TWI711295B

TWI711295B - 立體全像顯示系統

Info

Publication number: TWI711295B
Application number: TW108131341A
Authority: TW
Inventors: 沈哲仰; 黃上豪; 吳尚庭; 林碩恩; 程藝; 黃乙白; 林淇文
Original assignee: 立景光電股份有限公司
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2020-11-21
Also published as: TW202110172A

Abstract

一種立體全像顯示系統，包含投影機，對光束進行空間調變以產生影像；全像處理器，對投影機所產生的影像執行全像方法；及記憶裝置，儲存全像處理器於執行全像方法的過程中所產生的全像資料。全像處理器根據影像個別區域的顯著性，適應地置換光場的振幅。

Description

立體全像顯示系統

本發明係有關一種顯示器，特別是關於一種立體全像(holographic)顯示器。

全像(hologram)係為一種使用眼睛即可看到的立體影像，而全像技術(holography)則是指產生全像的技術。一般來說，全像是光場(light field)的紀錄，其為描述空間中每一點流向各方向的光量的一種向量函數。

抬頭顯示器(head-up display, HUD)係為一種可顯示資料的透明顯示器，使用者不需離開一般的視線。全像技術可作為抬頭顯示器的投影機，以顯示立體影像。

電腦產生全像(computer-generated hologram, CGH)的演算法可分為二大類：直接(direct)方法與反向(inverse)方法。直接方法，例如直接方法(direct method, DS)、模擬退火(simulated annealing, SA)及遺傳演算法(genetic algorithm, GA)，係計算每個像素，因而可達到高準確度，但需較長計算時間。另一方面，反向方法，例如薩克斯頓(Gerchberg-Saxton)演算法與疊代傅利葉轉換(iterative Fourier transform)演算法，係使用疊代方法，因而可大量降低計算時間，但得到低準確度影像。

傳統抬頭顯示器具單一固定焦點，因此限制了一些應用而無法顯示不同視距(viewing distance)的影像。因此亟需提出一種新穎機制，相對於傳統抬頭顯示器具有可調多焦、減少計算時間及增強影像品質。

鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種立體全像顯示系統，具有可調多焦、減少計算時間及增強影像品質。

根據本發明實施例，立體全像顯示系統包含投影機、全像處理器及記憶裝置。投影機對光束進行空間調變以產生影像。全像處理器對投影機所產生的該影像執行全像方法。記憶裝置儲存全像處理器於執行全像方法的過程中所產生的全像資料。全像處理器根據影像個別區域的顯著性，適應地置換光場的振幅。

根據本發明另一實施例，角頻譜方法產生第一虛像，顯示於觀者的近場，且菲涅爾繞射方法產生第二虛像，顯示於觀者的遠場。

第一圖顯示本發明實施例之立體全像顯示(3D holographic display)系統100的方塊圖，其為可調多焦系統。在本實施例中，立體全像顯示系統100(以下簡稱顯示系統)，例如抬頭顯示器或頭戴顯示器(head-mounted display)，可包含投影機11，例如空間光調變器(spatial light modulator, SLM)，用以對光束進行空間調變以產生影像。在一例子中，空間光調變器可包含單晶矽反射式液晶(liquid crystal on silicon, LCOS)。

本實施例之顯示系統100可包含全像處理器12，例如影像處理器，用以對投影機11所產生影像執行全像方法，其細節描述於後續篇幅。本實施例之顯示系統100可包含記憶裝置13，例如動態隨機存取記憶體(DRAM)或靜態隨機存取記憶體(SRAM)，用以(暫時)儲存全像處理器12於執行全像方法過程中所產生的全像資料。本實施例之顯示系統100可包含其他光學裝置，其細節描述於後續篇幅。

第二圖顯示本發明實施例之多振幅限制角頻譜(multi-(amplitude) constraints angular)方法200的流程圖，可適用於第一圖之立體全像顯示系統100。本實施例使用反向方法以大量減少計算時間，使用多振幅限制機制以大量增強影像品質，使用角頻譜方法以去除零階繞射(zero-order diffraction)，且提供多焦功能。

