JP5308437B2 - 再構成の追跡を備えるホログラフィック再構成システム - Google Patents

Description

本願発明は、観測者の少なくとも一つの目に伝搬する伝搬変調光波領域が三次元的にシーンを再構成し、これにより当該目に対してシーンを可視化するホログラフィック再構成システムに関する。システムは、少なくとも一人の観測者の目の位置にホログラフィック再構成の伝搬変調光波領域を導き、観察者が自身の目の位置を変えた場合において当該伝搬変調光波領域を目の位置へ追跡させるために、空間光変調手段とアイファインダとポジション制御装置とを含む。本願発明は、特に目の位置の軸方向距離を再構成システムに適合させるための手段に関する。

発明は、ホログラフィックの提供方法からは独立しており、複数の観察者にホログラフ的に再構成されたビデオシーンを同時に見せる再構成システムにおいても用いられることができる。

出願者は、すでに観察者の少なくとも一つの目において、波追跡手段により導かれる伝搬変調光波領域を用いた三次元的にシーンを再構成する多数のホログラフィック再構成システムを発表している。

本明細書では、観察者の片目に対しシーンを可視化して再構成する光波領域の例を有する再構成システムの機能原則を述べる。システムは、他の目に対し、視差の異なるホログラフィック情報を有する第二の波領域を空間分割もしくは時分割の多重化処理により生成する。しかしながら、システムは通常、十分に大きな可視領域を有する波領域を提供することもできる。システムは、空間分割もしくは時分割の多重化処理により、複数の観察者に対する波領域を生成し、直接分割することもできる。

空間光変調手段がビデオホログラムを生成する再構成システムのための基本原理が、本願発明に求められる。図１は、別個の変調用セルを有する光変調手段を用いた再構成システムの一般的な技術的問題を示している。この例において、光変調手段は単一の光変調器ＳＬＭであり、光がそれを通過すると、透過グリッドモードにおいて、或いは、制御可能な、空間的に配置されたマイクロリフレクタとして、ホログラフィック情報との干渉を生じさせることのできる光波領域ＬＷを変調する。光変調器ＳＬＭは、動的にシーンのホログラフィック情報でエンコードされる。いずれにしても変調波領域が生成され、当該変調波領域は合焦レンズＬによるフーリエ変換の後に、シーンのオブジェクト光点を焦点面ＦＬの前面の空間に再構成する。合焦レンズＬは、ビデオホログラムの全領域によって放出された光が、方法は限定せずとも、確実に可視領域を通過するようにする。

感光板や写真用フィルムを有する従来のホログラフィにおいて、図１にて示されている光変調器ＳＬＭは、従来のビデオホログラムのために、各変調用セルにおいてシーンの完全なホログラフィック情報も含む。ビデオホログラムの分割後、各ホログラム領域は、観察者の角度（見ることのできるオブジェクトが減少する角度範囲内のみ）に応じて、自力で完全なシーンをホログラフ的に再構成できる。

しかしながら、既知のシステムが、例えば、液晶ディスプレイのような画素化された変調用セル構造を有する二次元空間光変調器の変調平面全体で、各オブジェクト光点についてホログラフィック情報をエンコードする場合、問題が生ずる。所望の各再構成オブジェクト光点に加えて、空間周波数スペクトルにある付加的な寄生光点が、必然的に更なる回折次数にて生ずる。図１は、非常に単純化された様式にて、システムによって用いられる回折次数の選択されたオブジェクト光点ＯＰ０を示し、加えて、回折次数＋１と−１における寄生光点ＯＰ＋１とＯＰ−１とを示している。本願発明の文脈においては、あまり重要でない更なる寄生光点が、更なる回折次数にて起こる。再構成の位置において、オブジェクト光点は回折間隔で、全ての寄生光点と並んで位置する。再構成後、光波円錐は、各光点から焦点面へ周期的距離にて伝搬し、それらの開口角は変調用セルを照射する光の波長やセル構造における変調用セル間の距離によって定義される。

全ての再構成光点ＯＰ＋１、ＯＰ０、およびＯＰ−１の光波円錐は、再構成のために用いられる回折次数により焦点面ＦＬにて定義される可視領域ＶＲにおいて、隣接した寄生光点ＯＰ＋１とＯＰ−１の光波円錐からの光もまた、これらの光点が可視化して現れるように、広角度に伝搬する。この障害は、フィルタリングの方法によっては補正することができない。

そのようなホログラフィック再構成システムは、特許文献１（タイトル“ビデオホログラム、及びビデオホログラム再構成のための装置”）において、この発明の出願者によって述べられている。図２は、当該文献から把握できる、この障害を克服するための可能性の有る手法を示している。

可視領域において、より高い回折次数の光波を避けるため、再構成システムによって別々に再構成された、シーンの小さなオブジェクトエレメント（好ましくは、別個のオブジェクト光点）は、光変調手段をエンコードするために用いられる。例えば、コンピュータを用いたホログラムプロセッサ手段（不図示）は、可視領域ＶＲの前面の空間位置と可視領域ＶＲのサイズとに対応するホログラム領域Ｈ０へ、各オブジェクト光点に対する光変調器ＳＬＭの符号化面を帰属させる。その結果として、利用回折次数のオブジェクト光点からの光のみが可視領域ＶＲに入力される。従って、可視領域は、一つの回折次数のみにおいて存在する。ビデオホログラムを少なくとも片眼で見て、シーンを観察する観察者は、この例においては、寄生光点ＯＰ＋１から放射された光波を観察できない。

