BRPI0612417A2 - dispositivo para a reconstrução de cenas tridimensionais com hologramas de vìdeo - Google Patents

Abstract

DISPOSITIVO PARA A RECONSTRUçãO DE CENAS TRIDIMENSIONAIS COM HOLOGRAMAS DE VIDEO, que inclui meios de focalização óptica que dirigem luz suficientemente coerente de meios de luz para os olhos de pelo menos um observador através de um modulador espacial de luz que é codificado com informação holográfica. O dispositivo tem uma pluralidade de unidades de iluminação para iluminar a superfície do modulador espacial de luz (SLM); cada unidade compreende um elemento de focalização (21/22/23 ou 24) e um meio de luz (LS~1~/LS~2~/LS~3~ou LS~4~) que emite luz suficientemente coerentede tal forma que cada uma destas unidades de iluminação ilumine uma regiãoiluminada separada (R1/R2/R3 ou R4) da superfície e no qual o elemento de focalização e o meio de luz são arranjados de tal forma que a luz emitida pelo meio de luz (LS~1~ - LS~4~) coincida próximo dos ou nos olhos do observador.

Description

"DISPOSITIVO PARA A RECONSTRUÇÃO DE CENAS TRIDIMENSIONAISCOM HOLOGRAMAS DE VÍDEO"

Campo Técnico

A presente invenção se refere a um dispositivo displaypara a reconstrução de cenas tridimensionais (3D) com a utilização dehologramas de vídeo de grande área gerados em computador (CGH) codificadosem um modulador de luz espacial que inclui células eletronicamente controláveis.

As mencionadas células modulam a amplitude e/ou a fase da luz através dacodificação de cada célula com valores de holograma correspondentes a umholograma de vídeo. De maneira semelhante a displays autoestereoscópicos, areconstrução de hologramas de vídeo também tem como objetivo a apresentaçãode cenas bi- ou tridimensionais em movimento utilizando um display de vídeo.

Neste documento um CGH descreve um hologramacalculado a partir de uma cena. O CGH compreende números de valorescomplexos representando a amplitude e a fase das ondas de luz que sãonecessárias para a reconstrução da cena. O CGH pode ser calculado porexemplo pelo rastreamento coerente de raios, simulando a interferência entre aluz refletida pela cena e uma onda de referência, ou através de transformaçõesFourier ou Fresnel.

Um modulador de luz espacial (SLM) modula uma frentede ondas da luz entrante. Um SLM ideal seria capaz de representar números devalores complexos arbitrários, isto é, de controlar separadamente a amplitude e afase da onda de luz. No entanto, um SLM típico controla apenas uma daspropriedades, amplitude ou fase, com o efeito secundário indesejável de tambémafetar a outra propriedade.

Existem diferentes maneiras de controlar a luz emamplitude e fase, por exemplo, com um SLM de cristal líquido eletricamenteendereçado, com um SLM de cristal líquido opticamente endereçado, comdispositivos de micro-espelhos ou moduladores acústico-ópticos. A modulação daluz pode ser espacialmente contínua ou composta de células individualmenteendereçáveis, arranjadas de forma unidimensional ou bidimensional, binárias, demúltiplos níveis ou contínuas.Um modulador de luz espacial adequado para areconstrução holográfica de uma cena 3D é, por exemplo, um Display de CristalLíquido (LCD). Entretanto, esta invenção também pode ser aplicada a outrosmoduladores espaciais de luz controláveis que modulam uma frente de ondas deluz. A invenção também pode ser aplicada a moduladores espaciais de luzcontínuos, por exemplo, a um modulador espacial de luz opticamenteendereçável.

Fundamentos da Invenção

No presente documento, o termo "codificação" significa amaneira pela qual as células do modulador espacial de luz são alimentadas comvalores de controle das células do holograma de vídeo, de modo que uma cena3D possa ser reconstruída a partir dele.

Contrastando com displays autoestereoscópicos, emhologramas de vídeo um observador vê uma reconstrução óptica de uma frentede ondas de luz de uma cena tridimensional.

De acordo com a presente invenção, a cena 3D éreconstruída em um espaço que se estende entre os olhos do observador e omodulador de luz espacial (SLM). O SLM também pode ser codificado comhologramas de vídeo de tal forma que o observador veja objetos de uma cenatridimensional reconstruída na frente do SLM e outros objetos no ou atrás do SLM.

As células do modulador de luz espacial sãopreferencialmente células transmissivas que são atravessáveis pela luz, os raiosda qual são capazes de gerar interferências em pelo menos uma posição definidae sobre um comprimento coerente de alguns milímetros. Isto permite areconstrução holográfica com uma resolução adequada em pelo menos umadireção. Esta espécie de luz será referenciada como "luz suficientemente coerente".

Para assegurar suficiente coerência temporal, o espectroda luz emitida pela fonte de luz deve ser limitado a uma faixa de comprimento deonda adequadamente estreita, isto é, ele deve ser próximo de monocromático. Alargura da banda espectral de LEDs de alto brilho é suficientemente estreita paraassegurar a coerência temporal na reconstrução holográfica. O ângulo de difraçãono SLM é proporcional ao comprimento de onda, o que significa que apenas umafonte monocromática conduzirá a uma reconstrução nítida de pontos do objeto.Um espectro ampliado conduzirá a pontos de objeto ampliados e a reconstruçõesborradas do objeto. O espectro de uma fonte Laser pode ser considerado comomonocromático. A largura da linha espectral de um LED é suficientemente estreitapara facilitar boas reconstruções.

A coerência espacial se refere à extensão lateral da fontede luz. As fontes de luz convencionais, tais como LEDs ou LâmpadasFluorescentes de Catodo Frio, também podem atender estes requerimentos seirradiarem a luz através de uma abertura adequadamente estreita. A luz de umafonte Laser pode ser considerada como emanando de uma fonte de ponto dentrode limites de difração e, dependendo da pureza modal, conduz a umareconstrução nítida do objeto, isto é, cada ponto do objeto é reconstruído comoum ponto dentro dos limites de difração.

A luz de uma fonte espacialmente incoerente élateralmente estendida e provoca borrões no objeto reconstruído. A quantidade doborrado é dada pelo tamanho ampliado de um ponto do objeto reconstruído emdeterminada posição. Para usar uma fonte de luz espacialmente incoerente nareconstrução de um holograma, um compromisso deve ser encontrado entre obrilho e a limitação da extensão lateral da fonte com uma abertura. Quanto maisestreita a fonte de luz, melhor é a sua coerência espacial.

Uma fonte de luz em linha pode ser considerada comouma fonte de luz de ponto se observada de um ângulo reto em relação à suaextensão longitudinal. Ondas de luz podem, portanto, se propagar coerentementenesta direção, porém incoerentemente em todas as outras direções.

De modo geral, um holograma reconstrói uma cenaholograficamente através da sobreposição coerente de ondas nas direçõeshorizontal e vertical. Um holograma de vídeo deste tipo é denominado deholograma de paralaxe total. Dada uma janela de observação ou região deobservação suficientemente grande, o objeto reconstruído facilita a paralaxe demovimentos nas direções horizontal e vertical, como um objeto real. Entretanto,uma grande região de observação requer alta resolução em ambas as direçõeshorizontal e vertical do SLM.

Freqüentemente, as exigências do SLM são diminuídaspela restrição a um holograma de paralaxe somente horizontal. A reconstruçãoholográfica acontece somente na direção horizontal, enquanto que na direçãovertical não existe reconstrução holográfica. Isto resulta em um objetoreconstruído com movimento de paralaxe horizontal. A vista em perspectiva nãomuda com o movimento vertical. Um holograma de paralaxe somente horizontalrequer menor resolução do SLM na direção vertical do que um holograma deparalaxe total. Um holograma de paralaxe somente vertical também é realizávelmas incomum. A reconstrução holográfica acontece somente na direção vertical eresulta em um objeto reconstruído com movimento de paralaxe vertical. Nãoexiste movimento de paralaxe na direção horizontal. As diferentes vistas emperspectiva para o olho esquerdo e o olho direito devem ser criadasseparadamente.

