JP2010513964A - 可視領域を拡大するためのホログラフィック投影デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、仮想可視領域（２０、２００、２０１、２０２、２０３）を拡大するための装置、及び方法に関し、再構成シーンを観察するために、少なくとも一つの光変調デバイス（２）と、前記光変調デバイスにおいてコード化されるシーンの波面を生成するために十分なコヒーレント光を有する少なくとも一つの光源（２）とを有する。観察者平面（１５、１５０、１５１、１５２、１５３、１５４）に波面をイメージ化する方法によって、再構成シーンを観察するための仮想可視領域を生成することが可能である。仮想可視領域（２０、２００、２０１、２０２、２０３）は、少なくとも２つの仮想観察者ウィンドウ（２１ａ、２１ｂ）を有する。この場合、仮想観察者ウィンドウ（２１ａ、２１ｂ）は、前記再構成シーンが常に、前記観察者平面（１５、１５０、１５１、１５２、１５３、１５４）において、観察者の動きによる前記観察者ウィンドウ（２１ａ、２１ｂ）のトラッキングを有さずに、観察されることができるように採寸されている。

Description

本発明は、再構成シーンを観察するために可視領域の拡大のためのホログラフィック投影デバイスに関し、前記デバイスは、少なくとも一つの光変調デバイスと、前記光変調デバイス上にコード化されたシーンの波面（ウェーブフロント）を生成するために十分なコヒーレント光を放射する少なくとも一つの光源とを有する。本発明はさらに、前記ホログラフィック投影デバイスを有する可視領域を拡大する方法に関する。

大抵のディスプレイを観察した場合、観察者は平らな画素平面のみ観察することができる。しかしながら、現実的な態様において、ディスプレイを観察することや三次元ビューにおけるディスプレイ上にて提示されるオブジェクトを観察することが要求される。様々な試みが、この問題に対する満足な解決策を見つけるために、この関心をもたらす。一つの解決策は、三次元イメージを生成できる容積ディスプレイであるが、複雑な装置を要求してしまう。さらに、レンチキュラ配列を有する自動立体ディスプレイが先行文献から知られている。今のところ、三次元イメージを生成するための最適な解決策は、ホログラフィの利点を用いることである。ホログラフィは、要求された深度適応（運動視差など）や高解像度を有する真の三次元イメージを提供する。

特許文献１は、例えば、三次元シーンを再構成するためのホログラフィック・ディスプレイ・デバイスを開示する。そのディスプレイ・デバイスは、反射光変調器と、ホログラムを投影するためのビーム・スプリッタと、開口絞り（aperture stop）と、対物レンズと、コリメータ・レンズとを有する。ホログラムは、三次元オブジェクト情報を用いてコンピュータ上で生成され、続いて、光変調器上で提示される。光変調器は、光源によって放射された光にて照射され、三次元シーンが再構成されるように、ビーム・スプリッタを通って投影される。再構成シーンは、対物レンズの近くに生成される。しかしながら、シーンの寸法は、対物レンズの大きさによって逆に制限される。さらに、観察者の目に対するトラッキング（追跡）設備が提案されないため、再構成シーンの観察者は、動きの自由を制限するのみである。その上、回折次数の周期的な繰り返しがフーリエ平面（Fourier plane）に現れる。

用いられた空間光変調器（ＳＬＭ）は、適宜光の位相と振幅を変調する。一般的に、そのような光変調器は、画素と呼ばれる１００万以上の変調エレメントを有する。高解像度を達成するために、光変調器は、多数の画素を有することを要求される。小型化に向う傾向は、速いペースで進んでいるため、光変調器は、常により小さくなることを求められる。画素の大きさが、さらに減らされることはほとんどできないが、個々に制御可能な光学的特性を有する光変調器上の多数の画素を実現するのは、技術的観点から今までに可能ではない、もしくは、少なくともとても困難である。

可視領域を拡大することの一つの可能性が、非特許文献１に述べられている。そのディスプレイには５つの光変調器が水平に配置されており、ディスプレイの全画素数は、約１５００万画素となる。高画素数のようなディスプレイは、観察者が、例えば双眼鏡のように、両目で再構成シーンを観察することができるほどに、再構成シーンや可視領域を拡大させることができる。しかしながら、そのようなディスプレイの不利点は、光変調器もしくは、より正確には光変調器によって放射された光は、コヒーレント光が、重ねられ、スペックルが起こるような干渉効果を妨げているように、相互コヒーレンスを示す。さらに、ビーム誘導のために必要とされる複数の鏡は正確に並べられるべきであるため、ディスプレイのようにすることが難しい。

可視領域を拡大するための他の方法は、まだ非公開ではあるが、特許文献２に述べられている。その中にて開示された投影デバイスは、スキャニングシステムにおける二次元光変調デバイスを有し、光は、互いに光変調デバイスの複数の一次元画素配列を、スキャニング・エレメントの支援を有してスキャンする。光変調デバイスの支援にて変調された波面は、仮想可視領域もしくはスクリーン上にイメージ化される。観察者に対し、例え彼が動いても、再構成シーンが観察することができるようにするためには、各々の観察者の目に対し、仮想可視領域を追跡することが必要である。一般的に再構成シーンを双眼鏡のように観察することは可能であるが、これは達成するのが困難である。

欧州特許第１４６７２６３号明細書 ＤＥ １０ ２００６ ０２４ ３５６．０

K. Maeno et al., "Electro-holographic display using 15mega pixels LCD（１５メガ画素ＬＣＤを用いた電子ホログラフィックディスプレイ）", Proc. of SPIE Volume 2652, pp.15 to 23

従って、本発明の目的は、上記で述べた先行技術の不利点を克服するホログラフィック・デバイス、及び方法を提供することであり、特に１もしくは多数の観察者が動いても、個々の観察者ウィンドウを追跡する必要なく、二もしくは三次元シーンの少なくとも一方を大きな可視領域を通って見られることができるようにすることである。

