具有光波跟踪装置的全息重建系统的制作方法

专利名称：具有光波跟踪装置的全息重建系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于场景的三维重建的全息重建系统，其具有承载全息编 码的空间光调制器装置和用于照明光调制器装置的照明装置。
本发明主要涉及借助于视频全息图序列的移动场景的实时或近实时 的重建。全息图处理器计算视频全息图并在空间光调制器装置的单元结构 上对其进行编码，当用能够产生干涉的光照明时，空间光调制器在空间上 用全息信息调制至少一个传播的光波场。调制的光波场通过衍射光波的干 涉重建场景，然后朝眼睛位置传播，使得一个或多个观察者可以将重建的 物体光点看作场景的三维重建。这意味着，重建的物体光点以三维的方式 在眼睛位置的前方呈现场景的光学外观。
背景技术：
与立体呈现相比，全息呈现实现了物体替代，这就是公知的立体视学 存在的问题，例如视力疲劳和头痛，为何不发生的原因，因为在观看真实 的场景和全息重建的场景之间总体上无差别。观察者的眼睛可以适应于视 差不同的不同视频全息图的时分多路或空分多路呈现。
包含数百万个调制器单元且用作视频和TV装置或投影机的屏幕的高
分辨率平面光调制器尤其例如适合作为光调制器装置。合适的光调制器装 置例如可以是所谓的硅基液晶(liquid crystal on silicon, LCoS)调制器，这 种调制器中，具有电子电路的光学调制器元件设置在基板或芯片上，透射 式LCD面板或电动机械控制的微镜系统，例如微电子机械系统(micro electro-mechanical systems, MEMS)，其包含机械元件、执行器和设置在 基板或芯片上的电子电路的组合。
光调制器装置实现较大的光衍射角，并实现较小的调制器单元中心之间的距离，即单元间距。
名称为"视频全息图和用于重建视频全息图的装置(Video hologram and device for reconstructing video holograms)，，的第WO 2004/044659号国际
申请公开了一种重建系统，其为空间光调制使用像用于电视和视频图像呈 现的具有传统的分辨率的液晶显示器(LCD)屏幕。重建系统包含设置在 照明装置和光调制器之间的聚焦装置，其使借助于与应用于视频全息术的 其它方案相比具有相对低的调制器分辨率的传统液晶显示器进行全息重 建成为可能。具有大空间深度和良好分辨率的重建场景在通过位于观察者 的眼睛位置附近的可见区的重建空间中是可见的。由液晶显示屏的对角线 确定的视角可以用于全息重建。
当在全息术中使用为传统的图像显示而设计的光调制器时，不利的是 光调制器显示对全息术来说太小的衍射角，这是因为调制器单元之间的典 型距离大约是200(am。这使得重建不可能用双眼通过单一可见区同时看 见。对于这样的受分辨率限制的小的可见区，现有技术的重建系统使分开 的可见区针对观察者的每只眼睛顺序地生成。这意味着，当视频全息图激 活时，系统为视频全息图的一小部分周期交替地将用全息信息调制的波场 导向观察者眼睛。这对光调制器装置的工作速度提出了很高的要求。
根据第WO 2004/044659号专利文件的重建系统，进而附加地公开了定 向和跟踪多个可见区的位置的可能性。具体说，重建系统应用移动的反射 镜或多个不同位置的光源实现了光源机械或电子横向偏离系统光轴，用于 转移生成可见区的光源图像，以感知重建。当观察者移动时，光源在空间 重新定位，使得可见区跟随观察者眼睛。
不足的是，在大的跟踪范围，当光穿过聚焦装置时发生的实质像差负 面地影响了空间场景的重建。像差之所以发生是因为光依赖眼睛的位置以 不同角度穿过聚焦装置重建场景。因为物体光点通过衍射的部分光波的波 干涉重建，由于相位和运行时间误差，这样的像差能引起从传统的视频图 像显示中不能知晓的类型的图像误差。例如，当根据全息源信号计算全息 图时，不同于预期的其它部分光波可以干涉并生成与原始的场景相比错位
6的物体光点或附加的物体光点。
在名称为"用于三维场景的全息重建的装置(Device for holographic reconstruction of three-dimensional scenes)"的第WO 2006/119920号国际公
