TW201702768A - 用於二維及/或三維場景全息重建全息圖之計算方法 - Google Patents

用於二維及/或三維場景全息重建全息圖之計算方法 Download PDF

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Abstract

本發明涉及一種用於在顯示裝置上進行二維及/或三維場景全息重建全息圖之計算方法，其作法是將一個待重建場景(4)拆解成物點(P、P1-Pn )，其中物點(P、P1-Pn )作為子全息圖(S1-Sn )被編碼到顯示裝置的至少一個空間光調制裝置(1、10、100)內。從一可視範圍(3)觀察重建場景。至少一個空間光調制器(1、10、100)的至少一個虛平面(100’、100’’)是從空間光調制器(1、10、100)的一個真實平面(100)出發並被確定。在該至少一個空間光調制器的至少一個虛平面內計算子全息圖(S1-Sn )。

Description

用於二維及/或三維場景全息重建全息圖之計算方法
本發明涉及一種用於在一顯示裝置上進行二維及/或三維場景全息重建全息圖之計算方法，其中待重建場景被拆解為物點，同時將物點作為子全息圖被編碼到顯示裝置的至少一個空間光調制裝置，其中一個重建場景從可視範圍被觀察。
此外，本發明還涉及一種顯示裝置，尤其是用於顯示二維及/或三維場景的全息顯示裝置，此種顯示裝置具有一空間光調制裝置，其中光調制裝置適於執行本發明的方法。
例如WO 2006/066919 A1有提出一種計算全息顯示器及/或全息顯示裝置之全息圖的方法，其揭露的內容應全部被包含在本說明書中。在這種已知的方法中，全息圖的計算把一個位於觀察者平面的虛擬觀察者視窗包括進去，當虛擬觀察者視窗與觀察者的眼瞳所在位置重合時，觀察者可以透過這個視窗觀察重建場景。在一般的全息圖中，三維(3D)場景的重建是在一個至少包含觀察者的兩個眼睛在內的可視範圍內完成，而在這種已知的方法中，包含重建場景之資料的波場限制在位於觀察者平面之觀察者的眼瞳。觀察者到在一重建空間內的重建場景，其中重建空間是由觀察者視窗及顯示裝置張拉而成，而且其範圍能夠延伸到顯示裝置(通常亦稱為顯示器)後方。例如US 2008/252950 A1就已提出及描述這種方法，因此其揭露的內容應全部被包含在本說明書中。
這種方法能夠全息重建的三維場景遠大於以全息圖的形式被編碼在一顯示器置(顯示器)之光調制器(SLM)內的三維場景，而且其對於光調制器之分辨率的要求遠小於一般全息技術要求的分辨率。這種方法的另一個優點是相應之全息圖的計算比較容易。由此可知，三維場景之物點的資料只需在顯示裝置的一個範圍內被編碼即可，其中這個範圍是由在一要顯示之物點上方的觀察者視窗在顯示裝置及/或光調制器上的投影所形成，這個範圍稱為子全息圖。
計算這種觀察者視窗全息圖的方法是由US 7,963,633提出，因此其揭露的內容應全部被包含在本說明書中。這種方法主要是把一個三維場景拆解成複數個彼此間隔足夠小的距離的截面。物點在這些截面內被以足夠的分辨率設置。接著透過第一積分轉換將這些截面轉換成一個在參考面上的虛擬觀察者視窗，並累計在虛擬觀察者視窗的範圍。接著透過第二積分轉換將這個通常是複數值的波場轉換到光調制器的平面，並以通常也是複數值之全息圖的形式被編碼。這種方法的優點是只將源自觀察者視窗之範圍的資料在全息圖中編碼，而且在重建全息圖時也只需將這些資料送到這個觀察者視窗。
但是也可以用另一種方式追蹤觀察者視窗全息圖的計算及編碼。在這種方法中，三維場景也是在計算時被拆解成物點。然後為各單一物點計算出以透鏡函數為形式的子全息圖，並直接顯示及累加在光調制器上。子全息圖在光調制器上的大小及位置是由所涉及之物點上方的觀察者視窗在光調制器上的投影決定。例如WO 2008/025839 A1有描述這種方法，因此其揭露的內容應全部被包含在本說明書中。
以上提及的一種或數種方法的計算工作量會隨截面及物點的數量而改變。
US 7,969,633的方法的計算工作量與所使用的截面數量呈現近似正比的線性關係。在一定程度上，截面的選擇是任意的。但通常會希望在觀察者視窗的觀察者看到的三維場景的景深能夠保持一致。所選擇的截面之間的距離應小到使眼睛分辨不出相鄰截面之間的區別。因此一個給定的三維場景對截面有一最低數量的要求。
WO 2008/025839 A1的方法的計算工作量會隨著物點數量的增加而升高，同樣的，所選擇的物點密度應使重建場景形成一致的景深。
尤其是對景深範圍較大且按照US 7,696,633的方法需要許多截面的三維場景而言，WO 2008/025839 A1的方法的計算工作量較少。反之，如果物點的數量很大，但是僅分在較少數量的截面上，則US 7,696,633的方法的計算工作量較少。
先前技術(例如WO 2006/119760 A2)已有關於配備虛擬觀察者視窗之全息顯示器(顯示裝置)的描述，在這些顯示器中，觀察者不會直接看到光調制器，而是看到屏幕上光調制器的放大圖像。在這種情況下，全息圖的計算工作量是由三維場景相對於光調制器之圖像的位置決定。觀察者在全息頭盔式顯示器(Holo-HMD)中看到的會是光調制器的放大圖像，而且其計算工作量也是由三維場景相對於光調制器之圖像的位置決定。
頭盔式顯示器(HMD)是一種戴在觀察者/使用者的頭部，外形類似眼睛或頭盔的顯示裝置。這種顯示器可設計成用於觀察者的一個眼睛(單眼HMD)或觀察者的兩個眼睛(雙眼HMD)。以類似的方式也可以將這種顯示器設計成固定式或可攜式顯示裝置，使用時觀察者可以透過位於眼睛附近的光學放大器(目鏡)觀察至少一個顯示器的放大顯示，及/或觀察由顯示裝置重建之三維場景的放大重建顯示。以下將這種被電子式觀察箱的全息顯示器稱為全息目鏡(Hokular)。
例如，如果要完整重建一僅由一個物點構成的三維場景，則必須在子全息圖所在的位置為這個物點將複數值寫入光調制器。根據一種有利的實施方式，這個複數的數值(也就是振幅)在子全息圖的整個範圍大致保持不變，而且其大小是由物點到光調制器/螢幕軸向距離及物點的強度決定。但是以下的描述並不限於振幅在子全息圖的整個範圍保持不變的情況，而是也包括其他的可能性。子全息圖範圍內複數值的相位分佈大約相當於一個透鏡的函數，這個透鏡的焦距也可以是由與顯示裝置中的其他聚焦元件(例如場透鏡)的組合決定。所選擇的子全息圖之透鏡函數的焦距較佳是使焦點位於所涉及之物點上。但是以下的描述並不限於特定的光調制器，而是也可以包含子全息圖內其他的相位值。在子全息圖之外，這個物點被寫入光調制器的振幅是0。只有在子全息圖內的光調制器的像素才會整個被轉換以用於單一物點的重建。
計算全息圖的一個複雜的步驟是將子全息圖的透鏡函數的相位換算成實數部分及虛數部分，以加總多個子全息圖。平均大小的子全息圖通常都必須執行多次這個步驟。
原則上可以在具有不同參數(例如顯示裝置的尺寸或顯示裝置與觀察者的距離)的全息顯示裝置上重現同一個三維場景。
利用一調制元件(像素)較小且與觀察者的距離較短的尺寸較小的光調制器，可以產生尺寸大致相同的觀察者視窗及/或可視範圍，以及尺寸相同的截頭體(錐體，從觀察者視窗/可視範圍的邊緣延伸到光調制器的邊緣及後方)，就如同由一具有相同數量之較大的調制元件且與觀察者的距離較大的尺寸較大的光調制器產生的尺寸大致相同的觀察者視窗及/或可視範圍。
例如一個20吋顯示器(顯示裝置)，其與觀察者距離為2公尺，以觀察者視窗/可視範圍之尺寸為準的像素間距(調制元件的距離)為90μm，其產生的截頭體大致與一距離觀察者40公分、像素間距為18μm的4吋顯示器(顯示裝置)產生的截頭體相同。例如，可以利用下式計算波長λ=475nm之藍光在以上兩種情況(20吋顯示器及4吋顯示器)之可視範圍/虛擬觀察者視窗的大可能尺寸xvw： xvw_ma = λzlm /plm 其中zlm 代表光調制器到可視範圍/虛擬觀察者視窗的距離，plm 代表像素間距(大約是10.5 mm)。這可以選擇適用於水平或垂直，因為可視範圍的尺寸通常是二維的。
也可以選擇較小的可視範圍/虛擬觀察者視窗的尺寸。例通常可按照下式計算： xvw = aλzlm /plm
其中係數a＜=1。在這種情況下，係數a也會出現在下面提及的方程式中。但為了簡化起見，以下的方程式均將a去除，但是以下的描述亦適用於a＜1的情況。但是對能夠偵測至少一位觀察者的眼睛位置及追蹤可視範圍/虛擬觀察者視窗與眼睛位置的關係的全息顯示器而言，為了補償眼睛位置判定的不精確性及追蹤可視範圍/虛擬觀察者視窗得時間延遲，可視範圍/虛擬觀察者視窗的尺寸通常要達到10 mm或更大。
但是顯示裝置到觀察者的距離會對需要編碼到光調制器之全息圖的計算造成影響。
根據WO 2008/025839 A1，在一種有利的實施方式中，子全息圖的尺寸是由輻射定律決定。
如果zpoint 代表如果物點到觀察者視窗/可視範圍的距離，zlm 代表光調制器到觀察者視窗/可視範圍的距離，則可以用空間範圍xsh 代表子全息圖的尺寸： xsh = ｜xvw (zlm -zpoint )︱
