JP2009520998A - ホログラフィックに再構成されたシーンにおける不均一な輝度知覚を補償する方法 - Google Patents

Abstract

３Ｄシーン（４）のホログラフィック再構成における不均一な輝度知覚を補償するために、計算手段は、ホログラムポイントデータパターンによりＳＬＭの変調セルを符号化する。複数の光束はＳＬＭの表面を照明し、集束エレメント（２１、２３）のアレイは光束を観察者の目の位置に向ける。アレイの幾何学特性及び光学特性は、種々の影響を受けた被照明領域をＳＬＭの表面上に生じさせる。計算手段は、観察者の目の瞳孔における期待される空間フィルタリングと組み合わせて、これらの影響の程度を示すパラメータを判定する。これらのパラメータを使用して、計算手段は、これらの種々の影響を受けた被照明領域により発生する再構成の局地誤差のうち、再構成を見る時に観察者により識別される局地誤差を推定し、再構成が補正された輝度均一性レベルで現れるようにホログラムポイントデータパターンを補正する。

Description

本発明は、３次元シーンをホログラフィックに再構成するために空間光変調手段を使用する電子ホログラフィック装置を使用してホログラフィックに再構成されるシーンにおける不均一な輝度知覚を補償する方法に関する。空間光変調手段は、ビデオホログラムがホログラムポイントパターンの形態に符号化される複数のホログラフィック変調セルを含む。複数のホログラフィック変調セルは、照明手段及び集束手段を使用して照明される。本発明によると、複数の照明ユニットはホログラフィック装置の光変調器手段を照明する。単純な場合において、集束手段は、複数のレンズエレメントを含むレンズアレイ又は円柱状の表面を有する複数のレンチクルを含むレンチキュラーアレイである。本発明は、主に、ホログラフィックビデオ手段を使用する３次元動画シーンのリアルタイム再構成又は略リアルタイム再構成に関する。更に本発明は、シーンのホログラフィック再構成中の輝度誤差を除去する手段を有する装置に関する。

（技術的背景）
本発明において理解されるようなホログラフィック装置は、空間光変調手段を使用して、十分にコヒーレントな光を変調する。変調セルはホログラムポイントデータパターンにより符号化され、変調器表面は、シーンの光学的出現を再構成するオブジェクト光点の空間パターンが光変調器の表面の前方、表面上及び表面の後方の空間において干渉により作成されるように干渉を発生させることができる光波面により照明される。全てのオブジェクト光点の光全体は光波面の形態で伝播し、これにより、１人又は複数の観察者がこの光点パターンを３次元シーンの形態で見ることができる。これは、立体表現とは異なり、ホログラフィック再構成が代用オブジェクトを実現することを意味する。そのため、実際のシーンを見ることとホログラフィックに再構成されたシーンを見ることとの間に違いが殆どなく、目の疲労及び頭痛等の立体視に関して周知である問題が生じない。

ホログラフィック装置は、１人又は複数の観察者の目の前方に再構成を可視となるようにレンダリングするホログラフィックディスプレイ、あるいは光学手段を使用して再構成を拡大する投影装置であってもよい。例えば、スクリーンの対角線長さが数センチメートルしかなく、フラットスクリーンモニタにおいて、並びに従来のビデオ及びＴＶプロジェクタで使用される空間光変調器において使用されるグラフィックパネルは光変調に適する。周知のホログラフィック装置は、透過型光変調器又は反射型光変調器のいずれかを使用する。

（従来技術）
３次元シーンのホログラフィック再構成に用いられる周知の装置は、十分にコヒーレントな光、すなわち、干渉を発生させることができる光を波の中に形成するレンズ等の光学集束手段を含み、その後、そのような波は透過型空間光変調器に入射する。そのように照明された光変調器はホログラムにより符号化され、シーンの再構成に関するホログラフィック情報が干渉によって伝達する波面を形成するように波を変調する。それによって、光変調器は、その画像側焦平面に空間周波数スペクトルをホログラムのフーリエ変換として生成する。そのようなホログラフィック装置は、例えば、特許文献１より周知である。

集束光の光学フーリエ変換中、光変調器上に符号化されるシーンは再構成され、１つ又は複数の仮想観察者ウィンドウは観察者の目に割り当てられる位置の前方に作成される。各観察者ウィンドウのサイズは、フーリエ変換の空間周波数スペクトルの周期に対応する。仮想観察者ウィンドウは、ホログラムに使用される回折次数内に位置付けられる。シーンは、観察者ウィンドウを介する再構成空間においてのみ可視である。集束手段は光変調器の変調領域全体を範囲に含む。光変調器は、再構成空間が光変調器の後方に連続するように符号化される。従って、観察者は観察者ウィンドウよりもはるかに大きい再構成空間において再構成シーンを見ることができる。

