(57)【要約】ホログラフィック画像システム及び方法は、放射を発生するための放射源を含む。データベースは、一組の要素を有し、各要素は、記録された風景内の点を出る光線の軌道を示す。空間光モジュレータは、放射源からの放射及び空間光モジュレータにマッピングされたデータベースの要素を受け入れ、それにより、記録された風景の二次元のビットマップの性質を帯びた光学信号を空間光モジュレータから投影する。回折光学素子は、光学信号を特定された方向に回折するために空間光モジュレータから投影された光学信号を受け入れる一組のベース・フリンジ（基底縞）を含む。マルチプレクサは、データベースの要素を空間光モジュレータに多重化するためにデータベースの要素を受け入れる。タイミング・デバイスは、データベースの要素を空間光モジュレータに多重化することと、特定された方向に光学信号を回折することとを同期化する。
2005520184.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射を発生するための放射源と、
各要素が記録された風景内の点を出る光線の軌道を示すものである該要素の一組を含むデータベースと、
空間光モジュレータであって、放射源からの放射及び空間光モジュレータにマッピングされるデータベースの要素を受け入れ、それにより、空間光モジュレータから、記録された風景の二次元ビットマップの性質を帯びている光学信号を投影する前記空間光モジュレータと、
光学信号を特定の方向に向けるために空間光モジュレータから投影された光学信号を受入れるビーム操舵デバイスと、
を備えたホログラフィック画像システム。
【請求項２】
放射を拡張するために放射源からの放射を受け入れるビーム拡張デバイスをさらに備えた請求項１に記載の画像システム。
【請求項３】
放射を平行にするために放射源からの放射を受け入れる視準デバイスをさらに備えた請求項１に記載の画像システム。
【請求項４】
ビーム操舵デバイスは、回折光学素子を備える請求項１に記載の画像システム。
【請求項５】
回折光学素子は、回折格子を備える請求項４に記載の画像システム。
【請求項６】
回折格子は、数式
ｆ＝Ａsin(x)＋Ｂ
によって定義される空間周波数を有する格子パターンを備え、ここに、ｆは、格子パターンの空間周波数であり、Ａは、最小対最大の回折格子周波数比を決定するスケーリング係数であり、ｘは、空間寸法であり、そしてＢは、搬送周波数のオフセット係数である請求項５に記載の画像システム。
【請求項７】
ｘは線形寸法である請求項６に記載の画像システム。
【請求項８】
ｘは角度寸法である請求項６に記載の画像システム。
【請求項９】
ビーム操舵デバイスからの光を受け入れるビーム拡大器をさらに備える請求項１に記載の画像システム。
【請求項１０】
光を拡散するためにビーム操舵デバイスからの光を受け入れるディフューザをさらに備える請求項１に記載の画像システム。
【請求項１１】
データベースは、少なくとも１つの観察点からの風景の記録から導出された一組の要素を含む請求項１に記載の画像システム。
【請求項１２】
データベースは、風景内の点から平面に出る光線の光線軌跡から導出された一組の要素を含む請求項１に記載の画像システム。
【請求項１３】
空間光モジュレータへのデータベースの要素を多重化するためにデータベースの要素を受け入れるマルチプレクサと、
空間光モジュレータへのデータベースの要素の多重化及び特定された方向における光学信号の方向付けを同期化させるためのタイミング・デバイスと、
をさらに備える請求項１に記載の画像システム。
【請求項１４】
回折格子は、一組のベース・フリンジによって定義された格子パターンを備える請求項１に記載の画像システム。
【請求項１５】
データベースは、コンピュータまたは通信ネットワークを経由して遠隔の空間光モジュレータに接続される請求項１に記載の画像システム。
【請求項１６】
放射を発生するための放射源と、
各要素が記録された風景内の点を出る光線の軌道を示すものである該要素の一組を含むデータベースと、
空間光モジュレータであって、放射源からの放射及び空間光モジュレータにマッピングされるデータベースの要素を受け入れ、それにより、空間光モジュレータから、記録された風景の二次元ビットマップの性質を帯びている光学信号を投影する前記空間光モジュレータと、
特定された方向に光学信号を回折させるために空間光モジュレータから投影された光学信号を受入れる一組のベース・フリンジを含む回折光学素子と、
データベースの要素を空間光モジュレータに多重化するためにデータベースの要素を受け入れるマルチプレクサと、
空間光モジュレータへデータベースの要素を多重化させること及び特定された方向に光学信号を回折させることを同期化させるためのタイミング・デバイスと、
を備えたホログラフィック画像システム。
【請求項１７】
各要素が記録された風景内の点を出る光線の軌道及び出所を示すものである該要素の一組を含むデータベースを創成する段階と、
データベースの各要素を空間光モジュレータにマッピングする段階と、
放射を空間光モジュレータに方向付けする段階と、
記録された風景の二次元ビットマップの性質を帯びている空間光モジュレータからの光学信号を投影する段階と、
一組のベース・フリンジで空間光モジュレータから投影された光学信号を回折する段階と、
を含むホログラフィック画像方法。
【請求項１８】
データベースを創成する段階は、
少なくとも１つの観察点からの風景を記録する段階と、
独特の時間指定を記録された風景の観察点の各々に割り当てる段階と、
を含む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
データベースを創成する段階は、
記録された風景の光フィールドを調査する段階と、
風景における点から平面に出る光線の軌道及び出所を光線追跡する段階と、
を含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
光学信号を回折する段階は、数式
ｆ＝Ａsin(x)＋Ｂ
によって定義される空間周波数を持つ格子パターンを有する回折格子で空間光モジュレータからの光学信号を走査する段階を含み、ここに、ｆは、格子パターンの空間周波数であり、Ａは、最小対最大の回折格子周波数比を決定するスケーリング係数であり、ｘは、空間寸法であり、そしてＢは、オフセット搬送周波数である請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
