JP2010539532A - 再構成品質が改善されたホログラフィックディスプレイ - Google Patents

Abstract

本発明は、スペックルパターンの減少を可能にする手段を使用する３次元シーンのホログラフィック再構成のためのディスプレイに関する。スペックルパターンは、結果としてホログラフィック再構成の粒状化を与え、その品質を低下させる。この問題を解決する種々の手段が提案されてきた。それらの手段により、本発明の基本概念に従って、３Ｄシーンは観察者の眼において時系列又は空間的に自身とインコヒーレントに重ね合わされる。シーンの各再構成物点の変調波面は、再構成ビームパスにおいて波面自体に対してシフトされ、それらの手段により観察者の眼において重ね合わされる。シフトは１次元及び２次元に行なわれてもよい。各物点は、シフトされた波面の数に従って観察者の眼において自身と乗算される。全ての再構成物点の乗算により、観察者の眼が平均化する種々のスペックルパターンも乗算される。本発明によると、ホログラフィックディスプレイにおいて、スペックルパターンは減少され、再構成品質は向上される。

Description

本発明は、３次元シーンをホログラムとして再構成する表示装置に関し、前記表示装置は、スペックルパターンの減少のために再構成品質が改善される。

本発明は、例えばコヒーレントレーザ光を使用してリアルタイム又はほぼリアルタイム処理で３次元シーンのホログラムを生成、格納及び再構成するために使用されるホログラフィック表示装置において適用される。そのような表示装置におけるシーンの再構成は、再構成空間の観察者ウィンドウとも呼ばれる可視領域を介して可視である。

再構成が観察者ウィンドウを介して可視であるシーンを再構成する方法、並びにシーンのホログラムの計算及び符号化の例は、本出願人により出願された先行技術文献、例えば特許文献１及び特許文献２において説明されている。

更にそれらの文献は、ホログラムを再構成する上述の方法が実現されるホログラフィック表示装置を説明する。再構成方法を以下に簡単に説明する。

ホログラフィック再構成のために、３次元シーンはソフトウェア手段によりセクション層にスライスされ、各セクション層はそのシーンの複数の物点を含む。物点は、セクション層及び全ての層の合計である３次元シーンの双方を特徴付ける。

計算機生成ビデオホログラム（ＣＧＨ）は、光変調器手段上に表される一般的な複素値の２次元構成として物点に基づいて計算される。光変調器手段は、符号化シーンの複素値を含む入射コヒーレント光の波面の変調を行なうための規則的に配置される制御可能素子を含む。シーンの再構成は、システム制御器手段により制御される再構成手段及びコヒーレント光を使用して再構成空間に生成される。再構成物点の波面は、観察者ウィンドウにおいてコヒーレントに重ね合わされる。観察者は、観察者ウィンドウと変調器手段又はシーンとの間にわたる再構成空間において結果として得られるシーンの再構成をその観察者ウィンドウの眼の位置から見れる。

この方法の修正されたバージョンによると、シーンの再構成は、個々の物点から個々のＣＧＨを計算し且つサブホログラムにより光変調器手段上で別個の領域を符号化することにより生成される。サブホログラムの領域において複素値の位相分布は、単一の物点を焦点に再構成するホログラフィック符号化レンズ関数にほぼ一致する。そのようなレンズの焦点距離は、光変調器手段又は画面から物点までの軸方向距離に依存する。

複素値の絶対値、すなわち振幅は、サブホログラム全体にわたりほぼ一定であり、その大きさは、画面又は光変調器手段から物点までの軸方向距離及び物点の輝度に依存する。コヒーレント光が光変調器手段を通過すると、符号化される複素透明度値は光の振幅及び／又は位相を変更する。物点は、変調光により再構成される。サブホログラム外において、この物点は光変調器手段上で値０を有する。すなわちサブホログラムによってのみ表される。シーンの全体的な符号化ホログラムは、個々のサブホログラムの複素値を加算することにより生成される。

簡略化されたバージョンの方法によると、例えば物点は、各グループが逐次プロセスで１つのＣＧＨにより表される物点グループを形成するように特定の基準に従って組み合わされる。その場合、それらの波面は、観察者ウィンドウにおいてインコヒーレントに重ね合わされ、再構成空間において結果として得られるシーンの再構成を生成する。

これについては、例えば特許文献３及び特許文献４である本出願人により出願されたこれまでに公開されていない文献において、いくつかの計算及び表現オプションと共に説明されている。

３次元シーンの再構成を見るために、観察者は、シーンのホログラムが直接符号化され且つ画面としての役割を果たす光変調器手段を見れる。これを直視型構成と呼ぶ。あるいは、観察者は、光変調器手段上で符号化されるホログラム値の画像が投影される画面を見れる。これを投影型構成と呼ぶ。

