JP5557735B2 - 光変調器を使用してホログラフィック再構成を生成するデバイス - Google Patents

Description

本発明は、光変調器を使用してホログラフィック再構成を生成するデバイスであって、
−少なくとも１つの光源により照明される少なくとも１つの画素化光変調器と、
−各光学素子が光変調器の符号化可能画素のグループに割り当てられ且つ光学素子が光源画像を形成するように光変調器の下流側の像面に光源を結像させる集束光学素子アレイと、
−光変調器に接続され且つプログラミング手段により光変調器の画素化符号化表面に対するホログラフィックコードを計算する制御ユニットと
を含むデバイスに関する。

用語「画素化光変調器」は、本発明の説明において、必ずしも別個に制御可能な素子の構成を含む変調器として理解される必要はない。これは、表示される情報により別個の素子に形式的に分割される連続符号化表面を有する変調器であってもよい。

更に用語「光学素子」は、必ずしも従来のガラスレンズとして又は従来のガラスレンズを含むものとして理解される必要はないが、広義では同一の機能を満たす屈折光学素子又は回折光学素子として又はそれらを含むものとして解釈される。

表現、特に３次元シーンのホログラフィック再構成を生成するデバイスは、国際公開第ＷＯ２００６／１１９９２０Ａ１号において説明される。

例えばコンピュータにより生成されたホログラムの情報が画素化光変調器に格納され且つ光変調器が十分にコヒーレントな光で照明される場合、３次元シーンの再構成は再構成空間において生成される。しかし、光変調器におけるホログラムの別個の表現のために望ましくない周期的な継続が高次回折形態（higher diffraction orders)で発生する。採用されるホログラム符号化方法に依存して、望ましくない領域が１つの回折次数内で発生するため、その回折次数はフィルタリングされる必要がある。

外乱を起こす回折次数を除去する従来の方法は、そのような回折次数をフィルタリングできる４ｆ構成等のフィルタユニットを使用することである。フィルタユニットは、１つの回折次数より小さいか又は同一の領域のみを通過させるような大きさにされる。

そのような方法は、例えば独国特許出願公開第１０ ２００５ ０２３ ７４３ Ａ１号において適用される。この文献において、１次元及び２次元符号化可能な光変調器を使用してシーンのホログラフィック再構成を生成する方法及びホログラフィック投影デバイスが説明される。前記デバイスは、光源、集束光学系、対応する光変調器、投影システム及びフィルタリングアパーチャを含む。フィルタリングアパーチャは、光変調器と投影システムとの間に構成され、光源画像の像面に位置する。

集束光学系は、光変調器に対しては光学照明系であり、光源に対しては光学照明系の像面に光源を結像する光学結像システムである。ここで、光変調器のフーリエ変換は光源の像面において同時に行なわれる。

投影デバイスは、光変調器を動的に符号化するだけでなく、変化する観察者の位置に対して可視領域及び従ってホログラフィック再構成の追跡も行なう制御ユニットを含む。これを達成するために、制御ユニットに接続される位置検出システムが提供される。光変調器上のコードは、３次元シーンの再構成が実際の観察者の位置に従って水平及び／又は垂直に変位され及び／又はある角度だけ回転された水平方向、垂直方向及び／又は軸方向の位置に現れるように変更される。

一般的なデスクトップモニタの大きさである対角線が２０インチのディスプレイ等を有する観察者が使用し易い大型の直視型デバイスの形態の上述の投影デバイスのサイズ関係の寸法変更において、フィルタリング処理は光変調器上で実行され、単一の光源が光変調器全体のコヒーレント照明のためにフィルタユニットと共に提供される。２０インチディスプレイを有する直視型デバイスは、光源、集束光学系、対応する光変調器、投影システム及びフィルタリングアパーチャを含むことができる。フィルタリングアパーチャは、光変調器と投影システムとの間に構成され、光源画像の像面に位置する。フィルタリングアパーチャは、光変調器のフーリエ変換の所望の１つの回折次数のみを通過させる開口部を含む。投影システムは、同時に観察者平面となる別の平面にアパーチャを結像する。観察者平面にいる観察者は、フーリエスペクトルの１つの回折次数に対応する可視領域においてホログラフィック再構成を見れる。

対応するフィルタユニットは、フィルタリングアパーチャに加えて少なくとも２つのレンズを必要とする。それらのレンズのうち少なくとも一方は、ディスプレイを表す光変調器とほぼ同一の大きさである。これは、例えばホログラフィックに符号化された２０インチのディスプレイパネルの場合、１つのレンズが少なくとも４０ｃｍの直径を有する必要があることを意味する。

一般にレンズが、アパーチャと焦点距離との１よりはるかに大きい比で十分な画質のみを示し、且つフィルタリングが本明細書では第１のレンズの焦点面における光源画像の位置で行なわれるため、この例において、光変調器パネルの前方に４０ｃｍを実質的に上回る深さを有するフィルタユニット、すなわち第１の広角レンズ、フィルタリングアパーチャ、第２の広角レンズが必要とされる。画面である光変調器パネルを有する直視型デバイスにおいて、大型ディスプレイ（例えば、対角線が２０インチである）が使用される場合、ほぼ画面のサイズを有する広角レンズを提供することは非常に複雑である。更に、フィルタユニットは上述のように非常に深い。

