JP4443046B2

JP4443046B2 - Projection system based on reconfigurable holographic optics

Info

Publication number: JP4443046B2
Application number: JP2000559488A
Authority: JP
Inventors: ディー．ワルダーンジョナサン; エム．ポポビッチミラン; ジェイ．ストレイジョン
Original assignee: エスビージーラブズインコーポレイテッド
Priority date: 1998-07-10
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2019-07-09
Also published as: KR20010074685A; WO2000003309A1; JP2003524790A; AU4981599A; EP1105779A1; CA2336780A1

Description

【０００１】
この出願は、１９９８年７月１０に提出した米国暫定出願第６０/０９２,２５９号の利益を請求する。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、投影システム、より詳細には１つ以上のホログラフィー光学素子を利用した投影システムに概ね関する。
【０００３】
（背景技術）
投影システムは、画像または連続画像をスクリーンに投影することにより、これらの画像を表示するように機能する。これらのシステムは、大きな視野を快適な観察距離において獲得するため、大きな観察領域を有するように投影スクリーンを通常必要とする。投影画像は、個々の投影システムに応じて寸法が変化する。例えば、映画館で用いられる投影システムは、極めて大きな投影画像を表示することが可能であるのに対し、会社での発表のために用いられる投影システムは、はるかに小さな投影画像に一般的に制限される。
【０００４】
図１を参照すると、代表的な従来技術の投影システム１０が示されている。この投影システム１０は、プロジェクタ１２と投影スクリーン１４とを有する。プロジェクタおよびスクリーンは、入力画像を表示するように機能し、この入力画像をスクリーンに投影することによって生成される。プロジェクタ１２は、画像発生器１６と投影光学系１８とからなる。画像発生器１６は、白色照明光を入力画像表示パネル２２に与える光源２０を有する。一例として、入力画像表示パネル２２は、光源からの光によって照明される反射型液晶表示（ＬＣＤ）パネルであって良い。この表示パネルは、スクリーンに投影されるべき入力画像を生成する。
【０００５】
画像発生器１６はまた、光源２０と表示パネル２２との間に配置されるカラーフィルタ２４も有する。このカラーフィルタ２４は、照明光の選択領域のみを通過させるように機能し、この選択領域は特定のピーク波長を有する。カラーフィルタは、三刺激カラー光、すなわち赤色，青色および緑色光を順次伝達させるように調整可能である。一般的に、このカラーフィルタは３つの透明部位を持つ回転ディスクである。これらの部位は、照明光をフィルタリングするための色材を有する。このディスクの回転は、色が交互にディスクを介して順次伝達されることを可能にする。特定ピーク波長の光が表示パネル２２に入射する場合、特定ピーク波長に対応した入力画像が表示パネル２２に表示される。次に、この入力画像は、投影光学系１８を介し投影スクリーン１４に向けて投影される。この処理は、他の２つの色に対して繰り返される。三刺激カラー光に対応した入力画像の順次投影は、表示画像が投影スクリーンにカラーとなって現れることを可能にする。投影スクリーン上の表示画像の大きさは、投影光学系１８ならびにこの投影光学系と投影スクリーンとの距離によって概ね決定される。
【０００６】
投影光学系１８は、画像発生器１６からの投影入力画像を拡大するための１つ以上のズームレンズ（図示されず）を有する。これらズームレンズは、的確な拡大率をもたらすように投影光学系内で選択的に位置を変えられる。投影光学系はまた、投影スクリーン１４に投影画像の焦点を合わせるための１つ以上の焦点合わせレンズ（図示されず）も有する。投影スクリーンは、「反射観察」、すなわち投影スクリーンに関してプロジェクタ１２に面する側からの観察のため、または「透過観察」、すなわち投影スクリーンに関してプロジェクタの反対側からの観察のために形成されることができる。
【０００７】
Ichikawa らに対する米国特許第５,７３７,０４０号は、受動ホログラムアレイをカラーフィルタとして機能するように利用した投影システムを記述している。Ichikawa らの投影システムは、光源からの照明光をバックライトとして入射させ、入力画像を光源から離れた位置に投影する透過型ＬＣＤを有する。Ichikawa らの投影システムに関する受動ホログラムアレイは、多数の微小ホログラムを有する単一のパネルである。微小ホログラムのそれぞれは、波長に基づく入射照明光を拡散するように機能し、照明光からフィルタリングされるそれぞの色がＬＣＤのあらかじめ決められた液晶セルに入射するようになっている。次に、このＬＣＤに表示される入力画像が拡大されて投影スクリーンに投影される。受動ホログラムアレイは、光源からＬＣＤに伝達されるカラー光の強度を増大し、従って投影スクリーンに表示される投影画像の輝度を増大する。
【０００８】
従来技術の投影システムは、その意図した目的に対してうまく機能するけれども、必要とされるものは、簡潔な光学構成を有すると共にホログラフィー光学素子によって可能とされる高度な表示機能を有する効率の良い投影システムである。
【０００９】
（発明の開示）
このシステムの投影スクリーンに対する投影入力画像の投影システムおよび方法は、このシステム内の伝播光を処理するために１つ以上の構成可変ホログラフィー光学素子（ＨＯＥ）を利用する。構成可変ＨＯＥは、単純な光学作用を行うように設計されることができ、レンズ，プリズムおよび反射鏡によってそれがなされるような一般的な光学部品と普通に組み合わされる。しかしながら、構成可変ＨＯＥはまた、特定方向に関して光強度を変化する如き、高度な光学的処理を行うようにも設計される。
【００１０】
構成可変ＨＯＥのそれぞれは、２つの電極層の間に挟まれたホログラムを有する。このホログラムは、液晶と組み合わされるホログラフィー感光性重合体フィルムである。液晶の存在は、ホログラムが与えられた電界に応じた光学特性を示すことを可能とする。好ましくは、このホログラムは、高い回折効率を有するブラッグ形ホログラムである。電極層は、８０％よりも大きな透過効率を一般的に有するインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）から作られることができる。
【００１１】
構成可変ＨＯＥは、少なくとも２つの光学的処理状態、つまり回折状態と受動状態とを有する。構成可変ＨＯＥの回折特性は、感光性重合体フィルムに記録されたホログラフィー干渉縞に主として依存する。回折状態において、構成可変ＨＯＥは、伝播光をあらかじめ規定された方法で回折させる。受動状態において、構成可変ＨＯＥは、伝播光を光学的に変更しない。最初、構成可変ＨＯＥのホログラムは回折状態にあり、入射光はあらかじめ規定された方法で回折されるようになっている。しかしながら、構成可変ＨＯＥの電極層に電圧を印加することにより、電界がホログラムに発生させられると、ホログラムの処理状態が回折状態から受動状態に切り換わる。
【００１２】
本発明の第１の実施例において、投影システムは単一の構成可変ＨＯＥスタックを包含するカラーフィルタを有すると共に多数の構成可変ＨＯＥスタックを持った投影光学系を有する。「構成可変ＨＯＥスタック」という用語は、ここでは伝播する三刺激カラー光に対して選択的に処理するように設計される少なくとも３つで１組の構成可変ＨＯＥとして定義される。カラーフィルタにおけるスタックの個々の構成可変ＨＯＥは、回折状態にある時に非単色照明光の特定の三刺激カラー光を回折するようにホログラフィックに形成される。操作中において、カラーフィルタの構成可変ＨＯＥは、このシステムの一般的な表示パネルに対して三刺激カラー光を順次回折するように、順次回折状態に置かれる。この表示パネルは、システムの投影スクリーンに表示するための投影光学系を介して投影される入力画像を生ずる。
【００１３】
投影光学系の構成可変ＨＯＥスタックは、投影画像を光学的に処理するようにホログラフィックに形成され、投影スクリーン上の表示画像が選択可能な拡大率で拡大されるようになっている。構成可変ＨＯＥスタックのそれぞれは、投影画像を唯一のあらかじめ設定した倍率で拡大するように形成されている。操作中において、望ましい倍率に対応した倍率を有する投影光学系の構成可変ＨＯＥスタックが選択される。投影光学系の選択されなかった構成可変ＨＯＥスタックは、光学的に受動状態となるように配置される。他方、選択されたスタックの３つの構成可変ＨＯＥは、拡大カラー画像を投影スクリーンに表示するため、１組のカラー投影画像を投影するようにカラーフィルタの３つの構成可変ＨＯＥと同期して受動状態と回折状態との間を順番になされる。
【００１４】
第１の実施例による投影システムは、このシステムの処理全体に悪影響を与えることなく変更されることができる。投影システムの第１の変更において、カラーフィルタは、三刺激カラー光を表示パネルに順次伝達する一般的なカラーフィルタと置き換えられることができ、第２の変更においてはカラーフィルタの代わりではなく、投影光学系における構成可変ＨＯＥスタックは、波長に関してニュートラルであるという方法で投影画像を拡大する一般的なレンズと置き換えられることができる。
【００１５】
本発明の第２の実施例において、投影システムは、傾斜した画像を投影スクリーンに形成するように投影画像を光学的に処理することができる投影光学系を有する。傾斜画像は、多数の分割した画像から作られることが可能であり、あるいは合成画像を形成する画像セグメントから作られることができる。この実施例における投影光学系はまた、多数の構成可変ＨＯＥスタックも有している。しかしながら、これらの構成可変ＨＯＥスタックは、投影スクリーンに傾斜画像を作り出すため、投影スクリーンの指定領域に投影画像を導くようにホログラフィックに形成されている。投影光学系の構成可変ＨＯＥスタックはまた、特定の拡大率によって投影画像を拡大するようにホログラフィックにも形成されている。
【００１６】
本発明の第３実施例において、投影システムは、合成画像を投影スクリーンに表示するため、第２実施例の投影光学系と同様な映像装置を有する。この実施例において、映像装置は観察者の目の注視方向を探知する（例えば観察者の頭部および両目の位置を探知することにより）ように機能する。映像装置は、このシステムに関して別部品であることが可能であり、あるいは投影光学系に組み入れられることができる。目の注視方向を探知することにより、このシステムは、観察者の視界および／または観察者の視界に入る寸前の画像セグメントに応じた画像セグメントに対する関連情報をもたらすため、更新情報の処理を制限することができる。
【００１７】
本発明の第４実施例において、このシステムの投影スクリーンは単一の構成可変ＨＯＥスタックを有する。回折状態に置かれた場合、投影スクリーンの構成可変ＨＯＥスタックは、投影画像を投影スクリーンに表示するように機能する。しかしながら、受動状態に置かれた場合、投影スクリーンの構成可変ＨＯＥスタックは、コンピュータのモニタの如き表示装置に表示される画像を観察するように、観察者が投影スクリーンを通して観察することを可能とする。さらに高度な形態において、投影スクリーンの構成可変ＨＯＥスタックは、表示装置の画像および投影スクリーンに投影された投影画像の同時観察を可能とするように、ホログラフィックに形成される。
【００１８】
本発明の第５実施例において、このシステムの投影スクリーンは、少なくとも２つの構成可変ＨＯＥスタックを有し、これらＨＯＥが回折状態に置かれた場合、これらは特定観察位置に向けた伝播光の光強度を変えるようにホログラフィックに形成されている。操作中において、投影スクリーンの構成可変ＨＯＥスタックは、多数の観察者に対して同じまたは異なる画像をそれらの観察位置に依存して具合よくもたらすような回折状態に順次切り換えられる。このシステムは、表示画像を観察者に対して合成形式で提供するために第３実施例の投影光学系を有することができる。さらに、このシステムは１つ以上の映像装置を有することができ、合成画像の関係する画像セグメントのみが更新されると同時に、観察者の目の注視方向を探知するようになっている。
【００１９】
本発明の第６実施例において、このシステムの投影スクリーンは、観察者の特定の目に向けた伝播光の光強度を変えるようにホログラフィックに形成された少なくとも２つの構成可変ＨＯＥスタックを有し、このＨＯＥが回折状態に置かれた場合、表示画像は立体映像形式で可視化されるようになっている。このシステムは、表示画像を観察者のそれぞれの目に対して合成形式で提供するため、第３実施例の投影光学系を有することができる。さらに、このシステムは１つ以上の映像装置を有することができ、合成画像の適切な画像セグメントのみが更新されると同時に観察者の目の注視方向を探知するようになっている。
【００２０】
本発明の利点は、構成可変ＨＯＥがカラー順次照明のためのカラーフィルタに用いられた場合、極めて効率の良いバンドパスフィルタとして機能することである。さらに、カラーフィルタの構成可変ＨＯＥは、極めて集中したカラー光をもたらし、これは投影スクリーンにおけるより鮮明な表示画像を結果として生ずる。
【００２１】
構成可変ＨＯＥは、投影光学系が拡大と同様に画像の傾斜を行うことを可能とし、これが他の利点である。構成可変ＨＯＥが投影スクリーンで用いられた場合、投影スクリーン上の画像が観察者それぞれに対して最も望ましく表示される多数の観察位置を可能にする。さらに、この投影スクリーンの構成可変ＨＯＥは、表示画像を立体画像形式で観察者にもたらされることを可能にする。構成可変ＨＯＥは、カラーフィルタおよび投影光学系が簡潔な光学構成を有することを可能にし、これがさらに他の利点である。
【００２２】
（本発明を実施するための最良の形態）
図２を参照すると、本発明の第１実施例による投影システム２６が示されている。この投影システム２６は、プロジェクタ２８および投影スクリーン３０を有する。一般的な投影システムと同様に、プロジェクタおよびスクリーンは、プロジェクタ２８により発生させられる入力画像をスクリーン３０に投影することによって表示するように機能する。このスクリーンは、一般的な反射観察または透過観察の投影スクリーンである。しかしながら、一般的な投影システムと異なったプロジェクタ２８が利用され、これは「構成可変光学素子」（ＨＯＥ）と呼称されよう。これらの構成可変ＨＯＥは、一般的な光学素子と普通に組み合わされて機能するが、さらにより高度な光学処理を行うことができる。
【００２３】
構成可変ＨＯＥは、２つの電極層の間に挟まれたホログラムを有する。このホログラムは、高い回折効果を有するブラッグ形ホログラムであることが好ましい。このホログラムは、液晶と組み合わされるホグラフィー感光性重合体フィルムである。一例として、このホログラフィー感光性重合体フィルムは、Sutheriand らのＰＣＴ出願第ＰＣＴ/ＵＳ９７/１２５７７号に記述されているように、ジペンタエリトリトールヒドロキシペンタアクリレートを有する重合可能な単量体からなることができる。液晶は感光性重合体フィルムの微孔内に充填されることができる。ホログラフィー干渉縞は、液晶と結合される前または後の何れかで感光性重合体フィルムに記録されることができる。好ましい実施例において、感光性重合体材料は、記録前に液晶と結合される。この好ましい実施例において、液晶と重合体材料とがあらかじめ混合され、ホログラムの記録中に層分離が発生し、ホログラフィー干渉縞が高濃度の液晶滴と共に占められるようになっている。この方法は、構成可変ＨＯＥの量産に関して有利である「乾式」法として見なすことができる。
【００２４】
ホログラムの記録は、光ビームを付加することによって干渉縞が作り出される一般的な光学処理により達成されることができる。あるいは、この干渉縞は極めて正確なレーザー書き込み装置または他の光学的複製技術を使用することにより、人工的に作り出されることができる。ホログラムに隣接する電極層は、透明導電材料から作られている。一例として、この電極層は、通常、８０％よりも大きな透過率を有するインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）から作られることができる。電圧がこれらの層に印加されると、電界がホログラム内に発生する。
【００２５】
構成可変ＨＯＥは、少なくとも２つの処理状態である回折状態および受動状態を有する。構成可変ＨＯＥの光学特性は、主に感光性重合体フィルムに記録されたホログラフィー干渉縞に依存する。回折状態において、構成可変ＨＯＥはあらかじめ規定された方法で伝播光を回折させる。受動状態において、構成可変ＨＯＥは伝播光を光学的に変更しない。最初、構成可変ＨＯＥのホログラムは回折状態にあり、あらかじめ規定された方法で入射光が回折される。しかしながら、構成可変ＨＯＥの電極層に電圧を印加することにより、電界がホログラムに生ずると、ホログラムの状態が回折状態から受動状態に切り換わる。
【００２６】
さらに図２を参照すると、プロジェクタ２８は画像発生器３２および投影光学系３４を有する。画像発生器３２は、光源３６，カラーフィルタ３８および表示パネル４０を有する。光源および表示パネルは、一般的な装置であって良い。表示パネル４０は、シリコンバックプレーン上にネマチックまたは強誘電材料の何れかを有する小型反射形ＬＣＤであって良いし、あるいは Texas Instruments Incorporated によって製造されるデジタル光処理装置の如き微小機械的アレイであって良い。表示パネル４０はまた、Silicon Light Machines、正式には Echelle Inc. により開発された格子光バリューの如き回折ベースの表示装置であっても良い。カラーフィルタ３８は、スタックした３つの構成可変ＨＯＥ４２,４４および４６を有する。単純化のため、構成可変ＨＯＥ４２〜４６のホログラムおよび電極層は、描かれていない。構成可変ＨＯＥ４２〜４６のそれぞれは、その特定の構成可変ＨＯＥが回折状態にある場合、一定のカラー光のみを回折するようにホログラフィックに設計されている。構成可変ＨＯＥ４２は、表示パネル４０に向けて赤色光のみ回折するように設計されている。同様に、構成可変ＨＯＥ４４は、緑色光５０のみを表示パネル４０に向けて回折するように設計され、同時に構成可変ＨＯＥ４６は青色光５２のみを表示パネルに向けて回折するように設計されている。カラーフィルタ３８における構成可変ＨＯＥ４２〜４６の特定の順番は、本発明にとって重要ではない。
【００２７】
操作中において、光源３６は白色光をカラーフィルタ３８に向けて発する。構成可変ＨＯＥ４２〜４６のうちの２つは、表示パネル４０のリフレッシュレートと同じかそれよりも短い調整期間で、照明光の三刺激色の１つを表示パネル４０に回折するために非活性化される。構成可変ＨＯＥに関して用いられる「非活性化」という用語は、ここでは電界を発生させるように構成可変ＨＯＥに電圧が印加される状態として規定されよう。構成可変ＨＯＥを非活性化する効果は、構成可変ＨＯＥが受動状態になることである。構成可変ＨＯＥに関して用いられる「活性化」という用語は、ここでは構成可変ＨＯＥに電圧が印加されない状態として規定されよう。構成可変ＨＯＥを活性化する効果は、構成可変ＨＯＥが回折状態になることである。
【００２８】
次に、他の三刺激色の光は、構成可変ＨＯＥ４２〜４６の光学状態を構成変更することにより、表示パネル４０に順次回折される。三刺激色の光が回折される順番は重要ではない。一例として、第１の調整期間中に構成可変ＨＯＥ４４および４６が非活性化され、これら構成可変ＨＯＥ４４および４６は受動状態となるようになっている。しかしながら、構成可変ＨＯＥ４２は、回折状態へと活性化される。従って、赤色光に応じた可視光スペクトルの一部のみが構成可変ＨＯＥ４２によって表示パネル４０に回折される。第２の調整期間中では、構成可変ＨＯＥ４２および４６が非活性化されると共に構成可変ＨＯＥ４４が活性化され、緑色光のみが表示パネル４０に回折されるようになっている。第３の調整期間中において、構成可変ＨＯＥ４２および４４が非活性化されると共に構成可変ＨＯＥ４６が活性化され、青色光のみが表示パネル４０に回折されるようになっている。従って、表示パネル４０は順次赤色，緑色および青色光によって照明され、投影された入力画像が合成カラー画像として投影スクリーン３０に表示されるように見えよう。
【００２９】
投影システム２６の投影光学系３４は、３つの構成可変ＨＯＥスタック５４，５６および５８を有する。これら構成可変ＨＯＥスタック５４〜５８は、投影画像を表示パネル４０から拡大するように機能する。スタック５４〜５８の各構成可変ＨＯＥは、このＨＯＥが一般的なレンズと同じ方法で光を処理することをもたらすような回折特性を持つ記録干渉縞を有する。構成可変ＨＯＥスタック５４〜５８のそれぞれは、投影画像をあらかじめ設定された倍率で拡大する能力を有するように、ホログラフィックに形成されている。構成可変ＨＯＥスタック５４〜５８は、投影スクリーン３０上の表示画像がＬ１，Ｌ２またはＬ３の長さまたは幅を有するように形成され、これは投影画像を画像発生器３２から光学的に処理するように選択される構成可変ＨＯＥスタック５４〜５８の１つに依存している。構成可変ＨＯＥスタック５４のみが投影画像を光学的に処理する場合、投影スクリーン３０上の表示画像の大きさはＬ１である。構成可変ＨＯＥスタック５６のみが投影画像を光学的に処理する場合、投影スクリーン３０上の表示画像の大きさはＬ２である。構成可変ＨＯＥスタック５８のみが投影画像を光学的に処理する場合、投影スクリーン３０上の表示画像の大きさはＬ３である。従って、投影スクリーン３０上の表示画像の寸法は、投影画像を光学的に処理するために選択された１つの構成可変ＨＯＥスタック５４〜５８によって調整されることができる。投影光学系３４における構成可変ＨＯＥスタック５４〜５８の数は、本発明にとって重要ではない。投影光学系３４は、投影システム２６に対して利用可能である他の表示寸法の数を増やすため、追加の構成可変ＨＯＥスタックを有することができる。
【００３０】
