TWI390247B - 用於全像投影系統的光波校正 - Google Patents

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Description

用於全像投影系統的光波校正
本案為一種應用在具有光波追蹤裝置之全像投影系統中的光波校正，其中的光波追蹤裝置控制了調變光波行進的方向與離開系統的方向以便能全像地重建三維景象。投影系統使用一個位置控制器與一個眼睛位置搜尋器。如果某個觀察者在觀看全像重建時改變他的位置，則這些元件將會把調變後的光波導向至觀察者的眼睛以使得重建能在一個無錯規範下讓至少一隻眼睛看見，而且不論這隻眼睛位置在哪裡。如上述的這種投影系統需要相當數量的光學機制和元件以便能在光線離開系統的點上維持良好的調變後光波品質，並且也能減低調變後光波在行進途中所遭受之類似像相差這種的雜訊干擾。本案所提出之用於全像投影系統的光波校正就是針對為了補償前述的效應所提供的一種光學機制。
本案所提出之用於全像投影系統的光波校正會與原始全像資訊的來源和類別完全獨立無關，它可以是多種型式的投影系統，它也可以被應用在能夠同時提供全像地重建後視頻景象給多個觀察者的系統中。
在全像投影系統中可全像地展現藉由視頻機制即時地移動的三維景象，其包含了離散式的可控式空間光調變器裝置，它會藉 由全像圖處理器而被以視頻全像圖的順序作編碼，以使得它們可以對相容於具有全像資訊之像差的光波做空間式地調變修正。調變後的光波會將重建空間裡的物件光點重建於投影系統之外，但是會透過局部像差而落在觀察者的眼睛之前；其中所謂的物件光點基本上會光學重建整個所需要的三維景象。展現其餘所有物件光點的重建後物件光波會以一個直接定向的型態行進直達至少一位觀察者的眼睛位置，所以一或多個觀察者可以看到這些物件光點所形成的景象。這表示一般習用的立體顯像中，一個全像之展現可以成為真實物件的替代。
為了能達成提供相當品質之全像展示的目的，觀察者也必需能構在一個足夠大的可視範圍內看到整個重建。一般來說，重建空間必須是越大越好，而且全像地重建後景象的尺寸大小至少必需是對角線達50公分以上，類似像電視機或電影等的視頻展現。
一個已知的重建系統的問題是，在產生干擾之前如何保持所需要的光波行進不受任何的干涉干擾。為了能在空間中的正確位置上重建物件光點，並且具有正確的光點值，至少部份的干擾光波必需要同時到達物件光點透過干擾所重建而成之所有的位置。這表示空間連貫性在每一個所需要之物件光點中干涉光波的需求最好是越多越好。
另外，投射至干擾點的光波其波長必需不能展現出和其他由可控式光學機制所產生導致的任何不可控路徑之長度。
在以下所敘述的文章中，所謂的“光學軸”指得是與反射或折射光學元件的對稱軸同步發生的一條直線。空間光調變器裝置，特別是由一個具有一三維景象之全像資訊的全像圖處理器所編碼，將會重現出一個“視頻全像圖”。一個由具有投影裝置所發射出來的連續光所構成之視頻全像圖會導致產生一個“被調變後光波”。此一被調變後光波是一個三維光線分佈，並且從視頻全像圖的富利葉轉換的型式行進到眼睛位置，並因此而藉由干擾而重建整個景象。其中投影裝置會定義一個調變後光波的“行進方向”。此一行進方向可咽由“光波追蹤裝置”來作調變修正。如果光學元件配置在行進的路徑上或它們的影響方向會指向視頻全像圖，則它們將會被參考到“全像圖側”；而又如果它們位於行進的路徑上或它們的影響方向會指向某個觀察者的眼睛位置，則它們會被參考到“觀察者側”。一個所謂的“可視區域”定義了一個位於眼睛位置上觀察者側用來作為系統出口瞳孔的一個空間，在此其中至少一個觀察者的眼睛必需位在能觀察整個全像地重建後景象的位置上。如果在本案所提的案例中，一個內含了用來追蹤調變後光波到目前眼睛位置之光波追蹤裝置的投影系統，此時的“追蹤範圍”將會定義一個能夠盡可能地涵括光波追蹤之所有眼睛位置的空間。在本 案所提出之技術方法裡，前述的投影系統也就是熟知的具有眼睛追蹤裝置的投影系統。
在國際專利文件WO 2004/044659，“用來重建視頻全像圖的視頻全像圖和裝置”，其中已經說明介紹了一個用來解釋能夠追蹤全像重建的全像重建系統。
在此重建系統裡，光波可以藉由使用一個利用空間光調變器裝置之全像資訊來被調變修正。藉干擾的方法所重建的調變後光波可以使得在某一虛擬重建空間裡之三維景象跑到全像系統之外，而所謂的重建空間將會被定位在一或多個觀察者的一隻或兩隻眼睛之前。為此，調變後光波會穿越空間光調變器裝置後從重建系統的觀察者側處離開。為了能提供一個較寬大的可視區域範圍，系統的出口瞳孔其表面區域最好是越大越好。為了能有效地使用光調變模組基制的解析度，聚焦機制將因此而能再次被使用來減小靠近某個眼睛瞳孔維度之重建空間的尺寸大小，所以重建空間最好是一個具有頂點角度且越大越好之梯形區域，為了能將三維景象之大型物件展現於它們全體的空間中而成為介於觀察者到重建擴大之間的距離。一個至少存在有一個觀察者眼睛之可視區域必需被定位以便能觀察到整個重建，並從重建空間之觀察者側上之眼睛位置開始，並落在聚焦光學系統之富利葉平 面上。空間光調變器裝置的發光裝置也可以被用來參考成為之前很多應用中的觀察者視窗。
