JP2004101929A - Multi-viewpoint display device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多視点表示用ホログラムスクリーン、及びそれを利用する多視点表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ホログラムスクリーン2の回折による再生光の指向性コントロール機能を利用した、特殊な専用メガネを用いない多視点立体表示の多視点表示装置1’は、図12の構成として知られている。図12には、(a)鳥瞰図、(b)平面図、及び(c)側面図が示される。
【0003】
図12の構成においては、複数のプロジェクタ群A1、A2、・・・、Amから、視差の異なる2次元画像をホログラムスクリーン2に重畳投影する。各プロジェクタから投影された光は、ホログラムスクリーン2の照明光4となって、それぞれ所定の方向に回折する再生光6を発生する。回折された再生光6はa1、a2、・・・、amの位置にそれぞれ像焦点(集光点)を形成する。観察者が任意の隣り合う2つの像焦点(集光点)に左右の目を置くと、夫々に対応する視差のある画像を見ることができる。観察者は2つの視差画像により融像される立体像を認識できるようになる。
【0004】
なお、指向性のあるホログラムスクリーン2を製作するには体積ホログラム(あるいは厚いホログラム)とする必要がある。平面ホログラム(あるいは薄いホログラム)では、高次回折像を生じて再生光6を特定の一方向に進行させることができないからである。更に、体積ホログラムにおいて高い回折効率を得るためには、記録した干渉縞面層に対してブラッグ条件を満足するように照明光4を照射し、回折された再生光6がブラッグ条件に適合した方向に進むように設計する必要がある。
【0005】
従って、図12の構成で利用される多視点表示用ホログラムスクリーン2を製作する際には、従来は、図13のように記録されていた。図13では、簡単のために2視点の場合を図示している。まず、符号(8−1)の物体光と符号(10−1)の参照光とを、夫々矢印の方向に向けてホログラム記録材料12に照射する。現像処理すると符号(14−1)の干渉縞面層が形成される。
【0006】
図13では(便宜上)1枚の干渉縞面(14−1)を示しているが、実際には、図15に示すように、干渉縞面層(14−1)は複数の面により文字通り「層」を形成する。
【0007】
もう一度照射方向を変えて、符号(8−2)の物体光と符号(10−2)の参照光とを、夫々矢印の方向に向けてホログラム記録材料12に照射する。このときには、符号(14−2)の干渉縞面層が形成される(図13及び図15参照)。
【0008】
このように記録されたホログラムスクリーン2に対して、図14に示すように、参照光と共役の方向から2つの照明光4−1、4−2を照明すると、物体光と共役な方向にそれぞれ再生光6−1、6−2を生じる。2つの再生光6−1、6−2は、それぞれの像焦点16−1、16−2で観察者の左右の目に別々に到達する。このとき、照明光4−1、4−2として2台のプロジェクタA1、A2から視差の異なる映像を供給すれば、左右の目にそれぞれ別々に提供されるので、観察者は2つの視差画像を融像して立体像を認識できる。
【0009】
以上の作業を基にして記録時における物体光8と参照光10とのペアの数を増やせば、共役再生される照明光4と再生光6とのペアの数を増やすことができ、よって、任意の数の多視点表示用ホログラムスクリーン2が製作できるはずである。
【0010】
しかし、現実には以下の2つの重要な障害要因((1)、(2))が存在するため、上記の方法で多視点表示用ホログラムスクリーン2を製作することが不可能である。
【0011】
(1)クロストークの発生
まず、多重記録によるクロストークの発生の問題が挙げられる。人間の目の両眼距離は平均して6.5cm程度であるが、1m先のスクリーンから6.5cmの距離は4°の角度差しかない。ところが、体積ホログラムにおいては、角度選択性の範囲内であればブラッグ角の方向から多少ずれていても回折が起きる。この角度選択性の幅は、少なくとも10°程度あるので、図13で記録したホログラムスクリーン2では、記録時と異なる方向からの照明光4によっても意図されない再生光6が発生することになる。これらのことにより、クロストークが発生する。即ち、現実にはクロストークのために、観察者は、何重にもずれて重なる映像を受けることになる。
【0012】
隣り合う再生光の再生条件を、角度選択性の幅以上にするためには、参照光(再生時には共役照明光)の角度間隔を大きく開けるという対策が考えられる。但し、そうすると記録多重度が減少し多視点数を増やすことができない。
【0013】
(2)インコヒーレント重複記録の回折効率低下
上述の方式の多重記録はインコヒーレント重複記録と呼ばれ、回折再生光の強度は重複数の2乗に反比例して低下する。即ち、2視点の場合は効率が1/4に、4視点の場合は1/16に低下してしまい、そうなると結局は実用に到り得ない。図13においても、2つの干渉縞面層14−1、14−2の向きが異なるので、内部での干渉縞面層の相互破壊、散乱光の発生が予想され、視点数の増加に伴う急激な回折効率の低下が理解される。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、クロストークが発生せず、且つインコヒーレント重複記録の回折効率が低下しない、多視点表示用ホログラムスクリーン、及びそれを利用する多視点表示装置を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するために為されたものである。本発明に係る請求項1に記載の多視点表示装置は、
物体光と参照光とをホログラム記録材料に1回だけ照射して現像処理した、単一物焦点、単一像焦点を有する体積ホログラムたるホログラムスクリーンを含む、多視点表示装置である。その多視点表示装置において、
上記ホログラムスクリーンの3次元空間でのブラッグ条件を満足するように、複数プロジェクタを使って異なる方向から上記ホログラムスクリーン面に視差の異なる複数の2次元画像が重畳投影されて、
それら複数の2次元画像が、上記ホログラムスクリーン上に多重再生されるようにして、
上記ホログラムスクリーンの回折により生じる再生光の指向性を利用して、上記ホログラムスクリーンを観察する観察者の左右別々の目の位置に対応して、上記ホログラムスクリーン上に多重再生された視差画像群の内から、特定の視差画像のみが認識されるように設定されていることを特徴とする。
【0016】
本発明に係る請求項2に記載の多視点表示装置は、
物体光と参照光とをホログラム記録材料に1回だけ照射して現像処理した、単一物焦点、単一像焦点を有する体積ホログラムたる要素ホログラムスクリーンを、複数枚用いてマルチパネル形状に配置し、
その配置の際、要素ホログラムスクリーンの物焦点すなわち照明光の3次元空間内での光源位置と、像焦点すなわち再生光の3次元空間内での集光位置とが、夫々の要素ホログラムスクリーンについて一致するようにし、結果、上記のマルチパネル形状ホログラムスクリーン全体として単一物焦点、単一像焦点の単一ホログラムスクリーンと等価となるようにした、
上記マルチパネル形状ホログラムスクリーン全体を、単一ホログラムスクリーンに代替して用いる、
請求項1に記載の多視点表示装置である。
【0017】
本発明に係る請求項3に記載の多視点表示装置は、
記録時には、上記ホログラム記録材料の中心に対して、物体光と参照光の波長を一定にして、所定数回まで、各光のブラッグ角を変更するが、形成される干渉縞面層の方向が全て一致するように、物体光と参照光とをホログラム記録材料に照射して記録し、
あるいは、上記ホログラム記録材料の中心に対して、物体光と参照光のブラッグ角を一定にして、所定数回まで、各光の波長を変更するが、形成される干渉縞面層の方向が全て一致するように、物体光と参照光とをホログラム記録材料に照射して記録し、
再生時には、一つのブラッグ角の条件下で、所定数分の異なる色の光に対する物焦点同士及び像焦点同士が一致するようにした上で、物焦点から上記所定数分の異なる色を成分に含む照明光を当て、像焦点に上記所定数分の異なる色を成分に含む再生光を集光させるようにした、単一共通物焦点及び単一共通像焦点を有する多色ホログラムスクリーンを形成して、
上記多色ホログラムスクリーンを、
物体光と参照光とをホログラム記録材料に照射して現像処理する体積ホログラムたるホログラムスクリーンの代替として用いる、
請求項1に記載の多視点表示装置である。
【0018】
本発明に係る請求項4に記載の多視点表示装置は、
記録時には、上記ホログラム記録材料の中心に対して、物体光と参照光の波長を一定にして、所定数回まで、各光のブラッグ角を変更するが、形成される干渉縞面層の方向が全て一致するように、物体光と参照光とをホログラム記録材料に照射して記録し、
あるいは、上記ホログラム記録材料の中心に対して、物体光と参照光のブラッグ角を一定にして、所定数回まで、各光の波長を変更するが、形成される干渉縞面層の方向が全て一致するように、物体光と参照光とをホログラム記録材料に照射して記録し、
再生時には、一つのブラッグ角の条件下で、所定数分の異なる色の光に対する物焦点同士及び像焦点同士が一致するようにした上で、物焦点から上記所定数分の異なる色を成分に含む照明光を当て、像焦点に上記所定数分の異なる色を成分に含む再生光を集光させるようにした、単一共通物焦点及び単一共通像焦点を有する多色要素ホログラムスクリーンを形成して、
