JP4841930B2

JP4841930B2 - ３次元動画像再生装置及び３次元動画像再生方法

Info

Publication number: JP4841930B2
Application number: JP2005306830A
Authority: JP
Inventors: 隆久原; 邦弘佐藤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-10-21
Filing date: 2005-10-21
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2025-10-21
Also published as: JP2007114552A

Description

本発明は、映像技術分野、アミューズメント分野、エンターテインメント分野、インターネット分野、情報分野、マルチメディア分野、コミュニケーション分野、広告・宣伝分野、医療分野、芸術分野、教育分野、設計支援分野、シミュレーション分野、バーチャルリアリティ、などで使われる三次元表示を可能にするインラインホログラムを用いた３次元動画像再生装置及び方法に関する。特に、画素ピッチの大きい既存のイメージセンサを用いて記録可能なインラインホログラムから３次元動画像を再生できるという利点を有し、少ないデータ量で広い視野角をもつ３次元動画像を再生する３次元動画像再生装置及び３次元動画像再生方法に関するものである。

ホログラフィによる３次元画像の記録では、参照光と物体光が作る干渉縞の他に物体光同士が作る干渉縞が記録される。記録した干渉縞から物体光同士による干渉縞を取り除いて参照光と物体光による干渉縞のみを取り出すことができれば、記録画像の視野角を受光素子の画素ピッチから決まる光の回折角まで大きくすることができる。記録干渉縞から参照光と物体光による干渉縞のみを取り出す技術として、位相シフトホログラフィがある。

ところで、位相ホログラフィによる３次元画像の記録方法として、参照光を物体光と同じ方向から入射するインライン方式と参照光を物体光と異なる方向から入射するオフアクシス方式がある。両者を比べると、オフアクシス方式では空間搬送波型のホログラムが記録され画像記録の視野角が狭くなるのに対し、インライン方式では少ないホログラムデータで視野角の広い画像を記録できる。しかし、インラインホログラムから画像を再生すると、直接物体光の方向が共役物体光および直接透過光の方向と重なってしまい良質な画像が再生できない。この点はインライン方式の大きな欠点がある。このために、３次元画像の記録と再生には直接物体光を共役物体光および直接透過光から分離して再生できるオフアクシス方式が採用されている。

インラインホログラムは、オフアクシスホログラムと比べて視野角の広い３次元画像を記録できるという大きな利点を持つ。しかし、インラインホログラムから３次元画像を再生すると実画像が参照光および共役画像と重なるために、はっきりと観察できる３次元画像を再生することはできない。この参照光および共役画像との重なりを避けるために、ホログラフィによる画像再生はオフアクシスホログラムを用いて行われている。オフアクシスホログラムでは実画像を参照光および共役画像と重ならないように離すために、参照光と物体光の交叉する角度を大きくする必要がある。参照光と物体光の交叉する角度を大きくすると参照光と物体光による干渉縞の間隔が狭くなり、イメージセンサや空間変調素子の画素ピッチはこの干渉縞の間隔より狭い必要が有るため、高密度のイメージセンサや空間変調素子を必要とする。通常、実画像を参照光および共役画像と重ならないようにして形成されるオフアクシスホログラムでは干渉縞の間隔はサブミクロンとなりこの様な小さな干渉縞を画像として取り込むことは技術的に困難であった。

また、イメージセンサと空間光変調素子の空間周波数の制約から、ホログラム面から遠く離れた小さな画像の記録や再生しかできないという問題があった。この問題の解決のための技術として位相シフトホログラフィが発明されている（例えば、特許文献１参照。）。

位相シフトディジタルホログラフィでは、参照波の位相をシフトして、位相が異なる複数の参照波の各々の参照波と物体波とによって生成される複数のホログラム画像データから物体波の位相データと物体波の振幅データとを演算する必要が有る。

