(57)【要約】  本発明は、シーンのホログラフィック再構成用投影装置（１）に関し、前記装置は、少なくとも１つの光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）と、シーンの波面（８、８Ｒ、８Ｇ、８Ｂ、８Ｌ）の生成のために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（４）とを備える。上記シーンは光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）において符号化される。光源（４）によって放射され、光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）によって変調される光のフーリエ変換（ＦＴ）が投影手段（６）によってスクリーン（７）上へ投影される。さらに、光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）において符号化された波面（８、８Ｒ、８Ｇ、８Ｂ、８Ｌ）は、観察者の平面（１２）にある少なくとも１つの観察者用仮想ウィンドウ（１１、１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｒ、２４Ｌ、２８Ｒ、２８Ｌ）の中へ投影手段（６）によって投影される。少なくとも１人の観察者の目の位置の変化に従って観察者用ウィンドウ（１１、１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｒ、２４Ｌ、２８Ｒ、２８Ｌ）を追跡するために、本発明の装置は、光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）とスクリーン（７）との間に配置される少なくとも１つの偏向手段（１８）を備える。
2009524095.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
十分にコヒーレントな光を放射する少なくとも１つの光源と、シーンの符号化済み波面を生成する少なくとも１つの光変調装置とを備え、該シーンのホログラフィック再構成を行う投影装置であって、
前記光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）によって変調された光のフーリエ変換（ＦＴ）をスクリーン（７）上へ投影し、並びに、前記符号化済み波面（８、８Ｒ、８Ｇ、８Ｂ、８Ｌ）を観察者の平面（１２）にある少なくとも１つの観察者用仮想ウィンドウ（１１、１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｒ、２４Ｌ、２８Ｒ、２８Ｌ）の中へ投影する投影手段（６）と、
前記観察者用ウィンドウ（１１、１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｒ、２４Ｌ、２８Ｒ、２８Ｌ）を少なくとも１人の観察者の目の位置の変化に従って追跡するために、前記光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）と前記スクリーン（７）との間に配置される少なくとも１つの偏向手段（１８）と、
を備えることを特徴とする投影装置。
【請求項２】
前記スクリーン（７）の再生スケール及びサイズは、前記フーリエ変換（ＦＴ）の回折次数が前記スクリーン（７）の外側に周期的に継続して存在するように選択される
ことを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
【請求項３】
前記光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）は一次元である
ことを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
【請求項４】
バイナリ２次元光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）を特徴とする請求項１に記載の投影装置。
【請求項５】
再構成シーン用の波面（１０）を生成する偏向エレメント（９）であって、前記１次元光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）に対して９０度の角度で光偏向を実現する偏向エレメント（９）を備える
ことを特徴とする請求項３に記載の投影装置。
【請求項６】
前記観察者の目の位置の変化を検出する位置検出システム（１７）を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
【請求項７】
前記観察者用ウィンドウ（１１、１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｒ、２４Ｌ、２８Ｒ、２８Ｌ）を追跡するために、観察者当たり１つの偏向手段（１８）と、すべての偏向手段（１８）に共通の１つの視準用レンチキュラ（１９）と、共通の集束エレメント（２５）と、が複数の観察者のために光の伝播方向に連続的に配置される
ことを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
【請求項８】
少なくとも１つのビームスプリッタ・エレメント（２２、２７）が前記偏向手段（１８）と前記光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）との間に配置される
ことを特徴とする請求項１、３、４のいずれか１項に記載の投影装置。
【請求項９】
シーンをカラー再構成するために、前記ビームスプリッタ・エレメント（２２）を用いて、光を光のスペクトル成分に分割するか、又は、該スペクトル成分から光を再合成する
ことを特徴とする請求項８に記載の投影装置。
【請求項１０】
２次元バイナリ光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）が用いられる場合、シーンのカラー再構成用の前記ビームスプリッタ・エレメント（２２）と、前記光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）によって放射される波面（８Ｒ、８Ｌ、８Ｇ、８Ｂ）を増加するための別のビームスプリッタ・エレメント（２７）とを備える
ことを特徴とする請求項８に記載の投影装置。
【請求項１１】
前記偏向手段（１８）はミラーである
ことを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
【請求項１２】
前記スクリーンはミラー、特に凹面ミラーである
ことを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
【請求項１３】
収差を最小化するためのレンズエレメント（１３、１４）を光路に備える
ことを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
【請求項１４】
前記光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）は位相変調器である
ことを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
【請求項１５】
シーンをホログラフィック再構成する方法であって、
少なくとも１つの十分にコヒーレントな光源を備えた照明装置が、符号化された波面によって少なくとも１つの光変調装置を照明し、
前記光源（４）によって放射され、前記光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）によって変調された光のフーリエ変換（ＦＴ）は、スクリーンとして機能する光学エレメント（７）上へ投影され、
少なくとも前記光学エレメント（７）は、観察者の平面（１２）にある少なくとも１つの観察者用仮想ウィンドウ（１１、１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｒ、２４Ｌ、２８Ｒ、２８Ｌ）の中へ前記符号化された波面（８、８Ｒ、８Ｇ、８Ｂ、８Ｌ）を投影し、
少なくとも１つの偏向手段（１８）が少なくとも１人の観察者の目の位置の変化に従って前記観察者用ウィンドウ（１１、１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｒ、２４Ｌ、２８Ｒ、２８Ｌ）を追跡する
ことを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）及び前記光学エレメント（７）は、前記フーリエ変換（ＦＴ）の回折次数が前記光学エレメント（７）の外側に周期的に継続して存在するように、前記光学エレメント（７）の前記サイズと共に選択される再生スケールを規定する
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記シーンはゼロ番目の回折次数で再構成される
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
位置検出システム（１７）は、前記再構成されたシーンを観察する前記観察者の目の位置を検出し、該位置に追従する
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
少なくとも１つの投影手段（６、１９、２５）が、前記波面（Ｗ、８、８Ｒ、８Ｇ、８Ｂ、８Ｌ）の前記フーリエ変換（ＦＴ）を前記光学エレメント（７）上へ投影する
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
２人以上の観察者について、該観察者のすべての左眼又はすべての右眼に対して前記波面（Ｗ、８、８Ｒ、８Ｇ、８Ｂ、８Ｌ）を生成するために、ただ１つの光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）を用い、
複数の光源（４）が、異なる入射角で前記光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）へ光を向ける
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
１次元光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）によって変調された一次元変調済み波面（８、８Ｒ、８Ｇ、８Ｂ、８Ｌ）に基づいて、偏向エレメント（９）の助けによって波面（１０）が生成される
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
前記シーンのカラー再構成が３原色に対して同時に行われる
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
２次元バイナリ光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）の場合、第１のビームスプリッタ・エレメント（２７）が前記光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）によって放射された波面（８、８Ｒ、８Ｇ、８Ｂ、８Ｌ）を増加させ、少なくとも１つの別のビームスプリッタ・エレメント（２２）が前記シーンのカラー再構成を３原色で同時に実現する
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２４】
同時に行われる前記シーンのカラー再構成は３つの光変調装置（２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）の助けによって行われ、
前記第２のビームスプリッタ・エレメント（２２）は、前記光変調装置（２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）によって変調され、放射された光の個々の単色波面（１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ）を再合成する
ことを特徴とする請求項２２又は２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シーンのホログラフィック再構成用投影装置に関し、前記装置は、少なくとも１つの光変調装置と、該光変調装置において符号化されるシーンの波面を生成するために十分にコヒーレントな光を放射する少なくとも１つの光源とを備える。本発明はシーンのホログラフィック再構成方法にさらに関する。
【背景技術】
【０００２】
ホログラフィによって、３次元オブジェクトを記録し、波動光学的方法を用いて光学的に３次元オブジェクト表示することが可能となる。ホログラフィック画像の表示は再構成と呼ばれることが多いが、該表示は、キャリア媒体を十分にコヒーレントな光によって照明することにより、投影装置の助けによって実現され、また、ホログラムのタイプに応じて実現される。利用されるホログラムは、真のホログラムか、コンピュータ生成ホログラム（ＣＧＨ）かのいずれであってもよい。
【０００３】
通常、再構成は直接見られる。すなわち観察者は、コンピュータ生成ホログラム（ＣＧＨ）を観察する。このコンピュータ生成ホログラム（ＣＧＨ）は、例えば、ホログラム値に従って符号化された、規則的に配列された画素から構成されている。個別の記録に起因して、さらに、偏向の結果により、ＣＧＨの再構成は１つの周期性間隔の範囲内でのみ可能であり、この間隔はＣＧＨキャリ媒体の分解能により規定される。この再構成は、隣り合う周期性間隔の中で不規則性を示しながら通常反復される。
【０００４】
ＣＧＨ用の記録媒体には、入射光の位相及び振幅を変調するＬＣＤ、ＬＣｏＳ等のような空間光変調器が含まれる。ＣＧＨを所望の平面に変換する光学エレメントは２次元シーンと３次元シーンを再構成するために用いられる場合が多い。投影装置のリフレッシュレートをシーンの再構成のために十分に高くして、高画質の動画２次元シーンと３次元シーンとを達成する必要がある。
【０００５】
特許文献１には、例えば、３次元シーンを再構成するための一次元光変調器を備えた投影装置が開示されている。この光変調器はデータ処理システムの変調信号によって制御され、したがって、一次元ホログラムを符号化する音響光学変調器である。再構成は、水平方向に視野角を上げるためにいくつかの光学エレメントの助けによって縮小される。水平スキャナは、シーンの部分的ホログラムを連続して合成して、部分的ホログラムの動きのバランスをとる。水平スキャナは音響波の速度と同期され、それによって、変調器からからの原画像の走査済みエリアは、再構成されたシーンにおいて固定されているように見える。さらに、水平一次元ホログラムの位置決めを垂直方向に行うために、垂直方向のスキャナが設けられる。
【０００６】
しかし、投影装置が音響光学変調器（ＡＯＭ）を使用するという理由のために、この投影装置は、動きのバランスをとることを目的とする水平スキャナのような追加のエレメントを必要とするという問題点を示すことになる。このため、設計がかなり困難で、複雑なものとなる。別の欠点として、ＡＯＭの狭い開口部があり、この開口部はサブホログラムを１列にまとめて並べることを要求する。
【０００７】
さらに、例えば特許文献２の特許要約による光変調器が知られている。この要約及び添付図面には、２つの空間光変調器（ＳＬＭ）の助けによって３次元シーンを再構成するための装置についての記載がある。対応するホログラムを備えた個々の光変調器は１人の観察者の片眼用として意図されたものである。レンズエレメントと回転するミラーエレメントとが光変調器と観察者との間に配置される。３次元シーンはチルトされたミラーエレメントの領域に、又はチルトされたミラーエレメント上に再構成される。いずれの観察者の動きも位置検出システムによって識別され、回転するミラーエレメントはその水平軸又は垂直軸の周りでチルトされ、それによって観察者の目の新しい位置を追従することになる。同時に、新しい観察者の位置と一致する３次元シーンの視野がホログラムに示される。
【０００８】
上記回転するミラーエレメントは上記投影装置においてモニタとして機能し、同時に観察者用ウィンドウを追跡するために用いられる。したがって、３次元シーンの再構成はそのエレメントの拡張により制限を受けることになる。さらに、再構成されたシーンは回転するミラーエレメントの動きに起因して不規則性を示す場合もある。このことは、特に、再構成されたシーンの見た目が実際の視方向に依存して異なるものになることを意味する。このため観察者にはシーンを観察するのがかなり不便になる。さらに、この再構成されたシーンは２つの光変調器の相対的に小さな寸法によって制限を受ける。
