TWI437388B - 具有修正相位編碼的方法及全像式成像顯示器 - Google Patents

Description

具有修正相位編碼的方法及全像式成像顯示器

本發明為一全像式成像顯示器，用來將一三度空間景象(3D景象)波前投射至一觀察者平面的可視區域內，而上述波前被編碼在一相位調變器上，由一眼睛位置處觀測重建結果。本發明也是一項能藉由相位編碼而對該3D景象波前進行編碼，然後再重建於該全像式成像顯示器的方法。該法也包含對該編碼控制值做迭代(Iterative)時的改善。

在一全像式顯示器裝置內，一3D景象的重建品質會受到一些因素的影響。例如，由於其它繞射階次(Diffraction Order)之分散光線的影響，會造成重建的誤差，此即必須抑制繞射階次的原因。其它在該重建中所造成的誤差，是由所使用之該編碼方式、以及所用之該元件所引起，例如，一調節振幅或調節相位的空間光調變器。

迄今為止，由申請人提出之該項未發佈之專利應用DE 10 2006 003 741，是根據該相位編碼原則、以及用來執行該法之一全像式顯示器裝置，說明將一三度空間物件編碼為一電腦生成全像片(CGH)的方法。該法所根據的原則為，該三度空間物件之一複值參考波前能儲存在一電子式處理器內，而該三度空間物件能被計算並組合於該可視區域內，例如來自該3D景象橫截面的轉換，或其它能在該 可視區域執行的等效方式。

物件數據組包含該個別物件平面內之大批物點的複相以及振幅值，以及該三度空間物件之完整物件資訊。由該物件數據組所計算而獲得之該複值全像數據，能對一空間光調變器(SLM)進行編碼，該調變器能以電子控制方式，影響會造成干擾之光線的振幅與相位。因此該三度空間物件能由那些數據而完全重建。當至少有一名觀測者的一隻眼睛位於一可視區域時，就能由此可視區域中看見該重建結果。該三度空間物件可為一靜態物件，或是一真實或虛擬圖像的一系列移動影像(3D景象)。由申請人所提出之早先文件中，此可視區域是與一觀測視窗來相比，而且此可視區域也和此觀測視窗相關。就本發明而言，並不同於上述之專利申請，有關這點會在該說明中做更詳盡解釋。

文件DE 10 2006 003 741所牽涉的方法，是在一相位調變器內使用雙相編碼來改善對一CGH進行編碼的該流程。藉由一全像顯示器裝置的協助就能說明該方法，其中由該相位調變器進入該可視區域時，會發生該波前之一光學轉換，而該轉換符合一Fresnel轉換、或符合一傅立葉轉換。然而，對於該波前從該相位調變器進入包含該波前之一連續重建的該可視區域時，該全像顯示器裝置缺乏適當方式對該波前成像。該相位調變器包含已編碼的相位值，但該可視區域內所計算之波前並非僅為一相位函數，而是由變動的絕對值所組成。然而，儘管如此，為了實現一成像，就必須增加光學方法，並/或因此而改善該現有方法。

相位調變器或稱為相位調節SLM係為一電子式工具，其藉由調變由一或多重獨立光源所發出之一照明波前，來控制一波前的該相位。該波前由大批以電子控制、且以規則樣式排列之像素所組成，而一波前、或該3D景象之一CGH可編碼為該規則樣式。藉由該控制相素上足夠之同調光線繞射，就能產生該3D景象的重建。由於該像素會展現最高的透明度，所以相較於一振幅調變SLM而言，使用一相位調變SLM時，能讓該重建達到更大的亮度。相位編碼的另一項優點是更好的波長依賴性，由於該使用之光線為零階繞射，而物件重建於其上，故能呈現更佳的彩色全像圖。

一般而言，該相位編碼方法所依照的原則為，一複值至少能由兩複數相位值所表示，且該振幅的絕對值為1。在該SLM的鄰近像素中，能對這些相位值進行編碼。例如，一複值的該相位為ψ，而該振幅範圍在0與1之間，根據該兩相編碼法，該複值可以寫為phase 1=ψ+acos a以及phase 2=ψ-acos a。

如果在該相位調變器之鄰近像素中，分別有k個相位值時，就能實現相位編碼，其中該鄰近相素為排列於彼此之下方並/或並排排列。一般來說，這就是能以k個相位值來做相位編碼的原因。然而，通常會考慮每一複值為兩相位值或多相位值，來表示許多複值。儘管以下的描述中，會採用該兩相編碼法做為範例，但一般以k個相位值的編碼解釋則更為常見。

