TWI435114B - Full view of the monitor - Google Patents

Description

全像直視顯示器

本發明係為一全像直視顯示器，其包含至少一個具有調變器單元的可控制空間燈光調變器以及一組變跡遮片陣列，而其中的調變器單元可繞射光線。本發明係亦為一迭代程序，並可針對變跡遮片確認其變跡函數。

本發明可應用於光電顯示器，使該顯示器能有較大的顯示面積且/或能有較淺之深度；如針對電腦、電視、手機或其他類似具有資訊顯示功能的直視顯示器。

可控制空間燈光調變器(SLM)的單元是由主動控制調變器區域，以及位在其間的非主動區域(連接處、單元邊界)組成。單一調變器單元的兩種空間組成面積的關係稱為填隙因子。非主動區域係為一固定的柵狀結構，光線將因該結構而產生繞射。當空間燈光調變器受到相干或部分相干光照射時，繞射的光線將產生其獨特的多輻射干涉現象。空間燈光調變器的繞射遠場將透過複合振幅傳播或空間燈光調變器的振幅反射而產生。非主動區域將會視各光調變器種類而進行預設並確定其獨特性。在該區域的繞射作用會產生高度的繞射級，而該階則會影響光學系統的功能性與其品質。

當高繞射級與真實影像或全像重建結構重疊時，高繞射級會讓光學系統的功能性，以高度行進或雙影像的外形，因照射在遠場 中形成的光調變器像素而產生不利的影響。眾所週知，能有效抑止光調變器中調變器單元的高度繞射級的設備為空間過濾器，而該過濾器將會按照跟隨光調變器的光學系統的中間焦點來進行排列。空間過濾器僅會讓期望的繞射級穿過，而其他的繞射級將會藉由如同遮光片而設計的空間過濾器擋下。而本過濾器設備的缺點在於，在光射線途徑上的中間成像或是中間聚焦必須透過光調變器發生。這樣一來，一方面光學系統的深度將會明顯地變大。再者，光學系統(透鏡或鏡片)的孔徑(開口)亦必須近似光調變器的大小。這樣的限制便會減少現有空間過濾器應用在相對較小的光調變器以及類似的投影顯示器上的機會。

變跡是一種光學過濾程序，藉此，具有高階的繞射圓盤外緣將會將會受到抑制。舉例來說，上述情形可透過經過分辨率而使影像對比度變佳的成像系統來實現，如將特殊的分布過濾器設置在光射線途徑的遮片上。

調變器單元的變跡行為可以透過變跡函數t_SLM-Pixel(x,y)來進行。一般而言，變跡函數將根據不同的應用狀況來進行計算，且應落實於遮片或過濾器上。此外，在相關文獻中，亦記載著許多可進行分解且著名的變跡函數。除了餘弦函數(Cosine)或三角函數外，還有變跡函數，該函數是因為Blackman、Hamming或Welch的名字而著名的。變跡函數替一般的變跡動作會產生的問題提供了適當的解答。

在申請者的DE 10 2006 030 535 A1的文獻中，已說明變跡函數可應用在具有像素陣列之空間燈光調變器的投影設備中。像素經過變跡後，將進行空間燈光調變器的光線調整。為此，將先調整具有適宜函數的平面相干光波，使其根據自有的週期性而能配 合調變器的像素結構。

在可產生全像重建影像的全像直視顯示器中，可控制光調變器將會受到入射相干光的照射，並分別針對遠場裡的各個眼睛產生可見區域(也稱為視窗)。高繞射級的光線強度將可到達鄰人的可見區域內，且會干擾其觀察重建影像。目前，在變跡的基礎下，仍無法有效地在可見區域內減少高繞射級所造成的干擾。

眾所皆知，變跡行為必須按照透過光調變器設備而確定的框架條件來進行，才能確保其效力。

整體而言，現階段的技術有著以下的缺點：為了能產生相似度極高且亮度幾乎完全忠實呈現的全像重建影像，則必須讓高繞射級有目標性地減少到至少一個預定的區域內。該區域應落於觀察者層，且坐落於確認之位置上。此外，還應該額外地大幅減低落於鄰人眼睛內的繞射級。

另外，運用傳統變跡函數無法執行但本發明得以完成的應用方式還包括在非零階的繞射級下，提高相對光線之強度。

本發明的目的在於：全像直視顯示器中，在由調變器單元形成的可控制空間燈光調變器的遠場內，透過變跡動作來減少因為調變器單元所產生的高度繞射級，而其中所談到的光調變器亦為光學系統的一個組件，但不涵蓋透過空間過濾器而形成的過濾行為。

上述的困難點應該可以透過變跡遮片陣列而解決。因此，光調變器應該先針對不同繞射相干光的繞射級來確認各個不同的強度分布。

同時，其他的問題應該得以透過藉由調變器單元而產生的干擾效應而獲得排除，其並改善光學系統的呈現品質。

此外，還應調整變跡函數的持續變化狀態，並在變跡遮片中， 調整透過在個別層級內具有非連續值的調變器單元而產生的變跡函數。

另外還須整體調整變跡函數，而使針對不同應用情形所做的修改能夠達到確實有效且符合技術的狀態。

全像直視顯示器的傳輸應減少至極微小的數量。

本發明之目的應可透過全像直視顯示器而獲得解決，其包括：- 至少一個具有可繞射光線之調變器單元矩陣的可控制空間燈光調變器，該光調變器可在光調變器的遠場內實現個別預先定義之強度變化，- 一變跡遮片陣列，其中每一個調變充足相干光之相位及/或振幅的調變器單元均配有一個變跡遮片- 至少一組預先給定的調變器單元組，且這些調變器單元的變跡遮片包含相同的變跡函數，- 為至少一組調變器單元設定之一複合振幅透明度，該複合振幅透明度可根據待實現之預先定義的強度變化調整該組調變器單元的變跡函數，其中該預先定義之強度變化包括降低至少一較高繞射級之光線強度及/或減少光調變器發射之干擾光線。

