JP4795249B2 - ビデオ画像を表示するための装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、ホログラフィ技術を用いて、ビデオ画像を表示するための装置及び方法に関する。

ホログラフィ、例えば、コンピュータ生成ホログラム（ＣＧＨ）を用いて画像を表示する様々な構成が知られている。既に知られているかかる構成の１つが、米国特許第６４３７９１９号に記載されており、この特許では、電子的にアドレス可能な空間光変調器（ＳＬＭ）がアドレスされて、画像の３Ｄホログラフィ表示を実現している。このＳＬＭが適当な照明源によって照明されると、結果として、画像が再生領域（ＲＰＦ）に再構築される。

ホログラフィ表示装置等の既存の投影表示装置に伴う問題は、光効率が低く、また、３Ｄ表示装置が多数の画素を必要とすることである。

更に、ホログラフィ的に生成される２Ｄビデオ画像が、特に精細度及び効率の点において、従来の投影された相当物（ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ ｃｏｕｎｔｅｒｐａｒｔ）に優る大きな利点を有することが知られている。しかし、現在のホログラム生成アルゴリズムの計算の複雑性は、リアルタイム・アプリケーションにおけるそれらのアルゴリズムの使用を妨げている。更に、既存のアルゴリズムが十分に高速であったとしても、それらのアルゴリズムによって生成される画像は、表示装置に応用するのに十分なほどの質のものではない。

本発明は、特許請求の範囲に記載されている。

位相限定変調（ｐｈａｓｅ ｏｎｌｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）用に構成されたＬＣＯＳ（リキッド・クリスタル・オーバー・シリコン）デバイス等の、プログラム可能な回折素子にプログラム可能なキノフォームを使用するので、この表示装置の効率は、照明ビームの振幅変調に依存する既存のシステムに比べて遙かに増大される。その結果、最小の光損失を有するリアルタイム・ビデオが実現され得る。更に、本発明は、最適化アルゴリズムの間に生成されるキノフォームの時間多重化多反復によって、改善されたノイズ軽減技術を提供することができる。

更に、再構築されたキノフォーム画像は、キノフォームをビデオ・フレーム・レートで動的に表示するデバイスと、必要な位相分布をリアルタイムに計算するハードウェアと共に、特に効率及び画素損失に対する堅牢性の点において、従来の投影された相当物に優る大きな利点を有する。

ＬＣＯＳデバイス上に電子的に書き込まれるキノフォームの場合、用語「キノフォーム」は、対象物の波面の位相変調だけが計算される位相ホログラムを表すどんな位相分布も包含することが理解されるであろう。表現しやすいように、用語「キノフォーム」及び「ホログラム」は、本明細書では互いに置き換え可能に使用される。ビデオへの言及については、特定の任意の種類の画像内容を表すデータに限られるものではなく、１つ又は複数の静止画像を表すデータも含み、これらのデータは、周期的又は定期的にリフレッシュされる。

次に、本発明の実施形態が、図面を参照して説明される。

以下の説明では、同様の参照符号はそれぞれの図にわたって同様の部品を参照する。

概括的には、本願は、コンピュータ生成位相限定ホログラム（一般にキノフォームとして知られる）からビデオ画像を投影するための装置を対象とする。こうしたキノフォームは、それらのキノフォームが、位相限定変調器として効率的に動作するように構築された、画素化リキッド・クリスタル・オーバー・シリコン（ＬＣＯＳ）空間光変調器に表示されるように、迅速に再構成されることが可能でなければならない。このＬＣＯＳ位相限定ＳＬＭは、部分的にコヒーレントな光源（レーザ又はスーパー・ルミネッセント発光ダイオード、すなわちＬＥＤ等）から適切に拡大されたビームによって照明され、その位相限定キノフォームは、遠視野における実強度画像に変換される。この遠視野は、このフーリエ変換を実行するため投影レンズを用いてより近くに移されることができる。ビデオ画像を形成するビデオ・フレーム又はサブフレームは、ハードウェア・ベースの高速処理装置（例えばＦＦＴ、ＦＰＧＡ、及びＤＳ処理装置）を用いてそれらのフレームのフーリエ変換を高速で計算することによって、且つ（例えば）位相回復のためのＧｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎアルゴリズム（参照Ｊ．Ｒ．Ｆｉｅｎｕｐ著「Ｐｈａｓｅ ｒｅｔｒｉｅｖａｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ：ａ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ（位相回復アルゴリズム：比較）」Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ２１巻（１５）２７５８〜２７６５頁（１９８２年）、並びにＲ．Ｗ．Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ及びＷ．Ｏ．Ｓａｘｔｏｎ著「Ａ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｈａｓｅ ｆｒｏｍ ｉｍａｇｅ ａｎｄ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｐｌａｎｅ ｆｉｇｕｒｅｓ（画像及び回折平面像からの位相決定のための実際的なアルゴリズム）」Ｏｐｔｉｋ ３５ ２３７〜２４６頁（１９７１年）、これらは共に参照により本明細書に組み込まれる）に関連する方法を使用することによって、キノフォームに変換される。

図１を参照すると、ビデオ表示装置が、全体が１０で示されるホログラフィ・ビデオ投影装置を含む。投影されるべきビデオ画像を含む対象物１２が、処理装置１４によって受け取られ、処理されて、プログラム可能な回折素子１６、例えば空間光変調器においてキノフォームを形成する。このキノフォーム１６は、照明源１８によって照明されて画像２０を形成する。スクリーン上に再生を投影するため、並びに、例えば、０次影響を除去する、又は画像のノイズを軽減するために、光学系２２が、キノフォーム１６と画像２０との間に設けられる。

処理装置１４内で生成され、且つＳＬＭ１６によって表示されるようにプログラムされるべきこのキノフォームは、位相ホログラムの表示、例えば、Ｌ．Ｂ．Ｌｅｓｅｍ、Ｐ．Ｍ．Ｈｉｒｓｃｈ、Ｊ．Ａ．Ｊｏｒｄａｎ著「Ｔｈｅ ｋｉｎｏｆｏｒｍ：ａ ｎｅｗ ｗａｖｅｆｒｏｎｔ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ（キノフォーム：新しい波面再生デバイス）」ＩＢＭ Ｊ．Ｒｅｓ．Ｄｅｖｅｌ．１５０〜５頁（１９６９年３月）に記載されている種類のものを含む。この技術は位相限定変調に依存するので、振幅変調による光損失がない。更に、このＳＬＭは、画像化（ｉｍａｇｉｎｇ）と言うよりも、回折である。これらの処理ステップは、以下でより詳細に説明されるように、キノフォームの生成ステップと、キノフォームのＳＬＭへの符号化ステップと、ノイズ軽減ステップとを含む。その結果、複雑な時間変動画像、又は、迅速にリフレッシュする画像の、高品質、高空間及び時間分解能の投影が実現される。

