TWI400588B

TWI400588B - 具有顯示螢幕與具有全像影像投影器的全像影像投影系統

Info

Publication number: TWI400588B
Application number: TW097113414A
Authority: TW
Inventors: Armin Schwerdtner; Olaya Jean-Christophe; Stanislas Flon
Original assignee: Seereal Technologies Sa
Priority date: 2007-04-10
Filing date: 2008-04-10
Publication date: 2013-07-01
Also published as: TW200912572A; JP2010524038A; WO2008122664A1; JP5264883B2; DE102007018266A1; US8395833B2; US20100103246A1

Description

具有顯示螢幕與具有全像影像投影器的全像影像投影系統

本案為一種具有光波追蹤與具有校正全像影像重組機置的全像影像投影系統，若一觀察者在觀看一三維景像的全像影像重組結果時改變其位置，本案所提出之全像影像投影系統追蹤夾帶著全像影像重組結果之調變後光波的行進方向，並且藉由光波追蹤裝置而傳達指向至至少一個觀察者的眼睛位置，其為利用所謂的位置控制器與眼睛位置搜尋器。本案所提出的方法與裝置特別與用來減低調變後光波之光學變形效應相關的裝置有關，其原因為光波追蹤所產生出來的副作用。

本案所提出之方法與裝置和提供全像影像資訊的方法為完全獨立無關的，且其可以被應用在讓多個觀察者同時觀察全像影像重組後影像景像之系統上。

一般具有光波追蹤與具有校正全像影像重組機置的全像影像投影系統，其主要應用在利用影像裝置對三維景像作即時的全像影像移動時，重組該三維景像之全像影像之上。

此類系統包含了連續可控式空間光調變裝置，其對夾帶著具有全像影像資訊之干擾的光波作空間調變修正。此外，由於光線繞射的效應，調變後光波會藉由局部干擾來重組物件光點，即所謂的物件光點光學重組三維景像。光波會從所有的重組物件光點以導向方式行進指向到觀察者的眼睛，所以一個或多個觀察者就可以看到這些以景象形式展現的這些物件光點。這表示一般傳統的立體呈像重組中，全像影像重組會完成作為物件的替代。

為維持確保全像影像重組的影像品質，以使觀察者應該也能夠在越大越好的可視空間裡看到重組後的結果。根據與觀察者之間的距離長短，需要一個具有顯示螢幕且此螢幕尺寸大小及特性皆類似當今標準電視機直角螢幕與影像螢幕背景的全像影像重建景象之重組結果。

然而，前述方法的缺點在於較大全像影像重組結果需要比二維重組有較大的繞射角度和較高空間光調變器的解析度，如一般熟知的取樣理論所闡述。如此需要極大量的全像影像重組系統的硬體和軟體資源-軟硬體都需要考慮針對編碼時全像影像資訊的即時供應的元件，這些都是針對景象的光學重組所必要的需求。

另一個已知的重組系統問題為產生介面之前調變後光波的非分佈行進問題。為了在空間中的正確位置上重組物件光點並配合正確的光點值，必需讓至少一部份的干擾光波同時到達所有的位置而此一位置為物件光點將要穿過介面來被重組的地方。這表示每一個物件光點需要盡可能地架構在干擾光波的空間連續之上。

另外，當完成物件光點的重組之後，代表三維景像之光波的所有物件光點其路徑長度必需不能展現出因可控式光學裝置所造成之任何不同於彼此的不可控制路徑長度。

在以下的說明敘述裡，所謂的“光學軸“指的是與反射總和的軸或繞射光學元件所一起發生的直線。空間光調變器，其是由具有三維景像之全像影像資訊的全像影像處理器所編碼，代表著一個“視訊全像“。視訊全像的相互影響是由具有投影裝置之連續光線所發射而出，導致產生一個“調變後光波“。此時的投影裝置定義調變後光波的“行進方向“，且此一行進方向可以藉由“光波追蹤“的方式被修正改變。如果光學元件位於其指向視訊全像之有效方向的路徑上或目標上，則其被參考成為“全像影像一側“；如果其位於指向觀察者眼睛的位置之有效方向的路徑上或目標上，則其被參考成為“觀察者一側“。而所謂的“可視區域“說明了位於一眼睛位置上觀察者一側的空間，並且代表了系統的出口瞳孔，且其中至少有一隻察者眼睛必需位於觀察重組景象的位置上。如果如在本案所提出之具體實施範例裡所作的說明，調變後光波會藉由追蹤目前眼睛位置來被追蹤，而“追蹤範圍“則定義了包含所有眼睛位置的空間以實現光波的追蹤。在本案所提出之技術說明裡，這樣的投影系統也是一種具有眼睛追蹤的投影系統。

習用技術已經揭露說明許多種全像影像投影系統。舉例來說，國際專利文件WO 2006/119760，標題為“針對景象的全像影像重組所作的投影裝置與方法“，其說明一種在一個擴大方式中重現整個三維景像的全像影像重組結果的系統。

前述的這種投影系統其優點在於其全像影像重組的基本理論基礎，其第一次被揭露是在國際專利文件編號WO 2004/044659的專利申請裡，其標題為“用來重組視訊全像的視訊全像與裝置“，其細節則請參考如圖1所示的說明。

在本案所提出之具體實施範例裡，一夾帶著產生介面且由一調變發光裝置(並未載明於圖中)所發射出來平面光波LW會發射出所有傳遞空間光調變器SLM的調變單元，並且會與景象的全像影像資訊作動態地編碼。編碼後的空間光調變器也將因此代表著一視訊全像。存在一聚焦鏡片L1，其可以對光波LW在其傅立葉平面FTL中完成傅立葉轉換，並配置於空間光調變器SLM之前，且能在光線行進的方向中被看見。在投影系統中，空間光調變器SLM可以對入射光波LW調變其全像影像資訊或在一傳遞格狀模式中，也就是說其可以對一夾帶著產生介面之光波在其穿越該空間光調變器時調變該光波，或其可以用來作為一空間可控式反射器。無論是哪一種狀況，在傅立葉平面FTL之前的空間中重組景象的物件光點的調變後光波被產生出來。依據本案所提出之具體實施範例，如圖1所示，顯示說明了重組景象的一個物件光點OP0。

