(57)【要約】  本発明は、三次元ホログラフィック再構成のスペックルパターンの低減のための方法に関する。この方法によれば、その中へ三次元シーンのホログラムがコード化されるコントローラブルな光変調器（ＩＳＬＭ）がコヒーレント光で照射され、再構成レンズ（ＲＯ）が変調された光を目の位置（ＰＥ）へ変換し、再構成空間において三次元シーンを再構成し、制御手段（ＣＭ）はその照明を制御する。本発明の目的は、三次元シーンの再構成のはいだに生じるスペックルパターンが低減されるホログラフィック再構成装置を提供することにある。他の目的は、通常の画像リフレッシュレートを有するキャリア媒体を用いて、ほぼリアルタイムな方法を提供することにある。この目的のために、制御手段（７）は少なくとも一つの特性に関してコヒーレント光を操作する。例えば、異なる波長を有する複数の複素波面が光変調器を通り、エンコードされたホログラムで変調され、再構成レンズを通して目の位置へ変換され、再構成空間の同じ位置に同じ三次元シーンの複数の再構成を生成する。ここで、再構成は異なるスペックルパターンを有し、三次元シーンのスペックルが減少された単一の再構成として平均化される。
2010513962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホログラフィックディスプレイデバイスにおいて生成される３次元のホログラフィック再構成においてスペックルを減少する方法であって、
３Ｄシーンのホログラムがエンコードされた、コントローラブルな光変調器が、十分にコヒーレントな光で照明され、
空間的に変調された光が、再構成空間を通して光再構成システムによって目の位置へ変換され、ここで前記目の位置は前記光再構成システムの後方焦点面に位置しており、前記光再構成システムは再構成空間において３Ｄシーンを再構成し、
前記照明は制御手段によって制御され、
前記制御手段（ＣＭ）は、異なる波長をもつ複数の複素波面が前記光変調器を通過してエンコードされたホログラム値で変調され、変調された複素波面は前記光再構成システム（ＲＯ）によって前記目の位置（ＰＥ）に変換され、前記再構成空間の同じ位置にわずかに異なるスペックルパターンをもつ３Ｄシーンの複数の再構成を生成し、前記複数の再構成が前記目の位置（ＰＥ）から平均化されてスペックルが減少された単一の前記３Ｄシーンの再構成（ＲＥ）となるように、前記コヒーレント光の少なくとも一つの特性に作用することを特徴とするスペックルを減少する方法。
【請求項２】
照明手段（Ｌ）は、制御手段（ＣＭ）により制御されて、前記光再構成システム（ＲＯ）と前記光変調器（ＳＬＭ）とを照明するために、わずかずつ異なる波長をもつ高速ペースのコヒーレントな光のパルス列を生成し、
前記高速ペースの光のパルス列は前記光変調器（ＳＬＭ）を通過し、そこで、前記光のパルスの複素波面が前記エンコードされたホログラム値で変調され、
変調された複素波面の高速ペースの列が前記再構成空間の前記目の位置（ＰＥ）に変換され、同じ３Ｄシーンの複数の再構成が、前記再構成空間の同じ位置に高速ペースで次々と生成される、請求項１に記載のスペックルを減少する方法。
【請求項３】
いくつかのわずかに異なる波長をもつ複素波面が同時に、光再構成システム（ＲＯ）と光変調器（ＳＬＭ）とを照明するように、前記制御手段（ＣＭ）によって作用される、複数の照明手段（Ｌ１、…Ｌｎ）が同時にコヒーレント光を放出し、
わずかに異なる波長をもつ前記複素波面は同時に前記光変調器（ＳＬＭ）を通過し、ここで、それらは前記エンコードされたホログラム値で変調され、
複数の変調された複素波面は同時に、前記再構成空間における前記目の位置（ＰＥ）へ変換され、前記再構成空間における同じ位置に前記同じ３Ｄシーンの複数の再構成を同時に生成し、オーバーラップさせる、請求項１に記載のスペックルを減少する方法。
【請求項４】
前記照明手段（Ｌ１、…Ｌｎ）の各々の前記コヒーレント光は、投影手段（ＡＭ）の個別の光学投影系（ＡＯ）により別々の光ファイバへ向かい、その後、前記光再構成システム（ＲＯ）と前記光変調器（ＳＬＭ）とを照明するために、単一の光ファイバ（ＬＬＦ）において統合される、請求項３に記載のスペックルを減少する方法。
【請求項５】
前記異なる波長は、前記制御手段（ＣＭ）による所定の方法で、或いは、所定の制限の範囲におけるランダムな変動にさらすという方法により、変化される請求項２及び３に記載のスペックルを減少する方法。
【請求項６】
請求項２に記載の方法を実施するためのホログラフィックディスプレイデバイスであって、
光再構成システム（ＲＯ）と光変調器（ＳＬＭ）とを照明するために、わずかに異なる波長をもつコヒーレント光の高速ペースのパルス列を放出する照明手段（Ｌ）と、
変調された複素波面の高速ペースの列を再構成空間における目の位置（ＰＥ）に変換し、光再構成空間に同じ３Ｄシーンの複数の再構成を高速ペースで次から次へと生成する光再構成システム（ＲＯ）と、
３Ｄシーンのホログラムがエンコードされている、光変調器（ＳＬＭ）の形態のエンコーディング手段と、
前記照明手段（Ｌ）と、前記エンコーディング手段と、前記光再構成システム（ＲＯ）とを制御する制御手段（ＣＭ）と、
が光の進行方向に提供されていることを特徴とするホログラフィックディスプレイデバイス。
【請求項７】
レーザ又はＬＥＤが、前記光変調器（ＳＬＭ）を照明するために、選択的に提供される請求項６に記載のホログラフィックディスプレイデバイス。
【請求項８】
請求項３に記載の方法を実施するためのホログラフィックディスプレイデバイスであって、
わずかに異なる波長のコヒーレント光を同時に放出し、光再構成システム（ＲＯ）と光変調器（ＳＬＭ）とを同時に照明する複数の照明手段（Ｌ１、…Ｌｎ）と、
