(57)【要約】本発明は、変調された少なくとも１つのビデオホログラムの変調された波面と拡大された可視領域とを有するシーンの再構成のための、ホログラフィック再構成システムに関するものである。当該システムは、焦点面において、変調済みの波面のフーリエ変換を実現する、空間光変調手段（２）の２次元符号化光変調器セルと、光集束手段（７）とを利用する。ホログラム算出手段（３）は、それぞれが複数のホログラムセグメント（Ｈ１１、Ｈ１２、Ｈ１３、...）を有する、複数のストリップホログラム（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）を算出する。並列に配置された部分光波において割り当てられたホログラムセグメントの変調を各々運ぶ、ストリップホログラムによって変調される波面系列が生成されるように、符号化手段は、変調器セル行列（４）において、時分割多重モードでストリップホログラムを、空間分割多重モードでホログラムセグメントを符号化する。フーリエ変換が焦点面において縦列に現れるように、第１の光偏向手段は、並列に配置された部分光波を偏向する。焦点面上に配置される空間周波数フィルタ（８）は、全ての変調された部分光波における同一の回折次数の各々を通過させ、さらに、第２光偏向手段は、変調された波面において相互に隣接する波面ストリップを整列させることにより、シーンを再構成する。
2009545762.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビデオホログラムで変調された少なくとも１つの波面を用いてシーンの再構成を行うホログラフィック投影システムであって、
干渉を生成可能な光が、空間光変調手段の２次元に符号化された変調器セル行列を照明し、光集束手段が、焦点面における変調済みの波面のフーリエ変換を実現し、
各ビデオホログラムについて、それぞれが複数のホログラムセグメント（Ｈ１１、Ｈ１２、Ｈ１３、...）を有する複数のストリップホログラム（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）を算出するホログラム算出手段と、
並列に伝搬する部分光波における割り当てられたホログラムセグメントの前記変調を伝える、前記ストリップホログラムによって変調された波面系列が生成されるように、前記変調器セル行列（４）上で、時分割多重モードで前記ストリップホログラムを符号化し、空間分割多重モードで前記ホログラムセグメントを符号化する符号化手段と、
前記焦点面においてフーリエ変換が階段状に現れるように、並列に伝搬する前記部分光波を偏向する第１の光偏向手段と、
前記焦点面に位置し、同一の回折次数の全ての変調済みの部分光波を通過させる空間周波数フィルタ（８）と、
波面ストリップを形成するために、前記部分光波の通過回折次数を結合する第２の光偏向手段と、
第３の光偏向手段が前記シーンを再構成する前記変調済みの波面を形成するために、前記波面ストリップを並べて位置付けるように、調整可能な該第３の光偏向手段を離散的に制御する時間分割多重制御装置と
を備えることを特徴とするホログラフィック投影システム。
【請求項２】
前記符号化手段は、
並列に伝搬する前記部分光波において、前記ストリップホログラムの前記ホログラムセグメントの前記変調を含む光波を、各ストリップホログラムが変調するように、各ストリップホログラムの前記ホログラムセグメントを、前記変調器セル行列（４）の隣接する行列セクション（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）に符号化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投影システム。
【請求項３】
前記変調器セル行列（４）の各行列セクション（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）は、少なくとも１つの画素行（５）を含むことを特徴とする請求項２に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項４】
前記第１の光偏向手段は、前記変調済みの部分光波の光路に位置するプリズム（２１、２２、２３）を有するプリズムアレイ（１１）であり、
前記行列セクション（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）は、
同一の回折次数の隣接する部分光波がシームレスに隣接するような１つの回折次数の長さによって、傾斜が前記変調済みの部分光波を１次元に常にオフセットするように、個別の傾斜（２４、２５、２６）を有するプリズムが割り当てられることを特徴とする請求項２に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項５】
偏向方向における前記光変調手段（２）の最大回折角は、前記プリズム（２１、２２、２３）の前記傾斜（２４、２５、２６）を規定することを特徴とする請求項４に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項６】
前記第１の光偏向手段は、マイクロプリズムを有するプリズムアレイ（１１）であり、
各行列セクション（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）には、前記空間周波数フィルタ（８）の構造による階段状の前記部分光波を導く、多数のマイクロプリズムが割り当てられることを特徴とする請求項４に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項７】
前記空間周波数フィルタ（８）は、単一の回折次数の前記変調済みの部分光波をそれぞれが通過させる複数のアパーチャ（１５、１６、１７）を有するアパーチャマスクであ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投影システム。
【請求項８】
前記アパーチャマスクは、
前記焦点面において同一の回折次数の形状及び位置に相当する形状及び位置を有する、階段状にオフセットされた透過領域を備えることを特徴とする請求項７に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項９】
前記第２の光偏向手段もまた、
フィルタリングされた前記変調済みの部分光波の光路に位置するプリズムであって、波面ストリップを形成するために１次元において階段状にオフセットされ、フィルタリングされた前記部分光波を結合する複数のプリズムを有するプリズムアレイ（１１）であ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投影システム。
【請求項１０】
