JP5541924B2 - スペックルを減少する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、３次元シーンの３次元ホログラフィック再構成における斑点或いは染みのようなパターン（以下、スペックルパターンという）を減少する方法、当該方法を実現するのに使用されるホログラフィック再生装置に関する。

本発明は、３次元シーン（３Ｄシーン）の複合波面を、ホログラフィの支援により記録し、再構成することを可能にする方法とともに適用され得る。好ましくは、これらは、ホログラフィック再生装置においてリアルタイム、或いはほぼリアルタイムにレーザ光を用いて実行される。ここで、再構成は、仮想の観察ウィンドウから見ることができる。

ホログラフィは、３次元オブジェクト、或いは動きのある３Ｄシーンを記録することを可能にし、また、波動光学的手法を用いて光学的に描写することを可能にする。３Ｄシーンは、キャリア媒体として機能する光変調器上にエンコードされる。干渉を生成することが可能な光波による照明によって、エンコードされた３Ｄシーンの各位置は、相互に干渉する光波の起点を形成し、結果的な光波面として、空間内の実オブジェクトから進む光によって生成されたかのような３Ｄシーンを空間的に再構築する。オブジェクト、或いは３Ｄシーンの再構成は、好ましくは、投影装置及び光再構成システムの少なくともいずれかの支援で、キャリア媒体を十分にコヒーレントな光で照射することにより実現される。

本明細書においては、３Ｄシーンは、観察ウィンドウを有するホログラフィック再生装置において再構成される。観察ウィンドウは、観察領域内のビューゾーンである。表示手段の前方にある観察ウィンドウのサイズは、瞳の大きさを有するように定義される。これは、観察者の目が位置付けられうるように、目の位置と呼ばれる。観察者は、目の位置から３Ｄシーンの再構成を見ることができる。

波動光学の観点から見ると、観察ウインドウは、キャリア媒体にエンコードされたホログラムの直接又は逆フーリエ変換又はフレネル変換のいずれかによって、又は、観察者領域の面においてキャリア媒体上にエンコードされた波面のイメージによって形成される。ここで、観察ウインドウは周期的な再構成の１つの回折次数のみを備える。観察者領域の面は、フォーカス手段の焦点面又は、光源の像面であってもよい。ビューゾーンとして用いられる１つの回折次数内で、観察者の目の間のクロストークが防止されるように、ホログラム又は波面は３Ｄシーンから計算される。そのようなクロストークは、一般に、光変調を用いる場合に、再構成において発生する。高次の回折次数を抑制する構成又は方法と連動して、３Ｄシーンは、多重化プロセスにおいて、クロストーク無しに、観察者の右目及び左目に連続的に提示され得る。更に、複数の人に提供することを目的とする多重化プロセスは、それによってのみ可能となる。

３Ｄシーンのホログラム及び複素波面のためのキャリア或いは記録媒体は、ＬＣＤやＬＣｏＳなどのような空間的な光変調器を含む。これらは、入射光の位相及び／又は振幅を変調する。キャリア媒体のリフレッシュレートは、動きのある３Ｄシーンを描画することができるように十分に高速でなければならない。

キャリア媒体上に規則正しく配置された画素へエンコードされる値は、実際のオブジェクトを起源としたものとすることもできるし、或いはコンピュータ合成ホログラム（ＣＧＨ：computer-generated hologram）とすることもできる。

観察者は、キャリア媒体を直接に見ることによって３Ｄシーンの再構成を観察することができる。本明細書において、この構成をダイレクトビュー表示と称する。或いは、観察者は、キャリア媒体にエンコードされた値のイメージ又は変換（transform）が投影されるスクリーンを見ることができる。本明細書において、この構成は投影表示と称する。

投影表示におけるスクリーンとダイレクトビュー表示におけるキャリア媒体の両方を総称して、以下ではスクリーンと称する。

離散的な記録のため、ホログラムの再構成の回折の影響を起因として、ホログラムの再構成は、波面の再構成の１つの時間間隔内においてのみ可能である。ここで、この時間間隔はキャリア媒体の解像度によって定まるものである。再構成は、典型的には、隣接する時間間隔に対して不揃いを示しながら、繰り返される。

スペックルパターン或いは粒状として知られているパターンの乱れは、光変調器を照明するためのコヒーレントなレーザ光を使用するときに発生する。スペックルは、粒状の干渉パターンとして説明され得る。これは、統計的に不揃いに分配された位相差を有する複数の光波の干渉により生成される。

ホログラムの再構成は、スペックルパターンによって悪影響を受ける。３Ｄシーンはキャリア媒体に離散的にしか記録することができないため、３Ｄシーンはホログラム計算のために離散的にスキャンされる。キャリア媒体に適切な方法で３Ｄシーンを記録するエンコード方法は、スキャンポイントの位置においてスキャンされたオブジェクトと十分に一致する再構成を可能にする。物理的再構成は、スキャンポイント間においても連続的な階調となる。オブジェクトにおける光度勾配からの逸脱は、スキャンポイント間で発生し、再構成は、その品質を低下させる、スペックルパターンを含む。これは、特に、ランダムなオブジェクトポイントの位相でホログラムを計算するときに発生するが、それは、ある他の理由のために利点となる。

３Ｄシーンの再構成におけるスペックルパターンの低減は、時間的及び／又は空間的な平均化により実現される。ここで、再構成は、外部のキャリアメディア上にエンコードされた３Ｄシーンの値から、或いは、他の適切な方法で計算されたホログラム値から生成される。観察者の目は、異なるスペックルパターンで当該観察者に対して常に提示されている複数の再構成を平均化しており、この障害のはっきりとした減少に帰結する。

