JP2011513786A - ３次元ホログラフィック立体ディスプレー - Google Patents
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Abstract
本発明は、供にホログラフィック立体ディスプレーを生成するパターン生成ユニット20、プログラム可能な照明手段及びホログラフィック・スクリーン28を含む。該ホログラフィック・スクリーンは、事前に記録された一式の体積要素、又はボクセル32をホログラフィック・スクリーンの平面の外側の３次元空間において含む。そのホログラフィック・スクリーンは、サブホログラムのシリーズを有し、各サブホログラムは、そのサブホログラムが照らされるときにボクセルが再構成されてもよいように、そのボクセルに付属している。サブホログラムは、ボクセルのサンプリングされたホログラムであり、ホログラフィック・スクリーンの表面の全域に空間的に多重化され交互配置されている。プログラム可能な照明手段は、ホログラフィック・スクリーン上で任意の数のサブホログラムを照らすことができるカラー・デジタル投射ユニット28及びパターン生成ユニットによって供給されてもよい。この方法では、ホログラフィック・ボクセルを持つ立体ディスプレーが生成される。ホログラフィック立体ディスプレーは、３次元の動くカラー画像を再構成する。
Description
本発明は、ホログラフィック・ディスプレーに関する方法及び装置に関し、特に、独占的ではないが、立体３次元ディスプレーに関する。本発明は、汎用３次元視覚化を必要とする幅広い適用範囲において使用され得るディスプレーである。
立体ディスプレーは、空間充填画像を生成する３次元ディスプレー技術の分類に属する。その体積は、通常グリッド上に置かれた同一の体積要素又はボクセルに分割される。これは、２次元ディスプレーにおけるピクセルに似ている。３D画像は、あらゆる数のボクセルを駆動することによって構成される。ディスプレーは、通常、カラーで動画を作成できるコンピュータによって制御される。立体ディスプレーは、自動立体型（autostereoscopic）であることから、観察者は、メガネ類又はヘッドセットなどの特殊な器具を必要としない。さらに、画像は、如何なる数の観察者によっても観察可能であるべきである。
立体ディスプレーの共通カテゴリーは、swept-volume方式投射の原理を使用する閉鎖型立体ディスプレーを含む。これらは、回転する又は前後に動くかいずれか一方の定期的に動くスクリーンなどの機械的方法に基づいており、それらは、そのスクリーンの動作に同期化された2次元プロジェクタによって照らされる。そのスクリーンがその体積を通過すると、その体積における多くの地点が照らされ、それによって人間の眼に立体ディスプレーの錯覚を示す。これらのディスプレーのいくつかは、回転する半反射型スクリーンなどの高速機械的要素に依存するが、他の非機械的なアプローチは、スイッチ型積層液晶スクリーンに依存する。他の閉鎖した立体技術は、有機発光ダイオードの積み重ね又は積み重ねられたエレクトロルミネセント・スクリーンからレーザー・ビームの交差がボクセルを生成するガス又はプラズマの体積までの範囲に及ぶ。
開放型立体ディスプレー技術は、自由空間においてボクセルを生成する。そのような従来技術のディスプレーは、画像をスクリーンの前の異なる位置でフォーカスすることによってボクセルを生成するマイクロレンズ・アレイを持つ平坦なパネルに基づく。この技術は、アクティブ・マトリクス半導体製造技術に頼る。
従来技術は、最も良い３次元画像はホログラムによって生成されることを示す。ホログラムは、入射光が建設的又は相殺的に干渉し、３次元画像をそのホログラムの平面の外側に生成するようにする回折パターンを保存する感光フィルム又はプレートである。そのホログラムは、光源によって適切に照らされるときに３次元画像を再構成できるように、周波数、振幅及び位相情報を保存する。ホログラムにある主な欠点は、静止３次元画像だけを生成できることにある。固定された静止３D画像のシーケンスを用いて限られた動画が可能であり、その動作の錯覚は、ホログラムの観察者の該ホログラムに対する相対的な動作によって与えられる。最近のホログラフィック印刷技術は、フルカラーの完全視差の３D画像を生成することが可能であり、それらは通常の室内照明条件下で見ることができる。
３次元立体ディスプレーは、米国のRevo,IncのZhan Heによる特許文献１において提示されている。このディスプレーは、スクリーンの前における異なる位置で画像をフォーカスすることによってボクセルを生成するマイクロレンズ・アレイを持つ平坦なパネルに基づいている。そのマイクロレンズ・アレイは、アクティブ・マトリクス半導体製造技術を使用して平坦パネル上で製造されてもよい。本発明は、そのようなフォーカシング又は製造技術に頼らない。
ホログラフィック・ディスプレーに対する従来のアプローチは、空間光変調（SLM）技術に基づいた高解像度３D画像に焦点を置いている。SLMは、通過する干渉性の光の位相及び／又は振幅を変調できるデジタル的にプログラム可能な回折ホログラフィック素子である。その３D画像に対応する回折パターンが最初に計算され、次にSLMに移送される。これらは、また、計算機合成ホログラフィック（CGH）ディスプレーとしても知られている。ホログラフィック・ディスプレーに対するSLMに基づいたアプローチの例は、英国ケンブリッジ大学のA.Travisによる「Autostereoscopi Display」（特許文献２）及び英国のQinetiq MalvernのChris Slinger et al.によるIEEE Computer Magazineの記事「Computer Generated Holography as a Generic Display Technology」（非特許文献１）に記載されている。SLMは、光学的又は電子的のいずれか一方でアドレスされる必要があるアクティブ要素である。SLMは、理想的には、プログラム可能なホログラフィック・フィルムのように振舞う必要がある。従って、SLMのピクセル形状は、ホログラフィック・フィルム感光乳剤の内部の粒の形状に似ていることから、マイクロディスプレーに見られる現在のミクロンのスケールの形状からは数単位離れたナノ・スケールの半導体技術を必要とする。さらに、SLMに基づいたアプローチは、回折パターンを計算しそれらを分配するために必要な実質的な計算力及び帯域幅に関して実質的な欠点を有する。SLM要素は、大面積の装置である必要があるが、これは現在の半導体製造技術を使用して実行可能又は経済的ではない。これは、従って、大面積をカバーするためにより小さいSLMのアレイを使用することを必要とすることから、さらに帯域幅の課題を作り、アレイを搭載することにおいてさらなる機械的及び光学的な問題を導入する。従って、SLM又はSLMアレイに基づいたCGHディスプレーは、費用、性能及び技術的な理由のため商用的に実行可能ではない。SLMに基づくホログラフィック・ディスプレーは、解像度が高い。本発明は、低解像度のディスプレーであり、SLM又は如何なるアクティブ要素にも依存しないことにおいて、SLMアプローチとは基本的に異なる。その代わりに、それは、パッシブ・ホログラフィック・スクリーン（例えば、フィルム、プレート、シリカ基板又はフォトポリマー）を使用し、個別に選択することができる事前に定義された３D画像又は体積要素の一式を記録する。
セグメント化された３Dホログラム・ディスプレーは、米国のHughs Arcraft CompanyのG.Mossによる特許文献３において提示されている。そのディスプレーは、自動車のウィンドシールドに埋め込まれた数個の個別のホログラムで構成され、各ホログラムは、７セグメント・ディスプレーのセグメントを生成することが可能である。それは、運転者がウィンドシールドの平面の外側に再構成される数字を見ることができるようにする。ホログラムは、端部が照らされているか、選択的に照らされている。本発明は、多くの商用及び工業分野における適用を有する汎用立体ホログラフィック・ディスプレーである。本発明は、２D様式のディスプレー・セグメントよりもむしろ、一般的な体積要素又はボクセルに基づく。本発明は、単一のホログラムよりもむしろサブホログラムがホログラフィック・スクリーンの全域に広がるホログラフィック・スクリーンを使用する。
"Computer Generated Holography as a Generic Display Technology",IEEE Computer Magazine,2005 Chris Slinger et al.