【０００９】
特許文献３の特許要約には、動画３次元シーンを表示するためのホログラフィック装置についての記載があり、このホログラフィック装置では観察者からシーンまでの観察距離は、短い距離に保たれていなければならない。この装置は、光源、光変調器、光を投影するための投影エレメント、及び、再構成されたシーンの近くに、又は、再構成されたシーンと同じ位置に配置されるフィールドレンズを備える。ここでのフィールドレンズがスクリーンとしても機能するという理由により、３次元シーンの範囲はこのフィールドレンズの寸法によって制限を受けることになる。
【特許文献１】米国特許第５，１７２，２５１号公報
【特許文献２】特開平０９−０６８６７４号公報
【特許文献３】特開平０９−１３８６３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的はシーンのホログラフィック再構成のための装置及び方法を提供することである。この装置及び方法は従来技術の前述の問題点を克服するものであり、前記装置及び方法は、たとえ観察者のうちの少なくとも１人が移動したとしても、２次元シーンと３次元シーンの再構成を複数の観察者へ高画質で配信することが可能となる。この場合、投影装置は、単純でかつ製造に費用のかからない構造のものになる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、上記目的は、光源によって放射され、光変調装置によって変調された光のフーリエ変換をスクリーン上へ投影し、次いで、光変調装置において符号化された波面を、観察者の平面に位置している少なくとも１つの観察者用仮想ウィンドウの中へ投影するための投影手段によって解決される。この場合、電気機器は少なくとも１人の観察者の変化する目の位置に従って観察者用ウィンドウを追跡する少なくとも１つの偏向手段を備え、前記偏向手段は、光変調装置とスクリーンとの間に配置される。
【００１２】
本発明による投影装置は少なくとも１つの光変調装置を備え、該光変調装置は十分にコヒーレントな光を放射する光源を含む照明装置により照明される。光変調装置は、好適には空間光変調器、特に、位相変調器が望ましい。光源によって放射され、次いで、光変調装置によって変調された光のフーリエ変換は、投影手段、特に、レンズとミラーとの少なくともいずれかによって光学エレメントの中で投影される。この光学エレメントはスクリーンとして機能し、次いで、光変調装置において符号化された波面は観察者の平面に在る観察者用仮想ウィンドウの中へ投影される。該ウィンドウにおいて、１人又は複数の観察者が、再構成された２次元シーン又は３次元シーンを観察することができる。観察者用ウィンドウは、物理的には存在していため、仮想ウィンドウと呼ばれる。このウィンドウは観察者の片目又は両目の正面にある単に想像上のウィンドウであり、該ウィンドウを通して、十分な品質で再構成されたシーンを観察することができる。本発明によれば、観察者用ウィンドウは（単複の）観察者の動きに従って少なくとも１つの偏向手段の助けにより追跡される。この観察者の動きは観察者の新しい目の位置の助けによって識別される。偏向手段は投影装置内に配置される。さらに詳細にはこの偏向手段は、光変調装置とスクリーンとの間に配置される。このような偏向手段は、音響光学エレメントのような機械エレメント、電気エレメント、磁気エレメント又は光学エレメントであってもよい。
【００１３】
このようにして、高画質の２次元シーンと３次元シーンの単純かつ迅速な再構成用として用いられるホログラフィック投影装置であって、観察者用ウィンドウの追跡を可能にするホログラフィック投影装置が提供される。観察者用ウィンドウを追跡するために用いられる偏向手段が投影装置内に配置されるという事実は、周囲の環境の影響に対して偏向手段を鈍感にすることを意味する。さらに、使用される光変調装置は、好適には大きな空間光変調器であることが望ましく、音響光学変調器のような制限のある変調器ではないことが望ましい。このような変調器は、特許文献１の水平スキャナのような追加のエレメントと、投影装置内の追加のエレメントの配置構成とを不要にするものである。このような光変調装置は機器のコンパクトな設計に寄与することになる。
【００１４】
本発明の１つの実施形態では、再生スケール及びスクリーンサイズを選択して、フーリエ変換の回折次数がスクリーンの外側に周期的に継続して存在するようにすることが可能である。これは、回折次数の周期的継続がスクリーンの中から変位されるという利点を有し、さらに、ただ１回の周期がスクリーン上で目に見えるようになる。このことは、観察者が、種々の回折次数での再構成の周期的継続を知覚しないことを意味する。したがって、画質は従来の機器と比べて著しく改善されたものになる。
【００１５】
本発明の実施形態では、光変調装置はさらに、再構成されたシーンのための２次元波面を生成するための偏向エレメントを備えた１次元光変調装置であってもよい。この場合、前記偏向エレメントは１次元光変調装置に対して垂直な光偏向を実現することになる。
【００１６】
一次空間光変調装置が提供される場合、本発明による投影装置は、偏向エレメント、好適には検流計スキャナ（ミラー検流計）又は光ビームの迅速な偏向を行うための多角形ミラーを備えたものであってもよい。このミラーは、再構成されたシーンの表示のために２次元波面を生成するためのものである。（１次元光変調装置が垂直方向に構成されているか、水平方向に構成されているかに応じて）列又は行の波面は、偏向エレメントの助けによりまとめて１列に並べられる。
【００１７】
広い領域において（単複の）観察者が観察者ウィンドウを利用可能にするために、観察者は、位置検出システムを用いて、再構成されたシーンを観察しながら、観察者の平面における観察者の目の位置の変化を検出することができる。
【００１８】
上記位置検出システムは、再構成されたシーンを観察しながら１人又は複数の観察者の目の位置を検出し、シーンを適宜符号化する。これは特に、変更される目の位置に従って、再構成シーンの位置と内容との少なくともいずれかを更新できるようにするのに有利である。次いで、新しい目の位置に従って観察者用ウィンドウを追跡することが可能となる。
【００１９】
本発明の別の推奨実施形態によれば、少なくとも１つのビームスプリッタ・エレメントを偏向手段と光変調装置との間に配置することができる。シーンのカラー再構成用として用いられるこのビームスプリッタ・エレメントと共に２次元バイナリ光変調装置が用いられる場合、光変調装置から放射された波面を再生するために別のビームスプリッタ・エレメントが提供される。
【００２０】
１次元又は２次元光変調装置が使用される場合、投影装置に配置される少なくとも１つのビームスプリッタ・エレメントをシーンのカラー再構成のために採用することができる。カラー再構成用ビームスプリッタ・エレメントに加えて、２次元バイナリ光変調装置が使用される場合、光変調装置によって放射される波面を再生する第２のビームスプリッタ・エレメントを提供するようにしてもよい。この追加のビームスプリッタ・エレメントは、例えばグリッド又は回折光学エレメント（ＤＯＥ）であってもよい。
【００２１】
本発明の目的はシーンのホログラフィック再構成方法によって解決される。その場合、光源によって放射され、光変調装置によって変調される光のフーリエ変換がスクリーンとして機能する光学エレメント上へ投影される。その場合、少なくとも光学エレメントは、観察者の平面にある少なくとも１つの観察者用仮想ウィンドウの中へ符号化済み波面を投影し、また、その場合、少なくとも１つの偏向手段が、観察者の平面にある観察者用ウィンドウを少なくとも１人の観察者の目の位置の変化に従って追跡する。
【００２２】
新規の方法によれば、十分にコヒーレントな光を放射する照明装置の光が、ホログラフィック再構成の２次元と３次元シーンの少なくともいずれかのシーン用として少なくとも１つの光変調装置上へ向けられる。照明装置によって放射され、光変調装置によって変調される光のフーリエ変換は、光学エレメント上へ、次いで、特にスクリーン上へ、好適にはミラー上へ投影される。光変調装置において符号化された波面は、次いで、好適にはスクリーンの助けによって観察者の平面にある観察者用ウィンドウの中へ投影される。このウィンドウを通じて観察者は、再構成された、好適には３次元のシーンを視ることになる。観察者用ウィンドウは、偏向手段の助けによって、少なくとも１人の観察者の目の位置の検出された変化に従って観察者の平面において追跡される。
【００２３】
本発明の方法の利点として、高画質を同時に提供しながら、広い再構成空間において２次元と３次元のシーンの少なくともいずれかのシーンを再構成することができるという点が挙げられる。さらに、この方法によって、観察者は観察者の平面の中で移動することが可能となり、それによって、再構成されたシーンを観察することができるようにスクリーンの正面に観察者の位置を固定する必要がなくなる。この新規の方法によれば、たとえこの観察者が別の位置へ移動するようなことがあっても、（視差画像を伴う公知の自動立体鏡（autostereoscopic）表示の深度効果の代わりに）真の深度効果を持つ広い再構成された３次元シーンを少なくとも１人の観察者に対して示すことが可能となる。波面が直接変調されるという事実は、ホログラムを得るための変換計算を冗長にするものである。さらに、変調済み波面を計算するために、オブジェクトを１回だけフレネル変換して観察者用ウィンドウの中へ入れる操作が必要となる。これは、従来技術の投影装置により必要とされるような、オブジェクトの波面の追加フーリエ変換を行ってホログラムに変える操作を冗長にすることになる。
【００２４】
本発明の好ましい実施形態によれば、ミラーエレメントをチルトさせることによってゼロ番目の回折次数でシーンをさらに再構成するようにしてもよい。輝度がゼロ番目の回折次数で最大となるため、これは特に望ましいことである。
【００２５】
本発明のさらなる実施形態がその他の従属クレームにより規定される。本発明の実施形態について以下詳細に説明し、添付図面と関連して例示する。単色光を持つホログラフィック再構成に基づいて本発明の原理について説明する。しかし、個々の実施形態の説明で示されるようなカラーホログラフィック再構成にも本発明を同様に適用できることが当業者には明らかになるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１は、２次元シーンと３次元シーンとの少なくともいずれかのシーンの再構成のためのホログラフィック投影装置１を概略的に示す平面図である。さらに理解し易くするために、透過装置としてのホログラフィック投影装置１が、以下に参照する図４ａに単純化された態様で示されている。次に、ホログラフィック投影装置１の基本設定について説明する。投影装置１は光変調装置２を備えるが、この光変調装置２は、本例では、入射波面を変調する位相変調器である。この実施形態でわかるように、光変調装置２は本例では垂直方向に配設された１次元光変調装置である。しかし、光変調装置２は水平方向にも同様に配設することが可能である。光変調装置２は照明装置３によって、より正確に述べれば、十分にコヒーレントな光を放射する線光源４によって照明される。本明細書においては、‘十分にコヒーレントな光’という用語は３次元シーンのホログラフィック再構成のために干渉を生成することができる光を示すものである。照明装置３の光源４は、レーザダイオード、ＤＰＳＳレーザ（ダイオードポンピング・ソリッドステートレーザ）又は別のレーザからつくることができる。十分にコヒーレントな光を放射する限り従来の光源を使用することも可能である。しかし、このような光源は、フィルタして、十分なコヒーレンスレベルを達成するようにすることが望ましい。ホログラフィック投影装置１は投影手段、特に光学システム５をさらに備える。この光学システム５の最も単純な変形例は、投影手段６及びスクリーンとして機能する光学エレメント７を備えるものである。光学エレメント７を以下スクリーンと呼ぶことにする。光学システム５は、例えば、図からわかるような、また、以下さらに詳細に説明するようなさらに別の光学エレメントを備えるものであってもよいことは言うまでもない。スクリーン７は、好適にはミラー、特に凹面ミラーであることが望ましい。スクリーン７は、例えば図示のようにレンズなどの投影用光学エレメントとすることも可能である。スクリーン７が凹面ミラーである場合、ホログラフィック投影装置１の光学システムのサイズの方が、レンズのみを用いる透過装置のサイズよりも実質的にさらに小型になるという利点が生じることになる。スクリーン７は、光変調装置２から反射される波面８が破壊されないように決して拡散面を持たないようにすることが望ましい。投影手段６もまたミラー又はレンズである。光源４により放射され、かつ、平らであると仮定される波Ｗが光変調装置２にヒットし、次いで、変調され、それによって平面波Ｗの波面が光変調装置２において等距離の位置に符号化されて、所望の波面８を形成するようになる。この波面８はレンズエレメント１３と１４によって偏向エレメント９上へ投影され、２次元シーンと３次元シーンとの少なくともいずれかのシーンを再構成するようになる。このような偏向エレメント９は、検流計スキャナ、圧電スキャナ、共鳴スキャナ、ポリゴンスキャナ、ポリゴンミラー、マイクロミラーアレイ、あるいは、音響光学装置、光電装置、又は磁気装置のような同様の装置であってもよい。偏向エレメント９は、光変調装置２に対して垂直な波面８の光偏向を実行して、２次元波面１０を生成するようにする。２次元波面１０は、上記偏向によって生成される一連の平行な１次元波面１０’、１０”、１０”’．．．から構成される。次いで、光学システム５は、観察者の平面１２に位置している観察者用仮想ウィンドウ１１の中へ２次元波面１０を投影する。このウィンドウにおける観察者の目は再構成されたシーンを観察する。光源４によって放射される十分にコヒーレントな光がスクリーン７上へ同時に投影される。これによって、波面に符号化された情報のフーリエ変換ＦＴがレンズエレメント１３と１４との間に、そして、レンズエレメント１３の画像側焦面に生成される。光学システム５の投影手段６は、画像側焦面１７におけるスクリーン７上において平面１５の中へフーリエ変換ＦＴを投影する。円錐台によって形成される拡大された再構成空間１６において、上記再構成されたシーンを観察者は観察することができる。この拡大された再構成空間１６は観察者用ウィンドウ１１とスクリーン７との間において延伸する空間である。この再構成されたシーンは、スクリーン７の正面に、スクリーン７上に、又は、スクリーン７の後部に現れる得るものである。
【００２７】
３次元シーンがゼロ番目の回折次数で再構成される。この再構成は、ゼロ番目の回折次数において輝度又は光度が最大になるという理由で特に望ましいものである。
【００２８】
さらに、光変調装置２の中へ偏向エレメント９を直接組み込むことも可能である。このことは、２次元波面１０を生成するために用いられる光変調装置２が、全体として変位されることを意味する。この場合レンズエレメント１３と１４は不要となる。次いで、光変調装置２は偏向エレメント９に隣接して、すなわち投影手段６の被写体側焦面に配置される。この結果、例えば、シーンのカラー再構成のためのビームスプリッタ・エレメント２２を光変調装置２と投影装置６の間に配置することができる。これを行うことによって、ホログラフィック投影装置１に対するさらにコンパクトな全体設計を行うことが可能となる。
【００２９】
しかし、オプションとしてホログラフィック投影装置１はレンズエレメント１３と１４を光路に設けるようにしてもよい。ここで個々の焦点距離からわかるように、レンズエレメント１３と１４は収差を最小化するために同じ屈折力を持つようになっている。しかし、レンズエレメント１３と１４はまた、偏向エレメント９上の１次元波面８のサイズの修正又は最適化を行うために、異なる屈折力又は焦点距離を持つようにしてもよい。この場合レンズエレメント１３と１４には別の利点がある。これらのレンズエレメントは、光変調装置２によって放射された波面８が偏向エレメント９上へ投影されるように使用され、それによって２次元波面１０が生成されるようになることが保証される。レンズエレメント１３と１４によってここで表される無限焦点システムは、偏向エレメント９上へ波面８を投影するために用いることができる。これによって、波面８のフーリエ変換ＦＴがレンズエレメントの画像側焦面１３において生成される。レンズエレメント１４と投影手段６の助けによって、このフーリエ変換はスクリーン７上へ投影される。