１つの問題は、説明した寸法の光コンポーネントを有するホログラフィック直視型デバイスの設計が膨大で非常に重いことであり、これは望ましくない。

更なる問題は、ディスプレイホログラフィにおいて、市販の光変調器の画素寸法のために非常に小さな使用可能な回折角のみが提供され、その結果、小さな観察者ウィンドウが与えられる。

米国特許第３，６３３，９８９号公報において説明されるディスプレイホログラフィの方法によると、ＨＰＯ（水平視差のみの）ホログラムが使用され、ホログラム符号化は１次元のみで実行される。１次元ホログラムに対する値は、互いに無関係に計算され、一般的に光変調器の個々の行に書き込まれる。回折角を広くするために、一般的には並列に配置される複数の画素に符号化されるホログラム値は、この場合、複数の行に縦に配置される画素に符号化される。

光変調器内の１次元ホログラフィックコードを使用する場合、１次元ホログラフィック再構成のみが行なわれることが可能である。光変調器の１次元ＨＰＯホログラムにより回折される光波は、それに従って可視領域において水平方向に拡張される。

従って、本発明の目的は、光変調器を使用してホログラフィック再構成を生成するデバイスを提供することである。前記デバイスは、一方では少なくとも光学系の高価な構成が回避され且つ他方では可視領域に対して使用される回折角が広くされるように設計される。軸方向のデバイスの寸法は可能な限り小さく維持される。

上記目的は、請求項１の特徴を使用して解決される。

光変調器を使用してホログラフィック再構成を生成するデバイスは、
−少なくとも１つの光源により照明される少なくとも１つの画素化光変調器と、
−各光学素子が光変調器の符号化可能画素のグループに割り当てられ且つ光学素子が光源画像を形成するように光変調器の下流側の像面に光源を結像させる集束光学素子アレイと、
−光変調器に接続され且つプログラミング手段により光変調器の画素化符号化表面に対するホログラフィックコードを計算する制御ユニットとを含む。請求項１の特徴項によると、光変調器はフィルタリングアパーチャアレイを割り当てられ、フィルタリングアパーチャアレイは複数のアパーチャを有し且つ光源画像の像面に近接して位置付けられ、フィルタリングアパーチャアレイのアパーチャは光変調器のホログラフィック符号化により生成された回折スペクトルの規定された領域を通過させるように形成され、前記規定された領域はフーリエ変換の１つの回折次数より小さいか又は同一のサイズを有する。

光ビーム拡大システムを有する光源は、光変調器を照明するために光変調器の前方に配置される。

動的シャッター変調器は、光ビーム拡大システムと集束光学素子アレイとの間に提供される。

光変調器を照明する別の例として、複数の光源を有する光源アレイは光変調器の前方に配設される。

デバイスは、光源アレイと、光ビーム拡大システムである第１の光学素子アレイと、例えば球面レンズの形態の観察者に対する画面である複数の球面光学素子を有する第２の光学素子アレイとを含むことができる。

電源装置は、光源又は第１の光源アレイに割り当てられる。

光変調器を符号化する制御ユニットは制御システムの一部であり、制御システムは、光源アレイを制御するユニット及び／又はフィルタリングアパーチャアレイを制御するユニット、並びに観察者の実際の位置を検出する位置検出ユニットを更に含む。

位置検出ユニットは、少なくとも信号により２つのユニットに接続される。

２つのユニットは、位置検出ユニットからの信号に応答して可動構成要素である光源アレイの光源及び／又はフィルタリングアパーチャアレイのフィルタリングアパーチャを各平面において変位させる変位デバイスにオプションとして接続される。しかし、第１の光学素子アレイ及び第２の光学素子アレイも変位可能な設計であってもよい。

光源アレイ及びフィルタリングアパーチャーアレイの双方は、制御システムにより調整される動的光コンポーネント又は静的コンポーネントとして設計される。

光変調器の画素化符号化表面は、例えば正方形の設計の画素を有することができる。

第１の光学素子アレイは、光変調器に対しては光学照明系であり、光源アレイに対しては光変調器のフーリエ平面として与えられる焦点面に光源アレイを結像する光学結像システムである。光源アレイの画像は、光が照らされる際に通る光変調器の各サブ区分の画素のフーリエ変換と一致し、所定の回折次数を通過させるフィルタリングアパーチャアレイは、像面に近接して配設される。

フィルタリングアパーチャアレイは、フーリエ変換の所定の回折次数又はその一部のみを通過させるアパーチャのグリッドを示すことができる。

特に２次元球面レンズを有する投影する第２の光学素子アレイは、同時に観察者平面としての役割も果たす第２の平面にフィルタリングアパーチャアレイのアパーチャを結像する。光学素子及びフィルタリングアパーチャは、全てのアパーチャの画像が観察者平面において重なり合い、１つの観察者ウィンドウを形成するように相互に配置される。

第１の光学素子アレイは、光源アレイの点光源の下流側に配設される球面レンズの２次元構成であってもよい。

第１の光学素子アレイの単一の球面レンズ及び第２の光学素子アレイの単一の球面レンズは、一般に約３ｍｍ〜１０ｍｍの間の範囲であるサイズを有することができる。

フィルタリングアパーチャアレイのアパーチャのサイズは、光変調器の画素ピッチｐ及び第１の光学素子アレイのレンズの焦点距離に依存する。

フィルタリングアパーチャアレイは、制御可能な開口部がシャッター変調器の１つ又は複数の画素の寸法を有するシャッター変調器であってもよい。

制御ユニットにおける光変調器の画素を符号化するプログラミング手段は、本発明に係るデバイスの設計に適応される。

ＨＰＯホログラムが使用される場合、ホログラム値は、光変調器の１つ又は複数の行の水平又は垂直に隣接して配置される複数の画素に符号化可能である。

制御システムにおいて、特に制御ユニットにおいて、ホログラフィック符号化が１次元でのみ実行可能であり、光変調器の行又は列のグループに書き込まれた値は互いに関連する。

