用于高景深全息图的全息图像装置的制作方法

本申请要求2016年12月27日提交的题为“highdepthoffieldholograms”的美国临时专利申请no.62/439,390的优先权和权益，该美国临时专利申请通过引用将其全文合并于本文。

背景技术：

本公开一般涉及图像显示，并且更特别地涉及用于显示全息图像的装置和方法。

本部分旨在向读者介绍可能与以下描述和/或要求保护的本技术的各种方面相关的本领域的各种方面。该讨论被认为有助于向读者提供背景信息以促进对本公开的各种方面的更好理解。因而，应当理解的是，这些陈述应当从这个角度来被解读，而不是作为对现有技术的承认。

全息图通过照射全息介质（例如，全息面板或印花）来被产生，该全息介质将从场景传出的光场编码为干涉图样。当利用光源合适地照射全息介质时，干涉图样将光衍射成三维（3d）全息图图像，其表现出诸如视差和透视之类的视觉深度提示。另外，全息图可以包括多个3d全息图图像（例如，多通道全息图），其中每个图像对应于观察者的相应方位或者对应于光源的入射角。最近，存在日益增长的兴趣来使用全息介质创建可以在没有特殊眼镜或其他中间光学器件的帮助下看到的场景的3d记录。然而，由于各种因素（诸如激光的相干长度和全息面板的质量），当前的全息技术可能具有有限的景深（dof），从而导致全息面板的有限的全息元件分辨率。

技术实现要素：

下面讨论在范围上与原始要求保护的主题相当的某些实施例。这些实施例不旨在限制本公开的范围。实际上，本公开可以涵盖可以与下面阐述的实施例类似或不同的各种各样的形式。

根据本公开的一个方面，全息图像装置包括多个全息面板，每个全息面板包括利用复合全息图图像的一部分进行编码的透明面板。全息图图像装置还包括：一个或多个光源，其被配置成从一个或多个入射角照射多个全息面板中的每个全息面板以产生复合全息图图像。

根据本公开的另一方面，形成复合全息图的方法包括：将全息面板彼此相邻地放置，使得相邻的全息面板之间存在间隙，其中该间隙使得相邻的全息面板的相应景深与彼此重叠。该方法还包括：使用一个或多个光源从一个或多个入射角照射全息面板以产生复合全息图。

根据本公开的另一方面，全息面板包括：利用复合全息图图像的仅一部分编码的透明面板，其中该透明面板相对于可见光是透明的。

附图说明

本发明的这些和其它特征、方面以及优点在参考附图来阅读下面的详细描述的时候将变得更好理解，在附图中，相同的字符遍及附图表示相同的部分，其中：

图1是根据实施例的全息图像装置的示意图的透视图；

图2是根据实施例的全息图像装置的示意图的透视图，该全息图像装置包括多个全息面板以形成复合全息图图像；

图3a、3b和3c是根据本公开的实施例的多个全息面板的布置的示例；

图4是根据实施例的由图2的全息图像装置产生的复合全息图图像的示意图的透视图；

图5是根据实施例的图2的全息图像装置的框图；

图6是图示了根据实施例的使用图2的全息图像装置形成复合全息图的方法的示例的流程图；以及

图7是图示了根据实施例的用于操作图2的全息图像装置的方法的示例的流程图。

具体实施方式

下面将描述本公开的一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的简洁描述，在说明书中可能没有描述实际实现方式的全部特征。应当领会的是，在任何此类实际实现方式的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出众多实现方式特定的决策来实现开发者的特定目标，诸如符合系统相关和商业相关的约束，这些约束可能从一个实现方式到另一个实现方式而变化。而且，应当领会的是，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员而言将仍然是设计、制造和制作的例行任务。

当介绍本公开的各种实施例的要素时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在意指存在要素中的一个或多个。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包括性的并且意指除了所列要素之外可能还存在附加的要素。

