JP5264883B2 - 光波追跡及びホログラフィック再構成を補正する手段を有するホログラフィック投影システム - Google Patents

Description

本発明は、観察者が３次元シーンのホログラフィック再構成を見ながら自身の位置を変更する場合に、光波追跡手段、すなわち位置制御器及び眼検出装置を使用して少なくとも１人の観察者の眼の位置に対してホログラフィック再構成を搬送する変調光波の伝播方向を追跡するホログラフィック投影システムに関する。本発明は、特に、その光波追跡により起こる変調光波に対する光変形の影響を低減する手段に関する。本発明は、ホログラフィック情報が提供される方法とは無関係であり、複数の観察者がホログラフィックに再構成された映像シーンを同時に見れるようにするシステムにおいて使用される。

本発明に係るホログラフィック再構成システムは、映像手段を使用してリアルタイムに３次元動画シーンをホログラフィックに再構成するのが好ましい。

システムは、ホログラフィック情報に対する干渉を起こすことができる光波を空間変調する連続的に制御可能な空間光変調器手段を含む。光回折の効果のために、変調光波は局所的な干渉により物体光点を再構成できる。前記物体光点は、３次元シーンを光学的に再構成する。光波は、全ての再構成物体光点から観察者の眼に対して指示された方法で伝播するため、１人又は複数の観察者はそれらの物体光点をシーンの形式で見れる。これは、立体表現とは異なり、ホログラフィック表現が物体の置換を実現することを意味する。

ホログラフィック表現の十分な品質を達成するために、観察者は、可能な限り大きな閲覧空間において再構成を見れるべきである。これは、観察者の距離に依存して、サイズが背景で説明したような今日のテレビ及び映像画面に特有の画面の対角線により特徴付けられる表示画面によるホログラフィック再構成シーンの表現を必要とする。

しかし、周知のサンプリング定理により説明されるように、大きなホログラフィック表現が大きな回折角に対して必要とする光変調器手段の解像度が２次元表現に対して必要とされる解像度より非常に高いことを必要とすることは不利である。これにより、ホログラフィック再構成システムのハードウェア資源及びソフトウェア資源に対する要求は極めて大きくなる。これは、ハードウェア資源及びソフトウェア資源の双方が符号化のためのホログラフィック情報をリアルタイムに提供するための構成要素及びシーンの光学再構成を行なうための構成要素に関係するためである。

再構成システムの別の周知の問題は、干渉を起こす前の変調光波の外乱のない伝播である。正確な光点値により空間の正確な位置に物体光点を再構成するために、干渉光波の少なくとも一部は、物体光点が干渉により再構成される全ての位置に同時に到着する必要がある。これは、各物体光点が可能な限り多くの干渉光波間に空間コヒーレンスを必要とすることを意味する。

更に、物体光点の再構成後、３次元シーンを表す光波の全ての物体光点の光路長は、制御可能な光学手段により起こされるような相互間の非制御光路長差を示すべきではない。

以下の説明において、用語「光軸」は、反射光学素子又は屈折光学素子の対称軸と一致する直線を示す。３次元シーンのホログラフィック情報を使用してホログラムプロセッサにより符号化された空間光変調器手段は、「映像ホログラム」を表す。投影手段を使用してコヒーレント光により照明される映像ホログラムの相互作用により、「変調波」は生成される。投影手段は、変調波の「伝播方向」を規定し、その伝播方向は、「光波追跡」により変更可能である。光学素子が途中に配設される場合又はそれらの有効方向が映像ホログラムに向かう場合、それらの光学素子は「ホログラム側」と呼ばれ、光学素子が途中に配設される場合又はそれらの有効方向が観察者の眼の位置に向かう場合、それらの光学素子は「観察者側」と呼ばれる。「可視領域」は、眼の位置において観察者側に配設され且つシステムの射出瞳を表す空間を説明する。可視領域において、観察者の少なくとも一方の眼は再構成シーンを観察するように位置する必要がある。本発明の応用例の場合のように、変調波が現在の眼の位置に対して光波により追跡される場合、「追跡範囲」は、光波追跡が可能な全ての眼の位置を含む空間を規定する。この主題に関する技術文献において、そのような投影システムは視線追跡を含む投影システムとしても周知である。

本出願人は、多くのホログラフィック投影システムを既に開示している。例えば、国際公開第ＷＯ２００６／１１９７６０号の「Projection device and method for the holographic reconstruction of scenes」において、３次元シーンのホログラフィック再構成を拡大して表すシステムが説明される。

この投影システムは、ホログラフィック再構成に対する基本原理を利用する。これについては、最初に本出願人が国際公開第ＷＯ２００４／０４４６５９号の「Video hologram and device for reconstructing video holograms」において説明しており且つ図１を参照して説明する。

本実施形態において、干渉を起こすことができ且つ変調器照明手段（不図示）により放射される平面光波ＬＷは、シーンのホログラフィック情報により動的に符号化される透過型空間光変調器ＳＬＭの全ての変調器セルを照明する。符号化変調器は映像ホログラムを表す。フーリエ平面ＦＴＬにおいて光波ＬＷのフーリエ変換を実現する集束レンズＬ１は、光伝播方向から見て光変調器ＳＬＭの前方に配設される。投影システムにおいて、光変調器ＳＬＭは、透過格子モードでホログラフィック情報を含む入射波ＬＷを変調できる。すなわち、光変調器ＳＬＭは、変調器を通過すると干渉を起こすことができる光波を変調できるか、あるいは空間的に制御可能な反射板としての役割を果たすことができる。いずれの場合においても、フーリエ平面ＦＴＬの前方の空間においてシーンの物体光点を再構成する変調波が生成される。図１に係る実施形態は、再構成シーンの１つの物体光点ＯＰ０のみを示す。