第１の光学素子アレイは、線光源により照明され且つスロットアパーチャを有するフィルタリングアパーチャアレイを割り当てられる円柱レンズを含むレンチキュラーアレイであってもよい。

光変調器の十分にコヒーレントな照明は、いくつかの行のグループの領域においてのみ達成される必要がある。

観察者に対する可視領域を追跡するために、アパーチャの位置を変位する動的シャッター変調器はフィルタリングアパーチャアレイとして使用可能である。

光源アレイは、個々に順番に電源を投入される隣接する光源の構成を含むことができ、前記構成は、制御システムにより制御されて特定の時間間隔で特定の垂直断面を照明する。

観察者により使用される可視領域を特に垂直方向に拡大するために、発散レンズが使用される。発散レンズの全体は、フィルタリングアパーチャアレイの下流側にすぐ隣接して配設される発散レンズアレイの形態を更に有することができる。

オプションとして、光変調器に対して使用される設計及び符号化方法に依存して、１次元スロットフィルタリングアパーチャアレイ又は円形のアパーチャを有する２次元フィルタリングアパーチャアレイが採用される。

フィルタリングアパーチャアレイは、アパーチャマスクの形態で静的に設計される。

可視領域を追跡するために又はある特定の観察範囲を周期的に走査するために、制御システムの制御可能変位デバイスを使用して実現される動的フィルタリングアパーチャアレイが提供される。

フィルタリングアパーチャアレイは、高速切替振幅変調光変調器であってもよい。ここで、個々の画素の透過率の変動はフィルタリング効果の原因となり、アパーチャとしての役割を果たす活性化画素は静的フィルタリングアパーチャアレイのアパーチャの開口部のサイズにほぼ対応する。

光源アレイは、動的フィルタリングアパーチャアレイと一致して、光源により全体的に照明される高速切替振幅変調光変調器であってもよい。個々の画素の透過率の変動により光ビームが通過し、ビームを通過させる開口部としての役割を果たす画素は、ほぼ静的光源アレイの光源の直径のサイズを有する。

図１は本発明に係るホログラフィック再構成を生成するデバイスを概略的に示す側面図又は上面図である。 図２は、正方形の画素を有する２次元符号化可能な画素化光変調器の符号化表面を詳細に示す図である。 図３は、本発明に係るホログラフィック再構成を生成するデバイスの変形例を概略的に示す側面図であり、図３ａは本発明に必須のデバイス構成要素の構成を示す図である。 図３ｂは、１次元符号化可能な画素化光変調器の符号化表面の詳細を示す図である。 図４は、図１及び図３ａに従って、調整可能なフィルタリングアパーチャアレイ及び調整可能な光源アレイを有する本発明に係るホログラフィック再構成を生成するデバイスを概略的に示す側面図である。 図５は、分散レンズアレイを含む図３ａに従う本発明に係るホログラフィック再構成を生成するデバイスを概略的に示す側面図である。 図６は、本発明に係るデバイスの４ｆ構成の一部を概略的に示す図である。 図７は、図６に従って位相単位円におけるマクロ画素の２つの画素の位相を示す図である。 図８は、図６及び図７に従って２つの画素を含むマクロ画素に対する振幅／位相位置を示す図であり、図８ａは、フィルタリング前の位置における振幅への依存性を示す図である。 図８ｂは、レンチキュラーアレイによるフィルタリング後の位置に依存する振幅を示す図である。

複数の実施形態及び図面を使用して、本発明を以下に更に詳細に説明する。

図１は、光変調器２を使用する本発明に従う３次元シーン９のホログラフィック再構成のためのデバイス１を概略的に示す。前記デバイスは筺体３を有し、筺体３は、
−複数の光源４１を含む光源アレイ４と、
−光源アレイ４の下流側に配設される少なくとも１つの画素化光変調器２と、
−各レンズ５１が光変調器２の符号化可能画素２１のグループに割り当てられ且つレンズ５１が光源画像４２を形成するように光変調器２の下流側の像面６に光源アレイ４の個々の光源４１を結像させる集束レンズアレイ５と、
−光変調器２に接続され且つプログラミング手段により光変調器２の画素化符号化表面２２に対するホログラフィックコードを計算する制御ユニット７とを少なくとも含む。

本発明によると、光変調器２はフィルタリングアパーチャアレイ８を割り当てられる。フィルタリングアパーチャアレイ８は、複数のアパーチャ８１を有し、光源画像４２の像面６に近接して位置し、フィルタリングアパーチャアレイ８のアパーチャ８１は、光変調器のホログラフィック符号化により生成された回折スペクトルの１つの特定の回折次数又はその一部を通過させるように形成される。

