專利名稱：全息重建裝置的制作方法
全息重建裝置本發明涉及一種用于生成包含多個物體的三維場景的全息重建的裝置。為了能夠 計算并且編碼場景的全息圖，將場景分為單個物點，這些物點結合起來形成以計算機生成 的全息圖(CGH)的形式在光調制器裝置中顯示的物點群(object point groups)。利用相 干光和重建裝置生成每個物點群的各個重建并將其疊加，以便觀察者從眼睛位置觀看到斑 點圖樣減少的時間平均的場景。本發明還涉及一種用于生成允許斑點圖樣減少的場景的全 息重建的方法。本發明可以結合多種裝置應用，該裝置借助于利用實時或者接近實時的相干激光 的全息術，允許記錄和重建三維場景的復合波陣面，其中可以從可見區觀看到該重建，該可 見區也被稱為觀察者窗口。提供具有可控元件的光調制器裝置用于用場景的復值調制入射 相干光的波陣面。從申請人提交的較早的文件中知曉可以應用新方法的全息顯示裝 置的特定類型， 例如，(I)EP 1 563 346 A2, (2)DE 10 2004 063 838 Al 或者(3)DE 10 2005 023 743 Al。 在那些文件中，在以下基礎上實現全息計算為了編碼和全息重建，將三維場景切分成截面 層(section layers)，每個截面層包含場景的大量物點。物點表現表面和作為所有表面的 總和的三維場景的特征。將它們作為復值寫入到光調制器裝置的多個可控元件中(或者在 光調制器裝置的多個可控元件中編碼)，因此每個物點在光調制器裝置上形成分離的區域 (separate region)。這樣的分離的區域被稱為該物點的亞全息圖。亞全息圖大致對應于全 息編碼的透鏡功能，該透鏡功能在其焦點重建這個物點。復值的絕對值，即，振幅，在整個亞 全息圖中大約都是恒定的，并且其量值依賴于物點到屏幕的軸向距離以及物點的強度。亞 全息圖中復值的相位分布大致對應于透鏡功能，該透鏡的焦距依賴于物點到光調制器裝置 或者屏幕的軸向距離。由于相干光穿過光調制器，所以寫入亞全息圖的可控元件的復值修 改光的振幅和/或相位。物點可以由已調制光重建。亞全息圖之外，該物點在光調制器裝 置中具有數值“0”。場景的總已編碼全息圖由增加各個亞全息圖的復值生成。場景的全息重建在重建空間中由重建裝置生成，該重建空間在可見區和光調制器 裝置之間延伸。由場景的已編碼全息圖發出的波陣面在可見區中疊加，以便可以從眼睛位 置觀看到已重建的物點。重建基于疊加的波陣面生成，其中在時分多路或空分多路過程中 為觀察者的每只眼睛生成場景的各個透視圖，但被大腦認知成單個全息3D顯示，在該過程 中，所述視圖的視差不同。為了觀察三維場景的重建，觀察者可以注視光調制器裝置，場景的全息圖在該調 制器裝置上直接編碼，并且該光調制器裝置充當屏幕。這被稱為直視布置(direct-view arrangement)。可選擇地，觀察者也可以注視屏幕，圖像或者在光調制器裝置上編碼的全息 值的變換投射到該屏幕上。這被稱為投射儀布置(projector arrangement) 0觀察者的眼 睛位置由位置探測器通過公知的方法檢測，所述位置探測器通過軟件裝置與存儲裝置、計 算單元以及系統控制器裝置連接。存儲裝置還以查找表的形式主控在數據記錄中計算CGH 所必需的物點的信息。由于光調制器裝置僅允許離散記錄，所以為全息計算離散地掃描場景的物點。某些編碼方法提供了生成與在掃描點位置上的掃描的場景完全相符的重建的可能性。然而， 物理重建導致重建強度的連續梯度，這也在掃描點之間。這些位置表明場景中強度梯度的 偏差，這在重建中引起斑點圖樣，并且因此使全息顯示的質量變差。當用物點的隨機相位計 算全息圖時，該情況尤其明顯。通常，斑點圖樣可以描述為類似粒狀的干涉圖樣，其作為具 有由具有統計上不規則分布的相位差的多個光波的干涉產生的隨機分布強度最小值和最 大值的空間結構生成。這些斑點圖樣實質上使重建場景的感知質量變差。通常可以通過三維場景重建過程中的時間和/或空間平均來減少斑點圖樣。觀察者眼睛總是將呈現給其的多個重建進行平均，這些重建中的每個具有不同的 斑點圖樣。