TWI414914B - 以調光器產生全像重建之裝置 - Google Patents

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Description

以調光器產生全像重建之裝置
本發明為一件利用調光器產生全像重建的裝置，包含：- 至少一像素化調光器，能至少由一光源所照射，- 一聚焦式光學元件陣列，其中各光學元件會分配給該調光器之一組可編碼的像素，而且該光學元件能將光源成像至該調光器後方之一影像面內，以便形成光源影像，以及- 一控制單元，該單元能連接至該調光器，並以程式設計裝置的協助，為該調光器之像素化編碼面計算出全像碼。在本發明背景中，「像素化調光器」一詞不應被理解為一具由斷續式可控元件所排列組成的調光器。其也是一具包含連續編碼面的調光器，利用所要呈現的資訊，就可將該編碼面正常地分割為斷續元件。
而且，「光學元件」一詞不應被理解為傳統玻璃透鏡，而且也不應被理解為由傳統玻璃透鏡所組成，而是能更廣義的理解該元件為折射或繞射光學元件，也能由折射或繞射光學元件所組成，而且該光學元件能滿足同樣的功能。
在文件WO 2006/119920 A1說明了一個能產生圖像之全像重建的裝置，尤其是指能產生三度空間景象的裝置。
例如倘若一電腦產生的全像圖資訊能儲存在該像素化調光器上，而且能用充分的相干光來照射該調光器的話，就能在一重建空間內，產生一個三度空間景象的重建。然而，由於該調光器內的全像圖會有斷續圖像，所以不想得到的週期性連續狀態也會以更高之繞射階數型態出現。按照所採用之全像編碼法，也會在一繞射階數以內，出現不想得到的區域，因此該繞射階數必須濾除。
排除擾動繞射階數的傳統方式，是使用一濾波單元，例如使用能濾除此類繞射階數的4f排列。該濾波單元能標定尺寸，故只有小於一繞射階數、或等同於一繞射階數的區域才可通過。
例如此類方法應用於文件DE 10 2005 023 743 A1。該文件說明產生景象之全像重建的全像投影裝置與方法，是利用一維與二維可編碼調光器、上述裝置由一光源所組成、一聚焦式光學系統、該對應之調光器、一投影系統、與一濾波孔徑，而該孔徑排列於該調光器與以及該投影系統之間，而且位在該光源影像的影像面內。
該聚焦光學系統表示該調光器的光學照明系統，而且也是該光源的光學影像系統，該系統能將光源成像至該光學照明系統的影像面，其中同時會在該光源的影像面內產生該調光器的傅立葉轉換。
該投影裝置由一控制單元所組成，該控制單元不但能對該調光器做動態編碼，而且也能追蹤該可視區域，使該全像重建能重 建於一變動的觀察者位置。為了達成此目標，必須提供連接至該控制單元之一位置偵測系統。根據該觀察者的實際位置，調整該調光器的編碼，使該三度空間景象的重建，能出現在一水平、垂直與/或軸向位置內，並能在水平方向與/或在垂直方向上，以一角度所替換與/或轉向。
以上描述之該投影裝置的尺寸關係可以調整，而能以一種較大、且觀察者方便使用的直視裝置形式出現，例如對角線為20英吋、大小為一典型桌上型監視器的顯示器，故可在該調光器上執行一濾波程序，而其中要為該整具調光器以及一濾波單元的相干照明提供單一光源。該備有20英吋顯示幕的直視裝置是由該光源、一聚焦式光學系統、該對應調光器、一投影系統、與一濾波孔徑所組成，該濾波孔徑排列於該調光器與該投影系統之間，且位在該光源影像之影像面內。該濾波孔徑由一孔道所組成，該孔道只能讓該調光器所要求之一傅立葉轉換繞射階數通過。該投影系統會將該孔徑成像至同時間代表該觀察面的另一平面。該觀察平面內的觀察者能在一可視區域內，看見該全像重建，而該可視區域會對應於該傅立葉頻譜之一繞射階數。
除了該濾波孔徑外，該對應之濾波單元至少還需要兩片透鏡，其中至少有一片的大小和代表該顯示幕的該調光器相同。這表示例如在該全像編碼之20英吋顯示面板內，有一片透鏡的直徑必須至少有40公分。
由於通常只有在焦距與孔徑之比例大於一的時候，透鏡才會呈現一適當影像品質，且由於該濾波會在該光源影像的位置上出現，此處為該第一透鏡之聚焦面以內，故本例要求該調光器面板前之一濾波器單元(即第一寬透鏡、濾波孔徑、與第二寬透鏡)的厚度，實際上要大於40公分。在裝有一調光器面板以作為一螢幕的該直視裝置內，倘若使用大型顯示幕時(例如對角線為20英吋)，提供一片達該螢幕大小的寬透鏡將會十分複雜，此外，如同描述一樣，該濾波單元的厚度會很大。
設計一件包含如所描述尺寸之該光學元件的全像直視裝置時會有一個問題，就是體積很大而且很重，這是所不希望的結果。
顯示全像圖時還有另一個問題，由於商用調光器所用像素尺寸的關係，而只能提供非常小的可用繞射角，該角度反而會形成一較小的觀測視窗。
