JP2011501217A - 画像可視化方法及びその方法を実施する装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、情報工学に関するものであり、三次元画像を可視化するために用いられる。本発明は、三次元カラー画像を表示するための、電気的に制御される位相三次元回折格子とその上のスクリーンとを開発することを可能とする。本発明の方法は、光ビームによりピクセル配列ユニットを照射し、この配列は、互いに平行に配置され、配列には側面から照射され、その方向から画像を目視でき、さらに、全ての配列において、ピクセルの変更可能な光特性として反射率が用いられている。装置は、電気光学効果を生じる層と、前記効果を生じない透明材料の層とを交互に配置した多層構造の形状を有するスクリーンを含んでいる。電気光学効果を生じる全ての層は、互いに電気的に遮蔽されており、各々の層は、電気的に制御されるピクセル要素の配列形状に構成されている。

Description

本発明は、情報技術に関し、特に、ビデオ情報を画像化する方法及び装置に関し、三次元画像を可視化するためのものである。

動的に変化する立体（三次元）画像を可視化するための従来技術による方法及び装置は、立体効果を多様に変化させることに基づいている（例えば、特許文献１及び特許文献２を参照のこと）。

これらの及びこれらと同様の方法及び方法の実施装置の主な欠点は、見づらさと、三次元画像の伝送において顕著な歪みを生じることである。

また、従来技術として、三次元位相ホログラムを記録する方法及び方法の実施装置が知られている（特許文献３を参照のこと）。

これらの及びこれらと同様の方法及び方法の実施装置の主な欠点は、動的に変化する画像の可視化に適していないという点にある。

技術的思想に関して、本願方法に近い従来技術としては、広帯域光放射ビームを、電気的に制御される素子（ピクセル）からなるマトリックスに向けて放射し、同時に、目視される画像のピクセルの現在の光学的特性に所望の変化を生じさせるように計算された電圧分布をピクセルに与えることにより、画像を可視化する方法がある（例えば、特許文献４を参照のこと）。本方法は、電気的に制御される二次元マトリックスにより生成された画像を外部スクリーンに投影することを含んでいる。

技術的思想の観点からは、本願方法を実施するための本願装置に近い従来技術としては、光学的エネルギー範囲にある電磁放射に対して透過な材料で作成した多層素子である、画像を可視化するスクリーンがある（特許文献５を参照のこと）。

本装置に最も近い従来技術の装置としては、陰極線管スクリーンがあるが、これは、その後、大型外部スクリーンに情報を表示するために用いられる。

本発明に最も近い従来技術による方法及び装置の技術的解決策の主たる欠点は、これらは三次元画像の可視化に適していないという点にある。

Ｖ．Ａ．Ｅｚｈｏｖ他、ロシア特許番号２，３０６，６７８ Ｃ１ 優先日２００６年２月７日 Ｖ．Ｓ．Ｐｅｔｒｏｖ他、ロシア特許番号２，１８９，６１９ Ｃ１ 優先日２００１年１月１０日 Ｖ．Ｉ．Ｓｕｋｈａｎｏｖ他、ロシア特許番号２，１６８，７０７ Ｃ２ 優先日１９９７年９月１９日 Ｅ．Ｓ．Ｄｕｎｙａｓｈｅｖ他 ロシア特許番号２，２５６，２０６ Ｃ１ 優先日２００４年８月９日 Ｖ．Ｉ．Ｋｏｚｌｏｖｓｋｙ及びＡ．Ａ．Ｋｏｌｃｈｉｎ ロシア特許番号２，０６４，２０６ Ｃ１ 優先日１９９１年１２月２６日

本発明の技術的成果は、合成した三次元ホログラムを生成することにより、静的及び動的な三次元カラー画像を可視化できるようにすることにある。

また、本発明を用いて、電気的に制御される三次元位相回折格子（合成ホログラム）を生成し、これらに基づき、視聴者の集団が三次元ビデオ映像を視聴するスクリーン、移動機器のスクリーン、自動車や航空機のフロントガラス上に形成されたスクリーンを含む固定ディスプレーにより、静的画像及び動的に変化する画像の両者の三次元カラー画像の可視化が可能となる。