布文件中，申请人还公开了一种用于观察重建的装置，其应用至少一个在 眼睛位置小于光调制器的调制表面的可见区。在该系统中，排列成矩阵的 能够产生干涉的光源阵列照明调制器表面，聚焦装置包含多个成像元件， 例如凸透镜，其机械地邻接从而形成聚焦装置的平面阵列。聚焦装置阵列 的每个成像元件分配给至少一个能够产生干涉的光源，从而生成照明单元 的束，共同地照明调制表面，其中每个照明单元只穿过调制表面的子区。 照明单元中能够产生干涉的光源设置成使得聚焦装置阵列的成像元件将 分配的光源成像到眼睛位置。换句话说，每个照明单元将一部分光波传送 通过调制表面的子区，并且通过单个子区独立调制后，部分光波重叠，从 而形成共有的可见区。
根据公知的方案的延续，为了定向和跟踪可见区的位置到改变的眼睛 位置，光源设计为平面背光，以及具有可以根据位置探测系统探测的当前 的眼睛位置变换到透明模式(例如所谓的LCD光阀阵列打开)的调制器单 元的附加的可控制的调制器矩阵，对于聚焦装置阵列的每个成像元件，对 能够产生干涉并通过成像元件聚焦到眼睛位置的光设置点状出口 。这生成 了变换到透明模式的调制器单元的式样。在眼睛位置横向改变的情况下， 可见区的位置将进行调整，其中系统控制器使变换到透明模式的调制器单 元的式样相应地横向位移。在眼睛位置轴向改变的情况下，系统控制器将 调整变换到透明模式式样的调制器单元之间的距离。上述公布文件还公开 了具有可离散地控制的点光源的可变换光源阵列的应用，用于实现所述的 定向和跟踪光波场的方法。
但是，可以看出，根据所述的方案通过调整光波场的传播定向和跟踪 可见区位置的方法显示了几个不足。另一方面，如果应用附加的可变换的 调制器矩阵，只有一小部分光能可以贡献于重建，而附加的可变换的调制 器矩阵吸收了光源阵列发出的大部分光。另一方面，可离散地变换的光源阵列或附加的可变换的调制器矩阵 是必须的，其必须显示比光调制器高得多的分辨率。提供这样的光源阵列 或这样的可变换的调制器矩阵是非常复杂的。
两种方案都具有进一步的主要的不足，即背光的相干光以不同地倾斜 的透射角穿过聚焦装置阵列的成像元件。取决于实际眼睛位置的透射角的 倾斜取决于观察者位置，并导致了实质像差，由于其动态性质，这些像差 是非常难于补偿的。而且，因为部分光波朝向当前眼睛位置的传播方向也 不同，这些像差在各部分光波中变化。
除了上述方案之外，在名称为"用于场景的全息重建的投射装置和方
法 (Projection device and method for the holographic reconstruction of scenes)"的第WO2006/119760号国际公布文件中，申请人还公开了一种全 息投射系统，其将具有几厘米对角线的微显示器作为光调制器。与前述的 方案相似，该装置生成针对眼睛位置的可见区。但是，与之前的方案相比， 其中光调制器形成了调制的波场的光学系统出口，并且用于重建的最大视 角由光调制器的对角线确定，该方案实现了投射装置。在该装置中，聚焦 显示屏确定最大视角，且附加的光学扩展装置扩展波场，其用全息信息调 制到显示屏的大小。第一成像装置以放大的方式将在光调制器上编码的视 频全息图成像到聚焦显示屏，聚焦显示屏将视频全息图的空间频谱成像到 眼睛位置。该公布文件还公开了至少一个设置在所述装置的内部的可控制 的偏转元件，该偏转元件用于根据观察者眼睛的实际位置跟踪观察者窗 口。这样的偏转元件可以是机械、电气或光学元件。偏转元件例如可以以 可控制的光学元件的形式设置在第一成像装置的平面中，像棱镜一样偏转 调制的波场。但是，将偏转元件设置在显示屏附近也是可能的。该偏转元 件因而实现可连续控制的棱镜的效果，可选地，还可以实现透镜的效果。 观察者窗口因此被横向地跟踪，可选地，观察者窗口也可以被轴向地跟踪。 但是，因为靠近显示屏幕的偏转元件用于偏转己经调制和放大的波场而不
破坏相位结构和为场景的重建而设置干涉条件，所以实现所述目的的调制 器单元阵列必须具有在公布文件中不能找到的附加特征。
