TW200935197A - Holographic image display systems - Google Patents

Description

200935197 六、發明說明： 【發明所屬^技術領域】 發明領域 5 Ο 10 15 Ο 20 本發明是關於一種全像光學系統特別是全像影像顯示 系統中的斑點減少之技術。 發明背景 斑點在全像影像顯示系統中是一個問題，特別是在一 二維（雖然並不需要是平面）螢幕上顯示一影像的全像影像 顯示系統中。這是因為影像利用同調光產生且當影像落在 一表面上時，以波長或較大等級之不平性在觀察者之眼中 產生干擾，因此在被顯示的影像内產生斑點。像素間干擾 也產生具有與斑點類似的視覺外觀之影響，雖然在此情形 中，該影像獨立於表面之特性或觀察者之眼睛而產生。 一種可被用以減少當重放一全像影像時的斑點之技術 在ΕΡ0 292 209A中被描述。這描述了利用個別曝光產生的 一合成全像圖，具有利用一混合器產生的不同斑點場。一 種用於在一非全像影像顯示器系統中的斑點減少之技術可 在W02006A04704中找到。其他類似的背景技術可在EPi 292 134A、US2006/0012842、WO98/24240以及US6,747,781 中找到。一種利用一 1維空間光調變器（被掃描以產生一2D 影像）的系統在 J.I.Trisnadi 的 “Hadamard speckle contrast reduction”（光學文學29、11-13(2004))以及Trisnadi、Jahja I. 的 “Speckle contrast reduction in laser projection 3 200935197 displays”(矽光機器、加州桑尼維爾94089)以及US7214946、 US7046446及相關專利中被描述。 我們在以上已描述了用於全像地顯示一影像之技術

(例如，參看 WO 2005/059660、WO 2006/134398及 WO 5 2006/134404，全部都以參照方式被併入本文對一個單一 影像圖框顯示多個時間子圖框的技術具有減少由具有解相 關相位值的相鄰像素引起的像素間干擾之優點，以及減少 斑點之額外優點，因為時間依序子圖框產生具有實質上獨 立的空間相位結構之影像，從而產生在觀察者之目艮中平均 10化的獨立斑點圖案。然而，進一步的斑點減少是被期望的。 t 明内 3 發明概要 依據本發明，因此已提供一種用於在一顯示表面上全 像地顯示一影像的全像影像顯示系統，該系統包含：一空 15間光調變器（SLM)，顯示一全像圖；一光源，照亮該被顯示 的全像圖；多個投影光學元件，將來自該被照亮的被顯示 的全像圖之光投影到該顯示表面上以形成一全像產生的二 維影像，該等投影光學元件被組配成用以在一中間影像表 面形成對應該全像產生的影像之一中間二維影像；一漫射 20器，設於該中間影像表面；以及一致動器，機械地耦接於 該漫射器以在操作中移動該漫射器以在該中間影像之像素 上隨機選擇相位以減少該系統顯示的一影像中的斑點。 廣泛而言，該系統之實施例在被顯示的全像圖之中間 影像之間提供一隨機相位圖案，從而在獨立的實施例中能 200935197 夠產生多個不同斑點’該中間影像若被㈣快速地顯 示’則在眼中平均化以減少斑點。 5 ❹ 10 15 20 在多個實施例中，中間影像表面包含SLM之相位標記 之一傅裡葉轉換平面^被顯示的影像之一版本在該表面形 成，以由SLM之像素的數目（部分)決定的一解析度。 在許多情形中，該中間影像表面包含一平面，但是在 多個實施例中，該中間影像表面可以是一曲線表面，取決 於該表面在該投影光學元件内的位置以及該顯示表面是否 被彎曲。（我們之前已描述了用於投影到一曲線表面顯示器 之技術，例如對於一頭頂顯示器，在我們共同審理的申請 案GB0706264.9及US60/909394中，以參照方式被併入）。 在多個實施例中，該投影光學元件可包含縮小光學元 件，例如一擴束器或反向開普勒望遠鏡，其中一或多個透 鏡可被編碼在SLM上的全像顯示器内。在一些較佳實施例 中’該SLM包含一反射SLM。 在較佳實施例中，該全像影像顯示系統包含一“〇SPR_. 類型”系統(在之後被詳細描述），其中對於每個被顯示的影 像（圖框）’多個時間子圖框被顯示。在此技術之實施例中， 連續的圖框之像素的相位是偽隨機的，雖然在一些較佳實 施態樣中，由一個子圖框產生的雜訊在一或多個接著的子 圖框中被補償(本發明人稱此技術為適應性(AD)〇SPR)。 廣泛而言，OSPR以達到一頻率的空間頻率減少斑點雜 訊功率’該頻率取決於中間影像平面内的反向像素間隔。 若該漫射器之像素間隔的一最小特性大小不小於該中間影 5 200935197 像平面内的影像之一像素間隔，則該漫射器具有增加較多 的時間子圖框之影響。因為該OSPR程序有效地隨機選擇每 個連續子圖框之像素相位。 在一非OSPR全像影像顯示系統中，該影響與〇SPR固 5有達成的影響有些類似。然而，利用OSPR，該漫射器之一 像素間隔或特徵大小較佳地小於中間全像產生的影像之像 素間隔或特徵大小’在此情形中，斑點以比不是此情形的 頻率之增加的空間頻率被減少，達到由該漫射器像素間隔 或特徵大小之反向決定的一空間頻率。因為中間影像及漫 10 射器都是二維的，故較佳地漫射器像素間隔在中間影像平 面内的兩個對應正交方向（X及y方向）之每個方向小於中間 影像像素間隔。在一些較佳實施態樣中，漫射器在兩個方 向（X及y方向）移動以減少影像中的“條紋，，。 我們之前在PCT/GB2007/050291 (以參照方式被併入本 15文）中已描述了用於全像地顯示彩色影像之技術。因此，在 多個實施例中，光源可以多於一個波長提供照明，且可包 括光束擴展/合併或其他光學元件。在一彩色顯示系統之一 些實施態樣中，*同色彩(波長)的像素在被顯示的影像平面 内可具有實質上相同的大小。在其他實施態樣中，該等像 20素大小-般與入射光之波長成正比。在後一類型的系統 中，較佳的是漫射器之-像素小於—最小中間影像像素大 小，例如一藍色波長中間影像像素大小。 、 實際上’已發現自OSPR__相位隨機產生的雜訊減少 與自具有小於中間影像之像素的像素的漫射器之斑點減少 200935197 相乘以、、·。出實質上較低的被感知的斑點且減少斑點對比。 5 ❹ 10 15 ❹ 20 該漫射器可包含具有小於中間影像之一像素間隔的一 特徵大小之毛玻她如，在祕離上至少（例如）_之一相 位變化）。然而’因為毛玻璃在一長度比率範圍内一般是粗 糙的’故若以此比㈣特徵大小存在，則—般也具有較小 的特徵。賴向於在多個角度散射光，—比例的光被散射 超出該投景> 光學元件之—最後的透鏡之_可接受的角度， 因此產生’少強度的被顯示影像。因此使用具有一最小 特徵大小限制的—漫射器是有用的，例如中間影像平面内 的-像素間隔之1/1G(這取決於最後的透鏡之收集角度）。 為了限制最小的特徵大小，同時提供小於一中間影像 像素間隔之漫射器特徵，一像素量化相位漫射器可被使 用。其可以是一具有（例如）〇及π之相位的二進制相位漫射 器，或多於兩個相位位準可被使用。在多個實施例中，該 漫射器之該等像素可具有小Μ5μιη、4μιη、3μηι、2μιη或丨μιη 之像素間隔。該漫射器之一像素可隨機具有多個量化相位 位準之一者。因此，在多個實施例中，該漫射器包含一像 素陣列，其中每個像素之兩個相位之一者具有一5〇%的被 選擇機率。 該致動器可包含一馬達’但是在較佳實施例中，一壓 電致動器被使用。較佳地，該致動器之行程足以使至少2、 5或10個不同的相位圖案（漫射器像素)被施加給一中間影像 像素。因此’取決於像素大小，在一些較佳實施例中，該 壓電致動器具有至少5μιη之一行程，較佳地至少ΙΟμιη。為 7 200935197 了使由不同被施加的相也阁 ^ . ^曰议圖案引起的不同斑點圖案整合在 人的眼中，不同相位圖柰麻、1 岡未嫕被足夠快速地施加給斑點圖案 以在一觀察者之眼中平均化，例如在小於-秒之1/30，較 佳地小於1/60。一固定眘私 H赞可被用以取捨行程長度與移動 速度，且該致動器可共振+ 、振或不共振操作(也考慮來自致動器 5 。例如，該致動器可以10Hz與 的低音訊雜訊之被期望性) ΙΟΚΗζ之間的一頻率操作。

