TW201022724A - Holografisches farbdisplay - Google Patents

Description

201022724 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係為-全像彩色顯示器，該顯示器可透過空間的彩色多 路複用來重建彩色的三維物體影像，μ可讓此重建影像在多個 能見範圍内被觀察。 ❹ 【先前技術】 在$用專利文件DE 102004 〇44 111巾，登記者紀錄的全像影 像顯:器可用全像影像的方式重建單色的三維物體(犯物體）。該 顯示器即為本發明的基礎。此顯示器包含數個重要的構件：數個 光源數個光學聚焦H、—可操控的空間光機S(SLM)以及一影 像分離器；該影像分離器可用—雙凸透鏡來替代。 ⑩ 在圖1aiL面圖中，為了能清楚顯示出可控光調變器SLM，因 。僅、會出兩細矩陣式像麵_單色像素；為了能讓影像分離 器L更顯4*楚’則騎出—分離元件。此處的分離元件是一圓柱 透兄光調變器SLM包含兩張單獨的，且分別可按列重疊之3D 物體的-維全像圖；這兩張全像圖可重建該物體的左右侧立面。 象素歹J平行排列的圓柱形透鏡將會覆蓋光調變器slm的這兩道 為】圖lb正面圖中’所標示的地方即說明該像素列的 i方式SP則表示為進行編碼而需的像素標準中間間隔(間距)。 201022724 *圓柱形透鏡會錢察者平面上形成像素列 1和r。同時，光學 聚焦…會在垂直方向上形成同調光並在調整後投射至光調變器 M與觀察者平面，光學聚焦器將會針對左右眼而與能見範圍 :WL與VWR t疊。能見範圍VWR與VWL會形成菱形的三維 '範圍’該麵會和觀察者平面構成—截面。觀察者眼睛必定位於 截面上並落在兩個應用的光線衍射次序間，這樣便可觀察3D 物體的全像影像。舉例來說，線狀絲可發射出在箭頭方向上與 像素相遇的光線；該光線和水平空間同_和垂直空間不同調。 光源以及設置在光調變器SLM前方的光線路徑上的光學聚焦 器’例如可啊作為錄光學H材並執行傅立葉轉換㈣的雙凸透 鏡’均為了能清楚呈現而未繪在圖la至lc上。 •❹ 為了能真實地進行原色RGB所構成的彩色重建動作，必須要 針對各個·來計算_張全侧，且這三張全像私須連續或是 同時地顯現在光調變器SLM上。為了要讓具有空間多路複用的三 張全像圖能同時呈現，則要讓這些全像圖在空間中進行重聶。透 過這三種顏色以及兩個觀察者視窗，可形成—六路複用。光調變 器SLM會同時被RGB光源發射的光照射；分別針對各像素而# 置於光調變器SLM上的標準彩色濾鏡則會針對該像素來進行光線 201022724 過濾。 圖lc以正面圖的方式描繪圖lb中的像素列1與r在進行彩色 3D顯示時的標準排列。在此種排列方式下，在原色r、g*b中 的三個矩形次像素將分別形成一正方形的像素。標示為丨的行列會 . 成像在左侧的能見範圍VWL中，標示為r的行列則會成像在右侧 -的能見範圍VWR中。具有綜合R、G和B彩色遽鏡的三個次像 ® 素將形成一形狀為正方形’並具備一標示為3SP且可進行id編媽 之標準間距的像素。此處的1D編碼是指存在一張具有垂直移動視 差的全像圖。因為只有具備相同波長的光線才能形成干涉，因此 進行編碼的標準間距3SP會比單色3D顯示的間距大三倍。垂直方 向的能見範圍延伸則僅有單色顯示器的1/3。 圖2a描繪另一種利用具備综合RGB彩色濾鏡的光調變器 SLM來形絲色全像3D影像的方式。膽彩色濾鏡是以 RRGGBB(如%所示)的順縣行制’每—顏色有兩道次像素 列，且有三個影像分離器的圓柱形透鏡L。此外，每種顏色的兩 道<·人像素列均針對該顏色而準備一左侧與一右側的全像圖。藉 此，在圖2a中便可針對能見範圍VWL與VWR來產生一次像素 圖的π整重疊情形，該重疊範圍大於本範例之圖示。