JP2007114463A

JP2007114463A - ３次元カラー画像記録装置

Info

Publication number: JP2007114463A
Application number: JP2005305501A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kuhara; 隆久原; Kunihiro Sato; 邦弘佐藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-10-20
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2007-05-10
Also published as: US20070103757A1

Abstract

【課題】従来の位相シフトホログラフィでは位相シフトさせた参照光と物体光により生成された干渉縞を取り込む際、正確にかつ高速に参照光の位相をシフトさせる方法に課題があった。
【解決手段】本発明では、液晶パネルやデジタルミラーデバイスパネルのような空間光変調素子４上に格子縞を表示して赤色、緑色、青色３原色のレーザ光を照射し、この格子縞によって生じる一次回折光を画像記録用の参照光５として用いる。空間光変調素子４上の格子縞を素子上で移動させると、縞の移動によって回折光の位相がシフトし、光の位相シフト量は縞の移動量だけに比例し光の波長とは無関係になる。この方法では、光位相を精度良くシフトでき検出や光位相調整のための装置が不要となるので、画像記録装置のシステム構成が簡単になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、映像技術分野、アミューズメント分野、エンターテインメント分野、インターネット分野、情報分野、マルチメディア分野、コミュニケーション分野、広告・宣伝分野、医療分野、芸術分野、教育分野、設計支援分野、シミュレーション分野、バーチャルリアリティ、などで使われる三次元表示を可能にするカラー位相シフトデジタルホログラフィならびに、位相シフトデジタルホログラフィによって３次元カラー画像を記録する装置に関する。特に、カラー画像を赤色、緑色、青色３原色のホログラムとして同時に高速記録できるという利点を有し、簡単なシステム構成で高画質の３次元カラー画像を記録する装置に関するものである。

従来、デジタルホログラフィによって３次元画像を記録する場合、光波長より大きい画素ピッチの受光素子を用いると、物体光どうしが作る干渉縞の影響を受けて記録画像の画質が低下する。この物体光どうしが作る干渉縞を取り除いて高画質の３次元画像を記録する技術として、位相シフトホログラフィが発明されている。位相シフトデジタルホログラフィでは、参照光の位相を変化させてホログラムを記録するので、光の位相を正確にシフトすることが求められる。

光の位相をシフトする方法として、薄いガラス板を光の伝搬路に挿入する方法と圧電素子でミラーの位置を変化させる方法とが採用されている。ガラス板を挿入する方法では記録装置のシステム構成は簡単になるが、ガラス板を高速に出し入れすることが難しいため、この方法は高速記録には適さない。圧電素子を用いる方法では光の位相を検出してミラーの位置を調整する制御装置が必要になり、光の位相シフトを行う装置が大掛かりで高価なものになる。また、従来の方法では位相シフト量に光波長依存性があるために、ＲＧＢホログラムそれぞれを記録する際に位相をシフトさせる必要があり、カラー画像をＲＧＢホログラムとして同時に記録することができない（例えば、特許文献１参照。）。

これらの課題を解決する為、瞬時計測が可能な並列準位相シフトディジタルホログラフィが考案されている（例えば、非特許文献１参照。）。この手法は例えば、空間的に参照光の位相を変化させる為に０、２π／３、−２π／３と３段階の位相分布を持つ位相シフトアレイデバイスに参照光を透過させ参照光の位相を、３段階に変化させて，１枚のホログラムに参照光の位相が異なる３枚の干渉縞の情報を記録し、記録したホログラムに対して計算機処理を行なって、像再生に必要な物体光波面の情報を得るものである。

しかし、この方法はこの位相シフトアレイデバイスを透過した参照光の空間的な位相分布を、ＣＣＤ面上でＣＣＤの画素の配置と一致させ、位相分布の１区間を、ＣＣＤの画素サイズと同じにし、記録されたホログラム中の参照光の位相が０の画素に関して、その近傍の画素の位相が２π／３、−２π／３、２π／３、−２π／３の４画素を用いて位相シフト計算を行った後、欠落した画素に対して線形補間により元の画像サイズのＣＣＤ面上での複素振幅分布を得るため、位相シフトアレイデバイスのそれぞれの画素位置とＣＣＤの画素配置を厳密に一致させる必要が有り、装置の精度が要求される。また、外乱によって画素位置がずれた場合の誤り訂正などの課題がある。また、そもそも、この様な位相シフトアレイデバイスの開発が高精度でかつ低コストで得ることが可能かどうかの課題がある。
特許第３４７１５５６号公報Ｙ．ＡｗａｔｓｕｊｉａｎｄＭ．Ｓａｓａｄａ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８５（２００４）１０６９