マトリクス構成のために、変調器セルは空間的に等距離で光波を変調し、それにより光を回折させるため、異なる位置における複数の回折次数ｍの映像ホログラムを含む空間周波数スペクトルはフーリエ平面ＦＴＬにおいて作成される。図１は、選択された回折次数の所望の物体光点ＯＰ０及び隣接次数の望ましくない再構成物体光点ＯＰ＋１及びＯＰ−１の例を使用して空間周波数スペクトルの小さな部分を示す。本実施形態において、光変調器ＳＬＭの全ての変調器セルは、物体光点ＯＰ０を再構成するために符号化される。これは、符号化により制御可能であり且つ対応する焦点距離を有するレンズＣＬと同様の効果を有する。

国際公開第ＷＯ２００６／１１９７６０号において開示される投影システムにおいて、映像ホログラムは光変調器において再度符号化される。フーリエ平面に位置する空間周波数フィルタは、映像ホログラムの空間周波数スペクトルの１つの回折次数を空間的にフィルタリングし、光学投影システムは、その回折次数の光波を集束表示画面に拡大して投影する。

表示画面は、眼の位置の前方において再構成シーンを含む変調波を集束する。観察者は、可視領域において眼の位置の後方の再構成３次元シーンを見れる。

表示画面が焦点面において全ての回折次数の再構成物体光点を投影するため、観察者は、可視領域の外側に位置する一方の眼、すなわち現在表現されている映像ホログラムのコンテンツを提供されていない他方の眼で外乱を起こす回折次数も見る。空間周波数フィルタＡＰは、１つの回折次数より大きくない開口部を有するため、変調光の１つの回折次数を選択する。

表示画面はレンズであってもよい。しかし、上述したように、表示画面の直径は光学投影システムのサイズと比較して非常に大きい必要があるため、表示画面は凹面鏡であるのが好ましい。

再構成は、変調波により固定されるため、観察者の少なくとも一方の眼が物理的に可視ではない眼の位置の後方の可視領域に直接位置付けられる場合にのみ可視である。観察者が移動した時に再構成シーンが制約なしで可視である場合、再構成空間の先端部が観察者の各眼に常に近接するように、位置制御器は観察者の各眼に対する光波追跡により変調波全体の光路を追跡する必要がある。このために、好適な投影システムは、観察者の眼の現在の位置を検出し且つ位置制御器を使用して所望の眼の位置に向けられるように変調波の光路を制御するものとして周知の眼検出装置を含む。観察者の各眼に対して特定の映像ホログラムを提供するシステムにおいて、常に所望の眼の位置は、観察者の眼が後方に位置する位置であり、現在符号化されている映像ホログラムと一致する。現在の映像ホログラムは、他方の眼に対して可視であってはならない。

国際公開第ＷＯ２００６／１１９９２０号の「Device for holographic reconstruction of three-dimensional scenes」において、本出願の出願人は、例えば特に空間光変調器手段が符号化されることを必要とするホログラフィック再構成デバイスを開示する。ホログラフィック情報が変調器面積全体にわたり分散される従来の映像ホログラム符号化とは異なり、本出願人は、光変調器手段の符号化可能な面積全体のサブエリアを表すホログラムの小さな領域においてのみシーンの各物体光点に対する情報を符号化することを提案する。符号化の原理については、図２ａ及び図２ｂを参照して説明する。図２ａ及び図２ｂは、図１に係るホログラフィックシステムの詳細を示す。双方の表現は、ホログラフィック情報を含む光波の変調に限定される。更なる光波路は示さない。

光変調器ＳＬＭがセル構造を有する場合、この例においては回折次数＋１及び−１の物体光点ＯＰ＋１及びＯＰ−１により表される対応する追加の物体光点が他の回折次数の空間周波数スペクトルにおいて発生することは不可避である。更に、図１に示すように、光変調器ＳＬＭが全ての変調器セルにおいて単一の物体光点ＯＰ０のホログラフィック情報を搬送する場合、隣接回折次数からの光がフーリエ平面ＦＴＬにおいて常に重なり合い且つフーリエ平面ＦＴＬの全ての位置が空間フィルタにより除去できない望ましくない物体光点ＯＰ＋１及びＯＰ−１から外乱を起こす光の部分を常に更に受け入れるように、光は物点ＯＰ＋１、ＯＰ０及びＯＰ−１を再構成した後に広い角度で伝播する。この欠点を回避するために、符号化レンズ機能ＣＬの面積は、光変調器ＳＬＭを符号化する時に空間中の物体光点ＯＰ０の位置に適応される必要がある。

図２ａは、図１に係るホログラフィックシステムの詳細を含んで符号化原理を示す一実施形態を示す。本実施形態において、空間光変調器手段は、表面積が空間中の光点の位置に適応されるレンズ機能ＣＬにより符号化される。選択した回折次数の物体光点ＯＰ０を再構成する光のみがフィルタＡＰの開口部Dxを通過するように、表面積は空間中の物体光点ＯＰ０の位置に依存して減少される。これに対して、フィルタＡＰは、隣接回折次数の望ましくない物体光点ＯＰ＋１を再構成する光を阻止する。

図２ｂは、いくつかの物体光点ＯＰ１．．．ＯＰｎを使用して３次元シーン３ＤＳの一区分に対する符号化処理を示す。前記符号化処理は、実現可能な空間光変調器手段を使用して隣接回折次数の光が重なり合うのを回避する。全てのシステムに対する再構成処理を制御するコンピュータ支援システム制御器（不図示）は、単一の各物点ＯＰ１．．．ＯＰｎに対するホログラムプロセッサを使用して、フーリエ平面ＦＴＬにおける全ての再構成光点が使用される回折次数に対してのみ光を放射するように再構成シーンにおける位置に依存して光変調器面積のホログラムの制限された領域に存在する複数の隣接変調器セルの別個のレンズＣＬ１．．．ＣＬｎを符号化する。これは、隣接回折次数の光が重なり合うのを防止し、未使用の回折次数の望ましくない再構成物体光点が投影システムの射出瞳を通して可視になるのを防止する。