複数の変調された複素波面を再構成空間の目の位置（ＰＥ）に同時に変換し、再構成空間の同じ位置に前記同じ３Ｄシーンの複数の再構成を同時に生成しオーバーラップさせる光再構成手段（ＲＯ）と、
３Ｄシーンのホログラムがエンコードされた、光変調器（ＳＬＭ）の形態のエンコーディング手段と、
少なくとも一つの次元に隣接して配置された複数の光投影系を備え、前記照明手段（Ｌ１，…Ｌｎ）の前記コヒーレント光を複数の光ファイバへ投影する投影手段（ＡＭ）と、
前記照明手段（Ｌ１，…Ｌｎ）と前記エンコーディング手段と前記光再構成システム（ＲＯ）とを制御する制御手段（ＣＭ）と、
が光の進行方向に提供されていることを特徴とするホログラフィックディスプレイデバイス。
【請求項９】
前記照明手段（Ｌ；Ｌ１，…Ｌｎ）は、空間的な合成配列で配置され、わずかに異なる波長をもつコヒーレント光を同時に放出する、請求項９に記載のホログラフィックディスプレイデバイス。
【請求項１０】
照明手段（Ｌ；Ｌ１，…Ｌｎ）としてレーザが用いられる、請求項８に記載のホログラフィックディスプレイデバイス。
【請求項１１】
前記波長の変更は数ナノメータの範囲である、請求項６及び８に記載のホログラフィックディスプレイデバイス。
【請求項１２】
前記光コンポーネントは、ダイレクトビューディスプレイまたは投影ディスプレイのいずれかに適用可能である、請求項６及び８に記載のホログラフィックディスプレイデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元シーンの３次元ホログラフィック再構成における斑点或いは染みのようなパターン（以下、スペクルパターンという）を減少する方法に関する。また、その方法を実施するのに使用されるホログラフィックディスプレイ装置に関する。
【０００２】
本発明は、３次元シーンの複合波面を、ホログラフィの支援により記録し、再構成することを可能にする方法とともに適用され得る。好ましくは、これらは、ホログラフィックディスプレイ装置においてリアルタイムに或いは、ほぼリアルタイムにレーザ光を用いて実行される。ここで、再構成は仮想の観察ウインドウから見ることができる。
【背景技術】
【０００３】
ホログラフィは、３次元オブジェクト或いは動きのある３Ｄシーンを記録することを可能にし、また、波動光学的手法を用いて光学的に描写することを可能にする。３Ｄシーンは、キャリア媒体として機能する光変調器上にエンコードされる。干渉を生成することが可能な光波による照明によって、エンコードされた３Ｄシーンの各位置は、互いに干渉する光波の起点を形成し、結果的な光波面として、空間内の実オブジェクトから進む光によって生成されたかのような３Ｄシーンを空間的に再構成する。オブジェクト或いは３Ｄシーンのホログラフィック再構成は、好ましくは、投影装置及び／又は光再構成システムの支援で、キャリア媒体を十分にコヒーレントな光で照射することにより実現される。
【０００４】
本明細書において、３Ｄシーンは観察ウインドウを有するホログラフィックディスプレイ装置において再構成される。ここで、観察ウインドウは、再構成空間における再構成手段の後ろ側焦点面内に配置された複素波面（complex-valued wave front）の周期の間隔における可視領域である。３Ｄシーンの再構成は、観察者の左目及び／又は右目によって観察ウインドウから見ることができる。表示手段の前方にある観察ウインドウのサイズは、少なくとも瞳の大きさを有するように決定される。
【０００５】
波動光学の観点から見ると、観察ウインドウは、キャリア媒体にエンコードされたホログラムの直接または逆フーリエ変換またはフレネル変換のいずれかによって、または、再構成空間においてキャリア媒体上にエンコードされた波面のイメージによって表される。ここで、観察ウインドウは周期的な再構成の１つの回折次数のみを備える。可視領域として用いられる１つの回折次数内で、観察ウインドウ内への他の回折次数のクロストークが防止されるように、ホログラムまたは波面は３Ｄシーンから計算される。そのようなクロストークは、一般に、光変調を用いる場合に、再構成において発生する。高次の回折次数を抑制する構成または方法と連動して、３Ｄシーンは、多重プロセスにおいて、クロストーク無しに、観察者の右眼及び左眼に連続的に提示され得る。更に、複数の人に提供することを目的とする多重化プロセスは、それによってのみ可能となる。
【０００６】
３Ｄシーンのホログラム及び複素波面のためのキャリア或いは記録媒体は、ＬＣＤやＬＣｏＳなどのような空間的な光変調器を含む。これらは、入射光の位相及び／又は振幅を変調する。キャリア媒体のリフレッシュ周期は、動きのある３Ｄシーンを再構成することができるように十分に高速でなければならない。
キャリア媒体上の規則正しいパターンに配置された画素へエンコードされる値は、実際のオブジェクトを起源としたものとすることもできるし、或いはコンピュータ合成ホログラム（ＣＧＨ：computer-generated hologram）とすることもできる。
【０００７】
観察者は、キャリア媒体を直接に見ることによって３Ｄシーンの再構成を観察することができる。本明細書において、この構成をダイレクトビュー表示と称する。或いは、観察者は、キャリア媒体にエンコードされた値のイメージ又は変換（transform）が投影されるスクリーンを見ることができる。本明細書において、この構成は投影表示と称する。
投影表示におけるスクリーンとダイレクトビュー表示におけるキャリア媒体の両方を総称して、以下ではスクリーンと称する。
【０００８】
離散的な記録に起因して、及び、偏向の影響のせいで、ホログラムの再構成は波面の再構成の１つの時間間隔内においてのみ可能である。ここで、この時間間隔はキャリア媒体の解像度によって定まるものである。再構成は、典型的には、隣接する時間間隔に対して不揃いを示しながら、繰り返される。
