具有光波追蹤裝置的全息重建系統的制作方法

專利名稱：具有光波追蹤裝置的全息重建系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及具有光波追蹤裝置(叩tical wave tracking means)的全息重 建系統，如果觀察者在觀看全息重建時改變他們的位置，該全息重建系統 借助于位置控制器和眼睛探測器(eye finder),將全息重建所在的光軸導 向觀察者的至少一只眼睛上。本發明不依賴于提供全息信息的方式，其還 可以用于允許多個觀察者同時觀看全息重建視頻場景的系統。
背景技術：
根據本發明的全息重建系統更適宜利用視頻裝置、通過全息重建實時 顯示移動三維場景。該系統包含連續可控的空間光調制裝置，該空間光調 制裝置由全息圖處理器用視頻全息圖序列編碼，以便空間地調制能夠產生 具有全息信息的干涉的光波。由于光衍射效應，調制光波在觀察者眼睛前 方的外部重建空間、通過局部干涉重建物體光點，在該位置，所述的物體 光點光學重建需要的三維場景。表現所有物體光點的整體的光波以直接的 方式朝著觀察者的眼睛傳播，以便一個或多個觀察者可以觀看到那些場景 形式的物體光點。與立體表現(stereoscopic representation)相比，全息表 現實現了物體的代換(substitution)。
為了獲得令人滿意的重建質量，觀察者還應當能夠在足夠大的視野中 觀看到重建。因此，重建空間必須盡可能大，并且重建的場景的尺寸應當 至少是對角線為50 cm，與TV和視頻表現相似。
然而，利用大尺寸光調制裝置的全息重建存在這樣的缺點需要大的 衍射角、遠高于二維圖像表現所必需的分辨率的光調制裝置分辨率，正如 公知的采樣定理(samplingtheorem)所描述的那樣。這使得對全息重建系 統的硬件和軟件資源的要求格外地重要一一涉及用于編碼的全息信息的實時提供的元件，以及用于場景的光學重建的元件。
重建時另一個公知的問題是所需光波在發生干涉之前不受干擾的傳 播。為了在空間中的原始位置重建物體光點，并且具有正確的光點值，至 少部分的干涉光波必須同時到達物體光點通過干涉所要重建的所有位置。 這意味著在每一個需要的物體光點的盡可能多的干涉光波中需要空間相 干性。
此外，有助于物體光點的光波的波長必須不能顯示出由光學裝置引起
的彼此有差異的任何不可控的路徑長度(path length)。
在以下的描述中，術語 <光軸(optical axis)'表示與反射或者折射光 學元件的對稱軸重合的直線。由全息圖處理器以三維場景的全息信息編碼 的空間光調制裝置(Spatial light modulator means)表示'視頻全息圖(video hologram)'。用相干光照明的視頻全息圖與投影裝置(projection means) 的相互作用導致'調制光波(modulatedwave)'的產生。投影裝置確定調 制光波的"傳播方向"。該傳播方向可以通過'光波追蹤裝置(optical wave tracking means)，修正。如果光學元件設置在朝向視頻全息圖的方向上或 者如果它們的有效方向朝向視頻全息圖，它們將被稱為'全息圖側 (hologram-side)',如果它們設置在朝向觀察者眼睛的眼睛位置的方向上 或者如果它們的有效方向朝向觀察者眼睛的眼睛位置，它們將被稱為'觀 察者側(observer-side),。'可見區(visibility region)'描述了一種空間， 該空間設置在觀察者側的眼睛位置，并且表示系統的出射光瞳(exit pupil),且在該空間中，至少一個觀察者的眼睛必須處在觀察全息重建的 場景的位置。如果如本申請中的情況那樣，光波追蹤裝置追蹤調制光波到 當前的眼睛位置，'追蹤范圍(tracking range)'限定包含可能追蹤到的所 有眼睛位置的空間。在該主題的技術文獻(technical literature)中，這樣 的投影系統也被稱為是具有眼睛追蹤的投影系統。
本發明的申請人已經公布了多個用于減小空間光調制裝置所需分辨率 的解決方案，例如，國際公布號為WO 2004/044659，名稱為"視頻全息 圖和用于重建視頻全息圖的裝置(Video hologram and device forreconstructing video holograms )，，的申請。
那些解決方案實質上建立在一個一般原理的基礎上。用全息信息空間 調制的光波在系統外的重建空間重建三維場景，所述的重建空間設置在一 個或多個觀察者的一只或者兩只眼睛前方。重建空間的幾何形狀一方面通 過顯示屏幕的離開表面區域確定，調制光波通過顯示屏幕的離開表面區域 離開重建系統，另一方面，重建空間的幾何形狀通過光源圖像的圖像區域 確定，該光源圖像的圖像區域形成可見區，也被稱為觀察者窗口 (observer window),用于一個觀察者的至少一只眼睛。表面區域確定錐形重建空間 的幾何形狀，同時還可以編碼視頻全息圖使得物體光點不僅僅出現在顯示 屏幕的前方還出現在顯示屏幕中以及顯示屏幕后方。
