视频全息图和用于重构视频全息图的装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及视频全息图以及用于重构视频全息图的设备，包括：包括光源（１）的光学系统、透镜（２）以及由设置为矩阵或其他规则图案的单元构成的视频全息图（３），其中每个单元有至少一个开口，所述开口的相位或幅度是可控的。视频全息图和用于重构的设备的特征在于，利用可控显示能够在宽的观察区域中实时地实现扩展空间物体（６）的全息视频表现，由此物体或者是计算机生成的，或者是由不同方式产生的。因此，全息图的空间带宽积被减少到最小，并且使用傅立叶谱的周期间隔作为逆变换平面的观察窗口（５），通过该观察窗口，物体在前面的空间中是可见的。通过跟踪观察窗口实现观察者的移动性。本发明专利技术能够有利地用于电视、多媒体、游戏和建筑领域，用于军事和医药技术，以及其他经济和社会领域。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种视频全息图以及一种包括有光学系统的用于重 构视频全息图的装置，其包括至少一个光源、透镜以及由设置成矩阵 或其它规则图案的单元组成的全息图承栽介质，并且每一单元带有至 少一个开口，所述开口的相位和幅度可以控制，以及位于该光源的图 像面中的观察平面。
技术介绍
从现有技术(Stephen A. Benton, Joel S. Kollin: Three dimensional display system, US5172251 )中已知使用声光学调制器 (AOM )重构视频全息图的装置。这种声光学调制器将电信号转换成 为光波波阵面，使用偏转镜将其重组为^L频帧，以形成二维全息区域。 使用其他光学元件根据各个波阵面重构观察者可见的场景。所使用的 光学装置，诸如透镜和偏转元件，具有所重构的场景的尺寸。由于它 们较大的深度，这些元件体积较大并且沉重。难以将它们缩小，使得 它们的应用范围受到限制。通过所谓的"片铺方法(tiling method )，，，使用计算机生成全息 图(CGH)提供了产生大视频全息图的另一种可能。在该方法中，从 WO00/75698A1和US6，437，919B1中已知，借助于光学系统组合具有 小间距的小CGH。为此，在第一步骤中，将所需要的信息写入具有小间距的快速矩阵(通常是EASLM (可电子寻址空间光调制器))， 然后这些矩阵被复制到适当的全息图介质上并被组合以形成大的视频 全息图。通常，可光学寻址空间光调制器(OASLM)用作全息图介 质。在第二步骤中，使用传输和反射中的相干光重建所组合的视频全 息图。在具有设置成矩阵或其它规则图案的可控制开口的CGH中，例 如从WO01/95016A1中或者从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，利用小开口上的衍射来对场景编码。从开口出来的波阵面在它们 到达观察者之前汇聚到三维场景的物点上。间距越小，于是在CGH 中的开口越小，那么衍射角、即观察角就越大。相应地，使用这些扩 大观察角的已知方法就可以提高分辨率。如通常所已知的，在傅立叶全息图中，场景被重构为平面中全息 图的直接傅立叶变换或逆傅立叶变换。以周期间隔周期性地继续该重 构，所述周期间隔的范围反比于全息图中的间距。如果傅立叶全息图的重构尺寸超过了周期间隔，则相邻的衍射级 会交叠。随着分辨率逐渐降低，即随着开口间距的上升，重构的边缘 将通过交叠更高衍射级而逐渐地变形。重构的可使用范围于是就渐渐 地受限。如果要得到更大的周期性间隔，并从而得到更大的观察角，全息 图中所需要的间距就更加接近光波长。因此，CGH必须足够大，以能 够重构大的场景。这两个条件要求具有大量开口的大CGH。然而，这 在具有可控制开口形式的显示中并不可行(参见EP0992163B1)。具 有可控制开口的CGH只有一到几英寸，并且间距还基本上大于l)Lim。两个参数，间距和全息图尺寸，的特征就是作为全息图中开口数 量的所谓的空间带宽积(SBP)。如果要产生具有50cm宽度的、带 有可控制开口的CGH重构，使得观察者能够在lm的距离并以50cm 宽的水平观察窗口观察场景，那么水平方向上的SBP大约为0.5*106。这对应于在CGH中lpm的距离有500,000个开口。假定纵横比为4: 3，那么在垂直方向上就需要375000个开口。相应地，如果考虑三色 子象素，则CGH就包括3.75xl()U个开口。