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技術 3次元シーンのホログラフィック再構成用装置

出願人 シーリアル、テクノロジーズ、ゲーエムベーハー
発明者 シュヴェルトナー,アルミンホイスラー,ラルフライスター,ノルベルト
出願日 2006年5月5日 (14年9ヶ月経過) 出願番号 2008-509387
公開日 2008年11月20日 (12年3ヶ月経過) 公開番号 2008-541145
状態 特許登録済
技術分野 液晶1(応用、原理) その他の光学系・装置、色の干渉・色の制御 ホログラフィ
主要キーワード モード純度 Y座標 中間平面 オブジェクトポイント インコヒーレンス ラインアレイ 照明ライン 波動場
関連する未来課題
重要な関連分野

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課題・解決手段

次元シーンホログラフィック再構成用装置は、ホログラフィック情報により符号化される空間光変調器を介して発光手段からの十分にコヒーレントな光を少なくとも1人の観察者の目に向ける光集束手段を含む。装置は、空間光変調器(SLM)の表面を照明する複数の照明ユニットを有する。各ユニットは、集束素子(21/22/23又は24)及び発光手段(LS1/LS2/LS3又はLS4)を含む。発光手段は、それら照明ユニットの各々が表面の1つの別個の照明領域(R1/R2/R3又はR4)を照明するように十分にコヒーレントな光を放射する。それにより、発光手段(LS1〜LS4)により放射される光が観察者の目に近接して又は観察者の目において一致するように、集束素子及び発光手段は配置される。

概要

背景

本明細書において、CGHはシーンから計算されるホログラムを表す。CGHは、シーンを再構成するのに必要な光波の振幅及び位相を表す複素数を含む。CGHは、例えばコヒーレント光線の追跡により計算されてもよく、シーンにより反射される光と参照波との干渉シミュレートすることにより計算されてもよく、あるいはフーリエ変換又はフレネル変換により計算されてもよい。

空間光変調器SLM)は、入射光の波面を変調する。理想的なSLMは、任意の複素数を表すことができる。すなわち、光波の振幅及び位相を別個に制御できる。しかし、典型的なSLMは、振幅又は位相のいずれか一方の特性のみを制御し、他方の特性にも影響を及ぼすという望ましくない副作用を伴う。

電気アドレス型液晶SLM、光アドレス型液晶SLM、マイクロミラーデバイス又は音響光学変調器等、光の振幅又は位相を変調する種々の方法が存在する。光の変調は、空間的に連続していてもよく、あるいは個別にアドレス指定可能なセルにより構成されてもよい。セルは1次元又は2次元に配置され、2値であるか、多値であるか又は連続している。

3Dシーンのホログラフィック再構成に対する適切な空間光変調器は、例えば液晶ディスプレイ(LCD)である。しかし、本発明は光波面を変調する他の制御可能な空間光変調器にも適用可能である。本発明は、光アドレス型空間光変調器等の連続した空間光変調器にも適用可能である。

本明細書において、用語「符号化」は、3Dシーンがビデオホログラムから再構成されるように、空間光変調器のセルにビデオホログラムのセルの制御値を供給する方法を示す。

裸眼立体ディスプレイとは異なり、ビデオホログラムの場合、観察者は3次元シーンの光波面の光学再構成を見れる。

本発明によると、3Dシーンは、観察者の目と空間光変調器(SLM)との間に広がる空間において再構成される。SLMがビデオホログラムにより符号化されるため、観察者はSLMの前方に再構成された3次元シーンのオブジェクト及びSLM上又はSLMの後方に他のオブジェクトを見れる。

空間光変調器のセルは、光が通過する透過型セルであるのが好ましく、光線は少なくとも規定された位置で数ミリメートルのコヒーレントな長さにわたり干渉を発生させることができる。これにより、少なくとも1次元で適切な解像度のホログラフィック再構成が可能になる。この種の光は、「十分にコヒーレントな光」と呼ばれる。

十分な時間的コヒーレンス保証するために、光源から放射される光のスペクトルは、十分に狭い波長範囲に限定される必要がある。すなわち、その光のスペクトルは近単色である必要がある。高輝度LEDのスペクトル帯域幅は十分に狭く、ホログラフィック再構成に対する時間的コヒーレンスを保証する。SLMにおける回折角波長に比例し、これは、単色光源のみがオブジェクトポイントの鮮明な再構成をもたらすことを意味する。広いスペクトルにより、オブジェクトポイントは広くなり、オブジェクト再構成はにじむ。レーザ光源のスペクトルは、単色であると考えられる。LEDのスペクトル線幅は十分に狭く、適切な再構成を容易にする。

空間的コヒーレンスは、光源の横方向の範囲に関連する。LED又は冷陰極蛍光灯等の従来の光源が十分に狭いアパーチャを介して光を放射する場合、それら従来の光源はそれら要求を満足できる。レーザ光源からの光は、回折限界内で点光源から生じると考えられ、モード純度に依存してオブジェクトの鮮明な再構成をもたらす。すなわち、各オブジェクトポイントは、回折限界内のポイントとして再構成される。

空間的にインコヒーレントな光源からの光は、横方向に拡大され、再構成オブジェクトのにじみの原因になる。にじみの量は、所定の位置において再構成されたオブジェクトポイントの拡大されたサイズにより与えられる。ホログラム再構成に対して空間的にインコヒーレントな光源を使用するために、アパーチャを有する光源の横方向の範囲を限定することと輝度との間の妥協点を見つける必要がある。光源が小さいと、その空間的コヒーレンスは向上する。

線光源は、その縦方向の範囲に対して90度の角度から見ると点光源であると考えられる。光波は、その方向にコヒーレントに伝播するが、その他の方向にはインコヒーレントに伝播する。

一般に、ホログラムは、水平方向及び垂直方向の波のコヒーレントな重ね合わせによりホログラフィックにシーンを再構成する。そのようなビデオホログラムは、全方向視差ホログラムと呼ばれる。十分に大きな観察者ウィンドウ又は観察者領域仮定すると、再構成されたオブジェクトは、実際のオブジェクトのように水平方向及び垂直方向の運動視差を容易にする。しかし、大きな観察者領域は、SLMの水平方向及び垂直方向の解像度が高いことを必要とする。

SLMに対する要求は、水平視差のみのホログラムに制限することにより軽減されることが多い。ホログラフィック再構成は水平方向にのみ行なわれ、垂直方向のホログラフィック再構成は存在しない。その結果、水平運動視差のみを有する再構成オブジェクトが得られる。透視図は、垂直運動に対して変化しない。水平視差のみのホログラムは、全方向視差ホログラムと比較して垂直方向のSLMの解像度が低いことを要求する。垂直視差のみのホログラムも可能であるが一般的ではない。ホログラフィック再構成は、垂直方向にのみ行なわれ、その結果として垂直運動視差を有する再構成オブジェクトが得られる。水平方向の運動視差は存在しない。左目及び右目に対する異なる透視図は、別個に作成される必要がある。

