JP4473133B2 - 映像ホログラムおよび映像ホログラム再生装置 - Google Patents

Description

本発明は、映像ホログラムと、少なくとも１台の光源、レンズ、および、マトリックスまたはその他の規則的なパターンに配置されたセルからなり、１セルごとに少なくとも１個の開口を備え、上記開口の位相または振幅が制御可能である映像ホログラムにより構成された光学系、並びに、光源の像平面に位置するビューイング平面を具備する映像ホログラム再生装置とに関する。

音響光学変調器（ＡＯＭ）を使用して映像ホログラムを再生する装置は従来技術（Ｓｔｅｐｈｅｎ Ａ． Ｂｅｎｔｏｎ、Ｊｏｅｌ Ｓ． ＫｏｌｌｉｎによるＴｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｄｉｓｐｌａｙ ｓｙｓｔｅｍ、米国特許第５，１７２，２５１号）で知られている。このような音響光学変調器は電気信号を光波面に変換し、光波面は２次元ホログラフィック領域を形成するため偏向ミラーを使用して映像フレームにおいて再生される。観察者の目に見えるシーンはさらなる光学素子を用いて個々の波面から再生される。レンズおよび偏向素子のような使用される光学手段は再生されたシーンの寸法を有する。それらの奥行きは深いので、これらの素子は、嵩張って重い。それらを小型化することは困難であるので、それらの応用の範囲が制限される。

大型映像ホログラムを生成する別の可能性は、コンピュータ生成ホログラム（ＣＧＨ）を使用する、いわゆる「タイリング方法」である。国際公開第００／７５６９８号Ａ１パンフレットおよび米国特許第６，４３７，９１９号から知られるこの方法では、小さいピッチを有する小型ＣＧＨは光学系を用いて作成される。このため、第１ステップにおいて、必要情報が小さいピッチを有する高速マトリックス（一般にＥＡＳＬＭ（電気アドレス型空間光変調器））に書き込まれ、次に、マトリックスは適当なホログラフィック媒体の上に再現され、大型映像ホログラムを形成するため構成される。一般に、光アドレス型空間光変調器（ＯＡＳＬＭ）はホログラフィック媒体として使用される。第２ステップにおいて、構成された映像ホログラムは透過中または反射中のコヒーレント光を用いて再生される。

たとえば、国際公開第０１／９５０１６号Ａ１パンフレット、または、フカヤらによる「Ｅｙｅ−ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｔｙｐｅ ｅｌｅｃｔｒｏ−ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｄｉｓｐｌａｙ ｕｓｉｎｇ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｅｖｉｃｅｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＥＯＳ Ｔｏｐｉｃａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃｓ、１９９７から知られる、制御可能な開口がマトリックスまたはそれ以外の規則的なパターンの形で配置されたＣＧＨにおいて、小型開口上の回折はシーンを符号化するため巧みに利用される。開口から出現する波面は、観察者に到達する前に３次元シーンの物点に集まる。ピッチがより小さくなると、したがって、ＣＧＨの開口がより小さくなると、回折角、すなわち、視野角がより広くなる。その結果として、これらの従来の方法によれば、視野角を拡大することは解像度を高めることを意味する。

一般的に知られているように、フーリエホログラムにおいて、シーンは平面内におけるホログラムのフーリエ順変換またはフーリエ逆変換として再生される。この再生はある周期性間隔で周期的に継続され、上記周期性間隔の延長はホログラム内のピッチに反比例する。

フーリエホログラムの再生物の寸法が周期性間隔を上回るならば、隣接する回折次数が重なり合う。解像度は徐々に減少すると共に、すなわち、開口のピッチが増大すると共に、再生物のエッジの歪みはより高次の回折次数を重ね合わせることにより増大するであろう。したがって、使用可能な再生物の範囲は徐々に制限される。

より大きい周期性間隔、すなわち、より広い視野角が達成されるならば、ホログラムに要求されるピッチは光の波長により近づく。したがって、ＣＧＨは大型シーンを再生可能であるために十分に大きくする必要がある。これらの二つの条件は、多数の開口を有する大型ＣＧＨを要求する。しかし、これは、現在のところ、制御可能な開口を備えたディスプレイの形では実施できない（欧州特許第０９９２１６３号を参照）。制御可能な開口を備えたＣＧＨは１〜数インチだけを測定し、ピッチは依然として実質的に１μｍよりも大きい。