さらに、特許文献２は、多数の観察者が同時に再構成シーンを観察することができるように改良されるであろう。

この目的は、再構成シーンを観察するための仮想可視領域が、観察者平面に波面をイメージ化する方法によって生成されることができ、そのため、仮想可視領域は、もし観察者が観察者平面において動いても、観察者ウィンドウを追跡する必要なく再構成シーンが常に見られることができるように採寸されている少なくとも２つの仮想観察者ウィンドウを有する、この発明に一致して解決される。

この発明に一致するホログラフィック投影デバイスは、十分なコヒーレント光を放射する少なくとも一つの光源と、少なくとも一つの光変調デバイスとを有する。このドキュメントにおいて、単語“十分なコヒーレント光”とは、三次元シーンの再構成のための干渉を生成する能力をある光を示す。光変調デバイスは、画素（変調エレメント）を有し、再構成されるための芯をコード化する。仮想可視領域は、再構成シーンを観察することができるようにするために、観察者に対する観察者平面において生成される。“仮想可視領域”は、再構成シーンを双眼鏡のように観察するために、観察者に対して十分大きく生成される仮想ウィンドウエリアとなるために、本発明の文脈にて解釈されるべきである。仮想可視領域は、望ましくは並んで配置し、あるいは定義された領域における観察者平面において彼が動いても、観察者ウィンドウを追跡する必要なく、観察者が再構成シーンを観察することができるように採寸されている多数の（例えば、少なくとも２つの）観察者ウィンドウを示すことで、これを達成する。

ホログラフィック投影デバイスは、従って、可能な限り大きな再構成ボリュームの二及び三次元シーンの簡易で早い再構成を提供する。再構成領域は再構成シーンが可視である多数の観察者ウィンドウを有するため、観察者は、従って、可視領域を通って双眼鏡のように再構成シーンを観察することができる。この多数の観察者ウィンドウは、もし観察者が観察者平面において動いたとしても、新しい観察者の目の位置にそれぞれの目に対する観察者ウィンドウを追跡する必要なく、常に再構成シーンを双眼鏡のように見られるようにする。観察者ウィンドウを追跡することの必要さは、従って、非常に最小限度であり、もしくは除外される。トラッキング手段は、従って、この発明によると本ホログラフィック投影デバイスにおいて削除されることができ、投影デバイスの設計はとても簡易で小型となる。

本発明の好ましい実施形態によると、少なくとも一つの偏光デバイスは、少なくとも２つの観察者ウィンドウを有する仮想可視領域の生成を提供される。偏向エレメントは、多数の観察者ウィンドウを有する大きな可視領域を生成することを可能とし、特に水平方向において、ここでコヒーレント方向である。しかしながら、垂直方向においても同様に可視領域を拡大することが必要であれば、その次に例えばX-Y検流計のような、水平及び垂直方向の両方において、光を偏向することができる偏向エレメントが必要であるだろう。

可視領域が、多数の観察者が再構成シーンを観察することができるために、少なくとも１つのビーム・スプリッタを用いて再生されることができれば、特に好ましくすることができる。これはより好ましく、個々の観察者が動く場合に、位置検出システムによって各個別の観察者検出することや個々の観察者ウィンドウを追跡することを必要とすることなく、多数の観察者（例えば、イベント、映画など）に対し、ホログラフィック投影デバイスによって可能とされる。このように、観察者が自由に彼の大きな可視領域において動くことができる。これは、実質的に、ホログラフィック投影デバイス、及び対応しているシーンの再構成及び観察者へ同様のプレゼンテーションのための方法を単純化する。

本発明のさらなる実施形態によると、多数の光源が用いられた場合、それらの光は好ましくは相互に非コヒーレントである。特に、多数の光源が多数の光変調デバイスに対して使用される場合、これらの光源の光は相互に非コヒーレントであることが望ましい。この場合、光は強度において重ね合わせられるのみであるため、障害となる干渉効果（スペックル）の発生が最小限になるか、もしくは防止されるためである。これは、実質的には再構成シーンの品質を向上させる。

本発明の目的は、さらに再構成シーンを観察するための仮想可視領域の拡大のための方法によって解決され、少なくとも一つの光源が十分なコヒーレント光を放射し、光が少なくとも一つの光変調デバイスによって変調され、変調された光はその結果、少なくとも一つの偏向エレメントに少なくと一つのイメージング・エレメントを通って投影され、仮想可視領域は、変調された光の支援を有する少なくとも一つの観察者平面の所定の位置に生成され、少なくとも２つの観察者ウィンドウは、多重化法を用いる仮想可視領域に生成される。

少なくとも一つの光変調デバイスによって変調される光は、少なくとも一つの観察者平面にてイメージ化され、そこで仮想可視領域を生成する。この可視領域は、再構成ボリュームにおいて、観察者が双眼鏡のように再構成シーンを観察することができるために、つなぎ合わせられる観察者ウィンドウを生成することによる多重化法の支援により拡大される。可視領域は、観察者に対し、たとえ彼の位置を変えたとしても、再構成シーンもしくは複数の再構成シーンを見続けることができるように十分に大きくすることができる。従って、特許文献２のように、もはや観察者ウィンドウを追跡する必要は無い。複数のシーンの再構成のための方法は、空間分割多重化法が用いられるのであれば、実質上、好ましくは単純化され、従って、二次元もしくは三次元シーンを動かすことの真のリアルタイム表示を可能とする。

本発明の好ましい実施形態において、仮想可視領域における少なくとも2つの観察者ウィンドウは時分割多重化法を用いて生成されることができる。これは特に、少なくとも１つの光変調デバイスが、とても早いスピードで仮想可視領域における観察者ウィンドウの生成を可能とし、それらの解決策は、十分に高い。観察者ウィンドウの生成のための光変調デバイスの数は、従って、少しに減らされることができ、もしくはただ１つの変調器とすることができる。これは、ホログラフィック投影デバイスの設計を単純化する。多数の光変調デバイスが用いられるのであれば、もちろん、空間分裂多重化法を用いる仮想観察者ウィンドウを生成することも可能とする。