観察者の眼の位置は、周知の方法で位置ファインダにより検出される。前記位置ファインダは、ソフトウェア手段により格納手段及び計算ユニット、並びにシステム制御器手段と連結される。更に格納手段は、ルックアップテーブルの形式のデータレコードのＣＧＨを計算するのに必要とされる物点の情報を提供する。

表示手段の前方の観察者ウィンドウのサイズが規定される。一般にそれは瞳孔と同等の大きさである。波動光学の観点から、観察者ウィンドウは、光変調器手段上で符号化されるホログラムの直接フーリエ変換、直接フレネル変換、逆フーリエ変換又は逆フレネル変換により形成されるか、あるいは再構成空間の平面において光変調器手段上で符号化される波面の画像により形成される。観察者ウィンドウは、シーンの周期的な再構成の単一の回折次数のみを含む。平面は、集束手段の焦点面であってもよく、あるいは光源の像面であってもよい。ホログラム又は波面は、一般に光変調器を使用する時に再構成において発生する観察者の眼の間のクロストークが可視領域としての役割を果たす１つの回折次数内で防止されるようにシーンから計算される。高次回折を抑制する構成又は方法に関連して、シーンは多重処理でクロストークなしで観察者の左右の眼に対して連続して提示される。更に、複数のユーザに対処することを目的とする多重処理のみが可能になる。

入射光の位相及び／又は振幅を変調するＬＣＤ、ＬＣｏＳ等の空間光変調器の画素は、ホログラムを表し且つシーンの複素値波面を生成する。光変調器手段の再生速度は、動画シーンを表せるように十分に速い必要がある。

レーザのコヒーレンスのために、スペックルパターン又は粒状化としても周知の妨害するパターンは光変調器を照明するためにレーザ光を使用する際に観察者平面において発生する。スペックルは、統計上不規則に分布される位相差を有する複数の光波の干渉により作成される粒状の干渉パターンとして説明される。スペックルは、シーンの再構成を見る際に観察者を妨害し、空間ノイズを引き起こす。

一般にスペックルパターンは、観察者の眼におけるシーンの再構成の時間及び／又は空間平均化により減少される。常に観察者の眼は、提示される種々のスペックルパターンを含む複数の再構成を平均化し、その結果、最構成シーンの輪郭は平滑化される。

特許文献５によると、ホログラムの信憑性をチェックする時に粒状化又はスペックルパターンを時間的に平均化するために回転ガラス板が光路中に配置される。回転ガラス板は、記録するのに使用される検出器の周波数と一致する周波数で回転する。スペックルパターンは、妨害効果として発生しない。

しかし、そのような方法は、２次元平面スペックルパターンを減少するためにのみ適用可能であり、拡散板はスペックルパターンの平面に配設される必要がある。この方法の欠点は、光路中の拡散板のために損失される光が多すぎることである。更に、ホログラフィック表示装置を設計する際に機械的に回転する構成要素を使用することは回避される。

スペックルパターンを減少する別の周知の方法は、所定の数の種々のランダム位相を含むシーンを計算し、結果として得られるホログラムを速いペースで順に光変調器手段上で表すことである。しかし、ホログラム計算が多いために、実質的に計算負荷が増加する。更に、ホログラムを表すために提供される光変調器手段は、非常に高速な再生速度を有する必要がある。

欧州特許第１，５６３，３４６Ａ２号公報 独国特許出願公開第１０ ２００４ ０６３ ８３８ Ａ１号 独国特許出願公開第１０ ２００６ ０６２ ３７７号 独国特許出願公開第１０ ２００７ ０２３ ７３８号 独国特許出願公開第１９５ ４１ ０７１ Ａ１号

本発明の目的は、多くの労力を必要とせず、単純な手段を使用して観察者ウィンドウを含むホログラフィック表示装置におけるスペックルパターンを減少する平均化処理に基づく方法を実現することである。コヒーレント光を生成する光源手段及び市販の光変調器手段は、それを行なう際に使用される。必ずしも高速切替光変調器手段を使用する必要はない。

スペックルパターンを減少する本発明は、本出願人により既に説明された観察者の眼により３次元シーンの複数の再構成を平均化することに基づく方法を利用する。方法は、３次元シーンが個々の物体とスペックルパターンの影響を受ける再構成が観察者の眼において重ね合わされる個々の物点とから構成されることに基づく。これについては、上記背景技術において詳細に説明した。

目的は、それらの方法に基づいて本発明に従って解決される。本発明において、物点の変調波面を時間的又は空間的に変位する手段はホログラフィック表示装置の再構成ビームパスに提供される。前記手段は、各物点の再構成を乗算し、少なくとも１人の観察者の眼において変位された変調光波をインコヒーレントに重ね合わせる。観察者の眼は、スペックルパターンが減少された結果として得られる再構成を知覚する。