為了能達成複合振幅透明度，提供下列足以達成全面性的過濾函數T，透過此函數T以及方程式T(x,y)=A(x,y).exp[iφ(x,y)]可產生振幅A以及相位φ。該方程式解釋透過變跡遮片而形成之電磁波，在振幅及相位的變化情形。

在本發明中，變跡遮片的變跡函數會造成至少在一維方向上不 連續之複合振幅透明度的值及/或相位變化。舉例來說，變跡函數會在至少一維方向上，使在調變器單元中間的複合振幅透明度達到最大值，且該值會隨著接近邊緣的程度而逐漸遞減。

在計算變跡函數時，需要提供要執行變跡動作之調變器單元的外形、大小與幾何關係，以及已存在的複合振幅透明度情形。此外，還須提供輸入參數、像素強度、填隙因子，如外形，以及像素孔徑的位置等的基本資訊。若個別調變器單元的填隙因子FF>0.5且調變器單元的面積不夠小時，則可透過選擇個別調變器單元轉換的變化行為，而使視窗的高繞射級強度不至於重疊且干擾鄰人眼睛所見之視窗。

變跡函數在不連續的取樣點是由數值確定，這些數值描述在這些取樣上的複合振幅透明度點，其中這些取樣點彼此均間隔一間距，且該間距可透過變跡遮片進行空間分解。

全像直視顯示器的執行方式如下：其中由至少兩個可控制之光調變器形構成一層狀裝置，其中每一個光調變器均具有本身的變跡遮片，或是該至少兩個光調變器具有一共有的變跡遮片。

在全像直視顯示器中，除了這至少兩個可光調變器外，還有另外一個作為電濕潤單元所需之稜鏡陣列使用的光調變器。電濕潤單元的稜鏡陣列則可分配到一組變跡遮片或與其進行連結。全像直視顯示器中，變跡遮片陣列的位置並非固定不變的。

預先給定之調變器單元組的變跡遮片可以在一繞射光之遠場的預截面調整具有預定之強度值的強度變化。其中遠場之預截面在至少一維上只能具有負繞射級或正繞射級。

所有針對相同應用狀況而設置的調變器單元亦有相同的變跡函數。

另外，本發明還可應用於執行3D影像重現的全像直視顯示器，其中各調變器單元被分配至一個位於左側與一個位於右側的觀察者眼睛，同時預先給定之調變器單元組在觀察者與光調變器間的間隔區域內構成產生對應於各觀察者眼睛的可見區域，其中透過變跡遮片調整的一個組再另外一個組的觀察者眼睛的強度變化會達到最小，反之亦然。

此外，變跡遮片具有一變跡函數，且該變跡函數之複合振幅透明度是一有定值的可變相位函數。除此之外，還有另一個使用的方式，也就是藉由變跡函數而使變跡遮片得以減少干涉光，而該複合振幅透明度則可同時進行使用。雙位性的變跡遮片極適合與電濕潤單元合併使用，以減少在單元外緣產生的相位干擾的情形。

此外，當使用某種對於填隙因子有用處的變跡函數時，雙位性遮片陣列便可以以人工方式減少電濕潤單元的填隙因子。

為了能有效地確認變跡函數，則須設置一迭代程序；該迭代程序是作為在一處理器中的運算程序被執行，且該處理器的運算結果可隨時從儲存單元中被取出。

舉例來說，迭代程序包括傅立葉轉換程序，而且是在光調變器平面與光調變器在遠場之傅立葉平面之間進行轉換，其中在調變器單元上繞射的光線可趨近在遠場之預定截面上的預定強度值。

和變跡遮片類似，全像直視顯示器亦包括純振幅遮片陣列以及純相位遮片陣列。振幅遮片可以透過投影微影術、干涉微影術或灰階微影術來製作。此外，還須曝光光敏感材質(如全像底片)，而且在該材質上執行的曝光作用需為平面的或點狀的。或者也可透過電子射線在HEBS玻片(高能束敏感玻片)上，或是透過雷射射線在LDW玻片(雷射直寫玻片)上進行直接曝光。另外還可透過數位 壓力來產生此效果。

相位遮片可透過在聚合物或玻璃內產生表面輪廓或調整折射率的方式來製作。因此，也同樣必須將光敏感材質(如光阻劑)進行曝光。在此材質上的曝光行為應保持平坦，而透過接合多個平面區域便可形成變跡遮片。此外，還可透過同樣的平面接觸曝光或近側曝光，或是透過投影微影術來形成變跡遮片；藉此，各區域便可進行接合而成為變跡遮片陣列。另外還可透過注入鋰離子造成玻璃材質的部份離子交換作用而產生變跡遮片。

透過上述程序亦可將振幅遮片轉化成為相位遮片。

產生遮片的過程還包括之前未描述過，但專業人士應在觀察區域內執行之程序。

在接下來的執行方式下，全像直視顯示器可作為全像彩色顯示器使用，其中任一個配屬於一個原色的調變器單元均可構成一組預定的調變器單元。遠場的預截面包含一具有相同繞射角之區域，以使所有原色得以將強度值降到最低。

