TW201314318A

TW201314318A - 照明裝置

Info

Publication number: TW201314318A
Application number: TW101128264A
Authority: TW
Inventors: Norbert Leister
Original assignee: Seereal Technologies Sa
Priority date: 2011-08-26
Filing date: 2012-08-06
Publication date: 2013-04-01
Also published as: DE102011053037A1; WO2013030013A1

Abstract

本發明係一種照明裝置，此種照明裝置具有一個用於全像顯示器的光源陣列，該全像顯示器具有若干成像元件及一個光調制器，該全像顯示器可以改善在可視範圍內任何一個位置之3D場景的重建的亮度。在具有光源陣列的照明裝置內，每一個成像元件(AE)都可接通至少兩個能夠產生一可視範圍的光源(LQ)，這個可視範圍具有由一個繞射級的最大強度及至少另外一個繞射級的最大強度的一部分疊加成的總強度(I)，其中以該等強度在相同位置產生的重建是可以疊加的，該等重建可作為在可視範圍內具有與該總強度相應之亮度的3D場景的重建在瞳孔(AP)的位置被看見，透過瞳孔可預先給定可控制之待接通光源(LQ)的位置。本發明可應用於全像顯示器及使光線成形或偏轉的裝置。

Description

照明裝置

本發明係一種照明裝置，此種照明裝置具有一個用於全像顯示器的光源陣列，該全像顯示器至少具有若干成像元件及一個可控制的空間光調制器，待重建的3D場景在該空間調制器內被編碼，該3D場景在可視範圍內能夠被感知到的亮度大於以可比較之傳統照明裝置產生的亮度。本發明還包括一種具有本發明之照明裝置的全像顯示器。

除了全像顯示器外，本發明之照明裝置的應用領域亦包括光線的射束成形或射束偏轉。

本案之登記人在文獻WO 2004/044659(A2)中揭示一種帶有觀察視窗(也稱為可視範圍)之重建3D場景用的全像顯示器。這種全像顯示器具有一個帶有光源的照明裝置、一個成像器、以及至少一個可控制的空間光調制器(SLM)，其中該空間光調制器應被足夠的相干光線照亮。例如可以將一個3D場景以全像圖的方式寫入該空間光調制器。為了計算可控制的數據及/或全像圖值，可以用計算方式將3D場景拆解成許多的物點，並為每一個物點計算出所謂的子全像圖，然後將子全像圖的振幅值及/或相位值加總，再作為全像圖值寫入或編碼到空間光調制器內。經編碼的振幅值或相位值被用於調制作為3D場景之波前被導入觀察者眼睛的光線，其中該觀察者眼睛能夠看到在可視範圍內所產生的3D場景的重建。利用這個原理可以為觀察者平面上的觀察者眼睛的各個不同的可能位置形成可視範圍。觀察者能夠感知到3D場景之重建的亮度是由到達可視範圍之光線強度決定。例如空間光調制器的傳輸率及照明裝置或全像顯示器內的成像元件的特性均會對亮度造成影響。例如，一個由照明裝置、光調制器及成像元件構成的設備可以改變這個亮度，也就是改變照明裝置內的光源的強度。

但是在可視範圍內移動的眼睛位置也可以對重建的亮度產生不同的感知，例如當重建物點的強度與在可視範圍內之不同位置之重建物點的目標強度不符時。

例如WO 2008/142108 A1(電濕潤追蹤)或WO 2006/119920 A1(光源追蹤)均有提出所謂的追蹤裝置，利用此種追蹤裝置可以為至少一位觀察者的瞳孔在顯示器之前的位置變動提供及/或產生可視範圍。對不同的瞳孔位置提供可視範圍也常被稱為”移動”可視範圍。

使用光源追蹤時，可以為新測得的觀察者眼睛位置接通其他的光源，該等光源能夠為新測得的位置提供一個新的可視範圍。這也可以稱為光源”移動”到一個新的位置。這種情況的一個例子是一種具有至少一個光源及一個具有像素矩陣之可控制光調制器的照明裝置。可以將被稱為快門顯示器的可控制光調制器的像素接通為以行或列的方式被控制，因此這些像素對射過來的光線是透明的，並構成二次行及/或列狀的光源。利用二次光源之光源像的強度可以產生一個能夠以一特定亮度被看見的重建。如果這個重建要以更大的亮度被看見，則必須提高一次光源的強度。

為了使照明裝置能夠達到盡可能高的能源效率，光源的輻射角及形狀、以及將光源成像的成像元件的形狀及大小應盡可能的彼此調諧。例如光源的形狀是近似點狀或線狀的光源。在一個具有光源陣列(例如近似線狀的光源)的全像顯示器中，SLM可以用最有率的方式被柱面透鏡的雙凸透鏡照亮。在一個具有光源陣列(例如近似點狀的光源)的全像顯示器中，SLM可以用最有效率的方式被球面透鏡的透鏡陣列照亮。線狀光源最好是與一種單視差編碼(以下稱為1D編碼)合併使用。點狀光源最好是與一種全視差編碼(以下稱為2D編碼)合併使用。

