用于景象全息重建的投影装置的制作方法

专利名称：用于景象全息重建的投影装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用来处理景象全息重建的投影装置，所述装置包含了 至少一个光调校装置和至少一个能发射出足够相干的光的光源以产生出 景象的波前并且编码承载于光调校装置之内。本发明还涉及一种景象全息 重建的方法。
背景技术：
全息影像利用波形-光学方法让三维物体能够被记录并且以光学方法 重建。全息影像的重建通常会参考类似重建方法，即借助投影装置，依赖 全息影像的型式，并通过发射出足够相干光的全息影像相关媒介来实现。
所使用的全息影像可能是真实的全息影像或计算机生成全息图(CGH)。
通常重建的结果都会被直接观察，也就是观察者会直接观察计算机生 成全息图，举例来说，重建包含依照全息影像的值作一致的编码处理的规 则性分布的像素。由于离散记录与折射效果的差异，CGH的重建只可能 在周期性的间隔内且此周期性间隔是由CGH相关媒介的分辨率所定义 的。全息影像的重建基本上会重复地以不规则的形式出现在邻近的周期性 区域之内。
处理CGH的记录媒体包括对投射进来的光线的相位和振幅进行调制 的空间光调制器、例如液晶显示器(LCD)、硅上液晶(LCoS， liquid crystal on silicon)等等。另外将CGH转换到目标平面的光学元件也常被用于重 建二维与三维景象。用于景象重建的投影装置的刷新频率必须足够高以达 成移动中的二维与三维景象的高品质图像。
举例来说，US 5,172,251号专利公开了一种用于重建三维景象的具有 一维调制器的投影装置。其中的光调制器是由数据处理系统的调制信号所
控制的声光调制器(acousto-optic modulator),因而能将一维的全息影像进 行编码处理。重建将借助许多光学元件被縮减，如此将能提升水平方向的 观察角度。水平扫描器能够连续地整合许多局部的景象的全息影像并且平 衡局部全息影像沿着调制器的移动。水平扫描器会与声波的速度同步，所 以来自调制器的原始影像所要被扫描的范围会固定显示在重建的景象之 内。另外，还包括垂直扫描器以便将水平的一维全息影像标示在垂直的方 向上。
然而，因为上述的投影装置使用了声光调制器(AOM)，它曝露出另 外需求其他类似用来作为平衡信号移动的水平扫描器的元件的缺点。这将 会使得设计变得更佳困难而复杂。另外一个缺点在于AOM的光圈太小， 这就需要串联在一起的附属全息影像。
另外，光调制器可从例如日本的第09068674A号专利中得知。该专 利和


了借助两个空间光调制器(SLM)用来重建三维景象的装置。 其中的两个光调制器每一个都具有相对应的全息影像以对应到一个观察 者的一只眼睛。透镜元件与旋转镜片元件配置在光调制器与观察者之间。 而三维景象将会被重建于旋转镜片元件之内的区域或之上。任何观察者的 移动都会通过位置检测系统而被检测定位，且该旋转镜片元件会调整倾斜 其水平或垂直轴以追随移动后新的观察者眼睛的位置。同时，相对应于移 动后新观察者位置的三维景象将会被重建显示于全息影像之内。
上述的旋转镜片元件的作用相当于投影装置中的监视器，该旋转镜片 元件被用来同步追踪观察者视窗。因此，三维景象的重建将会因该元件的 扩展而收到限制。另外，重建后的景象也会显示出因旋转镜片元件移动的 影响而造成的不规则现象。这表示重建后景象的表象将会随着实际观察方 向而有所不同。这将会使得观察者在观看景象时相当不便。还有，重建后 的景象将会受到前述两个光调制器的相对较小维度的限制。
日本的第09138631号专利说明了用于显示移动中的三维景象的全息 影像装置，其中从观察者到景象的观察距离保持尽可能的小。该装置包含 光源、光调制器、用于成像光线的成像元件以及配置于靠近重建景象或与
该重建景象相同位置的场域透镜。因为场域透镜在此还用作屏幕，所以三 维景象的扩展会收到该场域透镜的维度的限制。

发明内容
所以，本发明的目的是提供一个可以克服现有技术的前述缺点的用于 景象全息重建的装置与方法，所述装置与方法能够产生出具有高影像品质 的二维与三维景象之重建结果以呈现给多个观察者，且这多个观察者中至 少有一个观察者在移动，本发明所提出的投影装置结构简单且制造成本低廉。
根据本发明，此目的通过成像元件解决，该成像元件用于将由光调制 器装置调制的光经傅里叶转换的影像呈现在屏幕之上，以及将编码于光调 制器装置上的波前成像显示于位于观察者位置平面中的至少一个虚拟观 察者视窗之上，还有至少一个折射元件以根据至少一个观察者一只眼睛的 位置的改变来追踪观察者视窗，所述折射元件配置在光调制器装置与屏幕 之间。
根据本发明的投影装置包含至少一个光调制器装置，该光调制器装置 由包含能发射足够相干光的光源的发光装置来照明。该光调制器装置优选 为一个空间光调制器，最好是相位调制器。由光源所发射出来的光经过光 调制器调制之后其傅里叶转换通过成像元件、具体说是透镜组与/或镜面显 示呈现于用作屏幕的光学元件上，以及编码于光调制器装置上的波前将会 被成像在虚拟观察者视窗之中，该虚拟观察者视窗位于可让一个或多个观 察者都能够看到重建后的二维或三维景象的观察者位置平面。观察者视窗 之所以被称为虚拟的视窗是因为它并不是实体存在的。它只是一个位于观 察者某一只或两只眼睛之前的成像视窗，通过该视窗将能够看到相当影像 品质的重建景象。根据本发明，观察者视窗可借助至少一个折射元件并随 着观察者的移动来做追踪，也就是检测定位出移动后新的观察者眼睛位 置。该折射元件位于投影装置之内，配置在光调制器装置与屏幕之间。这 种折射元件可以是机械式的、电子式的、电磁式的或光学式的元件、诸如 声光元件。
如此一来，全息影像投影装置用于轻易且快速地二维与三维景象的重 建并提供较高的影像品质，也可以不断地追踪观察者视窗的位置。事实上， 用来追踪观察者视窗的折射元件会配置在投影装置中并且使得系统对于 周围亮度的感光性变得不敏感。另外，所使用的光调制器装置优选为延伸 的空间光调制器和尺寸非限制的调制器、例如前述的声光调制器，它可以