【００３０】
偏向エレメント９は光源４と光変調装置２との間に交互に配置することができる。この配置には、２次元波面１０の符号化中の収差をできる限り取り、除くか、最小化することができるという利点がある。というのは、光変調装置２にヒットしたとき、平らな波面Ｗはまだ符号化されていないからである。
【００３１】
ここに示される投影装置１には、観察者の平面１２における観察者の目の位置を検出するための位置検出システム１７がさらに含まれる。位置検出システム１７はカメラであってもよい。偏向手段１８は、観察者の目の位置の変化に従って観察者用ウィンドウ１１を追跡するために、投影手段６とスクリーン７との間であって、好適には、投影手段６の画像側焦面に配置される。偏向手段１８は個別に制御が可能であり、好適にはミラーであることが望ましい。観察者用ウィンドウ１１の適当な追跡には非常に正確に動作する偏向手段が必要となる。これは偏向手段１８が検流計スキャナである場合があるという理由による。ＭＥＭアレイ、ポリゴンスキャナ、又は音響光学構成装置のような別の偏向手段を使用することも可能であることは言うまでもない。さらに、偏向手段１８は、少なくとも１つの方向、すなわち水平方向と垂直方向との少なくともいずれかの方向に偏向を行うことができる。このことは、偏向手段１８の一次元バージョンが、水平方向か、垂直方向かのいずれかの方向にのみ観察者用ウィンドウ１１を追跡することを意味する。偏向手段１８の２次元バージョンは水平方向と垂直方向の双方向に観察者用ウィンドウ１１を追跡することができる。偏向手段１８はＸＹ型検流計スキャナであってもよい。あるいは２つの検流計スキャナを互いの後部に配設して、一方を水平方向の追跡用として使用し、もう一方を垂直方向の追跡用として使用するようにしてもよい。観察者用ウィンドウ１１を追跡するための偏向エレメント９は、偏向手段１８と同期する必要がある。さらに、第２の投影手段１９が光の伝播方向から見て偏向手段１８の後部に設けられる。スクリーン７を充填するために必要とされる大きな倍率に起因して、第２の投影手段１９は単一のレンズの代わりにレンズシステムであってもよい。これは収差を防止するか、最小化するためである。第２の投影手段１９が提供されなければ、投影手段６はレンズ又はレンズシステムにする必要がある。
【００３２】
次に、この実施形態の助けによって３次元シーンの再構成についてさらに詳細に説明する。光源４によって放射された波面Ｗは光変調装置２にヒットし、それによって、波面Ｗは変調される。次いで、変調された波面８は、レンズエレメント１３と１４の中を通って進み、これらのレンズエレメントは偏向エレメント９上へ波面８を投影する。同時に、レンズエレメント１３によって、波面８のフーリエ変換ＦＴがレンズエレメント１３の画像側焦面に生成される。このフーリエ変換ＦＴの生成後に、２次元の変調済み波面１０が投影手段６により偏向手段１８上へ投影される。観察者の平面１２におけるいずれの観察者の動きも位置検出システム１７によって識別される。観察者用ウィンドウ１１は、位置検出システム１７により提供される位置情報に従って偏向手段１８を制御することにより追跡することができる。投影手段６と１９は、第２の投影手段１９の焦面２０に変調済み２次元波面１０の画像を生成する。次いで、焦面２０におけるこの２次元画像はスクリーン７を経由して観察者用ウィンドウ１１の中へ投影される。同時に、フーリエ変換ＦＴの画像は投影手段６の画像側焦面２１に生成される。次いで、第２の投影手段１９はフーリエ変換ＦＴの画像をスクリーン７上へ投影する。
【００３３】
観察者の片方の目のみに関連して上述のホログラフィック投影装置１について説明した。観察者の両方の目に対して機能できるように第２の波面変調装置２を設けることは理にかなったことである。このために既存のホログラフィック投影装置１の光学エレメントを利用することができる。観察者が観察者の平面１２に位置していて、観察者用ウィンドウ１１を通して観察する場合、観察者は再構成空間１６に再構成された３次元シーンを観察することができる。そして、このシーンは、光の伝播方向から見てスクリーン７の正面に、スクリーン７上に、又は、スクリーン７の後部に再構成されることになる。しかしながら、水平方向に配置された唯一の光変調装置２を用いて、再構成されたシーンを観察者の両方の目に提供することも可能である。
【００３４】
３次元シーンのカラー再構成もまたホログラフィック投影装置１の助けにより可能となる。図１に示すように、ビームスプリッタ・エレメント２２、好適にはプリズムブロックが光の伝播方向へ向かって投影手段６の正面に配置される。ビームスプリッタ・エレメント２２は、好適には二色性層を備えたＸプリズムであることが望ましく、このエレメントは、赤色光、緑色光及び青色光を分割して、３つの分離波面の中へ入れるか、これらの分離波面を再結合して、共通の変調された波面を形成する。カラー再構成のために他の任意のビームスプリッタ・エレメントを使用してもよいことは言うまでもない。３原色ＲＧＢ（赤、緑、青）を同時に処理することによりシーンのカラー再構成が達成される。本実施形態では、ビームスプリッタ・エレメント２２はレンズエレメント１３と１４との間に配置されるが、このビームスプリッタ・エレメント２２をホログラフィック投影装置１の別の位置に配置することも可能である。
【００３５】
図２は図１のビームスプリッタ・エレメント２２を示す拡大詳細図である。３次元シーンの同時カラー再構成のために、３原色ＲＧＢに対して３つの光変調装置２Ｒ、２Ｇ及び２Ｂが設けられる。これら３つの光変調装置２Ｒ、２Ｇ及び２Ｂは３つの光源４Ｒ、４Ｇ及び４Ｂにより照明される。対応する光変調装置２Ｒ、２Ｇ及び２Ｂによって個々の波面８Ｒ、８Ｇ及び８Ｂを変調した後、これらの波面はビームスプリッタ・エレメント２２によってレンズエレメント１４上へ投影され、共通波面の再合成が図られる。唯一の光源、特に白色光源をカラー再構成用として使用することもさらに可能である。この配置構成において、ビームスプリッタ・エレメント２２もレンズエレメント１３と１４の間に配置される。しかし、追加の半透過ミラーがビームスプリッタ・エレメント２２とレンズエレメント１４との間に配置される。光源により放射された光は半透過ミラーへ向けられ、そこから、光はビームスプリッタ・エレメント２２によって３つの光変調装置２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ上へ投影され、これらの波面変調装置を照明し、次いで、対応する波面を変調する。ここでビームスプリッタ・エレメント２２は、３つの単色波面８Ｒ、８Ｇ及び８Ｂに光を分割する。さらに、カラー再構成用として３つの光変調装置の代わりに、唯一の光変調装置を使用することも可能である。しかし、このオプションは本図には示されていない。上記光変調装置は、異なる色の３つのＬＥＤ又は１つの白色光ＬＥＤから構成される１つの光源によって照明することができる。さらに、異なる入射角で光変調装置上へ波面を投影する音響光学エレメントなどの少なくとも１つの光学エレメントが必要となる。
【００３６】
図３はホログラフィック投影装置１の別の実施形態を示す図である。投影装置１の一般的レイアウトは図１に図示のものと同一である。その理由は、同じ構成要素を同じ参照番号によって示すためである。しかし、図１に示した装置とは対照的に、本図に示すホログラフィック投影装置１は複数の観察者によって用いられることを意図するものである。この図を理解できるようにするために、２人だけの観察者と観察者当たり１つだけの１次元波面とのための光路が本実施形態では示されている。しかし、一般に３以上の観察者が再構成された３次元シーンを観察することが可能である。文字Ｒによって示される観察者用ウィンドウは右眼用のウィンドウであり、文字Ｌによって示される観察者用ウィンドウは観察者の左眼用のウィンドウである。図示のホログラフィック投影装置１は、再構成された３次元シーンを提示するための２つの光変調装置２を備える。これら２つの光変調装置２の各々は、少なくとも１つの光源４を用いて少なくとも１つの照明装置３により照明される。光源４は互いに独立したものであり、異なる入射角を生じさせる。光変調装置２当たりの光源４の数は、再構成されたシーンの観察者の数に依存し、再構成されたシーンの観察者の数によって決定される。３以上の観察者が存在する場合には、ただ１つの光変調装置２が使用される。すなわち、観察者の右眼用のすべての観察者用ウィンドウ用として、又は観察者の左眼用のすべての観察者用ウィンドウ用としてただ１つの光変調装置２が使用されることになる。光源４は、異なる入射角で十分にコヒーレントな光を用いて光変調装置２を照明する。１人の観察者の両目用の観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌに対する光源４の入射角はほとんど同一である。このことは、観察者用ウィンドウ１１Ｌと２４Ｌ用として変調される波面８Ｌと２３Ｌを生成する光源４により放射される光の入射角が異なることを意味する。両方の光変調装置２用として、スクリーン７、偏向エレメント９、レンズエレメント１３と１４及び投影手段６と１９を使用することができる。
【００３７】
図１とは対照的に、それぞれの観察者の目の位置に従って、少なくとも２つの、本例では３つの観察者用ウィンドウ１１Ｒ、１１Ｌ及び２４Ｌを追跡するために２つの偏向手段１８が提供される。偏向手段１８の数は観察者の数によって決められる。このことは、本例では観察者用ウィンドウ１１Ｒ及び１１Ｌに対して、観察者一人当たりただ１つの偏向手段１８が両眼用として使用されることを意味する。第２の投影手段１９が集束エレメント２５と組み合わされ、光の伝播方向から見て偏向手段１８の後部に配置される。ここで、第２の偏向手段１９として、波面１０Ｒと１０Ｌの視準を目的とするレンチキュラがある。左眼と右眼用のこれら２つの波面１０Ｒと１０Ｌは、第１の偏向手段１８に割り当てられている第２の偏向手段１９のレンチキュールの中を通って伸びている。一旦２つの波面１０Ｒと１０Ｌが第２の投影手段１９の対応するレンチキュールを通過すると、集束エレメント２５は、スクリーン７上でフーリエ変換ＦＴにオーバラップし、合焦しようとする。２次元波面２６Ｌ用の観察者用ウィンドウ２４Ｌを追跡するために別の偏向手段１８が設けられる。レンズのさらに複雑な配置構成によって集束エレメント２５を置き換えて、収差の最小化を図るようにしてもよい。集束エレメント２５は、例えば色収差のないレンズであってもよい。例えば、投影装置１における単一レンチキュラとして第２の投影手段１９と集束エレメント２５とを設ける可能性も存在する。
【００３８】
本実施形態では、ホログラフィック投影装置１が複数の観察者にサービスを提供するように設計されている点を除いて、図１と関連して既述したように３次元シーンが再構成される。それによって観察者用ウィンドウ１１Ｒ、１１Ｌ及び２４Ｌを追跡するための複数の偏向手段１８が存在することになる。上述のホログラフィック投影装置１は３つの観察者用ウィンドウに同時にサービスを提供することを可能にするものである。
【００３９】
異なる入射角で個々の光変調装置２にヒットする十分にコヒーレントな光を放射する光源４を用いる代わりに、光変調装置２当たりただ１つの光源８を使用することも可能である。この場合、波面は、光変調装置２により変調が行われた後に増加される。この増加は、例えば格子(グリッド)エレメントの助けによって偏向エレメント９の近傍で行うことができる。この解決方法には、単一光源４によって放射され、次いで光変調装置２にヒットする波面の位相欠陥を補正できるという利点がある。
【００４０】
図１及び図３に関して、ミラーの形を有し、かつ、好適には検流計スキャナであることが望ましい偏向手段１８は光拡散層を有することができる。したがって、偏向手段１８は水平方向に光拡散を行うミラーであってもよい。これらの光拡散層はフォイルの形を有するものであってもよい。拡散された光は１次元波面へ９０度の角度で伝播しなければならない。コヒーレンスがホログラフィック再構成にとって非常に重要なものであるという理由から、コヒーレンスは光拡散層の使用によって影響を受けるものであってはならない。しかしながら、非コヒーレント方向に観察者用ウィンドウ１１、１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｌの拡大を行うことが可能である一方で、回折次数の拡大によりコヒーレント方向に観察者用ウィンドウ１１、１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｌが制限を受けることになる。光変調装置２が水平方向に配置されていれば特に望ましい。このようにして、個々の観察者用ウィンドウ１１、１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｌを垂直方向、すなわち非コヒーレント方向に拡大することが可能となる。これは、光変調装置２のこの配置構成において、観察者用ウィンドウ１１、１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｌを観察者の垂直方向の位置まで追跡する必要がもはやないという理由によるためである。その理由として、観察者用ウィンドウ１１、１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｌが垂直方向に大きく拡大しているということが挙げられる。さらに、この場合、投影及び結像を行う役割を果たすだけでなく、非コヒーレント方向への波面のフーリエ変換の拡散を行う役割も果たすことになるスクリーン７上へ光拡散層を印加できる可能性が存在する。
【００４１】
１次元光変調装置２と偏向手段１８との少なくともいずれかと共に偏向エレメント９の助けによって２人以上の観察者Ｂ１、Ｂ２のために再構成される３次元シーンの部分画像の２次元波面を実現するとき、変調済み波面８の行又は列の時間的多重化が行われるいくつかの可能性が存在する。部分画像の２次元波面が、１人の観察者のために、次いで、別の観察者のためにまず完全に生成される。さらに、個々の観察者と関連づけられた、部分画像の変調済み波面の行又は列を交互に示すことが可能となる。
【００４２】
図１、図２及び図３に従う本発明の実施形態は、少なくとも１つの入射波面を変調するための少なくとも１つの１次元光変調装置２に常に関するものである。しかし、本発明は２次元光変調装置２を用いて実現することも可能である。
【００４３】
次に、投影装置１のこのような実施形態について図４、５、６、７の助けによって説明する。
【００４４】
図４はホログラフィック投影装置１の別の実施形態の平面図を示す。この実施形態による投影装置１は観察者の平面１２における複数の観察者向けのものである。図１及び図３とは対照的に、本実施形態では、光変調装置２は２次元バイナリ光変調装置である。変調波面はこのような光変調装置２によってバイナリ符号化される。波面の表示が非常に不正確であるという理由によって、シーンを再構成するためにいくつかの波面がスーパーインポーズされる。２次元波面を生成するための偏向エレメントはもはや不要となる。
【００４５】
図１及び図３に示す偏向エレメント９の代わりに、投影装置１はビームスプリッタ・エレメント２７を備え、このビームスプリッタ・エレメント２７は、ビームスプリッタ・エレメント２２と併用されて、光をそのスペクトル成分に分割するか、これらのスペクトル成分から光を再合成して、光変調装置２により放射される波面８Ｒと８Ｌを再生するものである。このビームスプリッタ・エレメント２７は好適にはレンズエレメント１４の画像側焦面及び投影手段６に配置される。そして、このビームスプリッタ・エレメント２７は格子エレメント又は回折光学エレメント（ＤＯＥ）、特に、構成可能な回折光学エレメント（ＤＯＥ）であってもよい。さらに、ビームスプリッタ・エレメント２７ではなく、観察者の平面１２にいる観察者の数に応じて、個々の光変調装置２用の複数の光源４を提供することが可能である。これらの光源４によって放射される光は、異なる入射角で光変調装置２にヒットすることが望ましい。
【００４６】
