專利名稱：計算機生成全息圖的編碼方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種對空間光調制器(SLM)上的三維物體的計算機生成全 息圖(CGH)進行編碼的方法，其中該物體的重建影像可以透過一個位于 觀察者位置平面中的觀察者視窗看見。CGH通過相位編碼表示，因此利 用一個轉換運算法來進行CGH控制值的迭代計算。三維物體的重建通過 讓充分相干的光在光調制器、例如相位調制式SLM的可控制像素上衍射 產生。本發(fā)明進一步涉及一種包含有執(zhí)行編碼方法的機構的全息顯示裝 置。
在本申請中，所謂的"SLM"表示一種用于通過調制由一個或多個獨立 光源所發(fā)出的光束來控制波場的強度(振幅)、色彩和/或相位的電子媒介。 該SLM包含有多個電子可控制像素，這些像素以規(guī)則的形態(tài)排列，并對 CGH進行編碼。在本申請中，k個相鄰像素合并構成一個有k個相位分子 的相位編碼元件。在此，將說明二相編碼以作為有k個分子的相位編碼的 范例。然而，本發(fā)明的說明同樣也適用于有大量分子的相位編碼。在申請 中，所謂的"轉換"應包括任何適合用以產生光波傳播效果的轉換。這包括 例如菲涅爾轉換和傅里葉轉換。
背景技術：
三維物體在全息顯示裝置中的重建會受到重建誤差的負面影響，該誤 差例如根據所使用的顯示部件、例如振幅或相位調制式SLM由其它衍射 級的干涉光或CGH編碼方法所引起。修正或消除這樣的影響可以改善全 息顯示裝置中的重建品質。
由本申請人申請的DE10 2004 063 838號尚未公開的專利申請中說明 了一種用來計算CGH的方法和用來在振幅調制式SLM上進行相同編碼的
相應裝置。利用合適的方法對CGH在振幅調制式SLM上進行計算和編碼。 有可能利用這樣的設計達到良好的CGH重建品質。和傳統(tǒng)的全息影像相 反的是，經過編碼的CGH是根據二維物體層、也就是三維物體的平行斷 面的物體數據集所進行的全息影像數據集的計算以及利用例如電腦的電 子儲存媒介中的電子裝置儲存的結果。物體數據集包含個別物體層中的多 個物體點的復相和振幅值，因此也就是該三維物體的整個物體信息?；?物體數據集所計算的復數全息影像數據用于對SLM進行編碼，它以電子 形式影響可以產生干涉的光的振幅和/或相位。因此三維物體可以根據這些 數據完全重建，并且可以從位于靠近觀察者眼睛的觀察者視窗中的適當透 視看到全息呈現。該三維物體可以是固定的物體或是真實或虛擬場景的一 連串活動影像。至于本發(fā)明切近該項專利申請時，將在以下對實施例的詳 細說明中行解釋說明。
另一個CGH的編碼方法是采用結合相位調制式SLM的相位編碼方 法，其中優(yōu)選為二相編碼方法。在此只在SLM中直接調制光的相位。二 相編碼的原理是以復數值可以由兩個具有固定振幅的相位值來表示為依 據。每個具有相位v(/且振幅介于0與1之間的復數值因此以兩個具有絕對 值1和相位值v土acos a的復數的總和來表示。不過，還存在以每個復數值 的兩個或更多個相位值來表示一組復數值的其他可能。所謂的"二相編碼" 和"有k個分子的相位編碼"在此以一般的意義來解釋。
二相編碼方法用于結合相位編碼SLM表示相位值。如果可以將兩個 一致且在SLM上的位置相同的相位值編碼，則經過編碼的CGH將可以達 到無錯誤的三維物體重建。然而實際上，相位值只能被寫到SLM的一個 橫排(或縱排)中的兩個相鄰的可控制像素上，使它們在位置上有所偏差。 如果使用兩個以上的相位值來進行編碼，則情況將類似于相位值數。這個 偏差會造成CGH重建時的誤差。
不過，相位編碼比起在振幅調制式SLM上進行振幅全息影像編碼具 有許多優(yōu)點。利用二相編碼，可以達到更高的重建亮度，因為相位編碼 SLM的像素具有最大的透光度。由于事實上物體在所使用的零階衍射中 重建，二相編碼方法的另一個優(yōu)點是，它會顯示出更有利的波長依存，而
這有利于彩色全息影像的呈現。然而，這種編碼方法也有缺點，即全息重
建品質與例如振幅調制式SLM的巴克哈特(Burckhardt)編碼方法比起來較差。
因此，必須采取改善重建品質的措施才能充分利用二相編碼方法的正 面優(yōu)點。重建品質可以通過例如在進行CGH編碼時利用迭代算法來改善。 從文獻中可以得知多種普通迭代法。