例如WO 2004/044659 (A2)有揭示以全像顯示器產生3D場景的重建，並在第1圖利用一個物點以簡化的方式顯示一部分的3D場景。例如全像顯示器可以具有一個單一的光源及一個大型透鏡，或是具有一個光源陣列及一個成像元件陣列，以按照WO 2004/044659 A(2)的重建原理大面積的照亮一個3D場景在其內編碼的可控制空間光調制器。在可控制光調制器內被調制的光線會以週期性的方式在觀察者平面上不斷產生3D場景的重建及可視範圍。

3D場景的重建可以在一個可視範圍內被瞳孔感知到，其中該可視範圍在觀察者平面內的一個單一繞射級內被確定。通常是選擇具有最大強度的繞射級，也就是第0繞射級，這樣重建就能夠以相當於其強度的亮度被看到。

相應於第1圖中以示意方式顯示的重建，接通至每一個成像元件AE的光源LQ的一個近似相干的光束將空間光調制器照亮。在像素矩陣的至少一個區域內，物點0 OP的一個全像圖SH被編碼，其中經過調制的光線在觀察者空間內將這個物點重建。在一個可視範圍VW內，可以在一個瞳孔AP的位置看見具有某一亮度的重建，其中該亮度是由光源之經過調制的光線的強度決定。可視範圍位於產生物點0 OP之重建的第0繞射級的最大強度處。物點0 OP之重建會以週期性的方式持續在強度最小的觀察者空間內進行，同樣的，在觀察者平面上的光源的繞射級也會持續進行。以+/-第1繞射級之較小的強度產生的物點+1 OP及-1 OP(在圖中以較細的線條表示)在可視範圍內不能被瞳孔AP感知到。相較於以第0繞射級之強度產生的重建，如果在觀察者平面上將瞳孔定位在第+1或第-1繞射級，則物點+1 OP及-1 OP將能夠以較小的亮度被看見。在第1圖中是以雙箭號標示繞射級。

從一個接通之光源的第0繞射級的最大強度出發，第1繞射級及更高繞射的相對強度(次大強度)通常是向兩邊逐漸變小。繞射級的最大強度通常是由在像素內的傳輸分布決定，也就是由像素孔徑及在孔徑內可能的傳輸變化決定。即使是以變跡法函數將SLM之像素的傳輸分布優化，通常仍可能存在至少另外一個繞射級的強度是大於0。例如以一個正弦函數變跡的像素，可以抑制從第2繞射級起的強度，但是會使觀察者平面上的第1繞射級的強度變大。此外，變跡經常會導致傳輸下降，以及使第0繞射級及第1繞射級的強度變小，因而使重建能夠被看到的亮度也跟著變小。由於對比度也可能跟著變小，因此重建的細節部分(例如亮度層次)會無法被看清楚。因此3D場景之待重建的物點在可視範圍內的強度應盡可能的大。

由於強度通常是朝中央繞射級的邊緣降低，因此可能會被感知到不同的重建亮度，例如當觀察者眼睛的位置在可視範圍內移動時，可能會看到不同於預先給定之物點目標強度。

觀察者追蹤的進行方式通常是使可視範圍的中心與瞳孔的位置一致。但由於追蹤的不精確性或眼睛非常快速的移動，可能會出現觀察者眼睛短時間位於可視範圍之中心以外之位置的情況。因此會希望在眼睛位置發生偏移時，重建被感知到的強度不要有變化。

產生3D場景之重建的全像顯示器的照明裝置可以具有可控制的光源，該等光源可以發出強度可變化(一直到最大可能強度)的光線。如果要利用較大強度之光源提高重建的亮度，因此而產生的放熱可能會對全像顯示器之元件的效能造成不良影響。

因此本發明的目的是提出一種能夠改善3D場景在可視範圍內之任意位的重建亮度的照明裝置。

本發明是從全像顯示器之具有一個光源陣列的照明裝置出發，其中該全像顯示具有一個可將3D場寫入其內的可控制光調制器，以及具有若干可接通之光源的成像元件，該等光源的繞射級會在一個觀察者平面上週期性的重複，其中一個具有最大強度的繞射級被確定為可視範圍，一個以最大強度產生的3D場景的重建可以在這個可視範圍內被看到，其中可以透過控制系統的控制元件根據瞳孔的位置接通光源。

採用具有申請專利範圍第1項之特徵的照明裝置即可達到上述目的，也就是為每一個成像元件以可控制的方式接通至少兩個光源，該等光源以強度疊加的繞射級產生一個可視範圍，這個可視範圍具有一個由一個繞射級的最大強度與至少另外一個繞射級的最大強度的一部分疊加成的總強度，其中在相同位置產生之重建的強度是可以疊加的，該等重建可作為在可視範圍內具有相當於該總強度之亮度的3D場景的重建在瞳孔的位置被看見，透過瞳孔可預先給定可控制之待接通光源的位置。