如果場景的物點顯示出不同的隨機相位，則斑點圖樣例如將是隨機的并且 是不同的。由于平均效應，觀察者感知降至最低的該斑點圖樣。旨在減少斑點圖樣的 時間平均例如由Donghyim Kim在名為“通過衍射特定偽隨機擴散減少動態全息三維顯 不裝置中的相干偽像(Reduction of coherent artifacts in dynamic holographic three-dimensional displays by diffraction-specific pseudorandom diffusion)，，的文 件中進行描述。一個接一個地計算并且顯示場景的不同的全息圖，其中用變化的相對相位 差重疊場景的各個物點。因此眼睛時間平均了干涉效應，即，斑點圖樣。然而，利用該方法 的話就不得不接受因需要計算多個全息圖而引起的較大計算量，因為總是為所有物點計算 每個全息圖。這在重建場景的實時顯示中會是實質上的缺點。此外，全息顯示需要具有較 短轉換時間的便宜的光調制器裝置。這樣的裝置還沒有商業化。此外，當在全息顯示裝置中重建場景時必須考慮人類眼睛的分辨能力。為了確保 場景中的平坦表面被觀察者感知為連續平面，而不是作為各個點的集合被觀察者感知，當 算術上將場景分為物點時，鄰近物點之間的臨界距離(critical distance)必須不超出該 平面或者截面層的范圍。然而，尤其是這些出現在彼此相互接近的物點之間的干涉，將對需 要被消除的斑點圖樣貢獻主要的份額。本發明的目的是設計計算和編碼場景的計算機生成的全息圖(CGH)的過程，使得 在不增加計算量的情況下在很大程度上抑制場景全息重建中斑點圖樣的出現。同時，場景 的全息顯示總體上將在相應設計的全息重建裝置中以良好的質量可見。公知技術中描述了用來與本發明相結合的三維場景的全息計算和全息重建的一 般方法。該方法基于這樣的事實場景由物體組成，而物體又由物點組成。為重建場景提供 各種裝置，所述裝置與系統控制器裝置相聯合或者與系統控制器裝置相配合。它們允許選 擇物點并將物點結合以形成物點群，其中物點群可以作為單個CGH計算和顯示。通過各種 裝置的配合，實現物點群的各個重建的光波陣面的重疊，以便觀察者的眼睛在眼睛位置觀 看到場景的最終重建。 基于該原則，通過一裝置達到了根據本發明的該目的，該裝置中，依賴于場景重建 的可見分辨率，由系統控制器裝置在截面層中根據網格完成物點的選擇，以及進行物點的 結合以形成物點群。為了通過系統控制器裝置實現對場景重建的可見分辨率的適應，——每個截面層中，為具有在截面層中鄰近物點不能被觀察者分辨為分離點的間 距的物點確定網格，并且——將可以被觀察者分辨為分離點的各個截面層的這樣的物點結合以形成物點群。
這樣做時，為重建選擇已切分場景的每個物點。因此，最好實現將每個物點分配給物點群僅一次，并且因此需要計算并編碼的物點群的全息圖更少。除了減少斑點圖樣的出 現，總體上還減少了計算時間。根據本發明，建議使場景重建的可見分辨率適應于人類眼睛的分辨能力。眼睛的 分辨能力由艾里(Airy)函數2*jl(r-r0)/(r-r0)描述，其中r0 = (χΟ,γΟ)是物點的坐標， r-rO是截面層內到該坐標的距離，以及jl是貝塞爾(Bessel)函數。為了能夠實現艾里函 數，提供給裝置用于檢測關于至少一個觀察者的實際眼睛位置的信息以及關于該觀察者的 眼睛瞳孔的實際尺寸的信息的位置探測器。此外，提供給裝置基于實際眼睛位置到場景的 各個截面層的距離并且基于觀察者實際眼睛瞳孔直徑計算物點密度的計算單元，該物點密 度由系統控制器利用，用以確定各個截面層中物點的間距。實際瞳孔直徑可選擇地可以基于亮度值而找到，其中位置探測器裝配有用于檢測 已重建場景的實際亮度值或者重建空間內周圍光的實際亮度值的傳感器。根據本發明，可以使場景重建的可見分辨率進一步適應于重建裝置的成像性能。 為此，建議通過模擬或者基于已測量的曲線找到重建裝置的成像性能。