TWI843319B - 用於計算光學系統之虛擬影像之全像圖的方法、電腦可讀取媒體及系統 - Google Patents

Abstract

本發明描述一種光學系統及一種計算用於該光學系統之一虛擬影像之一全像圖的方法。該光學系統包含經配置以顯示該全像圖之一顯示裝置及經配置以複製該全像圖之一波導。該方法包含判定在一區域內的虛擬影像點之一子全像圖，該區域由自該虛擬影像點至一檢視者之一入射光瞳之周邊的直線路徑界定。該區域包含由該波導形成之該顯示裝置之一虛擬複本的至少部分。

Description

用於計算光學系統之虛擬影像之全像圖的方法、電腦可讀取媒體及系統

本發明係關於光瞳擴展或複製，詳言之，針對包含發散光線束之繞射光場的光瞳擴展或複製。更具體言之，本發明係關於一種用於判定諸如全像圖或相息圖之用於由包含波導光瞳擴展器之顯示系統顯示的繞射結構的方法，且係關於一種使用波導之光瞳擴展方法。顯示系統之一些實例係關於使用第一波導光瞳擴展器及第二波導光瞳擴展器之二維光瞳擴展。顯示系統之一些實例係關於圖像產生單元及抬頭顯示器，例如汽車抬頭顯示器(head-up display；HUD)。

自物件散射之光含有振幅資訊及相位資訊兩者。此振幅資訊及相位資訊可藉由熟知的干涉技術在例如感光板上被捕捉以形成包含干涉條紋之全像記錄或「全像圖」。可藉由用合適的光進行照射來重構全像圖，以形成表示原始物件之二維或三維全像重構或重播影像。

電腦產生全像術可在數值上模擬干涉程序。可藉由基於諸如菲涅爾(Fresnel)或傅立葉(Fourier)變換之數學變換的技術來計算電腦產生之全像圖。此等類型之全像圖可稱為菲涅爾/傅立葉變換全像圖或簡稱為菲涅爾/傅立葉 全像圖。傅立葉全像圖可被視為物件之傅立葉域/平面表示或物件之頻域/平面表示。電腦產生全像圖亦可藉由例如相干射線追蹤或點雲技術被計算。

可在經配置以調變入射光之振幅及/或相位的空間光調變器上編碼電腦產生之全像圖。舉例而言，可使用電可定址液晶、光學可定址液晶或微鏡來達成光調變。

空間光調變器典型地包含複數個個別可定址像素，其亦可稱為胞元或元件。光調變方案可為二元的、多層級的或連續的。或者，裝置可為連續的(即不包含像素)，且因此跨越該裝置之光調變可為連續的。空間光調變器可為反射的，此意謂經調變光以反射方式被輸出。空間光調變器同樣可為透射的，此意謂經調變光以透射方式被輸出。

可使用本文中描述之系統提供全像投影器。此類投影器已發現應用於抬頭顯示器「HUD」中。

本發明之態樣在隨附獨立請求項中予以定義。

大體上，本發明係關於影像投影。本發明係關於一種影像投影方法及一種包含顯示裝置之影像投影器(或光學系統)。本發明亦係關於一種投影系統，其包含影像投影器(光學系統)及檢視系統，其中該影像投影器將光自該顯示裝置投影或中繼至該檢視系統。本發明同樣適用於單眼及雙眼檢視系統。檢視系統可包含檢視者之眼睛。檢視系統包含具有光功率(例如人眼之晶狀體)及檢視平面(例如人眼之視網膜)之光學元件。投影器可稱為「光引擎」。該顯示裝置與使用該顯示裝置形成(或感知)之影像在空間上彼此分離。影像在顯示平面上形成或由檢視者感知。在一些實例中，影像為虛擬影像，且顯示平面可稱為虛擬影像平面。在其他實例中，影像為藉由全像重構形成之真實影像，且影像投 影或中繼至檢視平面。該影像係藉由照射顯示於顯示裝置上之繞射圖案(例如，全像圖)而形成。

該顯示裝置包含像素。該顯示裝置之像素可顯示使光繞射之繞射圖案或結構。繞射光可在與顯示裝置在空間上分離的平面處形成影像。根據易於理解之光學特性，最大繞射角度之量值係藉由像素之大小及其他因素(諸如光之波長)而判定。

在投影器之實例中，顯示裝置為空間光調變器，諸如矽上液晶(liquid crystal on silicon；「LCOS」)空間光調變器(spatial light modulator；SLM)。光自LCOS以一定範圍的繞射角度(例如，自零至最大繞射角度)朝向諸如相機或眼睛之檢視實體/系統傳播。在一些具體實例中，放大技術可用於增大超出LCOS之習知最大繞射角度的可用繞射角度之範圍。

在投影器之一些實例中，將影像(由所顯示之繞射圖案/全像圖形成)傳播至眼睛。舉例而言，在自由空間中或在螢幕上或在顯示裝置與檢視者之間的其他光接收表面上所形成的中間全像重構/影像的空間調變光可傳播至檢視者。

在投影器之實例中，影像為真實影像。在其他實例中，影像為由一隻人眼(或雙眼)感知到之虛擬影像。投影系統或光引擎可因此經組態以使得檢視者看起來直接處於顯示裝置處。在投影器之此等實例中，用全像圖編碼之光直接傳播至眼睛，且在自由空間中或在螢幕或在顯示裝置與檢視者之間的其他光接收表面上不形成中間全像重構。在此等實例中，眼睛之瞳孔可被視為檢視系統之入口孔隙，且眼睛之視網膜可被視為檢視系統之檢視平面。有時據稱，在此組態中，眼睛之晶狀體執行全像圖至影像轉換。

在投影器之一些其他實例中，繞射圖案/全像圖本身(之光)傳播至眼睛。舉例而言，全像圖之空間調變光(其尚未完全變換至全像重構，亦即影 像)(其可非正式地稱為用/由全像圖編碼)直接傳播至檢視者眼睛。真實或虛擬影像可由檢視者感知。在此等實例中，在顯示裝置與檢視者之間未形成中間全像重構/影像。有時據稱，在此等實例中，眼睛之晶狀體執行全像圖至影像轉換或變換。投影系統或光引擎可經組態以使得檢視者在效果上看起來直接處於顯示裝置處。

在本文中參考「光場」，其為「複合光場」。術語「光場」僅指示在至少兩個正交空間方向(例如，x及y)上具有有限大小之光的圖案。本文中所使用的詞「複合」僅用以指示在光場中的各點處的光可由振幅值及相位值界定，且可因此由複數或一對值表示。出於全像圖計算之目的，複合光場可為複數之二維陣列，其中該等複數界定光場內之複數個離散位置處的光強度及相位。

根據易於理解的光學之原理，自顯示裝置傳播的可由眼睛或其他檢視實體/系統檢視的光之角度範圍隨著在顯示裝置與檢視實體之間的距離而變化。舉例而言，在1米檢視距離處，來自LCOS之僅小角度範圍可傳播通過眼睛之瞳孔，以在用於給定眼睛位置之視網膜處形成影像。自顯示裝置傳播之光線之角度範圍(可成功地傳播通過眼睛之瞳孔以在給定眼睛位置之視網膜處形成影像)判定檢視者「可見」的影像部分。換言之，並非影像之所有部分均自檢視平面上之任一點可見(例如，諸如眼動框之檢視窗內之任一眼睛位置)。

在投影器之一些實例中，檢視者感知之影像為在顯示裝置上游出現之虛擬影像，亦即，檢視者感知到影像比顯示裝置更遠離他們。概念上，有可能考慮虛擬影像之複數個不同虛擬影像點。自虛擬點至檢視者之距離在本文中稱為彼虛擬影像點之虛擬影像距離。當然，不同虛擬點可具有不同虛擬影像距離。與各虛擬點相關聯的射線束內的個別光線可經由顯示裝置而採取至檢視者之不同各別光學路徑。然而，僅顯示裝置之一些部分，且因此僅一些來自虛擬影像之一或多個虛擬點之射線可在使用者之視場內。換言之，僅一些來自虛擬影像 上之一些虛擬點的光線將經由顯示裝置傳播至使用者之眼睛中，且因此將對檢視者可見。概念上，因此可認為檢視者正經由「顯示裝置大小的視窗」觀看虛擬影像，該視窗可能極小(例如，直徑為1cm)，處於相對較大距離，例如1米。且，使用者將經由其眼睛之瞳孔檢視顯示裝置大小的視窗，該視窗亦可能極小。因此，視場變小，且可看到的特定角度範圍在很大程度上取決於任何給定時間的眼睛位置。

光瞳擴展器解決如何增大自可成功地傳播通過眼睛之瞳孔以形成影像的顯示裝置傳播之光線的角度範圍的問題。顯示裝置通常(相對而言)較小，且投影距離(相對而言)較大。在一些實例中，投影距離比顯示裝置之入射光瞳及/或孔隙之直徑或寬度(亦即，像素陣列之大小)大至少一個(諸如，至少兩個)數量級。本發明之實例係關於一種組態，其中將影像之全像圖而非影像自身傳播至人眼。換言之，由檢視者接收之光根據影像之全像圖進行調變(或用/由全像圖編碼)。然而，本發明之其他實例可係關於例如藉由所謂的間接視圖將影像而非全像圖傳播至人眼之組態，其中形成於螢幕上(或甚至在自由空間中)之全像重構或「重播影像」之光傳播至人眼。

波導用以擴展視場，且因此增大最大傳播距離，在該最大傳播距離上可使用顯示裝置之完整繞射角度。波導之使用亦可側向地增大使用者之眼框，因此使得能夠進行眼睛之某移動，同時仍使得使用者能夠看到影像。波導可因此稱為波導光瞳擴展器。然而，本發明人已發現，對於非無限虛擬影像距離(亦即，近場虛擬影像)，所謂的「雙重影像」由於經由波導之不同可能光傳播路徑而出現。雙重影像為主要影像之較低強度複本。主要的最高強度影像可稱為主影像。各雙重影像可稱為次影像。雙重影像之存在可顯著地降低所感知虛擬影像之品質。雙重影像可給出主影像模糊的外觀。

本發明部分係關於藉由用於計算諸如點雲全像圖之全像圖之改 良技術來解決由在投影器(光學系統)中使用波導產生之雙重影像引起的問題。

使用光瞳擴展器側向地增大檢視區域(亦即，使用者之眼眶)，因此使得能夠發生眼睛之某一移動，同時仍使得使用者能夠看到影像。如所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解，在成像系統中，檢視區域(使用者之眼框)為檢視者之眼睛可感知到影像的區域。本發明係關於非無限虛擬影像距離，亦即，近場虛擬影像。

