CN101088053A - 一种计算全息图的方法 - Google Patents

Abstract

一种计算全息图的方法，通过在接近观察者的眼睛位置确定波阵面，该波阵面由将被再现的真实物体生成。在普通计算机生成的全息图里，确定再现物体所必需的波阵面；在本发明中不直接这么做。而是，可以在观察窗口确定波阵面，该波阵面由与再现物体位于相同位置的真实物体生成。然后，可以将这些波阵面逆变换为全息图，以确定生成这些波阵面需要如何编码该全息图。然后，恰当编码的全息图可以生成三维场景的再现，可以通过将眼睛置于观察窗口的平面上，并通过该观察窗口来观看该三维场景的再现。

Description

一种计算全息图的方法

发明背景

1.技术领域

本发明涉及一种计算全息图的方法。具体说，涉及一种应用电子全息术来生成全息图的方法。电子全息术的目的在于实时实现计算机生成的全息图(也就是说，可以在短暂的时间内从编码的全息数据生成再现物体)。全息显示器典型地包含可控像素阵列；像素通过电子影响照射光的振幅和/或相位来再现物点。这种阵列是空间光调制器(SLM)的一种形式。该显示器可以不基于阵列，而是连续性的。例如，其可以是连续SLM，包括具有矩阵控制或AOM(声光调制器)的连续SLM。

一种利用光图样的空间调幅来再现视频全息图的合适的显示装置例如是液晶显示器(LCD)。但是，本发明也可以应用于利用相干光调制光的波阵面的其它可控装置。

2.术语说明及背景概念

本文中，术语“像素”表示SLM中的可控全息图像素；像素由全息图点的离散值单独寻址和控制。各个像素代表视频全息图的一个全息图点。因而，对于LCD，我们使用术语“像素”相当于单个可寻址屏幕像素。对于DLP，我们使用术语“像素”相当于单个微镜，或一小组微镜。在连续SLM上，像素是SLM上的一暂态域，表示一个复合全息图点。因此术语“像素”以其最常用的意思是指可以表示(如显示)一个复合全息图点的最小单元。为了完成色彩编码，各个像素可以包含以各三原色来表示或显示彩色全息图点的子像素。

根据视频全息图编码的种类，子像素还可以用于编码或表示各彩色全息图点的原色。例如，如果彩色全息图使用伯克哈特(Burckhardt)编码，则各像素需要九个子像素排列。为在本文中更清楚地阐述，各个像素仅由一个包含幅度分量和相位分量的离散全息图点值进行编码；上述分量可以为零。专用的控制器或驱动器采用用于各个子像素的独立控制信号控制子像素。然而该控制器或驱动器及控制信号的提供不是本发明的主题。

术语“间距”在本文中是指SLM的相邻两像素的中心间的距离。因此其表示显示分辨率特征。

“观察窗口”是有限的虚拟区域，观察者可以通过该观察窗口以足够高的可见度看到完整的再现3D场景。该观察窗口布置于观察者眼睛上或眼睛附近。该观察窗口可以在X，Y，和Z方向移动。在观察窗口内，波场以引起再现物体能被观察者看到的方式进行干涉。本发明的一实施例中，场景可以通过该观察窗口来观看，且在伸展于观察窗口边界和SLM之间的截锥体内再现。可以包括两个观察窗口，每只眼睛各一个。也可以安排更复杂的观察窗口。也可以对包含观察者能看到的SLM后面的物体或完整场景的视频全息图进行编码。

术语“编码”表示一种向SLM提供控制信号、以使相干光穿过SLM或是被SLM反射而再现三维场景的方式。

根据本文的“光源”，如果光在允许干涉的范围内空间相干，则认为完全相干，所以其至少在一维上允许具有足够分辨率的全息再现。空间相干涉及光源的横向扩展。如果传统光源，例如LED或冷阴极荧光灯(ColdCathode Fluorescent Lamp)穿过足够窄的光阑发射光，也可以满足这些要求。激光光源发出的光可以视作由衍射极限内的点光源所发射。其导致物体的清晰再现，也就是说在衍射极限内各个物点作为一个点被再现。

来自空间非相干光源的光横向扩展且引起再现物体的模糊或拖尾效应。模糊或拖尾效应的程度取决于在给定位置上再现物点的加宽尺寸。为了使用空间非相干光源来构建全息图，就必须通过调节光阑的宽度在再现质量和亮度之间进行折衷。越小的光阑导致空间相干的改善，且因而降低模糊或拖尾效应的程度。但越小的光阑导致越低的亮度。术语“部分空间相干”用于说明这种光源。

时间相干性涉及光源的光谱线宽。为了确保时间相干性，光必须有足够窄的波长范围。高亮度LED的光谱带宽足够窄，以确保全息再现的时间相干性。SLM上的衍射角度与波长成比例，这表示只有单色光源能导致物点的清晰再现。加宽光谱将导致加宽的物点和模糊或拖尾效应的物体再现。激光光源的光谱可以认为是单色的。LED的光谱线宽极窄，以利于优质再现。

在多数全息系统中，编码的全息图是将要再现的3D场景的变换。术语“变换”可以广义解释为包括任何与变换相等或近似的数学的或计算的技术。数学意义上的变换只是更精确地用麦克斯韦(Maxwellian)波的传播方程表示的物理过程的近似。诸如菲涅耳(Fresnel)变换(或者是公知的专业级变换傅立叶(Fourier)变换)的变换是二阶近似，但有优势；因为它们是与微分相对立的基础代数，其能以高计算效率的方式处理，而且，还能在光学系统中精确地实施。

3.现有技术的说明

使用传统光学的3D自动立体显示的缺点是，视差信息和眼睛晶状体调节之间的失谐。一方面，观察者的眼睛看到3D场景的不同透视图，该透视图模拟任意距离的物体的深度映像。另一方面，各个透视图本身位于显示器的表面上。因而，眼睛聚焦于显示器表面，且每只眼睛看到的是平面图像。这引起由视差信息获得的在任意深度上所见的物体和眼睛对固定的显示器表面的调节之间的失谐。该失谐可能引起不舒服的感受和眼睛疲劳。

已知的电子全息显示器，例如WO01/95016号专利文件所述，使用具有可控开口的像素图样的全息图矩阵，该可控开口以正确的深度再现3D场景的物体。这样可以避免传统立体显示器的不便。小开口衍射用以再现3D场景。从开口发出的波阵面在到达观察者之前在场景的物点会聚。该全息矩阵的开口直径越小，且因而间距越小，衍射角度就越大。这导致观察者使用时有宽的视角。因此，增大视角需要提高分辨率。

N.Fukaya、K.Maeno、K.Sato和T.Honda所著的“应用液晶装置进行眼睛位置跟踪型的电子全息显示器(Eye-position tracking typeelectro-holographic display using liquid crystal devices)”(S36-5，95年度亚洲显示技术最新进展的论文(Post-Deadline Paper Asia Display′95))描述了一种通过眼睛位置跟踪在电子全息显示器中扩大可视区的方法。该文指出不必要将全息阵列的光投射到观察者可能位于的整个区域。而是，其足以限制进入观察者眼睛的照射面积。因此，大的全息图阵列被分为小块独立的全息图，各用一对小全息图编码，而不是单一的大全息图。这使观察者看到像是从一个大全息图看到的一样的3D物体；每个都再现该物体，而且其可视区对应于各只眼睛的位置。如果观察者移动到其它位置，则该观察者从另一对小全息图得到再现和观察区域。该限制有助于使用像素数目显著降低的SLM。

为了跟踪观察者的横向(X，Y)移动，可控扫描镜将SLM的光投射到观察者的眼睛。通过改变小的LCD之间的相对间距来跟踪观察者的纵向(Z)移动。

文中提到50mm的再现宽度，其导致相对小的角度，而3D场景在该角度里呈现。

该方法的缺点是制造包含多个独立的小LCD的全息阵列非常困难。另外，其必须避免看到3D场景的同一物点的多次再现。这限制了SLM的尺寸，从而限制物体的尺寸。

为了减少巨大的计算量，WO 01/95016 A1号专利说明书公开了一种只计算电子全息图能被观察者直接看到的部分或者变化的那部分的全息图计算法。该电子全息图阵列由可寻址的子区域组成。该计算法是建立在与具体位置的观察者眼瞳一致的所谓有效出射光瞳的基础上。如果观察者的位置改变，跟踪装置重新计算为新的观察位置生成图像的全息图部分。

但是，这种部分取消减少计算量和所述的方法未能避免需要较大的具有极小间距的可控SLM的缺陷。

WO 2003/021363(A1)号文献中描述的一种用于再现计算机生成的全息图的装置，通过将再现限制到仅有水平视差(HPO)的全息图来减少对SLM的要求。

照明装置是线光源，其产生小于10nm带宽的单色光，且在水平方向上相干但在垂直方向上不相干。该全息再现只发生在水平方向，而在垂直方向没有全息再现。这导致具有水平运动视差的再现物体。透视图在垂直运动上不改变。HPO全息图需要的SLM与全视差全息图相比在垂直方向上分辨率较低。只在再现方向、即水平方向上有周期性。减少了一维全息图的计算工作量。

US 6 927 886(Plesniak)号文献涉及具有可重配置图像表面的计算的全息立体图，该图像表面与编码有全息立体图的全息图表面空间不同。三维物体或场景作为一维全息景观(HPO全息图)的堆叠被捕获或合成，该一维全息景观由包含具有与已知像素结构不同的称为全息像素的阵列再现。硬件生成计算的衍射图样以产生可视化的图像，生成模块通过在与全息图表面空间不同的一个或多个图像表面上的干涉图样来再现全息立体图。

该装置通过一个或多个全息再现的成像平面投射一个或多个系列的三维场景视差图。成像平面通过软件可以在离开全息图平面的任意位置具体指定，且由不定数目的投射器像素组装。另外，在一具体实施中，全息图表面和成像表面被一可调距离分开。成像表面可以有不同的深度和/或分辨率。

与上述的SLM像素相反，全息像素具有非常复杂的结构且可以再现多个全息景观。

由于将观察窗口减少到仅比眼睛的瞳孔稍微大一点的范围，申请人先前的专利申请WO 2004/044659明显减小对SLM间距的要求和全息阵列的计算工作量。该装置包含至少一个提供完全相干光的光源，一个傅立叶变换透镜，及具有各包含一个或多个开口的像素矩阵的全息阵列。各开口的相位或幅度是可控的，且观察平面位于光源的成像平面。在观察平面里，至少一个观察窗口作为视频全息图变换在一个周期间隔里形成，该观察窗口可使观察者观察三维场景的再现。观察窗口的最大范围(即X，Y维度)可以对应于傅立叶变换平面(其相当于光源的成像平面)的周期间隔。再现截锥体在显示区域和观察窗口之间伸展，上述截锥体包含视频全息图的整个三维场景。如上文所知，观察窗口受限于观察者的眼睛且由其定位。附录II列出WO 2004/044659的另一方面和增补；该增补在本发明的范围内。

4.发明的技术背景

普通的全息阵列通过光波的相干重叠来再现3D物体或3D场景的光波波阵面。为此目的，空间光调制器(SLM)显示在SLM(其可以是全息阵列)上编码的波图样。编码的全息图是3D场景的变换。该SLM衍射由背光提供的光波并再现该场景。

基本上，电子全息图的显示引起一个问题，其中全息图以全息图点被采样。采样的全息图始终具有以周期间隔在观察平面里周期性重复编码的波图样的性质。这些重复将引起同一物体或物点的多次再现。

如果全息图再现的维度超出周期间隔，相邻衍射级将交叠。随着分辨率的逐渐降低，也就是随着间距的增大，，再现的边缘将通过交叠相邻衍射级更加被扭曲。再现的可用范围从而逐渐被限制，因为必须避免周期再现观察窗口的交叠。

SLM的可视区域取决于它的最大衍射角。最大值由SLM的像素间距确定。

一般公知，傅立叶全息图中，场景是以全息阵列像素的编码的直接的或逆傅立叶变换被再现在再现平面上(即物体再现于阵列的傅立叶平面上)。该再现在一周期间隔里周期性持续，上述周期间隔的范围与全息阵列里的像素间距成反比。

