JP2011035899A - 立体画像提示方法および提示装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 原画像10からの物体光と参照光40R,40Lとによって記録面20R,20L上に形成されるホログラム干渉縞をコンピュータで演算し、画像データ50R,50Lに収める。予め右眼および左眼の観察位置30R,30Lを設定し、参照光40R,40Lとして、これら観察位置に収束する光路をとる光を用いる。液晶ディスプレイなどの空間光変調素子を記録面20R,20Lの位置にそれぞれ配置し、画像データ50R,50Lを供給して駆動し、ホログラム干渉縞を表示させる。この干渉縞の表示面に、参照光40R,40Lと同じ光路をとる再生用照明光を照射し、観察位置30R,30Lに両眼ER,ELを置いた観察者に観察させる。
【選択図】図1
Description
データ作成段階では、
コンピュータが、XYZ三次元座標系におけるXY平面上に配置され、観察者のいずれか一方の単眼に提示する情報を記録する記録面、を特定する記録面データを入力する記録面データ入力段階と、
コンピュータが、座標系におけるZ座標値が正の値をとる正側空間内に配置された点であって、観察者の単眼による理想的な観察位置を示す観察点、を特定する観察点データを入力する観察点データ入力段階と、
コンピュータが、座標系におけるZ座標値が負の値をとる負側空間内に配置された原画像を特定する原画像データを入力する原画像データ入力段階と、
コンピュータが、負側空間から記録面を透過して正側空間へと向かう単一波長の光であって、観察点に収束する光路をとる参照光、を特定する参照光データを入力する参照光データ入力段階と、
コンピュータが、原画像からの物体光と参照光とによって記録面上に形成される原画像の情報を演算して記録面上に記録する演算記録段階と、
コンピュータが、記録面上に記録された情報を画像データとして出力するデータ出力段階と、
を行い、
画像提示段階では、
観察者の単眼に提示する光を変調する空間光変調素子を、記録面に対応する位置に配置する素子配置段階と、
空間光変調素子に対して、参照光と同一もしくは鏡像関係となる光路を通る照明光を照射する照明光照射段階と、
画像データを空間光変調素子に与え、記録面上に記録された情報に基づいて照明光が変調されるようにする光変調段階と、
を行い、しかも、照明光照射段階と光変調段階とを同時に行うようにしたものである。
データ作成段階では、
コンピュータが、XYZ三次元座標系におけるXY平面上に配置された記録面であって、観察者の右眼に提示する情報を記録する右記録面と、観察者の左眼に提示する情報を記録する左記録面と、を特定する記録面データを入力する記録面データ入力段階と、
コンピュータが、座標系におけるZ座標値が正の値をとる正側空間内に配置された点であって、観察者の理想的な右眼観察位置を示す右観察点と、観察者の理想的な左眼観察位置を示す左観察点と、を特定する観察点データを入力する観察点データ入力段階と、
コンピュータが、座標系におけるZ座標値が負の値をとる負側空間内に配置された原画像を特定する原画像データを入力する原画像データ入力段階と、
コンピュータが、負側空間から右記録面を透過して正側空間へと向かう単一波長の光であって、右観察点に収束する光路をとる右参照光と、負側空間から左記録面を透過して正側空間へと向かう単一波長の光であって、左観察点に収束する光路をとる左参照光と、を特定する参照光データを入力する参照光データ入力段階と、
コンピュータが、原画像からの物体光と右参照光とによって右記録面上に形成される原画像の情報を演算して右記録面上に記録し、原画像からの物体光と左参照光とによって左記録面上に形成される原画像の情報を演算して左記録面上に記録する演算記録段階と、
コンピュータが、右記録面上に記録された情報を右画像データとして出力し、左記録面上に記録された情報を左画像データとして出力するデータ出力段階と、
を行い、
画像提示段階では、
観察者の右眼に提示する光を変調する右眼用空間光変調素子と、観察者の左眼に提示する光を変調する左眼用空間光変調素子とを、それぞれ右記録面および左記録面に対応する位置に配置する素子配置段階と、
右眼用空間光変調素子に対して、右参照光と同一もしくは鏡像関係となる光路を通る右照明光を照射し、左眼用空間光変調素子に対して、左参照光と同一もしくは鏡像関係となる光路を通る左照明光を照射する照明光照射段階と、
右画像データを右眼用空間光変調素子に与え、右記録面上に記録された情報に基づいて右照明光が変調されるようにし、左画像データを左眼用空間光変調素子に与え、左記録面上に記録された情報に基づいて左照明光が変調されるようにする光変調段階と、
を行い、しかも、照明光照射段階と光変調段階とを同時に行うようにしたものである。
演算記録段階で、記録面上の演算点Qについての演算を行う際に、空間光変調素子が、原画像上の物体点Pから演算点Qへ引いた直線の延長線方向に、演算点Qに入射する参照光を回折することができるか否かを判定する回折可否判定処理を行い、回折不可との判定結果が得られる場合には、当該演算点Qについては、当該物体点Pからの物体光を考慮しない演算を行うようにしたものである。
空間光変調素子として、ピッチpで配列された多数の画素の集合体からなり、画素単位で光学的特性を制御することが可能な素子を用い、
回折可否判定処理において、記録面上の演算点Qについての演算を行う際に、原画像上の物体点Pから演算点Qへ向かう物体光の入射角をθoとし、演算点Qに対する参照光の入射角をθrとし、物体光および参照光の波長をλとしたときに、「λ/(sin θo − sin θr)の絶対値≧2p」なる条件が成り立たない場合には、回折不可との判定結果が得られたものとして、当該演算点Qについては、当該物体点Pからの物体光を考慮しない演算を行うようにしたものである。
演算記録段階で、原画像からの物体光と参照光とに基づいて、記録面上に形成される合成波の振幅に関する情報もしくは位相に関する情報またはその双方を記録面上に記録するようにしたものである。
原画像データ入力段階で、時系列に並べられた複数の原画像を示す動画データを、原画像データとして入力し、
演算記録段階で、個々の原画像について記録面上への記録を行い、