此外，本發明還可透過另一種求取變跡遮片之變跡函數的方法，其中位於一陣列中的變跡遮片係配屬於可控制空間燈光調變器的調變器單元矩陣，這種方法的特徵是在迭代程序步驟中完成。

本程序步驟如下：- 求取一預定之調變器單元組之繞射級位置，- 給定在優先的繞射級或遠場截面的各個預先定義之強度變化，- 確定預定之調變器單元組的一個單一調變器單元的起始變跡函數， - 逐步地優化變跡函數的複合振福透明度，以趨近在優先的繞射級或遠場截面之預定的強度變化。

為確定在調變器單元之孔徑內及孔徑外的取樣點的數量，以測定調變器單元的複合振幅透明度，將在相同數量之取樣點上的複合振幅透明度的傅立葉變換式的值平方，以測定遠場內的強度變化，逐步優化變跡函數的複合振幅透明度，其步驟如下：- 將調變器單元之孔徑外的取樣點值調整為0，- 在遠場的傅立葉平面上執行複合振幅透明度的傅立葉轉換，- 在優先的繞射級或遠場截面將取樣點振幅調整到一定值，該定值相當於在此取樣點上的預定強度值的平方根，- 在光調變器的平面上執行遠場之複合值的傅立葉反轉換。

本發明係關於一個至少有一組可控制空間燈光調變器的全像直視顯示器，而該顯示器包含以陣列方式排列的調變器單元，且各調變器單元均分配至一個具有變跡函數的變跡遮片。光調變器可以調整入射相干光的相位與振幅。在光調變器中的相位值與/振幅值可以呈現其全像圖；藉由該全像圖則可在全像直視顯示器中重建一3D物體。此外，光調變器與變跡遮片可產生許多不同的組合。舉例來說，可以將僅能調整相位的光調變器和僅能變跡振幅的變跡遮片結合，反之亦然。一般的情況下，光調變器與變跡遮片均為進行全面性調整的必要設備。

本發明中所述之針對調變器單元的變跡遮片的變跡函數確認將以下列情況為基礎：除了已確定的輸入值外，還需要提供針對所需參數的目標值。此外，還需要在光調變器的遠場內特別準備一個全面性的振幅，其將根據光調變器的傅立葉平面而定。該複合振幅將藉由光調變器中的傅立葉轉換而形成於遠場內。

另外還須特別在傅立葉平面內預定光線強度之參數。該光線強度應從優先繞射級開始逐漸降低，或是僅在優先繞射級的選定區域內逐漸降低。調變器單元的主動區域外形將影響在遠場或是在傅立葉平面內的繞射級位置。因為觀察者眼睛均位於全像直視顯示器附近，故針對左眼而確認且在光調變器內控制的全像圖繞射級將會亦入射進右眼眼中，而重疊且干擾在右眼成像的全像圖，反之亦然。

在變跡遮片中，根據前述確認值而計算出的變跡函數將會藉由光調變器與變跡遮片的調變器單元結合，而可以以下列方式調整入射光線：也就是讓在傅立葉平面中的強度值近似已定的強度變化情形或是根據這變化情形而定出強度值。

另一個變跡函數的參數則是具有固定振幅的相位函數。與光調變器相關的非具體參數將會藉由本發明中所述的程序，透過針對變跡遮片而進行的變跡函數確認而達到最佳化。

在本發明的執行過程中，需要迭代程序來逼近目標值且藉由強度變化的優化行為來確實達到該值。

變跡遮片將以陣列的方式進行排列，且在最理想的情況下，盡可能在至少一個光調變器調整過後的光學層上進行排列。該陣列不是直接地如同附加物般，設置在至少一個光調變器的該層前面或後面，就是整併在至少一個光調變器的玻璃蓋殼上。在調變器 單元的主動區域間的連接處則根據變跡陣列的影響來進行設計。而變跡遮片則根據調變器單元的既定排列來進行配置。

根據執行範例所述，除了可以進行3D場景全像圖值編碼的光調變器外，本全像直視顯示器還包括其他亦可作為光調變器的由電濕潤單元所形成的稜鏡陣列，該陣列可藉由調整波前的相位與振幅而將該波前調整至其應屬的行進方向。

第1a圖以平面圖的方式，描繪現有技術下，不具有變跡遮片的全像直視顯示器。1即為該全像顯示器；2l與2r均為3D場景中的物點5的重建光束；3l與3r是針對觀察者的左眼與右眼所發射出且如同視窗的可見區域；4則是在可見區域3r中，針對觀察者右眼所產生的強度分布。重建光束2r的強度分布4將與其相關的高繞射級一同表述，而該高繞射級會造成影響觀察者右眼的干擾情形。

第1b圖以平面圖的方式，描繪具有變跡遮片的本發明所述的全像直視顯示器，而該顯示器亦以1’為表示。物點5的重建光束2r將在可見區域3r內，針對觀察者右側眼睛而形成一強度分布4’。在觀察者左側眼睛處，強度分布4’的高繞射級將會減少，因此便不會干擾到觀察者的左側眼睛。

第2圖以圖表方式描繪一個讓調變器單元產生變跡遮片作用的變跡函數。該變跡函數可根據預先決定值以及受到繞射的光線，而規律地以相對於繞射級±2級的方式減低繞射級。該計算範例僅成立於一維方向。一般的情況下，在進行計算時，應考慮在兩個維度方向上的調變器單元平面區域。在本範例中，調變器單元的形狀以及傳遞的模式都假定為矩形。

