JP2008541145A - ３次元シーンのホログラフィック再構成用装置 - Google Patents

Abstract

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（ＬＳ_１／ＬＳ_２／ＬＳ_３又はＬＳ_４）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（ＬＳ_１〜ＬＳ_４）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。

Description

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の計算機ビデオホログラム（ＣＧＨ）を使用して３次元（３Ｄ）シーンを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と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。

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な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を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を保証するために、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における回折角は波長に比例し、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を仮定すると、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システムは、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の焦平面に配置され、種々の入射角で伝送モードの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、ローカルに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、手頃な消費者レベルの計算機器を使用して高品質な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／ｍ^２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／ｍ^２）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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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次元ホログラムの空間インターリーブにより実現される。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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を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。

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。

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。

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。

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。

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。

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の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、屈折率が電界の印加により制御される液晶材料により達成される。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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ＬＳ_２の略平行なビームが示される。

本発明によると、複数の線光源ＬＳ_１、ＬＳ_２、ＬＳ_３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ＬＳ_２を撮像する。光源ＬＳ_２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。

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。

図２は、水平に配置された線光源ＬＳ_１〜ＬＳ_３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ＯＷ_Ｌ又はＯＷ_Ｒ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ＯＷ_Ｌ、ＯＷ_Ｒ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。

光源ＬＳ_１〜ＬＳ_３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。

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ＯＷ_Ｌ及びＯＷ_Ｒ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。

線光源ＬＳ_１〜ＬＳ_３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ＬＳ_１〜ＬＳ_３の光を観察者ウィンドウＯＷ_Ｌ、ＯＷ_Ｒ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。

図３は、各々が線光源ＬＳ_１〜ＬＳ_４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ＬＳ_１〜ＬＳ_４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ＯＷ_Ｌ、ＯＷ_Ｒ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。

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。

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ＬＳ_１〜ＬＳ_４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。

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ＯＷ_Ｌ又はＯＷ_Ｒ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。

領域Ａ１は非常に小さく、光源ＬＳ_３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ＬＳ_２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。

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の各々の符号化値の特異性に依存して異なってもよい。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜＜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。

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。

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。

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の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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims (19)

1. ビデオホログラムにより３次元シーンを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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。