JP5564637B2 - 立体画像投影装置 - Google Patents

Description

本発明は、外部から指向性を有する画像光を入射させることにより立体画像を投影する立体画像投影装置に関するものである。

従来から、リアリティの高い画像を表示させるために、空間に物体の３次元画像を表示させる画像表示システムが盛んに開発されている。このようなシステムの例としては、指向性画像の各画素を並べ替えることによって合成画像を生成して、その合成画像を液晶ディスプレイ及びレンチキュラーシートによって表示させることによって立体画像を生成する立体画像表示装置や、複数の画像生成手段によって生成された画像を反射機構を有する表示部に投影することによって立体画像を表示させる立体画像表示装置等が知られている（下記特許文献１及び下記特許文献２参照。）。
特開２００７−１７６３４号公報 特開平９−１９７５８１号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載の装置では、ディスプレイ上に複数の指向性を有する画素が並べられているため、観察者の位置の変化に応じた立体画像を表示させようとすると立体画像の解像度が低下する傾向にある。また、特許文献２に記載の装置では、立体画像を観察する観察者の位置に応じて立体画像を再現するためには、予め多くの画像生成手段を準備する必要があるためシステム規模が大型化するという問題もあった。

そこで、本発明はかかる課題に鑑みて為されたものであり、観察者の位置の変化に応じて再現性の高い立体画像を表示するとともに、システムの小型化を容易に実現する立体画像投影装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の立体画像投影装置は、平板状の基板に沿ってホログラム記録媒体が形成され、指向性を有する画像光をホログラム記録媒体に入射させることにより画像光を投影するための投影画像生成部と、投影画像生成部を基板上の面に沿って、当該面上の所定点を回転中心として回転駆動する駆動部と、画像光を照射するプロジェクタ装置とを備え、投影画像生成部には、ホログラム記録媒体に、参照光及び物体光として２つのレーザ光を同時に入射させることにより複数のホログラムが予め記録されており、複数のホログラムは、所定点を回転中心として投影画像生成部を回転駆動させると同時に、物体光の入射方向を基板上の面に対する垂直な面に沿って走査させながら、物体光を所定点を含む固定範囲に入射させることにより、多重して予め記録されており、駆動部は、画像光が複数のホログラムの記録時の参照光の光軸に沿った状態で、複数のホログラムが基板上の固定範囲において順次配置されるように、投影画像生成部を回転駆動するように構成されており、プロジェクタ装置は、基板上の固定範囲に向けて時系列に変化する指向性のパルス状の画像光を、駆動部の回転駆動による複数のホログラムの配置タイミングに同期させて入射させることを特徴とする。

このような立体画像投影装置によれば、投影画像生成部にはその平板状の基板に沿って予めホログラムが記録されているので、その投影画像生成部を基板の面上の所定点を中心として回転させながら、その投影画像生成部に向けて指向性を有する画像光が入射されることにより、ホログラムを記録する際の物体光の入射方向によって決まる投影方向に画像が断続的に投影される。これにより、所定の指向性を有する画像生成装置のみでホログラム記録時に予め定めた方向に画像を投影することができるので、観察者の位置が変化しても再現性の高い立体画像を表示させることができる。それとともに、システム規模も容易に小型化することができる。

投影画像生成部には、ホログラム記録媒体に物体光の入射方向を変化させながら複数のホログラムが多重して予め記録されており、駆動部は、複数のホログラムが基板上の所定の固定範囲に順次配置されるように投影画像生成部を回転駆動するように構成されていることが好ましい。この場合、投影画像生成部を回転させながら所定の固定範囲に向けて画像光を入射させることにより、複数の多重化されたホログラムから順次投影方向を変化させながら画像が投影されるので、立体画像を表示する装置を容易に小型化することができる。

また、投影画像生成部には、所定点を回転中心として投影画像生成部を回転駆動させると同時に、物体光の入射方向を基板上の面に対する垂直な面に沿って走査させながら、物体光を所定点を含む固定範囲に入射させることにより、複数のホログラムが多重して予め記録されていることも好ましい。かかる投影画像生成部を備えれば、基板上の複数の角度で多重化されたホログラムから、順次投影方向を基板上の面に対する垂直な面に沿って走査させながら画像が投影されるので、観察者に対して解像度の高い立体画像を表示させることができる。

また、投影画像生成部には、所定点を回転中心として投影画像生成部を回転駆動させると同時に、物体光の入射方向を基板上の面に対する垂直な面に沿って走査させながら、物体光を基板上の回転中心から外側の固定範囲に入射させることにより、複数のホログラムが多重して予め記録されていることも好ましい。かかる投影画像生成部を備えれば、基板上の複数の角度及び位置で多重化されたホログラムから、順次投影方向を基板上の面に対する垂直な面に沿って走査させながら画像が投影されるので、観察者に対して解像度の高い立体画像を表示させることができる。また、回転中心にホログラムが配置されていないので、回転機構の構成を単純化することができる。