システムコントローラのホログラムプロセッサ（不図示）は、空間におけるオブジェクト光点ＯＰ０の軸方向位置に応じて、各ホログラム領域の表面領域を計算する。これは、オブジェクト光点ＯＰ０から光変調器ＳＬＭまでの軸方向距離ｄ１と、焦点面から光変調器ＳＬＭまでの距離ｄ２との両方が、ホログラム領域Ｈ０の平面領域を規定することを意味する。再構成されたオブジェクト光点ＯＰ０の、光変調器ＳＬＭの光軸からの方向偏差は、光変調器ＳＬＭの表面におけるホログラム領域Ｈ０の位置を定義する。換言すると、各ホログラム領域Ｈ０のサイズや位置は、可視領域ＶＲから光変調器の変調面への各点を介した接続平面によって定義される。

このエンコードの方法は、特許文献２（タイトル“三次元シーンのホログラフィック再構成のためのデバイス”）によっても開示されている。

図３は、利用回折次数における再構成されたオブジェクト光点によって放出されたこれらの光波のみを、三次元シーン３ＤＳについて図式的に示している。この例は、シーンセクションの選択されたわずかなオブジェクト光点ＯＰ１・・・ＯＰ４を示すのみである。ホログラムプロセッサＨＰは、各個別のオブジェクト光点ＯＰ１・・・ＯＰ４につき、光変調器ＳＬＭの多数の隣接した変調用セルにおいて個別のホログラム領域Ｈ１…Ｈ４をエンコードする。光波が、焦点面ＦＬにおける利用回折次数から逸脱することなく可視領域ＶＲへ伝搬するように、各ホログラム領域は、合焦レンズＬと併せて、ＳＬＭと焦点面ＦＬとの間の空間にそのオブジェクト光点ＯＰを再構成する調整レンズを形成する。これにより、可視領域ＶＲにおいて、他の回折次数の寄生光点が認識されるのを妨げる。ホログラムプロセッサＨＰは常に、個別のオブジェクト光点のホログラフィック情報を、変調面の限定的なホログラム領域Ｈのみに割り当てる。アイファインダを用いてシステムコントローラにより提供される現在の目の位置のデータを考慮して、ホログラムプロセッサは各ホログラム領域の位置とサイズを計算する。

２つの先行技術の再構成システムは、再構成が、焦点平面ＦＬにある可視領域ＶＲからのみエラーなく可視であるという不利点を有する。そこでのみ、再構成されたオブジェクト光点の全ての光波が一致し、シーンの再構成を全体として示す光波場を形成する。可視領域は、仮想的な性質を有し、従って、なんの補助もなしでは観察者が検知するのは困難である。再構成システムは、隣接した回折次数を抑えるための空間周波数フィルタを有していないため、寄生光点からの光は、照合面ＦＬを超えて瞳孔へ伝搬する。この点については、再構成されたオブジェクト光点ＯＰ０の例を用いて、図５ａに示す。もし、図示するような可視領域ＶＲ２に観察者の目が位置している場合、寄生光点ＯＰ＋１からの光もまた瞳孔へ伝搬するので、これにより光点ＯＰ＋１は妨害点として見えることになる。

さらに、あるマグニチュードで開始すると、目の位置から焦点面ＦＬへのいずれかの方向における距離によっては、特定のホログラム領域によって放射される光波（特に、光変調器ＳＬＭのマージンにあるもの）が、観察者の目の瞳孔に伝搬しなくなり、これらのオブジェクト光点が目の位置にて見えなくなる。この不利点は、図６ａにて示されている。図示した可視領域ＶＲ２に位置する観察者の目は、再構成されたシーンのオブジェクト光点ＯＰ３を、その光波が瞳に届かないために観察することができない。この事実により、再構成され可視領域ＶＲを有する伝搬光波場を、現在の目の位置に方向づけすると共に、観察者が頭を動かした場合にはそれに追跡させることが要求される。

そのゆえに、先行技術のホログラフィック再構成システムは、アイファインダと対応する追跡手段とを有する。観察者が動いた場合には、追跡システムは、例えば、アクティブな光源位置を変化させることによって、対応する変調光波場を変化した現在の目の位置に追跡させる。単語“現在の目の位置”とは、少なくとも１つの観察者眼に対して方向づけされた変調光波場の端部に位置する目の位置をいうものとして理解されるべきであり、当該観察者眼のために現在エンコードされているビデオホログラムにより光波場は変調される。例：ホログラフィック再構成システムは、観察者の各眼に対し、時分割の多重化プロセスにおいて別々に変調された光波場を提供する。もし、システムコントローラが、二人の観察者が再構成を観察するとの情報を受けた際には、次々に、異なる４つの目の位置に対して、右と左の目に対するホログラフィックコンテンツが異なる、これらの変調光波場を提供しなければならない。ビデオホログラムシーケンスが右の目に対し単一のホログラムを提供する際、追跡システムは、単一のホログラムを有する変調光波場を第一の観察者の右目に対してのみ導き、続いて、第二の観察者の右目に対して導く。その後、左目に対する単一のホログラムがエンコードされ、二つの残った目の位置がアドレス指定される。

そのような追跡手段は、比較的複雑であって、シーンの再構成に先立って、変調光波場を大幅に変形させる光学エレメントが提供される。光学的追跡手段は、現在の目の位置に応じて、構成要素の光軸とは大幅に異なることができる入射の斜角で変調光波場を追跡する。その結果、変動要素を有する収差とランタイムエラーが起こる。

