СПОСОБ ВЫЧИСЛЕНИЯ ГОЛОГРАММЫ Российский патент 2010 года по МПК G03H1/22 

Область изобретения

Изобретение относится к способу вычисления голограммы. В частности, оно касается способа формирования голограмм с использованием электроголографии. Электроголография стремится воспроизводить цифровые голограммы в реальном времени (т.е. восстановленный объект может формироваться из закодированных голографических данных за короткий промежуток времени). Голографическое устройство отображения обычно содержит массив управляемых пикселей, пиксели восстанавливают точки объекта, электронным образом влияя на амплитуду и/или фазу освещающего света. Такой массив является разновидностью пространственного модулятора света (ПМС). Устройство отображения может основываться не на массиве, а быть непрерывным. Например, это может быть непрерывный ПМС, в том числе непрерывный ПМС с управлением матрицей или акустооптический модулятор (АОМ).

Подходящим устройством демонстрации для восстановления видеоголограмм посредством пространственной амплитудной модуляции светового образца является, например, жидкокристаллический дисплей (ЖКД). Однако настоящее изобретение может также применяться к другим управляемым устройствам, которые используют когерентный свет для модулирования светового волнового фронта.

Определение терминов и фундаментальные концепции

В этом документе термин «пиксель» означает управляемый пиксель голограммы в ПМС, пиксель отдельно адресуется и управляется дискретным значением точки голограммы. Каждый пиксель представляет одну точку видеоголограммы. Поэтому для ЖКД термин «пиксель» соответствует отдельно адресуемому пикселю экрана. В технологии цифровой обработки света (DLP) термин пиксель соответствует отдельному микрозеркалу или маленькой группе микрозеркал. В непрерывном ПМС пиксель является переходной зоной на ПМС, которая представляет одну комплексную точку голограммы. Следовательно, термин «пиксель» означает в самом общем смысле самую маленькую единицу, которая может представлять (например, показывать) одну комплексную точку голограммы. Для кодирования цвета каждый пиксель может заключать в себе подпиксели, представляющие или показывающие точки цветной голограммы в каждом из трех основных цветов. В зависимости от типа кодирования видеоголограммы могут использоваться дополнительные подпиксели для кодирования или представления основных цветов каждой точки цветной голограммы. Например, если используется кодирование Буркхардта для цветной голограммы, каждый пиксель требует девять подпикселей. Для большей ясности, в данном документе каждый пиксель кодируется только одним дискретным значением точки голограммы, содержащим компонент амплитуды и компонент фазы, указанные компоненты могут быть нулевыми. Выделенный контроллер, или драйвер, управляет подпикселями, используя отдельные управляющие сигналы для каждого подпикселя. Контроллер, или драйвер, и обеспечение управляющими сигналами не являются, однако, объектом настоящего изобретения.

Термин «шаг» описывает в этом документе расстояние между центрами двух смежных пикселей ПМС. Таким образом, он характеризует разрешение устройства демонстрации.

«Окно наблюдения» - это ограниченная виртуальная зона, через которую наблюдатель может видеть полную восстановленную трехмерную сцену с достаточно высокой видимостью. Окно наблюдения расположено у глаз наблюдателя или близко от них. Окно наблюдения может быть перемещено в направлениях X, Y и Z. В пределах окна наблюдения волновые поля интерферируют таким образом, что восстановленный объект становится видимым наблюдателю. В одном варианте осуществления настоящего изобретения сцена является видимой через окно наблюдения и восстанавливается внутри конуса, который проходит между краями окна наблюдения и краями ПМС. Можно включить два окна наблюдения, по одному на каждый глаз. Возможна и более сложная организация окон наблюдения. Можно также закодировать видеоголограмму, содержащую объекты или целые сцены, которые наблюдатель может видеть позади ПМС.

Термин «кодирование» описывает способ, которым ПМС снабжается управляющими сигналами, таким образом, что когерентный свет, проходящий через ПМС или отражаемый ПМС, восстанавливает трехмерную сцену.

«Источник света» согласно данному документу считается достаточно когерентным, если свет является пространственно когерентным в такой степени, что допускает интерференцию, так что это делает возможным голографическое восстановление с достаточным разрешением, по меньшей мере, в одном измерении. Пространственная когерентность связана с поперечной протяженностью источника света. Традиционные источники света, такие как светодиоды или флуоресцентные лампы с холодным катодом, также могут удовлетворять этим требованиям, если они излучают свет через достаточно узкое отверстие. Свет от лазерного источника может считаться излучающим из точечного источника в пределах дифракции. Это ведет к четкому восстановлению объекта, т.е. каждая точка объекта восстанавливается как точка в пределах границ дифракции.

Свет от пространственно некогерентного источника расширен в стороны и вызовет размывание или размазывание восстановленного объекта. Степень размывания или размазывания определяется расширенным размером точки объекта, восстановленной в данной позиции. Чтобы использовать пространственно некогерентные источники для создания голограммы, нужно находить компромисс между качеством восстановления и яркостью, регулируя ширину отверстия. Меньшее отверстие ведет к улучшенной пространственной когерентности и, следовательно, уменьшает степень размывания или размазывания. Но меньшее отверстие ведет к меньшей яркости. Термин «частичная пространственная когерентность» используется для описания такого источника света.

Временная когерентность связана с шириной линии спектра источника света. Чтобы обеспечить временную когерентность, свет должен иметь достаточно узкий диапазон длин волн. Спектральная полоса пропускания сверхъярких светодиодов достаточно узка, чтобы обеспечить временную когерентность для голографического восстановления. Угол дифракции в ПМС пропорционален длине волны, это означает, что только монохроматический источник будет приводить к четкому восстановлению точки объекта. Уширенный спектр будет приводить к расширенным точкам объекта и размазанному или расплывшемуся восстановлению объекта. Спектр лазерного источника может считаться монохроматическим. Ширина линии спектра светодиода является сравнительно узкой, что способствует хорошему восстановлению.

В большинстве голографических систем кодированная голограмма является преобразованием трехмерной сцены, подлежащей восстановлению. Термин «преобразование» следует понимать расширительно, чтобы включать любой математический или вычислительный метод, который эквивалентен преобразованию или сходен с ним. Преобразования в математическом смысле являются просто аппроксимацией физических процессов, более точно описываемых уравнениями Максвелла по распространению волн. Такие преобразования, как преобразование Френеля (или специальный класс преобразований, известный как преобразования Фурье), являются приближениями второго порядка, но они имеют преимущество, потому что они являются алгебраическими, а не дифференциальными, их можно эффективно обрабатывать вычислительными методами, их также можно точно реализовать в оптических системах.

Уровень техники

Недостатком трехмерных автоматических стереоскопических дисплеев, использующих традиционную оптику, является несоответствие между информацией о параллаксе и аккомодацией хрусталика глаза. С одной стороны, глаза наблюдателя видят различные перспективные виды трехмерной сцены, которые имитируют эффект глубины объектов на произвольном расстоянии. С другой стороны, каждый перспективный вид расположен на поверхности дисплея. Следовательно, глаз фокусируется на поверхности дисплея, и каждый глаз видит плоское изображение. Это вызывает несоответствие между видением объектов на произвольной глубине, достигаемым посредством информации о параллаксе, и аккомодацией глаз к фиксированной поверхности дисплея. Несоответствие может вызывать неприятные ощущения и усталость глаз.

Известные электроголографические дисплеи, например, как описанные в документе WO 01/95016, используют матрицу голограммы, снабженную конфигурацией пикселей из управляемых отверстий, которая восстанавливает объекты трехмерной сцены на правильной глубине. Это может устранить неудобства традиционных стереоскопических дисплеев. Дифракция от маленьких отверстий используется для восстановления трехмерной сцены. Волновые фронты, распространяющиеся от отверстий, объединяются вместе в точках объекта сцены, прежде чем они достигают наблюдателя. Чем меньше диаметр отверстий этой матрицы голограммы и, следовательно, шаг, тем больше угол дифракции. Это ведет к использованию широкого угла поля зрения для наблюдателя. В результате увеличение угла поля зрения требует улучшенного разрешения.

Документ от N.Fukaya, K.Маеnо, K.Sato и Т.Honda «Отслеживание положения глаз в процессе электроголографической демонстрации с использованием жидкокристаллических устройств», S36-5, Post-Deadline Paper Asia Display '95, описывает способ для расширения области обзора в электроголографическом дисплее посредством отслеживания положения глаза. В этом документе предполагается, что нет необходимости проецировать свет от голографического массива во всю область, где может находиться наблюдатель. Скорее, достаточно ограничить освещенную область глазами наблюдателя. Поэтому большой голографический массив разделен на маленькие части отдельных голограмм, каждая часть кодируется парой маленьких голограмм, вместо одной большой голограммы. Это ведет к тому, что наблюдатель видит один и тот же трехмерный объект как будто от одной большой голограммы; каждая часть восстанавливает объект, и ее зона наблюдения соответствует положению каждого глаза. Если наблюдатель перемещается в другое положение, наблюдатель получает восстановление и зону наблюдения от другой пары маленьких голограмм. Такое ограничение облегчает использование ПМС с достаточно малым числом пикселей.

Для отслеживания поперечного (X, Y) перемещения наблюдателя управляемое сканирующее зеркало проецирует свет от ПМС к глазам наблюдателя. Отслеживание продольного (Z) перемещения наблюдателя происходит путем изменения относительного пространства между небольшими ЖКД.

В документе упоминается ширина восстановления в 50 мм, что приводит к относительно небольшому углу, в котором представляется трехмерная сцена.

Недостатком этого метода является то, что создание голографического массива, содержащего множество отдельных небольших ЖКД, очень сложно. Кроме того, следует избегать наличия множества восстановлений одной и той же точки объекта трехмерной сцены. Это ограничивает размер ПМС и, следовательно, размер объекта.

Чтобы сократить огромное количество вычислений, патент WO 01/95016 A1 описывает расчет только тех частей электроголограммы, которые непосредственно видны наблюдателю или которые изменяются. Электроголограмма состоит из адресуемых подобластей. Вычисление основано на так называемом эффективном зрачке, который может совпадать со зрачком глаза наблюдателя в определенном положении. Если положение наблюдателя изменяется, устройство слежения заново вычисляет часть голограммы, которая формирует изображение для нового положения наблюдателя.

Однако это сводит на нет уменьшение количества вычислений, и описанное решение не устраняет недостаток в потребности большого управляемого ПМС с очень маленьким шагом.

Устройство, описанное в документе WO 2003/021363 А1, для восстановления цифровой голограммы уменьшает требования к ПМС, ограничивая восстановление голограммой с только горизонтальным параллаксом (ТГП-голограммой).

Средство освещения представляет собой линейный источник света, который формирует монохроматический свет в диапазоне менее 10 нм и который когерентен в горизонтальном направлении, но некогерентен в вертикальном направлении. Голографическое восстановление осуществляется только в горизонтальном направлении, в то время как голографическое восстановление в вертикальном направлении отсутствует. Это приводит к созданию восстановленного объекта с параллаксом горизонтального перемещения. Перспективный вид не изменяется при вертикальном перемещении. ТГП-голограмма требует меньшего разрешения ПМС в вертикальном направлении, чем голограмма с полным параллаксом. Периодичность имеется только в направлении восстановления, т.е. в горизонтальном. Вычислительная нагрузка уменьшается для одномерных линейных голограмм.

Документ US 6927886 (Плесняк) относится к вычисляемым голографическим стереограммам (пространственным объемным диаграммам), имеющим перестраиваемую поверхность сцены, пространственно отличную от поверхности голограммы, на которой кодируется голографическая стереограмма. Трехмерный объект или сцена фиксируется или синтезируется как множество одномерных голографических видов (ТГП-голограмм), восстановленных массивом, содержащим так называемые голопиксели, имеющие структуру, отличную от известной пиксельной структуры. Оборудование формирует вычисленные дифракционные картины для получения видимых изображений, и модуль формирования восстанавливает голографические стереограммы посредством интерференции конфигураций на одной или более поверхностях сцены, отличных от поверхности голограммы.

Устройство проецирует одну или более серий параллаксных видов трехмерной сцены через одну или более плоскостей голографически восстановленных изображений. С помощью программного обеспечения плоскость сцены может быть определена в любом положении плоскости голограммы и заполнена переменным числом пикселей. Далее, в отдельном варианте осуществления, поверхность голограммы и поверхность сцены разнесены на регулируемое расстояние. Поверхность сцены может быть изменяемой по глубине и/или разрешению.

В отличие от пикселей вышеупомянутых ПМС, голопиксели имеют очень сложную структуру и могут восстанавливать несколько голографических видов.

Вследствие уменьшения окна наблюдения до размера, немного превышающего размер зрачка глаза, заявитель патентной заявки WO 2004/044659 значительно уменьшает требования к шагу ПМС и вычислительную нагрузку голографического массива. Устройство содержит, по меньшей мере, один источник света, который обеспечивает достаточно когерентный свет, линзу преобразования Фурье и голографический массив с матрицей пикселей, каждый из которых содержит одно или более отверстий. Фаза или амплитуда каждого отверстия является управляемой, и плоскость наблюдения расположена в плоскости сцены источника света. В плоскости наблюдения сформировано, по меньшей мере, одно окно наблюдения в пределах интервала периодичности как преобразования видеоголограммы, окно наблюдения позволяет наблюдателю видеть восстановленнную трехмерную сцену. Максимальная величина (т.е. размеры X, Y) окна наблюдения может соответствовать интервалу периодичности в плоскости преобразования Фурье (которая совпадает с плоскостью сцены источника света). Конус восстановления простирается между областью демонстрации и окном наблюдения, указанный конус содержит полную трехмерную сцену видеоголограммы. Как отмечено выше, окно наблюдения ограничено глазами наблюдателя и располагается в соответствии с ними. В приложении II приводятся особенности и усовершенствования патента WO 2004/044659, усовершенствования находятся в пределах объема настоящего изобретения.

Предпосылки изобретения

Обычные голографические массивы восстанавливают световой волновой фронт трехмерного объекта или трехмерной сцены посредством когерентной суперпозиции световых волн. Для этого пространственные модуляторы света (ПМС) отображают волновую картину, закодированную на ПМС (который может являться голографическим массивом). Закодированная голограмма является преобразованием трехмерной сцены. ПМС дифрагирует световые волны, предоставленные подсветкой, и восстанавливает изображение.

По существу, демонстрация электроголограмм, в которых голограммы представляются в виде выборок в точках голограммы, ведет к проблемам. Выборочная голограмма всегда имеет свойство периодического повторения кодированной волновой картины в интервалах периодичности в плоскости наблюдения. Эти повторения будут вызывать множественные восстановления одного и того же объекта или точек объекта.

Если размер восстановления голограммы превышает интервал периодичности, смежные порядки дифракции буду налагаться друг на друга. Когда разрешение постепенно уменьшается, т.е. когда шаг растет, края восстановленной сцены будут все больше искажаться, перекрывая смежные порядки дифракции. Используемое пространство восстановления, таким образом, постепенно ограничивается, потому что наложений друг на друга периодически восстановленных окон наблюдения следует избегать.

Зона просмотра ПМС зависит от максимального угла дифракции. Максимум ее определяется шагом пикселя ПМС.

Общеизвестно, что в голограмме Фурье сцена восстанавливается в плоскости восстановления как прямое или обратное преобразование Фурье кодированных пикселей голографического массива (т.е. объект восстановления находится в Фурье-плоскости массива). Такое восстановление продолжается периодически с интервалом периодичности, величина указанного интервала периодичности обратно пропорциональна шагу пикселя в голографическом массиве.

Если достигаются большие интервалы периодичности и, таким образом, большие углы поля зрения, то требуемый шаг (и, таким образом, размер подпикселей каждого пикселя в голографическом массиве) приближается к длине волны освещающего света. Область массива должна быть достаточно большой, чтобы быть в состоянии восстанавливать большие сцены. Эти два условия (маленький шаг и большая область) требуют большого голографического массива, имеющего очень большое число пикселей.

Для выполнения восстановлений электроголограмм должна быть обеспечена достаточно большая зона просмотра. В традиционных голографических массивах зона просмотра должна покрывать, по меньшей мере, расстояние между глазами, что требует размера пикселя не более 10 нм. Для вычисления электроголограммы в реальном времени необходимы дорогостоящее оборудование и высокая скорость вычислений.