本願目的を達成し、所望の技術的成果を生み出すために、電気的に制御される素子（ピクセル）からなるマトリックスに向けて広帯域光放射ビームを投影し、該ピクセルに電圧を与え、目視される画像のピクセルの現在の光学的特性に所望の変化を生じさせるようにマトリックス上での電圧分布を計算して求めるという従来技術による画像可視化方法を用い、本発明では、光放射ビームを、ピクセルからなるマトリックスの複数層に同時に投影する。ここで、複数のマトリックスは、互いに平行に配置されており、複数のマトリックスには、画像が目視される側に同じくビームを照射し、全てのマトリックスのピクセルに応じて変化する光学的特性として、屈折率を用いる。

また、本願目的を達成し、所望の技術的成果を生み出すために、光学的エネルギー範囲にある電磁放射に対して透過性材料で作成した多層構造となっているスクリーンを含む画像可視化のための従来技術による装置は、本願発明では、電気光学効果を示す材料層と、電気光学効果を示さない透過性材料層とを交互に配置したものを含む多層構造を有しており、電気光学効果を示す全ての層は、電気的に互いに絶縁され、これらの層の各々は、電気的に制御される素子すなわちピクセルからなるマトリックスとしてなされている。

本願方法を実施するいくつかの実施例は、本発明の枠組みの中で、特許請求されている。

第一の実施例において、与えられる電圧は、ピクセル内の屈折率を変化させるように計算され、この電圧は、存在するピクセルの数と位置に応じて離散化された対向するビーム中で、画像のホログラムの干渉画像に対応したものとなっている。

第二の実施例は、１２８ナノメートルの長さを越えない寸法の側幅を有するピクセルを用い、少なくとも２マイクロメートルの全厚を有し、２５６ナノメートルを超えない間隔で配置された多層のマトリックスを併せて用いる。

また、本願画像可視化装置の実施例（例）も、本発明の枠組みの中で、特許請求されている。

装置の第一の実施例において、多層構造は、少なくとも２マイクロメートルの厚さを有し、また、１２８ナノメートルを越えない寸法の側部を有するピクセルを有し、電気光学効果を示す材料層は、２５６ナノメートルを超えない間隔の多層構造で配置されている。

第二の実施例において、本装置には、さらに、少なくとも一つの広帯域光放射源が、その外側のスクリーンに向けられて設けられている。

第三の実施例において、電気光学効果を示す全ての材料層は、規則正しいパタンで、すなわち、層間が一定間隔となっている多層構造で配置されており、ピクセルの側部は、層間の間隔の半分に等しい寸法を有している。

他の実施例において、電気光学効果を示す全ての材料層は、層間が５０から７５ナノメートルの間隔となっている多層構造内に配置されている。

また、本発明は、電気光学効果を示す各材料層の厚さが、ピクセルの側部の寸法に等しいものとなるような変形例を含んでいる。

さらに、本発明は、電気光学効果を示す材料層の厚さが、４から１５マイクロメートルとなるような別の変形例を含んでいる。

本願発明の思想は、下記の通りである。

本願目的を達成するために、発明者は、動的に制御された三次元位相ホログラムを合成する方法と、該方法の実施装置を実際に開発した。

図１は、本願発明郡を説明する図であって、画像可視化するための本願装置を概略的に示している。

図１は、電気光学効果を示す材料の層２と、光放射に対して透過性の材料で作成され、電気光学効果を示さない層３とを交互に含むスクリーン１を示すものであり、電気光学効果を示す層は互いに電気的に絶縁され、これらの層の各々は、電気的に制御される素子すなわちピクセル４からなるマトリックスとして作成されている。また、本図は、（目視者に向いている）スクリーン１の外側のスクリーンに向けられた広帯域光放射源５と、スクリーンに機械的に接続された構成要素６とを含んでいる。本願発明の思想を説明するために、本図は、結像可能な（目視可能な）点光源７（実際には、任意の複雑な三次元画像の要素）と、広帯域放射源５からの直接放射に対して、機械的に接続する構成要素６により保護された目視者の眼８とを示している。