在因聚焦而變成梯形的重建空間裡，如果觀察者的眼睛並不是完全位於可視區域之內的話將會產生具有三維重建之視覺問題。觀察者些微的側向移動已經可能會導致類似像可視性，暈影，或空間頻率光譜的誤差消失的效應。這也是為什麼光波的出口方向最好能在觀察者有所移動時將虛擬重建空間與新的眼睛位置結合在一起。為了達到這個目的，全像重建系統將能夠替代光調變模組機制的其餘發光裝置或個別部份。
在文件“使用液晶裝置之眼睛位置追蹤型態的電子全像顯示器”中，作者N.深井(Fukay)等人於亞洲顯示器期刊1995XP002940561，第963頁到964頁中，說明了另外其他用來追蹤全像重建的光學追蹤機制。其中，有兩個小的空間光調變器，它們每一個都能在一個空間多工的情形下處理一個調變後的光波以提供一個重建給某個觀察者的每一隻眼睛位置。一個垂直與水平可旋轉追蹤鏡片會被安排在重建的中央，也就是說，在全像顯示器之外或介於顯示器螢幕面板與觀察者之間的更多地方。系統將會因此而平行產生兩個小的觀察者區域，它們可以在圓錐體型的圓形路徑上沿著重建被追蹤，所以能跟隨著某個觀察者的側向移動。除了前述的此一追蹤鏡片的外部位置之外，另外一 個缺點在於觀察者的觀察當向會因來自鏡片的偏光而呈十字交錯，而且如此一來會局部限制沿著圓形路徑的邊界區域。重建系統會藉由顯示光調變模組之發光裝置來補償眼睛位置的縱向移動，如同前述的解決方式。
在國際專利文件WO 1999/06856，“具有外加光學可視裝置的微顯示裝置”，說明介紹了一種可外加的可控式光學系統。一個用來調變光波的波前調變模組，類似像不改變物件與物件透鏡之間的軸距而在物件空間裡移動焦距，將會被安排在某個微顯示裝置之光學觀察與發光路徑裡接目透鏡與物件透鏡之間。波前調變模組會完成一個相位調變也因此而在物件透鏡的瞳孔平面中將影像波前變形，或在等同於瞳孔平面的一個平面中。另外，光學系統也可以校正因局部附加之調變模組調整而影響產生之物件透鏡所造成的波前彎曲。
用來作為波前調變修正的光學系統可以是反射型的系統，例如像使用電子控制式的可變形鏡片組；或也可以是透明型的系統，例如像使用一片液晶螢幕。光學系統也了以包含離散的可移動式區段，它可以被控制以便能在波前中補償部份區域像差。在物件中的聚焦位置會藉由波前的球狀調變修正而呈軸線的配置安排，而且波前會因為側向排列配置而傾斜。可附加的光學系統必需能賴區段內被控制以便能夠校正角度相關的像差。相對的， 我們可以使用二個位於不同的瞳孔平面中之獨立的調變模組。所有的改變修正都會在光學路徑中的某個瞳孔平面裡發生。
由申請人在國際發表的專利申請案件WO 2006/119760裡，標題“用來作景象的全像重建之投影裝置與方法”，介紹了一種全像投影系統，在其中某個平面光波LW會發射出一個空間光調變器的其餘表面，且此空間光調變器的光能夠容忍包含干擾雜訊的產生。一個全像圖處理器HP會將光調變模組作動態編碼於一所需要之三維景象的全像資訊。編碼後的調變模組也將因此而重現出一個動態的視頻全像圖。光調變模組可以在一個傳遞模式中工作，也就是說可以對某個包含干擾產生之光波在其穿越調變模組時加以調變修正，或它可用來作為一個可控式反射器。
由於投影系統其功能性理論的知識基礎可以藉由本案所提出之介紹說明而有進一步的建立，其中本案所提出之關於投影系統的具體實施範例如圖1中所示。當然，本案所提出的概念想法也可以適用在其他的投影系統上。
在某個全像單元HU中的某個光學投影系統L會將編碼於某一擴大型式之空間光調變器SLM上之視頻全像圖投影到一個內含聚焦顯示螢幕S的影像平面中。一個視頻全像圖的空間頻率光譜將因此而定形在光學投影系統L的影像側之聚焦平面中， 即富利葉平面FTL。因為它們的矩陣排列方式之故，調變模組細胞單元會對光波作空間且等距離地調變修正。依如此結果，多個繞射階將會在富利葉平面中建立產生，而此富利葉平面會落在個週期性空間序列裡的不同位置上。聚焦顯示螢幕S會將所有繞射階投影在其聚焦平面中，而且某個觀察者將可以在可視區域之外以一隻眼睛來觀察此一結果，也就是說另外一隻眼睛將無法看到視頻全像圖的內容。一個空間頻率濾波器AP位在富利葉平面FTL之中以避免它去選擇任何某個繞射階。聚焦顯示螢幕S將因此而只會將調變後光波之所需要的繞射階投影到其位於眼睛位置PE0 前的聚焦平面FL之上。觀察者將可以在眼睛位置PE0 之後看到整個重建後之三維景象3DS。
如圖1a中所示的具體實施範例，其中的顯示螢幕S為一片鏡片。如之前的敘述，顯示螢幕的直徑和光學投影系統L比起來將會非常的巨大。顯示螢幕S將因此而使用凹面鏡。而視頻全像圖將會被編碼以使得重建只會在擴大且聚焦光波在穿越顯示螢幕S之後離開系統時才會被產生。
然而重建3DS也會被固定在系統內重建空間之中，所以它會被位於可視區域中至少一個觀察者的一隻眼睛於眼睛位置PE0 之後的地方看見，但這並非實體的視覺。在系統之前重建3DS 不具漏失或限制的可視性其無限移動也將只會在額外的光波追蹤裝置裡被使用到。