上記多色要素ホログラムスクリーンを、上記要素ホログラムスクリーンの代替として用いる、
請求項2に記載の多視点表示装置である。
【0019】
本発明に係る請求項5に記載の多視点表示装置は、
上記ホログラムスクリーンを2枚重ねて、2枚組みとして単一物焦点、単一像焦点が形成され、且つ各一枚ずつのホログラムスクリーンとは物焦点、像焦点の位置が異なるようにした組み合わせホログラムスクリーンを形成して、
上記組み合わせホログラムスクリーンを、上記ホログラムスクリーンの代替として用いる、
請求項1に記載の多視点表示装置である。
【0020】
本発明に係る請求項6に記載の多視点表示装置は、
上記要素ホログラムスクリーンを2枚重ねて、2枚組みとして単一物焦点、単一像焦点が形成され、且つ各一枚ずつの要素ホログラムスクリーンとは物焦点、像焦点の位置が異なるようにした組み合わせ要素ホログラムスクリーンを形成して、
上記組み合わせ要素ホログラムスクリーンを、上記要素ホログラムスクリーンの代替として用いる、
請求項2に記載の多視点表示装置である。
【0021】
本発明に係る請求項7に記載の多視点表示装置は、
上記多色ホログラムスクリーンを2枚重ねて、2枚組みとして単一共通物焦点、単一共通像焦点が形成され、且つ各一枚ずつの多色ホログラムスクリーンとは単一共通物焦点、単一共通像焦点の位置が異なるようにした組み合わせ多色ホログラムスクリーンを形成して、
上記組み合わせ多色ホログラムスクリーンを、上記多色ホログラムスクリーンの代替として用いる、
請求項3に記載の多視点表示装置である。
【0022】
本発明に係る請求項8に記載の多視点表示装置は、
上記多色要素ホログラムスクリーンを2枚重ねて、2枚組みとして単一共通物焦点、単一共通像焦点が形成され、且つ各一枚ずつの多色要素ホログラムスクリーンとは単一共通物焦点、単一共通像焦点の位置が異なるようにした組み合わせ多色要素ホログラムスクリーンを形成して、
上記組み合わせ多色要素ホログラムスクリーンを、上記多色要素ホログラムスクリーンの代替として用いる、
請求項4に記載の多視点表示装置である。
【0023】
本発明に係る請求項9に記載の多視点表示装置は、
記録時に、物体光源として所定の大きさの拡散板を使用し、
よって、再生時には、上記拡散板の大きさに対応する像焦点ゾーンが得られることを特徴とする、
請求項1乃至請求項8のうちのいずれか一つに記載の多視点表示装置である。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下において、添付の図面を参照しつつ本発明に係る好適な実施の形態を説明する。
【0025】
≪第1の実施の形態≫
(1)単一記録多重再生多視点表示装置
図1及び図2において、本発明の第1の実施の形態に係る単一記録多重再生ホログラムスクリーン2の概略の斜視図を示す。
【0026】
第1の実施の形態においては、1回記録したホログラムスクリーン2(単一物焦点、単一像焦点を有する体積ホログラムのスクリーン)に対し、ホログラムスクリーンの3次元空間でのブラッグ条件(下記参照)を満足するように複数プロジェクタを使って多数の方向から視差の異なる複数の2次元画像を重畳投影(ホログラムスクリーンとしては多重再生)する。ホログラムスクリーン2を観察する位置の移動によって、ホログラムスクリーン2に重畳投影される視差画像群の内からそれぞれ特定の視差画像のみが選択的に見えるようにする。ここでは、ホログラムスクリーン2の回折により生じる再生光の指向性を利用している。このようにすれば、特殊な専用メガネを用いない多視点の立体映像表示が可能になる。
【0027】
よく知られているように、上記のブラッグ条件は一般に以下の式で表される。
【数1】
ここで、θはブラッグ角、λは光の波長、nはホログラムスクリーンの屈折率、Λは干渉縞層間隔を表す。
【0028】
図3に示すように、第1の実施の形態に係る単一記録多重再生ホログラムスクリーン2によれば、干渉縞面層14の方向がすべて同方向に揃っている。よって、クロストークを生じることが無く、更に単一記録なので回折効率の低下もない。
【0029】
図1及び図2を利用して、図13及び図14と同様の2視点のホログラムスクリーン2の形成を説明する。まず記録時には、1回だけ物体光8と参照光10とを矢印の方向に向けてホログラム記録材料12に照射する。現像処理すると干渉縞面層14が形成される。
【0030】
ホログラム記録材料12としては、銀塩感光材やフォトポリマが用いられ得る。
【0031】
上記のように記録されたホログラムスクリーン2では、参照光10と共役の方向からの照明光4により、物体光8と共役な方向に再生光6を生じる(図2)。ここで(図2)、ホログラム中心18のブラッグ角θを維持するように、共役照明光4と共役再生光6を含む共役再生2光束光軸共有断面20を回転させると、照明光4に対して方向4−1や4−2が、再生光6に対して方向6−1や6−2が得られる。このように、ホログラム中心18を含む干渉縞面にてホログラム中心18を通り干渉縞面に垂直な格子ベクトル22を軸にして、ブラッグ角θを維持しつつ共役照明光4と共役再生光6とを回転すると、共通ブラッグ角円錐24の円錐面が形成される。ここで格子ベクトル22は、干渉縞面の方向を示す単位法線ベクトルである。
【0032】
上記の方向4−1や4−2から2つの照明光(4−1、4−2)をホログラムスクリーン2に投影すると、再生光(6−1、6−2)を生じる。2つの再生光(6−1、6−2)は、夫々の像焦点16−1、16−2で、例えば、観察者の左右の目に別々に到達する。この時、照明光(4−1、4−2)として2台のプロジェクタから視差の異なる映像を供給すれば、左右の目に夫々が提供されるので、観察者は2つの視差画像を融像して立体像を認識できる。
【0033】
上記と同様に、共通ブラッグ角円錐面24に沿って、照明光4の方向を任意の数だけ増やせば、それに対応して任意の数の再生光6が生成される。よって、任意の視点数の多視点表示が可能になる。図3に、共通ブラッグ角円錐面24に沿って照明光4の数を増やした(図では5個)場合の、再生光6の生成方向の例の模式図を示す。
【0034】
ところで、ホログラムスクリーンを体積ホログラムとするために、ホログラムスクリーン中心18と物焦点を結ぶ照明光の光軸と、ホログラムスクリーンと像焦点を結ぶ再生光の光軸の2つの光軸との交差角(ホログラムスクリーン内部ではブラッグ角θの2倍に相当)を、マグヌッソン・ゲイロード(Magnusson and Gayload)の判定式、
【数2】
Q’=Q/cos(θ)=(2πλt)/{nΛ2cos(θ)}>10
を満たすように、一定の値よりも大きくする。なお、
θ;ホログラムスクリーン内部のブラッグ角
π;円周率
λ:光の波長
t;ホログラムスクリーンの厚さ
n;ホログラムスクリーンの屈折率
Λ;ホログラムの干渉縞層面の間隔
を意味する。
【0035】
ホログラムが体積ホログラムであれば、照明光のプロジェクタと再生光の観察者とが、ホログラムスクリーンの反対側に配置される透過型ホログラムでもよく、照明光のプロジェクタと再生光の観察者とが、ホログラムスクリーンの同じ側に配置される反射型ホログラムでもよい。
【0036】
≪第2の実施の形態≫
(2)マルチパネル大画面化
図4は、本発明の第2の実施の形態に係るマルチパネル形式多視点表示装置26の概略斜視図である。共通ブラッグ角円錐面24に沿う多視点表示が可能である第1の実施の形態に係る単一記録多重再生ホログラムスクリーン2を、4枚マルチパネル形式で配置している。ここでは、3台のプロジェクタで照明する場合(従って、3視点の場合)を示している。
【0037】
図4から明らかなように、共通ブラッグ角円錐24の形及び向きは、各要素ホログラムスクリーン2毎に異なるが、いずれの要素ホログラムスクリーン2の物焦点(図では、15−0、15−1、15−2)、像焦点(図では、16−0、16−1、16−2)もすべて一致しているところに特徴がある。
【0038】
このようにすれば、4枚の要素ホログラムスクリーン2が、全体として1枚の大型ホログラムスクリーンの機能を実現できるようになり、例えば、等身大の多視点表示ホログラムスクリーンも製作可能である。要素ホログラムスクリーン2のサイズと個数は任意であり、プロジェクタの投影サイズ拡大が可能ならば、任意のサイズのマルチパネル形式の多視点表示装置26が製作可能である。
【0039】
例えば、縦横1m×1mの大型ホログラムスクリーンを構成する場合、各要素ホログラムスクリーンサイズが縦横1mm×1mmであってそれら計100万個で構成してもよい。また、各要素ホログラムスクリーンサイズが縦横10cm×10cmであってそれら計100個で構成してもよく、結局同じ機能が実現される。但し、一般的傾向として、要素ホログラムスクリーンサイズが小さい程、ホログラムの収差が小さくなり回折効率が高く鮮明な映像が得られるが、要素数が増えるためホログラム記録時間が長くなる。
【0040】
≪第3の実施の形態≫
(3)単一波長レーザ・カラー記録ホログラム
図5は、本発明の第3の実施の形態に係る単一波長レーザ・カラー記録ホログラム(スクリーン)の仕組みを示す模式図である。上記第1の実施の形態と同様に、ホログラム記録材料、即ちホログラムスクリーンの材料として、銀塩感光材やフォトポリマが用いられ得る。
【0041】
第3の実施の形態に係る単一波長レーザ・カラー記録多視点表示装置1では、記録時に単一の波長の光を用いるが、再生時には異なる波長の光を再生し得る。
【0042】
つまり、体積ホログラムのブラッグ条件式を利用し、以下の(記録時ブラッグ角が異なる)3回の撮影条件式により3回多重記録して、3色(各色の波長はλc1、λc2、λc3)再生のカラーホログラムスクリーンを製作することができる。
