TWI821229B - 跟蹤虛擬可見區域之顯示裝置及方法 - Google Patents

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諾伯特 萊斯特
博 克勒爾
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盧森堡商喜瑞爾工業公司
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Abstract

本發明涉及一種顯示二維及/或三維場景的顯示裝置。此種顯示裝置具有至少一照明裝置，其作用是發出足夠的相干光線、至少一空間光調制裝置、至少一光學系統，以及一跟蹤裝置。一全息圖透過單視差編碼被編碼到該至少一空間光調制裝置。該至少一光學系統在觀察者的一個眼睛的位置產生至少一虛擬可見區域。跟蹤裝置可以改變全息圖在空間光調制裝置上的編碼方向。

Description

跟蹤虛擬可見區域之顯示裝置及方法
本發明涉及一種顯示二維及/或三維場景用的顯示裝置。本發明尤其是涉及一種全息顯示裝置，尤其是一種設置在非常靠近觀察者之眼睛的顯示裝置，例如頭戴顯示器。此外，本發明還涉及一種跟蹤虛擬可見區域的方法，尤其是在一很小區域跟蹤虛擬可見區域的方法。
相較於自動立體顯示器或顯示裝置，全息顯示器或顯示裝置對於全息顯示裝置內負責全息圖之編碼的空間光調制器的分辨率的要求遠遠較高，而且全息圖的計算工作亦遠為複雜。
例如，WO 2006/066919 A1描述如何降低這種要求。例如，一種方法是產生一個虛擬可見區域，這個可見區域位於在空間光調制器內編碼之全息圖的傅利葉頻譜的一個繞射級內，同時觀察者可以透過這個可見區域觀察在一重建空間內的重建場景(較佳是三維場景)，其中該重建空間的範圍可以延伸到空間光調制裝置的前面及/或後面。
所謂重建一個物點是指為場景的任意一個物點將一個子全息圖編碼到空間光調制器內。例如，根據一種實施方式，可以經由這個物點將虛擬可見區域或可見區域投影到空間光調制裝置，以定義子全息圖在空間光調制裝置上的延伸及位置。一個含有許多物點的三維場景的總全息圖是由這個三維場景的所有物點的子全息圖疊加而成。但是並非各個子全息圖彼此完全重疊，而是會根據各個子全息圖要重建的物點彼此推移，因此各個子全息圖都只有一部分的面積與一或複數個子全息圖重疊。
換句話說，可以透過物點在子全息圖內的編碼，在全息顯示裝置內產生空間物點。編碼工作可以在一個外接的一般電腦系統中進行，或是在一個內建於全息顯示器的控制單元內進行。一件已知的事是，每一個子全息圖在空間光調制裝置內的延伸範圍是固定的，例如僅與物點到空間光調制裝置的深度位置有關，或是可以視要求而改變。另一件已知的事是，子全息圖在空間光調制裝置上的幾何位置及其延伸範圍可以隨著技術需求改變，例如隨著重建場景之觀察者的眼睛相對於空間光調制裝置的位置而改變，或是隨著要顯示之場景內的一個體素或像素的位置而改變。顯示點編碼值的計算通常是由許多個物點的編碼值所組成。在一個計算單元中，通常是以高於實際的面板位元深度進行編碼值的計算。完成編碼值的計算後，接著進行標準化及成像在像素值上，其中可以將伽瑪曲線的非直線性或其他與像素有關的校正值考慮進去。
此外，可以將空間光調制裝置的複數不同或同類型的像素或子像素組合成一個巨像素。但是也有其他的空間光調制裝置並不是這樣。本發明亦可使用這樣的空間光調制裝置。
第1圖顯示的裝置是將虛擬可見區域VW經由各個物點投影在空間光調制裝置SLM上，以產生許多對空間光調制裝置處於不同深度的物點的子全息圖SH。從第1圖可以清楚看出，子全息圖在空間光調制裝置SLM上的位置取決於物點相對於可見區域VM的位置。此外，子全息圖的尺寸或延伸範圍或大小是由經過編碼的物點的z位置決定，其中z是指物點到空間光調制裝置SLM的距離。在大部分的情況下，子全息圖有彼此重疊。
場景(尤其是三維場景)的全息重建是利用子全息圖及虛擬可見區域(亦稱為觀察者區域或觀察者視窗)來進行，其中觀察者可透過該虛擬可見區域觀察重建場景。
關於具有空間光調制裝置(縮寫為SLM)的一個真實或虛擬圖像的頭戴顯示器(HMD)、平視顯示器(HUD)、或投影顯示器，所謂的“SLM“是指從虛擬可見區域可以看到的SLM的圖像。
利用全息圖產生三維場景通常需要將一個複數值全息圖寫入空間光調制裝置。例如可以經由編碼將空間光調制裝置的複數像素組合成一個巨像素，或是利用光束組合單元將空間光調制裝置的複數像素組合成一個巨像素。
雖然全息顯示裝置是奠基於在空間光調制裝置之像素的孔隙上的繞射效應，以及從一個光源發出的相干光線的干涉效應。但是要從幾何光學的角度表述及定義產生一虛擬可見區域的全息顯示裝置，需要以下幾個重要的條件：
其中一個重要的條件是顯示裝置內的照明光程。這個照明光程用於生成虛擬可見區域。一個空間光調制裝置被一具有至少一個真實或虛擬光源的照明裝置照亮。接著來自空間光調制裝置之不同像素的光線必須射入可見區域照亮空間光調制裝置的照明裝置的至少一個光源通常會成像在一具有虛擬可見區域的觀察者平面上。例如，光源像在虛擬可見區域的中心。在以平面波(相當於一位於無窮遠處的光源)照亮空間光調制裝置時，從空間光調制裝置之不同像素垂直射出的光線會聚焦在可見區域的中心。從空間光調制裝置之不同像素以相同的繞射角度(但不是垂直)射出的光線也會聚焦在可見區域的同一個位置。但是一般而言，虛擬可見區域也可以相對於該至少一個光源的成像朝側面偏移，例如，該至少一個光源的成像的位置能夠與可見區域的左邊或右邊邊緣重合。
另一個重要條件是在全息顯示裝置(不包括直視顯示器)內的成像光程。在頭戴顯示器(HMD)內，一個小尺寸的空間光調制裝置通常會生成一個放大的成像。這通常是一個虛像，觀察者看到這個虛像的距離會大於這個空間光調制裝置本身所在的距離。空間光調制裝置的各個像素通常會被放大成像。
本發明主要是涉及在光源像的平面上存在虛擬可見區域的情況，此處所稱之虛擬可見區域是指虛擬可見區域及甜蜜點。但是前面提及的成像光程與照明光程互換，或是空間光調制裝置的平面與焦平面的互換，亦可應用於全息顯示裝置或顯示器的空間光調制裝置在虛擬可見區域有一個成像的實施方式。因此本發明並不限於在光源像的平面上有虛擬可見區域(也就是觀察者視窗)或甜蜜點的情況。
原則上可以使用全視差編碼或單視差編碼進行全息圖或子全息圖的計算。
如果是產生可見區域的全息顯示裝置或顯示器，全視差編碼是指可見區域具有一個水平延伸及一個垂直延伸，而且這兩個延伸均小於或等於在水平及垂直維度產生的繞射級。繞射級的大小是由所使用的空間光調制器的水平像素間距或垂直像素間距、所使用的光線的波長、以及空間光調制器與虛擬可見區域之間的距離決定。虛擬可見區域是由一個二維虛擬觀察者視窗構成。三維(3D)場景的一個物點的子全息圖同樣具有空間光調制裝置上的複數個像素的一個水平延伸及一個垂直延伸。子全息圖將光聚焦在水平方向及垂直方向，這樣就可以重建物點。例如，虛擬可見區域及子全息圖的形狀都可以是矩形，但是也可以是其他的形狀，例如圓形或六角形。
相較之下，以單視差編碼將全息圖或子全息圖編碼到空間光調制裝置，所產生的虛擬觀察者視窗僅在一個維度或方向上延伸，在以下的說明中稱這個維度或方向為全息圖或子全息圖的編碼方向，這個方向限制了繞射級的延伸。子全息圖通常僅包含在空間光調制裝置上的水平單視差編碼的單一像素行的一部分，或是通常僅包含在空間光調制裝置上的垂直單視差編碼的單一像素欄的一部分，因此僅在一個維度或方向上具有通常是一個以上的像素的延伸。在這種情況下，子全息圖基本上相當於一個將光線聚焦在一個方向上的圓柱形透鏡。
換句話說，在單視差編碼中，僅在一個維度或方向(也就是全息圖的編碼方向)存在一個虛擬觀察者視窗，在另一個維度或方向(也就是與編碼方向垂直的方向)則存在一個理想的可視區域，也就是所謂的“甜蜜點”，這種情況與立體顯示器類似。因此本說明明書也以“甜蜜點方向”這個名詞，表示所談及的方向並非全息圖的編碼方向。虛擬觀察者視窗及甜蜜點共同構成觀察者平面上的一個虛擬可視區域，其中觀察所產生之場景的觀察者位於這個觀察者平面上。以下的說明將繼續使用虛擬可見區域的這個名稱及意義。
全息圖或子全息圖的全視差編碼要求光源必要朝所有的方向或空間方向都發出均勻且足夠的相干光線。反之單視差編碼僅要求至少在全息圖的編碼方向具有足夠的相干光線。在甜蜜點方向(全息圖的非編碼方向)，光線的相干性可以低於在全息圖的編碼方向的相干性。
例如，可以透過空間光調制裝置的照明的角度譜調整光線的相干性。例如，可以使用一個狹縫狀光源調整光線的相干性，以便使光線在全息圖的編碼方向及甜蜜點方向具有不同的相干性。光線在狹縫狀光源的狹窄方向產生的角度譜跟光線在狹縫狀光源的長方向產生的角度譜是不一樣的。
例如，也可以透過一個散射器使光線在編碼方向及甜蜜點方向具有不同的相干性，例如可以將這個散射器設置在光源及虛擬可見區域之間，在光線傳播方向上，也可以選擇性的將這個散射器設置在空間光調制裝置的前面或後面，其中這個散射器在全息圖的編碼方向及甜蜜點方向具有不同的散射特性，特別是在編碼方向的散射角非常小，在甜蜜點方向的散射角很大。這種散射器也稱為三維(1D)散射器。例如，一種常見的散射器在一個方向的散射角為1度，在與這個方向垂直的方向的散射角為40度。
但是在單視差編碼中，也可以選擇使用一種使光線在全息圖的編碼方向及甜蜜點方向具有相同的相干性的照明，其中在編碼方向，虛擬觀察者視窗的延伸最多僅有一個繞射級，但是在甜蜜點方向，甜蜜點的延伸可以有多個繞射級。
一般習知的是水平單視差編碼或垂直單視差編碼。單視差編碼通常可以與空間光調制裝置的矩形像素及/或在具有條紋狀排列之濾色器的空間光調制裝置的空間彩色複用及/或左眼/右眼的空間複用組合在一起使用。虛擬觀察者視窗的大小與像素間距的倒數成正比。對沒有濾色器、但是有矩形像素的顯示器而言，在像素的長方向(也就是間距較大的方向)產生一較小的虛擬觀察者視窗是比較不利的，較有利的是在像素的短方向(也就是間距較小的方向)產生一較大的虛擬觀察者視窗。因此在使用單視差編碼時，如果是沒有濾色器、但是有矩形像素的顯示器，通常是以較小像素間距的方向作為全息圖的編碼方向。
可以將不同顏色(通常是紅色、綠色、藍色)的全息圖交錯寫入具有空間彩色複用的顯示器。在以一種顏色的光源(例如紅色雷射光)照明時，其他的顏色(例如綠色及藍色)的濾色器會阻斷光線。對於這個光源，其他的濾色器的作用類似黑色區域將光線阻斷。彩色像素對單色光線的作用如同在垂直於濾色器條紋方向上的一個孔隙較小的像素。對於虛擬觀察者視窗不利的是，在這個方向上較小的孔隙會導致較多的光線處於較高的繞射級。在這種情況下，與濾色器條紋垂直的間距(也就是決定虛擬觀察者的大小的間距)是與下一個具有相同濾色器的像素的間距。
例如，可以用平行於濾色器條紋的方向作為編碼方向，因為在這個方向通常存在一較大的像素孔隙，以及有更多的光線處於所希望的繞射級。另一種反過來的有利方式是使用垂直於濾色器條紋的方向，使較小的像素孔隙導致更多的光線處於較高的繞射級，因為也可以為甜蜜點使用較多的繞射級。另一種可能性是無需另外使用一個產生甜蜜點的散射元件。
上述說明基本上亦適用於觀察者的左眼/右眼的空間複用。對於垂直於觀察者的雙眼的複用條紋而言，虛擬觀察者視窗的大小是由與下一個用於同一個眼睛(必要時也是用於相同顏色)的像素的像素間距決定。複用條紋的作用如同在垂直於條紋的方向上的一個較小的孔隙。通常是選擇與複用條紋平行的方向作為編碼方向。
以上的例子顯示單視差編碼通常與空間光調制裝置或彩色複用配置或空間複用配置的特定參數組合在一起使用。
在使用虛擬可見區域的全息顯示裝置或顯示器時，如果觀察者的眼睛位置發生改變或移動，通常需跟蹤虛擬可見區域。
通常是利用一種眼睛偵測系統偵測眼睛位置。此外，也可以利用光學元件將虛擬可見區域移動或跟蹤到一個新偵測到的眼睛位置，例如這種光學元件可以是一種如WO 2010/149587 A2揭示的將光線偏轉的繞射元件。
