JP2014194542A - 粗インテグラルホログラフィックディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】水平及び垂直方向の様々な視野におけるフルパララックスを有するスーパホログラムを生成するためのホログラフィックディスプレイシステムを提供する。
【解決手段】システムは、光景についての異なる視点からのホログラフィック像を提供するように構成されたホログラフィックディスプレイデバイス（例えば、空間光変調器（ＳＬＭ））のアレイを備える。各ＳＬＭは、狭い視野の要素ホログラムを出力すべく、同時に動作させられる。システムは、粗インテグラル光学系から一定の距離のホログラム像面において観察可能な単一のホログラムへとホログラフィック像を組み合わせる粗インテグラル光学系を備える。粗インテグラル光学系は、ホログラフィック像の角度タイリングを提供することによって、ホログラフィック像を組み合わせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般には、ホログラフィ及びホログラフィックディスプレイに関し、より詳細には、複数の空間光変調器（又は、単一の空間光変調器からの複数の像）を組み合わせて、ある量又は程度の垂直視差（例えば、わずかな垂直視差であり、これは水平視差のみ（ＨＰＯ）のディスプレイとは対照的である）を有するディスプレイであって、サイズが適度で視野（ｆｏｖ）が広いディスプレイを形成する粗インテグラルホログラフィックディスプレイに関する。

ホログラフィは、３次元（３Ｄ）の像が生成され、記録され、後に表示されることを可能にする技術である。ホログラフィには、典型的に、レーザ、干渉、回折、光強度の記録、及びその記録に対する適した照明光の利用が伴われる。観察系の位置と配向が変化するにつれて、像は、物体がなおも存在するかのごとく全く同じように変化し、これによって、像を３次元に見えさせる。ホログラフィの記録自身は像ではなく、ホログラフィの記録は、見たところではランダム構造からなっており、その構造は様々な強度、密度又はプロファイルからなる。

３次元ディスプレイに対する需要が急速に成長するにつれて、ホログラフィックディスプレイは、３次元エンターテイメント産業における多くの人によって３次元ディスプレイの究極の目標と考えられている。ホログラフィックディスプレイは観察者に対して現実の光景（シーン）についての全ての３次元の手がかり（ｃｕｅ）を示せるので、そのような高い関心がこれらのデバイスに持たれている。残念ながら、現在まで、ホログラフィックディスプレイを設計し製作することは、１つ又は複数の難問に起因して難しいと判明しており、それらの難問によって、ディスプレイサイズ、視野、及びフレームレートが制限されてきたか、水平視差及び垂直視差の両方の提供が妨げられてきたか、又はその両方である。

この点において、広い視野（ｆｏｖ）を有する大きなホログラフィックディスプレイを作成するには、ディスプレイの空間光変調器（ＳＬＭ）のピッチは大きな面積にわたって（例えば、１００ミリメートル（ｍｍ）×１２７ｍｍ等）細かい（例えば、約３０°のｆｏｖのためには１マイクロメートル（μｍ）未満であり、より典型的には０．５μｍ未満である）必要がある。残念ながら、普通のＳＬＭ（デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）又は液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）デバイス等）のピッチは、典型的には、約５から１０μｍの粗さであり、水平にも垂直にも同じ粗さであるので、１°から３°のｆｏｖしか提供しない。さらに、そのピッチは、これらのデバイスにおいて２０ｍｍ×２０ｍｍ等の小さな面積にわたって維持されるにすぎない。縮小光学系は、ピッチ及び視野を増大させるために使用され得るが、ラグランジュの不変量（すなわち、レンズのみからなる光学系について、像のサイズと光線のなす角度との積は一定である）に起因して、像のサイズを犠牲にする（逆に、像のサイズを増大させるために使用され得るが、ピッチ及び視野を犠牲にする）。この犠牲は一般に許容できない。

改良されたホログラフィックディスプレイを提供するためのいくつかの試みでは、ホログラムのサイズ又は視野のいずれかを増大させるべく、複数のＳＬＭがともに並べられる（タイリング）。しかしながら、ホログラムのサイズを増大させるための複数のＳＬＭの単純な空間的なタイリングでは、境界及び電子装置に由来するＳＬＭ同士の間のギャップに起因して、ホログラフィック像に顕著なシームが存在する。単一のＳＬＭの空間的なタイリングも、複製光学系を使用するか又は２軸スキャナを使用して達成されてきた。空間
的なタイリングにおけるギャップ及び不整合は、ホログラム面に表れ、３次元イメージに視覚的に干渉し、それを乱す。視野を増大させるべく、正確な光学マウントを用いて、複数のＳＬＭは弧状に構成もされてきた。ホログラフィック像は、ＳＬＭから遠い距離の弧の中心において重なり、ＳＬＭからの距離が遠くなるほど、ホログラフィック像の解像度は対応して減少する。これらの系のいくつかは、非対称の拡散スクリーンを使用し、水平視差のみ（ＨＰＯ）の像を生成する。音響光学変調器（ＡＯＭ）は、比較的大きな長さにわたって約５μｍのピッチの進行する音響波を提供することが可能である。これらの大きな長さの部分は、約１００ｍｍの高さ×約１ｍの幅へと構成され得る。しかしながら、進行する波動を消すためには、デスキャン用の光学系及びスキャナが必要とされる。さらに、他の光学系が、比較的高いピッチを生成するためには必要とされる場合があり、それによってディスプレイの幅を犠牲にする。さらに、音響波によって一方向にのみ回折され、得られるホログラムは必然的にＨＰＯである。

