TWI659235B - 全像投影系統及在具有矩形形狀的全像的重放場中形成全像的重建之方法 - Google Patents

全像投影系統及在具有矩形形狀的全像的重放場中形成全像的重建之方法 Download PDF

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Abstract

一種全像投影系統係被提出，其係被配置以投影光至一矩形重放場。該全像投影系統係包括：一包括一陣列的像素的空間光調變器，其係被配置以接收一電腦產生的全息圖並且輸出空間調變的光，該空間調變的光係在該矩形重放場形成一全像的重建，其中每一個像素是矩形的；以及一光源，其係被配置以照明該複數個像素以形成在該重放場形成一全像的重建的該空間調變的光，其中該矩形重放場係在空間上和該空間光調變器分開的，並且該矩形重放場的寬高比係實質等於每一個像素的寬高比，但是為正交地朝向的。

Description

全像投影系統及在具有矩形形狀的全像的重放場中形成全像的重建之方法
本揭露內容係有關於一種空間光調變器以及一種投影器。更明確地說，本揭露內容係有關於一種全像投影系統、一種製造一空間光調變器之方法、以及一種操作一用於全像的投影的空間光調變器之方法。某些實施例係有關於一種用於投影光至一矩形重放場(replay field)或是在其之內的投影器、以及一種最大化在一具有一矩形形狀的全像的重放場中的影像像素的解析度之方法。某些實施例係有關於一種抬頭顯示器以及一種頭戴式顯示器。
從一物體散射的光係包含振幅及相位兩者的資訊。此振幅及相位資訊可以在例如是一感光板上，藉由眾所周知的干涉技術來加以捕捉，以形成一全像的記錄或是"全息圖(hologram)"，其係包括干涉條紋。該全息圖可以藉由利用適當的光的照明來加以重建，以形成代表該原始物體的一個二維或是三維的全像的重建、或是重放影像。
電腦產生的全息術(holography)可以數值地模擬該干涉過程。一電腦產生的全息圖"CGH"可以藉由一種基於一例如是菲涅耳(Fresnel)或傅立葉轉換的數學的轉換之技術而被計算出。這些類型的全息圖分別可被稱為菲涅耳或傅立葉全息圖。一傅立葉全息圖可被視為該物體的一傅立葉域表示、或是該物體的一頻域表示。例如，一CGH亦可藉由相干光線追蹤或是一種點雲技術而被計算出。
一CGH可以在一空間光調變器"SLM"上加以編碼，該SLM係被配置以調變入射光的振幅及/或相位。例如，光調變可以利用電性可定址的液晶、光學可定址的液晶、或是微鏡來加以達成。
該SLM可包括複數個個別可定址的像素，其亦可被稱為胞或是元件。該光調變設計可以是二進位的、多位準的、或是連續的。或者是，該裝置可以是連續的(亦即並非是由像素所構成的)，並且光調變因此可以是橫跨該裝置連續的。該SLM可以是反射的，此係表示經調變的光係以反射而從該SLM輸出。該SLM可以替代的是透射的，此係表示經調變的光係以透射而從該SLM輸出。
一用於成像的全像投影器可以利用所述的技術來加以提供。此種投影機已經獲得應用在例如是抬頭顯示器"HUD"、以及包含近眼裝置的頭戴式顯示器"HMD"中。
在此係有揭示一種改良的全像投影系統。
本揭露內容的特點係在所附的獨立項申請專利範圍中加以界定。
一種全像投影系統係被提出，其係被配置以投影光至一矩形重放場。該全像投影系統係包括一空間光調變器以及光源。該空間光調變器係包括一陣列的像素，其係被配置以接收一電腦產生的全息圖，並且輸出空間調變的光，該空間調變的光係在該重放場形成一全像的重建。每一個像素都是矩形的。該光源係被配置以照明該複數個像素以形成在該重放場形成一全像的重建的該空間調變的光。該重放場係在空間上和該空間光調變器分開的。該重放場的寬高比(aspect ratio)係實質等於每一個像素的寬高比，但是為正交地朝向的。換言之，該重放場以及每一個像素係相對於彼此正交地朝向的。可以說成是該重放場的寬高比是每一個像素的寬高比的倒數、或者可以說成是在該重放場與每一個像素之間的長軸及短軸係互換的。
值得注意的是，該重放場的長軸係實質垂直於該些像素的長軸。因此，可以說成是該重放場係正交於該些像素、或是相對於該些像素正交地被配置、或是相對於該些像素正交地朝向的。換言之，界定該重放場的矩形的長軸係垂直於界定一像素的一矩形的長軸。
一種用於全像的投影之空間光調變器亦被提出。該空間光調變器係包括一陣列的矩形像素，其係被配置以接收一電腦產生的全息圖，並且輸出空間調變的光，該空間調變的光係在該重放場形成一全像的重建。
一種用於全像的投影之液晶覆矽空間光調變器係進一步被提出。該空間光調變器係包括一陣列的矩形像素，其係被配置以接收一只有相位的電腦產生的全息圖，並且輸出空間調變的光，該空間調變的光係在該重放場形成一全像的重建。
一種液晶覆矽空間光調變器係被提出，其係包括一陣列的矩形像素。一種空間光調變器亦被提出，其係包括一陣列的橢圓或者是細長的像素。
該空間光調變器的像素可被稱為"全息圖像素"。根據本揭露內容的，該些全息圖像素是矩形的，使得一矩形重放場係被設置有最大解析度(密度)的"影像像素"，其中影像像素是在該全像的重建(影像)中最小可解析的元素。同樣地，該些全息圖像素以及重放場係正交地被配置/朝向的。
本揭露內容的實施例係有關於全像投影器。其係與其中一有意義的影像可以在一陣列的像素上直接被觀察到之習知的顯示器做成一區別。在實施例中，一電腦產生的全息圖係被顯示在該空間光調變器的像素陣列上。在實施例中，該全息圖是一有意義的影像的一數學的轉換(例如是一傅立葉轉換)。在實施例中，該全像的重建係藉由在該重放場的該空間調變的光的干涉來加以形成。在實施例中，該空間調變的光係藉由該空間光調變器的像素來加以繞射。在實施例中，一全像的重建(其為了簡寫可被稱為一"影像")係被投射到一接收光的表面(例如是一螢幕或漫射器)之上，該接收光的表面係與該空間光調變器在空間上分開的、或是在空間上遠端的。
