(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シーンのホログラフィック再構成を行う投影装置であって、
光変調器（８）と、
少なくとも２つの像形成手段（４、５）を有する像形成システム（３）と、
前記光変調器（８）上で符号化されるホログラム（２）を照明する十分にコヒーレントな光を提供する少なくとも１つの光源を有する照明手段（１）と、
を備え、
第１の像形成手段（４）が第２の像形成手段（５）上に前記光変調器（８）の像を拡大して形成し、前記第２の像形成手段（５）が、少なくとも１つの観察者ウィンドウ（１５）を有する観察者平面（６）内に対して、前記光変調器（８）の空間周波数スペクトルの平面（１０）を形成するように、前記少なくとも２つの像形成手段（４，５）は互いに配置され、
前記観察者ウィンドウ（１５）は前記空間周波数スペクトルの回折次数に対応する
ことを特徴とする投影装置。
【請求項２】
前記第１の像形成手段（４）は光伝播の方向から見て前記光変調器（８）の後方に配置され、前記第２の像形成手段（５）は前記第１の像形成手段（４）と前記観察者平面（６）との間に配置される、請求項１記載の投影装置。
【請求項３】
空間周波数フィルタ（１６）が、前記光変調器（８）の前記空間周波数スペクトルを有する前記平面（１０）に配置される、請求項１記載の投影装置。
【請求項４】
前記空間周波数スペクトルを生成する第３の像形成手段（９）が前記光変調器（８）に近接して配置される、請求項１記載の投影装置。
【請求項５】
再構成された２次元又は３次元シーン（１３）が、仮想的な前記観察者ウィンドウ（１５）と前記第２の像形成手段（５）との間に広がる再構成空間（１４）において提供される、請求項１記載の投影装置。
【請求項６】
前記第２の像形成手段（５）はレンズ又はミラーである、請求項１から５のいずれか１項記載の投影装置。
【請求項７】
前記再構成シーン（１３）を見る少なくとも１人の観察者の目の位置の変化を検出する位置検出システム（１７）を備える、請求項１記載の投影装置。
【請求項８】
前記少なくとも１人の観察者の目の位置に基づいて前記少なくとも１つの観察者ウィンドウ（１５）を追跡する少なくとも１つの偏向手段（２１）を備える、請求項７記載の投影装置。
【請求項９】
前記偏向手段（２１）は、仮想的な前記観察者ウィンドウ（１５）を横方向及び軸方向に追跡するために提供される、請求項８記載の投影装置。
【請求項１０】
前記偏向手段（２１）は、前記第２の像形成手段（５）に隣接して配置される、請求項８記載の投影装置。
【請求項１１】
前記偏向手段（２１）は、制御可能なプリズムの機能を有する、請求項１０記載の投影装置。
【請求項１２】
前記偏向手段（２１）は、制御可能なレンズの機能を有する、請求項１０記載の投影装置。
【請求項１３】
前記光変調器（８）は反射型光変調器であり、前記照明手段（１）により放射される少なくとも１つの光束を導く、少なくとも１つのビームスプリッタ・エレメント（２０）を備える、請求項１記載の投影装置。
【請求項１４】
前記ビームスプリッタ・エレメント（２０）は、前記光変調器（８）と前記第１の像形成手段（４）との間に配置される、請求項１３記載の投影装置。
【請求項１５】
２つのチャネルが２つの仮想的な観察者ウィンドウを形成するために観察者毎に提供され、前記チャネルの各々は、光源（１）、光変調器（８）、第１の像形成手段（４）及び第３の像形成手段（９）を含む、請求項１又は１３記載の投影装置。
【請求項１６】
３つの平行なチャネルが、カラーを同時に再構成するため、すなわち各原色のチャネルのために提供され、前記チャネルの各々は、光源（１）、光変調器（８）、第１の像形成手段（４）及び第３の像形成手段（９）を含む、請求項１又は１３記載の投影装置。
【請求項１７】
前記光変調器（８）は、マイクロ空間光変調器である、請求項１から１６のいずれか１項に記載の投影装置。
【請求項１８】
シーンのホログラフィック再構成を行う方法であって、
少なくとも２つの像形成手段（４，５）を有する像形成システム（３）が少なくとも１つの光源を有する照明装置（１）の十分にコヒーレントな光を観察者平面（６）において結像し、
前記少なくとも１つの光源はホログラム（２）により符号化される光変調器（８）を照明し、
第１のステップにおいて、空間周波数スペクトルを前記符号化ホログラム（２）のフーリエ変換として第１の像形成手段（４）の平面（１０）において生成し、
その後、第２のステップにおいて、前記第１の像形成手段（４）は第２の像形成手段（５）の平面（１２、２３）に前記光変調器（８）を像形成し、前記第２の像形成手段（５）は前記平面（１０）からの前記空間周波数スペクトルを前記観察者平面（６）の少なくとも１つの仮想的な観察者ウィンドウ（１５）に形成し、それにより、再構成シーン（１３）が前記第２の像形成手段（５）と前記仮想的な観察者ウィンドウ（１５）との間に広がる再構成空間（１４）において少なくとも１人の観察者に対して拡大して提供され、
前記再構成空間（１４）のサイズが前記光変調器（８）の前記拡大画像により大きくなる
ことを特徴とする方法。
【請求項１９】
前記第２の像形成手段（５）は、観察者が前記再構成シーン（１３）を見る時に介する前記仮想的な観察者ウィンドウ（１５）に対して前記空間周波数スペクトルを像形成する、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
第３の像形成手段（９）は前記光変調器（８）に近接して配置され、当該第３の像形成手段（９）は、前記光変調器（８）上で符号化される前記ホログラム（２）の前記空間周波数スペクトルを、画像側の焦平面（１０）において生成する、請求項１８記載の方法。
【請求項２１】
前記像形成システム（３）に提供される空間周波数フィルタ（１６）は、前記空間周波数スペクトルの選択された周期間隔が通過するのを可能にする、請求項１８又は１９記載の方法。
【請求項２２】
前記空間周波数フィルタ（１６）は、前記像形成手段（４、５、９）の収差を補償する、請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記像形成手段（４、５、９）の収差は、前記ホログラム（２）を計算する時に考慮され、前記光変調器（８）により補償される、請求項１８から２２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２４】
前記ホログラム（２）が計算されている間、前記平面（１０）における前記空間周波数スペクトルの帯域幅は限定される、請求項１８記載の方法。
【請求項２５】
位置検出システム（１７）は、前記再構成シーン（１３）を見る少なくとも１人の観察者の目の位置を検出する、請求項１８記載の方法。
【請求項２６】
前記光変調器（８）の前記ホログラムの符号は、前記観察者の目の位置が変化した場合に更新される、請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