由於觀察者平面上的每一個光源像都是以繞射級週期性的傳播或重複，因此接通之光源的光源像的繞射級的強度及/或至少是部分繞射級的強度是可以疊加的，但前提是該等光源彼此的間隔是預先給定的，並能夠以可控制的方式被接通。同樣的，能夠以這些強度在相同的位置產生及疊加重建，因而以疊加的強度形成一個疊加的重建，而且這個具有較大亮度的重建能夠在可視範圍被感知到。可視範圍具有疊加之強度的總強度。

根據本發明，能夠在可控制光調制器之前的不同位置產生與待接通之光源的距離或輻射角可以變換的可視範圍。

例如，本發明之控制系統包括可以啟動或關閉(也就是接通或切斷)數量可預先給定之光源、及/或間隔可預先給定之光源、或輻射角可調整的光源的控制元件，這些光源的數量、間隔或輻射角是由待產生之可視範圍決定，並能夠以偵測到的瞳孔的位置數據預先給定可視範圍的位置。

以本發明的照明裝置能夠為至少一位在具有本發明之照明裝置的全像顯示器之前的空間的不同位置的觀察者產生一個能夠看見所產生之重建的可視範圍。

接通至光源的成像元件可以彼此間隔一段距離，這個距離使光源像之繞射級的最大強度對可視範圍之最大強度被移動一繞射級之區間的整數倍，其中該區間是一個大於或等於1的整數。因此這個距離至少對應在照明側對能夠啟動成像元件之光源及在成像側對光源像之繞射級的最大強度對可視範圍之最大強度的整數倍距離。

此外，照明裝置還可以具有光源，為了產生可視範圍，可以根據3D場景的1D或2D編碼調整這些光源彼此在垂直及/或水平方向上的距離。透過重複接通之光源的繞射級，可以根據編碼的方法(利如Burckhardt編碼或雙相編碼)在可視範圍內將強度的週期性重複疊加，以產生重建。

根據本發明之照明裝置的一種實施方式，每一個成像元件能夠以可控制的方式接通至少3個光源，其中可視範圍的最大強度能夠與至少兩個另外接通的光源的一個額外的強度份額疊加，其中該額外的強度份額具有一個繞射級的一部分或整個繞射級的強度及至少另外一個繞射級的一部分或整個繞射級的疊加的強度。在本實施方式中，一個光源的最大強度(最好是第0繞射級)被確定為可視範圍。

根據本發明之照明裝置的另外一種實施方式，可以為一具有程式化之遠場繞射圖案的觀察者平面預先給定一可視範圍的總強度，其中控制元件可以為該遠場繞射圖案接通每一個具有程式化之接通圖案的成像元件的光源。

為了產生可視範圍，照明裝置具有可控制啟動及/或關閉之真實或虛擬光源，而可可以將這些光源排成陣列。在垂直或水平方方向上至少可以在一維上控制接通之光源的光線傳播，其中3D場景至少在一維上被水平或垂直編碼。

本發明還包括一種具有如申請專利範圍第1項至第8項中任一項之照明裝置的全像顯示器。特別是這種全像顯示器具有一個光源陣列、成像元件及一個可控制的空間光調制器，其中3D場景能夠被寫入該空間光調制器，且3D場景產生的重建能夠在一個可視範圍內被看到，其中該可視範圍具有至少兩個不同的繞射級的強度，這些強度疊加成一個總強度，以這個總強度能夠產生由至少兩次疊加之重建構成的3D場景的重建，其中當瞳孔位置改變時，可以透過控制系統改變每一成像元件均具有一定數量之光源的可視範圍的位置。

根據本發明之全像顯示器的另外一種實施方式，能夠控制接通彼此之距離及/或輻射角能夠變化之光源，其中光源之控制是根據在產生可視範圍之可控制空間光調制器之前的任意一個觀察者平面上的瞳孔位置進行。通常可以在可控制光調制器或全像顯示器的一個可預先給定之深度範圍或距離範圍內的不同的觀察者平面上產生可視範圍，例如該深度範圍距離範圍在70cm至120cm之間。

在規則排列的像素中，也就是說兩個直接相鄰之像素的中心到中心的距離(以下稱為像素間距)，觀察者平面上繞射級彼此的距離通常是與像素矩陣之像素間距的倒數成正比。此外，繞射級彼此的距離也與觀察者平面與光調制器之間的距離成正比。為了盡可能縮小3D場景及/或物點在重建時的重建誤差，因此在繞射級內的可視範圍的尺寸應略大於瞳孔的直徑。光調制器的像素間距通常是根據這個要求來決定，也就是根據可視範圍的尺寸來決定。例如觀察者平面到光調制器的距離為70cm至120cm，像素矩陣的像素間距應在30μm至50μm之間。

全像顯示器可以具有一個帶有成像元件的雙凸透鏡陣列，而且每個成像元件都有配置用於產生可視範圍的可控制接通的光源，其中3D場景最好是以一維編碼的方式被寫入可控制空間光調制器。

另外一種可選擇的方式是全像顯示器具有二維配置的球形成像元件，而且每一個成像元件都可以配備用於產生可視範圍之可控制接通的光源，其中3D場景最好是以二維編碼的方式被寫入可控制光調制器。