同樣的，此 處根據編竭而決定的間距sp的大小也必須夠大，而讓觀察者能約 201022724 接收到如圖lb所_單-顯示器的垂直大小的能見範圍。然而， 追些具有雜彩色次像素次相光機器SLM並非縫通用，且 不能用在全像影像重建程序上。 為了能清魏示，因此林顧2b的每鱗素上繪出r、g 和B的顏色。 原則上，亦可在光調變器SLM的遮蓋玻璃外設置彩色渡鏡。 但此種做法驗點在於：將彩色紐設置在光調變器⑽的遮蓋 玻璃外時’遮蓋玻_ i釐米厚度會在像素次序和彩色濾鏡間形 成-間距。因為上述情形，_也因為明顯較小的彩色次像素的 像素間距(<㈣’將會形成衍射作用；該衍射作用在特定的情 況下’會在被觀察的次像素間造成干擾。 當透過光調變器SLM和彩色濾鏡而使光射線途徑發生傾斜 時’則會祕另-種干擾。當觀察者在光源發生位移的同時來追 蹤能見範_，便會發生這樣的干擾情形。對—觀察者而古，觀 察者和麟鶴、當光_顧射_示器中心 時’則便無法透過相配合的彩色糖來接收針對—種顏色而計算 的全像_光線。因此，觀察者會接收到—有誤差的重建影像。 在上述！ ϋ米遮蓋玻璃與間距的範例中，傾斜角度約為 201022724 6°;其實在較小的角度下便已經會逐漸產生偏差的情形。基本上’ 顯不器的觀察者角度是受到限制的，而不能用於多個觀察者。在 建置基本原型或是當小量生產全像攝影顯示器時，這種缺點便影 響重大’因為此時便需要使用商業上通用的光調變器SLM或外部 的彩色濾鏡。 因此，最好能不透過光調變器SLM，而是透過在顯示器内的 光學器材來進行彩色成像。 目别的技術中，須透過彩色濾鏡以及光學成像器材，如顯微透 鏡’在顯示器中形成彩色的影像。 在專利文件WO 99/50914中，彩色顯微透鏡可以讓從大光源 ❹發㈣光線聚餘-很小喊絲_ ;這個小的感光範圍可以 是-感應器或是一像素。顯微透鏡在此處的作用是和彩色渡鏡結 σ並藉此开乂成一單色的顯微透鏡。在加工的程序中，顯微透鏡 的表面會變彎曲，該彎曲表面會形成—固定的傾斜角度並反射單 色光。 -人級LC層的LC分子會在—則、的範圍内和單色絲遇；該 LC分子的作用和開_似，且會根賊鏡的顏色在該範圍内過滤 201022724 光線。一處理器可將三個單色光束和一彩色像素結合，且確定該 像素的顏色與強度。因此便創造出具有單色顯微透鏡的彩色顯^ 器’而該單色顯微透鏡則可針對三原色分別形成一彩色像素。 使用一般商業通用的彩色顯示器來形成彩色影像時，便適用上 ' 述這樣的排列情形。但因為光線必須聚焦在像素上，故這種彩色 顯示器並不適用於之前所述的全像影像重建原則。因此必須在光 ® 線路徑上額外設置一成像器材，讓光線能聚焦在觀察者眼睛上。 這樣會加大平面顯示器的深度和重量’但照理說應該要避免這樣 的情形。 專利文件US 5 682 215中的彩色顯示器具有一顯微透鏡陣 列；透過該陣列，可將各個顯微透鏡染上RGB色彩中的一種顏色。 透過彩色過濾，這些彩色顯微透鏡可讓相合適的光線形成一種雙 ❹ 重功能。該光線將設計聚焦在一像素上，並改善顯示器的亮度以 及孔徑比。此處的顯微透鏡將透過如彩色顏料等而染色。 只有在額外設置光學設備的情況下’此彩色顯示器才得以在上 述的全像攝影顯示器内形成一能見範圍’同時也才能完成重建的 程序。 8 201022724 【發明内容】 本發明的目的在於：在具傷—般商業的像素排列的顯示器 中，完成3D物體的全像錢成像；該成像是以錢朗多路複用 的重建程序為基礎’透過此程序，便可在能見範_觀察該重建 二像。錢細應當越域好；社她察者㈣其位置時，仍 此在王像攝影顯不||前方的大肖度範_追蹤到該範圍。干 是越小越好。 ❹ 進一步，則應讓顯示器更加扁薄。 • 解決上述問題方式在於：在光線路徑上，全像攝影顯示器包含 了數個光源、數個光學聚焦H、—可控光調變器以及—在垂直方 向设置了分離元件的光學影像分離器；透過在_魏上以矩陣 ❹域裝叹的可控像素’在垂直方向的光學聚焦器便可在觀察者平 S上產生幹涉光，㈣和對應觀察者眼睛的能見範圍重疊；同時， 光學影像分離H的分離元件可針對在能見範_的各隻眼睛，形 成—根據全像圖進行編碼的像素列。 解決方式為：將外部的彩色濾鏡直接裝設在光學影像分離器 上，且將光學構件和鱗完成的全細彼此連接配合；這樣則便 可改善現有科技的缺點。 201022724 下列為本發明的解決方式： 將外。卩彩色濾鏡直接裝設在影像分離器上，該彩色濾鏡的 材料包括RGB原色中平行排列的垂直色帶，而這些色帶會 在彩色濾鏡的水平方向上週期性地重複， •光調變H包括-由兩個已完成紀錄之全像圖而排定的次 序，並可針對觀察者的左眼與右眼分別根據各原色來提供 /、個接一重疊的像素列；該次序亦在水平方向上週期性 地重複， -彩色濾鏡和全像圖的週期必須要為相同大小且能互相配 合，來讓彩色濾鏡中的一條色帶以及至少兩道具有該色帶 原色全像圖的像素列能和分離元件彼此適合，進而產生彩 色的能見範圍。 在之後的本發明圖示中，根據原色色帶設置的像素列均包含一 針對該原色來繪製的全像圖。 透過此種週期性的相互配合，能在一能見範圍内，針對觀察者 的左眼形成由所有像素列構成的重疊彩色圖像；並在另一能見範 圍内，針對觀察者右眼形成由所有像素列構成的重疊圖像；藉此， 便可針對觀察者的雙眼產生一彩色的三維全像物體。 201022724 進-步地’甚至可以透過在_變器_水平的全像圖編碼位 移’來追轉色能見，錄察者纽魏料她觀察到全 像重建影德。 下列動作將有助於擴大能見範圍：透過影像分離器中的分離元 件來讓像素列触的轉散驗觀察者平面上。 影像分離器中的各個分離元件均額外設置了數個非活性的像 素列’藉此來提高立體_度。當·像分離器裝設分離元件的 那側和彩色魏連結絲成-單元時，則可簡化全像影像顯示器 的製造過程。 和現有的技術相較，本發明具有下列的優勢： 在進行彩色成像设計時’可容許較小的彩色像素有效間距，而 且也可針對錢察者喊形紐大的能見賴。透過控制已猫準 目標的光線，能減少在相鄰像素間形成的干擾。藉由追縱光源， 可以有效讓到達觀察者的角度變大。 所有的構件都是-般商業所使用且容易購買的，因此，當故障發 201022724 生時’可隨時替換。這些構件都可以很容易地進行調整’這個優 勢對於設計顯示器，特別是設計基本原型或是進行小量生產時都 是报重要的。 【實施方式】 ‘ 圖1與圖2說明目前現有的技術狀況。 〇 根據圖3a將可更進一步地介紹本發明，該圖為一全像影像彩 色顯示器的斷面圖。透過光學聚焦器FM，一光源LQ可照亮一單 色的且一般商業通用的光調變器SLM中的六道像素列。在光線路 杈上，光調變器SLM後接著一光學影像分離器l與一彩色濾鏡 F ·’光調變器SLM中的透明材料包括數個具有原色RGB的相互平 行且在垂直方向排列的色帶，這些色帶會在彩色濾鏡F中週期性 地重複。在光調變器SLM中的像素列的水平方向上，重疊地設置 〇 了兩張全像圖。對應彩色濾鏡F中的各原色尺、(3與3，都分別 • 针對觀察者的左眼與右眼，在兩道像素列上重疊設置了兩張全像 圖HG。這些全像圖會和一分離元件相配合，且以下述方式在相同 的光調變器SLM中週期性重複：HGRL(左侧）HGRR(右侧）一 HGGL - HGGR - HGBL - HGBR。在此的”左侧，，與，，右側，，是指針對 各左侧與右側能見範圍且針對一顏色來進行編碼的全像圖。影像 分離器L和與其她合_色雜F的週_延展狀態和在光調 變器SLM中内建的全像圖HG的週期延展狀態幾乎大小完全相 12 201022724 同。透過由縮小影像分離iiL與光賴If SLM離喊生的透視 簡化’會讓兩週期的延展狀態產差異。該差異會小於1%。在沒有 偏差的情況下’相對應的週期會彼此相互地在水平方向上重複。 