【数3】
sin(Θr1)/λr=±sin(Θc)/λc1=1/(2nΛ1) (A)
sin(Θr2)/λr=±sin(Θc)/λc2=1/(2nΛ2) (B)
sin(Θr3)/λr=±sin(Θc)/λc3=1/(2nΛ3) (C)
【0043】
ここで、Θr(Θr1、Θr2、Θr3)は、記録時のブラッグ角で、Θcは、再生時のブラッグ角である。λrは、記録時の光の波長で、λc(λc1、λc2、λc3)は、再生時の光の波長である。Λ(Λ1、Λ2、Λ3)は、干渉縞層面14の間隔である。体積ホログラム2内には、λc1に係る第1の干渉縞面層、λc2に係る第2の干渉縞面層、及びλc3に係る第3の干渉縞面層の、都合3種類の干渉縞層面が形成される。nはホログラムスクリーンの屈折率を示す。
【0044】
ここで、上記3種類の干渉縞層面の方向が揃い、且つ再生時の物焦点と像焦点の位置が3色(λc1、λc2、λc3)とも一致するように、上記の3回のホログラムスクリーンの撮影記録を通じて、全ての格子ベクトルの方向を同じにする。
【0045】
(数3)の式において、3色に対応して変化しているのは、記録時のブラッグ角Θr(即ち、Θr1、Θr2、及びΘr3) 、干渉縞層面の間隔Λ(即ち、Λ1、Λ2、及びΛ3)、再生時の光の波長λc(即ち、λc1、λc2、及びλc3)である。つまり、記録時に光の波長λrを固定し一方でブラッグ角をΘr1、Θr2、Θr3と変化させれば、再生時には同じブラッグ角Θcの方向で異なる波長λc1、λc2、λc3の光が再生できることになる。このことは、記録時にブラッグ角Θrを再生時のブラッグ角Θcに一致させた状態で、異なる波長λc1、λc2、λc3の光(具体的には別々のレーザー光)で3回多重記録するのと同じ効果が得られることを示す。
【0046】
具体的には、図5に示す構成において、記録時にブラッグ角円錐24の余角であるブラッグ角を変化させる。つまり、再生光の波長を変えるにはブラッグ角円錐24の「傘の開き具合」を変えるようにすればよいことになる。例えば、プロジェクタ15−1の物焦点から、波長λrの光をブラッグ角Θr1で干渉縞層面14に対してブラッグ角円錐面24に沿って入射させた時に、ブラッグ角円錐面24に沿ってブラッグ角Θr1で波長λrの再生光を回折させて、像焦点16−1に集光させるように、波長λrの光を用いて干渉縞間隔Λ1の干渉縞層面14を記録したとする。しかし、再生時において、干渉縞間隔Λ1の干渉縞層面14に対して、プロジェクタ15−2の物焦点から、波長λc1の光(あるいは波長λc1の色を含む光)をブラッグ角Θcでブラッグ角円錐面24’に沿って入射させれば、ブラッグ角円錐面24’に沿ってブラッグ角Θcで波長λc1の再生光を回折させて、像焦点16−2に集光させることも可能になる。このようにすれば、共役再生2光束光軸共有断面20内において、同一の干渉縞間隔Λ1の干渉縞層面14に対して、記録時の波長λrを再生時の波長λc1に変更することができる。さらに、このように記録された干渉縞間隔Λ1の干渉縞層面14に対して、共役再生2光束光軸共有断面20を、格子ベクトル22を軸にして任意の方向に回転すれば、再生時のブラッグ角円錐面24’の面上で、再生波長λc1に対応するプロジェクタの位置(物焦点)と観察位置(像焦点)の対が必ず一組存在する。同様に(数3)の式に基づいて、再生波長λc1、λc2、λc3にそれぞれ対応する干渉縞間隔Λ1、Λ2、Λ3の干渉縞層面14を、格子ベクトル22が一致するようにホログラム記録材料12に記録すれば、共役再生2光束光軸共有断面20を、格子ベクトル22を軸にして任意の方向に回転すると、ブラッグ角円錐面24’の面上で、3つの波長λc1、λc2、λc3に対応する共通のプロジェクタ位置(共通物焦点)と共通の観察位置(共通像焦点)の対が必ず一組存在するようにできる。つまり、このように記録した多色ホログラムスクリーンを用いれば、図3の構成において、3つの波長λc1、λc2、λc3を含む任意の数のカラー照明光4を用いて、それに対応して3つの波長λc1、λc2、λc3を含む任意の数のカラー再生光6を生成することができる。
【0047】
≪第4の実施の形態≫
(4)2枚組合せホログラムスクリーンにより集光位置を柔軟に変更
図6は、本発明の第4の実施の形態に係る2枚組合せホログラムスクリーンによる多視点表示装置27の概略斜視図である。共通ブラッグ角円錐面24に沿う多視点表示が可能である第1の実施の形態に係る単一記録多重再生ホログラムスクリーン2を、2枚重ねの組合せスクリーン(2−1、2−2)として配置している。ここでは、2台のプロジェクタ(15−1、15−2)で照明する場合(即ち、2視点の場合)を示している。
【0048】
図6では、模式的な図解のために2枚のホログラムスクリーン(2−1、2−2)の間が離れているが、実際は密接している。通常は、ホログラム記録材料の厚みは数ミクロンのオーダーで、これを担持するためのガラス基板の厚みは2〜3ミリである。2枚重ねでせいぜい数ミリのオーダーは、ホログラムスクリーンからの照明光距離あるいは観察距離の50cm〜5mに比較すれば、無視しうる厚みである。従って、3つの共通ブラッグ角円錐面(24−0、24−1、24−2)の頂点は数ミリ程度のオーダーで近接していて、いずれもそれぞれのホログラムスクリーン2−1と2−2の中心近傍に存在すると見なして支障ない。とりわけ、ホログラムスクリーン2−2の2つの共通ブラッグ角円錐面(24−1、24−2)は近接しているので、それぞれの格子ベクトルの方向は等しく、ブラッグ角の大きさも等しいと考えてよい。
【0049】
図6において、2台のプロジェクタ(15−1、15−2)から、視差の異なる2次元画像が、プロジェクタからの光軸が第1のホログラムスクリーン2−1の中心に向かうように重畳投影される。第1のホログラムスクリーン2−1の中心部における共通ブラッグ角円錐面24−0に沿って入射された2つの照明光は、照明光の入射方向に応じて同じく共通ブラッグ角円錐面24−0に沿う方向に2つの再生光を生成する。第1のホログラムスクリーン2−1の2つの再生光は第2のホログラムスクリーン2−2に対する2つの照明光となる。第2のホログラムスクリーン2−2に対する2つの照明光は、それぞれ第2のホログラムスクリーン2−2の中心近傍の共通ブラッグ角円錐面24−1と24−2に沿って入射される。共通ブラッグ角円錐面24−1に沿う方向の照明光は、同じく共通ブラッグ角円錐面24−1に沿う方向に再生光を生成し、像焦点16−1に集光する。共通ブラッグ角円錐面24−2に沿う方向の照明光は、同じく共通ブラッグ角円錐面24−2に沿う方向に再生光を生成し、像焦点16−2に集光する。このようにすると、2つの像焦点16−1と16−2において左右の視差画像が観察できて立体視可能になる。
【0050】
本実施の形態の特徴は、2枚のホログラムスクリーン(2−1、2−2)により、2回の回折を受けるので、2台のプロジェクタ(15−1、15−2)の光軸の方向からの影響を少なくして、第2のホログラムスクリーン2−2からの再生光の光軸の方向すなわち観察位置が柔軟に変更できるというメリットがある。ホログラムスクリーン2が体積ホログラムとなるために、上記のマグヌッソン・ゲイロードの判定式を満足するようにするには、ブラッグ角の大きさに範囲制限が付く。よって、上述の第1の実施の形態においては、ホログラムスクリーン2に対する照明光の角度や再生光の角度に制約が伴う。本実施の形態によれば、照明光の角度や再生光の角度の制約が緩和されるので、装置のレイアウトや観察位置の柔軟な変更が可能になる。
【0051】
なお、本実施の形態においては、2枚のホログラムスクリーンによる回折効率を高めるには、共通ブラッグ角円錐面24−0の再生光の方向と共通ブラッグ角円錐面(24−1、24−2)の照明光の方向を一致させるように、2枚のホログラムスクリーン(2−1、2−2)を製作することが重要である。
【0052】
≪第5の実施の形態≫
(5)再生光集光点となる像焦点のゾーン拡大
ホログラムスクリーン記録時の物体光源を点光源にすると、再生時の再生光集光点である像焦点が、3次元空間内で1点のみとなってしまう。そうすると、観察時に像焦点の位置を探すのが難しくなり、結局立体視が困難になる。
【0053】
本発明に係る第5の実施の形態の多視点表示装置1では、記録時の物体光源として有限サイズの拡散板を利用する。例えば、記録時の板状物体光源として縦横10cm×5cmの拡散板を使用すると、再生時にはその拡散板の大きさに等しい像焦点ゾーン(縦横10cm×5cm)が、観察可能エリアとして3次元空間内に形成される。この第5の実施の形態の多視点表示装置1を利用することで、特殊な専用メガネ無しの立体視がより容易になる。
【0054】
なお、物体光源として用いる拡散板の横幅サイズが観察者の両眼距離よりも大きくなると、視差が異ならない画像が両目に提示される場合が生じる得る。よって、上記の拡散板の横幅サイズは、成人の平均的な眼間距離(例えば、約6.5cm)よりも相当分短くしておく(例えば、5cm以下にしておく)のが好ましい。
【0055】
≪実証例≫
以下、本発明に係る多視点表示装置1に関して試行を幾つか行なったので、紹介する。
【0056】
(1)装置の実施例
図12に示す従来技術に類似させて4視点とし、更にホログラムスクリーン2を図4の装置のように4枚のマルチパネル形式とした、多視点表示装置に関して試作及び実証を行った。
【0057】