図示の３人の観察者に対するシーンの再構成の場合、投影装置１は２つの光変調装置２を備え、その場合、一方の光変調装置２は観察者の右目向けのものであり、他方の光変調装置２は観察者の左目向けのものである。これら２つの光変調装置２の各々は、１つの光源４を持つ少なくとも１つの照明装置３によって照明される。これらの光源によって放射された光は変調され、それによって平面波Ｗは符号化されて、光変調装置２において等距離の位置において所望の波面８Ｒと８Ｌとを形成することになる。これらの波面８Ｒと８Ｌは、次いで、レンズエレメント１３と１４によって再生用のビームスプリッタ・エレメント２７上へ投影されて、複数の波面８１Ｒ、８２Ｒ、８３Ｒ及び８１Ｌ、８２Ｌ、８３Ｌに変えられる。同時に、波面８Ｒと８Ｌのフーリエ変換ＦＴはレンズエレメント１３と１４との間に、好適にはレンズエレメント１３の焦面に生成される。次いで、フーリエ変換ＦＴはレンズエレメント１４と偏向手段６とによって投影手段６の焦面２１の中へ投影される。この焦面には、３つの偏向手段１８が配置されている。まず、波面８１Ｒ、８２Ｒ、８３Ｒ及び８１Ｌ、８２Ｌ、８３Ｌが投影手段６と１９及び集束エレメント２５によって、第２の投影手段１９と集束エレメント２５との共通焦面２０の中へ投影され、次いで、これらの波面はスクリーン７によって観察者用ウィンドウ１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｒ、２４Ｌ、２８Ｒ及び２８Ｌの中へ、すなわち、３人の観察者の目へ投影される。同時に、焦面２１におけるフーリエ変換ＦＴの画像は第２の偏向手段１９と集束エレメント２５によってスクリーン７上へ投影される。偏向手段１８の数は、この場合も観察者の数によって決められる。このことは、ここでは観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌに対して、観察者当たりただ１つの偏向手段１８が両目用として用いられることを意味する。３次元シーンはゼロ番目の回折次数で再び再構成される。観察者の平面１２における観察者のいかなる動きも、目の位置をモニタする位置検出システム１７によって検出され、そして、観察者用ウィンドウ１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｒ、２４Ｌ、２８Ｒ及び２８Ｌが観察者の新しい目の位置に従って追跡されるように偏向手段１８は制御される。この３次元シーンは上述のようにビームスプリッタ・エレメント２２を用いてカラーで再構成することができる。
【００４７】
２つの光変調装置２の代わりに、ただ１つの光変調装置２を用いることも可能である。したがって、光変調装置２を照明するためにはただ１つの光源が必要となる。
【００４８】
図５はさらに別のホログラフィック投影装置１の実施形態の平面図であり、この図にはただ１人の観察者が示されている。しかし、一般に複数の観察者が再構成されたシーンを観ることができる。ここで用いられる光変調装置２もやはり２次元光変調装置であるが、上述のバイナリ光変調装置とは対照的に、これらの装置は多値符号化を可能にし、それによって、例えばいくつかの位相値を処理することによって、直接ただ１つの画像に関して波面の改善された表示を達成するものである。このようにして投影装置１は図１、図３及び図４に示すものよりもさらに単純な構造化を行うことが可能となる。偏向エレメント９とビームスプリッタ・エレメント２７とはもはや不要となる。さらに、観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌあるいは複数の観察者用ウィンドウズを追跡するのでさえただ１つの偏向手段１８で十分となる。
【００４９】
３次元シーンの再構成のために、１つの光変調装置２が個々に右眼用及び左眼用として提供される。これら２つの光変調装置２は照明装置３の２つの光源４によって十分にコヒーレントな光で照明される。平面波Ｗは光変調装置２にヒットし、そこで、符号化されて、所望の波面８Ｒと８Ｌを形成する。次いで、波面８Ｒと８Ｌはレンズエレメント１３と１４によって、レンズエレメント１４と偏向エレメント６との間に位置している画像側焦面２９の中へ投影される。同時に、波面８Ｒと８Ｌのフーリエ変換ＦＴは、レンズエレメント１３の画像側焦面においてレンズエレメント１３と１４との間に生成される。次いで、フーリエ変換ＦＴはレンズエレメント１４と偏向手段６とによって焦面２１の中へ投影される。次いで、波面８Ｒと８Ｌは偏向手段６と１９とによって焦面２０の中へ投影され、さらにスクリーン７によって観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌの中へ並びに観察者の目へ投影される。同時に、焦面２１におけるフーリエ変換ＦＴの画像は第２の偏向手段１９によってスクリーン７上へ投影される。このようにして、右と左の観察者ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌに対する波面８Ｒと８Ｌは同時に投影される。３次元シーンはゼロ番目の回折次数で再び再構成される。観察者の平面１２における観察者のいずれの動きも目の位置をモニタする位置検出システム１７によって検出され、さらに、偏向手段１８は、観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌとが観察者の新しい目の位置に従って追跡されるように制御される。３次元シーンはビームスプリッタ・エレメント２２を用いて上述のようにカラーで再構成することも可能である。
【００５０】
複数の観察者が観察者の平面１２に位置している場合には、観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌ用の上記１対の左右の波面は個々の観察者へ次々に配信されることになる。次いで、次の一対の波面が個々の観察者へ連続して配信される、等々。上記とは別に、右眼観察者用ウィンドウ１１Ｒ用の波面をまず個々の観察者へ次々に配信することも可能である。次いで、左眼観察者用ウィンドウ１１Ｌ用の波面を個々の観察者へ次々に配信することも可能である。この場合、次のシーンは適宜再構成されることになる。
【００５１】
本実施形態によれば、このようにして観察者の両方の目に対してただ１つの光変調装置２を提供することが可能となる。このような場合には、２人の観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌは上述のように交互にサービスを受けることになる。複数の観察者が存在する場合には、すべての右眼観察者用ウィンドウ１１Ｒ、・・・がまずサービスを受け、次いで、すべての左眼観察者用ウィンドウ１１Ｌ、・・・がサービスを受ける（又はこの逆順もまた同様である）ことになる。
【００５２】
図６は図５に図示の投影装置１の単純化した実施形態を示す図である。この図にもただ１人の観察者が示されている。しかし、一般に複数の観察者が再構成されたシーンを観察することが可能である。ここで用いられる光変調装置２もまた図５と関連して説明したような２次元光変調装置である。本実施形態でも、観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌすなわち複数の観察者用ウィンドウを追跡するためにただ１つの偏向手段１８が提供される。図５に図示のように、レンズエレメント１４と偏向手段６が無限焦点システムを形成する場合には、図６に図示のように、これらの光学エレメントを省くことができる。この結果非常に単純な構造の投影装置１が得られることになる。しかし、この構成では色収差のような光学的エラーの補正が非常に困難になる。
【００５３】
３次元シーンの再構成のために、１つの光変調装置２が右眼用及び左眼用として再び個々に提供される。これら２つの光変調装置２は照明装置３の２つの光源４によって十分にコヒーレントな光で照明される。波Ｗは光変調装置２にヒットし、ここで、符号化されて、所望の波面８Ｒと８Ｌが形成される。次いで、波面８Ｒと８Ｌはレンズエレメント１３によって投影され、第２の投影エレメント１９によって焦面２０の中へ投影され、さらに、スクリーン７によって観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌの中へ入り、それから、観察者の目へ投影される。同時に、偏向手段１８が位置しているレンズエレメント１３の焦面２１において、レンズエレメント１３と第２の投影エレメント１９との間に波面８Ｒと８Ｌのフーリエ変換ＦＴが生み出される。次いで、フーリエ変換ＦＴは、第２の投影エレメント１９によってスクリーン７上へ投影される。左右の観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌ用の波面８Ｒと８Ｌが同時に投影される。３次元シーンはゼロ番目の回折次数で再び再構成される。観察者の平面１２における観察者のいかなる動きも観察者の目の位置をモニタする位置検出システム１７によって検出され、偏向手段１８は観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌが観察者の目の新しい位置に従って追跡するように制御される。３次元シーンはビームスプリッタ・エレメント２２を用いて上述のようにカラーで再構成することができる。
【００５４】
２つの光変調装置２の代わり、１人又は複数の観察者のためのただ１つの光変調装置２を使用することもまた可能である。したがって、光変調装置２を照明するためにただ１つの光源が必要になる。
【００５５】
図５に図示のように、複数の観察者が観察者の平面１２に位置している場合には、観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌ用の左右の波面は、１人の観察者へ、次いで、次の観察者へ偏向エレメント１８の中を通って配信されることになる。その後、次の一対の波面が個々の観察者へ連続して配信されることになる、等々。或いは、上述したように、右眼観察者用ウィンドウ１１Ｒ用の波面をまず個々の観察者へ次々に配信し、次いで、左眼観察者用ウィンドウ１１Ｌ用の波面を個々の観察者へ次々に配信することも可能である。次いで、次のシーンが適宜再構成されることになる。
【００５６】
本実施形態では、図５と関連して記載したように観察者の両方の目用のただ１つの光変調装置２を使用することも可能である。この光変調装置２によって、観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌに次々にサービスが提供される。
【００５７】
図７は、投影装置１がただ１人の観察者用として示される投影装置１の別の実施形態を示す。しかし、複数の観察者用としてこの投影装置を使用することは一般に可能である。光変調装置２は一次元、２次元又は２次元バイナリ光変調装置であってもよい。１次元光変調装置を使用する場合、図１と図３に図示のように２つの偏向エレメント９を設ける必要がある。２次元バイナリ光変調装置が使用される場合、複数の観察者が再構成されたシーンを観察することが可能になるほど光変調装置２が高速であれば好都合である。そうではない場合、ただ１人の観察者が再構成されたシーンを観察することになる。本実施形態では、図５と図６に図示のように、観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌすなわち複数の観察者ウィンドウを追跡するためにただ１つの偏向手段１８が提供される。この投影装置１の偏向エレメントはさらに少ない数の開口数（ＮＡ）を有し、したがって、図５と図６に従って投影装置１よりも小さな収差を示すことになる。レンズエレメント１３、１４及びビームスプリッタ・エレメント２２は２倍設けられることになる。すなわち、１つは、個々の光変調装置２用として、あるいは、１つは個々の観察者の目用として設けられる。これによって波面Ｗが投影装置１の第１の部分の中を通って互いに別々に投影されるようになるため、個々の目に対して調節エラーを個々に補償することが可能となる。
【００５８】
３次元シーンは、１つの光変調装置２の助けによって、右眼用として及び左眼用として個々に再構成される。これら２つの光変調装置２は照明装置３の２つの光源４によって十分にコヒーレントな光で照明される。波面Ｗは光変調装置２にヒットし、ここで符号化されて所望の波面８Ｒと８Ｌが形成される。本実施形態では、（波面の１／２が示されるように）波面８Ｒと８Ｌは２つのビーム光によって表示されている。次いで、波面８Ｒはレンズエレメント１３と１４によってレンズエレメント１４の画像側焦面３０の中へ投影される。可動できない偏向ミラーの形の偏向エレメント３１が焦面３０に位置している。偏向エレメント３１は波面８Ｒを反射して所望の方向に変える。波面８Ｌは同様にレンズエレメント１３と１４によって、但し焦面３２の中へ投影される。同時に、波面８Ｒと８Ｌのフーリエ変換ＦＴは、レンズエレメントの画像側焦面１３においてレンズエレメント１３と１４との間に生成される。次いで、２つのフーリエ変換ＦＴはレンズエレメント１４と偏向手段６とによって焦面２１の中へ投影される。次いで、波面８Ｒと８Ｌは偏向手段６と１９によって焦面２０の中へ、さらにスクリーン７によって、観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌの中へ、それから、観察者の目へ投影される。同時に、焦面２１内のフーリエ変換ＦＴの画像は第２の偏向手段１９によってスクリーン７上へ投影される。左右の側観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌ用の波面８Ｒと８Ｌは同時に投影される。３次元シーンがゼロ番目の回折次数で再び再構成される。観察者の平面１２における観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌとを追跡するために観察者が移動しても、位置検出システム１７が観察者の目の位置のいかなる変化も検出する。位置検出システム１７は偏向手段１８も制御して、観察者の目の新しい位置に従って観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌの追跡を行うようにする。
【００５９】
複数の観察者が再構成されたシーンを観察するために観察者の平面１２に位置していれば、上記１対の左右の波面は次々に個々の観察者へ配信されることになる。次いで、次の一対の波面が個々の観察者へ連続的に配信される、等々。
【００６０】
３次元シーンは、レンズエレメント１３と１４との間に配置することができる２つのビームスプリッタ・エレメント２２を用いて上述のようにカラーで再構成することができる。投影装置１における他の任意の好適な位置にビームスプリッタ・エレメント２２を配置できることは言うまでもない。図７によれば、光路が折り畳まれていない状態を保持するように投影装置１を設計することも可能である。
【００６１】
さらに、光源４を備えた照明装置３を投影装置１の任意の好適な位置に配置することができる。例えば、光変調装置２が透過タイプのものではなく、反射タイプのものである場合、波面Ｗは、反射ミラーや半透過ミラーのような偏向エレメントによってそれぞれの光変調装置２上へ投影される。偏向エレメントが位置しているフーリエ平面の中へ光源４が投影されれば好適である。レンズ、ミラー等のような少なくとも１つの光学エレメントを偏向エレメントと光変調装置２との間に設けるようにしてもよい。図７を参照してわかるように、このような偏向エレメントは偏向手段１８の近くに、あるいは、ビームスプリッタ・エレメント２２が配置されるために用いられているようなところに配置することができる。ビームスプリッタ・エレメント２２は、偏向エレメントの正面に、又は、偏向エレメントの後に、あるいは、投影装置１における他の任意の好適な位置に配置することも可能である。これによってさらにコンパクトな設計を投影装置１に対して行うことが可能となる。
【００６２】
すべての実施形態において、１つの主光源（図示せず）から少なくとも１つの光学エレメントによって個々の光源４を生成することができる。
【００６３】
さらに、すべての実施形態において、０番目以外の任意の回折次数で、例えば１番目の回折次数又は−１番目の回折次数でシーンの再構成を行うことが可能である。
【００６４】
ホログラフィック投影装置１の可能な応用例には、例えば、コンピュータディスプレイ、ＴＶスクリーン、電子ゲームなどの私的な環境又は作業環境において、あるいは、情報を表示するための自動車関連産業において、娯楽産業において、医用工学において（特にこの分野では、体に最小限のメスを入れる外科手術への応用例として、又は断層撮影の確定情報の空間的表示用として）、さらに、軍事工学においては、表面形状の表示用として、２次元表示と３次元表示の少なくともいずれかが含まれる。当業者であれば投影装置１は上記で言及しなかった別の領域における適用も可能であることを思いつくであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】３次元シーンの再構成のための１次元光変調装置を備えた本発明のホログラフィ射影装置の作動原理を示す図である（平面図）。