走査された光学信号を拡散する段階をさらに含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
光学信号を回折する段階は、空間光モジュレータから発する光学信号を一組のベース・フリンジを有する回折格子で走査する段階を含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
空間光モジュレータからの光学信号を走査する段階は、ベース・フリンジにつきおよそ１秒の２０分の１の回転速度で光学信号を走査する段階を含む請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
記録された風景の二次元ビットマップの性質を帯びている空間光モジュレータからの光学信号を投影する段階は、１秒につき約４，０００から１０，０００フレームのレートでビットマップを投影する段階を含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２５】
データベースの各要素を空間光モジュレータにマッピングする段階は、データベースの要素を空間光モジュレータに多重化する段階を含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２６】
空間光モジュレータへデータベースの要素を多重化させること及び空間光モジュレータから投影された光学信号を回折させることを同期化させる段階をさらに含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２７】
放射を発生するための放射源と、
空間光モジュレータであって、放射源からの放射及び空間光モジュレータをアドレス指定するための制御信号を受け入れ、それにより、空間光モジュレータから放射フィールドを投影する前記空間光モジュレータと、
放射フィールドを条件付けするために空間光モジュレータからの放射フィールドを受け入れる放射条件付けデバイスであって、複数の放射条件付け領域を含む放射条件付けデバイスと、
を備えた放射条件付けシステム。
【請求項２８】
放射条件付けデバイスは、回折光学素子を含む請求項２６に記載のディスプレイ・デバイス。
【請求項２９】
回折光学素子は、回折格子を含む請求項２８に記載のディスプレイ・デバイス。
【請求項３０】
回折格子は、一組のベース・フリンジを含む請求項２９に記載のディスプレイ・デバイス。
【請求項３１】
回折格子は、数式
ｆ＝Ａsin(θ)＋Ｂ
によって定義される空間周波数を持つ格子パターンを有し、ここに、ｆは、格子パターンの空間周波数であり、Ａは、最小対最大の回折格子周波数比を決定するスケーリング係数であり、θは、空間寸法であり、そしてＢは、搬送周波数オフセット係数である請求項２９に記載のディスプレイ・デバイス。
【請求項３２】
回折光学素子はディスクを含む請求項３０に記載のディスプレイ・デバイス。
【請求項３３】
回折光学素子は、音響光学モジュレータを含む請求項２８に記載のディスプレイ・デバイス。
【請求項３４】
放射条件付けデバイスは、一組の小型レンズを含む請求項２７に記載のディスプレイ・デバイス。
【請求項３５】
一組の小型レンズは、アレイを含む請求項２７に記載のディスプレイ・デバイス。
【請求項３６】
一組の小型レンズは、矩形ホストで配列されている請求項２７に記載のディスプレイ・デバイス。
【請求項３７】
矩形ホストは、往復する動きにある請求項２７に記載のディスプレイ・デバイス。
【請求項３８】
放射条件付けデバイスは、空間光モジュレータを含む請求項２７に記載のディスプレイ・デバイス。
【請求項３９】
空間光モジュレータは、光学的にアドレス指定可能な空間光モジュレータを含む請求項３８に記載のディスプレイ・デバイス。
【請求項４０】
光学的にアドレス指定可能な空間光モジュレータは、第１の照射周波数に依存する特性を有する物質を含み、第２の周波数で読み出される請求項３９に記載のディスプレイ・デバイス。
【請求項４１】
一組のベース・フリンジを有する回折格子を含む回折光学素子を備えた放射条件付けデバイス。
【請求項４２】
回折格子は、数式
ｆ＝Ａsin(θ)＋Ｂ
によって定義される空間周波数を持つ格子パターンを有し、ここに、ｆは、格子パターンの空間周波数であり、Ａは、最小対最大の回折格子周波数比を決定するスケーリング係数であり、θは、空間寸法であり、そしてＢは、搬送周波数オフセット係数である請求項４１に記載の放射条件付けデバイス。
【請求項４３】
放射フィールドを条件つける方法であって、
一組のベース・フリンジを有する放射条件付けデバイスで放射フィールドを走査することにより放射フィールドを条件付ける段階、
を含む方法。
【請求項４４】
放射フィールドを一組の成分に分解する段階をさらに含む請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
放射条件付けデバイスは、回折光学素子を含む請求項４３に記載の方法。
【請求項４６】
放射フィールドを条件付ける段階は、数式
ｆ＝Ａsin(θ)＋Ｂ
によって定義される格子パターンを有する回折格子で放射フィールドを走査する段階を含み、ここに、ｆは、格子パターンの空間周波数であり、Ａは、最小対最大の回折格子周波数比を決定するスケーリング係数であり、θは、空間寸法であり、そしてＢは、搬送周波数オフセット係数である請求項４３に記載の方法。
【請求項４７】
放射フィールドを走査する段階は、放射条件付けデバイスを予め決められた角度距離を通して回転させる段階を含む請求項４５に記載の方法。
【請求項４８】
放射フィールドを走査する段階は、回折格子を予め決められた角度距離を通して回転させる段階を含む請求項４５に記載の方法。
【請求項４９】
放射フィールドを条件付ける方法であって、
時間変化する特性を有する放射条件付けデバイスで放射フィールドを走査することにより放射フィールドを条件付ける段階、
を含む方法。
【請求項５０】
放射フィールドを投影するための放射プロジェクタと、
放射フィールドを条件付けるために放射プロジェクタからの放射フィールドを受け入れる放射条件付けデバイスであって、複数の放射条件付け領域を含む前記放射条件付けデバイスと、