ピッチとホログラムサイズの二つのパラメータは、ホログラム内の開口の数としてのいわゆる空間的帯域幅積（ＳＢＰ）によって特徴付けられる。５０ｃｍの幅を有する制御可能な開口を備えたＣＧＨの再生物が生成され、観察者が１ｍの距離で、５０ｃｍ幅の水平ビューイングウィンドウにおいてシーンを見ることができるならば、水平方向のＳＢＰは約０．５×１０^６である。これはＣＧＨ内の１μｍの距離での５０００００個の開口に対応する。アスペクト比を４：３と仮定すると、３７５０００個の開口が垂直方向に必要とされる。その結果として、３色のサブピクセルが考慮されるならば、ＣＧＨは３．７５×１０^１１個の開口を具備する。制御可能な開口を備えたＣＧＨは一般には振幅に影響を与えることだけが許容されることを考慮すると、この数は３倍になるであろう。位相はいわゆる迂回位相効果を巧く利用して符号化され、１サンプリング点ごとに少なくとも３個の等間隔の開口を必要とする。このような多数の制御可能な開口を有するＳＬＭはこれまでに知られていない。

ホログラム値は再生されるシーンから計算しなければならない。３原色のそれぞれについて１バイトの色深度と５０Ｈｚのフレームレートを仮定すると、ＣＧＨが必要とする情報フローレートは５０×１０^１２＝０．５×１０^１４バイト／秒である。この大きさのデータフローのフーリエ変換は現代のコンピュータの能力を遙かに上回るので、ホログラムがローカルコンピュータに基づいて計算される余地はない。しかし、このような量のデータをデータネットワーク経由で送信することは一般のユーザにとって現在実施不可能である。

非常に多数の計算を削減するため、ホログラム全体を計算するのではなく、ホログラムの中で観察者が直接的に見る部分だけ、または、変化する部分だけを計算することが提案されている。上記の「タイリングホログラム」のようにアドレス可能なサブ領域により構成されるようなホログラムは、上記の国際公開第０１／９５０１６号Ａ１パンフレットの特許明細書に開示されている。計算の開始点は、いわゆる有効出射瞳であり、その位置は観察者の目の瞳と一致させることが可能である。像は、観察者の位置が変化するとき、新たな観察者の位置のための像を生成するホログラム部分の連続的な再計算によって追跡される。しかし、これは計算の回数の削減を部分的に無効にする。

従来の方法の欠点を要約すると次の通りである。音響光学変調器を備えた配置は非常に嵩張り、最新式のフラットディスプレイで知られている寸法まで縮小できない。タイリング方法を用いて生成された映像ホログラムは、膨大な技術的努力を必要とし、容易にはデスクトップの寸法まで縮小できない２段階のプロセスである。制御可能な開口を備えたＳＬＭに基づく配置は非常に小さいので大型シーンを再生できない。現在、大型の制御可能なＳＬＭであって、そのために非常に小さいピッチを備えたＳＬＭは存在せず、このテクノロジーは今日利用可能なコンピュータ性能およびデータネットワーク帯域幅によってさらに制限される。

本発明の目的は上記の欠点を回避し、広視野角の映像ホログラムの拡張リアルタイム再生を提供することである。

本発明によれば、上記目的は、請求項１に記載された特徴を有する映像ホログラムおよび映像ホログラム再生装置によって進歩的な態様で解決される。本発明の好ましい実施形態は請求項２から１０に提示される。

本発明による制御可能な開口を備えた映像ホログラムおよび映像ホログラム再生装置は、ビューイング平面において、少なくとも一つのビューイングウィンドウが映像ホログラムのフーリエ順変換または逆変換として周期性間隔で形成され、上記ビューイングウィンドウによって観察者が３次元シーンの再生を見ることが可能にされることを特徴とする。ビューイングウィンドウの最大範囲は、光源の像平面におけるフーリエ逆変換の平面内の周期性間隔に一致する。円錐台がホログラムとビューイングウィンドウとの間に広がり、上記円錐台は映像ホログラムのフレネル変換として３次元シーン全体を格納する。