【図２】図１に図示の投影装置の拡大詳細部を示す図である。
【図３】再構成シーンの少なくとも２人の観察者用の新規の投影装置の別の実施形態を示す図である（平面図）。
【図４】２次元バイナリ光変調装置を備えた本発明による投影装置の作動原理を示す図である（平面図）。
【図５】２次元光変調装置を備えた本発明による投影装置の作動原理を示す図である（平面図）。
【図６】図５に図示の本発明の投影装置の単純化した実施形態を示す図である（平面図）。
【図７】図５に図示の投影装置の可能な別の実施形態を示す図である（平面図）。
【図１】
2009524095.tif 000003
【図２】
2009524095.tif 000004
【図３】
2009524095.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年9月19日(2008.9.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
十分にコヒーレントな光を放射する少なくとも１つの光源と、シーンの符号化済み波面を生成する少なくとも１つの光変調装置とを備え、該シーンのホログラフィック再構成を行う投影装置であって、
前記光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）によって変調された光のフーリエ変換（ＦＴ）をスクリーン（７）上へ結像し、並びに、前記符号化済み波面（８、８Ｒ、８Ｇ、８Ｂ、８Ｌ）を観察者の平面（１２）にある少なくとも１つの観察者用仮想ウィンドウ（１１、１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｒ、２４Ｌ、２８Ｒ、２８Ｌ）の中へ結像する結像手段（６）と、
前記観察者用ウィンドウ（１１、１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｒ、２４Ｌ、２８Ｒ、２８Ｌ）を少なくとも１人の観察者の目の位置の変化に従って追跡するために、前記光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）と前記スクリーン（７）との間に配置される少なくとも１つの偏向手段（１８）と、
を備えることを特徴とする投影装置。
【請求項２】
前記スクリーン（７）の再生スケール及びサイズは、前記フーリエ変換（ＦＴ）の回折次数が前記スクリーン（７）の外側に周期的に継続して存在するように選択される
ことを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
【請求項３】
前記光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）は一次元である
ことを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
【請求項４】
バイナリ２次元光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
【請求項５】
再構成シーン用の波面（１０）を生成する偏向エレメント（９）であって、前記１次元光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）に対して９０度の角度で光偏向を実現する偏向エレメント（９）を備える
ことを特徴とする請求項３に記載の投影装置。
【請求項６】
前記観察者の目の位置の変化を検出する位置検出システム（１７）をさらに備える
ことを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
【請求項７】
前記観察者用ウィンドウ（１１、１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｒ、２４Ｌ、２８Ｒ、２８Ｌ）を追跡するために、観察者当たり１つの偏向手段（１８）と、すべての偏向手段（１８）に共通の１つの視準用レンチキュラアレイ（１９）と、共通の集束エレメント（２５）と、が複数の観察者のために光の伝播方向に連続的に配置される
ことを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
【請求項８】
少なくとも１つのビームスプリッタ・エレメント（２２、２７）が前記偏向手段（１８）と前記光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）との間に配置される
ことを特徴とする請求項１、３、４のいずれか１項に記載の投影装置。
【請求項９】
シーンをカラー再構成するために、前記ビームスプリッタ・エレメント（２２）を用いて、光を光のスペクトル成分に分割するか、又は、該スペクトル成分から光を再合成する
ことを特徴とする請求項８に記載の投影装置。
【請求項１０】
２次元バイナリ光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）が用いられる場合、シーンのカラー再構成用の前記ビームスプリッタ・エレメント（２２）と、前記光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）によって放射される波面（８Ｒ、８Ｌ、８Ｇ、８Ｂ）を増加するための別のビームスプリッタ・エレメント（２７）とを備える
ことを特徴とする請求項８に記載の投影装置。
【請求項１１】
前記偏向手段（１８）はミラーであり、及び／又は、前記スクリーンはミラー、特に凹面ミラーである
ことを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
【請求項１２】
収差を最小化するためのレンズエレメント（１３、１４）を光路に備え、及び／又は、前記光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）は位相変調器である
ことを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
【請求項１３】
好適には請求項１から１２のいずれか１項に従って、シーンをホログラフィック再構成する方法であって、
少なくとも１つの十分にコヒーレントな光源を備えた照明装置が、符号化された波面によって少なくとも１つの光変調装置を照明し、
前記光源（４）によって放射され、前記光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）によって変調された光のフーリエ変換（ＦＴ）は、スクリーンとして機能する光学エレメント（７）上へ結像され、
少なくとも前記光学エレメント（７）は、観察者の平面（１２）にある少なくとも１つの観察者用仮想ウィンドウ（１１、１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｒ、２４Ｌ、２８Ｒ、２８Ｌ）の中へ前記符号化された波面（８、８Ｒ、８Ｇ、８Ｂ、８Ｌ）を結像し、
少なくとも１つの偏向手段（１８）が少なくとも１人の観察者の目の位置の変化に従って前記観察者用ウィンドウ（１１、１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｒ、２４Ｌ、２８Ｒ、２８Ｌ）を追跡し、
前記偏向手段（１８）は、前記光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）と、スクリーンとしての前記光学エレメント（７）との間に配置される
ことを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）及び前記光学エレメント（７）は、前記フーリエ変換（ＦＴ）の回折次数が前記光学エレメント（７）の外側に周期的に継続して存在するように、前記光学エレメント（７）の前記サイズと共に選択される再生スケールを規定する
ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記シーンはゼロ番目の回折次数で再構成され、及び／又は、少なくとも１つの結像手段（６、１９、２５）が、前記波面（Ｗ、８、８Ｒ、８Ｇ、８Ｂ、８Ｌ）の前記フーリエ変換（ＦＴ）を前記光学エレメント（７）上へ結像する
ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
位置検出システム（１７）は、前記再構成されたシーンを観察する前記観察者の目の位置を検出し、該位置に追従し、及び／又は、
２人以上の観察者について、該観察者のすべての左眼又はすべての右眼に対して前記波面（Ｗ、８、８Ｒ、８Ｇ、８Ｂ、８Ｌ）を生成するために、ただ１つの光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）を用い、複数の光源（４）が、異なる入射角で前記光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）へ光を向ける
ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
１次元光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）が一次元変調済み波面（８、８Ｒ、８Ｇ、８Ｂ、８Ｌ）を生成し、
波面（１０）は偏向エレメント（９）によって生成される
ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記シーンのカラー再構成が３原色に対して同時に行われ、及び／又は、
２次元バイナリ光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）が提供され、第１のビームスプリッタ・エレメント（２７）が前記光変調装置（２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）によって放射された波面（８、８Ｒ、８Ｇ、８Ｂ、８Ｌ）を増加させ、少なくとも１つのさらなるビームスプリッタ・エレメント（２２）が前記シーンのカラー再構成を３原色で同時に実現する
ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
同時に行われる前記シーンのカラー再構成は３つの光変調装置（２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）によって行われ、
前記第２のビームスプリッタ・エレメント（２２）は、前記光変調装置（２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）によって変調された光の個々の単色波面（１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ）を再合成する
ことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シーンのホログラフィック再構成用投影装置に関し、前記装置は、少なくとも１つの光変調装置と、該光変調装置において符号化されるシーンの波面を生成するために十分にコヒーレントな光を放射する少なくとも１つの光源とを備える。本発明はシーンのホログラフィック再構成方法にさらに関する。
【背景技術】
【０００２】
ホログラフィによって、３次元オブジェクトを記録し、波動光学的方法を用いて光学的に３次元オブジェクト表示することが可能となる。ホログラフィック画像の表示は再構成と呼ばれることが多いが、該表示は、ホログラム生成媒体を十分にコヒーレントな光によって照明することにより、投影装置の助けによって実現され、また、ホログラムのタイプに応じて実現される。利用されるホログラムは、真のホログラムか、コンピュータ生成ホログラム（ＣＧＨ）かのいずれであってもよい。
【０００３】
通常、再構成は直接見られる。すなわち観察者は、コンピュータ生成ホログラム（ＣＧＨ）を観察する。このコンピュータ生成ホログラム（ＣＧＨ）は、例えば、ホログラム値に従って符号化された、規則的に配列された画素から構成されている。個別の記録に起因して、さらに、偏向の結果により、ＣＧＨの再構成は１つの周期性間隔の範囲内でのみ可能であり、この間隔はＣＧＨ生成媒体の分解能により規定される。この再構成は、隣り合う周期性間隔の中で不規則性を示しながら通常反復される。
【０００４】
ＣＧＨ用の記録媒体には、入射光の位相及び振幅を変調する液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）、ＬＣｏＳ（Liquid Crystal on Silicon）等のような空間光変調器が含まれる。ＣＧＨを所望の平面に変換する光学エレメントは２次元シーンと３次元シーンを再構成するために用いられる場合が多い。投影装置のリフレッシュレートをシーンの再構成のために十分に高くして、高画質の動画２次元シーンと３次元シーンとを達成する必要がある。
【０００５】
特許文献１には、例えば、３次元シーンを再構成するための一次元光変調器を備えた投影装置が開示されている。この光変調器はデータ処理システムの変調信号によって制御され、したがって、一次元ホログラムを符号化する音響光学変調器である。再構成は、水平方向に視野角を上げるためにいくつかの光学エレメントの助けによって縮小される。水平スキャナは、シーンの部分的ホログラムを連続して合成して、部分的ホログラムの動きのバランスをとる。水平スキャナは音響波の速度と同期され、それによって、変調器からからの原画像の走査済みエリアは、再構成されたシーンにおいて固定されているように見える。さらに、水平一次元ホログラムの位置決めを垂直方向に行うために、垂直方向のスキャナが設けられる。
【０００６】
しかし、投影装置が音響光学変調器（ＡＯＭ）を使用するという理由のために、この投影装置は、動きのバランスをとることを目的とする水平スキャナのような追加のエレメントを必要とするという問題点を示すことになる。このため、設計がかなり困難で、複雑なものとなる。別の欠点として、ＡＯＭの狭い開口部があり、この開口部はサブホログラムを１列にまとめて並べることを要求する。
【０００７】
さらに、例えば特許文献２の特許要約による光変調器が知られている。この要約及び添付図面には、２つの空間光変調器（ＳＬＭ）の助けによって３次元シーンを再構成するための装置についての記載がある。対応するホログラムを備えた個々の光変調器は１人の観察者の片眼用として意図されたものである。レンズエレメントと回転するミラーエレメントとが光変調器と観察者との間に配置される。３次元シーンはチルトされたミラーエレメントの領域に、又は回転されたミラーエレメント上に再構成される。いずれの観察者の動きも位置検出システムによって識別され、回転するミラーエレメントはその水平軸又は垂直軸の周りでチルトされ、それによって観察者の目の新しい位置を追従することになる。同時に、新しい観察者の位置と一致する３次元シーンの視野がホログラムに示される。
【０００８】
上記回転するミラーエレメントは上記投影装置においてモニタとして機能し、同時に観察者用ウィンドウを追跡するために用いられる。したがって、３次元シーンの再構成はそのエレメントの拡張により制限を受けることになる。さらに、再構成されたシーンは回転するミラーエレメントの動きに起因して不規則性を示す場合もある。このことは、特に、再構成されたシーンの見た目が実際の視方向に依存して異なるものになることを意味する。このため観察者にはシーンを観察するのがかなり不便になる。さらに、この再構成されたシーンは２つの光変調器の相対的に小さな寸法によって制限を受ける。
【０００９】
特許文献３の特許要約には、動画３次元シーンを表示するためのホログラフィック装置についての記載があり、このホログラフィック装置では観察者からシーンまでの観察距離は、短い距離に保たれていなければならない。この装置は、光源、光変調器、光を結像するための結像エレメント、及び、再構成されたシーンの近くに、又は、再構成されたシーンと同じ位置に配置されるフィールドレンズを備える。ここでのフィールドレンズがスクリーンとしても機能するという理由により、３次元シーンの範囲はこのフィールドレンズの寸法によって制限を受けることになる。
【特許文献１】米国特許第５，１７２，２５１号公報
【特許文献２】特開平０９−０６８６７４号公報