【０００９】
スペックルパターン或いは粒状として知られているパターンの乱れは、光変調器を照明するためのコヒーレントなレーザ光を使用するときに発生する。スペックルは、粒状の干渉パターンとして説明され得る。これは、統計的に不揃いに分配された位相差を有する複数の光波の干渉により生成される。
【００１０】
ホログラムの再構成は、スペックルパターンによって悪影響を受ける。３Ｄシーンはキャリア媒体に離散的にしか記録することができないため、３Ｄシーンはホログラム計算のために離散的にスキャンされる。キャリア媒体に適切な方法で３Ｄシーンを記録するエンコード方法は、スキャンポイントの位置においてスキャンされたオブジェクトと十分に一致する再構成を可能にする。物理的再構成は、スキャンポイント間においても連続的な階調となる。オブジェクトにおける光度勾配からの逸脱は、スキャンポイント間で発生し、再構成は、その品質を低下させる、スペックルパターンを露呈する。これは、特に、ランダムなオブジェクトポイントの位相でホログラムを計算するときに発生するが、それは、ある他の理由のために利点となる。
【００１１】
３Ｄシーンの再構成におけるスペックルパターンの低減は、時間的及び／又は空間的な平均化により実現される。ここで、再構成は、外部のキャリアメディア上にエンコードされた３Ｄシーンの値から、或いは、他の適切な方法で計算されたホログラム値から生成される。観察者の目は、常に提示されている複数の再構成を平均化しており、この障害のはっきりとした減少に帰結する。
【００１２】
ＤＥ１９５４１０７１Ａ１によれば、ホログラムをチェックするときに粒状性を平均化するために回転する長方形のガラス板が光路上に置かれる。ガラス板が検出器の周期に適応する周期で回転するため、スペックルはもはや邪魔をしなくなる。しかしながら、そのような方法は、２次元の、平面的なスペックルパターンの減少に適用され得るのみであり、拡散スクリーンがスペックルパターンの面に配置されなければならない。
３Ｄシーンのスペックルパターンを減少するための時間的な平均化に関して知られている方法では、所定数の異なるランダムな位相で３Ｄシーンが計算され、ホログラムのそれぞれが、速いペースで次から次へとキャリア媒体上に描かれる。ホログラムの表示においては、多数回のホログラム計算のために計算負荷が非常に増加し、キャリア媒体のリフレッシュ頻度が非常に増加してしまう。これらは好ましくないことである。
【００１３】
空間的な平均化に関しては、一般に、次のものが文献から知られている。すなわち、キャリア媒体を複数の独立したセクションに分割し、同じオブジェクトから算出されるが異なるオブジェクト位相を有するサブホログラムを、隣から隣へと、及び／又は下へ下へと繰り返し描いていく。観察者の目は、フーリエ変換またはフレネル変換で生成された、計算されたサブホログラムの個々の再構成の異なるスペックルパターンを平均化する。それにより、スペックルパターンが弱められたようにみえる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、この方法は、本出願人によるＤＥ１０３５３４３９Ａ１（本願はこの出願をベースとしている）に記載された観察ウインドウを用いるホログラフィックディスプレイには適用できない。例えば３Ｄシーンのような、オブジェクトの回折画像の複素配光は、観察ウインドウにおいて計算される。個々のオブジェクト平面の、３Ｄシーンが仮想的にスライスされる変換は、これを達成するために、観察ウインドウにおいて実現され、追加される。変換は、スライスされたオブジェクト平面と観察ウインドウを備える平面との間の光の光学的な伝播と一致する。この方法は、各オブジェクトのポイントが、このポイントの再構成のための情報が書き込まれる画面上の限定されローカライズされたセクションに割り当てられるという効果を有する。
スクリーン上において、隣り合う及び／又は下へ並ぶ、３Ｄシーンから計算された複数のサブホログラムのエンコードは、従来技術において示唆されるように、オブジェクトポイントに対応するホログラム値がスクリーン上の異なるセクションにおいて繰り返されるという効果を有する。これは、観察ウインドウから再構成された３Ｄシーンを可視にすることの原理に関して可能ではない。また、サブホログラムの空間的な繰り返しには、各個別サブホログラムの解像度がキャリア媒体において減少するという不具合がある。
【００１５】
本発明の目的は、仮想的な観察ウインドウを用いるホログラフィックディスプレイ装置において３Ｄシーンを再構成するときに発生するスペックルパターンを大きく減少すること、そして、一般的なリフレッシュ頻度を有するキャリア媒体が使用可能でありながらほぼリアルタイムな方法を提供することにある。
【００１６】
本発明は、３Ｄシーンのホログラムがエンコードされた、コントローラブルな光変調器が十分にコヒーレントな光で照明され、光再構成システムが変調された光を観察ウインドウ又は再構成空間における視点位置に変換して再構成空間に３Ｄシーンを再構成し、そして、制御手段によって照明が制御される方法に基づいている。
本発明が基礎としている、３Ｄシーンを再構成するための観察ウインドウは、エンコードされたホログラムの複素波面の、異なる光拡散が生成される再構成空間における位置としての視点位置と一致しているとみなすことができる。再構成された３Ｄシーンを見ることができるようにするために、観察者の目はその視点位置になければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明によれば、以下の方法により目的が達成される。すなわち、異なる波長をもつ複数の複素波面が光変調器を通過してエンコードされたホログラム値で変調され、変調された複素波面は前記光再構成システム（ＲＯ）によって目の位置（ＰＥ）に変換され、再構成空間の同じ位置にわずかに異なるスペックルパターンをもって３Ｄシーンの複数の再構成を生成し、複数の再構成が目の位置（ＰＥ）から平均化されて３Ｄシーンのスペックルが減少された単一の再構成（ＲＥ）となるように、制御手段がコヒーレント光の少なくとも一つの特性に作用する。
