TWI390369B - 減少光斑的方法和裝置 - Google Patents
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Description
本發明係用於3D顯示全像重建減少光斑的方法，以及用於減少光斑的裝置。
本發明可結合的方法，可讓3D顯示景象(3D場景)波前的複數值資料，藉由全像重建和減少其複雜性，其優點係使用即時的雷射光束和近乎即時的全像複製裝置，可自觀察者視窗看到影像重建。
全像影像可讓3D顯示物件或是移動中的3D景象進行錄製，而且使用光波光學的方法進行光學複製。3D顯示景象可在作為載器媒體使用的光調變器上進行編碼。因為照明具有可能產生干擾的光波，已編碼3D顯示景象的各光點係構成彼此干擾的光波來源的各個觀點，而形成光線的波前，假如藉由光線自空間中的實際物件傳遞時，係可進行空間中的3D顯示景象重建。物件或3D顯示景象的全像重建，其功能優點可藉由投射裝置和/或光學影像重建系統，使用正常足夠的同調光強度，對載器媒體加以照明來實現。
在本文將3D顯示景象使用觀察者視窗，在全像複製裝置中，係進行3D顯示景象的重建，而觀察者視窗係為位於觀察區域中的檢視區域上。顯示裝置前的觀察者視窗大小尺寸，係預先定義，一般如同眼球大小。這就是為何要參考眼睛的位置的原因，因為其中的位置可用於觀察用
的眼睛所使用，自該位置觀察者可看到3D顯示景象的重建。
自光波的光學檢視點觀察，觀察者視窗係由直接或反向的全像傅利葉(Fourier)轉換或菲涅耳(Fresnel)轉換，在載器媒體上進行編碼來構成，或藉由將波前影像處理，而在觀察區域平面上，進行編碼來構成，其中的觀察者視窗只有一個定期影像重建的繞射階。該平面係為焦距裝置的焦距面，或是光源的影像面。全像或波前可自3D顯示景象進行運算，在用於作為檢視區域的一級繞射階中，可避免觀察者眼睛間的干擾，此類的干擾在使用光調變器時，通常係會發生在影像的重建中。在整合用於抑制較高繞射階的設計或方法後，3D顯示景象可連續呈現在觀察者左或右眼的多工處理中，而不會有任何干擾。再者，多工處理法的目標係提供多人觀賞影像的功能。
全像用的載器和錄製媒體，以及3D顯示景象的複數型波前，則包括有空間光調變器，如LCD和LcoS等，可用於調節入射光的相位和/或強度。載器媒體的更新率需夠高，而能夠再呈現移動中的3D景象。
已編碼為載器媒體上一般使用像素的數值資料，可取自實際物件或電腦建立的全像影像(CGH)。
觀察者可藉由直接觀察載器媒體，而看到3D顯示景象的重建。在本文中，此設計係稱為直接檢視顯示裝置。另外，觀察者可看到顯示裝置上，係投射到載器媒體上，而進行編碼的影像或數值轉換。在本文中，此設計係稱為投射檢視顯示裝置。
在投射顯示裝置和直接檢視顯示裝置上的螢幕，係為下文所謂的螢幕裝置。
因為進行離散的影像錄製，而全像重建的繞射效果只可能出現於波前重建的特定期間間隔內，所謂的特定期間間隔，係由載器媒體的解析度來決定。影像重建通常在期間間隔內，重複而不規則顯示相關影像重建。
干擾圖案(也稱為光斑圖案或光顆粒)發生在使用用於照明光調變器的同調鐳射光時。光斑可被描述為顆粒狀的干擾圖案，其係由多重光波在統計上不規則分佈的相位差的干擾所造成。
全像影像的影像重建則會受到光斑型態的不良影響。3D顯示景象一般進行離散掃瞄而用於全像影像的運算，因為可在載器媒體上，離散錄製影像。某些編碼方法，其3D顯示景象的資訊在載器媒體上，則使用更適合的方法來錄製，一般可進行的影像重建，其重建在掃瞄點上，跟所掃瞄的物件則完全相同。在掃瞄點間，也出現連續梯度的實體影像重建的結果。在掃瞄點間的光線強度係呈現梯度偏差，會讓影像重建產生影響影像重建品質的光斑。在使用物件位置點的隨機相位值，進行運算則出現此特別現象，但因為其他理由，此現象也成為其優點。
3D顯示景象的光斑減少可藉由暫時和/或空間性均化來達成，其中的影像重建則由外部載器媒體上進行3D顯示景象編碼得到數值，或是來自以其他適用方法所運算的全像影像數值來產生建立影像重建。觀察者的眼睛可隨時使用不同的光斑，均化呈現觀察者的多重影像重建，而提
供此干擾現象可預期的減少改善功能。
例如，在DE 195 41 071 A1號文件中，旋轉的長方形玻璃片，在檢查全像影像時，則放入光學路徑中，而進行光線梯度的時間均化。則不再出現光斑的干擾，因為玻璃片係會以適合偵測器的頻率進行轉動。但此方法只得用於2D景象的光斑減少方法中，其中的擴散螢幕需位於光斑平面上。
進行時間均化而減少光斑的已知運算法，係為3D顯示景象使用不同的隨機相位值運算，而各別的全像影像在一個接著一個快速呈現在載器媒體上。因為多重全像影像的運算功能，運算負載係會顯著增加，而載器媒體的更新率在全像影像不必要的影像呈現時，係會大量增加。
因為進行空間均化，已從研究文獻得知，可將載器媒體分成多個獨立的區域，自相同物件運算得到子全像影像係重複呈現，但有不同的相位，則彼此左右或上下貼近呈現。觀察者的眼睛係會使用Fourier轉換或Fresnel轉換所運算子全像影像的各別影像重建，進行不同光斑的均化，可將光斑的呈現弱化。
