(57)【要約】  従来のＬＣディスプレイを使用してコンピュータが生成したビデオホログラムを符号化及び再構成する方法及び装置は、最低解像度のホログラフィックアレイ（３）の電子制御可能な画素を使用して、可能な限りちらつき及びクロストークがなく、リアルタイムに、大面積で双方の眼に対して同時に、３次元シーンをホログラフィックに再構成することを目的とする。この方法は、画素アレイ（３）による変調後、線光源（１）により放出された垂直コヒーレント光をビューウィンドウ（８r、８l）に撮像するために光集束手段（２）を利用する。シーンのホログラフィック再構成（１１）は、画素における回折を使用して観察者の双方の眼に対するビューウィンドウ（８r、８l）から見えるようにされる。本発明によると、制御可能な画素は画素列（１５、１６）に配置され、画素列（１５、１６）は、観察者の眼（Ｒ、Ｌ）の双方に対して同一シーンの別個のホログラムを符号化する。ここで、このホログラムは、垂直方向に一次元であり、水平方向に交互配置される。画素列に平行に構成される分離エレメントを含む画像分離手段（７）は、一方の眼に対して各々の画素列（１５、１５’又は１６、１６’）を開放し、他方の眼に対して各々の画素列を覆う。
2008512698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビデオホログラムを符号化及び再構成する方法であって、
１つの回折次数内で３次元シーンをホログラフィックに再構成し、観察者の双方の眼（Ｒ、Ｌ）に対するビューウィンドウ（８r、８l）から前記シーンを見えるようにするために、線光源（１）により放出され、ホログラフィックアレイ（３）の電子制御可能な画素により前記ビューウィンドウ（８r、８l）を有するビュー平面（５）に変調される垂直に十分にコヒーレントな光を光垂直集束手段（２）が撮像し、
前記制御可能な画素は、各々が前記観察者の眼（Ｒ、Ｌ）に対する同一シーンの２つの別個のホログラムを画素列（１５〜１６”）において符号化し、
前記ホログラムは垂直方向に１次元であり、
前記画素は、前記２つの１次元ホログラムが水平に交互配置されるように別個の列グループ（１５〜１５”及び１６〜１６”）に構成され、
前記画素列（１５〜１６”）に平行に構成される分離エレメントを有する画像分離手段（７）は、一方の眼に対しては前記画素列（１５〜１５”又は１６〜１６”）の各々を表示し、他方の眼に対しては前記画素列を覆うことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記２つの別個のホログラムは、眼と眼の隔離距離に基づいて水平視差を符号化する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
眼位置追跡システムが、観察者の眼の位置の局部的な変化を追跡する、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記画素列（１５〜１６”）における前記画素の前記ホログラフィック符号化は、前記眼の位置の前記変化に基づいて更新される、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記再構成シーン（１１）は、前記眼の位置が変更された場合に、固定された水平位置と垂直位置と軸位置との少なくともいずれかで前記観察者に対して表示されるように符号化される、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記再構成シーン（１１）は、前記眼の位置の、水平の変化と、垂直の変化と、軸の変化と、の少なくともいずれかに基づいて、水平の移動と、垂直の移動と、向きの変更と、の少なくともいずれかがなされた観察者に対して表示されるように符号化される、請求項４記載の方法。
【請求項７】
前記ビューウィンドウ（８r、８l）は、前記眼の位置が垂直に変更された場合に前記線光源（１）を垂直に移動することにより追跡される、請求項３記載の方法。
【請求項８】
前記ビューウィンドウ（８r、８l）は、前記眼の位置が水平に変更された場合に前記画像分離手段（７）に対して前記列グループ（１５〜１６”）を水平に移動することにより追跡される、請求項３記載の方法。
【請求項９】
前記ビューウィンドウ（８r、８l）は、前記眼の位置が水平に変更された場合に前記画素列（１５〜１６”）に対して前記画像分離手段（７）の前記分離エレメントを水平に移動することにより追跡される、請求項３記載の方法。
【請求項１０】
前記眼の位置が軸方向に変更された場合、それに応じて前記光源（１）と前記光集束手段（２）との距離が適応される、請求項３記載の方法。
【請求項１１】
ビデオホログラムを符号化及び再構成する装置であって、
ホログラフィックアレイ（３）に構成される制御可能な画素により光を変調した後、錐台形状の再構成空間（１２r、１２l）にシーンをホログラフィックに再構成するために、一方向に十分にコヒーレントな前記光を放出する線光源（１）と、光集束手段（２）と、を備え、
前記線光源（１）は、光が垂直方向に十分なコヒーレンスを示すように水平方向に構成され、
前記制御可能な画素は、
観察者の眼（Ｒ、Ｌ）の各々に対する１つの列グループ（１５〜１５”及び１６〜１６”）を有する画素列（１５〜１６”）において構成され、
双方の列グループ（１５〜１５”及び１６〜１６”）が水平方向に交互配置される同一シーンの１次元垂直符号化ホログラムを有し、
一方の眼に対して前記画素列（１５〜１５”又は１６〜１６”）を開放し、他方の眼に対して前記画素列を覆う、該画素列（１５〜１６”）に平行に構成される分離エレメントを有する画像分離手段（７）が存在することを特徴とする装置。
【請求項１２】
