JP2004517354A - コンピュータ生成ホログラムを生成する改善された方法 - Google Patents
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Abstract
CGH設計面内の画素および/または仮想3D物体上の物体点がともにグループ化される、干渉に基づくコンピュータ生成ホログラム(CGH)を生成する改善された方法。次いで、各群の1つの画素または1つの物体点について、遮蔽特性およびレンダリング特性が計算され、その群のすべての画素または物体点に関係する計算に遮蔽特性およびレンダリング特性が使用される。画素および物体点のグループ化は、遮蔽計算およびレンダリング計算にしか使用されず、位相特性は依然として画素ごとに求められる。この方法により、CGHを生成するのに必要とされる計算量が減るが、3D画像の形状に関する解像度は保たれる。
Description
【0001】
本発明は、干渉に基づくコンピュータ生成ホログラム(Computer Generated Hologram、CGH)を生成する改善された方法に関する。
【0002】
様々な手法を用いて3Dを視覚的に認知できることを、当業者なら承知していよう。例として、立体写真(stereo)、自動立体写真(auto−stereo)、掃引ボリューム(swept volume)、インテグラルフォトグラフィ(integral photography)、立体画(stereogram)、およびホログラフィが挙げられる。使用者全員にアクセス可能で、あらゆる心理的かつ生理的な刺激をもたらす真の3D画像を生成できるのは、ホログラフィだけである。
【0003】
古典的な干渉ホログラフィは、当業者によく知られている。物体から散乱した光が参照ビームと干渉し、強度パターンを形成し、たとえば写真フィルム上にその強度パターンを記録することができる。画像を再構築するには、元の波面の複製が再生されるように、記録した干渉パターンで共役参照光ビームを変調する。この波面は、さらに空間を伝播し、1人または複数の観察者に、物体が空間に実際に存在するような完全な印象を与える。
【0004】
古典的なホログラムと異なり、コンピュータ生成ホログラム(CGH)では、ホログラムを形成するのに使用する物体は、数学的な記述として存在するだけでよい。物理的な光の干渉は、CGH設計面(CDP)上で、所与の物体について適切な干渉パターンを求める計算に置き換えられる。計算後、その干渉パターンを、光波変調が可能な装置に書き込むことができる。更新可能な3D画像が必要とされる場合には、算出したパターンを、電気的にアドレスされる空間光変調器(SLM)などの再構成可能な装置に書き込むこともできる。従来型ホログラムの場合と同様に、3D画像は、入射光ビームを変調して生成される。
【0005】
仮想物体の干渉パターンを計算するいくつかの技術が、当業者に知られている。たとえば、フーリエベースの「ピンポン(ping−pong)」法(Ichioka他、Applied Optics、10、403−11、1971年)、およびコヒーレント光線追跡法(M.Lucente、Jrnl of electronic imaging 2(1)、28−34、1993年1月)がある。
【0006】
ピンポン法は簡単に実施できるが、完全なレンダリング効果および照明効果を伴わない、自己発光体の画像生成に限られる。照明効果および表面反射特性を含み、極めて高解像度の画像を生成することができるCGH干渉パターンを計算するには、一般にコヒーレント光線追跡法(Coherent Ray Tracing、CRT)計算を行う必要がある。
【0007】
CRT技術は、本質的に3Dスカラー回折積分を実施するものであり、従来型干渉ホログラム記録における光の伝播を厳密にシミュレートする。この計算の核心部分は、仮想3D物体上の各点からの、CDPの所与の単一画素に対する電界の寄与の線形加算である。次いで、各CDP画素ごとにこの加算を繰り返さなければならない。したがって、許容できる画像サイズと視野をもつCGHを生成するには、多くの光線追跡計算が必要となり、関連する計算負荷が大きくなる。
【0008】
本発明の目的は、所与の画像サイズと視野をもつ干渉に基づくCGHを生成するのに必要な計算量を減らすことである。
【0009】
本発明の第1の態様によれば、干渉に基づくCGH(コンピュータ生成ホログラム)を生成する方法は、
i)複数の物体点を規定するステップと、
