JP3583611B2 - Three-dimensional moving image display device and method for generating light modulation pattern data therefor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はホログラフィの手法により3次元の動画像を表示する装置およびそのための光変調パターンデータの作成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ホログラフィの手法を用いて3次元の動画像を表示する方法としては、ホログラム用のフィルムを用いるホログラフィ映画方式と、光変調素子を用いるホログラフィックビデオ方式がある。
【0003】
(ホログラフィ映画方式)
ホログラフィ映画では、被写体のホログラムをフィルムに1コマずつ記録し、再生の時には、このフィルム列から次々に像を再生することによって動画を表示する。最近では、長尺フィルムに細長いホログラムを毎秒8〜16コマ程度記録し、ホログラムをのぞき込むことにより3次元動画が観賞できるようにしたシステムが、樋口らによって試作されている(K.Higuchi,et al.:Proc.of SPIE,Vol.2406(1995),20−26)。また、投射型ホログラムを用いることで、多くの観察者が同時に映像を見ることができるようにする方法も岡田らによって報告されている(岡田他:画像電子学会誌,Vol.24,No.5(1995),583−588)。
【0004】
岡田らによる投射型ホログラムによる3次元動画像表示装置のためのホログラム撮影光学系の構成例を図11に、この装置の表示光学系の構成例を図12にそれぞれ示す。図11に示すホログラム撮影光学系は、被写体272のフレネルホログラムをホログラム用フィルム252に記録するものである。光源210としレーザを用いる。この光源210からの光は半透鏡222で2つに分けられ、一方は、集光レンズ230とコリメータ240でほぼ平行な光となり、スリット254の開口部を通してホログラム用フィルム252に照射される。もう一方は、全反射鏡224と集光レンズ232で被写体272に導かれ、被写体272を照明する光として用いられる。
【0005】
被写体272にあたった光は、被写体表面で拡散反射され、その一部はスリット254の開口部を通ってホログラム用フィルム252に達する。ホログラム用フィルム252面では、被写体からの光と直接照射された光とが干渉しあい、干渉縞が形成される。形成される干渉縞の周期は、短いところでは、1μm以下なることもある。したがって、ホログラム用フィルム252としては、1mmあたり数千本の縞を記録できる解像力の高いフィルムが用いられる。1コマ分のホログラムの記録が終わったら、フィルム252をスリット幅だけ送り、次の1コマのホログラムを記録する。全てのコマの撮影が終わった後、フィルム252の現像処理を行なって、ホログラフィ映画のフィルムができあがる。
【0006】
こうして撮影されたフィルムは、図12に示すホログラム表示光学系で再生される。図12(a)はホログラム表示光学系の平面図、図12(b)はその側面図である。表示光学系の光源からホログラム用フィルム252までの光学系は、ホログラム撮影光学系(図11)と同じである。ホログラム撮影時の照明光と同じ条件で再生光245をあてることにより、撮影時の被写体272と同じ位置に被写体の虚像275が再生される。被写体の像275は、投射レンズ256で視野レンズ260付近に結像される。その結果、視野レンズ260付近には、被写体の実像270が形成される。また、視野レンズ260によってホログラム用フィルム252の実像280が形成される。ホログラムから再生される光は、全てこの実像280に集まるので、この付近から観察することによって再生された被写体の実像270の全体を見ることができる。
【0007】
さらに岡田らは、この系の視野レンズ260付近に垂直方向のみ拡散効果を持つ一方向拡散板と水平方向に回折光を生じさせる回折格子を追加することも提案している。この方法を用いれば、再生像を観察可能な領域を上下左右方向ともに拡大することができ、多くの観察者が同時に再生像を観察することが可能になる。
【0008】
このようにホログラフィ映画では、高解像力のフィルムを用いることで高画質で大画面の表示が実現でき、さらに光学系を工夫することで多くの観察者が同時に観察できるシステムを実現することが可能である。しかし、(1)記録した映像をすぐに見ることができない、(2)歪みの無い像を表示することが難しい、(3)被写体は実在するものかあるいは実物を製作可能な物体に限定される、という問題がある。
【0009】
記録した映像をすぐに見ることができないのは、フィルムの現像処理が必要だからである。現像処理を簡単にしたフィルムも開発されてはいるが、これらはまだ特殊なものであり、その利用は現実的ではない。一般的なフィルムの場合は、撮影に用いる光学系からフィルムを一旦外して現像処理し、再度再生に用いる光学系にセットすることが必要である。現像処理を不要にする方法としては、フィルムを空間光変調素子で置き換えるという方法が考えられる。しかし、1mmあたり数千本にも達する細かい干渉縞を再現できる空間光変調素子は現在のところ存在せず、実際にはその実現は困難である。
【0010】
歪みの無い像を表示することが難しいのは、2つの要因による。表示像に生じる歪みとしては、ホログラム表示光学系(図12)で表示物体の実像270が形成される際の収差による歪みと、表示物体の実像270とホログラムの像280の結像倍率の違いによる歪みがある。前者は、表示物体の実像270が投射レンズ256によって形成される際の収差による歪みである。投射レンズ256としてはフィルム幅をカバーできる口径のレンズが必要であるが、口径が十分大きいレンズで収差が小さいものを作ることが難しく、像の歪みを無くすことは困難だからである。また、後者は、表示物体の実像270が投射レンズ256によって形成される際の結像倍率と、ホログラムの像280が視野レンズ260によって形成される際の結像倍率が異なる場合に生じる歪みである。この歪みを無くすためには、両者の倍率を合わせることが必要である。しかし、そのためには、レンズの位置や焦点距離等の光学系の条件を厳しく制限することが必要で、歪みを十分小さくするためには、実質的には結像倍率をともに1にすることが必要となる。しかし、このような条件では、実用的な表示装置を実現することは困難である。その条件を満たすための解を計算により求めると、負または虚数のレンズ焦点距離が必要になるなどの問題が生じるからである。
【0011】
被写体が限定されるのは、被写体にレーザをあてて干渉縞をフィルムに記録することが必要だからである。計算機内にデータとしてだけ存在するような実在しない物体の像を表示する場合には、そのデータから実物を実際に作ることが必要になる。それができない場合には、被写体として扱うことはできない。また、実在する物体であっても、露光時間の間に被写体が動いてはいけないので、露光時間によっては被写体の材質等が限られる場合がある。レーザのコヒーレント長によって被写体の空間的な広がりの範囲が限られる場合もある。被写体に対する制限を緩和する方法としては、干渉縞のパターンを計算機で計算し、フィルム上に直接描画する方法が考えられる。この方法では、被写体のデータを計算機に取り込めさえすれば表示が可能となる。しかし、1mmあたり数千本にも達する細かい干渉縞を正確に描画することは、1コマ分の面積に限っても技術的に困難であり、多数のコマの干渉縞を描画することは事実上不可能と考えられる。
【0012】
(ホログラフィックビデオ方式)
一方、ホログラフィックビデオ方式では、ホログラフィ映画でフィルムに記録していた干渉縞のパターンを光変調素子上に再現し、これを書換えることによって動画像の表示を実現する。被写体のホログラムに対応する干渉縞のパターンは、ホログラム撮影光学系で、ホログラム用フィルムの位置にCCDカメラ等の撮像素子を置き、これを用いて1コマずつ取り込むか、あるいは、被写体の形状等のデータから計算機で計算する等の方法によって電子的なデータとして蓄積する。干渉縞パターンを再現するための光変調素子として音響光学素子を用いる方法(例えば、S.A.Benton:Proc.of SPIE,Vol.1461(1991))や、空間光変調素子である液晶パネルを用いる方法(例えば、橋本:Proc.of SPIE,Vol.1461(1991))が提案されている。
【0013】
音響光学素子では、1方向のみの光の変調しかできないので、これを用いる前者の方法はフィルムに記録したホログラムとは表示特性が異なるが、液晶パネル等の空間光変調素子は、2方向の変調(すなわち面での変調)が可能なので、これを用いる後者の方法では、フィルムを用いるホログラムと等価な表示を実現できる可能性がある。
