JP2010521004A - 補正位相符号化を備えるホログラフィック投影ディスプレイ - Google Patents

Abstract

本発明は、３Ｄシーンを再構成するためのホログラフィック投影ディスプレイにおよび反復フーリエ変換アルゴリズムを通じて符号化の制御値の改善を示す符号化方法に関する。前記投影ディスプレイは、少なくとも２つの再生手段を含む再生システムを含む。照明手段（８）を再生するためのおよび位相変調器（６）内で変調される実際の波面のフーリエ変換のための、１つの第１の再生手段（１）は、スクリーンの機能を果たす第２の再生手段（２）に続く。スクリーンの平面は、反復フーリエ変換アルゴリズムを使った計算のためのフーリエ変換面であり、位相変調器（６）の平面は、もう一方のフーリエ変換面であり、制御値を使って符号化される波面を形成するために、可視範囲内に提供され、実際の波面の変換された複素値が反復計算によって近似される、３Ｄシーンの所望の波面の複素値を含む、変換範囲（１０）を決定するフィルタ（７）もまた含む。

Description

本発明は、三次元シーン（３Ｄシーン）の波面を、それの再構成を眼の位置から見ることができる、観察者平面内の視認領域内に投影するために使用されるホログラフィック投影ディスプレイに関し、前記波面は、位相変調器上で符号化される。

本発明はまた、３Ｄシーンの波面が位相符号化を通じて符号化され、次いでホログラフィック投影ディスプレイで再構成されることを可能にする方法にも関する。その方法はまた、符号化のための制御値の反復改善も含む。

ホログラフィックディスプレイ装置での３Ｄシーンの再構成品質は、多数の要因によって影響される。再構成誤差は、例えば他の回折次数のかく乱光の影響に起因し、それが、それらの回折次数が抑制されなければならない理由である。再構成での他の誤差は、使用される要素、例えば振幅変調または位相変調空間光変調器と組み合わせて使用される符号化方法に起因する。

出願人によって出願された、今までのところ未公開の特許文献１は、位相符号化原理に基づいて三次元オブジェクトの計算機合成ホログラム（ＣＧＨ）を符号化する方法、およびその方法を実施するために使用されるホログラフィックディスプレイ装置を記述する。その方法は、例えば３Ｄシーンの切断平面の変換から視認領域内で計算され、合計される、または視認領域内で実行される他の同等の方法による、三次元オブジェクトの複素値化参照波面が、例えば電子的手段を備える処理装置内に保存されるという原理に基づく。

オブジェクトデータセットは、個々のオブジェクト平面内の多数のオブジェクト点の複素位相および振幅値を、したがって三次元オブジェクトの全オブジェクト情報を含む。オブジェクトデータセットから計算される、複素値化ホログラムデータは、干渉することができる光の振幅および位相に電子制御によって影響を及ぼすことができる空間光変調器（ＳＬＭ）を符号化する。したがって、三次元オブジェクトは、それらのデータから完全に再構成することができる。もし観察者の少なくとも１つの眼がそこに位置しているならば、再構成を視認領域から見ることができる。三次元オブジェクトは、現実または仮想表現の静止オブジェクトまたは一連の動画（３Ｄシーン）のどちらかとすることができる。出願人によって出願された先の文書では、この視認領域は、観察者窓と比較され、それはまた、そのようなものとして参照されるためにも使用された。本発明が上述の特許出願と異なる限りにおいて、これは、本記述でさらに詳細に説明されるであろう。

特許文献１は、位相変調器での２位相符号化を通じてＣＧＨを符号化する処理を改善するために使用される方法に関する。その方法は、（例えばフレネル変換またはフーリエ変換と一致する）波面の光学的変換が、位相変調器から視認領域内に行われる、ホログラフィックディスプレイ装置の助けを借りて述べられる。しかしながら、ホログラフィックディスプレイ装置は、それに続く波面の再構成とともに、波面を位相変調器から視認領域内に結像するための適切な手段が欠けている。位相変調器は、符号化された位相値を含み、一方視認領域内の計算された波面は、単に位相関数であるだけでなく、変化する絶対値も含む。しかしながら、これにもかかわらず投影を実現するためには、光学的手段が追加されなければならない、および／または既存のものがそれに応じて修正されなければならない。

位相変調器、または位相変調ＳＬＭは、１つまたは複数の独立した光源によって放射される照明波面を変調することを通じて、波面の位相を制御する働きをする電子媒体である。それは、３Ｄシーンの波面またはＣＧＨが符号化される、規則的なパターンで配置される多数の電子的に制御可能な画素から成る。３Ｄシーンの再構成は、制御可能な画素における十分にコヒーレントな光の回折によって生成される。

位相変調ＳＬＭを使用するとき、画素は最大透過率を示すので、例えば振幅変調ＳＬＭと比較して、再構成のより高い輝度を達成することができる。オブジェクトは、使用される光のゼロ次の回折次数で再構成されるので、位相符号化の別の利点は、より良好な波長依存性であり、カラーホログラムをより良好に表すことができるようになる。