前記再構成シーン（１３）は、前記目の位置の変化に応じた角度によって、水平方向と垂直方向との少なくともいずれかに、移動と回転との少なくともいずれかがなされて現れるように符号化される、請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
前記観察者平面（６）の少なくとも１つの仮想的な観察者ウィンドウ（１５）は、前記観察者の目の位置に従って追跡される、請求項２５記載の方法。
【請求項２９】
少なくとも１つの偏向エレメント（２１）は、前記少なくとも１つの仮想的な観察者ウィンドウ（１５）を追跡する、請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
前記ホログラム（２）は、２次元シーンが前記第２の像形成手段（５）の前記平面（１２、２３）において再構成されるように計算される、請求項１８記載の方法。
【請求項３１】
前記シーンを見ている前記観察者は、前記ホログラム（２）を再計算することにより２次元シーンの再構成が行われる平面を軸方向に移動させる、請求項１８記載の方法。
【請求項３２】
前記シーン（１３）の色の再構成は、３原色に対して順に実行される、請求項１８記載の方法。
【請求項３３】
前記シーン（１３）の色の再構成は、３原色について同時に実行される、請求項１８記載の方法。
【請求項３４】
前記シーン（１３）の前記同時のカラー再構成は、３つの平行なチャネルを使用して実行され、前記チャネルの各々は、光源（１）、光変調器（８）、第１の像形成手段（４）及び第３の像形成手段（９）を含む、請求項３３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シーンのホログラフィック再構成を行う投影装置に関し、前記装置は、空間光変調器と、少なくとも２つの画像形成手段を有する画像形成（イメージング）システムと、光変調器で符号化されるホログラムの照明のために十分にコヒーレントな光を生成する少なくとも１つの光源を有する照明システムとを具備する。更に、本発明は、シーンのホログラフィック再構成を行う方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、周知の３Ｄディスプレイ又は３Ｄ投影装置及び方法は、ステレオの印象を生成する光が平面上に反射されるか又は平面から放射されるステレオ効果を利用する。しかし、ホログラフィにおいて、ホログラムにより放射される光はシーンのオブジェクトポイントにおいて干渉する。光はオブジェクトポイントから自然に伝播する。ホログラフィック表示はオブジェクトの置換である。これに対して、非動画（静止画）又は動画シーンの任意の形態の立体表示はオブジェクトの置換を表さない。これらはむしろ２つの平面画像を提供し、一方は左目に対するものであり、他方は右目に対するものである。ここで、画像は２つの目の位置に対応する。３次元効果は、２つのピクチャにおける視差により作成される。ホログラフィックに再構成されたシーンを見ることと現実のシーンを見ることとの間に一般的に違いがないため、ホログラフィック表示において、疲労、目の疲れ及び頭痛等の立体視に関連する周知の問題はホログラフィック表示において発生しない。
【０００３】
ホログラフィにおいて、一般に静的方法と動的方法とは区別される。静的なホログラフィにおいて、写真媒体は主に情報格納のために使用される。このことは、比較光束は、干渉パターンを写真媒体に記録するためにオブジェクト情報を搬送する光束と重ね合わされる。そのような静的なオブジェクト情報は、比較光束と同様または同一の光束を使用して再構成される。しかし、例えばエンターテイメント業界、あるいは医療用機器及び軍用機器の製造業者は、動的ホログラフィを使用する動画シーンのリアルタイム再構成の理想的な空間特性のために、長い間、そのような再構成に興味を持ってきた。ほとんどの場合、投影装置内で使用されるものと同じ種類のマイクロディスプレイが採用される。マイクロディスプレイは、例えばＬＣｏＳ（liquid crystal on silicon）パネル、透過型ＬＣＤパネル又はＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）とすることができる。マイクロディスプレイの画素の中心間の距離、すなわち、画素ピッチが他のディスプレイと比較して非常に小さいため、相対的に大きな回折角が実現される。しかし、マイクロディスプレイを使用するこれまでに周知の動的なホログラフィック方法の主な欠点は、再構成又は再構成シーンのサイズがマイクロディスプレイのサイズにより非常に限定されることである。マイクロディスプレイ及び同様の光変調器のサイズは数インチしかなく、相対的に小さなピッチであるにも関わらず、回折角が非常に小さいため、双方の目でシーンを見ることはほとんどできない。例えば、５μｍだけの非常に小さなピッチの場合、５００ｎｍ（青色〜緑色）の波長λに対して約０．１ｒａｄの回折角が得られる。５０ｃｍの観察者の距離において、横方向の大きさは５ｃｍとなるが、これでは双方の目でシーンを見ることはできない。
【０００４】
通常はコンピュータにより生成されたホログラムである動的ホログラムの３次元表示の場合、ホログラフィック再構成装置は、ＴＦＴ、ＬＣｏＳ、ＭＥＭＳ、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）、ＯＡＳＬＭ（光アドレス型空間光変調器）、ＥＡＳＬＭ（電気アドレス型空間光変調器）、ＦＬＣＤ（強誘電性液晶ディスプレイ）等の透過型又は反射型光変調器を活用する。そのような光変調器は、１次元又は２次元設計であってもよい。反射型光変調器を使用する理由は、透過型ディスプレイと比較して、製造コストが相対的に安価であり、非常に高い光効率に対するフィルファクターが大きく、切り替え遅延が短く、吸収により光が殆ど失われないためである。しかし、空間の大きさはより小さい必要がある。
【０００５】
特許文献１は、約１２μｍの解像度及びホログラムのリアルタイムカラー再構成に対して最大９０％の反射率を有する反射型ＬＣディスプレイを記載している。再構成は、視野レンズを介して１つ以上のＬＥＤの平行光を使用して実行される。この解像度において、約１ｍの距離で観察することができるのは約３ｃｍ幅の領域だけであり、双方の目で同時に、すなわち３次元で再構成シーンを閲覧するには不十分である。更に、ディスプレイの次元が小さいため、比較的小さなオブジェクトしか再構成することができない。
【０００６】
特許文献２は、ホログラム再構成に対してＤＭＤチップを使用するホログラフィック３Ｄ投影装置を開示する。しかし、光変調器の解像度が相対的に高く、反射率が大きく、切り替え遅延が少ないにも関わらず、特許文献１に対して説明した理由と同様の理由のために、この装置はサイズの小さなシーンが非常に小さな領域でのみ再構成され、見られることが可能になる。この理由は、光変調器と可視領域の大きさにより規定される再構成空間が小さいためである。更に、限定されたコヒーレンスのために、ＤＭＤチップはホログラフィックの目的に対して部分的にしか適さない。
