JP2023129263A - ホログラム演算 - Google Patents

Abstract

【課題】各単一カラーチャネルを独立して較正するという慣例を破る方法および装置を提供する。【解決手段】１つの多波長ホログラムを用いて第１の画像および第２の画像を投影する方法。第１の画像は、第２の画像とは異なる。多波長ホログラムは、第１の画像を投影するために第１の波長の光による照明のために配置される。多波長ホログラムは、第２の画像を投影するために第２のより短い波長の光による照明のためにさらに配置される。【選択図】図７

Description

本開示は、画像投影に関する。より具体的には、本開示は、１つのホログラムを用いて、少なくとも第１および第２の異なる画像を投影する方法に関する。いくつかの実施形態は、２つ以上の個別のホログラムを表す１つの多波長ホログラム、例えば、複数の個別に着色されたホログラムを表す１つの多色ホログラムを提供することに関する。いくつかの実施形態は、多波長ホログラムを計算するための方法に関する。いくつかの実施形態は、ヘッドアップディスプレイに関する。

物体から散乱された光は、振幅情報と位相情報の両方を含む。この振幅および位相情報は、例えば、干渉縞を含むホログラフィック記録または「ホログラム」を形成するための周知の干渉技術によって感光板上に取り込むことができる。ホログラムは、元の物体を表す２次元または３次元ホログラフィック再構成、または再生画像を形成するために、適切な光による照明によって再構成することができる。

コンピュータ生成ホログラフィは、干渉処理を数値的にシミュレートすることができる。計算機合成ホログラムは、フレネル変換またはフーリエ変換などの数学的変換に基づく技術によって計算することができる。これらのタイプのホログラムは、フレネル／フーリエ変換ホログラムまたは単にフレネル／フーリエホログラムと呼ばれることがある。フーリエホログラムは、物体のフーリエ領域／平面表現または物体の周波数領域／平面表現と考えることができる。計算機合成ホログラムは、例えば、コヒーレント光線追跡またはポイントクラウド技術によって計算することもできる。

コンピュータ生成ホログラムは、入射光の振幅および／または位相を変調するように構成された空間光変調器で符号化することができる。光変調は、例えば、電気的にアドレス指定可能な液晶、光学的にアドレス指定可能な液晶またはマイクロミラーを使用して達成され得る。

空間光変調器は、典型的には、セルまたは素子とも呼ばれ得る複数の個別にアドレス指定可能な画素を含む。光変調方式は、バイナリ、マルチレベル、または連続であってもよい。あるいは、装置は連続的（すなわち、画素から構成されていない）であってもよく、したがって、光変調は装置全体にわたって連続的であってもよい。空間光変調器は、変調光が反射して出力されることを意味する反射性であってもよい。空間光変調器は、同様に、変調光が透過において出力されることを意味する透過性であってもよい。

ホログラフィックプロジェクタは、本明細書に記載のシステムを使用して提供することができる。そのようなプロジェクタは、例えば、ニアアイ装置を含むヘッドアップディスプレイ「ＨＵＤ：ｈｅａｄ－ｕｐ ｄｉｓｐｌａｙ」およびヘッドマウントディスプレイ「ＨＭＤ」に用途を見出している。

ホログラフィックプロジェクタなどのコヒーレント光を使用する装置では、画質を向上させるために移動拡散板を使用することができる。

要約すると、本明細書では、単一のホログラムが同時に（または「同時に」）複数のホログラムを表すことを可能にし、そのため、１つの表示装置に表示される、その単一のホログラムの照明によって複数の画像を投影することを可能にする方法およびシステムが提供される。例えば、単一ホログラムは、２つ以上の単一波長ホログラムを同時に表す多波長ホログラムであってもよい。例えば、ターゲット画像の赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、および青（Ｂ）成分ホログラムなどの３つの個々のホログラムのそれぞれを同時に表す多色ホログラムであってもよい。

従来、単色ホログラムが表示され、それぞれの波長／色の光で互いに別々に照射され、対応する表示装置は、各色の最大ホログラム解像度を提供するように別々に較正されることが知られている。本明細書で開示される方法およびシステムは、同時に（または「同時に」）２つ以上の異なる波長／色のホログラムを効果的に表す多波長（すなわち、マルチ画像）ホログラムを表示するために表示装置の共通の較正を使用することによって、慣例に反する。これは、表示装置の駆動電圧、セルギャップ、複屈折率、および波長の間の周知の関係および相互作用に起因して、ホログラムの少なくとも１つを表すために、利用可能な光変調／階調の数に対応する理想的ではない階調分解能を使用することを必要とする。明確にするために、この文脈では、「理想的な階調分解能未満」は、１つまたは複数の波長（すなわち、１つまたは複数の光の色について）に対する表示システムのセルの最適化されていない較正、および／または１つまたは複数の波長（すなわち、１つまたは複数の光の色について）に対して所定の範囲の光変調／階調（例えば、位相遅延）を提供するための最適化されていない電圧動作範囲の使用によって引き起こされる。したがって、表示システムが特定の波長／色について理想的な階調分解能よりも低い場合、これは、典型的には、システムがホログラムおよびその特定の波長／色の照明光のためにのみ構成されていた場合に使用することが可能であり得るよりも、必要とされる全変調範囲（位相変調のための０～２πなどの最小から最大角度値、または振幅変調のための最小から最大振幅値０～１）内で異なるそれぞれの大きさの光変調を提供するためにより少ない離散階調を使用するように較正されることを意味する。しかしながら、本発明者らは、驚くべきことに、ホログラムのいくつかについての階調解像度のこの損失は、本明細書に記載されるように計算される多波長（すなわち、マルチ画像）ホログラムの照明から形成される画像の精度および解像度に大きく影響しないことを見出した。

本発明者らは、特定の波長の光に対して同じ光変調値を提供するために表示装置セルの複数の異なる駆動電圧を使用することができる「位相ラッピング」として知られる特徴の効果を観察し、利用した。本明細書では、位相ラッピングの現象を使用し、特に、各単一カラーチャネルを独立して較正するという慣例を破る方法および装置が開示される。いくつかの実施形態では最長波長（例えば、赤色光）を有する色を含む１つまたは複数の色についてすべての利用可能な変調値（例えば、０～２πまたは０～１の全変調範囲において）を提供するために複数の異なる電圧が使用され得るスキームが本明細書に開示される。これは、表示装置が、少なくともより短い波長について、場合によっては照明光のすべての波長について、従来の動作範囲に対して「過剰駆動」されることを意味する。この手法によれば、複数の異なる画像、すなわちフルカラー画像の複数の単色成分を再構成する単一のホログラムを決定することができる。いくつかの実施形態では、同じホログラムがフルカラー画像の赤、緑、および青の成分を再構成する。特に、フルカラー画像の赤、緑、および青の成分は同じではない。３つすべての色に対して１つのホログラムを決定する手法は、ホログラフィック投影の分野における画期的なものであり、フレームシーケンシャルカラー表示方式に関連する従来の欠点のいずれもなく、複数の代わりに１つの表示装置を使用することを可能にする。これは、ホログラムをサブフレーム間で変更または更新する必要がないためである。いくつかの実施形態では、同じホログラムを同時に複数の異なる色で照明することができ、対応する複数の異なる単色画像を形成することができる。いくつかの実施形態では、記載された方法は、例えばビデオ画像レートで非常に迅速に複数のそれぞれの多波長ホログラムを提供および照射するために、複数の個々のホログラムの複数の異なる組み合わせに迅速に適用される。

本開示の態様は、添付の独立請求項に規定されている。

一態様によれば、１つの多波長ホログラムを使用して第１の画像および第２の画像を投影する方法が提供され、第１の画像は第２の画像とは異なり、多波長ホログラムは、第１の画像を投影するために第１の波長の光による照明のために配置され、多波長ホログラムは、第２の画像を投影するために第２のより短い波長の光による照明のためにさらに配置される。

一態様によれば、プロジェクタが提供され、プロジェクタは、１つの多波長ホログラムを使用して第１の画像および第２の画像を投影するように構成され、プロジェクタは、多波長ホログラムを表示するための表示装置を備え、第１の画像は第２の画像とは異なり、多波長ホログラムは、第１の画像を投影するために第１の波長の光による照明のために構成され、多波長ホログラムは、第２の画像を投影するために第２のより短い波長の光による照明のためにさらに構成される。

表示装置は、その表示領域に多波長ホログラムを表示してもよい。例えば、表示領域は、画素のアレイを含んでもよい。したがって、第１および第２の画像の両方を表す単一のホログラムを表示するために、同じ表示領域（例えば、画素のアレイ）が使用される。
方法および／またはプロジェクタは、同じ多波長ホログラムを使用して、第３の画像を投影するようにさらに構成されてもよく、第３の画像は、第１および第２の画像のそれぞれとは異なり、多波長ホログラムは、第３の画像を投影するために第３の最短波長の光による照明のために構成される。例えば、第１、第２、および第３の画像は、それぞれ赤色、緑色、および青色の画像を含んでもよい。それらは、ターゲット画像のそれぞれの赤、緑、および青の成分を含んでもよい。赤色画像、緑色画像、および青色画像のそれぞれの画像内容は、少なくとも部分的に互いに異なっていてもよい。
第１および第２の画像（および任意選択的に第３の画像も）は、共通の再生平面に投影されてもよい。それらは、再生平面上で少なくとも部分的に空間的に互いに重なり合ってもよい。

プロジェクタ内に含まれる表示装置は、複数の画素を備えてもよく、各画素は、電圧駆動レベルの対応する第１の動作範囲内で、第１の波長で０～２πの範囲の位相変調値を提供するように構成可能である。表示装置は、所定の最大数の離散位相変調レベルを使用して多波長ホログラムに位相変調を提供するように構成されてもよい。例えば、１２８個の離散位相レベルにわたる位相変調を提供することができる。プロジェクタは、電圧駆動レベルの前記第１の動作範囲以上の電圧範囲にわたって離散位相変調レベルを分配するように構成されたディスプレイドライバをさらに備えてもよい。

位相変調器の各画素はまた、電圧駆動レベルの対応する第２の動作範囲内で、第２の波長において０～２πの範囲内の位相変調値を提供するように構成可能であってもよく、プロジェクタは、電圧駆動レベルの第２の動作範囲内の最大電圧を超える電圧まで画素のうちの１つまたは複数を駆動するように構成されてもよい。

第２の波長は第１の波長よりも短いので、表示装置は、第１のより長い波長よりも第２の波長の方が小さい電圧範囲にわたって０～２πの範囲の位相変調値を送達するように構成されてもよい。プロジェクタは、第１のホログラムに対して規定された離散位相レベルおよびそれらのそれぞれの電圧レベルを使用して、第２のホログラムの位相変調を送達するように構成されてもよい。第２の波長はより短いため、第１のホログラムに対して規定された離散的な電圧レベル間の電圧ギャップは、第１のホログラムに対してよりも第２のホログラムに対してより大きな位相変調ギャップを表す。したがって、第２のホログラムの解像度は、共通の離散電圧レベルを使用して表される場合、第１のホログラムの解像度よりも低くなる。さらに、第１のホログラムに対して規定されるより高い電圧レベルは、第２のホログラムに対して２πより大きい位相変調を表す。

プロジェクタは、第１の画像を形成するために第１の波長の光および第２の画像を形成するために第２の波長の光で多波長ホログラムを照明するように構成された任意の適切な光源を含むか、またはそれと連携して動作することができる。例えば、第１および第２のレーザダイオードが設けられてもよい。例えば、複数の異なるそれぞれの波長の光を別々に送達するように構成可能な光源が提供されてもよい。

プロジェクタ、またはプロジェクタと連動して動作する光源は、第１の波長の光および第２の波長の光で多波長ホログラムを実質的に同時に照明するように構成されてもよい。したがって、第１の画像および第２の画像（および任意選択的に第３の画像も）は、実質的に同時に形成され得る。

多波長ホログラムは、第１の画像に対応する第１のセットのホログラム画素値を含む第１のホログラム、および第２の画像に対応する第２のセットのホログラム画素値を含む第２のホログラムのそれぞれの表現を含んでもよい。したがって、単一の多波長ホログラムは、同時に第１および第２のホログラムの両方を表す（すなわち、「同時に」または 同時に」）。例えば、多波長ホログラムは、第１および第２のホログラムの「結合」または「複合」表現を含んでもよい。例えば、それは、第１および第２のホログラムから形成された平均化された、または凝集したホログラムを含んでもよい。

多波長ホログラムの各画素は、それぞれ第１のホログラムおよび第２のホログラムの対応する第１および第２のホログラム画素値から決定される合成ホログラム画素値を含んでもよい。各合成ホログラム画素値は、それぞれ第１のホログラムおよび第２のホログラムの対応する第１および第２のホログラム画素値から決定される平均値を含んでもよい。第１のホログラム画素値および第２のホログラム画素値の少なくとも一方には、合成ホログラム画素値を決定するために、それぞれの重み付けが適用されてもよい。したがって、１つまたは複数の画素について、合成ホログラム画素値は、第２のホログラムよりも第１のホログラムからの対応する画素値により近く、またはその逆であり得る。重み付けを適用すべきかどうか、およびその値を決定するために、任意の適切な方法を使用することができる。

プロジェクタは、表示装置の選択された画素について、第１のホログラムの少なくとも第１の画素駆動レベルを取得し、第２のホログラムの少なくとも第２の画素駆動レベルを取得し、第１および第２の画素駆動レベルに基づいて、表示装置のその画素の多波長画素駆動レベルを決定するように構成されたプロセッサをさらに備えてもよい。多波長画素駆動レベルは、所与の画素に対するそれぞれのホログラム値の重み付けに応じて、第２の画素駆動レベルよりも第１の画素駆動レベルに近くてもよく、またはその逆であってもよい。

多波長画素駆動レベルは、第１のホログラムの第１の画素駆動レベルと第２のホログラムの第２の画素駆動レベルとの間の最良適合に基づいて決定することができる。言い換えれば、それは、第１の画素駆動レベルおよび第２の画素駆動レベルに対する近似を同時に含んでもよい。

プロセッサは、表示装置の選択された画素について、第２のホログラムの複数の第２の画素駆動レベルを取得し、前記複数の第２の画素駆動レベルのそれぞれが、第２のホログラムの同じ光変調レベルに対応し、第１の画素駆動レベルと複数の第２の画素駆動レベルのうちの選択された１つとに基づいて多波長画素駆動レベルを決定するように構成されてもよい。これは、第１のホログラムの電圧レベルが、２πの位相変調値を超えて第２のホログラムを過駆動することに対応するため、および位相変調がｎ（２π）の周期で繰り返される現象として本発明者らによって特定された位相ラッピングのために可能である。これらの要因の結果として、第２のホログラムの少なくともいくつかの画素について、「θ」の必要な位相変調値に対応する第１の利用可能な電圧レベルがあり、「θ＋２π」の位相変調に対応する第２の利用可能な電圧レベルがあり、これは第１の利用可能な電圧レベルと同じ変調効果を有する。したがって、その画素（またはそれらの画素）について、第２のホログラムを表すために、および対応する多波長画素駆動レベルを決定するために、それらの電圧レベルのうちのどれが使用されるかに関して選択肢が利用可能である。