如果為了表示相值，而可能要在該SLM之一個且同樣的位置點，對多個相位值進行編碼的話，一編碼後的CGH便能重建該3D景象而不會發生誤差。然而，實際上該相值只能寫入該相位調變SLM之兩水平並/或兩垂直相鄰的控制像素，故這些相值會呈現一局部偏移。該偏移會在該3D景象的重建上造成誤差。這就是必須測量以改進該重建品質，而能由該兩相編碼法的優點中得益的原因。在該CGH編碼過程中，利用一迭代法就能達到此目的。

通常，文獻中已描述了各種迭代法。最知名的一種迭代法就是根據GERCHBERG與SAXTON的該傅立葉轉換演算法，在許多刊物中都說明了該法，而且也構成了大多數迭代法的普遍基準。根據該法，在一指定函數與其傅立葉轉換間，會重複地執行一轉換與一逆轉換，由於有自由度的優點，在該兩項函數內的各步驟中，會使偏離該設定點的值達到最小。例如，在一光線調節器的平面與一兩度空間物件的重建平面間就能執行該轉換。通常，若能自由選定並改變該複值之相位而降低該誤差的話，就會使該物件平面內的強度分佈達到該重建之一特定值。儘管採用本方法不能使重建該3D景象的誤差做一完整消除。

為一三度空間物件全像圖所做之最知名的迭代法，就是Gavin Sinclair等人的文件「對三度空間光線成形之多平面GERCHBERG-SAXTON演算法的全像光鉗迭代應用」。該物件被切成數個物件面。該編碼全像圖的複實際值被相繼轉換至各單獨物件面。每一個物件面上，該複實際值會與複數設定點值做比較，而且會用該設定點值的絕對值來 取代該實際值的絕對值。然後被逆轉換至該全像面的該數值會執行計算以進行編碼。由於有大量的物件面，而且該個別物件面與該全像面之間有許多轉換，所以會大量增加該計算的負荷。

除了高計算負荷以外，該已知的方法也有缺點，就是在一全像顯示器裝置上使用時，必須精確地落實特定條件，而這在實際上並非一定可行。這就是要將上述會造成重建誤差的影響做一完整消除非常困難的原因。由於總是會留有一明顯的誤差，故若不應用一修正方式的話，就無法在全像顯示器裝置上實現高品質的重建。

本發明的目的，是要在一全像成像顯示器上改善該重建品質，其中要在一相位調變器上，對由該可視區域內之一3D景象所產生的波前進行直接編碼。同時，要藉由一改良式迭代計算法來改善相位編碼的該控制值，而該法也能應用至包含大量相位值的相位編碼。

根據本發明全像成像顯示器，該物件可解釋為- 至少一種能產生一足夠同調照明波前的照明裝置，- 至少有一相位調變器，使重建一三度空間景象(3D景象)之波前的控制值能寫入該相位調變器，且必須能發現該控制值，- 一用於成像並/或波前傅立葉轉換的成像系統，以及，- 一處理器 - 用於一觀察者平面之一可視區域內，計算該3D景象之該複值參考波前，- 用於執行決定該相位調變器所發現之該控制值的一迭代傅立葉轉換演算法，以及，- 以所發現之該控制值，控制該相位調變器，該成像系統之特徵為- 包含至少兩個成像裝置，其中第一成像裝置用於該照明裝置的成像、以及用於在該相位調變器中調變傅立葉轉換實際波前的成像；其次則為第二成像裝置(2)，能- 作為一螢幕，其中該螢幕的平面為一傅立葉轉換平面，能以該迭代傅立葉轉換演算法執行計算，且其中該相位調變器之平面為另一傅立葉轉換平面，以及，- 被提供用以將以該控制值所編碼的該波前成像到該可視區域內，以及，- 進一步包含一濾波器，其孔徑、或該孔徑之一影像能在該螢幕之平面內定義一轉換區，其包含用傅立葉轉換演算法之迭代計算的方法而使該相位調變器所轉換的該實際波前的複值所逼近的該3D景象的參考波前之複值。根據一透射成像顯示器之第一實施例，利用配置於該相位調變器旁之一轉換透鏡，就能呈現該第一成像裝置。