第1圖及第2圖以示意方式顯示一位於截頭體內的三維場景(此處僅以2個物點表示)，此三維場景位於一固定位置並與一位觀察者相距一段距離。第1圖及第2圖中僅以示意方式顯示光調制器/光調制裝置。但是全息顯示裝置通常還含有其他的元件，例如照明裝置(背光)及場透鏡。
第1圖的光調制裝置(SLM)與一位觀察者相隔很大的距離。從第1圖可以看出，在這例子形成的子全息圖非常小。由於光調制裝置的像素間距相當大，這些子全息圖的範圍僅延伸到光調制裝置的少數個調制裝置(像素)。這對於減輕子全息圖的計算工作及相干相加是非常有利的。
第2圖顯示一個尺寸及光調制元件都比第1圖小的顯示裝置，而且相較於第1圖的情況，第2圖的顯示裝置與觀察者眼睛的距離比較近。在這個例子中，對相同的物點而言，子全息圖的尺寸改變比較大。由於第2圖的光調制裝置的光調制元件比第1圖小，因此子全息圖的範圍延伸到的光調制元件的數量明顯多於第1圖的情況。因此從三維場景計算全息圖的工作量，第2圖的工作量會大於第1圖。
但實務上顯示裝置與觀察者的距離通常是視應用情況而定，而不是自由選擇的。例如，平板電腦或筆記型電腦顯示器與觀察者的距離通常小於電視機與觀察者的距離。
本發明的目的是提出一種能夠減輕二維及/或三維場景之全息圖的計算工作量的方法。尤其是能夠減輕光調制裝置與觀察者及與要重建之場景之間的不同位置的計算工作。而且這個目的要能夠在對於重建場景的可視橫向分辨率及可視景深分辨率沒有或只有很少限制的情況下達成。
採用申請專利範圍第1項的方法即可達到上述目的。
本發明的方法是用於計算全息圖，以用於在顯示器(顯示裝置)全息重建二維及/或三維場景。待重建場景被拆解成物點，其中物點作為子全息圖被編碼到顯示裝置的至少一個空間光調制裝置內。然後就可以從一可視範圍觀察重建場景。該至少一個空間光調制裝置的至少一個虛平面是從空間光調制裝置的一個真實平面出發並被確定。接著在該至少一個空間光調制裝置的至少一個虛平面內計算子全息圖。
在本發明中所謂的“空間光調制裝置的平面”或“空間光調制裝置的位置”是指物理上存在之空間光調制裝置在一直視顯示器中的平面或位置，或是指空間光調制裝置在一投影顯示器、頭盔式顯示器(HMD)或全息目鏡中可以或應該被觀察者看到的真實或虛像的平面或位置。反之“空間光調制裝置的虛平面”則不必與物理上存在之空間光調制裝置或空間光調制裝置能夠被觀察者看到之圖像的平面或位置一致。換句話說，所謂“空間光調制裝置的虛平面”是指空間光調制裝置的一個物理上不存在/想像或虛假的平面，或是指空間光調制裝置的一個被虛擬推移到一給定的位置的平面。
本發明的方法利用和單一垂直視差編碼或全垂直視差編碼相同的方式計算在空間光調制裝置的一個物理上不存在/想像的虛平面的子全息圖。接著可以積分轉換到一個可視範圍，然後再從這個可視範圍出發，積分轉換到空間光調制裝置的真實平面。
這可以區分為以下的實施方式： l    單一垂直視差編碼的情況，一維積分轉換 l    單一垂直視差編碼的情況，二維積分轉換 l    全垂直視差編碼的情況，二維積分轉換
積分轉換較佳是一種菲涅爾轉換。但可以視應用情況而定，也可以是一種傅利葉轉換。
這種計算方法能夠以簡單的方式計算出全息圖，不會因為子全息圖的尺寸而受到影響，雖然子全息圖的尺寸會隨著物點的位置及空間光調制裝置之虛平面的位置而改變。
本發明的方法產生的全息圖近似於以先前技術直接計算產生的全息圖，處所稱之先前技術並未使用本發明建議的方式計算全息圖，也就是先編碼到至少一個空間光調制裝置的至少一個虛平面，然後轉換到可視範圍，再從該處轉換到該至少一個光調制裝置的真實平面。接著再將所產生的全息圖寫入/編碼到實的空間光調制裝置。
相較於以先前技術的方法產生的電腦計算全息圖，本發明的方法對空間光調制裝置的每一個虛平面都另外要求兩個積分轉換。另一方面當物點的數量很大時，本發明的方法可以省下計算及加總各單一子全息圖的工作，而只需執行僅對總全息圖執行一次即可的積分轉換。
以下將說明進一步改良本發明的方法各各種不同的可能方式。
根據本發明的第一種有利的改良方式，在至少一個光調制裝置的至少一個虛平面計算待重建場景的物點作為子全息圖，接著利用積分轉換將計算出的子全息圖從該至少一個空間光調制裝置的至少一個虛平面轉換到可視範圍，並在該處加總，然後利用另一個積分轉換將加總的子全息圖從可視範圍轉換到該至少一個空間光調制裝置的真實平面，並寫入作為全息圖。
根據本發明的第二種有利的改良方式，在至少一個光調制裝置的至少一個虛平面計算待重建場景的物點作為子全息圖，並在該至少一個虛平面將子全息圖加總，接著利用一個積分轉換將加總的子全息圖從該至少一個空間光調制裝置的至少一個虛平面轉換到可視範圍，然後利用另一個積分轉換從可視範圍轉換到該至少一個空間光調制裝置的真實平面，並寫入作為全息圖。
根據另外一種有利的實施方式，可以對本發明的第二種改良方式做進一步的改良，那就是在確定至少一個空間光調制裝置的至少兩個虛平面時，各將其中一個虛平面分派給待重建場景的物點，並在分派至物點之虛平面內計算物點作為子全息圖，以及在每一個虛平面將其所屬之物點的子全息圖加總，接著利用積分轉換將加總的子全息圖從該至少兩個虛平面轉換到可視範圍，在可視範圍將該至少兩個虛平面的轉換式加總，然後利用另一個積分轉換將加總的轉換從可視範圍轉換到該至少一個光調制裝置的真實平面，並寫入作為全息圖。
另外一種對本發明之第二種改良方式做進一步的改良的可能方式是，在確定至少一個空間光調制裝置的至少兩個虛平面時，各將其中一個虛平面分派給待重建場景的物點，並在分派至物點之虛平面內計算物點作為子全息圖，以及在每一個虛平面將其所屬之物點的子全息圖加總，接著利用積分轉換將加總的子全息圖從該至少兩個虛平面轉換到可視範圍，為該至少兩個虛平面的每一個虛平面利用另一個積分轉換將所屬之轉換式從可視範圍轉換到該至少一個光調制裝置的真實平面，接著在該至少一個光調制裝置的真實平面，然後將該至少兩個虛平面的轉換式加總，並將加總的轉換式寫入作為全息圖。
在本發明的方法的所有變化方式中，子全息圖都可以用複數值的全圖息或全息圖編碼的形式被寫入空間光調制裝置。
與此相應的，一種有利的方式是選擇空間光調制裝置的虛平面的位置，使所產生的子全息圖具有很小/最小的尺寸，關於這個部分將在本文後面進一步說明。
可以為規定要重建的三維場景選擇空間光調制裝置之虛平面的位置，以使要計算的子全息圖的平均尺寸變小，也就是使其面積小於空間光調制裝置的真實平面的真實位置的面積。這個優點帶來的好處大於增加一次轉換產生的工作量，尤其是在空間光調制裝置有多個虛平面的情況下。
除了子全息圖及/或全息圖的全視差計算外，另 可能的方式是單視差計算。例如物點之子全息圖的計算及編碼不要使用二維球面透鏡(全視差)的形式，而是使用圓柱透鏡的形式。
這對於US 7,969,633描述的方法的意義是，將場景拆解成物點及分配到截面的工作是以和全視差編碼相同的方式進行，但不同的地方是能夠以一維積分轉換(例如一維傅利葉轉換)轉換到觀察者平面/可視範圍、以及物平面。
對WO 2008/025839 A1的方法而言，直接計算子全息圖代表的意義是，子全息圖僅由水平編碼的一行或垂直編碼的一列組成。
因此計算子全息圖的透鏡函數的方式是僅在一維(水平或垂直)將光線聚焦到物點的位置。
單視差編碼的優點是，在一維(水平或垂直)重建時，能夠形成與視差資料一致的更精確的物點聚焦(焦點)，其中視差資料含有觀察者的兩隻眼睛的大腦資料。這與立體顯示裝置/顯示器的不同是，全視差資料及聚焦資料之間不存在衝突(視覺輻輳調節衝突)。相較於全視差編碼全息圖，單視差編碼的另一個優點是對計算工作及硬體的要求比較低，例如對於顯示裝置之調制元件的尺寸及數量的要求。
但是從另一方面來看，單視差編碼全息圖相較於全視差編碼全息圖的缺點是，在垂直於全息編碼之方向上的可視分辨率可能的降低，尤其是對遠離空間光調制裝置之平面的物點的可視分辨率，因為這個方向在物平面上不存在精確的聚焦，因而在場景重建時可能會出現物點模糊的情況。由於這個緣故，景深範圍(也就是二維及/或三維場景能夠以最大的分辨率被看到的範圍)可能會受限。尤其是顯示裝置及觀察者之間的距離很短時，這種效應尤為明顯。
所謂“可視範圍“是指觀察者平面上一個相像中存在並定義一種觀察者視窗的範圍。如果一位觀察者的眼睛(至少一隻眼睛)位於可視範圍，則這個觀察者可以看到重建場景。
發明之附屬申請專利項目的內容為本發明之其他有利的實施方式及改良方式。
本發明的一種有利的實施方式是利用單視差編碼計算子全息圖。但是轉換到可視範圍，然後從可視範圍轉換到空間光調制裝置之真實平面的積分轉換是以二維轉換的方式執行。
根據本發明的這種實施方式，空間光調制裝置的至少一個虛平面的位置位於待重建場景的景深範圍內，其中待重建場景的景深範圍被限制在與可視範圍距離最短的物點及與可視範圍距離最大的物點之間。
