(57)【要約】      （修正有）【課題】波長を変更することができるレーザや複数のレーザを用いることなく、スペックルノイズを低減させることのできる計算機ホログラムのデータ作成装置を提供する。【解決手段】原画像データを取得する画像データ取得部１１０と、前記原画像データに基づいて、周波数領域における光変調データを作成する光変調データ作成部１２０と、前記光変調データの位相をずらすための乱数を生成する乱数生成部１４０と、生成した前記乱数を用いて、前記光変調データの位相をフレームごとにずらすデータ座標変換部１３０と、を備える。【選択図】図２
2014206710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原画像データを取得する画像データ取得部と、
前記原画像データに基づいて、周波数領域における光変調データを作成する光変調データ作成部と、
前記光変調データの位相をずらすための乱数を生成する乱数生成部と、
生成した前記乱数を用いて、前記光変調データの位相をフレームごとにずらすデータ座標変換部と、
を備える計算機ホログラムのデータ作成装置。
【請求項２】
前記データ座標変換部は、
前記光変調データの位相を周波数領域における２次元座標上でずらす
ことを特徴とする請求項１に記載の計算機ホログラムのデータ作成装置。
【請求項３】
前記光変調データ作成部は、
前記原画像データと変換空間領域複素数サンプリング信号に基づいて、振幅が調整された空間領域複素数サンプリング信号を生成する空間領域条件設定部と、
前記空間領域条件設定部で生成された前記空間領域複素数サンプリング信号に対して、逆高速フーリエ変換を行う逆変換部と、
前記空間領域複素数サンプリング信号から周波数領域複素数サンプリング信号を生成し、その周波数領域複素数サンプリング信号の振幅値を所定の値に設定する周波数領域条件設定部と、
前記周波数領域条件設定部で振幅値が所定の値に設定された前記周波数領域複素数サンプリング信号に対して、高速フーリエ変換を行う変換部と、を含み、
前記空間領域条件設定部は、
前記周波数領域複素数サンプリング信号から生成した前記変換空間領域複素数サンプリング信号の振幅が前記原画像データの目標値に到達しない場合には、その変換空間領域複素数サンプリング信号の振幅を前記原画像データの振幅に置き換えて、前記空間領域複素数サンプリング信号の振幅を設定し、再度前記逆変換部に与える
請求項１または２に記載の計算機ホログラムのデータ作成装置。
【請求項４】
前記光変調データ作成部は、
生成した前記変換空間領域複素数サンプリング信号の振幅が前記原画像データの目標値に到達した場合には、前記変換空間領域複素数サンプリング信号を出力する
請求項３に記載の計算機ホログラムのデータ作成装置。
【請求項５】
位相をずらした前記光変調データから位相成分を分離して抽出し、この位相成分を用いて、光の位相を変調するための空間位相変調器を駆動する位相データ分離部を
さらに備える請求項１から４のいずれか１項に記載の計算機ホログラムのデータ作成装置。
【請求項６】
位相をずらした前記光変調データから位相成分を分離して抽出し、この位相成分を用いて、光の位相を変調するための空間位相変調器を駆動する位相データ分離部と、
位相をずらした前記光変調データから振幅成分を分離して抽出し、この振幅成分を用いて、光の振幅を変調するための空間振幅変調器を駆動する振幅データ分離部とを
さらに備える請求項１または２に記載の計算機ホログラムのデータ作成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本実施形態は、計算機ホログラムのデータ作成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、物体光と参照光の干渉の結果として生じる干渉縞を記録したものが、ホログラムとして知られている。ホログラムは、通常レーザ光で再生される。また、ホログラムは、一種の回折格子であり、回折光の方向は波長によって異なる。
【０００３】
したがって、ホログラムを白色光で再生した場合には、各波長による再生像がずれて重なってしまい、結局ぼけた再生像しか得られない。