【０００７】
特許文献３は、サブホログラムを使用してビデオホログラムを再構成するホログラフィックディスプレイを開示する。この方法は、タイリングとしても知られる。非常に高速な電気アドレス型空間光変調器（ＥＡＳＬＭ）において符号化されるサブホログラムは、中間平面に順に画像形成される。この処理は、観察者が全てのサブホログラムの再構成を３Ｄオブジェクトの単一の再構成として認識するように、高速に実行される。サブホログラムは、例えばシャッターを含む特別に設計された照明／画像形成（イメージング）システムにより中間平面にマトリクス構造で配置される。シャッターは、ＥＡＳＬＭと同期して制御され、対応するサブホログラムのみを転送させ、特に未使用の回折次数を遮断する。しかし、サブホログラムを再構成するのに使用されるＳＬＭの動的特性に対する要求は大きく、フラット設計は実現されないと考えられる。
【０００８】
上述の解決策は、一般に以下の主な欠点を有する。再構成の空間的な範囲は、ホログラム再構成に使用される光変調器のサイズが小さいことにより限定される。特許文献３において説明されるタイリング方法は、より大きなシーンを再構成することを可能にするが、大きな装置の設計が必要となる。使用される画素数が多いため、ホログラムを計算するのに必要な計算負荷及びデータ転送速度に対する要求が本質的に大きくなる。これにより、リアルタイムな再構成の実現は非常に困難になる。順次タイリング方法を使用する場合、特許文献３から周知であるように、使用されるＳＬＭの動的特性に対する要求は大きい。
【特許文献１】国際公開第ＷＯ０３／０６０６１２号パンフレット
【特許文献２】国際公開第ＷＯ０２／０９５５０３号パンフレット
【特許文献３】国際公開第ＷＯ００／０７５６９９号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、本発明の目的は、２次元シーン及び３次元シーンのホログラフィック再構成を行う投影装置を提供することである。投影装置は、従来の解決策により示される上述の課題を軽減し、大きな動画シーンが少数の光学エレメントを使用して単純で安価な方法で高品質に再構成されるように大きな再構成空間において任意のサイズのシーンを再構成し、目に見えるように表示する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的は、請求項１の特徴に係る発明の投影装置と、請求項１８の特徴に係る方法により実現される。
本発明によれば、この目的は、シーンのホログラフィック再構成を行う投影装置であって、光変調器と、少なくとも２つの画像形成手段を有する画像形成システムと、光変調器上で符号化されるホログラムを照明する十分にコヒーレントな光を提供する少なくとも１つの光源を有する照明手段と、を備え、第１の画像形成手段が光変調器を第２の画像形成手段上に拡大して画像形成し、並びに、第２の画像形成手段が、少なくとも１つの観察者ウィンドウを有する観察者平面内に対して、光変調器の空間周波数スペクトルの平面を画像形成するように、少なくとも２つの画像形成手段は互いに配置され、観察者ウィンドウは空間周波数スペクトルの回折次数に対応することを特徴とする投影装置により実現される。
【００１１】
本発明によると、投影装置は、光変調器及び十分にコヒーレントな光を放射する照明装置に加えて、第１の画像形成手段及び第２の画像形成手段を備えた画像形成システムを備える。光変調器はサイズの小さな空間光変調器であるため、以下においてマイクロＳＬＭと呼ばれる。マイクロＳＬＭは、第１の画像形成手段により第２の画像形成手段に拡大されて画像形成される。そして、マイクロＳＬＭの空間周波数スペクトル（フーリエスペクトル）は、第２の画像形成手段により仮想的な観察者ウィンドウに画像形成される。観察者ウィンドウは、ホログラムのフーリエ平面の使用した回折次数の画像により示される。第１の画像形成手段がマイクロＳＬＭ全体を第２の画像形成手段に画像形成できるように、所望の回折次数の全ての寄与は第１の画像形成手段の範囲に含まれる必要がある。これは、空間周波数スペクトルが作成される第１の画像形成手段の平面にマイクロＳＬＭにより変調される光を集束することにより達成される。このために、マイクロＳＬＭは、光伝播の方向から見てマイクロＳＬＭの後方に収束する波動により照明される。結果として、マイクロＳＬＭのフーリエ平面及び第１の画像形成手段が、空間周波数スペクトルの平面内に設けられる。第２の画像形成手段と観察者ウィンドウとを組み合わせることによって、錐台形状の再構成空間が規定される。この錐体において、再構成シーン、好ましくは再構成３次元シーンは１人以上の観察者に提示される。再構成空間は、第２の画像形成手段を超えて任意の範囲の後方にまでも続く。観察者は、観察者ウィンドウを介して大きな再構成空間に内で再構成シーンを見ることができる。本明細書において、用語「十分にコヒーレントな光」は、３次元シーンの再構成に対して干渉を生成できる光を示す。
【００１２】
本発明によるそのような投影装置は、ホログラフィック再構成に使用される少数の光学エレメントのみを含む。周知の光学装置と比較すると、光学エレメントの品質に対する要求は殆どない。これにより、投影装置の安価で単純なコンパクト設計が保証される。ここで、他の投影装置において先に使用されたマイクロＳＬＭ等の、サイズの小さな光変調器を使用してもよい。マイクロＳＬＭの限定されたサイズは画素数を制限する。これにより、ホログラムを計算するのに必要な時間が大きく短縮される。その結果、市販のコンピュータ機器の使用が可能になる。
【００１３】
本発明の好適な実施形態において、空間周波数フィルタを、光変調器の空間周波数スペクトルが存在する平面内に提供することができる。
【００１４】
規則的なパターンで配置される画素にマイクロＳＬＭ上で符号化される１次元又は２次元ホログラムは、フーリエ平面において空間周波数スペクトルの周期的な継続を作成する。周期性を抑制又は削除するために、空間周波数フィルタ、ここでは特に使用されている回折次数のみを伝達するアパーチャをその平面内に好適に配置することができる。通常、個々の回折次数はオーバーラップするため、アパーチャは情報を遮断するか又は不必要な情報を通過させる。しかし、マイクロＳＬＭ上の情報に対してローパス・フィルタリングを行うことによって、個々の回折次数を分離することができ、これにより、情報はもはやアパーチャにより遮断されない。アパーチャは、所望の回折次数をフィルタ・アウトし、マイクロＳＬＭの量子化誤差又は他の誤差を阻止する空間周波数フィルタか、あるいは例えば投影装置の収差を補償するために別の適切な方法で波動場を変調する空間周波数フィルタとして一般化することができる。これは、例えば空間周波数フィルタが非球面レンズ機能を追加することにより行なわれる。
