一種在光調(diào)制裝置中編碼全息圖的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種在光調(diào)制裝置(4、20、30)中編碼至少一個全息圖的方法，其編碼是逐像素的執(zhí)行。全息圖由單個的子全息圖構(gòu)成，該子全息圖被分配給光調(diào)制裝置(4、20、30)中相應(yīng)的編碼區(qū)域，并被分別分配給由全息圖重建的對象的物點。此外，通過虛擬觀察窗(10、32)，提供定義的觀察區(qū)域，通過其，觀察者觀察重建空間(40)中的重建場景。針對每個單獨的物點的波前的復(fù)值在虛擬觀察窗(10、32)中計算。虛擬觀察窗(10、32)中的波前的復(fù)值的每個單獨的振幅隨后乘以校正值，通過其，執(zhí)行至少一個體光柵(8、9、23、24、31)的角度選擇性的校正，該體光柵設(shè)置在光調(diào)制裝置(4、20、30)的光路的下游。針對所有物點的以這種方式確定的校正的復(fù)值被加和并且被轉(zhuǎn)換至光調(diào)制裝置(4、20、30)的全息圖平面。
【專利說明】-種在光調(diào)制裝置中編碼全息圖的方法
[0001] 本發(fā)明涉及一種在光調(diào)制裝置中編碼至少一個全息圖的方法，其編碼是逐像素的 執(zhí)行，其中，全息圖由單個的子全息圖構(gòu)成，該子全息圖被分配給光調(diào)制裝置中相應(yīng)的編碼 區(qū)域，并被分別分配給由全息圖重建的對象的物點，其中，通過虛擬觀察窗，提供定義的觀 察區(qū)域，通過其，觀察者觀察重建空間中的重建場景，其中，針對每個單獨的物點的波前的 復(fù)值在虛擬觀察窗中計算，并且該復(fù)值中的至少一個值由校正值校正，并且其中，針對所有 物點以這種方式確定的校正的復(fù)值被加和并且被轉(zhuǎn)換為光調(diào)制裝置的全息圖平面，以便編 碼全息圖。
[0002] 本發(fā)明還涉及一種在光調(diào)制裝置中編碼至少一個全息圖的方法，其編碼是逐像素 的執(zhí)行，其中，全息圖由各個的子全息圖構(gòu)成，該子全息圖被分配給光調(diào)制裝置中相應(yīng)的編 碼區(qū)域，并被分別分配給由全息圖重建的對象的物點，其中，通過虛擬觀察窗，規(guī)定了定義 的觀察區(qū)域，觀察者通過其觀察重建空間中的重建場景，其中，重建的對象的每個物點被全 息編碼在子全息圖中，其中，子全息圖的振幅由校正值校正，并且以這種方式校正的子全息 圖被加和在全息圖平面中，以便編碼全息圖。
[0003] 從之前的申請文件已知，將要呈現(xiàn)的三維場景的三維對象數(shù)據(jù)被編寫為將在光調(diào) 制裝置的編碼區(qū)域重建的場景的衍射圖樣。在這種情況下，波前的計算僅針對小的虛擬觀 察窗執(zhí)行，其針對觀察重建空間中的重建場景的觀察者，在觀察者平面中建立觀察區(qū)。虛擬 觀察窗在這種情況下等于或僅最低限度地大于觀察者的眼睛的眼瞳的直徑。然而，這意味 著虛擬觀察窗也可以，例如，是眼瞳的直徑的兩倍或三倍大。因此，將要重建的場景的物點 能夠僅在光調(diào)制裝置的小區(qū)域中編碼，該小區(qū)域由各自的物點定義，作為所謂的子全息圖。 為了編碼子全息圖中的物點，計算包含虛擬觀察窗的觀察者平面中的物點或?qū)ο笃拭娴膹?fù) 合光分布。
[0004] 所使用的光調(diào)制裝置可在這種情況下被透射地或反射地形成，其具有作為調(diào)制元 件的像素配置，其通過中間的空間彼此分開。為了在光調(diào)制裝置中編碼像素的振幅和/或 相位，提供一電極排列，其在光調(diào)制裝置中以這樣一種方式形成和配置，即，分別在電極之 間形成近乎矩形的自由空間，其作為所謂具有有限范圍和恒定的振幅透明度和/或相位透 明度的像素。該像素因此具有彼此間的限定的的像素間隔。
[0005] 然而，像素近乎矩形的配置不利于預(yù)定義的虛擬觀察窗中的復(fù)合波前的范圍，因 此，虛擬觀察窗和光調(diào)制裝置的全息圖平面之間的重建空間中的三維對象的重建，被光調(diào) 制裝置中有限的像素范圍的影響而損壞。這意味著，例如，不希望的強度變化可能發(fā)生在虛 擬觀察窗中。如果虛擬觀察窗大于眼瞳，那么這種效果是越來越大的。例如，相比于處在虛 擬觀察窗的中間的觀察者的眼瞳的位置，針對在虛擬觀察窗的邊緣區(qū)域中或邊緣上的觀察 者的眼瞳的位置的重建的三維場景可能會顯得更暗。換言之，這樣的矩形像素孔徑和像素 透明度具有這樣的效果，即，由觀察者通過虛擬觀察窗感知到的重建三維場景的強度，可能 會不期望地從虛擬觀察窗的中間向其邊緣減少。
[0006] 解決該問題的技術(shù)方案，例如，從本申請的 申請人:所申請的專利文獻DE 10 2006 042 467 A1和DE 10 2008 000 589 A1可知。在其中描述了，校正光調(diào)制裝置的像素透明 度對全息裝置的虛擬觀察窗中的強度分布的影響的方式。
[0007] 在專利文獻DE 10 2006 042 467 A1中執(zhí)行了校正，針對當實施傅里葉變換時的 全息圖計算，在將校正的復(fù)值加和并轉(zhuǎn)換成光調(diào)制裝置的全息圖平面之前，通過將它們乘 以像素形狀和像素透明度的變換式的倒數(shù)來修改虛擬觀察窗中的物點或?qū)ο笃拭娴膹?fù)值。
[0008] 為了從物點直接計算子全息圖，專利文獻DE 10 2008 000 589 A1描述了以這樣 一種方式執(zhí)行像素形狀和像素透明度的校正，即，子全息圖的振幅乘以像素形狀和像素透 明度的變換式的適當比例的倒數(shù)。校正后的子全息圖在之后被加和以形成全息圖。