如果考虑到带有可控制开 口的CGH通常只允许幅度受到影响，该数目就会变为三倍。利用所 谓的迂回相位效应对相位进行编码，其要求每个采样点有至少三个等 距离开口。具有如此大量可控制开口的SLM迄今为止还不为人知。必须从所要重构的场景计算全息图值。假定对于三原色的每一个 颜色深度为l字节，并且帧速率为50Hz，则CGH所要求的信息流速 率为50xl012-0.5xl014字节每秒。这么大量的数据流的傅立叶变换超 出了当今的计算机的能力，并从而不能够基于本地计算机计算全息图。 然而，通过数据网络传输如此大量的数据当前对普通用户是不可行的。为了减少大量的计算，已经提出不计算全部的全息图，而只计算 可以被观察者直接看见的这些部分，或者改变的这些部分。在上面提息图，诸如上述"片铺全息图"。计算的起始点^是所谓的有效出射光 瞳，其位置可以与观察者的眼瞳孔重合。随着该观察者位置的改变， 通过连续地重新计算为新的观察者位置产生图像的全息图部分，来跟 踪图像。然而，这部分地不能减少计算量。已知方法的缺陷可以归纳如下带有声光调制器的结构体积太 大，并且不能减小到由现有技术的平面显示已知的尺寸；使用片铺方 法产生的视频全息图是两阶段的处理，其需要大量的技术努力并且不 能很容易地减小到桌面尺寸；并且基于带有可控制开口的SLM的结 构太小，以至不能重构大的场景。当前还没有具有极其小间距的大的 可控制SLM，这是其所需要的，并且该技术进一步受到计算机性能以 及当前可用的数据网络带宽的限制。
技术实现思路
本专利技术的目的是避开上述缺陷，并提供大视角视频全息图的扩展 的实时重构。根据本专利技术，通过具有权利要求1的特征的视频全息图以及用于 重构视频全息图的设备，以创造性的方式实现这一目的。本专利技术的优选实施例在权利要求2至10中。根据本专利技术，具有可控制开口的视频全息图以及用于重构视频全 息图的设备的特征在于在观察平面中，至少一个观察窗口被形成在 周期间隔中，作为视频全息图的直接傅立叶变换或逆傅立叶变换，所 述观察窗口允许观察者查看三维场景的重构。视频窗口的最大范围对应于光源图像平面中的逆傅立叶变换平面中的周期间隔。截头锥体在 全息图和观察窗口之间伸展，所示截头锥体包含作为视频全息图菲涅 耳变换的全部三维场景。本专利技术中的观察窗口被近似地限制并相对于观察者的 一只眼睛、 目距或者相对于另 一适当的区域定位。现在，在本专利技术中，提供用于观察者另 一只眼睛的另 一观察窗口 。 其实现方式是通过在另一适当的位置放置所观察的光源，或者添加第 二个实际的或虚拟的足够相干光源，以在光学系统中形成一对光源。 该结构允许使用两只眼睛通过两个相关的观察窗口看到三维场景。可 以与第二观察窗口的启动同步地根据眼睛位置来改变，即重新编码视频全息图的内容。如果几个观察者观看场景，则可以通过开启另外的 光源产生多个观察窗口。关于用于重构视频全息图的设备的本专利技术的另 一方面，设置光学 系统和全息图承载介质，使得视频全息图的更高衍射级具有第 一观察 窗口的零点，或者在第二观察窗口的位置具有最小强度。这样就防止 了 一只眼睛的观察窗口与观察者或其它观察者串扰。于是利用了较高 衍射级的光强度降低，这是因为全息图承载介质的开口宽度有限和/ 或强度分布的最小值。矩形开口的强度分布例如是sin 函数，其幅度 快速地降低，并形成随着距离增加而降低的sii^函数。显示中开口的数量确定对于视频全息图必须计算的值的最大数 量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种视频全息图和用于重构视频全息图的设备，包括：由提供充分相干光的至少一个实际或虚拟的点或线光源构成的光学系统，透镜和全息图承载介质，所述全息图承载介质由设置成矩阵或其它规则图案的单元组成，并且每单元具有至少一个开口，所述开口的相位和幅度是可控制的，以及位于所述光源图像平面的观察平面，其特征在于：　在观察平面中，至少一个观察窗口（５）位于由视频全息图（３）的逆傅立叶变换而重构的周期间隔中，通过所述视频全息图可以看到三维场景（６）的重构，并且所述观察窗口（５）的范围不超过所述周期间隔。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：阿明施维特纳尔，
申请(专利权)人：希瑞尔技术有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]