【0014】
光変調素子として空間光変調素子である液晶パネルを用いた3次元動画像表示装置の構成例を図9に示す。光源210にはレーザを用いる。光源210から出た光は、集光レンズ230とコリメートレンズ240で広げられ、太いビームの再生光245となって、ほぼ垂直に空間光変調素子250に入射する。空間光変調素子250としては、TN型の液晶を用いたTFT液晶パネルを用いる。空間光変調素子250は、ホログラム撮影光学系や計算によって求められた信号を基に図示しない光変調素子駆動回路によって駆動され、素子面に干渉縞パターンが形成される。素子を通過した光は、干渉縞パターンによって回折を受け、レンズ410と、レンズの後方焦点面に置かれた遮光板420を経て観察領域290に到達する。レンズ410と遮光板420は、不要な回折光を除去するために設けられている。すなわち、遮光板420によって0次光の集まる光軸付近と光軸から少し離れた−1次光が集まる領域の付近の光が遮られ、表示に必要な+1次の回折光だけが観察領域290に届けられる。
【0015】
液晶パネル250に表示する干渉縞パターンを撮影するホログラム撮影光学系の構成例を図10に示す。光源210にはレーザを用いる。光源210から出た光は、集光レンズ230とコリメートレンズ240で広げられる。広げられたビームは、半透鏡450で二つに分けられ、一方は、全反射鏡460と半透鏡455で導かれ、撮像素子470に照射される。もう一方は、被写体272に導かれ、被写体272を照射する光として用いられる。被写体272にあたった光は、被写体表面で拡散反射され、レンズ480と半透鏡455を通って撮像素子470に達する。撮像素子470面では、直接照射された光と被写体からの光とが干渉しあい、干渉縞が形成される。これを撮像素子470でデータとして取り込む。取り込む際に情報が失われないようにするためには、形成される干渉縞の周期が撮像素子470で取り込める最小周期よりも大きくなるようにすることが必要がある。この系では、干渉縞の周期ができるだけ大きくなるように、光源210から直接導かれた光と、被写体表面を経由して来た光とを重ね合わせる際に、光軸のずれがわずかな角度となるように設定されている。こうすることで、撮像素子470として画素周期10μm程度のCCDカメラ等の撮像素子を用いることも可能になる。
【0016】
この様なホログラフィックビデオ方式では、干渉縞パターンを実時間で書換えることにより、動く被写体から来る光の波面を実時間で再生することが可能である。フィルムを用いないため写真処理が必要無く、撮影した映像をその場ですぐ再生して見ることも可能である。また、計算機内にデータとして蓄えられている物体の像を表示することも可能であるので、仮想物体やレーザをあててホログラムを撮影することが困難な物体も表示することができる。さらには、計算機内にデータとして蓄えられている物体を表示する場合には、物体の向き等をユーザからの要求などに応じてインタラクティブに変えながらその像を表示することも可能である。
【0017】
しかし、現在のところ表示できる物体像の大きさが限られており、また、表示像の画質も低く、実用に耐える物は実現されていない。特に空間光変調素子を用いる方式では、表示できる像の大きさは1cm〜2cm程度で、しかも像から1m程度離れて見る必要があったので像の見かけの大きさは非常に小さかった。これは、主に光変調素子で十分に細かい変調パターンを実現できていないことが原因である。変調パターンの周期によって、像形成に関与する回折光の広がり角が制限されてしまうためである。
【0018】
一般にホログラフィの表示には、1μm以下の周期の干渉縞を記録再生することが必要とされるが、現在入手可能な空間光変調素子では、周期20〜30μm程度が限界となっている。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
ホログラフィ映画では、高画質で大画面の3次元動画像を多くの観察者が同時に観察できるシステムを実現することが可能であるが、現像処理が必要であるので記録した映像をすぐに見ることができないという問題がある。また、被写体のホログラムをフィルムに記録する際に、被写体にレーザをあてて撮影することが必要であり撮影可能な物体が限定されるという問題もある。
【0020】
一方、ホログラフィックビデオでは、フィルムの代りに空間光変調素子を用いるので、現像処理が必要無く、記録した映像をすぐに再生することや、更にはインタラクティブな表示も可能である。形状等のデータしか存在しない仮想的な物体を表示することも可能である。しかし、空間光変調素子では、周期20〜30μm以下の細かい変調パターンの実現は難しいことから、現在のところ表示できる物体の大きさが1〜2cm程度に限られており、また、表示像の画質も低く、実用に耐える物は実現されていない。
【0021】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、空間光変調素子を用いるホログラフィックビデオ方式で、空間光変調素子の解像度を上げずに大画面化と高画質化を実現できるようにし、ホログラフィ映画にせまる画面サイズと画質をもった3次元動画像を表示することができる3次元動画像表示装置およびそのための光変調パターンデータの作成方法を提供することを目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、請求項1に係る本発明は、コヒーレント光を発する光源と、この光源からの光を2つに分ける手段と、分けられた光の一方を被写体にあてる光学系と、被写体の実像を形成できるように配置された結像レンズと、前記被写体からの光が該結像レンズを通過した後の位置に配置された撮像素子と、前記光源からの光を分ける手段によって分けられた他方の光を前記撮像素子に参照光として導く光学系とを具備する干渉縞パターンの撮影光学系を用い、前記撮像素子面上に形成される干渉縞パターンをデータとして取り込み、この干渉縞パターンを処理して3次元動画像表示装置の空間光変調素子に与える光変調パターンのデータを作成する光変調パターンデータの作成方法であって、前記3次元動画像表示装置は、表示する物体像に対応する光変調パターンデータが与えられ、それを基に光を変調する空間光変調素子と、該空間光変調素子により変調された光が形成する前記表示物体の実像の位置付近に配置され、前記空間光変調素子の実像を縮小結像させる視野レンズとを具備し、前記干渉縞パターンの撮影光学系の前記結像レンズによる被写体の像の結像倍率と前記3次元動画像表示装置に設けられた前記視野レンズによる空間光変調素子の像の結像倍率とが互いに異なることを特徴とする。
【0023】
この光変調パターンデータの作成方法は、実像を再生させるタイプのホログラムを空間光変調素子に表示させ、再生される実像の位置付近に視野レンズを置いて、視野レンズで空間光変調素子の実像を縮小結像させる3次元動画像表示装置に適用される光変調パターンデータを作成するものである。この3次元動画像表示装置においては、像の大きさを縮小する系では光の広がり角が拡大されるので、空間光変調素子の実像を視野レンズで縮小結像させることで、空間光変調素子での比較的小さな回折角を拡大し、視野角が大きく画質の高い像を表示することが可能になる。
【0024】
表示物体の実像は、空間光変調素子から所定の広がり角をもって広がる像形成に関与する回折光によって再生されるものであるので、視野レンズはその広がり角の範囲内に置けばよい。再生される実像の大きさは、像形成に関与する回折光の広がり角と、空間光変調素子から視野レンズまでの距離で決まる。像形成に関与する回折光の広がり角は空間光変調素子上の変調周期で制限されるため回折光の広がり角を大きくすることは難しいが、空間光変調素子から視野レンズまでの距離を調整することにより、所望の大きさの実像を確保できる。したがって、このように所望の大きさが確保される表示物体の実像再生位置近傍に視野レンズを置いて空間光変調素子の実像を縮小結像させることで、空間光変調素子から表示物体の実像を見込む角度よりも、空間光変調素子の実像から表示物体の実像を見込む角度を大きくできる。よって、空間光変調素子の実像付近に目を置けば、表示物体の実像全体を大きな視野角で観察することが可能となる。
【0027】
空間光変調素子に与える光変調パターンデータは、コヒーレント光を発する光源と、この光源からの光を2つに分ける手段と、分けられた光の一方を被写体にあてる光学系と、被写体の実像を形成できるように配置された結像レンズと、前記被写体からの光が該結像レンズを通過した後の位置に配置された撮像素子と、前記光源からの光を分ける手段によって分けられた他方の光を前記撮像素子に参照光として導く光学系とを具備する干渉縞パターンの撮影光学系を用い、前記撮像素子面上に形成される干渉縞パターンをデータとして取り込み、この干渉縞パターンを処理することによって作成される。干渉縞パターンの撮影光学系により、実像を再生させるタイプのホログラムが撮像素子面上に干渉縞パターンとして形成できる。3次元動画像表示装置に設けられた視野レンズは実像を縮小結像するものであるので、結像レンズによる被写体の像の結像倍率と3次元動画像表示装置に設けられた視野レンズによる空間光変調素子の像の結像倍率とは互いに異なる。
