(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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光変調パターンデータの作成方法。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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光変調パターンデータの作成方法。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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、
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、
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、
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、
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。
【請求項６】
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、
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、
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、
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、
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。
【発明の詳細な説明】
【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
【図１】
0003583611.tif 000002
【図２】
0003583611.tif 000003
【図３】
0003583611.tif 000004
【図４】
0003583611.tif 000005
【図５】
0003583611.tif 000006
【図６】
0003583611.tif 000007
【図７】
0003583611.tif 000008
【図８】
0003583611.tif 000009
【図９】
0003583611.tif 000010
【図１０】
0003583611.tif 000011
【図１１】
0003583611.tif 000012
【図１２】
0003583611.tif 000013