前記プリズムアレイ（１１）は、複数のマイクロプリズムを備えることを特徴とする請求項９に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項１１】
前記マイクロプリズムの角度範囲は調整可能であり、
各行列セクション（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）には、多数のマイクロプリズムが割り当てられ、当該マイクロプリズムは、部分光波を有する前記波面ストリップが目の位置に従って導かれるように、アイファインダによって制御されることを特徴とする請求項１０に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項１２】
前記部分光波が観察者の目の該目の位置の動きを追跡するように、調整可能な前記マイクロプリズムを追跡装置が制御することを特徴とする請求項１１に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項１３】
前記第２の光偏向手段は、前記空間周波数フィルタ（８）に取り付けられたプリズムであることを特徴とする請求項９に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項１４】
前記第２の光偏向手段は、異なる方向に傾斜された鏡素子のアレイであることを特徴とする請求項９に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項１５】
調整可能な前記第３の光偏向手段は、別個に移動可能な鏡手段であ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投影システム。
【請求項１６】
調整可能な前記第３の光偏向手段は、調整可能なマイクロプリズムであ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投影システム。
【請求項１７】
前記時間分割多重制御装置は、
観察者の目の該目の位置の動きを前記部分光波が追跡するように、前記第３の光偏向手段を制御する追跡装置に接続されることを特徴とする請求項１６に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項１８】
前記光集束手段（７）は、水平方向及び垂直方向において異なる焦点面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投影システム。
【請求項１９】
前記光集束手段（７）の焦点面は、
前記第１の偏向手段の偏向方向の前記空間周波数フィルタ上に、前記部分光波のフーリエ変換が現れるように、前記空間周波数フィルタ（８）に可能な限り近接して配置されることを特徴とする請求項１８に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項２０】
前記光集束手段（７）が照明された前記変調器セル行列（４）を前記第２の偏向手段上に垂直に画像化するように、前記第２の焦点面は位置することを特徴とする請求項１８に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項２１】
前記光集束手段（７）は、
１方向において焦点距離fxを有し、前記光変調手段（２）の後方に、距離fxで配置されることを特徴とする請求項１８に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項２２】
前記光集束手段（７）は、他の方向において前記焦点距離fyを有し、fy＝fx／２であり、
前記光変調手段（２）と前記光集束手段（７）との間の距離、及び前記光集束手段と前記空間周波数フィルタとの間の距離は、両方とも２fyであることを特徴とする請求項１８に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項２３】
前記光変調手段は、仮想的な光源の構造を再構成する、人工の、コンピュータ処理のホログラムを用いて符号化され、
前記第２の光偏向手段は、前記部分光波の階段状のオフセット（９）を補償する１次元拡散器であ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投影システム。
【請求項２４】
空間光変調手段を照明する仮想的な光源を実現するために、バックライトとして３次元画像表現用の投影システムに利用されることを特徴とする請求項２３に記載のホログラフィック投影システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シーンの再構成のためのホログラフィック再構成システムに関するものであって、当該ホログラフィック再構成システムは、拡大された可視領域を有し、空間光変調手段における２次元に符号化された光変調器セルを、コヒーレントな光を用いて照明する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、例えば、「シーンのホログラフィック再構成を行う投影装置及び方法」というタイトルの特許文献１によって出願人により開示されたホログラフィック投影装置のタイプのホログラフィック再構成システムに対して適用することができる。
【０００３】
当該投影装置は、好ましくは、セル行列の変調器表面を有する光変調器に加えて、光変調器セルと、コヒーレントな光を発する照明装置と、第１及び第２の画像化手段を有する画像化システムとを備える。第１の画像化手段は、拡大の手法で、第２の画像化手段上に光変調器を画像化する。第２の画像化手段は、空間周波数スペクトラム、すなわち光変調器のフーリエスペクトラムを、可視領域に画像化する。このように、可視領域は、ビデオホログラムのフーリエ平面における使用回折次数（used diffraction order）の画像である。第１の画像化手段が第２の画像化手段上に完全な光変調器を画像化するのを可能にするために、所望の回折次数の全ての寄与が、第１の画像化手段によってカバーされなければならない。これは、空間周波数スペクトラムが生成される第１の画像化手段上に、変調済みの光を集束させることにより、実現される。このため、光伝搬の方向において集光する光によって、光変調器は照明される。第１の画像化手段は、このように、ビデオホログラムの空間周波数スペクトラムに位置する。観察者ウィンドウとともに、第２の画像化手段は、再構成量を規定する。シーンは、この再構成量で再構成される。再構成量はまた、第２の画像化手段を超える、任意の程度まで後退し続ける。従って、観察者は、観察者ウィンドウを介して、当該再構成量において再構成されたシーンを見ることができる。
【０００４】
干渉を生成可能な光は、典型的には、ビデオホログラムを提示するために、空間光変調手段を照明する。