ＤＥ１９５４１０７１Ａ１によれば、例えば、ホログラムをチェックするときに粒状性を平均化するために回転する長方形のガラス板が光路上に置かれる。ガラス板が検出器の周期に適応する周期で回転するため、スペックルはもはや邪魔をしなくなる。しかしながら、そのような方法は、２次元の、平面的なスペックルパターンの減少に適用され得るのみであり、拡散スクリーンがスペックルパターンの面に配置されなければならない。

３Ｄシーンのスペックルパターンを減少するための時間的な平均化に関する方法では、所定数の異なるランダムな位相で３Ｄシーンが計算され、ホログラムのそれぞれが、速いペースで次から次へとキャリア媒体上に描かれる。ホログラムの表示においては、多数回のホログラム計算のために計算負荷が非常に増加し、キャリア媒体のリフレッシュレートが非常に増加してしまう。これらは好ましくないことである。

空間的な平均化に関しては、一般に、次のものが文献から知られている。すなわち、キャリア媒体を複数の独立した領域に分割し、同じオブジェクトから算出されるが異なるオブジェクト位相を有するサブホログラムを、隣から隣へと、及び／又は下へ下へと繰り返し描いていく。観察者の目は、フーリエ変換又はフレネル変換で生成された、計算されたサブホログラムの個々の再構成の異なるスペックルパターンを平均化する。それにより、スペックルパターンが弱められたようにみえる。

しかしながら、この方法は、本出願人によるＤＥ１０３５３４３９Ａ１（本願はこの出願をベースとしている）に記載された観察ウインドウを用いるホログラフィックディスプレイには適用できない。例えば３Ｄシーンのような、オブジェクトの回折画像の複素配光は、観察面の観察ウインドウにおいて計算される。個々のオブジェクト平面の、３Ｄシーンが仮想的にスライスされる変換は、これを達成するために、観察ウインドウにおいて実現され、追加される。変換は、スライスされたオブジェクト平面と観察ウインドウを備える観察面との間の光の光学的な伝播と一致する。この方法は、各オブジェクトのポイントが、このポイントの再構成のための情報が書き込まれる画面上の限定されローカライズされたセクションに割り当てられるという効果を有する。

スクリーン上において、隣り合う及び／又は下へ並ぶ、３Ｄシーンから計算された複数のサブホログラムのエンコードは、従来技術において示唆されるように、オブジェクトポイントに対応するホログラム値がスクリーン上の異なるセクションにおいて繰り返されるという効果を有する。これは、観察ウインドウから再構成された３Ｄシーンを可視にすることの原理に関して可能ではない。また、サブホログラムの空間的な繰り返しには、各個別サブホログラムの解像度がキャリア媒体において減少するという不具合がある。

本発明の目的は、仮想的な観察ウインドウを用いるホログラフィック再生装置において３Ｄシーンを再構成するときに発生するスペックルパターンを大きく減少すること、そして、一般的なリフレッシュレートを有するキャリア媒体が使用可能でありながらほぼリアルタイムな方法を提供することにある。

その目的は、一般に、十分にコヒーレントな光を用いて生成された単一の再構成を行なう代わりに、相互にインコヒーレントな３Ｄシーンの複数の再構成が生成され、再構成ボリューム内の同じ位置に重ね合わされる方法により解決される。コヒーレントでないものは、位相シフトに関連付けられるため、個々のインコヒーレントな再構成は、異なるスペックルパターンを含む。観察者の目各々は、目の位置からスペックルパターンを平均化し、再構成ボリューム内のオリジナル３Ｄシーンに一つのみ存在する単一の減少したスペックルを見る。

請求項１に係わる方法は、独創的な処理ステップを含み、ホログラフィック再構成装置において実行される。
同じ３次元シーンの複素波面の複数の独立した配光が、相互にインコヒーレントであり、光変調器上にエンコードされる３Ｄシーンの、制御手段により制御される光により観察者領域内の目の位置に生成され、
複素波面の複数の配光に対応する３Ｄシーンの複数の再構成が、一つの単一スペックルが減少された３Ｄシーンの再構成が目の位置で見られるように、再構成ボリューム内の同じ位置に生成され、相互にインコヒーレントに重ね合わされる。

方法は、例えば、時間的に次から次に、観察者の右目及び左目に対して独立して適応されうる。更に、カラー再構成を生成するために、方法は、例えば、次から次に、３原色、すなわち、レッド、グリーン、ブルー個々に対して、別々に適用されうる。

３Ｄシーンを再構成するために本発明が基礎を置く仮想的な観察ウィンドウは、観察者領域内の平面に一致するものであり、この平面内には、エンコードされた３Ｄシーンの複素波面からなる複数の独立した配光（これらの配光は相互にインコヒーレントである）により、相互にインコヒーレントな複数の独立したサブ観察ウィンドウが形成される。観察者の目は、再構成された３Ｄシーンを見ることができるように、この平面の目の位置に位置付けられる必要がある。更に記載すると、目の位置及び観察ウィンドウの双方の用語が使用されるであろう。

本明細書においては、複素波面は、波面に構成されるであろう。当該波面は、位相及び波面の振幅を規定する複素数により数学的に記述される。

観察ウィンドウを好ましく使用するため、観察ウィンドウは、典型的には、再構成された３Ｄシーンの複素波面を含み、同じ位置で相互にインコヒーレントな複数の再構成を生成する。複数の領域は、相互にインコヒーレントであり、観察ウィンドウ内に生成される必要がある。本発明によれば、これは、２つの異なる方法及び対応する再構成手段により達成されうる。

請求項３の特徴によれば、相互にインコヒーレントなサブ観察ウィンドウを生成するため、以下に示す更なる処理ステップが実行される。第１の実施形態によれば、
３Ｄシーンに対応する複素波面が、サブ観察ウィンドウ毎の光変調器上の領域各々において直接エンコードされ、
独立した光変調領域が、照明手段により、相互にインコヒーレントに照明され、
互いにインコヒーレントに照明されたこれら光変調領域が、再構成手段により観察ウィンドウ内で相互にインコヒーレントな異なるサブ観察ウィンドウに結像される。

