JP2017062373A - 画像再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水平方向に視差情報を有するホログラフィックステレオグラムから視差画像を再生する画像再生装置において、再生参照光として平行光を照射した場合に比べて、垂直方向の視野角が拡大する画像再生装置を提供する。【解決手段】水平方向に視差情報を有するホログラフィックステレオグラムが記録されたホログラム記録媒体に、視差画像を再生する再生参照光を照射する光源と、光源とホログラム記録媒体との間に配置され、再生参照光を垂直方向に拡散する拡散板と、を備える画像再生装置とする。【選択図】図４

Description

本発明は、画像再生装置に関する。

特許文献１には、表示手段にホログラム記録媒体の座標位置に対応した画像を表示させ、この表示手段を透過したレーザ光を物体光としてホログラム記録媒体の前記座標位置に集光するとともに、表示手段を透過する前のレーザ光の一部を参照光としてホログラム記録媒体に同時に照射し、前記ホログラム記録媒体に短冊状またはドット状の要素ホログラムを順次形成するホログラフィックステレオグラムの作成方法において、上記表示手段の近傍にレーザ光を拡散する第１の拡散板を配するとともに、ホログラム記録媒体の直前に要素ホログラム幅に対応した開口部を有するマスク及びこのマスクの開口部を透過した物体光を一次元拡散する第２の拡散板を配し、上記第１の拡散板の位置を要素ホログラム毎に任意に変えることを特徴とするホログラフィックステレオグラムの作成方法が開示されている。

特許文献２には、表示手段にホログラム記録媒体の座標位置に対応した画像を表示させ、この表示手段を透過したレーザ光を物体光としてホログラム記録媒体の前記座標位置に集光するとともに、表示手段を透過する前のレーザ光の一部を参照光としてホログラム記録媒体に同時に照射し、前記ホログラム記録媒体に短冊状またはドット状の要素ホログラムを順次形成するホログラフィックステレオグラムの作成方法において、上記ホログラム記録媒体の直前に集光された物体光を一次元拡散するレンチキュラーレンズを一次元拡散板として配置するとともに、ルーバーフィルムをこの一次元拡散板に対して斜めに配置し、上記レンチキュラーレンズを一次元拡散方向に要素ホログラム記録毎に移動することを特徴とするホログラフィックステレオグラムの作成方法が開示されている。

特開平１０−０２０７４７号公報 特開平１０−０２６９２４号公報

本発明の目的は、水平方向に視差情報を有するホログラフィックステレオグラムから視差画像を再生する画像再生装置において、再生参照光として平行光を照射した場合に比べて、垂直方向の視野角が拡大する画像再生装置を提供することにある。

請求項１に記載された発明は、水平方向に視差情報を有するホログラフィックステレオグラムが記録されたホログラム記録媒体に、視差画像を再生する再生参照光を照射する光源と、前記光源と前記ホログラム記録媒体との間に配置され、再生参照光を垂直方向に拡散する拡散板と、を備える画像再生装置である。

請求項２に記載された発明は、前記光源と前記拡散板とを、再生される視差画像を観察する視界の外側に配置する、請求項１に記載の画像再生装置である。

請求項３に記載された発明は、前記拡散板が、レンチキュラーレンズである、請求項１または請求項２に記載の画像再生装置である。

請求項４に記載された発明は、前記拡散板が、光が透過する方向の厚さが異なる複数の光学素子が水平方向及び垂直方向に沿って格子状に配列され、各光学素子の形状は矩形状であり、各光学素子の垂直方向の一辺の長さが水平方向の一辺の長さより短い位相マスクである、請求項１または請求項２に記載の画像再生装置である。

請求項１に記載の発明によれば、水平方向に視差情報を有するホログラフィックステレオグラムから視差画像を再生する画像再生装置において、再生参照光として平行光を照射した場合に比べて、垂直方向の視野角が拡大する。