最常見的一種是由GERCHBERG和SAXTON開發(fā)的反復傅里葉轉 換運算，該算法在許多出版物中均有詳細描述。它被用作許多迭代法的一 般基礎。這種運算法在給定的函數和它的傅里葉轉換之間反復地來回轉 換。來自這兩個函數中的設定點值的誤差通過利用其自由度逐步減小。轉 換在例如光調制器的平面和二維物體的重建平面之間進行。物體平面中的 強度分布經常表示具有特定值，而復數值的相位可以自由地選擇并進行調 制來使誤差最小化。然而，在多數情況下并不能完全消除重建誤差。
另一種將CGH表示為相位全息影像的方法稱為kinoform。 HIROSHI AKAHORI在其文件"通過以虛擬區(qū)域進行kinoform合成的反復運算的光 譜平衡"("Spectrum leveling by an iterative algorithm with a dummy area for synthesizing the kinoform")中，描述了 一種用來計算kinoform的迭代法。 如果采用相位調制式SLM，則kinoform元件只包含一個可控制的像素， 其只能填入一個復數值的相位值。該復數的絕對值不論其實際值是多少都 被設定為1。由于這樣的編碼程序，物體的重建將會是錯誤的。為了修正 這個錯誤，根據以計算方式導入物體平面中的視窗來執(zhí)行反復迭代。該視 窗包括信號區(qū)和所謂的虛擬區(qū)。在信號區(qū)中，應利用迭代法針對該區(qū)恢復 原始物體的強度信號。在個別迭代步驟中，設定點值的絕對值被取代并從 先前的計算中取得相位值。這個程序只適用于一維和二維物體。
迭代法最常用在要使單一平面中的光強度達到最優(yōu)化的應用中。這與 二維物體的重建一致。關于此方法延伸至多個重建平面的應用范圍在 GAVIN SINCLAIR等人所著的"用于三維光塑形的多平面 GERCHBERG-SAXTON運算的全息光鉗中的迭代應用"("Interactiveapplication in holographic optical tweezers of a multi-plane GERCHBERG-SAXTON algorithm for three-dimensional light shaping")文
件中得以說明。這份文件描述了用于三維物體的全息影像迭代法。其中將 物體切片成多個物體層。具有復數實際值的編碼全息影像被逐個轉換為各 個個別的物體層。在每個"切片"平面中，將復數實際值與復數設定點值進 行比較，實際值的絕對部分由設定點值的絕對部分取代。在轉換回全息影 像平面后，加上個別的值來進行編碼。由于大量的物體平面以及在個別物 體平面和全息影像平面之間的許多轉換，這種迭代法需要非常非常強大的 運算能力。
雖然采用二相編碼方法SLM只會直接調制光的相位，但根據SLM所 進行的調制，最終復數波場的振幅也會由于干擾而受到影響。為此以及前 述原因，在用來進行CGH編碼的迭代法中絕對不能忽略振幅，如現有技 術中可看到的。
上述方法還有進一步的缺點，那就是必須滿足很多條件才能結合全息 顯示器采用他們。操作中并不一定總能具有所需的精確度。因此非常難以 完全消除前述的可能導致重建誤差的所有及任何影響。永遠都會有顯著的 錯誤，使得若不應用修正方法，全息顯示器的高品質重建將無法達成。此 外，已知的與三維物體有關的迭代修正方法也都需要極強大的運算能力。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的在于，借助于迭代運算基于相位編碼來改善光調 制器上的三維物體的CGH編碼品質，以提高全息顯示裝置的重建品質并 達到更大的亮度以及改善重建的色彩表現。
這個目的可通過一種方法達到，在此方法中，用于編碼CGH的光調 制器的像素控制值根據三維物體的既有物體數據集來確定。首先，根據物 體數據集計算出復數波場的二維分布。根據本發(fā)明，相位值會通過轉換以 及進行k個分子的相位編碼被轉變成用于相位調制式SLM的控制值的迭 代計算的初始值。
編碼的控制值借助于全息顯示裝置中的電腦計算出來，這個計算包含 下列步驟
-根據觀察者視窗中的波場的N個復數值的分布構成復數設定點值 的分布，作為將用在編碼的迭代計算中的比較基礎，觀察者視窗被設定在 一個確定的轉換區(qū)域內；
-將復數設定點值的分布轉換為光調制器平面并借助于相位編碼呈 現出來，以便對于轉換的每個復數值找到一些k相位值作為編碼的迭代計 算的初始值，其中k是大于l的數字因數；以及