如果周期间隔更大，且因而获得更大的可视角，则所需间距(全息阵列里各像素的子像素的范围也是)更趋近于照射光的波长。阵列区域必需足够大，以能够再现大的场景。这两个条件(小间距和大区域)需要具有大量像素的大全息阵列。

为实施电子全息图的再现，必须提供足够大的可视区。在传统的全息阵列里，可视区至少必须覆盖目距，其要求至多ca.10μm的像素间距。需要昂贵的硬件和高计算速度以实时计算电子全息图。

实时生成全息图的设备的计算工作量取决于全息图的复杂度。全视差的全息图通过水平和垂直方向上波的相干叠加全息地再现物体。假设有足够大的观察窗口或观察区域，可以在水平和垂直方向看到具有运动视差的再现物体，就像真实的物体。但是，大的观察区域需要在水平和垂直方向上都有高分辨率的SLM。

可以通过限制仅水平视差(HPO)全息图或仅垂直视差(VPO)全息图，减小对SLM和计算装置(如，专用的ASIC，主装置CPU，分离的单机装置等)的要求。

如果使用仅水平视差全息图，则只在水平方向上发生全息再现，而垂直方向上没有全息再现。这导致具有水平运动视差的再现物体。透视图在垂直方向上不发生改变。HPO全息图所需的SLM在垂直方向上的分辨率比全视差全息图低。只在再现方向、即水平方向上有周期。因此减少了一维全息图的计算工作量。

也可以是只在垂直方向上发生再现的仅垂直视差全息图，但不常见。这导致具有垂直运动视差的再现物体。水平方向上没有运动视差。左眼和右眼的不同透视图必须分别创建。这可通过观察窗口的时间或空间复用来完成。

VPO全息图和HPO全息图都在物距上完成目光聚焦(即调节眼睛晶体的曲率)。

实际的传统电子全息显示器的观察窗口通常比眼瞳大很多(即可以在大区域内准确地看到再现物体)。结果是需要更多的努力将光投射进没有观察者的区域。因此，对全部的电子全息显示器控制光波波阵面的性能要求非常高。

假设有足够大的观察窗口或观察区域，再现物体就像真实的物体一样便于在水平和垂直方向上运动视差。但是，大的观察区域在全息阵列的水平和垂直方向上都要求高的分辨率。

一种公知的编码全息图的方法是应用公知的基于迂回相位效应的伯克哈特(Burckhardt)编码通过使用传统的液晶显示器来调节幅度。该编码需要每个像素三个相邻的子像素和原色。该编码提供三类衍射级，称为1^st，0^st，1^st，2^nd，3^rd，等衍射级。

第一类，0^th，3^rd等的衍射级包含非衍射的光。这些级不提供任何再现。第二类，1^st，4^th，等的衍射级包含编码物体的再现。相反地，第三类，-1^st，2^nd，等的衍射级包含深度反转物体的再现。这表示该再现是不正确的，正确的再现只包含1^st，4^th，等的衍射级。由于LCD开口的有限光阑，对于更高衍射级衍射图样的强度降低。因此，最好将观察窗口置于1^st衍射级。

伯克哈特编码提供的周期间隔包含一组三个相邻衍射级，如1^st，0^th和-1^st衍射级。各个周期间隔的大小由P_diffr＝λ*d/p给出，其中λ定义照射光的波长；d是全息图和观察平面之间的距离，p是子像素间距。

由于物体只在1^st衍射级上正确再现，观察窗口只能覆盖周期间隔P_diffr的1/3。因为周期间隔的大小也取决于照射光的波长，对于彩色全息图，观察窗口的尺寸由所用原色的最短波长限制。

如果相位调制SLM被用于傅立叶全息图，则周期间隔不包含深度反转的再现物体。但是，也有非衍射的光。因此，不是全部的周期间隔都可用作观察窗口。非衍射光也必须从观察窗口中排除。

如果使用复合调制的SLM，各个单一像素可被用于编码一个复值。因此，观察平面中的各周期间隔只包含一个衍射级。从而，全部的周期间隔可被用作观察窗口。

一般地，观察窗口必须位于一个周期间隔之内；但是，根据SLM上复值全息图的编码方法，观察窗口必须比周期间隔小。

电子全息图引起的光的传播可以用菲涅耳变换或傅立叶变换来表示。菲涅耳变换描述近场光分布，而傅立叶变换描述无穷远的远场光分布。通过聚焦透镜该远场光分布可以转换到有限的距离。

WO 2004/044659号专利申请公开的解决方法是基于限制该编码区域的思想，这样从再现场景点发出的光被限制到一个观察窗口。因此，装置在一个傅立叶变换的周期间隔里将视频全息图再现在观察平面中。可以通过置于各眼睛前的观察窗口看到该再现三维场景。该再现场景在再现截锥体内部可见；因此该场景可再现于阵列表面之上、之前或之后。这就允许使用具有将近3百万像素分辨率、具有合理的硬件开销和计算能力的传统阵列。

发明内容

本发明一个目的是减少计算全息图的计算要求。另一目的是应用具有传统分辨率的SLM实现用于再现视频全息图的电子全息显示；该全息图应当提供高质量的再现图像。

为了达到该目的，提供一种如特征1所定义的发明。本发明是一种通过在接近观察者的眼睛位置确定波阵面来计算全息图的方法，该波阵面由将被再现的真实物体生成。在普通计算机生成的全息图里，确定再现物体的每个点所必需的波阵面。这可能会是非常大的计算强度。在本发明中不直接这么做。而是，应用本发明，可以在观察窗口确定波阵面，该波阵面由与再现物体位于相同位置的真实物体生成。然后，可以将这些波阵面逆变换为全息图，以确定生成这些波阵面需要如何编码该全息图。

尽管明显比直接算出需要如何编码该全息图以生成再现物体的各个点的传统方法复杂，但是本发明的确能够使该计算方法达到非常高的效率。例如，可以应用菲涅耳变换将所有再现物点变换至观察窗口；然后，可以将该观察窗口上的波阵面加在一起，并接着应用单一傅立叶变换变换回为全息平面本身，以定义全息图上需要用以再现该物体的全息点。另外，如果使用低分辨率的SLM，则该方法导致小观察窗口。然而，如果该小观察窗口比眼瞳大且该眼瞳被适当跟踪时，则小观察窗口没有关系。

当使用用户的显示装置(如显示装置里的ASIC)或连接到该显示装置的计算单元处理全息数据时，则可以采用该计算方法。因而，该显示装置(或被连接的计算单元)接收全息数据(如用光学记录介质上的，或通过高速宽带网络得到的等)，其可以被显示器或计算单元采用特征1所定义的方法在本地处理。其典型地需要某些实时跟踪该观察者眼睛(或多个观察者的眼睛)的方式，这样全息图可以从该全息数据实时计算；然后，使用一光学系统以全息再现物体的方式照亮该实时计算的全息图。在视频全息图情况下，全息数据将超时改变；其以观察者眼睛的位置函数的方式每秒多次有规律地且快速地被处理。

然后，适当编码的全息图可以生成三维场景的再现，该三维场景可以通过将人的眼睛置于观察窗口平面，并通过该观察窗口看到。

本发明最好使用申请人先前的WO 2004/044659号专利申请所述的装置，其中由光学聚焦装置成像的完全相干光穿过单一全息阵列的可控的像素(或其它形式的SLM)，至少进入一个观察窗口，各观察窗口位于观察者眼睛附近的观察平面(也称为参考图层)的一个周期间隔内。其再现已被可控像素全息编码的场景，且因而使其可通过该观察窗口被看到。截锥体在全息阵列和该观察窗口之间伸展。与普通装置相反，该截锥体包含编码在全息阵列上的整个三维场景再现。

该观察窗口的范围(即在x和y方向上)不比包含用于再现的光源成像的图层或平面里的周期间隔大。如果用于参考图层和全息图图层的数据集具有相同数目的矩阵点值时，将导致根据本实施例的计算机生成的视频全息图，与其它方法相比所需的衍射角更小。由于为光调制器矩阵计算幅值，大大减少了对处理速度的要求。特别是与已知的用于跟踪当前观察者位置的位置探测和跟踪装置结合，受益于该优势，该观察窗口的尺寸可以极大地减小。附录I包括本实施例的更多细节。

本发明中，来自光源的光聚焦在处于观察者眼睛附近的观察平面上。因此，该观察平面里是全息图的傅立叶变换：因而该观察窗口也是全息图的傅立叶变换。因为再现物体不在透镜的焦面上，所以该再现物体不是全息图的傅立叶变换而是菲涅耳变换。该再现物体、即全息图的菲涅耳变换，位于由全息图和观察窗口确定的截锥体内。

可以通过在全息再现各采样点的全息阵列上限制编码场景信息的全息图区域来避免多重物体再现的发生。通过在全息阵列的受限区域上编码视频全息图，使观察窗口的再现必须限制在安排在一个周期间隔之内的衍射级的范围和位置内，该周期间隔可以显示正确的和完全的编码的全息场景再现。

该观察窗口必须仅位于一个周期间隔之内，但是取决于所使用的编码方法，该观察窗口必须比该周期间隔小。例如，如果使用伯克哈特编码，其可以是所用原色的最短波长限定的周期间隔的三分之一。电子全息显示器分辨率的选择及其编码限制了与观察者眼睛大小相关的观察窗口的尺寸，和通过公知的眼睛跟踪器定位的该窗口相对眼睛的位置。

本发明不局限于编码傅立叶全息图。但是，傅立叶全息图比菲涅耳全息图有优势。因为没有全息图有100％的效率，所以总会有非衍射光。傅立叶全息图中，非衍射光聚焦于观察平面上的一点。如果该点在观察窗口之外，则看不到非衍射光，且因而没有干扰。菲涅耳全息图中，非衍射光不聚焦，因此能被作为干扰背景看到。

本发明的一实施例提供一种计算机生成的全息图，该全息图包含编码需要被用于再现全息图像的数字化编码信息的区域，该全息图像能从确定的观察者位置看到。再现场景中的各单一物点的编码信息被单独编码于SLM的限定区域里。各编码的限定区域可以携带来自其它相邻物点的编码信息，以使其它不同的相邻物点的区域彼此交迭。对于各物点，具有编码信息的区域的尺寸被限制，以形成完整视频全息图的小部分，这样的尺寸致使在确定的观察者位置不能看到由更高衍射级引起的该点的多重再现。

传统的电子全息显示器里，全息图被作为物体的傅立叶菲涅耳变换计算。如果使用低分辨率SLM，则导致小物体尺寸。相反地，根据本发明的一实施例，该全息图被作为观察窗口的傅立叶变换计算。如果使用低分辨率SLM，则导致小物体尺寸，但再现的三维场景可以延伸到截锥体的整个空间。本发明的实施例也包括附录III定义的概念和特性。

本发明可以被实施为：

●当与可以应用特征1所述的方法用所述数据计算全息图的装置结合使用时时，作为一种应用全息数据编程的数据载体。

●当携带可以应用特征1所述的方法被一装置处理、用以计算全息图的全息数据时，作为一种数据分布网络。

●一种计算装置，其适于应用特征1所述的方法计算定义视频全息图的数据。

●当显示应用特征1所述的方法计算的全息图时，作为一种显示屏幕。

●一种应用特征1所述的方法计算的全息图的全息再现。

其它的实施特性包括被编码于电视机显示器、多媒体装置、游戏装置、医学图像显示装置、军用信息显示装置里的全息图。该显示器可以是TFT平面屏幕的SLM。

附图简要说明

图1是用于再现视频全息图的装置的俯视概图，表示应用伯克哈特编码时，衍射级的产生和排列；

图2是用于再现视频全息图的装置的俯视概图，表示能通过观察窗口观看的三维场景的单一物点的编码。

图3是用于再现视频全息图的装置的概图，表示编码视频全息图中一部分三维场景的多个物点。

图4表示与图3相同的装置，但有更高的分辨率。

关于视频全息图和用于再现视频全息图的装置的另一方面，在附录II中结合附图进行说明和阐释，其中

图V1是视频全息图和用于再现视频全息图的装置的概图，表示衍射级的产生和观察窗口的位置；

图V2是用于再现视频全息图的装置的概图，表示可以通过观察窗口观看的三维场景；

图V3是用于再现视频全息图的装置的概图，表示视频全息图中一部分的三维场景的编码；

图V4是表示根据衍射级在观察平面分布光强的图表；及

图V5是用于再现视频全息图的装置的概图，表示为防止串扰用于观察者双眼的观察窗口关于衍射级的位置。

发明的详细说明

一种用于再现视频全息图的装置，包含SLM(本例中是全息阵列HA)，完全相干光源LS和光学聚焦系统F。该光源可用虚拟的照明装置来实现，如LED阵列或线型背光源，其由可控光闸装置局部控制并对准，以形成点阵列或线光源。全息阵列本身由排列成规则图样的像素组成；每个像素包含许多被照射的和透射的开口(子像素)。各子像素的开口是独立可寻址的，且相位和/或幅度可控，以通过表示视频全息图次序的全息复值数目来影响将被编码的透过的照射光。