位相符号化の方法は一般に、複素値が、振幅に対して絶対値１を持つ複素数として、少なくとも２つの位相値によって表すことができるという原理に基づいている。これらの位相値は、ＳＬＭの隣接画素内で符号化される。例えば、位相Ψおよび０と１との間に及ぶ振幅ａを持つ複素値はしたがって、２位相符号化方法によると、位相１＝Ψ＋acos ａおよび位相２＝Ψ−acos ａとして書かれる。

位相符号化は、各々が位相変調器の隣接画素内にあるｋ位相値を使って実現することができ、ここでこれらの隣接画素は、お互いの下におよび／または並んで位置することができる。これが、それを一般にｋ要素を使った位相符号化と呼ぶことができる理由である。

しかしながら、多数の複素値を、複素値当たり２つ以上の位相値による任意の他の方法で表現することもまた一般に考えられる。２位相符号化方法は、以下の記述で例として使用されるが、与えられる説明は典型的にはまた、ｋ位相値を使ったもっと一般的な符号化にも適用される。

もし位相値を表すために、ＳＬＭ上の１つのおよび同じ位置における多重位相値を符号化することが可能であれば、このように符号化されたＣＧＨは、誤差のない３Ｄシーンを再構成することを達成可能にするであろう。実際には、しかしながら、位相値は、位相変調ＳＬＭの２つの水平におよび／または垂直に隣接した制御可能な画素に書き込むことができるだけであって、それらは、局所的なオフセットを示すようになる。そのオフセットは、３Ｄシーンの再構成で誤差を引き起こす。これが、２位相符号化方法の利点から利益を得ることができるように、再構成品質を改善するための対策が必要な理由である。これは、ＣＧＨ符号化処理で反復法を用いることによって達成することができる。

一般に、様々な反復法が、文献で記述されている。最もよく知られたものは、ＧｅｒｃｈｂｅｒｇおよびＳａｘｔｏｎによる反復フーリエ変換アルゴリズムであり、それは、多数の出版物で記述されており、大部分の反復法に対する一般的な基礎を形成する。その方法によると、変換および逆変換は、所与の関数とそれのフーリエ変換との間で繰り返し実行され、設定点値からの偏差は、自由度を利用することによって、２つの関数での各ステップで最小化される。変換は、例えば光変調器の平面と二次元オブジェクトの再構成面との間で実行される。多くの場合、オブジェクト平面内での強度分布は、再構成内でのある値に達することを意図されるが、一方複素値の位相は、自由に選択することができ、誤差を低減するために適合化される。３Ｄシーンの再構成誤差の完全な除去は、しかしながらこのようには達成できない。

三次元オブジェクトのホログラムのための反復法は、非特許文献１で既知となった。オブジェクトは、多重オブジェクト平面に薄く切られる。符号化されたホログラムの複素実際値は、個々のオブジェクト平面の各々内に次々に変換される。それらの平面の各々内で、複素実際値は、複素設定点値と比較され、実際値の絶対値は、設定点値の絶対値で置き換えられる。ホログラム平面内に逆変換された値は次いで、符号化のために合計される。多数のオブジェクト平面および個々のオブジェクト平面とホログラム平面との間の多くの変換が原因で、計算負荷は著しく増加する。

高計算負荷に加えて、既知の方法はまた、ホログラフィックディスプレイ装置でのそれらの使用に対して、ある条件が正確に満たされなければならないという不都合を示し、それは実際には、必ずしも実行可能とは限らない。これが、再構成誤差を引き起こすすべての上述の影響の完全な除去が、非常に困難であることの理由である。高品質の再構成は、補正方法を適用することなしにはホログラフィックディスプレイ装置で実現することができないように、いつもかなりの残存誤差があるであろう。

特許出願ＤＥ１０ ２００６ ００３ ７４１

Ｇａｖｉｎ Ｓｉｎｃｌａｉｒら、「Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｗｅｅｚｅｒｓ ｏｆ ａ ｍｕｌｔｉ−ｐｌａｎｅ Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｌｉｇｈｔ ｓｈａｐｉｎｇ」

本発明の目的は、ホログラフィック投影ディスプレイでの再構成品質を改善することであり、ここで視認領域内の３Ｄシーンから生じる波面は、位相変調器上で直接符号化される。同時に、位相符号化のための制御値は、多数の要素を持つ位相符号化に適用することもまたできる、修正反復計算を通じて改善されるであろう。