該相位調變器之平面以及該螢幕之平面均為轉換平面，必須能執行該編碼控制值之該迭代計算的轉換。控制值間計算的轉換關係，最好是傅立葉轉換或Fresnel轉換。

在本文件中，「轉換」一詞通常包含任何在光學上適用 於光線傳播的轉換。如同一般所熟知，一Fresnel轉換能以數學方式劃分為含第一相位係數的倍數值、一傅立葉轉換、以及含第二相位係數的倍數值。例如，若因一Fresnel轉換而有關聯之兩平面間執行一迭代計算時，就能利用該第一相位係數，算出該轉換區域內之設定值，以便在該迭代之前，就能獲得修改的設定值，而且在該迭代計算之後，能用該第二相位係數修改該相位調變器上之控制值，以便只有在該迭代計算時，才需要在各迭代步驟中，使用到傅立葉轉換。

根據第二實施例，產生一照明波前之一光學元件要配置在該第一成像裝置前方，而該照明波前最好要入射於該相位調變器，以作為一平面波前。根據第三實施例，第三成像裝置要配置在該第一成像裝置與該第二成像裝置之間，以便將該濾波器孔徑成像於該第二成像裝置之上。根據第四實施例，該成像顯示器為一反射型式，並包含一反射螢幕，該螢幕備有一配置於中央的光吸收區域，可作為一濾波器。

根據該第一與第二實施例，該螢幕之平面由該濾波器所組成，該濾波器能呈現出實現該迭代計算之該轉換區域，而在該第三實施例中，該轉換區域能由該螢幕平面內之濾波器的一影像所實現，以作為本發明之另一項實施例。

由該處理器所計算之該可視區域內的該參考波前，會同時出現在包含以傅立葉轉換所計算之複數設定點值的該螢幕平面內、以及出現在包含所計算之相位值的相位調變器內，因此，該相位值為該編碼控制值之迭代計算的初始 值，能做為該相位調變器的編碼之用。

利用在一全像成像顯示器內重建一三度空間景象(3D景象)之方法，就能進一步解釋該物件，其中由至少一種照明裝置所發出之一足夠同調照明波前，就能對至少一相位調變器提供照明。

其中一成像系統的至少兩種成像裝置要能成像，並/或傅立葉轉換調變波前成像，以及其中一處理器能在一可視區域內計算該3D景象的複值參考波前，並儲存上述波前，並利用一迭代傅立葉轉換演算法的協助，算出控制該相位調變器的控制值，其中根據本發明- 由該相位調變器所調變之該3D景象的實際波前，可藉由第一成像裝置做傅立葉轉換至第二成像裝置的平面內，該第二成像裝置同時為該螢幕之平面，也是該迭代傅立葉轉換演算法的一轉換平面，- 該成像系統之一濾波器能在該轉換平面內定義一轉換區，在該轉換區內，利用包含該傅立葉轉換演算法之迭代計算，將該實際波前之複值逼近至該參考波前的複值，而該實際波前是由該相位調變器所轉換，該參考波前則由該處理器所計算，以便能找出該控制值，以及- 該第二成像裝置能將該波前成像，而該波前是以該發現之控制值編碼至該可視區域內。

另一項過程步驟，則是由該處理器所計算之該複值參 考波前首先要轉換至該螢幕平面，以便為該螢幕平面的迭代獲得設定值。

其次，藉由相位編碼，為該複值參考波前的各複值決定k個相位值，該相位調變器於編碼時，上述相位值要用來作為該控制值之迭代計算的初始值，其中k為大於1的數值因子。然後，要在該螢幕的平面與該相位調變器平面間的重複迭代步驟中，執行該控制值的迭代計算，當達到一定義之停止標準時，計算就要中止，這樣就會在該相位調變器上，以最終算出之該相位值對該修正之波前進行編碼。

各迭代步驟由以下程序組成：- 以絕對值為1的複數值型態、由該相位調變器平面進入該螢幕平面之的k．N個相位值轉換會在該平面上得到k．N個複實際值，- 在定義一停止標準的該螢幕內，對該波前之N個複實際值與N個複數設定點值做數值比較，- 以該N個複數設定點值代替該螢幕內之該N個實際值，並接替該螢幕以外，未做任何修改之該(k_1)．N個複實際值，而對該螢幕平面內之該k．N個複值進行修改，- 對該k．N個修改值執行一逆轉換至該相位調變器平面，以便在該平面內獲得k．N複實際值，以及- 把該絕對值設定為1，並接替未做任何修改的該相值，以修改該相位調變器平面內之該k．N個複實際值。

根據該法的個別實施例，在每一次迭代步驟後、或是 在一定次數的迭代步驟後，按照一定義的停止標準，在該螢幕內執行該數值的比較。一停止標準的一實施例，就是在該螢幕內，所有N個值的設定值與實際值間的平均差，要低於一定義的門檻值。另一實施例則是在該螢幕內，N個值內會有一數值，其設定值與實際值間的最大偏差，會低於一定義的門檻值。