在進行變跡函數計算時，須特別確認光調變器中兩個接鄰調變 器單元之間的間距。藉此，當各個高繞射級減低時，才能確認各階在調變器單元中的確切位置。但當在各繞射級的相近區域內的強度均減低時，則該間距就變得不這麼重要了。

在以光調變器間距為D的前提下所定義的位置上，在一維方向上的繞射級的區域D λ/p，λ為光波長，p則是在同一個群組中的同一維方向上，兩個相鄰調變器單元中心點的間距。

第3圖為在光調變器的傅立葉平面中，包含以及不包含變跡遮片的單個調變器單元繞射圖，並以對數刻度來顯示其振幅值。

曲線K1所顯示的值變化，呈現出在無變跡函數下進行之計算結果的繞射圖，通常變跡函數可視為針對矩形且穩定經過調變器單元孔徑的傳輸動作的sinc函數。

在上述的傳輸過程情況下，需將所有在調變器單元孔徑內的測試點的振幅調整至1，而這樣的傳輸過程也將作為迭代程序的開始值，且曲線K2也將利用該開始值而進行計算。若調變器單元的孔徑和單元間距的大小相同時，則區域sinc函數的兩個最小值的間距就等於繞射級。若孔徑比單元間距小時，則繞射級便小於孔徑與單元間距的比值。

曲線K2描繪在傅立葉平面上，在迭代程序下計算出的數值變化情形，該數值變化亦是第2圖變跡函數的計算結果。迭代函數可分為5個迭代步驟，且將使用根據變跡函數計算之結果。

和K1的變化情形相較，K2的中間左右兩側的高繞射級強度明顯較低。因為正向與負向繞射級均呈現對稱型減少狀態，故計算結果亦呈現出在變跡函數下真實的振幅值，或稱強度值的分布狀況。

在第一個變跡遮片的範例中，此變跡函數亦可有效地穩定減低 高繞射級。而計算結果的品質也和透過熟知的分解用變跡函數所得到的變化情形類似。該範例顯示，迭代程序亦可應用於一般情況。應用迭代函數的優點在於可調整變跡函數，該優勢將會在第二個執行範例中作更詳盡的說明。

第4圖到第6圖即為變跡遮片的第二個執行範例，在這變跡遮片上將會執行僅減少負向高繞射級的變跡函數。

該執行範例可應用於具有光調變器的全像直視顯示器；藉此，將分別使用兩組調變器單元組來針對左眼以及右眼形成一可見區域。

在使用全像顯示器的光調變器來產生重建影像時，傅立葉平面亦同時是可看到重建影像的可見區域面層。透過各調變器單元組的優先正向繞射級，可確認左側可見區域對右眼所造成的干擾。右側可見區域對左眼所造成的干擾則可透過調變器單元組的負向繞射級而進行確認，也就是說，只需要針對該些單元組進行降低負向繞射級的動作即可。

在第4圖中，則以圖表的方式描繪在傅立葉平面中，以1為標準並透過變跡函數(曲線K3)的餘弦變化來減少繞射級的繞射影像數值變化情形；並亦描繪在減少負向繞射級(曲線K4)下的迭代計算結果。

曲線K4的強度變化情形的計算將在迭代過程中完成。藉此，可如同使用餘弦變跡函數而近乎良好的減低負向高度繞射級。正向的高繞射級將如同透過無變跡動作的矩形傳播變化而受到強大的壓迫，也就是如第3圖的sinc函數K1。

由於在高繞射級中會遺留剩餘強度，而使在此執行範例中負向階並無實際應用上的優勢。只有在觀察調變器單元的變跡變化， 且該變跡動作確實降低負向階時，才會顯現出該優勢。

第5圖與第6圖以圖表方式描繪出根據第4圖而產生之調變器單元的綜合值的變跡函數的振幅與相位變化情形。

在第5圖中，除了綜合值的振幅變化曲線M4外，還描繪出餘弦變跡的振幅變化曲線M3。在餘弦變跡狀態下，調變器單元的相位為定值。餘弦變跡函數所產生的振幅變化則會使調變器單元邊緣區域內的光線被吸收。整體而言，透過藉由變跡作用而產生的變跡遮片可有效地減少調變器單元的整體傳播情形。當變跡行為僅作用於一維方向時，整體傳播情形將剩50%；若進行二維餘弦變跡行為時，則整體傳播情形僅剩25%。該50%的整體傳播會使中間值的餘弦函數平方(強度=調變的平方)落在-π/2與π/2之間。而在高階的光線強度則會減少到近似為零度的繞射級；所有的繞射強度中，也包括零度繞射級，強度減少則會被視為其缺點。但該情形無法在第4圖中觀察得知。為了要明確地比較出高階的降低情形，振幅變化狀態將以1為標準。

和上述情況相比，透過迭代程序產生的變跡函數可造成明顯較高度的傳播行為。在第5圖中的調變器單元中間區域，曲線M4的振幅與其強度均接近1，而越接近邊緣則該值便會逐漸降低。

在高度繞射級中，限制該層級的減少量會產生良好的結果，而且不會造成在其他繞射級中強度損失的缺點。

由此可知，變跡函數具有其使用價值，因為當其進行高階的減少時，並不會同時影響零階。

在沒有這個創新的迭代程序之前，透過繞射級對稱作用，變跡函數將會降低所有的正向高度繞射級；因此，變跡函數的振幅變化將會相等，但調變器單元內的相位變化則會是鏡射結果。