Вычислительная нагрузка на оборудование, которое формирует голограммы в реальном времени, зависит от сложности голограммы. Голограмма с полным параллаксом восстанавливает объект голографически путем когерентного наложения волн в горизонтальном и вертикальном направлениях. При достаточно большом окне наблюдения или области наблюдения восстановленный объект может быть виден с параллаксом движения в горизонтальном и вертикальном направлениях, как реальный объект. Тем не менее, большая область наблюдения требует высокого разрешения ПМС как в горизонтальном, так и вертикальном направлениях.

Требования к ПМС и вычислительному устройству (например, выделенной проблемно-ориентированной интегральной микросхеме, основному процессору, отдельному автономному устройству и т.д.) могут быть уменьшены посредством ограничения на создание голограммы с только горизонтальным параллаксом (ТГП-голограммы) или голограммы с только вертикальным параллаксом (ТВП-голограммы).

Если используется голограмма с только горизонтальным параллаксом, голографическое восстановление имеет место только в горизонтальном направлении и голографического восстановления не происходит в вертикальном направлении. Это приводит к созданию восстановленного объекта только с горизонтальным параллаксом движения. Перспективный вид не изменяется при вертикальном перемещении. ТГП-голограмма требует меньшего разрешения ПМС в вертикальном направлении, чем голограмма с полным параллаксом. Периодичность имеется только в направлении восстановления, т.е. в горизонтальном направлении. Вычислительная нагрузка, следовательно, уменьшается для одномерных линейных голограмм.

Голограмма с только вертикальным параллаксом, где восстановление имеет место только в вертикальном направлении, также возможна, но встречается редко. Это приводит к получению восстановленного объекта только с вертикальным параллаксом движения. Параллакс движения отсутствует в горизонтальном направлении. Различные перспективные виды для левого и правого глаза должны создаваться отдельно. Это может быть сделано временным или пространственным мультиплексированием окон наблюдения.

Как ТВП-голограммы, так и ТГП-голограммы выполняют фокусировку глаза (т.е. адаптацию кривизны хрусталика глаза) на расстоянии объекта.

Общепринято, что окно наблюдения традиционного электроголографического дисплея намного больше зрачка глаза (т.е. что восстановленный объект может быть правильно виден в большой области). Следствием является то, что прикладывается много усилий к тому, чтобы спроецировать свет в области пространства, где нет наблюдателя. Поэтому требуется очень высокая производительность, чтобы управлять всем оптическим волновым фронтом для электрографических изображений.

При достаточно большом окне наблюдения или области наблюдения восстановленный объект обладает параллаксом движения в горизонтальном и вертикальном направлениях, как реально существующий объект. Тем не менее, большая область наблюдения требует высокого разрешения как в горизонтальном, так и вертикальном направлениях голографического массива.

Один известный метод кодирования голограммы заключается в использовании обычного жидкокристаллического дисплея, который модулирует амплитуду посредством известного кодирования Буркхардта, которое базируется на эффекте обхода фазы. Кодирование требует трех соседних подпикселей на каждый пиксель и основной цвет. Такое кодирование обеспечивает три категории порядков дифракции, называемые -1^м, 0^м, 1^м, 2^м, 3^м и т.д. порядком дифракции. Первая категория, 0^й, 3^й и т.д. порядки дифракции, содержит недифрагированный свет. Эти порядки не дают никакого восстановления. Вторая категория, 1^й, 4^й и т.д. порядки дифракции, содержит восстановление кодированного объекта. В отличие от этого, третья категория, -1^й, 2^й и т.д. порядки дифракции, содержит восстановление объекта, перевернутого по глубине. Это значит, что восстановление является неправильным. Правильное восстановление содержит только 1^й, 4^й и т.д. порядки дифракции. В силу конечной апертуры отверстий ЖКД интенсивность дифракционной картины падает с увеличением порядка дифракции. Поэтому лучше всего помещать окно наблюдения в 1^м порядке дифракции.

Интервал периодичности, обеспечиваемый кодированием Буркхардта, охватывает группу из трех смежных порядков дифракции: 1^го, 0^го и -1^го. Размер каждого интервала периодичности задается формулой Р_дифр=λ·d/p, где λ - длина волны освещающего света; d - расстояние между голограммой и плоскостью наблюдения, р - шаг подпикселя.

Так как объект правильно восстанавливается только в 1^м порядке дифракции, окно наблюдения покрывает только 1/3 от интервала Р_дифр периодичности. Из-за того, что размер интервала периодичности также зависит от длины волны освещающего света, для цветных голограмм размер окна наблюдения ограничен наименьшей длиной волны используемого основного света.

Если в голограмме Фурье используется ПМС с фазовым модулированием, интервал периодичности не содержит восстановления инвертированного по глубине объекта. Тем не менее там присутствует недифрагированный свет. Таким образом, не весь интервал периодичности может использоваться в качестве окна наблюдения. Недифрагированный свет также следует исключать из окна наблюдения.

С ПМС, модулирующим комплексные значения, каждый пиксель может использоваться для кодирования одного комплексного значения. Поэтому каждый интервал периодичности в плоскости наблюдения содержит только один порядок дифракции. Таким образом, весь интервал периодичности может использоваться в качестве окна наблюдения.

В общем случае окно наблюдения должно располагаться в пределах одного интервала периодичности, однако, в зависимости от метода кодирования голограмм с комплексными значениями на ПМС, окно наблюдения должно быть меньше интервала периодичности.

Распространение света, вызванное электроголограммой, может быть описано преобразованиями Френеля или преобразованиями Фурье. Преобразования Френеля описывают распределение света в ближней зоне, в то время как преобразования Фурье описывают распределение света в дальней зоне на бесконечном расстоянии. Распределение света в дальней зоне может быть сдвинуто на конечное расстояние с помощью фокусирующей линзы.

Решение, известное из патентной заявки WO 2004/044659, основано на идее ограничения этой области кодирования таким образом, чтобы свет, исходящий от точек восстановленной сцены, ограничивался окном наблюдения. Следовательно, устройство восстанавливает видеоголограмму в одном интервале периодичности преобразования Фурье в плоскости наблюдения. Восстановленная трехмерная сцена может наблюдаться через окно наблюдения, расположенное перед каждым глазом. Восстановленная сцена является видимой внутри конуса восстановления, сцена может быть, таким образом, восстановлена впереди или позади поверхности массива. Это позволяет использовать обычный массив с разрешением около 3 миллионов пикселей при разумных затратах на оборудование и вычислительных мощностях.

Раскрытие изобретения

Целью настоящего изобретения является снижение вычислительных требований к вычислению голограммы. Дальнейшей целью является реализация электроголографического дисплея для восстановления видеоголограмм, используя ПМС с обычным разрешением; голограммы должны обеспечивать высокое качество восстановленной сцены.

Чтобы достичь этой цели, предлагается изобретение, как оно определено в пункте 1 формулы изобретения. В изобретении предлагается способ вычисления голограммы посредством определения волновых фронтов, которые были бы сформированы реальной версией восстанавливаемого объекта, в положении, близком к глазам наблюдателя. В обычной цифровой голограмме определяются волновые фронты, необходимые для восстановления каждой точки объекта. Эта задача может требовать очень мощных вычислительных средств. В настоящем изобретении это не делается непосредственно. Вместо этого в настоящем изобретении определяются волновые фронты в окне наблюдения, которые были бы сформированы реальным объектом, расположенным в том же положении, что и восстановленный объект. Затем можно произвести обратное преобразование этих волновых фронтов в голограмму, чтобы определить, как следует закодировать голограмму, чтобы сформировать эти волновые фронты.

Хотя это явно более сложно, чем в традиционном подходе с непосредственной разработкой кода голограммы, необходимого для формирования каждой точки восстанавливаемого объекта, настоящее изобретение предлагает вычислительные подходы, которые являются очень эффективными. Например, можно применить преобразование Френеля для всех восстанавливаемых точек объекта, чтобы перейти к окну наблюдения, затем суммировать волновые фронты в окне наблюдения и, наконец, применить одно преобразование Фурье, чтобы перейти обратно в плоскость диаграммы, и определить точки на голограмме, которые необходимы для восстановления объекта. Кроме того, этот подход приводит к маленькому размеру окна наблюдения, если используется ПМС низкого разрешения. Маленькое окно наблюдения, однако, не играет роли, если оно больше зрачка глаза и если зрачок глаза правильно отслеживается.

Этот вычислительный способ может применяться, когда голографические данные обрабатываются на устройстве отображения пользователя (например, проблемно-интегрированной интегральной микросхеме в устройстве отображения) или в вычислительном блоке, соединенном с устройством отображения. Таким образом, устройство отображения (или присоединенный вычислительный блок) получает голографические данные (например, на оптическом носителе или через сеть с высокой полосой пропускания и т.д.), которые могут быть обработаны локально устройством отображения или вычислительным блоком, используя способ, определенный в пункте 1 формулы изобретения. Обычно это требует какого-либо способа отслеживания глаз наблюдателя (или глаз нескольких наблюдателей) в реальном времени так, чтобы голограмма могла быть вычислена в реальном времени из голографических данных; указанная вычисленная в реальном времени голограмма затем освещается, используя оптическую систему таким образом, что объект восстанавливается голографически. Голографические данные будут, в случае видеоголограммы, изменяться со временем, они регулярно и быстро обрабатываются много раз в секунду способом, зависящим от положения глаз наблюдателя (наблюдателей).

Голограмма, закодированная подходящим образом, затем формирует восстановление трехмерной сцены, которую можно наблюдать, помещая глаза в плоскость окна наблюдения и смотря через окно наблюдения.

Настоящее изобретение предпочтительно использует устройство, описанное в предыдущей заявке заявителя WO 2004/044659, где достаточно когерентный свет, изображение которого формируеся оптическим фокусирующим средством, проходит через управляемые пиксели единственного голографического массива (или другую форму ПМС), по меньшей мере, в одно окно наблюдения, каждое из которых расположено в одном интервале периодичности в плоскости наблюдения (известной также как опорный слой) вблизи от глаз наблюдателя. При этом восстанавливается сцена, которая была голографически закодирована посредством управляемых пикселей, и, таким образом, получают ее видимой через окно наблюдения. Конус восстановления проходит между голографическим массивом и окном наблюдения. В отличие от общеизвестных устройств, конус восстановления содержит восстановление всей трехмерной сцены, закодированной на голографическом массиве.

Протяженность окна наблюдения (т.е. размер в направлениях х и у) не больше, чем интервал периодичности в слое или плоскости, которая содержит изображение источника света, используемого для восстановления. Это ведет к тому эффекту, что видеоголограмма в соответствии с настоящим вариантом осуществления требует меньших углов дифракции по сравнению с другими решениями, особенно если наборы данных для опорного слоя и для слоя голограммы имеют одинаковое число точек матрицы. Благодаря вычислению значений амплитуды для матрицы модулятора света требования к скорости обработки значительно уменьшаются. В частности, в сочетании с известным устройством определения положения и слежения для отслеживания текущего положения наблюдателя, размер окна наблюдения может быть значительно сокращен благодаря данному преимуществу. Приложение I содержит более подробное описание этого варианта осуществления.

В настоящем изобретении свет от источника света фокусируется в плоскости наблюдения, расположенной вблизи от глаз наблюдателя. Следовательно, в плоскости наблюдения находится преобразование Фурье голограммы: окно наблюдения, таким образом, также является преобразованием Фурье голограммы. Восстановленный объект является не преобразованием Фурье голограммы, а преобразованием Френеля, так как восстановленный объект не находится в фокальной плоскости линзы. Восстановленный объект, т.е. преобразование Френеля голограммы, находится в пределах конуса, определенного голограммой и окном наблюдения.

Множественных восстановлений объекта можно избежать, ограничивая область голограммы, на которой информация о сцене кодируется на голографическом массиве для каждой точки дискретизации голографического восстановления. Посредством кодирования видеоголограммы на ограниченной области голографического массива восстановление окон наблюдения должно быть ограничено размерами и положением, установленными внутри того порядка дифракции одного интервала периодичности, который может показывать правильное и полное восстановление кодированной голографической сцены.

Окно наблюдения должно находиться в пределах только одного интервала периодичности, однако, в зависимости от используемого способа кодирования, окно наблюдения должно быть меньше, чем интервал периодичности. Например, если используется кодирование Буркхардта, это может быть одна третья часть от интервала периодичности, определенного самой короткой длиной волны используемого основного цвета. Выбор разрешения электроголографического дисплея и его кодирование ограничивает размер окон наблюдения по отношению к размеру глаза наблюдателя и положению окон относительно положения глаз посредством известного средства отслеживания глаза.

Изобретение не ограничено кодированием голограмм Фурье. Однако имеется преимущество для голограмм Фурье по сравнению с голограммами Френеля. Так как никакая голограмма не имеет 100% эффективности, то всегда будет недифрагированный свет. В голограмме Фурье недифрагированный свет фокусируется в пятно в плоскости наблюдения. Если это пятно находится вне окна наблюдения, то недифрагированный свет не виден и, следовательно, не создает помех. В голограмме Френеля недифрагированный свет не сфокусирован и, следовательно, виден как искажающий фон.

Осуществление данного изобретения предлагает цифровую голограмму, включающую области, которые кодируют цифровую кодирующую информацию, необходимую для восстановления голографической сцены, которое видимо из определенного положения наблюдения. Кодирующая информация каждой отдельной точки объекта в восстановленной сцене кодируется исключительно в ограниченной области ПМС. Каждая закодированная ограниченная область может нести кодирующую информацию из других смежных точек объекта, так что области различных смежных точек объекта налагаются друг на друга. Для каждой точки объекта область с кодированной информацией ограничена по размеру для формирования маленькой части полной видеоголограммы, причем размер такой, что множественные восстановления указанной точки, вызванные старшими порядками дифракции, не видны в определенном положении наблюдения.

В традиционных электроголографических устройствах отображения голограмма вычисляется как преобразование Фурье-Френеля объектов. Это приводит к маленькому размеру объекта, если используется ПМС низкого разрешения.

В отличие от этого, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения голограмма вычисляется как преобразование Фурье от окна наблюдения. Это приводит к маленькому окну наблюдения, если используется ПМС низкого разрешения, но восстановленная трехмерная сцена может расширяться до пространства полного конуса. Варианты осуществления настоящего изобретения также включают идеи и отличительные особенности, определенные в приложении II.

Изобретение может быть осуществлено как:

- носитель данных, содержащий программу с голографическими данными, используемый в сочетании с устройством, которое может вычислять голограмму из указанных данных, используя способ по п.1;

- сеть распределения данных, переносящая голографические данные, которые могут быть обработаны устройством для вычисления голограммы, используя способ по п.1;

- вычислительное устройство, выполненное для вычисления данных, определяющих видеоголограмму, используя способ по п.1;

- экран дисплея, отображающий голограмму, вычисленную с использованием способа по п.1;

- голографическое восстановление из голограммы, вычисленной по способу по п.1.

Другие отличительные особенности осуществления включают голограмму, кодируемую на устройстве отображения телевизора, мультимедийном устройстве, игровом устройстве, устройстве демонстрации медицинских изображений, устройстве демонстрации военной информации. В качестве устройства отображения может использоваться плоский экран ПМС на тонкопленочных транзисторах.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - вид сверху общей иллюстрации устройства для восстановления видеоголограмм, показывающий формирование и схему порядков дифракции при использовании кодирования Буркхардта.

Фиг.2 - вид сверху общей иллюстрации устройства для восстановления видеоголограммы, показывающий кодирование отдельной точки объекта трехмерной сцены, которую можно увидеть через окно наблюдения.

Фиг.3 - общая иллюстрация устройства для восстановления видеоголограмм, показывающая несколько точек объекта при кодировании трехмерной сцены в части видеоголограммы.

Фиг.4 - то же устройство, что и на фиг.3, но с более высоким разрешением.

Дальнейшие особенности варианта осуществления, относящиеся к видеоголограмме и устройству для восстановления видеоголограмм, иллюстрируются и объясняются в приложении II.

Подробное описание изобретения

Устройство для восстановления видеоголограмм содержит ПМС (который в данном примере является голографическим массивом НА), достаточно когерентный источник LS света и оптическую систему F фокусировки. Источник света может быть реализован виртуальным средством освещения, например светодиодной матрицей или линейной подсветкой, локально управляемой и направляемой управляемым средством затвора, чтобы сформировать массив точек или линейные источники света. Сам голографический массив состоит из пикселей, которые организованы в регулярный образец, каждый пиксель содержит ряд освещенных и работающих на просвет отверстий (подпикселей). Отверстия каждого подпикселя отдельно адресуемы и управляемы по фазе и/или амплитуде, чтобы влиять на проходящий опорный свет, который кодируется рядом голографических комплексных значений, представляющих последовательность видеоголограммы.