ii)CGH設計面内の複数のCGH画素を規定するステップと、
iii)各CGH画素において、全ての遮られていない(non−occluded)物体点が寄与する光の振幅の合計を決定するステップと、
iv)各CGH画素と遮られていない各物体点との間の光路長を決定するステップと、
v)振幅、遮蔽(occlusion)、および光路長情報から、各CGH画素における電界合計を計算するステップと、
vi)各CGH画素ごとに算出した電界合計からCGH干渉パターンを決定するステップとを含み、
少なくともいくつかの画像点の少なくともいくつかのCGH画素に対する遮蔽情報および振幅の寄与を、前に決定した遮蔽情報および振幅の寄与と同じとみなす。
【0010】
好ましい実施形態では、ある特定のCGH画素について算出した振幅情報および遮蔽情報を、2つ以上のCGH画素の電界合計の計算に用いる。
【0011】
具体的には、マクロ処理グリッド(Macro−Processing Grid、MPG)を、複数のMPGセルから形成することができる。各MPGセルが一群のCGH設計面画素を備え、各MPGセルの1つのCGH画素について算出した振幅情報および遮蔽情報を、そのMPGセル内の全画素の電界合計の計算に用いる。
【0012】
隣接するMPGセルからなる標準アレイをMPGとし、隣接するCGH設計面画素からなる標準アレイをそれぞれのMPGセルとすることが好ましい。このようにした場合、振幅情報および遮蔽情報を、MPGの中心点についてのみ計算すればよい。
【0013】
別の好ましい実施形態では、物体点が物体点クラスタ(Object Point Cluster、OPC)を形成する。各OPCが2つ以上の物体点を備え、各CGH画素における遮蔽効果および振幅の計算のために、OPCの1点について算出した振幅の寄与を、OPC内の各物体点の振幅の寄与と同じとみなす。
【0014】
OPCは2つ以上の物体点を含み、それらを基本形状にグループ化することが好ましい。さらに、各OPC内の物体点の数は、仮想3D画像の特定部分のファセット(facet)サイズに応じて変わることがある。たとえば、小型のファセットを有する仮想3D画像部分に対応するOPC内には物体点が少ないのが適切であり、一方より大型のファセットサイズをもつ画像部分に対しては、各OPC内により多くの物体点が許容される。
【0015】
別の好ましい実施形態では、干渉に基づくCGHの計算は、3次元物体とCGH設計面との間に配置されたレンズの光に対する効果を計算するステップをさらに含む。これにより、3D画像の、フレネルではなくフーリエ再生が可能になる。
【0016】
本発明の第2の態様によれば、干渉に基づくCGHを生成する上記方法を組み込んだ、干渉に基づくCGHを計算するコンピュータプログラムを使用することができる。
【0017】
本発明の第3の態様によれば、3D画像生成用の装置は、
仮想3D物体についての干渉に基づくCGHを計算する計算手段と、
コヒーレント光源と、
干渉に基づくCGHによって光波を変調することができる空間光変調手段とを備え、
光源による空間光変調手段の照明が、仮想3D物体の3D画像を生成するように構成され、計算手段は、上記の干渉に基づくCGHを計算するコンピュータプログラムを含む。
【0018】
空間光変調手段として、再構成可能な空間光変調器を使用することが好ましい。
【0019】
次に、添付の図面を参照して、本発明を非限定的な例により説明する。
【0020】
図1を参照すると、仮想3次元物体(2)上の複数の物体点からの光は、レンズ(4)を通過し、CGH設計面(6)に当たる。コンピュータ援用設計パッケージから転送することができる仮想3D物体(2)は、必要とされる画像解像度を実現するのに適切な分布と密度をもつ物体点で配置されている。次いで、各CGH設計面画素において、N個の物体点で配置された3D物体(2)からのその画素に対する寄与を加算することによって、電界を計算することができる。
【0021】
所与のCGH画素における電界は、次式で与えられる。
【数1】
ただし、apはp番目の物体点からの光の振幅、rpはCDP画素からp番目の物体点までの光路長、Φpはp番目の物体点の位相である。光線追跡技術を使用して式1の値を求める。光線追跡技法は、p番目の物体点と各CGH設計面画素との間の遮蔽関係を直接計算するという利点も有する。
【0022】
