JP5346335B2 - 光波追跡手段を有するホログラフィック再構成システム - Google Patents

Description

本発明は、ホログラフィックコードを伝える空間的な光変調器手段及び該光変調器手段を照明する照明手段を有し、シーンを３次元再構成するホログラフィック再構成システムに関する。

主に、本発明は、一連のビデオホログラムを使用する動画シーンのリアルタイム又はほぼリアルタイムの再構成に関する。ホログラムプロセッサは、ビデオホログラムを計算し、干渉を発生させることができる光により照明される場合にホログラフィック情報により少なくとも１つの伝播光波動場を空間的に変調する空間光変調器手段のセル構造においてそれらのビデオホログラムを符号化する。変調された光波動場は、回折された光波の干渉によりシーンを再構成し、１人又は複数の観察者が再構成物体光点をシーンの３次元再構成として見れるように眼の位置に向けて伝播する。これは、再構成物体光点が眼の位置の前方で３次元的にシーンの光学的な見え方を表すことを意味する。

立体表現とは異なり、ホログラフィック再構成は代用物体を実現する。そのため、一般に実際のシーンを見ることとホログラフィック再構成シーンを見ることとの間に差がないため、眼の疲労及び頭痛等の立体視に関する周知の問題が生じない。観察者の眼は、視差が異なる種々のビデオホログラムの時分割多重化表現又は空間分割多重化表現で対応される。

数百万個の変調器セルを含み且つビデオ及びＴＶ装置又は投影機において画面として使用される高解像度のフラット型光変調器は、例えば特に光変調器手段として適する。例えば適切な光変調器手段は、電子回路を含む光学変調器素子が基板又はチップに配設される、所謂、ＬＣｏＳ（liquid crystal on silicon）変調器、透過型ＬＣＤパネル、或いは基板又はチップに配設される機械的部材、アクチュエータ及び電子回路の組み合わせを含むマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）等の電気機械制御マイクロミラーシステムであっても良い。

光変調器手段がより広い光回折角を達成すると、変調器セルの中心間の距離、すなわちセルピッチはより小さくなる。

再構成システムは、空間光変調に対してテレビ及びビデオ画像表現に使用されるような従来の解像度の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）画面を採用する特許文献１の「Video hologram and device for reconstructing video holograms」から周知である。再構成システムは、照明手段と光変調器との間に配設される集束手段を含み、ビデオホログラフィにおいて使用される他の解決策と比較して相対的に低い変調器解像度を有する従来の液晶ディスプレイを使用してシーンをホログラムとして再構成できるようにする。再構成シーンは、観察者の眼の位置に近接して位置する可視領域を通して再構成空間において、最適な空間的な奥行き及び適切な解像度で可視である。液晶ディスプレイ画面の対角線により判定される視野角は、ホログラフィック再構成に対して使用できる。

ホログラフィにおいて、従来の画像表現に対して設計された光変調器を使用する場合、光変調器が変調器セルの間の約２００μｍという一般的な距離のために、ホログラフィに対して非常に狭い回折角を示すということは不利益である。これにより、再構成が単一の可視領域を通して双方の眼により同時に見られることが不可能になる。解像度により制限されるそのような狭い可視領域の場合、従来の再構成システムにおいて、別個の可視領域が観察者の各眼に対して順次生成される。これは、ビデオホログラムが有効である間、その期間のうち僅かな間、システムはホログラム情報により変調される波動場を観察者の眼に誘導する。これにより、光変調器手段の動作速度に対する要求は大きくなる。

更に、特許文献１に係る再構成システムは、複数の可視領域の位置を誘導及び追跡する可能性を開示する。特に、再構成システムは、再構成を知覚するために、可視領域を生成する光源画像を変位させる可動ミラー又は異なる位置に配置された複数の光源を使用して、システムの光軸に対して横方向に光源の機械的オフセット又は電子的オフセットを実現する。観察者が移動した場合、光源は可視領域が観察者の眼に追従するように空間において再度位置付けられる。

広い追跡範囲において、光が集束手段を通過する時に起こる実質的な収差が空間シーンの再構成に悪影響を及ぼすことは不利益である。シーンを再構成するために、光が眼の位置に依存して異なる角度で集束手段を通過するため、収差は起こる。物体光点が回折された部分光波の波の干渉により再構成されるため、そのような収差は、位相及び実行時間誤差の結果として従来のビデオ画像表現から周知ではない種類の画像誤差の原因となる可能性がある。例えば、ホログラフィック元信号に従ってホログラムを計算する時に使用される部分光波以外の部分光波は干渉し、元のシーンと比較して不適切に配置される物体光点又は追加の物体光点を生成する。

特許文献２の「Device for holographic reconstruction of three-dimensional scenes」において、本出願人は再構成を見るために眼の位置の光変調器の変調器表面より狭い少なくとも１つの可視領域を使用する装置を更に開示する。そのシステムにおいて、干渉を発生させることができ且つマトリクスに配置される光源のアレイは変調器表面を照明し、集束手段は集束手段の平坦なアレイを形成するように機械的に結合される凸レンズ等の複数の結像素子を含む。集束手段アレイの各結像素子は、変調器表面を共に照明する大量の照明ユニットを生成するように、干渉を発生させることができる少なくとも１つの光源に割り当てられる。各照明ユニットは、変調器表面のサブ領域のみを通過する。照明ユニットにおいて干渉を発生させることができる光源は、集束手段アレイの結像素子が割り当てられた光源を眼の位置に結像するように位置付けられる。換言すると、各照明ユニットは変調器表面のサブ領域を介して部分光波を透過し、個々のサブ領域による別個の変調の後、部分光波は共通の可視領域を形成するように重なり合う。