根據該方法，相位編碼最好以兩相編碼的形式來執行。在一可視區域內對該3D景象所進行的重建，會以一重建的大小而看見。要達到這種目的，至少要有一名觀察者的眼睛，位在該全像成像顯示器觀察面之該可視區域內的一眼睛位置。該重建的大小為一金字塔型，其中該金字塔的頂端位在該可視區域之中央，而該金字塔的邊緣則環繞該螢幕的角點，然後超出該螢幕。是否該重建後的3D景象，能在該可視區域與該相位調變器間看見其大小，並/或在該相位調變器以外看見其大小，則要由該編碼來定義。

以該重建法對一波前進行直接編碼，就能達到對該顯示器的重建品質進行一改善，根據在一全像成像顯示器之該發明，就能達成該重建法，且該重建法包含該編碼之一修正。

以下為根據本發明而能實現該重建法之全像成像顯示器的詳細說明。該個別圖示為示意圖，其中圖1顯示一全像成像顯示器之第一實施例； 圖2顯示一全像成像顯示器之第二實施例；圖3顯示一全像成像顯示器之第三實施例；圖4顯示一全像成像顯示器之第四實施例；圖5顯示以重複迭代步驟，在該調變器平面與修正該編碼之該螢幕平面間之一傅立葉轉換演算法的示意圖；以及圖6a,6b顯示在該複實際值轉換區域中，複數設定點值之該轉換區域內的兩個可能位置。

圖1至圖4為上視圖，各圖顯示在一觀察面之一可視區域內，該3D景象之一直接編碼波前的該成像結果，其中圖1至圖3說明一透射成像顯示器內的該成像結果，而圖4說明一反射成像顯示器內的該成像結果。對此類以及類似的成像安排，根據顯示於圖5之該圖面，利用一迭代計算的協助，就能發現該編碼之控制值。

參照圖1，一全像成像顯示器之第一實施例由一照明裝置8、一相位調變器6、以及直接位於該相位調變器旁，能在光線傳播之該方向上看見的第一成像裝置1所組成。該第一成像裝置1會將該照明裝置8成像於該第二成像裝置2，該第二成像裝置同時代表該成像顯示器的螢幕。該螢幕後之一觀察者平面BE是由包含一眼睛位置EP的該可視區域所組成。該第二成像裝置2會將該相位調變器6成像於該可視區域內。該螢幕平面由一濾波器7所組成，該濾波器能以其孔徑，在該轉換平面上形成一轉換區域10。該相位調變器6的平面代表該另一轉換面，能作為該編碼 波前控制值的迭代計算。

圖2顯示一全像成像顯示器之第二實施例，其中，除了圖1以外，要在該相位調變器6的前方，配置一額外的光學元件4。該元件能使該照明波前，以平行光的形式通過該相位調變器6。在該情況下，該第二成像裝置2會位於該第一成像裝置1的聚焦面內。該額外光學元件能改善該成像品質。

圖3所顯示之一全像成像顯示器的第三實施例，為修改自顯示於圖2之該實施例。在該實施例中，第三成像裝置能實現該相位調變器6之一中間影像。在該第一成像裝置1與該第三成像裝置3之間，配置有一濾波器7，該濾波器孔徑能使第三成像裝置3以放大的方式，成像於該螢幕之平面內，以便能定義該可視螢幕的區域。該第二成像裝置能進一步用於將該編碼波前轉換至該觀察面內之可視區域中，因此能從該處看見該重建結果。

參照圖4，一全像成像顯示器之第四實施例，是由圖3之該透射螢幕之外，再加上一反射式光學元件5做為一螢幕所組成。利用該第三成像裝置3，將該濾波器7之孔徑成像於該螢幕上，因此能為該複數設定點值，將該可視螢幕區域定義為該轉換區10。由於能限定該轉換區10，故能將該螢幕之一邊緣區域製作為一光吸收區，以便能作為一濾波器。利用該第三成像裝置3，將該相位調變器6所編碼之該波前成像至一中間影像面。由該影像面，該反射螢幕會將該波前成像至該觀察者平面BE內之該可視區域，其中該眼睛位置EP要位在重建該3D景象之波前上。

圖5顯示，在該相位調變器6上對一3D景象之一波前編碼之控制值進行修正時，該迭代計算之工作流程的概要性說明。圖中顯示在該相位調變器6之平面與該螢幕平面間，包含個別迭代步驟之一傅立葉轉換演算法，而該螢幕是以包含該轉換區域(9,10)的該第二成像裝置2所呈現。該最初階段起始於以虛線形成的啟動方塊，而該啟動方塊標示該迭代計算的開始，該最初階段為方向a-決定該相位值，以及方向b-轉換N個複數設定點值，以作為該螢幕可視區域內設定值的分配。隨後的該迭代步驟是以實心箭頭所標示。在此處會使用一特定形式之該傅立葉轉換，即該快速傅立葉轉換(FFT)。