让例如US 5，172，251号专利中的水平扫描器这样的附加元件及其布置在整 个投影装置中变成是多余的。这有助于实际产品的紧凑设计。
在本发明的一个实施例中，全息影像重建的等级大小和屏幕尺寸大小 都是可以选择的以使得傅里叶转换的衍射级的周期连续性落在屏幕之外。 这样做的好处是衍射级的周期连续性会被替换在屏幕之外，并且只有一个 周期可以在屏幕上被看到。这意味着观察者无法在各个衍射级上观察到重 建的周期连续性。比起传统的技术其影像品质要提高相当多。
在本发明的另一实施例中，光调制器装置可以是一维光调制器装置， 其中提供了折射元件用于产生二维波前以重建景象，该折射元件可以让光 学折射垂直于一维光调制器装置。
如果使用一维空间光调制器装置，则根据本发明的投影装置包含折射 元件，优选为电流扫描器(镜式电流计)或多角形镜以便能对光束做快速 地折射，如此将对重建景象的显示产生二维波前。行或列的波前(取决于 一维光调制器是垂直还是水平排列)也将借助折射元件而串列在一起。
为了能让观察者的观察者视窗有更大的空间区域，在观察重建景象时 利用位置检测系统来检测观察者位置平面中的观察者眼睛位置的改变。
位置检测系统会检测一个或多个观察者在观察重建景象时其眼睛的 位置，并因此将景象做编码处理。这样做有一个特别的优点就是能在观察 者改变其眼睛位置时随时跟着更新重建景象的位置与/或内容。然后观察者 视窗也就能跟着新的观察者眼睛位置来做追踪。
根据本发明的另一优选实施例，至少一个光束分离元件会被配置在折 射元件与光调制器装置之间。在这种情况下会使用一个二维的二进制光调 制器装置，它与前述的光束分离元件并排配置以用来作为景象的色彩重
建，而另一个光束分离元件则用来重建发射自光调制器装置的波前。
在投影装置中至少配置一个光束分离元件以便在使用一维或二维光 调制器装置时能处理景象的色彩重建。如果使用二维的二进制光调制器装 置，则除了作为色彩重建的光束分离元件之外另外再加上一个第二光束分 离元件以重新产生发射自光调制器装置的波前。这一额外增加的光束分离
元件可以是例如光栅或衍射光学元件(DOE， diffractive optical element)。
本发明的目的通过景象的全息重建的方法来达成，其中由光源发出并 经光调制器装置调制的光的傅里叶转换被成像在用作屏幕的光学元件上， 其中至少光学元件将经编码的波前成像在观察者位置平面的至少一个虚 拟的观察者视窗中，且其中至少一个折射元件根据观察者位置平面中的至 少一个观察者的眼睛位置的改变来追踪观察者视窗。
根据本发明的方法，发光装置所发出的光如果是足够相干的光，将会 直接射向至少一个光调制器装置以对二维和/或三维景象的进行全息影像 重建。而由此发光装置所发出的光其傅里叶转换与光调制器装置的调制结 果将会呈现显示在光学元件上，特别是在屏幕上，最好是镜面。之后在光 调制器装置中编码的波前将会借助上述屏幕而呈现显示在观察者位置平 面中的某个观察者视窗中，并通过它让观察者观察到重建后的三维景象。 观察者视窗会在观察者位置平面中根据借助于折射元件检测到的至少一 个观察者的眼睛位置的改变来被追踪。
本发明的方法的优点在于二维与/或三维的景象可以被重建于一个较 大的重建范围内，并且同时具有较高的影像品质。另外，该方法也允许观 察者在其观察者位置平面中任意移动，如此在屏幕之前将不会需要存在着 固定的观察者位置才能观察到重建后的景象。根据本发明的方法可以将较 大的重建后的三维景象以较真实的景深效果(而非一般常见熟知具有视差 影像的自动立体显示至景深效果)显示给至少一个观察者，即使这个观察 者可能移动到其他的位置。而事实上直接被调制整理的波前会让用来重建 全息影像目的的转换的计算变得多余。另外，只有将一个物体的菲湼尔转 换带入观察者视窗中以计算调制处理后的波前才是必需的。这使得物体波
前的额外傅里叶转换带入全息影像里变成多余。就如同之前其他现有技术 中的投影装置之需求一样。
根据本发明的优选实施例，景象可以在第零衍射级中被重建。优选为 这样是因为在第零衍射级上的光线亮度是最亮的地方。

本发明的另一实施例通过其他从属权利要求定义。本发明的实施例将 在下面被详细阐释，并结合附图被阐明。本发明的主旨在于解释说明具有 单色光的全息影像重建。然而，对于本领域的技术人员来说本发明也可运 用于彩色全息影像重建，正如在个别实施例中所描述的那样。
图1是表示用于三维景象重建的具有一维光调制器装置的根据本发明 的全息投影装置的工作原理(俯视图)。
图2表示图1所示的投影装置的细节放大。
图3表示根据本发明用于向至少两个观察者重建景象的投影装置的另 一实施例。
图4表示根据本发明的具有二维二进制光调制器装置的投影装置的工 作原理(俯视图)。
图5表示根据本发明的具有二维光调制器装置的投影装置的工作原理 (俯视图)。
图6表示图5中所示的根据本发明的投影装置的简单实施例(俯视图)。
图7表示图5中所示的投影装置的另一可能的实施例(俯视图)。
具体实施例方式
图1是表示用于二维和/或三维景象重建的全息投影装置1的俯视示意 图。为了简单的理解，全息投影装置1会以图1中传送装置为例得到简单 说明。现在，对全息投影装置l的基本设定作进一步的说明。该投影装置 1包含光调制器装置2，该光调制器装置在此是调制入射波前的相位调制器。如在本实施例中可见的，光调制器装置2是一维光调制器装置，在此