この様に、従来の位相シフトホログラフィでは位相シフトさせた参照光と物体光により生成された干渉縞を取り込む際、正確にかつ高速に参照光の位相をシフトさせる方法に課題があり、その課題を解決するために考案された並列準位相シフトディジタルホログラフィも主要構成要素である高精度の位相シフトアレイデバイスを実現することが困難であり、また、位相シフトアレイデバイスのそれぞれの画素位置とＣＣＤの画素配置を厳密に一致させる必要が有るという課題がある。

本発明は、ホログラフィによって３次元カラー画像を記録する装置に関し、正確にかつ高速に参照光の位相をシフトすることができ、しかもカラー位相シフトホログラムを同時記録できる簡単なシステム構成の装置を提供することを可能とするものである。

この改善策として、本発明では、液晶パネルやデジタルミラーデバイスパネルのような空間光変調素子上に格子縞を表示して赤色、緑色、青色３原色のレーザ光を照射し、この格子縞によって生じる一次回折光を画像記録用の参照光として用いる。同じ格子縞を素子上で移動させると、縞の移動によって回折光の位相がシフトし、光の位相シフト量は縞の移動量だけに比例し光の波長とは無関係になる。例えば、素子上に表示した格子縞の明暗を反転させて縞を格子間隔の半分だけ移動した場合には、一次回折光の位相は正確にπだけシフトする。この方法では、光位相を精度良くシフトでき検出や光位相調整のための装置が不要となるので、画像記録装置のシステム構成が簡単になる。また、位相シフト量が光波長に依存しないので、３次元画像に対するカラー位相シフトホログラムの同時記録が可能になる。

本発明の装置は、表示格子縞の切り換えを電子的な操作で高速に行うことができ、ＲＧＢ画像を同時に記録できるので、高画質の３次元カラー画像を高速で記録することが可能である。さらに、システム構成を簡単にできるので、コンパクトで安価な３次元カラー画像記録装置を開発することができる。

本発明の装置は、高画質の表示用３次元カラー画像を記録する目的の他に、３次元カラー物体の形状や姿勢および位置を高精度で計測する目的のためにも効果的である。また、ＲＧＢ３原色のパルスレーザ光源を用いれば３次元カラー動画像の実時間記録も可能であり、ホログラフィックテレビジョンのためのカラー動画像記録装置としての利用も期待できる。

本発明は、液晶パネルやデジタルミラーデバイスパネルのような空間光変調素子上に格子縞を表示して赤色、緑色、青色の３原色のレーザ光を照射し、この格子縞によって生じる一次回折光を画像記録用の参照光として用いる。同じ格子縞を素子上で移動させると、縞の移動によって回折光の位相がシフトし、光の位相シフト量は縞の移動量だけに比例し光の波長とは無関係になる。例えば、素子上に表示した格子縞の明暗を反転させて縞を格子間隔の半分だけ移動した場合には、一次回折光の位相は正確にπだけシフトする。この方法では、光位相を精度良くシフトでき検出や光位相調整のための装置が不要となるので、画像記録装置のシステム構成が簡単になる。また、位相シフト量が光波長に依存しないので、３次元画像に対するカラー位相シフトホログラムの同時記録が可能になる。

以下、本発明の位相シフトデジタルホログラフィによる３次元カラー画像記録装置について、図１乃至図２を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施例に係る位相シフトデジタルホログラフィによる３次元カラー画像記録装置を示す説明図、図２は平行入射光と反射型格子縞によるｍ次回折光の説明図である。記録のための光源として、赤色レーザ発振器１、緑色レーザ発振器２、青色レーザ発振器３それぞれのレーザ光発振器を用いる。赤色レーザ発振器１としては、光波長６５０ｎｍの赤色半導体レーザ、緑色レーザ発振器２としては、光波長５３２ｎｍの半導体励起緑色固体レーザ、青色レーザ発振器３としては、光波長４４０ｎｍの青色半導体レーザを用いた。