由於矩陣排列配置的關係，調變單元會對光波作空間與等距離地調變修正，也由於光線的繞射原理，使得在不同位置裡包含了多重繞射階m的視訊全像之空間頻率頻譜被產生於傅立葉平面FTL。如圖1所示為空間頻率頻譜的一小部份，而且會藉由本案所提出之具體實施範例來產生，也就是一被選定的繞射階裡的需求目標物件光點OP₀ ，以及在相鄰之繞射階裡的其他物件光點OP_-1 。本案所提出之一具體實施範例中，空間光調變器SLM的所有調變單元會針對重組物件光點OP₀ 而被編碼。此和可控式且經由編碼而得到相對應之焦距的鏡片CL有著相同的效應與結果。

在國際專利文件編號WO 2006/119760裡所闡述說明的投影系統中，視訊全像會再次被編碼於空間光調變器之上。位於傳立葉平面中的一空間頻率濾波器將一繞射階從視訊全像的空間頻率頻譜中作空間地濾除，且存在一光學投影系統將一擴大模式之光波繞射階投影到一聚焦顯示螢幕上。

此時的顯示螢幕會將具有重組後景象的調校後光波聚焦於一眼睛位置之前。而一觀察者將在可視區域裡的該眼睛位置之後看見重組後的三維景像。

因為顯示螢幕將所有繞射階的重組後物件光點投影在其聚焦平面中，因此觀察者用位於可視區域之外的眼睛也會看到干擾繞射階，也就是說此投影系統其實並不提供目前重組後視訊全像的內容給另外一隻眼睛。此時空間頻率濾波器AP具有一光圈且此光圈必然不大於任何一繞射階，因此而選擇調校後光線的一繞射階。

顯示螢幕可以是一片鏡片。然而如之前的章節所述，顯示螢幕的直徑和光學投影系統的尺寸大小比較起來必需非常的大，因此該顯示螢幕最好為一凹面鏡。

由於重組結果固定整個調校後光波，因此當至少一觀察者的一眼睛直接位於可視區域裡時，其只能在眼睛位置之後被看見，而該眼睛位置並非實際可見的。如果重組後景象想要在觀察者移動的時候不受任何限制地被看見，則必需利用一位置控制器藉由光波追蹤來追蹤其餘調校後光波的光學路徑直到相對應的觀察者眼睛裡，以使重組空間的訊息總能貼近相對應的觀察者眼睛。為達此目的，本案所提出之投影系統範例包含了一眼睛搜尋器以藉由位置控制器之助來控制調校後光波的光學路徑，並讓後者能直接指向一目標眼睛位置。在一針對每一觀察者眼睛提供空間視訊全像的系統中，目標眼睛位置總是位在觀察者眼睛之後的地方，其中的觀察者眼睛位置將對應著目前編碼的視訊全像。目前視訊全像必需不被其他眼睛所看見。

在國際專利申請文件編號WO 2006/119920，標題為“針對三維景像的全像影像重組的裝置“，所提出的理論方法中需要空間光調變器的全像影像重組裝置被空間編碼。一般來說在傳統的視訊全像編碼裡，其中的全像影像資訊的分佈橫跨其餘調校修正區域，而此案所提出的方式建議對景象的每一物件光點只在全像影像的一小範圍內作資訊的編碼，並且代表空間光調變器的其餘可編碼區域之子區域。編碼的原則請參考圖2a與圖2b所示，其說明了依據圖1所主張的方法所產生的全像影像系統的詳細介紹。這兩種表現方式都被限制在具有全像影像資訊的光波調校修正裡。光波的更多路徑則未顯示於圖中。

如果空間光調變器SLM具有單元結構，則相對應的額外物件光點將無法避免地發生在空間頻率頻譜的其他繞射階裡，而此一範例將可以藉由繞射階+1與-1中物件光點OP+1與OP-1來代表重現。另外，若空間光調變器SLM夾帶著在所有調變裝置單元裡一單一物件光點OP0的全像影像資訊，如圖1中所示，則光線在重組物件點OP+1，OP0，與OP-1之後於一較寬的角度中行進，以使得來自相鄰繞射階的光線總是重疊於傅立葉平面FTL中且在傅立葉平面裡的所有位置也總是從不需要的非目標物件光點OP+1與OP-1接收到干擾光線的部份，其中該物件光點將無法藉由空間濾波器加以濾除。為了避免此缺點與問題，編碼後鏡片函數CL的區域範圍必需在編碼空間光調變器SLM時被附加到空間裡物件光點OP0的位置上。

如圖2a所示為本案所提出之另一具體實施範例中藉由圖1中全像影像系統之編碼原則的詳細說明。在此具體實施範例中，空間光調變器與表面區域附加到空間中物件光點之位置的鏡片函數CL編碼在一起。此時的表面區域依賴於空間裡物件光點OP0的位置而被減小以使得只有重組所選擇之繞射階的物件光點OP0的光線能穿過一濾波器AP的光圈△x。一般來說，在傳統的方法裡濾波器AP阻擋濾除重組相鄰繞射階之不需要的物件光點OP+1的光線。

圖2b所示為藉由一些物件光點OP1、...、Opn協助的三維景像3DS的區段所作的編碼程序，其中所謂的編碼程序會避免讓相鄰繞射階的光線因使用能完成的空間光調變器而彼此重疊在一起。一電腦附加系統控置器(並未顯示於圖中)主要用來控制針對所有系統編碼於全像影像處理器的重組程序，針對每一單一物件點OP1、...、Opn乘上相鄰調變器單元的個別鏡片CL1、...、CLn，並且依賴於其在重組景象中的位置，落在光調變裝置區域的全像影像之受限範圍裡，以使得傳立葉平面FTL裡所有重組的光點只將其光線發射到所使用的繞射階。如此將能夠預防相鄰繞射階的光線彼此相互重疊，以及避免沒使用到的繞射階中不需要的重組物件光點被從投影系統裡出口瞳孔看見。