按照文件US 3,633,989所說明之顯示全像方式，是採用HPO全像圖(只有水平視差)，其中一全像圖編碼只能在一維執行。該一維全像圖的數值能單獨算出，且通常會寫入一調光器之個別列中。在本例中，為了提高該繞射角度，以並排方式排列之多重像素所編碼的全像圖數值，通常能用排列於數列以下的像素來進行彼此編碼。
在該調光器內使用一維全像編碼時，只可能發生一維全像重建。因此由該調光器之一維HPO全像圖所繞射的該光波，會延伸 於該可視區域的水平方向上。
因此，本發明的目標是要提供能以調光器產生全像重建的一種裝置，設計上述裝置，一方面至少能避免在該光學系統上使用昂貴的配置，而且另一方面可提高使用於該可視區域的繞射角度。在該軸向上應儘量讓該裝置的尺寸保持最小。
為達上述目的，本案提出一種以調光器產生全像重建之裝置，其由下列元件所組成：- 至少一像素化調光器，能至少由一光源所照射，- 一聚焦式光學元件陣列，其中各光學元件會分配給該調光器之一組可編碼的像素，且這些光學元件將這些光源成像至該調光器後方之一影像面內，以形成光源影像，以及- 一控制單元，該單元連接至該調光器，並經由程式設計裝置的協助，為該調光器之像素化編碼面計算出全像碼。
根據本案之構想，一濾波孔徑陣列會分配給該調光器，該濾波孔徑陣列具有許多孔徑、且位於這些光源影像之影像面附近、且會在該濾波孔徑陣列內形成孔徑，而使這些孔徑能讓該調光器之全像編碼所產生之繞射光譜的一定義區域通過，上述定義區域之大小小於或等於傅立葉轉換之一繞射階數。
在該調光器前方配置具有一光學光束加寬系統的一光源，以照 射該調光器。
在該光學光束加寬系統與該對焦光學元件陣列之間提供一動態快門調節器。
在該調光器前方配置具有許多光源之一光源陣列，以作為照射該調光器之一替代方案。
該裝置可包含一光源陣列，作為一光學光束加寬系統之一第一光學元件陣列，以及具有多個球面光學元件之一第二光學元件陣列，例如以球面透鏡之形式，以作為觀察者之一螢幕。
一電源供應單元會分配給該光源、或該第一光源陣列。
用於對該調光器進行編碼之該控制單元為一控制系統的一部分，該控制單元亦包含用於控制該光源陣列之一單元、及/或用於控制該濾波孔徑陣列之一單元、及用於偵測實際的觀察者位置之一位置偵測單元。
該位置偵測單元能至少經由信號連接至該兩單元。
該兩單元可選擇地連接至一位移裝置，該位移裝置因應來自該位置偵測單元的信號而在移動式元件之各自平面內對其進行位移，即該光源陣列之光源、及/或該濾波孔徑陣列的這些濾波孔徑。然而，該第一與該第二光學元件陣列亦可為一可位移設計。
該光源陣列與該濾波孔徑陣列可被設計成靜態零件、或被設計成可由該控制系統所調整的動態光學零件。
例如該調光器的像素化編碼面的像素為一方型設計。
該第一光學元件陣列表示該調光器之一個光學照明系統，也是該光源陣列之一個光學成像系統，該成像系統將該光源陣列成像於對焦面內，而該對焦面能做為該調光器的傅立葉面，其中該光源陣列的影像與該調光器之個別子區域之像素的傅立葉轉換相互一致，故可使光線能經由該調光器而照射出來，而且其中該濾波孔徑陣列配置於靠近該對焦面附近，能讓給定的繞射階數通過。
該濾波孔徑陣列呈現格狀排列之孔徑，可選擇地以孔徑遮罩之形式，其僅讓該傅立葉轉換之給定繞射階數通過、或讓部分該傅立葉轉換之給定繞射階數通過。
具有二維排列球面光學元件之該投影第二光學元件陣列，將該濾波孔徑陣列的這些孔徑成像至可視區域所分配、且同時作為觀察面之一平面內。光學元件及濾波孔徑係相互排列，使該觀察面內所有孔徑的影像重疊，因此形成一個觀察視窗。
該第一光學元件陣列為一二維球面透鏡排列，該二維球面透鏡排列配置於該第一光源陣列的點光源後方。
該第一光學元件陣列之單一球面透鏡的尺寸範圍、以及該第二光學元件陣列之單一球面透鏡的尺寸範圍，通常是在大約三至十公分之間。
該濾波孔徑陣列之孔徑大小取決於該調光器的像素間距p、及該第一光學元件陣列之透鏡焦距。
該濾波孔徑陣列可以是一個快門調節器，其可控開口的尺寸 為該快門調節器之單一像素或多個像素的大小。
用於該控制單元中之該調光器之這些像素之編碼的程式設計裝置，可適應於本案裝置的設計。
倘若使用HPO全像圖，則可在該調光器之單一列或多列中相互垂直與水平排列的鄰近像素中，進行該全像圖值的編碼。
在該控制系統中，特別是在該控制單元中，可能只能在一維中執行一全像編碼，其中寫入該調光器之一組行或列之數值係彼此關聯。
該第一光學元件陣列為具有柱狀透鏡之一雙凸透鏡陣列，該雙凸透鏡陣列是由線狀光源所照射，且分配有具有狹縫孔徑之一濾波孔徑陣列。
該調光器之充分相干照明必須只在由數列所組成之群組的區域內完成。
為了追蹤該平面中之該可視區域到該觀察者，可使用用於位移這些孔徑之位置之一動態快門調節器來作為該濾波孔徑陣列。
該光源陣列包含由相鄰光源所組成之一排列，這些相鄰光源可接續地個別被點亮，其中該排列在由該控制系統所控制之一特定時間間隔內照亮一特定垂直區域。