本発明の好適な一実施形態によると、各物点の再構成の乗算は少なくとも２度、２つの垂直な方向で実行される。

一般に、以下の本発明に係る変位及び重ね合わせの手段は個別の装置である。しかし、それらの手段は、目的を解決するために部分的に組み合わされてもよい。本発明によると、それらの手段は再構成物点を空間的又は連続的に変位させ且つ自身と重ね合わせることができる。

本発明の実施形態において、偏重波面又は再構成物点を変位させる以下の方法は、ホログラフィック表示装置の再構成ビームパスにおいて可能である。

本発明の第１の実施形態において、光変調器手段の光軸に対して所定の角度で配設され且つ横方向に移動可能であり且つ光軸に沿って移動可能であるミラーが提供される。

第１の実施形態の別の物理的形態において、プリズムマトリクスは、光変調器手段の平面に平行な平面に提供される。前記プリズムマトリクスは、光変調器手段の光軸に沿って移動可能であり且つ横方向に移動可能である。

本発明の第２の実施形態において、可変に制御可能なプリズム対は、光変調器手段に平行な平面に提供される。プリズムの屈折角は、高いスイッチング周波数で少なくとも２つの値の間で順次変動する。各物点の変調波面は観察者の眼に向けられ、その一方で少なくとも１度自身に対して変位され、すなわち横方向のオフセットを伴って変位され、観察者の眼において重ね合わされる。第２の実施形態の別の物理的形態において、制御可能なプリズム対は変調波面を変位させるためにマトリックスに規則的な配置で提供され、プリズムの屈折率は非常に高いスイッチング周波数で少なくとも２つの値の間で順次変動する。

本発明の第３の実施形態において、ディスプレイはホログラフィック投影型ディスプレイである。ここで、可変に制御可能なプリズムは、光学再構成システムの前側焦点面でもあるフーリエ平面の中心に配設される。

本発明の第４の実施形態において、菱形プリズムのマトリクスは、偏光スイッチと組み合わせて光変調器手段に隣接して提供される。別の物理的形態において、菱形プリズムの２つのマトリクス及び２つの偏光スイッチの組合せは、変調波面の２次元変位を行なうための光変調器手段に隣接して配設される。

本発明の第５の実施形態において、光変調器手段の後には、偏光スイッチと組み合わせて複屈折材料から成る第１の光コンポーネントが続く。その後、複屈折材料から成る第２の光コンポーネントが配設される。複屈折材料は、２つの部分から成る設計であるのが好ましい。

偏光スイッチは、ファラデーセルの形態の能動手段又はλ/2板の形態の受動手段であってもよい。

本発明の第６の実施形態において、元の伝播方向に平行な変調波面の横方向の１次元変位のための間にスペーサを含む２つのブラッグ格子の組合せが再構成ビームパス中に提供される。

別の物理的形態において、ブラッグ格子をスペーサ及び追加の９０°の偏光スイッチと組み合わせることにより、物点の変調波面に対して一連の２次元変位が行なわれる。

更なる物理的形態において、ブラッグ格子は、各再構成物点の変調波面を２つの垂直な成分に分割し且つそれらを互いに対して同時に１次元的に変位するために４５°の偏光子と組み合わされる。

更なる物理的形態において、少なくとも１つのブラッグ格子が一方の方向に対するボリュームホログラムに書き込まれ且つ少なくとも１つのブラッグ格子が他方の方向に対するボリュームホログラムに書き込まれる２次元変位は、各変調波面に対して行なわれる。

更なる物理的形態において、ブラッグ格子が書き込まれた２つのボリュームホログラムは、結果として得られるパターンが２次元乗算物点毎に生成されるように互い関連して構成される。ここで、常に２つの隣接物点は、垂直な偏光ｐ及びｓを示し、その結果互いにインコヒーレントに再構成されるように重ね合わされる。

これを行なう時、少なくとも１つのブラッグ格子は、一方の方向の物点の乗算に対して必要とされる。

本発明の第７の実施形態において、３原色ＲＧＢを含むシーンのカラー再構成を達成するために、２つのブラッグ格子とスペーサとの組合せは色毎に提供される。本実施形態の物理的形態において、３原色ＲＧＢを含むシーンのカラー再構成を達成するために、ブラッグ格子とスペーサとの組合せは、ボリュームホログラムが常に方向毎及び色毎に２つのブラッグ格子を含むようにボリュームホログラムに書き込まれる。

