本发明的实施是基于空间光调制器设备的调制元件的协助进行全息 再现，其中能对本身产生干扰的多重光束照亮光调制器装置。执行光学傅 立叶变换的聚焦元件阵列引导光束进入至少一位观察者的眼睛。一方面， 分立照亮的区域将限定在光调制器装置的表面，该装置具有对应于指定聚 焦元件几何形状的核心区域，以及与聚焦元件边缘相对应的边缘区域。另 一方面，光束的傅立叶变换于眼前重合，即在焦平面上重合。
聚焦元件阵列按几何形状设计，使得所有光束形成一个共同的光波 前，照亮光调制器装置的调制器元件。该光波前通过物体光点，将因为空 间振幅和/或相位调制而再现一个共同的三维场景，其由编码在光调制器装 置上的全息点数据图样实现。编码和照亮的光调制装置因此将实现视频全 息影像的功能。
尽管光波前的亮度是均匀的，但是由于聚焦元件边缘区块的光源传播 误差而造成光波前出现受干扰的光传播距离，从而导致调制器装置表面出 现受到不同影响的发光区域。特别是聚焦元件边缘的光衍射将使观察者在 错误亮度下感知再现的物体光点。该光衰退的起因是聚焦装置边缘、从这 些边缘投射到光源调制器的边缘区域的光衍射的交互作用，以及位于焦平 面中限制的瞳孔孔径的空间频率过滤。由此可知所感知的亮度衰退的类型 很大程度上取决于空间光调制器装置所使用的调制的种类。后者在下文做 详细说明。
本发明的目的在于提供一种能够借助于由多重照明单元同时照亮的 光源调制器在全息再现过程中移除特定物体光点的不均匀亮度感知的简 单有效的方法。
根据本发明一实施例的方法，利用这样的发现，即：照亮空间光调制 器装置时使用的聚焦元件的几何设计、空间光调制器装置的调制类型、观 察者眼睛的位置例如距调制器的距离或方向、以及再现的亮度，以及瞳孔 在观察再现时的孔径都会被限定为参数。
限定计算装置之后，在光调制器装置的全息点数据图样中，对于因为 聚焦元件阵列的几何形状而受到聚焦元件边缘光源衍射影响的调制器元 件而言，因此有可能结合观察者瞳孔的预期过滤性质而每个受到影响的这 些调制器元件生成描述该影响范围的参数。
观看再现时，计算装置将根据上述参数来估算再现三维场景的哪些局 部误差会被发现。计算装置修正全息点数据图样中调制器元件的对应值， 补偿该类导致干扰点的调制器元件的效果，使对应的物体光点以正确的亮 度在再现中出现。
附图说明
图1表示从WO2006/119920号专利申请中公知的先前技术的全息设备 的示例；
图2表示包括观察者眼睛在内的整个光学系统设计的细节；
图3表示观察者眼睛对全息再现的亮度感知的低通过滤效果；
图4表示两个相邻透镜元件的亮度感知分布；
图5表示观察者眼睛对全息再现的亮度感知的高通过滤效果；

本发明一实施例中，补偿了由物体光点组成的三维场景的全息再现的 不均匀亮度感知。计算装置以全息点数据图样对空间光调制器装置的调制 器元件进行编码；申请人已在WO2004/044659-A1、WO2006/027228-A1、 WO2006/066919和US2006/0250671-A1号专利申请中介绍过该系统；其所 有内容均引用于此作为参考，提供有用的背景信息帮助完整理解本发明。
回到本实施例，我们有多条光束，其中每条光束能对自身产生干扰； 光束照亮光调制器装置的表面。此外，聚焦元件阵列引导光束在接近指定 给至少一只观察者眼睛的眼睛位置重合。但是，聚焦元件边缘可能有衍射。 该实施例中，计算装置用以修正全息点数据的数值，从而补偿(i)聚焦元 件边缘的衍射和(ii)观察者瞳孔的空间过滤，以提供所需的相同亮度的 再现。
计算装置在修正全息点数据的数值时考虑一个或多个下列参数：聚焦 元件的几何形状设计；观察者到空间光调制器的距离；观察角度；瞳孔孔 径；光学波长；光源相干的程度；空间光调制器使用的调制类型。计算装 置也可补偿球面透镜像差。同样，如同下面更详细的说明，如果观察者的 瞳孔出现低通过滤，计算装置将会补偿其他情形可能发生的黑线。相反， 如果观察者的瞳孔出现高通过滤，则计算装置需要补偿其他情形可能出现 的亮线。
