JP2019522231A - ホログラムを生成する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
更に、多くの場合、単一の空間光変調素子の複数の異なる又は類似するピクセル又はサブピクセルが組み合わされてマクロピクセルが形成される。しかし、複数の空間光変調素子であってもよく、その場合、マクロピクセルは形成されない。そのような複数の空間光変調素子が本発明に従って使用されてもよい。
空間光変調素子上のサブホログラムの位置は、観察者ウィンドウとも呼ばれる視界領域に対する物点の相対位置に依存することが明らかである。更に、サブホログラムの寸法又は範囲又はサイズは符号化された物点のz位置に依存し、zは空間光変調素子に対する物点の距離である。この場合、サブホログラムの重ね合わせが通常は実行される。
SLMに対して、ピクセルピッチは、2つの隣接するピクセルの中心点の間の距離として判定されてもよい。一般に、SLMは矩形又は正方形のピクセル格子を有する。この場合、水平/垂直ピクセルピッチが得られる。
矩形に構成されたピクセル格子を用いる場合、通常は水平ピッチから水平回折次数が得られ、垂直ピッチから垂直回折次数が得られる。
sh=|z/(D−z)|vw
式中、距離zは、物点がディスプレイ又はSLMと仮想視界領域との間に存在する場合は正数であるように選択され、物点が観察者平面から見てディスプレイの後方に存在する場合は負数になるように選択される。
Nsh=int(sh/p)
Nsh=int(Dz/(D−z)λ/p2)
以下の説明において、サブホログラムのサイズ又は範囲をピクセル単位のサイズNshで示す。
大型ディスプレイ及び例えば視野SF≧30°である大きい又は広い視野の場合、観察者はディスプレイの中央又は中央領域を垂直に見るが、観察者がディスプレイの縁又は縁領域の物体を観察する時は観察者が自身と共に眼及び/又は頭を回転させる可能性が非常に高い。従って、ディスプレイ又はSLMの中央又は中央領域に対しては、ディスプレイに対して平行に形成される仮想視界領域を計算することが提案される。ディスプレイの縁領域に対しては、観察者が通常ディスプレイを斜めに見る角度に対応するようにディスプレイ又はSLMに対して傾くか又は角度を有するように構成される仮想視界領域を計算することが提案される。
−生成されたサブホログラムにおける振幅は、サブホログラムの全ピクセルに対して一定の値に設定され、
−サブホログラムの縁領域に存在するピクセルに対して、振幅の値は事前に定義された値分それぞれ連続的に減少され、
−物点に対する符号化領域を生成するために、サブホログラムの範囲が数ピクセル増加され、当該ピクセルの振幅の値は閾値まで連続的に更に減少される。
−物点に対する符号化領域を生成するために、サブホログラムの範囲は数ピクセル減少され、
−生成された符号化領域における振幅は、符号化領域の全てのピクセルに対して一定の値に設定され、
−符号化領域の縁領域に存在するピクセルに対して、振幅の値は閾値まで事前に定義された値分それぞれ連続的に減少される。
上述したように、フーリエ変換法では、サブホログラムも多くのピクセルにわたり非常に小さいが依然として0ではない振幅を有する場合が生じることがある。非常に小さい振幅は物点の再構成に殆ど寄与しないため、ルックアップテーブルの記憶空間が増加するのは不利である。従って、定義された最小値より大きい振幅をルックアップテーブルに格納するのが有利である。例えば最小値はサブホログラムの最大振幅の1%であってもよい。3次元シーンのホログラムの計算において、シーンの各物点は格子の最も近い奥行き位置に割り当てられ、当該奥行き位置に関連付けられたルックアップテーブルが物点に対する符号化領域を生成するために使用される。
本発明によると、ホログラムの計算は、投影法とフーリエ変換法及び/又は例えばホイヘンスのウェーブレットである別の波動伝搬法との組み合わせであってもよい。SLMに対する物点の距離が小さく且つ/又は仮想視界領域に対する物点の角度が大きい場合、ホログラムは、フーリエ変換法及び/又は波動伝搬法を用いて有利に計算される。SLMに対する物点の距離が例えばSLMに対する観察者距離の5%以上と大きく且つオプションで仮想視界領域に対する角度範囲が例えば20°以下又は30°以下に制限される場合、ホログラムは、計算量が少ない改良された投影法を用いて有利に計算される。従って、投影法は傾いたSLMの角度が小さい場合に使用されてもよく、ホイヘンスのウェーブレットはSLMの角度が大きいか又は傾斜角度が大きい場合に符号化領域を計算するために使用されてもよい。