請求項４の特徴によれば、相互にインコヒーレントなサブ観察ウィンドウを生成するため、以下に示す更なる処理ステップが実行される。第２の実施形態によれば、
３Ｄシーンに対応する複素波面が、インコヒーレントな照明と同等になるようにサブ観察ウィンドウ毎に演算され、インコヒーレントに演算及び統合された波面が、光変調器上で変換され、そこで統合ホログラムとしてエンコードされ、
光変調器は、十分にコヒーレントな光を用いて照明手段により照明され、
統合ホログラムは、再構成手段により相互にインコヒーレントな複数のサブ観察ウィンドウに逆変換される。

請求項４によれば、複数の再構成は、相互にインコヒーレントであり、配光の投影によっては生成されないが、光変調器上のサブ観察ウィンドウにインコヒーレントに演算された配光を変換することにより生成される。変換された値は、光変調器上において統合ホログラムとしてエンコードされる。第２の方法を実現する装置においては、照明及び再構成に必要となるコンポーネントが少なくなる。単一の照明手段及びツーピースの再構成手段は、光学的再構成システム及びスクリーンと一体となっており、方法を実現するのに十分である。

３Ｄシーンの複素波面の配光は、好ましくは、固定の振幅ではあるが、異なるオブジェクト位相を用いて、個々のサブ観察ウィンドウ内でインコヒーレントに演算される。

請求項３及び４の特徴により、サブ観察ウィンドウが生成され、各サブ観察ウィンドウは、３Ｄシーンの同じ複素波面の配光を含む。そして、全てのサブ観察ウィンドウは、相互にインコヒーレントである。再構成は、相互にインコヒーレントである。そのため、再構成は、観察者の目各々が３Ｄシーンの生成された再構成のスペックルパターンを平均化できるように、相互にインコヒーレントな複素波面から生成された異なるスペックルパターンを含む。

請求項３に係わる方法を実現するため、コヒーレントな光を照射する少なくとも２つの照明手段が必須となる。少なくとも２つの照明手段は、スペックルが減少された再構成の平均を取得するため、少なくとも２つの光変調領域を相互にインコヒーレントに照明する。サブ観察ウィンドウは、相互にインコヒーレントである。観察ウィンドウ内により多くのサブ観察ウィンドウが生成されると、好ましくは、３Ｄシーンの再構成のスペックルパターンがより減少する。

本実施形態の方法によれば、透過可能なダイレクトビュー表示のためのスペックルを減少する。方法は、３次元シーンがオブジェクトポイントに分割され、これらオブジェクトポイントに対して相互にインコヒーレントなウィンドウが生成される。方法におけるこの処理ステップは、以下である。
３Ｄシーンに対応する複素波面が、統合観察ウィンドウに対して演算され、光変調器上で変換され、統合ホログラムとしてエンコードされ、
マトリックス配置された照明手段は、再構成手段のマトリックス配置と組み合わされており、光変調器の対応する光変調領域内で異なるサブホログラム領域を相互にインコヒーレントな形式で照明する。各光変調領域は、複数のサブ観察ウィンドウが瞳より小さい複数のサブ観察ウィンドウが、オブジェクトポイントを介して照明されたサブホログラムの投影を介して再構成されたオブジェクトポイント毎に観察ウィンドウ内に生成されるように、オブジェクトポイントのサブホログラムを含む。

更に、この方法においては、相互にインコヒーレントに照明されたサブホログラム領域のサイズは、再構成手段の大きさを複数の照明手段に適用することにより定義される。複数の照明手段の各々は、相互にインコヒーレントではあるが、十分にコヒーレントな光を照射する。

請求項３に係わる実施形態と比較して、分割統合された観察ウィンドウは、再構成された３次元シーン全体に対して生成され、観察ウィンドウは、そこにスペックルを減少するために生成される。インコヒーレントなサブ観察ウィンドウの位置は、観察ウィンドウ内においてオブジェクトポイント毎に異なりうる。

本実施形態は、典型的な光源の大きさ又は照明手段、再構成手段を用いるため、ダイレクトビュー表示の実現に最も適しているが、原理的には、投影タイプのディスプレイが使用されてもよい。

更に、本発明は、少なくとも１つの再構成手段と、十分にコヒーレントな照明手段と、３Ｄシーンがエンコードされる１つのコントローラブルな光変調器と、照明を制御する一つの制御手段とを具備するホログラフィック再生装置に基づいている。

好適な実施形態によれば、再構成手段は、複数ピースのレンズシステムと、スクリーンとして機能する光学結像素子とを具備する。

スクリーンが反射タイプであれば、複素波面の配光は、全ての再構成が観察ウィンドウ前面の再構成ボリューム内に生成され、スクリーンの前面及び背面の両方が可視化されるように、スクリーン前面の観察ウィンドウに結像される。更なる実施形態に係わるホログラフィック再構成装置は、透過型タイプのスクリーンを含む。この装置においては、複素波面の配光が、全ての再構成が観察ウィンドウの前面に生成され、スクリーンの前面及び背面の両方が可視化されるように、光の伝播方向に見られるスクリーンの背面の観察ウィンドウに結像される。

更に、請求項１０に係わるスペックルを減少するホログラフィック再生装置は、本発明の方法の側面の更なる実施形態を実現するように提供される。請求項３において説明したように、ホログラフィック再構成装置は、以下の手段を具備する。
十分にコヒーレントな光を照射するが、相互にインコヒーレントである複数の照明手段は、複数の独立した光変調領域を照明し、再構成手段に連動して複数の独立したサブ観察ウィンドウを生成する。
光変調器形態のエンコーディング手段は、３Ｄシーンの複素波面がエンコードされる領域上でエンコードされる。
再構成手段は、観察領域の観察ウィンドウ内における光変調領域の複素波面各々に対して相互にインコヒーレントな配光を用いて、複数の独立したサブ観察ウィンドウを生成し、再構成ボリューム内において相互にインコヒーレントに照明される複数の光変調領域から相互にインコヒーレントな複数の再構成を生成する。
制御手段は、照明手段、エンコーディング手段、再構成手段を制御する。