根據另外一種實施方式，全像影示器之照明裝置的光源能夠以可控制的方式在不同的位置及/或與不同的輻射角為待重建之3D場景使用之不同波長的光線被接通。

根據本發明，如果一個光源的光線的空間相干性使其干涉能力至少足以使一維或二維重建全像重建具有足夠高的解析度，則這個光源被視為具有足夠的相干性。發出之光線從穿過足夠窄的縫隙向外發射的傳統光源亦足這些要求。在垂直於線狀光源之長度的方向上可以將線狀光源視為點狀光源。因此光線在這個方向上是相干的，而在與這個方向垂直之方向上是不相干的。為了確保時間相干性，光源的光譜的必須是足夠狹窄的。

顏色資料可以是單色的、時間連續的、或是被濾光器分解成光譜成分。可以將3D場景或點的全像圖編碼到其內的矩形狀配置的電控式像素能夠調制具干涉性之光線的振幅及/或相位。

例如，用於彩色3D場景之重建的全像顯示器可以使用紅色、綠色及藍色光源，以連續顯示紅色、綠色及藍色的全像圖。本發明可以被應用於每一個顏色的強度都是由這個顏色的多個光源的繞射級疊加而成的顯示器。

例如，本發明可應用於一種全像顯示器，在此種全像顯示器中，光源能夠以成像元件為準，對位置變化的瞳孔以不同的位置及/或數量的組合方式被接通。

有許多不同的可能性能夠以有利的方式實施及進一步改良本發明的照明裝置。這些有利的實施方式及改良方式請參見附屬於申請專利範圍第1項的附屬申請項目及以下說明的有利的實施例。

以下說之本發明的實施例都涉及照明裝置，例如這些照明裝置可以具的真實光源或虛擬光源，而這些光源也可以是二次光源。例如二次光源是快門顯示器的可控制的開孔，這些開孔被一個傳統式光源陣列平面照亮。例如一個真實的近似點狀光源可以是雷射。

本發明利用光線在一個開孔矩陣上的繞射，這些開孔可以是在照明裝置內的一個可控制的光調制器，其中繞射的強度會在一個觀察者平面上週期性的重複。第一光源的一個繞射級的最大強度在一個瞳孔的位置的被確定為可視範圍。

可視範圍的尺寸是由所使用之可控制空間光調器的像素間距p、所使用之光線的波長λ及觀察者的眼睛位置到光調制器之像素矩陣的像素的距離D決定，也就是：SB = λ/pD。

本發明的基本構想是利用照明裝置產生一個可視範圍，其中這個可視範圍具有由多個接通之光源的不同之繞射級的強度或至少是這些繞射級的一部分強度疊加成的強度。可以透過控制元件調整這些光源彼此的位置，以便在不同的觀察者平面上的預先給定的瞳孔位置產生一個可視範圍。可以為每一個成像元件配置至少兩個可控制接通的光源，這些光源在可視範圍內的繞射級具有由至少兩個不同強度疊加而成的總強度。這些強度可以是一個第一光源的一個繞射級的最大強度及至少一個第二光源的至少另外一個繞射級的最大強度。接通之光源的其他繞射級的強度最好是與可視範圍的最大強度疊加。由於至少兩個繞射級的強度可以在可視範圍內疊加成一個總強度，因此在相同位置產生的至少兩個不同強度的3D場景的重建可以疊加成一個重建。這個重建可以被感知到的亮度相當於在可視範圍內的總強度或疊加的強度。

所謂亮度通常是指作用在觀察者上的輻射強度。也就是說，亮度是觀察者感知到的光線強度。

利用本發明的照明裝置可以用三維方式執行一種所謂的光源追蹤。如果能夠連續為不同觀察者的眼睛產生重建，則多位觀察者可以看到3D場景的重建。這些觀察者應停留在觀察者空間內的一個範圍或不同的平面上，其中觀察者空間的尺寸可由全像顯示器的規格參數預先給定。但是本發明亦可用於其他的追蹤方法，例如應用於應以電潤濕電池將光線導引至瞳孔的成像元件。

以下將配合第2圖至第5圖詳細說明本發明之照明裝置的一個實施例。第一光源之第0繞射級的最大強度始終都要能夠作為可視範圍之用。例如要能夠以真實光源或虛擬光源實現照明裝置，其中每一個成像元件可以配備LQ、LQ1至LQn之數量的光源。圖示中顯示的並非一個重建的3D場景，而是以示意方式顯示一個重建的物點。在本說明書中，物點的重建代表的意義和3D場景的重建是一樣的。

第2圖是一個具有接通之光源LQ1、LQ2、LQ3及一個成像元件AE及一個可視範圍VW之照明裝置的俯視圖。一個物點OP2(例如一個應呈現部分3D場景的物點)在可控制空間光調制器ME的至少一個範圍內以一個全像圖SH被編碼。光調制器及光源LQ1、LQ2、LQ3與受控制系統控制之控制元件CE連接。例如當受到成像元件AE的控制應在一個觀察者平面上成像的3個光源LQ1、LQ2、LQ3被接通時，
其中被具有3個光源之繞射級的調制光線在該觀察者平面上週期性的持續重複。光源LQ1、LQ2、LQ3彼此具有特定的相對位置，透過這些位置使這些光源之繞射級的強度能過形成疊加。可視範圍通常是由中間光源LQ2的第0繞射級決定，因為這個繞射級的強度最大(具有最大強度)。光源LQ1的第-1繞射級的強度-1LQ1及光源LQ3的第+1繞射級的強度+1LQ3可以在可視範圍內與光源LQ2的第0繞射級的強度0LQ2疊加成一個總強度。3個光源的強度的疊加會在觀察者平面上可視範圍之外的其他繞射級內繼續進行。

