用于计算二维和/或三维场景的全息重建的全息图的方法与流程

本发明涉及一种用于计算显示装置中的二维和/或三维场景的全息重建的全息图的方法，其中将被重建的场景被分解成对象点并且对象点被作为子全息图编码到显示装置的至少一个空间光调制设备中，其中重建场景从可见区域被观察。

本发明还涉及一种显示装置，尤其是一种用于表示二维和/或三维场景的全息显示装置，该显示装置包含空间光调制设备，其中光调制设备适于进行所述方法。

描述了全息显示器或全息显示装置的全息图的计算的方法在例如wo2006/066919a1中被公开，其公开内容将完整地并入本文。该方法提供，为了计算全息图，观察者平面中包含虚拟观察窗，当虚拟观察窗与观察者的眼睛瞳孔的位置一致时，观察者可以通过观察窗观察重建场景。与传统的全息照相术——其中在包括观察者的至少两只眼睛的可见区域中进行优选三维(3d)场景的重建——相比，该技术涉及将包含关于重建场景的信息的波场限制为在观察者平面上的观察者的眼睛瞳孔。观察者然后将在跨越在观察窗和显示装置之间并且可能延伸到显示装置(通常称为显示器)下游的重建空间中看到重建场景。例如，在us2008/252950a1中公开和描述了该方法，其公开内容也将完整地并入本文。

该方法使得在显示装置(显示器)的光调制器(slm)中以全息图形式编码的显著较大的三维场景的全息重建成为可能，其中对光调制器的分辨率的要求显著低于传统的全息照相术对光调制器的分辨率的要求。另一个优点是相应的全息图的计算也需要较少的工作量。这是由于关于三维场景的对象点的信息将仅在显示装置的一个区域中被编码的事实，所述区域由观察窗通过将被显示的对象点到显示装置或光调制器上的投影来产生，显示装置的区域被称为子全息图。

一种用于计算这种基于观察窗的全息图的方法在us7,969,633中进行了说明，其公开内容也将完整地并入本文。该方法大体上以三维场景以足够短的距离被分解为剖切平面的方式进行，其中对象点被布置成具有足够的分辨率。剖切平面然后通过第一积分变换被变换成参考平面中的虚拟观察窗，并被累加在虚拟观察窗的区域中。这个通常为复数值的波场然后通过第二积分变换被变换到光调制器的平面上，并且以通常也是复数值的全息图的形式在所述平面中被编码。这种方法的优点是只有全息图中的信息被编码，该信息源自观察窗的区域并且在全息图的重建期间仅需要进入观察窗。

然而，基于观察窗的全息图的计算和编码也可以以不同的方式来完成。在下面的方法中，三维场景也被计算分解成对象点。子全息图然后将以单个对象点的透镜功能的形式被计算，并且它们被直接显示在光调制器上并被累加。光调制器上的子全息图的尺寸和位置是由观察窗通过相应的对象点到光调制器上的投影产生。例如在wo2008/025839a1中描述了该方法，其公开内容也将完整地并入本文中。

任何上述方法所需的计算工作量取决于剖切平面的数量和对象点的数量而变化。

对于根据us7,969,633的方法，计算工作量随着所使用的剖切平面的数量增加近似线性地增加。在一定程度上，剖切平面的选择是任意的。然而，通常希望在观看窗中给予观察者持续的优选三维场景的深度的印象。因此，将选择的剖切平面的距离很小，以至于眼睛不能分辨相邻平面之间的差异。对于给定的三维场景这需要最小数量的剖切平面。

对于根据wo2008/025839a1的方法，计算工作量随着对象点的数量增加而增加，然而对象点的密度也被选择成使得重建场景的连续印象被创建。

特别是对于根据us7,969,633的方法在更大的深度范围上延伸并且将需要许多剖切平面的三维场景，根据wo2008/025839a1的方法在所需的计算工作量方面是更有利的。然而，根据us7,969,633的方法对于仅分布在非常少的剖切平面上的大量对象点可能是有利的。

然而，对于根据wo2008/025839a1的方法，计算工作量也高度依赖于三维场景相对于光调制器的位置和观察窗的位置，因为这对特别是各个对象点的子全息图的尺寸具有影响。

具有虚拟观察窗的全息显示器(显示装置)也已经在例如wo2006/119760a2中描述，其中观察者不直接看到光调制器而是在屏幕上看到光调制器的放大图像。在这种情况下，计算全息图所需的计算工作量取决于图像的三维场景相对于光调制器的位置。观察者也将在全息头戴式显示器(全息hmd)中看到光调制器的放大图像，其中计算工作量也取决于图像的三维场景相对于光调制器的位置。

头戴式显示器(hmd)是例如佩戴在观察者/用户的头上的显示装置，类似于使用眼镜或头盔(头盔式显示器)。它们可以配置为用于观察者的一只眼睛(单眼用hmd)或者用于观察者的双眼(双眼用hmd)。此外，静止的或可移动的显示装置可以以类似的方式配置，使得在眼睛(目镜)附近使用光学放大设备的观察者可以观察到至少一个显示器的放大图像或者通过显示装置重建的三维场景的放大重建。在下文中，配置为电子窥视盒的这种全息显示装置将被称为全息目镜(hocular)。

通常，如果例如仅由单个对象点组成的三维场景要被完全重建，则必须将该对象点的复数值写入光调制器中子全息图的位置处。在一个优选实施例中，复数值的绝对值(即振幅)在子全息图的整个延伸范围内是近乎恒定的，并且其高度取决于对象点到光调制器或者到屏幕的轴向距离以及对象点的强度。然而，下面的描述不应限于在子全息图的整个延伸范围内恒定的振幅的情况，而是也可以包含其他选项。子全息图的区域中的复数值的相位分布近似对应于具有焦距的透镜的功能，该焦距也可以取决于与显示装置中发现的其他聚焦元件(例如向场透镜(fieldlen))的组合。子全息图的透镜功能的焦距优选地选择为使得焦点位于单个对象点中。然而，下面的描述不应限于某些透镜功能，而是可以在子全息图中包含其他相位值。在子全息图之外，对于该对象点，振幅0(零)必须被写入到光调制器中。只有在子全息图内具有全透射率的光调制器的像素才有助于每个对象点的重建。

全息图计算中的计算密集步骤是将子全息图的透镜功能的相位变换为实部和虚部，以便累加几个子全息图。对于平均而言较大的子全息图，该计算步骤将更频繁地被进行。

原则上，可以在具有诸如显示装置的尺寸或显示装置到观察者的距离的各种参数的全息显示装置中来进行相同的三维场景的再现。

使用具有小的调制元件(像素)并且定位在距离观察者小距离处的小尺寸光调制器，可以生成如同使用具有相同数量的较大调制元件并且定位在离观察者较远距离处的较大尺寸的光调制器一样的近似相同尺寸的观察窗或可见区域和相同尺寸的平截头体(从观察窗/可见区域的边缘延伸到光调制器的边缘以及以外的圆锥体)。

例如，定位在距离观察者两米距离处并且具有90μm的像素间距(调制元件的间距)的20英寸显示器(显示装置)生成的观察窗/可见区域和由此产生的平截头体的尺寸将近似等于定位在距离观察者40cm的距离处并且具有18μm的像素间距的4英寸显示器(显示器装置)生成的观察窗/可见区域和由此产生的平截头体的尺寸。在这两种情况下(20英寸显示器和4英寸显示器)，可见区域/虚拟观察窗的最大可能尺寸xvw例如对于波长λ＝475nm的蓝光可以通过下面的公式来获得

xvw_max＝λzlm/plm，

其中zlm表示光调制器距离可见区域/虚拟观察窗的距离，以及plm表示大约10.5mm的像素间距。这适用于水平和/或竖直方向，因为可见区域的尺寸通常是二维的。

可见区域的尺寸或者虚拟观察窗的尺寸可以被选择为更小。在一般情况下，

xvw＝aλzlm/plm

其中因子a<＝1。在下面提到的等式中，在这种情况下还会有因子a。为了更好的概述，在下面的实施例中将省略因子a。然而，下面的描述也可以应用于a<1的情况。然而，对于全息显示装置而言，通常涉及检测至少一个观察者的眼睛位置并且将可见区域/虚拟观察窗跟踪到眼睛位置，需要10mm或更大的可见区域/虚拟观察窗的尺寸来补偿眼睛位置检测中的不准确性以及可见区域/虚拟观察窗的跟踪中的暂时延迟。

