Способ вычисления голограммы

Способ вычисления голограммы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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, игр