[0009] 為了理解子全息圖的計算或全息圖在光調(diào)制裝置中的編碼，可參考例如專利文獻 W02004/044659 A2,其中，描述了用于視頻全息圖的重建的裝置。本發(fā)明的圖1示意性地示 出了這樣的編碼，三維對象1由多個物點構(gòu)建，為了解釋編碼，僅在此示出了其中的四個物 點la、lb、lc和Id。還示出了虛擬觀察窗2,通過其，觀察者（在此由眼睛表示）可觀察重 建的場景。通過作為定義的觀察區(qū)域的虛擬觀察窗2和四個選擇的物點la、lb、lc和ld，金 字塔形的主體通過這些物點la、lb、lc和Id被分別投影，并延續(xù)到光調(diào)制裝置的調(diào)制表面3 上（未顯示更多的細節(jié)）。在調(diào)制表面3中，其形成了光調(diào)制裝置中的編碼區(qū)域，該區(qū)域被 分配給對象的各自的物點la、lb、lc和Id,其中，物點la、lb、lc和Id被全息編碼在子全息 圖3a、3b、3c和3d中。每個子全息圖3a、3b、3c和3d因此僅被寫入、或編碼在光調(diào)制裝置 的調(diào)制表面3的僅一個區(qū)域中。從圖1可看出，根據(jù)物點la、lb、lc和Id的位置，各個子全 息圖3a、3b、3c和3d可在調(diào)制表面3上全部或僅局部地（即，僅在某些區(qū)域）重疊。為了 編碼、或?qū)懭?，對?的全息圖以如下方式重建在調(diào)制表面3中，即上述過程必須通過對象 1的全部物點執(zhí)行。全息圖因此由各個子全息圖38,313,3〇，3(1，...3 11中的多個構(gòu)成。在光 調(diào)制裝置中由計算機以此方式生成的全息圖被與光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合的照明裝置（未在此示出） 照明以進行重建。
[0010] 針對這種用于全息圖重建的裝置的全息圖可以，例如，由專利文獻DE 10 2004 063 838 A1中所述的方法計算。專利文獻DE 10 2004 063 838 A1旨在被全部引入于此。 然而，根據(jù)專利文獻DE 10 2004 063 838 A1，也可能在全息圖的計算中，針對復(fù)值分布的 計算，不是將對象剖面轉(zhuǎn)換成虛擬觀察窗，而是針對虛擬觀察窗中的對象的每個單獨的物 點，分別計算波前的復(fù)值。
[0011] 用于全息圖的計算的另一種方法，其同樣由本申請的 申請人:所公開，是基于透鏡 功能形式的光調(diào)制裝置的調(diào)制表面中的子全息圖的分析計算。
[0012] 參照圖1，在由編碼區(qū)域定義的全息圖的區(qū)段中的各個子全息圖la、lb、lc和Id具 有基本上恒定的振幅和對應(yīng)于透鏡功能的相位，該振幅的值隨物點的亮度和距離而變化， 透鏡的焦距和編碼區(qū)域的尺寸隨物點的深度坐標變化。在由編碼區(qū)域定義的區(qū)段之外，單 個子全息圖的振幅的值為〇。全息圖由所有子全息圖la、lb、lc、ld. . . ln的復(fù)值加和獲得。
[0013] 然而，根據(jù)該另一種方法進行全息圖的計算時，虛擬觀察窗中的波前的復(fù)值未被 明確地計算確定。該方法因此沒有使用傅里葉或菲涅耳變換。該計算因此相比于專利文獻 DE 10 2004 063 838 A1中所述的方法具有大幅減少計算時間的優(yōu)點。
[0014] 在全息裝置中，除了光調(diào)制裝置的上述像素孔徑之外，也有可能存在例如其它的 光學(xué)組件，其可導(dǎo)致對于重建空間中的三維場景的觀察者是可見的強度變化。這種組件可 以是，例如，體光柵（也被稱為體積全息圖）。
[0015] 體光柵是具有吸收系數(shù)或任意厚度的折射率在空間周期上的變化的衍射光柵。這 意味著體光柵傳統(tǒng)地表示三維的柵格構(gòu)造，其被記錄在相比于照明光的波長更厚的介質(zhì) 中。例如玻璃可被用作介質(zhì)，雖然也可使用其它的材料。體光柵提供這樣的優(yōu)點，即，多個 光柵可在連續(xù)的介質(zhì)中分層產(chǎn)生。
[0016] 此外，體光柵通常由角度選擇性判別，這意味著體光柵的衍射效率隨入射光的入 射角變化。照慣例，該角度選擇性通常作為一個有利條件。然而，在某些情況下，體光柵的 角度選擇性過窄也可對用于三維場景的重建的全息裝置產(chǎn)生擾動影響。當體光柵被設(shè)置在 光調(diào)制裝置的全息裝置下游的光路中時，過窄的角度選擇性可以，例如，導(dǎo)致通過體光柵從 光調(diào)制裝置的像素傳播至觀察者平面中的虛擬觀察窗的邊緣位置的光比傳播至觀察者平 面中的虛擬觀察窗的中間或中心位置的光的透射效率更低。
[0017] 因此，本發(fā)明的目的在于以這樣一種方式完善一種在引言部分所述類型的方法， 艮P，使上述問題得以避免和，尤其是，提供一種方法，其中，提供在優(yōu)選為全息裝置的光路中 的至少一個體光柵的角度選擇性被考慮在全息圖的計算中。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明的目標通過權(quán)利要求1和2的技術(shù)特征實現(xiàn)。基于使用上述 已詳細描述的全息圖的計算方法中的哪一種，該目標的技術(shù)方案可以以兩種可選擇的方式 實現(xiàn)。
[0019] 提出的第一個方式涉及一種在光調(diào)制裝置中編碼至少一個全息圖的方法，其特征 是在將要重建在全息圖平面中的對象的所有物點的加和的復(fù)值的變換之前，將虛擬觀察窗 中的波前的復(fù)值的每個振幅乘以校正值，通過其，執(zhí)行至少一個體光柵的角度選擇性的校 正，該體光柵設(shè)置在光調(diào)制裝置的光路的下游，其中，校正值通過至少一個體光柵的相關(guān)的 角度依賴的衍射效率的倒數(shù)值的方根來計算。