１次回折光が直線上で重なるように入射角を変えて赤色レーザ発振器１、緑色レーザ発振器２、青色レーザ発振器３のレーザ光それぞれを反射型液晶パネル４に入射し、赤色、緑色、青色光が重なった白色の１次回折光を記録のための参照光５として使用する。反射型液晶パネル４としては日本ビクター株式会社のＤ−ＩＬＡ（ＤｉｒｅｃｔＤｒｉｖｅＩｍａｇｅＬｉｇｈｔＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）や日立製ＬＳＭ１８ＨＤＡ０１Ｂ１（画素数１９２０×１０８０）が使用できる。反射型液晶は、透過型と比較して高精細化が可能であり、光利用効率が高いという利点を持つ。反射型液晶パネル４から放射される赤色、緑色、青色の反射光および高次回折光は絞り６を用いて遮る。反射型液晶パネル４に表示するホログラムデータはパーソナルコンピュータ７から伝送し、反射型液晶パネル４上に表示した格子縞を移動させて赤色、緑色、青色レーザ光の位相をシフトさせる。一方、ビームスプリッタ８を用いて赤色、緑色、青色レーザ光を重ねて白色のレーザ光を合成し、この合成白色光を物体照射のための照明光９として使用する。２つの白色光を対物レンズ１０、１１とコリメータレンズ１２、１３を使って径の大きな平行光に変換する。照明光９を記録する対象物１４に照射することにより、対象物１４の形状情報を含んだ物体光１５が発生する。各レーザ光源と記録素子までの参照光５と物体光１５の経路長の差がレーザのコヒーレンス長内に収まるように光学系を設定し、参照光５をビームスプリッタ１６で反射させ、参照光５と物体光１５とが作る赤色、緑色、青色それぞれの干渉縞をカラーＣＣＤ１７で記録する。

位相シフトホログラフィでは、参照光５の位相を変化させてホログラムを記録するので、光の位相を正確にシフトさせる必要がある。ここでは、空間光変調素子４を用いた光位相シフトの原理について説明する。空間光変調素子４を用いて格子縞を表示すると、表示格子縞の間隔と表示位置を正確かつ高速に切り替えることができる。この格子縞を光の回折に用いると、格子縞の間隔を変えることにより回折光の回折角を調整でき、縞の表示位置を移動させることにより回折光の位相をシフトさせることができる。

反射型格子縞１８に入射した入射平行光１９とｍ次回折光２０を図２と図３の平行入射光と格子縞を移動させたときのｍ次回折光の説明図に示す。入平行射光１９はｘ軸上の白い部分２１では鏡面反射されｘ軸上の黒い部分２２では反射されずに吸収されるものとする。鏡面反射された光は干渉し合い、これによって光の回折が生じる。入射平行光１９の光波長をλ、格子縞の間隔をｄとして入射角θ_iの平面波と回折角θ_dのｍ次回折平面波を考えると、原点で反射する光と１つ右の点で反射する光の光路長の差は−ｄｓｉｎθ_i＋ｄｓｉｎθ_dとなる。したがって、入射角θ_iとｍ次回折光２０の回折角θ_d及び波長λの間には関係式、

が成り立つ。鏡面反射した光の位相は反射点において入射光１９の位相とπだけ異なる。したがって、図２のように座標の原点に鏡面がある場合には、原点においてｍ次回折光２０の位相は入射光の位相とπだけ異なることになる。

図３に示すように同じ格子縞をｘ軸方向に微小距離Δｘだけ移動させると、ｘ軸上の点ｘ＝Δｘにおいて反射光の位相は入射平行光１９の位相とπだけ異なる。ところで、点ｘ＝Δｘにおける入射平行光１９の位相は座標原点における位相より２πΔｘｓｉｎθ_i／λだけ遅れ、点ｘ＝Δｘにおける反射光の位相は座標原点における位相より２πΔｘｓｉｎθ_d／λだけ進む。したがって、座標原点における入射平行光１９とｍ次回折光２０との間の位相差は反射型格子縞１８の移動によってシフトすることになり、位相差のシフト量は、

となる。（数２）に（数１）の関係を代入すると、位相シフト量として、

が得られる。つまり、格子縞を微小距離Δｘだけ移動させると入射光と回折光との位相差Δφは２πｍΔｘ／ｄだけシフトすることになる。

（数３）において注目すべき点は、位相シフト量Δφが波長λに対する依存性を持たないことである。したがって、反射型格子縞１８の移動により種々の波長をもつ光の位相を同時に同じ値だけシフトできる。図４の本発明の赤色、緑色、青色入射光と反射型格子縞による１次回折白色光の説明図に示すように、１次回折光の回折角θ_dが等しくなるようにＲＧＢ３原色光それぞれに対して赤色、緑色、青色のｍ次回折光２０の位相は同時に同じ値だけシフトすることになる。