これらは、伝搬光波場の位置に依存した変形を引き起こし、再構成に先立って、補正されなければならない。観察者の目の位置の変化は、それらの変動要素に起因して補正を困難とする収差（球面収差、コマ収差、フィールド湾曲、非点収差、及びゆがみ収差など）を引き起こす。これらの変形により、可視領域における光波の一致が妨げられ、シーンの個々の再構成オブジェクト光点が誤った位置や不鮮明な状態で再構成されるため、シーンは歪んで描写されることになり、極端な場合、可視領域におけるシーンの個々のオブジェクトが欠落してしまうことさえある。

光変調器ＳＬＭをエンコードする際に、計算負荷を大幅に削減する目的を有する他のホログラフィック再構成システムは、特許文献３（タイトル“三次元表示のための計算時間の削減”）にて知られている。

上述のシステムと比較すると、そのシステムは、超高解像度の光変調器ＳＬＭを使用し、限定数の変調用セルを利用して、現在のホログラムを眼位置に特化した可変の光変調領域に常にエンコードする。アイファインダは、目の位置と観察者が現在観察しているシーンの詳細の両方をシステムの制御手段のために判定する。制御手段は、従って、現在のビデオホログラムのデータにおいて、この観察される詳細の再構成に貢献する変調用セルを定義し、ディスプレイスクリーンに対する観察者の目の観察方向に応じて、光変調領域に対するコード値を計算する。計算負荷を削減するために、システムコントローラは、最も高い優先度を有する定義された変調用セルに対し、値を計算する。システムは、次に詳細を再構成する、対応するシステム射出ひとみを形成する。現在観察者によって観察されていない、もしくは目の位置から観察できない再構成オブジェクトの残りは、システムコントローラによって、低い優先度もしくは少ない頻度の少なくとも一方にて計算され、更新される。観察者の目の瞳孔の位置との関係において、システムコントローラは、対応する射出ひとみの形状、サイズ、位置を同時に修正する。擬似オブジェクトは、光学再構成システムの焦点面ＦＬの周りにある相対的に小さな三次元多面体に現れる。

焦点面ＦＬの近くにある再構成のための比較的小さな再構成空間に加えて、従来技術のその再構成システムは、前者のものに比べて、光変調器の全ての利用可能な変調器セルのうち、非常に限られた数のみを用いるという不利点を有する。この冗長性は、再構成における可視範囲を非常に減らし、前者のシステムと比較すると、より高い解像度を有する光変調器及び、文献に示されているような光変調器よりも大きな寸法を有する光学的再構成システムを要求する。固定的な背景が消失しているために、システムは、複数の空間的深度でオブジェクトを含むビデオシーンの再構成にはほとんど適さない。そのシステムにおいても、変調光波場は、光学的再構成システムを通過し、傾斜角において伝搬しなければならない。これも、目の位置の変化に応じた収差の原因を形成する。

国際公開ＷＯ２００４／０４４６５９号 国際公開ＷＯ２００６／１１９９２０号 国際公開ＷＯ０１／０９５０１６号

本願発明の目的は、機械的及び光学的な僅かな努力により、再構成システムの光学的な光の出口軸に関して横方向及び縦方向の両方の追跡範囲内の任意の目の位置に対し、観察者の頭を自由に移動可能とすることである。システムは、観察者の目の位置の変化の発生による光学的収差に対する、追加の原因である光学的構成要素の余分な追加の利用（特に大きな領域）をしなければならない。

本願発明は、干渉を生成でき、ビデオホログラムのシーケンスを変調する少なくとも一つの伝搬光波場を用いた三次元のシーンの光学的出現を、ホログラフ的に再構成するホログラフィック再構成システムに基づく。再構成システムは、ホログラフ的に再構成されるシーンのホログラフィック情報から一連のビデオホログラムを計算するホログラムプロセッサ手段を有する。ホログラムプロセッサ手段は、光変調器手段が有する変調用セルのセル構造を個々にエンコードする。構造に配置されたシーンのオブジェクトエレメント（例えば、色や明るさのエレメント）の記述は、ホログラフィック情報として提供する。オブジェクトエレメントは、好ましくは、シーンの個々のオブジェクト光点であるが、画像処理技術から知られた画像セグメントであっても良い。

この発明に対して用いられる再構成システムのエンコード処理の特別な特徴は、ホログラムプロセッサ手段が、セル構造において、個々のホログラム領域を有する各オブジェクトエレメントを割り当て、シーンにおけるオブジェクトエレメントのオブジェクト位置に関する情報に応じて、ホログラム領域の範囲や位置を定義する。

ホログラムプロセッサ手段は、次に各ホログラム領域に対し、ホログラフィック情報と対応しているオブジェクトエレメントのオブジェクト位置に関する情報とからコードを計算し、それに従ってセル構造をエンコードする。

セル構造に配置されたホログラム領域に従って、全ての変調された部分光波が、別々に対応しているオブジェクトエレメントを再構成し、続いて可視領へ光波円錐として伝搬するように、各ホログラム領域は、干渉を生成できる光波場の部分光波を変調する。

本願発明に係るホログラフィック再構成システムは、加えて、アイファインダ手段によって提供される少なくとも一人の観察者の目の位置の、目の位置情報に基づいて、現在の目の位置における全ての変調された部分光波を導く制御手段を有する。従って、頭が動いた際には、可視領域における全ての光波円錐は、再構成シーンを完全に可視となるように描画し、目の位置を追跡する。