次いで、3D物体(2)および参照ビーム(8)によって生成される電界の干渉をシミュレートすることにより、ホログラフィ干渉パターン(すなわちCGH)を計算する。このようにして、このCGHは、3D画像を再構築するのに必要なすべての情報を含む。
【0023】
図2を参照すると、CGH設計面(10)は、CGH画素(12)からなる直線構成(すなわちx−y)のグリッドによって形成することができる。図2に示すグリッドは、幅nw画素、高さnh画素であり、個々の各画素は幅pw、高さphである。各画素の中心にはサンプル点(14)があり、点(14)を対象にしてその画素に関係するあらゆる計算が行われる。CGH設計面画素内のサンプリング点の選択は任意であり、この実施形態では、任意に中心を選択する。
【0024】
上記のように、各画素と各物体点との間の遮蔽、振幅、および光路長情報の計算は、計算するのにコストがかかる。本発明によれば、図3に示すように、個々の画素(12)は、CGH設計面(10)内でグループ化され、マクロ処理グリッド(MPG)を画定する。したがって、CGH設計面は複数の画素(12)、ならびにMPGセル(14)にグループ化された画素からなる。各MPGセルは、幅がmw画素で、高さがmh画素である。各MPGセルの中心付近のある点(たとえば16)が、遮蔽および光の振幅を計算するのに使用され、MPGセル内の他のすべての画素は、MPGセル中心点について算出した遮蔽値および光の振幅値をとる。
【0025】
遮蔽計算および光の振幅計算にMPGセルを使用すると、CGHを計算するのに必要とされる光線追跡計算量が大幅に減る。これは、MPG内の各画素ごとに振幅情報および遮蔽情報を計算する代わりに、MPG内の1画素のみについて計算を行い、他のすべての画素が同じ値をとると仮定するためである。
【0026】
標準形状のMPGを規定するのが好都合であるが、それが本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。CGH設計面内で任意の適当な画素群を規定し、その画素群の遮蔽特性および光の振幅特性が同じであると仮定することができる。
【0027】
同様に、MPGセルの中心付近の画素を使用して、遮蔽計算および光の振幅計算を行うことも不可欠な要件ではない。遮蔽計算および光の振幅計算を、特定の群の画素中の任意の1画素について行い、次いで、後続の計算では、その群内の他の画素の遮蔽関係および光の振幅を、計算が行われた単一画素の遮蔽関係および光の振幅と同じとみなすこともできる。
【0028】
CGH設計面画素は、遮蔽の処理および光の振幅効果(ap)の計算のためだけにグループ化されることを強調しておく。その群の画素について遮蔽関係および光の振幅を確定した後、3D画像形状の解像度が劣化しないようにするために、光路長(rp)の計算は依然としてCGH画素ごとに計算しなければならない。
【0029】
図4を参照すると、仮想3D物体(19)の物体点(18)を、物体点クラスタすなわちOPC(20)にグループ化することができる。物体点のクラスタ化は、上記のようにCGH設計面画素をMPGセルにグループ化することに加えて、またはその代わりに使用することができる。ファセットまたは他の適当な幾何トポロジー形状により、物体点を基本形状(たとえば四角形、六角形など)にグループ化することによってOPCを形成することができる。
【0030】
各OPCのある特定の物体点を、遮蔽計算および光の振幅計算に使用し、その物体点について算出した遮蔽特性および光の振幅特性を、OPC内の他の物体点が有すると仮定する。遮蔽計算および光の振幅計算にOPCを使用すると、必要とされる光線追跡計算量が大幅に減る。これは、OPCの全物体点の寄与を、OPCの1物体点の寄与と同じであると仮定し、そのため、各物体点の寄与の計算が不要になるからである。
【0031】
再度、物体点は、遮蔽の処理および光の振幅効果(ap)の計算のためだけにクラスタ化されることを強調しておく。OPCについて遮蔽関係および光の振幅を確定した後、必要とされる精度を実現するために、光路長(rp)の計算は依然として物体点ごとに計算しなければならない。
【0032】
典型的なCGH計算では、ホログラムを再生時に観察するとき、3D表面が緻密で切れ目がないと観察者が思うようにするために、1平方メートル当たり約108個の物体点を使用することになろう。同様な数のCGH設計面画素も使用することになろう。こうした計算の場合、一般に、100個以上のCGH画素からなるMPGセルと、約5個の物体点からなるOPCを使用する。これにより、光線追跡計算の際に、通常は少なくとも500回の削減となるはずであり、また多くの場合、ずっと多くの削減となることもある。