如上所述，虽然在使用全息介质（例如，全息面板或印花）来创建场景的3d记录方面存在日益增长的兴趣，但是当前的全息图技术可能具有有限的景深（dof），从而导致全息介质的有限的全息元素分辨率。照此，在3d图像接近全息面板表面的平面时，在全息面板上创建的任何3d图像看起来最清晰、最对焦（in-focus），并且更远离表面平面的图像变得模糊且失焦。确保整个3d图像明快（crisp）且对焦的一个方案可以是在有限的深度范围内绑定内容。然而，现在认识到，该方案未实现创建深度、沉浸式场景所需的深度效果。

考虑到这一点，本实施例涉及用于产生高dof和对焦3d全息图像的装置和方法。如下面更详细讨论的，根据本实施例，使用多个基本上透明的全息面板来形成复合全息图图像，每个全息面板利用复合全息图图像的一部分进行编码。多个全息面板彼此相邻地放置，使得相邻的全息面板之间存在间隙，并且相邻的全息面板的相应dof与彼此重叠。多个全息面板的全息图图像一起形成复合全息图图像。通过将每个全息面板的全息图保持在其相应的dof内，并且通过将全息面板彼此相邻地堆叠，复合全息图图像的dof是可调的而不更改全息元件分辨率。例如，复合全息图图像的dof可以随着全息面板的数量增加。照此，整体深度效果可能远远超过来自单个全息面板的可能的深度效果，并且可以实现示出对焦、深度且沉浸式场景的复合全息图图像。

转到附图，图1是全息图像装置10的实施例的透视图。在图示的实施例中，全息图像装置10包括：利用全息3d内容14编码的全息面板或印花12，该全息3d内容14具有对焦的dof16。在一些实施例中，全息面板12可以包括：基本上透明的材料（例如，相对于可见光透明），诸如玻璃（如与不透明的材料相对）。在一些实施例中，全息面板12可以包括着色材料（例如，具有约90％至约60％，诸如约90％至约80％、约80％至约70％、约70％至约60％、约60％至约50％、约50％至约40％、约40％至约30％、约30％至约20％的光透过率）。全息图像装置10还包括：一个或多个光源18，其被配置成从一个或多个入射角（例如，相对于全息面板12的表面法线的角度）照射全息面板12。一个或多个光源18可以是专用光源，或者可以是在设置全息面板12的地方周围的集成光源，诸如空间（例如，展示室、舞台）中的普通照明系统。

当全息面板12由一个或多个光源18照射时，产生的全息图图像（例如，全息3d内容14）在dof16内对焦（例如，清晰且明快）。全息面板12可以是单通道全息图或者可以是多通道全息图，使得当从一个或多个光源18的不同入射角照射全息面板12时，或者当观察者从不同的视角查看全息面板12时，显示了不同的图像帧。在一些实施例中，dof16可以距全息面板12的表面20约400毫米（mm）（例如，距离22约为200mm），和/或距全息面板12的上方和下方约200mm（例如，距离24约为200mm）。如上所述，全息面板12的dof受全息元件分辨率限制，这可能难以改进。根据本实施例，可以在不更改全息元件分辨率的情况下改进全息图的dof。特别地，现在认识到的是，可以使用多个全息面板来实现对焦、高景深的3d图像以形成如下讨论的复合全息图图像。

图2是全息图像装置10的实施例的透视图，该全息图像装置10包括全息面板或印花30的堆叠（例如，多个全息面板）以延伸dof。在图示的实施例中，全息图像装置10包括：一个或多个光源18和多个全息面板12，该多个全息面板12彼此相邻地堆叠或布置，其中在相邻的全息面板12之间具有间隙32。间隙32可以被认为表示在表面法线或平面外方向上从一个全息面板12的中心到相邻的全息面板12的中心的距离。如之后讨论的，间隙32可以是恒定值，或者可以针对不同对的相邻的全息面板12而改变（例如，增加或减少）。

