TWI384338B - 用來清除光調變裝置之非繞射且直接反射光的裝置及方法 - Google Patents

Description

用來清除光調變裝置之非繞射且直接反射光的裝置及 方法

本案為一種用來清除由至少一個反射光調變裝置發射之非繞射且直接反射光的裝置，其中的光調變裝置包含許多被內部畫素區域所分隔的畫素元件。另外，本案還提出一種藉由本案所述之裝置來清除非繞射且直接反射光的方法。

在全像影像中，對於被加碼後之全像影像上的光調變裝置會被用來重組二維與/或三維的景象。其中的光調變裝置包含了許多畫素元件且這些畫素元件之間還夾雜著許多內部畫素區域。重組景象所需要的資訊會以畫素元件來作編碼。內部畫素區域則包含了用來控制畫素元件的電極。當光線落在光調變裝置上時都還沒被這些區域所調變；也就是說，這些內部畫素區域都來自光調變裝置上的靜態區域。還有一種趨近導向微縮顯示的趨勢，這表示畫素元件必需變得越來越小，這也是為什麼必需附著到內部畫素區域變得越來越重要。

當我們使用透明的光調變裝置時，射入內部畫素區域的光將會被吸收，這將導致光線強度受到一定的損失。在反射的光調變裝置裡，無論如何入射光都會被內部畫素區域所反射回來。當重組景象 時，這會使得富利葉平面中的重組後景象受到影響而有所缺陷。此一雜訊會在富利葉平面裡中央非常明亮的區域上變得非常明顯。這表示光亮區域的相關強度與其他物件點的強度比較起來要來得非常高很多。光亮區域的強度將不會因此而依賴於畫素元件的調變修正，但是它會與填充變數作相互的溝通，也就是可加碼的比例或光調變裝置的感光區域與全部區域的比率。由內部畫素區域所產生的效應會不斷惡化重組後景象的品質。而為什麼我們會使用反射的光調變裝置的主要原因在於它們對光線的吸收能力與發射傳送層比較起來要來得低，且對於較大的光效能來說有一個相對較大的填充係數，以及較短的切換延遲和一個低價的生產程序。

舉例來說，由S.Junique et al在光學2005，第44卷，第9號，第1635到1641頁中所申請的專利：“藉由晶圓封裝程序所生產製造之鎵砷系列的多重量子井式的空間光調變模組”，說明了如果光調變裝置是由一道光波長1為854 nm的雷射光所發射出來且聚焦集中在一個極小區域的畫素元件上的話，則內部畫素區域的反射比率可以假設大約為10%。另外，此專案的作者還提到了吸收鍍膜也會使用在光調變裝置其表面上的內部畫素區域，以便能從這些區域裡減少反射的效率。

然而，事實上我們很難將上述的吸收鍍膜方式只用在內部畫素區域，它也會有其他的可能運用範圍，這也意味了此方式會有其他額外的成本。

所以，本案將針對上述的缺點提出一種改良方式，提出一種具有從一個反射的光調變裝置內之內部畫素區域所反射出來的光之裝置與一種方法。

藉由本案所提出的專案，其中的裝置可以藉由提供至少一個配置在與光調變裝置相關之光學元件來使得射入連續的光線能夠部份被光學元件反射且部份被光調變裝置所反射，這樣將會產生出一道具有光學減速的光束以達到上述的目的，其中此一光束會同時包含被反射的光與被調變修正後的光以及干擾，使得被內部畫素區域所反射的光受到了相當的破壞。此時所謂被調變修正後的光指得是，受到畫素所調變以及反射後的光。而所謂被反射的光指得是，受到內部畫素區域與光學元件所反射的光。

根據本案所提出的構想，其中包含一個光學元件的裝置主要是用來清除從反射式光調變裝置中內部畫素區域所反射過來的光。此時的光學元件配置在與光調變裝置相關的位置使得投射在光調變裝置上與光學元件上的光能夠被反射出來，而被光調變裝置所反射的光束與被光學元件所反射的光束比較起來會有比較輕微的光學減速。因此我們將可以由來自光調變裝置所反射之光束，與光學元件所反射之光束，來選擇兩者的光學減速和干擾，並且讓從光學元件和從光調變裝置的內部畫素區域直接反射的光能夠互相抵銷毀滅。