上述所有重建系统使用具有离散的单元结构和相对低的单元分辨率的光调制器装置用于全息应用。 一方面，如总体上已经公知的，离散的单 元结构在衍射区间的其它衍射级中引起全息重建的周期性延续，使得可见 度会被破坏。另一方面，上述的相邻调制器单元之间的距离导致相对小的 衍射角，使得实际上具有几毫米到几厘米的对角线的衍射级可以用于不千 扰的重建场景的可见度。因此，组合这样的具有位置探测和跟踪模块的装 置的系统控制器比较有意义。该模块借助于波跟踪装置将调制的光波导向 当前的眼睛位置，根据眼睛位置调整可见区的位置，并且每当眼睛位置改 变时跟踪光波场。
而且，光源需要机械地设置，或者，如果光源位置是电子控制的，需 要提供光源场的高空间分辨率。在此情况下，光源阵列必须包含多个用于 成像装置阵列的每个成像元件的点光源。
在名称为"电润湿单元(Electrowetting cell)"的第WO2004/099847号
国际公布文件中可以获知一种称为的电润湿单元的可控制的光电单元。这 些单元利用毛细管效应和电润湿效应，应用静电势调整液体的表面张力， 从而控制光折射行为。电润湿单元基本包含在电极之间用疏水性液体(例 如油)和水填充的电容器，其中电极中的一个涂覆有疏水性材料。未施加 电场时，油覆盖涂覆的电极形成薄膜，当施加电场时，因为施加的电场补 偿了水表面偶极子的极化，所以水替代了油膜。该单元可以实现范围在低 于一平方毫米到几平方微米的表面区域的可电子控制的光学透镜和棱镜 元件。
根据名称为"自动立体显示器(Autostereoscopic display )"的第 WO2004/075526号国际公布文件中的自动立体图像显示装置，水平地在多 个方向发出图像光点而不用跟踪装置。该图像显示装置具有背光，其发出 穿过图像呈现装置的图像光点朝向光学偏转元件阵列传播的具有可动态 控制的偏转行为的准直光。光学元件具体是用作可控制的透镜且实现可动 态调整的光束控制器的电润湿单元。为了避免图像呈现必须被跟踪到观察 者的当前眼睛位置，系统控制器常常借助可控制的光学偏转装置阵列在视 频图像的每个周期内调整光的出射角和图像呈现装置的图像内容。这样， 使用空分多路和时分多路的方法，高达一百个发射方向用于每个视频周期内，所述发射方向并排水平地紧靠排列，从而形成图像部分，使得每个观 察者眼睛无需跟踪即可看到视差不同的视频图像。然后光学偏转装置在并 排紧靠排列的多个图像部分中筛选由图像呈现装置暂时不同地调制的光 束。该公布文件没有公开任何的解释系统控制器如何可以借助于光学偏转 装置阵列偏转能够产生干涉的调制波场的技术手段。
与本发明的主题相比，第WO2004/075526号国际公布文件涉及一种自 动立体图像显示装置，该装置在观察空间内不像三维排列那样以全息方式 重建物体光点。自动立体图像显示装置在调制器平面显示二维图像，而不 是重建的物体光点，所述二维图像具有发光的图像点的功能，其承载针对 观察者两只眼睛的多个图像信息。该系统既不使用光衍射也不使用光干 涉。可动态调整的光束控制器设计为以简单的方式偏转非相干光的光束， 而对偏转光束的相互干涉的条件没有做出任何要求。彼此紧靠排列的光 束，尤其不能够阻止寄生衍射级的光进入。而且，电润湿单元的边界区的 非线性透射行为会影响能够产生干涉的调制光波的传播，并且会实质上破 坏重建系统的干涉行为，从而破坏重现的质量。
该公布文件没有公开任何的解释系统控制器如何可以借助于光学偏 转装置阵列偏转能够产生干涉的调制波场及如何避开寄生衍射级影响的 技术手段。

发明内容
本发明的目的是提供一种具有用于传播的波场的波跟踪装置的全息 重建系统，全息重建时不需要可变换的调制器单元阵列或用于引导波场的 具有可离散地控制的点光源的可变换的光源阵列，从而避开了低发光效 率。光所穿过的光学组件的数目和系统对光学组件的需求将降低到最小， 使得调制波场的结构普遍地保持恒定，而不用考虑观察者的当前眼睛位 置。光程使每个调制的波场有尽量少的通过时间，具有尽量少的相位误差， 从而尽可能地校正波场传播。而且，波跟踪装置的光学组件的光透射行为 将适应于需要在波场产生干涉的严格条件，使得三维场景的物体光点在它 们在场景结构的局部位置方面和它们应尽可能地接近原物的光强度值方面无误地重建。