ここで、各要素ホログラムスクリーン2のサイズは、縦横20cm×25cmであり、ホログラムスクリーン全体のサイズは、縦横40cm×50cmであった。物焦点は、ホログラムスクリーンの後面45°下方2.5mの距離、像焦点は、ホログラムスクリーンの前面法線方向1mの距離であった。
【0058】
(2)回折効率の測定例
図7は、照明光が仰角45°方向であるとき、再生光がホログラム面の法線方向となるように製作されたホログラムスクリーンに対して、照明光の仰角と水平方向の経度とを変化させた場合の回折効率を測定した結果を示す。
【0059】
グラフの横軸が照明光の仰角を、縦軸が回折効率を示す。多数の(上に凸な)曲線の夫々は、同一経度上(で照明光の仰角を変化させたとき)の回折効率の変化を示す。いずれの経度の場合も、仰角45°近辺に極大値が存在する。経度の変化に従って極大点を結ぶと、図の下向き凸の鞍部状の曲線(「回折効率極大点の軌跡」)となっている。鞍部状の曲線の極小値点は、経度0°の極大点である。この経度0°の極大点が仰角45°から2〜3°ずれているのは、観測装置の取り付けずれが理由である。
【0060】
このように、照明光仰角がほぼ一定の状態で経度線を移動しても回折効率が低下しないことは、3次元空間内の共通ブラッグ角円錐面上で照明光、再生光を変化させても、ブラッグ条件を常に満足していることを立証している。
【0061】
(3)多視点化による照明光の物焦点と再生光の像焦点の空間座標変化
図8は多視点化による照明光の物焦点の空間座標変化を表し、図9は多視点化による再生光の像焦点の空間座標変化を表した例である。
【0062】
それぞれ、照明光仰角を30°、45°、60°とした場合についての例を示す。ホログラムスクリーン中心から照明光の物焦点の距離は2m、再生光の像焦点の距離は1mである。グラフの横軸は、格子ベクトルを軸に照明光あるいは再生光を、片方向に共通ブラッグ角円錐面上で変化(変位)させた場合の回転角ωを表す。
【0063】
グラフの縦軸は、(a)x座標では、ホログラム面に平行な鉛直方向の座標(変化)である。(b)y座標では、ホログラム面に平行な水平方向の座標(変化)である。(c)z座標では、ホログラム面に対して法線方向の座標(変化)である。
【0064】
回転角ωとy座標の変化とは、照明光と再生光のいずれにおいても、略、比例関係にある。更に、プロジェクタの横方向間隔と観察者の観測可能位置の横方向間隔との関係がほぼ2:1になっていることもわかる。これは物焦点距離と像焦点距離の比率に比例している。
【0065】
とりわけ、図9の再生光の(a)x座標の変化が小さいことから、観察者の観察可能位置の高さは、横方向に変化してもあまり影響を受けないことがわかる。また、図9の再生光の(c)z座標の変化から、像焦点が周辺部(回転角16°付近)では10cm程度ホログラムスクリーンに接近することになるが、この「10cm程度」というのは、観察者が同じ場所に立って身体を傾けたり、首を振ったりして得られる位置の移動の範囲内と考えられるため、実際に問題とすべきほどに大きな変化量ではない。
【0066】
(4)大画面化による照明光の物焦点と再生光の像焦点の空間座標変化
図10は大画面化による照明光の物焦点の空間座標変化を表し、図11は大画面化による再生光の像焦点の空間座標変化を表した例である。
【0067】
それぞれ、照明光仰角を45°とした。ホログラムスクリーン中心から照明光の物焦点の距離は2m、ホログラムスクリーン中心から再生光の像焦点の距離は1mである。各図では、ホログラムスクリーンの中央、左右20cm、左右40cmそれぞれの位置からの物焦点の座標の変化、像焦点の座標の変化を示す。グラフの横軸は、格子ベクトルを軸に照明光あるいは再生光を、片方向にブラッグ角円錐面上で変化(変位)させた場合の回転角ωを表す。
【0068】
グラフの縦軸は、(a)x座標では、ホログラム面に平行な鉛直方向の座標(変化)である。(b)y座標では、ホログラム面に平行な水平方向の座標(変化)である。(c)z座標では、ホログラム面に対して法線方向の座標(変化)である。
【0069】
再生光のy座標に関しては、ホログラムスクリーンの左右20cmの位置では回転角16°でも中央部との差は略4cmである。即ち、人間の左右の眼間距離の平均値6.5cmの範囲に収まっており、依然立体視が可能である。ホログラムスクリーンの左右40cmの位置では回転角が10°になると中央部との差が6cmに達しており、ほぼ立体視の限界である。回転角10°は、図9によれば観察位置を30cm横にずらせた場合に相当し、左右40cmすなわち80cm幅のホログラムスクリーンでは、観察位置の横移動は60cm幅が限界となる。なお、回転角16°は図9から50cm弱に相当し、左右20cmすなわち40cm幅のホログラムスクリーンでは、左右50cm弱すなわち1m弱の幅まで観察位置を横移動しても立体視に支障が無い。
【0070】
再生光のx座標の変化量から、像焦点を拡大するための拡散板の縦方向サイズは、上下20cmすなわち40cmの長さが必要となる。再生光のz座標の変化量は左右40cm幅では、回転角10°では両端で20cmの差に達するが、同時に照明光側の物焦点が逆方向に40cmの差が生じている。この差の変化を吸収できるように、角度選択性の範囲が大体10°なので、物焦点と像焦点のz座標を補正することが可能である。ただし、ホログラムスクリーンの周辺部の回折効率が低下するのはやむを得ないと思われる。
【0071】
【発明の効果】
以上の説明から明白なように、本発明を利用することにより以下のような効果を得ることができる。
【0072】
従来、立体表示装置で必要とされることが多かった立体視専用の特殊メガネが、不要である。
【0073】
プロジェクタ台数の追加により視点数を増加させることが容易である。このとき、ホログラムスクリーン側の変更は必要ない。それら複数視点においてはブラッグ条件を常に満たしているので、どの方向(視点)から見ても画面が明るい。
【0074】
本発明は原画投影方式なので、視点数を増やしても画素分配型の多視点表示スクリーンのように画像解像度が低下することが無い。
【0075】
パネル数の増加により画面サイズを拡張することが容易である。
【0076】
ホログラムスクリーンを、2枚重ねの組合せスクリーンとして配置することにより、照明光の角度や再生光の角度の制約が緩和され、装置のレイアウトや観察位置の柔軟な変更が可能になる。
【0077】
本発明では、透視可能なホログラムスクリーンを用いているので、現実環境との複合表示も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る単一記録多重再生ホログラムスクリーンの概略の斜視図(1)である。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係る単一記録多重再生ホログラムスクリーンの概略の斜視図(2)である。
【図3】本発明の第1の実施の形態に係る単一記録多重再生ホログラムスクリーンにおいて、共通ブラッグ角円錐面に沿って照明光の数を増やした場合の、再生光の生成方向の例の模式図である。
【図4】本発明の第2の実施の形態に係るマルチパネル形式多視点表示装置の概略の斜視図である。
【図5】本発明の第3の実施の形態に係る単一波長レーザ・カラー記録ホログラム(スクリーン)の仕組みを示す模式図である。
【図6】本発明の第4の実施の形態に係る2枚組合せホログラムスクリーンによる多視点表示装置の概略斜視図である。
【図7】照明光が仰角45°方向であるとき、再生光がホログラム面の法線方向となるように製作された、本発明に係るホログラムスクリーンの一つの実証例において、照明光の仰角と水平方向の経度とを変化させた場合の回折効率を測定して、その結果を示すグラフである。
【図8】本発明に係るホログラムスクリーンの一つの実証例において、多視点化による照明光の物焦点の空間座標変化を表すグラフである。
【図9】本発明に係るホログラムスクリーンの一つの実証例において、多視点化による再生光の像焦点の空間座標変化を表すグラフである。
【図10】本発明に係るホログラムスクリーンの一つの実証例において、大画面化による照明光の物焦点の空間座標変化を表すグラフである。
【図11】本発明に係るホログラムスクリーンの一つの実証例において、大画面化による再生光の像焦点の空間座標変化を表すグラフである。
【図12】従来技術である、ホログラムスクリーンの回折による再生光の指向性コントロール機能を利用した多視点立体表示の多視点表示装置の構成である。
【図13】図12の従来技術の構成で利用される多視点表示用ホログラムスクリーンの概略の斜視図(1)である。
【図14】図12の従来技術の構成で利用される多視点表示用ホログラムスクリーンの概略の斜視図(2)である。
【図15】図12の従来技術の構成で利用される多視点表示用ホログラムスクリーンの概略の斜視図(3)である。
【符号の説明】
1、1’・・・多視点表示装置、2・・・ホログラムスクリーン、4・・・照明光、6・・・再生光、8・・・物体光、10・・・参照光、12・・・ホログラム記録材料、14・・・干渉縞面層、15・・・物焦点、16・・・像焦点、18・・・ホログラム中心、20・・・共役再生2光束光軸共有断面、22・・・格子ベクトル、24・・・共通ブラッグ角円錐、26・・・マルチパネル形式多視点表示装置、27・・・2枚組合せホログラムスクリーンによる多視点表示装置。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a hologram screen for multi-view display and a multi-view display device using the same.