在可視範圍內，光源LQ2之第0繞射級的最大強度與光源LQ3之第+1繞射級的強度及光源LQ1之第-1繞射級的強度疊加。繞射級之強度的週期性重複會發生在觀察者平面及物點的重建上，例如以點OP1及OP3的形式。如果控制每一個成像元件之若干數量的待接通的光源的位置或輻射角，使繞射級的強度可以疊加，則不但在可視範圍內強度可以疊加，也可以與所產生之重建的強度疊加。因此物點OP2的重建具有3個在相同位置疊加的重建，也就是由能夠在相同位置以不同強度之光源LQ1、LQ2、LQ3產生之重建疊加而成。3D場景的其他的物點OP1及OP3也是如此。

瞳孔AP能夠感知到一個在可視範圍內具有相當於疊加之重建的亮度的3D場景的重建。

所使用之光源最好都能夠發出具有足夠相干性的光線，但是不同的光源彼此並不相干。這樣各個光源之繞射級的強度就會在可視範圍內相加。因此觀察者的眼睛在可視範圍內就會看到比只有一個光源時更亮的重建。照明裝置的這個實施例可以應用於一種全像顯示器，其中具有複數值之3D場景的一個相應計算出的全像圖會被編碼到空間光調制器內，同時3D場景的重建是由3個重建疊加而成。以這種方式重建的3D場景在可視範圍內可以被感知到相當於在可視範圍內疊加之總強度的亮度。本文後面將配合第4圖及第5圖說明另外一個實施例。

第2a圖顯示兩個接通的光源LQ1，LQ2及一個成像元件AE，其中成像元件AE能夠將光源LQ1，LQ2成像在一個成像平面上，其中光線在基材GI上被均勻指向的開孔繞射，因而在成像平面上形成週期性連續出成的光源像。基材GI的作用如同一個帶有許多開孔的繞射光柵，該等開孔的配置方式相當於一個SLM的像素結構，其中3D場景並沒有任何一個複數值被寫入該SLM。

光源是以一個可預先給定的相互距離及/或以一個可預先給定的輻射角被接通，因此在成像平面上的光源像的強度會相互移動，而且是可以疊加的。例如強度相互移動一個繞射級。此外還可以接通每一個成像元件之具有相互間距及/或輻射角的組合可預先給定的其他光源，這樣就可以在不同的觀察者平面上形成與其他接通的光源的強度的疊加。

第2b圖是以簡化的方式顯示一個具有兩個光源LQ1，LQ2的照明裝置，例如一個用於全像顯示器的照明裝置。

一個光源陣列的能夠透過控制元件接通的光源LQ1，LQ2配屬於一個成像元件AE，該成像元件可以將光源LQ1，LQ2成像。光源陣列中的光源LQ1，LQ2具有能夠確定其在光源陣列中之位置的二維數據。可以根據這些位置數據為測得之瞳孔位置接通光源。

應將光源LQ1設置於成像元件AE之光學軸的中心，以及將光源LQ2設置在與光源LQ1間隔一個距離d的位置。控制光源LQ1，LQ2使光線將一個可控制光調制器ME照亮，其中一個物點的全像圖SH會作為3D場景的一部分被寫入該可控制光調制器。控制元件CE也控制光調制器ME，及/或將全像圖SH寫入可控制光調制器。在備2b圖中不是如第2a圖產生光源像，而是在觀察者平面(也就是第2a圖的成像平面)上產生被寫入之全像圖SH的繞射級的強度分佈IV1，IV2，透過該等強度分佈可以在瞳孔AP的位置產生一可視範圍。由於觀察者平面是光源的遠場，因此強度分佈IV1，IV2也稱為遠場繞射光柵。

如果兩個光源LQ1，LQ2被接通，則會在瞳孔AP產生一個可視範圍，且該可視範圍的總強度相當於第一光源LQ1之第0繞射級的最大強度，其中該最大強度與第二光源LQ2之第+1繞射級的部分強度疊加。

在可視範圍內瞳孔AP可以看到物點OP1的一個重建，其中這個重建是由第0繞射級及第+1繞射級之強度產生之重建疊加而成。將可視範圍內的強度疊加使物點OP1能夠以一個等於可視範圍內之總強度的強度被看見。透過這個疊加可以使重建的總強度大於每一個成像元件AE僅有一個光源所產生的強度。