"Seeing Triple"，June 2007，Scientific American
本発明は、ホログラフィック・スクリーンを照らすプログラム可能な照明手段を有するホログラフィック３D立体ディスプレー・システムのための方法及び装置に関し、そのホログラフィック・スクリーンは、より小さいサブホログラムを含み、同様に、より小さいホログラフィック・タイルを含んでもよい。プログラム可能な照明手段は、ディスプレー・ユニットを駆動する画像パターン生成ユニットによって備えられてもよい。
従って、本発明は、プログラム可能な照明手段及びホログラフィック・スクリーンを含むホログラフィック立体ディスプレーのための装置を提供し、そのスクリーンは、サンプリングされた一式のホログラム又はサブホログラムを含み、そのホログラフィック・スクリーンの平面の外側の３次元空間において事前に記録されたホログラフィック立体要素又はホログラフィック・ボクセルの一式を含む。
該装置は、多数のホログラフィック立体ディスプレーを有してもよく、複数のパッシブ・ホログラフィック・スクリーンは、より大きいホログラフィック立体ディスプレーを複数の又は共用されたプログラム可能な照明手段で作成するように配置されてよい。ホログラフィック・スクリーンは、そのスクリーンの表面の全域に複数の空間的に交互配置された又は多重化されたサブホログラムで構成されてもよく、そのスクリーンにおける各サブホログラムは、固有のボクセルを再構成する。各サブホログラムは、複数のより小さいホログラフィック・タイルで構成され、各サブホログラム又はホログラフィック・タイルは、任意のタイプのホログラムで構成されることが可能であり、ホログラフィック・タイルは、連続的ではなく、ホログラフィック・スクリーンの全域に広がっている。
任意に、そのスクリーンは、同じサブホログラムの位置内において、それらのホログラフィック・ボクセルが空間的に重なるように交互配置又は積層された赤、緑及び青のホログラフィック・スクリーンを含む、カラー・ホログラフィック・スクリーンを有する。
プログラム可能な照明手段は、画像パターン生成ユニット及びディスプレー・ユニットを有してもよい。
画像パターン生成ユニットは、３次元画像をディスプレー装置に出力するための２次元画像パターン・シーケンスに変換するための手段を用いてその３次元画像を受け取るように構成されてもよい。それは、また、１つ又はそれ以上の論理ゲート、計算装置、ゲート・アレイ装置、メモリ及びビデオ出力ハードウェアを有してもよい。適切に、その画像パターン生成ユニットは、ファームウェア、プログラム・コード、サブホログラムの種類、画像パターン、ホログラフィック・タイルの種類、ホログラフィック・スクリーンのサイズ、ホログラフィック・スクリーンの数、複数のホログラフィック・スクリーン又は画像シーケンシングの配置を含む制御及び設定パラメータを受け取るように構成されてもよい。
該装置は、複数のディスプレー・ユニットを駆動し、より大きいホログラフィック立体ディスプレーを作成する、適合した画像パターン生成ユニットに対するドライバを含んでもよい。
該装置は、好ましくは、連続的な３D画像が人間の視覚の持続性に十分に応じたフレーム・レートで表示され、動作する３Dホログラフィック画像の印象を与えるようにそのディスプレーを制御するためのディスプレー・コントローラを含む。
そのディスプレー・ユニットは、通常、デジタルカラー・プロジェクタ又はレーザー・プロジェクタであり得るデジタル投射ユニットを含む。代替として、又は追加として、そのディスプレー・ユニットは、LCDパネルと偏光源及び／又はプラズマ・ディスプレー、LEDディスプレー、OLEDディスプレー又はホログラフィック・スクリーンに光学的に結合されたカラー・レーザー・ダイオード・アレイなどの放射性ディスプレーとを一緒に有してもよい。そのような実施形態において、改良されたディスプレー・ユニットは、画像パターン生成ユニットを、投射装置、LCDパネル又は放射性ディスプレーを含むディスプレー・ユニット内において一体化してもよい。
本発明の制約内において、ホログラフィック・スクリーンは、如何なる数のホログラフィック・ボクセルも再構成するように設定されてもよく、そのホログラフィック・ボクセル群は、任意の異なるサイズ及び形状を持ってよく、そのホログラフィック・スクリーンの製品の境界線内におけるホログラフィック・スクリーン面の外側の３次元空間における任意の位置に置かれてもよい。
本発明の装置は、画像セグメント、ドットマトリクス・セグメント、英数字セグメント、ゲージ・セグメント、バーグラフ・セグメント、シンボル・セグメント又はアイコン・セグメントを作成するように構成することもまた可能である。ホログラフィック・ボクセル群は、３次元空間において規則正しく間隔が置かれるように、又は代替として同じ３次元空間の一部を覆う又は占めるように、立方体、球又はポイントなどの通常の３次元形状として構成されてもよい。
本発明のもう１つの態様に従って、空間的に異なるホログラフィック・ボクセルでホログラフィック・スクリーンを構成するための方法が提供され、該スクリーンにおいて、サブホログラム及びホログラフィック・ボクセルは、ホログラフィック・フィルム又はプレートに：（a）ボクセルのマスター透過型ホログラムH1を作成するステップ、（b）そのマスター・ホログラフィック・ボクセルを異なる位置に置くステップ、（c）ホログラフィック・フィルム又はプレートの前又は後ろにある各ホログラフィック・ボクセル位置に対して異なったサブホログラムのマスクを置くステップ、（d）H1ボクセルをマスクで覆われたH2ホログラムに記録するステップ、を含む移送画像ホログラフィーによってホログラフィック・フィルム又はプレートに記録される。
空間的に重複するホログラフィック・ボクセルでホログラフィック・スクリーンを構成するために、１つの方法が使用されてもよく、該スクリーンにおいて、サブホログラム及びホログラフィック・ボクセル群は：（a）一連のボクセル群のマスター透過型ホログラムH1の一式を作成するステップ、（b）そのマスター・ホログラフィック・ボクセル群を同じ位置に置くステップ、（c）ホログラフィック・フィルム又はプレートの前又は後ろにある各ホログラフィック・ボクセルに対して異なるサブホログラム・マスクを置くステップ、（d）マスクで覆われたH2ホログラムにH1ボクセルを記録するステップ、を含む移送画像ホログラフィーによってホログラフィック・フィルム又はプレートに記録される。ホログラフィック・スクリーンは、ホログラフィック立体画を生成するために様々な視点からコンピュータで生成した一連のボクセル群を使用して、ホログラフィック・プリンターを用いて構成されることができる。そのホログラフィック・スクリーンは、代替的に、数値的に計算されてもよく、サブホログラム及びそれらのボクセルに対応する回折パターンが、シリカ又はポリマーなどの適切な基板にフォトリソグラフィ、エンボス加工又は光還元技術によって移送される。
立体ホログラフィック・ディスプレーは、任意の数のホログラフィック・ボクセルが、プログラム可能な照明手段を通して対応するサブホログラムを照らすステップによってホログラフィック・スクリーン上に再構成されてもよい。
ディスプレーがカラー・ホログラフィック・ボクセルを含む位置において、これらは、変化する強度の赤、緑及び青の光源で対応するサブホログラムを照らすことによって再構成されてもよい。通常、光源のカラーは、カラー画像が再構成されるように、ホログラフィック・スクリーン上のサブホログラム又はホログラフィック・タイルを作成するために使用される赤、緑及び青のレーザーのカラー周波数に一致する。
本発明のディスプレーを作成する方法は：（a）３D画像の記述を受取るステップ、（b）各ボクセル座標を、そのサブホログラムのパターンに対応する２D画像パターンに変換し、ボクセル・カラーを各２D画像パターンに適用するステップ、（c）全ての２D画像パターンを最終画像パターンに重ね合わせるステップ、（d）最終画像パターンをディスプレー・ユニットに出力するステップ、を含む２次元パターンを作成する画像パターン生成ユニットを含む。
要約すれば、本発明は、３次元画像を表示することが可能なホログラフィック立体スクリーンを作成するために、ホログラフィック及び立体技術を組み合わせる。本発明は、伝統的なホログラムを記録し、それらを再生する新しい方法を使用する。それは、一連のホログラム群を使用し、サブホログラムを作成するためにそれらをサンプリングする。これらのサブホログラムの全ては、次に、単一の合成ホログラムを作成するために空間的に交互配置される。そのような合成ホログラムは、ホログラフィック・スクリーンに対応する。各サブホログラムは、３D空間においてボクセルに対応する簡潔なホログラフィック画像を含む。再生において、ホログラフィック・スクリーンに事前に記録されたサブホログラムはどれも、プログラム可能な照明手段を使用した選択的な照明を通してアドレスされてもよい。いくつかの実施形態において、そのサブホログラムは、ホログラフィック・スクリーンの表面の全域に広がっている、より小さいホログラフィック・タイルのマトリクスで構成されているものとして見なされてもよい。