人間の目の水平の配置に起因して、両眼立体視及び運動視差について、水平視差は垂直視差よりも重要である。この事実は、フルパララックスのホログラフィックディスプレイと比べて計算及びデータ帯域幅の必要性を減少させるべく、水平視差のみ（ＨＰＯ）のホログラフィックディスプレイにおいて大抵利用される。しかしながら、観察者の垂直の動き、及び彼らの観察位置又は視点とともには、ＨＰＯホログラムの見え方は変化しない。換言すると、単一の観察者は頭を上下に垂直に動かし得る（例えば、座ろうとしたり、屈伸して、立ち上がったりする）が、ホログラムの見え方は現実の３次元の物体のようには変化しない。いくつかの芸術及びエンターテイメントの用途（特に単一の静的な観察者のために提供される用途）では、垂直視差の消失は許容可能な場合がある。

しかしながら、空間における絶対的な位置を確定するには、垂直視差は重要である。多くの３次元ディスプレイの実装では、垂直視差の消失は許容可能ではなく、これによって、３次元ディスプレイ産業の専門家らはＨＰＯのホログラフィックディスプレイは成功の見込みが無い（ｎｏｎ−ｓｔａｒｔｅｒ）と主張するに至っている。例えば、ホログラムとの相互作用を伴うか、協同する複数の観察者（例えば、ホログラフィック像上の同じ位置を示す又は同じ位置と相互作用する複数の観察者）を伴う実装では、少なくとも少量の垂直視差がなければ、ホログラフィックディスプレイは有用でないであろう。そのような“わずかな垂直視差”は、複数の観察者が異なる視点からの一貫した光景を見る又は経験するために必要となり得る。人体動力学（例えば、人間は視線を上下よりは左右に移動させる方が容易である）に起因して、望ましい垂直視差の量は、水平視差の望ましい量に比べて大抵は非常に少ない。

特許文献１には、３次元ディスプレイが開示されている。

米国特許第７５１３６２３号明細書

したがって、これらの困難のいくつかに対処するホログラフィックディスプレイ又はホログラフィックディスプレイシステムの必要性が存在する。好適には、そのような新規なホログラフィックディスプレイは、比較的大きな３次元像又はホログラムを提供し、幾分かの垂直視差を提供し得る（例えば、わずかな垂直視差を提供し得る）。しかしながら、そのような発展に直面する問題は、水平方向及び垂直方向において様々な量の情報及び視野を提供することが現在のフルパララックスのホログラフィックディスプレイでは難しいことである。画素が正方形の普通のＳＬＭでは、水平ピッチ及び垂直ピッチは同じであり
、したがってそれらの視野は同じである（アナモルフィック光学系が使用されない場合には同じであり、そのアナモルフィック光学系は、非点収差、コスト、製造、設計の複雑性、その他の懸念から大抵望ましくない）。

粗インテグラルホログラムを生成又は表示するべくホログラフィックディスプレイと粗インテグラルディスプレイとを組み合わせるように構成されているホログラフィックディスプレイ又はホログラフィックディスプレイシステムが、本明細書に記載される。ディスプレイ及びシステムは、少量の垂直視差を有するディスプレイであって、サイズが適度で水平視野が広いディスプレイを形成すべく（例えば、ＨＰＯディスプレイを提供するよりはむしろわずかな垂直視差を提供する）、複数の小さなピッチで小さな面積の空間光変調器（ＳＬＭ）を組み合わせること、単一のＳＬＭを空間的／時間的に多重化すること、又はその両方による方法を使用すると考えられ得る。水平及び垂直の情報量及び視野は、別々に調整され得る。

ＳＬＭは１組の完全な３次元像を提供するが、各々は面積が小さく、視野（すなわち“ｆｏｖ”）が小さい。ＳＬＭによって出力される各ホログラムは、同じ３次元光景の異なる狭い視点を再現する。粗インテグラル光学系は、複数の狭い視野のホログラムを単一の大きな視野のホログラムへと角度タイリングする。