於步驟21，輸入目標振幅與隨機相位作為影像端的光場(light field)。接著，於步驟22，使用基於卷積(convolution-based)的角頻譜(AS)方法以傳遞光場至全像端，其細節可參考松島(Kyoji Matsushima)等人於2009年的光學快報(Optics Express)所提出的“用於遠場與近場之自由空間傳遞的數字模擬的頻帶限制角頻譜方法(Band-Limited Angular Spectrum Method for Numerical Simulation of Free-Space Propagation in Far and Near Fields)”，以及松島(Kyoji Matsushima)等人於2010年國際光學工程學會(SPIE)出版的光學期刊(OPTO)所提出的“使用基於多邊形方法與偏移角頻譜方法的高解析度全視差電腦產生全像(High-definition full-parallax CGHs created by using the polygon-based method and the shifted angular spectrum method)”。

於步驟23，決定傳遞光場的相位是否已收斂。如果步驟23的結果為肯定，則流程進入步驟24以輸出全像。如果步驟23的結果為否定，則流程進入步驟25，以平面波(plane wave)或球面波(spherical wave)置換傳遞光場的振幅，以產生修正光場。接著，使用角頻譜方法將修正光場從全像端傳遞至影像端(步驟26)。

根據本實施例的特徵之一，於步驟27，根據影像個別區域的顯著性(significance)，適應地置換修正光場的振幅，因而分別置換不同區域的振幅，因此稱本實施例之流程為多振幅限制角頻譜方法。在一實施例中，影像被分為三個區域：具高顯著性的信號區(或主區或前景區)、具低顯著性的背景區(或次區)，及雜訊區(或墊區)(其圍繞信號區與背景區)。在另一實施例中，影像被分為二個區域：信號區與背景區。第三圖例示待顯示影像被分為信號區31、背景區32及雜訊區33。其中，於信號區，以正權重之加權目標振幅置換修正光場的振幅；於背景區，以負權重加權修正光場的振幅；於雜訊區，以正權重加權修正光場的振幅，使得雜訊區可吸收雜散繞射，因而大量增強影像品質。接下來，流程進入步驟22，重新進行多振幅限制角頻譜方法200。

第四A圖顯示本發明另一實施例之複合式場疊加(hybrid field superposition)方法400A的流程圖，可適用於第一圖之立體全像顯示系統100。第四A圖之流程類似於第二圖之流程，其差異處說明如下。

於步驟41，輸入目標振幅與隨機相位作為影像端的光場(light field)。根據本實施例的特徵之一，於步驟42，使用角頻譜(AS)方法與菲涅爾(Fresnel)繞射方法分別傳遞近場(near-field)與遠場(far-field)的光場至全像端。菲涅爾繞射方法的細節可參考理察·穆福萊托(Richard P. Muffoletto)等人於2007年的光學快報(Optics Express)所提出的“用於電腦全像技術的偏移菲涅爾繞射(Shifted Fresnel diffraction for computational holography)”。第五A圖顯示無頻帶限制之角頻譜方法與偏移菲涅爾繞射方法相對於視距的效能(信號雜訊比)，摘自前述的“用於遠場與近場之自由空間傳遞的數字模擬的頻帶限制角頻譜方法”。如圖所示，角頻譜方法於近場的效能優於菲涅爾繞射方法，然而菲涅爾繞射方法於遠場的效能優於角頻譜方法。第五B圖顯示頻帶限制之角頻譜方法與偏移菲涅爾繞射方法相對於視距的效能(信號雜訊比)，摘自前述的“用於遠場與近場之自由空間傳遞的數字模擬的頻帶限制角頻譜方法”。

於步驟43，將近場的傳遞光場(相應於角頻譜方法)與遠場的傳遞光場(相應於菲涅爾繞射方法)相加，以形成總光場，據以萃取相位。於步驟44，決定總傳遞光場的萃取相位是否已收斂。如果步驟44的結果為肯定，則流程進入步驟45以輸出全像。如果步驟44的結果為否定，則流程進入步驟46，以平面波(plane wave)或球面波(spherical wave)置換近場的傳遞光場與遠場的傳遞光場，以產生近場的修正光場與遠場的修正光場。接著，使用角頻譜方法與菲涅爾繞射方法將近場的修正光場與遠場的修正光場分別從全像端傳遞至影像端(步驟47)。

於步驟48，根據影像個別區域的顯著性，適應地置換近場的修正光場與遠場的修正光場，如第二圖步驟27所述。接下來，流程進入步驟42，重新進行複合式場疊加方法400A。由於使用角頻譜方法於近場，且使用菲涅爾繞射方法於遠場，全像的視場(field of view, FOV)因而可以大量增加，且可大量降低假頻(aliasing)雜訊。