本発明に係わる種々の実施形態において、レーザは、好ましくは、照明手段として使用される。

更に、本発明の特性を示す特徴は、独立したサブ観察ウィンドウは、相互にインコヒーレントであり、１次元に相互に隣接して配置される。その結果として、全体的に横に向かって広がるサブ観察ウィンドウは、目を対象とした観察ウィンドウの所定の水平な幅ｂを少なくとも有する。

本発明に係わる方法を実現する観察ウィンドウは、観察者の左目又は右目は、好ましくは、少なくとも２つのサブ観察ウィンドウを含む。

他の実施形態によれば、独立したサブ観察ウィンドウは、相互にインコヒーレントであり、１次元に相互に隣接して垂直に配置される。また、独立したサブ観察ウィンドウは、目を対象とした少なくとも観察ウィンドウの所定の高さである全体的に垂直な広がりを有している。

サブ観察ウィンドウは、水平及び垂直に全体的に広がりを有しており、好ましくは、目の瞳の直径に基づいている。再構成の空間的な解像度は、目の解像度に制限され、観察ウィンドウは、瞳より大きくなる。観察者は、変わらず再構成を見ることができるであろう。しかし、サブ観察ウィンドウは、再構成の空間的な再構成が観察ウィンドウのサイズにより制限されるため、全ての観察ウィンドウが同時に見られうるように、瞳より常に小さい必要がある。

相互にインコヒーレントな独立したサブ観察ウィンドウの他の好適な形式においては、それらは観察ウィンドウ内に２次元に配置される。また、サブ観察ウィンドウは、水平及び垂直な方向に互いに隣接して配置され、四角形又は長方形の領域を表現する。スペックルパターンの抑制は、好ましくは、複数のサブ観察ウィンドウ及び相互にインコヒーレントな再構成を増加させることにより、ホログラフィック再構成装置内において継続して減少されうる。

スクリーン上の光変調器の像を可能な限り複雑でない方法で一次元に取得するために、複数ピースのレンズシステムのレンズが提供される。レンズシステムは、好ましくは、並行に配置された水晶体のレンズ状で表現される。複数ピースのレンズシステムは、好ましくは、３次元に複数の光変調領域を結蔵するためにマトリックスレンズアレイとして形成される。

スペックルパターンを減少するホログラフィック再生装置は、例えば、ホログラフィックディスプレイである。個々のディスプレイコンポーネントを適切に設計するため、ディスプレイは、投影表示又はダイレクトビュー表示のいずれかとして実現されうる。投影表示は、好ましくは、請求項３の方法に従って形成され、変換及び再構成する再構成手段を必要とする。再構成手段は、一つの光学的再構成システム及びスクリーンとして機能する光学結像素子のみを含む。

請求項３によれば、本発明は更に利点を有する。すなわち、ホログラムは、一度のみエンコードされる必要があり、従来の技術に比較して、数度の再演算を必要としないため、演算時間を減少させられる。

第１の実施形態に係わる反射タイプのホログラフィック投影表示の平面図の概略の一例を示す図である。 第２の実施形態に係わる反射タイプのホログラフィック投影表示の平面図の概略の一例を示す図である。 コヒーレントな照明を用いて２次元オブジェクトを再構成した後のスペックルパターンに対するシミュレーション結果を示すダイアグラムを示す図である。 インコヒーレントな照明を用いて２次元オブジェクトを再構成した後のスペックルパターンに対するシミュレーション結果を示すダイアグラムを示す図である。 一実施の形態に係わる透過型タイプのダイレクトビュー表示の平面図の概略の一例を示す図である。

ここで、本発明に係わる方法及び対応するホログラフィック再生装置を実現するための方法は、添付の図面に関連して実施形態により以下で詳細に説明される。個々の図面及びこれに付随する記載において、同様の参照番号は同様のコンポーネントを示す。

図１は、第１の実施形態に係わるホログラフィック投影ディスプレイの模式的且つ簡素化した平面図を示す。以下のコンポーネントは、次々に配置され、光の伝播方向に見られる。
少なくとも２つのレーザＬ１及びＬ２形式の照明手段は、光変調器１内の２つの光変調領域（light modulator region）１１及び１２を照明する。
再構成手段は、好ましくは、ツーピースのレンズシステム２１及び２２と、スクリーンとして機能する光学結像素子（optical imaging element）３とを含む。

目５の瞳５１は、仮想的な観察ウィンドウ（virtual observer window）４の近傍の目の位置ＰＥに位置している。仮想的な観察ウィンドウ４は、相互にインコヒーレントな２つの独立したサブ観察ウィンドウ（sub-observer window）４１及び４２を含む。３Ｄシーンの再構成６は、スクリーンと目の位置ＰＥとの間を広げた再構成ボリューム（reconstruction volume）内で見られる。制御手段７は、照明及び光に照明されるコンポーネントを制御する。

図２は、第２の実施形態に係わるホログラフィック投影ディスプレイの模式的且つ簡素化した平面図を示す。以下のコンポーネントは、次々に配置され、光の伝播方向に見られる。
単一レーザＬ形式の照明手段は、ホログラムがエンコードされる光変調器１を照明する。
再構成手段は、光学的再構成システム（optical reconstruction system）２０と、光変調器からの光を変換する光学結像素子３とを含み、スクリーンとして機能する光学結像素子３において、３Ｄシーンを再構成する。