光源によって放射され、少なくとも一つの光変調デバイスによって変調された光のフーリエ変換が、スクリーンとして機能するイメージング・エレメントにおいてイメージ化されるのであれば、少なくともこのイメージング・エレメントは、仮想可視領域に対し光変調デバイスの支援にて変調された波面をイメージ化するように、特に好ましくできる。分離記録に起因し、回折効果のために、コンピュータ生成ホログラム（ＣＧＨ）に再構成は、ＣＧＨ伝達媒体、すなわち光変調デバイスの解決策によって定義された回折スペクトルの一つの周期性間隔内でのみ可能である。再構成は、一般的に、隣接した周期性間隔において変則を示すことが繰り返される。フーリエ変換の回折次数の周期的連続の問題は、スクリーンにおけるフーリエ変換をイメージ化することによって解決される。再生成規模やスクリーンの大きさは、回折次数の周期的連続はスクリーンの外側に位置するように選択されることができる。結果として、一つの周期のみがスクリーンにおいて示される。これは、再構成シーンの観察者が、回折次数における再構成の周期的連続を感知することを意味する。これは、ホログラフィック投影デバイスの再構成品質を非常に向上する。光変調デバイスにおいてコード化されたホログラムのフーリエ変換として、観察者平面に波面がイメージ化されたのであれば、可視領域における周期的連続は、多重の観察者ウィンドウが生成されるため、再構成シーンを観察することにおいて観察者を妨げる。

本発明のさらなる実施形態において、他の従属クレームによって定義される。本発明の実施形態は、以下に詳細を説明し、付属の図面とともに示されるであろう。本発明の原理は、単色光を有するホログラフィック再構成に基づいて述べられるであろう。しかしながら、この発明は、個々の実施形態の記述が示しているように、カラー・ホログラフィック再構成に適用されてもよいと、当業者に理解されるであろう。

図１は、特許文献２から知られているスキャニング・システムの原理を示し、波面の伝播方向や光伝播の方向（コヒーレント方向）を示している。 図２は、図１に準じたスキャニング・システム及び投影システムを有する特許文献２から知られているホログラフィック投影デバイスを概略的に示している。 図３は、図１に準じた、多重光源が提供されたスキャニング・システムを概略的に示した平面図である。 図４は、図１に準じた、光源が並べられた他の実現可能性を示したスキャニング・システムを概略的に示した平面図である。 図５は、観察者平面における可視領域を概略的に示している。 図６は、図区無くとも一つの観察者平面において、多数の観察者のための可視領域を概略的に示している。

これから、この発明に準ずるホログラフィック投影デバイスの設計、及びシーンの再構成（好ましくは三次元シーン）が述べられるであろう。

図１は、ホログラフィック投影デバイスのサブシステムのみを示し、曲がっていない光学経路は偏向エレメントを通って示される。このサブシステムは、スキャニング・システムＡＳとして参照される。少なくとも一つの光源２を有する照射デバイス１と、スキャニング・エレメント３と、少なくとも一つの光変調デバイス４と、イメージング・エレメント５、６、７、８、９とを有し、イメージング・エレメント６、７、及び９は、多数の単一光学エレメントから構成されることができる。イメージング・エレメント５、６、７、８、及び９は、レンズでもよく、特に円筒状レンズ、球状レンズ、補正円筒状もしくは球状レンズ、回折光学エレメント（ＤＯＥ）、フレネルレンズであってよいが、ミラーやいくつかのそのようなエレメントの配列であってもよい。さらに、イメージング・エレメント５、６、７、８、及び９は、軸外に配置されてもよく、フィールド湾曲のような収差を減少するのを支援する。ホログラフィック投影デバイスは、アナモルフィックであり、例えば、投影システムひいては互いに直角な投影デバイスの２つの方向における倍率の度合いは、異なっている。図１は、波面伝播の方向や光伝播の方向におけるスキャニング・システムＡＳを示している。この方向は、コヒーレント方向として以下で参照されるであろう。非コヒーレント方向として参照されている、スキャニング方向や光伝播方向におけるスキャニング・システムＡＳは、特許文献２にて見られることができ、本発明において関係がないため、この実施形態において示されていない。

以下、コヒーレント方向におけるスキャニング・システムＡＳの機能原則について図１を参照して説明する。回折光学エレメントがイメージング・エレメントとして用いられるのであれば、それらの設計及び機能原則は、収差補正を実現するのにより適することとなるため、利点となるであろう。照射デバイス１の光源２は、十分なコヒーレント光を放射し、光は広がりのためのイメージング・エレメント５に方向付けられる。平面波Ｗは、続いて、例えば、円筒状レンズであるイメージング・エレメント６を通過し、スキャニング・エレメント３に焦点を合わせられる。スキャニング・エレメント３は、続いて、スキャニング・エレメント３に焦点を合わせられた波Ｗが、この平面１０においても焦点を合わせられるように、平面１０に対しイメージング・エレメント７によってイメージ化される。その結果、ミラーのような偏向エレメントを、光学経路を曲げるために平面１０に並べることが可能である。反射光変調デバイス４が用いられるのであれば、偏向エレメントは、光変調デバイス３への進路において、逆の進路における光が重複することから妨げるのに利点となる。伝達可能な光変調デバイス４が用いられるのであれば、そのような偏向エレメントは、簡潔さの理由として用いられてもよい。平面１０を通過した後、波Ｗは、光変調デバイス４にコリメート光もしくは平面波として、イメージング・エレメント８によって投影される。この実施形態や後述の実施形態において、光変調デバイス４は、反射光変調デバイスであり、特に図１、２、及び３に準じると、曲げられた光学経路があり、好ましくは平面波面を有する波Ｗが、波面ＷＦを有する変調された波として反射されることを意味する。結果として光変調デバイス４によって変調された波面ＷＦは、その後、平面１１にイメージング・エレメント８’及び９によってイメージ化される。反射光変調デバイス４が用いられる場合において、この実施形態では、イメージング・エレメント８もイメージング・エレメント８’として動作する。ここでは分離したイメージング・エレメントとして示されている２つのイメージング・エレメント８及び８’は、この場合において、一つの単一なイメージング・エレメント８’を形成するために組み合わせられる。しかしながら、これは反射光変調デバイス４のみに適用される。変調された波面ＷＦがイメージング・エレメント８’（＝８）によってイメージ化される間、フーリエ変換ＦＴは、平面１０’において同じ時間に生成される。反射光偏重デバイス４が用いられるのであれば、平面１０及び１０’は、それと同じ平面を形成するために同時に起こる。波面ＷＦは、次に、コリメート光束のように平面１１において、イメージング・エレメント９によって方向付けられる。本実施形態と後述する他の実施形態は概略的にのみ示されているため、イメージング・エレメント８及び８’は単一のイメージング・エレメントで示されており、したがって、変調された波面ＷＦは反射されて平面１０’に戻ることに留意する必要がある。従って、平面１０と１０’は、同時に起こる。