周知の解決策を継続すると、変化する眼の位置に対して可視領域の位置を誘導及び追跡するために、光源は平面バックライトとして設計され、所謂、ＬＣＤシャッターアレイ等の透過モードに切り替えられる変調器セルを有する追加の制御可能な変調器マトリクスは、集束手段アレイの結像素子毎に、位置検出システムにより検出される現在の眼の位置に依存して、干渉を発生させることができ且つ結像素子により眼の位置に集束される光に対する光点出射口を開く。これにより、透過モードに切り替えられる変調器セルのパターンが生成される。眼の位置が横方向に変化する場合、可視領域の位置が調整され、システム制御器はそれに従って透過モードに切り替えられる変調器セルのパターンを横方向に変位する。眼の位置が軸方向に変化する場合、システム制御器は、透過モードに切り替えられるそのパターンの変調器セルの間の距離を変更する。上記文献は、光波動場を誘導及び追跡する上述の処理を実現するために個別に制御可能な点光源を含む切替可能な光源アレイの使用についても開示する。

しかし、上述の解決策に従って光波動場の伝播を調整することにより可視領域の位置を誘導及び追跡する処理は、いくつかの欠点を示すことが分かっている。一方では、追加の切替可能な変調器マトリクスが使用される場合、僅かな光エネルギーのみが再構成に寄与でき、追加の切替可能な変調器マトリクスは光源アレイにより放射される殆どの光を吸収する。

他方では、光変調器よりはるかに高い解像度を示す必要がある個別に切替可能な光源アレイ又は追加の切替可能な変調器マトリクスが必要である。そのような光源アレイ又はそのような切替可能な変調器マトリクスを提供することは非常に複雑である。

双方の解決策は、バックライトのコヒーレント光が異なる傾斜の透過角で集束手段アレイの結像素子を通過するという更なる大きな欠点を有する。透過角の傾斜は、観察者の位置に依存し、その結果、実際の眼の位置に依存して、動的な性質のために保証するのが非常に困難な実質的な収差が与えられる。更に、現在の眼の位置に向かう部分光波の伝播方向が異なるため、収差は個々の部分光波間で変動する。

上記解決策に加えて、本出願人は特許文献３の「Projection device and method for the holographic reconstruction of scenes」において、数ｃｍの対角線を有するマイクロディスプレイを光変調器として使用するホログラフィック投影システムを更に説明する。装置は、上述の解決策と同様に眼の位置に対して可視領域を生成する。しかし、光変調器が変調された波動場の光学系の出射口を形成し且つ再構成に対する最大視野角が光変調器の対角線により規定される上記解決策とは異なり、その解決策は投影装置を実現する。その装置において、集束表示画面は、最大視野角を規定し、追加の光学拡大手段は、ホログラフィック情報により変調される波動場を表示画面のサイズに拡大する。第１の結像手段は、光変調器において符号化されるビデオホログラムを拡大して集束表示画面上に結像し、集束表示画面は、ビデオホログラムの空間周波数スペクトルを眼の位置に結像する。この文献は、装置内に配設され且つ観察者の眼の実際の位置に従って観察者ウィンドウを追跡する少なくとも１つの制御可能な偏向素子を更に開示する。そのような偏向素子は、機械的部材、電気素子又は光学素子であっても良い。偏向素子は、例えばプリズムのように変調波動場を偏向する制御可能な光学素子の形態で第１の結像手段の平面に配設される。しかし、偏向素子を表示画面に近接して配設することも可能である。この偏向素子は、継続的に制御可能なプリズムの効果及びオプションとしてレンズの効果を実現する。観察者ウィンドウは、横方向及びオプションとして軸方向に追跡される。しかし、表示画面に近接する偏向素子が位相構造及びシーンの再構成に対して設定された干渉条件を妨害せずに既に変調及び拡大された波動場を偏向するため、前記目的を実現する変調器セルアレイは、この文献においては見つけられていない追加の特徴を示す必要がある。

上述の全ての再構成システムは、ホログラフィックアプリケーションに対しては非常に低いセル解像度及び離散セル構造を有する光変調器手段を使用する。一方では、一般に周知であるように、離散セル構造が回折間隔の他の回折次数においてホログラフィック再構成の周期的な継続の原因となるため、可視性は低下するだろう。他方では、隣接する変調器セルの間の上記距離は、結果として相対的に小さな回折角をもたらすため、実際には数ｍｍ〜数ｃｍの対角線を有する回折次数は再構成シーンの影響前の可視性に対して使用可能である。従って、そのような装置のシステム制御器を位置検出及び追跡モジュールと組み合わせることが意味を成す。モジュールは、光波追跡手段を使用して変調光波を現在の眼の位置に誘導し、眼の位置に従って可視領域の位置を調整し、眼の位置が変更する度に光波動場を追跡する。

更に、光源が機械的に位置付けられる必要があるか、或いは光源の位置が電子制御される場合には光源領域の高空間解像度が提供される必要がある。その場合、光源のアレイは結像手段アレイの結像素子毎に複数の点光源を含む必要がある。