可以視成像元件AE的寬度而定，為每一個成像元件接通兩個以上的光源，以產生重建。所接通之光源彼此的間距可以是使光源像在觀察者平面上相互移動2個、3個或其他數量的繞射級。可以根據瞳孔目前的位置，將要控制之光源的位置以軟體程式的方式儲存在儲存器中，以產生可視範圍。此外，在本實施例中可以在不同的位置接通產生可視範圍的光源，這些位置是由在3D場景在垂直及/或水平方向上的1D或2D編碼決定。

以下將說明如何測定待接通之光源彼此的距離d及/或待接通之光源的位置。根據面的說明，用於3D場景之重建的可視範圍的尺寸是由SB = λ/p D定義。因此光調制器ME的一個繞射級在距離D的範圍是D*λ/p。

根據先前技術，在具有至少一個光源陣列、成像元件及SLM的全像顯示器中，光源被成像到觀察者平面上。根據本發明，其他待接通之光源的配置方式使其光源像在觀察者平面上會被移動像素矩陣之繞射級之範圍區間的一個整數倍，也就是被移動N*D*λ/p倍，其中N是一個整數。

根據幾何光學，光源及成像元件適用一個成像方程式。透鏡的放大倍數通常被定義為像寬BW除以物寬GW的係數。為了使兩個光源在觀察者平面上的光源像能夠被相互移動N*D*λ/p，這兩個光源彼此的橫向距離必須是GW/BW*N*D*λ/p。通常成像元件的位置很靠近光調制器ME，這樣像寬BW大約會等於觀察者距離D，因此計算每一個成像元件的兩個待接通之光源的距離的方程式可以簡化為N*GW*λ/p。此外，光源彼此的距離也與波長有關。對全像彩色顯示器而言，為了重建高亮度的3D場景，必須為紅色、綠色及藍色光源選擇不同的距離。

通常可控制空間光調制器也可以具有在水平及垂直方向上有不同像素間距的矩形像素。在這種情況下，應選擇性的將p作為一個水平或垂直間距代入前面提及的方程式後，以測定光源的水平或垂直距離。

陣列中的光源可以是垂直上下配置，以免提高進到觀察者之另外一個眼睛的其他繞射級的串擾。採用2D編碼時，在二維上控制光源(例如以十字形式控制)是有利的。

如果將光源陣列與上下配置之雙凸透鏡陣列組合在一起使用，則可以為每一個成像元件(也就是雙凸透鏡陣列的每一個透鏡)接通多個至少是垂直控制的光源。至少可以為每一個成像元件接通兩個上直垂直或水相鄰排列的光源，其中可以將快門顯示器的像素行或像素列作為帶狀二次光源控制。

根據本發明的另外一種實施方式，用於雙凸透鏡陣列的每一個透鏡的光源都是可以控制的，其中這些光源是以水平及垂直方式排列。

例如，照明裝置可以具有以規則方式排列的光源。例如具有最好是由帶狀光源或點狀光源構成的光源陣列。如果需要在光程上設置具有帶狀成像元件(例如雙凸透鏡)的成像裝置，則可以用行或列的方式控制每一個成像元件的光源，使其成為提供帶狀照明用的帶狀光源。成像元件應能夠以數量可預先給定之單一光源在不同的位置產生可視範圍。在進行觀察者追蹤時，待重建之物點的全像圖的可以選擇性的在固定位置被編碼，或是重新被編碼。由於待重建之物點的位置可以隨著瞳孔的位置改變，因此接通之光源(配屬於成像元件)的至少兩個繞射級的強度需能夠在這個眼睛位置疊加。相較於其他的繞射級，被確定用於光源產生物點之重建的繞射級最好具有產生之重建的最大強度。多個光源之重建的疊加相當於在相同位置將強度相加。

由於至少兩個繞射級的強度能夠在可視範圍內的相同位置疊加成一個總強度，因此能夠以這些強度在相同的位置產生3D場景的至少兩個重建，並將其疊加，這個疊加成的重建可作為在可視範圍內具有相當於該總強度之亮度的3D場景的重建在瞳孔被看見。這個3D場景的重建可以在可視範圍內以相當於可視範圍之總強度的亮度被看見。

第3圖顯示一個如本發明之照明裝置的3個接通之光源的光源像之繞射級的強度分佈，以及在相當於可視範圍VW之位置的遠場內的強度的包絡線及/或疊加。

第3圖中的包絡線是一個單一像素的包絡線，這個單一像素在一個方向上的填充係數或孔徑相當於像素間距之70%，且具有一矩形像素的透射率變化。第3圖涉及第2圖的3個光源LQ1，LQ2，LQ3。第3圖以第0繞射級為中心以垂直線標示在一個繞射級上被確定的可視範圍VW的界限。3個光源LQ1，LQ2，LQ3之3個強度分佈I1，I2，I3的最大強度大致相等，並以彼此相距一個繞射級的方式顯示於第3圖中。兩個光源LQ1，LQ3的最大強度均位於可視範圍之外。

包絡線的組合曲線顯示強度有利的提高到一個總強度(一個平均比可視範圍之強度大50%的總強度)，同時這個大於可視範圍之強度的總強度的變化曲線比光源LQ2的單一強度I2的變化曲線均勻。