-進行包含轉換區(qū)域的觀察者位置平面與光調制器平面之間的重復 迭代步驟的計算，并在確定的中斷標準出現時中斷，以便以最新計算的相
位值來進行CGH編碼。
觀察者視窗中的N個復數設定點值的分布同時包含振幅值和相位值，
因為在進行三維物體的無錯誤重建時同時需要具有這兩個值。在以觀察者 視窗中的復數設定點值取代復數實際值時，相位值和振幅值都必須在每個 迭代步驟中被取代。
觀察者位置平面中確定的以及光學上可見的轉換區(qū)域包含觀察者視 窗，該視窗可能落在轉換區(qū)域內的任何位置。對于二相編碼，該視窗優(yōu)選 地落在轉換區(qū)域的中央并涵蓋一半的轉換區(qū)域。在第一個步驟中，所有物
體數據集被轉換為觀察者視窗，并在這里加上所有的N個復數值。和復數 設定點值一樣，他們代表單一二維、復數值的波場中的三維物體的全部光 學信息的設定點值分布的掃描，并形成在迭代處理的每個步驟中的值的比 較基礎。在后續(xù)步驟中，設定點值進行傅里葉轉換，轉換為光調制器的平 面，藉此以具有可變絕對部分的復數值的形式提供此信息用于計算相位編 碼。根據相位編碼計算得的KW個相位值最好轉換為具有常數絕對部分的 復數值。它們被用作編碼控制值迭代計算的初始值，并重新轉換回觀察者 位置平面。在這里，它們代表用于進行比較的復數實際值并且與觀察者視 窗中的復數設定點值進行比較。
根據本發(fā)明的后續(xù)步驟，初始值可以通過附加的算術運算來進行改
善。這些算術運算在相位編碼之后但在迭代計算之前執(zhí)行。
加上觀察者視窗中的個別轉換的復數值具有這樣的優(yōu)點，即編碼控制 值迭代計算的后續(xù)轉換僅必須在兩個平面，即觀察者位置平面與同時也是 全息影像平面的光調制器平面之間執(zhí)行。與現有解決方案相比，并不需要 在多個物體平面與全息影響平面之間執(zhí)行轉換。與公知迭代法相比，這樣 處理會使得三維物體的全息呈現的計算負荷明顯降低。
根據此新方法，以下例程會在每個迭代步驟中執(zhí)行
-將從光調制器平面轉換回來的N個復數實際值與觀察者視窗內的 匯集波場的N個復數設定點值相對于確定的中斷標準進行比較
-將轉換為轉換區(qū)域的觀察者視窗中的N個復數實際值以N個復數 設定點值取代并照舊采用在轉換區(qū)域內但在觀察者視窗外的(K-l) W個 復數實際值來進行迭代計算
-只利用K，N個相位部分執(zhí)行光調制器平面內的N個復數實際與設
定點值的新的傅里葉轉換然后并重新轉換回轉換區(qū)域，而絕對部分則固定 為常數值。
根據迭代計算的另一個實施例，各計算相位值的相應于光調制器特性
的絕對值可以用來取代KW個相位值的常數絕對值用來在每個迭代步驟 中轉換回轉換區(qū)域。
振幅和相位值對于三維物體的波場重建都是非常重要的。因此在每個 迭代步驟中，復數實際值的振幅和相位都被觀察者視窗中的復數設定點值 取代。采用轉換區(qū)域以內觀察者視窗以外的計算復數實際值來進行進一步 的轉換而不作任何改變。與確定的中斷標準進行值的比較可以在每個迭代 步驟之后或在確定的迭代步驟數之后執(zhí)行。
利用轉換區(qū)域來進行計算轉換的優(yōu)點在于，其必須執(zhí)行明顯更少量的 算術運算、例如更少量的傅里葉轉換，以使必須一直執(zhí)行至確定的中斷標 準為止的迭代步驟可以更快完成。在三維物體的全息重建中，以通過新方 法可以相當趨近完美的復數設定點值來代表轉換的物體數據，并據此構成 編碼的比較基礎。
根據本發(fā)明的一個進一步的實施例，觀察者視窗內完成轉換的N個復 數實際值在每個迭代步驟中也可以由N個復數設定點值來取代使得可以 使用經過常數C加權的設定點值和實際值的組合。然后根據下列方程式計 算出一個新的設定點值
新的設定點值二c'設定點值+(1<>實際值，其中0<(:《。
因數c影響迭代速度。如果c-2，通常只需更少量的迭代步驟即足以 達到與原來使用的迭代法(其中cO相同的效果，從而可以更快地獲得 結果。這個例子說明了過補償和太大的實際值被較小的值取代的方法。太 小的實際值將會被較大的值取代。
這種取代由V. V. KOTLYAR在"用于計算kinoforms的以反復加權為 基石出的方法，，("An iterative weight-based method for calculating kinoforms")