図２中の構成可変ＨＯＥスタック５４〜５８が一体の装置として示されているけれども、構成可変ＨＯＥスタック５４〜５８のそれぞれは、色収差を防ぐために３つの構成可変ＨＯＥを有する。構成可変ＨＯＥスタック５４〜５８のそれぞれにおける３つの構成可変ＨＯＥは、カラーフィルタ３８の構成可変ＨＯＥ４２〜４６と同一であり、これらは単一のカラー光に応じた入力画像に対して１回で光学的に処理するように設計されており、これによって入力画像を投影スクリーン３０に伝達する。三刺激色に応じた１組の入力画像が投影スクリーン３０に投影される場合、入力画像から形成される合成画像がカラー画像として見える。スタック５４〜５８の３つの構成可変ＨＯＥアセンブリは、色収差の問題をうまく処理する。
【００３１】
スタック５４〜５８のそれぞれにおける３つの構成可変ＨＯＥの操作は、構成可変ＨＯＥ４２，４４および４６の操作と全く同じである。特定の倍率が望まれる場合、この特定の倍率に対応した構成可変ＨＯＥスタック５４〜５８が選択される。例えば、Ｌ１の表示寸法が望まれる場合、構成可変ＨＯＥスタック５４が選択される。他の構成可変ＨＯＥスタック５６および５８は、任意の伝達光に対して光学的に受動的となるように設定されよう。次に、スタック５４の構成可変ＨＯＥが選択的に活性化され、そして三刺激カラーの処理を連続することによって形成される投影入力画像を伝達するため、カラーフィルタ３８の構成可変ＨＯＥ４２〜４８と同期して非活性化される。例えば、カラーフィルタ３８が赤色光のみ回折するように形成される場合、赤色光に対して光学的に処理するスタック５４の構成可変ＨＯＥのみが回折状態へと活性化されると同時に、スタック５４の他の２つの構成可変ＨＯＥが受動状態へと非活性化される。入力画像を表示パネル４０から順次拡大することにより、正確なカラー合成画像が投影スクリーン３０上に望ましい寸法で表示される。
【００３２】
図２の投影システム２６は、このシステム全体の処理に悪影響を与えることなく変更されることができる。第１の変更において、画像発生器３２は、図１の従来技術の投影システム１０の画像発生器１６の如き一般的な画像発生器によって置き換えられることができる。画像発生器３２の置換は、投影光学系３４の処理に悪影響を与えないと思われる。第２の変更において、投影光学系３４は従来技術の投影システム１０の投影光学系１８の如き一般的な投影光学系によって置き換えられることができる。投影光学系３４の置換は、画像発生器３２の処理に悪影響を与えないと思われる。
【００３３】
図３において、本発明の第２実施例による投影システム６０が示される。投影システム６０は、投影システム２６に含まれる同一の画像発生器１６および同一の投影スクリーン３０を有することができる。しかしながら、この投影システム６０は投影システム２６の投影光学系３４に置き換わる投影光学系６２を有する。投影光学系６２は、多数の傾斜画像を投影スクリーン３０に発生させるように投影入力画像を画像発生器３２から光学的に処理するため、ホログラフィックに形成されている。簡略化のため、図３には画像発生器３２の構成要素が示されていない。
【００３４】
この実施例において、投影光学系６２は、投影入力画像のあらかじめ選択された拡大をもたらす４つの構成可変ＨＯＥスタック６４，６６，６８および７０を有する。構成可変ＨＯＥスタック６４〜７０のそれぞれは、活性化された場合、入力画像を投影スクリーン３０のあらかじめ設定された領域７２，７４，７６および７８に投影するため、ホログラフィックに形成されている。一例として、構成可変ＨＯＥスタック７０は入力画像を領域７２に投影するようにホログラフィックに形成されると同時に、構成可変ＨＯＥスタック６４，６６および６８は、入力画像を領域７８，７６および７４にそれぞれ投影するように機能させることができる。投影システム２６に関する投影光学系３４の構成可変ＨＯＥスタック５４〜５８と同様に、構成可変ＨＯＥスタック６０〜６６のそれぞれは３つの構成可変ＨＯＥを有し、これらはカラー画像を投影スクリーン３０の特定の領域７２〜７８に形成するように３つの三刺激カラーを順次処理するように設計されている。
【００３５】
操作中において、投影光学系６２は、１組のカラー入力画像を、対応する構成可変ＨＯＥスタック６４〜７０だけが１組のカラー入力画像を回折することを可能とすることにより、領域７２〜７８の１つに順次導く。例えば、投影スクリーンの領域７２にカラー画像を表示するため、構成可変ＨＯＥスタック７０のみが投影入力画像を光学的に処理することを可能にされる。構成可変ＨＯＥスタック６４〜６８は、任意の伝達光に対して光学的に受動的となるように設定される。スタック７０の３つの構成可変ＨＯＥは選択的に活性化され、そして特定の色に対応した投影入力画像を伝達するように、画像発生器３２内のカラーフィルタ３８の構成可変ＨＯＥ４２〜４６と同期して非活性化される。例えば、カラーフィルタ３８が赤色光を回折するように形成された場合、赤色光を光学的に処理するスタック７０の構成可変ＨＯＥのみが回折状態へと活性化されると同時に、スタック７０の他の２つの構成可変ＨＯＥが受動状態へと非活性化される。スタック７０の選択された構成可変ＨＯＥの活性化は、赤色光に対応した投影画像を投影スクリーン３０の領域７２に導く。画像発生器３２の表示パネル４０からの異なる三刺激カラーに応じた入力画像を順次伝達することにより、正確なカラー合成画像が投影スクリーン３０の領域７２に投影されて表示される。
【００３６】
第２のカラー画像は、画像発生器３２の表示パネル４０に生成される次の１組の入力画像を処理するため、対応する構成可変ＨＯＥスタック６４〜６８を選択することにより、投影スクリーン３０の残りの領域７４〜７８の１つに表示されることができる。例えば、第２のカラー画像は、光学的に受動的となるようにスタック７０の能力を奪い、そして第２のカラー画像の入力画像を領域７８に伝達するように、スタック６４の構成可変ＨＯＥを機能させることにより、領域７８に表示されることができる。領域７２に表示される第１のカラー画像および領域７８に続いて表示される第２のカラー画像は、その表示レートが充分に高速であるならば、同時に表示されるように見えよう。より高速な表示レートに対し、４つの異なるカラー画像を投影スクリーン３０の４つの領域７２〜７８すべてに「同時に」表示させることができる。
【００３７】
領域７２〜７８の１つに表示されるカラー画像は、完全な画像であって良く、４つの別個の画像を投影スクリーン３０に表示させることができるようになっている。別な形態において、領域７２〜７８の１つに表示される画像は、単一の合成カラー画像の１つの画像セグメントのみである。投影スクリーン３０の領域７２〜７８に順次表示される４つのカラー画像は、単一の合成画像を形成する。この形態において、所与の寸法の画像に対し、表示合成画像の全体の分解能をこの画像が単一の画像として投影される場合よりも実質的に高めることができる。
【００３８】
さらに複雑な実施例において、投影スクリーンのより小さな領域に画像の一部を表示するため、投影光学系６２は追加の構成可変ＨＯＥスタックを有することができる。一例として、投影光学系６２は、４×４の配列における１６色のカラー画像セグメントからなる単一の合成画像を表示するため、合計１６個の構成可変ＨＯＥスタックを有することができる。
【００３９】
図４に転じると、本発明の第３実施例による投影システム８０が示されている。図２および図３と同じ参照符号が図４に描かれた同じ部品に対して用いられよう。この投影システム８０は、図３の投影システム６０に関するすべての部品を有している。しかしながら、投影システム８０は、２つの映像装置８２および８４を有する。一般的に、この投影システム８０は、合成画像を投影スクリーン３０に表示するために投影システム３０と同じように機能する。上述したように、合成画像は、この合成画像のセグメントを投影スクリーンの領域７２〜７８に連続的に表示することによって形成される。連続的に変更される合成画像を投影スクリーンに表示するため、合成画像の画像セグメントのそれぞれは更新されて表示される必要がある。このような処理は、画像処理に関してコンピュータを使って集約させることができる。投影システム８０は、移動観察可能な関心領域（ＡＯＩ）を実行することにより、この処理の負担の一部を軽減するように機能する。「関心領域」という用語は、ここでは観察者８６により目標とされる投影スクリーン３０の場所を中心とした視野領域として規定される。ＡＯＩは、観察者８６の注視方向によって決定されることができる。観察者８６の注視方向を探知することにより、現時点でＡＯＩ内にあるか、またはＡＯＩ内に入ろうとしている画像セグメントだけが更新される。
【００４０】
映像装置８２および８４は、観察者の注視方向を規定するため、観察者８６の頭部または両目を映し出すように機能する。この映像装置８２および８４は、図４に示されるような投影システム８０の部品を分けることができる。別の形態において、映像装置は「ホログラフィーでまとめた表示および映像システム」という名称で１９９８年７月８日に提出された米国暫定出願第６０/０９４,５２２号に記載されたように、投影光学系６２に組み入れることができる。映像装置８２および８４は、観察者の注視方向を決定するため、観察者８６の頭部または両目の位置を取り込むように既知の映像技術を利用することができる。例えば、映像装置８２および８４のそれぞれは、赤外光の如き映像光を観察者８６の頭部または両目に発する発光素子と、映像のための後方散乱光を受光する光センサとを有することができる。従って、既知の画像処理技術が観察者の注視方向を決定するために利用されることができる。
【００４１】
観察者の注視方向の決定は、投影スクリーン３０の領域または領域７２〜７８が観察者８６の固定視点を認識することによって反復更新する必要があることを認識するために利用される。投影スクリーン３０の残りの領域は、前の画像セグメントと共に表示される。これら残りの画像セグメントの分解能は、要求される信号処理をさらに減少させることにより、減じられることができる。移動する視点の軌跡を予測するために適当なアルゴリズムを用いると、観察者８６の注視によって加えられる領域７２〜７８は加えられる直前に更新されることができる。領域７２〜７８の隣接境界でのあらゆる不明確性を回避するため、領域７２〜７８に表示される画像セグメントは、隣接境界の部分で重なり合うべきである。
【００４２】
図５に転じると、本発明の第４実施例による投影システム８８が示されている。この投影システム８８は、プロジェクタ９４を画成する画像発生器９０および投影光学系９２を有する。画像発生器９０および投影光学系９２は、一般的な装置であって良い。しかしながら、画像発生器９０が投影システム２６の画像発生器３２と同一であって良く、投影光学系９２が投影システム２６の投影光学系３４または投影システム６０の投影光学系６２と同じであって良い。この投影システム８８はまた、透視投影スクリーン９６をも有する。この投影スクリーン９６は、投影画像を光学的に処理することを可能とされる場合、投影画像をプロジェクタ９４から表示することができる単一の構成可変ＨＯＥスタック９８を有する。構成可変ＨＯＥスタック９８は、投影画像をカラーで表示するために３つの構成可変ＨＯＥを有する。
【００４３】
投影システム８８は、表示装置１００と観察者８６との間に配置される。表示装置１００は、コンピュータのモニタまたは他の一般的な表示装置であって良い。この投影システム８８は、観察者８６が表示装置１００上の画像または投影スクリーン９６に与えられた投影画像を観察することを可能にするように機能する。表示装置１００上の画像が独占的に観察される必要がある場合、プロジェクタ９４は画像を投影スクリーン９６に生成することをやめる。さらに、投影スクリーン９６におけるスタック９８の構成可変ＨＯＥは、観察者が表示装置１００上の画像を観察するため、光が投影スクリーンを介して受動的に伝達されることを可能とするように受動状態に設定される。この投影スクリーンの透過能力は、このシステムが一般的なヘッドアップディスプレィとして用いられることを可能とすし、これはコンピュータが生成した作像、すなわち表示装置１００上の画像が周囲の景観に重ね合わされる。投影画像が独占的に観察される必要がある場合、構成可変ＨＯＥは投影スクリーン９６上にこの投影画像を表示するため、プロジェクタ９４からの投影画像を光学的に処理することを可能とする。好ましくは、表示装置１００は、この表示装置１００およびプロジェクタ９４からの光によって投影スクリーン９６内での光学的干渉を回避するため、非活性化される。
【００４４】
より高度な装置において、投影スクリーン９６内の構成可変ＨＯＥは、表示装置１００上の画像およびプロジェクタ９４からの投影画像の同時観察を可能とするように、ホログラフィックに形成される。投影スクリーン９６内のスタック９８の構成可変ＨＯＥのホログラフィー構成は、構成可変ＨＯＥの１つが回折状態にあっても、表示装置１００上の画像からの光が構成可変ＨＯＥによって変わらないことを可能にする。しかしながら、プロジェクタ９４からの光は、投影画像を投影スクリーン９６に表示するため、回折する構成可変ＨＯＥにより光学的に処理される。好ましくは、投影スクリーン９６に表示される投影画像の強度は、背景、すなわち表示装置１００上の画像と共に調整され、２つの画像間の充分な対比を確実にする。投影システム８８の同時観察特性は、多くの実用的な利点を有する。例えば、書類タイプ作業は、投影スクリーン９６に投影画像として投影される資料および表示装置１００に表示されたコンピュータのテキストを有することによって視覚上のより大きな快適性を達成することができ、これにより作業者は資料とコンピュータのテキストとを同じ焦点面で観察することが可能である。
【００４５】
図６において、本発明の第５実施例による投影システム１０２が示されている。この投影システム１０２は、プロジェクタ９４と投影スクリーン１０４とを有する。プロジェクタ９４は、画像発生器９０と投影光学系９２とからなる。画像発生器９０および投影光学系９２は、一般的な装置であって良い。しかしながら、画像発生器９０は投影システム２６の画像発生器３２と同じであって良く、投影光学系９２は投影システム２６の投影光学系３４と同じであって良い。投影スクリーン１０４は、少なくとも２つの構成可変ＨＯＥスタック１０６および１０８を有する。投影スクリーン１０４における構成可変ＨＯＥスタック１０６および１０８のそれぞれは、画像をカラーで表示するために３つの構成可変ＨＯＥを有する。
【００４６】
投影スクリーン１０４に関する構成可変ＨＯＥスタック１０６および１０８は、伝播光を光学的に処理することを可能とする場合、伝播光の光強度を特定の観察位置に向けて角変化するようにホログラフィックに形成される。構成可変ＨＯＥスタック１０６は、曲座標グラフ１１２および１１４によって示されるように、観察者の位置に向けて光強度を増大するように設計されている。構成可変ＨＯＥスタック１０８は、曲座標グラフ１１８および１２０によって示されるように、光強度を観察者１１６の位置に向けて増大するように設計されている。光強度の増大は、より高輝度の表示画像を観察者１１０および１１６に対してもたらす。
【００４７】
操作中において、構成可変ＨＯＥスタック１０６および１０８は、プロジェクタ９４からの１組のカラー投影画像に対し交番型式で光学的に処理される。構成可変ＨＯＥスタック１０６が１組のカラー投影画像を処理している時、このスタック１０６の構成可変ＨＯＥは投影画像を光学的に処理するように順次活性化され、カラー画像が観察者１１０に提示されるようになっている。次の手順において、スタック１０８の構成可変ＨＯＥは、次の１組のカラー投影画像を光学的に処理するように順次活性化され、カラー画像が観察者１１６に提示されるようになっている。構成可変ＨＯＥスタック１０６および１０８の交互操作は、両方の観察者１１０および１１６がより高輝度のカラー画素を観察することを可能にする。
【００４８】
１つの適用において、同一のカラー画像が観察者１１０および１１６に提示される。より複雑な適用において、異なるカラー画像が観察者１１０および１１６に提示される。これは、第２のカラー画像のための１組のカラー投影画像を他の構成可変ＨＯＥが処理している時に生じさせることにより達成される。
【００４９】
投影スクリーン１０４は、光強度を異なる場所に向けて増大するように設計された追加の構成可変ＨＯＥを有することができる。投影スクリーン１０４における構成可変ＨＯＥスタックの数を増やすことにより、より多くの観察者が投影スクリーン１０４に表示された画像を最適に観察することができる。投影スクリーン１０４における構成可変ＨＯＥスタックの数は、本発明にとって重要ではない。
【００５０】
より複雑な装置において、投影光学系９２は投影システム６０および８０の投影光学系６２によって置き換えられ、その画像が投影スクリーン１０４に合成画像を形成する画像セグメントとして表示されるようになっている。投影光学系６２を投影スクリーン１０４と共に使用すると、異なる合成画像が観察者１１０および１１６に提示されることができる。さらに、図４における投影システム８０の映像装置８２および８４は、観察者１１０および１１６の注視方向を探知するように投影システム１０２に組み込まれることができる。映像装置８２および８４の組み込みは、投影システム１０２が目下、観察者の視野か、ここに入ろうとしている適切な画像セグメントだけを更新することを可能としよう。このような投影システムの操作は、投影システム８０と実質的に同じにできる。相違は、観察者１１０および１１６に表示合成画像を最適に提示するため、投影光学系６２のすべての処理を投影スクリーン１０４の構成可変ＨＯＥスタック１０６および１０８のそれぞれに対して繰り返さなければならないことだけである。
【００５１】
図７に転じると、本発明の第６実施例による投影システム１２２が示されている。この投影システム１２２は、プロジェクタ９４と投影スクリーン１２４とを有する。プロジェクタ９４は、画像発生器９０と投影光学系９２とからなる。画像発生器９０および投影光学系９２は、一般的な装置であって良い。しかしながら、画像発生器９０は投影システム２６の画像発生器３２と同じであって良く、また投影光学系９２は投影システム２６の投影光学系３４と同じであって良い。投影スクリーン１２４は、２つの構成可変ＨＯＥスタック１２６および１２８を有する。構成可変ＨＯＥスタック１２６および１２８のそれぞれは、画像をカラーで表示するため、３つの構成可変ＨＯＥを有する。
【００５２】
図６における投影システム１０２の構成可変ＨＯＥスタック１０６および１０８と同様に、構成可変ＨＯＥスタック１２６および１２８は、伝播光を光学的に処理することが可能とされる場合、伝播光の光強度を特定の観察位置に向けて角変化するようにホログラフィックに形成されている。しかしながら、構成可変ＨＯＥスタック１２６および１２８は、光の強度を多数の観察者ではなく、単一の観察者の両目１３０および１３２に向けて増大するように設計されている。構成可変ＨＯＥスタック１２６は、光の強度を曲座標グラフ１３４および１３６によって示されるように、右目１３０に向けて増大するように設計されているのに対し、構成可変ＨＯＥスタック１２８は、光の強度を曲座標グラフ１３８および１４０によって示されるように、左目１３２に向けて増大するように設計されている。観察者の目のそれぞれに向けた光強度の増大は、観察者に対して自動立体化表示をもたらすことができる。
【００５３】
操作中において、構成可変ＨＯＥスタック１２６および１２８は、プロジェクタ９４からの投影画像を交番型式で光学的に処理する。構成可変ＨＯＥスタック１２６が第１の組のカラー投影画像を処理している時、このスタック１２６の構成可変ＨＯＥはプロジェクタ９４からの投影画像を光学的に処理するように順次活性化され、第１のカラー画像が右目１３０に提示されるようになっている。次の手順において、スタック１２８の構成可変ＨＯＥはプロジェクタ９４からの１組のカラー投影画像を光学的に処理するように順次活性化され、第２のカラー画像が左目１３２に提示されるようになっている。第１および第２のカラー画像は、異なる視点、すなわち観察者の左および右目からの単一の光景を表す画像である。第１および第２の投影画像は、観察される光景が三次元であるという錯覚をもたらす。
【００５４】
投影スクリーン１２４は、追加の観察者を受け入れるように変更されることができる。それぞれ追加の観察者に対し、投影スクリーン１２４は追加した一対の構成可変ＨＯＥスタックを有することにより変更されることができる。この一対の新たなスタックのそれぞれは、自動立体化表示のため、追加の観察者の両目の一方に専用化させられよう。多数の観察者に対し、観察者の両目に導かれる立体画像を提示するため、投影スクリーン１２４の構成可変ＨＯＥスタックが逐次的方法で個々に活性化される。
【００５５】
より複雑な装置において、投影光学系９２は、投影システム６０および８０の投影光学系６２によって置き換えられ、観察者の片目に表示されるカラー画像のそれぞれが合成画像の画像セグメントになっている。投影光学系６２を投影スクリーン１２４と共に使用すると、異なる合成画像が右および左目１３０および１３２に提示されることができる。さらに、映像装置８２および８４は、両目１３０および１３２の注視方向を探知するために投影システム１２２に組み込まれることができる。映像装置８２および８４の組み込みは、観察者が目下、彼／彼女の視野か、ここに入ろうとしている適切な画像セグメントだけを投影システム１２２が変更することを可能にする。このような投影システムの操作は、投影システム８０と実質的に同じにできる。相違は、表示合成画像を両目１３０および１３２に立体的に提示するように、投影光学系の処理全体が投影スクリーン１０４の構成可変ＨＯＥスタック１２６および１２８のそれぞれに対して繰り返されなければならないことだけである。
【００５６】
投影システムの投影スクリーンに投影画像を表示する方法は、図８を参照して記述されよう。ステップ１４２にて非単色照明光がシステムの光源により発生させられる。次に、ステップ１４４にてこの非単色照明光がカラーフィルタを介して伝達される。好ましくは、このカラーフィルタはホログラフィックに形成された３つの構成可変ＨＯＥを有し、構成可変ＨＯＥのそれぞれは非単色照明光の三刺激カラーの１つを光学的に処理するようになっている。ステップ１４６にて非単色照明光の特定のカラー光が、カラーフィルタの活性化した構成可変ＨＯＥにより、投影システムの表示パネルに選択的に回折される。投影スクリーンに表示される入力画像は、表示パネルによって生成される。
【００５７】