適當選擇該至少一個虛平面的位置，使重建場景的可視分辨率不低於一規定的值。換句話說，空間光調制裝置的虛平面的位置相對於待重建場景的景深範圍被調整或設定，使得在場景的可視分辨率內不會或頂多只有極小的模糊。
這種方法特別適用於與觀察者的距離很短的真實的空間光調制裝置(SLM)，也非常適用於光調制裝置的一個與觀察者的距離大於真實的光調制裝置與觀察者的距離的虛平面，這是因為帶有單視差編碼之全分辨率的可用景深範圍會隨著空間光調制裝置與觀察者的距離而變大。
例如，真實空間光調制裝置與觀察者的距離為65 cm，待重建場景距離觀察者1.5 m至1.7 m之間。則可以選擇空間光調制裝置的虛平面與觀察者的距離為2.5 m。
另一種有利的方式是將待重建場景拆解成至少兩個景深範圍段，其中該至少兩個景深範圍段各分派到空間光調制裝置的一個虛平面。這表示除了可以用前面提及的方式計算待重建場景外，也可以透過拆解成多個各分派到一個虛平面的景深範圍段的方式被計算出來。
虛平面的數量要能夠使整個要顯示的景深範圍在重建場景之可視分辨率內不會或頂多只有極小的模糊。
在這種方式中，如果待重建場景的景深範圍的尺寸使其連空間光調制裝置的一個適合的虛平面都找不到，也就是找不到使三維(3D)場景能夠以不會模糊的可視分辨率被顯示的虛平面，則一種有利的方式是設置及使用多個虛平面。也就是將待重建場景拆解成多個(至少兩個)景深範圍段，其中每一個景深範圍段都分派給空間光調制裝置的一個虛平面。接著和單視差編碼一樣，在各個景深範圍段內為空間光調制裝置的虛平面計算出子全息圖。
空間光調制裝置的虛平面中的一個被分派給該至少兩個景深範圍段的虛平面也可能與空間光調制裝置的真實平面重合。
接下來一種可能的方式是將位於各景深範圍段內的物點在分派到各景深範圍段的虛平面計算出的子全息圖(但不是空間光調制裝置的真實平面的子全息圖)轉換到觀察者平面及/或可視範圍，並在該處加總，然後從觀察者平面及/或可視範圍轉換到光調制裝置的真實平面。另一種可行的方式是在轉換到可視範圍之前，先將各景深範圍段的子全息圖加總。
從光調制裝置的真實平面計算出的子全息圖的加總工作可以在這個真實平面或觀察者平面/可視範圍平面上進行。換句話說，可以選擇性的將出自景深範圍段的子全息圖(也就是直接在光調制裝置的真實平面計算出的子全息圖)在真實平面或觀察者平面/可視範圍平面與其他計算出的子全息圖加總。
以下是本發明之方法的一個實施例：光調制裝置的真實平面與觀察者的距離為65 cm，一個待重建的三維場景與觀察者的距離在0.5 m至17 m之間。待重建場景被拆解成物點，例如有3個景深範圍段被確定。第一景深範圍段與觀察者的距離在1.5 m至17 m之間。位於這個景深範圍段的所有物點都被分派到光調制裝置的第一個產生並與觀察者相距2.5 m的虛平面。第二景深範圍段與觀察者的距離在0.8 m至1.5 m之間。位於這個景深範圍段的所有物點都被分派到光調制裝置的第二個產生並與觀察者相距1.0 m的虛平面。第三景深範圍段與觀察者的距離在0.5 m至0.8 m之間。位於這個景深範圍段的所有物點都被分派到光調制裝置與觀察者相距0.65 m的真實平面。另一種可能的方式是將位於第三景深範圍段的物點分派到光調制裝置產生的另一個虛平面，例如一個與觀察者相距0.6 m的虛平面。
根據一種有利的方式，所選擇的光調制裝置之虛平面的像素間距(調制元件的間距)使子全息圖轉換到觀察者平面及/或可視範圍平面時，會產生和光調制裝置之真實平面的像素間距相同大小的可視範圍。根據輻射定律，光調制裝置之虛平面上的像素間距除以真實平面上的像素間距所得的商和光調制裝置之虛平面與可視範圍/虛擬觀察者視窗的距離除以真實平面與可視範圍/觀察者視窗的距離所得的商相等。
根據本發明的另一種有利的實施方式，待重建場景的各個物點以子全息圖的形式被編碼到光調制裝置的真實平面，作為在水平及垂直方向上有不同焦距的透鏡元件。也就是說，待重建場景的物點的子全息圖在光調制裝置之真實平面的編碼相當於一在水平及垂直方向上有不同焦距的透鏡。
透過選擇的光調制裝置的虛平面，以及按照一維單視差編碼的方式計算子全息圖，位於光調制裝置的實平面上的物點不是作為一個球面透鏡被編碼，而是作為一個在水平及垂直方向上有不同焦距的透鏡被編碼，焦點(焦距)在其中一個方向上位於真實的物平面上，在與這個方向垂直的方向上則位於光調制裝置之虛平面上。如果一位觀察者的眼瞳位於可視範圍，則這位觀察者看到重建的二維及/或三維場景就如同這個場景是以單視差編碼的方式在光調制裝置之虛平面被計算出來的場景。
上述方式的優點是由於使用單視差編碼，因此計算量較少，而且重建場景或景深範圍的可視分辨率不會受到限制。但是由子全圖組成之全息圖的光學重建通常是和全視差編碼一樣的。因此全息顯示裝置的結構與具有視差編碼的顯示裝置是沒有區別的，或是說僅有二者的區別是微不足道的。
一種有利的方式是利用二維全視差編碼或一維單視差編碼計算光調制裝置的至少一個虛平面上的子全息圖。
如果是使用多個虛平面，則一種可能的方式是，在光調制裝置的至少一個虛平面使用二維全視差編碼，以及在光調制裝置的至少另外一個虛平面使用一維單視差編碼。一種特別有利的方式是，將二維全視差編碼應用於至少一個與可視範圍距離較近的虛平面，以及將一維單視差編碼應用於至少一個與可視範圍距離較遠的虛平面。
本發明的方法的另一種實施方式是利用全視差編碼在光調制裝置的至少一個虛平面進行一般的子全息圖計算。接著將這個子全息圖計算的結果轉換到觀察者平面及/或可視範圍，並在該處加總成一個總全息圖。然後加總全息圖轉換到光調制裝置的真實平面。
和前面提及的實施方式一樣，在光調制裝置的真實平面上計算出的子全息圖可以在這個真實平面上加總，或是在觀察者平面及/或可視範圍平面上加總。
同樣的，這種實施方式也是將待重建場景拆解成物點，並設定景深範圍段。接著將景深範圍段內的物點分派到光調制裝置的虛平面。然後再為光調制裝置的這個虛平面計算子全息圖。
但是這個計算量會大於前面提及的其他實施方式。但是其總全息圖的計算結果完全相當於一般全視差編碼的計算結果。
在這種實施方式中，光調制裝置的虛平面的數量及位置的選擇不是著眼於避免對可視分辨率的限制，因為這種限制不會發生，而是著眼於縮小子全息圖的尺寸，以減輕計算量。
本發明的方法的另一種實施方式是利用單視差編碼在光調制裝置的至少一個虛平面進行一般的子全息圖計算，然後同樣是以一維轉換的方式進行可能的積分轉換。
同樣的，在這種實施方式中，虛平面的數量及位置的選擇也不是著眼於避免對可視分辨率的限制。這個選擇受到的限制和利用單視差編碼進行的全息圖計算是一樣的。光調制裝置的虛平面的數量及位置的選擇是著眼於縮小子全息圖的尺寸，以減輕計算量。換句話說，一種有利的方式是，光調制裝置的虛平面的數量及光調制裝置的虛平面與可視範圍的距離是根據待重建場景的景深範圍來選擇，目的是使以調制元件的數量為形式表示的待重建場景要計算的子全息圖的尺寸不會超過一規定的值。
本發明的一種有利的實施方式是選擇光調制裝置的至少一個虛平面與到待重建場景的距離，目的是使以調制元件的數量為形式表示的待重建場景要計算的子全息圖的尺寸不會超過一規定的值。所選擇的光調制裝置的至少一個虛平面與到待重建場景的距離較佳是使需為這個虛平面計算的子全息圖的尺寸不會超過一規定的數值。換句話說，選擇光調制裝置的一個靠近待重建場景的虛平面，可以使需計算的子全息圖的尺寸保持在一很小的值。
根據輻射定律，可以利用以下的方程式從可視範圍/虛擬觀察者視窗的規定尺寸計算出子全息圖的空間範圍的尺寸： xsh =   | xvw ( zlm – zpoint ) / zpoint | 。
接著將子全息圖的空間範圍除以像素間距，然後取整數值，以計算出以調制元件的數量表示的子全息圖的尺寸Nsh ：          Nsh = (xsh / plm ) 。
為了簡化上述方程式，以下將不在特別說明取整數的步驟。Nsh 是一個整數。經過數學轉換，可以將上述計算可視範圍/虛擬觀察者視窗之範圍的公式改寫成：          Nsh = (1/zpoint – 1 / zlm ) xvw 2 / λ 。
因此可視範圍/虛擬觀察者視窗之範圍的規定值是由以子全息圖的調制元件的數量為形式表示的尺寸： |1/zpoint – 1 / zlm | ab。
三維場景的景深範圍的特徵是待重建場景的物點到可視範圍的最短距離zpoint_min ，以及待重建場景的物點到可視範圍的最大距離zpoint_max 。與可視範圍相距最短zpoint_min 距離的物點或相距最大距離zpoint_max 的物點具有尺寸最大的子全息圖。
與可視範圍距離最短的物點或距離最大的物點具有尺寸最大的子全息圖。
對一規定的景深範圍而言，在空間光調制裝置的一個虛平面的位置(也就是到可視範圍的距離)zlm_virt 是可以選擇的情況下，一種有利的實施方式是，其以子全息圖的調制元件的數量為形式表示的最大尺寸應受到下式的限制： 1/zpoint_min – 1 / zlm_virt = 1/ zlm_virt - 1/zpoint_max 。