目的は、本発明によると、
− 十分にコヒーレントな照明波面を生成するための、少なくとも１つの照明手段と、
− 三次元シーン（３Ｄシーン）の波面を再構成するための、求めなければならない制御値が書き込まれる、少なくとも１つの位相変調器と、
− 波面の結像および／またはフーリエ変換のための投影システムと、
− 観察者平面の視認領域内での３Ｄシーンの複素値化参照波面を計算するための、
− 反復フーリエ変換アルゴリズムを実行し、それを使用して位相変調器のための制御値を求めるための、および
− 求めた制御値を使って位相変調器を制御するための
− 処理手段とを備え、
その投影システムは、
− 少なくとも２つの結像手段を含み、ここで照明手段を結像するためのおよび位相変調器内で変調される実際の波面をフーリエ変換するための第１の結像手段の後には、第２の結像手段が続き、それは
− スクリーンとして働き、ここでスクリーンの平面は、反復フーリエ変換アルゴリズムを使った計算のためのフーリエ変換面であり、位相変調器の平面は、もう一方のフーリエ変換面であり、
− 制御値を使って符号化される波面を視認領域内に結像するために提供され、
− その開口または開口の像が、スクリーンの平面内で変換領域を定義するフィルタをさらに含み、それは、位相変調器によって変換される実際の波面の複素値が、フーリエ変換アルゴリズムを使用する反復計算を通じて近似される、３Ｄシーンの参照波面の複素値を含むことを特徴とするホログラフィック投影ディスプレイによって解決される。

透過型投影ディスプレイの第１の実施形態によると、第１の結像手段は、変換レンズによって表され、それは、位相変調器の隣に配置される。

位相変調器の平面およびスクリーンの平面は、符号化のための制御値の反復計算のための変換を実行することができるために必要とされる変換面である。それらの間の計算のための変換関係は好ましくは、フーリエ変換またはフレネル変換とすることができる。

本文書では、術語「変換」は一般的に、光波を光学的に伝搬するのに適している、任意の変換を含むであろう。一般に知られているように、フレネル変換は、第１の位相因子との乗算、フーリエ変換および第２の位相因子との乗算に数学的に分割することができる。もし反復計算が、例えばフレネル変換によって関係づけられる２つの平面間で実行されるはずであるならば、変換領域内の設定点値は、反復前に修正設定点値を得るように、第１の位相因子によって計算することができ、位相変調器上の制御値は、反復計算それ自身に対してフーリエ変換だけが各反復ステップで必要となるように、反復計算後に第２の位相因子によって修正することができる。

第２の実施形態によると、好ましくは平面波面として位相変調器に入射する照明波面を生成するための光学素子は、第１の結像手段の前に配置される。

第３の実施形態によると、第３の結像手段は、フィルタ開口を第２の結像手段上に結像するために第１および第２の結像手段の間に配置される。

第４の実施形態によると、投影ディスプレイは、反射型であり、反射スクリーンを含み、それは、フィルタとして働く中央配置の光吸収領域を有する。

第１および第２の実施形態によると、スクリーンの平面は、反復計算を実現するための変換領域を表すフィルタを含むが、第３の実施形態での変換領域は、本発明の代替実施形態として、スクリーンの平面内のフィルタの像によって実現される。

視認領域内の複素値化参照波面は、前記波面は処理手段によって計算されるが、複素設定点値がフーリエ変換を通じて計算されるスクリーン面内、および計算された位相値を持ち、その位相値が、位相変調器内での符号化のための制御値の反復計算のための初期値である、位相変調器内の両方に存在する。

目的はさらに、少なくとも１つの照明手段によって放射される十分にコヒーレントな照明波面が、少なくとも１つの位相変調器を照らす、ホログラフィック投影ディスプレイで三次元シーン（３Ｄシーン）を再構成するための方法によって解決され、
ここで投影システムの少なくとも２つの結像手段は、変調された波面を結像するおよび／またはフーリエ変換し、
ここで処理手段は、視認領域内の３Ｄシーンの複素値化参照波面を計算し、前記波面を保存し、反復フーリエ変換アルゴリズムの助けを借りて、位相変調器を制御するための制御値を計算し、
ここで本発明によると、
− 位相変調器によって変調される３Ｄシーンの実際の波面は、第１の結像手段によって第２の結像手段の平面内にフーリエ変換され、それは同時に、スクリーンの平面および反復フーリエ変換アルゴリズムの変換面であり、
− 投影システムのフィルタは、位相変調器によって変換される実際の波面の複素値が、フーリエ変換アルゴリズムを使った反復計算を通じて、制御値を求めるために処理手段によって計算される参照波面の複素値に近似される、変換領域を変換面内で定義し、
− 第２の結像手段は、求めた制御値を使って視認領域内に符号化される波面を結像する。

別の処理ステップは、処理手段によって計算される複素値化参照波面が、スクリーンの平面内での反復のための設定点値を得るために、スクリーンの平面内に第１に変換されることである。

第２に、多数のｋ位相値は、位相符号化を通じて複素値化参照波面から各複素値に対して決定され、前記位相値は、位相変調器内の符号化の制御値の反復計算のための初期値として使用され、ここでｋは、１より大きい数因子である。次いで、制御値の反復計算は、スクリーンの平面と位相変調器の平面との間で繰り返される反復ステップで実行され、それは、定義された停止基準が達せられるとき停止され、このように補正された波面は、最後に計算された位相値を使って位相変調器上で符号化される。