より詳細には、ホログラフィックディスプレイシステムは、水平方向及び垂直方向において異なる視野を有するフルパララックスのスーパホログラムを生成すべく、提供される。システムは、複数のホログラフィックディスプレイデバイスからなるホログラフィックディスプレイデバイスのアレイ（例えば、空間光変調器（ＳＬＭ）であり、システムを実装するために複数の形態を取り得る）であって、１つの光景についての複数のホログラフィック像を提供するように構成されており、各ホログラフィック像は異なる視点からの前記光景についてのホログラフィック像である、前記ホログラフィックディスプレイデバイスのアレイを備える。典型的な実施形態では、各ＳＬＭは、狭い視野を有し得る要素ホログラムを出力すべく、同時に動作させられる。システムはさらに、前記ホログラフィックディスプレイデバイスのアレイと、前記ホログラフィックディスプレイシステムの観察者の観察場所との間に配置される粗インテグラル光学アセンブリを備える（又は粗インテグラル光学アセンブリと組み合わせられる）。粗インテグラル光学アセンブリは、前記複数の“要素”ホログラフィック像を、前記粗インテグラル光学アセンブリから一定の距離だけ離れたホログラム像面において観察可能な単一のホログラム（スーパホログラム）へと組み合わせるように構成されている。

実際には、前記粗インテグラル光学アセンブリは、前記複数のホログラフィック像の角度タイリングを行うことによって、前記複数のホログラフィック像を組み合わせる。このようにして、一方向における前記スーパホログラムの視野は、該一方向において前記アレイに提供されるホログラフィックディスプレイデバイスの数に基づく。スーパホログラムの視野は非対称でも良い。ある実装では、前記粗インテグラル光学アセンブリは、１つのレンズが前記複数の要素ホログラフィックディスプレイデバイスの各１つに対して中央に位置する（又は、ＳＬＭ要素ホログラムを受け取るべく位置合わせされている）。それによって、１つのホログラフィック像とレンズとの対が形成されるレンズアレイを備えており、１つのホログラフィック像とレンズとの該対は、狭い視野の３次元プロジェクタとして機能するホログラフィック像とレンズとの対が作成され、前記レンズアレイのレンズの各々が互いに平行な光の軸を有する。

さらに、前記粗インテグラル光学アセンブリは、前記レンズアレイから出力される前記複数のホログラフィック像（レンズアレイのレンズに関連する平行な軸に沿って進行する
）を受け取る変換レンズ（例えば、大きなフレネルレンズ等）を備える場合があり、該変換レンズは、前記複数のホログラフィック像の進路（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）（例えば、光軸（レンズの軸））を（例えば、前記像面の近傍において）交差させて外向きに扇状に広げるように曲げることによって前記複数のホログラフィック像を組み合わせる。要素ホログラフィック像は像面で重なり合い、それらの視野が隣接し、これによって、それらのビューが角度タイリングされる。

基本的なシステムでは、スーパホログラムは要素像と同じサイズではあるが、各方向における視野を有しており、その各方向における視野は要素ホログラムの組み合わされた視野である。スーパホログラムの視野は、要素ホログラムの視野よりｎ倍広い（又はｎ倍の高さを有する）。ここで、ｎはいずれかの方向における、要素ホログラムの数やレンズアレイにおいて対応するレンズの数である。要素３次元ホログラムのアレイは正方形のアレイを形成する必要がないので、水平方向の視野は、垂直方向の視野と異なっている場合がある。基本的なシステムでは、要素レンズの焦点距離と変換レンズの焦点距離は、１：１の比を有する場合がある。ある実施形態では、要素レンズの焦点距離と変換レンズの焦点距離の比が異なるため、スーパホログラムのサイズの増大とこれに対応するスーパホログラムの組み合わされた視野の減少（逆に、スーパホログラムのサイズの減少とこれに対応するスーパホログラムの組み合わされた視野の増大）が達成され得る。

スーパホログラムはそれ自身完全なホログラムであり、さらに縮小又は拡大がされ得る（例えば、サイズにおいて光学的に増大又は減少させられ、視野における対応する減少又は増大が伴う）。スーパホログラムは、空間的なタイリングもされ得る。その空間的なタイリングは、複数の粗インテグラルホログラフィックディスプレイを物理的に構成することや、２次元のスキャニング若しくは複製光学系を使用して単一の粗インテグラルホログラフィックディスプレイを空間的に配置すること等による。さらに、スーパホログラムは、複数の粗インテグラルホログラフィックディスプレイを弧状に配置すること又は追加の粗インテグラル光学系を使用すること等によって、角度タイリングされ得る。

ＳＬＭはその要素ホログラムを選択的に表示しても良く、これによって、ホログラムがある視域においてのみ観察され得る。頭部追跡を用いる場合には、観察者に観察可能な視域における要素ホログラムのみが計算及び表示されても良く、これによって計算のコストが減少する。

概略又は機能ブロックの形態において、本明細書に記載されるホログラフィックディスプレイ又は粗インテグラルディスプレイシステムの一実施形態を示す図。 各々が２次元像を提供する像ソースのアレイを含む粗インテグラルディスプレイを示す図。 例示的な粗インテグラルホログラフィックディスプレイを示す図。 スーパホログラムを提供するべく単一の像ソースとスキャニングを使用する粗インテグラルディスプレイを示す図。 スーパホログラムを提供するべく単一の像ソースとスキャニングを使用する粗インテグラルディスプレイを示す図。