為了放大由該觀察者所使用的該可視區域，尤其是在垂直方向上，可使用發散透鏡，其中發散透鏡之整體亦具有一發散透鏡陣列的形式，該發散透鏡陣列係直接配置於該濾波孔徑陣列之下 游。
可依照用於該光源的設計與編碼方式，來選擇使用一維狹縫濾波孔徑陣列、或選擇使用具有圓形孔徑之二維濾波孔徑陣列。
可以靜態方式設計出一孔徑遮罩形式的該濾波孔徑陣列。
為了追蹤該平面中的該可視區域、或定期掃描該平面中之一特定可視區域，可提供一動態濾波孔徑陣列，該動態濾波孔徑陣列係經由該控制系統之該可控位移裝置的協助而實現。
該濾波孔徑陣列可為一快速切換振幅調變調光器，其中個別像素的透光度變化會導致一濾波效應，且其中所啟動的像素之大小大約對應於該靜態濾波孔徑陣列之這些孔徑的開口的大小，而所啟動的像素接著作為孔徑。
與該濾波孔徑陣列一致的該光源陣列可為一快速切換振幅調變調光器，該快速切換振幅調變調光器被一光源完全照射，且其中個別像素的透光度變化會導致光束的通過，其中這些像素之大小大約為該靜態光源陣列之該光源的直徑的大小，而這些像素接著作為光束通道之開口。
以下將利用一些實施例與圖面協助，以便更詳細地描述本發明，其中：圖1 概要顯示根據本發明產生全像重建之一裝置的側視圖或上視圖；圖2 顯示含有方形像素之二維可編碼像素化調光器之編碼平 面的細節；圖3 概要顯示根據本發明產生全像重建之不同裝置的側視圖，其中圖3a 顯示對本發明極重要之裝置零件的排列，以及圖3b 顯示一維可編碼像素化調光器之編碼面的細節；圖4 概要顯示根據圖1與圖3a，包含一可調式濾波孔徑陣列與一可調式光源陣列之本發明而產生全像重建之一裝置的側視圖；圖5 概要顯示根據圖3a之包含一散射透鏡陣列的本發明產生全像重建之一裝置的側視圖；圖6 概要顯示根據本發明之該裝置的部份4f排列；圖7 顯示根據圖6，在相單位圓上之聚集像素的兩像素相位；圖8 顯示一聚集像素之兩個振幅-相位位置圖，根據圖6與圖7，該聚集像素由兩個像素所組成，其中圖8a 顯示在濾波前，該位置之振幅的相關性，以及圖8b 顯示藉由一雙凸透鏡陣列的濾波後，依位置而定的振幅。
圖1根據包含一調光器2之本發明而綱要地顯示一個三度空間景象9的全像重建裝置1，包含一外框3之該裝置至少由以下項目所組成：- 包含多光源41之一光源陣列4， - 至少一像素化調光器2，該調光器配置於該光源陣列4後方，- 一聚焦式第一透鏡陣列5(光學元件陣列)，其中每一透鏡51均分配至該調光器2之一組可編碼像素21，且其中該透鏡51會將該光源陣列4之個別光源41成像至該調光器2後方之一影像面6，以形成光源影像42，以及- 一控制單元7，該控制單元要連接至該調光器2，並以程式設計裝置的協助，算出該調光器2之像素化編碼面22的全像編碼。
根據本發明，一濾波孔徑陣列8要分配給該調光器2，該陣列含有許多孔徑81且位在接近該光源影像42之該影像面6，該孔徑81會形成於該濾波孔徑陣列8之內，而會讓該繞射頻譜之一特定繞射階數通過，或讓該繞射頻譜之部分特定繞射階數通過，其中該繞射頻譜是由該調光器的全像編碼所產生。
根據圖1，本發明裝置1進一步由含有一光學光束加寬系統12之一光源11、以及含有多個球面透鏡131的一個第二透鏡陣列13(光學元件陣列)所組成，以作為該觀察者14的螢幕而代替一光源陣列4。一電源供應單元15會分配給該光源11，或分配給無關於該光源11之該第一光源陣列4。根據圖1，可為該調光器2編碼之該控制單元7為一控制系統16的一部分，該控制系統進一步由控制該光源陣列4之單元17、與控制該濾波孔徑陣列8之單元 18、與偵測該觀察者14位置之位置偵測單元19所組成。該位置偵測單元19至少會以信號連接至單元17與單元18。單元17與單元18要連接至一位移裝置20，該裝置能替代其各自平面內的可移動零件，例如該光源陣列4之光源41，與/或該濾波孔徑陣列8之用以濾波的孔徑81，或該第一透鏡陣列5(光學元件陣列)之透鏡51，以便能對來自該位置偵測單元19的信號做出反應。
圖1顯示在被全像編碼的一調光器2上執行濾波的過程，根據本發明，該調光器構成該裝置1的一部分，且該光源陣列4連同該第一透鏡陣列5(光學元件陣列)、該濾波孔徑陣列8、與該第二透鏡陣列13(光學元件陣列)，而使用於該裝置內。
圖2綱要式地顯示該調光器2之像素化編碼面22，其中此處設計為方形之該像素21，會配置在顯示於圖1之該xyz座標系統10的xy平面內。於此，p表示兩鄰近像素21中心之間的距離，且座標z表示該軸向方位，屬於該裝置1的光學零件可配置於該軸向方位。