如此一來，在富利葉平面中的可疑雜訊，例如在二維或三維景象的重組時，可以在景象資訊沒有受到明顯損失的情形下被衰減弱化或清除。也由於此一破壞性的干擾，由光調變裝置所調變修正後的光其品質將會得到顯著的提昇改善，這是因為從內部畫素區域所直接反射的部份光線將會被發射出來。如此一來將能在重組平面中大幅改善光調變裝置的影像品質。

在本案所提出之具體實施範例裡，光調變裝置與光學元件兩者會彼此前後排列，例如在平行的平面中，所以部份的入射光束會被光學元件所反射且其餘的部份會穿透並繼續發射前進，之後就會被畫素元件所調變修正或被內部畫素區域所直接反射，如此將使得直接被反射的光束被附屬到破壞性的干擾中。其中的光學元件最好能夠在其表面上鍍上一層半反射層。

在本案所提出之具體實施範例裡，其中的光學元件必需是屬於可控式的型式。如果此光學元件是可控式的，則來自內部畫素區域的非繞射且直接被反射的光的清除將能夠即時地被產生執行。

另外，在本案所提出之具體實施範例裡，光學元件的表面線條會與光調變裝置的表面線條一致。如此將會使得從內部畫素區域所反射出來的光能得到確實精準的補償。

另外，本案還提出一種關於清除非繞射光之獨特方式，其中的光學元件與光調變裝置會被合併在一起以使得入射光會同時被光學元件與光調變裝置的內部畫素區域所反射，而且將會導致被反射的光束附屬到破壞性的干擾中。

在本案所提出之另一具體實施範例裡還定義了其他相關的專利申請範圍。

在本案所提出之具體實施範例中做了如以下章節的詳細說明與各種圖示。

圖.1所示的裝置為本案所提出之清除非繞射光的具體實施範例。此一非繞射光一般來說都會在光調變裝置的富利葉平面中產生干擾的雜訊，如此將會使得富利葉平面的中間區域之強度變得時分強烈而明顯。這種雜訊只會在我們使用具有畫素元件的反射光調變裝置1的時候才會被觀察到。這是因為落在光調變裝置1的內部畫素區域之部份的光會被直接反射出來且不會被調變修正，所以它會與被光調變裝置1所調變修正的部份的光相互重疊，這樣就會產生出前述的雜訊。

如本案所提出之具體實施範例所示，它包含了至少一個光學元件2以衰減或消除前述的光學錯誤。在此一具體實施範例裡，光學元件2為一片一邊的表面鍍了一層抗反射層3的玻璃平面，而此一鍍層的平面會面對光調變裝置1。光學元件2與光調變裝置1必需呈一直線的前後排列以使得這兩個元件處於平行的平面上。為了能衰減或消除這些來自光調變中置1的內部畫素之反射後但非繞射光，光學元件2會安排在與光調變裝置1相關的位置上以使得經由光學元件2與光調變裝置1所反射的入射之同調光(Coherent Light)束能個別地整合在一起而展現出一種光學減速的狀 態。而光束也將因此而包含了被調變修正後的光與被反射後的光。由光學元件2所反射的光束之間的振幅與光學減速，以及由光調變裝置1所反射與調變修正後的光束，都會被選擇或變正以使得這兩道光束能歸類成破壞性的干擾，所以從內部畫素區域所直接反射的部份光將會被清除消滅。為了達到此一目的，剩餘的光學元件2之反射，光學元件2的發射傳送表面區域，或介於光學元件2之間的距離，以及光調變裝置1都可以被調整修正。

被反射光的數量將因此而被指到一個在光調變裝置1上的入射光束所調整修正，也就是說光束具有一個比光調變裝置1之動作表面還要大的區域，並且能藉由瞳孔的大小而調整變動。我們的理想條件狀況可以藉由以下的方程式來計算獲得： 其中的R為被反射的部份光，T為被傳送發射的部份光，FF為充實參數，Sbeam為光調變裝置的被放射表面區域，以及SactiveSLM為光調變裝置的畫素元件之表面區域。

調整修正後的光會落在光學元件2與光調變裝置1之上。另外，反射自光學元件2的光束，以及反射自光調變裝置1的光束，此二者的相位差為△φ=π+2kπ，其中k為一整數。在本案所提出之具體實施範例裡，兩道光束之間的相位差為△φ=π(k=0).