在一般傳統的全像影像顯示裝置中，具有前述的編碼方式只對應到夾帶著全像影像資訊的全像影像範圍，其被要求針對景象的個別物件光點做重組。也只有這樣的物件光點被編碼以便能從可視區域裡的目前眼睛位置務必可以被看到，而此時的可視區域被限制在其展延的部份裡。如此一來有效地減少為了編碼所作的計算負擔。

國際專利申請文件編號WO 2006/119760所提出揭露的投影系統中，聚焦顯示螢幕藉由全像影像資訊所調校修正與空間濾波後的光線投影到一眼睛位置。其代表若一觀察者想看整個重組後的景象，則至少有一觀察者的一眼睛必需位於對應到該眼睛位置的可視區域裡。就像每一光學投影，上述的該方法也會傾向於像差。特別是介於個別眼睛位置之間光波行進方向的週期性區段改變藉由光波追蹤而導致產生顯示螢幕，以使得所發射之光波的空間結構能依據於眼睛位置而變形。其中該變形絕大部份藉由行進方向確認的像差而被重現，而被影響的可變部份使其無法被穩定靜態地補償。射到聚焦顯示螢幕之較大區域的調校後光波對於像差特別地敏感，就如同球面像差，髮絲雜訊，場域曲面變形，散光，與歪斜變形一般。

總括來說，任何主要與場域大小有極度的相依關係，也就是場域像差，以及依賴於位置之干擾的變動部份，都是特別的干擾和變異。而像差在垂直與水平的方向上也可能有變異的強度。

習用投影系統具有一聚焦顯示螢幕，此一螢幕會針對所需要的目標眼睛位置產生視訊全像影像之選定繞射階的影像，並導致隨著軸向的增長而使得光線行進方向有所偏差；以及主要可變式系統特定的像差，其讓光波以各種不同的方式變形並進而影響甚至危害到整個影像重組的結果。

以上所述在特定情形下編碼物件光點之特定方法中，全像影像的有限範圍導致額外的像差，例如場域像差依賴於空間光調變器上全像影像範圍的位置，並且已經在過去傳統熟知的投影系統裡作過廣泛的討論和應用。

在這個特別的範例中，全像影像處理器只針對全像影像的一限定範圍裡的每一個物件點做編碼，所以位在全像影像的邊界區域的物件光點受到像差以有別於這些位於軸線附件之物件光點的其他影響。

如同本案所提出之投影系統的任何像差，所有因為主要依賴於眼睛位置作編碼而發生的像差在調校修正光波時被指向特定的方向。結果系統不是完全不重組某些物件點，就是只處理可視區域外的物件點，或甚至在一錯誤的空間深度中作業。換句話說，顯示螢幕的像差導致具有部份光波的變形，明顯的也就像是髮絲雜訊與散光等干擾。這也是為什麼在量測時必需要確定來自顯示螢幕的邊界區域之光波到達可視區域裡的每一觀察的眼睛位置，並且其能將物件光點正確地重組於正確的空間深度中。

當作為經常性且週期局部性地改變眼睛位置的結果，一動態的且光學轉換函數的眼睛位置相依附加功能是必需的，將無法只藉由展現靜態光學參數的光學元件的幫助來達到誤差補償的結果。最特別的是，多個觀察者之景象同步重組需要極大量的水平場域像差補償。需要提供一極寬的追蹤範圍給每一觀察者之間的適當距離，其可以在水平方向中測量若干公尺。但是無法利用傳統的光波成形器來作像差校正以追蹤從螢幕軸線發射出來並逐漸遠離的調變後光波。

一具有光學傳遞行為的幾何螢幕外型針對每一眼睛位置，將所有全像影像範圍的調校後光波以不具任何像差的高品質影指向相同可視區域中的較大追蹤範圍裡，其無法以個別物件的方式來完成的。

有鑑於此，為了解決過去專利文件中在一較大追蹤範圍裡，於光波追蹤的過程中，動態地附加在光學誤差補償的相關問題，本案提出一種具有顯示螢幕與具有全像影像投影器的全像影像投影系統以有效地減少光學元件的像差干擾影響，特別是顯示螢幕，使得整個三維景象可以在較大追蹤範圍裡的可視區域裡以最小的誤差被觀察者之每一眼睛看見。另外，三維景像的所有物件光點應該能以不具任何像差的完美品質而被重組。本案所提出的主要理論基礎在極寬的追蹤範圍裡也能達到目的，如以上所述，藉由多個彼此相鄰的觀察者能同步看見重組後的影像結果。

本案所提出的方法與裝置架構在一全像影像投影系統上，並且包含了至少一全像影像投影器與一顯示螢幕。

其中每一全像影像投影器還包含了空間光調變器以便能與一視訊全像序列作順序性地編碼，而投影裝置則將視訊全像投影到顯示螢幕上。空間光調變器調校修正光波並且夾帶著產生干擾的光波，並且具有對應於至少一觀察者眼睛的全像影像資訊以便能重組一較佳的三維景像。

每一投影器將調校後光波透過顯示螢幕而投影到至少一目標眼睛位置，其中對應到眼睛位置的全像影像重組也將因此而變成可以在可視區域裡被看見。因為此時的顯示螢幕是屬於聚焦型式的，所以可視區域小於顯示螢幕。投影系統可以利用分時多工處理程序，對其他的觀察者眼睛提供具有相對應全像影像資訊的一第二光波。

上述的投影系統另外還包含了一位置控制器以調整光線行進的方向，以及來自投影裝置的一出口位置以配合調校後的光波。為了這個目的，位置控制器從一眼睛位置搜尋器接收到相對應的目前眼睛位置的位置資料，此一資料對應著產生後調校後光波，也因此將調校後光波透過顯示螢幕而指向觀察者眼睛依賴於後者位置之位置。為了能緊緊跟隨因觀察者之位置改變而異動的追蹤範圍，位置控制器動態地追蹤調校後光波的出口位置與行進方向直到目前眼睛位置為止。