但本方法不適用於有觀察者視窗的全像影像顯示裝置上，內容悉如DE 103 53 439 A1號文件的說明依據。一個物件繞射影像的複數值光線分佈，如3D顯示景象，則在觀察平面的觀察者視窗中，進行運算。各別物件平面上的影像轉換，進入3D顯示景象則進行垂直切割，在觀察者視窗中呈現和加入新影像，以達成此功能。影像的轉換係對應含觀察者視窗觀察平面和切割物件平面間的光線傳
遞。本方法的效果，可讓各物件依序呈現在螢幕的各指定位置點，而在該位置點進行影像重建資訊的寫入呈現。本功能需由觀察者視窗提供正確的影像重建。
進行多個子全像影像的編碼，其運算則得自彼此左右或上下貼近排列於螢幕上的3D顯示景象，如習用技術所說明，就螢幕不同區段位置上所重複出現的物件位置點，所對應的全像影像數值資料係有其影響。此現象在整合自觀察者視窗進行3D顯示景象重建的影像呈現原理，係不會發生。子全像影像的空間重複特性的一般區段，係為各子全像影像的解析度，在特定的載器媒體上係會弱化。
本發明目的在使用虛擬觀察者視窗時，在全像重建裝置中，用於明顯減少3D顯示景象的光斑，而提供近乎即時的方法，可讓載器媒體使用傳統的更新率進行影像呈現。
本發明目的通常可由某種方法解決，該方法係為3D顯示景象的多重影像重建，可彼此呈非同調(Incoherent)，於影像重建空間中，產生影像進行堆疊，而使用足夠強度同調光所產生的單一影像重建。觀察者的眼睛可隨時使用不同的光斑，均化呈現觀察者的多重影像重建，而提供此干擾現象可預期的減少改善功能。觀察者的各個眼睛可自單眼位置進行光斑的均化，而在影像重建空間中，在原有3D顯示景象中，看到單眼光斑減少的影像重建效果。
本方法包括依據申請專利範圍第1項所發明的處理步驟，可用於全像重建中，而
多重獨立光線分佈係為彼此呈非同調(Incoherent)3D顯示景象複數值前，資料藉由3D顯示景象的光線呈現在單一眼睛位置(PE)上，而在光調變器(1)上進行編碼，該光線係由控制裝置所操控，且於影像重建空間，在相同位置上，則建立多重複數值波前資料所對應的3D顯示景象，而彼此形成非同調(Incoherent)進行影像堆疊，可自眼睛位置看到3D顯示景象的單眼光斑減少的效果。
本方法可適用於觀察者的左或右眼，如暫時性的各眼依序的影像呈現。再者，為能夠建立色彩重建本方法可用於各別的原色處理，如紅色、綠色和藍色，可暫時性依序呈現色彩。
本發明中的虛擬觀察者視窗係為3D顯示景象重建的架構，相同於觀察區域中的觀察平面作用，其中已編碼的3D顯示景象複數值波前資料中，所呈現的多重獨立光調變器分佈，則彼此呈非同調(Incoherent)排列，而構成彼此呈非同調(Incoherent)的多重獨立子觀察者視窗。觀察者的眼睛需位於任何眼睛位置上，才能夠看到重建的3D顯示景象。在更詳細的說明中，係使用眼睛位置和觀察者視窗的功能。
在本文中，複數值波前資料可視為藉由波前相位和強度值，在數學上所定義的複數值波前資料。
為能夠善用觀察者視窗的功能，該裝置通常含3D顯示景象重建的複數值波前資料，而用於建立多重影像重建，而在相同位置上，彼此呈非同調(Incoherent)排列，而
彼此呈非同調(Incoherent)的多重影像區域也需在觀察者視窗中建立。依據本發明，本功能可由兩個不同的方法和相關的影像重建裝置來達成。
依據申請專利範圍第3項的功能，依據第一個具體說明，可再執行所有的的處理步驟，而建立彼此呈非同調(Incoherent)排列的子觀察者視窗：對應3D顯示景象的複數值波前資料，可直接在各子觀察者視窗光調變器的各別區域上，進行編碼，獨立的光調變器區域則使用各別相關的照明裝置加以照明，且光調變器區域係彼此呈非同調(Incoherent)提供照明，可使用影像重建裝置進行影像處理，而投射進入在觀察者視窗中彼此呈非同調(Incoherent)排列的不同子觀察者視窗中。
依據申請專利範圍第4項的特徵，依據第二個具體說明，可再執行下列處理步驟，可建立彼此呈非同調(Incoherent)排列的子觀察者視窗：對應的3D顯示景象的複數值波前資料，可在具有相同非同調(Incoherent)照明功能的不同子觀察者視窗中，進行影像資料的非同調(Incoherent)運算，所累計的波前資料則傳輸到光調變器上，編碼成為共用的全像影像，光調變器係由照明裝置使用足夠的同調光強度，來提供照明，且共用的全像影像使用影像重建裝置回傳進入彼此呈非
同調(Incoherent)排列的多重子觀察者視窗中。
依據申請專利範圍第4項，彼此呈非同調(Incoherent)排列的多重影像重建，則無需由投射的光線分佈來建立，但可由子觀察者視窗彼此呈非同調(Incoherent)排列已運算的光線分佈資料，投射在光調變器上，而轉換的數值資料可編碼成為共用的全像影像資料。在裝置中，則需要更少的照明和影像重建元件，來執行第二個方法。單一照明裝置和一個雙件式的影像重建裝置，係裝有一個光學影像重建系統和一個螢幕裝置，係足以執行本方法。