【0033】
このようなCGHを計算するための計算負荷を節減すると、スピードの向上の点で直接の利益が得られ、そのため、CGHを計算する際の計算コストが削減される。
【図面の簡単な説明】
【図1】
干渉に基づくCGH生成計算のフーリエ幾何配置を示す概略図である。
【図2】
直線構成のCGH設計面の幾何形状を示す概略図である。
【図3】
マクロ処理グリッド(MPG)を示す図である。
【図4】
算出した3D画像上の物体点および物体点クラスタ(OPC)を示す概略図である。
本発明は、干渉に基づくコンピュータ生成ホログラム(Computer Generated Hologram、CGH)を生成する改善された方法に関する。
【0002】
様々な手法を用いて3Dを視覚的に認知できることを、当業者なら承知していよう。例として、立体写真(stereo)、自動立体写真(auto−stereo)、掃引ボリューム(swept volume)、インテグラルフォトグラフィ(integral photography)、立体画(stereogram)、およびホログラフィが挙げられる。使用者全員にアクセス可能で、あらゆる心理的かつ生理的な刺激をもたらす真の3D画像を生成できるのは、ホログラフィだけである。
【0003】
古典的な干渉ホログラフィは、当業者によく知られている。物体から散乱した光が参照ビームと干渉し、強度パターンを形成し、たとえば写真フィルム上にその強度パターンを記録することができる。画像を再構築するには、元の波面の複製が再生されるように、記録した干渉パターンで共役参照光ビームを変調する。この波面は、さらに空間を伝播し、1人または複数の観察者に、物体が空間に実際に存在するような完全な印象を与える。
【0004】
古典的なホログラムと異なり、コンピュータ生成ホログラム(CGH)では、ホログラムを形成するのに使用する物体は、数学的な記述として存在するだけでよい。物理的な光の干渉は、CGH設計面(CDP)上で、所与の物体について適切な干渉パターンを求める計算に置き換えられる。計算後、その干渉パターンを、光波変調が可能な装置に書き込むことができる。更新可能な3D画像が必要とされる場合には、算出したパターンを、電気的にアドレスされる空間光変調器(SLM)などの再構成可能な装置に書き込むこともできる。従来型ホログラムの場合と同様に、3D画像は、入射光ビームを変調して生成される。
【0005】
仮想物体の干渉パターンを計算するいくつかの技術が、当業者に知られている。たとえば、フーリエベースの「ピンポン(ping−pong)」法(Ichioka他、Applied Optics、10、403−11、1971年)、およびコヒーレント光線追跡法(M.Lucente、Jrnl of electronic imaging 2(1)、28−34、1993年1月)がある。
【0006】
ピンポン法は簡単に実施できるが、完全なレンダリング効果および照明効果を伴わない、自己発光体の画像生成に限られる。照明効果および表面反射特性を含み、極めて高解像度の画像を生成することができるCGH干渉パターンを計算するには、一般にコヒーレント光線追跡法(Coherent Ray Tracing、CRT)計算を行う必要がある。
【0007】
CRT技術は、本質的に3Dスカラー回折積分を実施するものであり、従来型干渉ホログラム記録における光の伝播を厳密にシミュレートする。この計算の核心部分は、仮想3D物体上の各点からの、CDPの所与の単一画素に対する電界の寄与の線形加算である。次いで、各CDP画素ごとにこの加算を繰り返さなければならない。したがって、許容できる画像サイズと視野をもつCGHを生成するには、多くの光線追跡計算が必要となり、関連する計算負荷が大きくなる。
【0008】
本発明の目的は、所与の画像サイズと視野をもつ干渉に基づくCGHを生成するのに必要な計算量を減らすことである。
【0009】
本発明の第1の態様によれば、干渉に基づくCGH(コンピュータ生成ホログラム)を生成する方法は、
i)複数の物体点を規定するステップと、
ii)CGH設計面内の複数のCGH画素を規定するステップと、
iii)各CGH画素において、全ての遮られていない(non−occluded)物体点が寄与する光の振幅の合計を決定するステップと、
iv)各CGH画素と遮られていない各物体点との間の光路長を決定するステップと、