參照圖1，該第一光學元件陣列(即該第一透鏡陣列5)代表該調光器2之一光學照明系統，也是該光源陣列4之光學成像系統，該系統會將該光源陣列4成像至該聚焦面6(影像面)，該聚焦面會作為該調光器的傅立葉面，其中該光源陣列4的影像，會與該調光器2之個別部分像素的傅立葉轉換一致，而光線會透過該調光器射出，且其中能讓特定繞射階數通過之該濾波孔徑陣列8，會配 置於接近該聚焦面附近的位置。該濾波孔徑陣列8有呈現格狀排列之孔徑81，該孔徑只會讓該傅立葉轉換之特定繞射階數通過，或讓該傅立葉轉換之部分特定繞射階數通過。包含該二維排列之球面透鏡131的該第二投影透鏡陣列13(光學元件陣列)，會將該孔徑81成像至第二平面61內，該第二平面可同時作為該觀察面，其中該個別孔徑81的影像會重疊於一可視區域內。在該觀察面61、以及與該傅立葉頻譜之繞射階數一致的該可視區域內，一觀察者14能看見該三度空間景象之全像重建9。
該第一光學元件陣列可以是一片二維排列的球面透鏡51，該透鏡配置於該光源陣列4之點光源41後方，其中會提供由孔徑81組成之一個二維濾波孔徑陣列8、以及一個第二光學元件陣列(即該第二透鏡陣列13)。圖1顯示透過該元件4、5、6、與13之行列的該裝置1剖面圖。
例如該第一光學元件陣列(即該第一透鏡陣列5)之單一透鏡51、以及該第二光學元件陣列(即該第二透鏡陣列13)之單一球面透鏡131的尺寸，通常會介於三至十公分的範圍內。
在z方向上，由於有該元件4、5、6、與13的濾波，該裝置1的總厚度只會適度增加，而且甚小於與寬透鏡排列有關的尺寸，在先前技術章節中曾描述過該寬透鏡。
此處之該濾波孔徑陣列8為包含小型開口(即孔徑81)之二維格狀分布。如圖2所示，該孔徑81的大小與該調光器2的像素 間距p有關，而且與該第一光學元件陣列(即該第一透鏡陣列5)之透鏡51的焦距有關，該元件陣列會決定該傅立葉面內之繞射階數的範圍。在該範圍以內，一特定值會介於0.1 mm與0.2 mm之間。
該濾波孔徑陣列8也能作為具備可控開口之一快門調節器，該可控開口的尺寸為該快門調節器之一個像素或數個像素的大小。
為該控制單元7之調光器2的像素21進行全像編碼的程式設計裝置，可改編為該裝置之設計。
相較於圖1，圖3與3a以縮小之格式，綱要地顯示根據本發明之該裝置1所產生的全像重建91，其中該裝置由一光源陣列43、第一光學元件陣列(即該第一透鏡陣列5)、一調光器23、以及一濾波孔徑陣列8所組成，而該濾波孔徑陣列配置於該調光器23的後方，並位於該光源影像42之影像面6之內。
如圖3與3b所示，為了降低所要求之全像圖的計算時間，先前顯示全像圖之技術採用HPO(僅水平視差)全像圖，其中該全像圖僅在一維編碼，例如在y方向。彼此獨立計算求出的振幅值與相位值通常會寫入該調光器23的個別列中。在該調光器23內使用一維之24、25、26、27進行全像編碼時，只可能會發生一維的全像重建。例如由於該調光器23之一維HPO全像圖而造成該光波的繞射，只會在該平面61之可視區域內的水平方向上延伸。
於此，如圖1所示，該第一光學元件陣列(即該第一透鏡陣列5)與/或該第二光學元件陣列(即該第二透鏡陣列13)，可為包含柱狀透鏡之雙凸透鏡陣列，該透鏡由線狀光源41所照射、且分配給含有狹縫孔徑82的一個濾波孔徑陣列8。對HPO全像圖而言，圖1顯示該裝置1的上視圖。然而，通常也可能僅利用VPO(只有垂直視差)全像圖，其中所有內容的角度都會偏轉90度。
為了放大繞射角度並且放大該平面61的可用視區，例如在一個HPO全像圖內，有可能會利用一全像圖的多列組合來代替多行組合，以便對一複雜全像圖數值進行編碼。
例如在該控制單元7執行計算時，一複數可能是由多個相值所表示，其中會在該水平方向上計算該一維排列的複全像圖數值，即在y方向上計算，而形成一複數之該相值，會在該垂直方向上，以像素方式排列於彼此的上方。為了達成此目標，由一些列24、25、26、與27所形成之一群組28只需要一相干照射即可。若一調光器23之列24、25、26、與27所形成之一群組28為相干照射時，就會該各別列中，於該垂直方向上(例如x方向)造成光程上出現一條不希望發生的阻礙，其中上述阻礙為特定角度，並導致該預期重建的偏差。
圖3a顯示，如果列24、25、26、27為相干照射，該全像計算僅會以水平視差來執行，而且可在含有狹縫孔徑82之一濾波孔徑陣列8的協助下，執行該濾波過程；每一次的全像計算都是相 干照射列24、25、26、27所形成之一群組28。這樣就有可能對全像值進行編碼，並且會在水平方向相鄰排列之像素、以及在垂直方向排列於彼此之下的像素內，執行此處之該全像值的編碼。
根據圖1，當一4f排列型態之濾波單元至少需要兩個彼此依序配置之光學元件陣列(即該第一透鏡陣列5與該第二透鏡陣列13)的排列，而該第一光學元件陣列(即該第一透鏡陣列5)可達到一傅立葉轉換、且該第二光學元件陣列(即該第二透鏡陣列13)則達到一逆轉換時，如圖3、4、5所示，該裝置之實施例並非必然對該影像面6產生一逆轉換，其中調光器的少數列24、25、26、27為相干性相加。