プロセッサは、表示装置の選択された画素（または多波長ホログラムの選択された画素）について、第１のホログラムの複数の第１の画素駆動レベルを取得し、前記複数の第１の画素駆動レベルの各々は、第１のホログラムの同じ光変調レベルに対応し、複数の第１の画素駆動レベルのうちの選択された１つと複数の第２の画素駆動レベルのうちの選択された１つとに基づいて多波長画素駆動レベルを決定するようにさらに構成されてもよい。言い換えれば、プロジェクタは、例えば、０～２πより大きい位相変調範囲にわたって第１のホログラムの利用可能な電圧レベルを分配するように構成されてもよく、その結果、第１のホログラム（および第２のホログラム）に必要な位相変調値の少なくとも一部を送達するための複数の可能な電圧レベルが存在する。

多波長画素駆動レベルを決定するステップは、画素駆動レベルの最良一致対を識別することを含むことができ、対は、複数の第１の画素駆動レベルからの１つと、複数の第２の画素駆動レベルからの１つとを含む。両方の画素駆動レベルを等しく一致させるべきかどうか、または一方を他方よりも優先すべきかどうかに影響を及ぼすために、重み付けを適用することができる。

一態様によれば、多波長ホログラムを決定する方法が提供され、前記多波長ホログラムは、それが画素化表示装置に表示され、第１の画像を投影するために第１の波長の光によって、および第２の画像を投影するために第２のより短い波長の光によって照明されると、第１の画像および第２の画像を投影するように構成され、第１の画像は第２の画像とは異なる。本方法は、第１の画像に対応する第１のセットのホログラム画素値を含む第１のホログラムを取得するステップと、前記第２の画像に対応する第２のセットのホログラム画素値を含む第２のホログラムを取得するステップと、電圧駆動レベルの第１の動作範囲を決定するステップであって、前記表示装置の各画素は、前記第１の動作範囲内で駆動されると、前記第１の波長で前記光変調値の全範囲内の光変調値を提供するように構成可能である、ステップと、前記表示装置の離散光変調レベルの最大数を決定し、電圧駆動レベルの前記第１の動作範囲以上の電圧範囲にわたってそれらの離散光変調レベルを分配するステップと、前記第１のホログラムおよび前記第２のホログラムの各々を別々に表すために前記分散離散光変調レベルを使用し、前記第１のホログラムに対する対応する画素駆動レベルの第１のセットおよび前記第２のホログラムに対する画素駆動レベルの第２のセットを出力するステップと、多波長ホログラムの各画素について、第１のホログラムの対応する画素を表すために、画素駆動レベルの第１のセットから第１の駆動レベルを選択し、第２のホログラムの対応する画素を表すために、画素駆動レベルの第２のセットから第２の駆動レベルを選択し、選択された第１および第２の駆動レベルに基づいて、その画素の多波長駆動レベルを出力するステップと、前記多波長ホログラムを形成するために、画素ごとに前記多波長駆動レベル出力を使用するステップと、を含む。

光変調値は、位相変調値、振幅変調値、またはそれらの組み合わせを含んでもよい。当業者には理解されるように、第１の波長における位相変調値の全範囲は、０～２πで規定されてもよく、一方、振幅変調値の全範囲は、０～１で規定されてもよい。複数の離散変調値は、階調と呼ばれることがある。

多波長ホログラムは、画素化表示装置に表示され、第３の最短波長の光で照明されたときに、第３の画像も投影するようにさらに構成されてもよく、第１、第２、および第３の画像はすべて互いに異なる。本方法は、第３の画像に対応する第３のセットのホログラム画素値を含む第３のホログラムを取得するステップと、分散離散光変調レベルを使用して、第３のホログラムも別々に表すステップと、第３のホログラムの対応する第３のセットの画素駆動レベルを出力するステップと、をさらに含んでもよい。本方法は、多波長ホログラムの各画素について、第３のホログラムの対応する画素を表すために、画素駆動レベルの第３のセットから第３の駆動レベルを選択するステップと、選択された第１、第２、および第３の駆動レベルに基づいて、その画素の多波長駆動レベルを出力するステップとをさらに含んでもよい。本方法は、多波長ホログラムを形成するために、各画素の多波長駆動レベル出力を使用するステップをさらに含んでもよい。

選択された第１の駆動レベルおよび選択された第２の駆動レベル（および任意選択的に第３の駆動レベルも）は、大きさが互いに近くてもよい。それらは、画素駆動レベルの第１のセットからの第１の駆動レベルと画素駆動レベルの第２のセットからの第２の駆動レベルとを含む任意の他の可能な駆動レベルの対よりも大きさが互いに近くてもよい。３つの駆動レベルが組み合わされる実施形態では、選択された駆動レベルは、出力される多波長ホログラムの所与の画素について、第１、第２、および第３の駆動レベルの他の可能なセットよりも大きさが互いに近くてもよい。

方法は、前記第１の駆動レベルおよび前記第２の駆動レベル（任意選択的に、前記第３の駆動レベル）から平均駆動レベルを決定することをさらに含むことができ、平均駆動レベルは、その画素の多波長駆動レベルとして出力される。平均駆動レベルを取得するために、前記第１の駆動レベルおよび前記第２の駆動レベル（任意選択的に、前記第３の駆動レベル）の少なくとも一方に重み付けすることができる。

本方法は、多波長ホログラムを表示装置に表示するステップをさらに含んでもよく、任意選択的に、第１および第２の画像を投影するために、第１の波長の光および第２の波長の光で表示装置を照明するステップをさらに含んでもよい（また、任意選択的に、第３の画像を投影するために、第３の波長の光で表示装置を照明するステップも含む）。
ホログラムエンジンまたはプロジェクタまたは他の適切な光学系は、上記の態様の方法を実行するように構成されてもよい。

一態様によれば、上記態様の方法によって形成された回折構造が提供される。

一態様によれば、表示システムは、多波長ホログラムを使用して第１の画像および第２の画像を実質的に同時に表示するように構成され、表示システムは、多波長ホログラムを表示するように構成された複数の画素を含む光変調器であって、光変調器の各画素は、光変調（例えば、位相変調、振幅変調、またはそれらの組み合わせ）を提供するように構成された液晶セルであり、各液晶セルはセルギャップを有する、光変調器と、前記第１の画像の第１のホログラムおよび前記第２の画像の第２のホログラムから前記多波長ホログラムを決定するように構成されたプロセッサであって、前記光変調器は、前記第２のホログラムの少なくともいくつかの光変調値がそれぞれ、前記それぞれの画素の対応する複数の異なる画素駆動レベルによってそれぞれ提供可能であるように構成される、プロセッサと、を備え、前記多波長ホログラムを決定することは、前記第２のホログラムの前記少なくともいくつかの位相の値のそれぞれについて、前記対応する複数の異なる画素駆動レベルの画素駆動レベルを選択することを含む。

光変調器は、照明のために配置されてもよく、画素によって提供される光変調の量は、画素駆動レベルおよび照明光の波長によって決定されてもよい。照明光の長波長は、典型的には、特定の光変調値を達成するために、照明光の短波長が必要とするよりも大きな画素駆動レベルを必要とする。

第２のホログラムの各画素の画素駆動レベルを選択することは、第１のホログラムの対応する画素の画素駆動レベルとの最良適合に基づくことができる。第２のホログラムの画素の少なくともいくつかについて選択するための２つ以上の可能な画素駆動レベルがあり得る。

第１のホログラムは、第１の波長の光による照明のために構成されてもよく、第２のホログラムは、第２のより短い波長の光による照明のために構成されてもよい。

第１のホログラムおよび第２のホログラムの画素値は、全光変調範囲（例えば、位相変調の場合は０～２π、または振幅変調の場合は０～１）内にあってもよい。しかしながら、少なくとも第２のホログラムについて、位相ラッピングの現象のために、全範囲の最大レベル（例えば、位相変調の場合は２π、振幅変調の場合は１）を超える光変調値を使用して必要な変調効果を送達するように光変調器を駆動することが可能であり得る。

多波長ホログラムの各画素値は、第１のホログラムの対応する画素および第２のホログラムの対応する画素値から決定されてもよく、光変調器は、第１のホログラムおよび第２のホログラムの画素値の任意の対に対して、対応する画素駆動レベルの複数の組み合わせが可能であるように配置される。例えば、２つ以上の画素駆動レベルは、第１のホログラムまたは第２のホログラムのうちの少なくとも１つの対応する画素に必要な光変調を送達するのに適し得る。プロセッサは、多波長ホログラムのその画素のそれぞれの画素駆動レベルを決定するための画素駆動レベルの最適な組み合わせを識別するように構成されてもよい。

表示システムは、多波長ホログラムを使用して、第１および第２の画像と実質的に同時に第３の画像を表示するようにさらに構成されてもよい。多波長ホログラムは、赤－緑－青（ＲＧＢ：ｒｅｄ－ｇｒｅｅｎ－ｂｌｕｅ）ホログラムを含んでもよい。

一態様によれば、回折構造は、第１の画像および第２の画像を投影するように構成され、第１の画像は第２の画像とは異なり、回折構造は、第１の画像を投影するために第１の波長の光による照明のために、および第２の画像を投影するために第２のより短い波長の光による照明のために構成される。

回折構造は、第３の画像も投影するようにさらに配置されてもよく、第３の画像は、第１および第２の画像のそれぞれとは異なり、回折構造は、第３の画像を投影するために第３の最短波長の光による照明のために配置される。

回折構造は、画素化表示装置上に表示するために配置されてもよい。回折構造は、画素化表示装置の電圧レベルの共通のセットを使用して、３つの個々の画像にそれぞれ対応する３つの単一波長回折構造を表すように構成されてもよく、各電圧レベルは、３つの単一波長回折構造のそれぞれについて異なるそれぞれの光変調レベル（例えば、位相変調レベル、振幅変調レベル、またはそれらの組み合わせ）に対応する。したがって、回折構造は、同時に、異なるそれぞれの分解能で各単一波長回折構造を表すように構成されてもよい。したがって、回折構造は、個々の単一波長回折構造ごとに光変調値の異なるそれぞれの範囲を表すように構成されてもよく、位相変調の場合、範囲は、第１の（最長波長）回折構造については少なくとも０～２πであってもよく、他の個々の単一波長回折構造については０～２πを超えてもよい（より短い波長および最も短い波長の光による照明のためにそれぞれ構成され）。しかしながら、回折構造は、それにもかかわらず、照明されると、第１の画像、第２の画像、および第３の画像のすべてについて高品質の画像の投影（すなわち、ホログラフィック再構成）をもたらし得ることが見出された。

回折構造は、多波長ホログラムを含んでもよい。それは、キノフォームを含み得る。

一態様によれば、光学系は、１つの多波長ホログラムを使用して第１の画像、第２の画像、および第３の画像を投影するように構成され、前記第１、第２、および第３の画像の各々は異なり、前記多波長ホログラムは、第１の画像を投影するために第１の波長の光による照明のために構成され、第２の画像を投影するために第２のより短い波長の光による照明のためにさらに構成され、第３の画像を投影するために第３の最も短い波長の光による照明のためにさらに構成される。

第１、第２、および第３の波長の光は、それぞれ赤色、緑色、および青色光を含んでもよい。第１、第２、および第３の画像は、再生平面で結合して多色画像を提供することができる。

一態様によれば、多波長回折構造を表示するように画素化表示装置を駆動するための電圧選択ユニットが設けられ、前記多波長回折構造は、第１の回折構造および第２の異なる回折構造を表すように構成され、電圧選択ユニットは、表示装置を駆動することができる第１の複数の離散電圧レベルを決定し、前記第１の複数の離散電圧レベルの各レベルは、その光変調値の全範囲（例えば、位相変調の場合は０～２π）において、第１の回折構造のそれぞれの離散光変調値に対応するように構成され、前記第１の複数の離散電圧レベルの各レベルと前記第２の回折構造のそれぞれの離散位相変調値との間の対応関係を、その光変調値の全範囲を超える範囲内で決定し（例えば、位相変調の場合は０～２πを超える）、前記第１の複数の離散電圧レベルを使用して、前記表示装置上の前記第１の回折構造を表すための画素駆動値の第１のセットと、前記表示装置上の前記第２の回折構造を表すための画素駆動値の第２のセットとを決定するように構成され、前記表示装置の各画素について、前記第１の回折構造についての前記画素駆動値および前記第２の回折構造についての前記画素駆動値のそれぞれを表す最適化された画素駆動値を選択するように構成される。

多波長回折構造は、第３の異なる回折構造も表すようにさらに構成されてもよく、電圧選択ユニットはまた、その光変調値の全範囲を超える範囲内で、前記第１の複数の離散電圧レベルの各レベルと前記第３の回折構造のそれぞれの離散光変調値との間の対応関係を決定する（例えば、位相変調の場合は０～２πを超える）ように構成されてもよい。前記第１の複数の離散電圧レベルを使用して、前記表示装置上の前記第３の回折構造を表すための画素駆動値の第３のセットを決定するようにさらに構成されている、前記表示装置の各画素について、前記第１の回折構造についての前記画素駆動値と、前記第２の回折構造についての前記画素駆動値と、前記第３の回折構造についての前記画素駆動値とを表す最適化された画素駆動値を選択するように構成される。

回折構造のうちの少なくとも１つの少なくとも１つの画素について、必要とされる光変調値に対応する２つ以上の可能な電圧レベルが存在してもよい。したがって、電圧選択ユニットは、表示装置のそのような各画素について、第１、第２、および第３の回折構造の各々について１つの可能な電圧レベルを表す最良適合電圧レベルを識別するように構成されてもよい。

第１、第２、および第３の回折構造の各々を表すための電圧レベルの２つ以上の可能な組み合わせが存在する各画素について、電圧選択ユニットは、電圧レベルのすべての可能な対を決定し、各対は、１つの回折構造についての可能な電圧レベルと、それぞれの他の回折構造のうちの１つについての対応する可能な電圧レベルとを含み、可能な各対における２つの電圧レベルの大きさの差を決定し、各回折構造とそれぞれの他のものの各々との間の電圧レベルの大きさの差を表す、その画素についての３つの可能な対の最適化された組み合わせを特定し、最適化された組み合わせにおける対の大きさの総差は最小化される、ように構成される。