如果被重建的景象想要在觀察者移動的情形下不受任何限制地被看見，則一個位置控制器CU就必需能藉由光波追蹤裝置WFD來追蹤其餘調變後光波的光學路徑直到相對應的觀察者眼睛，如此才能使得重建空間的終端可以一直和相對應之觀察者眼睛PE1 保持非常接近的距離，如圖1b中所示。為此，本案所提出之具體實施範例裡的投影系統包含了一個眼睛尋找器，它可以用來偵測觀察者眼睛目前的位置所在並且藉由位置控制器CU(運算裝置)來控制調變後光波的光學路徑以使得此一光學路徑能直接指向目前的眼睛位置PE1 。在一個能針對每一隻觀察者眼睛提供個別特別光波的系統裡，期望中的眼睛位置會位在對應到目前所編碼之視頻全像圖所在位置之觀察者眼睛位置之後的地方。
因為擴大的調變後光波總是只能透過顯示螢幕S的有限區段來離開重建系統，這是因為光學軸會傾斜偏向眼睛位置PE1 ，而顯示螢幕S則必需在更大一些，如圖1b中所示。顯示螢幕S的較大區段A0會隨著眼睛位置的移動而跟著變動，也將會永遠保持不被使用。這樣的方案在實際執行上有相對的困難且有更高的成本，所以並不為業界所經常採用。
從前述的案例中我們可以清楚地發現，在本案所提出之具體實施範例裡景象中的可視區域是一個視頻全像圖過濾後空間頻譜的一個影像，並且位於至少一個觀察者眼睛之前。此一區域的大小同時依賴於個別調變模組細胞單元之間的距離，也就是光調變模組的間距，以及其餘光學系統的焦距長度，和用來重建之光線的光學路徑長度。在其餘光學系統的焦距長度和用來重建之光線的光學路徑長度是本案的主要內容和主軸。它們具有所期待之重建的特性，如此將使得可視性與大小都會依賴於所有會影響其餘光學系統之焦距和調變後光波之光學路徑長度的光學參數，特別是部份光波的誤差形式。
因為在投影系統裡光波追蹤裝置會配置在系統之內，而調變後光波的行進方向並不會等同於螢幕軸與入射光線的各個不同的入射角度，因為入射光線的入射角依賴於眼睛位置PE 。依賴於光波追蹤的期待工作區域，此一偏差和螢幕的垂直法線之間所夾的角度必需在±5°的範圍之內，也就是遠低於無像差範圍，即所謂的高斯區域(Gaussian region)。這表示具有調變後光波的光學追蹤的投影系統會從需要空間擴張調變光波的較佳影像品質的條件作為出發點。
調變後光波其行進方向如果在離開光學系統時發生改變，則會產生顯示器螢幕歪斜此一離開光波之空間結構的效應，而且還 包含了依賴於行進之確實方向的像差部份。一個受到較大聚焦顯示螢幕所影響之光學拓寬光波會對像差特別敏感，如此將會產生球狀像差，髮絲紋，場域翹曲，散光，以及誤差等等。主要依賴於場域大小的像差，也就是場域像差，如果眼睛位置之間相距極端地遠的時候干涉的變異波動部份將會作特別的分佈。隨著眼睛位置的不同，各種不同強度的像差也可能出現在垂直與水平的方向中。因為藉由本案所提出之具有聚焦顯示螢幕的全像重建方式，重建只可以在具有視頻全像圖之繞射階影像時才能被實現完成，其中的視頻全像圖會先由空間頻率濾波器作一次篩選，而重建之前光波的系統特定之像差則可能會在入射角度增加的情況下導致實質的損壞。
因為前述的投影系統也會有和光調變模組機制之特別編碼的優點，如此將可以藉由可實現之空間光調變器來避免因重疊所造成的繞射階，至於場域像差，以及傳統投影系統裡迄今仍未知的部份，也都會在某個景象重建確定物件光點時發生。在此一特殊案例裡，全像圖處理器只會在一個全像的有限區域內編碼每一個光調變模組機制上之全像點。如此一來，編碼於邊界全像區域的物件點都會比編碼於靠近軸線之物件光點而受到像差的更多不同影響。像差與暈影也將因此而依賴於調變後光波所指向之眼睛位置而伴隨產生。一般來說，確實相當的物件點並不會全部被重建或在一個錯誤的空間深度之中，或個別物件點並不會出 現於可視區域之內。這也是為什麼我們一定要量測才能確認來自顯示蠅幕之邊界區域的光波會針對每一個眼睛位置而到達個別的可視區域，並且進而能在正確的空間深度裡重建物件光點。至於本案所提出之更進一步的說明如國際申請專利文件WO 2006/119920所描述。
另外，如果彩色的視頻全像圖被重建，不同波長的光波會發生於系統內以某種和波長上折射係數相依的鏡片組中，即一般所謂的散射。前述的散射會導致需要視頻全像圖之色彩合成的主要色彩之顏色像差，它主要會被觀察者在可視區域內的不同尺寸大小位置所察覺發現。
一個包含了由至少一個位於顯示螢幕之前的可移動鏡片所追蹤之投影系統也將因此而具有較多或較少針對個別位置在離開光波之幾何形狀中的改變而受到影響，其中的離開光波彼此之間會對方向作些微的平移以使得某個觀察者其位置會改變於某一側，並且在不同眼睛位置之間的時間區段多工切換而在另一側作改變。針對已經確認曝光的眼睛位置，前述之幾何形狀中的改變會變成灰色以便能得到較令人滿意的景象重建。用來校正光波波形的機制也將因此而變得必要以便能對某個觀察者之每一個眼睛位置做到光波波形的特別校正，其中特別針對具有預期需要的追蹤範圍與針對美一個主要顏色以使得光波能具有恆常穩定的幾 何特性和光學特性。在本案所提出之具體實施範例裡，光波校正必須能以非常高的速度在不同的校正設定中作切換，特別是在能夠於時間區段多工處理裡不同眼睛位置之間作切換的投影系統中。
因為在一個預期需要的大形追蹤範圍裡，累積的像差會在個別的眼睛位置上有巨大的變異，這是因為很多不同入射像差彼此互相影響的緣故，而利用固定光學機制所得到的像差校正是不可能存在的。