いくつかの実施形態を使用して本発明を以下に詳細に説明する。図２〜図８は上面図である。
眼の網膜における単一の物点の２つの回折画像の重ね合わせを示すグラフである。 スペックルパターンのサイズを判定するためにパラメータを導入し且つ再構成空間において２つの再構成物点を示す概略図である。 、 ａ）可動ミラー及びｂ）可動プリズムにより変調波面を変位させる第１の実施形態を示す図である。 、 可変に制御可能なプリズム対により変調波面を変位させる第２の実施形態を示す図である。 フーリエ平面に配設される制御可能なプリズムを含む第３の実施形態を示す図である。 、 、ａ）偏光スイッチと組み合わせた菱形プリズムのマトリクス及びｂ）菱形プリズムの２つのマトリクス及び２つの偏光スイッチの組合せを含む第４の実施形態を示す図である。 偏光スイッチと組み合わせて複屈折材料により２つの部分で構成される素子を含む第５の実施形態を示す図である。 スペーサにより分離される２つのブラッグ格子を含む第６の実施形態を示す図である。 、 ブラッグ格子の一連の組合せを含む第６の実施形態の２つの物理的形式をａ）上面図として及びｂ）側面図として示す図である。

本発明に係るホログラフィック表示装置は、直視型ディスプレイ又は投影型ディスプレイの形態で実現される。

スペックルパターンを減少する本発明は、再構成シーンが自身にインコヒーレントに重ね合わされるという一般的な概念に基づく。シーンが複数の物点から構成されるため、全ての再構成物点はそれらの再構成物点自体と重ね合わされる必要がある。このために、全ての再構成物点及び従ってそれらの回折画像は、まず時間又は空間多重処理において変調波面を変位することにより乗算され、シーンの画像内容を変更することなく観察者の眼においてインコヒーレントに重ね合わされる。

各再構成物点は、別個のスペックルパターンを有する。重ね合わせる数が多い程、観察者の眼により平均化される個々のスペックルパターンはより細かくなり、より大きな減少が知覚される。シーンの再構成に必要とされる物理的手段及びソフトウェア手段は、システム制御器手段（不図示）の一部であるか又はシステム制御器手段と共に動作する。

図１は、２つの回折画像の極大値及び極小値を含む再構成物点の変位の結果を示すグラフである。２つの回折画像は、インコヒーレントに重ね合わされ、それらの極大値は特定のオフセットを示し、その結果、スペックルパターンは明らかに平滑化される。

スペックルパターンの統計的な性質は、スペックルパターンのサイズを規定する相関距離δ_SPにより判定される。再構成空間におけるシーンの特定のセクション層に対して、その特性は、観察者の瞳孔の直径Dp及び光源手段としての役割を果たすレーザにより放射される光の波長λにのみ依存する。

特性は以下の式（１）を使用して判定される。

（１）δ_SP ≒ 2.4λ(S/D_P)
式中、D_Pは瞳孔の直径であり、λは波長であり、S'=f'+z'は眼の網膜における物点ＯＰ１、ＯＰ２の画像を含むセクション層における画像の幅である。

再構成物点ＯＰが乗算される時に網膜における乗算された画像ＯＰ’間の距離が少なくとも相関距離δ_SPである場合、再構成物点ＯＰｎのスペックルパターンの標準偏差は√2分の１に減少する。全ての物点ＯＰｎの２次元変位の場合、スペックルパターンの標準偏差は半分になる。

図２は、接続を示すために幾何学的な光学関係を示す。

文字Ｙは、再構成空間ＲＫにおける物点ＯＰ１とＯＰ２との間の物体面の横方向の距離を示し、文字Ｙ’は、像面におけるそれらの物点の画像間の距離を示す。再構成空間ＲＫは、光変調器手段ＳＬＭから眼レンズＬにわたり、物点ＯＰ１及びＯＰ２は、その眼レンズＬから距離ｄのところに位置する。本明細書において、眼レンズＬの直径は同時に観察者ウィンドウＯＷも形成する。

距離Ｙ及びＹ’は、式（２）で指定するように関連付けられる。

（２）Y = Y'/β
式中、βは再生倍率であり、式（３）で与えられる。

（３）β= -f/z = -z'/f'
式中、ｆは焦点距離であり、ｚは物体幅であり、ｆ’及びｚ’は画像側の対応するパラメータである。

スペックルパターンの可視サイズが小さくなる程、観察者と再構成シーンとの間の距離は短くなることが、それらの式から導出される。再構成空間ＲＫにおいて、物点ＯＰｎが位置できる全てのセクション層が同一数のマトリクスドットを有するため、個々の物点ＯＰｎ間の距離は観察者の眼の距離に比例して変化する。これは、可視スペックルパターンが観察者の眼の距離に比例して変化することを意味する。各セクション層のスペックルパターンは、観察者の眼により同一サイズで知覚される。

その考えに基づいて、図３〜図９は、本発明に従って平均化することによりスペックルパターンを減少するのに必要とされるシーンの再構成物点を変位し且つ乗算して重ね合わせる可能な物理的手段を概略的に示す。