然而，显示装置到观察者的距离影响将被编码到光调制器中的全息图的计算。

根据wo2008/025839a1，在一个优选实施例中，将使用截距定理(intercepttheorem)来计算子全息图的尺寸。

如已经描述的，如果zpoint是对象点到观察窗/可见区域的距离以及zlm是光调制器到观察窗/可见区域的距离，则子全息图的尺寸将通过下面的等式的空间范围xsh获得：

xsh＝|xvw(zlm-zpoint)/zpoint|

图1和2示出了在处于固定位置并且距离观察者固定距离的平截头体中的如仅由两个对象点指示的三维场景的示意图。图1和2仅示出了光调制器或光调制设备的示意图。但是，一般来说，全息显示装置还包括其它部件，例如照明设备(背光)和向场透镜(fieldlens)。

在图1中，光调制设备(slm)与观察者有很大的距离。从图中可以看出，就绝对值而言，尺寸较小的子全息图导致了这个示例。由于光调制设备的像素间距相对较大，因此这些子全息图仅在光调制设备的几个调制元件(像素)上延伸。这对于子全息图的计算和相干添加所需的计算工作量是特别有利的。

关于图1，图2中示出了尺寸较小并且包含较小调制元件的显示装置，其中显示装置位于更靠近观察者的眼睛处。在这个示例中，就绝对值而言，相同对象点的子全息图变的更大。由于这里光调制设备也包含比图1中的调制元件更小的调制元件，所以子全息图显著地延伸超过比图1中的调制元件更多数量的调制元件。根据优选的三维场景计算全息图所需的工作量因此在图2中更大。

然而，在实际情况下，显示装置到观察者的距离取决于应用，并且因此不能自由选择。例如，平板电脑或者笔记本电脑的显示器与电视机相比距离观察者的距离更小。

因此，本发明的目的是提供一种可以用于减少计算二维和/或三维场景的全息图所需的计算工作量的方法。特别地，对于光调制设备相对于观察者和将被重建的场景的不同位置的计算工作量将被减少。尤其是，这在对于重建场景的可见横向分辨率和可见深度分辨率没有限制或者只有很少的限制的情况下实现。

该目的根据本发明是通过根据权利要求1所述的方法来实现。

根据本发明的方法用于为显示装置(显示器)中的二维和/或三维场景的全息重建计算全息图。将被重建的场景被分解成对象点，其中对象点被作为子全息图编码到显示装置的至少一个空间光调制设备中。重建场景然后可以从可见区域被观察。至少一个空间光调制设备的至少一个虚拟平面基于空间光调制设备的实际或物理平面来确定。子全息图的计算然后在至少一个空间光调制设备的至少一个虚拟平面中来进行。

根据本发明，术语“空间光调制设备的平面”或者“空间光调制设备的位置”应以通用方式来理解，使得该术语可以包括或者应当包括物理上可用的空间光调制设备在直接观察显示器中的平面或位置或者观察者看到的空间光调制设备在投影显示器、头戴式显示器(hmd)或全息目镜中的物理或虚拟图像的平面或位置。相反，使用术语“空间光调制设备的虚拟平面”，使得所述平面不必与物理上可用的空间光调制设备的平面或位置或者观察者看到的空间光调制设备的图像的平面或位置相匹配。换句话说，术语“空间光调制设备的虚拟平面”是指空间光调制设备的物理上不可用的或假想的或表观的平面或者虚拟地移位到预定位置的空间光调制设备的平面。

根据本发明，提出了一种方法，其中类似于单视差编码或者全视差编码来进行空间光调制设备的虚拟的、物理上不可用的或假想的平面中的子全息图的计算。随后，可以积分变换到每个可见区域，并且从可见区域积分变换到空间光调制设备的实际或物理平面。

在这方面，下面的实施例将被区分：

·单视差编码情况下的一维积分变换

·单视差编码情况下的二维积分变换

·全视差编码情况下的二维积分变换。

积分变换最好是菲涅耳(fresnel)变换。但是，也可以根据应用使用傅立叶(fourier)变换。

这样的计算方法是特别有利的，因为全息图因此可以被容易地计算，而不管相对于对象点的位置以及空间光调制设备的虚拟平面的位置而变化的单个子全息图的尺寸。

通过根据本发明的方法以以下方式获得全息图(其大致对应于根据现有技术将在直接计算中生成的全息图——因此不使用根据本发明提出的方法)：优选通过在至少一个空间光调制设备的至少一个虚拟平面中进行编码，并且如果需要的话，通过后续变换到可见区域以及从可见区域后续变换到至少一个光调制设备的实际或物理平面中。所得到的全息图然后被写入或者编码到实际或物理空间光调制设备中。

尽管与现有技术的计算机生成的全息图的常规计算相比，根据本发明的方法对于空间光调制设备的每个虚拟平面可能需要两个附加积分变换。另一方面，对于大量的对象点来说，节省计算时间以及将各个子全息图累加时的节省可能比对于整个全息图仅进行一次的两个附加积分变换更重要。

下面将提到不同的替代方案，其可以有利地用于进一步开发根据本发明的方法。

在有利的第一替代方案中，可以进一步开发根据本发明的方法，即，在至少一个空间光调制设备的至少一个虚拟平面中，将被重建的场景的对象点被计算为子全息图，至少一个空间光调制设备的至少一个虚拟平面的所计算的子全息图通过积分变换被变换到可见区域中并且被累加在可见区域中，并且累加的子全息图通过进一步的积分变换从可见区域被变换到至少一个空间光调制设备的物理平面中并且被写入其中作为全息图。

在有利的第二替代方案中，可以进一步开发根据本发明的方法，即，在至少一个空间光调制设备的至少一个虚拟平面中，将被重建的场景的对象点被计算为子全息图，并且子全息图在至少一个虚拟平面中被累加，至少一个空间光调制设备的至少一个虚拟平面的累加的子全息图通过积分变换被变换到可见区域并且通过进一步的积分变换从可见区域变换到至少一个空间光调制设备的物理平面中，并且被写入其中作为全息图。

在另一个有利的实施例中，根据本发明的方法的第二替代方案可以被进一步开发，即，当至少一个空间光调制设备的至少两个虚拟平面被确定时，这些虚拟平面中的一个各自被分配给将被重建的场景的对象点，并且对象点被计算为分配给它们的虚拟平面中的子全息图，并且分配给虚拟平面的对象点的子全息图被累加在各个虚拟平面中，累加的子全息图通过积分变换从至少两个虚拟平面被变换到可见区域，至少两个虚拟平面的变换被累加在可见区域中，并且累加变换的总结果通过进一步的积分变换从可见区域被变换到至少一个空间光调制设备的物理平面中并且被写入其中作为全息图。

第二替代方案还可以有利地进一步发展，即，当至少一个空间光调制设备的至少两个虚拟平面被确定时，这些虚拟平面中的一个各自被分配给将被重建的场景的对象点，并且对象点在分配给它们的虚拟平面中被计算作为子全息图，并且分配给虚拟平面的对象点的子全息图被累加在各个虚拟平面中，累加的子全息图通过积分变换从至少两个虚拟平面被变换到可见区域中，对于至少两个虚拟平面中的每个，相应的变换通过进一步的积分变换从可见区域被变换到至少一个空间光调制设备的物理平面中，至少两个虚拟平面的变换被累加在至少一个空间光调制设备的物理平面中，并且累加变换的子全息图的总结果被写入其中作为全息图。

在根据本发明的方法的所有公开的替代方案中，子全息图可以作为复数值的全息图(complex-valuedhologram)或者以全息图编码的形式被写入到空间光调制设备中。

因此，可以有利地提供，空间光调制设备的虚拟平面的位置被选择成使得所得的子全息图具有小尺寸或者最小的尺寸，如下面更详细地进一步描述的。

对于将被重建的预定的场景，优选三维场景，空间光调制设备的虚拟平面的位置可以被选择成使得将被计算的子全息图在尺寸上比空间光调制设备的物理平面的实际位置的情况平均更小——即具有更小的面积。这一优点超过了附加变换所需的工作量，特别是在空间光调制设备具有多个虚拟平面的情况下。

除了子全息图或全息图的全视差计算之外，还可以使用单视差计算。这里，例如，对象点的子全息图不是以二维球面透镜(全视差)的形式而是以柱面透镜的形式被计算和编码。

对于us7,969,633中描述的方法，这意味着以与全视差编码相同的方式将场景分解成对象点并划分成剖切平面，然而，与全视差编码相反，可能的变化可以以一维积分变换(例如一维傅立叶变换)的形式被进行到观察者平面或可见区域以及对象平面中。

