JP2005070106A

JP2005070106A - 立体映像表示装置

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Publication number: JP2005070106A
Application number: JP2003208710A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Horikoshi; 力堀越; Masafumi Tsuboi; 雅史壷井; Toshiaki Sugimura; 利明杉村
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2003-08-25
Filing date: 2003-08-25
Publication date: 2005-03-17

Abstract

【課題】電子表示デバイスの解像度に依存することなく、実際に立体映像を観察できる範囲（視域）を広げることを可能とする立体映像表示装置を提供する。
【解決手段】本発明は、干渉縞（ホログラム）を用いて立体映像を表示する立体映像表示装置に関する。本発明に係る立体映像表示装置は、物体光と第１の参照光とから生成される第１の干渉縞を計算する干渉縞計算部１と、第１の干渉縞を縮小投影する干渉縞縮小投影部４と、光変調素子２１を有しており、縮小投影された第１の干渉縞Ｃ２と光変調素子２１に平行な波面を有する第２の参照光Ｂ４とから生成される第２の干渉縞を光変調素子２１に記録する干渉縞記録部２と、第１の参照光と同じ波長及び同じ入射角度を有する参照光Ｂ３を光変調素子２１に向けて照射し、第２の参照光Ｂ４を光変調素子２１に向けて照射する参照光照射部３とを具備する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、干渉縞（ホログラム）を用いて立体映像を表示する立体映像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）上で表示（再生）されている計算機ホログラムに対して参照光を照射して物体光を再現することによって、立体映像を表示する立体映像表示装置が知られている。なお、計算機ホログラムは、計算によって求められる干渉縞である。具体的には、かかる干渉縞は、図４に示すように、３次元形状の物体に照射したレーザ光が反射して生成される物体光と参照光とから生成される。
【０００３】
しかしながら、かかる従来の立体映像表示装置では、ＬＣＤの解像度が粗いため（すなわち、画素ピッチが広いため）、直接光と物体光を分離して再生することが困難であり、強い強度の直接光が直接観察者の眼に入る危険があるという問題点があった。ここで、直接光は、参照光がＬＣＤで直接反射して生成される光であり、物体光は、参照光がＬＣＤ上で表示されている干渉縞により回折し手生成される光である。
【０００４】
かかる問題点を解決するために、フォトリフラクティブ結晶を用いた立体映像表示装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。以下、図５を参照して、かかる立体映像表示装置の原理を簡単に説明する。
【０００５】
図５に示すように、かかる立体映像表示装置は、干渉縞計算部１と、干渉縞記録部２と、参照光照射部３ａ及び３ｂと、干渉縞表示部５とによって構成されている。
【０００６】
干渉縞計算部１は、コンピュータ１１によって構成されており、図４に示すように、３次元形状の物体に照射したレーザ光が反射して生成される物体光と参照光とから生成される干渉縞（計算機ホログラム）を計算するように構成されている。
【０００７】
干渉縞表示部５は、電子表示デバイス（図５の例では、ＬＣＤ１２）によって構成されており、干渉縞計算部１により計算された干渉縞を画像表示するように構成されている。かかる干渉縞を画像表示するための情報は、ビデオ信号によって、干渉縞計算部１から干渉縞表示部５に送信される。
【０００８】
参照光照射部３ａは、干渉縞表示部５（ＬＣＤ１２）に向けて参照光Ｂ１を照射するように構成されており、参照光照射部３ｂは、干渉縞記録部２（ホログラム記録素子２１）に向けて参照光Ｂ２を照射するように構成されている。ここで、参照光Ｂ１は、干渉縞計算部１による干渉縞の計算に用いられた参照光と同じ波長及び同じ入射角度を有する。