非コヒーレント方向におけるスキャニング・システムＡＳの機能原則の記述は、特許文献２にて明らかに説明されているため、ここでは、省略されるであろう。

図２は、全体としてホログラフィック投影デバイスを示す。ホログラフィック投影デバイスは、ここでは概略的にのみ示されているが上記で述べたスキャニング・システムＡＳと、投影システムＰＳとを含む。投影システムＰＳは、スクリーンとして機能するイメージング・エレメント１２と少なくとも更に一つのイメージング・エレメント１３とを含む。以下でスクリーンとして引用されるであろうイメージング・エレメント１２は、例えば、ミラー、レンズ、もしくは回折光学エレメント（ＤＯＥ）であってよい。スクリーン１２は、イメージング・エレメント１３の第二の焦点面にて配置される。イメージング・エレメント１３は、好ましくは異なる倍率の度合いが、コヒーレント及び非コヒーレント方向において実現できるような、レンズ、ＤＯＥ、レンズ配列もしくは類似の光学エレメント、特に球状及び円筒状レンズの配列であってよい。投影システムＰＳは、更に観察者平面１５における仮想可視領域の拡大を提供する偏向エレメント４と結び付けられる。偏向エレメント１４は、アフォーカル系を形成する２つのイメージング・エレメント１６と１７との間に配置される。偏向エレメント１４は、個別に制御可能なタイプ、好ましくは、ミラー・エレメントからなり、例えば、検流計スキャナ、ＭＥＭＳアレイ（微小電気機械システム）、ポリゴン・スキャナ、もしくは音響光学の配列であってよい。更に、偏向エレメント１４は、少なくとも一つの方向（水平方向もしくは垂直方向の少なくとも一方）において偏向できる。三次元シーンを再構成するために要求された情報を運ぶ波面は、図１に基づいて述べられたように、スキャニング・システムＡＳにて生成される。これが、投影システムＰＳにおける再構成についてのみ、図２を参照して説明する理由である。イメージング・エレメント１６及び１７によって示されるアフォーカル系は、偏向エレメント１４を通って平面１８に、平面１１をイメージ化する。図２を参照すると、この平面１８は、次にスクリーン１３によって平面１９に、仮想イメージとしてイメージ化され、次にスクリーン１２によって観察者平面１５にイメージ化され、一つの目に提供される仮想観察者ウィンドウ２１を生成し、前記観察者ウィンドウ２１は、従って、仮想可視領域２０を示す。同時に、イメージング・エレメント１６の焦点面において配置される偏向エレメント２１は、スクリーン１２上にイメージング・エレメント１７及び１３によってイメージ化される。コヒーレント方向において、変調された波面ＷＦは、従って、スキャニング・システムＡＳにおける平面１１、次に、仮想観察者ウィンドウ２１、そして観察者の目にイメージ化される。変調された波面ＷＦのフーリエ変換ＦＴは、同時に偏向エレメント１４にイメージング・エレメント１６によってイメージ化される。非コヒーレント方向（不図示）において、スキャニング・エレメント３は、スキャニング・システムＡＳにおける平面１１にイメージ化され、ビームは、イメージング・エレメント９を通過することによって、無限大にイメージ化され、もしくは平行にされる。スキャニング・エレメント３は、偏向エレメント１４に焦点を合わせられ、スクリーン上にイメージング・エレメント１７及び１３によってイメージ化される。

イメージング・エレメント１７及び１３は、一つの単レンズもしくはレンズ・アレイを形成するために組み合わせられることもできる。上記で述べた投影デバイスは、一つの観察者の目に対し、示され、述べられたのみであった。しかしながら、達成するのが困難ではあるが、仮想観察者ウィンドウが十分に大きければ、観察者の目の組に対し設計されることもできる。代わりに、観察者の目の組は、好ましくは、第二の観察者の目に対し、第二の光変調デバイス４によって扱われることができ、次に多くの改良は、投影デバイスに適用されるべきである。観察者が観察者平面１５に位置づけられ、仮想可視領域２０（ここでは特に仮想観察者ウィンドウ２１）を介して観察するのであれば、彼は、再構成ボリュームにおいて再構成された三次元シーンを観察することができ、シーンは、光伝播の方向から見れば、スクリーン１２の前、上、もしくは後ろに再構成される。

三次元シーンのカラー再構成も、ホログラフィック投影デバイスの支援により可能である。このため、少なくとも一つのビーム・スプリッタ・エレメント２３（好ましくは二色の層を含むＸプリズム）は、光伝播の方向から見れば、偏向エレメント１４の前に配置される。代わりに、ビーム・スプリッタ・エレメント２３は、ホログラフィック投影デバイスにおいて他の適切な位置に配置されることもできる。シーンのカラー再構成は、同時に三原色であるＲＧＢを処理することによって達成される。２つの完全に分離された光チャネルが提供されるのであれば、２つのビーム・スプリッタ・エレメント２３（例えば、光チャネル毎に一つのビーム・スプリッタ・エレメント２３）は、投影システムＰＳにて配置されることができる。