【0031】
また、請求項3に係る本発明は、計算によって光変調パターンデータを作成するものであり、表示する物体像に対応する光変調パターンデータが与えられ、それを基に光を変調する空間光変調素子と、該空間光変調素子により変調された光が形成する前記表示物体の実像の位置付近に配置され、前記空間光変調素子の実像を縮小結像させる視野レンズとを具備する3次元動画像表示装置のための前記光変調パターンデータを作成する光変調パターンデータの作成方法であって、表示する物体の形状を表すデータと、その物体を照明するコヒーレント照明光の照明条件のデータとを用い、表示する物体を前記3次元動画像表示装置の視野レンズ付近に配置し前記コヒーレント光で照明した場合に、物体で拡散反射され観察領域の方向に向かう光が逆に空間光変調素子に向かって進んだ場合の空間光変調素子面上での光の複素振幅分布を計算によって求め、これに像の再生時に空間光変調素子の照明に用いる再生光の複素振幅分布を加えて、空間光変調素子面上での干渉縞パターンを計算し、この干渉縞パターンから前記3次元動画像表示装置の空間光変調素子に与える光変調パターンデータを算出することを特徴とする。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図1に本発明の実施形態に関わる3次元動画像表示装置の構成を示す。本発明の3次元動画像表示装置100は、表示データ処理部110、光変調素子駆動部120、表示光学系130の3つの部分から構成される。表示する物体のデータ300は物体を記録したホログラムの干渉縞パターンのデータ、あるいはその物体の形状のデータ等から構成されるものであり、これが表示データ処理部110によって処理されて表示光学系130の空間光変調素子250に渡す光変調パターンデータに変換される。光変調パターンデータは空間光変調素子駆動部120にて空間光変調素子250を駆動する信号に変換され、これにより空間光変調素子駆動部120の素子表面上に干渉縞パターンが再現される。
【0033】
表示光学系130は、図示のように、光源210とそれを含む照明光学系、空間光変調素子250、投射光学系から構成されており、表示データ処理部110から空間光変調素子駆動部120を経て与えられる信号をもとに、空間光変調素子250で光源210からの光を変調して、物体像を表示する。
【0034】
光源210としては、レーザやLED等発光波長の幅が狭いものを用いる。図には、レーザを用いた場合の例を示している。ここでは特に、波長0.633μmのHe−Neレーザを用いるものとする。なお、カラーの表示を行なう際には、それぞれ赤青緑の波長の光を出す3本のレーザを用いて、時分割で表示するか、あるいは赤青緑の色別に空間光変調素子を3枚用意してダイクロイックミラーで合成する等の方法を用いることができる。
【0035】
図2(a)に表示光学系130の平面図、図2(b)に表示光学系130の側面図を示す。
光源210から出た光は、ミラー220で導かれ、集光レンズ230で集光された後コリメータレンズ240で幅の広い平行光245とされ、所定の角度で空間光変調素子250に入射する。空間光変調素子250を照明する光245の入射角度は、空間光変調素子250での変調周期の最小値と使用する光の波長を考慮し、空間光変調素子250上の変調パターンで回折された光のうち、像の表示に関与する+1次の回折光の成分と空間光変調素子250を素通りした0次の成分とが角度的に分離できるようにする。これは、オフアクシス((off axis)のホログラムとすることを意味する。
【0036】
具体的には、空間光変調素子250での変調周期の最小値をpとし、使用する光の波長をλとする場合は、+1次の回折光の広がり角度ψとして、
ψ=λ/p
の角度が確保できるので、照明光245の入射角θR を
θR =ψ/2
とすると良い。この実施形態では、波長λ=0.633μmの光を使うので、例えば、変調周期の最小値p=40μmの空間光変調素子を使う場合には、照明光の入射角は、θR =0.00791(rad)=0.453(deg)とすれば良い。
【0037】
空間光変調素子250を通った光のうち、+1次の回折光は、ψ=2θR であるため、空間光変調素子250の法線に対して±ψ/2=θR の角度内に広がり、一方0次の回折光は偏向されずにまっすぐ空間光変調素子250を素通りする。よって、+1次の回折光は、0次光と分離することが可能になる。なお、θR は、図2では上下方向にとる例を示しているが、左右方向にとっても良い。ただし、表示データ処理部110で、空間光変調素子250に表示する変調パターンを求める時に用いる角度も、これと同じ方向で同じ大きさとする必要がある。
【0038】
空間光変調素子250としては、TN型の液晶パネル等の面内の光の強度分布の変調が可能なもの、あるいは、平行配向の液晶パネル等の位相分布の変調が可能なもの、あるいはそれらの2種類の液晶パネルを重ねたもののように複素振幅分布の変調が可能なもの等を用いることができる。変調可能な最小周期は、小さい方がよいが、10〜100μm程度でも構わない。この実施形態では、変調可能な最小周期40μmつまり画素間隔20μmのTN型のTFT液晶パネルを用いることとする。
【0039】
空間光変調素子250に入射した光245は、表示データ処理部110で計算された光変調パターンに従ってこの素子で変調を受ける。変調された光は、複数の回折次数に分けられる。そして、それらのうち+1次の回折光成分によって視野レンズ260付近に表示物体の実像270が形成される。形成される表示物体の実像270の大きさは、像形成に関与する回折光成分の広がり角と空間光変調素子250から実像270までの距離で決まる。空間光変調素子250を用いる系では、高解像力のフィルムを用いる系と異なり回折光の広がり角を大きくとることが難しい。そこで、この系では、空間光変調素子250から像270までの距離を長くとることによって像の大きさを確保する。+1次となる回折光の上下の広がり角ψv は、既に説明したように、空間光変調素子の上下方向での変調周期の最小値をpv 、使用する光の波長をλとすると、
ψv =λ/pv
で与えられる。この実施形態では、波長λ=0.633μmの光を使い、変調周期の最小値pv =40μmの空間光変調素子を使うので、+1次の回折光の広がり角は、ψv =0.0158(rad)=0.907(deg)しかない。そこで、この実施形態では、例えば空間光変調素子250から表示物体の実像270までの距離Lを、5000mmとする。表示物体の実像270の高さWv は、
Wv =ψv L
と書くことができるので、このとき、Wv =79mmを確保することが可能になる。表示物体の実像270の幅Wh も、同様に回折光の広がり角で決まるので、横方向の変調周期の最小値が同じくph =40μmであれば、同じ幅が確保できる。
【0040】
表示物体の実像270の形成に関与した光は、空間光変調素子250から距離Lの位置、すなわち、その実像270の近くに配置された視野レンズ260によって、観察領域290へ導かれる。このとき、視野レンズ260によって、空間光変調素子250の縮小された実像280が形成されるようにしておく。この空間光変調素子250の実像280付近の領域290に目を置くことによって、表示物体の実像270の全体を観察することができる。
【0041】
この表示光学系では、空間光変調素子250の像を縮小投影することにより、大きな視野角を確保することを可能にしている。像の大きさを縮小する系では光の広がり角が拡大されるので、空間光変調素子250の実像270を視野レンズ260で縮小結像させることで、空間光変調素子での小さな回折角を拡大することができる。すなわち、空間光変調素子250から表示物体の像270を見込む角度(ψv ,ψh )よりも、空間光変調素子250の実像280から表示物体の像270を見込む角度(φv ,φh )の方を大きくすることが可能になり、大きな視野角を確保することが可能になる。以下に具体的な例を示す。
【0042】
視野レンズ260から空間光変調素子250の実像280の位置までの距離をlとすると、空間光変調素子の投影の倍率mは、
m=l/L