を備えた放射条件付けシステム。
【請求項５１】
放射条件付けデバイスは、一組のベース・フリンジを含む請求項５０に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して電子表示技術に関し、一層詳細には、多視界の三次元視差表示に関する。
【背景技術】
【０００２】
三次元（３−Ｄ）の風景から発する波頭に近づくことによって三次元画像を創成することが可能なことは知られている。このような１つの表示のクラスは、多数の観点から三次元風景の外観を投影する「視差表示」を含む。視差表示は、概して、異なった観点から三次元風景を視察するために観察者が頭部を水平及び／または垂直に移動させるのを許容する。図１は、一般化された視差表示１０を示す。
【０００３】
図１において、三次元画像２０は、場所ＡまたはＢにおいて観察者の目に入る画像平面（もしくはホログラム）４０から出て来る光線に起因して視差表示１０によって投影される。一般に、光源５０は、平行にされたレーザー・ビームか、２Ｄのビットマップ化された画像のシーケンスか、または組み合せられた２Ｄ視界から構成された単一の２Ｄ画像であるのが代表的であり、光操舵及び方向付け素子５５に光を通す。
【０００４】
視差表示を構成するための幾つかの特定の方法がある。１つの方法は、組み合わされた画像の視域をそれらの対応する最も近い観点にマッピングするために、レンチキュラー・レンズ配列または同様の役目のホログラフィ光素子のようなレンズ・シートを用いる。この方法においては、視差表示の回りを歩くユーザは、対応の観点から風景の外観に近い一連の画像を見るであろう。図２において、レンチキュラー・レンズ・シート５２は、その両面の少なくとも一方にレンチキュラー・レンズ５４のアレイを含んでいる。レンチキュラー・レンズ・シート５２は、視差表示１０が、異なった視角に対して異なった画像を投影するのを可能とする。もし、正当に登録された画像がスクリーン上に投影されたならば、もしくは液晶表示装置（ＬＣＤ）のような画像源上にスクリーンがかぶせられたならば、システムは、正しい遠近法及び視差を提供しかつまた物体が互いを見えなくし得るように可変の透明性を有してもいる画像を提供するであろう。このことは、各投影されたフレームに対して幾つかの観点から画像データを計算することが必要である。レンチキュラー・レンズ及びレンズ・アレイは当該技術分野で良く知られているけれども、それらがどのように働くかを簡単に説明する。
【０００５】
レンチキュラー・レンズ・アレイの広く知られている実施形態は、レンチキュラー・レンズ・シートである。それは、複数の隣接した、平行の、長い、そして部分的に円筒状のレンズを有するシートを含み、かつシート上に多数の（例えば、２つ）交互配置されたレンズを含む。一般に、複数のレンズは、多数の交互配置された画像が、下にあるシート上に表示されるのを可能とするが、画像の１つだけが、シート上の任意の与えられた有利な位置から見えるであろう。
【０００６】
これを説明する基本原理は図２に示されている。図２は、複数のレンズ素子５４（１）−５４（３）を有するレンチキュラー・レンズ・シート５２の概略的な側面図を提起している。下にあるシート上の画像は、ピクセル５６−５８によって表されている。この例において、それぞれ添え字“ａ”、“ｂ”及び“ｃ”によって識別される３つの画像ピクセルは、各レンズ素子５４の下に示されている。このように、例えば、レンズ素子５４（１）の下には、３つの関連のピクセル、すなわち５６ａ、５６ｂ及び５６ｃがある。
【０００７】
もし或る人が場所“Ａ”からシートを見るならば、レンズ素子５４（１）は、その焦点合わせ能力のために、その人がピクセル５６ａからの光を見るのを許容する。すなわち、レンズ素子５４（１）は、レンズ素子５４（１）が集光する光のうち、ピクセル素子５６ａから集光された光だけを場所“Ａ”の人に向けて送る。レンズ素子５４（１）がレンズの下の他の場所から集光した光の残りは他の方向に送られてしまい、場所“Ａ”の人によっては見られない。同様の理由で、場所“Ｂ”の人は、ピクセル５６ｂから発する光だけを見るが、レンズ素子５４（１）の下の他の場所から発する光は見ない。
【０００８】
特許文献１（Ｂｅｎｔｏｎ及びＫｏｌｌｉｎによる米国特許第５，１７２，２５１号）には、三次元表示システムが開示されている。もっと最近では、非特許文献１（Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，３６３９，ｐ．１１０−１２１，１９９９、Ｅｉｃｈｅｎｌａｕｂ等）は、各々が異なったもしくは予め格納された画像を有する２４までの離散視野領域を生成する離散光フィールド・ディスプレイを開示している。観察者の目の各々は、１つの領域からもう１つの領域に変遷するので、画像は、次の領域にジャンプするように見える。
【０００９】
実際、視差表示には問題が多い。一般に、不適切な方向に発する相当に顕著な光があり、悪い観点からの画像が見えるようにしてしまう。さらに、各レンズ素子によって取り扱われ得る視界の数が実際の制約により制限されてしまうので、画像のリアリズムは減少されてしまう。例えば、ピクセル密度及び観点の数が、回折効果及び明るさの要件により制限される。また、観察者が観点の間を変遷するので、多くの既知のレンチキュラー・シートの視差表示は不所望の暗い帯を生成してしまう。従って、多くの数（すなわち、１００＋）の観点を有し、高解像度を有し、高輝度を有し、そして視界領域間での平滑な変遷を有する視差表示が望まれている。
【００１０】
レンチキュラー・シートを用いることによってよりも一層、三次元風景によって発生される光の視野を密接に近似することが必要である。視差表示セットのサブセットは、ホログラフィック・ディスプレイ及びホログラフィック・ステレオグラム（立体画）を含んでいる。ホログラフィック・ビデオ（“ホロビデオ”）システムは、現実のように見える三次元画像を生成し、観察領域またはパネルの内側または外側を浮いているように見え、そして移動視差を呈示する。ホロビデオは、シェーディング、移動視差、並びに観察者位置依存の反射及び不明瞭表面の除去に関する単眼及び両眼の奥行き刺激を提供する。
【００１１】