これは、明るい光源によって照らされるときに、全３D画像又は一連の３D画像に対応する波面を再構成するように、ホログラフィック・フィルム又はプレートに回折パターンを保存するために表面積全体を使用する伝統的なホログラムと対比されてもよい。
立体ディスプレーに対する従来のアプローチは、多数の欠点を有する。閉鎖空間技術は、ボクセルをディスプレーの内部に閉じ込め、それによってユーザはそれらと直接交信することができない。これらのいくつかは、サイエンティフィック・アメリカンの2007年6月の記事「Seeing Triple」（非特許文献２）に記載されているように、回転するスクリーンなど安全でなく信頼できない高速機械的要素、又は限られた深さの解像度を持つパッシブ・スクリーンが積層されたアレイなどに頼る。これらの技術のほとんどは、慣性又は他の機械的制限が原因で、サイズに関して調整ができないことから、それらがどれくらいの大きさで作成できるかに関する限度がある。開放空間ディスプレーは、製造するには複雑であり、非常に費用がかかる傾向がある。立体ディスプレーは、現在は、メディカル・イメージング又はエンジニアリング用のコンピュータを使った設計などのハイエンドのプロの適用に限られる傾向がある。
本発明のホログラフィック立体ディスプレーは、従来の立体ディスプレーに対するアプローチの多くの限度を克服する。メガネ類は一切必要でなく、多数の観察者が画像を心地よく見ることができる。ホログラフィック立体ディスプレーは、現在の立体ディスプレー技術よりもよりシンプルであり、製造に費用がかからない。該ディスプレーは、動作部分を全く含まない又はほとんど含まないため、機械的に駆動される立体ディスプレーよりも信頼でき、騒音を立てない。
本発明は、動的ホログラフィック立体ディスプレーを実現するために静止３D画像を用いて多重化されたホログラムの限度を克服することによって現在のホログラフィック技術を改善する。ホログラフィック・スクリーンは、パッシブであることから、SLMに基づいたアクティブ・マトリクス・システムのように電力を供給する必要がない。３D画像は、観察者が直接相互作用することができる空中に浮かんでいるように見える。ホログラフィック立体ディスプレーは、動く３D画像をフルカラーで見せることが可能である。本発明は、汎用であり、商用又は工業的な３D視覚化を必要とする適用の広い範囲に適用が可能である。
図１及び図１aは、最小限の２ｘ２ｘ２ホログラフィック立体ディスプレーを説明する。好ましい実施形態は図１であり、ホログラフィック・スクリーン28は、ビデオ・インターフェース24を通してカラー・デジタル・プロジェクタに接続された画像パターン生成ユニット20を含むプログラム可能な照明手段によって照らされる。画像パターン生成ユニット20は、レンダリングされた３D画像をボクセル記述22の一式として受取る。ホログラフィック・スクリーンは、サブホログラムがプログラム可能な照明手段によって照らされるときにボクセル32を再構成するホログラフィック・タイル30のマトリクスで作成されたサブホログラムを含む。図１aは、プロジェクタ26の側面、ホログラフィック・スクリーン28、ボクセル群32、観察者35及び光ビーム37及び38を示す。プロジェクタ26は、ホログラフィック・スクリーン28を、光ビーム37を通して照らす。光ビーム38は、ホログラフィック・スクリーン上のサブホログラムから反射し、観察者35の前のボクセル群32を再構成する。
サブホログラムはどれも、ホログラフィック・スクリーンの製造パラメータの制限内においてそのホログラフィック・スクリーンの平面の外側のあらゆる位置において如何なる３D形状も再構成することができる。サブホログラムは、異なるサイズ及び形状であってもよい。サブホログラムは、ホログラフィック・スクリーンの表面の全域に広がっており、より小さいサブホログラム又はホログラフィック・タイルでも構成されていてもよい。図１に示された例において、各サブホログラムは、３次元立方体のサンプリングされた干渉パターンが事前に記録され、それは、プロジェクタを通して照らされるときに、ホログラフィック・スクリーンの前に配置された固有のホログラフィック・ボクセルに対応する。
サブホログラム及びホログラフィック・タイルのマッピングは、図２に描かれている。ホログラフィック・スクリーン29は、ホログラフィック・タイルの４x４グリッドを含み、各サブホログラムは、aからhまでのラベルが付けられた8個のホログラフィック・タイルを含み、その対応するボクセル39は、AからHまでラベルが付けられている。該８個のボクセルの座標（x,y,z）は：A（0,0,0）B（0,1,0）C（1,0,0）D（1,1,0）E（0,0,1）F（0,1,1）G（1,0,1）H（1,1,1）として与えられる。ボクセルEは、ボクセルFの下に位置するため、図２において見えないことに注意されたい。各ホログラフィック・タイルに対する照明パターンは図２a乃至２hにおいて示されている。黒い領域は照明が無いことを意味し、白い領域は照明があることを意味する。
図３は、サブホログラムはどのようにしてホログラフィック・タイルから作成できるかの例を示す。図３a乃至３hは、サブホログラムをホログラフィック・タイル2a乃至2hの配置として描く。各サブホログラムは、図２においてAからHまでラベルが付けられたボクセルを再構成することができる。ホログラフィック・タイル及びサブホログラムは、ホログラフィック・スクリーンの表面の全域にわたって空間的に多重化されている。
３D画像は、（x,y,z）座標によってボクセルのコレクション及び赤、緑及び青［r,g,b］パラメータを持つ主なカラーの一式として表わされる。その主なカラーは、0と1.0との間で正規化した値によって表わされてもよく、0はカラー無しを意味し、1.0は、純粋なカラーを意味する。従って、［1,0,0］赤、［1,1,1］は白、［0,0,0］は黒、［0.5,0.5,0.5］は灰色、［0,1,1］は青緑色、などである。赤、緑及び青のボクセルは、人間の目に見える如何なる色も示すように変化する光度で組み合わせられるように、同じ空間を占める。
画像パターン生成ユニット20の役割は、ボクセルAからHまでの任意の一式を含むレンダリングされた３D立体画像をホログラフィック・スクリーン28にマッピングすることである。それは、デジタル・インターフェース22を通してボクセル及びカラーの一式を受取る。画像パターン生成ユニットは次に、図２aから２hで与えられたパターンの重ね合わせを生成し、カラーを塗り、引き続きカラー・デジタル・プロジェクタ26に表示する。例えば、白い「L」形状の画像は、図２においてボクセルA、B及びCを含みうる。この形状の座標及びカラーは：（0,0,0）［1,1,1］；（0,1,0）［1,1,1］；（1,0,0）［1,1,1］によって与えられる。対応する照明パターンは、図2a、2b及び2cにおけるホログラフィック・タイルに基づいた図3a、3b及び3cにおいて与えられたパターの重ね合わせである。このパターンは、図４aにおいて示されるようにホログラフィック・スクリーンに投射される。対応する３D画像は、「L」形状のボクセルとして再構成される。
この例をさらに解釈すると、異なった黄色の「L」形状の３D画像が、図２におけるボクセルE、F及びGを含み（ボクセルEは当該図において非表示であることに留意）、それは、（x,y,z）［r,g,b］の値に対応する：（0,0,1）［1,1,0］；（0,1,1）［1,1,0］；（1,0,1）［1,1,0］。照明パターンは、図2e、2f及び2gにおけるホログラフィック・タイルに基づいて図３e、３f及び３gの重ね合わせによって与えられ、黄色のカラーを重ねられた画像の白い領域に塗る。これは図４bに示されており、黄色い「L」形状のボクセルは、以前の白い画像の後方（z軸上において）において１ボクセル分後ろに再構成される。以前の白い「L」画像の位置は、図４bにおいて輪郭で示されている。サブホログラムのカラー及びそれが再構成するボクセルは直接的に一致する。