圖3b以正面圖的方式描繪具有像素間距SP的單色光調變器 SLM中的像素列1與1>。從該圖示中可知，像素列丨與^的排列可 以分別鑑別出一彩色濾鏡F的色帶RGB，且可分別與一分離元件 重疊。透過在像素列與箭頭下方的原色R、G、B的數據，可以清 楚轉該排序情形。在光調變器SLM中，為了要進行3D物體編 碼所需的間距SP和圖la/lb中的單色顯示器一樣大。因此，觀察 者便可涵蓋兩個能見範圍VWL與VWR，這兩個能見範圍的大小 也和圖la/la中的單色顯示器相同。 ^ 在具有已完成編碼全像圖的光調變器SLM中，連續像素列1 與r會輪流在能見範圍中成像。所有的列HGRL _ HGGL _ HGBL 都會在左側的能見範圍中成像’所有的列HGRR — HGGR_ HGBR 都會在右侧的能見範圍中成像。各能見範圍都包含所有原色RGB 的混合，且觀察者眼睛也可看見一彩色的3d物體重建影像。 全像圖 HGRL - HGRR - HGGL 〜HGGR - HGBL - HGBR 的 内谷都可以在光調變器SLM中的水平方向進行推移，藉此可讓能 13 201022724 見範圍VWL與VWR在觀察者移動位置時也能進行水平追縱。因 為這樣的推移只能在列的方向進行，因此能見範圍僅能各別進行 推移。能見必須要賊，才能讓新定㈣能見細在沒有間 隙的情況下和先前的位置連結。 之後’透過圖3a中的圓柱形透鏡可以讓像素列影像散焦如 此便大能聽_寬度竭在m編釘的雜方向即為未 罾編方向’所赠過触可_大能見範_延伸度。 各個分離元件或各侧柱形透鏡都會額外配合像素列，但這些 像素列均非雜且設置在雜騎_。這些像翔可增加立體 對比度。 當能見範圍VWL和VWR部分重疊時，會使立體對比度降低。 當沒有間_像素列影像無法成功完核是彼此重疊時，裝設這 些非活性騎列的錄便可舰岭。錢職紐晴以及在 高度立體對比度下希望能避免產生重疊情況時，便須進行無間隙 的連結。透過設置非活性像素列’便可在兩個能見範圍德與 之間產生未文到光照的間隙；在水平方向追蹤能見範圍 時透過移動王像圖至一道像素列的動作，便可照亮該間隙。 201022724 刀離7G件可錢察者平面上產生所有具有—左側全像圖的像 素列，而且讓這些像相在針對這些全側喊生能見範圍

VWL 的地方重疊。這樣的情形和單色齡㈣狀況類似。同樣的，所 有具有右側全像圖的像素列會產生在能見範圍VWR的位置上且 與其重疊。 . 和單一構件相同，彩色濾鏡F可直接和雙凸透鏡進行連結，且 ^ 針對相對應的像素列來過濾光線。舉例來說，這些彩色濾鏡可以 設置在裝有雙凸透鏡的那側。一般的裝設深度為1〇μιη，而且比一 般1釐米的LCD遮蓋玻璃還薄。和在現有技術下像素和彩色濾鏡 的間距相比’這樣的透鏡和彩色濾鏡間間距可讓產生的干擾影塑 降低至極小。舉例來說，這樣的情形會讓因為衍射而產生的干擾 變小，而且讓進行追蹤的能見範圍角度變大。因為彩色濾鏡的間 距和圓柱形透鏡的間距大小相同，而且圓柱形透鏡的間距比像素 ® 的間距還大，因此可以減少在彩色滤鏡上的衍射作用。 一稜鏡遮片或一屏障遮片便可構成光學影像分離器。透過屏障 遮片可以讓彩色濾性的色帶和透明範圍相互連結。 舉例來說，透過將底片彩色曝光的過程，可以用經濟的價錢來 產生彩色濾鏡；隨後便可將該彩色濾鏡裝置在雙凸透鏡上。另外 15 201022724 也可以將這個彩色濾鏡裝設在雙凸透鏡基部與圓柱形透鏡結構間 的雙凸透鏡上。和裝設光調變器SLM中的濾光層相比，的這樣的 方式確實比較容易。 在透過彩色濾鏡來產生彩色光時，也可使用已染色的分離元 件；並將三個該種分離元件分別和三原色R、G、B的週期相互配 合。 ’ 士案所揭露之技術，得錄習本技術人士據以實施 而其前 作法亦具備專繼，銳法提出專利之”。惟上、f夕 不足以涵蓋本案所欲保護之專 ，之 專利範圍如附。 