さらに、投影画像生成部には、駆動部によって回転駆動されながら、基板上の固定範囲に向けて、基板上の面に対して斜めに画像光が入射されることも好ましい。かかる構成を採れば、投影画像生成部の基板上の１つのホログラムに画像光を連続的に入射させた際に、画像の投影方向が基板上の面に対する垂直な面に沿ってシフトするので、ちらつきの少ない立体画像を表示させることができる。

またさらに、投影画像生成部の基板上の回転中心から所定距離離れた位置に環状に配置された複数のマーカと、基板上の複数のマーカに対応した位置に設けられ、複数のマーカの通過を検出することにより、投影画像生成部の回転角度を検出する検出部とをさらに備えることも好ましい。こうすれば、投影画像生成部の回転角度を検出させることにより基板上のホログラムの位置に応じて画像光を入射させることが可能になり、画像のちらつきを確実に低減することができる。

本発明によれば、観察者の位置の変化に応じて再現性の高い立体画像を表示するとともに、システムの小型化を容易に実現することができる。

以下、図面に基づいて、本発明による立体画像投影装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態である立体画像投影装置１の斜視図である。この立体画像投影装置１は、外部から入射された指向性を有する画像光を透過させて立体画像を投影するための装置であり、台座２上に固定された回転駆動部３と、回転駆動部３に支持された投影画像生成用ディスク（投影画像生成部）４とを備えている。

回転駆動部３は、台座２の設置面２ａに対して中心軸Ａ_１がほほ平行になるように配置された外筒部５及び内筒部６を有し、この内筒部６は、外筒部５の内面に沿って回転可能に取り付けられている。この回転駆動部３には、外部からの電力の供給により、内筒部６をその中心軸Ａ_１の周りを所望の角速度で回転させるための図示しない回転駆動機構が内蔵されている。このような回転駆動機構は、電気モータ、及びベルトドライブ、ギア等により実現することができる。

また、内筒部６の内側の中心部には中心軸Ａ_１に対してほぼ垂直な矩形状の開口部７が設けられ、さらに、内筒部６の内側の中心軸Ａ_１上には、その開口部７を覆うように円板状の投影画像生成用ディスク４が支持されている。この投影画像生成用ディスク４は、内筒部６の中心軸Ａ_１がその表面の中心を垂直な方向に貫くように配置されている。

図２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、投影画像生成用ディスク４の平面図及び側面図である。同図に示すように、投影画像生成用ディスク４は、円板状の２つの光透過性のガラス基板８ａ，８ｂの間に、ガラス基板８ａ，８ｂと同一形状を有するホログラム記録媒体９が接合された構造を有している。すなわち、ホログラム記録媒体９は、ガラス基板８ａ，８ｂの内面１０ａ，１０ｂの全面に沿って形成されている。このホログラム記録媒体９の材料としては、例えばフォトポリマーが使用される。また、ガラス基板８ａ，８ｂ及び、ホログラム記録媒体９の厚さとしては、特定の値には限定されないが、例えば、それぞれ１．２ｍｍ及び０．２〜０．４ｍｍに設定される。さらに、ホログラム記録媒体９の中心部には、後述する形成方法によって円形状のホログラム１１が予め記録されている。このような構成により、投影画像生成用ディスク４が回転駆動部３にセットされると、回転駆動部３の回転駆動により、投影画像生成用ディスク４は、ホログラム１１の形成エリア内に位置する中心点Ｃ_１を回転中心として、ガラス基板８ａの表面に沿って回転される。

次に、投影画像生成用ディスク４のホログラム１１の記録方法について説明する。

図３は、ホログラム１１の記録に用いられるホログラム記録システム１０１の概略構成図である。ホログラム記録システム１０１においては、レーザ光源１０２から５３２ｎｍ等の所定波長のレーザ光Ｌ_１が出射され、そのレーザ光Ｌ_１はシャッタ１０３を通過した後に、レーザ光Ｌ_１の光軸を中心に回転する１／２波長板１０４を透過する。そして、偏光方向が様々な角度に変更されたレーザ光Ｌ_１が偏光ビームスプリッタ１０５に入射することにより、レーザ光Ｌ_１からＰ波成分の平行光Ｌ_２及びＳ波成分の平行光Ｌ_３が、互いにほぼ垂直な光路に向けて２分割される。

このようにして生成された平行光Ｌ_２は、水平面に沿ってスライドするＸ軸ステージ１０６及び水平面に沿って回転する回転ステージ１０７上に載置されたミラー１０８によって反射されることにより、所定位置に配置された投影画像生成用ディスク４に向けて、水平面に沿った所望の角度で入射される。これに対して、平行光Ｌ_３は、平行光Ｌ_３の光軸を中心に回転する１／２波長板１０４を透過した後に、ミラー１１０によって反射されることにより、偏光方向が様々に変化された後に、所定位置に配置された投影画像生成用ディスク４に向けて入射される。ここで、投影画像生成用ディスク４に入射する平行光Ｌ_３は、ホログラム１１の記録用の参照光として、平行光Ｌ_２は、ホログラム１１の記録用の物体光として利用される。