盡管顯示屏幕的離開表面區域應當盡可能的大從而實現大的視野，可 見區的區域可以減小到眼睛瞳孔的尺寸從而有效地利用調制裝置的分辨 率。后者有助于保持調制裝置的分辨率為低，并且減少要為全息編碼而提 供的信息的數量。
根據幾何學的描述可以知道重建空間應當最好是具有盡可能大的頂 角的錐形，從而能夠在觀察者與重建之間的距離增大時顯示三維場景的大 物體的全部。然而，如果觀察者眼睛僅僅是部分地處在可見區內，小的可 見區會導致三維重建的能見度的問題。觀察者的輕微移動會導致像能見度 消失、空間頻譜的漸暈(vignetting)或者失真(distortion)這樣的效應。 此外，對于眼睛處在可見區以外位置的觀察者來說，難以找到重建空間的 邊界。這就是為什么如果觀察者移動時，重建空間的位置最好與可見區以 及重建本身的位置一起適應到新的眼睛位置的原因。根據公知的解決方 案，全息重建系統對眼睛位置的適應通過改變照明光調制裝置的照明裝置 的位置來實現。
因為在小的可見區內觀察者可以僅用一只眼睛看到全息重建，所以導 向另一只眼睛的第二光波必須提供不同視差的第二重建。因為兩個重建空 間必須在顯示屏幕上具有相同的基準(base)從而確保對兩個重建空間的 認知(perception)沒有偏差，所以它們各自的光波借助于公知的自動立體顯示裝置(autostereoscopic means)在空間上或時間上交錯。空間頻率濾 波器(Spatial frequency filters)和聚焦裝置阻止了調制光波之間的光學串 擾(cross-talking)。這樣的解決方案已經由申請人在前面提到的國際專利 申請和公布號為WO 2006/027228、名稱為"編碼和重建計算機生成視頻 全息圖的方法禾口裝置(Method and device for encoding and reconstructing computer-generated video holograms)"的國際申請中公開。如果重建系統 還要允許多個觀察者同時觀看到不同的重建，將需要附加的調制光波，典 型地，每個觀察者兩個調制光波。這些附加的調制光波可以在空間或時間 復用模式中產生。然而，附加的調制光波的提供將不在本申請中涉及。
為了清楚起見，以下的描述主要涉及全息系統的單個光波的對齊。如 有需要，重建系統可以以與第一個光波類似的方法調制并引導另外的光 波。本發明的思想可以根據實際波數按照需要為此多次應用，這對本技術 領域的技術人員來說是顯而易見的。當這樣操作時，本發明的功能元件最 好可以共用于多個調制光波。
在傳統的視頻和TV投影機中所使用的具有幾厘米和更小的屏幕對角 線的光調制器尤其適合高分辨率、快速的光調制。與前面提到的重建空間 的幾何形狀以及小的可見區相結合，它們的小尺寸還減少了必須為每一個 視頻全息圖提供、尋址并且編碼的全息單元的數量。這樣大大減輕了用于 每一個單獨的全息圖的計算負載，以便可以使用傳統的、更少花費的計算 設備。此外，如果光調制裝置具有較小的尺寸的話，可以更容易地實現用 能夠產生干涉的光對光調制裝置進行照明。為了實現前面提到的重建空間 的幾何形狀，重建系統最好設計為在重建前光學放大調制光波的投影系 統。
國際公布號為W02006/119760，名稱為"用于場景全息重建的投影裝 置禾口方法(Projection device and method for holographic reconstruction of
scenes)"的專利申請公開了一種全息投影系統。現在將參照圖1詳細描述 該系統。
具有能夠產生干涉的光的平面波LW照明空間光調制器SLM的整個表面區域，該空間光調制器例如具有不超過幾厘米的對角線。在本實施例中，
光波穿過透射光調制器SLM。如果相應地修正光排列，也可以使用反射 光調制器代替。在任何情況下，調制器都包含由全息圖處理器HP用需要 的三維場景的全息信息動態編碼的調制器單元。該編碼的調制器單元因此 表現動態的視頻全息圖。
光學投影系統L以放大的方式將視頻全息圖投影到聚焦顯示屏幕S上 的像平面(image plane) ILo中。視頻全息圖的空間頻譜因而在光學投影系 統L的圖像側焦平面(focal plane)中形成，該圖像側焦平面還被稱為傅 立葉平面FTL。
由于它們的矩陣排列，調制器單元空間且等距地調制光波。結果，多 個衍射級同時在傅立葉平面FTL中的周期序列中產生，上述多個衍射級以 周期性間隔位于不同位置。聚焦顯示屏幕S將把所有周期序列投影進入觀 察者平面OL，并且觀察者將用處在可見區外的眼睛看到被稱為光學串擾 的它們。為了避免這種情況，將孔眼掩模(aperture mask)形式的空間頻 率濾波器AP放置在傅立葉平面FTL中。所述的掩模通過選擇一個衍射級 防止串擾，并且聚焦顯示屏幕S僅僅將已經通過空間頻率濾波器AP的調 制光波的空間光譜范圍投影進入眼睛位置PEo上的觀察者平面OL。觀看 重建的三維場景3DS的可見區因此在眼睛位置PEo產生。空間頻率濾波器 AP的圖像確定了可見區的幾何形狀。