v)振幅、遮蔽(occlusion)、および光路長情報から、各CGH画素における電界合計を計算するステップと、
vi)各CGH画素ごとに算出した電界合計からCGH干渉パターンを決定するステップとを含み、
少なくともいくつかの画像点の少なくともいくつかのCGH画素に対する遮蔽情報および振幅の寄与を、前に決定した遮蔽情報および振幅の寄与と同じとみなす。
【0010】
好ましい実施形態では、ある特定のCGH画素について算出した振幅情報および遮蔽情報を、2つ以上のCGH画素の電界合計の計算に用いる。
【0011】
具体的には、マクロ処理グリッド(Macro−Processing Grid、MPG)を、複数のMPGセルから形成することができる。各MPGセルが一群のCGH設計面画素を備え、各MPGセルの1つのCGH画素について算出した振幅情報および遮蔽情報を、そのMPGセル内の全画素の電界合計の計算に用いる。
【0012】
隣接するMPGセルからなる標準アレイをMPGとし、隣接するCGH設計面画素からなる標準アレイをそれぞれのMPGセルとすることが好ましい。このようにした場合、振幅情報および遮蔽情報を、MPGの中心点についてのみ計算すればよい。
【0013】
別の好ましい実施形態では、物体点が物体点クラスタ(Object Point Cluster、OPC)を形成する。各OPCが2つ以上の物体点を備え、各CGH画素における遮蔽効果および振幅の計算のために、OPCの1点について算出した振幅の寄与を、OPC内の各物体点の振幅の寄与と同じとみなす。
【0014】
OPCは2つ以上の物体点を含み、それらを基本形状にグループ化することが好ましい。さらに、各OPC内の物体点の数は、仮想3D画像の特定部分のファセット(facet)サイズに応じて変わることがある。たとえば、小型のファセットを有する仮想3D画像部分に対応するOPC内には物体点が少ないのが適切であり、一方より大型のファセットサイズをもつ画像部分に対しては、各OPC内により多くの物体点が許容される。
【0015】
別の好ましい実施形態では、干渉に基づくCGHの計算は、3次元物体とCGH設計面との間に配置されたレンズの光に対する効果を計算するステップをさらに含む。これにより、3D画像の、フレネルではなくフーリエ再生が可能になる。
【0016】
本発明の第2の態様によれば、干渉に基づくCGHを生成する上記方法を組み込んだ、干渉に基づくCGHを計算するコンピュータプログラムを使用することができる。
【0017】
本発明の第3の態様によれば、3D画像生成用の装置は、
仮想3D物体についての干渉に基づくCGHを計算する計算手段と、
コヒーレント光源と、
干渉に基づくCGHによって光波を変調することができる空間光変調手段とを備え、
光源による空間光変調手段の照明が、仮想3D物体の3D画像を生成するように構成され、計算手段は、上記の干渉に基づくCGHを計算するコンピュータプログラムを含む。
【0018】
空間光変調手段として、再構成可能な空間光変調器を使用することが好ましい。
【0019】
次に、添付の図面を参照して、本発明を非限定的な例により説明する。
【0020】
図1を参照すると、仮想3次元物体(2)上の複数の物体点からの光は、レンズ(4)を通過し、CGH設計面(6)に当たる。コンピュータ援用設計パッケージから転送することができる仮想3D物体(2)は、必要とされる画像解像度を実現するのに適切な分布と密度をもつ物体点で配置されている。次いで、各CGH設計面画素において、N個の物体点で配置された3D物体(2)からのその画素に対する寄与を加算することによって、電界を計算することができる。
【0021】
所与のCGH画素における電界は、次式で与えられる。
【数1】
ただし、apはp番目の物体点からの光の振幅、rpはCDP画素からp番目の物体点までの光路長、Φpはp番目の物体点の位相である。光線追跡技術を使用して式1の値を求める。光線追跡技法は、p番目の物体点と各CGH設計面画素との間の遮蔽関係を直接計算するという利点も有する。
【0022】
次いで、3D物体(2)および参照ビーム(8)によって生成される電界の干渉をシミュレートすることにより、ホログラフィ干渉パターン(すなわちCGH)を計算する。このようにして、このCGHは、3D画像を再構築するのに必要なすべての情報を含む。
【0023】
