(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
視認者が視認するための情報を表示するように構成されたホログラフィック投影システムであって、
受光面と、
光を出力するように構成された光源と、
コントローラと、
前記光源から前記光を受光し、空間光変調器上に表されるコンピュータ生成ホログラムに従って空間変調光を出力して、前記受光面上に画像を形成するように構成された空間光変調器であって、
前記画像は、ホログラム再構成を含み、
前記空間光変調器上に表されるコンピュータ生成ホログラムのそれぞれにより、前記コンピュータ生成ホログラムの各ピクセルが、対応する前記ホログラム再構成の全体に寄与し、
各コンピュータ生成ホログラムが、焦点力（ｆｏｃｕｓｉｎｇ  ｐｏｗｅｒ）に関連し、かつ焦点力を有するレンズを通して前記空間変調光を通過させることに対応するレンズ効果機能を実行するように構成されたホログラム部品を含み、
前記コントローラが、前記焦点力を複数の値に設定して、対応する焦点面に複数のそれぞれの画像を形成するように構成されたものと、
前記焦点力の複数の異なる値のそれぞれについて、前記画像の測定領域において前記画像の空間変調光を検出するように構成された検出器であって、前記コントローラが、前記検出器から受信された信号から、焦点力の各値について前記画像の品質の測定値を決定し、前記画像の品質の前記測定値に基づいて前記複数の焦点力の値から焦点力を選択するようにさらに構成され、前記選択された焦点力の値が、前記複数の焦点力の値のうちの他の候補の焦点力の値に対する最良の画質に対応するものとを備え、
前記画像は、前記視認者が視認するための情報を含む第１の画像領域と、第１の画像領域とは異なる領域にある第２の画像領域とを含み、
第２の画像領域は、前記画像の前記測定領域である、
ホログラフィック投影システム。
【請求項２】
前記画像の品質の前記測定値が、画像のコントラストの測定値または前記画像内のノイズの測定値である、
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】
前記コントローラが、前記検出器が前記画像の光を検出して前記信号を生成する間に、前記受光面と平行な平面内で前記画像を移動させるようにさらに構成される、
請求項１又は２に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項４】
前記コントローラは、前記画像が前記受光面と平行な面において移動するときに、前記検出器から受信した前記信号の変動に基づいて前記画像の品質の前記測定値を決定するように構成されている、
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】
第２の画像領域は、前記ホログラフィック投影システムのための制御情報を含む、
請求項１から４のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項６】
第２の画像領域が第１の画像領域の周囲にある、
請求項１から５のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項７】
前記コンピュータ生成ホログラムが、前記画像の数学的変換に対応する、
請求項１から６のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項８】
前記コンピュータ生成ホログラムは、フーリエホログラムまたはフレネルホログラムである、
請求項１から７のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項９】
前記コンピュータ生成ホログラムは、フーリエレンズ効果機能を実行するように構成されたホログラム部品を含む、
請求項１から８のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項１０】
前記光源がレーザである、
請求項１から９のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項１１】
前記空間光変調器は、シリコン基板上の液晶（ＬＣｏＳ）空間光変調器である、
請求項１から１０のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項１２】
前記受光面が拡散板である、
請求項１から１１のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項１３】
前記検出器がフォトダイオードまたはフォトダイオードアレイである、
請求項１から１２のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【請求項１４】
前記ホログラフィック投影システムがヘッドアップディスプレイまたはヘッドマウントディスプレイである、
請求項１から１３のいずれか一項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】
本開示は、プロジェクタに関する。より具体的には、本開示は、ホログラフィックプロジェクタ、ホログラフィック投影システム、投影を制御する方法、およびホログラフィック投影システムを制御する方法に関する。いくつかの実施形態は、ヘッドアップディスプレイおよびヘッドマウントディスプレイに関する。いくつかの実施形態は、ホログラフィック投影システムにおいて画像明るさを制御する方法に関する。いくつかの実施形態は、複合カラーホログラフィック投影システムのカラーバランスを制御する方法に関する。いくつかの実施形態は、ホログラフィック投影システムにおいてホログラフィック再構成を調整する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物から散乱された光は振幅および位相の両方の情報を含む。この振幅および位相情報は、例えば、周知の干渉技術によって感光板上に取り込まれ、干渉縞を含むホログラフィック記録すなわち「ホログラム」を形成することができる。ホログラムは、適切な光を照射することによって再構成され、元の対象物を表す２次元（再生画像）または３次元のホログラフィック再構成を形成することができる。
【０００３】
コンピュータ生成ホログラフィは、干渉プロセスを数値的にシミュレートし得る。コンピュータ生成ホログラム「ＣＧＨ」は、フレネル変換またはフーリエ変換などの数学的変換に基づく技術によって計算することができる。これらのタイプのホログラムは、フレネルホログラムまたはフーリエホログラムと称されることがある。フーリエホログラムは、対象物のフーリエ領域表現または対象物の周波数領域表現と見なすことができる。ＣＧＨはまた、例えば、コヒーレント光線追跡またはポイントクラウド技術によって計算されてもよい。
【０００４】
ＣＧＨは、入射光の振幅および／または位相を変調するように構成された空間光変調器「ＳＬＭ」上に符号化することができる。光変調は、例えば、電気的にアドレス指定可能な液晶、光学的にアドレス指定可能な液晶またはマイクロミラーを使用して達成され得る。
【０００５】
ＳＬＭは、セルまたは素子とも称されることがある複数の個別にアドレス指定可能なピクセルを含むことができる。光変調方式は、２値、多値または連続であり得る。
【０００６】
あるいは、装置は連続的（すなわち、ピクセルから構成されていない）でもよく、したがって光変調は装置全体にわたって連続的でもよい。ＳＬＭは反射性であってもよく、変調光がＳＬＭから反射において出力されることを意味する。ＳＬＭは、同様に透過性であってもよく、これは、変調光がＳＬＭから透過において出力されることを意味する。
【０００７】
記載された技術を用いてホログラフィックプロジェクタを提供することができる。このようなプロジェクタは、例えば、ニアアイ装置を含むビデオプロジェクタ、ヘッドアップディスプレイ「ＨＵＤ」、およびヘッドマウントディスプレイ「ＨＭＤ」において用途が見い出されている。
【０００８】
本明細書では、改良されたホログラフィック投影システムが開示されている。
【発明の概要】
【０００９】
本開示の態様は、添付の独立請求項に定義されている。
【００１０】
投影方法であって、光源からの光で空間光変調器を照射して受光面上に画像を形成することであって、画像がユーザの情報を含む１次画像領域と、２次画像領域とを含む、形成することと、２次画像領域からの光を検出することとを含む投影方法が提供される。方法は、２次画像領域からの光の特性を検出することを含むことができる。方法は、例えば、２次画像領域からの検出された光の特性に応答して、光源からの光の光学特性を変更することによって画像を変更することを含むことができる。
【００１１】
ホログラフィック投影の方法であって、空間光変調器上にコンピュータ生成ホログラムを表すことと、ホログラムを光源からの光で照射して受光面上に画像を形成することであって、画像がユーザの情報を含む１次画像領域と、２次画像領域とを含む、形成することと、２次画像領域の光パワーを検出することとを含む、方法が提供される。方法は、２次画像領域の検出された光パワーに応じて、光源からの光の光パワーを変化させることをさらに含んでもよい。
【００１２】
本発明者らは、画像内容の量が変化する場合にホログラフィック再構成の画像明るさが一定ではないという問題に対処するために、本開示のホログラフィックプロジェクタによって、閉ループパワーフィードバックシステムを提供できることを確認した。特に２次画像領域のエリアが固定されている、あるいは、光パワーが放射束で測定される、すなわち単位エリアに正規化される場合、２次画像領域の光パワーは、画像の明るさを表し（例えば輝度として測定される）、画像全体の明るさを制御するためのフィードバック信号として使用され得る。
【００１３】
方法は、ホログラフィック投影の方法であって、空間光変調器上に第２のコンピュータ生成ホログラムを表すことと、第２のホログラムを光源からの第２の光で照射して受光面上に第２の画像を形成することであって、第２の画像がユーザの情報を含む１次画像領域と、２次画像領域とを含み、第１の画像と第２の画像が実質的に一致する、形成することと、第２の画像の２次画像領域の光パワーを検出することとをさらに含んでもよい。方法は、第１および／または第２の画像の２次画像領域の検出された光パワーに応じて、第１および／または第２の光の光パワーを変えて、第１および／または第２の画像のそれぞれの明るさ、つまり複合画像のカラーバランスを変えることをさらに含んでもよい。この方法は、任意の数のホログラムおよび対応する画像に拡張することができる。いくつかの実施形態では、３つのそれぞれのホログラムから形成された赤、緑および青の画像を重ね合わせることによって、複合カラーホログラフィック再構成が提供される。それぞれの１次画像領域は、複合画像が観察者によって知覚されることを可能にするのに十分な程度に整列されるべきであるが、それぞれの２次画像領域は整列される必要はなく（整列してもよいが）、空間的に異なっていてもよい。
【００１４】
本発明者らは、単一カラー画像内容の相対的な量が変化する場合に複合カラーホログラフィック再構成のカラーバランスが一定ではないという問題に対処するために、本開示のホログラフィックプロジェクタによって、閉ループパワーフィードバックシステムを提供できることを確認した。
【００１５】
この方法は、スクリーン上の画像の位置を変更することと、画像の複数の位置で２次画像領域に出入りするのを妨げられた光の光パワーを検出することとを含む光学的位置合わせプロセスを実行することをさらに含み得る。方法は、最大の検出された光パワーを引き起こす画像の位置を決定することをさらに含み得る。本明細書の発明者は、閉ループパワーフィードバックシステムを使用して投影画像を位置合わせする便利な方法を開示している。
【００１６】
本開示を通して、画像の画像領域の光パワーについて言及する。より具体的には、そのような言及は、画像の画像領域の光の光パワー、より具体的には、画像領域から発せられる、または画像領域へ進行する光に関するものであることを理解されたい。光パワーは、それぞれ画像領域から出てくる光または画像領域に進行する光を遮断することによって、画像領域から発せられる光または画像領域に向けられる光を検出する検出器によって測定され得る。検出された光パワーは、直接フィードバック信号として使用されてもよく、または例えば画像領域のエリアに対して正規化するために適切にスケールされてもよく、これは例えば画像領域のエリアが経時的に変化し得る場合に有用であり得る。光パワーは、問題の画像領域に出入りする光子のエネルギーを指すと理解され、したがって絶対値でのＷ（またはＪｓ−１）またはエリアに正規化されたＷｍ−２（またはＪｓ−１ｍ−２）によって測定される。場合によってはｃｄまたはｃｄｍ−２の単位で、例えば輝度に関して、すなわち知覚計量に関して、他のスケール計数を適用して光パワーを測定することができる。光パワーは、立体角に関して正規化されてもよく、したがって、Ｊｓ−１ｍ−２ｓｒ−１の単位または対応する知覚スケール単位ｃｄｍ−２ｓｒ−１を用いて放射強度として測定されてもよい。
【００１７】