簡潔には、本発明は、複数の空間光変調器（ＳＬＭ）を含むホログラフィックディスプレイ又はホログラフィックディスプレイシステムを提供する（本明細書において時には“粗インテグラルホログラフィックディスプレイ”と参照される）。ＳＬＭは並べられた（又は平面状の）状態に構成され、ピッチが小さく、面積が小さなＳＬＭの場合があり、ディスプレイシステムは、ＳＬＭからの出力像又は出力光（すなわち、面積が小さく、視野
（ｆｏｖ）が小さなホログラム）を組み合わせて適度なサイズで表示されるホログラフィック像（大きなｆｏｖを有する単一の大きな面積のホログラム）を形成すべく、粗インテグラル光学系（又は光学アセンブリ）とともに構成される。そのホログラフィック像の水平視野及び垂直視野は様々であり得る。

粗インテグラルディスプレイは、“要素の”２次元像を提供するＳＬＭのアレイと、レンズアレイと、大きな変換レンズとを備え得る。２次元像のアレイにおける各要素像は同じ光景ではあるが様々な視点に由来する。レンズアレイは、２次元像のアレイを受け取るべく、ＳＬＭの正面に配置される（ＳＬＭのアレイから出力される各視点の像の中央に１つのレンズが位置する等）。各一対の像とレンズは、狭い視野のプロジェクタになるか、又は事実上狭い視野のプロジェクタとして作用する（そのようなプロジェクタの軸は全て、典型的な実装では平行である）。

大きな変換レンズは、プロジェクタの像を再生し、プロジェクタの軸を曲げ、これによって、それらの像が交差した上で外向きに扇状に広がるように作用し又は機能するように選択される。これによって、２次元像は、光学系又は粗インテグラル光学アセンブリによって、角度タイリングされる。これによって、広い視野を有し、視点によって異なる像が生成される。しかしながら、その複数のビューは別個のビューであり、ビュー同士は不連続であり、各像はなおも２次元である。見たところでは３次元の像が見られ得るが、粗インテグラルディスプレイはビューが別個のビューであり、妥当な数のビューのための調節の手がかりを提供（ｓｕｐｐｏｒｔ）しない。

これを踏まえ、発明者は、粗インテグラルディスプレイにおいて要素２次元像よりはむしろ要素ホログラフィックディスプレイのアレイを提供するべく、アレイのＳＬＭを動作させることが望ましく、有益な場合があると認識した。このようにして、出力された粗インテグラルホログラムにおける各要素は、全ての３次元の手がかり（立体視、調節（焦点）、及び輻輳の手がかりを含む）を含む狭い視野の３次元ホログラムである。さらに、意義深いことには、出力又は生成された３次元のホログラムの水平視差や垂直視差が連続的である。粗インテグラル光学系は、多くの狭い視野の要素ホログラフィックディスプレイ（ＳＬＭ等）の視点を単一の大きな視野、すなわち“スーパ”ホログラフィックディスプレイへとタイリングするように設計されている（また、タイリングするように作用する）。さらに、ＳＬＭのアレイによって提供される要素３次元ホログラムのアレイは正方形のアレイを形成する必要はないので、水平方向の視野は垂直方向の視野とは異なっていても良いと理解される。

図１は、これらの概念を利用し角度タイリングされた３次元ホログラム又はスーパホログラム１５０を生成するホログラフィックディスプレイシステム１００（例えば、この示されている例では、球体、立方体、角錐のうちの少なくとも１つ）の一実施形態を示している。簡潔には、システム１００は、ホログラムソース／プロジェクタ１１４のアレイ１１０を含んで示されており、ホログラムソース／プロジェクタ１１４はＳＬＭ（デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）デバイス、光書込型ＳＬＭ（ＯＡＳＬＭ）、電気書込型ＳＬＭ（ＥＡＳＬＭ）等）の形態を取り得る。これらは各々、要素ホログラム１１５を出力するように動作させられ、これらは粗インテグラル光学アセンブリ１２０によって組み合わせられる。特に、ホログラム１１５は、ホログラムソース１１４の各々のためのレンズ１３６からなるレンズアレイ１３０の第１表面又は背面に向かって表示又は投影される。レンズアレイ１３０の第２表面から、レンズ１３６からの出力光１３７は変換レンズ１４０の方へと向けられ、変換レンズ１４０は、１４１において示されるように光／像を組み合わせるように作用し、要素ホログラム１１５によるスーパホログラム１５０を提供する。

図１の構成では、粗ホログラムシステム１００は、要素ホログラフィック像１１５のアレイを提供するように同時に動作させられる複数（例えば、１から６又は７以上）のＳＬＭ１１４を備えていても良く、要素ホログラフィック像１１５は、レンズアレイ１３０及び大きな変換レンズ１４０を通じて送られる。典型的には、ＳＬＭ１１４及び要素像１１５は、レンズアレイ１３０の焦点面又はその近傍にシステム１００において配置される。さらに、レンズアレイ１３０及び大きな変換レンズ１４０は、アセンブリ１２０とともに無限焦点の４ｆ拡大リレーシステムを形成すべく、図１に示すように焦点距離の合計分離間されている。出力ホログラム１５０の得られるスーパホログラム面は、大きな変換レンズ１４０の焦点面において配置される。