至于本发明的主题与光调制装置是否使用单一光源照亮，例如带有加 宽光束的强激光，或者使用无法彼此产生干扰、排列在独立照明单元，例 如LEDs的多重光源照亮无关。每个照明单元的聚焦装置包含至少一个独 立的聚焦元件，比如一个简单的例子透镜。但是同样也可以使用透镜系统， 例如串列式透镜阵列(tandem lens arrays)。聚焦元件将一起排列到安装 在光调制器装置附近的阵列中。阵列顺序与光源调制器装置的顺序可以相 互变换。
如同专利WO2006/119920中所述，每个能产生干扰的多重光束可由独 立的照明单元产生。此时，每个照明单元含有一个分开的光源，而所有照 明单元的聚焦元件将集中在阵列中。该发现利用了两个傅立叶变换在上述 再现过程中出现的结果。照明单元中的聚焦元件从聚焦元件平面到观察者 眼睛晶状体执行傅立叶变换。当第一傅立叶变换在眼睛晶状体重合时，观 察者眼睛晶状体将在各自眼睛的视网膜内执行第二傅立叶变换。第一傅立 叶变换时，将进行转换来自位于聚焦元件阵列平面的光分布。因而在瞳孔 平面上将出现光分布的傅立叶变换。瞳孔的有限范围将空间性地过滤光波 前的傅立叶变换，其中已经包含再现的干扰点。眼睛晶状体内空间频率的 零点因此总会位于光源图像的中心。
光源图像会出现在观察者瞳孔的内部或外部。该相对于瞳孔的光源位 置由光调制器装置使用的调制种类确定。该使用的调制种类取决于复杂的 全息影像值如何在光源调制器装置上编码。而使用的调制种类将最终决定 用于再现过程的衍射顺序以及虚拟观察者视窗所处的位置。
如果虚拟的观察者视窗的位置设定成光源成像在瞳孔内，则有限的眼 睛晶状体宽度将影响空间频率的低通过滤以并抑制高空间频率。该空间光 调制器的调制种类可例如借助于相位调制的光调制器实现。相比之下，如 果虚拟的观察者视窗设定成瞳孔在光源图像的旁边，则仅有高空间频率通 过眼睛晶状体。然后瞳孔就会变成高通过滤器。
第二傅立叶变换过程中，过滤的复杂振幅从瞳孔平面转换到视网膜 上。因此，再现场景的图像将出现在视网膜上，但在该场景中，由于瞳孔 的空间过滤效果丧失一些空间频率。
除能够有效使用振幅或者相位调制原理的光源调制器之外，本发明也 可应用于结合多重空间光调制器的光源调制器装置，其中空间光调制器使 用相同或者不同种类的调制。
因为在上述全息再现设备中，空间光调制器装置的工作原理和用来照 亮空间光调制器装置的聚焦装置的几何设计均以固定参数给出，因此，根 据本发明，借助于使用计算装置计算的校正组件，可以补偿再现过程中照 明所引起的光学误差；校正组件可用于对空间光调制器装置进行编码。
但是，计算过程中必须考虑，观察者的眼睛不能感知在光调制器装置 的照亮的调制器元件中编码的全息点数据图样，而是由于许多光波的干扰 出现的再现的空间物体光点。这些光波将由多个照亮的调制器元件的瞬间 调制值确定。因此，计算装置的任务是对关系到干扰结果的全部调制器元 件进行瞬间调制值的修正，以使得当出现空间物体点时，聚焦元件边缘的 光衍射效果就会被修正。
在本发明的优选实施例中，计算装置基于三维场景的物体数据计算全 息影像，并且重复执行下述步骤，以修正全息点数据图样：
考虑聚焦元件边缘的光源衍射、瞳孔的空间频率过滤以及聚焦元件的 像差模拟观察者如何从全息影像中看到样品物体的再现，
比较原始样品物体和再现的模拟样品物体的亮度分布，以及计算所需 要的矫正数值，
将前一步骤计算的矫正值应用于三维场景物体数据的亮度分布中。
本发明中更进一步的实施例在下面将有更详细的解释，并且将结合附 图加以说明。本发明的下文将结合带有平面银幕板的全息影像显示器进行 描述，其利用单色光直接在观察者眼前全息再现三维场景。然而，对所属 技术领域的技术人员来说，本发明显然可以应用于任何其他全息再现，例 如彩色全息再现。