習知地，二維光瞳擴展器包含各自使用一對對置反射表面形成的一或多個一維光波導，其中來自表面之輸出光形成檢視視窗，例如用於檢視者檢視的眼眶或眼動框。自顯示裝置接收之光(例如來自LCOS之經空間調變光)藉由該或各波導複製以便增大至少一個維度上之視場(或檢視區域)。詳言之，波導擴大檢視視窗，此歸因於藉由劃分入射波前之振幅而產生額外射線或「複本」。

在光波導之實例中，第一波導之第一對對置表面為狹長或長型表面，其沿著第一維度相對較長且沿著第二維度相對較短，例如沿著兩個其他維度中之各者相對較短，其中各維度實質上正交於各別其他維度中之各者。光在第一對表面之間/自第一對表面之反射/透射的過程經配置以使光在第一波導光瞳擴展器內傳播，其中光傳播之大體方向係在第一波導光瞳擴展器沿其相對較長之方向(亦即，在其「狹長」方向)上。

本文中揭示使用繞射光形成影像且藉助於抬頭顯示器提供適合於現實世界應用(例如，在汽車工業中)之眼眶大小及視場的影像投影器(光學系統)之實例。繞射光為自繞射結構形成影像之全像重構(例如全像圖，諸如傅立葉或菲涅爾全像圖或點雲全像圖)之光。繞射及繞射結構之使用使具有高密度極小像素(例如，1微米)之顯示裝置成為必要，該顯示裝置實務上意謂小顯示裝置(例如，1cm)。發明人已解決如何用繞射光場(例如，包含發散(非準直)射線束之繞射光)提供2D光瞳擴展的問題。

在諸態樣中，顯示系統包含顯示裝置，諸如像素化顯示裝置，例如空間光調變器(SLM)或矽上液晶(LCoS)SLM，其經配置以提供或形成繞射(例如發散)光。在此等態樣中，空間光調變器(SLM)之孔隙為系統之限制孔隙。亦即，空間光調變器之孔隙(更具體言之，定界包含於SLM內之光調變像素陣列的區域之大小)判定可離開系統之光線束之大小(例如空間範圍)。根據本發明，據陳述，系統之出射光瞳經擴展以反映系統之出射光瞳(受到具有用於光繞射之像素大小的小顯示裝置限制)藉由使用至少一個光瞳擴展器而在空間範圍上變得較大、更大或愈大。

繞射(例如發散)光場可稱為具有在實質上正交於光場之傳播方向的方向上界定的「光場大小」。因為光繞射/發散，所以光場大小隨著傳播距離而增大。

在本文中所描述之投影器之一些實例中，繞射光場係根據全像圖進行空間調變。換言之，在此等態樣中，繞射光場包含「全像光場」。全像圖可顯示於像素化顯示裝置上。全像圖可為電腦產生之全像圖(computer-generated hologram；CGH)。其可為傅立葉全像圖或菲涅爾全像圖或點雲全像圖或任何其他合適類型之全像圖。可視情況計算全像圖以便形成全像圖光的通道，其中各通道對應於預期由檢視者檢視(或若其為虛擬影像則為感知)之影像的不同各別部分。像素化顯示裝置可經組態以依次或依序顯示複數個不同全像圖。本文中所揭示之態樣及實例中之各者可應用於多個全像圖之顯示。

第一波導光瞳擴展器之輸出埠可耦接至第二波導光瞳擴展器之輸入埠。第二波導光瞳擴展器可經配置以藉由在第二波導光瞳擴展器之第三對平行表面之間的內部反射將繞射光場(包括由第一波導光瞳擴展器輸出之光場的複本中之一些、較佳大部分、較佳全部)自其輸入埠導引至各別輸出埠。

該第一波導光瞳擴展器可經配置以在一第一方向上提供光瞳擴 展或複製，且該第二波導光瞳擴展器可經配置以在一第二不同方向上提供光瞳擴展或複製。該第二方向可實質上正交於該第一方向。第二波導光瞳擴展器可經配置以保持第一波導光瞳擴展器在第一方向上已設置之光瞳擴展且擴展(或複製)其在第二不同方向上自第一波導光瞳擴展器接收之複本中的一些、較佳大部分、較佳全部。第二波導光瞳擴展器可經配置以直接或間接地自第一波導光瞳擴展器接收光場。一或多個其他元件可沿著該光場之傳播路徑設置於該第一波導光瞳擴展器與該第二波導光瞳擴展器之間。

第一波導光瞳擴展器可為實質上長型的(例如，棒狀)，且第二波導光瞳擴展器可為實質上平坦的(例如，矩形)。第一波導光瞳擴展器之長型形狀可由沿著第一維度之長度界定。第二波導光瞳擴展器之平坦或矩形形狀可由沿著第一維度之長度及沿著實質上正交於第一維度之第二維度的寬度或廣度界定。第一波導光瞳擴展器沿著其第一維度之大小或長度分別對應於第二波導光瞳擴展器沿著其第一維度或第二維度之長度或寬度。第二波導光瞳擴展器之該對平行表面中包含其輸入埠的第一表面可經成形、設定大小及/或定位以便對應於由第一波導光瞳擴展器上之該對平行表面之第一表面上的輸出埠界定的區域，使得第二波導光瞳擴展器經配置以接收由第一波導光瞳擴展器輸出之複本中的各者。

該第一波導光瞳擴展器及該第二波導光瞳擴展器可共同地提供在一第一方向上及垂直於該第一方向之一第二方向上的光瞳擴展，視情況，其中含有該第一方向及該第二方向之一平面實質上平行於該第二波導光瞳擴展器之一平面。換言之，分別界定第二波導光瞳擴展器之長度及廣度的第一維度及第二維度可分別平行於波導光瞳擴展器提供光瞳擴展的第一方向及第二方向(或分別平行於第二方向及第一方向)。第一波導光瞳擴展器與第二波導光瞳擴展器之組合可總體上稱為「光瞳擴展器」。

由第一波導擴展器及第二波導擴展器提供之擴展/複製可稱為具有使顯示系統之出射光瞳在兩個方向中之各者上擴展的效應。由經擴展出射光瞳界定之區域又可界定經擴展眼眶區域，檢視者可自該經擴展眼眶區域接收輸入的繞射或發散光場之光。可稱眼眶區域位於檢視平面上或界定檢視平面。

出射光瞳擴展之兩個方向可與第一波導光瞳擴展器及第二波導光瞳擴展器提供複製/擴展之第一方向及第二方向共面或平行。或者，在包含諸如光學組合器(例如，車輛之擋風玻璃(或擋風屏))之其他元件的配置中，出射光瞳可被視為來自彼另一元件(諸如，來自擋風玻璃)之出射光瞳。在此類配置中，出射光瞳可與第一波導光瞳擴展器及第二波導光瞳擴展器據以提供複製/擴展的第一方向及第二方向不共面且不平行。舉例而言，出射光瞳可實質上垂直於第一波導光瞳擴展器及第二波導光瞳擴展器來提供複製/擴展的第一方向及第二方向。

檢視平面及/或眼眶區域可與第一波導光瞳擴展器及第二波導光瞳擴展器據以提供複製/擴展的第一方向及第二方向不共面或不平行。舉例而言，檢視平面可實質上垂直於第一波導光瞳擴展器及第二波導光瞳擴展器提供複製/擴展的第一方向及第二方向。

為了提供合適的發射條件以達成第一波導光瞳擴展器及第二波導光瞳擴展器內之內部反射，第一波導光瞳擴展器之狹長維度可相對於第二波導光瞳擴展器之第一維度及第二維度傾斜。

為了提供合適的發射條件以達成第一波導光瞳擴展器及第二波導光瞳擴展器內之內部反射，第一波導光瞳擴展器之狹長維度可相對於第二波導光瞳擴展器之第一維度及第二維度傾斜。

顯示裝置可具有具有可小於10cm(諸如小於5cm或小於2cm)之第一尺寸的作用或顯示區域。在顯示裝置與檢視系統之間的傳播距離可大於1 m，諸如大於1.5m或大於2m。波導內之光傳播距離可為至多2m，諸如至多1.5m或至多1m。該方法可能能夠接收影像且在小於20ms(諸如小於15ms或小於10ms)內判定具有足夠品質之對應全像圖。

在僅作為根據本發明之繞射或全像光場之實例描述的一些實例中，全像圖經組態以將光投送至複數個通道中，各通道對應於影像之不同部分(亦即，子區域)。全像圖可在諸如空間光調變器之顯示裝置上表示(諸如顯示)。當顯示於適當顯示裝置上時，全像圖可在空間上調變可由檢視系統變換成影像之光。由繞射結構(包含全像圖)形成之通道在本文中稱為「全像圖通道」，僅為了反映該等通道為由具有影像資訊之全像圖編碼之光的通道。可稱各通道之光係在全像圖域而非影像或空間域中。在一些實例中，全像圖為傅立葉或傅立葉變換全像圖，且全像圖域因此為傅立葉域或頻域。全像圖同樣可為菲涅爾或菲涅爾變換全像圖。全像圖在本文中被描述為將光投送至複數個全像圖通道中僅為了反映可自全像圖重構之影像具有有限大小且可任意劃分成複數個影像子領域，其中各全像圖通道將對應於各影像子區域。重要的是，此實例之全像圖之特徵在於其在被照明時如何分佈影像內容。具體言之，全像圖按角度劃分影像內容。亦即，因為全像圖為二維的，所以影像上之各點與由全像圖在被照射時形成之經空間調變光中的唯一光線角度(至少，一對唯一的角度)相關聯。為避免疑問，此全像圖行為並非習知的。由此特殊類型之全像圖被照射時形成之經空間調變光可任意地劃分成複數個全像圖通道，其中各全像圖通道係由一定範圍之光線角度(在兩個維度上)界定。自前述內容將理解，可在經空間調變光中考慮之任何全像圖通道(亦即，光線角度之子範圍)將與影像之各別部分或子區域相關聯。亦即，重構影像之彼部分或子區域所需的所有資訊含於自影像之全像圖形成的經空間調變光之角度之子範圍內。當經空間調變光被整體觀測時，未必存在複數個離散光通道之任何證據。然而，在一些配置中，藉由有意使目標影像之區域 (自其計算全像圖)為空白或空無(亦即，不存在影像內容)來形成複數個空間上分離之全像圖通道。