3D顯示景象複數值波前資料的光線分佈，最好在彼此呈非同調(Incoherent)排列的各別子觀察者視窗，以不同的相位值但卻有相同的光線強度值來運算。
因為申請專利範圍第3和4項的功能，可讓各個彼此呈非同調(Incoherent)排列的子觀察者視窗，建立含3D顯示景象相同複數值波前的光線分佈資料，所有的子觀察者視窗彼此呈非同調(Incoherent)排列。彼此呈非同調(Incoherent)排列而含不同光斑的影像重建，可自彼此呈非同調(Incoherent)排列的複數值波前資料來建立，可讓觀察者的各個眼睛，進行3D顯示景象影像重建的光斑均化處理。
為實現申請專利範圍第3項中的方法，需有至少二個同調光照明裝置，照明在至少二個彼此呈非同調(Incoherent)排列的光調變器區域中，才能夠達成影像重建的光斑均化效果。在觀察者視窗中，建立有越多彼此呈非同調(Incoherent)排列的子觀察者視窗，則會有越多3D顯
示景象影像重建的光斑被減少弱化。
在本方法關於傳輸直接檢視顯示裝置的具體說明中，3D顯示景象可分成數個物件位置點，就這些物件位置點，可建立彼此呈非同調(Incoherent)的子觀察者視窗。本方法中，其處理步驟的功能為：對應3D顯示景象的複數值波前資料，可用於共用觀察者視窗(4)的運算，傳輸到光調變器，而編碼成為一般的全像影像資料，且照明裝置的矩陣式設計，係整合有影像重建裝置矩陣，在光調變器對應範圍中，彼此呈非同調(Incoherent)提供不同子全像影像範圍的照明，各光調變器含一個物件位置點的子全像影像，可讓小於眼球的多重子觀察者視窗，通過物件位置點，藉由已照明子全像影像的光線投射，就個各影像重建的物件位置點，將影像建立於觀察者視窗中。
本方法更佳的功能，係為彼此呈非同調(Incoherent)排列照明的子觀察者視窗的大小尺寸，可藉由將影像重建裝置的尺寸依據照明裝置數量的調適來決定，這些照明裝置可投射足夠的同調光強度，但彼此呈非同調(Incoherent)排列。
依據申請專利範圍第3項的具體說明，其中觀察者視窗的一般區隔，係用於整個3D顯示景象的重建，係該處建立一個用於減少光斑的觀察者視窗，該處有彼此呈非同調(Incoherent)排列的子觀察者視窗，可用於不同的物件位置點。
本具體說明最適用於直接檢視的顯示裝置，因為一般
的光調變器、照明和影像重建裝置的大小尺寸使然。但原則上也可用於投射式的顯示裝置。
本發明係為全像重建裝置的架構，其中含至少一個影像重建裝置，提供足夠同調光的照明裝置和一個控制裝置，該控制裝置上，可進行3D顯示景象的編碼，而有另一個控制裝置則照明裝置的操控。
依據功能更佳的具體說明，影像重建裝置含多片式的鏡頭系統，和也可作為螢幕裝置的一個光學成像元件。
假如螢幕為反射功能機型，複數值波前的光線分佈則藉由影像處理，而傳輸進入螢幕前方的觀察者視窗中，可在觀察者視窗前方的影像重建空間中，建立所有重建的影像，可在螢幕的前方和後方看到重建的影像。假如螢幕為透光功能機型，複數值波前的光線分佈，則藉由影像處理而傳輸進入螢幕後方的觀察者視窗中，可在光線傳遞方向看到影像，於重建空間中，建立所有重建的影像，可在螢幕前方和後方看到重建的影像。
再者，依據申請專利範圍第10項用於減少光斑的全像影像重製裝置中，則用於實現本發明具體說明的方法，內容悉如申請專利範圍第3項，該全像重建裝置含下列裝置：可提供足夠同調光但彼此呈非同調(Incoherent)的多重照明裝置，用於照明多重獨立光調變器區域，且用於整合重建裝置中，建立多重獨立的子觀察者視窗，以光調變器所組成的編碼裝置，進入3D顯示景象複數值波前編碼的區域中，
重建裝置係使用光線分佈，用於建立多重獨立的子觀察者視窗，在觀察者視窗中的多重光調變器區域各別的複數值波前，彼此呈非同調(Incoherent)排列，且用於建立彼此呈非同調(Incoherent)的多重影像重建，該影像重建係來自多重光調變器區域，該區域係位於重建空間中，而彼此呈非同調(Incoherent)的照明區域，且係為可用於控制照明裝置、編碼裝置和影像重建裝置的控制裝置。
依據本發明不同的具體說明中，照明裝置最好是使用為雷射光束。
依據本發明更佳的特性功能，彼此呈非同調(Incoherent)排列的子觀察者視窗，可彼此呈一維空間的緊密排列。子觀察者視窗的整體橫向延伸，係至少提供觀察者視窗單眼用的寬度b。
依據本發明就觀察者左或右眼觀察者視窗的多工處理法執行中，係含至少二個觀察者視窗。
依據另一個具體說明，彼此呈非同調(Incoherent)排列的獨立的子觀察者視窗，互相靠近呈一維空間垂直排列，而垂直排列至少提供單眼觀察者視窗所需的垂直高度。