以前の例の照明パターンである図４aが、突然図４bにおけるパターンによって置き換えられる場合、その「L」画像は、図４bに示されるようにz軸に沿って1ボクセル分ジャンプするように見え、白から黄色へとカラーを変える。そのパターンが図４aと４bとの間で交互に変わる場合、その画像は、z軸に沿って1ボクセル分前後に動くように見え、白と黄色との間でカラーを切り替える。照明パターが、図３aから３hにおけるパターンを通して繰り返す場合、観察者は、図２における全てのボクセル位置A乃至Hを通って動いている単一のボクセルを見る。この方式では、動いている３Dカラー画像は、連続する３D画像間のフレーム・レートが人間の視覚持続性に対して必要な条件を満たすのに十分である上で、構成することができる。
従って、サブホログラムに対応するパターンの内部においてカラーと一緒に照明パターンを変更することによって、フルカラーの動く３D画像が、プロジェクタによって支持される如何なるフレーム・レートでも生成される。図１乃至４に記載された最小限の２x２x２ホログラフィック立体ディスプレーは、説明のみを目的としている。ホログラフィック立体ディスプレーの解像度及び寸法が、実用的なディスプレーに対してさらにより大きい寸法にスケーリングされてもよいことは、当業者にとって容易に明確になるであろう。ひき続き、ホログラフィック・タイル及びサブホログラムの形状及びレイアウトは、本文献で示すよりも複雑である。実際に、サブホログラム又はタイルは、異なる形状、サイズ及び配向性を持ってもよい。
ボクセルは、２D及び３Dホログラフィック・ディスプレー又はそれらの組み合わせを生成するために使用されて良い。そのボクセルは、如何なるサイズ又は形状を持ってもよく、２つ又はそれ以上のボクセルが、個別のボクセルがホログラフィック・スクリーンにおいて異なる照明パターンによって選択される同じ空間を占めることも可能である。そのようなホログラフィック・スクリーンが均一に照らされる場合、全てのボクセルが目に見える。そのような重ねられるボクセルの一例は：＄、「ユーロ」、£及び￥などの通貨記号である。この例において、４つのボクセルがあり、それは明らかに異なるサブホログラムがそれらを再構成するために必要であることを意味する。そのサブホログラムは、記号＄、「ユーロ」、£及び￥に対応する図５a乃至５dにおいて示されている。ホログラフィック・タイルは、ホログラフィック・スクリーンの長さを交差する水平なスリットである。各記号ボクセルは、多数の水平スリットによって再構成される。全ホログラフィック・スクリーンが照らされる場合、全てのボクセルが現れるが、それらは、図５eに示されるように同じ空間を占めるため、互いに重ねられる。そのようなボクセルのアセンブリは、分かりやすくない。しかし、ホログラフィック・スクリーンが図５a乃至５dにおけるサブホログラムのうちの１つで照らされると、対応する通過記号だけが示される。これは、図５bのサブホログラムに対応する「ユーロ」の記号に関して図５fで示されている。
代替のボクセル構成が、セグメント・ディスプレーなどの他のタイプの２D式ディスプレーを構成するために使用されてもよい。図６aは、０から９までの数字にドットをプラスしたポピュラーな７セグメント・ディスプレーのボクセルに基づいたディスプレーの一例を示す。この例では、各ボクセルは、図６aにおいてaからhまでラベル付けされた単一のセグメントを表わす。これらのボクセル・セグメントは、図６bに示されるサブホログラム及びホログラフィック・タイルに記録されてもよい。そのようなホログラフィック・スクリーンが照らされる場合、全てのボクセル・セグメントは、数字の８にドットをプラスしたように見える。数字の３は、ボクセル・セグメントa、b、c、d、gで構成され、それらは、図６bにおいて同様にラベル付けされたタイルに対応する。図６cは、照明パターンがどのように数字の３をセグメント化されたボクセルとして表示するかを示す。
ボクセルは、セグメント化されたディスプレー、ドットマトリクス・ディスプレー、ゲージ、バーグラフ、固定されたテキスト・メッセージ、レター、数字、サイン、アイコン、又は記号（例えば、通過又は数学的符号）などの他のタイプの２D方式ディスプレーを構成するために使用されてもよい。
画像パターン生成ユニット
ホログラムは、保存された３D画像を明確に示すために正しいスペクトル特性で明るい光源によって慎重に照らされる必要がある。その光源は、ホログラムの平面に対して狭い範囲の角度内で配置されなければいけない。これらの条件が満たされない場合、その保存された３D画像は仮に再構成されたとしても正しく再構成されない。本発明は、ホログラムのこれらの特性を使用して、ホログラフィック・スクリーンに投射された２次元パターンによってサブホログラムのグループを選択的に照らす。光が存在しない場合（すなわち、投射された２D画像が黒い場合）、そのサブホログラムは照らされなく、従って、対応するボクセルを再構成することはできない。この方式では、ボクセルは、目に見える又は隠れているかのいずれか一方でレンダリングされ得る（すなわち、選択的な照明を通してスイッチがオン又はオフにされる）。
画像パターン生成ユニット
ホログラムは、保存された３D画像を明確に示すために正しいスペクトル特性で明るい光源によって慎重に照らされる必要がある。その光源は、ホログラムの平面に対して狭い範囲の角度内で配置されなければいけない。これらの条件が満たされない場合、その保存された３D画像は仮に再構成されたとしても正しく再構成されない。本発明は、ホログラムのこれらの特性を使用して、ホログラフィック・スクリーンに投射された２次元パターンによってサブホログラムのグループを選択的に照らす。光が存在しない場合（すなわち、投射された２D画像が黒い場合）、そのサブホログラムは照らされなく、従って、対応するボクセルを再構成することはできない。この方式では、ボクセルは、目に見える又は隠れているかのいずれか一方でレンダリングされ得る（すなわち、選択的な照明を通してスイッチがオン又はオフにされる）。
画像パターン生成ユニットは、図３a乃至３hにおけるサブホログラムの形状に対応する照明パターンを生成するために、レンダリングされた３D画像をボクセルの記述のセットとして、座標及びカラーに関して解釈する。その画像パターン生成ユニットは、コンピュータ・グラフィック・ソフトウェア及びデジタル画像処理ハードウェアの技術の当業者によって実装されてもよい。画像パターン生成ユニットは、ボクセル記述を：
１．レンダリングされた３D画像の記述を座標及びカラーに関して受け取るステップ
２．各ボクセル座標をサブホログラムのパターンに対応する２D画像パターンに変換し、そのボクセルのカラーを各２D画像パターンに塗るステップ
３．全ての２D画像パターンを最終画像パターンに重ねるステップ
４．最終画像パターンをディスプレー・ユニットに出力するステップ
５．次の３D画像に関してステップ１を繰り返すステップ
を通して画像に変換する。
１．レンダリングされた３D画像の記述を座標及びカラーに関して受け取るステップ
２．各ボクセル座標をサブホログラムのパターンに対応する２D画像パターンに変換し、そのボクセルのカラーを各２D画像パターンに塗るステップ
３．全ての２D画像パターンを最終画像パターンに重ねるステップ
４．最終画像パターンをディスプレー・ユニットに出力するステップ
５．次の３D画像に関してステップ１を繰り返すステップ
を通して画像に変換する。
画像パターン生成ユニットは、ディスプレー・ユニットに接続されたコンピュータとして実装されてもよい。３D画像及びボクセルの記述は、外部のアルゴリズムによって生成されてもよく、あるいはキーボード、ネットワーク又はローカルディスクなどの如何なる入力インターフェースを通して受け取られてもよい。画像パターン生成のコンピュータで実行されるバージョンは、３D画像を上記のステップ１のボクセルのアレイとして受け取ってもよい。アルゴリズムは、ステップ２におけるボクセルに対応するサブホログラム・パターンを、各ボクセルをタイル記述にマッピングする参照テーブルによって作成するためにタイルを使用してもよい。タイル記述は、タイルを生成する方法についての形状の情報（例えば、図２a乃至２hのようなホログラフィック・タイルの多角形の頂点に関する）を含む。残りのステップ３、４及び５は、比較的単純に実装できる。ステップ５は、動作の錯覚を与えるために、人間の視覚持続性と一致した時間枠において実行される必要がある。そのアルゴリズムは、OpenGL又はC、C++、Java（登録商標）又はPythonなどのポピュラーなコンピュータ言語と一緒に含まれる他のグラフィックス・ライブラリAPIなどのグラフィック言語によって実現されてもよい。