制御可能な電気光学セル、所謂、エレクトロウェッティングセルは、特許文献４の「Electrowetting cell」により周知である。これらのセルは、静電位を使用して液体の表面張力を変更し、光の屈折挙動を制御するように、毛管効果及びエレクトロウェッティング効果を利用する。基本的に、エレクトロウェッティングセルは、油等の疎水性液体及び水により電極間を満たされるコンデンサを含む。ここで１つの電極は疎水性材料により被覆される。電界が印加されない場合、油は被覆電極を膜として覆い、電界が印加される場合、印加される電界が水面の双極子の分極を補償するため、水により油膜が変位する。セルは、電子制御可能な光学レンズ及び１平方ｍｍ未満〜数平方μｍの範囲の表面積を有するプリズム素子を実現できる。

特許文献５の「Autostereoscopic display」に係る裸眼立体画像表示装置は、追跡装置なしで複数の方向に水平に画像光点を放射する。画像表示装置は、動的に制御可能な偏向挙動により画像表現装置の画像光点を介して光学偏向手段のアレイに向けて伝播する平行光を放射するバックライトを有する。特に、光学素子は、制御可能なレンズとして使用され且つ動的に調整可能なビーム制御器を実現するエレクトロウェッティングセルである。観察者の現在の眼の位置に対して追跡される必要がある画像表現を回避するために、システム制御器は、多くの場合、光学偏向手段の制御可能なアレイを使用してビデオ画像の各期間中に光の出射角及び画像表現装置の画像コンテンツを変更する。それにより、空間分割多重化方法及び時間分割多重化方法の組み合わせを使用して各ビデオ期間中に最大１００個の放射方向が対応される。前記放射方向は、水平方向に並列に近接する方向であり、それにより画像セクタを形成するため、観察者の各眼は追跡の必要なしで視差が異なるビデオ画像を見れる。光学偏向手段は、並列に近接して存在する複数の画像セクタにわたり画像表現装置により時間的に異なって変調されるビームをパンする。この出願は、システム制御器が光学偏向手段のアレイを使用して干渉を発生させることができる変調波動場を偏向する方法を説明する任意の技術手段を開示しない。

本発明の主題とは異なり、特許文献５は、閲覧空間において３次元構成として物体光点をホログラフィックに再構成しない裸眼立体画像表示装置に関する。再構成物体光点の代わりに、裸眼立体画像表示装置は、変調器平面において２次元画像を表示する。前記２次元画像は、観察者の双方の眼に対する複数の画像情報を伝える画像光点の形態を有する。そのシステムは、光の回折も光の干渉も使用しない。動的に調整可能なビーム制御器は、単純な方法でインコヒーレント光により光線束を偏向するように設計され、偏向光ビームの相互干渉の条件に対する要求はしない。互いに近接する光線束は、特に寄生回折次数の光が入射することを防止できない。更に、エレクトロウェッティングセルの境界ゾーンにおける非線形透過挙動は、干渉を発生させることができる変調光波の伝播に影響を及ぼし、実質的に再構成システムの干渉挙動を妨害し且つ従って再構成の品質を低下する。

この出願は、システム制御器が光学偏向手段のアレイを使用して干渉を発生させることができる変調波動場を偏向する方法及び寄生回折次数の影響が回避される方法を説明する任意の技術手段を開示しない。

国際公開第WO2004/044659号 国際公開第WO2006/119920号 国際公開第WO2006/119760号 国際公開第WO2004/099847号 国際公開第WO2004/075526号

本発明の目的は、伝播波動場に対する光波追跡手段を有するホログラフィック再構成システムを提供する一方で、波動場を誘導する別個に制御可能な点光源を含む切替可能な光源アレイ又は切替可能な変調セルアレイなしでホログラフィック再構成を提供し、それにより低視感度効率を回避することである。光が通過する光学構成要素数及びシステムの光学構成要素に対する要求が最小になるため、光波伝播の補正を可能にするために、変調光波の構造は観察者の現在の眼の位置に関係なく広範にわたり一定であり、光路により各変調光波の遷移時間が可能な限り短くなり且つ位相誤差が可能な限り少なくなる。更に、光波追跡手段の光学構成要素の光透過挙動は、波動場において干渉を発生させるのに必要とされる厳しい条件に適応されるため、３次元シーンの物体光点は、シーンの構造における局所的な位置及び可能な限り元の値に近い光度値に関して誤差なしで再構成される。

本発明は、特許文献２に係るホログラフィック再構成システムに基づく。この特許文献２は、再構成を見るための眼の位置において変調器表面積と比較して小さな可視領域を使用し、シーンの物体光点の３次元再構成に対して、干渉を発生させることができ且つ少なくとも１つのビデオホログラムにより光源アレイから放射される光を変調する変調器セルを有する空間光変調器手段を含む。再構成システムは、光源アレイから放射される光を焦点面に対して結像する光学集束手段を更に含む。ビデオホログラムを再計算するホログラムプロセッサ及びアイファインダを有するシステム制御器は、再構成物体光点を含む変調光波を現在のホログラムコンテンツに対応する観察者の眼の少なくとも一方の現在の位置に導き、現在の眼の位置が変更されるとそれに従って追跡する。本出願に係るホログラフィック再構成システムがビデオシーケンスの単一のビデオホログラムの期間中に観察者の眼に対して視差が異なるホログラムコンテンツを波動場に順次提供するため、本出願において、眼の位置は光変調器手段が実際に符号化される現在の眼の位置であると解釈される。

