(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間スペクトラム平行採集装置、空間スペクトラムホログラフィ符号化装置及び離散空間スペクトラム復原装置を含み、
前記空間スペクトラム平行採集装置は、
光軸が平行であるM*N個のイメージングパラメータが一致するレンズを有し、三次元表示しようとする物体Oに対してM*N個の空間スペクトラム画像Imnをサンプリング採集するための情報採集レンズアレイプレートであって、MとNが1よりも大きい整数であり、m=1〜Mであり、n=1〜Nであり、空間サンプリング角ωmnがωmn=d1/l1であり，d1が各レンズの間の中心ピッチであり、l1が前記情報採集レンズアレイプレートと前記物体Oとの間の距離である情報採集レンズアレイプレートと、
前記情報採集レンズアレイプレートの前記物体Oと反対する側に設けられ、M*N個の感光素子を有し、各レンズの採集した空間スペクトラム画像Imnを記録するための感光素子アレイであって、各感光素子の解像度が予め設定された前記物体Oの物体空間におけるボクセルHjkの数J*K以上であり、JとKが1よりも大きい整数であり、前記空間スペクトラム画像ImnがImn（j，k）で示され、j=1〜J、k=1〜Kである感光素子アレイと、を含み、
前記空間スペクトラムホログラフィ符号化装置はM*N個の空間スペクトラム画像Imn（j，k）をホログラフィ符号化し、前記物体Oの1つのボクセルHjkに対して、前記ボクセルHjkのホログラフィ符号化画像として、それぞれの空間スペクトラム画像Imn（j，k）における第（j，k）画素Pmnjkを1つのM*Nアレイ画像Sjkに順次に組み合わせ、このように前記物体OのJ*K個のボクセルの空間スペクトラムホログラフィ符号化画像Sjk（m，n）を取得し、
前記離散空間スペクトラム復原装置は、
適合にスケーリング処理されたJ*K個の空間スペクトラムホログラフィ符号化画像Sjk（m，n）を表示し、解像度がM*N*J*K以上であるフラットパネルディスプレイと、
光軸が平行であるJ*K個のイメージングパラメータが一致するレンズを有し、前記フラットパネルディスプレイにおける各空間スペクトラム符号化画像Sjk（m，n）を前記物体Oの離散空間スペクトラム画像Imn（j，k）からなる三次元イメージングO'に復原するための情報復原レンズアレイプレートと、
前記情報復原レンズアレイプレートの前記フラットパネルディスプレイと反対する側に設けられ、規則的に分布された微細空間構造を有することにより、ホログラフィ機能スクリーンに入射された空間スペクトラムホログラフィ符号化画像Sjk（m，n）のそれぞれに、1つの対応する出力を広げる空間を提供し、各空間スペクトラムホログラフィ符号化画像Sjk（m，n）の広がり角が前記空間サンプリング角ωmnであることにより、離散された各空間スペクトラム符号化画像Sjk（m，n）を重合することなく互いに接合させ、全体的且つ連続的な空間スペクトラム出力を形成するホログラフィ機能スクリーンと、を含み、
前記空間サンプリング角ωmnがωmn=d1/l1=d2/l2であり、d2が前記情報復原レンズアレイプレートの各レンズの間の中心ピッチであり、l2が前記情報復原レンズアレイプレートと前記ホログラフィ機能スクリーンとの間の距離であるホログラフィ三次元表示システム。
【請求項２】
前記情報採集レンズアレイプレートと前記感光素子との間に設けられた情報採集視野絞りを更に含み、それにより前記情報採集レンズアレイプレートの各レンズ同士間のイメージング干渉を除去又は減少する請求項1に記載のホログラフィ三次元表示システム。
【請求項３】
前記情報復原レンズアレイプレートと前記フラットパネルディスプレイとの間に設けられた情報復原視野絞りを更に含み、それにより前記情報復原レンズアレイプレートの各レンズ同士間のイメージング干渉を除去又は減少する請求項1または2に記載のホログラフィ三次元表示システム。
【請求項４】
前記情報採集レンズアレイプレートの各レンズと前記情報復原レンズアレイプレートの各レンズとは視野角Ωが等しく、tan（Ω/2）=a1/2f1=a2/2f2であり、a1が前記情報採集レンズアレイプレートの各レンズの孔径であり、f1が前記情報採集レンズアレイプレートの各レンズの焦点距離であり、a2が前記情報復原レンズアレイプレートの各レンズの孔径であり、f2が前記情報復原レンズアレイプレートの各レンズの焦点距離である請求項1〜3のいずれか一項に記載のホログラフィ三次元表示システム。
【請求項５】
前記ホログラフィ機能スクリーンと前記情報採集レンズアレイプレートとの距離が前記物体Oのボクセルの位置する物体空間における参照面PRと前記物体Oとの距離、又は前記参照面PRと前記物体Oとの距離の拡大又は縮小に等しい請求項1〜4のいずれか一項に記載のホログラフィ三次元表示システム。
【請求項６】
前記情報採集レンズアレイプレートの中心に、前記物体Oのパノラマを採集できるレンズを少なくとも1個有する請求項1〜5のいずれか一項に記載のホログラフィ三次元表示システム。
【請求項７】
前記情報復原レンズアレイプレートの各レンズはハニカム状のアレイ配列である請求項1〜6のいずれか一項に記載のホログラフィ三次元表示システム。
【請求項８】
空間スペクトラム平行採集過程、空間スペクトラムホログラフィ符号化過程及び離散空間スペクトラム復原過程を含み、
前記空間スペクトラム平行採集過程は、