本案發明人已經體認到，由於該複雜的全像的過程，若在該全息圖平面中的最小特點的形狀係被調整至在該重建/影像平面中的最大特點的形狀，則在該重建/影像平面中的最大解析度係被達成。明確地說，為了在該重建/影像平面中的最大解析度，該空間光調變器的像素的形狀應該盡可能的緊密地匹配至所需的重放場的形狀。若該些全息圖像素的形狀在寬高比上係完全匹配至該重放場的形狀，則所有的影像像素都可被利用於 顯示器。在習知的顯示器中，在該顯示裝置上的像素的形狀並不決定該重放場/影像平面的整個空間的範圍。相對於習知的顯示器技術，實施例係有關於一種其中影像形成係依賴繞射的全像投影器。因此，習知的顯示器技術的教示僅僅是有限的相關於本揭露內容，其中影像形成的基本物理是不同的。
再者，在基本上不同於其它顯示器技術的實施例中，該電腦產生的全息圖是該全像的重建的一數學的轉換。該電腦產生的全息圖可以是一傅立葉轉換(或單純說是傅立葉)全息圖、或是一菲涅耳轉換全息圖。該電腦產生的全息圖可以替代地藉由一種點雲方法來加以計算。
在某些實施例中，該空間光調變器是一只有相位的空間光調變器。這些實施例係有利的，因為沒有光學能量是因為調變振幅而喪失的。於是，一種有效率的全像投影系統係被提出。然而，本揭露內容同樣可以在一只有振幅的空間光調變器、或是一振幅及相位的調變器上加以實施。可以理解到的是，該全息圖將會對應地是只有相位的、只有振幅的、或是完全複數的(complex)。
該些全息圖像素係以一規則的陣列來加以配置。該些像素是矩形的，並且該些像素的長側邊是實質平行的。在實施例中，在該陣列的一方向上的像素間距係不同於在該陣列的另一方向上的像素間距。在某些實施例中，該些像素係盡可能緊密地集中，以最小化導致非所要的鏡面反射之像素間的空間。
在另外有利的實施例中，該些矩形像素係以一方形陣列或是圓形陣列來加以配置。本案發明人已經進一步體認到，由於該複雜的全像 的過程，在該全息圖平面中的最大特點的形狀可被用來調整該些影像像素的形狀。明確地說，用於顯示該全息圖的主動像素的陣列係界定一孔徑，因而為了改善的影像品質，此孔徑的形狀可被用來最佳化該些影像像素。在該空間光調變器上的一孔徑係界定主動像素的連續的群組。
在其它有利的實施例中，每一個全息圖像素係包括液晶，並且該些液晶的n-指向矢(director)例如是藉由摩擦來加以配向在該些矩形像素的長的方向上。換言之，該些指向矢係實質平行於該些像素的長的側邊。有利的是，藉由配向該些指向矢與該長的側邊，在該陣列之內主要的切換的邊緣電場的影響係被最小化。這是因為主要的液晶切換係發生在像素的最長的方向上。因此，液晶向錯(亦即，在該液晶的朝向上的缺陷)係被最小化。
一種在一具有一矩形形狀的全像的重放場中最大化影像像素的解析度之方法亦被提出。該方法係包括接收一電腦產生的全息圖。該方法接著係包括在一包括複數個全息圖像素的空間光調變器上表現該電腦產生的全息圖。該些全息圖像素是矩形的。該方法接著係包括根據該電腦產生的全息圖來空間調變光。該方法最後係包括在該全像的重放場形成一全像的重建。該全像的重放場係在空間上和該空間光調變器分開的。該重放場的寬高比係為每一個全息圖像素的寬高比的實質倒數。
一種操作一空間光調變器之方法亦被提出，其係包括根據在該空間光調變器之上所顯示的一電腦產生的全息圖來空間調變光，並且在一全像的重放場形成一全像的重建。
一種製造一液晶覆矽裝置之方法係進一步被提出，其係包括 形成一陣列的包含液晶的矩形像素(或是矩形胞)，並且將該些液晶指向矢配向在該些像素的長軸(或是長的側邊)的方向上。配向的步驟可以藉由一配向層來加以執行、或是利用一配向層來加以執行，並且製造該液晶覆矽裝置之方法可以進一步包括處理該配向層以施加一配向性質或是配向特徵。可以說成是處理該配向層的步驟係施加方向性至該配向層。該配向層的配向性質或是配向特徵可以是物理或拓樸的。施加一配向性質至該配向層的步驟可包括至少一從包括：物理摩擦、方向性蒸鍍、或是光配向(photoalignment)的群組所選出者。該配向性質可以在該液晶被插入或沉積到該胞中之前或是之後被施加至該配向層。該配向層可以是實體接觸到該液晶。於是，該配向層的配向性質係施加配向至該些液晶指向矢。因此，該配向層係具有平行於該些矩形像素的長的側邊的方向性。
儘管不同的實施例以及實施例的群組可能在以下的詳細說明中個別地加以揭露，但是任何實施例或是實施例的群組的任何特點都可以和任何實施例或是實施例的群組的任何其它特點或特點的組合來加以結合。換言之，在本揭露內容中所揭露的特點之所有可能的組合及排列都被設想到。
該術語"全息圖"係被用來參照到包含有關物體的振幅及/或相位的資訊的記錄。該術語"全像的重建"係被用來參照到該物體的光學重建，其係藉由照明該全息圖來加以形成。該術語"重放平面"係在此被使用來參照到在空間中的其中該全像的重建係被完全形成的平面。該術語"重放場"係在此被使用來參照到該重放平面的可以從該空間光調變器接收空間調變的光的子區域。該些術語"影像"以及"影像區域"係參照到該重放場的藉由 形成該全像的重建的光所照明的區域。在實施例中，該"影像"可以包括離散的點，其可被稱為"影像像素"。
該些術語"編碼"、"寫入"或是"定址"係被用來描述分別提供複數個控制值給該SLM的複數個像素的過程，該複數個控制值係分別決定每一個像素的調變位準。可以說成是該SLM的像素係被組態設定以響應於接收該複數個控制值來"顯示"一光調變分布。