圖6a與6b顯示該可視螢幕區域之兩個可能位置，其代表在比較該設定值與該複實際值時，該轉換區9內之該轉換區10。任何其它位置同樣也有可能。

所有四項實施例均根據該相同元件：分割為數個二度空間物件面(未詳細列出，但先前曾扼要提及)之該3D景象的數據組會儲存在一處理器內(未顯示)；眼睛位置在EP之一觀察者能從一觀察面BE內之可視區域，看見一螢幕前方之該重建11；為了在由一成像系統所組成之一全像成像顯示器的至少一相位調變器6上，進行該3D景象之波前的編碼，須以一傅立葉轉換演算法，以迭代方式將一相位編碼程序作成最佳化。該螢幕可以是一透射型態、或者是一反射型態，而且可選擇利用一繞射或反射光學法來加以實現。

根據本發明，以下將參照圖1，詳盡說明將一3D景 象之波前進行編碼或重建的方法。能發射足夠平行光之一照明裝置8會產生一照明波前，該波前會入射至一相位調變器6。第一成像裝置1會將相位調變器6所調變之該波前成像於一螢幕之平面。該螢幕為一第二成像裝置2。在一迭代傅立葉轉換演算法中所發現、且寫入該相位調變器6之該控制值會產生該3D景象之一波前61。該第二成像裝置2會將該波前61成像至一觀察面BE之一可視區域內，該圖中以雙箭頭說明該觀察面。當一觀測者的眼睛在該眼睛位置EP時，就能在一重建體積中，看見該3D場景之重建11。同時該第一成像裝置1為轉換該波前之該轉換透鏡。

為了使編碼盡可能精確而必須決定該控制值，所以要整合一迭代傅立葉轉換演算法以達到算出該控制值的目的。為此計算而要有的二個轉換面為該相位調變器6的平面和該螢幕的平面。在該第二成像裝置2以外之該螢幕之平面內，配置一濾波器7，該濾波器7的孔徑會限制該可視螢幕區域的大小。同時該可視螢幕區域代表該轉換區域10，該轉換區域是由該參考波前之N個複數設定點值所組成，而且會位在該轉換區域9之內(比較圖6a與6b)。該轉換波前的(k-1)．N實際值會位在該可視螢幕區域以外。

參照圖5之該流程圖，現在要說明該迭代計算之工作流程。該3D景象之物件數據組的N個複值會轉換至該觀察面7之該可視區域內，其中要進行計算，就如同Fresnel轉換。這表示在該可視區域內，每一物件面都要計算該波前，而且全部都必須計算，以形成一個由所有轉換物件面 的資訊所組成之一累計複值參考波前。然而，也可以利用產生一參考波前的其他方式。計算該共同複值參考波前時，可以在一個能執行該迭代傅立葉轉換演算法的處理器(未顯示)內執行。

一方面，該參考波前是在該可視區域內算出，且為絕對值不完全相同的N個複值，在做為相值之該兩相編碼法的協助下，該參考波前能在該相位調變器6上進行編碼，如圖5之該方向a與該虛箭號所示。而另一方面，要轉換該N個複值至該螢幕平面內的該轉換區9，以便在該迭代計算的數值比較過程中，作為設定值之用，如圖5之該方向b所示。由於要得到無誤差重建之一3D景象，必須要有該振幅與該相值，所以該N個複數設定點值包含了該振幅與該相值。在該可視螢幕區域內，可利用該複數設定點值來取代該複實際值，其中在每一迭代步驟中，一定要替換該相值與該振幅值。

如前所述，因為在兩相編碼時，每一個複值均由兩個相位值所表示，由於該編碼過程的緣故，會有2．N絕對值為常數的相值，例如絕對值為1。因此，會造成2．N絕對值為1的複值，作為該迭代計算的初始值。由於相位值的數目會大於二，所以一般會在圖5中採用k以表示相位的數目。