光の波長に作用することにより、わずかに変更されたスペックルパターンをもつ、同一の３Ｄシーンの複数のわずかに変更された再構成が生成され得る。
【００１８】
請求項２に記載された方法の一実施形態によれば、以下のステップが実行される。すなわち、
照明手段（Ｌ）が、制御手段（ＣＭ）により制御されて、光再構成システム（ＲＯ）と光変調器（ＳＬＭ）とを照明するために、わずかずつ異なる波長をもつ高速ペースのコヒーレントな光のパルス列を生成し、
高速ペースの光のパルス列は光変調器（ＳＬＭ）を通過し、そこで、光のパルスの複素波面がエンコードされたホログラム値で変調され、
変調された複素波面の高速ペースの列が再構成空間の目の位置（ＰＥ）に変換され、同じ３Ｄシーンの複数の再構成を、再構成空間の同じ位置に高速なペースで次々と生成する。
【００１９】
請求項３において記載されたような、本発明の更なる実施形態によれば、上記の代わりに以下に示すような処理ステップを有し、上記と同じ結果を得ることができる。すなわち、
複数の照明手段が同時にコヒーレント光を放出し、それらは、いくつかのわずかに異なる波長をもつ複素波面が同時に、光再構成システムと光変調器とを照明するように、制御手段によって作用され、
わずかに異なる波長をもつ複素波面は同時に光変調器を通過し、ここで、それらはエンコードされたホログラム値で変調され、
複数の変調された複素波面は同時に、再構成空間における目の位置へ変換され、再構成空間における同じ位置に同じ３Ｄシーンの複数の再構成を同時に生成し、オーバーラップさせる。
【００２０】
照明手段として、好ましくはレーザが用いられ、ここの照明手段のコヒーレント光が、個別の光投影系によって個別の光ファイバへ投影されるようにレーザは空間的に交互に配置され、その後、同時に光再構成システムと光変調器とを照明するために単一の光ファイバへ統合される。これは、光変調器を同時に照明するためのわずかに異なる波長をもつコヒーレント光を提供する照明手段を簡単な方法で提供する。
本発明の方法は、観察者の右目と左目に個別に、例えば交互に、適用することが可能である。
【００２１】
上述した異なる波長は、定義された方法で、或いは制御手段により所与の制限内のランダムな変動にさらすことで変更される。
【００２２】
請求項２に従った方法を実施するためのホログラフィックディスプレイデバイスでは、
光再構成システムと光変調器とを照明するために、わずかに異なる波長をもつコヒーレント光のパルスを高速ペースで次々と放出する照明手段と、
高速ペースの変調された複素波面の高速ペースの列を再構成空間における目の位置に変換し、光再構成空間の同じ位置に同じ３Ｄシーンの複数の再構成を高速ペースで次から次へと生成する光再構成システムと、
３Ｄシーンのホログラムがエンコードされている、光変調器（ＳＬＭ）の形態のエンコーディング手段と、
上記照明手段と、上記エンコーディング手段と、上記光再構成システムとを制御する制御手段と、
が光の進行方向に並べられる。
【００２３】
請求項９によれば、本発明による、方法を実施するためのホログラフィックディスプレイデバイスでは、光の進行方向において次々と以下の構成が並ぶ。すなわち、
わずかに異なる波長のコヒーレント光を同時に放出し、光再構成システムと光変調器とを同時に照明する複数の照明手段と、
ホログラムの複数の変調された複素波面を再構成空間の目の位置に同時に変換し、再構成空間の同じ位置に同じ３Ｄシーンの複数の再構成を同時に生成しオーバーラップさせる光再構成手段と、
３Ｄシーンのホログラムがエンコードされた、光変調器の形態のエンコーディング手段と、
少なくとも一つの次元に隣接して配置された複数の光投影系を備え、照明手段のコヒーレント光を複数の光ファイバへ投影する投影手段と、
照明手段とエンコーディング手段と光再構成システムとを制御する制御手段である。
【００２４】
本発明の本質的な特徴は、数ナノメータの範囲での波長のわずかな変更である。そのような波長の変更は、再構成空間において、変更されたスペックルパターンをもつ同一の３Ｄシーンのわずかに変更された複数の再構成を生成するのに十分である。観察者の個々の目は、目の位置からまたは観察ウインドウからスペックルパターンを平均化し、元の３Ｄシーンの、スペックルが低減された、単一の再構成を見る。
スペックルパターンを減少するホログラフィックディスプレイデバイスは、例えば、ホログラフィックディスプレイである。
観察ウインドウを持つホログラフィックディスプレイは、ホログラフィック再構成の波長依存性においては、一般的なフーリエホログラム、或いは、フレネルホログラムとは実質的に異なる。
【００２５】
フーリエホログラムの平面再構成において、光の波長が変化すると再構成のサイズは異なる。波長が大きければ大きいほど、再構成の全体は大きくなる。個々のオブジェクトポイントは、小さい波長における再構成に対して、側面に沿って移動する。複数の波長を混ぜると、オブジェクトポイント相互の変位がスペックルのサイズよりも大きい場合、スペックルは減少する。
【００２６】
観察ウインドウを有するホログラフィックディスプレイデバイスにおいて、ホログラムのフーリエ平面に存在するのはこの観察ウインドウである。波長の変化は、観察ウインドウのサイズの変化に帰結する。