在這里，可以借助于 重建裝置和在光調制器裝置上編碼的透鏡的結合確定進入不同截面層成像的光源的點擴 散函數(point spreadfimction)，其或者用合適的光學軟件算出，或者根據經驗找出。具體 地，決定可見分辨率特征的物點間的橫向距離可以通過模擬或者測量曲線得到并且將其存 儲在存儲裝置中的各個數據記錄中。進一步假定系統控制器裝置依賴于觀察者的實際眼睛 位置和重建裝置的分辨率在截面層中選擇物點，并且將物點結合以形成物點群。進一步設計根據本發明的裝置使得系統控制器裝置控制在光調制器裝置上編碼 CGH的過程以及場景的物點群的隨后重建的過程。為此，物點群在光調制器裝置上二維編 碼。然而，它們還可以在光調制器裝置上一維編碼。本發明的目標還通過全息重建場景的方法達到，其中所述方法的過程步驟可以主 要用裝置(device)的上述裝置(means)執行。該方法的特征是系統控制器裝置在截面層 中根據網格完成物點的選擇并且進行物點的結合以形成物點群，這依賴于場景重建的可見 分辨率。為此，系統控制器裝置——在每個截面層中為具有在截面層中鄰近的物點不能被觀察者分辨為分離的 點的間距的物點確定網格，并且——將可以被觀察者分辨為分離的點的各個截面層的那些物點結合以形成物點群。可以隨后執行各個重建的非相干重疊的過程步驟，以便觀察者的眼睛在各個重建 的強度的總和上時間平均重建的強度。然而，還可以同時進行各個重建的非相干重疊。為 此，光調制器裝置包含多個光調制器，在該光調制器上同時編碼CGH。基于這些CGHs，具有相互不同的斑點圖樣并且其光波陣面同時生成并在觀察者眼 睛位置重疊的多個單個重建具有相應數量的重建裝置。此外，場景重建的可見分辨率可以 適應于光調制器裝置的分辨率。本發明的實施例中，描述了全息重建彩色場景的方法，其中在系統控制器裝置中 通過軟件裝置將彩色場景分為不同的彩色組分，并且場景的彩色重建由光波長不同的至少 兩個不同的單色重建組成，其中場景分為物點，物點的結合以形成物點群，并且為每個彩色組分分離地進行單色CGHs的計算。本方法的一個實施例中，利用了三原色，為三原色的每個波長確定不同的間距，并在截面層中網格的物點數據記錄中通過計算單元為物點群確定不同的最小距離。不同的、 有目的的過程步驟提供了為三原色的每個波長確定相同的網格間距，并且在物點的數據記 錄中通過計算單元為物點群確定相同的最小距離。場景彩色重建的另一個過程步驟中，場景物點的間距由計算機單元確定為如此之 小以使對于三原色的波長來說，物點不能再被分辨為分離的點。此外，形成要滿足的第二個 標準的物點群內的物點之間的最小距離由計算單元確定為如此之大以使對于三原色的波 長來說，物點可以被分辨為分離的點。以上述特征為特點的全息重建裝置中場景的計算機生成的全息圖(CGHs)的計算 和編碼相較于公知技術具有以下優勢——可以廣泛地抑制場景全息重建中的斑點圖樣的出現。——在計算中每個物點僅利用一次。——在特征隨后顯示的實施例中，僅很少的單一全息圖必須依次計算并且顯示。——對計算能力和速度的要求減少。現在將結合附圖、借助實施例對本發明進行詳細說明，其中
圖1表示不能再被分辨為分離的點的兩個物點的艾里(Airy)函數的振幅曲線，圖2表示對于相消干涉和相長干涉以及對于這些物點的非相干重疊的經計算的 強度，圖3表示用隨機相位計算的物點的平面場景的重建的模擬，其具有根據圖1和圖 2的物點距離，圖4表示圖2中兩個物點之間四倍距離的相似疊加，圖5表示用隨機相位計算的物點的平面場景的重建的模擬，其具有根據圖4的物 點距離，圖6表示重建的模擬，其中生成16單個重建且16單個重建是非相干疊加的，以及圖7是表示根據本發明的全息顯示裝置的主要組件的示意圖。根據本發明的全息重建裝置包含至少一個光調制器裝置、重建裝置和光源裝置， 這些裝置可以是分離的單元或者組合在一個單元中。此外，提供包含多個存儲裝置和計算 單元的系統控制器裝置，用于借助于軟件裝置在全息重建裝置中執行計算并且協調過程。 根據本發明的方法將主要借助于兩個物點的例子進行描述，這兩個物點代表整個場景。正如前述那樣，由光源裝置發出的相干光的衍射在場景的各個物點之間引起干擾 的干涉最大值和干涉最小值。