その中の各反復ステップは、次の手順を含む、即ち、
− 絶対値１を持つ複素数の形のｋ・Ｎ位相値の、位相変調器の平面からスクリーンの平面内への変換であって、結果としてこの平面内にｋ・Ｎ複素実際値をもたらす変換、
− 定義された停止基準に関して、スクリーンの内側の波面のＮ複素実際値とＮ複素設定点値との数値比較、
− スクリーンの内側のＮ複素実際値をＮ複素設定点値で置き換え、何らの修正なしにスクリーンの外側の（ｋ−１）・Ｎ複素実際値を引き継ぐことを通じてのスクリーンの平面内のｋ・Ｎ複素値の修正、
− この平面内のｋ・Ｎ複素実際値を得るための、位相変調器の平面内へのｋ・Ｎ修正値の逆変換の実行、および
− 絶対値を１に設定し、何らの修正なしに位相値を引き継ぐことによる、位相変調器の平面内のｋ・Ｎ複素実際値の修正。

本方法の個々の実施形態によると、スクリーンの内側での数値比較は、反復の各ステップ後または別法として定義された数の反復ステップ後に、定義された停止基準に基づいて実行される。

停止基準の一実施形態は、すべてのＮ値の設定点値と実際値との間の平均偏差が、定義されたしきい値を下回ることである。

別の実施形態は、スクリーンの内側のＮ値の１つに関して生じる、設定点値と実際値との間の最大偏差が、定義されたしきい値を下回ることである。

位相符号化は好ましくは、本方法によると、２位相符号化の形で実行される。視認領域内の３Ｄシーンの再構成は、再構成体積内で見ることができる。このためには、少なくとも１つの観察者の眼は、ホログラフィック投影ディスプレイの観察者平面内の視認領域内の眼の位置になければならない。再構成体積は、ピラミッド形状の体積であり、ここでピラミッドの頂点は、視認領域の中心にあり、縁は、スクリーンの端点を通り抜け、スクリーンを越えて続く。

再構成された３Ｄシーンが、オプションとして視認領域と位相変調器との間のおよび／または位相変調器を越える体積の内側で見えるかどうかは、符号化によって定義される。

ディスプレイの再構成品質の改善は、本発明によりホログラフィック投影ディスプレイで実現され、符号化の補正を含む再構成方法を使って直接符号化される波面に対して達成される。

本発明による再構成方法を実現するホログラフィック投影ディスプレイは、以下で詳細に説明されるであろう。個々の図は、概略図である。

ホログラフィック投影ディスプレイの第１の実施形態を示す図である。 ホログラフィック投影ディスプレイの第２の実施形態を示す図である。 ホログラフィック投影ディスプレイの第３の実施形態を示す図である。 ホログラフィック投影ディスプレイの第４の実施形態を示す図である。 繰り返される反復ステップで符号化を補正するための、変調器の平面とスクリーンの平面との間のフーリエ変換アルゴリズムを示す概略図である。 、 複素実際値の変換領域内での複素設定点値の変換領域の２つの可能な位置を示す図である。

図１から４は、上面図であり、その各々は、観察者平面内の視認領域内の３Ｄシーンの直接符号化波面の結像を示し、ここで図１から３は、透過型投影ディスプレイでの結像を例示し、図４は、反射型投影ディスプレイでの結像を例示する。これらおよび同様の投影配置に対して、符号化のための制御値は、図５で示される図による反復計算の助けを借りて求められる。

図１を参照すると、ホログラフィック投影ディスプレイの第１の実施形態は、照明手段８、位相変調器６、および後者のすぐ隣にあり、光伝搬方向に見られる、第１の結像手段１を含む。第１の結像手段１は、照明手段８を第２の結像手段２上に結像し、それは同時に、投影ディスプレイのスクリーンを表す。スクリーンに続く観察者平面ＢＥは、眼の位置ＥＰを持つ視認領域を含む。第２の結像手段２は、位相変調器６を視認領域内に結像する。

スクリーンの平面は、この変換面内にその開口を持つ変換領域１０を形成するフィルタ７を含む。位相変調器６の平面は、符号化されるべき波面の制御値の反復計算のためのもう一方の変換面を表す。

図２は、ホログラフィック投影ディスプレイの第２の実施形態を示し、ここでは図１に加えて、追加の光学素子４が、位相変調器６の前に配置される。この素子は、照明波面が平行光の形で位相変調器６を通るようにする。その場合には、第２の結像手段２は、第１の結像手段１の焦点面にある。追加の光学素子４は、投影品質を改善する。

図３で示される、ホログラフィック投影ディスプレイの第３の実施形態は、図２で示されるものの修正である。ここでは、位相変調器６の中間像は、第３の結像手段３によって実現される。第１の結像手段１と第３の結像手段３との間には、第３の結像手段３が、可視スクリーン領域を定義するために、その開口をスクリーンの平面内に拡大されるように結像するフィルタが配置される。第２の結像手段２はさらに、符号化された波面を観察者平面内の視認領域内に変換するために使用され、そこから再構成１１を見ることができるようになる。