有鑑於此，本案提出一種架構在全像重建系統上之具有光波追蹤裝置之用於全像投影系統的光波校正，其中空間光調變器裝置會被編碼在視頻全像圖的序列資訊裡以調變一個載於所產生之具有全像資訊之干擾光波。調變後光波會對應到某個觀察者的最少一隻眼睛上並且包含了全像資訊以重建所需要的三維景象。重建會顯示在重建系統之外，但是在顯示螢幕前的觀察者側上。
另外，用來投影視頻全像圖的投影裝置，以及用來追蹤光波的位置控制器都會被額外地配置在系統裡。光波追蹤裝置會藉由目前調變後光波所對應到之觀察者的眼睛位置來校正調變後光波的行進方向。位置控制器所使用的位置資訊說明了目前的眼 睛位置以動態地控制光波追蹤裝置並使得調變後光波的行進方向能在每個觀察者在所預期之追蹤範圍內改變眼睛位置時追隨觀察者的眼睛。
過去文獻所曾經介紹過的投影系統範例，如國際專利申請文件WO 2006/119760裡所描述，顯示螢幕必需能將調變後光波聚焦，所以所需要的全像重建將可以顯現在顯示螢幕與系統的影像側焦點之間的重建空間中。
總而言之，本案所提出之申請內容主要是用來針對具有能對個別獨立之眼睛位置來作光波追蹤功能之全像投影系統，以及利用運算裝置而可以即時控制某個可控式光波校正。在本案所提出之具體實施範例裡，所謂的“即時”指得是在相同的全像頻率上系統能針對不同眼睛位置提供視頻全像圖。另外對一般的像差來說，光波校正應該能更進一步地降低調變後與處理後光波的形式結構之動態改變與變形到越遠越好，如此將導致從指向之光線行進方向中的改變，以及由聚焦顯示螢幕所影響的光學擴大和調變後光波。
另外，光波校正應該能支援介於極端距離位置之間在某個追蹤範圍內的快速位置改變，它最好能越大越好且與光波追蹤裝置結合在一起。重建後的景象必須能以不具任何誤差以及具有某 種穩定常態之品質來讓觀察者在預定的追蹤範圍內在任何可能的眼睛位置上看見。
藉由本案所提出之具體實施範例，光波校正包含了可控式光波形成裝置與運算裝置以便能在說明著眼睛為置之位置資訊的基礎上控制光波形成裝置的光學行為。其中的可控式光波形成裝置會配置安排在介於某個空間光調變機制之發光裝置與投影系統之顯示螢幕之間的光學路徑上。架構於說明了眼睛位置之位置資訊之上，運算裝置會計算由光波追蹤裝置所控制的每一個眼睛位置，而光波形成裝置則會控制調變修正至少是光波形成裝置之相位控制與方向控制之資料以使得顯示在眼睛位置之後的重建後三維景象能具有相同的重建幾何與原始景象之光學品質，並且盡可能地不受限於哪一個眼睛位置都提供相同的重建幾何與原始景象之光學品質。系統重建光點所產生之相同的重建幾何機制可以從觀察者的眼睛在其空間位置中被看見，並且具有在落於每個觀察者眼睛之重建空間內的個別距離。
一般來說，光波波形可以在光波被以全像資訊所調變修正的地方被調變。傳統習知的全像投影系統的空間光調變器裝置裡，它會調變由具有所需之三維景象全像資訊之產生干擾所載入的光波相位，並且具有相當好的解析度所以它可以在調變後光波被光學系統裡之像差所影響干擾之前就提供光波的任何個別部份給一 個來自已經補償之個別結構後的校正。為此，包含了全像資訊的空間光調變器至少有部份也可以包容光波的成形。在此一光波校正的特別案例裡，運算裝置會將空間光調變器裝置與全像值編碼在一起，其中的全像值還包括全像資訊，以及針對目前眼睛位置的特別控制資訊。
然而，因為當追蹤範圍很大的時候波形裡相當的誤差並無法完全技術性地避免，因此空間光調變器裝置必需在它們進行光波校正之額外工作時來完成一個足夠大的機構調變範圍。沒有任何已知之高解析度空間光調變器會有足夠的調變修正範圍來解決此一問題。藉由本案所提出的方法，光波校正機制將因此而另外包含能提供調變後光波的空間光調變器裝置，至少一個能在介於全像和顯示螢幕之間調變後光波之光學路徑中作光波校正的可控式波形，其中所謂的波形具有一個比空間光調變器裝置的解析度還低的解析度，但它的光學行為可以在較大的調變修正範圍裡作局部地控制。
藉由本案所提出之方法，運算裝置會評估投影到像差之光波波形的誤差，當它因系統化光學誤差之故而被預期將發生於目前眼睛位置，架構在標示了目前眼睛位置之位置資訊之上並使用一個複數轉換功能的內藏敘述將可以在其餘的光學重建系統中依不同的眼睛位置而建立光學路徑。在這些波形誤差之上，運算裝 置將會計算笑正資料，這些資料主要用來控制光波形成裝置以使得針對全像重建所作之光波波形最佳化能在顯示螢幕之觀察者側上行進並指向目前眼睛位置，其中所謂的光波波形會以很高的品質來重建整個三維景象並在目前眼睛位置之後提供可視區域給所有的眼睛。
可控式光波形成裝置會局部地修改光波的相位結構以及在光波的子區域內行進方向中的誤差，也就是調變後光波的補償誤差。為了能在調變後光波的場域分佈中校正光學誤差，光波定形機制最好能被配置安排在視頻全像圖的內插影像的平面中。
本案所提出之方法的最主要優點在於，即使是眼睛位置相關的變形也能藉由本案所提出的方法來作校正，並不需使用複雜且高成本的光波感測器來偵測光波變形的問題，如之前所介紹的附加光學系統。標示著目前眼睛位置的資訊是藉由位置控制器所提供，它可以只作光波追蹤的工作或是能藉由針對光波形成裝置之軟體機制控制資訊來作運算，並且具有光學系統的除存轉換功能的優點。