在觀察者的眼睛移動後，為了跟蹤到觀察者的新的眼睛位置，先前技術已經提出將跟蹤虛擬可見區域的粗跟蹤及細跟蹤組合在一起的解決方案。這些已知的解決方案是將不同的光學元件組合在一起，其中一個光學元件的作用是使虛擬可見區域在一個大角度範圍以粗調或大跨距的方式跟蹤一個新偵測到的眼睛位置，這種跟蹤稱為粗跟蹤。另一個光學元件的作用是使虛擬可見區域在一個小角度範圍以細調或小跨距的方式跟蹤該新偵測到的眼睛位置，這種跟蹤稱為細跟蹤。但是使用兩個不同的傳統式光學元件跟蹤虛擬可見區域到觀察者平面上的另一個位置的作法是相當費事的。
特定型式的全息顯示裝置或顯示器，例如全息頭戴顯示器(HMD)，僅需一個很小範圍的眼睛跟蹤。例如，HMD可以像眼鏡一樣被固定在觀察者的頭部，當觀察者的頭部移動時，整個HMD就會跟著移動。在這種情況下，並不需要特別跟蹤，或至少是不需要粗跟蹤。因此只有在觀察者的瞳孔位置在眼睛內發生很大的改變或移動，或是移動到虛擬可見區域之外，才需要跟蹤虛擬可見區域。同樣的，在這種情況下以傳統式光學元件跟蹤虛擬可見區域也是非常麻煩的事，因為這會導致HMD的總體積及重量變大，這對於穿戴在觀察者的頭部上的器具而言是很不利的。此外，這也會對光效率及能源消耗造成不利的影響，這對於通常是以充電電池供電的行動器具尤其不利。
例如，WO 2018/037077 A2描述一種透過棱鏡函數的編碼移動虛擬觀察者視窗，以便在一很小區域進行細跟蹤的方法。但由於重建強度通常會隨著繞射級變大而降低，因此僅能在少數幾個繞射級的範圍內使用這種方法。而且繞射級愈小，透過棱鏡函數的編碼所能移動的範圍就愈小。
原則上所選擇的虛擬可見區域的延伸範圍也可以小於觀察者的一個瞳孔的延伸範圍。例如，可以透過選擇空間光調制裝置的像素間距、觀察者距離、以及光線的波長，產生小於觀察者的一個瞳孔的延伸範圍的繞射級，同時在其內設置一個濾波器，其作用是將其他繞射級過濾出來，僅讓一個繞射級夠進入觀察者的瞳孔。
例如，如果虛擬可見區域的尺寸約為1mm，由於一個繞射級的尺寸大約只有1mm，則在少數幾個繞射級內透過棱鏡函數的編碼可能達到的移動範圍大約被限制在 ± 1mm到2mm之間。例如，這個範圍對於頭戴顯示器而言是不夠的，因為這個範圍無法覆蓋觀察的瞳孔在眼睛內可能的移動範圍。
因此本發明的目的是提出一種顯示裝置，這種顯示裝置能夠以簡單的方法在一很小的區域實現細跟蹤或跟蹤虛擬可見區域。
特別是要為一種非常靠近眼睛的全息顯示裝置(例如全息頭戴顯示器)提出解決方案，此種全息顯示裝置產生一個小的虛擬可見區域，尤其是一個小於觀察者眼睛的瞳孔的虛擬可見區域，以便在瞳孔在眼睛內移動時，能夠跟蹤虛擬可見區域。
此外，本發明的另一個目的是提出一種細跟蹤虛擬可見區域的方法。
採用具有申請專利範圍第1項之特徵的顯示裝置即可達到本發明的目的。
本發明的顯示裝置特別適於作為近眼顯示鏡，尤其是頭戴顯示器，但是本發明的顯示裝置的適用範圍並不限於眼顯示器或頭戴顯示器。例如，本發明的顯示裝置亦可作為未來的平視顯示器，未來的平視顯示器的視場大於目前市面上常見的頭戴顯示器的視場，本發明的顯示裝置亦可作為直視顯示器，這種直視顯示器可以對虛擬可見區域進行粗跟蹤及細跟蹤。
但是本發明應僅涉及細跟蹤虛擬可見區域，並對此提出一個解決方案。本發明所謂的細跟蹤虛擬可見區域是指在一個僅有數公厘大小的區域進行跟蹤，例如在一個水平及/或垂直方向均不超過25mm的區域進行跟蹤。
本發明的這種顯示二維及/或三維物件或場景用的顯示裝置(尤其是全息顯示裝置)具有至少一個照明裝置，其作用是發出足夠的相干光線、至少一個空間光調制裝置，其作用是調制入射光、至少一個光學系統、以及一個跟蹤裝置。利用單視差編碼將一個全息圖編碼到該至少一個空間光調制裝置。該至少一個光學系統的作用是在觀察者的一個眼睛的位置產生至少一個虛擬可見區域。經由跟蹤裝置可以改變視場要顯示之物點的全息圖在空間光調制裝置上的編碼方向。跟蹤裝置可以在觀察者的眼睛的一個改變過的位置細跟蹤至少一個虛擬可見區域。
全息圖是所有子全息圖的總合，其中場景要顯示的每一個物點都配屬一個子全息圖。全息圖的編碼方向改變代表每一個子全息圖的編碼方向也跟著改變。
透過改變全息圖在空間光調制裝置上的編碼方向，可以根據觀察者的一個瞳孔的新位置將該至少一個虛擬可見區域移動到另一個位置。全息圖是經由單視差編碼被編碼到該至少一個空間光調制裝置，也就是說全息圖是由一維子全息圖加總而成。透過一維子全息圖由其在該至少一個空間光調制裝置上原來的中心點出發在不同方向上的轉動，可以達到全息圖的不同的編碼方向。這表示全息圖的編碼方向會因為細跟蹤而改變，同時該至少一個虛擬可見區域可以透過全息圖的轉動被移動(也就是被轉動)，同時瞳孔的至少一個可見區域在移動時可以被跟蹤，或始終能夠與瞳孔重疊，因此場景的觀察者始終能夠以很高的解度觀察場景。
改變空間光調制裝置上的全息圖的編碼方向代表調整全息圖計算，例如使子全息圖能夠選擇性的在空間光調制裝置的像素行或像素列或沿著對角線排列的像素內被編碼，然後加總成一個全息圖。因此對於相同顯示的三維場景，全息圖計算會隨著所選擇的全息圖編碼方向而改變。
本發明的跟蹤可能性特別適用於對該至少一個虛擬可見區域的細跟蹤，也就是說跟蹤眼睛的瞳孔的很小移動，或是直接跟蹤眼睛的很小的移動，例如跟蹤使用頭戴顯示器的觀察者的瞳孔或眼睛。如果觀察者本身也移動到另一個位置，例如觀察者使用的是直視顯示裝置，則是先利用粗跟蹤實現對該至少一個可見區域的大範圍跟蹤，然後再利用本發明的細跟蹤找到在眼睛範圍內該至少一個可虛擬見區域的精確定位。
例如，粗跟蹤是以水平方向約25mm及垂直方向約25mm的步距改變一個虛擬可見區域的位置。細跟蹤則是應用於一個水平方向約25mm × 垂直方向約25mm的區域內。但這只是一個數字例，本發明的範圍並不受這個數字例的限制。
以這種方式可以製造出一種比WO 2010/149587 A2的繞射裝置更簡單的跟蹤裝置，進而使頭戴顯示器的構造變得更緊密，以及降低製造成本。
本發明之附屬申請專利項目的內容為本發明的其他有利的實施方式及改良方式。
根據本發明的一種有利的實施方式，該至少一個虛擬可見區域是由一個虛擬觀察者視窗及一個甜蜜點構成，其中虛擬觀察者視窗位於全息圖的編碼方向，甜蜜點位於全息圖的非編碼方向。
在單視差編碼中，該至少一個虛擬可見區域是由一個在全息圖的編碼方向產生的虛擬觀察者視窗及一個在非編碼方向產生(也就是在甜蜜點方向產生)的甜蜜點構成。光線甜蜜點方向被分配在延伸的甜蜜點，其中延伸的甜蜜點的範圍窄於觀察者眼距。此外，甜蜜點的延伸範圍大於虛擬觀察者視窗在編碼方向的延伸範圍。
根據本發明的一種有利的實施方式，全息圖的編碼方向可以在至少兩個方向之間改變。
較佳是可以使用4個可能的編碼方向，例如相對於其內全息圖編碼的空間光調制裝置的像素行或像素列的水平、垂直、對角+45度、或對角135度的方向，以便使該至少一個虛擬可見區域匹配或跟蹤眼睛或瞳孔的新位置。但是本發明並不限於全息圖的這4個可能的編碼方向。除了這4個編碼方向外，當然還有其他不同的可能的編碼方向，例如對角30度的方向。此外，本發明亦不限於在至少一個空間光調制裝置內以行狀及列狀排列的矩形像素。例如，也可以是六角形的像素，而且可以是6個平行於六角形邊的不同的編碼方向。
根據本發明的另一種有利的實施方式，顯示裝置具有至少一個位置偵測系統，其作用是找出觀察場景之觀察者的眼睛位置，尤其是找出瞳孔位置。這個位置偵測系統的另一個選擇性的功能是可以偵測瞳孔的尺寸。
為了找出在該至少一個空間裝置上的適當的全息圖編碼方向，可以利用位置偵測系統找出觀察者的眼睛位置。根據偵測到的眼睛位置可以決定要編碼的全息圖應以那一個方向作為編碼方向，以便使所產生的至少一個虛擬可見區域與觀察者的眼睛重合。接著可以從不同的編碼方向，例如水平、垂直、對角、以及其他的方向，為觀察者當時的眼睛位置挑出適當的編碼方向，以使該至少一個虛擬可見區域能夠最好或最適當的與眼睛或瞳孔重疊。
根據本發明的一種有利的實施方式，所使用的空間光調制裝置具有在水平方向及垂直方向具有一類似或相同的像素間距。如果為了顯示場景中物點的複數值而使用巨像素，也就是由空間光調制裝置的複數個像素給成的巨像素，則一種有利的實施方式是使用的空間光調制裝置具有在水平方向及垂直方向具有一類似或相同的巨像素間距。
觀察者所在的觀察者平面上的虛擬觀察者視窗的尺寸或延伸，以及甜蜜點的尺寸或延伸，都可以選擇性的隨著空間光調制裝置上的全息圖的編碼方向改變。在前面提及的在水平方向及垂直方向具有一類似或相同的像素間距的空間光調制裝置中，全息圖的對角編碼方向(例如所使用的是正方形像素)會使對角方向的像素間距比水平方向或垂直方向的像素間距放大√2倍(根號2倍)，因此在觀察者平面上產生的對角方向的繞射級的延伸範圍，亦有別於在水平方向或垂直方向的繞射級。因此一種有利的方向是使在對角方向產生的虛擬觀察者視窗與在水平方向或垂直方向產生的虛擬觀察者視窗具有不同的尺寸。例如，由於跟蹤範圍的擴大，對於在觀察者平面上的甜蜜點的尺寸產生不同要求。例如，如果細跟蹤的或頭戴顯示裝置的水平跟蹤範圍大於垂直跟蹤範圍，則一種有利的方式是所選擇的水平甜蜜點的尺寸大於垂直甜蜜點。例如，可以透過所使用的繞射級或散射元件的散射角調整甜蜜點的尺寸。
根據本發明的一種有利的實施方式，跟蹤裝置具有至少一個可控制的光學元件，其中該至少一個可控制的光學元件是設置在該至少一個照明裝置及觀察場景的觀察者所在的觀察者平面之間。
為了改變全息圖的編碼方向，跟蹤裝置可以具有至少一個可控制或可開關的光學元件，以便在改變過的方向產生一個甜蜜點或虛擬觀察者視窗，其中該至少一個可控制或可開關的光學元件在光程上是設置在該具有至少一個光源的至少一個照明裝置及觀察者平面之間。在光線傳播方向上，該至少一個可控制的光學元件可以位於空間光調制裝置的前面或後面。該至少一個可控制的光學元件可以是一種散射元件，其作用是僅將一個入射方向的光線散射。以這種方式可以在這個特定的方向(或稱為散射方向)產生一個甜蜜點。
根據本發明的另一種有利的實施方式，該至少一個可控制的光學元件是一種極化切換開關，其中跟蹤裝置具有至少一個被動偏轉光柵元件(較佳是一種極化光柵元件)及至少兩個僅將一個入射方向的光線散射的被動散射元件，其中該被動偏轉光柵元件及該至少兩個被動散射元件與極化切換開關共同作用。
該至少一個可控制的光學元件可以是一種極化切換開關，例如一個非像素化的液晶晶胞或液晶層，而且是與至少兩個被動散射元件共同發揮功能或作用。透過一個偏轉角可以極化選擇性控制的偏轉光柵元件(例如極化光柵元件)及一個極化切換開關，可以選出一個散射元件，以便將入射光散射，其中可以透過電場控制該極化切換開關，並根據其開關狀態產生光線的極化狀態，因而選擇偏轉光柵元件內的一個偏轉角。在顯示裝置內，可以在光線傳播方向上將極化切換開關設置在偏轉光柵元件前面。接著在觀察者平面上，散射元件在散射方向產生一個甜蜜點。此處使用的是一維散射元件。
該至少兩個被動散射元件可以是一種體積光柵，其中該至少兩個被動散射元件可以具有不同的角度選擇性。
例如，該至少兩個被動散射元件是一種具有一特定角度選擇性的體積光柵，因此其僅將從一個特定方向入射的光線散射。例如可以使各個散射元件具有不同的角度選擇性。也就是說被動散射元件之間的區別在於其各自散射不同入射方向的光線。例如可以設置兩個被動散射元件，其中一個被動散射元件能夠有效散射+30度入射角的光線，另一個被動散射元件能夠有效散射-30度入射角的光線。在前面提及的實施方式中，也可以選擇性的使該至少兩個被動散射元件具有不同的散射特性，例如產生不同的散射角。透過這種方式可以對全息圖的各個編碼方向產生的甜蜜點的尺寸進行個別調整。
根據本發明的另一種實施方式，跟蹤裝置具有至少一個由極化切換開關構成的可控制的光學元件，其中跟蹤裝置較佳是具有至少一個偏轉元件(較佳是一種極化分束器元件)及至少兩個僅將一個入射方向的光線散射的被動散射元件，其中透過可控制的光學元件及偏轉元件可以從至少兩個不同的光路徑中選出一個光路徑，並在每一個不同的光路徑上設置一個散射元件。換句話說，該至少兩個被動散射元件是設置在光程中的不同光路徑上，並可借助偏轉元件及極化切換開關從這些光路徑中選出一個光路徑，進而選出一個散射元件。