用語「ホログラム」は、対象物に関する振幅および／または位相情報を含む記録を指すのに使用される。用語「ホログラフィック再構成」は、ホログラムを照射することによって形成される対象物の光学的再構成を指すのに使用される。用語「再生フィールド」は、ホログラフィック再構成が形成される空間内の平面を指すのに使用される。画像（または画像領域）に言及する場合、これは一般に再生フィールドの全領域と一致するわけではないが、画像（または画像領域）の光が再生フィールドと交差する再生フィールドのエリアを指し、例えば再生フィールドと一致する受光面またはスクリーン上に入射する。
【００１８】
用語「符号化」、「書き込み」または「アドレス指定」は、各ピクセルの変調レベルをそれぞれ決定する複数の制御値をＳＬＭの複数のピクセルに提供するプロセスを説明するために使用される。ＳＬＭのピクセルは、複数の制御値の受信に応答して光変調分布を「表示」するように構成されていると言える。
【００１９】
「光」という用語は、本明細書ではその最も広い意味で用いられている。いくつかの実施形態は、可視光、赤外光および紫外光、ならびにそれらの任意の組み合わせに等しく適用可能である。
【００２０】
いくつかの実施形態は、単なる例として、１Ｄおよび２Ｄホログラフィック再構成を説明する。他の実施形態では、ホログラフィック再構成は３Ｄホログラフィック再構成である。すなわち、いくつかの実施形態では、各コンピュータ生成ホログラムは３Ｄホログラフィック再構成を形成する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
特定の実施形態は、添付の図面を参照して単なる例として説明される。
【００２２】
【図１】スクリーン上にホログラフィック再構成を生成する反射型ＳＬＭを示す概略図である。
【図２Ａ】例示的なＧｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎ型アルゴリズムの最初の反復を示す図である。
【図２Ｂ】例示的なＧｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎ型アルゴリズムの第２およびそれ以降の反復を示す図である。
【図３】反射型ＬＣＯＳ  ＳＬＭの概略図である。
【図４】実施形態によるホログラフィック投影システムを示す図である。
【図５】実施形態によるレーザドライバを示す図である。
【図６】実施形態によるＬＣＯＳドライバを示す図である。
【図７】実施形態による例示的な画像を示す図である。
【図８】さらなる実施形態によるホログラフィック投影システムを示す図である。
【図９】さらなる実施形態によるレーザドライバを示す図である。
【図１０】さらなる実施形態によるＬＣＯＳドライバを示す図である。
【図１１】実施形態による第１、第２および第３の検出器の構成を示す図である。
【図１２】ホログラフィック再構成の焦点面を決定するための位置合わせ方法を示す。
【００２３】
同一または類似の部品を指すために、図面全体を通して同じ参照番号が使用される。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明は、以下に記載される実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲の全範囲に及ぶ。すなわち、本発明は様々な形で実施することができ、例示の目的で記載されている記載された実施形態に限定されると解釈されるべきではない。
【００２５】
単数形の用語は、別段に明記されない限り、複数形を含み得る。
【００２６】
別の構造物の上部／下部、または別の構造物の上／下に形成されていると記載されている場合は、構造物同士が接している場合と、さらにそれの間に第３の構造物が配置されている場合も含むものとする。
【００２７】
時間関係を説明する際に、例えば、イベントの時間的順序が「後」、「後続」、「次」、「前」などとして説明される場合、別段に明記されない限り、本開示は連続的および非連続的イベントを含むと解釈されるべきである。例えば、「ちょうど」、「即時」、または「直接」などの表現が使用されていない限り、説明は連続的ではない場合を含むと解釈されるべきである。
【００２８】
本明細書では「第１」、「第２」などの用語を使用して様々な要素を説明することがあるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されない。これらの用語は、単にある要素を別の要素と区別するために使用されている。例えば、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、第１の要素を第２の要素と呼ぶことができ、同様に、第２の要素を第１の要素と呼ぶことができる。
【００２９】
異なる実施形態の特徴は、互いに部分的にまたは全体的に結合されるかまたはそれらと組み合わされてもよく、互いに様々に相互運用されてもよい。いくつかの実施形態は、互いに独立して実行されてもよく、または共依存関係で一緒に実行されてもよい。
【００３０】
許容できる品質のホログラフィック再構成は、元の対象物に関する位相情報のみを含む「ホログラム」から形成できることが分かった。このようなホログラフィック記録は位相限定ホログラムと称されることがある。いくつかの実施形態は、単なる例として、位相限定ホログラフィに関する。すなわち、いくつかの実施形態において、空間光変調器は位相遅延分布のみを入射光に適用する。いくつかの実施形態では、各ピクセルによって適用される位相遅延はマルチレベルである。すなわち、各ピクセルは、離散的な数の位相レベルのうちの１つに設定され得る。離散的な数の位相レベルは、はるかに大きな位相レベルの組または「パレット」から選択することができる。
【００３１】
いくつかの実施形態では、コンピュータ生成ホログラムは、再構成のための対象物のフーリエ変換である。これらの実施形態では、ホログラムは対象物のフーリエ領域表現または周波数領域表現であると言える。図１は、反射型ＳＬＭを使用して位相限定フーリエホログラムを表示し、例えばスクリーンまたは拡散板などの受光面上の再生フィールドでホログラフィック再構成を生成する実施形態を示す。
【００３２】
光源１１０、例えばレーザまたはレーザダイオードは、コリメートレンズ１１１を介してＳＬＭ１４０を照射するように配置されている。コリメートレンズにより、光のほぼ平面の波面がＳＬＭに入射することができる。波面の方向は法線方向からずれている（例えば、透明層の平面に対する真の垂直方向から２度または３度外れている）。他の実施形態では、ほぼ平面の波面は、例えばビームスプリッタを使用して垂直入射で提供される。図１に示す例では、光源からの光がＳＬＭのミラー状の背面で反射し、位相変調層と相互作用して出射波面１１２を形成するように配置がなされる。出射波面１１２は、受光面１２５、例えば拡散板またはスクリーンに焦点を結ぶフーリエ変換レンズ１２０を含む光学系に適用される。
【００３３】
フーリエ変換レンズ１２０は、ＳＬＭから位相変調された光のビームを受光し、周波数−空間変換を実行して受光面１２５でホログラフィック再構成を生成する。
【００３４】
光はＳＬＭの位相変調層（すなわち位相変調素子のアレイ）全体に入射する。位相変調層から出射した変調光は再生フィールド全体に配光される。特に、このタイプのホログラフィでは、ホログラムの各ピクセルが全体の再構成に寄与する。すなわち、再生フィールド上の特定の点と特定の位相変調素子との間に一対一の相関はない。
【００３５】
これらの実施形態では、空間でのホログラフィック再構成の位置（深さ）は、フーリエ変換レンズの屈折力（焦点力）によって決定される。図１に示す実施形態では、フーリエ変換レンズは物理レンズである。すなわち、フーリエ変換レンズは光学フーリエ変換レンズであり、フーリエ変換は光学的に行われる。任意のレンズもフーリエ変換レンズとして機能することができるが、レンズの性能はそれが実行するフーリエ変換の精度を制限する。当業者は、レンズを使用して光フーリエ変換を実行する方法を理解している。しかしながら、他の実施形態では、フーリエ変換は、ホログラフィックデータにレンズ効果データを含めることによって計算的に実行される。すなわち、ホログラムは、レンズを表すデータと、対象物を表すデータとを含む。結果として生じるホログラフィック再構成の光が、あたかもＳＬＭの後のビーム経路にレンズが存在するかのように進むように、レンズを表すホログラフィックデータを計算する方法が、コンピュータ生成ホログラムの分野で知られている。レンズを表すホログラフィックデータは、ソフトウェアレンズ、ホログラムのレンズ部品、またはレンズデータと称されることがある。位相限定ホログラフィックレンズは、例えば、その屈折率および空間的に変化する光路長により、レンズの各点によって引き起こされる位相遅延を計算することによって形成され得る。例えば、凸レンズの中心における光路長は、レンズの端部における光路長よりも長い。振幅限定ホログラフィックレンズは、フレネルゾーンプレートによって形成することができる。物理的フーリエレンズを必要とせずにフーリエ変換を実行することができるように、レンズを表すホログラフィックデータ（レンズ部品）を対象物を表すホログラフィックデータと組み合わせる方法もまたコンピュータ生成ホログラムの技術分野で知られている。いくつかの実施形態では、レンズ効果データは単純なベクトル加算によってホログラフィックデータと組み合わされる。いくつかの実施形態では、フーリエ変換を実行するために、物理レンズがソフトウェアレンズと共に使用される。あるいは、他の実施形態では、ホログラフィック再構成が遠視野で行われるように、フーリエ変換レンズは完全に省略される。さらなる実施形態では、ホログラムは、追加的または代替的に、格子データ、すなわち、再生フィールド内の画像の位置に影響を与えるために、ビームステアリングなどの格子の機能を実行するように構成されたデータを含み得る。また、コンピュータ生成ホログラムの分野では、そのようなホログラフィックデータを計算し、それを対象物を表すホログラフィックデータと組み合わせる方法が知られている。例えば、位相限定ホログラフィック格子は、ブレーズド格子の表面上の各点によって引き起こされる位相遅延をモデル化することによって形成することができる。振幅限定ホログラフィック格子を対象物を表す振幅限定ホログラムに単純に重ね合わせて、振幅限定ホログラムの角度操作を提供することができる。
【００３６】
２Ｄ画像のフーリエホログラムは、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムなどのアルゴリズムを使用することを含む、いくつかの方法で計算することができる。Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムが、空間領域（２Ｄ画像などの）の振幅情報からフーリエ領域の位相情報を導出するために使用されてもよい。すなわち、対象物に関連する位相情報は、空間領域内のみの情報である振幅、すなわち強度から「回復する」ことができる。したがって、対象物の位相限定フーリエ変換を計算することができる。
【００３７】
いくつかの実施形態では、コンピュータ生成ホログラムは、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムまたはその変形を使用して振幅情報から計算される。光ビームの平面Ａ、Ｂそれぞれにおける強度断面ＩＡ（ｘ、ｙ）、ＩＢ（ｘ、ｙ）が既知であり、ＩＡ（ｘ、ｙ）とＩＢ（ｘ、ｙ）とが単一のフーリエ変換で関係付けられているとき、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ  Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、位相回復問題を考察する。強度断面が与えられたとき、平面Ａ、Ｂそれぞれにおける位相分布ΨＡ（ｘ、ｙ）とΨＢ（ｘ、ｙ）の近似法が得られる。Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ  Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、反復的プロセスに従うことによりこの問題の解を求める。
【００３８】
Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ  Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、ＩＡ（ｘ、ｙ）とＩＢ（ｘ、ｙ）を表すデータセット（振幅と位相）を、空間領域とフーリエ（スペクトル）領域との間で繰り返し変換しながら、空間およびスペクトルの拘束条件を反復的に適用する。空間およびスペクトルの拘束条件は、それぞれＩＡ（ｘ、ｙ）とＩＢ（ｘ、ｙ）である。空間またはスペクトル領域における拘束条件は、データセットの振幅に組み入れられる。一連の反復を通して、対応する位相情報が回復される。
【００３９】
いくつかの実施形態において、ホログラムは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる英国特許第２，４９８，１７０号明細書または第２，５０１，１１２号明細書に記載されているようなＧｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムに基づくアルゴリズムを使用して計算される。