−仮想視界領域は物点を介して空間光変調素子上に投影され、サブホログラムが生成され、
−物点に対する符号化領域を空間光変調素子上に生成するために、サブホログラムは数ピクセル拡張可能又は縮小可能であり、
−位相関数が符号化領域に符号化され、
−振幅関数は、物点が所定の強度で再構成されるように符号化領域に符号化される。
この場合、5ピクセルという値が限界サブホログラムサイズとして有利に選択されてもよい。当然、他の値も限界サブホログラムサイズとして可能である。
殆どの場合、範囲が可能な限り広い仮想視界領域を取得するのが望ましい。しかし、シーンのカラー再構成のためのホログラムの計算において、回折次数のサイズは使用される波長に対応する場合がある。従って、一般に青色光に対する波長である最短波長に対する多くても1つの回折次数がカラー再構成のための仮想可視領域のサイズ又は範囲として使用可能である。
原則として、符号化領域は、回折次数のフルサイズの仮想視界領域という想定に基づいて、緑色波長及び赤色波長に対しても計算されてもよい。しかし、本明細書では、範囲が赤色波長及び緑色波長の光に対する1つの回折次数より小さい仮想視界領域を使用してSLM上の符号化領域の計算を実行することが有利に提案される。これは、符号化領域の計算が青色波長の光に対する仮想視界領域に適合されることを意味する。
例えばホイヘンスの波動伝搬である他の波動伝搬法を使用する場合、光伝搬の計算は、回折次数の一区間のみで実行することにより当該方法の計算量が減少するため、そのように有利に実行可能である。
特に、本手順は、ルックアップテーブルのための符号化領域の振幅値を計算するために有利に使用されてもよい。この場合、余弦関数又はガウス関数の効果は、仮想視界領域の縁領域にいる観察者に対して、好ましくは3次元シーンの知覚される明るさが、観察者が仮想視界領域の中央の領域又は中心にいる場合及び当該関数を使用しないホログラム計算と比較して減少することである。しかし、同時に、仮想視界領域への高回折次数のクロストークも有利に低減される。仮想視界領域における回折次数の総光度は実質的に同じままであるため、仮想視界領域の縁領域を暗くすることは仮想視界領域の中心が有利に明るくなることも意味する。
例えばガウス関数である連続的に減少する関数は、振幅が仮想視界領域の中央から仮想視界領域の縁に向けて半径と共に減少するように、仮想可視領域において半径方向に使用することもできる。そのような場合、水平方向及び垂直方向の回折次数の隅において、振幅は中心における振幅値に対して大きく減衰する。
図2〜図5を用いて、関連する物点の各々のSLMに対する距離が小さい場合のホログラフィックディスプレイの空間光変調素子(SLM)上のサブホログラムに基づく符号化領域の生成及び計算を更に詳細に説明する。
図2に係る実線曲線に従うSLMに対して、すなわちディスプレイのSLMのピクセルピッチが156μmであり、観察者距離が2mであり且つ当該サブホログラムに割り当てられた物点がディスプレイ又はSLMの前方約50cmに位置する場合に対して、実線曲線は投影法による幾何学的計算に従ってサブホログラムにおいて判定された振幅を示し、破線曲線はフーリエ変換法による更に正確な計算に従って判定された振幅を表す。この場合、単純に比較できるようにするために、解析的計算を用いて判定された図3に係る実線曲線のサブホログラムの振幅をフーリエ変換を用いて判定又は計算されたサブホログラムの振幅の平均レベルに適合させた。この場合、投影によるサブホログラムの幾何学的計算により、サイズが13ピクセルであるサブホログラムが生成される。
この場合、破線曲線で表されるフーリエ変換法を用いて計算された振幅は、曲線の中央領域にオーバーシュートを有し且つ曲線の縁領域に向けて一定に減少する平滑なプロファイルを示す。
振幅プロファイルにおけるそのような差異は、広い仮想視界領域を用いる場合に減少する。SLMのピクセルピッチが156μmであり且つ観察者距離が2mである場合、例えば波長λ=470nmである青色光に対して仮想視界領域は約6mmの大きさである。
図6は、投影法を用いる計算によるサブホログラムにおける振幅が急激に遷移する振幅プロファイルと、それと比較して、振幅が0の値から1の値に一定に遷移する符号化領域における振幅プロファイルとを示すグラフである。符号化領域における振幅プロファイルは、サブホログラムの縁の4個のピクセルの振幅をそれぞれ例えば0.95、0.85、0.7及び0.5の値に若干減少し且つサブホログラムの範囲の外側の3個のピクセルに対する振幅をそれぞれ例えば0.3、0.15及び0.05の値に若干増加することにより、サブホログラムから判定された。投影法により判定されたサブホログラム及びそれに隣接する更なるピクセルを有する符号化領域は、このようにしてSLM上に提供された。しかし、この場合、フーリエ変換法に伴う計算量は不要である。
