專(zhuān)利名稱(chēng)：具有用于重建的追蹤裝置的全息重建系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全息重建系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，傳播到觀(guān)察者的至少一 只眼睛的傳播的已調(diào)制光波場(chǎng)三維地重建場(chǎng)景，從而使其對(duì)所述眼睛可 見(jiàn)。該系統(tǒng)包含空間光調(diào)制器裝置、眼睛探測(cè)器和位置控制器，以便將傳 播的已調(diào)制光波場(chǎng)導(dǎo)向至少一個(gè)觀(guān)察者的眼睛位置全息重建，并且如果觀(guān) 察者改變其眼睛位置，追蹤所述傳播的已調(diào)制光波場(chǎng)到眼睛位置。本發(fā)明 具體涉及用于調(diào)整眼睛位置與重建系統(tǒng)的軸向距離的裝置。
本發(fā)明獨(dú)立于提供全息信息的方式，并且其還可以用于允許多個(gè)觀(guān)察 者同時(shí)觀(guān)看全息重建的視頻場(chǎng)景的重建系統(tǒng)中。
背景技術(shù)：
申請(qǐng)人己經(jīng)公開(kāi)了一定數(shù)量的全息重建系統(tǒng)，這些全息重建系統(tǒng)借助 傳播的已調(diào)制光波場(chǎng)三維地重建重建場(chǎng)景，其中傳播的已調(diào)制光波場(chǎng)由跟 蹤觀(guān)察者的至少一只眼睛的波追蹤裝置引導(dǎo)。
此發(fā)明以重建對(duì)觀(guān)察者的一只眼睛可見(jiàn)的場(chǎng)景的光波場(chǎng)為例描述這 樣的重建系統(tǒng)的功能原理。對(duì)于另一只眼睛，該系統(tǒng)可以生成具有不同 于空分多路或時(shí)分多路過(guò)程中的視差的全息信息的第二波場(chǎng)。然而，該 系統(tǒng)通常還可以提供具有足夠大的可見(jiàn)區(qū)的波場(chǎng)。該系統(tǒng)還可以在空分 多路或時(shí)分多路過(guò)程中為多個(gè)觀(guān)察者生成并引導(dǎo)分離的波場(chǎng)。
將重建系統(tǒng)的基本原理應(yīng)用于本發(fā)明，其中空間光調(diào)制器裝置呈現(xiàn)視 頻全息圖。圖l表示利用具有離散調(diào)制器單元的光調(diào)制器裝置的重建系統(tǒng)
的一般技術(shù)問(wèn)題。在本例子中，光調(diào)制器裝置是調(diào)制光波場(chǎng)LW的單個(gè)光 調(diào)制器SLM，當(dāng)光透過(guò)光調(diào)制器時(shí)，其能夠產(chǎn)生具有全息信息生的干涉， 即，以透射網(wǎng)格方式(transmissive grid mode)生成干涉，或者作為可控
5的、空間排列的微反射器。光調(diào)制器SLM動(dòng)態(tài)編碼場(chǎng)景的全息信息。在任
一情況下，產(chǎn)生已調(diào)制波場(chǎng)，其用焦平面FL前方的空間中的聚焦透鏡L在傅立葉變換之后重建場(chǎng)景的物體光點(diǎn)。聚焦透鏡L確保由視頻全息圖的所有區(qū)域發(fā)出的光以不受限的方式通過(guò)可見(jiàn)區(qū)。
正如具有照相底片(photographic plate )或照相膠片(photographic film )
的傳統(tǒng)全息術(shù)那樣，如圖l所示的光調(diào)制器SLM也包含用于傳統(tǒng)視頻全息圖的每個(gè)調(diào)制器單元中的場(chǎng)景的全部全息信息。劃分視頻全息圖之后，每個(gè)全息區(qū)可以依賴(lài)于觀(guān)察者角度-僅僅是可以觀(guān)看到物體縮小的角度范圍，為其本身全息地重建整個(gè)場(chǎng)景。
然而，如果公知的系統(tǒng)在具有像素化調(diào)制器單元結(jié)構(gòu)的二維空間光調(diào)制器，例如液晶顯示裝置的整個(gè)調(diào)制器表面上為每個(gè)物體光點(diǎn)編碼全息信息，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。除了每個(gè)所需的重建物體光點(diǎn)以外，位于空間頻譜中的附加寄生光點(diǎn)(parasitic light points)不可避免地存在于另外的衍射級(jí)中。
圖l以極其簡(jiǎn)化的形式說(shuō)明了本系統(tǒng)所采用的衍射級(jí)中所選擇的物體光點(diǎn)OPO，另外，還有在衍射級(jí)+l和-l中的寄生光點(diǎn)OP+l和OP-l。本發(fā)明并
不感興趣的另外的寄生光點(diǎn)出現(xiàn)在另外的衍射級(jí)中。在重建位置，物體光點(diǎn)位于與所有寄生光點(diǎn)對(duì)齊的衍射間隔中。重建之后，光波錐以周期性的距離從每個(gè)光點(diǎn)傳播到焦平面，并且它們的開(kāi)口角由照明調(diào)制器單元的光的波長(zhǎng)以及單元結(jié)構(gòu)的調(diào)制器單元的距離確定。
所有重建的光點(diǎn)OP+l、 OP0和OP-l的光波錐以廣角傳播，使得在焦平面FL中由用來(lái)重建的衍射級(jí)確定的可見(jiàn)區(qū)VR中，也出現(xiàn)來(lái)自寄生光點(diǎn)0P+1和0P-1的鄰近光波錐的光，這樣，這些光點(diǎn)就是可見(jiàn)的。此干擾不能通過(guò)過(guò)濾補(bǔ)償。
這樣的全息重建系統(tǒng)由本發(fā)明的申請(qǐng)人在他們的公布號(hào)為WO2004/044659，名稱(chēng)為"視頻全息圖以及用于重建視頻全息圖的裝置(Videohologram and device for reconstructing video holograms )"的國(guó)際申請(qǐng)中首
次進(jìn)行了說(shuō)明。圖2表示從該國(guó)際公布中可知的克服該缺陷的可能性。
為了避免可見(jiàn)區(qū)中較高衍射級(jí)的光波，利用場(chǎng)景的小物體元素，最好
6是被重建系統(tǒng)獨(dú)立地重建的離散的物體光點(diǎn)，來(lái)編碼光調(diào)制器裝置。在本例子中，計(jì)算機(jī)輔助全息處理器裝置(圖中未示出)對(duì)應(yīng)于光調(diào)制器SLM
在可見(jiàn)區(qū)VR前方的空間位置以及可見(jiàn)區(qū)VR的大小將用于每個(gè)物體光點(diǎn)的光調(diào)制器SLM的已編碼表面減小至全息區(qū)HO。結(jié)果，僅來(lái)自所使用的衍射級(jí)中的物體光點(diǎn)進(jìn)入可見(jiàn)區(qū)VR。因此可見(jiàn)區(qū)僅位于一個(gè)衍射級(jí)內(nèi)。在本例子中，用至少一只眼睛朝向視頻全息圖觀(guān)看并且觀(guān)察場(chǎng)景的觀(guān)察者看不到由寄生光點(diǎn)OP+l發(fā)出的光波。
