專利名稱：視頻全息圖和用于重構(gòu)視頻全息圖的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種視頻全息圖以及一種包括有光學(xué)系統(tǒng)的用于重 構(gòu)視頻全息圖的裝置，其包括至少一個光源、透鏡以及由設(shè)置成矩陣 或其它規(guī)則圖案的單元組成的全息圖承栽介質(zhì)，并且每一單元帶有至 少一個開口，所述開口的相位和幅度可以控制，以及位于該光源的圖 像面中的觀察平面。
背景技術(shù)：
從現(xiàn)有技術(shù)(Stephen A. Benton, Joel S. Kollin: Three dimensional display system, US5172251 )中已知使用聲光學(xué)調(diào)制器 (AOM )重構(gòu)視頻全息圖的裝置。這種聲光學(xué)調(diào)制器將電信號轉(zhuǎn)換成 為光波波陣面，使用偏轉(zhuǎn)鏡將其重組為^L頻幀，以形成二維全息區(qū)域。 使用其他光學(xué)元件根據(jù)各個波陣面重構(gòu)觀察者可見的場景。所使用的 光學(xué)裝置，諸如透鏡和偏轉(zhuǎn)元件，具有所重構(gòu)的場景的尺寸。由于它 們較大的深度，這些元件體積較大并且沉重。難以將它們縮小，使得 它們的應(yīng)用范圍受到限制。
通過所謂的"片鋪方法(tiling method )，，，使用計算機生成全息 圖(CGH)提供了產(chǎn)生大視頻全息圖的另一種可能。在該方法中，從 WO00/75698A1和US6，437，919B1中已知，借助于光學(xué)系統(tǒng)組合具有 小間距的小CGH。為此，在第一步驟中，將所需要的信息寫入具有小
間距的快速矩陣(通常是EASLM (可電子尋址空間光調(diào)制器))， 然后這些矩陣被復(fù)制到適當(dāng)?shù)娜D介質(zhì)上并被組合以形成大的視頻 全息圖。通常，可光學(xué)尋址空間光調(diào)制器(OASLM)用作全息圖介 質(zhì)。在第二步驟中，使用傳輸和反射中的相干光重建所組合的視頻全 息圖。
在具有設(shè)置成矩陣或其它規(guī)則圖案的可控制開口的CGH中，例 如從WO01/95016A1中或者從Fukaya等人的"Eye陽position tracking type electro-holographic display using liquid crystal devices"， Proceedings of EOS Topical Meeting on Diffractive Optics, 1997中已 知，利用小開口上的衍射來對場景編碼。從開口出來的波陣面在它們 到達觀察者之前匯聚到三維場景的物點上。間距越小，于是在CGH 中的開口越小，那么衍射角、即觀察角就越大。相應(yīng)地，使用這些擴 大觀察角的已知方法就可以提高分辨率。
如通常所已知的，在傅立葉全息圖中，場景被重構(gòu)為平面中全息 圖的直接傅立葉變換或逆傅立葉變換。以周期間隔周期性地繼續(xù)該重 構(gòu)，所述周期間隔的范圍反比于全息圖中的間距。
如果傅立葉全息圖的重構(gòu)尺寸超過了周期間隔，則相鄰的衍射級 會交疊。隨著分辨率逐漸降低，即隨著開口間距的上升，重構(gòu)的邊緣 將通過交疊更高衍射級而逐漸地變形。重構(gòu)的可使用范圍于是就漸漸 地受限。
如果要得到更大的周期性間隔，并從而得到更大的觀察角，全息 圖中所需要的間距就更加接近光波長。因此，CGH必須足夠大，以能 夠重構(gòu)大的場景。這兩個條件要求具有大量開口的大CGH。然而，這 在具有可控制開口形式的顯示中并不可行(參見EP0992163B1)。具 有可控制開口的CGH只有一到幾英寸，并且間距還基本上大于l)Lim。
兩個參數(shù)，間距和全息圖尺寸，的特征就是作為全息圖中開口數(shù) 量的所謂的空間帶寬積(SBP)。如果要產(chǎn)生具有50cm寬度的、帶 有可控制開口的CGH重構(gòu)，使得觀察者能夠在lm的距離并以50cm 寬的水平觀察窗口觀察場景，那么水平方向上的SBP大約為0.5*106。這對應(yīng)于在CGH中l(wèi)pm的距離有500,000個開口。假定縱橫比為4: 3，那么在垂直方向上就需要375000個開口。相應(yīng)地，如果考慮三色 子象素，則CGH就包括3.75xl()U個開口。如果考慮到帶有可控制開 口的CGH通常只允許幅度受到影響，該數(shù)目就會變?yōu)槿?。利用?謂的迂回相位效應(yīng)對相位進行編碼，其要求每個采樣點有至少三個等 距離開口。具有如此大量可控制開口的SLM迄今為止還不為人知。
