具有用于重建的追踪装置的全息重建系统的制作方法

专利名称：具有用于重建的追踪装置的全息重建系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全息重建系统，在该系统中，传播到观察者的至少一 只眼睛的传播的已调制光波场三维地重建场景，从而使其对所述眼睛可 见。该系统包含空间光调制器装置、眼睛探测器和位置控制器，以便将传 播的已调制光波场导向至少一个观察者的眼睛位置全息重建，并且如果观 察者改变其眼睛位置，追踪所述传播的已调制光波场到眼睛位置。本发明 具体涉及用于调整眼睛位置与重建系统的轴向距离的装置。
本发明独立于提供全息信息的方式，并且其还可以用于允许多个观察 者同时观看全息重建的视频场景的重建系统中。
背景技术：
申请人己经公开了一定数量的全息重建系统，这些全息重建系统借助 传播的已调制光波场三维地重建重建场景，其中传播的已调制光波场由跟 踪观察者的至少一只眼睛的波追踪装置引导。
此发明以重建对观察者的一只眼睛可见的场景的光波场为例描述这 样的重建系统的功能原理。对于另一只眼睛，该系统可以生成具有不同 于空分多路或时分多路过程中的视差的全息信息的第二波场。然而，该 系统通常还可以提供具有足够大的可见区的波场。该系统还可以在空分 多路或时分多路过程中为多个观察者生成并引导分离的波场。
将重建系统的基本原理应用于本发明，其中空间光调制器装置呈现视 频全息图。图l表示利用具有离散调制器单元的光调制器装置的重建系统
的一般技术问题。在本例子中，光调制器装置是调制光波场LW的单个光 调制器SLM，当光透过光调制器时，其能够产生具有全息信息生的干涉， 即，以透射网格方式(transmissive grid mode)生成干涉，或者作为可控
5的、空间排列的微反射器。光调制器SLM动态编码场景的全息信息。在任
一情况下，产生已调制波场，其用焦平面FL前方的空间中的聚焦透镜L在傅立叶变换之后重建场景的物体光点。聚焦透镜L确保由视频全息图的所有区域发出的光以不受限的方式通过可见区。
正如具有照相底片(photographic plate )或照相胶片(photographic film )
的传统全息术那样，如图l所示的光调制器SLM也包含用于传统视频全息图的每个调制器单元中的场景的全部全息信息。划分视频全息图之后，每个全息区可以依赖于观察者角度-仅仅是可以观看到物体縮小的角度范围，为其本身全息地重建整个场景。
然而，如果公知的系统在具有像素化调制器单元结构的二维空间光调制器，例如液晶显示装置的整个调制器表面上为每个物体光点编码全息信息，就会出现问题。除了每个所需的重建物体光点以外，位于空间频谱中的附加寄生光点(parasitic light points)不可避免地存在于另外的衍射级中。
图l以极其简化的形式说明了本系统所采用的衍射级中所选择的物体光点OPO，另外，还有在衍射级+l和-l中的寄生光点OP+l和OP-l。本发明并
不感兴趣的另外的寄生光点出现在另外的衍射级中。在重建位置，物体光点位于与所有寄生光点对齐的衍射间隔中。重建之后，光波锥以周期性的距离从每个光点传播到焦平面，并且它们的开口角由照明调制器单元的光的波长以及单元结构的调制器单元的距离确定。
所有重建的光点OP+l、 OP0和OP-l的光波锥以广角传播，使得在焦平面FL中由用来重建的衍射级确定的可见区VR中，也出现来自寄生光点0P+1和0P-1的邻近光波锥的光，这样，这些光点就是可见的。此干扰不能通过过滤补偿。
这样的全息重建系统由本发明的申请人在他们的公布号为WO2004/044659，名称为"视频全息图以及用于重建视频全息图的装置(Videohologram and device for reconstructing video holograms )"的国际申请中首
次进行了说明。图2表示从该国际公布中可知的克服该缺陷的可能性。
为了避免可见区中较高衍射级的光波，利用场景的小物体元素，最好
6是被重建系统独立地重建的离散的物体光点，来编码光调制器装置。在本例子中，计算机辅助全息处理器装置(图中未示出)对应于光调制器SLM