【００４０】
いくつかの実施形態によれば、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムに基づくアルゴリズムは、既知の振幅情報Ｔ［ｘ、ｙ］を生み出すデータセットのフーリエ変換の位相情報Ψ［ｕ、ｖ］を回復する。振幅情報Ｔ［ｘ、ｙ］はターゲット画像（例えば写真）を表す。位相情報Ψ［ｕ、ｖ］は、画像平面におけるターゲット画像を表すホログラフィック表現を生成するために使用される。
【００４１】
強度と位相はフーリエ変換で本質的に結合しているため、変換された強度（と位相）は、算出されたデータセットの精度に関する有用な情報を含む。このように、このアルゴリズムは、振幅と位相の情報のフィードバックを提供する。
【００４２】
本開示のいくつかの実施形態によるＧｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムに基づく例示的なアルゴリズムを、図２を参照しながら以下に説明する。アルゴリズムは反復的かつ収束的である。アルゴリズムは、入力画像を表すホログラムを生成するように構成されている。アルゴリズムは、振幅限定ホログラム、位相限定ホログラム、または完全に複合のホログラムを決定するために使用されてもよい。本明細書に開示された例は、単なる例として位相限定ホログラムの生成に関する。図２Ａは、アルゴリズムの最初の反復を示しており、アルゴリズムのコアを表している。図２Ｂは、アルゴリズムの後続の反復を示す。
【００４３】
この説明の目的のために、振幅および位相情報は別々に検討されるが、それらは本質的に組み合わされて複合複素データセットを形成する。図２Ａを参照すると、アルゴリズムのコアは、第１の複素データを含む入力と第４の複素データを含む出力とを有すると考えることができる。第１の複素データは、第１の振幅成分２０１と第１の位相成分２０３とを含む。第４の複素データは、第４の振幅成分２１１と第４の位相成分２１３とを含む。この例では、入力画像は２次元である。したがって、振幅情報および位相情報は、遠視野画像における空間座標（ｘ、ｙ）の関数およびホログラム領域に対する（ｕ、ｖ）の関数である。すなわち、各平面における振幅および位相は、各平面における振幅および位相分布である。
【００４４】
この最初の反復において、第１の振幅成分２０１はホログラムが計算されている入力画像２１０である。この最初の反復において、第１の位相成分２０３は、単にアルゴリズムの開始点として使用されるランダム位相成分２３０である。処理ブロック２５０は、第１の複素データのフーリエ変換を実行して、第２の振幅成分（図示せず）および第２の位相情報２０５を有する第２の複素データを形成する。この例では、第２の振幅成分は廃棄され、処理ブロック２５２によって第３の振幅成分２０７に置き換えられる。他の例では、処理ブロック２５２は、異なる関数を実行して第３の振幅成分２０７を生成する。この例では、第３の振幅成分２０７は光源を表す分布である。第２の位相成分２０５は処理ブロック２５４によって量子化されて第３の位相成分２０９を生成する。第３の振幅成分２０７および第３の位相成分２０９は第３の複素データを形成する。第３の複素データは、逆フーリエ変換を実行する処理ブロック２５６に入力される。処理ブロック２５６は、第４の振幅成分２１１および第４の位相成分２１３を有する第４の複素データを出力する。第４の複素データは、次の反復のための入力を形成するために使用される。すなわち、ｎ回目の反復の第４の複素データは、（ｎ＋１）回目の反復の第１の複素データセットを形成するために使用される。
【００４５】
図２Ｂは、アルゴリズムの第２および後続の反復を示す。処理ブロック２５０は、前の反復の第４の振幅成分２１１から導出される第１の振幅成分２０１と、前の反復の第４の位相成分に対応する第１の位相成分２１３とを有する第１の複素データを受信する。
【００４６】
この例では、以下に説明するように、第１の振幅成分２０１は、前の反復の第４の振幅成分２１１にから出される。処理ブロック２５８は、前の反復の第４の振幅成分２１１から入力画像２１０を減算して、第５の振幅成分２１５を形成する。処理ブロック２６０は、第５の振幅成分２１５を利得係数αでスケールし、それを入力画像２１０から減算する。これは数学的には次の式で表される。
Ｒｎ＋１［ｘ、ｙ］＝Ｆ’｛ｅｘｐ（ｉΨｎ［ｕ、ｖ］）｝
Ψｎ［ｕ、ｖ］＝∠Ｆ｛η・ｅｘｐ（ｉ∠Ｒｎ［ｘ、ｙ］）｝
η＝Ｔ［ｘ、ｙ］−α（｜Ｒｎ［ｘ、ｙ］｜−Ｔ［ｘ、ｙ］）
ここで、
Ｆ’は逆フーリエ変換、
順フーリエ変換の場合はＦ、
Ｒは再生フィールド、
Ｔはターゲット画像、
∠は角度情報、
Ψは角度情報の量子化バージョン、
εは新しいターゲットの大きさ、ε≧０であり、
αは利得因子で約１である。
【００４７】
利得因子αは、固定でも可変でもよい。例では、利得因子αは、入力するターゲット画像データのサイズおよび速度に基づいて決定される。
【００４８】
処理ブロック２５０、２５２、２５４、および２５６は、図２Ａを参照して説明したように機能する。最後の反復では、入力画像２１０を表す位相限定ホログラムΨ（ｕ、ｖ）が出力される。位相限定ホログラムΨ（ｕ、ｖ）は、周波数領域またはフーリエ領域における位相分布を含むと言える。
【００４９】
他の例では、第２の振幅成分は破棄されない。代わりに、入力画像２１０が第２の振幅成分から減算され、その振幅成分の倍数が入力画像２１０から減算されて第３の振幅成分３０７が生成される。他の例では、第４の位相成分は完全にはフィードバックされず、その切り替えに比例する部分、例えば最後の２回の反復だけがフィードバックされる。
【００５０】
いくつかの実施形態では、画像データを受信し、アルゴリズムを使用してリアルタイムでホログラムを計算するように構成されたリアルタイムエンジンが提供される。いくつかの実施形態では、画像データは一連の画像フレームを含むビデオである。他の実施形態では、ホログラムは予め計算され、コンピュータメモリに格納され、ＳＬＭ上に表示するために必要に応じて呼び出される。すなわち、いくつかの実施形態では、所定のホログラムの保存場所が提供される。
【００５１】
しかしながら、いくつかの実施形態は、単なる例として、フーリエホログラフィおよびＧｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎ型アルゴリズムに関する。本開示は、フレネルホログラフィと、ポイントクラウド法に基づくものなどの他の技術によって計算されたホログラムにも等しく適用可能である。
【００５２】
本開示は、多数の異なる種類のＳＬＭのうちの任意の１つを使用して実装され得る。ＳＬＭは、空間変調された光を反射または透過で出力することができる。いくつかの実施形態では、ＳＬＭはシリコン基板上の液晶（ＬＣＯＳ）ＳＬＭであるが、本開示はこの種類のＳＬＭに限定されない。
【００５３】
ＬＣＯＳ装置は小さな開口部内に位相限定要素の大きなアレイを表示することができる。小さな要素（典型的には約１０ミクロン以下）は実用的な回折角（数度）をもたらすので、光学系は非常に長い光路を必要としない。ＬＣＯＳ  ＳＬＭの小さな開口部（数平方センチメートル）を適切に照射することは、より大きな液晶装置の開口部に対するよりもより容易である。ＬＣＯＳ  ＳＬＭはまた、大きな開口率を有し、ピクセル間にデッドスペースがほとんど存在しない（ピクセルを駆動する回路がミラーの下に埋設されているため）。これは再生フィールドにおける光学ノイズを低減するための重要な課題である。シリコンバックプレーンを用いることは、ピクセルが光学的に平坦であるという利点を有し、これは位相変調装置にとって重要である。
【００５４】
適切なＬＣＯＳ  ＳＬＭを、図３を参照して、単なる例として以下に説明する。ＬＣＯＳデバイスは単結晶シリコン基板３０２を用いて形成される。それは、基板の上面に間隙３０１ａで離間されて配置された、正方形の平面アルミニウム電極３０１の２Ｄアレイを有する。各電極３０１は、基板３０２に埋設された回路３０２ａを介してアドレス指定可能である。各電極はそれぞれの平面ミラーを形成する。電極アレイ上に配向層３０３が配置され、配向層３０３上に液晶層３０４が配置されている。第２の配向層３０５は、液晶層３０４が配置され、また例えばガラスの平面透明層３０６が第２の配向層３０５上に配置されている。透明層３０６と第２の配向層３０５との間には例えばＩＴＯの単一の透明電極３０７が配置されている。
【００５５】
正方形電極３０１のそれぞれは、透明電極３０７の上を覆う領域および介在する液晶材料と共に、制御可能な位相変調素子３０８を画定し、これは通常ピクセルと称される。有効ピクセル領域、すなわちフィルファクタは、光学的に活性なピクセル全体の内で、ピクセル３０１ａ間のスペースを考慮した割合である。透明電極３０７に関して各電極３０１に印加される電圧を制御することによって、それぞれの位相変調素子の液晶材料の特性が変化することができ、これにより入射光に可変遅延が与えられる。この効果として、波面に位相限定変調が与えられ、すなわち振幅の影響は起こらない。
【００５６】
記載されたＬＣＯＳ  ＳＬＭは空間変調された光を反射で出力するが、本開示は透過型ＬＣＯＳ  ＳＬＭにも同様に適用可能である。反射型ＬＣＯＳ  ＳＬＭは、信号線、ゲート線およびトランジスタが鏡面の下にあるという利点を有し、それは高いフィルファクタ（典型的には９０％を超える）および高い解像度をもたらす。反射型ＬＣＯＳ空間光変調器を使用することの別の利点は、透過型装置が使用された場合よりも必要な液晶層の厚さを半分にできることである。これにより、液晶のスイッチング速度（動画像の投影のキーポイント）が大幅に向上する。
【００５７】
図４は、実施形態によるホログラフィック投影システム４００を示す。ホログラフィック投影システム４００は、ＵＳＢ制御信号用の第１の入力４０１、入力電力用の第２の入力４０２、およびＨＤＭＩ用の第３の入力４０３を含む。ホログラフィック投影システム４００は、レーザコントローラ４１０、ＬＣＯＳドライバ４２０、電力用変圧器４３０、周囲光センサ４４０、受光面４５０、例えば拡散板またはスクリーン、光センサ４６０、レーザ４７０およびＳＬＭ  ４８０を含む。
【００５８】
ホログラフィック投影システム４００へのＵＳＢ制御信号のための第１の入力４０１は、レーザコントローラ４１０の第１の入力によって受け取られる。レーザコントローラ４１０はさらに、電力用変圧器４３０からの第１の電力４３１、ＬＣＯＳドライバ４２０からの同期信号４２１、周囲光センサ４４０からの周囲光信号４４１、および光センサ４６０からの光検出信号４６１を受信するように構成される。レーザドライバ出力４１１はレーザ４７０に接続されている。
【００５９】
ホログラフィック投影システム４００への電力のための第２の入力４０２が、電力用変圧器４３０の入力によって受け取られる。電力用変圧器４３０は、第１の電力４３１をレーザコントローラ４１０に供給する第１の出力と、第２の電力４３２を拡散板４５０に供給する第２の出力と、第３の電力４３３をＬＣＯＳドライバ４２０に供給する第３の出力とを含む。いくつかの実施形態では、拡散板は電力を供給されず、第２の電力４３２は省略されてもよい。
【００６０】
ホログラフィック投影システム４００へのＨＤＭＩのための第３の入力４０３は、ＬＣＯＳドライバ４２０の第１の入力によって受け取られる。ＬＣＯＳドライバ４２０は、上述のように、電力用変圧器４３０から第３の電力４３３を受け取るようにさらに構成される。ＬＣＯＳドライバは、同期信号４２１をレーザコントローラ４１０に、制御信号４２２（光変調データを含む）をＳＬＭ４８０に出力するように構成される。
【００６１】
レーザ４７０は、レーザドライバ出力４１１に従ってＳＬＭ４８０を照射するように構成される。ＳＬＭの各ピクセルは入射光の一部を受光する。ＳＬＭ４８０は、受信光を空間変調するために制御信号４２２に従って制御される。制御信号４２２は、ホログラムを表す命令を含む。すなわち、制御信号４２２はホログラフィックデータを含む。ＳＬＭの各ピクセルは、入射光の対応する部分を独立して変調するために個々にアドレス指定される。ピクセルは集合的にホログラフィックパターンを表す。したがって、光変調パターンまたは分布が受信波面に適用される。いくつかの実施形態では、位相遅延分布が波面に適用される。ＳＬＭはホログラムを「表示する」と言える。
【００６２】
ＳＬＭからの空間変調された光は受光面４５０に画像を形成し、再生フィールドを提供する。画像はホログラフィック再構成である。ホログラフィック再構成は、ホログラフィック再構成平面上のホログラフィック再生領域内に形成される。ホログラフィック再構成は、図３には示されていないフーリエ変換レンズなどの光学系を必要とすることがある。
【００６３】
あるいは、制御信号４２２は、物理光学を必要とせずに再構成を実行するように構成された追加のホログラフィックデータをさらに含むことができる。
【００６４】