必須從所要重構(gòu)的場景計算全息圖值。假定對于三原色的每一個 顏色深度為l字節(jié)，并且?guī)俾蕿?0Hz，則CGH所要求的信息流速 率為50xl012-0.5xl014字節(jié)每秒。這么大量的數(shù)據(jù)流的傅立葉變換超 出了當(dāng)今的計算機的能力，并從而不能夠基于本地計算機計算全息圖。 然而，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸如此大量的數(shù)據(jù)當(dāng)前對普通用戶是不可行的。
為了減少大量的計算，已經(jīng)提出不計算全部的全息圖，而只計算 可以被觀察者直接看見的這些部分，或者改變的這些部分。在上面提
息圖，諸如上述"片鋪全息圖"。計算的起始點^是所謂的有效出射光 瞳，其位置可以與觀察者的眼瞳孔重合。隨著該觀察者位置的改變， 通過連續(xù)地重新計算為新的觀察者位置產(chǎn)生圖像的全息圖部分，來跟 蹤圖像。然而，這部分地不能減少計算量。
已知方法的缺陷可以歸納如下帶有聲光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)體積太 大，并且不能減小到由現(xiàn)有技術(shù)的平面顯示已知的尺寸；使用片鋪方 法產(chǎn)生的視頻全息圖是兩階段的處理，其需要大量的技術(shù)努力并且不 能很容易地減小到桌面尺寸；并且基于帶有可控制開口的SLM的結(jié) 構(gòu)太小，以至不能重構(gòu)大的場景。當(dāng)前還沒有具有極其小間距的大的 可控制SLM，這是其所需要的，并且該技術(shù)進一步受到計算機性能以 及當(dāng)前可用的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是避開上述缺陷，并提供大視角視頻全息圖的擴展 的實時重構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明，通過具有權(quán)利要求1的特征的視頻全息圖以及用于 重構(gòu)視頻全息圖的設(shè)備，以創(chuàng)造性的方式實現(xiàn)這一目的。本發(fā)明的優(yōu)
選實施例在權(quán)利要求2至10中。
根據(jù)本發(fā)明，具有可控制開口的視頻全息圖以及用于重構(gòu)視頻全 息圖的設(shè)備的特征在于在觀察平面中，至少一個觀察窗口被形成在 周期間隔中，作為視頻全息圖的直接傅立葉變換或逆傅立葉變換，所 述觀察窗口允許觀察者查看三維場景的重構(gòu)。視頻窗口的最大范圍對
應(yīng)于光源圖像平面中的逆傅立葉變換平面中的周期間隔。截頭錐體在 全息圖和觀察窗口之間伸展，所示截頭錐體包含作為視頻全息圖菲涅 耳變換的全部三維場景。
本發(fā)明中的觀察窗口被近似地限制并相對于觀察者的 一只眼睛、 目距或者相對于另 一適當(dāng)?shù)膮^(qū)域定位。
現(xiàn)在，在本發(fā)明中，提供用于觀察者另 一只眼睛的另 一觀察窗口 。 其實現(xiàn)方式是通過在另一適當(dāng)?shù)奈恢梅胖盟^察的光源，或者添加第 二個實際的或虛擬的足夠相干光源，以在光學(xué)系統(tǒng)中形成一對光源。 該結(jié)構(gòu)允許使用兩只眼睛通過兩個相關(guān)的觀察窗口看到三維場景。可 以與第二觀察窗口的啟動同步地根據(jù)眼睛位置來改變，即重新編碼視
頻全息圖的內(nèi)容。如果幾個觀察者觀看場景，則可以通過開啟另外的 光源產(chǎn)生多個觀察窗口。
關(guān)于用于重構(gòu)視頻全息圖的設(shè)備的本發(fā)明的另 一方面，設(shè)置光學(xué) 系統(tǒng)和全息圖承載介質(zhì)，使得視頻全息圖的更高衍射級具有第 一觀察 窗口的零點，或者在第二觀察窗口的位置具有最小強度。這樣就防止 了 一只眼睛的觀察窗口與觀察者或其它觀察者串?dāng)_。于是利用了較高 衍射級的光強度降低，這是因為全息圖承載介質(zhì)的開口寬度有限和/ 或強度分布的最小值。矩形開口的強度分布例如是sin 函數(shù)，其幅度 快速地降低，并形成隨著距離增加而降低的sii^函數(shù)。