儘管如此，仍可識別全像圖。舉例而言，若僅重構由全像圖形成之經空間調變光之連續部分或子區域，則僅影像之子區域應為可見的。若重構經空間調變光之不同連續部分或子區域，則影像之不同子區域應可見。此類型之全像圖之另一識別特徵為任何全像圖通道之橫截面區域之形狀實質上對應於(亦即，實質上相同於)入射光瞳之形狀，但大小可至少在計算全像圖之正確平面處不同。各光/全像圖通道以不同角度或角度範圍自全像圖傳播。儘管此等為表徵或識別此類型之全像圖之實例方式，但可使用其他方式。概言之，本文中所揭示之(特定類型之)全像圖特徵在於影像內容如何分佈於由全像圖編碼之光內且可藉此識別。此外，為避免任何疑義，本文中僅作為實例參考經組態以將光引導至或將影像成角度地劃分至複數個全像圖通道中之全像圖，且本發明同樣適用於任何類型之全像光場或甚至任何類型之繞射或經繞射光場的光瞳擴展。

大體上，本文中揭示一種為一輸入光場提供光瞳擴展之系統，其中該輸入光場為包含發散射線束之繞射或全像光場。如上文所論述，光瞳擴展(其亦可稱為「影像複製」或「複製」或「光瞳複製」)藉由產生輸入光線(或射線束)之一或多個複本而使得能夠增大檢視者可看到影像(或可自其接收全像圖之光，檢視者之眼睛自該光形成影像)的區域的大小。可在一或多個維度上提供光瞳擴展。舉例而言，可提供二維光瞳擴展，其中各維度實質上正交於彼此。

該系統可以小型且流線型之實體形式提供。此使得系統能夠適合於廣泛範圍之現實世界應用，包括空間受限且佔據面積值高的彼等應用。舉例而言，其可實施於諸如車輛或汽車抬頭顯示器(HUD)之HUD中。

根據本發明，提供用於經繞射或繞射光之光瞳擴展，其可包含發散光線束。繞射或經繞射光可由諸如像素化顯示裝置之顯示裝置輸出，該顯示裝 置諸如經配置以顯示諸如全像圖之繞射結構的空間光調變器(SLM)。繞射光場可由「光錐」界定。因此，繞射光場(如界定於二維平面上)之大小隨著自對應繞射結構(亦即，顯示裝置)之傳播距離而增大。

空間光調變器可經配置以顯示全像圖(或包含全像圖之繞射圖案)。相對於影像之光或全像重構之光，繞射或發散光可包含用/由全像圖編碼之光。在投影器(光學系統)之此等實例中，因此可稱，光瞳擴展器複製全像圖或形成全像圖之至少一個複本，以表達遞送至檢視者之光根據影像之全像圖而非影像本身進行空間調變。亦即，經繞射光場傳播至檢視者。

在投影器(光學系統)之一些實例中，提供兩個一維波導光瞳擴展器，各一維波導光瞳擴展器經配置以藉由形成空間光調變器之出射光瞳(或出射光瞳之光)之複數個複本或複製物而有效地增大系統之出射光瞳之大小。出射光瞳可被理解為光由系統輸出所自之實體區域。亦可稱，各波導光瞳擴展器經配置以擴展系統之出射光瞳之大小。亦可稱，各波導光瞳擴展器經配置以擴展/增大檢視器之眼睛可位於的眼框之大小，以便看到/接收由系統輸出之光。

本發明提供一種計算用於一光學系統之一虛擬影像之一全像圖的方法。該光學系統包含經配置以顯示該全像圖之一顯示裝置。該光學系統進一步包含經配置以接收及複製所顯示全像圖之波導。該方法包含判定虛擬影像之各虛擬影像點之子全像圖。各子全像圖受限於/界定於顯示裝置之區域內。顯示裝置之區域對應於虛擬表面之含有顯示裝置及藉由波導形成之其虛擬複本的區域。虛擬表面之區域由自各別虛擬影像點至檢視系統之入射光瞳之周邊的直線路徑界定/定界/限定。用於子全像圖之顯示裝置之區域在空間上對應於由直線界定之一或多個虛擬複本之區域。在對應於由波導形成之顯示裝置之「虛擬複本」的位置(例如，平面)處判定，例如計算至少一個子全像圖之至少一組成部分(若不是，則整個至少一個子全像圖)。

根據本發明之態樣，提供一種計算全像圖之方法。全像圖具有用於光學系統之虛擬影像。該光學系統包含一顯示裝置及波導。該波導可為一維波導。該光學系統可包含經配置以提供所顯示全像圖之二維複製及/或顯示裝置之出射光瞳之二維擴展的一對正交一維波導。該顯示裝置經配置以顯示該全像圖。該波導經配置以複製該全像圖。該方法包含判定由自一虛擬影像點至一檢視者之一入射光瞳之周邊的直線路徑界定之一區域內的該虛擬影像點之一子全像圖。虛擬影像點可為虛擬影像之複數個虛擬影像點中的一個虛擬影像點。該區域包含藉由該波導形成之該顯示裝置之一虛擬複本的至少部分。

在具體實例中，該方法包含識別在該虛擬影像與該波導之間的一虛擬表面。該虛擬表面包含該顯示裝置及由該波導形成的該顯示裝置之複數個複本。該方法進一步包含識別該虛擬表面上之該區域。

在一些具體實例中，在該顯示裝置之一第一虛擬複本之一第一區域內判定一第一虛擬影像點之一第一子全像圖。

在其他具體實例中，一第一虛擬影像點之一第一子全像圖包含一第一子全像圖組成部分及第二子全像圖組成部分。在一實例中，在該顯示裝置之一第一虛擬複本之一第一區域內判定該第一子全像圖組成部分，且在該顯示裝置之一第二虛擬複本之一第二區域內判定該第二子全像圖組成部分。在另一實例中，在該顯示裝置之一第一虛擬複本之一第一區域內判定該第一子全像圖組成部分，且在該顯示裝置之一第二區域內判定該第二子全像圖組成部分。此等具體實例之方法可進一步包含疊加該第一子全像圖組成部分與第二子全像圖組成部分以形成該第一虛擬影像點之該第一子全像圖。在一些具體實例中，若一子全像圖組成部分之大小小於一臨限值，則自該疊加步驟捨棄該子全像圖組成部分。在一些具體實例中，自該疊加步驟捨棄該第一子全像圖組成部分及第二子全像圖組成部分之若進行疊加則將重疊的任何部分。

在具體實例中，該方法進一步包含計算該虛擬影像之複數個虛擬影像點中之各虛擬影像點的一各別子全像圖。可接著疊加該等各別子全像圖以形成該虛擬影像之一全像圖。

在具體實例中，各子全像圖係藉由自對應虛擬影像點朝向檢視者傳播光波且判定到達該區域之對應位置處的複合光場而判定之點雲全像圖，視情況，其中該光波為球面光波或「小波」。如所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解，可藉由模擬光波(小波)之傳播以形成波前/複合光場來以計算方式執行各子全像圖之判定。

在實施中，藉由波導形成之顯示裝置之各虛擬複本與顯示裝置相距不同的垂直距離，使得形成顯示裝置之虛擬複本之交錯虛擬表面。在實例中，顯示裝置之各虛擬複本對應於由波導形成之全像圖之各別複本。該方法可包含藉由展開波導內自顯示裝置至由波導形成的全像圖的對應複本的光學路徑來判定顯示裝置的各虛擬複本之位置。

在本發明之另一態樣中，提供一種計算全像圖之方法。該全像圖具有用於光學系統之虛擬影像，該光學系統包含經配置以顯示全像圖之顯示裝置及經配置以複製全像圖之波導。該方法包含判定虛擬影像之各虛擬影像點之子全像圖。各子全像圖係藉由以下操作來判定：使一光波自該各別虛擬影像點朝向一檢視者傳播；界定該傳播光波在該虛擬影像與該檢視者之間的一虛擬表面處之一相交區域，其中該虛擬表面包含該顯示裝置及由該波導形成的該顯示裝置之複數個虛擬複本，其中該所界定區域由自該各別虛擬影像點至該檢視者之眼睛的入射光瞳之周邊的直線路徑限定；識別該複合光場之該所界定區域之一或多個子區域，其中各子區域與該虛擬表面在對應於該顯示裝置及該複數個虛擬複本中之不同者的位置處相交。該複合光場之該一或多個子區域中之各者形成該子全像圖之各別組成部分。

在具體實例中，含有該顯示裝置及該複數個虛擬複本之該虛擬表面係「交錯的」。詳言之，顯示裝置的各複本由於與各複本相關聯的波導中的不同路徑長度而與顯示裝置相距不同的垂直距離。因此，虛擬表面之與各複本相關聯的部分(例如，在x、y維度上)在垂直方向上(例如，在z維度上)自顯示裝置偏移。

提供一種判定用於一光學系統之一虛擬影像點之一子全像圖之方法，該光學系統包含經配置以顯示該全像圖之一顯示裝置及經配置以複製該子全像圖之一波導。該方法包含判定在一區域內的該子全像圖，該區域由自虛擬影像點至一檢視者之一入射光瞳之周邊的直線路徑界定。該區域包含由該波導形成之該顯示裝置之一複本之至少部分。進一步提供一種判定包含複數個虛擬影像點之一虛擬影像之一全像圖的方法，該方法包含重複判定用於該虛擬影像之各虛擬影像點之一子全像圖之方法。

在具體實例中，提供一種計算一點雲全像圖之方法。該點雲全像圖為用於一光學系統之一虛擬影像之一全像圖，該光學系統包含經配置以顯示該全像圖之一顯示裝置及經配置以複製該全像圖之波導。該方法包含在對應於該顯示裝置之位置的一位置處形成一點雲子全像圖。該方法亦包含在對應於由該波導形成之該顯示裝置之一各別虛擬複本的各位置處形成一點雲子全像圖。各點雲子全像圖係僅使用來自該虛擬影像之可穿過一檢視者之一入射光瞳的光線而形成。

在具體實例中，該方法包含藉由展開該波導內自該顯示裝置至該全像圖的該複本的對應光學路徑來判定該顯示裝置的各複本之位置。

在本發明之另一態樣中，提供一種全像圖引擎。該全像圖引擎經配置以用於計算用於一光學系統之一虛擬影像之一全像圖，該光學系統包含經配置以顯示該全像圖之一顯示裝置及經配置以複製該全像圖之一波導。該全像 圖引擎經配置以判定在一區域內的一虛擬影像點之一子全像圖，該區域由自該虛擬影像點至一檢視者之一入射光瞳之周邊的直線路徑界定。該區域包含由該波導形成之該顯示裝置之一虛擬複本之至少部分。