シーンの順次的なカラー再構成は、もちろん同様に可能であることが理解されるだろう。このタイプの再構成を実行するために、十分なコヒーレンスを示す好適な有色光源２と、スイッチング・ユニットが、個々の単色の原色であるＲＧＢを順次制御するために要求される。これにより、カラー再構成を次々に生成することが可能となる。

図１及び２は、観察者平面１５内で動かない観察者が再構成されたシーンを観察するときの、上述のホログラフィック投影デバイスを示す。しかしながら、観察者が、観察者平面１５における他の位置に動いたならば、観察者は、仮想可視領域２０もしくは図２における適宜追跡される仮想観察者ウィンドウなしには、再構成された三次元シーンを、もはや観察することはできないであろう。偏向エレメント１４は、次に観察者ウィンドウ２１を追跡するために機能することができる。しかしながら、そのようなトラッキングは、追加の光学デバイス、例えば、観察者平面１５における観察者の位置を検出する位置検出システムを要求する。

観察者が彼の位置を変更した際に、観察者平面１５における観察者ウィンドウ２１を追跡する必要なく、再構成された三次元シーンを観察することの一つの可能性は、可視領域２０を拡大することである。図３及び４は、これを達成することができるオプションを示している。

図３は、図１に準ずるスキャニング・システムＡＳを示しており、照射デバイス１は、多数の光源２を有し、ここでは３つの光源２である。光源２は、互いに平行し、光軸ＯＡに平行に配置され、それらは、好ましくは同じ可視領域２０に対し、互いに関連を有する非コヒーレントであるべきである。これは、例えば、異なる光源（例えば、異なるレーザ光線）を用いることによって確実にされることができる。これは、光が次にその強度に関しては重ね合わせられるのみであるので、特にその程度において利点であるが、干渉は示していない。シーンの品質を実質的に損なうであろう、スペックルのような干渉効果を妨げることは、従って起こりえない。それにもかかわらず確かに、相互のコヒーレンスを示す光源２を用いることも可能とする。しかしながら、再構成されたシーンの情報を運ぶホログラムは、次に多数の光変調デバイス４に分けられるべきである。設計とスキャニング・システムＡＳの動作原則は、一般に図１に関して説明されたこれらと同一である。しかしながら、少なくとも２つの光変調デバイス４、この実施形態においては３つの光変調デバイス４は、可視領域２０の拡大が提供され、スキャニング・システムＡＳにおいて、配置される。光変調デバイス４は、反射タイプから構成され、用いられた光源２の数は、単色再構成に対する光偏重デバイス４の数と同一である。光源２によって放射された個々の波Wを組み合わせるために、それぞれのイメージング・エレメント５及び６によって広げられた後に、大きなイメージング・エレメントＬは平行化された光学経路を提供される。このイメージング・エレメントを用いることで、全ての光変調デバイス４が同時にスキャンされるように、それぞれの波Ｗは、スキャニング・エレメント３に焦点を合わせられることができる。このため、光変調デバイス４は、光軸ＯＡに対してある角度をなして配置されるべきであるため、各光チャネルに対し、コリメート光が、同様にスキャンするためにそれぞれの光変調デバイス４に向かっていくことができるように、平面１０の後ろにイメージング・エレメント８を含む必要がある。光伝播の方向から見れば、スキャニング・システムＡＳの後ろに配置され、投影システムＰＳの設計は、図２に関して述べられたものと同一である。しかしながら、一つの偏向エレメント１４は、光変調デバイス４ごとに提供されるべきである。多数の仮想観察者ウィンドウ２１は、多重化法、ここでは空間分割多重化法を用いるこの実施形態において、生成される。任意の大きさの多数の仮想観察者ウィンドウ２１は、従って、実質的には、仮想可視領域２０にて生成される。これは、仮想観察者ウィンドウ２１が、観察者の両目をカバーするのに十分に大きく作られることができることを意味する。しかしながら、仮想観察者ウィンドウ２１が、一つの目の瞳をカバーするために、２つの仮想観察者ウィンドウ２１が要求されるほどに小さくすることを可能とする。さらに、互いにそばに配置された２つの仮想観察者ウィンドウ２１の間に、自由空間を配置することができる。再構成されたシーンの全体はそれらの個別の観察者ウィンドウ２１各々を介して観察可能であるが、可視領域２０内の個別の各観察者ウィンドウ２１は、異なる視野からの再構成シーンを示すことも考えられる。

このように、仮想可視領域２０は、同時に少なくとも２つ、この実施形態では３つの仮想観察者ウィンドウ２１（不図示）を含んで生成されることができる。これは、実質上、図２にて示されたものと比較された仮想可視領域２０を、観察者に対し、双眼鏡的に再構成された三次元シーンを観察することがすぐに可能であるように、拡大する。変調された波面ＷＦが、フーリエ変換ＦＴがスクリーン１２にイメージ化される間、観察者の目における観察者平面１５にイメージ化されることは特に利点となる。これを達成するために、スクリーン１２は、イメージング・エレメント１３の第二の焦点面に配置されるべきである。このように、回折次数の周期的連続は、回折スペクトルの一周期のみがスクリーン１２にて示されるように、スクリーン１２に転送され、特にスクリーン１２の外に置き換えられる。これは、観察者が、回折次数における再構成の周期的連続を感知することを意味する。波面ＷＦが、光変調デバイス４においてホログラムとしてコード化されるのであれば、フーリエ変換FTは、観察者平面１５にイメージ化され、変調された波面ＷＦはスクリーン１２にイメージ化されるであろう。この場合、多数の仮想観察者ウィンドウ２１は、仮想可視領域２０にて生成され、再構成された三次元シーンを観察する際には、個別の再構成の周期的連続は、実質上、妨げられる。さらに、大きな利点は、多数の観察者ウィンドウ２１含むこのような大きな可視領域２０を用いて、連続的に配置された、再構成されたシーンの点、すなわち異なるセクション平面内に存在するシーンの点が、コード化に起因する明るさや可視性のように示すことである。全ての点は、同じ明るさを有し、はっきりと知覚でき、もしくは可視である。従って、可視領域と対応する単一の大きな観察者ウィンドウに関する状況として、一つの点は、鮮明に検知され、他の一方はぼやけているということを防止する。これは、再構成シーンを見たり、知覚することを非常に困難にする。この発明に応じた可視領域２０は、多数の小さな観察者ウィンドウ２１から構成されるため、前に用いられたコード化法は、利用し続けることができ、従って、上記で述べたコード化に起因する不利点を避けることとなる。

