TWI229235B - Holographic stereogram device - Google Patents

Description

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Stereogram)

五、發明說明（1) 發明所屬之技術領域 本發明係有關立體全像片（Holographic 製作技術的改良。 先前技術 全像片（H〇1〇gram)為一可產生物體之三維影像（3d)的 :4 般衣作王像片的方’去，係利用光學系統導引雷射 一至物體表面，使從物體表面反射的雷射光與另一道參 =，二：☆《學平板表面。此兩道光之干涉條紋便被記 J在光學平板上而成為全像片。此種全像片的製作方式， 品要包含一物件實體及精確的架設光學元件，以產生物件 的反射光與參考光之干涉條紋。由於，人腦可結合左右眼 接收到的不同二維影像，而產生立體影像的效果，且這些 二維的影像，可以是物體的照片或者是電腦產生之該物體 3不同視角影像。因此，使全像片可產生物體之三維影 立體全像片（Stereogram)為一對可表現出物體之兩個 =視角的圖丨。一般利用立體全像片製作之⑽影像，僅 Ιίΐ視差（HorizontaiParallax)。有許多方法可分別 將物二之不同視角影像，呈現給左眼及右眼。冑常被採用 的方式，係利用立體眼鏡（stereo Viewer)來限制右眼只 看：：體的一視角影像’左眼只看到另一不同視角影像。 i古i像片亦可印製成紅色及綠色影像，並分別於左右眼 二I 對應之濾光片，使得左右眼看見物體之不同視角 ⑹ 立體全像片的例子，可見於美國專利第6, 0 3 7, 9 71

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另種立體王像片稱為透鏡式（Lenticular)立體全 像片。此為不需借助立體眼鏡即可看到立體影像方法中的 /種方法。此透鏡式立體全像技術，係交錯排列兩組視角 影像之狹窄片段，並將這些影像片段置於一組稜鏡後方。 如此相對之兩組不同視角的影像片段，可分別投射至左眼 及右眼，而形成立體的影像。 號與第5，795，154號。 立體全像拍攝技術（H〇i〇graphic stereogram)為另一 種方式’其兩個不同視角影像經由空間頻率（Spatial Frequency)加密，當此全像片被光源照射時，兩個不同視 角影像，將在全像片的不同角度顯現。其繞射角度與兩眼 間距離以及觀測距離有關。以一個典型例子來說明。若兩 眼間距離為50 mm (厘米），觀測距離為4〇〇 Μ，則其繞 射角度約為7. 5度。 ’、、凡 如圖1所示。左光束以光線1023及1〇21)為邊界，右光 束以光線103a及103b為邊界，兩者經由立體全像片IQ〗繞 射後’分別投射至右眼104及左眼1〇5。光線l〇2a及1038由 立體全像片1 0 1的全像片元素i 〇 6投射出來。此方法僅利用 水平視差方式以兩道光束如l〇2a及i〇3a，在一條狹縫中形 成干涉，並同時組合全像片之每一狹窄片段，而產生立^ 全像片。詳見1986年九月發表的論文「合成立體全像片的 二維影像處理方法（Mark Holzbach，’’Three dimensional image processing for synthetic holographic stereograms'1 , M. S. thesis.

I ill ill 第6頁 1229235 五、發明說明（3)