大きいホログラフィック再構成の場合には光変調器が大きい変調領域を有する必要があるため、レンズも同様に十分に大きい必要がある。そのような大きな領域及び単一の光軸を有するレンズは、莫大なコスト及び多大な労力をかけてのみ製造可能である。

特許文献２において、出願人は、大きな集束レンズに関連して単一の光源を使用する代わりに、点光源又は線光源の光アレイ及び複数のレンズを含むレンズアレイ、例えばレンチキュラーアレイを用いて空間光変調器を照明することを提案する。これは、前述のホログラフィック装置と比較してレンズの厚さ及び重量を大幅に減少し、このことは、特に、ビデオホログラフィを使用して大きな３次元シーンの再構成を実現可能にするのみである大きな光変調領域に対するコストを最小限にする。レンズアレイの個々のレンズエレメントは光変調領域よりはるかに小さくてもよく、例えば、約１０ｍｍのレンズエレメントの口径を有する。そのようなレンズアレイは、単一の大きいレンズに比べてはるかに容易に製造可能である。

図１は、特許文献２に開示される装置の一例を示し、その機能原理を図示する。３つのコヒーレント線光源ＬＳ_１〜ＬＳ_３及びレンズアレイ２のレンズエレメント２１〜２３を有する照明ユニットのアレイは、複数の変調セルから構成される透過型光変調器ＳＬＭを照明する。照明ユニットは、１つの線光源ＬＳ_１、ＬＳ_２又はＬＳ_３及びレンズアレイ２の最も近いレンズエレメント２１、２２又は２３から構成される。１つの照明ユニットの光は干渉を発生させることができるが、異なる照明ユニットの光は互いに対して干渉を発生させることができない。全てのレンズエレメント２１〜２３は、各々の対応する光源を焦平面ＦＰ内、すなわち、変調器ＳＬＭに対する規定距離に投影する。これにより、各レンズエレメントはフーリエ変換を実現する。フーリエ変換は一致し、観察者の左目及び右目の前方にそれぞれ仮想観察者ウィンドウＯＷ_Ｌ／ＯＷ_Ｒを投影する。

これにより、アレイの各照明ユニットは、別個の領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を光束により光変調器ＳＬＭの表面上に照明し、それにより、全ての照明ユニットが共に光変調器の全領域を共通光波面の形態で照明する。光波面の変調後に光点Ｐ１、Ｐ２及びＰ３を使用して３次元動画シーンをホログラフィックに再構成する共通ホログラムシーケンスは、全ての照明ユニットの共通波面に対する光変調器ＳＬＭ上に符号化される。上述の装置と同様に、３次元シーンのホログラフィック再構成４は光変調器ＳＬＭと仮想観察者ウィンドウＯＷ_Ｌ／ＯＷ_Ｒとの間に配置される。滑らかな動作を保証するために、照明ユニットからの光束は、間隙なく且つオーバーラップせずに光変調器ＳＬＭの表面を照明する必要がある。間隙及びオーバーラップがあると、適切に照明されない空間領域が存在する場合があり、これは再構成内に暗スポットとして現れる。

本解決策の特徴は、変調セルが特定の方法で符号化されることである。ホログラムの従来の符号化とは異なり、再構成されるシーンの各オブジェクト光点のホログラム情報は、光変調器ＳＬＭの全ての変調セルにわたって分散されない。上述の特許出願によると、出願人は、仮想観察者ウィンドウＯＷ_Ｌ／ＯＷ_Ｒのサイズ及び位置に応じて、各オブジェクト光点に対する情報が光変調器ＳＬＭの表面上の特定の領域Ａ１、Ａ２、Ａ３においてのみ符号化されることを提案する。尚、被照明領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は被符号化領域Ａ１、Ａ２、Ａ３に対応しない。

しかしながら、ホログラフィック再構成の処理において、複数の照明ユニットに基づく光波面は、上述のように、外乱を受けた光学的知覚の原因になることが実際にはわかっている。特に、照明ユニットのアレイが光変調器ＳＬＭを均一に照明する場合であっても、観察者は再構成された光波面内に輝度の不均一性を知覚する。この問題は、知覚される外乱の原因が発見されるまで広範に研究された。最終的に、この問題の原因は、レンズアレイの隣接するレンズエレメント間の縁部と観察者の瞳孔との相互作用であると識別された。レンズエレメント間の各接合部、すなわち接合点又は境界は縁部として形成され、これが回折の原因となり、従って、焦平面に向かう光波面の真直ぐな伝播を妨害する。空間周波数分布は、焦平面に位置付けられる観察者の瞳孔においてフィルタリングされるため、空間周波数スペクトルの全ての周波数が観察者の目の網膜に進むわけではない。そのため、観察者は、レンズアレイのパターンに対応する不均一な輝度分布を有する再構成シーンを知覚し、これは再構成の品質を大幅に低下する。

