JP5128582B2 - ホログラフィック投影システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、再構成光波を反射する反射素子、再構成光波が反射素子に入射する場合にそれを出射する入射側焦点及び反射素子により反射された再構成光波が伝播する出射側焦点を有する反射型光学系に関する。更に本発明は、そのような反射型光学系を有する追跡システム及びホログラフィック投影システム、並びに対応するホログラフィック投影方法に関するものである。

ホログラフィック投影装置は、十分にコヒーレントな光を空間光変調器手段により変調する。光の干渉により、シーンの光学的出現を再構成するオブジェクト光点は光変調器の表面の前方、表面上及び表面の後方の空間内に作成される。全てのオブジェクト光点の光全体は光波面の形態で伝播し、これにより１人又は複数の観察者はこれらのオブジェクト光点を３次元シーンの形態で観察する。これは、立体表現とは異なり、ホログラフィック再構成が代用オブジェクトを実現することを意味する。実際のシーンの観察とホログラフィックに再構成されたシーンの観察との間に原理の違いがないため、眼の疲労又は痛み及び頭痛等の立体視に関して周知である問題は生じない。

ホログラフィック投影システムは、本出願人による先願の特許文献ＤＥ１０ ２００５ ０２３ ７４３から周知である。このシステムにおいて、瞳は空間光変調器（ＳＬＭ）のフーリエ面に位置し、ＳＬＭにより出力されるホログラムのフーリエ変換の回折次数に対して空間フィルタとして作用する。この瞳は、偏向素子又は適応型ミラーにより観察者面内の可視領域に投影され、この可視領域から、観察者は実在するオブジェクトの拡大されたホログラフィック再構成又はシーンを見ることができる。換言すると、可視領域は、使用される回折次数の画像、例えば観察者面、すなわち観察者の眼の位置が位置する面内のホログラムのフーリエ変換（フレネル変換等が同様に可能である）の画像である。適応型ミラーのサイズは再構成のサイズを判定する。例えば、適応型ミラーの対角線方向のサイズは約２０インチであるのが好ましい。

それと同時に、可視領域が大きいほど、使用されるＳＬＭの解像度は高い必要があることに留意する必要がある。大きな可視領域を得るため、ＳＬＭは大きな回折角を形成する小さな画素アパーチャを有する必要がある。すなわち、画素ピッチは小さい必要があり、そのため画素数は多い必要がある。

ＳＬＭの必要解像度を減少するため、可視領域のサイズは、例えば眼の瞳のサイズまで減少される。従って、観察者が移動する場合、可視領域を観察者の眼まで追跡する必要がある。適応型ミラーは、瞳を可視領域に投影する必要がある。

いわゆる適応型ＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）ミラーは従来技術より周知である。これらは、傾斜及び持ち上げ運動を実行可能なマイクロミラーのアレイを含む。これにより、所定の調整範囲内の任意な湾曲を有する面が作成可能になる。しかし、これまで、そのようなマイクロミラーアレイは対角線方向のサイズが最大約１インチのもののみが入手可能であった。ホログラフィック投影システムで必要とされるような例えば対角線方向のサイズが約２０インチの適応型ミラーは、製造が非常に困難であり、非常に多くの可動ミラーを必要とする。

制御可能な回折光学素子（ＤＯＥ）としての電気アドレス型空間光変調器（ＥＡＳＬＭ）は、サイズが大きく且つ大きな回折角度が必要なため、非常に多くの小型画素を有する。従って、そのような素子を実現することは技術的に不可能である。例えば５μｍの画素ピッチを仮定すると、対角線方向のサイズが２０インチのＳＬＭは５＊１０^９（５０億）個の画素を有することになる。これは、現在市販されているＥＡＳＬＭが有する画素より約１０^３（１，０００倍）多い画素である。 従って、本発明の目的は、従来技術の装置を使用して可能なものより大きな再構成を実現可能にし且つ収差の補正及び可視領域の追跡を更に可能にする反射型光学系をホログラフィック投影システムに提供することである。

本目的は、光学的に制御可能な偏向特性を有する偏光素子及び反射型光学系の少なくとも出射側焦点の位置を制御するために偏向素子の偏向特性を光学的に制御する偏向制御手段により達成される。