【０００９】
参照光Ｂ１が、干渉縞表示部５に向けて照射されると、当該干渉縞表示部５から直接光及び物体光Ａ１が発生する。ここで、物体光Ａ１は、干渉縞計算部１による干渉縞の計算に用いられた物体光と等価な光の波面を有しており、干渉縞記録部２まで伝搬する。
【００１０】
干渉縞記録部２は、ホログラム記録素子（光変調素子）２１から構成されており、物体光Ａ１と参照光照射部３ａにより照射された参照光Ｂ２とから生成される干渉縞をホログラム記録素子２１に記録するように構成されている。ここで、ホログラム記録素子２１として、フォトリフラクティブ結晶が用いられている。
【００１１】
上述のように、ホログラム記録素子２１に干渉縞が記録されている状態で、干渉縞表示部５からの物体光Ａ１をシャッター等で遮断して、干渉縞記録部２に向けて参照光Ｂ２のみを照射すると、ホログラム記録素子２１に記録されている干渉縞によって物体光Ａ２が発生する。その結果、観察者は、物体光Ａ２によって、上述の３次元形状の物体の映像を立体的に観察することができる。
【００１２】
かかるフォトリフラクティブ結晶が用いた立体映像表示装置では、物体光Ａ１の波面と参照光Ｂ２との入射角度を大きくすることによって、干渉縞記録部２から発生する直接光と物体光Ａ２を分離することが可能となる。
【００１３】
【特許文献１】
特開２００１−３４１４８号（特願平１１−２１０９７０号）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のフォトリフラクティブ結晶が用いた立体映像表示装置では、物体光の再生範囲（表示範囲）が、電子表示デバイス（例えば、ＬＣＤ）の解像度に依存してしまうという問題点があった。
【００１５】
すなわち、従来のフォトリフラクティブ結晶が用いた立体映像表示装置では、ＬＣＤ１２における画素ピッチは、数十μｍのオーダーが限界であり、ＬＣＤ１２を透過（反射）した光の回折角が、ほとんど確保できないため、仮に、ＬＣＤ１２における画素ピッチが、１０μｍであるとすると、観察者が、５０ｃｍ程度離れた場所から観察した場合、実際に立体映像を観察できる範囲（視域）は、２ｃｍ程度しか確保できないという問題点があった。
【００１６】
そこで、本発明は、以上の点に鑑みてなされたもので、電子表示デバイスの解像度に依存することなく、実際に立体映像を観察できる範囲（視域）を広げることを可能とする立体映像表示装置を提供することを目的とする。
【００１７】
すなわち、本発明は、ＬＣＤの画素ピッチに左右されることなく、計算上の視域全体を、立体映像の表示時の視域として再現することを可能とする立体映像表示装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の特徴は、干渉縞（ホログラム）を用いて立体映像を表示する立体映像表示装置であって、物体光と第１の参照光とから生成される第１の干渉縞を計算する干渉縞計算部と、前記第１の干渉縞を縮小投影する干渉縞縮小投影部と、光変調素子を有しており、縮小投影された前記第１の干渉縞と前記光変調素子に平行な波面を有する第２の参照光とから生成される第２の干渉縞を前記光変調素子に記録する干渉縞記録部と、前記第１の参照光と同じ波長及び同じ入射角度を有する参照光を前記光変調素子に向けて照射し、前記第２の参照光を前記光変調素子に向けて照射する参照光照射部とを具備することを要旨とする。
【００１９】
かかる発明によれば、干渉縞記録部が、縮小投影された第１の干渉縞と第２の参照光とから生成される第２の干渉縞を光変調素子に記録するため、干渉縞計算部１により計算された第１の干渉縞のパターンそのものが、定在波として光変調素子に記録されることになり、第１の参照光と同じ波長及び同じ入射角度を有する参照光を光変調素子に向けて照射することによって、干渉縞計算部１による計算に用いられた物体光を当該計算上の視域で再現することができる。
【００２０】
本発明の第１の特徴において、前記干渉縞縮小投影部が、表示装置と第１のレンズと第２のレンズとを具備しており、前記表示装置が、前記第１の干渉縞を表示する投影光を前記第１のレンズに投影し、前記第１のレンズが、前記投影光を前記第２のレンズに縮小投影し、前記第２のレンズが、縮小投影された前記投影光を平行光に変換して前記干渉記録部に投影することが好ましい。