在顯示屏幕S上成像的全息編碼的調制器單元的直徑確定了重建空間 的另一端。
在圖l所示的例子中，顯示屏幕S是透鏡(lens)。然而，正如上面所 闡述的，顯示屏幕S的直徑與光學投影系統L的尺寸相比應當非常大，因 此顯示屏幕最好還可以是凹鏡(concave mirror)。
與其它公知的系統相反，該全息投影系統需要用全息信息對調制器單 元的專門編碼。用視頻全息圖編碼調制器單元使得三維場景3DS的重建通 過干涉僅出現在光波路徑的一部分，在該部分放大且聚焦的光波已經通過 顯示屏幕S離開重建系統。這使得可能在光波傳播過程中較晚出現的光程差，其例如由于不同的路徑長度而產生，在編碼調制器單元的時候已經納 入考慮。
所描述的投影系統還在固定重建空間中重建三維場景3DS，并且如果 觀察者的一只眼睛處在非物理性可見的可見區，該場景才是可見的。僅依 靠該投影系統，在重建系統前對全息重建的可見度沒有損失或限制地無限 移動也將是不可能的。
如果觀察者移動，位置控制裝置必須追蹤重建空間以及調制光波到各 個觀察者眼睛的眼睛位置，使得重建空間末端的可見區總是在眼睛位置的 后面開始并且重建的場景總是保持可見而沒有任何限制。為此，圖1所示 的投影系統包含公知的眼睛探測器，其檢測準確的眼睛位置并且借助于位 置控制器將可見區控制到新的眼睛位置。這樣的解決方案通過EP 0 946 066號專利文件為公眾所知。
對于逼真的全息重建來說，當追蹤調制光波時，提供到調制裝置的全 息代碼(code)也可以適應當前的眼睛位置，因為如果觀察者位置改變， 實際上朝向三維場景的物體的空間排列的視角以及它們的可見度也發生 變化。根據眼睛位置，處在不同深度的場景的各個物體細節由于細節的重 疊的改變以及/或者觀察者距離的改變而可以可見或者不可見。
然而，在簡化的全息表現中，物體細節的可見度對當前眼睛位置的適 應性可以忽略。
由于顯示屏幕的尺寸和重量，通過改變整個重建系統的位置從而追蹤 幾乎不可行。因此發明人已經在申請號為DE 10 2006 024 092.8的德國專 利申請文件中提出借助于鄰近聚焦顯示屏幕設置的電控制偏轉單元 (electronically controllable deflection unit)在對應于觀察者眼睛的位置引 導調制光波。然而，在材料來源和費用方面，這需要很大的努力，因為偏 轉單元必須與顯示屏幕差不多一樣大，因為其設置在鄰近顯示屏幕的位 置。如果情況相反，偏轉單元DFU設置在鄰近投影透鏡L的位置，如圖 2所示，其尺寸將與投影透鏡L的尺寸差不多相同，并且偏轉單元DFU 可以制作得更小因此更加便宜。然而，這需要較大的顯示屏幕S，如圖2所示，因為由于調制光波朝向眼睛位置Pm傾斜(inclination),放大的光 波總是僅僅通過顯示屏幕S的有限部分離開重建系統。然后顯示屏幕S的 大的部分AO總是保持未使用，因為調制光波的離開位置隨著眼睛位置的 改變而改變。
然而，如果系統具有小的可見區，以便每一只眼睛需要單獨的調制光 波，將難于保證這樣兩個重建空間在顯示屏幕上具有相同的基準的解決方案。
圖2還表示偏轉單元DFU阻止了視頻全息圖的圖像不是直接在顯示屏 幕S上產生的結果。取而代之的是，其處在傾斜的像平面IL,中鄰近顯示 屏幕S的位置。
因此偏轉單元令人滿意的功能通常使得對重建系統的光學元件有很高 的要求。具體地，光學元件需要具有非常大的直徑，這意味著除了明顯的 材料消耗以外，還將出現難以矯正的像差。
國際申請公布號為WO 2005/062106，名稱為"用于在空間中顯示漂浮 的圖像的投影儀器(Projection apparatus for display of images floating in
space)"的申請公開了一種用于在空間中顯示漂浮的二維圖像的投影裝置。 該投影裝置包含圖像顯示裝置、轉動平面鏡(pivoted planar mirror)以及 固定凹鏡。該文件教導如果凹鏡具有橢圓形的形狀，則漂浮的圖像將在 離投影裝置較遠距離的位置顯示。平面鏡可以在與投影軸成直角的位置轉 動，以便當圖像離開系統時改變主光軸的角度。漂浮圖像的距離、尺寸和 視角依賴于橢圓鏡的尺寸、其焦距的位置以及通過反射面的相互作用產生 的圖像顯示的位置。由于用二維圖像信息調制的光波的光路徑的不同布 局，前面提到的要求在全息重建的情況下不能得到滿足。