図２〜５は、本発明の第１〜第４の実施形態による単段式構成を示す。図２は、図１のブロック図の様々な構成部品をより詳細に示す。例えば、照明光学系は、レーザ２００をビーム・エクスパンダ２０２と共に含む。プログラム可能な回折素子は、スクリーン２０８上に投影するＳＬＭ２０６を含む。偏光ビーム・スプリッタ２０４を含む中間光学素子が、反射／透過モードで設けられ、照明ビームをＳＬＭ２０６上に反射し、このＳＬＭ２０６は、次いで、そのミラーを介して変調されたビームをスクリーン２０８上に反射する。個々の構成部品は、適当な任意の構成部品でよく、例えば、レーザ、ビーム・エクスパンダ、及び偏光ビーム・スプリッタは、システムの光学的要件に従って選択されることができる。位相限定変調用に改変される場合、例えば、Ｈｏｌｏｅｙｅ社やＣＲＬＯ Ｄｉｓｐｌａｙｓ社によって供給されるような、従来型のＬＣＯＳデバイスがＳＬＭに適している。かかる改変形態は、位相変調に４５度から９０度まで増大させた理想的なスイッチング角度を用いる、位相変調用の強誘電性液晶ＬＣｏＳデバイスを用いた２値位相を含むことができる。その場合、偏光子又は検光子は必要とされない。或いは、光軸が液晶層の平面において回転する液晶電気光学効果、例えばネマチック液晶におけるエレクトロクリニック効果、Ｖ形スイッチング又はフレキソエレクトリック効果を使用する高速アナログＬＣｏＳデバイスが導入されてもよい。また、これらのどの場合でも、理想的なスイッチング角度は４５度であり、この角度は、ＬＣｏＳデバイスのミラー（図示せず）を覆って１／４波長板（ＱＷＰ）を組み込むことによって近似される。ミラーとＱＷＰとの組合せは、有効スイッチング角度を２倍にし、４５度に近いスイッチング角度を有する電気光学効果が使用されることを可能とする。代替実装形態は、ネマチック液晶を使用し、画素電圧に対するアナログ応答を有するＬＣｏＳデバイスである。これらのデバイスは、強度限定投影（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｎｌｙ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）に使用されるこの種の従来型ネマチックＬＣｏＳデバイスとは異なる。この液晶の構成は、より優れたアナログ位相応答を生じるように改変されることができ、ＬＣｏＳデバイスの、入射デバイスの偏光状態に対する構成は変更される。その場合、位相限定投影に検光子は必要とされない。ＬＣｏＳデバイスの製造が、Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｕｓｓ著「Ｔｈｅ ｒｅｓｕｒｇｅｎｃｅ ｏｆ ＬＣＯＳ ｄｉｓｐｌａｙｓ（ＬＣＯＳ表示装置の再起）」、Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ（２００４年１１月、２０巻（１１）、１６〜２０頁）に更に記載されている。

図８を参照すると、２値ＳＬＭ（１００）の一実施形態の部分断面図が示されている。ＳＬＭ（１００）は、図面では複数の画素（１２０〜１２３）を有するが、これらの画素は、実際には２次元のマトリックスに配置されることが理解されるであろう。各画素（１２０〜１２３）は、０又はπの位相シフトをもたらすように電気的に制御されることが可能である。ＳＬＭの各画素（１２０〜１２３）は、その上に重なり、且つその各画素に対応して配設されたそれぞれの位相マスク画素（１３０〜１３３）を有する。図で分かるように、第１、第３、及び第４の位相マスク画素（１３０、１３２、１３３）は、比較的薄い厚さを有し、一方、第２の位相マスク画素（１３１）は、比較的厚い厚さを有する。こうした厚さの差は、位相マスクの材料、及び使用される光の波長に基づいて選択される。この選択は、より厚い画素（１３１）を通過する光が、より薄い画素（１３０、１３２、１３３）を通過する光よりもπ位相シフトの影響を受けやすくするものである。

ＳＬＭ又は同様のデバイスが反射型である場合、光は、位相マスクを２回通過することになり、それに対応して厚さの変更が必要とされることになる。

本実施形態では、位相マスクはＳＬＭ（１００）上の被覆として形成される。当然ながら、他の構成を使用すること、例えば、２つのほぼ同一のＳＬＭを使用し、一方でデータの表示を行い、他方で位相マスクを形成することも可能である。

図２に示される構成の特有の利点は、キノフォームの形の位相分布を使用するので、投影光学系のいくつか、又は全てが、例えばフレネル型オン・アクシス・ホログラムをもたらすマイクロ投影装置等の低コスト・システム用の２次位相項として、ＬＣＯＳデバイスのキノフォームに組み込まれることができることである。

図３を参照すると、追加のレンズ２１０が組み込まれて、投影光学系を形成する、フラウンホーファ（又はフーリエ）・ホログラムを使用した代替実施形態が示されている。

投影の際に主要なノイズ源となる、ホログラム内の０次スポットを除去するために、ホログラムに線形位相項が加えられる場合、次いで、図４及び５にそれぞれ示されるように、フレネル型又はフラウンホーファ型オフ・アクシス構成が採用され得、これらの構成では、スクリーン２０８と、適切には、投射光学系２１０とがオフ・アクシスに設けられ、従って、０次スポットがなくなる。

図６及び７を参照すると、第５及び第６の実施形態の２段式構造体が示されている。これらの構造体によれば、追加の中間光学系が、光学的にアドレス可能な空間光変調器（ＯＡＳＬＭ）を含み、それによって追加のノイズ軽減を実現している。

まず図６を参照すると、キノフォームがＳＬＭ６００上に表示され、複製光学系６０２を介してＯＡＳＬＭ６０４上に多重化される。その結果、同一又は異なる位相ホログラムの多バージョンが、ＯＡＳＬＭ上で空間的に多重化され、これらのホログラムは、米国特許第６４３７９１９号に記載されているような振幅ホログラムに使用される方式に従って、変換投影光学系を介してスクリーン６０８上に投影され、前記特許の内容は参照により本明細書に完全に組み込まれる。

投影される画像のスポット寸法は、照明ビームの開口に反比例し、且つフーリエ投影システムの有効焦点距離に比例する。ＬＣＯＳ等の従来型のＳＬＭによってもたらされる小開口（対角線で１２〜３２ｍｍ）は、画像をより大きいＯＡＳＬＭ上に空間多重化することによって増大される。その結果、既存のＳＬＭは、改変せずに使用されることができ、これは、高品質の変調画像が、ＯＡＳＬＭ光センサにリアルタイムで光学的に書き込むのに理想的であるからである。ＳＬＭ上の多数の画素からの回折損失は、ＯＡＳＬＭ上の隣接したタイル上に画像を多重化することによって低減され、従って、ＳＬＭによって回折された１次（ｆｉｒｓｔ ｏｒｄｅｒ）を効果的に増幅させることになる。投影される画像のスポット寸法は、結果として得られるシステムのより広い光学開口によってより小さくなり、更に、ＯＡＳＬＭ構造体は、この実装形態に良く適しており、その理由は、それがある場合にはより高次（ｏｒｄｅｒ）に回折損失を生じることになる微細な画素化がないため、また、この構造体が強誘電性液晶を駆動するのに適しているため、参照により本明細書に組み込まれる参照文献Ｓ．Ｍｉａｓ、Ｉ．Ｇ．Ｍａｎｏｌｉｓ、Ｎ．Ｃｏｌｌｉｎｇｓ、Ｔ．Ｄ．Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ、及びＷ．Ａ．Ｃｒｏｓｓｌａｎｄ著「Ｐｈａｓｅ−ｍｏｄｕｌａｔｉｎｇ ｂｉｓｔａｂｌｅ ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ａｄｄｒｅｓｓｅｄ ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ ｕｓｉｎｇ ｗｉｄｅ−ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ−ａｎｇｌｅ ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｌａｙｅｒ（広スイッチング角度強誘電性液晶層を使用した、位相変調双安定光学アドレス化空間光変調器）」、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ４４巻（１）（２００５年）に記載されるような堅牢な位相変調をもたらすことになるからである。その結果、高いコントラストの画像が実現される。

図７は、ＳＬＭ６１０の多ビット・フレームが、ＯＡＳＬＭ上で空間多重化する多値ホログラム（ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ ｈｏｌｏｇｒａｍ）をもたらす代替の２段式構造体を示し、例えば、以下でより詳細に説明されるように、カラー、グレー・スケール、又はその他の方法によるキノフォームのそれぞれの分解が、次いで組み合わされて最終画像を形成する。