在具有光調變器的全像直視顯示器中，將各應用一組調變器單元，來替左眼與右眼分別產生一可見區域；若要達到該目標，則需針對所有的調變器單元，讓變跡遮片產生如第5圖中的振幅變化情形。而相位的變化情形，則需要讓一組調變器單元擁有如第6圖所繪之變化情形；且讓另一組單元擁有相較之下為鏡射狀態的相位變化情形。

以上之解釋僅為摘要版本，因為變跡函數的調整變化無法透過一個方程式便可簡單計算完畢。第二個執行範例則解釋，在一般情況下，此程序亦可應用於尚未有可分解變跡函數的情況。

當並非降低所有正向或所有負向的高度階，而僅降低優先繞射次序時，亦可為一種變跡函數的優化方式。在所謂的全像直視顯示器中，該情形會特別發生在鄰人眼睛可見的繞射級上。

到底上述的階究竟是哪些，這將會透過參數，如調變器單元的單元間距，以及預定的觀察者相對於顯示器的距離來決定。舉例來說，該情形可發生在+3與+4或-3與-4階之間。

在全像直視顯示器中，且調變器單元並未固定與左側或右側眼睛產生連接時，則可以下列方式來進行變跡函數的計算：也就是讓所有調變器單元用同樣的方式，讓優先階如+3和+4以及-3和-4的方式進行降低的動作。該方式適用於針對左眼和右眼有時間順序排列的全像圖影像；此外亦可用於顯示器中，以進行觀察者追蹤行為，但該追蹤行為還需具備一個針對某個觀察者位置而分配給該觀察者左眼，且針對另一個觀察者位置而分配給其右眼的調變器單元。因此藉著調變器單元，可有效地減少進入兩側鄰人眼睛的干涉行為。

與同時減少高繞射級的情況相較，上述的變跡函數具有較大的 優勢。

第7圖中的曲線K5顯示在傅立葉平面中，能有效減低優先繞射級(箭頭標示處)區域且以1為標準的繞射圖數值變化情形。在此所達到的減低程度，比第4圖以餘弦變跡方式所繪之曲線K3來的好。

第8圖中的曲線M5為在第7圖中透過一調變器單元所產生的振幅變化情形。因為該對稱變化情形，使本變跡函數重新有其實際價值。此處的相位恆為零。

使用沒有變跡遮片的調變器單元時，該轉換程度約為62%，其高於使用餘弦變跡方式的50%。

在其他應用迭代計算且具有預定目標值的方式下，亦可成功地提高優先繞射級的強度值。

第9圖為具有規律排整光調變器之調變器單元的截面圖，該圖亦結合具有一維方向計算之變跡函數的變跡遮片。此處的一維方向，即變跡函數的振幅值與相位值僅在一個方向進行改變；因此，對於調變器單元上不同的位置來說，水平以及和其法線方向相同的垂直，具有一樣的意思。

除此之外，在本範例中還有一調變器單元組；也就是說，在此組內所有的調變器單元都有相同的變跡函數。

第10圖為具有規律排整光調變器之調變器單元的截面圖，而這些單元則組成兩組調變器單元組。

針對這兩組單元組所產生的變跡遮片包含一個不同的以及一個以二維方向進行計算的變跡函數。

該些調變器單元組可應用在許多地方，且可依照不同族群來分別進行變跡函數的計算。

在此的二維方向，即變跡函數的振幅值與相位值均會隨著在調變器單元內的兩個方向，水平與垂直，而產生改變。

第11圖以二維方向的灰階輪廓來繪製正方形調變器單元的繞射圖，該圖可藉由一個二維方向的變跡函數來完成。相對較亮處則以非線形方式重現。該圖示為在優先繞射級中，減少其區域的範例。

和第10圖類似，僅有部份繞射級會產生降低的狀況，這裡所稱的部份繞射級則是在全像直視顯示器中，且當鄰人左眼或右眼為零階時，另外一隻眼睛可接觸到的繞射級。此降低繞射級區域的垂直方向將受到限制，且在圖中，該區域將以塗黑矩形的方式標示出來。其結果可透過具有77%傳播能力的變跡函數來達成。

另一個範例則是應用具有不同變跡函數的調變器單元組來進行3D物體的彩色描繪。

對於許多類型的光調變器來說，可透過將不同原色的調變器單元進行空間重疊而重現其色彩，這些原色通常可透過紅色、綠色或藍色的色彩過濾器來取得。藉由將這些色彩進行空間重疊，可使各原色的調變器單元組合成一個預定的群組，且能替這些群組分別確認出其不同的變跡函數。

在應用相干光時，須特別注意確認變跡函數的步驟，繞射級的寬度應和波長成比例變動。

在具有針對左/右眼所設的可見區域的全像直視顯示器內，且若要在顯示器內的可見區域間透過變跡遮片來改善干涉現象時，則針對鄰人眼睛接收到的紅色、綠色和藍色光的不同高繞射級情況便須有其對應的不同位置。若要能有效且準確地執行繞射級的減少動作，則必須要在傅立葉平面中，針對具有不同理論值的各 原色的調變器單元組，來計算變跡函數。

在色群中，光調變器的調變器單元分布將會與不同的族群分佈相互合併。當在3D顯示器中，特別將固定的調變器單元與左側或右側眼睛作連結時，則該些單元會針對紅色光以及左側眼睛而形成一個群組，且會針對該群組而確定一變跡函數。