系統(tǒng)控制器的全息處理器(圖中未示出)依賴(lài)于空間中物體光點(diǎn)OP0的軸向位置計(jì)算每個(gè)全息區(qū)的表面積。這意味著物體光點(diǎn)OP0到光調(diào)制器SLM的軸向距離dl以及焦平面到光調(diào)制器SLM的距離d2確定了全息區(qū)H0的表面積。來(lái)自光調(diào)制器SLM的光軸的重建物體光點(diǎn)OP0的橫向偏差(lateral deviation)確定了光調(diào)制器SLM的表面上全息區(qū)HO的位置。換句話(huà)說(shuō)，每個(gè)全息區(qū)HO的大小和位置由從可見(jiàn)區(qū)VR通過(guò)各點(diǎn)到光調(diào)制器的調(diào)制表面的虛擬連接平面確定。
該編碼方法也已經(jīng)由申請(qǐng)人在公布號(hào)為WO 2006/119920，名稱(chēng)為"用于三維場(chǎng)景全息重建的裝置(Device for holographic reconstruction ofthree-dimensional scenes)"的國(guó)際申請(qǐng)中公開(kāi)。
圖3僅示意性地表示三維場(chǎng)景3DS的由所使用的衍射級(jí)中的重建物體
的光點(diǎn)發(fā)出的光波。該例子僅表示場(chǎng)景部分的少數(shù)幾個(gè)所選擇的物體光點(diǎn)OP1 ... OP4。全息處理器HP在光調(diào)制器SLM的許多鄰接的調(diào)制器單元中為每個(gè)單個(gè)的物體光點(diǎn)OPl…0P4編碼分離的全息區(qū)H1 ...H4。每個(gè)全息區(qū)與聚焦透鏡L一起形成可調(diào)節(jié)的透鏡，其在SLM和焦平面FL之間的空間中重建其物體光點(diǎn)OP，使得其光波在焦平面FL中不離開(kāi)所利用的衍射級(jí)傳播進(jìn)入可見(jiàn)區(qū)VR。這阻止了對(duì)可見(jiàn)區(qū)中其它衍射級(jí)的寄生光點(diǎn)的感知。全息處理器HP始終將單個(gè)物體光點(diǎn)的全息信息僅分配給調(diào)制器表面有限的全息區(qū)H。考慮到由系統(tǒng)控制器借助眼睛探測(cè)器提供的當(dāng)前眼睛位置的數(shù)據(jù)，全息處理器計(jì)算每個(gè)全息區(qū)的位置和大小。
兩種公知技術(shù)的重建系統(tǒng)具有這樣的缺點(diǎn)重建僅從位于焦平面FL中的可見(jiàn)區(qū)VR無(wú)差錯(cuò)地可見(jiàn)。只有在那里，重建物體光點(diǎn)的所有光波重合，形成完整地呈現(xiàn)場(chǎng)景重建的光波場(chǎng)?？梢?jiàn)區(qū)是虛擬性質(zhì)(virtual nature)的，因此在沒(méi)有任何輔助的情況下難以為觀(guān)察者檢測(cè)到。因?yàn)橹亟ㄏ到y(tǒng)不 具有用于阻止鄰接衍射級(jí)的空間頻率過(guò)濾器，所以來(lái)自寄生光點(diǎn)的光超出
焦平面FL的范圍傳播到眼睛瞳孔。這中情況以重建物體光點(diǎn)OP0的例子在 圖5a中進(jìn)行說(shuō)明。如果觀(guān)察者眼睛處在所示的可見(jiàn)區(qū)VR2中，來(lái)自寄生光 點(diǎn)OP+l的光也傳播進(jìn)入眼睛瞳孔，并且光點(diǎn)OP+l因而作為擾亂斑點(diǎn) (di sturbing spot)可見(jiàn)。
此外，從眼睛位置到焦平面FL的任一方向上的距離，從某一大小開(kāi)始， 引起由某些全息區(qū)、尤其是那些處在光調(diào)制器SLM的邊緣的全息區(qū)發(fā)出的 光波不傳播到觀(guān)察者眼睛的眼睛瞳孔，以致這些物體光點(diǎn)在眼睛的那個(gè)位 置不可見(jiàn)。該缺點(diǎn)如圖6a所示。處在所示的可見(jiàn)區(qū)VR2中的觀(guān)察者眼睛看 不到重建場(chǎng)景的物體光點(diǎn)OP3，因?yàn)樗墓獠](méi)有落在眼睛瞳孔上。如果 觀(guān)察者移動(dòng)他的頭部，這樣的事實(shí)需要傳播的波場(chǎng)重建和可見(jiàn)區(qū)VR被引 導(dǎo)至當(dāng)前眼睛位置，并且在觀(guān)察者移動(dòng)其頭部時(shí)被追蹤。
因此公知技術(shù)的全息重建系統(tǒng)包含眼睛探測(cè)器和相應(yīng)的追蹤裝置。如 果觀(guān)察者移動(dòng)，追蹤系統(tǒng)將對(duì)應(yīng)的調(diào)制波場(chǎng)追蹤到改變后的當(dāng)前眼睛位 置，例如通過(guò)改變起作用的光源的位置。下文中的術(shù)語(yǔ)"當(dāng)前眼睛位置" 應(yīng)當(dāng)理解為已調(diào)制波場(chǎng)的末端的眼睛位置，其導(dǎo)向至少一個(gè)這樣的觀(guān)察者 的眼睛，當(dāng)前編碼的視頻全息圖已經(jīng)為該觀(guān)察者的眼睛調(diào)制波場(chǎng)。例如 全息重建系統(tǒng)在時(shí)分多路過(guò)程中為觀(guān)察者的每只眼睛提供獨(dú)立調(diào)制的波 場(chǎng)。如果系統(tǒng)控制器接收到兩名觀(guān)察者觀(guān)看重建的信息，其必須為四個(gè)不 同的眼睛位置逐個(gè)地提供這些已調(diào)制的光場(chǎng)，其中對(duì)于右眼和左眼的全息 內(nèi)容是不同的。在視頻全息圖序列為右眼提供單個(gè)全息圖的時(shí)間點(diǎn)，追蹤 系統(tǒng)將已調(diào)制波場(chǎng)的單一全息圖僅導(dǎo)向第一觀(guān)察者的右眼然后導(dǎo)向第二 觀(guān)察者的右眼。此后，當(dāng)編碼用于左眼的單一全息圖時(shí)，將尋址兩個(gè)剩下 的眼睛位置。
這樣的追蹤裝置相對(duì)復(fù)雜并且具有在場(chǎng)景重建之前使傳播的波場(chǎng)嚴(yán) 重變形的光學(xué)元件。光學(xué)追蹤裝置以斜入射角追蹤已調(diào)制波場(chǎng)，其依賴(lài)于 當(dāng)前眼睛位置，并且與組件的光軸可以極大地不同。因此，存在像差和具 有波動(dòng)部分的運(yùn)行時(shí)間誤差。這些引起傳播波場(chǎng)的依賴(lài)位置的變形并且必須在重建之前得到補(bǔ)償。
改變觀(guān)察者眼睛位置引起像差，例如球面像差(spherical aberration)、 彗差(coma )、場(chǎng)曲(field curvature)、象散(astigmatism )禾口失真(distortion )，