第１、第２、および第３の回折構造は、それぞれ赤、緑、および青のホログラムを含んでもよい。したがって、対は、赤－緑（ＲＧ）対、緑－青（ＧＢ）対、および青－赤（ＢＲ）対を含んでもよい。

最適化された組み合わせにおける３つの対のうちの少なくとも１つの２つの回折構造間の電圧レベルの大きさの差にバイアスを印加してもよい。例えば、ＧＢ対およびＢＲ対の電圧ギャップと比較して、ＲＧ対の電圧ギャップを最小化すること、またはその逆がより重要であると判断することができる。バイアスサイズおよび選択は、画像タイプ、表示装置タイプ、セルギャップなどの任意の適切な要因に基づいて決定することができる。
電圧選択ユニットは、各画素についての３つの可能な対の最適化された組み合わせを表す電圧レベルを出力するようにさらに構成されてもよく、出力電圧レベルは、それぞれの画素についての最適化された画素駆動値を含む。

上記の態様は、単一の多波長回折構造が、少なくとも２つの個々の（単一波長の）回折構造を「同時に」または「同時に」表し、適切に照明されると、２つ（またはそれ以上）の対応する画像を明瞭かつ正確に投影することを可能にする。多波長回折構造は、少なくとも２つの単一波長回折構造の単一の最適化された表現（例えば、近似）であると言える。これは、従来のホログラフィではこれまで考えられていなかった、計算上知的で効率的な方法で行われる。本明細書に開示される態様および実施形態のために、多波長ホログラフィの経済的節約、コンパクト性の改善、および実用的用途の向上の可能性は非常に重要である。

「ホログラム」という用語は、対象物に関する振幅情報もしくは位相情報、またはそれらの何らかの組み合わせを含む記録を指すために使用される。「ホログラフィック再構成」という用語は、ホログラムを照明することによって形成される物体の光学的再構成を指すために使用される。ホログラフィック再構成は実像であり、ホログラムから空間的に分離されているので、本明細書に開示されるシステムは「ホログラフィックプロジェクタ」として説明される。「再生フィールド」という用語は、ホログラフィック再構成が形成され、完全に焦点が合わされる２Ｄ領域を指すために使用される。ホログラムが画素を含む空間光変調器に表示される場合、再生フィールドは複数の回折次数の形態で繰り返され、各回折次数は０次再生フィールドの複製である。０次再生フィールドは、最も明るい再生フィールドであるため、一般に、好適または一次再生フィールドに対応する。特に明記しない限り、「再生フィールド」という用語は、０次再生フィールドを指すと解釈されるべきである。「再生平面」という用語は、すべての再生フィールドを含む空間内の平面を指すために使用される。「画像」、「再生画像」、および「画像領域」という用語は、ホログラフィック再構成の光によって照明される再生フィールドの領域を指す。いくつかの実施形態では、「画像」は、「画像スポット」または便宜的にのみ「画像画素」と呼ばれ得る離散スポットを含み得る。

「符号化」、「書き込み」、または「アドレス指定」という用語は、各画素の変調レベルをそれぞれ決定するそれぞれの複数の制御値をＳＬＭの複数の画素に提供する処理を説明するために使用される。ＳＬＭの画素は、複数の制御値の受信に応答して光変調分布を「表示」するように構成されていると言うことができる。したがって、ＳＬＭはホログラムを「表示する」と言うことができ、ホログラムは光変調値またはレベルの配列と考えることができる。

許容可能な品質のホログラフィック再構成は、元の物体のフーリエ変換に関連する位相情報のみを含む「ホログラム」から形成できることが分かっている。このようなホログラフィック記録は、位相限定ホログラムと呼ばれることがある。実施形態は位相限定ホログラムに関するが、本開示は振幅限定ホログラフィにも等しく適用可能である。

本開示はまた、元の物体のフーリエ変換に関連する振幅および位相情報を使用してホログラフィック再構成を形成することにも同様に適用可能である。いくつかの実施形態では、これは、元の物体に関する振幅情報と位相情報の両方を含む、いわゆる完全複素ホログラムを使用した複素変調によって達成される。このようなホログラムは、ホログラムの各画素に割り当てられた値（階調）が振幅および位相成分を有するため、完全複素ホログラムと呼ばれることがある。各画素に割り当てられた値（階調）は、振幅成分と位相成分の両方を有する複素数として表されてもよい。いくつかの実施形態では、完全に複雑な計算機合成ホログラムが計算される。

「位相遅延」の省略表現として、位相の値、位相成分、位相情報、または単に、コンピュータ生成ホログラムまたは空間光変調器の画素の位相を参照することができる。すなわち、記載される任意の位相の値は、実際には、その画素によって提供される位相遅延の量を表す数（例えば、０～２πの範囲内）である。例えば、π／２の位相の値を有すると記載された空間光変調器の画素は、受信光の位相をπ／２ラジアン遅延させる。いくつかの実施形態では、空間光変調器の各画素は、複数の可能な変調値（例えば、位相遅延値）のうちの１つで動作可能である。「階調」という用語は、複数の利用可能な変調レベルを指すために使用され得る。例えば、「階調」という用語は、異なる位相レベルが異なる階調を提供しない場合であっても、位相限定変調器において複数の利用可能な位相レベルを指すために便宜上使用され得る。「階調」という用語はまた、複素変調器における複数の利用可能な複素変調レベルを指すために便宜上使用され得る。

したがって、ホログラムは、階調の配列、すなわち、位相遅延値または複素変調値の配列などの光変調値の配列を含む。ホログラムは、空間光変調器に表示され、空間光変調器の画素ピッチに匹敵する、一般にそれ未満の波長を有する光で照射されたときに回折を引き起こすパターンであるため、回折パターンとも考えられる。本明細書では、ホログラムを、レンズまたは格子として機能する回折パターンなどの他の回折パターンと組み合わせることについて言及する。例えば、格子として機能する回折パターンは、再生フィールドを再生平面上で並進させるためにホログラムと組み合わされてもよく、またはレンズとして機能する回折パターンは、ホログラフィック再構成を近距離場の再生平面上に集束させるためにホログラムと組み合わされてもよい。

以下の詳細な説明では、異なる実施形態および実施形態のグループを別々に開示することができるが、任意の実施形態または実施形態のグループの任意の特徴を、任意の実施形態または実施形態のグループの任意の他の特徴または特徴の組み合わせと組み合わせることができる。すなわち、本開示に開示された特徴のすべての可能な組み合わせおよび置換が想定される。

特定の実施形態は、以下の図を参照して単なる例として説明される。

スクリーン上にホログラフィック再構成を生成する反射型ＳＬＭを示す概略図である。 例示的なＧｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎ型アルゴリズムの第１の反復を示す図である。 例示的なＧｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎ型アルゴリズムの２回目以降の反復を示す図である。 例示的なＧｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎ型アルゴリズムの代替的な第２および後続の反復を示す図である。 反射型ＬＣＯＳ ＳＬＭの概略図である。 ３つの波長の光に対する電圧に対する位相遅延依存性を示す図である。 従来の最大解像度階調に分割された３つの単色ホログラムを表す列を示す図である。 実施形態による階調に分割された３つの単色ホログラムを表す列を示す図である。 実施形態による、図６の３つの単色ホログラムのそれぞれの画素の可能な位相の値を示す図である。 ターゲット画像の従来の多色ホログラフィック再構成を示す図である。および 実施形態による、図８のターゲット画像の多色ホログラフィック再構成を示す図である。

同じまたは同様の部分を指すために、図面全体を通して同じ参照番号が使用される。
本発明は、以下に記載される実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲の全範囲に及ぶ。すなわち、本発明は、異なる形態で具体化されてもよく、説明の目的で記載された実施形態に限定されると解釈されるべきではない。

単数形の用語は、特に明記しない限り、複数形を含み得る。

他の構造の上部／下部または他の構造の上／下に形成されると記載された構造は、構造が互いに接触する場合、さらに、それらの間に第３の構造が配置される場合を含むと解釈されるべきである。

時間関係を説明する際に、例えば、イベントの時間的順序が「後」、「後続」、「次」、「前」などとして説明される場合、本開示は、特に明記しない限り、連続的および非連続的なイベントを含むと解釈されるべきである。例えば、「ちょうど」、「即時」、または「直接」などの表現が使用されない限り、説明は連続的でない場合を含むと解釈されるべきである。

本明細書では、「第１」、「第２」などの用語を使用して様々な要素を説明することができるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるものではない。これらの用語は、ある要素を別の要素と区別するためにのみ使用される。例えば、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、第１の要素を第２の要素と呼ぶことができ、同様に、第２の要素を第１の要素と呼ぶことができる。

異なる実施形態の特徴は、部分的または全体的に互いに結合または組み合わせられてもよく、互いに様々に相互運用されてもよい。いくつかの実施形態は、互いに独立して実施されてもよく、または共依存関係で一緒に実施されてもよい。

本開示において、「実質的に」という用語は、装置の構造単位に適用される場合、それを製造するために使用される方法の技術的許容範囲内で製造される構造単位の技術的特徴として解釈され得る。

光学構成
図１は、計算機合成ホログラムが単一の空間光変調器で符号化される実施形態を示す。計算機合成ホログラムは、再構成のための物体のフーリエ変換である。したがって、ホログラムは、物体のフーリエ領域または周波数領域またはスペクトル領域表現であると言える。この実施形態では、空間光変調器は、シリコン上の反射型液晶「ＬＣＯＳ：ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ」デバイスである。ホログラムは空間光変調器上で符号化され、ホログラフィック再構成が再生フィールド、例えばスクリーンまたはディフューザなどの受光面に形成される。

光源１１０、例えばレーザまたはレーザダイオードは、コリメートレンズ１１１を介してＳＬＭ１４０を照明するように配置される。コリメートレンズは、光の略平面状の波面をＳＬＭに入射させる。図１では、波面の方向は法線方向ではない（例えば、透明層の平面に対して真の直交から２度または３度離れている）。しかしながら、他の実施形態では、ほぼ平坦な波面が垂直入射で提供され、ビームスプリッタ装置が入力光路と出力光路とを分離するために使用される。図１に示す実施形態では、光源からの光がＳＬＭの鏡像反転された後面で反射され、光変調層と相互作用して出口波面１１２を形成するように配置されている。出口波面１１２は、スクリーン１２５にその焦点を有するフーリエ変換レンズ１２０を含む光学系に適用される。より具体的には、フーリエ変換レンズ１２０は、ＳＬＭ１４０から変調光のビームを受け取り、周波数空間変換を実行してスクリーン１２５でホログラフィック再構成を生成する。

特に、この種のホログラフィでは、ホログラムの各画素が全体の再構成に寄与する。再生フィールド上の特定の点（または画像画素）と特定の光変調素子（またはホログラム画素）との間に１対１の相関はない。言い換えれば、光変調層を出る変調光は、再生フィールドにわたって分布される。

これらの実施形態では、空間におけるホログラフィック再構成の位置は、フーリエ変換レンズの屈折力（集束力）によって決定される。図１に示す実施形態では、フーリエ変換レンズは物理レンズである。すなわち、フーリエ変換レンズは光フーリエ変換レンズであり、フーリエ変換は光学的に行われる。任意のレンズはフーリエ変換レンズとして作用することができるが、レンズの性能は、それが実行するフーリエ変換の精度を制限する。当業者は、レンズを使用して光フーリエ変換を実行する方法を理解している。

ホログラム計算
いくつかの実施形態では、計算機合成ホログラムは、フーリエ変換ホログラム、または単にフーリエホログラムまたはフーリエベースのホログラムであり、正レンズのフーリエ変換特性を利用することによって遠方場で画像が再構成される。フーリエホログラムは、再生平面内の所望の光照射野をレンズ平面にフーリエ変換することによって計算される。コンピュータ生成フーリエホログラムは、フーリエ変換を使用して計算することができる。

フーリエ変換ホログラムは、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムなどのアルゴリズムを使用して計算することができる。さらに、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムを使用して、空間領域の振幅のみの情報（写真など）からフーリエ領域のホログラム（すなわち、フーリエ変換ホログラム）を計算することができる。対象物に関する位相情報は、空間領域における振幅限定情報から効果的に「検索」される。いくつかの実施形態では、コンピュータ生成ホログラムは、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムまたはその変形を使用して振幅限定情報から計算される。

Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、平面ＡおよびＢにおける光ビームの強度断面Ｉ_Ａ（ｘ、ｙ）およびＩ_Ｂ（ｘ、ｙ）がそれぞれ既知であり、Ｉ_Ａ（ｘ、ｙ）およびＩ_Ｂ（ｘ、ｙ）が単一のフーリエ変換によって関連付けられるときの状況を考慮する。所与の強度断面を用いて、平面ＡおよびＢにおける位相分布Ψ_Ａ（ｘ、ｙ）およびΨ_Ｂ（ｘ、ｙ）に対する近似がそれぞれ見出される。Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、反復処理に従うことによってこの問題の解を見つける。より具体的には、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、Ｉ_Ａ（ｘ、ｙ）およびＩ_Ｂ（ｘ、ｙ）を表すデータセット（振幅および位相）を空間領域とフーリエ（スペクトルまたは周波数）領域との間で繰り返し転送しながら、空間的制約およびスペクトル制約を繰り返し適用する。スペクトル領域内の対応する計算機合成ホログラムは、アルゴリズムの少なくとも１回の反復によって得られる。アルゴリズムは収束し、入力画像を表すホログラムを生成するように構成される。ホログラムは、振幅限定ホログラム、位相限定ホログラム、または完全に複雑なホログラムであってもよい。

いくつかの実施形態では、位相限定ホログラムは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる英国特許第２，４９８，１７０号または第２，５０１，１１２号に記載されているようなＧｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムに基づくアルゴリズムを使用して計算される。しかしながら、本明細書に開示される実施形態は、単なる例として位相限定ホログラムを計算することを記載している。これらの実施形態では、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、既知の振幅情報Ｔ［ｕ、ｖ］をもたらすデータセットのフーリエ変換の位相情報Ψ［ｘ、ｙ］を検索し、振幅情報Ｔ［ｘ、ｙ］は目標画像（例えば写真）を表す。大きさおよび位相はフーリエ変換において本質的に組み合わされるため、変換された大きさおよび位相は、計算されたデータセットの精度に関する有用な情報を含む。したがって、アルゴリズムは、振幅情報および位相情報の両方に対するフィードバックを用いて反復的に使用され得る。しかしながら、これらの実施形態では、画像平面でターゲット画像を表すホログラフィックを形成するために、位相情報Ψ［ｕ、ｖ］のみがホログラムとして使用される。ホログラムは、位相の値のデータセット（例えば２Ｄアレイ）である。