例如，透過極化切換開關可以調整照射到極化分束器元件上的光線的極性。視極化狀態而定，光線從極化分束器元件以直線或偏轉90度的方向射出。例如，可以將一個垂直散射的散射元件設置在靠近極化分束器元件的一個出口的位置，以及將一個水平散射的散射元件設置在靠近極化分束器元件的另一個出口的位置。視透過極化切換開關調整的極性而定，光線會到達兩個散射元件中的某一個散射元件。接著可以透過一個組合器，例如另一個光線分束方塊，將光路徑重新結合在一起，以使光線從兩個散射元件繼續向觀察者平面前進。
接著散射元件在各個散射方向產生一個位於觀察者平面上的甜蜜點。此處使用的也是一維散射元件。此處也可以選擇性的使用具有不同散射角的散射元件，例如這樣就可以為不同散射方向的光線產生不同大小的甜蜜點。
根據本發明的另一種實施方式，跟蹤裝置具有一個旋轉的被動散射元件。
跟蹤裝置也可以僅具有一個被動散射元件，而且是一個一維且是以機械方式旋轉的被動光學元件，其作用是改變入射光的散射方向。這表示在從全息圖的一個編碼方式改變到全息圖的另一個編碼方向的過程中，這個被動光學元件從一個起始位置被旋轉到一個終點位置。一旦到達這個終點位置，在顯示SLM上的全息圖期間，被動散射元件會停留在這個終點位置。
一種有利的方式是透過一個被動散射元件調整複數編碼方向，例如4個不同的編碼方向，這些編碼方向相當於這個被動散射元件的不同的散射角，例如4個不同的散射角。
然而，在該實施例中，對於所有編碼方向，散射角以及甜蜜點的大小是相同的。
根據本發明的另一種實施方式，跟蹤裝置具有至少兩個可控制的光學元件。
為了改變全息圖的編碼方向，也可以使用至少兩個可控制的光學元件。該至少兩個可控制的光學元件可以是一種僅將一個方向的入射光散射的散射元件，而且是各自將不同方向的入射光散射。例如，第一個散射元件可以在垂直20度 × 水平1度的方向散射，第二個散射元件可以在垂直1度 × 水平20度的方向散射。透過啟動或切換二散射元件中的一散射元件，可以使空間光調制裝置上的全息圖編碼方向轉動90度，其中可以在垂直於全息圖編碼方向產生一個相應的甜蜜點。
換句話說，第一個可控制的光學裝置可以在規定的第一個方向將入射光反射，第二個可控制的光學裝置可以在規定的第二個方向將入射光反射，其中第一個方向不同於第二個方向。這樣就可以透過控制第一個可控制的光學元件及第二個可控制的光學元件決定全息圖或子全息圖的編碼方向。其操作方式是每一次從至少兩個可控制的光學元件中接通或啟動一個可控制的光學元件，以便將光線散射到一個所希望的方向，此時其他的可控制的光學元件被關閉或未被啟動，因此不會將光線散射。同樣的，這些可控制的光學元件也可以選擇性的產生不同的散射角，例如這樣就可以根據全息圖的編碼方式調整出不同尺寸的甜蜜點。
根據本發明的另一種實施方式，該至少一個可控制的光學元件具有兩個基板，而且在這兩個基板之間有一個液晶層。該至少一個可控制的光學元件的兩個基板中至少有一個基板可以具有一個表面結構。
為了製造可控制的光學元件，需將兩個基板接合在一起，並以一個液晶層將兩個基板之間的空間填滿。可控制的光學元件較佳是只有一個基板具有表面結構，另一個基板則具有一平坦表面。該至少一個基板的表面結構可以是一個一維統計表面結構，例如一個壓印在基板上的聚合物層的表面結構。在這種情況下，所謂“統計表面結構”是指表面輪廓並沒有規律重複的圖案，而是在一規定的界限內具有隨機的不規則變化形狀，本文後面對此有更詳細的描述。透過選擇表面結構，也就是說選擇表面結構的寬度、高度及統計分佈，即可設定可控制的光學元件的散射特性。例如，表面結構可以類似於一個表面浮雕光柵或閃耀光柵，此種光柵不同於傳統的光柵元件，因為其光柵週期及/或閃耀角度會隨著在基板上的位置隨機變化，因此不會產生規則的繞射級，而是在一規定的角度範圍內將光射散射。換句話說，表面結構可以具有一個隨著在基板上的位置隨機改變的光柵週期。
例如，可以在最小及最大光柵週期內調整光散射角，以及調整不同的光柵週期的發生機率及/或閃耀角度的範圍及分佈。例如，透過這些設定，可以利用隨機數發生器及電腦計算出表面輪廓，然後以微影技術製造出表面結構的主輪廓。然後可以從主輪廓形成造型。一般而言，表面結構也可以是一個不規則的高度輪廓，其寬度及高度會隨著在可控制的光學元件的至少一個基板上的位置隨機改變。
根據本發明的一種實施方式，至少一個可控制的光學元件的每一個基板都具有一個電極裝置，其中每一個電極裝置都具有至少一個電極。例如，該至少一個電極可以是平面電極，也就是說不是像素化電極。
根據本發明的一種實施方式，以具有表面結構的基板對面的基板作為液晶層內的液晶配向之用。該至少一個可控制的光學元件的這個基板可以是一種平面或扁平的基板，而且可應用於液晶層內的液晶配向。例如，這可以透過研磨或液晶光配向法獲得實現。
此外，液晶層的液晶材料可以具有第一折射率及第二折射率，其中第一折射率基本上相當於表面結構的折射率，第二折射率則不同於表面結構的折射率。
液晶層的雙折射液晶材料可以具有第一折射率，例如基本上與表面結構的折射率相同的正規折射率。例如，液晶材料的正規折射率或第一折射率及至少一個可控制的光學元件的表面結構的折射率是相等的，也就是n = 1.5。此外，雙折射液晶材料可以具有第二折射率，例如與至少一個可控制的光學元件的表面結構的折射率不同的非正規折射率。例如，液晶材料的非正規折射率或第二折射率n = 1.7，表面結構的折射率n = 1.5。
本發明的一種實施方式具有複數可控制的光學元件，而且這些可控制的光學元件的至少一個基板具有一維表面結構，這些可控制的光學元件在光程上的設置方式使每一個可控制的光學元件的至少一個基板的一維表面結構具有彼此不同的配向。
如果在光程上設置複數可控制的光學元件，也就是說至少有兩個可控制的光學元件，則可以透過這些可控制的光學元件的排列方式，使每一個可控制的光學元件的各個基板上的表面結構(較佳是統計表面結構)具有彼此不同的配向。
根據本發明的一種實施方式，可以使兩個可控制的光學元件的表面結構彼此大約夾90度角。用這種方式同樣可以使每一個可控制的光學元件的表面結構彼此夾90度角。當然除了這個角度外，也可以是其他的角度，特別是在可控制的光學元件的數量大於2的情況下，例如各個可控制的光學元件彼此夾60度或45度角。例如，如果第一個可控制的光學元件被啟動或接通一個電壓，但是第二個可控制的光學元件未被啟動或未接通一個電壓，則入射光會在第一個方向被散射。相反的，如果第一個可控制的光學元件未被啟動或未接通一個電壓，但是第一個可控制的光學元件被啟動或接通一個電壓，則入射光會在第二個方向被散射。
同樣的，也可以選擇性的使每一個可控制光學元件都具有不同的散射角，這樣就可以透過甜蜜點的方向使每一個甜蜜點都具有不同的尺寸。
此外，在光線傳播方向上，可以將至少一個極化元件設置在該至少一個可控制的光學元件的前面。
該至少一個極化元件可以是一種極化光柵元件，例如這種極化光柵元件可以將入射的左旋極化光偏轉到第 +1繞射級，以及將入射的右旋極化光偏轉到第 -1繞射級。這個例子僅是用來說明可以利用該至少一個極化元件將不同的極化光偏轉到不同的方向。
根據本發明的一種特別有利的實施方式，跟蹤裝置是一種過濾裝置，其作用是降低繞射級。
基本上本發明不應限於利用如前面描述的散射元件或可控制的光學元件改變全息圖或子全息圖的編碼方向。另一種可能的方式是，跟蹤裝置是一種過濾裝置，透過這種過濾裝置可以改變至少一個空間光調制裝置上的全息圖或子全息圖的編碼方向。為此可以在所有方向，也就是說在全息圖或子全息圖的編碼方向及非編碼方向，都使用均勻的相干光線。在一個位於至少一個空間光調制裝置及觀察者平面之間的過濾平面上，尤其是在空間光調制裝置的傅利葉平面上，可以將不需要的繞射級過濾掉。在全息圖或子全息圖的編碼方向，只應有一個單一繞射級的光線到達觀察者的眼睛，否則觀察者將會看到重建場景的非期望的多重影像。三維場景的每一個物點都會在相應於各個繞射級的不同位置被重建一次。但是在與全息圖或子全息圖的編碼方向垂直的方向，也就是在甜蜜點的方向，不同的繞射級不會在觀察者的眼睛內造成干擾。觀察者會在各個繞射級內看到相同的重建場景。在這個甜蜜點的方向，場景的物點會在每一個繞射級內的相同地點被產生。
使用複數繞射級的另一點優點是可以擴大光線到達觀察者的瞳孔的範圍。因此也可以透過複數繞射級的光線在觀察者平面上產生甜蜜點。
例如，可以產生一個甜蜜點及一個虛擬觀察者視窗，其中透過在SLM的傅利葉平面上一個方向的過濾，也就是在相當於全息圖或子全息圖的編碼方向的過慮，僅讓一個繞射級通過，其他繞射級都被過濾掉，其中在與這個方向垂直的方向，也就是在相當於甜蜜點的方向，則讓複數繞射級通過。如果這個作為跟蹤裝置以過濾繞射級的過濾裝置是可以控制的，例如可以在兩種不同的開關狀態之間切換，其中一個開關狀態在水平方向僅讓一個繞射級通過，在垂直方向讓複數繞射級通過，另一個開關狀態在水平方向讓複數繞射級通過，在垂直方向僅讓一個繞射級通過。因此一種有利的方式是使用可控制的過濾裝置。過濾裝置還可以有其他更多的開關狀態，例如可以使用對角的繞射級，例如在 +45度的方向僅讓一個繞射級通過，在 -45度的方向讓複數繞射級通過，或是反過來在 -45度的方向讓複數繞射級通過，在 +45度的方向僅讓一個繞射級通過。
根據一種實施方式，可以透過一個孔隙在過濾平面上的機械式旋轉，達到切換或改變過濾裝置的開關狀態的目的，另一種實施方式是使用一個可電動切換的過濾光圈，這個過濾光圈可以在不過濾光圈的不同配向之間來回切換。
使用旋轉的過濾光圈僅能在全息圖的不同編碼方向內調整一個相同大小的甜蜜點。
使用可電動控制的過濾光圈可以在甜蜜點方向透過光圈的調整，過濾許多不同的繞射級，以根據全息圖的編碼方向產生不同大小的甜蜜點。例如，可以為甜蜜點在水平方向使用5個繞射級，但是在垂直方向使用7個繞射級，其中過濾平面上水平甜蜜點及垂直甜蜜點使用的孔隙或開口是不一樣大小的。
根據本發明的另一種實施方式，該至少一個照明裝置的至少一個光源是一種跟蹤裝置，其中該至少一個光源是可控制的，其作用是改變要發射之光線的相干性。
例如，根據在本發明的另一種實施方式，可以控制或切換該至少一個照明裝置的一個光源，以改變光線的相干性，目的是使在不同的方向各具有一高相干性或一低相干性，其中高相干性是為能產生虛擬觀察者視窗，低相干性是為了產生甜蜜點。所謂在編碼方向高相干性是指其相干程度足以使SLM上的子全息圖內的不同像素發出的光線彼此干涉。在甜蜜點的方向低相干性是指SLM階相鄰像素發出的光線在甜蜜點的方向不必彼此干涉。例如，可以用一個狹縫狀光源作為SLM的照明，其中這個狹縫狀光源在狹縫的縱向及短向具有不同的相干性。按照范希特-澤尼克定理(van-Citter-Zernike Theorem)，可以計算出一個準單色光源產生的輻射場的總相干度。這種狹縫狀光源在照亮SLM時，可以在狹縫的縱向及短向產生不同的角度譜。
在全息圖的編碼方向，較佳是以1/60度(也就是1弧分)或更小的角度譜照亮SLM，因為這個角度譜能夠使全息重建的分辨率相當於或超出人眼的分辨率。但是在甜蜜點方向，可以用一個大很多的角度譜(例如1-2度的角度譜)照亮SLM。可以調整狹縫狀光源的長度及寬度，以及調整狹縫狀光源與SLM的距離，以便在SLM上形成這些角度譜。例如，如果在光源及SLM之間設有一個成像元件(例如一個透鏡)，同時光源位於成像元件的物側焦距，則光源會被成像元件成像在無限遠處。在這種情況下，從光源的一個點發出的光線平行照射在SLM上。此時角度譜是由光源的大小及成像元件的焦距決定。Tan α = x / f，其中x是狹縫或切口的延伸，f是焦距。例如，成像元件的焦距為100mm，如果要產生一個1/60度的角度譜，則光源的狹縫的短向寬度為29μm。狹縫的長向的長度是3.5mm，以產生一個2度的角度譜。
此處要注意的是，全息重建物件或場景的顯示裝置內會產生一個可以從虛擬可見區域看出去被放大成像的SLM，但是有效角度譜會隨著放大倍數降低。前面提及的狹縫光源的數字例涉及的是觀察者可以直接看到的一個未放大的SLM。對於被放大成像的SLM，光源可能也會與SLM的放大倍數成正比的被放大。例如，如果SLM被放大10倍成像，則可以用1/6度 × 20度的角度譜照亮SLM，以便1/60度 × 2度的角度譜入射到所產生的SLM的成像。同樣的，狹縫狀光源也可以放大10倍。