尽管在图示的实施例中示出了仅三个全息面板12，但是全息面板30的堆叠可以包括任何适合数量的全息面板12。在图示的实施例中，全息面板30的堆叠被布置成使得全息面板12的表面法线或平面外方向34、36和38在相同方向上大致对齐，并且全息面板12的边缘40、42和44也相对于彼此大致对齐。然而，在其他实施例中，可以用其他相对配置来布置全息面板12。例如，图3a、3b和3c均示出全息面板30的堆叠布置的顶视图，其中每个全息面板12的取向可以根据间隙32、倾斜角和/或移位或移位距离来被表征。如示出的，可以参考处于参考全息面板56在纵向和横向方向上的平面中的表面法线50和正交轴线52和54来描述全息面板30的堆叠。注意的是，方向由参考全息面板56的平行边缘限定。更具体地，相对于参考全息面板56的表面法线50来描述一个或多个间隙32（例如，方向和距离）。相对于参考全息面板56的表面法线50来描述一个或多个倾斜角（例如，相应的全息面板的表面法线与参考全息面板56的表面法线50之间的关系）。相对于参考全息面板56并且相对于正交轴线52来描述一个或多个移位（例如，方向和距离）。

考虑到这一点，图3a示出了具有一个或多个全息面板12的全息面板30的堆叠，该一个或多个全息面板12相对于彼此倾斜和/或移位。在图示的实施例中，全息面板30的堆叠包括：参考全息面板56以及第一偏移全息面板60和第二偏移全息面板62。第一偏移全息面板60相对于参考全息面板56以倾斜角64（例如，表面法线50与第一偏移全息面板60的表面法线之间的角度）倾斜，并且相对于参考全息面板56以移位66（例如，方向和距离）进行移位。第二偏移全息面板62相对于参考全息面板56以倾斜角68（例如，表面法线50与第二偏移全息面板62的表面法线之间的角度）倾斜，并且相对于参考全息面板56以移位70进行移位。应该注意的是，倾斜角（例如，倾斜角64和68）可以沿着正交轴线52、正交轴线54或沿着两者。移位角64和68可以具有相同的值或不同的值，并且移位66和70可以是相同的距离或不同的距离。

图3b示出了具有以可变间隙布置的全息面板12的全息面板30的堆叠。如上所述，间隙32被描述为在表面法线50或平面外方向上距相邻全息面板12的中心的距离。在本文中，全息面板12的中心由点33指示。在图示的实施例中，全息面板30的堆叠包括：参考全息面板56和全息面板72和74。全息面板被布置成使得在参考全息面板56与全息面板72之间存在第一间隙78，并且在全息面板72与74之间存在第二间隙80。第一间隙78和第二间隙80可以具有相同的值或不同的值。

图3c示出了具有以无间隙或基本上无间隙的方式（例如，全息面板30在它们的正交轴线52和54上对齐）布置的全息面板12的全息面板30的堆叠。在图示的实施例中，全息面板30的堆叠包括：参考全息面板56和全息面板82和84。全息面板30基本上并排地布置，使得这些全息面板（例如，56、82和84）的中心33在正交轴线52上对齐。在参考全息面板56与全息面板82之间可以存在移位86，并且在全息面板82与84之间可以存在移位88。移位86和88可以具有相同的值或不同的值。应该注意的是，可以用如图3a、3b和3c中讨论的任何合适的布置或其组合来布置全息面板30的堆叠。全息面板30的不同布置可以实现更大的组合dof，从而示出对焦、深度且沉浸式的场景。