従来のホログラフィック表示装置と異なり、符号化方法を使用して、ホログラムの対応する領域のみがシーンの個々の物体光点を再構成するのに必要とされるホログラフィック情報を搬送する。程度が限定される可視領域における現在の眼の位置から可視である必要があるそのような物体光点のみが符号化される。これにより、符号化に対する計算の負荷は非常に軽減される。

国際公開第ＷＯ２００６／１１９７６０号 国際公開第ＷＯ２００４／０４４６５９号 国際公開第ＷＯ２００６／１１９９２０号 独国特許出願公開第１０ ２００７ ００５ ８２２．７号

国際公開第ＷＯ２００６／１１９７６０号から周知の投影システムにおいて、集束表示画面は、ホログラフィック情報により変調され且つ空間的にフィルタリングされる光を眼の位置に投影する。これは、観察者が再構成シーンを見たい場合、観察者の少なくとも一方の眼がその眼の位置に対応する可視領域に位置する必要があることを意味する。全ての光学投影と同様に、これも収差が起こりやすい。特に、光波追跡を使用する個々の眼の位置の間の光波の伝播方向の周期的な変更により、表示画面は眼の位置に依存して放射波の空間構造を変形する。これらの変形の大部分は、可変部分が有効な伝播方向特有の収差により表されるため、それらの収差は静的に補償されない。大きな面積で集束表示画面に入射する変調波は、特に、球面収差、コマ、像面湾曲、非点収差及び歪み等の収差の影響を受け易い。

主に視野のサイズに依存する収差、すなわち変動部分が位置に依存して干渉する視野収差は特に外乱を起こす。更に収差は、垂直方向及び水平方向の強度を変動させる可能性がある。

集束表示画面を含み且つ所望の眼の位置に対して映像ホログラムの選択した回折次数の画像を生成する本発明の投影システムは、軸からの伝播方向の偏移が増加すると、主に可変システム別収差を引き起こす。これは、異なる方法で光波を変形し、再構成を大きく破損させる。

ホログラムの特定の制限された領域において物体光点を符号化する上述の特定の方法は、光変調器手段におけるホログラム領域の位置に依存し且つ従来の投影システムにおいては未知であった視野収差等の追加の収差の原因となる。

この特定の例において、ホログラムプロセッサは、ホログラムの制限された領域において各物点のみを符号化するため、ホログラムの周辺領域に位置する物体光点は、軸に近接する物体光点とは異なる収差の影響を受ける。

本発明の投影システムにおける任意の収差のように、符号化のために発生する収差は、変調波が向けられる眼の位置に大きく依存する。その結果、システムは特定の物点を全く再構成しないか、あるいは可視領域外のみ又は間違った空間深さで特定の物点を再構成しない。換言すると、表示画面の収差は、コマ及び非点収差として明らかとなる部分波内の変形を引き起こす。このために、表示画面の周辺領域からの光波が各眼の位置に対する可視領域に到達し且つ正確な空間深さで物体光点を再構成することを保証するための対策がとられる必要がある。

眼の位置を頻繁に且つ迅速に変更すると、光学的伝達関数の眼の位置に依存する動的適応が必要となる。これは、静的な光学パラメータを示す誤差補償に対して光学素子を使用するだけでは達成されない。特に、複数の観察者に対してシーンを同時に再構成する場合の水平方向の視野収差の補償に対する要求は大きい。水平方向に数ｍもの距離を測定する可能性がある観察者間に都合のよい距離を提供するために、非常に広い追跡範囲が必要とされる。従来の波形成器を使用する収差補正により画面軸から遠く離れた変調波を追跡することは不可能である。

広い追跡範囲内で収差なしで可能な各眼の位置に対する全てのホログラム領域の変調光波を同一の可視領域に向ける光透過挙動を有する幾何学的な画面形状は、客観的に実現不可能である。

光波追跡中に広い追跡範囲において光学的誤差の補償を動的に適応させる際の従来技術の上述の問題を考慮すると、本発明の目的は、３次元シーン全体が広い追跡範囲において観察者の各眼の位置に対して可能な限り少ない誤差で可視領域において見られるように、光学素子、特に表示画面の収差の影響を低減することである。更に、３Ｄシーンの全ての物体光点は、可能であれば収差なしで再構成される。

本発明の主な目的は、並列に位置する複数の観察者により再構成を同時に閲覧するために、上述のように非常に広い追跡範囲を実現することである。

本発明は、少なくとも１つのホログラフィックプロジェクタ及び１つの表示画面を含むホログラフィック投影システムに基づく。

各ホログラフィックプロジェクタは、映像ホログラムシーケンスで順次符号化される空間光変調器手段と、映像ホログラムを表示画面に投影する投影手段とを含む。空間光変調器手段は、好適な３次元シーンを再構成するために、観察者の少なくとも一方の眼に対応するホログラム情報に対する干渉を起こすことができる光波を変調する。

各プロジェクタは、表示画面を通して少なくとも１つの所望の眼の位置に変調波を向ける。ここで、その眼の位置に対応するホログラフィック再構成は可視領域において可視になる。表示画面が集束タイプであるため、可視領域は表示画面より非常に小さい。投影システムは、時間多重処理を使用して観察者の他方の眼に対して各ホログラフィック情報を含む第２の光波を提供できる。

投影システムは、伝播方向及び変調波に対する投影手段からの出射位置を調整する位置制御器を更に含む。このために、位置制御器は、生成された変調波に対応する現在の眼の位置を特定する位置データを眼位置検出装置から受信し、その位置に依存して表示画面を通して観察者の眼の位置に変調波を向ける。追跡範囲内の観察者の位置の変化に追従できるように、位置制御器は、現在の眼の位置に対する変調波の出射位置及び伝播方向を動的に追跡する。