・キノフォームの符合化：２値及び多値キノフォーム
複製及び変換投影光学系は、適当な任意の種類のものでよく、例えば、変換投影光学系は、フーリエ変換レンズでよいことが理解されるであろう。同様に、ＯＡＳＬＭも適当な任意の種類のものでよく、例えば参照により本明細書に組み込まれる、Ｓ．Ｍｉａｓ等のＯｐｔ Ｅｎｇ２００５年１月に記載されたようなものでよい。

例えば２値又は多値量子化等の、適当な任意の符合化方式も採用され得ることが理解されよう。図９ａに示される２値方式によれば、ＳＬＭ９００は、複数の画素又は最大スイッチング角度θ＝９０°を有するスイッチング素子９０２を含む。ＬＣＯＳデバイスの４分の１波の厚さの結果として、遠視野９０６において０次スポットは形成されない。

ＬＣＯＳデバイスを含む代替のＳＬＭが図９ｂに示されており、このＳＬＭ９００は、９０°未満の最大スイッチング角度を有するスイッチング素子９０２を含む。従って、Ｅ_ｏｕｔ９０４の対称分布を示すグラフから分かるように、遠視野９０６に０次スポットが形成され、その結果、例えば、図４及び５を参照して説明されたオフ・アクシス技術が実施され得ることになる。

代替の符号化／量子化方式では、２値位相デバイスに優る更なる利点が実現され得る（下記参照）。この代替実施形態によれば、多値量子化が採用され、この場合、より多くの光が所望の画像の方に送られる。多値量子化を実現するデバイスは、正の誘電異方性を有する０ツイスト・ネマチックＬＣＯＳデバイス（Ｅ Ｈａｌｌｓｔｉｇ、Ｔ Ｍａｒｔｉｎ、Ｌ Ｓｊｏｑｖｉｓｔ、Ｍ Ｌｉｎｄｇｒｅｎ著「Ｐｏｌａｒｉｓａｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｎｅｍａｔｉｃ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ ｆｏｒ ｐｈａｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（位相変調のためのネマチック液晶空間光変調器の偏光特性）」Ｊｎｌ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ．、２００４年８月）を含む。また、パイ・セル・ネマチック液体デバイスが使用されてもよく、同様に、垂直に配置されたネマチック液晶デバイス、及び２周波ネマチック・デバイス（Ｋ．Ｂａｕｃｈｅｒｔ、Ｓ．Ｓｅｒａｔｉ、Ａ．Ｆｕｒｍａｎ著「Ｄｕａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｎｅｍａｔｉｃ ＳＬＭｓ ｆｏｒ ｐｈａｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（位相変調のための２周波ネマチックＳＬＭ）」、Ｐｒｏｃ ＳＰＩＥ ４７３４ ３５〜４３頁（２００２年））も使用され得る。使用され得るより高速なスイッチング速度を有し得るスメクチック液体デバイスは、エレクトロクリニックＬＣＯＳと、ねじれ螺旋型（ｄｅｆｏｒｍｅｄ ｈｅｌｉｘ）ＬＣＯＳと、タンデム２値ＬＣＯＳと、Ｖ形スイッチングＬＣＯＳ（Ｍ．Ｏ’Ｃａｌｌａｇｈａｎ著「Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｆｏｒｃｅｓ ｉｎ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｌｅｓｓ Ｖ−ｓｈａｐｅｄ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌｓ（閾値のないＶ形スイッチング強誘電性液晶におけるスイッチング力学及び表面力）」Ｐｈｙｓ Ｒｅｖ．Ｅ６７、０１１７１０（２００３年））とを含む。多値位相を使用する主な利点は、２値キノフォームの場合には強度がプラスとマイナスとに対称次（ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｏｒｄｅｒ）で同等に分布するのとは違って、このキノフォームは全ての光を１つの回折次に向けて送ることが可能であることである。更に、このキノフォームは、量子化誤差が低減されて表示され得、その結果、再生領域においてノイズがより低くなる。キノフォームのより高い情報量が、より高度な忠実度での再構築を実現する。

リアルタイムでのキノフォームの計算
次に、上で説明された装置が、リアルタイム・ビデオ・ホログラフィ投影を生成するのに使用され得る対応（ｍａｎｎｅｒ）が以下で説明される。図１０を参照すると、第１の方法実施形態では、ビデオ信号から直接生成された、ｍ×ｍ画素の入力強度領域Ｔ_ｘｙを表す信号（８０２）が、第１の処理ブロック（８０１）を有する処理装置（８２０）に入力される。この実施形態では、処理装置（２０）は、所望の関数を実施することを可能とするコードを実行するフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）を含む。他の実施形態ではＡＳＩＣが使用され、更に他の実施形態では、プログラム化汎用コンピュータが使用される。各前記複数の画素化ホログラムを得るための第１の処理ブロック（８０１）は、出力（８０３）において、次式

で表現される第１のデータ・セット

を生成し、従って、第１のデータ・セット

は、所望の画素の振幅に等しい振幅と、同様に分布された（ｉ．ｉ．ｄ．）一様にランダムな位相とを有する。

第１のデータ・セット（８０３）は、第２の処理ブロック（８０４）に当てはめられ、それによって、出力（５）において、

（但し、Ｆ^−１は２次元逆フーリエ変換を表す）を満たす第２のデータ・セット

を生成する。

次いで、第２のデータ・セットは、第３の処理ブロック（８０６）によって、複素平面の実数の方向に（すなわち右に）十分シフトされて、第３のデータ・セット（８０７）を生成し、このデータ・セットでは、各データ点の位相は小さくなる。第３の処理ブロック（８０６）は、Ｒを

を満たす最小の正の実数として生成し、且つ、第２のセットの各データ項目に実数α（但しα＞＞Ｒ）を加算して、出力（８０７）において第３のセット

を生成する。

出力（８０７）における第３のデータ・セットは、関数

を実行する、振幅生成用の第５の処理ブロック（８０８）に当てはめられ、それによって

が第４のデータ・セット（８０９）として出力される。

次いで、この第４のデータは、関数

（但し

）を実行する２値化ステージ（８１０）に供給されて、第５のデータ・セット（８１１）を生成し、前記ホログラムとして表示されることになる。

第５のデータ・セット（１１）は、強誘電性液晶ＳＬＭ（１２）に供給されて表示され観察（ｖｉｅｗｉｎｇ）されることになる。この実施形態では、強誘電性液晶空間光変調器が使用されているが、ＤＭＤ等のＭＥＭＳデバイス等の非液晶技術に加えて、他のデバイス、例えばネマチックＳＬＭ、ＯＡＳＬＭ（光学アドレス化空間光変調器）、及び、例えば、エレクトロクリニック、パイセル、フレキソエレクトリック、アンチフェロエレクトリック、フェリエレクトリック、Ｖ形スイッチング・セル、及びゲスト・ホスト色素セル等を含む、より新型（ｅｘｏｔｉｃ ｔｙｐｅ）の液晶表示装置が代用されてもよい。このデバイスは、透過型でも反射型でもよい。

単一の計算集中ステップ、すなわち逆フーリエ変換しか存在しないので、現在のハードウェアでも、ビデオ・フレーム当たり複数、例えば４０のホログラムをリアルタイムに生成することが可能となる。

第２の方法実施形態では、改変されたプロセスが、２Ｎ個の互いに異なる（ｄｉｓｔｉｎｃｔ）ｍ×ｍ２値位相ホログラム

の組を生成し、これらは、同一の目標画像に近似する再生領域をそれぞれ生成する。このプロセスの鍵となる特徴は、各ホログラムによって生成されるノイズ領域はｉ．ｉ．ｄ．となり、従って、上の条件を満たすことである。

このプロセスは、目標強度画像Ｔ_ｘｙの特定化（ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ）から始まり、以下のように進む。
１．