まず、これは以下の効果を有する。瞳が最大波長の観察ウインドウの端に位置する場合、観察者は当該波長の再構成のみしか見ることができない。瞳が最小波長の観察ウインドウ内に位置する場合、彼はすべての波長の再構成を見ることができる。
しかしながら、通常のフーリエホログラムまたはフレネルホログラムとは対照的に、三次元シーンの再構成されたオブジェクトポイントの横方向位置は波長に依存して変化することはない。
個々のオブジェクトポイントは、ホログラムにおけるレンズとしてエンコードされる。波長はこのコードにおいて考慮される。ある波長である焦点距離をもつエンコードされたレンズは、波長に対して反比例してその焦点距離を変化させる。波長における変化は、こうして、再構成されたオブジェクトポイントの深さにおける変化となる。
異なる波長を用いたスペックルの低減は、こうして、波長の変化に応じて再構成の深さを変化させるという方法によって、観察ウインドウをもつホログラフィックディスプレイデバイスにおいて実現される。
特に、瞳が観察ウインドウ内を動いた場合、深さの波長依存した変化は、観察ウインドウの中心の外側における視差効果（parallax effect）となる。観察者は、目の位置から、異なる波長の再構成を並べて見ることになる。
スペックルは、この視差が少なくともスペックルの大きさを有する場合、特に低減される。異なる波長を用いたスペックルの低減は、こうして、観察ウインドウの中央から短部へ向かって改善される。
【００２７】
上述したスペックル低減効果は、一般的なフーリエホログラムにおける効果よりも小さい。波長の変化は、数ナノメータの範囲でなければならない。典型的なサイズは、１０または２０ナノメータである。
【００２８】
通常のフーリエホログラムにおいて、知覚できるほどにぼけた再構成の原因となるのに十分な、すなわち品質を劣化させるのに十分な大きな波長範囲は、観察ウインドウを持つホログラフィックディスプレイデバイスにおいてスペックルパターンが低減された良質な再構成の原因となり得る。
【００２９】
個々のディスプレイコンポーネント、特に光学コンポーネントを適切に設計することにより、ディスプレイは投影ディスプレイまたはダイレクトビュディスプレイのいずれかとして実現さ得る。
レーザとＬＥＤの両方が、本発明の種々の実施形態において、照明手段として使用され得る。ＬＥＤのような生来的に広帯域の光源は、そのスペクトラムにより、すでにスペックルパターンを低減することを支援している。しかし、レーザは点光源として近似され得るという利点、より高いパフォーマンスを提供するという利点を有する。
【００３０】
本発明の更なる利点は、従来とは対照的に、ホログラムは一度だけエンコードされれば良いということであり、そして、複数回にわたって計算される必要がなく計算時間を低減するということである。
本発明は、添付の図面に関連して実施形態により以下で詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１実施形態によるホログラフィックダイレクトビュー表示の模式図である。
【図２】本発明の第２実施形態によるホログラフィックダイレクトビュー表示の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
個々の図面およびこれに付随する記載において、同様の参照番号は同様のコンポーネントを示す。
【００３３】
本発明が基礎とする、３Ｄシーンを再構成するための観察ウインドウは、視点位置を持つ可視領域と一致する。この視点位置は、エンコードされたホログラムの複素波面の複数の輝度分散（intensity distribution）が、高速ペースで、或いは同時に、次々と変換されていく再構成空間における位置を表す。ここで、上記輝度分散はわずかに異なる波長を有する。観察者が再構成された３Ｄシーンを観察可能とするために、観察者の一つの目はこの視点位置に置かれなければならない。
【００３４】
図１は、ホログラフィックダイレクトビューディスプレイの第１の可能な実施形態を、模式的に簡素化して示した図である。レーザの形態の照明手段Ｌ、変換レンズの形態の光再構成システムＲＯ、及び画素で構成された光変調器ＳＬＭが、光の進行方向に、順に配置されている。３Ｄシーンの再構成は光変調器ＳＬＭと視点位置ＰＥとの間に延びる、円錐形状の再構成空間に描画される。３Ｄシーンの再構成は、この視点位置ＰＥにおいて観察者により全体を見ることができる。ここで、視点位置ＰＥは、変換レンズの後方焦点面に存在する。照明と、その光が通る光学的経路におけるコンポーネントは、制御手段ＣＭによって制御される。
【００３５】
光変調器ＬＳＭとその手前にある変換レンズは、制御手段ＣＭによって外部的に制御されるレーザによって、十分にコヒーレントな光で照明される。光の進行する方向は、矢印で示されている。レーザを高速にオン、オフすることにより、制御手段ＣＭは、ハイペースな、コヒーレントな光パルス列を生成する。ここで、各パルスは複素波面を表し、各光パルスは異なる波長を有する。光パルスは、図１において、矢印線上の多重強度のカーブにより示されている。
個々の、わずかに異なる光パルスの波長は、制御手段ＣＭにおけるそれぞれにプログラムされた命令により、或いは与えられた制限内のランダムな揺らぎ（fluctuation）にさらされることにより、定義された方法で変更することができる。波長の変更は、後続の再構成とそれぞれのスペックルパターンが平均化されるときに大きな違いをもたないように、数ナノメータの範囲で実現されることが好ましい。
高速ペースの光パルスの列は、光変調器ＳＬＭにおいて３Ｄシーンのエンコードされたホログラム値で変調され、光変調器ＳＬＭの手前に配置された変換レンズの後方焦点面ＢＥに、高速ペースで、次々と変換されていく。変換レンズは、また、光再構成システムＲＯを表している。光再構成システムＲＯの後方焦点面ＢＥは、視点位置ＰＥが常時位置する再構成空間に存在する。