該術語"光"在此係以最廣義的方式被利用。某些實施例係等同可應用於可見光、紅外光及紫外光、以及其之任意組合。
將會體認到的是，整篇對於"矩形"以及"矩形的"之參照係在確切的形狀上容許有某些容限。該字詞"矩形的"可以被解讀為"實質矩形的"。
某些實施例係僅藉由舉例來描述1D及2D全像的重建。在其它實施例中，該全像的重建是一3D全像的重建。換言之，在某些實施例中，每一個電腦產生的全息圖係形成一3D全像的重建。
110‧‧‧光源
111‧‧‧準直透鏡
112‧‧‧離開的波前
120‧‧‧傅立葉轉換透鏡
125‧‧‧螢幕
140‧‧‧空間光調變器(SLM)
201‧‧‧第一振幅成分
203‧‧‧第一相位成分
205‧‧‧第二相位資訊
207‧‧‧第三振幅成分
209‧‧‧第三相位成分
210‧‧‧輸入影像
211‧‧‧第四振幅成分
213‧‧‧第四相位成分
215‧‧‧第五振幅成分
230‧‧‧隨機的相位成分
250‧‧‧處理區塊
252‧‧‧處理區塊
254‧‧‧處理區塊
256‧‧‧處理區塊
258‧‧‧處理區塊
260‧‧‧處理區塊
301‧‧‧鋁電極
301a‧‧‧間隙
302‧‧‧單晶矽基板
303‧‧‧配向層
304‧‧‧液晶層
305‧‧‧第二配向層
306‧‧‧透明層
307‧‧‧透明的電極
308‧‧‧相位調變的元件
400‧‧‧矩形陣列
410‧‧‧重建
420‧‧‧全像的重放場
520‧‧‧第一子區域
530‧‧‧第二子區域
540‧‧‧第三子區域
600‧‧‧矩形陣列
610‧‧‧重建
620‧‧‧全像的重放場
700‧‧‧像素
750‧‧‧方形孔徑
800‧‧‧像素
850‧‧‧圓形孔徑
860‧‧‧像素
870‧‧‧像素
特定實施例係僅藉由舉例，參考以下的圖式來加以描述：圖1是展示一反射的SLM的概要圖，其係在一螢幕上產生一全像的重建；圖2A係描繪一範例的Gerchberg-Saxton類型的演算法的一第一迭代；圖2B係描繪該範例的Gerchberg-Saxton類型的演算法的第二及後續的迭代；圖3是一反射的LCOS SLM的概要圖； 圖4係展示方形像素的矩形陣列以及一方形重放場；圖5係描繪一種用以藉由具有一方形重放場的非主動區域來提供一矩形影像空間之方法；圖6係展示根據實施例的一矩形陣列的矩形像素；圖7係展示根據實施例的一方形陣列的矩形像素；以及圖8係展示根據另外的實施例的一圓形陣列的矩形像素。
相同的元件符號將會被使用在整個圖式，以指稱相同或類似的元件。
本發明並未受限於在以下敘述的實施例，而是延伸至所附的申請專利範圍的完整範疇。換言之，本發明可以用不同的形式來體現，因而不應該被解釋為受限於所述的實施例，該些實施例係為了說明之目的而被闡述的。
除非另有指明，否則一單數形的術語可以包含複數形。
一結構被敘述為形成在另一結構的一上方的部分/下方的部分之處、或是在該另一結構之上/之下應該被解釋為包含其中該些結構彼此接觸的一情形、以及此外的其中一第三結構係被設置在兩者之間的一情形。
在描述一時間關係中，例如是當事件的時間順序係被描述為"之後"、"後續"、"接著"、"之前"或類似者時，除非另有指明，否則本揭露內容應該被視為包含連續及非連續的事件。例如，除非例如是"就在"、"立即"或是"直接"的措詞被使用，否則該說明應該被視為包含一種不是連續的情形。
儘管該些術語"第一"、"第二"、等等在此可被使用來描述各 種的元件，但這些元件並不受限於這些術語。這些術語只是被用來區別一元件與另一元件而已。例如，一第一元件可被稱為一第二元件，並且一第二元件類似地可被稱為一第一元件，而不脫離所附的申請專利範圍的範疇。
不同的實施例的特點可以部分或整體地彼此耦合或組合，並且可以各式各樣地與彼此相互操作。某些實施例可以彼此獨立地加以實行、或是可以一起用相互依賴的關係來加以實行。
已經發現到的是具有可接受的品質的一全像的重建可以從一僅包含相關原始物體的相位資訊的"全息圖"來加以形成。此種全像的記錄可被稱為一只有相位的全息圖。某些實施例係僅藉由舉例而有關於只有相位的全息術。換言之，在某些實施例中，該空間光調變器只施加一相位延遲的分布至入射光。在某些實施例中，由每一個像素所施加的相位延遲是多位準的。換言之，每一個像素可被設定在一離散數目的相位位準中之一。該離散數目的相位位準可以從一組大許多的相位位準或"調色板(palette)"來加以選擇。
在某些實施例中，該電腦產生的全息圖是該物體的一傅立葉轉換以用於重建。在這些實施例中，可以說成是該全息圖是該物體的一傅立葉域或頻域的表示。圖1是展示一實施例，其係利用一反射的SLM以顯示一只有相位的傅立葉全息圖，並且在一重放場(例如是一螢幕或漫射器的一接收光的表面)產生一全像的重建。
一例如是雷射或雷射二極體的光源110係被設置，以經由一準直透鏡111來照明該SLM 140。該準直透鏡係使得光的一大致平面的波前入射在該SLM上。該波前的方向是偏離垂直的(例如，與該透明層的平面 真正正交的偏離兩度或三度)。在其它實施例中，該大致平面的波前例如是利用一分光鏡而在垂直的入射下加以提供。在圖1所示的例子中，該配置係使得來自該光源的光係從該SLM的一反射的後表面被反射出，並且與一相位調變層相互作用以形成一離開的波前112。該離開的波前112係被施加至包含一傅立葉轉換透鏡120的光學系統，此係使得其聚焦在一螢幕125之處。
該傅立葉轉換透鏡120係從該SLM接收一射束的相位調變的光，並且執行一頻率-空間的轉換以在該螢幕125之處產生一全像的重建。