В плоскости ОР наблюдения сформировано, по меньшей мере, одно окно OW наблюдения в интервале периодичности как прямое или обратное преобразование Фурье видеоголограммы. Окно OW наблюдения позволяет глазу ОЕ наблюдателя видеть восстановление 3D-S трехмерной сцены. Максимальный размер окна OW наблюдения соответствует интервалу периодичности в плоскости ОР наблюдения обратного преобразования Фурье, которая совпадает с плоскостью сцены источника LS света.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения информация о трехмерной сцене закодирована в просветном ПМС - голографическом массиве НА. Освещенная пиксельная организация содержит несколько отверстий (подпикселей для цветного отображения). Пространственное управление амплитудой и фазой освещающего света достигается с помощью кодированной картинки пикселей. Однако основная идея изобретения не ограничена описанным ПМС. Могут использоваться как прозрачно-отражающие, так и отражающие массивы или массивы, которые непосредственно модулируют фазу световых волн, такие как пиксели Фредерика.

На фиг.1 показан источник LS света, который освещает через средство F фокусировки ПМС, голографический массив НА. В лучшем варианте осуществления настоящего изобретения источник света линейной формы формирует источник LS света, и средство F фокусировки является вертикально расположенной цилиндрической линзой, которая формирует изображение когерентного света источника LS света в плоскость ОР наблюдения.

На фиг.1 показано устройство, использующее известное кодирование Буркхардта. Плоскость ОР наблюдения соответствует плоскости Фурье обратного преобразования видеоголограммы с порядками дифракции.

Источник LS света изображается в плоскости ОР наблюдения с помощью средства F фокусировки, представляющего линзу преобразования Фурье. ПМС НА, закодированный видеоголограммой, восстанавливает голограмму в плоскости ОР наблюдения как обратное преобразование Фурье. Периодические отверстия в ПМС НА создают равноудаленно расположенные в шахматном порядке порядки дифракции в плоскости ОР наблюдения, где имеет место голографическое кодирование в высшие порядки дифракции, например, в виде так называемого эффекта обхода фазы. Так как интенсивность света уменьшается при переходе к высшим порядкам дифракции, то 1^й или -1^й порядок дифракции используется как окно OW наблюдения, показанное на фиг.2. Размер восстановления был выбран здесь так, чтобы соответствовать размеру интервала периодичности 1^го порядка дифракции в плоскости ОР наблюдения. Следовательно, более высокие порядки дифракции располагаются вместе, не образуя разрыва, но также и без наложения друг на друга.

Как показано на фиг.2, выбранный 1^й порядок дифракции в плоскости ОР наблюдения является восстановлением видеоголограммы. Он не является восстановлением самого объекта, но вместо этого является волновым фронтом, который был бы сформирован в окне OW наблюдения реальным объектом, находящимся в том же положении, что и восстанавливаемый объект. Следовательно, это восстановление видеоголограммы (т.е. не восстановление объекта) не представляет действительной трехмерной сцены 3D-S. Оно только используется как окно OW наблюдения, через которое можно наблюдать восстановление трехмерной сцены 3D-S. Сцена расположена внутри конуса RF восстановления, который простирается между ПМС и окном OW наблюдения. Сцена 3D-S получается как преобразование Френеля видеоголограммы, в то время как окно OW наблюдения является частью преобразования Фурье. На фиг.2 показано голографическое кодирование ПМС НА с помощью отдельной точки Р объекта трехмерной сцены. При обычном голографическом восстановлении 1^й порядок дифракции сам бы составлял восстановление объекта. Восстановленный объект был бы в плоскости Фурье. В реализации, показанной на фиг.2, плоскость наблюдения совпадает с плоскостью Фурье.

На фиг.2 показано соответствующее голографическое кодирование. Трехмерная сцена составлена из дискретных точек, например точек Р1-Р3 (см. фиг.3). Пирамида PY с окном OW наблюдения в основании и выбранной точкой Р в трехмерной сцене 3D-S, в качестве вершины, продолжается за эту точку и проецируется на ПМС НА. На видеоголограмме создается область А1 проекции, причем эта точка Р голографически кодируется исключительно в области А1 проекции. Для вычисления значений фазы могут быть определены расстояния между точкой Р и пикселями голограммы. Это восстановление 3D-S больше, чем окно наблюдения. Размер окна OW наблюдения ограничен интервалом периодичности. В традиционных голографических восстановлениях интервал периодичности ограничивает размер восстановленного объекта, это ограничение не применимо к настоящей реализации. Как следствие, эта реализация позволяет сформировать восстановленные объекты, намного большие, чем это было бы возможно при использовании традиционного голографического подхода с дисплеем, имеющим такой же шаг пикселя. Восстановленный объект может появиться в любом месте внутри конуса RF восстановления.

Если бы точка Р была кодирована в полной голограмме, восстановление простиралось бы за пределы интервала периодичности. Зоны обзора из смежных порядков дифракции накладывались бы друг на друга, что приводило бы к тому, что наблюдатель видел бы периодическое повторение точки Р объекта. Контуры сформированной таким образом сцены оказались бы размытыми из-за множественного наложения.

На фиг.3 показано кодирование трехмерной сцены 3D-S, имеющей точки Р1-Р3 объекта. Как показано, каждая точка Р1-Р3 объекта закодирована исключительно только в соответствующей ограниченной области кодирования на ПМС НА. Эти области обозначены позициями А1-A3. Положение точек Р1 и Р2 объекта различное в отношении глубины. Поэтому области А1 и А2 кодирования пересекаются на ПМС.

На фиг.4 показана ситуация фиг.3 с большей детализацией.

Изображение источника LS света формируется в плоскости ОР наблюдения. Линза F или множество линз формируют изображение источника LS света. По сравнению с голограммой Френеля, голограмма Фурье имеет то преимущество, что недифрагированный свет фокусируется в маленьких участках плоскости ОР наблюдения. Если эти участки находятся вне окна наблюдения, недифрагированный свет не виден как шумовой фон.

В случае когерентного источника света размер изображения источника света ограничен дифракцией и аберрациями в линзе и обычно очень мал по сравнению с разрешающей способностью глаза человека. Если используется пространственно некогерентный источник света, как светодиод или светодиодная матрица, размер изображения источника света также определяется апертурой источника света и увеличением линзы.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения используется множество источников света и множество линз, изображения всех источников света должны совпадать. Это означает, что шаг упорядоченного множества источников света должен немного превышать шаг упорядоченного множества линз, в соответствии с простой геометрической конструкцией. Если источники и линзы правильно выровнены, дифракционная картина видна в плоскости ОР наблюдения, которая выглядит как дифракционная картина при использовании одного источника и одной линзы.

Могут присутствовать дополнительные оптические элементы, формирующие распределение света с целью создания однородного распределения света или для увеличения интенсивности в плоскости наблюдения. Ими могут быть рассеивающие пластины или линзы.

Для чисто голографической системы отслеживание наблюдения достигается перемещением источника (источников) света относительно линзы (множества линз). Это можно реализовать механическим перемещением источника (источников) или линзы (множества линз) или электронным смещением отверстий на панели ЖКД с затвором. Отслеживание можно также производить с помощью настраиваемого дифракционного оптического элемента или сканирующего зеркала.

Если голографическое восстановление объекта в вертикальном направлении и автоматическое стереоскопическое разделение сцены в горизонтальном направлении объединяются, то отслеживание в горизонтальном направлении также может быть реализовано с помощью горизонтального сдвига ТВП-голограммы на ПМС.

Добавлены следующие приложения:

приложение I: подробное описание другого варианта осуществления настоящего изобретения;

приложение II: теоретические основы, подробности и улучшения предпочтительного варианта осуществления;

приложение III: краткий обзор ключевых концепций и улучшений к WO 2004/044659, содержание которой включено путем ссылки.

ПРИЛОЖЕНИЕ I

Дальнейшее осуществление в отношении способа и устройства для вычисления цифровых видеоголограмм.

Приложение I. Предпосылки варианта осуществления изобретения

Настоящее осуществление изобретения относится к способу и устройству для вычисления цифровых голограмм (ЦГ) и, в частности, касается голограмм в реальном времени или почти в реальном времени, например видеоголограмм, которые составлены из индивидуально управляемых ячеек голограммы, каждая ячейка отображает комплексные данные. Кроме фотоснимков, видеоголограммы в реальном времени представляют особый интерес. Электроголография стремится к реализации ЦГ в реальном времени. Средство отображения электроголограммы является на деле пространственным модулятором света (ПМС) с управляемыми пикселями, восстанавливающими точки объекта посредством пространственной модуляции освещающего света. Повсюду в этом документе мы будем называть голограммы в реальном времени как видеоголограммы. Как понятно специалистам в данной области техники, видеоголограммы также охватывают оптически адресуемые ПМС, акустооптические модуляторы света (АОМ) или подобные устройства, не имеющие отдельно расположенных ячеек.

В отличие от классических голограмм, которые хранятся в форме интерференционных картин, полученных фотографически или другим подходящим способом, видеоголограммы существуют как результат вычисления дискретных голографических данных из эпизодов трехмерной сцены. В процессе вычислений промежуточные данные запоминаются, например, электронными средствами, такими как электронная память компьютера, графический процессор, графический адаптер или другая аппаратура. Данные трехмерной сцены могут быть сформированы любым способом, например с помощью интерференционных картин или трехмерным преобразованием двухмерных данных.

Приложение I. Основные концепции

Пространственные модуляторы света (ПМС) - это устройства для пространственного управления комплексными данными, т.е. величиной и фазой амплитуды каждого цветового компонента света. Цвет может кодироваться пространственным или временным мультиплексированием. ПМС может содержать управляемые голограммные ячейки, каждая отдельно адресуемая и управляемая дискретным набором значений голографических данных. ПМС могут также быть непрерывными и не содержать дискретных ячеек. Чтобы достичь кодирования цвета пространственным мультиплексированием в ПМС, основанном на ячейках, каждый пиксель в ячейке может содержать цветные подпиксели, причем каждый из подпикселей отображает один из трех или более основных цветов. В зависимости от используемого типа кодирования видеоголограммы, дополнительные подпиксели могут использоваться для кодирования каждого из основных цветов. Например, кодирование обходной фазой, как известное кодирование Буркхардта, требует организации трех подпикселей для каждого цветового компонента. Принимая во внимание три цветовых компонента, число подпикселей достигает девяти для ячейки голограммы (т.е. имеется три основных цвета и три подпикселя для каждого из этих трех основных цветов, составляющих в сумме девять подпикселей). Для сравнения, известное кодирование Ли требует четырех подпикселей, и двухфазное кодирование требует двух подпикселей для каждого цвета в ячейке голограммы.

Каждая ячейка голограммы кодируется одним дискретным набором данных голограммы, содержащим, по меньшей мере, амплитудную и фазовую информацию для заданных цветовых компонентов, указанные данные могут быть нулевыми, или иметь стандартное значение, или быть произвольно выбранными. Голографические данные видеоголограммы непрерывно обновляются в соответствии со схемой, которая управляет ПМС. Так как целая голограмма состоит из тысяч ячеек, имеются тысячи дискретных наборов голографических данных.

Набор голографических данных содержит всю информацию, необходимую для кодирования одной отдельной ячейки видеоголограммы как части временного эпизода, для того чтобы восстановить трехмерную сцену.

Специализированный формирователь использует наборы дискретных голографических данных для формирования специальных управляющих сигналов для управления соответствующими подпикселями ПМС. Формирователь и обеспечение управляющими сигналами зависят от типа используемого ПМС и не являются предметом этого варианта осуществления изобретения. Многие виды ПМС, такие как пропускающие или отражающие жидкокристаллические дисплеи, микрооптические и электромеханические микросистемы или непрерывно оптически адресуемые ПМС и акустооптические модуляторы, могут использоваться в комбинации с этим вариантом осуществления изобретения.

Модулированный свет выходит из голограммы с амплитудой и фазой, управляемыми подходящим образом, и распространяется через свободное пространство к наблюдателю в виде фронта световой волны, чтобы восстановить трехмерную сцену. Кодирование ПМС набором голографических данных приводит к тому, что волновое поле, исходящее от дисплея, восстанавливает трехмерную сцену как требуется, создавая интерференции в пространстве наблюдения.

Настоящий вариант осуществления обеспечивает в реальном времени или почти в реальном времени управляющие данные для каждой ячейки голограммы, для получения требуемой модуляции волны, посредством вычисления амплитуды и/или фазы для заданной длины волны.

Приложение I. Краткое описание варианта осуществления

Следующие индексы относятся к фигурам 5-9.

Цель настоящего варианта осуществления - предложить способ для ускорения вычисления цифровых видеоголограмм, указанные видеоголограммы позволяют осуществлять восстановление трехмерной сцены при сохранении пространственного разрешения и качества восстановления. Данный вариант осуществления делает возможным интерактивное восстановление заданных видеоголограмм в реальном времени или почти в реальном времени и представляет средство передачи. Другой целью является предложение способа, который позволяет осуществлять восстановление больших цифровых голограмм, которые могут быть такими же большими, как сама голограмма, или даже быть больше ее.

Эта цель достигается с помощью способа вычисления цифровых видеоголограмм, где данные объекта, определяющие объекты в трехмерных сценах, структурированы в ряд виртуальных поперечных слоев, каждый слой определяет набор данных двухмерного объекта таким образом, что набор данных видеоголограммы может быть вычислен из некоторых или из всех этих наборов данных двухмерного объекта, способ включает следующие этапы:

(a) в первом преобразовании каждый набор данных двухмерного объекта из виртуальных поперечных слоев преобразуется в двухмерное распределение волнового поля, и распределение волнового поля вычисляется для виртуального окна наблюдения в опорном слое на ограниченном расстоянии от слоя видеоголограммы,

(b) вычисленные двухмерные распределения волнового поля для виртуального окна наблюдения для всех двухмерных наборов данных объекта поперечных слоев суммируются, чтобы определить совокупный набор данных окна наблюдения,

(c) при втором преобразовании совокупный набор данных окна наблюдения преобразуется из опорного слоя в слой видеоголограммы, чтобы сформировать набор данных видеоголограммы для цифровой видеоголограммы.

Данные объекта, определяющие трехмерную сцену, могут быть данными, определяющими двухмерную сцену, но включающими дополнительную информацию о глубине для преобразования двухмерной сцены или видеоданных в трехмерные данные. Термин «трехмерный» включает в свои рамки «двухмерный». Информация о глубине может быть одинаковой для всех наборов данных объекта. Таким образом, устройство, которое формирует голограмму, может переключаться от трехмерного режима в двухмерный режим, в зависимости от входных данных, а также от того, что хочет отобразить пользователь.

Термин «слои» следует понимать расширительно, как охватывающий любой вид виртуально определяемой структуры, которая может описывать точки, составляющие восстанавливаемую сцену. Он, таким образом, включает любой набор виртуальных параллельных поверхностей и любой алгоритм, который может пространственно определять эти точки. Однако виртуальные плоские секции являются в вычислительном смысле наиболее эффективной формой слоя для обработки.

Термин «плоскость» следует толковать расширительно, чтобы включать неплоскую поверхность. Опорная плоскость может совпадать с плоскостью Фурье голограммы (которая является той же, что и плоскость сцены освещающего источника света), однако существует уровень допуска, и глаза наблюдателя, помещенные достаточно близко к плоскости Фурье, будут видеть правильно восстановленную сцену. Уровень допуска увеличивается с увеличением числа пикселей.

В одном варианте осуществления первое преобразование является преобразованием Френеля, а второе преобразование является преобразованием Фурье. Термин «преобразование» следует понимать расширительно, чтобы включать любой математический или вычислительный метод, который эквивалентен преобразованию или приближен к преобразованию. Преобразования, используемые в нормальном математическом смысле, являются просто аппроксимацией физических процессов, более точно описываемых уравнениями распространения волны Максвелла, преобразования, такие как преобразования Френеля (или специальный класс преобразований Френеля, известный как преобразования Фурье), являются приближениями второго порядка, но имеют значительное преимущество, так как они являются алгебраическими, а не дифференциальными, они могут быть эффективно обработаны вычислительными методами.

Чтобы компенсировать ошибки восстановленного совокупного поля в окне наблюдения, можно использовать итерационный процесс между распределением в окне наблюдения и слоем голограммы.

Чтобы уменьшить шум спекл-структуры и улучшить яркость или дифракционную эффективность и яркостную четкость в опорном слое сцены, наборы данных объекта могут иметь подходящее фазовое распределение, например псевдослучайное фазовое распределение.