【００２１】
本発明の第１の特徴において、前記参照光照射部が、第１のミラーと第２のミラーとを具備しており、前記第２のミラーが、前記第１のミラーからの平面光波を前記光変調素子に向けて前記第２の参照光として反射可能に配置されており、前記第１のミラーが、平面光波を前記光変調素子に向けて前記第２の参照光として反射可能な配置と、前記平面光波を前記第２のミラーに向けて反射可能な配置との間で切換可能であることが好ましい。
【００２２】
本発明の第１の特徴において、前記第２のミラーが、透明な状態とミラーの状態との間で電子的に切り替えられることが好ましい。
【００２３】
かかる発明によれば、第２のミラーが、干渉縞の記録時にはミラーの状態となり、立体映像の再生時には透明な状態となることによって、第２のミラーを物理的に外す必要が無くなる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（本発明の第１の実施形態に係る立体映像表示装置の構成）
図１は、本発明の第１の実施形態における立体映像表示装置の全体構成を示す図である。本実施形態に係る立体映像表示装置は、計算機ホログラムを用いて立体映像を表示する立体映像表示装置である。
【００２５】
図１に示すように、本実施形態に係る立体映像表示装置は、干渉縞計算部１と、干渉縞記録部２と、参照光照射部３と、干渉縞投影部４とによって構成されている。なお、図２に、本発明の第１の実施形態に係る立体映像表示装置を実際の光学機器を用いて構成した場合の一例を示す。
【００２６】
干渉縞計算部１は、従来技術に係る干渉縞計算部１と同様に、コンピュータ１１によって構成されており、３次元形状の物体（例えば、立方体の３Ｄデータ）に照射したレーザ光が反射して生成される物体光と第１の参照光とから生成される第１の干渉縞を計算するように構成されている。
【００２７】
干渉縞には、振幅型と位相型とがあるが、本実施形態では、位相型として生成された干渉縞を用いることとする。干渉縞は、輝度の変化が光の振幅情報に対応し、縞模様のパターンが光の位相情報に対応した濃淡画像である。以下、実寸サイズでは、干渉縞の１画素あたりのサイズ（画素ピッチ）は、１μｍであるものとして説明する。
【００２８】
干渉縞投影部４は、電子表示デバイス（図１の例では、ＬＣＤ１２）と、第１のレンズ５０と、第２のレンズ５１とによって構成されており、干渉縞計算部１からビデオ信号によって送信された第１の干渉縞を縮小投影するように構成されている。
【００２９】
ＬＣＤ１２は、干渉縞計算部１からビデオ信号によって送信された第１の干渉縞を表示するための情報（干渉縞の各画素の濃淡値）に基づいて、当該第１の干渉縞を表示（再生）するように構成されている。すなわち、ＬＣＤ１２は、第１の干渉縞を表示する投影光（透過光）Ｃ１を第１のレンズ５０に投影する表示装置である。
【００３０】
ここで、干渉縞計算部１が、使用する光の波長を用いて干渉縞の解像度（縞の細かさ）を計算しており、電子表示デバイスの画素ピッチと干渉縞の画素ピッチが等しくなるように干渉縞自体を計算しているため、ＬＣＤ１２における画素ピッチが、１０μｍであったとすると、第１の干渉縞は、ＬＣＤ１２において１０倍に拡大されて表示されることになる。
【００３１】
第１のレンズ５０は、ＬＣＤ１２から投影された投影光Ｃ１を第２のレンズ５１に縮小投影する。第２のレンズ５１は、第１のレンズ５０によって縮小投影された投影光Ｃ１を平行光（投影光）Ｃ２に変換して干渉記録部２に投影する。
【００３２】
ここで、第１のレンズ５０の焦点距離を「ｆ１」とし、第２のレンズ５１の焦点距離を「ｆ２」とすると、「ｆ１」が「ｆ２」の１０倍になるように焦点距離を設定しているため、投影光Ｃ２は、フォトリフラクティブ結晶で構成されるホログラム記録素子（光変調素子）２１に、実寸サイズで投影されることになる。
【００３３】
干渉縞記録部２は、フォトリフラクティブ結晶で構成されるホログラム記録素子（光変調素子）２１を有しており、縮小投影された第１の干渉縞（投影光Ｃ２）と光変調素子２１に平行な波面を有する第２の参照光Ｂ４とから生成される第２の干渉縞を光変調素子２１に記録するように構成されている。ここで、参照光Ｂ４を、光変調素子２１に平行な波面を有する光（平行光）としていることで、投影光Ｃ２によって表示される第１の干渉縞そのものが、光変調素子２１に記録されることになる。