光変調器手段は、光波の誘導及び追跡に関係なく現在の眼の位置の前方に物体光点を再構成するように光波動場を変調する。

本発明のシステムにおいて、干渉を発生させることができ且つマトリクスに配置される光源を含む光源アレイは、光変調器手段を照明し、集束手段は、集束手段の平坦なアレイを形成するように機械的に結合される凸レンズ等の複数の結像素子を含む。集束手段アレイの各結像素子は、光変調器手段を共に照明する大量の照明ユニットを生成するように、干渉を発生させることができる少なくとも１つの光源に割り当てられる。各照明ユニットは、光変調器手段の表面積のサブ領域のみを通過する。

特許文献２により周知の解決策とは異なり、本出願に係る解決策において、光源は干渉を発生させることができる光が結像素子の光軸にほぼ平行な集束手段アレイの結像素子を通過するように照明ユニットに位置付けられる。

本発明によると、再構成システムは、変調波動場の出射点において、好ましくは光路中の光変調器手段の後方に電気光学偏向手段を含む。電気光学偏向手段は、光の出射方向が制御される光学セルを有する偏向手段のアレイを少なくとも含む。

偏向手段アレイの制御可能な光学セルは、集束手段アレイ及び光源アレイと同一のマトリクス構造を有するのが好ましいため、各光源及び各集束素子は、少なくとも１つの制御可能な光学セルに割り当てられる。

この条件により、光源のアレイから放射される光が集束手段アレイの結像素子及び共通の光軸に平行であり且つ光変調器手段の光軸に平行である制御可能な光学セルを通過することが確実になる。これにより、伝播波動場の部分シェーディング及び光学収差が防止される。

本発明の別の特徴によると、システム制御器は、少なくとも１人の観察者の現在の眼の位置に変調された光波動場を誘導するように、有効ビデオホログラムのコンテンツにより判定される眼の位置に対応するアイファインダにより検出される位置信号に基づいて偏向手段アレイの電気光学偏向手段を制御する。

位相誤差を補償し、偏向手段アレイの隣接する制御可能な光学セルの部分光波の中で連続相を達成するために、ホログラムプロセッサは、光変調器手段の変調器セルを符号化する時に現在の眼の位置に依存して対応する値の補正を計算し且つ考慮する。

偏向手段のアレイは、観察者の位置から見て光変調器手段に可能な限り近接して配設されるのが好ましい。これにより、再構成シーンは光学系の出射口の前方の固定位置に位置付けられることが可能になる。

例えば、偏向手段アレイの電気光学偏向手段は、制御可能な光学プリズム関数を実現する。このように、再構成システムは、数ミリ秒のビデオホログラムの期間中に閲覧区間においていくつかの眼の位置に対する変調波動場の伝播方向を数回切り替えられる。アイファインダを使用して、システム制御器は、伝播波動場の伝播方向を変更する眼の位置に適応させる。軸方向の位置の変化に対処するために、プリズム関数に加えて、偏向手段のアレイは組み合わされたプリズム及びレンズの関数を更に実現できる。これにより、光波の方向及び出射側焦点の双方を現在の眼の位置に適応できる。

干渉を発生させることができる光は、発生から偏向手段まで、眼の位置に関係ない静的な光路に従う。光学素子に起因する収差は、電子手段、すなわち符号化処理中に補正値を適用することにより、あるいは周知の光学補正手段により容易に補正される。

光源から第２の結像手段までの結像システム全体が静的なシステムであるため、ホログラフィックシステムの射出瞳に近接する偏向素子の構成は特に好ましい。これは、この結像手段までの光路が常に一定であることを意味する。これは、集束手段の開口が最小に維持されるため、光学系のそれらの部分に対する要求を最小限にする。

実質的に、本発明に係る対策は使用される結像手段に対する要求を低減する。

更に、光学系の静的セクションの結像特性は最適に補正される。また、光変調器手段の画像は再構成システム内で移動しない。これにより、画像の位置は、観察者の位置に関係なくシステム内になる。

好適な一実施形態において、制御可能な偏向手段は集束手段と組み合わされる。

本発明の好適な一実施形態において、制御可能な偏向手段は、集束手段の集束素子毎に少なくとも１つのエレクトロウェッティングセルを有する。

２次元の横方向の光波追跡、すなわち光軸に対して水平及び垂直な光波追跡は、例えば光路中に存在する偏向手段を有する２つのアレイ平面により実現される。２つのアレイ平面の偏向手段の偏向角は、互いに９０°の角度で配置される。しかし、その光波追跡は、偏向角が複数次元で制御される偏向素子によって実現されても良い。

好適な一実施形態において、偏向素子アレイの各偏向素子は、光波の偏向角を個々に変更するように別個に制御される。

この場合、特に光源アレイの全ての光源及び集束手段アレイの全ての集束素子が固定された位置に配設され且つ互いに位置合わせされることが可能である。

眼の位置の軸方向の動きを補償するために、現在のビデオホログラムを計算するコンピュータ手段は、ホログラフィック情報に加えてレンズ関数を符号化できる。

更なる実施形態において、光学偏向手段は、レンズ関数及びプリズム関数を結合する機械的に結合された制御可能な光学素子を含む。位置検出システムは、可視領域を軸方向に位置付け且つ可視領域を含む波面を眼の位置に横方向に誘導するように、光学素子を使用してレンズ関数の焦点距離を制御する。