図１に従う本発明のデバイス１は、光源アレイ４の代わりに、光ビーム拡大システム１２を有する光源１１と観察者１４に対する画面である複数の球面レンズ１３１を有する第２のレンズアレイ１３とを更に含むことができる。電源装置１５は、光源１１に割り当てられるか又は光源１１とは無関係に第１の光源アレイ４に割り当てられる。光変調器２を符号化する制御ユニット７は、制御システム１６の一部であってもよい。制御システム１６は、図１に従って、光源アレイ４を制御するユニット１７及びフィルタリングアパーチャアレイ８を制御するユニット１８及び観察者１４の位置を検出する位置検出ユニット１９を更に含むことができる。位置検出ユニット１９は、少なくとも信号により２つのユニット１７及び１８に接続される。２つのユニット１７及び１８は、変位デバイス２０に接続される。変位デバイス２０は、位置検出ユニット１９からの信号に応答して、光源アレイ４の光源４１及び／又はフィルタリングアパーチャアレイ８のフィルタリングアパーチャ８１、あるいはレンズアレイ５のレンズ５１等の各平面における可動構成要素を変位させる。

従って、図１は、本発明に従ってデバイス１の一部を形成し且つ光源アレイ４が第１のレンズアレイ５、フィルタリングアパーチャアレイ８及び第２のレンズアレイ１３と共に使用されるホログラフィック符号化光変調器２におけるフィルタリング処理を示す。

図２は、ここでは正方形の設計である画素２１が図１に示すｘｙｚ座標系１０のｘｙ平面に配設される光変調器２の画素化符号化表面２２を概略的に示す。本明細書において、ｐは２つの隣接する画素２１の中心間の距離を示し、座標ｚはデバイス１に属する光コンポーネントが配設される軸方向を示す。

図１を参照すると、第１の光学素子アレイ５は、光変調器２に対しては光学照明系であり、光源アレイ４に対しては光源アレイ４を光変調器のフーリエ平面として与えられる焦点面６に結像する光学結像システムである。ここで、光源アレイ４の画像は、光が照らされる際に通る光変調器２の各サブ区分の画素のフーリエ変換と一致し、所定の回折次数を通過させるフィルタリングアパーチャアレイ８は、焦点面に近接して配設される。フィルタリングアパーチャアレイ８は、フーリエ変換の所定の回折次数又はその一部のみを通過させるアパーチャ８１のグリッドを示す。２次元で構成される球面レンズ１３１を有する投影する第２のレンズアレイ１３は、同時に観察者平面としての役割を果たす第２の平面６１にアパーチャ８１を結像する。ここで、個々のアパーチャ８１の画像は可視領域において重なり合う。３次元シーンのホログラフィック再構成９は、フーリエスペクトルの１つの回折次数に対応する可視領域において、観察者１４により観察者平面６１で見られる。

第１の光学素子アレイ５は、光源アレイ４の点光源４１の下流側に配設される球面レンズ５１の２次元構成であってもよい。ここで、アパーチャ８１の２次元フィルタリングアパーチャアレイ８及び第２の光学素子アレイ１３が更に提供される。図１は、アレイ４、５、６、１３の行又は列を通るデバイス１の断面図を示す。

第１の光学素子アレイ５の単一のレンズ５１及び第２の光学素子アレイ１３の単一のレンズ１３１は、例えば一般に３ｍｍ〜１０ｍｍの範囲のサイズを有することができる。

ｚ方向のデバイス１の合計の深さは、アレイ４、５、６、１３を含むフィルタリングにより適度に増加するのみであり、従来技術の節で説明される広角レンズを含む構成の寸法よりはるかに小さい。

本明細書において、フィルタリングアパーチャアレイ８は、小さな開口部、すなわちアパーチャ８１を有する２次元グリッドである。アパーチャ８１のサイズは、図２に示すような光変調器２の画素ピッチｐと、フーリエ平面における回折次数の範囲を決定する第１の光学素子アレイ５のレンズ５１の焦点距離とに依存する。所定の値は、０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲である。

あるいは、フィルタリングアパーチャアレイ８は、シャッター変調器の１つ又は複数の画素の寸法を有する制御可能な開口部を有するシャッター変調器であってもよい。

制御ユニット７における光変調器２の画素２１のホログラフィック符号化を行なうプログラミング手段は、デバイス１の設計に適応される。

図３の図３ａは、図１と比較して縮小された形式で、本発明に係るホログラフィック再構成９１を生成するデバイス１を概略的に示す。デバイス１は、光源アレイ４３、第１の光学素子アレイ５、光変調器２３及びフィルタリングアパーチャアレイ８を含む。フィルタリングアパーチャアレイ８は、光変調器２３の下流側に配設され、光源画像４２の像面６に位置する。

必要とされるホログラム計算時間を短縮するために、ＨＰＯ（水平視差のみの）ホログラムは従来のディスプレイホログラフィにおいて使用され、ホログラムは図３の図３ｂに示すようにｙ方向等の１次元でのみ符号化される。一般に、互いに無関係に計算される振幅値及び位相値は、光変調器２３の個々の行に書き込まれる。光変調器２３内で１次元ホログラフィック符号化２４、２５、２６、２７を使用する場合、１次元ホログラフィック再構成のみが行なわれる。例えば光変調器２３の１次元ＨＰＯホログラムにより回折される光波は、それに従って平面６１の可視領域において水平方向にのみ拡張する。

本明細書において、図１に示すような第１の光学素子アレイ５及び／又は第２の光学素子アレイ１３は、線光源４１により照明され且つスロットアパーチャ８２を有するフィルタリングアパーチャアレイ８に割り当てられる円柱レンズを有するレンチキュラーアレイであってもよい。ＨＰＯホログラムの場合、図１はデバイス１の上面図を示す。しかし、一般に、全てが９０度回転されるＶＰＯ（垂直視差のみの）ホログラムも使用可能である。