ホログラフィック再構成システムは、ホログラフィック情報と配置されたオブジェクトエレメントのオブジェクト位置に関する情報とに加えて、現在の目の位置の目の位置情報を考慮するホログラムプロセッサ手段により、上記で述べられた目的を以下によって解決する。
・一方では、現在の目の位置に対するホログラム領域の範囲と位置に適合し、
・もう一方では、再構成システムが、追跡領域内の現在の位置に関係なく、現在の目の位置におけるそれらの開けた光波円錐を有する全ての変調された部分光波を導くように、動的に個々のホログラム領域に対しコードを適合する。

従って、全ての再構成オブジェクトエレメントが、利用回折次数に入る寄生回折次数の光が無いように、シーンのホログラフィック再構成を可視化して描画する可視領域と現在の目の位置とが一致する方法によって、光波円錐の開口部は形成することを達成する。

ホログラムプロセッサ手段は、さらにセル構造をエンコードするために、現在の目の位置の目の位置情報も考慮するため、観察者の目の位置と再構成シーンを有する波場に対する可視領域との両方が、本願発明に準ずるホログラフィック再構成システムにおける追跡範囲内の任意の観察者平面にあることができる。動的な適合が現在のビデオホログラムのエンコードを介して実現されているため、これは、観察者の目の位置が、再構成システムの焦点面にある必要が無いことを意味する。

一方では、寄生回折次数からの光の妨害干渉を避けるために、もう一方では、全ての再構成オブジェクトエレメントの完全な視認性を確実にするために、ホログラムプロセッサ手段は、動的に全てのホログラム領域の範囲、位置、及びホログラフィックコンテンツを、目の位置の前におけるオブジェクトエレメントの位置と一致する現在の目の位置に適合する。適合の後、各ホログラム領域は、変調された部分光波を形成し、前記部分光波は、そのオブジェクトエレメントを有する再構成の後に、可視領域の位置における開口部を有する光波円錐を有し、前記開口部は、利用回折次数内にあり、可視領域の配置に幅広く対応している。回折間隔の他の回折次数における寄生態様にて起こる光点の光は、従って、対応している回折次数に留まり、これらの寄生光点は可視領域に現れない。

この発明に準ずるホログラフィック再構成システムの大きな利点は、観察者の目の範囲に類似した可視領域の確かな範囲が定義され、ホログラムプロセッサ手段が、観察者に適合して、空間光変調器手段の前における距離に関係なく、可視領域の範囲をとどめるように、動的にセル構造をエンコードすることである。これは、ホログラムプロセッサ手段が、セル構造におけるホログラム領域の範囲を適合することによって達成する。

この発明に準ずる解決は実施形態及び添付の図を用いてより詳細に述べられる。

図１は、ビデオホログラムが描画空間項変調器においてエンコードされるホログラフィック再構成システムの基本原理を示している。 図２は、特許文献１に準ずる再構成システムを示し、本願発明に準ずるシステムが基礎とし、シーンの単一の再構成オブジェクト光点に対する隣接した回折次数の例における寄生光点の効果を述べている。 図３は、三次元シーンの選択オブジェクト光点と対応する空間光変調器にてエンコードされたホログラム領域とを有する、図２に準ずるホログラフィック再構成システムを示している。 図４は、選択オブジェクト光点の複数の例として、光変調器の表面に配置された、エンコードされたホログラム領域を有する、図２に準ずる再構成システムの他の描画である。 、 図５ａと図５ｂは、異なる目の位置に対する、選択された再構成オブジェクト光点を有する変調された部分光波の光学経路と、隣接した回折次数における対応する寄生光点を有する部分光波とを示している。ホログラムプロセッサは、本願発明に準じて、要求された目の位置へ、変調された部分光波に対するホログラム領域のサイズとコードを適合している。 、 、 図６ａ乃至図６ｃは、異なる目の位置に対する、一つの回折次数におけるシーンの複数の選択された再構成オブジェクト光点を有する変調された部分光波の光学経路を示している。ホログラムプロセッサは、本願発明に準じて、要求された目の位置へ、変調された部分光波に対するホログラム領域のサイズ、位置、及びコードを適合している。 、 図７ａと図７ｂは、異なる目の位置に対する、一つの回折次数におけるシーンの複数の選択された再構成オブジェクト光点を有する変調された部分光波の光学経路も示している。図６ａ乃至図６ｃに準ずる実施形態に対して、ホログラムプロセッサは、可視オブジェクト光点の構成において、異なる目の位置の異なる視野によって発生するビデオホログラムの変化の計算に対しても考慮している。

本願発明に準ずる再構成システムの機能は、ビデオホログラムを計算する際に、ホログラムプロセッサによる空間光変調手段のセル構造において、合焦レンズ機能と光学プリズム機能の構造としてエンコードされるレンズとプリズムを用いて説明される。

図４は、三次元シーンの典型的な例として選択されたオブジェクト光点ＯＰ１乃至ＯＰ３の例を用いて、空間光変調器ＳＬＭのセル構造がどのようにエンコードされるかを示す図である。