レンズアレイのレンズエレメントの縁部における回折は、これらの縁部が再構成シーン内に存在するため、特に厄介である。空間周波数フィルタリングによって輝度の不均一性が再構成シーン内のレンズ周辺部において可視になる場合、これは観察者により特に厄介であると考えられる。更に、レンズエレメントの収差は不均一な輝度知覚の一因となる。

特許文献３「コンピュータ生成ホログラムからの画像の収差制御（Aberration control of images from computer-generated holograms）」は、ホログラフィックディスプレイの空間光変調器を符号化し、それによってディスプレイの光学エレメントの収差の影響を補償するコンピュータにより生成されるホログラムデータを生成する方法を開示する。方法は、ホログラフィックディスプレイ内の光学エレメントの収差を判定し、判定された収差の影響が補償されるように、コンピュータにより生成されるホログラム補正係数データを光変調器に対して規定する。ホログラムポイントデータパターンは、ホログラフィックディスプレイが高品質のホログラフィック再構成を生成するように、光変調器に対して生成される。
国際公開第ＷＯ２００４／０４４６５９号パンフレット 国際公開第ＷＯ２００６／１１９９２０号パンフレット 国際公開第ＷＯ００７５７３３Ａ１号パンフレット

コンピュータにより生成されるホログラムを規定するためのディスプレイの光学エレメントの収差の影響は、光学エレメントを通過するビームの光学距離を使用して判定され、いわゆるルックアップテーブルに格納される。上述の文献において、歪み等の結像誤差は収差として理解される。

本発明の実現例は、各々がそれ自体に対して干渉を発生させることができる複数の光束が空間光変調手段を照明する空間光変調手段における変調セルを使用するホログラフィック再構成に基づく。光学フーリエ変換を実行する集束エレメントのアレイは、光束を少なくとも１人の観察者の目に向ける。一方では、個別に照明される領域は光変調器手段の表面上に規定され、これは、割り当てられた集束エレメントの幾何学的配置に対応するコア領域と集束エレメントの周辺部に対応する周辺領域とを有する。他方では、光束のフーリエ変換は、目の前方において、すなわち焦平面において一致する。

集束エレメントのアレイは、全ての光束が光変調器手段の変調セルを照明する共通光波面を形成するように幾何学的に設計される。この光波面は、オブジェクト光点を介して、空間振幅変調と空間位相変調との少なくともいずれかの結果として共通３次元シーンを再構成する。これは、光変調器手段上に符号化されたホログラムポイントデータパターンにより実現される。このようにして、符号化され且つ照明された光変調手段はビデオホログラムの機能を実現する。

光波面の輝度は均一であるが、光波面は外乱を受けた光伝播の実現値を示す。これは、集束エレメントの縁領域における光伝播誤差が原因であり、その結果、種々の影響を受けた照明領域を変調器手段表面上に生じさせる。特に、集束エレメントの縁部における光の回折は、観察者が誤った輝度レベルで再構成オブジェクト光点を知覚する原因になる。この輝度の乱れは、集束手段の縁部における光回折と、それらの縁部から光変調器手段上に投影された周辺領域と、焦平面に位置付けられる瞳孔の限られた開度の空間周波数フィルタリングとの相互作用により引き起こされる。知覚される輝度の乱れの種類は、空間光変調手段が使用する変調の種類に大きく依存することは明らかにされている。変調の種類を以下に詳細に説明する。

本発明の目的は、複数の照明ユニットにより同時に照明される光変調器手段を使用するホログラフィック再構成中に、ある特定のオブジェクト光点のこの不均一な輝度知覚を除去する単純だが効率のよい方法を提供することである。

本発明の一実現例に係る方法は、空間光変調手段を照明するのに使用される集束手段の幾何学的設計、空間光変調手段の変調の種類、観察者の目の位置、例えば、変調器からの距離又は方向、及び再構成の輝度、並びに再構成を見ている間の瞳孔の開度の各々がパラメータとして規定可能であるということを利用する。

光変調器手段のホログラムポイントデータパターンにおいて、集束エレメントのアレイの幾何学的配置によって、集束エレメントの縁部における光回折の影響を受ける変調セルを計算手段が規定した後、これらの影響を受ける変調セル毎に、観察者の瞳孔の期待されるフィルタリング特性と組み合わせて、この影響の程度を示すパラメータを作成することが可能である。

計算手段は、上記のパラメータに基づいて、再構成を見る時に知覚される再構成３次元シーンの局地誤差を推定する。計算手段は、ホログラムポイントデータパターン内の変調セルに対応する値を補正して、対応するオブジェクト光点を補正された輝度で再構成内に出現させる干渉点の一因となるような変調セルの影響を補償する。