图2表示包括观察者眼睛的相关光学组件在内的整个光学系统的设计 细节。该系统包含光源LSn，其发射能够产生干扰的光，以及含有透镜元 件2n的透镜阵列，其中一个光源和一个透镜元件一起表示一个照明单元， 用以照亮空间光调制器SLM表面区域。为了简化起见，只有一个光源LSn 和一个透镜阵列的透镜元件2n在图中表示，但总体而言，有n个光源以及 至少n个透镜元件，n代表大于1的整数。透镜元件2n以光束的形式投射光 源LSn，穿过穿透式光调制器SLM的局部受限区域。光调制器的其他区域 将由其他照明单元以相同方式照亮。透镜元件安排在平面阵列中，每个照 明单元的透镜元件从阵列平面到焦平面FP进行光学傅立叶变换FT1。所有 光束均进行调整，这样一来，一方面，其在离散区域R1-R3通过接近阵列 平面的光调制器SLM(见图1)，另一方面，其在位于眼睛晶状体AL平面 上并因此也在位于傅立叶变换FP的平面上的虚拟观察者视窗中重合，从而 形成共同的光波前。光调制器SLM包含用全息点数据图样进行编码的调制 器元件，使观察者的眼睛晶状体AL能感受到以带有空间排列的干扰点的 光波前的形式的再现场景，这仅与傅立叶变换FP平面内的观察者视窗中的 物体光点相对应。
如果透镜阵列和光调制器SLM相互交换，本发明的实施例同样可得以 实施。该情况下，要考虑到由调制器元件发射并穿过透镜元件到达观察者 眼睛的光，而不是要考虑照亮调制器元件的光。
如果观看再现场景时眼睛晶状体AL聚焦在阵列平面上，则阵列将带 有干扰点的光波前投射至视网膜NH。因此，将发生第二傅立叶变换FT2 而且瞳孔形成了眼睛晶状体的孔径。
因为瞳孔孔径有一定的限度，所以会空间性地过滤来自阵列平面的傅 立叶组成部分。这样，最低的空间频率总会位于光源图像的中心。
根据光源调制器所使用的调制种类，例如根据SLM是振幅调制还是相 位调制类型，就有直接将光源投射到瞳孔上的全息系统，以及瞳孔位于衍 射级中，因而瞳孔位于光源图像的旁边的系统。如果光源图像位于瞳孔内 部，则瞳孔将显示低通行为并且主要发射低空间频率。相反，如果瞳孔位 于光源图像的一侧，则将主要发射高空间频率。
结果，当计算编码的误差补偿时，必须分别考虑高通或低通过滤。补 偿的情形将借助于低通过滤的实施例做详细解释。
图3表示低通过滤对亮度上的影响，在此眼睛会察觉到均匀照亮的透 镜元件。该系统利用一种调制使得光源图像位于瞳孔内部，即眼睛晶状体 作为低通过滤器，而高空间频率被抑制。没有低通过滤，即带有不受限制 的瞳孔，眼睛将会看到矩形亮度分布的透镜元件，如图表中虚线所示。由 于实际上瞳孔有一个受限制的范围，因此亮度轮廓的边缘呈圆形，如实线 所示。这里透镜元件边缘的亮度是最初亮度的25％。亮度轮廓变圆的程度 取决于瞳孔的直径大小。瞳孔越小，在透镜边缘导致亮度误差的区域就越 宽。
因为相邻透镜元件由彼此不相干的光照亮，所以亮度分布以不相干的 方式重叠。缘于低通过滤效应的亮度轮廓变圆在这种情况下以黑线的方式 在相邻透镜元件间的过渡区被感知。
如图4所示，因为相邻透镜边缘重叠所感知的亮度，观察者的眼睛会 感知亮度降低的两个相邻透镜元件间的过渡区中心。因此，出现黑线，其 宽度既取决于瞳孔的直径，也取决于眼睛与光源调制器SLM间的距离。
透镜元件间过渡区中的亮度减退同样也取决于光产生干扰的能力。如 果使用部分相干光源，透镜元件边缘效应的感知就不如那么明显。这是为 什么计算补偿时也要把相干度(the degree of coherence)考虑在内的原因。
如果全息系统使用一种调制，其中有瞳孔的观察者视窗将位于衍射级 中，从而瞳孔将位于光源图像的旁边，那么瞳孔将呈现高通过滤行为并将 主要传播高空间频率。如图5所示，在这种情况下出现这样的亮度轮廓， 即在透镜元件的边缘显示出预期亮度程度的较大放大。该情况下，再现在 相邻透镜元件间所限定的区域内呈现为较亮。