中所說明的，其中作者說明了用于kinoform的所謂的自適應迭代方法，其 區(qū)別之處在于僅復數值的絕對部分被取代。
根據本發(fā)明的方法用于全息顯示裝置上，該裝置除了包含至少一個具 有充分相干光的光源的光學系統(tǒng)之外，還包含轉換鏡片和用于編碼CGH 的光調制器、用于提供控制信號的處理器以及用于重建三維物體的機構和 用來執(zhí)行該方法的其他機構。這些機構具體為
-選擇機構，用來提供三維物體的物體數據集，用于確定迭代計算的 轉換區(qū)域，及用以將物體數據集轉換的復數值加入到轉換區(qū)域中
-轉換機構，用來執(zhí)行物體平面與觀察者位置平面之間、以及光調制 器平面與觀察者位置平面之間的轉換，并用于CGH編碼的計算
-比較機構，用來確定觀察者視窗中的復數設定點值與實際值之間的 誤差，并用以在達到確定的中斷標準時傳送迭代的中斷信號，及
-重建機構，用于重建經過編碼的CGH。
光調制器優(yōu)選為與要編碼的CGH全息平面一致的相位調制式SLM。 與三維物體有關的編碼信息通過充分相干的光在光調制器的可控制像素 上的衍射以全息方式重建。重建可以在觀察者位置平面與光調制器之間的
空間中實現或從觀察者位置平面看在光調制器后方實現。重建甚至可以同 時部分在光調制器前方、部分在光調制器后方可見。
如果要進行彩色CGH的編碼，則會針對三原色分別執(zhí)行迭代計算。
該新方法使得輕易地將全息顯示器中干擾光(噪音)和信號進行空間
上的分離變成可能。上述迭代計算改善了進行CGH編碼的控制值的品質 并使反復使用的相位編碼達到最優(yōu)。根據本發(fā)明計算和編碼的CGH顯示 出更佳的全息影像品質并因此使三維物體的重建達到更高的品質。
. 如果CGH是彩色全息影像，它可能由代表各個原色(紅、綠、藍) 的次全息影像組成。在光調制器中，這可以通過每個原色的次像素或通過 依序顯示分別各代表一個原色的多個次全息影像來實現。次全息影像是三 維物體的單色CGH。用來作為SLM的像素控制值的相位值的最優(yōu)迭代在 這種情況下分別針對每個原色進行。前提是SLM的每個像素包含代表三 原色的三個次像素。


現在，發(fā)明的方法和用于實現該方法的全息顯示裝置將在下文中結合 附圖被詳細描述，其中
圖1表示在觀察者位置平面中的轉換區(qū)域，在該區(qū)域內設置有觀察者 視窗；
圖2是在全息顯示中(俯視)，在光調制器和觀察者位置平面之間的 空間中的三維物體重建的示意圖3是在觀察者和全息影像平面之間的傅里葉轉換運算的示意圖，用 來表示重復的迭代步驟；
圖4表示理想相位調制式SLM的特性；及 圖5表示真實光調制器的特性。 元件標記說明 1-轉換區(qū)域2- 觀察者視窗
3- 光源
4- 轉換鏡片
5- 光調制器
6- 物體
7- 觀察者位置平面
8- 全息影像平面
9- 光調制器5的特性 K-相位值的數字因數 FT-傅里葉轉換 FFT-快速傅里葉轉換
具體實施例方式
本發(fā)明的方法的依據是提供的切片成多個平行的、二維物體層(未示) 的三維物體6、觀察者位置平面7中的觀察者視窗2和光調制器5中的用 于進行CGH編碼的相位編碼的數據集，所述相位編碼利用轉換運算進行 最優(yōu)迭代。此外，在全息顯示裝置中執(zhí)行此新方法的技術手段將被明確說 明。如何將物體6切片以得到二維物體層和如何產生將被用于轉換中的物 體數據集和全息數據集的細節(jié)未包括在本發(fā)明的范圍內。這些內容僅在對 理解迭代計算是必須時才會被描述。
參考圖1，可控制的選擇機構(未示)定義光學上可見的轉換區(qū)域1 用于執(zhí)行初始確定的轉換。在此所采用的傅里葉轉換的特殊形式是快速傅 里葉轉換(FFT)。虛擬觀察者視窗2在轉換區(qū)域1內產生。采用從 WO2004/044659號專利文件中所知的觀察者視窗2結合本方法具有可以 將用于轉換的區(qū)域保持到非常小的優(yōu)點。轉換區(qū)域1的大小由所用的顯示 器的特性，也即它的像素大小來定義。在傅里葉全息影像中，重建會以大 小與光調制器的像素間距成反比例的間隔持續(xù)周期性進行，其中所謂的間
距就是從一個像素的中心點到相鄰像素的中心點的距離。轉換區(qū)域1即落 在這個間隔中，它的大小為2N。 二維轉換可以在這個轉換區(qū)域中的M橫
排中計算。在二相編碼中，觀察者視窗2涵蓋一半的轉換區(qū)域1.