要素ホログラムの各々と、それの対応する小型レンズとの開口数（集光力）は適合しているべきであり、関係ｄ＝２ｆ_１ｓｉｎ（θ）が導かれる。ここで、θは、ＳＬＭ１１４におけるピッチに起因する回折角であり、ｆ_１は、小型レンズのアレイ１３０におけるレンズ１３６のうちの１つ焦点距離である。スーパホログラム１５０のサイズＤは、Ｄ＝ｆ_２／ｆ_１ｄと表されて良く、ここで、ｆ_２は、大きな変換レンズ１４０の焦点距離である。

スーパホログラム１５０の一方向における視野は、Φ_ｘ，ｙ＝ｎ_ｘ，ｙ・ｆ_１／ｆ_２・θである。ここで、ｎ_ｘ又はｎ_ｙは、その方向における要素像１１５の数である。要素像１１５の数（すなわち、アレイ１１０におけるＳＬＭ１１４の数）は、水平方向及び垂直方向において異なるように選択され得る（すなわち、ｎ_ｘはｎ_ｙに等しい必要はない）。これを利用することによって、ホログラム１５０について様々な視野を提供し得る。得られるホログラム１５０は、システム１００の特定の実装において、さらに縮小されて、像サイズを減少させられ、視野を増大させられ得る（逆に、さらに拡大されて、像サイズを増大させられ、視野を減少させられ得る）。

粗インテグラルホログラフィックディスプレイは、水平方向及び垂直方向において異なる視野を有するフルパララックスを示すホログラフィック像又はスーパホログラムを生成するべく使用され得る。スーパホログラムは、調節、オクルージョン、及び視点によって異なる陰影も示す。ホログラフィック像は、ディスプレイの正面（例えば、変換レンズの正面）に浮遊する現実の像であると観察者に感じさせる。ホログラム面の正面及び後方におけるホログラフィック像全体は、対話型の用途に利用でき、その用途はフルパララックスが必要であるか又は好ましい場合がある。

本発明者の設計に基づいて、粗インテグラルホログラフィックディスプレイは、粗インテグラル光学系を効果的に利用するように組立てられ又は製造され得ると考えられる。これらの光学系又は光学アセンブリによって、複数のＳＬＭからの出力像が効果的に組み合わされることが可能となり、これによって、ホログラフィックディスプレイの空間帯域幅積（例えば、情報容量）が増大する。空間帯域幅積は、垂直視野よりも水平視野に多く割り当てられる等、柔軟に割り当てられ得る。さらに、視野は、変位させられていても良く、すなわちその変換レンズの光軸に対して中央になくとも良く、これは、テーブルディスプレイ等、普通又は大抵は軸から逸れて観察され得るディスプレイにおいて有益な場合がある。

多くのＳＬＭは小さな面積にわたってピッチが粗いとはいえ、多くのＳＬＭは高い帯域幅及びフレームレートが可能であり、例えば、ＤＭＤは１秒当たり数千のバイナリフレームが可能である。一見連続している動作のためには、１秒当たり１５から６０フレームしか必要でない。１秒当たりの追加の帯域幅／フレームは、単一のＳＬＭを用いて複数の要素ホログラムを次々に生成するために使用される場合があり、次にそれらの要素ホログラムは、２次元スキャナを使用してレンズアレイの後方に空間的にタイリングされ、次に粗
インテグラル光学系を使用して角度タイリングされ得る。ＳＬＭは時間的に要素ホログラムを多重化し、２次元スキャナは要素ホログラムを空間的に多重化して送り、粗インテグラル光学系は要素ホログラムを角度多重化する。

スキャニングシステムは、ＳＬＭと、４ｆ光学リレーと、光学リレーのフーリエ面に配置されたスキャナとを含み得る。ＳＬＭは第１レンズの正面の焦点面に配置される。スキャナは、第１レンズの後ろの焦点面であって、さらに第２レンズの正面の焦点面に配置される（フーリエ面におけるスキャニング）。スキャンされ翻訳されたＳＬＭ像は、第２レンズの後ろの焦点面に配置される。ＳＬＭは、２次元スキャナ及びＳＬＭ像位置に同期させられる複数の要素ホログラム（適切な視点からのホログラフィック像を表示するように計算される）を速く表示する。スキャニングによって生じるモーションブラーが存在しないようにＳＬＭ像をタイリングするべく、スキャナ及びＳＬＭ像がタイリング位置に存在するときに、ＳＬＭについての照明のフラッシュがされ得る。スキャナは、小型レンズのアレイの後方に複数のＳＬＭ像を空間的にタイリングする。他の構成と同様に、大きな変換レンズが、単一のＳＬＭによって生成された複数の要素ホログラムからなる速い連続した要素ホログラムをスーパホログラムへと角度タイリングするために提供される。

本明細書において教示されるディスプレイシステムは、粗インテグラル光学系を用いて角度タイリングを提供すると考えられ得る。そのような角度タイリングは、ＳＬＭの空間的なタイリングよりも有利である。空間的なタイリングを用いると、境界及び電子装置に由来するＳＬＭ同士の間のギャップに起因して、生成又は出力されたホログラフィック像に顕著なシームが存在する。空間的なタイリングにおけるギャップ及び不整合は、ホログラム面に表れ、３次元イメージに視覚的に干渉し、それを乱す。