とし、但し

は、１≦ｎ≦Ｎ、１≦ｘ、ｙ≦ｍに対して０から２πの範囲で一様に分布される。
２．

とし、但し、１≦ｎ≦Ｎに対して、Ｆ^−１は２次元逆フーリエ変換操作を表す。
３．

とし、但し１≦ｎ≦Ｎである。
４．

とし、但し１≦ｎ≦Ｎである。
５．

とし、但し

且つ１≦ｎ≦２Ｎである。

このプロセスのステップ３及び５は、第１の実施形態のステップ３、４及び５と全く等しいが、追加ステップ（このプロセスでは４番目）が加えられている。従って、ここで生成されるホログラム

は、元のアルゴリズムによって生成されるホログラム

と厳密に同一であり、この場合のみ、ホログラム

もまた、「無償で（ｆｏｒ ｆｒｅｅ）」すなわち、更なるフーリエ変換ステップの必要なく得られる。

ステップ１は、供給された強度目標Ｔ_ｘｙの振幅に等しいが、ｉ．ｉ．ｄ．一様ランダム位相を有するＮ個の目標

を生成する。ステップ２は、完全複素フーリエ変換ホログラム

に対応するＮを計算する。ステップ３、４は、これらのホログラムの実数部及び虚数部をそれぞれ計算する。次いで、これらのホログラムの実数及び虚数部の２値化が、ステップ５でそれぞれ実施され、すなわち、

の中央値付近を閾値とする（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）ことによって、同じ数の−１及び１点がホログラム内に存在することが確実となり、従って、（定義上）ＤＣバランス、更には、最小の再構築誤差を実現する。従って、第１の実施形態のプロセスを使用すると、１つのホログラムが得られたが、それに対し、Ｔ_ｘｙに１回のフーリエ変換を実施すると、２つの２値位相ホログラムＨ_ｘｙが得られる。

どんな純粋にリアルなホログラム（２値位相ホログラム等）も、再生領域に共役像を生成し、それによって利用可能な領域を減少させ、従って、その効率が半分までに低減することになる。

この共役像は、各画素が値［１、ｊ、−１、−ｊ］の１つをとる４位相ホログラムを生成することによって除去され得るが、かかるホログラムは、強誘電性ＳＬＭ等の本質的に２値のデバイス上には表示されることができない。ネマチック液晶デバイスでは、３つ以上の位相値が表示され得るが、これらの位相値は、現時点では、上述されたアルゴリズムによって実現されるような高速のフレーム・レートに応用するには低速すぎる。

しかし、２値位相ＳＬＭの頂部表面において、画素値１及びｊの画素化位相マスクをエッチングすることによって、（すなわち、０及びπ／２の位相シフトをそれぞれに課すことによって）、共役像は、除去され得る。上記は、ＳＬＭと位相マスクとの組合せによって課される正味の変調が、［１、ｊ、−１、−ｊ］の組に存在するように、マスクの画素値をランダムに設定することによって実現され、このことが、ＳＬＭ自体が２値であるという事実にも関わらず、（追加のＲＰＦノイズを犠牲にして）共役像を除去するのに必要とされる追加の自由度をもたらす。この技術は、相関器設計において使用されてきており、本明細書では表示装置の用途に応用される。マスクの画素値はランダムであり、従って統計学的に等しい数の各位相シフト値があるという点で「ｄｃバランス」を有するが、このマスク自体は固定されており、各位相シフト値の画素位置は知られている。

他の実施形態では、完全にランダムではない位相シフト分布が使用される。

位相マスクを使用するために上述されたアルゴリズムを改変するには、第２のブロック（４）が改変されて

を満たす

をもたらし、但し、Ｐ_ｘｙはランダムに生成された位相マスクを定義し、従って、各画素は、値１又はｊをとる等しい確率を有することになる。

この技術の有効性をシミュレーションにおいて評価するために、２つのテスト・パターンでホログラムが生成され、各ホログラムは２回複製され、この複製ステップは、アルゴリズムのステップ２と３との間で実施された。形成された再生領域は、共役像が効果的に除去されることを示し、また、シミュレーションは、位相マスクの使用が、生成されたＲＰＦの信号対雑音比（ＳＮ比）をそれほどは劣化させないことを示した。

前述の考察は、フーリエ・ホログラムを使用して遠視野に所望の２Ｄ構造体を生成することに関する。また、この方法は、近視野にある構造体を生成するフレネル・ホログラムを生成するのにも拡張されることができ、この方法は、特に、レンズのない光学構成に有用である。上で議論されたように、ホログラム自体が集光要素（ｆｏｃｕｓｓｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）を符合化するので、フレネル・ホログラフィは、レンズのない投影を可能にするという利点を提供し、従来型の投影表示システムに優る、明白な重量、費用、及び寸法節減をもたらす。

この離散フレネル変換は、フーリエ変換と密接に関連し、波長λのコヒーレント光で照明されたときに、（寸法Ｘ×Ｙ、且つ画素寸法Δ_ｘ及びΔ_ｙに相当する）ホログラムＧ_ｘｙによって距離ｆに生成された近視野Ｔ_ｘｙを表す。ホログラムにそれほど近すぎずに画像化（ｉｍａｇｉｎｇ）する場合、その変換は、

で与えられ、対応する逆変換は、

である。

従って、処理ブロック（４）が

を満たす

をもたらす場合、フレネル・ホログラムは、ホログラムから指定された距離ｆに目標画像を形成するように生成される。

説明されたこの技術は、３Ｄホログラフィ・ビデオ表示装置における３Ｄホログラム生成用に改変され得る。対象物の３Ｄホログラムとは、対象物の前にある平面の、（その対象物によって散乱された光によって生成される）複雑な電磁界の単なる記録である。ホイヘンスの原理により、平面Ｐ上のＥＭ界の分布が分かっている場合、ホイヘンス小波が空間を通って伝播されて、３Ｄ空間の任意の点においてそのＥＭ界を評価することができる。従って、この平面ホログラムは、平面の前のどんな位置及び角度からもその対象物を見るのに必要な全ての情報を符合化し、従って、理論的には、その対象物と工学的に見分けが付かない。実際には、記録媒体の画素解像度における制約が、視角θを制限し、この視覚は、２Ｄの場合と同様に、画素寸法Δに反比例して変動する。

ｚ軸に垂直で、原点と交差する平面、及びその背後にある、位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）における波長λ及び振幅Ａのソース・エミッタの１つの点について考慮する。平面上の位置（ｘ、ｙ）に存在する領域Ｆ、すなわちホログラムは、

（但し

）で与えられる。

３Ｄシーンが（Ｘ_ｉ、Ｙ_ｉ、Ｚ_ｉ）における振幅Ａ_ｉのＭ源として考えられる場合、ＥＭ伝播の線形性質によって、全領域ホログラム（ｔｏｔａｌ ｆｉｅｌｄ ｈｏｌｏｇｒａｍ）Ｆは、