図2を参照すると、CGH設計面(10)は、CGH画素(12)からなる直線構成(すなわちx−y)のグリッドによって形成することができる。図2に示すグリッドは、幅nw画素、高さnh画素であり、個々の各画素は幅pw、高さphである。各画素の中心にはサンプル点(14)があり、点(14)を対象にしてその画素に関係するあらゆる計算が行われる。CGH設計面画素内のサンプリング点の選択は任意であり、この実施形態では、任意に中心を選択する。
【0024】
上記のように、各画素と各物体点との間の遮蔽、振幅、および光路長情報の計算は、計算するのにコストがかかる。本発明によれば、図3に示すように、個々の画素(12)は、CGH設計面(10)内でグループ化され、マクロ処理グリッド(MPG)を画定する。したがって、CGH設計面は複数の画素(12)、ならびにMPGセル(14)にグループ化された画素からなる。各MPGセルは、幅がmw画素で、高さがmh画素である。各MPGセルの中心付近のある点(たとえば16)が、遮蔽および光の振幅を計算するのに使用され、MPGセル内の他のすべての画素は、MPGセル中心点について算出した遮蔽値および光の振幅値をとる。
【0025】
遮蔽計算および光の振幅計算にMPGセルを使用すると、CGHを計算するのに必要とされる光線追跡計算量が大幅に減る。これは、MPG内の各画素ごとに振幅情報および遮蔽情報を計算する代わりに、MPG内の1画素のみについて計算を行い、他のすべての画素が同じ値をとると仮定するためである。
【0026】
標準形状のMPGを規定するのが好都合であるが、それが本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。CGH設計面内で任意の適当な画素群を規定し、その画素群の遮蔽特性および光の振幅特性が同じであると仮定することができる。
【0027】
同様に、MPGセルの中心付近の画素を使用して、遮蔽計算および光の振幅計算を行うことも不可欠な要件ではない。遮蔽計算および光の振幅計算を、特定の群の画素中の任意の1画素について行い、次いで、後続の計算では、その群内の他の画素の遮蔽関係および光の振幅を、計算が行われた単一画素の遮蔽関係および光の振幅と同じとみなすこともできる。
【0028】
CGH設計面画素は、遮蔽の処理および光の振幅効果(ap)の計算のためだけにグループ化されることを強調しておく。その群の画素について遮蔽関係および光の振幅を確定した後、3D画像形状の解像度が劣化しないようにするために、光路長(rp)の計算は依然としてCGH画素ごとに計算しなければならない。
【0029】
図4を参照すると、仮想3D物体(19)の物体点(18)を、物体点クラスタすなわちOPC(20)にグループ化することができる。物体点のクラスタ化は、上記のようにCGH設計面画素をMPGセルにグループ化することに加えて、またはその代わりに使用することができる。ファセットまたは他の適当な幾何トポロジー形状により、物体点を基本形状(たとえば四角形、六角形など)にグループ化することによってOPCを形成することができる。
【0030】
各OPCのある特定の物体点を、遮蔽計算および光の振幅計算に使用し、その物体点について算出した遮蔽特性および光の振幅特性を、OPC内の他の物体点が有すると仮定する。遮蔽計算および光の振幅計算にOPCを使用すると、必要とされる光線追跡計算量が大幅に減る。これは、OPCの全物体点の寄与を、OPCの1物体点の寄与と同じであると仮定し、そのため、各物体点の寄与の計算が不要になるからである。
【0031】
再度、物体点は、遮蔽の処理および光の振幅効果(ap)の計算のためだけにクラスタ化されることを強調しておく。OPCについて遮蔽関係および光の振幅を確定した後、必要とされる精度を実現するために、光路長(rp)の計算は依然として物体点ごとに計算しなければならない。
【0032】
典型的なCGH計算では、ホログラムを再生時に観察するとき、3D表面が緻密で切れ目がないと観察者が思うようにするために、1平方メートル当たり約108個の物体点を使用することになろう。同様な数のCGH設計面画素も使用することになろう。こうした計算の場合、一般に、100個以上のCGH画素からなるMPGセルと、約5個の物体点からなるOPCを使用する。これにより、光線追跡計算の際に、通常は少なくとも500回の削減となるはずであり、また多くの場合、ずっと多くの削減となることもある。
【0033】
このようなCGHを計算するための計算負荷を節減すると、スピードの向上の点で直接の利益が得られ、そのため、CGHを計算する際の計算コストが削減される。
【図面の簡単な説明】
【図1】