情報採集レンズアレイプレートにより三次元表示しようとする物体Oに対してM*N個の空間スペクトラム画像Imnをサンプリング採集するステップであって、前記情報採集レンズアレイプレートは光軸が平行であるM*N個のイメージングパラメータが一致するレンズを有し、MとNが1よりも大きい整数であり、m=1〜Mであり、n=1〜Nであり、その空間サンプリング角ωmnがωmn=d1/l1であり、d1が各レンズの間の中心ピッチであり、l1が前記情報採集レンズアレイプレートと前記物体Oとの間の距離であるステップと、
感光素子アレイにより各レンズの採集した空間スペクトラム画像Imnを記録するステップであって、前記感光素子が前記情報採集レンズアレイプレートの前記物体Oと反対する側に設けられ、M*N個の感光素子を有し、各感光素子の解像度が予め設定された前記物体Oの物体空間におけるボクセルHjkの数J*K以上であり、JとKが1よりも大きい整数であり、前記空間スペクトラム画像ImnがImn（j，k）で示され、j=1〜J、k=1〜Kであるステップと、を含み、
前記空間スペクトラムホログラフィ符号化過程は、M*N個の空間スペクトラム画像Imn（j，k）をホログラフィ符号化するステップを含み、前記物体Oの1つのボクセルHjkに対して、前記ボクセルHjkのホログラフィ符号化画像として、それぞれの空間スペクトラム画像Imn（j，k）における第（j，k）画素Pmnjkを1つのM*Nアレイ画像Sjkに順次に組み合わせ、このように前記物体OのJ*K個のボクセルの空間スペクトラムホログラフィ符号化画像Sjk（m，n）を取得し、
前記離散空間スペクトラム復原過程は、
フラットパネルディスプレイにより適合にスケーリング処理されたJ*K個の空間スペクトラムホログラフィ符号化画像Sjk（m，n）を表示するステップであって、前記フラットパネルディスプレイの解像度がM*N*J*K以上であるステップと、
情報復原レンズアレイプレートにより前記フラットパネルディスプレイにおける各空間スペクトラム符号化画像Sjk（m，n）を前記物体Oの離散空間スペクトラム画像Imn（j，k）からなる三次元イメージングO'に復原するステップであって、前記情報復原レンズアレイプレートは光軸が平行であるJ*K個のイメージングパラメータが一致するレンズa2を有するステップと、
前記情報復原レンズアレイプレートの前記フラットパネルディスプレイと反対する側に設けられ、規則的に分布された微細空間構造を有するホログラフィ機能スクリーンにより、前記ホログラフィ機能スクリーンに入射された各空間スペクトラムホログラフィ符号化画像Sjk（m，n）のそれぞれに、1つの対応する出力を広げる空間を提供し、各空間スペクトラムホログラフィ符号化画像Sjk（m，n）の広がり角が前記空間サンプリング角ωmnであることにより、離散された各空間スペクトラム符号化画像Sjk（m，n）を重合することなく互いに接合させ、全体的且つ連続的な空間スペクトラム出力を形成するステップと、を含み、
前記空間サンプリング角ωmnがωmn=d1/l1=d2/l2であり、d2が前記情報復原レンズアレイプレートの各レンズの間の中心ピッチであり、l2が前記情報復原レンズアレイプレートと前記ホログラフィ機能スクリーンとの間の距離であるホログラフィ三次元表示方法。
【請求項９】
前記情報採集レンズアレイプレートと前記感光素子との間の情報採集視野絞りにより、前記情報採集レンズアレイプレートの各レンズの間のイメージング干渉を除去又は減少するステップを更に含む請求項8に記載のホログラフィ三次元表示方法。
【請求項１０】
前記情報復原レンズアレイプレートと前記フラットパネルディスプレイとの間の情報復原視野絞りにより、前記情報復原レンズアレイプレートの各レンズの間のイメージング干渉を除去又は減少するステップを更に含む請求項8または9に記載のホログラフィ三次元表示方法。
【請求項１１】
前記情報採集レンズアレイプレートの各レンズと前記情報復原レンズアレイプレートの各レンズとは視野角Ωが等しく、tan（Ω/2）=a1/2f1=a2/2f2であり、a1が前記情報採集レンズアレイプレートの各レンズの孔径であり、f1が前記情報採集レンズアレイプレートの各レンズの焦点距離であり、a2が前記情報復原レンズアレイプレートの各レンズの孔径であり、f2が前記情報復原レンズアレイプレートの各レンズの焦点距離である請求項8〜10のいずれか一項に記載のホログラフィ三次元表示方法。
【請求項１２】
前記ホログラフィ機能スクリーンと前記情報復原レンズアレイプレートとの距離は、前記物体Oのボクセルの位置する物体空間における参照面PRと前記物体Oとの距離、又は前記参照面PRと前記物体Oとの距離の拡大又は縮小に等しい請求項8〜11のいずれか一項に記載のホログラフィ三次元表示方法。
【請求項１３】
前記情報採集レンズアレイプレートの中心に、前記物体Oのパノラマを採集できるレンズを少なくとも1個有する請求項8〜12のいずれか一項に記載のホログラフィ三次元表示方法。
【請求項１４】
前記情報復原レンズアレイプレートの各レンズは、ハニカム状のアレイ配列である請求項8〜13のいずれか一項に記載のホログラフィ三次元表示方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はホログラフィ三次元表示システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