光係入射橫跨該SLM的相位調變的層(亦即，相位調變元件的陣列)。離開該相位調變的層之經調變的光係橫跨該重放場來加以分布。值得注意的是，在此類型的全息術中，該全息圖的每一個像素都貢獻到該整體的重建。換言之，在該重放場上的特定點以及特定的相位調變的元件之間並沒有一種一對一的相關性。
在這些實施例中，在空間中的全像的重建的位置係藉由該傅立葉轉換透鏡的屈光(聚焦)能力來加以決定。在圖1所示的實施例中，該傅立葉轉換透鏡是一物理透鏡。換言之，該傅立葉轉換透鏡是一光學傅立葉轉換透鏡，並且該傅立葉轉換係光學地加以執行。任何透鏡都可以作用為一傅立葉轉換透鏡，但是該透鏡的效能將會限制其所執行的傅立葉轉換的正確性。熟習技術者係瞭解如何使用一透鏡以執行一光學傅立葉轉換。然而，在其它實施例中，該傅立葉轉換係藉由在該全像的資料中包含透鏡化資料而在計算上加以執行的。換言之，該全息圖係包含代表一透鏡的資料、以及代表該物體的資料。在電腦產生的全息圖的領域中如何計算代表一透 鏡的全像的資料是已知的。代表一透鏡的全像的資料可被稱為一軟體透鏡。例如，一只有相位的全像的透鏡可以藉由計算由該透鏡的每一點因為其折射率以及空間上不同的光學路徑長度所引起的相位延遲來加以形成。例如，在一凸透鏡的中心處的光學路徑長度係大於在該透鏡的邊緣處的光學路徑長度。一只有振幅的全像的透鏡可以藉由一菲涅耳波帶片來加以形成。在電腦產生的全息圖的技術中也已知的是如何結合代表一透鏡的全像的資料與代表該物體的全像的資料，因而一傅立葉轉換可以在不需要一物理傅立葉透鏡下加以執行。在某些實施例中，透鏡化資料係藉由簡單的向量相加來和該全像的資料組合。在某些實施例中，一物理透鏡係結合一軟體透鏡來加以使用，以執行該傅立葉轉換。或者是，在其它實施例中，該傅立葉轉換透鏡係完全被省略，使得該全像的重建係發生在遠場中。在另外的實施例中，該全息圖可包含光柵(grating)資料-亦即被配置以執行一例如是射束控制的光柵的功能之資料。同樣地，在電腦產生的全息圖的領域中已知的是如何計算此種全像的資料，並且將其與代表該物體的全像的資料結合。例如，一只有相位的全像的光柵可以藉由模型化在一閃耀(blazed)光柵的表面上的每一點所引起的相位延遲來加以形成。一只有振幅的全像的光柵可以單純地重疊在代表一物體的一只有振幅的全息圖上，以提供一只有振幅的全息圖的角度的控制。
一2D影像的一傅立葉全息圖可以用一些方式來加以計算出，其係包含利用例如是該Gerchberg-Saxton演算法的演算法。該Gerchberg-Saxton演算法可被用來從在空間域中的振幅資訊(例如一2D影像)導出在該傅立葉域中的相位資訊。換言之，相關於該物體的相位資訊可以 從在空間域中的只有強度或是振幅的資訊加以"擷取"。於是，該物體的一只有相位的傅立葉轉換可被計算出。
在某些實施例中，一電腦產生的全息圖係從振幅資訊，利用該Gerchberg-Saxton演算法或是其之一變化而被計算出。當一光束分別在平面A及B中的強度橫截面IA(x,y)及IB(x,y)係已知的，並且IA(x,y)及IB(x,y)係藉由單一傅立葉轉換來關聯時，該Gerchberg Saxton演算法係求解該相位取出問題。在該些給定的強度橫截面下，分別在平面A及B中對於該相位分布的一近似ΨA(x,y)及ΨB(x,y)係被找出。該Gerchberg-Saxton演算法係藉由依循一迭代的過程，來找出此問題的解決方案。
該Gerchberg-Saxton演算法係於反覆地在空間域以及傅立葉(頻譜)域之間轉換一代表IA(x,y)及IB(x,y)的資料集(振幅及相位)時，迭代地施加空間及頻譜的限制。該空間以及頻譜的限制分別是IA(x,y)及IB(x,y)。在該空間或頻譜域中的限制係被施加在該資料集的振幅之上。對應的相位資訊係透過一系列的迭代來加以擷取。
在某些實施例中，該全息圖係利用一基於該Gerchberg-Saxton演算法的演算法而被計算出，例如是在英國專利2,498,170或是2,501,112中所敘述者，該些英國專利係藉此以其整體被納入作為參考。
根據某些實施例，一基於該Gerchberg-Saxton演算法的演算法係擷取該資料集的傅立葉轉換的相位資訊Ψ[u,v]，其係產生一已知的振幅資訊T[x,y]。振幅資訊T[x,y]係代表一目標影像(例如是一照片)。該相位資訊Ψ[u,v]係被用來在一影像平面產生該目標影像的一全像的代表。
由於該大小及相位係在傅立葉轉換中固有地加以組合，因此 經轉換的大小(以及相位)係包含有關計算出的資料集的正確性的有用的資訊。因此，該演算法可以提供有關該振幅以及相位資訊兩者的回授。
根據本揭露內容的某些實施例的一基於該Gerchberg-Saxton演算法之範例的演算法係在以下參考圖2來加以描述。該演算法是迭代且收斂的。該演算法係被配置以產生代表一輸入影像的一全息圖。該演算法可被用來決定一只有振幅的全息圖、一只有相位的全息圖、或是一完整複數的(complex)全息圖。在此揭露的例子係僅藉由舉例而有關於產生一只有相位的全息圖。圖2A係描繪該演算法的第一迭代，並且代表該演算法的核心。圖2B係描繪該演算法的後續的迭代。
為了此說明之目的，該振幅及相位資訊係分開地被考量，儘管它們係固有地被組合以形成一複合的複數的資料集。參考圖2A，該演算法的核心可被視為具有一包括第一複數的資料的輸入、以及一包括一第四複數的資料的輸出。第一複數的資料係包括一第一振幅成分201以及一第一相位成分203。第四複數的資料係包括一第四振幅成分211以及一第四相位成分213。在此例子中，該輸入影像是二維的。因此，該振幅以及相位資訊是在該遠場影像中的空間的座標(x,y)的函數以及針對於該全息圖場的(u,v)的函數。換言之，在每一個平面的振幅及相位是在每一個平面的振幅及相位分布。