本発明の更に別の実施形態において、光学変調手段は、ミラー要素及びプリズム要素を結合する組み合わされた制御可能な光学素子を含む。位置検出システムは、観察者の眼の変化する位置に従って、ミラー要素の焦点距離を制御することによる軸方向の追跡及びプリズム要素を制御することによる光ビームの横方向の追跡を可能にする。

更なる実施形態において、光学偏向素子は、固定のプリズム要素及び制御可能なプリズム要素を結合する光学素子と組み合わされる。

固定のプリズム要素は、中心の眼の位置に対する光ビームの偏向を実現できるため、制御可能なプリズム要素は、小さな角度に対応するためにのみ必要とされ、より低い制御電圧のみを必要とする。

本発明に係る再構成システムは、小さな可視領域にも適する。ここで、視差が異なる別個のビデオホログラムは、観察者の各眼に対して再構成を順次提供する。この場合、システム制御器は、現在符号化されているビデオホログラムと同期して周期的に切り替わる。

シーンのカラー再構成に対しては、カラービデオホログラムが順次符号化される。起こる可能性のある色分散は、偏向手段の偏向角を制御することにより補償される。例えば、プリズムの角度は、有効な色に対して望ましい偏向を実現するように制御される。

別の実施形態において、光学偏向手段は色消し素子の形態を有するため、カラーホログラムを再構成するために複数の波長に対して同一の偏向角を達成する。

光変調器手段、光源及び集束手段の誘導された照明と共に、国際公開第WO2006/119920号に係るホログラフィック再構成システムを示す図である。 光源の位置を変位させることにより変調光波を眼の位置に誘導する図１に係るホログラフィック再構成システムを示す図である。 図１に係るホログラフィック再構成システムを示し、３次元シーンの単一の物体光点ＯＬＰに対する光変調器ＳＬＭの符号化を示す図である。 本発明に従って変調光波面を誘導及び追跡する制御可能な光学セルを含む本発明に係る偏向手段のアレイを有するホログラフィック再構成システムを示す図である。 事前に誘導された干渉を発生させることができる部分光波なしで、システム制御器が制御可能な光学セルを使用して変調光波面を誘導及び追跡する本発明の別の実施形態に係るホログラフィック再構成システムを示す図である。 本発明に係るホログラフィック再構成システムの別の実施形態を示す図である。

以下の実施形態において、電子システム制御器ＳＣは、表示画面として観察者に直接対応し且つ再構成を見る時に広い視野角を達成するように可能な限り大きな表面積を有するＬＣＤパネル等のビデオ及びＴＶ技術により周知の種類の大面積フラット画面上で複数の一連のビデオホログラムを符号化する。

図１に、干渉を発生させることができる光を放射し且つ光源アレイの一部である選択された点光源ＬＱ１、ＬＱ２及びＬＱ３を含む初期の従来の解決策に係るホログラフィック再構成システムを示す。光源アレイは、集束手段アレイＬＡの結像素子毎に、干渉を発生させることができる光を放射する対応する点光源ＬＱ１、ＬＱ２又はＬＱ３を含む。集束手段アレイＬＡの各結像素子は、対応する光源と共に、空間光変調器ＳＬＭの変調器セル構造を照明する照明ユニットを形成する。

変調器セルを使用する解像度に関係なく、空間光変調器ＳＬＭは、再構成物体光点の高輝度を達成するように可能な限り多くの照明ユニットにより照明される。

本実施形態において、集束手段アレイの結像素子は、対応する光源を焦点面の眼の位置ＥＰに結像するマイクロレンズアレイのマイクロレンズである。干渉を発生させることができる光を放射する光源が眼の位置ＥＰで光源ＬＱ１、ＬＱ２及びＬＱ３を一致させるように、その光源の位置は、割り当てられたマイクロレンズに対して調整される。しかし、結像素子は、アレイに配置され且つ凸レンズの関数を実現する任意の種類の集束光学素子であっても良い。結像素子は、特にホログラフィック光学素子であっても良い。

システム制御器のホログラムプロセッサ（不図示）は、一連のビデオホログラムにより空間光変調器ＳＬＭを符号化するため、変調光波は眼の位置に向けて伝播し、１人又は複数の観察者は可視領域において眼の位置から空間再構成シーンを見れる。

一般に、その一致は視野レンズを使用してサポートされる。単純な実施形態において、これは省略され、光源の位置は、集束手段アレイＬＡの結像素子が共通の焦点において眼の位置ＥＰに光源ＬＱ１…ＬＱ３を結像するようにレンズに対して変位される。

図２に、本発明に係る手段なしで現在の眼の位置に対して変調部分光波を追跡する可能性を示す。個々の光源ＬＱ１、ＬＱ２及びＬＱ３の位置は、集束手段アレイＬＡの結像素子が変更された観察者の位置ＥＰに光源を結像するように機械的に変位される。

結像素子がレンズである場合、一般に、結像特性はマイクロレンズに対する光源の１つの位置に対してのみ最適化される。光源の角度及びマイクロレンズの中心が変更される場合、収差が発生し、ホログラムの再構成に悪影響を及ぼす。