【特許文献３】特開平０９−１３８６３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的はシーンのホログラフィック再構成のための装置及び方法を提供することである。この装置及び方法は従来技術の前述の問題点を克服するものであり、前記装置及び方法は、たとえ観察者のうちの少なくとも１人が移動したとしても、２次元シーンと３次元シーンの再構成を複数の観察者へ高画質で配信することが可能となる。この場合、投影装置は、単純でかつ製造に費用のかからない構造のものになる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、上記目的は、光変調装置によって変調された光のフーリエ変換をスクリーン上へ結像し、次いで、光変調装置において符号化された波面を、観察者の平面に位置している少なくとも１つの観察者用仮想ウィンドウの中で結像するための結像手段と、少なくとも１人の観察者の目の位置の変化に従って観察者用ウィンドウを追跡する少なくとも１つの偏向手段とによって解決される。ここで、この偏向手段は、光変調装置とスクリーンとの間に配置される。
【００１２】
本発明による投影装置は少なくとも１つの光変調装置を備え、該光変調装置は十分にコヒーレントな光を放射する光源を含む照明装置により照明される。光変調装置は、好適には空間光変調器、特に、位相変調器が望ましい。光源によって放射され、次いで、光変調装置によって変調された光のフーリエ変換は、結像手段、特に、レンズとミラーとの少なくともいずれかによって光学エレメントの中で結像される。この光学エレメントはスクリーンとして機能し、次いで、光変調装置において符号化された波面は観察者の平面に在る観察者用仮想ウィンドウの中へ結像される。該ウィンドウにおいて、１人又は複数の観察者が、再構成された２次元シーン又は３次元シーンを観察することができる。観察者用ウィンドウは、物理的には存在していため、仮想ウィンドウと呼ばれる。このウィンドウは観察者の片目又は両目の正面にある単に想像上のウィンドウであり、該ウィンドウを通して、十分な品質で再構成されたシーンを観察することができる。本発明によれば、観察者用ウィンドウは（単複の）観察者の動きに従って少なくとも１つの偏向手段の助けにより追跡される。この観察者の動きは観察者の新しい目の位置の助けによって識別される。偏向手段は投影装置内に配置される。さらに詳細にはこの偏向手段は、光変調装置とスクリーンとの間に配置される。このような偏向手段は、音響光学エレメントのような機械エレメント、電気エレメント、磁気エレメント又は光学エレメントであってもよい。
【００１３】
このようにして、高画質の２次元シーンと３次元シーンの単純かつ迅速な再構成用として用いられるホログラフィック投影装置であって、観察者用ウィンドウを観察者が追跡することを可能にするホログラフィック投影装置が提供される。観察者用ウィンドウを追跡するために用いられる偏向手段が投影装置内に配置されるという事実は、周囲の環境の影響に対して偏向手段を鈍感にすることを意味する。さらに、使用される光変調装置は、好適には拡大された空間光変調器であることが望ましく、音響光学変調器のような制限のある変調器ではないことが望ましい。このような変調器は、特許文献１の水平スキャナのような追加のエレメントと、投影装置内の追加のエレメントの配置構成とを不要にするものである。このような光変調装置は機器のコンパクトな設計に寄与することになる。
【００１４】
本発明の１つの実施形態では、再生スケール及びスクリーンサイズを選択して、フーリエ変換の回折次数がスクリーンの外側に周期的に継続して存在するようにすることが可能である。これは、回折次数の周期的継続がスクリーンの中から変位されるという利点を有し、さらに、ただ１回の周期がスクリーン上で目に見えるようになる。このことは、観察者が、種々の回折次数での再構成の周期的継続を知覚しないことを意味する。したがって、画質は従来の機器と比べて著しく改善されたものになる。
【００１５】
本発明のさらなる実施形態では、光変調装置は、再構成されたシーンのための２次元波面を生成するための偏向エレメントが提供される、１次元光変調装置であってもよい。ここで、この偏向エレメントは１次元光変調装置に対して垂直な光偏向を実現することになる。
【００１６】
一次空間光変調装置が提供される場合、本発明による投影装置は、偏向エレメント、好適には検流計スキャナ（ミラー検流計）又は光ビームの迅速な偏向を行うための多角形ミラーを備えたものであってもよい。このミラーは、再構成されたシーンの表示のために２次元波面を生成するためのものである。（１次元光変調装置が垂直方向に構成されているか、水平方向に構成されているかに応じて）列又は行の波面は、偏向エレメントの助けによりまとめて１列に並べられる。
【００１７】
広い領域において（単複の）観察者が観察者ウィンドウを利用可能にするために、観察者は、位置検出システムを用いて、再構成されたシーンを観察しながら、観察者の平面における観察者の目の位置の変化を検出することができる。
【００１８】
上記位置検出システムは、再構成されたシーンを観察しながら１人又は複数の観察者の目の位置を検出し、シーンを適宜符号化する。これは特に、変更される目の位置に従って、再構成シーンの位置と内容との少なくともいずれかを更新できるようにするのに有利である。次いで、新しい目の位置に従って観察者用ウィンドウを追跡することが可能となる。
【００１９】
本発明の別の推奨実施形態によれば、少なくとも１つのビームスプリッタ・エレメントを偏向手段と光変調装置との間に配置することができる。シーンのカラー再構成用として用いられるこのビームスプリッタ・エレメントと共に２次元バイナリ光変調装置が用いられる場合、光変調装置から放射された波面を再生するために別のビームスプリッタ・エレメントが提供される。
【００２０】
１次元又は２次元光変調装置が使用される場合、投影装置に配置される少なくとも１つのビームスプリッタ・エレメントをシーンのカラー再構成のために採用することができる。カラー再構成用ビームスプリッタ・エレメントに加えて、２次元バイナリ光変調装置が使用される場合、光変調装置によって放射される波面を再生する第２のビームスプリッタ・エレメントを提供するようにしてもよい。この追加のビームスプリッタ・エレメントは、例えば格子又は回折光学エレメント（ＤＯＥ）であってもよい。
【００２１】
本発明の目的はシーンのホログラフィック再構成方法によって解決される。その場合、光源によって放射され、光変調装置によって変調される光のフーリエ変換がスクリーンとして機能する光学エレメント上へ結像される。その場合、少なくとも光学エレメントは、観察者の平面にある少なくとも１つの観察者用仮想ウィンドウの中へ符号化済み波面を結像し、また、その場合、少なくとも１つの偏向手段が、観察者の平面にある観察者用ウィンドウを少なくとも１人の観察者の目の位置の変化に従って追跡する。
【００２２】
新規の方法によれば、十分にコヒーレントな光を放射する照明装置の光が、２次元と３次元シーンの少なくともいずれかのシーンのホログラフィック再構成用の少なくとも１つの光変調装置上へ向けられる。照明装置によって放射され、光変調装置によって変調される光のフーリエ変換は、光学エレメント上へ、次いで、特にスクリーン上へ、好適にはミラー上へ結像される。光変調装置において符号化された波面は、次いで、好適にはスクリーンの助けによって観察者の平面にある観察者用ウィンドウの中へ結像される。このウィンドウを通じて観察者は、再構成された、好適には３次元のシーンを視ることになる。観察者用ウィンドウは、偏向手段の助けによって、少なくとも１人の観察者の目の位置の検出された変化に従って観察者の平面において追跡される。本発明に係る方法は、好適には、請求項１から１２のいずれか１項に係る投影装置を動作させるために使用される。
【００２３】
本発明の方法の利点として、高画質を同時に提供しながら、広い再構成空間において２次元と３次元のシーンの少なくともいずれかのシーンを再構成することができるという点が挙げられる。さらに、この方法によって、観察者は観察者の平面の中で移動することが可能となり、それによって、再構成されたシーンを観察することができるようにスクリーンの正面に観察者の位置を固定する必要がなくなる。この新規の方法によれば、たとえこの観察者が別の位置へ移動するようなことがあっても、（視差画像を伴う公知の自動立体鏡（autostereoscopic）表示の深度効果の代わりに）真の深度効果を持つ広い再構成された３次元シーンを少なくとも１人の観察者に対して示すことが可能となる。波面が直接変調されるという事実は、ホログラムを得るための変換計算を冗長にするものである。さらに、変調済み波面を計算するために、オブジェクトを１回だけフレネル変換して観察者用ウィンドウの中へ入れる操作が必要となる。これは、従来技術の投影装置により必要とされるような、オブジェクトの波面の追加フーリエ変換を行ってホログラムに変える操作を冗長にすることになる。
【００２４】
本発明の好ましい実施形態によれば、ミラーエレメントをチルトさせることによってゼロ番目の回折次数でシーンをさらに再構成するようにしてもよい。輝度がゼロ番目の回折次数で最大となるため、これは特に望ましいことである。
【００２５】
本発明のさらなる実施形態がその他の従属クレームにより規定される。本発明の実施形態について以下詳細に説明し、添付図面と関連して例示する。単色光を持つホログラフィック再構成に基づいて本発明の原理について説明する。しかし、個々の実施形態の説明で示されるようなカラーホログラフィック再構成にも本発明を同様に適用できることが当業者には明らかになるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１は、２次元シーンと３次元シーンとの少なくともいずれかのシーンの再構成のためのホログラフィック投影装置１を概略的に示す平面図である。さらに理解し易くするために、透過装置としてのホログラフィック投影装置１が、以下に参照する図４ａに単純化された態様で示されている。次に、ホログラフィック投影装置１の基本設定について説明する。投影装置１は光変調装置２を備えるが、この光変調装置２は、本例では、入射波面を変調する位相変調器である。この実施形態でわかるように、光変調装置２は本例では垂直方向に配設された１次元光変調装置である。しかし、光変調装置２は水平方向にも同様に配設することが可能である。光変調装置２は照明装置３によって、より正確に述べれば、十分にコヒーレントな光を放射する線光源４によって照明される。本明細書においては、‘十分にコヒーレントな光’という用語は３次元シーンのホログラフィック再構成のために干渉を生成することができる光を示すものである。照明装置３の光源４は、レーザダイオード、ＤＰＳＳレーザ（ダイオードポンピング・ソリッドステートレーザ）又は別のレーザからつくることができる。十分にコヒーレントな光を放射する限り従来の光源を使用することも可能である。しかし、このような光源は、フィルタして、十分なコヒーレンスレベルを達成するようにすることが望ましい。ホログラフィック投影装置１は結像手段、特に光学システム５をさらに備える。この光学システム５の最も単純な変形例は、結像手段６及びスクリーンとして機能する光学エレメント７を備えるものである。光学エレメント７を以下スクリーンと呼ぶことにする。光学システム５は、例えば、図からわかるような、また、以下さらに詳細に説明するようなさらに別の光学エレメントを備えるものであってもよいことは言うまでもない。スクリーン７は、好適にはミラー、特に凹面ミラーであることが望ましい。スクリーン７は、例えば図示のようにレンズなどの結像用光学エレメントとすることも可能である。スクリーン７が凹面ミラーである場合、ホログラフィック投影装置１の光学システムのサイズの方が、レンズのみを用いる透過装置のサイズよりも実質的にさらに小型になるという利点が生じることになる。スクリーン７は、光変調装置２から反射される波面８が乱されないように決して拡散面を持たないようにすることが望ましい。結像手段６もまたミラー又はレンズである。光源４により放射され、かつ、平らであると仮定される波Ｗが光変調装置２に到達し、次いで、変調され、それによって平面波Ｗの波面が光変調装置２において等距離の位置に符号化されて、所望の波面８を形成するようになる。この波面８はレンズエレメント１３と１４によって偏向エレメント９上へ結像され、２次元シーンと３次元シーンとの少なくともいずれかのシーンを再構成するようになる。このような偏向エレメント９は、検流計スキャナ、圧電スキャナ、共鳴スキャナ、ポリゴンスキャナ、ポリゴンミラー、マイクロミラーアレイ、あるいは、音響光学装置、光電装置、又は磁気装置のような同様の装置であってもよい。偏向エレメント９は、光変調装置２に対して垂直な波面８の光偏向を実行して、２次元波面１０を生成するようにする。２次元波面１０は、上記偏向によって生成される一連の平行な１次元波面１０’、１０”、１０”’．．．から構成される。次いで、光学システム５は、観察者の平面１２に位置している観察者用仮想ウィンドウ１１の中へ２次元波面１０を結像する。このウィンドウにおける観察者の目は再構成されたシーンを観察する。光源４によって放射される十分にコヒーレントな光がスクリーン７上へ同時に結像される。これによって、波面に符号化された情報のフーリエ変換ＦＴがレンズエレメント１３と１４との間に、そして、レンズエレメント１３の画像側焦面に生成される。光学システム５の結像手段６は、画像側焦面１７におけるスクリーン７上において平面１５の中へフーリエ変換ＦＴを結像する。円錐台によって形成される拡大された再構成空間１６において、上記再構成されたシーンを観察者は観察することができる。この拡大された再構成空間１６は観察者用ウィンドウ１１とスクリーン７との間において延伸する空間である。この再構成されたシーンは、スクリーン７の正面に、スクリーン７上に、又は、スクリーン７の後部に現れる得るものである。
【００２７】
３次元シーンがゼロ番目の回折次数で再構成される。この再構成は、ゼロ番目の回折次数において輝度又は光度が最大になるという理由で特に望ましいものである。
【００２８】
さらに、光変調装置２の中へ偏向エレメント９を直接組み込むことも可能である。このことは、２次元波面１０を生成するために用いられる光変調装置２が、全体として変位されることを意味する。この場合レンズエレメント１３と１４は不要となる。次いで、光変調装置２は偏向エレメント９に隣接して、すなわち結像手段６の被写体側焦面に配置される。この結果、例えば、シーンのカラー再構成のためのビームスプリッタ・エレメント２２を光変調装置２と結像手段６の間に配置することができる。これを行うことによって、ホログラフィック投影装置１に対するさらにコンパクトな全体設計を行うことが可能となる。
【００２９】
しかし、オプションとしてホログラフィック投影装置１はレンズエレメント１３と１４を光路に設けるようにしてもよい。ここで個々の焦点距離からわかるように、レンズエレメント１３と１４は収差を最小化するために同じ屈折力を持つようになっている。しかし、レンズエレメント１３と１４はまた、偏向エレメント９上の１次元波面８のサイズの修正又は最適化を行うために、異なる屈折力又は焦点距離を持つようにしてもよい。この場合レンズエレメント１３と１４には別の利点がある。これらのレンズエレメントは、光変調装置２によって放射された波面８が偏向エレメント９上で結像されるように使用され、それによって２次元波面１０が生成されるようになることが保証される。レンズエレメント１３と１４によってここで表される無限焦点システムは、偏向エレメント９上へ波面８を結像するために用いることができる。これによって、波面８のフーリエ変換ＦＴがレンズエレメントの画像側焦面１３において生成される。レンズエレメント１４と結像手段６の助けによって、このフーリエ変換はスクリーン７上へ結像される。
【００３０】
偏向エレメント９は光源４と光変調装置２との間に交互に配置することができる。この配置には、２次元波面１０の符号化中の収差をできる限り取り、除くか、最小化することができるという利点がある。というのは、光変調装置２に到達したとき、平らな波面Ｗはまだ符号化されていないからである。
【００３１】