本發明並不限於前面提及的狹縫狀光源的尺寸。以上的數字例僅是一個用來說明的例子。
例如，如果要改變全息圖或子全息的編碼方向，則一個狹縫狀光源可以從狹縫的短向或長向的一個配向被轉動到狹縫的短向或長向的另一個配向。根據另一種實施方式，也可以使用複數狹縫的長向有不同配向的狹縫狀光源，在這種情況下，如果要改變全息圖的編碼方向，可以將一個光源接通，以及將另一個光源切斷。
另一種可能的方式是利用一個可控制的光學元件改變至少一個空間光調制裝置之照明的相干性，以使全息圖的編碼方向具有高相干性，甜蜜點方向具有低相干性。例如，利用一維散射元件降低散射方向的相干性。
本發明的顯示裝置較佳是一種全息顯示裝置。本發明的顯示裝置非常適合應用於頭戴顯示裝置，其中頭戴顯示裝置具有一個供觀察者的左眼使用的本發明的顯示裝置，以及一個供觀察者的右眼使用的本發明的顯示裝置。
此外，為了達到本發明的目的，本發明還提出一種如申請專利範圍第28項的顯示二維及/或三維場景的方法。
本發明提出的顯示二維及/或三維場景的方法使用至少一個照明裝置，其作用是發出足夠的相干光線、至少一個空間光調制裝置、至少一個光學系統、一個跟蹤裝置、以及一個位置偵測系統。位置偵測系統的作用是偵測觀察者的一個眼睛的位置。透過至少一個光學系統及跟蹤系統，可以找出至少一個空間光調制裝置上場景的物點的全息圖的一個適當的編碼方向。這個全息圖是由所有子全息圖組合而成，其中要顯示的景場的每一個物點都有一個子全息圖。改變全息圖的編碼方向代表每一個子全息圖的編碼方向也會跟著改變。
以單視差編碼將一個全息圖按前面找出的編碼方向編碼到該至少一個空間光調制裝置。該至少一個空間光調制裝置被至少一個照明裝置照亮，同時全息圖被該至少一個光學系統重建。在觀察者眼睛所在的位置產生至少一個虛擬可見區域。
以這種方式可以透過改變要編碼到至少一個空間光調制裝置內的全息圖的編碼方向，使所產生的一個虛擬可見區域能夠以簡單的方法及較低的成本跟觀察者的眼睛。
根據本發明的一種實施方式，可以為要編碼的全息圖選出使可見區域的最大面積比例與觀察者的瞳孔重疊的編碼方向，作為適當的編碼方向。
所選擇的編碼方向使虛擬可見區域的最大面積比例與觀察者的瞳孔重疊。如果有被數個可能性使一個適當的編碼方向與瞳孔重疊出相同大小的面積內容，則可以從中選出一個編碼方向。
一種可行的方式是以位置偵測系統偵測觀察者的眼睛位置(尤其是瞳孔的位置及必要時加上瞳孔的尺寸)，以及在觀察者的眼睛位置改變時，偵測新的眼睛位置，同時使虛擬可見區域繞自身的一個固定的中心點轉動，並找出虛擬可見區域在那一個方向與觀察者的瞳孔重疊的面積比例達到最大，以便為要編碼的全息圖選擇適當的編碼方向。
為了找出全息圖的適當的編碼方向，虛擬可見區域的中心點是不會改變的，也就是說這個中心點始終是在同一個位置。這表示在跟蹤眼睛(尤其是瞳孔)到一個新位置時，虛擬可見區域並不會被推移到另一個位置，而是其中心點始終保持在同一個位置，也就是說虛擬可見區域僅是繞著自身的中心點轉動。這也表示在空間光調制裝置上的全息圖也是繞著自身的中心點轉動，並從中選擇一個適當的編碼方向，因為這個全息圖是以單視差編碼被編碼。這樣做依據的事實是，構成虛擬可見區域的虛擬觀察者視窗通過要重建之場景的一個物點被投影在至少一個空間光調制裝置上，以便為要產生的物點找出要編碼的全息圖或子全息圖，如第1圖所示。
有許多不同的可能性能夠以有利的方式實現本發明的學理，及/或將前面描述的各種實施方式彼此組合在一起。這些可能性一方面記載於附屬申請專利項目中，另一方面亦將在本文下面配合圖式加以說明，此部分也將說明本發明之學理的各種有利的實施方式。但是以下提及的實施方式及實施例本發明都只是用於解釋本發明，但是並不會對本發明的範圍造成任何限制。
此處要簡短說明的是，在所有的圖式中，相同的元件/組件/構件均以相同的元件符號標示。
第1圖顯示一個全息顯示裝置的立體示意圖，為了簡化圖面，第1圖未將照明裝置及光學系統繪出。這個顯示裝置是用於說明及解釋本發明的內容，因此有必要再一次簡短描述這個顯示裝置。這個顯示裝置的運作方式是為場景的許多個物點產生子全息圖。第1圖顯示的裝置是將位於觀察者平面上的虛擬可見區域VW經由各個物點投影在空間光調制裝置SLM上，以便為許多對空間光調制裝置處於不同深度的物點產生子全息圖，其中觀察者位於觀察者平面上，同時第1圖中的P代表代表該觀察者眼睛的瞳孔。為了簡化起見，在以下的說明中將空間光調制裝置縮寫為SLM。從第1圖可以清楚看出，子全息圖在空間光調制裝置SLM上的位置取決於物點相對於可見區域VM的位置。此外，子全息圖的尺寸或延伸範圍或大小是由經過編碼的物點的z位置決定，其中z是指物點到SLM的距離。在大部分的情況下，子全息圖有彼此重疊。
與觀察者眼睛的入射瞳孔相距甚遠的物點的尺寸或延伸範圍相當於一個很小的子全息圖，例如此處物點與觀察者眼睛的入射瞳孔相距甚遠可以是指物點非常靠近SLM的平面，如果是頭戴顯示器(HMD)或平視顯示器(HUD)，則是非常靠近SLM的虛平面。例如，如果是全息圖的一維(1D)編碼，也稱為單視差編碼，很小的子全息圖的橫向延伸為10個像素，或如果是全息圖的二維(2D)編碼，也稱為全視差編碼，很小的子全息圖的橫向延伸為10 × 10個像素。
場景(較佳是三維場景)的全息重建是透過子全息圖及一個虛擬可見區域獲得實現，其中如果是使用全息圖的單視差編碼，則這個虛擬可見區域是由一個在全息圖的編碼方向的虛擬觀察者視窗及一個在全息圖的非編碼方向的甜蜜點構成，如果是使用全息圖的全視差編碼，則這個虛擬可見區域是由一個二維虛擬觀察者視窗構成，其中觀察者可以透過虛擬觀察者視窗看到重建的場景。
例如，可以利用如第1圖的投影方法計算及產生全息圖。
投影方法是將觀察者平面上的一個虛擬可見區域的輪廓通過一個物點投影到一個SLM上，並在這個SLM上產生一個子全息圖。換句話說，透過虛擬可見區域的輪廓的投影會在SLM上形成或產生一個子全息圖的輪廓。接著重建物點用的 相位函數在子全息圖內被編碼。根據一種最簡單的方式，子全息圖內的振幅函數(或簡稱為振幅)對子全息圖的所有像素都具有相同的值，而且所選擇的這個值使子全息圖以規定的強度重建物點。觀察者平面上的虛擬可見區域的尺寸不能超過所產生之繞射圖的一個繞射級。由於虛擬可見區域的尺寸被限制在一個繞射級內，因此觀察者無法看到虛擬可見區域內的其他繞射級。
這樣就可以產生一個全息圖，這個全息圖的作用是重建一個可以從虛擬可見區域看到的二維及/或三維場景。
關於具有SLM的一個實像或虛像的頭戴顯示器(HMD)、平視顯示器(HUD)、或投影顯示器，此處使用的名詞“SLM”是指可以從虛擬可見區域看到的SLM的像。
根據投影方法的一種最簡單的實施方式，子全息圖的振幅在子全息圖的整個範圍內都是固定不變的。當然也有其他的實施方式，子全息圖的振幅是可以在子全息圖的範圍內改變的。例如，這可以透過與像素傳輸的傅利葉轉換的倒易的相乘獲得實現，以使虛擬可見區域具有均勻的亮度分佈。
第1圖之顯示裝置在觀察者平面上產生的虛擬觀察者視窗的尺寸可以小於觀察者眼睛的瞳孔尺寸，或者也可以選擇性的大於或等於觀察者眼睛的瞳孔尺寸。但是虛擬觀察者視窗的尺寸通常不應大於10mm，或最多不應大於15mm，否則會對像素間距及SLM的像素數量造成非常高的要求。
但是以相同的產生虛擬觀察者視窗的SLM，也就是說以具有一特定的像素間距及一特定數量的像素的SLM，可以在觀察者平面上產生一個尺寸明顯大於虛擬觀察者視窗的甜蜜點。例如，甜蜜點的尺寸可以大於20mm或更大。對於直視顯示器而言，甜蜜點的尺寸限制是觀察者的眼距。這個限制是為了確保應入射到觀察者的一個眼睛的甜蜜點的光線不會入射到另一個眼睛。由於觀察者的兩個眼睛是彼此水平相鄰排列，因此基本上這個限制僅涉及甜蜜點的水平延伸量。例如，一個垂直產生的甜蜜點的延伸量可以大於觀察者的眼距。對於頭戴顯示器而言，可以選擇較大的甜蜜點的延伸量，以使甜蜜點的範圍能夠涵蓋眼睛內瞳孔的典型移動範圍。
以下將搭配第3圖至第10圖的實施例說明本發明的顯示裝置，也就是一種全息頭戴顯示器(HMD)。為了更好的理解本發明，此處要先根據第2圖描述本專利登記人目前執行的跟蹤虛擬可見區域的方法。
在本專利登記人提出的一種頭戴顯示器中，一個場景的各個物點各自的全息圖或子全息圖是透過單視差編碼被編碼到SLM，通常僅使用由一個非常小的虛擬觀察者視窗(大約1mm)及一個甜蜜點(大約10mm)構成的虛擬可見區域。所構成的矩形虛擬可見區域具有在兩個方向差異很大的邊長或延伸量，觀察者眼睛的瞳孔可以在這個矩形虛擬可見區域內看到重建的二維或三維場景。
第2圖顯示一個以先前技術產生的虛擬可見區域，這個虛擬可見區域由一個虛擬觀察者視窗VW及一個甜蜜點SS所構成。使用全息圖的單視差編碼時，這種虛擬可見區域是產生於一個SLM內，其中編碼的全息圖或子全息圖具有一個固定的編碼方向，在本例中這個編碼方向是一個垂直的編碼方向。因此在垂直方向會形成一個尺寸很小的虛擬觀察者視窗VW。在第2圖中，虛擬觀察者視窗VW的尺寸小於觀察者眼睛的瞳孔P的尺寸。從第2圖可以看出，一個在水平方向產生的甜蜜點SS的尺寸明顯大於虛擬觀察者視窗VW的尺寸。
第2圖的子圖a)顯示觀察者眼睛的瞳孔P的位置，這個位置位於虛擬可見區域的中心區。這表示瞳孔P不但位於虛擬觀察者視窗VW的中心區，同時也位於甜蜜點的中心區。在瞳孔P所在的虛擬可見區域內的這個位置，觀察者的眼睛可以看到及觀察一個重建的三維場景。
第2圖的子圖b)顯示的情況是，觀察者眼瞳孔P相對於虛擬可見區域的中心水平移動一段距離，或者說是相對於位於水平方向上的甜蜜點SS的中心移動一段距離。但是眼睛的瞳孔P仍位於虛擬可觀區域的甜蜜點SS的範圍內。在這種情況下，觀察者的眼睛仍然可以看到及觀察一個重建的三維場景。
比較第2圖的子圖c)及子圖b)的情況可以發現，在子圖c)的情況中，觀察者眼瞳孔P除了相對於虛擬可見區域的中心有水平移動外，也有垂直移動。從子圖c)可以看出，此時眼睛的瞳孔P位於虛擬可觀區域之外，也就是說，虛擬可見區域不再覆蓋或重疊眼睛的瞳孔P。在這種情況下，觀察者看不到重建的場景。在以先前技術製造的一種傳統的顯示裝置中，此時必須以適當的光學裝置(例如一個繞射裝置)將虛擬可見區域移動，以跟蹤到眼睛的瞳孔P的新位置。子圖c)以虛線顯示虛載可見區域被移動到眼睛的瞳孔P的新位置。
比較第3圖及第2圖的情況可以發現，在第3圖的情況中，虛擬可見區域位於一位觀察者的眼睛所在的觀察者平面上，根據本發明，在這個虛擬可見區域，虛擬觀察者視窗的方向及甜蜜點的方向都是可以改變的。此處也是利用單視差編碼將一個全息圖或子全息圖編碼到SLM。這樣就可以改變全息圖或子全息圖在SLM上的編碼方向。如第2圖所述，使用全息圖的單視差編碼時，這種虛擬可見區域是產生於一個SLM內，其中編碼的全息圖或子全息圖具有一個固定的編碼方向，在本例中這個編碼方向是一個垂直的編碼方向。因此在垂直方向會形成一個尺寸很小的虛擬觀察者視窗VW。為了簡化起見，第3圖和第2圖的情況一樣，虛擬觀察者視窗VW的尺寸小於觀察者眼睛的瞳孔P的尺寸。從第3圖可以看出，一個在水平方向產生的甜蜜點SS的尺寸明顯大於虛擬觀察者視窗VW的尺寸。
第3圖的子圖a)顯示觀察者眼睛的瞳孔P的位置，此處使用的是全息圖或子全息圖的垂直編碼方向。為了找出要編碼到SLM的全息圖的適當的編碼方向，先利用一個位置偵測系統偵測眼睛的位置，特別是偵測觀察者眼睛的瞳孔相對於SLM的位置。接著利用顯示裝置的一個光學系統及一個跟蹤裝置(例如一種將在第5圖進一步說明的跟蹤裝置)找出全息圖的適當的編碼方向，其中經由單視差編碼以模擬方式將一個全息圖編碼到SLM，以及模擬產生一個虛擬可見區域。然後檢查虛擬可見區域是否與觀察者眼睛的瞳孔重疊。如果虛擬可見區域與觀察者眼睛的瞳孔重疊，則可以進一步檢查這個模擬的可見區域在全息圖的這個編碼方向與觀察者眼睛的瞳孔重疊的面積比例是否達到最大。如果檢查後發現此時已達到最大的面積比例，就可以將全息圖以這個編碼方向編碼到SLM，並以照明裝置照亮SLM及光學系統，以重建物點，這樣觀察者就可以透過真實產生的虛擬可見區域觀察到這個物點。