藉由本案所提出之投影系統對具有部份光波的景象作全像影像地重組，並且利用具有其多重調變裝置區段之空間光調變器而被調校修正。其中的投影裝置將這些具有景象之個別分離之全像影像重組區段的部份光波，透過螢幕區段的結構而指向目標眼睛位置，此時顯示螢幕上至少發生水平方向的歪斜變形。為了將調校後的部份光波指向正確的目標眼睛位置，利用一系統控制器來調整每一部份光波的出口位置與行進方向，並且依據其定址而指向顯示螢幕的螢幕區段。來自於所有螢幕區段的調校後部份光波到達目標眼睛位置，經過累積總計之後形成一統合的光波，因此也將三維景像的全像影像重組結果描繪展現於可視區域中。

藉由本案所提出的裝置與方法，投影系統在系統控制器離散地啟動配置在空間光調變器中不同位置的調變裝置區段時產生部份光波。利用位置控制器之協助，系統控制器對每一由啟動後之調變裝置區段所調校修正的部份光波來調整其行進的特定方向與相對應的出口位置，這些都同時地依據空間光調變器上調變裝置區段的位置，以及顯示螢幕的對應螢幕區段。

因此投影系統也把具有螢幕重組區段之部份光波透過顯示螢幕的對應螢幕區段來指向目標眼睛位置，其中所有的重組後區段合力一起堆砌出整個重組後景象的可視度。

藉由本案所提出的方法與裝置所得到的景象重組結果具有以下的優點：系統控制器調整光波的行進方向，透過行進的方向與出口位置，使每一調校後部份光波能夠到達顯示螢幕上對應的螢幕區段，以及在追蹤範圍裡的目標眼睛位置。依據目標眼睛位置與相對應的螢幕區段，系統控制器調整每一調校後部份光波在顯示螢幕上的入射角度，以使得所有部份光波之景象的重組區段只顯現出極少的像差，並且能在可視範圍區域裡完成於目標眼睛位置。

在本案所提出之此一具體實施範例裡，投影系統利用分時多工處理程序，並藉由單一全像影像投影器和軟體裝置的幫助，而產生具有全像影像重組景象之區段的部份光波。為了此一目的，系統控制器在投影器的空間光調變器裡週期性地啟動不同的調變裝置區段，其內含了每個視訊全像資料並且將其與目前視訊全像的其餘全像影像資訊編碼在一起。藉由本案所提出之此一具體實施範例，系統控制器同步地利用位置控制器矮調變裝置區段的啟動來改變內含的每一視訊全像之投影器出口位置與調校後目前部份光波的行進方向。

在本案所提出之另一具體實施範例中，投影系統包含了多個全像影像投影器，其被局部地分佈配置並且都由一空間多工處理程序所控制。此時的每一投影器與一單一顯示螢幕的螢幕區段整合在一起，並且對具有光線行進方向的螢幕區段產生一離散的部份光波，以對應到螢幕區段。此方法有一極大的優點，當目前視訊全像被重播時，這些全像影像投影器的出口位置在觀察者眼睛位置改變時並不需要跟著移動以追蹤相對應的部份光波。這些移動可以利用一與出口位置的調整和行進方向到不同的螢幕區段比較起來相對特定較低速度，於具有移動視訊全像序列的視訊全像的週期中來完成。

一般而言，投影系統可以將全像影像投影器作機械性地移動以便改變產生於分時多工處理程序裡之部份光波的行進方向與出口位置。而位置控制器則將投影器同步地隨著啟動調變裝置區段的改變而移動投影器。

重組的非閃動重現結果需要目前部份光波其出口位置的快速位置改變才能達成。這些位置改變因為機械式位置系統的慣性移動之故而變得很難達成。

因此，本案所提出之較佳具體實施範例包含一可調式光波追蹤裝置，以便將調校後部份光波的出口位置與行進方向，利用光波偏光裝置，作序列性地調整到具有視訊全像資訊的螢幕區段。其中所謂的光波偏光裝置不需改變全像影像投影器的實際位置就可以改變部份光波的行進方向和出口位置。此方式的優點在於投影器並不需要因為投影位置的序列調整，與指向不同螢幕區段的行進方向之故而作任何的移動。這樣的光波追蹤裝置對調校後部份光波作偏光折射的處理，例如藉由具有部份移動鏡片的一鏡片系統之助。

本案所提出之另一較佳具體實施範例則說明包含全像影像一側光波分離裝置的投影系統。其中的光波分離裝置其優點為可以是完全反射與半反射鏡片組的調校光波波前，以便能對景象之目前視訊全像的調校後波前作光學的分離，而此時的景象是由全像影像投影器所產生到多個部份波前。目前的空間濾波視訊全像的全像影像資訊是由一單一全像影像投影器所產生，其被光學分隔於一空間多工處理程序裡以使得一來自於波前分離裝置之多個出口位置的每一出口位置的部份光波波前能夠到達一相對應之一般顯示螢幕的螢幕區段。這表示光波分離裝置提供多個部份光波，也就是多重出口位置的每一出口位置依賴於目前的眼睛位置，而所謂的部份光波夾帶著局部不同的調變裝置區段的全像影像資料，並將其以不同的行進方向指到顯示螢幕，以使得其能透過不同的螢幕區段跑到目前眼睛位置的可視區域。而光波分離裝置則可以包含調整光波追蹤裝置以藉由目前眼睛位置調整每一調校後光波的相對應行進方向和所有出口位置。

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所示為全像影像重組的基本理論說明圖，其第一次被披露說明出現在國際專利申請文件編號WO 2004/044659中，標題為“用來重組視訊全像的視訊全像和裝置“。