ステップ１４８にて入力画像がカラーフィルタからの回折カラー光の受光に応じて表示パネルから投影スクリーンに向けて投影される。次に、ステップ１５０にて投影画像が投影システムの投影光学系によって光学的に処理される。投影光学系は、多数の構成可変ＨＯＥを有する。一実施例において、投影光学系の構成可変ＨＯＥはホログラフィックに形成され、投影光学系の構成可変ＨＯＥのそれぞれがあらかじめ設定した倍率によって投影画像を拡大することができるようになっている。投影画像の拡大は、投影光学系の適当な構成可変ＨＯＥを活性化することによって調整される。他の実施例において、投影光学系の構成可変ＨＯＥは、ホログラフィックに形成され、構成可変ＨＯＥのそれぞれが投影画像をあらかじめ選択された方向に向けて向きを変えることができるようになっている。投影画像のこの向きの変更は、投影システムが多数の投影画像によって形成される合成画像を表示することを可能にし、投影画像のそれぞれは合成画像の画像セグメントである。ステップ１５２にて投影画像が観察のために投影スクリーンに表示される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の代表的な投影システムの概念図である。
【図２】本発明の第１実施例による投影システムの概念図である。
【図３】本発明の第２実施例による投影システムの概念図である。
【図４】本発明の第３実施例による投影システムの概念図である。
【図５】本発明の第４実施例による投影システムの概念図である。
【図６】本発明の第５実施例による投影システムの概念図である。
【図７】本発明の第６実施例による投影システムの概念図である。
【図８】本発明による投影システムの投影スクリーンに投影画像を表示する方法の流れ図である。[0001]
This application claims the benefit of US Provisional Application No. 60 / 092,259 filed July 10, 1998.
[0002]
(Technical field)
The present invention relates generally to projection systems, and more particularly to projection systems that utilize one or more holographic optical elements.
[0003]
(Background technology)
The projection system functions to display these images by projecting the images or continuous images onto a screen. These systems usually require a projection screen to have a large viewing area in order to obtain a large field of view at a comfortable viewing distance. The projected image varies in size according to the individual projection system. For example, projection systems used in movie theaters can display very large projected images, whereas projection systems used for company announcements are generally limited to much smaller projected images Is done.
[0004]
Referring to FIG. 1, a representative prior art projection system 10 is shown. The projection system 10 includes a projector 12 and a projection screen 14. The projector and the screen function to display an input image, and are generated by projecting the input image onto the screen. The projector 12 includes an image generator 16 and a projection optical system 18. The image generator 16 includes a light source 20 that supplies white illumination light to the input image display panel 22. As an example, the input image display panel 22 may be a reflective liquid crystal display (LCD) panel that is illuminated by light from a light source. The display panel generates an input image to be projected on the screen.
[0005]
The image generator 16 also has a color filter 24 disposed between the light source 20 and the display panel 22. The color filter 24 functions to pass only a selected region of illumination light, and this selected region has a specific peak wavelength. The color filter can be adjusted to sequentially transmit tristimulus color light, that is, red, blue and green light. Generally, this color filter is a rotating disk having three transparent parts. These parts have a color material for filtering the illumination light. This rotation of the disk allows the colors to be transmitted sequentially through the disk alternately. When light having a specific peak wavelength is incident on the display panel 22, an input image corresponding to the specific peak wavelength is displayed on the display panel 22. Next, this input image is projected toward the projection screen 14 via the projection optical system 18. This process is repeated for the other two colors. Sequential projection of the input image corresponding to the tristimulus color light allows the display image to appear in color on the projection screen. The size of the display image on the projection screen is generally determined by the projection optical system 18 and the distance between the projection optical system and the projection screen.
[0006]
The projection optical system 18 has one or more zoom lenses (not shown) for enlarging the projection input image from the image generator 16. These zoom lenses can be selectively repositioned within the projection optical system to provide an accurate magnification. The projection optics also includes one or more focusing lenses (not shown) for focusing the projected image on the projection screen 14. The projection screen may be formed for “reflection viewing”, ie viewing from the side facing the projector 12 with respect to the projection screen, or “transmission viewing”, ie viewing from the opposite side of the projector with respect to the projection screen. it can.
[0007]
US Pat. No. 5,737,040 to Ichikawa et al. Describes a projection system that utilizes a passive hologram array to function as a color filter. The projection system of Ichikawa et al. Has a transmissive LCD that projects illumination light from a light source as a backlight and projects an input image at a position away from the light source. The passive hologram array for the Ichikawa et al. Projection system is a single panel with many micro-holograms. Each of the micro-holograms functions to diffuse incident illumination light based on the wavelength, and each color filtered from the illumination light is incident on a predetermined liquid crystal cell of the LCD. Next, the input image displayed on the LCD is enlarged and projected onto the projection screen. Passive hologram arrays increase the intensity of color light transmitted from the light source to the LCD, and thus increase the brightness of the projected image displayed on the projection screen.
[0008]
Although prior art projection systems work well for their intended purpose, what is needed is an efficient having a simple optical configuration and advanced display capabilities enabled by holographic optics. Projection system.
[0009]
(Disclosure of the Invention)
The projection input image projection system and method for the projection screen of the system utilizes one or more configurable holographic optics (HOE) to process the propagating light in the system. A reconfigurable HOE can be designed to perform simple optical actions and is usually combined with common optical components such as those made by lenses, prisms and reflectors. However, the configurable HOE is also designed to perform advanced optical processing such as changing the light intensity with respect to a particular direction.
[0010]
Each of the reconfigurable HOE has a hologram sandwiched between two electrode layers. This hologram is a holographic photosensitive polymer film combined with liquid crystal. The presence of the liquid crystal makes it possible for the hologram to exhibit optical properties according to the applied electric field. Preferably, the hologram is a Bragg hologram having a high diffraction efficiency. The electrode layer can be made from indium-tin oxide (ITO), which typically has a transmission efficiency greater than 80%.
[0011]
A configurable HOE has at least two optical processing states: a diffractive state and a passive state. The diffraction characteristics of the configuration variable HOE mainly depend on the holographic interference fringes recorded on the photosensitive polymer film. In the diffractive state, the configurable HOE allows the propagating light to be transmitted in a predefined way. diffraction Let In the passive state, the configurable HOE does not optically change the propagating light. Initially, the hologram of the variable configuration HOE is in a diffracted state, and the incident light is diffracted by a predetermined method. However, when an electric field is generated in the hologram by applying a voltage to the electrode layer of the configuration variable HOE, the hologram processing state is switched from the diffraction state to the passive state.
[0012]
In a first embodiment of the invention, the projection system has a color filter that includes a single configurable HOE stack and a projection optical system that has multiple configurable HOE stacks. The term “variable HOE stack” is defined herein as a set of at least three configurable HOEs that are designed to selectively process propagating tristimulus color light. Individual configurable HOEs of the stack in the color filter are formed holographically to diffract specific tristimulus color light of non-monochromatic illumination light when in the diffractive state. In operation, the color filter configuration variable HOE is sequentially placed in a diffracting state so as to sequentially diffract tristimulus color light against a typical display panel of the system. This display panel produces an input image that is projected through projection optics for display on the projection screen of the system.
[0013]
The configuration variable HOE stack of the projection optical system is formed holographically so as to optically process the projection image, and the display image on the projection screen is enlarged at a selectable magnification. Each of the configuration variable HOE stacks is formed so as to enlarge the projected image at a single preset magnification. During operation, a configuration variable HOE stack having a magnification corresponding to a desired magnification is selected. The non-selected variable configuration HOE stack of the projection optical system is arranged to be in an optically passive state. On the other hand, the three configurable HOEs of the selected stack are in a passive state in synchronism with the three configurable HOEs of the color filter so as to project a set of color projected images in order to display an enlarged color image on the projection screen. And the diffraction state in order.
[0014]
The projection system according to the first embodiment can be modified without adversely affecting the overall processing of this system. In the first modification of the projection system, the color filter can be replaced with a general color filter that sequentially transmits tristimulus color light to the display panel, and in the second modification, the projection is not a substitute for the color filter. The reconfigurable HOE stack in the optical system can be replaced with a common lens that magnifies the projected image in a manner that is neutral with respect to wavelength.
[0015]