如之刚所闡述的，以上掏述的技術特別有利於一全像 $像顯示系統’該全像影像顯示系統產生多個時間全像子 H)圖框以在SLM上快逮連續^，使得觸*表面上的對應 〇 時間子圖框影像在-觀察者之眼中平均化以給出被顯示的 影像之印象。此技術可以達到一空間頻率之頻率減少被投 影的影像中的斑點’該空間頻率取決於SLM之傅裡葉轉換 平面内的（反向）中間影像像素間隔，且在漫射器像素間隔小 15於中間影像像素間隔之情形中，以增加的空間頻率之斑點 可被減少。在漫射器像素間隔不小於中間、全像產生的影 像之間隔之情形中’ “OSPR-效應”被有效地增強。 因此’在一相關層面中，本發明提供一種減少一全像 影像顯示系統中的斑點以在一顯示表面上全像地顯示包含 20多個像素的一影像之方法，該系統包含：一空間光調變器 (SLM) ’顯示一全像圖；一光源，照亮該被顯示的全像圖； 多個投影光學元件，將來自該被照亮的被顯示的全像圖的 光投影到該顯示表面上以形成一全像產生的二維影像，該 等投影光學元件被組配成用以在一中間影像表面形成對應 8 200935197 5 Ο 10 15 ❹ 該全像產生的影像之一中間二維影像；以及一漫射器，設 於該中間影像表面，該系統被組配成用以產生多個時間全 像子圖框以在該SLM上快速連續顯示，使得該顯示表面上 的對應時間子圖框影像在一觀察者之眼中平均化以給出該 被顯示的影像之印象；該方法包含移動該漫射器以在每個 該像素之區域内足夠快速地提供多個不同相位以使一產生 的變化斑點圖案整合在一人類觀察者之眼中以減少斑點之 一被感知的位準。 較佳地，該漫射器具有小於該系統中的一中間、全像 產生的影像之間隔的一間隔之像素，使得斑點以小於該被 顯示的影像之一最大空間頻率的一空間頻率被減少。較佳 地，該漫射器在一影像圖框之至少時間期間移動大於2、5 或10個漫射器像素，可取捨地在一或多個時間子圖框之期 間内。 雖然以上所描述的技術特別有利於被組配成用以產生 一被全像顯示的影像之系統，但是它們也可被用於利用同 調光或至少部分同調光照亮一透射或反射SLM(例如，一數 位光處理器，DLP)的影像投射系統，該SLM顯示一影像以 投影到一顯示表面上，而不是顯示一全像圖。 因此，本發明也提供了一種利用至少部分同調光將一 影像投影到一顯示表面上的影像顯示系統，該系統包含： 一空間光調變器（SLM)，顯示一二維影像；一至少部分同調 光源，照亮該SLM上的該被顯示的影像；多個投影光學元 件，將來自該被照亮的顯示影像之光投影到該顯示表面上 20 200935197 以形成一二維影像，該等投影光學元件被組配成用以形成 對應該被顯示的影像之一中間二維影像；一經像素化、量 化相位漫射器，設於該中間二維影像之一位置；以及—壓 電致動器，機械耦接於該漫射器，以在操作中，移動該漫 5射器以改變該被投影的二維影像之一斑點圖案，從而在操 作中，由移動該漫射器而產生的該被投影的二維影像之該 變化的斑點圖案在一人類觀察者之眼中平均化以減少斑點 之一被感知的位準。 在一些較佳實施例中，較佳漫射器具有小於中間影像 ίο像素間隔之一像素間隔。在多個實施例中，該漫射器具有 小於5μπι、4μιη、3μπι、2μηι或Ιμιη之一像素間隔。較佳地， 該致動器（較佳的是一壓電致動器）被組配成用以在兩個方 向移動該漫射器。 圖式簡單說明 15 僅透過舉例，本發明之此等及其他層面現在參照附圖 被進一步描述。 第1圖顯示了包含一全像投影模組的一消費者電子裝 置之一例子； 第2圖顯示了第1圖之全像投影模組之一光學系 20 例子； /' > 第3圖顯示了第丨及2圖之全像影像顯示系統之一硬體 加速器之一實施例的一方塊圖； 實施例中 第4圖顯示了如第3圖中所示的一硬體塊之— 執行的操作； 200935197 第5圖顯示了在一樣本影像乘以一隨機相位矩陣之前 與之後的能量譜； 第6圖顯示了具有並行量化器的一硬體塊之一實施 例’以分別自複數全像子圖框資料之實數及虛數部分同時 5 產生兩個子圖框； 第7圖顯示了產生偽隨機二進制資料且將進入的影像 資料Ixy乘以相位值以產生Gxy的硬體之一實施例； 第8圖顯示了用以將進入的影像圖框資料Ixy乘以複數 相位值以產生相位調變影像資料Gxy的硬體之一實施例，該 10等複數相位值自一查找表隨機選擇； 第9圖顯示了透過具有回饋的一 1D轉換塊對進入的相 位調變影像資料Gxy執行一 2D轉換以產生全像資料guv的硬 體之一實施例； 第10圖顯示了適用於本發明的一彩色全像影像投影系 15 統； 第11圖顯示了當透過邊L之一平方孔徑使一均一目標 成像的一未被調變的斑點圖案之功率譜密度； 第12圖顯示了斑點模型之一輪廓，顯示了（a)被投影到 一粗螢幕上的相位隨機目標影像之一影像；（b)該螢幕產生 20的遠場，藉解剖光瞳成孔徑；（c)在視網膜上產生的螢幕之 亮度影像，其中心區域（由方塊顯示)被用以計算功率譜密度 (在(d)圖中顯示）； 第13圖顯示了當使遠場成為 (a)25%(b)50%(c)75%W100%5.3mm 的解剖光瞳區域孔徑 200935197 時，對斑點場之結構的影響； 第14圖顯示了四個不同孔徑大小之功率譜密度（實線) 與單獨自孔徑大小計算出的理論值(虛線）比較的建模變化； 第15圖顯示了重放場區域之四個孔徑大小 5 (a)25%(b)50%(c)75%(d)100%的像素值柱狀圖；顯示了頻率 與像素值之指數衰減的圖式利用一紅色線被顯示；斑點對 比值分別是0.92、0.9、0.87及0.68 ; 第16圖顯示了 對於孔徑大小 (a)25%(b)50%(c)75%(d)100%，被孔徑PSF覆蓋的螢幕之區 10 域的影像； 第17圖顯示了將重放場成為重放場大小之 (a)6.25%(b)12.5%(c)18.75%(d)25%的孔徑，同時維持與被用 以產生第15圖的模擬相同的解析度；斑點對比值分別是 0.69、0.85、0.86及0.89 ; 15 第18圖顯示了將重放場成為重放場大小之 (a)6.25%(b)12.5%(c)18.75%(d)25%的孔徑之影響，同時將模 擬之解析度增加4之因數；該等斑點對比值分別是〇 92 ' 0.98、0.97及0.98 ; 第19圖顯示了對孔徑大小5%、10%、15〇/。及2〇%(實 20線），利用一高解析度模擬計算出的頻譜功率分佈；4個不 同孔徑大小之頻譜功率分佈之理論預測由虛線顯示； 第20圖顯示了對於（a)5%(b)10%(c)15%(d)20%之孔徑 大小’由一色差成像系統形成的亮度圖案之柱狀圖；該等 斑點對比值分別是〇·92、〇·92、0.97及0.97 ; 200935197 第21圖顯示了利用一色差成像系統量測的亮度圖案之 頻譜功率分佈； 第22圖顯示了斑點場之頻譜特性上的一發光75〇χ45。 漫射器之影響一以50、1〇〇、15〇及200rps之速度旋轉漫射器 5 大大地減少了最低空間頻率所見的功率，從而產生一較平 滑的影像； 第23圖顯示了頻譜功率密度之變化，利用（藍色）無漫射 器（綠色）中間影像平面内的一靜態漫射器以及（紅色）一壓 電致動器以振動一像素二進制相位遮罩； 10 第24&及241)圖示意性地顯示了實施本發明之實施例的 全像影像顯示系統之第一及第二例子的方塊圖；以及 第25a及25b圖分別顯示了實施本發明的一彩色全像影 像顯示系統之一示意圖，以及描述漫射器及致動器之細節 的第25a圖之系統的一機構組態之細節。 15 【實施方式】 較佳實施例之詳細說明 之前我們在序號為0512179.3的UK專利申請案（於2〇〇5 年6月15曰提出申請，以參照方式被併入）中已描述了一全 像投影模組，該全像投影模組包含一實質上單色光源（例 20 如，一雷射二極體）；一空間光調變器（SLM)，對光進行(相 位）調變以提供用於產生一被顯示的影像之一全像圖；以及 一縮小光學系統，用以增加被調變光之分歧性以形成被顯 示的影像。沒有該縮小光學元件’一被顯示的影像之大小 (與SLM之距離)取決於SLM之像素大小，使光繞射的像素越 13 200935197 小，產生一較大的影像越多。一般一影像需要以幾米或更 5 大的一距離被觀察。該縮小光學元件增加了繞射，因此允 許一有用大小的影像以一實際距離被顯示。而且，被顯示 的影像實質上是無焦點的：即，影像實質上聚焦在一寬的 範圍内，或者以與該投影模組之所有距離。 各種不同的光學配置可被用以達成此影響，但是一特 別的有利組合包含具有個別第一及第二焦距之第一及第二 10 15 20 透鏡，且第二焦距比第—焦距短，且該等第一透鏡比該: 第一透鏡更接近空間光調變器（沿著光學路徑）。較佳地，. 鏡之間的距離實質上等於它們的雜距離之和 ，從而有I 地形成一（縮小）望遠鏡。在一些實施例中 ，兩個正（即，I 斂)簡單透鏡被使用’雖然在其他實施例中 ，一或多個負」 發散透鏡可被使用。1波ϋ也可被包括以濾除被顯示, 影像之不心要的部分，例如—明亮（零階)未被繞射的點或 重複第-”可能呈現為被顯示的影像之—反轉版本: 該光學系統（以及之後描述的光學‘統)可與用於計; 全像圖之任何類型的系統或程序一起被使用以在SLM 顯示以產生被顯示的影像。'然而，我們具有-些特別較; 的程序’其中被顯示的影像自多個全像子影像形成， 們虛擬地結合以給予（―人類觀察者）用於顯 之印象。因此’例如 朋糊 速連續地顯示以整合在人…:框較佳地在時間“ 料可由-數位信號處理 像子圖框之I 在軟體控制下的-通用邮 I 。號處理器可包含用Dsp(例如，結合被錯存在非依電性