と書くことができる。この実施形態では、1/10の縮小投影を用いることにし、m=1/10とする。このとき、l=500mmとなる。空間光変調素子の実像280の位置から表示物体の像270を観察するものと仮定すると、距離lは観察距離と等しくなるので、観察距離500mmの位置に高さと幅がWv=Wh =79mmの像が見えることになる。このとき、縦横それぞれの視野角φv ,φh は、
φv =Wv /l,φh =Wh /l
より、φv =φh =0.158(rad)=9.07(deg)が得られる。縮小投影により、大きな視野角が確保できていることがわかる。なお、この光学系では、実像を再生させるタイプのホログラムを空間光変調素子250に表示させており、視野レンズ260は表示物体の実像270の結像にはほとんど影響しないため、視野レンズ260としてフレネルレンズ等の安価なレンズを使用することが可能である。フレネルレンズは大口径のものも作りやすいので、これを用いることで更に大きな像の表示も可能になる。また、この光学系では、前述のように実像を再生させるタイプのホログラムを空間光変調素子250に表示させているので、図12の従来のホログラフィ映画の光学系で表示像の結像に関与している投影レンズ256に対応するレンズが必要無くなり、このレンズの収差による表示像の歪み等の劣化がなく、高画質の像を実現することが可能である。
【0043】
表示データ処理部110は、表示する物体のデータ300を受け取り、これを表示光学系130の中の空間光変調素子250に渡すデータに変換する。
図3に本発明の実施形態に関わる3次元動画像表示装置の表示データ処理部110での変調パターンデータの計算手順の例を示す。
【0044】
表示データ処理部110は、まず、表示する物体のデータ300を表示装置100の外部から受け取る(ステップ710)。表示する物体のデータ300としては、その物体を記録したホログラムの干渉縞パターンのデータ、あるいは、その物体の形状および照明光のデータ等が利用できる。形状データの場合には、例えば、物体のある空間に座標系をもうけ、物体をその座標系のxyzの各軸方向でサンプリングし、サンプル点での光の透過率や輝度等のスカラー値で表したものを利用することができる。また、表示物体を、空間の任意の位置に分布する点の集まり、あるいは、それらの点を結んでできる線や面の集まりとして表示したもの等も利用することができる。
【0045】
空間光変調素子250に渡すデータは、空間光変調素子面での光の変調パターンのデータである。変調パターンは、ホログラフィ映画等のフィルムを用いるホログラムでフィルム上に記録される干渉縞パターンに相当するものであり、そのデータは干渉縞パターンのデータから作ることができる。したがって、変調パターンのデータを得るには、干渉縞パターンのデータを作ればよい。
【0046】
表示する物体のデータ300として、その物体を記録したホログラムの干渉縞パターンのデータが与えられる場合には(ステップ720のY)、その干渉縞が作られた撮影光学系のレイアウト等の条件が表示光学系130のそれと一致しているか否かがそれら撮影光学系および表示光学系の条件データを比較することなどによって判断される(ステップ760)。両者の光学系の条件が一致すれば、ステップ730における干渉縞パターンデータの計算処理は行われず、受け取った干渉縞データをもとに後で説明する空間光変調素子にあわせたデータ変換および変調パターンデータ出力処理(ステップ740,750)だけが行われる。したがって、表示データ変換部110での処理が非常に簡単になる。
【0047】
干渉縞が作られた光学系のレイアウト等の条件が、表示光学系130のそれと一致していない場合には、かえって複雑な処理が必要になる。ただし、表示に必要なデータを得ることは可能である。まず、干渉縞が作られた光学系の条件を用いて物体光の波面を計算し(ステップ770)、そして、あらためて、表示光学系130の条件を用いて干渉縞パターンを計算すればよい(ステップ730)。
【0048】
一方、表示する物体のデータ300として、その物体の形状等のデータが与えられる場合には、ステップ730にて、干渉縞パターンを計算で求める。この計算方法については後述する。そして、この後、計算された干渉縞データをもとに後で説明する空間光変調素子にあわせたデータ変換および変調パターンデータ出力処理(ステップ740,750)が行われる。
【0049】
図4に本実施形態の3次元動画像表示装置のための干渉縞撮影系の構成例を示す。この系では、被写体272で拡散反射された光を結像レンズ510を通して撮像素子470に導き、参照光を重ねて干渉縞作り、撮影する。光源210としてレーザを用いる。光源210からの光は半透鏡222で2つに分けられ、一方は、全反射鏡224と集光レンズ232で被写体272に導かれ、被写体272を照明する光として用いられる。被写体272にあたった光は、被写体表面で拡散反射され、結像レンズ510を通って撮像素子470に達する。結像レンズ510は、被写体272の実像270を撮像素子470の後方(図面上の右側)に作るために用いられる。被写体の実像270の位置は、撮像素子470と実像の距離が、表示光学系130の空間光変調素子250と視野レンズ260の距離Lに等しくなるように決める。被写体の結像倍率は、任意に決めて良いが、等倍にすると結像時の像歪みが小さくなるため歪み補正を省くことが可能になる場合がある。一方、拡大あるいは縮小する設定にすると、被写体272の大きさと表示する像の大きさとの関係をある程度自由に選ぶことが可能になり、表示の自由度を高めることが可能になる。なお、この場合には、光軸方向の倍率すなわち縦倍率と光軸に直交する面内の倍率すなわち横倍率とが異なることによる像の歪みが生じるが、被写体272そのものの形状や反射率などを予め変形させておく等の方法により、歪みの補正を行なうことが可能である。
【0050】
また、表示光学系の視野レンズ260は縮小結像するものであるので、この視野レンズ260の結像倍率と、結像レンズ510による結像倍率は基本的に一致させる必要はなく、互いに各種条件を考慮して自由に決定すればよい。
【0051】
半透鏡222で分けられた光のもう一方は、集光レンズ230と242を通り、さらに結像レンズ510を通って撮像素子470に照射される。この光は参照光として用いられるので、本来は、集光レンズ242で平行光にし、結像レンズ510を通さずに直接撮像素子470に入射させるほうが望ましい。しかし、装置寸法などの問題で撮像素子470と結像レンズ510を離すことが難しい場合には、それら撮像素子470と結像レンズ510を図示のように近接して配置し、結像レンズ510を通った後の参照光が平行光となるように、集光レンズ242で広がり角や波面収差の事前補正を行ない、結像レンズ510を通して撮像素子470に入射させることもできる。こうすることで、より小さな光学系を用いることが可能になる。
【0052】
撮像素子470面には、被写体からの光と光源から直接照射された光とによって干渉縞が形成される。これを撮像素子470で撮影することによって、表示光学系130の空間光変調素子250に実像を表示させるタイプのホログラムとして利用可能な干渉縞パターンをデータとして得ることができる。
【0053】
次に、表示光学系130の表示データ処理部110によって行われる干渉縞パターンデータの計算方法について説明する。
空間光変調素子250面上での物体光と参照光との干渉縞パターンのデータを計算によって求める方法は、大きく分けると2種類の方法が考えられる。第1の方法は、前述の干渉縞撮影光学系(図4)に基づいて計算を行う方法であり、第2の方法は表示光学系130の構成のみを考慮して計算する方法である。
【0054】
図5に第1の方法における変調パターンデータの計算手順の例を示す。この方法では、まず、表示物体の結像による歪みの事前補正処理(ステップ610)と光変調素子250の像の縮小結像による歪みの事前補正処理(ステップ620)の2種類の歪み補正を必要に応じて行なう。
【0055】
表示物体の結像による歪みの事前処理(ステップ610)は、干渉縞の撮影光学系(図4)において結像レンズ510で被写体272の像270を作る際に生じる像270の歪みを補正するためのものである。本発明では、結像レンズ510で結像された被写体の像270が歪みの小さい像になるように、事前に被写体272の形状を変形させたり、反射率等の属性を変化させておくことで歪み補正を行なう。実際には、必要な補正量に応じて表示物体の形状データを修正すると共に、像の明るさにも変化が出ないように反射率等の照明データを補正する。光軸方向の倍率すなわち縦倍率と光軸に直交する面内の倍率すなわち横倍率とが異なることによる像の歪みや、奥行きのある物体を結像させた場合に生じる像の歪みを補正することが可能になる。
【0056】
