[发明专利]用于计算全息图的数据的装置和方法

说明书

本发明涉及一种用于计算三维场景的全息图数据和将三维场景的全息图数据编码到使用全息显示器表示三维场景的空间光调制器(SLM)中的装置和方法。特别地，本发明还涉及用于优化三维场景的物点的2D亚全息图(2D‑SH)的计算的装置和方法以及用于实时计算全息图的流水线。与现有技术已知的方法相比，本发明的目标是缩短用于表示三维场景的全息图的计算时间和/或降低这样的全息图的计算复杂性。通过装置和方法实现该目标，其中具有空间光调制器(SLM)的图像元素(BE)的物点的2D亚全息图(2D‑SH)包含二分之一1D亚全息图(1D‑SH)，通过电子电路以及使用给全息图编码的方法以及通过基于FPGA和/或ASIC的流水线确定每个图像元素(BE)的半径和将2D亚全息图(2D‑SH)的每个图像元素(BE)固定分配给具有相同或相似的半径的二分之一1D亚全息图(1D‑SH)的至少一个图像元素(BE)。

本发明涉及具有硬件体系结构的装置和用于计算全息图数据和给全息图数据编码的方法，可以用于例如使用全息显示器来表示三维场景(3D场景)和物体。

本发明还尤其涉及优化计算全息显示器的三维场景的物点的2D亚全息图的装置，以及涉及用于计算空间光调制器(SLM)的三维场景的物点的2D亚全息图的方法，涉及在空间光调制器中给三维场景的全息图编码的装置和方法，以及涉及全息图的实时计算的流水线(pipeline)。

例如在以下的公开的专利文件中说明了该类型的全息显示器和用于计算全息数据的计算方法：WO 2004/044659 A2、WO 2006/066919 A1、WO 2007/118842 A1、WO 2007/135165 A1、WO 2008/025839 A1、WO 2008/138979 A1和WO 2011/121130 A9。这些公开文献的内容整体被纳入本发明。这些出版物尤其详细地说明了术语亚全息图和它的意义，下文将对其进行参考。所述公开文献还说明了1D和2D编码也就是说(子)全息图的一维和二维编码意味着什么。

在亚全息图计算中，前面的方法已经基于例如对称、尤其镜像对称的使用，也就是说仅需要计算2D亚全息图的一个象限(也就是四分之一)的全息图的值。没有明确计算剩余的三个象限的值，但使用2D亚全息图的第一象限的计算值来确定剩余三个象限的值，具体地通过经由第一象限的值沿着2D亚全息图的主轴进行相应镜像来获得或复制2D亚全息图的第一象限的计算结果的值。镜像对称指的是至少一个轴对称和/或点对称，其中点对称可以尤其涉及亚全息图SH的中心点。

尽管这样，复杂性仍然非常的高；在这样的2D编码的情况下复杂性更高，例如与100和更多个因子的1D编码相比较，特别尤其根据用于全息图的表示的空间光调制器——该空间光调制器还被称为SLM——的图像元素的间距(像素间距、两个图像元素的中心间隔)以及表示的场景深度。间距尤其指的是由图像元素尺寸(像素尺寸)以及空间光调制器的两个邻近的图像元素之间的各自的间隔(像素间隔)形成的尺寸。

现在说明根据现有技术的用于计算2D亚全息图的这样的方法：

对于2D亚全息图的第一象限的每个图像元素，计算相位和振幅，凭借相位和振幅通过空间光调制器调整或影响用于表示三维场景的光。此处，相位尤其是例如待表示的物点和空间光调制器之间的距离或间隔以及图像元素的间距(像素间距)(p_x，p_y)这样的参数的结果，其中p_x指定图像元素在x-方向的间距而p_y指定图像元素在y-方向的间距。在下文将待表示的物点到空间光调制器的距离指定为焦距(F)。在计算极坐标、振幅和相位之后，随后进行非常计算密集型的步骤，在具有真值和虚值的笛卡尔空间中的相位和振幅的转变。这就是在总计的全息图中允许计算的2D亚全息图与其它2D亚全息图的累积，也就是叠加。

图1给出了根据现有技术的2D亚全息图的计算和用于建立待表示的三维场景的整个全息图的计算过程的简单概述，其中，除了上述参数以外，是另外的相位值，A是各自的图像元素的振幅值，λ是使用的光的波长，SH_w是亚全息图的宽度而SH_h是亚全息图的高度以及b是物点的亮度。