[发明专利]用于编码重建三维物体的复值信号的方法和装置

说明书

本发明涉及一种将计算机生成的全息图(CGH)的复值信号编码到用于重建三维物体(4)的相位调制光学元件(3)的方法，以及用于编码计算机生成的全息图(CGH)的复值信号的计算机程序产品。本发明进一步涉及用于重建三维物体(4)的全息显示器(10)。本发明的目的是减少在相位编码的基础上通过迭代方法对复值空间分布进行编码的复杂性，从而更快地显示所得到的计算机生成的全息图，但具有相同或改进的重建质量。尤其地，迭代优化期间的收敛应该加速。这是通过一种方法实现的，在该方法中使用全息图平面(7)以及重建平面(6)的自由度，从而优化迭代方法，以在信号范围(SW)内获得快速收敛并使衍射效率最大化。这还通过相应的计算机程序产品和相应的全息显示器(10)来实现。

本发明涉及一种用于将计算机生成的全息图(CGH)的复值信号编码到用于重建三维物体的相位调制光学元件内的方法，其中使用用于计算机生成的全息图(CGH)的迭代计算的变换算法。

本发明还涉及一种用于将计算机生成的全息图(CGH)的复值信号编码到相位调制光学元件内的计算机程序产品，以及一种用于重建三维物体的全息显示器。

计算机生成的全息图(CGH)基于CGH的衍射结构处的足够相干的电磁波的衍射原理，并且用于各种领域，例如数字全息术、全息成像、激光束成形、无掩模光刻和光学测量技术。全息图的衍射过程也称为重建。所述典型应用中的共同目标是通过CGH处的入射波场的衍射产生具有确定的相位分布和振幅分布的期望波场。

全息图处的衍射可以理解为将入射波调制成期望的出射波。如果已知入射波和合成波，则可以以合适的形式计算并产生全息图函数H_i(x,y)的理想所需的复合振幅：在这种情况下，使用术语计算机生成的或合成的全息图。

计算理想全息图函数的步骤也称为全息图合成。在随后的编码步骤中，全息图函数H_i(x,y)的复合振幅被转换成可以由给定调制器的特性产生的形式，即其可表示的值范围。在该编码步骤(也称为全息图表示)中，全息图函数H_i(x,y)的理想所需的复合振幅被转换为实际可表示的形式H_r(x,y)。

现有技术中已知的全息图表示方法可以分为以下两类：在直接表示的情况下，入射波U₀(x,y)由CGH直接调制，使得重建波U_R(x,y)直接从CGH中出现。这对应于以U_R(x,y)＝U₀(x,y)H_r(x,y)的形式表示的乘法调制。这种直接表示的最著名的示例是kinoform CGH。

在编码表示中，CGH的信号函数H_r(x,y)不直接对应于H_i(x,y)，而是通过编码规则H_r(x,y)＝F[H_i(x,y)]彼此链接，其中F是编码规则。

各种编码全息图表示方法的共同特征是全息图被分成各种离散分辨率单元，也称为宏像素，其又相应地进一步细分为所谓的子单元，也称为子像素。传统上，信号函数H_i(x,y)的复合振幅被分解为纯振幅值或纯相位值。这种间接或编码表示的示例是迂回相位全息图或双相全息图。

本发明涉及所提到的第二种全息图表示方法，其具有信号函数的编码再现，特别是全息图函数H_r(x,y)的时间优化迭代计算，其可以由纯相位值表示。

具有预定振幅分布和相位分布的复值重建波的产生尤其对于全息3D成像是重要的，因为全息图相位包含待重建的场景的深度信息，而重建的灰度值分布或颜色分布通过全息图振幅确定。对于利用全息显示器的辅助的实时全息3D成像，实时能力的全息图合成和光学元件(即，通常是空间光调制器(SLM))表示计算机生成的全息图的具体特性将被考虑在内，因为这不仅影响重建质量，而且影响编码所需的计算工作量。