画像パターン生成ユニットのハードウェア実装は、DSP、CPU又はマイクロ・コントローラなどの計算手段に基づいてもよい。そのような実装の一例は、図７aにおいて示されており、全ての処理は、インターフェース接続している論理素子及びメモリと同時に計算手段において実行される。プログラム及びパターン・メモリは、ソフトウェア・アルゴリズム及びサブホログラム・パターンをビットマップとしてそれぞれ保持する読み込み専用メモリであってもよい。この実装においてホログラフィック・タイルはなく、その代わりに、全てのサブホログラムは、ビットマップ（すなわち、図３a乃至３hにおける画像のデジタル化されたバージョン）としてパターン・メモリに保存される。読み書きランダムアクセスメモリ（RAM）は、変数のための作業メモリ及び画像メモリを保持する。フレームバッファは、ビデオ出力ハードウェアにアクセス可能なメモリの領域である。３D画像は、デジタル化されたレンダリングされたボクセル座標及びカラーのアレイとしてデジタル・インターフェースを通して受け取る。それらのボクセルは、復号化され、アレイとして作業RAMで保持される。一度全てのボクセルが受け取られると、フレームバッファは、黒色にされる。第２ステップは、そのボクセルに対応するパターン・メモリにおけるサブホログラム・パターンを参照し、それを画像メモリにロードするステップである。第３ステップは、ボクセル・カラーを画像メモリにおけるサブホログラム・パターンの白い領域に塗るステップである。４番目に、画像メモリが、現存しているフレームバッファのコンテンツに追加される。これらの３つのステップは、全てのボクセルにおいて繰り返される。最後に、そのフレームバッファは、ディスプレー装置に出力される。
画像パターン生成ユニットのハードウェア実装は、図７bにおいて説明されている。この実装の構造は、メモリ及びロジック処理ブロックに基づく。該実装は、離散的なロジック又はフィールド・プログラム可能なゲート・アレイ素子において実現されてもよい。この実装においてホログラフィック・タイルは無く、その代わりに、全てのサブホログラムはパターン・メモリにビットマップとして保存される（すなわち、図３a乃至３fの画像）。全ての他のメモリは、前提条件としてクリアされると想定する。３D画像は、デジタル化されたレンダリングされたボクセル座標及びカラーのアレイとしてデジタル・インターフェースを通して受け取られる。ボクセル群は、各３D画像のためのFIFOメモリ・バッファで復号化され保持される。「カラー塗り」ブロックは、次にボクセルに対応するパターンを画像バッファにおけるパターンの中へ塗る。画像蓄積器ブロックは、画像バッファのコンテンツを解釈し、その蓄積器における現在の画像にそのコンテンツを追加する。パターン蓄積シーケンスは、全てのサブホログラム・パターンの組み合わせをもたらす全てのボクセルに対して実行される。この最終パターンは、ビデオ・インターフェースを通してディスプレー装置に送られる。コントローラ・ブロックは、開始から終了までのデータ・フローの制御及びシーケンシングを管理し、入力ボクセルで始まり、ビデオ・インターフェースで終わる。そのコントローラは、全体のシーケンスを動く画像に対して繰り返す。
該ハードウェア実装は、外部のホスト・コンピュータから画像パターン生成ユニットの制御及び設定のためにインストラクションを受け取る手段を必要とする。これは、デジタル・インターフェース22を通して実行してもよく、該デジタル・インターフェースは、コンピュータ・ネットワーク・インターフェース、シリアル・バス・インターフェース又はワイヤレス・インターフェースとして実装されてもよい。インストラクションは、新しいプログラム・コード又はロジック・ファームウェア、リセット、設定パラメータ、サブホログラム・パターン、ホログラフィック・スクリーン・サイズ、ホログラフィック・スクリーンの数、画像シーケンシングなどのアップロードを含んでもよい。設定操作は、パターン・メモリを様々なタイプのホログラフィック・スクリーンに対して初期化するなどの操作を含んでもよい。
ホログラフィック・スクリーンの製造
ホログラフィック・スクリーンは、光ホログラフィーの技術における当業者が様々な従来技術の方法を用いて容易に製造できる。単色ホログラフィック・スクリーンを作成する基本的な方法が、ここで説明される。ホログラフィック・スクリーンにおけるサブホログラムは、移送ホログラム又は画像ホログラフィーの原理に基づいている。これは、ホログラムが作成される２段階プロセスである。H1として知られるマスター透過型ホログラムが記録され、それはH２として知られる第２反射型ホログラムに対する物体として作用する。この実装において、ホログラフィック・フィルムが、ホログラフィック・プレートよりも好ましい。その原理は図８において説明される。H1は、最初に、H1の表面に45度の角度で入射するレーザー参照ビーム40及び再構成されたホログラフィック・ボクセル54からの物体ビーム56でマスター透過型ホログラムとして記録される。この実装において、H2は、マスク48による記録する表面領域の減少を補充するためにH1よりもかなり大きい。
ホログラフィック・スクリーンの製造
ホログラフィック・スクリーンは、光ホログラフィーの技術における当業者が様々な従来技術の方法を用いて容易に製造できる。単色ホログラフィック・スクリーンを作成する基本的な方法が、ここで説明される。ホログラフィック・スクリーンにおけるサブホログラムは、移送ホログラム又は画像ホログラフィーの原理に基づいている。これは、ホログラムが作成される２段階プロセスである。H1として知られるマスター透過型ホログラムが記録され、それはH２として知られる第２反射型ホログラムに対する物体として作用する。この実装において、ホログラフィック・フィルムが、ホログラフィック・プレートよりも好ましい。その原理は図８において説明される。H1は、最初に、H1の表面に45度の角度で入射するレーザー参照ビーム40及び再構成されたホログラフィック・ボクセル54からの物体ビーム56でマスター透過型ホログラムとして記録される。この実装において、H2は、マスク48による記録する表面領域の減少を補充するためにH1よりもかなり大きい。
H1のホログラフィック・ボクセルは、８個の異なるマスクで３D（x,y,z）空間における8個の異なる位置で8回H２に記録される。H２の位置は固定されている。それらのマスクは、図３a乃至３hにおけるパターンに対応する。ボクセル記録設定は、図８aにおいて説明されており、そのプロセスは以下において説明されている：
１．図２に従って、（x,y,z）におけるH1ホログラムを、それの再構成されるボクセルが位置Aにあるように配置するステップ
２．図３aに従って、２つの同一のマスク48をH２ホログラム46の前及び後ろに配置するステップ
３．レーザーのスイッチをオンにすることによってH2を露光し、参照ビーム50及び物体ビーム56を供給するステップ
これらのステップは、H1ボクセルの位置をステップ１において位置B（図２）変更し、ステップ２においてマスクを図３b、などに変更することによって、位置H（図２）及びマスク（図３h）に到達するまで7回さらに繰り返す。H2フィルム又はプレートが、次に処理され作成される。H2はこの時点で、ホログラフィック・スクリーンの描写を含む。
１．図２に従って、（x,y,z）におけるH1ホログラムを、それの再構成されるボクセルが位置Aにあるように配置するステップ
２．図３aに従って、２つの同一のマスク48をH２ホログラム46の前及び後ろに配置するステップ
３．レーザーのスイッチをオンにすることによってH2を露光し、参照ビーム50及び物体ビーム56を供給するステップ
これらのステップは、H1ボクセルの位置をステップ１において位置B（図２）変更し、ステップ２においてマスクを図３b、などに変更することによって、位置H（図２）及びマスク（図３h）に到達するまで7回さらに繰り返す。H2フィルム又はプレートが、次に処理され作成される。H2はこの時点で、ホログラフィック・スクリーンの描写を含む。
図５eに示されるようなホログラフィック・スクリーンを上に重ねられる記号ボクセルで作成するプロセスは、類似している。しかし、これは、4個のH1マスター・ホログラムの一式を記号：＄、「ユーロ」、£及び￥の各々に対して必要とする。それらのステップは以下において説明される：
１．＄記号に対するH1ホログラムをH２ホログラム46の前に配置するステップ
２．図５aに従って２つの同一のマスク48を、H2ホログラム46の前及び後ろに配置するステップ
３．レーザーのスイッチをオンにすることによってH２を露光し、参照ビーム50及び物体ビーム56を供給するステップ。