【０００５】
拡大された可視領域を有するホログラフィック再構成を行う方法は、非特許文献１に記載されている。光源は、ホログラムが符号化される光変調器を照明する。レンズは、ホログラムのフーリエ平面を生成し、アパーチャマスクの形式の空間周波数フィルタは、フーリエ平面から回折次数を除去する。アパーチャマスクは、時間的及び空間的に制御することが可能なアパーチャパターンであって、ホログラムのフーリエ変換における複数の回折次数を連続的に透過し、結合することが可能なアパーチャパターンを有し、これにより観察者は、再生された画像（再構成された３次元のオブジェクト）を拡大された可視領域において観察することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００６／１１９７６０号
【特許文献２】国際公開第２００６／０５３７９３号
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】T. Mishina, M. Okui, and F. Okano,「高次回折を用いるサンプルされたホログラム用の視域を拡大する方法（Viewing zone enlargement method for sampled hologram that uses high-order diffraction）」, Applied Optics, Vol. 4, No. 8, p. 1489-1499.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
問題は、可視領域を拡大するために、異なる強度を有する複数の回折次数が連続的にフィルタリングされ、結合されることである。このため、当該フィルタは、ホログラムのフーリエ平面において制御可能な開口を必要とする。可視領域における回折次数の強度は異なるため、照明光の強度も同様に、連続的に制御されなければならない。さらに、例えば、アパーチャの切替え及び制御のために、大規模なソフトウェア手段が必要とされる。ホログラムの連続的な再構成及びフィルタリングプロセスは、再構成される画像のちらつきを防止するために、十分な速度で実行されなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、シーンの再構成を行うホログラフィック再構成システムに基づいており、ここでは光学集束手段が、ビデオホログラムによって変調された光波面を、可視領域における観察者の目の少なくとも１つの目の位置まで追跡する。干渉を生成可能な光は、２次元に符号化された、空間光変調手段の変調器セル行列を照明し、それにより光波面を変調する。変調器セル行列の変調器セルは、変調器セル行及び変調器セル列に配列される。符号化手段が、変調器セル行で構築された変調器セル行列と、変調器セル列で構築された変調器セル行列との何れを符号化するかは、本発明の機能性とは無関係であるため、「セル行」という用語は、符号化されたセル構造における配列のために使用される。
【００１０】
変調済みの波面が目の位置に対して伝搬する場合には、光集束手段は、変調済みの光波面のフーリエ変換がフーリエ平面において生成されるように、変調済みの波面の光フーリエ変換を焦点面において実行する。
【００１１】
本発明の目的は、可視領域を光学的に拡大する技術手段を安価な手法で提供することである。３次元のシーンを再構成する光波面を変調する場合には、変調行列のその次元における各セル数と比較して、実効的なセル数が１次元において増加（multiplied）されるべきである。
【００１２】
これは、本発明によるホログラフィック再構成システムにおいて、光波面の空間分割、偏向、及び分割された光波面の空間フィルタリングとともに、干渉を生成可能な光波面を変調する空間光変調手段を符号化する特定の方法を使用することによって、実現される。
【００１３】
本発明によれば、ホログラム算出手段は、ホログラフィック再構成に必要な全ての光波面の情報を、複数の波面ストリップに関連づけるとともに、ビデオ系列の各ビデオホログラムのために、複数のホログラムセグメントを含むストリップホログラムを算出する。
【００１４】
ホログラム算出手段は、時分割多重モード及び空間分割多重モードを用いて空間光変調手段を符号化する符号化手段に接続される。符号化手段は、時分割多重モードにおいてはストリップホログラムの内容を用いて、空間分割多重モードにおいてはホログラムセグメントを用いて、空間光変調手段を符号化する。各ストリップホログラムの全ホログラムセグメントは、多数のホログラム画素をともに有するため、ストリップホログラムは、対応するホログラムセグメントの空間分割多重構造として、変調器セル行列上のセル行において並んで配置される。
【００１５】
干渉を生成可能な光波面を用いた変調器セル行列に対する照明の結果、変調器セル行列は、ホログラムセグメントの情報を含み、ストリップホログラムに割り当てられた、並列に伝搬する部分光波を変調する。
【００１６】
本発明の目的を達成するために、変調器セル行列及び集束手段に加えて、以下の構成要素が光波面の光路に配置される。すなわち、
・焦点面において階段状にフーリエ変換が現れるように、変調済みの波面の、並列に伝搬する部分光波を異なる方向に偏向させる第１の光偏向手段と、
・集束手段の焦点面に位置し、の同一の回折次数の全ての変調済みの部分光波を通過させる空間周波数フィルタと、
・波面ストリップを形成するために、部分光波の通過回折次数を結合する第２の光偏向手段と、
・変調済みの波面が現れ、全ての波面ストリップが時分割多重モードで所望のシーンをホログラフィック再構成するように、ホログラム算出手段の時分割多重モードと同時に動作し、調整可能な第３の光偏向手段を、当該第３の光偏向手段が波面ストリップを並べて配置するように離散的に調整する時間分割多重制御装置と
が配置される。
【００１７】
すなわち、ビデオ信号の信号フレームの間に符号化された全ホログラムセグメントは、１つのストリップホログラムに属し、当該ホログラムセグメントで、波面ストリップの、並列に伝搬する部分光波を変調する。ストリップホログラムが時分割多重でシーンをホログラフィック再構成するように、変調器セル行列は、残りのストリップホログラムを時分割多重で変調する。
【００１８】
光集束手段によってフーリエ変換が実行されるために、変調器セル行列のセル構造が、所望の回折次数に加えて、寄生（parasitic）回折次数を変調することは、周知の欠点である。フーリエ変換は、空間周波数スペクトラムを、各部分光波のための光集束手段の焦点面において生じさせる。
【００１９】