這樣光調制裝置的虛平面就會位於三維場景的景深範圍內，同時以調制元件的數量為形式表示的距離可視範圍最近的物點的子全息圖的尺寸與距離可視範圍最遠的物點的子全息圖的尺寸一致。
下式成立： zlm_virt =  2 / (1/zpoint_min + 1/zpoint_max ) 。
例如，對一距離可視範圍從50 cm到無限遠(1/zpoint_max = 0)的三維場景的一個景深而言，以調制元件的數量為形式表示的子全息圖的最大尺寸的最有利情況是將光調制裝置的虛平面定位在距離可視範圍1 m(也就是2 x 50 cm的位置。
例如，如果三維場景的範圍是在距離可視範圍1.5 m至17 m之間，則光調制裝置的虛平面大約位於2.76 m的位置，也就是2 x 1/(1/1.5 + 1/17) m的位置。
在景深範圍=0.5 m至無限遠，藍光波長=475 mm，以及子全息圖的尺寸=10.5 mm的例子中，光調制裝置之虛平面的像素間距大約是45 μm。
在以上的例子中，在距離可視範圍50 cm之物點的子全息圖及位於無限遠處的物點的子全息圖，其尺寸相當於234個在一維(例如水平)上的調制元件。
如果是全視差編碼及矩形/正方形調制元件，則總計有234 x 234個調制元件。
在這種情況下，為待重建場景計算的以調制元件的數量為形式表示的子全息圖的尺寸不應超過234個調制元件。
如果是使用光調制裝置的兩個虛平面的情況，則一種有利的實施方式是： 三維場景的景深範圍被分成兩個子範圍/景深範圍段。尺寸zpoint_med 應介於兩個子範圍/景深範圍段之間。
為位於zpoint_min 及zpoint_med 之間的所有物點計算位於第一虛平面zlm_virt1 的子全息圖，為位於zpoint_med 及zpoint_max 之間的所有物點計算位於第二虛平面zlm_virt2 的子全息圖。決定景深範圍段zpoint_med 之間的界限的方式是，使一個在與可視範圍的這個距離的物點的子全息圖在空間光調制裝置的兩個虛平面內具有同的尺寸，其中這個尺寸是以調制元件的數量為形式表示，此外空間光調置裝置的第一虛平面內zpoint_min 的一個子全息圖及空間光調置裝置的第二虛平面內zpoint_max 的一個子全息圖也具有和兩個虛平面內zpoint_med 的子全息圖相同的尺寸，其中這個尺寸是以調制元件的數量為形式表示： 1/zpoint_min – 1 / zlm_virt1 = 1/ zlm_virt1 - 1/zpoint_med = 1/zpoint_med – 1 / zlm_virt2 = 1/ zlm_virt2 - 1/zpoint_max 。
在景深範圍=0.5 m至無限遠及可視範圍/觀察者視窗的尺寸=10.5 mm的例子中，光調制裝置的第一虛平面的像素間距=30 μm(zlm_virt1 = 0.67 m)，光調制裝置的第二虛平面的像素間距=90 μm(zlm_virt2 = 2.0 m)。zpoint_med =1.0 m。
為距離可視範圍0.5 m至1.0 m之間的所有物點計算位於空間光調制器之第一虛平面的子全息圖。為位於1.0 m及無限遠之間的所有物點計算位於空間光調制裝置之第二虛平面的子全息圖。距離可視範圍0.5 m之物點的子全息圖在空間光調制裝置的第一虛平面的尺寸相當於117個在一維上的調制元件。同樣的，距離可視範圍1 m之物點的子全息圖在空間光調制裝置的兩個虛平面的尺寸相當於117個在一維上的調制元件，距離可視範圍無限遠之物點的子全息圖在空間光調制裝置的第二虛平面的尺寸相當於117個在一維上的調制元件。
相較於僅使用空間光調制裝置的一個虛平面的情況，使用兩個虛平面可以使子全息圖內在一維上的調制元件的數量減半，上述的例子是從234減半為117。
空間光調制裝置的一個虛平面也可以與空間光調制裝置的一個真實平面重合。
例如，一個觀察者距離在60-70 cm之間的電腦顯示器，空間光調制裝置位於67 cm處的第一虛平面與空間光調制裝置的真實平面重合。因此只有空間光調制裝置位於2 m處的第二虛平面需要進行積分轉換。
反之，對一台電視而言，可以是空間光調制裝置位於2 m處的第二虛平面與空間光調制裝置的真實平面重合。
另一種可行的方式是，以調制元件的數量為形式決定最大尺寸，並由此決定為達到尺寸所需之空間光調制裝置的虛平面的數量。
上面的例子會超出一個給定的值(最多100個調制元件及1或2個空間光調制裝置的虛平面)，因此需要空間光調制裝置的第三個虛平面。
根據本發明的另一種有利的實施方式，可以將空間光調制裝置之虛平面的數量限制在一給定的值，以盡可能將額外的轉換工作限制在最小的程度。
例如，在前面描述的方式中，在同樣的三維場景及一特定的景深範圍下，相較於僅有一個虛平面的情況，在有兩個空間光調制裝置的虛平面的情況下，子全息圍之調制元件的最大數量會減半，在有3個空間光調制裝置的虛平面的情況下，子全息圍之調制元件的最大數量僅有三分之一，在有4個空間光調制裝置的虛平面的情況下，子全息圍之調制元件的最大數量僅有四分之一。因此額外的虛平面能夠達到的改善程度會隨著虛平面數量的增加而降低。也就是說，使用空間光調制裝置的第五個虛平面將子全息圍之調制元件的數量從四分之一減少到五分之一所能達到的進一步改善效果相當小。
但是，每增加一個空間光調制裝置的虛平面，積分轉換的次數就會增加2次。因此在一般情況下，通常將空間光調制裝置的虛平面的數量限制在一較小的數量，例如2個或4個。但是本發明並未將空間光調制裝置的虛平面的最大數量限制在某一個特定的數值。
由於計算子全息圖的工作量會隨著三維場景拆解成的物點數量的增加而升高，而積分轉換的工作量則與物點的數量無關，因此也可以根據物點的數量決定空間光調制裝置的虛平面的數量，也就是對物點很多的三維場景使用較多個空間光調制器的虛平面，而對物點較少的三維場景則使用較少個空間光調制器的虛平面。
本發明的另一種實施方式並非以調制元件的數量為形式限制子全息圖的最大尺寸，而是以調制元件的數量為形式縮小子全息圖的平均尺寸。也就是說，可以根據待重建場景的所有物點的位置選擇空間光調制裝置的至少一個虛平面到可視範圍的距離，以便將以調制元件的數量為形式表示的需為待重建場景計算的子全圖的平均尺寸(較佳是經過所有物點求得的平均尺寸)縮小到一最小值。
如前面所述，對單一物點而言，以在一維(水平或垂直)上的調制元件的數量為形式表示的子全息圖的尺寸與|1/zpoint – 1 / zlm virt |的數值成正比。
在單視差編碼的情況下，一個子全息圖內調制元件的總數與這個數值成正比。
在全視差編碼的情況下，一個子全息圖內調制元件的總數等於垂直及水平調制元件之數量的和，因此這個總數與(1/zpoint – 1 / zlm virt )2 成正比。
對一個拆解成N個物點的三維場景而言，本實施例確定空間光調制裝置的一個虛平面的位置，其中總數既非如單視差編碼的情況被縮小到由所有點zpoint i 的|1/zpoint i – 1 / zlm virt |表示，亦非如全視差的情況被縮小到由所有點zpoint i 的(1/zpoint i – 1 / zlm virt )2 表示，而是被定為0 ，也就是∑ i=1..N  |1/zpoint i – 1 / zlm virt |。
由此可導出∑ i=1..N  |1/zpoint i = N / zlm virt 。這兩種情況都會將總數縮小，其中總數是從zlm virt 導出，並將其定為0。全視差編碼的情況是計算∑ i=1..N  (1/zpoint i – 1 / zlm virt )2 = Min。因此可導出∑ i=1..N  |1/zpoint i = N / zlm virt 。在一個僅由3個物點組成，且其與可視範圍的距離為zpoint 1 = 0.5 m , zpoint 2 = 0.66 m 及 zpoint 3 = 2.0 m的待重建場景的例子中，可計算出(2 + 1.5 + 0.5) / Meter = 3 / zlm virt ，因此空間光調制裝置的虛平面到可視範圍的距離為zlm virt = 0.75 m。對單視差編碼的情況可以計算出∑ i=1..N  |1/zpoint i – 1 / zlm virt | = Min。
如果選擇zlm virt ，使得從可視範圍看出去，一半的物點位於空間光調制裝置的虛平面之前，另一半的物點位於空間光調制裝置的虛平面之後，即可達到最小值。在由3個物點組成之待重建場景的例子中，如果是單視差編碼，所選擇之空間光調制裝置的虛平面的位置與平均物點zpoint 2 = 0.66 m重合。
如果是偶數個物點，例如在前面提及的3個物點外，還有第4個物點zpoint 4 = 0.95 m，則所選擇之空間光調制裝置的虛平面位於0.66 m及0.95 m之間的任何一個位置，因此zpoint 1 及zpoint 2 位於虛平面之前，zpoint 3 及zpoint 4 位於虛平面之後。
