JP3583611B2 - Three-dimensional moving image display device and method for generating light modulation pattern data therefor - Google Patents

Three-dimensional moving image display device and method for generating light modulation pattern data therefor Download PDF

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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 subject 272 on the hologram film 252. A laser is used as the light source 210. The light from the light source 210 is split into two by the semi-transmissive mirror 222, and one of the light becomes substantially parallel by the condenser lens 230 and the collimator 240, and is irradiated on the hologram film 252 through the opening of the slit 254. The other is guided to the subject 272 by the total reflection mirror 224 and the condenser lens 232 and used as light for illuminating the subject 272.
[0005]
The light hitting the subject 272 is diffusely reflected on the subject surface, and a part of the light reaches the hologram film 252 through the opening of the slit 254. On the hologram film 252, the light from the subject and the directly irradiated light interfere with each other to form interference fringes. The cycle of the formed interference fringes may be 1 μm or less at short places. Therefore, as the hologram film 252, a high-resolution film capable of recording thousands of stripes per 1 mm is used. When the recording of the hologram for one frame is completed, the film 252 is fed by the slit width, and the hologram of the next one frame is recorded. After all the frames have been shot, the film 252 is developed to produce a holographic movie film.
[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 hologram film 252 is the same as the hologram photographing optical system (FIG. 11). By irradiating the reproduction light 245 under the same conditions as the illumination light at the time of hologram imaging, a virtual image 275 of the object is reproduced at the same position as the object 272 at the time of imaging. An image 275 of the subject is formed near the field lens 260 by the projection lens 256. As a result, a real image 270 of the subject is formed near the field lens 260. Further, a real image 280 of the hologram film 252 is formed by the field lens 260. All the light reproduced from the hologram converges on this real image 280, so that the entire real image 270 of the reproduced object can be seen by observing from the vicinity.
[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 field lens 260 of this system. By using this method, the area in which the reproduced image can be observed can be enlarged in the up, down, left, and right directions, and many observers can simultaneously observe the reproduced image.
[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 real image 270 of the display object is formed by the hologram display optical system (FIG. 12) and the difference in the imaging magnification between the real image 270 of the display object and the hologram image 280. There is distortion. The former is distortion due to aberration when the real image 270 of the display object is formed by the projection lens 256. This is because the projection lens 256 needs a lens having an aperture capable of covering the film width, but it is difficult to produce a lens having a sufficiently large aperture and a small aberration, and it is difficult to eliminate image distortion. The latter is a distortion generated when the imaging magnification when the real image 270 of the display object is formed by the projection lens 256 and the imaging magnification when the hologram image 280 is formed by the field lens 260 are different. . In order to eliminate this distortion, it is necessary to match both magnifications. However, for this purpose, it is necessary to strictly restrict the conditions of the optical system such as the position of the lens and the focal length. In order to sufficiently reduce the distortion, it is necessary to substantially set both the imaging magnifications to one. Required. However, under such conditions, it is difficult to realize a practical display device. This is because, if a solution for satisfying the condition is obtained by calculation, a problem such as the necessity of a negative or imaginary lens focal length occurs.
[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 light source 210. The light emitted from the light source 210 is spread by the condenser lens 230 and the collimating lens 240, becomes a thick beam of reproduction light 245, and enters the spatial light modulator 250 almost vertically. As the spatial light modulator 250, a TFT liquid crystal panel using TN type liquid crystal is used. The spatial light modulator 250 is driven by a light modulator drive circuit (not shown) based on a hologram photographing optical system and a signal obtained by calculation, and an interference fringe pattern is formed on the element surface. The light that has passed through the element is diffracted by the interference fringe pattern, and reaches the observation area 290 via the lens 410 and the light shielding plate 420 placed on the rear focal plane of the lens. The lens 410 and the light blocking plate 420 are provided for removing unnecessary diffracted light. In other words, the light shielding plate 420 blocks light near the optical axis where the 0th-order light is collected and near the region where the -1st-order light is slightly separated from the optical axis, and only the + 1st-order diffracted light required for display is in the observation region 290. Delivered to
[0015]
FIG. 10 shows a configuration example of a hologram photographing optical system for photographing an interference fringe pattern displayed on the liquid crystal panel 250. A laser is used as the light source 210. Light emitted from the light source 210 is spread by the condenser lens 230 and the collimator lens 240. The spread beam is split into two by a semi-transmissive mirror 450, one of which is guided by a total reflection mirror 460 and a semi-transparent mirror 455, and irradiates an image sensor 470. The other is guided to the subject 272 and used as light for irradiating the subject 272. Light that has hit the subject 272 is diffusely reflected on the subject surface, reaches the image sensor 470 through the lens 480 and the semi-transparent mirror 455. On the surface of the imaging element 470, the directly irradiated light and light from the subject interfere with each other, and interference fringes are formed. This is captured by the image sensor 470 as data. In order to prevent information from being lost at the time of capturing, it is necessary that the period of the formed interference fringes be longer than the minimum period that can be captured by the image sensor 470. In this system, when the light directly guided from the light source 210 and the light coming through the subject surface are superimposed so that the period of the interference fringes is as large as possible, the deviation of the optical axis is slightly It is set to be. This makes it possible to use an image sensor such as a CCD camera having a pixel period of about 10 μm as the image sensor 470.