請求項２に記載の発明によれば、視界の内側に配置する場合に比べて、再生される視差画像の明度が向上する。

請求項３に記載の発明によれば、他の拡散板を用いる場合に比べて、安価に拡散板が備えられる。

請求項４に記載の発明によれば、他の拡散板を用いる場合に比べて、再生時にノイズの発生が抑制される。

原画像の一例を示す模式図である。 ホログラフィックステレオグラムの原理を説明するための模式図である。 画像記録装置の構成の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態に係る画像再生装置の構成の一例を示す構成図である。 干渉縞として記録されるホログラムの一例を示す模式図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は垂直方向の視野角が拡大する原理を説明するための模式図である。 拡散板の一例を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。

＜ホログラフィックステレオグラムの原理＞
まず、ホログラフィックステレオグラムの原理について説明する。
三次元画像を表示する表示方式の１つに、ホログラフィックステレオグラムがある。ホログラフィックステレオグラムは、少しずつ視点を変えて被写体を撮影した二次元画像を原画像として取得し、取得した複数の原画像を再構成して表示装置に表示する複数の表示画像を生成し、生成した複数の表示画像を１つのホログラム記録媒体に複数の要素ホログラムとして順次記録することにより作成される。なお、以下では、原画像と表示画像を「視差画像」と総称する。

図１は原画像の一例を示す模式図である。この例では、四角錐を被写体ＯＢとして、水平方向に少しずつ視点を変えながら被写体ＯＢを撮影している。被写体ＯＢを正面から撮影した画像が原画像Ｆである。また、水平方向において、ななめ左側から被写体ＯＢを撮影した画像が原画像Ｅであり、更に左周りに回転した位置から被写体ＯＢを撮影した画像が原画像Ｄである。また、水平方向において、ななめ右側から被写体ＯＢを撮影した画像が原画像Ｇであり、更に右周りに回転した位置から被写体ＯＢを撮影した画像が原画像Ｈである。

図２はホログラフィックステレオグラムの原理を説明するための模式図である。例えば、水平方向に視差情報を有するホログラフィックステレオグラムでは、図２に示すように、水平方向に少しずつ視点を変えて被写体ＯＢを順次撮影し、原画像Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈが取得されるものとする。

次に、これら複数の原画像ＤからＨを再構成して表示画像１、２、３、４、５を生成する。この例では、原画像を水平方向に５分割して左側からｎ番目（ｎは１から５の整数）の画素列をＤ→Ｈの順番で並べた画像を表示画像ｎとしている。そして、ホログラム記録媒体に対し、表示画像１から５を短冊状の要素ホログラムＨ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４，Ｈ５として順次記録する。

原画像ＤからＨの画像面は、要素ホログラムＨ１からＨ５で構成されるホログラム記録媒体面に対応している。また、表示画像１から５の集光角度は、観察者がホログラム記録媒体を観察する観察角度に対応している。即ち、表示画像の各画素列の角度依存情報が記録されるのである。したがって、要素ホログラムＨ１からＨ５が再生されることで、ホログラム全体（即ち、原画像ＤからＨ）が再生されることになり、被写体ＯＢの三次元画像が観察者に認識される。

水平方向に視差情報を持つホログラフィックステレオグラムは、水平方向での視点の移動には対応しているが、垂直方向での視点の移動には対応していない。即ち、垂直方向の視野が狭い。従来、垂直方向の視野角を確保するために、ホログラム記録媒体の手前に入射した光を垂直方向に拡散する一次元拡散板を配置していたが、この構成ではホログラム上に発生するノイズを抑制するのが難しい。

本実施の形態では、記録時ではなく再生時に着目して垂直方向の視野角を拡大する。後述する通り、本実施の形態に係る画像再生装置では、水平方向に視差情報を有するホログラフィックステレオグラムが記録されたホログラム記録媒体に再生参照光を照射する際に、再生参照光を垂直方向に拡散してからホログラム記録媒体に照射する。再生参照光の照射角度が垂直方向に拡大することにより、再生される視差画像（以下、「再生像」という。）の垂直方向の観察角度も拡大する。即ち、垂直方向の視野角が拡大する。なお、本実施の形態に係る装置構成や視野角拡大の原理については後述する。