【００１５】
別の利点は、空間周波数スペクトルが１つの回折次数に減少し、その回折次数とアパーチャが観察者ウィンドウとして画像形成されることによってクロストークが防止されることであり、これは典型的にはマトリクス構造を有する光変調器を用いた場合の再構成においてあらわれるだろう。これにより、多重化処理において、観察者の左右の目にクロストークなしで次々に提供することができる。さらに、複数の人間に対する提供を目的とした多重化処理が可能になる。
【００１６】
規則的な画素構造を有さない光変調器の場合、すなわちサンプリングをもたらさない光変調器の場合、フーリエ平面は周期性を示さない。従って、アパーチャは不必要になる。そのような光変調器は、例えばＯＡＳＬＭである。
【００１７】
別の好適な実施形態は、空間周波数スペクトルを生成するために、光変調器に近接して配置された第３の画像形成手段を備えてもよい。
【００１８】
第３の画像形成手段は、マイクロＳＬＭ上で符号化されたホログラムのフーリエ変換として空間周波数スペクトルをその画像側の焦平面において生成する。第３の画像形成手段がない場合、光は相対的に大きな回折角でのみ第１の画像形成手段に到達するため、平行照明の場合は第３の画像形成手段を使用することは特に好ましい。第３の画像形成手段は、例えば、マイクロＳＬＭの前方又は後方に配置することができる。結果として、第３の画像形成手段は、マイクロＳＬＭにより放射された光又は波動を画像側の焦平面に集束する。しかし、僅かに収束する波動をマイクロＳＬＭが放射し、その集束を他の画像形成手段を用いて強めることも可能である。しかし、収束する波動が照明に使用される場合、第３の画像形成手段は必要ない。これは、マイクロＳＬＭに入射する再構成波が第１の画像形成手段の平面近くに収束するように調整されるのが好ましいからである。いずれの場合においても、マイクロＳＬＭのフーリエ平面を示す焦平面が常に作成され、そこでは第１の画像形成手段も配置される。
【００１９】
大きな領域において、観察者に観察者ウィンドウを利用できるように、位置検出システムを使用して、再構成シーンを見ている間の少なくとも１人の観察者の目の位置を検出することができる。
【００２０】
位置検出システムは、再構成シーンを見ている観察者の目の位置又は瞳孔の位置を検出する。シーンは、観察者の目の位置に従って符号化される。観察者ウィンドウは、新しい目の位置に従って追跡される。特に、空間中で固定されているが遠近感が実際に変化する表示や、遠近感が誇張されて変化する表示が可能になる。後者は、シーンの角度及び位置の変化が観察者の角度及び位置の変化より大きい表示として定義される。
【００２１】
観察者の目の位置に従って少なくとも１つの観察者ウィンドウを追跡するために、少なくとも１つの偏向エレメントが表示装置に提供される。そのような偏向エレメントは、機械エレメント、電気エレメント又は光学エレメントであってもよい。
【００２２】
偏向エレメントは、例えば、プリズムのようにスペクトルを実質的に移動させる制御可能な光学エレメントの形態の第１の画像形成手段の平面内に配置することができる。しかし、偏向エレメントを第２の画像形成手段に近接して提供することもできる。この偏向エレメントは、プリズムの作用を有しており、オプションとしてレンズの作用を有する。これにより、観察者ウィンドウは横方向、オプショナルには軸方向に追跡される。光源から第２の画像形成手段までの画像形成システム全体は静的なシステムであるため、第２の画像形成手段に近接して偏向エレメントを配置することは特に好ましい。これは、光路から第２の画像形成手段までが不変であることを意味する。第１に、第１の画像形成手段及び第２の画像形成手段の入口のピューピル（pupil）が最小限に保持されるため、光学系のその部分に対する要求は最小限となる。マイクロＳＬＭ又はその画像が観察者ウィンドウを追跡するために移動される場合、第１の画像形成手段及び第２の画像形成手段の入口のピューピルは常に大きい必要がある。これにより、第２の画像形成手段に対する要求事項が非常に削減される。第２に、光学系のその静的な部分の画像形成特性は最適に補正される。第３に、マイクロＳＬＭの画像は第２の画像形成手段上を移動しない。その結果、例えば第２の画像形成手段上の２次元シーンの再構成の位置は観察者の位置と関係なくなる。
【００２３】
目的は、本発明に従って、シーンのホログラフィック再構成を行う方法であって、少なくとも２つの画像形成手段を有する画像形成システムが少なくとも１つの光源を有する照明装置の十分にコヒーレントな光を観察者平面に画像形成し、少なくとも１つの光源はホログラムにより符号化される光変調器を照明し、第１のステップにおいて、空間周波数スペクトルを符号化ホログラムのフーリエ変換として第１の画像形成手段の平面において生成し、その後、第２のステップにおいて、第１の画像形成手段は第２の画像形成手段の平面に光変調器を画像形成し、第２の画像形成手段は平面からの空間周波数スペクトルを観察者平面の少なくとも１つの仮想的な観察者ウィンドウに画像形成し、それにより、再構成シーンが第２の画像形成手段と仮想的な観察者ウィンドウとの間に広がる再構成空間において少なくとも１人の観察者に対して拡大して提供され、再構成空間のサイズが光変調器の拡大画像により大きくなることを特徴とする方法により実現される。
【００２４】
本発明によると、シーンを再構成する第１のステップにおいて、コヒーレントな照明又は十分にコヒーレントな照明を使用して第１の画像形成手段の平面に、ここではマイクロＳＬＭである、光変調器で符号化されたホログラムのフーリエ変換として空間周波数スペクトルが作成される。次に、第２のステップにおいて、マイクロＳＬＭの画像は、第１の画像形成手段により第２の画像形成手段の平面に画像形成され、これによりＳＬＭは拡大される。マイクロＳＬＭの拡大画像の後、第３のステップにおいて、空間周波数スペクトルの画像は、第２の画像形成手段により第１の画像形成手段の平面から観察者平面に画像形成され、観察者平面において仮想的な観察者ウィンドウを形成する。観察者ウィンドウから第２の画像形成手段まで広がり、また、再構成シーンが１人以上の観察者に拡大して提供される再構成空間も、それに従って拡大される。尚、再構成空間は第２の画像形成手段及び観察者ウィンドウにより限定されないが、第２の画像形成手段の後方に続く。
【００２５】
本発明に係る新しい方法を使用すると、２次元シーンと３次元シーンとの少なくともいずれかは、観察のために、拡大された再構成空間において高品質で拡大されて同時に又は連続して提示される。組み合わされた２次元表示及び３次元表示において、２次元表示に対する平面は３次元シーン内に位置するのが好ましい。２次元だけの表示の場合、２次元表示の平面は第２の画像形成手段に好適に配置することができる。次に、この場合に２次元画像を有するマイクロＳＬＭが符号化されたときは、マイクロＳＬＭの拡大画像がこの平面内に現れる。好適には、２次元画像は、観察者に向けて移動させたり、あるいは、観察者から離れるように移動させたりすることができる。