Descrição da Invenção

Displays com moduladores espaciais de luz detecnologias LCD convencionais podem, por exemplo, ser utilizados paracodificação e reconstrução. Displays planos transmissivos conhecidos e de altaresolução podem ser utilizados para reconstruções de grandes áreas.

Moduladores de luz com células que modulamdiretamente a fase da luz podem ser preferencialmente utilizados, tais comomoduladores de luz baseados em células Freedericksz. Entretanto, esta invençãotambém pode ser aplicada a outros moduladores espaciais de luz.

Um sistema de iluminação para um holograma gerado emcomputador, no qual a representação de uma paralaxe vertical na reconstrução édesconsiderada, é exposto na WO 03/021363. O sistema de iluminação utilizauma fonte de luz em linha composta de fontes de luz de ponto convencionais.Esta fonte de luz em linha emite luz colimada. Ela está localizada no plano focaide uma lente cilíndrica arranjada em ângulo reto em relação a ela e cria umamultiplicidade de ondas planas, que iluminam um SLM em modo de transmissãoem vários ângulos de incidência. Contrastando com uma fonte de luz de ponto, aimagem é desta maneira iluminada uniformemente sem a necessidade de umdifusor.

O documento WO 00/75699 expõe um display holográficoque reconstrói um holograma de vídeo com a ajuda de hologramas parciais.Hologramas parciais codificados em um modulador de luz espacial comumeletronicamente endereçável (EASLM) são seqüencialmente projetados em umplano intermediário. Este processo é executado rápido o suficiente para que umobservador perceba as reconstruções de todos os hologramas parciais comsendo uma reconstrução única do objeto 3D inteiro.

Os hologramas parciais são arranjados em uma estruturaregular no plano intermediário por um sistema de iluminação e projeçãoespecialmente desenhado, por exemplo incluindo um obturador que é controladoem sincronismo com o EASLM e que permite somente a passagem do hologramaparcial correspondente e que particularmente anula as ordens de difração quenão são utilizadas. Dificuldades ocorrem ao realizar um sistema de iluminaçãopara iluminar cada holograma parcial com a coerência necessária e sob o ângulocorreto de reconstrução. Para evitar a utilização de uma lente grande comoelemento óptico da reconstrução, foi proposta a utilização de um conjunto delentes.

O documento WO 2004/044659 (US2006/0055994)arquivado pelo requerente também descreve um dispositivo para a reconstruçãode cenas tridimensionais através da difração de luz suficientemente coerente, quecontém uma fonte de luz de ponto ou fonte de luz em linha, uma lente para afocalização da luz e um modulador espacial de luz. Contrastando com displaysholográficos convencionais, o SLM em modo de transmissão reconstrói uma cena3D em pelo menos uma janela virtual de observação. Cada janela virtual deobservação está situada próxima dos olhos do observador e é restringida notamanho de modo que as janelas de observação estejam situadas em uma ordemde difração única, de tal forma que cada olho veja a reconstrução completa dacena tridimensional em um espaço de reconstrução em formato de tronco decone, que se estende entre a superfície do SLM e a janela de observação. Parapermitir uma reconstrução holográfica livre de distúrbios, o tamanho da janela deobservação não deve exceder o intervalo de periodicidade de uma ordem dedifração da reconstrução. No entanto, ele deve ser pelo menos grande osuficiente para a visualização da cena 3D inteira através da(s) janela(s). O outroolho pode ver através da mesma janela de observação ou pode ser atribuído auma segunda janela de observação, que é criada correspondentemente por umasegunda fonte de luz. Se os olhos do observador mudarem de posição, umsistema de rastreamento desloca as fontes de luz e com isto as janelas deobservação são rastreadas correspondentemente. Aqui, uma região devisibilidade, que seria tipicamente de grande tamanho, é limitada às janelaslocalmente posicionadas do observador. A solução conhecida reconstrói de umaforma reduzida a grande área resultante de uma superfície de alta resolução deum SLM convencional, reduzindo-a ao tamanho das janelas de observação. Istoconduz ao efeito de que os ângulos de difração, que são pequenos por razõesgeométricas, e a resolução da geração atual de SLMs são suficientes paraalcançar uma reconstrução holográfica de alta qualidade e em tempo real, com autilização de equipamentos de computação razoáveis, com nível de consumidor.

Entretanto, a solução conhecida apresenta adesvantagem de requerer uma lente de focalização grande, volumosa, pesada ecara em função da ampla área de superfície do SLM. Conseqüentemente, odispositivo tem uma grande profundidade e peso. Outra desvantagem érepresentada pelo fato de que a qualidade da reconstrução é reduzidasignificativamente em função das aberrações nas margens quando são utilizadaslentes de grande tamanho.

Uma desvantagem adicional das modalidades deexecução conhecidas é a insuficiente intensidade luminosa do SLM. As soluçõesatuais mostram uma intensidade luminosa da ordem de 1 cd/m2 e estão, portanto,bem abaixo da intensidade de um display convencional (ca. 100 cd/m2). Uma dasrazões do baixo brilho é a baixa intensidade das fontes de luz coerente do SLM.

Resumo da Invenção

Considerando as desvantagens das soluções anterioresmencionadas acima, o propósito desta invenção é o de prover um dispositivo paraa codificação de hologramas de vídeo de grande área, utilizando um moduladorespacial de luz convencional com um espaçamento relativamente grande decélulas, para a obtenção de reconstruções holográficas de alta qualidade emtempo real com razoável esforço de carga de computação, evitando ao mesmotempo as desvantagens anteriormente mencionadas.

Um propósito adicional desta invenção é o de aumentar aintensidade luminosa da reconstrução holográfica.

Para resolver este objetivo, a presente invenção utiliza umdispositivo para a reconstrução holográfica de cenas tridimensionais, através demeios de focalização óptica que direcionam luz suficientemente coerente, após amodulação por um modulador espacial de luz, codificada com informações dehologramas de vídeo, aos olhos de pelo menos um observador. Desse modo,uma cena tridimensional é reconstruída holograficamente no espaço que seestende entre o olho atribuído do observador e a superfície do modulador espacialde luz, através da difração da luz por células moduladoras de luz, de tal forma quea cena seja renderizada visível para ambos os olhos rastreados do observador.

Um modulador espacial de luz é codificado cominformações de hologramas de vídeo. Pelo menos um holograma de vídeo degrande área ou uma seqüência de hologramas de vídeo é codificada nomencionado modulador espacial de luz, o(s) holograma(s) de vídeo tendoinformações de paralaxe em ambas as direções horizontal e vertical, ou o(s)holograma(s) de vídeo tendo informações de paralaxe em apenas uma direção, eum modo de multiplexação de tempo mostrando a informação de paralaxefaltante. Se um modo de multiplexação de tempo mostra a informação deparalaxe faltante, a informação do holograma de vídeo contém dois hologramasde vídeo multiplexados em espaço, fornecendo simultaneamente a informação deparalaxe faltante para cada um dos olhos do observador.