本发明建立在根据第WO2006/119920号国际公布文件中的全息重建 系统的基础上，该全息重建系统在眼睛位置采用与调制器表面区相比较小 的可见区，以观察重建，其包含用于场景的物体光点的三维重建的具有调 制器单元的空间光调制器装置，以调制能够产生干涉并由具有至少一个视 频全息图的光源阵列发出的光。重建系统进一步包含光学聚焦装置，其将 由光源阵列发出的光成像给聚焦平面。具有用于再计算视频全息图的全息 处理器和具有眼睛探测器的系统控制器将具有重建的物体光点的调制的 波场导向观察者眼睛的至少一个当前位置，以与当前的全息内容相应，并 且在当前的眼睛位置改变时进而进行跟踪。由于根据本专利申请的全息重 建系统针对观察者的眼睛在视频序列的单个视频全息图的周期中顺序地 提供具有不同视差的全息内容的波场，所以在本申请中眼睛位置应理解为 光调制器装置实际上被编码所用于的当前眼睛位置。
光调制器装置调制波场，使得其在当前的眼睛位置的前方重建物体光 点，而不用考虑定向和跟踪波场。
在本系统中，具有能够产生干涉并设置成矩阵的光源的光源阵列照明 光调制器装置，聚焦装置包含多个成像元件，例如凸透镜，其机械地邻接 从而形成聚焦装置的平面阵列。聚焦装置阵列的每个成像元件分配有至少 一个能够产生干涉的光源，从而生成照明单元的束，共同地照明光调制器 装置，其中每个照明单元仅通过光调制器装置的表面区的子区。
与从第WO 2006/119920号公布文件中得知的方案相比，根据本专利申 请的方案中，光源设置在照明单元中，使得能够产生干涉的光通过实质上 平行于成像元件的光轴的聚焦装置阵列的成像元件。
根据本发明，重建系统在调制的波场的出口点，最好在光路中的光调 制器装置的后面，包含光电偏转装置，光电偏转装置包含至少一个具有光 学单元的偏转装置的阵列，光学单元的光出口方向可以控制。
偏转装置阵列的可控制的光学单元最好具有与聚焦装置阵列和光源 阵列相同的矩阵结构，使得每个光源和每个聚焦元件分配有至少一个可控制的光学单元。
这一条件用来确定由光源的阵列发出的光通过在聚焦装置的阵列上 的成像元件，及确定可控制的光学单元平行于公共光轴并平行于光调制器 装置的光轴。这防止了光误差和传播的波场的部分阴影。
根据本发明的另一特征，系统控制器基于由眼睛探测器交替地探测到 的位置信号控制偏转装置的阵列的光电偏转装置，其中由眼睛探测器这样 交替地探测到的位置信号用作由活动的视频全息图的内容确定的眼睛位 置，从而交替地将调制的光波场定向至少一个观察者的当前的眼睛位置。
为了补偿相位误差，并在偏转装置阵列的相邻的可控制的光学单元的 部分光波中获得连续的相位，全息处理器在编码光调制器装置的调制器单 元时根据当前的眼睛位置计算相应的值校正并将其纳入考虑。
从观察者位置来看，偏转装置阵列最好设置成尽可能地靠近光调制器 装置。这使重建的场景位于光系统出口的前方的固定位置成为可能。
偏转装置阵列的光电偏转装置例如实现可控制的光学棱镜功能。这 样，在几毫秒的视频全息图的周期中，重建系统可以在调制的波场的方向 之间多次变换到观察空间中的多个眼睛位置。借助于眼睛探测器，系统控 制器将传播的波场的传播方向调整到变化的眼睛位置。除了棱镜功能，偏 转装置阵列还可以实现组合的棱镜和透镜功能，用于处理轴位置的变化。 这使得将出口侧焦点和光波的方向都调整到当前的眼睛位置成为可能。
从能够产生干涉的光的生成直到偏转装置，该能够产生干涉的光沿不 依赖于眼睛位置的静态的光路而行。因而由光学元件引起的像差可以容易 地用电子的方法或用公知的光校正方法补偿，电子的方法即是在编码过程 中应用校正值。
偏转元件设置为接近全息系统的出射光瞳尤其可取，这是因为从光源 到第二成像装置的整个成像系统都是静态系统。这意味着， 一直该到成像 装置的光路将始终恒定。这将光系统对这些部分的要求降级到最小，这是 因为聚焦装置的孔径可以保持在最小值。
根据本发明的这些措施，实质上降低了对使用的成像装置的要求。而且，光学系统的静态部分的成像性能可以最佳地校正。进一步地， 光调制器装置的图像在重现系统内不移动。这使得系统内的图像的位置不 依赖观察者位置。
在一优选的实施例中，可控制的偏转装置与聚焦装置结合。
在本发明的一优选实施例中，可控制的偏转装置对每个聚焦装置的聚 焦元件都具有至少一个电润湿单元。
二维横向波跟踪(即水平和垂直于光轴)，例如通过具有位于光路中 的偏转元件的两个阵列平面实现，其中两个阵列平面的偏转元件的偏转角 设置成彼此卯。。但是，也可以选择地用偏转角度可以在多个维度控制的 偏转元件实现。
在一个优选的实施例中，偏转元件阵列的每个偏转元件离散地控制， 以单独地调整光波的偏转角。