システムの１つのグループは、垂直ディフューザーに渡って音響光学スキャナーの画像を走査することによってホログラフィック・ビデオを一般に生成するマサチューセッツ工科大学のメディア研究所（the Massachusetts Institute of Technology [MIT] Media Laboratory）で生成された。これを図３に示す。
【００１２】
理想化されたホログラフィック・ステレオグラムは、水平に移動する観察者が遠景の連続的な範囲を見るのを許容する方法で、各ホログラフィック・ピクセル（すなわち“ホゲル”）からの光を発する。図５Ａを参照されたし。ここで、ホログラム平面３４０は、ホゲル３４１のようなホゲルに分解される。観察者の場所の連続的な範囲が示されている。
【００１３】
現在ある合成ホログラフィック・ステレオグラムは、視差視界をサンプリングする。サンプリングされた視差が図５Ｂに示されている。風景視差は、有限のセット（組）の方向から獲得され、次に、これらの同じ獲得方向において再投影で戻される。視野領域における視差視界間のギャップを避けるために、各視野は、小さい角度の範囲にわたって均一に水平に拡散される。
【００１４】
この態様では、ホログラフィック・ステレオグラムを発生するために２つのものが必要である。すなわち、風景視差を記載するＮ画像の組と、それらをＮの異なった方向に中継する回折パターンとが必要である。ＭＩＴのメディア研究所のホログラフィック・ビデオ・システムの場合、ベース・フリンジ（基礎縞）と呼ばれるＮの回折素子のセット（組）が計算される。照射されたとき、これらのフリンジもしくは縞は、図６に示されるように光を視界領域に再方向付けする。これらの回折素子は、任意の画像情報とは無関係であるが、１つが画像ピクセル値と結合されるとき、それは、そのピクセル情報を視界領域における指示されたスパン（範囲）に方向付ける。図６は、３つの空間周波数に対する３つのベース・フリンジ３５５、３６０及び３６５を示す。各ベース・フリンジの右に、ホログラム・ラインを横切ってそのベース・フリンジを反復する例が示されている。ベース・フリンジ３５５は、ホログラム・ライン３４２を横切って反復され、照明３５０によって照射され、ベース・フリンジ３５５によって決定される軌跡を有する出力３５６に帰結する。同様に、より高い周波数のベース・フリンジ３６０は、ホログラム・ライン３４３を横切って反復され、照明３５０によって照射され、異なった軌跡を有する出力３６１に帰結し、そしてベース・フリンジ３６５に対しても同様である。
【００１５】
三次元風景を発生するためにどんなベース・フリンジが必要とされるかを推測するための幾つかの方法がある。典型的な方法は、Ｎ個の異なった方向からコンピュータ・グラフィック方法を用いて風景を獲得することである。この方法を図７に示す。図７において、風景視差情報を獲得もしくは与えるために、獲得面と垂直でもある視界を有する線形軌道に沿って複数のカメラが位置付けられる。複数のベース・フリンジのセンタ出力方向と対応する該軌道に沿った複数の場所からＮの視界が発生される。このタイプの水平視差だけから計算されたステレオグラムにおいて、正しい獲得カメラは混成投影を用い、すなわち垂直方向においては遠近法を用い、水平方向においては正投影を用いる。所望の三次元風景２は、獲得平面の近傍に置かれている。カメラＣ０、Ｃｉ及びＣＮ−１の組は、一連の観点から風景２のスナップ写真を撮るように示されている。
【００１６】
Ｎの視差視界が発生されてしまうと、ＭＩＴグループは、それらをＮの予め計算されたベース・フリンジと結合して、ホログラフィック・ステレオグラムを組み立てる。実際、この風景の再構成は、図３に示された装置を用いて達成される。音響光学モジュレータもしくは変調器（ＡＯＭ）は、図７に示されたステップから編集されたデータの関数として、ベース・ベクトルの重み付けされた線形結合のストリームを生成する。
【００１７】
説明したように、僅かしかない現存のシステムは、合成ホログラム平面を、ホゲルと呼ばれるスペクトル的に均質な領域に分解し、ホゲルの各々は、空間光モジュレータ（ＳＬＭ）または、音響光学モジュレータによってその全体に投影される。音響光学モジュレータは、１動作モードにおいて、超音波がそれを通して伝播するときに光を回折させることができるデバイスである。ホログラムは、1ミリメートル当たり１０００のライン対を必要とするかも知れないので、画像は普通小さいかもしくは低解像度である。
【００１８】
計算技術が合成ホログラムの創成を可能にするということは良く知られている。代表的なホログラムは、可視光の実際の回折に対して、1ミリメートル当たりおよそ３００から２０００ライン（１平方ミリメートル当たり１０００万サンプル）を必要とする。これは困難な障害であった。
【００１９】
所望の光分野に帰結するＡＯＭ入力を発生することは計算的に困難である。さらに、システムは、財政的に法外である検流スキャナ及び音響光学スキャナのような要素を用いる。このタイプのシステムは、図３に示されている。レーザ１５０は、ＡＯＭ１５４の後面を照射する。ＡＯＭは、レーザ光を水平に回折するモードで動作し、最終的なホログラフィック画像の構成ホゲルを発生する。垂直及び水平スキャナは、回折された光を垂直ディフューザ１５９に放つ。画像ボリューム３０は、垂直ディフューザ１５９をまたいでいる。三次元光視界は観察者によって見える。
【００２０】
ホログラフィック・ビデオのもう1つの方法は、ホログラフィック・フリンジとしてＳＬＭピクセルのグループを用いる。これの一実施例は、非特許文献２（Proceedings of SPIE v.4296(2001)編集者Stephen A. Benton, Sylvia H. Stevenson, 及びT. John Troutの実際のホログラフィＸＶ及びホログラフィック材料ＶＩＩにおける「実際の電気ホログラフィ・システム」、著者C. Slinger, B. Bannister, C. Cameron, S. Coomber, I. Cresswell, P. Hallett, J. Hughes, V. Hui, C. Jones, R. Miller, V. Minter, D. Pain, D. Scattergood, D. Sheerin, M. Smith, 及びM. Stanley）に記載されている。これは図４に示されている。レーザ２５０は、電気的にアドレス指定可能な空間光モジュレータ（ＥＡＳＬＭ）２５１を照射する。光学的にアドレス指定可能な空間光モジュレータ（ＯＡＳＬＭ）２５３は、反復／中継段２５２によってＥＡＳＬＭ２５１から時系列的な画像によってアドレス指定される。この方法で、ＥＡＳＬＭの速度は、ＯＡＳＬＭの表面上で空間解像度に対して交換される。ＯＡＳＬＭ上に投影された画像は、ホログラムである。ＥＡＳＬＭ及びＯＡＳＬＭの各ピクセルは、下にある回折パターンの要素として用いられる。電気的にアドレス指定可能なＳＬＭ及び反復光学器械は、コンピュータ発生されたホログラム画像セグメントを読出しのために光学的にアドレス指定可能なＳＬＭ（ＯＡＳＬＭ）上に投影する。システムは、高電力付勢されるレーザを必要とし、低解像度の画像を発生する。というのは、各ＳＬＭピクセルがホログラフィック・フリンジ内で用いられるからである。