対照的に、本記載のディスプレイによって提供される角度タイリングを用いると、シームは、角度観察においてギャップとして現れる。小さな失われた視域は、視覚的に比較的目立たず、光ディフューザ（図１には示されていないが、当業者によって容易に理解される）を使用してさらに周囲に溶け込まされ得る。角度不整合によって、運動視差のまとまりが失われる（ｄｉｓｊｏｉｎｔｅｄ）。角度タイリングは、視点によって異なるホログラフィックレンダリングアルゴリズム（ホログラフィックステレオグラムや回折固有視差パノラマグラム等）にも適している。さらに、視点によって異なるホログラフィックアルゴリズムによって、ホログラフィック像では、視点によって異なる光及び陰影、オクルージョン、並びに調節の手がかりが自然に取り扱われる。

上記の記載を踏まえ、これらの概念のいくつかを再度説明したりより詳細に説明したりして、どのようにホログラフィックディスプレイが実装されるか（少なくとも幾分かの垂直視差を提供しつつ、より大きなホログラフィックの出力を達成すべく、又は３次元表示される像を達成すべく、複数の空間光変調器を組み合わせることによって）を明らかにすることは有益な場合がある。提案されている解決策又はディスプレイシステムでは、ホログラフィックディスプレイが粗インテグラルディスプレイとともに組み合わされる。ホログラフィックディスプレイ（例えば、ＳＬＭのアレイ）は、完全な３次元の像（例えば、要素ホログラム）の一組又はアレイを提供するが、その完全な３次元の像は、面積が小さく、ｆｏｖが小さい。これらの小さなホログラムの各々は、同じ３次元光景について視点が異なっている（狭い）。粗インテグラルディスプレイ（又は粗インテグラル光学アセンブリ又は光学系）によって、複数の狭い視野のホログラムが単一の大きな（サイズ及びｆｏｖにおいて）ホログラム又は“スーパホログラム”へと組み合わされる。

図２は、各々が２次元像４１５（例えば、各３度）を提供する像ソース４１４のアレイ４１０を備える粗インテグラル光学システム４００を示している。粗インテグラルディスプレイ４００は、２次元像４１５を大きな変換レンズ４３０へと焦点を合わせるレンズア
レイ４２０をさらに備えており、その大きな変換レンズ４３０は、４３１において示されるように像を組み合わせ、視野が増大した像４５０を提供する。

アレイ４１０（２次元像を提供すべく動作させられる）からの各要素像４１５は、同じ光景ではあるが様々な視点に由来する。レンズアレイ４２０はアレイ４１０の正面に配置されており、１つのレンズが１つの視点像４１５の中央に位置する。例えば、アレイ４１０によって３つの像４１５が提供される場合、レンズアレイ４２０は３つのレンズを提供する場合があり、アレイ４１０の各像ソース４１４の中央に１つのレンズが位置する。各一対のレンズ／像は、出力４２１を提供する狭い視野のプロジェクタとして作用するか、狭い視野のプロジェクタになり、プロジェクタの軸は平行に位置合わせされている。

大きな変換レンズ４３０は、４３１において示されるようにプロジェクタの像／出力４２１を再生し、プロジェクタの軸を曲げ、これによって、それらの像が交差した上で外向きに扇状に広がる。これによって、視点によって異なる像４５０が生成され、その像４５０は広い視野を有する。しかしながら、本発明者は、光景の像４５０において提供されるビューは別個のビューでまとまりがなく、出力４３１における各像はなおも２次元であると認識した。

改良された３次元ディスプレイを望みつつこの認識を踏まえ、本発明者は、図３の粗インテグラルホログラフィックディスプレイ５００を設計した。２次元像４１５ではなく要素ホログラフィック像５１５を提供するためのホログラフィックディスプレイ５１４のアレイ５１０を使用することにより、像面５５２における出力ホログラフィック像５５０の各ビューは、調節の手がかり及び不連続でない（ｓｍｏｏｔｈ）（水平及び垂直の）視差を含む狭い視野の３次元ホログラムである。例えば、示されているように、ディスプレイ５００は、３つのＳＬＭからなるアレイ（例えば、５０ｍｍのソース）を備えていても良く、各ＳＬＭは、異なる視点からの光景の要素ホログラフィック像を提供するように動作させられる。

ディスプレイ５００は、スーパホログラム５５０の視点からも考察され得る。この視点から、粗インテグラルディスプレイ又は光学アセンブリ５２０を組み入れることによって、多くの狭い視野の“要素”ホログラフィックディスプレイの視点が単一の大きな視野の“スーパ”ホログラフィックディスプレイへとタイリングされる。特に、光学アセンブリ５２０は、ＳＬＭ５１４の要素ホログラフィック像５１５の各々に対するレンズ５３６を提供するレンズアレイ５３０を備えており、レンズアレイ５３０は、その光／像５３７を大きな変換レンズ５４０へと出力する。レンズ５４０は像５１５を組み合わせ、またＳＬＭ／レンズによる複数対の軸を曲げ、像面５５０を用いてスーパホログラム５５０を提供する。表示されるホログラム５５０の面積は、単一の“要素”ホログラフィック像５１５のサイズである。