変調された、複素波面は、再構成空間において同じ場所でわずかに異なるスペックルパターンとともに、高速ペースで、次々と同じ３Ｄシーンの複数の再構成を生成する。再構成は、視点位置ＰＥから観察者の目により、平均化されたスペックルパターンをもつ単一の３Ｄシーンの再構成として知覚される。
高速ペースの光パルス列が生成されるが、同じホログラムが一般的なリフレッシュ頻度をもつ光変調器上で表示可能であることが好ましい。したがって、ホログラム計算は、このリフレッシュ頻度で実現できれば良い。
【００３６】
図１による実施形態は、別の大きな利点を有する。すなわち、いかなる付加的なコンポーネントを必要とすることなく、スペックルパターンの発生を減らすために３Ｄシーンの再構成の数を自由に増やすことができることである。
【００３７】
図２は、ホログラフィックダイレクトビューディスプレイの第２の可能な実施形態を模式的にかつ簡素化して示す図である。並列に配置された３つのレーザの形態としての照明手段Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３と、隣接して配置された３つの一次元の光学的投影システムＡＯとしての投影手段ＡＭ、変換レンズの形態としての光学的再構成システムＲＯと、画素化された光変調器ＳＬＭとが、光の進行方向に従って順に配置されている。本実施形態では、目によって平均化されるべく、３つのわずかに異なるスペックルパターンを有する３つのわずかに異なる再構成を生成可能となっている。より多くの再構成を生成し、平均化によるスペックルの減少をより改善するために、レーザの数とそれぞれの光学的投影システムの数は自由に増加させても良いことはいうまでもない。
【００３８】
３Ｄシーンの再構成は、光変調器ＳＬＭと視点位置ＰＥとの間に延びる円錐形状の再構成空間において表現される。３Ｄシーンの再構成は、変換レンズの後方焦点面に位置する視点位置ＰＥにおける観察者の目から全体が可視となる。照明と、その光が通過する光経路にあるコンポーネントは、制御手段ＣＭによって制御される。
【００３９】
制御手段ＣＭにおけるプログラムによって開始され、わずかに異なる波長を持つ３つのレーザは十分にコヒーレントな光を放出する。放出された光は、例えば、対応する光学投影システムにより光ファイバへと投影される。レーザと光学投影システムＡＯの両方は、一つの次元内に隣接して配置される。或いは、レーザが多数ある場合には、コンポジットコンポーネントとしてそれらを２次元に配置することも可能である。二次元のコンポジットコンポーネントの二次元投影のために適切な投影手段は、好ましくは、マトリクスレンズアレイとして形成される。
光ファイバの光は、単一の光ファイバＬＬＦにおいて統合され、制御手段ＣＭにおけるプログラムによって制御されて、３つのわずかに異なる波長を持つ光による合成光を変換レンズと光変調器ＳＬＭに照射する。変換レンズは異なる波長を持つ光を、その後方焦点面ＢＥ、すなわち、視点位置ＰＥに変換する。観察者の目がこの位置におかれると、変換レンズの支援で、同時に３つの３Ｄシーンの再構成を生成するように、異なる波長を持つ３つの複素波面が同時に提供される。わずかに異なるスペックルパターンを持つ３つの再構成が同時に生成され、再構成空間の同じ位置にオーバーラップされるので、目はこれら再構成を平均化し、減少されたスペックルパターンをもつ単一の３Ｄシーンの再構成を知覚することになる。
【００４０】
図２に従った方法に対して、一般的なリフレッシュ頻度を有する光変調器が使用可能である。ホログラム計算は、この周波数で実現されればよい。
【００４１】
好ましくは、フーリエ変換が本発明の方法において使用される。なぜなら、プログラムにより実施が容易であり、光学システムにおいて非常に精度良く実現できるからである。
【００４２】
ホログラムは、３Ｄシーンの再構成が、スクリーンの前方及び／又は後方において可視となるように、図１と図２において変化させてエンコードされても良い。ここで、光変調器ＳＬＭは、同時にスクリーンの機能を満たす。
【００４３】
図１、図２において、観察者の目の位置情報は、位置検出システム（不図示）により検出され、制御手段ＣＭによって処理される。ここでは詳細な説明は省略する。
【００４４】
以上実施形態で説明したように、本発明に従ったホログラフィックダイレクトビューディスプレイにおける３Ｄシーンの再構成におけるスペックルの低減のための方法は、ホログラフィック投影ディスプレイに適用することができる。
【図１】
2010513962.tif 000003
【図２】
2010513962.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成20年10月9日(2008.10.9)
【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】
ホログラフィックディスプレイデバイスにおいて生成される３次元のホログラフィック再構成においてスペックルを減少する方法であって、
３Ｄシーンのホログラムがコントローラブルな光変調器にエンコードされ、十分にコヒーレントな光で照明され、
光再構成システムが、前記光変調器によって空間的に変調された前記光を後方焦点面に変換し、再構成空間において３Ｄシーンを再構成し、観察ウインドウは前記後方焦点面に形成され、
制御手段は前記照明を制御し、