由于它們的波動(dòng)部分，難以對(duì)它們進(jìn)行補(bǔ)償。這些變形引起可見(jiàn)區(qū)中的光 波的重合被擾亂以及場(chǎng)景的各個(gè)重建物體光點(diǎn)在不正確的位置或者以模 糊的方式重建，以致以失真的方式呈現(xiàn)場(chǎng)景，或者，在極端的情況下，可 見(jiàn)區(qū)中場(chǎng)景的各個(gè)物體甚至消失。
公布號(hào)為WO 01/095016，名稱(chēng)為"三維顯示計(jì)算時(shí)間的減少 (Computation time reduction for three-dimensional displays )"的國(guó)際申請(qǐng)
中公開(kāi)的另一個(gè)全息重建系統(tǒng)，其目的是，在編碼光調(diào)制器SLM時(shí)極大地
減少計(jì)算量。
與上述系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)利用非常高分辨率的光調(diào)制器SLM并且始終 將當(dāng)前全息圖僅編碼到變化的眼睛位置特定的光調(diào)制器區(qū)中，該調(diào)制器區(qū) 具有有限數(shù)量的調(diào)制器單元。眼睛探測(cè)器為系統(tǒng)的控制裝置確定眼睛位置 和觀(guān)察者當(dāng)前觀(guān)看的場(chǎng)景的詳細(xì)情況。因此控制裝置在當(dāng)前視頻全息圖信 息中確定對(duì)這些觀(guān)看的詳細(xì)情況的重建有貢獻(xiàn)的調(diào)制器單元，并且根據(jù)觀(guān) 察者眼睛朝向顯示器屏幕的觀(guān)看方向?yàn)楣庹{(diào)制器區(qū)計(jì)算代碼值。為了減少 計(jì)算量，系統(tǒng)控制器以高優(yōu)先級(jí)為確定的調(diào)制器單元計(jì)算值。然后系統(tǒng)形 成重建詳細(xì)情況的相應(yīng)的系統(tǒng)出瞳。系統(tǒng)控制器以低優(yōu)先級(jí)和/或低頻率計(jì) 算并更新觀(guān)察者當(dāng)前不觀(guān)看的或者不能從眼睛位置看到的重建物體的剩 余部分。對(duì)應(yīng)于觀(guān)察者眼睛的瞳孔位置，系統(tǒng)控制器同時(shí)修正對(duì)應(yīng)的出瞳 的形狀、大小和位置。模擬物體出現(xiàn)在相對(duì)小的三維多面體中，該三維多 面體圍繞光學(xué)重建系統(tǒng)的焦平面FL。
除了接近焦平面FL的用于重建的相對(duì)小的重建空間以外，公知技術(shù)的 重建系統(tǒng)具有這樣的缺點(diǎn)與前者相比，其僅利用所有可用調(diào)制器單元中 非常有限量的光調(diào)制器。這些多余量極大地減小了用于重建的可見(jiàn)區(qū)，并 且與前述系統(tǒng)相比，其需要具有高得多的分辨率的光調(diào)制器，以及如專(zhuān)利 文件中所示的尺寸比光調(diào)制器大得多的光學(xué)重建系統(tǒng)。因?yàn)楣潭ū尘跋?失，系統(tǒng)很難適用于具有多個(gè)空間深度的物體的視頻場(chǎng)景的重建。而且，在該系統(tǒng)中，已調(diào)制波場(chǎng)必須以斜角通過(guò)光重建系統(tǒng)傳播。這也形成了取 決于改變的眼睛位置的像差的來(lái)源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是以極小的機(jī)械和光學(xué)努力，允許觀(guān)察者的頭部在追蹤 范圍內(nèi)可以相對(duì)于重建系統(tǒng)的光學(xué)離開(kāi)軸線(xiàn)自由地朝向任何眼睛位置橫 向和縱向移動(dòng)。系統(tǒng)將會(huì)使在觀(guān)察者眼睛位置改變時(shí)成為光學(xué)像差的額外 來(lái)源的附加的、尤其是大面積的光學(xué)組件成為多余。
本發(fā)明基于借助至少一個(gè)傳播的光波場(chǎng)，全息重建三維場(chǎng)景的光學(xué)外
觀(guān)(optical appearance)的全息重建系統(tǒng)，其中該光波場(chǎng)能夠產(chǎn)生干涉， 并且以視頻全息圖的序列調(diào)制。重建系統(tǒng)包含從將要全息重建的場(chǎng)景的全 息信息計(jì)算視頻全息圖的序列的全息處理器裝置。全息處理器裝置離散地 編碼光調(diào)制器裝置所包含的調(diào)制器的單元結(jié)構(gòu)。排列在結(jié)構(gòu)中的場(chǎng)景的物 體元素的說(shuō)明，例如元素色彩和元素亮度，充當(dāng)全息信息。物體元素最好 是場(chǎng)景的離散物體光點(diǎn)，但也可以是從圖像處理技術(shù)中獲知的圖像片段。
本發(fā)明所使用的重建系統(tǒng)的編碼過(guò)程的特點(diǎn)是，全息處理器裝置在單 元結(jié)構(gòu)上向每個(gè)物體元素分配離散的全息區(qū)并且根據(jù)有關(guān)場(chǎng)景中物體元 素的物體位置的信息確定全息區(qū)的范圍和位置。
然后全息處理器裝置為每個(gè)全息區(qū)從全息信息和關(guān)于對(duì)應(yīng)的物體元素 的物體位置的信息計(jì)算代碼，并且相應(yīng)地編碼單元結(jié)構(gòu)。
根據(jù)分配給單元結(jié)構(gòu)的全息區(qū)，每個(gè)全息區(qū)調(diào)制能夠產(chǎn)生干涉的光波 場(chǎng)的部分光波，使得所有已調(diào)制的部分光波獨(dú)立地重建對(duì)應(yīng)的物體元素， 然后以光波錐傳播進(jìn)入可見(jiàn)區(qū)。
根據(jù)本發(fā)明的全息重建系統(tǒng)還包含控制裝置，該控制裝置基于由眼睛 探測(cè)裝置提供的至少一個(gè)觀(guān)察者的眼睛位置的眼睛位置信息，將所有己調(diào) 制部分光波引導(dǎo)至當(dāng)前眼睛位置。因此可以實(shí)現(xiàn)如果頭部移動(dòng)，可見(jiàn)區(qū) 的所有光波錐使得全部重建的場(chǎng)景可見(jiàn)并且將其追蹤至眼睛位置。
全息重建系統(tǒng)用根據(jù)本發(fā)明的裝置解決了上述目的，因?yàn)槿⑻幚砥?br> 10裝置除了考慮全息信息和關(guān)于分配的物體元素的物體位置的信息以外，還 考慮當(dāng)前眼睛位置的眼睛位置信息，從而
* 一方面使全息區(qū)的范圍和位置適應(yīng)于當(dāng)前眼睛位置，并且