ここに示される投影装置１には、観察者の平面１２における観察者の目の位置を検出するための位置検出システム１７がさらに含まれる。位置検出システム１７はカメラであってもよい。偏向手段１８は、観察者の目の位置の変化に従って観察者用ウィンドウ１１を追跡するために、結像手段６とスクリーン７との間であって、好適には、結像手段６の画像側焦面に配置される。偏向手段１８は個別に制御が可能であり、好適にはミラーであることが望ましい。観察者用ウィンドウ１１の適当な追跡には非常に正確に動作する偏向手段が必要となる。これは偏向手段１８が検流計スキャナである場合があるという理由による。ＭＥＭアレイ、ポリゴンスキャナ、又は音響光学構成装置のような別の偏向手段を使用することも可能であることは言うまでもない。さらに、偏向手段１８は、少なくとも１つの方向、すなわち水平方向と垂直方向との少なくともいずれかの方向に偏向を行うことができる。このことは、偏向手段１８の一次元バージョンが、水平方向か、垂直方向かのいずれかの方向にのみ観察者用ウィンドウ１１を追跡することを意味する。偏向手段１８の２次元バージョンは水平方向と垂直方向の双方向に観察者用ウィンドウ１１を追跡することができる。偏向手段１８はＸＹ型検流計スキャナであってもよい。あるいは２つの検流計スキャナを互いの後部に配設して、一方を水平方向の追跡用として使用し、もう一方を垂直方向の追跡用として使用するようにしてもよい。観察者用ウィンドウ１１を追跡するための偏向エレメント９は、偏向手段１８と同期する必要がある。さらに、第２の結像手段１９が光の伝播方向から見て偏向手段１８の後部に設けられる。スクリーン７を充填するために必要とされる大きな倍率に起因して、第２の結像手段１９は単一のレンズの代わりにレンズシステムであってもよい。これは収差を防止するか、最小化するためである。第２の結像手段１９が提供されなければ、結像手段６はレンズ又はレンズシステムにする必要がある。
【００３２】
次に、この実施形態の助けによって３次元シーンの再構成についてさらに詳細に説明する。光源４によって放射された波面Ｗは光変調装置２に到達し、それによって、波面Ｗは変調される。次いで、変調された波面８は、レンズエレメント１３と１４の中を通って進み、これらのレンズエレメントは偏向エレメント９上へ波面８を結像する。同時に、レンズエレメント１３によって、波面８のフーリエ変換ＦＴがレンズエレメント１３の画像側焦面に生成される。このフーリエ変換ＦＴの生成後に、２次元の変調済み波面１０が結像手段６により偏向手段１８上へ結像される。観察者の平面１２におけるいずれの観察者の動きも位置検出システム１７によって識別される。観察者用ウィンドウ１１は、位置検出システム１７により提供される位置情報に従って偏向手段１８を制御することにより追跡することができる。結像手段６と１９は、第２の結像手段１９の焦面２０に変調済み２次元波面１０の画像を生成する。次いで、焦面２０におけるこの２次元画像はスクリーン７を経由して観察者用ウィンドウ１１の中へ結像される。同時に、フーリエ変換ＦＴの画像は結像手段６の画像側焦面２１に生成される。次いで、第２の結像手段１９はフーリエ変換ＦＴの画像をスクリーン７上へ結像する。
【００３３】
観察者の片方の目のみに関連して上述のホログラフィック投影装置１について説明した。観察者の両方の目に対して機能できるように第２の波面変調装置２を設けることは理にかなったことである。このために既存のホログラフィック投影装置１の光学エレメントを利用することができる。観察者が観察者の平面１２に位置していて、観察者用ウィンドウ１１を通して観察する場合、観察者は再構成空間１６に再構成された３次元シーンを観察することができる。そして、このシーンは、光の伝播方向から見てスクリーン７の正面に、スクリーン７上に、又は、スクリーン７の後部に再構成されることになる。しかしながら、水平方向に配置された唯一の光変調装置２を用いて、再構成されたシーンを観察者の両方の目に提供することも可能である。
【００３４】
３次元シーンのカラー再構成もまたホログラフィック投影装置１の助けにより可能となる。図１に示すように、ビームスプリッタ・エレメント２２、好適にはプリズムブロックが光の伝播方向へ向かって結像手段６の正面に配置される。ビームスプリッタ・エレメント２２は、好適には二色性層を備えたＸプリズムであることが望ましく、このエレメントは、赤色光、緑色光及び青色光を分割して、３つの分離波面の中へ入れるか、これらの分離波面を再結合して、共通の変調された波面を形成する。カラー再構成のために他の任意のビームスプリッタ・エレメントを使用してもよいことは言うまでもない。３原色ＲＧＢ（赤、緑、青）を同時に処理することによりシーンのカラー再構成が達成される。本実施形態では、ビームスプリッタ・エレメント２２はレンズエレメント１３と１４との間に配置されるが、このビームスプリッタ・エレメント２２をホログラフィック投影装置１の別の位置に配置することも可能である。
【００３５】
図２は図１のビームスプリッタ・エレメント２２を示す拡大詳細図である。３次元シーンの同時カラー再構成のために、３原色ＲＧＢに対して３つの光変調装置２Ｒ、２Ｇ及び２Ｂが設けられる。これら３つの光変調装置２Ｒ、２Ｇ及び２Ｂは３つの光源４Ｒ、４Ｇ及び４Ｂにより照明される。対応する光変調装置２Ｒ、２Ｇ及び２Ｂによって個々の波面８Ｒ、８Ｇ及び８Ｂを変調した後、これらの波面はビームスプリッタ・エレメント２２によってレンズエレメント１４上へ結像され、共通波面の再合成が図られる。唯一の光源、特に白色光源をカラー再構成用として使用することもさらに可能である。この配置構成において、ビームスプリッタ・エレメント２２もレンズエレメント１３と１４の間に配置される。しかし、追加の半透過ミラーがビームスプリッタ・エレメント２２とレンズエレメント１４との間に配置される。光源により放射された光は半透過ミラーへ向けられ、そこから、光はビームスプリッタ・エレメント２２によって３つの光変調装置２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ上へ結像され、これらの波面変調装置を照明し、次いで、対応する波面を変調する。ここでビームスプリッタ・エレメント２２は、３つの単色波面８Ｒ、８Ｇ及び８Ｂに光を分割する。さらに、カラー再構成用として３つの光変調装置の代わりに、唯一の光変調装置を使用することも可能である。しかし、このオプションは本図には示されていない。上記光変調装置は、異なる色の３つのＬＥＤ又は１つの白色光ＬＥＤを備える１つの光源によって照明することができる。さらに、異なる入射角で光変調装置上へ波面を結像する音響光学エレメントなどの少なくとも１つの光学エレメントが必要となる。
【００３６】
図３はホログラフィック投影装置１の別の実施形態を示す図である。投影装置１の一般的レイアウトは図１に図示のものと同一である。その理由は、同じ構成要素を同じ参照番号によって示すためである。しかし、図１に示した装置とは対照的に、本図に示すホログラフィック投影装置１は複数の観察者によって用いられることを意図するものである。この図を理解できるようにするために、２人だけの観察者と観察者当たり１つだけの１次元波面とのための光路が本実施形態では示されている。しかし、一般に３以上の観察者が再構成された３次元シーンを観察することが可能である。文字Ｒによって示される観察者用ウィンドウは右眼用のウィンドウであり、文字Ｌによって示される観察者用ウィンドウは観察者の左眼用のウィンドウである。図示のホログラフィック投影装置１は、再構成された３次元シーンを提示するための２つの光変調装置２を備える。これら２つの光変調装置２の各々は、少なくとも１つの光源４を用いて少なくとも１つの照明装置３により照明される。光源４は互いに独立したものであり、異なる入射角を生じさせる。光変調装置２当たりの光源４の数は、再構成されたシーンの観察者の数に依存し、再構成されたシーンの観察者の数によって決定される。３以上の観察者が存在する場合には、ただ１つの光変調装置２が使用される。すなわち、観察者の右眼用のすべての観察者用ウィンドウ用として、又は観察者の左眼用のすべての観察者用ウィンドウ用としてただ１つの光変調装置２が使用されることになる。光源４は、異なる入射角で十分にコヒーレントな光を用いて光変調装置２を照明する。１人の観察者の両目用の観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌに対する光源４の入射角はほとんど同一である。このことは、観察者用ウィンドウ１１Ｌと２４Ｌ用として変調される波面８Ｌと２３Ｌを生成する光源４により放射される光の入射角が異なることを意味する。両方の光変調装置２用として、スクリーン７、偏向エレメント９、レンズエレメント１３と１４及び結像手段６と１９を使用することができる。
【００３７】
図１とは対照的に、それぞれの観察者の目の位置に従って、少なくとも２つの、本例では３つの観察者用ウィンドウ１１Ｒ、１１Ｌ及び２４Ｌを追跡するために２つの偏向手段１８が提供される。偏向手段１８の数は観察者の数によって決められる。このことは、本例では観察者用ウィンドウ１１Ｒ及び１１Ｌに対して、観察者一人当たりただ１つの偏向手段１８が両眼用として使用されることを意味する。第２の結像手段１９が集束エレメント２５と組み合わされ、光の伝播方向から見て偏向手段１８の後部に配置される。ここで、第２の結像手段１９として、波面１０Ｒと１０Ｌの視準を目的とするレンチキュラアレイがある。左眼と右眼用のこれら２つの波面１０Ｒと１０Ｌは、第１の偏向手段１８に割り当てられている第２の結像手段１９のレンチキュールの中を通って伸びている。一旦２つの波面１０Ｒと１０Ｌが第２の結像手段１９の対応するレンチキュールを通過すると、集束エレメント２５は、スクリーン７上でフーリエ変換ＦＴにオーバラップし、合焦しようとする。２次元波面２６Ｌ用の観察者用ウィンドウ２４Ｌを追跡するために別の偏向手段１８が設けられる。レンズのさらに複雑な配置構成によって集束エレメント２５を置き換えて、収差の最小化を図るようにしてもよい。集束エレメント２５は、例えば色収差のないレンズであってもよい。例えば、投影装置１における単一のレンチキュラアレイとして第２の結像手段１９と集束エレメント２５とを設ける可能性も存在する。
【００３８】
本実施形態では、ホログラフィック投影装置１が複数の観察者にサービスを提供するように設計されている点を除いて、図１と関連して既述したように３次元シーンが再構成される。それによって観察者用ウィンドウ１１Ｒ、１１Ｌ及び２４Ｌを追跡するための複数の偏向手段１８が存在することになる。上述のホログラフィック投影装置１は３つの観察者用ウィンドウに同時にサービスを提供することを可能にするものである。
【００３９】
異なる入射角で個々の光変調装置２に到達する十分にコヒーレントな光を放射する光源４を用いる代わりに、光変調装置２当たりただ１つの光源８を使用することも可能である。この場合、波面は、光変調装置２により変調が行われた後に増加される。この増加は、例えば格子(グリッド)エレメントの助けによって偏向エレメント９の近傍で行うことができる。この解決方法には、単一光源４によって放射され、次いで光変調装置２に到達する波面の位相欠陥を補正できるという利点がある。
【００４０】
図１及び図３に関して、ミラーまたはミラー構成であり、かつ、好適には検流計スキャナであることが望ましい偏向手段１８は光拡散層を有することができる。したがって、偏向手段１８は水平方向に光拡散を行うミラーであってもよい。これらの光拡散層はシート状であってもよい。拡散された光は１次元波面へ９０度の角度で伝播しなければならない。コヒーレンスがホログラフィック再構成にとって非常に重要なものであるという理由から、コヒーレンスは光拡散層の使用によって影響を受けるものであってはならない。しかしながら、非コヒーレント方向に観察者用ウィンドウ１１、１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｌの拡大を行うことが可能である一方で、回折次数の拡大によりコヒーレント方向に観察者用ウィンドウ１１、１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｌが制限を受けることになる。光変調装置２が水平方向に配置されていれば特に望ましい。このようにして、個々の観察者用ウィンドウ１１、１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｌを垂直方向、すなわち非コヒーレント方向に拡大することが可能となる。これは、光変調装置２のこの配置構成において、観察者用ウィンドウ１１、１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｌを観察者の垂直方向の位置まで追跡する必要がもはやないという理由によるためである。その理由として、観察者用ウィンドウ１１、１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｌが垂直方向に大きく拡大しているということが挙げられる。さらに、この場合、結像及び表示を行う役割を果たすだけでなく、非コヒーレント方向への波面のフーリエ変換の拡散を行う役割も果たすことになるスクリーン７上へ光拡散層を印加できる可能性が存在する。
【００４１】
１次元光変調装置２と偏向手段１８との少なくともいずれかと共に偏向エレメント９の助けによって２人以上の観察者Ｂ１、Ｂ２のために再構成される３次元シーンの部分画像の２次元波面を実現するとき、変調済み波面８の行又は列の時間的多重化が行われるいくつかの可能性が存在する。部分画像の２次元波面が、１人の観察者のために、次いで、別の観察者のためにまず完全に生成される。さらに、個々の観察者と関連づけられた、部分画像の変調済み波面の行又は列を交互に示すことが可能となる。
【００４２】
図１、図２及び図３に従う本発明の実施形態は、少なくとも１つの入射波面を変調するための少なくとも１つの１次元光変調装置２に常に関するものである。しかし、本発明は２次元光変調装置２を用いて実現することも可能である。
【００４３】
次に、投影装置１のこのような実施形態について図４、５、６、７の助けによって説明する。
【００４４】
図４はホログラフィック投影装置１の別の実施形態の平面図を示す。この実施形態による投影装置１は観察者の平面１２における複数の観察者向けのものである。図１及び図３とは対照的に、本実施形態では、光変調装置２は２次元バイナリ光変調装置である。変調波面はこのような光変調装置２によってバイナリ符号化される。波面の表示が非常に不正確であるという理由によって、シーンを再構成するためにいくつかの波面がスーパーインポーズされる。２次元波面を生成するための偏向エレメントはもはや不要となる。
【００４５】
図１及び図３に示す偏向エレメント９の代わりに、投影装置１はビームスプリッタ・エレメント２７を備え、このビームスプリッタ・エレメント２７は、ビームスプリッタ・エレメント２２と併用されて、光をそのスペクトル成分に分割するか、これらのスペクトル成分から光を再合成して、光変調装置２により放射される波面８Ｒと８Ｌを再生するものである。このビームスプリッタ・エレメント２７は好適にはレンズエレメント１４の画像側焦面及び結像手段６に配置される。そして、このビームスプリッタ・エレメント２７は格子エレメント又は回折光学エレメント（ＤＯＥ）、特に、構成可能な回折光学エレメント（ＤＯＥ）であってもよい。さらに、ビームスプリッタ・エレメント２７ではなく、観察者の平面１２にいる観察者の数に応じて、個々の光変調装置２用の複数の光源４を提供することが可能である。これらの光源４によって放射される光は、異なる入射角で光変調装置２に到達することが望ましい。
【００４６】