回折角を広くし且つ平面６１における使用可能な可視領域を拡大するために、ＨＰＯホログラムの場合、例えば複素ホログラム値を符号化するためにホログラムの複数の列の代わりに複数の行の組合せを使用できる。

本明細書において、制御ユニット７における計算の１つの可能性は、例えば複数の位相値による複素数（complex number）の表現である。ここで、複素ホログラム値の１次元構成は水平方向、すなわちｙ方向に計算され、複素数を形成する位相値は垂直方向に並べられる画素に構成される。これを達成するために、いくつかの行２４、２５、２６、２７のグループ２８に対してコヒーレント照明のみが必要とされる。光変調器２３の行２４、２５、２６、２７のグループ２８がコヒーレントに照明される場合、これは垂直方向、すなわちｘ方向において個々の行の間で光路の望ましくない減速の原因となる。前記減速は、角度に特有のものであり、予想される再構成の偏差を招く。

図３ａは、複数の行２４、２５、２６、２７がコヒーレントに照明される場合、ホログラム計算が水平視差に対してのみ実行され、フィルタリング処理がスロットアパーチャ８２を有するフィルタリングアパーチャアレイ８を使用して実行されることを示す。尚、各スロットアパーチャ８２は、コヒーレントに照明される行２４、２５、２６、２７のグループ２８に対するものである。これにより、これまで水平方向に隣接して配置される画素に符号化されていたホログラム値を垂直方向に並べて配置される画素に符号化できるようになる。

図１に係る４ｆ構成タイプのフィルタリングユニットは、前後に並べて配設される少なくとも２つの光学素子アレイ５及び１３の構成を必要とし、そのうちの第１の光学素子アレイ５はフーリエ変換を実現し、第２の光学素子アレイ１３は逆変換を実現する。その一方で、図３、図４、図５に示すような像面６への逆変換は、光変調器のいくつかの行２４、２５、２６、２７がコヒーレントに加算されるデバイスの本実施形態においては必要ない。

図３ａ、図４、図５に示すような光変調器２３における複素振幅及び位相値は、水平方向の１次元フーリエ変換により制御ユニット７において計算される。

垂直方向において、光変調器の複数の行２４、２５、２６、２７がコヒーレントに加算されると、所望の信号自体はフーリエ変換ではなく像面６に送信される（あるいは、そのうち望ましくない部分は排除される）。しかし、観察者１４は、図４に示すように複数の垂直位置から元の再構成９１又はそれに従って変位された再構成９２を見れるように、平面６１の可視領域内で垂直方向に移動できる必要がある。これを達成するために、光は像面６から対応する垂直位置に伝播される必要がある。

図５は、発散レンズアレイ５３を示す。発散レンズアレイ５３は、像面６の下流側に配設され、光が垂直方向に伝播する角度を広げる。

しかし、平面６１の可視領域を観察者１４に対して調整する好適な別の例は、フィルタリングアパーチャアレイ８のアパーチャ８１又は８２の位置を変位する動的シャッターであってもよい。これは、例えば位相符号化方法を採用する際に行全体に対する特定の位相ずれを加算することによる光変調器２、２３で表現される値の変更と関連して又は可動光源アレイ４と関連して達成される。これは、比較的に遅い切替速度の光変調器２も使用可能であるという利点を有する。

例えば図４を参照すると、可動光源アレイ４は、隣接して配置される光源４１が光源アレイ４３を制御するユニット１７により制御されて順に切り替えられる光源アレイ４であってもよい。方向符号Ｌで与えられるある特定の垂直断面は、ある特定の間隔で走査される。

更に図４は、像面６におけるフィルタリングアパーチャアレイ８のアパーチャ８２の方向符号Ｆの可能な変位を示す。ここで、フィルタリングアパーチャアレイ８は動的光変調器であってもよい。

図５は、観察者１４に対する平面６１の使用可能な可視領域を拡大する追加の発散レンズ５２を使用する上記可能性を示す。ここで、平行配向発散レンズ５２の全体は、フィルタリングアパーチャアレイ８の下流側にすぐ隣接して配設される発散レンズアレイ５３の形態を有する。

本発明に係るデバイス１は、光源アレイ４と共に、望ましくない回折次数が光源４１により十分にコヒーレントに照明されるホログラムの単一区分毎に排除されることを可能にする。特にこれは、大きなホログラフィック画面１３の前方に更に配置される小さなコンパクトフィルタユニットが使用されるのを可能にする。オプションとして、光変調器２、２３に対して使用される設計及び符号化方法に依存して、１次元有向−好ましくはスロット−フィルタリングアパーチャアレイ８又は好ましくは円形のアパーチャを有する２次元フィルタリングアパーチャアレイ８が使用可能である。

フィルタリングアパーチャアレイ８は、アパーチャマスクの形態で静的である。

観察者１４に対する平面６１のある特定の可視領域が周期的に追跡又は走査されることを可能にするデバイス１の更なる実施形態は、制御システム１６の制御可能変位デバイス２０によるフィルタリングアパーチャアレイ８の動的設計である。