本発明によると、SLM上の物点の符号化の領域はホログラムの外側の領域に拡張されてもよい。この場合、サブホログラムを生成及び計算する方法は殆ど重要でない。
図8の図a)は、投影法を用いる計算から取得されるサブホログラムSHより小さい符号化領域KBの一例を示す。本例において、サブホログラムSHの内側の灰色の線で表されることを意図する正方形ピクセルでSLMを概略的に示す。本例において、物点に対する投影法により計算され且つ実線で表されるサブホログラムは同様に正方形であり、20×20ピクセルのサイズを有する。
2次元では、矩形又は正方形に構成されたサブホログラムにおいて、サブホログラムの隅領域で水平方向の振幅プロファイルのオーバーシュートと垂直方向の振幅プロファイルのオーバーシュートとが合算されるため、投影法を用いて計算されたサブホログラムとフーリエ変換法を用いて計算されたサブホログラムとの間の差異は当該隅領域において特に大きい。投影法を用いるサブホログラムの単純な計算では、隅における高回折次数によるクロストークが生じる場合がある。しかし、投影法により計算されたサブホログラムのエリアの領域よりサイズが小さい符号化領域が選択される場合、そのような摂動クロストークは有利に減少されてもよい。
しかし、本発明は本例に限定されない。一般に、符号化領域に対する円の直径又は楕円形の軸は、サブホログラムの縁の長さと異なってもよい。
この場合、図9は、SLMと、図中では観察者の眼で示す観察者が再構成シーンSを観察できる本例では仮想観察者ウィンドウとも呼ぶ仮想視界領域VWとを含むディスプレイDを概略的に示す。再構成される3次元シーンSは、仮想視界領域VWからSLMにわたり広がる、いわゆる観察者領域である錐台Fで表すことができる。その場合、錐台Fは、図示されるように、SLMを超えて後方に延在してもよい。3次元シーンSは、物点Pnに分解される。本例では、3次元シーンSの物点P1〜P4を例として示す。物点P1及びP3は、観察者平面BEから見てSLMの後方に存在する。従って、物点P2及びP4はSLMの前方に存在する。図9から分かるように、物点P1及びP2はSLMに関して物点P3及びP4より大きい距離を有する。
物点P3及びP4よりSLMから遠く且つ奥行き領域TBGに存在する物点P1及びP2に対して、本構成ではサブホログラムSH1及びSH2は投影法に従って計算される。SLMに対する距離が近く且つ奥行き領域TBKに存在する物点P3及びP4に対して、サブホログラムSHはフーリエ変換法により計算される。SLM上の符号化領域はそれぞれ、これらのサブホログラムSHから判定及び生成され、SHNは各物点PNに対する。
別の例として、SLM上のピクセル毎に1つの値をそれぞれサンプリングして、物点からSLMへのホイヘンスの波動伝搬が実行されてもよい。その場合、位相プロファイルは基本的に前述の手順に対応する。振幅プロファイルも同様に波動伝搬から計算される。
別の例として、物点から仮想視界領域へのホイヘンスの波動伝搬及び仮想視界領域からSLMへの更なるホイヘンスの波動伝搬も可能である。
しかし、再構成されるシーン又は物体のホログラムの計算は、視線方向に関係なく実行され、観察者が頭又は眼を故意に回転するだけで当該位置からSLM又はディスプレイの縁を観察できるように、SLMに関する眼の横方向位置及び距離のみを考慮してもよい。そのような場合、図11bによると、物点P2に対する符号化領域は、仮想視界領域VWnewがその中心からP2を通るSLMへの接続線に対して垂直になるように、SLMに対して傾いた仮想視界領域VWnewが存在するものとして計算されてもよい。これにより、SLMに対して平行な仮想視界領域VWstandardがからサブホログラム又は符号化領域を計算する場合と異なるサイズのサブホログラムSH2又はそれから生成される符号化領域がSLM上で得られる。サブホログラム又はそれから生成される符号化領域の修正された当該サイズ及び位置は、観察者の眼に対する物点P2の向上された可視再構成を達成する。
更に、この例示的な実施形態の改良された構成において、視野又は視野領域にわたり仮想視界領域を連続的に回転させてSLM上の符号化領域の計算を実行できる。