分離した光学系（例えば、縮小リレー）を使用することによって、又は要素ホログラフィックディスプレイ５１４と、レンズアレイ５３０と、変換レンズ５４０とを適切に離間して配置することを通じて、大きな視野が減少させられて、より大きなサイズのディスプレイ又は出力ホログラム５５０を作り又は提供し得る。粗インテグラルディスプレイ光学系５２０を使用して比較的小さな視野のホログラフィックディスプレイ５１４を組み合わせ、より大きな視野の表示を生成し、次に像５５０のサイズを増大させるべく視野を減少させる工程は、繰り返され又はカスケードされ得る（増大していくノイズ及び収差からの制限が存在する）。代替の実施形態では、単一のＳＬＭ５１４が使用され、像５１５は、単一のＳＬＭ５１４からレンズアレイ５３０の各レンズ５３６へと投影される。レンズアレイ５３０は、システム５００の実装において、球面レンズ、フレネルレンズ、又はホログラフィックレンズの場合がある。

あるいは、レンズアレイ及びインテグレーティングレンズより先に、光学系（例えば、縮小リレー）を使用して、各要素ホログラフィックディスプレイのサイズは、増大させられ得る（視野の減少が伴う）。いずれの場合においても、所与のサイズ及び視野のホログラフィックディスプレイを達成するためには、およそ同じ数の“要素”ホログラフィックディスプレイが必要とされる。

以上で説明したように、単一の像ソース（例えば、ＳＬＭ）は、スーパホログラムを提供すべく、２次元スキャナとともに使用され得る。これは、粗インテグラルホログラフィックディスプレイ７００とともに図４Ａ及び図４Ｂに示されており、その粗インテグラルホログラフィックディスプレイ７００は、角度タイリングされたビューのスーパホログラム７５０（例えば、光軸を交差させることによって）と、重なり合うＳＬＭ像によるスーパホログラム７５１（例えば、幅を持たせて）とを提供するために使用される。

示されているように、ディスプレイシステム７００は、ＳＬＭ７１０と、それぞれ第１レンズ７２２及び第２レンズ７２４を有する光学リレー（例えば、４ｆリレー）７２０とを備える。システム７００は、第１レンズ７２２と第２レンズ７２４との間（光学リレーのフーリエ面等）に配置されるスキャナ７３０を備える。ＳＬＭ７１０は第１レンズ７２２の正面の焦点面に配置されて良く、スキャナ７３０は、第１レンズ７２２の後ろの焦点面で、第２レンズ７２４の正面の焦点面に配置され得る。

スキャンされ翻訳されたＳＬＭ像７３３は、第２レンズ７２４の後ろの焦点面に配置され得る。動作中、ＳＬＭ７１０は、２次元スキャナ７３０に（またＳＬＭ像位置に）同期させられる複数の要素ホログラム７１１を速く表示する。スキャナ７３０は、小型レンズのアレイ７３５及び大きな変換レンズ７４０の後方に複数のＳＬＭ像７１１を空間的にタイリングするように構成され及び制御され、小型レンズのアレイ７３５及び大きな変換レンズ７４０は、ＳＬＭ７１０によって生成された複数の要素ホログラム７１１からなる速い連続した要素ホログラム７１１をスーパホログラム７５０又は７５１へと角度タイリングするように作用する。

水平（ｘ）スキャニング及び垂直（ｙ）スキャニングは、（ｘ−ｙ）スキャナ７３０及び２次元小型レンズのアレイ７３５によってなされる場合があり、又はスキャニングは、水平（ｘ）スキャナ７３０と、小型レンズのアレイとフレネルレンズとの間の別のフーリエ面における垂直（ｙ）スキャナ７６０との間で分割され得る（及び１次元的な水平小型レンズのアレイ７３５）。

Claims (22)