データ出力段階で、個々の原画像についての画像データを出力し、
光変調段階で、個々の原画像についての画像データを順番に空間光変調素子に与え、動画の再生が行われるようにしたものである。
画像提示段階が、空間光変調素子からの0次光を遮蔽する機能を有する0次光遮蔽体を、観察点に配置する遮蔽体配置段階を更に有するようにしたものである。
遮蔽体配置段階で、円盤状の遮光膜からなる0次光遮蔽体を配置し、
遮光膜の径を、照明光の光源のサイズ以上、人間の瞳孔の最大径未満、となるように設定したものである。
XYZ三次元座標系におけるXY平面上に配置された記録面であって、観察者のいずれか一方の単眼に提示する情報を記録する記録面、を特定する記録面データを格納する記録面データ格納部と、
座標系におけるZ座標値が正の値をとる正側空間内に配置された点であって、観察者の単眼による理想的な観察位置を示す観察点、を特定する観察点データを格納する観察点データ格納部と、
座標系におけるZ座標値が負の値をとる負側空間内に配置された原画像を特定する原画像データを入力する原画像データ入力部と、
負側空間から右記録面を透過して正側空間へと向かう単一波長の光であって、観察点に収束する光路をとる参照光、を特定する参照光データを格納する参照光データ格納部と、
原画像からの物体光と参照光とに基づいて、記録面上の所定の演算点の位置に形成される合成波の情報を演算する合成波情報演算部と、
記録面上の各演算点についての演算結果を保持する演算結果保持部と、
演算結果保持部に保持されている演算結果を画像データとして出力するデータ出力部と、
を設けるようにしたものである。
XYZ三次元座標系におけるXY平面上に配置された記録面であって、観察者の右眼に提示する情報を記録する右記録面と、観察者の左眼に提示する情報を記録する左記録面と、を特定する記録面データを格納する記録面データ格納部と、
座標系におけるZ座標値が正の値をとる正側空間内に配置された点であって、観察者の理想的な右眼観察位置を示す右観察点と、観察者の理想的な左眼観察位置を示す左観察点と、を特定する観察点データを格納する観察点データ格納部と、
座標系におけるZ座標値が負の値をとる負側空間内に配置された原画像を特定する原画像データを入力する原画像データ入力部と、
負側空間から右記録面を透過して正側空間へと向かう単一波長の光であって、右観察点に収束する光路をとる右参照光と、負側空間から左記録面を透過して正側空間へと向かう単一波長の光であって、左観察点に収束する光路をとる左参照光と、を特定する参照光データを格納する参照光データ格納部と、
原画像からの物体光と右参照光とに基づいて、右記録面上の所定の演算点の位置に形成される合成波の情報を演算し、原画像からの物体光と左参照光とに基づいて、左記録面上の所定の演算点の位置に形成される合成波の情報を演算する合成波情報演算部と、
右記録面上の各演算点についての演算結果を保持する右演算結果保持部および左記録面上の各演算点についての演算結果を保持する左演算結果保持部と、
右演算結果保持部に保持されている演算結果を右画像データとして出力し、左演算結果保持部に保持されている演算結果を左画像データとして出力するデータ出力部と、
を設けるようにしたものである。
合成波情報演算部が、記録面上の演算点Qについての演算を行う際に、立体画像の提示に用いる予定の空間光変調素子が、原画像上の物体点Pから演算点Qへ引いた直線の延長線方向に、演算点Qに入射する参照光を回折することができるか否かを判定する回折可否判定処理を行い、回折不可との判定結果が得られる場合には、当該演算点Qについては、当該物体点Pからの物体光を考慮しない演算を行うようにしたものである。
回折可否判定処理において、記録面上の演算点Qについての演算を行う際に、原画像上の物体点Pから演算点Qへ向かう物体光の入射角をθoとし、演算点Qに対する参照光の入射角をθrとし、物体光および参照光の波長をλとし、立体画像の提示に用いる予定の空間光変調素子の画素ピッチをpとしたときに、「λ/(sin θo − sin θr)の絶対値≧2p」なる条件が成り立たない場合には、回折不可との判定結果が得られたものとして、当該演算点Qについては、当該物体点Pからの物体光を考慮しない演算を行うようにしたものである。
合成波情報演算部が、演算対象となる全物体光と参照光とによって記録面上に形成される合成波の振幅強度情報を演算し、
演算結果保持部が、振幅強度情報を演算結果として保持し、
データ出力部が、振幅強度情報によって構成される干渉縞パターンを画像データとして出力するようにしたものである。
合成波情報演算部が、演算対象となる全物体光の合成波の位相と、参照光の位相と、の差を示す位相情報を演算し、
演算結果保持部が、位相情報を演算結果として保持し、
データ出力部が、位相情報によって構成される位相分布パターンを画像データとして出力するようにしたものである。
合成波情報演算部が、演算対象となる全物体光によって記録面上に形成される合成波の振幅情報を演算し、更に、演算対象となる全物体光の合成波の位相と、参照光の位相と、の差を示す位相情報を演算し、
演算結果保持部が、振幅情報および位相情報を演算結果として保持し、
データ出力部が、振幅情報および位相情報によって構成される複素振幅分布パターンを画像データとして出力するようにしたものである。
原画像データ入力部が、時系列に並べられた複数の原画像を示す動画データを、原画像データとして入力し、
合成波情報演算部が、個々の原画像について合成波の情報を演算し、
演算結果保持部が、個々の原画像についての演算結果をそれぞれ保持し、
データ出力部が、個々の原画像についての画像データを順番に並べた動画データを出力するようにしたものである。
観察者のいずれか一方の単眼に提示する光を変調する空間光変調素子と、
空間光変調素子に対して、観察者の単眼による理想的な観察位置として設定された観察点に収束する光路をとる照明光を照射する照明光照射部と、
空間光変調素子を制御するための画像データを格納する画像データ格納部と、
画像データ格納部に格納されている画像データを空間光変調素子に供給して照明光を画像データに基づいて変調させる変調制御部と、
を設けたものである。
観察者の右眼に提示する光を変調する右眼用空間光変調素子と、
観察者の左眼に提示する光を変調する左眼用空間光変調素子と、