【０００４】
一方、レーザ光で再生した場合は、完全な単色であり、再生のぼけがなく奥行きの深い三次元像をほぼ完全な形で再生することができる。そのため、干渉計測では、ホログラムの再生にレーザ光が使用される。また、奥行きの深い特殊な三次元のディスプレイの場合にもレーザ光が利用される。
【０００５】
ところで、レーザ光を用いた再生では、再生像にスペックルパターンと呼ばれる細かい斑点模様が現れる。これは、再生像がざらざらしたように見える現象であり、レーザ光が干渉性のよい光であるために生じるものである。
【０００６】
この種のスペックルパターンを減少させる方法としては、レーザの波長を常時切変えてホログラムを再生する方法などが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２０１０−５１３９６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、レーザの波長を切り替えるためには波長を変更することができるレーザか複数のレーザを用いる必要がある。ここで、波長を変更することができるレーザや複数のレーザを用いる場合には、通常の費用よりも高くかかるという問題があった。
【０００９】
また、複数の波長を用いる場合には、波長ごとに位相を変調する位相変調データを作成する必要があり、スペックルパターンを減少させる充分な効果を得るためには多数の波長が必要という問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本実施の形態に係る計算機ホログラムのデータ作成装置は、原画像データを取得する画像データ取得部と、前記原画像データに基づいて、周波数領域における光変調データを作成する光変調データ作成部と、前記光変調データの位相をずらすための乱数を生成する乱数生成部と、生成した前記乱数を用いて、前記光変調データの位相をフレームごとにずらすデータ座標変換部と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態の位相変調型フーリエ変換ホログラフィの再生装置の一例を示す説明図。
【図２】第１の実施形態に係る位相変調型計算機ホログラムのデータ作成装置の一例を示す全体構成図。
【図３】位相データ分離部から出力される位相データがフレームごとにランダムにずれることにより、空間光変調器上の表示位置がフレームごとにランダムにずれることを示した説明図。
【図４】第２の実施形態の位相変調型フーリエ変換ホログラフィの再生装置の一例を示す説明図。
【図５】第２の実施形態に係る位相変調型計算機ホログラムのデータ作成装置の一例を示す全体構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本実施形態に係る計算機ホログラムのデータ作成装置は、フーリエ変換ホログラフィの再生装置においてフレームごとに光変調データの位相をランダム（無作為）に変化させ、フレームごとに発生するスペックルパターンを平均化させるようになっている。
【００１３】
人間の目には光の振幅は知覚されるものであるが、光の位相は知覚されない。ここで、光変調データの位相をランダムに変化させることにより、ユーザに違和感を覚えさせることなく積分的効果として各フレームのスペックルパターンを平均化することができ、知覚されるスペックルノイズを低減することができる。以下、フーリエ変換ホログラフィの再生装置の一例について説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の位相変調型フーリエ変換ホログラフィの再生装置４００の一例を示す説明図である。
【００１５】
図１に示すように、位相変調型フーリエ変換ホログラフィの再生装置４００は、コヒーレント光源３００、空間光変調器３１０、フーリエ変換光学レンズ３２０、焦点面３３０およびデータ作成装置１００などを備えて構成されている。また、コヒーレント光源３００は、レーザ３０１および光学レンズ３０２などを備えて構成されている。
【００１６】