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1a所示為全像投影系統的上視圖，其中觀察者的正面方向會定義一個第一眼睛位置。此一系統已經在前述的介紹 章節裡作了詳細的說明，而且此一系統已經在國際專利申請文件PCT/DE 2006/000896中提出。
圖1b所示為一個具有可控式光波追蹤裝置的投影系統的架構圖，其中的可控式光波追蹤裝置會針對相對應之觀察者眼睛的不同眼睛位置而指向全像地調變後光波的光學軸。還有，此一系統也已經在前述的介紹章節裡作了詳細的說明，而且也已經在國際專利申請文件DE 10 2006 024 092。8中提出。
圖2所示為和圖1b中投影系統比較起來有更為提昇改善之光波追蹤裝置之投影系統的側視圖。
圖3所示為本案所提出之全像投影系統的側視圖，它說明了具有光波校正機制之全像投影系統的一般設計模式。
圖4所示為本案所提出之全像投影系統的詳細說明，該全像投影系統具有一個不同型式的光波校正方式。
在本案所提出之具有光波校正的全像投影系統的具體實施範例裡，投影系統會針對每個觀察者提供至少一個在分離虛擬重建空間中之重建。為此，系統會針對每一個觀察者在時間分割與/或空間分割的多工程序裡產生至少一個調變後光波，此一光波會藉由一個可控式光波追蹤裝置而穿越一個顯示螢幕上出口位置並指向不同的眼睛位置。
本案所提出之用於全像投影系統的光波校正中存在的技術問題將在如圖2中所示之說明作更詳細的澄清：投影系統包含了一個據有空間光調變器SLM的全像單元HU，其中投影系統裡部份的單元如圖1a中所說明。全像單元HU配置在一個焦距為無限遠的鏡片系統AF之後。為了能針對每一個眼睛位置PE 提供一個個別分離的重建，並為在圖中標示的一個全像圖處理器會編碼在一個時間分割多工程序裡且單元HU的空間光調變器SLM反而會具有不同的視頻全像圖，而此一不同的視頻全像圖會對應到相對應之觀察者眼睛，而且會不同於觀察者眼睛的分離視差。一個以能在任何方向種轉到任何角度的追蹤鏡片M1的形式而存在之光波追蹤裝置的第一部份，它會配置在調變後光波LWmod 之中央位置裡，但建議最好是在前述之焦距無限遠鏡片系統AF所產生之視頻全像圖的立即影像的位置上。
在本案所提出之在全像投影系統中，一個焦距無限遠鏡片系統是一個焦距長度為無限遠的鏡片系統，所以它會接收到平行光波並且以調整後的某種形式再將它們發射出去。
追蹤鏡片M1會聯結到運算裝置CU，此一運算裝置會包含一個如圖2中所示之具體實施範例裡的位置控制器，它主要用來控制架構在由眼睛尋找器EF所搜尋提供之眼睛位置資訊上追 蹤鏡片M1的傾斜度。運算裝置CU會依賴於眼睛位置PE 而不直接地控制著追蹤鏡片M1的傾斜度，如此將使得它會反射調變後光波LWmod 到一個光波追蹤裝置的第二部份去，此一第二部份則配置在反射DA 之方向中的某個固定位置上。
和掃描鏡射比較起來，追蹤鏡片M1會同步地反射調變後光波LWmod 的所有將干擾投射到反射DA 之可控式方向裡的光波。
前述的第二部份是一個很大且固定傾斜且具有一個反射表面RA的鏡片M2。此一反射表面的某個部份總是會落在反射自追蹤鏡片M1之光波的光學路徑中，不對應於追蹤鏡片M1的確實傾斜度，且反射表面會將反射光波在離開重建系統之前重新指向眼睛位置PE 。位置控制器將因此而藉由改變追蹤鏡片M1的傾斜度來達到相同的效果，這可以藉由移動其餘單元HU來完成。
為了能針對所有需要之眼睛位置PE 和調變後與重新指向後光波而達成類似像路徑長度，傾斜鏡片M2(的反射表面MA會是一個橢圓形區段的形狀，而且追蹤鏡片M1會位在此一橢圓球面的一個焦點上，而顯示螢幕的中央則會位在橢圓球面的另一個焦點上。因為傾斜鏡片M2是一個凹面鏡，它會將濾波後視頻全像圖的中間影像投影到一個擴大後之顯示螢幕S之上。在此同時，傾斜鏡片M2會將濾波後空間頻率頻譜投影到以中間瞳孔形式出現的顯示螢幕S之前的空間中，如圖2中標示著“瞳孔 Pupil”的文字所示。中間瞳孔的位置依賴於眼睛位置且由光波追蹤裝置所控制。聚焦顯示螢幕S會將作為出口瞳孔的中間同孔投影到一個可視區域，此一可視區域對應到眼睛位置PE1 。 全像重建會出現在梯形中並且在顯示螢幕與眼睛位置PE1 之間展延。圖2所示為顯示螢幕S將第二中間影像以一個和垂直眼睛位置PE0 比起來要較大的場域角度投影到眼睛位置PE1 。因為它會發生在一個變動的場域角度上，所以後者的投影會使得光波之位置相關變形發生在重建程序之前。此一光波變形可以藉由本案所提出之電腦控制的光波校正來作校正。
本案所提出之具體實施範例
以下所提出之具體實施範例裡，無論全像投影系統是否在一個鏡片形式裡具有透明的顯示螢幕，還是在聚焦曲面鏡片形式裡的反射顯示螢幕。這兩種顯示螢幕S都诶產生類似的位置相關光波變形。無論如何，另外還有一種具有透明顯示螢幕的額外彩色像差。
藉由至少一個光波形成器所產生校正的光波一般來說會被配置在投影系統裡光學路徑中很多不同的位置。然而，如我們當初預設的主要目標，光波波形必需被配置在光學路徑中其中還會存在一個空間過濾視頻全像圖的立即影像。
一種特別的有效光波校正方法可以在已經發生於光波追蹤裝置之第一部份之前來作管理而達到目的。如圖2中所示，中樞追蹤鏡片M1為光波追蹤裝置的第一部份。