（但し

）となる。

Ｆ（ｘ、ｙ）が、ｘ_ｍｉｎ≦ｘ≦ｘ_ｍａｘ、ｙ_ｍｉｎ≦ｙ≦ｙ_ｍａｘの領域にわたってサンプリングされてｍ×ｍのホログラムＦ_ｘｙを形成する場合、

（但し

）が得られる。

従って、上記のように、点源の所与のアレイに関し、Ｎ個のフル・パララックス３Ｄホログラム

を生成する、（ＳＬＭ位相マスクを用いた）アルゴリズムが提示される。

とし、但しｒ_ｉは上記通りで、

は１≦ｎ≦Ｎ、１≦ｉ≦Ｍに対して０から２πの範囲で一様に分布される。

とし、但しＰ_ｘｙは先のセクションで説明されたように、予め計算された［１、ｊ］位相マスクである。

Ｒを

を満たす最小の正の実数とする。Ｒは、

によって取られる各値が有限であるため存在し、従って

はコンパクト・サポートを有する。

とし、但しαは実数で、且つＲよりも遙かに大きい。

とし、但し

である。

このアルゴリズムをテストするために、解像度５１２×５１２、寸法が平面Ｐの原点を中心に２ｍｍ×２ｍｍ、画素寸法Δ＝４μｍ、従って、コヒーレントな赤色照明（λ＝６３２ｎｍ）下での視覚角度が約９度の、Ｎ＝８のホログラムの計算について考察される。使用された３Ｄシーンは、平面から１．９１ｍ離れた位置に、寸法１２ｃｍ×１２ｃｍ×１８ｃｍのワイヤーフレーム直方体を形成した９４４の点源の一組であった。

シミュレートされた生成ＲＰＦは、ホイヘンス小波を、Ｎ個のホログラムから次いでピンホール開口Ｋを介して仮想スクリーン（立方体の中心からピンホールまでのラインに垂直な平面）上に伝播させ、スクリーン上の時間平均された強度分布を記録することによって計算された。

遺憾ながら、２Ｄ用に記述されたアルゴリズムとは異なり、上記の３Ｄアルゴリズムにおけるステップ１の計算は、現在の消費者ハードウェアでは、非常に少ない数の点源のシーン以外はリアルタイムに実現可能ではないと考えられる。しかし、このアルゴリズムによって生成される、必要とされるホログラムは、計算且つ記憶されて、リアルタイムに呼び出されることができる。リアルタイム３次元ホログラムの生成には、遙かに強力な計算が必要とされることがあるが、かかる計算が必要とされないように提案する形でこの計算を最適化することが可能であることが判明してきている。

上で詳細化されたホログラフィ投影方法は、ハードウェアにおいて実現可能である。書込み時には、市販のＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）が、５１２×５１２フーリエ変換を少なくとも２４００フレーム／秒の速度で計算する市販のコードを使用してプログラムされ得、この速度はフル・カラー映像（２５フレーム／秒、３色平面、Ｎ＝３２）に十分である。表示装置には、市販のＳＬＭが、少なくとも５１２×５１２の解像度で、十分なフレーム・レートを表示することができる。複数のカラーが必要とされる、例えばフル・カラー表示の場合、別々の照明装置を使用することが可能である。或いは、複数のカラー出力が可能な単一の装置がその代わりに使用されてもよい。

２つの重要な設計問題が認識されてきている。

第１に、位相ホログラフィ素子における光損失は小さく、全体のエネルギーが保存されるので、入射する光エネルギーのほぼ全てがＲＰＦに送られる。

従って、全エネルギーが、目標ＲＰＦ内の各「オン」画素間でほぼ均等に分配されると想定すると、より少ない「オン」ポイントを有するＲＰＦが、多数の点を有するものより明るく見えることになる。その結果、制御器によって、フレーム間での全体的な輝度が均質となるように、各フレーム内の「オン」ポイントの数に応じて「点源」の強度が変調されることになる。レーザの直接の振幅変調は、非線形性のため望ましくなく、従って、ある実施形態では、かかる振幅変調は、各４００μｓパルスの間隔内で、所望の輝度に比例するデューティ・サイクルを用いたパルス幅変調によって置き換えられ、それによって必要とされる平均強度を実現する。

第２に、ある設計問題が、ＲＰＦ寸法と照明波長との関係から生じる。この問題は、一実施形態において、光源（ｓｏｕｒｃｅ）の３つの波長において色収差用に補正されたレンズ系によって、また別法としては、フレネル・ホログラフィを用いてこの影響の補償をホログラム内に直接構築することによって克服される。

本発明の手法の結果は、シミュレーションにおいて、ＲＰＦが、６桁高速な計算時間で、ＤＢＳよりも２桁低いノイズ・エネルギーを呈することを示している。実験の結果は、理論と一致しており、テスト装置に強誘電性ＳＬＭの非常に古い設計を用いた場合でさえも、ホログラフ的に生成された画像の、これまでに実証されていないレベルのコントラストと、正確さとを示している。

ハードワイヤード式（ｈａｒｄ ｗｉｒｅｄ）高速フーリエ変換処理装置を利用することができる、代替クラスのアルゴリズムは、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ Ｓａｘｔｏｎアルゴリズム等の方向性反復最適化アルゴリズムである。これらのアルゴリズムについては、以下でより詳細に論じられ、集合的にピンポン・アルゴリズムとして知られるクラスに属し、また、例えば、当業者に知られているタイプのＩＦＴＡ、入出力アルゴリズムも含む。かかるアルゴリズムでは、開始点はランダム位相分布又は他の決定性位相分布、例えば、いくつかの２値化された所定の位相分布であり、この位相分布に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が実施されて、初期の位相分布に置き換わる改善された位相分布をもたらす。このサイクルは、ＦＦＴ２値化位相分布が所望の目標分布に近似するまで繰り返される。或いは、ランダム位相分布は、一般に、ＧＳアルゴリズムの開始時に、先行するフレームから継承された位相分布に置き換えられることができると想定される。

これは、良好なキノフォームを実現するのに必要な反復の数を最小にすることを試みるときに特に重要である。ビデオ・フレームがシーケンシャルな一連のサブフレームを含む場合、このことはまた、これらのサブフレームにも当てはまる。

或いは、例えば直接二分探索（ｄｉｒｅｃｔ ｂｉｎａｒｙ ｓｅａｒｃｈ）やシミュレーティッド・アニーリング等の一方向性反復最適化アルゴリズム（一回の画素変更及び費用関数テスト）等のアルゴリズムが実施され得、これらの技術もやはり当業者には良く知られており、本明細書では詳細には説明されない。

キノフォームは、ある程度はリアルタイムに生成されることができ、次に、代替の改善された対応について説明される。上で論じられたように、Ｍ×リアルタイムでホログラムを生成することが望ましく、Ｍは、以下でより詳細に論じられるように、ノイズ低減、及びグレー・スケール／カラー表示のための時間多重化要因を表す。アルゴリズムの実施は、ある程度加速されることができる。

ホログラム細分化（ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ）を含む第１の手法では、初期の最適化されていないホログラムが、同等の領域に更に分割され、これらの領域は、本明細書において説明されたアルゴリズムに従ってそれぞれ独立に並行して最適化される。多くの例では、処理時間は画素数の２乗に比例するので、この細分化は、それに対応して並列処理装置の間で分配される処理時間を低減させる。空間細分化に加えて、ホログラムはどんな適切な対応でも分解されることができる。

更に、複素ホログラムが画定された後に、誤差拡散、及び拘束された組への投影（ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｏｎｔｏ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ｓｅｔｓ）（ＰＯＣＳ）等の量子化手順が施されることができ、やはり当業者には良く知られている。どの場合も、並列処理を最適化するためのホログラムの細分化又はその他の分解に続いて、これらの分解された部分は、合わせられて（ｓｕｍ）完全に再構築された画像を生じることが理解されるであろう。

これらのアルゴリズムは全て、最適化を実施するための処理装置内の専用ハードウェア、例えば、適当な知られた任意の種類のＦＦＴ処理装置、ＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）ボード、ＤＣＴ処理装置（離散コサイン変換）、又はＤＳＰ（デジタル信号処理）ボードを用いて実施され、且つ高速化されることができる。

変調方式及びキノフォームの生成
ＳＬＭ上にキノフォームを表示するのに、上で論じられた２値又は多値量子化を使用した様々な変調方式が可能であることが理解されるであろう。特に、変調方式は、シーケンシャルな赤、緑、及び青の照明下でのホログラム再構築が、カラーの（ｃｏｌｏｕｒｅｄ）グレー・スケール画像を生じるように採用されることができる。