De acordo com esta invenção, o meio de focalizaçãoconsiste do arranjo de uma multiplicidade de elementos de focalização. Junto comum meio atribuído de luz que emite luz suficientemente coerente, cada elementode focalização forma uma unidade separada de iluminação que ilumina umaregião discreta da superfície do modulador espacial de luz simultaneamente comoutras unidades de iluminação. O elemento de focalização e o meio de luz sãodispostos em cada unidade de iluminação de tal forma que os feixes de raiosemitidos pelas unidades de iluminação coincidam em uma janela virtual deobservação próxima dos olhos de pelo menos um operador. Cada uma dasunidades individuais de iluminação ilumina uma região local da superfície domodulador espacial de Iuz1 codificada com pelo menos um holograma de vídeoestendido. Todas as regiões iluminadas juntamente e simultaneamentereconstroem a cena tridimensional completa em um tronco de cone na frente dosolhos do observador.

Esta invenção reduz o volume e o peso do dispositivo,bem como, reduz significativamente as aberrações perturbadoras da lente; aintensidade luminosa aumenta.

Outra importante vantagem desta invenção reside no fatode que a luz emitida pelo meio de luz não necessita mostrar coerência entre asunidades individuais ativas de iluminação. Isto permite a utilização simultânea deuma multiplicidade de fontes de luz convencionais para a iluminação domodulador espacial de luz para aumentar a intensidade luminosa. Além disso, porser a luz de unidades adjacentes de iluminação incapaz de gerar interferência,isto impede a ocorrência de interferências múltiplas que seriam causadas por umamultiplicidade de posições de fontes de luz coerente.

A incoerência dos meios de luz de unidades adjacentesde iluminação aumenta favoravelmente a eficiência da difração, com a divisão dasuperfície do modulador espacial de luz em uma multiplicidade de pequenasregiões iluminadas por diferentes unidades de iluminação.

De acordo com este documento, cada meio de luz queemite luz suficientemente coerente pode conter um único elemento de luzcoerente na forma de uma fonte de luz de ponto ou uma fonte de luz em linha.

Alternativamente, um arranjo de fonte de luz com vários elementos de luz podetambém formar um meio completo de luz. Um arranjo deste tipo pode conterdiversas fontes de luz de ponto que formam uma fonte de luz em linha, ou fontesde luz de cores básicas que fornecem iluminação para hologramas coloridos.

Em uma modalidade preferida de execução da presenteinvenção, os elementos de focalização são lentes dispostas em um conjunto queforma uma lenticular.

No melhor modo de implementação da invenção, oselementos de focalização são lentes cilíndricas, também conhecidas comoIenticels. Neste caso, os meios atribuídos de luz são providenciados na forma defontes de luz em linha, dispostas em paralelo com o arranjo de lentes cilíndricas.

Os meios de luz emitem, portanto, luz que é suficientemente coerente somenteem uma direção preferida que é perpendicular à direção das linhas, de modo queuma reconstrução seja executada somente nesta direção com a paralaxecodificada correspondentemente. Esta modalidade de execução dos meios deiluminação gera hologramas de vídeo que são restritos a hologramas de paralaxesomente horizontal ou paralaxe somente vertical, respectivamente. Areconstrução holográfica acontece somente na direção ortogonal às linhas dasfontes de linha, visto que não existe reconstrução holográfica na direção dasfontes de linha. A necessária paralaxe faltante pode ser gerada, por exemplo, peloentrelaçamento espacial de diversos hologramas separados, unidimensionais.

De acordo com uma modalidade adicional de execução, aextensão dos elementos de focalização dos meios de focalização é escolhida detal forma que todas as imagens de um meio de luz através de elementos defocalização adjacentes sejam direcionadas significativamente para fora da visãodos olhos do observador. Isto reduz os distúrbios que podem acontecer comrepetições da reconstrução.

Uma solução para o entrelaçamento espacial doshologramas de vídeo e reconstrução foi descrita na aplicação anterior dopretendente W02006/027228 (US2006/050340), que não foi exposta até a datadesta aplicação. A necessária paralaxe horizontal é realizada pela reconstruçãode dois hologramas separados e unidirecionais, para uma paralaxe quecorresponde à distância dos olhos, ao invés da reconstrução de um segundoholograma de vídeo bidimensional. Em uma modalidade alternativa de execução,os dois hologramas de vídeo podem ser reconstruídos seqüencialmente emdiferentes janelas de observação.

As unidades de iluminação emitem preferencialmentefeixes de raios quase colimados que coincidem em uma janela virtual deobservação limitada a uma única ordem de difração e ao plano de observação. Ajanela virtual de observação está localizada próxima dos olhos do observador eestá no lugar no qual a reconstrução possa ser visualizada sem distúrbios.

Diafragmas de fendas podem ser dispostos entre osmeios de luz e os meios de focalização das unidades de iluminação para arealização de fontes de luz em linha suficientemente coerentes.

Em cada unidade de iluminação, a posição do meio de luzem relação à posição do meio de focalização define a localização no plano deobservação na qual os feixes de raios emitidos por todas as unidades deiluminação coincidem.

Por essa razão, por exemplo um obturador espacial de luztransmissivo e meios backlight correspondentes podem ser utilizados paraposicionar a(s) janela(s) de observação de acordo com a posição dos olhos doobservador, ativando linhas de iluminação correspondentes, por exemploelementos transmissivos do obturador iluminado disposto em um padrão delinhas.

Em uma modalidade de execução específica, o obturadorespacial de luz e os correspondentes meios backlight podem ser substituídos porum LED controlável ou por um arranjo de LEDs orgânicos. As fontes de luz deponto deste arranjo apresentam seções transversais pequenas e podem serativadas discretamente ou como fontes de luz em linha. Isto economizaconsiderável energia para iluminação. De modo semelhante a um diafragma defenda, cada fonte de luz em linha contendo um arranjo de LEDs satisfaz acondição de suficiente coerência por si mesma. Isto permite a realização de umaunidade de iluminação de formato compacto tendo alta eficiência de energia.

Em uma modalidade de execução adicional, os meios deluz podem ser realizados através do escaneamento de uma camada de dispersãocom um feixe Laser deflexionado. O feixe Laser é deflexionado por um defletor defeixe, por exemplo um espelho de escaneamento, e é focalizado na camada dedispersão. Os pontos nos quais o feixe Laser é incidente nesta camada dedispersão atuam como fontes de luz. Através do controle dos defletores de feixe eda modulação do feixe Laser por pulsos, qualquer arranjo desejado de fontes deluz pode ser gerado para iluminar os meios de focalização. O feixe Laser deve serfocalizado na camada de dispersão para gerar fontes de luz de pequeno tamanholateral. O ângulo de dispersão da camada de dispersão determina o ângulo sólidono qual a luz é emitida e deve ser escolhido de tal forma que o meio defocalização seja adequadamente iluminado. Um feixe Laser escaneado apresentaa vantagem que toda luz é utilizada para iluminar o meio de focalização e asuperfície do SLM. Nenhuma luz é absorvida no obturador transmissivo e aeficiência é aumentada.

Como o meio de focalização e o modulador espacial deluz estão localizados a uma distância mínima um do outro, suas posições tambémpodem ser trocadas.

O dispositivo de acordo com esta invenção possibilita autilização de meios de focalização com curtos comprimentos focais; e um displayholográfico de baixo peso e baixa profundidade pode ser realizado, que exibeintensidade de iluminação melhorada. Além disso, as aberrações sãominimizadas por que os elementos de focalização óptica apresentam reduzidasdimensões.

Em função do curto comprimento focai dos elementos defocalização, esta invenção é particularmente apropriada para utilizar meios de luzdispostos como arranjos de luz com fontes de luz de ponto que podem serativadas discretamente. O elemento de focalização de cada unidade deiluminação pode portanto ser atribuído a um padrão de linha única para umailuminação com formato de linha, ou a totalidade das unidades de iluminação dodispositivo pode ser atribuída a uma área única de luz.

Além disso, um sistema de detecção de posição detecta aposição espacial dos olhos do observador de uma maneira conhecida. Se aposição dos olhos do observador mudar, as janelas de observação são rastreadaspelo deslocamento das linhas ativadas de iluminação dos meios de iluminação.