[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 image display device 100 of the present invention includes three parts: a display data processing unit 110, a light modulation element driving unit 120, and a display optical system 130. The data 300 of the object to be displayed is composed of data of an interference fringe pattern of a hologram recording the object, data of the shape of the object, and the like. It is converted into light modulation pattern data to be passed to the spatial light modulator 250. The light modulation pattern data is converted into a signal for driving the spatial light modulation element 250 by the spatial light modulation element driving section 120, whereby the interference fringe pattern is reproduced on the element surface of the spatial light modulation element driving section 120.
[0033]
As shown, the display optical system 130 includes a light source 210, an illumination optical system including the light source 210, a spatial light modulator 250, and a projection optical system. The light from the light source 210 is modulated by the spatial light modulating element 250 based on the signal given through the apparatus to display an object image.
[0034]
As the light source 210, a light source having a narrow emission wavelength such as a laser or an LED is used. The figure shows an example where a laser is used. Here, in particular, a He-Ne laser having a wavelength of 0.633 μm is used. When performing color display, three lasers each emitting light of red, blue, and green wavelengths are used to display in a time-division manner, or three spatial light modulators for each color of red, blue, and green are used. A method of preparing and synthesizing with a dichroic mirror can be used.
[0035]
FIG. 2A is a plan view of the display optical system 130, and FIG. 2B is a side view of the display optical system 130.
The light emitted from the light source 210 is guided by a mirror 220, condensed by a condenser lens 230, converted into a wide parallel light 245 by a collimator lens 240, and enters the spatial light modulator 250 at a predetermined angle. The incident angle of the light 245 illuminating the spatial light modulator 250 is diffracted by the modulation pattern on the spatial light modulator 250 in consideration of the minimum value of the modulation period in the spatial light modulator 250 and the wavelength of the light used. Of the light, the + 1st-order diffracted light component involved in displaying an image and the 0th-order component that has passed through the spatial light modulator 250 can be angularly separated. This means that the hologram is off-axis ((off axis)).
[0036]
Specifically, when the minimum value of the modulation period in the spatial light modulator 250 is p and the wavelength of the light used is λ, the spread angle ψ of the + 1st-order diffracted light is
ψ = λ / p
Can be secured, the incident angle θ of the illumination light 245R  To
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 light modulator 250, the + 1st order diffracted light is ψ = 2θR  Therefore, ± ψ / 2 = θ with respect to the normal of the spatial light modulator 250R  , While the zero-order diffracted light passes straight through the spatial light modulator 250 without being deflected. Therefore, the + 1st-order diffracted light can be separated from the 0th-order light. Note that θR  FIG. 2 shows an example in which the image is taken in the vertical direction, but may be taken in the horizontal direction. However, the angle used when the display data processing unit 110 obtains the modulation pattern to be displayed on the spatial light modulator 250 also needs to be the same direction and the same size.
[0038]
As the spatial light modulation element 250, an element capable of modulating the intensity distribution of light in a plane such as a TN type liquid crystal panel, an element capable of modulating a phase distribution such as a parallel alignment liquid crystal panel, or the like. A liquid crystal panel capable of modulating a complex amplitude distribution, such as a liquid crystal panel in which two types of liquid crystal panels are overlapped, or the like can be used. The minimum period that can be modulated is preferably small, but may be about 10 to 100 μm. In this embodiment, a TN type TFT liquid crystal panel having a minimum modulatable period of 40 μm, that is, a pixel interval of 20 μm is used.