在可见区VR前方的空间位置以及可见区VR的大小将用于每个物体光点的光调制器SLM的已编码表面减小至全息区HO。结果，仅来自所使用的衍射级中的物体光点进入可见区VR。因此可见区仅位于一个衍射级内。在本例子中，用至少一只眼睛朝向视频全息图观看并且观察场景的观察者看不到由寄生光点OP+l发出的光波。
系统控制器的全息处理器(图中未示出)依赖于空间中物体光点OP0的轴向位置计算每个全息区的表面积。这意味着物体光点OP0到光调制器SLM的轴向距离dl以及焦平面到光调制器SLM的距离d2确定了全息区H0的表面积。来自光调制器SLM的光轴的重建物体光点OP0的横向偏差(lateral deviation)确定了光调制器SLM的表面上全息区HO的位置。换句话说，每个全息区HO的大小和位置由从可见区VR通过各点到光调制器的调制表面的虚拟连接平面确定。
该编码方法也已经由申请人在公布号为WO 2006/119920，名称为"用于三维场景全息重建的装置(Device for holographic reconstruction ofthree-dimensional scenes)"的国际申请中公开。
图3仅示意性地表示三维场景3DS的由所使用的衍射级中的重建物体
的光点发出的光波。该例子仅表示场景部分的少数几个所选择的物体光点OP1 ... OP4。全息处理器HP在光调制器SLM的许多邻接的调制器单元中为每个单个的物体光点OPl…0P4编码分离的全息区H1 ...H4。每个全息区与聚焦透镜L一起形成可调节的透镜，其在SLM和焦平面FL之间的空间中重建其物体光点OP，使得其光波在焦平面FL中不离开所利用的衍射级传播进入可见区VR。这阻止了对可见区中其它衍射级的寄生光点的感知。全息处理器HP始终将单个物体光点的全息信息仅分配给调制器表面有限的全息区H。考虑到由系统控制器借助眼睛探测器提供的当前眼睛位置的数据，全息处理器计算每个全息区的位置和大小。
两种公知技术的重建系统具有这样的缺点重建仅从位于焦平面FL中的可见区VR无差错地可见。只有在那里，重建物体光点的所有光波重合，形成完整地呈现场景重建的光波场。可见区是虚拟性质(virtual nature)的，因此在没有任何辅助的情况下难以为观察者检测到。因为重建系统不 具有用于阻止邻接衍射级的空间频率过滤器，所以来自寄生光点的光超出
焦平面FL的范围传播到眼睛瞳孔。这中情况以重建物体光点OP0的例子在 图5a中进行说明。如果观察者眼睛处在所示的可见区VR2中，来自寄生光 点OP+l的光也传播进入眼睛瞳孔，并且光点OP+l因而作为扰乱斑点 (di sturbing spot)可见。
此外，从眼睛位置到焦平面FL的任一方向上的距离，从某一大小开始， 引起由某些全息区、尤其是那些处在光调制器SLM的边缘的全息区发出的 光波不传播到观察者眼睛的眼睛瞳孔，以致这些物体光点在眼睛的那个位 置不可见。该缺点如图6a所示。处在所示的可见区VR2中的观察者眼睛看 不到重建场景的物体光点OP3，因为它的光波没有落在眼睛瞳孔上。如果 观察者移动他的头部，这样的事实需要传播的波场重建和可见区VR被引 导至当前眼睛位置，并且在观察者移动其头部时被追踪。
因此公知技术的全息重建系统包含眼睛探测器和相应的追踪装置。如 果观察者移动，追踪系统将对应的调制波场追踪到改变后的当前眼睛位 置，例如通过改变起作用的光源的位置。下文中的术语"当前眼睛位置" 应当理解为已调制波场的末端的眼睛位置，其导向至少一个这样的观察者 的眼睛，当前编码的视频全息图已经为该观察者的眼睛调制波场。例如 全息重建系统在时分多路过程中为观察者的每只眼睛提供独立调制的波 场。如果系统控制器接收到两名观察者观看重建的信息，其必须为四个不 同的眼睛位置逐个地提供这些已调制的光场，其中对于右眼和左眼的全息 内容是不同的。在视频全息图序列为右眼提供单个全息图的时间点，追踪 系统将已调制波场的单一全息图仅导向第一观察者的右眼然后导向第二 观察者的右眼。此后，当编码用于左眼的单一全息图时，将寻址两个剩下 的眼睛位置。