図４を参照すると、ホログラフィック投影ディスプレイの第４の実施形態は、図３の透過型スクリーンの代わりに、スクリーンとして反射型光学素子５を含む。フィルタ７の開口は、第３の結像手段３によってスクリーン上に結像され、それによって可視スクリーン領域を複素値化設定点値のための変換領域１０として定義する。変換領域１０はまた、スクリーンの余白領域が、フィルタとして働くために、光吸収領域であるように作られるように制限することができる。位相変調器６上で符号化された波面は、第３の結像手段３によって中間像面内に結像される。そこから、反射型スクリーンは、波面を観察者平面ＢＥ内の視認領域内に投影し、ここで眼の位置ＥＰは、３Ｄシーンの波面を再構成するためにある。

図５は、位相変調器６上で３Ｄシーンの波面を符号化するための制御値を補正するための反復計算の作業の流れを概略的に示す。それは、位相変調器６の平面と、ここでは第２の結像手段２によって表され、変換領域（９、１０）を持つスクリーンの平面との間の個々の反復ステップを持つフーリエ変換アルゴリズムを示す。反復計算の開始に印をつける、破線付きの開始ボックスから始めると、初期位相は、位相値を決定するための方向ａおよびＮ複素設定点値をスクリーンの可視領域内の設定点値の分布として変換するための方向ｂに進む。その後の反復ステップは、実線矢印によって示される。フーリエ変換の特殊形式、即ち高速フーリエ変換（ＦＦＴ）がここでは使用される。

図６ａおよび６ｂは、設定点値と複素実際値との数値比較のための変換領域９の内側の変換領域１０を表す、可視スクリーン領域の２つの可能な位置を示す。任意の他の位置も、同様に可能である。

４つの実施形態はすべて、同じ要素に基づいている、即ち、
多重二次元オブジェクト平面（詳細には図示されないが、上で簡単に述べられる）に薄く切られる３Ｄシーンの、処理装置（図示されず）内に保存されるデータセットと、眼の位置ＥＰにある観察者が、そこからスクリーンの前の再構成１１を見ることができる、観察者平面ＢＥ内の視認領域と、投影システムを含むホログラフィック投影ディスプレイの少なくとも１つの位相変調器６上で３Ｄシーンの波面を符号化するための、フーリエ変換アルゴリズムを使って反復最適化することができる位相符号化処理とである。スクリーンは、透過型または反射型のどちらかとすることができ、それはオプションとして、回折性または屈折性光学手段によって実現することができる。

本発明による、３Ｄシーンの波面を符号化し、再構成するための方法は、図１を参照して以下で詳細に述べられるであろう。

十分にコヒーレントな光を放射する照明手段８は、照明波面を生成し、それは、位相変調器６に入射する。第１の結像手段１は、位相変調器６内で変調される波面をスクリーンの平面内に結像する。スクリーンは、第２の結像手段２である。反復フーリエ変換アルゴリズムにより求められ、位相変調器６に書き込まれる制御値は、３Ｄシーンの波面６１を生成する。第２の結像手段２は、波面６１を、図で二重矢印によって例示される、観察者平面ＢＥ内の視認領域内に結像する。眼の位置ＥＰ内の観察者の眼は、ここから再構成体積内の３Ｄシーンの再構成１１を見ることができる。第１の結像手段１は同時に、波面を変換するための変換レンズである。

符号化するための制御値をできる限り正確に決定するために、反復フーリエ変換アルゴリズムは、制御値を計算するために統合される。計算のために必要な２つの変換面は、位相変調器６の平面およびスクリーンの平面である。フィルタ７は、スクリーンの平面内、第２の結像手段２の外側に配置され、フィルタ７の開口は、可視スクリーン領域を制限する。可視スクリーン領域は同時に、変換領域１０を表し、それは、参照波面のＮ複素設定点値を含み、変換領域９の内側にある（図６ａ、６ｂと比較）。変換された波面の（ｋ−１）・Ｎ実際値は、可視スクリーン領域の外側にある。

図５での流れ図を参照して、反復計算の作業の流れが、今から述べられるであろう。

３ＤシーンのオブジェクトデータセットのＮ複素値は、例えばフレネル変換するように、観察者平面７内の視認領域内に変換され、ここでそれらは、合計される。これは、視認領域内で波面が、各オブジェクト平面に対して計算され、それらのすべてが、すべての変換されたオブジェクト平面の情報を含む集約された複素値化参照波面を形成するために、合計されることを意味する。しかしながら、参照波面を生成するための他の方法が、同様に用いられてもよい。共通の複素値化参照波面のこの計算は、処理装置（図示されず）内で実行され、それはまた、反復フーリエ変換アルゴリズムも実行する。

視認領域内で計算される参照波面の可変絶対値を持つＮ複素値は、一方では、図５での方向ａおよび破線矢印によって示されるように、２位相符号化方法の助けを借りて、位相変調器６上で位相値として符号化される。もう一方では、図５での方向ｂによって示されるように、Ｎ複素値は、反復計算の過程での数値比較のための設定点値として、スクリーンの平面内の変換領域９内へ変換される。Ｎ複素設定点値は、３Ｄシーンの誤差なし再構成のために両方の値が必要とされるので、振幅および位相の両方の値を含む。複素実際値は、可視スクリーン領域の内側では複素設定点値で置き換えられ、ここで位相値および振幅値はいつも、各反復ステップで置き換えられる。