对于根据wo2008/025839a1的方法，其中对象点的子全息图直接地被计算，这意味着子全息图仅包含具有水平编码的一行或者具有竖直编码的一行。

子全息图的透镜功能然后将被计算，使得光仅在一维(水平或竖直)中被聚焦到对象点的位置。

单视差编码具有以下优点：在一维(水平或竖直)重建中，生成与大脑从观察者的双眼接收到的视差信息相对应的对象点的精确焦点。因此，与立体显示装置或显示器相比，视差信息和焦点信息之间不存在冲突(聚散冲突(accommodation-vergenceconflict))。此外，与全视差编码的全息图相比，单视差编码在对计算工作量和硬件的要求方面具有的优势是，例如显示装置上的调制元件的尺寸和数量。

另一方面，与全视差编码的全息图相比，单视差编码的全息图具有的缺点是，可以减小与全息编码正交的方向上的可见分辨率，特别是对于远离空间光调制设备的平面而放置的对象点，因为在对象平面上在该方向上没有精确焦点，而是在某些情况下可能会产生重建中的对象点的可觉察的污斑。因此可以限制具有最大分辨率的二维和/或三维场景可见的深度范围。这种效果在显示装置和观察者之间的距离变小时尤其明显。

这里，术语“可见区域”应当优选地被理解为观察者平面中实际上可用并且限定了一种观察窗的区域。因此，如果眼睛(观察者的至少一只眼睛)位于可见区域中，则观察者可以观察重建场景。

在从属权利要求中限定了本发明的其他有利实施例和进一步的开发。

在本发明的特定实施例中，有利地，使用单视差编码来计算子全息图。然而，到可见区域以及从可见区域到空间光调制设备的物理平面进行可能的积分变换作为二维变换。

该实施例提供，空间光调制设备的至少一个虚拟平面的位置被选择在将被重建的场景的深度范围内，其中将被重建的场景的所述深度范围由具有距离可见区域的最小距离的对象点以及具有距离可见区域的最大距离的对象点来定界。

在这种情况下，至少一个虚拟平面的位置被选择成使得可见分辨率在场景重建期间不超过给定值。换句话说，空间光调制设备的虚拟平面相对于将被重建的场景的深度范围的位置被调节或确定成使得，如果有的话，仅引起场景的可见分辨率的轻微的损失。

特别地，该方法可以有利地用于位于距离观察者较小距离处的物理空间光调制设备(slm)，并且可以有利地用于相比于物理空间光调制设备具有距离观察者较大距离的空间光调制设备的虚拟平面，因为具有全分辨率的可用深度范围对于单视差编码来说随着空间光调制设备到观察者的距离而增加。

例如，物理空间光调制设备位于距离观察者65cm处，并且将被重建的场景在距离观察者1.5米和17米之间延伸。对于空间光调制设备的虚拟平面，例如，选择距离观察者2.5米的距离。

此外，可以有利地提供，将被重建的场景被分解成至少两个深度范围区段，其中空间光调制设备的每个虚拟平面被分配给至少两个深度范围区段。这意味着，除了上面提到的过程之外，将被重建的场景可以通过分离成各自被分配给虚拟平面的几个深度范围区段来计算。

此外，虚拟平面的数目被确定，使得对于将被显示的整个深度范围，如果有的话，仅引起重建场景的可见分辨率的轻微的损失。

如果将被重建的场景的深度范围的尺寸如此大，以至于甚至没有可以用于显示没有可见分辨率损失的三维(3d)场景的空间光调制设备的单个合适的虚拟平面，也可以找到该方法，提供和使用多个虚拟平面是有利和实用的。在这种情况下，将被重建的场景被分解为几个，即至少两个深度范围区段，每个深度范围区段被分配给空间光调制设备的这些虚拟平面中的一个。类似于单视差编码，针对各个深度范围部分中的空间光调制设备的各个虚拟平面来计算子全息图。

在这种情况下，分配给空间光调制设备的至少两个深度范围区段的虚拟平面中的一个虚拟平面也可以与空间光调制设备的物理平面一致。

随后，在可能的过程中，关于位于分配给相应深度范围区段的虚拟平面中的各个深度范围区段中的对象点计算的子全息图，然而不是空间光调制设备的物理平面的子全息图，可以被变换到观察者平面或者可见区域中、被累加在其中并且从观察者平面或可见区域被变换到光调制设备的物理平面中。可选地，各个深度范围区段的子全息图也可以在被变换到可见区域之前被累加。

对于光调制设备的物理平面计算的子全息图的累加可以有利地在该物理平面中或者在观察者平面中或者在可见区域的平面中进行。换句话说，已经在光调制设备的物理平面中直接计算出的深度范围区段的子全息图可以被选择为被累加到或者在物理平面上或者在观察者平面或可见区域的平面中进一步计算的子全息图。

作为根据本发明的方法的过程的一个示例，光调制设备的物理平面可以位于距离观察者65cm的距离处，其中将被重建的三维场景应当在距离观察者0.5米至17米之间的距离处延伸。将被重建的场景在其中被分解成对象点，其中例如确定三个深度范围区段。第一深度范围区段在距离观察者1.5米至17米的距离处延伸。位于该深度范围区段中的所有对象点被分配给空间光调制设备的距离观察者2.5米距离处的第一生成的虚拟平面。第二个深度范围区段应当在距离观察者0.8米至1.5米的距离处延伸。位于该深度范围区段中的所有对象点被分配给空间光调制设备的确定为距离观察者1.0米的距离处的第二生成的虚拟平面。第三个深度范围区段应当在距离观察者0.5米至0.8米的距离处延伸。位于该深度范围区段中的所有对象点现在在这里被分配给空间光调制设备的距离观察者0.65米的距离处的物理平面。然而，也可以将位于该深度范围区段的对象点分配给空间光调制设备的进一步生成的虚拟平面，例如分配给0.60米处的虚拟平面。

用于空间光调制设备的虚拟平面的像素间距(调制元件的间距)有利地被选择，使得通过子全息图到观察者平面或可见区域的平面中的变换，产生如同通过光调制设备的物理平面的像素间距产生的相同尺寸的可见区域。根据截距定理，虚拟平面中的像素间距除以空间光调制设备的物理平面中的像素间距的商像是虚拟平面的距离除以空间光调制设备的物理平面到可见区域/虚拟观察窗的距离的商。

在本发明的另一个有利的实施例中，可以提供，将被重建的场景的各个对象点在空间光调制设备的物理平面上以子全息图的形式被编码为在水平方向和竖直方向上具有不同焦距的透镜元件。这意味着这里在光调制设备的物理平面上将被重建的场景的对象点的子全息图的编码对应于在水平方向和竖直方向上具有不同焦距的透镜。

通过类似于一维单视差编码来选择空间光调制设备的虚拟平面和子全息图的计算，空间光调制设备的物理平面上的对象点不是被编码为球面透镜而是在水平方向和竖直方向上具有不同焦距的透镜。在一个方向上，焦点位于在空间光调制设备的虚拟平面的平面内与实际对象平面正交的方向上的实际的对象平面内。如果观察者连同他的眼睛瞳孔位于可见区域中，则他可以观察重建的二维和/或三维场景，例如如果已经使用空间光调制设备的虚拟平面中的单视差编码计算了所述场景。

有利的是，如果使用单视差编码，则较小的计算工作量在不受重建场景的可见分辨率或深度范围的限制的情况下也是可以应用的。然而，由子全息图组成的全息图的光学重建被以全视差编码中常见的方式进行。因此，全息显示装置本身的结构与全视差编码的显示装置没有区别或者仅有微小差别。

空间光调制设备的至少一个虚拟平面中的子全息图的计算可以有利地通过二维全视差编码或者通过一维单视差编码来进行。

使用多个虚拟平面，同样可能的是在空间光调制设备的至少一个虚拟平面中使用二维全视差编码以及在至少另一个虚拟平面中使用一维单视差编码。优选地，二维全视差编码然后被用于距离可见区域小距离的至少一个虚拟平面，并且一维单视差编码被用于距离可见区域较大距离的至少一个平面。

作为根据本发明的方法的替代过程，同样可能的是在空间光调制设备的至少一个虚拟平面中通过全视差编码来进行子全息图的常规计算。这些子全息图计算的结果然后被变换到观察者平面或可见区域中，并且在那里被累加以获得整个全息图。随后，整个全息图的结果被变换到空间光调制设备的物理平面中。

对于光调制设备的物理平面计算的子全息图的相累加可以有利地在物理平面中或者在观察者平面中或者在可见区域的平面中以与上述实施例中相同的方式来进行。

同样在这种替代方法中，将被重建的场景被分解成对象点并且确定深度范围区段。深度范围区段中的对象点各自被分配给空间光调制设备的虚拟平面。对于空间光调制设备的这个虚拟平面，然后计算子全息图。