在观察平面OP中，在一个周期间隔内至少形成一个观察窗口OW，作为视频全息图的直接或逆傅立叶变换。观察窗口OW允许观察者一只眼睛OE观看三维场景的再现3D-S。观察窗口OW的最大范围对应于傅立叶反变换的观察平面OP里的周期间隔，该观察平面OP与光源LS的成像平面完全一样。

在本发明的优选实施例中，在透射的SLM、HA中编码关于三维场景的信息。被照射的像素排列包含多个开口(彩色显示的子像素)。照射光幅度和相位的空间控制由编码的像素图样完成。但是，本发明的基本思想不局限于所描述的SLM。半透射半反射型和反射型的阵列或直接调制光波相位的阵列，诸如弗雷德里克兹(Freedericksz)像素，都可以使用。

图1

图1表示通过聚焦装置F照射SLM的光源LS、阵列HA。本发明实施例的最佳模式中，线型光源形成光源LS，聚焦装置F是垂直放置的圆柱透镜，其将光源LS的相干光成像于观察平面OP内。

图1表示使用公知的伯克哈特编码的装置。观察平面OP对应于具有衍射级的视频全息图逆变换的傅立叶平面。

光源LS通过表示傅立叶变换透镜的聚焦装置F在观察平面OP里成像。以视频全息图编码的SLM，HA在将观察平面OP里的全息图作为傅立叶反变换再现。SLM HA的周期开口在观察平面OP里生成等距交错的衍射级，其中发生例如通过所谓的迂回相位效应的方式将全息图编码为更高衍射级。因为光强对于更高衍射级减弱，所以1^st或一1^st衍射级被用作观察窗口OW，如图2所示。在此选择再现的尺寸，以对应于观察平面OP里的1^st衍射级的周期间隔的大小。结果是，更高的衍射级被定位在一起，而不形成间距，也没有交叠。

图2

如图2所示，在观察平面OP上选择的1^st衍射级是视频全息图的再现。其不是再现物体本身，而是观察窗口OW上由与再现物体位于相同位置上的真实物体生成的的波阵面。因而，视频全息图再现(即，不是物体再现)不表示真实的三维场景3D-S。其只作为通过其能够观察三维场景3D-S重现的观察窗口OW。该场景位于在SLM和观察窗口OW之间延伸的再现截锥体RF里边。该场景3D-S被实施为视频全息图的菲涅耳变换，而观察窗口OW是傅立叶变换的一部分。图2表示3D场景的单一物点P的SLMHA全息编码。在传统的全息再现里，1^st衍射级本身可以构成物体再现。再现物体在傅立叶平面上。图2实施例中，观察平面与傅立叶平面一致。

图2表示对应的全息编码。三维场景由离散的点组成，如点P1至P3(见图3)。以观察窗口OW为底边、场景3D-S中选择的点P为顶点的锥体PY，从该点延伸且投射到SLM HA。在视频全息图里建立投影区域A1，该点在该投影区域A1里被单独全息编码。点P到全息图的像素之间的距离可被确定，以计算相位值。该再现3D-S比观察窗口大。观察窗口OW的尺寸由周期间隔限定。在传统的全息再现里，周期间隔限制再现物体的尺寸；这点没有应用到本实施中。结果，与可能使用具有相同像素间距的传统全息方法相比，该实施例允许生成大得多的再现物体。再现物体可以在再现截锥体RF里的任意位置出现。

如果点P在整个全息图中被编码，则该再现将超出周期间隔。来自相邻衍射级的可视区域就会交叠，其将导致观察者看到物点P的周期延拓。编码表面的轮廓将因多重交叠而变得模糊。

图3

图3表示具有物点P1至P3的三维场景3D-S的编码。如图所示，各物点P1至P3只在SLM HA对应的限定编码区域里被单独编码。这些区域由A1到A3的参考数字所定义。物点P1到P2的位置的深度信息不同。因此，在SLM上编码区域A1和A2交叠。

图4

图4更详细表示图3的情况。

光源LS在观察平面OP上成像。透镜F或透镜阵列使光源LS成像。与菲涅耳全息图相比，傅立叶全息图具有将非衍射光聚焦于观察平面OP上的小点的优势。如果这些点在观察窗口外面，则非衍射光不会作为干扰背景而被看到。

在相干光源的情况下，成像光源的尺寸由透镜的衍射和像差所限制，且相对于人眼分辨率来说通常非常小。如果使用诸如LED或LED阵列的空间相干光源，成像光源的尺寸还由光源的光阑和透镜的放大率所确定。

本发明的优选实施例中，使用光源阵列和透镜阵列，所有光源的成像必须一致。根据简单的几何构造，这表示光源阵列的间距必须比透镜阵列的间距稍大。如果光源和透镜被适当对准，则在观察平面OP上可看到衍射图样，其看起来就像是使用单一光源和单一透镜所形成的衍射图样。

可以有附加的使光分布成形的光学元件，以使光分布均匀或增加观察平面的强度。这些可以是扩散片或透镜。

为了建立纯全息，通过相对于透镜(阵列)改变光源来完成对观察者的跟踪。这可以通过机械改变光源或透镜(阵列)或者通过电子改变LCD面板光闸的光阑来完成。也可以通过可设置的衍射光学元件或扫描镜来完成跟踪。

如果将垂直方向上的全息物体再现和水平方向上的自动立体图像分离结合起来，则水平方向上的跟踪还可以通过水平改变SLM上的VPO全息图来完成。

下面是附加附录：

附录I：本发明另一实施例的详细说明

附录II：理论背景；优选实施例的详细情况和增补。

附录III：WO 2004/044659及增补的主要概念的摘要，其内容引用于此作为参考。

附录I：

有关用于计算计算机生成的视频全息图的方法和装置的另一实施例

附录I：实施例的背景

本实施例涉及计算计算机生成的全息图(CGH)，特别是实时或近实时全息图，例如由各个可控全息图单元组成、每个单元都显示复值数据的视频全息图的方法和装置。除静态全息图外，实时视频全息图特别引人注目。电子全息技术的目的是实现实时CGH。电子全息显示器实际上是在空间中调制照明光的带有可控像素再现物点的空间光调制器(SLM)。在本说明书中，我们将实时全息图称为视频全息图。对于所属技术领域的技术人员来说，视频全息图还涵盖光寻址SLM、声光调制器(AOM)或其他不展示分开设置的单元的类似物。

与利用摄影术或以干涉图的形式利用其他合适方法存储的典型的全息图相对比，视频全息图作为三维场景的序列中得到的离散全息图数据计算结果存在。计算过程中，例如通过电子装置，如计算机、图像处理器、图像适配器或其他硬件元件的电存储介质存储中间数据。3D场景数据可以以任何方式产生，例如干涉图或2D数据的3D转换。

附录I：背景概念

空间光调制器(SLM)是用于空间上控制复值数据的装置，也就是光的每个色彩分量的振幅的大小和相位。通过空间或时间的多路复用对色彩编码。SLM可以包括可控全息单元，每一个都由全息数据的离散值集单独寻址并控制。SLM也可以是连续的，不包括离散单元。为了在以单元为基础的SLM中通过空间复用得到色彩编码，单元中的每个像素都可以包含色彩子像素，每个子像素显示三个或更多原色中的一个。根据使用的视频全息图编码的种类，子像素还可以用于编码各原色。例如，迂回相位编码，与公知的伯克哈特(Burckhardt)编码类似，需要为每个色彩分量安排三个子像素。考虑三个色彩分量，对于一个全息单元色彩(也就是三原色)来说，子像素的数目总计为九个；上述三原色的每一个都有三个子像素，总和为九个。相反，同样公知的李(Lee)编码需要四个子像素；对于全息单元中每种色彩来说，一个二相位编码需要两个子像素。

每个全息单元都由一个全息数据的离散集编码，至少包括给定色彩分量的振幅和相位信息；上述数据可以是0，或者具有标准值，或者可以任意选择。根据驱动SLM的配置，持续更新视频全息图的全息数据。由于整个全息图由数千单元构成，所以有数千全息数据的离散集。

全息数据集包括将单一视频全息图编码为时间序列的一部分的所有必要信息，以便再现三维场景。

专用驱动器利用离散全息数据集提供用于控制SLM的对应子像素的特定控制信号。驱动器和控制信号的提供对于所用的SLM的类型而言是特定的，不是本发明的目的。多种类似于透射式或反射式液晶显示器的SLM、微型光学和微机电系统或持续光学寻址的SLM和声光调制器可以结合本实施例使用。

调制光从全息图中发射出来，振幅和相位经适当控制，通过自由空间以光波阵面的形式传播至观察者，以便再现三维场景。通过在视觉空间中产生干涉，利用全息数据集编码SLM将显示器发出的波场再现为所需的三维场景。

本发明通过计算给定波长的振幅和/或相位，为每个全息单元在需要的波调制下提供实时或近实时控制数据。

附录I：实施例的内容

下面的索引涉及图V1 to V5。

本实施例的目的是提供一种加速计算机生成的视频全息图的计算的方法，上述视频全息图使得再现三维场景的同时保持空间分辨率和再现质量。本实施例可以使给定的视频全息图和转换装置实现交互式实时或近实时再现。另一目的是提供一种能生成计算机生成的大型全息再现的方法；其可以与全息图本身一样大或比全息图大。

通过计算计算机生成视频全息图的方法达到上述目的，其中在三维场景中定义物体的物数据被安排在多个虚拟截面图层中，每一图层定义一个二维物数据集，这样可以根据一些或所有上述二维物数据集计算视频全息数据集；包含以下步骤：

(a)第一变换中，将每个虚拟截面图层的二维物数据集变换为二维波场分布，为距离视频全息图层一有限距离的参考图层中的虚拟观察窗口计算波场分布，

(b)将为虚拟观察窗口、为截面图层的所有二维物数据集计算的二维波场分布相加，确定集合观察窗口数据集；

(c)第二变换中，集合观察窗口数据集从参考图层变换到视频全息图层，为计算机生成的视频全息图生成视频全息数据集。

定义三维场景的物数据可以是定义二维场景的数据，但包括额外的、用于将二维图像或视频数据转换为三维数据的深度信息。术语“三维”包括其范围内的“二维”。深度信息可以对所有物数据集都相同。因此，根据输入和用户希望显示什么，生成全息图的装置可以从三维模式转换为二维模式。

●术语“图层”应当广义地解释为覆盖任何实质上可定义的、可以说明构成被再现的场景的点的结构。因此其包括任意虚拟平行表面组和可以空间定义上述点的任意算法。但是，虚拟平面截面在计算上是处理起来最有效率的图层的形式。

●术语“平面”应当广义地解释为包括非平面的表面。参考图层可以与全息图的傅立叶平面(与照明光源的图像平面相同)重合；但是其具有公差度，与傅立叶平面足够近的观察者可以用眼睛看到合适的再现场景。像素数增加时公差度增加。

●一种实施方式中，第一变换为菲涅耳(Fresnel)变换，第二变换为傅立叶变换。术语“变换”应当广义地解释为包括与变换相同或近似的数学和计算机技术。通常的数学意义上的变换只是近似于由麦克斯韦(Maxwellian)波传播方程精确说明的物理过程；例如菲涅耳变换(或公知的作为菲涅耳变换的特殊形式的傅立叶变换)为二阶近似，但优点很多：因为上述变换是与微分相对的代数形式，可以用计算上有效率的方式处理。