本発明におけるビューイングウィンドウは、一方の目、観察者の瞳距離、または、その他の適当な領域にほぼ制限され、関連して位置付けられる。

次に、本発明では別のビューイングウィンドウが観察者のもう一方の目のため設けられる。これは、光学系に一対の光源を形成するため、観測された光源が移動させられるか、または、第２の現実または仮想の適切なコヒーレント光が別の適当な位置に付加されることによって実現される。この配置は、関連付けられたビューイングウィンドウを通して両方の目で３次元シーンを見ることを可能にさせる。映像ホログラムの内容は、第２のビューイングウィンドウの起動と同期した目位置に応じて、変更可能であり、すなわち、再符号化可能である。複数の観察者がシーンを見るならば、より多数のビューイングウィンドウがさらなる光源をオンにすることにより生成される。

映像ホログラム再生装置の本発明の別の態様に関して、光学系およびホログラム記録媒体は、映像ホログラムのより高次の回折次数が第２のビューイングウィンドウの位置で第１のビューイングウィンドウに対するゼロ点、または、強度最小値を有するように配置される。これは一方の目に対するビューイングウィンドウがその観察者のもう一方の目または他の観察者の目とクロストークすることを防止する。このように、ホログラム記録媒体の開口の有限幅、および／または、強度分布の最小値を原因とするより高次の回折次数へ向かう光の強度の減少が巧く利用される。矩形状開口の強度分布は、たとえば、振幅が急速に減少するｓｉｎｃ^２関数であり、距離の増大と共に減少するｓｉｎ^２関数を形成する。

ディスプレイ内の開口の個数は、映像ホログラムに対して計算すべき値の最大個数を決定する。コンピュータからの、または、ネットワークを経由した、映像ホログラムを表現するディスプレイへのデータの送信は、同じ値の個数に制限される。そのデータフローレートは、今日使用されている典型的なディスプレイで知られているデータフローレートと実質的に差異がない。次に、このことについて実施例を用いて説明する。

ビューイングウィンドウが、たとえば、実質的に低解像度のディスプレイを選ぶことにより５０ｃｍ（水平）×３７．５ｃｍ（垂直）から１ｃｍ×１ｃｍへ縮小されるならば、ホログラム内の開口の個数は１／１８７５まで低下する。所要帯域幅は、ネットワーク経由のデータ送信と同じように削減される。従来の方法で作成された映像ホログラムは１０^１２個の開口を必要とし、一方、この個数は本実施例では５×１０^８画素に削減される。シーンは残りのビューイングウィンドウを通して完全に見ることができる。空間的帯域幅積によるこれらのピッチおよびホログラムサイズの必要条件は今日入手可能なディスプレイによって既に満たされる。このため、大型ビューイングウィンドウのための大ピッチを有するディスプレイ上に大型リアルタイム映像ホログラムを低コストで実現することが可能である。

ビューイングウィンドウは、可動ミラーを使用することにより、または、他の方法で適切に位置付けられた光源を使用することにより、光源を機械的または電気的に移動させることにより追跡される。ビューイングウィンドウは光源像の変位に応じて移動させられる。観察者が移動するならば、（１台または複数台の）光源は空間的に動かされるので、ビューイングウィンドウは（一人または複数の）観察者の目を追跡する。これは、観察者が再生された３次元シーンも見ることが可能であり、その結果として、観察者の移動の自由度が制限されないことを保証するためである。観察者の位置を検出する複数のシステムが知られ、たとえば、磁気センサに基づくシステムはこのため役立つように利用できる。

本発明は、また、カラーで効率的に映像ホログラムを再生できるようにする。この場合、再生は１セルごとに、３原色を表現する少なくとも３個の開口を用いて実行され、上記開口の振幅または位相は制御可能であり、上記開口は原色のそれぞれに対して個別に符号化される。カラーで映像ホログラムを再生するため、本発明の装置を使用して、次々に、すなわち、個別の原色に、少なくとも３回の再生を実行することも可能である。

本発明は、ＴＦＴフラットスクリーンのような制御可能なディスプレイによって、リアルタイムで、広視野角を提供する空間的に拡大されたシーンのホログラフィック再生物を効率的に生成することを可能にする。これらの映像ホログラムは、ＴＶ、マルチメディア、ゲームおよび設計アプリケーションにおいて、医療および軍事部門において、並びに、経済および社会の多数のその他の分野において有利に使用される。３次元シーンはコンピュータを用いて、または、その他の方法によって生成することが可能である。