本文中使用術語「虛擬影像」指代形成於顯示裝置上游的影像或全像重構。亦即，顯示裝置在虛擬影像與檢視者之間。換言之，自虛擬影像至檢視者之距離大於自顯示裝置至檢視者之距離。光學領域中具有通常知識者將理解，檢視者在效果上看起來經由顯示裝置看到虛擬影像。虛擬影像可在顯示裝置後方若干米處感知到。所屬技術領域中具有通常知識者將因此理解如何有可能考慮自虛擬影像經由顯示裝置或含有顯示裝置的延伸表面至顯示裝置之另一側上的檢視者之光線路徑。

與形成於顯示裝置上之複數個全像圖中之各全像圖及其複本相關的前綴「子」僅用以與完整虛擬影像之最終/組合全像圖區分且反映各者為全像圖之組成部分。該全像圖可為一點雲全像圖。因此，子全像圖及子全像圖組成部分亦可分別為點雲子全像圖或點雲子全像圖組成部分。

如本文中所描述，波導在效果上形成顯示裝置之複本陣列(在本文中亦稱為「虛擬複本」)，其中各顯示裝置複本對應於全像圖之各別複本。複本顯示裝置之陣列在本文中稱為「交錯表面」。「表面」並非連續的，此係因為複本在正交於顯示裝置之表面的方向上(例如，在z方向上)在空間上分離。表面稱為「交錯」以反映不同顯示裝置複本在z方向上之此改變的間隔。通常，顯示裝置複本處於在z方向上(在不存在任何偏斜的情況下)為空間上偏移之不同x、y平面上。在使用一個波導在一個維度上進行複製之情況下，交錯表面可類似於一系列獨立步階，其中不存在該等步階之立板。在使用如在光瞳擴展之技術中已知的兩個正交波導在兩個正交方向上之複製的情況下，交錯表面在效果上在例如x及y之兩個方向上交錯，但在z方向上不存在表面組成部分。術語「虛擬表面」、 「交錯延伸調變器」及「延伸表面」亦可在本文中用以指代由波導形成之顯示裝置的複本陣列。本發明描述各子全像圖如何受限於/界定於顯示裝置之區域內，該區域在空間上對應於由自各別虛擬影像點至檢視系統之入射光瞳之周邊的直線路徑界定的交錯或虛擬表面之區域。交錯或虛擬表面之區域在效果上界定顯示裝置之待用於子全像圖之「貢獻區域」。

參考直線外推光線的過程描述「展開」波導內之光學路徑的步驟，該光線經由其輸出埠(亦即，複本之光線)離開波導回至虛擬表面而無波導內之內部反射。藉由外推複本之所有光線回至虛擬表面，識別顯示裝置之對應虛擬複本的地點或位置。顯示裝置之各虛擬複本由於與各複本相關聯之波導內的不同光學路徑長度而與檢視者相隔不同距離。本發明參考組合在顯示裝置上(例如，在xy平面上)保持位置或空間資訊之全像圖的過程描述「疊加」子全像圖與子全像圖之組成部分的過程。

本文中參考在正交於顯示裝置的表面的方向上的位置(其在本文中亦稱為傳播或投影軸線)來提及判定子全像圖或各種「位置」處的子全像圖組成部分。如光學技術領域中具有通常知識者將熟悉的，傳播軸線典型地界定為z軸。顯示裝置及其虛擬複本各自典型地界定於xy平面上。在一些具體實例中，點雲全像圖係藉由使光波傳播至所描述之「位置」或平面來判定。

在本文中提及將各子全像圖限制於由直線界定/限定/定界的一或多個區域(或在該一或多個區域內界定各子全像圖)。各區域為由虛擬表面之區域界定或對應於虛擬表面之區域的顯示裝置之區域。舉例而言，若直線界定單一虛擬複本之中間區域，則子全像圖受限於/界定於顯示裝置之彼中間區域內。同樣，若直線與兩個或更多個虛擬複本相交，則虛擬複本之各區域(或虛擬表面之經定界區域的「子區域」)在效果上界定顯示裝置之對應區域(或「子區域」)。在一些具體實例中，疊加區域界定於不同虛擬複本上，且此等區域可根據本文中 所揭示之進一步改良而以不同方式處理。

為避免疑問，所形成或感知之影像為目標影像之全像重構。全像重構係基於目標影像自全像圖形成。在一些具體實例中，自目標影像判定(例如，計算)全像圖。

本文中所揭示之方法識別用於形成主要影像之虛擬影像點的貢獻光路徑。貢獻光路徑為來自虛擬影像之光路徑，其穿過檢視者之入射光瞳，藉此促成影像形成。因此，該方法並不考慮促成主影像之複製物/複本或「雙重」版本之光路徑。因此，所計算全像圖之所有「子全像圖」明確地促成「主要」目標影像。

在本發明中，術語「複本」僅用以反映經空間調變光被劃分，使得複合光場沿著複數個不同光學路徑被導向。詞「複本」用以指代在複製事件(諸如，藉由光瞳擴展器之部分反射-透射)之後複合光場之每次出現或例項。各複本沿著不同光學路徑行進。本發明之一些具體實例係關於用全像圖(非影像)編碼之光(亦即，以影像之全像圖而非影像自身進行空間上調變之光)之傳播。全像術技術領域中具有通常知識者將瞭解，與用全像圖編碼的光的傳播相關聯的複合光場將隨著傳播距離而改變。在本文中術語「複本」的使用獨立於傳播距離，且因此，與複製事件相關聯的光的兩個分支或路徑仍稱為彼此的「複本」即使分支為不同長度，以使得複合光場沿著各路徑以不同方式演進。亦即，根據本發明，兩個複合光場仍被視為「複本」，即使其與不同傳播距離相關聯，其限制條件為其已自相同複製事件或一系列複製事件出現。

根據本發明之「經繞射光場」或「繞射光場」係藉由繞射而形成之光場。經繞射光場可藉由照射對應繞射圖案而形成。根據本發明，繞射圖案之實例為全像圖，且經繞射光場之實例為全像光場或形成影像之全像重構之光場。該全像光場形成重播平面上之影像的(全像)重構。可稱自全像圖傳播至重播平 面之全像光場包含用/由全像圖編碼之光或在全像圖域中之光。經繞射光場之特徵在於藉由繞射結構之最小特徵大小及(經繞射光場之)光的波長來判定的繞射角度。根據本發明，亦可稱「經繞射光場」為在空間上與對應繞射結構分離之平面上形成重構的光場。本文中揭示用於將經繞射光場自繞射結構傳播至檢視者(例如，自顯示裝置傳播至檢視系統)之光學系統。經繞射光場可形成影像。

術語「全像圖」用以係指含有關於物件之振幅資訊或相位資訊或其某一組合的記錄。術語「全像重構」用以係指藉由照明全像圖而形成的物件之光學重構。本文中所揭示之系統被描述為「全像投影器」，此係因為全像重構為真實影像且與全像圖在空間上分離。術語「重播場」用以指在其內形成且完全聚焦全像重構的2D區域。若在包含像素之空間光調變器上顯示全像圖，則重播場將以複數個繞射階之形式重複，其中各繞射階係零階重播場之複本。零階重播場通常對應於較佳或主要重播場，此係因為其為最亮重播場。除非另有明確陳述，否則術語「重播場」應被視為係指零階重播場。術語「重播平面」用以係指含有所有重播場之空間中之平面。術語「影像」、「重播影像」及「影像區」係指由全像重構之光照明的重播場之區域。在一些實例中，「影像」可包含離散光點，其可稱為「影像光點」或僅出於方便起見而稱為「影像像素」。

術語「編碼」、「寫入」或「定址」用以描述向SLM之複數個像素提供分別判定各像素之調變位準之各別複數個控制值的程序。可稱SLM之像素經組態以回應於接收到複數個控制值而「顯示」光調變分佈。因此，SLM可稱為「顯示」全像圖且全像圖可被視為光調變值或位準陣列。

已發現，具有可接受品質之全像重構可由僅含有與原始物件之傅立葉變換相關之相位資訊的「全像圖」形成。此類全像記錄可稱為純相位全像圖(phase-only hologram)。具體實例係關於純相位全像圖，但本發明同樣適用於純振幅全像術。具體實例係關於對點雲全像圖(意即，使用點雲方法建置之全像圖) 之計算。

本發明亦同樣適用於使用與原始物件之傅立葉變換相關之振幅資訊及相位資訊來形成全像重構。在一些具體實例中，此係藉由使用含有與原始物件相關之振幅資訊及相位資訊兩者之所謂的全複合全像圖的複合調變來達成。此類全像圖可稱為全複全像圖，此係因為指派給全像圖之各像素的值(灰階)具有振幅及相位分量。指派給各像素的值(灰階)可表示為具有振幅及相位分量兩者之複數。在一些具體實例中，計算全複數電腦產生全像圖。

可參考電腦產生之全像圖或空間光調變器之像素之相位值、相位分量、相位資訊或僅僅為相位作為「相位延遲」之簡寫。亦即，所描述之任何相位值實際上為表示藉由彼像素提供的相位延遲之量的數目(例如在0至2π範圍內)。舉例而言，描述為具有π/2之相位值的空間光調變器之像素將所接收到之光延遲相位π/2弧度。在一些具體實例中，空間光調變器之各像素在多個可能調變值(例如相位延遲值)中之一者中可操作。術語「灰階」可用以係指複數個可用調變位準。舉例而言，術語「灰階」可出於方便起見而用以係指純相位調變器中之複數個可用相位位準，即使不同相位位準並不提供不同灰度亦如此。術語「灰階」亦可出於方便起見而用以係指複合調變器中之複數個可用複合調變位準。

全像圖因此包含灰階之陣列，亦即光調變值之陣列，諸如相位延遲值或複合調變值之陣列。全像圖亦被視為繞射圖案，此係因為其為當顯示於空間光調變器上並運用具有與空間光調變器之像素間距相當(通常小於該像素間距)的波長之光照射時而引起繞射的圖案。本文中對組合全像圖與其他繞射圖案(諸如充當透鏡或光柵之繞射圖案)進行參考。舉例而言，充當光柵之繞射圖案可與全像圖組合以在重播平面上平移重播場，或充當透鏡之繞射圖案可與全像圖組合以將全像重構聚焦於近場中之重播平面上。

儘管不同具體實例及一群具體實例可在以下實施方式中單獨地 揭示，但任何具體實例或具體實例之群的任何特徵可與任何具體實例或具體實例之群的任何其他特徵或特徵之組合進行組合。亦即，設想本發明中所揭示之特徵之所有可能組合及排列。