従来のLCD技術における空間光変調器を有するディスプレイは、例えば符号化及び再構成を行なうのに使用されてもよい。周知の高解像度透過型フラットディスプレイは、大面積の再構成に対して使用されてもよい。

Freederickszセルに基づく光変調器等の光の位相を直接変調するセルを有する光変調器が使用されるのが好ましい。しかし、本発明は他の空間光変調器にも適用可能である。

再構成における垂直視差の表現が無視されるコンピュータにより生成されたホログラムに対する照明ステムは、特許文献1に開示されている。照明システムは、従来の点光源から構成される線光源を使用する。この線光源は平行光を放射する。線光源は、線光源に対して直角に配置される円柱レンズ焦平面に配置され、種々の入射角伝送モードのSLMを照明する複数の平面波を作成する。点光源とは異なり、これにより画像はディフューザを必要とせずに均等に照明される。

特許文献2は、部分ホログラムを使用してビデオホログラムを再構成するホログラフィックディスプレイを開示する。一般的な電気アドレス型空間光変調器(EASLM)上で符号化される部分ホログラムは、中間平面に連続的に投影される。この処理は観察者にとって十分速い速度で実行され、全ての部分ホログラムの再構成を3Dオブジェクト全体の単一の再構成として認識する。

部分ホログラムは、特別に設計された照明/投影システムにより中間平面に通常の構成で配置される。照明/投影システムは、例えば、EASLMと同期して制御され、対応する部分ホログラムのみを通過させ、特に使用されない回折次数を無効にするシャッターを含む。適切な再構成角度以下で要求されたコヒーレンスを有する各部分ホログラムを照明する照明システムを実現する時に問題が生じる。再構成に対して光学素子として大きなレンズを使用することを回避するために、レンズアレイを使用することが提案されている。

出願人により出願された特許文献3(特許文献4)において、十分にコヒーレントな光の回折により3次元シーンを再構成する装置が説明される。これは、点光源又は線光源、光を集束するレンズ及び空間光変調器を含む。従来のホログラフィックディスプレイとは異なり、伝送モードのSLMは、少なくとも1つの仮想観察者ウィンドウにおいて3Dシーンを再構成する。各観察者ウィンドウは、観察者の目に近接して位置し、観察者ウィンドウが単一の回折次数に位置するようにサイズが制限される。その結果、各目は、SLM表面と観察者ウィンドウとの間に広がる錐台形状の再構成空間において3次元シーンの完全な再構成を見れる。外乱のないホログラフィック再構成を可能にするためには、観察者ウィンドウのサイズは再構成の1つの回折次数の周期間隔を超えてはならない。しかし、観察者ウィンドウのサイズは、少なくともウィンドウを通して3Dシーンの再構成全体を見るのに十分な大きさである。他方の目は、同一の観察者ウィンドウを通して見ることができるか又は第2の光源により作成される第2の観察者ウィンドウを割り当てられる。観察者の目の位置が変化した場合、追跡システムは光源を移動させ、それに従って観察者ウィンドウを追跡する。ここで、通常は非常に大きい可視領域は、ローカル位置付けられた観察者ウィンドウに限定される。周知の解決策は、従来のSLM表面の高解像度から得られる大面積を小さく再構成し、観察者ウィンドウのサイズに縮小する。これにより、幾何学的な理由による小さな回折角及び現世代のSLMの解像度は、手消費者ベル計算機器を使用して高品質リアルタイムホログラフィック再構成を達成するのに十分であるという効果がもたらされる。

しかし、周知の解決策は、大きなSLM表面積のために大きくて大容量の重い高価なレンズが集束するのに必要とされるという欠点を示す。従って、装置は奥行きが大きく重い。別の欠点は、そのような大きなレンズを使用した時の周辺部における収差により、再構成品質が非常に低下することである。

周知の実施形態の更なる欠点は、SLMの不十分な光度である。現在の解決策は、1cd/m2のオーダーの光度を示し、従来のディスプレイの光度(約100cd/m2)を大きく下回る。低輝度である1つの理由は、SLM上のコヒーレント光源の光度が低いことである。
国際公開第WO03/021363号パンフレット
国際公開第WO00/75699号パンフレット
国際公開第WO2004/044659号パンフレット
米国特許公開第2006/0055994号公報

概要

3次元シーンのホログラフィック再構成用装置は、ホログラフィック情報により符号化される空間光変調器を介して発光手段からの十分にコヒーレントな光を少なくとも1人の観察者の目に向ける光集束手段を含む。装置は、空間光変調器(SLM)の表面を照明する複数の照明ユニットを有する。各ユニットは、集束素子(21/22/23又は24)及び発光手段(LS1/LS2/LS3又はLS4)を含む。発光手段は、それら照明ユニットの各々が表面の1つの別個の照明領域(R1/R2/R3又はR4)を照明するように十分にコヒーレントな光を放射する。それにより、発光手段(LS1〜LS4)により放射される光が観察者の目に近接して又は観察者の目において一致するように、集束素子及び発光手段は配置される。

目的

従来の解決策の上記欠点を考慮すると、本発明の目的は、上記欠点を回避しつつ、適度な計算負荷で高品質のリアルタイムホログラフィック再構成を達成するために、相対的に大きなセルピッチを有する従来の空間光変調器を使用して大面積のビデオホログラムを符号化する装置を提供することである。

効果

実績

技術文献被引用数
7件
牽制数
7件

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請求項1

ビデオホログラムにより3次元シーン再構成する装置であり、ホログラフィック情報により符号化される空間光変調器を介して発光手段からの十分にコヒーレントな光を少なくとも1人の観察者の目に向ける光集束手段を有する装置であって、各々が集束素子(21/22/23又は24)を有する前記空間光変調器(SLM)の表面を照明する複数の照明ユニットと、前記照明ユニットの各々が前記表面の1つの別個の照明領域(R1/R2/R3又はR4)を照明するように十分にコヒーレントな光を放射する発光手段(LS1/LS2/LS3又はLS4)とを有し、それにより、前記発光手段(LS1〜LS4)により放射される前記光が前記観察者の目に近接して又は前記観察者の目において一致するように、前記集束素子及び前記発光手段が配置されることを特徴とする装置。

請求項2

光度を向上するために、前記空間光変調器表面を同時に照明するための互いにインコヒーレントな複数の発光手段(LS1〜LS4)を有する、請求項1記載の装置。

請求項3

全ての照明領域(R1〜R4)が前記同一のビデオホログラムを使用して前記3次元シーンを同時に再構成するように、計算手段は前記照明領域(R1〜R4)の間の境界に関係なく前記空間光変調器(SLM)を符号化する、請求項1記載の装置。

請求項4

前記照明領域(R1〜R4)は、異なる光度で照明される、請求項1記載の装置。

請求項5

前記空間光変調器(SLM)は、ビデオホログラムに対応するホログラム値により符号化される電子制御可能なセルを含み、前記照明ユニットは、前記集束手段の少なくとも1つの焦平面において前記空間光変調器(SLM)のフーリエ変換の1つの周期間隔内で一致する光束を放射する、請求項1記載の装置。