子觀察者視窗的橫向和縱向延伸排列，最好係依據眼球直徑而定。影像重建的空間解析度則受限於眼球的解析度，觀察者視窗的大小尺寸應大於眼球，而觀察者仍應可看到影像重建。但子觀察者視窗的大小尺寸應隨時小於眼球，以便可同時看到所有的的觀察者視窗，因為影像重建的空間解析度則受限於觀察者視窗的大小尺寸。
另一個屬獨立而彼此呈非同調(Incoherent)排列的子觀察者視窗較佳的組成，係為在觀察者視窗中的二維空間排列。彼此呈水平向和垂直向的緊密排列，而構成一個正方形或長方形的區域。光斑分佈可藉由增加許多的子觀察者視窗和彼此呈非同調(Incoherent)排列的影像重建，在全像影像重製裝置中，執行其功能優點而進行光斑的損失弱化減少處理。
為能夠以盡量簡單的方式，將螢幕上的光調變器區域影像處理為一維空間排列係提供有多片式鏡頭系統，而鏡頭系統係為平行式的微透鏡排列設計。多片式鏡頭系統其排列為一個矩陣式的鏡頭列入設計，用於二維空間的多重光調變器區域的影像處理。
用於減少光斑的全像影像重製裝置係如全像影像顯示裝置。藉由各別顯示裝置元件的適當設計，尤其是光學元件，本顯示裝置的功能可使用投射式的顯示裝置或直接檢視的顯示裝置來實現。依據申請專利範圍第3項功能更佳的投射式顯示裝置需有用於傳輸或重建影像的影像重建裝置，該影像重建裝置只含有一個光學影像重建系統和一個也可作為螢幕使用的光學投射元件。
依據申請專利範圍第3項，本發明的另一個優點，係為全像影像需進行一次的編碼，跟習用技術不同的是，本發明裝置無需再進行運算多次，而減少運算時間。
圖1係為全像影像投射顯示器(holographic projection
display)第一個具體說明中的圖說和簡化上視圖。下列組成係為彼此逐一排列，可在光線傳遞方向中看到：由兩個雷射光束L1；L2所構成的照明裝置，可用於照明單一光調變器1中的兩個光調變器區域11；12，和較佳可含雙片式鏡頭系統21；22，和一個也可作為螢幕使用的光學成像元件3的影像重建裝置。
單眼5的一個眼球瞳孔(eye pupil)51係位於靠近虛擬觀察者視窗(virtual observer window)4的眼睛位置(eye position)PE上，該虛擬觀察者視窗含兩個彼此呈非同調(Incoherent)排列的獨立子觀察者視窗(sub-observer windows)41；42。在螢幕和眼睛位置PE間延伸的影像重建空間中，可看到3D顯示景象的重建影像6。控制裝置7可用於控制照明裝置和經光線照明的元件。
圖2係為全像影像投射顯示器第二個具體說明中的圖說和簡化上視圖。下列元件係為彼此逐一排列，可在光線傳遞方向中看到：所有的照明裝置係由一個雷射光束L所組成，可用於照明已在其上編碼全像影像的光調變器1，和含一個光學影像重建系統20和一個光學成像元件3的影像重建裝置，用於傳輸來自光調變器的光線，及用於3D顯示景象影像重建，其中的光學成像元件3也可作為螢幕使用。
雷射光束L的光線可在靠近眼睛5的眼球位置PE建立觀察者視窗4，該觀察者視窗4含二個彼此呈非同調
(Incoherent)的獨立子觀察者視窗41；42，並具有一給定的水平寬度b。可在此看到3D顯示景象的影像重建，照明可由控制裝置7來操控。
圖3a和3b顯示在某個位置上，使用同調光(3a)和非同調(Incoherent)(3b)照明長方形物件中，其光斑照明的全像影像模擬圖說。
在圖面中，依據隨機單位值(arbitrary unit)，顯示關於一觀察者位置的光斑圖案(speckle pattern)強度。圖3b中可看到，建立有兩個重建的影像，其有相同的3D顯示景象彼此呈非同調(Incoherent)排列，而在影像重建空間中的相同位置點上，進行影像堆疊，相較於圖3a，使一眼睛5的光斑圖案強度變更低。
圖4係為透光型全像直接檢視顯示裝置(transmission-type holographic direct-view display)的上視圖，照明矩陣中的照明裝置L10到L13和裝有鏡頭21到2n的影像重建裝置，則位於光調變器1前方，可在光線傳遞方向看到。影像重建物件位置點(reconstructed object point)OP的子全像影像(sub-hologram)SOP，可在光調變器區域中進行編碼。圖式內容更顯示經彼此呈非同調(mutually incoherently)地照明的子全像影像區域(sub-hologram regions)SOP10到SOP13的穿過物件位置點OP到共用觀察者視窗(common observer window)4的幾何學光束路徑(geometric beam paths)，而子觀察者視窗(sub-observer windows)412和410則顯示於觀察者視窗4中。觀察者眼睛5的眼球瞳孔51則直接位於觀察者視窗4
後方。而控制裝置7可控制用於被光線照明的3D顯示景象影像重建的照明和元件。
依據本發明的方法，可藉由具體說明提供更詳細的說明。