Se a posição axial dos olhos do observador, isto é, suadistância ao display mudar, ou a distância entre os meios de luz e os meios defocalização ou o comprimento focai dos meios de focalização óptica podem seradaptados. Uma combinação de ambos os meios também é possível.Existem diferentes meios para adaptar o comprimentofocai dos meios de focalização. Lentes líquidas conhecidas utilizam a eletro-molhadura ou um volume líquido variável sob uma membrana deformável paraajustar o raio da curvatura e conseqüentemente o comprimento focai de umalente. Este princípio também pode ser aplicado a arranjos de lentes e lenticulares.

Também é possível variar o comprimento focai ajustando o índice de refração domeio de lente ou do meio hospedeiro circundante. Isto pode ser obtido commaterial de cristal líquido cujo índice refrativo pode ser controlado com aaplicação de um campo elétrico.

A última modalidade de execução com um arranjo de luzpossibilita a atribuição de uma multiplicidade de fontes de luz de ponto ou fontesde luz em linha que podem ser ativadas discretamente para cada elemento defocalização de uma unidade de iluminação. Um arranjo deste tipo pode serutilizado para rastrear os olhos de um observador da mesma forma como umamatriz de obturador iluminada com meios backlight. O sistema de detecção deposição anteriormente mencionado ativa para cada elemento de focalização umafonte de luz de ponto ou uma fonte de luz em linha, que corresponde com aposição atual dos olhos e conseqüentemente rastreia as janelas de observaçãode acordo com as mudanças na posição dos olhos.

O método e dispositivo de acordo com a presenteinvenção será agora descrito com mais detalhes com a ajuda de modalidades deexecução.

O princípio da invenção será explicado baseado emreconstruções holográficas com luz monocromática. Entretanto, fica aparente aosexperimentados no assunto que esta invenção também pode ser aplicada areconstruções holográficas coloridas. No último caso, cada célula, por exemplocontendo sub-pixels RGB que são arranjados em colunas de pixels, reconstróiindividualmente as porções de cores primárias necessárias para a representaçãocolorida de cenas tridimensionais, as mencionadas porções de cores sendosobrepostas de tal forma que um observador veja uma reconstrução colorida.

Breve Descrição dos Desenhos

A Figura 1 mostra um dispositivo para a reconstruçãoholográfica de uma cena 3D, com feixes de uma unidade de iluminação em umavista lateral.

A Figura 2 mostra o dispositivo para a reconstruçãoholográfica de uma cena 3D, com uma ordem de difração de três unidades deiluminação em uma vista lateral.

A Figura 3 mostra o dispositivo para a reconstruçãoholográfica de uma cena 3D, com os feixes de uma ordem de difração deunidades de iluminação adjacentes em uma vista lateral.

A Figura 4 mostra detalhes do dispositivo com diferentespontos de objeto de uma reconstrução e suas áreas de codificação restritas.

Descrição Detalhada da Invenção

Estes desenhos mostram esquematicamente detalhes dodisplay holográfico.

Na modalidade de execução descrita, um holograma devídeo é codificado em um modulador espacial de luz transmissivo SLM. Noentanto, moduladores de luz SLM transflectivos e refletivos também podem serutilizados, preferencialmente aqueles que modulam diretamente a fase das ondasde luz, tais como células Freedericksz.

Além disso, e para melhor entendimento, a modalidade deexecução descrita explica a utilização de hologramas codificados com umaparalaxe para a reconstrução de uma cena 3D, através da combinação de umdisplay holográfico e um autoestereoscópico. Uma modalidade de execuçãoespecífica como esta, utilizando multiplexação espacial de reconstruções éproposta pelo requerente na aplicação de patente W02006/027228(US2006/050340). Esta permite uma combinação de fontes de luz em linha,Ienticulares e elementos ópticos adicionais para a separação de imagensautoestereoscópicas convencionais. Os meios de separação de imagem,necessários para a separação dos dois hologramas de paralaxe espacialmentemultiplexados não são o objeto da invenção. Os meios de separação de imagemnão são mostrados nas figuras, por que vários métodos de multiplexação dehologramas de paralaxe podem ser utilizados como alternativa, como por exemplomultiplexação de tempo. Uma modalidade de execução utilizando multiplexaçãode tempo é proposta pelo requerente na aplicação de patente WO 2004/044659(US2006/055994).

Um holograma de vídeo com sobreposição coerente deondas na direção vertical não é influenciado pela separação de imagemautoestereoscópica na direção horizontal e vice-versa. A reconstrução holográficana direção vertical satisfaz a acomodação dos olhos. A separação de imagemautoestereoscópica em conjunto com a multiplicação espacial gera diferentesvistas em perspectiva para o olho esquerdo e o olho direito.

Entretanto, a presente invenção também pode serutilizada em um dispositivo para a reconstrução de hologramas de vídeo deparalaxe total. Este dispositivo utiliza unidades de iluminação contendo váriasfontes de pontos dispostas em uma matriz fonte, em combinação com um arranjode lentes rotacionalmente simétricas atribuídas.

É uma vantagem desta invenção, o fato de que todas asunidades de iluminação não necessitam encapsulamento em separado entre cadafonte de ponto linha e suas Ienticel atribuídas. A luz das unidades de iluminaçãoadjacentes pode se sobrepor em pequenas porções no arranjo de lentes.

A Figura 1 ilustra uma vista lateral mostrando trêselementos de focalização 21, 22, 23 de um meio de focalização vertical 2 naforma de lentes cilíndricas dispostas horizontalmente em um arranjo. Os feixesquase colimados de uma fonte de luz em linha horizontal LS2 passando atravésdo elemento de focalização 22 de uma unidade de iluminação e indo para umplano de observação OP são exemplificados.

De acordo com a invenção, múltiplas fontes de luz emlinha LSi, LS2, LS3 estão dispostas uma em cima da outra. Cada fonte de luzemite luz que é suficientemente coerente na direção vertical e que é incoerente nadireção horizontal. Esta luz passa através das células transmissivas do moduladorde luz SLM. A luz é difratada apenas na direção vertical pelas células domodulador de luz SLM que são codificadas com um holograma. O elemento defocalização 22 projeta uma fonte de luz LS2 no plano de observação OP em váriasordens de difração, das quais apenas uma é útil. Os feixes emitidos pela fonte deluz LS2 são exemplificados para passar somente através do elemento defocalização 22 do meio de focalização 2. Na Figura 1 os três feixes mostram aprimeira ordem de difração 4, a ordem zero 5 e a primeira ordem negativa 6.

Contrastando com uma fonte de luz de ponto única, umafonte de luz em linha permite a produção de intensidade luminosasignificativamente maior. A utilização de várias regiões holográficas com eficiênciajá aumentada e a atribuição de uma fonte de luz em linha a cada porção de umacena 3D a ser reconstruída, melhora a intensidade luminosa efetiva. Outravantagem reside no fato de que, ao invés de um Laser, uma multiplicidade defontes de luz convencionais, que são posicionadas atrás de um diafragma defenda, que também pode fazer parte de um obturador, geram luz suficientementecoerente.

A Figura 2 ilustra uma vista lateral mostrando o mesmodispositivo com fontes de luz em linha arranjadas horizontalmente LSi - LS3, e omeio de focalização 2 incluindo as lentes cilíndricas 21-23 para gerar feixesquase colimados, aqui para a primeira ordem de difração 4. Cada um dos feixesquase colimados ilumina uma região iluminada atribuída R1, R2 ou R3 dasuperfície do modulador de luz SLM. A extensão de cada região iluminada R1 -R3 é sinalizada com uma seta branca. Todos os feixes quase colimadoscoincidem no plano de observação op para formar pelo menos uma janela virtualde observação owl ou owr para o par de olhos de um observador. As janelas deobservação 0wl, 0wr, que estão situadas uma atrás da outra na vista lateralmostrada na Figura 2, são posicionadas, por exemplo, na primeira ordem dedifração 4 e se estendem através de uma parte de seu intervalo de periodicidade.