在本案所提出之具體實施範例裡還包含了一個間題， 也就是光調變裝置1與光學元件2之間還存在著多重的反射。多重反射的光束其強度必需控制的非常低。然而，其優點在於光學元件2可以用廉價的方式所生產並且能很容易地被安排在與光調變裝置1相關的位置。

為了避免多重反射，我們建議使用一片在中央位置具有光圈4的鏡片來作為光學元件2。請參考圖.2所示為本案所提出之由內部畫素區域所反射發出之非繞射光的具體實施範例。入射光的一部份會被光學元件2的外部區域2a所反射，而其他部份的入射光則會穿透光學元件2的中央光圈4並且落在後面的光調變裝置1之上。其中這一部份的光會再被畫素元件所調變修正並且再被反射回來，其中這部份光的一部份會落於內部畫素區域，而落在內部畫素區域的部份光線其實是來自直接反射的。一旦當被調變修正後的光與被反射後的光都再次穿越中央光圈4的時候，這兩部份的光干擾會使得反射自內部畫素區域的光被抵消。如此一來被調變修正後的光束其品質也將能獲得顯著的改善.

如圖.3a到3e所示為本案所提出之其他更多的具體實施範例之裝置。在這些具體實施範例裡我們可以發現，在圖.3a到3e中介於光學元件2與光調變裝置1之間還安排配置了一個光束分離元件5以幫助光束的行進導引。光束分離元件5可以是一個光束分離立方體。經過光學元件2所反射的光束S1，與經過光調變裝置1所反射的光束S2，這兩者之間的相位差為△φ=π+2kπ，其中k為整數.而且這兩道光束S1與S2必需是連續性的。

在圖.3a所示的具體實施範例裡，該裝置包含光調變裝置1與光學元件2，它們都被安排在一個平面裡，並且由光束分離元件5來定義之間的距離。光調變裝置1具有一片幾乎近似平面的表面。其中的光學元件為一具備反射能力的鏡子以變正調整被調變後的光的振幅。針對反射自內部畫素區域的反射光其衰減或消除，射入光束分離元件5的光會被其正後方的光學元件2與光調變裝置1所指向，其中的光都是已經被調變修正與反射過的。當這些光都被反射過了以後，這兩道子光束S1與S2會被歸類為破壞性的干擾。這表示直接反射自內部畫素區域的子光束S2之部份，與被反射的子光束S1會互相干涉使得彼此相互破壞抵銷。其中這兩道光束S1與S2必需是連續性的才能達到這個目的。

為了調整反射率，我們也可以藉由調整修正光學元件2(在本案的具體實施範例裡為一面鏡子)的表面區域來調整反射光的強度大小。如此一來將有個好處，那就是我們不再需要使用平行後的光，這是因為光學元件2與光調變裝置1都被安排在同一個平面上。另外還有一個優點，那就是落在光束分離元件5上的入射光束，以及離開光束分離元件5的光束，都可以在被直接反射之部份光的消除之後被展開於空間分離形式中。

圖.3b所示為與圖.3a中所說明的具體實施範例相同的裝置，但是在此具體實施範例裡光學元件2為一變形的板子。如果光調變裝置1具有一非平面的表面，如圖中所示，則我們需要一片與光調變裝置1相同的表面線條之光學元件2以便能盡量精確地彌補內部畫素區域的效應。這也就 是為什麼光學元件2的表面為與光調變裝置1的表面是一樣的線條，但是此一線條鼻能在裝置的操作途中作任何的修正改變。還有，光學元件2的反射率必需能被變正。最佳的反射率為ρ=1-FF(也就是1減掉充實參數)。此一裝置的功能性目的與圖.3a中所闡述的相同，所以我們將它安排列在這裡以便做後續的推導衍申說明。此一裝置還有一個特別的優點，那就是光調變裝置1的額外相差將可以藉由此一方式獲得改善變正。

圖.3b所示為與圖.3b中所說明的具體實施範例類似的裝置。在此一具體實施範例裡光學元件2為一全像影像平面板。此一全像影像平面板2為靜態的且由光調變裝置1所調整修正。另外，它不能在裝置的操作途中作任何的調整修正。光學元件2也可以被用來補償光調變裝置1的線條所產生之誤差。光學元件2可以藉由以下的準則方式來作設計與生產：光學元件=(-光調變裝置)*(1-充實參數)，其中的光調變裝置1是不能被控制的。此時，(1-充實參數)會在兩道光束中產生相同的振幅與在π-相位平移。如果我們需要對光學元件2作不同的設計，光學元件2必需被不同的光學元件所取代，但也是會依相同的方式來作生產。這樣的裝置其優點在於全像影像平面板可以用比較簡易的方法製造生產，與圖.3b中所顯示的具體實施範例裡的變形板比較起來將無需特別的製程或額外的負擔。在此同時，光調變裝置1的額外相差也可以藉由此一方式獲得改善變正。