首先，對該計算出絕對值為常數之k．N個相值，要執行一逆轉換至包含該轉換區9的該螢幕平面。這些相值為目前存在於該全像面內、或是該相位調變器6平面內的該實際值。該逆轉換(FFT)會產生k．N複實際值。對N 個位在該轉換區域9內部的複實際值、與N個位在該轉換區域10以內之設定值，要進行一數值比較。在做完該數值比較後，要接替位在該轉換區域9之螢幕區域以外的該(k-1)．N個無任何修改的複實際值，在下一次轉換時，該N個複數設定點值會取代該N個位在該螢幕區域內的複實際值。存在於該次轉換面內部的所有複實際值與設定值，都會轉換至該相位調變器6的平面內。由於該轉換的緣故，該平面內會有k．N個絕對值不同的複值。在該平面中，所有k．N個複值的絕對值都會設定為1，而且該實際值的相位會維持不變。因此，會再次出現有k．N個絕對值為常數的複值，而另一次迭代步驟就會開始。

上述所說明之工作流程會重複出現，直到達成一定義之停止標準為止。該停止標準會定義在一比較法內，以致對該設定值之估算能達到一期望的正確性，但不會造成過多的計算負荷。可利用各種參數來定義該停止標準。在每一次迭代步驟之後，或在一定次數之迭代步驟以後，可選擇利用該定義之停止標準的協助來執行數值比較。

由於有各迭代步驟的緣故，在該螢幕平面內，由該複數設定點值所形成之該複實際值的誤差就會最小，而且在該相位調變器6的平面內，由於該常數絕對值而造成該複值的誤差也會最小。因此會一直改善該編碼之控制值。為了執行該方法，控制值會在一處理器內轉換為控制信號，並根據該最後計算、且符合該3D景象物件數據組之相位值，對該波前進行編碼。有了這些在該相位調變器6所編碼之數據組的協助，所以會由一控制照明波前內，產生該 3D景象之一精確全像重建11。在該可視區域內，利用已知的位置偵測系統偵測出眼睛位置EP之一觀測者，就能看見該全像重建11。

對該3D景象之波前的重建來說，該振幅值與該相位值非常重要。這就是該螢幕區域內的每一次迭代步驟中，該複實際值之振幅與相位要用該複數設定點值之振幅與相位來取代的原因。為了後續的轉換，要替換該螢幕區域外、轉換區域9內所算出沒有任何修改的該複實際值。

可選擇將該迭代計算應用至一個一度空間計算，例如，唯一水平視差全像圖，或一個二度空間計算，即全視差全像圖。在該一度空間案例中，能注意到可個別執行該迭代計算而安排一度空間的相素，例如線狀全像圖。

特別是在該二度空間案例中，可選擇在該相位調變器6內的水平並/或垂直鄰近像素內，為各複值做k個相值的空間安排，而且可在一相應之安排中，執行該控制值的迭代計算。

相較於已知的方法，在計算該轉換時，使用該轉換區域的優點為降低計算作業的次數。例如，由於儘管要重建一空間延伸的3D景象，但該迭代計算只要在兩平面間執行，故需要執行的傅立葉轉換較少，此即能更迅速地執行該迭代步驟，就能達到一定義之停止標準的原因。

對於該3D景象的全像重建來說，由於該發明的方法，使編碼非常接近該3D景象，故可以用所發現之該控制值格式，得到物件資訊。利用上述說明之該迭代計算程序的協助，可以改善該編碼之控制值，而且以一收斂性方式， 達成所使用之該相位碼的最佳化。根據目前之該發明所計算與編碼之一波前，能改善一3D景象重建的品質。因此能在一全像成像顯示器內，以簡單的方式在雜光(雜訊)與有用信號間，實現一空間隔離。

在一全像成像顯示器內，對一彩色3D景象的波前進行編碼時，要單獨為每一種主要色彩執行該相值的迭代計算。一般來說，紅色、綠色、與藍色會用來作為主要色彩。然而，也可以考慮用其他組合。一彩色波前可由該個別主要色彩(紅色、綠色、與藍色)之部分波前所構成。例如，若對各主要色彩做空間隔離、或對各主要色彩之部分波前做時序顯示，就能在該相位調變器6內完成該組合。一部分波前可理解為該3D景象之一單色波前。此時該相位調變器6之控制值的迭代最佳化，要對每一種主要色彩個別執行。至於是一空間隔離的話，有一項前提就是每一個像素均由該三種主色的子像素所組成，或是一相位調變器之大面積單獨區域要使用於該個別主色上，或使用多相位調變器的組合。