図５は、実施形態によるホログラフィック投影システムのレーザドライバ５１０を示す。レーザドライバ５１０は、ＵＳＢ制御信号用の第１の入力５０１を受信するように構成されたマイクロコントローラ５２０を備える。本開示は、単なる例としてＵＳＢ制御信号に言及しており、任意の信号規格を使用することができる。レーザドライバ５１０はさらに、ＬＣＯＳドライバからの同期信号５２１、周囲光センサからの周囲光信号５４１（ＡＤＣ５４３を介して）、および光センサからの光検出信号５６１を受信する（ＡＤＣ５６３を介して）ように構成される。レーザドライバ出力５１１はＤＡＣ５３０の入力に接続されている。ＤＡＣ５３０の出力はレーザドライバ５５０の入力に接続されている。レーザドライバ５５０の出力はレーザ５７０のドライブに接続されている。レーザドライバ５５０は、電流フィードバック５６０をマイクロコントローラ５２０のＡＤＣ５８０に供給する。
【００６５】
図６は、実施形態によるホログラフィック投影システムのＬＣＯＳドライバ６２０を示す。ＬＣＯＳドライバ６２０は、ＨＤＭＩ受信機チップ６５０、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）６６０、および複数の局所変圧器６７０ａ〜６７０ｆを備える。ＨＤＭＩ受信機チップ６５０は、ホログラフィック投影システムの第３の入力６０３を受信するように構成された入力と、ＦＰＧＡ６６０の入力に接続された出力とを有する。ＦＰＧＡ６６０の出力はＬＣＯＳ６８０に接続されている。
【００６６】
画像は、視認者が視認するための情報を含む１次画像領域と、１次画像領域とは異なる、例えば１次画像領域から離間した２次画像領域とを有する。いくつかの実施形態では、画像の任意の残りの領域をノイズダンプとして使用することができる。１次画像領域は、速度または位置を示す情報などの拡張現実情報を含むことができる。光センサ４６０は、２次画像領域の光パワーを測定するように配置されている。すなわち、光センサ４６０は、２次画像領域に対応する受光面４５０の部分によって乱反射（または透過）された光、またはその部分への進行を妨げられた光を受光するように構成されている。光センサは、受光面の前方または受光面の後方に配置することができる。図示されていないいくつかの実施形態では、光センサを受光面の後方に配置して、ノイズを低減するスペックル除去効果を提供する。光センサは、光路に対して受光面の前または後に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、２次画像領域は、主に視認者を対象としていない情報を含む。いくつかの実施形態では、光センサ４６０は、それが１次画像領域からいかなる光も受光しないように配置される。
【００６７】
本発明者らは、ホログラフィック投影システムを用いて、ホログラム内に追加の情報を計算的に符号化することが可能であり、これはフィードバックをシステムに提供する目的専用であり得ることを認識した。このフィードバックは、改善されたホログラフィック再構成を提供するために使用され得る。いくつかの実施形態では、フィードバックは投影システムのパラメータをリアルタイムで制御するために使用される。
【００６８】
本発明者らは、ホログラフィック投影システムでは、画像の明るさは表示される画像内容の量に依存することを見い出した。具体的には、より多くの内容が画像に表示されている場合、輝度が低下するにつれて画像の明るさが低下することが分かる。これは、従来のディスプレイ技術とは異なり、入力光が画像全体にわたって回折ホログラフィックプロセスによって分割されるためである（これは呼び出され、光を受光する再生フィールドの一部である）。情報内容の量と光パワーとの間には反比例関係があると考えることができる。例えば、１領域単位のホログラフィック画像は、１０領域単位で形成された画像よりも１０倍明るくなる。ホログラフィックプロセスのこれらの結果のために、１次画像領域の明るさに関する情報は、光の一部を２次画像領域に導き、２次画像領域の光パワーを監視することによって提供され得る。これは、２次画像領域の光パワーが画像の放射束（Ｊｓ−１ｍ２）または輝度（ｃｄｍ−２）、したがって明るさ（照射される再生フィールドの部分）を直接表すためである。これは、２次画像領域が固定領域である場合、または２次画像領域の領域が考慮される場合に特に当てはまる。有利には、本開示のコンピュータ生成ホログラムによって、１次画像領域に悪影響を与えたり、１次画像領域に表示された情報のユーザの視界を不明瞭にしたりすることなく、光を２次画像領域に容易に向けることができる。
【００６９】
したがって、いくつかの実施形態では、例えば上で具体的に説明したように、ホログラフィック投影システムはユーザに情報を表示するように構成される。投影システムは、受光面、例えばスクリーンまたは拡散板と、第１の波長で第１の光を出力するように構成された第１の光源とを備える。第１の空間光変調器は、第１の光源から第１の光を受光し、第１の空間光変調器上に表される第１のコンピュータ生成ホログラムに従って空間変調光を出力して、受光面上に第１の画像を形成するように構成される。第１の画像は、ユーザに関する情報を含む１次画像領域と、１次画像領域とは異なる２次画像領域とを含む。例えば、２次画像領域は１次画像領域から離間していてもよい。第１の検出器は、第１の画像の２次画像領域の光パワーを検出するように構成されている。
【００７０】
ホログラムは、１次画像領域および２次画像領域に光を向ける情報を含み得る。１次画像領域に向けられた光は組み合わされて、ユーザにとって有用な情報またはデータを形成する。２次画像領域はスポットまたは他の形状の光を含んでもよいが、任意の好ましい光パターンが２次画像領域に向けられてもよい。
【００７１】
いくつかの実施形態では、第１のコンピュータ生成ホログラムは、画像の１次領域を表す第１のホログラム部品を含む。第１のコンピュータ生成ホログラムはまた、２次画像領域に向けられた光パターンを表す第２のホログラム部品を含み得る。２次画像領域は、投影システムに有用なフィードバックを提供する目的で提供されてもよい。そのために、いくつかの実施形態では、２次画像領域はホログラフィック投影システムのための制御情報を含む。「制御情報」という用語は、内容が、ユーザまたは画像の観察者ではなく投影システムによって使用されることを反映するために使用される。すなわち、制御情報は、ユーザまたは観察者に有用な視覚的情報を提供しなくてもよい。
【００７２】
有利には、本開示のホログラフィック技術は、制御情報（２次画像領域）を、ユーザを対象とする任意の内容から離して配置することを可能にする。したがって、制御情報は、ユーザの視界を妨げないように、観察者を対象とする内容から物理的に離れていてもよい。
【００７３】
図７は、いくつかの実施形態による、１次画像領域７１０および２次画像領域７２０を含む画像７００の一例を示す。
【００７４】
いくつかの実施形態では、２次画像領域は、１次画像領域から空間的に離れており、例えば１次画像領域の周囲に配置されている。すなわち、２次画像領域は、１次画像領域の外側または離れた位置、例えばホログラフィック再生フィールドの周囲または端部付近に配置される。したがって、２次画像領域は、１次画像領域から離間してもよく、例えば１次画像領域と隣接し、１次画像領域と共通の境界を有し、または１次画像領域と２次画像領域との間の介在画像または非画像領域でさらに離間してもよい。
【００７５】
いくつかの実施形態では、第１のコンピュータ生成ホログラムは、画像の数学的変換、任意選択で、フーリエ変換またはフレネル変換に対応する。すなわち、いくつかの実施形態では、第１のコンピュータ生成ホログラムはフーリエホログラムまたはフレネルホログラムである。これらの実施形態では、第１のコンピュータ生成ホログラムは、フーリエレンズ効果機能を果たすように構成された第２のホログラム部品を含むことができる。しかしながら、他の実施形態では、コンピュータ生成ホログラムは、光線追跡法またはポイントクラウド法に基づくものなどの他の数学的技法によって計算される。
【００７６】
２次画像領域の光パワーの測定値を使用して、改善されたホログラフィック再構成を提供することができる。具体的には、いくつかの実施形態では、ホログラフィック投影システムは、２次画像領域の検出された光パワーに応答して第１の光源によって出力される光の光パワーを変えて、例えば画像明るさの閉ループフィードバック制御を提供するように構成される光コントローラをさらに含む。例えばレーザコントローラである光コントローラへのこのフィードバックにより、光源によって発せられた光パワー、したがってホログラフィック画像の明るさを、検出された光パワーに基づいて制御することが可能になる。２次画像領域の光パワーは１次画像領域の明るさを直接表しており、これは単位エリア当たりの光パワーに関係していると考えられる。
【００７７】
ホログラフィを使用して画像を投影する結果として、画像の明るさは表示される内容の量に依存すると考えられている。これは、動的に変化する画像の表示中に画像の明るさに目に見える変化をもたらす可能性がある。いくつかの実施形態では、この問題は、２次画像領域の光パワーの測定に基づいて、閉ループフィードバック制御の使用によって対処される。具体的には、負の誤り訂正フィードバックループのパラメータとして、２次画像領域の所望の光パワーをそのように設定することによって、１次画像領域内の明るさを実質的に一定に維持するように、フィードバックを使用することができる。いくつかの実施形態では、光コントローラは、２次画像領域の検出された光パワーに応答して、１次画像領域の光パワーを実質的に一定の値に維持するように構成される。
【００７８】
１次画像領域の明るさは、２次画像領域の基準光パワーを使用することによって維持することができる。具体的には、１次画像領域の明るさは、２次領域の光パワーが基準値にあるレベルに維持されてもよい。いくつかの実施形態では、光コントローラは、２次画像領域の検出された光パワーが基準光パワーよりも大きい場合、光源から出力される光の光パワーを減少させ、および／または２次画像領域の検出された光パワーが基準光パワーよりも小さい場合、光源から出力される光の光パワーを増加させるように構成される。
【００７９】
２次画像の基準光パワーは、２次画像領域のエリアおよび場合によっては知覚波長スケーリングなどの他の要因を考慮に入れる計算によって、例えば輝度に関して測定される所望の明るさに対応するように、任意の手段によって決定され得る。例えば、基準光パワーはシステム内で配線されて、ユーザによって事前に決定されるか、またはユーザによって選択されてもよい。いくつかの実施形態では、基準光パワーは、例えば画像明るさを長時間一定に維持するために、より早い時点での２次画像領域の光パワーによって決定される。
【００８０】
いくつかの実施形態では、基準値に関するフィードバック制御は、負のフィードバックループを含んでもよく、例えば、光コントローラは基準光パワーから検出光パワーを減算することによって得られる値に比例して出力される光の光パワーを変化させ、比例した制御項を提供する。この差を乗算してフィードバック信号を明るさ、例えば輝度に関連する単位に変換するために利得係数が使用されてもよい。微分および積分項などの他の制御項または他の、例えば非線形の項もまた使用され得る。いくつかの実施形態では、フィードバック制御はヒステリシスの要素を組み込んでもよく、例えば、検出された光パワーが基準光パワーよりも第１の閾値量を下回る場合、光出力の光パワーは増加し得、検出された光パワーが第２の閾値量よりも多く基準光パワーを超えている場合、減少し得る。
【００８１】
いくつかの実施形態では、光パワーフィードバックに基づく利得係数Ｇが光源の駆動入力に適用され、１次画像領域の光パワーは利得係数を変えることによって変えられる。いくつかの実施形態では、利得係数は以下の式によって決定される。
【数１】
0006860669.tif 000002
【００８２】
ここで、Ｔ＝画像の所望の最大輝度（ｃｄ／ｍ２）、Ｐ＝２次画像領域の第１の波長における輝度（ｃｄ／ｍ２）（例えば、よく知られているように、検出された光パワーを２次画像領域のエリアによって除算することによって、またＪｓ−１ｍ−２からｃｄｍ−２に変換するためのスケーリングによって得られる）、ｘ＝画像に使用される階調総数、およびｙ＝２次画像領域の光の階調。例えば、画像は２５６階調を含むことができ、階調０は黒であり、階調２５５は白であってもよい。「階調」への言及は、画像の特定のカラー、またはその欠如を意味するのではなく、むしろ所与の画像エリア、例えば、デジタル画像のピクセルについての離散化されたレベルの明るさ（輝度、強度など）を指す。
【００８３】
光検出器からの放射／光パワー（Ｊｓ−１）または放射強度（Ｊｓ−１ｓｒ−１）測定値を輝度に変換する方法は知られている。ディスプレイ業界では、所望の最大輝度（ｃｄ／ｍ２）を指定できることも知られている。したがって、利得Ｇは、表示される画像内容の量または画像、特に１次画像領域のエリア範囲にかかわらず、ディスプレイが所望の最大輝度を提供することを保証するために使用され得る。
【００８４】
いくつかの実施形態において、第１の検出器は、検出された光の光パワーに対して非線形の電気的応答を提供するように構成される。有利なことに、これは、１：１０，０００などの高いダイナミックレンジを提供するために、レーザドライバで使用されるＡＤＣおよびＤＡＣが８ビットを超える必要がない可能性があることを意味する。いくつかの実施形態では、第１の検出器は非線形電子回路を含む。いくつかの実施形態では、非線形電子回路は対数増幅器を備える。いくつかの実施形態では、非線形電子回路は、自動利得制御または切替可能利得抵抗を含む増幅器を備える。他の実施形態において、非線形応答は、異なる感度を有する複数の光検出器を含む検出器を使用することによって提供される。