以上提及的3或4個物點的例子僅是用來說明如何選擇距離。在實際的情況中，這個方法是應用於具有許多(數千至很多百萬個)物點的三維場景。
這種縮小以調制元件之數量為形式表示子全息圖的平均尺寸的方式需要一個額外的計算步驟，這個步驟必須將三維場景的所有物點的位置考慮進去。
因此另一個實施例僅使用以最小距離zpoint_min 及最大距離zpoint_max 表示的景深範圍，如果是單視差編碼，從zpoint_min 到zpoint_max 對|1/zpoint – 1 / zlm virt | dzpoint 的積分會縮小，如果是全視差編碼，從zpoint_min 到zpoint_max 對(1/zpoint – 1 / zlm virt )2 dzpoint 的積分會縮小。
轉換的計算工作量與US 7,969,633描述的方法一樣，但前提是這個方法應用於僅具有少數個景深範圍的待重建的三維場景。但這種方法亦可應用一任意解析度之景深範圍。
在本發明的一種具有較多個空間光調制裝置之虛平面的變化方式中，所使用之空間光調制裝置的虛平面與觀察者之距離較佳是大於空間光調制裝置之真實平面與觀察者之距離。但是一般而言，這種變化方式/可行方式，尤其是具有全視差編碼之空間光調制裝置之虛平面的這種變化方式/可行方式，這些虛平面與觀者的距離可以小於空間光調制裝置之真實平面與觀察者的距離。
根據本發明的一種有利的實施方式，在待重建場景的景深範圍隨著時間變化時，空間光調制裝置的至少一個虛平面的位置會與新的景深範圍配合。
例如，可以使按照時間順序(影片順序)顯示在全息顯示裝置上的內容在物點靠近可視範圍的三維場景及物點遠離可視範圍/虛擬觀察者視窗的三維場景之間轉換。
然後確定每一張圖像的待重建場景的景深範圍，例如與可視範圍距離最近的物點zpoint_min 及與可視範圍距離最遠的物點zpoint_max ，並由此計算出空間光調制裝置的至少一個虛平面的位置。
此外，根據本發明的另一種有利的實施方式，在根據偵測到的待重建場景的觀察者的位置沿軸向及/或橫向追蹤可視範圍時，空間光調制裝置的至少一個虛平面的數量及位置會與可視範圍的新位置合。
一種可行的方式是，利用以探測觀察者位置之裝置偵測到的觀察者與空間光調制裝置之真實平面的距離(可視範圍在這個距離上被追蹤)決定空間光調制裝置的至少一個虛平面的數量及/或位置。
另一種可行的方式是使用觀察者與空間光調制裝置的真實平面的平均距離或典型距離(視應用而定，例如筆記型電腦或電視)。
根據一種有利的方式是使空間光調制裝置的虛平面的位置位於截頭體內，這個位於待重建場景之內的位置使得從位於觀察者平面之觀察者看出去，有一部分物點位於空間光調制裝置的虛平面的前面，另一部分物點位於空間光調制裝置的虛平面的後面，其中離觀察者最近的物點不應再位於空間光調制裝置的虛平面之前半個虛擬觀察者距離的位置。但是本發明的方法並不限於將空間光調制裝置的虛平面設定在一特定位置。
此外，一種有利的方式是，尤其是對以單視差編碼及二維積分轉換方式執行本發明的情況，對相同場景而言，由空間光調制裝置的至少一個虛平面計算出的待重建場景的全息圖與直接在空間光調制裝置的真實平面內計算出的全息圖的偏差不超過一特定的標準。例如，對相同場景而言，可以將這個標準定為由虛平面計算出的三維場景的可視解析度最多比直接從空間光調制裝置的真實平面內計算出的全息圖的解析度差20%。
根據本發明的另一種有利的實施方式，在以顯示裝置(例如頭盔式顯示器或全息目鏡)顯示二維及/或三維場景時，該顯示裝置會產生至少一個空間光調制裝置的一個像平面，其作用如同空間光調制裝置的真實平面，接著就可以根據待重建場景的內容以前面描述的本發明的方法確定至少一個空間光調制裝置的至少一個虛平面，例如縮小子全息圖的最大或平均尺寸、移動空間光調制裝置的像平面，使其與空間光調制裝置的虛平面重合、計算待重建場景的物點作為子全息圖及加總，並寫入作為全息圖。
也可以使用頭盔式顯示器或全息目鏡顯示二維及/或三維場景。頭盔式顯示器或全息目鏡具有一個成像系統/聚焦系統，因此能夠從可視範圍看到空間光調制裝置的放大圖像。例如，這個成像系統/聚焦系統具有至少一個可改變焦距(也就是說焦距可控制)的元件。透過這種方式可以移動至少一個空間光調制裝置的像平面。這表示可以根據待顯示之場景的內容決定/確定空間光調制裝置的至少一個虛平面，其決定/確定的方式是盡可能縮小場景之物點的子全息圖的面積，以減輕計算子全息圖的工作量。由作為直視顯示器用的顯示裝置產生的空間光調制裝置的圖像/像平面相當於空間光調制裝置的真實平面，因此可以將其移動，使其與空間光調制裝置的虛平面重合/一致。在這種情況下，由於僅存在空間光調制裝置的一個虛平面，因此可以省掉整個積分轉換的步驟。
另一種方式是可以移動至少一個空間光調制裝置的像平面，同時空間光調制裝置的真實平面產生很小的改變。
另一種可能的方式是設置多個空間光調制裝置的虛平面，空間光調制裝置的圖像被移動，使其與其中一個虛平面重合。也可以移動空間光調制裝置的圖像，使其按時間依序與其他虛平面重合。利用焦距可變化的成像系統，例如具有至少一個透鏡(例如可透過調整電壓改變焦距的電濕潤透鏡)或反射鏡(例如曲率半徑可改變的薄膜反射鏡)的繞射或折射成像系統，或是由多個透鏡組成的系統，其可透過改變透鏡之間的距離改變系統的焦距，可以移動空間光調制裝置的圖像 ，以便減輕計算具有給定之景深範圍(因此是內容決定)之二維及/或三維場景的子全息圖的工作量。
透過空間光調制裝置，尤其是顯示裝置內的空間光調制裝置，可以利用本發明的方法顯示二維及/或三維場景，較佳是使用具有一個空間光調制裝置的全息顯示裝置，且該光調制裝置適於用來執行本發明的方法。
本發明之其他有利的實施方式記載於附申請專利項目中。以下配合圖式及實施例對本發明之原理做進一步的說明。尤其是配合以相干光線進行之全息重建的利子說明本發明的原理。
第1a圖以示意方式顯示一個先前技術用於全息重建二維及/或三維場景用的顯示裝置的例子。
在這個例子中，顯示裝置具有一個光源LQ、一個場透鏡FL以及一個空間光調制裝置1。按照光源LQ及場透鏡FL的設置方式，只要空間光調制裝置1內沒有寫入全息圖，光源LQ發出的光線就會通過場透鏡FL聚焦在一個與空間光調制裝置1距離zlm 的觀察者平面2。如果以適當的方式將一待重建場景(未繪出)拆解成物點，並將這些物點作為子全息圖編碼到顯示裝置的空間光調制裝置1內，這樣就會在與空間光調制裝置1相距zlm 的距離產生一個可視範圍3/虛擬觀察者視窗。
在這個顯示裝置中，場透鏡FL與空間光調制裝置1的距離很小，也就是說遠小於從空間光調制裝置1到可視範圍3的距離zlm 。
第1a圖中的場透鏡是一種具有固定焦距的場透鏡。在一般情況下，也可以使用具有可變焦距的場透鏡，或是除了場透鏡外，顯示裝置還具有可變的聚焦元件，其作用是使距離zlm 能夠持續與觀察者的位置變化配合。顯示裝置還可以具有偏光元件，其作用是追蹤觀察者橫向變化之位置的可視範圍3。
第1a圖顯示的顯示裝置也稱為全息直視顯示器。
和第1a圖一樣，第1b圖顯示的也是先前技術的一種顯示裝置，但第1b圖中的是一種全息投影顯示器。
在第1b圖中，設置於顯示裝置內的多個光學元件(透鏡)L會先產生空間光調制裝置1的一個通常是放大的實像rB。
此外，透過與空間光調制裝置1之實像rB距離非常近的場透鏡FL將光源LQ發出的光聚焦在觀察者平面2。
將待重建場景拆解成物點，然後以在光調制裝置1之實像rB的位置如同真的有一個空間光調制裝置的方式將物點編碼到顯示裝置的空間光調制裝置1作為子全息圖。
第1c圖顯示一個顯示裝置，這個顯示裝置同樣是透過場透鏡FL將光源LQ發出的光線聚焦到觀察者平面2。
在顯示裝置的這個實施例中，空間光調制裝置1所在的位置使空間光調制裝置1與場透鏡FL之間的距離大致等於場透鏡FL與觀察者平面2之間的距離。
例如，場透鏡FL與觀察者平面2之間的距離相當於場透鏡FL的焦距。空間光調制裝置1與場透鏡FL之間的距離大約等於這個距離，但小於場透鏡的焦距。
在這種情況下會產生空間光調制裝置1的一個通常是放大的虛像vB。
將待重建場景拆解成物點，然後以在光調制裝置1之虛像vB的位置如同真的有一個空間光調制裝置1的方式將物點編碼到顯示裝置的空間光調制裝置1作為子全息圖。
例如，這種顯示裝置可以是一種頭盔式顯示器，其中一個小焦距的場透鏡及一個與大小相同的空間光調制裝置均位於眼睛附近，例如可以像戴眼鏡或全息目鏡一樣戴上這種顯示裝置。
本說明書中使用的名詞“空間光調制裝置的真實平面”也可以是指顯示裝置之空間光調制裝置的像平面，例如第1b圖及第1c圖的情況。
第2圖以示意方式顯示本發明使用的空間光調制裝置1。空間光調制裝置1係安裝於一個全息顯示裝置中，其中全息顯示裝置的構造對於說明本發明的方法並不重要。如前面關於第1a圖至第1c圖的說明，全息顯示裝置通常具有至少一個與照明裝置(背光)連接的空間光調制裝置及其他的元件，例如場透鏡及偏光元件等。只需說明顯示於第2圖至第5圖的至少一個空間光調制裝置1及觀察者平面即可詳細解釋本發明的方法。