該迭代計算一開始，或該第一次轉換以前，最好能改變各物件數據組距該觀察者平面的距離，以便在該螢幕前、或在該螢幕後，都能看見部分該3D景象、或該3D景象的整個重建，或者能在這些空間區域內同時重建該3D景象。本方法就是在該空間之深度上，該重建之一正常方位能達到一觀測者的眼睛前方，以及能藉由適當之軟體設定，而刻意放大或縮小該重建的深度。為了能在該可視區域內，以一真正三度空間方式察覺該全像重建，如同真實 看見該3D景象，則要在同樣大小之個別可視區域內，對左右眼睛作個別的重建。由於該觀測者之左右眼睛對該3D景象有不同位置，所以可利用該相同方式、但須以不同物件數據組算出兩種重建。在同時執行轉換之例行程序時，該個別波前能在配備多通道數位處理器內同時算出，且彼此絕對獨立。

整合至一全像成像顯示器之該迭代計算的優點是，當與該相位編碼整合後，就能降低該傅立葉轉換的誤差項。故要在該觀測者之眼睛所在位置之該區域內，呈現該重建而沒有誤差是有可能的。在定義一重建區域的體積時，最好有更多的自由度，以改進該轉換區域內的控制值。以該個別迭代步驟所給定之該設定值而最終取代所發現之該實際值，會導致一高品質的重建，而不需要考慮個別物件平面，其中會由該3D景象之現有原始複值中，對該相位調變器的像素產生控制值。

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‧‧‧第一成像裝置

2‧‧‧第二成像裝置

3‧‧‧第三成像裝置

4‧‧‧光學元件

5‧‧‧反射光學元件

6‧‧‧相位調變器

61‧‧‧波前

7‧‧‧濾波器

8‧‧‧照明裝置

9‧‧‧含實際值之轉換區域

10‧‧‧含設定值之轉換區域

11‧‧‧重建

BE‧‧‧觀察者平面

EP‧‧‧眼睛位置

k‧‧‧相位值的組成成分

FT‧‧‧傅立葉轉換

FFT‧‧‧快速傅立葉轉換

以下為根據本發明而能實現該重建法之全像成像顯示器的詳細說明。該個別圖示為示意圖，其中圖1顯示一全像成像顯示器之第一實施例；圖2顯示一全像成像顯示器之第二實施例；圖3顯示一全像成像顯示器之第三實施例；圖4顯示一全像成像顯示器之第四實施例；圖5顯示以重複迭代步驟，在該調變器平面與修正該編碼之該螢幕平面間之一傅立葉轉換演算法的示意圖，以及圖6a,6b顯示在該複實際值轉換區域中，複數設定點值之該轉換區域內的兩個可能位置。

1‧‧‧第一成像裝置

2‧‧‧第二成像裝置

6‧‧‧相位調變器

7‧‧‧濾波器

8‧‧‧照明裝置

10‧‧‧含設定值之轉換區域

11‧‧‧重建

BE‧‧‧觀察者平面

EP‧‧‧眼睛位置

61‧‧‧波前

Claims (18)