例えば、参照光の位相をπ／２ずつ位相シフトし、位相の異なる複数の参照光、例えば３個の参照光を生成し、位相値の異なる各々の参照光と物体光の３個のホログラム画像データを生成する。複数のホログラム画像データの間で連立方程式を解き、物体光の位相に関する位相データと物体光の振幅に関する振幅データとを演算する。演算して得た物体光の位相データと物体光の振幅データとから、再生像を作成する上で必要な全ての情報を含む物体光波面のデータを生成する。この生成した物体光波面のデータに対しフレネル変換等の所定変換を施し、再生像を演算して求める。
特許第３４７１５５６号公報

この様に、従来のインラインホログラムの課題を解決するために、位相シフトデジタルホログラフィにより記録された、参照光の位相の異なる複数のホログラム画像データから演算処理により、物体波の位相に関する位相データと物体波の振幅に関する振幅データとを求める方法は、ホログラムのデータ数が大きいので長時間の数値計算が必要になる。また、演算して得た物体光の位相データと物体光の振幅データとから再生像を求めるためには、物体光波面のデータに対しフレネル変換等の長時間の数値計算を行う必要がある。

本発明は、ホログラフィによって３次元動画像を再生する装置に関し、位相シフトデジタルホログラフィによって記録されたインラインホログラムを用いて視野角の広い高画質の３次元動画像を直接的に再生し、しかも参照光および共役画像から分離して実画像を再生する簡単なシステム構成の装置を提供することを目的とする。

課題を解決するために、物体光と参照光を同軸もしくは交叉角度を小さくして交叉させたインラインホログラフィにより画像を記録する工程と、前記参照光を空間変調素子により位相シフトを行い、前記位相シフトを行なった前記参照光と前記物体光を組合せて干渉縞画像を取り込む工程を備えたインライン方式の位相シフトデジタルホログラフィで、前記取り込んだ画像データを用い、インラインホログラムの干渉縞成分をオフアクシスホログラムの干渉縞成分に変換する工程を備え、この工程を前記参照光の位相が９０度だけ異なる２枚の位相シフトデジタルホログラフィで取り込んだ２枚のホログラムデータの合成または組合せを行うことにより、画像再生用のホログラムデータを形成し、画素ピッチが干渉縞間隔の半分以下の空間光変調素子を用いて画像再生することを行った。

以下に本発明のデータの合成または組合せの概念工程を具体的に説明すると、画素ピッチが干渉縞間隔の半分以下の空間光変調素子を用いて画像再生装置を製作し、インラインホログラムとして参照光の位相が９０度だけ異なる２枚の位相シフトインラインホログラムのチルダＩ_CとＩ_Sを用意する。画像の再生は、２枚のホログラムのチルダＩ_CとＩ_Sのデータの合成または組合せを行った画像再生用のホログラムを素子上に表示し、これに参照光を照射して行う。チルダＩ_CとＩ_Sのデータの合成または組合せを変えると、再生画像の位置を光変調素子の画素ピッチから決まる視野の範囲内で任意な方向に移動することができ、参照光および共役画像と重ならない位置に実画像を再生することが可能になる。

ホログラムのデータ量一定の下で空間光変調素子の画素ピッチのみを干渉縞間隔より十分に小さく取ると、再生可能な視野を広げることができる。したがって、画素ピッチの小さい空間変調素子を用いると、実画像を参照光および共役画像と大きく離せるので参照光と共役画像を遮ることが容易になり、実画像のみを再生することが可能になる。この装置では２枚のインラインホログラムのデータの合成または組合せを行って空間光変調素子に表示すればよいので、特別な素子や部品は必要でなく、装置のシステム構成は簡単になる。