*另一方面使代碼動(dòng)態(tài)適應(yīng)于各個(gè)全息區(qū)，使得重建系統(tǒng)將所有已調(diào) 制的部分光波以其開(kāi)口光波錐引導(dǎo)至當(dāng)前眼睛位置，而不考慮追蹤區(qū)中的 當(dāng)前眼睛位置。
因此可以實(shí)現(xiàn)光波錐的開(kāi)口通過(guò)在當(dāng)前眼睛位置重合的方式形成可 見(jiàn)區(qū)，在該可見(jiàn)區(qū)中所有已重建的物體元素在沒(méi)有寄生衍射級(jí)的光進(jìn)入所 使用的衍射級(jí)的情況下使得場(chǎng)景的全息重建可見(jiàn)。
因?yàn)槿⑻幚砥餮b置還考慮用于編碼單元結(jié)構(gòu)的當(dāng)前眼睛位置的眼 睛位置信息，所以在根據(jù)本發(fā)明的全息重建系統(tǒng)中，觀(guān)察者的眼睛位置和 具有已重建場(chǎng)景的波場(chǎng)的可見(jiàn)區(qū)可以處在追蹤范圍內(nèi)的任何觀(guān)察者平面 內(nèi)；這意味著觀(guān)察者眼睛的位置并不是必須位于重建系統(tǒng)的焦平面中，因 為通過(guò)對(duì)當(dāng)前視頻全息圖編碼實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)適應(yīng)。
一方面為了避免來(lái)自寄生衍射級(jí)的光的干擾影響，另一方面為了確 保所有己重建物體元素完全可見(jiàn)，全息處理器裝置使所有全息區(qū)的范圍、 位置和全息內(nèi)容動(dòng)態(tài)適應(yīng)于當(dāng)前眼睛位置，與眼睛位置前方的物體元素 的位置對(duì)應(yīng)。適應(yīng)之后，每個(gè)全息區(qū)形成已調(diào)制的部分光波，其在它的 物體元素重建之后，具有在可見(jiàn)區(qū)的位置具有開(kāi)口的光波錐，所述開(kāi)口 處在所使用的衍射級(jí)中并且在很大程度上對(duì)應(yīng)于可見(jiàn)區(qū)的幾何形狀。因 此在衍射區(qū)間的其它衍射級(jí)中以寄生方式存在的光點(diǎn)的光保持在對(duì)應(yīng)的 衍射級(jí)中，并且這些寄生光點(diǎn)不出現(xiàn)在可見(jiàn)區(qū)中。
根據(jù)本發(fā)明的全息重建系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是可以確定全息區(qū)的某一范 圍，該范圍與觀(guān)察者眼睛的范圍相似，并且全息處理器裝置動(dòng)態(tài)編碼單元 結(jié)構(gòu)使得可見(jiàn)區(qū)的范圍保持恒定而不考慮觀(guān)察者在空間光調(diào)制器裝置前 方所處位置的距離。這是可以實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槿⑻幚砥餮b置適應(yīng)單元結(jié)構(gòu) 上的全息區(qū)范圍。
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現(xiàn)參照附圖并借助以下實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，其
中
圖l表示全息重建系統(tǒng)的基本原理，其中視頻全息圖在被照明的空間
光調(diào)制器上編碼。
圖2表示根據(jù)公布號(hào)為WO 2004/044659的國(guó)際申請(qǐng)的重建系統(tǒng)，根據(jù) 本發(fā)明的系統(tǒng)基于該國(guó)際申請(qǐng)，其以場(chǎng)景的單個(gè)重建物體光點(diǎn)的鄰接衍射 級(jí)為例說(shuō)明了寄生光點(diǎn)的影響。
圖3也表示根據(jù)圖2的全息重建系統(tǒng)，其具有三維場(chǎng)景的已選物體光點(diǎn) 以及空間光調(diào)制器上對(duì)應(yīng)的編碼的全息區(qū)。
圖4是根據(jù)圖2的重建系統(tǒng)的另一個(gè)圖示，具有用于所選擇的物體光點(diǎn) 的多個(gè)例子的分配在光調(diào)制器表面上的已編碼全息區(qū)。
圖5a和圖5b表示用于不同眼睛位置的具有所選已重建物體光點(diǎn)的己 調(diào)制部分光波和具有對(duì)應(yīng)的鄰接衍射級(jí)中的寄生光點(diǎn)的部分光波的光徑。 全息處理器已經(jīng)根據(jù)本發(fā)明使用于已調(diào)制部分光波的全息區(qū)的大小和代 碼適應(yīng)于所期望的眼睛位置。
圖6a到圖6c表示用于不同眼睛位置的一個(gè)衍射級(jí)中的具有場(chǎng)景的多 個(gè)所選已重建物體光點(diǎn)的已調(diào)制部分光波的光徑。全息處理器己經(jīng)根據(jù)本 發(fā)明使用于已調(diào)制部分光波的全息區(qū)的大小、位置和代碼適應(yīng)于所期望的 眼睛位置。
圖7a和圖7b也表示用于不同眼睛位置的一個(gè)衍射級(jí)中的具有場(chǎng)景的多 個(gè)所選已重建物體光點(diǎn)的已調(diào)制部分光波的光徑。與根據(jù)圖6a到6c的實(shí)施 例不同，該全息處理器還考慮了由不同眼睛位置的不同透視引起的可見(jiàn)物 體光點(diǎn)的結(jié)構(gòu)中視頻全息圖變化的計(jì)算。
具體實(shí)施例方式
借助透鏡和棱鏡可以說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的重建系統(tǒng)的功能，當(dāng)計(jì)算視頻全息圖時(shí)，透鏡和棱鏡被全息處理器編碼作為空間光調(diào)制器裝置的單 元結(jié)構(gòu)上的聚焦透鏡功能和光學(xué)棱鏡功能的結(jié)構(gòu)。
圖4是借助物體光點(diǎn)OPl到OP3的例子說(shuō)明如何編碼空間光調(diào)制器
SLM的單元結(jié)構(gòu)的透視圖，其中選擇物體光點(diǎn)OPl到OP3的例子作為三維
場(chǎng)景的典型例子。
根據(jù)本發(fā)明的己知基本原理，全息處理器HP在單元結(jié)構(gòu)上為每個(gè)物體 光點(diǎn)OPl到OP3確定全息區(qū)Hl到H3，并且計(jì)算透鏡項(xiàng)，以及，如有必要， 借助關(guān)于物體光點(diǎn)的全息信息為每個(gè)全息區(qū)計(jì)算棱鏡項(xiàng)。這意味著單元結(jié) 構(gòu)上的每個(gè)全息區(qū)具有為全息圖實(shí)現(xiàn)具有分離聚焦透鏡的光學(xué)功能的第 一光學(xué)組件的代碼，此外，如有必要，還具有實(shí)現(xiàn)具有分離偏轉(zhuǎn)棱鏡的光 學(xué)功能的第二光學(xué)組件的代碼。