直接変調方式によれば、ＳＬＭは、直接変調されて、カラー及び／又はグレー・スケールをもたらす。特に、２値又は多値ホログラムのフレーム・シーケンシャル多重化を実現して、向上されたグレー・スケール、及びフレーム・シーケンシャル・カラーをもたらし、且つ以下でより詳細に論じられるように、ノイズ低減の可能性をもたらすのに、高速ＳＬＭデバイスが使用される。或いは、照明源が変調され得、ＳＬＭは、光変調滞留時間（ｄｗｅｌｌ ｔｉｍｅ）又は光強度が、例えばフレーム・シーケンシャル・グレー・スケール（ＦＳＧＳ）方式に従って、ビット平面の重み（ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ）に応じて変動するように２値ビット平面に再生するホログラムを使用することができる。或いはこの場合も、フレーム・シーケンシャル・カラー（ＦＳＣ）方式に従って、表示装置は、赤、緑、青（ＲＧＢ）のシーケンシャルな照明を使用する変調方式を採用すること、又は白色光源以外の他のカラー方式発光ダイオード（ＬＥＤ）を採用することもでき、この場合、これらのダイオードは所与の色専用のホログラムと同期される。こうした方式は、当業者には良く知られており、本明細書では詳細には説明されない。

更に、投影又は表示された画像のノイズを低減させることが望ましい。ノイズ源は、系統的なものと非系統的なものとに分類されることができる。系統的ノイズ源は、ＳＬＭ内の位相表示誤差と不均質性とを含む。非系統的ノイズ源は、最適化アルゴリズムの実施から生じるノイズと、二値化誤差とを含む。上で論じられたように、ＳＬＭにおける多値量子化の使用は、２値化ノイズを著しく低減し、且つ、最適化アルゴリズムによって導入されるノイズもやはり低減するが、これは、アルゴリズムに対する制約が低減されて、大きな検索空間がもたらされるからである。更なる多値量子化が、位相表示誤差からノイズを低減させる。更に、ノイズ平均化又はノイズ消去技術が使用され、ノイズ平均化は、低減を犠牲にしてノイズの影響を分散させ、一方、ノイズ消去は、コントラストを低下させずにノイズを低減させるが、処理負担の増大を伴う。

第１のノイズ平均化手法は、上でより詳細に説明されたアルゴリズムを含み、このアルゴリズムでは、それぞれ独立したノイズ領域を有する一連のサブフレームがノイズの低減を実現する。代替手法は、反復の幾らか、又は全てをサブフレームとして扱う、上述されたＧｅｒｃｈｂｅｒｇ Ｓａｘｔｏｎアルゴリズム等の反復最適化アルゴリズムを実施することである。各サブフレームは、サブフレームをシーケンシャルに表示することでノイズ低減を実現するように、統計的ノイズを独立に表示する。当業者なら、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムの実施には十分精通しているであろう。特に、各サブフレームが単一の反復、又は、先の「パス」によって生成された位相分布に基づくアルゴリズムの「パス」の結果であることが分かるであろう。このアルゴリズムは、サブフレームを生成し、各反復がサブフレームにわたって表示されて、サブフレーム・レベルでのノイズ低減を実現するように使用され得、又は、これらの反復は、フレームを生成させるように使用され、フレームにわたって同様に表示され得ることが分かるであろう。シーケンシャルなビット平面と、カラー・サブフレームとが、位相分布を継承する目的で使用されることができ、それによって各サブフレーム用のランダム位相分布を想定するよりも優れた結果が得られる。サブフレームが他の目的で使用される場合、（例えばそれらのサブフレームがホログラムの計算を容易にするという理由で）この原理は、この場合でも適用され得る。

また或いは、ノイズ平均化は、再生画像全体のシーケンシャルな分解にわたって平均化することによって実現され得る。例えば、画像は、上で論じられたように色によって分解されることができ、多重化又は合わせられて完全な画像を生じ、この場合、ノイズが低減されることになる。全体の画像を生じるのに、代替のサブフレーム・シーケンシャル・ビット平面が実施されることができ、又は、実際に、完全な組の画素のサブセットのどんな群も使用されることができるが、ノイズ平均化を実現するためにシーケンシャルに表示される。

一般に、ビデオ画像を生成するためにかかるシーケンシャルなフレームを投影するときに、ノイズ平均化が生じる。このノイズ平均化は、個々のフレームに存在するノイズの目に見えるどんな衝撃も低減させる。このことは、それらのフレームがキノフォームから生成されたか否かに関わらず当てはまるが、（この場合、各フレーム内に通常存在するノイズ・レベルのため）それらのフレームが存在するときは特に有利である。このことは、それらのフレームがシーケンシャルに提示されるサブフレームからなる場合、更に当てはまり、その理由は、多値量子化されたフレーム又はサブフレームが生成される場合、今やノイズはフレームとサブフレームとにわたって平均化され最適化されるので、画像フレーム又はサブフレーム内のノイズ量を最小にし、且つ投影されるときの効率を最大にすることによって、最上質のコンピュータ生成キノフォームが実現されるからである。

第１のフレーム又はサブフレームにおいて上記が実施され得る様式（ｗａｙ）の例は、以下のステップを含む。
１）実像における全ての実画素にわたってランダム位相分布を想定する。
２）完全な離散高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行う。
３）実数部を排除（ｒｅｊｅｃｔ）し虚数部のＦＦＴを行う。
４）これは、（我々が排除することになる）実像の第１の反復を、それに関連するＰ１と呼ばれる改善された位相分布と共に生じる。
５）実像に加えて新たな虚数部のＦＦＴを行う。
６）実数部を排除する。虚数部は、ここでは、フレーム１のための位相ホログラムとして受け入れられる。

次のフレーム又はサブフレームでは、この様式は、第１のものと非常によく似ている。従って、位相分布Ｐ１は、ここで次のフレームと関連し、実際の次のフレームとＰ１とを使用してＦＦＴが行われる。

これは、フレームが相似している傾向にあるという想定に基づいていくつかのフレームで継続され得る。

間隔を置いて、この全プロセスが、ステップ１に戻ることによって絶え間なく繰り返される（しかし、一般に、このシーケンスを再開する際、継承されるどんな位相分布も同じ程度に優れているので、ランダム位相分布の使用は必ずしも必要ではない）。

シーケンスを繰り返すことの理由の１つは、最終的にはシーンが変わることになり得、継承される位相分布がもはや適用可能でなくなり、従って、ステップ２及び３で再生成する必要があり得るためである。

或いは、このプロセスは、シーンが実質的に変化しない場合であっても、継承される位相分布が絶え間なく改善されるように、これよりも頻繁にステップ１に戻ってもよい。従って、一般に、このプロセスは、可能な限り頻繁にステップ１に戻って反復される場合もあり、その制限フィーチャ（ｌｉｍｉｔｉｎｇ ｆｅａｔｕｒｅ）は、高速フーリエ変換を実行するために必要とされる時間である。

これは特に、良好なキノフォームを実現するのに必要な反復の数を最小にしようと試みるときに特に重要である。同じ原理が、それぞれの完全なビデオ・フレームを作り上げるためにシーケンスに投影され得るいくつかの種類のサブフレームにも適用され得る。かかるサブフレームの例は、フレーム・シーケンシャル・カラー投影系における赤、緑、及び青のサブフレームを含み得る（これらは、眼によって一体化されてフル・カラー画像を生じる）。また、それらのサブフレームは、（例えば各カラー用の）グレー・レベル画像を実現するようにシーケンスに投影され得る（２値）ビット平面を含み得る。この場合、投影光源の強度を変えることによって、適当な２進重み付け（ｂｉｎａｒｙ ｗｅｉｇｈｔｉｎｇ）が、投影されている各ビット平面にもたらされる。