第四B圖顯示本發明又一實施例之複合式場疊加方法400B的流程圖，可適用於第一圖之立體全像顯示系統100。第四B圖之流程類似於第四A圖之流程，其差異處說明如下。

在本實施例中，僅在相位已收斂(步驟44)且輸出全像(步驟45)之前，才會將近場的傳遞光場(相應於角頻譜方法)與遠場的傳遞光場(相應於菲涅爾繞射方法)相加(步驟 B)。

第六A圖顯示光學裝置600A的示意圖，可適用於第一圖之立體全像顯示系統100。光學裝置600A可包含空間光調變器(SLM)11，作為投影機，用以對光束進行空間調變以產生影像，該光束可由光源60經由分光器(beam splitter)61提供。分光器61具前焦距F1與後焦距F1(其大致相同於前焦距F1)，接收空間光調變器11的光束。根據本實施例的特徵之一，光學裝置600A可包含光合器(combiner)62(例如半透射鍍膜凹面鏡)，具前焦距F2與後焦距F2(其大致相同於前焦距F2)，並設於觀者前面。光合器62可接收來自分光器61的光束。如第六A圖所示，分光器61設於空間光調變器11與光合器62之間，且空間光調變器11的實像可聚焦於後焦點63。在一例子中，光合器62可為汽車的擋風玻璃。光學裝置600A可更包含傅利葉(Fourier)平面64，設於分光器61與光合器62之間，用以過濾掉額外的繞射。

如第六A圖所示，角頻譜方法所產生的虛像65可顯示於近場，然而菲涅爾繞射方法所產生的虛像66可顯示於遠場。

根據上述的光學裝置600A(或稱為4f光合系統)，所產生虛像的尺寸正比於光合器62之(前/後)焦距F2與分光器61之(前/後)焦距F1的比值，且所產生虛像的視距(亦即後焦點63與虛像65/66之間的距離)可正比於比值的平方。

第六B圖顯示光學裝置600B的示意圖，可適用於第一圖之立體全像顯示系統100。本實施例省略光學裝置600A(第六A圖)所使用的分光器61。空間光調變器(SLM)11作為投影機，其對光束進行空間調變以產生影像，該光束係直接由光源60所直接提供。

第七圖顯示第一圖之立體全像顯示系統100應用於全像抬頭顯示器的示意圖，遠離觀者(例如駕駛者)以顯示虛像1(例如交通號誌)，避免干擾駕駛者的注意力，然而靠近駕駛者以顯示虛像2(例如道路資訊)。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

100:立體全像顯示系統 11:投影機/空間光調變器 12:全像處理器 13:記憶裝置 200:多振幅限制角頻譜方法 21:輸入目標振幅與隨機相位 22:傳遞光場至全像端 23:決定相位是否已收斂 24:輸出全像 25:以平面波置換振幅 26:傳遞光場至影像端 27:適應地置換振幅 31:信號區 32:背景區 33:雜訊區 400A:複合式場疊加方法 400B:複合式場疊加方法 41:輸入目標振幅與隨機相位 42:以角頻譜與菲涅爾繞射分別傳遞近場與遠場至全像端 43:萃取相位 43B:將近場與遠場相加 44:決定相位是否已收斂 45:輸出全像 46:以平面波置換振幅 47:以角頻譜與菲涅爾繞射分別傳遞近場與遠場至影像端 48:適應地置換振幅 600A:光學裝置 600B:光學裝置 60:光源 61:分光器 62:光合器 63:後焦點 64:傅利葉平面 65:虛像 66:虛像 FOV:視場 F1:前焦距/後焦距 F2:前焦距/後焦距

第一圖顯示本發明實施例之立體全像顯示系統的方塊圖。第二圖顯示本發明實施例之多振幅限制角頻譜方法的流程圖，可適用於第一圖之立體全像顯示系統。第三圖例示待顯示影像被分為信號區、背景區及雜訊區。第四A圖顯示本發明另一實施例之複合式場疊加方法的流程圖，可適用於第一圖之立體全像顯示系統。第四B圖顯示本發明又一實施例之複合式場疊加方法的流程圖，可適用於第一圖之立體全像顯示系統。第五A圖顯示無頻帶限制之角頻譜方法與偏移菲涅爾繞射方法相對於視距的效能(信號雜訊比)。第五B圖顯示頻帶限制之角頻譜方法與偏移菲涅爾繞射方法相對於視距的效能(信號雜訊比)。第六A圖顯示光學裝置的示意圖，可適用於第一圖之立體全像顯示系統。第六B圖顯示光學裝置的示意圖，可適用於第一圖之立體全像顯示系統。第七圖顯示第一圖之立體全像顯示系統應用於全像抬頭顯示器的示意圖。