右眼用空間光変調素子に対して、観察者の理想的な右眼観察位置として設定された右観察点に収束する光路をとる右照明光を照射する右照明光照射部と、
左眼用空間光変調素子に対して、観察者の理想的な左眼観察位置として設定された左観察点に収束する光路をとる左照明光を照射する左照明光照射部と、
右眼用空間光変調素子を制御するための右画像データと左眼用空間光変調素子を制御するための左画像データとを格納する画像データ格納部と、
画像データ格納部に格納されている右画像データを右眼用空間光変調素子に供給して右照明光を右画像データに基づいて変調させ、画像データ格納部に格納されている左画像データを左眼用空間光変調素子に供給して左照明光を左画像データに基づいて変調させる変調制御部と、
を設けたものである。
右眼用空間光変調素子の右観察点に向かい合った面を表側の面としたときに、右眼用空間光変調素子の裏側の面から右照明光を照射し、その透過光が観察者に観察されるようにし、
左眼用空間光変調素子の左観察点に向かい合った面を表側の面としたときに、左眼用空間光変調素子の裏側の面から左照明光を照射し、その透過光が観察者に観察されるようにしたものである。
右眼用空間光変調素子の右観察点に向かい合った面を表側の面としたときに、右眼用空間光変調素子の表側の面から右照明光を照射し、その反射光が観察者に観察されるようにし、
左眼用空間光変調素子の左観察点に向かい合った面を表側の面としたときに、左眼用空間光変調素子の表側の面から左照明光を照射し、その反射光が観察者に観察されるようにしたものである。
右眼および左眼についての覗き窓が形成された遮蔽板を更に設け、
右眼用空間光変調素子および左眼用空間光変調素子を支持体に固定し、
遮蔽板を、支持体に対して定位置をとるように固定し、
観察者が、右観察点に右眼、左観察点に左眼を置いたときに、覗き窓を通して右眼用空間光変調素子および左眼用空間光変調素子を観察することができる位置に、遮蔽板が固定されているようにしたものである。
観察者の頭部に装着するための装着具を更に設け、
右眼用空間光変調素子および左眼用空間光変調素子を支持体に固定し、
この支持体を、装着具に取り付け、
観察者が、装着具を頭部に装着したときに、右観察点に右眼、左観察点に左眼がくるように、支持体の装着具に対する位置を調整したものである。
画像データ格納部に格納されている画像データが、照明光と同一の光路をとる単一波長の参照光と、提示対象となる原画像からの物体光とに基づく演算で得られた、空間光変調素子の変調面の位置に形成される合成波の情報を示す画像データであるようにしたものである。
画像データによって示される合成波の情報が、「変調面上の演算点Qについての演算を行う際に、空間光変調素子が、原画像上の物体点Pから演算点Qへ引いた直線の延長線方向に、演算点Qに入射する参照光を回折することができない場合には、当該演算点Qについては、当該物体点Pからの物体光を考慮しない」という条件に基づく演算で得られた情報であるようにしたものである。
画像データによって示される合成波の情報が、「変調面上の演算点Qについての演算を行う際に、原画像上の物体点Pから演算点Qへ向かう物体光の入射角をθoとし、演算点Qに対する参照光の入射角をθrとし、物体光および参照光の波長をλとし、空間光変調素子の画素ピッチをpとしたときに、『λ/(sin θo − sin θr)の絶対値≧2p』なる条件が成り立たない場合には、当該演算点Qについては、当該物体点Pからの物体光を考慮しない」という条件に基づく演算で得られた情報であるようにしたものである。
照明光照射部が、光源と、この光源からの光に基づいて平行光を生成する光学素子と、平行光を観察点に集光する集光素子と、を有するようにしたものである。
照明光照射部が、点光源と、この点光源からの球面波を観察点に集光する集光素子と、を有するようにしたものである。
集光素子として、回折光学素子もしくはフレネルレンズを用いるようにしたものである。
空間光変調素子として、液晶ディスプレイ、DMD、もしくはLCoSを用いるようにしたものである。
空間光変調素子からの0次光を遮蔽するための0次光遮蔽体と、この0次光遮蔽体を支持する透明支持体と、を更に設け、0次光遮蔽体が観察点に位置するように、透明支持体を配置するようにしたものである。
透明支持体を、透明な板状部材によって構成し、0次光遮蔽体をこの板状部材の表面の一部分に形成された遮光膜によって構成し、
板状部材を、遮光膜が観察点に位置するように配置したものである。
遮光膜のサイズが、照明光の光源のサイズ以上、人間の瞳孔の最大径未満、となるように設定したものである。
遮光膜を円形とし、その直径を0.2mm〜1mmに設定したものである。
本発明に係る立体画像提示方法は、デジタルデータを作成するデータ作成段階と、作成したデジタルデータに基づいて観察者に立体画像を提示する画像提示段階と、によって構成される。図1は、前半のデータ作成段階の基本原理を示す斜視図であり、図2は、後半の画像提示段階の基本原理を示す斜視図である。
ここでは、上述した基本原理に基づく具体的な立体画像提示方法を説明する。図5は、本発明に係る立体画像提示方法の基本手順を示す流れ図である。図示のとおり、この手順は、前半のデータ作成段階S1〜S6と後半の画像提示段階S7〜S9とによって構成される。前半のデータ作成段階は、図1に示した基本原理に基づいて、原画像10の情報を記録面20R,20L上に記録し、この記録された情報に基づいてデジタル画像データ50R,50Lを作成する段階であり、後半の画像提示段階は、図2に示した基本原理に基づいて、デジタル画像データ50R,50Lを空間光変調素子60R,60Lに与えて駆動し、観察者に立体画像80(原画像10の再生像)を虚像として提示する段階である。
以上、§2では、本発明に係る立体画像提示方法の具体的な手順を説明した。この手順によれば、画素ピッチ32μm程度の液晶ディスプレイを用いれば、十分に広い視野角をもった歪みのない再生像を、拡大レンズなしで提示することが可能になる。
ここでは、図5の流れ図に示す手順の前半に相当するデータ作成段階を実行するために用いる画像データ作成装置の構成を説明する。図8は、この画像データ作成装置100の基本構成を示すブロック図である。