在这种情况下，尤其可能的是，光源阵列的所有光源和聚焦装置阵列 的所有聚焦元件都设置在固定的位置，并彼此对准。
为了补偿眼睛位置的轴向运动，计算当前视频全息图的计算机装置除 了全息信息之外，还可以编码透镜函数。
在进一步的实施例中，光学偏转装置包含机械地邻接的可控制的光学 元件，其结合了透镜函数和棱镜函数。位置探测系统借助于这些光学元件 控制透镜函数的焦距，以轴向地定位可见区，并用可见区将波阵面横向地 导向眼睛位置。
在本发明的另一实施例中，光学偏转装置包含组合的可控制的光学元 件，其结合了反射镜组件和棱镜组件。位置探测系统最好允许根据观察者 眼睛的变化的位置，通过控制反射镜组件的焦距迸行轴向跟踪，并通过控 制棱镜组件进行光束的横向跟踪。
在另一实施例中，光学偏转元件与结合了固定棱镜组件和可控制的棱 镜组件的光学元件组合。
固定棱镜组件可以实现光束到中心眼睛位置的偏转，使得可控制的棱镜组件仅需要提供小的角度，从而仅需要较低的控制电压。
根据本发明的重建系统，还适合用于小的可见区，其中视差不同的独立视频全息图为每个观察者眼睛顺序地提供重建。在该情况下，系统控制器与当前编码的视频全息图同步周期性地变换。
对于场景的色彩重建，彩色视频全息图可以顺序地编码。可能发生的色散则可以通过控制偏转装置的偏转角进行补偿。例如，可以控制棱镜角，使其针对活动的颜色实现需要的偏转。
在另一实施例中，光学偏转装置具有消色差的元件的形态，使其对多个波长实现相同的偏转角，以便重建彩色全息图。


现在，将借助于附图对本发明将进行详细的说明，其中
图l表示光调制器装置、光源和聚焦装置导向照明的根据第wo
2006/119920号国际公布文件的全息重建系统。
图2表示根据图1的全息重建系统，其通过移动光源的位置将调制的光波导向眼睛位置。
图3表示根据图1的全息重现系统，表示光调制器SLM针对三维场景的单个物体光点OLP的编码。
图4表示根据本发明的具有偏转装置阵列的全息重建系统，其包含可控制的光学单元，用于根据本发明定向和跟踪调制的光波阵面。
图5表示根据本发明的另一实施例的全息重建系统，其中系统控制器借助于可控制的光学单元定向和跟踪调制的光波阵面，而没有之前已经定向的能够产生干涉的部分光波。
图6表示根据本发明的全息重建系统的另一实施例。
具体实施例方式
在下列的实施例中，电子系统控制器SC直接在从视频和TV技术得知的类型的大面积平面屏幕(例如LCD面板)上编码视频全息图的序列，该
大面积平面屏幕直接作为观察者的显示屏幕，且其具有尽可能大的表面积，从而在观察重建时获得大视角。
图l表示根据初期的已有技术方案的全息重建系统，其具有选择的点
光源LQ1,LQ2和LQ3，其发出能够产生干涉的光，这些点光源是光源阵列的一部分。光源阵列包含由于聚焦装置LA阵列的每个成像元件的相应点光源LQ1， LQ2或LQ3，其发出能够产生干涉的光。聚焦装置LA阵列的每个成像元件与相应的点光源一起形成照明单元，用于照明空间光调制器SLM的调制器单元结构。
不考虑调制器单元的分辨率，空间光调制器SLM可以用尽可能大的多个照明单元照明，从而实现重建的物体光点的高亮度。
在本实施例中，聚焦装置阵列的成像元件是微透镜阵列的微透镜，其将相应的光源成像到焦平面中的眼睛位置EP。相对于分配的微透镜，调
整发出能够产生干涉的光的光源的位置，使得发出能够产生干涉的光的光源在眼睛位置EP与光源LQ1，LQ2和LQ重合。但是，成像元件可以是任何
类型的排列成阵列并实现凸透镜功能的聚焦光学元件。成像元件具体还可以是全息光学元件。
系统控制器的全息处理器(未示出)用视频全息图的序列编码空间光调制器SLM，使得调制的光波朝向眼睛位置传播， 一个或多个观察者可以从他们在可见区的眼睛位置看到空间地重建的场景。
总体上，通过应用场透镜可以支持重合。在简单的实施例中，尽管这被省略，但相对于透镜移动光源的位置，使得聚焦装置阵列LA的成像元件将光源LQ1 ... LQ3成像到共有焦点中的眼睛位置EP。
图2表示跟踪调制的部分光波到当前眼睛位置而不用根据本发明的装置的可能性。机械地移动各个光源LQ1,LQ2和LQ3的位置，使得聚焦装置LA阵列的成像元件将光源成像到改变的观察者位置EP。