前記制御手段（ＣＭ）が、同じ３Ｄシーンのわずかに異なる波長をもつ複数の変調された複素波面が前記光変調器（ＳＬＭ）から出力されるように前記光変調器（ＳＬＭ）の照明を制御し、前記光再構成システム（ＲＯ）は前記波面を前記後方焦点面に変換し、前記波面はそこで重畳され、前記再構成空間において各複素波面から同じ３Ｄシーンの再構成を生成し、個々の再構成は異なる、波長依存の深さを持つことを特徴とするスペックルを減少する方法。
【請求項２】
照明手段（Ｌ）が、制御手段（ＣＭ）により制御されて、前記光再構成システム（ＲＯ）と前記光変調器（ＳＬＭ）とを照明するために、わずかずつ異なる波長をもつ高速ペースのコヒーレントな光のパルス列を生成し、
前記高速ペースの光のパルス列は前記光変調器（ＳＬＭ）において前記エンコードされたホログラム値で変調され、
前記光再構成システム（ＲＯ）が、前記光パルスの変調された複素波面の前記高速ペースの列を後方焦点面に変換し、そこで複素波面は重畳され、前記再構成空間において、同じ３Ｄシーンの異なる深さをもつ複数の再構成を次々と高速ペースで生成する、請求項１に記載のスペックルを減少する方法。
【請求項３】
複数の照明手段（Ｌ１、…Ｌｎ）が前記制御手段（ＣＭ）によって制御され、わずかに異なる波長をもつ複数のコヒーレントな波面を同時に放出し、前記光再構成システム（ＲＯ）と前記光変調器（ＳＬＭ）とを同時に照明し、
わずかに異なる波長をもつ前記波面は、前記光変調器（ＳＬＭ）において前記エンコードされたホログラム値で同時に変調され、
前記光再構成システム（ＲＯ）は、複数の変調された複素波面を同時に前記後方焦点面に変換し、そこで複素波面は重畳され、前記再構成空間において前記同じ３Ｄシーンの異なる深さを持つ複数の再構成を同時に生成する、請求項１に記載のスペックルを減少する方法。
【請求項４】
前記照明手段（Ｌ１、…Ｌｎ）の各々の前記コヒーレント光は、投影手段（ＡＯ）の個別の光学投影系により別々の光ファイバへ向かい、その後、前記光再構成システム（ＲＯ）と前記光変調器（ＳＬＭ）とを照明するために、単一の光ファイバ（ＬＬＦ）において統合される、請求項３に記載のスペックルを減少する方法。
【請求項５】
前記異なる波長は、前記制御手段（ＣＭ）による所定の方法で、或いは、所定の制限の範囲におけるランダムな変動にさらすという方法により、変化される請求項２及び３に記載のスペックルを減少する方法。
【請求項６】
請求項２に記載の方法を実施するためのホログラフィックディスプレイデバイスであって、
３Ｄシーンのホログラムがエンコードされている、光変調器（ＳＬＭ）の形態のエンコーディング手段と、
光再構成システム（ＲＯ）と前記光変調器（ＳＬＭ）とを照明するために、わずかに異なる波長をもつコヒーレント光の、波面における、高速ペースのパルス列を放出する照明手段（Ｌ）と、
変調された複素波面の高速ペースの列を前記後方焦点面に変換し、そこで複素波面は重畳され、前記光再構成空間に同じ３Ｄシーンの異なる深さをもつ複数の再構成を高速ペースで次から次へと生成する光再構成システム（ＲＯ）と、
前記照明手段（Ｌ）と、前記エンコーディング手段と、前記光再構成システム（ＲＯ）とを制御する制御手段（ＣＭ）と、
が光の進行方向に提供されていることを特徴とするホログラフィックディスプレイデバイス。
【請求項７】
前記変調手段（ＳＬＭ）のための前記照明手段（Ｌ）は、レーザ又はＬＥＤである請求項６に記載のホログラフィックディスプレイデバイス。
【請求項８】
請求項３に記載の方法を実施するためのホログラフィックディスプレイデバイスであって、
３Ｄシーンのホログラムがエンコードされた、光変調器（ＳＬＭ）の形態のエンコーディング手段と、
わずかに異なる波長のコヒーレント光を同時に放出し、光再構成システム（ＲＯ）と前記光変調器（ＳＬＭ）とを同時に照明する複数の照明手段（Ｌ１、…Ｌｎ）と、
少なくとも一つの次元に隣接して配置された複数の光投影系（ＡＯ）を備え、前記照明手段（Ｌ１，…Ｌｎ）の前記コヒーレント光を複数の光ファイバへ投影する投影手段と、これに続いて前記光再構成システム（ＲＯ）は複数の変調された複素波面を同時に前記後方焦点面に変換し、そこで複素波面は重畳され、前記再構成空間において前記同じ３Ｄシーンの異なる深さを持つ複数の再構成を同時に生成し、
前記照明手段（Ｌ１，…Ｌｎ）と前記エンコーディング手段と前記光再構成システム（ＲＯ）とを制御する制御手段（ＣＭ）と、
が光の進行方向に提供されていることを特徴とするホログラフィックディスプレイデバイス。
【請求項９】
前記照明手段（Ｌ；Ｌ１，…Ｌｎ）は、空間的な合成配列で配置され、わずかに異なる波長をもつコヒーレント光を同時に放出する、請求項８に記載のホログラフィックディスプレイデバイス。
【請求項１０】
前記波長の変更は数ナノメータの範囲である、請求項６及び８に記載のホログラフィックディスプレイデバイス。
【請求項１１】
観察者の目の位置（ＰＥ）は前記光再構成システム（ＲＯ）の前記後方焦点面にある請求項６及び８に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項１２】
前記光コンポーネントは、ダイレクトビューディスプレイまたは投影ディスプレイのいずれかを実現するように変更される、請求項６乃至１１のいずれか１項に記載のホログラフィックディスプレイデバイス。
【手続補正書】
【提出日】平成21年8月18日(2009.8.18)
【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】
ホログラフィックディスプレイデバイスにおいて生成される３次元のホログラフィック再構成においてスペックルを減少する方法であって、
３Ｄシーンのホログラムがコントローラブルな光変調器にエンコードされ、十分にコヒーレントな光で照明され、
光再構成システムが、前記光変調器によって空間的に変調された前記光を後方焦点面に変換し、再構成空間において３Ｄシーンを再構成し、観察ウインドウは前記後方焦点面に形成され、