本発明の一実現例において、オブジェクト光点から構成される３次元シーンのホログラフィック再構成における不均一な輝度知覚を補償する。計算手段は、ホログラムポイントデータパターンにより空間光変調手段の変調セルを符号化する。出願人は、参考として全ての内容が取り入れられ且つ本発明を完全に理解するのに役立つ有用な背景情報を提供する特許文献１、国際公開第ＷＯ２００６／０２７２２８−Ａ１号パンフレット、国際公開第ＷＯ２００６／０６６９１９号パンフレット及び米国特許出願公開第２００６−０２５０６７１−Ａ１号明細書においてそのようなシステムが説明されている。

本実現例を再度参照すると、各光束がそれ自体に対して干渉を発生させることができる複数の光束があり、光線は光変調器手段の表面を照明する。更に、集束エレメントのアレイは、少なくとも１人の観察者の目に割り当てられた目の位置の近傍で一致するように光束を向ける。しかしながら、集束エレメントの縁部において回折が生じる場合がある。この実現例において、要求される輝度均一性の再構成を与えるために、（i）集束エレメントの縁部における回折と、（ii）観察者の目の瞳孔における空間フィルタリングと、を補償するためのホログラムポイントデータの値を修正するために計算手段が使用される。

以下のパラメータの１つ以上は、ホログラムポイントデータの値、集束エレメントの幾何学的設計、空間光変調器に対する観察者の距離、観察者の角度、瞳孔の開度、光学波長、光源のコヒーレンスの程度、空間光変調器において使用される変調の種類を修正する際に計算手段により考慮される。計算手段は、球面レンズの収差を更に補償してもよい。また、以下に更に詳細に説明するように、観察者の瞳孔が低域フィルタリングを示す場合、計算手段は、補償しなければ発生する可能性のある暗線を補償する。反対に、観察者の瞳孔が高域フィルタリングを示す場合、計算手段は、補償しなければ発生する可能性のある明線を補償する。

光変調器手段が、広いビームを有する強力なレーザ等の単一光源を使用して照明されるか、あるいは互いに対して干渉を発生させることができず且つＬＥＤ等の別個の照明ユニットに配置される複数の光源を使用して照明されるかは、本発明の主題に関係ない。各照明ユニット内の集束手段は、単純な例において、少なくとも１つの別個の集束エレメント、例えばレンズを含む。しかしながら、タンデムレンズアレイなどのレンズ系が使用されてもよい。集束エレメントはアレイ内に共に配置され、アレイは光変調器手段の近傍に設置される。アレイと光変調器手段との順序は入替えられてもよい。

特許文献２において説明されるように、干渉を発生させることができる個々の光束は別個の照明ユニットにより生成される。その場合、各照明ユニットは別個の光源を含み、全ての照明ユニットの集束エレメントはアレイにまとめられる。その開示は、上述の再構成の処理において２つのフーリエ変換が実行されるということを利用する。照明ユニット内の集束エレメントは、集束エレメントの平面から観察者の水晶体へのフーリエ変換を実行する。これらの第１のフーリエ変換が水晶体上で一致する場合、観察者の水晶体は観察者の各目の網膜上に第２のフーリエ変換を実行する。第１のフーリエ変換中、集束エレメントのアレイが位置付けられる平面からの光分布は変換される。従って、光分布のフーリエ変換は瞳孔の平面内に作成される。瞳孔の有限範囲は、再構成の干渉点を既に含む光波面のフーリエ変換を空間的にフィルタリングする。従って、水晶体における空間周波数のゼロポイントは、常に光源画像の中心に存在する。

光源画像は、観察者の瞳孔の内側又は外側にあってもよい。瞳孔に関する光源画像の位置は、光変調器手段が利用する変調の種類により判定される。利用される変調の種類は、複素ホログラム値が光変調器手段上に符号化される方法に依存する。利用される変調の種類は、再構成に使用される回折次数及び仮想観察者ウィンドウが存在してもよい位置を最終的に判定する。

光源が瞳孔の内側に結像されるように仮想観察者ウィンドウが配置される場合、水晶体の有限な幅は、空間周波数の低域フィルタリングに影響を及ぼし、高い空間周波数を抑制する。空間光変調手段のこの種の変調は、例えば、位相変調光変調器を使用して実現可能である。これに対して、瞳孔が光源画像の横にあるように仮想観察者ウィンドウが配置される場合、高域空間周波数のみが水晶体を通過する。この場合、瞳孔は高域フィルタとして作用する。

第２のフーリエ変換中、フィルタリングされた複素振幅は瞳孔の平面から網膜に変換される。再構成シーンの画像はこのようにして網膜上に作成されるが、このシーンにおいて、空間周波数の一部は瞳孔の空間フィルタリングの影響により失われている。