【００２１】
要約すると、多くの現存するホログラフィック・ビデオ・システムは、図１０に示すように概略的に示され得る。ベース・フリンジ３５５、３６０及び３６５のセット（組）は、ホゲル３７０のストリームを形成するために、“ホゲル・ベクトル”による風景発生の後に既知の技術を用いて重み付けされる。“ホゲル・ベクトル”は、ホゲルの回折目的を特定する、サンプリングされたホゲル・スペクトルである。走査もしくはタイリング・システム１５４は、ホログラム平面３４０に渡ってこれを走査し、画像ボリューム３０を発生する。
【００２２】
【特許文献１】米国特許第５，１７２，２５１号
【非特許文献１】Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，３６３９，ｐ．１１０−１２１，１９９９
【非特許文献２】Proceedings of SPIE v.4296(2001)、実際のホログラフィＸＶ及びホログラフィック材料ＶＩＩにおける「実際の電気ホログラフィ・システム」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
上述したシステムは、低解像度であり、過度の計算要件を必要とし、高価格の光学及び機械的要素を使用するという難点を有する。高解像度画像を形成でき、かつ三次元光視界を良好に近似することができる、ボリューム再現可能な要素及び現存の計算インフラストラクチャから成るシステムが所望されている。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
ここで説明するシステムは、他の既知のシステムとは異なった方法で人間の残像を利用する。ここで、一組のベース・フリンジを、前以て、回転する回折光学素子（ＤＯＥ）に符号化する。ベース・フリンジは、特定のスペクトル輪郭を含むように計算された基本的なフリンジ・パターンである。ベース・フリンジの線形的な加算は、光を回折するために用いられる。この名称は、数学的な基底関数に類似している。ＤＯＥは、適切な時刻において、２Ｄ  ＳＬＭによって光学的にアドレス指定される。結果として、約０．０５秒の時間ウィンドウに渡って、ホログラフィック平面が時間中の加算により形成される。
【００２５】
本発明による多数観察の視差表示は、各方向フィールドがその全体において発生されるという高解像度２Ｄ画像発生器（ＳＬＭ）を用いており、ホログラム平面の解像度がＳＬＭ解像度に理論的に等しくなるのを許容する。回転するホログラフィック光素子のような周期的な画像スキャナは、出口角度の範囲を横切って方向フィールドのシーケンスを走査する。従って、角度（またはスペクトル）成分のシーケンスが時間シーケンスで投影されるので、３Ｄ光フィールドは、スペクトル多重化を呼ばれるものを用いて高い空間的及び角度的な解像度において合成される。人間の残像は、スペクトル成分のシーケンスを可視画像に統合する。一組の明白な観点として、もしくは既知の技術を用いた一層正確な計算され一般化された光フィールドの成分として、方向フィールドのシーケンスを用いる際に、システム・エンジニアには柔軟性が与えられる。
【００２６】
一般に、当該方法は、以下の幾つかの段階で生じる。
１．風景のスペクトル分解：ホログラム平面を出る光線軌道のデータベース（例えば、出所の点、軌道の角度、輝度及び色）が発生される。一つの方法は、水平トラックに沿って移動するカメラからのような多数の観点からの風景を与えもしくは記録し、各スナップショットを異なった投影時間に割り当てる。もう一つの方法は、３−Ｄ風景の光フィールドを調査し、該光フィールドを発生するためにホログラム平面を出るであろう組成光線の軌道を計算する。これは図８Ａ及び８Ｂに示されている。ポイント・ソース画像（もしくは点源画像）２は、観察者の位置Ａから観察者の位置Ｂまで可視であるように意図されている獲得平面４の近辺に位置付けられる。ホログラム・ライン４ａの上面図が図８Ｂに示されている。ここで、ポイント・ソース画像２を出る光線軌道は、ホログラム・ライン４ａに戻って追跡される。ホゲルｉからｉ＋３までに対して、ビーム出口角度が示されている。３Ｄ風景（シーン）の各要素の寄与を加算することにより一層複雑な風景（シーン）が構成される。ホゲル（ホログラフィック要素）とは、均質なスペクトルを保有しフリンジ（縞）パターンの空間サンプルを表すホログラムの小さい関数的に回折する片である。
【００２７】
２．要素画像の投影。高速２Ｄプロジェクタは、１秒につき５，０００−１０，０００フレームの急速なシーケンスで、スペクトル的に分類された（光線角度によって分類される）データを投影する。代表的には、ホログラフィック・ビデオの再生速度は、このプロジェクタの速度を光線角度の合計数で割ったもの（または、等価的に、予想の観点の数）に等しい。画像は、走査素子、好ましくは回転する回折光学素子（ＤＯＥ）上にまはたそれを通して投影される。
【００２８】
３．観察領域の走査。図９において、回転するＤＯＥ４５５が観察領域を横切って観察のシーケンスを走査する。ＤＯＥは、変化する空間周波数または一組の空間周波数及び焦点合わせの特性で符号化される。空間周波数は、ＤＯＥの表面上の角度の正弦関数である。ＤＯＥ４５５は、異なった角度における２Ｄプロジェクタからの光をホログラム平面を通して方向付けし、可視３Ｄ画像の創成に帰結する。代替的には、ＤＯＥは、ゼロ次元、一次元または2次元の光を走査することができ、ベース・フリンジの物理的な実施形態でもある。
【００２９】