[0020] 對于通過觀察者平面中的虛擬觀察窗進行的全息圖的計算，虛擬觀察窗中的復(fù)值 全息圖值的振幅分別乘以校正值，其由至少一個體光柵的衍射效率的倒數(shù)值的方根表示， 而復(fù)值全息圖值的相位值保持不變。這樣，可能由設(shè)置在光調(diào)制裝置的光路的下游的體光 柵的角度選擇性導(dǎo)致的錯誤，可以因它們被校正或近乎被校正而被共同地考慮在全息圖的 計算中。這樣，虛擬觀察窗中的光的效率在所有點或位置至少大致相等。這意味著從光調(diào) 制裝置的像素傳播來的、被用于虛擬觀察窗的邊緣位置的光，是通過至少一個體光柵透射， 其具有與傳播至虛擬觀察窗的中間或中心的光近乎相同的效率。
[0021] 如果全息圖或全息圖的子全息圖，在光調(diào)制裝置的平面中直接被計算，如上所述， 那么全息圖的計算根據(jù)本發(fā)明被可選擇地表征為，其中，每個子全息圖的每個單獨的振幅 由校正值校正，通過該校正值，執(zhí)行對設(shè)置在光調(diào)制裝置的光路的下游的至少一個體光柵 的角度選擇性的校正，其中，校正值由體光柵的相對角度依賴的衍射效率的倒數(shù)值的方根 來計算。
[0022] 因此，在光調(diào)制裝置上進行子全息圖的逐點計算的情況下，校正值通過觀察者平 面中的虛擬觀察窗的范圍被重新調(diào)節(jié)至子全息圖的范圍。在這種情況下，關(guān)于從觀察者平 面至光調(diào)制裝置的平面的校正值的重新調(diào)節(jié)或轉(zhuǎn)換，使用的是幾何光學(xué)近似法，也就是說， 實質(zhì)上，來自子全息圖的邊緣的光線延伸通過將被重建的對象的物點至虛擬觀察窗的邊 緣，并且來自子全息圖的中間的光線延伸通過相同的物點至虛擬觀察窗的中間。
[0023] 可通過光調(diào)制裝置的平面或其圖像的計算來近似替換數(shù)學(xué)上的精確校正，該數(shù)學(xué) 上的精確校正對應(yīng)于虛擬觀察窗中的物點的波前的振幅與一個或多個體光柵的相對衍射 效率的倒數(shù)值的方根的乘積，在光調(diào)制裝置的平面或其圖像的計算中，將執(zhí)行子全息圖和 相應(yīng)地調(diào)節(jié)到子全息圖的寬度的校正值的乘積。
[0024] 術(shù)語"調(diào)節(jié)到子全息圖的寬度"在這種情況下可被理解為：體光柵的相對衍射效率 的倒數(shù)值的方根可以，例如，在虛擬觀察窗的中心具有振幅" 1"和在在虛擬觀察窗的邊緣具 有振幅" 1. 3"，體光柵的角度選擇性的校正以這樣一種方式執(zhí)行，S卩，然后在子全息圖的編 碼區(qū)域的中間將子全息圖的振幅乘以校正值"1.0"和在子全息圖的編碼區(qū)域的邊緣將子全 息圖的振幅乘以校正值"1.3"。在位于編碼區(qū)域的邊緣和中間之間的編碼區(qū)域中，將各自的 振幅乘以1. 0-1. 3之間的相應(yīng)分配的校正值。
[0025] 在光調(diào)制裝置的平面或全息圖的平面中的子全息圖的直接計算，具有超過通過虛 擬觀察窗的子全息圖的計算的重要優(yōu)勢，子全息圖可被更簡單和因此更快速的計算。相應(yīng) 地，一個或多個體光柵的角度選擇性的校正值的根據(jù)本發(fā)明的結(jié)合至全息圖的計算中也可 提供更快的結(jié)果。
[0026] 關(guān)于上述兩種全息圖的計算方法，用于全息裝置中的體光柵的相對衍射效率，將 被有利地一次性以計算方式確定，其中，在虛擬觀察窗中的波前的復(fù)值的校正之前或子全 息圖的振幅的校正之前，從光調(diào)制裝置的像素經(jīng)過至少一個體光柵至虛擬觀察窗內(nèi)部的不 同位置的射線束被按幾何學(xué)原理計算，于是，射線束在至少一個體光柵上的光線的入射角 被分別計算，于是，針對各自入射角的體光柵的衍射效率被確定。
[0027] 例如，體光柵的衍射效率可以通過衍射光強的測量被實驗地確定，該衍射光強的 測量針對的是隨入射角變化的定義的輸入強度，或，在最簡單的情況下，也可根據(jù)科格爾尼 克理論（Kogelnik theory)以計算的方式確定。
[0028] 每個體光柵因此具有其自身的衍射效率，例如，其被存儲在處理器中并且被用于 全息圖或子全息圖的計算。
[0029] 如果提供了設(shè)置在光調(diào)制裝置的光路的下游的多個體光柵，那么，有利地，從光調(diào) 制裝置的像素的經(jīng)過體光柵到達虛擬觀察窗內(nèi)部的各個位置的射線束可被按幾何學(xué)原理 計算，于是，來自于像素的射線束的光線在各個體光柵上的入射角被分別計算，于是，針對 各自的入射角，體光柵的衍射效率被確定，并且，于是，針對光線分別入射到虛擬觀察窗中 的體光柵上的各自位置，將各個體光柵的該各自位置的衍射效率相乘，以便在經(jīng)過針對虛 擬觀察窗中的各自位置和該光線的各個的體光柵之后，獲得相對衍射效率。該相對衍射效 率可在之后被用于確定校正值。
[0030] 在本發(fā)明的另一個有利的配置中，在虛擬觀察窗（10、32)的中心的、在虛擬觀察 窗（10、32)的邊緣的、和在虛擬觀察窗（10、32)的邊緣和中心之間位置的校正值，可具有在 約1. 0至±2. 0的值的范圍內(nèi)的數(shù)值，單個的校正數(shù)值彼此不同。
[0031] 這意味著，例如，校正值在虛擬觀察窗的中心或中間具有約1. 02的數(shù)值，在虛擬 觀察窗的邊緣具有約1. 06的數(shù)值，在虛擬觀察窗的邊緣和中心或中間之間的位置的校正 值具有約1. 02和±1. 06之間的數(shù)值。