本願発明の既知の基本原理によると、ホログラムプロセッサＨＰは、各オブジェクト光点ＯＰ１乃至ＯＰ３に対するセル構造におけるホログラム領域Ｈ１乃至Ｈ３を定義し、オブジェクト光点に関するホログラフィック情報を用いて各ホログラム領域に対するレンズ項、及び、必要であれば、プリズム項を計算する。これは、セル構造における各ホログラム領域が、個々の合焦レンズの光学機能を有する第一の光学コンポーネント、加えて、必要であれば、個々の偏向プリズムの光学機能を有する第二の光学コンポーネントを、ホログラムのために実現するコードと共に提供されることを意味する。

全てのホログラム領域は、干渉の生成が可能である光波面ＬＷにあるため、これらのコードは、それらの合焦レンズ機能に一致するオブジェクト光点ＯＰ１、ＯＰ２、及びＯＰ３それぞれを別個に再構成する空間的に分割された部分光波を実現する。正確な再構成を達成するために、変調光の波経路は、現在の眼の位置の前の観察空間における全ての再構成オブジェクト光点がシーンに応じたオブジェクト位置にあり、次に可視領域における目の位置に向かうように、実行されなければならない。これを実現するために、計算の過程において、ホログラムプロセッサは、レンズ項にオブジェクト光点のオブジェクト位置に対応するプリズム項を付加する。これは、各エンコードされたホログラム領域が、光変調器ＳＬＭへの軸方向の距離におけるオブジェクト光点を再構成する少なくとも一つのレンズ機能を提供することを意味する。しかしながら、エンコードされたホログラム領域の大部分に対し、ホログラムプロセッサは、コードを計算する間に、追加でプリズム機能をすでに付加しており、当該プリズム機能は、再構成されたオブジェクト光点の横の位置を修正する。

変調光波の光学経路は、好ましくは、幾何光学やコンピュータグラフィックスの分野にて既知であるレイトレーシング法を用いたホログラムプロセッサによって計算することができる。計算の間は、全ての光波が目からそれらが始まる点へさかのぼることができるように、光学経路が可逆的である光の特性を用いていることが利点である。この場合において、ホログラムプロセッサは、理論上は現在の目の位置で可視であるべき全ての光点が、可視領域からシーンを観察する際に、正確な再構成を知覚されるために実際に可視領域ＶＲに入るように、再構成を形成して、完全な変調器表面をエンコードする。各ホログラム領域は、各オブジェクト光点に対するホログラム領域を定義している光変調器ＳＬＭの表面へ、シーンのオブジェクト光点を介して、可視領域ＶＲの投影として生成される。シーンは、一般的に多くの近接して配置されたオブジェクト光点を有する。図４に示されているように、それらのホログラム領域は重複する。ホログラムプロセッサは、現在の目の位置からシーンを観察する際に、前景にあるオブジェクトにより隠されるオブジェクト光点を計算やエンコードしない。これは、大幅に現在のビデオホログラムを計算するための計算負荷を削減する。

図５ａと図５ｂは、利用回折次数における選択された再構成オブジェクト光点を有する変調された部分光波の光学経路、及び、個別の目の位置に対しそれぞれの近接回折次数における対応する寄生光点を有する部分光波の光学的経路を示している。再構成後の円錐における部分光波の光伝搬の効果は、選択されたオブジェクト光点ＯＰ０の例にて示されている。光変調器ＳＬＭの構成されたセル構成は、必然的に、他の回折次数において寄生光点を引き起こす。実施形態は、１の寄生光点、すなわち、次のより高い回折次数における光点ＯＰ＋１のみを示している。

図５ａを参照すると、ホログラム領域Ｈ０１は、部分光波がオブジェクト光点ＯＰ０を再構成し、目の位置ＥＰ１の可視領域ＶＲ１の各点にて可視化されるようにレンズ項にてエンコードされる。光波円錐は再構成されたオブジェクト光点ＯＰ０から目の位置ＥＰ１へ伝搬し、従って、利用回折次数における最大可能表面を一杯に用いて可視領域ＶＲ１を、完全に満たしている。次のより高い回折次数における所望されていない光点ＯＰ＋１を伝搬する寄生光波は、光点ＯＰ＋１が可視領域ＶＲ１に現れないように、可視領域ＶＲ１を超える。

同様に、それに応じて、他の回折次数における更なる寄生光波によって生成される任意の他の光点（例えば、次のより低いもの）にも適用される。しかしながら、明瞭性のために更なる回折次数は図に示していない。

観察者の目が目の位置ＥＰ１から目の位置ＥＰ２の軸方向へ動いた際には状況が異なる。再構成システムは、近接した回折次数を抑える空間周波数フィルタリングなしに動作するため、寄生光点の光は、目の位置ＥＰ１を越えて（例えば、目の位置ＥＰ２において）目に入るであろう。

図５ｂは、本願発明に準ずるこの問題の解決策を示している。目の位置ＥＰ２に対する可視領域を軸方向へ移動させるために、ホログラムプロセッサは、より小さなホログラム領域Ｈ０２をオブジェクト光点ＯＰ０に対するレンズ機能でエンコードする。

図５ｂに示したようにホログラム領域Ｈ０２をエンコードする際、このエンコード方法が一般的に有利であるようにするために、光点ＯＰ＋１に対する変調された寄生部分光波も、可視領域ＶＲ１及びＶＲ２の両方を超える。

本願発明に準ずる再構成システムは、一方では、それらが目の位置の平面を交差する際に、全ての光波円錐の断面積に準じてサイズ化された可視領域を有する。もう一方では、相対的に小さな回折間隔のみが、用いられた明色に応じて、安価な光変調器により実現される。これが、都合よく再構成を観察できるようにするために、可視領域が回折間隔において可能な限りの断面積を用いられるべきである理由である。