依據本發明，彼此呈非同調(Incoherent)排列的不同的子觀察者視窗41到4n，即，需有至少二個子觀察者視窗41；42用於減少在觀察者視窗4中的光斑，可讓眾多經彼此呈非同調地照明的各別區域，也建立於光調變器1上。圖1顯示用於執行本方法的全像重製裝置(holographic reproduction device)，其係用反射型投射顯示器(reflection-type projection display)形式。
各個雷射光束L1；L2以同調光分別地(separately)照明光調變器1的光調變器區域11；12，所以在個別區域(individual regions)中有同調照明(coherent illumination)，可在各別的區域中，提供同調光照明，但非同調(Incoherent)照明，則用於與另一區域有關的一區域。3D顯示景象的複數值波前(complex-valued wave front)資料，直接在光調變器1的獨立光調變器區域11；12中，進行編碼。
各個光調變器區域11；12則藉由多片式鏡頭系統的鏡頭21；22，以放大的方式將影像投射到光學成像件3上，自該處可以縮小影像的方式，將影像投射到大小尺寸類似彼此緊密排列觀察者視窗4的兩個區域中。這些區域係定義為子觀察者視窗41；42。觀察者視窗4因而包含，在兩個子觀察者視窗41；42中的相同3D景象的複數值波前的二個緊鄰的光線分佈(light distributions)，其可彼此呈非同
調(Incoherent)。在螢幕中，以不同的畫線型態，來顯示這二個光學投射路徑。
控制裝置7可用於控制雷射光束和光調變器1，自觀察者視窗4中的二個複數值波前，可建立3D顯示景象彼此呈非同調(Incoherent)排列且帶有不同的光斑的兩個重建影像，而堆疊在成像元件3和觀察者視窗4間的影像重建空間中，並在相同的位置上。觀察者的左或右眼5，可使用觀察者視窗4中的眼球瞳孔51看到具有減少光斑的單一重建影像(single reconstruction)6，其為非同調影像重建(Incoherent reconstructions)的堆疊。影像的堆疊在3D顯示景象呈現時，提供照明以不同的畫線型態來呈現光學路徑。
光調變器1可進行不同的編碼，在螢幕的前方或後方，係可看到3D顯示景象的重建影像6。例如，螢幕可使用反射背面設計(reflective rear surface)的成像透鏡(imaging lens)。兩種功能也適用於圖2的裝置中。
子觀察者視窗41；42的整體橫向延伸(lateral extent)對應於觀察者視窗4的橫向寬度b(只顯示於圖2)，子觀察者視窗41；42在一維空間中彼此緊鄰排列。各別觀察者眼睛中的眼球瞳孔51直徑，係為所需決定的觀察者視窗4的橫向(horizontal)或縱向(vertical)寬度或高度(height)的度量器具。本文所指各別的子觀察者視窗41；42，其大小尺寸最好小於眼球瞳孔51。
假如子觀察者視窗41；42的大小尺寸大於眼球瞳孔51，在觀察者視窗4中，將會有許多的位置點，可讓眼球瞳孔51完全位於一個子觀察者視窗41；42中，會讓光斑無
法減少，而在其他的位置點上，眼球瞳孔51係會覆蓋不同子觀察者視窗的部份，而持續減少光斑。
圖2係為反射型全像影像投射顯示器第二個具體說明中的圖說和簡化上視圖。下列元件係彼此逐一排列，可在光線傳遞方向被看到：照明裝置係由一個雷射光束L所組成，可同調地照明光調變器1，和含一個光學影像重建系統20和一個也可作為螢幕使用的光學成像元件3的影像重建裝置。
具有給定橫向寬度b的虛擬觀察者視窗4，位於靠近眼睛5的眼睛位置PE上，該虛擬觀察者視窗4含二個獨立的子觀察者視窗41；42。可在影像重建空間中，看到3D顯示景象的重建影像6。
相對於圖1的內容，相同3D顯示景象的波前複數值資料並沒有在此成像，但3D顯示景象的全像影像(hologram)，用於觀察者視窗4的多個最好是兩個獨立區域或子觀察者視窗41；42被一次運算，係如同波前的複數值資料，在這些並列區域中，被互相地非同調(Incoherently)照明。在波前資料運算時，係可藉由給這些區域一個相位偏移(phase shift)來達成，例如，使用不同的物件如何或隨機相位等。隨機相位可提供均勻的光線強度分佈，或整個觀察者視窗4中的3D顯示景象資訊內容。
參考圖2內容，已運算的彼此呈非同調(Incoherent)排列的波前資料，被轉換傳輸(transformed)成為自子觀察者視窗41；42到光調變器1的共用全像影像，其中，該波前資
料被編碼成共用全像影像。藉由雷射光束L的幫助來照明光調變器1，共用全像影像的已編碼複數值波前，則藉由光學影像重建系統20和光學成像元件3，被轉換回(back-transformed)觀察者視窗4中的二個彼此呈非同調(Incoherent)排列的獨立子觀察者視窗41；42。選定光學影像重建系統20到光學成像元件3的間距，可將影像放大回傳到螢幕上，而也可使用影像放大的方法來投射重建影像6。依據觀察者視窗的投射原理，可自螢幕將影像縮小回傳到靠近眼球瞳孔51的觀察者視窗4內。如圖1，可被觀察者看到為具有光斑減少的單一重建影像6的兩個重疊的影像重建，從子觀察視41；42的兩個被轉換回的波前複數值中被產生。