申請號為US 2005/0234348，名稱為"用于通過將消除了干涉光的反作 用的圖像投影到觀察者視網膜上來顯示圖像的裝置(Apparatus for displaying images by projection on retina of viewer with eliminated adverse effect of intervening optics)"的美國專利文件中，公開了一種"視網膜掃描 顯示器"，具有二維轉動掃描鏡和橢圓投影鏡的光學掃描系統將每一個原色RGB的強度調制和相位調制的激光光束連續地投影到觀察者的視網膜 上。圖像通過連續像素合成在視網膜上重建。光學掃描系統直接設置在觀 察者眼睛的前面，并且掃描鏡及其兩個轉動軸設置在橢圓投影鏡的一個焦 點處，且觀察者眼睛的視網膜位于橢圓投影鏡的另一個焦點處。因為圖像 由連續序列的激光光束組成，即由逐像素且逐行的掃描視頻圖像組成，所 以公知技術領域的解決方案不適合通過干涉的全息重建，因為將會干涉的 多個光波不會同時得到。那樣的解決方案不使用本發明意義上的空間光調 制器。

發明內容
本發明的目的是提供一種用于全息重建系統的可控光波追蹤，該全息 重建系統通過光衍射以及產生調制光波干涉在至少一個重建空間內全息 重建三維場景。在調制光波通過顯示屏幕離開重建系統之前，光波追蹤將 在所需要的一個或多個觀察者的眼睛位置引導調制光波并且跟隨觀察者 的移動。重建的場景從任何眼睛位置來看都是可見而沒有誤差的，并且保 持始終如一的質量。
為了保持重建系統的尺寸為最小，光學元件的光學有效表面區域應當 盡可能完全的利用，而不考慮眼睛的位置。這意味著調制光波將在顯示屏 幕上通過不依賴于眼睛位置的、固定位置上的光離開區域離開重建系統。
光波追蹤必須引導光波的所有部分通過其光路徑，從通過空間光調制 裝置的調制到重建，使得所有干涉光在與原始場景位置一致的重建空間中 的位置達到相干，從而重建所需要的物點而沒有幾何偏差。
為了實現光調制裝置的分辨率的有效利用，重建空間最好顯示出明顯 小于顯示屏幕上光離開區域的可見區。因為在這樣的系統中，為每一個觀 察者眼睛調制單獨光波，至少提供給一個觀察者的重建空間必須總是具有 相同的光離開區域，即顯示屏幕上對于觀察者的兩只眼睛的基準一致。此 外，為了正確感受重建，兩個調制光波必須出現在顯示屏幕上的相同區域 的幾何形狀中，且對于觀察者的兩只眼睛的重建必須尺寸相同。否則如果 觀察者移動，重建將相對于顯示屏幕移動。這就是為什么對于小可見區和大顯示屏幕來說，每一個可見區設置在 比可見區本身大數百倍的追蹤范圍內必須是可能的原因。調制光波的光軸 的角度因此可以明顯不同于顯示屏幕的光軸。這導致各個調制光波部分傳 播過程中光程長度的偏差和差異以及光波的變形，其必須在重建前得到補 償。
本發明的重建系統借助于空間光調制裝置調制包含全息信息的光波， 其另外還包含位置控制裝置，位置控制裝置弓i導調制光波使其朝向眼睛位 置傳播。在每一個眼睛位置后面存在提供給至少一個觀察者眼睛的可見 區。調制光波在全息重建之前在確定位置的光離開區域通過顯示屏幕離開 重建系統，該確定位置由離開的調制光波的中心平面確定。每一個重建出 現在指定的重建空間中。
根據本發明，全息重建系統包含轉動的循跡反光鏡和傾斜鏡裝置。循 跡反光鏡裝置具有至少一個轉動軸并且設置在調制光波的光路徑中。根據 描述眼睛位置的位置信息以及由眼睛探測器提供的位置信息，位置控制器 控制循跡反光鏡裝置的傾斜從而與眼睛位置間接地一致。由于所設置的傾 斜，循跡反光鏡裝置將調制光波反射進入眼睛位置具體方向，在該方向設 置至少部分的傾斜鏡反射面。這意味著傾斜鏡裝置將從循跡反光鏡裝置反 射來的光波在該光波通過顯示屏幕離開系統之前重新定向到朝向由眼睛 探測器找到的眼睛位置的傳播方向。
循跡反光鏡裝置最好設置在光學裝置實現在空間光調制裝置上編碼的 濾過視頻全息圖的中間圖像的位置。
傾斜鏡裝置設置在顯示屏幕和循跡反光鏡裝置之間使得視頻全息圖的 另一個圖像靠近顯示屏幕產生，理想情況下在顯示屏幕上產生，以便所有 調制光波部分在它們從循跡反光鏡裝置到顯示屏幕的路徑中覆蓋幾乎相
同的路徑長度。視頻全息圖的圖像與顯示屏幕的貼近(closeness)依賴于 重建空間中調制光波傳播方向與顯示屏幕的正交光軸之間的視場角。
這樣的反光鏡排列具有這樣的結果偏轉光波的幾乎所有干涉光波的 相干狀況將保持在重建的位置。同時，視頻全息圖的圖像總是位于顯示屏幕上相同的確定的光離開位置。
調制光波的空間頻譜最好已經由投影裝置上的傅立葉變換產生，并且， 由于空間調制而產生的干擾衍射級已經在循跡反光鏡裝置的位置利用光 空間頻率濾過裝置將其除去。
與投影圖像系統中通過轉動單獨的光束掃描視屏圖像從而獲得行序列
(line s叫uence)的掃描鏡相反，循跡反光鏡裝置反射整個調制光或者反 射其中總是包含顯示出相干且包含全息信息的多個光波部分的至少部分 片段。
根據本發明簡單的實施例，循跡反光鏡裝置和傾斜鏡裝置以轉動的方 式固定，并且除此之外，至少傾斜鏡裝置以可改變位置的方式固定。然后 位置控制器根據調制光波將兩個反光鏡裝置以及光離開位置移動到這樣 的反光鏡位置，即對于所有光波來說從循跡反光鏡裝置到顯示屏幕的光路 徑長度相同。