制御手段は前記照明を制御し、
前記制御手段（ＣＭ）が、同じ３Ｄシーンのわずかに異なる波長をもつ複数の変調された複素波面が前記光変調器（ＳＬＭ）から出力されるように前記光変調器（ＳＬＭ）の照明を制御し、前記光再構成システム（ＲＯ）は前記波面を前記後方焦点面に変換し、前記波面はそこで重畳され、前記再構成空間において各複素波面から同じ３Ｄシーンの再構成を生成し、個々の再構成は異なる、波長依存の深さを持つことを特徴とするスペックルを減少する方法。
【請求項２】
照明手段（Ｌ）が、制御手段（ＣＭ）により制御されて、前記光再構成システム（ＲＯ）と前記光変調器（ＳＬＭ）とを照明するために、わずかずつ異なる波長をもつ高速ペースのコヒーレントな光のパルス列を生成し、
前記高速ペースの光のパルス列は前記光変調器（ＳＬＭ）において前記エンコードされたホログラム値で変調され、
前記光再構成システム（ＲＯ）が、前記光パルスの変調された複素波面の前記高速ペースの列を後方焦点面に変換し、そこで複素波面は重畳され、前記再構成空間において、同じ３Ｄシーンの異なる深さをもつ複数の再構成を次々と高速ペースで生成する、請求項１に記載のスペックルを減少する方法。
【請求項３】
複数の照明手段（Ｌ１、…Ｌｎ）が前記制御手段（ＣＭ）によって制御され、わずかに異なる波長をもつ複数のコヒーレントな波面を同時に放出し、前記光再構成システム（ＲＯ）と前記光変調器（ＳＬＭ）とを同時に照明し、
わずかに異なる波長をもつ前記波面は、前記光変調器（ＳＬＭ）において前記エンコードされたホログラム値で同時に変調され、
前記光再構成システム（ＲＯ）は、複数の変調された複素波面を同時に前記後方焦点面に変換し、そこで複素波面は重畳され、前記再構成空間において前記同じ３Ｄシーンの異なる深さを持つ複数の再構成を同時に生成する、請求項１に記載のスペックルを減少する方法。
【請求項４】
前記照明手段（Ｌ１、…Ｌｎ）の各々の前記コヒーレント光は、投影手段（ＡＯ）の個別の光学投影系により別々の光ファイバへ向かい、その後、前記光再構成システム（ＲＯ）と前記光変調器（ＳＬＭ）とを照明するために、単一の光ファイバ（ＬＬＦ）において統合される、請求項３に記載のスペックルを減少する方法。
【請求項５】
前記異なる波長は、前記制御手段（ＣＭ）による所定の方法で、或いは、所定の制限の範囲におけるランダムな変動にさらすという方法により、変化される請求項２または３に記載のスペックルを減少する方法。
【請求項６】
請求項２に記載の方法を実施するためのホログラフィックディスプレイデバイスであって、
３Ｄシーンのホログラムがエンコードされている、光変調器（ＳＬＭ）の形態のエンコーディング手段と、
光再構成システム（ＲＯ）と前記光変調器（ＳＬＭ）とを照明するために、わずかに異なる波長をもつコヒーレント光の、波面における、高速ペースのパルス列を放出する照明手段（Ｌ）と、
変調された複素波面の高速ペースの列を前記後方焦点面に変換し、そこで複素波面は重畳され、前記光再構成空間に同じ３Ｄシーンの異なる深さをもつ複数の再構成を高速ペースで次から次へと生成する光再構成システム（ＲＯ）と、
前記照明手段（Ｌ）と、前記エンコーディング手段と、前記光再構成システム（ＲＯ）とを制御する制御手段（ＣＭ）と、
が光の進行方向に提供されていることを特徴とするホログラフィックディスプレイデバイス。
【請求項７】
前記光変調器（ＳＬＭ）のための前記照明手段（Ｌ）は、レーザ又はＬＥＤである請求項６に記載のホログラフィックディスプレイデバイス。
【請求項８】
請求項３に記載の方法を実施するためのホログラフィックディスプレイデバイスであって、
３Ｄシーンのホログラムがエンコードされた、光変調器（ＳＬＭ）の形態のエンコーディング手段と、
わずかに異なる波長のコヒーレント光を同時に放出し、光再構成システム（ＲＯ）と前記光変調器（ＳＬＭ）とを同時に照明する複数の照明手段（Ｌ１、…Ｌｎ）と、
少なくとも一つの次元に隣接して配置された複数の光投影系（ＡＯ）を備え、前記照明手段（Ｌ１，…Ｌｎ）の前記コヒーレント光を複数の光ファイバへ投影する投影手段と、これに続いて前記光再構成システム（ＲＯ）は複数の変調された複素波面を同時に前記後方焦点面に変換し、そこで複素波面は重畳され、前記再構成空間において前記同じ３Ｄシーンの異なる深さを持つ複数の再構成を同時に生成し、
前記照明手段（Ｌ１，…Ｌｎ）と前記エンコーディング手段と前記光再構成システム（ＲＯ）とを制御する制御手段（ＣＭ）と、
が光の進行方向に提供されていることを特徴とするホログラフィックディスプレイデバイス。
【請求項９】
前記照明手段（Ｌ；Ｌ１，…Ｌｎ）は、空間的な合成配列で配置され、わずかに異なる波長をもつコヒーレント光を同時に放出する、請求項８に記載のホログラフィックディスプレイデバイス。
【請求項１０】
前記波長の変更は数ナノメータの範囲である、または、観察者の目の位置（ＰＥ）は前記光再構成システム（ＲＯ）の前記後方焦点面にある請求項６または８に記載のホログラフィックディスプレイデバイス。
【請求項１１】
前記光コンポーネントは、ダイレクトビューディスプレイまたは投影ディスプレイのいずれかを実現するように変更される、請求項６乃至１０のいずれか１項に記載のホログラフィックディスプレイデバイスを備えたホログラフィックディスプレイ。
【国際調査報告】
2010513962.tif 000005
2010513962.tif 000006
2010513962.tif 000007
2010513962.tif 000008
2010513962.tif 000009
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