它被垂直安置。然而，它也可以水平安置。光调制器装置2由发光装置3、 更精确地说是可以发射足够相干光的线光源4来发射光束。在本申请中， 所谓的"足够相干光"指的是三维景象的全息影像重建时能够产生干涉的 光线。发光装置3的光源4可以是激光二极管、DPSS激光(diode-pumped solid state lasers)或其他激光。传统的光源也可以在能够发射出足够相干 光的情况下用作光源。然而这样的光源必需经过滤光器以使得实现足够程 度的相干。全息影像投影装置1还包含影像显示元件，特别是光学系统5。 该光学系统5的最简单变型还包含影像显示元件6和用作屏幕的光学元件 7。该光学元件7尤指下述屏幕。当然，光学系统5还可以包含更多额外 的光学元件，例如以下章节所作的深入说明和解释。屏幕7最好是镜面， 特别是凹面镜。屏幕7也可以是其他任何的影像显示光学元件、例如图中 所示的透镜。如果屏幕7是凹面镜，则整个系统最大的好处在于全息影像 投影装置1的光学系统其大小将会远远地小于只使用透镜的发射装置的大 小。屏幕7不管在任何状况下都不能有扩散的表面，如此将使得反射自光 调制器装置2的波前8无法分离。影像显示元件6也可以是镜面或透镜。 如果某个由光源4所发射出来的波W是水平的，并且到达光调制器装置2 且受到调制以使得此水平波W的波前被编码在光调制器装置2到目标波 前8的等距位置上。这一波前8会通过透镜元件13和14而成像在折射元 件9上来重建二维和/或三维景象。其中所谓的折射元件9可以是电流计扫 描器，压力扫描器、共振扫描器、微镜片阵列、多角形镜面或类似的装置、 例如声光的、电子光学的或甚至是电磁的装置。折射元件9影响波前8的 光学折射与光调制器装置2的垂直关系，以产生二维的波前10。此时的波 前10包含由此折射所产生的一系列的平行一维波前10'， 10"， 10'",…… 等等。光学系统5也将因此而把此二维的波前10成像在虚拟的观察者视 窗11以配合观察者位置平面12，其中某个观察者的眼睛将在此观察者位 置平面上观察重建后的景象。而由光源4所发射的足够相干光将会同时成 像在屏幕7上。因此，编码在波前中的信号其傅里叶转换(FT)会在透镜 元件13和14之间产生，并在透镜组13的成像侧的焦平面中。光学系统5 的成像元件6会将傅里叶转换成像在屏幕7的平面15上。重建后的景象 可以让观察者以一个扩大后的重建容积16的倍率来观察看到，这一重建 容积由在观察者视窗11与屏幕7之间伸展的平截头体形成。重建后的景 象可以成像在屏幕7之前或之后。
三维景象在第零衍射级被重建。这样优选是因为第零衍射级的亮度与 光强度都是最强的。
另外，也可以将折射元件9直接与光调制器装置2整合在一起。这表 示用来产生二维波前10的光调制器装置2是一个完整的配置。透镜元件 13和14在此情形下并非必需。光调制器装置2被配置在折射元件9的旁 边，也就是成像元件6的物体一侧的焦平面中。所以，用来作为景象色彩 重建的光束分离元件22可以被配置在光调制器装置2与影像成像元件6 之间。这将使得全息影像投影装置1的设计变得较为紧凑。
然而，全息影像投影装置1也可能在光学路径中选择性地只包含透镜 元件13和14。此时透镜元件13和14具有相同的折射能力以将像差减少 到最小，但是具有个别的焦距长度。然而，透镜元件13和14也可能会有 不同的折射能力或不同的焦距以调整或将一维波前8的大小在折射元件9 上作最佳化的处理。在此例中透镜元件13和14还有其他特别的优点。他 们能确认发射自光调制器装置2的波前8可以在折射元件9之上成像以产 生二维的波前10。假设某个焦距为无限远的系统，通过上述的透镜元件 13和14来重现的话，将可以将波前8成像在折射元件9之上。因此，波 前8的傅里叶转换将会在透镜元件13的影像一侧的焦平面产生出来。借 助透镜元件14与成像元件6，傅里叶转换被成像在屏幕7上。
折射元件9也可以选择被配置在光源4与光调制器装置2之间。这么 做的优点是在二维波前10编码的过程中所产生的像差将会尽可能地减小 或抑制，因为水平波前W在达到光调制器装置2之前尚未被编码。
在此所示的投影装置1另外还包含位置检测系统17以检测观察者位 置平面12中某个观察者其眼睛的位置。位置检测系统17可以是照相机。 折射元件18被配置于成像元件6与屏幕7之间，最好是在成像元件6的
影像一侧的焦平面中，以随着观察者眼睛位置的改变来追踪观察者视窗 11。折射元件18可以被分离式地控制并且最好是镜片。需要非常精密的 折射元件来追踪观察者视窗11。这也是为什么折射元件18可以是一部电
流计扫描器。当然，也可以使用其他折射元件、诸如MEMS阵列、多角 形扫描器或声光排列来达到目的。另外，折射元件18至少可以折射一个 方向，例如水平与/或垂直方向。也就是说折射元件18的一维版本只能够 在水平方向或垂直方向中追踪观察者视窗11。而折射元件18的二维版本 则能够同时在水平方向和垂直方向中追踪观察者视窗11。折射元件18可 以是xy-型式的电流计扫描器，或两个电流计扫描器可以作前后顺序的安 排，其中一个用来作水平方向的追踪，而另一个则用来作垂直方向的追踪。 用来追踪观察者视窗11的折射元件9必需与折射元件18同步。还有，第 二成像元件19会出现在折射元件18之后，并且在光线行进的方向上被发 现。因为需要最大的透镜倍率才能将傅里叶转换的影像充满整个屏幕7， 因此第二成像元件19可以是透镜组系统而不只是单一的透镜，以避免或 将像差减少到最小。如果没有第二成像元件19，则成像元件6必须是透镜 或透镜系统。
现在，三维景象的重建将借助本实施例被详细描述。由光源4所发射 出来的波前W到达光调制器装置2，其中波前W是经过调制修正过的。 然后，调制后的波前8穿越能将波前成像在折射元件9之上的透镜元件13 和14。在此同时，波前8的傅里叶转换FT将会通过透镜元件13而产生 于透镜元件13的影像一侧的焦平面中。在此傅里叶转换产生之后，二维 的波前10利用成像元件6而成像在折射元件18之上。任何在观察者位置 平面12中的观察者移动会通过位置检测系统17被检测出来。观察者视窗 11可以通过折射元件18的控制而受到追踪并且通过位置检测系统17来提 供观察者的位置信号。成像元件6与19会在第二成像元件19的焦平面20 中产生二维波前10的影像。这一存在于焦平面20的二维影像将会通过屏 幕7成像在观察者视窗11。在此同时，傅里叶转换FT的影像会被产生于 成像元件6的影像一侧之焦平面21之中。第二成像元件19接着将会把傅 里叶转换FT的影像成像在屏幕7之上。