図３に、本発明の手段なしで現在の眼の位置に対して変調光波を追跡する一例を示す。図２とは異なり、図３は、はるかに多くの光源を有し且つ平面バックライトを形成する光源アレイと、透過モードに切り替え可能な変調器セルを含む上述の追加の切替可能な変調器マトリクスＳＭ、所謂、ＬＣＤシャッターアレイとを示す。アイファインダＥＦにより検出される現在の眼の位置に依存して、変調器マトリクスＳＭは、集束手段アレイＬＡの結像素子毎に、干渉を発生させることができる光に対して、右眼の位置ＥＰ_Ｒ又は左眼の位置ＥＰ_Ｌに焦点が合わされる点形状の光出射口Ｉ又はIIを開く。これにより、変調器マトリクスＳＭ上で透過モードに切り替えられる変調器セルのパターンを生成する。システム制御器ＳＣは、集束手段アレイＬＡの結像素子毎に現在の眼の位置に対応する１つの光出射口Ｉ又はIIのみを開き、ホログラムプロセッサは、物体光点毎に変調器セル構造のサブ領域のみを符号化する。

これは、使用される回折次数において、開口部Ｉからの変調光のみが単一の物体光点ＯＬＰを再構成するために現在の眼の位置ＥＰ_Ｒに伝播する。本明細書において、これは一例である。その後、眼の位置ＥＰ_Ｌは、空間光変調器を再符号化し且つ開口部IIに切り替えることにより再構成を提供される。

図４に、本発明に係る手段を有する光波追跡手段を含む再構成システムを示す。本実施形態において、電界により制御されるプリズムが変調光波を眼の位置に誘導する従来のエレクトロウェッティングセルのアレイの形態など、光出射方向が制御可能である光学セルＤＭＣを含むマイクロプリズムアレイの形態の制御可能な電気光学偏向手段アレイＤＭは、光変調器ＳＬＭ上に存在する。

上述のシステムにおいて、各光源ＬＱから対応する集束素子及び光変調器上を透過するまでの光路は、実際の眼の位置に関係なく常に同一である。しかし、光路が集束手段アレイＬＡの結像素子毎に異なるため、各レンズは個々に最適化される必要がある。これは、屈折マイクロレンズアレイの代わりにホログラフィック光学素子を使用することにより、特に好適な方法で行われる。

その場合、制御可能な光学セルＤＭＣにおいてシステム制御器により設定され且つ部分光波を追跡する偏向手段アレイＤＭのプリズムは、全て同一の角度を有する。これにより、少数のパラメータのみを使用してプリズムアレイの単純なアドレス指定が可能になる。

図５に、本発明に従って観察者の眼に対して変調部分波動場を追跡する別の実現例を示す。

本明細書において、集束手段アレイＬＡの全ての結像素子は、結像素子の中心に対して同一の位置の光源により照明される。同一の結像素子のマトリクスが使用可能である。或いは、偏向手段アレイＤＭの各プリズムは個々の角度で設定可能である。その場合、視野レンズの関数は偏向手段アレイＤＭに組み込まれる。

しかし、これは、偏向手段アレイＤＭにおいて制御可能な各光学セルＤＭＣの離散的なアドレッシングを必要とする。

別の実施形態において、固定及び可変のプリズムの項の組み合わせを含む偏向手段のアレイが使用可能である。特に、固定のプリズムの項は、視野レンズの関数を採用できる。即ち、全ての結像素子の光を観察者の中央の眼の位置に誘導できる。その一方で、可変のプリズムの項は、平均の眼の距離における単なる横方向の追跡の場合には全てのプリズムに対して同一であり、軸方向の追跡の場合には異なるが図４に示す程可変ではない。

集束手段アレイＬＡと偏向手段アレイＤＭとを組み合わせる場合、集束手段アレイＬＡの各結像素子は、偏向手段アレイＤＭの１つのプリズムに割り当てられるが、これは例示的な図面に示すように必ずしも必要とされない。

他の組み合わせも可能である。例えば、レンズアレイの各レンズは複数のより小さなプリズムに割り当てられるか、或いはレンズ及びプリズムは任意の固定の方法で全く割り当てられない。

別の実施形態において、偏向手段は、エレクトロウェッティングセルの原理に従って液体プリズムのアレイである。各液体プリズムは、一実施形態に従って光を透過する液体により満たされる中空体を含む。液体の表面は、その中空体の壁と接触する特定の接触角を有する。中空体における液体の接触角は、時間的に変更不可能な所定の幾何学的配置、材料及び条件に対して不変であり、ヤングの方程式を使用して見つけられる。例えば、液体と中空体の１つの壁との間又は中空体の２つの対向する側壁の間の誘電系において、電界が印加される場合、平衡条件は変更し且つ従って液体の表面と中空体の側壁との間に形成される接触角が変更する。エレクトロウェッティング効果については、リップマンの方程式を使用して説明する。接触角及び従って液体の表面の形状は、１つ又は複数の電界を変動させることにより修正され、これにより、屈折光の法則に従って透過された光ビームの偏向を変更する。

例えば、中空体は円柱形であってもよく、矩形の底面を有してもよいため、対抗する側壁はコンデンサの電極の対を形成する。好ましくは、親水性材料から成る電気絶縁層は、電極と電気的に接地した液体との間に配設される。コンデンサがオフにされる場合、液体は、ほぼ球面を示し、そのため、局所的に制限された光ビームのみが表面の局所的曲率に従って偏向される。