圖2a所示為圖1中所說明之理論基礎中全像影像系統的細節說明，其中特別說明了以具有三維景像之單一物件光點為例之空間光調變器的編碼。

圖2b所示為圖1中所說明之理論基礎中全像影像系統的細節說明，其中特別說明了以具有被選擇之物件光點為例之三維景像之區段的編碼。

圖3所示為具有全像影像投影器和顯示裝置之全像影像系統範例的說明圖

圖4所示為藉由本案所提出之一般具體實施範例裡全像影像投影系統的說明圖，其說內含著區段的全像影像重組結果。

圖5所示為藉由如圖4裡所說明的投影系統的詳細說明，其中重組區段被用來作為從可視區域到觀察者的側面追蹤。

圖6所示為藉由如圖4裡所說明的投影系統的詳細說明，其中的可視區域為直到觀察的軸向追蹤。

圖7所示為本案所提出之另一具體實施範例的詳細說明，其中光波追蹤裝置調整調校後部份光波的出口位置與行進方向。

圖8a到8c所示為本案所提出之另一具體實施範例的詳細說明，其中所述的投影系統都是使用一聚焦反射器作為顯示螢幕。

圖3所示為使用本案所提出之具體實施範例的全像影像投影系統的基本原理。其一些問題與狀況可以藉由本案所提出的方法而獲得解決，並如以下所述。此時的全像影像投影系統主要包含了一全像影巷投影器HP以及一聚焦顯示螢幕S，其最好能夠有極大的尺寸以便能提供一極寬的視角，並且能夠像鏡片一樣地傳遞或像凹面鏡一樣的反射，而且其還包括一電腦外加的系統控制器(但並未標示於圖中)。

前述的全像影像投影器HP包含了一調變裝置發光裝置以便能發射出具有平面光波LW的空間光調變裝置SLM的調變裝置表面，並且夾帶著產生入射光線。空間光調變器SLM具有一調變單元的區域局部配置，此時的調變單元藉由具有目標三維景像的全像影像資訊之全像影像處理器(並未標示於圖中)來作動態的編碼。就如同傳統的全像影像系統，來自動態視訊全像的編碼後調變單元將全像影像資訊和平面光波LW調校在一起。調變單元的表面區域大概為若干公分的直角區域。空間光調變器SLM可以是一微機構顯示螢幕，類似像所謂的微電子機構系統(MEMS)；或是一在矽晶微顯示器上的液晶(LCoS)，其可以同時用來給資料和影像的投影。在本案所提出之具體實施範例中，光波LW穿越一傳遞空間光調變器SLM。然而，如果當光學排列配置如本案所提出的方法作變更，則也可以使用反射的空間光調變器。調校後光波的傅立葉轉換藉由聚焦鏡片L1的轉換而被產生在調變發光裝置的影像平面裡。此時配置一濾波器AP只讓調校後光線的一繞射階穿越。一光學投影系統L2則將一擴大方式的空間光調變器SLM投影到一聚焦顯示螢幕S，此時的聚焦顯示螢幕將空間濾波後的空間頻譜投影到目前的眼睛位置EP上，其藉由一眼睛搜尋器來針對光波追蹤裝置偵測其確定的位置。當在投影濾波後空間頻譜時，系統的出口瞳孔的濾波器AP其幾何狀態形成一可視區域VR並藉此而讓觀察者可以看到全像影像重組後的景象。

在目前眼睛位置EP之前的全像影像重組景象3DS中，一具有多重物件光點LPm的三維景像中，只有兩個選定之個別物件光點OP1與OP2在此案例中被考慮得到。至些點都是從景象的多個物件光點裡所選擇出來。此兩物件光點被空間排列配置於景象裡以使得全像影像資訊能同時提供給此兩物件光點的重組結果，而物件光點OP1被編碼於空間光調變器SLM中央的一全像影像區域H1，而提供給物件光點OP2的資訊則被編碼於空間光調變器SLM的邊緣的全像影像區域H2中。全像影像區域H1也將因此而調校修正光波LWmod1，此一光波重組物件光點OP1且直達顯示螢幕S的中央，其中來自全像影像區域H2的調校後光線直達顯示螢幕S的邊緣。

無論如何，上述的方法其缺點主要是因為顯示螢幕S上的像差所導致的問題，來自全像影像區域且在空間光調變器SLM之邊緣的調校後光波不直射進入每一觀察者眼睛位置的可視區域VR裡，其中著些觀察者可以位在一追蹤範圍內。如上所述，這些像差都依賴於位置的所在。因此，像差無法利用一靜態校正裝置並且透過一需求的較大追蹤範圍來得到其餘部份的補償。

圖3所示為目前系統所正在重組物件光點OP2的情形。但是這個時候顯示螢幕S將一對應的影像OP2’投影到一不正確的位置。因此所選定的物件光點OP2其調校後部份光波LWmod2遺失其可視區域VR，所以觀察者將無法察覺此一物件光點的存在。如此的效應在本案所提出之申請專利文件裡標示為光暈。

圖4所示為藉由本案所提出之投影系統。在傳統常用的全像影像投影系統中，所提出使用的系統都只投影由全像影像資訊所調校修正的光波，並且藉由顯示螢幕S上個別螢幕區段之助來完成。一般來說典型用在全像影像顯示系統以控制整個重組處理過程的電腦外加系統控制器(並未標示於圖中)整合全像影像投影器裡具有不同調變裝置區段(modulator segments)MS1、…、MS3的調變單元(modulator cells)。空間光調變器SLM也將因此而將一啟動調變裝置區段MS1夾帶進入如圖中所示的全像影像區域H1裡，其中的全像影像區域H1調校修正光波LW以使得系統能將物件光點OP1與其他來自所選定之物件光點OP1的空間環境的物件光點(並未標示於圖中)全像影像地重組在一起。這表示啟動調變裝置區段MS1可同步地夾帶更多其他全像影像區域的乘積，而且這些全像影像區域彼此之間有部份重疊，並且將其他來自所選定之物件光點OP1的空間環境的物件光點(並未標示於圖中)重組成為一景象區段。