1. 一種全像成像顯示器，包含：至少一照明裝置，用於產生一足夠同調照明波前；至少一相位調變器，在重建一三度空間景象(3D景象)的波前時，必須決定之複數個控制值要在該相位調變器上進行編碼；一成像系統，用於成像及/或波前之傅立葉轉換，以及一處理器：用於計算一觀察者平面之一可視區域中的該3D景象之複值參考波前；用於執行決定該相位調變器的該控制值的一一迭代傅立葉轉換演算法，以及用於以該發現之控制值控制該相位調變器；該成像系統之特徵在於：包含至少兩個成像裝置，其中一第一成像裝置(1)用於該照明裝置(8)的成像，以及用於在該相位調變器(6)中變的傅立葉轉換實際波前的成像，該第一成像裝置(1)之後為第二成像裝置(2)，該第二成像裝置(2)作為一螢幕，其中該螢幕的平面為一傅立葉轉換平面，用於以該迭代傅立葉轉換演算法執行計算，且其中該相位調變器(6)之平面為另一傅立葉轉換平面，以及被提供用以將以該控制值所編碼的該波前成像到該可視區域內；以及進一步包含一濾波器(7)，其孔徑或該孔徑之一影像在該螢幕的平面中定義一轉換區域(10)，其包含用傅立葉轉換演算法之迭代計算的方法而使該相位調變器(6)所轉換的該實際波前的複值所逼近的該3D景象的該參考波前之複值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之全像成像顯示器，其中該第一成像裝置(1)為配置於該相位調變器(6)旁之一轉換透鏡。
3. 如申請專利範圍第1項所述之全像成像顯示器，其中該濾波器(7)配置於該螢幕的平面中，且其中該螢幕呈現該濾波器(7)之孔徑。
4. 如申請專利範圍第1項所述之全像成像顯示器，其中該濾波器(7)之影像配置於該螢幕的平面中。
5. 如申請專利範圍第1項所述之全像成像顯示器，其中該傅立葉轉換以菲涅爾(Fresnel)轉換代替。
6. 如申請專利範圍第1項所述之全像成像顯示器，其中會在該第一成像裝置(1)前方配置一光學元件(4)，用於產生一照明波前，該照明波前入射至該相位調變器(6)，以作為一平面波前。
7. 如申請專利範圍第1項所述之全像成像顯示器，其中為了將該濾波器孔徑成像至該第二成像裝置(2)上，一第三成像裝置(3)會配置於該第一成像裝置與該第二成像裝置(1,2)之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之全像成像顯示器，其中該第二成像裝置(2)為一反射式光學元件，且代表該螢幕，並具有能吸收光線的邊界區域，以致具有一濾波器功效，因此能限制該可視螢幕區域。
9. 如申請專利範圍第1項所述之全像成像顯示器，其中以該處理器所算出之該複值參考波前，在該螢幕平面中具有包含由傅立葉轉換的方法所計算的複數設定點值，以及在該相位調變器(6)內具 有算出的相位值，其中該相位值為利用該迭代傅立葉轉換演算法而用於計算該編碼的該控制值的初始值。
10. 一種在一全像成像顯示器中重建一三度空間場景(3D場景)的方法，其中至少一照明裝置之足夠同調照明波前照射至少一個相位調變器；其中一成像系統的至少兩個成像裝置成像及/或傅立葉轉換經調變波前；以及其中一處理器在一可視區域內計算並儲存該3D景象之一參考波前的複數個複值，並藉由一迭代傅立葉轉換演算法的協助，計算用於控制該相位調變器的複數個控制值，其特徵在於：該相位調變器(6)所調變之該3D景象的實際波前，以一第一成像裝置(1)經傅立葉轉換至一第二成像裝置(2)的平面內，該第二成像裝置同時就是該螢幕的平面，也是該迭代傅立葉轉換演算法之一轉換平面；該成像系統之一濾波器(7)在該轉換平面中定義一轉換區(10)，在該轉換區中，將由該相位調變器(6)所轉換的該實際波前之複值，以該傅立葉轉換演算法之迭代計算的方式逼近至該參考波前的複值，該參考波前則由該處理器所計算，以便找出該控制值；以及該第二成像裝置(2)能將該波前成像，其中該波前是以該確定之控制值編碼至該可視區域內。
11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該參考波前的該複數個複值一方面會轉換至該螢幕的平面，以便在該可視區域內提供複數設定點值，而且另一方面，可利用相位編碼作為用於編碼的該控制值的迭代計算的初始值的方式，而成像至該相位調變器(6)，以便對該相位調變器(6)之各複值決定k個相位值，其中k 為大於1的一數字因子，而且相位值的總數對應於該相位調變器(6)的像素數目。
12. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中在該螢幕的平面與該相位調變器(6)的平面間的重覆迭代步驟中，執行該控制值之迭代計算，且達到一定義的停止標準時，該計算就要中止，其中要用最後算出的相位值作為控制值，在該相位調變器(6)上進行該波前的編碼。
13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中各迭代步驟包含以下過程：以一絕對值為1的複數值型態，由該相位調變器(6)的平面將k．N個相位值轉換進入該螢幕的平面，會在該平面上得到k．N個複實際值；將該N個複實際值與該螢幕內該波前的N個複數設定點值，相對於一定義之停止標準做數值比較；以該N個複數設定點值取代該螢幕內N個複實際值、且不進行任何修改而接替該螢幕外的(k_1)．N複實際值的方式，修改該螢幕的平面中之k．N個複值；執行該k．N修改值的一逆轉換至該相位調變器(6)的平面內，以在此平面中獲得k．N複實際值；以及藉由將該絕對值設定為1並未做任何修改而接替該相位值，以修改該相位調變器(6)之平面內k．N複實際值。
14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中二者擇一地在各迭代步驟之後或一定義數目之迭代步驟後，以一定義停止標準為基礎，在該螢幕內執行該數值比較。
15. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中用於計算該初始值 之該相位編碼為一兩相編碼。
16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該參考波前之一複值會以k=4個像素呈現在該相位調變器(6)上，而其中以兩相編碼的方式所算出的兩相位值，要在該相位調變器(6)之兩相鄰行列中做交叉編碼，以作為初始值。
17. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中從該可視區域與該相位調變器(6)間及/或從該相位調變器(6)外之一重建體積內可選地一眼睛位置(EP)，能看見該重建之3D景象。
18. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中要在一度空間或二度空間執行編碼。