空間光変調素子250の結像による歪みの事前補正処理(ステップ620)は、表示光学系130(図2)で、視野レンズ260で空間光変調素子250の像280を作る際に生じる像270の歪みを補正するためのものである。本発明では、観察領域290から表示物体の実像270を見た場合に、その像270が歪みの小さい像になるように、前述の歪み補正に加えて更に被写体272の形状を変形させたり、反射率等の属性を変化させておく。被写体の結像系の倍率と、表示光学系での空間光変調素子の結像倍率が異なる場合に生じる、前の面の角等に隠れているはずの後ろの点が見えるような表示像の歪みを補正することができる。具体的には、隠れるはずの部分が本当に隠れる様に形状を変えたり、隠れるはずの部分の反射率を0にして見えない様にすれば良い。なお、2種類の歪み補正の順序は逆であっても構わない。
【0057】
このように、干渉縞の撮影光学系での被写体の結像倍率と表示光学系での空間光変調素子の結像倍率との両者を考慮して表示の際の像の歪みが無くなるように補正を行なうことで、撮影光学系の倍率と表示光学系の倍率の両者を任意に決めることが可能になる。これは、実在する物体を記録する従来のホログラフィ映画の方法では困難であった。
【0058】
必要な歪み補正を終えたら、物体光の複素振幅分布を求めて、干渉縞パターンを計算する。まず、表示する物体に対して、光源からのコヒーレントな光を適当な位置から照射する場合を想定し、物体表面および内部で拡散反射され光変調素子面に達する光の複素振幅分布を求める(ステップ630)。これに、結像レンズ510による位相成分の変化を加えることにより(ステップ640)、物体光の複素振幅分布が得られる。次に、これに光源から直接空間光変調素子面に達する参照光の複素振幅分布を加えて(ステップ650)、光の強度分布を計算することにより(ステップ660)、干渉縞パターンが得られる。
【0059】
図6に第2の方法における変調パターンデータの計算手順の例を示す。この方法では、表示光学系130そのものだけを考慮しての計算になるので第1の方法で必要とされた歪み補正が必要ないというメリットがある。表示光学系130の構成で説明した様に、本発明では、再生光245をあてた場合に、視野レンズ260付近に表示物体の実像270が再生されるようにする。そこで、物体光の複素振幅分布を計算する際には、例えば、図1中の表示物体の実像270が再生される位置に実際に物体を配置し適当な位置からコヒーレント光で照明した場合を考え、この時に物体で拡散反射され観察者の方向(図中の右手、280あるいは290の方向)に向かうと考えられる光の波を、本来とは逆向きに空間光変調素子250に向かって進ませた場合の空間光変調素子250面での光の複素振幅分布を計算する。図6では、この手順を物体付近での物体光の複素振幅計算(ステップ670)と空間光変調素子位置での物体光の複素振幅計算(ステップ680)と2つに分けて示したが、前者を省いて、物体の形状データと照明光のデータから直接光変調素子面での物体光の複素振幅分布を求めてもよい。こうして得られる物体光の複素振幅分布に再生光245と同じ条件の参照光の複素振幅分布を加え強度分布を求めることで(ステップ650,660)、光変調に必要な干渉縞パターンのデータを求めることができる。
【0060】
なお、物体光の計算の際に、視野レンズ260による波面の変化の影響も考慮して計算を行なえば、再生時に表示される像の視野レンズ260の影響による歪みを低減することも可能である。
【0061】
また、干渉縞パターンのデータから空間光変調素子250での変調パターンのデータを求めるには、空間光変調素子250の特性を考慮する。空間光変調素子250として、TN型の液晶パネル等の光の強度のみを変調可能な素子を用いる場合には、干渉縞パターンのデータに適当な係数掛けて透過率のデータとすれば良い。また、位相変調だけが可能な素子を用いる場合には、干渉縞の光強度に適当な係数を掛けて位相変調の振幅のデータとすれば良い。さらに、複素振幅変調が可能な素子を用いる場合には、干渉縞パターンのデータから物体光の複素振幅分布のデータを求め、適当な複素数の係数を掛けて変調パターンデータとすれば良い。なお、複素振幅変調が可能な素子を用いる場合で、変調パターンのデータを被写体のデータから直接計算で求める場合には、干渉縞パターンまで計算せずに物体光の複素振幅のみを計算で求め、これに適当な複素数の係数を掛けて変調パターンのデータとすれば良い。変調パターンのデータにする際に掛ける係数を最適化すれば、空間光変調素子のダイナミックレンジを有効に使って変調を掛けることも可能になる。例えば、空間光変調素子面内で変調パターンに合わせて所定の面内分布を持たせることで、ホログラムの回折効率を高めることが可能である。逆に、位置に依存しない定数とすれば、処理を簡略化することができる。
【0062】
次に、表示光学系130の第2の構成例を説明する。図7はその平面図であり、また図8は側面図である。
ここでは、図1の空間光変調素子250とそれに照明光を照射するための光学系(210,220,230,240)との組が2つ用意されており、左右両眼で3次元動画像を観察できるようにしている。2つの空間光変調素子250には、互いに異なる角度からの物体データに対応する2種類の光変調パターンデータがそれぞれ与えられる。2種類の光変調パターンデータは、例えば、同一の被写体を回転させて右目と左目に対応する2つの角度からの干渉縞パターンデータを図4の干渉縞撮影光学系を用いて取り込むか、あるいは、ある被写体に対する角度が異なる2つの形状データを用意することによって実現される。
【0063】
2つの空間光変調素子250それぞれからの像再生に関与する回折光は、視野レンズ260の設定位置近傍で重畳され、そこに二つの表示物体の実像が重なって再生される。また、2つの空間光変調素子250それぞれの実像280は、視野レンズ260によって図示のように互いに異なる位置に縮小結像される。これら2つの空間光変調素子の実像280の近傍の斜線で示す視域にそれぞれ右目と左目を置くことにより、視野レンズ260の設定位置近傍の表示物体の実像全体を両眼で観察することができる。空間光変調素子250の実像は縮小結像されているので、視域は比較的小さな領域となるが、このように2組の光学系を用いることで両眼での観察が可能となる。
なお、光変調パターンデータの作成については、2つの空間光変調素子250それぞれに対応する各物体データに対して前述の方法を適用すればよい。
【0064】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、空間光変調素子を用いるホログラフィックビデオ方式で、空間光変調素子の解像度を上げずに大画面化と高画質化を行なうことが可能になり、ホログラフィ映画にせまる画面サイズと画質をもった3次元動画像を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る3次元動画像表示装置の構成例を示す図。
【図2】同実施形態に係る3次元動画像表示装置の表示光学系の第1の構成例を示す図。
【図3】同実施形態に係る3次元動画像表示装置の表示データ処理部で行われる変調パターンデータの計算手順の例を示すフローチャート。
【図4】同実施形態に係る3次元動画像表示装置のための干渉縞撮影系の構成例を示す図。
【図5】同実施形態に係る3次元動画像表示装置の表示データ処理部で行われる干渉縞パターンデータの計算手順の第1の例を示すフローチャート。
【図6】同実施形態に係る3次元動画像表示装置の表示データ処理部で行われる干渉縞パターンデータの計算手順の第2の例を示すフローチャート。
【図7】同実施形態に係る3次元動画像表示装置の表示光学系の第2の構成を示す平面図。
【図8】同実施形態に係る3次元動画像表示装置の表示光学系の第2の構成を示す側面面図。
【図9】液晶パネルを用いた従来の3次元動画像表示装置の構成例を示す図。
【図10】液晶パネルを用いた従来の3次元動画像表示装置のためのホログラム撮影光学系の構成例を示す図。
【図11】従来の投射型ホログラムによる3次元動画像表示装置のためのホログラム撮影光学系の構成例を示す図。
【図12】従来の投射型ホログラムによる3次元動画像表示装置の表示光学系の構成例を示す図。
【符号の説明】
210…光源
250…空間光変調素子
270…表示物体の実像(あるいは、被写体の実像)
280…空間光変調素子の実像
260…視野レンズ
272…被写体
510…結像レンズ
470…撮像素子
130…表示光学系
290…観察領域
245…再生光
100…3次元動画像表示装置
110…表示データ処理部
120…光変調素子駆動部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for displaying a three-dimensional moving image by a holographic technique and a method for generating light modulation pattern data therefor.