フィルタリングアパーチャアレイ８は、例えば個々の画素又は画素グループの透過率（transmittance）の変動がフィルタリングに影響を及ぼす高速切替振幅変調光変調器であってもよい。アパーチャ８１としての役割を果たせる画素又は画素グループは、ほぼアパーチャ８１の開口部のサイズを有する。フィルタリングアパーチャアレイ８の個々のフィルタユニットが互いに対して非コヒーレントである光源により照明されるため、フィルタリングアパーチャアレイ８は新しい回折構造を作成しない。

光源アレイ４は、フィルタリングアパーチャアレイ８と一致して、高速切替振幅変調光変調器であってもよい。ここで、個々の画素又は画素グループの透過率の変動により光が通過し、光を通過させる開口部としての役割を果たす画素又は画素グループはほぼ静的光源アレイの光源４１の直径のサイズを有する。

上述のフィルタリングアパーチャアレイの好適な応用例は、複素ホログラム値を複数の隣接位相画素に符号化する際に望ましくない回避不可能な画素の角度に依存する位相ずれを排除することである。プログラムされた所望の位相ずれに加えて発生するその望ましくない位相ずれは、１つのホログラム値を表す画素が前後ではなく左右に配置されることにより起こる。次に、このことについて一実施形態の例を使用して説明する。一実施形態において、光学素子アレイ５及び１３、並びにフィルタリングアパーチャアレイ８は４ｆフィルタリング構成を形成すると理解され、１つの複素ホログラム値は単なる位相値を使用して２つの隣接画素に符号化される。

図６は、光変調器２、本実施形態において下流側に配設される第１の集束光学素子アレイ５及び下流側に配設される第２の集束光学素子アレイ１３を有する４ｆ構成３１の一部の縦断面を示す。第２の集束光学素子アレイ１３の後、光変調器２のフィルタリングされた画素情報が出口３０として提供される。アパーチャ８１を有するフィルタリングアパーチャアレイ８は、２つの光学素子アレイ５と１３との間に配設される。

第１の光学素子アレイ５は光学素子５１である集束レンズを含み、第２の光学素子アレイ１３は光学素子１３１である集束レンズを含む。ここで、２つの光学素子アレイはレンチキュラーアレイの形態で設計される。

２つの画素２９１、２９２は、それぞれ複素ホログラム値の二相符号化に対するグループ又はマクロ画素２９を形成する。マクロ画素２９はレンズ５１と同一のサイズを有する。レンズ５１のサイズは図６において６０μｍとして好適に与えられ、アパーチャ８１は１０μｍのサイズを有し、光変調器２とフィルタリングアパーチャアレイ８との間の距離及び出口３０とフィルタリングアパーチャアレイ８との間の距離はそれぞれ１ｍｍである。寸法は、特に従来の直視デバイスの寸法に対して比較を行なうために指定される。

図７は、軸Ｉｍ（虚数部）及びＲｅ（実数部）を有する位相単位円２９３において２つの単なる位相値による複素ホログラム値の符号化を示す。図中、光変調器２の画素２９１の位相２９１１及び画素２９２の位相２９２１は、マクロ画素２９の結果として得られる複素値２９４を形成するように平行四辺形２９５に従って加算される。前記結果として得られる値は、１と異なる所望の振幅値及び所望の位相値を示す。これを数値的な例により図８に示す。

図８ａは、理想的な複素値のマクロ画素３２の0.3 exp 1.1iの複素値の二相表現を示す。振幅は値「0.3」で表され、位相は値「1.1rad」で表される。図７によると、複素値は、画素２９１の符号化位相値 1 exp 2.17i及び画素２９２の符号化位相値 1 exp -0.17iから生成される。２つの位相画素の振幅は同一であり、値「1」を有し、画素２９１の画素位相２９１１は「2.17rad」であり、画素２９２の画素位相２９２１は「-0.17rad」である。

２つの画素が並列に配設されるために斜角で照明される場合、２つの単一画素の示される位相値に加えて、照明角度に依存する更なる位相ずれがそれらの画素間で発生する。この追加の位相ずれは、所望の複素値を変更するが、マクロ画素３２が実際に４ｆ系の出口において所望の位相及び振幅値を示すように画素グループ毎に４ｆフィルタリングにより排除される。

図８ｂは、４ｆ構成３１の実際的なフィルタリングと計算されたフィルタリングとの間の像面６におけるフィルタリングの前後の比較を示す。光変調器２における画素２９１、２９２の符号化のフィルタリング前の値及びレンチキュラー構成であってもよい光学素子アレイ１３の下流側にすぐ隣接する出口３０におけるフィルタリング後の値は、振幅及び位相に関して直線で表される。前記直線は、位置座標にほぼ平行に描かれる。フィルタリングされたマクロ画素２９と理想的な複素値のマクロ画素３２との間の結果として得られる振幅分布及び結果として得られる位相分布の双方に関する図８ｂの僅かな偏差は一般的に無視され、本発明に係るデバイス１の関数と使用されるプログラミング手段による複素値の計算とは非常に一致している。