前述全息影像投影装置1只适用于观察者一只眼睛的情形。还可以加 入第二光调制器2以提供重建影像给观察者的一双眼睛。现有的全息影像 投影装置1的光学元件也可以在此情形下继续使用。如果观察者位于观察 者位置平面12中并且通过观察者视窗来观看影像，则他将能在重建容积
16中看到重建后的三维景象，而且这一景象将重建于屏幕7之前、之上或 之后，都在光线行进的方向上。然而，也可以只利用一个光调制器装置2 来重建景象给观察者的一双眼睛，只要这个光调制器装置是水平安置即 可。
三维景象的色彩重建也可以借助全息影像投影装置1而产生。如图1 所示，优选为棱镜区块的光束分离元件22配置在成像元件6之前，并且 在与光线进行的同一方向上。光束分离元件22最好是具有双色层次的X 棱镜，以便能将红、绿、蓝三色分离到三个不同的波前或将它们重新组合 在一起以产生普通调制后的波前。当然，任何其他的光束分离元件也可以 被用来作为色彩的重建。景象的色彩重建将因此通过同步处理而得到三原 色，即RGB (红、绿、蓝)。在本实施例中，光束分离元件22被配置于 透镜元件13和14之间，但是它也可以被配置在全息影像投影装置的其它 位置上。
图2所示为图1中光束分离元件22的细节放大。三个光调制器装置 2R、 2G和2B分别用来处理三原色RGB，以同步产生三维景象的色彩重 建。这三个光调制器装置2R、 2G和2B会通过三个光源4R、 4G和4B而 发射光线。当通过相对应的光调制器装置2R、 2G和2B调制之后所产生 的个别波前8R、 8G和8B，这些波前将通过光束分离元件22而成像在透 镜元件14之上以重建出普通波前。另外也能够只利用一个光源、特别是 白光源来作色彩的重建。这样安排后，光束分离元件22也会配置在透镜 元件13和14之间。然而， 一面额外的半透明镜片也会被配置在光束分离 元件22与透镜元件14之间。由光源所发射出来的光将会直接射向半透明 的镜片，并通过光束分离元件22将产生的影像呈现到三个光调制器装置 2R、 2G和2B之上以调制出相对应的波前，其中的光束分离元件22将光 线分离到三个单色光波前8R、 8G和8B。另外，也可以只利用一个而非
三个光调制器装置来作色彩的重建。然而，该方法在此未述。光调制器装
置可以利用光源来发光，这一光源可以是整合了三个不同色彩的LED或 只用一个白光LED。另外，还需要至少一个光学元件、例如声光元件，已 将波前以不同的入射角成像呈现到光调制器装置之上。
图3所示是本案所提出的全息影像投影装置1的另一具体实施例。图 中的一般安排方式与图1所示的投影装置完全相同。这也就是为什么利用 数字来表示元件。在图1中所示的传统装置中，全息影像投影装置1将可 以被延伸提供给多个观察者来使用。为了能够让此图更加让人容易理解， 在本例中我们只先说明光学路径只提供给两位观察者且每个观察者都只 有一个一维波前的情形。然而， 一般来说会有更多的观察者会来观察这一 三维景象。以R表示的观察者视窗主要是提供给观察者的右眼来观察，而 以L来表示的观察者视窗则是提供给观察者的左眼来观察。在图中所示的 全息影像投影装置1包含了两个用来显示重建后的三维景象的光调制器装 置2。这两个光调制器装置2的任何一个都是由具有至少一个光源4的发 光装置3来照明。光源4之间彼此是相互独立并且会导致不同的入射角度。 每个光调制器装置2所具有的光源4数量也将因此与重建景象的观察者数 量有相互的依赖关系。如果有两个或两个以上的观察者，且只提供一个光 调制器装置2给一个类型的观察者视窗使用，也就是说，只提供给所有观 察者视窗的观察者的右眼，或只提供给所有观察者视窗的观察者的左眼来 观察。光源4能够在光调制器装置2以不同的入射角度发射出足够的相干 光。光源4提供给某个观察者的观察者视窗IIR与11L的入射角度也将因 此而几乎完全相同。这表示由产生给观察者视窗11L与24L的调制后波前 8L与23L的光源4所发射出来的光的入射角度是不同的。屏幕7、折射元 件9、透镜元件13和14以及成像元件6与19都可以同时被使用在两个光 调制器装置2之上。
比起图1来，提供两个折射元件18以追踪至少两个、在此是三个观 察者视窗IIR、 11L和24L相对应于观察者眼睛位置。折射元件18的数 量依赖于观察者数量的多少。这表示每个观察者虽然具有双眼但也只能使 用一个折射元件18，在此例中为观察者视窗IIR和IIL。第二成像元件
19会整合聚焦元件25并且配置在折射元件18之后，并且在光线行进的同 一方向上。第二成像元件19在此例中是一个双凸透镜阵列并用来对准且 调制波前10R和IOL，其中这两个分别提供给右眼和左眼的波前10R和 10L将穿透指定给第一折射元件18的第二成像元件19的双凸透镜。 一旦 这两个波前IOR和10L穿过第二成像元件19的双凸透镜，则聚焦元件25 将会对准在屏幕7的傅里叶转换FT的重叠部分并焦距。另外一个折射元 件18会用来追踪某个二维波前26L的观察者视窗24L。聚焦元件25将会 被更佳复杂的透镜组所取代以将像差减小到最小。 一般常见的聚焦元件25 可以例如是消除色差的透镜。也可以在投影装置1之中使用第二成像元件 19与聚焦元件25来作为单一双凸透镜阵列。
三维景象可以利用如图1所示的方法来作重建，但是在本实施例中的 全息影像投影装置1主要是被设计用于多个观察者，所以会存在有多个折 射元件18以追踪观察者视窗IIR、 11L与24L。如以上所描述的全息影像 投影装置1可以同时同步地提供重建后的影像给三个观察者视窗。
如果不使用会发射足够相干光且此光会以不同入射角到达每个光调 制器装置2的光源4，则也可以在每个光调制器装置2中只使用一个光源 4。在此情形下波前会在经过光调制器装置2的调制修正之后加乘了好几 倍。举例来说，可以借助一个格状的光栅元件在靠近折射元件9的地方完 成这一工作。这一方法有一个优点那就是由单一光源4所发射出来且达到 光调制器装置2的波前其相位缺陷可以被修正。