顯示中開口的數(shù)量確定對于視頻全息圖必須計算的值的最大數(shù) 量。從計算機或通過網(wǎng)絡(luò)向表示視頻全息圖的顯示傳輸數(shù)據(jù)被限制到 同樣數(shù)量的值。數(shù)據(jù)流速率基本上不會不同于當(dāng)今所使用的典型顯示
中已知的數(shù)據(jù)流速率?，F(xiàn)在，借助于范例對其進行描述。
例如，如果通過選擇足夠低分辨率的顯示，觀察窗口從50cm(水 平)x3.75em (垂直)減小到lcmxlcm，則全息圖中開口的數(shù)量會降 到1/1875。在通過網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸期間，以同樣的方式減少所需要的 帶寬。使用已知方法創(chuàng)建的視頻全息圖需要1012個開口，而在該范例 中該數(shù)量降低到5xl()S個象素。通過其余觀察窗口可以全面查看該場 景。通過當(dāng)今可用的顯示已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)空間帶寬積對間距和全息 圖大小的這些要求。這樣就允許在具有用于大觀察窗口的大間距的顯 示器上經(jīng)濟地實現(xiàn)大的實時視頻全息圖。
通過機械地或者電子地移動光源、通過使用可移動鏡面或通過使 用可以任何其它方式充分定位的光源來跟蹤該觀察窗口 。根據(jù)光源圖 像的移動來移動觀察窗口。如果觀察者移動，那么空間地移動光源， 使得觀察窗口跟隨觀察者的眼睛。這樣就確保了當(dāng)觀察者移動時，他 們也能夠看到所重構(gòu)的三維場景，從而他們的自由移動不受到限制。 已知多種系統(tǒng)用于檢測觀察者的位置，例如有利地可以將基于磁傳感 器的系統(tǒng)用于此。
本發(fā)明也允許有效地彩色重構(gòu)視頻全息圖。這里，使用每單元至 少三個開口 (表示三原色)進行重構(gòu)，所述開口的幅度和相位是可以 控制的，并且對于每一原色單獨地編碼所述開口。彩色重構(gòu)視頻全息 圖的另 一種可能性就是使用本發(fā)明的設(shè)備一個接一個的執(zhí)行至少三個 重構(gòu)，也就是為各個原色重構(gòu)。
本發(fā)明允許通過可控制的顯示，諸如TFT平板屏幕實時地有效 地產(chǎn)生空間擴展場景的全息圖重構(gòu)，并提供大的視角。這些視頻全息 圖可以有利地用于TV、多媒體、游戲和設(shè)計應(yīng)用中，用于醫(yī)療和軍 事領(lǐng)域，以及經(jīng)濟和社會的許多其它領(lǐng)域?？梢酝ㄟ^計算機或其它方 式產(chǎn)生三維場景。


下面結(jié)合附圖描述和解釋說明本發(fā)明的實施例，其中
圖1為視頻全息圖和用于重構(gòu)視頻全息圖的設(shè)備的一般圖解，表示
衍射級的產(chǎn)生和觀察窗口的位置；
圖2為用于重構(gòu)視頻全息圖的設(shè)備的一般圖解，表示通過觀察窗口 能夠查看的三維場景；
圖3為用于重構(gòu)視頻全息圖的設(shè)備的一般圖解，表示對視頻全息圖 的一部分三維場景進行編碼；
圖4的圖表示觀察平面中根據(jù)衍射級的光強度分布；和
圖5為用于重構(gòu)視頻全息圖的設(shè)備的一般圖解，表示用于觀察者兩 只眼睛的觀察窗口對于衍射級的位置，以防止串?dāng)_。
具體實施例方式
用于重構(gòu)視頻全息圖的設(shè)備包括全息圖承載介質(zhì)、實際或虛擬 的充分相干的點或線光源、以及光學(xué)系統(tǒng)。該視頻全息圖承載介質(zhì)本 身由單元組成，單元被設(shè)置成矩陣或其它規(guī)則圖案，每單元具有至少 一個開口，所述開口的相位或幅度可控制。用于重構(gòu)視頻全息圖的光 學(xué)系統(tǒng)可以通過本領(lǐng)域所熟知的光學(xué)成像系統(tǒng)實現(xiàn)，其包括點或線激 光器，或者充分相干的光源。
圖1所示為視頻全息圖及其重構(gòu)的一般結(jié)構(gòu)。從光線的傳播方向 上看，相繼地設(shè)置光源1、透鏡2、全息圖承載介質(zhì)3以及觀察平面4。 觀察平面4對應(yīng)于具有衍射級的視頻全息圖的逆變換的傅立葉平面。