如圖3a、4、5所示，該控制單元7只會在該水平方向上，利用一維傅立葉轉換，計算該調光器23上之複振幅值與複相位值。如同調光器的多個列24、25、26、27的相干性相加，在垂直方向上，該影像面6之內的預期信號本身會被轉換(或不期望出現之部分會被濾除)，而且並不是其傅立葉轉換。然而，如圖4所示，一觀察者14必須能在該平面61內的可視區域中做垂直移動，以使其能看見該最初重建91，或因此由多個垂直位置處看見替換重建92。為達到此目標，光線必須從該影像面6傳遞至該相應之垂直位置。
圖5顯示一發散透鏡陣列53，該透鏡陣列配置於該影像面6的後方，而且該透鏡陣列可加寬光線於垂直方向傳遞的角度大小。
然而，為該觀察者14調整該平面61內之可視區域所優先考慮的方法，可以是一個動態快門，以取代該濾波孔徑陣列8內部之孔徑81或82的位置。結合該調光器2與23之數值調整(例如當利用一相位編碼法時，可替一整列加入一特定相位補償)，或結合一可移動式光源陣列4，就可達到該目標。這樣的好處是可以利用一具切換速率較慢的調光器2。
例如參照圖4，後方亦可為一光源陣列4，其中能在控制該光源陣列43之該單元17的控制下，相鄰排列之光源41可進行彼此相互切換。在一特定間隔內，可以掃描用該方位標記L所分配之一特定垂直區域。
圖4也顯示可用該方向標記F，來替換該影像面6之濾波孔徑陣列8的孔徑82，其中該濾波孔徑陣列8也可以是一個動態調光器。
圖5說明可利用額外之發散透鏡52，為該觀察者14放大該平面61內之可用視區的上述可能性，其中該整片平行方位發散透鏡52的形式為一發散透鏡陣列53，該陣列可直接配置於該濾波孔徑陣列8之後。
根據本發明，該裝置1結合一光源陣列4，可為一全像圖之每一單一區域而濾除不要的繞射階數，其中必須凝聚足夠之一光源41來照射該全像圖。這種情況特指可利用小型濾波裝置，並配置在一大型全像螢幕的前方。按照使用於該調光器2與23之設計與 編碼方式，可選擇使用一維方向(最好是狹縫型)之濾波孔徑陣列8，或選擇二維濾波孔徑陣列8(最好是圓形孔徑)。
該濾波孔徑陣列8可以為一孔徑遮罩之靜態形態。
該裝置1的另一種實施例，即能為該觀察者14追蹤該平面61之一特定可視區域、或做定期掃描者，就是經由該控制系統16之可控位移裝置20而形成該濾波孔徑陣列8的動態設計。
例如該濾波孔徑陣列8可以是一種快速切換振幅調變調光器，其中個別像素或像素群組的透光度變動會影響一濾波結果。能做為孔徑81使用之該像素或像素群組的尺寸大約是該孔徑81的開孔大小。由於利用彼此不相干之光源照射該濾波孔徑陣列8之個別濾波器單元，所以該濾波孔徑陣列8不會產生新的繞射結構。
與該濾波孔徑陣列8相同之該光源陣列4可以是一個快速切換式振幅調變調光器，其中個別像素或像素群組的透光度變動會導致光線的通過，而且能作為光線通道孔洞之個別像素或像素群組的尺寸，大約是該靜態光源陣列之光源41的直徑大小。
以上描述之該濾波孔徑陣列之建議應用就是要濾除像素中的角度相依相位移，該相位移是在多個鄰近相位像素內進行複全像值編碼時所不希望發生、但卻又無法避免的現象。由於代表一全像圖數值的像素會以並排方式排列，而不是彼此排列在後方，所以除了會在編程中出現這種不希望發生的相位移外，也會造成預 期出現的相位移。現在以一實施例來做解釋，其中該光學元件陣列(即該第一透鏡陣列5與該第二透鏡陣列13)、以及該濾波孔徑陣列8可理解為構成一4f濾波排列，且其中可僅利用兩相鄰像素的相位值，就能對一複全像值進行編碼。
圖6顯示一個部分4f排列31的軸向區域，其包含一調光器2、一配置於本實施例後方之第一聚焦式光學元件陣列(即該第一透鏡陣列5)、以及一個第二聚焦式光學元件陣列(即該第二透鏡陣列13)，該第二聚焦式光學元件陣列配置於後方、且在該第二聚焦式光學單元陣列之後，會提供該調光器2之濾波像素資訊以作為一出口30，其中包含該孔徑81之濾波孔徑陣列8可配置於兩個光學元件陣列(即該第一透鏡陣列5與該第二透鏡陣列13)之間。
該第一光學元件陣列(即該第一透鏡陣列5)是由做為光學元件51之聚焦式透鏡組成，而該第二光學元件陣列(即該第二透鏡陣列13)也由做為光學元件131(球面透鏡)之聚焦式透鏡所組成，其中兩個光學元件陣列是用雙凸透鏡陣列形式所設計。
為了該複全像值的兩相編碼，兩像素291與292分別會形成一組或形成聚集像素29，其中聚集像素29的尺寸與該透鏡51的大小相同。如圖6，該透鏡51之尺寸的標準值為60 μm，孔徑81的尺寸為10 μm，該調光器2與該濾波孔徑陣列8之間的距離、以及該出口30與該濾波孔徑陣列8之間的距離均為1mm。這些尺寸要特定規定，以便能與先前技術所用之直視裝置的尺寸做比較。