因此除非有必要，本說明書並未說明顯示裝置內的其他元件。
根據第2圖至第6圖，可以將空間光調制裝置1(簡寫為SLM)製作成振幅+相位光調制裝置，當然也可以是製作成其他形式的光調制裝置。但是對本發明而言，空間光調制裝置1的構造並不重要，因此其對於解釋本發明的方法是無關緊要的。
如果全息圖的完整數值並非被寫入一個振幅+相位光調制裝置的一個單一的調制元件(像素)，而是被寫入一個僅調制振幅或相位的光調制裝置的多個調制元件(像素)，則本文前面使用的名詞”像素間距”及”調制元件(像素)的數量”是指一個調制元件及一個像素間距分別代表一個被寫入完整數值之光調制裝置的多個調制元件(像素)。
可以將空間光調制裝置1製作成具有如三明治之構造的振幅+相位光調制裝置。例如，振幅光調制裝置與相位光調制裝置之間的距離很小(通常＜2 mm)。
在這種情況下，“空間光調制裝置的真實平面”指的是三明治結構的中間平面。
從第2圖及申請人提出的US 7,969,633、WO 2008/025839 A1及WO 2006/119760 A2可以看出，在觀察者平面2形成一個可視範圍3，使觀察者能夠經由可視範圍3看到重建的二維及/或三維場景，當然前提是觀察者位於觀察者平面2，同時觀察者至少有一個眼睛5與可視範圍3所在的位置大致重合。在此情況下，可視範圍3可以構成虛擬觀察者視窗。為使圖面易於觀察，第2圖及第3圖是將觀察者的眼睛5顯示在可視範圍3的後方。待重建場景4(此處是以虛線及物點P1及P2表示)顯示在截頭體6內，其中截頭體6 是一個從可視範圍3延伸到空間光調制裝置1並由此向外伸出的平頭金字塔形錐體。待重建場景4具有一個特定的位置，並與一位觀察者相距一個特定的距離。
相較於第3圖，第2圖的空間光調制裝置1的尺寸略大一些，而且與可視範圍3的距離也比較大。透過形成從可視範圍3的邊緣發出並通過待重建的物點(例如P2)，然後到達空間光調制裝置1的平面的光線，可以在光調制裝置1上形成一個稱為子全息圖的區域(涉及P2的一個區域S2)。相應的物點被定義在這個子全息圖內，因此只需為這個物點計算一個特定的區域S2，然後再將其編碼到空間光調制裝置1。由空間光調制裝置1上的一個作為子全息圖的區域S1定義的物點P1也是一樣。
根據第2圖，這樣做會在空間光調制裝置上形成小的子全息圖S1及S2。由於本實施例之空間光調制裝置1的像素間距相對較大，該等子全息圖的範圍僅延伸到空間光調制裝置1的少數調制元件7，如前面所述調制元件7亦稱為像素。如本文後面所述，由於可以減輕計算可視範圍內的子全息圖及加總子全息圖之複數值的工作量，這樣做是很有利的。
第3圖顯示一個尺寸較小的空間光調制裝置10，其具有一個較小的調制元件70，其中空間光調制裝置10與可視範圍3的距離較近。在本實施例中，對於待重建場景4的相同的物點P1及P2而言，以空間光調制裝置10為準形成的子全息圖S10及S20的尺寸較大。相較於第1圖的空間光調制裝置1，由於空間光調制裝置10的調制元件70(像素)較小，因而像素間距亦較小，因此子全息圖S1及S2延伸到的調制元件70的數量明顯較多。因此從待重建場景4計算出總全息圖的工作量也比較大。
本發明的方法在計算子全息圖時會將一個虛平面加到一個位於真實位置的空間光調制裝置，以減輕計算工作量。這樣就不論空間光調制裝置的尺寸及與觀察者平面的距離大小，都可以獲得快速且正確的計算結果。
不論全息顯示裝置的實際配置方式是如何，尤其是不論空間光調制裝置及光學系統的位置，第一個步驟都是先計算出一個子全息圖，計算的方式是如同第2圖及第3圖的空間光調制裝置的虛平面位於空間光調制裝置1及/或10的真實平面，然後從空間光調制裝置的真實平面開始計算。接著利用兩個積分轉換(例如兩個菲涅爾轉換)將這個子全息圖轉換到空間光調制裝置的真實平面，也就是轉換到空間光調制裝置的實際上存在的平面，或是視全息顯示裝置的型式而定，轉換到空間光調制裝置的成像上，例如轉換到螢幕上。
接著根據第2圖及第3圖說明本發明的方法接下來的步驟。例如顯示裝置的配置方式如第3圖所示，空間光調制裝置10具有N個與觀察者距離D的調制元件70。對具有物點P1至Pn/P10至Pn’的已知編碼的待重建場景4而言，為了計算各個物點的子全息圖S1至Sn/S10至Sn’，及/或計算總全息圖，需將空間光調制裝置10的真實平面以虛擬方式移動到相對於待重建場景4的另一個位置，這個新的虛擬位置/想像的位置相當於空間光調制裝置10的真實平面，例如相當於第2圖中真實空間光調制裝置1的位置。此處需指出的是，空間光調制裝置1、10的真實平面的位置是固定的，也就是說並未真正被移動，僅是看起來或虛擬被移動。雖然空間光調制裝置的虛平面只是一個想像中的量，但卻是一個具有功能性或影響性的非物理量。
一種有利的方式是以待重建場景4為準，為空間光調制裝置1、10的虛平面選擇一個位於待重建場景4內的位置，使觀察者平面2上的觀察者從顯示裝置的照明裝置發出的光線的傳播方向看過去，物點P1至Pn中的一部分物點位於空間光調制裝置1、10的虛平面之前，另一部分物點位於空間光調制裝置1、10的虛平面之後，其中最靠近觀察者平面2的物點不應再是位於空間光調制裝置1、10的虛平面之前與其相距半虛擬觀察者距離的物點。
但是本發明的方法並不限於空間光調制裝置的虛平面的一個特定的位置。
本發明的方法亦可使待重建場景的內容隨著空間光調制裝置的虛平面的位置產生一個虛移動，以便能夠完美的計算景深會變化的場景。
根輻射原理，空間光調制裝置1、10的調制元件7、70的虛量是由空間光調制裝置的虛平面及觀察者距離的比值乘以空間光調制裝置的像素間距而得。
可以按照先前技術(例如WO 2008/025839 A1)的方式為空間光調制裝置1、10的虛平面計算出一個子全息圖或全息圖，但前提是真的有一個空間光調制裝置位於這個平面。計算方式可以是先為每一個物點P1至Pn求出一個以透鏡函數表示的子全息圖，然後經由相干相加出各單一子全息圖。
接著進行總全息圖的一個數值的(二維)積分轉換，例如菲涅爾轉換，這個積分轉換相當於從空間光調制裝置的虛平面到可視範圍3的光線傳播。接著進行另一個數值的(二維)積分轉換，例如菲涅爾轉換，這個積分轉換相當於從可視範圍3回到空間光調制裝置1、10的真實平面的光線傳播。這樣就可以獲得一個總全息圖，這個總全息圖至少是近似於按照先前技術直接計算空間光調制裝置1、10的真實平面內的全息圖所獲得的全息圖。接著可以將所得到的全息圖寫入/編碼到空間光調制裝置1、10。
與傳統計算方法比較，根據第2圖及第3圖，本發明的方法需要兩個額外的積分轉換。雖然增加了兩個積分轉換，但是在物點數量很大的情況下，本發明的方法在計算及加總各個子全息圖的步驟上減少的工作量大於只需對總全息圖進行的這兩個積分轉換所增加的工作量。
第4圖至第6圖中的實施例顯示本發明的方法的其他變化方式。
第4圖以類似單視差編碼的方式顯示一個三維待重建場景在空間光調制裝置100的一個真實平面100及空間光調制裝置100的一個虛平面100’上的子全息圖4的範圍。第4圖以一個楕圓形區域表示待重建場景4的景深範圍。如前面所述，待重建場景4也是被拆解成物點P1至Pn，其中第4圖僅顯示一個物點P。例如可以用類似單視差編碼的方式為物點P1至Pn計算子全息圖。第4圖中的實線以示意方式顯示從物點P到可視範圍3在一維子全息圖S1及S2的編碼方向的光程。虛線以示意方式顯示從子全息圖S1到可視範圍3在垂直方向上的路線，子全息圖S1在這個方向上的範圍僅包含一個調制元件(像素)。為了使圖面易於閱讀，二者均繪於圖面上。
接著利用一個積分轉換(例如菲涅爾轉換或傅利葉轉換)將在空間光調制裝置100的虛平面100’內計算的一維子全息圖S1轉換到可視範圍3，然後再從可視範圍3轉換到空間光調制裝置100的真實平面100，並在該處表現得如同一個在二維方向延伸的子全息圖。但是子全息圖的透鏡函數在空間光調制裝置100的真實平面上的焦距在彼此垂直的兩個方向上是不一樣的。在其中一個方向，例如空間光調制裝置100的虛平面100’上的子全息圖的編碼方向，透鏡函數的焦距位於物點平面，在與這個方向垂直的方向上，透鏡函數的焦距位於空間光調制裝置100的虛平面100’。
如第4圖所示，本發明的這種變化方式特別適用的空間光調制裝置與觀察者平面2的距離較小，同時空間光調制裝置的虛平面與觀察者平面2的距離大於與空間光調制裝置的真實平面的距離。
第5圖以示意方式顯示一個三維待重建場景4的子全息圖的範圍，其中場景4在空間光調制裝置100的一個真實平面100及空間光調制裝置100的兩個虛平面100’，100’’具有一個景深範圍。
第5圖是以示意方式顯示一個待重建場景4的子全息圖S1、S2及S3的範圍，其中待重建場景4在空間光調制裝置100的一個真實平面100及空間光調制裝置100的兩個虛平面100’及100’’具有一個如第4圖之楕圓形區域標示的待重建場景4的景深範圍。