●为了弥补观察窗口中再现的集合场的误差，可以在观察窗口的分布和全息图层之间发生迭代过程。

为了减小斑点噪声，提高场景中参考图层的亮度或衍射效率以及亮度清晰度，物数据集可以显示合适的相位分布，例如伪随机相位分布。

与公知技术中的解决方法相反，通过执行根据本实施例上述步骤中的前两步，利用衍射公式计算单一集合波场的全息图。由于所有独立波场重叠，上述集合波场包括可达到的精确度内的三维场景的全部光学信息。

本实施例的较佳实施例中，将截面图层的所有物数据集都分配相同总数的离散矩阵点。如果矩阵点的数目与全息图的扫描点的数目一致，则最好利用快速算法进行整个计算过程，使分辨率适应各个图层的处理步骤例如插值或过采样变得多余。用于所有图层的矩阵点的数目从全息显示器中SLM的编码像素数得到。

本实施例结合公开号为WO2004/044659的申请中公开的视频全息显示器的主要优点，是变换全息图层的集合波场的参考数据集之前，可以限制参考图层中观察窗口的面积，使其与SLM光调制器矩阵的面积相比相当小。再现参考图层中的全息图时，观察窗口的范围最大化地对应包括用于再现的光源图像的图层中的周期性间隔。这就产生以下效果，即根据本实施例的计算机生成视频全息图与其他解决方法相比仅需要实现较低的衍射角度，如果用于参考图层和全息图层的数据集的矩阵点值数相同，更是如此。由于对光调制器矩阵的振幅数的计算，极大地减小了对处理速度的要求。具体地说，由于这个优点，结合公知的追踪当前观察者位置的位置探测和追踪装置，可以极大地缩小观察窗口的尺寸。此外，如之前提到的公开号为WO 2004/044659的申请，需要在要再现的场景中的每一点上执行计算密集型操作。利用本实施例，不再需要对每一物点执行计算密集型操作，而是对整个截面图层执行第一变换(从每个截面图层到观察者眼睛所在的参考面的虚拟观察窗口)，而不是图层中的每一个独立物点。由于这是单一操作，所以从虚拟观察窗口逆变换到全息图层的第二变换变得更加有效，不过要对所有物点编码信息。

本实施例的另一实施例中，截面图层的每个物数据集都以虚拟区域的大小为基础，上述虚拟区域的大小取决于它到参考图层的距离。从各个观察窗口边缘到视频全息图的SLM边缘之间出现的假想表面产生了截面图层范围。由于每个数据集中的矩阵点值数相同，分配给各个矩阵点的区域与参考图层成比例地发生改变。将原物数据分配给截面图层的物数据集也称为切分，其导致场景的离散物点值被分配给各个截面图层中说明矩阵点的二维坐标系统的各个矩阵点。根据与截面图层相关的物点的局部位置，原物信息因此被分配给与其空间位置最接近的坐标系统的矩阵点。因而截面图层中由距离决定的区域产生以下效果，即说明场景截面图层的由区域决定的物点分辨率越大，截面图层离参考图层就越近。这意味着场景的前景被详细地再现时，背景中同样的场景元素以更低的分辨率再现。但是更远的虚拟截面图层可以为场景中的背景再现更大的观察区域。一方面场景的这种再现更自然地表现了场景的前景和背景元素，另一方面帮助最小化所需的计算量。

在本实施例一较佳实施例中，转换前可以选择或改变虚拟截面图层中各个物数据集的距离值，以使整个或部分再现在全息图层前面或后面出现。这样，可以仅通过软件设置实现在观察者眼前的空间深度中对原本位置的再现，和合成的全息视频图的深度效果有意识的增大或减小。

根据公开号为WO 2004/044659的申请中公开的现有技术编码时，再现的三维场景以光调制器矩阵控制的波场的形式出现在观察者眼前的自由空间中。用于计算的虚拟截面图层还确定了观察窗口前的空间中的再现的位置，并距参考图层有一有限距离。根据光学近场中的主要情况，这使得每个光点、集合波场的全息再现场景都产生光，像球面波一样传播，而将光提供给参考图层中观察窗口的物波阵面。因此参考图层中每个物数据集的变换可以通过足够接近菲涅耳变换的近似值表示。鉴于此，将取决于各个截面图层到参考图层的距离的所有物数据集的所有物点的振幅值乘以菲涅耳相位因数。

菲涅耳相位因数的指数取决于每个原截面图层和参考图层之间的坐标的差的平方以及其他因数。因而需要更多的处理时间和计算能力来执行许多菲涅耳变换。根据本实施例一较佳实施例，通过将难度较大的菲涅耳变换分为单独的步骤弥补上述缺点，故可以用球面波因数相乘的形式，借助快速傅立叶变换(FFT)结合进一步处理步骤执行上述步骤。上述方法的优点还有可以使用例如球形和/或全息适配器的电子硬件计算视频全息图。上述硬件包括至少一个专用的图形处理器，其带有公知的用于切分和其他视频处理步骤、例如图像绘制的模块，以及至少一个借助快速傅立叶变换程序执行菲涅耳变换的特定处理器模块。上述带有必要的FFT程序的数字信号处理器(DSP)形式的处理器可以使用公知方法低成本制造。常用的图像处理器的优点是利用所谓阴影算法，使得截面图层中的数据通过例如傅立叶变换的操作，变换到截面图层。

为了简化波场的计算，修改说明原截面图层和参考图层之间的光传播的变换，使其包含快速傅立叶变换(FFT)和说明球面波的两个相位因数的乘法。第一相位因数取决于原截面图层的坐标和原截面图层与参考图层间的距离。第二相位因数取决于参考图层的坐标和原截面图层与参考图层间的距离。根据光系统中的光准直，可以将上述相位因数的一个或两个设置为恒定值。

因而，将截面图层分布变换到参考图层的程序可以分为三步：

1.将每个物点的振幅与第一相位因数相乘。

2.为了将每个物点的复光振幅从原截面图层变换到参考图层物，将这样生成的乘积用于第一快速傅立叶变换。

3.将这样生成的变换乘以第二相位因数。

为了生成用于场景中的集合视频全息图的全息数据集，还可以通过由菲涅耳变换说明的光波传播的变换表示参考数据集到全息图层的变换。为了能够执行以上步骤，根据上述说明的步骤执行变换，但在变换之前，通过复数的相加叠加参考图层中用于所有截面图层的参考数据。对于上述菲涅耳变换，还可以根据光学系统中的光准直将相位因数中的一个或两个设置为恒定值。

本实施例一个特别的优点在于用于集合波场的参考数据集通过将所有截面图层的计算参考数据集相加生成。在全息图层变换后，上述集合波场用作视频全息图的基础，这是由于它包括全部三维场景的信息。这使得所有截面图层的二维图像同时再现，因而3D场景也如此。

当希望减小视频全息图中因编码过程或技术限制产生的普遍误差时，另一优点便显现出来。可以利用反复的过程减小视频全息图的再现误差。在公知技术中，再现三维场景的物数据必须与原三维物场景相比较。发生包含许多在再现的三维物场景与全息图层之间的变换的复杂迭代过程，直到达到需要的再现质量。我们的方法的优势为可以得到更简化的迭代过程。因为参考数据集包括全部物信息，迭代过程包含全息图层与仅为二维的参考图层之间的变换。

利用目前的图像绘制技术，不用上述校正过程则不可能进行高质量的再现。

最好利用带切分装置的数字信号处理装置计算视频全息图，其将物信息分配给平行的虚拟截面图层的矩阵点，上述物信息包括用于实际或虚拟三维场景中光振幅的空间分布的离散物值，这样对于每个截面图层都定义一个带有断图层场景截面图层的离散矩阵点中的物点的独立物数据集。从上述物数据集计算视频全息图的全息数据集。根据本实施例，信号处理装置还包含：

第一变换装置，其用于从每个物数据集中为位于有限距离处的参考图层计算独立的二维分布，以及逐层缓冲变换的物数据集的缓存装置，

加法装置，其用于将变换物数据集相加，以生成参考数据集中的集合波场表达式，以及

第二变换装置，其用于变换距参考图层有限距离并与参考图层平行的全息图层中的参考(集合)数据集，为场景的集合视频全息图生成全息数据集。

数字信号处理装置包含至少一个用于执行菲涅耳变换的独立进行变换的装置，上述变换装置包括：

●第一乘法装置，其用于将原数据集的矩阵点值的振幅值与说明球面波的第一相位因数相乘，上述因数的指数取决于各个原图层(L_m或RL)中的坐标的平方和到目标图层(RL或HL)的距离(D_m)，

●快速傅立叶变换装置，其用于将第一乘法装置得到的乘积从原截面图层变换到物图层，以及

●第二乘法装置，其用于将该变换与说明球面波的另一相位因数相乘，上述因数的指数取决于物图层中的坐标的平方和物图层与原图层间的距离。

如上所述，根据光系统中的光准直，可以将上述相位因数的一个或两个设为恒定值。

数字信号处理装置可以是多路处理器，其具有多个独立工作的、同步执行的变换程序(TR1，TR2)的子处理器。为了能够同时执行至少一定数目的变换，需要依靠三维场景的内容将计算所需的变换动态分配给可用的变换程序的资源管理器。参考图层中变换的数据集在缓存装置中缓冲。

这样，根据场景内容，数据集可以在不同的时间点激活，如果在某些截面图层中场景移动中没有发生改变甚至可以多次使用。

为了执行快速傅立叶变换，向虚拟截面图层的物数据集分配N个离散物点值，上述数字N是2的n次幂。

附录I：附图的简要说明

图V1表示(不按比例)用于再现三维场景的安排和计算视频全息图所需的参考图层。

图V2是表示根据本实施例的用于计算视频全息图的信号处理装置的示意图。

图V3与图V1类似，说明根据本实施例的计算的主要步骤。

图V4说明变换装置的功能性原理。

图V5说明校正计算机生成的全息图的矩阵点值的子步骤。

附录I：实施例的详细说明

下面的索引涉及图V1到V5。

利用全息处理器计算视频全息图是以真实或虚拟三维场景中的原物信息为基础，该信息包括RGB或RGB兼容格式中光振幅的空间分布值。上述值可以是公知文件格式并可由全息处理器从数据存储器中调用。上述物信息例如在用于三维场景中各离散物点的物点文件格式为BMP的情况下，包括用于各个二维坐标的一组复合彩色物点数据R_o、G_o、B_o。数据存储器MEM还提供三维场景的深度信息z_o。每点的深度信息z_o点与其是否在第一视频图像文件中给出或是否由处理器根据至少一个包含附加信息的第二文件计算不相关。

为了容易地理解复杂的过程，以下说明书忽略三个空间坐标之一(在此为y坐标)。将场景中的物点分配到M个截面图层L₁...L_M的矩阵点P₁₁...P_MN中，产生具有N个矩阵点值的物数据集OS₁...OS_M。所有的数据集都包括同样数目N的矩阵点值。上述数值N由可以表示N1个复数值的光调制器矩阵的像素数N1决定。如果用快速傅立叶变换算法计算傅立叶变换，N简化为2的幂，也就是N＝2ⁿ，其中n为整数且N≤N1。例如对于具有N1＝1280个像素的显示器，每个数据集都包括N＝1024个矩阵点值。但是可以使用其他不需要2ⁿ输入值的傅立叶变换算法，因此可以使用整个显示器的分辨率N1。

结合图V2所示，图V1表示较佳实施例，说明如何通过图V2所示的切分工具将场景分为计算用的M个虚拟截面图层L₁...L_M。切分工具以公知的方式分析存储在数据存储器MEM中的原物体信息的深度信息z，为场景中的每个物点分配一个矩阵点P_mn，并根据矩阵点值输入对应于截面图层L_m的物数据集OS_m中。对于复数，0≤m≤M且1≤n≤N，其中N是每图层的矩阵点P的数目和数据集中的矩阵点值的数目。一方面，不考虑该场景是否实际存在，随意定义截面图层L₁...L_M以确定场景中的离散物数据集。另一方面，同样的截面图层L₁...L_M目的在于定义关于视频全息图的再现场景3D-S的空间位置。因而图V1和图V2表示了关于视频全息图的本地定义的场景3D-S所需的再现。为了能够进行计算，必须进一步地定义：每个截面图层L_m与参考图层RL的距离都为D_m，参考图层具有位于观察者眼睛E_L/E_R附近的观察窗口OW。视频全息图位于与参考图层的距离为D_H的全息图层HL中。