振幅変調又は位相変調の原理を主に使用する光変調器手段に加えて、本発明は、同一又は異なる種類の変調を使用する複数の空間光変調器を組み合わせる光変調器手段にも適用可能である。

上述のホログラフィック再構成装置において、空間光変調手段の機能原理及び空間光変調手段を照明するのに使用される集束手段の幾何学的設計の双方が固定パラメータとして与えられるため、再構成のための照明により発生する光学誤差は、本発明によると、計算手段を使用して計算される補正成分を使用して補償される。補正成分は、空間光変調手段を符号化する際に使用されてもよい。

しかしながら、計算中、観察者の目は、光変調器手段の照明された変調セル内に符号化されるホログラムポイントデータパターンを知覚するのではなく、多くの光波の干渉の結果生成された再構成された空間オブジェクト光点を知覚するということを考慮する必要がある。これらの光波は、複数の照明された変調セルの瞬時変調値により規定される。従って、計算手段のタスクは、空間オブジェクトポイントが作成される場合に集束エレメントの縁部における光回折の影響が補正されるように、干渉の結果に含まれる変調セルの全体に対して瞬時変調値を補正することである。

本発明の好適な実施形態において、計算手段は、３次元シーンのオブジェクトデータに基づいてホログラムを計算し、ホログラムポイントデータパターンを補正するために以下のステップを繰り返し実行する。

集束エレメントの縁部における光の回折、瞳孔における空間周波数フィルタリング及び集束エレメントの収差を考慮して、ホログラムから再構成されるサンプルオブジェクトを観察者が見る様子をシミュレーションする。

元のサンプルオブジェクトの輝度分布とシミュレートされたサンプルオブジェクト再構成の輝度分布とを比較し、必要な補正値を計算する。

前のステップで計算された補正値を３次元シーンのオブジェクトデータの輝度分布に適用する。

本発明の更なる実施形態を以下に詳細に説明し、添付の図面に関連して示す。以下において、単色光を用いて観察者の目の前方に直接３次元シーンをホログラフィックに再構成するフラットスクリーンパネルを有するホログラフィックディスプレイに関連して本発明を説明する。しかしながら、本発明は他の任意のホログラフィック再構成、例えば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が当業者には明らかとなるだろう。

図２は、観察者の目の関連する光学エレメントを含む光学系全体の設計の詳細を示す。光学系は、干渉を発生させることができる光を放射する光源ＬＳ_ｎとレンズエレメント２ｎを有するレンズアレイとを含み、１つの光源及び１つのレンズエレメントは、空間光変調器ＳＬＭの表面の領域を照明する照明ユニットを共に表す。明確にするために、１つの光源ＬＳ_ｎ及びレンズアレイの１つのレンズエレメント２ｎのみを図に示すが、一般に、ｎ個の光源及び少なくともｎ個のレンズエレメントが存在する。ただし、ｎは１より大きい整数とする。レンズエレメント２ｎは、光束の形態の光源ＬＳ_ｎを透過型光変調器ＳＬＭの局所的に狭い領域を介して投影する。光変調器の他の領域は、他の照明ユニットにより同一の方法で照明される。レンズエレメントは平面アレイに配置され、照明ユニットの各レンズエレメントは、アレイ平面から焦平面ＦＰへの光学フーリエ変換ＦＴ１を実行する。全ての光束は、一方で、別個の領域Ｒ１〜Ｒ３（図１を参照）内のアレイ平面の近傍の光変調器ＳＬＭを通過し、他方で、水晶体ＡＬの平面に置かれることによりフーリエ変換ＦＰの平面に置かれる仮想観察者ウィンドウにおいて一致し、それによって共通光波面を形成するように調整される。光変調器ＳＬＭは変調セルを含む。変調セルは、フーリエ変換ＦＰの平面内の観察者ウィンドウにおいてのみオブジェクト光点に対応する空間的に配置された干渉点を有する光波面の形態の再構成シーンを観察者が水晶体ＡＬで知覚するように、ホログラムポイントデータパターンにより符号化される。

本発明の実施形態は、レンズアレイと光変調器ＳＬＭとが入替えられた場合も同様に実現可能である。その場合、変調セルを照明する光を考慮する代わりに、変調セルにより放射されレンズエレメントを通過して観察者の目に向かう光が考慮される。

再構成シーンを見ている間に水晶体ＡＬの焦点がアレイ平面に合う場合、アレイは、干渉点を有する光波面を網膜ＮＨに投影する。そのようにして、第２のフーリエ変換ＦＴ２は実行され、瞳孔は水晶体に対する開度を形成する。