110:光源

111:準直透鏡

112:出射波前

120:傅立葉變換透鏡

125:螢幕

140:SLM

252:影像

254:經編碼光圖案

400:系統

402:LCOS

402':複本顯示裝置

404:孔隙

405:眼睛

408:波導

409:晶狀體

500:系統

502:光束

504:第一複製器

506:第二複製器

508:複本光束

510:光束

601:箭頭/方向

700:虛擬影像

701:第一虛擬影像點

702:第二虛擬影像點

710:延伸調變器

711:第一對直線

720:眼睛

721:第二對直線

730:入口孔隙

800:第一相交區域

810:第一子全像圖組成部分

810':第一複合光圖案

811:第二子全像圖組成部分

811':第二複合光圖案

820:子全像圖

900:第二相交區域

920:子全像圖

920':複合光圖案

1001:第一子區域

1002:第二子區域

1003:第三子區域

1004:第四子區域

1101:第一子區域

1102:第二子區域

1103:第三子區域

1104:第四子區域

1105:第五子區域

B0~B8:「反彈」點

H1~H8:子全像圖或組成部分

R1:第一虛擬複本

R2:第二虛擬複本

R3:第三虛擬複本

R4:第四虛擬複本

V1~V8:影像區域/組成部分

僅作為實例參考下圖以描述特定具體實例：[圖1]為展示在螢幕上產生全像重構之反射SLM的示意圖；[圖2]展示包含複數個影像區域之影像(底部)及包含複數個全像圖組成部分之對應全像圖(頂部)；[圖3]展示全像圖，其特徵在於將全像編碼光投送或引導至複數個離散全像圖通道；[圖4]展示經配置以經由不同光學路徑將圖3之各全像圖通道之光內容投送至眼睛的系統；[圖5]展示經配置以用於在兩個維度上擴展光束之一對堆疊影像複製器的透視圖；[圖6]展示包含包括顯示裝置及由波導形成之顯示裝置之複數個複本的3D陣列之「延伸調變器」或「虛擬表面」的實例可視化；[圖7]展示用於使用延伸調變器計算點雲全像圖之配置，其展示自所要虛擬影像之第一實例影像點及第二實例影像點傳播以待由全像圖以全像方式重構的波之路徑；[圖8]展示用於圖7之配置之第一實例影像點的子全像圖之計算；[圖9]展示用於圖7之配置之第二實例影像點的子全像圖之計算；[圖10]繪示用於在對應子全像圖中包括來自實例複合光圖案之子區域之資訊的第一準則，該等子區域在與延伸調變器相交之區域處； [圖11A]繪示用於在對應子全像圖中包括來自另一實例複合光圖案之子區域之資訊的第二準則，該等子區域在與延伸調變器相交之區域處，及[圖11B]展示使用圖11A之第二準則及複合光圖案形成之子全像圖。

貫穿圖式將使用相同參考數字指代相同或類似部分。

本發明並不受限於下文描述之具體實例，而擴展至所附申請專利範圍之完整範圍。亦即，本發明可以不同形式體現且不應被解釋為受限於出於說明之目的而陳述之所描述具體實例。

除非另外規定，否則單數形式之術語可包括複數形式。

描述為形成於另一結構之上部部分/下部部分處或其他結構上/下的結構應被解釋為包括其中該等結構彼此接觸的情況，及此外其中第三結構安置於其間的情況。

在描述時間關係時(舉例而言，當事件之時間次序被描述為「之後」、「後續」、「接下來」、「之前」或諸如此類時)，除非另有指定，否則本揭示內容應被視為包括連續及非連續事件。舉例而言，本說明書應被視為包括為不連續的情況，除非使用諸如「剛剛」、「緊接」或「直接」之措辭。

儘管在本文中可使用術語「第一」、「第二」等來描述各種元件，但此等元件不應受此等術語限制。此等術語僅用於將一個元件與另一元件進行區分。舉例而言，在不脫離所附申請專利範圍之範圍的情況下，可將第一元件稱為第二元件，且類似地，可將第二元件稱為第一元件。

不同具體實例之特徵可部分地或整體地彼此耦接或組合，且可以不同方式彼此互操作。一些具體實例可彼此獨立地實行，或可以共相依關係一起實行。

光學組態

圖1展示投影器(光學系統)之具體實例，其中電腦產生之全像圖編碼於單一空間光調變器上。電腦產生之全像圖係用於重構之物件的傅立葉變換。因此可稱全像圖為物件之傅立葉域或頻域或頻譜域表示。在此具體實例中，空間光調變器為反射矽上液晶「LCOS」裝置。全像圖經編碼於空間光調變器上且全像重構形成於重播場，例如諸如螢幕或漫射器之光接收表面處。

光源110(例如雷射器或雷射二極體)經安置以經由準直透鏡111照射SLM 140。準直透鏡使光之大體上平面波前入射於SLM上。在圖1中，波前之方向偏離正交(例如與真正正交於透明層之平面相距二或三度)。然而，在其他實例中，大體平坦的波前提供於法線入射處，且分束器配置用以分開輸入與輸出光學路徑。在圖1中所展示之實例中，該配置使得來自光源之光自SLM之鏡像後表面反射並與光調變層相互作用以形成出射波前112。出射波前112施加至包括傅立葉變換透鏡120之光學件，其焦點處於螢幕125處。更具體言之，傅立葉變換透鏡120自SLM 140接收調變光之光束並執行頻率空間變換以在螢幕125處產生全像重構。

值得注意的是，在此類型之全像術中，全像圖之各像素促成整個重構。在重播場上之特定點(或影像像素)與特定光調變元件(或全像圖像素)之間不存在一對一相關性。換言之，射出光調變層之調變光橫越重播場分佈。

在投影器之此等具體實例中，全像重構在空間中之位置係藉由傅立葉變換透鏡之折射(聚焦)功率來判定。在圖1中所繪示之具體實例中，傅立葉變換透鏡為實體透鏡。亦即，傅立葉變換透鏡為光學傅立葉變換透鏡且以光學方式執行傅立葉變換。任何透鏡皆可充當傅立葉變換透鏡，但透鏡之效能將限制其執行的傅立葉變換之準確度。所屬技術領域中具有通常知識者理解如何使用透鏡來執行光學傅立葉變換。

全像圖計算

在一些具體實例中，電腦產生之全像圖為傅立葉變換全像圖，或簡言之傅立葉全像圖或基於傅立葉之全像圖，其中影像藉由利用正透鏡之傅立葉變換性質而重構於遠場中。藉由將重播平面中之所要光場傅立葉變換回至透鏡平面來計算傅立葉全像圖。可使用傅立葉變換來計算電腦產生之傅立葉全像圖。僅作為實例，具體實例係關於傅立葉全像術及蓋師貝格-撒克斯通型演算法。本發明同樣適用於可藉由類似方法計算的菲涅爾全像術及菲涅爾全像圖。在一些具體實例中，全像圖為相位或純相位全像圖。然而，具體實例係關於基於點雲方法計算之全像圖。在2021年8月26日提交、以引用之方式併入本文中之英國專利申請案GB 2112213.0揭示可與本發明組合的實例全像圖計算方法。詳言之，前述專利申請案描述用於計算下文參考圖2及圖3所描述之(特殊)類型之全像圖的方法，該全像圖在角度上劃分/引導影像內容。

在投影器之一些具體實例中，提供經配置以接收影像資料且使用演算法即時計算全像圖的即時引擎。在一些實例中，影像資料為包含影像圖框序列之視訊。在投影器之其他具體實例中，全像圖經預計算、儲存於電腦記憶體中且根據需要被重新召用以顯示於SLM上。亦即，在一些具體實例中，提供預定全像圖之儲存庫。

光調變

該顯示系統包含界定該顯示系統之該出射光瞳之一顯示裝置。該顯示裝置為空間光調變器。空間光調變可為相位調變器。顯示裝置可為如此項技術中所熟知之矽上液晶「LCOS」空間光調變器。LCOS SLM包含複數個像素，諸如四邊形LC像素陣列。像素可用包含全像圖之繞射圖案來定址或編碼。可稱，LCOS SLM經配置以「顯示」全像圖。LCOS SLM經配置以用光照射，且根據全像圖輸出經空間調變光。由LCOS SLM輸出之經空間調變光包含如本文中所描述 之經繞射或全像光場。

光引導

本文中所揭示之光學系統適用於運用任何經繞射光場之光瞳擴展。在光學系統之一些具體實例中，經繞射光場係全像光場，亦即，已根據影像之全像圖而非影像自身進行空間上調變之複合光場。在光學系統之一些具體實例中，全像圖係以角度方式劃分/引導影像內容之特殊類型之全像圖。此類型之全像圖在本文中僅作為與本發明相容之經繞射光場之一實例予以進一步描述。其他類型之全像圖可結合本文中所揭示之顯示系統及光引擎使用。

在下文描述包含波導光瞳擴展器之顯示系統及方法。如所屬技術領域中具有通常知識者將熟悉，波導可組態為「光瞳擴展器」，此係因為其可用以使由相對較小光發射器(諸如相對較小SLM或如本文中所描述之配置中所使用之其他像素化顯示裝置)在其上(其內)發射光的區域增大，該光可由位於距光發射器一定距離(諸如相對較大距離)處的人類檢視者或其他檢視系統檢視。波導藉由增大光自其朝向檢視者輸出之傳輸點的數目來達成此目的。因此，光可自複數個不同檢視者位置看見，且舉例而言，檢視者可能夠移動其頭，且因此移動其視線，同時仍能夠看到來自光發射器之光。因此，可稱經由使用波導光瞳擴展器，放大了檢視者之「眼眶」或「眼動框」。此具有許多有用應用，例如但不限於抬頭顯示器，例如但不限於汽車抬頭顯示器。

如本文中所描述之顯示系統可經組態以經由波導光瞳擴展器導引光(諸如經繞射光場)以便提供在至少一個維度上(例如，在兩個維度上)之光瞳擴展。經繞射光場可包含由諸如LCOS SLM之空間光調變器(SLM)輸出之光。舉例而言，彼經繞射光場可包含由SLM顯示之全像圖編碼的光。舉例而言，彼經繞射光場可包含全像重構影像之光，其對應於由SLM顯示之全像圖。全像圖可包含電腦產生之全像圖(CGH)，諸如但不限於點雲全像圖、菲涅爾全像圖或 傅立葉全像圖。全像圖可被稱為「繞射結構」或「調變圖案」。SLM或其他顯示裝置可經配置而以所屬技術領域中具有通常知識者將熟悉之方式顯示包含全像圖及一或多個其他元素(諸如軟體透鏡或繞射光柵)之繞射圖案(或調變圖案)。

可計算全像圖，以提供經繞射光場之引導。此詳細描述於GB2101666.2、GB2101667.0及GB2112213.0中之各者中，以上所有者均以引用方式併入本文中。一般而言，可計算全像圖以對應於待以全像方式重構之影像。全像圖對應於之彼影像可稱為「輸入影像」或「目標影像」。可計算全像圖，使得當在SLM上顯示且經適當照射時，該全像圖形成包含經空間調變光之視錐的光場(由SLM輸出)。在一些具體實例中，該視錐包含與該影像之各別連續區對應的經空間調變光之複數個連續光通道。然而，本發明不限於此類型之全像圖。