如图V2所示，通过执行以下步骤继续全息图矩阵的计算：

●如果场景在那里存在，变换参考图层RL中截面图层L1...L_M的物数据集OS₁...OS_M，将产生每个截面图层Lm的物点复振幅A₁₁...A_MN的波场确定作为对参考图层RL中集合波场的贡献。

●再现场景时，将有

向量的变换物数据集DS₁...DS_M相加，以形成定义将出现在观察窗口OW中的集合波场的参考数据集RS。

●参考数据集RS由参考图层RL逆变换，以形成位于距离D_H的全息图层HL中的全息数据集HS，以便为编码视频全息图取得矩阵点值H₁...H_n...H_N。

用于视频全息图的N个像素值源于全息数据集的典型复数值获得。视频全息图中，上述值代表场景再现期间用于调制光的振幅值和波相位。

以上说明了如何为观察窗口OW中的观察者再现3D-S。为了能够以真实的三维方式感受三维场景，使物看起来好像真的一样，各个观察窗口中都需要有对每只眼睛都不同的全息图。

以相同的方式，但改变矩阵点值，计算用于第二观察窗口的全息图矩阵。改变由观测者两眼相对场景3D-S的不同位置产生。通过配置的同时进行FFT程序的多通道数字信号处理器，可以同时而又互相完全独立地计算两个全息矩阵。为了减小所需的计算量，可以共同使用内容上差别很小或没有差别的物数据集的计算结果。这可以用于显示图画背景的截面图层。两眼由偏移量很小的方向看到同一场景。

根据本实施例的一个具体特性，数字信号处理装置包括物数据集管理器，该物数据集管理器比较相应物数据集的内容，可选择地仅将两个同样的物数据集中的一个分配到两个信号处理器通道中的一个做变换，从而避免多余的处理。

与公知解决方案相反，再现通过从观察窗口OW延伸到光调制矩阵LM的虚构连接面A1和A2确定的平截锥体形的空间中的虚拟观察窗观察。3D-S再现可以出现在视频全息层HL的前面、之中或后面，或与该图层交叉。

如果观察窗口覆盖眼睛的横向尺寸，则其尺寸足够，在特殊情况下，其甚至可以减小为瞳孔尺寸。假设一个1×1cm²的观察窗口位于与全息图层1m的距离上，与具有经典编码方法的光调制矩阵相比，计算机生成视频全息图所需的像素数减小2500到10000倍。

图V3表示执行计算所需的变换所选的图层的位置。仅显示第一虚拟截面图层L₁和另一图层L_m。但是，始终需要所有波场的贡献以计算参考图层RL中的截面图层L₁...L_M的波场。为了节约计算量，处理移动的三维场景时，可以缓存并为后来的视频全息图重新使用每个变换数据集DS₁...DS_M，直到内容发生变换。

图V4详细表示如何变换与参考图层RL的距离为D_m的截面图层L_m的物数据集OS_m的振幅值A_m1...A_mn...A_mN。为了方便理解该复合的过程，图中仅表示了一维变换。方程(1)表示菲涅耳(Fresnel)变换的核心。

(1) $e^{j\frac{k}{2D_m}{(\mathrm{xm}-\mathrm{xo})}^2}=e^{j\frac{k}{2D_m}{x_m}^2}*e^{-j\frac{k}{D_m}{x}_m{x}_0}*e^{j\frac{k}{2D_m}{x_0}^2}$

其中，项

$e^{-j\frac{k}{D_m}{x}_m{x}_0}$

表示从坐标x₀的图层中的坐标x_m的图层、也就是与参考图层距离为D_m的图层进行傅立叶变换的核心。

如上所述，依靠光系统中的光准直，上述二次相位因数中的一个或两个可以为1。

方程(2)

(2) $A_{\mathrm{mn}}\→A_{\mathrm{mn}}*{F1}_{\mathrm{mn}}=A_{\mathrm{mn}}{e}^{j\frac{k}{2\mathrm{Dm}}{x_{\mathrm{mn}}}^2}$

定义振幅A_mn为矩阵点值乘以图层L_m中对应的相位因数F1_mn。

最后，方程(3)表示(2)中傅立叶变换的结果和仅取决于参考图层中观察窗口OW坐标x₀和各个截面图层到参考图层的距离的相位因数相乘。其定义了参考图层中观察窗口的矩阵点的复振幅。

(3) ${\tilde{A}}_{\mathrm{mn}}={\tilde{A}}_{\mathrm{mn}}^{\′}{e}^{j\frac{k}{2D_m}{x_0}^2}$

上述解决方案可以加速计算过程，以使专用数字信号处理器电路以实时非闪烁再现的方式，计算用于两眼观看的移动场景的视频全息图序列。为了弥补观察窗口OW中再现集合场的误差，本实施例的较佳实施例中，可以利用图V5所示的迭代过程在观察窗口OW的分布与全息图层HL之间进行计算。

附录I：本实施例的特征

下面的索引涉及图V1到V5。

1.计算计算机生成视频全息图的方法，其中，将三维空间场景中定义物的物数据安排在多个虚拟截面图层(L₁...L_M)，每图层定义一个二维物数据集(OS _m)，从而可以根据一些或所有上述二维物数据集(OS ₁...OS_M)计算视频全息数据集(HS)；包含以下步骤：

(a)第一变换(TR 1)中，将每个虚拟截面图层的二维物数据集(OS n)变换为二维波场分布，为距离视频全息图层(HL)一有限距离(D_M)的参考图层(RL)中的虚拟观察窗口(OW)计算波场分布，

(b)将为虚拟观察窗口(OW)、为截面图层(L₁...L_M)的所有二维物数据集计算的二维波场分布(DS ₁...DS _M)相加，确定集合观察窗口数据集(RS)；

(c)第二变换中(TR 2)，集合观察窗口数据集(RS)从参考图层变换到视频全息图层(HL)，为计算机生成的视频全息图生成视频全息数据集(HS)。

2.根据特征1所述的方法，其中将视频全息数据集(HS)的数据分配给视频全息图中等间距的点，上述这些点组成矩阵。

3.根据特征1所述的方法，其中截面图层(L₁...L_M)、全息图层(HL)、参考图层(RL)和虚拟观察窗口(OW)均为平面。

4.根据上述任一项特征所述的方法，其中全息图层(HL)、截面图层和虚拟观察窗口互相平行。

5.根据上述任一项特征所述的方法，其中观察者的至少一只眼睛位于虚拟观察窗口附近，通过虚拟观察窗口(OW)看到再现的场景。

6.根据上述任一项特征所述的方法，其中有两个或更多个虚拟观察窗口(OW)。

7.根据特征1所述的方法，其中将物数据(R₁，G₁，B₁，z₁...R_P，B_P，B_P，z_P)分配给物数据集(OS₁...OS_M)，其全部包含的值的数目(N)和矩阵结构与集合观察窗口数据集(RS)和全息数据集(HS)相同，其中所有用于数据集(OS₁...OS_M，RS，HS)的值的数目和结构源于用作编码视频全息图的像素数目。

8.根据特征2所述的方法，其中，上述二维物数据集(OS₁...OS_M)和集合观察窗口数据集(RS)的矩阵结构与视频全息数据集(HS)相同。

9.根据上述任一项特征所述的方法，其中，参考图层中的虚拟观察窗口(OW)设置成小于或等于参考图层中周期性间隔的大小，并完全位于一个周期性间隔中。

10.根据上述任一项特征所述的方法，其中，参考图层与全息图的傅立叶平面重合。

11.根据特征1所述的方法，其中，每个数据集(OS_m)都以对应的截面图层(L_m)的面积为基础，其取决于其到参考图层(RL)的距离(D_m)。

12.根据特征11所述的方法，其中，通过与连接虚拟观察窗口(OW)边缘和视频全息图边缘的假想表面(A1，A2)交叉确定上述每个截面图层的面积。

13.根据特征1所述的方法，其中设置与虚拟参考图层(RL)有距离(D1...D_m)的截面图层(L_m)，使全部再现场景(3D-S)或其一部分出现在全息图层(HL)的前面和/或后面。

14.根据特征1所述的方法，其中第一变换为菲涅耳变换，其包含以下子步骤：

(a)将原截面图层(L_m)的每个物点的振幅值A_mn与说明球面波的第一相位因数(F1_mn)相乘，上述因数的指数取决于原截面图层(L_m)的坐标(x_m，y_m)的平方，和原截面图层(L_m)与参考图层(RL)之间的距离(D_m)，

(b)借助第一快速傅立叶变换(FFT)，将原截面图层(L_m)中每个物点(A_m1...A_mN)计算的乘积从原截面图层(L_m)变换到参考图层(RL)，

(c)将计算得到的变换

与说明球面波的第二相位因数(F2_mn)相乘，上述因数的指数取决于参考图层(RL)的坐标(x，y)的平方，以及参考图层到原截面图层(L_m)的距离(D_m)。

15.根据特征1所述的方法，其中第二变换也是菲涅耳变换，其包含以下子步骤：

(a)将参考数据集(RS)的每个复振幅值

与说明球面波的第三相位因数(F3_n)相乘，上述因数的指数取决于参考图层(RL)的坐标(x₀，y₀)的平方，和参考图层(RL)与全息图层(HL)之间的距离(D_m)，

(b)借助第二快速傅立叶变换(FFT)，将复振幅值

计算的乘积从参考图层(RL)变换到全息图层(HL)，

(c)将计算得到的变换(H’₁...H’_N)与说明球面波的第四相位因数(F4_n)相乘，上述因数的指数取决于全息图层(HL)的坐标(x，y)的平方，以及全息图层(HL)和参考图层(RL)间的距离(D_H)，为用于编码的全息数据集(HS)取得需要的全息值(H₁...H_N)。

16.根据特征14或特征15所述的方法，其中，可以将说明球面波的相位因数(F1_mn，F2_mn)中的一个或两个设置为恒定值。

17.根据特征1所述的方法，其中第一和/或第二变换为傅立叶变换。

18.根据特征1所述的方法，其中包含以下通过迭代的方式校正计算机生成的视频全息图的点值的子步骤：

(a)将来自原三维场景的观察窗口数据集(RS)定义为用于第一变换的目标函数，

(b)将目标函数的原复振幅值

逆变换到全息图层(HL)，以得到全息数据集(HS)的矩阵点值(H₁...H_N)，

(c)为光调制器矩阵(LM)推导出全息数据集(HS)参数(Paramn)，

(d)将推导出的参数(Paramn)变换到参考图层(RL)，以在虚拟观察窗口(OW)中得到更新的复振幅值 的分布，

(e)对更新的复振幅值

的分布和目标函数原始值

形成差分(Δ)，

(f)将上述差分(Δ)逆变换为全息图层(HL)中的不同点值分布(ΔH₁...ΔH_N)，

(g)从视频全息数据集(HS)中减去上述分布(ΔH)并校正全息数据集，

(h)重复步骤(c)到(g)，

(i)到达逼近精度时，结束上述迭代过程。

19.根据上述任一项特征所述的方法，其中对所有物数据集而言，深度信息相同。

20.根据特征19所述的方法，其中生成全息图的装置可以根据输入和/或用户选择的模式，从三维模式转换为二维模式。

21.具有数字切分装置的用于计算计算机生成视频全息图的数字信号处理装置，其将三维场景中定义物体的物数据分配给多个虚拟截面图层(L₁...L_M)，每个截面图层定义一个独立的物数据集(OS _m)，从而可以从一些或所有上述物数据集计算视频全息图的视频全息数据集(HS)，包含：

(a)第一变换装置(TR1)，其用于从每个物数据集(OS_m)中为位于一有限距离(D_M)的参考图层(RL)中的虚拟观察窗口计算二维波场分布，以及缓冲变换的物数据集的缓存装置，

(b)加法装置，其用于将所有截面图层的变换物数据相加，以生成集合观察窗口数据集(RS)的波场表达式，以及

(c)第二变换装置(TR2)，其用于将观察窗口数据集(RS)变换到位于参考图层有限距离并与参考图层(RL)平行的全息图层(HL)，为集合视频全息图生成全息数据集(HS)。