【００８５】
本発明者らは、複合カラーホログラフィック投影システムでは、画像の色温度（またはカラーバランス）は、各成分カラーに含まれる画像内容の量、または各成分カラー画像の画像エリアに依存することを見い出した。すなわち、情報内容の量または画像エリアの量と光パワーとの間の逆の関係は独立して各カラーに拡大する。したがって、赤の内容の量またはエリアが青および／または緑に対して減少する場合、複合カラー画像はより赤く見える。つまり、画像内の赤のエリアが減少すると、画像内の赤のエリアがより明るくなる。同様に、青の内容の量またはエリアが赤および／または緑に対して減少する場合、複合画像はより青く見えることがある。本発明者らは、これが複合カラー画像の知覚カラーバランスまたは色温度に影響を与えることを確認した。これは、従来のディスプレイ技術とは異なり、各カラーの入力光が上述のように回折ホログラフィックプロセスによって画像エリア全体に均等に分割され、各カラーの光の光出力が、他のカラーの光の光パワーと無関係であるためである。したがって、情報内容は絶えず変化しているので、画像の色温度は絶えず変化している可能性がある。しかしながら、１次画像領域のカラーバランスに関する情報は、各カラーの光の一部を２次画像領域に導き、２次画像領域内の各カラーの光パワーを監視することによって提供され得る。これは、上述したように、２次画像領域の光パワーが１次画像の明るさを表すためである。有利には、本開示によるホログラフィによって、１次画像領域に悪影響を与えたり、１次画像領域に表示された情報のユーザの視界を不明瞭にしたりすることなく、各カラーの光を２次画像領域に容易に向けることができる。２次画像領域は各カラーについて同じであってもよく、または別々のそれぞれの２次画像領域が１つ、いくつかまたはすべてのカラーについて使用されてもよい。
【００８６】
図８は、実施形態による複合カラーホログラフィック投影システム８００を示す。図８は、図４にほぼ対応しており、当業者は、図４の説明が図８にどのように及ぶかを理解するであろう。図８は、２つの追加のレーザ４７０’および４７０’’、２つの追加のＳＬＭ４８０’および４８０’’ならびに対応する追加の光路および電路を示す。例えば、レーザ４７０は赤色であり得、レーザ４７０’は緑色であり得、レーザ４７０’’は青色であり得る。同様に、ＳＬＭ４７０は赤色画像の形成に割り当てられ、ＳＬＭ４８０’は緑カラー画像の形成に割り当てられ、ＳＬＭ４８０’’は青色画像の形成に割り当てられる。複合カラー画像を再構成するために、異なるコンピュータ生成ホログラムが３つのＳＬＭ上に表される。対応する光路は読者には明らかであろう。単一カラー画像の１次画像領域は、受光面上でほぼ一致している。各カラー画像は、前述のように１次画像領域と２次画像領域とを含む。２次画像領域は一致してもしなくてもよい。図８は、単なる例として３つのカラーチャネルを示している。本開示は、３つのカラーチャネルに限定されず、任意の複数のカラーチャネル、および以下に説明されるようなフレームシーケンシャルカラーの技術に等しく適用可能である。
【００８７】
図９および図１０は、図５および図６に対応し、赤、緑および青などの３つの単一カラーチャネルを使用して複合カラーを提供するのに必要な追加の部品、電気チャネルおよび光チャネルを示す。やはり、３つのカラーチャネルは単なる例として示されており、本開示は任意の複数の単一カラーチャネルに等しく適用可能である。当業者は、複合カラーを提供するために、図５および図６の説明が図９および図１０にどのように及ぶかを理解するであろう。
【００８８】
したがって、例えば上述のように構成されたいくつかの実施形態では、上述のようなホログラフィック投影システムはさらに、第２の波長を有する第２の光を出力するように構成される第２の光源を備え、第２の波長は第１の光源によって出力される第１の光の波長と異なる。第２の空間光変調器は、第２の光源から第２の光を受光し、第２の空間光変調器上に表される第２のコンピュータ生成ホログラムに従って第２の空間変調光を出力して、受光面上に第２の画像を形成するように構成される。第２の画像は、ユーザに関する情報を含む１次画像領域と、２次画像領域とを含む。第２の画像の１次画像領域は第１の画像の１次画像領域と実質的に一致して複合画像を形成する。第２の検出器は、第２の画像の２次画像領域の光パワーを検出するように構成されている。
【００８９】
第１および第２の画像の２次画像領域は実質的に一致していてもよく、それぞれの光はそれぞれ異なる波長を有し、したがって検出器のための適切なフィルタまたは波長応答を用いて検出器によって別々に検出できる。しかしながら、第１および第２の画像の２次領域の一致は要件ではなく、領域は空間的に離れている、例えば重なり合う、互いに隣接している、またはさらに離れていてもよい。
【００９０】
第１の画像および／または第２の画像の２次画像領域の光パワーの測定値を使用して、改善されたホログラフィック再構成を提供することができる。具体的には、いくつかの実施形態では、光コントローラは、画像の２次画像領域の検出された光パワーおよび／または第２の画像の２次画像の検出された光パワーに応じて、第１の光源によって出力された第１の光の光パワーおよび／または第２の光源によって出力された第２の光の光パワーを変更して、複合画像のカラーバランスを変更するようにさらに構成される。２つより多いカラーチャネル、例えば３つのカラーチャネルを有する実施形態では、この構成は、例えば上述のようにすべてのカラーチャネルの明るさを実質的に独立して一定に維持することによって、すべてのカラーチャネルに対して複製できる。
【００９１】
したがって、複合カラーホログラフィック画像のカラーバランスを動的に調整することを可能にする、光コントローラ、例えばレーザコントローラへのフィードバックが提供される。これは、各２次画像領域の光パワーが、回折ホログラフィックプロセスにより、対応する１次画像領域の光パワーを直接表すために可能であると考えられる。例えば、赤色画像の２次画像領域の光パワーが低下する場合、赤色光源への駆動パワーは増加する可能性がある。例えば、緑色画像の２次画像領域の光パワーが増加する場合、緑色光源への駆動パワーは減少する可能性がある。そのようなプロセス、例えば上述のような負のフィードバックプロセスは、各光源によって出力される光パワーを継続的に監視し、独立して調整するために使用されてもよい。
【００９２】
ホログラフィを使用して複数の単一カラー画像を投影する結果は、フレームごとに動的に変化するカラー画像の表示中に、複合画像のカラーバランスが目に見えるように変化する可能性があることである。しかしながら、この問題は、各２次画像領域の光パワーの測定に基づく閉ループパワーフィードバックが１次画像領域において実質的に一定のカラーバランスを維持するために使用されるいくつかの実施形態において対処される。すなわち、いくつかの実施形態では、光コントローラは、各２次画像領域の検出された光パワーに応答して、１次画像領域のカラーバランスを実質的に一定の値に維持するように構成される。
【００９３】
レーザドライバおよび光フィードバックセンサに関連する部品の違いにより、いわゆる白色点は装置ごとに異なる。この白色点の差は、１つまたは複数の波長で２次画像領域に向けられるパワーの量を変えることによって補償することができ、したがって２次画像領域から発する応答光の光パワーを変えることができる。例えば、２次画像領域により多くの赤色パワーを人為的に加えることは、結果としてフィードバックされる増加した赤色光パワーのために、画像における赤色パワーの全体的な減少をもたらす。ホログラムは公称階調数、例えば２５６階調に制限されないため、白色点の微調整が可能である。
【００９４】
いくつかの実施形態では、第２の利得係数Ｇ’が第２の光源の駆動入力に適用され、１次画像領域のカラーバランスは第２の利得係数を変えることによって変えられる。いくつかの実施形態では、第２の利得係数は以下の式によって決定される。
【数２】
0006860669.tif 000003
【００９５】
ここで、Ｔ’＝第２の画像の第２の波長における所望の最大輝度、Ｐ’は第２の画像の２次画像領域の第２の波長における輝度、ｘ’＝第２の画像で使用される階調の総数、ｙ’＝第２の画像の２次画像領域の光の階調である。
【００９６】
いくつかの実施形態において、第２の検出器は、第２の波長の光の光パワーに対して非線形の電気的応答を提供するように構成される。有利なことに、これは、１：１０，０００などの高いダイナミックレンジを提供するために、レーザドライバで使用されるＡＤＣおよびＤＡＣが８ビットを超える必要がないことを意味する。いくつかの実施形態では、第２の検出器は非線形電子回路を含む。いくつかの実施形態では、非線形電子回路は対数増幅器を備える。いくつかの実施形態では、非線形電子回路は、自動利得制御または切替可能利得抵抗を含む増幅器を備える。他の実施形態では、非線形応答は、異なる感度を有する複数の光検出器を使用することによって提供される。
【００９７】
複合カラーに関するいくつかの実施形態では、各カラーに対する検出器が提供される。すなわち、いくつかの実施形態では、検出器構成は、空間的に分離された複数の単一カラー検出器を含む。しかしながら、他の実施形態では、検出器構成はＲＧＢセンサまたはＣＭＹセンサを含む。すなわち、いくつかの実施形態では、第１の検出器と第２の検出器は同じ複合カラー検出器の一部である。これらの実施形態では、複合カラー検出器の出力は、第１の波長に対応する第１の検出信号、および第２の波長に対応する第２の検出信号などを含むことが理解されよう。
【００９８】
図１１は、第１の検出器１１１０、第２の検出器１１２０および第３の検出器１１３０を含む例を示す。第１の検出器１１１０は、第１の波長（例えば赤）の光に感応する。第２の検出器１１２０は、第２の波長（例えば緑色）の光に感応する。第３の検出器１１３０は、第３の波長（例えば、青）の光に感応する。第１、第２および第３の検出器はそれぞれ実質的に１次元形状を有する。これらの実施形態では、各検出器はスリット形状を有するものとして説明することができる。いくつかの実施形態では、それぞれの画像の２次画像領域は実質的に一致する。図１１は、実質的に一致する２次画像領域を示す。２次画像領域は、光の複合カラースポット１１５０を形成する。当業者は、検出器が当該技術分野において既知の異なる形態をとることができ、３つの異なる波長での検出を提供するために必要とされる狭帯域フィルタを含み得ることを認識するであろう。例えば、３つの広帯域フォトダイオードが、各複合カラー（例えば、ＲＧＢ）に対して３つの対応する単一カラーフィルタと共に使用されてもよい。いくつかの実施形態では、ホログラフィックプロセスを使用して、２次画像領域を対応する空間的に分離された検出器上に空間的に分離することができる。
【００９９】
いくつかの実施形態では、各検出器（より具体的には、検出器の検出エリアまたは検出エリアを制限する開口部）は、画定された形状、例えば１次元形状を有する。画定された形状は、それぞれの２次画像領域の形状に対応し得る。いくつかの実施形態では、各検出器−２次画像領域対は、対応する、例えば１次元形状を有する。すなわち、検出器の検出エリアの形状および／またはサイズは、対応する２次画像領域のものと実質的に等しいかまたは対応する。例えば、赤色光検出器の検出エリアの形状および／またはサイズは、赤色画像の対応する２次画像領域のものと実質的に等しい。
【０１００】
有利には、この形状は、改善された画像の光学的位置合わせを可能にする。２次画像領域と検出器とが完全に位置合わせされている（すなわち一致している）場合、検出器からの信号は最大になることが理解されよう。画像はコンピュータ生成されるため、１次画像領域と２次画像領域の相対位置は明確に画定されている。したがって、２次画像領域からの検出器からの信号を監視することによって、システム内の１次画像領域（無論、ユーザのための情報を含む）の光学的位置合わせを評価することが可能である。
【０１０１】
さらに、画像はコンピュータ生成されるので、あるエリアにわたって画像を移動させ、検出器からの信号が最大になるときを決定することによって、システムが光学的に位置合わせされるときを決定することが可能である。すなわち、いくつかの実施形態では、ホログラフィックコントローラは、光学的位置合わせプロセスを実行するように構成され、スクリーン上の画像の位置を変更することと、画像の複数の位置で第２画像領域の光パワーを検出して、検出された光パワーが、位置合わせされた位置で最大である位置を見つけることとを含む。
【０１０２】
検出器（または開口部）および２次画像領域の画定された形状は、パワー／位置フィードバック、したがって達成可能な調整の方向精度を知らせることが理解されよう。例えば、実質的に１次元またはスリット形状は、それに沿ったものよりも形状／スリットにわたってより良い精度を提供するであろう。したがって、要件に応じて、ドット、円形、円盤、正方形、ダイヤモンド形、菱形、十字形などの他の形状を検出器の活性エリアおよび２次画像領域に使用することができる。カラー画像の部品の位置合わせの目的で、２次画像領域が互いに一致する場合には位置合わせが容易になり、検出器の活性エリアも一致する場合にはさらに容易になることも理解されよう。最後に、位置合わせの利点はカラー成分画像の相互の位置合わせに対して最も明白であるが、開示された位置合わせ技術は単一カラー画像にも同様に適用可能であり、検出器の位置および構成によって画定された基準フレームに対して画像を正確な位置に位置決めする。