【００２６】
この方法の好適な実施形態によれば、ホログラムを計算する時に画像形成手段の収差を考慮し、光変調器により補償してもよい。
【００２７】
収差は画像及び周波数スペクトルの不連続を招き、再構成の品質に悪影響を与える。第１の画像形成手段をマイクロＳＬＭのフーリエ平面に位置付けた場合、集束することによって、それにより投影に対する第１の画像形成手段の横方向の範囲は最小となる。これは、第１の画像形成手段の収差が最小限にされることを保証する。また、第１の画像形成手段がマイクロＳＬＭを拡大して画像形成し、第２の画像形成手段に完全かつ均等に照明されることが保証される。第２の画像形成手段と、可能ならば更なる画像形成手段の収差は、マイクロＳＬＭにより補償することができる。収差に併せて発生する位相誤差は、追加の位相シフトにより容易に補正することができる。
【００２８】
さらに、空間周波数フィルタが投影装置において使用される画像形成手段の収差を補償することも可能である。
【００２９】
本発明のさらなる実施形態は、他の添付の請求の範囲により規定される。本発明の実施形態は、添付の図面と関連して以下に詳細に説明され、示される。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、実施形態の説明において示すように、本発明がカラーホログラフィック再構成に適用されてもよいことは、当業者には理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図１は、本発明による投影装置の動作原理を示す。図中、画像形成システム３は、ここでは点光源である照明装置１を観察者平面６に画像形成する。画像形成システム３は、第１の画像形成手段４及び第２の画像形成手段５を含む。光源１は、シーンのホログラフィック再構成に必要とされるコヒーレントな光又は十分にコヒーレントな光を放射する。光源１は、レーザ、ＬＥＤ又は他の光源とすることができ、カラーフィルタも使用することができる。
【００３１】
次に図１を参照して、投影装置の動作原理を説明する。光源１により放射された波動は、コリメータレンズＬを使用して平面波７に変換される。コリメータレンズＬを通過後に平面になると仮定される光源１からの平面波７は、規則的に配置される画素を含む透過型空間光変調器（ＳＬＭ）８に９０度で入射する。この空間光変調器は、例えば、ＣＧＨ等の符号化動的ホログラム２を表す。平面波７の波面は、所望の波面を形成するために空間光変調器８において等間隔の位置で変調される。空間光変調器８のサイズは小さいため、以下においてマイクロＳＬＭと呼ばれる。
【００３２】
第３の画像形成手段９は、光伝播の方向から見てマイクロＳＬＭ８の後方に配置される。透過型光変調器が使用される場合、これに代えて、第３の画像形成手段、ここではレンズをマイクロＳＬＭ８の正面に配置することができる。平面波７により照明される時、これは、マイクロＳＬＭ８上で符号化される情報のフーリエ変換として、空間周波数スペクトルを画像側の焦平面１０において生成する。空間周波数スペクトルは、フーリエスペクトルとも呼ぶことができる。マイクロＳＬＭ８が非平面の収束する波動又は発散する波動により照明される場合、焦平面１０は光軸１１に沿って移動される。
【００３３】
マイクロＳＬＭ８が平面波により照明され、第３の画像形成手段９が投影装置内で除かれた場合、十分に大きな回折角を有する光のみが第２の画像形成手段５に到達する。
【００３４】
第１の画像形成手段４は、第３の画像形成手段９の焦平面１０のすぐ近くに配置される。この第１の画像形成手段４は、第２の画像形成手段５と同一の空間を占める、あるいは、その直近に配置された平面１２内に、マイクロＳＬＭを拡大して画像形成する。ここで、第２の画像形成手段５は他の画像形成手段４及び９より非常に大きなレンズであるため、可能な限り大きなサイズのシーン１３が錐体形状の再構成空間１４において再構成される。マイクロＳＬＭ８が平面１２に画像形成される一方で、同時に、空間周波数スペクトルは第２の画像形成手段５により観察者平面６に画像形成される。空間周波数スペクトルの周期の画像に対応する範囲の物理的に存在しない仮想観察者ウィンドウ１５が形成される。観察者は、観察者ウィンドウ１５を介して再構成シーン１３を見ることができる。シーン１３の再構成は、観察者ウィンドウ１５の端部と第２の画像形成手段５の端部との間に広がる錐台形状の再構成空間１４において生成される。再構成空間１４は、第２の画像形成手段５の後方に任意の範囲まで続くことができる。
【００３５】
規則的なマトリックスを示すと仮定されるマイクロＳＬＭ８上の情報の等間隔の走査により、このマイクロＳＬＭ８は、第３の画像形成手段９の焦平面１０において周期的に継続していくつかの回折次数を作成する。この周期的な継続は、焦平面１０においてマイクロＳＬＭ８のピッチに相反するサイズの周期間隔を示す。ピッチは、マイクロＳＬＭ８における走査ポイントの間の距離に対応する。第２の画像形成手段５は、焦平面１０における周期的分布を観察者平面６に画像形成する。観察者平面６の回折次数内に観察者が留まる場合、その観察者は、一方の目で外乱のない再構成シーン１３を見るが、同時に他方の目は高次回折光の外乱を認識する。
【００３６】
マトリクスに組織され、低解像度、すなわち画素ピッチ＞＞λ（再構成波長）を有する空間光変調器の場合、周期角度は、（λ／ピッチ）により適切な近似値で表現される。λ＝５００ｎｍの波長及び１０μｍのマイクロＳＬＭ８のピッチを仮定すると、約±１／２０ｒａｄの回折角が達成される。第３の画像形成手段９が２０ｍｍの焦点距離を有する場合、この角度は約１ｍｍの周期間隔の横方向の範囲に対応する。
【００３７】
周期性を抑制するために、アパーチャ１６は第１の画像形成手段４の後方の焦平面１０に配置される。このアパーチャ１６は、１つの周期間隔又は所望の回折次数のみを伝達する。この場合、アパーチャは低域フィルタ、高域フィルタ又は帯域フィルタとしての効果を有する。アパーチャ１６は、第２の画像形成手段５により観察者平面６に画像形成され、観察者ウィンドウ１５を形成する。投影装置のアパーチャ１６の利点は、他方の目又は別の観察者の双方の目に対する更なる周期のクロストークが防止されることである。しかし、このためには、帯域幅が限定されたマイクロＳＬＭ８の空間周波数スペクトルが条件となる。
【００３８】
焦平面１０において周期性を示さない光アドレス型光変調器（ＯＡＳＬＭ）等の空間光変調器は、アパーチャ１６の使用を必要としない。
【００３９】