【００３４】
参照光照射部３は、第１の参照光と同じ波長及び同じ入射角度を有する参照光Ｂ３を光変調素子２１に向けて照射し、第２の参照光Ｂ４を光変調素子２１に向けて照射するように構成されている。
【００３５】
具体的には、参照光照射部３は、図２に示すように、レーザ３１と、λ／４波長板３２と、偏光ビームスプリッタ３３と、λ／２波長板３８と、ミラー３９と、スペイシャルフィルタ４０と、レンズ４１と、第１のミラー４２と、第２のミラー４３とを具備している。
【００３６】
第１のミラー４２は、平面光波Ｅ２を光変調素子２１に向けて第２の参照光Ｂ３として反射可能な配置と、平面光波Ｅ２を第２のミラー４３に向けて反射可能な配置との間で切換可能である。
【００３７】
第２のミラー４３は、第１のミラー４２からの平面光波Ｅ２を光変調素子２１に向けて第２の参照光Ｂ４として反射可能に配置されている。また、第２のミラー４３は、透明な状態とミラーの状態との間で電子的に切り替えられるデバイスで構成されていることが好ましい。
【００３８】
（本発明の第１の実施形態に係る立体映像表示装置の動作）
図３を参照して、本発明の第１の実施形態に係る立体映像表示装置の動作について、具体的に説明する。
【００３９】
ステップ３０１において、干渉縞計算部１を構成するコンピュータ１１が、３次元形状の物体に照射したレーザ光が反射して生成される物体光と参照光とから生成される干渉縞を計算する。
【００４０】
ステップ３０２において、コンピュータ１１が、上述の干渉縞を表示するための情報をビデオ信号によって、干渉縞記録部２を構成するＬＣＤ１２に送信する。
【００４１】
一方、ステップ３０３において、レーザ３１が、レーザ光Ｄ１を照射し、ステップ３０４において、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３３が、λ／４波長板３２を介して入射されたレーザ光Ｄ１を、２つのレーザ光（第１のレーザ光Ｄ２及び第２のレーザ光Ｄ３）に分ける。
【００４２】
ステップ３０５において、第１のレーザ光Ｄ２は、スペイシャルフィルタ３４及びレンズ３５を介して平面光波Ｅ１に変換され、ミラー３６及び３７を介してＬＣＤ１２に到達する。
【００４３】
ステップ３０６において、ＬＣＤ１２が、コンピュータ１１によって計算された第１の干渉縞を表示しており、平面光波Ｅ１は、当該第１の干渉縞の投影光（透過光）Ｃ１となり、第１のレンズ５０に向けて投影される。
【００４４】
ステップ３０７において、投影光Ｃ１は、第１のレンズ５０及び第２のレンズ５１を介して縮小投影された投影光Ｃ２となり、ホログラム記録素子２１に向けて投影される。
【００４５】
一方、ステップ３０８において、第２のレーザ光Ｄ３は、λ／２波長板３８とミラー３９とスペイシャルフィルタ４０とレンズ４１とを介して平面光波Ｅ２に変換され、第１のミラー４２で反射して第２のミラー４３に到達する。
【００４６】
ステップ３０９において、平面光波Ｅ２は、第２のミラーで反射して、光変調素子２１に平行な波面を有する第２の参照光Ｂ４としてホログラム記録素子２１に垂直に照射される。
【００４７】
ステップ３１０において、投影光Ｃ２と第２の参照光Ｂ４とから生成される第２の干渉縞が、ホログラム記録素子２１に記録される。なお、フォトリフラクティブ結晶によって構成されているホログラム記録素子２１は、フォトリフラクティブ効果により、光の当たった部分の屈折率が変化し、干渉縞の位相変調と同様に、入射した光の位相を変化させる性質を有する。
【００４８】
ステップ３１１において、第２のミラー４３が、物理的に外され、第１のミラー４２が、平面光波Ｅ２を光変調素子２１に向けて第２の参照光Ｂ３として反射可能な配置に切り替えられた結果、第１の参照光と同じ波長及び同じ入射角度を有する参照光Ｂ３のみが、ホログラム記録素子２１に照射される（すなわち、第２の参照光Ｂ４は、ホログラム記録素子２１に照射されなくなる）。
【００４９】
ステップ３１２において、上述の性質を有するホログラム記録素子２１に、第１の参照光と同じ波長及び同じ入射角度を有する参照光Ｂ３が照射されると、ステップ３０１における計算に用いられた３次元形状の物体を表示する物体光が再生され、当該３次元形状の物体の立体映像が表示される。