В отличие от имеющихся решений, путем выполнения первых двух из вышеупомянутых этапов в соответствии с данным вариантом осуществления, голограмма единого совокупного волнового поля вычисляется с использованием дифракционной формулы. Вследствие наложения всех отдельных волновых полей это совокупное волновое поле содержит полную оптическую информацию о трехмерной сцене с достаточной точностью.

В предпочтительном варианте этого осуществления все наборы данных объекта для поперечных слоев имеют одинаковое общее количество дискретных точек матрицы. Если число точек матрицы равно числу точек сканирования голограммы, быстрые алгоритмы могут предпочтительно использоваться для всего процесса вычислений, и этапы обработки для адаптации разрешения к соответствующему слою, такие как интерполяция или дополнительная дискретизация, становятся ненужными. Число точек матрицы для всех слоев определяется из числа закодированных пикселей ПМС в отображении голограммы.

Основным преимуществом данного варианта осуществления в сочетании с отображением видеоголограммы, описанным в WO 2004/044659, является то, что до преобразования опорного набора данных для совокупного волнового поля в слое голограммы область окна (окон) наблюдения в опорном слое может быть ограничена так, чтобы она была значительно меньше, чем область матрицы модулятора света ПМС. Размер окна наблюдения максимально соответствует интервалу периодичности в слое, который содержит изображение источника света, используемого для восстановления, при восстановлении голограммы в опорном слое. Это ведет к тому, что цифровая видеоголограмма в соответствии с настоящим вариантом осуществления требует меньших углов дифракции по сравнению с другими решениями, особенно если наборы данных в опорном слое и в слое голограммы имеют одинаковое число точек матрицы. Благодаря вычислению значений амплитуды для матрицы модулятора света требования к скорости обработки значительно уменьшаются. В частности, в сочетании с известным устройством определения местоположения и слежения для отслеживания текущего положения наблюдателя, размер окна наблюдения может быть значительно сокращен благодаря данному преимуществу. Кроме того, WO 2004/044659, как упомянуто ранее, требует интенсивных вычислительных операций, выполняемых для каждой отдельной точки восстанавливаемой сцены. С настоящим вариантом осуществления нет необходимости выполнять интенсивные вычислительные операции над каждой отдельной точкой объекта, вместо этого первое преобразование (из каждого поперечного слоя в виртуальное окно наблюдения в опорной плоскости - где будут находиться глаза наблюдателя) выполняется над целыми поперечными слоями, а не над каждой отдельной точкой объекта в слое. Второе преобразование, возвращающееся из виртуального окна наблюдения в слой голограммы, является даже более эффективным, так как оно представляет собой единственную операцию и вдобавок кодирует информацию для всех точек объекта.

В дальнейшем варианте этого осуществления каждый набор данных объекта для поперечных слоев базируется на виртуальном размере области, который зависит от расстояния до опорного слоя. Области поперечного слоя вытекают из воображаемых поверхностей, идущих от краев соответствующего окна наблюдения к краям ПМС видеоголограммы. Вследствие одинакового числа точек матрицы в каждом наборе данных область, назначенная отдельным точкам матрицы, изменяется пропорционально расстоянию до опорного слоя. Соотношение данных исходного объекта с наборами данных объекта для поперечных слоев, известное также как деление на слои, ведет к присваиванию дискретных значений точек объекта сцены для соответствующей точки матрицы в двухмерной системе координат, которая описывает точки матрицы на соответствующем поперечном слое. В соответствии с локальным положением точек объекта относительно поперечных слоев информация об исходном объекте ставится в соотвествие, таким образом, точкам матрицы в системе координат, которая находится ближе всего к их пространственному положению. Зависящие от расстояния области поперечных слоев, таким образом, ведут к тому, что разрешение точек объекта, зависящее от области, для поперечного слоя тем больше, чем ближе поперечный слой расположен к опорному слою. Это означает, что, хотя передний план сцены восстанавливается в деталях, тот же элемент сцены на заднем плане будет восстанавливаться с значительно меньшим разрешением. Тем не менее, более удаленные виртуальные поперечные слои могут восстановить намного большую видимую область на заднем плане сцены. Такой тип восстановления сцены обеспечивает очень естественное представление элементов переднего и заднего планов сцены, с одной стороны, и помогает минимизировать требуемые вычислительные мощности, с другой стороны.

В предпочтительном варианте данного осуществления значение расстояния каждого набора данных объекта для виртуальных поперечных слоев может быть выбрано или изменено до преобразования, так что полное восстановление или части его могут появиться впереди или позади слоя голограммы. Таким образом, как восстановление с натуральным положением по глубине пространства перед глазами наблюдателя, так и с намеренным увеличением или сокращением эффекта глубины синтезированной видеоголограммы могут быть реализованы просто путем настройки программного обеспечения.

При кодировании согласно известному способу, предложенному в WO 2004/044659, восстановленная трехмерная сцена появляется в свободном пространстве перед глазами наблюдателя в форме волнового поля, управляемого матрицей модулятора света. Воображаемые секционные слои, используемые для вычислений, также определяют положение восстановления сцены в пространстве перед окнами наблюдения и расположены на ограниченном расстоянии от опорного слоя. В соответствии с условиями, имеющими место в поле в ближней оптической зоне, это заставляет свет от каждой световой точки голографически восстановленной сцены до совокупного волнового поля распространяться как сферическая волна для внесения своего вклада в целевой волновой фронт в окне наблюдения в опорном слое. Преобразование каждого набора данных объекта в опорном слое может, таким образом, быть выражено с достаточной точностью с помощью преобразования Френеля. Для этого значения амплитуды всех точек объекта из всех наборов данных объекта умножаются на фазовый множитель Френеля, который зависит от расстояния соответствующего поперечного слоя до опорного слоя.

Фазовый множитель Френеля имеет экспоненту, которая зависит от квадрата разности координат между каждым исходным поперечным слоем и опорным слоем и от других множителей. Таким образом, требуется много процессорного времени и вычислительных мощностей для выполнения большого числа преобразований Френеля. В соответствии с предпочтительным вариантом данного осуществления этот недостаток компенсируется разделением сложных преобразований Френеля на отдельные этапы таким образом, чтобы эти этапы могли быть выполнены с помощью быстрых преобразований Фурье (БПФ) вместе с дальнейшими этапами обработки в виде умножений на множители сферической волны. Этот метод имеет то преимущество, что выделенное электронное оборудование, такое как графический и/или голографический адаптеры, может использоваться для вычисления видеоголограмм. Такое оборудование включает, по меньшей мере, один выделенный графический процессор с известными модулями для деления на слои и другими функциям видеообработки, такими как воспроизведение сцены, и, по меньшей мере, один специальный модуль процессора для выполнения преобразований Френеля с помощью подпрограмм быстрого преобразования Фурье. Такие процессоры в виде процессоров цифрового сигнала (DSP) с требуемыми подпрограммами БПФ могут быть недорого реализованы с помощью известных способов. Последние достижения в области общих графических процессоров делают возможными операции, такие как преобразование Фурье данных поперечных слоев в опорный слой, с помощью так называемых алгоритмов затенения.

Для упрощения вычисления волновых полей преобразование, которое описывает распространение света между исходным поперечным слоем и опорным слоем, изменено таким образом, что оно включает быстрое преобразование Фурье (БПФ) и два умножения на фазовые множители, описывающие сферические волны. Первый фазовый множитель зависит от координат в исходном поперечном слое и от расстояния между исходным поперечным слоем и опорным слоем. Второй фазовый множитель зависит от координат в опорном поперечном слое и от расстояния между исходным поперечным слоем и опорным слоем. В зависимости от коллимации света в оптической системе одному или обоим этим фазовым множителям может быть установлено постоянное значение.

Таким образом, процедура преобразования распределения слоя сечения в опорный слой может быть разбита на три этапа:

1. амплитуда каждой точки объекта умножается на первый фазовый множитель,

2. полученные таким образом произведения используются для первого быстрого преобразования Фурье, чтобы преобразовать комплексную амплитуду света каждой точки объекта из исходного поперечного слоя в опорный слой,

3. полученное таким образом преобразование умножается на второй фазовый множитель.

Преобразование опорного набора данных в слой голограммы, чтобы сформировать набор данных голограммы для совокупной видеоголограммы сцены, также может быть выражено с помощью преобразования, описывающего распространение световой волны, посредством преобразования Френеля. Чтобы выполнить этот этап, преобразование проводится в соответствии с этапами, описанными выше, но перед этим преобразованием опорные данные для всех поперечных слоев в опорном слое налагаются друг на друга посредством суммирования комплексных чисел. Для этого преобразования Френеля одному или обоим фазовым множителям также может быть установлено постоянное значение, в зависимости от коллимации света в оптической системе.

Особое преимущество настоящего варианта осуществления состоит в том, что опорный набор данных для совокупного волнового поля формируется суммированием вычисленных опорных наборов данных всех поперечных слоев. После преобразования в слое голограммы это совокупное волновое поле служит основой для видеоголограммы, так как оно содержит полную информацию о трехмерной сцене. Это позволяет производить одновременное восстановление двухмерных изображений всех поперечных слоев и, таким образом, всей трехмерной сцены.

Другое преимущество появляется, когда нужно уменьшить общие ошибки в видеоголограмме, вызванные процессом кодирования или технологическими ограничениями. Для уменьшения ошибок восстановления видеоголограммы может использоваться итерационный процесс. В известных решениях данные объекта восстановленной трехмерной сцены должны сравниваться с исходной трехмерной сценой с объектом. Сложный итерационный процесс, включающий много преобразований между восстановленной трехмерной сценой с объектом и слоем голограммы, происходит до тех пор, пока не достигается желаемое качество восстановления. Наш подход делает возможным намного более простой итерационный процесс. Так как опорный набор данных содержит полную информацию об объекте, итерационный процесс включает преобразования между слоем голограммы и опорным слоем, который является только двухмерным.

Высококачественное восстановление при современных технологиях воспроизведения сцены просто невозможно без таких процессов коррекции.

Видеоголограммы предпочтительно вычисляются с помощью устройств обработки цифрового сигнала со средством деления на слои, которое ставит в соответствие информацию об объекте, включая дискретные значения объекта для пространственного распределения амплитуды света реальной или виртуальной трехмерной сцены, с точками матрицы параллельных виртуальных поперечных слоев таким образом, чтобы для каждого поперечного слоя определялся отдельный набор данных объекта с точками объекта в дискретных точках матрицы томографического поперечного слоя сцены. Набор данных видеоголограммы вычисляется из этих наборов данных объекта. Согласно данному варианту осуществления устройство обработки сигнала, кроме того, содержит:

средство первого преобразования для вычисления из каждого набора данных объекта отдельного двухмерного распределения волнового поля для опорного слоя, расположенного на ограниченном расстоянии, и средство буферной памяти для послойной буферизации преобразованных наборов данных объекта,

средство суммирования для сложения преобразованных наборов данных объекта с целью формирования выражения для совокупного волнового поля в опорном наборе данных, и

средство второго преобразования для преобразования опорного (совокупного) набора данных в слое голограммы, расположенном на ограниченном расстоянии и параллельном опорному слою, с целью формирования набора данных голограммы для совокупной видеоголограммы сцены.

Устройство обработки цифрового сигнала содержит, по меньшей мере, одно независимо действующее средство преобразования для выполнения преобразований Френеля, указанное средство преобразования содержит:

средство первого умножения для умножения значения амплитуды из значений точек матрицы из исходного набора данных на первый фазовый множитель, описывающий сферические волны, при этом экспонента указанного множителя зависит от квадрата координат в соответствующем исходном слое (L_m или RL) и расстояния (D_m) до целевого слоя (RL или HL),

средство быстрого преобразования Фурье для преобразования произведений, полученных с помощью первого средства умножения, из исходных поперечных слоев в целевой слой, и

средство второго умножения для умножения, которое выполняет преобразование с другим фазовым множителем, описывающим сферические волны, при этом экспонента указанного множителя зависит от квадрата координат в целевом слое и расстояния между целевым слоем и исходным слоем.

Как упомянуто выше, в зависимости от коллимации света в оптической системе одному или обоим из этих фазовых множителей может быть установлено постоянное значение.

Устройство обработки цифрового сигнала может быть мультипроцессором, который имеет несколько независимо работающих подпроцессоров, которые одновременно выполняют подпрограммы преобразования (TR1, TR2). Чтобы иметь возможность одновременно выполнять, по меньшей мере, несколько преобразований, требуется менеджер ресурсов, который динамически назначает преобразованиям, требующимся для вычисления, имеющиеся подпрограммы вычисления преобразований в зависимости от содержания трехмерной сцены. Наборы данных, преобразованные в опорном слое, запоминаются в средстве буферной памяти.

Таким образом, в зависимости от содержания сцены, наборы данных могут быть активизированы в различные моменты времени и даже использованы несколько раз, если никаких изменений не происходит во время движения сцены в определенных поперечных слоях.

Для вычисления быстрого преобразования Фурье наборам данных объекта в виртуальных поперечных слоях ставится в соответствие число N дискретных значений точек объекта, причем указанное число N является н-ой степенью числа 2.

Приложение I. Краткое описание чертежей

Функциональный принцип настоящего варианта осуществления подробно описывается ниже с помощью предпочтительного варианта осуществления и прилагаемых чертежей.

Фиг.5 - конфигурация (не в масштабе) для восстановления трехмерной сцены и опорные слои, требуемые для вычисления видеоголограмм.

Фиг.6 - схема устройства обработки сигнала для вычисления видеоголограмм согласно настоящему варианту осуществления.

Фиг.7 подобна фиг.5 и показывает основные этапы вычисления согласно настоящему варианту осуществления.

Фиг.8 иллюстрирует функциональный принцип работы средств преобразования.

Фиг.9 иллюстрирует подэтапы, выполняемые для коррекции значений точек матрицы цифровой голограммы.

Приложение I. Подробное описание изобретения

Нижеприведенные обозначения относятся к фигурам 5-9.

Вычисление видеоголограмм с процессором голограмм основано на исходной информации об объекте реальной или виртуальной трехмерной сцены, включающей значения, соответствующие пространственному распределению амплитуды света в формате RGB или сходном с ним. Эти значения доступны в файлах известного формата и могут быть вызваны из памяти данных процессором голограмм. Эта информация об объекте содержит, например, в случае файла точек объекта в формате BMP, для каждой дискретной точки объекта трехмерной сцены набор комплексных цветовых данных точки объекта R_o, G_o, В_о для соответствующих двухмерных координат. Память данных MEM также обеспечивает информацию о глубине z_o трехмерной сцены. Не имеет значения, содержится ли информация о глубине z_o для каждой точки уже в первичном файле видеоизображения или она вычисляется процессором, по меньшей мере, из одного вторичного файла, содержащего дополнительную информацию.

Чтобы облегчить понимание сложных процессов, одна из трех пространственных координат (здесь: координата у) будет опущена в нижеследующем описании. Назначение точкам объекта сцены точек матрицы Р₁₁…P_MN в М поперечных слоях L₁…L_M формирует наборы данных OS₁…OS_M объекта, содержащие по N значений точек матрицы. Все наборы данных содержат одно и то же число N значений точек матрицы. Это число N определяется числом N1 пикселей матрицы модулятора света, которая может представить N1 комплексных значений. Если алгоритм быстрого преобразования Фурье используется для вычисления преобразования Фурье, то N должно быть уменьшено до степени 2, т.е. N=2ⁿ, где n - целое число и N≤N1. Например, для отображения с числом пикселей N1=1280, каждый набор данных содержит N=1024 значений точек матрицы. Однако могут использоваться другие алгоритмы преобразования Фурье, которые не требуют 2ⁿ входных значений, и, таким образом, полное разрешение N1 средства отображения может использоваться.

На фиг.5, рассматриваемой вместе с фиг.6, показан предпочтительный вариант осуществления и проиллюстрировано, как сцена с помощью средства расслоения, показанного на фиг.6, разбивается на М виртуальных поперечных слоев L₁…L_M для вычисления. Средство расслоения анализирует известным способом информацию о глубине z из исходной информации об объекте, хранимой в памяти MEM данных, ставит в соответствие каждой точке объекта сцены точку Р_mn матрицы и вводит соответствующие значения точек матрицы в набор данных OS_m объекта, соответствующий поперечному слою L_m. Это делается для индексов О≤m≤М и 1≤n≤N, где N - число точек Р матрицы в каждом слое и число значений точек матрицы в наборе данных. С одной стороны, число поперечных слоев L₁…L_M определяется произвольно для определения дискретных наборов данных объекта сцены, независимо от того, существует ли сцена в действительности или нет. С другой стороны, те же самые поперечные слои L₁…L_M имеют целью определить пространственное положение восстановленной сцены 3D-S относительно видеоголограммы. Таким образом, на фиг.5. и 6 показано желаемое восстановление 3D-S сцены, локально ограниченной относительно видеоголограммы. Необходимо сделать следующие ограничения, чтобы можно было выполнить вычисления: каждый слой L_m расположен на расстоянии D_m от опорного слоя RL, который имеет окно OW наблюдения, около которого находятся глаза наблюдателя E_L/E_R. Видеоголограмма располагается в слое HL голограммы, который расположен на расстоянии D_H от опорного слоя.