As fontes de luz LSi - LS3 estão dispostas próximas dadistância focai posterior das lentes cilíndricas 21 - 23. Ao invés da primeira ordemde difração mostrada neste exemplo, outras ordens de difração podem ser usadaspara a reconstrução, dependendo do modo de codificação do modulador de luzSLM utilizado. Por exemplo, quando um modulador de fase de luz SLM éutilizado, é possível usar a ordem de difração zero. Isto proporciona maior brilho.

Como mencionado acima, esta modalidade de execuçãoutiliza um modulador de luz codificado com um holograma de paralaxe. Istosignifica que para a reconstrução de uma cena 3D com informação de paralaxe, omodulador de luz deve ser codificado com dois hologramas e o display deveprover duas janelas virtuais de observação OWl e OWr1 separadas por meios deseparação autoestereoscópicos adicionais. Estes meios não são o objeto destainvenção.

As fontes de luz em linha LSi - LS3 e as lentes cilíndricas21-23 são arranjadas umas em relação às outras de tal forma que as lentesprojetem a luz das fontes de luz LS1 - LS3 para as janelas de observação OWl,OWr, com o que todas as reconstruções esquerdas e direitas sãorespectivamente separadas para o olho esquerdo e direito pelos meios deseparação, não mostrados, que estão dispostos um atrás do outro nesta vistalateral. Todos os feixes das unidades de iluminação difratados pelo modulador deluz SLM coincidem em uma, por exemplo na primeira ordem de difração. Em outramodalidade de execução, diferentes ordens de difração de luz emitidas pordiferentes unidades de iluminação de um dispositivo podem coincidir em umajanela de observação.

A Figura 3 ilustra uma vista lateral do dispositivomostrando unidades de iluminação, cada uma compreendendo uma fonte de luzem linha LSi - LS4. As lentes 21 - 24, junto com as lentes cilíndricas de outrasunidades de iluminação, não mostradas, formam uma lenticular. Cada uma daslentes cilíndricas alinhadas horizontalmente 21 - 24 focaliza a luz da fonte de luzem linha correspondente LSi - LS4 na direção vertical, resultando em umholograma contendo informação de paralaxe apenas na direção vertical. NestaFigura, a reconstrução 12 de uma cena é visível através de duas janelas deobservação OWl, OWr1 fornecendo a informação de paralaxe para o modotridimensional.

As unidades de iluminação fornecem feixes, cada umdeles iluminando sua própria região de iluminação do holograma de vídeo, que écodificado no modulador de luz SLM. Por essa razão, todos estes feixes dividem oholograma de vídeo codificado em regiões iluminadas R1 - R4.

Com referência à Figura 3, a região iluminada R4reconstrói a parte correspondente da reconstrução 12. No local onde os feixescoincidem, a reconstrução 12 pode ser alcançada de diversas maneiras. A cena3D é reconstruída ou de uma das regiões iluminadas R2, R3 ou R4, ouconjuntamente por partes de ambas. Entretanto, não existe diferença nasensação percebida pelo observador. Como mostrado acima, todas as unidadesde iluminação do dispositivo têm a mesma estrutura e dimensões e portantoapresentam propriedades comparáveis, apenas as posições das fontes de luz emlinha LSi - LS4 são individualmente adaptadas de acordo com a posição dosolhos do observador. Este dispositivo pode ser muito facilmente manufaturado.

A Figura 4 mostra a função da invenção com maisdetalhes. Contrastando com displays holográficos convencionais, de acordo coma invenção um primeiro ponto de objeto P1 de uma cena tridimensional écodificado somente com células arranjadas dentro de uma área restrita A1 domodulador de luz SLM. Adicionalmente, a Figura 4 mostra os pontos de objeto P2e P3 localizados em distâncias e posições diferentes em relação às janelasrastreadas de observação virtual OWl ou OWr. A posição de cada ponto deobjeto P1 - P3 define a localização na superfície do modulador de luz e adistância define a extensão da área restrita correspondente A1, A2 ou A3 nomodulador de luz SLM. Isto significa, que cada ponto de objeto P1, P2 e P3 temuma diferente extensão e localização da área restrita correspondente A1 - A3 .

De acordo com a invenção, as áreas restritas A1 - An detodos os pontos de objeto P1 - Pn devem ser reconstruídas por um número m deregiões iluminadas R1 - Rm. Na maioria dos casos o número m de regiões deiluminação é bem menor que o número η de pontos de objeto.

A área A1 é muito pequena e reconstrói o ponto de objetoP1 através de uma primeira unidade de iluminação, constituída pela fonte de luzLS3 e da lente 23 e fornecendo uma região iluminada R3. Contrastando com isso,a área A2 tem uma grande extensão e está localizada nas duas regiõesiluminadas R2 e R3, de tal forma que ambas as áreas iluminadas R2 e R3contribuam independentemente com a reconstrução do ponto de objeto P2. Aárea R3 também é muito pequena e reconstrói o ponto de objeto P3 através dasegunda unidade de iluminação, constituída unicamente pela fonte de luz LS2 epela lente 22.

Em uma modalidade de execução desta invenção, asíntensidades luminosas de unidades individuais de iluminação podem divergir deacordo com as propriedades específicas dos valores codificados de cada uma dasregiões iluminadas R1 - R4 correspondentes.

Um dispositivo de acordo com a presente invençãopermite diversas combinações preferenciais de fontes de luz e lentes:

Um arranjo de iluminação bidimensional de fontes depontos e um arranjo de focalização bidimensional de lentes rotacionalmentesimétricas é preferível para hologramas grandes de paralaxe total. Cada fonte deponto corresponde a uma lente. Cada fonte de luz deve iluminar apenas umaúnica lente do arranjo de lentes, o que facilita a divisão da quantidade total dofluxo luminoso necessário para muitas fontes de luz. Isto diminui os requerimentosde intensidade de cada fonte de luz. Um arranjo de lentes também é muito maisfácil de ser fabricado e menos volumoso do que uma lente grande e única com omesmo comprimento focai.

Um arranjo de iluminação com fontes em linha alinhadasverticalmente e um arranjo de focalização com lentes cilíndricas alinhadasverticalmente são utilizados para hologramas de paralaxe somente horizontal. Aslentes cilíndricas alinhadas verticalmente focalizam a luz na direção horizontal. Nadireção vertical não existe paralaxe de movimento. Cada fonte em linhacorresponde a uma lenticel.

Comparado com um arranjo de iluminação bidimensionalde fontes de ponto e um arranjo de focalização bidimensional de lentes, existe avantagem da Ienticular ser mais fácil de ser fabricada do que um arranjo 2D delentes esféricas. Os requerimentos de intensidade de uma fonte de luz em linhatambém são menores do que os de uma fonte de ponto: o fluxo de luz édistribuído em uma linha e não concentrado em um pequeno ponto.

Um arranjo de fontes de luz em linha alinhadashorizontalmente e um arranjo de lentes cilíndricas alinhadas horizontalmente sãoutilizados para a descrição dos hologramas de paralaxe somente vertical.

Como descrito acima, esta combinação de fontes de luz eIenticulares pode ser adicionalmente combinada com elementos ópticos para aseparação convencional autoestereoscópica de imagens. O holograma deparalaxe somente vertical com sobreposição coerente de ondas na direçãovertical não é influenciado pela separação autoestereoscópica de imagens nadireção horizontal e vice-versa. Isto resulta em uma combinação de um displayholográfico e autoestereoscópico. A reconstrução holográfica na direção verticalsatisfaz a acomodação dos olhos. A separação de imagem autoestereoscópicaem conjunto com a multiplicação espacial gera diferentes vistas em perspectivapara os olhos do observador.