这样的追踪装置相对复杂并且具有在场景重建之前使传播的波场严 重变形的光学元件。光学追踪装置以斜入射角追踪已调制波场，其依赖于 当前眼睛位置，并且与组件的光轴可以极大地不同。因此，存在像差和具 有波动部分的运行时间误差。这些引起传播波场的依赖位置的变形并且必须在重建之前得到补偿。
改变观察者眼睛位置引起像差，例如球面像差(spherical aberration)、 彗差(coma )、场曲(field curvature)、象散(astigmatism )禾口失真(distortion )，
由于它们的波动部分，难以对它们进行补偿。这些变形引起可见区中的光 波的重合被扰乱以及场景的各个重建物体光点在不正确的位置或者以模 糊的方式重建，以致以失真的方式呈现场景，或者，在极端的情况下，可 见区中场景的各个物体甚至消失。
公布号为WO 01/095016，名称为"三维显示计算时间的减少 (Computation time reduction for three-dimensional displays )"的国际申请
中公开的另一个全息重建系统，其目的是，在编码光调制器SLM时极大地
减少计算量。
与上述系统相比，该系统利用非常高分辨率的光调制器SLM并且始终 将当前全息图仅编码到变化的眼睛位置特定的光调制器区中，该调制器区 具有有限数量的调制器单元。眼睛探测器为系统的控制装置确定眼睛位置 和观察者当前观看的场景的详细情况。因此控制装置在当前视频全息图信 息中确定对这些观看的详细情况的重建有贡献的调制器单元，并且根据观 察者眼睛朝向显示器屏幕的观看方向为光调制器区计算代码值。为了减少 计算量，系统控制器以高优先级为确定的调制器单元计算值。然后系统形 成重建详细情况的相应的系统出瞳。系统控制器以低优先级和/或低频率计 算并更新观察者当前不观看的或者不能从眼睛位置看到的重建物体的剩 余部分。对应于观察者眼睛的瞳孔位置，系统控制器同时修正对应的出瞳 的形状、大小和位置。模拟物体出现在相对小的三维多面体中，该三维多 面体围绕光学重建系统的焦平面FL。
除了接近焦平面FL的用于重建的相对小的重建空间以外，公知技术的 重建系统具有这样的缺点与前者相比，其仅利用所有可用调制器单元中 非常有限量的光调制器。这些多余量极大地减小了用于重建的可见区，并 且与前述系统相比，其需要具有高得多的分辨率的光调制器，以及如专利 文件中所示的尺寸比光调制器大得多的光学重建系统。因为固定背景消 失，系统很难适用于具有多个空间深度的物体的视频场景的重建。而且，在该系统中，已调制波场必须以斜角通过光重建系统传播。这也形成了取 决于改变的眼睛位置的像差的来源。

发明内容
本发明的目的是以极小的机械和光学努力，允许观察者的头部在追踪 范围内可以相对于重建系统的光学离开轴线自由地朝向任何眼睛位置横 向和纵向移动。系统将会使在观察者眼睛位置改变时成为光学像差的额外 来源的附加的、尤其是大面积的光学组件成为多余。
本发明基于借助至少一个传播的光波场，全息重建三维场景的光学外
观(optical appearance)的全息重建系统，其中该光波场能够产生干涉， 并且以视频全息图的序列调制。重建系统包含从将要全息重建的场景的全 息信息计算视频全息图的序列的全息处理器装置。全息处理器装置离散地 编码光调制器装置所包含的调制器的单元结构。排列在结构中的场景的物 体元素的说明，例如元素色彩和元素亮度，充当全息信息。物体元素最好 是场景的离散物体光点，但也可以是从图像处理技术中获知的图像片段。
本发明所使用的重建系统的编码过程的特点是，全息处理器装置在单 元结构上向每个物体元素分配离散的全息区并且根据有关场景中物体元 素的物体位置的信息确定全息区的范围和位置。
然后全息处理器装置为每个全息区从全息信息和关于对应的物体元素 的物体位置的信息计算代码，并且相应地编码单元结构。
根据分配给单元结构的全息区，每个全息区调制能够产生干涉的光波 场的部分光波，使得所有已调制的部分光波独立地重建对应的物体元素， 然后以光波锥传播进入可见区。
根据本发明的全息重建系统还包含控制装置，该控制装置基于由眼睛 探测装置提供的至少一个观察者的眼睛位置的眼睛位置信息，将所有己调 制部分光波引导至当前眼睛位置。因此可以实现如果头部移动，可见区 的所有光波锥使得全部重建的场景可见并且将其追踪至眼睛位置。