200:多振幅限制角頻譜方法

21:輸入目標振幅與隨機相位

22:傳遞光場至全像端

23:決定相位是否已收斂

24:輸出全像

25:以平面波置換振幅

26:傳遞光場至影像端

27:適應地置換振幅

Claims

一種立體全像顯示系統，包含：一投影機，對一光束進行空間調變以產生一影像；一全像處理器，對該投影機所產生的該影像執行全像方法；及一記憶裝置，儲存該全像處理器於執行該全像方法的過程中所產生的全像資料；其中該全像處理器根據該影像個別區域的顯著性，適應地置換一光場的振幅；其中該全像方法包含：輸入一目標振幅與一隨機相位作為影像端的光場；使用角頻譜方法以傳遞該光場至全像端；如果該傳遞光場的相位收斂，則輸出全像；如果該傳遞光場的相位未收斂，則以平面波或球面波置換該傳遞光場的振幅，以產生一修正光場；使用角頻譜方法將該修正光場從全像端傳遞至影像端；及根據該影像個別區域的顯著性，適應地置換該修正光場的振幅；其中該影像被分為三個區域：信號區，具高顯著性；背景區，具低顯著性；及雜訊區，圍繞該信號區與該背景區。
如請求項1之立體全像顯示系統，其中該投影機包含一空間光調變器。
如請求項2之立體全像顯示系統，其中該空間光調變器包含一單晶矽反射式液晶。
如請求項1之立體全像顯示系統，其中於該信號區，以正權重之加權目標振幅置換該修正光場的振幅；於該背景區，以負權重加權該修正光場的振幅；於該雜訊區，以正權重加權該修正光場的振幅，使得該雜訊區可吸收雜散繞射。
如請求項1之立體全像顯示系統，更包含：一光源，直接或藉由一分光器提供該光束給該投影機；及一光合器，設於觀者前面，該光合器直接或藉由該分光器以接收該光束。
如請求項5之立體全像顯示系統，其中該光合器包含一半透射鍍膜凹面鏡。
如請求項5之立體全像顯示系統，其中該光合器包含一汽車的擋風玻璃。
一種立體全像顯示系統，包含：一投影機，對一光束進行空間調變以產生一影像；一全像處理器，對該投影機所產生的該影像執行全像方法；及一記憶裝置，儲存該全像處理器於執行該全像方法的過程中所產生的全像資料；其中角頻譜方法產生一第一虛像，顯示於觀者的近場，且菲涅爾繞射方法產生一第二虛像，顯示於該觀者的遠場；其中該全像方法包含：輸入一目標振幅與一隨機相位作為影像端的光場；使用角頻譜方法與菲涅爾繞射方法分別傳遞近場的光場與遠場的光場至全像端；如果近場的該傳遞光場與遠場的該傳遞光場的相位收斂，則將近場的傳遞光場與遠場的傳遞光場相加，並輸出全像；如果近場的該傳遞光場與遠場的該傳遞光場的相位未收斂，則以平面波或球面波置換近場的該傳遞光場與遠場的該傳遞光場，以產生近場的修正光場與遠場的修正光場；使用角頻譜方法與菲涅爾繞射方法將近場的該修正光場與遠場的該修正光場分別從全像端傳遞至影像端；及根據該影像個別區域的顯著性，適應地置換近場的該修正光場與遠場的該修正光場的振幅。
如請求項8之立體全像顯示系統，其中該投影機包含一空間光調變器。
如請求項9之立體全像顯示系統，其中該空間光調變器包含一單晶矽反射式液晶。
如請求項8之立體全像顯示系統，更包含：一光源，直接或藉由一分光器提供該光束給該投影機；及一光合器，設於觀者前面，該光合器直接或藉由該分光器以接收該光束。
如請求項11之立體全像顯示系統，其中該光合器包含一半透射鍍膜凹面鏡。
如請求項11之立體全像顯示系統，其中該光合器包含一汽車的擋風玻璃。