集積撮影技術（APPLIED OPTICS/Vol.52, No.4/1 February 2013）は、理論的には理想的な三次元光フィールド（light field）の採集及び表示技術であるが、マイクロレンズアレイのイメージング品質とそれによって表示可能な三次元画像の解像度との固有の矛盾は克服し難く、即ち、高解像度三次元表示はより細かなサイズのマイクロレンズアレイを必要とするが、マイクロレンズが小さすぎると、各レンズのサブ画像イメージング品質を保証し難いので、今まで満足できる本当の三次元表示結果を取得し難い。WO2010/072065、WO2010/072066及びWO2010/072067には、リアルタイムカラーホログラフィ三次元表示システム及び方法が開示され、デジタルホログラフィ原理を利用して、一般的な撮影-投影装置アレイシステム及びホログラフィ機能スクリーンにより、肉眼可視な完璧で本当の三次元表示を実現する。しかし、実際の操作過程において、各単一の撮影-投影設備のイメージング品質に対するマッチングと制御、及びアレイ撮影-投影装置のアンカー及びキャリブレーションは、システムの集積化に困難をもたらし、また、撮影-プロジェクターの大量使用により必ずシステムの製造コストの増加を引き起こし、一般的な消費者に受け入れられ難い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の主な目的は従来技術の不足に対して、ホログラフィ三次元表示システム及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を実現するために、本発明は以下の技術的手段を採用する。
ホログラフィ三次元表示システムは、空間スペクトラム平行採集装置、空間スペクトラムホログラフィ符号化装置及び離散空間スペクトラム復原装置を含む。
【０００５】
前記空間スペクトラム平行採集装置は、
光軸が平行であるM*N個のレンズを有し、三次元表示しようとする物体Oに対してM*N個の空間スペクトラム画像Imnをサンプリング採集するための情報採集レンズアレイプレートであって、MとNが1よりも大きい整数であり、m=1〜Mであり、n=1〜Nであり、その空間サンプリング角がωmn=d1/l1であり、d1が各レンズの間の中心ピッチであり、l1が前記情報採集レンズアレイプレートと前記物体Oとの間の距離である情報採集レンズアレイプレートと、
前記情報採集レンズアレイプレートの前記物体と反対する側に設けられ、M*N個の感光素子を有し、各レンズの採集した空間スペクトラム画像Imnを記録するための感光素子アレイであって、各感光素子の解像度は予め設定された前記物体Oの物体空間におけるボクセルHjkの数J*K以上であり、JとKが1よりも大きい整数であり、前記空間スペクトラム画像ImnがImn（j，k）で示され、j=1〜J、k=1〜Kである感光素子アレイと、を含み、
前記空間スペクトラムホログラフィ符号化装置はM*N個の空間スペクトラム画像Imn（j，k）をホログラフィ符号化し、前記物体Oの1つのボクセルHjkに対して、前記ボクセルHjkのホログラフィ符号化画像として、それぞれの空間スペクトラム画像Imn（j，k）における第（j，k）画素Pmnjkを1つのM*Nアレイ画像Sjkに順次に組み合わせ、このように前記物体OのJ*K個のボクセルの空間スペクトラムホログラフィ符号化画像Sjk（m，n）を取得し、
前記離散空間スペクトラム復原装置は、
適合にスケーリング処理されたJ*K個の空間スペクトラムホログラフィ符号化画像Sjk（m，n）を表示し、解像度がM*N*J*K以上であるフラットパネルディスプレイと、
光軸が平行であるJ*K個のイメージングパラメータが一致するレンズを有し、前記フラットパネルディスプレイにおける各空間スペクトラム符号化画像Sjk（m，n）を前記物体Oの離散空間スペクトラム画像Imn（j，k）からなる三次元イメージングO'に復原するための情報復原レンズアレイプレートと、
前記情報復原レンズアレイプレートの前記フラットパネルディスプレイと反対する側に設けられ、前記ホログラフィ機能スクリーンが規則的に分布された微細空間構造を有することにより、前記ホログラフィ機能スクリーンに入射された空間スペクトラムホログラフィ符号化画像Sjk（m，n）のそれぞれに、1つの対応する出力を広げる空間を提供し、各空間スペクトラムホログラフィ符号化画像Sjk（m，n）の広がり角が前記空間サンプリング角ωmnであることにより、離散された各空間スペクトラム符号化画像Sjk（m，n）を重合することなく互いに接合させ、全体的且つ連続的な空間スペクトラム出力を形成するホログラフィ機能スクリーンと、を含み、
前記空間サンプリング角ωmn=d1/l1=d2/l2であり、d2が前記情報復原レンズアレイプレートの各レンズの間の中心ピッチであり、l2が前記情報復原レンズアレイプレートと前記ホログラフィ機能スクリーンとの間の距離である。
【０００６】
更に、前記のホログラフィ三次元表示システムは前記情報採集レンズアレイプレートと前記感光素子との間に設けられた情報採集視野絞りを更に含み、それにより前記情報採集レンズアレイプレートの各レンズ同士間のイメージング干渉を除去又は減少する。
【０００７】
更に、前記のホログラフィ三次元表示システムは前記情報復原レンズアレイプレートと前記フラットパネルディスプレイとの間に設けられた情報復原視野絞りを更に含み、それにより前記情報復原レンズアレイプレートの各レンズ同士間のイメージング干渉を除去又は減少する。
【０００８】
更に、前記情報採集レンズアレイプレートの各レンズと前記情報復原レンズアレイプレートの各レンズとは視野角Ωが等しく、tan（Ω/2）=a1/2f1=a2/2f2であり、a1が前記情報採集レンズアレイプレートの各レンズの孔径であり、f1が前記情報採集レンズアレイプレートの各レンズの焦点距離であり、a2が前記情報復原レンズアレイプレートの各レンズの孔径であり、f2が前記情報復原レンズアレイプレートの各レンズの焦点距離である。
【０００９】