圖7顯示僅利用含有軸Im(虛部)與Re(實部)之該相位單位圓293的兩個相位值，對一複全像值所進行的編碼，其中按照一相位平行四邊形295，必須加入該像素291的相位2911、以及該像素292的相位2921，以便能形成該聚集像素29之一合成複值294，其中該合成值會呈現不同於1、以及該預期相值的預期振幅值。這部份會在圖8中以數值範例做說明。
圖8a顯示一理想複值聚集像素32(Macro Pixel)之複值0.3 exp 1.1i所代表的兩相，其中以值「0.3」表示該振幅，以值「1.1rad」表示相位。根據圖7，該複值可由兩編碼相值所建立：1 exp 2.17i之該像素291、以及1 exp-0.17i之該像素292。兩相位像素的振幅相等而且其值為「1」，該像素291之像素相位2911為「2.17 rad」，而該像素292之像素相位2921為「-0.17rad」。
除了顯示該兩個單一像素之相值外，如果以傾斜角度照射兩像素時，由於該像素是以並排方式配置，兩像素之間也會發生另一個與照射角相依的相位移。此額外的相位移會竄改該希望之複值，但各像素群組之4f濾波會濾除此相位移，因此事實上，聚集像素32會在該4f系統的出口處，呈現該希望之相位與振幅。
在影像面6內進行濾波前後的比較結果顯示於圖8b，而所要比較的是該4f排列31內部的實際濾波以及計算濾波，其中將該調光器2之像素291與292的編碼濾除前的數值、以及將該雙凸透鏡排列光學元件陣列(即該第二透鏡陣列13)正後方該出口30 濾除後的數值，均可利用有關振幅與相位的直線來表示，上述直線會以幾乎平行於該位置座標的型態繪出。圖8b是有關該濾波聚集像素29以及該理想複值聚集像素32之間的合成振幅擾動與合成相位擾動，其中些許之偏差可加以忽略，根據本發明之該裝置1的功能，以及利用程式設計裝置所計算的該複值之間，會有極高的一致性。
本案所揭露之技術，得由熟習本技術人士據以實施，而其前所未有之作法亦具備專利性，爰依法提出專利之申請。惟上述之實施例尚不足以涵蓋本案所欲保護之專利範圍，因此，提出申請專利範圍如附。
1‧‧‧裝置
2‧‧‧調光器
21‧‧‧像素
22‧‧‧編碼面
23‧‧‧調光器
24‧‧‧行(即調光器23的列)
25‧‧‧行(即調光器23的列)
26‧‧‧行(即調光器23的列)
27‧‧‧行(即調光器23的列)
28‧‧‧群組
29‧‧‧聚集像素
291‧‧‧像素
2911‧‧‧像素相位
292‧‧‧像素
2921‧‧‧像素相位
293‧‧‧單位圓
294‧‧‧合成相位
295‧‧‧相位平行四邊形
3‧‧‧外框
4‧‧‧第一光源陣列
41‧‧‧光源
42‧‧‧光源影像
43‧‧‧第二光源陣列
5‧‧‧第一透鏡陣列
51‧‧‧透鏡
52‧‧‧發散透鏡
53‧‧‧發散透鏡陣列
6‧‧‧影像面
61‧‧‧可視區平面
7‧‧‧控制單元
8‧‧‧濾波孔徑陣列
81‧‧‧孔徑
82‧‧‧孔徑
9‧‧‧重建
91‧‧‧重建
92‧‧‧替換重建
93‧‧‧放大重建
10‧‧‧xyz座標系統
11‧‧‧光源
12‧‧‧光學光束加寬系統
13‧‧‧第二透鏡陣列
131‧‧‧球面透鏡
14‧‧‧觀察者
15‧‧‧電源供應單元
16‧‧‧控制系統
17‧‧‧控制光源陣列單元
18‧‧‧控制濾波孔徑陣列單元
19‧‧‧位置偵測系統
20‧‧‧位移裝置
30‧‧‧出口
31‧‧‧部分4f排列
32‧‧‧理想複值聚集像素
Im‧‧‧虛部
Re‧‧‧實部
以下將利用一些實施例與圖面協助，以便更詳細地描述本發明，其中：圖1 概要顯示根據本發明產生全像重建之一裝置的側視圖或上視圖；圖2 顯示含有方形像素之二維可編碼像素化調光器之編碼平面的細節；圖3 概要顯示根據本發明產生全像重建之不同裝置的側視圖，其中圖3a 顯示對本發明極重要之裝置零件的排列，以及圖3b 顯示一維可編碼像素化調光器之編碼面的細節；圖4 概要顯示根據圖1與圖3a，包含一可調式濾波孔徑陣列與一可調式光源陣列之本發明而產生全像重建之一裝置的側視圖；圖5 概要顯示根據圖3a之包含一散射透鏡陣列的本發明產生全像重建之一裝置的側視圖；圖6 概要顯示根據本發明之該裝置的部份4f排列；圖7 顯示根據圖6，在相單位圓上之聚集像素的兩像素相位；圖8 顯示一聚集像素之兩個振幅-相位位置圖，根據圖6與圖7，該聚集像素由兩個像素所組成，其中圖8a 顯示在濾波前，該位置之振幅的相關性，以及 圖8b顯示藉由一雙凸透鏡陣列的濾波後，依位置而定的振幅。
1‧‧‧裝置
2‧‧‧調光器
3‧‧‧外框
4‧‧‧光源陣列
5‧‧‧第一光學元件陣列
6‧‧‧聚焦面(影像面)
7‧‧‧控制單元
8‧‧‧濾波孔徑陣列
9‧‧‧全像重建
10‧‧‧座標系統
11‧‧‧光源
12‧‧‧光學光束加寬系統
13‧‧‧第二光學元件陣列