光学レンズ３０２は、レーザ３０１から照射された光が、空間光変調器３１０に対して平面波光となるように、投影の品質を改善するための光学素子である。
【００１７】
コヒーレント光源３００は、レーザ３０１と光学レンズ３０２を備えることにより空間光変調器３１０に対して平行光を照射するようになっている。
【００１８】
空間光変調器３１０は、空間で位相を変調する機能を備えた空間位相変調器３１１を備え、位相の揃った平面波光に周波数領域で位相変調を行う。
【００１９】
フーリエ変換光学レンズ３２０は、周波数領域から空間領域へ光学的にフーリエ変換を行い、焦点面３３０に空間領域の再生像を生成する。
【００２０】
データ作成装置１００は、情報処理を行う情報処理装置やパーソナルコンピュータなどによって構成され、空間光変調器３１０において平面波光に周波数領域で位相変調を行うための位相変調型ホログラムデータ（以下、これを単に位相変調データとも呼ぶ。）を作成する。データ作成装置１００は、位相変調データを作成すると、その作成した位相変調データを空間光変調器３１０に送出するようになっている。
【００２１】
続いて、本実施形態に係る計算機ホログラムのデータ作成装置１００において、画像を再生するための位相変調データの作成処理について、説明する。
【００２２】
本実施形態に係る計算機ホログラムのデータ作成装置１００は、画像データを取得して、その原画像データに基づいて光変調データを作成し、フレームごとに光変調データの位相をランダム（無作為）に変化させることにより、スペックルパターンを平均化させるものである。データ作成装置１００は、スペックルパターンを平均化させることにより、視覚的に生じるスペックルノイズを軽減させることができる。
【００２３】
以下、本実施形態に係る計算機ホログラムのデータ作成装置１００について、添付図面を参照して説明する。
【００２４】
図２は、第１の実施形態に係る位相変調型計算機ホログラムのデータ作成装置１００の一例を示す全体構成図である。
【００２５】
図２に示すように、計算機ホログラムのデータ作成装置１００は、原画像データ取得部１１０、光変調データ作成部１２０、データ座標変換部１３０および乱数発生部１４０を備えて構成されている。
【００２６】
データ作成装置１００は、データ座標変換部１３０が出力する位相変調データを、空間位相変調器３１１として機能する空間光変調器３１０に送出するようになっている。
【００２７】
原画像データ取得部１１０は、原画像データを取得する機能を有している。データ作成装置１００は、情報処理を行う情報処理装置やパーソナルコンピュータなどによって構成されているため、原画像データ取得部１１０が取得した原画像データの振幅値ａは、例えば、データ作成装置１００が備える所定の記憶媒体に記憶させておく。
【００２８】
光変調データ作成部１２０は、原画像データ取得部１１０が取得した原画像データに基づいて、周波数領域における振幅値を所定の値に置き換えた光変調データ（Ｚ（Ｘ、Ｙ））を作成する機能を有している。ここで、光変調データ作成部１２０について詳述する。なお、（Ｘ、Ｙ）は、周波数領域の２次元座標とする。
【００２９】
光変調データ作成部１２０は、空間領域条件設定部１２２、逆高速フーリエ変換部１２４、周波数領域条件設定部１２６および高速フーリエ変換部１２８を備えて構成されている。
【００３０】
光変調データ作成部１２０の空間領域条件設定部１２２は、高速フーリエ変換部１２８においてフーリエ変換されて得られた空間領域の複素数サンプリングデータの振幅を、原画像データの振幅ａに置き換える機能を有している。この場合、この空間領域複素数サンプリング信号を示す空間領域データは、ｚ＝ａ・ｅｘｐ（ｉφ）になる。これは、空間領域データの振幅に原画像データの振幅ａを与えることを意味している。また、初期値の位相は、ランダム位相（または交互に０、π）を与える。なお、初期値以外の位相は、その高速フーリエ変換部１２８から受けた信号の位相を維持するものとする。
【００３１】
光変調データ作成部１２０の逆高速フーリエ変換部１２４は、空間領域条件設定部１２２から送出された空間領域データに対し、逆高速フーリエ変換を行う機能を有している。
【００３２】