本発明の一実施形態が例示され、添付図面を参照して後述される。

映像ホログラム再生装置は、ホログラム記録媒体と、十分にコヒーレントな、現実または仮想の、点若しくは線光源と、光学系とを具備する。映像ホログラム記録媒体自体は、マトリックスまたはその他の場合には規則的なパターンに配置されたセルにより構成され、１セル当たりに少なくとも１個の開口があり、上記開口の位相または振幅は制御可能である。映像ホログラムを再生する光学系は、点若しくは線レーザー、または、十分にコヒーレントな光源を含む技術的に知られた光学イメージングシステムによって実現可能である。

図１は映像ホログラムの一般的な配置およびその再生を表す。光源１、レンズ２、ホログラム記録媒体３およびビューイング平面４は、伝搬光の方向で見たときに次々に配置される。ビューイング平面４は、（複数の）回折次数をもつ映像ホログラムの逆変換のフーリエ平面に一致する。

光源１は、レンズ２によって表された光学系を通してビューイング平面４に結像する。ホログラム記録媒体３が挿入されるならば、それはフーリエ逆変換としてビューイング平面４に再生される。周期的な開口を備えたホログラム記録媒体３はビューイング平面４に等距離で変位させられた回折次数を作成し、高次の回折次数へのホログラフィック符号化が、たとえば、いわゆる迂回位相効果を用いて行われる。光強度は高次の回折次数へ向かって減少するので、＋１次または１次の回折次数はビューイングウィンドウ５として使用される。明示的に断らない限り、１次回折次数は本発明のさらなる説明において基本であると考えられる。

再生の寸法は、この場合、ビューイング平面４内の１次回折次数の周期性間隔の寸法と一致するように選択される。その結果として、高次回折次数は、ギャップを形成することなく、しかし同時に重なり合うことなく置かれる。

フーリエ変換であるならば、選択された１次回折次数はホログラム記録媒体３の再生を形成する。しかし、それは実際の３次元シーン６を表現しない。それはビューイングウィンドウ５としてのみ使用され、このビューイングウィンドウを通して３次元シーン６が観察される（図２を参照）。実際の３次元シーン６は、１次の回折次数の光束の内側に円の形で示される。シーンは、このようにして、ホログラム記録媒体３とビューイングウィンドウ５との間に広がる再生円錐台の内側に位置付けられる。シーン６はホログラム記録媒体３のフレネル変換として表され、一方、ビューイングウィンドウ５はフーリエ変換の一部分である。

図３は対応するホログラフィック符号化を表す。３次元シーンは離散点によって構成される。ビューイングウィンドウ５が底面であり、シーン６内で選択された点７が頂点であるピラミッド形は、この点を通過して延長され、ホログラム記録媒体３上に投影される。投影領域８はホログラム記録媒体３に作成され、その点は上記投影領域内でホログラフ的に符号化される。点７からホログラム記録媒体３のセルまでの距離は位相値を計算するため決定可能である。この再生はビューイングウィンドウ５のサイズが周期性間隔によって制約されることを可能にする。しかし、点７がホログラム伝送媒体３の全体に符号化されるならば、再生は周期性間隔を超えるであろう。隣接する回折次数からのビューイングゾーンは重なり合い、その結果として、観察者は点７の周期的な連続を見るであろう。このようにして符号化された表面の輪郭は多数の重なり合いのため不鮮明に見える。

高次回折次数へ向かう強度減少は、他のビューイングウィンドウへのクロストークを抑制するため巧く利用される。図４は回折次数に対する光強度分布を概略的に表し、上記分布はＣＧＨ内の開口の幅によって決められる。横軸は回折次数を表す。１次の回折次数は左目用のビューイングウィンドウ５、すなわち、左ビューイングウィンドウを表現し、この左ビューイングウィンドウを通して３次元シーンを見ることができる。右目用のビューイングウィンドウへのクロストークは、高次回折次数方向での光強度の減少によって抑制され、さらには、強度分布のゼロ点によって抑制される。

勿論、観察者は両方の目でホログラム３のシーン６を見ることができる（図５を参照）。右目の場合、光源１’の−１次回折次数によって表現された右ビューイングウィンドウ５’が選択される。図から分かるように、この光が左目に与える影響は非常に低強度である。この場合、それは−６次回折次数に対応する。