為了實現重建系統的緊湊設計，尤其是傾斜鏡裝置的緊湊設計，傾斜 鏡裝置可以裝有凹反射面，使它們與顯示屏幕相比，以放大的方式成像視 頻全息圖的中間圖像。
位置控制器最好還在凹形軌跡上移動傾斜鏡裝置，從而模擬具有兩個 焦點的橢圓的片段。
可以根據傾斜控制的循跡反光鏡裝置的軸轉動點或轉動中心必須位于 橢圓的焦點處。然后顯示屏幕上光離開區域的中心位于橢圓的另一個焦點 處。
根據本發明的優選實施例，傾斜鏡裝置設置在系統中的固定位置，并 且它們的表面區域具有這樣的尺寸使得在每一個需要的調整位置，它們 的部分反射面總是處在由循跡反光鏡裝置反射的光的光路徑中。為此，傾 斜鏡裝置作為橢圓的片段形成，并且設置轉動的循跡反光鏡使其中心位于 橢圓的一個焦點處。具有光離開位置的顯示屏幕在橢圓的另一焦點處。
因此，僅通過改變具有中間圖像的循跡反光鏡的傾斜，就可以實現通 過移動包含具有照明裝置的空間光調制裝置和光投影裝置的整個全息單元所引起的相同的結果。


現在借助于若干實施例和附圖詳細描述本發明的解決方案，其中
圖1:是表示全息投影系統的俯視圖(top view),觀察者面部在眼睛 位置上。申請人已經在前述介紹部分對該系統進行了描述，并且已經在國
際申請號為PCT/DE 2006/000896的專利文件中公開。
圖2:是表示具有電控制偏轉單元的全息投影系統的俯視圖，該偏轉 單元將調制光的傳播方向導向眼睛位置。同樣，該系統已經在前述的介紹 部分中進行了描述，并且已經在專利申請號為DE 10 2006 024 092.8的德
國專利文件中公開。
圖3:表示全息投影的原理的透視圖，用來說明本發明所解決的技術 問題。
圖4:表示全息投影系統的側視圖，用來說明根據本發明的普通實施 例的可控光波追蹤。
圖5:表示根據本發明的全息投影系統的優選實施例，位置控制裝置
僅移動遁跡反光鏡裝置(tracking mirror means)從而補償觀察者位置的改變。
圖6:是根據本發明用于全息投影系統的可控光波追蹤裝置的另一個 實施例的俯視圖。
圖7:是圖6所示本發明的實施例的側視圖。
本發明所解決的技術問題現在將參照圖3進行說明。圖3所示的系統 利用兩個前面提到的單獨的全息單元用于全息重建。每一個全息單元 HUR、 HUL包含具有可編碼的調制器單元的空間光調制裝置，如圖1所 示，照明裝置，其產生能夠產生干涉的光，用來照明調制器單元，以及將 視頻全息圖以放大的方式成像到顯示屏幕S上的光學投影裝置。視頻全息 圖的成像區與顯示屏幕S上的光離開區域一致。全息單元HUR、 H14最好設置在觀察者頭部上方的觀察者平面OL中 并且分別沿傳播方向Dr和Dt發射包含全息信息的調制光波。全息處理器 (圖中未示出)用全息信息編碼兩個全息單元HUr和Hl^的空間光調制 裝置。兩個視頻全息圖主要在它們的水平視差的信息上有所不同。全息單 元HUr、 HUL相對于顯示屏幕S對齊，使得它們各自的傳播方向DR和DL 在顯示屏幕S上確定光離開位置C的點上交叉。
因為系統實現了在國際公布號為WO/2006/119760的專利文件中公開 的一般原理，所以顯示器屏幕S作為聚焦反射器出現。反射器將每一個全
息單元HUr和HUL的照明裝置分別在眼睛位置Per和pel上的觀察者平面 OL中成像。這就是為什么在眼睛位置Per和pel的各自的可見區由兩個虛
構的矩形區描述的原因。如果使用這個一般原則，就只能通過與各自的觀 察者眼睛相對應的可見區觀看重建。
更加精確地，通過空間頻率濾波器AP的每一個調制光波的空間頻譜 的各個部分的圖像如圖1所示在那里產生。每一個全息單元HUk和HUl 為一個觀察者眼睛實現單獨的錐形重建空間，錐形重建空間的可見區面向 眼睛位置Per或者Pel。每一個重建空間在顯示屏幕上開始并且直接在眼 睛位置Per或者Pel的前面終止。如果觀察者在顯示屏幕S前面移動，控 制單元CU必須將兩個全息單元HUR、 HUL的位置改變到相應的位置。因 此具有相反方向的兩個箭頭1和2表示水平運動。因為每一個觀察者眼睛 將全息表現感知成視差不同的單獨重建，所以必須始終將兩個全息單元 HUR、 HUl的光軸設置成使得每個觀察者眼睛在相對于顯示屏幕S相同的 位置感知到"它的"重建。因為光離開區的幾何形狀取決于眼睛位置PER 或者pel從顯示屏幕S的光軸的偏離，所以如果兩個傳播方向Dk和Dl在 顯示屏幕S上、最好是中心光離開位置C中交叉，就滿足該條件。
為了保持圖示一定的清晰度，圖3表示三維調制光波的簡化表示。每 個光波僅示出一個水平面，表示在兩個全息單元HUr和HUl的各自的光 軸上的三維波的中心平面。此外，斷線和點劃線表示光波的垂直中心平面。 所有中心平面共有的交叉點確定了顯示屏幕S上的光離開位置C。
16因為全息單元HUR、 HUl以放大的方式將它們的視頻全息圖在顯示屏 幕S的幾乎整個反射面上成像，所以當觀看重建時，所使用的反射面區域 確定了最大的可視范圍。