參考圖2，在全息顯示裝置中，發(fā)射出相干光的光源3設置在轉換鏡 片4和光調制器5的前方。這些元件形成了全息顯示裝置的光學系統(tǒng)，它 是照明和通過傅里葉轉換進行重建所必須的。轉換區(qū)域1落在觀察者位置 平面7，用于觀察三維物體6的重建影像的觀察者視窗2即位于轉換區(qū)域 1中。圖中的箭頭表示菲湼爾轉換(Fresnel transformation)和快速傅里葉 轉換(FFT)的方向。
圖3以簡圖表示目的在于改善光調制器5上進行CGH編碼的控制值 的迭代計算過程。具有個別迭代步驟的傅里葉轉換運算在具有全息影像平 面8的光調制器5與具有觀察者視窗2的轉換區(qū)域1之間執(zhí)行。在第一步 驟中，確定觀察者視窗2中的復數設定點值的分布，圖中用虛線表示。
圖4表示相位調制式SLM的理想特性。圖5表示其真實特性。特性 9表示相位調制式SLM的傳輸或反射的相位與振幅之間的關系。如果用 于顯示裝置中，所述SLM會產生不理想的相位調制一振幅也是，因此 光線的復數值的波場的絕對部分受到影響。為了將這個影響考慮在內，迭 代計算在根據相應于計算得的相位值的光調制器5的理想特性9利用絕對 值在相位編碼之后進行。根據本發(fā)明的另一實施例，在相位編碼后所進行 的迭代計算利用常數絕對值進行。
以下對相位編碼的說明主要關于CGH的二相編碼。
利用僅允許相位值呈現出來的相位調制式SLM作為光調制器。從物 體數據集計算得到的經傅里葉轉換的復數值通過相位編碼被轉換為相位 值。復數值的振幅首先進行標準化以配合介于O和l之間的范圍。每個具 有相位v(/且振幅范圍在0和1之間的復數可以由兩個絕對值為1和相位值 為v)/士acos a的復數的總和表示。這意味著尤其是在相位編碼的前后關系 中，復數可以用具有常數振幅的兩個相位值來表示。
如果可以將調制式SLM上的一個和相同位置處的兩個相位值進行編
碼，則經此編碼的CGH使可達成無錯誤的重建三維物體6。然而實際上，
這兩個相位值只能被寫到兩個相鄰的可控制像素上，他們結合起來形成相
位調制式SLM的一個元件，使他們在位置上會有所偏差。該偏差會導致 CGH重建的誤差。本發(fā)明編碼方法提供了用于減少或修正該錯誤的解決 方法。由于這種新方法，用來進行CGH編碼的控制值可以被改善從而使 要重建的波場以盡可能小的誤差接近于物體6的理想波場。
為了能夠將迭代計算應用于兩個以上的相位值，導入了大于1的因數 k作為描述相位值與由相位值表示的復數之比的因數。對于二相編碼，]^2。 通常k也可以是非整數值。例如，如果k-2.5，則意味著2個復數值由5 個相位值表示。如果一個復數值具有一個較大的k相位值數、例如4，則 該相位值也可以是兩個相鄰縱排和橫排的一個像素中的二維編碼。
因數值k也影響觀察者視窗2的尺寸。K越大觀察者視窗2越小。因 此觀察者視窗的面積將是一個衍射級的1/k。
這個方法的起始點是上述的三維物體6，它會被切片成多個二維平行 物體層。可以采用任何數量的物體層。物體層數目越多，重建越精確。被 切片的物體6通過選擇機構提供到具有N個復數值的橫排物體數據集中。 有多少物體層就會有多少物體數據集。物體數據集的對應橫排的N個復數 值通過菲湼爾轉換成為觀察者位置平面7中先前確定的轉換區(qū)域1的觀察 者視窗2并加入到其中。這意味著在觀察者位置平面7中，波場會針對每 一個物體層進行計算，而所有個別波場的值加起來構成包含有物體6的所 有轉換過的物體層信息的匯集波場。通過這個加法運算，每一橫排的N個 復數設定點值的分布通過計算的方式來提供，并構成CGH的迭代計算的 比較基礎。
迭代計算可以應用于全視差的CGH上也可以應用于只有水平或只有 垂直視差的CGH上。在代表最一般情況的第一種情況下，物體層中會有 M個橫排和N個縱排要進行轉換，也就是有MW個復數值要用來計算二 維傅里葉轉換。在進行二相編碼后，在相位調制式SLM中會有M個各具 有2.N個相位值的橫排，也就是有2'M，N個值。不過，整個CGH連同其
所有橫排可以同時進行最優(yōu)迭代。所有M個橫排的復數值和縱排的N個 復數值(參考圖1)用來在觀察者視窗2中進行轉換。
在只有水平視差的情況下，這個過程會針對橫排進行，也就是要在轉 換機構中來回轉換的復數值(實際值、設定點值和相位值)通常會與特定 橫排有關。在只有垂直視差的情況下，必須針對一個縱排中上下排列的像