往回参考图2，一个或多个光源18被配置成从一个或多个入射角照射一个或多个相应的全息面板12。全息面板12中的每个可以由具有高透明度的玻璃或类似的材料制成。在一些实施例中，全息面板30的堆叠中的一个或多个全息面板12可以被着色有相同或不同的透明度（例如，约90％至约80％、约80％至约70％、约70％至约60％、约60％至约50％、约50％至约40％、约40％至约30％或约30％至约20％的光透过率）。在一些实施例中，全息面板30的堆叠中的一个或多个全息面板12可以是不透明的和/或100％着色的。在一些实施例中，全息面板30的堆叠中的第一全息面板12相对于观察者可以是基本透明的，使得观察者可以看到在第一全息面板12后面的后续全息面板12。在一些实施例中，全息面板30的堆叠中的最后一个全息面板12相对于观察者可以是不透明的。在一些实施例中，着色的程度可以相对于观察者朝向全息面板30的堆叠中的最后一个全息面板12增加。应该注意的是，每个间隙32的距离由期望的效果深度来确定。这样，每个全息面板12的内容14（参见图1）保持在相应的dof内，使得全息面板30的堆叠的复合全息图图像清晰（例如，对焦），如将关于图4讨论的那样。

图4是由图2的全息图像装置10产生的复合全息图图像90的示意性透视图。在图示的实施例中，全息面板30的堆叠中的每个全息面板12可以利用全息3d内容14进行编码，该全息3d内容14可以彼此相同或不同。每个内容14具有对应的dof16，并且dof16对于每个全息面板12可以是不同的或相同的。控制相邻全息面板12之间的间隙32，使得全息面板12的第一图像92与相邻的全息面板12的第二图像94在具有重叠区域96的情况下重叠。根据本实施例，第一图像92和第二图像94二者是对焦的（例如，第一图像92的dof与第二图像94的dof重叠）。

通过将每个全息面板12的内容14保持在适当的深度范围内（例如，在dof内），并且通过堆叠彼此相邻的全息面板12，复合全息图图像90对焦地产生，并且具有高dof。特别地，复合全息图图像90的整体深度效果可以是可调的而不更改全息元素分辨率，并且可以远远超过来自单个全息面板12的可能的深度效果。例如，复合全息图图像90的整体深度效果可以随着全息面板12的数量而增加。在图示的实施例中，复合全息图图像90（例如，组合的第一图像92和第二图像94）具有跨越第一图像92的dof和第二图像94的dof的整体深度效果，其超过单独的第一图像92的dof或第二图像94的dof。照此，每个全息面板12的内容14以及因此作为整体的复合全息图图像90将遍及整个复合全息图图像90的深度98（例如，组合的景深）而保持对焦和清晰。

可以领会的是，因为全息面板12基本上是透明的或至少部分透明的，所以全息面板12的存在不阻挡或妨碍复合全息图图像90的连续性。通过非限制性示例的方式，可以将场景记录并编码到全息面板30的堆叠上，使得全息面板12中的每个包含场景的一部分。全息面板30的堆叠被布置有相邻的全息面板12，该相邻的全息面板12在具有适当的间隙32的情况下被放置，使得当全息面板30的堆叠被一个或多个光源18照射时，每个全息面板12产生形成复合全息图图像90的一部分的图像，其中多个图像一起示出了对焦、深度、沉浸式场景。

图5是形成图2的全息图像装置10的某些部件的框图。在图示的实施例中，全息图像装置10包括：可操作地耦合到图像系统102的控制器100。图像系统102包括如上所述的全息面板12和一个或多个光源18。在某些实施例中，图像系统102还可以包括：耦合到一个或多个光源18的一个或多个致动器104，该一个或多个致动器104被配置成在从控制器100接收到一个或多个指令（例如，一个或多个控制信号）时控制一个或多个光源18的布置或取向。例如，一个或多个致动器104可以移动一个或多个光源18和/或控制全息面板12上的一个或多个光源18的一个或多个入射角。在一些实施例中，图像系统102还可以包括：耦合到全息面板12的一个或多个致动器106。在一些实施例中，一个或多个致动器106被配置成在从控制器100接收到一个或多个指令（例如，一个或多个控制信号）时控制全息面板12的布置或取向。例如，一个或多个致动器106可以移动全息面板12、改变一个或多个间隙（例如，间隙32、78和80）的值、改变一个或多个倾斜角（例如，倾斜角64和68）的值和/或改变一个或多个移位（例如，移位86和88）的值，如关于图2和3讨论的那样。一个或多个致动器104和106可以是合适的致动器中的任何一个或其组合（例如，液压、气动、电动、热或磁或者机械的致动器）。