[0032] 體光柵的角度選擇性的校正可在之后以這樣一種方式執(zhí)行，S卩，在虛擬觀察窗的 中心或中間的、虛擬觀察窗中確定的波前的復(fù)值的振幅，分別乘以約1.02的數(shù)值，在虛擬 觀察窗的邊緣的、虛擬觀察窗中確定的波前的復(fù)值的振幅，分別乘以約1. 06的數(shù)值，以及 分別位于這些波前的復(fù)值之間的確定的振幅，乘以約1. 02和1. 06之間的指定的數(shù)值。
[0033] 作為對此的替代，體光柵的角度選擇性的校正也可以以這樣一種方式執(zhí)行，S卩，子 全息圖的中心或中間的子全息圖的振幅乘以約1. 02的數(shù)值，虛擬觀察窗的邊緣的子全息 圖的振幅乘以約1. 06的數(shù)值，以及分別位于這些子全息圖之間的振幅，乘以約1. 02和1. 06 之間的指定的數(shù)值。
[0034] 此外，在本發(fā)明的另一種配置中，當在不同區(qū)域具有不同的衍射效率的光路中的 至少一個體光柵（31)用于體光柵的角度選擇性的校正時，跨越在光調(diào)制裝置（30)和虛擬 觀察窗（32)之間的截頭錐體（frustum) (40)可被細分成至少兩個子截頭錐體（40a、40b)， 于是，針對每個單獨的子截頭錐體（40a、40b)，為各自的子截頭錐體中的3D場景的所有物 點分別計算虛擬觀察窗（32)中的波前的復(fù)值，并且，于是，每個單獨的子截頭錐體的校正 值被分別計算，并據(jù)此，各個子截頭錐體的觀察窗中的波前的校正復(fù)值被加和和轉(zhuǎn)換至光 調(diào)制裝置的全息圖平面中，以便編碼全息圖。
[0035] 大面積的體光柵例如可以在一個區(qū)域中而不是例如相鄰區(qū)域中具有輕微不同的 衍射效率，這是由于其生產(chǎn)中的公差。例如，體光柵針對光的特定的入射角，體光柵能夠在 左上角表面部分具有95 %的衍射效率，但針對光的相同的入射角，在右下角另一個表面部 分只有90%的衍射效率。這意味著，由于生產(chǎn)缺陷，體光柵可具有多個衍射效率，以至于不 能實現(xiàn)使單一的衍射效率存在于整個體光柵中。由于這個原因，當然有利的是將體光柵的 不同的衍射效率考慮到角度選擇性的校正中。子截頭錐體被因此用于此，即，根據(jù)體光柵的 面積中衍射效率的變化范圍，截頭錐體被分為相應(yīng)數(shù)量的子截頭錐體。例如，體光柵的衍射 效率可在這種情況下在位置或所有位置的網(wǎng)格中被測量，其在預(yù)先確定的時間間隔內(nèi)的衍 射效率匹配被用于形成子截頭錐體。以上述關(guān)于大面積的體光柵中針對預(yù)先確定的入射角 由左上角95 %到右下角90 %的衍射效率的變化為例，例如，衍射效率在95 %和94%之間變 化的所有位置可以被結(jié)合以形成一個子截頭錐體，在94%和93%之間變化的所有位置應(yīng) 被結(jié)合以形成另一個子截頭錐體，以此類推。
[0036] 本發(fā)明的其它的有利配置和細化可在其它的從屬權(quán)利要求中找到。
[0037] 針對有利地配置和完善本發(fā)明的教導(dǎo)和/或?qū)⑸鲜鰧嵤├舜私Y(jié)合，只要是可能 的，存在各種各樣的可能性。就這一點而言，一方面參考權(quán)利要求1和權(quán)利要求2的從屬權(quán) 利要求，另一方面參考結(jié)合附圖的本發(fā)明的優(yōu)選實施例的以下解釋。結(jié)合借助附圖進行的 對本發(fā)明的優(yōu)選示例性實施例的解釋，也大體上解釋了本教導(dǎo)的優(yōu)選配置和細化。
[0038] 附圖中：
[0039] 圖1表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一種通過由計算機生成的全息圖進行三維對象的重建 的方法的示意圖；
[0040] 圖2表示當在光調(diào)制裝置的光路下游使用兩個體光柵時根據(jù)本發(fā)明的方法的輪 廓示意圖；
[0041] 圖3表示體光柵的衍射效率的曲線的示意圖；
[0042] 圖4表示具有光調(diào)制裝置和兩個體光柵的全息裝置的可能的結(jié)構(gòu)的輪廓示意圖；
[0043] 圖5a示意性地示出了虛擬觀察窗的衍射效率的曲線；
[0044] 圖5b示意性地示出了根據(jù)圖5a的衍射效率的曲線計算出的校正值；
[0045] 圖6a示意性地示出了將要在光調(diào)制裝置的平面中被直接計算和校正的小的子全 息圖的校正值；
[0046] 圖6b示意性地示出了比圖6a中更大的將要在光調(diào)制裝置的平面中被直接計算和 校正的子全息圖的校正值；
[0047] 圖7表示全息裝置和為此在重建的三維場景的表示中的虛擬觀察窗的設(shè)置的輪 廓示意圖。
[0048] 圖2表示一種配置，其提供在全息裝置中（未在此示出），通過其在原理上解釋校 正方法。該配置在這種情況下包含光調(diào)制裝置4 (僅示意性地示出），在其調(diào)制表面中，提供 了以像素4a. .. 4n形式的調(diào)制元件。然而，在此，出于清楚的原因，僅有三個這樣的像素4g、 4h、4i被表示出來，光束5僅由一個像素發(fā)射，S卩，像素4g。為了簡化，光束5進而僅具有三 個單獨的光線5p5 2和53，雖然已知這種光束5包含很多光線。光調(diào)制裝置4通過照明裝置 (未示出）被照明，照明裝置在優(yōu)選配置中可包含至少一個激光，并且在其它可能的配置中 包含作為光源一些LED (發(fā)光二級管）或0LED (有機發(fā)光二級管），并且當然也包括其它的 光學(xué)元件，例如，準直光學(xué)系統(tǒng)。