全息重建系统用根据本发明的装置解决了上述目的，因为全息处理器
10装置除了考虑全息信息和关于分配的物体元素的物体位置的信息以外，还 考虑当前眼睛位置的眼睛位置信息，从而
* 一方面使全息区的范围和位置适应于当前眼睛位置，并且
*另一方面使代码动态适应于各个全息区，使得重建系统将所有已调 制的部分光波以其开口光波锥引导至当前眼睛位置，而不考虑追踪区中的 当前眼睛位置。
因此可以实现光波锥的开口通过在当前眼睛位置重合的方式形成可 见区，在该可见区中所有已重建的物体元素在没有寄生衍射级的光进入所 使用的衍射级的情况下使得场景的全息重建可见。
因为全息处理器装置还考虑用于编码单元结构的当前眼睛位置的眼 睛位置信息，所以在根据本发明的全息重建系统中，观察者的眼睛位置和 具有已重建场景的波场的可见区可以处在追踪范围内的任何观察者平面 内；这意味着观察者眼睛的位置并不是必须位于重建系统的焦平面中，因 为通过对当前视频全息图编码实现了动态适应。
一方面为了避免来自寄生衍射级的光的干扰影响，另一方面为了确 保所有己重建物体元素完全可见，全息处理器装置使所有全息区的范围、 位置和全息内容动态适应于当前眼睛位置，与眼睛位置前方的物体元素 的位置对应。适应之后，每个全息区形成已调制的部分光波，其在它的 物体元素重建之后，具有在可见区的位置具有开口的光波锥，所述开口 处在所使用的衍射级中并且在很大程度上对应于可见区的几何形状。因 此在衍射区间的其它衍射级中以寄生方式存在的光点的光保持在对应的 衍射级中，并且这些寄生光点不出现在可见区中。
根据本发明的全息重建系统的主要优点是可以确定全息区的某一范 围，该范围与观察者眼睛的范围相似，并且全息处理器装置动态编码单元 结构使得可见区的范围保持恒定而不考虑观察者在空间光调制器装置前 方所处位置的距离。这是可以实现的，因为全息处理器装置适应单元结构 上的全息区范围。
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现参照附图并借助以下实施例详细说明根据本发明的技术方案，其
中
图l表示全息重建系统的基本原理，其中视频全息图在被照明的空间
光调制器上编码。
图2表示根据公布号为WO 2004/044659的国际申请的重建系统，根据 本发明的系统基于该国际申请，其以场景的单个重建物体光点的邻接衍射 级为例说明了寄生光点的影响。
图3也表示根据图2的全息重建系统，其具有三维场景的已选物体光点 以及空间光调制器上对应的编码的全息区。
图4是根据图2的重建系统的另一个图示，具有用于所选择的物体光点 的多个例子的分配在光调制器表面上的已编码全息区。
图5a和图5b表示用于不同眼睛位置的具有所选已重建物体光点的己 调制部分光波和具有对应的邻接衍射级中的寄生光点的部分光波的光径。 全息处理器已经根据本发明使用于已调制部分光波的全息区的大小和代 码适应于所期望的眼睛位置。
图6a到图6c表示用于不同眼睛位置的一个衍射级中的具有场景的多 个所选已重建物体光点的已调制部分光波的光径。全息处理器己经根据本 发明使用于已调制部分光波的全息区的大小、位置和代码适应于所期望的 眼睛位置。
图7a和图7b也表示用于不同眼睛位置的一个衍射级中的具有场景的多 个所选已重建物体光点的已调制部分光波的光径。与根据图6a到6c的实施 例不同，该全息处理器还考虑了由不同眼睛位置的不同透视引起的可见物 体光点的结构中视频全息图变化的计算。
具体实施例方式
借助透镜和棱镜可以说明根据本发明的重建系统的功能，当计算视频全息图时，透镜和棱镜被全息处理器编码作为空间光调制器装置的单 元结构上的聚焦透镜功能和光学棱镜功能的结构。
图4是借助物体光点OPl到OP3的例子说明如何编码空间光调制器
SLM的单元结构的透视图，其中选择物体光点OPl到OP3的例子作为三维
场景的典型例子。
根据本发明的己知基本原理，全息处理器HP在单元结构上为每个物体 光点OPl到OP3确定全息区Hl到H3，并且计算透镜项，以及，如有必要， 借助关于物体光点的全息信息为每个全息区计算棱镜项。这意味着单元结 构上的每个全息区具有为全息图实现具有分离聚焦透镜的光学功能的第 一光学组件的代码，此外，如有必要，还具有实现具有分离偏转棱镜的光 学功能的第二光学组件的代码。