αi=Ai/Ri・exp (−j・2π/λ・Ri+j・φi) 式(1)
で示される。ここで、Aiおよびφiは、物体点Piから発せられた物体光の初期の振幅および位相、Riは、物体点Piと演算点Qとの距離である。これらの値は、いずれも、原画像データDoに基づいて決定されるパラメータである。また、λは物体光の波長、jは虚数単位である。一方、参照光の演算点Qにおける複素振幅αrは、図9下段に示すとおり、
αr=Ar・exp (j・2π/λ・Rr+j・φr) 式(2)
で示される。ここで、Arは、参照光の振幅(式(2)では、参照光の振幅は減衰しないものとしているため、振幅Arはどの位置でも同じである)、φrは、参照光の観察点30の位置における位相、Rrは、観察点30と演算点Qとの距離、λは参照光の波長、jは虚数単位である。ここで、物体光の波長λと参照光の波長λとは等しくなるように設定する。
I=(αr+Σi=1~n αi)2
で与えられる。ここで、αrは上述した式(2)で求まる参照光の演算点Qにおける複素振幅であり、αiは上述した式(1)で求まる第i番目の物体点Piからの物体光の演算点Qにおける複素振幅αiであり、「Σi=1~n 」は、当該複素振幅αiの第1番目〜第n番目までの総和を示す。
ここでは、図5の流れ図に示す手順の後半に相当する画像提示段階を実行するために用いる立体画像提示装置の構成を説明する。図10は、この立体画像提示装置200の基本構成を示す横断面図およびブロック図である。
最後に、本発明のいくつかの変形例を掲げておく。
図10に示す立体画像提示装置100を小型化できれば、いわゆるヘッドマウント型のディスプレイ装置を実現することが可能である。図11は、図10に示す立体画像提示装置100の変形例に係る装置を観察者に装着した状態を示す上面図である。この変形例は、ヘッドマウント型のディスプレイ装置として機能するものであり、観察者の頭部Hに装着して利用することができる。すなわち、この装置は、観察者の顔面に装着する支持体270と、この支持体270に取り付けられた装着具280とを有している。装着具280は、観察者の頭部Hに装着するための構成要素であり、図示の例では、ゴム製品のベルトによって構成されている。
これまで述べた実施例は、いずれも照明光を透過させるタイプの空間光変調素子を用いた透過型の立体画像提示装置であった。たとえば、図2に示す例の場合、右眼用空間光変調素子60Rの右観察点30Rに向かい合った面を表側の面としたときに、右眼用空間光変調素子60Rの裏側の面から右照明光70Rを照射し、その透過光が観察者に観察されるようにしている。同様に、左眼用空間光変調素子60Lの左観察点30Lに向かい合った面を表側の面としたときに、左眼用空間光変調素子60Lの裏側の面から左照明光70Lを照射し、その透過光が観察者に観察されるようにしている。
これまで述べてきた実施例は、いずれも観察者が左右両眼を用いて再生像を観察することを前提としたものであったが、本発明は、ホログラフィの技術を利用して立体画像の提示を行うものであるため、観察者が片目で観察する場合にも、ある程度の立体感をもった再生像の提示が可能である。したがって、これまで述べてきた実施例における右眼用の構成要素もしくは左眼用の構成要素のみを用いて本発明を実施することも可能である。たとえば、§2で述べた立体画像提示方法を実施する際には、観察者が左右いずれかの単眼で観察することを前提として、右眼用もしくは左眼用のいずれか一方のデータ作成を行い、いずれか一方の画像提示を行うようにすればよい。
これまで述べた実施形態では、データ作成段階において、図1に示すように、所定の観察点30R,30Lを設定して画像データ50R,50Lを作成しておき、画像提示段階で、観察者が、図2に示すように、この観察点30R,30Lに両眼を置いて観察を行えば、理想的な再生像が得られる、という説明を行った。そのため、図10や図11に示す立体画像提示装置では、観察者の両眼EL,ERを、観察点30R,30Lの位置にガイドするための工夫が施されている。
これまで述べた実施形態では、記録面上に形成される合成波の情報を、ホログラム干渉縞として記録する例を述べたが、原画像の情報は、必ずしもホログラム干渉縞として記録する必要はない。ホログラフィの技術を利用して立体画像の提示を行うには、物体光の波面の情報を何らかの方法で媒体上に記録し、再生用照明光を照射したときに、物体光の波面を忠実に再現できればよい。これまで述べてきた実施形態は、波面の情報を干渉縞として記録する方式であり、原画像からの物体光と参照光とによって記録面上に形成される合成波の振幅強度に関する情報を記録する方式である。
αi=Ai/Ri・exp (−j・2π/λ・Ri+j・φi) 式(1)
として、参照光の演算点Qにおける複素振幅αrを、
αr=Ar・exp (j・2π/λ・Rr+j・φr) 式(2)
とすれば、演算点Qにおける参照光とn個の物体光との合成波の振幅強度を示す演算値Iは、
I=(αr+Σi=1~n αi)2
で与えられることは、既に述べたとおりである。
感光性材料を用いた一般的なホログラム記録媒体に対して、液晶ディスプレイなどの空間光変調素子の利点は、与える画像データに応じて、表示させる変調画像を自由に変化させることができる点である。したがって、本発明は、静止した立体画像を提示するだけでなく、動画からなる立体画像を提示するのにも適している。
上述した動画提示の他、本発明はインタラクティブに変化する立体画像を提示する用途にも利用可能である。たとえば、パソコンや電子ゲーム機などのプログラムでは、三次元CGデータに基づいてディスプレイ画面上に三次元物体(たとえば、ゲームのキャラクタ)を表示し、ユーザのキー操作やマウス操作による指示に基づいて、当該物体の位置、向き、姿勢、形状などを変化させて表示する手法が普及している。本発明は、このようなインタラクティブに変化する画像提示にも利用可能である。
これまで述べた実施形態では、空間光変調素子として液晶ディスプレイを用いた例を述べたが、本発明に用いる空間光変調素子は、与えられた画像データに基づいて、照射された再生用照明光の振幅や位相を変調する機能をもった素子であれば足り、液晶ディスプレイに限定されるものではない。たとえば、DMD(Digital Micromirror Device)やLCoS(Liquid Crystal on Silicon)などを、空間光変調素子として用いてもかまわない。