[0049] 在這種情況下，應(yīng)該注意的是，通常，體光柵的衍射效率也隨使用的光的波長而變 化。如果，例如，使用具有幾納米譜寬的LED光源，那么校正應(yīng)該針對LED的光譜的中心波 長被執(zhí)行或利用多個波長平均的校正值執(zhí)行。
[0050] 彼此處于一定距離的平行設(shè)置的體光柵被設(shè)置在光調(diào)制裝置4的光照方向的下 游中，即，在光束5的光路中，在此有兩個，S卩，體光柵8和體光柵9。體光柵通常由材料或介 質(zhì)構(gòu)成，該材料或介質(zhì)具有吸收系數(shù)或折射率的空間周期調(diào)制。具有透射和非透射區(qū)域的 前述體光柵例如可以由介質(zhì)的薄層產(chǎn)生，該介質(zhì)的吸收系數(shù)具有位于零和非常大的值之間 的值。具有折射率的空間調(diào)制的后述體光柵例如可以由光聚合物的曝光產(chǎn)生。折射率的空 間調(diào)制由曝光過程中的周期性光輸入執(zhí)行。相比于光柵周期，體光柵的層厚度更大。光聚 合物中的體光柵的標準厚度例如在10-20微米的范圍內(nèi)。
[0051] 需要明確指出的是，根據(jù)本發(fā)明的校正方法在此情況下不限于特定類型的體光 柵，而是普遍適用的。
[0052] 此外，體光柵可配置針對很窄的進入角，其彼此之間只有很小的不同。它們也可針 對較窄的波長范圍被優(yōu)化。在這種情況下，可實現(xiàn)約98%至100%的高的衍射效率。體光 柵在之后被作為角濾波器，這意味著，只有窄的或小角度范圍的光被衍射到預(yù)定的方向中。 此外，體光柵也可作為波長濾波器，以至于只有選擇的波長范圍的光被衍射到為此目的的 方向中。其它波長或具有其它入射角的光可在之后非衍射的通過一個或多個體光柵。
[0053] 當光通過一個或多個體光柵時，為了避免更高的衍射級，應(yīng)該遵守布拉格條件，也 就是說，應(yīng)該盡可能只透射一個衍射級，例如，第一衍射級或，根據(jù)不同的應(yīng)用，相應(yīng)所需的 衍射級。形成的體光柵越厚，其選擇性效應(yīng)越大。
[0054] 體光柵中的衍射過程已經(jīng)大體上由科格爾尼克（Kogelnik)通過耦合波理論描 述，參見H.科格爾尼克，"厚全息光柵的稱合波理論"（Coupled Wave Theory for Thick Hologram Gratings)，貝爾系統(tǒng)技術(shù)雜志（Bell Syst. Techn. J.) 48 (1969) 2909-2947。厚全 息圖應(yīng)根據(jù)下述等式具有超過10的Q因子：
[0055] Q = 2 π d λ Λη0 Λ2)
[0056] d是體光柵的厚度，λ是真空中的工作波長，Λ是體光柵的光柵常數(shù)，以及η(ι是 平均折光力。
[0057] 存在針對多個進入角和/或多個波長被優(yōu)化的體光柵。另一方面，也可能在裝置 中連續(xù)設(shè)置多個具有較少功能的體光柵，而不是使用這種體光柵，各個體光柵每個都單獨 地在預(yù)定的方向偏移入射光。
[0058] 體光柵也可在它們的生產(chǎn)過程中以這樣一種方式被影響，S卩，其在其生產(chǎn)之后可 作為場透鏡使用。這意味著在其生產(chǎn)過程中場透鏡的功能被引入到體光柵中，以便獲得具 有某些焦距的場透鏡。
[0059] 此外，還應(yīng)指出的是，例如，全息裝置在光路中可通常包含多個體光柵，通常是四 個體光柵。然而，為了示例性的實施例的解釋，在此將采取最多兩個體光柵，雖然這并不旨 在限制。
[0060] 為了本發(fā)明的方法的解釋，在此將采取簡單偏移的體光柵，即，兩個體光柵8和9， 其被設(shè)置在光調(diào)制裝置4和觀察者平面11中的虛擬觀察窗10之間，觀察者平面11包含觀 察優(yōu)選為三維重建場景的觀察者的眼睛。一起跨越截頭圓錐形重建空間40的虛擬觀察窗 10和光調(diào)制裝置4,尤其是虛擬觀察窗10的邊緣和光調(diào)制裝置4的邊緣，也被稱為截頭錐 體（參見圖7)，其中，通過觀察者可觀察到重建場景。
[0061] 現(xiàn)在為了能夠連帶地影響或連帶地考慮到在全息計算過程中被設(shè)置在配置的光 路中的體光柵8和9的角度選擇性，當前的體光柵8和9的衍射效率被首先確定。這例 如可以通過體光柵上的合適的測量執(zhí)行或者在利用參數(shù)--例如，根據(jù)科格爾尼克理論 (Kogelnik theory)的光柵周期和厚度-的角度的衍射效率的計算的輔助下執(zhí)行。衍射 效率可以，例如，被存儲在值的表中。之后，從光調(diào)制裝置4的像素4g經(jīng)過在虛擬觀察窗10 的不同位置的兩個體光柵8和9的射線束5的光路被以幾何學(xué)原理計算。這意味著，射線 束5幾何可見地打到虛擬觀察窗10,通過其，可以推斷射線束5的每個光束打到虛擬觀察窗 10中的不同位置。這意味著，針對每個體光柵8和9,射線束5的光束在體光柵8和9上的 入射角，在此是光束5p5 2和53的入射角，體光柵被分別地單獨計算，通過其，這些入射角的 衍射效率可被確定。在圖2中，這通過三個光束5 1、52和53被更詳細的表示出來，光束以 角a i打到體光柵8,并被偏移，并且以角β i打到體光柵9。光束52垂直地（α 2)打到第 一個體光柵8,并被偏移，并且以角β 2打到第二個體光柵9。此外，光束53從光調(diào)制裝置4 的像素4g以和光束51相同的角度射出（僅符號不同）以角α 3打到體光柵8,并被偏移， 并且之后以角β3打到體光柵9的下游。