光変調データ作成部１２０の周波数領域条件設定部１２６は、逆高速フーリエ変換されて得られた原画像データの周波数領域の複素数サンプリングデータの振幅値を、所定の振幅値（例えば、振幅値＝１）に置き換える機能を有している。ここでは、振幅値が１の場合、すなわち、周波数領域複素数サンプリング信号を示す周波数領域データが、Ｚ＝ｅｘｐ（ｉΦ）である場合の例について説明する。
【００３３】
光変調データ作成部１２０の高速フーリエ変換部１２８は、振幅値＝１に置き換えられた周波数領域データ（Ｚ＝ｅｘｐ（ｉΦ））に対して、高速フーリエ変換を行う機能を有している。
【００３４】
そして、光変調データ作成部１２０の空間領域条件設定部１２２は、高速フーリエ変換部１２８において高速フーリエ変換されて得られた空間領域データの振幅が、原画像データ取得部１１０で取得した原画像データの振幅ａと一致するか否かを判定する。なお、この判定は、互いの振幅の誤差があらかじめ設定した目標値（例えば、所定の閾値以内）に到達したか否かの判定で置き換えてもよい。
【００３５】
そして、振幅が設定した目標値（振幅）に到達しない場合には、高速フーリエ変換部１２８から取得した空間領域データの振幅を原画像データ取得部１１０から取得した原画像データの振幅ａに置き換えて、再び逆高速フーリエ変換部１２４に与える。
【００３６】
一方、振幅が設定した目標値（振幅）に到達した場合には、光変調データ作成部１２０は、周波数領域条件設定部１２６で振幅値＝１に置き換えられた周波数領域データ（光変調データ（Ｚ（Ｘ、Ｙ）））をデータ座標変換部１３０に出力する。
【００３７】
乱数発生部１４０は、光変調データ作成部１２０で作成された光変調データ（Ｚ（Ｘ、Ｙ））に対し、位相をずらすための乱数（ΔＸ、ΔＹ）を生成する機能を有している。ここで、本実施形態では、位相をどの程度ずらすかは、特に限定されるものではなく、空間光変調器３１０上において、少しでも（例えば、１画素）ずれればよい。
【００３８】
データ座標変換部１３０は、乱数発生部１４０で生成された乱数（ΔＸ、ΔＹ）を用いて、光変調データ（Ｚ（Ｘ、Ｙ））の位相をフレームごとにずらす機能を有している。具体的には、データ座標変換部１３０は、乱数発生部１４０で発生させた乱数（ΔＸ、ΔＹ）だけ光変調データ（Ｚ（Ｘ、Ｙ））をずらすようになっており、周波数領域における２次元座標上で光変調データを、Ｚ（Ｘ＋ΔＸ、Ｙ＋ΔＹ）に変換する。
【００３９】
空間光変調器３１０は、コヒーレント光源３００からコヒーレントな平面波光が入力され、画素単位で位相を変化させ、光の空間的な位相分布を制御する機能を有している。具体的には、空間光変調器３１０は、フレームごとに出力される光変調データ（Ｚ（Ｘ＋ΔＸ、Ｙ＋ΔＹ））における位相変調データ（Φ（Ｘ＋ΔＸ、Ｙ＋ΔＹ））により、コヒーレントな光の平面波光に光の空間的な位相分布を与える。フーリエ変換光学レンズ３２０は、この光を通すことにより光学フーリエ変換を行う。
【００４０】
図３は、データ座標変換部１３０から出力される光変調データにおける位相変調データがフレームごとにランダムにずれることにより、空間光変調器３１０上の表示位置がフレームごとにランダムにずれることを示した説明図である。
【００４１】
図３に示すように、空間光変調器３１０上には、フレームごとに表示位置をランダムにずらして駆動する画素領域が、ＳＬＭ−Ａ、ＳＬＭ−Ｂ、ＳＬＭ−Ｃ、ＳＬＭ−Ｄとして、表示されている。本実施形態では、乱数発生部１４０がずらす位相をフレームごとに決定しているので、空間光変調器３１０上の画素領域（表示位置）を、フレームごとであってランダムにずらすことができる。
【００４２】
これにより、フレームごとにスペックルパターンを変化させることができるので、人間の目の積分的効果（残像効果）によって複数のフレーム間におけるスペックルパターンが平均化される。そして、スペックルパターンが平均化されることにより、視覚的な効果としてスペックルノイズが低減されてユーザに知覚される。
【００４３】
また、本実施形態では、周波数領域で２次元座標を（ΔＸ、ΔＹ）だけ移動させたことにより、空間領域で再生される再生像は、ｅｘｐ（２πｉｘΔＸ）ｅｘｐ（２πｉｙΔＹ）を乗じたものになる。