他の実施形態では、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムに基づくアルゴリズムを使用して、完全複素ホログラムを計算する。完全複素ホログラムは、大きさ成分と位相成分とを有するホログラムである。ホログラムは、複素データ値の配列を含むデータセット（例えば２Ｄアレイ）であり、各複素データ値は、大きさ成分および位相成分を含む。

いくつかの実施形態では、アルゴリズムは複素データを処理し、フーリエ変換は複素フーリエ変換である。複素データは、（ｉ）実数成分および虚数成分、または（ｉｉ）大きさ成分および位相成分を含むと考えることができる。いくつかの実施形態では、複素データの２つの成分は、アルゴリズムの様々な段階で異なるように処理される。

図２Ａは、位相限定ホログラムを計算するためのいくつかの実施形態によるアルゴリズムの最初の反復を示す。アルゴリズムへの入力は、画素またはデータ値の二次元配列を含む入力画像２１０であり、各画素またはデータ値は、大きさまたは振幅の値である。すなわち、入力画像２１０の各画素やデータ値は、位相成分を有していない。したがって、入力画像２１０は、大きさのみまたは振幅のみまたは強度のみの分布と考えることができる。そのような入力画像２１０の例は、写真またはフレームの時系列を含むビデオの一フレームである。アルゴリズムの最初の反復は、開始複素データセットを形成するために、ランダム位相分布（またはランダム位相シード）２３０を使用して、入力画像の各画素にランダム位相の値を割り当てることを含むデータ形成ステップ２０２Ａで開始し、セットの各データ要素は、大きさおよび位相を含む。開始複素データセットは、空間領域における入力画像を表すと言える。

第１の処理ブロック２５０は、開始複素データセットを受信し、フーリエ変換複素データセットを形成するために複素フーリエ変換を実行する。第２の処理ブロック２５３は、フーリエ変換された複素データセットを受け取り、ホログラム２８０Ａを出力する。いくつかの実施形態では、ホログラム２８０Ａは位相限定ホログラムである。これらの実施形態では、第２の処理ブロック２５３は、ホログラム２８０Ａを形成するために、各位相の値を量子化し、各振幅値を単位に設定する。各位相の値は、位相限定ホログラムを「表示」するために使用される空間光変調器の画素上に表され得る位相レベルに従って量子化される。例えば、空間光変調器の各画素が２５６個の異なる位相レベルを提供する場合、ホログラムの各位相の値は、２５６個の可能な位相レベルのうちの１つの位相レベルに量子化される。ホログラム２８０Ａは、入力画像を表す位相限定フーリエホログラムである。他の実施形態では、ホログラム２８０Ａは、受信されたフーリエ変換複素データセットから導出された複素データ値（各々が振幅成分および位相成分を含む）のアレイを含む完全複素ホログラムである。いくつかの実施形態では、第２の処理ブロック２５３は、各複素データ値を複数の許容可能な複素変調レベルのうちの１つに制約してホログラム２８０Ａを形成する。制約するステップは、各複素データ値を複素平面内の最も近い許容複素変調レベルに設定するステップを含んでもよい。ホログラム２８０Ａは、スペクトル領域またはフーリエ領域または周波数領域における入力画像を表すと言える。いくつかの実施形態では、アルゴリズムはこの時点で停止する。

しかしながら、他の実施形態では、アルゴリズムは、図２Ａの点線矢印によって表されるように継続する。言い換えれば、図２Ａの点線矢印に続くステップは任意である（すなわち、すべての実施形態に必須ではない）。

第３の処理ブロック２５６は、第２の処理ブロック２５３から修正複素データセットを受け取り、逆フーリエ変換を実行して、逆フーリエ変換複素データセットを形成する。逆フーリエ変換された複素データセットは、空間領域における入力画像を表すと言える。

第４の処理ブロック２５９は、逆フーリエ変換された複素データセットを受け取り、大きさの値の分布２１１Ａおよび位相の値の分布２１３Ａを抽出する。任意選択的に、第４の処理ブロック２５９は、大きさの値の分布２１１Ａを評価する。具体的には、第４の処理ブロック２５９は、逆フーリエ変換された複素データセットの大きさの値の分布２１１Ａを、それ自体が大きさの値の分布である入力画像２１０と比較してもよいことは言うまでもない。大きさの値の分布２１１Ａと入力画像２１０との間の差が十分に小さい場合、第４の処理ブロック２５９は、ホログラム２８０Ａが許容可能であると判定することができる。すなわち、大きさの値の分布２１１Ａと入力画像２１０との間の差が十分に小さい場合、第４の処理ブロック２５９は、ホログラム２８０Ａが入力画像２１０を十分に正確に表すと判定することができる。いくつかの実施形態では、逆フーリエ変換された複素データセットの位相の値の分布２１３Ａは、比較の目的のために無視される。大きさの値の分布２１１Ａと入力画像２１０とを比較するための任意の数の異なる方法が使用されてもよく、本開示は任意の特定の方法に限定されないことが理解されよう。いくつかの実施形態では、平均二乗差が計算され、平均二乗差が閾値未満である場合、ホログラム２８０Ａは許容可能であると考えられる。第４の処理ブロック２５９がホログラム２８０Ａを許容できないと判定した場合、アルゴリズムのさらなる反復が実行されてもよい。しかしながら、この比較ステップは必須ではなく、他の実施形態では、実行されるアルゴリズムの反復回数は、予め決定されているか、予め設定されているか、またはユーザ規定である。

図２Ｂは、アルゴリズムの第２の反復およびアルゴリズムの任意のさらなる反復を表す。先行する反復の位相の値の分布２１３Ａは、アルゴリズムの処理ブロックを介してフィードバックされる。大きさの値の分布２１１Ａは、入力画像２１０の大きさの値の分布を支持して拒絶される。１回目の反復では、データ形成ステップ２０２Ａは、入力画像２１０の大きさの値の分布とランダム位相分布２３０とを組み合わせて、１回目の複素データセットを形成した。しかしながら、２回目以降の反復では、データ形成ステップ２０２Ｂは、（ｉ）アルゴリズムの前回の反復からの位相の値の分布２１３Ａと、（ｉｉ）入力画像２１０の大きさの値の分布とを組み合わせることによって複雑なデータセットを形成することを含む。

次に、図２Ｂのデータ形成ステップ２０２Ｂによって形成された複素データセットは、図２Ａを参照して説明したのと同じ方法で処理されて、第２の反復ホログラム２８０Ｂを形成する。したがって、処理の説明はここでは繰り返さない。アルゴリズムは、第２の反復ホログラム２８０Ｂが計算されたときに停止することができる。しかしながら、アルゴリズムの任意の回数のさらなる反復が実行されてもよい。第３の処理ブロック２５６は、第４の処理ブロック２５９が必要とされるか、またはさらなる反復が必要とされる場合にのみ必要とされることが理解されるであろう。出力ホログラム２８０Ｂは、一般に、反復ごとに良好になる。しかしながら、実際には、通常、測定可能な改善が観察されないか、またはさらなる反復を実行するプラスの利益が追加の処理時間のマイナスの効果によって相殺される点に達する。したがって、アルゴリズムは、反復的かつ収束的であるとして説明される。

図２Ｃは、２回目以降の反復の代替実施形態を表す。先行する反復の位相の値の分布２１３Ａは、アルゴリズムの処理ブロックを介してフィードバックされる。大きさの値の分布２１１Ａは、大きさの値の代替的な分布のために拒絶される。この代替的な実施形態では、大きさの値の代替的な分布は、前の反復の大きさの値の分布２１１Ａから導出される。具体的には、処理ブロック２５８は、前の反復の大きさの値２１１Ａの分布から入力画像２１０の大きさの値の分布を減算し、その差を利得係数αでスケーリングし、スケーリングされた差を入力画像２１０から減算する。これは、以下の式によって数学的に表され、下付き文字および数字は反復回数を示す。

ここで、
Ｆ’は、逆フーリエ変換であり、
Ｆは、順フーリエ変換であり、
Ｒ［ｘ、ｙ］は、第３の処理ブロック２５６によって出力される複素データセットであり、
Ｔ［ｘ、ｙ］は、入力または目標画像であり、

は位相成分であり、
Ψは、位相限定ホログラム２８０Ｂであり、
ηは、大きさの値の新しい分布２１１Ｂであり、
αは、利得係数である。

ゲイン係数αは固定であっても可変であってもよい。いくつかの実施形態では、ゲイン係数αは、入ってくるターゲット画像データのサイズおよびレートに基づいて決定される。いくつかの実施形態では、利得係数αは反復回数に依存する。いくつかの実施形態では、利得係数αは、単に反復回数の関数である。

図２Ｃの実施形態は、他のすべての点で図２Ａおよび図２Ｂの実施形態と同じである。位相限定ホログラムΨ（ｕ、ｖ）は、周波数領域またはフーリエ領域における位相分布を含むと言える。

いくつかの実施形態では、フーリエ変換は、空間光変調器を使用して実行される。具体的には、ホログラムデータは、光パワーを提供する第２のデータと組み合わされる。すなわち、空間光変調に書き込まれるデータは、物体を表すホログラムデータと、レンズを表すレンズデータとを含む。空間光変調器に表示され、光で照射されると、レンズデータは物理レンズをエミュレートし、すなわち、対応する物理光学系と同じ方法で焦点に光をもたらす。したがって、レンズデータは、光学的または集束的なパワーを提供する。これらの実施形態では、図１の物理フーリエ変換レンズ１２０は省略されてもよい。レンズを表すデータを計算する方法は公知である。レンズを表すデータは、ソフトウェアレンズと呼ばれることがある。例えば、位相限定レンズは、その屈折率および空間的に変化する光路長に起因してレンズの各点によって引き起こされる位相遅延を計算することによって形成されてもよい。例えば、凸レンズの中心における光路長は、レンズの縁における光路長よりも大きい。振幅限定レンズは、フレネルゾーンプレートによって形成されてもよい。計算機合成ホログラフィの技術分野では、物理的なフーリエレンズを必要とせずにホログラムのフーリエ変換を実行できるように、レンズを表すデータをホログラムと組み合わせる方法も知られている。いくつかの実施形態では、レンズデータは、単純なベクトル加算などの単純な加算によってホログラムと組み合わされる。いくつかの実施形態では、フーリエ変換を実行するために、物理レンズがソフトウェアレンズと共に使用される。あるいは、他の実施形態では、ホログラフィック再構成が遠距離場で行われるように、フーリエ変換レンズは完全に省略される。さらなる実施形態では、ホログラムは、格子データ、すなわち画像ステアリングなどの格子の機能を実行するように構成されたデータと同じ方法で組み合わせることができる。この場合も、このようなデータをどのように計算するかは、当分野において既知である。例えば、位相限定格子は、ブレーズド格子の表面上の各点によって引き起こされる位相遅延をモデル化することによって形成することができる。振幅限定格子は、ホログラフィック再構成の角度ステアリングを提供するために、振幅限定ホログラムと単純に重ね合わせることができる。第２のデータ提供レンズおよび／またはステアリングは、画像形成機能または画像形成パターンと呼ばれる場合があるホログラムデータと区別するために、光処理機能または光処理パターンと呼ばれる場合がある。

いくつかの実施形態では、フーリエ変換は、物理フーリエ変換レンズとソフトウェアレンズとによって一緒に実行される。すなわち、フーリエ変換に寄与するいくつかの光パワーはソフトウェアレンズによって提供され、フーリエ変換に寄与する残りの光パワーは物理光学系または光学系によって提供される。

いくつかの実施形態では、画像データを受信し、アルゴリズムを使用してリアルタイムでホログラムを計算するように構成されたリアルタイムエンジンが提供される。いくつかの実施形態では、画像データは、画像フレームのシーケンスを含むビデオである。他の実施形態では、ホログラムは、予め計算され、コンピュータメモリに記憶され、ＳＬＭに表示するために必要に応じて呼び出される。すなわち、いくつかの実施形態では、所定のホログラムのリポジトリが提供される。

実施形態は、単なる例として、フーリエホログラフィおよびＧｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎ型アルゴリズムに関する。本開示は、同様の方法によって計算することができるフレネルホログラフィおよびフレネルホログラムに等しく適用可能である。本開示はまた、点群法に基づくものなどの他の技術によって計算されたホログラムにも適用可能である。

光変調
空間光変調器を使用して、計算機合成ホログラムを含む回折パターンを表示することができる。ホログラムが位相限定ホログラムである場合、位相を変調する空間光変調器が必要となる。ホログラムが完全複素ホログラムである場合、位相および振幅を変調する空間光変調器を使用してもよいし、位相を変調する第１の空間光変調器および振幅を変調する第２の空間光変調器を使用してもよい。

いくつかの実施形態では、空間光変調器の光変調素子（すなわち、画素）は、液晶を含むセルである。すなわち、いくつかの実施形態では、空間光変調器は、光学活性成分が液晶である液晶デバイスである。各液晶セルは、複数の光変調レベルを選択的に提供するように構成される。すなわち、各液晶セルは、複数の可能な光変調レベルから選択された１つの光変調レベルで動作するように任意の時点で構成される。各液晶セルは、複数の光変調レベルとは異なる光変調レベルに動的に再構成可能である。いくつかの実施形態では、空間光変調器はシリコン上の反射型液晶（ＬＣＯＳ）空間光変調器であるが、本開示はこのタイプの空間光変調器に限定されない。

ＬＣＯＳ装置は、小さな開口（例えば、幅数センチメートル）内に光変調素子または画素の高密度アレイを提供する。画素は、典型的には約１０ミクロン以下であり、その結果、回折角が数度になり、光学系をコンパクトにすることができる。ＬＣＯＳ ＳＬＭの小さな開口部を適切に照明することは、他の液晶デバイスの大きな開口部よりも容易である。ＬＣＯＳ装置は、典型的には反射性であり、これは、ＬＣＯＳ ＳＬＭの画素を駆動する回路を反射面の下に埋め込むことができることを意味する。その結果、開口率が高くなる。言い換えれば、画素は密集しており、すなわち、画素間にデッドスペースがほとんどない。これは、再生フィールドにおける光学的ノイズを低減するので有利である。ＬＣＯＳ ＳＬＭは、画素が光学的に平坦であるという利点を有するシリコンバックプレーンを使用する。これは、位相変調装置にとって特に重要である。