本方法を実施するために開発された装置は、以下のように動作する。光源５（白色光源）からの広帯域放射が、層２及び層３を交互に含むスクリーン１に向けられる。本願方法に従って動的に変化する合成されたホログラムを生成するために用いられる材料は、好ましくは、電気的に制御される素子からなるマトリックスを作成するために用いることができる任意の材料であり、その屈折率が、電気的に制御される光学的パラメータ（可変な光学的特性）となっている。従って、特有の電気光学効果を示す材料としては、本願装置においては、この種の既知の材料の中でも、特に、ガリウム砒素及びニオブ酸リチウムを用いることができる。

その結果、本発明に従って作成した装置のスクリーン１は、電気的に制御される位相素子４の三次元マトリックスとなる。

このマトリックスが、広帯域光放射源１（白色光源）により照射されると、光放射は、ピクセル４からなる三次元干渉位相格子上での回折により、その一部が反射される。装置から反射された放射光は、人の眼８に入り、目視者に対して、例えば点光源７の画像を形成する。特定の種類の画像は、三次元ピクセルからなるマトリックスに与えられる制御電圧分布に依存する。

周知の事実として、通常の三次元ホログラムは、２つの対向するコヒーレント波、すなわち、いわゆる参照波とホログラムに記録しようとする物体からの波とにより、干渉画像を写真記録して生成される。得られた干渉画像の空間周波数は、波面の収束角と、用いた放射源の波長とによって測定するが、その周波数の最大値は、放射源の波長の半分に等しいものとなる。

記録が正しくなされた場合には、反射パタンとして得られた三次元画像を用いて、元の物体の画像を再構成することができ、この場合、得られた三次元干渉画像の分光選択性により、広帯域光放射源（白色光源）は、再構成波として用いることができる。

本願技術的解決策は、対向するビームで合成される三次元ホログラムに似た三次元位相干渉格子の可能性を検討するために行った研究の結果得られたものである。古典的なホログラフィ手法（コヒーレントビーム又は光ビームを物体に照射し、反射したビームにより得られた干渉画像を用いる手法）により干渉画像を記録した際の、実際の干渉画像の分布は、合成しようとする三次元干渉格子に関する初期情報として用いることができる。また、計算で求めた干渉画像分布も、合成しようとする三次元干渉格子に関する初期情報として用いることができる。上記の最後の場合、物体の各点は、その点からの放射と、合成されたホログラムを照らすために用いようとするビームの前面に対応した波面を有するコヒーレント照射ビームとの間で相互作用が発生した際に生じる、仮定した干渉画像分布の形式により、一対一で表すことができることが周知の事実となっている。実施には、物体の各点の回復しようとする画像は、放射点源と基準波との間の三次元干渉画像（三次元フレネルゾーン画像）である対応する三次元画像により、一対一で表すことができる。

なお、本発明の思想を説明するために、合成しようとする干渉画像に関する初期情報を求めることができる方法に関する記述を、ここで付記することとするが、その内容は、発明の主題でもなければ、期待される技術的結果を達成するために必須なものでもない。同様に、画像を形成するためにピクセルに与える電圧分布に関する情報を求める方法は、従来技術の方法及び装置においては、ビデオ画像を投影するために必須なものはない。

期待される技術的効果を達成するためには、対向ビームによる三次元ホログラムと物理的な設計に関して類似である、動的に制御された三次元位相構造を合成できることが重要である。