レーザＬの光は、目５の近傍の目の位置ＰＥにおいて観察ウィンドウ４を生成する。観察ウィンドウ４は、相互にインコヒーレントな２つの独立したサブ観察ウィンドウ４１及び４２を含み、所定の水平な幅ｂを有する。３Ｄシーンの再構成６は、ここから見られる。照明は、制御手段７により制御される。

図３ａ及び図３ｂは、ホログラフィックシミュレーションの結果をダイアグラム形式で示す図であり、所定位置において、コヒーレントな照明（図３ａ）及びインコヒーレントな照明（図３ｂ）を用いた長方形オブジェクトにおける再構成のスペックルパターンを示している。

観察位置に関するスペックルパターンの強度は、ダイアグラム内の任意の一群とともに示される。図３ｂに見られるように、同じ３Ｄシーンについて相互にインコヒーレントな２つの再構成を生成し、再構成ボリューム内の同一位置においてそれらを重ね合わせた場合、図３ａに比較して、目５に対するスペックルパターンの強度を極めて低くできる。

図４は、一実施形態に係わる透過型タイプ（transmission-type）のホログラフィックダイレクトビュー表示の平面図の概略の一例を示す。照明マトリックスの照明手段Ｌ１０〜Ｌ１３と、レンズ２１〜２ｎを有する再構成手段とが光の伝播方向に見られる光変調器１の前面に配されている。再構成されたオブジェクトポイントＯＰのサブホログラムＳＯＰは、光変調領域内でエンコードされる。図には更に、統合観察ウィンドウ４に対してオブジェクトポイントＯＰを介してサブホログラム領域ＳＯＰ１０〜１３に照明された相互にインコヒーレントな幾何学的光線パスと、観察ウィンドウ４内を指すサブ観察ウィンドウ４１２及び４１０とが示される。瞳５１を有する観察者の目５は、観察ウィンドウのちょうど後方にある。制御手段７は、照明及び光に照明される３次元シーンを再構成するためのコンポーネントを制御する。本発明に係わる方法は、実施形態の支援とともにより詳細に説明されるであろう。

本発明によれば、異なるサブ観察ウィンドウ４１〜４ｎが相互にインコヒーレントであり、例えば、少なくとも２つのサブ観察ウィンドウ４１及び４２は、相互にインコヒーレントに照明された多数の領域が光変調器１上に生成されなければならないため、観察ウィンドウ４内でスペックルを減少することが必要不可欠である。図１は、反射タイプ形式の投影表示で上記方法を実現する、適切なホログラフィック再生装置の一例の概略を示す。

レーザＬ１及びＬ２各々は、他の領域に対してインコヒーレントな照明であるが個々の領域内ではコヒーレントな照明になるように、コヒーレントな光を用いて、光変調器１の光変調領域１１及び１２を別々に照明する。ここで、３Ｄシーンの複素波面の配光は、光変調器１の独立した光変調領域１１及び１２において直接エンコードされる。

光変調領域１１及び１２各々は、光学結像素子３において、複数ピースレンズシステムのレンズ２１及び２２により拡大された態様で別個に結像される。相互に隣接して配置されるサイズ等の観察ウィンドウ４の２つの領域に減少した態様で結像する。それらの領域は、サブ観察ウィンドウ４１及び４２として定義される。そのため、観察ウィンドウ４は、相互に隣接する２つの配光を含む。ここで、相互に隣接する２つの配光は、２つのサブ観察ウィンドウ４１及び４２内において、同じ３Ｄシーンの複素波面の相互にインコヒーレントな光である。２つの光学投影パスは、スクリーンから開始する異なる線のタイプで示される。

制御手段７は、光学結像素子３及び観察ウィンドウ４の間にある再構成ボリューム内における同一位置において、異なるスペックルパターンを有する３Ｄシーンの相互にインコヒーレントな２つの再構成が観察ウィンドウ４内の２つの複素波面から生成され重ね合わされるように、レーザ及び光変調器を制御する。観察者の右目又は左目５は、減少されたスペックルパターンを持つインコヒーレントな再構成の重ね合わせとして、観察ウィンドウ４内において単一の再構成６をはっきり見ることができる。重ね合わせは、光学パスを表現する異なる線のタイプの組み合わせとして３Ｄシーンの再構成内に示される。

光変調器１は、３Ｄシーンの再構成６がスクリーンの前面及び／又は背面に可視化されるように、変化してエンコードされうる。スクリーンは、例えば、反射する背面を有する結像レンズである。双方の特徴は、図２に適用する。

全体的に横に向かって広がるサブ観察ウィンドウ４１及び４２は、１次元内で相互に隣接して配置されており、観察ウィンドウ４における所定の水平な幅ｂ（図２のみに示す）に対応している。観察者の目各々の瞳５１の直径は、水平幅又は垂直幅、又は定義されるべき観察ウィンドウ４の高さの寸法である。ここで、個々のサブ観察ウィンドウ４１及び４２は、好ましくは、瞳５１より小さい。

サブ観察ウィンドウ４１及び４２が瞳５１よりも大きければ、スペックルパターンが減少しないように、瞳５１が完全に１つのサブ観察ウィンドウ４１及び４２内に位置付けられる観察ウィンドウ４内におけるいくつかの位置があるであろう。そして、スペックルパターンが減少され続けるように、瞳５１が異なるサブ観察ウィンドウの一部を覆ってしまう他の位置があるであろう。

図２は、第２の実施形態に係わる反射タイプのホログラフィック投影ディスプレイの模式的且つ簡素化した平面図を示す。以下のコンポーネントは、次々に配置され、光の伝播方向に見られる。
レーザＬ形式の照明手段は、コヒーレントに光変調器１を照明する。
再構成手段は、光学的再構成システム２０と、スクリーンとして機能する光学結像素子３とを含む。