本発明の方法と装置によれば、２枚の位相シフトインラインデジタルホログラムの組合せだけで再生用ホログラムを容易に作成でき、組合せを適宜変更することによって参照光と共役画像の影響をとり除けるのでインラインホログラムから視野角の広い高画質の画像を再生できる。また、インラインホログラムの記録と画像再生に平面波参照光を用いた場合には、数値計算を行わずにホログラムデータを組合すだけで再生用ホログラムを作成できる。さらに、画素ピッチの小さい空間光変調素子を用いると、参照光と共役画像を遮って実画像のみを再生することが容易になる。また、記録時にはインラインホログラフィによって、画素ピッチが大きい既存の受光素子を用いて高画質の３次元画像を位相シフトインラインホログラムとして記録できるので、現状のイメージセンサと空間光変調素子を使ったデジタルホログラフィにより３次元画像の記録と再生が容易に実現できる。

本発明は、画素ピッチが干渉縞間隔の半分以下の空間光変調素子を用いて画像再生装置を製作し、インラインホログラムとして参照光の位相が９０度だけ異なる２枚の位相シフトインラインホログラムのチルダＩ_CとＩ_Sを用意する。画像の再生は、２枚のホログラムのチルダＩ_CとＩ_Sのデータの合成または組合せを行った画像再生用のホログラムを素子上に表示し、これに参照光を照射して行う。チルダＩ_CとＩ_Sのデータの合成または組合せを変えると、再生画像の位置を光変調素子の画素ピッチから決まる視野の範囲内で任意な方向に移動することができ、参照光および共役画像と重ならない位置に実画像を再生することが可能になる。例えば、ホログラム記録と画像再生に平面波参照光を用いた場合には、空間光変調素子上のＸ軸方向にチルダＩ_C、Ｉ_S、チルダ−Ｉ_C、−Ｉ_Sの順番でインラインホログラムを表示すると再生画像をＸ軸方向に移動でき、Ｘ軸方向に明、暗、明、暗と表示したときの回折格子による負の一次回折光の方向に実画像を再生でき、正の一次回折光方向の共役画像およびゼロ次回折光方向の参照光と分離できる。

ホログラムのデータ量一定の下で空間光変調素子の画素ピッチのみを干渉縞間隔より十分に小さく取ると、実画像を参照光および共役画像と大きく離せるので参照光と共役画像を遮ることが容易になり、実画像のみを再生することが可能になる。この装置では２枚のインラインホログラムのデータの合成または組合せを行って空間光変調素子に表示すればよいので、特別な素子や部品は必要でなく、装置のシステム構成は簡単になる。

以下に位相シフトホログラフィの原理について説明する。

ホログラム記録面を物体から放射される散乱光（物体光）と参照光とで照射すると、物体光と参照光が作る干渉縞をホログラムとして記録できる。角周波数ωの記録面上の物体光Ｏ（ｘ，ｙ，ｔ）と参照光Ｒ（ｘ，ｙ，ｔ）を一般的な形で（数１）、（数２）と表す。

ホログラム面上で記録される光強度Ｉ（ｘ，ｙ）は（数３）となる。

（数３）右辺の第１項と第２項は、それぞれホログラム面上での物体光と参照光の光強度に対応し、物体光および参照光の位相を含まない。第３項は物体光と参照光とがつくる干渉縞成分を表し、この項には物体光の振幅Ｏ₀と位相φ_Oが含まれる。物体光の持つ波面情報は右辺第３項によって記録され、この項から物体光波面を再生できる。

記録ホログラムから参照光と物体光が作る干渉縞成分のみを取り出す方法として、参照光の位相をシフトさせながら同じ画像に対して複数枚のホログラムを記録する方法がある。今、参照光の位相φ_Rをπだけシフトさせてφ_R＋πとすると、（数３）右辺第３項の極性が反転する。したがって、参照光の位相をシフトさせる前と後の光強度Ｉ₀とＩπを記録すれば、物体光の振幅と位相を含む余弦干渉縞成分のチルダをＩ_C＝（Ｉ₀−Ｉπ）／２より取り出すことができ、