In a second embodiment of the invention, the projection system comprises a projection optical system capable of optically processing the projection image so as to form a tilted image on the projection screen. The tilted image can be made from a number of divided images, or it can be made from image segments that form a composite image. The projection optical system in this embodiment also has a number of variable configuration HOE stacks. However, these variable-configuration HOE stacks are formed holographically so as to guide the projection image to a designated area of the projection screen in order to create a tilted image on the projection screen. The configuration variable HOE stack of the projection optical system is also formed holographically so as to enlarge the projection image by a specific enlargement factor.
[0016]
In the third embodiment of the present invention, the projection system includes a video apparatus similar to the projection optical system of the second embodiment in order to display the composite image on the projection screen. In this embodiment, the imaging device functions to detect the gaze direction of the observer's eyes (eg, by detecting the position of the observer's head and both eyes). The imaging device can be a separate component for this system or can be incorporated into the projection optics. By detecting the eye gaze direction, the system limits the processing of update information to provide relevant information for the image segment depending on the viewer's field of view and / or the image segment that is about to enter the viewer's field of view. be able to.
[0017]
In a fourth embodiment of the invention, the projection screen of this system has a single configurable HOE stack. When placed in the diffractive state, the reconfigurable HOE stack of the projection screen functions to display the projected image on the projection screen. However, when placed in a passive state, the reconfigurable HOE stack of the projection screen allows an observer to view through the projection screen as if viewing an image displayed on a display device such as a computer monitor. . In a more advanced form, the reconfigurable HOE stack of the projection screen is holographically formed to allow simultaneous viewing of the image on the display device and the projected image projected onto the projection screen.
[0018]
In a fifth embodiment of the present invention, the projection screen of this system has at least two configurable HOE stacks that, when these HOEs are placed in a diffractive state, these are light beams propagating towards a specific viewing position. It is holographically shaped to change its strength. In operation, the reconfigurable HOE stack of the projection screen is sequentially switched to a diffractive state that provides the same or different images for multiple viewers, depending on their viewing position. This system can have the projection optical system of the third embodiment in order to provide a display image to the observer in a composite form. In addition, the system can have one or more video devices so that only the relevant image segment of the composite image is updated and at the same time detects the gaze direction of the viewer's eyes.
[0019]
In a sixth embodiment of the present invention, the projection screen of this system has at least two configurable HOE stacks holographically formed to change the light intensity of the propagating light towards a specific eye of the observer. When this HOE is placed in a diffraction state, the display image is visualized in a stereoscopic video format. This system can have the projection optical system of the third embodiment in order to provide a display image in a composite format for each eye of the observer. In addition, the system can have one or more video devices so that only the appropriate image segment of the composite image is updated while at the same time detecting the viewer's eye gaze direction.
[0020]
An advantage of the present invention is that when the configuration variable HOE is used as a color filter for color sequential illumination, it functions as an extremely efficient band-pass filter. Furthermore, the color filter configuration variable HOE results in a very concentrated color light, which results in a clearer display image on the projection screen.
[0021]
Configuration variable HOE allows the projection optical system to tilt the image as well as enlargement, which is another advantage. When a configurable HOE is used in the projection screen, it allows multiple viewing positions where the image on the projection screen is most desirably displayed to each viewer. In addition, the configuration variable HOE of the projection screen allows the display image to be presented to the viewer in the form of a stereoscopic image. A reconfigurable HOE allows color filters and projection optics to have a simple optical configuration, which is yet another advantage.
[0022]
(Best Mode for Carrying Out the Invention)
Referring to FIG. 2, a projection system 26 according to a first embodiment of the present invention is shown. The projection system 26 includes a projector 28 and a projection screen 30. Similar to a typical projection system, the projector and screen function to display an input image generated by the projector 28 by projecting it onto the screen 30. This screen is a projection screen for general reflection observation or transmission observation. However, a projector 28 different from a typical projection system is used, which will be referred to as a “variable configuration optical element” (HOE). These configuration variable HOEs function in a normal combination with general optical elements, but can perform more advanced optical processing.
[0023]
The reconfigurable HOE has a hologram sandwiched between two electrode layers. This hologram is preferably a Bragg hologram having a high diffraction effect. This hologram is a holographic photosensitive polymer film combined with liquid crystal. As an example, the holographic photosensitive polymer film may comprise a polymerizable monomer having dipentaerythritol hydroxypentaacrylate, as described in Sutheriand et al., PCT Application No. PCT / US97 / 12577. it can. The liquid crystal can be filled in the micropores of the photosensitive polymer film. Holographic interference fringes can be recorded on the photosensitive polymer film either before or after being combined with the liquid crystal. In the preferred embodiment, the photosensitive polymer material is combined with the liquid crystal prior to recording. In this preferred embodiment, the liquid crystal and polymer material are premixed so that layer separation occurs during hologram recording so that holographic interference fringes are occupied with high concentration liquid crystal droplets. This method can be viewed as a “dry” method which is advantageous for mass production of variable-configuration HOE.
[0024]
Hologram recording can be accomplished by a common optical process in which interference fringes are created by adding a light beam. Alternatively, the interference fringes can be artificially created by using highly accurate laser writing devices or other optical replication techniques. The electrode layer adjacent to the hologram is made of a transparent conductive material. As an example, the electrode layer can be made from indium-tin oxide (ITO), which typically has a transmission greater than 80%. When a voltage is applied to these layers, an electric field is generated in the hologram.
[0025]
A configurable HOE has at least two processing states, a diffractive state and a passive state. The optical properties of the configuration variable HOE mainly depend on the holographic interference fringes recorded on the photosensitive polymer film. In the diffractive state, the variable-configuration HOE transmits propagating light in a predefined way. diffraction Let In the passive state, the configurable HOE does not optically change the propagating light. First, the hologram of the configuration variable HOE is in a diffracted state, and incident light is diffracted by a predetermined method. However, when an electric field is generated in the hologram by applying a voltage to the electrode layer of the variable configuration HOE, the state of the hologram is switched from the diffraction state to the passive state.
[0026]
Still referring to FIG. 2, the projector 28 includes an image generator 32 and a projection optical system 34. The image generator 32 includes a light source 36, a color filter 38 and a display panel 40. The light source and the display panel may be general devices. Display panel 40 may be a small reflective LCD having either a nematic or ferroelectric material on a silicon backplane, or a micromechanical array such as a digital light processing device manufactured by Texas Instruments Incorporated. Good. The display panel 40 may also be a diffraction-based display device such as a grating light value developed by Silicon Light Machines, formally Echelle Inc. The color filter 38 has three configuration variable HOEs 42, 44, and 46 stacked. For simplicity, the holograms and electrode layers of the variable configuration HOEs 42-46 are not drawn. Each of the configuration variable HOEs 42 to 46 is holographically designed to diffract only certain color light when the specific configuration variable HOE is in a diffraction state. The configuration variable HOE 42 is designed to diffract only red light toward the display panel 40. Similarly, the configuration variable HOE 44 is designed to diffract only the green light 50 toward the display panel 40, and at the same time, the configuration variable HOE 46 is designed to diffract only the blue light 52 toward the display panel. The particular order of the configuration variable HOEs 42-46 in the color filter 38 is not important to the present invention.
[0027]