前記ホログラムの前記再構成の間のクロストークを抑制することと、前記ビューウィンドウのサイズを調整することとの少なくともいずれかのために、複数の隣接する画素列の各々は、組み合わされて共通の複数画素列を形成し、各複数画素列は、前記画像分離手段（７）により前記眼の各々に対して全体的に選択することができる、請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
複数画素列の前記画素列は、前記光を異なるように変調する、請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
前記光集束手段（２）は、垂直集束円柱レンズ、フレネルレンズ、又はレンティキュラである、請求項１１記載の装置。
【請求項１５】
前記画像分離手段（７）は、バリアマスク、レンティキュラ、又はプリズムマスクである、請求項１１記載の装置。
【請求項１６】
前記画像分離手段（７）は、前記観察者の一方の眼に対して前記列グループを開放する透明ストライプと、前記眼に対して他の列グループを覆う不透明ストライプと、を有するバリアマスクである、請求項１１記載の装置。
【請求項１７】
前記バリアマスク（７）、前記プリズムマスク、又は前記レンティキュラの、前記分離エレメントのピッチは、前記制御可能な画素アレイの対応する列グループの水平ピッチの約２倍である、請求項１５記載の装置。
【請求項１８】
前記制御可能な画素は、カラー再構成用のサブ画素、又は前記画素が、迂回位相符号化のために他方の下に垂直に配置される、請求項１１記載の装置。
【請求項１９】
前記ビューウィンドウ（８r、８l）は、
ほぼ瞳孔のサイズを有し、
前記画像分離手段（７）の幅により各眼に対して水平方向に規定され、
前記２つのウィンドウ（８r、８l）の中心がほぼ眼の間隔となるようなウィンドウである、請求項１２記載の装置。
【請求項２０】
前記ビューウィンドウ（８r、８l）は、１つの回折次数（６）の周期間隔より大きくないが、瞳孔より小さくない、垂直の拡張を有する、請求項１２記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、従来の解像度のディスプレイ、すなわち市販されている解像度のディスプレイを使用して、コンピュータが生成した大面積のビデオホログラムを符号化及び再構成する方法及び装置に関する。ここで、ディスプレイは、大きな視角及び高い空間画質を提供する。ディスプレイは、光の振幅と位相との少なくともいずれかに電子的に影響を与える制御可能な画素を有するホログラフィックアレイを含む。そのようなアレイは、空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）として知られる。ビデオホログラムを再構成するための光パターンの空間振幅変調に対して適切なアレイは、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）等である。しかし、本発明は、光波面を変調するためにコヒーレント光を使用する他の制御可能なホログラフィックアレイにも適用される。
【背景技術】
【０００２】
（用語の定義）
本明細書において、用語「ピッチ」は、アレイの２つの隣接する画素の中心の距離を表す。従って、用語「ピッチ」は、ディスプレイの解像度を特徴付ける。
【０００３】
用語「符号化」は、ホログラフィックアレイが３次元シーンを再構成するようにホログラフィックアレイに制御値を与える方法を表す。本発明によると、このシーンは、「ビューウィンドウ」を介して見ることができる。
【０００４】
ビューウィンドウは、視域と観察者平面との交差部分である。少なくとも一方の眼がビューウィンドウ内にある場合、観察者は、再構成オブジェクトを見ることができる。
【０００５】
（関連技術の説明）
従来の光学を使用する三次元裸眼立体ディスプレイの欠点は、眼のレンズの調節と視差情報との不整合である。一方では、各眼は、任意の距離でオブジェクトの深さの印象をシミュレートする、シーンの異なる透視ビュー（perspective view）を観察する。他方では、各透視ビューは表示面自体に形成される。従って、眼は表示面に焦点を合わせ、各眼は平面画像を見る。これは、視差情報により達成される任意の深さでオブジェクトを見ること、すなわち表示面上にはないオブジェクトを見ることと、固定された表示面に対する眼の調節との間に不整合が生じる原因となる。これにより、不快な感覚や眼の疲れが引き起こされる可能性がある。これは、適切な深さで三次元シーンのオブジェクトを再構成するホログラフィックディスプレイを使用することにより回避される。
【０００６】
ホログラフィックディスプレイは、光波のコヒーレントな重なりによりオブジェクトを再構成する。その目的のために、空間光変調器（ＳＬＭ）は波紋を生成する。このホログラムは、再構成される三次元シーンのフレネル変換である。ＳＬＭは、光波を回折させ、シーンを再構成する。ホログラムがサンプリングされると、周期間隔に対応する再構成の周期的な反復が発生する。従って、周期間隔により与えられる視域内の観察者は、再構成を見ることができる。画素ピッチに依存するＳＬＭの最大回折角によって視域が決定される。ビデオホログラムの符号化及び再構成における主な問題は、再構成を見るために、十分に大きな視域が提供される必要があることである。
【０００７】
従来のホログラフィックディスプレイにおいて、視域は少なくとも眼の間隔を範囲に含む必要があり、最大約１０μｍの画素サイズを要求する。１００ｍｍ×１００ｍｍの小さな表示領域であっても、画素数は１億の桁である。これは、ディスプレイが水平視差のみのホログラムに簡単化される場合でも、ハードウェアのコストがかかり且つ計算時間が長くなる原因となる。現在入手可能な大面積のディスプレイは、通常、非常に小さな視域にのみ光を回折する画素ピッチを有するホログラフィックアレイを使用するため、再構成された３次元シーンを双方の眼で見ることは不可能である。
【０００８】
これら問題を解決するいくつかの方法が知られている。
【０００９】
