计算机生成全息图的编码方法技术

本发明专利技术的目的在于通过借助于相位编码的迭代法来改善光调制器上的三维物体的ＣＧＨ编码品质，并因此改善重建品质。根据给定的物体数据集，计算出位于转换区域（１）内的虚拟观察者视窗（２）中的波场的Ｎ个复数值的二维分布。所述分布形成了复数设定点值的分布，用来作为编码的迭代计算的比较基础。并执行下列步骤：将所述分布转换为借助于相位编码而呈现的光调制器（５）平面，其中ｋ相位值代表转换的每个复数值，作为迭代计算的基础，在两个平面、也即观察者位置平面（７）和光调制器（５）平面之间的迭代计算在迭代步骤中重复进行直到达到确定的中断标准为止。该方法可以应用于全息显示装置中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种对空间光调制器(SLM)上的三维物体的计算机生成全 息图(CGH)进行编码的方法，其中该物体的重建影像可以透过一个位于 观察者位置平面中的观察者视窗看见。CGH通过相位编码表示，因此利 用一个转换运算法来进行CGH控制值的迭代计算。三维物体的重建通过 让充分相干的光在光调制器、例如相位调制式SLM的可控制像素上衍射 产生。本专利技术进一步涉及一种包含有执行编码方法的机构的全息显示装 置。在本申请中，所谓的"SLM"表示一种用于通过调制由一个或多个独立 光源所发出的光束来控制波场的强度(振幅)、色彩和/或相位的电子媒介。 该SLM包含有多个电子可控制像素，这些像素以规则的形态排列，并对 CGH进行编码。在本申请中，k个相邻像素合并构成一个有k个相位分子 的相位编码元件。在此，将说明二相编码以作为有k个分子的相位编码的 范例。然而，本专利技术的说明同样也适用于有大量分子的相位编码。在申请 中，所谓的"转换"应包括任何适合用以产生光波传播效果的转换。这包括 例如菲涅尔转换和傅里叶转换。
技术介绍
三维物体在全息显示装置中的重建会受到重建误差的负面影响，该误 差例如根据所使用的显示部件、例如振幅或相位调制式SLM由其它衍射 级的干涉光或CGH编码方法所引起。修正或消除这样的影响可以改善全 息显示装置中的重建品质。由本申请人申请的DE10 2004 063 838号尚未公开的专利申请中说明 了一种用来计算CGH的方法和用来在振幅调制式SLM上进行相同编码的相应装置。利用合适的方法对CGH在振幅调制式SLM上进行计算和编码。 有可能利用这样的设计达到良好的CGH重建品质。和传统的全息影像相 反的是，经过编码的CGH是根据二维物体层、也就是三维物体的平行断 面的物体数据集所进行的全息影像数据集的计算以及利用例如电脑的电 子储存媒介中的电子装置储存的结果。物体数据集包含个别物体层中的多 个物体点的复相和振幅值，因此也就是该三维物体的整个物体信息。基于 物体数据集所计算的复数全息影像数据用于对SLM进行编码，它以电子 形式影响可以产生干涉的光的振幅和/或相位。因此三维物体可以根据这些 数据完全重建，并且可以从位于靠近观察者眼睛的观察者视窗中的适当透 视看到全息呈现。该三维物体可以是固定的物体或是真实或虚拟场景的一 连串活动影像。至于本专利技术切近该项专利申请时，将在以下对实施例的详 细说明中行解释说明。另一个CGH的编码方法是采用结合相位调制式SLM的相位编码方 法，其中优选为二相编码方法。在此只在SLM中直接调制光的相位。二 相编码的原理是以复数值可以由两个具有固定振幅的相位值来表示为依 据。每个具有相位v(/且振幅介于0与1之间的复数值因此以两个具有绝对 值1和相位值v土acos a的复数的总和来表示。不过，还存在以每个复数值 的两个或更多个相位值来表示一组复数值的其他可能。所谓的"二相编码" 和"有k个分子的相位编码"在此以一般的意义来解释。二相编码方法用于结合相位编码SLM表示相位值。如果可以将两个 一致且在SLM上的位置相同的相位值编码，则经过编码的CGH将可以达 到无错误的三维物体重建。然而实际上，相位值只能被写到SLM的一个 横排(或纵排)中的两个相邻的可控制像素上，使它们在位置上有所偏差。 如果使用两个以上的相位值来进行编码，则情况将类似于相位值数。这个 偏差会造成CGH重建时的误差。不过，相位编码比起在振幅调制式SLM上进行振幅全息影像编码具 有许多优点。利用二相编码，可以达到更高的重建亮度，因为相位编码 SLM的像素具有最大的透光度。由于事实上物体在所使用的零阶衍射中 重建，二相编码方法的另一个优点是，它会显示出更有利的波长依存，而这有利于彩色全息影像的呈现。然而，这种编码方法也有缺点，即全息重建品质与例如振幅调制式SLM的巴克哈特(Burckhardt)编码方法比起来较差。