Hologramas coloridos podem ser gerados commultiplexação temporal ou espacial. Na multiplexação temporal fontes de luz R1 Ge B são comutadas sincronicamente com os correspondentes conteúdos deholograma no SLM. Na multiplexação espacial três hologramas R, G e B sãomostrados em pixels R, G e B entrelaçados, iluminados por uma fonte de luzbranca espacialmente coerente ou por fontes separadas R1GeB.

Em uma modalidade de execução para a codificaçãocolorida, os sub-pixels alternativos RGB das três cores primárias reconstroem trêsporções individuais de cores primárias de uma cena 3D a partir de trêshologramas parciais correspondentes. As porções de cores primárias da cena 3Dcoincidem para formar uma reconstrução colorida para o observador.

De acordo com uma modalidade preferida de execuçãoda presente invenção, o arranjo de fontes de luz que ilumina o arranjo de lentes égerado por um dispositivo de projeção de luz. Um dispositivo de projeção de luzdeste tipo é preferencialmente realizado por um holograma gerado emcomputador, codificado em um modulador espacial de luz que reconstrói o arranjode fontes de luz.

Apêndice I

Introdução Técnica

A seção seguinte pretende ser uma introdução a diversastécnicas chave utilizadas em alguns dos sistemas que implementam a presenteinvenção.

Na holografia convencional, o observador pode ver areconstrução holográfica de um objeto (que poderia ser uma cena em mudança);sua distância ao holograma não é, entretanto, relevante. A reconstrução está, emum arranjo óptico típico, no ou próxima do plano de imagem da fonte de luziluminando o holograma e conseqüentemente está no plano Fourier doholograma. Portanto, a reconstrução tem a mesma distribuição de luz de campodistante do objeto do mundo real que está sendo reconstruído.

Um sistema anterior descrito pelo requerente nosdocumentos WO 2004/044659 e US 2006/0055994 define um arranjo muitodiferente, no qual o objeto reconstruído não está no ou próximo do plano Fourierda fonte de luz iluminando o holograma como um todo. Ao invés disso, uma janelazona virtual de observação está no plano Fourier do holograma; o observadorposiciona seus olhos neste local e só então uma reconstrução correta pode servisualizada. O holograma é codificado em um LCD ou outro tipo de moduladorespacial de luz e iluminado de tal forma que a janela de visualização se torna atransformação Fourier do holograma (portanto é uma transformação Fourier que éprojetada diretamente nos olhos); o objeto reconstruído é então a transformaçãoFresnel do holograma por que ele não se encontra no plano focai da lente. Ele é,ao invés disso, definido por uma distribuição de luz de campo próximo (modeladacom a utilização de frentes de onda esféricas, em oposição às frentes de ondaplanares de uma distribuição de campo distante). Esta reconstrução podeaparecer em qualquer lugar entre a janela de visualização no plano Fourier doholograma e o LCD ou mesmo atrás do LCD como objeto virtual.

Existem diversas conseqüências com esta abordagem.

Primeiro, a limitação fundamental para projetistas de sistemas holográficos devídeo é o espaçamento dos pixels do modulador de luz (LCD). O objetivo é o depermitir reconstruções holográficas de grande tamanho utilizando LCDs comespaçamentos de pixels disponíveis comercialmente e a um custo razoável. Masno passado isto tem sido impossível pela seguinte razão. O intervalo deperiodicidade entre ordens de difração adjacentes no plano Fourier é dado porXDIp, onde λ é o comprimento de onda da luz de iluminação, D é a distância doholograma ao plano Fourier e ρ é a distância entre os pixels do LCD. Mas, emdisplays holográficos convencionais, o objeto reconstruído se encontra no planoFourier. Portanto, um objeto reconstruído deve ser mantido menor que o intervalode periodicidade; se ele for maior, suas bordas irão borrar para dentro de umareconstrução de uma ordem de difração adjacente. Isto leva a objetosreconstruídos muito pequenos - tipicamente de apenas alguns centímetrostransversais, mesmo com displays caros e especiais com pequeno espaçamentoentre pixels. Mas, com a presente abordagem, a janela de visualização (que é,como mencionado acima, posicionada para estar no plano Fourier da fonte de luzde iluminação) necessita ter apenas o tamanho da pupila de um olho. Comoconseqüência, mesmo LCDs com um espaçamento moderado entre pixels podemser utilizados. Em razão de o objeto reconstruído poder preencher inteiramente otronco de cone entre a janela de visualização e o holograma, ele pode ser de fatobem amplo, isto é, bem maior que o intervalo de periodicidade.

Existe outra vantagem também, desdobrada em umavariação do sistema. Ao computar um holograma, começa-se com oconhecimento do objeto reconstruído - por exemplo, você pode ter um arquivo deimagem 3D de um carro de corridas. Este arquivo descreve como o objeto deveráser visto de um diferente número de posições de visualização. Na holografiaconvencional, o holograma necessário para gerar a reconstrução do carro decorridas é derivado diretamente do arquivo de imagem 3D em um processocomputacional intensivo. A abordagem da janela de visualização, entretanto,permite uma técnica diferente e computacionalmente mais eficiente. Partindo comum plano do objeto reconstruído, podemos computar a janela de visualização poisela é a transformação Fresnel do objeto. Executamos então o mesmoprocedimento para todos os planos do objeto, somando os resultados paraproduzir uma transformação Fresnel cumulativa; isto define o campo de ondasatravés da janela de visualização. Computámos então o holograma como atransformação Fresnel desta janela de visualização. Como a janela devisualização contém todas as informações sobre o objeto, apenas a janela devisualização de plano único necessita ser transformada no holograma e não oobjeto de múltiplos planos. Isto é particularmente vantajoso se não houver umaetapa única de transformação da janela de visualização no holograma, mas umatransformação iterativa como o Algoritmo iterativo da Transformação de Fourier.

Cada passo de interação compreende somente uma única transformação Fourierda janela de visualização, ao invés de uma transformação para cada plano doobjeto, resultando em um esforço de computação significativamente reduzido.

Outra interessante conseqüência da abordagem da janelade visualização, é que toda a informação necessária para a reconstrução de umdado ponto de objeto está contida dentro de uma seção relativamente pequena doholograma; isto contrasta com hologramas convencionais, nos quais a informaçãopara a reconstrução de um dado ponto de objeto está distribuída através de todoo holograma. Em função de necessitarmos codificar informação em uma seçãosubstancialmente menor do holograma, isto significa que a quantidade deinformação que necessitamos para processar e codificar é bem menor que anecessária para um holograma convencional. Isto por sua vez significa, quedispositivos de computação convencionais (por exemplo, um DSP convencionalcom custo e desempenho adequado para o mercado de consumo de massa)pode ser utilizado mesmo para holografia de vídeo em tempo real.

Existem, entretanto, algumas conseqüências menos quedesejáveis. Primeiro, a distância de visualização do holograma é importante - oholograma é codificado e iluminado de uma maneira tal que somente quando osolhos são posicionados no plano Fourier do holograma a reconstrução correta évista; enquanto que em hologramas normais, a distância de visualização não éimportante. Existem, no entanto, várias técnicas para reduzir esta sensibilidade Zou para contorná-la.