瞳孔は範囲の有限な開度を有するため、アレイ平面からのフーリエ成分を空間的にフィルタリングする。従って、最も低い空間周波数は常に光源画像の中心に置かれる。

使用される光変調器が使用する変調の種類に応じて、例えば、ＳＬＭが振幅変調型か又は位相変調型かに応じて、光源を直接瞳孔に投影するホログラフィックシステム、及び瞳孔が光源画像の横に位置付けられるように瞳孔が回折次数に位置付けられるシステムがある。光源画像が瞳孔の内側にある場合、瞳孔は低域通過の挙動を示し、主に低い空間周波数を透過する。これに対して、瞳孔が光源画像の横にある場合、主に高い空間周波数が透過される。

その結果、符号化に対する誤差補償を計算する場合、高域フィルタリング又は低域フィルタリングをそれぞれ考慮する必要がある。低域フィルタリングの例を使用して、補償を以下に詳細に説明する。

図３は、目が均一に照明されるレンズエレメントを知覚する輝度における低域フィルタリングの影響を示す。システムは、光源画像が瞳孔の内側に存在するように、すなわち、水晶体が低域フィルタとして作用して高い空間周波数が減衰されるように、変調の種類を使用する。低域フィルタリングが行われない場合、すなわち、瞳孔が無限の場合、目は、図に破線で示す矩形の輝度分布でレンズエレメントを見る。実際の瞳孔は有限範囲を有するため、輝度プロファイルの周辺部は実線で示されるように丸くなる。この場合、レンズエレメントの縁部における輝度は元の輝度の２５％である。輝度プロファイルの丸みの程度は瞳孔の直径に依存する。瞳孔が小さいほど、レンズエレメントの周辺部において輝度誤差を生じる領域は広くなる。

隣接するレンズエレメントは、互いに対してインコヒーレントな光源により照明されるため、輝度分布はインコヒーレントにオーバーラップする。従って、低域フィルタリングの影響による輝度プロファイルの丸みは、本例において、隣接するレンズエレメント間の遷移領域における暗線として知覚される。

隣接するレンズエレメントの周辺部の知覚される輝度がオーバーラップするため、観察者の目は、図４に示すように、２つの隣接するレンズエレメント間の遷移領域の中心を減少した輝度で知覚する。従って、瞳孔の直径及び目と光変調器ＳＬＭとの間の距離の双方に幅が依存する暗線が発生する。

レンズエレメント間の遷移領域における輝度の低下は、干渉を発生させる光の能力に更に依存する。部分的にコヒーレントな光源が使用される場合、知覚に対するレンズエレメントの周辺部の影響はそれほど大きくない。このため、補償を計算する場合、コヒーレンスの程度を更に考慮する必要がある。

瞳孔に対する観察者ウィンドウがある回折次数で配置される種類の変調をホログラフィックシステムが使用することにより、瞳孔が光源画像の横に存在する場合、瞳孔は高域フィルタリングの挙動を示し、主に高い空間周波数を透過する。図５に示すように、そのような場合、レンズエレメントの周辺部において所望の輝度レベルを大幅に超える輝度プロファイルが生じる。そのような場合、再構成は、隣接するレンズエレメント間の接合部により規定される領域においてより明るく見える。

レンズエレメントの縁部及び瞳孔の開度の相互作用に加えて、レンズの周辺部も、光束が方向誤差を示し、その結果、再構成空間を誤って照明する原因になる。１つの種類の収差を表す球面収差により、ビームはレンズエレメントの縁部の近傍で誤って偏向される。ビームが光変調器から離れるほど、ビームは光軸に向けて偏向される。同様に、隣接するレンズエレメントを通過したビームは収差によって光軸に向けて偏向され、そのため、干渉点を形成するのに使用可能な光が存在しない空間領域が存在する。

瞳孔における後続の空間周波数フィルタリングを伴うレンズの縁部における偏向及び収差の双方は、計算によって定量化される。人間の目を含む光学系の全てのパラメータは、この計算におけるパラメータとして使用される。フーリエ光学及びコヒーレントな光線の追跡等のコヒーレント光学の方法はこの目的に適している。このようにして、目が再構成オブジェクトを知覚する様子が計算される。その後、オブジェクト光点の所望の輝度と結果として得られる輝度との比率は、ホログラム計算中に補正される必要がある。

空間周波数フィルタリングの影響及び収差を補償する際に考慮されるパラメータは、観察者の距離、観察者角度、瞳孔の開度、光波長及び光源のコヒーレンスの程度に依存する。これらのパラメータの全てが既知であるため、不均一な輝度の知覚はホログラム計算中に補償可能である。

本発明を適用可能なホログラフィック再構成システムが小さな仮想観察者ウィンドウにおける再構成を提示するため、そのようなシステムには、目の位置の変化に従って仮想観察者ウィンドウを追跡する装置と組み合わされるアイファインダが実装される。好適な実施形態によると、このアイファインダは、観察者の目の個々の開度を検出するためにも使用可能である。あるいは、瞳孔の個々に判定された開度の代わりに、例えば、輝度全体の中間に対して通常は５ｍｍである平均値を想定できる。