14 200935197 5 ❹ 10 15 ❹ 20 記憶體中的程式）、或專用硬體、或者其二者之一組合(例 如，具有專用硬體加速之軟體）。較佳地，該SLM包含一反 射SLM(為了緊湊），但是一般而言，能夠對光進行相位調變 的任何類型的像素微顯示器可被使用，可取捨地結合一適 合的驅動器晶片（若需要）。 現在參看第1圖，其顯示了一示範性消費者電子裝置 10，包含一硬體投影模組12以投影一被顯示的影像14。被 顯示的影像14包含多個全像產生的子影像，每個子影像具 有與被顯示的影像14相同的空間範圍，且被快速連續顯示 以顯現被顯示的影像。每個全像子圖框沿著以下所描述的 直線產生。可作出關於GB 0329012.9之進一步的詳細參考 C如上）。 第2圖顯示了第1圖之全像投影模組之一示範性光學系 統。參看第2圖’ 一雷射二極體2〇(例如，以532nm)提供實 質上被校準的光22給一空間光調變器24(例如，一像素液晶 調變器）。該SLM 24利用一全像圖對光22進行相位調變且該 被相位調變的光被提供一縮小光學系統26。在所描述的實施 例中，光學系統26包含一對透鏡28、30且藉使形成被顯示的 影像之光發散而增加被投影的全像影像之大小，如所示。 仍參看第2圖’較詳細地，透鏡1^及1^2(分別具有焦距 及&)形成光束擴展對。這使光束自光源擴展，使得其覆蓋 調變器之整個表面；取決於光束22與SLM24之相對大小， 此等可被省略。 透鏡對L3&L4(分別具有焦距f3及f4)形成一縮小透鏡 15 200935197 對。這有效地減少了調變器之像素大小，因此增加了繞射 角度。因此’影像大小增加。影像大小之增加等於£3對£4之 比率，f3與f4分別是透鏡l3與L4之焦距。一空間濾波器可被 包括以濾除被顯示的影像之不想要的部分，例如一零階未被 5繞射點或一重複第一階(共軛)影像，可能呈現為被顯示的影 像之一反轉版本，取決於用於顯示影像的全像圖如何產生。 繼續參看第2圖，一數位信號處理器1〇〇具有一輸入 102，該輸入1〇2用以自定義需被顯示的影像之消費者電子 裝置接收影像資料。該DSP 100實施一程序(在以下被描述) 10以對多個全像子圖框產生相位全像圖資料，該等全像子圖 框自DSP 100之一輸出1〇4提供給SLM 24，可取捨地透過一 驅動器積體電路(若需要）。該DSP 100驅動SLM 24投影多個 相位全像子圖框，該等相位全像子圖框合併以在重放場 (RPF)内得到被顯示的影像14之印象。 15 該〇卯可包含專用硬體及/或快閃或其他唯讀記憶 體儲存處理器控制碼以實施一全像產生程序，在較佳實施 例中以產生子圖框相位全像資料以輸出給SLM 24。 OSPR 現在我們描述用於計算在SLM 24上顯示的全像資料 20之一較佳程序。廣義上我們稱此程序為一步相位檢索 (OSPR)，雖然嚴格而言，在一些實施態樣中，其可被認為 多於一步被使用（例如GB0518912.1及GB0601481.5中所描 述的’以參照方式被併入，其中一子訊框中的“雜訊，，在下 一子訊框中被補償）。 16 200935197 因此，我們之前已在序號為(^〇329〇129的1;尺專利申 請(於細年12月15日）中描述了一種顯示包含多個視訊圖 框的全像產生的視訊影像之方法，該方法包含對每個圖 框期間提供個別連續多個全像圖且顯示該等視訊圖框之全 5像圖以觀察其重放場，從而每個圖框之雜訊方差藉在該等 全像圖之間平均而被認為削弱。 廣泛而έ，在我們的較佳方法中，該SLM利用全像資 料被調變，近似需被顯示的影像之一全像圖。然而，此全 像貝料以一特別方式被選擇，被顯示的影像由多個時間子 10圖框組成，每個時間子圖框藉利用一個別子圖框全像圖對 該SLM調變而產生。該等子圖框被連續且足夠快速地顯 不，使得在一觀察者之眼中，該等子圖框(每個子圖框具有 被顯示的影像之空間範圍）被整合在一起以產生顯示之被 期望的影像。 15 每個子圖框全像圖本身可能相對有雜訊，（例如）由於將 全像資料量化成兩個（二進制）或多個相位，但是該等子圖框 之時間平均減少了雜訊之感知位準。此一系統之實施例可 提供可視高品質顯示器，即使每個子圖框看起來相對有雜 訊(右其被獨立觀察）。 20 與嘗試利用一個單一全像圖精確地再現一被顯示的影 像之解決方案相比，此解決方案具有減少的計算要求之優 點，且也促進一相對便宜的SLM之使用。 將明白的是，SLM—般提供相位調變而不是幅值調 變，例如一二進制裝置提供零與兀之間的相對相移(+1及_1 17 200935197 用於一正規化單位幅值）。然而，在較佳實施例中，多於兩 個相位位準被使用（例如，四相制調變(〇、π/2、π、3π/2))， 因為只利用二進制調變，該全像圖產生一對影像，一影像 相對於另一影像在空間上反轉，失去一半的可用光，然而 5利用相位位準之數目大於二的多位準相位調變，此第二影 像可被移除。進一步的細節可在我們之前的申請案 GB0329012_9(如上）中找到，其全部内容以參照方式被併入 本文。 10

雖然該方法之實施例的計算強度小於之前的全像顯示 方法，但是一般期望提供一種具有減少成本及/或功率消耗 及/或增加效能的系統。特別期望提供用於一般具有處理資 料以在一有限圖框期間顯示連續的影像圖框中的每個影像 圖框之要求的視訊用途之系統的改良。 15 我們也在GB0511962.3(於2005年6月14日提出申請）中 描述了用於一全像影像顯示系統之一硬體加速器，該影像 顯示系統被組配成用以利用多個全像產生的時間子圖框產 生一被顯示的影像，該等時間子圖框被依序顯示，使得它 們被感知為單-減少雜訊的影像，每㈣子圖框藉利用全