本発明の目的により、可視領域を光学的に拡大するために、第１の光偏向手段は、階段状にオフセットされた状態で光集束手段の焦点面に部分光波が現れるように、１次元において、ストリップホログラムの部分光波を横方向に（laterally）偏向する。これらの偏向手段は、静的な角度設定を有する。これにより、妨害となる寄生回折次数から、各変調済みの部分光波と同一の各回折次数を高効率に分離するために、固定されたアパーチャの階段状構造を有する簡易な空間周波数フィルタを使用できるという利点を有し、それは再構成のために望ましい。
【００２０】
第２の光偏向手段は、結合された部分光波から作り出される変調済みの光波ストリップが生成されるように、全ての変調済みの部分光波の通過回折次数を結合する。従って、第２の光偏向手段は、空間分割多重を補うために、空間分割多重プロセスにおいて結合される部分光波の光偏向を補償する。
【００２１】
１次元における横方向の偏向の結果、この変調済みの光波ストリップは、ホログラムセグメント数の倍数である、ホログラム画素の解像度を示す。変調器セル行列の回折角の増加は、このように変調器セル行列の１次元において実現され、これは、本発明の目的による可視領域の拡大に相当する。
【００２２】
第１の光偏向手段は、変調済みの部分光波が、１つの回折次数によって、集束手段の焦点面において階段状にオフセットされて並んで配置されるように、波面の光路に配置され、かつ、１次元に、すなわち、互いに水平に又は垂直に、変調済みの部分光波を変位させる、プリズムアレイでよい。
【００２３】
符号化手段は、好ましくは、少しだけの、例えば３個のホログラムセグメントが変調器セル行列に存在するように、変調器セル行列のセル構造の各ホログラムセグメントに対して、複数の隣接する水平の変調器セル行列を割り当てる。ホログラムセグメントの数に従って、第１の光偏向手段は、１次元に変調器セル行列と完全に交差して広がる複数の、例えば３個のプリズムを有する。プリズムの縦の側面は、互いに隣接し、プリズムは異なる傾斜を示す。同一の回折次数の隣接する部分光波が、階段状にオフセットされた同一の回折次数のシームレスな接続が実現されるような偏向の後に、焦点面において隣接するように、当該傾斜は選択される。これは、偏向の方向における光変調手段の最大回折角が、プリズムの傾斜を決定する場合に実現される。
【００２４】
本発明の好適な実施形態によれば、第１の光偏向手段は、マイクロプリズムを有するプリズムアレイでよく、各行列セクションには多数のマイクロプリズムが割り当てられる。マイクロプリズムは、空間周波数フィルタの構造に従って、部分光波を階段状に導く。これにより、投影システムのより軽量な設計が容易となり、ホログラム投影機の容積が低減される。
【００２５】
空間周波数フィルタは、好ましくは、それぞれが単一の回折次数の変調済みの部分光波を通過させるアパーチャを有する、アパーチャマスクでもよい。しかしながら、アパーチャマスクの代わりに、透過領域及び不透過領域を有する、異なるマスク、例えば、写真用のフィルムコピー又はそれと同様のものが使用されてもよい。それにより、当該マスクは、空間周波数フィルタが配置される平面における同一の回折次数の形状及び位置に対応する、階段状にオフセットされた透過領域を有する。
【００２６】
第２の光偏向手段も、プリズムアレイでよい。当該プリズムは、１個の光波ストリップを形成するための１次元において、変調され、フィルタリングされ、階段状にオフセットされた部分光波を結合するために、光路に配置される。
【００２７】
第２の光偏向手段は、好ましくは、各行列セクションに多数割り当てられるマイクロプリズムであってもよい。これらのプリズムはまた、角度範囲に関して調整されてもよく、かつ、部分光波を有する光波ストリップが目の位置に従って導かれるように、アイファインダによって調整される位置制御装置に接続されてもよい。このように、調整可能な光偏向手段が拡大される場合、変調済みの部分光波は、少なくとも１次元において、目の位置の変化に従って追跡されうる。
【００２８】
装置内部の空間を確保するために、第２の光偏向手段は、空間周波数フィルタ上に直接配置されうる。
【００２９】
離散的に調整可能な第３の光偏向手段は、ビーム投影型ディスプレイ装置として周知である。そのような装置は、画像をディスプレイ表面に再生するための移動可能な反射鏡又は回転多面鏡を備え、例えば１行ごとに光を偏向させる。「ビーム投影型ディスプレイデバイスを動作させるビーム投影型表示装置及び方法」というタイトルの特許文献２は、一例として挙げられる。第３の光偏向手段はまた、制御可能なマイクロプリズムであってもよい。
【００３０】
当業者にとって、各セル行の変調器セルが水平に又は垂直に配置されるかは、本発明の実際の実施形態にとって無関係であると考えられる。
【００３１】
これを考慮すると、可視領域は、例えば、空間分割多重モードにおいて、複数のホログラムセグメントを水平に結合することにより、すなわち、水平解像度を増加させることにより拡大されうる。これに関連して、ホログラム算出手段は、時分割多重モードにおいて、符号化手段を用いて垂直解像度を増加させるために、より多数の各ビデオホログラム用のストリップホログラムを算出できる。
【００３２】
ホログラフィック再構成システムが、そのような構造を有する場合には、角度範囲に関して調整可能であり、かつ、位置制御装置に接続された第２の光偏向手段におけるマイクロプリズムは、生成された変調済みの光波ストリップを、目の位置の水平方向の変化に従って導くことができる。
【００３３】
本発明の好適な実施形態によれば、集束手段は、フーリエ平面及び画像平面の両方が同一平面に生成されるように、水平方向及び垂直方向に異なる焦点面を有する。焦点面は、部分光波のフーリエ変換が、第１の光偏向手段の偏向方向の空間周波数フィルタ上に現れるように、空間周波数フィルタに限りなく近接してそこに配置される。第２の焦点面は、照明された変調器セル行列を、集束手段が第２の光偏向手段上に垂直に投影するように、位置する。
【００３４】
本ケースでは、集束手段は、水平方向において、空間周波数フィルタの近くに変調済みの波面のフーリエ変換を実現し、垂直方向において、第２の光偏向手段の近くに光変調手段の画像化を実現する。
【００３５】
具体的な実施形態において、集束手段は、部分光波のフーリエ変換が、集束手段の後ろで距離fxにおける空間周波数フィルタ上に生成されるように、また、光変調手段によって異なる角度に放出される回折次数の変調済みの部分光波が、空間周波数フィルタ上で空間的に分離して現れるように、１方向において焦点距離fxを有し、光変調手段の後ろに当該距離fxで配置される。
【００３６】
集束手段は、例えば、垂直焦点距離fyを有し、fy＝fx／２であって、光変調手段と集束手段と間の距離、及び、集束手段と空間周波数フィルタ平面との間の距離は、２fyである。従って、変調器セル行列のホログラムセグメントの画像は、空間周波数フィルタ平面に生成される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明によるホログラフィック再構成システムの一部の斜視図である。