それと比較して、正弦二乗形状でアポダイズされた振幅プロファイルを有する符号化領域を同様に図a)に示す。更に、当該符号化領域はサブホログラムのサイズより若干大きくなるように選択される。しかし、本発明はこれに限定されない。これは、図7及び図8に関連して上述したように、符号化領域がサブホログラムと等しいか又はサブホログラムより小さくてもよいことを意味する。正弦二乗形振幅プロファイルの代わりに、アポダイズされた振幅プロファイルを生成するために例えばガウス関数である他の関数を使用することも可能である。
図12の図b)は、振幅が中心から半径方向に一定に減少する円形符号化領域KBと比較して、正方形のサブホログラムSHを破線で概略的に示す。
Claims (23)
- 2次元シーン及び/又は3次元シーンを表すホログラフィックディスプレイの空間光変調素子に符号化するためにホログラムを生成する方法であって、前記シーンは物点に分解され、前記空間光変調素子においてサブホログラムに細分化されるホログラムに符号化され、物点は、前記空間光変調素子上の符号化領域に符号化され、前記符号化領域のサイズ及び/又は形状は、仮想視界領域における高回折次数のクロストークが減少するように、前記符号化領域に割り当てられたサブホログラムのサイズ及び/又は形状に関連して選択されることを特徴とする方法。
- 前記物点に対する前記符号化領域における振幅の値は前記符号化領域の縁領域に向けて連続的に減少されることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 視野SF≧30°の場合、前記空間光変調素子に対して平行に形成される仮想視界領域は前記空間光変調素子の中心領域に対して計算され、観察者が前記空間光変調素子を見る角度に対応して前記空間光変調素子に対して傾斜して形成される仮想視界領域は前記空間光変調素子の縁領域に対して計算されることを特徴とする請求項1又は2記載の方法。
- サブホログラムは、観察者平面における仮想視界領域の物点を介する前記空間光変調素子上への幾何学的投影により生成されることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の方法。
- 前記空間光変調素子上への前記仮想視界領域の前記幾何学的投影の後、
−前記生成されたサブホログラムにおける振幅は、前記サブホログラムの全てのピクセルに対して一定の値に設定され、
−前記サブホログラムの縁領域に存在するピクセルに対して、前記振幅の値は事前に定義された値分それぞれ連続的に減少され、
−前記物点に対する前記符号化領域を生成するために、前記サブホログラムの範囲は数ピクセル増加され、当該ピクセルの振幅の値は閾値まで連続的に更に減少されることを特徴とする請求項4記載の方法。 - 前記空間光変調素子上への前記仮想視界領域の前記幾何学的投影の後、
−前記物点に対する前記符号化領域を生成するために、前記サブホログラムの範囲はピクセル減少され、
−前記生成された符号化領域における振幅は、前記符号化領域の全てのピクセルに対して一定の値に設定され、
−前記符号化領域の縁領域に存在するピクセルに対して、前記振幅の値は閾値まで事前に定義された値分それぞれ連続的に減少されることを特徴とする請求項4記載の方法。 - 前記符号化領域における最大振幅の1%の値が前記閾値として選択されることを特徴とする請求項5又は6記載の方法。
- 釣鐘形の振幅プロファイルが前記符号化領域において生成されることを特徴とする請求項5から7のいずれか1項に記載の方法
- アポダイゼーション関数が前記空間光変調素子における前記物点に対する前記符号化領域に符号化されるか又は前記物点に対する前記符号化領域の計算値がアポダイゼーション関数で乗算され、前記アポダイゼーション関数は、前記符号化領域の中心領域において最大振幅値を有し且つ前記符号化領域の前記縁領域に向けて0の値に減少することを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の方法。
- 前記空間光変調素子に対して特定の奥行きに位置する物点に対して、符号化領域がフーリエ変換によりそれぞれ一度計算され、計算されたサブホログラムの振幅プロファイルがルックアップテーブルに格納されることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の方法。
- 前記空間光変調素子に対して異なる奥行き及び異なる横方向位置に位置する物点に対して、符号化領域は好ましくはホイヘンスのウェーブレットであるフーリエ変換以外の波動伝搬法により一度計算され、前記計算された符号化領域の振幅プロファイルがルックアップテーブルに格納されることを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の方法。