補償に対する第１のオプションは、反復ホログラム計算である。第１のステップにおいて、ホログラムは、再構成される所望のオブジェクトデータに基づいて周知の方法を使用して計算される。次に、そのホログラムに基づいて、瞳孔における後続の空間周波数フィルタリングを伴うレンズエレメントの縁部における偏向及び収差を考慮して、目が再構成シーンを知覚する様子が計算される。所望の輝度と結果として得られる輝度との比率は、オブジェクト光点毎に計算される。この比率は、シーンのオブジェクト光点の輝度値がそれに従って適応され且つホログラムが適応されたオブジェクト輝度に基づいて再計算されるホログラム計算の第２のステップにおいて使用される。第１の処理ステップの後、例えば、オブジェクト光点の輝度が所望の輝度の８０％しかない場合、８０％×１２５％＝１であるため、第２の処理ステップの前に輝度は１２５％まで増加される。所望の再構成品質が１回の反復後では達成されない場合があるため、これらの処理ステップは、所望の再構成品質が達成されるまで繰り返されてもよい。

任意のオブジェクト光点に対して補償値を事前に生成することも可能である。この目的のため、オブジェクト光点の輝度知覚が低域フィルタリング及び収差に応じて変化する様子が計算される。観察者の距離及び瞳孔の開度を仮定すると、この変化は、アレイ平面からのオブジェクト光点の距離、レンズエレメントの縁部に関する位置及び波長に依存する。レンズエレメントの縁部に関する位置は、瞳孔の中心からオブジェクト光点を通ってレンズアレイへ線を引くことにより判定される。その後、所望の輝度と知覚される輝度との比率は、そのオブジェクト光点に対して計算される。例えば、オブジェクト光点が所望の輝度の８０％しかない場合、この位置において再構成される任意のオブジェクトのオブジェクト光点は、ホログラム計算中に１２５％の輝度補正係数を与えられる必要がある。この補正係数は、レンズアレイからのオブジェクト光点の距離、レンズエレメントの縁部に関する位置及び波長に依存する。レンズエレメントの縁部に関する位置は、シーンにおけるオブジェクト光点の位置及び観察者の位置に依存する。

複数のパラメータにより、１組の補正係数が事前に計算されてもよい。ホログラム計算中、各オブジェクト光点の補正係数の値は、事前に計算されたそれらの値を使用して判定されてもよい。レンズエレメントの縁部に関する位置は観察者が移動すると変化するため、観察者が移動する場合、ホログラムはそれに従って再計算される必要がある。

ホログラフィック装置の可能な適用分野は、情報コンテンツ又は娯楽コンテンツを表現するための商用又は家庭用の用途におけるコンピュータ又はＴＶディスプレイ等の３次元表現用ディスプレイを含んでもよい。

特許文献２より周知である従来技術のホログラフィック装置の一例を示す図である。 観察者の目を含む光学系全体の設計の詳細を示す図である。 ホログラフィック再構成の輝度知覚における観察者の目による低域フィルタリングの影響を示す図である。 ２つの隣接するレンズエレメントに対する輝度知覚の分布を示す図である。 ホログラフィック再構成の輝度知覚における観察者の目による高域フィルタリングの影響を示す図である。

Claims (13)