然而，该计算比到目前为止所说明的方法的实施例中的计算更复杂。然而，整个全息图的结果然后在没有限制的情况下对应于连续全视差编码的结果。

在该实施例中，空间光调制设备的虚拟平面的数量和位置的选择不再基于用于避免可见分辨率的限制的目的来进行，因为这种限制不会出现，而是基于用于通过减小子全息图的尺寸来限定计算工作量的目的来进行。

在根据本发明的方法的另一个实施例中，同样可能的是通过在空间光调制设备的至少一个虚拟平面中的单视差编码来进行常规的子全息图的计算，并且将可能的积分变换配置为一维变换。

在该实施例中，虚拟平面的数量和位置的选择不是基于用于避免可见分辨率的限制的目的来进行的。这里适用与使用单视差编码的全息图的常规计算中的限制相同的限制。同样，空间光调制设备的虚拟平面的数量和位置的选择是基于用于通过减小子全息图的尺寸来限制计算工作量的目的来进行。换句话说，可以有利地提供，根据将被重建的场景的深度范围，空间光调制设备的虚拟平面的数量以及空间光调制设备的所述虚拟平面到可见区域的距离被选择成使得针对将被重建的场景以将被计算的子全息图的调制元件的数量的形式的尺寸不超过给定值。

在本发明的一个有利的实施例中，可以进一步提出，空间光调制设备的至少一个虚拟平面到将被重建的场景的距离被选择成使得针对将被重建的场景以将被计算的子全息图的调制元件的数量的形式的尺寸不超过给定值。空间光调制设备的至少一个虚拟平面到将被重建的场景的距离因此实际上被选择成使得针对该虚拟平面将被计算的子全息图的尺寸不超过给定的数值。换句话说，通过选择空间光调制设备的与将被重建的场景相距很近距离的虚拟平面，有利地保持将被计算的子全息图的尺寸较小。

如果根据可见区域/虚拟观察窗的给定尺寸，使用截距定理来计算子全息图的空间范围形式的尺寸，则

xsh＝|xvw(zlm-zpoint)/zpoint|被获得。

然后，通过将该范围除以像素间距并且随后将其四舍五入为整数值来获得以子全息图的调制元件的数量的形式的尺寸nsh：

nsh＝(xsh/plm)。

为了简化上面给出的等式，在下文中没有明确写下这个四舍五入。但是，每个nsh应表示一个四舍五入后的整数值。

这个术语可以在数学上重新排列(使用上面的针对可见区域或虚拟观察窗的范围的公式)来获得：

nsh＝(1/zpoint–1/zlm)xvw²/λ。

因此，对于给定尺寸的可见区域/虚拟观察窗，以子全息图的调制元件的数量的形式的尺寸取决于

|1/zpoint–1/zlm|。

三维场景的深度范围可以通过距离可见区域最小距离的将被重建的场景的对象点的距离zpoint_min和距离可见区域最大距离的将被重建的场景的对象点的距离zpoint_max来表征。

具有距离可见区域的最小距离zpoint_min的对象点或者具有距离可见区域的最大距离zpoint_max的对象点在它们的范围内也具有最大的子全息图。

在优选实施例中，对于在空间光调制设备的单个虚拟平面的zlm_virt的可选位置处的给定深度范围(即，到可见区域的距离)，如果以子全息图的调制元件的数量的形式的最大尺寸将被限制，则进行下面的等式：

1/zpoint_min–1/zlm_virt＝1/zlm_virt–1/zpoint_max。

空间光调制设备的虚拟平面因此位于三维场景的深度范围内；这意味着对于距离可见区域最小距离的对象点而言，以调制元件的数量的形式的子全息图的尺寸与对于距离可见区域最大距离的对象点来说的子全息图的尺寸相同。

即

zlm_virt＝2/(1/zpoint_min+1/zpoint_max)。

例如，对于从距离可见区域50cm的距离延伸到无穷远(1/zpoint_max＝0)的三维场景的深度范围，子全息图的以调制元件的数量的形式的最大尺寸在空间光调制设备的虚拟平面定位在距离可见区域1米(即2×50cm)的距离处的情况下是最有利的。

然而，如果三维场景例如在距离可见区域1.5米到17米的距离处延伸，则空间光调制设备的虚拟平面将被定位在大约2.76米，即2x1/(1/1.5+1/17)米处。

在0.5米到无穷远的深度范围的示例以及在475nm的蓝色波长和10.5mm的可见区域的尺寸的示例中，空间光调制设备的虚拟平面的像素间距将近似为45μm。

在该示例中，距离可见区域50cm处的对象点的子全息图以及无限远处的对象点的子全息图将各自具有以一维(例如，水平)中的234个调制元件的数量的形式的尺寸。

对于全视差编码并且在调制元件的形状为矩形/正方形的情况下，调制元件的总数量将是234×234。

在这种情况下，针对将被重建的场景以将被计算的子全息图的调制元件的数量的形式的尺寸在整个深度范围内因此将不会超过234的值。

在优选实施例中，在使用空间光调制设备的两个虚拟平面时使用下面的方法：

三维场景的深度范围被分解成两个子范围或深度范围区段。尺寸zpoint_med应表示两个范围或区段之间的边界。

对于zpoint_min和zpoint_med之间的所有对象点，在第一虚拟平面zlm_virt1中计算子全息图，对于zpoint_med和zpoint_max之间的所有点，在第二虚拟平面zlm_virt2中计算子全息图。

深度范围区段zpoint_med之间的边界以这样的方式来确定，即，在距离可见区域的该距离处的对象点的子全息图具有在空间光调制设备的两个虚拟平面中以调制元件的数量的形式的相同尺寸，并且，附加地，在空间光调制设备的第一虚拟平面中的zpoint_min的子全息图和在空间光调制设备的第二虚拟平面中的zpoint_max的子全息图也具有以在两个虚拟平面中作为zpoint_med的子全息图的调制元件的数量的形式的相同尺寸：

1/zpoint_min–1/zlm_virt1＝1/zlm_virt1–1/zpoint_med＝1/zpoint_med–1/zlm_virt2

＝1/zlm_virt2–1/zpoint_max。

在该示例中，在深度范围在0.5m和无穷大之间并且可见区域或观察窗具有10.5mm尺寸的情况下，结果是具有30μm的像素间距的空间光调制设备的第一虚拟平面在zlm_virt1＝0.67μm处被提供，并且具有90μm的像素间距的空间光调制设备的第二虚拟平面在zlm_virt2＝2.0m处被提供。对于zpoint_med，结果是1.0米。

对于距离可见区域0.5米至1.0米之间距离处的所有对象点，子全息图因此在空间光调制设备的第一虚拟平面中被计算。对于在1.0米和无穷远之间距离处的所有对象点，子全息图在空间光调制设备的第二虚拟平面中被计算。在距离可见区域0.5m的距离处的对象点的子全息图在空间光调制设备的第一虚拟平面中具有以一维中的117个调制元件的数量的形式的尺寸。距离可见区域1米的距离处的对象点的子全息图在空间光调制设备的两个虚拟平面中也具有以一维中的117个调制元件的数量的形式的这个尺寸，并且在无限远处的对象点的子全息图在空间光调制设备的第二虚拟平面中具有以117个调制元件的数量的形式的这个尺寸。

与使用空间光调制设备的单个虚拟平面相比，调制元件的最大数量可以在一维的子全息图中被分成两半，例如在本示例中从234被分成117。

空间光调制设备的虚拟平面中的一个也可以与空间光调制设备的物理平面一致。

例如，对于观察者的距离通常在60-70cm范围内的计算机屏幕，空间光调制设备的在67cm处的第一虚拟平面可以与空间光调制设备的物理平面一致。在这种情况下，对于空间光调制设备的在2米处的第二虚拟平面仅需要积分变换。

反过来，对于电视机来说，空间光调制设备的在2米处的第二虚拟平面可以与空间光调制设备的物理平面一致。

或者，该过程还可以涉及以调制元件的数量的形式来定义最大数量，并且从中确定空间光调制设备的实现该尺寸所需的虚拟平面的数量。

在上述示例中，对于空间光调制设备的1或2个虚拟平面的100个调制元件的给定最大值仍然被超过，从而需要空间光调制设备的第三虚拟平面。

在本发明的另一个实施例中，空间光调制设备的虚拟平面的数量可以有利地被限制为给定值，以便尽可能地降低对于可能的附加变换的工作量。

因此，例如，在涉及具有特定深度范围的相同三维场景的上述过程中，子全息图的调整元件的最大数量在相比于单个虚拟平面存在空间光调制设备的两个虚拟平面的情况下将被分成两个。子全息图的调整元件的最大数量在相比于单个虚拟平面存在空间光调制设备的三个虚拟平面的情况下将被分成三个。而且，子全息图的调整元件的最大数量在相比于单个虚拟平面存在空间光调制设备的四个虚拟平面的情况下将被分成四个。通过使用附加虚拟平面所实现的改善由此正在稳步下降。当使用空间光调制设备的第五虚拟平面时，从四分之一到五分之一的进一步改善比较小。