關(guān)于以這種方式確定的針對每個光束--在此為 光束5ρ5 2和53--的各個入射角，，相應(yīng)的衍射效率被因此確定，于是，針對在虛擬觀察窗 中分別打到體光柵8和9的光束的各自位置的各個的體光柵8和9的衍射效率被相乘。換 言之，針對光束的體光柵8的衍射效率乘以針對相同的光束的體光柵9的衍射效率， 以便針對光束和該光束在虛擬觀察窗中的相關(guān)入射位置獲得兩個體光柵8和9的相 對衍射效率。如上所述用于確定相對衍射效率的方法也可針對射線束5的光束5 2和53執(zhí) 行，也就是說，針對從光調(diào)制裝置4的像素發(fā)出的光束的所有光線。此外，上述方法也可用 于存在于光調(diào)制裝置4中的其它的像素4h、4i、. .. 4n，以便針對來自于光調(diào)制裝置4的全息 圖或子全息圖的每個像素的每個射線束和設(shè)置在光路中的每個體光柵，確定相對的衍射效 率。
[0062] 衍射效率的值是強度。在全息圖計算本身中，通常使用振幅和相位。振幅在這種 情況下與強度的方根成比例。為了因此相應(yīng)地校正振幅，因此也需要使用確定的相對透過 率或衍射效率的倒數(shù)值的方根。在全息圖計算過程中設(shè)置在光路中的一個或多個體光柵的 角度選擇性的校正在第一種可能性一即，通過虛擬觀察窗進行的全息圖計算一中以這 種方式進行，即，在虛擬觀察窗10中計算出的波前的復(fù)值的單個振幅乘以相應(yīng)的相對衍射 效率的倒數(shù)值的方根。然而，在虛擬觀察窗10中的復(fù)值的相位保持不變。
[0063] 在第二個可能性中，即，在全息圖平面中進行的子全息圖的直接計算，子全息圖的 振幅被以這樣一種方式校正，即，校正值從虛擬觀察窗10的范圍被重新調(diào)節(jié)至相應(yīng)的子全 息圖的范圍。在此，子全息圖的相位保持不變。
[0064] 角度選擇性的校正可以，例如，當針對光調(diào)制裝置4的所有像素有相同的相對衍 射效率時使用。同樣地，也可以當在虛擬觀察窗10中有類似的相對衍射效率時使用，至少 是針對子全息圖的最大范圍內(nèi)的光調(diào)制裝置4的這種像素。針對具有虛擬觀察窗的全息裝 置，其適用于隨場景點的深度位置變化的子全息圖尺寸。然而，針對裝置的深度范圍，其可 在顯示器后面延伸到任意遠并在裝置前面延伸觀察者距離的一半，子全息圖各自至多和虛 擬觀察窗自身一樣大。針對具有約l〇mm范圍和上述三維場景的深度范圍的虛擬觀察窗，因 此，例如，當幾乎相同的衍射效率存在于約l〇mm的區(qū)域中時，校正將是可用的。
[0065] 在所有像素或針對子全息圖的所有像素的相對衍射效率相等或大致相等的情況 下，針對校正虛擬觀察窗10中復(fù)值的振幅或子全息圖的振幅，乘以相對衍射效率的倒數(shù)值 的方根。
[0066] 在相對衍射效率在光調(diào)制裝置的不同區(qū)域不同但對于子全息圖的范圍內(nèi)的像素 至少相似的情況下，在光調(diào)制裝置中直接計算子全息圖并利用計算出的校正值執(zhí)行校正是 更有利的。在這種情況下，也可使用各個子全息圖的像素的平均效率。
[0067] 例如，簡單偏移的體光柵（simple deviating volume grating)或復(fù)用體光柵 (multiplex volume grating)將在大多數(shù)情況下，針對光調(diào)制裝置的所有像素，滿足相同 的衍射效率的條件。
[0068] 如果體光柵形成為場透鏡，對于其有時也可能局部地具有不同偏移角，以便角度 選擇性可能在作為場透鏡的體光柵內(nèi)變化。然而，這通常非常慢地發(fā)生，以至于與這些區(qū)域 相鄰的光調(diào)制裝置的像素事實上僅略受影響。為此，直接計算子全息圖并針對角度選擇性 連帶地考慮相應(yīng)的校正值是更有利的。
[0069] 在通過一個或多個體光柵的光調(diào)制裝置的時分多路復(fù)用的情況下，針對不同的復(fù) 用配置中相同像素，可能有不同的相對衍射效率。因此，將執(zhí)行針對所有配置的計算，并且 將使用分配給各自配置的相對衍射效率。這意味著，只執(zhí)行一次相應(yīng)的校正值的計算，在這 種情況下，針對每個單獨的復(fù)用配置，分配給該配置的校正值必須被連帶考慮到。
[0070] 通常，校正值或校正的量將實際位于1. 0至±2. 0的范圍內(nèi)，該范圍不旨在限制。 這意味著，校正值也可具有大于2. 0的值。
[0071] 校正方法將在以下借助于圖3_6b關(guān)于示例性實施例進行詳細描述。在這種情 況下，使用具有圖3中示意性示出的衍射效率曲線的體光柵。圖示示出了體光柵的衍射 效率的測量曲線，其可能例如被用在全息裝置中。在圖中，根據(jù)體光柵的科格爾尼克理論 (Kogelnik theory),體光柵衍射效率在第一衍射級（黑色曲線）中對偏向角作圖，并且在 零衍射級（淺灰色曲線）中對偏向角作圖。第一衍射級在這種情況下代表偏轉(zhuǎn)光，以及零 衍射級代表未偏轉(zhuǎn)光。
[0072] 在圖4中，全息裝置--例如直視顯示器--的配置被示意性地示出，僅示出了對 于本發(fā)明較重要的元件，也就是說，全息裝置當然可包含另外的光學(xué)元件。與圖2中相同的 元件在圖4中具有相同的附圖標記。通常，例如，全息裝置包含照明裝置，例如背光裝置，或 聚焦光調(diào)制裝置20的所有像素的光至虛擬觀察窗10的方向上的透鏡或透鏡配置，或可選 的可驅(qū)動偏移元件。這種附加的元件可以以各種方式構(gòu)造。