請求項6

前記集束素子(21〜24)は、前記焦平面に前記発光手段(LS1〜LS4)を撮像し、それにより全ての画像が一致する、請求項1記載の装置。

請求項7

前記集束素子(21〜24)はレンズである、請求項1記載の装置。

請求項8

前記集束素子(21〜24)はレンチキュラーとして配置される円柱レンズであり、前記発光手段(LS1〜LS4)は線光源である、請求項7記載の装置。

請求項9

前記線光源は、スロット絞りにより形成される、請求項8記載の装置。

請求項10

前記発光手段は、個別にアドレス指定され、アクティブにされる制御可能なアドレス指定可能な光源を含むアレイに配置され、前記装置は、前記観察者の目の前記位置に応じて前記向けられた光を追跡するために、計算された位置データに従ってアドレス指定された光源を計算し、アクティブにする位置検出/制御システムを有する、請求項1記載の装置。

請求項11

前記位置検出システムは、前記観察者の目の前記位置の横方向の変化に応じて前記アレイの前記アクティブにされた光源を移動する、請求項10記載の装置。

請求項12

前記位置検出/制御システムは、前記観察者と前記装置との間の距離の変化に応じて前記アレイのアクティブにされた光源間の距離を適応させる、請求項10記載の装置。

請求項13

前記発光手段と前記光集束手段との間の距離は適応可能である、請求項12記載の装置。

請求項14

前記光集束手段の焦点長は適応可能である、請求項12記載の装置。

請求項15

電子制御可能な光投影装置は、前記光投影装置がコンピュータにより生成されたホログラムにより符号化される追加の空間光変調器であるのが好ましい光学的配置を実現する、請求項10記載の装置。

請求項16

各照明ユニットの前記発光手段は、個別にアクティブにされる点光源のアレイである、請求項10記載の装置。

請求項17

各照明ユニットの前記発光手段は、個別にアクティブにされる点光源のラインアレイである、請求項10記載の装置。

請求項18

単一の光学的配置は前記装置の全ての照明ユニットに対して十分にコヒーレントな光を放射する前記発光手段(LS1〜LS4)を提供し、それにより照明ユニットの各集束素子は個別にアクティブにされる複数の点光源又は線光源に割り当てられ、前記位置検出/制御システムは前記観察者の目の現在の位置に対応する1つの点光源又は線光源を集束素子毎にアクティブにする、請求項10記載の装置。

請求項19

前記集束手段における前記集束素子の範囲は、前記隣接する集束素子を介する発光手段の全ての光が前記空間光変調器(SLM)のフーリエ変換の前記周期間隔の十分に外側に向けられるように選択される、請求項5記載の装置。

技術分野

0001

本発明は、電子制御可能なセルを含む空間光変調器において符号化される大面積計算機ビデオホログラムCGH)を使用して3次元(3D)シーン再構成する表示装置に関する。前記セルは、ビデオホログラムに対応するホログラム値により各セルを符号化することにより光の振幅位相との少なくともいずれかを変調する。裸眼立体ディスプレイと同様に、ビデオホログラムの再構成は、ビデオディスプレイを使用して2次元又は3次元動画シーンを提示することを目的とする。

背景技術

0002

本明細書において、CGHはシーンから計算されるホログラムを表す。CGHは、シーンを再構成するのに必要な光波の振幅及び位相を表す複素数を含む。CGHは、例えばコヒーレント光線の追跡により計算されてもよく、シーンにより反射される光と参照波との干渉シミュレートすることにより計算されてもよく、あるいはフーリエ変換又はフレネル変換により計算されてもよい。

0003

空間光変調器(SLM)は、入射光の波面を変調する。理想的なSLMは、任意の複素数を表すことができる。すなわち、光波の振幅及び位相を別個に制御できる。しかし、典型的なSLMは、振幅又は位相のいずれか一方の特性のみを制御し、他方の特性にも影響を及ぼすという望ましくない副作用を伴う。

0004

電気アドレス型液晶SLM、光アドレス型液晶SLM、マイクロミラーデバイス又は音響光学変調器等、光の振幅又は位相を変調する種々の方法が存在する。光の変調は、空間的に連続していてもよく、あるいは個別にアドレス指定可能なセルにより構成されてもよい。セルは1次元又は2次元に配置され、2値であるか、多値であるか又は連続している。

0005

3Dシーンのホログラフィック再構成に対する適切な空間光変調器は、例えば液晶ディスプレイ(LCD)である。しかし、本発明は光波面を変調する他の制御可能な空間光変調器にも適用可能である。本発明は、光アドレス型空間光変調器等の連続した空間光変調器にも適用可能である。

0006

本明細書において、用語「符号化」は、3Dシーンがビデオホログラムから再構成されるように、空間光変調器のセルにビデオホログラムのセルの制御値を供給する方法を示す。

0007

裸眼立体ディスプレイとは異なり、ビデオホログラムの場合、観察者は3次元シーンの光波面の光学再構成を見れる。

0008

本発明によると、3Dシーンは、観察者の目と空間光変調器(SLM)との間に広がる空間において再構成される。SLMがビデオホログラムにより符号化されるため、観察者はSLMの前方に再構成された3次元シーンのオブジェクト及びSLM上又はSLMの後方に他のオブジェクトを見れる。

0009

空間光変調器のセルは、光が通過する透過型セルであるのが好ましく、光線は少なくとも規定された位置で数ミリメートルのコヒーレントな長さにわたり干渉を発生させることができる。これにより、少なくとも1次元で適切な解像度のホログラフィック再構成が可能になる。この種の光は、「十分にコヒーレントな光」と呼ばれる。

0010

十分な時間的コヒーレンス保証するために、光源から放射される光のスペクトルは、十分に狭い波長範囲に限定される必要がある。すなわち、その光のスペクトルは近単色である必要がある。高輝度LEDのスペクトル帯域幅は十分に狭く、ホログラフィック再構成に対する時間的コヒーレンスを保証する。SLMにおける回折角波長に比例し、これは、単色光源のみがオブジェクトポイントの鮮明な再構成をもたらすことを意味する。広いスペクトルにより、オブジェクトポイントは広くなり、オブジェクト再構成はにじむ。レーザ光源のスペクトルは、単色であると考えられる。LEDのスペクトル線幅は十分に狭く、適切な再構成を容易にする。

0011

空間的コヒーレンスは、光源の横方向の範囲に関連する。LED又は冷陰極蛍光灯等の従来の光源が十分に狭いアパーチャを介して光を放射する場合、それら従来の光源はそれら要求を満足できる。レーザ光源からの光は、回折限界内で点光源から生じると考えられ、モード純度に依存してオブジェクトの鮮明な再構成をもたらす。すなわち、各オブジェクトポイントは、回折限界内のポイントとして再構成される。