Também, em função do holograma ser codificado eiluminado de uma maneira tal que reconstruções holográficas corretas possamser vistas somente a partir de uma pequena e precisa posição de visualização(isto é, Z precisamente definido, como mencionado acima, mas tambémcoordenadas X e Υ), o rastreamento de olhos pode ser necessário. Assim comocom a sensibilidade Z, existem várias técnicas para reduzir a sensibilidade X, You para contorná-la. Por exemplo, à medida que o espaçamento entre pixelsdiminui (como acontece com os avanços na manufatura de LCDs), o tamanho dajanela de visualização vai aumentar. Além disso, técnicas de codificação maiseficientes (tal como a codificação Kinoform) facilitam a utilização de uma partemais larga do intervalo de periodicidade como janela de visualização econseqüentemente o aumento da janela de visualização.A descrição acima partiu do princípio que estamos lidandocom hologramas Fourier. A janela de visualização está no plano Fourier doholograma, isto é, no plano de imagem da fonte de luz. Como uma vantagem, aluz não difratada é focalizada no assim chamado ponto-DC. A técnica tambémpode ser utilizada para hologramas Fresnel nos quais a janela de visualizaçãonão se encontra no plano de imagem da fonte de luz. Entretanto, cuidados devemser tomados para que a luz não difratada não seja visível como uma imagemperturbadora de fundo. Outro aspecto a ser observado, é que o termotransformação deve ser interpretado para incluir qualquer técnica matemática oucomputacional que seja equivalente a ou se aproxime de uma transformação quedescreva a propagação da luz. Transformações são meramente aproximações deprocessos físicos mais precisamente definidos por equações Maxwellian depropagação de ondas; transformações Fresnel e Fourier são aproximações desegunda ordem, mas têm a vantagem de (a) por serem elas algébricas aocontrário de diferenciais, elas podem ser manipuladas de uma maneiracomputacional eficiente e (ii) podem ser implementadas corretamente emsistemas ópticos.

Apêndice Il

Glossário de Termos Utilizados na Descrição

Holograma Gerado em Computador

Um holograma de vídeo gerado em computador CGH deacordo com esta invenção é um holograma que é calculado a partir de uma cena.

O CGH pode compreender números de valores complexos representando aamplitude e a fase das ondas de luz que são necessárias para a reconstrução dacena. O CGH pode ser calculado, por exemplo, através do rastreamento coerentede raios, através da simulação da interferência entre a cena e uma onda dereferência, ou através de transformações Fourier ou Fresnel.

Codificação

A codificação é o procedimento pelo qual um moduladorespacial de luz (por exemplo suas células constituintes) é alimentado com valoresde controle do holograma de vídeo. De modo geral, um holograma consiste denúmeros de valores complexos representando amplitude e fase. Usualmente umSLM não é capaz de controlar separadamente a amplitude e a fase de uma ondade luz. O SLM é ou um modulador de amplitude ou um modulador de fase,freqüentemente com o efeito lateral indesejado de afetar também a outrapropriedade. Portanto, a codificação depende do tipo de modulação. Por exemplo,para um SLM puramente modulador de amplitude, a codificação Burckhardt podeser utilizada, na qual três células adjacentes do SLM e o desvio de fase sãoutilizados para representar um número complexo por três valores reais positivos.

Para um SLM puramente modulador de fase, um número complexo pode serrepresentado por duas células adjacentes.

Área Codificada

A área codificada é tipicamente uma área espacialmentelimitada do holograma, na qual a informação de um ponto único de uma cena doholograma é codificada. A limitação espacial pode ser realizada ou por umtruncamento abrupto ou por uma transição suave obtidos pela transformaçãoFourier de uma janela de observação para o holograma de vídeo.

Transformação Fourier

A transformação Fourier é utilizada para calcular apropagação da luz no campo distante do modulador espacial de luz. A frente deondas é descrita por ondas planas.

Plano Fourier

O plano Fourier contém a transformação Fourier dadistribuição da luz no modulador espacial de luz. Sem qualquer lente defocalização o plano Fourier é infinito. O plano Fourier é igual ao plano contendo aimagem da fonte de luz se uma lente de focalização estiver no caminho da luzpróxima do modulador espacial de luz.

Transformação Fresnel

A transformação Fresnel é utilizada para calcular apropagação da luz no campo próximo do modulador espacial de luz. A frente deondas é descrita por ondas esféricas. O fator de fase da onda de luz compreendeum termo que depende quadraticamente da coordenada lateral.

Tronco de Cone

Um tronco de cone virtual é construído entre uma janelade observação e o SLM1 e se estende atrás do SLM. A cena é reconstruída dentrodeste troco de cone. O tamanho da cena reconstruída é limitado por este troncode cone e não pelo intervalo de periodicidade do SLM.

Meio de Luz

O meio de luz consiste ou de uma fonte de luz coerentecomo um Laser ou de uma fonte de luz parcialmente coerente como um LED. Acoerência temporal e espacial da fonte de luz parcialmente coerente deve sersuficiente para facilitar uma boa reconstrução de uma cena, isto é, a larguraespectral da linha e a extensão lateral da superfície emissora devem sersuficientemente estreitas.

Janela de Observação (OW)

Uma janela de observação é uma janela virtual no planode observação através da qual o objeto 3D reconstruído pode ser visualizado. Ajanela de observação é a transformação Fourier do holograma e está posicionadadentro de um intervalo de periodicidade para evitar que múltiplas reconstruçõesdo objeto sejam visíveis. O tamanho da OW deve ser pelo menos o tamanho dapupila de um olho. A OW pode ser bem menor que o alcance lateral domovimento do observador se pelo menos uma OW está posicionada nos olhos doobservador com um sistema de rastreamento do observador. Isto facilita autilização de um SLM com resolução moderada e portanto com um intervalo deperiodicidade estreito. A OW pode ser imaginada como um buraco de fechaduraatravés do qual o objeto 3D reconstruído pode ser visualizado, ou com uma OWpara cada olho ou uma OW para ambos os olhos juntos.

Intervalo de Periodicidade

O CHG é amostrado se ele for exibido em um SLMcomposto de células individualmente endereçáveis. Esta amostragem leva a umarepetição periódica do padrão de difração. O intervalo de periodicidade é λϋ/ρ,onde λ é o comprimento de onda, D a distância do holograma ao plano Fourier, eρ a distância entre as células do SLM.

Reconstrução

O modulador espacial de luz iluminado e codificado com oholograma reconstrói a distribuição original da luz. Esta distribuição da luz foiutilizada para calcular o holograma. Da maneira ideal, o observador não seriacapaz de distinguir a distribuição da luz reconstruída da distribuição original daluz. Na maioria dos displays holográficos a distribuição da luz da cena éreconstruída. Em nosso display, apenas a distribuição da luz na janela deobservação é reconstruída.

Cena

A cena a ser reconstruída é uma distribuição de luztridimensional real ou gerada em computador. Em um caso especial, ela podetambém ser uma distribuição de luz bidimensional. Uma cena pode constituirdiferentes objetos fixos ou móveis arranjados em um espaço.

Modulador Espacial de Luz (SLM)

Um SLM é utilizado para modular a frente de ondas da luzentrante. Um SLM ideal seria capaz de representar números arbitrários de valorescomplexos, isto é, de controlar separadamente a amplitude e a fase de uma ondade luz. Entretanto, um SLM típico controla apenas uma propriedade, ou aamplitude ou a fase, com o indesejado efeito lateral de também afetar a outrapropriedade.

Claims (19)

1. DISPOSITIVO PARA A RECONSTRUÇÃO DE CENASTRIDIMENSIONAIS COM HOLOGRAMAS DE VÍDEO, caracterizado pelo fato deo dispositivo compreender meios de focalização óptica que direcionam luzsuficientemente coerente de meios de luz para os olhos de pelo menos umobservador através de um modulador espacial de luz que é codificado cominformação holográfica; dito dispositivo contendo uma pluralidade de unidades deiluminação para iluminar a superfície do modulador espacial de luz (SLM)1 cadaunidade compreendendo um elemento de focalização (21/22/23 ou 24), e ummeio de luz (LS1/LS2/LS3 or LS4) que emite luz suficientemente coerente de talforma que cada uma dessas unidades de iluminação ilumine uma regiãoiluminada separada (R1/R2/R3 ou R4) da superfície, e no qual o elemento defocalização e o meio de luz são arranjados de tal forma que a luz emitida pelomeio de luz (LS1 - LS4) coincida próximo dos ou nos olhos do observador.