22.根据特征21所述的装置，其中，包含至少一个执行变换的独立工作的变换装置(TR1，TR2)，上述装置包括：

(a)将原物数据集(OS_m)的值的振幅值

与说明球面波的第一相位因数(F1_mn/F3_n)相乘的第一乘法装置(M1)，上述因数的指数取决于各个原始图层(L_m或RL)的坐标(x_m，y_m)的平方，和到物图层(RL或HL)之间的距离(D_m)，

(b)快速傅立叶变换装置(FFT)，其用于将第一乘法装置(M1)得到的乘积从原始图层(L_m/RL)变换到物图层(RL/HL)，以及

(c)将上述变换与说明球面波的另一相位因数(F2_mn/F4_n)相乘的第二乘法装置(M2)，上述因数的指数取决于物图层中的坐标的平方，以及物图层与原始图层间的距离。

23.根据特征22所述的装置，其中，对于快速傅立叶变换的执行，所有数据集的离散矩阵点数都是数目(N)，上述数目(N)是2的n次幂。

24.根据特征21所述的装置，其中，包括多通道数字信号处理器(DSP)，其用于独立并同步地执行频繁重新出现的计算程序。

25.根据特征21所述的装置，其中包括多个独立工作的、包含同步执行的变换程序(TR1，TR2)的子处理器，以及根据三维物体的内容将计算所需的变换动态分配给可用的变换程序的资源管理器，以便能够同时执行至少一定数目的变换。

26.根据特征21所述的装置，其中该装置是同时为两眼计算全息数据集(HS_L，HS_R)的多通道处理器。

27.根据特征21所述的装置，其中包括物数据集控制装置，其用于将全息计算中对应物数据集(OS_m)的内容和不同的原始物数据进行比较，以便在两个信号处理器通道中的一个中仅执行一次类似的变换，并共用其他通道中的变换。

28.根据特征21所述的装置，其中可以将说明球状波的一个或所有相位因数(F1_mn/F3_n，F2_mn/F4_n)设为恒定值。

29.根据特征21所述的装置，其中其适于根据输入和/或用户选择的模式，从三维模式转变为二维模式。

附录II

理论背景：优选实施例的详细说明和增补

本部分给出上述实施例的进一步的理论背景。

1.衍射级和观察窗口

衍射图样周期重复的说明

a)SLM上全息图的像素纹理导致观察平面里衍射图样的周期重复。观察窗口必须在一个周期间隔之内，即观察窗口必须比周期间隔小。SLM的像素间距和SLM上复值全息图的编码方法确定周期间隔的大小和其有多少能被用作观察窗口。

b)标准LCD面板主要调制幅度，且可被用作显示全息图的幅度调制SLM。一种在幅度调制SLM上编码复值全息图数据的方法是基于迂回相位效应的伯克哈特编码。编码一个复值需要一组三个相邻像素。

对于伯克哈特编码，衍射级(-1^st，0^th，1^st，2^nd，3^rd，等衍射级)可以被分为三类：

●0^th、3^rd等衍射级，其包含无物体再现的非衍射光

●1^st、4^th等衍射级，其包含物体的再现

●-1^st、2^nd等衍射级，其包含深度反转物体的再现

再现的物体能在1^st、4^th等衍射级里看到。由于LCD像素的限定光阑，衍射图样的强度对于更高的衍射级减弱。因此最好将观察窗口布置在1^st衍射级里。

单一的衍射级并不周期重复，而将1^st、0^th和-1^st集的衍射级设置在一起时才周期重复。因此，该周期间隔包含1^st、0^th和-1^st衍射级。其大小由

P_{_diffr}＝λ*d/p

给出，d是全息图和观察平面之间的距离，p是像素间距，而λ是波长。

因为物体在1^st衍射级再现而不在0^th或-1^st衍射级再现，所以观察窗口不能覆盖全部的周期间隔而只覆盖1^st衍射级。1^st衍射级的大小是周期间隔P_diffr的1/3。

c)应用复调制SLM，各单一像素可用于编码一个复数。因此，观察平面里的各周期间隔只包含一个衍射级。所以，全部的周期间隔可被用作观察窗口。

如果在傅立叶全息图中使用相位调制SLM，则周期间隔不包含深度反转的物体再现。但是，还有非衍射光。因此，不是全部的周期间隔都可以用作观察窗口，但大部分可以。非衍射光必须从观察窗口中排除。

d)通常，我们可以说观察窗口必须在一个周期间隔之内。各周期间隔不仅包含再现物体，也包含非衍射光、以及在某些情况下的深度反转物体。可被用作观察窗口的部分周期间隔取决于SLM和编码方案。衍射级内观察窗口的尺寸和位置必须被正确确定。必须注意的是在观察窗口里只能看到再现物体，而看不到深度反转的物体或非衍射光。

e)观察窗口尺寸的一般量化说明：

在我们的名词术语里，周期间隔不仅包含在其中能看到再现物体的衍射级，也包含(取决于编码技术)含有非衍射光和深度反转物体的衍射级。周期间隔的范围主要由像素间距确定，也就是说，对于给定的SLM来说像素间距是固定的。这意味着可以通过优化编码技术来扩大观察窗口。

如果需要N个像素来编码一个复数，则观察窗口的最大尺寸是周期间隔的1/N，如：

●幅度调制SLM(主要地)上的伯克哈特编码：

每个复数3个像素＝＞观察窗口的最大尺寸＝周期间隔的1/3

●相位调制SLM(主要地)上的双相位编码：

每个复数2个像素＝＞观察窗口的最大尺寸＝周期间隔的1/2

●相位调制SLM上(主要地)的基诺型(Kinoform)编码：

每个复数1个像素＝＞观察窗口的最大尺寸＝周期间隔

2.观察窗口的尺寸

a)在传统的电子全息显示器中，全息图以物体的傅立叶菲涅耳变换计算。如果使用低分辨率的SLM，这就导致小的物体尺寸。与此相反，在我们的电子全息显示器中，全息图以观察窗口的傅立叶变换计算。

如果使用低分辨率的SLM，这将导致小的观察窗口。

观察窗口仅作为一个观察者通过其能观看再现的3D场景的窗口。如果观察窗口比眼瞳大且眼瞳被完全跟踪，则小的观察窗口没有关系。

b)由SLM和观察窗口确定的截锥体中的多重物体再现的发生可以避免，如果：

●要么适当限制编码区域。这可用几何结构来完成(比较图2和附录III，概念C)。物体以物点被采样。仅在一个小的编码区域中编码各物点的全息图信息，该编码区域的全部尺寸和位置能在图3中看到。编码区域或所有物点的最初/投影全息图在该全息图上叠加。

●与投影全息图的叠加等同的是将物体切分为物平面。该物体受截锥体的限制。各物平面与菲涅耳变换一起传播至所有菲涅耳变换相加的观察窗口上。然后相加的菲涅耳变换被傅立叶变换到全息图平面上。这种方法固有地暗含从观察窗口看不到多重再现。

c)基于该方法创建原型显示器。使用具有69μm像素分辨率的商用20英寸单色LCD面板，可以创建2m远的6mm尺寸的观察窗口。这就形成了对角线为20英寸的电子全息显示器。

3.多个观察窗口的复用

通过将观察窗口减少到比眼瞳稍大的大小，可以显著减少分辨率(以及因而SLM像素的数目)。这意味着一个观察者至少需要两个观察窗口。在各个观察窗口中可以看到适当透视的物体再现。可以使用观察窗口的时间或空间复用。

a)时间复用表示观察窗口是依次生成的。这可通过光源的同步转换和全息图面板(SLM)来实现。因此观察者的眼睛依次受光照。为了避免闪烁，转换率必须足够高，即最好至少25Hz。这要求快速LCD面板，作为大的单色面板这在当前很难得到。

b)空间复用表示同时显示所有的观察窗口。必须注意的是观察窗口在观察平面中是空间分离的，这样就不发生交迭或串扰。可以通过例如交错SLM上的两个或更多的全息图和诸如阻隔掩膜(barrier mask)的光束分光镜来实现。也可以使用其它图像分离/光束分光的光学元件或已知的自动立体显示技术，如棱镜掩膜或透镜掩膜。

4.水平和/或垂直视差

全视差全息图通过在水平和垂直方向上波的相干叠加全息地再现物体。假设有足够大的观察窗口或观察区域，再现的物体有助于像真实的物体一样在水平和垂直方向运动视差。但是，大的观察区域要求SLM在水平和垂直方向上都有高的分辨率。

通常，通过限制为仅水平视差(HPO)的全息图来减少对SLM的要求。仅在水平方向发生全息再现而垂直方向没有全息再现。这导致具有水平运动视差的再现物体。该透视图在垂直方向上不发生变化。HPO全息图比全视差全息图在SLM垂直方向上所需的分辨率低。仅在再现方向、即水平方向上有周期变化。减少了对一维线形全息图的计算工作量。

也可以是仅垂直视差(VPO)的全息图，但不常见。全息再现只发生在垂直方向上。这导致具有垂直运动视差的再现物体。与HPO全息图一样，也通过VPO全息图完成眼睛调节(调节眼睛晶状体的曲率适应物体距离)。在水平方向没有运动视差。用于左眼和右眼的不同透视图必须分别独立创建。这可以通过上述观察窗口的时间或空间复用来实现。

5.彩色全息图

彩色全息图可以用时间或者空间复用来生成。对于时间复用，R、G和B光源与SLM上对应的全息图内容被同步转换。对于空间复用，三个R、G和B全息图在交错的R、G和B像素上显示，且由空间相干的白光源或分离的R、G和B光源进行照射。

6.连续的SLM

作为全息图承载介质的像素化的SLM(如LCD面板)导致再现物体和观察窗口的周期重复。通过使用本说明书中所述的方法，可以避免观察者看到物体的多重再现。因此，我们的方法最好应用于像素化的SLM。

然而，我们的方法也可以应用于连续的SLM，如光寻址空间光调制器(OASLM)。OASLM本身是连续的，且因而对本实施例中为观察者消除多重再现的那些方面不作要求。但是，OASLM通常是应用具有像素结构的电寻址SLM来进行光寻址。这可能会导致OASLM上残余的像素结构，且因此可能在观察窗口里发生物体的周期重复。因而将我们的方法应用于OASLM或其它连续的SLM可能有用。

7.HPO全息图和空间复用的结合

水平排列的观察窗口的空间复用，最好与VPO仅垂直视差全息图结合使用。水平排列的观察窗口需要光束分离元件，其将来自SLM的光束进行水平分光。VPO全息图可以由在水平方向空间相干的水平线光源进行照射。因此，在水平方向，观察窗口仅受用于光束分离的光学元件的限制，该光束分离可以用与用于传统自动立体显示器的相同方式来处理。由于周期间隔和衍射级而造成对的观察窗口的限制，仅加在垂直方向上，而水平线光源是空间相干的。在水平方向上，衍射和光束分离之间没有互相干扰。

原则上，也可以结合HPO全息图和水平排列的观察窗口的空间复用。但是，必须注意是，因为光束分离和衍射，所以在水平方向都有作用。

8.光源的相干

我们必须分清时间和空间相干

a)空间相干涉及光源的横向扩展。激光光源发出的光可视为从点光源(在衍射极限之内并取决于模态纯度)发出的且导致物体的清晰再现，即各物点被作为一个点再现(在衍射极限之内)。来自诸如LED或CCFL的空间非相干光源的光，是横向扩展的且引起再现物体的拖尾效应。拖尾效应的量是由在给定位置的再现物点的加宽尺寸给出。为了使用空间非相干光源来构建全息图，必须通过调节光阑宽度在再现质量和亮度之间进行折衷。越小的光阑导致空间相干的提高并因而降低模糊或拖尾效应的程度。但是越小的光阑导致更低的亮度。术语“部分空间相干”用于描述该光源。

b)时间相干涉及光源的光谱线宽。SLM上的衍射角与波长成比例，这表示只有单色光源才导致物点的清晰再现。加宽的光谱将导致加宽的物点和拖尾的物体再现。激光光源的光谱可视为单色的。LED的光谱线宽极窄(ca.20nm FWHM)，有利于优质的再现。