【０１０３】
いくつかの実施形態では、コンピュータ生成ホログラムは、光学格子効果を提供する部品を含み、画像は格子のパラメータを変えることによって移動される。コンピュータ生成ホログラフィの当業者は、画像を表すホログラフィックデータと、レンズ効果および／または角度操作などの光学機能を提供するホログラフィックデータとを組み合わせる方法を知っている。例えば、そのようなホログラフィックデータは単純なベクトル加算によって組み合わせることができる。いくつかの実施形態では、コンピュータ生成ホログラムは、格子機能を実行するように構成された第３のホログラム部品を含み、画像の位置は、第３のホログラム部品の格子機能を変えることによって光学的位置合わせプロセス中に変わる。いくつかの実施形態では、光学的位置合わせプロセスは、例えば、水平走査および／または垂直走査によって、２次画像領域の最大検出光パワーを生じさせる格子機能を決定することをさらに含む。当業者は、複合画像内のすべての単一カラー画像の位置を合わせるため、または基準フレームに対して単一画像の位置を合わせるために上記方法をどのように拡張できるかを理解するであろう。
【０１０４】
さらに、ｘ軸およびｙ軸上の最良の空間位置を見つけるための走査に加えて、あるいは独立して、レンズ機能をホログラムに追加しながらパワーを監視することによって、所望の、例えば最適な焦点面を決定することが可能である。これは、以下に説明するように、光のコヒーレント干渉のために機能する。所望の焦点面において、建設的および破壊的な干渉は最小にされる。
【０１０５】
図１２は、焦点面１２４０上に第１の画像点１２２５および第２の画像点１２３５を形成するように構成された空間光変調器１２１０を示し、第１の画像点１２２５と第２の画像点１２３５は隣接している。本発明者は、第１の画像点１２２５は、最小の第１のビームウエスト１２２０に形成されていると見なされ得ることを見い出した。同様に、第２の画像点１２３５は、最小の第２のビームウエスト１２３０に形成されていると見なすことができる。図１２から分かるように、焦点面１２４０付近の領域１２５０では、第１のビームウエスト１２２０と第２のビームウエスト１２３０との間に重なりがない。本発明者は、領域１２５０の外側では、ライトフィールドにノイズが多いことを見い出した。これは、光が空間的に変調され（例えば位相変調され）、したがって領域１２５０の第１のビームウエスト１２２０と第２のビームウエスト１２３０との間の重なりが局所的な建設的および破壊的干渉を引き起こすためである。この建設的および破壊的干渉は、ライトフィールド内にフリンジや明るくされた／暗くされた領域などの特徴をもたらす。領域１２５０において、発明者はこの干渉が実質的に排除されることを見い出した。したがって、領域１２５０は、空間光検出器などの光検出器を使用して、ライトフィールドが「最もきれい」である（空間光変調器１２１０に光学的に平行な）平面を決定するために探索され得る。いくつかの実施形態では、この平面は、例えば平面内の受光面上に形成された画像によって判断されるように、干渉によって引き起こされるライトフィールド内の局所パターンが最小化される平面を決定することによって識別される。
【０１０６】
例えば、ホログラフィック再構成における特徴は、焦点が合っていないとき（受光面が焦点／再構成平面内にない）にぼやけ、そうでなければ十分に分離された特徴間の重なりをもたらす。光のコヒーレントな性質を考えると、この重なりは、例えばコントラストまたは輪郭の鮮明さまたはノイズによって測定されるように、画像内の特徴間の望ましくない干渉をもたらし、画像の品質を低下させる傾向がある。これは、画像スポットなどの画像特徴間のクロストークとして理解することができ、画像の斑点をもたらす。いくつかの実施形態では、ホログラフィック再構成は、受光面上に画像を形成するための表示ピクセルと同様の画像スポットを含み、焦点が合っていない場合の画像スポットのぼやけは隣接スポットの光を干渉させ、上述の干渉パターンを生じさせる可能性がある。
【０１０７】
いくつかの実施形態では、受光面から取り込まれた画像によって判断されるように、最大のコントラストまたは鮮明度あるいは最小のノイズを含む平面を識別することによって、正しい平面が見つけられる。焦点面は、ホログラムのレンズ部品を変えることによって、または物理的レンズ構成を動かすことによって動かされる。受光面上の光パターンは、例えばデジタル画像センサまたはカメラを用いて結像される。所望の焦点面は、取り込まれた画像が最大のコントラストもしくは鮮明度または最小のノイズ、あるいは閾値レベルよりも良好なノイズ、鮮明度もしくはコントラストを有する平面として見い出される。
【０１０８】
いくつかの実施形態では、画像センサを使用するのではなく、上述のフォトダイオードまたは光電子増倍管などのスポットセンサまたは検出器が代わりに、例えば上述の２次画像領域で使用される。これらの実施形態では、コントラスト、鮮明度またはノイズの測定値は、スポットセンサにわたって画像領域、例えば２次画像領域のすべてまたは一部を走査し、画像領域を走査するとき検出強度の経時的変化を記録することによって得られる。画像領域は、センサを動かすことによって、または格子機能をホログラムと組み合わせ、画像領域を走査するために格子を変えることによって画像領域の再構成を動かすことによって走査することができる。
【０１０９】
単に例示目的として、比較的広い領域１２５０が図１２に示されている。実際には、領域１２５０は数ミリメートルの長さであり得、したがって焦点面の位置決めを対応する精度で可能にする。
【０１１０】
いくつかの実施形態では、ユーザに情報を表示するためのホログラフィック投影システムは、例えば上記で開示されたように、受光面、光源、および空間光変調器を備える。システムはまた、上に開示された実施形態のいずれかによる検出器を含み得る。検出器に加えて、またはその代わりに、システムは、領域の画質の測定値、すなわち画像の全部または一部、例えば画像のコントラストまたは鮮明度、あるいは画像内のノイズの測定値を検出するように構成された検出器を含む。いくつかの実施形態では、検出器は、画像センサと、画像センサによって取り込まれた信号から画質の測定値を計算するように構成されたプロセッサとを備える。システムはまた、いくつかの実施形態では、画像を画像の平面に垂直に移動させ、画質の測定値に基づいて画像の焦点面を選択するように構成されたコントローラを備えることができる。いくつかの実施形態では、コントローラは、画質の測定値を記録しながら複数の候補焦点面の間で画像を移動させ、画像の焦点面として、他方の候補焦点面に対して画質の測定値が最良の画質を示す候補焦点面を選択するように構成される。例えば、いくつかの実施形態では、コンピュータ生成ホログラムは、レンズ機能を実行するように構成された、例えばレンズデータを含むホログラム部品を含むことができる。コントローラは、レンズ機能またはデータを変更することによって、画像を焦点面に対して垂直に移動させるように構成されてもよい。
【０１１１】
ユーザに情報を表示するように構成されたホログラフィック投影システムが提供される。投影システムは、受光面、光源、空間光変調器、ホログラフィックコントローラおよび検出器を含む。光源は光を出力するように構成される。空間光変調器は、光源から光を受光し、空間光変調器上に表されるコンピュータ生成ホログラムに従って空間変調光を出力して、受光面上に画像を形成するように構成される。各コンピュータ生成ホログラムは、画像が形成される深度位置に影響を及ぼすためのレンズを表すデータを含むホログラム部品を含む。ホログラフィックコントローラは、レンズを表すデータを変更して深さ位置を変更するように構成される。レンズを表すデータはまたレンズ効果機能と称されてもよい。検出器は、複数の異なる焦点力について、画像の測定領域において画像の品質を決定するように構成される。
【０１１２】
いくつかの実施形態では、レンズ効果機能の焦点力を変更するように構成されたホログラフィックコントローラ（またはプロセッサ）と、複数の異なる焦点力について、画像の測定領域において画像の品質を決定するように構成された検出器とが提供される。ホログラフィック投影システムは、このようなプロセッサまたはコントローラを含み得る。上述のように、ホログラフィックデータは、例えば画像を表すホログラフィックデータに単純に追加することができるレンズ効果機能を提供するレンズ効果データを含むことができる。レンズデータによって表されるレンズの焦点力または屈折力は、ホログラフィック再構成の焦点面の位置、したがって再構成の深さ位置（画像）を決定する。画像の深度位置は、レンズデータ／機能によってシミュレートされたレンズの焦点距離、したがって焦点力に対応するので、これらの概念はこの説明では交換可能に使用することができることが理解されよう。
【０１１３】
ホログラフィックコントローラは、空間光変調器から焦点面までの距離がソフトウェアで動的に変更され得るように、レンズ効果機能の焦点力を変更するように構成される。いくつかの実施形態では、検出器は、レンズ効果機能の複数の異なる焦点力についてホログラフィック再構成の品質を評価する。したがって、フィードバックシステムが提供され、レンズ効果機能の最適な焦点力が決定され得る。具体的には、スクリーン上の像が合焦し、ホログラフィック再構成が受光面に形成される焦点力が決定される。図１２から理解され得るように、これは、画像のライトフィールドが「最もきれい」であるときに起こり、例えば、ライトフィールドは最大のコントラストまたは最小のノイズを示す。検出器は画像の品質を評価するように構成されている。
【０１１４】
いくつかの実施形態では、ＣＣＤデバイスまたはカメラなどの空間光検出器を使用して、例えば目視検査または当技術分野で知られている画像処理技術によって画像の品質を評価する。いくつかの実施形態では、画質は品質測定値、例えばノイズ、滑らかさ、鮮明度またはコントラストの測定値として定量化される。
他の実施形態では、検出器は、フォトダイオードなどの空間分解能を持たない低視野検出器である。検出器は積分検出器とすることができる。これらの実施形態では、検出器、例えば、フォトダイオードは、再生フィールド上の画像の空間的広がりよりも小さい視野を有する。いくつかの実施形態において、スクリーン上の検出器の視野は、測定エリアの２０％未満、任意選択的に１０％未満、さらに任意選択的に５％未満のエリアを有する。いくつかの実施形態では、画像はフォトダイオードにわたって走査され、検出器から受信された時間変化信号は各焦点力で評価される。いくつかの実施形態では、これは、ホログラフィックデータを使用して、画像を受光面の平面内（すなわち、焦点面内または受光面または焦点面に平行な平面内）で移動させることによって達成される。また、上述のように、ホログラフィックデータは、スクリーンの平面内に画像を位置決めするために使用することができる格子機能を提供するデータを含み得る。いくつかの実施形態では、ホログラフィックコントローラは、リアルタイムで格子機能を変えてフォトダイオードにわたって画像をリアルタイムで走査するように構成される。いくつかの実施形態では、画像はスクリーンの平面内を一定の速度で移動される。ホログラフィックコントローラと検出器とを同期させる必要がある場合があることを理解されたい。測定された信号内のある時点を対応する画像位置と関連付ける。画像は、画像平面上の一方向または二方向に移動することができる。非空間検出器から経時的に受信された信号は、例えば各画像内に、ノイズ、コントラストなど、および干渉縞の存在に関する情報を含み、当技術分野で知られているように、画像からこれらの量の１つまたは複数のそれぞれの測定値を抽出するために処理されてもよい。この目的のために、信号の時間縦座標は、任意にまたは時間内の画像位置の同期を使用して空間座標に変換することができる。
【０１１５】
いくつかの実施形態では、プロセッサは、画像がスクリーンの平面内を移動するときに検出器から受信した信号の変動に基づいて、画質を決定するように構成される。空間光変調器のピクセルは数ミクロンのサイズを有し、したがってスクリーン上の画像はこのフィードバックプロセス中に少しずつ移動され得る。検出器から得られた時変信号から抽出された品質測定値をレンズ効果機能の異なるそれぞれの焦点力と比較することによって、受光面に最も近い焦点面を最良の品質測定値が得られた焦点面として識別することができる。
【０１１６】
固定位置フォトダイオードなどの単純な検出器を使用して画質を測定するように構成されたシステムが提供される。単純な検出器を使用して画像がスクリーン上に焦点を合わせられることを確実にするためのソフトウェア方法がさらに提供される。画質は目視検査または信号処理によって評価することができる。いくつかの実施形態において、画質は定量化される。本明細書に記載の他の実施形態によると、検出器は、位置を固定され、測定領域と呼ぶことができる再生フィールドの固定サイズのサブ領域の明るさを測定するように構成することができる。
【０１１７】