0012

空間的にインコヒーレントな光源からの光は、横方向に拡大され、再構成オブジェクトのにじみの原因になる。にじみの量は、所定の位置において再構成されたオブジェクトポイントの拡大されたサイズにより与えられる。ホログラム再構成に対して空間的にインコヒーレントな光源を使用するために、アパーチャを有する光源の横方向の範囲を限定することと輝度との間の妥協点を見つける必要がある。光源が小さいと、その空間的コヒーレンスは向上する。

0013

線光源は、その縦方向の範囲に対して90度の角度から見ると点光源であると考えられる。光波は、その方向にコヒーレントに伝播するが、その他の方向にはインコヒーレントに伝播する。

0014

一般に、ホログラムは、水平方向及び垂直方向の波のコヒーレントな重ね合わせによりホログラフィックにシーンを再構成する。そのようなビデオホログラムは、全方向視差ホログラムと呼ばれる。十分に大きな観察者ウィンドウ又は観察者領域仮定すると、再構成されたオブジェクトは、実際のオブジェクトのように水平方向及び垂直方向の運動視差を容易にする。しかし、大きな観察者領域は、SLMの水平方向及び垂直方向の解像度が高いことを必要とする。

0015

SLMに対する要求は、水平視差のみのホログラムに制限することにより軽減されることが多い。ホログラフィック再構成は水平方向にのみ行なわれ、垂直方向のホログラフィック再構成は存在しない。その結果、水平運動視差のみを有する再構成オブジェクトが得られる。透視図は、垂直運動に対して変化しない。水平視差のみのホログラムは、全方向視差ホログラムと比較して垂直方向のSLMの解像度が低いことを要求する。垂直視差のみのホログラムも可能であるが一般的ではない。ホログラフィック再構成は、垂直方向にのみ行なわれ、その結果として垂直運動視差を有する再構成オブジェクトが得られる。水平方向の運動視差は存在しない。左目及び右目に対する異なる透視図は、別個に作成される必要がある。

0016

従来のLCD技術における空間光変調器を有するディスプレイは、例えば符号化及び再構成を行なうのに使用されてもよい。周知の高解像度透過型フラットディスプレイは、大面積の再構成に対して使用されてもよい。

0017

Freederickszセルに基づく光変調器等の光の位相を直接変調するセルを有する光変調器が使用されるのが好ましい。しかし、本発明は他の空間光変調器にも適用可能である。

0018

再構成における垂直視差の表現が無視されるコンピュータにより生成されたホログラムに対する照明ステムは、特許文献1に開示されている。照明システムは、従来の点光源から構成される線光源を使用する。この線光源は平行光を放射する。線光源は、線光源に対して直角に配置される円柱レンズ焦平面に配置され、種々の入射角伝送モードのSLMを照明する複数の平面波を作成する。点光源とは異なり、これにより画像はディフューザを必要とせずに均等に照明される。

0019

特許文献2は、部分ホログラムを使用してビデオホログラムを再構成するホログラフィックディスプレイを開示する。一般的な電気アドレス型空間光変調器(EASLM)上で符号化される部分ホログラムは、中間平面に連続的に投影される。この処理は観察者にとって十分速い速度で実行され、全ての部分ホログラムの再構成を3Dオブジェクト全体の単一の再構成として認識する。

0020

部分ホログラムは、特別に設計された照明/投影システムにより中間平面に通常の構成で配置される。照明/投影システムは、例えば、EASLMと同期して制御され、対応する部分ホログラムのみを通過させ、特に使用されない回折次数を無効にするシャッターを含む。適切な再構成角度以下で要求されたコヒーレンスを有する各部分ホログラムを照明する照明システムを実現する時に問題が生じる。再構成に対して光学素子として大きなレンズを使用することを回避するために、レンズアレイを使用することが提案されている。

0021

出願人により出願された特許文献3(特許文献4)において、十分にコヒーレントな光の回折により3次元シーンを再構成する装置が説明される。これは、点光源又は線光源、光を集束するレンズ及び空間光変調器を含む。従来のホログラフィックディスプレイとは異なり、伝送モードのSLMは、少なくとも1つの仮想観察者ウィンドウにおいて3Dシーンを再構成する。各観察者ウィンドウは、観察者の目に近接して位置し、観察者ウィンドウが単一の回折次数に位置するようにサイズが制限される。その結果、各目は、SLM表面と観察者ウィンドウとの間に広がる錐台形状の再構成空間において3次元シーンの完全な再構成を見れる。外乱のないホログラフィック再構成を可能にするためには、観察者ウィンドウのサイズは再構成の1つの回折次数の周期間隔を超えてはならない。しかし、観察者ウィンドウのサイズは、少なくともウィンドウを通して3Dシーンの再構成全体を見るのに十分な大きさである。他方の目は、同一の観察者ウィンドウを通して見ることができるか又は第2の光源により作成される第2の観察者ウィンドウを割り当てられる。観察者の目の位置が変化した場合、追跡システムは光源を移動させ、それに従って観察者ウィンドウを追跡する。ここで、通常は非常に大きい可視領域は、ローカル位置付けられた観察者ウィンドウに限定される。周知の解決策は、従来のSLM表面の高解像度から得られる大面積を小さく再構成し、観察者ウィンドウのサイズに縮小する。これにより、幾何学的な理由による小さな回折角及び現世代のSLMの解像度は、手消費者ベル計算機器を使用して高品質リアルタイムホログラフィック再構成を達成するのに十分であるという効果がもたらされる。

0022

しかし、周知の解決策は、大きなSLM表面積のために大きくて大容量の重い高価なレンズが集束するのに必要とされるという欠点を示す。従って、装置は奥行きが大きく重い。別の欠点は、そのような大きなレンズを使用した時の周辺部における収差により、再構成品質が非常に低下することである。

0023

周知の実施形態の更なる欠点は、SLMの不十分な光度である。現在の解決策は、1cd/m2のオーダーの光度を示し、従来のディスプレイの光度(約100cd/m2)を大きく下回る。低輝度である1つの理由は、SLM上のコヒーレント光源の光度が低いことである。
国際公開第WO03/021363号パンフレット
国際公開第WO00/75699号パンフレット
国際公開第WO2004/044659号パンフレット
米国特許公開第2006/0055994号公報

発明が解決しようとする課題

0024

従来の解決策の上記欠点を考慮すると、本発明の目的は、上記欠点を回避しつつ、適度な計算負荷で高品質のリアルタイムホログラフィック再構成を達成するために、相対的に大きなセルピッチを有する従来の空間光変調器を使用して大面積のビデオホログラムを符号化する装置を提供することである。

0025

本発明の更なる目的は、ホログラフィック再構成の光度を向上させることである。

課題を解決するための手段

0026

この目的を解決するために、本発明は、空間光変調器による変調後にビデオホログラム情報により符号化される十分にコヒーレントな光を少なくとも1人の観察者の目に向ける光集束手段による3次元シーンのホログラフィック再構成に対して装置を使用する。これにより、割り当てられた観察者の目と空間光変調器表面との間に広がる空間において、3次元シーンは光変調器のセルによる光の回折によりホログラフィックに再構成される。その結果、シーンは追跡される観察者の双方の目に対して可視となるようにレンダリングされる。