素進行編碼，也就是必須利用迭代計算方法針對縱排進行》M個復數值的 最優(yōu)化。觀察者視窗2的垂直范圍大小則為轉換區(qū)域1的一半大小。
轉換區(qū)域1位于一個周期性的間隔內。這表示轉換區(qū)域1在CGH重 建中會周期性連續(xù)。
請參考圖3中的示意圖，現在將說明迭代計算的過程。將包含在M 個橫排中的觀察者視窗2中的N個復數設定點值進行快速傅里葉轉換，使 它們被轉換為光調制器5平面。這些經過轉換的復數值則用來計算二相編 碼并用來在相位調制式SLM上進行物體6的CGH的編碼。由于如前所述， 每個復數值都由兩個相位值表示，此編碼會產生個具有常數絕對值、 例如1的相位值。具有絕對值為1的2W個復數值會據此作為迭代初始值 被提供。
迭代計算以這個所確定的初始值開始。首先，2W個復數值被轉換回 轉換區(qū)域1。這個反向轉換會產生要重建的物體6的波場所需的實際值。 在轉換區(qū)域1的觀察者視窗2中，將這N個復數實際值設定點值與N個 復數設定點值進行比較。在進行這個比較之后，被轉換為轉換區(qū)域l中的 觀察者視窗2的N個復數實際值被N個復數設定點值取代。觀察者視窗2 會在下次轉換中采用這N個復數實際值而不作任何改變。這些復數實際值 和設定點值被轉換為光調制器5平面。這個轉換產生2，N個具有可變絕對 部分的復數值。在隨后的反向轉換(FFT)為轉換區(qū)域l的過程中，僅使 用2W個相位值，振幅值則被設定為常數值。下一迭代步驟以新值開始。 所述的過程會一直重復直到達到確定的中斷標準為止。每個迭代步驟都會 減少觀察者視窗2中復數實際值和復數設定點值之間的偏差，以及光調制 器平面中復數值和常數值之間的偏差。用來進行CGH編碼的控制值因此
得以不斷改善。它們在處理器中被轉換為控制信號，并根據對應于全息影 像數據集的最新計算相位值來進行CGH編碼。
利用在相位調制式SLM上編碼的全息影像數據集，可以用包含因而 受控的光波的重建機構來產生三維物體6的精確的全息重建。眼睛位置可 通過位置監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的觀察者可通過觀察者視窗2看到三維物體6的 全息重建(參看圖2)。
中斷標準在比較機構中定義，使得接近程度達到設定點值分布的確定 的精確度，同時使計算負荷保持在合理的范圍內。各種參數都可作為中斷
標準
-在觀察者視窗2中所有掃描點上的設定點值與實際值的偏差的平方 和；或
-因a)產生的信號/噪音比，其等于設定點值的平方和/偏差的平方和；
或
-觀察者視窗2中的掃描點處的最大偏差；或
-實際值與設定點值的平均和最大偏差的加權組合。 在迭代計算開始時，或在第一轉換之前，每個物體數據集與觀察者位
置平面7的距離最好進行變化，使得三維物體6的全部或部分重建可以在 全息影像平面8的前方及后方均可看見。采用這種方法，可以通過軟件設 定來同時實現觀察者眼睛前方空間中的重建的自然深度位置和CGH的深 度效果的刻意放大或縮小。
以上只針對一只眼睛說明觀察者視窗2中的三維物體6的重建。為了 能夠以真正三維的方式、就好像在現實中觀看物體一樣來感知全息重建， 就要求在兩個獨立的虛擬觀察者視窗2中重建兩個CGH，也就是觀察者 的眼睛每個各一個。兩個重建采用相同的方法、但以不同的物體數據集(由 于觀察者的左右眼睛對三維物體6的相對位置不同)來計算。由于配備多 路數字處理器以同步執(zhí)行轉換例程運算，這兩個CGH可以同時計算且彼 此絕對獨立。
一般來說，上述方法還可應用于轉換區(qū)域1包含尺寸涵蓋觀察者雙眼 的兩個觀察者視窗2的全息顯示裝置中。這使得可以同時向兩只眼睛呈現 無錯誤的全息重建。
根據迭代計算方法的進一步的實施例，該N個轉換的復數實際值可由
觀察者視窗2中的具有常數c的N個復數設定點值與實際值的加權組合來
取代，如下所示
新的設定點值=(^設定點值+ (l-c).實際值，其中0〈c《。
c=l的情況相當于上述迭代過程。c=2的情況則說明了過補償。在光 調制器5平面中最新的迭代步驟產生大于設定點值的實際值的掃描點上， 這些值被較小的值取代，反之亦然。常數c影響達到中斷標準所需的迭代 步驟數。通常，如果c=2則需要較少的迭代步驟數，剩余誤差可以更快地減少。