更に、前記目的は、請求項２０記載の追跡システム、請求項２２記載のホログラフィック投影システム及び請求項２３記載のホログラフィック投影方法により達成される。

本発明は、波面を可視領域に投影している間の収差は、反射型光学系が楕円形状を有する場合、すなわち反射面が楕円の円周の断面に沿って延伸される場合（図２に示す）に回避されるという考えに基づく。楕円は、本明細書においてそれぞれ入射側焦点及び出射側焦点とも呼ばれる２つの焦点Ｆ１及びＦ２を有し、Ｆ１から出射して楕円から反射された全光線がＦ２を通過し且つＦ２から出射して楕円から反射された全光線がＦ１を通過するという特性を有する。これは、反射型光学系が大きなアパーチャを有する場合であっても、Ｆ１が殆ど収差を有さずにＦ２に投影されることを意味する。瞳がＦ１に位置付けられる場合、瞳はＦ２に位置付けられる可視領域に投影される。瞳の寸法及び可視領域の寸法が楕円の半軸より小さい場合、この画像は殆ど収差を有さない。瞳及び可視領域の双方が観察者と反射型光学系との間の距離より小さいため、これらは点と見なされる。楕円の半軸の長さ及び方位は、瞳、可視領域及び反射型光学系の位置に基づいて、すなわちＦ１、Ｆ２及び反射型光学系に基づいて判定可能である。瞳及び可視領域が固定位置に構成される場合、可視領域内へ殆ど収差のない瞳の投影が可能である。しかし、観察者が移動する場合、楕円の半軸の長さ及び方位は変更される必要がある。これは、固定ミラーを使用する場合は不可能である。

本発明は、反射型光学系が湾曲した基本ミラーに加えて光アドレス型空間光変調器（ＯＡＳＬＭ）を具備するという考えに更に基づく。通常、ＯＡＳＬＭはＬＣ（液晶）層を具備する。ＬＣ層において、ＬＣ分子の方位は光学的に制御され、それにより光変調は光学的に制御される。制御可能な回折構造はそのＯＡＳＬＭに生成され、それにより、基本ミラーからの反射及び制御可能な回折構造による光の回折の組合せが所望の表面形状に対応する。あるいは、制御可能な屈折率の変動はＯＡＳＬＭにおいて生成され、それにより、基本ミラーからの反射及びＯＡＳＬＭにおける制御可能な屈折率の変動での光の屈折の組合せが所望の表面形状に対応する。ＯＡＳＬＭの屈折率の変動は、位相変調および／または振幅変調を実現できる。回折効率がより高いため、位相変調が好ましい。

固定楕円ミラーと比較した場合の主な利点は、そのような適応型ミラーが制御可能なことである。観察者が移動する場合、ＯＡＳＬＭに書き込まれる構造は、瞳が焦点Ｆ１内に留まり且つ焦点Ｆ２を有する可視領域が観察者の眼の位置に留まるように変更される。可視領域の位置は焦点Ｆ２により判定され、反射光の方向に見て焦点Ｆ２の前方又は後方に更に移動できる。可視領域の横方向の範囲は、例えば眼の瞳のサイズにまで減少可能である。

基本ミラーは、ＯＡＳＬＭの効果をサポートする。湾曲した基本ミラー及び回折構造を有するＯＡＳＬＭは、屈折力値が加算される２つの直列接続されたレンズと同一の効果を有する。基本ミラーが、可視領域の標準位置に対して瞳の画像を可視領域内に生成するように湾曲される場合、ＯＡＳＬＭは制御可能な補正レンズの機能を有する。この補正レンズは、観察者の移動に従う可視領域の追跡を可能にする。その一方で、補正レンズは、可視領域における瞳の収差のない画像を実現するために、湾曲ミラーの画像が補正されることを可能にする。

この光学的に制御可能な屈折率の変動は、例えば、制御可能な回折構造をＯＡＳＬＭに生成するために使用可能である。この回折構造は、例えば、瞳からの光がＯＡＳＬＭにより回折され且つ可視領域が所望の位置を取るように設計される。

ＥＡＳＬＭに対するＯＡＳＬＭの利点は、ＯＡＳＬＭが画素構造を有さないことである。そのため、個別に走査されない連続的回折構造はＯＡＳＬＭに表示可能である。その結果、回折パターンの周期的連続は回避される。しかし、これは、ＯＡＳＬＭに書き込まれる構造が画素構造を有さない場合にのみ可能である。例えば、ＥＡＳＬＭがＯＡＳＬＭへの書き込みに使用される場合及びＯＡＳＬＭがＥＡＳＬＭの画素間の中間領域において照明されない場合、ＯＡＳＬＭにおける構造はある周期性を有し、従って回折パターンの周期的連続が存在する。そのような周期的連続を防止するため、ＯＡＳＬＭに書き込まれる構造が個別にではなく、連続的に走査されることが望ましい。これは、例えば、ＯＡＳＬＭに対するＥＡＳＬＭの投影の解像度を限定すること又はＯＡＳＬＭ自体の解像度を限定することによりサポートされる。

また、本発明は、必要なサイズの投影表示装置が製造可能であるため、従来技術の解決策より大きな再構成を実現可能であるという主な利点を更に有する。更に、本発明が使用される場合、反射型光学系の動的労力は、任意の固定構成要素を含まない単に動的な反射型光学系の動的労力より少ない。これにより、所望の屈折率の変動を生成するために必要な計算負荷が従来技術に比較して少ないため、融通性が同時に向上する。最後に、システム全体の複雑さは軽減される。