空間光変調器はマトリクスに組織されることが多い。焦平面１０における空間周波数スペクトルは周期的に継続する。しかし、３次元シーンは、典型的には、焦平面１０において空間周波数スペクトルが周期間隔よりも大きなマイクロＳＬＭ８上でホログラム２が符号化されることを要求する。その結果、個々の回折次数のオーバーラップが発生する。この場合、この焦平面１０のアパーチャ１６は、一方では使用される回折次数の情報を搬送する部分を遮断し、他方では高次回折光を通過させる。そのような影響を抑制するために、３次元シーンは、先行するフィルタリングにより焦平面１０の空間周波数スペクトルに限定される。ホログラムを計算する時、先行するフィルタリング又は帯域幅の制限が考慮される。帯域幅が限定された回折次数は互いに分離される。焦平面１０のアパーチャ１６は、選択された回折次数を限定せずに高次回折光を阻止する。これにより、一方の眼のための情報が、観察者の他方の目又は別の観察者に対してクロストークを及ぼすことが防止される。
【００４０】
アパーチャ１６は、空間周波数フィルタを形成するために拡張される。空間周波数フィルタは、入射波の振幅と位相との少なくともいずれかを変調する複素数値変調エレメントである。従って、空間周波数フィルタは、回折次数の分離に加えて他の機能をも果たし、例えば、第３の画像形成手段９の収差を抑制する。
【００４１】
観察者の目の動きに従って観察者ウィンドウ１５を追跡できるように、投影装置は、観察者が再構成シーン１３を見ている間の観察者の目の実際の位置を検出する位置検出システム１７を備える。この情報は、適切な手段を使用して観察者ウィンドウ１５を追跡するために使用される。マイクロＳＬＭ８上のホログラム２の符号化は、実際の目の位置に対して適応される。これにより、再構成シーン１３は再符号化され、観察者の実際の位置に応じた角度によって水平方向と垂直方向との少なくともいずれかに、移動と回転との少なくともいずれかがなされて現れる。特に、空間内に固定され、遠近感が実際的に変化する表示や、遠近感が誇張されて変化する表示が可能になる。後者は、オブジェクトの角度及び位置の変化が観察者の角度及び位置の変化より大きい種類の表示として規定される。投影装置は、眼の位置に従って観察者ウィンドウ１５を追跡する偏向エレメント（図１には示さない）を備えており、より詳細を図５に示す。
【００４２】
マイクロＳＬＭ８の解像度が低い場合、観察者は、観察者ウィンドウ１５では再構成シーン１３を双方の目で同時に閲覧できない。観察者の他方の目は、別の観察者ウィンドウにおいて順に対処されることができ、あるいは第２の光路を使用して同時に対処されることができる。マイクロＳＬＭ８の解像度が十分に高い場合、空間多重化方法を用いて、左右の目に対するホログラムを１つのマイクロＳＬＭ上で符号化することができる。
【００４３】
１次元空間光変調器を使用する場合、１次元再構成のみが実行可能である。１次元空間光変調器が垂直に位置合わせされる場合、再構成も垂直である。それら垂直方向符号化ホログラムにより、空間光変調器の空間周波数スペクトルは垂直方向に焦平面１０において周期的な継続のみを示す。１次元空間光変調器から出る光波は、それに従って水平方向に伝播する。１次元空間光変調器を使用する場合、円柱レンズ等の追加の集束光学エレメントは、再構成方向に対して垂直に集束するために使用される必要がある。
【００４４】
図２は、図１に示される投影装置の詳細を示す。特にこの詳細は、画像形成手段４及び９、並びにアパーチャ１６と共にマイクロＳＬＭ８を示す。図１に示すように、９０度でマイクロＳＬＭ８に入射する平面波７ではなく、本実施形態においては傾斜した平面波面１８が使用される。これは、迂回位相符号化方法がホログラム２を符号化するのに使用される場合に特に有益である。迂回位相符号化中、すなわち純粋な振幅ホログラムを使用する場合、傾斜した波動は要求された位相の隣接する画素に入射する。入射角がそれに従って選択される場合、例えば３画素毎に位相が同一である（Burckhardt符号化）。そして、３つの画素が１つの複素値を符号化する。迂回位相符号化方法を使用する場合、典型的に使用される１次回折光又は−１次回折光以外の全ての回折次数は阻止される。
【００４５】
この場合、焦平面１０内の０次回折光の中心は、図中の破線の周辺光線によって示されるように、光軸１１に対して垂直のところに移動される。実線の周辺光線により示されるように、第１の画像形成手段４及びアパーチャ１６は、１次回折光又は−１次回折光が伝達されるように配置される。
【００４６】
図３は、図１の投影装置の詳細を示す。９０度でホログラムに入射する平面波ではなく、収束する波動１９が再構成に対して使用される。図から分かるように、第１の画像形成手段４が収束する波動１９の焦点に位置付けられ、マイクロＳＬＭ８上で符号化される符号化ホログラム２の空間周波数スペクトルが焦平面１０において作成されるように、収束する波動１９が調整される時、第３の画像形成手段９は収束照明の場合に省略される。入射波の収束が変化した場合、収束点は光軸１１に沿って移動する。
【００４７】
図４は、反射型マイクロＳＬＭ８及びビームスプリッタ・エレメント２０を含む本発明による投影装置の別の実施形態を示す。ビームスプリッタ・エレメント２０は、第３の画像形成手段９と第１の画像形成手段４との間に配置され、入射平面波７のビームを導く役割を担う。ビームスプリッタ・エレメント２０は、シンプル又はダイクロイックスプリッタキューブ、半透明ミラー又は任意の他のビーム結合器手段とすることができる。
【００４８】
したがって、本実施形態におけるマイクロＳＬＭ８が反射型マイクロＳＬＭであり、光が反射のために２倍の距離を範囲に含む必要があるため、ホログラム２の符号化はそれに従って適応される必要がある。ダイクロイックビームスプリッタを介して光波７を注入することは、シーン１３の３原色ＲＧＢ（赤色，緑色，青色）が順に再構成される場合に特に有益である。個々の原色に対する３つの光源は、本実施形態において示さない。シーンは、図１を参照して説明したように再構成される。順次再構成の特別な利点は、光路が常に同一であることである。符号化のみが種々の波長λの再構成に対して適応される必要がある。
【００４９】
本実施形態は、別個のチャネルが３原色ＲＧＢの各々に対して提供されるように発展させることができる。ここで、このチャネルの各々は、１つの原色の光を放射する光源、マイクロＳＬＭ８、画像形成手段４及び９、並びにアパーチャ１６又は空間周波数フィルタを含む。マイクロＳＬＭが収束する波動を使用して照明される場合、第３の画像形成手段９は省略することができる。更にビームスプリッタ・エレメントは、３つのチャネルを組み合わせるのに使用することができる。シーン１３を同時にカラー再構成するために、種々の波長に特有の透過率と反射率を示すダイクロイック層がその間に存在する、４つの隣接した個別のプリズムから構成されるビームスプリッタ・エレメントを提供することができる。個々の原色を提供する３つのチャネルの光が、３つの側面を介して注入され、その重ね合わされた光は４つの側面を介して放射される。３原色から成るこの光は、カラーシーンを再構成するために第２の画像形成手段５に達する。
【００５０】