根據本發(fā)明的另一實施例，迭代計算的初始值可以通過執(zhí)行額外的算 術運算來進一歩改善。該實施例具有在后續(xù)迭代計算中可以更快達到中斷 標準的優(yōu)點。這意味著將二相編碼所得的值用作初始值。
由處理器監(jiān)測到的控制信號被提供給選擇機構、轉換機構、比較機構
及控制機構供全息顯示裝置使用。轉換和CGH編碼由專門的轉換機構來 進行，例如在光學系統(tǒng)中、也就是由轉換鏡片4來進行轉換。
整合到全息顯示裝置中的新迭代計算方法具有結合相位編碼將傅里 葉轉換的誤差項一致減少的優(yōu)點。因此，在觀察者眼睛所在的顯示器前方 的區(qū)域中，可以無誤差地呈現重建影像。
通過將轉換區(qū)域1的大小定義至擴大到超過觀察者視窗2所帶來的另 一個優(yōu)點是，可以獲得改善轉換區(qū)域l中的編碼控制值質量的自由度。觀 察者位置平面7的波場的一部分，也就是超出觀察者視窗2的部分，可以 據此自由選擇，而在觀察者視窗2內的另一部分則保持固定。
和現有解決方案相反，將所得到的實際值用觀察者視窗2中的物體6 所確定的設定點值進行有目的的取代，使得可以通過個別的迭代步驟得到 高品質的重建，而不必考慮每個個別的物體層。
在每個迭代步驟中的轉換只在觀察者位置平面與全息影像平面之間 進行。
另一個優(yōu)點是可以從CGH的原始復數值中獲得光調制器5的元件像 素的可控制值。
權利要求
1.一種對計算機生成全息圖(CGH)進行編碼的方法，該方法用于全息顯示器的光調制器上的三維物體，該光調制器包含以電子方式可控制的像素，這些像素以規(guī)則形態(tài)排列，并且由處理器向CGH編碼提供控制信號，其中通過將三維物體的給定物體數據集轉換為觀察者位置平面中的虛擬觀察者視窗來計算波場的N個復數值的二維分布，其特征在于-觀察者視窗(2)中的波場的N個復數值的分布構成復數設定點值的分布，該復數設定點值將作為編碼控制值迭代計算的比較基礎，該觀察者視窗位于確定的轉換區(qū)域(1)中；-復數設定點值的分布被轉換為光調制器(5)的平面并借助于相位編碼呈現，以便找到轉換的每個復數值的K個相位值作為編碼控制值迭代計算的初始值，其中k是大于1的數字因數；及-迭代計算在包含轉換區(qū)域(1)的觀察者位置平面(7)與光調制器(5)的平面之間的重復迭代步驟中進行，并且確定的中斷標準出現時中斷，以便采用最新計算的相位值作為控制值進行CGH編碼。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于為計算復數設定點值的分 布，把將要轉換的物體數據集的所有復數值加至觀察者視窗(2)中以便 形成N個復數設定點值的分布，然后借助于傅里葉轉換轉換為光調制器(5)的平面，作為可變絕對值的復數值。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于用于相位編碼的編碼以 光調制器(5)的平面中經過轉換的復數值為基礎來計算，且其中由計算 得到的KW個相位值根據相應的計算相位值處的光調制器(5)的特性以 絕對值轉換回觀察者位置平面(7)。
4. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于每個迭代步驟包含下列例程-將從光調制器(5)平面轉換回來的N個復數實際值與觀察者視窗 (2)內的匯集波場的N個復數設定點值相對于確定的中斷標準進行比較 -將觀察者視窗(2)中的被轉換為轉換區(qū)域(1)的N個復數實際值以N個復數設定點值取代并照舊采用在轉換區(qū)域(1)內但在觀察者視 窗(2)外的(K-l) W個復數實際值來進行迭代計算-只利用KW個相位部分執(zhí)行光調制器(5)平面中的N個復數實際 值和設定點值的新的傅里葉轉換，然后并轉換回轉換區(qū)域(1)，而絕對部 分則固定為常數值。
5. 根據權利要求4所述的方法，其特征在于該K，N個相位值的絕對 值是在各計算相位值處相應于光調制器(5)的特性的值。
6. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于該相位編碼是二相編碼。
7. 根據權利要求4所述的方法，其特征在于在每個迭代步驟中，該復 數實際值由觀察者視窗(2)內的該復數設定點值取代。
8. 根據權利要求4所述的方法，其特征在于在觀察者視窗(2)內的 相對于確定的中斷標準所進行的值的比較在每個迭代步驟后、或在確定的 迭代步驟數之后進行。
9. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于三維物體(6)在觀察者 視窗(2)與光調制器(5)之間和/或在光調制器(5)后方的空間中進行全息重建。
10. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于如果使用的是只有水平 視差的CGH，則該相位值在光調制器(5)的橫排方向上進行編碼。
11. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于如果使用的是只有垂直 視差的CGH，則該相位值在光調制器(5)的縱排方向上進行編碼。
12. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于每個迭代步驟包含下列-將從光調制器(5)平面轉換回來的N個復數實際值與觀察者視窗 (2)內的匯集波場的N個復數設定點值相對于確定的中斷標準進行比較-將觀察者視窗(2)中被轉換為轉換區(qū)域(1)的N個復數實際值根 據下列方程式以常數c加權的設定點值和實際值的組合取代 新的設定點值=^設定點值+ (l-C).實際值，其中0<(^2并且照舊采用轉換區(qū)域(1)內但在觀察者視窗(2)以外的所計算出 來的N個復數實際值來進行計算-針對轉換區(qū)域(1)中的KW個復數實際和設定點值執(zhí)行新的傅里 葉轉換，轉換為光調制器(5)平面然后并進行后續(xù)轉換轉換回觀察者位 置平面(7)，或者只利用N個相位部分而絕對部分則固定作為常數值， 或者只利用KW個相位部分而絕對部分則固定作為對應于各計算相位值 處的相位調制器(5)的特性的值。
13. 用于實現根據權利要求1或12的方法的具有光學系統(tǒng)的全息顯示 裝置，該全息顯示裝置包含至少一個發(fā)出充分相干光的光源、轉換鏡片和 用于編碼CGH的光調制器、用于提供CGH編碼控制信號的處理器以及用 于重建三維物體的機構，所述重建可以通過觀察者位置平面中的虛擬觀察 者視窗看到，而用來進行編碼的控制信號則借助于迭代計算得到，其特征 在于-選擇機構，用來提供三維物體(6)的物體數據集，用于確定迭代 計算的轉換區(qū)域(1)，及用以將物體數據集轉換的復數值加入到轉換區(qū)域 (1)中-轉換機構，用來執(zhí)行物體平面與觀察者位置平面(7)之間、以及 光調制器(5)平面與觀察者位置平面(7)之間的轉換，并用于CGH編 碼的計算-比較機構，用來確定觀察者視窗(2)中的復數設定點值與實際值 之間的偏差，并用以在達到確定的中斷標準時傳送迭代的中斷信號，及-重建機構，用于全息重建經過編碼的CGH。
14. 根據權利要求13所述的全息顯示裝置，其特征在于該光調制器 (5)是相位調制式SLM，并包含經過編碼的CGH。
15. 根據權利要求13所述的全息顯示裝置，其特征在于三維物體(6) 的重建是通過將光源(3)所發(fā)出的充分相干光衍射到光調制器(5)的可 控制像素上來達成的。
16.根據權利要求13所述的全息顯示裝置，其特征在于在進行彩色CGH編碼時，會分別針對每個原色執(zhí)行相位值的迭代計算。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于通過借助于相位編碼的迭代法來改善光調制器上的三維物體的CGH編碼品質，并因此改善重建品質。根據給定的物體數據集，計算出位于轉換區(qū)域(1)內的虛擬觀察者視窗(2)中的波場的N個復數值的二維分布。所述分布形成了復數設定點值的分布，用來作為編碼的迭代計算的比較基礎。并執(zhí)行下列步驟將所述分布轉換為借助于相位編碼而呈現的光調制器(5)平面，其中k相位值代表轉換的每個復數值，作為迭代計算的基礎，在兩個平面、也即觀察者位置平面(7)和光調制器(5)平面之間的迭代計算在迭代步驟中重復進行直到達到確定的中斷標準為止。該方法可以應用于全息顯示裝置中。
文檔編號G03H1/08GK101371203SQ200780002516
公開日2009年2月18日 申請日期2007年1月15日 優(yōu)先權日2006年1月18日
發(fā)明者拉爾夫·哈斯勒, 羅伯特·李斯特 申請人:視瑞爾技術公司