅是示范性的，并且不被认为是限制性的。本教导能够被容易地应用于其他类型的装置。此外，对示范性实施例的描述意欲是示意性的，而不限制权利要求的范围，并且，对于本领域技术人员来说，许多替代、修改和变型将是显而易见的。

Claims (29)

1.一种全息图显示装置，包括：
光源，被配置为发出照明光；
空间光调制器，包括以第一分辨率二维排列的多个显示像素，以显示用于调制照明光来再现全息图像的全息图案；
掩模构件，被布置为面对空间光调制器，并且包括以高于第一分辨率的第二分辨率不规则地排列的多个光透射图案的阵列；以及
图像处理器，被配置为：
生成包括将以第一分辨率或低于第一分辨率的分辨率再现的全息图像的信息的全息图数据阵列；
以第二分辨率对全息图数据阵列执行离轴相位计算；
以第一分辨率生成计算机生成的全息图(CHG)数据；以及
将CGH数据提供给空间光调制器。
2.根据权利要求1所述的全息图显示装置，其中，
掩模构件的多个光透射图案包括不规则地排列在不透明基板上的多个开口，以及
其中，多个开口中的每个开口的尺寸小于空间光调制器的多个显示像素中的每个显示像素的尺寸。
3.根据权利要求2所述的全息图显示装置，其中，
多个开口中的每个开口与空间光调制器的多个显示像素中的每个对应显示像素分别对应。
4.根据权利要求2所述的全息图显示装置，其中，
不规则地设置掩模构件的多个开口相对于分别与之对应的空间光调制器的多个显示像素的相对位置。
5.根据权利要求1所述的全息图显示装置，其中，
掩模构件的多个光透射图案包括不规则地二维排列的多个微透镜。
6.根据权利要求5所述的全息图显示装置，其中，
不规则地设置掩模构件的多个微透镜的中心相对于分别与之对应的空间光调制器的多个显示像素的相对位置。
7.根据权利要求1所述的全息图显示装置，其中，
掩模构件包括多个相位延迟板，具有不同相位延迟特性并且被二维地不规则地排列。
8.根据权利要求1所述的全息图显示装置，其中，
空间光调制器包括滤色器阵列，
滤色器阵列包括：仅透射第一波长波段的光的多个第一滤色器、仅透射与第一波长波段不同的第二波长波段的光的多个第二滤色器以及仅透射与第一波长波段和第二波长波段不同的第三波长波段的光的多个第三滤色器，并且
其中，多个第一滤色器、多个第二滤色器和多个第三滤色器在滤色器阵列中被不规则地排列。
9.根据权利要求8所述的全息图显示装置，其中，
不规则地设置掩模构件的多个光透射图案相对于分别与之对应的空间光调制器的多个第一滤色器的相对位置，
不规则地设置掩模构件的多个光透射图案相对于分别与之对应的空间光调制器的多个第二滤色器的相对位置，以及
不规则地设置掩模构件的多个光透射图案相对于分别与之对应的空间光调制器的多个第三滤色器的相对位置。
10.根据权利要求1所述的全息图显示装置，其中，
图像处理器还被配置为：
为了生成全息图数据阵列，
接收图像数据；
对图像数据的每个深度的图像数据执行第一傅立叶运算；
对在第一傅立叶运算之后获得的每个深度的图像数据执行透镜相位操作；
将透镜相位操作之后获得的每个深度的图像数据合并为单个合并图像数据；以及
对单个合并图像数据执行第二傅立叶运算。
11.根据权利要求10所述的全息图显示装置，其中，
第一傅立叶运算包括将被配置为在观察者的视网膜中形成的第一光波前转换为被配置为在观察者的瞳孔中形成的第二光波前的第一傅立叶逆变换，并且第二傅立叶运算包括将第二光波前转换为在空间光调制器的平面中形成的第三光波前的第二傅立叶逆变换。
12.根据权利要求1所述的全息图显示装置，其中，
图像处理器还被配置为：当执行离轴相位计算时，
以第二分辨率生成离轴相位阵列；
基于掩模构件的多个光透射图案的位置从离轴相位阵列中选择数据，以将离轴相位阵列转换为具有第一分辨率；以及
将全息图数据阵列乘以具有第一分辨率的离轴相位阵列。
13.根据权利要求1所述的全息图显示装置，其中，
图像处理器还被配置为：当执行离轴相位计算时，
以第二分辨率生成离轴相位阵列；
以第二分辨率上缩放全息图数据阵列；
将离轴相位阵列乘以上缩放的全息图数据阵列；以及
基于掩模构件的多个光透射图案的位置从上缩放的全息图数据阵列中选择数据，以将上缩放的全息图数据阵列转换为具有第一分辨率。
14.根据权利要求1所述的全息图显示装置，其中，
图像处理器包括预先计算的相位阵列，其被预先计算以将在掩模构件的多个光透射图案的位置上显示的图像透射到观察者眼睛的位置，以及
其中，预先计算的相位阵列包括分别对应于观察者眼睛的不同位置的多个相位阵列。
15.根据权利要求14所述的全息图显示装置，其中，
图像处理器还被配置为：当执行离轴相位计算时，
选择与观察者眼睛的位置相对应的预先计算的相位阵列；以及
将全息图数据阵列乘以所选择的预先计算的相位阵列。
16.根据权利要求14所述的全息图显示装置，其中，
通过执行以下操作生成预先计算的相位阵列：
第一操作，假定布置在空间光调制器的平面上的第一数据阵列包括统一的亮度和不规则的相位；
第二操作，将掩模构件的多个光透射图案的特性添加到第一数据阵列，然后在观察者的瞳孔平面上执行傅立叶运算以生成第二数据阵列；
第三操作，将表示观察者眼睛的位置的掩模阵列乘以第二数据阵列以生成第三数据阵列；