[0073] 圖4中示出的光調(diào)制裝置20包含設(shè)置在基質(zhì)21和22之間的光調(diào)制層，例如玻 璃，例如在基于液晶的光調(diào)制裝置中即是如此。光調(diào)制裝置20在此具有約30 μ m的像素間 距。虛擬觀察窗10-一通過其，觀察者可觀察重建空間（未在此示出）中的重建的三維場 景--在距光調(diào)制裝置約70cm的距離產(chǎn)生。針對照明裝置（未示出）發(fā)出的綠光（λ = 532nm)，虛擬觀察窗10應(yīng)具有約12mm的尺寸。
[0074] 在射束方向上的光調(diào)制裝置20的下游配備有彼此后面平行設(shè)置的體光柵23和 24,其在該示例性的實施例中由聚合物片材構(gòu)成，該聚合物片材被層壓在介質(zhì)或基質(zhì)上作 為載體材料。載體材料在這種情況下是玻璃，雖然當然也可使用其它的載體材料。在該實 施例中，如這里所示的，以及為了本發(fā)明的簡單說明，兩個體光柵23和24具有相同的屬性， 也就是說相同的衍射效率。
[0075] 在當前的情況下，體光柵23或24分別具有將光調(diào)制裝置20的像素發(fā)出并且體光 柵通過約40度的角度打到體光柵23的載體材料中的光偏移的作用，在此，載體材料具有約 1. 5的折射率。根據(jù)圖3,由于生產(chǎn)公差，針對約40. 1度的偏向角而不是所需的40. 0度的 偏向角，體光柵23或24分別具有約98%的最大衍射效率，并且，例如，針對約39. 7度的偏 向角和約40. 5度的偏向角，體光柵23或24分別具有約90%的衍射效率。
[0076] 如果光調(diào)制裝置20和虛擬觀察窗10具有上述屬性，那么針對從像素到虛擬觀察 窗10的光路的幾何計算，如圖2所示，從光調(diào)制裝置20的像素至虛擬觀察窗10的邊緣的衍 射角在空氣中約為±0. 5度，或在具有1. 5的折射率的載體材料（例如，玻璃）中約±0. 33 度。
[0077] 根據(jù)圖4,由光調(diào)制裝置20的像素直線發(fā)出--即以0度的角--的光線通過第 一體光柵23偏移角α并且通過第二體光柵24偏移角-α?；|(zhì)22--在此例如還為玻 璃--中的光以角Υ從像素發(fā)出，在經(jīng)過體光柵23、24和另一個基質(zhì)26之后以角￥^在 空氣中向虛擬觀察窗10的方向傳播。更確切地說，這意味著，由光調(diào)制裝置20調(diào)制的、像 素的光打到第一體光柵23,被其偏移約40度，并且之后，通過設(shè)置在體光柵23和體光柵24 之間的隔片25,該光經(jīng)歷橫向偏移并因此打到體光柵設(shè)置在體光柵23的下游的第二體光 柵24上，并且被后者再次引導(dǎo)為直線。墊片25應(yīng)在此同樣由具有1. 5的折射率的介質(zhì)構(gòu) 成，例如，玻璃，雖然當然也可使用其它的透明材料。對于圖4中示出的示例性的實施例，由 于兩個相同設(shè)計的體光柵23和24的生產(chǎn)公差，這意味著：由像素以0度的角γ發(fā)出的光 線被體光柵23以α = 40. 1的角度和被隨后的體光柵24以-α = 40. 1的角度偏移，并且 之后以〇度角離開體光柵24。該光線之后打到虛擬觀察窗10的中間或中心。在第一個并 同時在第二個體光柵23、24確定的衍射效率分別為98%。在兩個體光柵23和24之后，針 對該光線的總體相對衍射效率因此為96% (0. 98% Χ0. 98% )。
[0078] 對于從像素到虛擬觀察窗10的邊緣的光線，舉例來說執(zhí)行以下述關(guān)于圖4的計 算。從像素以角γ = 0. 33度（玻璃中）發(fā)出的光線根據(jù)以下光柵方程被偏移：
[0079]
【權(quán)利要求】
1. 一種在光調(diào)制裝置中編碼至少一個全息圖的方法，其編碼是逐像素的執(zhí)行，其中，全 息圖由單個的子全息圖構(gòu)成，該子全息圖被分配給光調(diào)制裝置中相應(yīng)的編碼區(qū)域，并被分 別分配給由全息圖重建的對象的物點，其中，通過虛擬觀察窗提供定義的觀察區(qū)域，通過該 觀察區(qū)域，觀察者觀察重建空間中的重建場景，其中，針對每個單獨的物點的波前的復(fù)值在 虛擬觀察窗中進行計算，并且該復(fù)值的至少一個值部分是由校正值校正，并且其中，針對所 有物點以這種方式確定的校正的復(fù)值被加和并且被轉(zhuǎn)換至光調(diào)制裝置的全息圖平面，以便 編碼全息圖，其特征在于，在將要重建在全息圖平面中的對象的所有物點的加和的復(fù)值的 轉(zhuǎn)換之前，虛擬觀察窗（1〇、32)中的波前的復(fù)值的每個單獨的振幅乘以校正值，通過該校 正值，執(zhí)行至少一個體光柵（8、9、23、24、31)的角度選擇性的校正，該體光柵設(shè)置在光調(diào)制 裝置（4、20、30)的光路的下游，其中，校正值通過至少一個體光柵（8、9、23、24、31)的相對 角度依賴的衍射效率的倒數(shù)值的方根來計算。
2. -種用于在光調(diào)制裝置中編碼至少一個全息圖的方法，其編碼是逐像素的執(zhí)行，其 中，全息圖由單個的子全息圖構(gòu)成，該子全息圖被分配給光調(diào)制裝置中相應(yīng)的編碼區(qū)域，并 被分別分配給由全息圖重建的對象的物點，其中，通過虛擬觀察窗提供定義的觀察區(qū)域，通 過該觀察區(qū)域，重建空間中的重建場景由觀察者觀察到，其中，重建的對象的每個物點被全 息編碼在子全息圖中，其中，子全息圖的振幅由校正值校正，并且以這種方式校正的子全息 圖被加和在光調(diào)制裝置的全息圖平面中，以便編碼全息圖，其特征在于，每個子全息圖的每 個單獨的振幅由校正值校正，通過該校正值，執(zhí)行對設(shè)置在光調(diào)制裝置（4、20)的光路的下 游的至少一個體光柵（8、9、23、24)的角度選擇性的校正，其中，校正值由至少一個體光柵 (8、9、23、24)的相對角度依賴的衍射效率的倒數(shù)值的方根來計算。