レーザは光源手段として使用され、レーザはコヒーレント光により光変調器手段を照明する。個々の構成要素は、システム制御器手段（不図示）により制御される。

図面を簡略にし且つ理解し易くするために、図面は、シーンの全ての再構成物点ＯＰｎを表す１つの物点の波面の変位のみを示す。波面は、変位方向を示す矢印の形態で示される。同様の図中符号が使用される場合、特に指示のない限り、それらの図中符号は一般に同様の機能を有する構成要素を示す。

図３ａ及び図３ｂは、本発明の第１の実施形態に従って再構成物点の変調波面を機械的に変位する２つの構成を示す。

図３ａを参照すると、ミラーは、光変調器手段の光軸に対して好ましくは４５°の固定角度で配設される。ミラーは、元の伝播方向に対して９０°だけ横方向に全ての変調波面を偏向する。ミラー及び従って波面は、１次元（横方向又は光変調器手段ＳＬＭの光軸に沿って）又は２次元、すなわち２つの垂直方向に変位される。図中、これは、双方向の矢印及びミラーにより反射された後のビームパスを表す破線により示される。ミラーの２つの他の可能な位置は、正方形の黒点により示される。

しかし、ミラーは、観察者の眼の位置又はホログラフィック表示装置の他の構成要素に依存して、光変調器手段ＳＬＭに対して任意の他の角度でも配設可能である。

図３ｂを参照すると、光変調器手段ＳＬＭの平面に平行な平面に配設されるプリズムマトリクスが存在する。プリズムマトリクスは、垂直及び水平方向の双方向の矢印により示されるように１次元及び２次元の双方に変位する。光軸に沿うプリズムマトリクスの変位は、単一のプリズムの例を使用して詳細に示される。プリズム及び従って波面の変位位置は、破線により示される。波面は、元の伝播方向に対してあるオフセットで観察者の眼（不図示）に向かって偏向される。個々のプリズムは、各行の全てのプリズムのプリズムウェッジが同一方向を向くように規則的なパターンで配置される。

本明細書において、変位を実現するために別の物理的形態が可能である。すなわち、ミラー（図３ａ）及びプリズムマトリクスの組合せが可能である。例えばプリズムマトリクスは、小型光学ユニットを形成するようにミラーに接続される。

シーンの各再構成物点の波面は、図３ａ及び図３ｂに示す構成により順次変位されて自身と重ね合わされる。２倍の数（１次元）又は４倍の数（２次元）の再構成物点が生成され、眼の網膜上で重ね合わされる。一方向又は双方向の再構成物点の波面が１回だけでなく数回変位される場合、更に多くの変位を行なえる。複数回の変位は、図３ａにおいて観察者の眼を指し示す複数の矢印により示される。

図４ａ及び図４ｂを参照すると、第２の実施形態は光学的に行なわれる変調波面の変位を説明する。

可変に制御可能なプリズム対は、光変調器手段ＳＬＭに平行に配向される平面に配設され、再構成物点の変調波面はこのプリズム対に入射する。伝播方向は、矢印により示される。波面はプリズムを通過中に屈折し、その結果、波面は元の伝播方向に対して平行移動する。２つのプリズムの屈折角は、２つの値、すなわち図４ａに係る値と図４ｂに係る値との間で高いスイッチング周波数で順次切り替えられる。本明細書において、変位は再構成物点を２倍にし、観察者の眼の網膜上で自身と重ね合わせる。この変位は、シーンの全ての物点に対して行なわれる。示す図は、２次元変位の一例を形成する。

変調波面の２次元変位は、２次元屈折形状を有するようにプリズムを設計することにより、あるいは垂直に配向される全く同様に設計された２つのプリズム対を使用することにより実現される。

変位を実現するために、単一の制御可能なプリズム対の代わりに規則的に配置された可変に制御可能なプリズム対のマトリクスを使用することは、本発明の範囲内である。

本発明の第３の実施形態において、制御可能なプリズムは、好ましくは投影型ディスプレイにおいて使用される光学変換システムのフーリエ平面の中央に配設される。

図５に示すように、平行に配向されたレーザ光は光変調器手段ＳＬＭを照明する。以下の光学変換システムは、同時に光学再構成システムの前側焦点面でもあるフーリエ平面ＦＥに変調波面を変換する。フーリエ平面ＦＥの中央に配置される制御可能プリズムは、高いスイッチング周波数で順次動作し、非常に速いペースで変調波面を変位する。変位された波面のため、光学再構成システムは異なるスペックルパターンで各物点を２回再構成する。観察者の眼の網膜上で波面を重ね合わせることにより、眼は異なるスペックルパターンを平均化できる。

図３ｂ、図４ａ、図４ｂ及び図５において使用されるような制御可能プリズムは、例えば光の屈折挙動が電圧を印加することにより変更される２つの不混和性液体を含む液体プリズムである。