第四操作，在空间光调制器的平面上对第三数据阵列执行傅立叶逆运算，以生成第四数据阵列；
第五操作，将第四数据阵列与第一数据阵列相加得到第五数据阵列并调整第五数据阵列的亮度，使得第五数据阵列的亮度与第一数据阵列的亮度相同；
第六操作，对第五数据阵列多次重复第二操作至第五操作，以生成第六数据阵列；以及
第七操作，基于掩模构件的多个光透射图案的位置从第六数据阵列中选择数据，以生成第七数据阵列，以及
其中，第一数据阵列具有第二分辨率或高于第二分辨率的分辨率，并且第七数据阵列具有第一分辨率。
17.一种全息图显示装置执行的显示方法，所述全息图显示装置包括图像处理器、空间光调制器和掩模构件，空间光调制器被配置为形成用于调制入射光并再现全息图像且包括以第一分辨率二维排列的多个显示像素的全息图，掩模构件被布置为面对空间光调制器，并且包括以高于第一分辨率的第二分辨率不规则地排列的多个光透射图案的阵列，所述显示方法包括：
由图像处理器以第一分辨率或低于第一分辨率的分辨率生成包括将再现的全息图像的信息的全息图数据阵列；
由图像处理器以第二分辨率对全息图数据阵列执行离轴相位计算；
由图像处理器以第一分辨率生成计算机生成的全息图(CHG)数据；以及
从图像处理器将CGH数据提供到空间光调制器。
18.根据权利要求17所述的显示方法，其中，
掩模构件的多个光透射图案包括不规则地排列在不透明基板上的多个开口，以及
其中，多个开口中的每个开口的尺寸小于空间光调制器的多个显示像素中的每个显示像素的尺寸，并且不规则地设置掩模构件的多个开口相对于分别与之对应的空间光调制器的多个显示像素的相对位置。
19.根据权利要求17所述的显示方法，其中，
掩模构件的多个光透射图案包括不规则地二维排列的多个微透镜，并且不规则地设置掩模构件的多个微透镜的中心相对于分别与之对应的空间光调制器的多个显示像素的相对位置。
20.根据权利要求17所述的显示方法，其中，
掩模构件包括多个相位延迟板，具有不同的相位延迟特性并且被二维地不规则地排列。
21.根据权利要求17所述的显示方法，其中，
生成全息图数据阵列包括：
接收图像数据；
对图像数据的每个深度的图像数据执行第一傅立叶运算；
对在第一傅立叶运算之后获得的每个深度的图像数据执行透镜相位操作；
将透镜相位操作之后获得的每个深度的图像数据合并为单个合并图像数据；以及
对单个合并图像数据执行第二傅立叶运算。
22.根据权利要求21所述的显示方法，其中，
第一傅立叶运算包括将被配置为在观察者的视网膜中形成的第一光波前转换为被配置为在观察者的瞳孔中形成的第二光波前的第一傅立叶逆变换，并且第二傅立叶运算包括将第二光波前转换为在空间光调制器的平面中形成的第三光波前的第二傅立叶逆变换。
23.根据权利要求17所述的显示方法，其中，
执行离轴相位计算包括：
以第二分辨率生成离轴相位阵列；
基于掩模构件的多个光透射图案的位置从离轴相位阵列中选择数据，以将离轴相位阵列转换为具有第一分辨率；以及
将全息图数据阵列乘以具有第一分辨率的离轴相位阵列。
24.根据权利要求17所述的显示方法，其中，
执行离轴相位计算包括：
以第二分辨率生成离轴相位阵列；
以第二分辨率上缩放全息图数据阵列；
将离轴相位阵列乘以上缩放的全息图数据阵列；以及
基于掩模构件的多个光透射图案的位置从上缩放的全息图数据阵列中选择数据，以将上缩放的全息图数据阵列转换为具有第一分辨率。
25.根据权利要求17所述的显示方法，其中，
图像处理器包括预先计算的相位阵列，其被预先计算以将在掩模构件的多个光透射图案的位置上显示的图像透射到观察者的眼睛的位置，以及
其中，预先计算的相位阵列包括分别对应于观察者眼睛的不同位置的多个相位阵列。
26.根据权利要求25所述的显示方法，其中，
执行离轴相位计算包括：
选择与观察者眼睛的位置相对应的预先计算的相位阵列；以及
将全息图数据阵列乘以所选择的预先计算的相位阵列。
27.根据权利要求25所述的显示方法，其中，
通过执行以下操作生成预先计算的相位阵列：
第一操作，假定布置在空间光调制器的平面上的第一数据阵列包括统一的亮度和不规则的相位；
第二操作，将掩模构件的多个光透射图案的特性添加到第一数据阵列，然后在观察者的瞳孔平面上执行傅立叶运算以生成第二数据阵列；
第三操作，将表示观察者眼睛的位置的掩模阵列乘以第二数据阵列以生成第三数据阵列；
第四操作，在空间光调制器的平面上对第三数据阵列执行傅立叶逆运算，以生成第四数据阵列；
第五操作，将第四数据阵列与第一数据阵列相加得到第五数据阵列并调整第五数据阵列的亮度，使得第五数据阵列的亮度与第一数据阵列的亮度相同；
第六操作，对第五数据阵列多次重复第二操作至第五操作，以生成第六数据阵列；以及
第七操作，基于掩模构件的多个光透射图案的位置从第六数据阵列中选择数据，以生成第七数据阵列。
28.根据权利要求27所述的显示方法，其中，
第一数据阵列具有第二分辨率或高于第二分辨率的分辨率，并且第七数据阵列具有第一分辨率。
29.一种计算机可读记录介质，记录存储能够由计算机运行以执行权利要求17所述的显示方法的程序。
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