２位相符号化のための各複素値は、上述のように、２つの位相値によって表されるので、符号化処理の結果として、一定の絶対値、例えば絶対値１を持つ２・Ｎ位相値がある。したがって、絶対値１を持つ２・Ｎ複素値は、反復計算のための初期値として提供される。位相値の数はまた、２より大きくすることもできるので、要素ｋは、位相の数を示すために図５で全体的に使用される。

第１に、一定の絶対値を持つ、計算されたｋ・Ｎ位相値の、変換領域９を持つスクリーンの平面内への逆変換がある。これらの位相値は、実際値であり、それは、現在はホログラム面内または位相変調器６の平面内に存在する。逆変換（ＦＦＴ）は、ｋ・Ｎ複素実際値を生成する。変換領域９の内側にあるそれらのＮ複素実際値と変換領域１０内にあるそれらのＮ設定点値との数値比較が、実行される。

数値比較の後、スクリーン領域の内側にあるＮ複素実際値は、Ｎ複素設定点値で置き換えられ、一方変換領域９のスクリーン領域の外側にある（ｋ−１）・Ｎ複素実際値は、次の変換のために何らの修正なしに引き継がれるであろう。この変換面内に存在するすべての複素実際値および設定点値は、位相変調器６の平面内に変換される。変換の結果として、その平面内に可変絶対値を持つｋ・Ｎ複素値があるであろう。

その平面内で、すべてのｋ・Ｎ複素値の絶対値は、１に設定され、実際値の位相は、変わらないままである。

結果として、一定の絶対値を持つｋ・Ｎ複素値が再びあり、別の反復ステップが始まることができる。

上述の作業の流れは、定義された停止基準が達せられるまで繰り返される。停止基準は、設定点値への近似が、所望の精度で、しかし多すぎる計算負荷を引き起こすことなく、達成されるような比較手段で定義される。停止基準を定義するために、様々なパラメータを使用することができる。定義された停止基準の助けを借りる数値比較は別法として、各反復ステップの後または所与の数の反復ステップの後にいつも行うことができる。

各反復ステップに関して、複素実際値の複素設定点値からの偏差は、スクリーンの平面内で最小化され、複素値の一定の絶対値からの偏差は、位相変調器６の平面内で最小化される。符号化のための制御値は、それによって連続的に改善される。その方法を実行するために、それらは、処理装置内で制御信号に転換され、３Ｄシーンのオブジェクトデータセットと一致する、最後に計算された位相値に従って波面を符号化する。位相変調器６上で符号化されるこれらのデータセットの助けを借りて、３Ｄシーンの正確なホログラフィック再構成１１は、それに応じて制御される照明波面から生成することができる。視認領域では、観察者は、ホログラフィック再構成１１を見ることができ、その眼の位置ＥＰは、既知の位置検出システムを使って検出される。

振幅値および位相値の両方が、３Ｄシーンの波面の再構成のために重要である。これが、スクリーン領域の内側での各反復ステップで、複素実際値の振幅および位相の両方が、複素設定点値の振幅および位相で置き換えられる理由である。スクリーン領域の外側の変換領域９内の計算された複素実際値は、さらなる変換のために何らの修正なしに引き継がれる。

反復計算は別法として、一次元計算（例えば水平視差のみのホログラム）または二次元計算（例えば完全視差ホログラム）に適用することができる。一次元の場合には、画素の一次元配置に対して、例えばホログラムの各線に対して、反復計算を別々に実行することが賢明である。

特に二次元の場合には、オプションとして位相変調器６の水平におよび／または垂直に隣接する画素内の各制御値に対するｋ位相値の空間的配置が可能であり、制御値の反復計算は、それに応じた配置内で実行することができる。

変換を計算するために変換領域を使用することの利点は、計算操作の数が、既知の方法と比較して低減されることである。例えば、空間的に拡張された３Ｄシーンが再構成されるという事実にもかかわらず、反復計算が２つの平面間で実行されるだけであるので、より少ないフーリエ変換が実行され、それが、定義された停止基準が達成されるまでの反復ステップを、より速く実行できる理由である。

３Ｄシーンのホログラフィック再構成のために、オブジェクト情報は、本発明の方法の結果３Ｄシーンに非常によく近似される、符号化のための求められた制御値の形で利用できる。符号化のための制御値は、上述の反復計算処理の助けを借りて改善され、使用される位相符号は、収束方法で最適化される。本発明に従って計算され、符号化される波面は、３Ｄシーンの再構成の品質を改善する。したがって、ホログラフィック投影ディスプレイで、迷光（雑音）と有用な信号との間の空間的分離を簡単な方法で実現することもまた可能である。

ホログラフィック投影ディスプレイでカラー３Ｄシーンの波面を符号化するとき、位相値の反復計算は、原色の各々に対して別々に行われる。典型的には、赤、緑および青が、原色として使用される。しかしながら、他の組合せも同様に考えられる。