ここに説明するシステムは、ベース・フリンジを加算するために観察者の残像を用いる。また、該システムは、観察領域が如何に走査されるかにおいてシステム・エンジニアに柔軟性を与え、フリンジの発生の価格及び複雑さを減少し、そして個々のプロジェクタのピクセルをホログラム平面領域に高密度にマッピングすることによりシステムの解像度を大いに高める“スペクトル多重化”の概念を用いる。このことが図１１に示されている。データベースは、ホゲル・フリンジ成分について発生される。画像ボリューム３０における画像２０は、放射プロジェクタ４５１によって投影される２Ｄビットマップの流れによってホログラム平面４４０から投影される。放射プロジェクタ４５１は、例えば、空間光モジュレータ（ＳＬＭ）であるか、ＬＥＤアレイであるか、もしくはゼロ次元、一次元、二次元、または三次元の放射を回転するＤＯＥ４５５を通して投影することができる他のデバイスである。この方法で、２Ｄ  ＳＬＭの各ピクセルは、ホログラム平面における領域にマッピングされ、その軌道は、概して、（ＤＯＥの走査角度に関係した）時間の関数として決定される。
【００３０】
本発明の他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲から明白である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
ホログラフィック・ビデオは、任意の三次元（３Ｄ）光フィールド（視界）の発生を必要とする。３Ｄ光フィールドは、該フィールドを、種々の軌道及び輪郭を有するビームの総体のような成分に計算的に分解することにより、そしてこれらの成分をプロジェクタ（該プロジェクタの光は時間変化する特性を有する多数領域の光形成素子によって変調される）によって投影することにより、発生され得る。
【００３２】
図１１において、３Ｄ画像２０は、適当なセット（組）の光線がホログラム平面４４０を出るとき、画像ボリューム３０内に発生される。その周波数が角度の正弦波関数である回折パターンで物理的に符号化された回折光学素子（ＤＯＥ）４５５は、空間光モジュレータ（ＳＬＭ）、ＬＥＤアレイもしくはゼロ、一、二または三次元放射を投影することができる他のデバイスのような放射プロジェクタ４５１を出る２Ｄビットマップの時間シリーズを走査する。ＳＬＭは、３Ｄデータ・ストリームまたは制御信号４３５によって制御される。データ・ストリーム４３５は、ホゲル・ベクトルの時分割多重化されたセット（組）を備える。
【００３３】
最初に、光線源及び軌道のデータベースが創成される。すなわち、各ホゲルの出力は、ライン上に整列されたカメラのセットによって撮影された画像に対応することができるか、もしくは３Ｄのシーン（風景）の各素子から後方への光線追跡により推測され得る。
【００３４】
図１２を参照されたし。画像データベースが創成されてしまうと、データ・ストリーム４３５は、強誘電性の液晶ディスプレイ（ＦＥＬＣＤ）または微小電子機械システム（ＭＥＮＳ）（例えば、Texas Instruments Digital Micromirror DeviceTM）のような２Ｄ  ＳＬＭ４５１を活性化する。Digital（または“変形可能な”） Mirror Deviceは、Texas Instruments, Inc.によって製造されるＭＥＮＳベースのマイクロディスプレイの商標名である。代表的なＤＭＤは、電子的にアドレス指定可能である１０２４×７６８のアレイの１３．７ｕｍミラーである。各ミラーは、１０−１２度傾斜した“オン”または“オフ”状態にある。画像平面の全部に位置付けられたポイント・ソース（点源）画像２のために、２Ｄ  ＳＬＭの単一線に対する時間の付勢シーケンスを示す。最初の時間スロット、ｔ０、において、ＳＬＭピクセルｉが付勢され、それにより、ビーム操舵が生じた（以下に説明する）後に、光線は、ピクセルｉからポイント・ソース２を通して通過する。引き続く時間スロット、ｔ１、において、ＳＬＭピクセルｉ＋２が、ホログラム平面と垂直の方向において光が通過するように活性化もしくは付勢される。時間スロット、ｔ２、において、ＳＬＭピクセルｉ＋４は、それを出る光が、ポイント・ソース２と再度交差する方向において操舵要素により向かわされるように活性化される。
【００３５】
ビーム操舵は、線形（矩形）もしくは円形である回折光学素子（ＤＯＥ）により行われる。この目的のための代表的なＤＯＥは、図９に示される回転ディスク回折光学素子である。ＤＯＥ４５５は、ベース・フリンジを含み、以下の式１に従って変化する回折格子でエッチングされる。
ｆ＝Ａ ｓｉｎ（シータ）＋Ｂ          （１）
ここで、ｆは回折格子の空間周波数であり、Ａは最小回折格子周波数４６５及び４５４に対する最大の比を決定するスケーリング係数であり、シータは角度の大きさであり、そしてＢは角度搬送周波数であると考慮され得るオフセットである。ディスク形状とされたＤＯＥ４５５の目的は、もしＤＯＥの平面と直角でＤＯＥの中心と交差する軸の回りをＤＯＥが回転されるならば、ＤＯＥがレーザ・ビーム４５０のような入射光に種々の出口角を通して前後に掃引させることである。ＤＯＥの回転はこのようにＤＯＥにおける時間変化特性を提供する。係数Ａ及びＢは、可視光が入射角から３０度の最大偏位を為すことができるように選択される。ここで、シータは、ＤＯＥの平面における基準角度から測定された回転角度である。
【００３６】
図９Ａは、角度的に増加するそして減少する回折格子周波数を有する概略的なＤＯＥ４５５を示す。上面図（図９Ｃ）は、入射照射４５０の第１次回折がＤＯＥ領域４５４により軌道４５６に如何にして操舵されるかを示す。該図はまた、ＤＯＥ領域４６０が方向４６１において如何にして照射４５０を操舵するか、そして同様にＤＯＥ領域４６５が如何にして照射４５０を方向４６６に操舵するかをも示す。従って、ＤＯＥ４５５がＤＯＥの平面と直角の方向の回りにスパンすなわち回転するとき、入射光は前後態様で走査されるであろう。図９Ｂは、直線的に増加する及び減少する回折格子周波数を有する概略的なＤＯＥ４５５を示す。従って、ＤＯＥ４５５の平面における“ｙ”方向にＤＯＥ４５５が前後に移動するとき、入射光は、前後にもしくは時間変化する態様で走査されるであろう。
【００３７】