上記又はその他の方法で計算されたキノフォームは、キノフォームの、たった１つの複製ではなく、複数の周期的な複製が投影装置レーザ光源によって照明される場合、改善されることになる。

ノイズ消去の場合、生成されたホログラムは、目標画像よりも高い解像度のものとなり得る。このことが、キノフォーム最適化アルゴリズムの結果として、準周期パターンが導入される結果を生じ得、各パターンは、その隣合うパターンとは僅かに異なる特性（ｆｅａｔｕｒｅ）を有し、その結果ノイズ低減をもたらすことになる。

更なる代替ノイズ消去技術は、ＳＬＭ上でのホログラム又はホログラムの組の空間多重化、又はＯＡＳＬＭ上への単一ホログラムの空間多重化を含む。この技術もやはり、再生画質を向上させるキノフォームに、より多くの画素をもたらす。かかる手法の１つが、Ｌ．Ｂ．Ｌｅｓｅｍ、Ｐ．Ｍ．Ｈｉｒｓｃｈ、Ｊ．Ａ．Ｊｏｒｄａｎ著「Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｈｏｌｏｇｒａｍｓ ｆｏｒ ３−Ｄ ｄｉｓｐｌａｙ（３Ｄ表示装置用のホログラムのコンピュータ・シンセシス）」、Ｃｏｍｍｕｎ．ＡＣＭ、１１、６６１〜６７４頁（１９６８年）に記載されている。例えば、上述されたように生成されたサブフレームは、空間的に多重化され得る、すなわち、それぞれのサブフレームは、ＯＡＳＬＭ上に並置されることができ、次いで、単一フレームとして再び組み合わせられて、更に向上されたノイズ低減及び画質を実現することが理解されるであろう。

特に系統的ノイズ源に適用可能な更なる手法は、既に知られている系統的誤差を補償するための、照明源からのビーム波面の適当な成形を含む。それらの誤差は、較正（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）段階において識別されることができ、それに応じて、適当な波面成形光学系が実施され得る。

上述された実施形態の個々の構成部品は、適切などんな光学又は他の素子でもよいことが理解されるであろう。例えば、処理デバイスは、必要とされる関数を実行することを可能とするコードを実行するフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）を含む。他の実施形態では、ＡＳＩＣが使用され、更に他の実施形態では、プログラム化汎用コンピュータが使用される。ＬＣＯＳは、個別の処理装置によって駆動される変調可能な画素アレイを含むことができる。代替の構成では、処理ハードウェアはＬＣＯＳ背面に組み込まれることができ、従って、単にビデオ入力だけを必要とする完全に一体化されたデバイスを提供することができる。

上述された実施形態の結果、高い光効率及び画質を備えた、高速で、ノイズが低減された、リアルタイムのビデオ・ホログラフィ投影装置が提供される。

本発明の更なる実施形態によれば、図１１に示されるように位相限定画像を使用して、光無損失投影が実現される。平行光ビーム１１０２が、変調された位相を示す位相限定ＳＬＭ１１０４を照明し、画像の（非ホログラフィ的）表示を送る。位相変調された出力ビームは、光学系１１０６によって位相コントラスト・フィルタ１１０８上のフーリエ平面で集光され、次いで、更なる光学系１１１０を介して像平面１１１２上に集光される。その結果、対象物の位相画像がＳＬＭ上に表示される場合、従って、図示の４ｆ結像系を介した投影が、高いスループット効率を有する振幅変調画像をもたらすことになる。スペクトルが鋭く、狭帯域の適当などんな照明も実現され得、また、コヒーレンシが必要とされないので、レーザに代替の光源が使用されてもよく、これはスペックルに起因するノイズを低減させることになる。好ましい実施形態では、グレー・スケール画像を実現するように多値変調が実施される。

上述された実施形態は、背面及び前面投影を含むどんな表示装置又は投影の用途にも使用され得、且つ、特に、キノフォームのシーケンスに対応するリアルタイム処理が要求される、定期的にリフレッシュされるどんな画像に関しても使用され得ることが理解されるであろう。

上述された説明では、用語「画素」の使用は、どんな形状又は分布の適当などんな変調可能で且つアドレス可能な素子も包含することが理解されるであろう。本明細書では、用語「画素」が使用される場合、直接目に見えるあらゆる画像内容が、関連する素子上で見られることを意味するものではない。

本発明は、処理ステップを実施するコンピュータ・プログラム製品に及び、それらのステップを実施するどんなコンピュータ又は処理装置、及びコンピュータ・プログラムを保存又は他の方法で供給することが可能などんなコンピュータ可読媒体、例えばＣＤ−ＲＯＭ等の媒体記憶デバイス、又は遠隔サーバ・コンピュータからワイヤード又はワイヤレスにダウンロード可能な形態にも及ぶことが理解されるであろう。

本発明による表示装置の構造（ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態の構成部品を概略的に示す。 本発明の第２の実施形態の構成部品を概略的に示す。 本発明の第３の実施形態の構成部品を概略的に示す。 本発明の第４の実施形態の構成部品を概略的に示す。 本発明の第５の実施形態の構成部品を概略的に示す。 本発明の第６の実施形態の構成部品を概略的に示す。 ＳＬＭの部分断面図を示す。 代替の２値位相変調方式を示すＳＬＭそれぞれの図である。 代替の２値位相変調方式を示すＳＬＭそれぞれの図である。 本発明による処理装置の構成部品の概略ブロック図を示す。 本発明の第７の実施形態の構成部品を概略的に示す。

符号の説明

１０ ホログラフィ・ビデオ投影装置
１２ 対象物
１４ 処理装置
１６ プログラム可能な回折素子（ＳＬＭ、キノフォーム）
１８ 照明源
２０ 画像
２２ 光学系
１００ ２値ＳＬＭ
１２０〜１２３ 画素
１３０〜１３３ 位相マスク画素
２００ レーザ
２０２ ビーム・エクスパンダ
２０４ 偏光ビーム・スプリッタ
２０６ ＳＬＭ
２０８ スクリーン
２１０ 追加のレンズ（投射光学系）
６００ ＳＬＭ
６０２ 複製光学系
６０４ ＯＡＳＬＭ
６０８ スクリーン
８０１ 第１の処理ブロック
８０２ 信号
８０３ 出力（第１のデータ・セット）
８０４ 第２の処理ブロック
８０５ 出力（第２のデータ・セット）
８０６ 第３の処理ブロック
８０７ 出力（第３のデータ・セット）
８０８ 第５の処理装置
８０９ 第４のデータ・セット
８１０ ２値化ステージ
８１１ 第５のデータ・セット
８１２ 強誘電性液晶ＳＬＭ
８２０ 処理装置
９００ ＳＬＭ
９０２ スイッチング素子
９０４ Ｅ_ｏｕｔ
９０６ 遠視野
１１０２ 平行光ビーム
１１０４ 位相限定ＳＬＭ
１１０６ 光学系
１１０８ 位相コントラスト・フィルタ
１１１０ 光学系
１１１２ 像平面

Claims (40)