１．＄記号に対するH1ホログラムをH２ホログラム46の前に配置するステップ
２．図５aに従って２つの同一のマスク48を、H2ホログラム46の前及び後ろに配置するステップ
３．レーザーのスイッチをオンにすることによってH２を露光し、参照ビーム50及び物体ビーム56を供給するステップ。
これらのステップは、ステップ１においてH１を次の記号で置換え、ステップ２においてマスクを図５b、などに置き換えることによって、全ての記号が記録されるまで3回さらに繰り返す。H２は次に、図５eにおけるホログラフィック・スクリーンの描写を含む。
ホログラムは一般的に、その全体の領域にわたって３D画像の回折パターンを含む。そのようなホログラムの一部が取り除かれた場合、それは３D画像をまだ含むが、それ自体の固有の視点からの画像しか含まない。これは、ホログラムの前に単一の穴があるマスクを置き、３D画像がその穴の視点から見えるようにすることに等しい。そのような穴のシリーズは、図２a乃至２hにおいて示されるホログラフィック・タイルに対応し、サブホログラム群に対応するマスクのシリーズは、図３a乃至３hにおいて示される。サブホログラムは、ボクセル54の完全なホログラムが空間的にサブ・サンプリングされたバージョンであり、そのホログラフィック・タイルのトポロジーは、そのサブ・サンプリングの特質を決定する。従って、ホログラフィック・スクリーンの全域にわたるホログラフィック・タイルの数及びそれらのレイアウトを選択することは重要であり、それによってボクセル54は、正確に再構成されるように様々な視点から見ることができる。無数のホログラフィック・タイル・トポロジー及びサブホログラム設定が可能である。図２及び３における例は、概念を説明するために簡略化のために選択されている。いくつかの代替的なサブホログラム設定は、図５a乃至５d及び６bにおいて与えられる。
文献に記載されているカラー・ホログラムを構成するための従来技術の方法が多数存在する。これらの方法の多くは、サブホログラム群でホログラフィック・スクリーンの構成に適用が可能である。ホログラフィック・スクリーン及びそのサブホログラム群の好ましい実施形態は、各ボクセルの色が白であり、3つの原色：赤、緑及び青で構成される、カラー反射型ホログラムを用いる。反射型ホログラムは、プロジェクタに共通して見られるタングステン、ハロゲン又は金属ハロゲンランプなどの通常の光源によって照らされてもよいという利点を持つ。ホログラフィック・スクリーンは、透過型ホログラムとして均等に実装されてもよいが、その結果、カラー・レーザーのプロジェクタなどの干渉性の光源による照射を必要とする。
本文献において説明される単色の方法の単純なカラー拡張は、赤、緑及び青のレーザーを３つのH1及びH2ホログラムにそれぞれ使用して作成し、それらのカラーに敏感なフィルムを使用することである。その３つの作成されたH2ホログラムは、次に、カラー・サブホログラム群及びボクセル群で最終の合成ホログラフィック・スクリーンを作成するように積層される。サブホログラムは、赤、緑及び青の光源でH2ホログラムを生成するのに使用されたレーザーと同じ波長で照らされる。この方法では、記録された赤、緑及び青のボクセルは、同じ空間容積において再構成され、従って、白いボクセルを生成する。この白いボクセルは、人間の目意見える如何なる色も、構成要素の赤、緑及び青の光源の光度を変更することによって再生成するために使用できる。
ホログラフィック・スクリーンの効果的な実施形態は、各サブホログラムの回折パターン及び３D空間においてそれに対応するボクセルを数値的に計算することである。これらのパターンは、次に、シリカ、ポリマー又は他のホログラフィック材でエンボス加工、リソグラフィ又は光還元技術を使用して、適切な基板の表面に直接印刷されてもよい。この方法は、反射型ホログラムが数個の層を必要とする一方、回折パターンは１つの表面にのみ印刷される必要があるため、透過型ホログラムに効果的である。
ホログラフィック・スクリーンを作成するための他の方法は、Geola、Spatial Imaging及びZebra Imagingなどの企業からのホログラフィック印刷技術を含む。ホロ・プリンターは、多重化された立体ホログラムをシミュレートされた２Dコンピュータ画像を含む多様なソースから、複数の角度から生成するための多様な技術を使用する。この方法で生成されたホログラムは、質の高いフルカラー反射型ホログラムである。ホログラフィック・スクリーンは、コンピュータで生成されたボクセルのシリーズを様々な視点及び位置からホログラフィック立体画に交互配置することによってホロ・プリンターによって生成されてもよい。
それらがどのように記録されるかによって、ボクセル群は、ホログラフィック・スクリーンの前、後ろ又はその上（又はそれらの組み合わせ）に見えるようにすることができる。それらのボクセル群がホログラフィック・スクリーンの前に再構成される場合、３D画像は、空中に浮いているように見える；これは実像として知られる。その他の場合、ボクセル群がホログラフィック・スクリーンの後ろ側に再構成される場合、３D画像はスクリーンの内部にカプセル化され、ウィンドウを通して画像を見るのに似ている；これは虚像として知られる。
プロジェクタ及びディスプレー・パネル
カラー・デジタル・プロジェクタは従来技術として容易に入手可能である。これらのプロジェクタは、通常、アナログ又はデジタルビデオ信号を入力として受け取り、画像を平坦な投射スクリーンに投射する。これらのプロジェクタは、明るい光源を適切な光学系及びアクティブ要素と一緒に使用し、２次元画像を全て真っ白又は銀色にされた投射スクリーンに投射する。光源は、通常、適切な色温度及び広いスペクトルで明るい光を生成する金属ハロゲンランプである。内部の光学系は、通常、プリズム、カラー・フィルター、ダイクロイック・ミラー及びレンズで構成される。最も一般的なアクティブ要素は、液晶技術（LCDパネル又はLCOS）又はデジタル・マイクロミラーに基づくDLP技術に基づいている。そのようなプロジェクタは、反射型ホログラムを照らすのに適している。レーザー・プロジェクタなどの他のタイプのプロジェクタは、似た光学系及びアクティブ要素を使用するが、これらの要素は原色レーザーによって直接駆動されるため分離されたランプを必要としない。レーザー・プロジェクタは、透過型ホログラムを照らすのに適している。プロジェクタは通常、光源を冷却するためにファンを組み込むことから、これは投射に基づいた立体ホログラフィック・ディスプレーの内部で唯一動作する部分である。
プロジェクタ及びディスプレー・パネル
カラー・デジタル・プロジェクタは従来技術として容易に入手可能である。これらのプロジェクタは、通常、アナログ又はデジタルビデオ信号を入力として受け取り、画像を平坦な投射スクリーンに投射する。これらのプロジェクタは、明るい光源を適切な光学系及びアクティブ要素と一緒に使用し、２次元画像を全て真っ白又は銀色にされた投射スクリーンに投射する。光源は、通常、適切な色温度及び広いスペクトルで明るい光を生成する金属ハロゲンランプである。内部の光学系は、通常、プリズム、カラー・フィルター、ダイクロイック・ミラー及びレンズで構成される。最も一般的なアクティブ要素は、液晶技術（LCDパネル又はLCOS）又はデジタル・マイクロミラーに基づくDLP技術に基づいている。そのようなプロジェクタは、反射型ホログラムを照らすのに適している。レーザー・プロジェクタなどの他のタイプのプロジェクタは、似た光学系及びアクティブ要素を使用するが、これらの要素は原色レーザーによって直接駆動されるため分離されたランプを必要としない。レーザー・プロジェクタは、透過型ホログラムを照らすのに適している。プロジェクタは通常、光源を冷却するためにファンを組み込むことから、これは投射に基づいた立体ホログラフィック・ディスプレーの内部で唯一動作する部分である。
プロジェクタによって生成される画像のサイズは、少なくともホログラフィック・スクリーンと同程度に大きくなければいけない。プロジェクタの解像度は、サブホログラム及びホログラフィック・タイルを十分な精度で生成する必要がある。ホログラムが回折又はブラッグ回折によって３D画像を再構成するため、入射光エネルギーのごく小部分だけが、その３D画像を再構成するために実際に使用される。下が手、ボクセルを再構成するために高強度の光源を持つプロジェクタ又はLCDを使用することが重要である。