觀察者感知到它們是被稱為斑點圖樣的干擾顆粒狀結構。本 發明消除了斑點圖樣，因為場景重建的可見分辨率適應于眼睛的分辨能力或者適應于重建 裝置的成像性能或者適應于光調制器裝置的分辨率。在這里，場景的物點必須滿足兩個標 準，這將在實施例的說明中詳細描述。觀察者用他的眼睛瞳孔觀看重建。瞳孔具有衍射限制孔徑的函數。對于圓形孔徑， 例如眼睛瞳孔，眼睛的分辨能力，以及因此物點的振幅曲線通常由艾里函數描述2*jl(r-r0)/(r-r0)其中rO = (χΟ,γΟ)是物點的坐標，r_r0是場景的截面層內到該坐標的距離，jl是貝塞爾(Bessel)函數。假如重建裝置沒有給出其它限制因子，觀察者感知物點是艾里斑(Airydisc)。該 艾里斑具有Bd = 1.22 λ D/dp的直徑，其中D是實際眼睛位置的平面與各個截面層之間的 距離，λ是光波長，dp是眼睛瞳孔的直徑。如果位于位置rOa和rOb的兩個物點的共有距 離是rOb-rOa彡301. 22 λ D/dp，則它們可以正好被分辨為分離的點。然后一個物點的函數 Jl (r-rOa) / (r-rOa)的最大值與其它物點的函數J2 (r-rOb) / (r-rOb)的第一最小值一致。圖1表示距離為1. 0 λ D/dp的兩個物點的振幅曲線。振幅明顯地交迭并且這兩個 點不能被觀察者眼睛分辨為分離的點。如果兩個物點的艾里斑彼此相互靠近并且交迭，則 兩個物點的相對相位實質上影響這些物點最終的相干重建。因此，顯著的強度最大值會隨 著相長干涉(constructiveinterference)出現，并且顯著的強度最小值會隨著相消干涉 (destructiveinterference)出現。
圖2表示在一個位置的圖1的物點的相消干涉和相長干涉以及非相干重疊的經計 算的強度。非相干重疊大致上與平面場景的預期值一致。如果在網格中存在超過兩個具有 彼此相互靠近的距離的物點，這些物點已生成的重建形成具有大約恒定強度的連續平坦表 面。相干重疊的通常情況下，強度在相消干涉和相長干涉的極端情況之間的某處——這依 賴于兩個物點的相對相位。相反，具有多個物點的相干重疊的干涉將導致斑點圖樣。參照 圖7，觀察者從位于可見區的眼睛位置AP觀看場景的重建，該眼睛位置AP也被稱為觀察者 窗口 VW。該觀察者窗口 VW典型地略大于眼睛瞳孔。光從不同的物點OP到觀察者窗口 VW 的光程長度(optical pathlength)的差值對出現的這類干涉是很重要的。然而，該光程長 度差值依賴于觀察者窗口 VW內眼睛瞳孔的位置而改變。這就是如果眼睛在觀察者窗口 VW 內移動，會出現不同的干涉的原因。在一種極端情況下，干涉的類型會從相長變為相消或者 反之。現在，為了能讓觀察者從觀察者窗口 VW內的任何眼睛位置AP以高質量觀察到重建， 在相長干涉和相消干涉之間必須僅有很小的差值。圖3表示用隨機相位計算的物點的平面場景(即二維布置)重建的模擬，上述物 點具有根據圖1和圖2的物點距離。結果，可以觀看到干擾的斑點圖樣而不是統一明亮的 表面。該斑點圖樣由兩個物點的干涉引起。如果觀察者在觀察者窗口內移動，斑點圖樣將 改變其外觀。為了實現在無干擾斑點圖樣的情況下統一、明亮地照亮表面，場景重建的可見分 辨率必須適應于眼睛的分辨能力或者例如適應于重建裝置的分辨率或者重建裝置的成像 性能。如果不同物點的艾里斑位于某一距離，僅較小的次級最小值將發生干涉。因此，相 消干涉和相長干涉之間或物點的艾里斑的非相干重疊之間將僅存在很小的差值。如果為物點群的集合選擇兩個位于足夠遠距離的鄰近物點，斑點圖樣減少得甚至 更好。因此，圖4表示兩個物點之間四倍距離，即rOa-rOb = 4. 0 λ D/dp,的強度的疊加。對 于相長干涉和相消干涉以及對于兩個物點的非相干重疊的強度值在這里僅表現出很小的 差值。因此兩個物點被感知為重建中的兩個清晰地分離的點。圖5表示用隨機相位計算的物點的二維布置的重建的模擬，具有根據圖4的物點 距離。物點被清晰地分辨為單個物點。