要約すると、いくつかの実施形態は、画像が受光面上に焦点を合わせるようにさせるソフトウェアレンズの焦点距離、すなわち受光面が実質的に焦点面にあることを意味する焦点距離を決定する。特に、同じ非空間検出器（またはカラーホログラフィの場合は複数の検出器）を使用して、本明細書に開示されているすべての閉ループ機能を実行することができる。
【０１１８】
いくつかの実施形態では、画質の測定値は、上記の実施形態のいくつかにおいて言及された２次領域の全部または一部に対して検出されてもよい。他の実施形態では、上記の２次画像領域が使用されているか否かに関係なく、測定値は画像内のどこでも検出されてもよい。
【０１１９】
説明された実施形態は、２次画像領域内の光を検出するために検出器を使用する。このような検出器の配置の一例を図１３を参照して説明し、検出器１３１０は受光面１２５の後ろ（光軸に沿って）に配置されている。レンズ１３２０は、受光面１２５と検出器１３１０との間に配置されている。特に、いくつかの実施形態では、上述のように、受光面１２５は拡散板であり、レンズ１３２０は、拡散板によって拡散された光を検出器１３１０上に集光、例えば焦点を合わせるように作用する。いくつかの実施形態において、レンズは省略されてもよい。いくつかの実施形態では、検出器１３１０（および存在する場合にはレンズ１３２０）は、受光面の切り欠きと位置合わせされてもよく、または光軸から離れて、受光面の隣に配置されてもよい。いくつかの実施形態、特にレンズ１３２０が存在しない実施形態では、検出器１３１０は受光面１２５の平面内に、例えば隣接して、または切り欠き内に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、検出器１３１０（および存在する場合はレンズ１３２０）は検出器の前に配置されてもよい。検出器は、例えば図１１を参照して上述したように、任意の実施形態について本明細書に記載されているような検出器であり得る。同様に、複数の検出器を有する実施形態では、それぞれを上記のように配置することができる。１つまたは複数の検出器は、場合によっては光検出器、例えば電荷結合素子または光電子増倍管とすることができ、検出器の領域に当たる光の空間分解能を提供するための、例えば画像センサチップの形態の感光素子のアレイを有することができる。
【０１２０】
いくつかの実施形態では、空間光変調器は位相限定空間光変調器である。これらの実施形態は、振幅を変調することによって光エネルギーが失われないため有利である。
【０１２１】
したがって、効率的なホログラフィック投影システムが提供される。しかしながら、本開示は、振幅限定空間光変調器または振幅および位相変調器でも同様に実装することができる。ホログラムは対応して位相限定、振幅限定、または完全に複合であることが理解されよう。
【０１２２】
いくつかの実施形態では、光源はレーザである。いくつかの実施形態では、受光面はスクリーンまたは拡散板である。本開示のホログラフィック投影システムは、改良型ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）またはヘッドマウントディスプレイを提供するために使用され得る。いくつかの実施形態では、ＨＵＤを提供するために車両に設置されたホログラフィック投影システムを備える車両が提供される。車両は、自動車、オートバイ、電車、飛行機、ボート、または船であり得る。
【０１２３】
実施形態群は大部分が別々に開示されているが、任意の実施形態または実施形態群の任意の特徴は、任意の実施形態または実施形態群の任意の他の特徴または特徴の組み合わせと組み合わせることができる。すなわち、本開示に開示されている特徴のすべての可能な組み合わせおよび順列が想定される。
【０１２４】
ホログラフィック再構成の品質は、ピクセル化空間光変調器を使用することの回折特性の結果である、いわゆる０次問題によって影響を受ける可能性がある。そのような０次光は「ノイズ」と見なすことができ、例えば鏡面反射光、およびＳＬＭからの他の不要な光を含む。
【０１２５】
フーリエホログラフィの例では、この「ノイズ」がフーリエレンズの焦点に焦点合わせされ、ホログラフィック再構成の中心に明るい点が生じる。０次光は単純に遮断される可能性があるが、これは明るい点を暗い点で置き換えることを意味する。いくつかの実施形態は、平行化された０次光のみを除去するための角度選択可能なフィルタを含む。実施形態はまた、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、欧州特許第２，０３０，０７２号に記載されている０次を管理する方法を含む。
【０１２６】
本明細書で説明されるいくつかの実施形態は空間光変調器上のフレームごとに１つのホログラムを表示することを含むが、本開示はこれに関して決して限定されず、２つ以上のホログラムがＳＬＭ上に同時に表示され得る。例えば、実施形態は、「タイリング」の技術を実施し、この技術では、ＳＬＭの表面エリアが多数のタイルに細分され、それぞれのタイルが元のタイルの位相分布と類似または同一の位相分布に設定される。したがって、各タイルの表面エリアは、ＳＬＭの割り当てられた全エリアが１つの大きな位相パターンとして用いられた場合よりも小さい。タイルにおける周波数成分の数が少なくなるほど、またそれぞれタイルの数が大きくなるほど画像が生成されたとき再構成される画像エリアはより離間している。画像は０次回折次数内で生成され、１次およびそれ以降の次数は画像と重なり合わないように十分遠くに位置し、空間フィルタによって遮断されることが好ましい。
【０１２７】
上述のように、この方法によって生成されるホログラフィック再構成（タイリング有無にかかわらず）は、画像ピクセルと呼ぶことができるスポットを含むことができる。用いられるタイルの数が多くなればなるほど、これらのスポットは小さくなる。無限正弦波のフーリエ変換の例を挙げると、単一の周波数が生成される。これは最適な出力である。実際には、１つのタイルのみが用いられる場合、これは正弦波の１つの周期の入力に対応し、０値が正弦波の端点から無限まで正負方向に延在する。フーリエ変換から１つの周波数を生成する代わりに、主周波数成分をその両側の一連の隣接する周波数成分と共に生成する。タイリングの使用により、これらの隣接する周波数成分の大きさが低減され、その直接的な結果として、隣接する画像ピクセル間で発生する（建設的または破壊的な）干渉が少なくなり、それにより画質が向上する。いくつかの実施形態では断片的なタイルを使用することも可能ではあるが、好ましくは、各タイルが完全なタイルである。
【０１２８】
本明細書に開示される例では、３つの異なるカラー光源および３つの対応するＳＬＭが複合カラーを提供するために使用される。これらの例は、空間分離カラー、「ＳＳＣ」と称されることがある。本開示に含まれる変形例では、各カラーの異なるホログラムが同じＳＬＭの異なる領域に表示され、次いで組み合わされて複合カラー画像を形成する。しかしながら、当業者は、本開示の少なくともいくつかの装置および方法が、複合カラーホログラフィック画像を提供する他の方法にも等しく適用可能であることを理解するであろう。
【０１２９】
これらの方法の１つは、Ｆｒａｍｅ  Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ  Ｃｏｌｏｕｒ、「ＦＳＣ」として知られている。ＦＳＣシステムでは、３つのレーザ（赤、緑および青）が用いられ、各レーザは、ビデオの各フレームを生成するために単一のＳＬＭにおいて連続して点灯される。カラーは、人間の観察者が３つのレーザの組み合わせから多色画像を見るのに十分速い速度で循環される（赤、緑、青、赤、緑、青など）。各ホログラムは、それ故、カラー仕様である。例えば、１秒当たり２５フレームのビデオでは、最初のフレームは赤レーザを１秒の１／７５の間点灯し、次に緑レーザを１秒の１／７５の間点灯し、最後に青レーザを１秒の１／７５の間点灯することにより生成される。その後、次のフレームが赤レーザから続けて生成される。ＦＳＣベースの実施形態では、位置または波長によって各カラーについてそれぞれの（または単一の）２次画像領域からの光を分離することに加えて、検出器が十分な時間的分解能を有する場合、分離は成分カラー画像の時間的分離を利用することによって達成できる。
ＦＳＣ方法の利点は、ＳＬＭ全体が各カラーに使用されることである。これは、ＳＬＭ上のすべてのピクセルが各カラー画像に使用されるため、生成される３つのカラー画像の品質が低下しないことを意味する。しかしながら、ＦＳＣ法の欠点は、各レーザが３分の１の時間しか使用されないため、生成される全体の画像がＳＳＣ法によって生成される対応する画像と比べて約３倍明るくならないことである。この欠点は、レーザを過度に動作させること、またはより強力なレーザを用いることにより潜在的に解決可能であろうが、これはより多くの電力を必要とし、コスト高となり、システムがコンパクトでなくなるであろう。
【０１３０】
ＳＳＣ方法の利点は、３つのすべてのレーザが同時に点灯されるため、画像がより明るいことである。しかしながら、空間の制約上１つのみのＳＬＭを用いることが求められる場合、ＳＬＭの表面積が３つの等しい部分に分割され、実質的に３つの別々のＳＬＭとして動作させることができる。この欠点は、各単一カラー画像に利用可能なＳＬＭ表面積の減少により、各単一カラー画像の品質が低下することである。したがって、多色画像の品質が低下する。利用可能なＳＬＭ表面積の減少は、使用可能なＳＬＭのピクセルが少なくなることを意味し、それ故に画像の品質が低下する。画像の品質は、その解像度が減少するために低下する。
【０１３１】
実施例は可視光でＳＬＭを照射することを記載しているが、当業者は、例えば本明細書に開示されるように、光源およびＳＬＭが赤外線または紫外線を向けるために等しく使用され得ることを理解するであろう。例えば、当業者は、情報をユーザに提供する目的で赤外線および紫外線を可視光に変換するための技術を知っているであろう。例えば、本開示は、この目的のために蛍光体および／または量子ドット技術を使用することにまで及ぶ。
【０１３２】
本明細書に記載の方法およびプロセスは、コンピュータ可読媒体上で具現化することができる。「コンピュータ可読媒体」という用語は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、バッファメモリ、フラッシュメモリ、およびキャッシュメモリなど、データを一時的または永続的に格納するように構成された媒体を含む。「コンピュータ可読媒体」という用語はまた、マシンによって実行される命令を格納することができる任意の媒体、または複数の媒体の組み合わせを含み、１つまたは複数のプロセッサによって実行されるときに命令がマシンに、本明細書に記載された方法のいずれか１つまたは複数を、全体的または部分的に実施させると解釈される。
【０１３３】
「コンピュータ可読媒体」という用語は、クラウドベースのストレージシステムも包含する。「コンピュータ可読媒体」という用語は、ソリッドステートメモリチップ、光ディスク、磁気ディスクまたはそれらの任意の適切な組み合わせの例示的な形態の１つまたは複数の有形かつ非一時的なデータリポジトリ（例えばデータボリューム）を含むが、これらに限定されない。いくつかの例示的実施形態では、実行のための命令はキャリア媒体によって伝達されてもよい。そのようなキャリア媒体の例には、一時的媒体（例えば、命令を伝達する伝搬信号）が含まれる。
【０１３４】
添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な修正および変形をなし得ることが当業者には明らかであろう。本開示は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内のすべての修正形態および変形形態を網羅する。
【０１３５】
以下の実施形態が開示されている。
【０１３６】
１．ユーザに関する情報を表示するように構成されたホログラフィック投影システムであって、投影システムが、
受光面と、
光を出力するように構成された光源と、
光源から光を受光し、空間光変調器上に表されるコンピュータ生成ホログラムに従って空間変調光を出力して、受光面上に画像を形成するように構成された空間光変調器と
を含む、
ホログラフィック投影システム。
【０１３７】
２．画像が、ユーザに関する情報を含む１次画像領域と、１次画像領域とは異なる２次画像領域と、
画像の２次画像領域の光パワーを検出するように構成された検出器と
を含む、
項目１に記載のホログラフィック投影システム。
【０１３８】
３．２次画像領域の検出された光パワーに応答して、光源によって出力される光の光パワーを変えるように構成される光コントローラをさらに含む、
項目２に記載のホログラフィック投影システム。
【０１３９】
４．光コントローラは、２次画像領域の検出された光パワーに応答して、画像の１次画像領域の明るさを実質的に一定の値に維持するように構成される、
項目３に記載のホログラフィック投影システム。
【０１４０】
５．光コントローラは、２次画像領域の検出された光パワーが基準光パワーよりも大きい場合、光源から出力される光の光パワーを減少させ、および／または２次画像領域の検出された光パワーが基準光パワーよりも小さい場合、光源から出力される光の光パワーを増加させるように構成される、