図5に示す実施形態では、データ作成段階をコンピュータを用いたCGH(Computer Generated Hologram)の手法で作成する例を述べたが、画像データの作成は、実在の物体像を実写撮影することによって用意することも可能である。たとえば、実在の物体像と実在の参照光に基づいて、所定の記録面上にホログラム干渉縞を生成させ、このホログラム干渉縞を撮像素子によってデジタルデータに変換するようにすれば、CGHの手法の代わりに、実在の物体像の実写撮影により、画像データの作成が可能になる。
既に述べたとおり、空間光変調素子からは、1次回折光だけでなく、2次回折光、3次回折光、...というように、様々な回折光が得られる。ただ、次数が高くなるに従って光量は減少し、また、図10に示す装置のように、光学的アパーチャとして機能する覗き窓241L,241Rが形成された遮蔽板240を設けることにより、無用な高次回折光が観察者の眼に入るのを阻止することができる。しかしながら、空間光変調素子からは0次光、すなわち、変調を受けずにそのまま直進する再生用照明光の成分が得られ、その光量の割合は比較的大きい。
15L,15R:物体光
20:記録面
20L:左記録面
20R:右記録面
30:観察点
30L:左観察点
30R:右観察点
35:観察位置
40L:左参照光
40R:右参照光
50L:左画像データ
50R:右画像データ
60:空間光変調素子(液晶ディスプレイ)
61〜64:回折点
60L:左眼用空間光変調素子(液晶ディスプレイ)
60R:右眼用空間光変調素子(液晶ディスプレイ)
70L:再生用左照明光
70R:再生用右照明光
71,72:再生用照明光
71′,72′:回折した再生用照明光
76,77:再生用照明光
76′,77′:反射回折した再生用照明光
80:再生像
81,82:再生像点
91,92:再生用照明光
91′,92′:回折した再生用照明光
100:画像データ作成装置
110:記録面データ格納部
120:観察点データ格納部
130:参照光データ格納部
140:原画像データ入力部
150:合成波情報演算部
160:左演算結果保持部
170:右演算結果保持部
180:データ出力部
200:立体画像提示装置
210:装置筐体(支持体)
220L:左照明光照射部
220R:右照明光照射部
221L,221R:レーザ
222L,222R:集光レンズ
223L,223R:ピンホール板
224L,224R:コリメートレンズ
225L,225R:集光レンズ
230L:左眼用空間光変調素子(液晶ディスプレイ)
230R:右眼用空間光変調素子(液晶ディスプレイ)
240:遮蔽板
241L:左眼用覗き窓
241R:右眼用覗き窓
245L:左眼観察位置
245R:右眼観察位置
250:変調制御部
260:画像データ格納部
270:支持体
280:装着具
300:透明支持体(透明な板状部材)
300L:左側透明支持体(透明な板状部材)
300R:右側透明支持体(透明な板状部材)
310:0次光遮蔽体(円形遮光膜)
310L:左側0次光遮蔽体(円形遮光膜)
310R:右側0次光遮蔽体(円形遮光膜)
Ai:第i番目の物体光の複素振幅
Ar:参照光の複素振幅
DL:左画像データ
DR:右画像データ
E:観察者の眼
EL:観察者の左眼
ER:観察者の右眼
H:観察者の頭部
j:虚数単位
L:再生用照明光
L′:回折した再生用照明光
La,Lb:再生用照明光
La(+),La(−),Lb(+),Lb(−):回折した再生用照明光の光路
Lo:物体光
Lr:参照光
Pi:原画像上の第i番目の物体点
P:原画像上の物体点
Q:記録面上の演算点
Qa:記録面の上端の演算点
Qb:記録面の下端の演算点
QLj:左記録面上の第j番目の演算点
QRj:右記録面上の第j番目の演算点
Ri:第i番目の物体点と演算点との距離
Rr:演算点と観察点との距離
S:観察位置の設定範囲
S1〜S9:流れ図の各段階(ステップ)
X,Y,Z:三次元座標系の各座標軸
αi:第i番目の物体光の複素振幅
αr:参照光の複素振幅
λ:光の波長
θ1,θ2:回折角
θo:物体光の入射角
θr:参照光の入射角
θmax:最大回折範囲
φi:第i番目の物体光の位相
φr:参照光の位相
Claims (34)
- デジタルデータを作成するデータ作成段階と、作成したデジタルデータに基づいて観察者に立体画像を提示する画像提示段階と、を有する立体画像提示方法であって、
前記データ作成段階は、
コンピュータが、XYZ三次元座標系におけるXY平面上に配置され、観察者のいずれか一方の単眼に提示する情報を記録する記録面、を特定する記録面データを入力する記録面データ入力段階と、
コンピュータが、前記座標系におけるZ座標値が正の値をとる正側空間内に配置された点であって、観察者の前記単眼による理想的な観察位置を示す観察点、を特定する観察点データを入力する観察点データ入力段階と、
コンピュータが、前記座標系におけるZ座標値が負の値をとる負側空間内に配置された原画像を特定する原画像データを入力する原画像データ入力段階と、
コンピュータが、前記負側空間から前記記録面を透過して前記正側空間へと向かう単一波長の光であって、前記観察点に収束する光路をとる参照光、を特定する参照光データを入力する参照光データ入力段階と、
コンピュータが、前記原画像からの物体光と前記参照光とによって前記記録面上に形成される前記原画像の情報を演算して前記記録面上に記録する演算記録段階と、
コンピュータが、前記記録面上に記録された情報を画像データとして出力するデータ出力段階と、
を有し、
前記画像提示段階は、
観察者の前記単眼に提示する光を変調する空間光変調素子を、前記記録面に対応する位置に配置する素子配置段階と、
前記空間光変調素子に対して、前記参照光と同一もしくは鏡像関係となる光路を通る照明光を照射する照明光照射段階と、
前記画像データを前記空間光変調素子に与え、前記記録面上に記録された情報に基づいて前記照明光が変調されるようにする光変調段階と、
を有し、前記照明光照射段階と前記光変調段階とを同時に行うことを特徴とする立体画像提示方法。 - デジタルデータを作成するデータ作成段階と、作成したデジタルデータに基づいて観察者に立体画像を提示する画像提示段階と、を有する立体画像提示方法であって、