由于物點相互之間的較大距離，沒有斑點圖樣出現。然而，圖5所示的單一全息圖不允許顯示連續表面。具有如圖5所示的物點距離的多個重建的重疊是必須的，但是具有位移的物點。對于這樣的位移，物點的二維布置最初 使用具有如圖1所示的1.0XD/dp的距離。將這些物點分配給不同的物點群，使得它們具 有如圖4所示的4. 0 A D/dp的最小距離。然后從每個物點群中計算全息圖并且在光調制器 裝置上編碼。圖6中的圖片表示重建的模擬，其中基于16個單一全息圖生成16個單個重建，并 且16單個重建非相干重疊。圖5所示的全息圖用于該模擬。為此，為具有在表征截面層的 區域的水平和垂直方向都有1. 0 A D/dp的間距的物點確定網格。結合物點以形成16個物 點群。在物點群中，物點在水平和垂直方向都具有4. 0入D/dp的最小距離。基于這16個物 點群計算16個全息圖。根據所有16個全息圖的重建強度將其非相干重疊。這意味著將各 個重建的強度加和起來以得到最終的強度。結果是用統一亮度照亮的已重建平坦表面，并 且該重建平坦表面表現出與圖4相比實質上更少的斑點圖樣。圖7中的示意圖表示根據本發明的直視顯示式全息顯示裝置的主要組件。該圖 中，LQ是光源裝置，RM是重建裝置，SLM是光調制器裝置，SM是系統控制器裝置，SE是具有 物點0P的多個截面層中的其中一個截面層，VW是觀察者窗口，以及AP是觀察者窗口 VW中 的眼睛位置。截面層位于離觀察者窗口 VW距離D的位置，并且所示的眼睛瞳孔具有直徑 dp。重建空間從觀察者窗口 VW延伸到SLM，在該重建空間中，觀察者從眼睛位置AP觀看重 建的場景。在截面層中將兩個物點拖拽到彼此相互靠近以使它們不會被觀察者分辨為分離 的點。其它兩個物點位于較大相互距離的位置，并且都屬于一個物點群。以下將借助一些實施例詳細說明本發明。本發明的第一實施例表示場景重建的可 見分辨率是如何適應于觀察者眼睛的分辨能力的。第一過程步驟中，系統控制器裝置確定 場景的截面層中的水平線和垂直線的交叉點的網格。網格的間距取決于觀察者的實際眼睛 位置。要么，在眼睛位置和截面層之間給定固定距離；這樣觀察者必須位于固定位置。要么 由位置探測器檢測距離。此外，為了計算，必須知曉觀察者眼睛瞳孔的尺寸。為此，本過程 利用眼睛瞳孔的典型直徑，或者由位置探測器或者專用傳感器檢測眼睛瞳孔的實際直徑并 將其存儲在存儲裝置中。用于確定眼睛瞳孔的實際尺寸的另一個可能的裝置設計成使傳感 器檢測將要重建的場景的實際亮度值或者重建空間中環境光的實際亮度值并將該值傳送 到計算單元，該計算單元根據該信息計算瞳孔尺寸。然后，為了能夠計算單個CGHs，系統控 制器使各個截面層的網格的間距以及物點之間的最小距離適應于該值。基于場景的各個截面層到眼睛位置的距離以及眼睛瞳孔的直徑，作為系統控制器 裝置的組件的計算單元計算大于眼睛分辨能力的物點密度。基于該物點密度，系統控制器 裝置確定各個截面層中的鄰近物點的間距。在任意一個方向，網格線平行延伸并且彼此具 有相同的距離。然而，由于各個截面層和觀察者眼睛位置之間的不同距離，各個截面層之間 的間距不同。一個截面層的鄰近網格位置中的物點相對于眼睛到該截面層的確定的軸向距離 具有這樣的水平和垂直橫向距離，即它們不能被分辨為分離的點。因此多個鄰近的物點就 被感知成連續的平坦表面。因此滿足了本發明的第一個標準，與物點密度相關。將將要重 建的物點的特征信息存儲在系統控制器裝置的存儲裝置中的數據記錄中，從中它們可以被 軟件裝置尋回。第二過程步驟中，根據本發明的第二個標準，為了能夠在重建中觀看到物點再次清晰地分離，必須減小物點密度。因此，截面層這樣的物點結合以形成物點群——根據已存 儲的數據——該物點群具有這樣的相互距離，即被位于離該截面層的確定的軸向距離的觀 察者清晰地感知為分離的點。根據本發明的裝置中，計算每個物點群的計算機生成的全息圖(CGH)，并且該計算 機生成的全息圖(CGH)在光調制器裝置上編碼，該光調制器裝置由在另外的過程步驟中的 光源裝置發出的相干光照亮。