[0002]
[Prior art]
As a method of displaying a three-dimensional moving image using a holographic method, there are a holographic movie system using a hologram film and a holographic video system using a light modulation element.
[0003]
(Holographic movie system)
In a holographic movie, a hologram of a subject is recorded on a film one frame at a time, and at the time of reproduction, a moving image is displayed by reproducing images one after another from the film train. Recently, Higuchi et al. (K. Higuchi, et al.) Have prototyped a system in which a long hologram is recorded on a long film at about 8 to 16 frames per second and a three-dimensional moving image can be viewed by looking into the hologram. : Proc.of SPIE, Vol.2406 (1995), 20-26). Also, Okada et al. Have reported a method of using a projection hologram so that many observers can view an image at the same time (Okada et al .: Journal of the Institute of Image Electronics Engineers of Japan, Vol. 24, No. 5). (1995), 583-588).
[0004]
FIG. 11 shows a configuration example of a hologram photographing optical system for a three-dimensional moving image display device using a projection hologram by Okada et al., And FIG. 12 shows a configuration example of a display optical system of this device. The hologram photographing optical system shown in FIG. 11 records the Fresnel hologram of the
[0005]
The light hitting the
[0006]
The film thus photographed is reproduced by the hologram display optical system shown in FIG. FIG. 12A is a plan view of the hologram display optical system, and FIG. 12B is a side view thereof. The optical system from the light source of the display optical system to the
[0007]
Okada et al. Have also proposed adding a one-way diffusion plate having a diffusion effect only in the vertical direction and a diffraction grating for generating diffracted light in the horizontal direction near the
[0008]
As described above, in holographic movies, a high-resolution film can be used to realize a large-screen display with high image quality, and a system that allows many observers to observe simultaneously can be realized by devising an optical system. is there. However, (1) the recorded video cannot be viewed immediately, (2) it is difficult to display an image without distortion, and (3) the subject is limited to an existing one or an object that can be manufactured. There is a problem.
[0009]
The reason why the recorded video cannot be seen immediately is that film development processing is required. Films with simplified development processes have been developed, but these are still special and their use is not practical. In the case of a general film, it is necessary to temporarily remove the film from the optical system used for photographing, develop the film, and set it again in the optical system used for reproduction. As a method of eliminating the development processing, a method of replacing the film with a spatial light modulator can be considered. However, at present, there is no spatial light modulator capable of reproducing fine interference fringes of several thousand lines per mm, and it is difficult to realize such a spatial light modulator.
[0010]
The difficulty in displaying an image without distortion is due to two factors. The distortion generated in the display image is caused by the distortion caused by the aberration when the
[0011]
The subject is limited because it is necessary to irradiate a laser to the subject and record interference fringes on the film. When displaying an image of a non-existent object that exists only as data in a computer, it is necessary to actually create a real object from the data. If that is not possible, it cannot be treated as a subject. Further, even if it is a real object, the subject must not move during the exposure time, and the material of the subject may be limited depending on the exposure time. In some cases, the coherent length of the laser limits the spatial extent of the subject. As a method of relaxing the restriction on the subject, a method of calculating the pattern of interference fringes by a computer and drawing directly on a film can be considered. In this method, display can be performed as long as the data of the subject is taken into the computer. However, it is technically difficult to accurately draw fine interference fringes of up to several thousand lines per mm, even in the area of one frame, and it is practically impossible to draw interference fringes of many frames. It is considered impossible.
[0012]
(Holographic video system)
On the other hand, in the holographic video system, a pattern of interference fringes recorded on a film in a holographic movie is reproduced on a light modulation element, and rewritten to realize a moving image display. The pattern of interference fringes corresponding to the hologram of the subject can be obtained by placing an imaging device such as a CCD camera at the position of the hologram film using a hologram photographing optical system, and capturing the images one by one using this device. The data is stored as electronic data by a method such as calculation from a data by a computer. A method using an acousto-optic element as a light modulation element for reproducing an interference fringe pattern (for example, SA Benton: Proc. Of SPIE, Vol. 1461 (1991)), or a liquid crystal panel as a spatial light modulation element is used. A method to be used (for example, Hashimoto: Proc. Of SPIE, Vol. 1461 (1991)) has been proposed.
[0013]
Since the acousto-optic device can modulate light in only one direction, the former method using it has different display characteristics from the hologram recorded on the film, but the spatial light modulation device such as a liquid crystal panel has two-way modulation. (I.e., modulation on a plane), the latter method using this method may possibly realize a display equivalent to a hologram using a film.
[0014]
FIG. 9 shows a configuration example of a three-dimensional moving image display device using a liquid crystal panel as a spatial light modulation element as a light modulation element. A laser is used as the
[0015]
FIG. 10 shows a configuration example of a hologram photographing optical system for photographing an interference fringe pattern displayed on the
[0016]
In such a holographic video system, the wavefront of light coming from a moving subject can be reproduced in real time by rewriting the interference fringe pattern in real time. Since no film is used, there is no need for photographic processing, and it is possible to immediately reproduce and view the captured video on the spot. In addition, since it is possible to display an image of an object stored as data in the computer, it is possible to display a virtual object or an object which is difficult to capture a hologram with a laser. Further, when displaying an object stored as data in the computer, it is also possible to display the image while changing the orientation of the object or the like interactively in response to a request from a user or the like.
[0017]
However, at present, the size of an object image that can be displayed is limited, and the image quality of the display image is low, and no object that can be used practically has been realized. In particular, in the method using a spatial light modulator, the size of an image that can be displayed is about 1 cm to 2 cm, and it is necessary to view the image at a distance of about 1 m from the image, so the apparent size of the image is very small. This is mainly because a sufficiently fine modulation pattern cannot be realized by the light modulation element. This is because the spread angle of the diffracted light involved in image formation is restricted by the period of the modulation pattern.
[0018]
In general, holographic display requires recording and reproducing interference fringes having a period of 1 μm or less. However, currently available spatial light modulators have a limit of about 20 to 30 μm.
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
In holographic movies, it is possible to realize a system in which many observers can observe a high-quality, large-screen three-dimensional moving image at the same time. However, since a development process is required, the recorded image can be viewed immediately. There is a problem that can not be. In addition, when recording a hologram of a subject on a film, it is necessary to shoot the subject by irradiating a laser to the subject, and there is also a problem that the photographable objects are limited.
[0020]
On the other hand, a holographic video uses a spatial light modulation element instead of a film, so that development processing is not required, and a recorded image can be reproduced immediately or an interactive display can be performed. It is also possible to display a virtual object having only data such as a shape. However, since it is difficult to realize a fine modulation pattern with a period of 20 to 30 μm or less with a spatial light modulator, the size of an object that can be displayed at present is limited to about 1 to 2 cm. Low, and no material that can withstand practical use has been realized.