前記データ作成段階は、
コンピュータが、XYZ三次元座標系におけるXY平面上に配置された記録面であって、観察者の右眼に提示する情報を記録する右記録面と、観察者の左眼に提示する情報を記録する左記録面と、を特定する記録面データを入力する記録面データ入力段階と、
コンピュータが、前記座標系におけるZ座標値が正の値をとる正側空間内に配置された点であって、観察者の理想的な右眼観察位置を示す右観察点と、観察者の理想的な左眼観察位置を示す左観察点と、を特定する観察点データを入力する観察点データ入力段階と、
コンピュータが、前記座標系におけるZ座標値が負の値をとる負側空間内に配置された原画像を特定する原画像データを入力する原画像データ入力段階と、
コンピュータが、前記負側空間から前記右記録面を透過して前記正側空間へと向かう単一波長の光であって、前記右観察点に収束する光路をとる右参照光と、前記負側空間から前記左記録面を透過して前記正側空間へと向かう単一波長の光であって、前記左観察点に収束する光路をとる左参照光と、を特定する参照光データを入力する参照光データ入力段階と、
コンピュータが、前記原画像からの物体光と前記右参照光とによって前記右記録面上に形成される前記原画像の情報を演算して前記右記録面上に記録し、前記原画像からの物体光と前記左参照光とによって前記左記録面上に形成される前記原画像の情報を演算して前記左記録面上に記録する演算記録段階と、
コンピュータが、前記右記録面上に記録された情報を右画像データとして出力し、前記左記録面上に記録された情報を左画像データとして出力するデータ出力段階と、
を有し、
前記画像提示段階は、
観察者の右眼に提示する光を変調する右眼用空間光変調素子と、観察者の左眼に提示する光を変調する左眼用空間光変調素子とを、それぞれ前記右記録面および前記左記録面に対応する位置に配置する素子配置段階と、
前記右眼用空間光変調素子に対して、前記右参照光と同一もしくは鏡像関係となる光路を通る右照明光を照射し、前記左眼用空間光変調素子に対して、前記左参照光と同一もしくは鏡像関係となる光路を通る左照明光を照射する照明光照射段階と、
前記右画像データを前記右眼用空間光変調素子に与え、前記右記録面上に記録された情報に基づいて前記右照明光が変調されるようにし、前記左画像データを前記左眼用空間光変調素子に与え、前記左記録面上に記録された情報に基づいて前記左照明光が変調されるようにする光変調段階と、
を有し、前記照明光照射段階と前記光変調段階とを同時に行うことを特徴とする立体画像提示方法。 - 請求項1または2に記載の立体画像提示方法において、
演算記録段階で、記録面上の演算点Qについての演算を行う際に、空間光変調素子が、原画像上の物体点Pから前記演算点Qへ引いた直線の延長線方向に、前記演算点Qに入射する参照光を回折することができるか否かを判定する回折可否判定処理を行い、回折不可との判定結果が得られる場合には、前記演算点Qについては、前記物体点Pからの物体光を考慮しない演算を行うことを特徴とする立体画像提示方法。 - 請求項3に記載の立体画像提示方法において、
空間光変調素子として、ピッチpで配列された多数の画素の集合体からなり、画素単位で光学的特性を制御することが可能な素子を用い、
回折可否判定処理において、記録面上の演算点Qについての演算を行う際に、原画像上の物体点Pから前記演算点Qへ向かう物体光の入射角をθoとし、前記演算点Qに対する参照光の入射角をθrとし、物体光および参照光の波長をλとしたときに、「λ/(sin θo − sin θr)の絶対値≧2p」なる条件が成り立たない場合には、回折不可との判定結果が得られたものとして、前記演算点Qについては、前記物体点Pからの物体光を考慮しない演算を行うことを特徴とする立体画像提示方法。 - 請求項1〜4のいずれかに記載の立体画像提示方法において、
演算記録段階で、原画像からの物体光と参照光とに基づいて、記録面上に形成される合成波の振幅に関する情報もしくは位相に関する情報またはその双方を記録面上に記録することを特徴とする立体画像提示方法。 - 請求項1〜5のいずれかに記載の立体画像提示方法において、
原画像データ入力段階で、時系列に並べられた複数の原画像を示す動画データを、原画像データとして入力し、
演算記録段階で、個々の原画像について記録面上への記録を行い、
データ出力段階で、個々の原画像についての画像データを出力し、
光変調段階で、個々の原画像についての画像データを順番に空間光変調素子に与え、動画の再生が行われるようにすることを特徴とする立体画像提示方法。 - 請求項1〜6のいずれかに記載の立体画像提示方法において、
画像提示段階が、空間光変調素子からの0次光を遮蔽する機能を有する0次光遮蔽体を、観察点に配置する遮蔽体配置段階を更に有することを特徴とする立体画像提示方法。 - 請求項7に記載の立体画像提示方法において、
遮蔽体配置段階で、円盤状の遮光膜からなる0次光遮蔽体を配置し、
前記遮光膜の径を、照明光の光源のサイズ以上、人間の瞳孔の最大径未満、となるように設定することを特徴とする立体画像提示方法。 - 空間光変調素子を用いて立体画像の提示を行うために、当該空間光変調素子に与える画像データを作成する装置であって、
XYZ三次元座標系におけるXY平面上に配置された記録面であって、観察者のいずれか一方の単眼に提示する情報を記録する記録面、を特定する記録面データを格納する記録面データ格納部と、
前記座標系におけるZ座標値が正の値をとる正側空間内に配置された点であって、観察者の前記単眼による理想的な観察位置を示す観察点、を特定する観察点データを格納する観察点データ格納部と、
前記座標系におけるZ座標値が負の値をとる負側空間内に配置された原画像を特定する原画像データを入力する原画像データ入力部と、
前記負側空間から前記右記録面を透過して前記正側空間へと向かう単一波長の光であって、前記観察点に収束する光路をとる参照光、を特定する参照光データを格納する参照光データ格納部と、
前記原画像からの物体光と前記参照光とに基づいて、前記記録面上の所定の演算点の位置に形成される合成波の情報を演算する合成波情報演算部と、
前記記録面上の各演算点についての演算結果を保持する演算結果保持部と、