適切なＬＣＯＳ ＳＬＭを、図３を参照して、単なる例として以下に説明する。ＬＣＯＳ装置は、単結晶シリコン基板３０２を用いて形成される。これは、基板の上面に配置された、ギャップ３０１ａによって離間された正方形の平面アルミニウム電極３０１の２次元アレイを有する。電極３０１の各々は、基板３０２に埋め込まれた回路３０２ａを介してアドレス指定することができる。各電極は、それぞれの平面ミラーを形成する。電極アレイ上に配向層３０３が配置され、配向層３０３上に液晶層３０４が配置されている。第２の配向層３０５は、例えばガラスの平面透明層３０６上に配置される。例えばＩＴＯの単一の透明電極３０７が、透明層３０６と第２の配向層３０５との間に配置される。

正方形電極３０１の各々は、透明電極３０７の上にある領域および介在する液晶材料と共に、しばしば画素と呼ばれる制御可能な位相変調素子３０８を画定する。有効画素面積またはフィルファクタは、画素３０１ａ間の空間を考慮して、光学的に活性な全画素の割合である。透明電極３０７に対して各電極３０１に印加される電圧を制御することによって、それぞれの位相変調素子の液晶材料の特性を変化させることができ、それによってそこに入射する光に可変遅延を提供することができる。効果は、波面に位相限定変調を提供することであり、すなわち振幅効果は生じない。

記載されたＬＣＯＳ ＳＬＭは、反射において空間的に変調された光を出力する。反射型ＬＣＯＳ ＳＬＭには、信号線、ゲート線、およびトランジスタが鏡面の下にあるという利点があり、その結果、フィルファクタが高く（通常は９０％を超える）、解像度が高くなる。反射型ＬＣＯＳ空間光変調器を使用する別の利点は、液晶層の厚さを、透過型デバイスを使用した場合に必要となる厚さの半分にすることができることである。これにより、液晶のスイッチング速度が大幅に向上する（動画像の投影にとって重要な利点）。しかしながら、本開示の教示は、透過型ＬＣＯＳ ＳＬＭを使用して同様に実施することができる。

多波長ホログラフィック再構成
多くの実際の用途では、多波長（すなわち、多色）ホログラフィック再構成（「画像」）の提供が望まれている。これは、従来、色ごとに個別のホログラムを提供する必要があり、個別に表示する必要がある。各個々のホログラムは、対応するそれぞれの色／波長の光によって別々に照明されなければならない。多色ホログラフィには、２つの周知の従来の手法がある。第１の色は空間的に分離された色「ＳＳＣ：ｓｐａｔｉａｌｌｙ－ｓｅｐａｒａｔｅｄ ｃｏｌｏｕｒｓ」として知られており、第２の色はフレームシーケンシャル色「ＦＳＣ：ｆｒａｍｅ－ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ｃｏｌｏｕｒ」として知られている。

ＳＳＣの方法は、３つのそれぞれの単色（通常は赤／緑／青（ＲＧＢ））ホログラムに対して、３つの空間的に分離された光変調画素のアレイを使用する。ＳＳＣでは、３つすべてのホログラフィック再構成が同時に形成され、共通平面上で（例えば、重畳）組み合わされて、結果として得られる多色画像（すなわち、多色ホログラフィック再構成）を形成することができるため、画像は非常に明るくなり得る。光変調画素の３つの空間的に分離されたアレイは、例えば、空間的および／または金銭的な制約により複数のＳＬＭを提供することができない場合、共通の空間光変調器（ＳＬＭ：ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）上に、互いに空間的に分離して提供することができる。しかしながら、ＳＬＭ上の利用可能な光変調画素のサブセットのみが各色に使用されるため、そのような配置における各単色画像の品質は準最適である。したがって、比較的低解像度のカラー画像が提供される。あるいは、３つの別個のＳＬＭがＳＳＣに使用されてもよく、各色に１つである。各ＳＬＭは、異なるそれぞれの色のホログラムを表示し、その各々は、空間変調光のそれぞれの光チャネルを出力するために個別に照明される。そのような構成では、マルチカラー画像を形成することを可能にするために、３つの光チャネルを結合するためにビーム結合光学系（例えば、Ｘキューブミラーおよびダイクロミックミラー）が必要とされる。これは、高品質の画像を提供するが、複数のＳＬＭを提供するという利点を有し、他の必要な光学系は高価であり、結果として得られる光学系のサイズにも大きな影響を与える。多くの状況では、例えば、限定はしないが、車両のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）では、スペースが限られており、不動産価値が高いため、コンパクトさが一般に非常に望ましい。さらに、複数のＳＬＭを提供することは経済的にコストがかかる。

ＦＳＣの方法は、単一の共通の空間光変調器のすべての画素を使用して、３つの単色ホログラムを順番に表示することができる（すなわち、次々に）。単色再構成は、人間の観察者が３つの単色画像の統合から多色画像を知覚するのに十分な速さで循環される（例えば、赤色、緑色、青色、赤色、緑色、青色などである）。ＦＳＣの利点は、ＳＬＭ全体が各色に使用されることである。これは、ＳＬＭのすべての画素が各カラー画像に使用されるため、生成される３つのカラー画像の品質が最適であることを意味する。しかしながら、ＦＳＣ法の欠点は、各単色照明イベントはフレーム時間の１／３しか発生し得ないため、合成カラー画像の輝度がＳＳＣ法よりも約３倍低いことである。この欠点は、レーザをオーバードライブすることによって、またはより強力なレーザを使用することによって対処できる可能性があるが、これはより多くの電力を必要とし、その結果、コストが高くなり、システムのサイズが大きくなる。さらに、ＦＳＣは、タイルシフトおよび画像品質を改善するために従来適用されている他の技術に利用可能なサブフレームが少ないという欠点を有する。

本発明者らは、高品質の多色（すなわち、多波長）ホログラフィをコンパクトで効率的かつ費用効果の高い方法で送達するための改良された方法およびシステムを考案した。これはこれまで不可能であった。

本発明者らは、シリコン上の液晶（ＬＣＯＳ）ＳＬＭなどの空間光変調器（ＳＬＭ）などの単一の表示装置上に表示および照明されたときに、複数の画像を同時に送達することができる回折構造（「キノフォーム」または「ホログラム」と呼ぶことができる）を提供するための方法およびシステムを考案した。例えば、対応する波長の光によって表示および照射されると、２つ以上の異なる色の画像を同時に（または、少なくとも実質的に同時に）配信することができる。各色の画像コンテンツは、それぞれの他の色の画像コンテンツと少なくとも部分的に物理的に重複してもよく、または再生平面上で互いに物理的に分離されてもよい。各色の画像コンテンツは、それぞれの他の色の画像コンテンツとは異なっていてもよく、または個々に着色された画像は、共通または重複する画像コンテンツを含むことができ、それらは再生平面上で結合／重畳してその画像コンテンツの単一の多色画像を形成する。

高品質のホログラフィック投影は、典型的には、最大２πの位相差を提供することができる画素を含む表示装置を必要とすることが知られている。本開示は、高品質の表示装置における回折構造の表示に関する。例えば、高解像度（高画素密度）の反射型液晶表示装置と、位相ホログラムを用いた映像レートでのホログラフィック投影用の高速スイッチング画素とを用いて表示してもよい。しかしながら、複雑なホログラム（位相成分と振幅成分の両方を含む）などの他のタイプのホログラムも本開示内で企図される。本開示の少なくともいくつかの実施形態によれば、高解像度ディスプレイは、画素ピッチが５μｍ以下、例えば２μｍ未満であるものとして規定されてもよい。しかしながら、この数値例は、本開示を限定するものと見なされるべきではない。

反射セルにおける全リタデーション（すなわち、位相遅延）Φは、以下の式を満たす。
Φ＝４πｄΔｎ／λ （１）

ここで、ｄはセルギャップ（厚さ）、Δｎは液晶の複屈折率、λは光の波長である。積ｄΔｎは、経路差として知られている。したがって、液晶の種類およびセルの厚さは両方とも、セルが入射光に適用するように構成可能なリタデーションに影響を与える。一実施形態によれば、この構成が位相ホログラフィに有効であることが分かっているので、方法およびシステムは、正の誘電異方性を有する液晶を含む平面配向ネマチックセルを使用して実現することができる。そのような細胞の応答時間は、細胞間隙の２乗に関連する。しかしながら、本開示は、このようなセルに限定されない。

液晶が示す有効複屈折Δｎは電圧依存性を示すことが知られている。したがって、所与のＬＣセルが適用する実際のリタデーションは、照明光の波長だけでなく、任意の所与の時間にセルに印加される電圧にも依存する。さらに、ＬＣセルが全範囲の位相差（すなわち、位相遅延が０～２πの範囲である）を送達するために必要とされる電圧範囲は、照明光の波長に依存する。波長が長いほど、全範囲の位相差をもたらすために必要な電圧範囲が大きくなる。したがって、高品質表示装置の各セル（または「画素」）は、任意の所与の時間に、そのセルに印加される電圧に応じて、および照明光の波長に応じて、特定の位相遅延（すなわち、利用可能な遅延の範囲内の選択された遅延）を送達するように制御することができる。したがって、異なるそれぞれの波長の光でセルを照明すると、通常、セルは、任意の所与の電圧で、各波長の光に異なるそれぞれの位相遅延を適用する。従来、多色ホログラフィが必要とされる場合、これは、それぞれが異なるそれぞれの波長の光による照明のためにそれぞれ調整された別個の回折構造の表示をもたらし、それぞれのカラー画像に対する位相遅延要求を満たすために、適切な電圧をそれぞれの個々の回折構造を表示するセルに別々に印加することができる。しかしながら、本発明者らは、以下に詳述するように、多色ホログラフィのための複数の異なる回折構造を表示する必要性を回避する方法を考案した。

ホログラムまたはキノフォームなどの回折構造が計算されるとき、それは複数の個々の画素を含み、その各々を表示装置のそれぞれの画素に表示することができる。各ホログラム画素は、計算中にいくつかの許容可能な「階調」に量子化され、階調は、表示され適切に照明されたときにホログラム画素が付与する位相遅延の大きさの量子化である。利用可能な階調の数は、階調分解能を決定し、すなわち、それは、各ホログラム画素が付与することができる、例えば０～２πの範囲にわたる異なる可能な離散変調レベルの数の尺度である。これは、従来、ホログラムの精度、すなわち階調解像度、したがって対応する画像再構成の品質または精度（すなわち、忠実度）に影響を及ぼす。

ホログラムが表示装置に表示される場合、特定の波長に対して、位相遅延の全（２π）範囲が表示装置のセルによって送達され得る電圧範囲は、その波長に対して、隣接するホログラム階調（「ＧＬ：ｇｒｅｙ ｌｅｖｅｌｓ」）間でセルが必要とする電圧増分を決定する。例えば、各セルが赤色光に対して最大２πの位相差を達成するために０Ｖ～５Ｖの電圧範囲を必要とする場合、および表示されたスキームが１２８個の等間隔の階調を含む場合、各階調は約４０ｍＶ離れている必要がある。したがって、例えば、赤色光に対して１２番目の階調ＧＬ１２を達成するには、４８０ｍＶの電圧印加が必要となる。表示システムは、それに応じて較正することができる。

一方、同じセル（同じ厚さおよび複屈折を有する）は、緑色光などの異なる波長の光に対して０～２πの位相遅延範囲を達成するために０Ｖ～２Ｖの電圧範囲のみを必要とし得る。それらの細胞が、隣接する離散階調間に４０ｍＶのギャップを有する「赤色ホログラム」（すなわち、赤色光によって照明されるように構成されたホログラムの場合）に対して較正された場合、細胞が緑色光によって照明されるように構成された「緑色ホログラム」を表示するとき、位相遅延の全範囲は最初の５０階調によって送達される。結果として、緑色ホログラムの利用可能な階調によって付与され得る位相遅延の差は、赤色ホログラムと比較して減少する。言い換えれば、同じセル電圧較正の場合、緑色ホログラムの「階調分解能」（または、精度）は赤色ホログラムのそれよりも小さくなる。

したがって、従来の手法は、異なるそれぞれの波長によって照明されるホログラムを表示するために異なる較正（すなわち、異なるそれぞれのセル（例えば、異なるセルギャップ）、または同じセルを使用するが、異なるそれぞれの時間に異なるように較正される）を使用することである。したがって、慣例は、各（すなわち、すべて）それぞれの色のホログラムに対して階調解像度が個別に最適化／最大化されることを保証することである。したがって、上記の例では、セルは、緑色ホログラムの隣接する階調を１５．６ｍＶだけ分離するように較正することができ、その結果、完全な１２８の階調（５０だけではない）が緑色ホログラムの表示に利用可能になる。

本発明者らは、１つまたは複数の色のホログラムに理想的でない階調解像度を提供することによって正確な多色画像を達成できると判断する際に、慣例に反している。さらに、彼らは、１つまたは複数の色に不完全な階調解像度を使用することは、同時に（または少なくとも非常に迅速に連続して）複数の異なる単色画像を形成するために、１つの表示装置に表示される同じ（単一の）ホログラムが異なるそれぞれの色の光によって照明され得ることを意味し、そのすべてが許容可能な高品質であり得ることを特定した。これは、従来のホログラフィでは不可能であった。さらに、ホログラフィの分野における著しい先入観および従来の期待に反する。

広義には、本発明者らは、単一の表示装置を使用して表示および照射されると、複数の画像を形成する１つの（すなわち、単一）ホログラムを提供することができる方法およびシステムを考案した。ホログラムは、表示装置のすべての画素を埋めることができる。ホログラムの各（すなわち、すべて）画素は、複数の画像のそれぞれに寄与し得る。例えば、適切に照明されたときに、単一の表示装置を使用して、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、および青色（Ｂ）の画像を（実質的に）同時に形成することができる単一のホログラムを提供することができる。これは、Ｒ、Ｇ、Ｂの各対象画像の画像内容が異なっていても可能である。これは、Ｒ、Ｇ、およびＢターゲット画像のそれぞれの画像コンテンツが互いに物理的に重なり合う場合、または再生平面上で互いに空間的に異なる場合でも可能である。

本開示の方法は、広義には、複数の別個の個々のホログラムを計算することと、単一の表示装置の共通（すなわち、同じ）画素に単一のホログラムを表示することによって、それらのホログラムのそれぞれを同時に適切に表すことができる最適化を識別することとを含む。例えば、これは、複数の波長のそれぞれについて個別にターゲット画像の別個のホログラムを計算すること、例えば、従来の多色ホログラフィでよく知られているように、別個の赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、および青（Ｂ）のホログラムを計算することを含んでもよい。しかしながら、従来の実施から逸脱して、本開示の方法は、複数の個々のホログラムのそれぞれの対応するホログラム画素に必要な位相遅延を達成するために、表示装置の各セルが駆動され得る１つまたは複数の電圧を考慮する。次に、知的に選択されたバイアスを適用し、計算品質の最適化方法を使用することによって、個々のホログラムは単一の最適化されたホログラムに組み合わされ、それに応じて表示装置を較正および駆動することができる。このアプローチの成功の鍵は、適切な選択選択肢を提供するために「位相ラッピング」を包含することである。