本発明に係る投影システムは、複数の変調器セグメントを含む空間変調器手段により変調される部分波によりシーンをホログラフィックに再構成する。投影手段は、表示画面上に少なくとも水平方向に交互に配置される画面セグメントの構造を通して、シーンの別個にホログラフィックに再構成されたセグメントを含む部分波を所望の眼の位置に向ける。変調部分波を所望の眼の位置に正確に向けるために、システム制御器は、表示画面の画面セグメントへの割当てに従って各部分波に対する出射位置及び伝播方向を調整する。全ての画面セグメントからの変調部分波は、所望の眼の位置に到着し、合成波を形成するように重なり合い、それにより可視領域において３次元シーンのホログラフィック再構成を可視にする。

本発明によると、システム制御器が光変調器手段において異なる位置に存在する変調器セグメントを別個に活性化すると、投影システムは部分波を生成する。位置制御器を使用することにより、システム制御器は、アクティブな変調器セグメントにより変調される各部分波に対して、光変調器手段における変調器セグメントの位置及び表示画面の対応する画面セグメントの位置に依存する特定の伝播方向及び対応する出射位置を調整する。

投影手段は、表示画面の対応する画面セグメントを通して、シーンの再構成セグメントを含む部分波を所望の眼の位置に向ける。ここで、全ての再構成セグメントは、共に再構成シーンを可視にする。

本発明に係る手段を使用するシーンの再構成は、システム制御器が表示画面上の対応する画面セグメントの位置及び追跡範囲の所望の眼の位置に対する変調部分波毎に伝播方向及び出射位置により光波の伝播を調整できるという利点を有する。所望の眼の位置及び対応する画面セグメントに依存して、システム制御器は、全ての部分波のシーンの再構成セグメントが殆ど収差なしで可視領域の所望の眼の位置に完全に現れるように、変調部分波毎に表示画面への入射角を調整する。

本発明の一実施形態において、投影システムは、１つのみのホログラフィックプロジェクタ及びソフトウェア手段により時間多重処理を使用してホログラフィック再構成シーンのセグメントを含む部分波を生成する。このために、システム制御器は、各映像ホログラム内でプロジェクタの光変調器手段における種々の変調器セグメントを周期的に活性化し、現在の映像ホログラムのホログラフィック情報全体により変調器セグメントを符号化する。本発明の本実施形態によると、システム制御器は、位置制御器を使用する変調器セグメントの活性化と同期して、各映像ホログラム内においてプロジェクタの出射位置及び現在の変調部分波の伝播方向を変更する。

本発明の別の実施形態において、投影システムは、局所的に分散され且つ空間多重処理において制御される複数のホログラフィックプロジェクタを含む。各プロジェクタは、単一の表示画面の１つの画面セグメントと関連付けられ、その画面セグメントに対応する伝播方向を有する画面セグメントに対して別個の部分波を生成する。これは、現在の映像ホログラムが再生される一方で、別の画面セグメントへの調整を達成するためにホログラフィックプロジェクタの出射位置が移動される必要がないという利点を有する。ホログラフィックプロジェクタは、眼の位置が変化した場合に対応する部分波を追跡するためにのみ移動される。それらの移動は、動画映像ホログラムのシーケンス内の１つの映像ホログラムの期間中の異なる画面セグメントへの出射位置及び伝播方向の調整より非常に遅い速度で実行される。

一般に、時間多重処理において生成される部分波の伝播方向及び出射位置を変更するために、投影システムはホログラフィックプロジェクタを機械的に移動できる。位置制御器は、アクティブな変調器セグメントの変更と同期してプロジェクタを移動する。

再構成のちらつき除去表現は、現在の部分波の出射位置の迅速な位置変更を要求する。機械的位置システムの慣性モーメントのために、それらの位置変更を達成するのは困難である。

従って、本発明の好適な一実施形態は、光波偏向手段を使用して変調部分波の出射位置及び伝播方向を映像ホログラム内の異なる画面セグメントに順次調整する調整可能な光波追跡手段を含む。光波偏向手段は、ホログラフィックプロジェクタの物理的な位置を変更せずに部分波の出射位置及び伝播方向を変更する。これは、プロジェクタが少なくとも投影位置及び伝播方向を異なる画面セグメントに順次調整するために移動される必要がないという利点を有する。そのような光波追跡手段は、例えば部分可動ミラーを有するミラー系を使用して変調部分波を偏向する。

本発明の好適な別の実施形態は、ホログラム側光分波器手段を含む投影システムに関する。分波器手段は、例えばホログラフィックプロジェクタにより生成されるシーンの現在の映像ホログラムの変調波面を複数の部分波面に光学的に分割する全反射ミラー及び半反射ミラーのシステムを利用する。単一のホログラフィックプロジェクタにより生成される現在の部分的にフィルタリングされた映像ホログラムのホログラフィック情報は、１つの部分波面が波面分割器手段の複数の出射位置の各々から共通の表示画面の１つの対応する画面セグメントに伝わるように空間多重処理において光学的に分割される。これは、分波器手段が現在の眼の位置に依存して複数の部分波、すなわち複数の出射位置において１つの部分波を提供し、部分波が異なる画面セグメントを通して現在の眼の位置にある可視領域に伝わるように表示画面に対して異なる伝播方向で部分波を向けることを意味する。ここで、前記部分波は局所的に異なる変調器セイグメントのホログラフィック情報を搬送する。光分波器手段は、現在の眼の位置に従って各変調部分波の全ての出射位置及び対応する伝播方向を調整する調整可能な光波追跡手段を含むことができる。