３つのチャネルは、平行に配置することもできる。その場合、第２の画像形成手段５は、全ての３つのチャネル用に共通に使用することができる。このように、シーンは全３色で同時に再構成される。
【００５１】
更に、観察者の各目に対して別個のチャネルを提供できる。各チャネルは１つの原色の単色光源、マイクロＳＬＭ８、画像形成手段４及び９、並びにアパーチャ１６を含む。また、第２の画像形成手段５は、２つのチャネル用に共通に使用することができる。この２つのチャネルは、それらの観察者ウィンドウを観察者の目に画像形成する。
【００５２】
更に、観察者の目の各々に対して別個のチャネルを提供できる。ここで、各チャネルは３原色ＲＧＢに対して３つのサブチャネルを備える。
【００５３】
上述のカラー再構成の全ての選択肢について、３原色における再構成が十分に適合することを確認する必要がある。
【００５４】
観察者が移動する場合、上述の実施形態は、観察者の目の位置に従って観察者ウィンドウ１５を追跡することを可能にする。図５は、観察者ウィンドウ１５を追跡する方法の動作原理を示す。図中に矢印で示すように観察者平面６の観察者ウィンドウ１５を追跡可能にするために、光ビームは、ここでは多角形ミラーで表される偏向エレメント２１を使用して焦平面１０の後方で偏向される。このように、観察者ウィンドウ１５は観察者に対して追跡される。ポリゴンミラー、検流計ミラー（galvanometer mirror）、及びプリズム等の機械偏向エレメント、あるいは制御可能なグリッドまたは他の回折エレメント等の光偏向エレメントは、偏向エレメント２１として使用されてもよい。
【００５５】
観察者ウィンドウ１５は、図６に示すような特に好適な方法で追跡される。ここでは、偏向エレメント２１は制御可能なプリズムとして機能する。偏向エレメント２１は、第２の画像形成手段５に近接して、すなわち光の伝播の方向から見て画像形成手段５の前方又は後方に配置されか、あるいは画像形成手段５の不可欠な部分を形成する。この偏向エレメント２１は、プリズムの作用に加えて、オプションとしてレンズの作用を示す。これにより、観察者ウィンドウ１５の横方向及びオプションとして軸方向の追跡が実現される。
【００５６】
プリズム機能を有するそのような偏向エレメント２１は、例えば複屈折液晶で充填された角柱形状のエレメントを透明材料で製造された基板に埋め込むことにより、あるいは角柱形状のエレメントの屈折率とは異なる屈折率を有する基板でそのようなエレメントを取り囲むことにより製造される。光ビームがそれらエレメントのうち１つのエレメントによって偏向される角度は、基板の材料の屈折率と液晶の屈折率との比に依存する。液晶の配向、つまり有効な屈折率は、これらのエレメントが晒される電界によって制御される。このように、偏角は電界を使用して制御することができ、従って、観察者の移動に従って観察者ウィンドウ１５を追跡することができる。
【００５７】
更に、観察者ウィンドウ１５を追跡するために、光源１を光軸１１に垂直に移動することができる。このため、第１の画像形成手段４及びアパーチャ１６は、焦平面１０の焦点の新しい位置に従って移動される必要がある。マイクロＳＬＭ８の０次回折光は、焦平面１０の焦点の周囲に位置する。
【００５８】
図７は、第２の画像形成手段５のような図１に示すレンズの代わりに凹面鏡２２を含む本発明による投影装置の別の実施形態を示す。シーンは、図１と参照して説明したのと同様に再構成される。しかし、ここでは、第１の画像形成手段４はマイクロＳＬＭ８を平面１２に画像形成せず、凹面鏡２２の平面２３又はそのすぐ近くに画像形成する。波動が凹面鏡２２により反射されるため、観察者ウィンドウ１５はその反射に応じて形成される。従って、再構成シーン１３が観察される再構成空間１４は、観察者ウィンドウ１５と凹面鏡２２との間に広がる。上述のように、再構成空間１４は、凹面鏡２２の後方に任意の範囲まで続くことができる。このように更に小型の投影装置が提供される。凹面鏡２２を使用する他の利点は、レンズと比較して、更に容易に収差を無くすことができ、製造プロセスがより単純であり、重さが軽いことである。
【００５９】
画像形成手段５として平坦な集束ミラーを使用することは特に有益である。この画像形成手段５は、ホログラフィック光学エレメント（ＨＯＥ）又は回折光学エレメント（ＤＯＥ）とすることができる。画像形成手段５は、反射の後に再構成波を観察者ウィンドウ１５に収束させる位相パターンを示す。したがって、ＨＯＥ又はＤＯＥの形態の画像形成手段５は、凹面鏡２２と同一の機能を実現している。ＨＯＥ又はＤＯＥの利点は、それらがフラットな設計であることと、安価に製造できることである。そのようなミラーは、干渉法、リソグラフィ等の周知の方法を使用して、エンボス加工、成形及び硬化、押出し成形又は任意の他の方法によって製造することができる。これらは、フォト材料またはレジスト材料、ポリマー、金属、ガラス又は他の基板からなる。また、これらは、レリーフ上に反射層を示すこともできる。
【００６０】
図８は、シーン１３の単一の再構成ポイント２４を有する図１の投影装置を示している。画像形成手段５は、２つの画像形成手段４及び９と比較して相対的に大きい。収差がないのはその小さな部分だけである必要がある。もちろんシーン全体は多数のポイントを有するが、理解し易くするために、シーン１３の１つの再構成ポイント２４のみを以下に説明する。ポイント２４は、観察者ウィンドウ１５内のみで可視である。観察者ウィンドウ１５は、平面１０からの選択された回折次数の画像であり、観察者が再構成シーン１３を見る際に介するウィンドウとしての役割を果たす。オーバーラップが高次回折になることを防ぐために、ホログラム２を帯域幅限定で符号化することについて上述した。この符号化は、回折次数が平面１０においてオーバラップしないことを保証する。同様のことが、観察者平面６での画像に対しても当てはまる。再構成シーン１３の個々ポイントの各々は、マイクロＳＬＭ８のセクションによってのみ第２の画像形成手段５上に生成される。ポイント２４を通る第２の画像形成手段５に対する観察者ウィンドウ１５の周縁光線の投影は、ポイント２４の再構成に寄与する画像形成手段５上の小さな領域をはっきり示す。これは、シーンの個別のポイントの各々について、画像形成手段５上にそのような限られた領域が存在することを意味する。それら領域は、大きな第２の画像形成手段５と比較して小さい。したがって、特に十分に小さな波面歪み＜＜λ／１０の要求に従うと、コヒーレンスに対する要求はそれら小さな領域にのみ関連する。シーン１３の全てのポイントが考慮される必要があるこれらの小さな領域内でのみ、画像はコヒーレントの品質が高いことが必要である。したがって、エレメント全体にわたって波面歪みが極めて低いことは、画像形成手段５に必須ではない。これにより、幾何学的形成の安定性に関して第２の画像形成手段５に課される要求は大幅に軽減される。
【００６１】