[0039]
The light 245 incident on the spatial light modulation element 250 is modulated by this element according to the light modulation pattern calculated by the display data processing unit 110. The modulated light is split into multiple diffraction orders. Then, a real image 270 of the display object is formed near the field lens 260 by the + 1st-order diffracted light component among them. The size of the formed real image 270 of the display object is determined by the spread angle of the diffracted light component involved in image formation and the distance from the spatial light modulator 250 to the real image 270. In a system using the spatial light modulator 250, unlike a system using a film with high resolution, it is difficult to increase the spread angle of the diffracted light. Therefore, in this system, the size of the image is ensured by increasing the distance from the spatial light modulator 250 to the image 270. As described above, assuming that the minimum value of the modulation period in the vertical direction of the spatial light modulator is pv and the wavelength of the light to be used is λ, as described above,
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 light modulator 250 to the real image 270 of the display object is 5000 mm. The height Wv of the real image 270 of the display object is
Wv = ψv L
Therefore, at this time, it is possible to secure Wv = 79 mm. Since the width Wh of the real image 270 of the display object is also determined by the spread angle of the diffracted light, the minimum value of the horizontal modulation period is also p.h  = 40 μm, the same width can be secured.
[0040]
Light involved in the formation of the real image 270 of the display object is guided to the observation area 290 by the field lens 260 located at a distance L from the spatial light modulation element 250, that is, near the real image 270. At this time, a reduced real image 280 of the spatial light modulator 250 is formed by the field lens 260. By placing an eye on a region 290 near the real image 280 of the spatial light modulator 250, the entire real image 270 of the display object can be observed.
[0041]
In this display optical system, it is possible to secure a large viewing angle by reducing and projecting the image of the spatial light modulator 250. In the system for reducing the size of the image, the divergence angle of light is enlarged. Therefore, the real image 270 of the spatial light modulator 250 is reduced and imaged by the field lens 260 to increase the small diffraction angle of the spatial light modulator. can do. That is, the angle (φv, φh) at which the image 270 of the display object is viewed from the real image 280 of the spatial light modulation element 250 is larger than the angle (v, Δh) at which the image 270 of the display object is viewed from the spatial light modulation element 250. And a large viewing angle can be secured. Specific examples are shown below.
[0042]
Assuming that the distance from the field lens 260 to the position of the real image 280 of the spatial light modulator 250 is 1, the magnification m of projection of the spatial light modulator is
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 image 270 of the display object is observed from the position of the real image 280 of the spatial light modulator, the distance 1 is equal to the observation distance, and therefore, an image having a height and width Wv = Wh = 79 mm at the observation distance 500 mm. Will be visible. At this time, the vertical and horizontal viewing angles φv and φh are
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 light modulator 250, and the field lens 260 has almost no effect on the image formation of the real image 270 of the display object. Inexpensive lenses such as lenses can be used. Since a Fresnel lens having a large diameter can be easily produced, a larger image can be displayed by using the Fresnel lens. Further, in this optical system, since a hologram of a type for reproducing a real image is displayed on the spatial light modulation element 250 as described above, it is involved in the formation of a display image in the conventional holographic movie optical system of FIG. A lens corresponding to the projection lens 256 is not required, and the display image is not degraded due to aberration of the lens, and a high-quality image can be realized.
[0043]
The display data processing unit 110 receives the data 300 of the object to be displayed and converts it into data to be passed to the spatial light modulator 250 in the display optical system 130.
FIG. 3 shows an example of a procedure for calculating modulation pattern data in the display data processing unit 110 of the three-dimensional video display device according to the embodiment of the present invention.
[0044]
First, the display data processing unit 110 receives the data 300 of the object to be displayed from outside the display device 100 (step 710). As the data 300 of the object to be displayed, data of an interference fringe pattern of a hologram recording the object, or data of the shape and illumination light of the object can be used. In the case of shape data, for example, a coordinate system is created in a space where an object is located, the object is sampled in each of the x, y, and z directions of the coordinate system, and expressed as scalar values such as light transmittance and luminance at sample points. Can be used. Further, it is also possible to use a display object that is displayed as a collection of points distributed at arbitrary positions in the space, or a collection of lines or surfaces formed by connecting those points.
[0045]
The data passed to the spatial light modulator 250 is data of a light modulation pattern on the surface of the spatial light modulator. The modulation pattern corresponds to an interference fringe pattern recorded on a film by a hologram using a film such as a holographic movie, and the data can be created from the data of the interference fringe pattern. Therefore, in order to obtain the data of the modulation pattern, the data of the interference fringe pattern may be created.