系統控制器將所有其他的調變裝置區段以分時多工處理程序，和來自一普通物件環境的多個全像影像區域編碼在一起成為類似調變裝置區段MS1。藉由系統控制器的一序列處理動作之後，每一調變裝置區段對部份光波作調校修正以結合全像影像資訊的對應部份。目前視訊全像的資訊結合被完成以讓所有具有自有子區段的部份光波可以一起重組整個完整的三維景像。

光學投影系統L2將重組後的物件光點OP1與其他的重組後物件光點一起投影出來到顯示螢幕S的一螢幕區段S1上，其中的其他重組後物件光點也被編碼於光調變裝置區段MS1，其未標示於圖4中。

依據本案所提出之方法與裝置，電腦外加系統控制器藉由類似像離散切換調變發光裝置的區段來啟動SLM的調變裝置區段MS1，其中的調變發光裝置將如本案所提出之方法與方式的結構。上述的後者可以是針對空間光調變器SLM的類似像平面調變發光裝置，藉由利用系統控制器所控制的其他空間光調變器將被配置在編碼後的空間光調變器SLM的光學路徑上以便能讓發射光線可以在分時多工處理程序中穿越個別的調變裝置區段。相反的，系統控制器也可以阻擋沒有使用的編碼後的空間光調變器SLM的調變裝置區段。

另外，藉由位置控制器的幫助，系統控制器調整全像影像投影器HP以使得其可以具有一內含調校後光波的方位D1之出口位置POS1，以對應到啟動的調校區段MS1。啟動的調校區段MS1也因此而具有螢幕之重組後區段的部份光波穿越相對應的螢幕區段S1而指向目標眼睛位置EP。

因為可視區域的維度可以被縮小到和眼睛瞳孔大小一樣的尺寸，所以在本案所提出知具體實施範例裡其必需在分時多工處理程序裡重新指定調整調校後的部份光波到眼睛位置，以藉由追蹤方法對應到目前的部份光波，並且在追蹤範圍內追蹤其到任何眼睛所移動到的位置。

舉例來說，電腦外加系統控制器可以機械式地追蹤全像影像投影器HP的出口位置，或是出口位置的近似改變最好可以利用像是移動鏡片的光波追蹤方式來完成。

如圖4所示，其中的全像影像投影器在時間軸的第一點處在一出口位置POS1裡。在此同時，只有調校區段MS1是啟動著的，並且包含了並未標示顯示於全像影像區域H1中針對物件光點OP1的並列全像區域範圍。此時全像影像投影器位在具有方位 D1的一出口位置POS1裡，其中光學投影系統L2將調校後的部份光波LWmod1投影到螢幕區段S1上，其中的螢幕區段S1位於顯示螢幕S的中央地帶。而固定的聚焦顯示螢幕S也將稍後才出現的重組後物件光點OP1’投影在可視區域VR內。

在另外一時間點上，對物件光點OP2來說，系統控制器將全像影像投影器HP移動到一出口位置POS2並且啟動包含著全像影像區域H2的調校區段MS2。在出口位置POS2裡，光學投影系統L2將重組後物件光點OP2投影出來並穿越顯示螢幕S的一螢幕區段S2。出口位置POS2與投影器的方位D2都被調整以使得調校後部份光波LWmod2也在沒有任何扭曲變形的情形下到達可視區域，如此使得重組後物件光點OP2’可以不受雜訊干擾地清楚被看見。

要在分時多工處理程序裡產生調校後部份光波LWmod1與LWmod2須要具有較高重複比率的出口位置POS1與POS2的替換，而且此一重複率必須高到能讓觀察者的眼睛可以在可視區域裡觀察到沒有任何閃爍的物件光點之全像影像重組結果，也就是至少必需達到25 Hz。

藉由如圖4所示之本案所提出的具體實施範例說明了兩個螢幕區段與兩個出口位置的情形。無論如何，此範例特別用來處理大量具有對應出口位置之螢幕區段所產生的問題。

所需要的螢幕區段的數量完全依賴於顯示螢幕的大小尺寸與位置控制器的追蹤範圍。每一調校區段的大小，以及顯示螢幕的形式與大小都最好能加以維度化以使得相對應的光波可以經由延展性到達眼睛位置，該延展性不超過可視區域的延展性。

圖5所示為具有分離個別調校後部份光波的景象重組之詳細說明，其中的分離調校後部份光波穿越所有不同的區段。此時的空間光調變器SLM包含了若干個調變裝置區段MS1、…、MS3，而且顯示螢幕S包含了相對應的螢幕區段S1、…、S3。作為系統控制器軟體的一模組的位置控制器可以追蹤部份光波到觀察者移動到新眼睛位置EPn，如圖5中所示。在此範例中可視區域所在的位置很清楚地遠離顯示螢幕S的光學軸OA，而且顯示螢幕的像差可利用靜態像差校正裝置的幫助而不再作多餘額外的補償。

在第一段的時間裡，全像影像投影器HP位在出口位置POS1，針對物件光點OP1且具有全像影像區域H1的調變裝置區段MS1將被啟動。在這段時間裡，在眼睛位置EPn的觀察者透過螢幕區段S1看到重組後的物件光點OP1’。

在第二段的時間裡，全像影像投影器HP移動到出口位置POS2。其中針對物件光點OP2’且具有全像影像區域範圍H2的調變裝置區段MS2將被啟動，而且光學投影系統L2將調變裝置區段MS2投影到螢幕區段S2上。與出口位置POS1比較起來，投影系統的出口位置POS2被改變以使得部份光波LWmod2不管顯示螢幕S所可能造成產生的像差而到達可視區域VR。顯示螢幕S的像差也將因此而藉由投影系統之位置與導向來作補償。在這個第二段的時間裡，在可視區域VR中的觀察將可以透過螢幕區段S2來看到物件光點OP2’。

相同的方式也可以類推到第三段的時間(並未標示於圖中)且對應到螢幕區段S3。

在前述的快速節奏狀況中調變裝置區段的啟動與出口位置的替換，以及部份光波的行進方向等都可以觀察者仍然能看到完整的重組結果。至於其餘的處理程序也因此而應該在至少重複頻率為25 Hz下被完成。