非特許文献１は、市販されている液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を使用するホログラフィック三次元ディスプレイを記載している。この文献では、従来の低解像度のＬＣＤではなく高解像度の特別なディスプレイを５つ使用するビデオホログラム再構成装置が説明されている。各ディスプレイの解像度値が組み合わされて全体で高解像度が与えられるため、視域が拡大される。全てのディスプレイは、直接に、又は、光の複製を介して、連結される。水平視差のみが使用され、垂直視差は無視される。周知の解決策では、５０ｍｍ×１５０ｍｍのボリューム及び５０ｍｍの深さでビデオホログラムを再構成するために、各々が３，２００×９６０画素を有する５つの特別なディスプレイの単位で１５メガ画素の解像度が提供されることが要求される。視域は眼と眼との隔離距離にほぼ対応する約６５ｍｍの幅であるため、シーンは双方の眼でのみ見ることができる。要求される解像度は、ビデオホログラムの所望のサイズ及び視域に依存する。しかし、この構成は重大な欠点を有する。再構成するために多くのディスプレイ及び大きなレンズを使用するため、深さ及びボリュームが大きくなり且つ演算能力に対する要求が大きくなる。
【００１０】
視域を拡大する別の方法が非特許文献２に記載されている。この方法によると、ホログラム再構成に対して第１の回折次数だけでなく更なる回折次数が使用され、それら回折次数は組み合わされて共通のビュー空間を形成する。ある特定のオブジェクトに対する対応するビデオホログラムは、ＬＣディスプレイに順次示される。空間周波数フィルタとして動作する第２のＬＣディスプレイを使用して、個々の回折次数は、再構成中にフィルタリングされる。可視領域は順次生成され、空間的に連結される。達成可能な視域は依然として６５ｍｍより狭いため、再構成されたオブジェクトは一方の眼でのみ見ることができる。この方法は、演算能力に対して大きな要求を有するという欠点がある。更に、画素アレイは、切替遅延が非常に短いことが要求される。
【００１１】
いくつかの回折次数を順次連結する時、使用されるディスプレイは、高解像度及び速い切替速度を有し、画像のちらつきを防止する必要がある。このため、バイナリホログラムが頻繁に使用される。しかし、それらは、２進符号化により起こる重大なエラーの影響を受ける。
【００１２】
上述の周知のホログラフィック方法の一般的なさらなる欠点は、ホログラムを符号化するのに要求される演算能力が大きいことである。
【００１３】
特許文献１において説明される装置は、水平視差又は垂直視差のみのビデオホログラムを再構成する。照明手段は線光源を使用する。線光源は、１０ｎｍより小さい帯域幅を有する単色光を生成し、水平方向にコヒーレントであるが垂直方向にはコヒーレントでない。
【００１４】
従来のホログラフィックディスプレイにおいて、ビューウィンドウは瞳孔より相当大きい。その結果、観察者が位置していない領域に光を投影するのに大きな労力が費やされる。
【００１５】
出願人の前特許出願の特許文献２に開示された基本概念は、瞳孔より僅かに大きいサイズにビューウィンドウのサイズを狭めることである。これは、ディスプレイの最大解像度に対する要求を非常に緩和する。この文献では、減少したサイズのビューウィンドウにビデオホログラムを再構成する装置が説明されている。装置は、少なくとも１つの点光源又は線光源を含む。その光源は、セル毎に少なくとも１つの開口部を有するマトリクスに構成される複数のセルを含むホログラフィックアレイ、レンズ及び十分にコヒーレントな光を提供する。ここで、開口部の位相又は振幅は制御可能である。ビュー平面は、光源の像平面に形成される。
【００１６】
ホログラム情報は、画素にサンプリングされ、ＬＣＤアレイに表示される。サンプリングされたホログラムは、ビューウィンドウ及び再構成シーンの周期的な反復の特性を常に有する。複数の再構成が見られる場合と同様に、ビューウィンドウが重ならないように注意する必要がある。シーン情報が符号化されるホログラム上の領域を制限することにより、重なりを回避できる。この領域は、再構成された視点から発する光が１つのビューウィンドウに限定されるように制限される必要がある。従って、装置は、ビュー平面においてフーリエ変換の１周期間隔でビデオホログラムを再構成する。再構成された３次元シーンは、眼の前に形成されたビューウィンドウを介して双方の眼で見ることができる。再構成されたシーンは、表示領域とビューウィンドウとの間にわたる再構成錐台の内部で見ることができる。それにより、シーンはアレイ表面の前又は後ろに再構成される。周知の解決策によれば、適度なハードウェアのコスト及び演算能力で３００万画素近い解像度の従来のＬＣディスプレイの使用が可能になる。
【００１７】
干渉が許容される程度まで光が空間的にコヒーレントである場合、本明細書による光源は十分にコヒーレントであると考えられるため、少なくとも１次元で十分な解像度を有するホログラフィック再構成が可能になる。ＬＥＤ構成のような従来の光源が十分に狭いギャップを介して光を放射する場合、それら要求は従来の光源により満足される。高輝度のＬＥＤのスペクトル帯域幅は十分に狭く、ホログラフィック再構成に対して時間的コヒーレンスを保証する。線光源は、長さに対して直角な位置から見た場合、点光源であると考えられる。光は、その方向にコヒーレントであり、垂直方向にコヒーレントでない。時間的コヒーレンスを保証するために、光は十分に狭い波長範囲を有する必要がある。情報が順次又はフィルタ手段を介して単色スペクトル部分に空間的に分割されてもよい場合、カラーホログラムが表示される。ホログラフィックアレイに構成された電子制御可能な画素は、振幅変調ＳＬＭ、位相変調ＳＬＭ、あるいは干渉を生成できる光の振幅及び位相の双方を変調するＳＬＭであってもよい。従来のＬＣＤのようにコヒーレント光の位相を直接制御できない画素アレイは、ホログラフィック像点毎にいくつかの制御可能な画素を含む振幅設定が光位相を制御するように、周知の迂回位相符号（detour phase coding）の方法を使用してもよい。アレイの単一のホログラフィック像点に対して複素数値を符号化するために、そのような周知の符号化技術は、電子制御可能な３つの画素を使用する。