口此，提出申請 201022724 【圖式簡單說明】 步地介紹本發明。在與此發明 接下來將透過各執行範例來進一 相關的圖示中顯示： 圖la在現有技術下，單色全像影像顯示器中的單一構件可產生左 - 侧與右侧的能見範圍， 圖lb單色光調變器中的兩道像素列之正面斷面圖，並包含像素間 ® 距， 圖1C光調變器SLM中的兩道像素列之正面斷面圖，並包含整合 過之彩色濾鏡和像素間距， ® 2a全像影像顯示^輯面圖，並包含影像分翻的分離元 件以及具有整合過之彩色濾鏡的光調變器SLM的像素， 圖2b光調變器SLM的兩道像素列的正面斷面圖，並包含整合過 之彩色濾鏡， © 圖3a本發明所述之全像影像彩色顯示器的斷面圖，並包含一單色 的且一般商業通用的光調變器SLM、一影像分離器以及數 個與其相配合的彩色濾鏡， 圖3b圖3a中光調變器SLM的斷面圖，本圖中的箭頭表示一顏 色色帶的像素列排列；根據本發明所述，該顏色色帶會與一分離 元件重疊。 【主要元件符號說明】 17 201022724 SLM 空間光調變器 L 影像分離器 VWR 能見範圍（右眼） VWL 能見範圍（左眼） SP 間距 HGRL 左側紅色(R)全像影像 HGRR ⑩ HGGL 右側紅色(R)全像影像 左侧綠色(G)全像影像 HGGR 右側綠色(G)全像影像 HGBL 左側藍色(B)全像影像 HGBR 右側藍色(B)全像影像 LQ 光源 FM 光學聚焦器 L 礞F 光學影像分離器 彩色濾鏡 18

Claims (1)

1. 201022724 七、申請專利範圍： 1. -種全像純齡$，其在光_彳红雜數個絲、光學聚 B、-可控光調變n錢-具水平垂直分離元制光學影像 分離器；藉此，在垂直方向上的光學聚焦器將透過光調變号中 • 狀湖的可控像麵顿察者平面上職足夠的同調 - S ’並將這些同調光疊加在觀察者眼睛的能見範同時， β .絲影像分歸㈣練元件也會崎各個齡者眼睛，在適 當的能見範圍中形成由全像圖完成編碼的像素列；其中： -影像放出機制係由-具有在垂直方向平行㈣RGB三原色 色帶的外部β色濾鏡’在水平方向上週雛重複置換該色帶 來達成； •光調變器之相互套疊機制係依兩個已完成編碼之全像圖而 麝 排定的次序相互套叠，並可針對觀察者的左眼與右眼分別根 • 據杨色紐供六個-接—重疊的像㈣；該次序亦在水平 方向上週期性地重複； 彩色濾鏡和全像圖的週期必須大小相同且能互相配合，而使 衫色滤鏡中的-條色帶以及至少兩道具有該色帶聽全像圖 的像素列能和分離元件彼此相結合，進而產生彩色的多視角 的能見範圍。 19 201022724 2.如申請專利範圍第1項所述之全像彩色顯示器，其中與原色中 的一色帶相互配合的像素列係由展示之基礎全像圖之一列計算 而得。 3. 如申請專利範圍第2項所述之全像彩色顯示器，其中在該顯示 器中的一能見範圍係指針對與觀察者左眼配合之所有像素列而 Φ 形成的重疊彩色圖像；而另一能見範圍則是針對與右眼配合之 所有像素列而形成的重疊彩色圖像；藉此，便可用全像影像的 方式，針對觀察者眼睛產生一彩色的三維物體。 4. 如申料利範圍第1項所述之全像彩色齡^，其中在水平方 向移動光調變器中的全像圖編石馬時，便可在水平方向追蹤彩色 能見範圍。 5.如^專利細第i項所述之全像彩色顯示^，其中將影像分 離器中的77離元件聚焦至觀察者平面，便可有效地讓像素列完 成成像的動作。 6.如申μ專概圍第1項所述之全像彩色顯示H，其巾各個分離 20 201022724 元件都會額外地和數條非活性像素列配合，並藉此提高立體對 比度。 7.如申請專利範圍第1項所述之全像彩色顯示器，其中影像分離 器中裝設有分離元件的那侧將和彩色濾鏡相連接，並形成一組 件0

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