調變裝置區段的寬度和螢幕區段的寬度一方面依賴需要的追蹤範圍裡顯示螢幕的像差。調變裝置區段的最大寬度也依據可視範圍的寬度上之另外一側，這是因為景象的全像影像重組區段的所有部份必須在可視區域裡能被看見。

另外，每一調變裝置區段必須夠寬以應付足夠數量的調變單元並且提供給物件光點的重建。區段寬度也因此而確認全像影像重組的必要銳利度。而太窄小的寬度導致物件光點的邊緣化與模糊化的重組結果。

在空間光調變器SLM上的每一調校區段也都包含了多個全像影像區域範圍，因為要重組一景象需要數以百萬計的物件光點。從另外的方向來看，一單一物件點的全像影像範圍也可以在多個調變裝置區段上被分隔開來，舉例來說像是當物件光點落在景象的前場時。區段也可以有不同的寬度。

圖5所示說明了藉由本案所提出之方法與裝置以便能讓可視區域範圍作側向移動直到位於顯示螢幕S之光學軸OA一側的眼睛位置。在傳統方法裡圖6所示為藉由本案所提出之具體實施範例來作追蹤的方式，特別是當觀察者沿著螢幕軸移動到可視區域範圍VR’。

為了達到上述的目的，針對螢幕區段S2的全像影像投影器HP從初始的出口位置POS2移動往新的出口位置POS2’。調校後部份光波LWmod1與LWmod2將不再於初始可視區域VR裡交錯，但是新的可視區域VR’落在不同的觀察者平面中。相同的方法與概念也推廣到穿越螢幕區段S3之全像影像投影器HP的出口位置與部份光波的行進方向。其中所謂的螢幕區段被循序地使用。觀察者也因此而能在新的可視區域VR’裡看到所有的重組後物件光點。

所有區段的展延被維度話以使得哪一區段的光線都可以到達可視區域。

從上述的說明裡可以很清楚地知道全像影像投影器HP的位置被觀察者的位置所影響並且被調整，特別是針對複數個眼睛位置來作光波的軸向與側向的追蹤。

但是卻仍然存在著一缺點，那就是全像影像投影器HP的局部出口位置的改變以及其導向的改變，如以上所述很難在投影器以機械式地移動時以足夠的速度來達成。

圖7所示為本案所提出之另一具體實施範例，藉由光波追宗來解決上述問題的詳細說明。其中的光波追蹤裝置配置在全像影像投影器與顯示螢幕之間。追蹤裝置包含了一類似像轉軸追蹤鏡面M1與一曲面傾斜鏡面M2以便能經由投影器的光學投影系統L2將調校後部份光波折射偏光到觀察者的眼睛。如此導致調校後部份光波傳遞一不同的出口位置與行進方向到顯示螢幕。其中的投影器本身在改變出口位置與行進方向時包含在一固定的中央位置POS₀ 。傾斜鏡面M2比入射部份光波來得較大以避免出口位置受到機械式配置的調整修正。其曲面導致使得傾斜鏡面能以擴大方式將空間濾波後之光波投影到相對應的螢幕區段。這種具有鏡面的追蹤裝置已經在過去之前的專利申請文件編號DE 10 10 2007 005 822。7中被批露說明，標題為“具有光波追蹤裝置的全像影像重組系統“。

追蹤鏡面M1與傾斜鏡面M2都被定位配置與調整以使得部份光波LWmod在其來自虛擬出口位置POS2發射出一光波路徑。此時的部份光波LWmod在穿越可視區域VR時以一特別的角度到達顯示螢幕S的螢幕區段S2。顯示螢幕S的像差也因此而藉由移動追蹤鏡面M1與傾斜鏡面M2而有所減少。相同的方法與概念也可以類推到區段S1到S3。

上述所介紹的方法其優點在於具有光波追蹤裝置的連接處具有一橢圓形的鏡面區段，如專利申請文件編號DE 10 2007 005 822。7中所述，虛擬出口位置與方向調整的完成比快速地實際的移動並調整投影器來得容易許多。

圖8a到圖8c所示為本案所提出之其他關於投影系統的具體實施範例，其中的投影系統使用一聚焦反射器來作為顯示螢幕。為了能保持最小的像差，顯示螢幕S具有一橢圓形的區段。眼睛位置EP落在此一橢圓形的一焦點上，而全像影像投影器HP的出口瞳孔則包圍著另外一焦點，也就是介於出口位置POS1到POS3之間。這三個小圖都是分別顯示著在分時多工處理程序下部份光波LWmod1，LWmod2，與LWmod3的產生。為了能避免在定位投影器時跳入移動序列中，部份光波以如下的順序來做提供：LWmod2，LWmod1，與LWmod3。

在本案所提出之方法與裝置裡，系統控制器可以停止這些在空間光調變器SLM中的調變裝置區段並且不需要藉由阻擋其與全像影像編碼在一起來達到簡單的重組。在一調幅的空間光調變器SLM中，區段裡單元的振幅如果沒有被啟動的話就可以把其值設定為0。

為了能啟動調變裝置區段，一額外的切換空間光調變器可以被配置在空間光調變器SLM的光學路徑中，其中所謂的切換空間光調變器可以傳遞或阻擋個別區段裡的光線。依據本案所提出的方法與裝置還有一特別的優點，那就是所有光束在可視空間裡以獨立於眼睛位置的情況進入可視區域VR，而其餘的重組後景象也將因此而在可視區域VR裡的顯示螢幕之前被看見。