前記演算結果保持部に保持されている演算結果を画像データとして出力するデータ出力部と、
を備えることを特徴とする立体画像提示用の画像データ作成装置。 - 空間光変調素子を用いて立体画像の提示を行うために、当該空間光変調素子に与える画像データを作成する装置であって、
XYZ三次元座標系におけるXY平面上に配置された記録面であって、観察者の右眼に提示する情報を記録する右記録面と、観察者の左眼に提示する情報を記録する左記録面と、を特定する記録面データを格納する記録面データ格納部と、
前記座標系におけるZ座標値が正の値をとる正側空間内に配置された点であって、観察者の理想的な右眼観察位置を示す右観察点と、観察者の理想的な左眼観察位置を示す左観察点と、を特定する観察点データを格納する観察点データ格納部と、
前記座標系におけるZ座標値が負の値をとる負側空間内に配置された原画像を特定する原画像データを入力する原画像データ入力部と、
前記負側空間から前記右記録面を透過して前記正側空間へと向かう単一波長の光であって、前記右観察点に収束する光路をとる右参照光と、前記負側空間から前記左記録面を透過して前記正側空間へと向かう単一波長の光であって、前記左観察点に収束する光路をとる左参照光と、を特定する参照光データを格納する参照光データ格納部と、
前記原画像からの物体光と前記右参照光とに基づいて、前記右記録面上の所定の演算点の位置に形成される合成波の情報を演算し、前記原画像からの物体光と前記左参照光とに基づいて、前記左記録面上の所定の演算点の位置に形成される合成波の情報を演算する合成波情報演算部と、
前記右記録面上の各演算点についての演算結果を保持する右演算結果保持部および前記左記録面上の各演算点についての演算結果を保持する左演算結果保持部と、
前記右演算結果保持部に保持されている演算結果を右画像データとして出力し、前記左演算結果保持部に保持されている演算結果を左画像データとして出力するデータ出力部と、
を備えることを特徴とする立体画像提示用の画像データ作成装置。 - 請求項9または10に記載の画像データ作成装置において、
合成波情報演算部が、記録面上の演算点Qについての演算を行う際に、立体画像の提示に用いる予定の空間光変調素子が、原画像上の物体点Pから前記演算点Qへ引いた直線の延長線方向に、前記演算点Qに入射する参照光を回折することができるか否かを判定する回折可否判定処理を行い、回折不可との判定結果が得られる場合には、前記演算点Qについては、前記物体点Pからの物体光を考慮しない演算を行うことを特徴とする立体画像提示用の画像データ作成装置。 - 請求項11に記載の画像データ作成装置において、
回折可否判定処理において、記録面上の演算点Qについての演算を行う際に、原画像上の物体点Pから前記演算点Qへ向かう物体光の入射角をθoとし、前記演算点Qに対する参照光の入射角をθrとし、物体光および参照光の波長をλとし、立体画像の提示に用いる予定の空間光変調素子の画素ピッチをpとしたときに、「λ/(sin θo − sin θr)の絶対値≧2p」なる条件が成り立たない場合には、回折不可との判定結果が得られたものとして、前記演算点Qについては、前記物体点Pからの物体光を考慮しない演算を行うことを特徴とする立体画像提示用の画像データ作成装置。 - 請求項9〜12のいずれかに記載の画像データ作成装置において、
合成波情報演算部が、演算対象となる全物体光と参照光とによって記録面上に形成される合成波の振幅強度情報を演算し、
演算結果保持部が、前記振幅強度情報を演算結果として保持し、
データ出力部が、前記振幅強度情報によって構成される干渉縞パターンを画像データとして出力することを特徴とする立体画像提示用の画像データ作成装置。 - 請求項9〜12のいずれかに記載の画像データ作成装置において、
合成波情報演算部が、演算対象となる全物体光の合成波の位相と、参照光の位相と、の差を示す位相情報を演算し、
演算結果保持部が、前記位相情報を演算結果として保持し、
データ出力部が、前記位相情報によって構成される位相分布パターンを画像データとして出力することを特徴とする立体画像提示用の画像データ作成装置。 - 請求項9〜12のいずれかに記載の画像データ作成装置において、
合成波情報演算部が、演算対象となる全物体光によって記録面上に形成される合成波の振幅情報を演算し、更に、演算対象となる全物体光の合成波の位相と、参照光の位相と、の差を示す位相情報を演算し、
演算結果保持部が、前記振幅情報および前記位相情報を演算結果として保持し、
データ出力部が、前記振幅情報および前記位相情報によって構成される複素振幅分布パターンを画像データとして出力することを特徴とする立体画像提示用の画像データ作成装置。 - 請求項9〜15のいずれかに記載の画像データ作成装置において、
原画像データ入力部が、時系列に並べられた複数の原画像を示す動画データを、原画像データとして入力し、
合成波情報演算部が、個々の原画像について合成波の情報を演算し、
演算結果保持部が、個々の原画像についての演算結果をそれぞれ保持し、
データ出力部が、個々の原画像についての画像データを順番に並べた動画データを出力することを特徴とする立体画像提示用の画像データ作成装置。 - 請求項9〜16のいずれかに記載の画像データ作成装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
- 空間光変調素子を用いて立体画像の提示を行う立体画像提示装置であって、
観察者のいずれか一方の単眼に提示する光を変調する空間光変調素子と、
前記空間光変調素子に対して、観察者の前記単眼による理想的な観察位置として設定された観察点に収束する光路をとる照明光を照射する照明光照射部と、
前記空間光変調素子を制御するための画像データを格納する画像データ格納部と、
前記画像データ格納部に格納されている前記画像データを前記空間光変調素子に供給して前記照明光を前記画像データに基づいて変調させる変調制御部と、
を備えることを特徴とする立体画像提示装置。 - 空間光変調素子を用いて立体画像の提示を行う立体画像提示装置であって、
観察者の右眼に提示する光を変調する右眼用空間光変調素子と、
観察者の左眼に提示する光を変調する左眼用空間光変調素子と、