参照图1与图3，折射元件18，可能是一片镜面或镜面组，最好是电 流计扫描器，可以具有一层光扩散层。折射元件18也可以是在水平方向 上扩散光线的镜面。光扩散层也可以是薄板。扩散的光线必须依循一个正 确的角度行进到一维的波前。因为相干性在全息影像重建过程中是绝对必 要的，它一定不能受到使用光扩散层的影响。它也将因此而可能在不相干 的方向里，且观察者视窗ll、 IIR、 11L与24L受到衍射级的扩张而受限 在其他的方向中，而扩大观察者视窗ll、 IIR、 11L与24L 。优选地，当 光调制器装置2是以水平方向来配置。如此以来个别的观察者视窗11、 IIR、 11L与24L将能够在垂直方向上扩张，也就是不连续的方向。这也
是为什么不再需要让光调制器装置2以此排列配置的方式来追踪观察者视
窗ll、 IIR、 11L与24L到观察者的垂直方向，因为观察者视窗ll、 IIR、 11L与24L在这个方向具有极大的扩张。另外，也可以将光扩散层加在屏 幕7之上，其中的屏幕7将不只是用来作为影像与显示的功能而已，也能 够在不相干的方向里扩散波前的傅里叶转换。
当了解到将重建后的三维景象的部分影像的二维波前借助连接在一 维光调制器装置2与/或折射元件18的折射元件9而提供给两个或多个观 察者时，调制后的波前8其行或列的时间将有多种可能。部分影像的二维 波前首先会完整地产生并提供给一个观察者，然后再提供给其他的观察 者。另外，部分影像的调制后波前其行或列也可能会与个别的观察者结合 在一起。
根据图1、 2和3的本发明的实施例一直涉及至少一个一维光调制器 装置2来调制至少一个入射波前。然而，本发明还可以使用二维光调制器 装置来实现。
现在，投影装置1的这种具体实施例将借助图4、 5、 6和7进行更详 细的描述。
图4所示为全息影像投影装置1的另一实施例的俯视图。根据该实施 例的投影装置1也用于观察者位置平面12中的多个观察者。相对于图1 与图3，该实施例的光调制器装置2是二维的二进制光调制器装置。通过 这一光调制器装置2调制后的波前将会变成一连串的二进制码。因为波前 的重建会变得相当不精确，所以我们必须将数个波前相互重叠才能重建出 一个景象。如此一来用来产生二维波前的折射元件将变得不再需要。
除了在图1与图3中所示的折射元件9之外，投影装置1还包含光束 分离元件27,它可以再与额外的光束分离元件22合并使用以便将光线分 离到其光谱部件或从这些部件将光束整合起来，已重现发射自光调制器装 置2的波前8R与8L。这一光束分离元件27最好能够安置在透镜元件14 与影像元件6的影像一侧的焦平面中，而且它也可以是一个格状的光栅或 衍射光学元件(DOE),特别是可描绘景象的DOE。另外，也可以在每个 光调制器装置2中提供多个光源4，至于数量则完全依赖于观察者位置平 面12中的观察者数量，而非光束分离元件27的数量。由这些光源4所发 射出来的光应该会以不同的入射角度到光调制器装置2。
在图中所示用来提供给三个观察者的景象重建，此时的投影装置包含 了两个光调制器装置2，其中一个光调制器装置2只提供给观察者的右眼， 而另外一个光调制器装置2则只提供给观察者的左眼。这两个光调制器装 置2的每一个都是由至少一个具有光源4的发光装置3所照明。由这些光 源4所发射出来的光也将因此被调制修正使得平面波W能在光调制器装 置中的等距位置上被编码成为所需要的波前8R与8L。这些波前8R与8L 之后将会通过透镜元件13和14被成像在光束分离元件27之上以重新产 生多个波前81R、 82R、 83R以及81L、 82L、 83L。与此同时，波前8R 与8L的傅里叶转换FT会产生于透镜元件13和14之间，最好是在透镜 元件13的焦平面中。傅里叶转换FT将接着被透镜元件14与影像元件16 所成像呈现在成像元件6的焦平面21中，在此时需要配置三个折射元件 18。首先，波前81R、 82R、 83R以及81L、 82L、 83L会通过成像元件6 与19以及聚焦元件25而被成像到第二成像元件19与聚焦元件25的一般 聚集平面20之中，然后这些波前将会通过屏幕7而被成像到观察者视窗 IIR、 IIL、 24R、 24L、 28R与28L之中，也就是说，成像在这三个观察 者的双眼里。与此同时，在焦平面21中的傅里叶转换FT的影像会通过第 二成像元件19与聚焦元件25而成像在屏幕7之上。再次重申，折射元件 18的数量完全依赖于观察者的数量。这表示每个观察者都只让双眼共用同 一个折射元件18，在此图中为观察者视窗IIR与IIL。三维景象会在第零 衍射级中再度被重建。在观察者位置平面12中的观察者之任意移动也会 被位置检测系统17所检测出来，位置检测系统17会监视每一只眼睛的位 置，并让折射元件18受到控制以便能让观察者视窗IIR、 IIL、 24R、 24L、 28R与28L能随着观察者眼睛位置的改变而被追踪。三维景象也可以作彩 色的重建，就如同前述所使用的光束分离元件22—样。
除了使用两个光调制器装置2之外，也可以只利用一个光调制器装置 2来重建景象以提供给一个或多个观察者。如此一来，将只需要一个光源
以照明光调制器装置2。
图5所示为全息影像投影装置1的另一实施例的俯视图，其中只有一 个观察者。然而， 一般来说会有多个观察者同时来观察重建后的景象。在 此例中光调制器装置2也被用来作为二维光调制器装置，但是相对于前述 的二进制光调制器装置，这些装置将能够作为多值的编码，以达到改善只 具有唯一一个景象的波前的重现，举例来说就像是多个相位值的处理。如
此一来，投影装置l也会比图l、图3和图4中所述的结构来的更简单。 折射元件9与光束分离元件27将变得不再需要。而且，只需要一个折射 元件18就足够来追踪观察者视窗IIR与11L或是更多的观察者视窗。