除了瞳孔孔径与透镜元件边缘的相互作用之外，透镜边缘也会导致光 束出现偏斜错误，结果，导致再现空间的错误照亮。因为代表像差的一种 的球面像差，光束会错误性地偏斜到透镜元件的边缘附近。它们距离光源 调制器越远，光束就越向光轴偏斜。同样，透过相邻透镜元件的光束将因 为像差而向光学轴偏斜，因而有一个空间区域，其中没有可形成干扰点的 光。
透镜边缘的偏斜和随后瞳孔上的空间频率过滤以及像差，都可以通过 计算的方式进行量化。所有光学系统的参数，包括人的眼睛，都会在该计 算中用作参数。相干光学的方法，例如傅立叶光学和相干光追踪，均适用 于该目的。这样就可以计算出眼睛如何感知再现的物体。所需亮度与物体 光点的最终亮度的比值必须在在全息影像的计算过程中行修正。
在补偿空间频率过滤效应和像差时所要考虑的参数，取决于观察者的 距离、观察角度、瞳孔孔径、光学波长和光源的相干度。由于这些参数均 已知，所以不均匀亮度感知能在全息影像计算过程中可以补偿。
由于本发明所要应用到的全息再现系统在小型虚拟观察者视窗中呈 现再现，该类系统配备了眼睛搜寻器(eye finder)，其与根据眼睛位置的 变化追踪虚拟观察者视窗的装置相结合。根据优选实施例，该眼睛搜寻器 同样用于检测观察者眼睛的单个瞳孔孔径。可选择地，也可以不用确认个 人的瞳孔孔径，而是设定一个平均值，例如中等整体亮度时典型地为5毫 米。
补偿的首要选项是反复的全息影像计算。第一步中，全息影像借助于 公知的方法基于欲再现的所需物体数据进行计算。基于全息影像随后计算 出眼睛如何感知再现的场景，此时要考虑到透镜元件边缘的偏斜和随后的 瞳孔上的空间频率过滤以及像差。为每一物体光点计算所需亮度和最终亮 度的比例。该比例将用于全息影像计算的第二步中，其中场景的物体光点 的亮度值因此被调整，并且全息影像将根据调整的物体亮度进行重新计 算。例如，如果物体光点仅有所需亮度的80％，那么在第一步之后，亮度 将在第二步之前增至125％，因为125％乘以80％等于1。因为在单次重复后 可能达不到预期的再现质量，所以可能将重复这些处理步骤直至达到预期 的再现质量。
同样也可以预先对任意的物体光点生成补偿值。为此，可计算出物体 光点的亮度感知如何根据低通过滤和像差进行改变。给定观察者距离和瞳 孔孔径，此改变取决于物体光点与阵列平面的距离，其位置与透镜元件边 缘和波长有关。该相对于透镜元件边缘的位置通过从瞳孔中心画一条穿过 物体光点直至透镜阵列的直线确定。之后，计算该物体光源点的所需亮度 和感知亮度的比例。例如，如果物体光点仅有所需亮度的80％，则在全息 影像计算过程中，欲在该位置再现的任何物体的物体光点均将给出一个 125％的亮度校正因子。该校正因子取决于物体光点与透镜阵列的距离、 与透镜元件边缘相对的位置以及波长。与透镜元件相对的位置又取决于物 体光点在场景中的位置以及观察者的位置。
因为有多个参数，所以可以预先计算一组校正因子。在全息影像计算 的过程中，每个物体光点的校正因子的值可由这些预先计算的值确定。由 于该相对于透镜元件边缘的位置会随观察者移动而改变，因此全息影像须 在观察者移动时进行重新计算。
全息装置的应用领域可包括商业或者家庭使用的三维呈现，例如计算 机或者TV显示器，用以呈现信息或者娱乐内容。

权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种全息再现三维场景(4)中不均匀亮度感知补偿的方法，该三 维场景由物体光点(P1，P2，P3...)组成
其中计算装置以全息点数据图样对空间光调制器(SLM)的调制器元 件进行编码；
其中照明装置(LS1，LS2，LS3...)产生多个光束，每个该光束能对自 身产生干扰、并照亮空间光调制器装置(SLM)表面；