在觀察者觀察物點或場景時，如果眼睛或眼睛的瞳孔移動，則必須跟虛擬可見區域，以使觀察者能夠繼續觀察所顯示的物點或場景。第3圖的子圖b)顯示跟蹤虛擬可見區域的方式。從子圖b)可看出，眼睛的瞳孔P移動到一個不同於子圖a)的新位置。眼睛或瞳孔P垂直移動，因此虛擬可見區域不再如子圖a)與瞳孔P重疊。此時虛擬可見區域能夠繞自身的中心點M轉動或旋轉，以跟蹤到眼睛的瞳孔P的新位置。因此全息圖在SLM上的編碼方向也會跟著改變。
此時再度以模擬方式找出全息圖的編碼方向，也就是透過模擬產生的虛擬可見區域繞其自身之中心點M的轉動找出全息圖的編碼方向。選擇能夠使虛擬可見區域與觀察者的瞳孔的重疊達到最大面積比例的編碼方向，作為全息圖的適當的編碼方向。選出全息圖的適當的編碼方向後，就可以用這個選出的編碼方向將全息圖編碼到SLM。透過這種方式可以在觀察者平面上產生一個與觀察者眼睛的瞳孔的新位置重疊的虛擬可見區域。這樣就可以透過虛擬可見區域的轉動，然後再透過虛擬觀察者視窗及甜蜜點的轉動，使觀察者能夠不受干擾的觀察重建的場景。
相較於第2圖，如果按照第3圖的方式跟蹤由虛擬觀察者視窗及甜蜜點構成的虛擬可見區域，在虛擬可見區域跟蹤到眼睛或眼睛的瞳孔的新位置後，虛擬可見區域的矩形區域的中心點M仍保持在原來的位置。也就是說，虛擬可見區域的中心點M不會因為跟蹤而被推移。
視瞳孔位置所需的區域而定，沒有必要以任意小的間距選出虛擬可見區域的旋轉角及編碼方向的旋轉角，因為以使用的顯示裝置為一種頭戴顯示器為例，瞳孔能夠移動的範圍不大，就像使用直視顯示器時，觀察者從一個位置移動到另一個位置的情況一樣。改變全息圖的編碼方向以跟蹤虛擬可見區域的方式也不是為觀察者的大範圍的移動而設計，而是特別適於對虛擬可觀區域進行細跟蹤，例如特別適於應用在頭載顯示器。由於眼睛的瞳孔只能在一個有限的圍內移動，因此只需少數幾個旋轉角就夠了，例如水平(0度)、垂直(90度)、以及兩個對角方向的旋轉角(+45度及-45度)。
第4圖以示意方式顯示虛擬可見區域處於不同旋轉角位置的情況，其中這個虛擬可見區域是由尺寸約1mm的虛擬觀察者視窗及尺寸約10mm的甜蜜點所構成。第4圖顯示虛擬可見區域的4個可能的旋轉角位置，也就是說，全息圖的編碼方向位於水平方向(B)、垂直方向(D)、以及兩個對角方向(A及C)。為了替要編碼到SLM的全息圖選擇及找出一個適當的編碼方向，需選出使虛擬觀察者視窗VW及甜蜜點SS的最大面積比例與觀察者的瞳孔重疊的編碼方向。在尋找全息圖的適當的編碼方向時，如果找到複數可能的編碼方向，也就是說，這些可能的編碼方向使虛擬可見區域與眼睛的瞳孔P重疊的部分佔虛擬可見區域相同的面積比例，則可以從這些可能的編碼方向中選擇一個作為適當的編碼方向使用。
在第4圖中，眼睛的瞳孔P的中心點與一條水平線L或虛擬可見區域的中心點M大約夾一個22.5度的角度。從第4圖可以看出，垂直編碼方向(D)及對角編碼方向(-45度；C)佔據眼睛的瞳孔P相同的面積比例，因此以這兩個編碼方向將全息圖或子全息圖編碼到SLM，在顯示重建的物點或場景時，通過瞳孔P到達觀察者的眼睛的光線量是相同的。因此可以在這兩個編碼方向中選擇一個作為要編碼到SLM的全息圖或子全息圖的編碼方向。
原則上可以將轉動一個一維全息圖使全息圖的編碼方向改變的方法，以及透過棱鏡項在全息圖或子全息圖內的編碼使虛擬觀察者視窗在編碼方向移動的方法組合在一起，如WO 2018/037077A2所述，而且這個已知專利的所有內容都應全部包含在本專利申請案中。如果將一個線性函數(也就是一個棱鏡函數)加到全息圖的相位，則虛擬觀察者視窗會移動一個繞射級的一小部分。例如，相鄰像素之間一個差異為π的線性相位函數使虛擬觀察者視窗產生半個(1/2個)繞射級的移動，或者說一個2π/x的差異使虛擬觀察者視窗產生1/x個繞射級的移動。但是透過全息圖內相位函數使虛擬觀察者視窗產生的移動，並不會改變各個繞射級內的亮度分佈。如果觀察者從中央繞射級移動到較高的繞射級，則觀察者雖然通常可以看到一個正確重建的三維場景，但是其亮度會變小。由於這個亮度限制，透過棱鏡項的編碼使虛擬觀察者視窗移動的方法通常僅能在少數幾個繞射級的範圍內應用。如果虛擬觀察者視窗的尺寸小於瞳孔的尺寸，則應以虛擬觀察者視窗的一個中間像過濾光學系統內的繞射級，以確保只有來自一個射級的光線到達觀察者的眼睛。例如，如果虛擬觀察者視窗沒有被推移，則過濾光圈僅讓來自第0繞射級的光線能夠到達觀察者的眼睛。例如，如果虛擬觀察者視窗被棱鏡函數推移半個繞射級，則過濾光圈應僅讓來自半個第0繞射級及半個第一繞射級的光線能夠到達觀察者的眼睛。也就是說過濾光圈要能夠移動，以配合所使用的棱鏡函數，例如可透過機械或電動方式使過濾光圈移動。本發明的所有實施方式都能夠與這種可以移動的過濾光圈組合在一起。例如，一種需使用在傅利葉平面上的一個可轉動的過濾光圈，以調整或改變全息圖的編碼方向的實施方式與可以移動的過濾光圈的最簡單的組合方式是使用一個能夠轉動及移動的過濾光圈。
但是如果虛擬觀察者視窗的尺寸大於觀察者眼睛的瞳孔尺寸，則過濾並非不可或缺的動作，因為在這種情況下，即使不經過過濾，也可以確保只有來自一個繞射級的光線能夠到達觀察者的眼睛。但是在第4圖顯示的實施例中，虛擬觀察者視窗的尺寸小於瞳孔的尺寸。例如，一個大約1mm的虛擬觀察者視窗及一個大約10mm的甜蜜點可以在全息圖的編碼方向被推移± 1個繞射級，也就是 ± 1mm，以覆蓋一個約3mm × 10mm的區域。
除了轉動全息圖或子全息圖的編碼方向外，還可以使虛擬可見區域在一個小區域內產生很小的移動，例如 ± 一個繞射級，以便更好重疊/重合/覆蓋觀察者眼睛的瞳孔。在選擇全息圖的那一個編碼方向與觀察者眼睛的瞳孔的重疊程度最好時，轉動編碼方向及一個很小的移動的組合是一個值得考慮的可能性。
如前面描述過的情況，如果僅涉轉動編碼方向，則可以為每一個眼睛位置重新計算編碼方向，或是預先一次性的為所有可能的眼睛位置計算出編碼方向，並將計算結果儲存在一個尋找表(Look-Up-Tabelle)中。如果使用的是後者的方法，就可以在位置偵測系統偵測出眼睛位置後，從尋找表中選出全息圖的編碼方向。如果必要的話，還可以另外透過同樣是儲存在尋找表中的棱鏡項使虛擬觀察者視窗產生移動。
第5圖顯示一個顯示裝置，特別是一個全息顯示裝置。這種顯示裝置具有一個跟蹤裝置4，其作用是跟蹤全息圖的編碼方向的改變。
透過一個散射元件可以在觀察者表面上產生一個甜蜜點，但前提是這個散射元件位於SLM附近，或是位於SLM盼一個中間像平面上。
此處要注意的是：在一個全息重建物點或場景的顯示裝置內，在產生一個可以從虛擬可見區域看到的SLM的放大成像時，散射元件也會被放大成像，並隨著有效散射角的放大而變小。例如，如果SLM被放大20倍成像，一個散射角約20度 × 1度的散射元件產生的有效散射角大約是1度 × 1/20度。例如，如果產生一個與虛擬可見區域相距1m的SLM的像，則根據公式tan 1度*1000mm，以1度的有效散射角會在觀察者平面上形成一個延伸量約17mm的甜蜜點。在這個例子中，在編碼方向的角度1/20度使三維場景在編碼方向上的分辨率被限制在20像素/度，這個分辨率低於眼睛的最大可視分辨率。以上的數值僅作為舉例之用。例如，另一種可能的方式是使用散射角為20度 × 0.3度的散射元件。
例如，為了能夠按照第3圖及第4圖的方式跟蹤虛擬可見區域到觀察者的一個眼睛的瞳孔的新位置，可以使用複數由散射元件構成的可控制的光學元件，以改變全息圖或子全息圖的編碼方向，以及改變甜蜜點方向。例如，第一個可控制的光學元件將光線以垂直20度 × 水平1度的方式散射，第二個可控制的光學元件將光線以垂直1度 × 水平20度的方式散射。例如，可以先控制一個可控制的光學元件，然後控制另一個可控制的光學元件，以便將全息圖或子全息圖的編碼方向轉動90度，並形成一個與編碼方向垂直的相應大小的甜蜜點。
例如，可以按以下方式選擇性的擴充這個裝置：第三個可控制的光學元件將光線以+45度對角方向1度 × -45度對角方向20度的方式散射。第四個可控制的光學元件將光線以-45度對角方向1度 × +45度對角方向20度的方式散射。在這種情況下，可以在4個編碼方向之間，每次選擇控制4個可控制的光學元件中的一個可控制的光學元件。
另一種可能性是，為了跟蹤虛擬可見區域到觀察者的一個眼睛的瞳孔的新位置，可以在跟蹤裝置內設置至少兩個被動散射元件。透過跟蹤裝置的至少一個可控制的光學元件，可以選出這至少兩個被動散射元件作為光線散射之用。
例如，這至少兩個被動散射元件可以是一種具有一特定的角度選擇性的體積光柵。在這種情況下，可以使每一個作為散射元件的體積光柵都具有不同的角度選擇性。
為了從至少兩個被動散射元件中選出一個被動散射元件作為光線散射之用，可以設置一個偏轉光柵元件及一個可控制的光學元件。例如，偏轉光柵元件具有一個可極化選擇控制或可切換的偏轉角。例如，這個偏轉光柵元件可以是一個極化光柵元件，其可以將左旋或右旋極化入射光偏轉到第+1繞射或第-1繞射級，其中每一個繞射級都相當另一個偏轉角。例如，這個可控制的光學元件可以是一個極化切換開關，例如一個可透過電場控制的LC(液晶)層。這個由極化切換開關構成的可控制的光學元件可以根據極化切換開關的開關狀態，產生特定極化狀態的光線，例如一種開關狀態是產生左旋極化光線，另一種開關狀態是產生右旋極化光線。以這種方式可以選出偏轉光柵內的一個偏轉角，並根據散射元件的角度選擇性選出跟蹤裝置的一個被動散射元件。
第5圖顯示一個具有這種跟蹤裝置的顯示裝置。這個顯示裝置具有一個包含至少一個光源的照明裝置1、一個SLM 2、一個光學系統3、以及跟蹤裝置4，此外還可以具有其他的光學元件或裝置，但此處僅是作為說明本發明之用，因此無需具有其他的光學元件或裝置。利用單視差編碼將一個全息圖或子全息圖編碼到SLM，以便為觀察者重建或顯示一個物點或場景。SLM被照明裝置1以足夠的相干光線照亮。例如，光學系統3可以具有至少一個成像元件(例如透鏡元件)。光學系統3位於SLM 2及觀察者平面5之間。之所以將光學系統3設置在光程上是為了在非編碼方向(也就是甜蜜點方向)上沒有跟蹤裝置4時，照明裝置1的光源會被成像在觀察者平面5上。此外，光學系統3還會產生一個可以從觀察者平面5看到的SLM 2的放大的虛像(未在圖式中繪出)。
跟蹤裝置4具有兩個被動一維散射元件6及7，其中在光線傳播方向上，被動散射元件6及7位於SLM 2的後面。第一個散射元件6產生一個垂直方向20度的散射角及一個水平方向1度的散射角。第一個散射元件7產生一個垂直方向1度的散射角及一個水平方向20度的散射角。這兩個被動一維散射元件可以都是體積光柵，並具有體積光柵典型的受限的角度接受性。這兩個被動一維散射元件具有不同的角度接受範圍，因此可以透過一特定的光線入射角選擇是由被動一維散射元件6或7將入射光散射。
此外，跟蹤裝置4還具有一個由極化光柵元件構成的偏轉光柵元件8，其中偏轉光柵元件8是位於被動一維散射元件6及SLM 2之間。偏轉光柵元件8將特定的極化光線偏轉。例如，偏轉元件8偏轉第+1繞射極的入射左旋極化光線及第-1繞射極的入射右旋極化光線。這樣就可以選擇特定的被動一維散射元件6或7，並使光線朝這個散射元件前進，然後被散射。
此外，跟蹤裝置4還具有一個由極化切換開關構成的可控制的光學元件9。在顯示裝置的光程上，可控制的光學元件9是設置偏轉光柵元件8及SLM 2之間。可以控制由極化切換開關構成的可控制的光學元件9，以產生一具有特定極化狀態的光線。例如，可控制的光學元件9可以根據本身的開關狀態產生左旋極化光線或右旋極化光線。透過可控制的光學元件9可以選擇偏轉光柵元件8是將光線偏轉到第+1繞射級或第-1繞射級。被動一維散射元件6及7是由體積光柵構成，偏轉光柵元件8的第+1繞射級的偏轉角落在被動一維散射元件6及7中的一個散射元件的角度接受範圍內，偏轉光柵元件8的第-1繞射級的偏轉角落在被動一維散射元件6及7中的另一個散射元件的角度接受範圍內。