カラー波面は、個々の原色（赤、緑、青）の部分的波面から構成することができる。これは、例えば各原色の空間的分離によって、または各原色の部分的波面の時間逐次ディスプレイによって、位相変調器６内で達成することができる。部分的波面は、３Ｄシーンの単色波面と理解されるべきである。位相変調器６の制御値の反復最適化はここでは、各原色に対して別々に行われる。空間的分離の場合には、前提条件は、各画素が３原色の副画素を含むこと、または位相変調器上の大きな個々の領域が個々の原色のために使用されること、または多重位相変調器の組合せが使用されることである。

反復計算の始めに、または第１の変換より前に好ましくは、３Ｄシーンの一部分もしくは全体の再構成を、スクリーンの前および後ろの両方で見ることができること、または３Ｄシーンが、両方のこれらの空間的領域で同時に再構成されることは、観察者平面からの各オブジェクトデータセットの距離を変えることによって達成することができる。このように、観察者の眼の前の空間の深さでの再構成の自然な位置が達成され、再構成の深さは、適切なソフトウェア設定を通じて意図的に拡大するまたは低減することができる。

視認領域内での本当の三次元的な仕方でのホログラフィック再構成を、あたかも３Ｄシーンが実際に見えたかのように知覚することができるためには、同様の寸法の別々の視認領域内の左および右の眼に対して、個々の再構成が必要とされる。３Ｄシーンに関して観察者の右および左の眼の異なる位置のために、両方の再構成は、同じ方法を使用するが、異なるオブジェクトデータセットを使って計算される。それぞれの波面は、同時に実行される変換ルーチンをそれに応じて備える多重チャンネルデジタル処理装置で、同時におよびお互いに完全に独立に計算することができる。

ホログラフィック投影ディスプレイ内に統合される反復計算は、フーリエ変換の誤差項を、位相符号化との組合せで一様に低減することができるという利点を有する。これは、観察者の眼が置かれる領域内で誤差なしで再構成を提示することを可能にする。

変換領域の寸法を定義することにより、好ましくは変換領域内の制御値を改善するためのより多くの自由度が利用可能である。

個々の反復ステップで求められた実際値の所与の設定点値での目標とされた置換は、各オブジェクト平面を考慮する必要なく、高品質の再構成をもたらし、ここで制御可能な値は、３Ｄシーンの最初に存在する複素値から位相変調器の画素に対して生成される。

１ 第１の結像手段
２ 第２の結像手段
３ 第３の結像手段
４ 光学素子
５ 反射型光学素子
６ 位相変調器
６１ 波面
７ フィルタ
８ 照明手段
９ 実際値を持つ変換領域
１０ 設定点値を持つ変換領域
１１ 再構成
ＢＥ 観察者平面
ＥＰ 眼の位置
ｋ 位相値の要素
ＦＴ フーリエ変換
ＦＦＴ 高速フーリエ変換

Claims (18)