根據第5圖，待重建場景4被分為3個景深範圍段TA1、TA2及TA3。每一個景深範圍段TA1、TA2及TA3都被分派到空間光調制裝置100的兩個虛平面100’、100’’中的一個虛平面，或是被分派到空間光調制裝置100的真實平面100。根據第5圖，這表示景深範圍段TA1配屬於空間光調制裝置100的虛平面100’，景深範圍段TA2配屬於空間光調制裝置100的虛平面100’’，景深範圍段TA3配屬於空間光調制裝置100的真實平面100。此外，景深範圍段TA1的所有物點(例如物點P1)均配屬於空間光調制裝置100的虛平面100’，並經此虛平面為景深範圍段TA1內每一個物點計算出子全息圖。景深範圍段TA2的所有物點(例如物點P2)均配屬於空間光調制裝置100的虛平面100’’，其中空間光調制裝置100的虛平面100’’的位置不同於空間光調制裝置100的虛平面100’，且更靠近觀察者平面3。最後將所有剩下的物點(例如物點P3)劃入景深範圍段TA3，因此這些物點均配屬於空間光調制裝置100的真實平面100。接著在景深範圍段TA1、TA2及TA3中，分別為空間光調制裝置100的虛平面100’及100’’，以及空間光調制裝置100的真實平面100計算出各個物點(例如P1、P2及P3至Pn)的子全息圖(例如S1、S2及S3至Sn)。可以將子全息圖S1至Sn計算為單視差子全息圖，也可以計算為全視差子全息圖。
以單視差計算時，將空間光調制裝置分割為虛平面及將待重建場景4拆解為多個景深範圍段TA1、TA2及TA3的方式使觀察者能夠看到沒有或僅有很小的解析度損失的重建的二維及/或三維場景。
以全視差計算時，將空間光調制裝置分割為虛平面及將待重建場景4拆解為多個段落使其不會超出子全息圖的最大尺寸，此部分在前面的圖式中已有詳細說明。
接著將計算出的景深範圍段TA1、TA2及TA3的子全息圖S1、 S2及S3/S1至Sn轉換到觀察者平面2/可視範圍3，並在該處加總。然後將加總的子全息圖/總全息圖轉換到空間光調制裝置100的真實平面。
從第5圖可以看出，待重建場景4的相應的物點P1及P2在空間光調制裝置100的兩個虛平面100’及100’’內計算出的子全息圖S1及S2的範圍/尺寸會小於直接在空間光調制裝置100的真實平面100內計算出的子全息圖的範圍/尺寸。
第6圖是顯示在觀察者平面2內從可視範圍3到空間光調制裝置100的平面(虛平面及真實平面)100、100’、100’’的不同距離的子全息圖的範圍的一個數值例。第6圖中的橫座標代表可視範圍的物點距離，縱座標代表子全息圖的尺寸/子全息圖描述的調制元件(像素)的數量。第6圖顯示一個大約11 mm的可視範圍的子全息圖的尺寸(每一個子全息圖的調制元件(像素))，這個尺寸是與空間光調制裝置相距不同距離可視範圍的物點距離的函數。第6圖顯示的例子僅作為舉例之用。
例如，如果以單視差編碼，待重建場景的一個與觀察者相距2 m的物點會在觀察者平面內與可視範圍相距0.7 m的空間光調制裝置(SLM)上產生一個尺寸約200 x 1個調制元件(像素)的子全息圖，如果以全視差編碼，會產生一個尺寸約200 x 200個調制元件的子全息圖。但是在觀察者平面內與可視範圍相距2.2 m的空間光調制裝置(SLM)上，相同物點的子全息圖的尺寸則僅有少數幾個調制元件(像素)，例如＜10x1個調制元件(單視差編碼)，或＜10x10個調制元件(全視差編碼)。但是較靠近觀察者的物點的表現則是相反。這些物點在距離較近的空間光調制裝置上的尺寸較小，但是在距離較遠的空間光調制裝置上的尺寸則較小。
第6圖中的虛線顯示將一個待重建場景拆解成4個景深範圍段。例如，空間光調制裝置的真實平面與可視範圍距離0.7 m，空間光調制裝置的虛平面與可視範圍距離1 m、2.2 m及無限遠。相反的，也可以是空間光調制裝置的真實平面與可視範圍距離2.2 m，空間光調制裝置的虛平面與可視範圍距離0.7 m。透過將景深範圍拆解成景深範圍段的作法，可以使距離可視範圍＞約62 cm至無限遠的物點的所有子全息圖小於70 x 1個調制元件(單視差編碼的情況)，或70 x 70個調制元件(全視差編碼的情況)。如果未使用空間光調制裝置的虛平面，子全息圖的尺寸將達到300 x 300個調制元件(全視差編碼的情況)，這會使計算工作量大幅提高。
第7圖顯示一個全息重建二維及/或三維場景用的顯示裝置，例如頭盔式顯示器(HMD)或全息目鏡。如果是HMD，通常會產生空間光調制裝置的放大圖像，而且是一個虛像。如前面所述，本發明所稱的空間光調制裝置的真實平面也可以是指空間光調制裝置的像平面。
為使圖面易於觀察，第7圖未將第1c圖中的照明空間光調制裝置110用的光源及準直元件(透鏡)繪出。空間光調制裝置110設置於顯示裝置內的位置使空間光調制裝置110與場透鏡FL之間的距離大致等於場透鏡FL與觀察者平面2之間的距離。例如，如果場透鏡FL與觀察者平面2之間的距離等於場透鏡的焦距，同時空間光調制裝置110與場透鏡FL之間的距離略小於場透鏡FL的焦距，則從可視範圍3會看到空間光調制裝置110的放大的虛像。空間光調制裝置110與場透鏡FL之間的距離愈接近場透鏡FL的焦距，這個虛像的距離就愈遠，而且放大的程度也愈大。當然也可以有其他的設置方式。場透鏡FL(第7圖中將其簡化成一個透鏡顯示)也可以是一個由多個透鏡組成的系統。在這種情況下，透鏡FL到可視範圍3的距離及到空間光調制裝置110的距離是指透鏡系統的主平面到此二者的距離。
此外，第7圖還顯示從空間光調制裝置110的一個調制元件(像素)出發，並朝觀察者視窗3的中間及邊緣前進的光束。光束被場透鏡FL偏轉，就如同光束是來自或發送自遙遠的空間光調制裝置110的一個放大的圖像110B。在空間光調制裝置110及場透鏡FL之間設有一個較佳是具有可變焦距的成像系統/聚焦系統AS。在這種情況下，成像系統AS的焦距是可以控制的。當然也可以將成像系統AS設置於顯示裝置內其他適當的位置。
如果場透鏡FL是一個由多個透鏡組成的透鏡系統，則具有可變焦距的成像系統AS也可以是場透鏡的一部分，或是場透鏡FL本身即可構成具有可變焦距的成像系統/聚焦系統AS。例如，具有可變焦距的成像系統/聚焦系統AS也可以是由多個透鏡組成的系統，其中各個透鏡之間的距離是可以改變的，以改變整個系統的焦距。
此外，第7圖還顯示一個待重建場景4，在本實施例中，待重建場景4位於空間光調制裝置110的圖像110B的後方相當遙遠的位置。例如，空間光調制裝置110的圖像與可視範圍3的距離為0.7 m。但是三維場景4與可視範圍3的距離大於2.5 m。待重建場景4被拆解成物點P1至Pn，以計算要編碼到空間光調制裝置110內的全息圖。
為了計算HMD或全息目鏡的全息圖，可以根據待重建場景4的內容決定空間光調制裝置110的一個虛平面110’，然後確定其在顯示裝置內的位置，以形成/達到一個便於計算的子全息圖的尺寸。例如，如前面所述，確定虛平面110’的位置，以縮小子全息圖的最大尺寸或平均尺寸。根據第7圖，虛平面110’在待重建場景4內的位置使物點P1至Pn中的一部分物點位於虛平面110’的前面，以及物點P1至Pn的另一部分物點位於虛平面110’的後面。第7圖顯示焦距可變化之成像系統AS處於未受控制/可變焦/關閉模式。
第8圖顯示如第7圖的顯示裝置，其中控制焦距可變化的成像系統AS，以移動空間光調制裝置110的像平面110B，使像面面110B與空間光調制裝置110的虛平面110’。然後在像面面110B/空間光調制裝置110的虛平面110’上計算物點P1至Pn的子全息圖，並將其加總，然後編碼到空間光調制裝置110內。
另一種可能的方式是，不只形成及確定空間光調制裝置的一個虛平面，而是形成及確定複數個虛平面，也就是說至少形成及確定兩個虛平面。然後可以將空間光調制裝置的圖像移動一個適當的虛平面，接著就可以按照前面描述的多種本發明的方法的操作方式計算子全息圖，並將其編碼到空間光調制裝置。如果至少有兩個虛平面，另一種可能的方式是按照時間順序先將空間光調制裝置的圖像移動到一個虛平面，然後再移動到另一個虛平面。
如果是動態的全息圖內容，也就是待重建的三維場景的景深範圍會改變，則空間光調制裝置110的圖像110B到空間光調制裝置110的各個虛平面110’的移動要與待顯示之幀框的場景的景深範圍配合。
將待重建及顯示的場景分割成景深範圍段，以及使用空間光調制裝置的虛平面，可以大幅降低計算子全息圖的工作量，因此可大幅改善顯示重建場景的時間效率。
本發明的方法需要將來自空間光調制裝置的多個虛平面的子全息圖資料轉換到可視範圍，並在該處加總，然後再轉換到空間光調制裝置的真實平面，這樣做雖然會增加一些額外的工作量，但是透過使用空間光調制裝置的虛平面及將虛平面適當的定位，可以降低總工作量。
透過這種方式可以將積分轉換的計算方法及直接計算子全息圖的優點結合在一起。