所定の水平幅ｂを有する仮想的な観察ウィンドウ４は、目５の近傍の目の位置ＰＥに位置している。また、仮想的な観察ウィンドウは、２つの独立したサブ観察ウィンドウ４１及び４２を含む、３Ｄシーンの再構成は、再構成ボリューム内で見られる。

図１と比較して、同じ３Ｄシーンの複素波面がここには結像されないが、３Ｄシーンのホログラムは、複素波面が、並んで配置されたそれら領域内に相互にインコヒーレントに照射されているかのように、複数（好ましくは２つ）の独立した領域又は観察ウィンドウ４におけるサブ観察ウィンドウ４１及び４２のために演算される。これは、当該波面の演算時にそれら領域を位相シフト、例えば、異なるオブジェクトの位相又はランダム位相を用いることにより達成できる。ランダム位相は、強烈な光又は観察ウィンドウ４全体における３Ｄシーンの情報を均一に分配できる。

図２を参照すると、演算された波面は、相互にインコヒーレントであり、光変調器１上のサブ観察ウィンドウ４１及び４２からの統合ホログラムに変換される。光変調器１上において、統合ホログラムとしてエンコードされる。レーザＬの支援を受けて光変調器１を照明することにより、統合ホログラムにおけるエンコードされた複素波面は、光学的再構成システム２０及び光学結像素子３により、観察ウィンドウ４における２つの独立したサブ観察ウィンドウ４１及び４２へ逆変換される。サブ観察ウィンドウ４１及び４２は、相互にインコヒーレントである。光学的再構成システム２０から光学結像素子３までの距離は、逆変換がスクリーン上で拡大されるような値が選択される。また、再構成６は、拡大された態様で投影される。逆変換は、観察ウィンドウ投影の原理に従って、スクリーンから瞳５１の近傍の観察ウィンドウ４にかけて減退される。図１に示すように、２つの重ね合わされた再構成６は、減少したスペックルパターンを有する一つの単一の再構成６として観察者に可視化され、サブ観察ウィンドウ４１及び４２における２つの逆変換された複素波面から生成される。フーリエ変換は、コンピュータプログラムで容易に実現され、光学的システムにより極めて正確に実現されうるため、好ましくは、この方法で使用される。従来のリフレッシュレートを有する光変調器には、この方法が使用されうる。そして、ホログラム演算処理は、好ましくは、この周波数でのみ実現されるべきである。

本発明に係わるスペックルパターンを減少する方法は、スペックル運搬（specle-carrying）の平均化に基づいており、統合された観察ウィンドウ内において、相互にインコヒーレントなサブ観察ウィンドウは、図４に示す透過型タイプのダイレクトビュー表示として使用される。これは、３次元シーンは、個々のオブジェクトポイントに分割されるべきであり、各オブジェクトポイントは、光変調器の光変調領域内でサブホログラムとしてエンコードされるべきであるためである。

光は、照明手段のマトリックス配置により照射される。照明手段における４つの光源Ｌ１０〜Ｌ１３が図示されており、照明手段は、光変調器１における再構成手段２０により直接方向付けられる。光変調領域は、光変調領域において選択されたオブジェクトポイントＯＰにおけるエンコードされたサブホログラムＳＯＰを含む。各照明手段Ｌ１０〜Ｌ１３は、十分にコヒーレントな光で照射するが、照明手段は、相互にインコヒーレントである。

再構成手段２０は、フォーカス機能を有するマトリックス配置のレンズ２１〜２ｎである。レンズは、例えば、２次元配置の形式の球状レンズ又は１次元配置の形式の水晶体の円筒形レンズで提供されうる。

図４においては、選択されたレンズピッチを有する水晶体が使用される。ここで、サブホログラムＳＯＰは、レンズのピッチ及びレンズのサイズと、光変調器１上のサブホログラムＳＯＰの位置を起因として、再構成手段２０のレンズの４つの隣接する領域に渡って広がっている。一つの光源手段Ｌ１０〜Ｌ１３は、サブホログラムＳＯＰ内の１つのサブホログラム領域ＳＯＰＳＯＰ１０〜ＳＯＰ１３をレンズを介して照明する。オブジェクトポイントＯＰを介して照明された各サブホログラム領域ＳＯＰ１０〜ＳＯＰ１３の投影は、図４に示されるように、サブ観察ウィンドウに対応する観察ウィンドウ４内に当該サブ観察ウィンドウ４１２及び４１０を生成する。

観察ウィンドウ４全体は、瞳５１よりも大きい。生成されたサブ観察ウィンドウ各々は、瞳より常に小さく、瞳は、スペックルパターンを平均化できるように、少なくとも２つのサブ観察ウィンドウを覆う必要がある。その結果として、目はここでスペックルパターンを有する３次元シーンについての２つの相互にインコヒーレントな再構成の重ね合わせを平均化する。

他のオブジェクトポイントＯＰｎは、横に向かう異った位置を有するが、オブジェクトポイントＯＰとしての深さは同じである。また、複数のインコヒーレントなサブ観察ウィンドウが、観察ウィンドウ４内に生成される。観察ウィンドウ４においては、それらの他の複数のインコヒーレントなサブ観察ウィンドウの位置が横方向に移動される。また、目は、それらオブジェクトポイントにおける複数のインコヒーレントな再構成の重ね合わせを感知する。目によって平均化される全てのオブジェクトポイントにおけるインコヒーレントな再構成を重ね合わせることにより、３次元シーン全体のスペックルパターンは、減少されるであろう。制御手段７は、３次元シーンの変調及び再構成を制御する。