更に、前記ホログラフィ機能スクリーンと前記情報採集レンズアレイプレートとの距離が前記物体Oのボクセルの位置する物体空間における参照面PRと前記物体Oとの距離、又は前記参照面PRと前記物体Oとの距離の拡大又は縮小に等しい。
【００１０】
更に、前記情報採集レンズアレイプレートの中心に、前記物体のパノラマを採集できるレンズを少なくとも1個有する。
更に、前記情報復原レンズアレイプレートの各レンズはハニカム状のアレイ配列である。
【００１１】
ホログラフィ三次元表示方法は、空間スペクトラム平行採集過程、空間スペクトラムホログラフィ符号化過程及び離散空間スペクトラム復原過程を含み、
前記空間スペクトラム平行採集過程は、
情報採集レンズアレイプレートにより三次元表示しようとする物体Oに対してM*N個の空間スペクトラム画像Imnをサンプリング採集するステップであって、前記情報採集レンズアレイプレートは光軸が平行であるM*N個のイメージングパラメータが一致するレンズを有し、MとNが1よりも大きい整数であり、m=1〜Mであり、n=1〜Nであり、その空間サンプリング角がωmn=d1/l1であり、d1が各レンズの間の中心ピッチであり、l1が前記情報採集レンズアレイプレートと前記物体Oとの間の距離であるステップと、
感光素子アレイにより各レンズの採集した空間スペクトラム画像Imnを記録するステップであって、前記感光素子が前記情報採集レンズアレイプレートの前記物体と反対する側に設けられ、M*N個の感光素子を有し、各感光素子の解像度が予め設定された前記物体Oの物体空間におけるボクセルHjkの数J*K以上であり、JとKが1よりも大きい整数であり、前記空間スペクトラム画像ImnがImn（j，k）で示され、j=1〜J、k=1〜Kであるステップと、を含み、
前記空間スペクトラムホログラフィ符号化過程は、M*N個の空間スペクトラム画像Imn（j，k）をホログラフィ符号化するステップを含み、前記物体Oの1つのボクセルHjkに対して、前記ボクセルHjkのホログラフィ符号化画像として、それぞれの空間スペクトラム画像Imn（j，k）における第（j，k）画素Pmnjkを1つのM*Nアレイ画像Sjkに順次に組み合わせ、このように前記物体OのJ*K個のボクセルの空間スペクトラムホログラフィ符号化画像Sjk（m，n）を取得し、
前記離散空間スペクトラム復原過程は、
フラットパネルディスプレイにより適合にスケーリング処理されたJ*K個の空間スペクトラムホログラフィ符号化画像Sjk（m，n）を表示するステップであって、前記フラットパネルディスプレイ解像度がM*N*J*K以上であるステップと、
情報復原レンズアレイプレートにより前記フラットパネルディスプレイにおける各空間スペクトラム符号化画像Sjk（m，n）を前記物体Oの離散空間スペクトラム画像Imn（j，k）からなる三次元イメージングO'に復原するステップであって、前記情報復原レンズアレイプレートは光軸が平行であるJ*K個のイメージングパラメータが一致するレンズa2を有するステップと、
前記情報復原レンズアレイプレートの前記フラットパネルディスプレイと反対する側に設けられ、規則的に分布された微細空間構造を有するホログラフィ機能スクリーンにより、前記ホログラフィ機能スクリーンに入射された空間スペクトラムホログラフィ符号化画像Sjk（m，n）のそれぞれに、1つの対応する出力を広げる空間を提供し、各空間スペクトラムホログラフィ符号化画像Sjk（m，n）の広がり角が前記空間サンプリング角ωmnであることにより、離散された各空間スペクトラム符号化画像Sjk（m，n）を重合することなく互いに接合させ、全体的且つ連続的な空間スペクトラム出力を形成するステップと、を含み、
前記空間サンプリング角ωmn=d1/l1=d2/l2であり、d2が前記情報復原レンズアレイプレートの各レンズの間の中心ピッチであり、l2が前記情報復原レンズアレイプレートと前記ホログラフィ機能スクリーンとの間の距離である。
【００１２】
更に、前記のホログラフィ三次元表示方法は、前記情報採集レンズアレイプレートと前記感光素子との間の情報採集視野絞りにより、前記情報採集レンズアレイプレートの各レンズの間のイメージング干渉を除去又は減少するステップを更に含む。
【００１３】
更に、前記のホログラフィ三次元表示方法は、前記情報復原レンズアレイプレートと前記フラットパネルディスプレイとの間の情報復原視野絞りにより、前記情報復原レンズアレイプレートの各レンズの間のイメージング干渉を除去又は減少するステップを更に含む。
【００１４】
更に、前記情報採集レンズアレイプレートの各レンズと前記情報復原レンズアレイプレートの各レンズとは視野角Ωが等しく、tan（Ω/2）=a1/2f1=a2/2f2であり、a1が前記情報採集レンズアレイプレートの各レンズの孔径であり、f1が前記情報採集レンズアレイプレートの各レンズの焦点距離であり、a2が前記情報復原レンズアレイプレートの各レンズの孔径であり、f2が前記復原レンズアレイプレートの各レンズの焦点距離である。
【００１５】
更に、前記ホログラフィ機能スクリーンと前記情報復原レンズアレイプレートとの距離は前記物体Oのボクセルの位置する物体空間における参照面PRと前記物体Oとの距離、又は前記参照面PRと前記物体Oとの距離の拡大又は縮小に等しい。
【００１６】
更に、前記情報採集レンズアレイプレートの中心に前記物体のパノラマを採集できるレンズを少なくとも1個有する。
更に、前記情報復原レンズアレイプレートの各レンズがハニカム状のアレイ配列である。
【００１７】