为了提供对于图像系统102的各种操作参数的控制，控制器100可以包括处理器108和通信地耦合到处理器108的存储器110（例如，非暂时性计算机可读介质/存储器电路）。控制器100还可以包括通信地耦合到处理器108和/或存储器110的用户接口112，以使得用户能够提供输入来控制图像系统102的操作。例如，输入可以包括但不限于：一个或多个光源18的开/关开关、方位和/或入射角，以及全息面板12的布置，该布置诸如方位、一个或多个间隙（例如，间隙32、78和80）、一个或多个倾斜角（例如，倾斜角64和68）以及一个或多个移位（例如，移位86和88）。

处理器108可以包括一个或多个专用集成电路（asic）、一个或多个现场可编程门阵列（fpga）、一个或多个通用处理器或其任何组合。此外，术语处理器不限于仅仅本领域中被称为处理器的那些集成电路，而是宽泛地指代计算机、处理器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器、专用集成电路和其他可编程电路。存储器110可以包括：诸如随机存取存储器（ram）之类的易失性存储器和/或诸如只读存储器（rom）、光盘驱动器、硬盘驱动器或固态驱动器之类的非易失性存储器。存储器110可以存储一组或多组指令（例如，处理器可执行指令）和/或被实现成执行与图像系统102的操作相关的操作的算法。例如，存储器110可以存储用以打开或关闭一个或多个光源18的指令和/或用以用上面讨论的方式控制一个或多个致动器104和106（例如，改变一个或多个光源18和全息面板12的方位、取向和/或布置）的指令。例如，存储器110可以存储关于全息面板12的信息，诸如用于全息面板12中的每个的编码的全息3d内容14和对焦dof16的信息。例如，存储器110可以存储算法以基于每个单独的全息面板12的dof16来确定全息面板12的布置（例如，间隙、倾斜角和/或移位），使得相邻的全息面板12的编码的内容14重叠并且是对焦的。这样，控制器100可以被认为是图像系统控制器，其包括某个编程的算法结构，该算法结构实行与全息面板12的照射和移动相关联的某些操作方法。

图6是图示了使用全息图像装置10形成复合全息图90的方法120的示例的流程图。虽然使用以特定顺序执行的动作（如框中表示的）来描述方法120，但是应当理解的是，本公开预期可以用与图示的顺序不同的顺序来执行所描述的动作，并且在其他实施例中，某些描述的动作可以被跳过或不完全执行。方法120可以包括：提供多个全息面板（框122）。例如，提供多个全息面板可以包括对全息面板30的堆叠上的场景进行记录和/或编码，使得全息面板12中的每个包含场景的一部分。如上所述，全息面板12可以包括基本上透明的材料，诸如玻璃（如与不透明的材料相对）。在一些实施例中，全息面板12中的至少一些可以包括：着色材料（例如，具有约90％至约80％、约80％至约70％、约70％至约60％、约60％至约50％、约50％至约40％、约40％至约30％、约30％至约20％的光透过率）。着色的程度可以至少部分地取决于全息面板12的编码内容的内容。例如，着色的程度可以朝向全息面板30的堆叠中的第一个或最后一个全息面板（例如，包括场景的边缘或末端部分的全息面板）而增加。此外，全息面板12中的每个可以是单通道全息图或多通道全息图。