如圖3所示的實施例，在為多個觀察者同時提供全息重建而設計的系 統中，在另一個位置需要另一個全息單元。控制單元CU不得不將所有全 息單元移動到它們各自由眼睛探測器EP所提供的位置信息形式的工作位 置。全息單元在顯示屏幕S前方的物理位置改變將會非常困難且成本很高。
現在，本發明所要解決的目標是使用用于追蹤的光學裝置從而不需要 移動全息單元。此外，應當可以找到這樣的解決方案，利用該方案少量的 全息單元就足以為多個觀察者產生并且追蹤重建空間。
對于以下描述來說，全息投影系統具有透鏡形式的聚焦透射顯示屏幕 還是聚焦凹透鏡形式的聚焦反射顯示屏幕，并不重要。就本發明的總體思 路而言，兩種實施例都可以選擇地用于顯示屏幕。
現在，記住上面所討論的問題，圖4表示第一實施例，借此對本發明 的一般功能原理進行說明。該圖示僅表示一個單獨的全息單元HU，如下 面的說明。該全息單元HU又包含前面已經描述過的元件，用以將用全息
信息調制的光波LWm。d成像到初始傳播方向Do作為視頻全息圖。然而，
與圖3所示的實施例相反，全息單元HU設置在根據本發明實施例的全息 投影系統中的固定位置。此外，圖4是根據本發明實施例的側視圖。這是 為了說明追蹤過程，以補償眼睛位置的高度變化為例子。這樣的追蹤是必 要的，例如為了讓可見區適應觀察者的高度。
根據本發明，在所說明的實施例中，轉動的循跡反光鏡M1設置在調 制光波LWm。d中。為了在任何方向追蹤調制光波，循跡反光鏡M1最好是 托住的，使其可以繞著兩個彼此垂直的軸轉動，并且使其位于具有傳播方 向Do的調制光波的中心。與掃描裝置(scanning device)相反，循跡反光 鏡Ml同時反射有助于干涉進入可控的反射方向DA的調制光波LWm。d的 任何光，圖4僅表示示例性的部分Dao和Da1。為了防止在光波LWm。d傳播過程中過渡時間(transit time)的差異，循 跡反光鏡Ml最好設置在無焦透鏡系統(afocal lens system) AF發送視頻 全息圖的中間圖像的位置。
在本申請中，無焦透鏡系統是焦距無窮大的透鏡系統，以便其接收準 直光波并且再將它們以準直的方式發射。
在本實施例中，循跡反光鏡Ml與位置控制裝置以控制單元CU的形 式連接，位置控制裝置根據由眼睛探測器(圖中未示出)提供的位置信息 控制循跡反光鏡M1的傾斜。控制單元CU控制循跡反光鏡Ml的傾斜以 及設置在循跡反光鏡M1對面的傾斜鏡(tilted mirror) M2的位置和傾斜， 使得循跡反光鏡M1反射調制光波LW目d進入反射方向DA到達傾斜鏡M2 上，并且傾斜鏡M2使調制光波LW自d偏轉通過顯示屏幕S上的固定共有 光離開位置C朝向需要的眼睛位置P化。因此循跡反光鏡Ml和傾斜鏡M2 連同控制單元CU形成根據本發明的偏轉系統(deflection system)。
在本實施例中，傾斜鏡M2必須設置成使其可轉動且位置可變，因此 其顯示出良好的活動性。
控制單元CU相對于顯示屏幕S上的固定共有的光離開位置C移動鏡 M1和M2，使得滿足以下兩個條件。
第一，調制光波LWm。d從傾斜鏡M2反射后朝向眼睛位置P"專播的光 軸必須始終通過光離開位置C。
第二，至少通過共有的光離開位置C的調制光波平面的光路徑長度保 持不變，而不考虛眼睛位置Pe。
因為在追蹤光波LWm。d通過光離開位置C離開顯示屏幕S的過程中， 不考虛需要的眼睛位置Pe，所以當觀察者移動時，阻止顯示屏幕S的背景 前面的全息重建或各個重建物體橫向移動。只有這樣，全息系統才能對任 何眼睛位置利用顯示屏幕的整個光學有效的表面區域，而不損耗有效區 域。
再者，前一條件對于對每個觀察者眼睛都需要單獨重建的系統是重要 的前提，因為提供給一個觀察者的重建總是一致的且具有相同的尺寸。此外，后一條件減少了需要補償光學像差(optical aberrations)以及調 制光波的光波部分之間的過渡時間差的努力，例如，通過時間改變編碼 (temporally changed encoding)。
根據本發明，上述條件導致循跡反光鏡Ml和傾斜鏡M2設置在相對 于每個眼睛位置PE的共有光離開位置C的位置，該位置由橢圓及其焦點 幾何確定。
正如普遍公知的，橢圓具有兩個焦距并且顯示出這樣的性質從一個
焦點朝向橢圓的曲線輪廓的光波將從橢圓的任何切線方向反射使得其反 射穿過另一個焦點。
借助于圖4所示的例子，上述兩個條件可以最佳地滿足，如果
一控制單元CU根據循跡反光鏡Ml的傾斜，像橢圓軌跡的切線那樣 移動傾斜鏡M2，
一轉動的循跡反光鏡M1的中心設置在橢圓的焦點處，以及
一顯示屏幕S上的共有光離開位置C設置在橢圓軌跡的另一個焦點 處。
為了將調制光波LWm。d導向眼睛位置PEU，例如，控制單元CU改變
傾斜鏡M2的位置并且轉動傾斜鏡M2沿著橢圓的輪廓進入反光鏡位置 (mirror position) PM2。同時，循跡反光鏡Ml向左轉動幾度。所有的移 動由箭頭3、 4、 5表示。