本発明の好適な実施形態において、入射側焦点の位置を制御しおよび／または収差を補正するために偏向要素の偏向特性を光学的に制御するために、偏向制御手段が更に提供される。このように、可視領域の追跡範囲が拡大される一方で、偏向素子に対して必要とされる制御及び計算労力は減少され、光路において発生する可能性のある収差は補正される。

少なくとも反射素子は、ほぼ楕円状に湾曲した反射面の効果を有するのが更に好ましい。換言すると、反射面は、楕円の円周の断面に沿って延伸される。上述のように、これは、入射側焦点からの入射光が殆ど収差を有さずに反射型光学系から出射側焦点に反射されるという利点を有する。楕円の湾曲には、円形湾曲及び湾曲の無限半径の２つの特別な場合があり、これらの間で任意な湾曲が可能である。曲率半径を選択することにより、焦点の位置は事前に選択可能である。例えば、追跡システムにおいて、反射型光学系の反射素子に向けて伝播する光波の空間フィルタリングに対する瞳と観察者の眼の位置との間の距離が基本構成において大きい場合、その結果、楕円状に湾曲した反射面の大きな曲率半径が得られる。湾曲は、必ずしも機械的に生成される必要がない。実質的に楕円状に湾曲した反射面の効果のみを光学素子により得ることも可能である。反射型光学系の全体的な効果は、固定的に湾曲した反射素子の偏向特性及び偏向素子の制御可能な偏向特性の組合せにより判定される。

本発明の別の好適な実施形態によると、反射素子は少なくとも部分的に透明な設計である。これは、反射素子の部分領域のみ又は反射素子全体が透明であることを含む。その一方で、これは、反射素子が例えば１つの方向においてのみ又はある特定の種類の光に対してのみ、すなわちある特定の波長、偏光等に対してのみ透明であることを更に含む。これらのオプションのうちの複数の組合せも可能である。

反射素子は、偏向素子に組み込まれるのが好ましい。この場合、反射型光学系の空間寸法は減少される。更に、製造後に反射素子を偏向素子と位置合わせする必要がないため、組み立て処理中の調整が容易になる。

更に、偏向素子は、光学的に制御可能な回折構造および／または屈折構造を有するのが好ましい。これにより、光波面の所望の形状を実現するために偏向素子の偏向特性及び屈折特性の双方を変更することが可能になる。偏向素子は、光アドレス型空間光変調器の形態で設計されるのが好ましい。好適な実施形態によると、この空間光変調器は、透明電極を有する第１のガラス板、方位が光学制御により変更可能なＬＣ分子を有するＬＣ層、感光半導体層及び第２のガラス板を具備する。別の好適な実施形態によると、感光半導体層は少なくとも部分的に透明な設計である。反射素子に関して上述したように、この部分的透明性は、半導体層又はその一部に対してでもよいが、ある特定の方向において又はある特定の波長の光、偏光等に対して透明性を有することもできる。半導体層は、偏向制御手段により影響を受けるが再構成光波により影響を受けない帯構造を有することが更に好ましい。これらの実施形態は、半導体層が再構成光波により影響を受けることを防止する複数のオプションを表す。再構成光波に対する透明性を提供する半導体層の設計は、例えば反射素子が反射型光学系の焦点の方向から見て半導体層の後方に配置される場合に、再構成光波が半導体層において吸収されないようにするために必要とされる。

好適な実施形態によると、入射側焦点からの再構成光波は反射素子に入射し、反射素子から反射され、それにより出射側焦点の前方にシーンをホログラフィックに再構成する。

更に、偏向制御手段は、入射側焦点及び出射側焦点とは反対の方向から偏向素子の偏向特性を制御するように設計されるのが好ましい。偏向制御手段は、書き込み光を偏向素子に投影するための電気アドレス型空間光変調器又は偏向素子を走査するための強度を制御可能な走査レーザ光として更に設計可能である。更なる実施形態によると、偏向制御手段は、入射側焦点及び出射側焦点にそれぞれ配置され且つ干渉パターンが偏向素子の偏向特性を制御するのに適した２つの干渉するコヒーレント光源を具備できる。

反射型光学系がダイクロイック層を更に具備するか又は反射素子がダイクロイック特性を有することは更に可能である。この場合、再構成光波及び偏向制御手段により出力される書き込み光は異なる波長を有する。更に、反射型光学系は反射型偏光フィルタを具備することができ、又は反射素子は偏光フィルタの特性を有することができる。この場合、再構成光波及び偏向制御手段により出力される書き込み光は異なる偏光を有する。これらの実施形態により、半導体層及び可視領域が望ましくない相互作用を有することを防止するために書き込み光又は再構成光波がフィルタリングされることが可能になる。

しかし、偏向素子の偏向特性を制御する偏向制御手段は、人間の眼に対して不可視である波長範囲内の書き込み光を出力するのが好ましい。これは、可視領域における書き込み光のフィルタリングが不要であることを示す。