本発明の第４の実施形態を図６ａ及び図６ｂに示す。光変調器手段ＳＬＭは、菱形プリズムのマトリクス及び能動又は受動偏光スイッチＰＵと組み合わされる。単一の菱形プリズムは、各波面を２つの部分に分割する。それらの２つの部分は、図６ａに詳細に示すように垂直な偏光ｐ−ｐｏｌ、ｓ−ｐｏｌを示す。この単一の菱形プリズムは、マトリクスを指し示す矢印により明らかにされるマトリクスの規則的に配置された複数のプリズムのうちの１つである。光変調器手段ＳＬＭとプリズムマトリクスとの間に配設される偏光スイッチＰＵは、ある特定の角度に設定される。例えば４５°の角度で変調波面を同一サイズの２つの部分に分割し、それにより全ての再構成物点は元の伝播方向に対して横方向に１次元に変位される。

別の実施形態（不図示）において、波面を一方向に順次変位し且つ物点を重ね合わせるために、菱形プリズムは、例えば９０°だけ周期的に切り替えられる。

図６ｂに示すように、２次元変位を達成するために、プリズムマトリクスと偏光スイッチＰＵとの組合せは２回提供される。尚、光伝播方向から見て偏光スイッチＰＵの後方に配設される第２のプリズムマトリクスは、９０°だけ回転される。偏光スイッチＰＵは、４５°だけ電界を回転させる。この構成により、変調波面は、網膜上で重ね合わされる同様の輝度値を有する４つの同一部分に順次分割される。

物点を重ね合わせるこの方法により達成されるパターンを図６ｂに詳細に示す。図中、これは矢印により示される。

λ/2板は、受動偏光スイッチＰＵとして使用され、ファラデーセルは能動偏光スイッチとして使用される。

本発明の第５の実施形態において、一般的に物点の変位は複屈折効果を利用することにより達成される。複屈折材料において、２つの光軸は方向に依存して配向されるため、材料が特定の位置においてビームパス中に配設される場合、光線束又は波面は、材料を通過中に屈折により２つの部分に分割される。

図７を参照すると、光変調器手段ＳＬＭから入射する変調波面は、複屈折材料から構成される第１の光コンポーネントに入射する。材料の向きは、双方向矢印により示される。ｓ−ｐｏｌ及びｐ−ｐｏｌで示される異なって偏光される２つの波面は、平行に複屈折材料を出射する。例えば前者に対して垂直である異なる方向に２つの波面を変位するために、λ/2板又は別の偏光スイッチＰＵは複屈折材料から成る第２の光コンポーネントの前方に配設される。λ/2板は２つの波面の偏光を４５°だけ回転させるため、それらの波面の双方はその角度で第２の材料に入射する。第２の材料を通過した後、物点の波面は四方向に変位され、それに従ってこの物点の波面は網膜上で４回重ね合わされる。異なる四方向は、図７において非透視的に矢印により示される。網膜上の隣接波面は、垂直な偏光を示し、互いに干渉しないがインコヒーレントに重ね合わされる。

本発明の第６の実施形態において、ブラッグ格子は、変調波面を変位するホログラフィック表示装置の再構成ビームパス中に提供される。ブラッグ格子は、複屈折材料と同様の挙動を示す。レーザ光のある特定の入射角及び波長を選択することにより、これらの格子構造の角度及び波長は、ホログラフィック記録媒体を露光することによりブラッグ格子を生成する時に可変に選択される。それらの特性のために、ブラッグ格子は規定された方法で波面を変位すること及び再構成物点を乗算することに非常に適する。

図８は、例えばスペーサＡＨが格子構造間に提供される６０°／０°及び０°／６０°の格子幾何形状を有するブラッグ格子ＢＧの一般的な設計を示す。レーザ光の入射波面の６０°の偏向は、そのような構成を有するブラッグ格子ＢＧ内で実現される。本明細書において、ブラッグ格子ＢＧは、１つの偏光後方に対して１００％及び垂直な成分に対して０％の回折効率を有することができる。

スペーサＡＨの厚さ及び格子の幾何形状（回折角）は、元の伝播方向に対する入射波面の横方向の変位を判定する。

格子の幾何形状に対する例えば４５°の偏光ベクトルの場合、同様の輝度値を有する結果として得られる２つの波面が存在する。第２の格子は、第１の格子と同一の幾何形状を有し、１つの波面のみを回折し、その一方で、他方の波面は影響を受けることなく格子を通過する。双方の波面は、第２のブラッグ格子ＢＧから平行に出射し、１次元変位を実現する。

例えば４５°／０°又は３０°／０°の回折角、あるいは任意の角度のブラッグ格子ＢＧの最適な偏光ビームスプリッタ幾何形状の他の組合せも考えられる。

例えばスペーサＡＨは、最大２００μｍの厚さを有する箔、プラスチック板又はガラス板であってもよい。

図９ａ及び図９ｂは、ブラッグ格子による変調波面の２次元変位に対する解決策を示す図である。一般的に、２次元変位は、ブラッグ格子を一連の組合せにより又は複数のブラッグ格子をホログラフィック記録媒体に書き込むことにより実現される。