項目３または４に記載のホログラフィック投影システム。
【０１４１】
６．基準光パワーは、より早い時点での２次画像領域の光パワーによって決定される、
項目５に記載のホログラフィック投影システム。
【０１４２】
７．光コントローラは、光源の駆動入力に利得係数Ｇを適用することによって、光源から出力される光の光パワーを変更するように構成され、
【数３】
0006860669.tif 000004
ここでＴは画像の所望の最大輝度（ｃｄ／ｍ２）、Ｐは２次画像領域の輝度、ｘは画像に使用される階調総数、ｙは２次画像領域の光の階調である、
項目３から６に記載のホログラフィック投影システム。
【０１４３】
８．検出器が、画像の２次画像領域の光パワーに対して非線形の電気的応答を提供するように構成されている、
項目１から７のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【０１４４】
９．ユーザに情報を表示するように構成されたホログラフィック投影システムであって、投影システムは、
受光面と、
第１の波長で第１の光を出力するように構成された第１の光源と、
第１の光源から第１の光を受光し、第１の空間光変調器上に表される第１のコンピュータ生成ホログラムに従って空間変調光を出力して、受光面上に第１の画像を形成するように構成された第１の空間光変調器であって、画像は、ユーザに関する情報を含む１次画像領域と、１次画像領域とは異なる２次画像領域とを含む、第１の空間光変調器と、
第１の画像の第２画像領域の光パワーを検出するように構成された第１の検出器と、
第２の波長で第２の光を出力するように構成された第２の光源であって、第２の波長は、光源によって出力された光の第１の波長とは異なる、第２の光源と、
第２の光源から第２の光を受光し、第２の空間光変調器上に表される第２のコンピュータ生成ホログラムに従って空間変調光を出力して、受光面上に第２の画像を形成するように構成された第２の空間光変調器であって、第２の画像が、ユーザに関する情報を含む１次画像領域と、１次画像領域とは異なる２次画像領域とを含み、第２の画像の１次画像領域は第１の画像の１次画像領域と実質的に一致して複合画像を形成する、第２の空間光変調器と、
第２の画像の第２画像領域の光パワーを検出するように構成された第２の検出器と
を含む、
ホログラフィック投影システム。
【０１４５】
１０．第１の画像の２次画像領域の検出された光パワーおよび第２の画像の２次画像の検出された光パワーに応答して、第１の光源によって出力された第１の光の光パワーおよび／または第２の光源によって出力された第２の光の光パワーを変更して、複合画像のカラーバランスを変更するように構成された光コントローラを含む、
項目９に記載のホログラフィック投影システム。
【０１４６】
１１．光コントローラは、第１の画像の２次画像領域の検出された光パワーおよび第２の画像の２次画像領域の検出された光パワーに応答して、複合画像のカラーバランスを実質的に一定の値に維持するように構成される、
項目１０に記載のホログラフィック投影システム。
【０１４７】
１２．光コントローラは、それぞれの利得係数Ｇを、第１および第２の光源の一方または両方の駆動入力に適用することによって、第１および第２の光源の一方または両方によって出力される光の光パワーを変更するように構成され、
【数４】
0006860669.tif 000005
Ｔはそれぞれの画像の所望の最大光パワー、Ｐはそれぞれの検出器によって検出された光パワー、ｘはそれぞれの画像で使用される階調の総数、ｙはそれぞれの画像の２次画像領域の光の階調である、
項目１０または１１に記載のホログラフィック投影システム。
【０１４８】
１３．第１および第２の検出器の一方または両方が、それぞれの光パワーに対して非線形応答を提供するように構成されている、
項目３から１２に記載のホログラフィック投影システム。
【０１４９】
１４．第１の検出器と第２の検出器とを含む複合カラー検出器を備える、
項目９から１３に記載のホログラフィック投影システム。
【０１５０】
１５．各コンピュータ生成ホログラムは、対応する画像を表す第１のホログラム部品を含む
項目１から１４のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【０１５１】
１６．各画像の２次画像領域は、ホログラフィック投影システムのための制御情報を含む
項目１から１５のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【０１５２】
１７．各２次画像領域が１次画像から離間している、例えば対応する１次画像領域の周囲に配置されている、
項目１から１６のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【０１５３】
１８．画像または各画像が、ユーザに関する情報を含む１次画像領域と２次画像領域と、
画像の２次画像領域に出入りし、検出器によって受光される光の光パワーを検出するように構成される検出器であって、検出器の活性光検出領域および２次画像領域は、対応する形状、任意選択的に１次元またはスリット形状を有する、検出器と
を含む、
項目１から１７のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。検出器は項目１から１７に関して同じでも異なっていてもよく、２次領域は同じでも異なっていてもよい。
【０１５４】
１９．スクリーン上の画像の位置を変更することと、画像の複数の位置で受光した光の光パワーを検出することとを含む光学的位置合わせプロセスを実行するように構成されたホログラフィックコントローラをさらに備える、
項目１８に記載のホログラフィック投影システム。
【０１５５】
２０．コンピュータ生成ホログラムは、格子機能を果たすように構成されたホログラム部品を含み、画像の位置は、格子機能を変えることによって光学的位置合わせプロセス中に変えられる、
項目１９に記載のホログラフィック投影システム。
【０１５６】
２１．光学的位置合わせプロセスが、最大検出光パワーを生じさせる格子機能を決定することをさらに含む、
項目２０に記載のホログラフィック投影システム。
【０１５７】
２２．コンピュータ生成ホログラムが、画像を表すホログラム部品を含む、
項目１から２１のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【０１５８】
２３．２次画像領域が、前記ホログラフィック投影システムのための制御情報を含む、
項目１から２２のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【０１５９】
２４．２次画像領域または各２次画像領域が１次画像領域またはそれぞれの１次画像領域の周囲にある、例えば対応する１次画像領域の周囲に配置されて１次画像から離間しているなどである、
項目１から２３のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【０１６０】
２５．各コンピュータ生成ホログラムが、焦点力に関連し、かつ焦点力を有するレンズを通して空間変調光を通過させることに対応するレンズ効果機能を実行するように構成されたホログラム部品であって、コントローラは、焦点力を複数の値に設定して、対応する焦点面に複数のそれぞれの画像を形成するように構成される、ホログラム部品と、
焦点力の複数の異なる値のそれぞれについて、画像の測定領域において画像の光を検出するように構成された検出器であって、コントローラは、検出器から受信された信号からの焦点力の各値について画像の品質の測定値を決定するようにさらに構成される、検出器と
を備える、
項目１から２４のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。検出器は、前の項目に関して同じものでも異なるものでもよい。
【０１６１】
２６．品質の測定値が、画像のコントラストまたは鮮明度の測定値あるいは画像内のノイズの測定値である、
項目２５に記載のホログラフィック投影システム。
【０１６２】
２７．画像は、ユーザに関する情報を含む１次画像領域と２次画像領域とを含み、画像の測定領域は画像の２次画像領域である、
項目２５または２６に記載のホログラフィック投影システム。２次画像領域は、前の項目のものと同じでもよい。
【０１６３】
２８．ホログラフィックコントローラが、検出器が画像の光を検出して信号を生成する間に、受光面と平行な平面内で画像を移動させるようにさらに構成される、
項目２５から２７に記載のホログラフィック投影システム。
【０１６４】
２９．コントローラは、画像が受光面と平行に移動するときに、画像センサから受信した信号の変動に基づいて画質の測定値を決定するように構成されている、
項目２８に記載のホログラフィック投影システム。
【０１６５】
３０．ホログラフィックコントローラは、画質の測定値に基づいて複数の焦点力の値から焦点力の値を選択して焦点力を設定するように構成されている、
項目２５から２９に記載のホログラフィック投影システム。
【０１６６】
３１．選択された焦点力が、複数の焦点力のうちの他の候補焦点力に対する最良の画質に対応する、
項目３０に記載のホログラフィック投影システム。
【０１６７】
３２．２次画像領域は、ホログラフィック投影システムのための制御情報を含む、
項目２７から３１に記載のホログラフィック投影システム。
【０１６８】
３３．２次画像領域は、１次画像領域の周囲にある、
項目２７から３２に記載のホログラフィック投影システム。
【０１６９】
３４．画像は、受光面における空間変調光の干渉によって形成される、
項目１から３３のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【０１７０】
３５．画像がホログラフィック再構成である、
項目１から３４のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【０１７１】
３６．コンピュータ生成ホログラムが、画像の数学的変換、任意選択で、フーリエ変換またはフレネル変換に対応する、
項目１から３５のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【０１７２】
３７．コンピュータ生成ホログラムがフーリエまたはフレネルホログラムである、
項目１から３６のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【０１７３】
３８．コンピュータ生成ホログラムが、フーリエレンズ効果機能を実行するように構成されたホログラム部品を含む、
項目１から３７のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【０１７４】
３９．空間光変調器が、光源からの光の位相を空間的に変調するように構成されている、
項目１から３８のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【０１７５】
４０．空間光変調器が、光源からの光の振幅を空間的に変調するように構成されている、
項目１から３９のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【０１７６】
４１．光源がレーザである、
項目１から４０のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【０１７７】
４２．空間光変調器が、シリコン基板上の液晶「ＬＣｏＳ」空間光変調器である、
項目１から４１のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【０１７８】
４３．受光面が拡散板である、
項目１から４２のいずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【０１７９】
４４．検出器がフォトダイオードまたはフォトダイオードアレイである、
項目１から４３いずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【０１８０】
４５．投影システムがヘッドアップディスプレイまたはヘッドマウントディスプレイである、
項目１から４４いずれか一項に記載のホログラフィック投影システム。
【図１】
0006860669.tif 000006
【図２Ａ】
0006860669.tif 000007
【図２Ｂ】
0006860669.tif 000008
【図３】
0006860669.tif 000009
【図４】
0006860669.tif 000010
【図５】
0006860669.tif 000011
【図６】
0006860669.tif 000012
【図７】
0006860669.tif 000013
【図８】
0006860669.tif 000014
【図９】
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【図１０】
0006860669.tif 000016
【図１１】
0006860669.tif 000017
【図１２】
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