【図２】空間光変調手段の変調器セル行列の概略図である。
【図３】本発明による投影システムにおけるプリズムアレイの形式の偏向手段の一例である。
【図４】図３によるプリズムアレイを用いた変調済みの部分光波の階段状のオフセットの一例である。
【図５ａ】集束手段の機能を示す概略図であって、変調され、フーリエ変換された波面の上面図である。
【図５ｂ】集束手段の機能を示す概略図であって、垂直方向のビデオホログラムを平面に画像化する波面の側面図である。
【図６】空間周波数フィルタの構造を示す図である。
【図７】本発明による装置の光路を側面からの見た様子を示す概略図である。
【図８】１次元拡散器を用いる本発明による装置の上面図である。
【図９】図７において、調整可能な第３の光偏向手段を回転軸を有する回転鏡の形式とした場合の、本発明による装置の一実施形態の側面図である。
【図１０】変調済みの部分光波のための所望の回折次数のグラフである。
【図１１】回転鏡を回転させる場合に、複数行において互いに隣り合って並べられた状態で、垂直の階段状に偏向される変調済みの部分光波を用いて生成される偏向パターンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下では、多くの実施例及び図面を用いて本発明についてより詳細に説明する。
【００３９】
図１は、ビデオホログラム系列が符号化される光変調器２を用いたシーンのホログラフィック再構成のための、ホログラフィック再構成システム１の詳細を示す。（図示しない）干渉を生成可能な光は、ｎ個の変調器セルに各々、ｍ個の変調器セル行を備える空間光変調器２の変調器セル行列４と、ここではレンズ７の形式である集束手段と、空間周波数フィルタ８とを照明する。
【００４０】
本発明によれば、ここではプリズムアレイ１１の形式である第１の光偏向手段は、光変調器２とレンズ７との間に配置される。ホログラム算出手段３は、各ビデオホログラムのために、ホログラムセグメントＨ１１...Ｈ３３を用いてストリップホログラムＳ１...Ｓ３を算出する。（図示しない）符号化装置は、ストリップホログラムＳ１...Ｓ３のホログラムセグメントを用いて、変調器セル行列４を連続して符号化する。このように、図１は、割り当てられたセル領域１２、１３、１４においてホログラムセグメントＨ１１...Ｈ３３を用いて順に符号化された、異なる変調器セル行列４、４’及び４”と、水平方向に偏向する静的なプリズムアレイ１１と、レンズ７の形式である集束手段と、垂直方向に偏向するプリズム５１、５２及び５３である第２の光偏向手段を取り付けられたアパーチャマスク８の形式である空間周波数フィルタとを示す。プリズムアレイ１１は、セル領域１２、１３、１４によって変調された部分光波の、水平方向の階段状の変位９を実現する。アパーチャマスク８は、プリズム５１、５２、５３の下部に配置され、ホログラムセグメントの部分光波のフーリエ変換から選択される１つの回折次元のみをフィルタリングする、階段状にオフセットされた開口１５、１６、１７を備える。プリズム５１、５２及び５３は、フィルタリングされた部分光波を、その後方が第３の偏向装置５４に到達するように、垂直方向に偏向させる。第３の偏向装置５４は、各ストリップホログラムＳ１、Ｓ２、Ｓ３のホログラムセグメントが順に光波ストリップとして次々に現れるように、水平軸の周辺に配置されうる。偏向装置５４は、全ストリップホログラムＳ１...Ｓ３の構造及び変調によって完全に変調された光波面が、射出瞳（exit pupil）５６を介してホログラフィック再構成に使用可能とされるように、ホログラム算出手段の時分割多重モードで時分割多重制御装置５５によって同期化される。
【００４１】
図２は、光変調器２の変調器セル行列４を示し、同図は１個のセル行においてｎ個の変調器セル６及びｍ個のセル列５を示しており、本ケースでは３個のセル列５が１個のセル行１２、１３、１４を形成する。
【００４２】
図３に示すように、プリズムアレイ１１は、３つのプリズム２１、２２、２３を備え、当該プリズムは垂直方向に並んで配置され、かつ、異なる傾斜角−α、０°、＋αを有する、異なる傾斜２４、２５、２６を有する。当該傾斜２４、２５、２６は、図４に示すように、変調器セル行１２、１３、１４の階段状のオフセット９における水平方向のシームレスな接続が実現されるように、隣接するプリズム２１、２２、２３の、対応する回折角の範囲Θx1、Θx2、Θx3が隣接するように選択される。
【００４３】
隣接する回折角の範囲の最大値は、符号化プロセスにおいて光変調器２が構成される、セル行５の数ｍに一致する。しかしながら、プリズムアレイ１１は、非常に多数の、非常に狭いプリズムを備えることがあり、後続して配置される移動可能な偏向手段は、非常に正確に位置付ける。狭小なプリズムは、大きな偏向効果となる傾向にある。従って、セル行５の数ｍに一致する角度範囲の最大値を隣接させないことが賢明である。
【００４４】
図１において、例えば、３個のプリズム２１、２２、２３のみが上述のように使用される。すなわち、各プリズム２１、２２及び２３には、セル列５の３分の１が与えられ、それにより、当該３分の１は変調器行１２であってもよく、又は、以下に説明するように、ホログラムを備えてもよい。
【００４５】
光変調器２の最大回折角は、プリズム２１、２２、２３の回折角の範囲Θx1、Θx2、Θx3を規定する。
【００４６】
図３に示すように、１０μｍのセルピッチを有する光変調器２は、６３３μｍの波長λにおいて、３．６°の最大回折角Θxを示す。３．６°の値は、回折次数の角度範囲をも表す。隣接する部分光波における対応する回折次数も選択するために、隣接するプリズム２４又は２６は、それぞれ、＋３．６°又は−３．６°で光を回折しなければならない。
【００４７】
図３は、入射する部分光波２７と、角度δで偏向した変調済みの部分光波３３とともに、プリズム２１を示す。プリズム角度は、傾斜２４の角度αである。プリズム２１の下の表面に入る部分光波２７は、上の表面から出る際に、角度αで偏向される。αとδとの関係は、δ＝arcsin(ｎ*sinα)−αで与えられ、ｎはプリズム２１の屈折率である。角度αが小さい場合には、上式から線形近似δ≒(ｎ−１)*αが導出される。
【００４８】
１．５の屈折率が与えられると、それにより、入射する部分波２７を偏向させるために、７．２°のプリズム角度αが要求される。線形近似によって、偏向角度δはプリズムの下の表面上の入射角に依存しないため、１つの回折次数の角度範囲は、３．６°で偏向される。中央のプリズム２２が、０°のプリズム角である場合、上述の線形近似によって、隣接するプリズム２１及び２３は、それぞれ＋７．２°及び−７．２°のプリズム角を有していなければならず、また、１つおいて隣のプリズムは、それぞれ＋１４．４°及び−１４．４°のプリズム角を有していなければならない。