図９ａは、２つのブラッグ格子ＢＧを含むボリュームホログラムを示す側面図である。光変調器手段ＳＬＭから入射し且つ２つの偏光成分を含む変調レーザ光ｓ及びｐはブラッグ格子ＢＧに入射する。

ブラッグ格子ＢＧは、偏光成分ｐの変調波面が通過中に２つの成分ｐに分割されるように選択される。双方の成分ｐは、同一の偏光を有するが、二方向に対称的に平面を伝播する。

第２のボリュームホログラム（不図示）は、２つのブラッグ格子を更に含む。第２のボリュームホログラムの通過中、他方の偏光成分ｓは、同様に、前者に垂直である別の平面において同一の偏光を含む２つの成分ｓに分割される。

ボリュームホログラムの双方のｐ成分及び双方のｓ成分（ビューＡ）は、図９ａの光軸に対して対称的に示され且つ鏡像反転される。

２つのボリュームホログラムは、元の変調波面の伝播方向が２つのボリュームホログラムを通過後に維持されるように構成される。

図９ｂは、図９ａのボリュームホログラムの正面図を表す。第２のボリュームホログラムの表現及びスペーサは、この図においても省略された。

２つのボリュームホログラムに含まれるブラッグ格子ＢＧは、図９ｂにおいて矢印で示される網膜上の２次元に乗算された物点の結果として得られるパターンを生成する。パターンにおいて、常に、２つの重ね合わされた物点は同一の偏光ｓ及びｐを有する。重ね合わされた隣接物点が異なる方法で偏光されるため、それらの物点はインコヒーレントに再構成される。観察者の眼は、本明細書において減少されたスペックルパターンを含むシーンの結果として得られる再構成を再度知覚する。

本発明の第７の実施形態において、３原色ＲＧＢ（赤、緑、青）から成るシーンは、ブラッグ格子を使用してカラーで再構成される。色毎に再構成物点の乗算を実現するために、例えば図８に示すように、スペーサを含むブラッグ格子の組み合わせは再構成ビームパスにおいて色毎に使用される。

第７の実施形態の別の物理的形態において、シーンのカラー再構成は、ボリュームホログラムが色毎に複数のブラッグ格子を含むという点において実現される。一般に本明細書において、ブラッグ格子の数は、物点の波面の自身との所望の重ね合わせの数に依存する。重ね合わせの数が多い程、観察者の眼により平均化される個々のスペックルパターンはより細かくなる。

図９ａ及び図９ｂ、並びに関連する説明を参照すると、シーンのカラー再構成が生成される場合、ボリュームホログラムは、色毎に２つのブラッグ格子及び方向毎に２つ含む必要がある。これにより、カラー再構成を共に実現することが要求されるブラッグ格子の合計は２×２×３＝１２個になる。

ブラッグ格子の大きな角度に対する感度のために、本発明を実現する時、レーザ光は非常に小さな角度範囲で放射される必要がある。これは、以下の点で達成される。

ａ）変位を行なう手段は、光の伝播方向から見て光変調器手段の後方、並びに例えばフレネルレンズ又は回折光学素子ＤＯＥであってもよい視野レンズの前方に配置される。

ｂ）変位を行なう手段は、十分な数の個別のブラッグ格子に空間的に分割される。ここで、ブラッグ格子の幾何形状は、変調波面の位置により変動する。

特に、本発明に従って使用されるように、ブラッグ格子を使用してシーンの全ての再構成物点を自身と乗算する構成は、表示装置において能動素子を要求しない。ブラッグ格子は、上述の全ての手段のうち技術的及び実利的な実行可能性に関して最も効率的な手段である。大きな利点は、ブラッグ格子が機械的に移動される必要がなく、任意の電子制御を必要とせず且つ従って受動素子として製造可能であることである。

Claims (18)