在此第一迭代中，該第一振幅成分201是全息圖正被計算的輸入影像210。在此第一迭代中，該第一相位成分203是一隨機的相位成分230，其係僅僅被使用作為用於該演算法的一開始點。處理區塊250係執行該第一複數的資料的一傅立葉轉換，以形成具有一第二振幅成分(未顯示) 以及一第二相位資訊205的第二複數的資料。在此例子中，該第二振幅成分係被拋棄，並且被一藉由處理區塊252的第三振幅成分207所取代。在其它例子中，處理區塊252係執行不同的功能以產生該第三振幅成分207。在此例子中，該第三振幅成分207是一代表該光源的分布。第二相位成分205係藉由處理區塊254來加以量化，以產生第三相位成分209。該第三振幅成分207以及第三相位成分209係形成第三複數的資料。該第三複數的資料係被輸入到執行一逆傅立葉轉換的處理區塊256。處理區塊256係輸出具有該第四振幅成分211以及該第四相位成分213的第四複數的資料。該第四複數的資料係被用來形成用於下一個迭代的輸入。換言之，第n個迭代的第四複數的資料係被用來形成第(n+1)個迭代的第一複數的資料集。
圖2B係展示該演算法的第二以及後續的迭代。處理區塊250係接收第一複數的資料，其係具有一從先前的迭代的第四振幅成分211所導出的第一振幅成分201、以及一對應於該先前的迭代的第四相位成分的第一相位成分213。
在此例子中，如同在以下所敘述的，該第一振幅成分201係從該先前的迭代的第四振幅成分211導出。處理區塊258係將該輸入影像210從該先前的迭代的第四振幅成分211減去，以形成第五振幅成分215。處理區塊260係藉由一增益因數α來縮放該第五振幅成分215，並且將其從該輸入影像210減去。此係藉由以下的方程式，在數學上加以表示：R n+1[x,y]=F'{exp(iψ n [u,v])}
ψ n [u,v]=∠F{η．exp(i∠R n [x,y])}
η=T[x,y]-α(|R n [x,y]|-T[x,y])
其中：F'是逆傅立葉轉換；F是順向傅立葉轉換；R是重放場；T是目標影像；∠是角度的資訊；Ψ是該角度的資訊的量化的版本；ε是新的目標大小，ε0；以及α是一個~1的增益元件。
該增益元件α可以是固定的、或是可變的。在例子中，該增益元件α係根據進入的目標影像資料的尺寸及速率而被決定出。
處理區塊250、252、254及256係如同參考圖2A所述地運作。在最後的迭代中，一代表該輸入影像210的只有相位的全息圖Ψ(u,v)係被輸出。可以說成是該只有相位的全息圖Ψ(u,v)係包括一在該頻率或傅立葉域中的相位分布。
在其它例子中，該第二振幅成分並未被拋棄。而是，該輸入影像210係從該第二振幅成分減去，並且該振幅成分的一倍數係從該輸入影像210減去，以產生該第三振幅成分207。在其它例子中，該第四相位成分並未被完全地回授，而是只有一與其在例如是前兩個迭代上的改變成比例的部分係被回授。
在某些實施例中，其係設置有一即時的引擎，其係被配置以接收影像資料，並且即時地利用該演算法來計算全息圖。在某些實施例中， 該影像資料是一視訊，其係包括一序列的影像幀。在其它實施例中，該些全息圖係被預先計算出，被儲存在電腦記憶體中，並且視需要地被召回以用於顯示在一SLM上。換言之，在某些實施例中，其係提供有一預設的全息圖的儲存庫。
然而，某些實施例係僅藉由舉例而相關於傅立葉全息術以及Gerchberg-Saxton類型的演算法。本揭露內容係等同可應用於菲涅耳全息術、以及藉由其它例如是那些基於點雲方法的技術所計算出的全息圖。
本揭露內容可以利用一些不同類型的SLM的任一個來加以實施。該SLM可以用反射或是透射來輸出空間調變的光。在某些實施例中，該SLM是一液晶覆矽(LCOS)SLM，但是本揭露內容並未受限於此類型的SLM。在某些實施例中，該空間光調變器是一光學啟動的空間光調變器。
一LCOS裝置係能夠用一小的孔徑來顯示大陣列的只有相位的元件。小的元件(通常是約10微米或是更小的)係產生一實際的繞射角度(幾度)，因而該光學系統並不需要一非常長的光學路徑。相較於一較大的液晶裝置的孔徑所將會是的情形，充分地照明一LCOS SLM的小的孔徑(幾平方公分)是較容易的。LCOS SLM亦具有一大的孔徑比，在像素之間係有著非常小的無效空間(因為用以驅動它們的電路係被埋入在該些反射鏡之下)。此係一項重要的議題，以降低在該重放場中的光學雜訊。利用一矽背板係具有該些像素是光學平坦的優點，其對於一相位調變的裝置而言是重要的。
一合適的LCOS SLM係在以下僅藉由舉例來參考圖3加以描述。一LCOS裝置係利用單晶矽基板302來加以形成。其係具有一被配 置在該基板的上表面上的2D陣列的方形平面的鋁電極301，該些電極301係以一間隙301a來間隔開。該些電極301的每一個可以經由埋入在該基板302中的電路302a來加以定址。該些電極的每一個係形成一個別的平面的反射鏡。一配向層303係被設置在該陣列的電極上，並且一液晶層304係被設置在該配向層303上。一第二配向層305係被設置在該液晶層304上，並且一例如是玻璃的平面的透明層306係被設置在該第二配向層305上。例如是ITO的單一透明的電極307係被設置在該透明層306以及該第二配向層305之間。