更に、光源３によって放射された光が、平面１１に平面的に向かっていくのであれば、仮想可視領域２０におけるそれぞれの仮想観察者ウィンドウ２１は、非コヒーレント方向において拡大されることができる。これは、非コヒーレント方向における平面１１において入射する波面が広がるほど、非コヒーレント方向における仮想可視領域２０が大きくなることを意味する。従って、仮想可視領域２０の大きさに影響を及ぼす、すなわち、拡大するために、イメージング・エレメント９の焦点距離が、イメージング・エレメント７の焦点距離よりも大きいならば、それは有利である。これは、多数の仮想観察者ウィンドウ２１を含む仮想可視領域２０が水平のみに構築されるべきであるため、ホログラフィック投影デバイスにおいて単一の偏向エレメント１４、もしくは複数の単純な変更エレメント１４を要求するのみである。

拡散フォイルもしくは類似のエレメントのような拡散エレメントは、非コヒーレント方向における仮想観察者ウィンドウ２１を拡大するために、追加でスクリーン１２に投影する平面に配置されることができる。

観察者は、観察者ウィンドウ２１を追跡する必要なく、すぐに非常に大きな可視領域２０における観察者平面１５内を動くことができる。観察者は、この大きな観察者の稼動範囲の中から任意の制限無く、双眼鏡的に再構成された三次元シーンを観察することができる。

図４は、可視領域２０の拡大のためのスキャニング・システムＡＳの他の実施形態を示している。この実施形態において、照射デバイス１の光源２は、光軸ＯＡにある角度をなして配置される。光は、従って、図３にて示された大きなイメージング・エレメントＬが省略されうるように、入射の異なる角度において、スキャニング・エレメント３に直接向かう、もしくは焦点を合わせられる。各光チャネルにおいて、イメージング・エレメント５は、光を広げるために光源２の後ろに配置され、イメージング・エレメント６は、焦点を合わせるために機能する。図３との他の違いは、光変調デバイス４の異なる配列に位置している。それらも、反射型から構成されるが、互いにかつ光軸ＯＡに平行に位置づけられる。スキャニング・システムＡＳの一般の設計及び動作原理は、図３に関して説明されたスキャニング・システムＡＳのそれらと同様である。光伝播の方向から見れば、後者の後ろに配置され、投影システムＰＳの設計及び動作原理は、図２にて示され、図３に関して上記で述べられたこれらと同一である。さらに、大きな仮想可視領域２０は、観察者平面１５にてこのように生成されることができ、仮想観察者ウィンドウ２１は、図３にて示したように、空間分割多重化法を用いて、再び生成される。

けれども、観察者平面１５における可視領域２０を拡大することの可能性は、少なくとも２つのスキャニング・システムＡＳを組み合わせることである。スキャニング・システムＡＳは多数の光変調デバイス４を含むことができ、例えば図３及び４にて示されたように設計されることができる。しかしながら、光変調デバイス４によって変調され、平面１１にイメージ化された波面ＷＦは、並んで取り付けられ、もしくは隣同士または少なくとも互いが非常に近くに位置づけられる。前に述べたオプションの他の２つとの違いは、個別のスキャニング・システムＡＳが、互いに電気的に組み合わせられないため、それらが互いに独立していることである。これは、スキャニング・システムＡＳの開口部が十分に小さいため、収差が起こる可能性が高くないという利点を有する。

図３及び４に関して述べられている空間分割多重化に加えて、仮想可視領域２０における多数の仮想観察者ウィンドウ２１の生成のための時分割多重化法を使用することもできる。これは特に、多くの光変調デバイス４が、その結果として、実質上一つのみに減らされることができるという利点がある。時分割多重化によって、それがとても速く、その分解能が十分に高いのであれば、唯一つの光変調デバイス４を用いることが可能である。個別の観察者ウィンドウ２１は、観察者平面１５において、とても早い速度で順次生成され、拡大された可視領域２０をもたらす。これは、全体のホログラフィック投影デバイスの小型設計を確実にし、光変調デバイス、イメージング・エレメント、スキャニング・エレメントなどのような追加の光学的エレメントが提供される必要がないことから、時分割多重化が空間分割多重化を超えて用いられるべき理由である。さらに、ホログラフィック投影デバイスは、従ってより安価で製造することが出来る。

図５は、詳細に仮想可視領域２０を示している。スクリーン１２と仮想可視領域２０を示す平面図であり、そこに２つの仮想観察者ウィンドウ２１ａ及び２１ｂが生成される。２つの仮想観察者ウィンドウ２１ａ及び２１ｂは、空間分割多重化法を用い、仮想可視領域２０における観察者平面１５に生成される。これは、２つの光変調デバイス４によって変調された波面ＷＦが、実質上、イメージング・エレメント及びスクリーン１２を通って仮想可視領域２０にイメージ化され、そこに仮想観察者ウィンドウ２１ａ及び２１ｂが形成していることを意味する。２つの波面ＷＦは、図における異なる線のタイプによって示されている（点線及び破線）。これは、２つの異なる方法において達成されうる。第一の可能性は、光変調デバイス４において直接、対象の波面ＷＦをコード化し、仮想可視領域２０にイメージ化することである。第二の可能性は、対象の観察者ウィンドウ２１からはじめ、観察者ウィンドウの全ての波面が実質上、光変調デバイス４上のホログラムに変換されることである。波面は、従って、ホログラムとしてコード化され、観察者の目への逆変換の方法によって、仮想可視領域２０に生成される。