圖3所示為本案所提出之另一具體實施範例。視頻全像圖的序列會被編碼於一個空間光調變器SLM之上以利用光波來作發射。一個無限焦距鏡片系統AF1會在調變後光波種產生一個目前視頻全像圖的空間頻譜，而空間頻率濾波器AP會將一個繞射階濾除到所謂的頻譜之外。無限焦距鏡片系統AF1會投影視頻全像圖的濾波後繞射階，並在此之後參考濾波後視頻全像圖，直到無限的空間中。
在以上所描述說明的元件即為全像單元HU。
藉由本案所提出之用於全像投影系統的光波校正，電子可控式光波形成器WFF可以用來作為光波校正的一部份，並且落在視頻全像圖的濾波後繞射階之立即影像裡，而所謂的光波形成器可以藉由控制值來將光波的許多區段的相位調變修正到數個光波波長之上。光波形成器WFF會藉由運算裝置CU 所提供之控制訊好來離散式地改變調變後波前的個別區段裡之相位，其中藉由本案所提出之如圖3裡的具體實施範例我們發現還包括一個位置控制器與一個光波校正控制器。在此一具體實施範例裡，運算機知會從由定義觀察者眼睛之目前眼睛位置PE 之眼睛尋找器 來接收眼睛位置資訊。另外一個無限焦距鏡片系統AF2，會將藉由光波形成器WFF所調變修正之立即影像投影到無限空間中，並且位在光波形成器WFF之觀察者側勝且調變後光波的光學路徑中。追蹤鏡片M1則會被配置在行進路徑的光學路徑裡。
如圖2中所示，追蹤鏡片M1為光波追蹤裝置的第一部份。圖3中投影系統的其他部份的功能會類似於圖2中光波追蹤裝置。追蹤鏡片M1會將藉由光波形成器WFF所調變修正之光波反射到曲面橢圓鏡片M2上，而此一曲面橢圓鏡片M2會將平行的，調變後的，以及修正過的入射光波以以個擴大後的格式投影到顯示螢幕S的附近去。就如同追蹤鏡片M1，顯示螢幕S會落在橢圓鏡片焦點上，其中的區段會重建傾斜鏡片M2的反射表面。
全像重建會出現在顯示螢幕S上靠近觀察者側之處，並且在眼睛位置PE 之前，並藉由顯示螢幕S而被聚焦在調變後光波的聚焦圓錐區域之內。
藉由本案所提出之用於全像投影系統的光波校正，光波形成器WFF會修正調變後光波的波形直到它被光學元件所變形，其中的這些光學元件即為傾斜鏡片M2，顯示螢幕S，與追蹤鏡片M1，如果追蹤鏡片M1具一個非平面的表面。這種由光波形成 器WFF來控制調變後光波之波形的機制會使得由排列在光學路徑之後的光學元件所改變形狀之波形會得到補償。
追蹤鏡片M1會與運算裝置CU的位置控制器連結在一起。這對本案所提出之用於全像投影系統的光波校正來說，無論位置控制器與光波校正控制器是否被建置於相同的運算裝置裡，對功能性來說都將不是很重要的問題。光波形成器WFF與追蹤鏡片M1都使用相關於目前眼睛位置PE 之相同資料輸入，此一眼睛位置是由眼睛尋找器EF所提供。在運算裝置CU中的位置控制器會針對光波形成器WFF之位置相關波形資訊來作運算，它主要說明了一個用來針對校正某個預期光波變形所產生之校正波形的調整格式。為此，運算裝置CU必須先藉由轉換功能之助，針對相關於目前睛位置之光學系統，來評估未調變光學系統的預期光波變形。一般來說，在運算裝置CU裡位置控制器會針對追蹤鏡片M1的角度資料來做運算以利控制在光波追蹤裝置裡追蹤鏡片M1的入射光，這會依賴於橢圓球體的相關參數之值。
藉由本案所提出之具體實施範例，光波形成器為至少一個可控式鏡片，即一般所熟知具有電子機械調節機制，以對反射表面的線條形中做局部地改變。為了能預防重建物件點之額外的週期連續性的發生，鏡片最好應該能展現出一個可變動的可控式連續表面形狀。如此將能夠利用類似像已知的具有極大數量之個 別可控式調整位置之電子機械調節器來動態改變連續彈性鏡片表面來達成，以便能達到預期所需要的反射器表面形狀。這樣的光波形成器可以達成和高解析度空間光調變器SLM比較起來具有更大的相位平移，在此空間光調變器上還有視頻全像圖被編碼於其中。因此，也由於連續的鏡片表面，介於空間光調變器SLM之調變器細胞與反射表面之間具有精確對應的問題將不會發生。
本案所提出之具體實施範例中，可控式波形成形機制的功能可藉由各種可能的光波形成器來達成。之後，每一個光波形成器必需被配置在某個立即影像的位置上。首先，全像圖側的光波形成器會定址在濾波後視頻全像圖的影像裡。如果其有限的可控式相位動態被加入運算，則空間光調變器也可以被應用來作為調變後光波的第一光波形成器。
任何其他更多型態的觀察者側波形形成器還需要額外的投影裝置。當經過之前的光波形成器調變修正之後，視頻全像圖的影像會藉由這些投影裝置被投影到下一個光波形成器。
圖4所示為本案所提出之另一具體實施範例，其中光波形成器WFF1與WFF2會被連接在一起成為序列。光波形成器WFF1,WFF2是連續地可控式鏡片。它們其中之一可以是類似像圓柱狀鏡片並且只從垂直方向裡的調節來達成實現，而另外一個 光波形成器則是類似像圓柱狀鏡片並且只從水平方向裡的調節來達成實現。前述的方法其優點在於其簡單易實現的技術方案，完全不用煩惱所使用的光波形成器型態，以及類似像場域像差之類的角度相關的變形等等，都可以得到補償。光波形成器WFF2需要無限焦距鏡片系統AF3來將補償後的光波投影到光波追蹤裝置，例如追蹤鏡片M1(並未標示於圖4之中)。這是因為光波形成器WFF1,WFF2會以不同的方向來修正光波，而且也因為空間光調變器SLM會被應用來作為最後校正的高解析度光波形成器，所以運算裝置CU會針對每一個光波形成器來計算分離的控制訊號。運算裝置CU會針對空間光調變器SLM將控制訊號重疊在視頻全像圖序列的碼上。