更に、投影装置は、再構成空間１４において形成される非常に大きな２次元及び３次元シーン１３を再構成するためのマイクロＳＬＭ８を観察者ウィンドウ１５を介して活用するだけでなく、同時に好ましくは光画像形成手段４、５及び９を補正するためにもそれを使用する。収差のない画像形成手段がホログラフィック再構成に対して使用されるべきである。以下に、収差を補正する例を説明する。第３の画像形成手段９の収差は、波面が理想的な波面から逸脱した位相誤差として明らかになる。符号化情報のないホログラムにおいて、平面波がマイクロＳＬＭ８から出る場合、回折が限定された波が、第１の画像形成手段４及び空間周波数フィルタ１６が配置される平面１０内に集束されるべきである。ここで、空間周波数フィルタ１６は、望ましくない回折次数を抑制し、収差の補正等の他の機能を実現するアパーチャとして配置される。
【００６２】
しかし、収差は上述の焦点をぼやけさせ、その結果、空間周波数スペクトルを妨害し、再構成品質に悪影響を与える。このような位相誤差は、追加の位相シフトにより容易に補償される。第３の画像形成手段９を補正する別の手段については、空間周波数フィルタの機能と関連して既に説明した。
【００６３】
通常、第１の画像形成手段４による第２の画像形成手段５に対するマイクロＳＬＭ８の拡大画像は収差を招きやすい。画像形成手段４用の拡大光学システムは、例えば、今日、市販されている背面投射型テレビ受信機において使用されている光学投影システムである。画像の鮮明さが重要な指標であるため、主に球面収差、並びにコマ収差及び非点収差は、そのような光学システムにおいてすでに広範囲にわたって抑制されている。投影内の残りの歪み及び像面湾曲は、そのような装置の使用者により許容されるが、それら収差は、本ホログラフィック投影装置においてそれらが発生した場合は、非常にバイアスをかけられた再構成をもたらす。第１の画像形成手段４の歪みは、画像形成手段５上のマイクロＳＬＭ８の拡大画像の横方向の幾何学的偏差を意味する。第２の画像形成手段５により放射される波動は、再構成オブジェクトポイントの所望位置に収束しないがシフトされる。
【００６４】
主な光学的誤差は、マイクロＳＬＭ８を第２の画像形成手段５に画像形成する時の像面湾曲である。像面湾曲は、要求された位相値が画像形成手段５においてバイアスされることを主に意味し、３次元歪み、すなわち横方向及び軸方向の歪みとして明白になる。像面湾曲及び歪みの双方の影響、並びにコマ収差及び非点収差は、一般的に、第１の画像形成手段４を注意深く設計してその製造公差を低くすることにより十分に小さく保持することができる。しかし、これは多大な労力を要し、また非常に高価である。投影装置における像面湾曲による位相バイアスは、好ましくはマイクロＳＬＭ８により補償される。このような位相誤差は、追加の位相シフトにより補償される。さらに、コマ収差及び非点収差も適切な符号化処理によって低減される。例えば歪みは、マイクロＳＬＭ８の画素を選択すること、すなわち、歪みの程度を考慮して判定された画素位置においてホログラム値を符号化することにより補償することができる。同様に、第１の画像形成手段４に対して説明された方法と同様の方法で、第２の画像形成手段５の収差もマイクロＳＬＭ８を使用して補償される。通常、第２の画像形成手段により放射される波動の偏差は、λ／１０より非常に小さい必要がある。これも多大な労力を要する。上述の補正の可能性を利用すると、第２の画像形成手段５に係る収差は、適合した符号化によっても容易に補正することができる。
【００６５】
一般に、画像形成手段４、５及び９の全ておよび任意の収差は、マイクロＳＬＭ８を使用して、低減または補償することができる。収差は、再構成の前に適切な方法で判定することができる。従って、計算された位相誤差はマイクロＳＬＭ８の追加の位相シフトにより補償される。
【００６６】
本発明の投影装置は、大きな２次元又は３次元シーンの再構成及び観察に対して小さな空間光変調器を使用することを可能にする。したがって、観察者は、再構成シーンを見ている時に観察者平面６において自由に移動できる。２次元及び３次元シーンは、同時に又は順に示される。更に、投影装置は、製造の正確さ及び収差がないことに対する要求が比較的小さい市販の光学エレメントから構成される。第１に、画像形成手段４及び５は、マイクロＳＬＭ８により補正することができ、第２に、大きな画像形成手段５の小さな領域にわたり波面の歪みが低いことのみが要求される。
【００６７】
今日のＴＶアプリケーションのように単なる２次元画像の特別な場合においては、画像は画像形成手段５またはその近傍に投影される。ホログラム２は、２次元シーンが第２の画像形成手段５の平面１２又は平面２３において再構成されるように計算される。更に、シーンを見ている観察者は、ホログラム２を再計算することにより２次元シーンが再構成される平面を軸方向に移動させることができる。これは、表示が、観察者に向けてあるいは観察者から離れるように移動可能であることを意味する。更に、詳細は、観察者がそれらをより正確に見れるように、ズームすることができる。これらの動作は、個々の観察者自身により対話式で開始することができる。
【００６８】
ホログラフィック投影装置の可能な応用例は、コンピュータディスプレイ、テレビ画面、電子ゲーム等、個人環境又はオフィス環境における１次元、２次元表示及び３次元提示のためのディスプレイを含む。それら例は、自動車業界においては情報を表示するためのディスプレイ、エンターテイメント業界におけるディスプレイ、医療技術においては特に低侵襲手術の応用又はトモグラフィックに確立された情報の空間表示のためのディスプレイ、軍事技術においては表面プロファイルの表示のためのディスプレイである。本投影装置は、上述以外の分野においても適用されることが当業者には理解される。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明に従って、画像形成システムによるシーンのホログラフィック再構成を行う投影装置の動作原理を示す図である。
【図２】傾斜した平面波が光変調器に入射している間の図１に示される投影装置の詳細を示す図である。
【図３】収束する波動が光変調器に入射している間の図１に示される投影装置の詳細を示す図である。
【図４】反射型光変調器及びビームスプリッタ・エレメントを含む本発明による投影装置の別の実施形態を示す図である。
【図５】観察者ウィンドウを追跡するのに使用される、投影装置が備えた偏向エレメントを示す図である。
【図６】投影装置において観察者ウィンドウを追跡する別の可能性を示す図である。
【図７】第２の画像形成手段である凹面鏡を含む本発明による投影装置の別の実施形態を示す図である。
【図８】シーンの単一の再構成ポイントが観察される、図１に示される投影装置を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【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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