本方法較佳是使用Fourier轉換，因為可輕易進行電腦程式的運算，並藉由光學系統精確實現本功能。本方法可使用傳統更新率的光調變器，而全像影像的運算最好係在該頻率下進行。
依據本發明用於減少光斑的方法中，係依據共用觀察者視窗中，就彼此呈非同調(Incoherent)排列的子觀察者視窗中的光斑均化架構(averaging speckle-carrying)下，依據圖4，也可用於透光型的直接檢視顯示裝置(transmission-type direct-view displays)中。因此，3D顯示景象需分成數個物件位置點，而各個物件位置點，需編碼成為光調變器區域中的子全像影像。
矩陣排列照明裝置所放射的光線，係為圖中的光源L10到L13的放射光線，可在光調變器1中，藉由影像重
建裝置20進行光線的導向，該光調變器的光調變區域係含有某個經選定物件位置點OP的已編碼的子全像影像SOP。各個照明裝置L10到L13可放射足夠的同調光，但照明裝置則彼此呈非同調(Incoherent)排列。
影像重建裝置20係為鏡頭21到2n的矩陣排，而有聚焦功能。例如，鏡頭可為球型鏡頭的二維空間排列方式，或是一維空間柱體鏡頭陣列(lenticular array)設計。
在圖4中，以特定的鏡頭間距提供鏡頭陣列的排列設計。因為鏡頭的間距和光調變器1上的子全像影像(sub-hologram)SOP的大小尺寸和位置，此處的子全像影像SOP可橫向延伸到影像重建裝置20的4個鄰近鏡頭的區域中。一個光源裝置L10到L13，透過透鏡照明子全像影像SOP的子全像影像區域SOP10到SOP13。各個經照明的子全像影像區域SOP10到SOP13的光線投射，係通過物件位置點OP，在對應子觀察者視窗的觀察者視窗4中建立影像，其中的子觀察者視窗412和410，係如圖4所示。
整個觀察者視窗4大小尺寸則大於眼球瞳孔51，各個所建立的子觀察者視窗則全部小於眼球瞳孔51，其區域應覆蓋至少二個可進行光斑均化的子觀察者視窗。所以，這裡的眼睛可用於平均(average)有光斑的3D顯示景象的彼此呈非同調(Incoherent)排列的兩個影像重建的重疊(superposition)，進行光斑的均化處理。
就其他具有有不同橫向位置，但具有相同深度的物件位置點OPn而言，也可在觀察者視窗4中，建立多個彼此有非同調(Incoherent)而呈橫向排列的子觀察者視窗。眼睛
可察覺這些物件位置點的多個彼此呈非同調(Incoherent)排列的影像重建堆疊現象。藉由疊加已由眼睛均化處理的所有物件位置點的彼此非同調(Incoherent)的影像重建，係可減少整個3D顯示景象的光斑。控制裝置7可用於控制3D顯示景象的調節和影像重建。
假如使用的更少的鏡頭夠小，則具體說明的功能也可在投射型的顯示裝置中實現。
影像重建裝置各別鏡頭相關的子全像影像相對位置，對於共用觀察者視窗中3D顯示景象影像重建來說非常重要。假如子全像影像延伸兩個鏡頭間距時，則在共用的觀察者視窗的橫向位移位置中，可建立兩個彼此呈非同調(Incoherent)排列的子觀察者視窗，才得進行物件位置點的影像重建。因為繞射的影響，這兩個子觀察者視窗未完全分離，而有部份堆疊。但堆疊未必就是功能上的缺點，反而是可幫助減少光斑。
各別的鏡頭越小，則彼此呈非同調(Incoherent)排列的子觀察者視窗也就越小。假如透鏡跟子全像影像及觀察者視窗的大小尺寸比較下非常小，而多個彼此呈非同調(Incoherent)排列的觀察者視窗坐落於該眼球瞳孔中，則有可能使眼球進行多個彼此呈非同調(Incoherent)的影像重建的均化處理，以減少光斑。
鏡頭尺寸與子觀察者視窗尺寸的比值，依據不同的參數而定，如光調變器的像素間距(pixel pitch)、螢幕和觀察者的間距、光線波長、自身物件位置點的深度座標。依據這些參數下，可選定鏡頭尺寸，將彼此呈非同調(Incoherent)
排列的子觀察者視窗尺寸設定小於眼球瞳孔，係可足以提供3D顯示景象的深度範圍(depth range)。
3D顯示景象的各別物件位置點可在各別光調變器區域的光調變器上進行編碼，而無需取決於是否已執行分析運算，或是否已執行涉及Fourier和Fresnel的轉換之運算。
參考圖1和2，觀察者眼睛5的眼睛位置資訊，一般係由位置偵測系統(未顯示)進行至少二維空間的偵測，而由控制裝置7處理。此處省略詳細內容。在資訊的協助下，控制裝置7可用於控制光調變器1的照明和操作，以及依據本發明用於執行相關方法的影像重建裝置的控制。
為協助進行影像處理或轉換，可由控制裝置控制其功能的適當修正裝置當然可用於光學路徑中。
依據本發明的方法，其主要的優點為：可自由增加複數值波前的具有多個區域的子觀察者視窗數量，該多個區域相關彼此呈非同調(Incoherent)排列，以及自由增加3D顯示景象影像重建的數量，無需其他的元件，藉以達成減少光斑的效果。