使用されるレンズが十分に小さければ、本実施形態は、投影タイプ（projection-type）のディスプレイにおいても実現されうる。

再構成手段の個々のレンズ各々に対するサブホログラムの相対的な位置は、統合された観察ウィンドウにおける３次元シーンの再構成にとって重要である。サブホログラムが、例えば、２つのレンズに渡って広がっていれば、２つのインコヒーレントなサブ観察ウィンドウは、単一のオブジェクトポイントを再構成するために、統合された観察ウィンドウ内で横に向かったオフセットで生成されるであろう。回折の影響を起因として、これら２つのサブ観察ウィンドウは、完全に分離されず部分的に重ね合わされる。重ね合わせは、不利ではないが、スペックル減少にポジティブな影響を予想以上に持つ。

個々のレンズが小さくなれば、相互にインコヒーレントなサブ観察ウィンドウは小さくなる。レンズが、サブホログラム及び観察ウィンドウのサイズに比較してとても小さく、複数の相互にインコヒーレントなサブ観察ウィンドウが瞳の位置にあれば、好ましくは、目が複数の相互にインコヒーレントな再構成を平均化する可能性がある。これにより、スペックルパターンを減少する。

サブ観察ウィンドウのサイズに対するレンズサイズの割合は、光変調器の画素ピッチ、スクリーンと観察者との距離、光の波長、オブジェクトポイント自身の座標上の深さ等のいくつかのパラメータに応じる。これらパラメータに基づいて、状況−インコヒーレントなサブ観察ウィンドウが瞳より小さい−が３次元シーンにおける所定の深さの範囲に関して満たされるように、レンズサイズが選択されうる。

３次元シーンの個々のオブジェクトポイントは、分析的な演算処理が実行されるか、フーリエ変換及びフレネル変換を必要とする演算処理が実行されるかに拘わらず、個々の光変調領域内の光変調器上でエンコードされる。

図１及び図２を参照すると、観察者の目５における目の位置の情報は、典型的には、位置検出システム（不図示）により少なくとも２次元で検出され、制御手段により処理される。ここでは、詳細は省略する。この情報の支援としては、制御手段７は、照明を制御するとともに、光変調器１の動作を制御する。そして、再構成手段は、本実施形態に係わる方法を実現する。

結像又は変換を容易にするため、適切な補正手段の機能が制御手段により制御される。補正手段は、勿論、光学的な光路に提供されうる。

本発明に係わる方法は、主要な利点を有する。すなわち、生じているスペックルパターンの更なる減少を達成するために、複素波面が相互にインコヒーレントな領域を有する多数のサブ観察ウィンドウがあり、それに対応した３Ｄシーンの多数の再構成が、任意の追加要素を必要せずに自由に増加されうる。

３次元シーンの再構成においてスペックルを減少する独創的な方法は、コンポーネントが状況に応じて修正されれば、上述した通り、ホログラフィック投影ディスプレイ及びホログラフィックダイレクトビュー表示の両方において実現されうる。

１ 光変調器
１１、１２・・・１ｎ 光変調領域
２０ 光学的再構成システム
２１、２２、・・・２ｎ レンズシステムのレンズ群
３ 光学結像素子
４ 観察ウィンドウ
４１、４２・・・４ｎ サブ観察ウィンドウ
５ 観察者の目
５１ 瞳
６ 再構成
７ 制御手段
Ｌ、Ｌ１・・・Ｌｎ 照明手段
ｂ 観察ウィンドウの水平幅
ＯＰ オブジェクトポイント
ＰＥ 目の位置
ＳＯＰ オブジェクトポイントのサブホログラム
ＳＯＰ１・・・ＳＯＰｎ サブホログラム領域

Claims (13)