となる。次に、参照光の位相がφ_R＋π／２とφ_R＋３π／２のときの光強度Ｉπ_/2とＩ₃π_/2を記録すると、同様にして正弦干渉縞成分（数５）を得る。

参照光の位相をシフトさせて記録ホログラムから物体光の波面情報を取り出す技術を位相シフトホログラフィと呼び、得られたホログラムを位相シフトホログラムと呼んでいる。

インライン方式で記録した場合、（数４）または（数５）の干渉縞成分から画像再生を行うと直接物体光の方向は共役物体光の方向と重なってしまう。この共役物体光と直接物体光が重なる問題は、インラインホログラムの干渉縞成分をオフアクシスホログラムの干渉縞成分に変換することで解決できる。位相をφ_R（ｘ，ｙ）−φ_R′（ｘ，ｙ）だけ変化させて干渉縞成分の位相をφ_O（ｘ，ｙ）−φ_R′（ｘ，ｙ）とし、（数４）で表される余弦干渉縞成分のチルダＩ_C（ｘ，ｙ）を（数６）と変換する。

記録ホログラムから取り出した（数４）の余弦干渉縞成分と（数５）の正弦干渉縞成分を代入すると、（数６）を（数７）に書き改められる。

結局、取り出した余弦干渉縞成分と正弦干渉縞成分を用いると参照光（数８）、と物体光（数１）が作る干渉縞成分にインラインホログラムの干渉縞成分を変換することができる。

インラインホログラムからオフアクシスホログラムに変換するためには、インラインホログラムの余弦干渉縞成分と正弦干渉縞成分の両者が必要になる。

（数７）の干渉縞成分に直流成分Ｉ_DCをバイアスしてホログラムＩ′（ｘ，ｙ）＝Ｉ_DC＋チルダＩ_C′（ｘ，ｙ）を作成し、このホログラムに再生用参照光、（数９）を照射して画像再生を行う。

定数Ｋを用いてホログラムの透過率をＴ（ｘ，ｙ）＝ＫＩ′（ｘ，ｙ）と表すと、ホログラムを透過した直後の光は（数１０）となる。

右辺第１項は直接透過光を、第２項は直接物体光を、第３項は共役物体光をそれぞれ表す。したがって、インラインホログラムを変換して作成したホログラムＩ′（ｘ，ｙ）を用いると透過光と直接物体光および共役物体光それぞれの方向を分離することができ、透過光は再生用参照光の方向に、直接物体光は記録物体光の方向に、共役物体光は再生用参照光に対して直接物体光と共役になる方向にそれぞれ再生されることになる。

次に再生用ホログラムの作成について具体的に説明する。

余弦干渉縞成分のチルダＩ_C（ｘ，ｙ）と正弦干渉縞成分のチルダＩ_S（ｘ，ｙ）、および記録用参照光と再生用参照光との位相差の余弦ｃｏｓ（φ_R−φ_R′）と正弦ｓｉｎ（φ_R−φ_R′）が与えられれば、（数７）の乗算と加算だけの簡単な計算でインラインホログラムから画像再生用ホログラムを作成できる。ホログラム作成のための計算は余弦干渉縞成分と正弦干渉縞成分とを合成するだけの簡単な計算であるが、ホログラムのデータ数が大きいので３次元動画像再生を実時間で行うためには短時間で計算を実行することが求められる。ホログラム作成のための計算を短時間で行う方法としては、計算機による並列計算や光学的演算処理を行うことが考えられる。ところで、ホログラムの記録と画像の再生に平面波参照光を用いた場合には、ホログラム合成のための数値計算を行わないでホログラムデータを組合せだけを行って再生用ホログラムを作成できる。

以下、本発明のインラインホログラムを用いた３次元動画像再生装置及び方法について、図１乃至図６を参照しながら説明する。

図１（ａ）ｚ−ｘ平面内を示す図、（ｂ）ｚ−ｙ平面内での斜め入射参照光の等位相面を示す説明図である。記録用参照光として波長λの平面波をホログラム平面１と垂直に入射する。このとき、ホログラム面１上での光の位相φ_R（ｘ，ｙ）は一定の値になり、原点を基準としたホログラム面１上での光の位相は０になる。一方、再生用参照光２をｘ軸方向に角度θ_x、ｙ軸方向に角度θ_y回転させて斜め入射すると、図１よりホログラム面１上の原点を基準とした光の位相φ_R′（ｘ，ｙ）は、（数１１）となる。