[0002]
[Prior art]
A multi-viewpoint display device 1 'for multi-viewpoint stereoscopic display using special directional glasses and utilizing a directivity control function of reproduction light by diffraction of the
[0003]
In the configuration of FIG. 12, two-dimensional images having different parallaxes are projected onto the
[0004]
In order to manufacture the
[0005]
Therefore, when the
[0006]
In FIG. 13, one interference fringe surface (14-1) is shown (for convenience), but in actuality, as shown in FIG. 15, the interference fringe surface layer (14-1) is literally composed of a plurality of surfaces. A "layer".
[0007]
The irradiation direction is changed once again, and the
[0008]
As shown in FIG. 14, when the two illuminating lights 4-1 and 4-2 are illuminated on the
[0009]
If the number of pairs of the
[0010]
However, since the following two important obstacle factors ((1) and (2)) actually exist, it is impossible to manufacture the multi-viewpoint
[0011]
(1) Generation of crosstalk
First, there is a problem of occurrence of crosstalk due to multiplex recording. The distance between the human eyes is about 6.5 cm on average, but the distance of 6.5 cm from the screen 1 m away is only 4 °. However, in a volume hologram, diffraction occurs even if it is slightly deviated from the direction of the Bragg angle within the range of angle selectivity. Since the width of the angle selectivity is at least about 10 °, the
[0012]
In order to set the reproduction condition of the adjacent reproduction light to be equal to or more than the width of the angle selectivity, a measure to increase the angular interval of the reference light (conjugate illumination light at the time of reproduction) can be considered. However, in this case, the recording multiplicity decreases, and the number of multi-viewpoints cannot be increased.
[0013]
(2) Reduction of diffraction efficiency of incoherent duplicate recording
The multiplex recording of the above-mentioned method is called incoherent overlapping recording, and the intensity of the diffraction reproduction light decreases in inverse proportion to the square of the overlapping number. That is, the efficiency is reduced to 1/4 in the case of two viewpoints, and reduced to 1/16 in the case of four viewpoints. In FIG. 13 as well, since the directions of the two interference fringe surface layers 14-1 and 14-2 are different, mutual destruction of the interference fringe surface layers and generation of scattered light inside are expected, and abruptly accompanying an increase in the number of viewpoints. It is understood that the diffraction efficiency is greatly reduced.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a hologram screen for multi-view display in which crosstalk does not occur and the diffraction efficiency of incoherent overlapping recording does not decrease, and a multi-view display device using the same.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made to achieve the above object. The multi-view display device according to
A multi-viewpoint display device including a hologram screen, which is a volume hologram having a single object focus and a single image focus, which is developed by irradiating the hologram recording material with object light and reference light only once. In the multi-view display device,
In order to satisfy the Bragg condition in the three-dimensional space of the hologram screen, a plurality of two-dimensional images having different parallaxes are superimposed and projected on the hologram screen surface from different directions using a plurality of projectors,
The plurality of two-dimensional images are multiplexed and reproduced on the hologram screen,
Utilizing the directivity of the reproduction light generated by the diffraction of the hologram screen, the parallax image group multiplexed and reproduced on the hologram screen corresponding to the positions of the left and right eyes of the observer observing the hologram screen. It is set that only a specific parallax image is recognized from the inside.
[0016]
The multi-view display device according to
A plurality of element hologram screens, which are volume holograms having a single object focus and a single image focus, which are developed by irradiating the hologram recording material only once with object light and reference light, are arranged in a multi-panel shape. ,
In this arrangement, the object focal point of the element hologram screen, that is, the light source position in the three-dimensional space of the illumination light, and the image focus, that is, the condensing position of the reproduction light in the three-dimensional space, match for each element hologram screen. As a result, as a result, the entire multi-panel shape hologram screen was made to be equivalent to a single object focus, a single image focus single hologram screen,
The entire multi-panel hologram screen is used in place of a single hologram screen,
A multi-view display device according to
[0017]
The multi-view display device according to claim 3 according to the present invention,
At the time of recording, the wavelengths of the object light and the reference light are fixed with respect to the center of the hologram recording material, and the Bragg angle of each light is changed up to a predetermined number of times. Irradiate and record the hologram recording material with the object light and the reference light so that they all match,
Alternatively, with respect to the center of the hologram recording material, the wavelength of each light is changed up to a predetermined number of times while keeping the Bragg angles of the object light and the reference light constant. Irradiate and record the hologram recording material with the object light and the reference light so that they match,
At the time of reproduction, under the condition of one Bragg angle, the object focal points and the image focal points for light of a predetermined number of different colors coincide with each other, and the above-mentioned predetermined number of different colors from the object focal point are used as components. Forming a multicolor hologram screen having a single common object focal point and a single common image focal point so as to focus the reproduction light including the predetermined number of different colors in the image focal point at the image focal point. hand,
The above multicolor hologram screen,
Used as an alternative to a hologram screen, which is a volume hologram that irradiates the hologram recording material with object light and reference light and develops it.
A multi-view display device according to
[0018]
The multi-view display device according to
At the time of recording, the wavelengths of the object light and the reference light are fixed with respect to the center of the hologram recording material, and the Bragg angle of each light is changed up to a predetermined number of times. Irradiate and record the hologram recording material with the object light and the reference light so that they all match,
Alternatively, with respect to the center of the hologram recording material, the wavelength of each light is changed up to a predetermined number of times while keeping the Bragg angles of the object light and the reference light constant. Irradiate and record the hologram recording material with the object light and the reference light so that they match,
At the time of reproduction, under the condition of one Bragg angle, the object focal points and the image focal points for light of a predetermined number of different colors coincide with each other, and the above-mentioned predetermined number of different colors from the object focal point are used as components. Forming a multicolor element hologram screen having a single common object focal point and a single common image focal point, wherein the reproduction light including the predetermined number of different colors in the components is focused on the image focal point. do it,
Using the multicolor element hologram screen as an alternative to the element hologram screen,
A multi-view display device according to
[0019]
The multi-view display device according to
A combination hologram in which the two hologram screens are stacked to form a single object focus and a single image focus as a set of two hologram screens, and the positions of the object focus and the image focus are different from each hologram screen. Form the screen,
Using the combination hologram screen as a substitute for the hologram screen,
A multi-view display device according to
[0020]
The multi-view display device according to
The two element hologram screens are stacked to form a single object focal point and a single image focal point as a set of two, and the positions of the object focal point and the image focal point are different from those of each element hologram screen. Form a combination element hologram screen,
Using the combination element hologram screen as an alternative to the element hologram screen,
A multi-view display device according to
[0021]
The multi-view display device according to claim 7 according to the present invention,
The two multicolor hologram screens are stacked to form a single common object focus and a single common image focus as a set of two, and each single multicolor hologram screen is a single common object focus and a single common focus. Form a combined multicolor hologram screen with different common image focus positions,
Using the combination multicolor hologram screen as an alternative to the multicolor hologram screen,
A multi-viewpoint display device according to claim 3.