本發明的優點如下：為了能在全像直視顯示器中，確認至少一個光調變器的調變器單元組的變跡函數，則在處理器中的迭代程式僅可有一次離線行為。和其他的迭代運算法應用情況相反，在此處的運算消耗以及所需的運算時間並不重要。

接下來則描述替變跡遮片確認最佳化變跡函數的程序，而內可整合迭代程序的一個空間可控制光調變器則需對應多個規則排列的調變器單元。

之後，在優先的繞射級或區域內，為了能完成迭代程序，將針對根據光線路徑而確認的位置來如同理論值般地進行強度值定義。

在和開始變跡函數一樣地確定變跡函數後，將根據既定調變器單元組的單元外形與大小，並透過在調變器單元內外的光柵內的取樣點數量來確認調變器單元的傳播變化情形。一般來說，在傳播變化情形中，不管是振幅變化情形或振幅與相位的變化情形都會被視為全面性值。

取樣點的光柵將與分辨率有關，如果產生過程的像素分辨率受到限制時，將可藉由該分辨率技術性地確定調變器單元的傳播變化情形。最理想的情況則是分別盡力爭取相似的傳播變化情況。

舉例來說，60 x 60μm大的調變器單元，將在二維方向上，分別透過60個取樣點來達成，而透過該單元，則可產生分辨率為1μm 的傳播變化。

若要機械化地產生連續傳播變化，則需再透過取樣點進行計算時，使該些傳播變化變得更類似。

在調變器單元內產生傳播變化的取樣點，必須具有一相位及振幅的起始值。在最簡單的情況下，該值將會是在調變器單元孔徑內的傳播1的矩形函數，或是一個其他熟知的分解變跡函數。

在調變器單元孔徑外，不存在傳播情形，因此該處的取樣點將設為零。透過確定此開始值，則可準備開始變跡函數，該數將透過迭代程序而達到最佳化。在此，還須特別使在光調節器中傅立葉平面的強度值分佈亦達到最佳化。

從光調變平面中所產生的相位值與振福值將會轉換至傅立葉平面中；因此該傅立葉平面會將振幅值或綜合值分配至各繞射級中。

在進行傅立葉轉換的計算時，在傅立葉平面中應進行繞射級計算的數量應根據在調變器單元(孔徑與單元邊緣)內的綜合值數量來決定；而在傅立葉平面中，在繞射級內的綜合值數量則應根據調變器單元內，整體取樣點和取樣點間的關係來決定。

在傅立葉平面中，在既定繞射級或一個區域內的振幅值或綜合值可用理論值取代；而在餘留的繞射級內所謂的值則是透過轉換獲得，將會在光調變器平面中進行回覆變換。

在光調變器平面中，透過回覆變換而計算出在調變器單元孔徑內的振幅值或綜合值，均可轉用到下一個迭代步驟；在調變器單元孔徑外的振幅值或綜合值則將調整為零。

因此，在傅立葉平面中，將透過具有定值之轉換動作而開始之後的迭代步驟。

迭代程序將在進行完固定數量的迭代步驟後，或是在達到中止標準後結束。

若要確認是否達到中止標準，則需在進行替代的傅立葉平面中，將在高度繞射級的理論值與實際值拿來進行比較。當理論值與實際值的偏差值並未超過一定的門檻，則該跌代動作便可結束。實際值亦稱為綜合值，該值是在光調變器平面與傅立葉平面中，在這兩層內且在迭代步驟裡的傅立葉轉換計算結果。

在迭代過程的步驟中，則需要加入以下條件。舉例來說，需事先量化在調變器單元中的振幅值與相位值；且捨棄針對調變器單元內的取樣點而在各迭代步驟中產生實際值，而在變跡函數中將採用和實際值有些微差距的量化值。

將振幅的實際值進行標準化較具有優勢，藉此，便可根據量化值確認該值區域。透過除以振幅最大值，可讓標準化的區域落於0和1之間。

當在針對變跡遮片的特定生產程序來計算變跡函數時，且藉由該程序而產生固定的不同灰值或相位值的數量時，則量化變跡函數的計算過程將會顯得格外重要。另外的特殊情況則發生在雙變跡遮片，因為該遮片僅有黑色和全透明兩種截面，故僅有兩個量化階層。

在執行該程序的變形應用時，則需假設變跡函數便是一個純相位函數。相位函數具有以下優點：透過變跡遮片而使光調變器轉換保持並不會產生降低的情形。在針對相位函數的情況下，在各迭代步驟中且位於取樣點的調變器單元孔徑內，將使用整體實際值的相位，且會將其總數調整為1。

為了要僅減少負向或正向階，則需使用純相位函數。和第4圖 中的曲線K4相較，在該繞射級中，純相位函數可提供較大的剩餘強度值；且不會產生光調變器轉換減少的狀況而影響其得到的結果。

另一個中止標準的可能情況便是將一個最小值設為相位。

合適的方式為：在進行產生變跡遮片的程序時，應針對調變器單元大小來決定要進行計算之取樣點，而其間距將可符合該遮片的空間分辨率或是略大於該分辨率；因此，透過內插法便可將變跡遮片產生於取樣點之間。

迭代函數應用在確認變跡函數時的優點為：將可計算在各種應用情形下的最佳變跡函數且將其應用在變跡遮片上。標準變跡函數僅可普遍地減少所有在高度繞射級的光線強度；通常，這種方式產生的已降低過的強度將會高於針對特定高繞射強度進行優化而產生的強度。