【００１８】
一般的な周知の解決策に対して、本発明及び特許文献２による解決策は、単一の視点のホログラム情報をホログラフィックアレイの制限された符号化領域にのみ符号化する。符号化領域の拡張及び位置は、再構成された視点がビューウィンドウ内のみで見えるようにように選択される。視点から発する光が中央のビューウィンドウに到達しないため、観察者は、再構成された視点の周期的な反復を見ることができない。符号化領域の拡張及び位置は、視点のｘ座標、ｙ座標及びｚ座標に依存する。
【００１９】
瞳孔はビューウィンドウに位置される必要がある。ウィンドウが小さいために、眼位置追跡装置は、観察者の眼を検出し、観察者の動きに応じてビューウィンドウの位置を制御する。垂直の追跡は、光源の垂直移動により達成される。これにより、再構成されたシーンを含むビューウィンドウを移動する。
【００２０】
再構成ビデオホログラムのコストを低減する別の方法は、２つの別個のビューウィンドウを観察者の各眼に割り当てることである。これは、交互に電源が投入される２つの別個の十分にコヒーレントな光源と、光源の切り替えと同期して符号化される２つの別個のホログラムとにより達成される。ＳＬＭは、異なる透視ビューを表示する２つのビデオホログラムを交互に符号化する。
【００２１】
利用可能なハードウェアの長い切替遅延及び低い再生周波数のために、連続表現は２つの眼の間にクロストークを生じる。
【特許文献１】国際公開第２００３／０２１３６３号パンフレット
【特許文献２】国際公開第２００４／０４４６５９号パンフレット
【非特許文献１】K.Maeno, N.Fukaya, O.Nishikawal,「１５メガピクセルＬＣＤを用いた電子ホログラフィックディスプレイ（Electro-holographic display using 15 Mega Pixels LCD）」Advanced 3D Telecommunication Project, 1996, SPIE, Vol. 2652.
【非特許文献２】T.Mishina, M Okui, 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, 2002, Vol. 41, No. 8.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明の目的は、例えば量販市場に対して適正な価格で市販されているような最低解像度を有し、ちらつきとクロストークが最小限のアレイに構成された電子制御される画素を使用して、リアルタイムでビデオホログラムを再構成することである。再構成は大きなビュー領域にわたり双方の眼に対して同時に行なわれるため、要求されるリフレッシュレートは非常に遅い。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記目的を達成するために、本発明は、ビデオホログラムを符号化及び再構成する方法に基づく。この方法において、制御可能な画素によりホログラフィックに符号化されたシーンを再構成し、観察者の２つの眼に対する２つの別個のビューウィンドウを介して見えるようにするために、線光源により供給され、光集束手段により撮像されるコヒーレント光は、単一のホログラフィックアレイの制御可能な画素を通過してビューウィンドウに入る。ビューウィンドウは、観察者の眼の近くに１つの回折次数で形成される。
【００２４】
本発明によると、使用される光は垂直方向にのみコヒーレントであるため、制御可能な画素は、観察者の双方の眼に対して同一の三次元シーンのホログラムの垂直の１次元再構成を生成する。ホログラフィックアレイの符号化は、画素列の２つのグループに水平に分割される。各グループは、２つの別個のビデオホログラムのうち一方に割り当てられる。各ビデオホログラムは、２つの透視ビューのうち一方を表示する。ホログラフィックアレイは、水平に交互配置された画素列の双方のグループを使用して同時に符号化され、それにより、２つの空間的に交互配置されたシーンのホログラムが生成される。これは、画素アレイの第１の列グループの全ての画素列が観察者の一方の眼に対してホログラムを再構成し、同時に第２の列グループの隣接する画素列が他方の眼に対してホログラムを再構成することを意味する。水平にコヒーレントでない光が従来の方法でシーンを再構成するため、列に平行に構成された分離エレメント（separating element）を含む周知の画像分離手段は、左右の眼に対する２つのホログラムを選択するのに使用される。画像分離手段は、画素アレイに対してある距離で配置され、一方の眼に対して列グループを表示するとともに、他方の眼に対して列グループを覆う。
【００２５】
本発明の更なる目的は、平坦で薄い筐体を使用してビデオホログラムを符号化及び再構成する装置を提供することであり、これによりコストがかかるのが回避されるとともに、物理的寸法が大きい大量の光学電子ハードウェアの構成要素が不要となる。
【００２６】
本発明による装置は、コヒーレント光を提供し且つ制御可能な画素を含む画素アレイ及び垂直集束手段を含む線光源に基づく。制御可能な画素は、コヒーレント光の振幅又は位相又は双方のパラメータを変調する。
【００２７】
本発明によると、光源は水平に構成されるため、その光は、垂直方向にコヒーレントであり且つ水平方向にコヒーレントでない。第１の列グループ及び第２の列グループが２つの眼の位置に対して同一シーンの１次元垂直回折ホログラムを別個に符号化するように、１次元ビデオホログラムは、画素列における画素アレイの制御可能な画素により符号化される。ここで、双方の列グループは水平に交互配置される。画素列は、画像分離手段により交互配置される。画像分離手段は光路に存在し、観察者の一方の眼に対して列グループを表示するか又は露光し、且つ列に平行に構成される分離エレメントを使用して他方の眼に対しては列グループを覆う。各眼に対するホログラムは、指示された各ビューウィンドウの前にある再構成空間で３次元シーンを再構成する。２つのホログラムは、観察者の眼の距離によって水平視差が異なる。ホログラフィックに符号化された２つの列グループは、同一シーンの２つのホログラフィック再構成を表す。双方の眼は、別個のビューウィンドウで同時にそれら再構成を見る。