因此，必须采取改善重建品质的措施才能充分利用二相编码方法的正 面优点。重建品质可以通过例如在进行CGH编码时利用迭代算法来改善。 从文献中可以得知多种普通迭代法。最常见的一种是由GERCHBERG和SAXTON开发的反复傅里叶转 换运算，该算法在许多出版物中均有详细描述。它被用作许多迭代法的一 般基础。这种运算法在给定的函数和它的傅里叶转换之间反复地来回转 换。来自这两个函数中的设定点值的误差通过利用其自由度逐步减小。转 换在例如光调制器的平面和二维物体的重建平面之间进行。物体平面中的 强度分布经常表示具有特定值，而复数值的相位可以自由地选择并进行调 制来使误差最小化。然而，在多数情况下并不能完全消除重建误差。另一种将CGH表示为相位全息影像的方法称为kinoform。 HIROSHI AKAHORI在其文件"通过以虚拟区域进行kinoform合成的反复运算的光 谱平衡"("Spectrum leveling by an iterative algorithm with a dummy area for synthesizing the kinoform")中，描述了 一种用来计算kinoform的迭代法。 如果采用相位调制式SLM，则kinoform元件只包含一个可控制的像素， 其只能填入一个复数值的相位值。该复数的绝对值不论其实际值是多少都 被设定为1。由于这样的编码程序，物体的重建将会是错误的。为了修正 这个错误，根据以计算方式导入物体平面中的视窗来执行反复迭代。该视 窗包括信号区和所谓的虚拟区。在信号区中，应利用迭代法针对该区恢复 原始物体的强度信号。在个别迭代步骤中，设定点值的绝对值被取代并从 先前的计算中取得相位值。这个程序只适用于一维和二维物体。迭代法最常用在要使单一平面中的光强度达到最优化的应用中。这与 二维物体的重建一致。关于此方法延伸至多个重建平面的应用范围在 GAVIN SINCLAIR等人所著的"用于三维光塑形的多平面 GERCHBERG-SAXTON运算的全息光钳中的迭代应用"("Interactiveapplication in holographic optical tweezers of a multi-plane GERCHBERG-SAXTON algorithm for three-dimensional light shaping")文件中得以说明。这份文件描述了用于三维物体的全息影像迭代法。其中将 物体切片成多个物体层。具有复数实际值的编码全息影像被逐个转换为各 个个别的物体层。在每个"切片"平面中，将复数实际值与复数设定点值进 行比较，实际值的绝对部分由设定点值的绝对部分取代。在转换回全息影 像平面后，加上个别的值来进行编码。由于大量的物体平面以及在个别物 体平面和全息影像平面之间的许多转换，这种迭代法需要非常非常强大的 运算能力。虽然采用二相编码方法SLM只会直接调制光的相位，但根据SLM所 进行的调制，最终复数波场的振幅也会由于干扰而受到影响。为此以及前 述原因，在用来进行CGH编码的迭代法中绝对不能忽略振幅，如现有技 术中可看到的。上述方法还有进一步的缺点，那就是必须满足很多条件才能结合全息 显示器采用他们。操作中并不一定总能具有所需的精确度。因此非常难以 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对计算机生成全息图（ＣＧＨ）进行编码的方法，该方法用于全息显示器的光调制器上的三维物体，该光调制器包含以电子方式可控制的像素，这些像素以规则形态排列，并且由处理器向ＣＧＨ编码提供控制信号，其中通过将三维物体的给定物体数据集转换为观察者位置平面中的虚拟观察者视窗来计算波场的Ｎ个复数值的二维分布，其特征在于：　－观察者视窗（２）中的波场的Ｎ个复数值的分布构成复数设定点值的分布，该复数设定点值将作为编码控制值迭代计算的比较基础，该观察者视窗位于确定的转换区域（１）中；　－复数设定点值的分布被转换为光调制器（５）的平面并借助于相位编码呈现，以便找到转换的每个复数值的Ｋ个相位值作为编码控制值迭代计算的初始值，其中ｋ是大于１的数字因数；及　－迭代计算在包含转换区域（１）的观察者位置平面（７）与光调制器（５）的平面之间的重复迭代步骤中进行，并且确定的中断标准出现时中断，以便采用最新计算的相位值作为控制值进行ＣＧＨ编码。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特李斯特，拉尔夫哈斯勒，
申请(专利权)人：视瑞尔技术公司，
类型：发明
国别省市：LU[卢森堡]