对于三维景象的重建来说，每一个光调制器装置2会分别提供给右眼 与左眼。这两个光调制器装置2会通过发光装置3的两个光源4来发射足 够相干的光。平面波W会到达光调制器装置2，其中它们会被编码以成为 所需要的波前8R与8L。接着波前8R与8L会通过透镜元件13和14成 像到影像一侧的焦平面29中，这一焦平面29位于透镜元件14与成像元 件6之间。与此同时，波前8R与8L的傅里叶转换FT产生于透镜元件 13和14之间，并且位于透镜元件13的影像一侧的焦平面之中。接着傅里 叶转换会通过透镜元件14与成像元件6而成像呈现于焦平面20中，再通 过屏幕7而呈现给观察者视窗IIR与11L然后再到观察者的眼睛里。与此 同时，在焦平面21中的傅里叶转换FT其影像会通过第二成像元件19而 成像在屏幕7之上。所以提供给右边观察者视窗的波前8R与8L，以及提 供给左边观察者视窗的波前11R与11L，将会同时成像。所以三维的景象 将会再次地重现在第零衍射级中。在观察者位置平面12的任何观察者的 移动将会通过由位置检测系统17被检测到，这一位置检测系统会监视眼 睛的位置，并且让折射元件18受到控制以使得观察者视窗11R与11L能 够随着观察者新的眼睛位置而受到追踪。三维景象也可以作彩色的重建， 就如同前述所使用的光束分离元件22 —样。
如果有多个观察者位于观察者位置平面12中，则提供给观察者视窗 IIR与11L的每一对左边与右边波前都将会一个一个地被分配到个别的观 察者。然后，下一对波前将成功地被分配给个别不同的观察者，依此类推。
相反地，也可以将原本要给右眼观察者视窗IIR的波前先一个一个地被分 配到个别的观察者，然后再将原本要给左眼观察者视窗11L的波前一个一 个地被分配到个别的观察者。如此一来就能够重建出下一个景象来。
根据本实施例，也可以只利用一个光调制器装置2来提供给观察者的 两只眼睛。如果是这种情况，两个观察者视窗11R与11L彼此交换工作， 如以上所述。如果在这种情形下存在多个观察者，则先得到所有的右眼观 察者视窗IIR、……的重建影像，接着才会轮到左眼观察者视窗IIL、…… (或反之亦然)。
图6表示图5所示的投影装置1的简单实施例。再次重申，图中只存 在一个观察者。然而， 一般来说会有多个观察者同时来观察重建后的景象。 在此例中光调制器装置2也被用来作为二维光调制器装置，就如同在图5 中所描述的一样。在此具体实施例中，只利用一个折射元件18来追踪观 察者视窗IIR与IIL，或多个观察者视窗。如果透镜元件14与成像元件 16可以构建出一个具有无限远焦距的系统的话，就如同图5所示，则这些 光学元件也可以被省略删除，就像图6所示。这么一来将会得到一个架构 非常简单的投影装置l。然而，这样的安排所付出的代价是像差就会变得 难以修正，就如同色像差。
对于三维景象的重建来说，每个光调制器装置2会分别提供给右眼与 左眼。这两个光调制器装置2通过发光装置3的两个光源4来发射出足够 相干的光。平面波W到达光调制器装置2，其中它们会被编码以成为所需 要的波前8R与8L。接着波前8R与8L通过透镜元件13和第二成像元件 19而成像到一个影像一侧的焦平面20之中，再通过屏幕7而呈现给观察 者视窗IIR与IIL然后再到观察者的眼睛里。与此同时，波前8R和8L 在透镜元件13和第二成像元件19之间生成，具体说是在透镜元件13的 焦平面21中生成，折射元件18位于其中。傅里叶转换FT通过第二成像 元件19而成像在屏幕7之上。所以提供给右边观察者视窗的波前8R与 8L，以及提供给左边观察者视窗11R与11L，将会同时成像出来。所以三 维景象将会再次地重现在第零衍射级中。在观察者位置平面12的任何观 察者的移动将会通过位置检测系统17而被检测到，这一位置检测系统会
监视眼睛的位置，并且让折射元件18受到控制以使得观察者视窗IIR与 11L能够随着观察者新的眼睛位置而受到追踪。三维景象也可以作彩色的 重建，就如同前述所使用的光束分离元件22—样。
除了使用两个光调制器装置2之外，也可以只利用一个光调制器装置 2来重建景象以提供给一个或多个观察者。如此一来，将只需要一个光源 以照明光调制器装置2。
如果有许多观察者位于观察者位置平面12中，如图5所示，则提供 给观察者视窗IIR与IIL的每一对左边与右边波前都将会一个一个地被分 配到个别的观察者。然后，再通过折射元件18将下一对波前将成功地分 配给个别不同的观察者。之后，再继续分配给下一位观察者，依此类推。 相反地，如之前所述，也可以将原本要给右眼观察者视窗IIR的波前先一 个一个地分配到个别的观察者，然后再将原本要给左眼观察者视窗11L的 波前一个一个地分配到个别的观察者。如此一来就能够重建出下一个景象 来。
在此实施例中，有可能只用一个光调制器装置2来向观察者的双眼提 供影像，如图5所示，它能一个接着一个地提供影像给观察者视窗11R与 IIL。
图7所示是投影装置1的另一实施例，其中所示的投影装置1只能提 供影像给一位观察者而已。然而，它通常也可能使用这一投影装置1给多 个观察者。光调制器装置2可以是一维的、二维的、或是三维的二进制光 调制器装置。如果它是一维的光调制器装置的话，则必须使用两个折射元 件9，如图1与图3所示。如果它是二维的二进制光调制器装置的话，其 优点将会是这一光调制器装置2可以让多个观察者能够会很快地看到重建 后的景象。若非如此，则只有一个观察者能够看到重建后的景象。在本实 施例中，只使用一个折射元件18来追踪观察者视窗IIR与IIL，或多个 观察者视窗，如图5和6所示。投影装置1的成像元件具有一个较小数量 的光圈(NA)，如此也将会比图5与图6中的投影装置1具有较少的像差。 因为透镜元件13和14，以及光束分离元件22都会重复两次工作，也就是
说每个光调制器装置2，或观察者的每只眼睛，都会让波前W穿越投影装 置1的第一个部分而彼此独立地成像，并且能针对每一只眼睛分别作误差 的调整。
三维景象的重建将会借助每一个分别提供给右眼与左眼的光调制器