像資料調變一空間光調變器而被全像產生 使得由該全像 20 資料定義的—全像圖之纽定義—該子圖框，該硬體加速 器包含：-輸人緩觸，儲存定義該被顯示的影像之影像 資料；-輸出緩衝器，儲存—該子圖框之全像資料·，至少 -硬體資料處理模組，_於該輸人資料緩衝器及該輸出 資料緩衝器以處職影像資料以產生—該子圖框之該全像 18 200935197 資料；以及一控制器，耦接於該至少一硬體資料處理模組以 控制該至少一資料處理模組以將對應一個單一該被顯示的 影像之該等子圖框的全像資料提供給該輸出資料緩衝器。 在此較佳實施例中，多個硬體資料處理模組被提供以 5並行處理多個子圖框之資料。在較佳實施例中，該硬體資 料處理模組包含一耦接於輸入資料緩衝器的相位調變器， 且該相位調變器具有一相位調變資料輸入以根據較佳地包 ❾ 含至少部分隨機相位資料的一輸入調變影像之像素的相 位。此資料可即時產生或自一非依電性資料儲存器提供。 —10該相位調變器較佳地包括至少一乘法器以將來自該輸入資 料緩衝器的像素資料乘以輸入相位調變資料。在—個簡單 的實施例中，該乘法器僅改變輸入資料之一符號。 該相位調變器之一輸出被提供給一空間_頻率轉換模 組，例如一傅裡葉轉換或反向傅裡葉轉換模組。在之後所 田it的王像子圖框產生程序之脈絡下，此兩個操作實質上 〇 疋等效的，只有效地區別一個比例因數。在其他實施例中， 其他空間-頻率轉換可被使用（一般頻率表示自空間位置或 像素影像資料導出的空間頻率資料）。在一些較佳實施例 中，空間-頻率轉換模組包含一具有回饋的一維傅裡葉轉換 模組’以執行被相位調變的影像資料(之空間分佈）的一二維 傅裡葉轉換以輸出全像子圖框資料。這簡化了硬體且致能 (例如）首先處理列接著處理行（或者反之亦然）。 在較佳實施例中，該硬體也包括耦接於該轉換模組之 輪出的一量化器以量化全像子圖框資料以提供一子圖框之 200935197 5 10 全像資料給該輸出緩衝器。該量化器可量化成二四或更 多的(相位)位準。在較佳實施射，該量化器被叙配成用以 量化該全像子®框資料之實數與虛數部分以產生—對子圖 框給該輸出緩衝器。因此，一般而言 該空間-頻率轉換模 組之輸出包含在複數平面上的多個資料點，且這可在實數 轴上的-點(例如’零點)被界定(量化)以將複數平面分成兩 半，因此產生-第-組二進制量化資料，接著在虛數軸上 的一點被量化（例如 0/·)以將複數平面分成又一兩個區域 (大於0的複數部*、小於零的複數部分）。由於子圖框之數 目越大，整體雜訊越小，這提供進一步的利益。 較佳地’該等輸人及輸出緩㈣之—者❹者包含雙淳 記憶體。在-些蚊_實關巾，該全像雜顯示系統包

含一視訊影像顯示系統且被顯示的影像包含一視訊圖框。 15

在一實施例中，硬體加速器之各級實施以下給出的演 算法之一變化，如之後所描述的。該演算法是對每個靜止 或視訊圖框I=/xy產生ΛΓ個二進制-相位全像圖〜h(N>之集 合的方法。該演算法之統計分析已顯示，此等全像圖集合 顯示呈現相互獨立的加性雜訊之重放場。 1 ·令，其中 < 在〇與271之間均勻地分 20佈’對於且 2 ·令以=厂-，其中F-1表示二維反向傅裡葉轉換 運算子，對於 3 .令<)=识{gLn>}，對於 4 ·令<+_=3{以)} ’ 對於 lsw$jV72 20 200935197

if ^ if > ρ(") 其中 g(") = )且對 步驟1形成iV個等於被提供的亮度目標^之幅值的目 標(¾0，但是具有獨立等分佈(i.i.t)均一隨機相位。步驟2計 5算出#個對應全複數傅裡葉轉換全像圖。步驟3及4分別 計算全像圖之實數部分與虛數部分。該等全像圖之實數與 虛數部分的二進制化接著在步驟5執行：在„^之中值周邊 定界確保相等數目的_1及丨點存在該等全像圖内，從而達成 DC平衡(藉由定義）以及最小的重建誤差。在一實施例中， 10 之中值被假設為零。此假設可被顯示為合法且作出此假 設之影響關於被感知的影像品質被最小化。進一步的細節 可在申請人之之前的申請案中找到（如上），給出其參考。 第3圖顯示了第1圖之模組12的全像影像顯示系統之一 硬體加速器之一實施例的方塊圖。該系統之輸入較佳的是 15來自一來源(例如，一電腦）的影像資料，雖然其他來源同樣 可應用。輸入資料被暫時儲存在一或多個輸入緩衝器内， 其中此程序之控制信號自系統中的一或多個控制器單元被 提供。每個輸入緩衝器較佳地包含雙端記憶體，使得資料 被寫入輸入緩衝器且同時自該輸入緩衝器讀出。來自第1圖 2〇 中顯示的輸入緩衝器之輸出是一影像圖框(被標示為^，且 其被稱為硬體塊之輸入。利用第2圖較詳細描述的硬體塊在 每個以上阐述的影像圖框I上執行一系列操作，且對每個影 像圖框I產生被發送給一或多個輸出緩衝器的一或多個全 21 200935197 像子圖框h。每個輸出緩衝器較佳地包含雙埠記憶體。此等 子圖框自以上闡述的輪出緩衝器輸出且被提供給一顯示裝 置’例如一SLM，可取捨地透過一驅動器晶片。此程序藉 以被控制的控制信號自一或多個控制器單元被提供。該等 5控制信號較佳地確保一或多個全像子圖框被產生且在每個 視§fL圖框期間被發送給slm。在一實施例中，自該控制器 發送給輸入及輸出緩衝器的控制信號是讀取/寫入選擇信 號，同時控制器與硬體塊之間的信號包含各種時序、初始 化及流動控制資訊。 10 第4圖顯示了第3圖中描述的一硬體塊之一實施例，包 含一組被設計用以產生一或多個全像子圖框給被提供給該 硬體塊的每個影像圖框之硬體元件。在此一實施例中，較 佳地影像圖框Ixy在每個視訊圖框期間被提供一次或多 -人，作為該硬體塊之輸入。此等影像圖框之來源可以是如 15第3圖中所示的一或多個輸入缓衝器。接著每個影像圖框Ixy 被用以透過一組操作產生一或多個全像子圖框，該组操作 包含：一相位調變階段、一空間-頻率轉換階段及一量化階 段。在多個實施财，一組_子訊框(其中N大於或等於^ 透過使用-組以上闡述的依序操作、或在不同的子圖框上 2〇並仃運作的幾個操作、或此兩方法之一混合在每個圖框期 間產生。 第4圖之實施例中顯示的相位_調變塊之目的是將輸入 圖框之4¾:重新分佈在m頻率勒，使得最終的影像品 質之改良在執行之後的操作之後獲得。 22 200935197 第5圖顯不了在一隨機相位分佈被使用的_相位_調變 階段之前及之後分佈的一樣本影像之能量的一例子。可看 出’藉此相位分佈調變一影像具有將能量較均勻地分佈在 空間-頻率域之影響。 5 在第4圖之實施例中顯示的量化硬體具有獲得複數全 ❹