透過可控制的光學元件9或極化切換開關的開關狀態及偏轉光柵元件8，可以從兩個被動一維散射元件6及7中選出一個散射元件，其中被選出的被動一維散射元件6或7會將入射光散射，另一個未被選出的被動一維散射元件6或7不會將入射光散射，因此入射光的入射角不在這個散射元件的角度接度範圍內。
第5圖的子圖a)顯示在可控制的光學元件9處於第一控制狀態或開關狀態時，控制或選擇被動一維散射元件6，子圖b)顯示在可控制的光學元件9處於第二控制狀態或開關狀態時，控制或選擇被動一維散射元件6。為了透過單視差編碼將全息圖或子全息圖以適當的編碼方向編碼到SLM 2，需要先模擬產生虛擬可見區域，以便為要編碼的全息圖決定一個適當的編碼方向。這個過程如子圖a)及b)所示，並以跟蹤裝置4透過虛擬可見區域繞自身的中心點的旋轉，按照第3圖及第4圖的方式找出虛擬可見區域在那一個方向佔據觀察者的眼睛或瞳孔的最大面積比例。這樣就可以找出將全息圖或子全息圖編碼到SLM 2應使用的編碼方向，以使觀察者在觀察者的眼睛或瞳孔移動到另一個位置時，依然可以不受干擾的觀察所顯示的物點或場景。
在第5圖的子圖a)中，為了找出一個適當的編碼方向擬虛擬可見區域，可控制的光學元件9被切換到第一控制狀態，因而選擇第一被動一維散射元件6在光線方向將光線散射。在這種情況下，會在觀察者平面5上產生一個可見區域，其中所產生的一個虛擬觀察者視窗VW位於第5圖的圖面上，一個甜蜜點SS則垂直於圖面。
在第5圖的子圖b)中，可控制的光學元件9被切換到第二控制狀態，因而選擇位於第一被動一維散射元件6之後的第被動一維散射元件7將光線散射。在這種情況下，會在觀察者平面5上產生一個可見區域，其中所產生的一個虛擬觀察者視窗VW垂直於第5圖的圖面，一個甜蜜點SS則位於圖面上。以這種方式可以透過繞中心點的轉動，改變虛擬觀察者視窗VW及甜蜜點SS在觀察者平面5上的方向，由於虛擬觀察者視窗VW在SLM 2上的投影，全息圖的編碼方向會改變，以找出全息圖或子全圖的尺寸或延伸量。
透過使用設置於跟蹤裝置4內的另一個可控制的光學元件、另一個偏轉光柵元件、以及另外兩個被動一維散射元件，可以將裝置擴充到4個角度調整方向，也就是一個全息圖或子全息圖的水平、垂直、及兩個對角角度調整的編碼方向。接著視第一可控制的光學元件9的控制狀態而定，第一可控制的光學元件9及第一偏轉光柵元件8會產生兩個可能的偏轉角。例如，接著可以透過第二可控制的光學元件調整光線的極化，使一個光柵週期不同於第一偏轉光柵元件8的第二偏轉光柵元件重新將光線偏轉到第+1繞射級或第-1繞射級。總共產生4個可能的偏轉角，也就是第一偏轉光柵元件的第+1繞射級或第-1繞射級與第二偏轉光柵元件的第+1繞射級或第-1繞射級的組合。這4個被動一維散射元件可以都可以是由具有4個不同的角度接受範圍的體積光柵構成，其中每一個角度接受範圍都相當於可控制的光學元件及偏轉光柵元件構成的裝置的4個偏轉角中的一個偏轉角。
如果要編碼的全息圖需要更多角度的編碼方向，則可以在跟蹤裝置內設置更多個這種光學元件。
另一種可能的方式是以至少一個偏轉元件(例如極化分束器元件)取代跟蹤裝置中的偏轉光柵元件，以透過改變光線的極化選出光程上不同的光路徑，其中每一個光路徑都具有一個被動一維散射元件。在每一個光路徑上的散射元件的配向都不一樣。例如，在第一光路徑上的一個被動散射元件在極化分束器元件的一個輸出端將光線往水平方向散射，在第二光路徑上的另一個被動散射元件在極化分束器元件的另一個輸出端將光線往垂直方向散射。在這種情況下，散射元件不必具有角度選擇性。可以增加一個第二可控制光學元件及一個第二極化分束器元件將光路徑及散射元件的數量擴充到4個。
第5圖之顯示裝置的跟蹤裝置4的偏轉光柵元件、可控制的光學元件、以及兩個被動散射元件可以被單獨一個被動散射元件取代，其中這個被動散射元件能夠以機械方式旋轉，以改變入射光的散射方向。這個被動散射元件是一維被動散射元件。例如這個被動散射元件將光線散射到20度的方向及與其垂直的1度的方向，其中被動散射元件的轉動可以改變這個20度的方向，例如從一個水平方向朝一個垂直方向，或是朝+45度或-45度的方向。由於不需要偏轉光柵元件及可控制的光學元件，因此這種實施方式的優點是可以減少所需的光學組件的數量。但是需要一個使散射元件轉動的機械裝置。
但是原則上本發明並不限於一定要使用那一種特定型式的散射元件以改變散射方向。例如，一種可能的方式是使用一個可電動控制並可改變散射方向的一維散射元件。
第6圖顯示另一個跟蹤虛擬可見區域到觀察者的一個眼睛或瞳孔的一個新位置的實施例。第6圖的顯示裝置具有一個包含至少一個光源的照明裝置10、一個SLM 20、以及一個光學系統30。照明裝置10的光源是狹縫狀或切口狀的光源，其作用是以足夠的相干光線照亮SLM 20。光學系統30具有成像元件，也就是兩個成像元件，31及32，其中成像元件並不需要採用特殊的配置方式。例如，也可以只有一個成像元件，而且在光線傳播方向上，這個成像元件可以設置在SLM 20的前面或後面。另一種可能的方式是具有兩個以上的成像元件。
SLM 20經由成像元件31被光線照亮，其後成像元件31位於照明裝置10及SLM 20之間。在光線方向上，光學系統30的另一個設置在SLM 20之後的成像元件32將光線聚焦在觀察者平面50的一個虛擬可見區域。
第6圖的子圖a)顯示形成於圖面上的觀察者平面50的一個虛擬觀察者視窗VW。照明裝置10的光源被移動或轉動，使狹縫狀或切口狀光源的窄邊或短邊將SLM 20照亮。為了使圖面變得更清楚，此處是以立體方式繪出光源，以明確顯示光源的形狀為狹縫形。嚴格來講，由於狹縫狀光源的長邊垂直於圖面，因此從側視圖是看不到長邊的。由於光源在這個光線傳播方向上的延伸量很小，因此光線在通過成像元件31之後形成一個很小的角度譜。SLM 20被基本上平行的光線照亮。如果不考慮SLM 20的像素(未在圖式中繪出，此像素產生虛擬觀察者視窗VW)造成的繞射，光源發出的光線在這個方向(相當於要編碼到SLM 20的全息圖的編碼方向)會再度被聚焦到觀察者平面50的一個幾近點狀的區域。
如第6圖的子圖b)所示，照明裝置10的光源被移動或轉動，以跟蹤虛擬可見區域到觀察者的一個眼睛或瞳孔的一個新位置。光源被移動或轉動的方式使狹縫狀或切口狀的光源的長邊將SLM 20照亮。子圖b)中分別以實線、點線或虛線代表在不同的位置從光源發出的光線，這些光線以不同的角度入射到SLM 20，並被成像元件32成像在觀察者平面50的不同位置。因此光線在這個方向被散射。由於是使用照明裝置10的狹縫狀或切口狀光源的長邊照亮SLM 20，因此會在觀察者平面50形成一個甜蜜點SS。
以這種方式(不考慮SLM 20的像素造成的繞射)，在觀察者平面50也會形成狹縫狀或切口狀光源的一個狹縫狀或切口狀的像，其中在一個短方向形成虛擬觀察者視窗VW，在一個長方向形成一個甜蜜點SS。
照明裝置10的狹縫狀或切口狀光源被轉動，以找出在SLM 20上的全息圖的一個適當的編碼方向。例如，可以對光源的狹縫或切口進行配置，使光源的長邊的方向與第4圖的水平線L水平、垂直、或是夾+45度角或-45度角，光源的短邊或窄邊則垂直於這個方向。
第7圖顯示另一個跟蹤虛擬可見區域到觀察者的一個眼睛或瞳孔的一個新位置的實施例。在這個實施例中，顯示裝置的跟蹤裝置是一種過濾裝置。第7圖的顯示裝置具有一個包含至少一個光源的照明裝置100、一個SLM 200、一個光學系統300、以及一個跟蹤裝置400，其中跟蹤裝置400是一種過濾裝置。光學系統300具有至少一個成像元件，在本實施例中，光學系統300具有3個成像元件301、301、303。為了在觀察者平面500產生一個虛擬觀察者視窗，SLM 200被照明裝置100的光源經由光學系統300的成像元件301照亮。一個在光線傳播方向上位於SLM 200之後的成像元件302將光線聚焦到一個過濾平面440，其中在過濾平面440會產生光源的一個中間像或SLM 200的一個傅利葉轉換。因此也可以將過濾平面440稱為光源的中間像或SLM 200的傅利葉平面。接著一個在光線方向位於過濾平面440之後的成像元件330將中間像平面或傅利葉平面440成像在觀察者平面500，因而產生一個由虛擬觀察者視窗VW及甜蜜點SS構成的虛擬可見區域。在過濾平面440有以虛線示意繪出因SLM 200的像素結構形成的繞射級。跟蹤裝置400具有一個孔隙或光圈401其作用是將入射光過濾出來。也就是說，過濾平面440上的孔隙401可以讓特定的繞射級通過，但是將其他繞射級過濾出來。
為了使圖面變得更清楚，此處是以立體方式繪出繞射級的位置及過濾光圈401的配向。嚴格來講，在第7圖的子圖a)中，水平繞射級及過濾光圈401的長邊均垂直於圖面的截面。
在第7圖的子圖a)中，跟蹤裝置400的孔隙401在顯示裝置內的配置方式使孔隙401在垂直方向僅讓一個繞射級通過，但是在水平方向讓複數的繞射級通過。以這種方式，在垂直方向會產生一個虛擬觀察者視窗VW。這種配置方式的孔隙401可以應用於要編碼到SLM 200的全息圖或子全息圖的一個垂直編碼方向。
在第7圖的子圖b)中，過濾平面440上的孔隙401在顯示裝置內的配置方式使孔隙401在水平方向僅讓一個繞射級通過，但是在垂直方向讓複數的繞射級通過。因此在垂直方向會產生一個甜蜜點SS。這種配置方式的孔隙401可以應用於要編碼到SLM 200的全息圖或子全息圖的一個水平編碼方向。
通常不需要在甜蜜點方向使用整數個繞射級，而是孔隙401的尺寸也可以包括繞射級的一小部分。例如，孔隙401的尺寸可以有4.4個繞射級。孔隙401在全息圖或子全息圖的編碼方向的最大尺寸不應超過一個繞射級。但是孔隙401的尺寸也可以是小於一個繞射級。此外，孔隙401的中心不必與一個繞射級的中心重合，而是可以彼此相距一段距離。也可以將孔隙401設計成還能將遺留物一併過濾出來，例如等值斑點(0或斑點)。在最簡單的情況下，跟蹤裝置400的孔隙401可以是一種可機械式轉動的孔隙光圈。孔隙401也可以是一種可電動控制的孔隙，例如以液晶(LCD)為主成成分的孔隙，而且會根據開關狀態吸收或發射光線。
如前面所述，根據本發明的某此特定的實施方式，可以將轉動全息圖的編碼方向與透過全息圖內棱鏡函數或棱鏡項的編碼使虛擬觀察者視窗產生一很小的移動組合在一起。使用孔隙時，一種的方式是使孔隙不只可以轉動，而且能夠在一個小區域內移動，例如，可以在編碼方向移動 ± -1個繞射級。第7圖的子圖b)中的孔隙401冷了可以轉動外，還可以在水平方向移動，以改善虛擬可見區域(也就是虛擬觀察者視窗及甜蜜點)與眼睛瞳孔的重疊。
第8圖顯示一個SLM的像素矩陣。從第8圖可以看出，在這個例子中，SLM具有正方形的像素。第8圖的子圖a)顯示一個這樣的SLM，子圖b)及子圖c)顯示具有不同編碼方向的子全息圖，根據本發明可以具有這些編碼方向，以跟蹤眼睛或瞳孔的新位置的虛擬可見區域。子圖b)顯示一個具有垂直編碼方向的子全息圖，其中塗成灰色的像素代表子全息圖。子圖c)顯示的一個有水平編碼方向的子全息圖。子圖d)顯示的一個具有對角(-45度的方向)編碼方向的子全息圖。子圖e)顯示的也是一個具有對角編碼方向的子全息圖，其中子全息圖的編碼方向是+45度。一個三維場景的全息圖是由各個物點的子全息圖相加而成，其中所有的子全息圖都具有相同的編碼方向。
第9圖顯示另一種SLM，這種設置在顯示裝置內的SLM可以跟蹤虛擬可見區域。這種SLM具有由矩形像素構成的像素矩陣。第9圖的子圖a)僅顯示一個具有矩形像素的SLM，子圖b)至子圖d)顯示具有不同編碼方向的子全息圖，根據本發明可以具有這些編碼方向，以跟蹤眼睛或瞳孔的新位置的虛擬可見區域。子圖b)顯示一個子全息圖的編碼方向，其中像素是以對角線的方式排列。透過矩形像素的長寬比產生一個與SLM的水平邊大約夾25度的角度。這顯示本發明不應限於第8圖顯示的編碼方向的角度，也就是說不限於水平角度(0度)、垂直角度(90度)、或對角角度(+45度，-45度)，例如這個例子使用的是編碼方向是25度。