図示の３人の観察者に対するシーンの再構成の場合、投影装置１は２つの光変調装置２を備え、その場合、一方の光変調装置２は観察者の右目向けのものであり、他方の光変調装置２は観察者の左目向けのものである。これら２つの光変調装置２の各々は、１つの光源４を持つ少なくとも１つの照明装置３によって照明される。これらの光源４によって放射された光は変調され、それによって平面波Ｗは符号化されて、光変調装置２において等距離の位置において所望の波面８Ｒと８Ｌとを形成することになる。これらの波面８Ｒと８Ｌは、次いで、レンズエレメント１３と１４によって再生用のビームスプリッタ・エレメント２７上へ結像されて、複数の波面８１Ｒ、８２Ｒ、８３Ｒ及び８１Ｌ、８２Ｌ、８３Ｌに変えられる。同時に、波面８Ｒと８Ｌのフーリエ変換ＦＴはレンズエレメント１３と１４との間に、好適にはレンズエレメント１３の焦面に生成される。次いで、フーリエ変換ＦＴはレンズエレメント１４と結像手段６とによって結像手段６の焦面２１の中へ結像される。この焦面には、３つの偏向手段１８が配置されている。まず、波面８１Ｒ、８２Ｒ、８３Ｒ及び８１Ｌ、８２Ｌ、８３Ｌが結像手段６と１９及び集束エレメント２５によって、第２の結像手段１９と集束エレメント２５との共通焦面２０の中へ結像され、次いで、これらの波面はスクリーン７によって観察者用ウィンドウ１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｒ、２４Ｌ、２８Ｒ及び２８Ｌの中へ、すなわち、３人の観察者の目へ結像される。同時に、焦面２１におけるフーリエ変換ＦＴの画像は第２の結像手段１９と集束エレメント２５によってスクリーン７上へ結像される。偏向手段１８の数は、この場合も観察者の数によって決められる。このことは、ここでは観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌに対して、観察者当たりただ１つの偏向手段１８が両目用として用いられることを意味する。３次元シーンはゼロ番目の回折次数で再び再構成される。観察者の平面１２における観察者のいかなる動きも、目の位置をモニタする位置検出システム１７によって検出され、そして、観察者用ウィンドウ１１Ｒ、１１Ｌ、２４Ｒ、２４Ｌ、２８Ｒ及び２８Ｌが観察者の新しい目の位置に従って追跡されるように偏向手段１８は制御される。この３次元シーンは上述のようにビームスプリッタ・エレメント２２を用いてカラーで再構成することができる。
【００４７】
２つの光変調装置２の代わりに、ただ１つの光変調装置２を用いることも可能である。したがって、光変調装置２を照明するためにはただ１つの光源が必要となる。
【００４８】
図５はさらに別のホログラフィック投影装置１の実施形態の平面図であり、この図にはただ１人の観察者が示されている。しかし、一般に複数の観察者が再構成されたシーンを観ることができる。ここで用いられる光変調装置２もやはり２次元光変調装置であるが、上述のバイナリ光変調装置とは対照的に、これらの装置は多値符号化を可能にし、それによって、例えばいくつかの位相値を処理することによって、直接ただ１つの画像に関して波面の改善された表示を達成するものである。このようにして投影装置１は図１、図３及び図４に示すものよりもさらに単純な構造化を行うことが可能となる。偏向エレメント９とビームスプリッタ・エレメント２７とはもはや不要となる。さらに、観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌあるいは複数の観察者用ウィンドウズを追跡するのでさえただ１つの偏向手段１８で十分となる。
【００４９】
３次元シーンの再構成のために、１つの光変調装置２が個々に右眼用及び左眼用として提供される。これら２つの光変調装置２は照明装置３の２つの光源４によって十分にコヒーレントな光で照明される。平面波Ｗは光変調装置２に到達し、そこで、符号化されて、所望の波面８Ｒと８Ｌを形成する。次いで、波面８Ｒと８Ｌはレンズエレメント１３と１４によって、レンズエレメント１４と結像手段６との間に位置している画像側焦面２９の中へ結像される。同時に、波面８Ｒと８Ｌのフーリエ変換ＦＴは、レンズエレメント１３の画像側焦面においてレンズエレメント１３と１４との間に生成される。次いで、フーリエ変換ＦＴはレンズエレメント１４と結像手段６とによって焦面２１の中へ結像される。次いで、波面８Ｒと８Ｌは結像手段６と１９とによって焦面２０の中へ結像され、さらにスクリーン７によって観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌの中へ並びに観察者の目へ結像される。同時に、焦面２１におけるフーリエ変換ＦＴの画像は第２の結像手段１９によってスクリーン７上へ結像される。このようにして、右と左の観察者ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌに対する波面８Ｒと８Ｌは同時に結像される。３次元シーンはゼロ番目の回折次数で再び再構成される。観察者の平面１２における観察者のいずれの動きも目の位置をモニタする位置検出システム１７によって検出され、さらに、偏向手段１８は、観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌとが観察者の新しい目の位置に従って追跡されるように制御される。３次元シーンはビームスプリッタ・エレメント２２を用いて上述のようにカラーで再構成することも可能である。
【００５０】
複数の観察者が観察者の平面１２に位置している場合には、観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌ用の上記１対の左右の波面は個々の観察者へ次々に配信されることになる。次いで、次の一対の波面が個々の観察者へ連続して配信される、等々。上記とは別に、右眼観察者用ウィンドウ１１Ｒ用の波面をまず個々の観察者へ次々に配信することも可能である。次いで、左眼観察者用ウィンドウ１１Ｌ用の波面を個々の観察者へ次々に配信することも可能である。この場合、次のシーンは適宜再構成されることになる。
【００５１】
本実施形態によれば、このようにして観察者の両方の目に対してただ１つの光変調装置２を提供することが可能となる。このような場合には、２人の観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌは上述のように交互にサービスを受けることになる。複数の観察者が存在する場合には、すべての右眼観察者用ウィンドウ１１Ｒ、・・・がまずサービスを受け、次いで、すべての左眼観察者用ウィンドウ１１Ｌ、・・・がサービスを受ける（又はこの逆順もまた同様である）ことになる。
【００５２】
図６は図５に図示の投影装置１の単純化した実施形態を示す図である。この図にもただ１人の観察者が示されている。しかし、一般に複数の観察者が再構成されたシーンを観察することが可能である。ここで用いられる光変調装置２もまた図５と関連して説明したような２次元光変調装置である。本実施形態でも、観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌすなわち複数の観察者用ウィンドウを追跡するためにただ１つの偏向手段１８が提供される。図５に図示のように、レンズエレメント１４と結像手段６が無限焦点システムを形成する場合には、図６に図示のように、これらの光学エレメントを省くことができる。この結果非常に単純な構造の投影装置１が得られることになる。しかし、この構成では色収差のような収差の補正が非常に困難になる。
【００５３】
３次元シーンの再構成のために、１つの光変調装置２が右眼用及び左眼用として再び個々に提供される。これら２つの光変調装置２は照明装置３の２つの光源４によって十分にコヒーレントな光で照明される。波Ｗは光変調装置２に到達し、ここで、符号化されて、所望の波面８Ｒと８Ｌが形成される。次いで、波面８Ｒと８Ｌはレンズエレメント１３によって結像され、第２の結像手段１９によって焦面２０の中へ結像され、さらに、スクリーン７によって観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌの中へ入り、それから、観察者の目へ結像される。同時に、偏向手段１８が位置しているレンズエレメント１３の焦面２１において、レンズエレメント１３と第２の結像手段１９との間に波面８Ｒと８Ｌのフーリエ変換ＦＴが生み出される。次いで、フーリエ変換ＦＴは、第２の結像手段１９によってスクリーン７上へ結像される。左右の観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌ用の波面８Ｒと８Ｌが同時に結像される。３次元シーンはゼロ番目の回折次数で再び再構成される。観察者の平面１２における観察者のいかなる動きも観察者の目の位置をモニタする位置検出システム１７によって検出され、偏向手段１８は観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌが観察者の目の新しい位置に従って追跡するように制御される。３次元シーンはビームスプリッタ・エレメント２２を用いて上述のようにカラーで再構成することができる。
【００５４】
２つの光変調装置２の代わり、１人又は複数の観察者のためのただ１つの光変調装置２を使用することもまた可能である。したがって、光変調装置２を照明するためにただ１つの光源が必要になる。
【００５５】
図５に図示のように、複数の観察者が観察者の平面１２に位置している場合には、観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌ用の左右の波面は、１人の観察者へ、次いで、次の観察者へ偏向エレメント１８の中を通って配信されることになる。その後、次の一対の波面が個々の観察者へ連続して配信されることになる、等々。或いは、上述したように、右眼観察者用ウィンドウ１１Ｒ用の波面をまず個々の観察者へ次々に配信し、次いで、左眼観察者用ウィンドウ１１Ｌ用の波面を個々の観察者へ次々に配信することも可能である。次いで、次のシーンが適宜再構成されることになる。
【００５６】
本実施形態では、図５と関連して記載したように観察者の両方の目用のただ１つの光変調装置２を使用することも可能である。この光変調装置２によって、観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌに次々にサービスが提供される。
【００５７】
図７は、投影装置１がただ１人の観察者用として示される投影装置１の別の実施形態を示す。しかし、複数の観察者用としてこの投影装置１を使用することは一般に可能である。光変調装置２は一次元、２次元又は２次元バイナリ光変調装置であってもよい。１次元光変調装置を使用する場合、図１と図３に図示のように２つの偏向エレメント９を設ける必要がある。２次元バイナリ光変調装置が使用される場合、複数の観察者が再構成されたシーンを観察することが可能になるほど光変調装置２が高速であれば好都合である。そうではない場合、ただ１人の観察者が再構成されたシーンを観察することになる。本実施形態では、図５と図６に図示のように、観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌすなわち複数の観察者ウィンドウを追跡するためにただ１つの偏向手段１８が提供される。この投影装置１の結像エレメントはさらに少ない数の開口数（ＮＡ）を有し、したがって、図５と図６に従って投影装置１よりも小さな収差を示すことになる。レンズエレメント１３、１４及びビームスプリッタ・エレメント２２は２倍設けられることになる。すなわち、１つは、個々の光変調装置２用として、あるいは、１つは個々の観察者の目用として設けられる。これによって波面Ｗが投影装置１の第１の部分の中を通って互いに別々に結像されるようになるため、個々の目に対して調節エラーを個々に補償することが可能となる。
【００５８】
３次元シーンは、１つの光変調装置２の助けによって、右眼用として及び左眼用として個々に再構成される。これら２つの光変調装置２は照明装置３の２つの光源４によって十分にコヒーレントな光で照明される。波面Ｗは光変調装置２に到達し、ここで符号化されて所望の波面８Ｒと８Ｌが形成される。本実施形態では、（波面の１／２が示されるように）波面８Ｒと８Ｌは２つのビーム光によって表示されている。次いで、波面８Ｒはレンズエレメント１３と１４によってレンズエレメント１４の画像側焦面３０の中へ結像される。可動できない偏向ミラーの形の偏向エレメント３１が焦面３０に位置している。偏向エレメント３１は波面８Ｒを反射して所望の方向に変える。波面８Ｌは同様にレンズエレメント１３と１４によって、但し焦面３２の中へ結像される。同時に、波面８Ｒと８Ｌのフーリエ変換ＦＴは、レンズエレメントの画像側焦面１３においてレンズエレメント１３と１４との間に生成される。次いで、２つのフーリエ変換ＦＴはレンズエレメント１４と結像手段６とによって焦面２１の中へ結像される。次いで、波面８Ｒと８Ｌは結像手段６と１９によって焦面２０の中へ、さらにスクリーン７によって、観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌの中へ、それから、観察者の目へ結像される。同時に、焦面２１内のフーリエ変換ＦＴの画像は第２の結像手段１９によってスクリーン７上へ結像される。左右の側観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌ用の波面８Ｒと８Ｌは同時に結像される。３次元シーンがゼロ番目の回折次数で再び再構成される。観察者の平面１２における観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌとを追跡するために観察者が移動しても、位置検出システム１７が観察者の目の位置のいかなる変化も検出する。位置検出システム１７は偏向手段１８も制御して、観察者の目の新しい位置に従って観察者用ウィンドウ１１Ｒと１１Ｌの追跡を行うようにする。
【００５９】
複数の観察者が再構成されたシーンを観察するために観察者の平面１２に位置していれば、上記１対の左右の波面は次々に個々の観察者へ配信されることになる。次いで、次の一対の波面が個々の観察者へ連続的に配信される、等々。
【００６０】
３次元シーンは、レンズエレメント１３と１４との間に配置することができる２つのビームスプリッタ・エレメント２２を用いて上述のようにカラーで再構成することができる。投影装置１における他の任意の好適な位置にビームスプリッタ・エレメント２２を配置できることは言うまでもない。図７によれば、光路が折り畳まれていない状態を保持するように投影装置１を設計することも可能である。
【００６１】
さらに、光源４を備えた照明装置３を投影装置１の任意の好適な位置に配置することができる。例えば、光変調装置２が透過タイプのものではなく、反射タイプのものである場合、波面Ｗは、反射ミラーや半透過ミラーのような偏向エレメントによってそれぞれの光変調装置２上へ結像される。偏向エレメントが位置しているフーリエ平面の中へ光源４が結像されれば好適である。レンズ、ミラー等のような少なくとも１つの光学エレメントを偏向エレメントと光変調装置２との間に設けるようにしてもよい。図７を参照してわかるように、このような偏向エレメントは偏向手段１８の近くに、あるいは、ビームスプリッタ・エレメント２２が配置されるために用いられているようなところに配置することができる。ビームスプリッタ・エレメント２２は、偏向エレメントの正面に、又は、偏向エレメントの後に、あるいは、投影装置１における他の任意の好適な位置に配置することも可能である。これによってさらにコンパクトな設計を投影装置１に対して行うことが可能となる。
【００６２】
すべての実施形態において、１つの主光源（図示せず）から少なくとも１つの光学エレメントによって個々の光源４を生成することができる。
【００６３】
さらに、すべての実施形態において、０番目以外の任意の回折次数で、例えば１番目の回折次数又は−１番目の回折次数でシーンの再構成を行うことが可能である。
【００６４】
ホログラフィック投影装置１の可能な応用例には、例えば、コンピュータディスプレイ、ＴＶスクリーン、電子ゲームなどの私的な環境又は作業環境において、あるいは、情報を表示するための自動車関連産業において、娯楽産業において、医用工学において（特にこの分野では、体に最小限のメスを入れる外科手術への応用例として、又は断層情報の空間的表示用として）、さらに、軍事工学においては、表面形状の表示用として、２次元表示と３次元表示の少なくともいずれかが含まれる。当業者であれば投影装置１は上記で言及しなかった別の領域における適用も可能であることを思いつくであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】３次元シーンの再構成のための１次元光変調装置を備えた本発明のホログラフィ射影装置の作動原理を示す図である（平面図）。
【図２】図１に図示の投影装置の拡大詳細部を示す図である。
【図３】再構成シーンの少なくとも２人の観察者用の本発明に係る投影装置の別の実施形態を示す図である（平面図）。
【図４】２次元バイナリ光変調装置を備えた本発明による投影装置の作動原理を示す図である（平面図）。
【図５】２次元光変調装置を備えた本発明による投影装置の作動原理を示す図である（平面図）。
【図６】図５に図示の本発明の投影装置の単純化した実施形態を示す図である（平面図）。
【図７】図５に図示の投影装置の可能な別の実施形態を示す図である（平面図）。
【国際調査報告】
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