国際公開第ＷＯ２００４／０４４６５９号の「Video hologram and device for reconstructing video holograms」において最初に本出願人により説明されたホログラフィック再構成に対する基本原理を示す図である。 図２ａは、３次元シーンの単一の物体光点の例と共に空間光変調器手段の符号化について説明する図１に係るホログラフィックシステムの詳細を示す図である。 図２ｂは、選択された物体光点を含む３次元シーンの一区分の符号化の例と共に図１に係るホログラフィックシステムの詳細を示す図である。 ホログラフィックプロジェクタ及び表示画面を含むホログラフィックシステムの一例を示す図である。 複数のセグメントのホログラフィック再構成と共に本発明に係るホログラフィック投影システムの一般的な一実施形態を示す図である。 再構成セグメントが観察者に対する可視領域を側方に追跡するために使用される図４に係る投影システムの詳細を示す図である。 可視領域が観察者に対して軸方向に追跡される図４に係る実施形態を示す図である。 光波追跡手段が変調部分波の出射位置及び伝播方向を調整する本発明の別の実施形態を示す図である。 、 、 図８ａ〜図８ｃは、集束反射板を表示画面として使用する投影システムを示す本発明の別の実施形態を示す図である。

図３は、本発明の実施形態に対して使用されるホログラフィック投影システムの基本原理を説明する。この状況において、本発明により解決される問題について再度説明する。ホログラフィック投影システムは、主にホログラフィックプロジェクタＨＰ及び集束表示画面Ｓを含む。集束表示画面Ｓは、広い視角を有するために非常に大きく、透過型すなわちレンズ又は反射型すなわち凹面鏡である。ホログラフィック投影システムは、コンピュータ支援システム制御器（不図示）を更に含む。

ホログラフィックプロジェクタＨＰは、干渉を起こすことができる平面波ＬＷにより空間光変調器ＳＬＭの変調器表面を照明する変調器照明手段を含む。光変調器ＳＬＭは、変調器セルの面構成を有する。変調器セルは、所望の３次元シーンのホログラフィック情報を使用してホログラムプロセッサ（不図示）により動的に符号化される。従来のホログラフィックシステムのように、符号化された変調器セルは、ホログラフィック情報を含む光波ＬＷを変調する動的映像ホログラムを形成する。変調器セルの表面積は、例えば対角線が数ｃｍである。光変調器ＳＬＭは、マイクロメカニカルディスプレイ、例えばデータ及び映像の投影に使用されるいわゆるマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）又はＬＣｏＳ（liquid crystal on silicon）マイクロディスプレイであってもよい。図示する実施形態において、光波ＬＷは透過型光変調器ＳＬＭを通過する。しかし、周知の光学構成がそれに従って変更される場合、反射型光変調器を代わりに使用できる。変調波のフーリエ変換は、集束レンズＬ１の変換により変調器照明手段の像面において行なわれる。１つの回折次数の変調光のみを通過させるフィルタＡＰが配設される。光学投影システムＬ２は、光変調器ＳＬＭを拡大して集束表示画面Ｓに投影する。集束表示画面Ｓは、光波追跡手段に対する眼検出装置により検出された現在の眼の位置ＥＰに空間的にフィルタリングされた空間スペクトルを投影する。フィルタリングされた空間スペクトルを投影する場合、システムの射出瞳におけるフィルタＡＰの幾何学的配置は、観察者がホログラフィック再構成シーンを見る時に使用する可視領域ＶＲを形成する。

ここでは、現在の眼の位置ＥＰの前方にホログラフィック再構成シーン３ＤＳとして現れる複数の物体光点ＬＰｍを含む３次元シーンの選択された２つの個々の物体光点ＯＰ１及びＯＰ２のみが考慮される。これらの点は、シーンの複数の物体光点から選択された。双方の物体光点の再構成に対するホログラフィック情報が符号化されるように、すなわち物体光点ＯＰ１に対する情報が光変調器ＳＬＭの中央のホログラム領域Ｈ１において符号化される一方、物体光点ＯＰ２に対する情報が光変調器ＳＬＭの外縁のホログラム領域Ｈ２において符号化されるように、２つの物体光点はシーンに空間的に配置される。ホログラム領域Ｈ１は、物体光点ＯＰ１を再構成し且つ表示画面Ｓの中央に入射する光波ＬＷｍｏｄ１を変調し、その一方でホログラム領域Ｈ２からの変調光波は、表示画面Ｓの外縁に入射する。

しかし、表示画面Ｓの収差のために、観察者が追跡範囲内に位置できる可能な各眼の位置に対する可視領域ＶＲに対して、光変調器ＳＬＭの外縁のホログラム領域からの変調光波が向けられないというのは不利である。上述のように、それらの収差は位置に依存する。従って、収差は必要とされる広い追跡範囲にわたり静的補正手段を使用して完全に補償されない。

図３は、システムが物体光点ＯＰ２を正確に再構成するということを明らかに示す。しかし、表示画面Ｓは、対応する画像ＯＰ２’を不正確な位置に投影する。選択された物体光点ＯＰ２の変調部分光波ＬＷｍｏｄ２は可視領域ＶＲに入射しないため、観察者はその物体光点を知覚できない。この影響は、本明細書において口径食と呼ばれる。

図４は、本発明に係る投影システムを示す。従来のホログラフィック投影システムとは異なり、本発明のシステムは、表示画面Ｓ上の個々の画面セグメントを使用して、ホログラフィック情報により変調される波長のみを常に投影する。再構成処理を制御するためにホログラフィック表示システムに対して一般的に使用されるコンピュータ支援システム制御器（不図示）は、ホログラフィックプロジェクタにおける変調器セルを異なる変調器セグメントＭＳ１．．．ＭＳ３に関連付ける。光変調器ＳＬＭは、アクティブな変調器セグメントＭＳ１において例示されるホログラム領域Ｈ１を保持し、ホログラム領域Ｈ１は、システムが選択された物体光点ＯＰ１の空間環境からの更なる物体光点（不図示）と共に物体光点ＯＰ１をホログラフィックに再構成するように光波ＬＷを変調する。これは、アクティブな変調器セグメントＭＳ１が部分的に重なり合い且つ選択された物体光点ＯＰ１の環境からの他の物体光点（不図示）をシーンのセグメントとして再構成する複数の更なるホログラム領域を同時に保持することを意味する。