如上述內容，假如元件依此修改，則可用於3D顯示景象影像重建減少光斑的方法，係可同時在全像影像投射顯示器和全像影像的直接檢視顯示裝置中使用。
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‧‧‧光調變器
11；12…；1n‧‧‧光調變器區域
20‧‧‧光學影像重建系統
11；12…；1n‧‧‧鏡頭系統中的鏡頭
3‧‧‧光學成像元件
4‧‧‧觀察者視窗
41；42…；4n‧‧‧子觀察者視窗
5‧‧‧觀察者的眼睛
51‧‧‧眼睛瞳孔
6‧‧‧重建影像
7‧‧‧控制裝置
L,L1…；Ln‧‧‧照明裝置
b‧‧‧觀察者視窗的水平寬度
OP‧‧‧物件位置點
PE‧‧‧眼球位置
SOP‧‧‧物件位置點的子全像影像
SOP1；…；SOPn‧‧‧子全像影像區域
圖1 顯示依據第一個具體說明，所提出的反射型全像影像投射裝置的俯視圖；圖2 顯示依據第二個具體說明，所提出的反射型全像影像投射裝置的俯視圖；圖3a,3b 顯示在二維物件使用同調光(3a)和非同調(Incoherent)(3b)照明的影像重建後，其光斑的模擬圖；和圖4 顯示依據具體說明中的透光型全像直接檢視顯示裝置的俯視圖。
1‧‧‧光調變器
11；12…；1n‧‧‧光調變器區域
21；22…；1n‧‧‧鏡頭系統中的鏡頭
3‧‧‧光學成像元件
4‧‧‧觀察者視窗
41；42…；4n‧‧‧子觀察者視窗
5‧‧‧觀察者的眼睛
51‧‧‧眼球瞳孔
6‧‧‧重建影像
7‧‧‧控制裝置
L,L1…；Ln‧‧‧照明裝置
PE‧‧‧眼球位置
Claims (22)
- 一種用於在一全像顯示裝置所產生的一三維全像重建中減少光斑的方法，該全像顯示裝置具有一可控制的光調變器、一重建裝置與一控制裝置，一3D景象係在該可控制的光調變器上被編碼，該可控制的光調變器以足夠的同調光照明，該重建裝置將靠近一眼睛位置的經調變光線投射到一觀察者區域，其中一觀察者視窗位於該觀察者區域的一平面，該平面為一焦距裝置的一平面或者是一光源的一影像面，而該控制裝置用於以彼此非同調光來控制相同的光調變器之照明，其特徵在於：該相同3D景象之複數值波前的彼此非同調的多個獨立光線分佈係藉由在該光調變器(1)上所編碼的3D景象的該光線在眼睛位置(PE)而被產生，而該光線係由該控制裝置所控制；以及對應於該多個複數值波前的該3D景象的多個重建係於一重建空間的相同位置產生，且彼此非同調地疊置，使得可自該眼睛位置(PE)看到該3D景象之一個單一降低光斑之重建(6)。
- 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該眼睛位置(PE)係對應於一被定義的虛擬觀察者視窗(4)，其中經編碼的該3D景象之該複數值波前的彼此非同調之該多個獨立光線分佈產生了彼此非同調之多個獨立子觀察者視窗(41；...；4n)。
- 如申請專利範圍第2項所述的方法，其中用於產生彼此非同調的該獨立子觀察者視窗(41；...；4n)的方式為： 對應於該3D景象的該複數值波前直接在多個獨立光調變器區域(11；...；1n)中被編碼；該獨立光調變器區域(11；...；1n)係彼此非同調地被照明裝置(L1；...；Ln)照明；以及該重建裝置(21；...；2n；3)使該光調變器區域(11；...；1n)成像，該光調變器區域被彼此非同調地照明而進入多個獨立子觀察者視窗(11；...；1n)，該多個獨立子觀察者視窗(11；...；1n)在該觀察者視窗(4)內彼此為非同調。
- 如申請專利範圍第2項所述的方法，其中用於產生彼此非同調的該獨立子觀察者視窗(41；...；4n)的方式為：對應於該3D景象的該複數值波前在該觀察者視窗(4)中針對該不同的子觀察者視窗(41；...；4n)而被運算為一非同調照明的一等效值，該經非同調運算的波前在該光調變器(1)上被轉換並被編碼為一共同全像影像；一照明裝置(L)以足夠同調的光照明該光調變器(1)；以及該重建裝置(20；3)將該全像影像轉換回彼此非同調之該子觀察者視窗(41；...；4n)。
- 如申請專利範圍第4項所述的方法，其中該波前係以不同的物件相位在該多個子觀察者視窗(41；...；4n)中被非同調地運算。
- 如申請專利範圍第3項所述的方法，其中至少二個發射同調光線之照明裝置(L1；L2)照明彼此非同調的至少二個獨立光調變器區域(11；12)。
- 如申請專利範圍第3項所述的方法，其中該重建裝置包 含一光學成像元件(3)，其也可作為一螢幕。
- 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中該螢幕為一反射類型，且其中該複數值波前的該光線分佈被轉換至該螢幕前方的該觀察者視窗(4)，使得所有重建在該觀察者視窗(4)前方的一重建空間中產生並且在該螢幕的前方和後方變成可看見。