包絡線描述由接通之光源LQ1，LQ2，LQ3的3個不相干相加之強度I1，I2，I3構成的總強度。根據第3圖，在接通3個光源LQ1，LQ2，LQ3時(也就是光源之300%的強度)，可視範圍的總強度比單一光源的強度大150%。這樣做雖然會使接通之光源的效率降低，但能夠提高在可視範圍內能夠被瞳孔看見之3D場景之重建的亮度。

本發明還包括一種全像顯示器，此種全像顯示器具有如申請專利範第1項之光源陣列的照明裝置，以及具有成像元件及一個可控制空間光調制器ME，其中一個3D場景的全像圖能被寫入這個可控制空間光調制器，在可視範圍內能夠以至少兩個疊加的重建產生這個3D場景，且其總強度是由接通之光源的光源像的至少兩個疊加之繞射級相加的強度，其中可以配合可視範圍之位置改變，透過控制系統啟動或關閉每一個成像元件之若干數量的光源。可控制光調制器最好具有兩個像素矩陣。

成像元件可以是一個透鏡陣列的一個規則排列的透鏡裝置。控制系統具有控制元件，例如可以控制照明裝置的光源以產生可視範圍的控制元件，或是可以控制光調制器之光線調制的控制元件。可以連續追蹤觀察者眼睛的位置，以便能夠一直為當下測定到的眼睛位置產生一個可視範圍。

位置發現器測定觀察者之瞳孔的位置數據。控制系統利用全像顯示器的測定系統及調節系統將數據發送到控制元件及從控制元件接收數據。

配屬於成像元件並可同時在水平及/或垂直方向上個別被接通的真實或虛擬光源能夠一維以其彼此的橫向距離或其照亮可控制光調制器之輻射角為準組合在一起，以使配屬於個別光源的繞射級在觀察者平面上彼此移動一個單一繞射級之區間的整數倍(一個大於或等於1的整數倍)。

若要以全像顯示器重建一個由至少一個物點構成的3D場景，首先需測定瞳孔的位置，以便為這個位置產生一個可視範圍。一個持續測定瞳孔位置的位置測定系統會將位置數據傳送至控制系統，再由控制元件根據位置數據接通照明裝置內光源陣列中的預先給定數量之光源。控制元件透過一個軟體程式接通每一個成像元件的光源，這些光源能夠為瞳孔位置產生具有一個最大強度的可視範圍，其中可視範圍的強度會在觀察者平面上疊加。可視範圍的強度與每一個成像元件之接通的光源的強度在可視範圍內疊加成一個總強度。光源的光線會受具有被編碼之3D場景之全像圖的可控制光調制器的影響，因此可以產生3D場景的重建，而且這個重建能夠與以單一強度產生的重建疊加。

當觀察者的位置改變時，控制系統會根據傳送之位置數據控制光源，以便以新的控制值使3D場景的重建能夠在新產生的可視範圍的位置被看見。所選擇之待接通之光源的位置應使一個第一光源的一個繞射級的至少一部分強度與至少一個第二光源的另外一個繞射級的至少一部分強度能夠為物點的重建及在觀察者平面上的可視範圍內疊加。

本發明可以選擇性的應用在使用不同種類之光調制器(例如振幅調制器或相位調制器)及不同的編碼方法(例如複數值編碼，相位編碼，Burckhardt編碼)的全像顯示器。使用編碼方法要注意的是，在觀察者平面上彼此有位移的繞射級是在可視範圍內具有帶有調制過的3D場景的彼此疊加的週期性重複，而不是在使用Burckhard編碼產生空間反轉之重建的範圍內具有此種重複。

以下將配合第4圖及第5圖說明Burckhard編碼。

第4圖是以示意方式顯示一個可控制光調制器ME，其中一個由單一光源LQ照亮的3D場景的全像圖SH被編碼到這個可控制光調制器ME。Burckhard編碼是將一個複數值以振幅值的形式編碼到光調制器的3個像素。

經全像圖SH調制的光線被聚焦到一個位置，第4圖中一個物點OP可以在這個位置被重建，其中光線從這個位置出發為瞳孔AP產生一個可視範圍。在可視範圍X內，一個3D場景的重建可以被瞳孔看到。除了可視範圍X外，在觀察者平面上還有範圍Y及Z。如果無意中將以深度為準位於前面及後面的物點(未在圖中繪出)換錯，則在範圍Y內的瞳孔完全不會感知到任何全像重建，在範圍Z內的瞳孔會看見一個3D場景。一個在第4圖之範圍Z內的瞳孔AP會感知到在顯示器之後重建的物點，而這個物點在可視範圍X內會在顯示器之前的位置被感知到。

X，Y及Z的整個配置會在觀察者平面上週期性的重複。光源LQ的部分光線被聚焦觀察者平面上位於部分範圍Y的點PY上。這相當於一個光源像，使用Burckhardt編碼時，這個光源像也可以在被寫入光調制器的全像圖上被看見。這個光源像會在其他的繞射級中週期性的重複。

瞳孔只有在可視範圍X內可以感知到物點OP的一個重建。例如，這個重建能夠與以另一個接通的光源的強度產生的重建疊加。例如，根據第5圖，部分範圍X的強度應能夠與另一個光源的部分範圍X’或Y’的重複疊加，例如在部分範圍X’、Y’及Z’具有在觀察者平面上週期性持續之強度的光源。