- 前記振幅プロファイルはそれぞれ、参照強度Aを有する物点のみに対してルックアップテーブルに格納され、強度Bを有し且つ前記空間光変調素子に対して強度Aを有する物点と等しい奥行きに位置する物点に対して、前記関連する符号化領域の前記個々のピクセルに対する前記振幅プロファイルは前記ルックアップテーブルから取得され、各ピクセルに対する前記振幅は係数(B/A)2で乗算されることを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載の方法。
- 前記空間光変調素子に対する前記物点の距離が小さく、仮想視界領域のサイズが10mmより大きいディスプレイの場合に前記空間光変調素子に対する観察者距離の好ましくは5%未満であり、仮想視界領域のサイズが5mm〜10mmであるディスプレイの場合に前記空間光変調素子に対する前記観察者距離の好ましくは10%未満である場合及び/又は前記仮想視界領域に対する前記物点の角度が大きく、好ましくは20°より大きい場合、前記符号化領域はフーリエ変換法及び/又はホイヘンスのウェーブレットにより計算されるサブホログラムから判定されることを特徴とする請求項1から12のいずれか1項に記載の方法。
- 前記空間光変調素子に対する前記物点の距離が大きく、仮想視界領域のサイズが10mmより大きいディスプレイの場合に前記空間光変調素子に対する観察者距離の好ましくは5%以上であり、仮想視界領域のサイズが5mm〜10mmであるディスプレイの場合に前記空間光変調素子に対する前記観察者距離の10%以上である場合及び/又は前記仮想視界領域に対する前記物点の角度が小さく、好ましくは20°以下である場合、前記符号化領域は投影法を用いて計算されるサブホログラムから判定され、
−前記仮想視界領域は前記物点を介して前記空間光変調素子上に投影され、サブホログラムが生成され、
−前記物点に対する前記符号化領域を前記空間光変調素子上に生成するために、前記サブホログラムは数ピクセル拡大可能又は縮小可能であり、
−位相関数が前記符号化領域に符号化され、
−振幅関数は、前記物点が所定の強度で再構成されるように前記符号化領域に符号化されることを特徴とする請求項1から13のいずれか1項に記載の方法。 - 限界サブホログラムサイズが判定され、サブホログラムのサイズが当該限界サブホログラムサイズ以上である全ての物点に対して、符号化領域は前記投影法を用いてサブホログラムから計算され、サブホログラムのサイズが当該限界サブホログラムサイズ未満である全ての物点に対して、符号化領域は前記フーリエ変換法を用いて又はルックアップテーブルに基づいてサブホログラムから計算されることを特徴とする請求項1から14のいずれか1項に記載の方法。
- 5ピクセルという値が前記限界サブホログラムサイズとして選択されることを特徴とする請求項15記載の方法。
- 符号化領域及びサブホログラムが前記投影法に従って計算される物点と、符号化領域及びサブホログラムが波動伝搬法に従って計算される物点とは、観察者の検出距離又は横方向位置、あるいは前記空間光変調素子における前記観察者の視野角により判定されることを特徴とする請求項1から16のいずれか1項に記載の方法。
- 前記仮想視界領域の範囲は回折次数の範囲以下になるように選択され、特に、前記シーンのカラー再構成の場合、前記仮想視界領域の範囲は使用される最短波長に対する回折次数の範囲に適合されることを特徴とする請求項1から17のいずれか1項に記載の方法。
- 前記符号化領域に対する前記振幅プロファイルの計算に対して、物体平面における前記物点から前記観察者平面における完全回折次数への光伝搬の変換が実行され、サイズが減少された仮想視界領域を前記観察者平面で生成するために前記観察者平面における前記回折次数の縁部分で振幅が0の値に設定されることを特徴とする請求項1から18のいずれか1項に記載の方法。
- 前記観察者平面における前記回折次数の前記振幅の前記計算値は、範囲が1つの回折次数より小さいアポダイゼーション関数で乗算されることを特徴とする請求項19記載の方法。
- 矩形関数、ガウス関数又は余弦関数が前記アポダイゼーション関数として使用されることを特徴とする請求項20記載の方法。
- 請求項1から21のいずれか1項に記載の方法に従ってホログラムが符号化されることを特徴とする光変調装置。
- 請求項1から21のいずれか1項に記載の方法に従ってホログラムが符号化される少なくとも1つ空間光変調素子を備えることを特徴とする2次元シーン及び/又は3次元シーンを表す特にホログラフィックディスプレイであるディスプレイ。
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