システム制御器は、共通の物体環境からの複数のホログラム領域を使用して時間多重処理において変調器セグメントＭＳ１と同様に全ての他の変調器セグメントを符号化する。システム制御器により順次活性化された後、各変調器セグメントは、ホログラフィック情報の対応する部分を使用して関連付けられる部分波を変調する。現在の映像ホログラムの情報の関連付けは、自身のサブ区分を含む全ての部分波が共に３次元シーンを再構成するように実現される。

光学投影システムＬ２は、光変調器セグメントＭＳ１で符号化され且つ図４には示されない他の再構成物体光点と共に再構成物体光点ＯＰ１を表示画面Ｓの画面セグメントＳ１に投影する。

本発明によると、コンピュータ支援システム制御器は、例えば構造化される変調器照明手段のセグメントを別個に切り換えることによりＳＬＭの変調器セグメントＭＳ１を活性化する。その変調器照明手段は、例えば空間光変調器ＳＬＭに対する平面変調器照明手段であってもよい。ここで、時間多重処理において個々の変調器セグメントに対する照明を通過させるために、システム制御器により制御される別の空間光変調器は符号化光変調器ＳＬＭの光路に配設される。あるいは、システム制御器は、使用されない符号化光変調器ＳＬＭの変調器セグメントを無効にできる。

更にシステム制御器は、位置制御器を使用して、アクティブな変調器セグメントＭＳ１に対応する変調波の向きＤ１を有する出射位置ＰＯＳ１を有するようにホログラフィックプロジェクタＨＰを調整する。アクティブな変調器セグメントＭＳ１は、シーンの再構成セグメントにより対応する画面セグメントＳ１を通して所望の眼の位置ＥＰに部分波を向ける。

可視領域の寸法が眼の瞳孔の大きさに縮小可能であるため、本実施形態の時間多重処理において、光波追跡により現在の部分波に対応する眼の位置に変調部分波を位置合わせし、追跡範囲内の眼の任意の動きに対してそれらの変調部分波を追跡する必要がある。

例えば、コンピュータ支援システム制御器はホログラフィックプロジェクタＨＰの出射位置を機械的に追跡できるか、あるいは、出射位置の見かけの変更は例えば可動ミラーを使用して光波追跡により実現されるのが好ましい。

図４に示すように、ホログラフィックプロジェクタは第１の時点で出射位置ＰＯＳ１にある。その時、変調器セグメントＭＳ１のみがアクティブであり、変調器セグメントＭＳ１は、図示されないホログラム領域の横に物体光点ＯＰ１に対するホログラム領域Ｈ１を含む。ホログラフィックプロジェクタは、向きＤ１を有する出射位置ＰＯＳ１にある。ここで、光学投影システムＬ２は、表示画面Ｓの中央に位置する画面セグメントＳ１に変調部分波ＬＷｍｏｄ１を投影する。固定の集束表示画面Ｓは、可視領域ＶＲに現れるように再構成物体光点ＯＰ１’を更に投影する。

別の時点で、物体光点ＯＰ２に対して、システム制御器は、ホログラフィックプロジェクタＨＰを出射位置ＰＯＳ２に移動し、ホログラム領域Ｈ２を含む変調器セグメントＭＳ２を活性化する。出射位置ＰＯＳ２において、光学投影システムＬ２は、表示画面Ｓの画面セグメントＳ２を通して再構成物体光点ＯＰ２を投影する。出射位置ＰＯＳ２及びプロジェクタの向きＤ２は、変調部分波ＬＷｍｏｄ２が口径食なしで可視領域に到達するように調整されるため、再構成物体光点ＯＰ２’は外乱なしで見られる。

時間多重処理において変調部分波ＬＷｍｏｄ１及びＬＷｍｏｄ２を生成するには、観察者の眼がちらつきなしで物体光点の同種の再構成を可視領域において知覚するのに十分な速さの繰り返し速度で、すなわち少なくとも２５Ｈｚで出射位置ＰＯＳ１及びＰＯＳ２を交互にする必要がある。

図４に係る実施形態は、一例として２つの画面セグメント及び２つの出射位置のみを示す。しかし、特に対応する出射位置を有する更に多くの画面セグメントが問題を解決する。

必要とされる画面セグメントの数は、表示画面のサイズ及び位置制御器の追跡範囲に依存する。各変調器セグメントのサイズ、並びに表示画面Ｓの形態及びサイズは、対応する光波が可視領域の範囲を超えない範囲の眼の位置に到達するように決定されるのが好ましい。

図５は、異なるセグメントを通して伝播する別個の変調部分波を含むシーンの再構成を詳細に示す。ここで、光変調器ＳＬＭは変調器セグメントＭＳ１．．．ＭＳ３を含み、表示画面Ｓは各画面セグメントＳ１．．．Ｓ３を含む。図５に示すように、システム制御器ソフトウェアのモジュールである位置制御器は、新しい眼の位置ＥＰｎへの観察者に対する部分波を追跡している。その場合、可視領域ＶＲは、表示画面Ｓの光軸ＯＡから明らかに離れて位置し、表示画面の収差は、静的収差補正手段によりそれ以上補償されない。

第１の期間中、ホログラフィックプロジェクタＨＰは出射位置ＰＯＳ１に位置し、物体光点ＯＰ１に対するホログラム領域Ｈ１を含む変調器セグメントＭＳ１はアクティブである。その期間中、眼の位置ＥＰｎの観察者は、画面セグメントＳ１を通して再構成物体光点ＯＰ１’を見る。