ところで、ｘ−ｙ平面上での干渉縞データのサンプリング間隔ｄは受光素子の画素ピッチに等しい。このサンプリング間隔ｄに対して、関係式、（数１２）を満たすように再生用参照光２の入射角θ_xおよびθ_yの値を決める。

ここに、整数ｍとｎは０または１または２である。このように入射角を決めると、記録用参照光と再生用参照光２との位相差はｘ−ｙ平面上のサンプリング点（ｉｄ，ｊｄ）において、（数１３）となる。

したがって、ｍｉ＋ｎｊを４で割った余りが０になる点ではｃｏｓ（φ_R−φ_R′）＝１およびｓｉｎ（φ_R−φ_R′）＝０になり、（数７）で表される再生用ホログラム１の余弦干渉縞成分のチルダＩ_C′はインラインホログラムの余弦干渉縞成分のチルダＩ_Cと等しくなる。同様にして、ｍｉ＋ｎｊを４で割った余りが１になる点ではチルダＩ_C′はチルダＩ_Sと、余りが２になる点ではチルダＩ_C′はチルダ−Ｉ_Cと、余りが３になる点ではチルダＩ_C′はチルダ−Ｉ_Sとそれぞれ等しくなる。結局、サンプリング点（ｉｄ，ｊｄ）における再生用ホログラム１の余弦干渉縞成分のチルダＩ_C′としてインラインホログラムの干渉縞成分のチルダＩ_C、Ｉ_S、−Ｉ_C、−Ｉ_Sをそれぞれ選択すれば、再生用ホログラム１を作成できる。つまり、記録用参照光および再生用参照光２として光平面波を用いた場合には、インラインホログラムのデータそのものを用いて画像再生することができる。

図２、図３に、再生用ホログラム１作成のためにインラインホログラムのデータを組合した例を示す。図２はｍ＝０、ｎ＝０のときのホログラムデータの組合せを示し、この組合せによって直接透過光を直接物体光からｙ軸方向に角度θ_y＝ａｒｃｓｉｎ（λ／４ｄ）だけ回転することができ、共役物体光を直接物体光から角度２θ_yだけ回転することができる。図３はｍ＝２、ｎ＝１のときのホログラムデータの組合せであり、直接透過光を直接物体光からｘ軸方向に角度θ_x＝ａｒｃｓｉｎ（λ／２ｄ）、ｙ軸方向に角度θ_y＝ａｒｃｓｉｎ（λ／４ｄ）回転することができる。共役物体光は直接物体光から２θ_yだけ回転した方向に再生されることになる。

画像再生実験の結果を以下に示す。

インラインホログラムを用いた画像再生を実証するために、計算機合成ホログラムを画素ピッチが８．１μｍの高精細反射型ＬＣＤ表示パネルに表示して画像の再生実験を行った。

物体モデルとしてホログラム面から５０ｃｍの位置に置かれた横幅２ｃｍの文字列を考え、物体光と平面参照光が垂直方向からホログラム面に入射するとして計算機合成インラインホログラムを作成した。このホログラムに波長５３２ｎｍの緑色レーザを照射して再生した実画像を図４の計算機合成インラインホログラムから再生した画像を示す図に示す。実画像はホログラム面の後方５０ｃｍの位置に再生され、共役画像はホログラム面の手前５０ｃｍの位置に再生される。画素ピッチと光波長から決まる回折角３．８度に対して再生文字列の視野角は２．３度であり、広い視野を持つ画像がインラインホログラムから再生されている。実画像の周りの光は再生された共役物体光である。インラインホログラムからの再生では、直接物体光と共役物体光および直接反射光はホログラムの法線方向に再生されるので３つの光が重なってしまい、再生される画像の画質は低くなっている。