発明者は、電気的に制御される素子からなるマトリックスの多層として得られるようなホログラムの実現可能性を探究してきた。その結果、発明者は、著名なサンプリング理論（コテルニコフの理論）を、発明者が独自の類推により空間領域に適用すれば、合成の理論的原理として用いることができることを発見した。周知の事実として、サンプリング理論によれば、時間信号を離散化するためには、離散化する信号のスペクトル成分の中の最高周波数の少なくとも２倍の周波数でサンプリング（離散化）することが必要となる。達成しようとする目的に関して、発明者は、干渉画像の三次元表示は、最大離散化周波数の規則にも依存するという仮説を、理論的に裏付け、さらに後に実験的に確かめた。この規則が成立することを確かめるために、無限に複雑な任意の三次元干渉画像は、３つの座標軸、すなわち、長さの単位の逆数の単位で測定した空間周波数と呼ばれるものを変数として用いる三次元フーリエ表現の形式により、三角波状に変化する独立した空間格子を重ね合わせて得られるものと見なす。

簡潔に言うと、この規則は以下のように定式化することができる。三次元画像の離散化を成功させるためには、各空間座標軸に対して、各座標軸に画像を投影する際に、離散化しようとする干渉画像の最大空間周波数の２倍よりも高い空間周波数による空間離散化処理を用いる必要がある。

発明者が行った数学的モデル化により分かったことは、可視波長範囲（人の眼に見える光の波長範囲）での画像可視化の処理に関して、電気的に制御されるマトリックス構造については、層間の間隔が２５６ナノメートルを超えないように、また、各マトリックスのピクセルの寸法が１２８ナノメートルを超えないようにして形成する必要があることである。実験的研究の結果によれば、分光選択性効果を維持するために、合成する三次元位相画像の全厚さは、少なくとも２マイクロメートルであることがわかった。

この構造に対して広帯域光放射ビームを照射し、計算又は記録されたホログラムの所望の離散化画像に対応した電圧分布を与えると、照射側にいる目視者は、ピクセルの電圧分布の変化の速度と特徴に応じて、動的に変化する復元された画像を見ることができる。

画像を復元するために、ランダムなものではなく、指定した光放射源を用いると、合成されたホログラムにより復元された画像の品質を改善することができる。本装置の他の実施例において、装置には、さらに、スクリーンの外側（目視者に面した側）に、特定の広帯域放射源を設けられている。当然のことながら、この放射源は、スクリーンの（目視される側）の開口の境界を越えて設けられ、スクリーンとは関係ないように設計され、放射源からの直接放射が目視者の目からは見えないようになっている。さらに、設けられた任意の放射源は、数学的モデル化を可能とするような、特定の放射波面を有している。

この特定の実施例においては、実際には、点源が、コヒーレント光源として白色光源を復元する位置に設けられ、同一の放射波面特性を有しており、その点源の干渉結果を記録した離散化された画像に対応した屈折率分布を有する、復元しようとする画像は、点放射源の画像（実際には、任意の複雑な画像の要素）を可視化するために、（適切な電圧分布を与えることにより）電気光学効果を示す材料層に形成されるものとなる。

（層間の間隔及びピクセル寸法の）均一化と、さらに離散化の減少とにより、合成するホログラムの品質を向上する可能性を研究した結果、本方法を実行する際には、装置の実施例に対して、多層構造において電気的に制御される素子からなるマトリックスが、規則正しいパタンで配置されていること、すなわち、層間の間隔が一定であり、ピクセルの側部の寸法が層間の間隔の半分であることが好ましいことが分かった。形成される画像の品質特性と、全体のスクリーン開口内で観察される光放射スペクトルの全範囲内において合成された三次元画像を形成するために必要な微細加工に対する要求との間で維持すべき経済的に有効なバランスを可能とする好適な離散化の寸法は、電気的に制御される素子からなるマトリックス間で５０から７５ナノメートルの間隔であることが、実験的に（数学的モデル化により）確立された。また、形成される画像の最高の品質特性は、全ての座標軸において規則的な離散化により、すなわち、電気光学効果を示す各材料層の厚さを、ピクセル側部の寸法と等しくすることにより達成されることが分かった。