本発明に係る追跡システムは、反射型光学系の入射側焦点における瞳の位置又は瞳の同一画像の位置を制御する位置制御手段を具備するのが好ましい。例えばミラー等を使用して、瞳の位置を仮想的にのみ変更することも可能である。瞳の位置又は瞳の画像の位置を変更する場合、出射側焦点を追跡するために必要な計算負荷及び反射型光学系の動的特性に対する要求は減少可能である。従って、本発明に係るホログラフィック投影方法は、反射型光学系の入射側焦点内に瞳を位置決めすることを含む。

実施形態に基づいて且つ図面を参照して、本発明を以下により詳細に説明する。

本発明に係る反射型光学系１０、１１は、偏向素子１２、１３及び反射素子１４、１５を具備する。反射素子１４、１５に入射した光波は反射され、光波の光路は偏向素子１２、１３により更に変更される。この偏向は、収差の補正及び光波の伝播方向の変更を含むことができる。

図１ａは、本発明の第１の実施形態に係る反射型光学系１０の偏向素子１２及び反射素子１４の設計を示す上面図である。第１の実施形態は、偏向素子１２として回折構造を有する光アドレス型空間光変調器（ＯＡＳＬＭ）を有し、反射素子１４として固定基本ミラーを有する。例えば、基本ミラー１４は反射面を有する金属ミラーである。

焦点から見て基本ミラー１４の前方に配置されるＯＡＳＬＭ１２は、透明電極を有する第１のガラス板１６、ＯＡＳＬＭ１２の回折構造を形成し且つＬＣ分子を有するＬＣ層１８、透明感光半導体層２０及び基板としての第２のガラス板２２を具備する。本実施形態によると、感光半導体層２０が透明であるため、再構成光波は後方に配置される反射素子１４上に通過できる。一般に、再構成光波は半導体層において吸収されてはならず、半導体層は再構成光波により影響を受けてはいけない。更に、偏向制御手段により出力される書き込み光は、可視領域において観察者に対して可視であってはいけない。

図１ｂは、本発明の第２の実施形態に係る反射型光学系１１の偏向素子１３及び反射素子１５の設計を示す上面図である。第２の実施形態は、偏向素子１３として回折構造を有する光アドレス型空間光変調器（ＯＡＳＬＭ）を有し、反射素子１５は反射層の形態で前記ＯＡＳＬＭに組み込まれる。

第２の実施形態において、ＯＡＳＬＭ１３は、透明電極を有するガラス板１７、ＯＡＳＬＭ１３の回折構造を形成し且つＬＣ分子を有するＬＣ層１９、感光半導体層２１及び基板としてのガラス板２３を具備する。この第２の実施形態において、反射素子１５はＬＣ層１９と半導体層２１との間に組み込まれる。

図２を参照して、本発明に係る反射型光学系における幾何学的関係を図１ｂに示す構成に対して説明する（これらは、図１ａに示す構成又は他の任意の代替構成に更に適用されてもよい）。

反射素子１５は、入射側焦点２８及び出射側焦点２６の２つの焦点を有する楕円状に湾曲した反射面を有する。更に反射型光学系１１は、反射型光学系１１の中心に配置され且つ反射型光学系１１又は反射素子１５に対して垂直な光軸３２を有する。入射側焦点２８と出射側焦点２６とを接続する線の中心から反射素子１５の反射面までの距離は反射型光学系１１が有する形態又はその効果に従って楕円の半短軸３４を形成する。入射側焦点２８及び出射側焦点２６から半短軸３４までの各距離３６は楕円の偏心距離である。

偏向素子の光学的に制御可能な偏向特性は、偏向制御手段４２、４３により制御される（図３ａ、図３ｂ）。感光半導体層２０、２１と透明電極を有する第１のガラス板１６、１７との間には電界が存在する。感光半導体層２０、２１の領域が偏向制御手段により出力される書き込み光で照明される場合、電界は局地的に変動する。これによりＬＣ層１８、１９内のＬＣ分子の方位が変化し、それによって局地的な屈折率が更に変化する。ＯＡＳＬＭ１２、１３の屈折率の変動は、位相変調又は振幅変調を実現できる。回折効率がより高いため、位相変調が好ましい。

一般に、この変化は単安定又は双安定である。単安定の場合、屈折率の変動は半導体層が照明されている間に限り存在する。双安定の場合、屈折率の変動は、層の照明の終了後、ＯＡＳＬＭに供給される電圧がデバイスを初期条件にリセットするまで継続する。

第１又は第２の実施形態に係る反射型光学系１０、１１は、出射側焦点の位置を追跡しおよび／または光学系で発生する収差を補正する追跡システムにおいて使用可能であり、又は対応するホログラフィック投影システムにおいて使用可能である。

図３ａは、偏向制御手段４２及び再構成光波を反射型光学系１１に向けて放射するための空間光変調器（ＳＬＭ）の形態のホログラフィック再構成手段３８と共に本発明の第２の実施形態に係る反射型光学系１１を有する代表的な追跡システムを示す。図３ｂは、反射型光学系１１に関して偏向制御手段４３の別の構成を示す。図３ａ及び図３ｂは、フーリエ面、再構成手段３８の回折次数及び反射型光学系１１の入射側焦点２８に配置される瞳３０と可視領域２４内の出射側焦点２６とを更に示す。