[0046]
If the data of the interference fringe pattern of the hologram recording the object is given as the data 300 of the object to be displayed (Y in step 720), the conditions such as the layout of the imaging optical system in which the interference fringe is created are displayed. It is determined whether or not it matches that of the optical system 130 by comparing condition data of the photographing optical system and the display optical system (step 760). If the conditions of both optical systems match, the calculation processing of the interference fringe pattern data in step 730 is not performed, and based on the received interference fringe data, the data conversion and modulation pattern adapted to the spatial light modulator described later. Only the data output processing (steps 740 and 750) is performed. Therefore, the processing in the display data conversion unit 110 becomes very simple.
[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 optical system 130, rather complicated processing is required. However, it is possible to obtain data necessary for display. First, the wavefront of the object light is calculated using the conditions of the optical system in which the interference fringes are created (step 770), and the interference fringe pattern may be calculated again using the conditions of the display optical system 130 (step 770). 730).
[0048]
On the other hand, when data such as the shape of the object is given as the data 300 of the object to be displayed, an interference fringe pattern is calculated in step 730. This calculation method will be described later. Then, based on the calculated interference fringe data, data conversion and modulation pattern data output processing (steps 740 and 750), which will be described later, are performed according to the spatial light modulator.
[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 image sensor 470 through the imaging lens 510, and the reference light is superimposed to form interference fringes and photograph. A laser is used as the light source 210. The light from the light source 210 is split into two by a semi-transmissive mirror 222, and one of them is guided to a subject 272 by a total reflection mirror 224 and a condenser lens 232, and is used as light for illuminating the subject 272. Light that has hit the subject 272 is diffusely reflected on the subject surface and reaches the image sensor 470 through the imaging lens 510. The imaging lens 510 is used to form a real image 270 of the subject 272 behind the image sensor 470 (on the right side in the drawing). The position of the real image 270 of the subject is determined so that the distance between the image sensor 470 and the real image is equal to the distance L between the spatial light modulator 250 of the display optical system 130 and the field lens 260. The imaging magnification of the subject may be arbitrarily determined. However, if the magnification is equal, the image distortion at the time of imaging is reduced, so that it may be possible to omit distortion correction. On the other hand, if the enlargement or reduction is set, the relationship between the size of the subject 272 and the size of the displayed image can be freely selected to some extent, and the degree of freedom of display can be increased. In this case, the image distortion occurs due to the difference between the magnification in the optical axis direction, that is, the vertical magnification, and the magnification in the plane orthogonal to the optical axis, that is, the lateral magnification. The distortion can be corrected by a method such as deformation beforehand.
[0050]
Further, since the field lens 260 of the display optical system is used to form a reduced image, the image formation magnification of the field lens 260 and the image formation magnification of the image formation lens 510 do not need to basically match each other. May be freely determined in consideration of the above.
[0051]
The other part of the light split by the semi-transparent mirror 222 passes through the condenser lenses 230 and 242, further passes through the imaging lens 510, and is applied to the image sensor 470. Since this light is used as reference light, it is originally preferable that the light be collimated by the condenser lens 242 and directly enter the image sensor 470 without passing through the imaging lens 510. However, when it is difficult to separate the imaging device 470 and the imaging lens 510 due to a problem such as the size of the apparatus, the imaging device 470 and the imaging lens 510 are arranged close to each other as shown in FIG. The divergence angle and the wavefront aberration can be corrected in advance by the condenser lens 242 so that the reference light after passing therethrough becomes parallel light, and the light can be incident on the image sensor 470 through the imaging lens 510. This allows a smaller optical system to be used.
[0052]
Interference fringes are formed on the surface of the imaging element 470 by light from a subject and light directly irradiated from a light source. By photographing this with the image sensor 470, an interference fringe pattern that can be used as a hologram of a type that displays a real image on the spatial light modulator 250 of the display optical system 130 can be obtained as data.
[0053]
Next, a method of calculating interference fringe pattern data performed by the display data processing unit 110 of the display optical system 130 will be described.
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 light modulator 250 by calculation can be roughly classified into two types. The first method is a method of performing calculations based on the above-described interference fringe imaging optical system (FIG. 4), and the second method is a method of performing calculations in consideration of only the configuration of the display optical system 130.