1. ホログラフィックディスプレイ装置において生成される３次元のホログラフィック再構成においてスペックルを減少する方法であって、前記ホログラフィックディスプレイ装置は、
   ３Ｄシーンがエンコードされ、十分にコヒーレントな光で照明されるコントローラブルな光変調器であって、再構成手段の支援を受けて目の位置近傍に、既定義の仮想的な観察者ウィンドウを生成する光変調器と、
   照明を制御して、前記仮想観察者ウィンドウ内に、独立し相互にインコヒーレントな配光を生成して、独立し相互にインコヒーレントな複数のサブ観察者ウィンドウを形成する照明制御手段、とを備え、
   前記方法は、
   同３Ｄシーンの複素波面により、前記観察者ウィンドウ（４）内に、独立し相互にインコヒーレントな前記複数の配光をともに生成せしめ、これにより、独立し相互にインコヒーレントな複数のサブ観察者ウィンドウ（４１・・・４ｎ）の区画が統合された前記観察者ウィンドウ（４）を、再構成対象となる同３Ｄシーンの全体について、形成するステップと、
   同３Ｄシーンの前記複数の再構成を、相互にインコヒーレントになるように、かつ、これら再構成が再構成空間内の同じ場所に重ね合わされるように、配するステップと、を具備することにより、
   同３Ｄシーンについての単一スペックルが減少された再構成（６）が前記目の位置（ＰＥ）で見られる
   ことを特徴とするスペックルを減少する方法。
2. 少なくとも２つの独立し相互にインコヒーレントなサブ観察者ウィンドウ（４１・・・４ｎ）が同３Ｄシーンのためにともに生成され、
   前記方法においては、
   少なくとも２つの独立した光変調領域（１１・・・１ｎ）において、同３Ｄシーンについての前記複素波面が直接エンコードされ、
   前記独立した光変調領域（１１・・・１ｎ）が、照明手段（Ｌ１・・・Ｌｎ）により相互にインコヒーレントな方式で照明され、
   相互にインコヒーレントな方式で照明される前記光変調領域（１１・・・１ｎ）が、再構成手段（２１・・・２ｎ，３）により、相互に隣接して位置付けられ前記少なくとも２つの 独立し相互にインコヒーレントなサブ観察者ウィンドウ（４１・・・４ｎ）に結像される
   ことを特徴とする請求項１記載のスペックルを減少する方法。
3. 少なくとも２つの独立し相互にインコヒーレントなサブ観察者ウィンドウ（４１・・・４ｎ）が同３Ｄシーンのためにともに生成され、
   前記方法においては、
   同３Ｄシーンに対応する前記複素波面が、少なくとも２つのサブ観察者ウィンドウ（４１・・・４ｎ）のための前記観察者ウィンドウ（４）内におけるインコヒーレントな照明と同等になるように演算されるとともに、前記インコヒーレントに演算された波面が、前記光変調器（１）上で変換され、結合したホログラムとしてエンコードされ、
   照明手段（Ｌ）は、
   十分にコヒーレントな光を用いて前記光変調器（１）を照明し、
   前記再構成手段（２０、３）は、
   前記ホログラムを、相互にインコヒーレントであり同サイズを有して相互に隣接して位置付けられる、少なくとも２つのサブ観察者ウィンドウ（４１・・・４ｎ）に逆変換する
   ことを特徴とする請求項１記載のスペックルを減少する方法。
4. 前記波面は、
   前記少なくとも２つのサブ観察者ウィンドウ（４１・・・４ｎ）内において、異なるオブジェクト位相を用いてインコヒーレントに演算される
   ことを特徴とする請求項３記載のスペックルを減少する方法。
5. 前記再構成手段は、
   スクリーンとして機能する光学結像素子（３）を含む
   ことを特徴とする請求項２記載のスペックルを減少する方法。
6. 前記スクリーンは、反射タイプであり、
   前記複素波面の前記配光は、
   全ての再構成が前記観察者ウィンドウ（４）の前面にある再構成空間内で生成され、前記スクリーンの前面及び背面の両方で可視化されるように、前記スクリーンの前面で前記観察者ウィンドウ（４）に変換される、
   又は、前記スクリーンは、透過型タイプであり、
   前記複素波面の前記配光は、
   全ての再構成が前記観察者ウィンドウ（４）の前面にある再構成空間内で生成され、前記スクリーンの前面及び背面の両方で可視化されるように、光の伝播方向に見られる前記スクリーンの背面で前記観察者ウィンドウ（４）に変換される
   ことを特徴とする請求項５記載のスペックルを減少する方法。
7. 請求項２に記載の方法に関するスペックルを減少するホログラフィックディスプレイ装置であって、
   十分にコヒーレントな光を照射するが相互にインコヒーレントである少なくとも２つの照明手段（Ｌ１・・・Ｌｎ）であって、少なくとも２つの独立した光変調領域（１１・・・１ｎ）を照明する照明手段（Ｌ１・・・Ｌｎ）と、
   光変調器（１）形式のエンコーディング手段であって、当該光変調器（１）上の独立した領域内において、同３Ｄシーンが複素波面の形式で数回エンコードされる、エンコーディング手段と、
   前記独立した光変調領域（１１・・・１ｎ）を、観察空間の観察者ウィンドウ（４）内の３Ｄシーンについての前記複素波面各々の相互にインコヒーレントな配光を用いて、独立し相互にインコヒーレントであり、相互に隣接して位置付けられる少なくとも２つのサブ観察者ウィンドウ（４１・・・４ｎ）に結像させる再構成手段（２１・・・２ｎ、３）であって、同３Ｄシーン全体を再構成するために、独立し相互にインコヒーレントな区画の前記サブ観察者ウィンドウ（４１・・・４ｎ）の統合を前記観察者ウインドウ（４）として形成する、前記再構成手段（２１・・・２ｎ、３）と、
   前記照明手段（Ｌ１・・・Ｌｎ）、前記エンコーディング手段、前記再構成手段（２１・・・２ｎ、３）を制御する制御手段（７）とを具え、
   前記照明手段（Ｌ１・・・Ｌｎ）、前記エンコーディング手段、前記再構成手段（２１・・・２ｎ、３）は、順次、光の伝播方向に設けられている、ホログラフィックディスプレイ装置。
8. 前記再構成手段は、
   複数ピースのレンズシステム（２１・・・２ｎ）を含み、
   前記レンズシステム（２１・・・２ｎ）の各レンズは、光変調領域（１１・・・１ｎ）の１次元結像用のレンズ状の水晶体であるか、
   又は、前記複数の光変調領域（１１・・・１ｎ）の前記２次元結像用のマトリックスレンズアレイとして形成される複数ピースのレンズシステム（２１・・・２ｎ）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ディスプレイ装置。
9. 前記独立し相互にインコヒーレントなサブ観察者ウィンドウ（４１・・・４ｎ）は、
   １次元で相互に隣接して水平に配置されるとともに、全体的に横に向かって広がりを有しており、一つの目（５）を対象とした前記観察者ウィンドウ（４）の所定の前記水平な幅（ｂ）を少なくとも有するか、
   又は、１次元で相互に隣接して垂直に配置されるとともに、全体的に垂直な広がりを有しており、一つの目（５）を対象とした前記観察者ウィンドウ（４）の所定の前記垂直な高さを少なくとも有する
   ことを特徴とする請求項７記載のホログラフィックディスプレイ装置。
10. 前記独立し相互にインコヒーレントなサブ観察者ウィンドウ（４１・・・４ｎ）は、
    前記観察者ウィンドウ（４）内に２次元で配置されている
    ことを特徴とする請求項７記載のホログラフィックディスプレイ装置。
11. 前記サブ観察者ウィンドウ（４１・・・４ｎ）の前記全体的な水平及び垂直な広がりは、前記目（５）の瞳（５１）の直径により決められる
    ことを特徴とする請求項９記載のホログラフィックディスプレイ装置。
12. 単一のサブ観察者ウィンドウ（４１・・・４ｎ）は、瞳（５１）よりも常に小さい
    ことを特徴とする請求項７記載のホログラフィックディスプレイ装置。
13. 前記光学的コンポーネントは、
    ダイレクトビュー表示又は投影表示のいずれかに適用される
    ことを特徴とする請求項７記載のホログラフィックディスプレイ装置。

Images