[0022]
The multi-view display device according to
The two multicolor element hologram screens are stacked to form a single common object focus and a single common image focus as a set of two, and each single multicolor element hologram screen is a single common object focus. Form a combined multicolor element hologram screen with a single common image focus position different,
Using the combination multicolor element hologram screen as an alternative to the multicolor element hologram screen,
A multi-view display device according to
[0023]
The multi-view display device according to claim 9 according to the present invention,
At the time of recording, using a diffuser of a predetermined size as an object light source,
Therefore, at the time of reproduction, an image focal zone corresponding to the size of the diffusion plate is obtained.
A multi-view display device according to any one of
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0025]
<< 1st Embodiment >>
(1) Single-record multiple-play multi-view display device
FIGS. 1 and 2 show schematic perspective views of a single-recording-multiplex-
[0026]
In the first embodiment, the Bragg condition in the three-dimensional space of the hologram screen in the hologram screen 2 (screen of a volume hologram having a single object focus and a single image focus) recorded once (see below). Are superimposed and projected (multiple reproduction as a hologram screen) using a plurality of projectors to superimpose a plurality of two-dimensional images having different parallaxes from many directions. By moving the position where the
[0027]
As is well known, the above Bragg condition is generally expressed by the following equation.
(Equation 1)
Here, θ is the Bragg angle, λ is the light wavelength, n is the refractive index of the hologram screen, and Λ is the interference fringe layer interval.
[0028]
As shown in FIG. 3, according to the single recording / multiplex
[0029]
The formation of the two-
[0030]
As the
[0031]
In the
[0032]
When the two illumination lights (4-1, 4-2) are projected onto the
[0033]
Similarly to the above, if the direction of the
[0034]
By the way, in order to make the hologram screen a volume hologram, the intersection angle between the two optical axes of the illumination light that connects the center of the hologram screen to the object and the reproduction light that connects the hologram screen and the image focus ( The inside of the hologram screen is equivalent to twice the Bragg angle θ) by the Magnusson and Gayload determination formula,
(Equation 2)
Q ′ = Q / cos (θ) = (2πλt) / {n} 2 cos (θ)}> 10
Is larger than a certain value so that In addition,
θ: Bragg angle inside hologram screen
π: Pi
λ: wavelength of light
t: hologram screen thickness
n: Refractive index of hologram screen
Λ; hologram interference fringe layer spacing
Means
[0035]
If the hologram is a volume hologram, the illumination light projector and the observer of the reproduction light may be a transmission hologram arranged on the opposite side of the hologram screen. It may be a reflection hologram arranged on the same side of the screen.
[0036]
<< 2nd Embodiment >>
(2) Multi-panel large screen
FIG. 4 is a schematic perspective view of a multi-panel multi-view display device 26 according to the second embodiment of the present invention. The single-recording-multiplex-
[0037]
As is clear from FIG. 4, the shape and orientation of the common
[0038]
In this way, the four
[0039]
For example, when forming a large hologram screen of 1 m × 1 m in length and width, the size of each element hologram screen is 1 mm × 1 mm in length and 1 million in total. Further, each element hologram screen size is 10 cm × 10 cm in length and width, and may be constituted by a total of 100 pieces, and the same function is eventually realized. However, as a general tendency, the smaller the element hologram screen size, the smaller the hologram aberration and the higher the diffraction efficiency, and a clearer image can be obtained. However, the hologram recording time becomes longer because the number of elements increases.
[0040]
<< 3rd Embodiment >>
(3) Single wavelength laser color recording hologram
FIG. 5 is a schematic diagram showing a mechanism of a single wavelength laser color recording hologram (screen) according to the third embodiment of the present invention. As in the first embodiment, a silver salt photosensitive material or a photopolymer can be used as the hologram recording material, that is, the material of the hologram screen.
[0041]
In the single-wavelength laser color recording
[0042]
In other words, using the Bragg conditional expression of the volume hologram, multiplex recording is performed three times by the following three imaging conditional expressions (the Bragg angle during recording is different), and three colors (the wavelength of each color is λc 1 , Λc 2 ,
[Equation 3]
sin (Θr 1 ) / Λr = ± sin (Θc) / λc 1 = 1 / (2nΛ 1 (A)
sin (Θr 2 ) / Λr = ± sin (Θc) / λc 2 = 1 / (2nΛ 2 (B)
sin (Θr 3 ) / Λr = ± sin (Θc) / λc 3 = 1 / (2nΛ 3 ) (C)
[0043]
Here, Θr (Θr 1 , Θr 2 , Θr 3 ) Is the Bragg angle during recording, and Δc is the Bragg angle during reproduction. λr is the wavelength of light at the time of recording, and λc (λc 1 , Λc 2 , Λc 3 ) Is the wavelength of light at the time of reproduction. Λ (Λ 1 , Λ 2 , Λ 3 ) Is the interval between the interference fringe layer surfaces 14. In the
[0044]
Here, the directions of the three types of interference fringe layer surfaces are aligned, and the positions of the object focal point and the image focal point during reproduction are three colors (λc 1 , Λc 2 , Λc 3 ), The directions of all the lattice vectors are made the same through the above-mentioned three recordings of the hologram screen.
[0045]
In the equation (Equation 3), what changes corresponding to the three colors is the Bragg angle 記録 r (ie, Θr 1 , Θr 2 , And Δr 3 ), The distance between the interference fringe layer surfaces Λ (that is, Λ 1 , Λ 2 , And Λ 3 ), The wavelength λc of light during reproduction (ie, λc 1 , Λc 2 , And λc 3 ). That is, the wavelength λr of the light is fixed during recording, while the Bragg angle is set to Θr 1 , Θr 2 , Θr 3 When reproducing, different wavelengths λc in the direction of the same Bragg angle Θc during reproduction 1 , Λc 2 , Λc 3 Light can be reproduced. This means that when the Bragg angle Θr during recording matches the Bragg angle Θc during reproduction, different wavelengths λc 1 , Λc 2 , Λc 3 (Specifically, separate laser beams) can achieve the same effect as multiplexed recording three times.
[0046]
Specifically, in the configuration shown in FIG. 5, the Bragg angle, which is the complementary angle of the
[0047]
<< 4th Embodiment >>
(4) Flexible change of the focusing position using a two-piece hologram screen
FIG. 6 is a schematic perspective view of a multi-viewpoint display device 27 using a two-piece hologram screen according to the fourth embodiment of the present invention. The single recording / multiplex
[0048]
In FIG. 6, the two hologram screens (2-1, 2-2) are separated for schematic illustration, but are actually close. Normally, the thickness of the hologram recording material is on the order of several microns, and the thickness of the glass substrate for supporting it is 2 to 3 mm. The order of several millimeters at the most when two sheets are stacked is a thickness that can be ignored when compared with the illumination light distance from the hologram screen or the observation distance of 50 cm to 5 m. Therefore, the vertices of the three common Bragg angle conical surfaces (24-0, 24-1, 24-2) are close to each other on the order of several millimeters, and all of the hologram screens 2-1 and 2-2 have respective vertices. There is no problem assuming that it exists near the center. In particular, since the two common Bragg angle conical surfaces (24-1, 24-2) of the hologram screen 2-2 are close to each other, the directions of the respective lattice vectors are equal, and the magnitudes of the Bragg angles may be equal. .
[0049]
In FIG. 6, two projectors (15-1 and 15-2) are superimposed and projected from the two projectors (15-1 and 15-2) such that the optical axes from the projectors are directed to the center of the first hologram screen 2-1. You. The two illuminating lights incident along the common Bragg angle conical surface 24-0 at the center of the first hologram screen 2-1 are also changed to the common Bragg angle conical surface 24-0 according to the incident direction of the illuminating light. Two reproduction lights are generated along the directions. The two reproduction lights of the first hologram screen 2-1 become two illumination lights for the second hologram screen 2-2. The two illumination lights for the second hologram screen 2-2 are respectively incident along common Bragg angle conical surfaces 24-1 and 24-2 near the center of the second hologram screen 2-2. The illumination light in the direction along the common Bragg angle conical surface 24-1 also generates reproduction light in the direction along the common Bragg angle conical surface 24-1 and converges on the image focal point 16-1. The illumination light in the direction along the common Bragg angle conical surface 24-2 also generates reproduction light in the direction along the common Bragg angle conical surface 24-2, and is converged on the image focal point 16-2. In this way, the left and right parallax images can be observed at the two image focal points 16-1 and 16-2, and stereoscopic viewing becomes possible.
[0050]
The feature of this embodiment is that two hologram screens (2-1, 2-2) receive two diffractions, and thus the directions of the optical axes of the two projectors (15-1, 15-2). There is an advantage that the direction of the optical axis of the reproduction light from the second hologram screen 2-2, that is, the observation position can be flexibly changed by reducing the influence of the hologram screen 2-2. Since the
[0051]
In the present embodiment, in order to enhance the diffraction efficiency by the two hologram screens, the direction of the reproduction light of the common Bragg angle cone surface 24-0 and the common Bragg angle cone surfaces (24-1, 24-2) It is important to manufacture the two hologram screens (2-1, 2-2) so that the directions of the illumination light are the same.