During operation, the light source 36 emits white light toward the color filter 38. Two of the configuration variable HOEs 42 to 46 are deactivated to diffract one of the tristimulus colors of the illumination light into the display panel 40 with an adjustment period equal to or shorter than the refresh rate of the display panel 40. Is done. The term “deactivation” as used in connection with a configurable HOE will be defined herein as a state in which a voltage is applied to the configurable HOE to generate an electric field. The effect of deactivating the configuration variable HOE is that the configuration variable HOE is in a passive state. The term “activation” as used in connection with the configurable HOE will be defined herein as a state in which no voltage is applied to the configurable HOE. The effect of activating the configuration variable HOE is that the configuration variable HOE enters a diffraction state.
[0028]
Next, the other tristimulus colors are sequentially diffracted by the display panel 40 by changing the optical state of the configuration variable HOEs 42 to 46. The order in which the tristimulus light is diffracted is not important. As an example, the configuration variable HOEs 44 and 46 are deactivated during the first adjustment period, and the configuration variable HOEs 44 and 46 are in a passive state. However, the configurable HOE 42 is activated to the diffractive state. Accordingly, only a part of the visible light spectrum corresponding to the red light is diffracted by the configuration variable HOE 42 to the display panel 40. During the second adjustment period, the configuration variable HOEs 42 and 46 are deactivated and the configuration variable HOE 44 is activated so that only green light is diffracted to the display panel 40. During the third adjustment period, the configuration variable HOEs 42 and 44 are deactivated and the configuration variable HOE 46 is activated, so that only blue light is diffracted by the display panel 40. Accordingly, the display panel 40 is sequentially illuminated with red, green and blue light, and the projected input image appears to be displayed on the projection screen 30 as a composite color image.
[0029]
The projection optical system 34 of the projection system 26 has three configurable HOE stacks 54, 56 and 58. These configuration variable HOE stacks 54 to 58 function to enlarge the projected image from the display panel 40. Each configurable HOE in the stacks 54-58 has a recording interference fringe with diffractive properties that results in the HOE processing light in the same way as a typical lens. Each of the configuration variable HOE stacks 54 to 58 is formed in a holographic manner so as to have a capability of enlarging the projected image at a preset magnification. The reconfigurable HOE stacks 54-58 are formed such that the display image on the projection screen 30 has a length or width of L1, L2 or L3, which optically processes the projection image from the image generator 32. Depending on one of the configurable HOE stacks 54-58 selected. When only the configuration variable HOE stack 54 processes a projection image optically, the size of the display image on the projection screen 30 is L1. When only the configuration variable HOE stack 56 processes the projection image optically, the size of the display image on the projection screen 30 is L2. When only the configuration variable HOE stack 58 optically processes the projection image, the size of the display image on the projection screen 30 is L3. Accordingly, the size of the displayed image on the projection screen 30 can be adjusted by one configurable HOE stack 54-58 selected to optically process the projected image. The number of configurable HOE stacks 54-58 in the projection optics 34 is not critical to the present invention. Projection optics 34 may have additional configurable HOE stacks to increase the number of other display dimensions available for projection system 26.
[0030]
Although the configurable HOE stacks 54-58 in FIG. 2 are shown as a unitary device, each of the configurable HOE stacks 54-58 has three configurable HOEs to prevent chromatic aberration. The three configurable HOEs in each of the configurable HOE stacks 54-58 are the same as the configurable HOEs 42-46 of the color filter 38, which are optical once for an input image corresponding to a single color light. The input image is transmitted to the projection screen 30. When a set of input images corresponding to the tristimulus colors is projected onto the projection screen 30, a composite image formed from the input images appears as a color image. The three configurable HOE assemblies in stacks 54-58 successfully handle the chromatic aberration problem.
[0031]
The operation of the three configuration variable HOEs in each of the stacks 54 to 58 is exactly the same as the operation of the configuration variable HOEs 42, 44 and 46. If a specific magnification is desired, the configurable HOE stack 54-58 corresponding to this specific magnification is selected. For example, if a display dimension of L1 is desired, the configurable HOE stack 54 is selected. Other configurable HOE stacks 56 and 58 may be set to be optically passive to any transmitted light. Next, the configurable HOE of the stack 54 is selectively activated and synchronized with the configurable HOEs 42-48 of the color filter 38 to convey the projected input image formed by continuing the tristimulus color processing. Is deactivated. For example, when the color filter 38 is formed to diffract only red light, only the configuration variable HOE of the stack 54 that optically processes red light is activated to the diffractive state, and at the same time, The other two configurable HOEs are deactivated to the passive state. By sequentially enlarging the input image from the display panel 40, an accurate color composite image is displayed on the projection screen 30 with a desired size.
[0032]
The projection system 26 of FIG. 2 can be modified without adversely affecting the processing of the entire system. In a first modification, the image generator 32 can be replaced by a common image generator such as the image generator 16 of the prior art projection system 10 of FIG. The replacement of the image generator 32 does not appear to adversely affect the processing of the projection optics 34. In a second modification, the projection optics 34 can be replaced by a common projection optics such as the projection optics 18 of the prior art projection system 10. The replacement of the projection optics 34 does not appear to adversely affect the processing of the image generator 32.
[0033]
In FIG. 3, a projection system 60 according to a second embodiment of the invention is shown. The projection system 60 can have the same image generator 16 and the same projection screen 30 included in the projection system 26. However, the projection system 60 has a projection optical system 62 that replaces the projection optical system 34 of the projection system 26. The projection optical system 62 is formed in a holographic manner in order to optically process the projection input image from the image generator 32 so as to generate a large number of tilt images on the projection screen 30. For simplicity, the components of the image generator 32 are not shown in FIG.
[0034]
In this embodiment, the projection optics 62 has four configurable HOE stacks 64, 66, 68 and 70 that provide a preselected enlargement of the projected input image. Each of the reconfigurable HOE stacks 64-70 is holographically configured to project the input image onto preset areas 72, 74, 76 and 78 of the projection screen 30 when activated. As an example, configurable HOE stack 70 is holographically formed to project an input image onto region 72, while configurable HOE stacks 64, 66, and 68 are configured to input image into regions 78, 76, and 74, respectively. Can function to project. Similar to the configurable HOE stacks 54-58 of the projection optics 34 with respect to the projection system 26, each of the configurable HOE stacks 60-66 has three configurable HOEs, which send a color image to a specific of the projection screen 30. It is designed to sequentially process the three tristimulus colors to form in regions 72-78.
[0035]
In operation, the projection optics 62 allows a set of color input images to be diffracted by only the corresponding configurable HOE stacks 64-70 to diffract the set of color input images. To one of them sequentially. For example, to display a color image in the area 72 of the projection screen, only the configurable HOE stack 70 is allowed to process the projection input image optically. The configuration variable HOE stacks 64 to 68 are set so as to be optically passive with respect to arbitrary transmitted light. The three configurable HOEs in the stack 70 are selectively activated and synchronized with the configurable HOEs 42-46 of the color filter 38 in the image generator 32 to convey a projected input image corresponding to a particular color. Is deactivated. For example, if the color filter 38 is formed to diffract red light, only the configuration variable HOE of the stack 70 that optically processes the red light is activated to the diffractive state, while the other of the stack 70 Two configurable HOEs are deactivated to the passive state. Activation of the selected configurable HOE in the stack 70 leads the projected image corresponding to the red light to the area 72 of the projection screen 30. By sequentially transmitting input images corresponding to different tristimulus colors from the display panel 40 of the image generator 32, an accurate color composite image is projected and displayed on the area 72 of the projection screen 30.
[0036]