第9圖的子圖c)及子圖d)顯示，與SLM的像素光柵無關，也可以用內插法找出全息圖的編碼方向。子圖c)顯示一個編碼方向為50度的子全息圖。這可以透過在SLM的像素光柵內以兩個像素向上然後一個像素向右的方式編碼獲得實現。子圖d)顯示一個編碼方向為12.5度的子全息圖。這可以透過在SLM上以兩個像素向右然後一個像素向上的方式編碼獲得實現。
在這樣的裝置內，可以在SLM上使用4個以上的全息圖的編碼方向，例如0度、90度、± 12.5度、± 25度及 ± 50度，也就是說這個例子有8個編碼方向，但是這僅是一個數字例，本發明並不受這個例子的限制。可以利用第5圖、第6圖或第7圖的跟蹤裝置達到這些不同的可能的編碼方向，其中跟蹤裝置容許相應的角度調整。這表示，例如可以利用至少一個光學元件(作為散射元件)、至少一個被動散射元件、一個作為跟蹤裝置用的過濾裝置、或作為跟蹤裝置用的至少一個光源，可以調整出第9圖的子圖b)的25度的編碼方向，以便能夠利用如第5圖、第6圖或第7圖的特殊的跟蹤裝置。
如果是使用散射元件，則光線的散射方向相當於甜蜜點方向，如果是使用狹縫狀光源，則狹縫狀光源的長邊相當於甜蜜點方向，如果是使用孔隙，則孔隙在顯示裝置之過濾平面上的長邊相當於甜蜜點方向。非散射方向、狹縫狀光源的短邊、或在過濾平面上的孔隙的短邊相當於編碼方向。
相反的，子全息圖在編碼方向具有一個包含複數像素的延伸量，但是在與編碼方向垂直的方向通常僅具有一個像素的延伸量。因此子全息圖的長邊在編碼方向上，子全息圖的短邊則是在與編碼方向垂直的方向上。
換句句說，光線的散射方向、光源的長邊、以及過濾光圈的長邊均垂直於子全息圖的長邊。
以下將配合第10圖說明一種跟蹤裝置(例如第5圖的顯示裝置的跟蹤裝置)的可控制的光學元件的結構。但是本發明使用的可控制的光學元件並不限於此處描述的可控制的光學元件。也就是說，跟蹤裝置的可控制的光學元件也可以具有另一種結構，以確保其可控制性或可切換性。
一個可控制的光學元件70具有兩個基板71及72。基板71及基板72接合在一起，在基板71及基板72有一個空隙，這個空隙被一個含有液晶LC的液晶層73填滿，或是有一個液晶層73被埋入這個空隙。此外，至少一個基板(在本例中是基板71)具有一個表面結構74。液晶材料具有雙折射性，其中第一折射率(例如正規折射率)基本上與表面結構74的折射率是相同的。例如，液晶LC及表面結構74的折射率是相同的，也就是n = 1.5。此外，雙折射液晶材料LC具有第二折射率，例如與表面結構74的折射率不同的非正規折射率。例如，液晶LC的非正規折射率n = 1.7，表面結構74的折射率n = 1.5。
本例中的表面結構74是一個一維統計表面結構，例如一個壓印在基板71上的聚合物層的表面結構。較佳是只有一個基板具有表面結構74，另一個基板則是平坦的。這表示基板71具有表面結構74，基板72是平坦或平面的。由於基板72是平坦的，因此可以作為液晶層73內的液晶LC的配向之用。這表示液晶LC在基板72上被配向。例如利用研磨或液晶光配向法實現液晶LC的配向。
透過選擇表面結構74，也就是說選擇表面結構74的寬度、高度及統計分佈，即可設定可控制的光學元件70的散射特性。例如，表面結構74可以類似於一個表面浮雕光柵或閃耀光柵，此種光柵不同於傳統的光柵元件，因為其光柵週期及/或閃耀角度會隨著在基板71上的位置隨機變化，因此不會產生規則的繞射級，而是在一規定的角度範圍內將光射散射。例如，散射角。例如，可以在一個範圍(也就是在最小及最大光柵週期的範圍)內調整散射角，以及可以調整不同的光柵週期的發生機率及/或閃耀角度的範圍及分佈。表面結構74也可以是一個不規則的高度輪廓，其寬度及高度會隨著在基板71上的位置隨機改變。
此外，兩個基板71及72各具有一個電極裝置72、76。基板71具有包含至少一個電極的電極裝置75。基板72具有包含至少一個電極的電極裝置76。電極裝置72、76可以是平坦的，也就是說不是像素化的。在本例中，電極裝置75的至少一個電極是設置在統計表面結構74的背面，也就是設置在表面結構74及基板71之間，以產生一個均勻分佈的電場。
透過使用一個在光線傳播方向位於顯示裝置內的可控制的光學元件70之前的極化元件，或是透過在光程上已事先被極化的光線，例如使用一個發出極化光線的光源，極化光線會入射到可控制的光學元件70的輸入端。液晶層73的液晶LC會被基板72配向，例如使用研磨或液晶光配向法，使可控制的光學元件70在電極裝置75、76沒有接通電場的控制狀態或開關狀態下，液晶LC的折射率有效作用在入射光上，其中液晶LC的折射率不同於表面結構74的折射率。在這種狀態下，統計表面結構74具有光學可見性。表面結構74會引起光線的散射作用。第10圖的子圖a)顯示的就是這種情況。
在可控制的光學元件70的另一種控制狀態或開關狀態下，此時電極裝置75及76有接通一個足夠大的電場，液晶LC的折射率會產生有效的作用，其中液晶LC的折射率與表面結構74的折射率是相同的。第10圖的子圖b)顯示的就是這種情況。在光學元件70的這種控制狀態下，由於表面結構74與液晶LC的折射率是相同的，因此統計表面結構74具有光學可見性。表面結構74及液晶LC的作用如同一個平面平行的平板。因此不會有光線朝可控制的光學元件70被散射。
例如，液晶LC的配向可以是相當於一個ECB(電控雙折射)模式。在切斷電壓(也就是說電極裝置75、76之間沒有電場)的狀態下，液晶分子的配向與基板72的平面平行，如子圖a)所示。在接通電壓(也就是說電極裝置75、76的電極之間有電場)的狀態下，液晶分子的配向與基板72的平面垂直，如子圖b)所示。但是本發明並不限於液晶分子的這種配置方式。液晶分子也可以是其他的配向，例如VA(垂直配向)模式，也就是在沒有接通電壓的狀態下，液晶分子的配向與基板72的平面垂直，在有接通電壓的狀態下(也就是說電極裝置75、76的電極之間有電場)，液晶分子的配向與基板72的平面平行。
如果顯示裝置的跟蹤裝置具有複數可控制的光學元件，則每一個可控制的光學元件的統計表面結構都可以具有不同的配向。例如，可以將相同的可控制的光學元件彼此轉動90度。例如，如果在光線傳播方向位於SLM之後的第一可控制的光學元件有接通電壓，但是位於第一可控制的光學元件之後的第二可控制的光學元件沒有接通電壓，則入射光會被散射到第一方向。相反的，如果第一可控制的光學元件沒有接通電壓，但是第二可控制的光學元件有接通電壓，則入射光會被散射到第二方向，其中第二方向與第一方向是不同的方向。
一般而言，複數可控制的光學元件(也就是說至少兩個可控制的光學元件)的組合可以在一維散射及二維散射之間切換，或是可以在散射狀態及非散射狀之間切換。
本發明並不限於以上描述的實施例。最後要特別指出的是，以上的實施例僅用於描述本發明申請專利權的學理，但是這些學理並不受限於上述實施例。
1、10、100‧‧‧照明裝置 2、20、200‧‧‧空間光調制裝置(SLM) 3、30、300‧‧‧光學系統 4、400‧‧‧跟蹤裝置 5、50、500‧‧‧觀察者平面 6、7‧‧‧被動一維散射元件 8‧‧‧偏轉光柵元件 9、70‧‧‧可控制的光學元件 31、32、301、302、303‧‧‧成像元件 71、72‧‧‧基板 73‧‧‧液晶層 74‧‧‧表面結構 75、76‧‧‧電極裝置 401‧‧‧孔隙、光圈 440‧‧‧過濾平面 A、C‧‧‧對角方向 B‧‧‧水平方向 D‧‧‧垂直方向 L‧‧‧水平線 LC‧‧‧液晶 M‧‧‧中心點 P‧‧‧瞳孔 SS‧‧‧甜蜜點 VW‧‧‧虛擬可見區域
第1圖：以示意方式顯示本發明的全息顯示裝置的立體圖。 第2圖：根據先前技術，虛擬可見區域與觀察者的眼睛範圍的關係。 第3圖：顯示本發明的一個跟蹤虛擬可見區域的實施例。 第4圖：顯示如何找出全息圖的適當的編碼方向。 第5圖：顯示本發明的一種可以改變全息圖之編碼方向的顯示裝置。 第6圖：以示意方式顯示本發明的一種全息顯示裝置，此種顯示裝置具有一不同於第5圖之顯示裝置的跟蹤裝置。 第7圖：以示意方式顯示本發明的一種全息顯示裝置，此種顯示裝置具有一不同於第5圖及第6圖之顯示裝置的跟蹤裝置。 第8圖：子圖a)至e)顯示不同編碼方向的子全息圖在空間光調制裝置上的情況。 第9圖：子圖a)至d)顯示其他不同編碼方向的子全息圖在空間光調制裝置上的情況。 第10圖：顯示本發明之跟蹤裝置的可控制的光學元件的結構。
A、C‧‧‧對角方向
B‧‧‧水平方向
D‧‧‧垂直方向
L‧‧‧水平線
M‧‧‧中心點
P‧‧‧瞳孔
SS‧‧‧甜蜜點
VW‧‧‧虛擬可見區域

Claims (30)

  1. 一種顯示二維及/或三維場景的顯示裝置，具有：至少一照明裝置，用於發出足夠的相干光線，至少一空間光調制裝置，其中一全息圖利用一單視差編碼被編碼到該至少一空間光調制裝置，至少一光學系統，其中該至少一光學系統被提供用於在一觀察者的一眼睛的一位置處產生至少一虛擬可見區域，以及一跟蹤裝置，其中該空間光調制裝置上的該全息圖的一編碼方向可利用該跟蹤裝置而改變。
  2. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中該至少一虛擬可見區域是由一虛擬觀察者視窗及一甜蜜點構成，其中該虛擬觀察者視窗被提供在該全息圖的該編碼方向上，且該甜蜜點被提供在該全息圖的一非編碼方向。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項的顯示裝置，其中該全息圖的該編碼方向可在至少二方向之間改變。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項的顯示裝置，其中至少一位置偵測系統被提供，利用該至少一位置偵測系統，該場景的該觀察者的該眼睛的該位置是可確定的。
  5. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中該跟蹤裝置具有至少一可控制的光學元件，該至少一可控制的光學元件被設置在該至少一照明裝置與該場景的該觀察者所在的一觀察者平面之間。
  6. 如申請專利範圍第5項的顯示裝置，其中該至少一可控制的光學元件被設計為一極化切換開關，其中該跟蹤裝置具有至少一被動偏轉光柵元件以及僅在一個方向上散射一入射光的至少二被動散射元件，其中該被動偏轉光柵元件及該至少二被動散射元件與該極化切換開關共同作用。
  7. 如申請專利範圍第6項的顯示裝置，其中該至少二被動散射元件被設計為體積光柵，其中該至少二被動散射元件具有不同的角度選擇性。
  8. 如申請專利範圍第5項的顯示裝置，其中該至少一可控制的光學元件被設計為一極化切換開關，其中該跟蹤裝置具有至少一偏轉元件以及僅在一個方向上散射一入射光的至少二被動散射元件，其中利用該可控制的光學元件及該偏轉元件可從至少二不同的光路徑中選出一光路徑，並且一散射元件被提供在該不同的光路徑的每一者中。
  9. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中該跟蹤裝置具有被設計為旋轉的一被動散射元件。
  10. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中該跟蹤裝置具有至少二可控制的光學元件。
  11. 如申請專利範圍第5項或第10項的顯示裝置，其中該至少一可控制的光學元件或該至少二可控制的光學元件被設計為一散射元件，其中該至少一可控制的光學元件僅在一個方向上散射入射光，其中該至少二可控制的光學元件各自在一不同的方向上散射入射光。
  12. 如申請專利範圍第10項的顯示裝置，其中一第一可控制的光學元件在一規定的第一方向上散射入射光，其中一第二可控制的光學元件在一規定的第二方向上散射入射光，其中該第一方向及該第二方向是不相同的。
  13. 如申請專利範圍第12項的顯示裝置，其中該全息圖的該編碼方向可透過對應控制該第一可控制的光學元件及該第二可控制的光學元件而被決定。
  14. 如申請專利範圍第5項的顯示裝置，其中該至少一可控制的光學元件具有二基板，而且一液晶層嵌入在該二基板之間。
  15. 如申請專利範圍第14項的顯示裝置，其中該至少一可控制的光學元件的至少一基板具有一一維表面結構。