[0021]
The present invention has been made in view of such circumstances, and has been made to realize a large screen and high image quality without increasing the resolution of a spatial light modulation element in a holographic video system using a spatial light modulation element. It is an object of the present invention to provide a three-dimensional moving image display device capable of displaying a three-dimensional moving image having a screen size and image quality comparable to that of a holographic movie, and a method of generating light modulation pattern data therefor.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
To solve the above problems,According to the first aspect of the present invention, a light source that emits coherent light, a unit that divides the light from the light source into two, an optical system that applies one of the divided lights to a subject, and a real image of the subject can be formed. And an imaging element arranged at a position after the light from the subject has passed through the imaging lens, and the other light divided by the means for dividing the light from the light source. An interference fringe pattern formed on the surface of the image sensor is captured as data using an imaging optical system for an interference fringe pattern having an optical system for guiding the image as reference light to the image sensor, and the interference fringe pattern is processed to obtain a three-dimensional image. A method of creating light modulation pattern data for creating data of a light modulation pattern to be applied to a spatial light modulation element of a moving image display device, wherein the three-dimensional moving image display device includes light corresponding to an object image to be displayed. A spatial light modulation element for modulating light based on the key pattern data, and a spatial light modulation element disposed near a position of a real image of the display object formed by the light modulated by the spatial light modulation element. A field lens for reducing and forming a real image of the element, and a magnification of an image of a subject by the imaging lens of the optical system for photographing the interference fringe pattern and the field of view provided in the three-dimensional moving image display device. The imaging magnification of the image of the spatial light modulator by the lens is different from each otherIt is characterized by the following.
[0023]
thisHow to create light modulation pattern dataA hologram of the type that reproduces a real image is displayed on the spatial light modulator, a field lens is placed near the position of the reproduced real image, and the real image of the spatial light modulator is reduced and formed by the field lens.This is to create light modulation pattern data applied to a three-dimensional moving image display device. In this three-dimensional moving image display device,In a system that reduces the size of the image, the divergence angle of the light is enlarged, so the relatively small diffraction angle of the spatial light modulator is enlarged by reducing and forming the real image of the spatial light modulator with a field lens. In addition, it is possible to display an image with a large viewing angle and high image quality.
[0024]
Since the real image of the display object is reproduced from the spatial light modulation element by diffracted light involved in forming an image with a predetermined spread angle, the field lens may be placed within the range of the spread angle. The size of the reproduced real image is determined by the spread angle of the diffracted light involved in image formation and the distance from the spatial light modulator to the field lens. The spread angle of the diffracted light involved in image formation is limited by the modulation period on the spatial light modulator, so it is difficult to increase the spread angle of the diffracted light, but the distance from the spatial light modulator to the field lens is adjusted. Thus, a real image of a desired size can be secured. Therefore, the real image of the display object is reduced from the spatial light modulator by reducing the real image of the spatial light modulator by placing the field lens near the real image reproduction position of the display object in which the desired size is secured. The angle at which the real image of the display object is viewed from the real image of the spatial light modulator can be made larger than the expected angle. Therefore, if the user places his or her eyes near the real image of the spatial light modulator, the entire real image of the display object can be observed with a large viewing angle.
[0027]
The light modulation pattern data given to the spatial light modulator isA light source that emits coherent light, a unit that divides the light from the light source into two, an optical system that directs one of the divided lights to a subject, and an imaging lens that is arranged to form a real image of the subject, An image sensor arranged at a position after the light from the subject has passed through the imaging lens, and an optical system for guiding the other light split by the means for splitting the light from the light source to the image sensor as reference light An interference fringe pattern formed on the image sensor surface is captured as data by using an interference fringe pattern photographing optical system having the following, and the interference fringe pattern is processed. A hologram of a type that reproduces a real image can be formed as an interference fringe pattern on the imaging element surface by the optical system for photographing the interference fringe pattern. Since the field lens provided in the three-dimensional moving image display device reduces and forms a real image, the magnification of the image of the subject by the imaging lens and the space provided by the field lens provided in the three-dimensional moving image display device are determined. The imaging magnifications of the images of the light modulation elements are different from each other.
[0031]
According to a third aspect of the present invention, light modulation pattern data is created by calculation, and light modulation pattern data corresponding to an object image to be displayed is given, and spatial light modulation for modulating light based on the light modulation pattern data is provided. A three-dimensional moving image comprising: an element; and a field lens disposed near a position of a real image of the display object formed by the light modulated by the spatial light modulation element and configured to reduce and form a real image of the spatial light modulation element. A method of creating light modulation pattern data for creating the light modulation pattern data for a display device, comprising: data representing a shape of an object to be displayed; and data of illumination conditions of coherent illumination light for illuminating the object. When an object to be displayed is arranged near a field lens of the three-dimensional moving image display device and is illuminated with the coherent light, light that is diffusely reflected by the object and heads toward the observation region Conversely, the complex amplitude distribution of light on the surface of the spatial light modulator when traveling toward the spatial light modulator is obtained by calculation, and the complex amplitude of the reproduced light used for illumination of the spatial light modulator at the time of image reproduction is calculated. Adding a distribution, calculating an interference fringe pattern on the surface of the spatial light modulation element, and calculating light modulation pattern data to be applied to the spatial light modulation element of the three-dimensional moving image display device from the interference fringe pattern. I do.
[0032]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
FIG. 1 shows a configuration of a three-dimensional moving image display device according to an embodiment of the present invention. The three-dimensional moving
[0033]
As shown, the display
[0034]
As the
[0035]
FIG. 2A is a plan view of the display
The light emitted from the
[0036]
Specifically, when the minimum value of the modulation period in the spatial
ψ = λ / p
Can be secured, the incident angle θ of the
θR = Ψ / 2
It is good to In this embodiment, since light having a wavelength λ = 0.633 μm is used, for example, when a spatial light modulator having a minimum modulation period p = 40 μm is used, the incident angle of the illumination light is θR = 0.00791 (rad) = 0.453 (deg).
[0037]
Of the light that has passed through the spatial
[0038]
As the spatial
[0039]
The light 245 incident on the spatial
ψv = λ / pv
Given by In this embodiment, since the light having the wavelength λ = 0.633 μm is used and the spatial light modulator having the minimum modulation period pv = 40 μm is used, the divergence angle of the + 1st-order diffracted light is Δv = 0.0158 (rad). ) = 0.907 (deg). Therefore, in this embodiment, for example, the distance L from the spatial
Wv = ψv L
Therefore, at this time, it is possible to secure Wv = 79 mm. Since the width Wh of the
[0040]
Light involved in the formation of the
[0041]
In this display optical system, it is possible to secure a large viewing angle by reducing and projecting the image of the spatial
[0042]
Assuming that the distance from the
m = 1 / L
Can be written. In this embodiment, 1/10 reduction projection is used, and m = 1/10. At this time, 1 = 500 mm. Assuming that the
φv = Wv / l, φh = Wh / l
Thus, φv = φh = 0.158 (rad) = 9.07 (deg) is obtained. It can be seen that a large viewing angle can be ensured by the reduced projection. In this optical system, a hologram of a type for reproducing a real image is displayed on the spatial
[0043]
The display
FIG. 3 shows an example of a procedure for calculating modulation pattern data in the display
[0044]
First, the display
[0045]
The data passed to the spatial
[0046]
If the data of the interference fringe pattern of the hologram recording the object is given as the
[0047]
If the conditions such as the layout of the optical system on which the interference fringes are created do not match those of the display
[0048]
On the other hand, when data such as the shape of the object is given as the
[0049]
FIG. 4 shows a configuration example of an interference fringe imaging system for the three-dimensional moving image display device of the present embodiment. In this system, the light diffusely reflected by the subject 272 is guided to the
[0050]
Further, since the
[0051]
The other part of the light split by the
[0052]
Interference fringes are formed on the surface of the
[0053]
Next, a method of calculating interference fringe pattern data performed by the display
The method of calculating the data of the interference fringe pattern between the object light and the reference light on the surface of the spatial
[0054]
FIG. 5 shows an example of a calculation procedure of the modulation pattern data in the first method. In this method, first, two types of distortion correction are required: a preliminary correction process of distortion due to imaging of a display object (step 610) and a preliminary correction process of distortion due to reduction imaging of an image of the light modulation element 250 (step 620). Perform according to.
[0055]
The pre-processing of distortion due to imaging of the display object (step 610) is to correct the distortion of the
[0056]
The pre-correction processing (step 620) of the distortion due to the image formation of the spatial
[0057]
As described above, correction is performed so as to eliminate image distortion at the time of display by considering both the imaging magnification of the subject in the imaging optical system of the interference fringe and the imaging magnification of the spatial light modulator in the display optical system. By doing, it is possible to arbitrarily determine both the magnification of the photographing optical system and the magnification of the display optical system. This has been difficult with conventional holographic movie methods of recording real objects.