Как показано на фиг.6, вычисление матрицы голограммы осуществляется путем выполнения следующих этапов.

Преобразование наборов данных OS₁…OS_M объекта поперечных слоев L₁…L_M в опорный слой PL, с тем чтобы определить волновое поле, которое генерирует комплексные амплитуды A₁₁…A_MN точек объекта из каждого поперечного слоя L_m, как вклад в совокупное волновое поле в опорном слое RL, если бы сцена находилась там.

Сложение преобразованных наборов данных DS₁…DS_M объекта с компонентами Ã_n для формирования опорного набора данных RS, который определяет совокупное волновое поле, которое должно появиться в окне OW наблюдения, когда изображение восстанавливается.

Обратное преобразование опорного набора данных RS из опорного слоя RL для формирования набора данных HS голограммы в слое HL голограммы, расположенном на расстоянии D_H, чтобы получить значения H₁…Н_n…H_N точек матрицы для кодирования видеоголограммы.

N значений пикселей для видеоголограммы извлекаются из обычно комплексных значений набора данных голограммы. В видеоголограмме эти значения представляют значения амплитуды и фазы волны для модуляции света во время восстановления сцены.

Выше было описано, как трехмерная сцена 3D-S восстанавливается для наблюдателя в окне OW наблюдения. Для того чтобы можно было воспринимать трехмерные сцены действительно в трехмерном виде, как если бы объект наблюдался в действительности, необходимы различные голограммы в соответствующих окнах наблюдения для каждого глаза.

Матрица голограммы для второго окна наблюдения вычисляется таким же образом, но с должным образом измененными значениями точек матрицы. Изменения являются результатом различного положения глаз наблюдателя относительно сцены 3D-S. Две матрицы голограммы могут вычисляться в одно и то же время и абсолютно независимо друг от друга в соответствующим образом оснащенных многоканальных процессорах обработки цифрового сигнала с одновременно работающими подпрограммами быстрого преобразования Фурье (БПФ). Чтобы уменьшить требуемые вычислительные мощности, результаты вычислений наборов данных объекта, которые незначительно отличаются друг от друга или совпадают по содержанию, могут использоваться совместно. Это может применяться к поперечным слоям, которые показывают задний план картины. Оба глаза тогда будут видеть одну и ту же сцену, но с небольшим смещением в направлениях.

В соответствии с отличительной особенностью данного варианта осуществления устройство обработки цифрового сигнала содержит средство управления набором данных объекта, которое сравнивает содержимое соответствующих наборов данных объекта, чтобы поочередно назначать только один из двух идентичных наборов данных объекта в соответствие одному из двух каналов процессора сигналов и, таким образом, избежать лишней обработки.

В отличие от известных решений, восстановления наблюдаются через виртуальные окна наблюдения в конусообразных пространствах, которые определены воображаемыми соединяющими поверхностями А1 и А2, простирающимися от окон OW наблюдения к матрице LM модулятора света. Восстановления 3D-S сцены могут появляться перед или позади слоя HL видеоголограммы или пересекать этот слой.

Размер окна наблюдения является достаточным, если он накрывает поперечный размер глаза, в специальных случаях он даже может быть уменьшен до размера зрачка. Полагая окно наблюдения размером 1×1 см², расположенное на расстоянии 1 м от слоя голограммы, число пикселей, требуемых для цифровой видеоголограммы, сокращается в 2500…10000 раз по сравнению с матрицей модулятора света, использующей классические методы кодирования.

На фиг.7 показано положение выбранных слоев для выполнения преобразований, требуемых при вычислении. Показаны только первый виртуальный поперечный слой L₁ и еще один поперечный слой L_m. Тем не менее, вклад всех волновых фронтов всегда требуется для вычисления волнового поля поперечных слоев L₁…L_M в опорном слое RL. С целью уменьшения вычислительных мощностей при обработке движущихся трехмерных сцен отдельные преобразованные наборы данных DS₁…DS_M могут сохраняться в буферной памяти и повторно использоваться для нескольких последовательных видеоголограмм, пока не произойдет изменение содержания.

На фиг.8 подробно показано, как преобразуются значения A_m1…А_mn…A_mN амплитуды набора данных OS_m объекта из поперечного слоя L_m, находящегося на расстоянии D_m от опорного слоя RL. Для облегчения понимания этого сложного процесса показывается только одномерное преобразование. Уравнение (1) показывает сущность преобразования Френеля.

где элемент

обозначает суть преобразования Фурье из слоя с координатами x_m в слой с координатами х₀, т.е. из поперечного слоя, расположенного на расстоянии D_m, в опорный слой.

Как упомянуто выше, в зависимости от коллимации света в оптической системе один или оба из этих квадратичных фазовых множителей могут быть равны 1.

Уравнение (2)

определяет амплитуду А_mn значения точки матрицы, умноженную на соответствующий фазовый множитель F1_mn в слое L_m.

Наконец, уравнение (3) показывает результат преобразования Фурье (2) и умножения на фазовый множитель, который зависит только от координат х₀ окна OW наблюдения в опорном слое и от расстояния от соответствующего поперечного слоя до опорного слоя. Это значение определяет комплексную амплитуду в точке матрицы из окна наблюдения в опорном слое.

Описанное решение позволяет ускорить процесс вычисления, так что выделенная специализированная схема процессора обработки цифрового сигнала может выполнять вычисление последовательности видеоголограмм движущейся сцены для обоих глаз в виде восстановления в реальном времени и без мерцания.

Чтобы компенсировать ошибки в восстановленном совокупном поле в окне OW наблюдения, в предпочтительном варианте данного осуществления может использоваться итерационный процесс, показанный на фиг.9, для вычисления разницы между распределениями в окне OW наблюдения и в слое HL голограммы.

Приложение I. Отличительные признаки данного варианта осуществления

1. Способ вычисления цифровой видеоголограммы, где данные объекта, определяющие объекты в трехмерной сцене, организованы в ряд виртуальных поперечных слоев (L₁…L_M), при этом каждый слой определяет набор данных (OS_m) двухмерного объекта таким образом, что набор данных (HS) видеоголограммы может быть вычислен из некоторых или всех этих наборов данных (OS₁…OS_M) двухмерного объекта; включающий следующие этапы:

(a) в первом преобразовании (TR1) каждый набор данных (OS_m) двухмерного объекта виртуальных поперечных слоев преобразуется в двухмерное распределение волнового поля, и распределение волнового поля вычисляется для виртуального окна (OW) наблюдения в опорном слое (RL) на ограниченном расстоянии (D_M) от слоя (HL) видеоголограммы,

(b) вычисленные двухмерные распределения (DS₁…DS_M) волнового поля для виртуального окна (OW) наблюдения для всех наборов данных двухмерного объекта поперечных слоев (L₁…L_M) суммируются, чтобы определить совокупный набор данных (RS) окна наблюдения,

(c) во втором преобразовании (TR2) совокупный набор данных (RS) окна наблюдения преобразуется из опорного слоя в слой (HL) видеоголограммы, чтобы сформировать набор данных (HS) видеоголограммы для цифровой видеоголограммы.

2. Способ по п.1, в котором данные набора данных (HS) видеоголограммы назначаются в соответствие равноудаленным точкам в видеоголограмме и эти точки организуются в матрицу.

3. Способ по п.1, в котором поперечные слои (L₁…L_M), слой (HL) голограммы, опорный слой (RL) и виртуальное окно (OW) наблюдения являются плоскими.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором слой (HL) видеоголограммы, поперечные слои и виртуальное окно наблюдения параллельны друг другу.

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором, по меньшей мере, один глаз наблюдателя расположен вблизи виртуального окна наблюдения, с тем чтобы восстановленную сцену можно было увидеть через виртуальное окно (OW) наблюдения.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором имеется два или более виртуальных окон (OW) наблюдения.

7. Способ по п.1, в котором данные (R₁, G₁, B₁, z₁… R_P, G_P, B_P, z_P) объекта назначаются в соответствие наборам данных (OS₁…OS_M) объекта, все из которых включают в себя одни и те же число (N) и матричную структуру значений, что и совокупный набор данных (RS) окна наблюдения и набор данных (HS) голограммы, где число и структуру значений для всех наборов данных (OS₁…OS_M, RS, HS) получают исходя из числа пикселей, используемых для кодирования видеоголограммы.

8. Способ по п.2, в котором наборы данных (OS₁…OS_M) двухмерного объекта и совокупный набор данных (RS) окна наблюдения имеют такую же матричную структуру, что и набор данных (HS) видеоголограммы.

9. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором виртуальное окно (OW) наблюдения в опорном слое установлено меньшим или равным по размеру интервалу периодичности в опорном слое и расположено целиком в пределах одного интервала периодичности.

10. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором опорный слой совпадает с плоскостью Фурье голограммы.

11. Способ по п.1, в котором каждый набор данных (OS_m) объекта базируется на области соответствующего поперечного слоя (L_m), которая зависит от расстояния (D_m) до опорного слоя (RL).

12. Способ по п.11, в котором область каждого поперечного слоя определяется пересечением с воображаемыми поверхностями (A1, A2), которые соединяют края виртуального окна (OW) наблюдения и края видеоголограммы.

13. Способ по п.1, в котором поперечные слои (L_m) имеют расстояния (D₁…D_m) до виртуального опорного слоя (RL) и расположены таким образом, что полная восстановленная сцена (3D-S) или ее части появляются впереди и/или позади слоя (HL) голограммы.

14. Способ по п.1, в котором первое преобразование является преобразованием Френеля, которое содержит следующие подэтапы:

умножение значения А_mn амплитуды каждой точки объекта из исходного поперечного слоя (L_m) на первый фазовый множитель (F1_mn), описывающий сферические волны, при этом экспонента указанного множителя зависит от квадрата координат (х_m, y_m) в исходном поперечном слое (L_m) и от расстояния (D_m) между исходным поперечным слоем (L_m) и опорным слоем (RL),

преобразование вычисленных таким образом произведений для каждой точки (A_m1…A_mN) объекта исходного поперечного слоя (L_m) с помощью первого быстрого преобразования Фурье (БПФ) из исходного поперечного слоя (L_m) в опорный слой (RL),

умножение вычисленных таким образом преобразований (Ã'_m1…Ã'_mN) на второй фазовый множитель (F2_mn), описывающий сферические волны, при этом экспонента указанного множителя зависит от квадрата координат (х, у) в опорном слое (RL) и от расстояния (D_m) до исходного поперечного слоя (L_m).

15. Способ по п.1, в котором второе преобразование также является преобразованием Френеля, которое содержит следующие подэтапы:

умножение каждого комплексного значения (Ã_n) амплитуды опорного набора данных (RS) на третий фазовый множитель (F3_n), описывающий сферические волны, при этом экспонента указанного множителя зависит от квадрата координат (х₀, y₀) в опорном слое (RL) и от расстояния (D_m) между опорным слоем (RL) и слоем (HL) голограммы,

преобразование полученных таким образом произведений комплексных значений (Ã₁…Ã_N) амплитуды с помощью второго быстрого преобразования Фурье (БПФ) из опорного слоя (RL) в слой (HL) голограммы,

умножение полученных таким образом преобразований (H'₁…H'_N) на четвертый фазовый множитель (F4_n), описывающий сферические волны, при этом экспонента указанного множителя зависит от квадрата координат (х, у) в слое (HL) голограммы и от расстояния (D_Н) между слоем (HL) голограммы и опорным слоем (RL), с тем чтобы получить желаемые значения (H₁…Н_N) голограммы для набора данных (HS) голограммы, используемого для кодирования.

16. Способ по п.п.14 или 15, в котором один или оба фазовых множителя (F1_mn, F2_mn), описывающие сферические волны, могут быть установлены в постоянное значение.

17. Способ по п.1, где первое и/или второе преобразование являются преобразованием Фурье.

18. Способ по п.1, который включает следующие подэтапы для коррекции значений точек цифровой видеоголограммы путем итерации:

A) определяют набор данных (RS) окна наблюдения из исходной трехмерной сцены как целевую функцию для первого преобразования,

B) выполняют обратное преобразование исходных комплексных значений (Ã₁…Ã_N) амплитуд целевой функции в слой (HL) голограммы, чтобы получить значения (H₁…H_N) точек матрицы в наборе данных (HS) голограммы,

C) получают параметры (Paramn) набора данных (HS) голограммы для матрицы (LM) модулятора света,

D) выполняют преобразование полученных параметров (Paramn) в опорный слой (RL) для получения распределения комплексных обновленных значений (Ã₁'…Ã_N') амплитуды в виртуальном окне (OW) наблюдения,

Е) формируют разности (Δ) распределения комплексных обновленных значений (Ã₁'…Ã_N') амплитуды и исходных значений (Ã₁…Ã_N) целевой функции,

F) выполняют обратное преобразование этой разности (Δ) к распределению разностных значений (ΔH₁…ΔН_N) точек в слое (HL) голограммы,

G) вычитают распределения (ΔН) из набора данных (HS) видеоголограммы и обновляют набор данных голограммы,

Н) повторяют шаги от С) до G),

I) завершают итерацию, когда достигнута достаточная точность приближения.

19. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором информация о глубине одинакова для всех наборов данных объекта.

20. Способ по п.19, в котором устройство, которое формирует голограмму, может переключаться из трехмерного режима в двухмерный режим, в зависимости от входных данных и/или выбора режима пользователем.

21. Устройство обработки цифрового сигнала для вычисления цифровой видеоголограммы со средством расслоения, которое назначает данные объекта, определяющие объекты в трехмерной сцене, в соответствие ряду виртуальных поперечных слоев (L₁…L_M), при этом каждый поперечный слой определяет отдельный набор данных (OS_n) объекта так, что набор данных (HS) видеоголограммы для видеоголограммы может быть вычислен из некоторых или из всех этих наборов данных объекта, содержащее:

(a) первое средство (TR1) преобразования для вычисления из каждого набора данных (OS_m) объекта отдельного двухмерного распределения волнового поля для виртуального окна наблюдения в опорном слое (RL), расположенном на ограниченном расстоянии (D_M), средство буферной памяти для буферизации преобразованных наборов данных объекта,

(b) средство (AD) суммирования для сложения преобразованных данных объекта всех поперечных слоев с целью сформировать выражение волнового поля для совокупного набора данных (RS) окна наблюдения, и

(c) второе средство (TR2) преобразования для преобразования набора данных (RS) окна наблюдения в слой (HL) голограммы, расположенный на ограниченном расстоянии и параллельный опорному слою (RL), чтобы сформировать набор данных (HS) голограммы для совокупной видеоголограммы.

22. Устройство по п.21, которое содержит, по меньшей мере, одно независимо работающее средство (TR1, TR2) преобразования для выполнения преобразований, причем указанное устройство содержит:

первое средство (M1) умножения для умножения значения (A_mn/Ã_n) амплитуды точек исходного набора данных (OS_m) объекта на первый фазовый множитель (F1_mn/F3_n), описывающий сферические волны, при этом экспонента указанного множителя зависит от квадрата координат (х_m, y_m) в соответствующем исходном слое (L_m или RL) и от расстояния (D_m) до целевого слоя (RL или HL),

средство быстрого преобразования Фурье (БПФ) для преобразования произведений первого средства (M1) умножения из исходного слоя (L_m/RL) в целевой слой (RL/HL), и

второе средство (М2) умножения для умножения этого преобразования на другой фазовый множитель (F2_mn/F4_n), описывающий сферические волны, при этом экспонента указанного множителя зависит от квадрата координат в целевом слое и от расстояния между целевым слоем и исходным слоем.

23. Устройство по п.22, в котором для выполнения быстрых преобразований Фурье все наборы данных имеют некоторое число (N) дискретных значений точек матрицы, причем указанное число (N) является n-ой степенью числа 2.

24. Устройство по п.21, которое включает многоканальный процессор (DSP) обработки цифрового сигнала для независимого и одновременного выполнения часто встречающихся вычислительных подпрограмм.