本発明は、レンズアレイ及びホログラフィ機能スクリーンを利用して、集積撮影技術におけるマイクロレンズアレイのイメージング品質とその表示可能な三次元画像の解像度との固有の矛盾を効果的に克服し、三次元空間情報のホログラフィ符号化及びホログラフィ表示を実現し、肉眼可視な完璧の本当の三次元表示を実現し、WO2010/072067における各撮影-投影装置が無限遠にアンカーされていることに相当する。1つの重要な点は、フラットパネルディスプレイの平面画素情報（J*K*M*N）を合理的に利用し、離散空間スペクトラム画像情報Imnをホログラフィ符号化により離散空間スペクトラムホログラフィ符号化画像Sjkに変換し、対応するレンズアレイを利用してその離散空間スペクトラムを復原し、更にWO2010/072067におけるホログラフィ機能スクリーンにより、サンプリング角がωmnの離散空間スペクトラム広がりを実現し、それにより元の三次元空間の全体的な空間スペクトラムの復原を実現することである。
【００１８】
1）採集した空間スペクトラム画像Imnを利用して元の空間のあるボクセルHjkの空間スペクトラムデジタルホログラフィコードSjkを取得し、「スペクトラム‐画像座標変換」を効果的に実現することができ、従来の集積撮影の擬似視覚欠陥を根本的に解決し、元の空間の離散空間スペクトラムの復原を完璧に実現する。
【００１９】
2）該符号化はいかなる形式の三次元復原システムにも適用でき、生成したホログラフィ符号化画像Sjk（m，n）はレンズアレイイメージングに直接に応用されることができ、又はフーリエ変換ホログラムの（hagel）入力として点ごとに三次元画像印刷を行う。
【００２０】
3）空間スペクトラムホログラフィ符号化画像Sjkに対する簡単なスケーリングを行うことにより、ボクセルHjkのサイズを任意に変更して三次元物体の拡大又は縮小表示を実現することができる。
【００２１】
4）表示しようとする三次元空間の具体的な要求（例えば、解像度、被写界深度、観察角度等）に基づいて該空間を完璧に回復することに必要とする最大空間スペクトラムサンプリング角ωmnを設計することができ、それにより最少の空間スペクトラム数（M，N）で表示しようとする三次元空間を完璧に回復する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図1は本発明の一実施例の空間スペクトラム平行採集の模式図である。
【図２】図2はWO2010/072065、WO2010/072066及びWO2010/072067におけるアンカー採集された空間スペクトラム画像模式図であり、参照点Rの各空間スペクトラム画像における位置は同じである。
【図３】図3は本発明の一実施例の平行採集した空間スペクトラム画像の模式図であり、参照点Rmnは図2に対して位相因子δmnだけ平行移動した。
【図４】図4は本発明の一実施例のボクセルHjkのホログラフィ符号化画像Sjkの模式図である。
【図５】図5は本発明の一実施例の三次元物体Oの全体的な離散空間スペクトラム符号化の模式図である。
【図６】図6は本発明の一実施例の離散空間スペクトラム復原の模式図である。
【図７】図7は本発明の一実施例のホログラフィ機能スクリーン復号化再現の模式図である。
【図８】図8は本発明の一実施例のレンズ配列の模式図である。
【図９】図9は本発明の一応用実施例におけるホログラフィ空間スペクトラムの模式図である。
【図１０】図10は本発明の一応用実施例の三次元表示を上、下、左、右の各方向から撮影した写真である。
【図１１】図11は本発明の実施例のホログラフィ三次元表示システムの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳しく説明する。本発明には既に記述されたが、本発明の実施例を具体的に説明するとともに理解しやすいために以下の実施例を提供する。当業者にとって、本文に記載された本発明の開示内容に基づいて、このように記載されたこれらの実施例にいくつかの変更及び修正を行うことができるが、これらの変更及び修正は本発明の精神又は範囲から逸脱していないことが自明である。
【００２４】
図1、図7及び図11を参照して、本発明の実施例により、ホログラフィ三次元表示システムは、空間スペクトラム平行採集装置100、空間スペクトラムホログラフィ符号化装置200及び離散空間スペクトラム復原装置300を含む。
【００２５】
図1は、空間スペクトラム平行採集装置が空間スペクトラム情報採集を行うことを示す。空間スペクトラム平行採集装置は情報採集レンズアレイプレートL1と感光素子アレイSを含む。情報採集レンズアレイプレートL1はM*N個のイメージングパラメータが一致する小さなレンズからなるレンズアレイプレートであり、各レンズの光軸が平行である。各レンズの孔径がa1であり、焦点距離がf1であり、中心ピッチがd1であり、各レンズの視野角（FOV）がΩであり、tan（Ω/2）=a1/2f1を満たす。各単一のレンズの有効視野角Ω内にある三次元物体Oについて、各レンズの採集した空間スペクトラム情報Imn（m=1〜Mであり、n=1〜Nである）は、WO2010/072065、WO2010/072066及びWO2010/072067における記述に相当し、そのサンプリング角はωmn=d1/l1で示されることができ、ここで、l1は情報採集レンズアレイプレートL1と物体Oとの間の距離である。
【００２６】