【００４９】
プリズムアレイ１１が光変調器２の後ろに配置されている図１に対して、光変調器２の前にプリズムアレイ１１を配置することも可能である。
【００５０】
光変調器２とプリズムアレイ１１とを結合した配置は、１行にｎ*ｍセルを備えるｎ*ｍセルの単一行の光変調器とみなすこともできる。プリズムアレイ１１は、その中で空間分割多重のために用いられる。すなわち、隣接する角度範囲Θx1、Θx2、Θx3に対応するホログラムセグメントＨ１１、Ｈ１２、Ｈ１３は、同時に符号化されるが、光変調器２上で空間的に分離されている。
【００５１】
光変調器２の最大回折角Θxはλ／ｐであって、ｐは光変調器２のセルピッチ、λは入射光の波長である。最大回折角Θxはまた、回折次数を限定する。１つの回折次数において、回折パターンは光変調器２の符号化によって制御されうる。回折パターンは、より高い回折次数において繰り返される。より高い回折次数は、両側の０番目の回折次数の角度範囲Θxに隣接する。
【００５２】
本発明による空間周波数フィルタは、寄生回折次数が、プリズム２１、２２及び２３の部分光波に使用回折次数に入り込むことを抑制する。寄生回折次数は使用回折次数の周期的な連続のみであって、また、可視領域に入り込む寄生回折次数は、ホログラフィック再構成を著しく阻害するため、これは重要である。このため、空間周波数フィルタは、各プリズム２１、２２、２３によって分割された、使用回折次数の部分波面のみを通過させてもよい。
【００５３】
このことの１つの可能性は、図６とともに、図５ａ及び図５ｂを含む図５によって示される。光路上にあって、ここではレンズ７として図示される集束手段は、垂直方向及び水平方向に異なる焦点面を有する。このように、同一の平面２８において、ビデオホログラムのフーリエ変換、及び光変調器の画像化が実現される。これは、フーリエ平面が画像平面と同一であることを意味する。
【００５４】
図５ａは側面図である。レンズ７（Lx）は、照明される光変調器２の後ろに配置される。当該レンズは、水平方向において焦点距離fxを有し、光変調器２の後ろに当該距離fxで配置される。変調済みの光波面のフーリエ変換は、レンズ７の後方に距離fxで、水平方向におけるフィルタ平面２８において生成される。フーリエ変換の結果、光変調器２から出て異なる角度へ進む回折次数は、フィルタ平面２８において空間的に分離される。
【００５５】
図５ｂは側面図である。レンズ７は垂直方向の焦点距離fyを有し、fy＝fx／２である。光変調器２とレンズ７との間、及びレンズ７とフィルタ平面２８との間の両方の、２fyの距離は、光変調器上のホログラムセグメントを、フィルタ平面２８に対して垂直方向に投影させる。
【００５６】
フィルタ平面２８は水平方向でフーリエ平面であり、垂直方向でイメージ平面であるため、本発明において、空間周波数フィルタ８はフィルタ平面２８に配置される。これは、図６に示されている。空間周波数フィルタ８に入る数は、フーリエ変換の回折次数を表す。当該図面において、空間周波数フィルタ８の中央部分３０は、プリズム２２の−１番目、０番目、１番目の回折次数を有する。プリズム２１の角度は、１つの回折次数による偏向が生じるように選択されるため、上端部分３１において、隣接するプリズム２１の回折次数は、１つの回折次数によって左へ置き換えられる。プリズム２３に対応する下端部分３２に対しても同様のことが当てはまり、これはプリズム２３に相当するが、１つの回折次数によって右へオフセットされる。垂直方向及び水平方向におけるレンズ７の焦点距離は異なるため、レンズ７が符号化された光変調器２を垂直に画像化する一方で、光波面のフーリエ変換はフィルタ平面２８に存在し、回折次数は空間的に分離される。
【００５７】
空間周波数フィルタ８は、開口部１５、１６、１７を有し、それらは各ホログラムセグメント１２、１３、１４の、選択された回折次数のみを通過させる。これにより、階段状にオフセットされた長方形の開口部１５、１６、１７の構造となり、空間周波数８は全ての不要な回折次数を吸収する一方で、ホログラムセグメントの選択された回折次数は隣接される。このため、様々な回折次数の相互干渉が抑制される。水平方向に隣接され、選択された回折次数は、光変調器２の回折角を増加させる。
【００５８】
図６は、隣接された角度範囲Θx1、Θx2、Θx3の階段状のオフセットを示す。対象とする装置の使用に従って、オフセット９が垂直方向において補償されていなければならないか否か、及びこれがどのようになされるかは、後続する光学配置、又は後続する光学システムに依存する。フィルタ平面２８においてフィルタリングされた光は、図７、図８及び図９において、例えば、ホログラフィック照明装置又はホログラフィック投影システムとして示すように、後続する光学装置へ導かれる。
【００５９】
図７は、後続する装置３４で用いる符号化された光変調器２の隣接する回折次数の、本発明による装置１の側面図である。図８では、１次元拡散器の形式の偏向装置４０を用いた階段状オフセット９の補償が示されている。本実施形態において、３個のプリズム２１、２２、２３を備えるプリズムアレイ１１は、光変調器２の後ろに配置されている。図示された光線束１８、１９、２０は、プリズム２１、プリズム２２及びプリズム２３の選択された回折次数を表す。部分光波の使用回折次数は、それらの角度Θx1、Θx2、Θx3についてオフセットされ、それにより、レンズ７の後ろでフィルタ平面２８において空間的に分離される。レンズ３８は、フィルタ平面２８を出力平面３９に画像化する。このため、フィルタ平面２８において空間的に分離された回折次数は、そこで再び空間的に分離される。プリズムアレイ１１のプリズム２１、２２、２３は、符号化された光線束１８、１９、２０を、異なった隣接する角度範囲Θx1、Θx2、Θx3に対して水平に導く。従って、光変調器２の回折角度範囲Θx＝Θx1＋Θx2＋Θx3は、水平方向において拡大される。
【００６０】
図８は、対応する側面図である。光波を垂直に偏向させるプリズムアレイ１１は、光変調器２の後ろに配置される。レンズ７はプリズム２１、２２、２３をフィルタ平面２８に画像化し、当該平面には空間周波数フィルタ８が配置されている。レンズ３８は、出力平面３９に対してフーリエ変換を垂直に実現し、当該平面では、部分光波のフーリエ変換が位置する。しかしながら、ホログラムセグメントの変調済みの光は、異なる角度範囲Θy1、Θy2、Θy3となる。
【００６１】
水平方向において、光は異なる角度範囲Θx1、Θx2、Θx3へ放射されるため、図１０に示すように、オフセットされた全角度範囲（Θx、Θy）のみがカバーされうる。Θx1、Θy1；Θx2、Θy2；Θx3、Θy3を有する個々の角度範囲４４、４４、４５は、階段状のオフセットによる手法によって隣接される。図８に示すように、垂直方向に動作する１次元拡散器４０は、装置３４の光を拡散させ、それにより、少なくともΘy1＋Θy2＋Θy3の全角度範囲Θyにわたって、連続的な角度範囲が実現される。