由於空間濾波器AP的個別維度處理，光波在顯示螢幕上有一和螢幕之間極小的關係交錯的區段，顯示螢幕的有效像差也將因此而針對每一部份光波被有效地減少。

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。

L1‧‧‧聚焦鏡片

CL‧‧‧鏡片

LW‧‧‧光波

SLM‧‧‧空間光調變器

OP‧‧‧物件光點

FTL‧‧‧傅立葉平面

3DS‧‧‧三維景像

H1,H2‧‧‧全像影像區域

HP‧‧‧全像影像投影器

LW‧‧‧光波

SLM‧‧‧空間光調變器

L1,L2‧‧‧聚焦鏡片

OP1‧‧‧物件光點

OP2‧‧‧物件光點

AP‧‧‧濾波器

LWmod1‧‧‧光波

LWmod2‧‧‧光波

3DS‧‧‧三維景像

OP1'‧‧‧物件光點

OP2'‧‧‧物件光點

VR‧‧‧可視區域

EP‧‧‧眼睛位置

MS‧‧‧調變裝置區段

POS‧‧‧出口位置

D1,D2‧‧‧方位

S1,S2‧‧‧螢幕區段

OA‧‧‧光學軸

M1‧‧‧追蹤鏡面

M2‧‧‧傾斜鏡面

圖1所示為全像影像重組的基本理論說明圖，其第一次被披露說明出現在國際專利申請文件編號WO 2004/044659中，標題為“用來重組視訊全像的視訊全像和裝置“。

圖4所示為藉由本案所提出之一般具體實施範例裡全像影像投影系統的說明圖，其內含著區段的全像影像重組結果。

圖8a到8c所示為本案所提出之另一具體實施範例的詳細說明，其中所介紹的投影系統都是使用一聚焦反射器作為顯示螢幕。

H1,H2‧‧‧全像影像區域

HP‧‧‧全像影像投影器

L1‧‧‧聚焦鏡片

LW‧‧‧光波

SLM‧‧‧空間光調變器

L1,L2‧‧‧聚焦鏡片

OP1‧‧‧物件光點

OP2‧‧‧物件光點

AP‧‧‧濾波器

LWmod1‧‧‧光波

LWmod2‧‧‧光波

3DS‧‧‧三維景像

OP1’‧‧‧物件光點

OP2’‧‧‧物件光點

VR‧‧‧可視區域

EP‧‧‧眼睛位置

Claims

一種具有一顯示螢幕與至少一個全像影像投影器的全像影像投影系統，該全像影像投影器具有一空間光調變器及一投影裝置，該空間光調變器以視訊全像影像之全像影像資訊調變一光波以重建一景象，一位置控制器隨著該投影裝置調整該調變後的光波之一行進方向和一出口位置，以透過該顯示螢幕將該調變後的光波指向一期望的眼睛位置，及追蹤具有該重建景象的該調變後的光波至該期望的眼睛位置；其主要特徵在於該全像影像投影系統更包括一系統控制器：在該空間光調變器裡分散地啟動一序列的調變區段，其中一調變區段包含了部分的調變單元以在一分時多工裡提供個別調變後的部份光波；以及藉由該位置控制器的幫助來調整一行進方向，其依賴於啟動的該調變區段，及該調變後的部份光波的一對應出口位置以使得每一個啟動調變區段將其具有該景象之一重建區段的調變後的部份光波透過該顯示螢幕上的一對應螢幕區段而指向一目前的眼睛位置，其中所有重組後的調變部份光波一起使整個重組後的景象變得可被看見。
如申請專利範圍第1項所述之全像影像投影系統，其中該系統控制器以該目前眼睛位置與該空間光調變器上的該啟動調變區段位置來調整每一個目前調變後的部份光波的該行進方向以及該出口位置。
如申請專利範圍第1項所述之全像影像投影系統，其具有一全像影像投影器，在一分時多工程序裡被該系統控制器所控制，以調整由該啟動調變區段所產生之該部份光波的一行進方向和出口位置。
如申請專利範圍第3項所述之全像影像投影系統，其具有針對該空間光調變器的一調變發光裝置，且由該系統控制器所控制的另一個空間光調變器被配置在該空間光調變器的一光學路徑裡，以針對個別的調變區段在分時多工的處理程序中啟動發光動作。
如申請專利範圍第3項所述之全像影像投影系統，更包含了可調整光波追蹤裝置，其以該空間光調變器之該啟動調變區段的位置來循序地調整該部份光波之該行進方向與出口位置。
如申請專利範圍第1項所述之全像影像投影系統，其中，多重區域化分佈全像影像投影器在一空間多工處理程序中受到控制，並且重組具有部份光波之該景象，該部分光波具備個別光波行進方向和出口位置的特性，以將在該全像影像側之每個調變後的部份光波指向一對應的螢幕區段。
如申請專利範圍第6項所述之全像影像投影系統，其中該系統控制器以該目前眼睛位置以及該顯示螢幕上的該對應螢幕區段的該位置來調整該部份光波的該行進方向和出口位置。
如申請專利範圍第6項所述之全像影像投影系統，其具有編碼裝置，該編碼裝置將該目前視訊全像的該全像影像資訊分佈到全像影像區段，並且結合這些全像影像區段到多個全像影像投影器。
如申請專利範圍第1項所述之全像影像投影系統，更包含了全像影像側的光波分離裝置以分離由一全像影像投影器所產生的一光波，且該光波將該景象的該目前視訊全像之資訊帶出以形成多個部份光波，該多個部份光波透過不同光波行進方向中的不同出口位置而離開該光波分離裝置。
如申請專利範圍第9項所述之全像影像投影系統，其中，該光波分離裝置包含了可調整光波追蹤裝置，其依據該目前的眼睛位置來調整每一個部分光波的所有出口位置和對應的行進方向。
如申請專利範圍第1項所述之全像影像投影系統，其中，該投影裝置將水平錯開的部份光波之一結構投影到該顯示螢幕的該螢幕區段上。
如申請專利範圍第1項所述之全像影像投影系統，其中每個調變區段的大小尺寸是受到規範的以使得藉由該投影裝置而被指向該對應螢幕區段及將該螢幕區段呈像在該眼睛位置的調變後部份光波具有寬度不會大於可視區域的一寬度。
如申請專利範圍第1項所述之全像影像投影系統，其中，該全像影像投影器的行進方向與出口位置受到改變以使得該調變後的光波透過該顯示螢幕而被指向一目前的眼睛位置。