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，在虛擬觀察窗（10、32)中的波前的 復(fù)值的校正之前或子全息圖的振幅的校正之前，從光調(diào)制裝置（4、20、30)的像素（4g、4h、 4i)經(jīng)過至少一個體光柵（8、9、23、24、31)至虛擬觀察窗（10、32)內(nèi)部的不同位置的射線束 (5)被按幾何學(xué)原理計算，于是，在至少一個體光柵（8、9、23、24、31)上的射線束（5)的光線 (5"52、53)的入射角被分別計算，于是，針對各自入射角的至少一個體光柵（8、9、23、24、31) 的衍射效率被確定。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，如果提供設(shè)置在光調(diào)制裝置（4、20、 30)的光路的下游的多個體光柵（8、9、23、24、31)，在虛擬觀察窗（10、32)中的波前的復(fù)值 的校正之前或子全息圖的振幅的校正之前，從光調(diào)制裝置（4、20、30)的像素（4g、4h、4i)經(jīng) 過體光柵（8、9、23、24、31)至虛擬觀察窗（10、32)內(nèi)部的不同位置的射線束（5)被按幾何 學(xué)原理計算，于是，從像素（4g、4h、4i)到各個體光柵（8、9、23、24、31)上的射線束（5)的光 線（5i、5 2、53)的入射角被分別計算，于是，針對各自入射角的體光柵（8、9、23、24、31)的衍 射效率被確定，并且，于是，針對光線（5i、5 2、53)分別入射到虛擬觀察窗（10、32)中的體光 柵（8、9、23、24、31)上的各自位置，將各個體光柵（8、9、23、24、31)的該各自位置的衍射效 率相乘。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于，相對衍射效率通過在光線（51、52、 53)的光路中的一個體光柵（8、9、23、24、31)的個別衍射效率獲得或通過光線（51、52、53) 的光路中的各個體光柵（8、9、23、24、31)的衍射效率相乘獲得，使用該相對衍射效率以確 定校正值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，校正值由相對衍射效率的倒數(shù)值的方根 計算。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6中任意一項所述的方法，其特征在于，在虛擬觀察窗（10、32)的中 心、虛擬觀察窗（1〇、32)的邊緣和虛擬觀察窗（10、32)的邊緣和中心之間的位置的校正值 具有在約1.0至±2.0的值范圍內(nèi)的量值，其中，各個校正量值彼此不同。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，至少一個體光柵（8、9、23、24、31)的角 度選擇性的校正被以這樣一種方式執(zhí)行，即，在虛擬觀察窗（1〇、32)的中心的、虛擬觀察窗 (10、32)中確定的波前的復(fù)值的振幅，被分別乘以賦予的確定值，優(yōu)選為約1. 02,在虛擬觀 察窗（10、32)的邊緣的、虛擬觀察窗（10、32)中確定的波前的復(fù)值的振幅，被分別乘以賦 予的確定值，優(yōu)選為約1.06,以及分別位于其之間的振幅，被乘以賦予的確定值，優(yōu)選為約 1.02和約1.06之間。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，至少一個體光柵（8、9、23、24)的角度選擇 性的校正被以這樣一種方式執(zhí)行，即，在子全息圖的中心的、子全息圖的振幅，被乘以賦予 的確定值，優(yōu)選為約1. 02,在子全息圖的邊緣的、子全息圖的振幅，被乘以賦予的確定值，優(yōu) 選為約1.06,以及分別位于其之間的振幅，被乘以賦予的確定值，優(yōu)選為約1.02和約1.06 之間。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1、3-7、9中任意一項所述的方法，其特征在于，當在不同區(qū)域具有不 同的衍射效率的光路中的至少一個體光柵（31)被用于體光柵（31)的角度選擇性的校正 時，跨越在光調(diào)制裝置（30)和虛擬觀察窗（32)之間的截頭錐體（40)可被細分成至少兩個 子截頭錐體（40a、40b)，于是，針對每個單獨的子截頭錐體（40a、40b)，為位于各自的子截 頭錐體中的3D場景的所有物點的單獨計算虛擬觀察窗（32)中的波前的復(fù)值，并且，于是， 每個單獨的子截頭錐體的校正值被分別確定，并據(jù)此，在各個子截頭錐體的觀察窗中的校 正的波前的復(fù)值被加和和轉(zhuǎn)換至光調(diào)制裝置的全息圖平面，以便編碼全息圖。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1-9中任意一項所述的方法，其特征在于，針對光調(diào)制裝置（4、20)的 所有像素（4g、4h、4i)，獲得至少一個體光柵（8、9、23、24)的相同的相對衍射效率。
【文檔編號】G03H1/08GK104272198SQ201280068797
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月1日
【發(fā)明者】諾伯特·萊斯特 申請人:視瑞爾技術(shù)公司