9.点光源和视差

对于全视差的全息图，必须使用一个或多个点光源与一个单独旋转对称透镜或旋转对称透镜阵列的组合。优选地，对于HPO或VPO的全息图，使用一个或多个线光源与单独柱面透镜或柱面透镜(双凸透镜)阵列的组合。该线光源和透镜必须平行排列。

线光源具有更高亮度的优势，双凸透镜比旋转对称透镜阵列更容易制造。

然而，其它组合也可以用于HPO或VPO：

●点光源和旋转对称透镜/透镜阵列

●点光源和柱面透镜/双凸透镜

●线光源和旋转对称透镜/透镜阵列

10.光源和透镜的组合

光源可以是空间相干光源(如激光)或空间部分完全相干(如具有极小光阑的LED)。

不同类型光源的安排：

-一个点光源

-点光源的1D阵列

-点光源的2D阵列

-一个线光源

-线光源阵列

线光源和阵列的最佳定位将在下面讨论。

不同类型的透镜安排：

-一个大的旋转对称透镜

-旋转对称透镜的1D阵列

-旋转对称透镜的2D阵列

-一个大的柱面透镜

-柱面透镜阵列(双凸透镜)

柱面透镜和透镜阵列的最佳定位将在下面讨论。为了简化，术语“旋转对称透镜”和“柱面透镜”可以指透镜的球面截面和非球面截面。非球面截面可被用于减少球面像差。光源和透镜的最佳组合为：

a)一个点光源和一个旋转对称透镜。

对于小的显示器该组合是最容易的。其最好用于全视差全息图。对于大的、即对角线大于数英寸的显示器，其所需的高强度点光源和大体积的透镜使得该组合不适合。

b)点光源的2D阵列和旋转对称透镜的2D阵列。

该组合最适用于大的全视差全息图。每个点光源对应于一个透镜。每个线光源必须仅照射透镜阵列的一个单独透镜，便于为多个光源分出所需总强度的量。这减小了对每个光源的强度要求。与相同焦距的大的单一透镜相比，透镜阵列也更容易制作且体积更小。

c)垂直排列的线光源阵列和垂直排列的柱面透镜(垂直排列的双凸透镜)阵列。该组合用于HPO全息图。垂直排列的柱面透镜将光聚焦于水平方向生成HPO全息图。在垂直方向没有运动视差。每个线光源对应一个凸透镜。与点光源的2D阵列和透镜的2D阵列相比，双凸透镜的优势是比透镜的2D阵列更容易制作。对线光源的强度要求也比点光源低：光通量被分布为线的形式而不是聚焦于一个小光点。

d)水平排列的线光源阵列和水平排列的柱面透镜(水平排列的双凸透镜)阵列。该组合用于VPO全息图。水平排列的柱面透镜将光聚焦于水平方向，生成VPO全息图。没有附加器件则在水平方向没有运动视差。每个线光源对应于一个凸透镜。该光源和双凸透镜的组合还可以与用于传统自动立体图像分离的光学元件结合。具有垂直方向波相干叠加的VPO全息图不受水平方向的自动立体图像分离的影响，反之亦然。这导致全息的和自动立体的显示的结合。垂直方向的全息再现满足眼调节。自动立体图像分离与空间复用一起为左眼和右眼生成不同的透视图。

11.光源类型

存在不同的生成光源的可能性，如：

a)单一点光源可以是激光二极管或其它类型的激光。如果二极管的光阑特别小，则可以使用LED，以确保完全空间相干。必须添加附加的光阑。

b)点光源阵列可以通过例如以下方式生成：

●单一点光源、如激光，LED阵列

●耦接到光纤束中的单一激光或LED。适当安排光纤束的输出以形成所需的光源阵列。

●由多个激光、LED、CCFL等组成的大区域照射。然后，从这些光源发出的光被光阑阵列定形。该光阑阵列可以是静态或者是可配置的，例如其可以是仅在需要点光源的位置透明的LCD面板(光闸面板)。LCD面板上可配置的光阑最好用于移动光源以跟踪观察者。

c)线光源阵列可以通过例如以下方式生成：

●排列成一条直线的点光源、如激光、LED阵列，

●由1D扩散片、双凸透镜等在一个方向上扩展的点光源阵列。

●由多个激光、LED、CCFL等组成的大区域照射。然后，从这些光源发出的光被条状光阑阵列定形。该光阑阵列可以是静态或者是可配置的，例如其可以是仅在需要线光源的位置透明的LCD面板(光闸面板)。LCD面板上可配置的光阑最好用于移动光源以跟踪观察者。

d)可以使用OLED面板代替大区域照射和LCD面板上的光阑，以生成可配置的点或线光源阵列。OLED面板是具有100μm量级间距的小有机发光二极管的阵列。只有开启合适的OLED像素才能生成所需的点或线光源阵列。

e)其它光源也可以用于生成单一点光源、点光源阵列和线光源阵列，如CCFL、金属蒸气灯(如Hg蒸气灯)。必须应用适当的光阑以确保空间完全相干。

f)由透镜阵列或展示该特性的单一全息图复制单一光源。该输出可以是点或线/柱型的阵列或具有任意定形的波阵面的阵列/线/柱型的扩展光束。例如，可以形成线阵列直接作为全息图的照明。

12.互不相干的光源和子全息图

光源阵列的光源通常互不相干。这表示它们之间没有固定的相位关系。从不同光源发出的波不相干叠加。

对于由光源阵列照射的且通过透镜阵列的全息图，这表示在整个全息图承载介质/SLM上面没有相干再现。而是，全息图被切分为多个属于各自的光源和透镜的子全息图。各个子全息图被相干照射且再现在子全息图上编码的子物体。因为子全息图之间互不相干，所以子物体不相干叠加且不相干。这导致强度而不是幅度的增加，且导致再现物体的强度较低。尽管如此，存在一个由多个子物体组成的再现物体。

互不相干光源的影响对于传统的全息图较小。物点的全息图信息不在全部全息图上而只在小的编码区域内编码。编码区域的典型尺寸是数毫米。这与典型的光源间距的尺寸、并因而与透镜阵列的典型间距大体相同。因此编码区域只由很少而不是很多个互不相干的光源照明。

由许多小编码区域组成全息图、且将光照切分为许多互不相干的光源也有利于使用诸如LED的低相干光源。只在数毫米范围的区域内需要相干，而不是全部的全息图都需要。20英寸全息图的相干照明需要像激光的高相干光源。

13.观察平面中光源的聚焦

傅立叶全息图要求将光源成像到观察平面上。该成像由透镜或透镜阵列完成。与菲涅耳全息图相比，傅立叶全息图具有非衍射光聚焦到观察平面的小光点上的优势。如果这些光点在观察窗口之外，则非衍射光作为干扰背景而不被看到。

在相干光源的情况下，成像光源的尺寸由衍射和透镜的像差所限制，且通常非常小(与人眼的分辨率相比)。在空间非相干光源(如LED)的情况下，成像光源的尺寸还由光源的光阑和透镜的倍率确定。

如果使用光源阵列和透镜阵列，则所有光源的图像必须一致。，这表示光源阵列的间距根据简单的几何结构，必须比透镜阵列的间距稍大。如果光源和透镜适当排列，则在观察平面里看到的衍射图样，看起来就像使用单一光源和单一透镜形成的衍射图样一样。

可以有附加的光学元件，其定形光分布，用以使光分布均匀或在观察平面中增加强度。其可以是扩散片或透镜。

14.跟踪

对于纯全息的建立，对观察者的跟踪通过相对透镜(阵列)移动光源来完成。这可以通过机械移动光源或透镜(阵列)、或通过电子移动LCD面板光闸上的光阑来完成。跟踪也可以通过可配置的衍射光学元件或扫描镜来完成。

如果将垂直方向的全息物体再现和水平方向的自动立体图像分离相结合，则水平方向的跟踪也可以通过水平移动SLM上的VPO全息图来完成。

15.SLM的类型

SLM可以是基于单元的/像素化的或连续的SLM。

基于单元的

●液晶(透射型或反射型的)

●幅度调制

●相位调制

●结合幅度和相位调制

MOEMS(微型光电机械微系统)

●活塞

●其它类型的基于单元的SLM

连续的

●光寻址SLM(OASLM)

●声光调制器(AOM)

●其它类型的连续SLM

16.特性实施例的说明

在一特性实施例里，具有20英寸对角线的单色LCD面板被用作全息图承载介质。像素间距在垂直方向上是69μm，在水平方向上是207μm。该LCD调制光的幅度。

该全息图由水平线光源阵列和具有水平排列的凸透镜的双凸透镜进行照射。水平线光源阵列由受红色高功率的LED照射的LCD光闸面板上的透光狭缝生成的。

该水平线光源是空间垂直相干的。与水平排列的凸透镜一起，有利于VPO傅立叶全息图的再现。因为全息图承载的LCD是幅度调制的，所以使用伯克哈特编码。这意味着编码一个复数需要三个像素。因此相应的间距为3*69μm＝207μm，其导致2m距离的观察窗口的尺寸为6mm。观察窗口集的周期间隔、非衍射光和深度反转图像(1^st，0^th和-1^st级)由69μm的像素间距确定，在2m距离为18mm。观察窗口只比眼瞳稍大，因此要求密切跟踪眼瞳。这由探测眼睛位置的眼探测器来实现。这些数据用于控制LCD光闸面板上线光源的垂直位置和间距。

应用现在为止所说明的技术，各只眼睛将看到相同透视图的全息图，因为该全息图是VPO。因此增加自动立体图像分离。在全息图承载LCD和观察者之间设置垂直排列的双凸透镜。两个全息图(一个用于左眼的且另一个用于右眼的透视图)在全息图承载LCD上交错，如左眼的透视图在偶数列上而右眼的透视图在奇数列上。因此左眼只看到是含有左眼透视图的再现，而右眼是含有右眼透视图的再现。通过水平移动全息图承载LCD上的全息图内容来水平跟踪观察者。

因此提供3D景观所有需要的信息。VPO全息图导致眼调节而自动立体图像分离提供视差信息。也可以用时间复用替换空间复用。但是其要求足够快的显示器，而其至今在仍达不到期望的尺寸和分辨率。

附录III

下面的附录III从WO 2004/044659及其增补里摘录主要的概念，其内容引用于此作为参考。

解释要点：

术语“计算机”或“计算装置”表示任何能够计算的装置或组件；其包括ASIC、主CPU、DSP等。

光源表示任何照明光源，因此包括分离光源阵列。

概念A  成像平面上的观察窗口

用于视频全息术的显示装置，其中该装置能够使要观看的物体全息再现；该装置包括光源和光学系统以照明全息图承载介质；

其中，该装置可操作，以使观察者眼睛位于接近光源的成像平面时，可以看到重现。

附加特性：

●该再现是全息图的菲涅耳变换。

●该装置可操作，以使在必须放置观察者眼睛的观察平面上生成全息图的直接或逆傅立叶变换。

●全息再现可以出现在由全息图和成像平面上形成的虚拟观察窗口所确定的体积的任何位置上，通过该虚拟观察窗口观察者可以观看该再现。

●具有分离的观察窗口，每只眼睛一个。

●观察窗口大约为1cm×1cm。

●跟踪观察者眼睛的位置，且该装置可以改变虚拟观察窗口的位置，这样即使移动观察者的头部他或她仍然可以通过各个观察窗口继续观看。

●该全息图承载介质是TFT平面屏幕。

●该装置是电视机。

●该装置是多媒体装置。

●该装置是游戏装置。

●该装置是医学图像显示装置。

●该装置是军用信息显示装置。

概念A在其它领域的应用：

A.一种用显示装置和计算机生成物体全息再现的方法，该装置包括用于照明全息图承载介质的光源和光学系统；包含以下步骤：

(a)用计算机在全息图承载介质上生成全息图；

(b)安排光源的成像平面以使其与观察者的眼睛平面大致重合，以使观察者能够观看该再现。

B.一种用定义视频全息图的数据编程的数据载体，载体上的数据促使显示装置根据上述A的方法生成全息再现。

C.一种分布定义视频全息图的数据的方法，该数据通过网络分布且由显示装置接收；该数据促使显示装置根据上述A的方法生成全息再现。

D.一种计算装置，其适于向显示装置提供定义视频全息图的数据，根据上述A的方法，促使显示装置生成全息再现。

E.一种如上所述用于显示装置中的显示屏幕。

F.一种如上所述由装置生成的全息再现。

概念B  大的物体再现

一种视频全息术的显示装置，其中该装置能够生成物体的全息再现；该装置包括照明全息图承载介质的光源和光学系统；

其中再现物体的尺寸由该显示器的尺寸确定，而不是由与全息图承载介质结合的周期间隔确定，该周期间隔而是用于确定观察窗口的尺寸，通过该观察窗口能够看到再现图像。

附加特性：

●观察窗口位于光源的成像平面上。

●该装置可操作，以使在必须放置观察者眼睛的观察平面上生成全息图的直接或逆傅立叶变换。

●全息再现可以出现在由全息图和观察窗口所确定的体积的任何位置上。

●具有用于各只眼睛的观察窗口

●观察窗口大约为1cm×1cm。

●跟踪观察者眼睛的位置，且该装置可以改变虚拟观察窗口的位置，这样即使移动观察者的头部他或她仍然可以通过各个观察窗口继续观看。

●该全息图承载介质是TFT平面屏幕。

●该装置是电视机。

●该装置是多媒体装置。

●该装置是游戏装置。

●该装置是医学图像显示装置。

●该装置是军用信息显示装置。

概念B在其它文章里的应用：

A.一种应用显示装置和计算机生成物体全息再现的方法，该装置包括用于照明全息图承载介质的光源和光学系统；包含以下步骤：

(a)应用计算机在全息图承载介质上生成全息图；

(b)安排光学系统和全息图，这样再现物体的尺寸由该显示的尺寸确定，而不由与全息图承载介质结合的周期间隔确定，该周期间隔而是用于确定观察窗口的尺寸，通过该观察窗口能够看到再现物体。