如果成像元件是透镜，则成像性质常常仅可为一个光源位置相对于微透镜优化。如果光源的角度和微透镜的中心改变，则将出现像差，其负面影响全息图的重建。
图3也表示跟踪调制的光波到当前的眼睛位置而不用本发明的装置的 例子。与图2相比，图3表示具有更多数量的光源的光源阵列，其形成了平
面背光，上述包含调制器单元的附加的可变换的调制器矩阵SM可以变换 到透明模式(所谓的LCD光阀阵列)。依赖由眼睛探测器EF探测的当前眼 睛位置，调制器矩阵SM为聚焦装置LA阵列的各成像元件打开用于能够产 生干涉的光的点状光出口I或II，其通过成像元件分别聚焦到右眼位置 EPR或左眼位置EPL。这生成了在调制器矩阵SM上变换到透明模式的调制 器单元的式样。系统控制器SC为聚焦装置LA阵列的各成像元件仅打开一 个对应于当前的眼睛位置的光出口I或II，全息处理器为每个物体光点仅 编码调制器单元结构的子区。
这保证了在使用的衍射级中，仅有来自开口I的调制光传播到当前的 眼睛位置EPR，用于重建单个物体光点OLP，其在此作为例子。之后通过 再编码空间光调制器并变换到开口II向眼睛位置EPL提供重建。
图4表示具有有本发明装置的波跟踪装置的重建系统。在该实施例中， 可控制的光电偏转装置阵列DM以具有光学单元DMC的微棱镜阵列的形 式(例如，以已有技术的电润湿单元的形式)位于光调制器SLM上，其中 光学单元DMC的光出口方向可以控制，其中由电场控制的棱镜将调制的光 波定向到眼睛位置。
在上述的系统中，从每个光源LQ到相应的聚焦元件的光路与在光调 制器上的通路始终相同，而不用考虑实际的眼睛位置。但是，针对聚焦装 置LA阵列的每个成像元件的光路不同，使得每个透镜必须单独地优化。 这可以通过使用全息光学元件代替折射的微透镜阵列以特别优选的方式 完成。
在此情况下，由系统控制器在可控制的光学单元DMC中设置、并跟踪 部分光波的偏转装置DM阵列的棱镜具有相同的角度。这将允许仅应用少 数参数即可简单定位棱镜阵列。
图5表示根据本发明的跟踪调制的部分波场到观察者眼睛的另一实现方式。
此处聚焦装置LA阵列的所有成像元件用与相对与成像元件中心位置
相同的光源照明。可以应用相同的成像元件的矩阵。不同的是，偏转装置
DM阵列的每个棱镜可以以各自的角度设置。在此情况下，场透镜的功能 整合到偏转装置DM阵列中。
但是，这需要偏转装置DM阵列中的每个可控制的光学单元DMC离散定位。
在另一实施例中，可以应用包含固定和可变的棱镜项的组合的偏转装 置的阵列。具体说，固定棱镜项可以采用场透镜的功能，即，将所有成像 元件的光导向观察者的中心眼睛位置，而可变的棱镜项对所有仅在平均眼 睛距离上横向跟踪的棱镜来说相同，尽管与用于轴向跟踪的棱镜不同，但 也仅比图4中示出的有较小的变化。
当结合偏转装置DM阵列与聚焦装置LA阵列时，可以将聚焦装置LA 阵列的每个成像元件分配给偏转装置DM阵列的一个棱镜，但这不是必需 的，例如如图中所示。
其它结合也是可能的，例如将透镜阵列的每个透镜分配给多个较小的 棱镜，或者透镜和棱镜完全不以任何固定的方式分配。
在另一实施例中，偏转装置是根据电润湿单元的原理的液体棱镜阵 列，根据一实施例，每个液体棱镜包含用光学上透明的液体填充的中空体。 液体的表面具有特定的与中空体的壁接触的接触角。中空体中的液体的接 触角对给定的暂时不变的几何形状、材料和条件是恒量，借助于杨氏方程 式(Young's equation)可以求得接触角。如果例如在电介质系统中在液体 和中空体的壁中的一个之间施加电场，或者在中空体的两个相对的侧壁之 间施加电场，平衡条件将改变，液体的表面和中空体的侧壁之间的接触角 也将因此改变。电润湿效应可以借助李普曼方程式(Lippmann's equation) 说明。接触角和液体表面的形状通过改变一个或多个电场进行调整，从而 根据反射学定律相应改变透射光束的偏转。
例如，中空体可以是圆柱形的，且具有矩形的基底，使得相对的侧壁形成电容器的电极对。最好是由亲水性材料制成的电绝缘层设置在电极和 电接地的液体之间。如果关闭电容器，液体将具有几乎球形的表面，这就 是只有局部受限的光束可以根据表面的局部曲率偏转的原因。
当实现用于延长的光波的棱镜功能时，液体棱镜的恒定的棱镜角需要 穿过光束的整个直径。为了实现此目的，通过用某一电压控制相对的电极， 彼此独立地调整相对电极的接触角。例如可以选择控制电压，使得两个相