感光素子アレイSとして、カラーフィルム、CCD、CMOS等を採用することができる。感光素子アレイSは、レンズプレートL1の後焦点面付近の、レンズプレートからl1'離間する箇所に設けられることができ、それにより各レンズの採集した空間スペクトラム情報Imn（j，k）を記録し、l1とl1'は各単レンズの物像共役関係にある。各感光素子の解像度は、予め設定された前記物体Oの物体空間におけるボクセルHjkの数J*K以上であり、JとKが1よりも大きい整数であり、j=1〜J、k=1〜Kである。物体Oと対応する物体空間ボクセルがHjkであり、即ち、採集した三次元物体OがJ*K個のボクセル（Hoxel）Hjkからなる。Hjkボクセルの位置する参照面PRと物体Oとの距離がl3であり、参照点Rが参照面の中心位置にある。各レンズで取得した情報が感光素子アレイSにおける互いに干渉することを防止するために、感光素子アレイSと情報採集レンズアレイプレートL1との間に視野絞りM1を設けることができ、それにより各単レンズイメージングImnが互いに干渉しないことを保証する。
【００２７】
従来の集積撮影に比べて、ここで、レンズアレイはマイクロレンズアレイに制限されておらず、その孔径a1の大きさは、クリアな空間スペクトラムを採集できる程度にすれば良い。クリアな空間スペクトラムとは、普通の撮影画像における各画素がいずれも撮影された三次元空間におけるあるクリア点に対応できるものである。これは普通の撮影の「被写界深度」の概念と同じであり、即ち、孔径が小さいほど、撮影された写真「被写界深度」が大きい。この観点から、孔径a1が小さいほど、採集可能な空間スペクトラムはクリアである。しかし、孔径a1が一定の程度まで小さくなると、孔径の回折効果の影響により、識別可能な最小距離が増大し、即ち、イメージング品質が大幅に低下し、これも従来の集積撮影が満足できる結果を取得できない根本的な原因である。また、レンズの孔径a1と焦点距離f1により各単一のレンズの視野角Ωが決定され、Ωが大きいほど採集可能な三次元目標のシーン範囲が大きい。WO2010/072065、WO2010/072066及びWO2010/072067において、アンカー採集により、それぞれのレンズがいずれも該三次元目標パノラマの空間スペクトラムを採集でき、本実施例の平行採集において、被採集目標のシーンが固有視野角Ωで分割されるため、レンズは該三次元目標パノラマの空間スペクトラムを採集できない可能性がある。本実施例において、レンズアレイ中心（M/2，N/2）の付近に、物体O（j，k）のパノラマを採集できるレンズを少なくとも1個有する。
【００２８】
図2、図3に示すように、WO2010/072065、WO2010/072066及びWO2010/072067に開示されたアンカー採集に比べて、各空間スペクトラム画像はI（M/2）（N/2）（j，k）が完全に同じである以外、他の各画像は元のアンカー採集された各空間スペクトラム画像Imn（j，k）がスペクトラム平面Sにおいて位相因子δmnだけ平行移動された後、視野絞りM1で分割されることに相当し、それにより、元の物体Oの参照点Rmnが各レンズのイメージング復原後、依然として元の空間の同様の位置に重なることになり、Rmnは参照点Rの各空間スペクトラム画像Imnにおける対応座標である。該位相因子δmnは本発明の平行採集の固有性質であり、アンカー採集平行再生又は平行採集アンカー放送再生における、空間スペクトラム画像の座標平行移動の根拠とすることができる。
【００２９】
図4〜図5は、空間スペクトラムホログラフィ符号化装置、例えばコンピュータ（未図示）により、図1の採集した画素がJ*KであるM*N個の空間スペクトラム画像Imn（j，k）をホログラフィ符号化し、J*K枚の空間スペクトラムホログラフィ符号化画像Sjk（m，n）を取得することを示す。具体的な操作として、Imn（j,k）における第（j，k）画素Pmnjkを、図4に示すように、それぞれ図1における物体空間のあるボクセルHjkに充填することにより、該ボクセルの空間スペクトラムホログラフィ符号化画像Sjkを取得する。
【００３０】
図1に示すように、採集レンズアレイが物体Oの右側から空間スペクトラムを採集する従来の集積撮影の基本的な原理は、採集した空間スペクトラム画像を元のレンズプレートにより該物体に復原するため、左側から復原された物体を観察する場合、見られたのは擬似視覚画像であり、即ち、立体視関係は元の物体と反対する。我々は、物体Oの左側に基準面PRを確立し、情報符号化後、基準面PRから回復された三次元空間はちょうど元の擬似視覚画像を反転し、即ち、正面視の復原画像を見ることができ、その立体視関係は元の物体と同じである。したがって、図1の採集した空間スペクトラム画像Imnを利用して元の空間のあるボクセルHjkの空間スペクトラムホログラフィ符号化画像Sjkを取得することにより、「スペクトラム‐画像座標変換」を効果的に実現し、従来の集積撮影の擬似視覚欠陥を根絶することができる。「スペクトラム‐画像座標変換」の意味は、元のM*N個の空間スペクトラム画像が元の物体のM*N個の方向の空間スペクトラムとして表現されることができ、空間スペクトラムホログラフィ符号化画像Sjkはこれらの図要素が復元空間におけるボクセルコードであり、即ち、各ボクセルHjkは元の物体の空間の各方向における情報Sjkを含むと解釈することができる。
【００３１】
図5に示すように、図1における各ボクセルHjkに対応して、図4に示すJ*K個の空間スペクトラムホログラフィ符号化画像Sjkを簡単にスケーリング処理した後、フラットパネルディスプレイDに表示し、該フラットパネルディスプレイDの解像度がM*N*J*K以上であり、それにより該フラットパネルディスプレイDに全体的な離散空間スペクトラム符号化パターンを表示する。
【００３２】