然而，对于空间光调制设备的每个附加虚拟平面，积分变换的数量增加了2个数量。通常，空间光调制设备的虚拟平面的数量将被限制为很少，例如2或4。然而，本发明不限于空间光调制设备的虚拟平面的给定最大数量。

由于用于计算子全息图的工作量也随着优选三维场景被分解成的对象点的数量的增加而增加，但是用于积分变换的工作量与对象点的数量无关，所以空间光调制设备的虚拟平面的数量也可以基于对象点的数量来确定，使得对于包含多个对象点的三维场景，使用更多的空间光调制设备的虚拟平面，并且对于包含少数对象点的三维场景，则使用更少的空间光调制设备的虚拟平面。

在本发明的另一个或替代实施例中，不限制以调制元件的数量的形式的子全息图的最大尺寸，而是以调制元件的数量的形式的子全息图的平均尺寸被最小化。这意味着空间光调制设备的至少一个虚拟平面距离可见区域的距离可以根据将被重建的场景的所有对象点的位置被选择成使得针对将被重建的场景以将被计算的子全息图的调制元件的数量的形式的平均尺寸(优选地在所有对象点上进行平均)取最小值。

如前所述，对于单个对象点，以调制元件的数量的形式的子全息图的尺寸在一维(水平或竖直)上与|1/zpoint–1/zlmvirt|的量成正比。

在单视差编码的情况下，子全息图中的调制元件的总数量与该量成比例。

在全视差编码的情况下，子全息图中的调制元件的总数量是通过将竖直和水平调制元件相乘而获得的并且因此与(1/zpoint–1/zlmvirt)²成比例。

在本实施例中，对于被分解成n个对象点的三维场景，空间光调制设备的虚拟平面的位置通过使在所有点zpointi上使用单视差编码的表达式|1/zpointi–1/zlmvirt|或者使用全视差编码的表达式(1/zpointi–1/zlmvirt)²的总和最小化来确定；也就是说，在这种情况下，总和为零：∑i＝1..n|1/zpointi–1/zlmvirt|＝0。

因此，σi＝1..n|1/zpointi＝n/zlmvirt。在这两种情况下，通过形成相对于zlm_virt的相应和的导数并将其置为0来进行最小化。对于全视差编码，σi＝1..n(1/zpointi–1/zlmvirt)²＝min被计算。因此，σi＝1..n|1/zpointi＝n/zlmvirt。在仅由三个对象点构成并且位于距离可见区域的距离为zpoint1＝0.5m、zpoint2＝0.66m和zpoint3＝2.0m处的将被重建的场景的示例中，(2+1.5+0.5)/米＝3/zlmvirt将被获得，并且由此将得到空间光调制设备的虚拟平面到可见区域的距离zlmvirt＝0.75米。

对于单视差编码，σi＝1..n|1/zpointi–1/zlmvirt|＝min被计算。

如果zlmver被选择成使得从可见区域看到的对象点的一半位于空间光调制设备的虚拟平面的上游并且对象点的另一半位于虚拟平面的下游，则达到最小值。在3个对象点的示例中，对于单视差编码，空间光调制设备的虚拟平面的位置将被选择成使得所述位置与zpoint2＝0.66米的平均点一致。

在偶数个对象点，例如4个对象点并且除了上述对象点之外zpoint4＝0.95米的情况下，空间光调制设备的虚拟平面将被选择成使得它位于在0.66米至0.95米的范围内的任何地方，使得zpoint1和zpoint2位于虚拟平面的上游，并且zpoint3和zpoint4位于虚拟平面的下游。

3或4个对象点的示例只能说明如何选择这个距离。在实际情况中，这种方法更适用于具有多个对象点(约1,000至数百万)的三维场景。

这种最小化子全息图的以调制元件的数量的形式的平均尺寸需要额外的计算步骤，其中要考虑三维场景的所有对象点的位置。

因此，在进一步的示例性实施例中，仅使用以最小距离zpoint_min和最大距离zpoint_max的形式的深度范围，并且zpoint_min到zpoint_max关于|1/zpoint–1/zlmvirt|dzpoint的积分在单视差编码的情况下被最小化，或者zpoint_min到zpoint_max关于(1/zpoint–1/zlmvirt)²dzpoint的积分在全视差编码的情况下被最小化。

如果将所述方法应用于包含少量深度平面的将被重建的优选三维场景，则变换的计算工作量对应于us7,969,633中描述的方法。然而，有利地，可以使用具有任何精细深度分辨率的较大的深度范围。

事实上，在根据本发明的包含空间光调制设备的多个虚拟平面的方法的变体中，优选地，相比于空间光调制设备的物理平面，被布置在距离观察者更远距离处的空间光调制设备的虚拟平面被使用。然而，一般来说，在这个变型或替代方案中，并且特别是在包含空间光调制设备的虚拟平面中的全视差编码的变型/替代方案中，这些虚拟平面相比于空间光调制设备的物理平面也可以位于距离观察者更近的距离处。

在本发明的优选实施例中，可以进一步提供，空间光调制设备的至少一个虚拟平面的位置在将被重建的场景的深度范围的时间变化的情况下被调节到新的深度范围。

例如，在全息显示装置上连续显示的内容(例如，像电影场景连拍那样)可以在具有在可见区域附近的对象点的优选三维场景和具有远离可见区域或虚拟观察窗的对象点的时间上随后优选三维场景之间切换。

然后，对于每个单个图像，将确定将被重建的场景的深度范围，例如，距离可见区域最小距离zpoint_min和最大距离zpoint_max的对象点，并且将计算空间光调制设备的至少一个虚拟平面的位置。

此外，在本发明的另一个实施例中，可以有利地提供，当根据重建场景的观察者的检测位置沿着轴向方向和/或横向方向跟踪可见区域时，空间光调制设备的至少一个虚拟平面的数量和位置被调节到可见区域的新位置。

可以提供，通过用于检测观察者的位置的装置所检测的观察者距离空间光调制设备的可见区域被跟踪到的物理平面的距离被用于确定空间光调制设备的至少一个虚拟平面的数量和/或位置。

或者，也可以使用观察者到空间光调制设备的物理平面的平均或更一般的(取决于应用，例如笔记本或电视)距离。

有利的是，对于空间光调制设备的虚拟平面，平截头体中的位置可以被选择成使得由观察者平面中的观察者观察到的位于将被重建的场景内的多个对象点位于空间光调制设备的虚拟平面的上游，并且多个对象点位于其下游，其中最靠近观察者的对象点应当位于不超过虚拟观察者在空间光调制设备的虚拟平面之前的距离的一半。然而，该方法不限于空间光调制设备的虚拟平面的位置的某些确定。

此外，可以有利地提供，特别是对于使用单视差编码和二维积分变换的本发明的实施例，通过空间光调制设备的至少一个虚拟平面将被重建的场景的所计算的全息图与在空间光调制设备的物理平面中直接计算的相同场景的全息图的偏差不超过所定义的标准。例如，该标准的特征在于，以这种方式计算的三维场景的可见分辨率与在空间光调制设备的物理平面中直接计算的相同场景的全息图的分辨率相比，最多降低20％。

在本发明的另一个有利的实施例中，可以提供，当使用显示装置来表示生成至少一个空间光调制设备的图像平面的二维和/或三维场景，其中图像平面根据将被重建的场景的内容充当空间光调制设备(例如，头戴式显示器或者全息目镜)的物理平面时，至少一个空间光调制设备的至少一个虚拟平面是根据上述本发明的一个方案确定的，例如，以使子全息图的最大尺寸或平均尺寸最小化的方式，空间光调制设备的图像平面被移位使得所述图像平面与空间光调制设备的虚拟平面一致，将被重建的场景的对象点被计算为子全息图，并且被累加并被写入作为全息图。

对于二维和/或三维场景的表示，也可以使用头戴式显示器或者全息目镜。头戴式显示器或者全息目镜包含成像系统或聚焦系统，使得从可见区域可以看到空间光调制设备的放大图像。成像系统或聚焦系统可以被配置为使得空间光调制设备的图像平面的位置是可变的。例如，成像系统或聚焦系统可以包含至少一个元件，元件的焦距被可变地配置，即焦距可以以可控制的方式改变。以这种方式，可以移位至少一个空间光调制设备的图像平面。这意味着，根据要显示的场景的内容来确定或设置空间光调制设备的至少一个虚拟平面，其中所述虚拟平面被确定成使得场景的对象点的子全息图如果可能的话被配置为具有小面积，并且因此它们的计算在工作量方面是有利的。空间光调制设备的图像/图像平面(其对应于被设计为直视显示器的显示装置中的空间光调制设备的物理平面)可以被移位，使得其与空间光调制设备的虚拟平面一致或者与其相同。在这种情况下，如果只有空间光调制设备的一个虚拟平面可用，则可以完全省略积分变换。