因为所有全息区位于能够产生干涉的光波阵面LW中，所以它们的代 码实现了空间分离的部分光波，依照它们的聚焦透镜功能独立地重建每个 物体光点OPl、 OP2或OP3。为了实现正确的重建，已调制光的波径必须 这样行进，即，使得在当前眼睛位置之前的观看空间中的所有已重建的物 体光点都位于根据场景的物体位置，然后在可见区朝向眼睛位置行进。为 了实现这样的效果，在计算过程中，全息处理器将对应于物体光点的物体 位置的棱镜项叠加在透镜项上。这意味着每个已编码的全息区在距光调制 器SLM的轴向距离上提供至少一个重建物体光点的透镜功能。然而，对于 大多数己编码的全息区，全息处理器计算代码时已经附加叠加了棱镜功 能，所述棱镜功能修正已重建物体光点的横向位置。
已调制光波的光径可以最好由全息处理器HP借助由几何光学和电脑 制图获知的光线追踪方法进行计算。在计算过程中，光的性质的优点得以 利用光径是可逆的，这样所有光波可以从眼睛追踪返回到它们的源点。 在目前的情况下，全息处理器编码整个全息表面，使得理论上在当前眼睛 位置必须可见的所有光点都实际进入可见区VR以形成重建，从而使得从 可见区观看时场景感知正确的重建。每个全息区作为可见区VR通过场景 的物体光点到光调制器SLM的表面上的投射生成，从而在光调制器SLM上为每个物体光点确定全息区。场景通常包含大量紧密排列的物体光点。如 图4所示，因此它们的全息区重叠。当从当前眼睛位置观看场景时，全息 处理器不计算和编码被位于前景中的物体遮挡的物体光点。这样极大地减
小了计算当前视频全息图的计算量(computational load)。
图5a和图5b表示分别用于每个特定的眼睛位置的所使用的衍射级中 的具有所选已重建物体光点的已调制部分光波的光径，以及具有邻接衍射 级中的相应寄生(parasitic)光点的部分光波的光径。以所选物体光点OP0 为例说明锥形部分光波在重建后的光传播效果。光调制器SLM的结构化单 元结构不可避免地引起依附光点存在于另外的衍射级中。实施例仅表示一 个寄生光点，即下一较高衍射级的光点OP+l。
参照图5a，用透镜项编码全息区H01使得部分光波重建物体光点OP0 并且使其在眼睛位置EP1的可见区VR1的每个点可见。光波锥(lightwave cone)从已重建的物体光点OP0传播到眼睛位置EPl，因此全部充满可见 区VR1，该可见区在所使用的衍射级中充分利用最大可能的表面。在下一 较高衍射级中产生不期望的光点OP+l的寄生光波绕过可见区VR1 ，使得光 点OP+l不在可见区VRl中出现。相应地，由其它寄生光波在另一衍射级， 例如下一较低衍射级产生的任何其它光点同样适用。然而，为了清楚起见， 图中没有表示出其它衍射级。
当观察者眼睛从眼睛位置EP1轴向地移动到眼睛位置EP2是情况就不
相同了。因为重建系统在没有阻止邻接衍射级的空间频率滤波的情况下工 作，寄生光点的光将超出眼睛位置EP1进入眼睛，例如在眼睛位置EP2处 进入眼睛。
图5b表示根据本发明解决该问题的解决方案。为了朝眼睛位置EP2轴 向地移动可见区，全息处理器用用于物体光点OP0的透镜功能编码较小全 息区H02。
如图5b所示，当编码全息区H02时，用于光点OP+l的己调制寄生部分 光波也绕过可见区VR1和VR2，使得该编码方法总体上是有利的。
14根据本发明的重建系统一方面具有根据所有光波锥与眼睛位置平面 相交时的横截面面积确定大小的可见区。另一方面，取决于所用的光色彩， 仅相对小的衍射区间可以用价格便宜的光调制器实现。这就是为什么可见 区应当利用衍射区间中最大可能的横截面区以便能够便利地观看到重建 的原因。
图6a到6c仅表示用于重建的衍射级中所选择的物体光点OPl到OP3的 部分光波的光径。为了清楚起见，省略来自其它衍射级的寄生光点。