0027

空間光変調器は、ビデオホログラム情報により符号化される。少なくとも1つの大面積のビデオホログラム又は一連のビデオホログラムは、前記空間光変調器において符号化される。ビデオホログラムは垂直方向及び水平方向の視差情報を有するか、あるいはビデオホログラムは一方向のみの視差情報を有し、また時間多重化モードは失われた視差情報を表示する。空間多重化モードが失われた視差情報を表示する場合、ビデオホログラム情報は、失われた視差情報を観察者の各目に同時に提供する2つの空間多重化ビデオホログラムを含む。

0028

本発明によると、集束手段は、複数の集束素子が配置されたものである。各集束素子は、十分にコヒーレントな光を放射する割り当てられた発光手段と共に別個の照明ユニットを形成する。照明ユニットは、更なる照明ユニットと同時に空間光変調器表面の離散的な領域を照明する。照明ユニットにより放射される光束が少なくとも1人の観察者の目に近接する仮想観察者ウィンドウにおいて一致するように、集束素子及び発光手段は各照明ユニットに配置される。個々の照明ユニットは、少なくとも1つの拡張ビデオホログラムにより符号化される空間光変調器表面の局所的な領域を照明する。照明された全ての領域は、観察者の目の前の錐台において完全な3次元シーンを連携して同時に再構成する。

0029

本発明は、装置の容量及び重さを減少するのと同時にレンズの収差の妨害を減少する。光度は向上する。

0030

本発明の別の主な利点は、発光手段により放射される光が個々のアクティブな照明ユニットの間でコヒーレンスを示す必要がないことである。これにより、光度を向上するために空間光変調器の照明に対して複数の従来の光源を同時に使用できる。更に、隣接する照明ユニットの光が干渉を生成できないため、複数のコヒーレント光源の場所が原因となる多重干渉の発生を防止する。

0031

隣接する照明ユニットの発光手段のインコヒーレンスは、空間光変調器表面を種々の照明ユニットに照明される複数の小さな領域に分割することにより回折効率を向上するのが好都合である。

0032

本明細書によると、十分にコヒーレントな光を放射する各発光手段は、点光源又は線光源の形態で単一のコヒーレント発光素子を含んでもよい。あるいは、いくつかの発光素子の光源配置は完全な発光手段を形成できる。そのような配置は、線光源を形成するいくつかの点光源又はカラーホログラムに対する照明を提供する基本色光源を含むことができる。

0033

本発明の好適な実施形態において、集束素子は、レンチキュラーを形成するアレイに配置されるレンズである。

0034

本発明を実現する最適な方法において、集束素子は、レンチクルとして周知である円柱レンズである。この場合、割り当てられた発光手段は、円柱レンズの配置に平行に配置される線光源の形態で提供される。発光手段は、線の方向に対して垂直である好ましい一方向にのみ十分にコヒーレントである光を放射する。その結果、再構成は対応する符号化視差を使用してその方向にのみ実行される。照明手段の本実施形態は、水平視差のみのホログラム又は垂直視差のみのホログラムに制限されるビデオホログラムを生じる。ホログラフィック再構成は、線光源の線に直交する方向にのみ行なわれ、線光源の方向のホログラフィック再構成は存在しない。要求される失われた視差は、例えばいくつかの別個の1次元ホログラム空間インターリーブにより実現される。

0035

更なる実施形態によると、集束手段の集束素子の範囲は、隣接する集束素子を介する発光手段の全ての画像が観察者の視界の大きく外側に向けられるように選択される。これにより、再構成の繰返しにより発生する外乱は減少される。

0036

ビデオホログラムの空間インターリーブ及び再構成に対する解決策は、本出願人の先願である国際公開第WO2006/027228号(米国特許公開第2006/050340号公報)において初めて開示され説明されている。必要とされる水平視差は、第2の2次元ビデオホログラムの再構成ではなく、目の距離に対応する視差に対する2つの別個の1次元ホログラムの再構成により実現される。別の実施形態において、2つのビデオホログラムは、種々の観察者ウィンドウにおいて連続的に再構成されてもよい。

0037

照明ユニットは、観察者平面及び単一の回折次数に限定される仮想観察者ウィンドウにおいて一致する略平行な光束を放射するのが好ましい。仮想観察者ウィンドウは、観察者の目に近接して位置付けられ、再構成が外乱なしで見られる場所である。

0038

スロット絞りは、十分にコヒーレントな線光源を実現するために、照明ユニットの集束手段と発光手段との間に配置されてもよい。

0039

各照明ユニットにおいて、集束手段の位置に対する発光手段の位置は、全ての照明ユニットにより放射される光束が一致する観察者平面における場所を規定する。従って、例えば透過型空間光シャッター及び対応するバックライト手段は、ラインパターンで配置される照明シャッターの透過型素子等の対応する照明ラインをアクティブにすることにより、閲覧者の目の位置に応じて観察者ウィンドウを位置付けるために使用される。

0040

特定の実施形態において、空間光シャッター及び対応するバックライト手段は、制御可能なLED又は有機LED配置により置換される。この配置の点光源は、小さな断面積を有し、個別に、すなわち線光源のようにアクティブにされる。これにより、照明に対するエネルギーは非常に節約される。スロット絞りと同様に、LED配置を含む各線光源は十分なコヒーレンスの条件を満たす。これにより、高エネルギー効率を有するコンパクトな照明ユニットを実現できる。

0041

更なる実施形態において、発光手段は、偏向レーザビームを使用して散乱層走査することにより実現される。レーザビームは、走査ミラー等のビーム偏向器により偏向され、散乱層に集束される。レーザビームがその散乱層に入射するスポットは、光源として動作する。ビーム偏向器を制御し、レーザビームをパルス変調することにより、光源の任意の所望のアレイは集束手段を照明するために生成される。横方向のサイズが小さい光源を生成するために、レーザビームは散乱層に集束される必要がある。散乱層の散乱角は、光が放射される立体角を判定し、集束手段が適切に照明されるように選択される必要がある。走査されたレーザビームは、全ての光が集束手段及びSLM表面を照明するために使用されるという利点を有する。光は透過型シャッターに吸収されず、効率は向上する。

0042

集束手段及び空間光変調器は互いに対して最小距離で配置されるため、それらの位置は交換されてもよい。

0043

本発明による装置は、焦点長が短い集束手段の使用を可能にし、奥行きが短く軽いホログラフィックディスプレイが実現され、向上された光度を示す。更に収差は、小さな光集束手段により最小限にされる。

0044

集束素子の焦点長が短いため、本発明は、個別にアクティブにされる点光源を含む光学的構成として配置される発光手段を使用するのに特に適する。各照明ユニットの集束素子が線状の照明に対する単一のラインアレイに割り当てられるか、あるいは装置の照明ユニット全体が単一の発光領域に割り当てられる。

0045

更に、位置検出システムは、周知の方法で観察者の目の空間位置の変化を検出する。観察者の目の位置が変化した場合、観察者ウィンドウは、照明手段のアクティブにされた照明ラインの変位により追跡される。