或者，至少一个空间光调制设备的图像平面也可以通过略微改变空间光调制设备的物理平面来移位。

当然，也可以提供空间光调制设备的多个虚拟平面，其中空间光调制设备的图像以与这些虚拟平面中的一个一致的方式移位。空间光调制设备的图像也可以被移位，使得它与各自的另一个虚拟平面连续一致。通过具有可变焦距的成像系统——其例如可以被设计为衍射系统或折射系统，并且因此可以包含例如至少一个透镜或至少一个反射镜，例如其焦距可以通过控制电压而改变的电润湿透镜或者其曲率半径可变的薄膜反射镜、或者也可以是通过改变透镜的距离来改变系统的焦距的包含多个透镜的系统——，空间光调制设备的图像被移位成使得对于具有给定深度范围(因此基于内容)的二维和/或三维场景，子全息图的尺寸可以以关于计算工作量的合适的方式来设置。

根据本发明的方法可以通过光调制设备来使用，特别是在显示装置中，优选地在用于表示二维和/或三维场景的全息显示装置中，包括空间光调制设备，其中光调制设备适合于进行根据本发明的方法。

在其余从属权利要求中描述了本发明的其它实施例。下面，使用借助于附图更详细地解释的示例性实施例在原理上更详细地说明本发明。其中，使用具有相干光的全息重建来描述本发明的原理。

附图说明：

图1a、1b、1c：根据现有技术的用于二维和/或三维场景的全息重建的显示装置的不同可能的实施例，

图2：在距离观察者和距离空间光调制设备的限定距离内以平截头体将被重建的场景的示意图，

图3：在使用尺寸较小的空间光调制设备时根据图1的将被重建的场景的示意图，

图4：类似于空间光调制设备的物理平面和虚拟平面中的单视差编码的优选三维场景的子全息图的范围的示意图，

图5：在空间光调制设备的物理平面和两个虚拟平面中具有宽深度范围的优选三维场景的子全息图的范围的示意图，

图6：针对空间光调制设备的距离可见区域不同距离的平面的子全息图的范围的实施例的图形表示，

图7：设计为头戴式显示器的显示装置的示意图，和

图8：根据图6的其中空间光调制设备的图像平面被移位的显示装置。

应当简要提及的是，相同的元件/部件具有相同的附图标记。

在图1a中，示意性地并且作为示例，示出了根据现有技术的用于二维和/或三维场景的全息重建的显示装置。

在这个示例中，显示装置包含光源lq、向场透镜fl和空间光调制设备1。光源lq和向场透镜fl被布置成使得其中没有全息图被写入空间光调制设备1中，由光源lq发出的光通过向场透镜fl被聚焦到与空间光调制设备1距离为zlm处的观察者平面2中。如果将被重建的场景(这里未示出)以合适的方式被分解成对象点，并且对象点被作为子全息图编码到显示装置的空间光调制设备1中，在距离空间光调制设备1的距离zlm处生成可见区域3或虚拟观察窗。

在所示的显示装置中，空间光调制设备1到向场透镜fl的距离很小，也就是说，明显小于空间光调制设备1到可见区域3的距离zlm。

图1a示出了具有固定焦距的向场透镜。一般而言，向场透镜也可以特别设计成具有可变的焦距，或者显示装置除了向场透镜之外还可以包含用于动态地调节到改变的观察者位置的距离zlm的可变聚焦元件。此外，显示装置可以包含用于跟踪横向改变的观察者位置的可见区域3的偏转元件。

图1a中所示的显示装置也被称为全息直视显示器。

与图1a相比，图1b还示出了根据现有技术的显示装置，然而其被称为全息投影显示器。

在图1b中，在显示装置中布置有多个光学元件l，这里示出为透镜，使得首先生成空间光调制设备1的通常放大的实像rb。

另外，使用与空间光调制元件1的实像rb非常接近地布置的向场透镜fl，将光源lq的光聚焦到观察者平面2上。

然后，将被重建的场景到对象点的分解以及对象点到显示装置的空间光调制设备1作为子全息图的编码可以以这样的方式来进行，即如同在空间光调制设备1的实像rb的位置处确实存在实质上可用的空间光调制设备。

图1c示出了向场透镜fl也将光源lq的光聚焦到观察者平面2中的显示装置。

在显示装置的该示例性实施例中，空间光调制设备1位于使得空间光调制设备1和向场透镜fl之间的距离在尺寸上与向场透镜fl和观察者平面2之间的距离相同的位置处。

向场透镜fl和观察者平面2之间的距离例如对应于向场透镜fl的焦距。空间光调制设备1和向场透镜fl之间的距离与向场透镜的焦距大致相同，但比其小。

在这种情况下，生成空间光调制元件1的通常放大的虚像vb。

接下来，将被重建的场景到对象点的分解以及对象点到显示装置的空间光调制设备1作为子全息图的编码然后可以以这样的方式来进行，即如同在空间光调制设备1的实像vb的位置处确实存在实质上可用的空间光调制设备1。

例如，这样的显示装置可以被设计为头戴式显示器，其中具有小焦距的向场透镜和小尺寸的空间光调制设备位于观察者的眼睛附近，例如用作眼镜或者用作全息目镜。

如在本发明的描述中所使用的术语“空间光调制设备的物理平面”应当是通用的，该空间光调制设备的物理平面还包含例如图1b和图1c所示的显示装置中的空间光调制设备的图像平面。

图2以示意方式示出了根据本发明的空间光调制设备1。空间光调制设备1被设置在全息显示装置中，其中全息显示装置的结构对于呈现根据本发明的方法而言并不重要。通常，如上面的图1a至1c所示，全息显示装置包含至少一个与照明装置(背光)有关的空间光调制设备以及其他部件，例如向场透镜、偏转元件等。为了描述根据本发明的方法，仅更详细地描述与观察者平面有关的至少一个空间光调制设备1就足够了，并且在图2至图5中示出了它。

因此，除非另外指出，否则在此将不再描述显示装置中提供的其他设备或元件。

根据图2至图6的空间光调制设备1(也称为slm(空间光调制器))可以被设计为振幅+相位光调制设备，其中当然光调制设备的其它实施例也是可能的。然而，空间光调制设备1的实施例在本文中并不重要，对于该方法的描述不起重要作用。

然而，如果全息图的复数值不是被写入振幅+相位光调制设备的单个调制元件(像素)中，相反而是通过仅相位调制或仅振幅调制光调制设备的多个调制元件(像素)被写入，则上述术语“像素间距”和“调制元件(像素)的数量”以这样的方式理解，使得调制元件和像素间距各自表示这种光调制设备的多个调制元件(像素)，其中总共写入一个复数值。

空间光调制设备1可以设计为三明治阵列形式的振幅+相位光调制设备。振幅光调制设备具有例如距离相位光调制设备较小的距离(通常<2mm)。

在这种情况下，优选使用术语“空间光调制设备的物理平面”，使得在三明治阵列中选择中心平面。

如图2中所示并且在申请人所描述的文献us7,969,633、wo2008/025839a1和wo2006/119760a2中示出的，在观察者平面2中生成可见区域3，观察者通过可见区域3可以在观察者位于观察者平面2中并且至少一个眼睛5与可见区域3的位置一致的情况下观察重建的二维和/或三维场景。可见区域3可以被设计为虚拟观察窗。出于说明的目的，在图2和3中，观察者的眼睛5被显示在可见区域3的后方。将被重建的场景4，这里仅以虚线并且通过两个对象点p1和p2示意性地示出，将被显示在平截头体6(从可见区域3延伸到空间光调制设备1以及以外的截成平面的圆锥体)中。这里，将被重建的场景4具有给定位置和距离观察者的给定距离。

图2所示的空间光调制设备1的尺寸和范围相比于图3稍大，并且距离可见区域3更远。通过提供从可见区域3的边缘发出的穿过将被重建的对象点(例如p2)到空间光调制设备1的平面的光束，可以在光调制设备1上生成区域(参考p2，区域s2)，并将其称为子全息图。在这个子全息图中，相应的对象点被定义成使得对于该对象点只有一个确定的区域s2必须被计算，然后该对象点将被编码到空间光调制设备1中。这同样适用于在空间光调制设备1上被称为子全息图的区域s1所定义的对象点p1。