[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 image 270 generated when the imaging lens 510 forms the image 270 of the subject 272 in the interference fringe imaging optical system (FIG. 4). belongs to. In the present invention, the shape of the subject 272 is changed in advance, or the attribute such as the reflectance is changed so that the image 270 of the subject formed by the imaging lens 510 becomes an image with small distortion. Perform distortion correction. Actually, the shape data of the display object is corrected according to the necessary correction amount, and the illumination data such as the reflectance is corrected so that the brightness of the image does not change. Correcting image distortion due to the difference between the magnification in the optical axis direction, that is, the vertical magnification, and the magnification in the plane orthogonal to the optical axis, that is, the lateral magnification, and the image distortion that occurs when an object having a depth is formed. Becomes possible.
[0056]
The pre-correction processing (step 620) of the distortion due to the image formation of the spatial light modulator 250 is performed by the display optical system 130 (FIG. 2) of the image 270 generated when the field lens 260 forms the image 280 of the spatial light modulator 250. This is for correcting distortion. In the present invention, in addition to the above-described distortion correction, the shape of the subject 272 is further deformed or reflected so that when the real image 270 of the display object is viewed from the observation region 290, the image 270 becomes an image with small distortion. Change attributes such as rate. When the magnification of the imaging system of the subject is different from the imaging magnification of the spatial light modulator in the display optical system, a display image that shows a back point that should be hidden at the corner of the front surface etc. The distortion can be corrected. Specifically, the shape may be changed so that the portion to be hidden is really hidden, or the reflectance of the portion to be hidden may be set to 0 so that the portion cannot be seen. Note that the order of the two types of distortion correction may be reversed.
[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 imaging lens 510 to this (step 640), a complex amplitude distribution of the object light is obtained. Next, an interference fringe pattern is obtained by adding the complex amplitude distribution of the reference light directly reaching the surface of the spatial light modulator from the light source (step 650) and calculating the light intensity distribution (step 660).
[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 optical system 130 itself. As described in the configuration of the display optical system 130, in the present invention, when the reproduction light 245 is applied, the real image 270 of the display object is reproduced near the field lens 260. Therefore, when calculating the complex amplitude distribution of the object light, for example, consider a case where the object is actually arranged at the position where the real image 270 of the display object in FIG. 1 is reproduced, and the object is illuminated with coherent light from an appropriate position. At this time, the light wave diffusely reflected by the object and considered to be directed toward the observer (the direction of the right hand 280 or 290 in the figure) is made to travel toward the spatial light modulator 250 in the opposite direction to the original. Then, the complex amplitude distribution of the light on the surface of the spatial light modulation element 250 in the case of the above is calculated. In FIG. 6, this procedure is divided into two steps: calculation of the complex amplitude of the object light near the object (step 670) and calculation of the complex amplitude of the object light at the position of the spatial light modulator (step 680). And the complex amplitude distribution of the object light on the light modulation element surface may be directly obtained from the shape data of the object and the data of the illumination light. By obtaining the intensity distribution by adding the complex amplitude distribution of the reference light under the same conditions as the reproduction light 245 to the complex amplitude distribution of the object light thus obtained (steps 650 and 660), the data of the interference fringe pattern necessary for the light modulation is obtained. be able to.
[0060]
When calculating the object light in consideration of the influence of the change in the wavefront due to the field lens 260, it is also possible to reduce the distortion of the image displayed during reproduction due to the effect of the field lens 260. .
[0061]
In addition, in determining data of a modulation pattern in the spatial light modulator 250 from data of the interference fringe pattern, characteristics of the spatial light modulator 250 are considered. When an element capable of modulating only the intensity of light, such as a TN type liquid crystal panel, is used as the spatial light modulation element 250, the data of the transmittance may be obtained by multiplying the data of the interference fringe pattern by an appropriate coefficient. If an element capable of performing only phase modulation is used, the data of the amplitude of phase modulation may be obtained by multiplying the light intensity of the interference fringe by an appropriate coefficient. Further, when an element capable of complex amplitude modulation is used, the data of the complex amplitude distribution of the object light may be obtained from the data of the interference fringe pattern and multiplied by an appropriate complex number coefficient to obtain modulation pattern data. In the case where an element capable of complex amplitude modulation is used, when the data of the modulation pattern is directly calculated from the data of the subject, only the complex amplitude of the object light is calculated without calculating the interference fringe pattern, This may be multiplied by an appropriate complex number coefficient to obtain modulation pattern data. By optimizing the coefficient to be multiplied when making the data of the modulation pattern, the modulation can be performed by effectively using the dynamic range of the spatial light modulator. For example, it is possible to increase the diffraction efficiency of the hologram by giving a predetermined in-plane distribution according to the modulation pattern in the surface of the spatial light modulation element. Conversely, if the constants do not depend on the position, the processing can be simplified.