因?yàn)樗腥^(qū)位于能夠產(chǎn)生干涉的光波陣面LW中，所以它們的代 碼實(shí)現(xiàn)了空間分離的部分光波，依照它們的聚焦透鏡功能獨(dú)立地重建每個(gè) 物體光點(diǎn)OPl、 OP2或OP3。為了實(shí)現(xiàn)正確的重建，已調(diào)制光的波徑必須 這樣行進(jìn)，即，使得在當(dāng)前眼睛位置之前的觀(guān)看空間中的所有已重建的物 體光點(diǎn)都位于根據(jù)場(chǎng)景的物體位置，然后在可見(jiàn)區(qū)朝向眼睛位置行進(jìn)。為 了實(shí)現(xiàn)這樣的效果，在計(jì)算過(guò)程中，全息處理器將對(duì)應(yīng)于物體光點(diǎn)的物體 位置的棱鏡項(xiàng)疊加在透鏡項(xiàng)上。這意味著每個(gè)已編碼的全息區(qū)在距光調(diào)制 器SLM的軸向距離上提供至少一個(gè)重建物體光點(diǎn)的透鏡功能。然而，對(duì)于 大多數(shù)己編碼的全息區(qū)，全息處理器計(jì)算代碼時(shí)已經(jīng)附加疊加了棱鏡功 能，所述棱鏡功能修正已重建物體光點(diǎn)的橫向位置。
已調(diào)制光波的光徑可以最好由全息處理器HP借助由幾何光學(xué)和電腦 制圖獲知的光線(xiàn)追蹤方法進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算過(guò)程中，光的性質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)得以 利用光徑是可逆的，這樣所有光波可以從眼睛追蹤返回到它們的源點(diǎn)。 在目前的情況下，全息處理器編碼整個(gè)全息表面，使得理論上在當(dāng)前眼睛 位置必須可見(jiàn)的所有光點(diǎn)都實(shí)際進(jìn)入可見(jiàn)區(qū)VR以形成重建，從而使得從 可見(jiàn)區(qū)觀(guān)看時(shí)場(chǎng)景感知正確的重建。每個(gè)全息區(qū)作為可見(jiàn)區(qū)VR通過(guò)場(chǎng)景 的物體光點(diǎn)到光調(diào)制器SLM的表面上的投射生成，從而在光調(diào)制器SLM上為每個(gè)物體光點(diǎn)確定全息區(qū)。場(chǎng)景通常包含大量緊密排列的物體光點(diǎn)。如 圖4所示，因此它們的全息區(qū)重疊。當(dāng)從當(dāng)前眼睛位置觀(guān)看場(chǎng)景時(shí)，全息 處理器不計(jì)算和編碼被位于前景中的物體遮擋的物體光點(diǎn)。這樣極大地減
小了計(jì)算當(dāng)前視頻全息圖的計(jì)算量(computational load)。
圖5a和圖5b表示分別用于每個(gè)特定的眼睛位置的所使用的衍射級(jí)中 的具有所選已重建物體光點(diǎn)的已調(diào)制部分光波的光徑，以及具有鄰接衍射 級(jí)中的相應(yīng)寄生(parasitic)光點(diǎn)的部分光波的光徑。以所選物體光點(diǎn)OP0 為例說(shuō)明錐形部分光波在重建后的光傳播效果。光調(diào)制器SLM的結(jié)構(gòu)化單 元結(jié)構(gòu)不可避免地引起依附光點(diǎn)存在于另外的衍射級(jí)中。實(shí)施例僅表示一 個(gè)寄生光點(diǎn)，即下一較高衍射級(jí)的光點(diǎn)OP+l。
參照?qǐng)D5a，用透鏡項(xiàng)編碼全息區(qū)H01使得部分光波重建物體光點(diǎn)OP0 并且使其在眼睛位置EP1的可見(jiàn)區(qū)VR1的每個(gè)點(diǎn)可見(jiàn)。光波錐(lightwave cone)從已重建的物體光點(diǎn)OP0傳播到眼睛位置EPl，因此全部充滿(mǎn)可見(jiàn) 區(qū)VR1，該可見(jiàn)區(qū)在所使用的衍射級(jí)中充分利用最大可能的表面。在下一 較高衍射級(jí)中產(chǎn)生不期望的光點(diǎn)OP+l的寄生光波繞過(guò)可見(jiàn)區(qū)VR1 ，使得光 點(diǎn)OP+l不在可見(jiàn)區(qū)VRl中出現(xiàn)。相應(yīng)地，由其它寄生光波在另一衍射級(jí)， 例如下一較低衍射級(jí)產(chǎn)生的任何其它光點(diǎn)同樣適用。然而，為了清楚起見(jiàn)， 圖中沒(méi)有表示出其它衍射級(jí)。
當(dāng)觀(guān)察者眼睛從眼睛位置EP1軸向地移動(dòng)到眼睛位置EP2是情況就不
相同了。因?yàn)橹亟ㄏ到y(tǒng)在沒(méi)有阻止鄰接衍射級(jí)的空間頻率濾波的情況下工 作，寄生光點(diǎn)的光將超出眼睛位置EP1進(jìn)入眼睛，例如在眼睛位置EP2處 進(jìn)入眼睛。
圖5b表示根據(jù)本發(fā)明解決該問(wèn)題的解決方案。為了朝眼睛位置EP2軸 向地移動(dòng)可見(jiàn)區(qū)，全息處理器用用于物體光點(diǎn)OP0的透鏡功能編碼較小全 息區(qū)H02。
如圖5b所示，當(dāng)編碼全息區(qū)H02時(shí)，用于光點(diǎn)OP+l的己調(diào)制寄生部分 光波也繞過(guò)可見(jiàn)區(qū)VR1和VR2，使得該編碼方法總體上是有利的。
14根據(jù)本發(fā)明的重建系統(tǒng)一方面具有根據(jù)所有光波錐與眼睛位置平面 相交時(shí)的橫截面面積確定大小的可見(jiàn)區(qū)。另一方面，取決于所用的光色彩， 僅相對(duì)小的衍射區(qū)間可以用價(jià)格便宜的光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)。這就是為什么可見(jiàn) 區(qū)應(yīng)當(dāng)利用衍射區(qū)間中最大可能的橫截面區(qū)以便能夠便利地觀(guān)看到重建 的原因。
圖6a到6c僅表示用于重建的衍射級(jí)中所選擇的物體光點(diǎn)OPl到OP3的 部分光波的光徑。為了清楚起見(jiàn)，省略來(lái)自其它衍射級(jí)的寄生光點(diǎn)。
空間光調(diào)制器SLM的單元結(jié)構(gòu)為每個(gè)全息區(qū)H1、 H2和H3承載包含透 鏡項(xiàng)和棱鏡項(xiàng)的代碼。因此每個(gè)全息區(qū)H1、 H2和H3以空間分離的方式調(diào) 制光波場(chǎng)LW的部分光波。由于結(jié)構(gòu)干涉(constructive interference)，每 個(gè)空間光波獨(dú)立地重建其對(duì)應(yīng)的物體光點(diǎn)OPl、 0P2或OP3。重建后，部 分光波以光波錐傳播到當(dāng)前眼睛位置EP1，光波錐的開(kāi)口以重合 (coincidence)的方式形成可見(jiàn)區(qū)VR。如圖6a到6c所示，為作為處于光調(diào) 制器SLM對(duì)面固定位置的場(chǎng)景的重建的一部分的物體光點(diǎn)OPl到OP3的相 同圖樣計(jì)算所有的全息區(qū)H1、 H2和H3。