The second color image is processed on the projection screen 30 by selecting a corresponding configurable HOE stack 64-68 for processing the next set of input images generated on the display panel 40 of the image generator 32. It can be displayed in one of the remaining areas 74-78. For example, the second color image deprives stack 70 of the ability to be optically passive, and the configurable HOE of stack 64 can be used to communicate the input image of the second color image to region 78. By making it function, it can be displayed in the area 78. The first color image displayed in area 72 and the second color image displayed following area 78 will appear to be displayed simultaneously if the display rate is sufficiently high. For faster display rates, four different color images can be displayed “simultaneously” in all four regions 72-78 of the projection screen 30.
[0037]
The color image displayed in one of the regions 72 to 78 may be a complete image, and four separate images can be displayed on the projection screen 30. In another form, the image displayed in one of the regions 72-78 is only one image segment of a single composite color image. The four color images sequentially displayed in the areas 72 to 78 of the projection screen 30 form a single composite image. In this form, for an image of a given size, the overall resolution of the display composite image can be substantially higher than if this image is projected as a single image.
[0038]
In a more complex embodiment, the projection optics 62 can have an additional configurable HOE stack to display a portion of the image in a smaller area of the projection screen. As an example, projection optics 62 may have a total of 16 configurable HOE stacks for displaying a single composite image of 16 color image segments in a 4 × 4 array.
[0039]
Turning to FIG. 4, a projection system 80 according to a third embodiment of the invention is shown. 2 and 3 will be used for the same parts depicted in FIG. This projection system 80 has all the parts associated with the projection system 60 of FIG. However, the projection system 80 has two imaging devices 82 and 84. In general, the projection system 80 functions in the same manner as the projection system 30 for displaying a composite image on the projection screen 30. As described above, a composite image is formed by continuously displaying segments of this composite image in the areas 72-78 of the projection screen. In order to display continuously changed composite images on the projection screen, each of the image segments of the composite image needs to be updated and displayed. Such processing can be integrated using a computer for image processing. The projection system 80 functions to reduce a part of the burden of this processing by executing a region of interest (AOI) that can be observed by movement. The term “region of interest” is defined herein as a field of view centered about the location of the projection screen 30 targeted by the viewer 86. The AOI can be determined by the gaze direction of the observer 86. By detecting the gaze direction of the viewer 86, only the image segments that are currently within or about to enter the AOI are updated.
[0040]
The video devices 82 and 84 function to project the head or both eyes of the viewer 86 in order to define the viewer's gaze direction. The imaging devices 82 and 84 can separate the components of the projection system 80 as shown in FIG. In another form, the imaging device is a projection optical system as described in US Provisional Application No. 60 / 094,522 filed July 8, 1998 under the name “Holographic Summary Display and Imaging System”. It can be incorporated into the system 62. The imaging devices 82 and 84 can utilize known imaging techniques to capture the position of the observer's 86 head or both eyes to determine the viewer's gaze direction. For example, each of the video devices 82 and 84 may include a light emitting element that emits video light such as infrared light to the head or both eyes of the observer 86, and a light sensor that receives backscattered light for video. it can. Thus, known image processing techniques can be utilized to determine the viewer's gaze direction.
[0041]
The determination of the viewer's gaze direction is used to recognize that the region or regions 72-78 of the projection screen 30 need to be repeatedly updated by recognizing the fixed viewpoint of the viewer 86. The remaining area of the projection screen 30 is displayed with the previous image segment. The resolution of these remaining image segments can be reduced by further reducing the required signal processing. If an appropriate algorithm is used to predict the trajectory of the moving viewpoint, the regions 72 to 78 added by the gaze of the observer 86 can be updated immediately before being added. In order to avoid any ambiguity at the adjacent boundaries of regions 72-78, the image segments displayed in regions 72-78 should overlap at the portions of the adjacent boundaries.
[0042]
Turning to FIG. 5, a projection system 88 according to a fourth embodiment of the invention is shown. The projection system 88 includes an image generator 90 and a projection optical system 92 that define a projector 94. The image generator 90 and the projection optical system 92 may be general devices. However, the image generator 90 may be the same as the image generator 32 of the projection system 26, and the projection optical system 92 may be the same as the projection optical system 34 of the projection system 26 or the projection optical system 62 of the projection system 60. . The projection system 88 also has a perspective projection screen 96. The projection screen 96 has a single configurable HOE stack 98 that can display the projected image from the projector 94 if the projected image is allowed to be processed optically. The configurable HOE stack 98 has three configurable HOEs for displaying projected images in color.
[0043]
The projection system 88 is disposed between the display device 100 and the observer 86. The display device 100 may be a computer monitor or other general display device. The projection system 88 functions to allow the observer 86 to observe an image on the display device 100 or a projection image provided on the projection screen 96. When the image on the display device 100 needs to be observed exclusively, the projector 94 stops generating the image on the projection screen 96. In addition, the configurable HOE of the stack 98 in the projection screen 96 is in a passive state to allow light to be passively transmitted through the projection screen for the viewer to observe the image on the display device 100. Set to The transmission capability of the projection screen allows the system to be used as a general head-up display, which is a computer-generated image, ie the image on the display device 100 is superimposed on the surrounding landscape. . If the projected image needs to be observed exclusively, the configurable HOE displays this projected image on the projection screen 96, allowing the projected image from the projector 94 to be optically processed. Preferably, display device 100 is deactivated to avoid optical interference within projection screen 96 by light from display device 100 and projector 94.
[0044]
In a more sophisticated device, the reconfigurable HOE in the projection screen 96 is holographically formed to allow simultaneous observation of the image on the display device 100 and the projected image from the projector 94. The holographic configuration of the configurable HOE of the stack 98 in the projection screen 96 allows light from the image on the display device 100 to be unchanged by the configurable HOE even if one of the configurable HOEs is in a diffractive state. . However, since the light from the projector 94 displays a projected image on the projection screen 96, diffraction It is optically processed by the configuration variable HOE. Preferably, the intensity of the projected image displayed on the projection screen 96 is adjusted with the background, ie, the image on the display device 100, to ensure sufficient contrast between the two images. The simultaneous viewing characteristics of the projection system 88 have many practical advantages. For example, document type work can achieve greater visual comfort by having the material projected as a projected image on the projection screen 96 and the computer text displayed on the display device 100. The person can observe the material and the computer text in the same focal plane.
[0045]
In FIG. 6, a projection system 102 according to a fifth embodiment of the invention is shown. The projection system 102 includes a projector 94 and a projection screen 104. The projector 94 includes an image generator 90 and a projection optical system 92. The image generator 90 and the projection optical system 92 may be general devices. However, the image generator 90 may be the same as the image generator 32 of the projection system 26 and the projection optical system 92 may be the same as the projection optical system 34 of the projection system 26. Projection screen 104 has at least two configurable HOE stacks 106 and 108. Each of the configurable HOE stacks 106 and 108 in the projection screen 104 has three configurable HOEs for displaying images in color.
[0046]
The reconfigurable HOE stacks 106 and 108 for the projection screen 104 are holographically configured to angularly change the light intensity of the propagating light toward a specific viewing position when allowing the propagating light to be optically processed. Is done. The configurable HOE stack 106 is designed to increase the light intensity towards the viewer's position, as shown by the curvature coordinate graphs 112 and 114. The configurable HOE stack 108 is designed to increase the light intensity towards the position of the viewer 116 as indicated by the curvature coordinate graphs 118 and 120. The increase in light intensity results in a brighter display image for the viewers 110 and 116.
[0047]