したがって、実際には、本明細書に開示される方法は、複数の個々のホログラムの各々を同時に十分に良好に表す最適化されたホログラムを特定する。したがって、本方法は、各ホログラムが最適化されたホログラムによって適切に表され、単一の表示装置を使用し、表示装置用の１つの（共通の）較正を使用してそのそれぞれの光源によって照明され得るため、各個々のホログラムを別々に表示する必要性を排除する。さらに、各ホログラムを同時に表す最適化されたホログラム（または、共通較正）は、表示装置全体にわたって表示することができ、それにより、各画像の良好な画質および低ノイズが可能になる。これは驚くべきことであり、従来のホログラフィック技術と比較して、大幅なスペースおよび経済的節約を提供する。また、多色プロジェクタの複雑さも大幅に低減される。いくつかの実施形態では、３つではなく、１つの表示装置（および関連する光学系および電子機器）のみが必要である。

本開示の方法は、いわゆる「位相ラッピング」（または、「相反復」）の利点を考慮して利用する。本発明者らは、ＬＣセルが任意の所与の波長に対して２πの位相遅延を提供するのに必要な最小電圧よりも大きい電圧まで駆動されるときに位相ラッピングが生じることを観察した。従来のホログラフィでは、表示装置の各セルは、照明光の所与の波長に対して、そのセルの特定の位相遅延を達成するのに必要な最小電圧までしか駆動されない。しかしながら、本発明者らは、位相ラッピングのために、ＬＣセルに印加される電圧を任意の所与の波長に対して２πの位相遅延を提供するのに必要な最小電圧を超えて増加させると、セルによって提供される位相遅延がその波長に対して２πを超えて増加することになることを認識した。さらに、彼らは、実際には、セルが付与するリタデーションが２πの繰り返し周期で反復的であることを認識している。これは、セルが０～２πの間で付与する位相差／位相遅延が２π～４πの間で繰り返されることを意味する。したがって、「θ」の位相遅延は、「θ＋ｍ２π」において付与される位相遅延と同じであり、「ｍ」は任意の非ゼロの整数である。例えば、πの位相遅延の効果は、３πの位相遅延の効果などと同じである。

したがって、本発明者らは、所与の波長の光に対して同じ位相差効果を有する複数の異なる位相遅延値（すなわち、０～２πの間の１つの値、２π～４πの間の別の値などである）が存在すること、すなわち、同じ方法でその波長の光を空間的に変調する複数の異なる位相遅延値が存在することを認識した。本発明者らは、これに対応して、所与の波長の光に対して所望の位相遅延を提供するために、特定のタイプおよび厚さのＬＣセルを駆動することができる複数の異なる電圧が存在することを認識した。これを念頭に置いて、本発明者らは慣例から逸脱し、少なくともいくつかの状況では、異なるそれぞれの光の波長によって照明される複数の異なるホログラムのそれぞれについて、同時に、それぞれの所望の位相遅延の少なくとも許容可能な近似を提供するように選択され得る共通電圧を識別することが可能であることをさらに認識した。したがって、共通電圧が画素ごとに識別される場合、結果は、複数の異なるホログラムのそれぞれを同時に表す最適化された単一のホログラムに対応する電圧画素駆動値のセットとすることができる。したがって、複数の個別の単色ホログラムの代わりに、単一の最適化されたホログラムを使用することができる。これはこれまで不可能であった。

本発明者らは、典型的には、最適化されたホログラムの各画素についてそのような共通電圧を識別するために、表示システムは、（表されるべき異なるホログラムに対応する）異なる波長の少なくとも一部、場合によってはすべてについて必要な位相遅延を達成するための複数の電圧オプションを提供する電圧範囲で駆動されるように構成される必要があることを認識した。例えば、表示システムが、異なるそれぞれの波長の光による照明のために構成された、異なるそれぞれの色の複数の単色ホログラムを表すための単一ホログラムを提供するように構成されている場合、表示装置のセルが、より長波長のホログラムの全範囲の位相遅延を達成するために必要な比較的高い電圧で駆動されると、より短波長の光に何が起こるかを考慮することができる。例えば、以下の詳細な例からさらに理解されるように、個々の赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、および青色（Ｂ）ホログラムが単一の最適化されたホログラムに置き換えられる場合、表示システムは、３色のうちで最も長い波長を有する赤色光に対して０～２πの位相遅延範囲を提供する電圧範囲内で少なくとも駆動される必要があり得る。そのような範囲は、例えば、緑色ホログラムの各位相遅延値に対して２つの電圧レベルオプション、および青色ホログラムの各位相遅延値に対して２つまたは３つの電圧レベルオプションを提供することができる。少なくとも場合によっては、赤色ホログラムの少なくともいくつかの位相遅延値についても複数の電圧レベルオプションを可能にするために、表示システムをまだ高い電圧値に駆動することが望ましい場合がある。

したがって、本発明者らは、単一の最適化されたホログラムを介して、複数の異なるホログラムを同時に効果的に表示および照射するために、表示装置のセルの単一の共通の符号化（または、「構成」）を使用することが可能であることを確認した。符号化は、複数の個別波長ホログラムのそれぞれを同時に厳密に表すために、表示装置の各セルに「ベストフィット」または「最適化」電圧を印加することを含む。セルの少なくとも一部に印加される電圧は、ホログラムの少なくとも１つに対応する光の波長に対して、完全な２πの位相遅延を達成するために必要な最小電圧よりも高くてもよい。したがって、印加される電圧は、表示装置上のホログラムのうちの１つまたは複数を表すために従来予想または要求されるよりも高くてもよい。

実際には、最適化されたホログラムを表示するとき、表示装置のセルは、最適化された（多波長）ホログラムが表す複数のホログラムのそれぞれについて、隣接する階調間に同じ所定の電圧ギャップを提供するように較正される。これは、少なくとも１つのホログラム（例えば、青色（Ｂ）光などの比較的短い波長の光で照明されるホログラム）について、それぞれの２π位相遅延範囲を細分するためにより少ない階調を利用するために、理想的な解像度よりも低い解像度を使用することを必要とする場合があるが、本発明者らは、結果として得られる画像が依然として許容可能な高品質であることを見出した。したがって、バランスをとると、本明細書に開示される方法およびシステムは、単一の表示装置を複数のホログラムの同時表示に使用することを可能にするので非常に有益である。例えば、これにより、従来のＦＳＣ技術に関連する典型的な犠牲を伴うことなく、１つの表示装置が赤／緑／青（ＲＧＢ）ホログラムのグループを同時に表示することが可能になる。これは、結果として生じる光学システムのコンパクトさおよび効率ならびにその経済的費用効果の点で大きな利点を有する。

本明細書に開示される方法およびシステムは、添付の図面に関連してさらに理解され得る。

図４は、ＬＣＯＳ上に表示され、対応するそれぞれの色の光で照明されたときの、赤、緑、および青（ＲＧＢ）ホログラムのそれぞれについて、例示的な表示装置（この場合、ＬＣＯＳ ＳＬＭ）によって提供可能な位相遅延（０～２πの範囲内）の電圧依存性を示す。図４の一番上の線４１０から分かるように、ＬＣＯＳは、赤色光に対して全範囲の位相遅延を提供するために、０Ｖと５．０Ｖとの間で駆動されなければならない。図４の中央線４２０から分かるように、ＬＣＯＳは、緑色光の全範囲の位相遅延を提供するために０Ｖ～２．０Ｖの間で駆動される必要があるだけである。図４の下部線４３０から分かるように、ＬＣＯＳは、青色光の全範囲の位相遅延を提供するために０Ｖ～０．７Ｖの間で駆動される必要があるのみである。

図５は、ｘ軸に沿って０～２πの位相遅延範囲を細分する、ＧＬ０～ＧＬ１２７の範囲の１２８の可能なホログラム階調があることを示している。本開示は１２８階調の使用に限定されないが、これは７ビット駆動方式を使用する表示装置に一般的である。図５はまた、赤５１０、緑５２０、および青５３０の光の波長のそれぞれについて、０～２πの位相遅延範囲を１２８の離散階調に均一に細分化して示す、３列のヒストグラムを示す。図４が示すように、各色が１２８個すべての階調を使用して同じ解像度で表される場合、従来、隣接する階調間の電圧ギャップが波長依存性であるように、各色について完全な０～２πの位相遅延範囲の２πの最大位相遅延を達成するために異なるそれぞれの電圧が必要とされる。したがって、従来、表示装置は、各色のホログラムが１２８の階調すべてを使用して表示され得るように、各それぞれの色（または、複数の表示装置が設けられ、各々が単一のそれぞれの色に合わせて較正される）のホログラムの別個の較正のために配置される。したがって、赤色光は、この例では、隣接する階調間に約４０ｍＶのギャップを有するが、緑色光は、隣接する階調間に約１５．６ｍＶのギャップを有し、青色光は、隣接する階調間に約５．５ｍＶのギャップを有する。

本発明者らは、慣例に反して、ＬＣデバイスのセルの単一の共通の較正を提供して、複数のホログラムを同時に効果的に表すことが可能であり、各ホログラムは、異なるそれぞれの波長の光による照明のために構成されることを見出した。これは、本開示による単一の最適化されたホログラムによって表される３つのホログラム（ＲＧＢ）について、単一の表示装置による共通の電圧範囲にわたる送達可能な位相遅延をそれぞれ表す３つの列を含む図６に示されている。この例では、表示装置は図４の例示的な表示装置と同様であり、図示の電圧範囲は０～５．０Ｖである。

図６に見られるように、本発明者らは、より短い２つの波長（緑色６２０および青色６３０）のそれぞれの光による照明のためにそれぞれ構成されたホログラムの位相角の範囲を効果的に拡張して、より長い波長（赤色６１０）の光による照明のために構成された第３のホログラムのために送達可能な完全な０～２πの位相遅延範囲のための十分な（０～５．０Ｖ）電圧範囲を提供した。０～５．０Ｖの電圧範囲は、３つのホログラムのそれぞれについて１２８の階調（ＧＬ０～ＧＬ１２７）に細分される。

緑色光６２０の場合、電圧範囲０～５．０Ｖは３πより大きい最大位相遅延を可能にし、青色光６３０の場合、電圧範囲０～５．０Ｖは６πより大きい最大位相遅延を可能にする。しかしながら、位相ラッピングにより、「θ」の位相角における位相遅延は、「θ＋ｍ２π」において付与される位相遅延と同じになる（ここで、「ｍ」は任意の非ゼロ整数である）。したがって、位相角の範囲のこの拡張は、実際には、緑色および青色ホログラムによって付与され得る離散位相遅延の数を増加させない。反対に、これは、緑色波長および青色波長の各々の完全な０～２π範囲がより小さいそれぞれの電圧範囲に圧縮され、それに応じて１２８未満の離散階調に細分されることを意味する。この例では、図６から分かるように、緑色光の完全な０～２π範囲は７３階調（ＧＬ０～ＧＬ７２）に圧縮され、青色光の完全な０～２π範囲は約３６階調（ＧＬ０～ＧＬ３５）に圧縮される。逆に、赤色ホログラムは、０～５．０Ｖの電圧範囲にわたって０～２πの位相遅延範囲を有し、それにより、赤色ホログラムが付与することができる可能な位相遅延を分配するために、１２８の階調すべてが使用される。その結果、緑色および青色のホログラムのそれぞれの解像度は、赤色のホログラムの解像度と比較して低下し、青色のホログラムの解像度は、緑色のホログラムの解像度と比較して低下する。これは、従来、それらのホログラムが表示装置上に表示されて照明されるとき、対応する緑色画像および青色画像に悪影響を及ぼすことが予想され得る。しかしながら、本発明者らは、本明細書に開示される最適化された多波長ホログラムでは、この影響は重要ではないことを確認した。

図７は、図４～図６の例示的な表示装置を使用し、図６に関連して上述したＧおよびＢホログラムの共通のＲＧＢセル較正および拡張位相角（すなわち、位相ラッピング）を使用して、３つの個々のＲＧＢホログラムに基づいて多波長ホログラムを決定する方法の一例を示す。この例は、例示的なものにすぎないと見なされるべきであり、この例で使用される色および位相遅延値は、本開示を限定するものではない。図７では、３つの列はそれぞれ表示装置の同じ単一セルに関連し、各色のホログラムが個別に表示された場合にその単一セルに表示される３つのホログラムのそれぞれの画素に必要な位相遅延（したがって、対応する必要電圧）を示している。赤色ホログラム７１０に必要な位相遅延は、第１の破線７１１で示されており、πをちょうど下回る位相遅延であるように示されており、これは赤色ホログラムのほぼ階調ＧＬ６２に対応する。緑色ホログラム７２０に必要な位相遅延は、第２の破線７２１によって示されており、やはりπを下回る位相遅延であるように示されており、これは緑色ホログラムのほぼ階調ＧＬ３３に対応する。青色ホログラム７３０に必要な位相遅延は、第３の破線７３１で示されており、同様にπ未満の位相遅延であることが示されており、これは青色ホログラムのほぼ階調ＧＬ１４に対応する。したがって、３つのホログラムのそれぞれにおいて、必要な位相遅延の大きさがこの画素について同様であっても、共通の較正およびＬＣセルによって送達可能な位相遅延の波長依存性のために、それぞれの位相遅延に対応する階調は、この例では波長ごとに（著しく）異なる。

この例では、緑７２０および青７３０のホログラムに位相ラッピングが使用されているため、緑７２０および青７３０の列はそれぞれ、そのそれぞれの色の所望の位相遅延を付与することができる複数の可能な電圧および複数の対応する階調を示す。したがって、緑色７２０の列は、ＧＬ１０４に第４の破線７２１’を示し、そこでは緑色ホログラムの所望の位相遅延が付与される。青色の列７３０は、約ＧＬ５３にある第５の破線７３１’と、約ＧＬ１２４にある第６の破線７３１’’とを示し、それぞれにおいて青色ホログラムの所望の位相遅延が付与される。したがって、この例では、選択された表示装置の０～５．０Ｖの電圧範囲内で、必要な赤色位相遅延を表すための階調の１つの可能な選択肢、必要な緑色位相遅延を表すための階調の２つの可能な選択肢、および必要な青色位相遅延を表すための３つの可能な選択肢がある。図７の３つの列上の破線によって示される可能なオプションは、それぞれの色について「理想的な」ホログラム値と呼ばれることがある。しかしながら、本発明者らは、少なくとも１つの色（多くの場合、３つの色すべての理想的な値とは異なる）について理想値とは異なるホログラム値を使用することが可能であり、依然として各ホログラムを十分に正確に表すことが可能であることを見出した。