对的接触角均为90。。在此情情况下，没有棱镜效应，即，液体棱镜功能
作为共面元件。还有其它控制电压对，例如使得两个相对的接触角的量不
同，但是其总和是180。。在此情况下，元件功能类似棱镜。电极最好可以 成对地变换，使得在x方向和y方向上均可以实现偏转，从而可以在这些方 向上跟踪可见区到观察者。
根据一个可选的实施例，电润湿液体棱镜还可以包含用多种不相混溶 的光学上透明的液体填充的中空体。折射率在液体间的分界面改变，使得 透射的光被偏转。使用多种(最好为两种)液体的优点是，液体是密封的。 这意味着，中空体完全地封闭并完全地用液体填充。另外，通过选择具有 合适密度的液体，可以防止重力问题。这意味着，如果两种液体具有大约 相同的密度，如果棱镜的位置改变，或者在摇晃或震动等的情形下，由于 重力，它们在中空体的排列将不会改变或仅可忽略不计地改变。进一歩地， 中空体的基底没有必要一定是矩形的，其还可以是六角形或八角形。还可 能的是，这样的液体棱镜串联连接，即，在光传播的方向上观察，多个液 体棱镜一个位于另一个的后面。
由于根据本发明的装置，可见区的位置可以调整到当前的眼睛位置。 根据观察者眼睛的当前位置改变光调制器上的编码，使得重建看上去水平 地和/或垂直地位移和/或转动了一定角度。具体说，提供固定在观察者前 方的空间的重建变得可能，其允许在观察者移动时对观察者透视的实际调 整，或者允许以扩大的观察者透视改变进行重建。将后者定义为这样一种 类型的重建其中场景的角度和位置的改变大于观察者的角度和位置的改 变。在重建系统中由场曲率引起的相位误差最好可以通过光调制器SLM 补偿。这样的相位误差可以通过附加的相位移动补偿。而且，通过合适的
编码，还可以降低慧形像差(coma)和像散。失真例如可以通过选择光调 制器的其它像素，即通过在考虑失真的范围确定的调制器单元位置上编码 全息值进行补偿。用相似的方式，整个重建系统的像差通过光调制器中的 这样的校正计算的方式补偿。总体上，通过校正光调制器的编码，成像装 置的全部或任何像差可以减少或得到补偿。
根据本发明的重建系统，允许观察者眼睛的位置改变，用于具有小尺 寸的空间光调制器的全息重建，且能够容易地看到大的三维场景。因为在 重建系统的一大部分中，调制波场的传播方向是静态的，并与观察者的改 变的位置无关，所以可以以简单和合算的方式(即通过光学设计和通过空 间光调制器上的视频全息图的充分编码)应用公知的措施，以校正光学误 差。二维和三维场景可以同时显示，或一个接一个地显示。进一步地，重 建系统对光学组件的制造精度和像差要求相对较低。光学误差可以用光调 制器的软件合算地校正，第二，仅通过大成像装置的小区域才需要低的波 阵面失真。
在光源相对于聚焦装置LA阵列的固定排列中，每个成像元件仅需要
一个光源。
总体上，还可以使用二次光源，使得一个或多个光源的光首先聚焦到 共有焦点，然后该焦点作为二次光源，照明透镜。这优选地用于增加照明 的发光强度。
波场的固定导件最好便于使用空间过滤器，以用于抑制光调制器的较 高的衍射级。
用于跟踪可见区到改变的眼睛位置的本方案允许提供具有很大程度 上静态的、并与观察者眼睛的运动无关的波传播的全息显示器。这样可以 以简单和合算的方式(即通过光学设计和通过空间光调制器上的全息图的 充分编码)应用公知的校正光学误差的措施。
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权利要求
1.一种具有用于调制的波场的光学系统出口的全息重建系统，包含(a)光学聚焦装置(LA)，其用能够产生干涉的光波将光源(LQ1…LQ4)成像到位于眼睛位置(EP)前方的可见区中，(b)空间光调制器装置(SLM)，其包含调制器单元，该调制器单元用于以视频全息图调制波场，并用于全息重建场景的物体光点(OLP)，(c)具有全息处理器和眼睛探测器(EF)的系统控制器(SC)，该全息处理器用于用再计算视频全息图，该系统控制器将光波导向至少一个当前的眼睛位置，并在眼睛位置改变时相应地跟踪光波，其中光学聚焦装置(LA)包含具有多个聚集元件的聚焦装置的阵列，每个光源(LQ1…LQ4)分配给至少一个聚焦元件，从而形成照明单元束，共同地照明光调制器装置(SLM)，其特征在于-重建系统进一步包含