圖.3d所示為本案所提出之另一具體實施範例的裝置。在此體實施範例裡其裝置與圖.3a到3c所說明的具體 實施範例之裝置具有相同的設計，但是此時的光學元件是屬於可控制的型式。此時的光學元件2是一片活動的可變形鏡片，並且能藉由控制單元SE(並未在圖中詳述)的協助而受到類似調整成我們所需要的表面線條之類的控制。光學元件2也可以在裝置的操作過程中受到控制。為了消除反射自內部畫素區域的干擾光線，光學元件2可以受到控制以使得其表面曲線能被修正來配合對應光調變裝置1的表面曲線，舉例來說，除了此一特殊功能之外，功能性策略就如同前面所述的一般。藉由本案所提出之具體實施範例，如果光調變裝置1有所變更，則光學元件2並不需要也隨著被替換。也由於此類型的光學元件2的幫助，即時的補償也跟著變得可行。還有，光學元件2也可以作更有彈性的調整修正。

圖.3e所是也是一種可控式光學元件2的裝置。在此具體實施範例裡，光學元件2也是一個光調變裝置。這樣的光學元件2設計會使得其表面曲線變得非常近似於光調變裝置1，而此光調變裝置1也是連接到一個控制單元SE。如果我們使用這樣的設計概念與架構，光學元件2的內部畫素區域將能夠精確地補償光調變裝置1的內部畫素區域。如此一來將會產生出一種效應，也就是來自內部畫素區域的干擾訊號將不會再影響光學進行的路徑，並因此而能夠產生一個高精準度的重組景象。

圖.4所示為一全像影像投影裝置，它包含了用來消除來自內部畫素區域的非繞射光之裝置。此裝置整合了光調變裝置1與光學元件2並且依序配置於光源6，用來拓寬受限頻寬之光束的鏡片7，以及光學瞄準儀鏡片8之後。當光束 經過光調變裝置1與光學元件2的調變修正或反射之後，鏡片9會在一個作為螢幕的光學元件10的上面產生一個富利葉轉換FT。此一功能近似螢幕的光學元件10可以是一片鏡片，鏡子，或類似的呈像元件。光調變裝置也將因此藉由鏡片9與螢幕19的呈像而顯現在位於觀察者平面12之觀察者視窗11上。加碼於光調變裝置1的全像影像會因此而重組於介在螢幕10與觀察者視窗11之間作延伸的重組版本。如今，重組後的景象可以讓觀察者透過觀察者視窗11而被觀察到。如果光調變裝置1的解析度非常的高，則它將可能讓觀察者以雙眼透過觀察者視窗11來看到整個重組後的景象。然而，如果光調變裝置1的解析度很低的話，則我們可能需要提供二個觀察者視窗11來對應觀察者的兩隻眼睛。最好的情形是，我們仍然作第二種的安排，整合一個光源，鏡片7，光學瞄準儀鏡片8，以及用來消除光調變裝置1中的非繞射光之裝置，一個光學元件2和一個光束分離元件5。

藉由本案所提出之具體實施範例之助，我們可以應用在上述實例中的投影裝置中，讓螢幕10中央區域中的干擾反射光可以被有效地衰減或清除。

當然我們也可以藉由讓光調變裝置1投影呈像在螢幕10上面這樣的設計之投影裝置，而不是投影呈像在觀察者平面11之上。如此一來，富利葉轉換FT會位在鏡片9與螢幕10之間，而且會利用螢幕10的協助而呈像在觀察者平面12。這樣將會讓對比於螢幕10上的影像變得更加精進。

投影裝置還可以作這樣的設計，也就是讓觀察者視窗11能隨著觀察者在觀察者平面12中的移動而隨著被追 蹤。一般來說，多重觀察者可以觀察者平面12中觀察到重組後的景象。另外，也可以產生出彩色的重組後景象。

藉由消除來自內部畫素區域的非繞射光，當光束被光調變裝置1所反射之後，有限頻寬的光束其重組品質將會在投影裝置中得到顯著的改善。這表示在富利葉平面的中央區域中干擾會受到衰減，因此光調變裝置1的影像平面裡的對照影像將會有很大的改善。