藉由本案所提出之較佳具體實施範例，光波形成器WFF1,WFF2，以及其他更多的光波形成器，例如特別的解析度與/或相位平移等，都可以是不同設計方式。結構化的控制也可以有所不同。如此將可以讓已知的只允許作球狀調節的光波形成器被配置在系統的光學路徑中且在立即影像的位置上，當已知的不對稱光波形成器，其中運算裝置會在區段中以不同的方式來改變光學特性，而且會被配置安排在其他立即影像的位置上。
藉由本案所提出之較佳具體實施範例，整合了許多光波形成器之系統的安排版本，其運算裝置會評估已經計算過的校正資料， 並且代入相位結構中計算解析度且對相位調變作適當的平移處理。為了此一評估處理程序的結果，在可變動部份的校正資料元件會被指定給個別的光波形成器。其中第一資料集合會包含一個藉由極大調變修正範圍與較低結構化解析度所標示特性的校正波形，將會被指定給光波形成器WFF1與WFF2；而第二資料集合則會包含一個藉由較小調變修正範圍與較高結構化解析度所標示特性的校正波形，並且重疊在空間光調變器SLM上。
藉由本案所提出之另一具體實施範例，運算裝置控制至少一個光波形成器以使得它可以藉由控制所有投影系統的焦距以及參考目前眼睛位置來追蹤調變後光波。為了此一目的，光波校正機制的部份包含了至少一個可變焦距的球狀可控式鏡片。位置控制器至少能部份地控制著球狀可控式鏡片，以便能將系統的焦距附加到介於眼睛位置PE 與顯示螢幕S之間的確實距離並且架構在關於目前眼睛位置資訊之上。以這種方式來進行，位置控制器可以藉由軸線顯示方式把投影系統的可視區域附加到目前眼睛位置上。
藉由本案所提出之另一具體實施範例，我們需要至少一個光波形成器以使得其傾斜度成為可變的，進而使得能在目前眼睛位置中追蹤透鏡的改變。這樣的光波形成器也將因此而同時在光波追蹤裝置裡充實追蹤鏡片M1的功能性，並且成為一定的結 果。也因為可控式改變其入射光波的可行性之故，光波形成器將能針對不同的眼睛位置在一個時間多工處理程序裡利用一個單一全像單元HU來產生個別的重建空間。為了達到這個目的，全像圖處理器會編碼全像單元HU的空間光調變器裝置的調變細胞於一個全像序列裡，它也可以包含對應到目前所服務的眼睛位置的全像資訊。為了能只將調變後光波指向一個確定的眼睛位置並且包含對應的全像資訊，控制單元CU必需幾乎盡可能地移動光波形成器以使得它能在兩個與全像序列同步的角度位置之間振盪。如果使用一個較小且輕量級光波形成器，則前述的振盪可以保持一個極有效率的速度，所以我們可以使用一個單一全像單元HU來針對不同眼睛位置於時間分割多工處理程序來提供全像重建。
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。
FTL‧‧‧富利葉平面
HP‧‧‧全像圖處理器
LW‧‧‧光波
AP‧‧‧空間頻率濾波器
SLM‧‧‧空間光調變器
L‧‧‧光學投影系統
HU‧‧‧全像單元
S‧‧‧顯示螢幕
3DS‧‧‧三維景象
FL‧‧‧聚焦平面
PE‧‧‧眼睛位置
WFD‧‧‧光波追蹤裝置
CU‧‧‧位置控制器(運算裝置)
L‧‧‧光學投影系統
A0‧‧‧區段
S‧‧‧顯示螢幕
PE1‧‧‧眼睛位置
RA‧‧‧反射表面
M1‧‧‧追蹤鏡片
CU‧‧‧位置控制器(運算裝置)
EF‧‧‧眼睛尋找器
LW‧‧‧平面光波
AF‧‧‧鏡片系統
DA‧‧‧反射
Pupil‧‧‧瞳孔
M2‧‧‧傾斜鏡片(橢圓鏡片)
S‧‧‧顯示螢幕
PE0‧‧‧眼睛位置
PE1‧‧‧眼睛位置
HU‧‧‧全像單元
SLM‧‧‧空間光調變器
SLM‧‧‧空間光調變器
AP‧‧‧空間頻率濾波器
AF1‧‧‧無限焦距鏡片系統
HU‧‧‧全像單元
WFF‧‧‧光波形成器
AF2‧‧‧無限焦距鏡片系統
M1‧‧‧追蹤鏡片
CU‧‧‧位置控制器(運算裝置)
EF‧‧‧眼睛尋找器
S‧‧‧顯示螢幕
M2‧‧‧傾斜鏡片(楕圓鏡片)
PE‧‧‧眼睛位置
SLM‧‧‧空間光調變器
AP‧‧‧空間頻率濾波器
HU‧‧‧全像單元
AF1‧‧‧無限焦距鏡片系統
CU‧‧‧位置控制器(運算裝置)
WFF1‧‧‧光波成形器
AF2‧‧‧無限焦距鏡片系統
AF3‧‧‧無限焦距鏡片系統
WFF2‧‧‧光波成形器
圖1a所示為全像投影系統的上視圖，其中觀察者的正面方向會定義一個第一眼睛位置。此一系統已經在前述的介紹章節裡作了詳細的說明，而且此一系統已經在國際專利申請文件PCT/DE 2006/000896中提出。
圖1b所示為一個具有可控式光波追蹤裝置的投影系統的架構圖，其中的可控式光波追蹤裝置會針對相對應之觀察者眼睛的不同眼睛位置而指向全像地調變後光波的光學軸。還有，此一系統也已經在前述的介紹章節裡作了詳細的說明，而且也已經在國際專利申請文件DE 10 2006 024 092。8中提出。
圖2所示為和圖1b中投影系統比較起來有更為提昇改善之光波追蹤裝置之投影系統的側視圖。
圖3所示為本案所提出之全像投影系統的側視圖，它說明了具有光波校正機制之全像投影系統的一般設計模式。