図３ａに示す追跡システムにおいて、本例では走査レーザ光の形態の書き込み光を出力する偏向制御手段４２は、反射型光学系１１の焦点２６、２８と同一側に配置される。ＯＡＳＬＭ１３の半導体層２１に集束されることにより走査する走査レーザ光が使用されるため、本実施形態においてＬＣ層１９の屈折率の変動は双安定である。レーザ光の強度はその移動と同期して変調され、それにより、半導体層２１は必要な強度分布に対して露光される。この方法は、双安定ＯＡＳＬＭが使用されるため回折構造が全体に存在する場合にのみ可能である。偏向制御手段４２により出力される書き込み光は、人間の眼に対して不可視である波長範囲内の光であり、そのため、書き込み光は可視領域２４において観察者に知覚されない。

図３ａによる追跡システムにおいて、再構成手段３８からの変調光波は、反射型光学系１１の入射側焦点２８に配置された瞳３０を通過し、その反射型光学系１１に向けて伝播する。瞳３０は、再構成手段３８の回折次数に位置決めされるため、その回折次数の光のみを通過させる。瞳３０からの光は、３次元シーンをホログラフィックに再構成する。反射型光学系１１は、眼位置検出手段（不図示）により検出される観察者の眼の位置に位置決めされる出射側焦点２６又は可視領域２４に入射側焦点２８又は瞳３０からの入射光を反射する。このようにして、観察者はホログラフィックに再構成されたシーンを見ることができる。

反射型光学系１１が楕円ミラーの効果を有する場合、楕円の入射側焦点２８が瞳３０の中心にある場合及び楕円の出射側焦点２６が眼の位置にある場合、殆ど収差のない投影が可能である。反射型光学系１１のＯＡＳＬＭ１３に対する動的要件を可能な限り少なく維持するため、通常の観察者の位置の場合に瞳３０及び可視領域２４が光軸３２に対して同一距離を有するように、反射要素１５は形状を規定され且つ再構成手段３８は配置される。初期位置とも呼ばれるその位置において、反射型光学系１１は、反射素子１５の理想的な楕円形状からの偏差の補正及び他の影響により引き起こされる収差の補正のみを実行する。

可視領域２４を観察者の眼の位置まで追跡するため、反射素子１５及びＬＣ層１９の組み合わされた効果が可視領域２４を追跡するために必要な楕円の湾曲と一致するように、回折構造は偏向制御手段４２により反射型光学系１１のＯＡＳＬＭ１３に書き込まれる。この必要な楕円の湾曲は、瞳３０の中心が楕円の入射側焦点２８にあり且つ可視領域２４が観察者の眼の位置にあるという条件から得られる。

図４ａ〜図４ｄは、本発明の第２の実施形態に係る反射型光学系１１を有する追跡システムを示し、眼の位置が異なる図である。図を簡潔にするため、追跡方法を理解するために重要な構成要素のみを示す。しかし、全体設計は図３ａに示す設計と同一であり、これは図１ａに示す反射型光学系１０の設計を表す。

図４ａは、図３ａに示す状況の簡略図であり、入射側焦点２８、出射側焦点２６及び反射型光学系１１を含む。入射側焦点２８は瞳３０の中心にあり、出射側焦点２６は初期位置にある。すなわち、それらの位置は偏向素子により影響を受けず、反射型光学系１１の光軸３２に対して同一距離３６を有する。上述のように、この構成において、反射型光学系１１は、反射素子１５の理想の楕円形状からの偏差の補正及び収差の補正のみを実行する。

図４ｂは、点線矢印で示すように、観察者が光軸３２に対して直角に移動した状況の簡略図である。観察者の眼の位置は、中心が入射側焦点２８にある瞳３０より光軸３２から離間する。半短軸３４'は光軸３２に対して平行である。反射型光学系１１は、この移動を補償し且つ出射側焦点２６'を観察者の眼の位置に調整する必要がある。これは、可視領域２４の中心にある出射側焦点２６'が移動した観察者の眼の位置に再度位置するようにＯＡＳＬＭ１３を偏向制御手段により制御する必要があることを意味する。これは、上述のように、ＬＣ層内のＬＣ分子の方位を変更することにより実行される。一般に、光の偏向角はＬＣ分子の方位又はＬＣ層の屈折率に依存する。反射型光学系１１の全体的な影響は、偏心距離３６'及び半短軸３４'により特徴付けられる変更後の楕円の湾曲に一致する必要がある。本例において、半短軸３４'は光軸３２上に位置しないため、ＯＡＳＬＭ１３は、反射素子１５の湾曲を少なくとも部分的に中和するためにより高い解像度を有する必要があり、そのような解像度を有さない場合は追跡範囲が制限される。