25. Устройство по п.21, которое включает множество независимо работающих подпроцессоров, которые содержат одновременно выполняемые подпрограммы (TR1, TR2) преобразования и механизм управления ресурсами, который динамически ставит в соответствие преобразованиям, которые требуется вычислить имеющимся подпрограммам преобразования в зависимости от содержания трехмерного объекта, чтобы обеспечить возможность одновременно выполнять, по меньшей мере, определенное число преобразований.

26. Устройство по п.21, которое является многоканальным процессором для одновременных вычислений наборов данных (НS_L, НS_R) голограммы для обоих глаз.

27. Устройство по п.21, которое включает средство управления набором данных объекта для сравнения содержания соответствующих наборов данных (OS_m) объекта в вычислениях голограммы с различными исходными данными объекта, чтобы выполнять похожие преобразования только один раз в одном из двух каналов процессора обработки сигнала и совместно использовать преобразования в другом канале.

28. Способ по п.21, в котором один или все фазовые множители (F1_mn/F3_n, F2_mn/F4_n), описывающие сферические волны, могут быть установлены в постоянное значение.

29. Устройство по п.21, выполненное для переключения из трехмерного режима в двухмерный режим в зависимости от входных данных и/или режима, выбранного пользователем.

ПРИЛОЖЕНИЕ II

Теоретические предпосылки: подробности и усовершенствования предпочтительного варианта осуществления

В этом разделе даются дальнейшие теоретические предпосылки приведенного выше варианта осуществления.

1. Порядки дифракции и окна наблюдения

Описание периодических повторений дифракционной картины

a) Деление голограммы на пиксели в ПМС ведет к периодическому повторению дифракционной картины в плоскости наблюдения. Окно наблюдения должно находиться в пределах одного интервала периодичности, т.е. окно наблюдения должно быть меньше интервала периодичности. Шаг пикселей ПМС и метод кодирования голограммы с комплексными значениями на ПМС определяют размер интервала периодичности и то, какая часть интервала периодичности может быть использована в качестве окна наблюдения.

b) Стандартные панели ЖКД обычно модулируют амплитуду и могут использоваться как ПМС, моделирующие амплитуду, для отображения голограммы. Одним из методов кодирования данных голограммы с комплексными значениями на ПМС, модулирующем амплитуду, является кодирование Буркхардта, основанное на эффекте фазы обхода. Для кодирования одного комплексного значения необходим набор из трех соседних пикселей.

Для кодирования Буркхардта порядки дифракции (-1^й, 0^й, 1^й, 2^й, 3^й и т.д.) могут быть классифицированы по трем категориям:

- 0^й, 3^й и т.д. порядки дифракции, содержащие недифрагированный свет без восстановления объекта,

- 1^й, 4^й и т.д. порядки дифракции, содержащие восстановление объекта,

- -1^й, 2^й и т.д. порядки дифракции, содержащие восстановление объекта, перевернутого по глубине.

Восстановленный объект можно видеть в 1^м, 4^м и т.д. порядках дифракции. В силу ограниченной апертуры пикселей ЖКД интенсивность дифракционной картины падает с увеличением порядков дифракции. Поэтому лучше всего размещать окно наблюдения в 1^м порядке дифракции.

Периодически повторяются не только отдельные порядки дифракции, но и набор из 1^го, 0^го и -1^го порядков вместе. Следовательно, интервал периодичности включает 1^й, 0^й и -1^й порядки дифракции. Размер интервала периодичности определяется формулой

P__дифр=λ·d/p

где d - расстояние между голограммой и плоскостью наблюдения, р - шаг пикселя и λ - длина волны.

Так как объект восстанавливается в 1^м, а не в -1^м или 0^м порядке дифракции, окно наблюдения не может покрывать весь интервал периодичности, а только 1^й порядок дифракции. Размер 1^го порядка дифракции равен 1/3 от интервала периодичности Р_дифр.

c) С ПМС, модулирующим комплексные числа, каждый пиксель может использоваться для кодирования одного комплексного числа. Поэтому каждый интервал периодичности в плоскости наблюдения содержит только один порядок дифракции. Следовательно, весь интервал периодичности может использоваться в качестве окна наблюдения.

Если ПМС, модулирующий фазу, используется в голограмме Фурье, то интервал периодичности не содержит восстановления объекта, инвертированного по глубине. Тем не менее, там присутствует недифрагированный свет. Поэтому не весь интервал периодичности может использоваться как окно наблюдения, но большая его часть. Недифрагированный свет следует исключить из окна наблюдения.

d) В общем можно сказать, что окно наблюдения должно находиться в пределах одного интервала периодичности. Каждый интервал периодичности содержит не только восстановленный объект, но также недифрагированный свет и, в некоторых случаях, объект, инвертированный по глубине. Часть интервала периодичности, которая может быть использована для окна наблюдения, зависит от ПМС и схемы кодирования. Размер и местоположение окна наблюдения в пределах порядка дифракции должны быть правильно определены. Нужно следить, чтобы только восстановленный объект мог наблюдаться в окне наблюдения, а не инвертированный по глубине объект или недифрагированный свет.

e) Общее количественное описание размера окна наблюдения

В нашей терминологии интервал периодичности включает не только порядок дифракции, в котором можно видеть восстановленный объект, но (в зависимости от способа кодирования) также порядки дифракции, содержащие недифрагированный свет и инвертированный по глубине объект. Протяженность интервала периодичности в основном определяется шагом пикселей, т.е. она фиксирована для заданного ПМС. Это означает, что окно наблюдения может быть увеличено путем оптимизации способа кодирования.

Если для кодирования одного комплексного числа требуется N пикселей, то максимальный размер окна наблюдения составляет 1/N от интервала периодичности, например:

- кодирование Буркхардта на (в основном) амплитудно модулирующем ПМС: 3 пикселя на комплексное число => максимальный размер окна наблюдения = 1/3 интервала периодичности;

- двухфазное кодирование на (в основном) фазово модулирующем ПМС: 2 пикселя на комплексное число => максимальный размер окна наблюдения = 1/2 интервала периодичности;

- киноформное кодирование на (в основном) фазово модулирующем ПМС: 1 пиксель на комплексное число => максимальный размер окна наблюдения = интервалу периодичности.

2. Размер окна наблюдения

a) В традиционных электроголографических отображениях голограмма вычисляется как преобразование Фурье-Френеля объектов. Это приводит к маленькому размеру объекта, если используется ПМС низкого разрешения. В отличие от этого, в нашем электроголографическом отображении, голограмма вычисляется как преобразование Фурье окна наблюдения.

Это приводит к маленькому размеру окна наблюдения, если используется ПМС низкого разрешения.

Окно наблюдения служит только как окно, через которое наблюдатель может увидеть восстановленную трехмерную сцену. Маленькое окно наблюдения не играет роли, если оно больше зрачка глаза и если зрачок глаза правильно отслеживается.

b) Появление множества восстановлений объекта в конусе, определенном ПМС и окном наблюдения, можно избежать, если:

- область кодирования правильно ограничена. Это может быть сделано с помощью геометрической конфигурации (см. фиг.2 и приложение III, концепция С). Объект дискретизирован на точки объекта. Голографическая информация о каждой точке объекта кодируется только в маленькой кодированной области, размер которой и положение можно увидеть на фиг.3. Кодированные области или элементарные голограммы (проекции) всех точек объекта налагаются друг на друга в голограмме;

- эквивалентом наложению голограмм проекций является расслоение объекта на плоскости объекта. Объект ограничивается конусом. Каждая плоскость объекта распространяется по преобразованию Френеля к окну наблюдения, где все преобразования Френеля суммируются. Суммарные преобразования Френеля затем переводятся преобразованием Фурье в плоскость голограммы. Этот метод предполагает, что никаких множественных восстановлений не видно из окна наблюдения;

с) на основе этого метода было построено отображение прототипа. Используя панель промышленного 20-дюймового монохромного ЖКД с разрешением пикселей 69 микрон, можно получить окно наблюдения размером 6 мм на расстоянии 2 м. Это дает электроголографическое отображение с диагональю экрана 20 дюймов.

3. Мультиплексирование нескольких окон наблюдения

Уменьшая окно наблюдения до размера, чуть большего глазного зрачка, разрешение и, следовательно, число пикселей ПМС может быть значительно уменьшено. Это подразумевает, что для одного наблюдения необходимо, по меньшей мере, два окна наблюдения. В каждом окне наблюдения можно видеть восстановление объекта в подходящей перспективе. Может использоваться либо временное, либо пространственное мультиплексирование окна наблюдения.

a) Временное мультиплексирование означает, что окна наблюдения формируют последовательно. Это можно реализовать с помощью синхронного переключения источников света и панели голограммы (ПМС). Таким образом, глаза наблюдения освещаются по очереди. Для исключения мерцания скорость переключения должна быть достаточно высокой, т.е. предпочтительно, по меньшей мере, 25 Гц. Это требует быстрых панелей ЖКД, которые в настоящее время вряд ли доступны, в качестве больших монохромных панелей.

b) Пространственное мультиплексирование означает, что все окна наблюдения показываются одновременно. Следует обеспечить, чтобы окна наблюдения были пространственно разделены в плоскости наблюдения, чтобы не происходило наложений или перекрещиваний. Этого можно достичь, например, чередованием двух или более голограмм на ПМС и расщепителем пучка, таким как барьерная маска. Можно также использовать другие оптические элементы для разделения изображения/расщепления пучка или методы, известные из автоматической стереоскопической демонстрации, например призматические маски или двояковыпуклые маски.

4. Горизонтальный и/или вертикальный параллакс

Голограмма с полным параллаксом восстанавливает объект голографически путем когерентного наложения волн в горизонтальном и вертикальном направлениях. При достаточно большом окне наблюдения или области наблюдения восстановленный объект способствует параллаксу движения в горизонтальном и вертикальном направлении, как в случае реального объекта. Тем не менее, большая область наблюдения требует высокого разрешения ПМС как в горизонтальном, так и вертикальном направлениях.

Часто требования к ПМС ослабляются, если ограничиваться голограммой только с горизонтальным параллаксом (ТГП). Голографическое восстановление осуществляется только в горизонтальном направлении, в то время как голографическое восстановление в вертикальном направлении отсутствует. Это приводит к получению восстановленного объекта с горизонтальным параллаксом движения. Перспективный вид не изменяется при вертикальном перемещении. ТГП-голограмма требует меньшего разрешения ПМС в вертикальном направлении, чем голограмма с полным параллаксом. Периодичность имеется только в направлении восстановления, т.е. по горизонтали. Вычислительная нагрузка уменьшается для одномерных линейных голограмм.

Голограмма с только вертикальным параллаксом (ТВП) также возможна, но используется редко. Голографическое восстановление происходит только в вертикальном направлении. Это приводит к получению восстановленного объекта только с вертикальным параллаксом движения. Кроме того, аккомодация глаза (адаптация кривизны хрусталика к расстоянию до объекта) осуществляется ТВП-голограммой так же, как и ТГП-голограммой. Параллакс движения отсутствует в горизонтальном направлении. Различные перспективные виды должны создаваться отдельно для левого и правого глаза. Это может быть сделано путем временного или пространственного мультиплексирования, как описано выше.

5. Цветные голограммы

Цветные голограммы могут формироваться с помощью временного или пространственного мультиплексирования. Для временного мультиплексирования R (красный), G (зеленый) и В (синий) источники света переключаются синхронно с соответствующим содержанием голограммы на ПМС. Для пространственного мультиплексирования три голограммы: R, G и В отображаются на чередующихся пикселях, освещаемых пространственно когерентным источником белого цвета или отдельными R, G и В источниками.

6. Непрерывные ПМС

ПМС, разбитые на пиксели (например, панель ЖКД), в качестве носителя голограммы приводят к периодическим повторениям восстановленного объекта и окна наблюдения. Используя способы, описанные в этом описании, можно избежать множественных восстановлений объекта, видимых наблюдателем. Поэтому наш способ предпочтительно применяется к ПМС, разбитым на пиксели.

Однако наш способ также можно применять и к непрерывным ПМС, например оптически адресуемым пространственным модуляторам света (ОАПМС). ОАПМС сам по себе является непрерывным и, таким образом, не требует тех аспектов осуществления, которые уничтожают множественные восстановления для наблюдателя. Однако ОАПМС обычно является оптически адресуемым с электрически адресуемым ПМС, который имеет пиксельную структуру. Это может приводить к остаточной пиксельной структуре на ОАПМС и, следовательно, могут случаться периодические дублирования объекта в окне наблюдения. Следовательно, может оказаться полезным применять наш способ к ОАПМС или другим непрерывным ПМС.

7. Объединение ТГП-голограммы и пространственного мультиплексирования

Пространственное мультиплексирование горизонтально ориентированных окон наблюдения предпочтительно используется в сочетании с ТВП-голограммой. Горизонтально ориентированные окна наблюдения требуют элементов расщепления луча, которые расщепляют пучки, входящие из ПМС горизонтально. ТВП-голограмма может освещаться горизонтальными линейными источниками света, которые пространственно некогерентны в горизонтальном направлении. Поэтому, в горизонтальном направлении, окна наблюдения ограничиваются только оптическими элементами для расщепления пучка, которые могут рассматриваться таким же образом, как для обычных автостереоскопических дисплеев. Ограничение окна наблюдения из-за интервала периодичности и порядков дифракции применяется только в вертикальном направлении, где горизонтальные линейные источники света являются пространственно когерентными. В горизонтальном направлении не происходит взаимной помехи между дифракцией и расщеплением пучка.

В принципе, можно также объединить ТГП-голограмму и пространственное мультиплексирование горизонтально выровненных окон наблюдения. Однако следует быть осторожным, потому что расщепление пучка и дифракция теперь оба работают в горизонтальном направлении.

8. Когерентность источника света

Следует различать временную и пространственную когерентность.

а) Пространственная когерентность связана с поперечной протяженностью источника света. Свет от лазерного источника может считаться исходящим из точечного источника (в пределах дифракции и в зависимости от модальной чистоты) и приводит к четкому восстановлению объекта, т.е. каждая точка объекта восстанавливается как точка (в пределах дифракции). Свет от пространственно некогерентного источника, например светодиода или флуоресцентной лампы с холодным катодом, поперечно вытянут и вызывает размазывание восстановленного объекта. Степень размазывания задается размером уширения точки объекта, восстановленной в данной позиции. Для того чтобы использовать пространственно некогерентный источник для создания голограммы, нужно находить компромисс между качеством восстановления и яркостью, регулируя ширину отверстия. Меньшее отверстие ведет к улучшенной пространственной когерентности и, следовательно, уменьшает степень размывания или размазывания. Но меньшее отверстие ведет к меньшей яркости. Для описания источников используется термин «частичная пространственная когерентность».

b) Временная когерентность связана с шириной спектральной линии источника света. Угол дифракции на ПМС пропорционален длине волны, это означает, что только монохроматический источник будет приводить к резкому восстановлению точки объекта. Расширенный спектр будет приводить к расширенным точкам объекта и размазанному восстановлению объекта. Спектр лазерного источника может считаться монохроматическим. Ширина линии спектра светодиода является сравнительно узкой (20 нанометров полной ширины на уровне полумаксимума), что способствует хорошему восстановлению.

9. Точечные источники света и параллакс

Для голограммы с полным параллаксом должны использоваться один или несколько точечных источников в сочетании с одной осесимметричной линзой или массивом осесимметричных линз. Предпочтительно для ТГП- или ТВП-голограмм используются один или несколько линейных источников света в сочетании с одной цилиндрической линзой или массивом цилиндрических линз (хрусталиком). Линейные источники света и линзы должны быть выровнены параллельно.

Линейные источники света имеют преимущество более высокой яркости, хрусталики более просты в производстве, чем массивы осесимметричных линз.

Однако для ТГП или ТВП возможны и другие сочетания:

- точечный источник (источники) и осесимметричная линза (массив линз),

- точечный источник (источники) и цилиндрическая линза (хрусталик),

- линейный источник (источники) и осесимметричная линза (массив линз).

10. Комбинации источников света и линз

Источники света могут быть пространственно когерентными источниками (например, лазеры) или источниками с достаточной частичной пространственной когерентностью (например, светодиоды с достаточно малой апертурой).

Различные типы конфигураций источников света:

- один точечный источник,

- одномерный массив точечных источников,

- двухмерный массив точечных источников,

- один линейный источник,

- массив линейных источников.

Предпочтительная ориентация линейных источников и массивов будет рассмотрена ниже.