[0052]
<< 5th Embodiment >>
(5) Enlargement of the image focal point zone that becomes the focal point of the reproduction light
If the object light source at the time of hologram screen recording is a point light source, the image focus, which is the focal point of the reproduction light at the time of reproduction, is only one point in the three-dimensional space. Then, it is difficult to find the position of the image focus at the time of observation, and eventually, it is difficult to perform stereoscopic viewing.
[0053]
In the
[0054]
If the width of the diffuser plate used as the object light source is larger than the distance between both eyes of the observer, there may be a case where an image having the same parallax is presented to both eyes. Therefore, it is preferable that the width of the diffusion plate is considerably shorter (for example, 5 cm or less) than the average interocular distance of adults (for example, about 6.5 cm).
[0055]
<< demonstration example >>
Hereinafter, several trials of the
[0056]
(1) Example of device
A prototype and demonstration were performed on a multi-view display device having four viewpoints similar to the conventional technology shown in FIG. 12 and a
[0057]
Here, the size of each
[0058]
(2) Example of measuring diffraction efficiency
FIG. 7 shows that the elevation angle of the illumination light and the longitude in the horizontal direction are changed with respect to the hologram screen manufactured such that the reproduction light is in the normal direction of the hologram surface when the illumination light is in the elevation angle of 45 °. The result of measuring the diffraction efficiency in the case of the above is shown.
[0059]
The horizontal axis of the graph indicates the elevation angle of the illumination light, and the vertical axis indicates the diffraction efficiency. Each of a number of (upwardly convex) curves indicates a change in diffraction efficiency on the same longitude (when the elevation angle of the illumination light is changed). In each case of the longitude, the local maximum value exists near the elevation angle of 45 °. When the maximum points are connected according to the change in the longitude, a saddle-shaped curve (“trajectory of the diffraction efficiency maximum point”) having a downward convex in the figure is obtained. The local minimum point of the saddle-shaped curve is the local maximum point at
[0060]
Thus, the fact that the diffraction efficiency does not decrease even if the longitude line is moved in a state where the illumination light elevation angle is almost constant can be obtained by changing the illumination light and the reproduction light on the common Bragg angle cone surface in the three-dimensional space. , Has proven that he always satisfies the Bragg condition.
[0061]
(3) Changes in spatial coordinates between object focus of illumination light and image focus of reproduction light due to multi-viewpoint
FIG. 8 shows an example of the spatial coordinate change of the object focal point of the illumination light due to the multi-viewpoint, and FIG. 9 shows an example of the spatial coordinate change of the image focal point of the reproduction light due to the multi-viewpoint.
[0062]
Examples in the case where the illumination light elevation angles are 30 °, 45 °, and 60 °, respectively, will be described. The distance of the object focus of the illumination light from the center of the hologram screen is 2 m, and the distance of the image focus of the reproduction light is 1 m. The horizontal axis of the graph represents the rotation angle ω when the illumination light or the reproduction light is changed (displaced) in one direction on the common Bragg angle cone surface around the lattice vector.
[0063]
The vertical axis of the graph indicates (a) the x-coordinate (change) in the vertical direction parallel to the hologram surface. (B) The y-coordinate is a horizontal coordinate (change) parallel to the hologram surface. (C) The z coordinate is a coordinate (change) in a direction normal to the hologram surface.
[0064]
The rotation angle ω and the change in the y-coordinate are substantially proportional to both the illumination light and the reproduction light. Further, it can be seen that the relationship between the horizontal distance between the projectors and the horizontal distance between observable positions of the observer is approximately 2: 1. This is proportional to the ratio between the object focal length and the image focal length.
[0065]
In particular, since the change in the (a) x-coordinate of the reproduction light in FIG. 9 is small, it can be seen that the height of the observable position of the observer is not significantly affected even if it changes in the horizontal direction. Also, from the change of the (c) z coordinate of the reproduction light in FIG. 9, the image focal point approaches the hologram screen by about 10 cm in the peripheral portion (around the rotation angle of 16 °). However, since it is considered to be within the range of the movement of the position obtained by the observer standing in the same place and tilting the body or shaking the head, the amount of change is not so large as to actually be a problem.
[0066]
(4) Changes in spatial coordinates between object focus of illumination light and image focus of reproduction light due to enlargement of screen
FIG. 10 shows an example of the spatial coordinate change of the object focal point of the illumination light due to the enlargement of the screen, and FIG.
[0067]
In each case, the illumination light elevation angle was 45 °. The distance from the center of the hologram screen to the object focal point of the illumination light is 2 m, and the distance from the center of the hologram screen to the image focal point of the reproduction light is 1 m. In each figure, a change in the coordinates of the object focal point and a change in the coordinates of the image focal point from the center of the hologram screen, 20 cm left and right, and 40 cm right and left are shown. The horizontal axis of the graph represents the rotation angle ω when the illumination light or the reproduction light is changed (displaced) in one direction on the Bragg angle cone surface around the lattice vector.
[0068]
The vertical axis of the graph indicates (a) the x-coordinate (change) in the vertical direction parallel to the hologram surface. (B) The y-coordinate is a horizontal coordinate (change) parallel to the hologram surface. (C) The z coordinate is a coordinate (change) in a direction normal to the hologram surface.
[0069]
Regarding the y-coordinate of the reproduction light, the difference from the center at a rotation angle of 16 ° is approximately 4 cm at a
[0070]
From the amount of change in the x-coordinate of the reproduction light, the vertical size of the diffuser for expanding the image focus needs to be 20 cm vertically, that is, 40 cm long. The amount of change in the z coordinate of the reproduction light reaches a difference of 20 cm at both ends at a rotation angle of 10 ° in a width of 40 cm left and right, but at the same time, a difference of 40 cm occurs in the object focus on the illumination light side in the opposite direction. Since the range of the angle selectivity is approximately 10 ° so as to absorb the change in the difference, it is possible to correct the z-coordinate between the object focal point and the image focal point. However, it seems unavoidable that the diffraction efficiency at the periphery of the hologram screen is reduced.
[0071]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, the following effects can be obtained by utilizing the present invention.
[0072]
Conventionally, special glasses dedicated to stereoscopic vision, which are often required in a stereoscopic display device, are not required.
[0073]
It is easy to increase the number of viewpoints by adding the number of projectors. At this time, there is no need to change the hologram screen. Since the Bragg condition is always satisfied in these multiple viewpoints, the screen is bright from any direction (viewpoint).
[0074]
Since the present invention is an original image projection system, even if the number of viewpoints is increased, the image resolution does not decrease unlike a multi-view display screen of a pixel distribution type.
[0075]
It is easy to expand the screen size by increasing the number of panels.
[0076]
By arranging the hologram screen as a combination screen in which two holograms are stacked, restrictions on the angle of the illumination light and the angle of the reproduction light are relaxed, and the layout of the apparatus and the observation position can be flexibly changed.
[0077]
In the present invention, since a hologram screen that can be seen through is used, a composite display with a real environment is also possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view (1) of a single-recording-multiplex-reproduction hologram screen according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic perspective view (2) of the single-recording-multiplex-reproduction hologram screen according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows an example of a reproduction light generation direction when the number of illumination lights is increased along a common Bragg angle conical surface in the single recording / multiplex reproduction hologram screen according to the first embodiment of the present invention. It is a schematic diagram.
FIG. 4 is a schematic perspective view of a multi-panel type multi-view display device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram showing a mechanism of a single wavelength laser color recording hologram (screen) according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic perspective view of a multi-viewpoint display device using a two-piece combination hologram screen according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 shows an example of the hologram screen according to the present invention, in which the reproduction light is made to be in the direction normal to the hologram surface when the illumination light is in the 45 ° elevation direction. It is a graph which shows the result of measuring the diffraction efficiency when changing the longitude in the horizontal direction.
FIG. 8 is a graph showing a change in spatial coordinates of an object focal point of illumination light due to multiple viewpoints in one verification example of the hologram screen according to the present invention.
FIG. 9 is a graph showing changes in the spatial coordinates of the image focus of the reproduction light due to multi-viewpoints in one verification example of the hologram screen according to the present invention.
FIG. 10 is a graph showing a change in spatial coordinates of an object focal point of illumination light due to enlargement of a screen in one demonstration example of the hologram screen according to the present invention.
FIG. 11 is a graph showing a change in the spatial coordinates of the image focus of the reproduction light due to the enlargement of the screen in one demonstration example of the hologram screen according to the present invention.
FIG. 12 shows a configuration of a conventional multi-viewpoint display apparatus for multi-viewpoint stereoscopic display using a directional control function of reproduction light by diffraction of a hologram screen.
13 is a schematic perspective view (1) of a hologram screen for multi-viewpoint display used in the configuration of the prior art shown in FIG.
14 is a schematic perspective view (2) of a hologram screen for multi-viewpoint display used in the configuration of the prior art in FIG.
15 is a schematic perspective view (3) of a multi-viewpoint display hologram screen used in the configuration of the related art in FIG.