図４ｃは、観察者が光軸３２に対して直角に移動した状況を更に示す。しかし、本例においては、点線矢印で示されるように、入射側焦点２８"が観察者の眼の位置に再度位置する出射側焦点２６"と同一距離だけ光軸３２に対して同様に移動されたため、半短軸３４"は光軸３２と一致する。更に、瞳３０の中心は、位置制御手段（不図示）により移動後の入射側焦点２８"に位置決めされる。瞳３０は必ずしも物理的に移動される必要はないが、移動の効果は実現される必要がある。例えば、位置制御手段は回転ミラー及び固定楕円ミラーの組合せであってもよい。反射型光学系１１の全体的な影響は、偏心距離３６"及び半短軸３４"により特徴付けられる変更後の楕円の湾曲に一致する必要がある。入射側焦点２８"及び出射側焦点２６"が光軸３２に関して対称である構成を用いる場合、反射素子１５の楕円の湾曲のみを増加又は減少すればよいため、ＯＡＳＬＭ１３は、図４ｂに示す非対称構成より低い解像度を必要とされる。

図４ｄは、観察者が反射型光学系１１に対して直角に移動し且つ瞳３０が固定位置にある状況を示す。従って、入射側焦点２８"'の位置が瞳３０の中心に留まる一方で出射側焦点２６"'の位置が新しい観察者位置に適合されるように、すなわち出射側焦点２６"'が観察者の眼の位置に移動されるようにＯＡＳＬＭ１３を制御する必要がある。半短軸３４"'は、本例においては楕円反射面の想像延長線に対して垂直であり、この場合は光軸３２に対して平行ではない。この場合、出射側焦点２６"'を観察者の眼の位置まで追跡するためにＯＡＳＬＭ１３に対して必要な回折構造は、偏心距離３６"'、半短軸３４"'の長さ及び光軸３２に対する半短軸３４"'の角度４０に基づいて判定される。観察者から反射型光学系１１までの距離が瞳３０から反射型光学系１１までの距離より短いこの構成は、観察者に対してシーンを拡大する光学効果を同時に有する。

上述において、第２の実施形態に係る反射型光学系を用いる追跡システム及び方法を説明した。しかし、第１の実施形態又は別の実施形態に係る反射型光学系が代わりに使用されてもよい。本発明を実現する更なるオプションを以下に示す。しかし、これは本発明をこれらの例に限定するものとして解釈されるべきではない。複数の実施形態が組み合わされてもよいことは当業者には明らかだろう。

上述の実施形態により説明したように、ＯＡＳＬＭに対して回折構造を使用する回折光変調と同様に、別の実施形態において、例えば、偏向素子が屈折構造又は回折構造と屈折構造との組合せを有し、その結果、屈折光変調が屈折率の変動によりＯＡＳＬＭ上で実行されることも可能である。

上述の実施形態において、反射素子は２つの焦点を有する楕円状に湾曲した反射面を有したが、例えば反射素子は、フレネルレンズと同様に複数のセグメントを含んでもよい。その場合、多数の焦点は互いに非常に近接するため、１つ焦点のように見える。

上述の実施形態において説明したような反射素子の機械的湾曲の代わりに、例えば平坦なホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）、固定回折光学素子（ＤＯＥ）又は屈折率の変動により、湾曲した反射素子の効果のみを得ることも可能である。反射素子の機械的湾曲及びＨＯＥ、ＤＯＥ又は屈折率の変動の組合せも可能である。

別の実施形態において、反射素子を半導体層と基板との間又は焦点から見て基板の後方に組み込むことも可能である。他の任意の実施形態と同様に、再構成光波が半導体層において吸収されないこと、半導体層が偏向制御手段の書き込み光によってのみ影響を受けること及び書き込み光が可視領域において観察者に知覚されないことが保証される必要がある。これを達成するため、例えば反射素子は、部分領域においてのみ、１つの方向においてのみ、選択された波長に対してのみ、ある特定の偏光に対してのみ又はこれらの組合せ等のいくつかの面において、少なくとも部分的に透明である。反射素子が双方の方向に反射するか又は少なくとも部分的に反射することは更に可能である。あるいは、これらの機能は１つ又は複数の追加層又は追加要素により実現可能である。半導体層が反射型光学系の焦点とは反対の方向から書き込まれること、すなわち偏向制御手段４３が反射型光学系の焦点とは反対側に配置されることも可能である（図３ｂ）。この特定の実施形態によると、再構成光波及び書き込み光は関連する特性を有する必要があり、例えば異なる偏光又は波長を有する必要がある。書き込み光のある特定の入射角度を選択することにより、書き込み光が可視領域において観察者に知覚されることを回避することは更に可能である。

半導体層が書き込み光によってのみ影響を受け再構成光波により影響を受けない帯構造を有し、すなわち、再構成光波及び書き込み光が異なるエネルギーレベルを有し、書き込み光のエネルギーレベルのみが半導体層に影響を与えられることは更に可能である。