儘管吾人在本文中參考「全像圖」或「電腦產生之全像圖(CGH))」，但應瞭解，SLM可經組態以連續地或根據一順序動態地顯示複數個不同全像圖。本文中所描述之系統及方法適用於複數個不同全像圖之動態顯示。

圖2及圖3展示可顯示於諸如SLM之顯示裝置上的一種類型之全像圖之實例，該顯示裝置可結合如本文中所揭示之光瞳擴展器使用。然而，此實例不應被視為相對於本發明之全像圖計算方法為限制性的。

圖2展示包含八個影像區域/組成部分V1至V8的用於投影之影像252。圖2僅作為實例展示八個影像組成部分，且影像252可劃分成任何數目個組成部分。圖2亦展示可重構影像252(例如，在由合適檢視系統之透鏡變換時)之經編碼光圖案254(亦即全像圖)。經編碼光圖案254包含對應於第一至第八影像組成部分/區域V1至V8之第一至第八子全像圖或組成部分H1至H8。圖2進一步展示全像圖可如何按角度分解影像內容。因此，全像圖之特徵可在於其執行之光的引導。此繪示於圖3中。特定言之，在此實例中，全像圖將光導向至複數個離散區域中。離散區域在所展示之實例中為圓盤，但可設想其他形狀。最佳圓盤之大 小及形狀可在傳播通過波導之後與檢視系統之入射光瞳的大小及形狀相關。

圖4展示系統400，其包括顯示已如圖2及圖3中所繪示而計算之全像圖的顯示裝置。

系統400包含顯示裝置，其在此配置中包含LCOS 402。LCOS 402經配置以顯示包含全像圖之調變圖案(或「繞射圖案」)，且朝向眼睛405投影已按全像方式編碼之光，該眼睛包含充當孔隙404之瞳孔、晶狀體409及充當檢視平面之視網膜(圖中未示)。存在經配置以照射LCOS 402之光源(圖中未示)。眼睛405的晶狀體409執行全像圖至影像轉換。光源可為任何合適類型。舉例而言，其可包含雷射光源。

檢視系統400進一步包含定位於LCOS 402與眼睛405之間的波導408。波導408之存在使得能夠藉由眼睛接收來自LCOS 402之所有角度內容，甚至在所展示之相對大投影距離處亦如此。此係因為波導508以熟知且因此在本文中僅簡單地描述之方式充當光瞳擴展器。

簡言之，圖4中所展示之波導408包含實質上細長的構造。在此實例中，波導408包含折射材料之光學平板，但其他類型之波導亦為熟知的且可使用。波導408經定位以便例如以一定傾斜角與自LCOS 402投影之光錐(亦即，經繞射光場)相交。在此實例中，波導408之大小、地點及位置經組態以確保來自在光錐內的八個射線束中之各者之光進入波導408。來自光錐之光經由其第一平坦表面(最接近LCOS 402定位)進入波導408，且在經由實質上與第一表面相對的第二平坦表面(最接近眼睛定位)發射之前至少部分沿著波導408之長度導引。如將很好地理解，第二平坦表面為部分反射、部分透射的。換言之，當各光線在波導408內自第一平坦表面行進且射中第二平坦表面時，一些光將自波導408透射出去，且一些光將由第二平坦表面朝向第一平坦表面反射回。第一平坦表面為反射性的，使得自波導408內射中第一平坦表面之全部光將朝向第二平坦表面反 射回。因此，光中之一些在透射之前可簡單地在波導408之兩個平坦表面之間折射，而其他光可被反射，且因此在透射之前可在波導408之平坦表面之間經歷一或多次反射(或「反彈」)。

圖4展示沿著波導408之長度的總共九個「反彈」點B0至B8。儘管與如圖2中所展示之影像之所有點(V1至V8)相關的光在自波導408之第二平坦表面之各「反彈」時透射出波導，但僅來自影像之一個角度部分的光(例如，V1至V8中之一者的光)具有使得其能夠自各別相應「反彈」點B0至B8到達眼睛405的軌跡。此外，來自影像之不同角度部分V1至V8的光自各別相應「反彈」點到達眼睛405。因此，在圖4之實例中，經編碼光之各角度通道僅自波導408到達眼睛一次。

上文所描述之方法及配置可實施於多種不同應用程式及檢視系統中。舉例而言，其可實施於抬頭顯示器(HUD)中或諸如擴增實境(Augmented Reality；AR)HMD之頭部或頭盔安裝裝置(head or helmet mounted device；HMD)中。

儘管已在本文中大體上論述需要眼睛變換所接收調變光以便形成感知影像之虛擬影像，但上文所描述之方法及配置可應用於真實影像。

二維光瞳擴展

儘管圖4中所展示之配置包括提供在一個維度上之光瞳擴展之單一波導，但可在多於一個維度上(例如在兩個維度上)提供光瞳擴展。此外，儘管圖4中之實例使用已經計算用以產生光之通道之全像圖，各通道對應於影像之不同部分，但本發明及下文所描述之系統不限於此類全像圖類型。

圖5展示系統500之透視圖，該系統包含經配置用於在兩個維度上擴展光束502的兩個複製器504、506。

在圖5之系統500中，第一複製器504包含平行於彼此堆疊且經配 置而以類似於圖4之波導408的方式提供複製(或光瞳擴展)的第一對表面。第一對表面彼此類似地(在一些情況下，相同地)設定大小及塑形，且實質上在一個方向上狹長。光束502被引導朝向第一複製器504上之輸入。歸因於在兩個表面之間的內部反射及來自該等表面中之一者(上表面，如圖5中所展示)上之複數個輸出點中之各者的光之部分透射的程序，其將為所屬技術領域中具有通常知識者所熟悉，光束502之光沿著第一複製器504之長度在第一方向上複製。因此，第一複數個複本光束508自第一複製器504朝向第二複製器506發射。

第二複製器506包含平行於彼此堆疊之第二對表面，該第二對表面經配置以接收第一複數個光束508之經準直光束中之各者，且進一步經配置以藉由在實質上正交於第一方向之第二方向上擴展彼等光束中之各者來提供複製或光瞳擴展。第一對表面彼此類似地(在一些情況下，相同地)設定大小及塑形，且實質上為矩形。針對第二複製器實施矩形形狀，以使其具有沿著第一方向之長度，以便接收第一複數個光束508，且具有沿著第二正交方向之長度，以便提供在彼第二方向上之複製。歸因於在兩個表面之間的內部反射及來自該等表面中之一者(上表面，如圖5中所展示)上的複數個輸出點中之各者的光之部分透射的程序，在第二方向上複製第一複數個光束508內之各光束的光。因此，第二複數個光束510自第二複用器506發射，其中第二複數個光束510包含輸入光束502沿著第一方向及第二方向中之各者的複本。因此，第二複數個光束510可被視為包含複本光束之二維柵格或陣列。

因此，可稱圖5之第一複製器504與第二複製器505組合以提供二維複製器(或「二維光瞳擴展器」)。

藉由一或多個波導形成之顯示裝置的虛擬複本

習知地，為了計算影像(諸如虛擬影像)之點雲全像圖，影像分解成(亦即，表示為)複數個個別點，在本文中稱為「虛擬點」。接著以計算方 式(亦即，使用模型或其他理論工具)將光波(例如，球面波(或「小波」))自虛擬影像內的其所欲或所要位置處的各虛擬點傳播至全像圖之平面(例如，將用於顯示全像圖之顯示裝置)之平面，諸如上文中所描述之實例中的LCOS之平面。來自複數個虛擬影像點之小波彼此組合，且計算在顯示裝置處之所得振幅及/或相位分佈/圖案。顯示裝置可接著以熟知且因此本文中將不描述之方式經組態以顯示全像圖，以便重構小波，且因此產生影像之重構。

然而，如本文中所描述，在某些顯示系統應用中，一或多個波導用於光瞳擴展。本發明人已認識到，使用光線複製進行之光瞳擴展具有在二維陣列中產生顯示裝置之「虛擬複本」的效應，且此等複本之位置可用於幫助消除可由於波導內之複數個不同光傳播路徑而出現之雙重影像。本發明人已進一步意識到，歸因於經由一或多個波導之光學路徑距離，虛擬複本之深度(自眼眶量測)不同，且本文中所揭示之方法必須考慮此等差異。為避免疑問，顯示裝置之此等不同虛擬複本促成相同的重構虛擬影像，其因此自眼眶內之所有位置在檢視者之相同深度處出現。

因此，本發明提出一種用於計算虛擬影像之全像圖的新方法，使得對於特定目標眼睛位置，所顯示的全像圖產生在光瞳擴展器之後的波前，如同其由目標影像產生。

圖6展示包含包括在顯示裝置上形成之全像圖及由波導形成之全像圖之複數個複本的3D陣列之「延伸調變器」或「虛擬表面」的實例可視化。

如上文參考圖4所提到，一維波導408可經配置以擴展顯示系統之出射光瞳。顯示系統包含顯示全像圖之顯示裝置402，該全像圖係在波導408之「反彈點」B0處輸出。此外，波導在對應於光瞳擴展之方向的沿著其長度的各別「反彈」點B1至B8處形成全像圖之複數個複本。如圖4中所展示，複數個複本可以直線外推回至對應複數個複本或虛擬顯示裝置402'。此過程對應於「展開」 波導內的光學路徑的步驟，以使得複本的光線不在波導內進行內部反射的情況下外推回至「虛擬表面」。因此，經擴展出射光瞳之光可被視為來源於包含顯示裝置402及複本顯示裝置402'之虛擬表面(在本文中亦稱為「延伸調變器」)。

所提出的計算全像圖之方法界定所謂的「延伸調變器」，其中顯示裝置(例如，LCOS SLM)係藉由將由一或多個波導光瞳擴展器形成之其虛擬複本之陣列而「延伸」，以形成「延伸調變器」或「虛擬表面」(例如，如圖4中所展示)。舉例而言，顯示裝置(例如，LCOS SLM)可位於圖6中所展示之延伸調變器之位置(0,0)處，且將由兩個一維光瞳擴展器形成之(虛擬)複本(亦即，複本顯示裝置)位於在光瞳擴展之第一方向上延伸至(0,2)且在光瞳擴展之第二方向上延伸至(4,0)之位置處。光學路徑之方向係由箭頭601展示，該箭頭垂直於光瞳擴展之第一方向及第二方向。