此外，與標準變跡函數相比，透過針對各種應用方式而進行優化動作所得出的變跡函數，可有效地避免在更微小區域內進行的光調變器的傳播。

藉由確定的變跡函數而產生的變跡遮片可在可控制光調變器內有效地形成預定之振幅透明度，且亦可減少其高度繞射級。此種光調變器將存在於全像直視顯示器中，且可在傅立葉平面中分別針對左/右眼形成可見區域；或是存在於立體顯示器中，並可針對各觀察者眼睛來產生進行空間物體重建。在應用於後者顯示器時，須具備相干光照明。藉由變跡函數，可減少在可見區域內或在左/右眼間的立體影像干擾情形。

若在上述提到的顯示器中，產生與觀察者保持一定距離的可見區域的空間重疊時，且若調變器單元分別固定配合觀察者左眼或 右眼時，則會調整調變器單元組，使各群組的繞射光線得以在傅立葉平面上產生對應各觀察者眼睛之可見區域。藉此，當其中一組單元組和另一組單元組所配合的觀察者眼睛保持既定的距離時，將調整該組單元組的光線強度至最小程度，反之亦然。在此情況下，針對觀察者左側眼睛而設置的調變器單元組和針對右側眼睛設置的調變器單元組，將有不同的變跡函數。

此外，將針對可控制光調變器的調變器單元來設置變跡遮片，透過該些遮片，可讓光調變器具有優勢地針對繞射相干光的各繞射級而完成各別的強度分布任務。藉此，各變跡遮片將會尋找到其適合的變跡函數，而變跡函數中的光線強度理想值則是根據已定的高繞射級，用簡化過之方法進行計算。用這種方式調整過的變跡函數可技術上地應用在變跡遮片上。此外，和在各階上使用不連續值且透過調變器單元而產生的變跡函數一樣，亦可將變跡函數的連續程序應用在變跡遮片上。

透過本發明，可以在調變器單元上或變跡函數上，挑選出不需透過分解函數來進行描述的振幅與/或相位變化情形。

本發明較具優勢的原因在於可透過簡單的函數(餘弦函數等)，或是用僅雙階的簡單方式來進行變跡動作。

此外，在調變器單元內，會產生干擾的邊緣作用將可藉由變跡後的強度變化或相位變化而進行排除，藉此，調變器單元的邊緣則會變深或是被去除。因此，在可見區域內的重建影像品質也會獲得改善。

本發明可應用在具有液晶單元的調變器內，或是應用在電濕潤單元或其他種類單元內。因此，光調變器以及與其相關的全像或自動立體顯示器便能夠以反射或傳遞的方式進行運作。本發明內 所述的顯示器均為直視顯示器。

在基於微機電系統且以反射方式產生的偏移反射鏡陣列的情況下，如光調變器，將須設置一組變跡遮片陣列，藉此，便會對應各反射漸變行為而進行調變器單元分配。

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區域，因此，提出申請專利範圍如附。

1‧‧‧全像顯示器

2l‧‧‧重建光束

2r‧‧‧重建光束

3l‧‧‧可見區域

3r‧‧‧可見區域

4‧‧‧強度分布

5‧‧‧物點

1’‧‧‧全像顯示器

4’‧‧‧強度分布

第1a圖：在沒有變跡遮片之現有技術下的全像直視顯示器的示意圖，第1b圖：具有變跡遮片之本發明所述的全像直視顯示器的示意圖，第2圖：針對一個調變器單元，並以相對於繞射級±2級的等減方式繪製出的變跡函數振幅變化圖表，第3圖：在傅立葉平面中，以含有迭代程序和沒有迭代程序而計算出的繞射級強度圖表，第4圖：在傅立葉平面中，以餘弦變跡函數以及僅負向繞射級遞減的方式而迭代繪出的強度圖表，第5圖：餘弦變跡函數的振幅變化圖表，以及根據第3圖所繪之調變器單元的迭代全面性變跡函數振幅變化圖表，第6圖：根據第3圖所繪之調變器單元的變跡函數全值振幅變化圖表，第7圖：在傅立葉平面中，針對正向與負向繞射級區域減少而繪製的強度圖表，第8圖：根據第6圖所繪的調變器單元的變跡函數振幅變化圖表，第9圖：所有調變器單元均有相同變跡函數時的一變跡遮片陣列執行示意圖，第10圖：兩組調變器單元組分別有不同變跡函數時的一變跡遮片陣列執行示意圖，第11圖：在二維繞射圖上，優先繞射級減少的示意圖。

1’‧‧‧全像顯示器

2l‧‧‧重建光束

2r‧‧‧重建光束

3l‧‧‧可見區域

3r‧‧‧可見區域

4’‧‧‧強度分布

5‧‧‧物點

Claims (23)