単一の走査レーザ光を使用する代わりに、各々がＯＡＳＬＭの部分区画のみに書き込む複数のレーザ光が使用されてもよい。１つの走査レーザ光のみが書き込みに使用される場合、非常に小さい焦点及び大きな走査範囲の双方を有する必要があるため、多くの要求を満たす必要がある。

更に、偏向素子に回折構造を書き込む偏向制御手段は電気アドレス型空間光変調器（ＥＡＳＬＭ）の形態をとることができる。

更に、ＯＡＳＬＭは、２つのコヒーレント光源の干渉により生成される干渉パターンに対する露光により制御可能である。これらのコヒーレント光源は、例えば光ファイバケーブル又はビームスプリッタを使用して結合されてもよく、入射側焦点及び出射側焦点に配置される。半導体層のこの干渉パターンは、ＯＡＳＬＭにおいて屈折率の変動を引き起こす。本方法は、感光膜のホログラフィック露光に非常に類似した効果を有する。ＯＡＳＬＭにおいて露光されたホログラムは、光源を用いる後続の走査中に出射側焦点内の光源を入射側焦点内に再構成する。

瞳の（場合によっては仮想的な）位置変化の代わりに又はそれに加えて、反射型光学系又はその一部は、出射側焦点を観察者の眼の位置に位置決めし且つ入射側焦点を瞳に位置決めするために、傾斜又は方向転換等の移動を実行してもよい。この移動は、仮想的に生成されるのみでもよく、すなわち更に制御可能な反射素子により生成されてもよい。

観察者が反射型光学系に対して接近又は離間するように直角に移動する場合であっても、半短軸が反射型光学系の光軸に一致し且つ瞳の位置が光学的補助を使用して入射側焦点の位置に少なくとも仮想的に適合されるように、入射側焦点の位置を制御することが可能である。更に、入射側焦点の位置を反射型光学系に対して垂直に制御することは、観察者に対してホログラフィックに再構成されたシーンを拡大又は縮小するために採用可能である。

更なる実施形態によると、再構成手段は、例えば光学素子系を具備することができる。

更に、１人又は複数の観察者の各々の眼に対して可視領域を順次生成するために、必要な回折構造をＯＡＳＬＭに順次書き込むことが可能である。カラーのホログラフィック再構成を表示するために、個別の原色を表す部分再構成は順次生成され、特定の波長に対応する回折構造はＯＡＬＳＭに順次書き込まれる。

要約すると、本発明は、反射型光学系において発生する収差の補正を可能にし且つホログラフィックに再構成されたシーンの観察者がある特定の範囲内で移動できるようにする一方で可視領域が観察者の実際の眼の位置まで追跡されることを可能にする反射型光学系を提供する。更に本発明は、従来技術の解決策で可能なものより大きなホログラフィックシーンの再構成を実現する一方で、反射型光学系の光学素子に対する要求を最小限にすることを可能にする。

本発明に係る解決策は、複数の方法で商業的に使用可能である。それらは、私的用途及び産業用途、例えば娯楽産業、自動車産業、医学等において３次元シーンを表示するために使用可能である。

本発明の第１の実施形態に係る反射型光学系の偏向素子の設計及び反射素子の設計を示す上面図である。 本発明の第２の実施形態に係る反射型光学系の偏向素子の設計及び反射素子の設計を示す上面図である。 第２の実施形態に係る反射型光学系の偏向素子及び反射素子を示すことにより幾何学的関係を示す上面図である。 本発明の第２の実施形態に係る反射型光学系を有し、偏向制御手段の構成が異なる追跡システムを示す上面図である。 本発明の第２の実施形態に係る反射型光学系を有し、偏向制御手段の構成が異なる追跡システムを示す上面図である。 本発明の第２の実施形態に係る反射型光学系を有する追跡システムの簡略図を示し、眼の位置が異なる上面図である。 本発明の第２の実施形態に係る反射型光学系を有する追跡システムの簡略図を示し、眼の位置が異なる上面図である。 本発明の第２の実施形態に係る反射型光学系を有する追跡システムの簡略図を示し、眼の位置が異なる上面図である。 本発明の第２の実施形態に係る反射型光学系を有する追跡システムの簡略図を示し、眼の位置が異なる上面図である。

Claims (19)