本発明者らは、複数の色（すなわち、１つまたは複数のそれぞれ異なる波長の光によって照明されるように構成されたホログラムの場合）のうちの１つまたは複数のホログラムに所望の／必要な位相遅延を付与するための多数の選択肢をこのように提供することにより、２つ以上の異なるホログラムに同時に必要とされる位相遅延の少なくとも許容可能な近似である位相遅延を見つける範囲が提供されることを認識した。言い換えれば、異なるそれぞれの色の複数のホログラムのそれぞれを表示し、位相ラッピングの効果を利用し、それによってそれらのホログラムの少なくとも１つの対応する拡張された範囲の位相角を送達するために増加した電圧範囲を使用するための共通のセル較正の使用は、複数の個々のホログラムを同時に表す（したがって、代わりに使用する）ことができる単一の「最適化された」または「最適に適合した」ホログラムを決定することを可能にする。これは顕著であり、これまで従来のホログラフィック技術を使用しては不可能であった。

図６の例には示されていないが（本開示は限定されない）、本発明者らは、いくつかの実施形態では、最長波長ホログラム（すなわち、上記の例の赤色ホログラムの場合）に対して０～２πの位相遅延を達成するために必要な典型的な電圧範囲を超えても、表示装置の駆動電圧範囲を拡張することが適切であり得ることを確認した。これは、単一の最適化されたホログラムを提供するために、個々のホログラムの各（すなわち、１回ごと）に必要な位相遅延の少なくともいくつかを送達するための２つ以上のオプションを提供し、それによってそれらの間の許容可能な妥協点を見つける可能性を改善することである。さらに、セルのタイプ（例えば、ＬＣの複屈折）および／またはセルギャップ／厚さを考慮することができ、表現されるべき選択された画像または画像のセットに対して所望の位相遅延の最適化された組み合わせを達成するのを支援するために特に選択することができる。

図７の例では、直線７５０は、約ＧＬ４６で３つの列７１０、７２０、７３０の各々を横切って描かれている。この直線７５０は、「最良適合」または「最適化された」ホログラム値（すなわち、最適化された位相遅延値）を表し、これは、本明細書に開示された方法に従って決定された、対応する「最適化された」画素電圧駆動レベルを有し、表示装置の単一の画素上で同時に３つのホログラム７１０、７２０、７３０のそれぞれを表す。最適化されたホログラム値を決定する方法の一実施形態を以下に詳述する。しかしながら、広義には、図７のグラフ図は、最適化されたホログラム値が、互いに比較的近い３つのホログラム値（３つのそれぞれの単色ホログラムのそれぞれに必要な位相遅延を表す１つの値）に基づく平均値であることを示している。この例では、これらの値は、赤色ホログラム値７１１（ＧＬ６２）、第１の緑色ホログラム値７２１（ＧＬ３３）、および第２の青色ホログラム値７３１’（ＧＬ５３）である。この例の最適化されたホログラム値は、３つの単色ホログラム値の単純な「平均」値ではなく、重み付けされている。以下の実施形態の詳細な説明は、そのような重み付けに対する可能な手法に関するより多くの情報を提供する。しかしながら、少なくともいくつかの状況では、重み付けなしで、および／または以下に詳述するものとは異なる重み付け方式を使用して、最適化されたホログラム値を導出することが可能である。

この画素に対して導出された最適化されたホログラム値７５０は、３つすべての（ＲＧＢ）ホログラムの対応する画素を同時に表すために、表示装置のセルに表示されてもよい。最適化されたホログラム値を決定する処理は、３つのホログラムのすべての画素に対して実行されてもよく、３つのホログラムの全体が、３つの色のそれぞれの光によって表示および照射され得る単一の最適化されたホログラムによって表されてもよい。さらに、この処理は、複数のホログラムに対して、例えば、画像の映像レートシーケンス内の連続画像を表すように、迅速に連続して繰り返すことができる。

一実施形態によれば、本明細書に開示される最適化されたホログラムを決定する方法は以下の通りである。

１．ターゲット画像を個々の波長固有のチャネル、例えばＲ、Ｇ、Ｂチャネルに分離する。これは従来のホログラフィから知られており、任意の適切な方法で実行することができる。
２．任意の適切なホログラム計算技術を使用して、Ｒ、Ｇ、Ｂホログラムなどのチャネルの個々のホログラムを計算する。これは、個々の各色ホログラムの各画素に対してそれぞれの位相遅延値を提供する。
３．最長波長（赤）に対して０～２πの位相遅延範囲を得るのに必要な少なくとも電圧範囲が提供されるように、少なくともより短い波長（すなわち、緑色および青色）について画素電圧範囲を拡大する。すべての波長の画素電圧範囲を拡大することができる。画素電圧拡張の程度に関する決定は、利用される波長領域全体（すなわち、３つの色の波長に及ぶ）についての表示装置のルックアップテーブル（ＬＵＴ：Ｌｏｏｋ－ｕｐ Ｔａｂｌｅ）に基づくことができ、これは電圧値を回折波の位相シフトに関連付ける。各画素について、各色に対して（０～２πの範囲内で）付与される必要な位相遅延を識別することができ、その位相遅延の任意の利用可能な繰り返しを、２πを上回る、また２πの次に近い整数倍を上回る対応する距離／位相差で識別することができ、その結果、各画素のすべての可能な「理想的な」Ｒ、Ｇ、およびＢホログラム値を識別することができる。
４．各画素について、すべてのアドレス可能な電圧についてすべての可能なＲ、Ｇ、およびＢの組み合わせを計算することによって複雑な位相混合を個別に実行して、「理想的な」Ｒ、Ｇ、およびＢ位相の値間の最小距離を有する組み合わせを決定する。これは、可能な電圧の対を調べることによって行うことができ、各対は、一方の色を表す電圧レベルと、それぞれの他方の色を表す電圧レベルとを有し、したがって、この例では、Ｒ－Ｇ、Ｇ－ＢおよびＢ－Ｒの対がある。ここで、「選択バイアス」（Ｓｂ：ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｂｉａｓ）を適用して、任意のＲ－Ｇ、Ｇ－Ｂ、および／またはＢ－Ｒ距離の重みを増減することができる。換言すれば、各対（Ｒ－Ｇ、Ｇ－Ｂ、Ｂ－Ｒ）における２つの階調間の差を別々に／独立して重み付け、またはバイアスすることが可能である。この例を以下の式（２）に示す。複雑な位相混合がどのように実行されるかの正確な詳細にかかわらず、このステップは、比較的互いに近く、そのそれぞれの画素に対して最適化されたホログラム値を提供するために組み合わされるべき３つのホログラム値（それぞれの色に対して１つ）を識別する。
５．各画素について、ステップ４で特定された理想的なＲ、Ｇ、およびＢ画素値を組み合わせて、平均値を提供する。この段階で、「平均化バイアス」（Ａｂ：ａｖｅｒａｇｉｎｇ ｂｉａｓ）を適用して、他の波長よりも特定の波長に優先度を傾けることができる。この例を以下の式（３）に示す。平均値は、３つすべてのホログラムの対応する画素を同時に表すために、単一の最適化されたホログラム値として使用できる階調（例えば、ＧＬ０～ＧＬ１２７）を含む共通のＲ、Ｇ、およびＢ画素値を割り当てるために使用される。
６．上記のステップが画素ごとに実行されると、最適化された多波長ホログラムが出力される。

上記のステップ４および／またはステップ５で使用される重み／バイアス値は、例えば、画像のタイプおよび／またはＬＣセルのタイプもしくは厚さに基づいて、および／または任意の他の適切な要因に基づいて変化し得る。重み／バイアス値は、予め決定されてもよく、および／または１つまたは複数の瞬時条件に基づいて計算されてもよい。

ステップ４で、各色にどの「理想的な」ホログラム値を使用すべきかを選択する１つの方法の例は、以下の式（２）で与えられる。
｜（Ｒ－Ｇ）＊ＲＧｂ｜＋｜（Ｇ－Ｂ）＊ＧＢｂ｜＋｜（Ｂ－Ｒ）＊ＢＲｂ｜ （２）

ここで、例えば、「Ｒ」＝対応する色（これは、図７の例のように、階調、ＧＬ０～ＧＬ１２７として表すことができる）の「理想的な」ホログラム値（１つ）の画素値／秒であり、例えば、「ＲＧｂ」＝赤－緑バイアス（すなわち、赤および緑の値の近さに置かれる重要度／優先度／重要度を表す係数である）である。

ステップ４でＲ／Ｇ／Ｂ値の組み合わせが選択されると、ステップ５で平均ホログラム値を計算する１つの方法の例は、以下の式（３）で与えられる。

例えば、Ｒｂ＝赤色バイアスであり、他のものよりも特定の波長（複数可）に有利であることを示し、バイアス値が１であることは、そのそれぞれの波長にバイアスがないことを意味する。

上記の実施形態では、ＬＣセルは光の位相を変調するように構成されている。したがって、光変調値は、位相ベースのホログラムの位相の値に対応する。他の実施形態では、ＬＣセルは、光の振幅または振幅と位相の両方を変調するように構成されてもよい。特に、光変調値が振幅限定ホログラムの振幅値または完全に複雑なホログラムの振幅値および位相の値に対応する場合、同じ原理を適用して組み合わせた（例えば、平均）光変調値（対応する駆動電圧を有する階調）を決定できることを当業者は理解するであろう。これは、上述の「位相ラッピング」の現象と同様に、ＬＣセルが、異なる駆動電圧に応答して実質的に同じレベルの振幅／振幅および光の位相変調を提供し得るという事実に起因する。例として、英国特許第２，５７６，５５２号明細書は、ＬＣセルの複素変調挙動を記載している。特に、光の単一波長の場合、電圧の関数としての複素平面における振幅および位相の特性曲線は、螺旋状の経路をたどる。したがって、螺旋経路のそれぞれの隣接する重なり合う／同心の螺旋部上の２つ以上の離散的な光変調レベル（対応する駆動電圧を有する階調）は、互いに実質的に同じ振幅および位相変調を供給するために利用可能であり得る。ＬＣセルの振幅変調挙動に関して同様の効果が観察され得る。したがって、本明細書で説明されるように、これらの効果を利用することによって、異なる波長／色の２つ以上の振幅、位相、または複雑なホログラムを表す単一の多波長ホログラムを計算することが可能である。

本発明者らは、本明細書に記載のように計算された多波長ホログラムが、複数の個々のカラーホログラムに対する高品質の近似を提供できることを見出した。これは、本明細書の図８および図９に示されている。

図８は、ターゲット画像の個々のＲ、Ｇ、およびＢホログラムを計算し、各ホログラムを別々に表示および照射し、対応するホログラフィック再構成（すなわち、（再生）画像）を再生平面で組み合わせて多色画像を形成するための、２つの既知の「最適化」技術を含む標準的なＧｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎ（ＧＳ）アルゴリズムを使用して得られた結果を示す。左上の画像８０１は、最適化されたＧＳホログラムからのＲＧＢ再構成多色画像である。右上の画像８０２は、個々の赤色再構成である。左下の画像８０３は個々の緑色の再構成であり、右下の画像８０４は個々の青色の再構成である。

図９は、本開示の多波長ホログラムを使用して得られた対応する結果を示す。図８の同じ最適化されたＧＳホログラムを、上記のステップ３～６に従って、「選択バイアス」（Ｓｂ）および「平均バイアス」（Ａｂ）を含む追加の処理に供して、本開示による最適化された多波長ホログラム（または「多波長キノフォーム」、（ＭＷＫ：ｍｕｌｔｉ－ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｋｉｎｏｆｏｒｍ））を形成した。左上の画像９０１は、最適化された多波長ホログラムからのＲＧＢ再構成多色画像である。右上の画像９０２は、開示された方法のステップ４で選択された赤色値を使用した個々の赤色再構成である。左下の画像９０３は、開示された方法のステップ４で選択された緑色値を使用する個々の緑色再構成であり、右下の画像９０４は、開示された方法のステップ４で選択された青色値を使用する個々の青色再構成である。

ホログラフィック再構成の「品質」は、コントラストおよび平均二乗誤差「ＭＳＥ」の２つの方法で定量化することができる。コントラストは、白領域（２５５、２５５、２５５）および黒領域（０、０、０）の上に２５×２５画素のサイズの正方形を指定し、減算する前にそれらの各々の平均グレースケール値を測定してコントラスト値を計算することによって測定される。コントラストが高いほど、再生フィールド／ホログラフィック画像は元のターゲット画像に対して真である。平均二乗誤差（ＭＳＥ：Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ）は、元の画像から再構成画像の画素ごとの強度差を取得することによって測定される。ＭＳＥが低いほど、元の画像よりも真であり、本発明者らの場合、元の／ソースの画像を対照画像として使用し、それに対して再構成を比較した。
表１：

上記の表１は、本明細書の図８および図９の画像のコントラストおよびＭＳＥの結果を示す。ＭＳＥ値の差はほとんどなく、コントラスト値も非常に類似している。したがって、本明細書に開示される多波長ホログラムによって生成される画像の品質は、従来のホログラフィによって生成される画像の品質に匹敵するが、それらの従来の技術が伴うシステムのバルク、財務コスト、および制御の複雑さなどの要因に関する犠牲、妥協、および困難はない。したがって、本明細書に開示される方法およびシステムは、従来のホログラフィに対して非常に重要な改善を含み、従来のホログラフィを使用する場合よりも、よりコンパクトに、より効率的に、かつ費用対効果的にマルチカラーホログラフィを提供する可能性を提供し、そのため、はるかに広い範囲の用途で提供され、よりアクセスしやすくなる。

図８および図９の例示的な画像は、異なるそれぞれの画像内容で、互いに空間的に分離された赤色、緑色、および青色の成分を有するが、この例は純粋に例示的なものであり、限定的であると見なされるべきではない。本明細書に開示される方法は、個々の色再構成が共通または重複する画像コンテンツを有するもの、および／または個々の色再構成が再生平面上で部分的または完全に空間的に重複するものを含む、任意のターゲット画像に対して実施することができる。さらに、本明細書に開示される方法は、適切に表示および照射されたときに、異なるそれぞれの再生平面上に複数の画像を提供するように構成されたものを含む、任意の種類の個々の波長ホログラムに適用することができる。したがって、本明細書で説明されるように計算された多波長ホログラムは、多重画像であってもよい。