図６ａ乃至図６ｃは、再構成の際の利用回折次数において、選択されたオブジェクト光点ＯＰ１乃至ＯＰ３に対する部分光波の光学経路のみを示している。他の回折次数からの寄生光点は、明瞭性のために省略している。

空間光変調器ＳＬＭのセル構造は、各ホログラム領域Ｈ１、Ｈ２、およびＨ３に対し、レンズ項とプリズム項に含まれるコードを運ぶ。よって各ホログラム領域Ｈ１、Ｈ２、及びＨ３は、空間的に分割された方法にて、光波場ＬＷの部分光波を変調する。建設的干渉の結果として、各部分光波は、それに対応するオブジェクト光点ＯＰ１、ＯＰ２、及びＯＰ３が別個に再構成される。再構成後、部分光波は、それらの開口部が一致の方法によって形成する現在の目の位置ＥＰ１への光波円錐として伝搬する。図６ａ乃至図６ｃにて示されているように、全てのホログラム領域Ｈ１、Ｈ２、及びＨ３は、光変調器ＳＬＭに向かって固定された位置に適合された、シーンの再構成の一部であるオブジェクト光点ＯＰ１乃至ＯＰ３と同様のパターンにて計算される。

図６ａは、全ての部分光波が目の位置ＥＰ１へ伝搬し、可視領域ＶＲ１を形成するように、目の位置ＥＰ１に依存するプリズム項にて定義され、エンコードされたサイズと位置を有するホログラム領域Ｈ１１、Ｈ２１、及びＨ３１を示している。図６ａにて示されているように、再構成されたオブジェクト光点ＯＰ１乃至ＯＰ３の光波円錐は、全てのオブジェクト光点が、可視であり、シーンの三次元再構成を形成する可視領域ＶＲ１を形成するために目の位置ＥＰ１の付近で一致する。目が目の位置ＥＰ２に向かって軸方向に動いた際には、オブジェクト光点ＯＰ１とＯＰ３は、目の横の位置に応じて、もしくは、他の回折次数から寄生光点によって引き起こされる光学障害のみに起因して、もはや可視ではないために、変調された部分光波は、目の位置ＥＰ１の後方で分岐する。

図６ｂは、目が軸方向に動いた場合に、セル構造におけるホログラム領域Ｈ１２、Ｈ２２、及びＨ３２のサイズと位置を再定義し、目の位置ＥＰ２へのエンコードされたプリズム項の値を適合することによって、ホログラムプロセッサＨＰが新たな機能的可視領域ＶＲ２を生成することを示している。図６ｂは、更に、再構成されたオブジェクト光点ＯＰ１とＯＰ３が古い可視領域ＶＲ１の位置において、もはや可視ではないことを示している。しかしながら、オブジェクト光点ＯＰ１とＯＰ３に加えて、他の回折次数からの光点（不図示）がその代わりの位置にて可視であることが推測されるべきである。

図６ｃは、再構成システムの光軸ＯＡから離れて位置する目の位置ＥＰ３に向かって、多次元における目の位置ＥＰ１から動く目を示している。目の位置ＥＰ３は、横方向に目の位置ＥＰ２から離れているため、ホログラムプロセッサＨＰは、主にセル構造におけるホログラム領域Ｈ１３、Ｈ２３、Ｈ３３の位置を変化し、各ホログラム領域に対する変調されたプリズム項を計算する必要がある。観察者が頭を横に動かしたら、再構成シーンが、現在の目の位置の前の空間に固定されることを確実にするために、セル構造における全てのホログラム領域Ｈ１３、Ｈ２３、及びＨ３３が一つの方向に移動される。結果として、移動の方向におけるエッジにあるホログラム領域は、もはやエンコードされることができない。それらの再構成されたオブジェクト光点は、再構成において失敗し、それに応じてシーンに対する観察空間は削除される。これを避けるために、観察者がある目の位置から他方へ横に動いた場合、シーンが各目の位置の可視領域における同様に大きな観察空間を示し、シーンの再構成の位置が光変調器ＳＬＭに関して変化できるように、ホログラムプロセッサＨＰは、一般的に計算でき、セル構造におけるホログラム領域の位置についての当該情報をエンコードできる。しかしながら、シーンの再構成の位置を変化するビデオホログラムの計算は、ホログラムプロセッサＨＰが、時分割多重処置における複数の観察者に対する同じビデオホログラムを提供する際にのみ要求されるであろう。

しかしながら、シーンのリアルなホログラフィック再構成に対し、観察者が頭を動く際に、シーンの再構成は、ある位置に固定され、ホログラムプロセッサが、変調された視野へのシーンのエンコードされた詳細な構造を適合することを要求する。

図７ａ及び図７ｂは、追跡範囲における任意の目の位置に対する目の視野へ都合よく可視化したホログラフィック再構成を適合するようにした、この発明の特に好ましい実施形態を示す。本願発明によると、ホログラムプロセッサＨＰは、観察者の目の位置が変化する際に、レイトレーシング法を用いてオブジェクト光点の視認性をチェックし、現在の目の位置に応じて再構成されたオブジェクト光点の構造を適合させるために、現在の目の位置におけるこの目の位置情報を用いる。

前図と同様に、図７ａ及び図７ｂにおいても、全てのホログラム領域は、空間の固定位置における光変調器ＳＬＭに対して適合されたオブジェクト光点ＯＰ１乃至ＯＰ４と同様のパターンにて計算される。