ＤＯＥ４５５は、スペクトル多重化が生じるのを許容する。ＤＯＥ４５５は、計算を速めるためにコンピュータ・プログラムもしくは電子機器で典型的に用いられるデバイスである、ルックアップ・テーブルと光学的な等価物として働く。ここで、光学デバイス（ＤＯＥ）は、必要とされるときに光学的にアドレス指定され得る一組のフリンジ（縞）で符号化される。これは、解像度を消耗する、光源が回折パターンを創成するために変調されるという（前述した）他の技術よりも良い。本願の場合、回折パターンをアドレス指定するために光源を変調する。回折パターン（光学的ルックアップ・テーブル）は任意の幾つかの形態を取ることができる。それは、前以てＤＯＥ上で符号化され得るか、ＡＯＭへの入力の予測可能なセット（組）であり得るか、もしくは前後に掃引する検流計ミラーであり得る。
【００３８】
図１３を参照されたし。レーザは、２Ｄ  ＳＬＭ４５１を照射するビーム拡張光学系に照射４５０を提供する。説明したように、ＳＬＭ４５１は、ビーム発生源及び軌道の所望のデータベースに対応するピクセルの時間シリーズを活性化するようアドレス指定される。ＳＬＭは、ＤＯＥ４５５を回転させることによって操舵される照射４５０を変調する。水平視差だけの（ＨＰＯ）ホログラフィック・ビデオ画像に対して、ＤＯＥは、示されたように水平面において光を操舵するだけである。水平視差だけとは、水平移動視差だけを提供する３Ｄディスプレイ・システムのことを言う。操舵されたビームは、ホログラム平面４４０に典型的に位置付けられる垂直ディフューザ４３９上にＳＬＭが画像化されるように、拡大光学系４３８によって任意選択的に拡大される。垂直ディフューザは、観察者が頭部を垂直に移動させ、なおかつ３Ｄ画像２０を見るのを許容する。
【００３９】
３Ｄ光フィールドを発生するシステムは、可視表示以外の目的を司るために用いられ得る。例えば、移動するターゲットもしくは目標体を照射することが望ましいかも知れない。コンピュータ・ビジョンの分野における現存のアルゴリズムは、ターゲットもしくは目標体の三次元位置を検出することができる。ターゲットもしくは目標体を照射する１つの方法は、コンピュータ・ビジョン・アルゴリズムによって方向付けられる機械制御下のスポットライトを用いることであろう。しかしながら、２つの検流計の走査ミラーのセット（組）のような大きい機械要素を持たすことは望ましいことではないかも知れない。本願で開示したシステムは、スポットライトの機械ミラーと置き換えるために用いられ得る。ターゲット場所が与えられると、ＳＬＭは、光がＤＯＥの領域を通して通過するのを許容し、このことは、ターゲットを照射するために出力ビームを操舵することに帰結する。ターゲットが移動するにつれ、ＳＬＭは、入力照射をＤＯＥの適切な領域に再度結合してターゲットを照射する。例えば、図１２Ａ及び図１２Ｂは、ポイントもしくは点２を照射していると解釈され得る。上述したように、ビーム形成素子は、焦点合わせすることもできる。また、同様にどこかで上述したように、放射形成素子４５５の領域は、（ビーム操舵、焦点合わせ、波長分割、等に対して）回折的であることができるか、もしくは（巨視的ミラー、レンズ、ディフューザ、等として）主に幾何学的な光学系の下で動作することができる。素子４５５上に回折格子のセット（組）を組み付けるのではなく、むしろ素子が変化する焦点面を有する一連の小型レンズを含むことができる。
【００４０】
従って、ここに開示されたシステムは、可変焦点プロジェクタとしても用いられ得る。放射形成素子４５５が異なった焦点長さを有する一連の小型レンズを含むと仮定しよう。例えば、距離が時間と共に変化する表面上に２Ｄ画像を焦点合わせさせることができる。これは、自己焦点合わせしているオフィス・プロジェクタとして役立つかも知れない。良く知られた回路が投影スクリーンの距離を検出した後、２Ｄ  ＳＬＭは、ＳＬＭから投影スクリーンまでのビーム経路内に適切な小型レンズがある時刻においてのみ、放射形成素子を通して２Ｄ画像を投影する。
【００４１】
図１４に見られるように、パーソナル・コンピュータ（ＰＣ）またはサーバに存在し得る図１３のデータベースは、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）か、ワイド・エリア・ネットワーク（ＷＡＮ）か、広域ネットワーク（例えば、インターネット）か、またはイントラネット５０２のような通信ネットワークか、もしくは配分されたコンピュータのようなネットワーク５００と通信状態にあり得る。コンピュータ・ネットワーク５００は、ワイヤのまたはワイヤレスの接続によるか、無線をベースにした通信によるか、電話をベースにした通信によるか、または他のネットワークをベースにした通信により、遠隔の地理学的な場所からサーバに接続された少なくとも１つのパーソナル・コンピュータ４１２またはディスプレイ・デバイスを含む。コンピュータ４１２またはディスプレイ・デバイスは、また、他の同様のコンピュータまたはディスプレイ・デバイスにも直接接続され得る。コンピュータ４１２は、次に、インターネット５０２を介して他のコンピュータ４１２、ディスプレイ・デバイスまたはネットワークに同様に接続される。コンピュータ４１２、ディスプレイ・デバイス及びネットワークの他の電子メディア・デバイスが、コンピュータ・プログラム・ソフトウエアを実行するように構成され得、該コンピュータ・プログラム・ソフトウエアは、コンピュータ等が、データベース４３５に格納されたデータを読取って処理するために、コンピュータ等の間で及びコンピュータ等の中でネットワーク及びインターネット５０２を介してコマンドまたはアルゴリズムを送り、受信し、記録し、格納し、そして処理するのを許容する。コマンドまたはアルゴリズムのこのような処理は、例えば、種々の型の暗号化、暗号解読、画像圧縮及び復元アルゴリズム、並びに他の型のフィルタリング、コントラスト強調、画像先鋭化、ノイズ除去及び画像等級のための相関関係を含む。
【００４２】
他のＤＯＥパターンは、例えば、特定領域における解像度、もしくは観察角度の範囲を最適化することが可能である。ディスク形状のＤＯＥの回折周波数は、その回転角度に対して直接マッピングされる。ＤＯＥは、代替的には、sinシータ（θ）以外の異なった走査関数を組込むことができるし、焦点合わせもしくは拡散能力を含むことができるし、または画像フリッカの知覚を減少し得る、半径及び角度の双方の関数である走査角度を用いることができる。ＤＯＥまたは走査素子は、垂直または水平拡散能力を含むことができる。一般に、観察者が観察領域（ビーム軌道）間で連続的な遷移を見るように、ＤＯＥに幾つかの水平拡散を組込むことが望ましい。光学的ルックアップ・テーブルは、走査ミラー、周期入力を有したＡＯＭ、もしくは他の素子により履行され得る。カラー画像は、標準のプロジェクタ・エンジンからの赤、緑及び青成分のようなカラー照射を用いることにより創成され得る。分散補償は計算的に行われ得る。さらに、アニメーション化された画像はソフトウエアにより創成され得る。