該些方形電極301的每一個係和該透明的電極307以及該介於中間的液晶材料的覆蓋的區域一起界定一可控制的相位調變的元件308，其通常被稱為一像素。考量在像素之間的間隙301a下，有效的像素區域或是填充因數是總像素中係光學主動的百分比。藉由控制相對於該透明的電極307而被施加至每一個電極301的電壓，該個別的相位調變元件的液晶材料的性質可被改變，藉此以提供一可變的延遲給入射於其上的光。其功效係用以提供只有相位的調變至該波前，亦即沒有振幅的功效發生。
所述的LCOS SLM係以反射來輸出空間調變的光，但是本揭露內容係等同可應用於一透射的裝置。反射的LCOS SLM係具有信號線、閘極線以及電晶體是在該反射的表面之下的優點，此係產生高的填充因數(通常大於90%)以及高的解析度。利用一反射的LCOS空間光調變器的另一優點是相較於若一透射裝置被使用所將會必要有的厚度，該液晶層可以是一半的厚度。此係大為改善該液晶的切換速度(用於移動的視訊影像的 投影的一關鍵優點)。
該全像的重放場的尺寸(亦即，該全像的重建的物理或空間的範圍)係藉由在該空間光調變器的像素間距(亦即，在該空間光調變器的相鄰的光調變的元件或是像素之間的距離)上的光波長的相互作用來加以決定。可被形成在該重放場中的最小特點可被稱為一"解析度元件"、"影像點"、或是一"影像像素"。一四邊形孔徑的傅立葉轉換是一sinc函數，並且該空間光調變器孔徑係因此界定每一個影像像素為一sinc函數。更明確地說，在該重放場上的每一個影像像素的空間的強度分布都是一sinc函數。每一個sinc函數都可被視為包括一波峰強度的主要階的繞射、以及一系列從該主要階徑向地延伸離開的強度減小的較高階的繞射。每一個sinc函數的尺寸(亦即，每一個sinc函數的物理或空間的範圍)係藉由該空間光調變器的尺寸(亦即，由光調變的元件或是空間光調變器像素的陣列所形成的孔徑的物理或空間的範圍)來加以決定。明確地說，由光調變的像素的陣列所形成的孔徑越大，則該些影像像素越小。在該重放場中具有小的影像像素以及一高解析度(密度)的影像像素是所期望的。
圖4係展示方形像素的一矩形陣列400。若一電腦產生的全息圖係被顯示在該矩形陣列400的像素上，並且藉由利用適當的光的照明來加以重建410，則該全像的重放場420是方形的。這是因為每一個像素的尺寸及形狀係決定該重放場的尺寸及形狀。在一例子中，該電腦產生的全息圖係包括1024×512個像素，並且該全像的重建係包括1024×512個影像像素。這些影像像素係均勻地分布在該方形重放場420中。實際上，該垂直的解析度是該水平的解析度的一半。
在許多情況中，具有一例如是寬螢幕的重放場的矩形重放場是所期望的。例如，具有一16：9或2：1的寬高比的重放場可能是所期望的。傳統上，此係藉由計算一只導引光至該重放場的一矩形子區域之電腦產生的全息圖來加以達成。
圖5係展示一方形全像的重放場的一第一子區域520，其係被用來顯示一包括影像內容的全像的重建。圖5亦展示並未被用來顯示影像內容的一第二子區域530以及第三子區域540。在該第二子區域530以及第三子區域540中的影像像素實際上是未被使用的。因此，此全像的投影的最大可能性並未被實現。此外，在某些例子中，阻擋或光屏蔽可被納入以遮蔽該第二子區域530以及第三子區域540而不讓觀看者看見。
圖6係展示一實施例，其係包括矩形像素的一矩形陣列600。若一電腦產生的全息圖被顯示在該矩形陣列600的像素上，並且藉由利用適當的光的照明來加以重建610，則該全像的重放場620是矩形的。本案發明人已經體認到，若在該全息圖平面中的最小特點(亦即，該空間光調變器的一像素)的形狀係匹配到所要的顯示器區域的形狀(亦即，該重放場的形狀)，則在該重放場中的影像像素的解析度(密度)係被最大化。明確地說，所發現的是在該全息圖平面中的最小特點的寬高比實質是在該重放場中的最大特點的寬高比(亦即，該重放場本身的物理或空間的範圍)的倒數。
在某些實施例中，每一個矩形像素的短的側邊是0.5到5微米，選配的是1到3微米，並且該長的側邊是2到12微米，選配的是4到8微米。在某些實施例中，該像素的寬高比是在1：1.2到1：3的範圍之內，選配的是1：1.5到1：2.5，進一步選配的是1：2。
圖7係展示另一有利的實施例，其中該些像素是矩形的，但是該陣列是方形的。明確地說，圖7係展示複數個像素700、以及在一方形孔徑750之內的一陣列的像素。在該全息圖平面中的最大特點(亦即孔徑750)的尺寸及形狀係界定在該重放場中的最小特點的尺寸及形狀。一方形孔徑係產生具有至少兩個對稱軸的影像點，此對於影像品質而言是好的。在一實施例中，每一個像素是矩形的，但是像素的陣列是方形的，換言之，像素的陣列係被容納或是界定在一方形孔徑之內。
圖8係展示又一有利的實施例，其中該些像素是矩形的，但是該陣列是圓形的。明確地說，圖8係展示複數個像素800、以及在一圓形孔徑850之內的一陣列的像素。一圓形孔徑係產生一徑向對稱的影像點，並且因此進一步改善影像品質。在一實施例中，每一個像素是矩形的，但是像素的陣列是圓形的，換言之，像素的陣列係被容納或界定在一圓形孔徑之內。在一實施例中，該空間光調變器可包括一四邊形陣列的像素，但是只有一子集合的像素(其例如包含像素860，但是不包括像素870)係被用來界定用於顯示/代表該電腦產生的全息圖的圓形陣列的像素。為了避免任何的疑義，圖8係展示全息圖像素的佈局，而非例如是每一晶圓的晶粒。
在實施例中，該些像素係包括液晶(例如是向列型液晶)，並且該液晶的指向矢係與該像素的最長的側邊配向。換言之，該液晶的指向矢係實質平行於該像素的最長的側邊。熟習技術者將會熟悉例如是摩擦一液晶配向層以及一液晶配向層的方向性蒸鍍的製程以便於配向該些液晶指向矢，因此詳細的說明在此是不需要的。在某些實施例中，該液晶是一扭轉式向列型液晶。在某些實施例中，該些液晶係操作在垂直配向向列"VAN" 模式中。