在這種編碼中，在本發明之照明裝置中配屬於一個成像元件之光源的距離最好是使觀察者平面上的部分範圍X的光源與另一個光源之部分範圍X的重複疊加。這樣兩個不同的光源像的兩個繞射級的強度就可以疊加，同時兩個以這些強度產生的物重建會被疊加成一個單一重重建，其中這單一的重建能夠被看見的亮度當於總強度。

為了找到待接通之光源的位置，可以如第5圖所示先追溯從部分範圍Y內的光源像PY穿過全像圖SH的中心再穿過成像元件AE到光源陣列之光源LQ2的光程。同樣的，也是和PY一樣穿過全像圖內的相同的位置及成像元件AE，追溯從光源像PY’及PY’’(也就是PY的週期性重複)的光程。這樣就會到達光源LQ1及LQ3的位置。例如，如果要以雙凸透鏡作為成像元件AE，則接通的光源LQ1至LQ3可以是一個光源陣列的接通的光源列。可以用軟體程式或利用查找表根據眼睛位置測定光源LQ1至LQ3。

根據本發明，一個接通之光源(例如LQ1)的一個繞射級的一部分(也就是觀察者平面上延伸到範圍X，Y及Z的繞射級的X部分)及另一個光源(例如LQ3)的至少另一個不同的繞射級的同一個部分在可視範圍內構成一個疊加。

一種特別有利的方式是，本發明的一個實施例可以實現一種使用快門顯示器的照明裝置，在這種快門顯示器中，本發明的光源是二次光源。這種照明裝置僅需很小的花費即可產生光源，同時可以控制門顯示器的每一個成像元件的像素行或像素列。例如，可以使待接通之光源的每個行之間的距離大約是大於2mm，以便以一個快門顯示器產生一個具有疊加之強度的可視範圍，以及使在這個可視範圍內具有疊加之重建的一個3D場景的重建能夠被看見。不必改變一次照明單元的各個光源的功率。以相同的一次照明可以使3D場景的重建以較大的亮度被看見。

照明裝置的光源的數量及/或相互位置及/或輻射角都是可以預先給定的，而且能夠以可變化的方式被控制及接通。這種情況發生在根據本發明要在不同的觀察者平面上的至少兩位觀察者的變化的瞳孔位置上產生一個可視範圍，以觀察3D場景的重建時。透過控制每一個成像元件之待接通光源的不同組合，可以在不同的位置產生具有相同之總強度的可視範圍，因此以可相加之強度產生的重建能夠疊加成一個單一的重建。

本發明的另外一個實施例是應用於全像顯示器，這種全像顯示器具有一個將光線偏轉到不同的瞳孔位置的電潤濕單元。這種顯示器還具有一個照明單元、至少一個成像元件、一個光調制器、以及一個可控制的偏轉元件(例如進行觀察者追蹤用的電潤濕棱鏡裝置)。

這種裝置可透過可控制的偏轉元件設定一個偏轉角，以追蹤一位觀察者之瞳孔立置的可視範圍。亦可接通多個光源，以便在可視範圍內使一個第一光源的一個繞射級的強度與至少一個第二光源的另外一個繞射級的強度疊加。光源的位置也可以被測出，也就是透過光學系統追溯光源像在觀察者平面上的光程。尤其是光源彼此的距離可能會因為可調整之棱鏡角相對於偏轉角與可視範圍之位置的非線性關係而改變。

0LQ2、-1LQ1、+1LQ3．．．強度

0 OP、+1 OP、-1 OP、OP1、OP2、OP3．．．物點

AE．．．成像元件

AP．．．瞳孔

CE．．．控制元件

GI．．．基材

IV1、IV2．．．強度分佈

LQ、LQ1、LQ2、LQ3．．．光源

ME．．．光調制器

PY．．．點、光源像

PY’、PY’’．．．光源像

SH．．．全像圖

VW．．．可視範圍

X、X’、Y、Y’、Z、Z’．．．範圍

以下之圖式是以示意方式顯示：

第1圖：依據先前技術，一個帶有光源之3D場景之一部分的一個以簡化方式顯示的重建的俯視圖。
第2圖：根據本發明，一個3D場景之一部分的一個以簡化方式顯示的重建的俯視圖。
第2a圖：在一個成像元件內產生兩個光源像的繞射級的一個實施例。
第2b圖：根據本發明，一個可視範圍具有疊加之遠場繞射圖案之物點的重建的一個實施例。
第3圖：根據本發明，在一個具有3個光源之疊加的繞射級的可視範圍內疊加之強度變化曲線的一個簡圖。
第4圖：一個以Burckhardt全像圖被編碼的3D場景的一部分的重建的實施例。
第5圖：測定第4圖之照明裝置的待接通之光源的位置的一個例子。

在第1圖至第5圖中，相同的元件均以相同的元件符號標示。

0LQ2、-ILQ1、+1LQ3．．．強度

0P1、0P2、0P3．．．物點