２つの仮想観察者ウィンドウ２１ａ及び２１ｂは、それらが互いに隣り合って配置され、かつ、少なくとも互いにほとんど貼り付けられるように、生成もしくは形成される。それらは、仮想観察者ウィンドウ２１ａ及び２１ｂが少なくとも一部が重ねられるように生成されることもできる。さらに、生成された仮想観察者ウィンドウ２１ａ及び２１ｂの間に自由空間を残すことが可能である。すでに上記で述べたように、光変調デバイス４においてコード化されるホログラムからの波面の再構成によって起こるような回折次数の周期的連続が、結果として防がれるため、仮想可視領域２０における変調された波面ＷＦのイメージ化が、特に利点である。上記で述べられたように観察者ウィンドウ２１が生成される間、２つ以上の観察者ウィンドウ２１が必要であるならば、そのとき、２つ以上の光変調デバイス４が提供されるべきである。確かにその代わりとして、時分割多重化法を用いて、仮想観察者ウィンドウ２１ａ及び２１ｂもしくはより多くの仮想観察者ウィンドウ２１を生成することが可能であり、最も好ましい場合においては、唯一つの光変調デバイス４が必要となるであろう。図５を参照すると、まず、観察者ウィンドウ２１a、そしてその次に観察者ウィンドウ２１ｂが、偏向エレメント１４を通ってとても早い速度で次々に生成される。これは、観察者ウィンドウ２１ａ及び２１ｂの順次生成が観察者に感知されないように十分な速さで行われるべきである。

多重化法を用いることにより、多数の仮想観察者ウィンドウ２１は、従って仮想可視領域２０を拡大するために、仮想可視領域２０に生成されうる。これは、観察者が動いたとしても、観察者平面１５における観察者が、彼の位置を変えることができ、再構成された、好ましくは仮想観察者ウィンドウ２１を追跡するために観察者の目の位置を検知する必要の無い任意の制限の無い三次元シーンを観察することを可能とする。さらに、均等なシーンの動きは、より単純でかつより早い方法、特に空間分割多重化法を用いた際には、複雑な追加のエレメントや方法を有さずにリアルタイムで示されることができる。

ホログラフィック投影デバイスの上記で述べられた実施形態は、一人の観察者による、再構成された三次元シーンの観察のみに関する。図６は、観察者が動いたとしても、観察者ウィンドウ２１を追跡する必要のない多数の観察者に対するホログラフィック投影デバイスを示している。図６は、全体のホログラフィック投影デバイス、すなわち、スクリーン１２及び多数の観察者平面１５０、１５１、１５２、１５３、及び１５４の細かな詳細を示している。観察者平面の数は、観察者の数及びスクリーン１２に関する彼らの位置に依存する。仮想可視領域２０は、例えば、図６において述べられたように、観察者平面１５４にて生成される。多数の観察者が、再構成シーンを観察することができるようにするために、仮想可視領域２０は、観察者平面１５４、及びさらには観察者平面１５０、１５１、１５２、１５３において再生される。仮想可視領域２０は、仮想可視領域２００、２０１、２０２、及び２０３が、各々の観察者平面１５０、１５１、１５２、及び１５３における観察者の位置において生成されるように、少なくとも一つのビーム・スプリッタ・エレメント（不図示）によって再生される。観察者平面１５０、１５１、１５２、１５３、１５４などにおける観察者の数（例えば、再構成シーンを見ている観察者の数）は、どのくらいの頻度で仮想可視領域２０がコピーされるべきかを決定する。少なくとも一つのビーム・スプリッタ・エレメントは、光伝播の方向から見れば、スクリーン１２の前に配置され、光伝播の方向から見れば、特に最後のイメージング・エレメントの前に配置される。これは、ビーム・スプリッタ・エレメントが、光伝播の方向から見れば、イメージング・エレメント１３の前、もしくはイメージング・エレメント１３とスクリーン１２との間のいずれかに配置できることを意味する。ホログラフィック・投影デバイスの他の位置は、同様に可能である。これにより、例え、彼が各々の可視領域２００、２０１、２０２、２０３などにおいて動いたとしても、各観察者が、再構成シーンを観察することができるように、少なくとも一つのビーム・スプリッタ・エレメントは、仮想可視領域２０を再生する。可視領域２０は、空間分割多重化を用いて再生され、好ましくは、多数のビーム・スプリッタ・エレメントがホログラフィック投影デバイス内に設けられる。ビーム・スプリッタ・エレメントは、例えば、このためにカスケード状に配置することができる。ミラー・エレメントは、観察者平面１５０、１５１、１５２、１５３、及び１５４における各々の観察者の位置に対し、ビーム・ガイダンスを提供する。代わりに、可視領域２０は、時分割多重化を用いて再生されうる。トラッキングは、その次にもはや必要ではないであろう。

さらに、変調エレメントのようなマイクロ・ミラーを有する光変調デバイスは、マイクロ・ミラーが、互いに独立であるため、この発明に従ってホログラフィック投影デバイスにおいて用いられうる。用いられたコンピューティング・デバイスの計算能力は、単純な条件の下で、単純な方法を用いて消費されることができる。

さらに、すでに存在するソフトウェアは、従って適応されたハードウェア実装に用いられることができる。マイクロ・ミラーを有する光変調デバイス、もしくは従来の光変調デバイスを備えたホログラフィック投影デバイスは、従ってすでに利用できる技術を用いて実現されることができる。

ホログラフィック投影デバイスの適用可能性は、プライベートもしくは仕事の環境（例えば、ＴＶスクリーン、コンピュータ・ディスプレイ、コンピュータゲーム）、娯楽産業（例えば、映画投影もしくはイベント）、情報を表示するための自動車産業、娯楽産業、医療技術（ここでは特に、低侵襲手術アプリケーション、もしくは断層的にはっきりさせされた情報の空間表現）、および表面形状の表現のための軍事技術における、二もしくは三次元再構成の少なくとも一方のためのディスプレイを含む。現在のホログラフィック投影デバイスが、上記で述べられていない他の領域においても適用可能であると、当業者に思われるであろう。

Claims (20)