【００４４】
すなわち、空間領域における再生像は、次式で表される。
【００４５】
ｚ＝ａ・ｅｘｐ（ｉφ）・ｅｘｐ（２πｉｘΔＸ）ｅｘｐ（２πｉｙΔＹ）  …（１）
となる。但し、ａは原画像データの振幅を示す。
【００４６】
以上説明したように、本実施形態に係る計算機ホログラムのデータ作成装置１００は、フレームごとにランダムに生成された乱数（ΔＸ、ΔＹ）により、光変調データ（Ｚ（Ｘ、Ｙ））における位相変調データ（Φ（Ｘ、Ｙ））の空間光変調器３１０上の表示位置をフレームごとにずらすので、フレームごとに発生する再生像のスペックルパターンを変化させることができる。このため、フレームごとにスペックルパターンを変化させることにより、人間の目の積分的効果によって複数のフレームのスペックルパターンが平均化され、スペックルノイズが低減されてユーザに知覚させることができる。
【００４７】
また、本実施形態に係る計算機ホログラムのデータ作成装置１００は、１つの波長を有するレーザによりスペックルノイズの低減を実現することができるため、複数の波長を用いる再生装置と比べて低コストで実現することができる。また、本実施形態に係るデータ作成装置１００は、１つの位相変調データに基づいて、空間光変調器３１０の表示位置を変更することができるので、少ない演算量でスペックルノイズの低減を図ることができる。
【００４８】
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、反復フーリエ変換法を用いて光変調データを作成し、その光変調データの位相をずらすようになっていた。第２の実施形態では、反復フーリエ変換法ではなく、１回の逆フーリエ変換で原画像データを周波数領域データに変換し、その変換した周波数領域データの位相にランダムな位相成分を付加するようになっている。
【００４９】
図４は、第２の実施形態の位相変調型フーリエ変換ホログラフィの再生装置４１０の一例を示す説明図である。
【００５０】
図４に示すように、第２の実施形態の位相変調型フーリエ変換ホログラフィの再生装置４１０が、図１に示す第１の実施形態の位相変調型フーリエ変換ホログラフィの再生装置４００と異なる点は、空間光変調器３１５が振幅を変調する機能を有する空間振幅変調器３１２を、さらに備えている点である。
【００５１】
図５は、第２の実施形態に係る位相変調型計算機ホログラムのデータ作成装置２００の一例を示す全体構成図である。
【００５２】
図５に示すように、位相変調型計算機ホログラムのデータ作成装置２００が、図２に示す位相変調型計算機ホログラムのデータ作成装置１００と異なる点は、光変調データ作成部２２０が、反復フーリエ変換法を行わないで光変調データを作成する点と、データ分離部１７０が、データ座標変換部１３０において位相をずらした光変調データから、位相成分を分離して抽出することができる位相データ分離部１５０の機能と振幅成分を分離して抽出することができる振幅データ分離部１６０の機能とを有する点である。
【００５３】
空間光変調器３１５は、空間位相変調器３１１に加え、振幅データ分離部１６０で抽出された振幅成分に対応する振幅データを変調することができるように、空間で振幅を変調する機能を備えた空間振幅変調器３１２をさらに備えるようになっている。
【００５４】
第２の実施形態の場合には、光変調データ作成部２２０において反復フーリエ変換法を実施せず、原画像データに対して逆高速フーリエ変換を実行して、周波数領域複素数サンプリング信号を示す周波数領域データ（光変調データ）を作成する。すなわち、第２の実施形態に係る光変調データ（これをＺ１とする。）は、実施例１で示した反復フーリエ変換法を用いて振幅値が所定の目標値（例えば、振幅＝１）に到達したものではないため、原画像データを逆フーリエ変換することによって得られる振幅値（例えば、｜Ｚ１｜）を有している。
【００５５】
データ座標変換部１３０は、乱数発生部１４０で生成された乱数（ΔＸ、ΔＹ）を用いて、光変調データ（Ｚ１）の位相をフレームごとにずらす機能を有している。具体的には、データ座標変換部１３０は、乱数発生部１４０で発生させた乱数（ΔＸ、ΔＹ）だけ光変調データ（Ｚ１（Ｘ１、Ｙ１））をずらすようになっており、周波数領域における２次元座標上で光変調データの座標を、Ｚ１（Ｘ１＋ΔＸ、Ｙ１＋ΔＹ）に変換する。