＜画像記録装置＞
ここで、水平方向に視差情報を有するホログラフィックステレオグラムを作成する画像記録装置について説明する。図３は画像記録装置の構成の一例を示す構成図である。図３は画像記録装置を上から見た図である。図３に示すように、画像記録装置には、レーザ光源１０が設けられている。レーザ光源１０からは、レーザ発振によりコヒーレントなレーザ光が出射される。例えば、レーザ光源１０として、波長５３２ｎｍのレーザ光を出射する、光出力１Ｗの緑色固体レーザを用いてもよい。

レーザ光源１０の光出射側には、レーザ光を遮断するためのシャッター１２が光路から退避するように配置されている。シャッター１２の光透過側には、空間フィルタ１４、レンズ１６、及びミラー１８が、シャッター１２側から光路に沿って記載した順序で配置されている。空間フィルタ１４とレンズ１６とは、シャッター１２を退避させて通過した光を平行光化して、ミラー１８に照射する。ミラー１８は、平行光化された光の光路を偏光ビームスプリッタ２２の方向に変更する。

ミラー１８の光反射側には、１／２波長板２０、及び偏光ビームスプリッタ２２が、ミラー１８側から光路に沿って記載した順序で配置されている。１／２波長板２０は、入射された光の偏光面を回転させて信号光と参照光との強度比を調整する。１／２波長板２０を透過した光は、偏光ビームスプリッタ２２に入射する。

偏光ビームスプリッタ２２は、Ｐ偏光を透過し且つＳ偏光を反射する反射面２２ａを備え、レーザ光を物体光用の光と参照光用の光の２つの光に分岐させる。偏光ビームスプリッタ２２を透過した光が物体光用の光（Ｐ偏光）となり、偏光ビームスプリッタ２２で反射された光が参照光用の光（Ｓ偏光）となる。

まず、物体光を生成する光学系について説明する。偏光ビームスプリッタ２２の光透過側には、ミラー２４が配置されている。ミラー２４は、透過した光の光路をホログラム記録媒体３４の方向に変更する。ミラー２４とホログラム記録媒体３４との間には、透過型の表示装置２６、拡散板２８、及びレンズ３２が、ミラー２４側から光路に沿って記載した順序で配置されている。

表示装置２６は、複数の画素を備えており、画素毎に入射光の振幅、位相、及び偏光方向の少なくとも１つを変調することにより、画像情報に応じた画像を表示する。表示装置２６としては、例えば、電気信号により画素毎に駆動制御される空間光変調器を用いてもよい。本実施の形態では、透過型の液晶空間光変調器を用いて、その表示領域に画像を表示する。物体光用の光が表示装置２６で変調されることで、ホログラム記録に用いる物体光が生成される。

ここでは、紙面と直交する方向が「水平方向」に相当し、紙面に平行な方向が「垂直方向」に相当する。短冊状の要素ホログラムは、長さ方向が「垂直方向」、幅方向が「水平方向」となるように記録される。なお、ホログラム記録媒体３４は、図示しない保持部材に保持されており、表示装置２６に１回に表示される表示画像に応じて要素ホログラムを記録する毎に、図示しない移動装置により水平方向に移動する。

拡散板２８は、透過する物体光を少なくとも垂直方向に拡散する。拡散板２８としては、図７に示すように、光が透過する方向の厚さが異なる複数の光学素子が、垂直方向及び水平方向に格子状に並ぶように配列された位相マスクを用いてもよい。格子状に配列された複数の光学素子の各々は、平面視が水平方向を長手方向とする矩形状であり、垂直方向の一辺の長さｄ１が、水平方向の一辺の長さｄ２より短い。なお、図７では濃淡で厚さの違いを表している。

上記の位相マスクは、表面の凹凸により回折格子として機能し、光の回折原理により透過光を水平方向及び垂直方向に拡散する。複数の光学素子の各々は、水平方向を長手方向とする矩形状であるため、水平方向よりも垂直方向に大きく拡散されて、垂直方向の視野が拡大する。また、厚さの異なる光学素子は、透過する光に対し異なる位相変化を与える。付与される位相変化がランダムなほど、物体光の低周波成分が分散することにより要素ホログラムが効率よく記録される。