圖4所示為本案所提出之全像投影系統的詳細說明，該全像投影系統具有一個不同型式的光波校正方式。
SLM‧‧‧空間光調變器
AP‧‧‧空間頻率濾波器
AF1‧‧‧無限焦距鏡片系統
HU‧‧‧全像單元
WFF‧‧‧光波形成器
AF2‧‧‧無限焦距鏡片系統
M1‧‧‧追蹤鏡片
CU‧‧‧位置控制器(運算裝置)
EF‧‧‧眼睛尋找器
S‧‧‧顯示螢幕
M2‧‧‧傾斜鏡片(楕圓鏡片)
PE‧‧‧眼睛位置

Claims (14)

  1. 一種用於全像投影系統的光波校正裝置，其中投影裝置投影視頻全像圖，所述視頻全像圖於空間光調變器裝置上被編碼且被空間地濾波；其中至少一所調變波在一顯示螢幕的觀察者側上全像地重建一三維景象；而且其中一位置控制器使用複數目前眼睛位置之位置資訊以控制光波追蹤裝置，所述光波追蹤裝置配置在該顯示螢幕之前，也就是在其全像圖側，以不論在位置的任何改變，使得該所調變波出現在該觀察者側上的該目前眼睛位置；其特徵在於：可控的波形成裝置被配置在該顯示螢幕之前，也就是在其全像圖側；以及具有運算裝置，所述運算裝置基於描述該目前眼睛位置之位置資訊也使所述波形成裝置的光學行為適應所期望的眼睛位置以便至少該所調變波的光線傳播之相位誤差被校正，並根據來自該目前眼睛位置如可見的原始景象的幾何而使得該所調變波重建與該目前位置之景象相獨立的光學外觀。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光波校正裝置，其中所述運算裝置控制所述全像圖側波形成裝置以使得它們補償在光學路徑中接在所述波形成裝置後的所述聚焦顯示螢幕的像差。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的光波校正裝置，其中所述波形成裝置在空間濾波視頻全像圖的一中間影像之位置處包含至少一分離的波形成器。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的光波校正裝置，具有多波形成 器，所述多波形成器被配置在中間影像被建立的各種位置。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的光波校正裝置，其中該波形成器是具有控制機制的至少一可控反射鏡，所述控制機制用於局部修改反射表面的外形。
  6. 如申請專利範圍第3項所述的光波校正裝置，其中至少一波形成器包含離散地可控區段以差異性地修改該所調變波之截面的個別部份。
  7. 如申請專利範圍第3項所述的光波校正裝置，具有多波形成器，所述多波形成器在不同維度中能夠彼此間獨立地被控制，以校正角度特異與/或場域特異的誤差。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的光波校正裝置，其中所述運算裝置控制所述波校正機制以使得它們二者校正該波形且追蹤該所調變波。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的光波校正裝置，其中除了校正該波形以外，所述運算裝置把所述波校正機制編碼以便它們使該系統的聚焦機制適應在該目前眼睛位置與該顯示螢幕之間的距離。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的光波校正裝置，其中一波形成器被用來使其可傾斜，以能夠追蹤在該目前眼睛位置的側向改變。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的光波校正裝置，其中該波形成器位於一橢圓反射鏡的焦點。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的光波校正裝置，其中所述空間光調變器裝置至少部分地實現所述波形成裝置的功能，且其中所述運算裝置把具有全像值的所述空間光調變器裝置編碼，所述全像值包含下列兩者：關於該三維景象之全像資訊，以及以所述位置控制器所提供之該位置資訊為基礎的控制資訊。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的光波校正裝置，其中所述運算裝置預估易遭受像差的波形的預期形式偏差，如同在該目前眼睛位置的位置資訊的基礎上並利用一對應於不同眼睛位置之個別光學路徑的整個光學重建系統的複合轉換功能之內部儲存說明，它因該系統中的光學誤差而將在該目前眼睛位置發生，而且其中所述運算裝置基於那些形式偏差而計算用於所述波形成裝置的校正資料。
  14. 如申請專利範圍第12項和第13項所述的光波校正裝置，其中關於結構解析度與調變範圍，所述運算裝置評估所計算的校正資料，並且提供一第一資料集合與一第二資料集合，該第一資料集合包含由大調變範圍與低結構解析度所特性化的校正波形，該第二資料集合包含由小調變範圍與高結構解析度所特性化的校正波形，而且其中該運算裝置把該第二資料集合重疊在所述空間光調變器裝置的所述編碼上。
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