JP5529725B2 - ホログラフィックディスプレイにおいて3次元シーンを再構成する方法及び装置 - Google Patents
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Description
−第1のプロセッサ素子(PE1)が、
−光変調器手段(L)においてサブホログラム(Sn)を符号化する規則的に配置された格子セルを有する変位可能(displaceable)な2次元格子(MR)を生成し、
−格子セルの設定位置に依存してオブジェクト点(OPn)を選択し、且つそれらのオブジェクト点を集約してオブジェクト点グループ(OPGm)を形成し、
−生成されたオブジェクト点グループ(OPGm)のオブジェクト点(OPn)のサブホログラム(Sn)を同時に計算し、且つ、光変調器手段(L)の別個の格子セルにおけるオブジェクト点グループ(OPGm)の共通のホログラムとしてそれらのサブホログラムを同時に符号化し、全てのオブジェクト点グループ(OPGm)の共通のホログラムが順次符号化され、
−第2のプロセッサ素子(PE2)が、
オブジェクト点グループ(OPGm)の本質的にコヒーレントであるが互いに非コヒーレントである部分再構成が順次符号化される複数のホログラムから速いペースで生成され且つ可視領域(SB)において順次重畳されるように、光変調器手段(L)上の格子の変位(displacement)と同期して照明系を制御する、ことを特徴とする。3Dシーンの部分再構成は、眼の位置から時間的に平均化された唯一の再構成として見られる。
n(px,y ) = |z/(D−z)| * Dλ/px,y 2 (1)
式中、zはオブジェクト点と光変調器手段又は画面との間の軸方向距離であり、Dは光変調器手段又は画面までの可視領域の距離であり、λは照明系において使用される光源の光の波長であり、px,yはマクロ画素の幅(px)及び高さ(py)を示す。本明細書において、マクロ画素は、複素値が書き込まれる単一の画素又は隣接する画素のグループである。
−少なくとも1つの光学結像手段を割り当てられる少なくとも1つの空間光変調器手段を照明する十分にコヒーレントな光を放射する少なくとも1つの光源を有する照明系と、
−光変調器手段と可視領域との間にわたる再構成空間内において個々のオブジェクト点に分割される3Dシーンを再構成する再構成手段であり、再構成が可視領域において眼の位置から可視である再構成手段と、
−3Dシーンのサブホログラムを計算及び符号化するプロセッサ素子を有するプロセッサとを含むことで実現でき、先行する請求項のいずれか1項に記載の方法は、
−第1のプロセッサ素子が、光変調器手段上の規則的に配置された格子セルを有する変位可能な2次元格子を生成し、再構成空間において奥行き範囲を規定し、3Dシーンのオブジェクト点からオブジェクト点グループを生成し、生成されたオブジェクト点グループのオブジェクト点の複数のサブホログラムを計算し、別個の各格子セルにおいて各オブジェクト点グループの共通のホログラムとしてサブホログラムを同時に符号化するために提供され、全てのオブジェクト点グループの共通のホログラムは順次符号化され、
−第2のプロセッサ素子が、オブジェクト点グループの本質的にコヒーレントであるが互いに非コヒーレントである部分再構成が順次符号化される複数のホログラムから速いペースで生成され且つ可視領域において順次重畳されされるように、光変調器手段上における格子の変位に同期して照明系を制御するために提供される。3Dシーンの部分再構成は、観察者の眼により眼の位置から時間的に平均化された唯一の再構成として見られる。
−3Dシーンの共通のホログラムが符号化され、選択処理に従って計算され且つ水平方向及び/又は垂直方向に同時に符号化されるサブホログラムを含み、且つ3Dシーンの部分再構成を表す規則的に配置された格子セルを有する変位可能な2次元格子を光変調器手段上で生成するために光変調器手段と共に制御される第1のプロセッサ素子が提供され、1つのサブホログラムが常に1つの格子セルにおいて符号化され、
−格子の変位から結果として得られ、本質的にコヒーレントであるが相互に非コヒーレントであり、ホログラフィック情報により変調される波面が可視領域において順次重畳され且つ3Dシーンの時間的に平均化された単一の再構成として眼の位置から見られる3Dシーンの他の部分再構成を順次生成するために、光変調器手段上の格子の変位と同期して照明系を制御する第2のプロセッサ素子が提供されることを特徴とする。