【００５０】
なお、第２のミラー４３は、透明な状態とミラーの状態との間で電子的に切り替えられるデバイスで構成されている場合、ステップ３１１において、第２のミラー４３を物理的に外す必要は無く、第２のミラー４３の状態を透明な状態にするだけでよい。
【００５１】
（本発明の第１の実施形態に係る立体映像表示装置の作用・効果）
本発明の第１の実施形態に係る立体映像表示装置によれば、干渉縞記録部２が、縮小投影された第１の干渉縞Ｃ１と第２の参照光Ｂ４とから生成される第２の干渉縞を光変調素子２１に記録するため、干渉縞計算部１により計算された第１の干渉縞のパターンそのものが、定在波として光変調素子２１に記録されることになり、第１の参照光と同じ波長及び同じ入射角度を有する参照光Ｂ３を光変調素子２１に向けて照射することによって、干渉縞計算部１による計算に用いられた物体光を当該計算上の視域で再現することができる。
【００５２】
また、本発明の第１の実施形態に係る立体映像表示装置によれば、第２のミラー４３が、干渉縞の記録時にはミラーの状態となり、立体映像の再生時には透明な状態となることによって、第２のミラー４３を物理的に外す必要が無くなる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電子表示デバイスの解像度に依存することなく、実際に立体映像を観察できる範囲（視域）を広げることを可能とする立体映像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る立体映像表示装置の全体構成図である
【図２】本発明の第１の実施形態に係る立体映像表示装置の詳細構成図である
【図３】本発明の第１の実施形態に係る立体映像表示装置の動作を示すフローチャートである。
【図４】従来技術に係る立体映像表示装置において、計算機ホログラムを求める様子を説明するための図である。
【図５】従来技術に係る立体映像表示装置の全体構成図である。
【符号の説明】
Ａ１、Ａ２…物体光
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４…参照光
１…干渉縞計算部
１１…コンピュータ
２…干渉縞記録部
２１…ホログラム記録素子（光変調素子）
３、３ａ、３ｂ…参照光照射部
４…干渉縞投影部
１２…ＬＣＤ
５０…第１のレンズ
５１…第２のレンズ
３１…レーザ
３２…λ／４波長板
３３…偏光ビームスプリッタ
３４、４０…スペイシャルフィルタ
３５、４１…レンズ
３６、３７、３９、４１…ミラー
３８…λ／２波長板
４２…第１のミラー
４３…第２のミラー
５…干渉縞表示部

Claims

干渉縞（ホログラム）を用いて立体映像を表示する立体映像表示装置であって、
物体光と第１の参照光とから生成される第１の干渉縞を計算する干渉縞計算部と、
前記第１の干渉縞を縮小投影する干渉縞縮小投影部と、
光変調素子を有しており、縮小投影された前記第１の干渉縞と前記光変調素子に平行な波面を有する第２の参照光とから生成される第２の干渉縞を前記光変調素子に記録する干渉縞記録部と、
前記第１の参照光と同じ波長及び同じ入射角度を有する参照光を前記光変調素子に向けて照射し、前記第２の参照光を前記光変調素子に向けて照射する参照光照射部とを具備することを特徴とする立体映像表示装置。
前記干渉縞縮小投影部は、表示装置と第１のレンズと第２のレンズとを具備しており、
前記表示装置は、前記第１の干渉縞を表示する投影光を前記第１のレンズに投影し、
前記第１のレンズは、前記投影光を前記第２のレンズに縮小投影し、
前記第２のレンズは、縮小投影された前記投影光を平行光に変換して前記干渉記録部に投影することを特徴とする請求項１に記載の立体映像表示装置。
前記参照光照射部は、第１のミラーと第２のミラーとを具備しており、
前記第２のミラーは、前記第１のミラーからの平面光波を前記光変調素子に向けて前記第２の参照光として反射可能に配置されており、
前記第１のミラーは、平面光波を前記光変調素子に向けて前記第２の参照光として反射可能な配置と、前記平面光波を前記第２のミラーに向けて反射可能な配置との間で切換可能であることを特徴とする請求項１に記載の立体映像表示装置。
前記第２のミラーは、透明な状態とミラーの状態との間で電子的に切り替えられることを特徴とする請求項３に記載の立体映像表示装置。