第２の期間中、ホログラフィックプロジェクタＨＰは出射位置ＰＯＳ２に位置する。ここで、物体光点ＯＰ２’に対するホログラム領域Ｈ２を有する変調器セグメントＭＳ２はアクティブであり、光学投影システムＬ２は、変調器セグメントＭＳ２を画面セグメントＳ２に投影する。投影システムの出射位置ＰＯＳ２は、表示画面Ｓによる収差があるにも関わらず部分波ＬＷｍｏｄ２が可視領域ＶＲに到達するように出射位置ＰＯＳ１と比較して変更されている。表示画面Ｓの収差は、投影システムの位置及び向きを使用して補償される。この第２の期間中、可視領域ＶＲの観察者は、画面セグメントＳ２を通して物体光点ＯＰ２’を見る。

同様のことが第３の期間（不図示）及び対応する画面セグメントＳ３に当てはまる。

変調器セグメントの活性化、並びに部分波の出射位置及び伝播方向の変更は、観察者が再構成全体を依然として知覚できるような速い速度で実行される必要がある。処理全体は、少なくとも２５Ｈｚの繰り返し速度で実現される。

変調器セグメントの幅及び画面セグメントの幅は、一方では必要とされる追跡範囲の表示画面の収差に依存する。シーンのホログラフィック再構成セグメントの全ての部分が可視領域において知覚可能である必要があるため、変調器セグメントの最大幅は他方では可視領域の幅に依存する。

更に、各変調器セグメントは、物体光点の再構成に寄与するのに十分な数の変調器セルに対して十分な程幅広である必要がある。セグメントの幅は、ホログラフィック再構成の必要とされる鮮明度を更に判定する。幅が小さすぎると、物体光点の幅広なぼけた再構成が得られる。

実際には数百万の物体光点がシーンの再構成に必要とされるため、光変調器ＳＬＭの各変調器セグメントは複数のホログラム領域を更に含む。一方で、例えば物体光点がシーンの前景にある場合、その単一の物点のホログラム領域は複数の変調器セグメントに分散される。更に、それらのセグメントは異なる幅を有してもよい。

図５は、表示画面Ｓの光軸ＯＡから離れて位置する眼の位置に向けて可視領域を側方に移動するために、本発明に係る解決策が使用される方法を示す。これに対して、図６は、観察者が可視領域ＶＲ’に向けて画面軸に沿って移動する場合に本発明の実施形態を使用して追跡を実現する方法を示す。

これを達成するために、画面セグメントＳ２に対するホログラフィックプロジェクタＨＰは、初期出射位置ＰＯＳ２から新しい出射位置ＰＯＳ２’に向けて移動される。変調部分波ＬＷｍｏｄ１及びＬＷｍｏｄ２は、初期可視領域ＶＲにおいて交差しなくなり、異なる観察者平面に位置する新しい可視領域ＶＲ’において交差する。同様のことが、ホログラフィックプロジェクタＨＰの出射位置及び画面セグメントＳ３を介する部分波の伝播方向に当てはまる。画面セグメントは交互に使用される。観察者は、新しい可視領域ＶＲ’において全ての再構成物体光点を見れる。

全てのセグメントの範囲は、各セグメントの光が可視領域に到達するように決定される。

ホログラフィックプロジェクタＨＰの位置が他の眼の位置に対する軸及び光波の側方追跡に対しても同様に調整可能であることは、当業者には明らかである。

上述のように、プロジェクタが機械的に移動される時、ホログラフィックプロジェクタＨＰの局所的な出射位置及びその向きの変更が実際に十分な速度で達成されることが殆どないことは不利である。

図７は、光波追跡を使用することに関する問題を解決する一実施形態を示す。光波追跡手段は、ホログラフィックプロジェクタと表示画面との間に配設される。追跡手段は、プロジェクタの光学投影システムＬ２を介して観察者に対して変調部分波を偏向するために、例えば回動追跡ミラーＭ１及び曲面傾斜ミラーＭ２を含む。このために、変調部分波は異なる出射位置及び表示画面に向かう伝播方向を示す。出射位置及び伝播方向を変更する場合、プロジェクタ自体は依然として固定の中央位置ＰＯＳ０にある。出射位置が機械的な変位により調整されることを回避するために、傾斜ミラーＭ２は入射部分波より大きい。その曲率により、傾斜ミラーは、空間的にフィルタリングされた光波を対応する画面セグメントに拡大して投影する。ミラーを有するそのような追跡装置は、先の独国特許出願公開第１０ ２００７ ００５ ８２２．７号の「Holographic reconstruction system with optical wave tracking means」により十分に開示されている。

追跡ミラーＭ１及び傾斜ミラーＭ２は、部分波ＬＷｍｏｄが仮想出射位置ＰＯＳ２から入射してきたように光波路を示すように位置付けられ且つ調整される。部分波ＬＷｍｏｄは、可視領域ＶＲに進むような角度で表示画面Ｓの画面セグメントＳ２に入射する。表示画面Ｓの収差は、追跡ミラーＭ１及び傾斜ミラーＭ２を移動することにより減少される。同様のことがセグメントＳ１〜Ｓ３にも当てはまる。

説明した解決策は、独国特許出願公開第１０ ２００７ ００５ ８２２．７号において説明されるように、楕円ミラーセグメントを含む光波追跡手段と併用して、仮想出射位置及び方向の調整の実現がプロジェクタを高速に物理的に移動及び調整するより容易であるという利点を有する。