空间光调制器SLM的单元结构为每个全息区H1、 H2和H3承载包含透 镜项和棱镜项的代码。因此每个全息区H1、 H2和H3以空间分离的方式调 制光波场LW的部分光波。由于结构干涉(constructive interference)，每 个空间光波独立地重建其对应的物体光点OPl、 0P2或OP3。重建后，部 分光波以光波锥传播到当前眼睛位置EP1，光波锥的开口以重合 (coincidence)的方式形成可见区VR。如图6a到6c所示，为作为处于光调 制器SLM对面固定位置的场景的重建的一部分的物体光点OPl到OP3的相 同图样计算所有的全息区H1、 H2和H3。
图6a表示大小和位置被用依赖于眼睛位置EPl的棱镜项确定和编码的 全息区Hll、 H21和H31，这使得所有部分光波传播到眼睛位置EP1，以形 成可见区VR1。如图6a所示，已重建的物体光点OPl到OP3的光波锥在眼 睛位置EP1附近重合以形成可见区VR1，所有物体光点是可见的并且形成 场景的三维重建。已调制部分光波在眼睛位置EP1后面发散，使得当眼睛 朝向眼睛位置EP2轴向移动时，物体光点OP 1和OP3依赖于眼睛的横向位置 或者仅由于由来自另一衍射级的寄生光引起的光干扰而不再可见。
图6b表示当眼睛轴向移动时，全息处理器HP通过在单元结构上重新确 定全息区H12、H22和H32的大小和位置并且通过使已编码的棱镜项的值适 应眼睛位置EP2，产生新的功能可见区VR2。图6b还表示已重建的物体光 点OPl和OP3在老的可见区VRl的位置不再可见。然而，必须假定除了物 体光点OPl和OP3以外，来自其它衍射级的光点(图中未示出)在该位置 也是可见的。图6c表示眼睛从眼睛位置EPl朝向眼睛位置EP3多维度地移动，位置 EP3远离重建系统的光轴OA。因为眼睛位置EP3横向地远离眼睛位置EP2， 全息处理器HP必须主要改变单元结构上的全息区H13、 H23和H33的位置 并且为每个全息区计算经修正的棱镜项。如果观察者将他的头部向一侧移 动，为了确保已重建的场景固定在当前眼睛位置前面的空间中，将单元结 构上的所有全息区H13、 H23和H33在一个方向上位移。结果，不能再对位 于位移方向边缘的全息区进行编码。它们的己重建物体光点将在重建中消 失并且场景的观看空间相应地被缩减。为了避免此种情况的发生，如果观 察者从一只眼睛位置侧向移动到另一只眼睛位置，全息处理器H可以大致 计算并且编码关于单元结构上全息区的位置这样的信息，以便场景重建的 位置相对于光调制器SLM改变，使得场景在每个眼睛位置的可见区中显示 同等大的观看空间。然而，只有在全息处理器HP在时分多路过程中为多个 观察者提供相同的视频全息图时，这种场景重建位置变化的视频全息图的 计算才是所期望的。
然而，对于场景的实时全息重建，如果观察者移动他的头部，需要场 景的重建在一个位置保持固定，并且需要全息处理器使场景的已编码的细 小结构适应于经修正的透视(perspective)。
图7a和7b表示本发明的特别较佳实施例，对于追踪范围内的任何眼睛 位置，其允许可见全息重建便利地适应眼睛透视。根据本发明，如果观察 者眼睛的位置改变，为了借助光线追踪方法检査物体光点的可见性并且根 据当前眼睛位置调整己重建的物体光点的结构，全息处理器HP为该眼睛位
置使用当前眼睛位置信息。
如前述附图以及图7a和图7b所示，为处在光调制器SLM对面空间中固 定位置的物体光点OPl到OP4的相同图样计算所有全息区。
然而，图7a仅表示物体光点OPl到OP3的全息区Hll到H31以及它们到 眼睛位置EP1的光径上的所使用的衍射级中它们的已调制空间光波。根据 本发明的另一个特征，在计算当前视频全息图之前，全息处理器HP借助光 线追踪方法在可见区检査中检测到物体光点OP3覆盖物体光点OP4，物体光点0P4从眼睛位置EP1的透视中观察位于后面。这就是单一处理器为什
么既不能确定用于物体光点OP4的全息区也不能计算任何代码的原因。因 此全息处理器HP节约了计算量。
如图7a所示，当观察者眼睛处在用于观看当前视频全息图的眼睛位置 EP2时，情况就有所不同了。在计算当前视频全息图之前，全息处理器HP 就在其可见度检査过程中检测到物体光点OP3和物体光点OP4都是可见 的。全息处理器还借助光线追踪方法检测到全息重建系统不能为位于视频 全息图边缘的物体光点OPl提供全息区，因为其将超过单元结构的可用表 面。因此，不将物体光点OPl考虑在当前视频全息图的计算中。这样也节 省了计算量。