1. ホログラフィック投影ディスプレイであって、
   十分にコヒーレントな照明波面を生成する少なくとも１つの照明手段と、
   三次元シーン（３Ｄシーン）の波面を再構成するための、決定する必要がある制御値が符号化される、少なくとも１つの位相変調器と、
   波面の結像およびフーリエ変換の少なくともいずれかを行う投影システムと、
   処理手段であって、
   観察者平面の視認領域内の３Ｄシーンの複素値化参照波面を計算し、
   反復フーリエ変換アルゴリズムを実行し、それにより前記位相変調器の前記制御値を求め、
   前記求めた制御値を用いて前記位相変調器を制御する、処理手段と
   を備え、
   前記投影システムは少なくとも２つの結像手段を備え、
   前記照明手段（８）を結像するとともに、前記位相変調器（６）内で変調される実際の波面をフーリエ変換する第１の結像手段（１）の後に、第２の結像手段（２）が続き、
   前記第２の結像手段（２）はスクリーンとして作用し、当該スクリーンの平面は前記反復フーリエ変換アルゴリズムを使った計算のためのフーリエ変換面であり、前記位相変調器（６）の平面はもう一方のフーリエ変換面であり、
   前記第２の結像手段（２）は、前記制御値を使って符号化される前記波面を前記視認領域内に結像するために提供され、
   前記投影システムは、その開口または当該開口の像が前記スクリーンの平面内で変換領域（１０）を定義するフィルタ（７）をさらに備え、
   前記変換領域（１０）は、前記位相変調器（６）によって変換される前記実際の波面の複素値が、前記フーリエ変換アルゴリズムを使用する反復計算を通じて近似される、前記３Ｄシーンの前記参照波面の前記複素値を含む
   ことを特徴とするホログラフィック投影ディスプレイ。
2. 前記第１の結像手段（１）は、前記位相変調器（６）の隣に配置される変換レンズであ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ィスプレイ。
3. 前記フィルタ（７）は、前記スクリーンの平面内に配置され、前記スクリーンは、前記フィルタ（７）の開口を表す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ィスプレイ。
4. 前記フィルタ（７）の像は、前記スクリーンの平面内に配置され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ィスプレイ。
5. 前記フーリエ変換は、フレネル変換によって代用され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ィスプレイ。
6. 平面波面として前記位相変調器（６）に入射する照明波面を生成する光学素子（４）が、前記第１の結像手段（１）の前に配置され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ィスプレイ。
7. 前記フィルタ開口を前記第２の結像手段（２）上に結像する第３の結像手段（３）が、前記第１および前記第２の結像手段（１、２）の間に配置され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ィスプレイ。
8. 前記第２の結像手段（２）は、前記スクリーンを表し、フィルタの効果を有するために光を吸収する余白領域を有し、これにより可視スクリーン領域を制限する、反射型光学素子であ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ィスプレイ。
9. 前記処理手段によって計算される前記複素値化参照波面は、
   複素設定点値がフーリエ変換を通じて計算される前記スクリーン面内と、前記反復フーリエ変換アルゴリズムを使用して符号化するための前記制御値を計算するための初期値である、計算された位相値を有する前記位相変調器（６）内と、の両方に存在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ィスプレイ。
10. ホログラフィック投影ディスプレイで三次元シーン（３Ｄシーン）を再構成する方法であって、
    少なくとも１つの照明手段の十分にコヒーレントな照明波面が、少なくとも１つの位相変調器を照明し、
    投影システムの少なくとも２つの結像手段が、変調された波面の結像およびフーリエ変換の少なくともいずれかを行い、
    処理手段が、視認領域内の前記３Ｄシーンの複素値化参照波面を計算して保存するとともに、反復フーリエ変換アルゴリズムの助けを借りて、前記位相変調器を制御するための制御値を計算し、
    前記位相変調器（６）によって変調される前記３Ｄシーンの実際の波面は、第１の結像手段（１）によって第２の結像手段（２）の平面内にフーリエ変換され、当該第２の結像手段（２）の平面は同時に、スクリーンの平面および前記反復フーリエ変換アルゴリズムの変換面であり、
    前記投影システムのフィルタ（７）は、変換領域（１０）であって、前記位相変調器（６）によって変換される前記実際の波面の複素値が、前記制御値を求めるために、前記フーリエ変換アルゴリズムを使った反復計算を通じて、前記処理手段によって計算される前記参照波面の複素値に近似される変換領域（１０）を、前記変換面内で定義し、
    前記第２の結像手段（２）は、前記決定された制御値を使って符号化される前記波面を前記視認領域内に結像する
    ことを特徴とする方法。
11. 前記複素値化参照波面は一方では、そこの前記視認領域の内側で複素設定点値を提供するために、前記スクリーンの平面内に変換され、
    前記複素値化参照波面はもう一方では、符号化のための前記制御値の前記反復計算のための初期値として位相符号化することを通じて、前記位相変調器（６）上の各複素値に対して多数のｋ位相値を決定するために、前記位相変調器（６）上に結像され、
    前記ｋは１より大きい数因子であり、位相値の全数は前記位相変調器（６）の画素数に対応する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記制御値の前記反復計算は、前記スクリーンの平面と前記位相変調器（６）の平面との間で繰り返される反復ステップで実行されるとともに、定義された停止基準が達せられるとき停止され、
    前記波面は、制御値として最後に計算された位相値を使って前記位相変調器（６）上で符号化される
    ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
13. 前記反復ステップの各々は、
    絶対値１を持つ複素数の形のｋ・Ｎ位相値の、前記位相変調器（６）の平面から前記スクリーンの平面内への変換であって、結果としてこの平面内でｋ・Ｎ複素実際値をもたらす変換を行う手順と、
    定義された停止基準に関して、前記スクリーンの内側の前記波面の前記Ｎ複素実際値と前記Ｎ複素設定点値との数値比較を行う手順と、
    前記スクリーンの内側の前記Ｎ複素実際値を前記Ｎ複素設定点値で置き換えるとともに、前記スクリーンの外側の前記（ｋ−１）・Ｎ複素実際値を全く修正せずに引き継ぐことにより、前記スクリーンの平面内の前記ｋ・Ｎ複素値を修正する手順と、
    前記位相変調器（６）の平面内でｋ・Ｎ複素実際値を得るために、該平面内への前記ｋ・Ｎ修正値の逆変換を実行する手順と、
    絶対値を１に設定するとともに、前記位相値を全く修正せずに引き継ぐことにより、前記位相変調器（６）の平面内の前記ｋ・Ｎ複素実際値を修正する手順と
    を有することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記スクリーンの内側での前記数値比較は、別法として各反復ステップ後または定義された数の反復ステップ後に、定義された停止基準に基づいて実行されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記初期値を計算するための前記位相符号化は、２位相符号化であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
16. 前記参照波面の複素値は、前記位相変調器（６）上でｋ＝４画素によって表され、２位相符号化を通じて計算される２つの位相値は、初期値として前記位相変調器（６）の２つの隣接する列および行で交差するように符号化されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記再構成される３Ｄシーンは、オプションとして、前記視認領域と前記位相変調器（６）との間の再構成空間と、前記位相変調器（６）を越しの再構成空間との少なくともいずれかの内側の眼の位置（ＥＰ）から観察できることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
18. 前記符号化は、一次元的にまたは二次元的に行われることを特徴とする請求項１１に記載の方法。

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