光电偏转装置(DM)，其位于系统出口，包含至少一个具有可控制的光学单元(DMC)的偏转装置阵列，光学单元(DMC)的光出口方向可以控制，使得每个光源和每个聚焦装置分配给至少一个可控制的光学单元(DMC)，-系统控制器(SC)基于由眼睛探测器(EF)交替地探测到的位置信号控制光电偏转装置(DM)，其中由眼睛探测器这样交替地探测到的位置信号用作由活动的视频全息图的内容确定的眼睛位置，从而交替地将能够产生干涉的聚焦的调制光波导向至少一个眼睛位置(EP)，以及-全息处理器校正相位误差，并通过根据光调制器装置的调制器单元的编码的方式设置偏转的传播光波场的连续运转。
2. 根据权利要求1所述的全息重建系统，其特征在于，偏转装置阵列 的可控制光学单元与聚焦装置阵列和光源阵列具有相同的矩阵。
3. 根据权利要求1所述的全息重建系统，其特征在于，系统控制器借 助于偏转装置阵列的可控制光学单元实现可控制的光学棱镜功能，用于横向定向调制的聚焦光波场，其在场景重建之前在近轴的基本位置导向当前眼睛位置。
4. 根据权利要求1所述的全息重建系统，其特征在于，系统控制器借助于偏转装置的可控制的光学单元实现可控制的光学棱镜功能和透镜功 能，以使焦平面轴向地调整到当前的眼睛位置。
5. 根据权利要求4所述的全息重建系统，其特征在于，偏转装置包含 至少两个具有可控制的光学单元的阵列平面，用于在一个阵列平面实现透 镜功能，在另一平面实现棱镜功能。
6. 根据权利要求1所述的全息重建系统，其特征在于，系统控制器控 制一个偏转元件阵列的可控制的光学单元，使其实现不同的棱镜角，用于 在当前的眼睛位置前方实现来自偏转装置的偏转元件的光波的重合。
7. 根据权利要求1所述的全息重建系统，用于针对观察者的两只眼睛 的具有视频全息图的顺序编码的系统，其特征在于，系统控制器与当前编 码的视频全息图同步，周期性地变换偏转装置，以用于不同的眼睛位置。
8. 根据权利要求7所述的全息重建系统，其特征在于，光学偏转装置 包含机械地连接的可控制光学元件。
9. 根据权利要求7所述的全息重建系统，其特征在于，眼睛探测器控 制可控制的光学单元的焦距，以用于轴向跟踪，并根据当前的眼睛位置控 制棱镜功能，以用于光波的横向跟踪。
10. 根据权利要求7所述的全息重建系统，其特征在于，至少两个偏 转装置阵列位于光路中，其中两个阵列平面的偏转元件的偏转角彼此设置 为90°，用于实现二维的横向波跟踪。
11. 根据权利要求1所述的全息重建系统，其特征在于，偏转元件是 电润湿单元。
12. 根据权利要求11所述的全息重建系统，用于以视频呈现的基色 的顺序的单色视频全息图进行彩色重建，其特征在于，系统控制器电润湿 单元设置在两个平面上，用于通过改变偏转角补偿视频全息图间的色散，用于以顺序的视频全息图进行彩色重建。
13. 根据权利要求12所述的全息重建系统，用于以彩色视频全息图进行彩色重建，其特征在于，光路上的两个电润湿单元连续设置，并具有折射率不同的材料，从而实现消色差的光学偏转元件。
14. 根据权利要求1所述的全息重建系统，其特征在于，光学偏转元件包含组合的光学元件，其具有固定的棱镜组件和可控制的棱镜组件，使得可控制的棱镜组件仅需要实现较小的偏转角，从而仅需要较低的控制电压。
全文摘要
本发明涉及具有空间光调制装置的全息重建系统，用至少一个视频全息图调制来自光源(LQ1-LQ4)的干涉光波，其包含光学聚焦装置(LA)和可控制的光电偏转装置(DM)，光学聚焦装置(LA)针对观察者的眼睛，用重建的物体光点(OPL)为至少一个眼睛位置(EP)聚焦调制的光波，可控制的光电偏转装置(DM)用重建的光点将聚焦的调制光波导向至少一个眼睛位置，以减少像差。所述重建系统在聚焦元件的场中具有光学聚焦装置，其中每个聚焦元件提供有至少一个可干涉的光源。光电偏转装置位于光学聚焦装置之后的干涉光波的光路中，并具有至少一个偏转元件的场，该场针对每个聚焦元件具有至少一个可独立控制的光电偏转元件。
文档编号G03H1/22GK101681146SQ200880017100
公开日2010年3月24日 申请日期2008年5月21日 优先权日2007年5月21日
发明者伯·克罗尔, 史蒂芬·瑞切特, 杰拉尔德·菲特雷尔, 诺伯特·莱斯特, 阿明·史威特纳 申请人:视瑞尔技术公司