[发明专利]三维场景的全息再现装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用在包括电控单元的空间光调制器中编码的大面积计算机生成视频全息图(CGH)再现三维(3D-)场景的显示装置。上述单元通过用对应视频全息图的全息图的值编码每个单元，调制光的幅度和/或相位。和自动立体显示器一样，再现视频全息图的目的还在于利用视频显示器表示移动的二维或三维场景。

在本文件中，CGH表示由场景计算的全息图。CGH包含表示需再现的场景的光波幅度和相位的复值数据。CGH可以通过例如相干波追踪、模拟场景反射的光和参考波之间的干涉，或傅立叶或菲涅耳变换计算。

空间光调制器(SLM)调制输入光的波阵面。理想的SLM可以表示任意复值数据，也就是分别控制光波的幅度和相位。但是，典型的SLM仅控制幅度或相位特性中的一个，还带有影响其他特性的不希望有的副作用。

调制光的幅度或相位有不同的方法，例如电寻址液晶SLM，光寻址液晶SLM，微镜装置或声光调制器。光的调制可以是空间连续的或由一维或二维排列、二级、多级或连续的可单独寻址单元构成。

用于3D场景的全息再现的合适的空间光调制器例如是液晶显示器(LCD)。但是，本发明还可以用于调节光波阵面的其它可控空间光调节器。本发明还可以用于连续的空间光调节器，例如光寻址空间光调节器。

背景技术

在本文件中，术语“编码”表示这样的方法，即向空间光调节器的单元提供视频全息图的单元的控制值，以据此再现3D场景。

与自动立体显示器相比，视频全息图让观察者看到三维场景的光波阵面的光学再现。

根据本发明，在观察者的眼睛和空间光调节器之间的空间范围内再现3D场景。可以利用视频全息图编码SLM，使得观察者看到在SLM前面的再现的三维场景目标和在SLM或其后面的其他目标。

空间光调节器的单元最好是透光的透射单元，上述光线至少能够在确定位置和几毫米的相干长度内产生干涉。这使得全息再现至少在一维上具有足够的分辨率。这种光称为“足够的相干光”。

为了确定足够的时间相关性，光源发出的光的光谱必须限于极窄的波长范围，也就是必须是接近单色的。高亮度LED的光谱带宽要足够窄以确保全息再现的时间相干。SLM的衍射角与波长成比例，这就是说仅单色源会使目标点的清晰再现。加宽的光谱将使目标点变宽并使目标再现拖光。LED的光谱线宽充分窄以使再现良好。

空间相关涉及光源的横向范围。如果传统的光源例如LED或冷阴极荧光灯通过十分窄的孔发出光，则它们也可以达到上述要求。激光源发出的光可以被看作衍射极限内的点光源发出的光，能根据模型纯度清晰地再现目标，也就是每个目标点被再现为衍射极限内的点。

空间不相关光源发出的光横向延伸，使再现的目标拖光。拖光总量由在给定位置再现的目标点变宽的大小决定。为了使用空间不相关源进行全息再现，需要权衡用孔限制的光源的亮度和横向范围。光源越小，其空间相关越好。

如果从与线光源的纵向延长线成直角的方向看去，可以将线光源看作一个点光源。因而光波可以在该方向相干传播，而在所有其他方向不相干传播。

一般来说，利用水平和垂直方向上波的相干重合，全息图再现全息场景。这种视频全息图被称为全视差全息图。假设观测窗或观察者区域足够大，则再现的目标在水平和垂直方向上有助于移动视差，与实际目标相似。但是，大的观察者区域要求SLM在水平和垂直方向上具有高的分辨率。

通常，对SLM的要求通过全息图仅限制在水平视差上而得以减少。全息再现仅在水平方向上发生，而在垂直方向上没有全息再现。这导致具有水平移动视差的再现目标。透视图没有因垂直动作而变化。仅有水平视差的全息图在垂直方向上需要的SLM的分辨率比全视差全息图小。仅有垂直视差的全息图也是可能的，但很少。全息再现仅在垂直方向上发生，导致再现目标仅具有垂直动作视差。其在水平方向上没有动作视差。需要分别产生左眼和右眼的不同透视图。

相关技术说明

在传统LCD技术中具有空间光调制器的显示器可以例如用于解码和再现。公知的高分辨率的透射平板显示器可以用于大面积再现。

最好使用具有直接调制光相位的单元的光调制器，例如基于夫瑞德利克兹(Freedericksz)单元的光调制器。但是，本发明还可采用其他空间光调制器。

忽略再现中出现的垂直视差的计算机生成全息图的照明系统公开于公开号为WO 03/021363的专利文件中。照明系统采用由传统的点光源组成的线光源。上述线光源发出准直光。线光源置于与其成直角的柱面镜的焦平面并产生多个平面波，其在多个入射角以透射模式照亮SLM。与点光源相比，图像可以被均匀照亮而不需要散射器。