【００５６】
位相データ分離部１５０は、光変調データ（Ｚ１（Ｘ１＋ΔＸ、Ｙ１＋ΔＹ））から位相成分を分離して抽出する機能を有している。具体的には、位相データ分離部１５０は、データ座標変換部１３０において座標変換した光変調データ（Ｚ１（Ｘ１＋ΔＸ、Ｙ１＋ΔＹ））から、位相成分（Φ（Ｘ１＋ΔＸ、Ｙ１＋ΔＹ））（すなわち位相変調データ）を抽出する。
【００５７】
空間位相変調器３１１は、実施例１と同様に、コヒーレント光源３００からコヒーレントな平面波光が入力され、画素単位で位相を変化させ、光の空間的な位相分布を制御する機能を有している。具体的には、空間位相変調器３１１は、フレームごとに出力される位相変調データ（Φ（Ｘ１＋ΔＸ、Ｙ１＋ΔＹ））により、コヒーレントな光の平面波光に光の空間的な位相分布を与える。フーリエ変換光学レンズ３２０は、この光を通すことにより光学フーリエ変換を行う。
【００５８】
一方、振幅データ分離部１６０は、光変調データ（Ｚ１）から振幅成分を分離して抽出する機能を有している。具体的には、振幅データ分離部１６０は、データ座標変換部１３０において座標変換した光変調データ（Ｚ１（Ｘ１＋ΔＸ、Ｙ１＋ΔＹ））から、振幅成分（｜Ｚ１｜）（すなわち振幅変調データ）を抽出する。
【００５９】
空間振幅変調器３１２は、コヒーレント光源３００からコヒーレントな平面波光が入力され、画素単位で振幅を変化させ、光の空間的な振幅分布を制御する機能を有している。具体的には、空間振幅変調器３１２は、フレームごとに出力される振幅変調データ（｜Ｚ１｜）により、コヒーレントな光の平面波光に光の空間的な振幅分布を与える。フーリエ変換光学レンズ３２０は、この光を通すことにより光学フーリエ変換を行う。これにより、空間光変調器３１５は、空間振幅変調器３１２に、空間領域において数式（１）で示した振幅ａが再生されるように光の振幅を変調させる。
【００６０】
以上説明したように第２の実施形態の場合には、光変調データ作成部２２０において反復フーリエ変換法を実施しないので、反復フーリエ変換法による演算量を低減（削減）することができる。なお、図４の例では、空間光変調器３１５の空間振幅変調器３１２によって振幅値を所定の振幅ａに変調した後に空間位相変調器３１１により位相を変調するようになっているが、これに限定されるものではなく、振幅変調と位相変調を行う順序を入れ替えてもよい。
【００６１】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００６２】
また、本発明の実施形態では、フローチャートの各ステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理の例を示したが、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別実行される処理をも含むものである。
【符号の説明】
【００６３】
１００、２００  データ作成装置
１１０  原画像データ取得部
１２０、２２０  光変調データ作成部
１２２  空間領域条件設定部
１２４  逆高速フーリエ変換部
１２６  周波数領域条件設定部
１２８  高速フーリエ変換部
１３０  データ座標変換部
１４０  乱数発生部
１５０  位相データ分離部
１６０  振幅データ分離部
１７０  データ分離部
２２４  逆高速フーリエ変換部
３００  コヒーレント光源
３０１  レーザ
３０２  光学レンズ
３１０、３１５  空間光変調器
３１１  空間位相変調器
３１２  空間振幅変調器
３２０  フーリエ変換光学レンズ
３３０  焦点面
４００、４１０  再生装置
【図１】
2014206710.tif 000003
【図２】
2014206710.tif 000004
【図３】
2014206710.tif 000005
【図４】
2014206710.tif 000006
【図５】
2014206710.tif 000007