Massachsetts Institute of Technology, Sep. 1986, pp. 186;)」，20 0 0年發表的論文「可變列印點間距的陣 列式全像印表機的光學組成及顏色顯像（C. K. Lee et al·，丨，Optical configuration auu representation of a variable-pitch dot matrix holographic printer丨1 Appl· 〇pt·，Vol. 39，No· 1， ?.40(2000))」，及美國專利第5,237,433號、第 5, 475, 511號及第5, 793, 503號所揭示者。 圖2(a)顯示圖1之全像片是如何製成的。以一收歛之 雷射光束201照射一投影片202 (此物體可能是液晶顯示面 板）。此投影片2 0 2所含影像被投射至一旋轉之擴散片 20 5，此擴散片2 05可使光均勻照射在記錄平面2〇7上。為 了記錄立體影像，片段2〇4所含影像為左眼所看到的影 像:而片段203所含影像為右眼所看到的影像。此兩個影 像經擴散片205擴散後投射至記錄平面2〇7上。另 一參考雷射光206，盘來白辨从 、' 平i) 7 0 a # ~ 、 的兩道投射光於記錄 千面207的全像記錄區域2〇9產生干涉條紋I · t 限制全像§己錄區域2〇9為一狹窄帶狀區域 ―、 區域20 9記錄完成冑’記錄平面m將移動一王像记錄 並且另_組新的影像將被投射至擴散片立置， :次的全像記錄。狹縫208的寬度決定了全像二f行下 度。重複進行此步驟，直到如 像片的解析 多數狹窄帶狀的記錄區域209立體全像^錄千面m填滿 對立體影像至同一全像片的簡易過程。如圖心二： Π29235 五、發明說明（4) —^"~" ^像^被照射光時，將眼睛靠近擴散片2〇5位置，將可以 到冗錄物體的立體影像。擴散片2〇3亦可換成柱狀透 4 、將雷射光束聚焦為一條寬度與狹縫2 〇 8寬度相等之線 狀光束，如圖3(a)所示。 一 圖3(a)所示者，係進一步發展圖2(a) 、2(b)揭 示之城念。膠片3 0 2包含，被相似收斂雷射光束照射的多 數不同視角的物體影像，取代原來僅記錄的一對立體影 像。膠片3 0 2上的多數不同視角的物體影像，均被記錄在 相同的全像單元3〇9上。例如其中之像素3〇3，304為兩個 相對於物體特定視角的影像。此兩個影像經擴散片3 μ擴 散後投射至記錄平面3 0 7上。另外並導入一參考雷射光 306 ’與來自擴散片305的兩道投射光，均被記錄平面go? 的全像單元3〇9上。圖3(b)顯示如何建立這些視角影像。 圖層3 11，3 1 2分別表示物體特定視角的二維影像。視角影 像被堆疊在一起便形成一個立方體310。在此立方體31〇的 前面，圖帶313，314為視角311或任何其他視角之特定位 置的影像單元。為了妥善的記錄對應於影像位置χ= ]•的全 像單元j，其記錄於膠片上之函數為g(z = n 3，y，x= 。其中j 表示位於x-y平面之位置，η表示視角影像，δ表示如圖層 311或312的寬度。數學上，可將柱狀透鏡於聚焦平面上之 光分佈表示為··（ 1 )

jlm&A 一IF , Μ/2 G{u-j^y)= Y^g(thV^e «=1λ//2

五、發明說明（5) 其中G(A〜jA，y)為記錄 度，影像片段的光線g(z = n上之光分佈。如同看到的角 像# ，其中sin = η占/ λρ。，= X=J)，係以角度θη入射全 眼睛移動到此立體全像片 田此全像片記錄完成後，隨著 不同視角的漸漸變化。、:同位置，眼睛也將看到物體 影像處理方法」的論文中所「合成立體全像片的三維 寬度△，決定了由此立體象，所=務上，全像單元之 度。 象片所重建的立體影像的解析 發明内容 本發明之主要目的，# 含不只一個影像像素。 θ供一種技術，使全像單元包 本發明的另一目的， 像片方法的一種改進技術。^關於上述已知製作立體全 係利用電腦產生全像麥像 考明在製作立體全像片時， 像，並將該影像之傅立荦轉換 (Founer Transforra)影像寻某轉換 利用原影像本身。在產生的旦^日日*、、、員不面板上，而非 户，蔣-庶I e : 影像與記錄介質間擺置-個， 鏡將衫像作一反傅立葉轉換（Inverse F〇urier 透