【００２８】
バリアマスクは、画素アレイに対してある距離で画像分離手段として配置されてもよい。分離エレメントは、観察者の左眼又は右眼に対して交互配置された列グループの一方を常に表示する透明ストライプと、他方の眼に対してその列グループを覆う不透明ストライプである。
【００２９】
グループのホログラフィックに符号化された列は、眼の位置に応じて同一シーンの部分画像を再構成するのが好ましい。部分画像は、双方の眼で見た時にシーンの全体の再構成を形成するように構成される。
【００３０】
上述の処理ステップの実行の順序は異なってもよい。特に、集束ステップ、ホログラフィック変調ステップ及びホログラム分離ステップは入れ替えてもよい。
【００３１】
観察者に対して広い区間におけるビューウィンドウを利用可能にするために、観察者が移動した場合にそれに応じてビューウィンドウの位置が追従できるように、眼位置検出システムは、観察者の眼の水平位置、垂直位置及び好ましくは軸位置を追跡する。あるいは、符号化装置は、新しい観察者の位置に基づいて異なる透視ビューにより符号化ホログラムを変更又は再計算できるため、移動と向きの変更との少なくともいずれかがなされた観察者に対して、すなわち異なる角度から見る観察者に対して、再構成が表示される。ホログラフィック再構成が固定された空間位置で見えるように、画素アレイは、眼の位置に応じてソフトウェアを使用して再符号化されてもよい。
【００３２】
観察者の眼の垂直位置が変更される場合、ビューウィンドウは、光源の垂直移動により追跡される。
【００３３】
観察者の眼の水平位置が変更される場合、眼位置検出システムは、好ましくは画像分離手段に関して列グループを移動させることによりビューウィンドウの位置を補正する。あるいは、画像分離手段及び特に分離エレメントは、列グループに対して移動してもよい。水平線光源を使用することにより、ビューウィンドウの追跡が容易になる。
【００３４】
観察者の眼の位置が軸方向に変更される場合、光源と光集束手段との距離がその変更に応じて適応される。
【００３５】
ディスプレイの前にある観察者の眼の位置に従ってビューウィンドウを追跡することにより、ホログラフィック再構成は、常に高い再構成品質で広い区間において見えることが保証される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
次に、一実施形態を使用して、本発明による方法及び装置について更に詳細に説明する。単色光を含むホログラフィック再構成に基づいて、本発明の原理を説明する。しかし、本発明は、カラーホログラフィック再構成に対して適用されてもよいことが当業者には理解されるだろう。カラーホログラフィック再構成に適用される場合、各画素列の制御可能な画素は、空間又は時間多重化方法でカラー再構成に対して要求される原色を表示する。従って、本発明によれば、フルカラー、フルモーションホログラフィックテレビ、映画、コンピュータゲーム及び専門的なアプリケーションが三次元ビデオ再構成から利点を得ることが可能になる。
【００３７】
本発明の好適な実施形態において、３次元シーンに関する情報は透過型ホログラフィックアレイに符号化され、画素は符号化に従ってコンピュータ制御されて画素パターンを形成する。しかし、本発明の基本的な概念は、説明される透過型ホログラフィックアレイに限定されない。半透過型ホログラフィックアレイ及び反射型ホログラフィックアレイの双方や、フレデリクスセル（Freedericksz cell）等の光波の位相を直接変調するアレイが使用されてもよい。
【００３８】
図１は、集束手段２を介してホログラフィックアレイ３を照明する線光源１を示す。集束手段２は、線光源１の光をビューウィンドウ８r、８lを含むビュー平面５に撮像する水平に配置された円柱レンズである。
【００３９】
図１は、単一の小さなオブジェクトのホログラフィック符号化に関する。ホログラフィックアレイは、表示される三次元シーンを再構成する。この小さな再構成オブジェクト１１は円で示される。本発明によると、再構成オブジェクト１１のホログラフィック情報は、ホログラフィックアレイ３の２つの制限領域ＡL及びＡRにのみ符号化される。符号化領域ＡL、ＡRの範囲及び位置は、再構成オブジェクト１１が対応するビューウィンドウ８r又は８l内でのみ見えるように選択される。
【００４０】
オブジェクト１１を再構成するために、ホログラフィックアレイ３は、ホログラフィックアレイ３の制御可能な透過型画素を通過することにより空間的に光変調される光線束９及び１０を形成する画素パターンを使用して符号化される。
【００４１】
本発明によると、水平に配置された線光源１は、その直線性のために垂直方向に空間的にコヒーレントであり且つ水平方向にコヒーレントでない光を生成する。ホログラフィックアレイ３の画素は、列に構成される２つの異なるビデオホログラムのパターンを使用して符号化される。それら列は、垂直方向にのみ再構成する。再構成は、ビュー平面５のビューウィンドウ８r、８lを介して回折次数で見ることができる。光が水平方向にコヒーレントでないため、光源１は、その方向にのみ集束手段２により撮像される。
【００４２】
図１は、光束９を右眼Ｒに対してのみ見えるようにし、光束１０を左眼Ｌに対してのみ見えるようにする画像分離手段７を更に示している。
【００４３】
集束手段２及びホログラフィックアレイ３が互いに最小距離で配置されるため、それらの位置は交換されてもよい。光路に分離エレメントを有する画像分離手段７は、種々の位置に配置されてもよい。