図3aは、3Dシーンが構成され且つ2つの平面Z1及びZ2により規定される空間奥行き範囲TBを示す上面図である。対応するオブジェクト点OPが可視領域SBの前方に非常に近接して位置付けられる場合、サブホログラムSは大きくなるだろう。これを回避するために、奥行き範囲TBはそれに従って規定される。平面Z1は、画面の前方の3Dシーンを制限し、平面Z2は、画面の後方の3Dシーンを制限する。奥行き範囲TBは、複数のオブジェクト点OPnを含み、そのうちの1つがOP1として例示的に印をつけられている。オブジェクト点OP1は、可視領域SBから距離Dのところに配設される光変調器手段Lまでの距離zOP1を有する。奥行き範囲TBは、一般に可視領域SBと光変調器手段Lとの間の錐台として広がる再構成空間内に位置する。しかし、本明細書において、オブジェクト点OPnに分割される再構成される3Dシーンは光変調器手段Lを越えて存続する。光変調器手段Lは、格子セルの規則的な2次元配置を有する変位可能格子MRを割り当てられる。可視領域SBの中心から発生する補助光線は、オブジェクト点OPn及び格子MRの格子セルを関係付ける。オブジェクト点グループを形成するオブジェクト点のみが黒色のドットで印をつけられる。
n(px,y ) = |z/(D−z)| * Dλ/px,y 2 (1)
式中、zは3Dシーンのオブジェクト点OPと光変調器手段L又は画面との間の軸方向距離であり、Dは可視領域SBから光変調器手段L又は画面までの距離であり、λは使用される光源から放射される光の波長である。更に、光変調器手段Lのマクロ画素又は投写型ディスプレイにおいては画面上に表示されるマクロ画素の幅(px)及び高さ(py)がpx,yに対して挿入される必要がある。
Claims (32)
- ホログラフィックディスプレイにおいて3次元シーンを再構成する方法において、
前記3次元シーン(3Dシーン)は個々のオブジェクト点に分割され、各オブジェクト点が照明系の光源により十分にコヒーレントな光で照明される空間光変調器手段上でサブホログラムとして符号化され、
前記3Dシーンは、可視領域と画面との間にわたる再構成空間内に、前記オブジェクト点の再構成された波面から再構成され、ここで、この再構成は前記可視領域に位置する観察者の少なくとも一方の眼に対して可視であり、
プロセッサが前記3Dシーンを計算及び符号化するプロセッサ素子を含む方法であって、
第1のプロセッサ素子(PE1)により実行されるところの、
前記サブホログラム(Sn)を符号化するために、規則的に配置された格子セルを有する変位可能な2次元格子(MR)を、前記空間光変調器手段(L)上に生成する格子生成ステップと、
オブジェクト点(OPn)を、前記2次元格子(MR)の前記格子セルの夫々の設定位置に応じて選択し、それらのオブジェクト点を集約して複数のオブジェクト点グループ(OPGm)を形成するオブジェクト点選択ステップと、
前記形成された複数のオブジェクト点グループ(OPGm)の1つのオブジェクト点グループと、前記2次元格子(MR)の1つの設定位置について、
(1)当該1つのオブジェクト点グループ(OPGm)に属するオブジェクト点(OPn)のサブホログラム(Sn)を計算する計算ステップと、
(2)当該1つのオブジェクト点グループ(OPGm)のこれらのオブジェクト点(OPn)について計算された前記サブホログラム(Sn)を前記1つのオブジェクト点グループ(OPGm)の共通ホログラムとして符号化し、ここで、この共通ホログラム符号化を、前記計算されたサブホログラム(Sn)を、前記2次元格子(MR)の個別の格子セルに同時に割り付けることにより、符号化する、符号化ステップと、
前記2次元格子(MR)を前記空間光変調器手段上で変位させた後に、次のオブジェクト点グループに対して、前記計算ステップ(1)と前記符号化ステップ(2)を、全てのオブジェクト点グループ(OPGm)の共通ホログラムが順次符号化されるまで、順次繰り返すステップ
とを含み、
第2のプロセッサ素子(PE2)は、
前記空間光変調器手段(L)上の前記格子(MR)の変位と同期して前記照明系を制御する制御ステップであって、前記オブジェクト点グループ(OPGm)の本質的にコヒーレントであるが互いに非コヒーレントである部分再構成が、前記順次符号化される複数のホログラムから、ある速度ペースで前記可視領域(SB)に生成されるように制御して、これにより、前記部分再構成が、時間的に平均化された唯一の再構成として見ることができるようにする、前記制御ステップを実行する、