光調制器裝置包含可控元件，例如，規則排列的像素，用于入 射相干光的波陣面的調制。對于一維編碼，例如形成2、3或4個物點群，對于二位編碼，例如 形成4、9或16個物點群，并且計算相應的全息圖。將要生成的單個重建的數量相應較高。全息裝置的重建裝置生成每個物點群的單個重建。系統控制器裝置非相干地疊加 重建，以便場景的單一全息重建在觀察者的實際眼睛位置的平面內變得可見。各個重建在眼睛位置的非相干重疊可以相繼進行。各個重建以這樣快的節奏疊加 使得觀察者的眼睛在各個重建的強度的總和上時間平均重建的強度。可選擇地，各個重建 的非相干重疊可以同時進行，其中多個光調制器和多個重建裝置同時生成多個重建并且在 觀察者眼睛的位置將它們非相干地重疊。滿足上述兩個標準的場景的物點在被重建時將沒 有斑點圖樣或者呈現很少的斑點圖樣。任意一種情況下，觀察者從實際眼睛位置觀看僅具 有很少斑點的整個場景的平均重建。本發明的第二實施例中，使場景重建的可見分辨率適應于重建裝置的分辨率。這 意味著不是考慮眼睛瞳孔的效應，而是考慮光重建系統的瞳孔效應或其成像質量，其中光 重建系統是重建裝置的組件。其例如還可以是這樣的情況光源的空間范圍，或者在SLM上 編碼的值的不理想顯示，或者光重建系統中的像差會導致單個物點以放大的方式重建。然 后物點的可見分辨率不由眼睛瞳孔的衍射限制尺寸確定。在這樣的情況下，必須選擇最初 的物點密度使得實際由整個重建裝置重建的物點恰好沒有被感知為分離的點，但被感知為 連續的表面。為此，在一個過程步驟中，建立至少一個用于例如在距具有用于全息重建的光重 建系統的SLM不同距離的位置的單一物點重建的測量曲線，并將該曲線存儲在存儲裝置 中。可選擇地，表示物點特征并且從該測量曲線中計算得到的參數可以存儲在存儲裝置中。 系統控制器裝置基于該測量曲線的寬度和線路決定物點密度并且依賴于觀察者實際眼睛 位置為場景的物點確定網格。正如在第一實施例中描述的那樣，然后必須再次減小物點密 度。為此，選擇具有確定的相互距離的物點，并將它們結合以形成物點群使得它們可以被分 辨為分離的點。類似本發明的第一實施例中所描述的過程，進行光調制器裝置上的編碼以 及各個物點群的重建，但要考慮重建裝置的成像質量。在本實施例的某些變型中，用于距 SLM不同距離的物點的重建的測量曲線由重建裝置的性能的模擬代替。根據本發明的第三實施例，場景重建的可見分辨率可以適應于光調制器裝置的分 辨率。場景的重建從觀察者窗口內的眼睛位置可見。觀察者窗口的尺寸依賴于光調制器裝 置的分辨率<formula>formula see original document page 10</formula>其中D是觀察者眼睛和光調制器裝置之間的距離，\是波長，以及p_h，v是像素 間距，即，兩個像素之間水平(h)或垂直(v)方向的距離。兩個像素是光調制器裝置的可控 元件，在該光調制器裝置中編碼復值數。觀察者窗口通常是矩形。如果觀察者窗口在水平或垂直方向中的任意一個方向或者在兩個方向都小于眼睛瞳孔的直徑dp，則場景的可見分 辨率由觀察者窗口的范圍決定而不是由眼睛瞳孔的分辨能力決定。如果觀察者窗口在兩個 方向都小于眼睛瞳孔的直徑，兩個辛克(sine)函數代替艾里函數，例如<formula>formula see original document page 11</formula>
然后必須修改根據本發明的裝置和相應的方法以類似地匹配該分辨率。本發明的第四實施例中，提供用于全息重建彩色場景的裝置和方法。在系統控制 器裝置中通過軟件裝置將彩色場景分為規定色彩的不同組分。場景的彩色重建從光的不同 波長的至少兩個單色重建中生成。將場景分為物點、將物點結合以形成物點群、以及單色 CGHs的計算和編碼依照本發明第一實施例的描述為每個彩色組分分離地進行。為了能夠執行重建過程，計算單元為物點群對用在物點的數據記錄中的原色的每 個波長確定不同的網格間距以及不同的最小距離。為了簡化計算和過程，根據本過程步驟 的修改，為三原色的每個波長確定相同的網格間距，并且在物點的數據記錄中通過計算單 元為物點群確定相同的最小距離。