本案所提出之一種用來清除非繞射且直接反射光的裝置其可能之應用，舉例來說，有個人或工作環境中二維與/或三維的全像影像投影裝置，個人電腦，手機，電視機，電子遊樂器，汽車工業等的顯示資訊，或其他在娛樂產業，醫療工程，或甚至軍規工程等等的表面資訊重組。當然，本案所提出之裝置除了上述的各種形式與應用之外，也可以應用在其他的領域中，只要是確定反射自內部畫素區域的光可以被有效地衰減或消除的裝置，都在本案所申請保護的範圍之內。

本案所揭露之技術，得由熟習本技術人士據以實施，而其前所未有之作法亦具備專利性，爰依法提出專利之申請。惟上述之實施例尚不足以涵蓋本案所欲保護之專利範圍，因此，提出申請專利範圍如附。

1‧‧‧光調變裝置

2‧‧‧光學元件

3‧‧‧抗反射層

4‧‧‧光圈

2a‧‧‧外部區域

5‧‧‧光束分離元件

S1‧‧‧反射的光束

S2‧‧‧反射的光束

SE‧‧‧控制單元

6‧‧‧光源

7‧‧‧鏡片

8‧‧‧光學瞄準儀鏡片

9‧‧‧鏡片

10‧‧‧光學元件

11‧‧‧觀察者視窗

12‧‧‧觀察者平面

FT‧‧‧富利葉轉換

本案得以藉由下列圖示及詳細說明，俾得一更深入之了解：圖1所示為本案所提出之包含一個用來清除非繞射光之光學元件的光調變裝置的架構圖；圖2所示為本案所提出之清除非繞射光的第二具體實施範例；圖3a到3e所示為本案所提出之清除非繞射光的第三具體實施範例，並說明了光學元件的不同具體實施範例；圖4所示為本案所提出之具有用來清除非繞射光之裝置的投影裝置的功能架構圖。

1‧‧‧光調變裝置

2‧‧‧光學元件

3‧‧‧抗反射層

Claims (13)

1. 一種用於清除由至少一反射光調變裝置發射之非繞射且直接反射光的裝置，其中該光調變裝置包含被複數個內部畫素區域所分隔的複數個畫素元件，其特徵在於：本裝置提供具有與該光調變裝置相關連設置的至少一個光學元件，以使得入射同調光(Coherent Light)被該光學元件部份反射，且被該光調變裝置部份反射，如此可得到具有一光學減速的複數個光束，其中該光束包含反射後且調變後的光和干擾，以使得被該內部畫素區域所反射的光的部份被清除消滅。
2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該光調變裝置與該光學元件會被前後設置，也就是會處於平行的平面上，以使得入射光的一部份被該光學元件所反射且另一部份被發射出來，然後被該畫素元件所調變或被該內部畫素區域直接反射，藉此而被直接反射的光束隸屬於破壞性地干擾。
3. 如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中該光學元件的一個表面會被鍍上一層抗反射層(antireflective layer)。
4. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該光學元件為在中央具有一光圈的一鏡子，其中該入射光會從該光學元件反射，而且如果穿過該光圈，則該入射光將會被該光調變裝置所調變並反射。
5. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該光學元件是可以受到控制的。
6. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該光學元件具有與該光調變裝置的一表面形狀一樣的表面形狀。
7. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中一光束分離元件被設置該光學元件與該光調變裝置之間以引導光束。
8. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中介於所反射的光束之間的相位差為π+2kπ，其中k為一整數。
9. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，為了在全像影像中使用，特別 是為了景象的全像影像重建，該裝置在該光調變裝置上面作編碼的處理。
10. 一種用於清除由至少一反射光調裝置發射之非繞射且直接反射光的方法，其中該光調變裝置的複數個畫素元件會調變入射光束與複數個內部畫素區域，該內部畫素區域分隔單獨的畫素元件，直接反射入射光，其特徵在於將一光學元件與該光調變裝置組合以使得入射光從該光學元件以及從該光調變裝置的該內部畫素區域反射出來，讓被反射的光束歸屬於破壞性的干擾。
11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該光學元件的反射適用於反射光的一數量。
12. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該光學元件的表面區域適用於反射光的數量。
13. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中落在該光學元件上的光與落在該光調變裝置上的光會是平行的。