1. 一種全像直視顯示器，包括：- 至少一個具有可繞射光線之調變器單元矩陣的可控制空間燈光調變器，該光調變器可在光調變器的遠場內實現個別預先定義之強度變化，- 一變跡遮片陣列，其中每一個調變充足相干光之相位及/或振幅的調變器單元均配有一個變跡遮片，- 至少一組預先給定的調變器單元，且這些調變器單元的變跡遮片包含相同的變跡函數，- 為至少一組調變器單元設定一複合振幅透明度，該複合振幅透明度可根據待實現之預先定義的強度變化調整該組調變器單元的變跡函數，其中該預先定義之強度變化包括降低至少一較高繞射級之光線強度及/或減少光調變器發射之干擾光線。
2. 如申請專利範圍第1項所述之全像直視顯示器，其中變跡函數之複合振幅透明度至少在一維上為非恆定變化，且該變化可以是數量上及/或相位上的變化。
3. 如申請專利範圍第2項所述之全像直視顯示器，其中變跡函數之複合振幅透明度在調變器單元中間達到最大值，且該值會隨著接近邊緣的程度而逐漸遞減。
4. 如申請專利範圍第2項所述之全像直視顯示器，其中變跡函數的計算與調變器單元的形狀、大小、幾何關係以及原本的複合振幅透明度有關。
5. 如申請專利範圍第1項所述之全像直視顯示器，其中變跡函數在不連續的取樣點是由數值確定，這些數值描述在這些取樣上的複合振幅透明度點，其中這些取樣點彼此均間隔一間距，且該間 距可透過變跡遮片進行空間分解。
6. 如申請專利範圍第1項所述之全像直視顯示器，其中由至少兩個可控制之光調變器構成一層狀裝置，其中每一個光調變器均具有本身的變跡遮片，或是該至少兩個光調變器具有一共有的變跡遮片。
7. 如申請專利範圍第6項所述之全像直視顯示器，其中該至少兩個光調變器中的一個光調變器是由一具有電濕潤單元之稜鏡陣列所構成。
8. 如申請專利範圍第7項所述之全像直視顯示器，其中稜鏡陣列的電濕潤單元具有變跡遮片。
9. 如申請專利範圍第1項所述之全像直視顯示器，其中預先給定之調變器單元組的變跡遮片可在一繞射光之遠場的預截面調整具有預定之強度值的強度變化。
10. 如申請專利範圍第9項所述之全像直視顯示器，其中遠場之預截面在至少一維上只能具有負繞射級或正繞射級。
11. 如申請專利範圍第1項所述之全像直視顯示器，其中所有的調變器單元都具有相同的變跡函數。
12. 如申請專利範圍第1項所述之全像直視顯示器，其中各調變器單元被分配至一個位於左側與一個位於右側的觀察者眼睛，同時預先給定之調變器單元組在觀察者與光調變器間的間隔區域內構成產生對應於各觀察者眼睛的能見區域，其中透過變跡遮片調整的一個組在另外一個組的觀察者眼睛的強度變化會達到最小，反之亦然。
13. 如申請專利範圍第1項所述之全像直視顯示器，其中變跡遮片具有一變跡函數，且該變跡函數之複合振幅透明度是一具有定值的可變相位函數。
14. 如申請專利範圍第1項所述之全像直視顯示器，其中為減少干擾光線，變跡遮片之變跡函數具有二元之複合振福透明度。
15. 如申請專利範圍第1項所述之全像直視顯示器，其係以迭代程序求取變跡函數，該迭代程序是作為在一處理中的運算程序被執行，且該處理器的運算結果隨時可從儲存單元中被取出。
16. 如申請專利範圍第9與15項所述之全像直視顯示器，其中迭代程序包括傅立葉轉換程序，而且是在光調變器平面與光調變器在遠場之傅立葉平面之間進行轉換，其中在調變器單元上繞射的光線可趨近在遠場之預截面上的預定強度值。
17. 如申請專利範圍第1項所述之全像直視顯示器，其中變跡遮片是一種振幅遮片，該振幅遮片可藉由投影微影術、干涉微影術或灰階微影術來製作。
18. 如申請專利範圍第1項所述之全像直視顯示器，其中變跡遮片是一種相位遮片，該相位遮片可透過在聚合物或玻璃內產生表面輪廓或調整折射率的方式來製作。
19. 如前述申請專利範圍中至少任一項所述之全像直視顯示器，其中任一配屬於一個原色的調變器單元均可構成一組預定的調變器單元組。
20. 如申請專利範圍第19項所述之全像直視顯示器，其中遠場 的預截面包含一具有相同繞射角之區域，以使所有原色得以將強度值降到最低。
21. 一種求取變跡遮片之變跡函數的方法，其中位於一陣列中的變跡遮片係配屬於申請專利範圍第1項所述之可控制空間燈光調變器的調變器單元矩陣，這種方法的特徵是在迭代程序步驟中完成。
22. 如申請專利範圍第21項所述之方法，包含以下的步驟：- 求取一預定之調變器單元組之繞射級位置，- 給定在優先的繞射級或遠場截面的各個預先定義之強度變化，- 確定預定之調變器單元組的一個單一調變器單元的起始變跡函數，- 逐步優化變跡函數的複合振福透明度，以趨近在優先的繞射級或遠場截面之預定的強度變化。
23. 如申請專利範圍第22項所述之方法，其步驟為確定在調變器單元之孔徑內及孔徑外的取樣點的數量，以測定調變器單元的複合振幅透明度，將在相同數量之取樣點上的複合振幅透明度的傅立葉變換式的值平方，以測定遠場內的強度變化，逐步優化變跡函數的複合振福透明度，其步驟如下：- 將調變器單元之孔徑外的取樣點值調整為0，- 在遠場的傅立葉平面上執行複合振幅透明度的傅立葉轉換，- 在優先的繞射級或遠場截面將取樣點振幅調整到一定值，該定值相當於在此取樣點上的預定強度值的平方根，- 在光調變器的平面上執行遠場之複合值的傅立葉反轉換。