在此，就绝对值而言，在根据图2的空间光调制设备上生成小的子全息图s1和s2。由于在该示例性实施例中提供的空间光调制设备1的像素间距较大，所以这些子全息图仅在空间光调制设备1的几个调制元件7(也被称为像素(如上面已经解释的))上延伸。这对于可见区域中子全息图的计算以及子全息图的复数值的添加所需的计算量是特别有利的，如下面所解释的。

图3示出空间光调制设备10，其范围较小并且包含尺寸较小的调制元件70，其中空间光调制设备10相对于该距离被布置得更靠近可见区域3。对于将被重建的场景4的相同对象点p1和p2，在本示例性实施例中，所生成的子全息图s10和s20相对于空间光调制设备10在绝对值上变大。这里，由于空间光调制设备10相比于根据图1的空间光调制设备10包含较小的调制元件70(像素)并且因此具有更小的像素间距，所以子全息图s10和s20在显著地更大数量的调制元件70上延伸。因此，计算将被重建的场景4的整个全息图所需的计算工作量在此情况下将更大。

为了计算子全息图，根据本发明的方法引入空间光调制设备的位于物理位置处的虚拟平面，以最小化计算工作量。以这种方式，可以获得快速和精确的计算结果，而不管空间光调制设备的尺寸以及距离观察者平面的距离。

不管全息显示装置的实际结构，特别是空间光调制设备的位置和光学系统的位置，首先，子全息图以这样的方式来计算，即，如同根据图2和3的空间光调制设备的虚拟平面位于空间光调制设备1或10的物理平面中，并且子全息图基于空间光调制设备的物理平面来计算。然后，子全息图通过两个积分变换(例如，通过两个菲涅耳变换)被变换到空间光调制设备的物理平面中(即，变换到空间光调制设备的实际可用平面中)或者根据全息显示装置的实施例被变换到例如空间光调制设备的图像中(例如变换到屏幕上)。

关于图2和图3，根据本发明的方法现在如下进行。例如，图3所示的显示装置具有如下结构：空间光调制元件10在观察者的距离d中包含给定数量的n个调制元件70。对于将使用对象点p1到pn或p10到pn'的已知坐标来显示或者重建的场景4，可以提出，为了计算各个对象点的各个子全息图s1到sn或s10到sn'或者为了计算整个全息图，空间光调制设备10的物理平面被虚拟地移动到相对于将被重建的场景4的另一个位置或场所，使得例如空间光调制设备10的物理平面的新的表观或仅假想的位置与根据图2的物理空间光调制设备1的位置相同。应当指出的是，空间光调制设备1、10的物理平面的位置是紧密的或固定的，因此不会被物理移动，而只是表面上或虚拟地移动。空间光调制设备的虚拟平面因此是假想尺寸，虽然没有物理提供，但是提供了其功能或效果。

对于空间光调制设备1、10的虚拟平面，位于将被重建的场景4内的关于将被重建的场景4的位置有利地被选择成，使得由观察者平面2中的观察者观察时，从显示装置的照明装置发出的光的传播方向看，对象点p1到pn的一部分位于空间光调制设备1、10的虚拟平面的上游，并且对象点p1到pn的另一部分位于空间光调制设备1、10的虚拟平面的下游，其中最靠近观察者平面2的对象点应当位于不超过虚拟观察者到空间光调制设备1、10的虚拟平面上游的距离的一半处。

然而，该方法不限于空间光调制设备的虚拟平面的位置的特定定义。

空间光调制设备的虚拟平面的位置可以随着将被显示的场景的内容虚拟地、动态地移动，从而能够以最佳方式计算例如具有可变深度范围的场景。

空间光调制设备1、10的调制元件7、70的虚拟尺寸是根据观察者到空间光调制设备的虚拟平面和物理平面的距离的比值乘以空间光调制设备的像素间距使用截距定理来计算。

对于空间光调制设备1、10的虚拟平面，如果空间光调制设备被设置在所述平面中，则例如根据wo2008/025839a1将以现有技术中所需的方式来计算子全息图或全息图。这可以这样被进行，使得对于每个对象点p1到pn，子全息图以透镜功能的形式被计算，并且各个子全息图然后将被相干地累加。

随后，进行整个全息图的一次计算(二维)积分变换，例如菲涅耳变换，该积分变换对应于空间光调制设备的虚拟平面的光到可见区域3的光学传播。然后进行进一步的计算(二维)积分变换，这里例如还是菲涅耳变换，该积分变换对应于来自可见区域3的光返回到空间光调制设备1、10的物理平面的传播。由此获得整个全息图，该全息图至少近似对应于根据现有技术通过直接计算空间光调制设备1、10的物理平面中的全息图而获得的全息图。所得到的全息图然后可以被写入或者被编码到空间光调制设备1、10中。

与常规计算相比，根据图2和3的方法需要两个附加积分变换。另一方面，对于大量的对象点来说，节省计算时间和将各个子全息图相累加时的节省比对于整个全息图来说只进行一次的两个积分变换更重要。

根据图4至6的以下实施例示出了根据本发明的方法的另外的变型。

图4是类似于空间光调制设备100的物理平面100和空间光调制设备100的虚拟平面100'中的单视差编码的将被显示的优选三维场景4的子全息图的范围的示意图。在此，将被重建的场景4的深度范围由椭圆形限制示意性地表示。这里，将被重建的场景4也被分解成对象点p1到pn，其中在图4中仅示出了一个对象点p。对于对象点p1到pn，子全息图例如以类似于单视差编码来计算。图4中的实线示意性地示出了在一维子全息图s1和s2的编码方向上从对象点p到可见区域3的光路。虚线示意性地示出了在与编码方向正交的方向上从子全息图s1到可见区域3的路线，其中子全息图s1仅包含一个调制元件(像素)的范围。为了更好的说明，两者都被绘制在纸面上。

在空间光调制设备100的虚拟平面100'中计算出的一维子全息图s1然后通过积分变换(例如通过菲涅耳变换或傅立叶变换)被变换到可见区域3，并且然后被从可见区域3变换到空间光调制设备100的物理平面100中，该一维子全息图s1在物理平面100中用作延伸到二维的子全息图。然而，子全息图的透镜功能的焦距在空间光调制设备100的物理平面100上沿两个方向(相互正交)是不同的。在一个方向上，例如，子全息图的在空间光调制设备100的虚拟平面100'上的编码方向，透镜功能的焦点位于对象点的平面中；在与其正交的方向上，透镜功能的焦点位于空间光调制设备100的虚拟平面100'上。

该方法的这种变型可以以特别有利的方式用于空间光调制设备，该空间光调制设备位于距离观察者平面2较小的距离处，并且其中空间光调制设备的虚拟平面相比于根据图4的空间光调制设备的物理平面具有距离观察者平面2的较大的距离。

图5是将被显示在空间光调制设备100的物理平面100中以及在空间光调制设备100的两个虚拟平面100'和100”中具有宽深度范围的优选三维场景4的子全息图的范围的示意图。

因此，图5示意性地示出了将被显示在空间光调制设备100的物理平面100中以及在空间光调制设备100的两个虚拟平面100'和100”中具有宽深度范围的将被重建的场景4的子全息图s1、s2和s3的范围，宽深度范围在这里也如图4中通过将被重建的场景4的椭圆形限制来表示。

根据图5，将被重建的场景4被分解为三个深度范围区段ta1、ta2和ta3。深度范围区段ta1、ta2和ta3中的每个被分配给空间光调制设备100的两个虚拟平面100'、100”中的一个，或者被分配给空间光调制设备100的物理平面100。根据图5，这意味着深度范围区段ta1被分配给空间光调制设备100的虚拟平面100'，深度范围区段ta2被分配给空间光调制设备100的虚拟平面100”，并且深度范围区段ta3被分配给空间光调制设备100的物理平面100。此外，位于深度范围区段ta1中的所有对象点(例如对象点p1)被分配给该空间光调制设备100的虚拟平面100'；并且通过所述虚拟平面，然后计算所述深度范围区段ta1中的各个对象点的子全息图。位于深度范围区段ta2中的所有对象点(例如对象点p2)被分配给空间光调制设备100的虚拟平面100'，该虚拟平面100'就其位置或场所而言与空间光调制设备100的虚拟平面100'不同，并且在这里被布置得更靠近观察者平面3。所有剩余的对象点(例如对象点p3)然后被分配给深度范围区段ta3，其中所述对象点被分配给空间光调制设备100的物理平面100。然后，对于空间光调制元件100的虚拟平面100'和100”以及物理面100，诸如s1、s2、s3到sn的各个子全息图在各个深度范围区段ta1、ta2和ta3中被各自计算到各个对象点，例如p1、p2、p3到pn。在这种情况下，子全息图s1到sn可以被计算为单视差子全息图，或者也可以被计算为全视差子全息图。