復元される画像の品質と、形成される層の数との間の関係に関して、さらに研究を行った結果、形成される画像の品質特性と、微細加工に対する要求との間の経済的に有効なバランスをもたらす、電気光学効果を示す層の好適な全厚さは、４から１５マイクロメートルの範囲内にあることが分かった。

従って、画像可視化のための本願方法と、その方法を実施する本願装置は、使い方の組合せに依存し、期待される技術的結果を達成する一助となる。

１ スクリーン
２ 電気光学効果を示す層
３ 電気光学効果を示さない層３とを交互に含むスクリーンを示すものであり、電気光 ４ ピクセル

Claims (10)

1. 電気的に制御される素子すなわちピクセルからなるマトリックスに広帯域光放射ビームを投影し、該ピクセルに電圧を与え、画像のピクセルの現在の光学的特性に所望の変化を生じさせるようにマトリックス上での電圧分布を計算して求めるステップと、画像を目視するステップとを含む画像可視化方法であって、光放射ビームは、互いに平行に配置されたピクセルからなるマトリックスの複数層に同時に投影され、マトリックスには、画像が目視される側にビームが照射され、全てのマトリックスのピクセルの変化する光学的特性として屈折率が用いられることを特徴とする画像可視化方法。
2. 請求項１記載の方法において、与えられる電圧は、存在するピクセルの数と位置に応じて離散化された対向するビーム中で、画像のホログラムの干渉画像に対応し、ピクセル内の屈折率を変化させるように計算されることを特徴とする画像可視化方法。
3. 請求項１記載の方法において、用いられるピクセルは、１２８ナノメートルの長さを越えない寸法の側幅を有し、少なくとも２マイクロメートルの全厚を有し、２５６ナノメートルを超えない間隔を有していることを特徴とする画像可視化方法。
4. 光学的エネルギー範囲にある電磁放射に対して透過な材料で作成した多層構造となっているスクリーンを有する画像可視化装置であって、
   多層構造は、電気光学効果を示す材料層と、電気光学効果を示さない透過材料層とを交互に配置した層を含み、
   電気光学効果を示す全ての層は、電気的に互いに絶縁され、
   これらの層の各々は、電気的に制御される素子すなわちピクセルからなるマトリックス状になっていることを特徴とする画像可視化装置。
5. 請求項４記載の装置において、多層構造は、少なくとも２マイクロメートルの厚さを有し、ピクセルの側部の寸法は、１２８ナノメートルを越えず、電気光学効果を示す材料層は、２５６ナノメートルを超えない間隔の多層構造で配置されていることを特徴とする画像可視化装置。
6. 請求項４記載の装置には、さらに、少なくとも一つの広帯域光放射源が、スクリーンに向けて、スクリーンの外側に設けられていることを特徴とする画像可視化装置。
7. 請求項４記載の装置において、電気光学効果を示す全ての材料層は、規則正しいパタンで、すなわち、層間が一定間隔となっている多層構造で配置されており、ピクセルの側部の寸法は、層間の間隔の半分に等しいことを特徴とする画像可視化装置。
8. 請求項４記載の装置において、電気光学効果を示す全ての材料層は、層間が５０から７５ナノメートルの間隔となっている多層構造内に配置されていることを特徴とする画像可視化装置。
9. 請求項４記載の装置において、電気光学効果を示す各材料層の厚さが、ピクセルの側部の寸法に等しいことを特徴とする画像可視化装置。
10. 請求項４記載の装置において、電気光学効果を示す材料層の厚さが、４から１５マイクロメートルの範囲内にあることを特徴とする画像可視化装置。

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