[0062]
Next, a second configuration example of the display optical system 130 will be described. FIG. 7 is a plan view and FIG. 8 is a side view.
Here, two sets of the spatial light modulating element 250 of FIG. 1 and the optical system (210, 220, 230, 240) for irradiating illumination light to the spatial light modulating element 250 are prepared, and a three-dimensional moving image To be able to observe. The two spatial light modulation elements 250 are respectively provided with two types of light modulation pattern data corresponding to object data from different angles. The two types of light modulation pattern data are obtained, for example, by rotating the same subject and capturing interference fringe pattern data from two angles corresponding to the right eye and the left eye using the interference fringe imaging optical system of FIG. This is realized by preparing two shape data having different angles with respect to a certain subject.
[0063]
The diffracted light from each of the two spatial light modulation elements 250 involved in image reproduction is superimposed near the set position of the field lens 260, and the real images of the two display objects are superimposed and reproduced. The real images 280 of the two spatial light modulators 250 are reduced and formed at different positions by the field lens 260 as shown in the figure. By placing the right eye and the left eye in the oblique viewing areas near the real images 280 of these two spatial light modulators, the entire real image of the display object near the set position of the field lens 260 can be observed with both eyes. . Since the real image of the spatial light modulator 250 is reduced and formed, the viewing area is a relatively small area. However, by using two sets of optical systems, observation with both eyes is possible.
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 light modulation elements 250.
[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)

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、A 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 A spatial light modulation device of a three-dimensional moving image display device, using an interference fringe pattern photographing optical system having the following, taking in an interference fringe pattern formed on the image sensor surface as data, processing the interference fringe pattern, and processing the interference fringe pattern. A method of creating light modulation pattern data to create light modulation pattern data to give to,
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. 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視野レンズによる空間光変調素子の像の結像倍率との違いによって生じる表示像の歪みを、前記被写体の形状や反射率等の属性をあらかじめ変化させておくことによって補正することを特徴とする請求項１記載の光変調パターンデータの作成方法。Distortion of a display image caused by a difference between an image forming magnification of an image of a subject by the image forming lens and an image forming magnification of an image of a spatial light modulator by a field lens provided in the three-dimensional moving image display device, 2. The method according to claim 1, wherein the correction is performed by previously changing attributes such as the shape and reflectance of the light modulation pattern. 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、Light modulation pattern data corresponding to an object image to be displayed is given, and a spatial light modulation element that modulates light based on the data, and a position near a real image of the display object formed by light modulated by the spatial light modulation element And a field lens that reduces and forms a real image of the spatial light modulator, and a method of creating light modulation pattern data for creating the light modulation pattern data for a three-dimensional moving image display device,
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. 前記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は、表示する物体を３次元動画像表示装置の視野レンズ付近に配置して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の複素振幅分布を計算し、その光が逆に前記３次元動画像表示装置の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算出することによって求められることを特徴とする請求項３記載の光変調パターンデータの作成方法。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 a three-dimensional moving image of the object to be displayed. When placed near the field lens of the display device and illuminated with coherent light, the complex amplitude distribution of light diffusely reflected by the object and heading toward the observation region is calculated, and the light is inversely calculated by the three-dimensional moving image display device. 4. The method of producing light modulation pattern data according to claim 3, wherein the light modulation pattern data is obtained by calculating a complex amplitude distribution of light on the surface of the spatial light modulation element when traveling toward the spatial light modulation element. 表示する物体像に対応するの干渉縞パターンに対応する光変調パターンデータが与えられ、素子面上に前記表示物体の干渉縞パターンを再現する空間光変調素子と、Light modulation pattern data corresponding to an interference fringe pattern corresponding to an object image to be displayed is given, and a spatial light modulation element that reproduces the interference fringe pattern of the display object on an element surface;
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. 表示物体の干渉縞パターンに対応する光変調パターンデータが与えられ、素子面上に前記表示物体の干渉縞パターンを再現する空間光変調素子と、Light modulation pattern data corresponding to the interference fringe pattern of the display object is given, a spatial light modulation element that reproduces the interference fringe pattern of the display object on the element surface,
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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