干渉に基づくCGH生成計算のフーリエ幾何配置を示す概略図である。
【図2】
直線構成のCGH設計面の幾何形状を示す概略図である。
【図3】
マクロ処理グリッド(MPG)を示す図である。
【図4】
算出した3D画像上の物体点および物体点クラスタ(OPC)を示す概略図である。
Claims (15)
- 干渉に基づくコンピュータ生成ホログラム(CGH)を生成する方法であって、
i)複数の物体点を規定するステップと、
ii)CGH設計面内の複数のCGH画素を規定するステップと、
iii)各CGH画素において、全ての遮られていない物体点が寄与する光の振幅の合計を決定するステップと、
iv)各CGH画素と遮られていない各物体点との間の光路長を決定するステップと、
v)振幅、遮蔽、および光路長情報から、各CGH画素における電界合計を計算するステップと、
vi)各CGH画素ごとに算出した電界合計からCGH干渉パターンを決定するステップとを含み、
少なくともいくつかの画像点の少なくともいくつかのCGH画素に対する遮蔽情報および振幅の寄与を、前に決定した遮蔽情報および振幅の寄与と同じとみなす方法。 - ある特定のCGH画素について算出した振幅情報および遮蔽情報を、2つ以上のCGH画素の電界合計の計算に用いる、請求項1に記載の干渉に基づくCGHを生成する方法。
- マクロ処理グリッド(MPG)が複数のMPGセルから形成され、各MPGセルが一群のCGH設計面画素を備え、各MPGセルの1つのCGH画素について算出した振幅情報および遮蔽情報を、MPGセル内の全画素の電界合計の計算に用いる、請求項1または2に記載の干渉に基づくCGHを生成する方法。
- 前記MPGが、隣接するMPGセルからなる規則的なアレイである、請求項3に記載の干渉に基づくCGHを生成する方法。
- 各MPGセルが、隣接するCGH設計面画素からなる規則的なアレイである、請求項3または4に記載の干渉に基づくCGHを生成する方法。
- 振幅情報および遮蔽情報を、前記MPGの中心点について計算する、請求項3から5のいずれか一項に記載の干渉に基づくCGHを生成する方法。
- 物体点が物体点クラスタ(OPC)を形成し、各OPCが2つ以上の物体点を備え、各CGH画素における遮蔽効果および振幅の計算のために、前記OPCの1点について算出した振幅の寄与を、前記OPC内の各物体点の振幅の寄与であるとみなす、請求項1から6のいずれか一項に記載の干渉に基づくCGHを生成する方法。
- 前記各OPCが、基本形状にグループ化された2つ以上の物体点を含む、請求項7に記載の干渉に基づくCGHを生成する方法。
- 各OPC内の物体点の数が、仮想3D画像の特定部分のファセットサイズに応じて変わる、請求項7または8に記載の干渉に基づくCGHを生成する方法。
- 3次元物体と前記CGH設計面との間に配置されたレンズの光に対する効果を計算するステップをさらに含む、請求項1から9のいずれか一項に記載の干渉に基づくCGHを生成する方法。
- 添付の図面を参照して明細書中で実質的に記載したような、干渉に基づくCGHを生成する方法。
- 請求項1から11のいずれかに記載の干渉に基づくCGHを生成する方法を組み込んだ、干渉に基づくCGHを計算するためのコンピュータプログラム。
- 3D画像生成用の装置であって、
仮想3D物体についての干渉に基づくCGHを計算する計算手段と、
コヒーレント光源と、
前記干渉に基づくCGHによって光波を変調することができる空間光変調手段とを備え、
前記光源による前記空間光変調手段の照明が、前記仮想3D物体の3D画像を生成するように構成され、
前記計算手段が、請求項12に記載の干渉に基づくCGHを計算するためのコンピュータプログラムを含む装置。 - 前記空間光変調手段が、再構成可能な空間光変調器を備える、請求項13に記載の3D画像生成用の装置。
- 添付の図面を参照して明細書中で実質的に記載したような、3D画像生成用の装置。
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Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010521701A (ja) * | 2007-03-15 | 2010-06-24 | シーリアル テクノロジーズ ソシエテ アノニム | 矯正視界を有する三次元シーンを再構成する方法、及び装置 |
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