傾斜鏡M2在本實施例中具有球面(spherical surface)。其有這樣的優 點其將濾過的視頻全息圖的中間圖像在顯示屏幕的附近成像或者進入顯 示屏幕的附近成像。同時，傾斜鏡M2將無焦系統中過濾的空間頻譜以中 間瞳孔的形式成像到顯示屏幕S前面的空間中，中間瞳孔在圖4中用詞"瞳 孔(pupil)"表示。中間瞳孔的位置取決于由光波追蹤控制的眼睛位置。 聚焦顯示屏幕S將中間瞳孔作為出射光瞳成像到與眼睛位置Pm—致的可 見區。全息重建出現在在顯示屏幕S和眼睛位置PE1之間延伸的錐體中。
然而，根據圖4的實施例具有這樣的缺點移動傾斜鏡M2需要很大的機械作用力，并且由于機械系統的轉動慣量，重建系統的追蹤速度受到 限制。
基于該缺點，圖5表示本發明的改進及優選實施例。大的傾斜鏡M21 設置在固定位置，使得控制單元CU僅需要移動相對小且重量輕的循跡反 光鏡M1。傾斜鏡M21具有反射面(reflecting surface) RA，該反射面具 有足夠大的總尺寸，使得在無論循跡反光鏡M1如何傾斜、不需要移動傾 斜鏡M21的情況下，使部分反射面始終位于從循跡反光鏡M1中反射出的 整個光波的光路徑中。
在本實施例中，僅通過改變循跡反光鏡M1的傾斜，控制單元CU就 能實現移動整個全息單元HU所引起的同樣的結果。
為了滿足前面提到的第二個條件，傾斜鏡M21的反射面RA根據本實 施例設計成橢圓的一部分。這意味著該反射面RA也形成將視頻全息圖的 中間圖像以放大的方式成像到顯示屏幕S的附近的凹鏡，該凹鏡已經位于 循跡反光鏡M1上。
由于根據圖5的改進的實施例，其中大的傾斜鏡M21設置在固定位置， 用于不同眼睛位置的獨立的重建空間可以在使用單個全息單元HU的時間 復用過程中產生。為了實現這種情況，全息處理器用全息序列編碼全息單 元HU的空間光調制裝置的調制器單元，該全息序列交替地包含對應于當 前所提供的眼睛位置的全息信息。為了僅引導包含各自全息信息的調制光 波到某一眼睛位置，控制單元CU必須僅移動循跡反光鏡M1使其在兩個 角位置之間擺動處于與全息序列同步的狀態。由于使用相對小并且重量輕 類型的循跡反光鏡Ml,該改擺動可以以足夠的速度進行，使得單個全息 單元HU可以在時間復用過程中對于不同的眼睛位置提供全息重建而不閃 爍(flickering )。
圖6是表示本發明另一個實施例的俯視圖。為了清楚起見，以下附圖 僅表示朝向觀察者的眼睛位置Pel和Pmi的光路徑的光軸，而不是全部調 制光波。
在本實施例中，傾斜鏡M22在所示的X維度具有圓弧形的反射面，所述反射面形成圓的一部分。傾斜鏡M22也設置在系統中的固定位置。 在該視圖中，顯示屏幕上的光離開位置C在圓形的反射面的圓心位置。能 多方向轉動的循跡反光鏡M1，例如，可以設置在顯示屏幕S上的光離開 位置之上或者之下，以便其陰影不擾亂重定向的調制光波的光路徑。根據 循跡反光鏡M1的位置， 一個或兩個全息單元HUR、 HUL (如圖6所示) 最好還設置在傾斜鏡M22之上或者之下，并且指向循跡反光鏡Ml。
圖7是本發明的相同實施例的側視圖，表示全息單元HUl対于循跡反 光鏡M1、傾斜鏡M22以及顯示屏幕S的位置的例子。所有光學元件在光 路徑中以不同的高度排列，使得調制光波總體上以與光軸成一定角度的方 式傳播。
本發明的該實施例還必須使視頻全息圖成像到圖像平面中，顯示屏幕 S的光離開位置C處于該圖像平面中心。因為對于偏離來說需要固定不變 的光路徑長度，所以傾斜鏡M22必須還具有圖7表示的橢圓幾何形狀。 在例子中，光離開位置C也設置在傾斜鏡M22較低的焦點Fl處，并且循 跡反光鏡Ml的轉動軸設置在較高的焦點F2處，傾斜鏡M22顯示出橢圓 的垂直部分的形狀。
圖6和圖7還表示循跡反光鏡M2、傾斜鏡M22和顯示屏幕S之間的 調制光波和重定向波的光路徑僅沿著用于幾個眼睛位置的光學元件的光 軸行進。光路徑通過光元件的傾斜路線(oblique course)會實質上擾亂調 制光波的結構并且必須在系統的光學設計中加以考慮，且在編碼過程中， 相應地得到補償。
盡管該重建系統還能夠在時間復用過程中提供多個全息重建，但是圖 6說明了用空間復用方法實現多個全息重建的實施例。為此，該系統包含 用于每個觀察者眼睛的獨立全息單元HUk和HUl。兩個單元可以放置在 系統中使每一個都根據各自的眼睛位置對應傳播方向Dl或DR通過反射 從共用的循跡反光鏡M1和傾斜鏡M21中本質地產生獨立的重建空間。
根據本發明的又一實施例，光波追蹤裝置還可以包括另一個傾斜鏡或 者多個循跡反光鏡從而實現緊湊設計。 一個或多個附加鏡的彎曲形狀最好 可以在全息重建系統中支持對不同光學路徑長度的補償。
權利要求