光源1通過透鏡2所表示的光學(xué)系統(tǒng)成像到該觀察平面4上。如 果插入全息圖承載介質(zhì)3，其在該觀察平面4中重構(gòu)為傅立葉逆變換。 具有周期開口的全息圖承載介質(zhì)3在觀察平面4中等距離地產(chǎn)生交錯 的衍射級，這里出現(xiàn)編碼成為更高衍射級的全息圖，例如通過所謂的 迂回相位效應(yīng)。因為更高衍射級的光強度降低，所以1"和-1"的衍射 級用作觀察窗口 5。如果沒有其他明確說明，l"衍射級將會作為本發(fā) 明進一步描述的基礎(chǔ)。
這里選擇重構(gòu)的尺寸，以對應(yīng)于觀察平面4中l(wèi)"衍射級的周期 間隔的尺寸。相應(yīng)地，配屬有更高的衍射級，而沒有形成間距，也沒
有交疊。
作為傅立葉變換，所選擇的rt衍射級形成全息圖承載介質(zhì)3的 重構(gòu)。然而，其并不表示實際三維場景6。其只是用作觀察窗口，通 過其可以觀察三維場景6 (參見圖2)。以rt衍射級的射線束內(nèi)的圓
環(huán)(circle)的形式表示實際的三維場景6。該場景于是位于在全息圖 承載介質(zhì)3和觀察窗口 5之間延伸的重構(gòu)截頭錐體之內(nèi)。場景6被處 理為全息圖承栽介質(zhì)3的菲涅耳變換，而該觀察窗口 5是部分的傅立 葉變換。
圖3所示為對應(yīng)的全息圖編碼。該三維場景由離散點組成。以觀 察窗口 5作為底邊、并且以場景6中所選擇的點7作為頂點的棱推， 延長通過該點并投影到全息圖承載介質(zhì)3上。在全息圖承載介質(zhì)3上 創(chuàng)建了投影區(qū)域8，該點全息地編碼在所述投影區(qū)域中?？梢源_定點7 至全息圖承載介質(zhì)3的單元之間的距離，以計算相位值。這種重構(gòu)允 許觀察窗口 5的大小受到周期間隔的限制。然而，如果點7在整個全 息圖承載介質(zhì)3中被編碼，那么該重構(gòu)就會超出周期間隔。來自相鄰 衍射級的觀察區(qū)域就會交疊，其將導(dǎo)致觀察者看到點7的周期延拓。 這樣編碼表面的輪廓由于多個交疊而會模糊。
利用強度隨著衍射級的增高而降低來抑制與其它觀察窗口的串 擾(cross-talking )。圖4示意性地表示衍射級上的光強度分布，通過 CGH中開口的寬度確定所述分布。橫坐標(biāo)所示為衍射級。Ist衍射級 表示用于左眼的觀察窗口 5，即左觀察窗口，通過其可以觀察該三維 場景。通過光強度隨著更高衍射級而降低，并且另外通過該強度分布 的零點來抑制進入右眼觀察窗口的串?dāng)_。
當(dāng)然，觀察者可以使用兩眼觀察全息圖3的場景6 (參見圖5)。 對于右眼，選擇由光源1'的-1"衍射級表示的右觀察窗口 5'。如從附圖 中可見，這個光以非常低的強度影響左眼。這里，其對應(yīng)于-6"衍射 級。
對于左眼，選擇對應(yīng)于光源1的位置的l"衍射級。同樣的形成 左觀察窗口 5。根據(jù)本發(fā)明，使用在相對于眼睛的固定位置中的光源1 和1'，重構(gòu)對應(yīng)的三維場景6和6'(未示出)。因此當(dāng)開啟光源l和 l'時，全息圖3將被重新編碼?？商鎿Q地，這兩個光源1和l'可以在 兩個觀察窗口 5和5'中同時重構(gòu)全息圖3。
如果觀察者移動，跟蹤光源1和l'，使得兩個觀察窗口 5和5' 保持位于該觀察者的眼睛上。同樣可以應(yīng)用于法向、即垂直于視頻全 息圖方向上的移動。
進一步，如果通過開啟另外的光源而創(chuàng)建另外的觀察窗口，幾個 觀察者可以看到三維場景。
權(quán)利要求
1.一種視頻全息圖和用于重構(gòu)視頻全息圖的設(shè)備，包括由提供充分相干光的至少一個實際或虛擬的點或線光源構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)，透鏡和全息圖承載介質(zhì)，所述全息圖承載介質(zhì)由設(shè)置成矩陣或其它規(guī)則圖案的單元組成，并且每單元具有至少一個開口，所述開口的相位和幅度是可控制的，以及位于所述光源圖像平面的觀察平面，其特征在于在觀察平面中，至少一個觀察窗口(5)位于由視頻全息圖(3)的逆傅立葉變換而重構(gòu)的周期間隔中，通過所述視頻全息圖可以看到三維場景(6)的重構(gòu)，并且所述觀察窗口(5)的范圍不超過所述周期間隔。