在单视差计算中，到空间光调制设备的虚拟平面中的分割以及将被重建的场景4到多个深度范围区段ta1、ta2和ta3的细分被进行，使得观察者可以在没有或只有轻微的分辨率损失的情况下看到重建的二维和/或三维场景。

在全视差计算中，到空间光调制设备的虚拟平面中的分割以及将被重建的场景4的深度范围到部分的细分被进行，使得不超过子全息图的最大尺寸，如在附图说明之前详细解释的那样。

随后，深度范围区段ta1、ta2和ta3的所计算的子全息图s1、s2和s3或者s1到sn被变换到观察者平面2中或者可见区域3中，并且被累加在那里。然后，累加的子全息图或者整个全息图被变换到空间光调制设备100的物理平面中。

如图5所示，将被重建的场景4的各个对象点p1和p2的子全息图s1和s2在空间光调制设备100的两个虚拟平面100'和100”中的范围或尺寸小于在空间光调制设备100的物理平面100中直接计算的范围或尺寸。

在图形表示中，图6示出了针对空间光调制设备100的(虚拟和物理)平面100、100'、100”与观察者平面2中的可见区域3的不同距离的子全息图的范围的数值示例。在显示的图的横坐标上绘制对象点与可见区域的距离，并且在纵坐标上绘制子全息图的尺寸或者由子全息图描述的调制元件(像素)的数量。因此，对于大约11mm大的可见区域，子全息图的尺寸(以每个子全息图的调制元件[像素]计)针对空间光调制设备距离可见区域的不同距离被表示为对象点距离可见区域的距离的函数。图中所示的示例在这里仅作为示例考虑。

距离观察者2m的将被重建的场景的对象点例如在距离观察者平面中的可见区域0.7米的空间光调制设备(slm)上在单视差编码中产生具有大约200×1个调制元件(像素)的尺寸的子全息图，或者在全视差编码中产生具有大约200×200个调制元件的尺寸的子全息图。然而，在距离观察者平面中的可见区域2.2米的空间光调制设备(slm)上，相同对象点的子全息图的范围仅为几个调制元件(像素)的尺寸，例如单视差编码中的<10×1个调制元件或者全视差编码中的<10×10个调制元件。当对象点位于距离观察者较近的距离处时，情况则相反。在近距离处的空间光调制设备上，所述对象点的范围或尺寸较小，而在远距离处的空间光调制设备上，所述对象点的范围较大。

根据图6的图中的虚线示意性地示出了被细分为四个深度范围区段的将被重建的场景。例如，空间光调制设备的物理平面可以被定位在距离可见区域0.7米的距离处，并且空间光调制设备的虚拟平面可以被定位在距离可见区域1米或2.2米的距离处或者无限远处。然而，相反地，空间光调制设备的物理平面例如可以被定位在距离可见区域2.2米的距离处，并且空间光调制设备的虚拟平面可以被定位在距离可见区域0.7米的距离处。通过将深度范围细分为深度范围区段，实现了对象点的所有子全息图在距离可见区域大约大于62cm到无穷远的距离处保持小于用于单视差编码的70×1个调制元件或者用于全视差编码的70×70个调制元件。在不使用空间光调制设备的虚拟平面的情况下，子全息图例如在全视差编码中将达到高达300×300个调制元件的程度，涉及增加的计算工作量。

图7示出了用于二维和/或三维场景的全息重建的显示装置，其可以例如用作头戴式显示器(hmd)或者全息目镜。关于hmd，通常生成空间光调制设备的放大的、虚拟生成的图像。如上所述，物理上可用的平面，即空间光调制设备的物理平面在本发明的含义内也可以被理解为空间光调制设备的图像平面。

在图7中，为了清楚的目的，没有示出用于照亮空间光调制设备110的光源和视准元件，在此以例如图1c所示的透镜的形式。这里，空间光调制元件110被布置在显示装置内的位置处，使得空间光调制元件110和向场透镜fl之间的距离与向场透镜fl和观察者平面2之间的距离在大小上相同。例如，如果向场透镜fl和观察者平面2之间的距离等于向场透镜fl的焦距，并且如果空间光调制设备110和向场透镜fl之间的距离略小于向场透镜fl的焦距，则空间光调制元件110的放大虚像从可见区域3是可见的。空间光调制元件110与向场透镜fl之间的距离越接近向场透镜fl的焦距则虚像将越远越大。当然，其他布置也是可能的。特别地，这里简化为单个透镜的向场透镜fl也可以是多个透镜的复合系统。在这种情况下，关于向场透镜fl距离可见区域3以及距离空间光调制设备110的距离的数据将例如应用于透镜系统的主平面。

此外，示出了从空间光调制设备110的调制元件(像素)发出并指向观察窗3的中心和边缘的光束。光束通过向场透镜fl以这样的方式偏转，使得如同它们在更大的距离处从空间光调制设备110的放大图像110b发出或者通过空间光调制设备110的放大图像110b发射。有利地配置为具有可变焦距的成像系统或聚焦系统as被设置在空间光调制设备110和向场透镜fl之间。成像系统as的焦距因此可以以可控的方式变化。当然，成像系统as也可以布置在显示装置中的另一个合适的位置处。

如果向场透镜fl是包含多个透镜的透镜系统，则具有可变焦距的成像系统as也可以是向场透镜fl的一部分，或者向场透镜fl本身可以被设计成具有可变焦距的成像系统或聚焦系统as。具有可变焦距的成像系统或聚焦系统as例如也可以被设计成多个透镜的系统，其中各个透镜彼此的距离可以变化，由此整个系统的焦距被改变。

此外，图7示出了将被重建的三维场景4，其仅作为示例被示出，并且在该实施例中，三维场景4位于空间光调制设备110的图像110b下游的相对较远的距离处。例如，空间光调制元件110的图像位于距离可见区域30.7米的距离处。然而，三维场景4位于距离可见区域3大于2.5米的距离处。将被重建的场景4被分解成单独的对象点p1-pn，以便计算将被编码到空间光调制设备110中的全息图。

为了计算hmd或全息目镜的全息图，空间光调制设备110的虚拟平面110'基于将被重建的场景4的内容来确定，并且以适合于计算子全息图结果的尺寸的方式在显示装置中的一个位置处来设置或者实现。例如，如上所述，虚拟平面110'可以被设置成，使得子全息图的最大尺寸或平均尺寸被最小化。根据图7，虚拟平面110'被布置或者设置在将被重建的场景4内，使得对象点p1-pn的一部分位于虚拟平面110'的上游并且对象点p1-pn的一部分位于虚拟平面110'的下游。图7示出了具有处于非受控状态或可变模式或关闭模式的可变焦距的成像系统as。

在图8中，示出了根据图7的显示装置，其中，在该实施例中，具有可变焦距的成像系统as以这样的方式来控制，即，空间光调制设备110的图像平面110b已经被移位，使得所述图像平面110b与空间光调制设备110的虚拟平面110'一致。然后，在空间光调制设备110的所述平面110b或110'中，计算各个对象点p1-pn的子全息图、累加并编码到空间光调制设备110中。

也可以不仅产生和确定空间光调制设备的一个虚拟平面而且产生和确定它的多个虚拟平面，即至少两个虚拟平面。空间光调制设备的图像然后可以被移位到合适的虚拟平面中，其中子全息图到空间光调制设备中的计算和编码可以根据上面描述的本发明的许多方法中的一个来进行。在至少两个虚拟平面的情况下，还可以首先将空间光调制设备的图像顺序地移位到一个虚拟平面中，并且然后移动到另一个虚拟平面中。

尤其对于其中将被重建的优选三维场景的深度范围改变的动态全息图内容，空间光调制设备110的图像110b到空间光调制设备110的相应虚拟平面110'的移位可以被调节到将被显示的帧的场景的相应深度范围。

通过将要重建和显示的场景细分为深度范围区段并且通过使用空间光调制设备的虚拟平面，用于计算子全息图所需的计算工作量显著地减少，并且因此在显示重建场景时显著地缩短时间。

相比之下，在将子全息图数据从空间光调制设备的若干虚拟平面变换到可见区域中、将其累加到可见区域并且随后将其变换到空间光调制设备的物理平面中，涉及额外的工作量。通过使用空间光调制设备的虚拟平面并且通过以合适的方式定位所述虚拟平面来减少总的计算工作量。

以这种方式，可以结合关于子全息图的积分变换和直接计算的计算方法的优点。

本发明不限于在此公开的示例性实施例，并且其可以用于使计算机生成的全息图的计算工作量最小化。

总之，应当明确指出的是，上述示例性实施例仅用于描述所要求保护的教导，而不是将其限制于示例性实施例。