格子縞を移動して正確に位相シフトを行うために、空間光変調素子４として画素ピッチの精度が高い高精細液晶パネル表示パネルを用いることができる。反射型液晶パネル４を用いると反射型格子縞１８の位置と間隔を電子的に切り替えることができるので、赤色、緑色、青色回折光の位相を正確かつ高速にシフトさせることが可能である。例えば、画素ピッチがαの反射型空間光変調素子の上に表示した間隔ｄ＝２αの格子縞を１画素ピッチΔｘ＝αだけ平行移動させると、１次回折光の位相シフト量は赤色、緑色、青色３原色の光に対してφ＝πとなる。格子間隔ｄ＝４αを、移動距離をΔｘ＝α、２α、３αとしたときには、１次数回折光の位相シフト量はφ＝π／２、π、３π／２となる。

光のビーム径が小さい場合には回折角に広がりが生じ、これによって回折光のビーム径が広がってしまう。しかし、この回折角の広がりΔθ_dは（波長／入射光ビーム径）程度になるので、光のビーム径を波長より十分に大きく取れば容易に回折光のビーム広がりを小さく抑えることができる。

空間光変調素子を用いた位相シフト法では、表示格子縞の移動により光位相を高い精度でシフトさせることができ、光の位相検出や光位相調整のための装置が不要である。したがって、この位相シフト法を用いると位相シフトホログラフィによる画像記録装置のシステム構成が簡単になる。また、この方法では位相シフト量が光波長に依存しないので、赤色、緑色、青色３原色参照光の位相を同時にシフトさせることができ、赤色、緑色、青色３原色光を分離して記録するとカラー画像に対して赤色、緑色、青色ホログラムの同時記録が可能になる。

赤色、緑色、青色カラーフィルタそれぞれの透過曲線の重りをなくして赤色、緑色、青色それぞれのレーザ光を完全に分離できるように設計されていれば、カラーＣＣＤを用いてＲＧＢホログラムを同時に記録することができる。しかし、市販されているカラーＣＣＤでは赤色、緑色、青色フィルタの波長に対する光透過率特性曲線が重なるように設計されており、市販のＣＣＤを用いて鮮明なＲＧＢホログラムを同時に記録することは難しい。このように赤色、緑色、青色の光をうまく分離できない場合には、各色のホログラムを別々に記録する必要がある。

図５はＣＣＤで記録した緑色ホログラムであり、図６は記録ホログラムから得られた位相シフトホログラムである。干渉縞は２５６階調に正規化して表している。ホログラム（ａ）の画素数は１９２０×１０８０であり、それを拡大したホログラム（ｂ）の画素数は３００×２００である。ホログラムの記録の際には物体光と参照光とが作る干渉縞成分の他に物体光同士が作る干渉縞成分も記録される。物体光波面の再生には前者の干渉縞成分のみが必要であり、後者の干渉縞成分は波面再生には不要である。また、図５から分かるように、干渉縞成分の光強度は全体の光強度に比べて小さくなる。参照光の位相を変えて記録した２枚のホログラムを使うと位相シフトホログラフィにより画像再生に必要な成分のみを取り出すことができ、この成分のみを２５６階調に正規化して表したものを図６に示す。図６の位相シフトホログラムでは図５の記録ホログラムと比較して鮮明でコントラストの大きい干渉縞が得られている。赤色と青色に対しても位相シフトホログラフィにより緑色と同様に鮮明なホログラムを得ることができる。

位相シフトホログラムを用いて再生した３次元画像の写真を図７と図８に示す。図７は、カラー位相シフトホログラムそれぞれから再生した赤色、緑色、青色３原色の３次元画像である。１辺の長さが２ｃｍのサイコロをＣＣＤから７５ｃｍの位置において記録した。記録した物体と同じ位置に高いコントラストと解像度を持つ高画質の赤色、緑色、青色３次元画像が再生されている。図８は、赤色、緑色、青色画像を時分割再生して得たカラー３次元画像である。３原色の３次元画像がまったく同じ位置に同じ大きさで時分割再生されるので、色ずれがなく画質の高い３次元カラー画像が再生されている。

本発明に関わる３次元カラー画像記録装置は、映像技術分野、アミューズメント分野、エンターテイメント分野、インターネット分野、情報分野、マルチメディア分野、コミュニケーション分野、広告・宣伝分野、医療分野、芸術分野、教育分野、設計支援分野、シミュレーション分野、バーチャルリアリティ分野、などで使われる３次元カラー画像記録装置として利用することができる。