圖6a表示大小和位置被用依賴(lài)于眼睛位置EPl的棱鏡項(xiàng)確定和編碼的 全息區(qū)Hll、 H21和H31，這使得所有部分光波傳播到眼睛位置EP1，以形 成可見(jiàn)區(qū)VR1。如圖6a所示，已重建的物體光點(diǎn)OPl到OP3的光波錐在眼 睛位置EP1附近重合以形成可見(jiàn)區(qū)VR1，所有物體光點(diǎn)是可見(jiàn)的并且形成 場(chǎng)景的三維重建。已調(diào)制部分光波在眼睛位置EP1后面發(fā)散，使得當(dāng)眼睛 朝向眼睛位置EP2軸向移動(dòng)時(shí)，物體光點(diǎn)OP 1和OP3依賴(lài)于眼睛的橫向位置 或者僅由于由來(lái)自另一衍射級(jí)的寄生光引起的光干擾而不再可見(jiàn)。
圖6b表示當(dāng)眼睛軸向移動(dòng)時(shí)，全息處理器HP通過(guò)在單元結(jié)構(gòu)上重新確 定全息區(qū)H12、H22和H32的大小和位置并且通過(guò)使已編碼的棱鏡項(xiàng)的值適 應(yīng)眼睛位置EP2，產(chǎn)生新的功能可見(jiàn)區(qū)VR2。圖6b還表示已重建的物體光 點(diǎn)OPl和OP3在老的可見(jiàn)區(qū)VRl的位置不再可見(jiàn)。然而，必須假定除了物 體光點(diǎn)OPl和OP3以外，來(lái)自其它衍射級(jí)的光點(diǎn)(圖中未示出)在該位置 也是可見(jiàn)的。圖6c表示眼睛從眼睛位置EPl朝向眼睛位置EP3多維度地移動(dòng)，位置 EP3遠(yuǎn)離重建系統(tǒng)的光軸OA。因?yàn)檠劬ξ恢肊P3橫向地遠(yuǎn)離眼睛位置EP2， 全息處理器HP必須主要改變單元結(jié)構(gòu)上的全息區(qū)H13、 H23和H33的位置 并且為每個(gè)全息區(qū)計(jì)算經(jīng)修正的棱鏡項(xiàng)。如果觀(guān)察者將他的頭部向一側(cè)移 動(dòng)，為了確保已重建的場(chǎng)景固定在當(dāng)前眼睛位置前面的空間中，將單元結(jié) 構(gòu)上的所有全息區(qū)H13、 H23和H33在一個(gè)方向上位移。結(jié)果，不能再對(duì)位 于位移方向邊緣的全息區(qū)進(jìn)行編碼。它們的己重建物體光點(diǎn)將在重建中消 失并且場(chǎng)景的觀(guān)看空間相應(yīng)地被縮減。為了避免此種情況的發(fā)生，如果觀(guān) 察者從一只眼睛位置側(cè)向移動(dòng)到另一只眼睛位置，全息處理器H可以大致 計(jì)算并且編碼關(guān)于單元結(jié)構(gòu)上全息區(qū)的位置這樣的信息，以便場(chǎng)景重建的 位置相對(duì)于光調(diào)制器SLM改變，使得場(chǎng)景在每個(gè)眼睛位置的可見(jiàn)區(qū)中顯示 同等大的觀(guān)看空間。然而，只有在全息處理器HP在時(shí)分多路過(guò)程中為多個(gè) 觀(guān)察者提供相同的視頻全息圖時(shí)，這種場(chǎng)景重建位置變化的視頻全息圖的 計(jì)算才是所期望的。
然而，對(duì)于場(chǎng)景的實(shí)時(shí)全息重建，如果觀(guān)察者移動(dòng)他的頭部，需要場(chǎng) 景的重建在一個(gè)位置保持固定，并且需要全息處理器使場(chǎng)景的已編碼的細(xì) 小結(jié)構(gòu)適應(yīng)于經(jīng)修正的透視(perspective)。
圖7a和7b表示本發(fā)明的特別較佳實(shí)施例，對(duì)于追蹤范圍內(nèi)的任何眼睛 位置，其允許可見(jiàn)全息重建便利地適應(yīng)眼睛透視。根據(jù)本發(fā)明，如果觀(guān)察 者眼睛的位置改變，為了借助光線(xiàn)追蹤方法檢査物體光點(diǎn)的可見(jiàn)性并且根 據(jù)當(dāng)前眼睛位置調(diào)整己重建的物體光點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，全息處理器HP為該眼睛位
置使用當(dāng)前眼睛位置信息。
如前述附圖以及圖7a和圖7b所示，為處在光調(diào)制器SLM對(duì)面空間中固 定位置的物體光點(diǎn)OPl到OP4的相同圖樣計(jì)算所有全息區(qū)。
然而，圖7a僅表示物體光點(diǎn)OPl到OP3的全息區(qū)Hll到H31以及它們到 眼睛位置EP1的光徑上的所使用的衍射級(jí)中它們的已調(diào)制空間光波。根據(jù) 本發(fā)明的另一個(gè)特征，在計(jì)算當(dāng)前視頻全息圖之前，全息處理器HP借助光 線(xiàn)追蹤方法在可見(jiàn)區(qū)檢査中檢測(cè)到物體光點(diǎn)OP3覆蓋物體光點(diǎn)OP4，物體光點(diǎn)0P4從眼睛位置EP1的透視中觀(guān)察位于后面。這就是單一處理器為什
么既不能確定用于物體光點(diǎn)OP4的全息區(qū)也不能計(jì)算任何代碼的原因。因 此全息處理器HP節(jié)約了計(jì)算量。
如圖7a所示，當(dāng)觀(guān)察者眼睛處在用于觀(guān)看當(dāng)前視頻全息圖的眼睛位置 EP2時(shí)，情況就有所不同了。在計(jì)算當(dāng)前視頻全息圖之前，全息處理器HP 就在其可見(jiàn)度檢査過(guò)程中檢測(cè)到物體光點(diǎn)OP3和物體光點(diǎn)OP4都是可見(jiàn) 的。全息處理器還借助光線(xiàn)追蹤方法檢測(cè)到全息重建系統(tǒng)不能為位于視頻 全息圖邊緣的物體光點(diǎn)OPl提供全息區(qū)，因?yàn)槠鋵⒊^(guò)單元結(jié)構(gòu)的可用表 面。因此，不將物體光點(diǎn)OPl考慮在當(dāng)前視頻全息圖的計(jì)算中。這樣也節(jié) 省了計(jì)算量。
具有允許用復(fù)值的空間調(diào)制或者純粹的空間相位調(diào)制的單元結(jié)構(gòu)的 空間光調(diào)制器例如可以用作光調(diào)制器裝置。
本發(fā)明的特殊優(yōu)點(diǎn)是，通?？梢圆恍枰獣?huì)引起像差的光學(xué)組件來(lái)實(shí)現(xiàn) 重建系統(tǒng)。而快速空間相位光調(diào)制器裝置必須使用，其對(duì)具有大量相移 (phase shift)的移動(dòng)視頻序列的每個(gè)視頻全息圖對(duì)不同眼睛位置提供大 量已調(diào)制部分光波。
在不背離上述追蹤部分光波和借助全息處理器調(diào)整單元結(jié)構(gòu)的代碼 的基本原理的情況下，可以修改重建系統(tǒng)的具體排列。