【００４３】
この明細書のために、“放射形成”または“放射条件付け”及び“光形成”または“光条件付け”は、放射の（従って、光の）形成、操舵、輪郭形成、焦点合わせ、拡散、及び他のすべての型の変調（もしくは調節）放射を含めるように定義されるべきである。
【００４４】
第１、第２、等、または前後、右左、頂部・底部、上下、水平・垂直に対する何らかの参照、もしくは一方の対象、量または変数の他方に対する相対位置を示す何らかの他のフレーズは、別段の定めが無い限り、説明の便宜のために意図されているものであり、本発明またはその構成要素を何らかの一つの位置的、空間的もしくは時間的な確定事項に制限するものではない。添付された図における構成要素のすべての寸法は、本発明の範囲から逸脱することなく、実施形態の現実化する可能性のある設計及び意図された使用と共に変わり得る。
【００４５】
他に定義されない限り、ここで用いられた技術用語及び科学用語は、本発明が属する当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。ここで記載されたものと同様もしくは等価の方法または物が、本発明の実施もしくは検査において用いられ得るけれども、適切な方法及び物を以下に記載する。ここで述べられたすべての公開公報、特許出願、特許、及び他の文献は、これらを参照することにより、全体に渡って組込まれるものである。競合の場合、定義を含め本願明細書は照合するであろう。さらに、物、方法、及び例は、説明のためだけであり、制限することを意図していない。
【００４６】
本発明をその幾つかの実施形態を参照して説明してきたけれども、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更が為され得、そしてその素子を等価物に置換え得ることは、当業者に理解されるであろう。さらに、本発明の実質的な範囲を逸脱することなく、特定の状況もしくは物を本発明の教示に適合させるために多くの変更が為され得る。従って、本発明を実施するよう意図された最良の形態として開示された特定の実施形態に本発明を制限するのではなく、本発明は、特許請求の範囲内にあるすべての実施形態を含むものであると意図している。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１Ａ】一般化された視差表示の構成要素を示す上面図である。
【図１Ｂ】一般化された視差表示の構成要素を示す側面図である。
【図２】レンチキュラー・スクリーンの概略図である。
【図３】垂直ディフューザ上に音響光学モジュレータの走査された画像を用いたホログラフィック・ビデオ・システムを示す図である。
【図４】光学タイリングを用いたホログラフィック・ビデオ・システムを示す図である。
【図５Ａ】連続的な視差サンプリングを示す図である。
【図５Ｂ】離散的な視差サンプリングを示す図である。
【図６】ベース・フリンジ及びこれらベース・フリンジの回折効果を示す図である。
【図７】水平トラック上の一組のカメラによる画像獲得を示す図である。
【図８Ａ】ポイント・ソース画像のためのホログラム平面の断面を示す図である。
【図８Ｂ】ポイント・ソース画像のためのホログラム平面の断面の上面を示す図である。
【図９Ａ】ディスク形状の回折光学素子（ＤＯＥ）を示す図である。
【図９Ｂ】矩形形状の回折光学素子（ＤＯＥ）を示す図である。
【図９Ｃ】図９Ａ及び９Ｂのディスク形状及び矩形形状の回折光学素子（ＤＯＥ）の上面図である。
【図１０】走査されたもしくはタイリングされたホゲル技術のデータ及び光の流れを示す図である。
【図１１】スペクトル多重化のデータ及び光の流れを示す図である。
【図１２Ａ】ポイント・ソース画像のための１つのホログラム平面ラインを示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａのポイント・ソース画像のためのホログラム平面ラインの時間的な進展を示す図である。
【図１３Ａ】スペクトル的に多重化されたディスプレイ・デバイスの上面図である。
【図１３Ｂ】スペクトル的に多重化されたディスプレイ・デバイスの側面図である。
【図１４】通信ネットワークに接続された図１３のデータベースを示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
２０・・・３Ｄ画像
３０・・・画像ボリューム
４４０・・・ホログラム平面
４５１・・・放射プロジェクタ
４５５・・・回折光学素子
【図１Ａ】
2005520184.tif 000003
【図１Ｂ】
2005520184.tif 000004
【図２】
2005520184.tif 000005
【図３】
2005520184.tif 000006
【図４】
2005520184.tif 000007
【図５Ａ】
2005520184.tif 000008
【図５Ｂ】
2005520184.tif 000009
【図６】
2005520184.tif 000010
【図７】
2005520184.tif 000011
【図８Ａ】
2005520184.tif 000012
【図８Ｂ】
2005520184.tif 000013
【図９Ａ】
2005520184.tif 000014
【図９Ｂ】
2005520184.tif 000015
【図９Ｃ】
2005520184.tif 000016
【図１０】
2005520184.tif 000017
【図１１】
2005520184.tif 000018
【図１２Ａ】
2005520184.tif 000019
【図１２Ｂ】
2005520184.tif 000020
【図１３Ａ】
2005520184.tif 000021
【図１３Ｂ】
2005520184.tif 000022
【図１４】
2005520184.tif 000023