本発明によって必要とされるプロジェクタは、ホログラフィック・スクリーンと協働するためには適切に改良される必要がある。最適なカラー再生成のために、そのプロジェクタの内部で使用される原色は、ホログラフィック・スクリーンの原色に一致する必要がある。これは、カラー・フィルター、プリズム又は他のダイクロイック要素を含むプロジェクタの内部光学系が、ホログラフィック・スクリーンを生成した赤、緑及び青のレーザーの周波数に一致する必要があることを意味する。ほぼ全てのデジタル・プロジェクタは、プロジェクタがホログラフィック・スクリーンに関して傾いている場合、投射された画像の角変形を正す根本的な修正特徴を含む。そのプロジェクタは、入射角がホログラムを生成するのに使用された参照ビームに一致するように、ホログラフィック・スクリーンに関して傾けられる必要がある。プロジェクタは、この角変形に対して十分な根本的な修正を提供する必要がある。
図９で与えられた代替的実施形態において、カラーLCDパネル36は、従来技術として容易に入手可能である。LCDパネルは、通常、透明電極でガラス基板上にTFTのアクティブ・マトリクスを有する。カラーLCDパネルに対して、色を生成するために赤、緑及び青のフィルターを持つ3つのトランジスタがピクセル毎にある。LCDパネルの他の要素は、ガラス・パネルとアクティブ・マトリクス・パネルとの間に挟まれた液晶材料を含む。アクティブ・マトリクス上のTFTが作動する場合、液晶の配向性を変える液晶材料を交差する電圧を生成し、それは、その液晶の中を通る如何なる光の偏光も変える。TFTに入射する光も偏光される場合、それは、結晶の配向性に依存して透過されるか又はブロックされる。図９及び９aにおけるディスプレーに基づく実施形態は、動作部分を持たない。
図９における実施形態において、プロジェクタは、ホログラフィック・スクリーン28の前に置かれたLCDパネル36を照らす偏光フィルター33を持つ明るい光源31によって置き換えられる。画像パターン生成ユニット20は、ビデオ・インターフェースを通してLCｄパネル36を駆動する。LCDパネル36は、偏光された光源に対するマスク又はシャッターとして作用する。LCDパネルのデフォルト設定は不透明であるため、偏光された光は、全くホログラフィック・スクリーンに到達しない。画像パターン生成ユニットは、下に存在するサブホログラムをボクセル32が再構成されるようにする偏光された光源に露光する。発光ディスプレーのサイズ及び解像度の必要条件は、LCDパネルに似ている。放射性ディスプレー・パネルは、CRTディスプレー、カラーLEDディスプレー、OLED（有機発光ダイオード）ディスプレー、プラズマ・ディスプレー又はカラー・レーザー・ダイオード・ディスプレーに基づいてもよい。放射性ディスプレー・パネルは、ホログラフィック・スクリーンを生成するために使用される参照ビームに入射光の角度が一致するように、そのホログラフィック・スクリーンに光学的に結合される必要がある。
本発明の単純な全機械的な実施形態は、フィルムに事前に記録されたサブホログラムのシリーズで機械的動画プロジェクタを使用することができ、それらは、静止パターンの一式を持つプログラム可能な照明手段として共に作用する。この設定は、事前に記録された一式の３D画像が表示されることを可能にする。
画像パターン生成ユニットは、プロジェクタ、LCDパネル又は放射性ディスプレー・パネルなどのディスプレー装置のエレクトロニクス内において一体化されてもよい。画像パターン生成ユニットのデジタル入力12は、インストラクション、設定情報及び棒セルを受け取るためのディスプレー装置の内部においてネットワーク・インターフェースとして実装されてもよい。
ホログラフィック立体ディスプレーのスケーリング
ホログラフィック立体ディスプレーはいくつかの方法でスケーリングされてもよい。最も単純な方法は図１０に示され、２つのホログラフィック・スクリーンが隣り合って置かれている。この例は、図６aからセグメント化された立体ディスプレー及び図６bからのホログラフィック・スクリーンの２つの事例を示す。その対のホログラフィック・スクリーンは同じプロジェクタで照らされ、画像パターン生成ユニットは両スクリーンを考慮に入れるように適切に改良される。これは、ボクセル座標を両方のホログラフィック・スクリーンの全域にマッピングすることを含む。この方法では、より大きいホログラフィック立体ディスプレーを生成するために２つ又はそれ以上の異なるホログラフィック・スクリーンが同じ平面に積層される。
ホログラフィック立体ディスプレーのスケーリング
ホログラフィック立体ディスプレーはいくつかの方法でスケーリングされてもよい。最も単純な方法は図１０に示され、２つのホログラフィック・スクリーンが隣り合って置かれている。この例は、図６aからセグメント化された立体ディスプレー及び図６bからのホログラフィック・スクリーンの２つの事例を示す。その対のホログラフィック・スクリーンは同じプロジェクタで照らされ、画像パターン生成ユニットは両スクリーンを考慮に入れるように適切に改良される。これは、ボクセル座標を両方のホログラフィック・スクリーンの全域にマッピングすることを含む。この方法では、より大きいホログラフィック立体ディスプレーを生成するために２つ又はそれ以上の異なるホログラフィック・スクリーンが同じ平面に積層される。
ホログラフィック立体ディスプレーは、また、４x４x２ボクセル・ディスプレーを４つの２x２x２ディスプレーとして描写する図１０aにおいて示されるようにホログラフィック・スクリーンを置くことによって３次元でスケーリングされる。この例は、図９におけるLCDパネルの実施形態に基づいており、４つの別個のパネルを持ち、１つが各ホログラフィック立体ディスプレーに関する。該配置はまた、図１０aに示されていない偏光された光源も必要とする。修正された画像パターン生成ユニット21は、４つのビデオ・スクリーンを持つインターフェースのドライバを含み、ボクセル座標を立体ディスプレーの全域に正しく適用することによって、全てのホログラフィック・スクリーンを受け取る必要がある。そのような設定では、画像パターン生成ユニットをディスプレー装置の内部で一体化し、全スクリーンにホスト・コンピュータからのネットワーク・インターフェースを通してアクセスすることが有利である。
ホログラフィック・スクリーンは、如何なる平面形状及びサイズであってもよく、画像パターン生成ユニットは、そのホログラフィック・スクリーンの形状及びディスプレー装置の特性も知る必要がある。曲線状又は円筒状であるホログラフィック・スクリーンを有することも可能である。そのようなディスプレーは、ホログラフィック・スクリーン上にサブホログラム画像を投射するために補償光学又は追加の信号処理を備えたプロジェクタを必要とする。
ホログラフィック立体ディスプレーの説明は、説明のみを目的として記載されている。多数の改良型及び変形型が、請求項されているような本発明の要旨及び範囲内に定まる一方、当業者には容易に明確になる。
用語解説
API、アプリケーション・プログラミング・インターフェース
Bitmap、グラフィック画像を表現するためのメモリ又はファイル機構
C又はC++、プログラム言語
CGH、コンピュータ合成ホログラム
CPU、中央処理ユニット
DLP、コンピュータから直接プロジェクタに映像ファイルを送る方式（デジタル・ライト・プロセッシング）
DSP、デジタル信号処理
FIFO、直列に連続してデータを格納するメモリの種類で、最初に読まれたビットが最初に格納されるビットとなる。（ファーストイン‐ファーストアウト）
Java（登録商標）、高水準言語
LCD、液晶ディスプレー
LCOS、エルコス（シリコン基板上の液晶表示パネル）
LED、発光ダイオード
OLED、有機発光ダイオード
Python、高水準言語
RAM、ランダムアクセルメモリ
SLM、空間光変調器
TFT、薄膜トランジスタ
立体ディスプレー、3次元ディスプレーの一種
ボクセル、立体ディスプレーにおける単一の体積要素
用語解説
API、アプリケーション・プログラミング・インターフェース
Bitmap、グラフィック画像を表現するためのメモリ又はファイル機構
C又はC++、プログラム言語
CGH、コンピュータ合成ホログラム
CPU、中央処理ユニット
DLP、コンピュータから直接プロジェクタに映像ファイルを送る方式（デジタル・ライト・プロセッシング）
DSP、デジタル信号処理
FIFO、直列に連続してデータを格納するメモリの種類で、最初に読まれたビットが最初に格納されるビットとなる。（ファーストイン‐ファーストアウト）
Java（登録商標）、高水準言語
LCD、液晶ディスプレー
LCOS、エルコス（シリコン基板上の液晶表示パネル）
LED、発光ダイオード
OLED、有機発光ダイオード
Python、高水準言語
RAM、ランダムアクセルメモリ
SLM、空間光変調器
TFT、薄膜トランジスタ
立体ディスプレー、3次元ディスプレーの一種