在某些實施例中，該光源是一雷射。在某些實施例中，其係提供有一接收光的表面，其可以是一螢幕或一漫射器。本揭露內容的全像投影系統可被使用作為一3D顯示器或投影器。本揭露內容的全像投影系統亦可被用來提供一改良的抬頭顯示器(HUD)或是頭戴式顯示器。在某些實施例中，其係提供有一包括該全像投影系統的交通工具，該全像投影系統係被安裝在該交通工具中以提供一HUD。該交通工具可以是一自動的交通工具，例如是一汽車、卡車、箱型車、貨車、機車、火車、飛機、船隻、或是船舶。
該全像的重建的品質可能會受到所謂的零階問題的影響，該零階問題是利用一像素化的空間光調變器的繞射本質的一結果。此種零階的光可被視為"雜訊"，並且例如包含鏡面反射的光、以及其它來自該SLM的非所要的光。
在傅立葉全息術的例子中，此"雜訊"係被聚焦在該傅立葉透鏡的焦點處，其係在該全像的重建的中心處導致一亮的斑點。該零階的光可以單純地被阻擋掉，然而此會表示用一暗的斑點來取代該亮的斑點。某些實施例係包含一角度選擇的濾波器，以僅移除該零階的準直的光線。實施例亦包含在歐洲專利2,030,072中所敘述的管理零階的方法，該歐洲專利係藉此以其整體被納入作為參考。
在某些實施例中，該全息圖的尺寸(在每一個方向上的像素數目)係等於該空間光調變器的尺寸，使得該全息圖係填入該空間光調變器。換言之，該全息圖使用該空間光調變器的所有的像素。在其它實施例 中，該全息圖的尺寸係小於該空間光調變器的尺寸。在這些其它實施例的某些實施例中，該全息圖的部分(亦即，該全息圖的像素的一連續的子集合)係在未使用的像素中加以重複。此技術可被稱為"併接"，其中該空間光調變器的表面區域係被細分成為一些"磚"，該些磚的每一個係代表該全息圖的至少一子集合。因此，每一個磚是具有一小於該空間光調變器的尺寸。在某些實施例中，被寫到該空間光調變器的全像的圖案係包括至少一整個磚(亦即，該完整的全息圖)、以及一磚的至少一部分(亦即，該全息圖的像素的一連續的子集合)。
該全像的重建係在藉由該空間光調變器所界定的整體視窗的零階繞射之內被產生。較佳的是，一階以及更高階係被位移足夠遠的，因而不和該影像重疊，並且因而它們可以利用一空間濾波器來加以阻絕。
在實施例中，該全像的重建是彩色的。在此揭露的例子中，三個不同的色彩光源以及三個對應的SLM係被用來提供複合的色彩。這些例子可被稱為空間分開的色彩"SSC"。在本揭露內容所包含的一變化中，每一個色彩的不同的全息圖係被顯示在同一個SLM的不同的區域上，並且接著組合以形成複合的彩色影像。然而，熟習技術者將會理解到本揭露內容的至少某些裝置及方法係等同可應用於其它提供複合的彩色全像的影像的方法。
這些方法中之一係以幀順序的色彩"FSC"著稱的。在一範例的FSC系統中，三個雷射係被使用(紅光、綠光以及藍光)，並且每一個雷射係被連續地發射在單一SLM之處，以產生視訊的每一個幀。該些色彩係以一足夠快速的速率循環(紅色、綠色、藍色、紅色、綠色、藍色、依此類 推)，使得人類觀看者從藉由三個雷射所形成的影像的一組合看到一多色的影像。因此，每一個全息圖是特定色彩的。例如，在一每秒25幀的視訊中，第一幀將會是藉由發射該紅光雷射一秒的1/75，接著該綠光雷射將會被發射一秒的1/75，並且最後該藍光雷射將會被發射一秒的1/75來加以產生的。下一個幀係接著被產生，其係以該紅光雷射來開始、依此類推。
FSC方法的一優點是該整個SLM係被使用於每一個色彩。此係表示所產生的三個色彩的影像的品質將不會受損，因為在該SLM上的所有像素係被使用於該些色彩的影像的每一個。然而，該FSC方法的一缺點是所產生的整體的影像將不會和藉由該SSC方法所產生的一對應的影像一樣亮的，而大約為其三分之一，因為每一個雷射只被利用三分之一的時間。此缺點可以潛在地藉由過驅動該雷射、或是藉由利用更強的雷射來加以解決，但是此將會需要使用更大功率，將會牽涉到較高的成本並且將會使得該系統較不為小型的。
該SSC方法的一優點是該影像係較亮的，因為所有的三個雷射都同時被發射。然而，若由於空間限制的關係，只使用一SLM是所需的時候，則該SLM的表面積可被分成三個部分，其實際上係作用為三個個別的SLM。此的缺點是每一個單一色彩的影像的品質係被降低，因為每一個單色的影像可利用的SLM表面積係減少。因此，該多色影像的品質係相應地被降低。可利用的SLM表面積的減少係表示在該SLM上較少的像素可被利用，因此降低該影像的品質。該影像的品質係被降低，因為其解析度係被降低。實施例係利用在英國專利2,496,108中所揭露的改良的SSC技術，該英國專利係藉此以其整體被納入作為參考。
例子係描述利用可見光來照明該SLM，但是熟習技術者將會理解到該些光源以及SLM可以等同地被用來如同在此所揭露地導引例如是紅外光或紫外光。例如，為了提供資訊給使用者之目的，熟習技術者將會知道用於轉換紅外光以及紫外光成為可見光的技術。例如，本揭露內容係延伸至為此目的來利用磷光體及/或量子點的技術。
在此所述的方法及過程可被體現在一電腦可讀取的媒體上。該術語"電腦可讀取的媒體"係包含一被配置以暫時或永久地儲存資料的媒體，例如隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、緩衝記憶體、快閃記憶體、以及快取記憶體。該術語"電腦可讀取的媒體"亦應該被視為包含任何的媒體、或是多個媒體的組合，其係能夠儲存用於藉由一機器執行的指令，使得該些指令當藉由一或多個處理器執行時，其係使得該機器執行在此所述的方法中的任一或多個的整體或是部分。