拡張された光波に対してプリズム関数を実現する場合、光線束の全体の直径にわたり液体プリズムの一定のプリズムの角度が必要とされる。これを達成するために、対向する電極の接触角は、特定の電圧により対向する電極を制御することにより互いに依存せずに調整される。例えば、制御電圧は、２つの対向する接触角が双方とも９０°を有するように選択される。その場合、プリズム効果、即ち共面素子である液体プリズム関数は存在しない。例えば、２つの対向する接触角が異なるが合計は１８０°になるような制御電圧の他の対が存在する。その場合、素子はプリズムのように機能する。ｘ方向及びｙ方向の偏向が実現され、可視領域が観察者に対してそれらの方向に追跡されるように、電極は対で切り替えられるのが好ましい。

別の実施形態によると、エレクトロウェッティング液体プリズムは、光を透過する複数の不混和性液体により満たされる中空体を更に含むことができる。屈折率は、液体の界面で変化するため、透過光は偏向される。複数の液体、好ましくは２つの液体を使用する利点は、液体が封入されることである。これは、中空体が完全に閉じられ、液体により完全に満たされることを意味する。更に重力の問題は、適切な密度の液体を選択することにより防止される。これは、双方の液体がほぼ同一の密度を有する場合、中空体の内部の構成は、プリズムの位置が変更された場合、或いは衝撃又は振動等があった場合に重力により変化しないか又は僅かに変化するだけであることを意味する。更に、中空体の底面は必ずしも矩形である必要はなく、六角形又は八角形であっても良い。また、光の伝播方向に見て、そのような液体プリズムが直列に接続されること、即ち複数の液体プリズムが前後に配置されることが可能である。

本発明に係る手段のために、可視領域の位置は現在の眼の位置に適応可能である。光変調器上のコードは、再構成が観察者の眼の現在の位置に従って水平方向及び／又は垂直方向に変位され且つ／又はある角度だけ回転されて現れるように変更される。特に、観察者の前方の空間において固定され且つ観察者が移動した時に観察者の透視画の実際的適応を可能にする再構成、或いは観察者の透視画において過剰な変化を含む再構成を提供することが可能になる。後者は、シーンの位置及び角度の変化が観察者の位置及び角度の変化より大きいある種の再構成として規定される。

再構成システムにおいて像面湾曲により起こる位相誤差は、光変調器ＳＬＭにより補償されるのが好ましい。そのような位相誤差は、追加の位相ずれにより補償可能である。更に、コマ及び非点収差は適切な符号化により低減される。歪みは、例えば光変調器の他の画素を選択することにより、即ち歪みの範囲を考慮して判定された変調器セルの位置のホログラム値を符号化することにより補償可能である。同様に、再構成システム全体の収差は、光変調器におけるそのような補正計算により補償される。一般に、結像手段の全ての任意の収差は、光変調器の符号化を補正することにより低減又は補償されても良い。

本発明に係る再構成システムは、小さなサイズの空間光変調器によりホログラフィック再構成に対する観察者の眼の位置を変更することを可能にし、大きな３次元シーンを容易に見れるようにする。変調波動場の伝播方向が静的であり且つ再構成システムの大部分において変更する観察者の眼の位置に関係ないため、光学誤差を補正するための周知の対策は、単純で費用効果の高い方法により、即ち光学設計及び空間光変調器上のビデオホログラムの適切な符号化により適用可能である。２次元シーン及び３次元シーンは、同時に示されるか又は順番に示される。更に、製造精度及び光学構成要素の収差に対する再構成システムの要求は相対的に小さい。光学誤差は、光変調器のソフトウェアにより費用効果の高い方法で補正され、第２に、大きな結像手段の小さな領域にわたり波面歪みが少ないことのみが必要とされる。

集束手段アレイＬＡに対する光源の固定の構成において、結像素子毎に１つの光源のみが必要とされる。

一般に、二次的な光源は、１つ又は複数の光源の光がまず共通の焦点に集束されるように使用され、その焦点は、レンズを照明する二次的な光源としての役割を果たす。これは、照明の光度を増加するのが好ましい。

波動場の固定誘導は、光変調器の高次回折を抑制する空間フィルタの使用を容易にするのが好ましい。

変更する眼の位置に対して可視領域を追跡する本発明の解決策は、殆どが静的であり且つ観察者の眼の動きに無関係である光波伝播をホログラフィックディスプレイに提供することを可能にする。光学誤差を補正する周知の対策は、単純で費用効果の高い方法、即ち光学設計及び空間光変調器上のホログラムの適切な符号化により適用可能である。

Claims (14)