14‧‧‧觀察者
15‧‧‧電源供應單元
16‧‧‧控制系統
17‧‧‧單元
18‧‧‧單元
19‧‧‧位置偵測單元
20‧‧‧位移裝置
22‧‧‧像素化編碼面
41‧‧‧點光源
42‧‧‧光源影像
51‧‧‧透鏡
61‧‧‧第二平面
81‧‧‧孔徑
131‧‧‧球面透鏡

Claims (29)

  1. 一種以一調光器產生全像重建之裝置，包含：至少一像素化調光器，由至少一光源的足夠相干光所照射；一聚焦式光學元件陣列，其中各光學元件會分配給該調光器之一組可編碼像素，且這些光學元件將這些光源成像至該調光器後方之一影像面內，以形成光源影像；以及一控制單元，其連接至該調光器，並經由程式設計裝置的協助，算出該調光器之像素化編碼面的全像碼(Holographic Code)；其特徵在於：分配一濾波孔徑陣列給該調光器，該濾波孔徑陣列具有許多孔徑、且位於這些光源影像之影像面附近、且會在該濾波孔徑陣列內形成孔徑，而使這些孔徑能讓該調光器之全像編碼所產生之繞射光譜的一定義區域通過，上述定義區域之大小小於或等於傅立葉轉換之一繞射階數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中在該調光器前方配置具有一光學光束加寬系統的一光源及該對焦光學元件陣列，以照射該調光器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中在該光學光束加寬系統與該對焦光學元件陣列之間提 供一動態快門調節器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中在該調光器前方配置具有許多光源之一光源陣列，以照射該調光器。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中該裝置包含具有許多球面透鏡之一第二光學元件陣列，該第二光學元件陣列形成一觀察者的螢幕，並配置於該濾波孔徑陣列的下游。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中提供一電源供應單元給該光源或該光源陣列。
  7. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中用於對該調光器進行編碼之該控制單元為一控制系統的一部分，該控制單元亦包含用於控制該光源陣列之一單元、及/或用於控制該濾波孔徑陣列之一單元及/或該第一光學元件陣列及/或該第二光學元件陣列、及用於偵測該觀察者之實際位置之一位置偵測單元。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中該位置偵測單元至少經由信號連接至用於控制該光源陣列之該單元與用於控制該濾波孔徑陣列之該單元。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中用於控制該光源陣列之該單元與用於控制該濾波孔徑陣列之該單元可選擇地連接至一位移裝置，該位移裝置因應來自該位置偵測單元的信號而在移動式元件之各自平面內對其進行位移，該移動式元件是該光源陣列之光源、及/或該濾波孔徑陣列的這些濾波孔徑、及/或該第一光學元件陣列及/或該第二光學元件陣列。
  10. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中這些陣列可設計為靜態光學零件，也可設計為動態光學零件，並受該控制系統的控制。
  11. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中該第一光學元件陣列表示該調光器之一光學照明系統，並表示該光源陣列之一光學成像系統，該光學成像系統將該光源陣列成像至對焦面內，而該對焦面也會形成該影像面，且被當作該調光器的傅立葉面，其中該光源陣列 的影像與該調光器之個別子區域之像素的傅立葉轉換一致，光線能透過該調光器射出，且其中讓給定繞射階數、或讓部分給定繞射階數通過之該濾波孔徑陣列係配置在該影像面附近。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中該濾波孔徑陣列呈現格狀排列之孔徑，可選擇地以孔徑遮罩之形式，其僅讓該傅立葉轉換之給定繞射階數通過、或讓部分該傅立葉轉換之給定繞射階數通過。