因此，界定一延伸調變器，其包含：(i)在第一波導光瞳擴展器(例如，狹長波導)中產生的複本之間的由光瞳擴展之角度(在空間中)及對應方向界定的第一偏移；(ii)在第二波導光瞳擴展器(例如，平坦波導)中產生的複本之間的由光瞳擴展之角度(在空間中)及對應方向界定的第二偏移；(iii)在第一偏移與第二偏移(產生圖6中的大體平行四邊形)之方向之間的任何偏斜，及(iv)在顯示裝置複本與眼睛位置之間在圖6中所展示之方向601上的光學路徑長度(差異)。

使用包含虛擬複本之延伸調變器的全像圖計算

圖7展示根據本發明之一具體實例的用於使用延伸調變器(諸如，圖6中所展示之延伸調變器)來計算點雲全像圖之配置。

該配置包含在空間中在所要虛擬影像位置處之虛擬影像700，及包含眼睛720之檢視系統，眼睛720具有形成檢視系統之入口孔隙730之瞳孔。該配置展示眼睛720在眼眶內的一個位置。因此，點雲全像圖與特定眼眶位置相關 聯。另外，該配置包含定位於虛擬影像700與眼睛720之間的延伸調變器(或虛擬表面)710。如所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解，在圖7中，光學路徑在效果上為在波導內「展開」。

根據此項技術中熟知的用於計算點全像圖之習知技術，球面波(或「小波」)沿著自各虛擬影像點至顯示裝置之平面的路徑傳播。點雲全像圖係基於(例如，藉由組合/疊加)由自與顯示裝置之平面之其各別相交區域處之各虛擬影像點傳播的小波形成之複合光圖案(亦即，具有振幅及相位分佈之複合光場)而判定。與各虛擬影像點相關聯的小波之複合光圖案可稱為在與顯示裝置之平面的對應相交區域處「捕捉」。

然而，根據本發明，點雲全像圖係基於(例如，藉由組合/疊加)由自在與延伸調變器或虛擬表面之其各別相交區域處之各虛擬影像點傳播之小波形成的複合光圖案(亦即，振幅及或相位分佈)而判定。此外，僅考慮自虛擬影像點傳播的到達檢視者之眼睛的小波之部分。

圖7展示定位於距檢視者之眼睛720之所要距離處的虛擬影像700之第一實例虛擬影像點701及第二實例虛擬影像點702。如由虛線所展示，(擴展)球面波或小波自各實例虛擬影像點701、702經由延伸調變器710傳播至檢視者之眼睛720的入口孔隙730。第一對直線711自第一虛擬影像點701延伸至入口孔隙730之相對極端位置(亦即，圖式中之左側及右側)，該等位置表示相關聯小波之(相關部分)的邊緣/周邊。類似地，第二對直線721自第二虛擬影像點702延伸至入口孔隙730之相對極端位置/邊緣(亦即，圖式中之左側及右側)，該等位置/邊緣表示相關聯小波(之相關部分)的邊緣/周邊。第一對直線711及第二對直線721具有與延伸調變器710(或虛擬表面)之各別相交區域800、900。因此，第一對直線711及第二對直線721「定界」根據本發明的分別與第一虛擬影像點701及第二虛擬影像點702相關聯的所要(部分)小波(亦即，圍繞其形成邊界)，其可 在特定眼眶位置處穿過檢視者之眼睛720的入口孔隙730(亦即，瞳孔)。在以下描述中，對自虛擬影像點傳播之「小波」的參考係關於藉由直線定界之傳播波的部分，如上文所描述。

如本文中所描述，由於延伸調變器為「交錯的」，因此自各虛擬影像點傳播之小波的相交區域處於不同豎直距離(至顯示裝置之平面)或在傳播方向上處於不同距離。詳言之，自不同虛擬影像點傳播之小波通過延伸調變器710之(顯示裝置之)不同「複本」。一些小波(例如，與虛擬影像點701相關聯之小波)可與複數個複本相交，而其他小波(例如，與虛擬影像點702相關聯之小波)與僅單一複本相交，如下文進一步描述。舉例而言，圖7展示自第一虛擬影像點701傳播至眼睛720的第一小波與延伸調變器710的第一相交區域800，其藉由第一對線711定界/限定。類似地，圖7展示自第二虛擬影像點702傳播至眼睛720的第二小波與延伸調變器710之第二相交區域900，其藉由第二對線721定界/限定。下文參考圖8及圖9描述此等相交區域。

圖8更詳細地展示自第一虛擬影像點701傳播的第一小波與延伸調變器710的第一相交區域800，其藉由第一對線711定界。詳言之，第一小波在包含延伸調變器710之兩個鄰近虛擬複本的區域中相交，此等虛擬複本在圖7中展示為水平線且在圖8中展示為垂直線。如上所述，延伸調變器之不同虛擬複本係在處於不同垂直距離的不同平面中。因此，分別判定與延伸調變器之各虛擬複本之相交區域處的複合光圖案。此係必需的，因為與兩個鄰近虛擬複本相交的小波部分將自虛擬影像點791傳播不同距離，且因此在到達延伸調變器時具有不同複合光圖案或波前。

在下文中參考「複合光圖案」以指代表示自各虛擬影像點到達延伸調變器之光場的成對振幅及相位值之空間分佈。換言之，「複合光圖案」對應於在其與延伸調變器相交的一或多個點處之小波的波前。在具體實例中，「複合 光圖案」為成對振幅及相位值之陣列。在一些實例中，顯示裝置為相位調變器，在此情況下，振幅值可能會最終被忽略或捨棄。「複合光圖案」亦可稱為「複合光場」。

因此，圖8展示由在與延伸調變器710之第一虛擬複本的相交處的小波形成之第一複合光圖案810'(展示於圖式之頂部處)。第一複合光圖案810係在第一虛擬複本之平面處「捕捉」，且形成與第一虛擬影像點701相關聯之第一子全像圖組成部分810。另外，圖8展示由在與延伸調變器710之第二虛擬複本的相交處之小波形成的第二複合光圖案811'(展示於圖式之底部處)。第二複合光圖案811'係在第二虛擬複本之平面處「捕捉」，且形成與第一虛擬影像點701相關聯之第二子全像圖組成部分811。值得注意地，延伸調變器710之第一虛擬複本及第二虛擬複本中之各者處的相交區域展示為(一部分)圓形或橢圓形。此對應於「主貢獻區域」，因為其對應於穿過檢視系統之入射光瞳的光線。在一些情況下，此確保主影像(而非「雙重影像」)係由檢視系統形成。在一些具體實例中，主貢獻區域之形狀對應於檢視系統之入射光瞳之形狀(例如具有相同的大體形狀，但未必大小相同)。由於由小波形成之複合光圖案810'、811'定位於各別虛擬複本之邊緣處，因此主貢獻區域在虛擬影像點701之子全像圖820之頂部及底部邊緣處。

圖8展示第一子全像圖組成部分810及第二子全像圖組成部分811經組合(詳言之，經疊加)以形成與第一虛擬影像點701相關聯之子全像圖820。詳言之，與各複合光圖案810'、811'相關聯之空間資訊(在顯示裝置上)在疊加步驟中保留。亦即，第一複合光圖案810'形成於與顯示裝置之下部區相對應的位置處，且因此出現在此虛擬影像點701之最終子全像圖820之對應下部區處。同樣，第二複合光圖案811'形成於與顯示裝置的上部區相對應的位置處，且因此出現於此虛擬影像點701的最終子全像圖820的對應上部區處。在此實例中，第一複合光圖案810'與第二複合光圖案811'不重疊，且因此可經疊加以形成用於此虛擬 影像點之最終子全像圖820而無需任何進一步處理。

圖9更詳細地展示自第二虛擬影像點702傳播的第二小波與延伸調變器710之相交區域900，其藉由第二對線721定界。詳言之，小波在延伸調變器710之單一虛擬複本的區域中相交，此虛擬複本在圖7中展示為水平線且在圖9中展示為豎直線。因此，捕捉在延伸調變器710之虛擬複本之(單一)平面處的相交區域處之複合光圖案920'，且其形成與第二虛擬影像點702相關聯之子全像圖920。再次，延伸調變器710之虛擬複本處的相交區域展示為圓形或橢圓形。此對應於用於第二虛擬影像點702之「主貢獻區域」。由於由小波形成之複合光圖案定位於虛擬複本之中心處，因此主貢獻區域對於此虛擬影像點702處於子全像圖920之中心。

藉由組合/疊加(例如，藉由向量相加)與虛擬影像700之各虛擬影像點(例如，701、702)相關聯之子全像圖820、920，來判定整個虛擬影像700的點雲全像圖。

由於計算點雲全像圖之改良方法使用延伸調變器，因此其自動地考慮以下各者中之差異：(i)在複本之間在第一維度上的第一偏移；(ii)在複本之間在第二維度上的第二偏移；及(iii)在由一或多個波導光瞳擴展器產生的複本之間的任何偏斜；以及(iv)在複本與眼睛位置之間的光學路徑長度差異，如上文所描述。

此外，計算點雲全像圖之改良方法僅考量來自虛擬影像之可在相關眼睛位置處穿過檢視者之眼睛之入射光瞳的小波/光線。因此，僅考慮貢獻於「主要影像」(且不貢獻於雙重影像)之光線，亦即在小波與延伸調變器之相交處的主貢獻區域。因此，該改良方法自動地避免「雙重影像」之不合需要地形成，如上文所描述。此外，由於該方法僅傳播來自虛擬影像之可在相關眼睛位置處穿過檢視者之眼睛之入射光瞳的小波/光線，因此計算複雜度降低。以此方式，計 算點雲全像圖之速度降低，而計算資源之消耗亦如此降低。

進一步改進

上文所描述的計算點雲全像圖之方法可利用針對延伸調變器上來自虛擬影像點的可穿過檢視者之眼睛之入射光瞳的所有小波之相交區域的波前資訊(亦即，複合光圖案)。亦即，與所有虛擬影像點相關聯的所有子全像圖820、920(包括子全像圖組成部分810、811)可經組合/疊加以形成用於虛擬影像700的點雲全像圖。