1. ホログラフィックに再構成されるシーンを投影するホログラフィック投影システムであって、
   再構成光波を生成する再構成光源手段と、
   前記再構成光波を変調し、且つ、空間光変調器のフーリエ面に配置される変調再構成光波をフィルタリングするための瞳に向けて変調再構成光波を放射する空間光変調器の形態の少なくとも１つのホログラフィック再構成手段と、
   を含み、さらに、
   前記瞳によりフィルタリングされた前記変調再構成光波を反射する反射素子であって、該反射素子は、前記瞳に配置され前記再構成光波が前記反射素子に当たった場合該再構成光波が入射してくる入射側焦点と、前記反射素子から反射された後前記再構成光波が伝播し、前方に前記シーンがホログラフィックに再構成される出射側焦点と、を有する楕円状にカーブした反射面を有する、反射素子と、
   光学的に制御可能な偏向特性を有する光偏向構造を含む偏向素子であって、該偏向素子の該光偏向構造は、前記反射素子の前記反射面と前記入射側焦点との間、且つ、前記反射素子の前記反射面と前記出射側焦点との間に配置されている、前記偏向素子と、
   前記出射側焦点の位置を眼位置検出手段により検出される観察者の眼の位置に制御するために前記偏向素子の前記偏向特性を光学的に制御する偏向制御手段と、
   を有する反射型光学系、
   を含むことを特徴とするホログラフィック投影システム。
2. 前記偏向制御手段は、前記入射側焦点の位置を制御するために前記偏向素子の前記偏向特性を光学的に制御するために提供されることを特徴とする請求項１に記載のホログラフィック投影システム。
3. 前記偏向制御手段は、収差を補正するために前記偏向素子の前記偏向特性を光学的に制御するために提供されることを特徴とする請求項１または２の記載のホログラフィック投影システム。
4. 前記反射素子は少なくとも部分的に透明であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のホログラフィック投影システム。
5. 前記反射素子は前記偏向素子に組み込まれることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のホログラフィック投影システム。
6. 前記偏向素子は、光学的に制御可能な回折構造および／または屈折構造を有することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のホログラフィック投影システム。
7. 前記偏向素子は、光アドレス型空間光変調器であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のホログラフィック投影システム。
8. 前記光アドレス型空間光変調器は、
   透明電極を有する第１のガラス板と、
   方位が光学制御により変更可能なＬＣ（液晶）分子を含むＬＣ層と、
   感光半導体層と、
   第２のガラス板と、
   を具備することを特徴とする請求項７に記載のホログラフィック投影システム。
9. 前記感光半導体層は少なくとも部分的に透明であることを特徴とする請求項８に記載のホログラフィック投影システム。
10. 前記半導体層は、前記偏向制御手段により影響を受ける帯構造を示すことを特徴とする請求項８または９に記載のホログラフィック投影システム。
11. 前記偏向素子の前記偏向特性を制御する前記偏向制御手段は、前記入射側焦点に配置され前記出射側焦点とは反対向きに配置されることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載のホログラフィック投影システム。
12. 前記偏向制御手段は、前記入射側焦点及び前記出射側焦点に配置され且つ干渉パターンが前記偏向素子の前記偏向特性を制御するのに適する２つの干渉するコヒーレント光源を具備することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載のホログラフィック投影システム。
13. 前記偏向制御手段は、書き込み光を前記偏向素子に投影するための電気アドレス型空間光変調器であることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載のホログラフィック投影システム。
14. 前記偏向制御手段は、前記偏向素子を走査するための強度制御可能な走査レーザ光の形態で設計されることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載のホログラフィック投影システム。
15. 前記反射型光学系はダイクロイック層を具備しおよび／または前記反射素子はダイクロイック特性を示し、前記再構成光波及び前記偏向制御手段により出力される前記書き込み光は異なる波長を有することを特徴とする請求項１３に記載のホログラフィック投影システム。
16. 前記反射型光学系は反射型偏光フィルタを具備しおよび／または前記反射素子は偏光フィルタの特性を示し、前記再構成光波及び前記偏向制御手段により出力される前記書き込み光は異なる偏光を有することを特徴とする請求項１３に記載のホログラフィック投影システム。
17. 前記偏向素子の前記偏向特性を制御する前記偏向制御手段は、人間の眼に対して不可視である波長範囲内の書き込み光を出力することを特徴とする請求項１３に記載のホログラフィック投影システム。
18. 前記瞳の位置又は前記瞳の同一画像の位置を前記反射型光学系の前記入射側焦点に制御する位置制御手段を具備することを特徴とする請求項１乃至１７の何れか一項に記載のホログラフィック投影システム。
19. ホログラフィックに再構成されるシーンを投影するホログラフィック投影方法であって、
    空間光変調器の形態の少なくとも１つのホログラフィック再構成手段により変調再構成光波を生成するステップと、
    反射光学系の楕円状にカーブした反射面の入射側焦点および前記空間光変調器のフーリエ面に配置される瞳の各々を位置決めするステップと、
    反射型光学系に向かう前記変調再構成光波を前記瞳の助けによりフィルタリングするステップと、
    前記反射型光学系の楕円状にカーブした前記反射面からの前記フィルタリングされた変調再構成光波を反射し、前記反射型光学系の楕円状にカーブした前記反射面の出射側焦点の前方においてシーンのホログラフィック再構成を生成するステップと、
    観察者の眼の位置を検出するステップと、
    前記反射型光学系の楕円状にカーブした反射面の前記出射側焦点の位置を前記眼位置検出手段により検出された観察者の眼の前記位置に制御するために前記反射型光学系の偏向素子の偏向特性を光学制御するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。

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