上記の例では３つのホログラムが組み合わされているが、これを限定と見なすべきではない。開示された方法は、任意の複数のホログラム（すなわち、２つ以上のホログラムを組み合わせること）を組み合わせることに適用される。さらに、上述の例はＲ、Ｇ、Ｂホログラムを含むが、開示された方法は、任意の選択された個々の波長の光による照明のために構成されたホログラムに適用されてもよい。

追加の特徴
いくつかの実施形態では、光源は、レーザダイオードなどのレーザである。いくつかの実施形態では、受光面は、ディフューザなどのディフューザ面またはスクリーンである。本開示のホログラフィック投影システムを使用して、改良されたヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）またはヘッドマウントディスプレイを提供することができる。いくつかの実施形態では、ＨＵＤを提供するために車両に設置されたホログラフィック投影システムを備える車両が提供される。車両は、自動車、トラック、バン、トラック、オートバイ、電車、飛行機、ボート、または船などの自動車であってもよい。

本明細書に記載の方法およびプロセスは、コンピュータ可読媒体上で実施することができる。「コンピュータ可読媒体」という用語は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ：ｒａｎｄｏｍ－ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ：ｒｅａｄ－ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）、バッファメモリ、フラッシュメモリ、およびキャッシュメモリなど、データを一時的または永続的に格納するように構成された媒体を含む。「コンピュータ可読媒体」という用語はまた、命令が、１つまたは複数のプロセッサによって実行された場合に、機械に、本明細書に記載の方法論のうちの任意の１つまたは複数を全体的または部分的に実行させるように、機械によって実行するための命令を格納することができる任意の媒体、または複数の媒体の組み合わせを含むと解釈されるべきである。例では、命令は、ホログラム計算を実行するためのプロセッサ（例えばホログラムエンジン）によって、または表示装置を駆動するためのプロセッサ（例えば、電圧選択ユニットまたはディスプレイドライバ）によって実行されてもよい。「プロセッサ」という用語は、マイクロコントローラ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、または本明細書に記載の画像処理に適した任意の他のタイプのハードウェア構成要素を含んでもよい。

「コンピュータ可読媒体」という用語は、クラウドベースのストレージシステムも包含する。「コンピュータ可読媒体」という用語は、ソリッドステートメモリチップ、光ディスク、磁気ディスク、またはそれらの任意の適切な組み合わせの例示的な形態の１つまたは複数の有形かつ非一時的なデータリポジトリ（例えば、データ量）を含むが、これらに限定されない。いくつかの例示的な実施形態では、実行のための命令は、キャリア媒体によって通信されてもよい。このようなキャリア媒体としては、例えば、トランジェント媒体（例えば、命令を通信する伝搬信号）が挙げられる。

添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な修正および変形を行うことができることは当業者には明らかであろう。本開示は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内のすべての修正および変形を包含する。

１１０ 光源
１１１ コリメートレンズ
１１２ 出口波面
１２０ フーリエ変換レンズ
１２５ スクリーン
１４０ ＳＬＭ
２０２Ａ データ形成ステップ
２０２Ｂ データ形成ステップ
２１０ 入力画像
２１１Ａ 大きさの値の分布
２１１Ｂ 大きさの値の新しい分布
２１３Ａ 位相の値の分布
２３０ ランダム位相分布
２５０ 第１の処理ブロック
２５３ 第２の処理ブロック
２５６ 第３の処理ブロック
２５８ 処理ブロック
２５９ 第４の処理ブロック
２８０Ａ ホログラム
２８０Ｂ 第２の反復ホログラム
３０１ 平面アルミニウム電極
３０１ａ 画素
３０２ 単結晶シリコン基板
３０２ａ 回路
３０３ 配向層
３０４ 液晶層
３０５ 第２の配向層
３０６ 平面透明層
３０７ 単一の透明電極
３０８ 制御可能な位相変調素子
４１０ 一番上の線
４２０ 中央線
４３０ 下部線
５１０ 赤
５２０ 緑
５３０ 青
６１０ 赤色光
６２０ 緑色光
６３０ 青色光
７１０ 赤色ホログラム
７１１ 第１の破線
７２０ 緑色ホログラム
７２１ 第２の破線
７２１’ 第４の破線
７３０ 青色ホログラム
７３１ 第３の破線
７３１’ 第５の破線
７３１’’ 第６の破線
７５０ 直線
８０１ 左上の画像
８０２ 右上の画像
８０３ 左下の画像
８０４ 右下の画像
９０１ 左上の画像
９０２ 右上の画像
９０３ 左下の画像
９０４ 右下の画像

Claims (20)

1. １つの多波長ホログラムを使用して第１の画像および第２の画像を投影するように構成されたプロジェクタであって、
   前記プロジェクタは、前記多波長ホログラムを表示するための表示装置を備え、前記第１の画像は前記第２の画像とは異なり、前記多波長ホログラムは、前記第１の画像を投影するために第１の波長の光による照明のために構成され、前記多波長ホログラムは、前記第２の画像を投影するために第２のより短い波長の光による照明のためにさらに構成されている、
   プロジェクタ。
2. 前記第１の画像および前記第２の画像は、共通の再生平面上に投影される、
   請求項１に記載のプロジェクタ。
3. 前記表示装置が複数の画素を備え、各画素が、電圧駆動レベルの対応する第１の動作範囲内で、前記第１の波長において０～２πの範囲の位相変調値を提供するように構成可能であり、前記表示装置が、所定の最大数の離散位相変調レベルを使用して前記多波長ホログラムに位相変調を提供するように構成されており、
   前記プロジェクタは、電圧駆動レベルの前記第１の動作範囲以上の電圧範囲にわたって前記離散位相変調レベルを分配するように構成されたディスプレイドライバをさらに備える、
   請求項１に記載のプロジェクタ。
4. 前記プロジェクタは、前記第１の画像を形成するために前記第１の波長の光および前記第２の画像を形成するために前記第２の波長の光で前記多波長ホログラムを照明するように構成されている、
   請求項１に記載のプロジェクタ。
5. 前記多波長ホログラムは、前記第１の画像に対応する第１のセットのホログラム画素値を含む第１のホログラム、および前記第２の画像に対応する第２のセットのホログラム画素値を含む第２のホログラムのそれぞれの表現を含む、
   請求項１に記載のプロジェクタ。
6. 前記多波長ホログラムの各画素は、それぞれ前記第１のホログラムおよび前記第２のホログラムの対応する第１のホログラム画素値および第２のホログラム画素値から決定される合成ホログラム画素値を含む、
   請求項５に記載のプロジェクタ。
7. 前記表示装置の選択された画素について、前記第１のホログラムの少なくとも第１の画素駆動レベルを取得し、前記第２のホログラムの少なくとも第２の画素駆動レベルを取得し、前記第１の画素駆動レベルおよび前記第２の画素駆動レベルに基づいて、前記表示装置の前記画素の多波長画素駆動レベルを決定するように構成されたプロセッサをさらに含む、
   請求項１に記載のプロジェクタ。
8. 前記プロセッサが、前記表示装置の前記選択された画素について、前記第２のホログラムの複数の第２の画素駆動レベルを取得し、前記複数の第２の画素駆動レベルのそれぞれが、前記第２のホログラムの同じ光変調レベルに対応し、前記第１の画素駆動レベルと前記複数の第２の画素駆動レベルのうちの選択された１つとに基づいて前記多波長画素駆動レベルを決定するように構成されている、
   請求項７に記載のプロジェクタ。
9. 前記プロセッサが、前記表示装置の前記選択された画素について、前記第１のホログラムの複数の第１の画素駆動レベルを取得し、前記複数の第１の画素駆動レベルのそれぞれが、前記第１のホログラムの同じ光変調レベルに対応し、前記複数の第１の画素駆動レベルのうちの選択された１つと前記複数の第２の画素駆動レベルのうちの選択された１つとに基づいて前記多波長画素駆動レベルを決定するようにさらに構成されている、
   請求項８に記載のプロジェクタ。
10. １つの多波長ホログラムを使用して第１の画像、第２の画像、および第３の画像を投影するように構成されたプロジェクタであって、
    前記第１の画像、前記第２の画像、および前記第３の画像の各々は異なり、前記多波長ホログラムは、前記第１の画像を投影するために第１の波長の光による照明のために構成され、前記第２の画像を投影するために第２のより短い波長の光による照明のためにさらに構成され、前記第３の画像を投影するために第３の最も短い波長の光による照明のためにさらに構成されている、
    請求項１に記載のプロジェクタ。
11. 多波長ホログラムを決定する方法であって、
    前記多波長ホログラムは、それが画素化表示装置上に表示され、第１の画像を投影するために第１の波長の光によって、および第２の画像を投影するために第２のより短い波長の光によって照明されると、前記第１の画像および前記第２の画像を投影するように構成され、前記第１の画像は前記第２の画像とは異なり、前記方法は、
    ｉ）前記第１の画像に対応する第１のセットのホログラム画素値を含む第１のホログラムを取得するステップと、
    ｉｉ）前記第２の画像に対応する第２のセットのホログラム画素値を含む第２のホログラムを取得するステップと、
    ｉｉｉ）電圧駆動レベルの第１の動作範囲を決定するステップであって、前記表示装置の各画素は、前記第１の動作範囲内で駆動されると、前記第１の波長で全範囲の光変調値の光変調値を提供するように構成可能である、ステップと、
    ｉｖ）前記表示装置の離散光変調レベルの最大数を決定し、電圧駆動レベルの前記第１の動作範囲以上の電圧範囲にわたってそれらの離散光変調レベルを分配するステップと、
    ｖ）前記第１のホログラムおよび前記第２のホログラムの各々を別々に表すために前記分散離散光変調レベルを使用し、前記第１のホログラムに対する対応する画素駆動レベルの第１のセットおよび前記第２のホログラムに対する画素駆動レベルの第２のセットを出力するステップと、
    ｖｉ）多波長ホログラムの各画素について、前記第１のホログラムの対応する画素を表すために、前記画素駆動レベルの第１のセットから第１の駆動レベルを選択し、前記第２のホログラムの対応する画素を表すために、前記画素駆動レベルの第２のセットから第２の駆動レベルを選択し、前記選択された第１の駆動レベルおよび前記選択された第２の駆動レベルに基づいて、その画素の多波長駆動レベルを出力するステップと、
    ｖｉｉ）前記多波長ホログラムを形成するために、画素ごとに前記多波長駆動レベル出力を使用するステップと、
    を含む、
    方法。
12. ステップｖｉ）において、前記選択された第１の駆動レベルおよび前記選択された第２の駆動レベルは、大きさが互いに近い、
    請求項１１に記載の方法。
13. 前記光変調値は位相変調値を含み、前記第１の波長における前記位相変調値の全範囲は０～２πである、
    請求項１１に記載の方法。
14. 前記多波長ホログラムを前記表示装置に表示するステップをさらに含み、前記第１の画像および前記第２の画像を投影するために、前記第１の波長の光および前記第２の波長の光で前記表示装置を照明するステップをさらに含む、
    請求項１１に記載の方法。
15. 請求項１１に記載の方法を実行するように構成されたプロセッサ、プロセッサによって実行されたときに請求項１１に記載の方法を実行する命令を含むコンピュータ可読媒体、または請求項１１に記載の方法によって形成された回折構造。
16. 多波長回折構造を表示するために画素化表示装置を駆動するための電圧選択ユニットであって、
    前記多波長回折構造が、第１の回折構造および第２の異なる回折構造のそれぞれを表すように構成され、前記電圧選択ユニットが、
    ａ）前記表示装置が駆動され得る第１の複数の離散電圧レベルを決定し、前記第１の複数の離散電圧レベルの各レベルは、その光変調値の全範囲において、前記第１の回折構造のそれぞれの離散光変調値に対応し、
    ｂ）前記第２の回折構造の光変調値の全範囲を超える範囲内で、前記第１の複数の離散電圧レベルの各レベルと前記第２の回折構造のそれぞれの離散光変調値との間の対応関係を決定し、
    ｃ）前記第１の複数の離散電圧レベルを使用して、前記表示装置上の前記第１の回折構造を表すための画素駆動値の第１のセットと、前記表示装置上の前記第２の回折構造を表すための画素駆動値の第２のセットとを決定し、
    ｄ）前記表示装置の各画素について、前記第１の回折構造についての前記画素駆動値および前記第２の回折構造についての前記画素駆動値のそれぞれを表す最適化された画素駆動値を選択するように構成されている、
    電圧選択ユニット。
17. 前記多波長回折構造は、第３の異なる回折構造も表すようにさらに構成され、前記電圧選択ユニットは、
    ステップｂ）において、前記第１の複数の離散電圧レベルの各レベルと、前記第３の回折構造の光変調値の全範囲を超える範囲内の前記第３の回折構造のそれぞれの離散光変調値との間の対応関係も決定し、
    ステップｃ）において、前記第１の複数の離散電圧レベルを使用して、前記表示装置上の前記第３の回折構造を表すための画素駆動値の第３のセットも決定し、
    ステップｄ）において、前記表示装置の各画素について、前記第１の回折構造についての前記画素駆動値および前記第２の回折構造についての前記画素駆動値および前記第３の回折構造についての前記画素駆動値のそれぞれを表す最適化された画素駆動値を選択するように構成されている、
    請求項１６に記載の電圧選択ユニット。
18. 前記回折構造のうちの少なくとも一方の少なくとも一方の画素について、前記位相変調値に対応する２つ以上の可能な電圧レベルが存在し、前記電圧選択ユニットは、前記表示装置の各そのような画素について、前記第１回折構造、前記第２回折構造、および前記第３回折構造のそれぞれについての１つの可能な電圧レベルを表す最良適合電圧レベルを特定するように構成されている、
    請求項１７に記載の電圧選択ユニット。
19. 前記第１の回折構造、前記第２の回折構造および前記第３の回折構造を表すための電圧レベルの２つ以上の可能な組み合わせがある画素ごとに、前記電圧選択ユニットが、
    電圧レベルのすべての可能な対を決定し、各対は、１つの回折構造についての可能な電圧レベルと、それぞれの他の回折構造のうちの１つについての対応する可能な電圧レベルとを含み、
    可能な各対における２つの電圧レベルの大きさの差を決定し、
    各回折構造とそれぞれの他のものの各々との間の電圧レベルの大きさの差を表す、その画素についての３つの可能な対の最適化された組み合わせを特定し、前記最適化された組み合わせにおける対についての大きさの総差は最小化される、ように構成されている、
    請求項１８に記載の電圧選択ユニット。
20. 前記最適化された組み合わせにおける前記３つの対のうちの少なくとも一方の前記２つの回折構造間の電圧レベルの大きさの前記差にバイアスが印加される、
    請求項１９に記載の電圧選択ユニット。
    
    

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