然而，在一些具體實例中，某些準則可用以判定是否在虛擬影像點之最終子全像圖中包括所捕捉之波前資訊。下文參考圖10及圖11描述兩個此類準則。

第一準則為基於延伸調變器處之相交區域之臨限最小大小在最終子全像圖中包括波前資訊(所捕捉的複合光圖案)。圖10展示與自在與延伸調變器之相交區域處捕捉的虛擬影像點傳播的小波相關聯的複合光圖案(展示為圓形)之實例。複合波前/光圖案之相交區域在延伸調變器之各別第一、第二、第三及第四鄰近「虛擬複本」R1、R2、R3、R4上包含第一子區域1001、第二子區域1002、第三子區域1003及第四子區域1004。如上文所描述，虛擬複本R1、R2、R3、R4在不同平面上偏移。各子相交區域之大小可與臨限值進行比較。舉例而言，臨限值可表示形成可接受品質之波前所需的複合光圖案之最小大小。若子相交區域不超過臨限值，則可捨棄複合資訊，且其可不包括於最終子全像圖中。因此，此準則消除並不明確地促成點雲全像圖之任何波前資訊，且可減少計算資源及/或記憶體之消耗且顯著地改良影像品質。

第二準則為僅當最終子全像圖在延伸調變器之僅一個複本中「可見」時才在該最終子全像圖中包括波前資訊(所捕捉複合光圖案)。基於此準則，(虛擬影像點之)最終子全像圖不包括來自疊加相交區域之波前資訊。包括來自 重疊區域之波前資訊係不合需要的，此係因為由於經由與各全像圖複本相關聯之光瞳擴展器之不同光線路徑，可能會自(最終)子全像圖產生「雙重」影像/影像點。圖11A展示與自在與延伸調變器之相交區域處捕捉的虛擬影像點傳播的小波相關聯的複合光圖案(展示為由圓形限定)之實例。圖11B展示使用此準則判定之最終子全像圖。

參考圖11A，複合波前/光圖案之相交區域包含延伸調變器之第一、第二及第三「虛擬複本」R1、R2、R3上的第一至第五子區域1101、1102、1103、1104、1105。如上文所描述，虛擬複本R1、R2、R3在不同平面上偏移。第二虛擬複本R2鄰近第一虛擬複本R1及第三虛擬複本R3中之各者且位於其間。複合光圖案之第一子區域1101位於第二虛擬複本R2之中心，且不與第一虛擬複本R1及第三虛擬複本R3上之複合光圖案的子區域1102、1103、1104、1105重疊。因此，根據此標準，第一子區域1001中之複合光圖案包括於子全像圖中，如圖11B中所展示。然而，複合光圖案之第二子區域1102(在第二/中間虛擬複本R2之頂部的區中)與複合光圖案之第三子區域1103(在第三虛擬複本R3之頂部的等效區中)重疊。類似地，複合光圖案之第四子區域1104(在第一虛擬複本R1之底部的區中)與複合光圖案之第五子區域1105(在第二/中間虛擬複本R2之底部的等效區中)重疊。因此，根據此準則，重疊的第二子區域1102與第三子區域1103以及重疊的第四子區域1104與第五子區域1105中的複合光圖案不包括於子全像圖中，如圖11B中所展示。該方法因此包含將重疊或使用或對應於或需要顯示裝置之相同部分的子全像圖組成部分資訊捨棄。

上文所描述之具體實例係關於點雲全像圖之計算。然而，所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解，本發明可用於計算包含顯示裝置及波導之光學系統的虛擬影像之其他類型之全像圖。詳言之，所屬技術領域中具有通常知識者將理解如何在計算其他類型之全像圖之方法中應用在全像圖平面處包含虛擬 影像點之虛擬表面(例如，虛擬複本之交錯虛擬表面)的概念。

額外特徵

在投影器(光學系統)之具體實例中，全像重構為色彩。在一些具體實例中，使用被稱為空間分離色彩「SSC」的方法來提供彩色全像重構。在其他具體實例中，使用被稱為圖框依序色彩「FSC」之方法。

實例描述用可見光照明SLM，但所屬技術領域中具有通常知識者應理解，光源及SLM可同樣用以引導紅外光或紫外光，例如如本文中所揭示。舉例而言，所屬技術領域中具有通常知識者將知道用於出於向使用者提供資訊之目的而將紅外光及紫外光轉換成可見光的技術。舉例而言，本發明擴展至出於此目的而使用磷光體及/或量子點技術。

一些配置僅作為實例描述2D全像重構。在其他配置中，全像重構為3D全像重構。亦即，在一些配置中，各電腦產生之全像圖形成3D全像重構。

本文中所描述之方法及過程可體現於電腦可讀取媒體上。術語「電腦可讀取媒體」包括經配置以暫時或永久地儲存資料之媒體，諸如隨機存取記憶體(random-access memory；RAM)、唯讀記憶體(read-only memory；ROM)、緩衝記憶體、快閃記憶體及快取記憶體。亦應將術語「電腦可讀取媒體」視為包括能夠儲存供機器執行之指令的任何媒體或多個媒體之組合，使得指令在由一或多個處理器執行時致使機器整體或部分地執行本文中所描述之方法中的任何一或多者。

術語「電腦可讀取媒體」亦涵蓋基於雲端之儲存系統。術語「電腦可讀取媒體」包括但不限於呈固態記憶體晶片、光碟、磁碟或其任何合適組合之實例形式的一或多個有形及非暫時性資料儲存庫(例如資料卷)。在一些實例具體實例中，用於執行之指令可由載體媒體傳達。此載波媒體之實例包括暫態媒體(例如，傳達指令之傳播信號)。

所屬技術領域中具有通常知識者將顯而易見，可在不脫離所附申請專利範圍之範圍的情況下進行各種修改及變化。本發明涵蓋在所附申請專利範圍及其等效物之範圍內的所有修改及變化。

700:虛擬影像

701:第一虛擬影像點

702:第二虛擬影像點

710:延伸調變器

711:第一對直線

720:眼睛

721:第二對直線

730:入口孔隙

800:第一相交區域

900:第二相交區域

Claims (18)

1. 一種用於計算光學系統之虛擬影像之全像圖的方法，該光學系統包含經配置以顯示該全像圖之顯示裝置及經配置以複製該全像圖之波導，其中該方法包含：判定在區域內的虛擬影像點之子全像圖，該區域由自該虛擬影像點至檢視者之入射光瞳之周邊的直線路徑界定，其中該區域包含由該波導形成之該顯示裝置之虛擬複本的至少部分；其中該方法進一步包含：識別在該虛擬影像與該波導之間的虛擬表面，其中該虛擬表面包含該顯示裝置及由該波導形成之該顯示裝置之複數個虛擬複本；及識別該虛擬表面上之該區域。
2. 如請求項1之方法，其中在該顯示裝置之第一虛擬複本之第一區域內判定第一虛擬影像點之第一子全像圖。
3. 如請求項1之方法，其中第一虛擬影像點之第一子全像圖包含第一子全像圖組成部分及第二子全像圖組成部分。
4. 如請求項3之方法，其中在該顯示裝置之第一虛擬複本之第一區域內判定該第一子全像圖組成部分，且在該顯示裝置之第二虛擬複本之第二區域內判定該第二子全像圖組成部分。
5. 如請求項4之方法，其進一步包含疊加該第一子全像圖組成部分與第二子全像圖組成部分以形成該第一虛擬影像點之該第一子全像圖。
6. 如請求項3之方法，其中在該顯示裝置之第一虛擬複本之第一區域內判定該第一子全像圖組成部分，且在該顯示裝置之第二區域內判定該第二子全像圖組成部分。
7. 如請求項6之方法，其進一步包含疊加該第一子全像圖組成部分 與第二子全像圖組成部分以形成該第一虛擬影像點之該第一子全像圖。
8. 如請求項7之方法，其中：若子全像圖組成部分之大小小於臨限值，則自該疊加之步驟捨棄該子全像圖組成部分，或自該疊加之步驟捨棄若進行疊加則將重疊的該第一子全像圖組成部分及第二子全像圖組成部分之任何部分。
9. 如請求項1之方法，其進一步包含計算該虛擬影像之複數個虛擬影像點中之各虛擬影像點的各別子全像圖。
10. 如請求項9之方法，其進一步包含疊加該各別子全像圖以形成該虛擬影像之該全像圖。
11. 如請求項1之方法，其中各該子全像圖係藉由自對應之該虛擬影像點朝向該檢視者傳播光波且判定到達該區域之對應位置處的複合光場而判定之點雲全像圖，其中該光波視情況為球面光波。
12. 如請求項1之方法，其中藉由該波導形成之該顯示裝置之各該虛擬複本與該顯示裝置相距不同垂直距離，使得形成該顯示裝置之該虛擬複本之交錯虛擬表面。
13. 如請求項12之方法，其進一步包含藉由展開該波導內自該顯示裝置至由該波導形成的該全像圖對應的該虛擬複本的光學路徑來判定該顯示裝置的各該虛擬複本之位置。
14. 如請求項1之方法，其中該顯示裝置之各該虛擬複本對應於由該波導形成之該全像圖的各別該虛擬複本。
15. 如請求項14之方法，其進一步包含藉由展開該波導內自該顯示裝置至由該波導形成的該全像圖對應的該虛擬複本的光學路徑來判定該顯示裝置的各該虛擬複本之位置。
16. 一種用於計算光學系統之虛擬影像之全像圖的方法，該光學系統包含經配置以顯示該全像圖之顯示裝置及經配置以複製該全像圖之波導，其中該方法包含：判定該虛擬影像之各虛擬影像點之子全像圖，其中各子全像圖係藉由以下操作判定：使光波自各別虛擬影像點朝向檢視者傳播；界定傳播中之該光波在該虛擬影像與該檢視者之間的虛擬表面處之相交區域，其中該虛擬表面包含該顯示裝置及由該波導形成的該顯示裝置之複數個虛擬複本，其中所界定之該相交區域由自該各別虛擬影像點至該檢視者之眼睛的入射光瞳之周邊的直線路徑限定；識別複合光場之所界定之該相交區域之一或多個子區域，其中各子區域與該虛擬表面在對應於該顯示裝置及該複數個虛擬複本中之不同者的位置處相交；其中該複合光場之該一或多個子區域中之各子區域形成該子全像圖之各別組成部分。
17. 一種用於計算光學系統之虛擬影像之全像圖的電腦可讀取媒體，其包含在由處理器執行時執行如請求項1之方法的指令。
18. 一種用於計算光學系統之虛擬影像之全像圖的系統，該光學系統包含經配置以顯示該全像圖之顯示裝置及經配置以複製該全像圖之波導，其中該系統包含一全像圖引擎，該全像圖引擎經配置以判定在區域內的虛擬影像點之子全像圖，該區域由自該虛擬影像點至檢視者之入射光瞳之周邊的直線路徑界定，其中該區域包含由該波導形成之該顯示裝置之虛擬複本之至少部分；其中該全像圖引擎進一步經配置以：識別在該虛擬影像與該波導之間的虛擬表面，其中該虛擬表面包含該 顯示裝置及由該波導形成之該顯示裝置之複數個虛擬複本；及識別該虛擬表面上之該區域。