ことを特徴とする方法。 - 前記第1のプロセッサ素子(PE1)は、2つの平面(Z1、Z2)により制限され、前記3Dシーンの再構成に寄与する全てのオブジェクト点(OPn)を含み、且つ前記空間光変調器手段(L)上にサブホログラム(Sn)の表面積を規定する奥行き範囲(TB)を、前記再構成空間において規定することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 単一のサブホログラム(S)の最大表面積は、前記可視領域(SB)の平面からの前記所定の奥行き範囲(TB)の前記2つの平面(Z1、Z2)のうちの一方の軸方向距離により規定される、又は、前記奥行き範囲(TB)は、前記空間光変調器手段(L)の前方、または、後方の最大の軸方向距離に制限される、ことを特徴とする請求項2に記載の方法。
- 前記第1のプロセッサ素子(PE1)は、前記最大のサブホログラム(S)と一致するように、前記格子(MR)の格子セルの表面積を規定することを特徴とする請求項3に記載の方法。
- 前記第1のプロセッサ素子(PE1)は、前記生成された格子(MR)の格子セルに対する空間位置に依存して前記規定された奥行き範囲(TB)からオブジェクト点(OPn)を選択し、且つそれらのオブジェクト点をオブジェクト点グループ(OPG)に組み合わせることにより、オブジェクト点グループ(OPG)を形成することを特徴とする請求項2記載の方法。
- 前記生成された2次元格子(MR)の1つの位置にあるオブジェクト点で、1つの格子セルに対して中心にあるようなオブジェクト点(OPn)のみによりオブジェクト点グループ(OPG)を形成することを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記第1のプロセッサ素子(PE1)は、更なるオブジェクト点グループ(OPG)の共通のホログラムを計算及び符号化するために、前記2次元格子(MR)を、画素化された前記空間光変調器手段(L)の少なくとも1画素分だけ、変位させるようにソフトウェア手段により制御される、ことを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記第1のプロセッサ素子(PE1)は、1次元ホログラムを符号化するために水平方向に前記2次元格子(MR)を変位させ、2次元ホログラムを符号化するために水平方向及び垂直方向の双方に前記格子(MR)を変位させる、ことを特徴とする請求項7に記載の方法。
- オブジェクト点グループ(OPGm)のサブホログラム(Sn)は、2次元符号化の場合に前記空間光変調器手段(L)上で水平方向及び垂直方向に同時に符号化され、
前記2次元格子(MR)は、最大1格子セル分だけ水平方向及び/又は垂直方向に変位され、前記奥行き範囲(TB)のオブジェクト点(OPn)の全ての種々の位置は前記奥行き範囲(TB)に含まれることを特徴とする請求項8に記載の方法。 - 前記サブホログラム(S)のサイズは、
n(px,y)=|z/(D−z)|*Dλ/Px,y 2 (1)
に従って計算される、
ここで、zはオブジェクト点(OP)と前記空間光変調器手段(L)又は画面との間の軸方向距離であり、Dは前記空間光変調器手段(L)又は画面からの前記可視領域(SB)の距離であり、λは前記照明システムにおいて使用される光源の光の波長であり、px,yはマクロ画素の幅(px)又は高さ(py)である
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 位置ファインダが、観察者の眼の現在の眼の位置(AP)を検出し、位置制御器が、前記現在の眼の位置(AP)に向けられるように前記サブホログラム(Sn)の変調された波面の伝播方向を制御する、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- サブホログラム(S)は、前記空間光変調器手段(L)の格子セルの隣接画素において1次元又は2次元に符号化される、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記サブホログラムが符号化される前記空間光変調器手段(L)は、画面としての役割を果たし、前記空間光変調器手段(L)は透過型光変調器であり、又は、