1. 再構成シーンを観察するための可視領域を拡大するホログラフィック投影デバイスであって、
   前記デバイスは、
   少なくとも１つの光変調デバイスと、
   前記光変調デバイスにてコード化されるシーンの波面を生成するために十分なコヒーレント光を放射する少なくとも一つの光源と、
   を有し、
   前記再構成シーンを観察するための仮想可視領域（２０、２００、２０１、２０２、２０３）は、観察者平面（１５、１５０、１５１、１５２、１５３、１５４）に前記波面をイメージ化する方法によって生成され、
   前記仮想可視領域（２０、２００、２０１、２０２、２０３）は、少なくとも２つの仮想観察者ウィンドウ（２１ａ、２１ｂ）を含み、
   前記仮想観察者ウィンドウは、観察者が前記観察者平面（１５、１５０、１５１、１５２、１５３、１５４）内で移動しても、該観察者ウィンドウ（２１ａ、２１ｂ）を追跡する必要なく、再構成シーンを常に観察することができるような大きさを有する
   ことを特徴とするホログラフィック投影デバイス。
2. 少なくとも２つの観察者ウィンドウ（２１ａ、２１ｂ）を有する前記仮想可視領域（２０、２００、２０１、２０２、２０３）を生成する少なくとも１つの偏向手段（１４）を有することを特徴とする請求項１に記載のホログラフィック投影デバイス。
3. 前記可視領域（２０、２００、２０１、２０２、２０３）は、多数の観察者が前記再構成シーンを観察することを可能にするために、少なくとも１つのビーム・スプリッタ・エレメントを用いて再生することができることを特徴とする請求項１または２に記載のホログラフィック投影デバイス。
4. 前記少なくとも１つのビーム・スプリッタ・エレメントは、光伝播の方向から見てスクリーン（１２）の手前、特に、光伝播の方向から見て特に最後のイメージング・エレメント（１３）の手前に配置されることを特徴とする請求項３に記載のホログラフィック投影デバイス。
5. 多数の可視領域（２０、２００、２０１、２０２、２０３）を生成するために、カスケード状に配置された複数のビーム・スプリッタ・エレメントを有することを特徴とする請求項４に記載のホログラフィック投影デバイス。
6. 多数の光変調デバイス（４）においてコード化される波面（ＷＦ）を生成するための、互いに平行に配置された多数の光源（２）を有し、当該多数の光源（２）は、１つの投影エレメント（Ｌ）に割り当てられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のホログラフィック投影デバイス。
7. 多数の光変調デバイス（４）においてコード化される波面（ＷＦ）を生成するための、互いにある角度をなして配置される多数の光源（２）を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のホログラフィック投影デバイス。
8. 多数の光源（２）が用いられる場合に、それらの光は、なるべく互いに非コヒーレントであることを特徴とする請求項６または７に記載のホログラフィック投影デバイス。
9. 多数の観察者によって観察されるシーンのホログラフィック再構成、特に娯楽産業分野における映画投影のためのものであることを特徴とする請求項３に記載のホログラフィック投影デバイス。
10. 再構成シーンを観察するための仮想可視領域を拡大する方法であって、
    少なくとも１つの光源（２）が十分なコヒーレント光を放射し、
    前記光は、少なくとも１つの光変調デバイス（４）によって変調され、
    変調された前記光は、次に少なくとも１つの偏向エレメント（１４）に対して、少なくとも１つの投影エレメント（８’、９、１６）によって投影され、
    そのため、変調された前記光は、少なくとも１つの観察者平面（１５、１５０、１５１、１５２、１５３、１５４）における所定の位置において、仮想可視領域（２０、２００、２０１、２０２、２０３）を生成し、
    少なくとも２つの観察者ウィンドウ（２１ａ、２１ｂ）が、多重化法を用いて前記仮想可視領域（２０、２００、２０１、２０２、２０３）にて生成される
    ことを特徴とする方法。
11. 多数の観察者が、前記再構成シーンを観察することができるようにするために、前記仮想可視領域（２０、２００、２０１、２０２、２０３）は、少なくとも１つの観察者平面（１５、１５０、１５１、１５２、１５３、１５４）において再生されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記仮想可視領域（２０、２００、２０１、２０２、２０３）は、少なくとも１つのビーム・スプリッタ・エレメントによって再生され、当該仮想可視領域（２０、２００、２０１、２０２、２０３）は、前記少なくとも１つの観察者平面（１５、１５０、１５１、１５２、１５３、１５４）における前記観察者の各々の位置にて生成されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記仮想可視領域（２０、２００、２０１、２０２、２０３）における前記少なくとも２つの観察者ウィンドウ（２１ａ、２１ｂ）は空間分割多重化法もしくは時分割多重化法を用いて生成される特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記少なくとも２つの観察者ウィンドウ（２１ａ、２１ｂ）は、それらの少なくとも一部が重複するように、前記仮想可視領域（２０、２００、２０１、２０２、２０３）内に生成されることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記少なくとも２つの観察者ウィンドウ（２１ａ、２１ｂ）は、それらが互いにほとんど付着されるように、前記仮想可視領域（２０、２００、２０１、２０２、２０３）内に生成されることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記光源（２）によって放射され、前記少なくとも１つの光変調デバイス（４）よって変調された前記光のフーリエ変換（ＦＴ）は、スクリーンのように機能するイメージング・エレメント（１２）に対してイメージ化され、少なくともこのイメージング・エレメント（１２）は、前記光変調デバイス（４）の支援にて変調された波面（ＷＦ）を、前記仮想可視領域（２０、２００、２０１、２０２、２０３）内にイメージ化することを特徴とする請求項１０乃至１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記シーンのカラー再構成は、三原色について、同時に実行されることを特徴とする請求項１０乃至１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 前記シーンのカラー再構成は、三原色について、連続して実行されることを特徴とする請求項１０乃至１６のいずれか１項に記載の方法。
19. 再構成された三次元シーン、特に再構成された動きのある三次元シーンが、表示されることを特徴とする請求項１０乃至１８のいずれか１項に記載の方法。
20. 前記再構成された三次元シーンは、リアルタイムで表示されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。

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