像圖資料之目的’該複數全像圖資料被產生為之前的空間_ 頻率轉換塊之輸出且將其映射成一組有限值，該等值對應 可在一目標SLM上達成的實際相位調變位準。在一實施例 中，量化位準之數目被設定為二，其中此—解決方案之一 10例子是在每個像素上產生〇或π之相位延遲的相位調變器。 在其他實施例中，對應不同相位延遲的量化位準之數目可 以是二或更多。沒有對如何分佈不同的相位延遲位準之限 制—一規則分佈、不規則分佈或此兩分佈之—混合可被使 用。在較佳實施例中，該量化器被組配成用以量化全像子 15圖框-資料之實數與虛數部分以產;* 一机^ m 刀座生對子圖框給輸出緩 衝器’每個子圖框具有兩個相位·延遲轉^顯於 散像素場’複數全像子圖框資料之實數與虛數部分不相 關，這是為什麼要合理地獨立處理實數與虛數部分且產生 兩個不相關的全像子圖框。 20 第6圖顯示了第3圖中描述的硬體塊之_實施例，其中 一對量化元件在該线巾並行排如相自職數全像子 圖框資料之實數與虛數部分產生―對全像子圏框。 具有許多可產生相位_調變資料的不同方法’如第4圖 中所示。在—實施例中，偽隨機二進制相_«料由包 23 200935197 3具有回饋的偏移暫存器及一XOR邏輯閘的硬體產生。 第7圖顯示了此—實施例，該實施例也包括用以將進入的影 像Η料乘以二進制相位資料的硬體。該硬體包含用以產生 進入的資料之兩個複本的裝置，其中一者乘以-1，之後一 5乘法器選擇兩個資料複本之一者。此實施例中的乘法器之 控制彳°號是由偏移暫存器與相關電路產生的偽隨機二進制 相位_調變資料，如之前所描述的。 在另—實施例中’預先計算出的相位調變資料被儲存 在一查找表内且該查找表之 一連串位址值被產生，使得自 1〇該查找表讀出的相位-資料是隨機的 。在此實施例中，可顯 不用以確保隨機性的一充分條件是該查找表内的項目之數 目N大於彳立址值每次增加的值m，m不是N之一整數因數， 且當超過N時’位址值“捲繞(wraparoundy’到它們的範圍之 開始。在一較佳實施例中，N是2之次方(例如256)，使得位 15址捲繞不需要任何額外電路被獲得，且m是一偶數使得其不 是N之一因數。 第8圖顯示了此一實施例之適合的硬體，包含一具有回 饋的三輸入加法器，對包含一組N個資料字的一查找表產生 —系列位址值’每個資料字包含一實數與虛數部分。輪入 20影像資料W被複製以形成兩個相等的信號，該兩個相等的 信號乘以自該查找表選擇的值之實數及虛數部分。從而此 操作分別產生被相位調變的輸入影像資料Gxy之實數與虛 數部分Ixy。在一實施例中，加法器之第三輸入(被表示為n) 是表示目前的全像子圖框之一值。在另一實施例中，第三 200935197 輸入η被忽略。在又一實施例中，m及N都被選擇以區別質 數集合之不同成員，這是保證該連串位址值真正隨機的堅 固條件。 第9圖顯示了對進入的相位調變影像資料Gxy執行一 5 2-D FFT的硬體之一實施例，如第4圖中所示。在此實施例 中，用以執行2-D FFT操作的硬體包含一 1-D FFT塊、用於 儲存中間列或行結果的記憶體元件以及從記憶體之輸出到 一多工器之一輸入的一回饋路徑。此多工器之另一輸入是 被相位調變的輸入影像資料Gxy，且該多工器之控制信號自 10 第4圖中所示的一控制器塊提供。此一實施例表示執行一 2-DFFT操作之區域有效方法。 在其他實施態樣中，第4及6圖中描述的操作可以軟體 部分或全部實施，例如在一專用數位信號處理器上。 在OSPR方法中，我們在以上已描述了子圖框全像圖被 15 獨立產生，因此呈現獨立的雜訊。然而，用於每個子圖框 之產生程序可考慮之前的子圖框產生的雜訊以刪除該雜 訊，有效地在（例如）《個OSPR圖框至該程序之級之後 “回饋”所形成之被感知的影像，從而形成一閉迴路系統。 此一適應性(AD)OSPR程序如下使用回饋：該演算法之每個 20 階段η計算自之前產生的全像圖况至產生的雜訊、且將 此雜訊分解因數以產生全像圖凡，從而刪除雜訊。因此， 雜訊方差降為1/Ν2(其中一目標影像Γ輸出一組#個全像 圖）。較多的細節可在W02007/031797及W02007/085874中 找到。 25 200935197 透鏡編碼 藉由以一離散菲涅耳轉換代替傅裡葉轉換，該OSPR演 算法可被一般化為計算菲涅耳全像圖之情形。與二進制菲 涅耳全像圖相關的主要優點是被繞射的近場不包含一共軛 5 影像。 回看第2圖，這顯示了一全像投影器之一個簡單的光學 架構。透鏡對Ζι與上2形成一開普勒望遠鏡或擴束器，其擴 展雷射光束以擷取整個全像圖表面，使得沒有產生重放場 之低通濾波。相反的配置被用於透鏡對Z3與L4，從而有效 10地縮小全像圖‘，因此增加了繞射角度。重放場大小R之相關 增加是系統之“縮小”，且由焦距/4對/3之比率設定。 可自該光學系統去除透鏡上3，藉由使用編碼等效透鏡 光學能力之一菲涅爾全像圖。來自該投影器的輸出影像在 與輸出透鏡I4的所有距離上仍被聚焦，但是由於近場傳播 15之特性，沒有受到共軛影像因素。A是透鏡對之較大者， 因為其具有較長的焦距，且自光學路徑去除尤3大大地減少 了系統之大小及重量β 相同的技術也可被應用於光束-擴展透鏡對心與12，其 執行透鏡對Α與Α之相反的功能。因此可能在擴束與縮小 20元件之間共用一透鏡，其等可被表示為編碼到一菲涅爾全 像圖的透鏡函數。這產生一只需要兩個小、短焦距透鏡之 全像投影器。其餘透鏡被編碼到一全像圖上，該全像圖以 一反射組態被使用。 回看以上所描述的OSPR程序之步驟1至5，步驟2之前 26 200935197

是一二維反向傅裡葉轉換。為了實施一菲涅爾全像圖（而且 編碼一透鏡），如以上所描述的，一反向菲涅爾轉換替代之 前所描述的反向傅裡葉轉換被使用。 離散菲涅爾轉換可以一傅裡葉轉換之形式被表示 5 Hxy=F^)-F[F^hm] 反向菲涅爾轉換可使用形式： J Η Λ 厂-1 _ //(2) MV _ ~"^(2)~ UV 其中 f \2 / \2 丄+丄WJ_ 10 且

F 0) 4Λ ,ί2πζ____ΐπ ΐλζ exp exp λ λζ 巧2) = exp与(μ24 + ν24)。 λζ 實際上，因數F(1)與F(2)以全像圖h之一菲涅爾轉換轉變 傅裡葉轉換。每個全像圖像素之大小是4x4，且全像圖之 總的大小是（以多個像素)#xM。在上文中，z定義全像透鏡 15 之焦距。最後，重放場内的取樣間隔是： \ = λζ ΝΑ NAy 使得重放場之大小是，與夫朗和斐繞射體制下