しかしながら、図７ａは、オブジェクト光点ＯＰ１乃至ＯＰ３のホログラム領域Ｈ１１乃至Ｈ３１と、目の位置ＥＰ１への光学経路における利用回折次数の変調された部分光波のみが示されている。本願発明の他の特徴として、現在のビデオホログラムの計算に先立って、ホログラムプロセッサＨＰは、レイトレーシング法を用いた視認性チェックにて、オブジェクト光点ＯＰ３が、目の位置ＥＰ１の視野から見ると後ろに位置するオブジェクト光点ＯＰ４を覆っていることを検知する。これが、信号プロセッサがオブジェクト光点ＯＰ４に対して、ホログラム領域を定義も任意のコードを計算もしない理由である。ホログラムプロセッサＨＰは、従って、計算負荷を抑えることができる。

図７ａにて示しているように、観察者の目が現在のビデオホログラムの観察のために目の位置ＥＰ２に適合している場合には、状況は異なっている。ホログラムプロセッサＨＰは、続いて、現在のビデオホログラムの計算に先立って、その視認性のチェックを行っている間に、オブジェクト光点ＯＰ３とオブジェクト光点ＯＰ４のいずれもが可視であることを検出する。ホログラムプロセッサは、レイトレーシング法を用いて、ホログラフィック再構成システムが、セル構造の利用可能な表面を越えるために、ビデオホログラムのエッジにあるオブジェクト光点ＯＰ１に対しホログラム領域を提供できないことも検出する。従って、オブジェクト光点ＯＰ１は、現在のビデオホログラムの計算において考慮されていない。これも計算負荷を抑える。

複素数値や純空間位相変調を許容するセル構造を有する空間光変調器は、例えば、光変調手段として用いられることができる。

本願発明の特段の利点は、再構成システムが、通常、収差を引き起こす光学的コンポーネントを備えずに実現されることができるということである。その代わり、高速空間位相光変調器手段は、大きな位相シフトを有する動画像列の各ビデオホログラムに対し、異なる目の位置に複数の変調部分光波を提供するように用いられなければならない。

詳細には、再構成システムの配置は、部分光波の追跡やホログラムプロセッサを用いたセル構造のコードの適合における既述の基本原則から外れることなく、変調されることができる。

エンコードしているプリズム項は、セル構造において調整可能とする位相範囲の大きな需要によって、再構成システムは、複数の光変調器もしくは、プリズム機能の一部を実現する追加の光学手段の少なくとも一方を有する空間光変調器手段と連動させることができる。プリズム項をエンコードするために、変調器の小さな口径が提供されなければならない。これは、光変調手段の高い解像度とビデオホログラムに対するコード値を計算するための多量の計算性能とを要求する。

空間光変調器の高位相変調シフトの結果において、十分に大きなプリズム項がホログラム領域の部分光波に対し定義されることができたなら、本願発明に準ずる再構成システムは、通常、光学焦点手段を必要としないであろう。

しかしながら、十分に大きな角度が実現されることができなければ、変調用セル構造における全てのホログラム領域によって放射された変調部分光波が、一致のために可視領域を入力するように、プリズム項のエンコードを補助するための様々なオプションがある。一方、空間光変調器手段は、収束波によって照射されることができる。

本願発明に準ずる再構成システムの他の実施形態において、焦点手段は、変調用セル構造のホログラム領域において、エンコードとプリズム項の適応範囲との需要を劇的に減らす照明波の光学経路にて並べられることができる。焦点手段は、例えば、対物レンズ、レンズアレイ、もしくは回折光学素子のアレイとすることができる。

当業者に対し、彼の発明が同様に、目が適合される焦合面へ光変調器手段を照射するための照射手段を描くための光学焦点手段を含む、上述した既知の再構成システムの一つに対して、好ましく適用されると思われる。そういったシステムは、照射手段と焦点手段との間の距離、焦点手段の焦点距離、及び合焦面と光変調器手段との間の距離を定義する。そういったシステムにおいて、合焦面への軸方向の距離にある目の位置も用いるため、焦点手段の有効な焦点距離は、好ましくは本願発明の対象を用いて適合される。これは、エンコードが変化した合焦面へ照射手段を描くシステムの総焦点距離ｆ３を導くように、空間光変調器手段のセル構造をエンコードする際に、ホログラムプロセッサが、各ホログラム領域もしくはセル構造全体のための矯正レンズ関数を計算すること、及び、前記矯正レンズ関数が、現在のビデオホログラムのコードにおける補正焦点距離ｆ２＝ｆ１±ｆｃｏｌを重ね合わせることによって、達成する。光学焦点手段が焦点距離ｆ１を有するのであれば、焦点距離ｆ２は以下の方程式を適用されるようにしなければならない（照射手段とレンチキュラとの間の所定のわずかな距離は無視する）。
１／ｆ３＝１／ｆ１＋１／ｆ２

光変調器は、システムの焦点距離を補正するための個々の光変調器を含んでも良い。

Claims (15)