  13. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中具有二維排列球面光學元件之該投影第二光學元件陣列，將該濾波孔徑陣列的這些孔徑成像至可視區域所分配、且同時作為觀察面之一平面內，其中這些光學元件及濾波孔徑係相互排列，使該觀察面內所有孔徑的影像重疊，因此形成一個觀察視窗。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中該第一光學元件陣列為一二維球面透鏡排列，該二維球面透鏡排列配置於該光源陣列的點光源後方。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之以一調光器產生全像重建之裝 置，其中該濾波孔徑陣列之孔徑大小取決於該調光器的像素間距、及該第一光學元件陣列之透鏡焦距。
  16. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中該濾波孔徑陣列為一快門調節器，其可控開口的尺寸為該快門調節器之一個像素、或多個像素的大小，或其尺寸為一繞射階數、或部分繞射階數的大小。
  17. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中用於該控制單元中之該調光器之這些像素之全像編碼的程式設計裝置，係適應於該裝置的設計。
  18. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中該第一光學元件陣列為具有柱狀透鏡之一雙凸透鏡陣列，該雙凸透鏡陣列是由線狀光源所照射，且分配有具有狹縫孔徑之一濾波孔徑陣列。
  19. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中在該控制系統中，特別是在該控制單元中，只能在一維中執行一全像編碼，其中寫入為該調光器之行或列之一組可編碼像素之數值係彼此關聯。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中只有由數列的可編碼像素所組成之群組，才需要該調光器之一充分相干照明。
  21. 如申請專利範圍第16項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中為了追蹤該平面中之該可視區域到該觀察者，使用用於位移這些孔徑之位置之一動態快門調節器來作為該濾波孔徑陣列。
  22. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中該光源陣列包含由相鄰光源所組成之一排列，這些相鄰光源可接續地個別被點亮，其中該排列在由該控制系統所控制之一特定間隔內照亮一垂直區域。
  23. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中提供發散透鏡，以便能為垂直方向之該觀察者放大該平面中的可用視區，其中平行方向發散透鏡之整體亦具有一發散透鏡陣列之形式，該發散透鏡陣列係直接配置於該濾波孔徑陣列之下游。
  24. 如申請專利範圍第1項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中可依照用於該調光器的設計與編碼方式，來選擇使用一維狹縫濾波孔徑陣列、或選擇使用具有圓形孔徑之二維濾波孔徑陣列。
  25. 如申請專利範圍第24項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中該濾波孔徑陣列係為靜態的，並具有一孔徑遮罩之形式。
  26. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中為了追蹤該平面中的該可視區域、或定期掃描該平面中之一特定可視區域，經由該控制系統之該可控位移裝置的協助，能實現一動態濾波孔徑陣列。
  27. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中該濾波孔徑陣列為一快速切換振幅調變調光器，其中個別像素的透光度變化會導致一濾波效應，且其中所啟動的像素之大小對應於該靜態濾波孔徑陣列之這些孔徑的開口的大小，而所啟動的像素接著作為孔徑。
  28. 如申請專利範圍第1項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中與該濾波孔徑陣列一致的該光源陣列是一快速切換振 幅調變調光器，該快速切換振幅調變調光器被一光源完全照射，且其中個別像素的透光度變化會導致光束的通過，其中這些像素之大小為該靜態光源陣列之該光源的直徑的大小，而這些像素接著作為光束通道之開口。
  29. 如申請專利範圍第18項所述之以一調光器產生全像重建之裝置，其中為了追蹤該平面中之該可視區域到該觀察者，使用用於位移這些孔徑之位置之一動態快門調節器來作為該濾波孔徑陣列。
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