B.一种应用定义视频全息图的数据编程的数据载体，载体上的数据促使显示装置根据上述A的方法生成全息再现。

C.一种分布定义视频全息图的数据的方法，该数据通过网络分布且由显示装置接收；该数据促使显示装置根据上述A的方法生成全息再现。

D.一种计算装置，其适于向显示装置提供定义视频全息图的数据，促使显示装置根据上述A的方法生成全息再现。

E.一种如上所述用于显示装置中的显示屏幕。

F.一种如上所述由装置生成的全息再现。

概念C从观察窗口计算全息图

1.编码视频全息图的方法，包含步骤：

(a)在将被再现的物体上选择一个点；

(b)定义一个通过其观看再现物体的观察窗口；

(c)通过上述点从观察窗口的边缘，直至仅形成部分全息图承载介质的区域，描绘出一表面；

(d)将需要再现该点的全息信息单独在该区域里编码到全息图承载介质上。

附加特性：

●再现物体包含多个点。

●在再现上编码，以使在必须放置观察者眼睛的观察平面上生成全息图的直接或逆傅立叶变换。

●再现可以出现在由全息图和虚拟观察窗口形成的体积的任何位置，观察者可以通过该虚拟观察窗口观看该再现。

●具有用于各只眼睛的观察窗口。

●观察窗口大约为1cm×1cm。

●该观察窗口的尺寸作为该全息图的周期间隔的函数计算。

●跟踪观察者眼睛的位置，且该装置可以改变虚拟观察窗口的位置，这样即使移动观察者的头部他或她仍然可以通过各个观察窗口继续观看。

●该全息图承载介质是TFT平面屏幕。

●该全息图承载介质是电视机的显示器。

●该全息图承载介质是多媒体装置的显示器。

●该全息图承载介质是游戏装置的显示器。

●该全息图承载介质是医学图像显示装置的显示器。

●该全息图承载介质是军用信息显示装置的显示器。

概念C在其它文章里的应用：

A.一种应用显示装置和计算机生成物体全息再现的方法，该装置包括用于照明全息图承载介质的光源和光学系统；包含以下步骤：

(a)应用计算机在全息图承载介质上生成全息图；该全息图已应用特征1所述的方法编码；

(b)使用光源和光学系统照明全息图，以使再现物体可以看到。

B.一种应用定义视频全息图的数据编程的数据载体，载体上的数据已使用上述方法编码。

C.一种分布定义视频全息图的数据的方法，该数据通过网络分布且由显示装置接收；该数据已使用上述方法编码。

D.一种适于向显示装置提供定义视频全息图的数据的计算装置，该数据已使用上述方法编码。

E.一种显示屏幕，当用于显示装置中时，可操作显示已使用上述方法编码的数据。

F.一种由使用上述方法编码的全息图生成的全息再现。

概念D小区域编码

一种视频全息图，包含编码再现物体单一点所必需的信息的区域，该物体可以在规定的观察位置看到，特征在于：

区域(a)在再现图像里为该单一点单独编码信息，而(b)是全息图中为该点编码信息的唯一区域，且其尺寸被限制以形成完整全息图的一部分，这样的尺寸使由更高衍射级引起的该点的多重再现在规定的观察位置里不会看到。

附加特性：

●在再现上编码，以使在必须放置观察者眼睛的观察平面上生成全息图的直接或逆傅立叶变换。

●再现可以出现在由全息图和虚拟观察窗口形成的体积的任何位置，观察者可以通过该虚拟观察窗口观看该再现。

●观察窗口大约为1cm×1cm。

●具有用于各只眼睛的观察窗口。

●该观察窗口的尺寸作为该全息图的周期间隔的函数计算。

●跟踪观察者眼睛的位置，且该装置可以改变虚拟观察窗口的位置，这样即使移动观察者的头部他或她仍然可以通过各个观察窗口继续观看。

●再现的物体包含多个点。

●该全息图编码到为TFT平面屏幕的全息图承载介质上。

●该全息图编码到电视机的显示器上。

●该全息图编码到多媒体装置的显示器上。

●该全息图编码到游戏装置的显示器上。

●该装置是医学图像显示装置。

●该装置是军用信息显示装置。

概念D在其它文章里的应用：

A.一种编码可以再现物点的视频全息图的方法，包含步骤：

在一区域里单独为该单一点编码全息图信息，该区域是全息图中为该点编码信息的唯一区域，且其尺寸被限制以形成完整全息图的一小部分，这样的尺寸使由更高衍射级引起的该点的多重再现在规定的观察位置里不会看到。

B.一种应用定义视频全息图的数据编程的数据载体，载体上的数据促使显示装置如上述生成的全息图。

C.一种分布定义视频全息图的数据的方法，该数据通过网络分布且由显示装置接收；该数据促使显示装置如上述生成全息图。

D.一种计算装置，适于向显示装置提供定义视频全息图的数据，以促使显示装置如上述生成全息图。

E.一种如上所述显示全息图的显示屏幕。

F.一种如上所述由全息图生成的全息再现。

G.一种适于生成全息再现的显示装置，该装置包括用上述全息图编码的显示器。

概念E时序编码

一种用于计算机生成全息术的显示装置，其中该装置使物体的全息再现能够被观看；该装置包括用于照明全息图承载介质的光源和光学系统；

其中，该装置可操作，在全息图承载介质上为观察者的左眼然后右眼时序重编码全息图。

附加特性：

●该再现是全息图的菲涅耳变换。

●该装置可操作，以使在必须放置观察者眼睛的观察平面上生成全息图的直接或逆傅立叶变换。

●该全息再现可以出现在由全息图和成像平面上形成的虚拟观察窗口所确定的体积的任何位置上，观察者可以通过该虚拟观察窗口观看该再现。

●具有用于各只眼睛的观察窗口。

●观察窗口大约为1cm×1cm。

●跟踪观察者眼睛的位置，且该装置可以改变虚拟观察窗口的位置，这样即使移动观察者的头部他或她仍然可以通过各个观察窗口继续观看。

●该全息图承载介质是TFT平面屏幕。

●该装置是电视机。

●该装置是多媒体装置。

●该装置是游戏装置。

●该装置是医学图像显示装置。

●该装置是军用信息显示装置。

概念E在其它文章里的应用：

A.一种应用显示装置和计算机生成物体全息再现的方法，该装置包括用于照明全息图承载介质的光源和光学系统；包含以下步骤：

(a)为观察者的左眼然后右眼在全息图承载介质上时序重编码全息图。

B.一种应用定义视频全息图的数据编程的数据载体，载体上的数据促使显示装置根据上述A所定义的方法生成全息再现。

C.一种分布定义视频全息图的数据的方法，该数据通过网络分布且由显示装置接收；该数据促使显示装置根据上述A所定义的方法生成全息再现。

D.一种适于向显示装置提供定义视频全息图的数据的计算装置，促使显示装置根据上述A所定义的方法生成全息再现。

E.一种如上述D定义的用于显示装置中的显示屏幕。

F.一种如上述D定义的由装置生成的全息再现。

Claims (22)

1.一种计算全息图的方法，通过在近似观察者眼睛位置确定波阵面，该波阵面由将被再现的物体的真实形式生成。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上述波阵面由全息图再现。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，上述波阵面为一个或多个观察窗口计算。

4.根据上述任一项权利要求所述的方法，上述方法用于再现物点，其特征在于，包含步骤：

在一区域里单独为上述单一点编码全息图信息，所述区域是全息图中为上述点编码信息的唯一区域，且所述区域的尺寸被限制以形成完整全息图的一小部分，这样的尺寸使由更高衍射级引起的上述点的多重再现在上述观察者的眼睛位置不会看到。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包含以下步骤：

(a)在上述将被再现的物体上选择一个点；

(b)定义一个通过其观看再现物体的观察窗口；

(c)通过上述点从观察窗口的边缘，直至仅形成部分SLM的区域，描绘出一锥形；

(d)将需要再现上述点的全息信息单独在上述区域里编码到SLM中。

6.根据上述任一项权利要求所述的方法，还包含应用显示装置和计算机生成物体的全息再现的步骤，所述装置包括用于照明SLM的光源和光学系统；其特征在于，包含以下步骤：

(a)使用上述计算机在SLM上生成全息图；

(b)安排成像平面以使其与观察者眼睛的平面大致重合，以使观察者能够观看上述再现。

7.根据上述任一项权利要求所述的方法，还包含应用显示装置和计算机生成物体的全息再现的步骤，所述装置包括用于照明SLM的光源和光学系统；其特征在于，所述生成的方法包含以下步骤：

(a)使用上述计算机在SLM上生成全息图；

(b)安排上述光学系统和上述全息图，使上述再现物体的尺寸是上述显示器尺寸的函数而不是与SLM结合的周期间隔的函数，上述周期间隔而是确定上述观察窗口的尺寸，通过上述观察窗口能够看到再现物体。

8.根据上述任一项权利要求所述的方法，还包含应用显示装置和计算机生成物体的全息再现的步骤，所述装置包括用于照明SLM的光源和光学系统；其特征在于，包含以下步骤：

(a)为观察者的左眼然后右眼在SLM上时序重编码全息图。

9.根据上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在再现上编码，以使在必须放置观察者眼睛的观察平面上生成全息图的直接或逆傅立叶变换。

10.根据上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，上述再现可以出现在由上述全息图和虚拟观察窗口形成的体积的任何位置，观察者可以通过所述虚拟观察窗口观看该再现。

11.根据上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，上述全息图编码到为TFT平面屏幕的SLM上。

12.根据上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，上述全息图编码到电视机的显示器上。

13.根据上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，上述全息图编码到多媒体装置的显示器上。

14.根据上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，上述全息图编码到游戏装置的显示器上。

15.根据上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，上述装置是医学图像显示装置。

16.根据上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，上述装置是军用信息显示装置。

17.一种用定义视频全息图的数据编程的数据载体，该载体上这样的数据致使一显示装置生成如权利要求6，7或8所限定的全息图。

18.一种分布定义视频全息图的数据的方法，该数据通过网络分布且由一显示装置接收；这样的数据致使一显示装置生成如权利要求6，7或8所限定的全息图。

19.一种适于向显示装置提供定义视频全息图的数据的计算装置，致使该显示装置生成如权利要求6，7或8所限定的全息图。

20.一种显示屏幕，显示用权利要求6，7或8所限定的方法生成的全息图。

21.一种用权利要求6，7或8所限定的方法生成全息图的全息再现。

22.一种适于生成全息再现的显示装置，该装置包括应用权利要求1-5的方法编码全息图的显示器。

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