【００４４】
光集束手段２は、図示されるような垂直集束円柱レンズ、フレネルレンズ又はレンティキュラであってもよい。
【００４５】
ホログラフィックアレイ３は、従来のＬＣＤ等の高解像度透過型フラットディスプレイのホログラフィックアレイに対応する。迂回位相符号化方法又は光の振幅を変調する同様の方法を位相関係を設定するために使用する場合、周期間隔のより大きな回折次数がホログラフィック再構成に対して使用される。更に、位相制御に必要とされる画素は、垂直方向に隣接して配置される必要がある。これは、光が水平方向に干渉を作成できないからである。フラットディスプレイにおいて通常使用される画素アレイは、水平方向に隣接して配置されるサブ画素を有する。そのため、そのようなアレイが９０°回転される必要がある。光の振幅及び位相の双方を直接変調する画素を含む画素アレイが使用されるのが好ましい。
【００４６】
図２は、本発明による装置を投影図で示し、図３は、上面図の詳細を示している。各ホログラムの垂直にコヒーレントな照明の結果、画素アレイ３の端部とビューウィンドウ８r、８lとの間にわたる錐台１２r、１２lにおいて、３次元シーンの再構成１１が生成される。図１とは異なり、図２は完全な三次元シーンのホログラフィック再構成１１を示す。再構成１１は、ホログラフィックアレイ３の前、上又は後ろに形成されてもよい。水平にコヒーレントでない照明により、各眼に対するホログラムを選択するために周知の画像分離手段を使用することが可能になるため、双方の眼で見られる時、水平視差を有するシーンの再構成が２つのホログラムにより生成される。これは、眼の距離に応じて、双方のホログラムにおいて水平視差が異なることを意味する。
【００４７】
図３に示すように、２つの１次元ビデオホログラムは、画素列１５〜１６”に構成される画素アレイ３の制御可能な画素に符号化される。ここで、列グループ１５〜１５”は、観察者の右眼Ｒに対して１次元ホログラムを再構成し、列グループ１６〜１６”は、観察者の左眼Ｌに対して同一シーンの１次元ホログラムを再構成する。説明される実施形態において、２つの列グループは水平方向に交互配置される。画像分離手段７は、画素列１５〜１６”に沿って構成され、撮像光の光路に位置する分離エレメント１７〜１９を含む。画像分離手段７が観察者の一方の眼に対して列グループ１５〜１５”を表示し、他方の眼に対して列グループ１６〜１６”を覆うようにして、交互配置が実現される。
【００４８】
空間的に交互配置されるホログラムは、透明及び不透明ストライプ１７〜１９を垂直に交互に有するバリアマスクにより分離されてもよく、マスクは、画素アレイ３の前又は後ろに配置される。透明ストライプは、右眼Ｒに対して第１の列グループ１５〜１５”を表示する。同時に、第１の列グループは、左眼Ｌに対して不透明ストライプにより覆われる。
【００４９】
図２において、矢印２０及び２１は、各列グループの単一の列１５、１６を一例として、ビュー平面５の追跡された実際のビューウィンドウ８r、８lから画素列１５及び１６に対する観察者の視界を示す。実際には、数百の画素列及び画素列グループが、３次元シーン１１の交互配置されたホログラフィック再構成を提供する。画像分離手段は、同数の分離エレメントを含む。
【００５０】
画像分離マスク７と画素アレイ３との距離（図４を参照）と、個々のストライプの間の距離（同一の幅であるのが好ましい）は、割り当てられた眼に対するビデオホログラムのみが観察者から見えるように選択される。
【００５１】
本発明の好適な実施形態によると、いくつかの隣接する画素列はグループ化され、共通の複数画素列を形成してもよい。各複数画素列は、２つのホログラムのうち一方に属し、画像分離手段７により各眼Ｒ又はＬに対する全体的なホログラムとして見えるようにされる。この場合、２つのホログラムの複数画素列は交互配置される。
【００５２】
複数画素列のホログラムを符号化することにより、クロストークの影響が減少する。観察者が水平に移動する場合、ビューウィンドウの完全な追跡により、画像の歪みは効果的に抑制される。複数画素列の画素列は、光を異なるように変調するのが好ましい。例えば、各複数画素列の２つ以上の隣接する画素列のうち１つの画素列のみが光を能動的に変調し、他の画素列は停止している。これは、それら画素列の電源が切られていることを意味する。従って、他方の眼に対するホログラムからのクロストークのない移動範囲は増加する。
【００５３】
その結果、再構成が見えない望ましい区間が２つのビューウィンドウ間に提供される。この対策がない場合、観察者は、追跡を終了するまでその区間において歪曲した再構成を見るだろう。
【００５４】
観察者が水平に移動した時、位置検出及び追跡システムが複数画素列内の個々の画素列を起動及び停止する場合、水平方向の追跡は加速される。
【００５５】
画像分離手段は、バリアマスク、その目的のために設計されたレンティキュラ又はプリズムマスクであってもよい。好適な実施形態の画像分離エレメントは、画素アレイの対応する列グループのピッチの約２倍のピッチを有する。
【００５６】
位置検出及び追跡システム（不図示）は、観察者の眼の位置を追跡し、ビューウィンドウの位置を制御する。
【００５７】
眼の水平位置の変化は、画像分離手段７の分離エレメントを移動することにより追跡される。これは、例えば制御可能な開口部を含む別の透過型画素アレイを使用して電子的に行なわれる。
【００５８】
あるいは、位置検出及び追跡システムは、画像分離手段７に関して列グループ１５〜１６”を水平に移動し、ビューウィンドウ８r、８lの位置を制御する。これは、好ましくは上述の複数画素列を再符号化することにより、電子的に行なわれてもよい。同時に各複数画素列の１つの画素列のみが光を変調するために起動されている場合、複数画素列の異なる画素列に切り替えることにより、水平追跡がサポートされる。
【００５９】
