JP2004517354A

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

Info

Publication number: JP2004517354A
Application number: JP2002541457A
Authority: JP
Inventors: キヤメロン，コリン・デイビツド
Original assignee: ホログラフイツク・イメージング・エル・エル・シー
Priority date: 2000-11-07
Filing date: 2001-11-06
Publication date: 2004-06-10
Also published as: EP1332412A1; US20040051920A1; WO2002039195A1

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（ＣｏｍｐｕｔｅｒＧｅｎｅｒａｔｅｄＨｏｌｏｇｒａｍ、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（ｓｗｅｐｔｖｏｌｕｍｅ）、インテグラルフォトグラフィ（ｉｎｔｅｇｒａｌｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ）、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、ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ、１０、４０３−１１、１９７１年）、およびコヒーレント光線追跡法（Ｍ．Ｌｕｃｅｎｔｅ、Ｊｒｎｌｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｉｍａｇｉｎｇ２（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（ＣｏｈｅｒｅｎｔＲａｙＴｒａｃｉｎｇ、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−ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＧｒｉｄ、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（ＯｂｊｅｃｔＰｏｉｎｔＣｌｕｓｔｅｒ、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、ａ_ｐはｐ番目の物体点からの光の振幅、ｒ_ｐはＣＤＰ画素からｐ番目の物体点までの光路長、Φ_ｐ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ｎ_ｗ画素、高さｎ_ｈ画素であり、個々の各画素は幅ｐ_ｗ、高さｐ_ｈ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ｍ_ｗ画素で、高さがｍ_ｈ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（ａ_ｐ）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（ｒ_ｐ）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（ａ_ｐ）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（ｒ_ｐ）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１０^８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

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。