具有允许用复值的空间调制或者纯粹的空间相位调制的单元结构的 空间光调制器例如可以用作光调制器装置。
本发明的特殊优点是，通常可以不需要会引起像差的光学组件来实现 重建系统。而快速空间相位光调制器装置必须使用，其对具有大量相移 (phase shift)的移动视频序列的每个视频全息图对不同眼睛位置提供大 量已调制部分光波。
在不背离上述追踪部分光波和借助全息处理器调整单元结构的代码 的基本原理的情况下，可以修改重建系统的具体排列。
因为编码棱镜项对单元结构中可调节的相位范围有很高的要求，所以 重建系统可以用具有多个光调制器的空间光调制器装置和/或实现部分棱 镜功能的附加光学装置工作。为了编码棱镜项，必须提供小孔径的调制器。 这需要光调制器装置的高分辨率和为视频全息图计算代码值的强大计算 能力。
如果由于空间光调制器装置的高相位调制位移而可以对全息区的部 分光波确定足够大的棱镜项，那么根据本发明的重建系统将基本上不需要 光学聚焦装置。
然而，如果不能实现足够大的角度，有各种不同的选择来支持棱镜项 的编码使得由调制器单元结构中所有全息区发出的已调制部分光波进入可见区而重合。另一方面，空间光调制器装置可以被会聚波照明。
根据本发明的重建系统的另一个较佳实施例中，可以将聚焦装置设置 在照明波的光径中，这显著地降低了对编码和调整调制器单元结构的全息
区中棱镜项的范围的要求。聚焦装置例如可以是物镜(field lens)、透镜
阵列或者衍射光学元件的阵列。
本发明同样可以较好地应用到前述的任一公知的重建系统中，这对本 领域的技术人员来说是显而易见的，上述重建系统包含光学聚焦装置，用 于将用于照明光调制器装置的照明装置成像到眼睛所位于的焦平面中。这 样的系统确定了照明装置和聚焦装置之间的距离、聚焦装置的焦距以及焦 平面和光调制器装置之间的距离。为了在这样的系统中还利用处在距焦平 面的轴向距离的眼睛位置，最好借助于本发明的主题对聚焦装置的有效焦
距进行调整。这可以通过以下实现全息处理器为每个全息区或者整个单
元结构计算矫正的透镜功能；并且当编码空间光调制器装置的单元结构
时，所述矫正的透镜功能在当前视频全息图的代码上叠加己矫正的焦距f2 =&±&。"使得编码产生系统的最终总焦距f3，其将照明装置成像到已改 变的焦平面中。如果光学聚焦装置具有焦距&，焦距f2必须是下等式所应 用的那样，假设照明装置和透镜之间的距离忽略不计1/f3-l《+ l/f2。
光调制器装置还可以包含用于矫正系统焦距的独立的光调制器。
权利要求
1.一种用于全息重建场景的物体元素的全息重建系统，该系统调制至少一个光波场(LW)，该光波场能够借助空间光调制器装置(SLM)的调制器单元的离散可编码单元结构产生具有视频全息图序列的干涉，此外，该系统包含●全息处理器装置(HP)，其向场景的每个物体元素(OP1，OP2，OP3)分配单元结构上的离散的全息区(H1，H2，H3))，全息区的范围和位置依赖于场景中物体元素的位置信息，并且其为全息区计算使得单元结构上的每个全息区调制能够产生干涉的光波场的部分光波，并使得每个已调制部分光波独立地重建分配给其的物体元素，然后以光波锥的形式向可见区(VR)传播，●位置控制装置，其引导至少一个当前眼睛位置上的已调制部分光波并且在观察者移动时将其追踪至改变的眼睛位置，以便整个已重建场景在可见区对观察者眼睛可见，其特征在于全息处理器装置还考虑当前眼睛位置(EP1、EP2)的位置信息，以便●使全息区(H1、H2、H3)的范围和位置适应于当前眼睛位置(EP1、EP2)，并且●计算代码，使得所有部分光波行进到当前眼睛位置，而没有寄生衍射级的光进入所使用的衍射级。
2. 根据权利要求l所述的全息重建系统，其特征在于，为了动态编码 单元结构，使得重建系统追踪已调制部分光波到追踪范围内的当前眼睛位 置，全息处理器装置考虑当前眼睛位置的眼睛位置信息。