【００６２】
垂直の情報は何れも失われるものの、光変調器２の符号化情報は、垂直方向において一定である場合、垂直方向の拡散器４０はオフセット９を補償するために十分である。このため、例えば、垂直方向において平行線の系列のように、水平の構造を用いた水平の回折パターンのみが用いられうる。そのような投影装置は、ホログラフィック再構成装置において、垂直の光源を用いてバックライトを実現するために利用されうる。この場合、ビデオホログラムが符号化される第２の光変調器を照明するために利用される光の点又は光の線を再構成する、コンピュータ処理のホログラムを用いて光変調器２は符号化される。
【００６３】
しかしながら、ホログラフィック再構成を生じさせるために、当該投影システムが第一義的に提供される場合には、図９に示すように、１次元に偏向する回転鏡４１が、１次元拡散器４０の代わりに必要となる。回転鏡４１は、垂直方向において光変調器２の光を偏向する。回転鏡４１の動作中に、光変調器２は新たなストリップホログラムを用いて符号化されるため、配列３５は１次元拡散器４０よりもフレキシブルである。その結果、階段状に垂直に隣接された副領域を含む可視領域が生成される。従って、垂直方向においても同様に、可視領域の構築と拡大が可能となる。
【００６４】
レンズ３８を用いたフーリエ変換はまた、寄生回折次数を生成するため、これらの寄生回折次数は、（図示しない）出力平面３９における水平の開口ギャップ（aperture gap）フィルタによって、阻止されなければならない。その平面図は、図７と同様である。
【００６５】
（図示しない）出力平面３９に配置される回転鏡４１は、水平の回転軸４２を有する。従って、角度範囲４３、４４、４５からのビームは垂直に偏向される。
【００６６】
図１０は、角度範囲４３、４４、４５を示し、それらは回転鏡が動作していない場合にカバーされる。水平方向には、使用回折次数の角度範囲が隣接される。垂直方向には、隣接する変調器行１２、１３、１４において変調されたセルの符号化により、階段状にオフセットされた角度範囲４３、４４、４５がフィルタ平面２８に現れる。このため、座標系と平行の、長方形の角度範囲は、回転鏡４１が固定位置にある場合には、全くカバーされない。
【００６７】
図１１は、垂直方向において階段状オフセットの角度範囲４３、４４、４５で回転鏡４１を回転させる場合の偏向パターンを示し、同図において角度範囲は回転鏡４１によってシームレスに隣接されている。同一の網掛けを用いて角度範囲４３、４４、４５が同時に表示されている。光変調器２が回転鏡の動作と同時に再符号化される場合には、ホログラムも垂直方向において構築される。同一のΘy及び異なるΘxを有する角度範囲は、同図（異なる網掛け）で示されるように、変調器において異なる時間に生成される。図１１において点線の領域として示すように、垂直の偏向により長方形の角度範囲４６がカバーされる。上端部３６及び下端部３７の付属物４７、４８は、空の光変調器の内容を介して、外に出されるか、又は隠される。
【００６８】
これは、異なる角度であって、変調器行１２、１３、１４、...の最大回折角Θx1、Θx2、Θx3、...、Θxkと一致する段階で変化する照明角度において、光変調器２の各サブホログラム１２、１３、１４、...を照明することによって、あるいは、一定の角度、例えば、正規方向（ｚ方向）においてそれらを照明することによって、ホログラム４を再構成する場合に実現される。各サブホログラム１２、１３、１４、...によって回折されるホログラム４の光は、次に、最大回折角Θx1、Θx2、Θx3、...、Θxkによって階段状に拡大された角度において偏向される。両方の変形は、例えば、光変調器２、及びホログラム４の各サブホログラム１２、１３、１４、...をカバーするプリズム２１、２２、２３、...を用いて実現される。それらの各傾斜２４，２５、２６、...は、回折角Θx1、Θx2、Θx3、...、Θxkによって次第に拡大される。
【００６９】
先行技術における解決策に対して、本発明の主な有利な点は、空間周波数フィルタが静的で、固定的に取り付けられ、マスクにおいて局所的な開口部であるとともに、シャッター装置なしに動作することである。
【００７０】
用途に応じて、本発明は、空間光変調手段の分解能を垂直に拡大させ、あるいはホログラフィック再構成のための可視領域を拡大させることができる。
【図１】
2009545762.tif 000003
【図２】
2009545762.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年4月3日(2009.4.3)
【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】
ビデオホログラムで変調された少なくとも１つの波面を用いてシーンの再構成を行うホログラフィック投影システムであって、
干渉を生成可能な光が、空間光変調手段の２次元に符号化された変調器セル行列を照明し、光集束手段が、焦点面における変調済みの波面のフーリエ変換を実現し、
各ビデオホログラムについて、それぞれが複数のホログラムセグメント（Ｈ１１、Ｈ１２、Ｈ１３、...）を有する複数のストリップホログラム（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）を算出するホログラム算出手段と、
並列に伝搬する部分光波における割り当てられたホログラムセグメントの前記変調を伝える、前記ストリップホログラムによって変調された波面系列が生成されるように、前記変調器セル行列（４）上で、時分割多重モードで前記ストリップホログラムを符号化し、空間分割多重モードで前記ホログラムセグメントを符号化する符号化手段と、
前記焦点面においてフーリエ変換が階段状に現れるように、並列に伝搬する前記部分光波を偏向する第１の光偏向手段と、
前記焦点面に位置し、同一の回折次数の全ての変調済みの部分光波を通過させる空間周波数フィルタ（８）と、
波面ストリップを形成するために、前記部分光波の通過回折次数を結合する第２の光偏向手段と、
第３の光偏向手段が前記シーンを再構成する前記変調済みの波面を形成するために、前記波面ストリップを並べて位置付けるように、調整可能な該第３の光偏向手段を離散的に制御する時間分割多重制御装置と
を備えることを特徴とするホログラフィック投影システム。
【請求項２】
前記符号化手段は、