因?yàn)榫幋a棱鏡項(xiàng)對(duì)單元結(jié)構(gòu)中可調(diào)節(jié)的相位范圍有很高的要求，所以 重建系統(tǒng)可以用具有多個(gè)光調(diào)制器的空間光調(diào)制器裝置和/或?qū)崿F(xiàn)部分棱 鏡功能的附加光學(xué)裝置工作。為了編碼棱鏡項(xiàng)，必須提供小孔徑的調(diào)制器。 這需要光調(diào)制器裝置的高分辨率和為視頻全息圖計(jì)算代碼值的強(qiáng)大計(jì)算 能力。
如果由于空間光調(diào)制器裝置的高相位調(diào)制位移而可以對(duì)全息區(qū)的部 分光波確定足夠大的棱鏡項(xiàng)，那么根據(jù)本發(fā)明的重建系統(tǒng)將基本上不需要 光學(xué)聚焦裝置。
然而，如果不能實(shí)現(xiàn)足夠大的角度，有各種不同的選擇來(lái)支持棱鏡項(xiàng) 的編碼使得由調(diào)制器單元結(jié)構(gòu)中所有全息區(qū)發(fā)出的已調(diào)制部分光波進(jìn)入可見(jiàn)區(qū)而重合。另一方面，空間光調(diào)制器裝置可以被會(huì)聚波照明。
根據(jù)本發(fā)明的重建系統(tǒng)的另一個(gè)較佳實(shí)施例中，可以將聚焦裝置設(shè)置 在照明波的光徑中，這顯著地降低了對(duì)編碼和調(diào)整調(diào)制器單元結(jié)構(gòu)的全息
區(qū)中棱鏡項(xiàng)的范圍的要求。聚焦裝置例如可以是物鏡(field lens)、透鏡
陣列或者衍射光學(xué)元件的陣列。
本發(fā)明同樣可以較好地應(yīng)用到前述的任一公知的重建系統(tǒng)中，這對(duì)本 領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的，上述重建系統(tǒng)包含光學(xué)聚焦裝置，用 于將用于照明光調(diào)制器裝置的照明裝置成像到眼睛所位于的焦平面中。這 樣的系統(tǒng)確定了照明裝置和聚焦裝置之間的距離、聚焦裝置的焦距以及焦 平面和光調(diào)制器裝置之間的距離。為了在這樣的系統(tǒng)中還利用處在距焦平 面的軸向距離的眼睛位置，最好借助于本發(fā)明的主題對(duì)聚焦裝置的有效焦
距進(jìn)行調(diào)整。這可以通過(guò)以下實(shí)現(xiàn)全息處理器為每個(gè)全息區(qū)或者整個(gè)單
元結(jié)構(gòu)計(jì)算矯正的透鏡功能；并且當(dāng)編碼空間光調(diào)制器裝置的單元結(jié)構(gòu)
時(shí)，所述矯正的透鏡功能在當(dāng)前視頻全息圖的代碼上疊加己矯正的焦距f2 =&±&。"使得編碼產(chǎn)生系統(tǒng)的最終總焦距f3，其將照明裝置成像到已改 變的焦平面中。如果光學(xué)聚焦裝置具有焦距&，焦距f2必須是下等式所應(yīng) 用的那樣，假設(shè)照明裝置和透鏡之間的距離忽略不計(jì)1/f3-l《+ l/f2。
光調(diào)制器裝置還可以包含用于矯正系統(tǒng)焦距的獨(dú)立的光調(diào)制器。
權(quán)利要求
1.一種用于全息重建場(chǎng)景的物體元素的全息重建系統(tǒng)，該系統(tǒng)調(diào)制至少一個(gè)光波場(chǎng)(LW)，該光波場(chǎng)能夠借助空間光調(diào)制器裝置(SLM)的調(diào)制器單元的離散可編碼單元結(jié)構(gòu)產(chǎn)生具有視頻全息圖序列的干涉，此外，該系統(tǒng)包含●全息處理器裝置(HP)，其向場(chǎng)景的每個(gè)物體元素(OP1，OP2，OP3)分配單元結(jié)構(gòu)上的離散的全息區(qū)(H1，H2，H3))，全息區(qū)的范圍和位置依賴(lài)于場(chǎng)景中物體元素的位置信息，并且其為全息區(qū)計(jì)算使得單元結(jié)構(gòu)上的每個(gè)全息區(qū)調(diào)制能夠產(chǎn)生干涉的光波場(chǎng)的部分光波，并使得每個(gè)已調(diào)制部分光波獨(dú)立地重建分配給其的物體元素，然后以光波錐的形式向可見(jiàn)區(qū)(VR)傳播，●位置控制裝置，其引導(dǎo)至少一個(gè)當(dāng)前眼睛位置上的已調(diào)制部分光波并且在觀(guān)察者移動(dòng)時(shí)將其追蹤至改變的眼睛位置，以便整個(gè)已重建場(chǎng)景在可見(jiàn)區(qū)對(duì)觀(guān)察者眼睛可見(jiàn)，其特征在于全息處理器裝置還考慮當(dāng)前眼睛位置(EP1、EP2)的位置信息，以便●使全息區(qū)(H1、H2、H3)的范圍和位置適應(yīng)于當(dāng)前眼睛位置(EP1、EP2)，并且●計(jì)算代碼，使得所有部分光波行進(jìn)到當(dāng)前眼睛位置，而沒(méi)有寄生衍射級(jí)的光進(jìn)入所使用的衍射級(jí)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的全息重建系統(tǒng)，其特征在于，為了動(dòng)態(tài)編碼 單元結(jié)構(gòu)，使得重建系統(tǒng)追蹤已調(diào)制部分光波到追蹤范圍內(nèi)的當(dāng)前眼睛位 置，全息處理器裝置考慮當(dāng)前眼睛位置的眼睛位置信息。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的全息重建系統(tǒng)，其特征在于，全息處理器裝 置動(dòng)態(tài)編碼單元結(jié)構(gòu)，使得光波錐在當(dāng)前眼睛位置通過(guò)重合的方式形成可 見(jiàn)區(qū)，如果眼睛位置改變，通過(guò)再計(jì)算代碼追蹤已重建物體元素。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的全息重建系統(tǒng)，其特征在于，可見(jiàn)區(qū)具有 預(yù)先確定的范圍，并且全息處理器裝置動(dòng)態(tài)編碼單元結(jié)構(gòu)，使得可見(jiàn)區(qū) 的范圍保持恒定而不考慮觀(guān)察者在空間光調(diào)制器裝置前方所處位置的 距離。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的全息重建系統(tǒng)，其特征在于，全息處理器裝 置根據(jù)對(duì)應(yīng)的己重建物體元素的位置并且根據(jù)眼睛位置為全息區(qū)計(jì)算透 鏡項(xiàng)(HQ1，HG2)，并且將棱鏡項(xiàng)疊加在該透鏡項(xiàng)上用于將重建的物體元素 導(dǎo)向眼睛位置。