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的視頻全息圖和設(shè)備，其特征在于所述觀察 窗口 (5)近似地相對于觀察者的一只眼睛、目距或者相對于另一適當(dāng) 的區(qū)域被限定和定位。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的視頻全息圖和設(shè)備，其特征在于為觀察者 的另一只眼睛分配第二觀察窗口 (5')，所述第二觀察窗口通過在另 一適當(dāng)?shù)奈恢瞄_啟第二個實際或虛擬的充分相干光源(l')，以在所 述光學(xué)系統(tǒng)中形成一對光源而得到。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的視頻全息圖和設(shè)備，其特征在于設(shè)置所述 光學(xué)系統(tǒng)和所述全息圖承栽介質(zhì)(3)，使得用于所述第一觀察窗口(5) 的視頻全息圖(3)的更高衍射級在所述第二觀察窗口 (5')的位置具 有零點或強度最小值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的視頻全息圖和設(shè)備，其特征在于可以為所 述第二只眼睛同步地重新編碼所述全息圖承載介質(zhì)(3)，以開啟所述第二觀察窗口 (5')。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3至5的視頻全息圖和設(shè)備，其特征在于可以 為多個觀察者開啟多個光源。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中之一的視頻全息圖和設(shè)備，其特征在 于可以通過機械或電子位移、通過可移動的鏡面或其它適當(dāng)?shù)姆绞絹?定位所述光源。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7之一的視頻全息圖和設(shè)備，其特征在于 由至少一個位置傳感器根據(jù)觀察者的位置提供確定光源位置所需要的 信息。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l的視頻全息圖和設(shè)備，其特征在于彩色地重 構(gòu)視頻全息圖，其中所述全息圖承載介質(zhì)(3)由設(shè)置成矩陣或其它規(guī) 則圖案的單元組成，并且每單元具有至少三個開口，表示三原色，所述開口的相位和/或幅度是可以控制的，并且對于每一原色單獨地編碼 所述開口。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1的視頻全息圖和設(shè)備，其特征在于通過各個 原色中至少三個相繼執(zhí)行的重構(gòu)來實現(xiàn)彩色重構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及視頻全息圖以及用于重構(gòu)視頻全息圖的設(shè)備，包括包括光源(1)的光學(xué)系統(tǒng)、透鏡(2)以及由設(shè)置為矩陣或其他規(guī)則圖案的單元構(gòu)成的視頻全息圖(3)，其中每個單元有至少一個開口，所述開口的相位或幅度是可控的。視頻全息圖和用于重構(gòu)的設(shè)備的特征在于，利用可控顯示能夠在寬的觀察區(qū)域中實時地實現(xiàn)擴展空間物體(6)的全息視頻表現(xiàn)，由此物體或者是計算機生成的，或者是由不同方式產(chǎn)生的。因此，全息圖的空間帶寬積被減少到最小，并且使用傅立葉譜的周期間隔作為逆變換平面的觀察窗口(5)，通過該觀察窗口，物體在前面的空間中是可見的。通過跟蹤觀察窗口實現(xiàn)觀察者的移動性。本發(fā)明能夠有利地用于電視、多媒體、游戲和建筑領(lǐng)域，用于軍事和醫(yī)藥技術(shù)，以及其他經(jīng)濟和社會領(lǐng)域。
文檔編號G03H1/22GK101349889SQ20081009674
公開日2009年1月21日 申請日期2003年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月13日
發(fā)明者阿明·施維特納爾 申請人:希瑞爾技術(shù)有限公司