3. 根据权利要求l所述的全息重建系统，其特征在于，全息处理器装 置动态编码单元结构，使得光波锥在当前眼睛位置通过重合的方式形成可 见区，如果眼睛位置改变，通过再计算代码追踪已重建物体元素。
4. 根据权利要求3所述的全息重建系统，其特征在于，可见区具有 预先确定的范围，并且全息处理器装置动态编码单元结构，使得可见区 的范围保持恒定而不考虑观察者在空间光调制器装置前方所处位置的 距离。
5. 根据权利要求l所述的全息重建系统，其特征在于，全息处理器装 置根据对应的己重建物体元素的位置并且根据眼睛位置为全息区计算透 镜项(HQ1，HG2)，并且将棱镜项叠加在该透镜项上用于将重建的物体元素 导向眼睛位置。
6. 根据权利要求l所述的全息重建系统，其特征在于，空间光调制器 装置包含至少一个执行能够产生干涉的波场(WF)的空间相位调制的空 间光调制器。
7. 根据权利要求l所述的全息重建系统，其特征在于，全息处理器装 置利用关于场景的物体光点的固定确定结构的信息并且为每个物体光点 计算全息区(m、 H2、 H3)，该全息区(Hl、 H2、 H3)的范围和位置 取决于用于每个全息区的物体光点OP。到光调制器SLM的轴向距离(dl) 和眼睛位置EP到光调制器SLM的距离(d2)。
8. 根据权利要求7所述的全息重建系统，其特征在于，调制器单元结 构始终承载恒定数量的离散全息区，而不考虑当前视频全息图的内容。
9. 根据权利要求7所述的全息重建系统，其特征在于，离散全息区 的数量取决于像素网格，该像素网格对应于可见区中全息重建的所期望
10. 根据权利要求l所述的全息重建系统，其特征在于，借助全息区重 建的场景相对于当前观察者窗口保持在空间中的固定位置。
11. 根据权利要求l所述的全息重建系统，其特征在于，当眼睛轴 向移动时，全息处理器装置生成新的功能可见区(VR2)，因为全息处 理器装置重新确定调制器单元结构上全息区的大小和位置并且使已编 码的棱镜项的值适应于当前眼睛位置(EP2)。
12. 根据权利要求l所述的全息重建系统，其特征在于，当观察者眼睛位置改变时，为了使重建的场景的视图适应当前眼睛位置(EP2)，全息 处理器装置修正调制器单元结构的代码。
13. 根据权利要求l所述的全息重建系统，其特征在于，当观察者从一 个眼睛位置侧向移动到另一个眼睛位置时，全息处理器装置大致计算并且 编码关于调制器单元结构上的全息区的位置这样的信息，场景重建的位置 相对于光调制器改变，使得场景在每个眼睛位置的可见区中显示相等的观 看空间。
14. 根据权利要求l所述的全息重建系统，其特征在于，如果眼睛位置改变，全息处理器装置借助光线追踪方法检查物体光点的可见度，并且根 据当前眼睛位置调整己重建物体光点的结构。
15. 根据权利要求l所述的全息重建系统，其特征在于，以会聚方式传播的光波场照明空间光调制器装置。
16. 根据权利要求1所述的全息重建系统，其特征在于，具有用于将 光源投射到观察者眼睛的聚焦显示屏幕(S)。
全文摘要
一种全息重建系统，其具有空间光调制器(SLM)、眼睛探测器以及使空间传播的已调制光波场(LW)朝向观察者眼睛的至少一个眼睛位置(EP3)的位置控制，从而在眼睛位置位置改变的过程中以三维的方式重建场景并且追踪场景。通过低机械和低光学复杂性，本发明能够使观察者头部在追踪区中畅通无阻地横向和轴向移动到任意眼睛位置。避免了对会在观察者眼睛位置改变过程中带来光学像差的附加的、平面的光学组件的利用。根据本发明的重建系统实现了以下目标，除了全息场景信息和关于关联的物体元素(OP1、OP2、OP3)的物体位置的数据以外，全息处理器装置还将当前眼睛位置的眼睛为之数据考虑在内，一方面，以便于调整全息区(H1、H2、H3)的大小和位置使其适应于当前眼睛位置(EP3)，另一方面，以便于动态影响用于全息区的编码数据，使得在不考虑当前眼睛位置的情况下，系统使在追踪区中调制的具有开口光波锥的部分光波朝向当前眼睛位置。
文档编号G03H1/08GK101681145SQ200880017020
公开日2010年3月24日 申请日期2008年5月15日 优先权日2007年5月21日
发明者伯·克罗尔, 让-克里斯托夫·奥拉亚, 阿明·史威特纳 申请人:视瑞尔技术公司