本發明的應用不受前面所舉的實施例的限制，並可後於減輕電腦計算全息圖的工作量。
最後要特別指出的是，以上描述的實施例僅是用於說明本發明的方法，但是本發明的方法並不受這些實施例的任何限制。
1、10‧‧‧空間光調制裝置
2‧‧‧觀察者平面
3‧‧‧可視範圍
4‧‧‧待重建場景
5‧‧‧眼睛
6‧‧‧截頭體
70‧‧‧調制元件
100‧‧‧空間光調制裝置、真實平面
110‧‧‧空間光調制器
110B‧‧‧放大的圖像
100’、 100”‧‧‧虛平面
AS‧‧‧成像系統/聚焦系統
D‧‧‧觀察者距離
FL‧‧‧場透鏡
L‧‧‧光學元件(透鏡)
LQ‧‧‧光源
P1、P2、P3‧‧‧物點
S1、S2、S3‧‧‧子全息圖
TA1、TA2、TA3‧‧‧景深範圍段
其中： 第1a、1b、1c圖：根據先前技術，全息重建二維及/或三維場景用的顯示裝置的不同的配置方式。 第2圖：在一截頭體內與觀察者及空間光調制裝置相距一特定距離之重建場景的示意圖。 第3圖：在使用一尺寸較小之空間光調制的情況下，如第1圖之重建場景的示意圖。 第4圖：一個三維場景的子全息圖範圍的示意圖，類似於在空間光調制裝置的一個真實平面及一個虛平面為單視差編碼的情況。 第5圖：一個三維場景的子全息圖範圍的示意圖，該場景具有一延伸到空間光調制裝置的一個真實平面及兩個虛平面的景深範圍。 第6圖：一個實施例的子全息圖範圍的圖形，其中顯示空間光調制裝置的平面與一可視範圍相距各種不同距離的情況。 第7圖：一個頭盔式顯示器的示意圖。 第8圖：如第6圖的顯示裝置，其中光調制裝置的像平面被移動。 此處要簡短說明的是，在各圖式中，相同的元件/構件/組件均使用相同的元件符號。
2‧‧‧觀察者平面
3‧‧‧可視範圍
4‧‧‧待重建場景
6‧‧‧截頭體
100‧‧‧空間光調製裝置、真實平面
100’‧‧‧虛平面
P‧‧‧物點
S1、S2‧‧‧子全息圖

Claims (24)

  1. 用於在一顯示裝置上進行二維及/或三維場景全息重建全息圖之計算方法，其中將一個待重建場景拆解成物點，其中物點作為子全息圖被編碼到顯示裝置的至少一個空間光調制裝置內，其中從一可視範圍觀察重建場景； -- 該至少一個空間光調制器的至少一個虛平面是從空間光調制器的一個真實平面出發並被確定； -- 在該至少一個空間光調制器的至少一個虛平面內的子計算全息圖。
  2. 如申請專利範圍第1項的方法，其特徵為：在至少一個光調制裝置的至少一個虛平面計算待重建場景的物點作為子全息圖，接著利用積分轉換將計算出的子全息圖從該至少一個空間光調制裝置的至少一個虛平面轉換到可視範圍，並在該處加總，然後利用另一個積分轉換將加總的子全息圖從可視範圍轉換到該至少一個空間光調制裝置的真實平面，並寫入作為全息圖。
  3. 如申請專利範圍第1項的方法，其特徵為：在至少一個光調制裝置的至少一個虛平面計算待重建場景的物點作為子全息圖，並在該至少一個虛平面將子全息圖加總，接著利用一個積分轉換將加總的子全息圖從該至少一個空間光調制裝置的至少一個虛平面轉換到可視範圍，然後利用另一個積分轉換從可視範圍轉換到該至少一個空間光調制裝置的真實平面，並寫入作為全息圖。
  4. 如申請專利範圍第3項的方法，其特徵為：在確定至少一個空間光調制裝置的至少兩個虛平面時，各將其中一個虛平面分派給待重建場景的物點，並在分派至物點之虛平面內計算物點作為子全息圖，以及在每一個虛平面將其所屬之物點的子全息圖加總，接著利用積分轉換將加總的子全息圖從該至少兩個虛平面轉換到可視範圍，在可視範圍將該至少兩個虛平面的轉換式加總，然後利用另一個積分轉換將加總的轉換從可視範圍轉換到該至少一個光調制裝置的真實平面，並寫入作為全息圖。
  5. 如申請專利範圍第3項的方法，其特徵為：在確定至少一個空間光調制裝置的至少兩個虛平面時，各將其中一個虛平面分派給待重建場景的物點，並在分派至物點之虛平面內計算物點作為子全息圖，以及在每一個虛平面將其所屬之物點的子全息圖加總，接著利用積分轉換將加總的子全息圖從該至少兩個虛平面轉換到可視範圍，為該至少兩個虛平面的每一個虛平面利用另一個積分轉換將所屬之轉換式從可視範圍轉換到該至少一個光調制裝置的真實平面，接著在該至少一個光調制裝置的真實平面，然後將該至少兩個虛平面的轉換式加總，並將加總的轉換式寫入作為全息圖。
  6. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項的方法，其特徵為：子全息圖或加總的子全息圖從一個虛平面轉換到可視範圍，或是經由另一個積分轉換從可視範圍轉換到光調制裝置的真實平面，是在單視差編碼中以一維積分轉換的方式進行，或是在單視差編碼或全視差編碼中以二維積分轉換的方式進行。
  7. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項的方法，其特徵為：空間光調制裝置的至少一個虛平面的位置位於待重建場景的景深範圍內，其中待重建場景的景深範圍被限制在與可視範圍距離最短的物點及與可視範圍距離最大的物點之間。
  8. 如申請專利範圍第1項至第7項中任一項的方法，其特徵為：選擇光調制裝置的至少一個虛平面的位置相對於待重建場景的景深，使重建場景的可視分辨率不低於一規定的值。
  9. 如申請專利範圍第1項至第8項中任一項的方法，其特徵為：將待重建場景拆解成至少兩個景深範圍段，其中該至少兩個景深範圍段各分派到空間光調制裝置的一個虛平面，並為位於一景深範圍段內的所有物點計算出在分派至該景深範圍段之虛平面內的子全息圖。
  10. 如申請專利範圍第9項的方法，其特徵為：空間光調制裝置的虛平面中的一個被分派給該至少兩個景深範圍段的虛平面也可能與空間光調制裝置的真實平面重合。
  11. 如申請專利範圍第10項的方法，其特徵為：從光調制裝置的真實平面計算出的子全息圖的加總工作可以在光調制裝置的真實平面或可視範圍進行。
  12. 如申請專利範圍第1項至第11項中任一項的方法，其特徵為：待重建場景的各個物點以子全息圖的形式被編碼到光調制裝置的真實平面，作為在水平及垂直方向上有不同焦距的透鏡元件。
  13. 如申請專利範圍第1項至第12項中任一項的方法，其特徵為：利用二維全視差編碼或一維單視差編碼計算光調制裝置的至少一個虛平面上的子全息圖。
  14. 如申請專利範圍第1項至第13項中任一項的方法，其特徵為：光調制裝置的虛平面的數量及光調制裝置的虛平面與可視範圍的距離是根據待重建場景的景深範圍來選擇，目的是使以調制元件的數量為形式表示的待重建場景要計算的子全息圖的尺寸不會超過一規定的值。
  15. 如申請專利範圍第1項至第13項中任一項的方法，其特徵為：根據待重建場景的所有物點的位置選擇空間光調制裝置的至少一個虛平面到可視範圍的距離，以便將以調制元件的數量為形式表示的需為待重建場景計算的子全圖的經由所有物點求得的平均尺寸縮小到一最小值。
  16. 如申請專利範圍第1項至第13項及第15項中任一項的方法，其特徵為：將空間光調制裝置的虛平面的數量限制在一給定值內。
  17. 如申請專利範圍第1項至第16項中任一項的方法，其特徵為：在待重建場景的景深範圍隨著時間變化時，空間光調制裝置的至少一個虛平面的位置會與新的景深範圍配合。
  18. 如申請專利範圍第1項至第17項中任一項的方法，其特徵為：在根據偵測到的待重建場景的觀察者的位置沿軸向及/或橫向追蹤可視範圍時，空間光調制裝置的至少一個虛平面的數量及位置會與可視範圍的新位置合。
  19. 如申請專利範圍第1項至第18項中任一項的方法，其特徵為：對相同場景而言，由空間光調制裝置的至少一個虛平面計算出的待重建場景的全息圖與直接在空間光調制裝置的真實平面內計算出的全息圖的偏差不超過一特定的標準。
  20. 如申請專利範圍第1項至第19項中任一項的方法，其特徵為：在以顯示裝置顯示二維及/或三維場景時，該顯示裝置會產生至少一個空間光調制裝置的一個像平面，其作用如同空間光調制裝置的真實平面，並根據待重建場景的內容確定至少一個空間光調制裝置的至少一個虛平面，同時移動空間光調制裝置的像平面，使其與空間光調制裝置的虛平面重合，以及計算待重建場景的物點作為子全息圖及加總，並寫入作為全息圖。
  21. 顯示裝置，尤其是一種顯示二維及/或三維場景用的全息顯示裝置，其具有一個空間光調制裝置，其中空間光調制裝置適於用來執行如申請專利範圍第1項至第20項中任一項的方法。
  22. 如申請專利範圍第21項的顯示裝置，其特徵為：顯示裝置具有空間光調制裝置的一個像平面及一個成像系統，其中成像系統的配置方式使像平面的位置可以改變。
  23. 如申請專利範圍第22項的顯示裝置，其特徵為：成像系統具有至少一個焦距可改變的元件。
  24. 如申請專利範圍第21項至第23項中任一項的顯示裝置，其特徵為：該顯示裝置是一種頭盔式顯示器。
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