為此，作為第一個標準，場景物點的間距最好由計算單元 確定為小得對于所使用的原色的波長來說，物點不能再被分辨為分離的點。本過程的第二 個標準這樣得以滿足，物點群內的物點之間的距離由計算單元確定為大得對于三原色的波 長來說，物點可以被分辨為分離的點。由于彩色場景重建的分辨率例如適應于眼睛的分辨 能力，所以在場景的重建中可以實現斑點圖樣數量的減少。根據本發明的全息重建裝置可 以設計成透射類型或者反射類型的全息裝置，并且該全息重建裝置能夠為一個觀察者或者 多個觀察者服務。
權利要求
用于全息重建場景的裝置，其中場景通過軟件裝置被平行的截面層分成物點，并且其中根據確定的網格選擇物點并且通過系統控制器裝置將物點結合以形成物點群，其中計算每個物點群的計算機生成的全息圖(CGH)并且該計算機生成的全息圖(CGH)在由光源裝置發出的相干光照亮的光調制器裝置上編碼，其中重建裝置生成各個重建并且使它們非相干地疊加，以便場景的單一全息重建在觀察者眼睛位置的平面內變得可見，并且其中系統控制器裝置具有用于存儲物點的數據記錄的存儲裝置，其特征在于，系統控制器裝置依據場景重建的可見分辨率在截面層內根據網格完成物點的選擇以及執行物點的結合以形成物點群。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，為了通過系統控制器裝置實現對場景重 建的可見分辨率的適應——在每個截面層中，為具有在截面層中鄰近物點不能被觀察者分辨為分離的點的間 距的物點確定網格，并且——用可以被觀察者分辨為分離的點的鄰近物點的數據記錄完成將各個截面層的物 點結合以形成物點群。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，場景重建的可見分辨率適應于人類眼睛 的分辨能力。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于，眼睛的分辨能力由艾里函數2*jl(r-rO) / (r-rO)描述，其中rO = (χΟ,γΟ)是物點的坐標，r_rO是截面層內到該坐標的距離，以及jl 是貝塞爾函數。
5.根據權利要求4所述的裝置，其特征在于，該裝置具有用于檢測關于至少一個觀察 者的實際眼睛位置的信息以及關于該觀察者的眼睛瞳孔的實際尺寸的信息的位置探測器。
6.根據權利要求2和5所述的裝置，其特征在于，該裝置具有用于基于實際眼睛位置到 各個截面層的距離并且基于觀察者的實際眼睛瞳孔直徑計算物點密度的計算單元，其中所 述物點密度用于在各個截面層中確定物點的間距。
7.根據權利要求5所述的裝置，其特征在于，位置探測器包含用于檢測將要重建的場 景的實際亮度值或者重建空間中環境光的實際亮度值的傳感器，其中亮度值用來確定眼睛 瞳孔的實際直徑。
8.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，系統控制器裝置控制在光調制器裝置上 編碼CGH的過程以及隨后的場景的物點群的重建的過程。
9.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，場景重建的可見分辨率適應于重建裝置 的成像性能。
10.根據權利要求9所述的裝置，其特征在于，通過模擬或者基于測量曲線找到重建裝 置的成像性能。
11.根據權利要求10所述的裝置，其特征在于，表征可見分辨率的物點之間的橫向距 離通過模擬或者測量曲線得到并將其存儲在存儲裝置中的各個數據記錄中。
12.根據權利要求2到12所述的裝置，其特征在于，系統控制器裝置根據觀察者眼睛的 實際位置和重建裝置的分辨率選擇物點，并將其結合以形成物點群。
13.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，在光調制器裝置上一維編碼物點群。
14.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，在光調制器裝置上二維編碼物點群。