[0058]
After the necessary distortion correction is completed, the complex amplitude distribution of the object light is obtained, and the interference fringe pattern is calculated. First, assuming a case where a coherent light from a light source is irradiated to an object to be displayed from an appropriate position, a complex amplitude distribution of light diffusely reflected on the surface of the object and inside and reaching the light modulation element surface is obtained (step 630). By adding a change in the phase component by the
[0059]
FIG. 6 shows an example of a procedure for calculating modulation pattern data in the second method. This method has a merit that the distortion correction required in the first method is not required because the calculation is performed in consideration of only the display
[0060]
When calculating the object light in consideration of the influence of the change in the wavefront due to the
[0061]
In addition, in determining data of a modulation pattern in the spatial
[0062]
Next, a second configuration example of the display
Here, two sets of the spatial
[0063]
The diffracted light from each of the two spatial
Note that the light modulation pattern data may be created by applying the above-described method to each object data corresponding to each of the two spatial
[0064]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a holographic video system using a spatial light modulator can increase the screen size and image quality without increasing the resolution of the spatial light modulator. It is possible to display a three-dimensional moving image having a screen size and image quality that can be reduced to a movie.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a three-dimensional moving image display device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a first configuration example of a display optical system of the three-dimensional moving image display device according to the embodiment.
FIG. 3 is an exemplary flowchart illustrating an example of a procedure of calculating modulation pattern data performed by a display data processing unit of the three-dimensional moving image display device according to the embodiment.
FIG. 4 is an exemplary view showing a configuration example of an interference fringe imaging system for the three-dimensional moving image display device according to the embodiment.
FIG. 5 is an exemplary flowchart illustrating a first example of a procedure of calculating interference fringe pattern data performed by the display data processing unit of the three-dimensional moving image display device according to the embodiment.
FIG. 6 is an exemplary flowchart illustrating a second example of the procedure of calculating interference fringe pattern data performed by the display data processing unit of the three-dimensional moving image display device according to the embodiment.
FIG. 7 is an exemplary plan view showing a second configuration of the display optical system of the three-dimensional moving image display device according to the embodiment;
FIG. 8 is a side view showing a second configuration of the display optical system of the three-dimensional moving image display device according to the embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing a configuration example of a conventional three-dimensional moving image display device using a liquid crystal panel.
FIG. 10 is a diagram showing a configuration example of a hologram imaging optical system for a conventional three-dimensional moving image display device using a liquid crystal panel.
FIG. 11 is a diagram showing a configuration example of a hologram photographing optical system for a conventional three-dimensional moving image display device using a projection hologram.
FIG. 12 is a diagram showing a configuration example of a display optical system of a conventional three-dimensional moving image display device using a projection hologram.
[Explanation of symbols]
210 ... light source
250 spatial light modulator
270: Real image of display object (or real image of subject)
280: Real image of spatial light modulator
260 ... Field lens
272 subject
510 ... Imaging lens
470 ... Imaging element
130 ... Display optical system
290: Observation area
245 ... reproduction light
100 three-dimensional video display
110 ... Display data processing unit
120 ... light modulation element driving unit
Claims (6)
前記3次元動画像表示装置は、表示する物体像に対応する光変調パターンデータが与えられ、それを基に光を変調する空間光変調素子と、該空間光変調素子により変調された光が形成する前記表示物体の実像の位置付近に配置され、前記空間光変調素子の実像を縮小結像させる視野レンズとを具備し、The three-dimensional moving image display device is provided with light modulation pattern data corresponding to an object image to be displayed, and forms a spatial light modulation element for modulating light based on the data, and a light modulated by the spatial light modulation element. A field lens that is arranged near the position of the real image of the display object to reduce and form the real image of the spatial light modulator.
前記干渉縞パターンの撮影光学系の前記結像レンズによる被写体の像の結像倍率と前記3次元動画像表示装置に設けられた前記視野レンズによる空間光変調素子の像の結像倍率とが互いに異なることを特徴とする光変調パターンデータの作成方法。The imaging magnification of the image of the subject by the imaging lens of the imaging optical system of the interference fringe pattern and the imaging magnification of the image of the spatial light modulator by the field lens provided in the three-dimensional moving image display device are mutually different. A method for creating light modulation pattern data, wherein the method is different.
表示する物体の形状を表すデータと、その物体を照明するコヒーレント照明光の照明条件のデータとを用い、表示する物体を前記3次元動画像表示装置の視野レンズ付近に配置し前記コヒーレント光で照明した場合に、物体で拡散反射され観察領域の方向に向かう光が逆に空間光変調素子に向かって進んだ場合の空間光変調素子面上での光の複素振幅分布を計算によって求め、これに像の再生時に空間光変調素子の照明に用いる再生光の複素振幅分布を加えて、空間光変調素子面上での干渉縞パターンを計算し、この干渉縞パターンから前記3次元動画像表示装置の空間光変調素子に与える光変調パターンデータを算出することを特徴とする光変調パターンデータの作成方法。Using the data representing the shape of the object to be displayed and the data on the illumination conditions of the coherent illumination light for illuminating the object, the object to be displayed is arranged near the field lens of the three-dimensional moving image display device and illuminated with the coherent light. In this case, the complex amplitude distribution of light on the surface of the spatial light modulator when the light diffusely reflected by the object and traveling in the direction of the observation area travels in the opposite direction toward the spatial light modulator is obtained by calculation. By adding the complex amplitude distribution of the reproduction light used for illuminating the spatial light modulation element at the time of image reproduction, an interference fringe pattern on the surface of the spatial light modulation element is calculated, and from the interference fringe pattern, the A method for creating light modulation pattern data, comprising calculating light modulation pattern data to be applied to a spatial light modulation element.
該空間光変調素子により変調された光が形成する前記表示物体の実像の位置付近に配置され、前記空間光変調素子の実像を縮小結像させる視野レンズと、A field lens that is arranged near the position of the real image of the display object formed by the light modulated by the spatial light modulation element and reduces and forms the real image of the spatial light modulation element;
表示データを入力し、その表示データを前記光変調パターンデータに変換する表示データ処理手段と、Display data processing means for inputting display data and converting the display data into the light modulation pattern data,
この表示データ処理手段により得られた光変調パターンデータを用いて前記空間光変調素子を駆動する光変調素子駆動手段とを具備し、Light modulation element driving means for driving the spatial light modulation element using the light modulation pattern data obtained by the display data processing means,
前記表示データ処理手段には、請求項1記載の光変調パターンデータの作成方法によっThe display data processing means includes a light modulation pattern data generating method according to claim 1. て撮像素子に取り込まれた干渉縞パターンデータが前記表示データとして入力され、前記表示データ処理手段は前記干渉縞パターンデータから光変調パターンデータを作成することを特徴とする3次元動画像表示装置。A three-dimensional moving image display device, wherein interference fringe pattern data captured by the imaging device is input as the display data, and the display data processing means creates light modulation pattern data from the interference fringe pattern data.
該空間光変調素子により変調された光が形成する前記表示物体の実像の位置付近に配置され、前記空間光変調素子の実像を縮小結像させる視野レンズと、A field lens that is arranged near the position of the real image of the display object formed by the light modulated by the spatial light modulation element and reduces and forms the real image of the spatial light modulation element;
表示データを入力し、その表示データを前記光変調パターンデータに変換する表示データ処理手段と、Display data processing means for inputting display data and converting the display data into the light modulation pattern data,
この表示データ処理手段により得られた光変調パターンデータを用いて前記空間光変調素子を駆動する光変調素子駆動手段とを具備し、Light modulation element driving means for driving the spatial light modulation element using the light modulation pattern data obtained by the display data processing means,
前記表示データ処理手段は、請求項3項記載の光変調パターンデータの作成方法を用いて前記光変調パターンデータを作成することを特徴とする3次元動画像表示装置。A three-dimensional moving image display device, wherein the display data processing means creates the light modulation pattern data by using the light modulation pattern data creation method according to claim 3.
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