Transform)以產生一正常之影像。 利用電腦產生傅立葉轉換之全像方式，可一次 記錄不只:個像素的影像。如此可獨立控制影像之^ 度，而不受記錄全像單元之狹縫寬度的影響。再者， 傅立葉轉換方式加密，可於全像像素中加入隨機之相 化。此隨機之相位變化，可產生均勻光照的效果，因此= 需使用先前技術提出之擴散片。如此可有效簡化投影 1229235 五、發明說明（6) 液晶顯示面板的光照需求。 實施方式 請參閱圖4所示。本發明之原理’係以一道雷射光束 4 0 1照射一投影片或一液晶顯示面板4 0 2。可從顯示面板 40 2背後照射雷射光，或利用分光鏡由前方照射（參見美國 專利6, 043, 9 1 3 )。不同於先前技術將視角影像像素，顯示 於投影片或液晶顯示面板的方式（如圖3 ( a )所示），本發 明係顯示一群影像像素之傅立葉轉換影像。函數g(n y /) 表示物體位於x二i時，其第η個視角的影像。則忌（n 乂 i )片 段的傅立葉轉換定義為：（2) ’y’1 其中k-l .1, n=1 ...N及i=0…N/m。顯示於 一 面板的影像為·（ 3 ) 、多片或液晶顯示 圖4所示的段4〇4及403係以函數〇 Gn(k，y)為—複數函數，無法顯示於膠片11 )，y )表示。由於 故使用另一等同之函數如下：（4) 或顯示面板上，

五、發明說明（7) }ή = Α + Re{Gw (A：? y)} 其為一常數，而Re{}表示為括弧中函數 土 函數Hn(k，y)為函數g(n，y，]·)的傅立葉轉換=二。卩部分。 透鏡梅用以執行影像片段術的反轉傅立葉=函數。 :::象素4。9、41。、411、412。 ：轉換’以成為 四個影像像素為例說明，然而亦可使用1 實旦知例僅以 利用含有狹縫408的光罩，可限制全.、數里的像素。 片段所重建之影像像辛。 象。、f早兀為傅立葉 之記=直至整個立體全像片記錄完乂成進仃後績全像早元 本發明與先俞杜& > 九 全像單元内$ If ^ 主要區別在於，本發明可於一 換函數心 中’如下列方程式;入示一=相位U )於影像 J2tsk 對母個像素姆加 如此可避免^ <隨機相位變化，使得每個像素不同調， 體全像重建時產生干涉條紋。先前技術， 1229235 五、發明說明（8) 係利用擺置一旋轉的擴散片於膠片或顯示面板前面以達到 相同效果。本發明可從記錄系統中移除此一元件，以降低 系統的複雜度。 圖5(a)及圖5(b)所示者，係分別依據圖4所示之觀 念，設計的光學系統之上視及侧視圖。一道平行之雷射光 束501照射液晶（LCD)顯示面板502，此液晶顯示面版5〇2做 為來源影像，以取代圖2 ( a )中的投影片。為了避免於闡 述本發明時產生混淆，產生平行光束並引導使其照射投影 片或液晶顯示面板502的光學元件，並未繪示於圖上。圖5 (a)為此光學系統之上視圖。影像片段5〇3為傅立葉轉換全 像片y(k，y)。光束於照射LCd面板5〇2後，經由球狀透鏡 〇 4 t焦並且利用此球狀透鏡執行一反轉傅立葉轉換， 以產生一繞射重建之影像。因Hn(k，y)本身之性質，由Μ (k，y )重建之影像將因繞射而偏離光學軸。狹縫$ 〇 5用以限 f Hn(k，y)之多階繞射光中的某階繞射光通過。由透鏡5〇4 來之光束，經穿過球狀透鏡5 〇6後，成為平行光束，再穿 過柱狀透鏡50 7後，聚焦於記錄平面5〇8上。透鏡5〇6 組成一遠心光學系統（Telecentric 〇ptical 、及 hstem)，基本上此透鏡組將重建於平面5〇5之影像成像於 。己錄平面5 0 8上。由於nn(k，y)為函數g(n，y，j)之傅立葉轉 =，故經由透鏡504執行反轉傅立葉轉換，再由透鏡組506 (、5 07成像’重建函數§(11，y，〗）於記錄平面5〇8上。狹縫 〇 9用以限制全像單元5丨〇之記錄寬度。記錄平面μ 8之全 像片係藉由參考光束5 11之幫助加以記錄。 1229235 五、發明說明（9) 圖5(b)為本實施例光學系統之側視圖。 面505之光束，藉由球狀透鏡5〇6轉成 ;^ = t ηΛΛ 柯取十仃之光束。LCD面 板502之影像將順著此光束方向成像於記錄平面5〇8上。記 錄平面5 08之影像為LCD面板502影像的放大影像，其放大 倍率由透鏡組50 6及透鏡組5〇4之焦距比值決定。由/LC])面 板M2來的光束與參考光束51!結合以形成全像單元51〇。 此5己錄系統之特點為在的每一全像單元，均相對於公式 (2 )所疋義的一群影像像素。影像之解析度與全像片寬度 無關。