更に、双方の水平移動方法は同時に実行されてもよい。ビューウィンドウは、線光源１を垂直に移動させることにより垂直方向に制御されてもよい。光源１と円柱レンズ２との距離を変更することにより、軸位置の変更を補償してもよい。
【００６０】
観察者が移動する場合、ビューウィンドウが移動するだけではない。ホログラムの内容は観察者の移動に従って再計算及び再符号化され、割り当てられた透視ビューを適応させてもよい。
【００６１】
本発明により提案される解決策の特徴は、観察者の眼Ｒ、Ｌの各々に対して対応するビデオホログラムが同時に計算、符号化及び再構成され、それらホログラムが単一の画素アレイ３を使用して空間的に交互配置され、それら２つのホログラフィック再構成が画像分離手段７を使用して右眼及び左眼に対する各ビューウィンドウ８r、８lにおいて別個に見えるようにされてもよいことである。
【００６２】
２つのビデオホログラムは、眼の距離に対応する水平視差により特徴付けられる。これにより、三次元のシーンの厳密な印象が保証される。
【００６３】
観察者の双方の眼に対するシーンの同時ホログラフィック再構成は、自然な視界を保証するため、シーンの任意の点における観察者の眼の調節及び収束が保証され、適切な焦点合わせが提供される。
【００６４】
ビューウィンドウの垂直次元は、１つの回折次数内であり、ビデオホログラムの再構成の周期間隔を超えるべきではない。周期間隔を超える場合、観察者は、２つの隣接する回折次数の再構成の重なりを見るだろう。更に、ビューウィンドウのサイズは、位置検出及び追跡システムの位置決め精度及び速度に適応される必要がある。
【００６５】
特許文献１から分かるように、ビューウィンドウの縦のサイズを例えば１０ｍｍに意図的に狭くすることにより、要求されるディスプレイ解像度、並びに処理及び伝送されるデータのボリュームは少なくとも１／１００に減少される。
【００６６】
本発明は、ホログラム再構成に対して、ＬＣＤフラットディスプレイ等の市販されている制御可能なマトリクスを使用することを可能にする。
【００６７】
カラー符号化の場合、３原色に対する代わりのＲＧＢサブ画素は、１つの原色の３つの個々の部分ホログラムを再構成する。部分ホログラムは、カラー再構成を形成するために構成される。
【００６８】
図４は、右眼に対する重ねられた全ての光束１３及び左眼に対する光束１４を含む本発明による装置を示している。
【００６９】
本発明の主な利点は、装置が空間多重モードで稼動することである。それにより、時間多重モードと比較して二重影像周波数が可能になる。１つの画素アレイは、画像分離のために観察者により別個に見られる平行な２つのホログラフィック再構成を提供する。この方法により、中速のリフレッシュレートのホログラフィックアレイを使用できる。
【００７０】
ビューウィンドウ８r、８lは、観察者が欠陥のないホログラフィック再構成を観察できるように、少なくとも瞳孔の大きさを有するべきである。しかし、この最小サイズは追跡精度及び追跡速度に対して極端な要求をし、それは達成するには非現実的であったため、実際には、ビューウィンドウは相当大きい必要がある。しかし、ビューウィンドウの高さは、周期間隔の拡張を超えることはできない。更に、ビューウィンドウの幅を調整する必要がある。これは、画素列の幅に基づいて、横方向の拡張を画像分離手段の次元と、特に分離エレメントのピッチ及び幅と適合させることにより達成される。２つのビューウィンドウは、眼の間隔に関してそれらビューウィンドウの中心が配置される。
【００７１】
シーン再構成に対して１次元垂直再構成ホログラムを水平にコヒーレントでない光と共に使用することにより、符号化データを提供するのに要求される演算能力が非常に低減される。また、水平方向の画素アレイの解像度に対する要求は重大でないため、大面積のビデオホログラムは、広視域において殆ど労力を要さずに再構成される。それにより、観察者の眼の位置の移動が可能になる。
【００７２】
点光源と異なり、使用される線光源は、観察者が横方向に移動する時に連続的な再構成を可能にする。
【００７３】
本発明の別の利点は、従来の白色光源がレーザではなくスロットマスクと組み合わせて使用されることである。
【００７４】
本発明は、娯楽分野に対して、すなわちＴＶ、マルチメディア、ゲーム装置及びモバイルマルチメディア端末に対して適切であるとともに、医療機器及び軍事機器における３Ｄ ＣＡＤ等の商用アプリケーション、並びにディスプレイを含む多くの他の応用例に対して適切である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】ビュー平面と画像分離手段との間で２つの光束を使用する三次元シーンの再構成を示す図である（上面図）。
【図２】本発明による装置の詳細を示す図である（投影図）。
【図３】本発明による装置の詳細を示す図である（上面図）。
【図４】観察者により視認されるシーンの再構成を示す図である（上面図）。
【図１】
2008512698.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年8月9日(2007.8.9)
【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】
ビデオホログラムを符号化及び再構成する方法であって、
１つの回折次数内で３次元シーンをホログラフィックに再構成し、観察者の双方の眼（Ｒ、Ｌ）のためのビューウィンドウ（８r、８l）から前記シーンを見えるようにするために、線光源（１）により放出され、ホログラフィックアレイ（３）の電子制御可能な画素により前記ビューウィンドウ（８r、８l）を有するビュー平面（５）に変調される垂直で十分にコヒーレントな光を光垂直集束手段（２）が撮像し、
前記制御可能な画素は、各々が前記観察者の眼（Ｒ、Ｌ）のための同一シーンの２つの別個のホログラムを画素列（１５〜１６”）において符号化し、
前記ホログラムは垂直方向に１次元であり、