上記の位相マスクは、例えば、ランダム位相マスクと同様に、石英ガラス等で作製された透明基板の表面を光学素子毎に異なる厚さになるようにランダムにエッチング加工して作製される。なお、「透明」とはホログラムの記録に用いる波長の光を透過するという意味である。また、すべての光学素子の厚さが異なっている必要はない。例えば、波長λ、透明基板の屈折率ｎの場合、エッチング深さをλ／２（ｎ−１）とすると、厚さの異なる複数の光学素子を透過する光に位相差πが生じる。

なお、拡散板２８としてレンチキュラーレンズを用いてもよい。レンチキュラーレンズを用いて垂直方向の視野を拡大する場合には、拡散板２８はホログラム記録媒体３４の直前に配置される。レンチキュラーレンズは、透過光を垂直方向にだけ拡散し、垂直方向の視野が拡大する。レンチキュラーレンズは安価である。しかしながら、レンチキュラーレンズに比べて上記の位相マスクを用いる方が、記録されるホログラムにおけるノイズが低減される。

レンズ３２は、シリンドリカルレンズである。レンズ３２は、その凸面が拡散板２８に対向すると共に、長さ方向が垂直方向となるように配置されている。レンズ３２は、拡散板２８を透過した物体光を水平方向に集光する集光レンズとして機能する。物体光が水平方向に集光される様子は、側面図を併記して図示する。

次に、参照光を生成する光学系について説明する。偏光ビームスプリッタ２２の光反射側には、ミラー３６が配置されている。ミラー３６は、参照光用の光（以下、「参照光」という。）の光路をホログラム記録媒体３４の方向に変更する。ミラー３６とホログラム記録媒体３４との間には、スリット３８が配置されている。

スリット３８は、参照光を矩形形状に整形して、ホログラム記録媒体３４に照射する。本実施の形態では、参照光は、ホログラム記録媒体３４に対し、物体光とは異なる側から照射される。また、参照光は、参照光の光軸と物体光の光軸とがホログラム記録媒体３４内で交差するように照射される。

なお、上記の光学系は一例であり、レンズやミラー等の各部品は設計に応じて省略又は追加してもよい。例えば、物体光を矩形形状に整形するスリット、物体光を水平方向に拡散させる拡散板等を、光路に配置してもよい。また、物体光と参照光とはＰ偏光に限定されない。ホログラム記録媒体で物体光と参照光の干渉縞が記録されればよく、物体光と参照光は他の偏光の組み合わせとしてもよい。

また、画像記録装置は装置全体を制御する制御装置（図示せず）を備えている。レーザ光源１０、シャッター１２、表示装置２６等の駆動制御が必要な装置の各々は、制御装置（図示せず）に接続され、制御装置（図示せず）により駆動制御されている。

次に、ホログラム記録処理について説明する。
まず、シャッター１２を光路から退避させてレーザ光が通過するようにする。レーザ光源１０からレーザ光を照射すると共に、制御装置（図示せず）から画像情報を供給して、予め定めたタイミングで表示装置２６に画像を表示し、ホログラム記録媒体３４へのホログラム記録処理を開始する。

レーザ光源１０から出射されたレーザ光は、空間フィルタ１４とレンズ１６とにより平行光化され、ミラー１８で反射されて、１／２波長板２０に入射する。１／２波長板２０で偏光面が回転されたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ２２に入射し、物体光用の光（Ｐ偏光）と参照光用の光（Ｓ偏光）とに分岐される。

偏光ビームスプリッタ２２を透過したＰ偏光は、ミラー２４で反射され、表示装置２６に表示された画像に応じて変調されて物体光となる。表示画像を透過した物体光は、拡散板２８により垂直方向に拡散され、レンズ３２により水平方向に集光されて、ホログラム記録媒体３４に照射される。一方、偏光ビームスプリッタ２２で反射されたＳ偏光（参照光）は、ミラー３６で反射され、スリット３８で矩形形状に整形されて、物体光とは異なる側からホログラム記録媒体３４に照射される。