Ar Δ, 27 200935197 的重放場之大小一致。 第4圖中所示的轉換可以是一二維反向菲涅爾轉換（不 是一二維FFT)，且第6圖中的轉換可以是一菲涅爾（不是一 傅裡葉)轉換。在第9圖之硬體中，一維FFT塊可被一FRT(菲 5 〉圼爾轉換)塊代替’使得第9圖之硬體執行一二維frt，而不 是一二維FFT。此外，因為以上阐述的比例因數Fxy及Fuv， 一比例因數較佳地被併入第9圖中所示的迴路中且一第二 比例因數乘以該結果。 可作出申請人之共同審理的序號為 10 PCT/GB2007/050157國際專利申請案（於2007年3月27曰提 出申清，其全部以參照方式被併入)之較詳細參考。 彩色顯示器 參看第10圖，其顯示了依據本發明之一實施例的一彩 色全像影像投影系統1000。 15 該系統1000包含红色1002、綠色1006及藍色1004校準 雷射二極體光源，例如分別以638nm、532nm及445nm之波 長。每個光源包含一雷射二極體1〇〇2，且若需要，包含一 校準透鏡及/或擴束器。可取捨地，該等光束之個別大小被 調整比例成全像圖之個別大小，如之後所描述的。紅色、 °綠色及藍色光束在所示的兩個二向分束器1010a、b中合並 且被合併的光束被提供給一反射空間光調變器1012(雖 然，在其他實施例中，一透射SLM可被使用）。 合併的光束被提供給縮小光學元件1014，該縮小光學 70件1014將全像產生的影像投影到一螢幕1016上 。如所描 28 200935197 述的，紅色場之範圍大於藍色場之範圍，由（恆定的）SLM 像素間隔及照亮光之個別波長決定。在操作中，紅色、綠 色及藍色場被進行時間多工，例如藉以一時間多工方式驅 動雷射二極體以產生一全彩色顯示器。 5 理論上，該縮小光學元件1014可被組配成用以對不同 的波長縮小不同的因數，藉由（實際上）引入可控“彩色”色 差。可選擇地，透鏡光學能力可依據照亮SLM的光之色彩 被調整，以與SLM之不同色彩同步地選擇不同的縮小因 數。然而，較佳地，當計算需在SLM上顯示的全像圖時， 10 SLM對光之不同色彩的不同繞射角度之調整被補償，如 PCT/GB2007/050291中詳細描述的，以參照方式被併入。 虛線1018顯示了一中間影像平面，即SLM之一傅裡葉 轉換平面，一斑點減少漫射器（以下所描述的）可設於該中間 影像平面上。 15 班點減少一理論、逮掇及會給 對於一統計觀察者位置，斑點場之明顯的結構大小取 決於使用的成像系統之解析度限制（因此是光瞳大小）。在 “統計光學元件”(J.W.Goodman，Wiley Classics Library Edition，2000)中描述的理論分析之後，我們假設散射螢幕對 20 於近似一波長的比例是理想的（即，一平坦[-π，π]相位分 佈）。斑點圖案之頻譜分佈由孔徑之自相關函數給出。對於 一方形光瞳之情形，其看似第11圖中所見的函數。對於一 圓形孔徑’該函數逐漸下降。這再次顯示，當觀察者光瞳 大小減少（減少L)時，功率譜密度較限制在最低空間頻率周 29 200935197 圍，從而產生斑點大小之一明顯增加以及對觀察者之較大 繞射。 光瞳大小對斑點場之影響可在該模型内被決定。因 此，該螢幕被建模為在一256x256像素螢幕中的一 100x100 5像素區域上具有一之像素大小的理想散射器（第12(a) 圖）。藉由在零點嵌入螢幕，應可能自任何背景雜訊辨別影 像中的斑點之統計數目。該螢幕藉來自該投影器的光被相 位調變。假設一400x200解析度，一2〇。尖角在2〇cm之距離 獲得一〜140μπι之像素解析度。假設人眼為丨弧分之角解析 10度’則螢幕上的最小可解析的特徵是60μϊη。 藉由選擇一20μπι之結構大小給螢幕，重放場之實際大 小是/(= 20cw) * 2(= 532«m) / Zl(= 20卿)〜5.3wm ’接近昏暗條件下 的解剖光睡之大小（一般為5-8mm)。此重放場接著可以一圓 形光瞳形成孔徑以近似通過眼睛的光（第12(b)圖）。在真實 15 的眼中，該成像系統遠遠不是理想的。為了使模擬較實際， 自一組所量測的視覺色差獲得的色差可被施加給解剖光瞳 之區域。理論上，該等色差不將改變所觀察的斑點圖案之 統計資料，但是它們將改變在視網膜上形成的影像中的光 之實際分佈。 20 對於一2mmx2mm之螢幕大小以及· —17mm之視覺焦 距，該影像之放大大約是17mm/200mm〜1/12，從而產生一 167之總的影像大小。若眼中的一圓錐形感光器之典型大小 在凹處大約是2·5μιη，在視網膜影像中的200x200個像素具 有---3μιη之間隔必須比相干降頻取樣至大約50x50個像 30 200935197 素。這表示重放場内的細像素組必須被相干求和以決定在 眼中的每個圓錐體上入射的光之亮度及相位。此影響對於 第一組模擬沒有被考慮，該第—組模擬假設影像利用比眼 睛具有更長焦距及更細像素解析度的照相機獲得（第12⑷ 5 圖）。 為了避免由光瞳平面中的色差引起的邊緣失真，在決 定所觀察的亮度圖案之統計資料之前，榮幕之視網膜影像 在X與y方向被裁剪80%。 測試該模型：用以決定由該模型預測的亮度圖案是否 10實際上由一斑點效應引起的主要測試之一是將亮度分佈之 頻譜特性與理論上的頻譜特性比較。為了測試此，填充重 放場區域之寬度的25%、50%、75%及100%之四個不同的孔 徑大小被使用。依據實驗及理論上所觀察的，較小的孔徑 大小產生具有較粗的亮度圖案之視網膜影像(；第13圖）。接著 15該等亮度圖案之功率譜密度利用在孔徑視網膜（亮度）影像 上的一FFT計算出。由於被重複的FFT之對稱性，此操作接 著產生與孔徑函數近似的一分佈頻譜功率。為了自一圓形 2D頻譜分佈產生一功率頻譜圖，該2D矩陣利用在每個半徑 之所有極點座標上所量測的平均功率被映射到一極點座標 20 系統。當此映射較差時，產生的曲線看似非常雜亂。該等 曲線與第14圖中被模擬的功率頻譜顯示在一起。可看出最 佳適配被獲得給最小孔徑大小；其原因在以下被討論。 用以決定所見的亮度圖案確實是由於相干雜訊引起之 進一步的測試包括測量斑點對比以及亮度圖案之群體統計 31 200935197 資料。理論上，標準差對平均亮度之比率應是真正的斑點 圖案之單位。對於以上模擬，不同的孔徑大小之斑點對比 值是(25%)0.92、（5〇%)0·90、（75%)〇 87、⑽％)〇 ⑽。像素 值柱狀圖之變化在第15圖中被顯示。同樣地，此等顯示ΐ 5利用該模型之適配對於最小的孔徑大小之情形是最精確 的0 10 15 20 利用孔徑大小模擬理想賴特性之增加的偏差之原! 可按照孔彳fPSF雜釋。A 了真正地雖職，我們要求, 像平面内的每個像素是目標平面内的多個像素之貢獻的名 果。當影像平面可被描述為影像與孔徑之PSF的捲積時 PSF必須足夠寬以在PSF區域内包含多個像素。從第柳 看出，這只是25%及以下的孔徑大小之情形。 從這方面’我們可推斷出，為了獲得賴之-實㈣ 擬，我們需要該孔徑佔用<25%的重放場區域，但是為了吻 該區域對應-5.3nm之大小，我們需要該勞幕之結構大小1 降至B至大約5卿之—因數，即我們使模擬之解析度為迈 倍。可選擇地是’鱗模擬解析度相同且在每個方面將璧 幕之實際大小減少4之因數(〇 25mm2)。然而，在此情形中 在施加孔徑之後，仙依靠模擬巾逐漸減少的資料點以讀 構影像平面，從而產生錯誤。這可被視為將孔徑大小減少 -4之因數且維持相同的解析度(第湖）。藉由將模擬之網 析度增加與孔徑被減少的因數相同的因數(使得被用以翻 成影像平面的像素之數目恆定），將亮度映射返回成斑點胡 冲資料(第I8圖）。該等值顯示，當孔徑佔用〜戲的重玫領