1、用于重建場景的全息重建系統，包含用全息信息調制光波的空間光調制裝置，以及在重建系統中提供調制光波的光路徑所需傳播方向的光波追蹤裝置，其特征在于-位置控制裝置(CU)，所述位置控制裝置(CU)控制傾斜可控的循跡反光鏡裝置(M1)，設置在顯示屏幕(S)前面的重建系統中，從而控制反射調制光波(LWmod)的反射反向(DA)，以及-傾斜鏡裝置(M2)，所述傾斜鏡裝置(M2)設置在調制光波的控制的反射方向(DA)中，引導反射光波通過顯示屏幕(S)進入所需要的傳播方向(DB)，并且引導調制光波通過顯示屏幕(S)的光離開位置離開重建系統。
2、 根據權利要求1所述的全息重建系統，其特征在于—傾斜鏡裝置(M2)具有擁有兩個焦點的橢圓形的凹面，—循跡反光鏡裝置的中心(Ml)設置在橢圓的焦點處，以及—顯示屏幕(S)具有位于橢圓的另一個焦點處的固定的光離開位置 (C)。
3、 根據權利要求1所述的全息重建系統，其特征在于，位置控制裝 置(CU)控制循跡反光鏡裝置(Ml)和傾斜鏡裝置(M2)，使得從循跡 反光鏡裝置(Ml)到光離開位置(C)的光路徑長度保持恒定，而不考慮 循跡反光鏡裝置(Ml)對于所有部分的調制光波的設置傾斜。
4、 根據權利要求1所述的全息重建系統，其特征在于，所述全息重 建系統具有用于將光源成像到觀察者眼睛上的聚焦顯示屏幕(S)。
5、 根據前述任一權利要求所述的全息重建系統，其特征在于，一可控循跡反光鏡裝置(Ml)設置在視頻全息圖的中間圖像出現的 位置，所述視頻全息圖的中間圖像用全息信息編碼，在空間光調制裝置上 產生，以及_傾斜鏡裝置(M2)設置在循跡反光鏡裝置(Ml)和光離開位置(C) 之間，使得視頻全息圖成像到顯示屏幕(S)上。
6、 根據權利要求4所述的全息重建系統，其特征在于，傾斜鏡裝置 (M2)具有凹反射面以便以放大的方式將視頻全息圖的中間圖像成像到圖像平面(IL。中。
7、 根據權利要求4和權利要求6所述的全息重建系統，其特征在于， 所述全息重建系統具有產生視頻全息圖的空間頻譜的無焦透鏡系統(AF)， 設計光波追蹤使得空間頻譜在顯示屏幕(S)前面的全息側上成像從而形 成中間瞳孔，聚焦顯示屏幕(S)將中間瞳孔作為系統的出射光瞳成像到 觀察者眼睛位置。
8、 根據權利要求1所述的全息重建系統，其特征在于，傾斜鏡裝置 (M21)具有反射面(RA)，其尺寸和幾何構型使得部分反射面(RA)無論循跡反光鏡(Ml)如何設置傾斜，始終位于從循跡反光鏡裝置(Ml) 反射出的整個光波的光路徑中。
9、 根據權利要求8所述的全息重建系統，其特征在于，傾斜鏡裝置 (M21)設置在系統中的固定位置，并且具有擁有橢圓部分形狀的橢圓反射面(MA)，使得傾斜鏡裝置(M21)以放大的方式將視頻全息圖的圖像 投影進入圖像平面(IL。。
10、 根據權利要求1所述的全息重建系統，其特征在于，一全息單元(HUr和HUl)中的光調制裝置為每一個觀察者眼睛產 生獨立的調制光波，以及一全息單元(HUk和HUl)相對于循跡反光鏡裝置(Ml)和傾斜鏡 裝置(M22)局部設置，使得無論循跡反光鏡裝置(Ml)如何傾斜，至少 指向一個且相同觀察者的所有光波的光軸(Dl Dr)貫穿顯示屏幕(S) 上的同一個光離開位置(C)。
11、 根據權利要求1所述的全息重建系統，其特征在于，全息單元(HUn 和HUl)中的光調制裝置為每一個觀察者眼睛產生獨立的調制光波，并且 每一個全息單元(HUr和HUO分配有獨立的反光鏡，位置控制裝置(CU)依照相應的觀察者眼睛的當前位置控制每一個反光鏡的傾斜。
12、 根據權利要求1所述的全息重建系統，其特征在于，所述全息重建系統具有用于用循跡反光鏡(Ml)以時間復用模式為多個眼睛位置產 生獨立重建空間的單個全息單元(HU)，所述循跡反光鏡(Ml)在兩個 角位置之間擺動處于與全息序列同步的狀態。
13、 根據權利要求1所述的全息重建系統，其特征在于，透鏡功能在 空間光調制裝置上編碼。
14、 根據權利要求1所述的全息重建系統，其特征在于，所述全息重 建系統具有用于折疊光波以便減小系統厚度的附加傾斜鏡。
全文摘要
一種具有調整調制波前的傳播方向的光波追蹤系統的全息投影系統。本發明的目標是提供一種可調整的光波追蹤系統，該系統將調制光波與一個或多個觀察者的所需要的眼睛位置對齊并且跟隨觀察者的移動。重現系統包含為了全息重建用全息信息調制光波的空間光調制裝置。在重建系統中，光波追蹤向調制光波的光路徑提供所需的傳播方向，引導調制光波通過顯示屏幕的光離開位置離開重建系統。根據本發明，位置控制裝置(CU)根據可調整的循跡反光鏡裝置(M1)相對于用于反射調制光波(LWmod)的反射方向(DA)和偏轉裝置(M2)設置可調整的循跡反光鏡裝置的傾斜，偏轉裝置(M2)放置在設置反射方向(DA)中，反射光波通過顯示屏幕(S)進入所需要的傳播方向(DB)。
文檔編號G03H1/22GK101611355SQ200880003624
公開日2009年12月23日 申請日期2008年1月29日 優先權日2007年1月31日
發明者伯·克羅爾, 斯蒂芬·布什貝克, 讓-克里斯托夫·奧拉亞, 阿明·史威特納 申請人:視瑞爾技術公司