物体光と参照光とがホログラム記録媒体３４に同時に照射されて、複数の物体光と参照光との干渉により要素ホログラムが記録される。また、参照光を物体光とは異なる側から照射することで反射型ホログラムが記録される。要素ホログラムの各々は短冊状である。ホログラム記録媒体３４を水平方向に移動させると共に表示装置２６に表示する画像を切り替えることで、短冊状の要素ホログラムが水平方向に並ぶようにホログラム記録媒体３４に順次記録される。

＜画像再生装置＞
次に、上記のように作成された水平方向に視差情報を有するホログラフィックステレオグラムを再生する画像再生装置について説明する。図４は本発明の実施の形態に係る画像再生装置の構成の一例を示す構成図である。画像再生装置は、水平方向に視差情報を有するホログラフィックステレオグラム（複数の要素ホログラム）が記録されたホログラム記録媒体に対し、記録に用いたレーザ光の波長と同じ波長成分を含む光を再生参照光として照射して、再生像を得るものである。観察方向に応じて異なる視差画像が再生される。

図４に示すように、画像再生装置には、再生光源４０が設けられている。再生光源４０からは、記録に用いたレーザ光と同じ波長成分を含む光が出射される。例えば、再生光源４０として、高輝度な白色の発光素子（ＬＥＤ）を用いてもよい。この例では、再生参照光は、参照光と略同じ方向からホログラム記録媒体３４に照射される。なお、参照光と略同じとしたのは、再生参照光の拡散を考慮に入れたものである。再生光源４０とホログラム記録媒体３４との間には、投影光学系４２と拡散板４４とが再生光源４０の側から記載した順序で配置されている。投影光学系４２は、少なくとも１つのレンズを含む。

拡散板４４としては、画像記録装置の拡散板２８として用いた、位相マスクやレンチキュラーレンズが用いられる。位相マスクは、光の回折原理により透過光を水平方向及び垂直方向に拡散するが、水平方向に比べ垂直方向により大きく拡散するように回折角を制御することができる。レンチキュラーレンズは、透過光を垂直方向にだけ拡散する。レンチキュラーレンズは、位相マスクに比べて安価であるが、位相マスクを用いた方が再生時にノイズの発生が抑制される。

レンチキュラーレンズは、広く利用され価格が安く、かつ一次元拡散効果をレンズ径、レンズピッチを容易に変更して、画像サイズに応じて最適な拡散角を選択することができるという利点がある。一方、位相マスクは、拡散角の設計が容易かつ、制御性が高く、また、不要なノイズ光の発生を抑制できることから高品質な再生光を得ることができるという利点がある。

投影光学系４２は、再生光源４０から入射した光を平行光化して、拡散板４４に照射する。拡散板４４は、平行光化された光を垂直方向に拡散する。これにより、垂直方向に拡散された再生参照光がホログラム記録媒体３４に照射される。記録された要素ホログラムに再生参照光が照射されることで、観察方向に応じて異なる視差画像が再生される。

垂直方向に拡散された再生参照光が照射されることで、再生参照光として平行光を照射した場合に比べて、垂直方向の視野角（観察角度）が拡大する。また、記録時に一次元拡散板をホログラム記録媒体の直前に配置する必要が無くなり、ホログラム記録時の画質が向上する。さらに、画像記録時の拡散板による画像の劣化を抑制するために、拡散板を用いずに記録したホログラムに対しても、垂直方向の視野を付与することができ、画質劣化が少ない画像を再生することができる。なお、視野角拡大の原理については後述する。

垂直方向の視野の範囲を点線で図示する。視野の範囲は再生像を観察する視界に相当する。再生光源４０、投影光学系４２及び拡散板４４は、観察点からの視線を遮らない位置、即ち、再生像を観察する視界の外側に配置される。再生参照光が拡散すると、要素ホログラムに照射される光量が低下して再生像が暗くなることから、拡散板４４はできるだけ記録媒体の表面に接触して、あるいは近傍に配置する方法が考えられる。