15.全息重建場景的方法，其中場景通過軟件裝置被平行的截面層分成物點，并且其中 根據確定的網格選擇物點并且通過系統控制器裝置將物點結合以形成物點群，其中計算每 個物點群的計算機生成的全息圖(CGH)并且該計算機生成的全息圖(CGH)在由光源裝置發 出的相干光照亮的光調制器裝置上編碼，其中重建裝置生成各個重建并且使它們非相干地 疊加，以便場景的單一全息重建在觀察者眼睛位置的平面內變得可見，并且其中系統控制 器裝置具有用于存儲物點的數據記錄的存儲裝置，其特征在于，系統控制器裝置依據場景 重建的可見分辨率在截面層內根據網格選擇物點并且結合物點以形成物點群。
16.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，系統控制器裝置——在每個截面層中為具有在截面層中鄰近的物點不能被觀察者分辨為分離的點間 距的物點確定網格，并且——將各個截面層的可以被觀察者分辨為分離的點的那些物點結合以形成物點群。
17.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，隨后執行各個重建的非相干重疊，以便 觀察者的眼睛在各個重建的強度的總和上時間平均重建的強度。
18.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，同時執行各個重建的非相干重疊，其中 多個光調制器和多個重建裝置同時生成多個重建，并且在觀察者眼睛的位置將它們非相干 重疊。
19.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，使場景重建的可見分辨率適應于光調 制器裝置的分辨率。
20.根據權利要求15所述的方法用于全息重建彩色場景，其特征在于，在系統控制器 裝置中通過軟件裝置將彩色場景分為不同的彩色組分，并且其中彩色重建由不同的光波長 的至少兩種不同的單色重建組成，其中將場景分為物點、將物點結合以形成物點群，以及單 色CGHs的計算為每個彩色組分分離地進行。
21.根據權利要求20所述的方法，其特征在于，為三原色的每個波長確定不同的網格 間距，并且在物點的數據記錄中通過計算單元為物點群確定不同的最小距離。
22.根據權利要求20所述的方法，其特征在于，為三原色的每個波長確定相同的網格 間距，并且在物點的數據記錄中通過計算單元為物點群確定相同的最小距離。
23.根據權利要求21或22所述的方法，其特征在于，場景的物點間距由計算單元確定 為如此之小，以使得對于三原色的波長來說，物點不能再被分辨為分離的點。
24.根據權利要求21或22所述的方法，其特征在于，物點群內物點的距離由計算單元 確定為如此之大，以使得對于三原色的波長來說，物點可以被分辨為分離的點。
25.根據權利要求16或20所述的方法，其特征在于，僅為物點群中的一個選擇一次已 分開的場景的每個物點。
全文摘要
3D場景重建中斑點圖樣的減少可以通過平均來實現。全息重建裝置中，希望通過考慮場景重建的可見分辨率抑制斑點圖樣。全息重建裝置設計成使得場景重建的可見分辨率與人類眼睛的分辨能力相匹配，與所使用的重建裝置(RM)的成像性能相匹配，或者與所使用的光調制器裝置(SLM)的分辨能力相匹配。執行方法步驟，其中物點(OP)的網格比例在各種情況下在交叉平面(SE)內通過系統控制器裝置(SM)生成，其中網格比例在交叉平面(SE)內不能用于分離地分辨鄰近物點(OP)，并且執行各個交叉平面(SE)的物點(OP)的編輯以形成物點群，該物點群具有可以被分離地分辨的鄰近物點(OP)。全息顯示裝置中，本發明用于減少斑點圖樣并且減少將要計算和編碼的場景物點的全息圖的數量，以及計算復雜性。
文檔編號G03H1/26GK101809511SQ200880100780
公開日2010年8月18日 申請日期2008年7月25日 優先權日2007年7月27日
發明者諾伯特·萊斯特 申請人:視瑞爾技術公司