装置2而完成。这两个光调制器装置2通过发光装置3的两个光源4来发 射出足够相干的光。波前W会达到光调制器装置2，其中它们会被编码以 成为所需要的波前8R与8L。这两波前8R与8L在本实施例中会通过两 个光束来重现(所以只会显现出半个波前)。接着波前8R与8L通过透镜 元件13和14而成像到透镜元件14的影像一侧的焦平面30之中。不可移 动的折射镜形式的折射元件31位于焦平面30之中，折射元件31会将波 前8R反射到所需要的方向。波前8L也以类似的方法通过透镜元件13与 14来成像，但是会在焦平面32之中。与此同时，波前8R与8L的傅里叶 转换FT产生于透镜元件13与14之间，并且位于透镜元件13的影像一侧 的焦平面之中。接着这两个傅里叶转换FT通过透镜元件14与成像元件6 而成像呈现在焦平面中。接着波前8R与8L通过成像元件6与19而成像 到焦平面20之内，再接着通过屏幕7进入观察者视窗11R与11L再进入 观察者的双眼。与此同时，在焦平面21中的傅里叶转换FT其影像将通过 第二影像元件19而成像呈现在屏幕7之上。提供给右边和左边观察者视 窗11R与11L的波前8R与8L也同时成像。所以三维的景象将会再次地 重现于第零衍射级之中。位置检测系统17会监视眼睛位置的任何改变以 追踪在观察者位置平面12上的观察者视窗IIR与IIL。位置检测系统17 也让折射元件18受到控制以使得观察者视窗IIR与11L能够随着观察者 新的眼睛位置而受到追踪。
如果多个观察者位于观察者位置平面12中，则提供给观察者视窗11R 与11L的每一对左边与右边波前都将会一个一个地被分配到个别的观察 者。然后，下一对波前将成功地被分配给个别不同的观察者，依此类推。
三维景象也可以利用之前所述的利用两个光束分离元件22来作色彩 的重建，其中的光束分离元件22可以配置于透镜元件13与14之间。当 然，这一光束分离元件22也可以配置在投影装置1中的任何适当位置。
通过图7所示，投影装置1也可以用来让光学路径保持展开的型式。
另外，具有光源4的发光装置3也可以配置在投影装置1中的任何适 当位置。举例来说，如果光调制器装置2并非是发射型，而是反射型话， 则每一个发光装置3可以被用来让发射出来的波前W通过一个折射元件 而成像到相对应的光调制器装置2，就如同反射或半发射镜面。这样做的 优点在于，如果光源4被成像到一个傅里叶平面，则其中必然会配置折射 元件。至少一个光学元件、诸如透镜、镜面等等，都可以用在折射元件与 光调制器装置2之间。参考图7所示，这类的折射元件可以被配置在靠近 折射元件18或光束分离元件22的地方；而其中的光束分离元件22在此 情形下也可以被配置在折射元件之前或之后，或是其他在投影装置1中的 任何适当位置。这将会使得投影装置1在设计上变得更加精简。
在这个实施例中，个别的光源4可以利用来自主光源(图中未示)的 至少一个光学元件来产生。
还有，在所有实施例中都可以将景象重建于任何其他不是第零衍射级 的地方，例如在第1或第负1衍射级之中。
全息影像投影装置1的所有其他可能的应用包括在私下或工作环境中 的二维与或三维的成像，例如电脑屏幕、电视屏幕、电动玩具，在汽车工
业中作信号显示，在娱乐工业中，在医疗工程中，特别是显微手术的应用 或局部X光透视的空间重建，以及军用工程等等。以上在本申请中所提出 的这些关于投影装置1的技术也可以应用在其他未被列举出的实际领域中。
权利要求
1.一种用于景象的全息重建的投影装置，该装置具至少一个能够发射足够相干光的光源，以及至少一个能够产生景象的编码波前的光调制器装置，包含能将光的傅里叶转换(FT)通过光调制器装置(2，2R，2G，2B)调制成形成于屏幕(7)之上的、而且可以将编码后的波前(8，8R，8G，8B，8L)成像于观察者位置平面(12)上至少一个虚拟观察者视窗(11，11R，11L，24R，24L，28R，28L)之中的成像元件(6)，以及至少一个配置于光调制器装置(2，2R，2G，2B)与屏幕(7)之间的折射元件(18)以根据至少一个观察者的某只眼睛的位置改变来追踪观察者视窗(11，11R，11L，24R，24L，28R，28L)。
2. 根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于重建规模大小与屏幕 (7)的尺寸大小都会被选择用来让傅里叶转换(FT)的衍射级的周期连续性能够落在此屏幕(7)之外。
3. 根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于光调制器装置(2， 2R， 2G， 2B)是一维的。
4. 根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于还包含二进制二维的 光调制器装置(2， 2R ，2G ，2B)。
5. 根据权利要求3所述的投影装置，其特征在于还包含用以产生重建 景象的波前(10)的折射元件(9)，所述折射元件(10)让光学折射以一 个正确的角度偏向到上述一维光调制器装置(2, 2R, 2G, 2B)。
6. 根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于还包含位置检测系统 (17)以检测观察者眼睛位置的改变。
7. 根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于当观察者为多个时， 为了追踪观察者视窗(ll， 11R, 11L, 24R, 24L, 28R， 28L)，每一个观察者分 配一个折射元件(18)，再利用调校透镜阵列(19)以对应到所有的折射 元件(18),以及一般聚焦元件(25)，并且让上述的所有元件都依顺序连 续配置在光线前进的方向上。
8. 根据根据权利要求l、 3或4中的一项所述的投影装置，其特征在 于至少一个光束分离元件(22， 27)被配置在折射元件(18)与光调制器 装置(2， 2R， 2B)之间。