此隨著了解於本文揭橥的這些技術，本發明在不背離這 ^基本特性的情況下亦可以不同之型態展現。例如使用不 ，之透鏡執行反轉傅立葉轉換等，皆屬本發明主張之專利 乾圍’而不限於實施例所揭示者。

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圖式簡單說明 圖式簡單說明 圖I為一使用者觀賞全像片 圖2(a)及2(b)為已知技術產生二=二 圖3 (a)及3(b)為已知技術製王像片示意圖。

方法示意圖。 —彳固視角以上之立體全像J 圖4為本發明提出之記錄立體 圖5U)及5(b)為應用本發明之原像片2意圖。 片之光學系統的上視及側視圖’。、里（如圖四）產生立體全像 主要部分之代表符號 101立體全像片 102a、102b、l〇3a、103b 光線 1 0 4右眼 ’ 1 〇 5左眼 2 〇 2投影片 205、305擴散片 2 〇 7、3 0 7記錄平面 2 0 9記錄區域 3 0 3、3 0 4 影像 310立方體 313、314 圖帶 4 0 2 顯示面板 4 0 5透鏡 4 0 7 記錄平面 2 0 1雷射光束 20 3、204 片段 20 6、30 6參考雷射光 208、308 狹縫 302膠片 3 0 9全像單元 311 、 312 圖層 401雷射光束 403、404 片段 406參考雷射光 408 光罩 409、410、411、412 影像像素 1229235 圖式簡單說明 501雷射光束 5 0 3影像片段 505、509 狹縫 5 0 8 記錄平面 51 1 參考光束 502 LCD 面板 5 0 4、5 0 6 球狀透鏡 5 0 7 柱狀透鏡 5 1 0 全像單元

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Claims (1)

1229235 六、申請專利範圍 · 1 · 一種記錄立體全像片於記錄介質之系統，包括： 一來源影像顯示片，包含經傅立葉轉換之多個像素； 一雷射光源，置於該顯示片的一侧，俾用以照射該顯示 片’產生影像光束； 透鏡系統’置於该顯示片的另一侧，俾用以將該影像光 束聚焦於記錄介質；該透鏡系統包含反轉傅立葉轉換透 鏡。 2·如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該顯示片為一 液晶顯示面板。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該透鏡系統及 該記錄介質間擺置第一光罩；該第一光罩包含一狹縫，俾 用以限制傳遞至該記錄介質之繞射光波的階數。 4 ·如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該透鏡系統及 該記錄介質間擺置第二光罩；該第二光罩包含一狹縫，俾 用以限制於該記錄介質上的記錄寬度。 5 ·如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該來源影像在 經過傅立葉轉換計算之前，已於該來源影像像素乘以一隨 機相位變化。 6 ·如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該透鏡系統包 含一球狀透鏡及柱狀透鏡之遠心光學系統。 7 · —種記錄立體全像片於記錄介質的系統，包括： 一顯示來源影像之液晶顯示面板，可顯示經傅立葉轉換之 複數像數；顯不於該液晶顯示面板上的像素，在經過傅立 葉轉換計算之前，已於影像像素乘以一隨機相位變化；

第16頁 1229235 六、申請專利範圍 利用雷射光源照射該顯示片； 利用全像透鏡繞射該來源影像； 對來源影像執行反轉傅立葉轉換；以及 利用包含反轉傅立葉轉換透鏡之透鏡系統，聚焦影像於記 錄介質上。 11.如申請專利範圍第1 0項所述之方法，進一步包括： 使用含狹縫的第一光罩來限制由該顯示片傳遞而來的多階 繞射光。 1 2.如申請專利範圍第1 0項所述之方法，進一步包含：

使用含狹縫的第二光罩來限制記錄於該記錄介質上的記錄 寬度。 1 3.如申請專利範圍第1 0項所述之方法，進一步包含： 於執行傅立葉轉換計算前，對該來源影像像素已乘以一隨 機之相位變化。

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