並列に伝搬する前記部分光波において、前記ストリップホログラムの前記ホログラムセグメントの前記変調を含む光波を、各ストリップホログラムが変調するように、各ストリップホログラムの前記ホログラムセグメントを、前記変調器セル行列（４）の隣接する行列セクション（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）に符号化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投影システム。
【請求項３】
前記第１の光偏向手段は、前記変調済みの部分光波の光路に位置するプリズム（２１、２２、２３）を有するプリズムアレイ（１１）であり、
前記行列セクション（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）は、
同一の回折次数の隣接する部分光波がシームレスに隣接するような１つの回折次数の長さによって、傾斜が前記変調済みの部分光波を１次元に常にオフセットするように、個別の傾斜（２４、２５、２６）を有するプリズムが割り当てられることを特徴とする請求項２に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項４】
偏向方向における前記光変調手段（２）の最大回折角は、前記プリズム（２１、２２、２３）の前記傾斜（２４、２５、２６）を規定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投影システム。
【請求項５】
前記第１の光偏向手段は、マイクロプリズムを有するプリズムアレイ（１１）であり、
各行列セクション（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）には、前記空間周波数フィルタ（８）の構造による階段状の前記部分光波を導く、多数のマイクロプリズムが割り当てられ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投影システム。
【請求項６】
前記空間周波数フィルタ（８）は、単一の回折次数の前記変調済みの部分光波をそれぞれが通過させる複数のアパーチャ（１５、１６、１７）を有するアパーチャマスクであ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投影システム。
【請求項７】
前記アパーチャマスクは、
前記焦点面において同一の回折次数の形状及び位置に相当する形状及び位置を有する、階段状にオフセットされた透過領域を備え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投影システム。
【請求項８】
前記第２の光偏向手段もまた、
フィルタリングされた前記変調済みの部分光波の光路に位置するプリズムであって、波面ストリップを形成するために１次元において階段状にオフセットされ、フィルタリングされた前記部分光波を結合する複数のプリズムを有するプリズムアレイ（１１）であ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投影システム。
【請求項９】
前記プリズムアレイ（１１）は、複数のマイクロプリズムを備えることを特徴とする請求項８に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項１０】
前記マイクロプリズムの角度範囲は調整可能であり、
各行列セクション（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）には、多数のマイクロプリズムが割り当てられ、当該マイクロプリズムは、部分光波を有する前記波面ストリップが目の位置に従って導かれるように、アイファインダによって制御されることを特徴とする請求項９に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項１１】
前記部分光波が観察者の目の該目の位置の動きを追跡するように、調整可能な前記マイクロプリズムを追跡装置が制御することを特徴とする請求項１０に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項１２】
前記第２の光偏向手段は、異なる方向に傾斜された鏡素子のアレイであることを特徴とする請求項８に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項１３】
調整可能な前記第３の光偏向手段は、別個に移動可能な鏡手段であ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投影システム。
【請求項１４】
調整可能な前記第３の光偏向手段は、調整可能なマイクロプリズムであ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投影システム。
【請求項１５】
前記時間分割多重制御装置は、
観察者の目の該目の位置の動きを前記部分光波が追跡するように、前記第３の光偏向手段を制御する追跡装置に接続されることを特徴とする請求項１４に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項１６】
前記光集束手段（７）は、水平方向及び垂直方向において異なる焦点面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投影システム。
【請求項１７】
前記光集束手段（７）の焦点面は、
前記第１の偏向手段の偏向方向の前記空間周波数フィルタ上に、前記部分光波のフーリエ変換が現れるように、前記空間周波数フィルタ（８）に可能な限り近接して配置されることを特徴とする請求項１６に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項１８】
前記光集束手段（７）が照明された前記変調器セル行列（４）を前記第２の偏向手段上に垂直に画像化するように、前記第２の焦点面は位置することを特徴とする請求項１６に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項１９】
前記光変調手段は、仮想的な光源の構造を再構成する、人工の、コンピュータ処理のホログラムを用いて符号化され、
前記第２の光偏向手段は、前記部分光波の階段状のオフセット（９）を補償する１次元拡散器であ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投影システム。
【請求項２０】
空間光変調手段を照明する仮想的な光源を実現するために、バックライトとして３次元画像表現用の投影システムに利用されることを特徴とする請求項１９に記載のホログラフィック投影システム。
【国際調査報告】
2009545762.tif 000015
2009545762.tif 000016
2009545762.tif 000017
2009545762.tif 000018