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的全息重建系統(tǒng)，其特征在于，空間光調(diào)制器 裝置包含至少一個(gè)執(zhí)行能夠產(chǎn)生干涉的波場(chǎng)(WF)的空間相位調(diào)制的空 間光調(diào)制器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的全息重建系統(tǒng)，其特征在于，全息處理器裝 置利用關(guān)于場(chǎng)景的物體光點(diǎn)的固定確定結(jié)構(gòu)的信息并且為每個(gè)物體光點(diǎn) 計(jì)算全息區(qū)(m、 H2、 H3)，該全息區(qū)(Hl、 H2、 H3)的范圍和位置 取決于用于每個(gè)全息區(qū)的物體光點(diǎn)OP。到光調(diào)制器SLM的軸向距離(dl) 和眼睛位置EP到光調(diào)制器SLM的距離(d2)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的全息重建系統(tǒng)，其特征在于，調(diào)制器單元結(jié) 構(gòu)始終承載恒定數(shù)量的離散全息區(qū)，而不考慮當(dāng)前視頻全息圖的內(nèi)容。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的全息重建系統(tǒng)，其特征在于，離散全息區(qū) 的數(shù)量取決于像素網(wǎng)格，該像素網(wǎng)格對(duì)應(yīng)于可見(jiàn)區(qū)中全息重建的所期望
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的全息重建系統(tǒng)，其特征在于，借助全息區(qū)重 建的場(chǎng)景相對(duì)于當(dāng)前觀(guān)察者窗口保持在空間中的固定位置。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的全息重建系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)眼睛軸 向移動(dòng)時(shí)，全息處理器裝置生成新的功能可見(jiàn)區(qū)(VR2)，因?yàn)槿⑻?理器裝置重新確定調(diào)制器單元結(jié)構(gòu)上全息區(qū)的大小和位置并且使已編 碼的棱鏡項(xiàng)的值適應(yīng)于當(dāng)前眼睛位置(EP2)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的全息重建系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)觀(guān)察者眼睛位置改變時(shí)，為了使重建的場(chǎng)景的視圖適應(yīng)當(dāng)前眼睛位置(EP2)，全息 處理器裝置修正調(diào)制器單元結(jié)構(gòu)的代碼。
13. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的全息重建系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)觀(guān)察者從一 個(gè)眼睛位置側(cè)向移動(dòng)到另一個(gè)眼睛位置時(shí)，全息處理器裝置大致計(jì)算并且 編碼關(guān)于調(diào)制器單元結(jié)構(gòu)上的全息區(qū)的位置這樣的信息，場(chǎng)景重建的位置 相對(duì)于光調(diào)制器改變，使得場(chǎng)景在每個(gè)眼睛位置的可見(jiàn)區(qū)中顯示相等的觀(guān) 看空間。
14. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的全息重建系統(tǒng)，其特征在于，如果眼睛位置改變，全息處理器裝置借助光線(xiàn)追蹤方法檢查物體光點(diǎn)的可見(jiàn)度，并且根 據(jù)當(dāng)前眼睛位置調(diào)整己重建物體光點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的全息重建系統(tǒng)，其特征在于，以會(huì)聚方式傳播的光波場(chǎng)照明空間光調(diào)制器裝置。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全息重建系統(tǒng)，其特征在于，具有用于將 光源投射到觀(guān)察者眼睛的聚焦顯示屏幕(S)。
全文摘要
一種全息重建系統(tǒng)，其具有空間光調(diào)制器(SLM)、眼睛探測(cè)器以及使空間傳播的已調(diào)制光波場(chǎng)(LW)朝向觀(guān)察者眼睛的至少一個(gè)眼睛位置(EP3)的位置控制，從而在眼睛位置位置改變的過(guò)程中以三維的方式重建場(chǎng)景并且追蹤場(chǎng)景。通過(guò)低機(jī)械和低光學(xué)復(fù)雜性，本發(fā)明能夠使觀(guān)察者頭部在追蹤區(qū)中暢通無(wú)阻地橫向和軸向移動(dòng)到任意眼睛位置。避免了對(duì)會(huì)在觀(guān)察者眼睛位置改變過(guò)程中帶來(lái)光學(xué)像差的附加的、平面的光學(xué)組件的利用。根據(jù)本發(fā)明的重建系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下目標(biāo)，除了全息場(chǎng)景信息和關(guān)于關(guān)聯(lián)的物體元素(OP1、OP2、OP3)的物體位置的數(shù)據(jù)以外，全息處理器裝置還將當(dāng)前眼睛位置的眼睛為之?dāng)?shù)據(jù)考慮在內(nèi)，一方面，以便于調(diào)整全息區(qū)(H1、H2、H3)的大小和位置使其適應(yīng)于當(dāng)前眼睛位置(EP3)，另一方面，以便于動(dòng)態(tài)影響用于全息區(qū)的編碼數(shù)據(jù)，使得在不考慮當(dāng)前眼睛位置的情況下，系統(tǒng)使在追蹤區(qū)中調(diào)制的具有開(kāi)口光波錐的部分光波朝向當(dāng)前眼睛位置。
文檔編號(hào)G03H1/08GK101681145SQ200880017020
公開(kāi)日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2008年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月21日
發(fā)明者伯·克羅爾, 讓-克里斯托夫·奧拉亞, 阿明·史威特納 申請(qǐng)人:視瑞爾技術(shù)公司