図6〜図7に示すように、離散空間スペクトラム復原装置はフラットパネルディスプレイD、情報復原レンズアレイプレートL2及びホログラフィ機能スクリーンHFSを含む。図6は離散空間スペクトラム復原装置が離散空間スペクトラムを復原することを示す。フラットパネルディスプレイDの前から距離l2'離れた箇所に情報復原レンズアレイプレートL2が設けられている。情報復原レンズアレイプレートL2はJ*K個のイメージングパラメータが一致する小さなレンズからなるアレイレンズプレートであり、各レンズの孔径がa2であり、中心ピッチがd2（それはちょうど復原しようとするボクセルHjkのサイズである）である。Dと情報復原レンズアレイプレートL2との間に、同様に視野絞りM2を設けることにより各単一のレンズイメージング同士の干渉を避ける。
【００３３】
好ましくは、情報復原レンズアレイプレートL2の各レンズの視野角（FOV）と情報採集レンズアレイプレートL1の各レンズの視野角は同様にΩである。視野角が同じではないと、復原された三次元空間に歪みが生じることがある。フラットパネルディスプレイDにおける各空間スペクトラム符号化情報Sjk（m，n）は、情報復原レンズアレイプレートL2によって元の三次元物体Oの離散空間スペクトラムImn（j，k）からなる三次元イメージングO'に投射復原され、ボクセルHjk'の数がJ'*K'に変換される。J'*K'の大きさは、1.Sjkにおける各画素の大きさがΔD、即ち、フラットパネルディスプレイの画素大きさであり、2.Sjkが情報復原レンズアレイプレートL2における小さなレンズでイメージングされた後、サイズがM倍拡大され、対応ボクセルの大きさがMΔDであり、3.フラットパネルディスプレイの長さと幅はそれぞれaとbであると仮定すると、J'=a/MΔD、K'=b/MΔDであるという要素で決定される。J'*K'の大きさは、J*Kと直接な関係がなく、ボクセルHjkが空間のM*N個の方向において投射された空間スペクトラム符号化画像Sjkの積み重ねからなる最終ボクセルHjk'のディスプレイのa*b面積における数、即ち、最終ホログラフィ表示のボクセル解像度であることが分かる。同様に、従来の集積撮影に比べて、この情報復原レンズアレイプレートL2はマイクロレンズアレイを必要とせず、各空間スペクトラムホログラフィ符号化画像Sjk（m，n）をクリアに復原できることに基づき、各レンズ孔径a2の大きさが決定され、ΔDを識別するとともにクリアにイメージングすることができるが、孔径a2が小さすぎることによるスペックルノイズをを防止すべきである。また、原則的に、各単一のレンズの視野角Ωが大きいほど、クリアに識別することができる離散空間スペクトラム数（M,N）が多くなり、復原できる三次元物体の視野角が大きい。
【００３４】
図7に示すように、情報復原レンズアレイプレートL2からの距離がl2である位置O'に、WO2010/072065、WO2010/072066及びWO2010/072067に開示された対応するホログラフィ機能スクリーンを設け、各入力空間スペクトラムSjkに対する広がり角がちょうど図1に示す空間サンプリング角ωmnであり、即ち、各離散空間スペクトラムコードSjkを重合することなく互いに接合させ（各レンズのエッジ特徴がちょうどぼやけて全体的に明るい背景になっている）、全体的且つ連続的な空間スペクトラム出力を形成し、肉眼は視野角Ω内において、HFSによってO'のホログラフィ本当の三次元イメージングを観察することができる。ボクセルHjk'の大きさはちょうどSjk（m，n）の各画素の対応する拡大である。
【００３５】
図1と図7に示すように、空間サンプリング角ωmn=d1/l1=d2/l2である。図7において、l2とl2'の関係は情報復原レンズアレイプレートL2における各小さなレンズの物像共役関係である。図6、7において情報復原レンズアレイプレートL2とホログラフィ機能スクリーン位置O'との距離l2は、図1における参照面PRと物体Oとの距離l3と等しく（ここでいう等しいとは、ホログラフィ機能スクリーンの位置O'が厳密な意味で該距離の位置にあることを要求せず、ホログラフィ機能スクリーンがその付近に位置しても復号化することができ、ただ画像平面に変化が発生する）、又は参照面PRと物体Oとの距離l3の拡大又は縮小である（即ち図1における物体が拡大又は縮小された後に対応する距離l3）。
【００３６】
イメージング品質分析
1.三次元空間情報の空間スペクトラム記述
仮に三次元空間のボクセルHjkの大きさがΔjkであり、三次元空間深度がΔZであると、その対応する空間サンプリング角をωmn=Δjk/ΔZで示すことができる。即ち、J*K*ΔZ*ΔjK個の体積がΔjk3である独立な小さな立方体発光ユニットからなる三次元物体は全体的にM*N*J*K本のくさび状のビームで表現されることができ、該くさび状のビームの頂点はホログラフィ機能スクリーンHFSの位置する平面にあり、発散角がωmnである。
【００３７】
該三次元物体の観察視野角は
【数１】
0006370905.tif 000002
である。
【００３８】
ここで、ΔZ*Δjk=Δjk*Δjk/ωmn=M*Nであり、ボクセルHjkにはM*N個の空間スペクトラムが含まれるからである。
【００３９】
2.肉眼の視覚の空間スペクトラム記述
肉眼の基本的なパラメータは、1）瞳孔距離（両目の平均ピッチ）：d≒6.5cm、2）瞳孔径（2〜8mm、輝度に関係する）、平均値：a≒5mm、3）角識別限界：ωE≒1.5*10-4；4）定点静的視野角ΩE≒900である。
【００４０】
両目の位置を固定すると、肉眼の視覚をJ*K=（ΩE/ωE）2≒[（π/2）/1.5*10-4]2≒108個のボクセル及び2つの空間スペクトラム（M*N=2）からなる両目視差立体画像で示すことができることが分かる。その他の物理的意味は、自然環境には、108個の空間スペクトラムが人の目の位置する固定位置の2つのボクセルH左目及びH右目に含まれ、人の目によって受け取られ、大量のボクセル中に置かされた肉眼の自然に対する客観的な三次元認識を形成することである。