ボクセル、立体ディスプレーにおける単一の体積要素
Claims (24)
- プログラム可能な照明手段及びパッシブ・ホログラフィック・スクリーンを有するホログラフィック立体ディスプレーのための装置であり、前記ホログラフィック・スクリーンは、該ホログラフィック・スクリーンの平面の外側の空間において、一式の事前に記録されたホログラフィック立体要素、又はホログラフィック・ボクセル群を含むサンプリングされた一式のホログラム群、又はサブホログラム群を有する、装置。
- 多数のホログラフィック立体ディスプレーを有する請求項１に記載の装置であり、複数のパッシブ・ホログラフィック・スクリーンが、複数の又は共有されたプログラム可能な照明手段を持つ、より大きい合成ホログラフィック立体ディスプレーを作成するように配置されている、装置。
- 前記ホログラフィック・スクリーンは、該ホログラフィック・スクリーンの表面全域に空間的に交互配置された又は多重化された複数のサブホログラムで構成され、各サブホログラムは固有のボクセルを再構成する、請求項１又は２に記載された装置。
- サブホログラムが複数のより小さいホログラフィック・タイルで構成され、各サブホログラム又はホログラフィック・タイルは、任意のタイプのホログラムで構成され、該ホログラフィック・タイルは、隣接せず前記ホログラフィック・スクリーンの表面の全域に広がっている、請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の装置。
- 前記スクリーンが赤、緑及び青のホログラフィック・スクリーンを含み、該赤、緑及び青のホログラフィック・スクリーンは、同じサブホログラム位置内においてそれらのホログラフィック・ボクセルが空間的に重ならないように交互配置又は積層されている、請求項１乃至４のうちいずれか1項に記載の装置。
- 前記プログラム可能な照明手段は、画像パターン生成ユニット及びディスプレー・ユニットを含む、請求項１乃至５のいずれか1項に記載の装置。
- ディスプレー装置に出力するために、３次元画像群を２次元画像パターン・シーケンス群に変換するための手段を用いて該３次元画像群を受け取るように設定された画像パターン生成ユニットのための装置。
- 前記画像パターン生成ユニットは、１つ又はそれ以上の計算装置、ゲート・アレイ素子、メモリ及びビデオ出力ハードウェアを含む、請求項６又は７に記載の装置。
- 請求項６乃至８のうちいずれか1項に記載の装置であり、前記画像パターン生成ユニットは、ファームウェア、プログラム・コード、サブホログラム記述、画像パターン、ホログラフィック・タイル記述、ホログラフィック・スクリーン・サイズ、ホログラフィック・スクリーンの数、複数のホログラフィック・スクリーンの配向性又は画像シーケンシングを含む制御及び設定パラメータを受け取るように設定されている、装置。
- 複数のディスプレー・ユニットを、より大きなホログラフィック立体ディスプレーを作成するように多重ディスプレー・ユニットを駆動するように適合された画像パターン生成ユニットのためのドライバを含む、請求項６乃至９のうちいずれか1項に記載の装置。
- 連続した３D画像群が、動いている３Dホログラフィック画像群の印象を与えるために、人間の視覚持続性に従って十分なフレーム・レートで表示されるように前記ディスプレーを制御するためのディスプレー・コントローラを含む、請求項１乃至１０のうちいずれか1項に記載の装置。
- 前記ディスプレー・ユニットが、デジタルカラー・プロジェクタ又はレーザー・プロジェクタなどのデジタル投射ユニットを含む、請求項６乃至１１のうちいずれか1項に記載の装置。
- 前記ディスプレー・ユニットがLCDパネルと偏光源とを一緒に含む、請求項６乃至１２のうちいずれか1項に記載の装置。
- 前記ディスプレー・ユニットは、前記ホログラフィック・スクリーンに光学的に結合された放射性ディスプレー、プラズマ・ディスプレー、LEDディスプレー、OLEDディスプレー又はカラー・レーザー・ダイオード・アレイを含む、請求項６乃至１３に記載の装置。
- 投射装置、LCDパネル又は放射性ディスプレーを含むディスプレー・ユニット内において前記画像パターン生成ユニットを一体化する改良されたディスプレー・ユニットのための、請求項１４に記載の装置。
- 請求項１乃至１５のうちいずれか1項に記載の装置であり、前記ホログラフィック・スクリーンは、任意の数のホログラフィック・ボクセルを再構成するように設定され、該ホログラフィック・ボクセルは、異なる任意のサイズ及び形状を持ってもよく、且つ、該ホログラフィック・ボクセルは、前記ホログラフィック・スクリーンの製品の境界線内で、該ホログラフィック・スクリーンの平面の外側の３次元空間における任意の位置に配置されうる、装置。
- 画像セグメント群、ドットマトリクス・セグメント群、英数字セグメント群、ゲージ・セグメント群、バーグラフ・セグメント群、記号セグメント群又はアイコン・セグメント群を作成するように設定された、上記の請求項のうちいずれか1項に記載の装置。
- 請求項１乃至１７のうちいずれか1項に記載の装置において使用するための、空間的にはっきり区別されるホログラフィック・ボクセル群を持つパッシブ・ホログラフィック・スクリーンを構成するための方法であり、前記サブホログラム群及びホログラフィック・ボクセル群は：（a）ボクセルのマスター透過型ホログラムを作成するステップ、（b）該マスター透過型ホログラフィック・ボクセルを異なる位置に配置するステップ、（c）前記ホログラフィック・フィルム又はプレートの前後における各ホログラフィック・ボクセル位置に対して、異なるサブホログラム・マスクを配置するステップ、（d）前記マスター透過型ホログラムのボクセルを前記マスクで覆われたホログラムに記録するステップ、を含む移送画像ホログラフィーによって、ホログラフィック・フィルム又はプレートに記録される、方法。
- 空間的に重なっているホログラフィック・ボクセルでホログラフィック・スクリーンを構成するための請求項１８に記載の方法であり：（a）ボクセル群のシリーズで一式のマスター透過型ホログラムを作成するステップ、（b）前記のマスター・ホログラフィック・ボクセル群を同じ位置に配置するステップ、（c）前記ホログラフィック・フィルム又はプレートの前後における各ホログラフィック・ボクセルに対して異なるサブホログラフィック・マスクを配置するステップ、（d）前記マスター透過型ホログラムのボクセルを前記マスクで覆われたホログラムに記録するステップ、を含む、前記サブホログラム群及びホログラフィック・ボクセル群を移送画像ホログラフィーでホログラフィック・フィルム又はプレートに記録する、方法。
- ホログラフィック立体画を作成するために様々な視点からコンピュータ合成されたボクセルのシリーズを使用して、ホログラフィック・プリンターを用いてホログラフィック・スクリーンを構成する、請求項１８に記載の方法。
- 全てのサブホログラム群及びボクセル群に対する回折パターンを数値的に計算し、該パターンを、シリカ、ポリマー又は他のホログラフィック材料に、フォトリソグラフィ、エンボス加工又は光還元技術を用いて移送することによってホログラフィック・スクリーンを構成するための、請求項１８に記載の方法。
- ホログラフィック立体ディスプレー装置を構成するための請求項1乃至１７のうちいずれか1項に記載の方法であり、任意の数のホログラフィック・ボクセルが、プログラム可能な照明手段を用いて、対応するサブホログラムを照らすステップによって、前記ホログラフィック・スクリーン上に再構成されうる、方法。
- 前記対応するサブホログラムを、一致する赤、緑及び青の変化する強度の光源で照らすことによってカラー・ホログラフィック・ボクセル群が再構成される、請求項２２に記載の方法。
- 請求項７乃至１７のうちいずれか1項に記載の装置において、又は請求項１８乃至２１のうちいずれか1項に記載の方法によって生成されるスクリーンを用いて、又は請求項２２又は２３に記載の方法を用いて、ホログラフィック立体ディスプレーを生成する方法であり、前記画像パターン生成ユニットは：（a）前記３D画像の記述を受け取るステップ、（b）各ボクセルの座標を該ボクセルのサブホログラムのパターンに対応する２D画像パターンに変換し、各２D画像パターンに該ボクセルのカラーを塗るステップ、（c）全ての２D画像パターンを最終画像パターンに重ねるステップ、（d）該最終画像パターンを前記ディスプレー・ユニットに出力するステップ、を用いて２次元画像パターンを作成する方法。
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