1. ホログラフィックディスプレイシステムにおいて、
   複数のホログラフィックディスプレイデバイスからなるホログラフィックディスプレイデバイスのアレイであって、１つの光景についての複数のホログラフィック像を提供するように構成されており、各ホログラフィック像は異なる視点からの前記光景についてのホログラフィック像である、前記ホログラフィックディスプレイデバイスのアレイと、
   前記ホログラフィックディスプレイデバイスのアレイと、前記ホログラフィックディスプレイシステムの観察場所との間に配置される粗インテグラル光学アセンブリであって、前記複数のホログラフィック像を、前記粗インテグラル光学アセンブリから一定の距離だけ離れたホログラム像面において観察可能な単一のホログラムへと組み合わせるように構成されている、粗インテグラル光学アセンブリと、を備えるシステム。
2. 各ホログラフィックディスプレイデバイスは、前記複数のホログラフィック像のうちの１つを表示するように構成された空間光変調器を含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記複数のホログラフィック像の各々は、視野が狭い１つの要素ホログラムを含む、請求項２に記載のシステム。
4. 前記粗インテグラル光学アセンブリは、前記複数のホログラフィック像の角度タイリングを行うことによって、前記複数のホログラフィック像を組み合わせる、請求項１に記載のシステム。
5. 一方向における前記単一のホログラムの視野は、該一方向において前記アレイに提供されるホログラフィックディスプレイデバイスの数に基づく、請求項４に記載のシステム。
6. 前記粗インテグラル光学アセンブリは、１つのレンズが前記複数のホログラフィックディスプレイデバイスの各１つに対して中央に位置し、それによって１つのホログラフィック像とレンズとの対が形成されるレンズアレイを備えており、１つのホログラフィック像とレンズとの該対は、狭い視野の３次元プロジェクタとして機能するホログラフィック像とレンズとの対が作成され、前記レンズアレイのレンズは互いに平行な軸を有する、請求項１に記載のシステム。
7. 前記粗インテグラル光学アセンブリは、前記レンズアレイから出力される前記複数のホログラフィック像を受け取る変換レンズを備え、該変換レンズは、前記複数のホログラフィック像を前記像面の近傍において交差するように曲げることによって、前記複数のホログラフィック像を組み合わせる、請求項６に記載のシステム。
8. 前記像面までの前記距離は、前記変換レンズの焦点距離にほぼ等しい、請求項７に記載のシステム。
9. 前記単一のホログラムは、垂直視差及び水平視差を有する、請求項１に記載のシステム。
10. 前記単一のホログラムの視野は非対称である、請求項１に記載のシステム。
11. ３次元ディスプレイ装置において、
    １つの３次元の光景についての複数の要素ホログラムを含む要素ホログラムのソースと、
    前記要素ホログラムのうちの１つを受け取り、受け取った該要素ホログラムを光軸に沿
    って合焦させるように前記要素ホログラムのソースと位置合わせされているレンズを含むレンズアレイと、
    前記レンズアレイから一定の距離だけ離間した変換レンズであって、合焦された前記要素ホログラムをスーパホログラムへと組み合わせるように構成されている前記変換レンズと、を備える装置。
12. 前記変換レンズは、合焦された前記要素ホログラムの角度タイリングを行い、該角度タイリングは、該変換レンズから一定の距離の像面において光軸を交差させるべく前記レンズアレイからの光を曲げることを含む、請求項１１に記載の装置。
13. 前記ソースは、前記複数の要素ホログラムのうちの１つを各々提供する複数のＳＬＭからなるＳＬＭのアレイを含み、前記複数の要素ホログラムの各々は異なる視点からの前記３次元の光景についての狭い視野である、請求項１１に記載の装置。
14. 前記距離は、前記レンズアレイにおけるレンズのうちの１つの焦点距離と、前記変換レンズの焦点距離との合計にほぼ等しい、請求項１１に記載の装置。
15. 前記スーパホログラムはフルパララックスを有し、水平方向における視野と垂直方向における視野とが異なる、請求項１１に記載の装置。
16. 前記要素ホログラムのソースは、前記３次元の光景についての複数のホログラフィック像を提供する単一のソースと、該ホログラフィック像を前記レンズアレイの各レンズへと向ける２次元スキャナとを備える、請求項１１に記載の装置。
17. 前記単一のソースは空間光変調器を含む、請求項１６に記載の装置。
18. 前記スーパホログラムは、カスケード式のディスプレイシステムを提供すべく、第２の２次元スキャナに対し出力される、請求項１６に記載の装置。
19. ホログラフィアセンブリにおいて、
    １つの光景についての異なる視点に関連する複数の要素ホログラムを表示するべく同時に動作するように構成された複数のＳＬＭからなるＳＬＭの平面状のアレイと、
    複数のレンズからなるレンズアレイであって、前記複数のレンズの各々は表示された前記複数の要素ホログラムのうちの１つの要素ホログラムを受け取って該要素ホログラムに合焦するように前記ＳＬＭのうちの１つと位置合わせされている、前記レンズアレイと、
    変換レンズであって、前記レンズアレイから出力される合焦された前記複数の要素ホログラムを単一のホログラムへと組み合わせる、前記変換レンズとを備え、前記単一のホログラムは、１つ以上の寸法において前記複数の要素ホログラムの各要素ホログラムより大きく、前記複数の要素ホログラムの各要素ホログラムより大きな視野を有する、アセンブリ。
20. 前記変換レンズは、該変換レンズの焦点距離以上の距離だけレンズアレイから離間されており、合焦された前記複数の要素ホログラムを組み合わせることは、前記単一のホログラムの像面において交差させるべく前記レンズアレイからの光を曲げることを含む、請求項１９に記載のアセンブリ。
21. 前記単一のホログラムはフルパララックスを有し、水平方向における視野と垂直方向における視野とが異なる、請求項１９に記載のアセンブリ。
22. 前記ＳＬＭの平面状のアレイは、ホログラフィアセンブリの観察場所における観察者の
    頭部追跡に基づいて選択的に照明される、請求項１９に記載のアセンブリ。

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