In operation, the configurable HOE stacks 106 and 108 are optically processed in an alternating fashion for a set of color projection images from the projector 94. When the configurable HOE stack 106 is processing a set of color projection images, the configurable HOE in the stack 106 is sequentially activated to optically process the projection images, and the color image is presented to the viewer 110. It has come to be. In the next procedure, the configurable HOE of the stack 108 is sequentially activated to optically process the next set of color projection images so that the color images are presented to the viewer 116. The alternating operation of the configurable HOE stacks 106 and 108 allows both viewers 110 and 116 to observe brighter color pixels.
[0048]
In one application, the same color image is presented to viewers 110 and 116. In more complex applications, different color images are presented to viewers 110 and 116. This is accomplished by generating a set of color projection images for the second color image when the other configurable HOE is processing.
[0049]
Projection screen 104 can have an additional configurable HOE designed to increase the light intensity towards different locations. By increasing the number of variable-configuration HOE stacks on the projection screen 104, more viewers can optimally observe the image displayed on the projection screen 104. The number of configurable HOE stacks in the projection screen 104 is not critical to the present invention.
[0050]
In more complex devices, the projection optics 92 is replaced by the projection optics 62 of the projection systems 60 and 80 so that the image is displayed on the projection screen 104 as an image segment that forms a composite image. When the projection optics 62 is used with the projection screen 104, different composite images can be presented to the viewers 110 and 116. Further, the imaging devices 82 and 84 of the projection system 80 in FIG. 4 can be incorporated into the projection system 102 to detect the gaze direction of the viewers 110 and 116. The incorporation of the imaging devices 82 and 84 will allow the projection system 102 to update only the viewer's field of view, or the appropriate image segment that is about to enter here. The operation of such a projection system can be substantially the same as the projection system 80. The only difference is that all processing of the projection optics 62 must be repeated for each of the configurable HOE stacks 106 and 108 of the projection screen 104 in order to optimally present the displayed composite image to the viewers 110 and 116. It is.
[0051]
Turning to FIG. 7, a projection system 122 according to a sixth embodiment of the invention is shown. The projection system 122 includes a projector 94 and a projection screen 124. The projector 94 includes an image generator 90 and a projection optical system 92. The image generator 90 and the projection optical system 92 may be general devices. However, the image generator 90 may be the same as the image generator 32 of the projection system 26 and the projection optical system 92 may be the same as the projection optical system 34 of the projection system 26. Projection screen 124 has two configurable HOE stacks 126 and 128. Each of the configurable HOE stacks 126 and 128 has three configurable HOEs for displaying images in color.
[0052]
Similar to the configurable HOE stacks 106 and 108 of the projection system 102 in FIG. 6, the configurable HOE stacks 126 and 128 determine the light intensity of the propagating light when it is possible to process the propagating light optically. It is formed in a holographic manner so that the angle changes toward the observation position. However, the configurable HOE stacks 126 and 128 are designed to increase the intensity of light toward both eyes 130 and 132 of a single observer rather than multiple observers. The configurable HOE stack 126 is designed to increase the light intensity towards the right eye 130 as shown by the curvature graphs 134 and 136, whereas the configurable HOE stack 128 is a light intensity. Is designed to increase towards the left eye 132 as shown by the curvature coordinate graphs 138 and 140. Increasing the light intensity toward each of the observer's eyes can provide an autostereoscopic display to the observer.
[0053]
During operation, the configurable HOE stacks 126 and 128 optically process the projected images from the projector 94 in an alternating fashion. When the configurable HOE stack 126 is processing the first set of color projection images, the configurable HOE of this stack 126 is sequentially activated to optically process the projection image from the projector 94, and the first Is displayed on the right eye 130. In the next procedure, the configurable HOE of the stack 128 is sequentially activated to optically process a set of color projection images from the projector 94 and a second color image is presented to the left eye 132. ing. The first and second color images are images that represent a single view from different viewpoints, ie, the left and right eyes of the viewer. The first and second projection images provide the illusion that the observed scene is three-dimensional.
[0054]
Projection screen 124 can be modified to accept additional observers. For each additional observer, the projection screen 124 can be modified by having an additional pair of configurable HOE stacks. Each of this pair of new stacks will be dedicated to one of the eyes of the additional observer for autostereoscopic display. In order to present to a large number of observers a stereoscopic image guided to both eyes of the observer, the configurable HOE stack of the projection screen 124 is individually activated in a sequential manner.
[0055]
In more complex devices, the projection optical system 92 is replaced by the projection optical system 62 of the projection systems 60 and 80, and each color image displayed on one eye of the observer is an image segment of the composite image. When the projection optics 62 is used with the projection screen 124, different composite images can be presented to the right and left eyes 130 and 132. Further, the imaging devices 82 and 84 can be incorporated into the projection system 122 to detect the gaze direction of both eyes 130 and 132. The incorporation of the imaging devices 82 and 84 allows the projection system 122 to change only the appropriate image segment that the observer is currently in his / her field of view or is entering here. The operation of such a projection system can be substantially the same as the projection system 80. The only difference is that the entire processing of the projection optics must be repeated for each of the configurable HOE stacks 126 and 128 of the projection screen 104 so as to stereoscopically present the displayed composite image to both eyes 130 and 132. It is.
[0056]
A method for displaying a projected image on the projection screen of the projection system will be described with reference to FIG. In step 142, non-monochromatic illumination light is generated by the light source of the system. Next, in step 144, the non-monochromatic illumination light is transmitted through the color filter. Preferably, the color filter has three configurable HOEs formed holographically, each of which is adapted to optically process one of the tristimulus colors of non-monochromatic illumination light. . In step 146, the specific color light of the non-monochromatic illumination light is selectively diffracted into the display panel of the projection system by the configuration variable HOE activated by the color filter. The input image displayed on the projection screen is generated by the display panel.
[0057]
In step 148, the input image is projected from the display panel toward the projection screen in response to reception of the diffracted color light from the color filter. Next, in step 150, the projection image is optically processed by the projection optical system of the projection system. The projection optical system has a large number of variable configuration HOEs. In one embodiment, the configuration variable HOE of the projection optical system is formed in a holographic manner, and each of the configuration variable HOEs of the projection optical system can enlarge the projection image with a preset magnification. The enlargement of the projected image is adjusted by activating the appropriate configuration variable HOE of the projection optical system. In another embodiment, the configuration variable HOE of the projection optical system is formed holographically so that each of the configuration variable HOEs can change the direction of the projection image in a preselected direction. This change in orientation of the projected image allows the projection system to display a composite image formed by a number of projection images, each of which is an image segment of the composite image. In step 152, the projected image is displayed on the projection screen for viewing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of a typical projection system of the prior art.
FIG. 2 is a conceptual diagram of a projection system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a conceptual diagram of a projection system according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a conceptual diagram of a projection system according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a conceptual diagram of a projection system according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a conceptual diagram of a projection system according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a conceptual diagram of a projection system according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a flowchart of a method for displaying a projected image on a projection screen of a projection system according to the present invention.