左目の場合、光源１の位置に対応する１次回折次数が選択される。左ビューイングウィンドウ５が同様に形成される。本発明によれば、対応する３次元シーン６および６’（図示せず）は、目に対して固定位置に光源１および１’を使用して再生される。このため、ホログラム３は、光源１および１’がオンにされるときに再符号化される。或いは、２台の光源１および１’は、２個のビューイングウィンドウ５および５’にホログラム３を同時に再生可能である。

観察者が移動するならば、光源１および１’が追跡され、２個のビューイングウィンドウ５および５’は観察者の目にとどまったままである。同様のことが法線方向の移動、すなわち、映像ホログラムに対して垂直の移動にも適用される。

さらに、さらなるビューイングウィンドウがさらなる光源がオンにされることにより作成されるならば、複数の観察者が３次元シーンを見ることができる。

回折次数の生成およびビューイングウィンドウの位置を表す映像ホログラムおよび映像ホログラム再生装置の概略的な説明図である。 ビューイングウィンドウを通して見ることができる３次元シーンを表すホログラム再生装置の概略的な説明図である。 映像ホログラムの一部分における３次元シーンの符号化を表すホログラム再生装置の概略的な説明図である。 回折次数に応じてビューイング平面内の光強度分布を表す図である。 クロストークを防止するため回折次数に関して観察者の両目に対するビューイングウィンドウの位置を表す映像ホログラム再生装置の概略的な説明図である。

Claims (11)

1. 三次元シーン（６）を再生する装置であって、
   コヒーレントな光を供給する少なくとも１つの光源（１）と、
   光学系（２）と、
   マトリックス又は規則的なパターンに配置されたセルで構成され、１セルごとに少なくとも１個の開口を備え、前記開口の位相または振幅が制御可能であるホログラム記録媒体（３）と、
   を備え、
   前記光学系は、前記光源（１）の像平面内に、当該光源（１）により供給された前記光を結像させ、
   前記光源（１）により供給された前記光が前記ホログラム記録媒体（３）を通過した場合に、前記光源（１）の前記像平面上に当該ホログラム記録媒体（３）のフーリエ変換が形成され、
   前記像平面において、少なくとも一つのビューイングウィンドウ（５）が前記ホログラム記録媒体（３）の前記フーリエ変換による再生の周期性間隔に位置し、
   前記ホログラム記録媒体（３）の前記開口は、前記ビューイングウィンドウ（５）に位置する観察者の目が当該ビューイングウィンドウ（５）を通して３次元シーン（６）の再生を見ることができるように制御され、
   前記ビューイングウィンドウ（５）の広がりが前記周期性間隔よりも大きくないことを特徴とする、装置。
2. 前記ビューイングウィンドウ（５）が前記観察者の一方の目の位置に位置付けられることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記観察者のもう一方の目には、前記光学系に一対の光源を形成するため、別の適当な位置でオンにされた、第２のコヒーレントな光源（１’）によって得られた第２のビューイングウィンドウ（５’）が割り当てられることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 第１のビューイングウィンドウ（５）に対する当該映像ホログラム（３）の高次回折次数が前記第２のビューイングウィンドウ（５’）の位置でゼロ点または強度最小値をとるように、前記光学系および前記ホログラム記録媒体（３）が配置されることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 前記ホログラム記録媒体（３）が前記第２のビューイングウィンドウ（５’）のオンへの切り替えに同期して第２の目のため再符号化されることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 複数台の光源が複数の観察者のためオンにされることを特徴とする、請求項３から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記光源が機械的若しくは電気的変位によって、可動ミラーによって、または、他の適当な方法で位置付けられることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記光源の位置を決めるために必要な情報が前記観察者の位置に応じて少なくとも１台の位置センサによって与えられることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 映像ホログラムがカラーで再生され、前記ホログラム記録媒体（３）がマトリックス又は規則的なパターンに配置されたセルで構成され、１セルごとに３原色を表現する少なくとも３個の開口を備え、前記開口の位相または振幅が制御可能であり、前記開口が原色のそれぞれについて個別に符号化されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
10. カラーの再生が個別の前記原色における少なくとも３回の次々に実行される再生によって実現されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置を用いて映像ホログラムを再生する方法。

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