図８ａ〜図８ｃは、集束反射板を表示画面として使用する投影システムの本発明の別の実施形態を示す。収差を小さく維持するために、表示画面Ｓは、楕円面のセグメントの形態を有する。眼の位置ＥＰは楕円面の１つの焦点に位置し、ホログラフィックプロジェクタＨＰの射出瞳は他の焦点の周囲、すなわち出射位置ＰＯＳ１〜ＰＯＳ３の間で発振する。３つの図の各々は、時間多重処理において部分波ＬＷｍｏｄ１、ＬＷｍｏｄ２及びＬＷｍｏｄ３の生成をそれぞれ示す。プロジェクタを位置付ける際にモーションシーケンスの飛び越しを回避するために、部分波はＬＷｍｏｄ２、ＬＷｍｏｄ１及びＬＷｍｏｄ３の順番で提供される。

本発明において、システム制御器は、最も容易にはホログラムにより符号化されるのを阻止することにより、再構成に必要とされない光変調器ＳＬＭの変調セグメントを非活性化できる。振幅変調する光変調器ＳＬＭにおいて、活性化されないセグメントのセルの振幅はゼロに設定される。

変調器セグメントを活性化するために、追加の切り替え光変調器は、光変調器ＳＬＭの光路に配置され、前記切り替え光変調器は、個々のセグメントにおいて光を透過するか又は阻止する。

本発明に係る解決策の特定の利点は、閲覧空間における眼の位置とは無関係に全ての光線束が可視領域ＶＲに入射し、再構成シーン全体が可視領域ＶＲにおいて表示画面の前方で可視であるということである。

空間フィルタＡＰの適切な寸法のため、光波は表示画面において画面に対して小さな横断面を有する。表示画面の有効収差は、各部分波に対して無視できる。

Claims (10)

1. 表示画面及び少なくとも１つのホログラフィックプロジェクタを有するホログラフィック投影システムであり、前記少なくとも１つのホログラフィックプロジェクタが、映像ホログラムのホログラフィック情報を含むシーンの再構成に対する光波を変調する空間光変調器手段と、前記表示画面を通して所望の眼の位置に前記変調波を向け且つ前記所望の眼の位置に対する再構成シーンを含む変調波を追跡するために位置制御器が前記変調波の伝播方向及び及び出射位置を調整する際に使用する投影手段とを含むホログラフィック投影システムであって：
   −各々が時間多重で個々の変調部分波を提供するために変調器セルの部分を含む前記光変調器手段の複数の変調器セグメント（ＭＳ０．．．ＭＳｎ）のシーケンスを別個に活性化し、
   −アクティブな各変調器セグメント（ＭＳａ）がシーンの再構成セグメントを含む変調部分波を表示画面（Ｓ）の対応する画面セグメント（Ｓａ）を通して現在の眼の位置（ＥＰ）に向けるように前記アクティブな変調器セグメント（ＭＳａ）に依存する伝播方向（Ｄ１、Ｄ２）及び前記変調部分波の対応する出射位置（ＰＯＳ１、ＰＯＳ２）を前記位置制御器を使用して調整し、全ての再構成変調部分波が共に再構成シーン（３ＤＳ）全体を可視にするシステム制御器を特徴とするホログラフィック投影システム。
2. 前記システム制御器は、現在の各変調部分波に対して、前記現在の眼の位置（ＥＰ）及び前記空間光変調器手段（ＳＬＭ）の前記アクティブな変調器セグメントの位置に依存して前記伝播方向（Ｄ１、Ｄ２）及び前記出射位置（ＰＯＳ１、ＰＯＳ２）を調整す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. 前記アクティブな変調器セグメントにより生成される前記部分波の伝播方向及び出射位置を調整するために時間多重処理において前記システム制御器により制御されるホログラフィックプロジェクタ（ＨＰ）を含む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。
4. 前記システム制御器により制御される別の空間光変調器が時間多重処理において個々の変調器セグメントに対する照明を活性化するために前記光変調器手段の光路に配設された、前記空間光変調器手段に対する変調照明手段を含むか、若しくは、前記光変調器手段の前記アクティブな変調器セグメントの位置に依存して前記部分波の前記伝播方向及び前記出射位置を順次調整する調整可能な光波追跡手段（Ｍ１、Ｍ２）を含むことを特徴とする請求項３に記載のホログラフィック投影システム。
5. 空間多重処理において制御される局所的に分散される複数のホログラフィックプロジェクタは、個々の伝播方向及び出射位置により特徴付けられる部分波により前記シーンを再構成し、ホログラム側の各変調部分波を対応する画面セグメントに向け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。
6. 前記システム制御器が、前記現在の眼の位置に依存し且つ前記表示画面（Ｓ）の前記対応する画面セグメントの位置に依存して、前記部分波の前記伝播方向及び出射位置を調整するか、若しくは、前記ホログラフィック投影システムが、前記現在の映像ホログラムの前記ホログラフィック情報をホログラムセグメントに分散させ、前記ホログラムセグメントを複数のホログラフィックプロジェクタに関連付ける符号化手段を含むことを特徴とする請求項５に記載のホログラフィック投影システム。
7. 異なる出射位置を通して異なる伝播方向に光分波器手段から出射する複数の部分波を形成するように、ホログラフィックプロジェクタにより生成され且つ前記シーンの前記現在の映像ホログラムの前記情報を搬送する光波を分割するために前記ホログラム側に前記光分波器手段を備え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。
8. 前記光分波器手段は、前記現在の眼の位置（ＥＰＬ／ＥＰＲ）に従って各部分波の全ての出射位置及び対応する伝播方向を調整する調整可能な光波追跡手段を含む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. 前記投影手段は、水平方向に交互になる部分波の構造を前記表示画面の前記画面セグメントに投影するか、若しくは、前記表示画面を通して現在の眼の位置に前記変調波を向けるために、前記ホログラフィックプロジェクタの前記伝播方向及び前記出射位置が変更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。
10. 各変調器セグメントのサイズは、前記投影手段により前記対応する画面セグメントに向けられ且つ前記眼の位置に前記画面セグメントを結像する前記変調部分波が可視領域の幅より大きくない幅を有するように決定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。

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