前記画素は、前記２つの１次元のホログラムが水平に交互配置されるように別個の列のグループ（１５〜１５”及び１６〜１６”）に配置され、
前記画素列（１５〜１６”）に平行に配置される分離エレメントを有する画像分離手段（７）は、一方の眼に対しては前記画素列（１５〜１５”又は１６〜１６”）の各々を表示し、他方の眼に対しては前記画素列を覆うことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記２つの別個のホログラムは、眼と眼の間隔の距離に基づいて水平視差を符号化する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
眼位置追跡システムが、観察者の眼の位置の局部的な変化を追跡する、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記画素列（１５〜１６”）における前記画素の前記ホログラフィック符号化を、前記眼の位置の前記変化に基づいて更新する、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記再構成シーン（１１）が、前記眼の位置が変更された場合に、固定された水平位置と垂直位置と軸位置との少なくともいずれかで前記観察者に対して表示されるように、該再構成シーン（１１）を符号化する、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記再構成シーン（１１）が、前記眼の位置の、水平の変化と、垂直の変化と、軸の変化と、の少なくともいずれかに基づいて、水平の移動と、垂直の移動と、向きの変更と、の少なくともいずれかがなされた観察者に対して表示されるように、該再構成シーン（１１）を符号化する、請求項４記載の方法。
【請求項７】
前記ビューウィンドウ（８r、８l）は、前記眼の位置が垂直に変更された場合に、前記線光源（１）を垂直に移動することにより追跡される、請求項３記載の方法。
【請求項８】
前記ビューウィンドウ（８r、８l）は、前記眼の位置が水平に変更された場合に、前記画像分離手段（７）に対して前記列のグループ（１５〜１６”）を水平に移動することにより追跡される、請求項３記載の方法。
【請求項９】
前記ビューウィンドウ（８r、８l）は、前記眼の位置が水平に変更された場合に、前記画素列（１５〜１６”）に対して前記画像分離手段（７）の前記分離エレメントを水平に移動することにより追跡される、請求項３記載の方法。
【請求項１０】
前記眼の位置が軸方向に変更された場合、それに応じて前記光源（１）と前記光集束手段（２）との距離が適応される、請求項３記載の方法。
【請求項１１】
ビデオホログラムを符号化及び再構成する装置であって、
ホログラフィックアレイ（３）に配置される制御可能な画素により光を変調した後、錐台形状の再構成空間（１２r、１２l）にシーンをホログラフィックに再構成するために、一方向に十分にコヒーレントな前記光を放出する線光源（１）と、光集束手段（２）と、を備え、
前記線光源（１）は、光が垂直方向に十分なコヒーレンスを示すように水平方向に配置され、
前記制御可能な画素は、
観察者の眼（Ｒ、Ｌ）の各々のための１つの列のグループ（１５〜１５”及び１６〜１６”）を有する画素列（１５〜１６”）において配置され、
双方の列のグループ（１５〜１５”及び１６〜１６”）が水平方向に交互配置される同一シーンの１次元垂直符号化ホログラムを有し、
一方の眼に対して前記画素列（１５〜１５”又は１６〜１６”）を開放し、他方の眼に対して前記画素列を覆う、該画素列（１５〜１６”）に平行に配置される分離エレメントを有する画像分離手段（７）が存在することを特徴とする装置。
【請求項１２】
前記ホログラムの前記再構成の間のクロストークを抑制することと、前記ビューウィンドウのサイズを調整することとの少なくともいずれかのために、複数の隣接する画素列の各々は、組み合わされて共通の複数画素列を形成し、各複数画素列は、前記画像分離手段（７）により前記眼の各々に対して全体的に選択することができる、請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
複数画素列の前記画素列は、前記光を異なるように変調する、請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
前記光集束手段（２）は、垂直集束円柱レンズ、フレネルレンズ、又はレンティキュラである、請求項１１記載の装置。
【請求項１５】
前記画像分離手段（７）は、バリアマスク、レンティキュラ、又はプリズムマスクである、請求項１１記載の装置。
【請求項１６】
前記画像分離手段（７）は、前記観察者の一方の眼に対して前記列のグループを開放する透明ストライプと、前記眼に対して他の列のグループを覆う不透明ストライプと、を有するバリアマスクである、請求項１１記載の装置。
【請求項１７】
前記バリアマスク（７）、前記プリズムマスク、又は前記レンティキュラの、前記分離エレメントのピッチは、前記制御可能な画素アレイの対応する列のグループの水平ピッチの略２倍である、請求項１５記載の装置。
【請求項１８】
前記制御可能な画素は、カラー再構成用のサブ画素、又は、前記画素が、迂回位相符号化のために他方の下に垂直に配置される、請求項１１記載の装置。
【請求項１９】
前記ビューウィンドウ（８r、８l）は、
ほぼ瞳孔のサイズを有し、
前記画像分離手段（７）の幅により各眼に対して水平方向に規定され、
前記２つのウィンドウ（８r、８l）の中心がほぼ眼の間隔となるようなウィンドウである、請求項１２記載の装置。
【請求項２０】
前記ビューウィンドウ（８r、８l）は、１つの回折次数（６）の周期間隔より大きくないが、瞳孔より小さくない、垂直の拡張を有する、請求項１２記載の装置。
【国際調査報告】
2008512698.tif 000007
2008512698.tif 000008
2008512698.tif 000009