  16. 如申請專利範圍第15項的顯示裝置，其中該表面結構具有隨著在該基板上的一位置隨機改變的一光柵週期。
  17. 如申請專利範圍第14項的顯示裝置，其中該至少一可控制的光學元件的該基板都具有一電極裝置，其中該各自的電極裝置都具有至少一電極。
  18. 如申請專利範圍第15項的顯示裝置，其中置於具有該表面結構的該基板對面的該基板被提供用於該液晶層內的液晶的配向。
  19. 如申請專利範圍第15項的顯示裝置，其中該液晶層的一液晶材料具有一第一折射率及一第二折射率，其中該第一折射率基本上相當於該表面結構的一折射率，該第二折射率基本上不同於該表面結構的該折射率。
  20. 如申請專利範圍第15項的顯示裝置，其中，當存在多個可控制的光學元件，其中至少一基板具有一維表面結構，該些可控制的光學元件以被提供在至少一基板上的每一可控制的光學元件的該一維表面結構具有彼此不同的配向的方式被設置在一光程中。
  21. 如申請專利範圍第20項的顯示裝置，其中該些可控制的光學元件的該表面結構彼此以大約90度的一角度而被設置。
  22. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中，在一光線傳播方向上，將至少一極化元件設置在該至少一可控制的光學元件的前面。
  23. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中該跟蹤裝置被設計為一過濾裝置，該過濾裝置被提供以消除繞射級。
  24. 如申請專利範圍第23項的顯示裝置，其中該過濾裝置是可控制的。
  25. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中該至少一照明裝置的至少一光源是該跟蹤裝置，其中該至少一光源是可控制的，以改變要發射的該光線的相干性。
  26. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中該顯示裝置是一全息顯示裝置。
  27. 一種頭戴顯示器，具有用於該觀看者的一左眼以及用於該觀看者的一右眼的如申請專利範圍第1項至第26項中任一項的顯示裝置。
  28. 一種利用用於發出足夠的相干光線的至少一照明裝置、至少一空間光調制裝置、至少一光學系統、一跟蹤裝置、以及一位置偵測系統來顯示二維及/或三維場景的方法，包括該位置偵測系統偵測出一觀察者的一眼睛的一位置，以該至少一光學系統及該跟蹤裝置，確定該至少一空間光調制裝置上的一全息圖的一適當的編碼方向，以一單視差編碼將該全息圖按該確定的編碼方向編碼到該至少一空間光調制裝置，以及該至少一空間光調制裝置被該至少一照明裝置照亮，且該全息圖利用該至少一光學系統而被重建，以及在該觀察者的該眼睛的該位置處產生至少一虛擬可見區域。
  29. 如申請專利範圍第28項的方法，其中為要被編碼的該全息圖選出該編碼方向，其中該虛擬可見區域具有與該觀察者的一瞳孔重疊的一最大比例面積。
  30. 如申請專利範圍第29項的方法，其中，在該觀察者的該眼睛位置改變時，以該位置偵測系統確定一新的眼睛位置，該虛擬可見區域繞自身的一固定的中心點轉動以為要被編碼的該全息圖選擇一適當的編碼方向，以及確定於其中該虛擬可見區域具有與該觀察者的該瞳孔重疊的該最大比例面積的該方向。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11231544B2 (en) 2015-11-06 2022-01-25 Magic Leap, Inc. Metasurfaces for redirecting light and methods for fabricating
JP6961619B2 (ja) 2016-05-06 2021-11-05 マジック リープ, インコーポレイテッドMagic Leap, Inc. 光を再指向させるための非対称格子を有するメタ表面および製造方法
JP7155129B2 (ja) 2017-01-27 2022-10-18 マジック リープ， インコーポレイテッド メタ表面のための反射防止コーティング
JP2022552770A (ja) * 2019-08-09 2022-12-20 ライト フィールド ラボ、インコーポレイテッド ライトフィールドディスプレイシステムに基づいたデジタルサイネージシステム発明者：ジョナサン・シャン・カラフィン、ブレンダン・エルウッド・ベベンシー、ジョン・ドーム
KR20220120304A (ko) * 2021-02-23 2022-08-30 삼성전자주식회사 3차원 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 그 동작 방법
CN113093500B (zh) * 2021-02-24 2022-05-17 北京邮电大学 一种全息图生成方法及系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090207466A1 (en) * 2006-03-28 2009-08-20 Edward Bucklay Holographic display devices
CN1926886B (zh) * 2003-08-26 2010-10-06 视真技术有限公司 自动立体多用户显示器
US20130222873A1 (en) * 2012-02-23 2013-08-29 Lg Electronics Inc. Holographic display device and method for generating hologram
CN103384854B (zh) * 2010-12-22 2017-03-15 视瑞尔技术公司 用于跟踪使用者的组合光调制装置
CN106716226A (zh) * 2014-09-16 2017-05-24 微软技术许可有限责任公司 用于衍射波导显示器的紧凑型投影光引擎

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4309667A1 (de) * 1993-03-26 1994-09-29 Univ Dresden Tech Optisches System zur zwei- und dreidimensionalen Darstellung von Information
JPH07135623A (ja) * 1993-10-27 1995-05-23 Kinseki Ltd 網膜直接表示装置
JP3713996B2 (ja) 1999-02-03 2005-11-09 凸版印刷株式会社 光拡散体とそれを用いた液晶表示装置
JP2001330711A (ja) 2000-05-18 2001-11-30 Toppan Printing Co Ltd 可変型光散乱素子とそれを用いた表示装置
GB2379351A (en) * 2001-09-04 2003-03-05 Holographic Imaging Llc Illuminating a computer generated hologram
GB0317714D0 (en) 2003-07-29 2003-09-03 Koninkl Philips Electronics Nv Autostereoscopic display apparatus
DE102004044111B4 (de) * 2004-09-08 2015-05-07 Seereal Technologies Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Kodieren und Rekonstruieren von computergenerierten Videohologrammen
DE102004063838A1 (de) 2004-12-23 2006-07-06 Seereal Technologies Gmbh Verfahren und Einrichtung zum Berechnen computer generierter Videohologramme
TWI351588B (en) 2005-05-06 2011-11-01 Seereal Technologies Gmbh Device for holographic reconstructions of three-di
KR101277370B1 (ko) 2005-05-13 2013-06-20 씨리얼 테크놀로지스 게엠베하 장면의 홀로그래픽 재생을 위한 투사 장치 및 투사 방법
DE102007019277A1 (de) 2007-04-18 2008-10-30 Seereal Technologies S.A. Einrichtung zur Erzeugung von holografischen Rekonstruktionen mit Lichtmodulatoren
JP5852956B2 (ja) 2009-06-23 2016-02-03 シーリアル テクノロジーズ ソシエテ アノニムＳｅｅｒｅａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｓ．Ａ． ２次元及び３次元の少なくともいずれかの画像コンテンツ提示用ディスプレイに用いられる光変調デバイス
CN102918466B (zh) * 2010-04-01 2016-11-16 视瑞尔技术公司 用于在全息系统中编码包含透明物体的三维场景的方法和装置
US9395690B2 (en) 2010-07-06 2016-07-19 Seereal Technologies S.A. Beam divergence and various collimators for holographic or stereoscopic displays
JP5953311B2 (ja) 2010-11-08 2016-07-20 シーリアル テクノロジーズ ソシエテ アノニムＳｅｅｒｅａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｓ．Ａ． 表示装置
JP5581307B2 (ja) 2011-12-28 2014-08-27 パナソニック株式会社 画像表示装置
KR102257249B1 (ko) 2014-07-08 2021-05-28 삼성전자주식회사 홀로그래픽 3차원 영상 표시 장치 및 방법
CN109643082A (zh) 2016-08-24 2019-04-16 视瑞尔技术公司 全息显示装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1926886B (zh) * 2003-08-26 2010-10-06 视真技术有限公司 自动立体多用户显示器
US20090207466A1 (en) * 2006-03-28 2009-08-20 Edward Bucklay Holographic display devices
CN103384854B (zh) * 2010-12-22 2017-03-15 视瑞尔技术公司 用于跟踪使用者的组合光调制装置
US20130222873A1 (en) * 2012-02-23 2013-08-29 Lg Electronics Inc. Holographic display device and method for generating hologram
CN106716226A (zh) * 2014-09-16 2017-05-24 微软技术许可有限责任公司 用于衍射波导显示器的紧凑型投影光引擎

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