1. スクリーン上に２次元ビデオ画像を投影する方法であって、前記２次元ビデオ画像はシーケンシャルな画像フレームで構成されており、前記方法は、
   処理装置において前記シーケンシャルな画像フレームを受け取るステップと、
   前記処理装置において、リアルタイムで各画像フレームを処理して１つ又は複数のそれぞれの位相限定キノフォームを表現する量子化データを得るステップと、
   前記キノフォームのそれぞれをシーケンシャルに表現するために、１つ又は複数のそれぞれの位相限定キノフォームを表現する前記量子化データを、反射型画素化リキッド・クリスタル・オン・シリコン（ＬＣＯＳ）位相限定空間光変調器に書き込むステップと、
   位相変調出力ビームを提供するために、前記反射型画素化ＬＣＯＳ位相限定空間光変調器を照明するステップと、
   前記２次元ビデオ画像を見るために、リアルタイムで前記スクリーン上に再生領域において前記シーケンシャルな画像フレームを再構築するため、光学系により前記位相変調出力ビームを処理するステップであって、前記光学系がフーリエ変換レンズを備える、
   を含む、２次元ビデオ画像を投影する方法。
2. 前記ビデオ画像が、時変又は静止画像の１つである、請求項１に記載の方法。
3. 最適化されたサブセットを得、且つ前記最適化されたサブセットを再び組み合わせるための、初期キノフォームのそれぞれのサブセットの並行処理を更に含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記初期キノフォームのサブセットが、初期キノフォームのセグメントを含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記初期キノフォームが、ランダムに生成されたもの、又は所定のもの、又は初期ＦＦＴの結果、又は再生された位相分布である、請求項３又は請求項４に記載の方法。
6. 前記画像フレームが、それぞれのキノフォームを得るために、双方向性反復最適化アルゴリズム、一方向性反復最適化アルゴリズム、又は、双方向性反復量子化手順、又は一方向性非反復手順のいずれか１つを使用して処理される、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
7. 演算のパラメータを制御して、グレー・スケール及びカラーの少なくとも１つをもたらすことを更に含む、請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
8. 前記空間光変調器が直接変調されて、カラー、又はグレー・スケール、或いはカラー及びグレー・スケールをもたらす、請求項７に記載の方法。
9. 前記空間光変調器が、２値量子化方式を実現し、且つ、カラー、又はグレー・スケール、或いはカラー及びグレー・スケールをもたらすようにシーケンシャルに多重化されたフレームである、請求項８に記載の方法。
10. 前記空間光変調器が、多値量子化方式を実現して、カラー、又はグレー・スケール、或いはカラー及びグレー・スケールをもたらす、請求項８に記載の方法。
11. 前記照明源が時間領域において変調されて、カラー、又はグレー・スケール、或いはカラー及びグレー・スケールをもたらす、請求項７に記載の方法。
12. 前記照明源がカラー領域において変調されて、カラー、又はグレー・スケール、或いはカラー及びグレー・スケールをもたらす、請求項７に記載の方法。
13. 前記得られたキノフォームが、それぞれが前記画像フレームの空間又は強度分解を再構築する複数のキノフォームの１つを含む、請求項１乃至１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記複数のキノフォームが合わさって実像を生じる、請求項１３に記載の方法。
15. ノイズ低減ステップを更に含む、請求項１乃至１４のいずれかに記載の方法。
16. 前記ノイズ低減が、多値量子化方式に従ってキノフォームを表示するように、前記空間光変調器をプログラムすることによって実現される、請求項１５に記載の方法。
17. 前記ノイズ低減が、複数の画像フレームにわたるノイズ平均化によって実現される、請求項１５に記載の方法。
18. 前記ノイズ低減が、各画像フレームの複数のサブフレームにわたるノイズ平均化によって実現される、請求項１５に記載の方法。
19. 各サブフレームが、最適化アルゴリズムにおいて生成される、請求項１８に記載の方法。
20. 前記最適化アルゴリズムが、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムである、請求項１９に記載の方法。
21. 前記ノイズ低減が、各位相ホログラムの空間多重化によって実現される、請求項１５に記載の方法。
22. 前記位相ホログラムが、前記プログラム可能な回折素子において空間的に多重化される、請求項２１に記載の方法。
23. 前記位相ホログラムが、光学的にアドレス可能な空間光変調器において空間的に多重化される、請求項２１に記載の方法。
24. 各画像フレームが、複数のシーケンシャルな画像サブフレームを含み、前記空間多重化ステップが、シーケンシャルなサブフレームを並置することを含む、請求項１８乃至２０のいずれかに記載の方法。
25. 前記ノイズ低減が、系統的ノイズを軽減するように照明源波面を成形することによって実現される、請求項１５に記載の方法。
26. スクリーン上に２次元ビデオ画像を投影する投影装置であって、前記２次元ビデオ画像はシーケンシャルな画像フレームで構成されており、前記投影装置は、
    処理装置（１４）と、反射型画素化ＬＣＯＳ位相限定空間光変調器（１６）と、前記位相限定空間光変調器を照明するための照明源（１８）とを備え、
    前記処理装置は、前記空間画像フレームを受け取るための入力と、データを前記反射型画素化ＬＣＯＳ位相限定空間光変調器（１６）に書き込むための出力とを有し、
    前記処理装置は、
    １つ又は複数のそれぞれの位相限定キノフォームを表現する量子化データを得るため、リアルタイムで各画像フレーム（１２）を処理し、
    前記キノフォームのそれぞれをシーケンシャルに表現するために、１つ又は複数のそれぞれの前記位相限定キノフォームを表現する前記量子化データを、前記反射型画素化ＬＣＯＳ位相限定空間光変調器に書き込み、
    これにより、前記反射型画素化ＬＣＯＳ位相限定空間光変調器を照明して位相変調出力ビームを提供し、
    前記２次元ビデオ画像を見るために、リアルタイムで前記スクリーン上に前記シーケンシャルな画像フレームを再構築するため、投影装置がさらに光学系を備えるように構成されている、前記投影装置。
27. 前記ビデオ画像が、時変及び静止画像の少なくとも１つを含む、請求項２６に記載の投影装置。
28. 前記空間光変調器が、２値量子化を実現する、請求項２６又は２７に記載の投影装置。
29. 前記空間光変調器が、多値量子化を実現する、請求項２６又は２７に記載の投影装置。
30. 前記空間光変調器が、プログラム可能な構成要素として、ネマチック（ＬＣＯＳ）と、エレクトロクリニックＬＣＯＳと、ねじれ螺旋型ＬＣＯＳと、Ｖ形スイッチングＬＣＯＳとのいずれか１つを含む、請求項２６乃至２９のいずれかに記載の投影装置。
31. 前記光学系は、前記空間光変調器に関連する投影光学系を更に含む、請求項２６乃至３０のいずれかに記載の投影装置。
32. 投影光学系が、前記キノフォームにプログラムされる、請求項２６乃至３０のいずれかに記載の投影装置。
33. 前記処理装置が、ＦＦＴ処理装置、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ処理装置、又はデジタル信号処理装置の少なくとも１つを含む、請求項２６乃至３２のいずれかに記載の投影装置。
34. 前記照明源は、部分的にコヒーレントな照明源である、請求項２６乃至３３のいずれかに記載の投影装置。
35. 前記照明源が、カラー、又はグレー・スケール、或いはカラー及びグレー・スケールをもたらすように変調されるように構成される、請求項３４に記載の投影装置。
36. 前記表示装置内の系統的ノイズを軽減するように照明ビームを成形するように構成された照明源波面成形光学系を更に含む、請求項３４又は請求項３５に記載の投影装置。
37. 光学的にアドレス可能な空間光変調器（ＯＡＳＬＭ）を更に含む、請求項３４乃至３６のいずれかに記載の投影装置。
38. 前記キノフォームを前記ＯＡＳＬＭ上に空間的に多重化するように構成された空間多重化光学系を更に含む、請求項３７に記載の投影装置。
39. 前記空間変調光学系が、時間的に変動するキノフォームを空間的に多重化するように更に構成される、請求項３７に記載の投影装置。
40. 前記表示スクリーンが、光学的にオフ・アクシスに配置される、請求項３４乃至３９のいずれかに記載の投影装置。

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