1. シーンを再構成するホログラフィック表示装置であって、
   前記シーンがソフトウェア手段により物点に分割され、当該物点に基づいて、前記シーンの計算機生成ホログラム（ＣＧＨ）がシステム制御器手段により光変調器手段上で計算及び符号化され、
   光源手段のコヒーレントな光が前記光変調器手段を照明し、前記光が再構成手段により変調波面として観察者ウィンドウに変換され、前記変調波面が、観察者の少なくとも一方の眼から再構成空間で可視であるように前記物点のホログラフィック再構成を生成し、
   前記物点の前記変調波面を時間的又は空間的に変位する手段が、各物点（ＯＰｎ）の再構成を乗算し、少なくとも１人の観察者の眼において前記再構成を当該再構成それ自体とインコヒーレントに重ね合わせるために再構成ビームパス中に提供される
   ことを特徴とするホログラフィック表示装置。
2. 各物点（ＯＰｎ）の前記再構成の前記乗算は、２つの垂直方向に少なくとも２回実行されることを特徴とする請求項１記載のホログラフィック表示装置。
3. 前記光変調器手段（ＳＬＭ）の光軸に対して所定の角度で配設され、前記光軸に沿って横方向に移動可能なミラーが提供されることを特徴とする請求項１記載のホログラフィック表示装置。
4. プリズムマトリクスが前記光変調器手段（ＳＬＭ）に平行な平面に提供され、前記プリズムマトリクスは、前記光変調器手段（ＳＬＭ）の光軸に沿って横方向に移動可能であることを特徴とする請求項１記載のホログラフィック表示装置。
5. 可変に制御可能なプリズム対が、前記光変調器手段（ＳＬＭ）に平行な平面に提供され、前記プリズムの屈折角は、高いスイッチング周波数で少なくとも２つの値の間で順次変動することを特徴とする請求項１記載のホログラフィック表示装置。
6. 制御可能なプリズム対のマトリクスが、前記光変調器手段（ＳＬＭ）に平行な平面に提供され、前記プリズムの屈折角は、高いスイッチング周波数で少なくとも２つの値の間で可変に順次制御可能であることを特徴とする請求項１記載のホログラフィック表示装置。
7. 可変に制御可能なプリズムが、同時に光学再構成システムの前側焦点面でもあるフーリエ平面（ＦＥ）の中心に配設される、投影型ディスプレイであることを特徴とする請求項１記載のホログラフィック表示装置。
8. 菱形プリズムのマトリクスが、偏光スイッチ（ＰＵ）と組み合わせて前記光変調器手段（ＳＬＭ）に割り当てられることを特徴とする請求項１記載のホログラフィック表示装置。
9. 前記菱形プリズムの２つのマトリックス及び２つの偏光スイッチ（ＰＵ）の組合せが、２次元変位のために提供されることを特徴とする請求項８記載のホログラフィック表示装置。
10. 前記光変調器手段（ＳＬＭ）の後には、偏光スイッチ（ＰＵ）と組み合わされる複屈折材料で構成される第１の光コンポーネントが続き、その後には複屈折材料で構成される第２の光コンポーネントが配設されることを特徴とする請求項１記載のホログラフィック表示装置。
11. 前記偏光スイッチ（ＰＵ）は、能動素子又は受動素子であることを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載のホログラフィック表示装置。
12. 間にスペーサ（ＡＨ）を有する２つのブラッグ格子（ＢＧ）の組合せが、変調波面の１次元変位のために前記再構成ビームパス中に提供されることを特徴とする請求項１記載のホログラフィック表示装置。
13. ブラッグ格子（ＢＧ）及びスペーサ（ＡＨ）の前記組合せは、前記変調波面の一連の２次元変位を実現するために９０°の偏光スイッチ（ＰＵ）を更に有することを特徴とする請求項１２記載のホログラフィック表示装置。
14. 各再構成物点（ＯＰｎ）の前記変調波面を２つの垂直な成分に分割し、前記成分を互いに対して１次元に同時に変位するために、前記ブラッグ格子（ＢＧ）は４５°の偏光子と組み合わされることを特徴とする請求項１２記載のホログラフィック表示装置。
15. 前記物点（ＯＰｎ）の前記変調波面を２次元的に変位させるために、少なくとも１つのブラッグ格子（ＢＧ）が一方向のボリュームホログラムに書き込まれ、少なくとも１つのブラッグ格子（ＢＧ）が別の方向のボリュームホログラムに書き込まれることを特徴とする請求項１２記載のホログラフィック表示装置。
16. ２次元に乗算される物点毎に、結果として得られるパターンが生成されるように、ブラッグ格子（ＢＧ）が書き込まれた２つのボリュームホログラムは互いに関連して配置され、２つの隣接物点が垂直な偏光ｐ及びｓを示し、その結果互いにインコヒーレントに再構成されるように常に重ね合わされることを特徴とする請求項１５記載のホログラフィック表示装置。
17. ３原色ＲＧＢを含むシーンのカラー再構成を達成するために、スペーサ（ＡＨ）を含む前記ブラッグ格子（ＢＧ）の組合せが色毎に提供されることを特徴とする請求項１２記載のホログラフィック表示装置。
18. ３原色ＲＧＢを含むシーンのカラー再構成を達成するために、ボリュームホログラムが方向毎及び色毎に常に２つのブラッグ格子（ＢＧ）を含むように、前記スペーサ（ＡＨ）を含む前記ブラッグ格子（ＢＧ）の組合せが前記ボリュームホログラムに書き込まれることを特徴とする請求項１２記載のホログラフィック表示装置。