[Explanation of symbols]
1, 1 ': multi-view display device, 2: hologram screen, 4: illumination light, 6: reproduction light, 8: object light, 10: reference light, 12 ... Hologram recording material, 14: interference fringe surface layer, 15: object focal point, 16: image focal point, 18: hologram center, 20:
Claims (9)
上記ホログラムスクリーンの3次元空間でのブラッグ条件を満足するように、複数プロジェクタを使って異なる方向から上記ホログラムスクリーン面に視差の異なる複数の2次元画像が重畳投影されて、
それら複数の2次元画像が、上記ホログラムスクリーン上に多重再生されるようにして、
上記ホログラムスクリーンの回折により生じる再生光の指向性を利用して、上記ホログラムスクリーンを観察する観察者の左右別々の目の位置に対応して、上記ホログラムスクリーン上に多重再生された視差画像群の内から、特定の視差画像のみが認識されるように設定されていることを特徴とする、
多視点表示装置。A multi-viewpoint display device including a hologram screen as a volume hologram having a single object focus and a single image focus, which is developed by irradiating the hologram recording material only once with an object light and a reference light,
In order to satisfy the Bragg condition in the three-dimensional space of the hologram screen, a plurality of two-dimensional images having different parallaxes are superimposed and projected on the hologram screen surface from different directions using a plurality of projectors,
The plurality of two-dimensional images are multiplexed and reproduced on the hologram screen,
Utilizing the directivity of the reproduction light generated by the diffraction of the hologram screen, the parallax image group multiplexed and reproduced on the hologram screen corresponding to the positions of the left and right eyes of the observer observing the hologram screen. From within, it is set so that only a specific parallax image is recognized,
Multi-view display device.
その配置の際、要素ホログラムスクリーンの物焦点すなわち照明光の3次元空間内での光源位置と、像焦点すなわち再生光の3次元空間内での集光位置とが、夫々の要素ホログラムスクリーンについて一致するようにし、結果、上記のマルチパネル形状ホログラムスクリーン全体として単一物焦点、単一像焦点の単一ホログラムスクリーンと等価となるようにした、
上記マルチパネル形状ホログラムスクリーン全体を、単一ホログラムスクリーンに代替して用いる、
請求項1に記載の多視点表示装置。A plurality of element hologram screens, which are volume holograms having a single object focus and a single image focus, which are developed by irradiating the hologram recording material only once with object light and reference light, are arranged in a multi-panel shape. ,
In this arrangement, the object focal point of the element hologram screen, that is, the light source position in the three-dimensional space of the illumination light, and the image focus, that is, the condensing position of the reproduction light in the three-dimensional space, match for each element hologram screen. As a result, as a result, the entire multi-panel shape hologram screen was made to be equivalent to a single object focus, a single image focus single hologram screen,
The entire multi-panel hologram screen is used in place of a single hologram screen,
The multi-view display device according to claim 1.
あるいは、上記ホログラム記録材料の中心に対して、物体光と参照光のブラッグ角を一定にして、所定数回まで、各光の波長を変更するが、形成される干渉縞面層の方向が全て一致するように、物体光と参照光とをホログラム記録材料に照射して記録し、
再生時には、一つのブラッグ角の条件下で、所定数分の異なる色の光に対する物焦点同士及び像焦点同士が一致するようにした上で、物焦点から上記所定数分の異なる色を成分に含む照明光を当て、像焦点に上記所定数分の異なる色を成分に含む再生光を集光させるようにした、単一共通物焦点及び単一共通像焦点を有する多色ホログラムスクリーンを形成して、
上記多色ホログラムスクリーンを、
物体光と参照光とをホログラム記録材料に照射して現像処理する体積ホログラムたるホログラムスクリーンの代替として用いる、
請求項1に記載の多視点表示装置。At the time of recording, the wavelengths of the object light and the reference light are fixed with respect to the center of the hologram recording material, and the Bragg angle of each light is changed up to a predetermined number of times. Irradiate and record the hologram recording material with the object light and the reference light so that they all match,
Alternatively, with respect to the center of the hologram recording material, the wavelength of each light is changed up to a predetermined number of times while keeping the Bragg angles of the object light and the reference light constant. Irradiate and record the hologram recording material with the object light and the reference light so that they match,
At the time of reproduction, under the condition of one Bragg angle, the object focal points and the image focal points for light of a predetermined number of different colors coincide with each other, and the above-mentioned predetermined number of different colors from the object focal point are used as components. Forming a multicolor hologram screen having a single common object focal point and a single common image focal point so as to focus the reproduction light including the predetermined number of different colors in the image focal point at the image focal point. hand,
The above multicolor hologram screen,
Used as an alternative to a hologram screen, which is a volume hologram that irradiates the hologram recording material with object light and reference light and develops it.
The multi-view display device according to claim 1.
あるいは、上記ホログラム記録材料の中心に対して、物体光と参照光のブラッグ角を一定にして、所定数回まで、各光の波長を変更するが、形成される干渉縞面層の方向が全て一致するように、物体光と参照光とをホログラム記録材料に照射して記録し、
再生時には、一つのブラッグ角の条件下で、所定数分の異なる色の光に対する物焦点同士及び像焦点同士が一致するようにした上で、物焦点から上記所定数分の異なる色を成分に含む照明光を当て、像焦点に上記所定数分の異なる色を成分に含む再生光を集光させるようにした、単一共通物焦点及び単一共通像焦点を有する多色要素ホログラムスクリーンを形成して、
上記多色要素ホログラムスクリーンを、上記要素ホログラムスクリーンの代替として用いる、
請求項2に記載の多視点表示装置。At the time of recording, the wavelengths of the object light and the reference light are fixed with respect to the center of the hologram recording material, and the Bragg angle of each light is changed up to a predetermined number of times. Irradiate and record the hologram recording material with the object light and the reference light so that they all match,
Alternatively, with respect to the center of the hologram recording material, the wavelength of each light is changed up to a predetermined number of times while keeping the Bragg angles of the object light and the reference light constant. Irradiate and record the hologram recording material with the object light and the reference light so that they match,
At the time of reproduction, under the condition of one Bragg angle, the object focal points and the image focal points for light of a predetermined number of different colors coincide with each other, and the above-mentioned predetermined number of different colors from the object focal point are used as components. Forming a multicolor element hologram screen having a single common object focal point and a single common image focal point, wherein the reproduction light including the predetermined number of different colors in the components is focused on the image focal point. do it,
Using the multicolor element hologram screen as an alternative to the element hologram screen,
The multi-view display device according to claim 2.
上記組み合わせホログラムスクリーンを、上記ホログラムスクリーンの代替として用いる、
請求項1に記載の多視点表示装置。A combination hologram in which the two hologram screens are stacked to form a single object focus and a single image focus as a set of two hologram screens, and the positions of the object focus and the image focus are different from each hologram screen. Form the screen,
Using the combination hologram screen as a substitute for the hologram screen,
The multi-view display device according to claim 1.
上記組み合わせ要素ホログラムスクリーンを、上記要素ホログラムスクリーンの代替として用いる、
請求項2に記載の多視点表示装置。The two element hologram screens are stacked to form a single object focal point and a single image focal point as a set of two, and the positions of the object focal point and the image focal point are different from those of each element hologram screen. Form a combination element hologram screen,
Using the combination element hologram screen as an alternative to the element hologram screen,
The multi-view display device according to claim 2.
上記組み合わせ多色ホログラムスクリーンを、上記多色ホログラムスクリーンの代替として用いる、
請求項3に記載の多視点表示装置。The two multicolor hologram screens are stacked to form a single common object focus and a single common image focus as a set of two, and each single multicolor hologram screen is a single common object focus and a single common focus. Form a combined multicolor hologram screen with different common image focus positions,
Using the combination multicolor hologram screen as an alternative to the multicolor hologram screen,
The multi-view display device according to claim 3.
上記組み合わせ多色要素ホログラムスクリーンを、上記多色要素ホログラムスクリーンの代替として用いる、
請求項4に記載の多視点表示装置。The two multicolor element hologram screens are stacked to form a single common object focus and a single common image focus as a set of two, and each single multicolor element hologram screen is a single common object focus. Form a combined multicolor element hologram screen with a single common image focus position different,
Using the combination multicolor element hologram screen as an alternative to the multicolor element hologram screen,
The multi-view display device according to claim 4.
請求項1乃至請求項8のうちのいずれか一つに記載の多視点表示装置。At the time of recording, a diffuser of a predetermined size is used as an object light source, and thus, at the time of reproduction, an image focal zone corresponding to the size of the diffuser is obtained.
The multi-view display device according to claim 1.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2002264442A JP2004101929A (en) | 2002-09-10 | 2002-09-10 | Multi-viewpoint display device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publication Number | Publication Date |
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JP2004101929A true JP2004101929A (en) | 2004-04-02 |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100946319B1 (en) | 2008-03-28 | 2010-03-08 | 정상경 | Hologram imaging device |
CN114428446A (en) * | 2022-01-25 | 2022-05-03 | Tcl通讯科技(成都)有限公司 | Graphic holographic projection method and device, storage medium and terminal |
US11934627B1 (en) * | 2022-12-05 | 2024-03-19 | Sony Interactive Entertainment LLC | 3D user interface with sliding cylindrical volumes |
-
2002
- 2002-09-10 JP JP2002264442A patent/JP2004101929A/en active Pending
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