32 200935197 大約 0.9-1.1 區域時，以一較高的解析度，該模擬產生具有 之對比值的指數衰減色差。 、 利用該等模擬參數計算亮度場之頻譜功率八 _ 該模型如何適配與理論賴接近(第19®)。佈顯7Γ 了 5 ❹ 10 15 ❹ 20 我們_考慮具有視覺色差之*變性 之统古十雷射斑點圖案 之統冲特!·生不會隨著將色差引入成像系 型預測的真许国电 叫改變。若該模 玉預J的儿度圖案由相干雜訊引起，則 盥蔣多葚3丨λ上* 工％示的圖表應 ，、將色差狀光瞳平面的圖表相同。變化的 、 顯示沒有影響在影像平面中形成的亮度圖案色被 自該等色差獲得的樣本斯在第巾被^計特性。 現在我們描述一些實驗結果：第22圖 啤碉不了輿一絲言十 漫射器相比’一（全像)漫射器在一馬達上旋轉對於以較低介 間頻率減少斑點圖案之頻譜功率非常有效。 _二 茚而，用以達 成此斑點減少之位準的亮度補償是高的，是不被期望地。 利用-㈣致動ϋ及-二進制相位漫射器，1似的效應 可被達成，沒有此亮度之高度減少，如第23圖中所示。 總而言之，當目標内的多個點貢獻於影像平面内的每 個點時（即’成像系統之PSF足夠大），斑點可被精確地模 擬。穿過成像系統之孔徑的點之數目也必須足夠大(2256點） 以產生遵循斑點統計的一亮度圖案。從被建模的孔徑大小 之範圍，從第21圖可看出，當成像系統之孔徑的大小增加 時，斑點結構大小之貢獻增加，從而產生一較均勻的場。 此外，該移動漫射器可被視為大大地減少了以較低空 間頻率上實驗性量測的一斑點場之頻譜功率譜。然而，使 33 200935197 用太粗糖的’一漫射器將光散射到最終的透鏡之收集角度 之外，大大地減少了明亮度。 利用一像素二進制相位漫射器使最終的投影透鏡之收 集圓錐體内的光發射。該漫射器之像素大小足夠小以在一 5 1〇Pm距離内產生〜ίο斑點圖案。該範圍足夠小以允許壓電 致動。接著最終影像内的斑點之出現被減少至觀察者容許 的一位準。 斑點減少一實施態樣 現在參看第24a圖，其顯示了用於將一影像投影到一顯 10 示表面14上的一全像光學影像顯示系統16〇〇之一實施例； 與第2圖之元件類似的元件由類似的參考符號表示。一全像 產生的中間影像在一傅裡葉轉換平面形成，一壓電驅動像 素漫射器2402設於該傅裡葉轉換平面内。該漫射器2402藉 一臂（被示意性顯示）連接於一壓電致動器2404,該壓電致動 15 器2404耦接於一驅動器2406。 第24b圖顯示了使用一反射SLM的可選擇之光學組 態’其中透鏡L2及L3之功能在一個單一透鏡28内共用，該 透鏡28在一些實施例中可被編碼在SLM 24上顯示的全像 圖中，如之前所描述的。在此示範性系統中，一波板34被 20 用以對該分束器旋轉入射光束之極化。 一全像產生的中間影像在縮小光學元件之傅裡葉轉換 平面形成’一壓電驅動像素漫射器2402設於該傅裡葉轉換 平面内。同樣，該漫射器2402藉一臂（被示意性地顯示）連接 於一壓電致動器2404，該壓電致動器24〇4耦接於一驅動器 34 200935197 2406。可選擇地，在此及之前描述的配置中，一孔徑也可 被包括在該平面内以阻擋零階（未被繞射的光）、共軛影像及 較高繞射階之一者或多者。 5 ❹ 10 15 ❿ 20 現在參看第25a圖，其顯示了實施本發明的一彩色全像 影像顯示系統之一示意圖，其中與之前所描述的元件類似 的元件由類似的參考符號表示。該反射器2500利用用於藍 色及紅色波長的雙色濾波器實施。該漫射器2402藉一臂 2408連接於壓電致動器2404。第25b圖顯示了第25a圖之系統 的一機構組態之細節，描述了漫射器與致動器之細節，同樣 與之前所描述的元件類似的元件由類似的參考符號表示。 該系統之實施例致能： 1 .斑點之時間減少，從而減少了 一有限空間頻帶内的 斑點譜之功率。 如之前所闡述的，OSPR藉隨機選擇被投影的子圖框影 像内的每個像素之相位而減少斑點之出現。子圖框被投影 的速率越高，斑點頻譜之功率越低(在由全像影像之像素間 隔決定的一空間頻帶内）。另一方面，斑點對比被減少一 l/sqrt(N)之因數，其中N是在眼睛之整合時間内的子圖框之 數目。在中間影像平面内使用一漫射器允許相位隨著一漫 射器像素之等級之變化的速率增加超過微顯示器獨立可達 成的速率。此影響可藉增加微顯示器之子圖樞率而達成， 但是這將使用額外的處理功率。 2.斑點之空間減少’從而增加了可減少斑點頻譜内的 功率之頻寬。 35 200935197 當漫射器設於全像影像之平面（即，中間影像平面）内 時，該漫射器之影像被投影到牆上。較佳地，該漫射器實 質上是通透的，使得實質上只有被投影的影像之相位受到 漫射器影響。不具有-漫射！I ’被投影的影像(利用〇psR 5產生）之一像素内的相位在一給定時刻是一致的（但是隨著 時間改變）》將漫射器之像素間隔減少到低於全像影像之像 素間隔用以減少被投影的影像内的區域，在該區域上的相 位在一給定時刻是一致的。隨著眼睛之整合時間，具有相 對於彼此隨機變化之相位的被投影影像内的區域將產生多 10個平均的斑點圖案。到眼中時，其呈現，雖然該等區域相 對於彼此相干。快速地移動漫射器以小於被投影的影像像 素之等級產生隨機相位。此影響可另外或可選擇地藉增加 微顯示器之像素的數目而達成（即，被投影的影像之空間解 析度）’但是同樣這將使用額外的處理功率。 15 本技術之實施例在全像產生二維影像的一系統中產 生。這解除了對漫射器之時間限制。現在漫射器可完成被 用以減少/移除斑點的週期之數目，每個視訊圖框一個，而 不是每個影像列一個或每個影像像素一個。這實質上促進 了一壓電致動漫射器之使用。 20 在一些較佳實施態樣中，一彎曲壓電致動器被使用， 在一些實施例中，該彎曲壓電致動器耦接於維持該漫射器 的一臂。在小型全像投影器系統之實施例中，漫射器之行 程距離(〜ΙΟμπι)足夠小以允許一彎曲壓電致動器被使用。此 外，藉以正破的角度連接2個壓電彎曲器，可達成漫射器在 36 200935197 兩個方向移動，較佳地在兩個實質正交的方向。這有助於 避免在影像巾出現“條紋”。漫射器移動之頻率較佳是使得 該^間小於_s。在多個實施射，漫射器移動之頻率可 5 Ο 10 15 20 使得該期間小於1個子圖框間L，以高速度時，該效 應看似飽和。因此，在多個實施例中，3-4GGHz之-致動頻 率相對於一較高頻率（例如〜2KHz)是較佳的（這可能引起可 聽見的雜訊）。 我們現在描述用於設計且建構該漫射器之一程序。在 此例子中，在具有一 間距之一像素陣列上描述的一隨 機二進制([ο，π])相位圖案被使用。這是用於一具有一3μιη中 間影像像素間隔之全像影像顯示系統—全像影像之像素間 隔對漫射器像素間隔之一較佳比率呈現為近似2 :丨。該漫 射器利用一光刻製程產生(在玻璃上曝光、發展且蝕刻一光 飯刻圖案）。过給出了一覆蓋相位範圍[〇，π]之平的漫射器表 面輪廓。這有助於避免光散射到最後的投影透鏡外、増加 被顯示的影像亮度，且減少由較大的特徵大小引起的其他 因素。藉與一毛玻璃漫射器相比，一二進制相位、像素漫 射器具有一可預測的空間頻率結構以及一可預測的錐角， 光在錐角上被散射。藉調整二進制相位漫射器之像素間 隔’光被散射之角度的範圍可被嚴格控制。這可用於找出 減少的斑點對比之間的良好平衡且最大化影像明亮度與投 影器尖角。 該項領域内將明白的是，我們已描述的本技術之應用 不限於將影像顯示在一平面或曲線2D螢幕上的全像顯示系 37 200935197 而且_利用同調光將一影像或圖案顯示在任何表面上 (特別是全像地)時也可被使用。 我們已描述的技術之應用特別包括以下(但不限於）：行 動電話’ PDA ;膝上型電腦；數位照相機；數位視訊照相 5機’遊戲控制器；汽車影院；導航系統(汽車或個人，例如 腕表GPS);汽車及航空之頭頂及設於頭盔的顯示器；手錶； 個人媒體播放機(例如，MP3播放機、個人視訊播放機）；擋 板固定顯示器；雷射光顯示盒；個人視訊投影器（一“視訊 iPod(RTM)概念）；廣告及發信系統；電腦（包括桌上型電 10腦）；遠端控制單元；一包含一全像影像顯示系統的架構裝 置；較一般地是期望共用圖像的任何裝置以及使多個人立 刻觀看一影像的任何裝置。 毫不懷疑，該項領域内具有通常知識者將作出許多有 效修改，且將明白的是本發明不限於所描述的實施例且在 15附加的申請專利範圍精神及範圍内，包含該項領域内具有 通常知識者顯而易見的的修改。 【圖式簡單説明】 第1圖顯示了包含一全像投影模組的一消費者電子裝 置之一例子； 20 第2圖顯示了第1圖之全像投影模組之一光學系統的一 例子； 第3圖顯示了第1及2圖之全像影像顯示系統之一硬體 加速器之一實施例的一方塊圖； 第4圖顯示了如第3圖中所示的一硬體塊之一實施例中 38 200935197 執行的操作； 第5圖顯示了在一樣本影像乘以一隨機相位矩陣之前 與之後的能量譜； 第6圖顯示了具有並行量化器的一硬體塊之一實施 5例’以分別自複數全像子圖框資料之實數及虛數部分同時 產生兩個子圖框； 第7圖顯示了產生偽隨機二進制資料且將進入的影像 〇 資料Ixy乘以相位值以產生Gxy的硬體之一實施例； 第8圖顯示了用以將進入的影像圖框資料Ixy乘以複數 1〇相位值以產生相位調變影像資料Gxy的硬體之一實施例，該 等複數相位值自一查找表隨機選擇； 第9圖顯示了透過具有回饋的一 1D轉換塊對進入的相 位調變影像資料Gxy執行一 2D轉換以產生全像資料guv的硬 體之一實施例； 15 第10圖顯示了適用於本發明的一彩色全像影像投影系 Q 、统； 第U圖顯示了當透過邊L之一平方孔徑使一均一目標 成像的—未被調變的斑點圖案之功率譜密度； 第12圖顯示了斑點模型之一輪廓，顯示了（a)被投影到 2〇 一粗榮幕上的相位隨機目標影像之一影像；（b)該螢幕產生 的遠場’藉解剖光瞳成孔徑；（c)在視網膜上產生的螢幕之 冗度影像’其中心區域(由方塊顯示)被用以計算功率譜密度 (在(d)圖中顯示）； 第丨3圖顯示了 當使遠場成為 39 200935197 (a)25°/〇(b)50%(c)75%(d)100%5.3mm 的解剖光瞳區域孔徑 時，對斑點場之結構的影響； 第14圖顯示了四個不同孔徑大小之功率譜密度（實線） 與單獨自孔徑大小計算出的理論值(虛線)比較的建模變化； 5 第15圖顯示了重放場區域之四個孔捏大小 (a)25%(b)50%(c)75%(d)100%的像素值柱狀圖；顯示了頻率 與像素值之指數哀減的圖式利用一紅色線被顯示；斑點對_ 比值分別是0.92、0_9、0.87及0.68 ; 第16圖顯示了 對於孔徑大小 © 10 (a)25°/o(b)50%(c)75%(d)100%，被孔徑PSF覆蓋的螢幕之區 域的影像； 第17圖顯示了將重放場成為重放場大小之 (a)6.25%(b)12.5%(c)18.75%(d)25%的孔徑，同時維持與被用 以產生第15圖的模擬相同的解析度；斑點對比值分別是 15 0.69、0.85、0.86及0.89 ; 第18圖顯示了將重放場成為重放場大小之 (a)6.25%(b)12.5%(c)18.75°/〇(d)25%的孔徑之影響，同時將模 © 擬之解析度增加4之因數；該等斑點對比值分別是〇 92、 0.98、0.97及0.98 ; 20 第19圖顯示了對孔徑大小5%、10%、15%及20%(實 線）’利用一高解析度模擬計算出的頻譜功率分佈；4個不 同孔徑大小之頻譜功率分佈之理論預測由虛線顯示； 第20圖顯示了對於⑷5%⑼1〇%⑷15%⑷2〇%之孔徑 大小’由一色差成像系統形成的亮度圖案之柱狀圖；該等 40 200935197 斑點對比值分別是0.92、0.92、0.97及0.97 ; 第21圖顯示了利用一色差成像系統量測的亮度圖案之 頻譜功率分佈； 第22圖顯示了斑點場之頻譜特性上的一發光750x45。 5漫射器之影響一以50、100、150及200rps之速度旋轉漫射器 大大地減少了最低空間頻率所見的功率，從而產生一較平 滑的影像； ❹ 第23圖顯示了頻譜功率密度之變化，利用（藍色）無漫射 器（綠色）中間影像平面内的一靜態漫射器以及（紅色）一壓 1〇電致動器以振動一像素二進制相位遮罩； 第24a及24b圖示意性地顯示了實施本發明之實施例的 全像影像顯示系統之第一及第二例子的方塊圖；以及 第25a及25b圖分別顯示了實施本發明的一彩色全像影 像顯示系統之一示意圖，以及描述漫射器及致動器之細節 15的第25a圖之系統的一機構組態之細節。 【主要元件符號說明 1 10…消費者電子裝置 30…透鏡 12…硬體投影模組 34…波板 14…被顯示的影像 100…數位信號處理器 20…雷射二極體 102…輸入 22…光 104…輸出 24···空間光調變器 1000…彩色全像影像投影系統 26…光學系統 1002…紅色校準雷射二^體光源 28…透鏡 1004…藍色校準雷射二極體光源 41 200935197 1006···綠色校準雷射二^體光源 2404…壓電致動器 1010a···二向分束器 2406···驅動器 1010b…二向分束器 2408…臂 1012…反射空間光調變器 2500…反射器 1014…縮小光學元件 L1…透鏡 1016…螢幕 L2…透鏡 1018…虛線 L3…透鏡 2402…漫射器 L4…透鏡