しかしながら、視界の内側に拡散板４４を配置すると、画像観察時の視線を遮り、観察画像の滲みや見難さが発生してしまう。そこで、拡散板４４、再生光源４０及び投影光学系４２を、視線を遮らない範囲で、記録媒体３４に近付けて配置することにより、記録媒体３４に照射される光量の低下を抑制し、画像の明度を向上するとともに、鮮明な画像の観察が可能となる。

＜垂直方向の視野角が拡大する原理＞
ここで、垂直方向の視野角が拡大する原理について説明する。図５は干渉縞として記録されるホログラムの一例を示す模式図である。水平方向に視差情報を有するホログラフィックステレオグラムを作成する際に、物体光と参照光の各々は、矢印で示す方向からホログラム記録媒体３４に対して平行光として入射して、ホログラム記録媒体３４中に干渉縞を生成する。この干渉縞を記録したものが要素ホログラムである。図５では、物体光と参照光の各々の波面を点線で示し、干渉縞を実線で示す。干渉縞の各線は、垂直方向から角度θだけ傾けられている。干渉縞の各線は、垂直方向に配列されている。

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は垂直方向の視野角が拡大する原理を説明するための模式図である。図６（Ｂ）は図６（Ａ）の部分Ａの拡大図でもある。図６（Ａ）に示すように、要素ホログラム（干渉縞）に対し、参照光と同一の方向から再生参照光を照射すると、記録時に使用した物体光と同一の波面を有した再生像が観察される。要素ホログラムの記録では、物体光はホログラム記録媒体３４に対して法線方向から照射され、参照光は垂直方向において物体光に対して角度θi傾けた方向から照射される。この場合、再生参照光を記録時の参照光と同一方向から照射すると、干渉縞で反射されて出射する再生像は、ホログラム記録媒体３４の法線方向にのみ出射することになり、異なる角度から観察しようとしても、再生像は観察されない。

一方、図６（Ｂ）に示すように、再生参照光の入射角度を垂直方向においてΔθiだけ変化させると、再生像の出射角度も垂直方向においてΔθiだけ変化する。本実施の形態では、投影光学系４２により概ね平行光化された再生参照光を、拡散板４４で垂直方向に拡散させることにより、垂直方向に再生参照光の照射角度を広げている。再生参照光が、ホログラム記録媒体３４の法線方向に対してθi±Δθiの角度で照射されることにより、ホログラム記録媒体３４の法線方向に対して角度±Δθiの範囲で再生像が観察されるようになり、垂直方向の視野角が±Δθiだけ拡大する。

なお、上記実施の形態で説明した画像再生装置の構成は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内においてその構成を変更してもよいことは言うまでもない。

１０ レーザ光源
１２ シャッター
１４ 空間フィルタ
１６ レンズ
１８ ミラー
２０ １／２波長板
２２ 偏光ビームスプリッタ
２２ａ 反射面
２４ ミラー
２６ 表示装置
２８ 拡散板
３２ レンズ
３４ ホログラム記録媒体
３６ ミラー
３８ スリット
４０ 再生光源
４２ 投影光学系
４４ 拡散板

Claims (4)

1. 水平方向に視差情報を有するホログラフィックステレオグラムが記録されたホログラム記録媒体に、視差画像を再生する再生参照光を照射する光源と、
   前記光源と前記ホログラム記録媒体との間に配置され、再生参照光を垂直方向に拡散する拡散板と、
   を備える画像再生装置。
2. 前記光源と前記拡散板とを、再生される視差画像を観察する視界の外側に配置する、請求項１に記載の画像再生装置。
3. 前記拡散板が、レンチキュラーレンズである、請求項１または請求項２に記載の画像再生装置。
4. 前記拡散板が、光が透過する方向の厚さが異なる複数の光学素子が水平方向及び垂直方向に沿って格子状に配列され、各光学素子の形状は矩形状であり、各光学素子の垂直方向の一辺の長さが水平方向の一辺の長さより短い位相マスクである、請求項１または請求項２に記載の画像再生装置。