Различные типы конфигураций линз:

- одна большая осесимметричная линза,

- одномерный массив осесимметричных линз,

- двухмерный массив осесимметричных линз,

- одна большая цилиндрическая линза,

- массив цилиндрических линз (хрусталик).

Предпочтительные ориентации цилиндрических линз и массивов линз будут рассмотрены ниже. Для упрощения термины «осесимметричная линза» и «цилиндрическая линза» могут относиться к сферическим поперечным сечениям линзы или асферическим поперечным сечениям. Асферические поперечные сечения могут использоваться для уменьшения сферических аберраций. Имеются следующие предпочтительные комбинации источников света и линз:

a) один точечный источник и одна осесимметричная линза.

Это самая простая комбинация для маленьких дисплеев. Она предпочтительно используется для голограмм с полным параллаксом. Для более больших дисплеев, т.е. с диагональю больше нескольких дюймов, требуемый точечный источник большой интенсивности и большая объемная линза делают эту комбинацию непригодной;

b) двухмерный массив точечных источников и двухмерный массив осесимметричных линз.

Эта комбинация предпочтительна для больших голограмм с полным параллаксом. Каждый точечный источник соответствует одной линзе. Каждый источник света должен освещать только одну линзу из массива линз, что облегчает расщепление требуемой величины общей интенсивности света на много источников света. Это ослабляет требования по интенсивности к каждому источнику света. Кроме того, массив линз легче изготовить, и он менее объемный, чем одна большая линза с той же фокальной длиной;

c) массив вертикально выровненных линейных источников и массив вертикально выровненных цилиндрических линз (вертикально ориентированный хрусталик).

Эта комбинация используется для ТГП-голограмм. Вертикально ориентированные цилиндрические линзы фокусируют свет в горизонтальном направлении, создавая в результате ТГП-голограмму. В вертикальном направлении параллакс движения отсутствует. Каждый линейный источник соответствует одному хрусталику. По сравнению с двухмерным массивом точечных источников и двухмерным массивом линз здесь имеется то преимущество, что хрусталик легче изготовить, чем двухмерный массив линз. Кроме того, требования к интенсивности линейного источника света ниже, чем для точечного источника: световой поток распределен по линии, а не сконцентрирован в маленькой точке;

d) массив горизонтально ориентированных линейных источников и массив горизонтально ориентированных цилиндрических линз (горизонтально ориентированных хрусталиков).

Эта комбинация используется для ТВП-голограмм. Горизонтально ориентированные цилиндрические линзы фокусируют свет в вертикальном направлении, создавая в результате ТВП-голограмму. Параллакс движения отсутствует в горизонтальном направлении. Каждый линейный источник соответствует одному хрусталику. Эта комбинация источников и хрусталиков может далее комбинироваться с оптическими элементами для обычного автостереоскопического разделения изображений. ТВП-голограмма с когерентным наложением волн в вертикальном направлении не подвергается автостереоскопическому разделению изображений в горизонтальном направлении и наоборот. В результате получается комбинация голографического и автостереоскопического отображения. Голографическое восстановление в вертикальном направлении подходит для аккомодации глаза. Автостереоскопическое разделение сцены вместе с пространственным мультиплексированием формирует различные перспективные виды для левого глаза и правого глаза.

11. Типы источников света

Имеются различные возможности для формирования источников света, например:

a) одним точечным источником света может быть лазерный диод или другой тип лазера. Может использоваться светодиод, если апертура диода достаточно мала, чтобы обеспечить достаточную пространственную когерентность. Может быть добавлено дополнительное отверстие;

b) массив точечных источников может быть сформирован, например, следующими средствами:

- массив точечных источников, например лазеров, светодиодов;

- один лазер или светодиод, связанный в оптоволоконный пучок. Выходы пучка волокон выполнены подходящим образом для формирования желаемого массива источников;

- освещение большой площади, составленное из нескольких лазеров, светодиодов, флуоресцентных ламп с холодным катодом и т.п. Свет, выходящий из этих источников, затем формируется с помощью массива отверстий. Этот массив отверстий может быть неподвижным или конфигурируемым, например это может быть панель ЖКД (штора), которая прозрачна только в местах желаемых точечных источников света. Конфигурируемые отверстия на панели ЖКД предпочтительно используются для того, чтобы смещать источники света для отслеживания наблюдения;

c) массив линейных источников может быть сформирован с помощью, например:

- массива точечных источников, выстроенных в линии, например лазеров, светодиодов,

- массива точечных источников, которые вытянуты в одном направлении одномерными рассеивающими панелями, хрусталиками и т.п.,

- освещения большой площади, составленного из нескольких лазеров, светодиодов, флуоресцентных ламп с холодным катодом и т.п. Свет, исходящий из этих источников, затем формируется массивом отверстий в виде полосы. Этот массив отверстий может быть неподвижным или конфигурируемым, например это может быть панель ЖКД (штора), которая прозрачна только в местах желаемых линейных источников света. Конфигурируемые отверстия на панели ЖКД предпочтительно используются для того, чтобы перемещать источники света для отслеживания наблюдения;

d) вместо освещения большой площади и отверстий на панели ЖКД для формирования конфигурируемого массива точечных или линейных источников может использоваться панель органических светодиодов. Панель органических светодиодов - это массив маленьких органических светодиодов с шагом порядка 100 микрон. Желаемый массив точечных или линейных источников может быть сформирован, если включены только соответствующие пиксели органических светодиодов;

e) другие источники также могут использоваться для формирования точечных источников, массивов точечных источников и массивов линейных источников, например флуоресцентные лампы с холодным катодом, паросветные лампы (например, ртутная паровая лампа). Можно использовать подходящее отверстие для обеспечения достаточной пространственной когерентности;

f) одиночный источник, повторенный с помощью массива линз или одиночной голограммы, обладающей этой характеристикой. Выходом может являться массив точек или линий/столбцов или массив/линия/столбец простирающихся световых лучей с волновым фронтом произвольной формы. Например, массив линий может быть сформирован для того, чтобы служить непосредственно освещением для голограммы.

12. Взаимно некогерентные источники света и подголограммы

Источники света из массива источников света обычно являются взаимно некогерентными. Это означает, что между ними нет постоянного фазового отношения. Когерентной суперпозиции волн, испускаемых из различных источников света, происходить не будет.

В связи с голограммой, которая освещается массивом источников света и через массив линз, это означает, что когерентного восстановления на всем носителе голограммы/ПМС не происходит. Вернее, голограмма разделена на несколько подголограмм, принадлежащих отдельным источникам света и линзам. Каждая из подголограмм когерентно освещается и восстанавливает подобъект, который кодируется на этой подголограмме. Так как между подголограммами нет взаимной когерентности, подобъекты не налагаются друг на друга когерентно, а наоборот, некогерентно. Это дает в результате суммирование интенсивностей вместо амплитуд и ведет к более низкой интенсивности восстановленного объекта. Тем не менее, имеется восстановленный объект, составленный из нескольких подобъектов.

Эффект взаимно некогерентных источников света меньше, чем для обычных голограмм. Голографическая информация для точки объекта кодируется на всей голограмме, но только в небольшой кодированной области. Типичный размер кодированной области - несколько миллиметров. Это приблизительно тот же размер, что и типичный шаг источников света и, следовательно, типичный шаг массива линз. Поэтому кодированная область освещается только несколькими немногочисленными взаимно некогерентными источниками света.

Составление голограммы из многих маленьких кодированных областей и расщепление освещения на много взаимно некогерентных источников также облегчает использование слабо когерентных источников, таких как светодиоды. Когерентность необходима только в области протяженностью несколько миллиметров, а не по всей голограмме. Когерентное освещение голограммы размером 20 дюймов потребовало бы высоко когерентных источников, таких как лазер.

13. Фокусировка источников света в плоскости наблюдения

Голограмма Фурье требует, чтобы световые источники изображались в плоскости наблюдения. Изображение формируется с помощью линзы или массива линз. По сравнению с голограммой Френеля, голограмма Фурье имеет то преимущество, что недифрагированный свет фокусируется в маленькие пятна в плоскости наблюдения. Если эти пятна находятся вне окна наблюдения, недифрагированный свет не виден, как шумовой фон.

В случае когерентного источника света размер изображенного источника света ограничен дифракцией и аберрациями в линзе и обычно очень мал (по сравнению с разрешающей способностью глаза человека). В случае пространственно некогерентного источника (например, светодиода) размер изображенного источника света также определяется апертурой источника света и увеличением линзы.

Если используется массив источников света и массив линз, сцены всех источников света должны совпадать. Это означает, что шаг массива источников света должен немного превышать шаг массива линз, в соответствии с простой геометрической конструкцией. Если источники и линзы правильно выровнены, дифракционная картина видна в плоскости наблюдения и выглядит как дифракционная картина, полученная при использовании одного источника и одной линзы.

Могут присутствовать дополнительные оптические элементы, формирующие распределение света с целью гомогенизировать распределение света или увеличить интенсивность в плоскости наблюдения. Ими могут быть рассеивающие пластины или линзы.

14. Отслеживание

Для чисто голографической системы отслеживание наблюдения достигается перемещением источника (источников) света относительно линзы (массива линз). Это можно реализовать механическим перемещением источника (источников) или линзы (массива линз) или электронным смещением отверстий в зашторенной панели ЖКД. Отслеживание можно также производить с помощью настраиваемого дифракционного оптического элемента или сканирующего зеркала.

Если голографическое восстановление объекта в вертикальном направлении и автостереоскопическое разделение изображения в горизонтальном направлении объединяются, то отслеживание в горизонтальном направлении также может быть реализовано с помощью горизонтального сдвига ТВП-голограммы в ПМС.

15. Типы ПМС

ПМС может быть ячеистым (разделенным на пиксели) или непрерывным.

Ячеистые:

- жидкокристаллический (просветный или отражающий),

- с амплитудной модуляцией,

- с фазовой модуляцией,

- с комбинированной амплитудной и фазовой модуляцией.

МОЭМС (микрооптическая электромеханическая микросистема):

- поршневая,

- другие типы ячеистых ПМС.

Непрерывные:

- оптически адресуемые ПМС (ОАПМС),

- акустооптический модулятор (АОМ),

- другие типы непрерывных ПМС.

16. Описание характеристического варианта осуществления

В характеристическом варианте осуществления монохромная панель ЖКД с диагональю 20 дюймов используется в качестве носителя голограммы. Шаг пикселей равен 69 микрон в вертикальном направлении и 207 микрон в горизонтальном направлении. ЖКД модулирует амплитуду света.

Голограмма освещается массивом горизонтальных линейных источников света и системой хрусталиков с горизонтально ориентированными линзовидными элементами. Массив горизонтальных линейных источников света формируется с помощью прозрачных прорезей на панели ЖКД, которая освещается массивом красных мощных светодиодов.

Горизонтальные линейные источники света являются пространственно когерентными в вертикальном направлении. Вместе с горизонтально ориентированными линзовидными элементами они облегчают восстановление голограмм Фурье с ТВП. Так как ЖКД, несущий голограмму, является амплитудно-модулирущим, используется кодирование Буркхардта. Это означает, что для кодирования одного комплексного числа используется 3 пикселя. Соответствующий шаг, следовательно, равен 3·69 мкм = 207 мкм, что ведет к размеру окна наблюдения в 6 мм на расстоянии 2 м. Интервал периодичности набора, состоящего из окна наблюдения, недифрагированного света и инвертированного по глубине сцены (порядки 1^й, 0^й и -1^й), определяется шагом пикселя 69 микрон и составляет 18 мм на расстоянии 2 м. Окно наблюдения лишь немного больше, чем зрачок глаза, и поэтому требует тщательного отслеживания зрачков глаз. Это достигается с помощью искателя глаз, который улавливает положение глаз. Эти данные используются для управления вертикальным положением и шагом линейных источников света на зашторенной панели ЖКД.

При использовании способов, описанных до сих пор, каждый глаз должен видеть голограмму, однако с одним и тем же перспективным видом, так как голограмма является ТВП-голограммой. Поэтому добавляется автостереоскопическое разделение сцены. Вертикально ориентированный хрусталик помещают между носителем голограммы ЖКД и наблюдателем. Две голограммы (одна с перспективным видом для левого глаза и другая с перспективным видом для правого глаза) чередуются на несущем голограмму ЖКД, например перспектива для левого глаза на четных столбцах и перспектива для правого глаза - на нечетных. Таким образом, левый глаз видит восстановление, содержащее перспективный вид для левого глаза, а правый глаз - перспективный вид для правого глаза. Наблюдатель отслеживается в горизонтальном направлении путем горизонтального смещения содержимого голограммы на ЖКД, несущем голограмму.

Таким образом, предоставляется вся необходимая информация для трехмерного просмотра. ТВП-голограмма ведет к аккомодации глаза, и автоматическое стереоскопическое разделение сцены обеспечивает информацию о параллаксе. Вместо пространственного мультиплексирования можно также использовать временное мультиплексирование. Однако это требует достаточно быстрых дисплеев, которые еще не доступны с желательными характеристиками по размеру и разрешающей способности.

ПРИЛОЖЕНИЕ III

Следующее приложение III кратко излагает ключевые концепции из документа WO 2004/044659, содержание которого включено путем ссылки.

Моменты интерпретации:

термин «компьютер» или «вычислительное устройство означает любое устройство или компонент, способный производить вычисления, он охватывает проблемно-ориентированные интегральные микросхемы, основной компьютер, цифровой процессор обработки сигналов и т.п.;

источник света означает любой источник освещения и, следовательно, включает массив отдельных источников света.

Концепция А. ОКНО НАБЛЮДЕНИЯ В ПЛОСКОСТИ СЦЕНЫ

Устройство отображения для видеоголограммы, в котором устройство обеспечивает голографическое восстановление наблюдаемого объекта; устройство включает источник света и оптическую систему для освещения носителя голограммы;

при этом устройство работает таким образом, что когда глаза наблюдателя размещаются приблизительно в плоскости сцены источника света, восстановление можно видеть.

Дополнительные отличительные особенности:

- восстановление является преобразованием Френеля голограммы,

- устройство работает так, что прямое или обратное преобразование Фурье голограммы формируется в плоскости наблюдения, в которой должны располагаться глаза наблюдателя,

- голографическое восстановление может происходить в любом месте в пределах объема, ограниченного голограммой и виртуальным окном наблюдения, сформированным в плоскости сцены, через которое наблюдатель может просматривать восстановление,

- имеются отдельные окна наблюдения, одно для каждого глаза,

- размер окна наблюдения - приблизительно 1 см × 1 см,

- положение глаз наблюдения отслеживается, и устройство может изменять положение виртуальных окон наблюдения, так что наблюдатель может удерживать вид через каждое окно наблюдения, даже когда он или она смещают голову,

- носитель голограммы является плоским экраном на тонкопленочных транзисторах,

- устройство является телевизором,

- устройство является мультимедийным устройством,

- устройство является игровым устройством,

- устройство является устройством отображения медицинских изображений,

- устройство является устройством отображения военной информации.

Концепция А находит применение в других ситуациях.

А. Способ формирования голографического восстановления объекта, используя устройство отображения и компьютер, при этом устройство включает источник света и оптическую систему для освещения носителя голограммы, содержащий этапы:

(a) применение компьютера для формирования голограммы на носителе голограммы;

(b) регулирование плоскости сцены источника света таким образом, чтобы она совпадала с плоскостью глаз наблюдения, с целью позволить наблюдателю просматривать восстановление.

В. Носитель данных, заполненный данными, определяющими видеоголограмму, причем данные на носителе являются такими, что они побуждают устройство отображения формировать голографическое восстановление в соответствии со способом А, описанным выше.

С. Способ распределения данных, определяющих видеоголограмму, причем данные распределяются по сети и принимаются в устройстве отображения; эти данные таковы, что они приводят к формированию устройством отображения голографических восстановлений в соответствии со способом А, описанным выше.

D. Вычислительное устройство, приспособленное для подачи данных, определяющих видеоголограмму в устройстве отображения, чтобы побудить указанное устройство отображения формировать голографические восстановления в соответствии со способом А, описанным выше.

Е. Дисплейный экран, используемый в устройстве отображения, как описано выше.

F. Голографическое восстановление, сформированное устройством, определенным выше.

Концепция В. ВОССТАНОВЛЕНИЕ БОЛЬШИХ ОБЪЕКТОВ

Устройство отображения для видеоголографии, в котором устройство обеспечивает голографическое восстановление формируемого объекта; устройство включает источник света и оптическую систему для освещения носителя голограммы;

при этом размер восстановленного объекта определяется размером экрана, а не интервалом периодичности, связанным с носителем голограммы, интервал периодичности вместо этого определяется размером окна наблюдения, через которое можно видеть восстановленное изображение.