前記右眼用空間光変調素子に対して、観察者の理想的な右眼観察位置として設定された右観察点に収束する光路をとる右照明光を照射する右照明光照射部と、
前記左眼用空間光変調素子に対して、観察者の理想的な左眼観察位置として設定された左観察点に収束する光路をとる左照明光を照射する左照明光照射部と、
前記右眼用空間光変調素子を制御するための右画像データと前記左眼用空間光変調素子を制御するための左画像データとを格納する画像データ格納部と、
前記画像データ格納部に格納されている前記右画像データを前記右眼用空間光変調素子に供給して前記右照明光を前記右画像データに基づいて変調させ、前記画像データ格納部に格納されている前記左画像データを前記左眼用空間光変調素子に供給して前記左照明光を前記左画像データに基づいて変調させる変調制御部と、
を備えることを特徴とする立体画像提示装置。 - 請求項19に記載の立体画像提示装置において、
右眼用空間光変調素子の右観察点に向かい合った面を表側の面としたときに、右眼用空間光変調素子の裏側の面から右照明光を照射し、その透過光が観察者に観察されるようにし、
左眼用空間光変調素子の左観察点に向かい合った面を表側の面としたときに、左眼用空間光変調素子の裏側の面から左照明光を照射し、その透過光が観察者に観察されるようにしたことを特徴とする立体画像提示装置。 - 請求項19に記載の立体画像提示装置において、
右眼用空間光変調素子の右観察点に向かい合った面を表側の面としたときに、右眼用空間光変調素子の表側の面から右照明光を照射し、その反射光が観察者に観察されるようにし、
左眼用空間光変調素子の左観察点に向かい合った面を表側の面としたときに、左眼用空間光変調素子の表側の面から左照明光を照射し、その反射光が観察者に観察されるようにしたことを特徴とする立体画像提示装置。 - 請求項19〜21のいずれかに記載の立体画像提示装置において、
右眼および左眼についての覗き窓が形成された遮蔽板を更に備え、
右眼用空間光変調素子および左眼用空間光変調素子が支持体に固定されており、
前記遮蔽板は、前記支持体に対して定位置をとるように固定されており、
観察者が、右観察点に右眼、左観察点に左眼を置いたときに、前記覗き窓を通して前記右眼用空間光変調素子および前記左眼用空間光変調素子を観察することができる位置に、前記遮蔽板が固定されていることを特徴とする立体画像提示装置。 - 請求項19〜21のいずれかに記載の立体画像提示装置において、
観察者の頭部に装着するための装着具を更に備え、
右眼用空間光変調素子および左眼用空間光変調素子が支持体に固定されており、
前記支持体は、前記装着具に取り付けられており、
観察者が、前記装着具を頭部に装着したときに、右観察点に右眼、左観察点に左眼がくるように、前記支持体の前記装着具に対する位置が調整されていることを特徴とする立体画像提示装置。 - 請求項18〜23のいずれかに記載の立体画像提示装置において、
画像データ格納部に格納されている画像データが、照明光と同一の光路をとる単一波長の参照光と、提示対象となる原画像からの物体光とに基づく演算で得られた、空間光変調素子の変調面の位置に形成される合成波の情報を示す画像データであることを特徴とする立体画像提示装置。 - 請求項24に記載の立体画像提示装置において、
画像データによって示される合成波の情報が、「変調面上の演算点Qについての演算を行う際に、空間光変調素子が、原画像上の物体点Pから前記演算点Qへ引いた直線の延長線方向に、前記演算点Qに入射する参照光を回折することができない場合には、前記演算点Qについては、前記物体点Pからの物体光を考慮しない」という条件に基づく演算で得られた情報であることを特徴とする立体画像提示装置。 - 請求項24に記載の立体画像提示装置において、
画像データによって示される合成波の情報が、「変調面上の演算点Qについての演算を行う際に、原画像上の物体点Pから前記演算点Qへ向かう物体光の入射角をθoとし、前記演算点Qに対する参照光の入射角をθrとし、物体光および参照光の波長をλとし、空間光変調素子の画素ピッチをpとしたときに、『λ/(sin θo − sin θr)の絶対値≧2p』なる条件が成り立たない場合には、前記演算点Qについては、前記物体点Pからの物体光を考慮しない」という条件に基づく演算で得られた情報であることを特徴とする立体画像提示装置。 - 請求項18〜26のいずれかに記載の立体画像提示装置において、
照明光照射部が、光源と、この光源からの光に基づいて平行光を生成する光学素子と、前記平行光を観察点に集光する集光素子と、を有することを特徴とする立体画像提示装置。 - 請求項18〜26のいずれかに記載の立体画像提示装置において、
照明光照射部が、点光源と、この点光源からの球面波を観察点に集光する集光素子と、を有することを特徴とする立体画像提示装置。 - 請求項27または28に記載の立体画像提示装置において、
集光素子として、回折光学素子もしくはフレネルレンズを用いることを特徴とする立体画像提示装置。 - 請求項18〜29のいずれかに記載の立体画像提示装置において、
空間光変調素子として、液晶ディスプレイ、DMD、もしくはLCoSを用いることを特徴とする立体画像提示装置。 - 請求項18〜30のいずれかに記載の立体画像提示装置において、
空間光変調素子からの0次光を遮蔽するための0次光遮蔽体と、この0次光遮蔽体を支持する透明支持体と、を更に備え、前記0次光遮蔽体が観察点に位置するように、前記透明支持体が配置されていることを特徴とする立体画像提示装置。 - 請求項31に記載の立体画像提示装置において、
透明支持体が、透明な板状部材によって構成され、0次光遮蔽体が前記板状部材の表面の一部分に形成された遮光膜によって構成され、
前記板状部材が、前記遮光膜が観察点に位置するように配置されていることを特徴とする立体画像提示装置。 - 請求項32に記載の立体画像提示装置において、
遮光膜のサイズが、照明光の光源のサイズ以上、人間の瞳孔の最大径未満、となるように設定されていることを特徴とする立体画像提示装置。 - 請求項33に記載の立体画像提示装置において、
遮光膜を円形とし、その直径を0.2mm〜1mmに設定したことを特徴とする立体画像提示装置。
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