インラインホログラムを用いて作成した再生用ホログラムから再生した画像を図５、図６に示す。図５はｍ＝０、ｎ＝１としたときのホログラムから再生した画像を示す。再生用参照光を直接物体光からｙ軸方向に角度θ_y＝ａｒｃｓｉｎ（λ／４ｄ）回転した方向から照射するので、直接反射光は再生された文字列の上方向に移動している。共役物体光は図５の写真には写っていないが、直接物体光から角度２θ_y回転した方向に再生されることになる。図６はｍ＝２、ｎ＝１としたときのホログラムから再生した画像を示す。再生用参照光を直接物体光からｘ軸方向に角度θ_x＝ａｒｃｓｉｎ（λ／２ｄ）、ｙ軸方向に角度θ_y＝ａｒｃｓｉｎ（λ／４ｄ）回転した方向から照射するので、直接反射光は再生された文字列の右上方向に移動している。共役物体光は図６の写真に写っていないが、直接物体光から角度２θ_y回転した方向に再生される。再生物体光を直接反射光および共役物体光から分離した結果、図５、図６に示すように画質の高い直接画像が再生されている。

本発明に関わる３次元カラー画像記録再生装置は、映像技術分野、アミューズメント分野、エンターテイメント分野、インターネット分野、情報分野、マルチメディア分野、コミュニケーション分野、広告・宣伝分野、医療分野、芸術分野、教育分野、設計支援分野、シミュレーション分野、バーチャルリアリティ分野、などで使われる三次元表示を可能にするインラインホログラムを用いた３次元動画像再生装置として利用することができる。

（ａ）ｚ−ｘ平面内を示す図、（ｂ）ｚ−ｙ平面内での斜め入射参照光の等位相面を示す説明図ｍ＝０、ｎ＝１とした時の再生用ホログラム作成のためのホログラムデータの組合せを示す図ｍ＝２、ｎ＝１とした時の再生用ホログラム作成のためのホログラムデータの組合せを示す図計算機合成インラインホログラムから再生した画像を示す図ｍ＝０、ｎ＝１とした時の本発明の再生用ホログラムから再生した画像を示す図ｍ＝２、ｎ＝１とした時の本発明の再生用ホログラムから再生した画像を示す図

符号の説明

１ホログラム平面
２再生用参照光

Claims

物体光と参照光を同軸もしくは交叉角度を小さくして交叉させたインラインホログラフィにより記録した画像を再生する３次元画像再生装置であって、
空間変調素子により、記録参照光の位相を９０度異ならせた、２枚の位相シフトインラインホログラムを生成する位相シフトインラインホログラム生成手段と、
前記位相シフトインラインホログラムの物体光の振幅と位相を含む、余弦干渉縞成分と、正弦干渉縞成分との合成、または、組み合わせにより、再生ホログラムデータを生成する再生ホログラムデータ生成手段とを備え、
前記再生ホログラムデータ生成手段は、前記再生ホログラムデータ生成時の再生参照光の入射角度を、画素ピッチの２倍、または、４倍の間隔をもつ回折格子による回折角に一致するように設定することを特徴とする３次元画像再生装置。
物体光と参照光を同軸もしくは交叉角度を小さくして交叉させたインラインホログラフィにより記録した画像を再生する３次元画像再生方法であって、
空間変調素子により、記録参照光の位相を９０度異ならせた、２枚の位相シフトインラインホログラムを生成する位相シフトインラインホログラム生成ステップと、
前記位相シフトインラインホログラムの物体光の振幅と位相を含む、余弦干渉縞成分と、正弦干渉縞成分との合成、または、組み合わせにより、再生ホログラムデータを生成する再生ホログラムデータ生成ステップとを備え、
前記再生ホログラムデータ生成ステップは、前記再生ホログラムデータ生成時の再生参照光の入射角度を、画素ピッチの２倍、または、４倍の間隔をもつ回折格子による回折角に一致するように設定することを特徴とする３次元画像再生方法。