前記画面は、前記空間光変調器手段(L)上で符号化されるホログラムが結蔵する、または、前記空間光変調器手段(L)上で符号化される前記3Dシーンの波面が結像する光学素子であることを特徴とする請求項10に記載の方法。 - 前記空間光変調器手段(L)は、透過型光変調器又は反射型光変調器であることを特徴とする請求項13に記載の方法。
- オブジェクト点(OPn)の時間的に平均化された可視光度は、可変期間中に前記オブジェクト点(OPn)を再構成することにより制御されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 更に前記空間光変調器手段(L)全体又は前記空間光変調器手段(L)の個々の格子セルのみを照明する前記照明系の少なくとも1つの光源の光度は時間変化することを特徴とする請求項15に記載の方法。
- 3次元シーンを再構成する装置であって、
少なくとも1つの空間光変調器手段を照明する十分にコヒーレントな光を放射する少なくとも1つの光源を有する照明系と、
前記空間光変調器手段と可視領域との間にわたる再構成空間内において個々のオブジェクト点に分割される前記3次元シーン(3Dシーン)を再構成する再構成手段であって、前記再構成は、眼の位置から前記可視領域にて可視である、再構成手段と、
前記3Dシーンのオブジェクト点のサブホログラムを計算及び符号化し、請求項1乃至16のいずれか1項に記載の方法を実現するプロセッサ素子を有するプロセッサとを具備し、
前記プロセッサの第1のプロセッサ素子(PE1)は、
前記サブホログラム(Sn)を前記再構成空間に符号化するために、規則的に配置された格子セルを有する変位可能な2次元格子(MR)を前記空間光変調器手段(L)上に生成するステップと、
前記3Dシーンのオブジェクト点(OPn)からオブジェクト点グループ(OPGm)を生成するステップと、
前記形成された複数のオブジェクト点グループ(OPGm)の1つのグループと、前記2次元格子(MR)の1つの設定位置に対して、
(1)当該1つのオブジェクト点グループ(OPGm)に属するオブジェクト点(OPn)の多数のサブホログラム(Sn)を計算する計算ステップと、
(2)前記オブジェクト点(OPn)について計算した前記サブホログラム(Sn)を、前記2次元格子(MR)の個別の格子セル内に、前記オブジェクト点グループの共通のホログラムとして同時に符号化する、符号化ステップと、
前記2次元格子(MR)を前記空間光変調器手段上で変位させた後に、次のオブジェクト点グループに対して、前記計算ステップ(1)と前記符号化ステップ(2)とを、全てのオブジェクト点グループ(OPGm)の共通ホログラムが順次符号化されるまで、順次繰り返すステップ、
とを実行し、
前記プロセッサの第2のプロセッサ素子は、
前記空間光変調器手段(L)上での前記2次元格子の変位と同期させて前記照明系を制御する第2のプロセッサ素子(PE2)であって、前記オブジェクト点グループ(OPGm)の本質的にコヒーレントであるが互いに非コヒーレントである部分再構成が、前記順次符号化される複数のホログラムから、ある速度ペースで前記可視領域(SB)に生成されるように制御して、これにより、前記部分再構成が、時間的に平均化された唯一の再構成として見ることができるようにする、ことを特徴とする装置。 - 直視型ディスプレイ又は投写型ディスプレイの形態のホログラフィックディスプレイを有する、ことを特徴とする請求項17に記載の装置。
- 前記空間光変調器手段(L)は、画面としての役割を直接果たし、前記装置は、前記空間光変調器手段(L)上にホログラフィック符号化される前記3Dシーンの情報の画像が投影される画面を含むことを特徴とする請求項18に記載の装置。
- 格子セルは水平方向及び垂直方向に隣接する複数の画素の領域を含む、又は格子セルの表面積は、最大である可能性のあるサブホログラムの表面積と一致することを特徴とする請求項17に記載の装置。
- 前記空間光変調器手段(L)は、少なくとも3つの位相レベルを制御できる位相変調光変調器であることを特徴とする請求項18に記載の装置。
- サブホログラム(S)は、格子セルにおいてレンズ関数として前記位相変調光変調器上に表され、再構成されたオブジェクト点(OP)の光度は、可変期間中に前記サブホログラム(S)において前記レンズ関数を表すことにより制御されることを特徴とする請求項21に記載の装置。
- 線形位相関数は、前記位相変調光変調器上の格子セルの境界領域において表され、前記位相関数は前記可視領域(SB)外の位置に前記光を偏向することを特徴とする請求項21に記載の装置。