0046

観察者の目の軸方向の位置、すなわちディスプレイまでの距離が変化した場合、発光手段と光集束手段との間の距離又は光集束手段の焦点長が適応されてもよい。更に、双方の手段の組合せが可能である。

0047

集束手段の焦点長を適応させる種々の手段が存在する。周知の液体レンズは、変形可能な膜の下の可変液体量又はエレクトロウェッティングを使用して、曲率半径及びレンズの焦点長を調整する。この原理は、レンズアレイ及びレンチキュラーに適用されてもよい。また、レンズ媒質又は周囲のホスト媒質屈折率を調整することにより焦点長を変更できる。これは、屈折率が電界印加により制御される液晶材料により達成される。

0048

発光アレイを使用する後の実施形態は、別個にアクティブにされる複数の点光源又は線光源を照明ユニットの各集束素子に割り当てることを可能にする。そのようなアレイは、バックライト手段により照明されるシャッターマトリクスのように観察者の目を追跡するのに使用される。上述の位置検出システムは、集束素子毎に現在の目の位置に対応する点光源又は線光源をアクティブにし、目の位置の変化に従って観察者ウィンドウを追跡する。

0049

次に、実施形態を使用して本発明による方法及び装置を更に詳細に説明する。

0050

単色光のホログラフィック再構成に基づいて、本発明の原理を説明する。しかし、本発明はカラーホログラフィック再構成に適用されてもよいことは、当業者には理解される。後者の場合、例えば画素列に配置されるRGBサブ画素を含む各セルは、3次元シーンのカラー表現に必要な原色部分を個々に再構成する。前記原色部分は、閲覧者がカラー再構成を見れるように重ね合わされる。

発明を実施するための最良の形態

0051

添付図面は、ホログラフィックディスプレイの詳細を概略的に示す。

0052

説明される実施形態において、ビデオホログラムは、透過型空間光変調器SLMにおいて符号化される。しかし、半透過型及び反射型光変調器SLMが使用されてもよく、Freederickszセル等の光波の位相を直接変調するSLMが好ましい。

0053

更によく理解するために、説明される実施形態は、ホログラフィック及び裸眼立体ディスプレイの組合せにより3Dシーンを再構成するための1視差符号化ホログラムの用途を示す。再構成の空間多重化を使用するそのような特定の実施形態は、出願人の国際公開第WO2006/027228号(米国特許公開第2006/050340号公報)において提案される。これにより、従来の裸眼立体画像分離に対して線光源、レンチキュラー及び更なる光学素子の組合せが可能になる。2つの空間多重化視差ホログラムの分離に必要な画像分離手段は、本発明の目的ではない。時間多重化等の多重化視差ホログラムに対する種々の方法が代替の方法として使用されるため、画像分離手段を図示しない。時間多重化再構成を使用する実施形態は、出願人の国際公開第WO2004/044659号(米国特許公開第2006/055994号公報)において提案される。

0054

垂直方向の波のコヒーレントな重ね合わせを含むビデオホログラムは、水平方向の裸眼立体画像分離による影響を受けず、また水平方向の波のコヒーレントな重ね合わせを含むビデオホログラムは、垂直方向の裸眼立体画像分離による影響を受けない。垂直方向のホログラフィック再構成は、目の調節を満足する。裸眼立体画像分離は、空間多重化と共に左目及び右目に対して異なる透視図を生成する。

0055

しかし、本発明は、全方向視差ビデオホログラムを再構成する装置に対しても使用できる。この装置は、割り当てられた回転対称レンズのアレイと組み合わせて、光源マトリクスに配置されるいくつかの点光源を含む照明ユニットを使用する。

0056

本発明の利点は、全ての照明ユニットが各点線光源とそれに割り当てられたレンチクルとの間の別個のカプセル化を必要としないことである。隣接する照明ユニットの光は、レンズアレイの小さな部分においてオーバラップしてもよい。

0057

図1は、アレイに水平に配置される円柱レンズの形態の垂直集束手段2の3つの集束素子21、22、23を示す側面図である。照明ユニットの集束素子22を通過し、観察者平面OPまで及ぶ水平線光源LS2の略平行なビームが示される。

0058

本発明によると、複数の線光源LS1、LS2、LS3は順に配置される。各光源は、垂直方向に十分にコヒーレントであり、水平方向にインコヒーレントである光を放射する。この光は、光変調器SLMの透過型セルを通過する。光は光変調器SLMのセルにより垂直方向に回折され、セルはホログラムにより符号化される。集束素子22は、1つのみが有用であるいくつかの回折次数で観察者平面OPに光源LS2を撮像する。光源LS2により放射されたビームは、集束手段2の集束素子22のみを通過するように示される。図1において、3つのビームは1次回折光4、0次回折光5及び−1次回折光6を示す。

0059

単一の点光源とは異なり、線光源は、非常に高い光度の生成を可能にする。再構成される3Dシーンの部分毎に1つの線光源を割り当てる既に向上された効率を有するいくつかのホログラフィック領域を使用することにより、有効光度を向上する。別の利点は、例えばシャッターの一部であってもよいスロット絞りの後方に位置付けられる複数の従来の光源がレーザの代わりに十分にコヒーレントな光を生成することである。

0060

図2は、水平に配置された線光源LS1〜LS3及びここでは1次回折光4に対して略平行なビームを生成する円柱レンズ21〜23を含む集束手段2を有する同一の装置を示す側面図である。略平行なビームの各々は、光変調器SLM表面の割り当てられた照明領域R1、R2又はR3を照明する。各照明領域R1〜R3の範囲は、白色の矢印により示される。全ての略平行なビームは、観察者の1対の目に対する少なくとも1つの仮想観察者ウィンドウOWL又はOWRを形成するために観察者平面OPにおいて一致する。図2に示す側面図において互いに後方に位置する観察者ウィンドウOWL、OWRは、例えば1次回折光4に位置付けられ、その周期間隔の一部を横切る。

0061

光源LS1〜LS3は、円柱レンズ21〜23の後方焦点距離に近接して配置される。使用される光変調器SLMの符号化モードによって、この例に示す1次回折光の代わりに他の回折次数が再構成に対して使用されてもよい。例えば、位相変調光変調器SLMが使用される場合、0次回折を使用できる。これにより、より高い輝度が提供される。

0062

上述のように、本実施形態は、1視差ホログラムにより符号化される光変調器を使用する。これは、視差情報を使用して3Dシーンを再構成するために、光変調器が2つのホログラムにより符号化される必要があり、ディスプレイが追加の裸眼立体分離手段により分離される2つの仮想観察者ウィンドウOWL及びOWRを提供する必要があることを意味する。その手段は、本発明の目的はない。

0063

線光源LS1〜LS3及び円柱レンズ21〜23が互いに配置されるため、レンズは光源LS1〜LS3の光を観察者ウィンドウOWL、OWRに投影する。これにより、全ての左側再構成及び右側再構成は、不図示の分離手段により左目及び右目に対してそれぞれ分離される。観察者ウィンドウは、この側面図においては互いに後方に配置される。光変調器SLMにより回折される照明ユニットの全てのビームは、1次回折等の1つの回折次数で一致する。別の実施形態において、装置の種々の照明ユニットにより放射される光の種々の回折次数は観察者ウィンドウで一致してもよい。