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Claims (1)

1. 200935197 七、申.請專利範圍： 1. 一種用於在一顯示表面上全像地顯示一影像之全像影 像顯示系統，該系統包含： 一空間光調變器（SLM)，顯示一全像圖； 一光源，照亮該被顯示的全像圖； 多個投影光學元件，將來自該被照亮的被顯示的全 像圖之光投影到該顯示表面上以形成一全像產生的二 ^ 維影像，該等投影光學元件被組配成用以在一中間影像 表面形成對應該全像產生的影像之一中間二維影像； 一漫射器，設於該中間影像表面；以及 一致動器，機械耦接於該漫射器以在操作中移動該 漫射器以在該中間影像之像素上隨機選擇相位以減少 該系統顯示的一影像中的斑點。 2. 如申請專利範圍第1項所述之全像影像顯示系統，其中 該漫射器包含一經像素化、量化相位漫射器。 φ 3.如申請專利範圍第2項所述之全像影像顯示系統，其中 該漫射器之像素具有一小於5^之像素間隔。 4. 如申請專利範圍第2項所述之全像影像顯示系統，其中 該漫射器之一該像素隨機地具有多個量化相位位準之 一者。 5. 如申請專利範圍第2項所述之全像影像顯示系統，其中 該致動器包含一壓電致動器，且更包含一用於該壓電致 動器之驅動器，且其中當操作時，該驅動器被組配成用 以將該漫射器移動該漫射器像素間隔至少兩倍的一距 43 200935197 離，較佳地為該漫射器像素間隔的至少五倍。 6. 如申請專利範圍第1項所述之全像影像顯示系統，其中 該系統被組配成用以足夠快速地移動該漫射器以改變 該系統顯示的一影像中的一斑點圖案，由該移動漫射器 對該中間影像之該等像素施加一變化的隨機相位圖案 而產生，以整合在一人類觀察者之眼中以減少該系統顯 示的一影像内的斑點之一被感知的位準。 7. 如申請專利範圍第1項所述之全像影像顯示系統，更包 含一處理器，該處理器具有一用以接收用以顯示的影像 資料之輸入且具有一用於驅動該SLM的輸出，其中該處 理器被組配成用以處理該影像資料以產生在該SLM上 顯示的該全像圖之全像資料，其中由該被顯示的全像圖 形成的該中間影像之該等像素具有一中間影像像素間 隔，且其中該漫射器包括具有比該中間影像像素間隔更 小的一漫射器像素間隔之多個像素。 8. 如申請專利範圍第7項所述之全像影像顯示系統，其中 該處理器被組配成用以產生多個時間全像子圖框以在 該SLM上快速連續顯示，使得該顯示表面上的對應時間 子圖框影像在一觀察者之眼中平均化以給出該被顯示 的影像之印象。 9. 如申請專利範圍第1項所述之全像影像顯示系統，該致 動器被組配成用以在兩個方向移動該漫射器。 10. —種減少一全像影像顯示系統中的斑點以在一顯示表 面上全像地顯示包含多個像素的一影像之方法，該系統 200935197 包含：一空間光調變器（SLM)，顯示一全像圖；一光源， 照亮該被顯示的全像圖；多個投影光學元件，將來自該 被照亮的被顯示的全像圖的光投影到該顯示表面上以 形成一全像產生的二維影像，該等投影光學元件被組配 成用以在一中間影像表面上形成對應該全像產生的影 像之一中間二維影像；以及一漫射器，設於該中間影像 表面上，該系統被組配成用以產生多個時間全像子圖框 以在該SLM上快速連續顯示，使得該顯示表面上的對應 時間子圖框影像在一觀察者之眼中平均化以給出該被 顯示的影像之印象；該方法包含移動該漫射器以在每個 該像素之區域内足夠快速地提供多個不同相位，以使一 產生的變化斑點圖案整合在一人類觀察者之眼中以減 少斑點之一被感知的位準。 11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該漫射器包含 一具有多個像素的經像素化、量化相位漫射器，其中該 等像素具有小於該中間影像表面上的該被顯示的影像 之像素之一間隔的一間隔，使得該斑點以高於該被顯示 的影像之一最大空間頻率的一空間頻率被減少。 12. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該移動包含在 兩個方向移動該漫射器。 13. —種利用至少部分同調光將一影像投影到一顯示表面 上的影像顯示系統，該系統包含： 一空間光調變器（SLM)，顯示一二維影像； 一至少部分同調光源，照亮該SLM上的該被顯示的 45 200935197 影像； 多個投影光學元件，將來自該被照亮的被顯示的影 像之光投影到該顯示表面上以形成一二維影像，該等投 影光學元件被組配成用以形成對應該被顯示的影像之 一中間二維影像； 一經像素化、量化相位漫射器，設於該中間二維影 像之一位置；以及 一壓電致動器，機械耦接於該漫射器，以在操作 中，移動該漫射器以改變該被投影的二維影像之一斑點 圖案，從而在操作中，由移動該漫射器而產生的該被投 影的二維影像之該變化的斑點圖案在一人類觀察者之 眼中平均化以減少斑點之一被感知的位準。 14. 如申請專利範圍第13項所述之影像顯示系統，其中該中 間影像具有一中間影像像素間隔，且其中該漫射器具有 小於該中間影像像素間隔的一像素間隔。 15. 如申請專利範圍第13項所述之影像顯示系統，其中該致 動器被組配成用以在兩個方向移動該漫射器。 46