- レンズ関数が表されない期間中、線形位相関数は前記格子セルにおいて表され、前記位相関数は前記可視領域(SB)外の位置に前記光を偏向することを特徴とする請求項22に記載の装置。
- 前記空間光変調器手段(L)は、バイナリ位相変調光変調器である、又は
位相変調光変調器及び振幅変調光変調器の組合せを含むことを特徴とする請求項18に記載の装置。 - 前記振幅変調光変調器はバイナリ変調器であり、再構成されたオブジェクト点(OP)の時間的に平均化された可視光度は制御され、前記振幅変調光変調器は可変期間中にサブホログラム(S)の領域において透過モードに切り替えられることを特徴とする請求項25に記載の装置。
- サブホログラム(S)の範囲を制限し且つ最小の透過率を示すフレーム(RA)は、前記振幅変調光変調器の格子セルに、更に正確には前記サブホログラム(S)と前記格子セルの縁部との間に書き込まれることを特徴とする請求項26に記載の装置。
- 前記位相変調光変調器は、バイナリ型であるか又は少なくとも3つの位相レベルを制御可能であることを特徴とする請求項25に記載の装置。
- 1つ又は複数の光源は、前記空間光変調器手段(L)の少なくとも1つの格子セルを照明する照明系において提供され、前記光源の光度は、個々のオブジェクト点(OPn)の再構成の時間的に平均化された光度を制御するために制御可能であることを特徴とする請求項17に記載の装置。
- 前記3次元シーンの部分再構成は、符号化オブジェクト点グループ(OPG)から生成されることを特徴とする請求項17に記載の装置。
- 種々のサブホログラム(Sn)を含む異なるホログラムを符号化するために、前記2次元格子(MR)は、前記空間光変調器手段(L)の少なくとも1画素分及び最大でも1格子セル分だけ変位されるようにソフトウェア手段により制御され、前記格子(MR)は、2次元符号化に対して水平方向及び垂直方向の双方に変位されることを特徴とする請求項17に記載の装置。
- 3次元シーンを再構成するホログラフィックディスプレイであって、このホログラフィックディスプレイは、
符号化された3次元シーン(3Dシーン)のホログラフィック情報により十分にコヒーレントな光を変調する空間光変調器手段を前記光により照明する照明系と、
前記3Dシーンのホログラムを計算及び符号化するプロセッサを有するソフトウェア手段により制御されて組み合わされる位置ファインダにより位置が検出される観察者の少なくとも一方の眼に対して前記空間光変調器手段と前記可視領域との間にわたる錐台形状の再構成空間において前記3Dシーンの再構成が可視である可視領域における眼の位置に前記光を結像する結像系と、
を有し、
このホログラフィックディスプレイは、請求項1乃至16のいずれか1項の3次元シーンの再構成方法に記載の、前記3Dシーンをオブジェクト点に分割して符号化するための前記オブジェクト点選択ステップを使用するホログラフィックディスプレイであって、
また、このホログラフィックディスプレイは、
前記空間光変調器手段(L)と共に制御される第1のプロセッサ素子(PE1)であって、
規則的に配置された2次元格子セルを有する変位可能な2次元格子(MR)を前記空間光変調器手段(L)上に生成するように構成され、且つ、
前記2次元格子セル内には前記3Dシーンの共通のホログラムが符号化され、この共通ホログラムはサブホログラムを含み、
前記サブホログラムは、前記オブジェクト点選択ステップに従って計算され、水平方向及び/又は垂直方向に同時に符号化され、前記3Dシーンの部分的再構成を表現するサブホログラムであって、
1つのサブホログラム(S)が常に1つの格子セルに符号化されるような、前記サブホログラムを含む共通ホログラムを前記2次元格子セルに符号化する、ところの前記第1のプロセッサ素子(PE1)と、
前記空間光変調器手段(L)上での前記2次元格子の変位と同期させて前記照明系を制御する第2のプロセッサ素子(PE2)であって、
前記2次元格子の変位に起因する前記3Dシーンの他の部分再構成を順次生成するために、ここで、前記他の部分再構成は本質的にコヒーレントであるが相互に非コヒーレントであり、ホログラフィック情報により変調された波面を前記可視領域(SB)において順次知覚し、且つ、前記3次元シーンの唯一の時間的に平均化された再構成として前記眼の位置(AP)から見るようになる、第2のプロセッサ素子(PE2)、
とが設けられたことを特徴とするホログラフィックディスプレイ。
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