1. オブジェクト光点（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、．．．）から構成される３次元シーンのホログラフィックな再構成（４）における不均一な輝度知覚を補償する方法であって、
   計算手段は、空間光変調手段（ＳＭＬ）の変調セルをホログラムポイントデータパターンにより符号化し、
   照明手段（ＬＳ_１、ＬＳ_２、ＬＳ_３、．．．）は、各々がそれ自体に対して干渉を発生させることができる複数の光束を生成し、前記空間光変調手段（ＳＬＭ）の表面を照明し、
   集束エレメント（２１、２２、２３、．．．）のアレイ（２）は、少なくとも１人の観察者の目に割り当てられた位置の近傍で一致するように前記光束を向け、
   前記集束エレメント（２１、２２、２３、．．．）の縁領域における光伝播の不均一性は、前記集束エレメントの前記縁領域と光学的に接触する前記空間光変調手段上に被影響領域を生じさせ、
   前記計算手段は、
   −前記変調セルと前記被影響領域内に位置付けられる前記ホログラムポイントデータパターン内の対応するホログラムポイントとを規定し、
   −そのように規定される前記変調セルに対する前記観察者の目の瞳孔（ＡＬ）から、期待されるフィルタリングと組み合わせて、これらの光伝播の不均一性の影響の程度を示すパラメータを判定し、
   −それらのパラメータに基づいて、これらの被影響領域により生じる前記再構成３次元シーンの局所的な不均一な輝度のうち、前記再構成（４）を見る時に前記観察者により知覚される輝度を推定し、
   −前記再構成されたオブジェクト光点（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、．．．）が正しい輝度で現れるように、前記ホログラムポイントデータパターン内の対応する値を補正する、方法。
2. 前記計算手段は、前記集束エレメントの縁部における光の回折が前記変調セルの前記輝度に影響を及ぼす領域に位置付けられる前記ホログラムポイントデータパターン内の変調セルを規定する請求項１記載の方法。
3. 前記計算手段は、前記集束エレメント（２１、２２、２３、．．．）の前記縁部の近傍に位置付けられる前記ホログラムポイントデータパターン内のセルを規定する請求項１記載の方法。
4. 前記ホログラムポイントデータパターンの補正のため、前記計算手段は、前記集束エレメント（２１、２２、２３、．．．）の縁領域における前記光伝播の不均一性と、前記瞳孔（ＡＬ）における空間周波数フィルタリングとを考慮する請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記ホログラムポイントデータパターンの補正中、前記瞳孔（ＡＬ）の直径が考慮される請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
6. アイファインダは、前記ホログラムポイントデータパターンを計算するのに使用するために、観察者の前記瞳孔（ＡＬ）の前記直径を判定する請求項５記載の方法。
7. 前記計算手段は、前記光変調器手段（ＳＬＭ）の前記照明された表面の総輝度に基づいて、前記瞳孔（ＡＬ）の前記直径を推定する請求項５記載の方法。
8. 前記計算手段は、前記データパターンにおいて補正されるホログラムポイント値の数を最小限にするために、前記規定された変調セルのうち個々のオブジェクト光点の前記再構成（４）に実際に寄与する変調セルに基づいて、前記３次元シーンのオブジェクト光点データを使用して前記ホログラムポイントデータパターンを補正する請求項１記載の方法。
9. 前記計算手段は、前記瞳孔（ＡＬ）の位置とオブジェクトポイントの位置とに基づいて、前記集束手段の前記縁領域における光伝播の不均一性の影響を受ける前記領域内に位置付けられる変調セルを規定し、これらの変調セルは、前記光伝播の不均一性を補償するために再符号化される請求項１記載の方法。
10. 前記ホログラムポイントデータパターンを補正するために、前記計算手段は、３次元シーンのオブジェクトデータに基づいてホログラムを計算するために使用され、
    −前記集束エレメントの前記縁領域における前記光伝播の不均一性と前記瞳孔における空間周波数フィルタリングとを考慮して、前記観察者が前記再構成シーンを見る様子を前記ホログラムに基づいてシミュレートするステップと、
    −前記再構成の誤ったオブジェクト光点を識別するために、前記元のオブジェクトの輝度分布と前記シミュレートされたオブジェクト再構成の輝度分布とを比較するステップと、
    −これらの識別されたオブジェクト光点に対する補正値を計算するステップと、
    −前記シーンの補正された輝度分布を達成するために、前記補正値を前記オブジェクト光点に適用し、前記ホログラムポイントデータパターンを再計算するステップとを繰り返し実行する請求項１記載の方法。
11. 前記計算手段は、３次元シーンのオブジェクトデータに基づいてホログラムを計算するために使用され、
    −前記集束エレメントの前記縁領域における前記光伝播の不均一性と前記瞳孔における空間周波数フィルタリングとを考慮して、前記観察者がホログラムから再構成されるサンプルオブジェクトを見る様子をシミュレートするステップと、
    −前記再構成の誤ったサンプルオブジェクト光点を識別するために、前記元のサンプルオブジェクトの輝度分布と前記シミュレートされたサンプルオブジェクト再構成の輝度分布とを比較するステップと、
    −これらの識別されたサンプルオブジェクト光点に対する補正値を計算するステップと、
    −前記シーンの補正された輝度分布を達成するために、前記補正値を前記３次元シーンの前記オブジェクトデータに適用し、前記ホログラムポイントデータパターンを再計算するステップと、
    を繰り返し実行する請求項１記載の方法。
12. 前記計算手段は、
    −観察者の位置及び前記瞳孔（ＡＬ）の直径と、
    −前記再構成に対して使用される前記光の波長と、
    −前記オブジェクトポイントと前記集束手段（２）との間の距離と、
    −前記瞳孔（ＡＬ）と前記オブジェクトポイントとを接続し、前記集束手段（２）に連続する直線上の前記集束エレメントの前記縁部に関する前記オブジェクトポイントの位置と、
    −前記集束エレメントの前記縁部における光回折と前記瞳孔（ＡＬ）における空間周波数フィルタリングと、
    を含むパラメータに対する補正値を考慮する請求項１記載の方法。
13. メモリ手段は前記補正値を提供する請求項１２記載の方法。

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