方法120可以包括：将多个全息面板彼此相邻地放置（框124）。更具体地，多个全息面板12可以用这样的方式堆叠或布置：将全息面板12中的每个保持在相应的dof内，使得全息面板的堆叠的复合全息图图像是清晰的（例如，对焦的）。例如，相邻全息面板12之间的取向和/或距离（例如，间隙、倾斜角、移位）由期望的效果深度来确定。例如，可以控制相邻全息面板12之间的距离（例如，间隙32、移位86和88），使得相邻的全息面板的全息图图像重叠，并且两个相邻的全息图图像都是对焦的。通过非限制性示例的方式，全息面板的堆叠可以用关于图2-4所讨论的方式或其组合进行布置。在一些实施例中，框124可以包括：将多个全息面板耦合到（一个或多个）致动器（框126）。例如，多个全息面板12可以耦合到一个或多个致动器106，以使得能够在接收到来自控制器100的控制信号时改变多个全息面板12的方位和/或取向。

方法120可以包括放置光源以照射多个全息面板（框128）。例如，框128可以包括：将一个或多个光源18设置在全息面板30的堆叠附近，以从合适的光入射角照射全息面板30的堆叠。一个或多个光源18可以被设置在适合于照射一个或多于一个全息面板12的方位和取向处。在一些实施例中，框128可以可选地包括：将光源耦合到致动器（框130）。例如，一个或多个光源18可以耦合到一个或多个致动器104，以使得能够在接收到来自控制器100的控制信号时改变一个或多个光源18的方位和/或取向，从而改变光入射角。在一些实施例中，当从不同的入射角照射多通道全息面板12时，可以显示不同的全息图图像帧。

方法120可以包括：照射多个全息面板以形成复合全息图图像（框132）。例如，手动地或在接收到来自控制器100的控制信号时打开一个或多个光源18，以照射全息面板30的堆叠从而形成复合全息图图像90。

图7是图示了使用控制器100来操作全息图像装置10的方法140的示例的流程图。虽然使用以特定顺序执行的动作来描述方法140，但是应当理解的是，本公开预期可以用与图示的顺序不同的顺序来执行所描述的动作，并且在其他实施例中，某些描述的动作可以被跳过或不完全执行。方法140可以包括：将控件100耦合到图像系统102（框142）。例如，控制器100可操作地/通信地耦合到图像系统102的各种部件，诸如一个或多个光源18、全息面板12以及一个或多个致动器104和106。

如图示的，方法140可以包括：接收来自用户的输入（框144）。例如，控制器100可以经由耦合到控制器100的处理器108和/或存储器110的用户接口112接收来自用户的输入。输入可以包括：用以调整一个或多个光源18和/或全息面板12的操作参数的指令。输入可以包括但不限于：一个或多个光源18的开/关开关、方位和/或入射角，以及全息面板12的布置，该布置诸如方位、一个或多个间隙（例如，间隙32、78和80）、一个或多个倾斜角（例如，倾斜角64和68）以及一个或多个移位（例如，移位86和88）。

实际上，为了提供对全息图像的更多控制，方法140可以包括：控制全息面板12的特定布置（框146）。例如，控制器100可以向一个或多个致动器106发送指令以改变与面板12的布置和/或取向相关联的参数，使得全息面板12的相邻的全息图图像是对焦的。这些参数可以包括但不限于：一个或多个间隙（例如，间隙32、78和80）、一个或多个倾斜角（例如，倾斜角64和68）以及一个或多个间隔距离（例如，移位86和88）或它们的组合。

方法140还可以包括：控制一个或多个光源18的操作（框148）。例如，控制器100可以向一个或多个致动器104发送指令以改变一个或多个光源18的各种操作参数。例如，操作参数可以包括但不限于：一个或多个光源18相对于相应的一个或多个全息面板12的开/关状态、方位和/或入射角。

虽然本文中已说明和描述了本公开的仅某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，应当理解的是，所附的权利要求书旨在覆盖如落入本公开的真实精神内的全部此类修改和改变。