１ デバイス
２ 第１の光変調器
２１ 画素
２２ 符号化表面
２３ 第２の光変調器
２４ 第1の線
２５ 第２の線
２６ 第３の線
２７ 第４の線
２８ グループ
２９ マクロ画素
２９１ 第１の画素
２９１１ 画素位相
２９２ 第２の画素
２９２１ 画素位相
２９３ 単位円
２９４ 結果として得られる位相
２９５ 位相平行四辺形
３ ケーシング
４ 第1の光源アレイ
４１ 光源
４２ 光源画像
４３ 第２の光源アレイ
５ 第１の光学素子アレイ
５１ レンズ
５２ 発散レンズ
５３ 発散レンズアレイ
６ 像面
６１ 可視領域の平面
７ 制御ユニット
８ フィルタリングアパーチャアレイ
８１ 第１のアパーチャ
８２ 第２のアパーチャ
９ 再構成
９１ 再構成
９２ 変位された再構成
９３ 拡大された再構成
１０ ｘｙｚ座標系
１１ 光源
１２ 光ビーム拡大システム
１３ 第２の光学素子アレイ
１３１ レンズ
１４ 観察者
１５ 電源装置
１６ 制御システム
１７ 光源アレイを制御するユニット
１８ フィルタリングアパーチャアレイを制御するユニット
１９ 位置検出システム
２０ 変位デバイス
３０ 出口
３１ ４ｆ構成の一部
３２ 理想的な複素値のマクロ画素
Ｉｍ 虚数部
Ｒｅ 実数部

Claims (18)