0064

図3は、各々が線光源LS1〜LS4を含む複数の照明ユニットを示す装置の側面図である。レンズ21〜24は、不図示の更なる照明ユニットの円柱レンズと共にレンチキュラーを形成する。水平に位置合わせされた円柱レンズ21〜24の各々は、対応する線光源LS1〜LS4の光を垂直方向に集束する。その結果、垂直方向のみの視差情報を含むホログラムが得られる。図中、シーンの再構成12は2つの観察者ウィンドウOWL、OWRを通して可視であり、3次元モードに対する視差情報を提供する。

0065

照明ユニットは、各々が光変調器SLMにおいて符号化されるビデオホログラムの照明領域を照明する複数のビームを提供する。従って、全てのビームは、符号化ビデオホログラムを照明領域R1〜R4に分割する。

0066

図3を参照すると、照明領域R4は、再構成12の対応する部分を再構成する。ビームが一致する場所において、再構成12は多くの方法で達成される。3Dシーンは、照明領域R2、R3又はR4のうちの1つから再構成されるか又は双方の部分により連携して再構成される。しかし、観察者により認識される感覚に違いはない。先に示したように、装置の全ての照明ユニットは同一の構成及び大きさを有し、従って同等の特性を示す。光源LS1〜LS4の位置のみが観察者の目の位置に従って個々に適応される。この装置は、非常に容易に製造される。

0067

図4は、本発明の機能を更に詳細に示す。従来のホログラフィックディスプレイとは異なり、本発明によると、3次元シーンの第1のオブジェクトポイントP1は、光変調器SLMの制限領域A1内に配置されるセルにより符号化される。更に図4は、追跡される仮想観察者ウィンドウOWL又はOWRに対して異なる距離及び位置に位置付けられるオブジェクトポイントP2及びP3を示す。各オブジェクトポイントP1〜P3の位置は、光変調器表面上の場所を規定し、距離は、光変調器SLM上の対応する制限領域A1、A2又はA3の範囲を規定する。これは、各オブジェクトポイントP1、P2及びP3が対応する制限領域A1〜A3の異なる範囲及び場所を有することを意味する。本発明によると、全てのオブジェクトポイントP1〜Pnの制限領域A1〜Anは、照明領域R1〜Rmの数mにより再構成される必要がある。多くの場合、照明領域の数mは、オブジェクトポイントの数nより非常に少ない。

0068

領域A1は非常に小さく、光源LS3及びレンズ23により構成され、照明領域R3を提供する第1の照明ユニットを介してオブジェクトポイントP1を再構成する。これに対して、領域A2は大きな範囲を有し、2つの照明領域R2及びR3がオブジェクトポイントP2の再構成に個々に寄与するように双方の照明領域R2及びR3に位置付けられる。領域A3は非常に小さく、光源LS2及びレンズ22により単独で構成される第2の照明ユニットを介してオブジェクトポイントP3を再構成する。

0069

本発明の一実施形態において、個々の照明ユニットの光度は、対応する照明領域R1〜R4の各々の符号化値特異性に依存して異なってもよい。

0070

本発明による装置は、光源及びレンズのいくつかの好適な組合せを可能にする:
点光源の2次元照明アレイ及び回転対称レンズの2次元集束アレイは、大きな全方向視差ホログラムに対して好適である。各点光源は1つのレンズに対応する。各光源は、レンズアレイの単一レンズのみを照明する必要があり、光束全体の必要な量を多くの光源に分割することが容易になる。これにより、各光源の光度に対する要求を軽減する。レンズアレイは、同一の焦点長を有する単一の大きなレンズと比較して製造するのが非常に容易であり、大きくなく扱い易い。

0071

垂直に位置合わせされた線光源の照明アレイ及び垂直に位置合わせされた円柱レンズの集束アレイは、水平視差のみのホログラムに対して使用される。垂直に位置合わせされた円柱レンズは、水平方向に光を集束する。垂直方向の運動視差は存在しない。各線光源は1つのレンチクルに対応する。

0072

点光源の2次元照明アレイ及びレンズの2次元集束アレイと比較すると、レンチキュラーは球面レンズの2Dアレイより製造するのが容易であるという利点が存在する。また、線光源の光度に対する要求は点光源に対する要求より少ない。光束は1つの線上に分布され、小さなスポットに集中されない。

0073

水平に位置合わせされた線光源及び水平に位置合わせされた円柱レンズのアレイの配置は、説明した垂直視差のみのホログラムに対して使用される。

0074

上述のように、光源及びレンチキュラーの組合せは、従来の裸眼立体画像分離に対する光学素子と更に組み合わされてもよい。垂直方向の波のコヒーレントな重ね合わせを含む垂直視差のみのホログラムは、水平方向の裸眼立体画像分離による影響を受けず、また水平方向の波のコヒーレントな重ね合わせを含む水平視差のみのホログラムは、垂直方向の裸眼立体画像分離による影響を受けない。その結果、ホログラフィック及び裸眼立体ディスプレイの組合せが得られる。垂直方向のホログラフィック再構成は、目の調節を満足する。裸眼立体画像分離は、空間多重化と共に観察者の目に対して異なる透視図を生成する。

0075

カラーホログラムは、時間多重化又は空間多重化により生成される。時間多重化の場合、R光源、G光源及びB光源は、SLM上の対応するホログラムコンテンツと同期して切り替えられる。空間多重化の場合、Rホログラム、Gホログラム及びBホログラムの3つのホログラムは、空間的にコヒーレントな白色光源、あるいは別個のR光源、G光源及びB光源により照明されるインターレースされたR画素、G画素及びB画素に表示される。

0076

カラー符号化に対する一実施形態において、3原色に対する別のRGBサブ画素は、3つの対応する部分ホログラムから3Dシーンの3つの個々の原色部分を再構成する。閲覧者に対してカラー再構成を形成するために、3Dシーンの原色部分は一致する。

0077

本発明の好適な実施形態によると、レンズのアレイを照明する光源のアレイは光投影装置により生成される。そのような光投影装置は、光源のアレイを再構成する空間光変調器上で符号化されるコンピュータにより生成されたホログラムにより実現されるのが好ましい。

0078

<<付録1>>
(技術入門
以下の節は、本発明を実現するいくつかのシステムにおいて使用される主な技術に対する入門書となることを意図する。

0079

従来のホログラフィにおいて、観察者は、オブジェクトのホログラフィック再構成(変化するシーンである可能性がある)を見れる。しかし、ホログラムからの観察者の距離は関係ない。1つの典型的な光学配置において、再構成は、ホログラムを照明する光源にあるか又はそれに近接するためホログラムのフーリエ平面にある。従って、再構成は、再構成される実世界のオブジェクトの同一の遠視野光分布を有する。