該術語"電腦可讀取的媒體"亦包含雲端為基礎的儲存系統。該術語"電腦可讀取的媒體"係包含但不限於一或多個具有一固態的記憶體晶片、一光碟、一磁碟片、或是其之任何適當的組合的範例的形式之實體且非暫態的資料儲存庫(例如，資料磁碟區)。在某些範例實施例中，用於執行的指令可以藉由一載體媒體來加以傳遞。此種載體媒體的例子係包含一暫態的媒體(例如，一傳遞指令的傳播的信號)。
對於熟習此項技術者而言將會明顯的是，可以做成各種的修改及變化而不脫離所附的申請專利範圍的範疇。本揭露內容係涵蓋所有在所附的申請專利範圍及其等同物的範疇之內的修改及變化。

Claims (22)

  1. 一種全像投影系統，其係被配置以投影光至一矩形重放場，其中該全像投影系統係包括：一包括一陣列的像素的空間光調變器，其係被配置以接收一電腦產生的全息圖並且輸出空間調變的光，該空間調變的光係在該矩形重放場藉由該空間調變的光的干涉而形成一全像的重建，其中每一個像素是矩形的；一光源，其係被配置以照明該複數個像素以形成在該重放場形成一全像的重建的該空間調變的光，其中該矩形重放場係在空間上和該空間光調變器分開的，並且該矩形重放場的寬高比係實質等於每一個像素的寬高比，但是其中該矩形重放場以及每一個像素係相對於彼此正交地朝向的。
  2. 如申請專利範圍第1項之全像投影系統，其中該空間調變的光係藉由該空間光調變器的像素來加以繞射。
  3. 如申請專利範圍第1項之全像投影系統，其中每一個像素的寬高比係大於1：1.2，並且小於1：3。
  4. 如申請專利範圍第1項之全像投影系統，其中該電腦產生的全息圖是該全像的重建的一數學的轉換。
  5. 如申請專利範圍第4項之全像投影系統，其中該數學的轉換是一傅立葉轉換或是一菲涅耳轉換。
  6. 如申請專利範圍第1項之全像投影系統，其中該電腦產生的全息圖是藉由一種點雲方法所產生的一全息圖。
  7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之全像投影系統，其中每一個像素是一光調變的元件。
  8. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之全像投影系統，其中每一個像素係包括一相位調變的元件。
  9. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之全像投影系統，其中該陣列的像素中的該些像素係實質彼此平行。
  10. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之全像投影系統，其中在該陣列的一方向上的像素間距係大於在該陣列的另一方向上的像素間距。
  11. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之全像投影系統，其中該陣列的像素係形成一實質方形陣列的矩形像素。
  12. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之全像投影系統，其中該陣列的像素係形成一實質圓形陣列的矩形像素。
  13. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之全像投影系統，其中每一個像素係包括一具有一指向矢的液晶，選配的是一向列型液晶。
  14. 如申請專利範圍第13項之全像投影系統，其中該指向矢係實質平行於該些矩形像素的該較長的側邊。
  15. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之全像投影系統，其中該空間光調變器是一液晶覆矽空間光調變器。
  16. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之全像投影系統，其中該光源是一單色的光源。
  17. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之全像投影系統，其中該光源係被配置以發射至少部分相干光。
  18. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之全像投影系統，其中該全像的重建係被形成在該重放場的一接收光的表面上，選配的是一螢幕或是漫射器。
  19. 一種在一具有一矩形形狀的全像的重放場中形成一全像的重建之方法，該方法係包括：接收一電腦產生的全息圖；在一包括複數個像素的空間光調變器上表現該電腦產生的全息圖，其中該些像素是矩形的；根據該電腦產生的全息圖，利用該空間光調變器來空間調變光；在該全像的重放場形成一全像的重建，其中該全像的重放場係在空間上和該空間光調變器分開的，並且該重放場的寬高比係實質等於每一個像素的寬高比，但是為正交地朝向的。
  20. 如申請專利範圍第19項之方法，其中該複數個像素係以一方形或圓形陣列來加以配置的。
  21. 如申請專利範圍第19或20項之方法，其中每一個像素係包括一液晶，選配的是一向列型液晶，並且該方法進一步包括將該些液晶指向矢配向在一平行於該些矩形像素的該最長的側邊的方向上。
  22. 如申請專利範圍第21項之方法，其中該空間光調變器係包括一被配置以配向該些液晶指向矢的配向層，並且該方法進一步包括藉由至少一從包括：摩擦、方向性蒸鍍以及光配向的群組所選出者來處理該配向層。
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