2. DISPOSITIVO PARA A RECONSTRUÇÃO DE CENASTRIDIMENSIONAIS COM HOLOGRAMAS DE VÍDEO, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de o dispositivo também compreenderuma multiplicidade de meios de luz (LS1 - LS4) que são mutuamente incoerentespara a iluminação simultânea da superfície do modulador espacial de luz paraaumentar a intensidade luminosa.

3. DISPOSITIVO PARA A RECONSTRUÇÃO DE CENASTRIDIMENSIONAIS COM HOLOGRAMAS DE VÍDEO, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que no dispositivo meios decomputação codificam o modulador espacial de luz (SLM) independente doslimites entre as regiões iluminadas (R1 - R4) de tal forma que todas as regiõesiluminadas (R1 - R4) reconstruam simultaneamente a cena tridimensionalutilizando o mesmo holograma de vídeo.

4. DISPOSITIVO PARA A RECONSTRUÇÃO DE CENASTRIDIMENSIONAIS COM HOLOGRAMAS DE VÍDEO, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que no dispositivo as regiõesiluminadas (R1 - R4) são iluminadas com diferentes intensidades.

5. DISPOSITIVO PARA A RECONSTRUÇÃO DE CENASTRIDIMENSIONAIS COM HOLOGRAMAS DE VÍDEO, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que no dispositivo o moduladorespacial de luz (SLM) inclui células eletronicamente controláveis codificadas comvalores de holograma correspondentes a um holograma de vídeo e no qual asunidades de iluminação emitem feixes de raios que coincidem dentro de umintervalo de periodicidade da transformação Fourier do modulador espacial de luz(SLM) em pelo menos um plano focai do meio de focalização.

6. DISPOSITIVO PARA A RECONSTRUÇÃO DE CENASTRIDIMENSIONAIS COM HOLOGRAMAS DE VÍDEO, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que no dispositivo os elementos defocalização (21 - 24) projetam os meios de luz (LS1 - LS4) no plano focai no qualtodas as imagens coincidem.

7. DISPOSITIVO PARA A RECONSTRUÇÃO DE CENASTRIDIMENSIONAIS COM HOLOGRAMAS DE VÍDEO, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que no dispositivo os elementos defocalização (21 - 24) são lentes.

8. DISPOSITIVO PARA A RECONSTRUÇÃO DE CENASTRIDIMENSIONAIS COM HOLOGRAMAS DE VÍDEO, de acordo com areivindicação 7, caracterizado pelo fato de que no dispositivo os elementos defocalização (21 - 24) são lentes cilíndricas arranjadas como uma Ienticular e noqual os meios de luz (LS1 - LS4) são fontes de luz em linha.

9. DISPOSITIVO PARA A RECONSTRUÇÃO DE CENASTRIDIMENSIONAIS COM HOLOGRAMAS DE VÍDEO, de acordo com areivindicação 8, caracterizado pelo fato de que no dispositivo as fontes de luz emlinha são formadas por diafragmas de fenda.

10. DISPOSITIVO PARA A RECONSTRUÇÃO DECENAS TRIDIMENSIONAIS COM HOLOGRAMAS DE VÍDEO, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que no dispositivo os meios de luz sãoarranjados em um padrão com fontes de luz controláveis e endereçáveis quepodem ser endereçadas e ativadas discretamente e o dispositivo contém umsistema de detecção de posição e de controle que calcula e ativa as fontes de luzendereçadas de acordo com dados calculados de posição para o rastreamento daluz dirigida de acordo com a posição dos olhos do observador.

11. DISPOSITIVO PARA A RECONSTRUÇÃO DECENAS TRIDIMENSIONAIS COM HOLOGRAMAS DE VÍDEO, de acordo com areivindicação 10, caracterizado pelo fato de que no dispositivo o sistema dedetecção de posição desloca as fontes ativadas do arranjo de acordo com asmudanças laterais na posição dos olhos do observador.

12. DISPOSITIVO PARA A RECONSTRUÇÃO DECENAS TRIDIMENSIONAIS COM HOLOGRAMAS DE VÍDEO, de acordo com areivindicação 10, caracterizado pelo fato de que no dispositivo o sistema dedetecção de posição e controle adapta as distâncias entre as fontes ativadas doarranjo de acordo com as mudanças na distância entre o observador e odispositivo.

13. DISPOSITIVO PARA A RECONSTRUÇÃO DECENAS TRIDIMENSIONAIS COM HOLOGRAMAS DE VÍDEO, de acordo com areivindicação 12, caracterizado pelo fato de que no dispositivo a distância entre osmeios de luz e os meios de focalização óptica é adaptável.

14. DISPOSITIVO PARA A RECONSTRUÇÃO DECENAS TRIDIMENSIONAIS COM HOLOGRAMAS DE VÍDEO, de acordo com areivindicação 12, caracterizado pelo fato de que no dispositivo o comprimentofocai do meio de focalização óptica é adaptável.

15. DISPOSITIVO PARA A RECONSTRUÇÃO DECENAS TRIDIMENSIONAIS COM HOLOGRAMAS DE VÍDEO, de acordo com areivindicação 10, caracterizado pelo fato de que no dispositivo um sistema deprojeção de luz eletronicamente controlável realiza o arranjo da luz e no qual osistema de projeção de luz consiste preferencialmente de um modulador espacialde luz adicional codificado com um holograma gerado em computador.

16. DISPOSITIVO PARA A RECONSTRUÇÃO DECENAS TRIDIMENSIONAIS COM HOLOGRAMAS DE VÍDEO, de acordo com areivindicação 10, caracterizado pelo fato de que no dispositivo o meio de luz emcada unidade de iluminação é um arranjo de fontes de luz de ponto que sãodiscretamente ativadas.

17. DISPOSITIVO PARA A RECONSTRUÇÃO DECENAS TRIDIMENSIONAIS COM HOLOGRAMAS DE VÍDEO, de acordo com areivindicação 10, caracterizado pelo fato de que no dispositivo o meio de luz emcada unidade de iluminação é um arranjo em linha de fontes de luz de ponto quesão discretamente ativadas.

18. DISPOSITIVO PARA A RECONSTRUÇÃO DECENAS TRIDIMENSIONAIS COM HOLOGRAMAS DE VÍDEO, de acordo com areivindicação 10, caracterizado pelo fato de que no dispositivo um arranjo de luzúnica fornece os meios de luz (LS1 - LS4) que emitem luz suficientementecoerente para todas as unidades de iluminação do dispositivo e no qual cadaelemento de focalização de uma unidade de iluminação é atribuído a umamultiplicidade de fontes de luz de ponto ou fontes de luz em linha que sãodiscretamente ativadas e no qual o sistema de detecção e controle de posiçãoativa para cada elemento de focalização uma fonte de luz de ponto ou uma fontede luz em linha que corresponde com a posição corrente dos olhos doobservador.

19. DISPOSITIVO PARA A RECONSTRUÇÃO DECENAS TRIDIMENSIONAIS COM HOLOGRAMAS DE VÍDEO, de acordo com areivindicação 5, caracterizado pelo fato de que no dispositivo a extensão doselementos de focalização dos meios de focalização é escolhida de uma maneiratal que toda a luz de um meio de luz através dos elementos adjacentes defocalização seja dirigida significativamente para fora do intervalo de periodicidadeda transformação Fourier do modulador espacial de luz (SLM).