- 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中該螢幕為一透光類型，且其中該複數值波前的該光線分佈被轉換至該螢幕後方的該觀察者視窗(4)，而在光線傳遞的方向被看見，使得所有重建在該觀察者視窗(4)前方的一重建空間中產生並且在該螢幕的前方和後方變成可看見。
- 如申請專利範圍第2項所述的方法，其中該3D景象被分成多個物件位置點(OPn)，且其中針對每個單一物件位置點(OP)而產生獨立且互相非同調的子觀察者視窗(41；...；4n)，其中：對應於該3D景象的該複數值波前針對該共同觀察者視窗(4)而被運算，被轉換到該光調變器(1)上，並被編碼為一共同全像影像；以及結合一重建裝置(21；...；2n)的矩陣排列之一照明裝置(L1；...；Ln)的矩陣式排列以一彼此非同調的方式，在該光調變器(1)的一對應光調變器區域中照射不同子全像影像區域(SOP1；...；SOPn)，其中每個光調變器區域包含一物件位置點(OP)的一子全像影像(SOP)，使得藉由通過該物件位置點(OP)的該經照明子全像影像區域(SOP1；...；SOPn)的投射方式，針對每個重建物件位置點 (OP)於該觀察者視窗(4)中產生小於眼球瞳孔(51)的多個子觀察者視窗(41；...；4n)。
- 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中被該彼此非同調照明的該子全像影像區域(SOP1；...；SOPn)的大小，係藉由使該重建裝置(21；...；2n)的維度對應於該照明裝置(L1；...；Ln)的數量而定義，每個該照明裝置發射足夠同調光，但彼此非同調。
- 一種全像顯示裝置，用於依據如申請專利範圍第3項所述之方法來減少光斑，其特徵在於下列的裝置被逐一提供，在光線傳遞的方向被看見：多個照明裝置(L1；...；Ln)，該多個照明裝置(L1；...；Ln)發射足夠同調光但彼此非同調，該多個照明裝置(L1；...；Ln)用於照明多個獨立光調變器區域(11；...；1n)，及用於結合一重建裝置(21；...；2n；3)來產生多個獨立子觀察者視窗(41；...；4n)，以一光調變器(1)的形式的一編碼裝置，該3D景象的複數值波前被編碼到該編碼裝置的區域中；一重建裝置(21；...；2n；3)，用於在一觀察者區域之一觀察者視窗(4)中產生該多個獨立光調變器區域(11；...；1n)的該各別複數值波前的具有彼此非同調之光線分佈的多個獨立子觀察者視窗(41；...；4n)，及用於產生彼此非同調的多個重建，該多個重建係來自一重建空間中彼此經非同調照明之多個光調變器區域(11；...；1n)；以及一控制裝置(7)，用於控制該照明裝置(L1,...；Ln)、該編碼裝置和該重建裝置(21；...；2n；3)。
- 如申請專利範圍第12項所述之全像顯示裝置，其中該照明裝置(L1；L2)係為雷射光束。
- 如申請專利範圍第12項所述之全像顯示裝置，其中該重建裝置包含一多片透鏡系統(21；...；2n)，且其中該透鏡系統(21；...；2n)中的每個鏡頭係為一微透鏡裝陣列(lenticular array)的一微透鏡(lenticule)，其用於一光調變器區域(11；...；1n)的一維成像。
- 如申請專利範圍第12項所述之全像顯示裝置，其中該重建裝置包含一個多片透鏡系統(21；...；2n)，其被形成為用於該多個光調變器區域(11；...；1n)的二維成像的一矩陣鏡頭陣列。
- 如申請專利範圍第12項所述之全像顯示裝置，其中彼此非同調的該獨立子觀察者視窗(41；...；4n)在一維空間中被互相緊臨地水平排列，且具有一整體側向延伸，該側向延伸至少是被意圖用於單一眼睛(5)的該觀察者視窗(4)的給定的側向寬度(b)。
- 如申請專利範圍第12項所述之全像顯示裝置，其中彼此非同調的該獨立子觀察者視窗(41；...；4n)在一維空間中被互相緊臨地垂直排列，且具有一整體垂直延伸，該垂直延伸至少是被意圖用於單一眼睛(5)的該觀察者視窗(4)的給定的垂直高度。
- 如申請專利範圍第12項所述之全像顯示裝置，其中彼此非同調的該獨立子觀察者視窗(41；...；4n)在該觀察者視窗(4)中以二維空間排列。
- 如申請專利範圍第16項或17項所述之全像顯示裝置， 其中該子觀察者視窗(41；...；4n)的該整體側向和垂直延伸係依據該眼睛(5)的一眼球瞳孔(51)的直徑而定。
- 如申請專利範圍第19項所述之全像顯示裝置，其中一單一子觀察者視窗(41；...；4n)總是小於該眼球瞳孔(51)。
- 如申請專利範圍第12項所述之全像顯示裝置，其中該全像顯示裝置還包括適用於一直觀式顯示器或一投射式顯示器之光學元件。
- 如申請專利範圍第12項所述之全像顯示裝置，其中一色彩重建係藉由分別處理三原色而產生。
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