1. 少なくとも１つの光変調器（２、２３）を使用してホログラフィック再構成を生成するデバイス（１）であって、
   − 光源（１１）或いは複数の光源（４１）を有する光源アレイ（４）と、
   − 少なくとも１つの光源（１１、４１）により照明される、少なくとも１つの画素化光変調器（２、２３）と、
   − 各光学素子（５１）が前記光変調器（２、２３）の符号化可能画素（２１；２４、２５、２６、２７；２９１、２９２）のグループ（２８；２９）に割り当てられ且つ前記光学素子（５１）が光源画像（４２）を形成するように前記光変調器（２、２３）の背後の像面（６）に前記光源（１１、４１）を結像させる第１の集束光学素子アレイ（５）と、
   − 前記第１の集束光学素子アレイ（５）の前記光学素子（５１）に割り当てられた光学素子（１３１）を有する第２の集束光学素子アレイ（１３）と、
   ここで、前記光学素子（１３１）は、そこから出射する光束を可視領域（６１）内の観察者の視点（１４）に投影するため、前記像面（６）の背後にあって、前記光学素子（５１）の焦点の長さだけ隔てた位置に配置されている；
   − 前記光変調器（２、２３）に接続され、且つ、プログラミング手段により前記光変調器（２、２３）の前記画素化符号化表面（２２）に対する前記ホログラフィックコードを計算する制御ユニット（７）とを具備し、
   前記光変調器（２、２３）はフィルタリングアパーチャアレイ（８）に割り当てられ、 前記フィルタリングアパーチャアレイ（８）は、複数のアパーチャ（８１、８２）を有し且つ前記光源画像（４２）の前記像面（６）に近接して位置付けられ、
   前記フィルタリングアパーチャアレイ（８）は、前記第１の集束光学素子アレイ（５）と第２の集束光学素子アレイ（１３）と共に、４ｆ−フィルタシステムを構成し、
   前記フィルタリングアパーチャアレイ（８）のアパーチャ（８１、８２）は、前記光変調器（２、２３）のホログラフィック符号化により生成された回折光における規定された部分を通過させるように形成され、
   前記規定された部分のサイズはフーリエ変換の１つの回折次数のサイズ以下である
   ことを特徴とするデバイス。
2. 光ビーム拡大システム（１２）を有する光源（１１）及び前記第１の集束光学素子アレイが前記光変調器（２、２３）を照明するために前記光変調器（２、２３）の前方に配設される、
   又は、
   動的シャッター変調器が、前記光ビーム拡大システム（１２）と前記第１の集束光学素子アレイ（５）との間に提供されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
3. 複数の光源（４１）を有する光源アレイ（４）が前記光変調器（２、２３）を照明するために前記光変調器（２、２３）の前方に配設される、
   又は、
   前記デバイスは観察者（１４）に対する画面を形成し、且つ、前記フィルタリングアパーチャアレイ（８）の下流側に配設される、複数の球面光学素子（１３１）を有した第２の集束光学素子アレイ（１３）を具備する
   ことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
4. 前記光変調器（２、２３）を符号化する前記制御ユニット（７）は制御システム（１６）の一部であり、前記制御システム（１６）は、前記光源アレイ（４）を制御するユニット（１７）、及び／又は、前記フィルタリングアパーチャアレイ（８）、及び／又は、前記第１の集束光学素子アレイ（５）、及び／又は、前記第２の集束光学素子アレイ（１３）を制御するユニット（１８）、及び、前記観察者（１４）の実際の位置を検出する位置検出ユニット（１９）を更に具備することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のデバイス。
5. 前記位置検出ユニット（１９）は、少なくとも信号により前記２つのユニット（１７）及び（１８）に接続され、
   前記２つのユニット（１７、１８）は、変位デバイス（２０）に接続され、当該変位デバイスは前記位置検出ユニット（１９）からの信号に応答して各平面における可動構成要素、すなわち前記光源アレイ（４）の前記光源（４１）及び／又は前記フィルタリングアパーチャアレイ（８）の前記フィルタリングアパーチャ（８１）及び／又は前記第１の光学素子アレイ（５）及び／又は前記第２の光学素子アレイ（１３）を変位させることを特徴とする請求項４に記載のデバイス。
6. 前記アレイ（４、８）は、前記制御システム（１６）により制御される動的光コンポーネント及び静的光コンポーネントの双方として設計されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のデバイス。
7. 前記第１の集束光学素子アレイ（５）は、前記光変調器（２、２３）に対しては光学照明系であり、前記光源アレイ（４）に対しては前記像面（６）を形成し、且つ、前記光源アレイ（４）に対しては光学結像システムを形成し、
   当該光学投影システムは、前記光源アレイ（４）を前記光変調器（２、２３）のフーリエ平面として与えられる前記焦点面に結像し、前記光源アレイ（４）の画像は、光が照らされる際に通る前記光変調器（２、２３）の各サブ区分の画素（２１；２４、２５、２６、２７；２９１、２９２）のフーリエ変換と一致し、所定の回折次数又はその一部を通過させる前記フィルタリングアパーチャアレイ（８）は、前記像面（６）に近接して配設されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のデバイス。
8. 前記フィルタリングアパーチャアレイ（８）は、前記フーリエ変換の前記所定の回折次数又はその一部のみを通過させる、マトリックス状のアパーチャを示す、
   又は、
   前記第１の集束光学素子アレイ（５）は、前記第１の光源アレイ（４）の前記点光源（４１）の後方に配設される球面レンズ（５１）の２次元構成である
   ことを特徴とする請求項７に記載のデバイス。
9. 前記２次元に配置される球面光学素子（１３１）を有する前記投影する第２の集束光学素子アレイ（１３）は、前記可視領域が割り当てられ且つ同時に前記観察者平面としての役割を果たす平面（６１）に前記フィルタリングアパーチャアレイ（８）の前記アパーチャ（８１、８２）を結像し、前記光学素子及び前記フィルタリングアパーチャは、前記観察者平面（６１）の全てのアパーチャ（８１、８２）の画像が重なり合い、１つの観察者ウィンドウを形成するように相互に配置されることを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
10. 前記フィルタリングアパーチャアレイ（８）の前記アパーチャ（８１、８２）のサイズは、前記光変調器（２）の画素ピッチ（ｐ）及び前記第１の集束光学素子アレイ（５）の前記レンズ（５１）の焦点距離に依存することを特徴とする請求項８に記載のデバイス。
11. 前記フィルタリングアパーチャアレイ（８）はシャッター変調器であり、
    当該シャッター変調器の制御可能な開口部は、１つの回折次数又はその一部の寸法の外延に従った１つ又は複数の画素分の寸法を有し、
    或いは／及び、
    前記第１の集束光学素子アレイ（５）は、線光源により照明され且つスロットアパーチャ（８１、８２）を有するフィルタリングアパーチャアレイ（８）を割り当てられる円柱レンズを含むレンチキュラーアレイである
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のデバイス。
12. 前記観察者（１４）に対する前記平面（６１）の前記可視領域を追跡するために、前記アパーチャ（８１、８２）の位置を変位する動的シャッター変調器がフィルタリングアパーチャアレイ（８）として使用されることを特徴とする請求項２又は１１に記載のデバイス。
13. 複数の光源（４１）を有する光源アレイ（４）が前記光変調器（２、２３）を照明するために前記光変調器（２、２３）の前方に配設される、
    又は、
    前記デバイスは観察者（１４）に対する画面を形成し、且つ、前記フィルタリングアパーチャアレイ（８）の下流側に配設される、複数の球面光学素子（１３１）を有した第２の光学素子アレイ（１３）を具備し、
    前記光源アレイ（４）は、個々に順番に電源を投入される隣接する光源（４１）の構成を含み、前記構成は、前記制御システム（１６）により制御されて特定の間隔の垂直断面を照明する、
    或いは、
    発散レンズ（５２）は、前記観察者（１４）に対する前記平面（６１）の前記使用可能な可視領域を垂直方向に拡大するために提供され、前記発散レンズ（５２）の全体は平行配向され、かつ、前記フィルタリングアパーチャアレイ（８）の下流側にすぐ隣接して配設される発散レンズアレイ（５３）の形態を更に有する
    ことを特徴とする請求項１、２、４乃至１２のいずれか１項に記載のデバイス。
14. 前記光変調器（２，２３）に対して使用される設計及び符号化方法に依存して、１次元スロットフィルタリングアパーチャアレイ又は円形のアパーチャを有する２次元フィルタリングアパーチャアレイ（８）が採用されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
15. 前記フィルタリングアパーチャアレイ（８）は静的であり、アパーチャマスクの形態を有することを特徴とする請求項１４に記載のデバイス。
16. 前記平面（６１）の前記可視領域を追跡するため、又は、前記平面（６１）のある特定の可視領域を周期的に走査するため、動的フィルタリングアパーチャアレイ（８）が前記制御システム（１６）の前記制御可能変位デバイス（２０）を使用して実現されることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載のデバイス。
17. 前記フィルタリングアパーチャアレイ（８）は制御可能な振幅変調光変調器であり、個々の画素の透過率の変動がフィルタリング効果の原因となり、アパーチャ（８１、８２）としての役割を果たす前記活性化画素が、静的フィルタリングアパーチャアレイの前記アパーチャ（８１、８２）の前記開口部のサイズにほぼ対応することを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のデバイス。
18. 前記動的光源アレイ（４）は、前記フィルタリングアパーチャアレイ（８）と一致して、光源（１１）により全体的に照明される制御可能な振幅変調光変調器であり、個々の画素の透過率の変動により光ビームが通過し、ビームを通過させる開口部としての役割を果たす前記画素は、静的光源アレイの前記光源（４１）のほぼ直径のサイズを有することを特徴とする請求項１または１７に記載のデバイス。

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