1. 変調された波動場に対する光学系の出射口を有するホログラフィック再構成システムであり、
   （ａ）眼の位置（ＥＰ）の前方にある可視領域に干渉を発生可能な光波により光源（ＬＱ１…ＬＱ４）を結像する光学集束手段（ＬＡ）と、
   （ｂ）ビデオホログラムにより前記波動場を変調し且つ前記変調された波動場の干渉によってシーンの物体光点（ＯＬＰ）をホログラムとして再構成する変調器セルを含む空間的な光変調器手段（ＳＬＭ）と、
   （ｃ）ビデオホログラムを再計算するホログラムプロセッサとアイファインダ（ＥＦ）とを有し、前記眼の位置が変更された時に前記光波を少なくとも１つの現在の眼の位置に導き且つそれに従って前記光波を追跡するシステム制御器（ＳＣ）とを具備し、
   前記光学集束手段（ＬＡ）が複数の集束素子を有する集束手段のアレイを含み、各光源（ＬＱ１…ＬＱ４）が少なくとも１つの集束素子に割り当てられ、それにより前記光変調器手段（ＳＬＭ）を共に照明する大量の照明ユニットを形成するホログラフィック再構成システムであって、
   −前記再構成システムは、前記光学系の出射口に位置し且つ光の出射方向が制御される制御可能な光学セル（ＤＭＣ）を有するところの、少なくとも１つの偏向手段のアレイを含む電気光学偏向手段（ＤＭ）を更に具備するため、各光源及び各集束素子は少なくとも１つの制御可能な光学セル（ＤＭＣ）に割り当てられ、
   −前記システム制御器（ＳＣ）は、少なくとも１つの眼の位置（ＥＰ）で干渉を発生させることができる前記集束され変調された光波を導くように、前記有効ビデオホログラムのコンテンツにより判定される眼の位置の役目をする前記アイファインダ（ＥＦ）により検出される位置信号に基づいて前記電気光学偏向手段（ＤＭ）を制御し、
   −前記ホログラムプロセッサは、前記変調された波動場の干渉によってシーンの再構成を提供するために、前記偏向された伝播光波動場の位相構造が、前記光変調器手段の変調器セルの設定を介して制御可能となるように、適合されている、ことを特徴とするホログラフィック再構成システム。
2. 前記偏向手段のアレイの前記制御可能な光学セルは、前記集束手段のアレイ及び光源のアレイと同一のマトリックス構造を有することを特徴とする請求項１記載のホログラフィック再構成システム。
3. 前記システム制御器は、前記シーンが再構成される前に前記現在の眼の位置において、近軸基本位置に誘導される前記変調及び集束された光波動場を横方向に誘導するために、前記偏向手段のアレイの前記制御可能な光学セルを使用して制御可能な光学プリズム関数を実現することを特徴とする請求項１記載のホログラフィック再構成システム。
4. 前記システム制御器は、前記現在の眼の位置に対して前記焦点面を軸方向に適応させるために、前記偏向手段の前記制御可能な光学セルを使用して制御可能な光学プリズム関数及びレンズ関数の双方を実現することを特徴とする請求項１記載のホログラフィック再構成システム。
5. 前記偏向手段は制御可能な光学セルを有する少なくとも２つのアレイ面を含むことにより、一方のアレイ面においてはレンズ関数を実現し、他方のアレイ面においてはプリズム関数を実現する、ことを特徴とする請求項４記載のホログラフィック再構成システム。
6. 前記システム制御器は、前記現在の眼の位置の前方において前記偏向手段の偏向素子から入射する前記光波の一致を実現するために異なるプリズムの角度を実現するように、偏向素子の１つのアレイにおいて前記制御可能な光学セルを制御することを特徴とする請求項１記載のホログラフィック再構成システム。
7. 観察者の双方の眼に対するビデオホログラムの順次符号化を含むシステムのためのホログラフィック再構成システムであり、前記システム制御器は、現在符号化されているビデオホログラムと同期して種々の眼の位置に対応するように偏向手段を周期的に切り替えることを特徴とする請求項１記載のホログラフィック再構成システム。
8. 前記光学偏向手段は、機械的に結合された制御可能な光学素子を含むことを特徴とする請求項７記載のホログラフィック再構成システム。
9. 前記アイファインダは、前記光波の軸方向の追跡に対しては前記制御可能な光学セルの焦点距離を制御し、横方向の追跡に対しては前記現在の眼の位置に従って前記プリズム関数を制御することを特徴とする請求項７記載のホログラフィック再構成システム。
10. 前記偏向手段のアレイの少なくとも２つのアレイの偏向手段を前記光路中に有し、これら２アレイの偏向手段の２つのアレイ面上にある偏向素子の偏向角は、２次元の横方向の光波追跡を実現するために、お互いに９０°の角度で配置される、ことを特徴とする請求項１記載のホログラフィック再構成システム。
11. 前記少なくとも１つのアレイの偏向手段の偏向素子はエレクトロウェッティングセルであることを特徴とする請求項１記載のホログラフィック再構成システム。
12. ビデオ表現の主要な色における連続した単色のビデオホログラムを含むカラー再構成のためのホログラフィック再構成システムであり、連続したビデオホログラムを含むカラー再構成に対して前記偏向角を変更することにより前記ビデオホログラムの中の色分散を補償するために、前記システム制御器のエレクトロウェッティングセルは２つの平面に配設されることを特徴とする請求項１０記載のホログラフィック再構成システム。
13. カラービデオホログラムを含むカラー再構成のためのホログラフィック再構成システムであり、色消し光学偏向素子を実現するように、前記光路中の前記２つのエレクトロウェッティングセルは、直列に配置され且つ視差が異なる材料を有することを特徴とする請求項１２記載のホログラフィック再構成システム。
14. 前記少なくとも１つのアレイの偏向手段は光学偏向素子を有し、この光学偏向素子は、固定のプリズム要素と制御可能なプリズム要素とを有する組み合わされた光学素子を備えており、前記制御可能なプリズム要素はより小さい偏向角を実現することだけが必要であり且つ従ってより低い制御電圧のみを要求することを特徴とする請求項１記載のホログラフィック再構成システム。

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