其中聚焦元件(21，22，23...)阵列(2)引导光束在指定给至少一个观 察者眼睛的位置附近重合，以及
其中在聚焦元件(21，22，23...)的边缘区域的光源传播的不均匀性导 致与聚焦元件边缘区域光学接触的空间光调制器装置上的受影响区域，
其中计算装置用于
限定位于受影响的区域中的全息影像点数据图样中的调制器元件和 相应的全息影像点；
针对限定的调制器元件，确定描述这些结合预期的来自观察者瞳孔 (AL)的过滤的这些光源传播不均匀影响的范围参数；
基于这些参数估计观察者在观看再现(4)时会感知到哪些由这些受 影响的区域所引起的再现三维场景的局部不均匀；以及
修正全息影像点数据图样中的对应值，使再现的物体光点 (P1，P2，P3，...)以正确的亮度呈现。
2.如权利要求1所述的方法，其中计算装置限定位于聚焦元件边缘的 光源衍射影响调制器元件照明的区域中的全息影像点数据图样中的那些 调制器元件。
3.如权利要求1所述的方法，其中计算装置限定接近聚焦元件(21，22， 23...)边缘的全息影像点数据图样中的那些元件。
4.如权利要求1至3任一项所述的方法，其中计算装置将聚焦元件(21， 22，23...)边缘的光源传播不均匀性和瞳孔(AL)上的空间频率过滤考虑 在内以修正全息影像点数据图样。
5.如权利要求1至3任一项所述的方法，其中修正全息影像点数据图样 时将瞳孔(AL)直径考虑在内。
6.如权利要求5所述的方法，其中眼睛搜寻器确定观察者瞳孔(AL) 的直径，利用该信息计算全息影像点数据图样。
7.如权利要求5所述的方法，其中计算装置基于光调制器装置(SLM) 被照亮表面的整体亮度估计瞳孔(AL)直径。
8.如权利要求1所述的方法，其中计算装置使用三维场景的物体光源 点数据、基于哪些限定的调制器元件实际上促成单个物体光点再现(4)， 来修正全息影像点数据图样，以使数据图样中要修正的全息影像点值的数 量降到最低。
9.如权利要求1所述的方法，其中基于瞳孔(AL)位置和物体点位置， 计算装置限定位于受聚焦元件边缘的光源传播不均匀性影响的区域内的 调制器元件，对这些调制器元件进行重新编码以弥补光源传播的不均匀 性。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述计算装置用于基于三维场景的 物体数据计算全息影像，并重复执行下列步骤，以修正全息影像点数据图 样：
将聚焦元件边缘区域的光传播的不均匀性以及瞳孔上的空间频率过 滤考虑在内模拟观察者如何基于全息影像看见再现的场景；
比较原始物体以及模拟物体再现的亮度分布，以识别再现的错误物体 光点；
为这些识别的物体光点计算修正值；
将这些修正值应用在物体光点上，并且重新计算全息影像点数据图 样，以实现修正的场景亮度分布。
11.如权利要求1所述的方法，其中计算装置用于基于三维场景的物体 数据计算全息影像，并且重复执行下列步骤：
将聚焦元件边缘区域的光传播的不均匀性以及瞳孔上的空间频率过 滤考虑在内模拟观察者如何看见从全息影像中再现的样本物体；
比较原始样本物体以及模拟样本物体再现的亮度分布，以识别再现的 错误样本物体光点；
为这些识别的图样物体光点计算修正值；
将这些修正值应用于三维场景的物体数据，并且重新计算全息影像点 数据图样，以实现修正的场景亮度分布。
12.如权利要求1所述的方法，其中计算装置为下列参数将修正值考虑 在内：
观察者位置和瞳孔(AL)直径；
再现所用的光的波长；
物体点和聚焦装置(2)之间的距离；
物体点相对于连接瞳孔(AL)和物体点并持续到聚焦装置(2)的直 线上的聚焦元件边缘的位置；
聚焦元件边缘的光衍射，以及瞳孔(AL)上的空间频率过滤。
13.如权利要求12所述的方法，其中记忆装置提供修正值。