[发明专利]计算计算机生成的视频全息图的方法和装置

说明书

技术领域

本发明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SLMs、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。

背景技术

空间光调制器(SLMs)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。SLMs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 结合本发明使用。

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。

再现三维场景的普遍问题是目前常规SLM中通用的低像素分辨率和 低像素数。目前为了再现20英寸宽的可用SLM，需要大概为1μm的像素 间距以便检查。考虑对全息单元中每个三原色分量进行编码的三个子像 素，需要的像素多于10⁹个。这就需要昂贵的硬件和高计算速度来计算视 频全息图。可达到上述要求的足够快的计算速度的实时显示器和装置通常 无法在商业上实现。

为了计算视频全息图，3D场景不一定要在现实中存在。这使得虚拟 3D场景的再现可以用于多种应用领域，例如技术、娱乐和广告，其中移 动的三维场景由电脑合成并编辑。

计算机生成的视频全息图可以例如用公开号为WO 2004/044659的申 请文件中说明的全息显示器再现，在此结合其内容作为参考。观察者通过 至少一个大于眼睛瞳孔的虚拟观测窗看向显示器屏幕。观测窗在观察者眼 睛附近，并可以利用公知位置探测和追踪装置进行跟踪，以跟随观察者的 位置。光源的图像平面是全息图的傅立叶(Fourier)平面。由于观测窗是 全息图的傅立叶平面的一部分，所以其位于光源的图像平面上。