Дополнительные отличительные особенности:

- окно наблюдения помещается в плоскости сцены источника света,

- устройство работает так, что прямое или обратное преобразование Фурье голограммы формируется в плоскости наблюдения, в которой должны располагаться глаза наблюдения,

- голографическое восстановление может осуществляться в любом месте внутри объема, ограниченного голограммой и окном наблюдения,

- для каждого глаза имеется окно наблюдения,

- размер окна наблюдения - приблизительно 1 см × 1 см,

- положение глаз наблюдения отслеживается, и устройство может изменять положение виртуальных окон наблюдения, так что наблюдатель может удерживать вид через каждое окно наблюдения, даже двигая головой,

- носитель голограммы является плоским экраном на тонкопленочных транзисторах,

- устройство является телевизором,

- устройство является мультимедийным устройством,

- устройство является игровым устройством,

- устройство является устройством демонстрации медицинских изображений,

- устройство является устройством отображения военной информации.

Концепция В находит применение в других ситуациях.

А. Способ формирования голографического восстановления объекта, используя устройство отображения и компьютер, причем устройство включает источник света и оптическую систему для освещения носителя голограммы, содержащий этапы:

(а) использование компьютера для формирования голограммы на носителе голограммы;

(b) выполнение оптической системы и голограммы таким образом, чтобы размер восстановленного объекта определялся размером дисплея, а не интервалом периодичности, связанным с носителем голограммы, причем интервал периодичности вместо этого определяет размер окна наблюдения, через которое можно видеть восстановленный объект.

В. Носитель данных, заполненный данными, определяющими видеоголограмму, причем данные на носителе являются такими, что они побуждают устройство отображения формировать голографическое восстановление в соответствии со способом А, описанным выше.

С. Способ распределения данных, определяющих видеоголограмму, причем данные распределяются по сети и принимаются в устройстве отображения; данные таковы, что устройство отображения формирует голографические восстановления в соответствии со способом А, описанным выше.

D. Вычислительное устройство, адаптированное для подачи данных, определяющих видеоголограмму в устройстве отображения, чтобы указанное устройство отображения формировало голографические восстановления в соответствии со способом А, описанным выше.

Е. Экран дисплея, используемый в устройстве отображения, как описано выше.

F. Голографическое восстановление, сформированное устройством, определенным выше.

Концепция С. ВЫЧИСЛЕНИЕ ГОЛОГРАММЫ ИЗ ОКНА НАБЛЮДЕНИЯ

1. Способ кодирования видеоголограммы, содержащий этапы:

(a) выбор точки на восстанавливаемом объекте;

(b) определение окна наблюдения, через которое будет наблюдаться восстановленный объект;

(c) отслеживание поверхности от края окна наблюдения через точку и в область, которая образует только часть носителя голограммы;

d) кодирование на носителе голограммы голографической информации, требуемой для восстановления точки только в этой области.

Дополнительные особенности:

- восстановленный объект содержит множество точек,

- кодирование осуществляется так, что при восстановлении прямое или обратное преобразование Фурье голограммы формируется в плоскости наблюдения, в которой должны располагаться глаза наблюдателя,

- восстановление может происходить в любом месте объема, ограниченного голограммой и виртуальным окном наблюдения, через которое наблюдатель может наблюдать восстановление,

- для каждого глаза имеется окно наблюдения,

- размер окна наблюдения - приблизительно 1 см×1 см,

- размер окна наблюдения вычисляется как функция от интервала периодичности голограммы,

- положение глаз наблюдения отслеживается, и устройство может изменять положение виртуальных окон наблюдения, так что наблюдатель может удерживать вид через каждое окно наблюдения, даже двигая своей головой,

- носитель голограммы является плоским экраном на тонкопленочных транзисторах,

- носитель голограммы является дисплеем телевизора,

- носитель голограммы является дисплеем мультимедийного устройства,

- носитель голограммы является дисплеем игрового устройства,

- носитель голограммы является дисплеем устройства демонстрации медицинских изображений,

- носитель голограммы является дисплеем устройства отображения военной информации.

Концепция С находит применение в других ситуациях.

А. Способ формирования голографического восстановления объекта с использованием устройства отображения и компьютера, причем устройство включает источник света и оптическую систему для освещения носителя голограммы, содержащий этапы:

(a) использование компьютера для формирования голограммы на носителе голограммы, при этом голограмма кодирована с использованием способа по п.1;

(b) освещение голограммы, используя источник света и оптическую систему так, что восстановленный объект является видимым.

В. Носитель данных, заполненный данными, определяющими видеоголограмму, причем данные на носителе закодированы, используя способ, определенный выше.

С. Способ распределения данных, определяющих видеоголограмму, причем данные распределяются по сети и принимаются в устройстве отображения, при этом данные закодированы с использованием способа, определенного выше.

D. Вычислительное устройство, адаптированное для подачи данных, определяющих голограмму, в устройство отображения, причем данные закодированы с использованием способа, описанного выше.

Е. Экран дисплея, используемый в устройстве отображения, позволяющий отображать данные, закодированные с использованием способа, описанного выше.

F. Голографическое восстановление, сформированное из голограммы, закодированной с использованием способа, описанного выше.

Концепция D. КОДИРОВАНИЕ В МАЛЫЕ ОБЛАСТИ

Видеоголограмма, содержащая область, которая кодирует информацию, необходимую для восстановления одной точки объекта, который виден из определенного положения наблюдения, отличающаяся тем, что

область (а) кодирует информацию исключительно для этой одной точки в восстановленном изображении и (b) является единственной областью в голограмме, кодирующей информацию для указанной точки, и ограничена по размеру, чтобы формировать часть полной голограммы, причем размер является таким, что множественные восстановления указанной точки, вызванные дифракциями высоких порядков, не видны из определенного положения наблюдения.

Дополнительные особенности:

- кодирование осуществляется так, что при восстановлении прямое или обратное преобразование Фурье голограммы формируется в плоскости наблюдения, в которой должны располагаться глаза наблюдателя,

- восстановление может происходить в любом месте объема, ограниченного голограммой и виртуальным окном наблюдения, через которое наблюдатель может наблюдать восстановление,

- размер окна наблюдения - приблизительно 1 см×1 см,

- для каждого глаза имеется окно наблюдения,

- размер окна наблюдения вычисляется как функция от интервала периодичности голограммы,

- положение глаз наблюдения отслеживается, и устройство может изменять положение виртуальных окон наблюдения, так что наблюдатель может удерживать вид через каждое окно наблюдения, даже двигая своей головой,

- восстановленный объект содержит множество точек,

- голограмма кодируется на носителе голограммы, который является плоским экраном на тонкопленочных транзисторах,

- голограмма кодируется на дисплее в телевизоре,

- голограмма кодируется на дисплее в мультимедийном устройстве,

- голограмма кодируется на дисплее в игровом устройстве,

- устройство является устройством демонстрации медицинских изображений,

- устройство является устройством отображения военной информации.

Концепция D находит применение в других ситуациях.

А. Способ кодирования видеоголограммы, который может восстановить точку объекта, включающий этап:

кодирование в область голографической информации исключительно для этой одной точки, причем область является единственной областью в голограмме, кодирующей информацию для указанной точки, и ограничена по размеру, чтобы формировать малую часть полной голограммы, размер является таким, что множественные восстановления указанной точки, вызванные дифракциями высоких порядков, не видны из определенного положения наблюдения.

В. Носитель данных, заполненный данными, определяющими видеоголограмму, причем данные на носителе являются такими, что они вызывают формирование устройством отображения голограммы, как описано выше.

С. Способ распределения данных, определяющих видеоголограмму, причем данные распределяются по сети и принимаются в устройстве отображения; данные являются такими, что они вызывают формирование голограммы устройством отображения, как определено выше.

D. Вычислительное устройство, адаптированное для подачи данных, определяющих видеоголограмму, в устройство отображения, чтобы вызвать формирование голограммы устройством отображения, как определено выше.

Е. Экран дисплея для отображения голограммы, как определено выше.

F. Голографическое восстановление, формируемое из голограммы, как описано выше.

G. Устройство отображения, адаптированное для формирования голографического восстановления, устройство включает дисплей, закодированный с голограммами, как определено выше.

Концепция Е. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ КОДИРОВАНИЕ ВО ВРЕМЕНИ

Устройство отображения для цифровой голографии, в котором устройство обеспечивает возможность наблюдать голографическое восстановление объекта; устройство включает источник света и оптическую систему для освещения носителя голограммы;

при этом устройство способно перекодировать последовательно во времени голограмму на носителе голограммы для левого и затем правого глаза наблюдателя.

Дополнительные особенности:

- восстановление является преобразованием Френеля голограммы,

- устройство работает так, что прямое или обратное преобразование Фурье голограммы формируется в плоскости наблюдения, в которой должны располагаться глаза наблюдения,

- голографическое восстановление может происходить в любом месте в пределах объема, ограниченного голограммой и виртуальным окном наблюдения, сформированным в плоскости сцены, через которое наблюдатель может просматривать восстановление,

- для каждого глаза имеется окно наблюдения,

- размер окна наблюдения - приблизительно 1 см×1 см,

- положение глаз наблюдения отслеживается, и устройство может изменять положение виртуальных окон наблюдения, так что наблюдатель может удерживать вид через каждое окно наблюдения, даже двигая своей головой,

- носитель голограммы является плоским экраном на тонкопленочных транзисторах,

- устройство является телевизором,

- устройство является мультимедийным устройством,

- устройство является игровым устройством,

- устройство является устройством отображения медицинских изображений,

- устройство является устройством отображения военной информации.

Концепция Е находит применение в других ситуациях.

А. Способ формирования голографического восстановления объекта, используя устройство отображения и компьютер, устройство включает источник света и оптическую систему для освещения носителя голограммы, содержащий этапы:

(а) перекодирования последовательно во времени голограммы на носителе голограммы для левого и затем для правого глаза наблюдателя.

В. Носитель данных, заполненный данными, определяющими видеоголограмму, причем данные на носителе являются такими, что они вызывают формирование голографических восстановлений устройством отображения в соответствии со способом А, описанным выше.

С. Способ распределения данных, определяющих видеоголограмму, причем данные распределяются по сети и принимаются в устройстве отображения; данные являются такими, что вызывают формирование голографических восстановлений указанным устройством отображения в соответствии со способом А, описанным выше.

D. Вычислительное устройство, адаптированное для подачи данных, определяющих видеоголограмму, в устройство отображения, чтобы вызывать формирование голографических восстановлений указанным устройством отображения в соответствии со способом, описанным выше в пункте А.

Е. Экран дисплея, используемый в устройстве отображения, как описано выше в пункте D.

F. Голографическое восстановление, сформированное устройством, определенным выше в пункте D.

Изобретение относится к измерительной технике. В изобретении предусмотрено получение волновых фронтов, которые были бы сформированы реальной версией восстанавливаемого объекта вблизи местоположения глаза наблюдателя. В окне наблюдения определяются волновые фронты, которые были бы сформированы реальным объектом, расположенным в том же положении, что и восстановленный объект. Затем можно произвести обратное преобразование этих волновых фронтов в голограмму, чтобы определить, как следует закодировать голограмму, чтобы сформировать эти волновые фронты. Голограмма, закодированная подходящим образом, затем формирует восстановление трехмерной сцены, которую можно наблюдать, поместив глаза в плоскость окна наблюдения и наблюдая восстановленное изображение через окно наблюдения. Технический результат - повышение качества восстановленной сцены. 7 н. и 15 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ формирования голограммы для восстановления объекта с использованием устройства отображения и компьютера, включающий кодирование голограммы посредством определения волновых фронтов в окне наблюдения с возможностью их формирования реальным объектом, расположенным в том же положении, что и восстановленный объект.

2. Способ по п.1, в котором волновые фронты восстанавливаются голограммой.

3. Способ по п.1 или 2, в котором волновые фронты определяются для одного или более окон наблюдения.

4. Способ по п.1 или 2, в котором обеспечивают возможность восстановления точки объекта, при этом выполняют кодирование в область голографической информации исключительно для этой отдельной точки, причем указанная область является единственной областью в голограмме для кодирования информации об указанной точке и ограниченной по размеру, чтобы формировать небольшую часть полной голограммы, при этом размер такой, что множественные восстановления указанной точки, вызванные дифракциями более высоких порядков, не видны из местоположения глаза наблюдателя.

5. Способ по п.1, содержащий дополнительно этапы, на которых:
(а) выбирают точку на восстанавливаемом объекте;
(б) определяют окно наблюдения, через которое будет виден восстановленный объект;
(в) отслеживают пирамиду от краев окна наблюдения через указанную точку в область, которая формирует только часть пространственного модулятора света (ПМС);
(г) кодируют на ПМС, исключительно в указанной области, голографическую информацию, необходимую для восстановления указанной точки.

6. Способ по п.1, содержащий дополнительный этап голографического восстановления объекта с использованием устройства отображения и компьютера, причем устройство включает источник света и оптическую систему для освещения ПМС, содержащий операции, на которых:
(а) используют компьютер для формирования голограммы на ПМС;
(б) устанавливают плоскость изображения источника света так, чтобы она приблизительно совпадала с плоскостью глаз наблюдателя, чтобы позволить наблюдателю видеть восстановление.

7. Способ по п.1, содержащий дополнительный этап голографического восстановления объекта с использованием устройства отображения и компьютера, причем устройство включает источник света и оптическую систему для освещения ПМС, содержащий операции, на которых:
(а) используют компьютер для формирования голограммы на ПМС;
(б) располагают оптическую систему и голограмму таким образом, чтобы размер восстановленного объекта представлял собой функцию от размера дисплея, не зависящую от интервала периодичности, связанного с ПМС, при этом интервал периодичности определяет размер окна наблюдения, через которое можно наблюдать восстановленный объект.

8. Способ по п.1, содержащий дополнительный этап голографического восстановления объекта с использованием устройства отображения и компьютера, причем устройство включает источник света и оптическую систему для освещения ПМС, содержащий операцию, на которой перекодируют последовательно во времени голограмму на ПМС для левого и затем для правого глаза наблюдателя.

9. Способ по любому из пп.1, 2 и 5-8, в котором кодируют голограмму так, что при восстановлении прямое или обратное преобразование Фурье голограммы формируется в плоскости наблюдения, в которой должны располагаться глаза наблюдателя.

10. Способ по любому из пп.1, 2 и 5-8, в котором восстановление может происходить в любом месте объема, ограниченного голограммой и окном наблюдения, через которое наблюдатель может видеть восстановление.

11. Способ по любому из пп.1, 2 и 5-8, в котором голограмму кодируют на ПМС, который является плоским экраном на тонкопленочных транзисторах.

12. Способ по любому из пп.1, 2 и 5-8, в котором голограмму кодируют на дисплее телевизора.

13. Способ по любому из пп.1, 2 и 5-8, в котором голограмму кодируют на дисплее мультимедийного устройства.

14. Способ по любому из пп.1, 2 и 5-8, в котором голограмму кодируют на дисплее игрового устройства.

15. Способ по любому из пп.1, 2 и 5-8, в котором голограмму кодируют на дисплее устройства, которое является устройством демонстрации медицинских изображений.

16. Способ по любому из пп.1, 2 и 5-8, в котором голограмму кодируют на дисплее устройства, которое является устройством отображения военной информации.

17. Носитель данных, содержащий программу с данными, определяющими видео голограмму, причем данные на носителе являются такими, что они вызывают формирование голограммы и голографическое восстановление объекта устройством отображения, как определено в любом из пп.6-8.

18. Способ распределения данных, определяющих видео голограмму, в котором данные распределяют по сети и принимают в устройстве отображения, причем указанные данные являются такими, что они вызывают формирование голограммы и голографическое восстановление объекта с использованием устройства отображения, как определено в любом из пп.6-8.

19. Вычислительное устройство, выполненное для подачи данных, определяющих голограмму, в устройство отображения, чтобы вызвать формирование голограммы и голографическое восстановление объекта устройством отображения, как определено в любом из пп.6-8.

20. Экран дисплея для отображения голограммы, сформированной способом, определенным по любому из пп.6-8.

21. Способ голографического восстановления объекта из голограммы, сформированной способом, определенным по любому из пп.6-8.

22. Устройство отображения, выполненное для формирования голографического восстановления объекта, причем устройство включает дисплей, кодированный сформированной по любому из пп.1-5 голограммой.