Claims

Light generating means for emitting light in a preset direction;
An image forming means arranged to receive the light from the light generating means, comprising a display and a projection optical system, and optically projecting an input image in response to the light reception;
The image forming means and optically coupled to, a screen for visually displaying the input image projected by the image forming means,
Disposed between the image forming means and said light generating means, a projection system comprising a holographic means order is diffracted while color filtering specific color light of the light emitted from said light generating means Te, the holographic means comprises a hologram recorded interference fringes in a holographic, which diffractive properties of the holographic means and provisions, the said holographic means with respect to said diffraction properties when an electric field is applied to the holographic means Ri variable der configured with passive state and diffraction state, wherein the hologram in the passive state does not change the light optically, the hologram in the diffraction condition that diffracted at predefined way the light Projection system characterized by .

The holographic means has three configurable holographic optical elements arranged in series along an optical path from the light generating means in order to change the diffraction characteristics of the light . each has a hologram recorded interference fringes in a holographic, which when the hologram is in the diffraction condition, a portion of the light having a peak wavelength in one tristimulus color wavelength range for visible light spectrum a projection system according to claim 1 which is formed only to diffract the three configurable holographic optical element is characterized in that it is dedicated to different wavelength ranges of said tristimulus color wavelength range.

The projection system according to claim 2 , wherein the holograms of the three variable holographic optical elements each include a liquid crystal and an exposed photosensitive polymer film having the interference fringes .

3. The projection system according to claim 2 , wherein the holograms of the three variable holographic optical elements are disposed between two electrode layers that function to apply an electric field to the hologram .

It said image forming means further comprises at least one first configurable holographic optical element to process the input image optically, the first configurable holographic optical element according to the prior SL electric field to be applied a projection system according to claim 1, characterized in that it comprises a diffraction characteristics.

The first configurable holographic optical element of said image forming means is formed on the holographic so as to have a 1 substantially different first magnification, the first configurable holographic optical element is in the diffraction condition case, the projection system of claim 5, wherein the input image is equal to or adapted to be displayed enlarged in size in accordance with the first magnification on the screen.

Said image forming means further includes a second configuration variable holographic optical elements arranged in series with the first configuration variable holographic optical element along the optical path from said light generating means, the second configuration variable holography the optical element is formed on the holographic so as to have a second magnification ratio different from the first magnification ratio, if the second configuration variable holographic optical element is in the diffraction state, the input image is the second is adapted to be enlarged in size corresponding to the enlargement ratio of the display on the screen, if the first configuration variable holographic optical element is in a passive state, said second configuration variable holographic optical elements for diffracting state Yes, when the first configuration variable holographic optical element is in the diffractive state, the second configuration variable holographic optical element is in a passive state A projection system according to claim 6, wherein the door.

It said image forming means comprises a plurality of first configuration variable holographic optical element, wherein the input image comprises a plurality of image segments, each of said first configurable holographic optical element, said first configurable holographic optical element 6. Projection system according to claim 5 , characterized in that when in the diffractive state, a particular image segment is redirected towards a particular selected area of the screen .

Further comprising means for obtaining successive images of the observer's eyes in order to detect the gaze direction of the observer, means for obtaining the continuous image, joins before Symbol image forming means And the image forming means aligns the line-of-sight direction with a specific image segment, and the specific image segment is redirected toward the selected area of the screen by the first configuration variable holographic optical element in the passive state. The projection system according to claim 8.

Wherein the screen has a configuration variable holographic optical element having an optical diffraction characteristic corresponding prior SL electric field to be applied only if this configuration variable holographic optical element is in the diffraction state, the configurable holographic optical elements are formed in the holographic type so that it the observer observes the input image on the screen, if the configurable holographic optical element is in the passive state, the observer said input on the Display The projection system according to claim 1 , wherein the image can be directly observed .

Wherein the screen has a plurality of configurable holographic optical element, each of the configurable holographic optical element has an optical diffraction characteristic corresponding prior SL electric field applied to the structure variable holographic optical element, said claim each of the configurable holographic optical element, when the screen is in the diffraction condition, characterized in that it is formed in the holographic as the light intensity emitted to a particular viewing direction by the screen is changed 2. The projection system according to 1 .