0080

国際公開第WO2004/044659号及び米国特許公開第2006/0055994号公報において出願人により説明される1つの先のシステムは、再構成オブジェクトがホログラムを照明する光源のフーリエ平面にないか又はそれに近接しない非常に異なる配置を規定する。その代わり、仮想観察者ウィンドウゾーンがホログラムのフーリエ平面にある。観察者は自身の目をその場所に位置づけ、適切な再構成を見れる。ホログラムは、LCD又は他の種類の空間光変調器上で符号化され、ビューウィンドウがホログラムのフーリエ変換になる(従って、ビューウィンドウが目に直接撮像されるフーリエ変換になる)ように照明される。再構成オブジェクトは、レンズの焦平面にないためホログラムのフレネル変換である。再構成オブジェクトは、近視野光分布により規定される(遠視野分布の平面波面に対して、球面波面を使用してモデル化される)。この再構成は、ホログラムのフーリエ平面のビューウィンドウとLCD又はLCDの後方との間のいずれかの場所に仮想オブジェクトとして現れる。

0081

この方法に対していくつかの結果が存在する。第1に、ホログラフィックビデオシステム設計者が直面する基本的な制限は、光変調器(LCD)の画素ピッチである。目標は、妥当な価格で市販される画素ピッチを含むLCDを使用して大きなホログラフィック再構成を可能にすることである。しかし、このことは以下の理由によりこれまで不可能であった。フーリエ平面の隣接する回折次数の間の周期間隔は、(D/pにより与えられる。式中、(は照明光の波長であり、Dはホログラムからフーリエ平面までの距離であり、pはLCDの画素ピッチである。しかし、従来のホログラフィックディスプレイにおいて、再構成オブジェクトはフーリエ平面にある。従って、再構成オブジェクトは周期間隔より小さく保持される必要がある。再構成オブジェクトが周期間隔より大きい場合、その縁は隣接する回折次数による再構成においてぶれる。これにより、高価で小さなピッチの専用ディスプレイによる幅数cmの非常に小さな再構成オブジェクトが得られる。しかし、この方法に対して、ビューウィンドウ(上述したように、照明光源のフーリエ平面にあるように位置付けられる)は瞳孔と同一の大きさである必要がある。その結果、適度なピッチサイズを有するLCDを使用できる。再構成オブジェクトがビューウィンドウとホログラムとの間の錐台を全体的に埋めることができるため、再構成オブジェクトは非常に大きい。すなわち、周期間隔より非常に大きい。

0082

1つの変形したシステムにおいて展開される別の利点が更に存在する。ホログラムを計算する時、再構成オブジェクトの知識を使用して開始する。例えば、レーシングカーの3D画像ファイルを有する。そのファイルは、オブジェクトが複数の種々の閲覧位置からどのように見えるべきかを記述する。従来のホログラフィにおいて、レーシングカーの再構成を生成するのに必要なホログラムは、多くの計算を必要とする処理において3D画像ファイルから直接得られる。しかし、ビューウィンドウの方法は、更に計算効率のよい異なる技術を可能にする。再構成オブジェクトの1つの平面から開始すると、ビューウィンドウはオブジェクトのフレネル変換であるためビューウィンドウを計算できる。その後、全てのオブジェクト平面に対して計算を実行し、累積フレネル変換を生成するために結果を合計する。これは、ビューウィンドウにわたる波動場を規定する。その後、そのビューウィンドウのフーリエ変換としてホログラムを計算する。ビューウィンドウがオブジェクトの全ての情報を含むため、単一平面のビューウィンドウのみがホログラムに変換される必要があり、複数平面のオブジェクトは変換されない。ビューウィンドウからホログラムまでの間に単一の変換ステップではなく反復フーリエ変換アルゴリズムのような反復変換が存在する場合、これは特に有利である。各反復ステップは、オブジェクト平面毎にフーリエ変換を含むのではなくビューウィンドウの単一のフーリエ変換のみを含む。その結果、計算労力は非常に減少される。

0083

ビューウィンドウの方法の別の興味深い結果は、所定のオブジェクトポイントを再構成するのに必要な全ての情報がホログラムの相対的に小さなセクション内に含まれることである。これは、所定のオブジェクトポイントを再構成するための情報がホログラム全体に分布される従来のホログラムと異なる。情報をホログラムの非常に小さなセクションに符号化する必要があるため、それは処理及び符号化する必要のある情報量が従来のホログラムと比較して非常に少ないことを意味する。従って、それは、従来の演算装置(例えば、一般大衆市場向け装置に適切な価格及び性能を有する従来のDSP)がリアルタイムビデオホログラフィに対しても使用されることを意味する。

0084

しかし、望ましくない結果が存在する。第1に、ホログラムからの閲覧距離が重要である。目がホログラムのフーリエ平面に位置付けられた時に適切な再構成を見れるように、ホログラムは符号化及び照明される。これに対して、通常のホログラムにおいて、閲覧距離は重要ではない。しかし、このZの感度を低減するか又はそれに基づいて設計する種々の技術が存在する。

0085

適切なホログラフィック再構成が厳密な小さな閲覧位置(すなわち、上述のように厳密に規定されたZ、並びにX座標及びY座標)からのみ見れるように、ホログラムが符号化及び照明されるため、目の追跡が必要とされる。Zの感度と同様に、X、Yの感度を低減するか又はそれに基づいて設計する種々の技術が存在する。例えば、画素ピッチが減少すると(LCD製造が微細になると)、ビューウィンドウのサイズは増加する。更に、より効率的な符号化技術(キノフォーム符号化等)は、周期間隔の大きな部分をビューウィンドウとして使用することを容易にするため、ビューウィンドウを向上することを容易にする。

0086

上記説明は、フーリエホログラムを処理することを仮定した。ビューウィンドウはホログラムのフーリエ平面、すなわち光源の像平面にある。利点として、非回折光は、いわゆるDCスポットに集束される。この技術は、ビューウィンドウが光源の像平面にないフレネルホログラムに対して使用される。しかし、非回折光が妨害する背景として不可視であることを考慮する必要がある。尚、変換という用語は、光の伝播を記述する変換と同等であるか又はそれに類似する任意の数学的な技術又は計算技術を含むと解釈されるべきである。変換は、マクスウェル波動方程式でより正確に規定される物理処理に対する近似値にすぎない。フレネル変換及びフーリエ変換は2次近似値である。しかし、それら変換は、(a)微分とは異なり代数的であるため、計算上効率的に処理され、(ii)光学系において適切に実現されるという利点を有する。

図面の簡単な説明

0087

1つの照明ユニットのビームと共に3Dシーンのホログラフィック再構成用装置を示す側面図である。
3つの照明ユニットの1つの回折次数と共に3Dシーンのホログラフィック再構成用装置を示す側面図である。
隣接する照明ユニットの1つの回折次数のビームと共に3Dシーンのホログラフィック再構成用装置を示す側面図である。
再構成及びその制限された符号化領域の種々のオブジェクトポイントと共に装置を詳細に示す図である。

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