【００４１】
3.空間三次元情報の有効採集及び復原
第1、2点に記述された可視三次元空間情報の空間スペクトラム表現に対して、図1に示すレンズプレートアレイL1で全体的に採集してもよいし、図6に示すレンズプレートアレイL2で全体的に復原してもよい。関連のパラメータは以下の関係にある：a1=2λl1/Δjk、a2=2λl2/Δjk、λが可視光の平均波長で、約550nmであり、ωmn=d1/l1=d2/l2、tan（Ω/2）=a1/2f1=a2/2f2である。ここで、レンズ孔径の大きさにより、採集及び復原できるボクセル大きさΔjkが決定され、レンズ中心距離により、採集及び復原できる空間サンプリング角ωmnが決定され、さらに、採集及び復原しようとする三次元空間の被写界深度ΔZ=Δjk/ωmnが決定され、レンズの焦点距離により、該三次元空間情報の視野角Ωが決定され、レンズユニットの三次元空間情報空間スペクトラムに対する処理能力として表現され、
即ち、
【数２】
0006370905.tif 000003
である。
【００４２】
重要なのは、上記J*K*M*N個の平面画素からなる空間スペクトラム情報を識別及び表示できるように、対応する解像度の感光及び表示手段（図1における感光素子アレイS及び図6におけるフラットパネルディスプレイD）を備えることである。
【００４３】
応用実施例
我々は従来の商用4Kフラットパネルディスプレイを利用し、上記原理に従ってフルカラー全視差デジタルホログラフィ三次元復原表示を実現した。具体的な表示パラメータは以下の通りである：1.ボクセルHjk'サイズが4mm*4mmである。2.ボクセルHjk'の数がJ'*K'=211*118である。3.空間スペクトラム数がM*N=36*36である。4.空間観察角度Ω=300であり、表示被写界深度が約50cmである。
【００４４】
図8は我々の採用したレンズアレイ模式図であり、ディスプレイの有限な平面画素の情報量を十分に利用するために、我々はハニカム状配列方式で3818個の直径が10mmである小さなレンズを配列した。
【００４５】
図9は各小さなレンズ内のホログラフィ空間スペクトラム符号化の模式図であり、ここで、我々はコンピュータによる仮想三次元モデルレンダリングで実物情報採集ステップを代替し、示された符号化画像は「フロント運転室」部位のみである。図10は「トラック」の上下左右の各方向から撮影された写真を三次元的に表示する。「フロント運転室」部位の立体視関係がクリアで明確であることが見られる。
【００４６】
表示解像度を向上させるために、以下の2つの方案はいずれも実用することができる。
1.複数台の4Kディスプレイの空間スプライシングによって大面積三次元ホログラフィ表示を実現する。
【００４７】
現在、4mmボクセルの表示がLED大画面表示の解像度に相当するが、本発明はボクセル表示であるので、各ボクセルはいずれもM*N（ここでは36*36）本の光線で構成され、それにより本当の三次元大面積表示を実現できる。本実施例において、3*4枚の同様の4K画面を組み合わせれば、平面解像度が633*472で、表示空間が2.5m*1.9m*0.5mの三次元表示を得ることができ、これは4mm3の表示点が表示空間において光線でビルディングブロックを行うことに相当する。
【００４８】
2.高解像度フラットパネルディスプレイで高解像度ホログラフィ表示を実現する。
【００４９】
8K、16K、ひいては32Kのフラットパネルディスプレイを利用すると、本発明の基本的な原理により、一般的な精細ひいては高精細のホログラフィ表示を実現できることは想像できる。実際に、現在の光学顕微鏡の接眼レンズシステムと対応するサンプリング角ωmnを組み合わせると、理想的なホログラフィ三次元表示デバイスを設計して製造することができる。
【００５０】
上記詳細記述は理解の便宜のために挙げられたものに過ぎず、これから不必要な制限を理解し、実施例を修正すべきではないことは当業者にとって明白である。本発明は特定な実施例を参照して記述したものであるが、更なる修正を行うことができると理解すべきであり、且つ本出願は大体に本発明の原理に従う本発明のすべての変形、応用、又は調整を含み、且つ本公開のような拡張内容、即ち本発明に関する分野内においける、既知又は一般的な実践範囲内に含まれ、上文に提出された基本特徴に適用でき且つ添付の特許請求の範囲に従うものを含むことを意図する。
【００５１】
更に、上文には本発明の幾つかの好ましい実施例を記述するとともに具体的に例示したが、本発明をこのような実施例に限定することを意図しておらず、且つこのような限定はいずれも特許請求の範囲に含まれるものに過ぎない。
【００５２】
本出願人により先に出願されたPCT国際出願WO2010/072065、WO2010/072066及びWO2010/072067に開示された内容は、全文を援用することで本明細書に組み込まれる。
【図１】
0006370905.tif 000004
【図２】
0006370905.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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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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