9. 根据权利要求8所述的投影装置，其特征在于利用前述光束分离元 件(22)来将光束依照光谱的不同而加以分离，或从不同的光束整合成一 个合并后的光束来处理景象的有色重建。
10. 根据权利要求8所述的投影装置，其特征在于当使用了二维的二 进制光调制器装置(2， 2R, 2B)时，该装置包含用于景象有色重建的光束 分离元件(22)，以及其他用来作为将发射自光调制器装置(2, 2R, 2Q 2B) 的波前(8R, 8L, 8B)作加乘的光束分离元件(27)。
11. 根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于折射元件(18)是镜子。
12. 根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于屏幕(7)是一面镜 子、具体说是凹面镜。
13. 根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于包含在整个光学路 径透镜元件组(13， 14)之中以便将像差减小到最低。
14. 根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于光调制器装置(2， 2R， 2B)是相位调制器。
15. —种景象全息影像重建的方法，其中发光装置至少具有一个足够 相干光源以发射出能够让一个光调制器装置可以编码处理的波前，而且其 中由光源(4)所发射出来并经由光调制器装置(2,2R,2G2B)所调制的光 的傅里叶转换(FT)呈现显示在用作屏幕的光学元件(7)之上，而且此 光学元件(7)至少会将编码后的波前(8, 8R， 8G， 8B, 8L)成像显示到观察者 位置平面(12)上的至少一个虚拟观察者视窗(ll, 11R, 11L, 24R, 24L, 28R, 28L)之中，另外还有至少一个折射元件(18)能够在至少一个观察者的眼 睛位置有所改变时追踪观察者视窗(ll, 11R, 11L, 24R, 24L, 28R， 28L)。
16. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于该光调制器装置(2， 2R, 2G，2B)和该光学元件(7)定义了一个重建规模，该规模与光学元件(7)的尺寸一起被选择以使傅里叶转换(FT)的衍射级的周期连续性落在光学 元件(7)之外。
17. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于景象在第零衍射级重建。
18. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于位置检测系统(17)检 测并追踪观察此重建景象的观察者的眼睛的位置。
19. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于至少一个成像元件(6, 19, 25)将波前(W， 8, 8R, 8B, 8L)的傅里叶转换(FT)成像显示在光学 元件(7)之上。
20. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于无论存在两个或多个观 察者，都只使用一个光调制器装置(2， 2R， 2G, 2B)以产生适用于所有观察 者的左眼与右眼的波前(W， 8， 8R， 8B， 8L)，此时将会需要多个光源(4) 以将光线通过各种不同的入射角度直接射到光调制器装置(2， 2R, 2B)。
21. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于一维光调制器装置(2, 2R， 2G， 2B)产生一维调制波前(8, 8R， 8G, 8B， 8L)，其中波前(10)由折射 元件(9)产生。
22. 根据权利要求15所述的方法,其特征在于对景象的有色重建用三 原色同步进行。
23. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于对于二维二进制光调制 器装置(2,2R,2Q2B)，其将第一光束分离元件(27)乘上一个由光调制器 装置(2, 2R， 2B)和至少一个其他的光束分离元件(22)所发射出来的 波前(8， 8R， 8B， 8L)，同步实现三原色景象有色重建。
24. 根据权利要求22或23所述的方法，其特征在于其中景象的同步 有色重建是利用三个光调制器装置(2R, 2G， 2B)来进行，其中第二光束分离 元件(22)将由光调制器装置(2R,2Q 2B)所调制后的光的个别的单一光谱 波前(12R， 12G, 12B)重组整合起来。
全文摘要
本发明涉及一种具影像重建功能的全息投影装置(1)，这一装置包含了至少一个光线调制器装置(2，2R，2G，2B)以及至少一个能够发射出足够且相干的光以产生景象的波前(8，8R，8G，8B，8L)的光源(4)，而且这一波前将会被编码承载于前述的光线调制器装置(2，2R，2G，2B)之内。由光源(4)所发射出来且经由光线调制器装置(2，2R，2G，2B)所调制后的光线的傅里叶转换(FT)将会通过成像元件(6)而成像在屏幕(7)之上。另外，编码承载于光调制器装置(2，2R，2G，2B)的波前(8，8R，8G，8B，8L)也会通过由成像元件(6)而成形于某个观察者位置平面(12)内至少一个虚拟观察者视窗(11，11R，11L，24R，24L，28R，28L)上。为了通过改变至少一个观察者某只眼睛的位置来追踪观察者视窗((11，11R，11L，24R，24L，28R，28L)，本发明所提出的方法中的装置至少包含了一个位于光调制器装置(2，2R，2G，2B)与屏幕(7)之间的折射元件(18)。
文档编号G02B27/00GK101371204SQ200780002773
公开日2009年2月18日 申请日期2007年1月15日 优先权日2006年1月20日
发明者菲利普·瑞德-乔德 申请人:视瑞尔技术公司