1. 空間光変調手段（ＳＬＭ）の変調用セルの個々にエンコード可能なセル構造を用いて、ビデオホログラムのシーケンスに対する干渉を生成できる少なくとも一つの光波場（ＬＷ）を変調する、シーンのオブジェクトエレメントをホログラフ的に再構成するためのホログラフィック再構成システムであって、
   ・シーンのオブジェクトエレメント（ＯＰ１、ＯＰ２、ＯＰ３）のそれぞれに、範囲と位置とが前記シーンにおける前記オブジェクトエレメントの位置情報に依存する前記セル構造上の個々のホログラム領域（Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３）を割り当て、かつ、前記セル構造における各ホログラム領域が干渉を生成可能な光波場の部分光波を変調し、変調された各部分光波が割り当てられた前記オブジェクトエレメントを個別に再構成して、可視領域（ＶＲ）に向かって光波円錐の形状にて伝搬するようにホログラム領域を計算する、ホログラムプロセッサ手段（ＨＰ）と、
   ・完全に再構成されたシーンが観察者眼用の可視領域において可視化するように、前記変調された部分光波を少なくとも現在の目の位置に方向付け、観察者が移動する場合に変化する目の位置を追跡する位置制御手段と、
   を更に備え、
   前記ホログラムプロセッサ手段は、
   ・現在の目の位置（ＥＰ１、ＥＰ２）にホログラム領域（Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３）の前記範囲と位置とを適用させ、
   ・寄生回折次数の光が利用回折次数に入り込まず、全ての部分光波が前記現在の目の位置へ到達するように前記コードを計算する、
   ために、前記現在の目の位置（ＥＰ１、ＥＰ２）の位置情報を追加的に考慮し、
   前記ホログラムプロセッサ手段は、対応する前記再構成されたオブジェクトエレメントの位置及び前記目の位置に応じて、前記ホログラム領域についてレンズ項を計算し、前記再構成されたオブジェクトエレメントを前記目の位置に方向付けるために、レンズ項をプリズム項と重ね合わせ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. 前記再構成システムが、追跡範囲における前記現在の目の位置に前記変調された部分光波を追跡させられるように、前記ホログラムプロセッサ手段は、前記セル構造を動的にエンコードするために、前記現在の目の位置の前記目の位置情報を考慮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再構成システム。
3. 前記ホログラムプロセッサ手段は、複数の前記光波円錐がコインシデンスにより前記現在の目の位置において可視領域を形成するように前記セル構造を動的にエンコードし、前記目の位置が変化した場合には前記コードを再計算することにより前記再構成されたオブジェクトエレメントを追跡する、ことを特徴とする請求項１に記載のホログラフィック再構成システム。
4. 前記可視領域は、所定の範囲を有し、
   前記ホログラムプロセッサ手段は、前記空間光変調器手段の前方において観察者が位置する場所までの距離に関わらず前記可視領域の範囲が一定となるように、前記セル構造を動的にエンコードすることを特徴とする請求項３に記載のホログラフィック再構成システム。
5. 前記空間光変調器手段は、干渉を生成することができる前記波場（ＷＦ）の空間位相変調を実行する少なくとも一つの空間光変調器を有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再構成システム。
6. 前記ホログラムプロセッサ手段は、前記シーンのオブジェクト光点の固定的に定義された構造に関する情報を利用し、各オブジェクト光点についてホログラム領域（Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３）を計算し、
   前記ホログラム領域（Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３）の範囲及び位置は、各ホログラム領域について、前記オブジェクト光点ＯＰ _０ の前記光変調器ＳＬＭまでの軸方向距離（ｄ１）と前記目の位置ＥＰの前記光変調器ＳＬＭまでの前記距離（ｄ２）との両方に基づくことを特徴とする請求項１に記載のホログラフィック再構成システム。
7. 前記変調用セル構造は、常に、前記現在のビデオホログラムのコンテンツに関係なく、一定数の個々のホログラム領域を有することを特徴とする請求項６に記載のホログラフィック再構成システム。
8. 個々のホログラム領域の数は、前記可視領域における前記ホログラフィック再構成の所望の解像度に対応するピクセル格子に依存することを特徴とする請求項６に記載のホログラフィック再構成システム。
9. 前記ホログラム領域を用いて再構成される前記シーンは、現在の観察者ウィンドウに関する空間の固定位置に留ま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再構成システム。
10. 前記ホログラムプロセッサ手段は、目が軸方向に動いた場合に新たな機能的可視領域（ＶＲ２）を生成し、
    前記ホログラムプロセッサ手段は、前記変調用セル構造におけるホログラム領域の前記サイズと位置を再定義し、前記現在の目の位置（ＥＰ２）へ前記エンコードされたプリズム項の前記値を適合させる、ことを特徴とする請求項１に記載のホログラフィック再構成システム。
11. 前記ホログラムプロセッサ手段は、前記観察者の目の位置が変化した場合に、前記現在の目の位置（ＥＰ２）へ前記再構成シーンの視野を適合させるために、前記変調用セル構造の前記コードを修正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再構成システム。
12. 前記観察者がある目の位置から別の眼の位置へ横向きに動いた場合、前記ホログラムプロセッサ手段は、シーンが各目の位置の可視領域内に等価な観察空間を提供するように前記シーンが再構成された位置が光変調器に対して変化するような情報であって、前記変調用セル構造における前記ホログラム領域の位置に関する情報を計算し、エンコード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再構成システム。
13. 前記ホログラムプロセッサ手段は、前記目の位置が変化した際に、レイトレーシング法を用いて、前記オブジェクト光点の視認性を検査し、前記現在の目の位置に応じて前記再構成されたオブジェクト光点の構造を適合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再構成システム。
14. 収束態様において伝搬する光波場は、前記空間光変調器手段を照射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再構成システム。
15. 前記観察者の目への光源を投影するための焦点表示スクリーン（Ｓ）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再構成システム。

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