本発明の位相シフトデジタルホログラフィによる３次元カラー画像記録装置の実施例を示した説明図平行入射光と反射型格子縞によるｍ次回折光の説明図平行入射光と格子縞を移動させたときのｍ次回折光の説明図本発明の赤色、緑色、青色入射光と反射型格子縞による１次回折白色光の説明図位相シフトをする前の記録ホログラムとその拡大画像を示す図本発明の位相シフトホログラムとその拡大画像を示す図本発明の位相シフトホログラムから再生したカラー３次元画像を示す図本発明の赤色、緑色、青色画像の時分割再生によるカラー３次元画像を示す図

符号の説明

１赤色レーザ発振器
２緑色レーザ発振器
３青色レーザ発振器
４空間光変調素子（反射型液晶パネル）
５参照光
６絞り
７パーソナルコンピュータ
８ビームスプリッタ
９照明光
１０対物レンズ
１１対物レンズ
１２コリメータレンズ
１３コリメータレンズ
１４対象物
１５物体光
１６ビームスプリッタ
１７カラーＣＣＤ
１８反射型格子縞
１９入射平行光
２０ｍ次回折光
２１ｘ軸上の白い部分
２２ｘ軸上の黒い部分

Claims

赤色、緑色、青色それぞれのレーザ発振器と、赤色、緑色、青色それぞれのレーザ光を参照光と物体光に分けるビームスプリッタと、前記赤色、緑色、青色三色の参照光の位相をシフトする位相シフト手段と、物体光と参照光の干渉縞をデジタル的に記録する記録手段を有する位相シフトデジタルホログラフィに於いて、前記ビームスプリッタによって分けられた前記赤色、緑色、青色三色の参照光を、前記空間変調素子上に前記参照光の変調位相に対応した格子縞を表示させ、三色同時に位相シフトさせ、一次回折光が直線上で重なるように、前記赤色、緑色、青色三色の参照光の前記空間変調素子への入射角を設定し、前記赤色、緑色、青色三色の参照光が重なった白色の一次回折光を参照光とし、撮影物体には、前記ビームスプリッタにより分けられた三色の物体光を重ねた白色光を用い、前記赤色、緑色、青色三色の参照光の位相をそれぞれシフトさせた２つの各々の参照光と物体光とによって生成される２つの干渉縞を記録する手段と、前記赤色、緑色、青色三色の参照光の位相をシフトさせた２つの干渉縞データを演算し、前記干渉縞データ演算手段で演算した干渉縞データから再生像を得る再生像演算手段と、を備えることを特徴とする３次元カラー画像記録装置。
前記参照光の位相をシフトする位相シフト手段として反射型液晶パネルを用いたことを特徴とする請求項１に記載の３次元カラー画像記録装置。
前記参照光の位相をシフトする位相シフト手段としてデジタルミラーデバイスパネルを用いたことを特徴とする請求項１に記載の３次元カラー画像記録装置。
前記干渉縞を記録する手段としてＣＣＤ撮像デバイスを用いたことを特徴とする請求項１に記載の３次元カラー画像記録装置。
前記干渉縞を記録する手段としてＣＭＯＳ撮像デバイスを用いたことを特徴とする請求項１に記載の３次元カラー画像記録装置。
前記干渉縞を記録する手段として光透過率特性曲線が重ならないように設計されたカラーフィルタを備えた撮像デバイスを用いたことを特徴とする請求項１に記載の３次元カラー画像記録装置。
前記赤色、緑色、青色三色の参照光の位相差が１８０度の２つの参照光の各々の参照光と物体光とによって生成される２つの干渉縞を記録することを特徴とする請求項１に記載の３次元カラー画像記録装置。
前記赤色、緑色、青色三色の参照光を１８０度位相シフトさせた２つの干渉縞データを演算が２つの干渉縞データの差をとることを特徴とする請求項１に記載の３次元カラー画像記録装置。
前記位相シフトの方法が、画素ピッチがαの反射型空間光変調素子の上に表示した間隔ｄ＝４αの格子縞を１画素ピッチΔｘ＝αだけ平行移動さて、１次回折光の位相シフト量は赤色、緑色、青色３原色の光に対してφ＝πとなるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の３次元カラー画像記録装置。
前記位相シフトの方法が、画素ピッチがαの反射型空間光変調素子の上に表示した間隔ｄ＝４αの格子縞を１画素ピッチΔｘ＝α，２α，３αとして、１次数回折光の位相シフト量をφ＝π／２，π，３π／２となるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の３次元カラー画像記録装置。