このようなホログラム記録システム１０１において、投影画像生成用ディスク４を、回転駆動部３に取り付けられた状態でその中心点Ｃ_１が平行光Ｌ_３の光軸上にほぼ位置し、かつガラス基板８ａの表面に対して平行光Ｌ_３の光軸が角度θ_２ほど傾くように配置される。同時に、平行光Ｌ_２の光軸が水平面に沿って投影画像生成用ディスク４の中心点Ｃ_１を常に通るようにＸ軸ステージ１０６及び回転ステージ１０７が制御される。そして、投影画像生成用ディスク４を回転駆動部３によって所定の角度（例えば、１０度）だけ回転させた後、シャッタ１０３を開くことによって投影画像生成用ディスク４にパルス状の平行光Ｌ_２及び平行光Ｌ_３を同時に入射させる。投影画像生成用ディスク４を所定角度回転させる度に、Ｘ軸ステージ１０６及び回転ステージ１０７を駆動することにより、投影画像生成用ディスク４の平行光Ｌ_３の光軸に対する平行光Ｌ_２の入射角度θ_１＋θ_２を所定の範囲で水平面に沿って走査させる。これを繰り返すことにより、投影画像生成用ディスク４の中心部には、一定の角度間隔で角度多重された複数のホログラム１１が記録され、それらの複数のホログラム１１は、物体光をその中心軸Ａ_１に対して様々な角度に変化させて多重記録されたものとなる。

図４は、ホログラム１１記録時のレーザ光強度を示すグラフである。このグラフは、角度多重される複数のホログラム１１毎のレーザ光Ｌ_１の発光強度を示している。なお、ホログラム１１は、例えば、投影画像生成用ディスク４を３００度回転する間に１５度の角度間隔で多重的に記録され、それに同期して、平行光Ｌ_２の入射角度θ_１が、−１０度〜＋１０度の範囲において１度間隔で変更される。

また、図５は、記録されたホログラム１１における物体光の入射方向における回折効率を示すグラフである。回折効率は、投影画像生成用ディスク４を透過してきた光を光検出器１１１によって測定することにより算出され、この光検出器１１１は、平行光Ｌ_２の入射角度θ_１の方向に透過してきた光の強度を測定可能なようにＸ軸ステージ１１２によって位置調整が為される。このグラフを見てわかるように、透過光の回折効率が各ホログラム１１で均一になるように露光が制御されており、このような露光制御は、１／２波長板１０４，１０９の回転制御等により実現される。

上述の方法で作製された投影画像生成用ディスク４を有する立体画像投影装置１に対して、投影画像生成用ディスク４を回転駆動させながら、ホログラム１１の記録時のレーザ光Ｌ_３の光軸と同一軸に沿って外部のプロジェクタ装置２０から指向性を有するパルス状の画像光Ｇ_１が入射される（図６参照）。そうすると、投影画像生成用ディスク４に予め記録された複数のホログラム１１が、記録時の回転位置と一致した状態で中心点Ｃ_１を含む固定範囲に順次配置され、そのホログラム１１に記録時の平行光Ｌ_３と同一の方向から画像光Ｇ_１が入射されることになる。

従って、複数のホログラム１１の配置タイミングに同期させてパルス状の画像光Ｇ_１を入射させることにより、水平面に沿った中心軸Ａ_１からの出射角度が各ホログラム１１の記録時の平行光Ｌ_２の入射角度θ_１に従って順次変化するように、画像光Ｇ_０１，Ｇ_０２，Ｇ_０３，…，Ｇ_０ｎがホログラム１１の全面から時系列に投影される。また、投影画像生成用ディスク４を連続して回転させて画像光Ｇ_１を入射させれば、画像光Ｇ_０１，Ｇ_０２，Ｇ_０３，…，Ｇ_０ｎを繰り返し投影することができる。その結果、投影画像生成用ディスク４の前面に所定の立体画像を浮かび上がらせることができる。

ここで、プロジェクタ装置２０としては、動画像が反映された画像光Ｇ_１をパルス状に連続的に照射することができるデバイスであり、例えば、テキサスインスツルメント社製のデジタルマイクロミラーデバイスを内蔵するプロジェクタが用いられる。

以上説明した立体画像投影装置１によれば、１つのプロジェクタ装置２０のみでホログラム１１記録時の平行光Ｌ_２の入射角度θ_１によって決まる方向に画像を投影することができるので、観察者の位置が変化しても再現性の高い立体画像を表示させることができる。それとともに、システム規模も容易に小型化することができる。また、投影画像生成用ディスク４の基板８ａ上の複数の角度で多重記録されたホログラム１１から、順次投影方向を水平面に沿って走査させながら画像が投影されるので、観察者に対して解像度の高い立体画像を表示させることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図７は、本発明の第２実施形態にかかる立体画像投影装置２０１の平面図、図８は、立体画像投影装置２０１の正面図である。

立体画像投影装置２０１は、回転軸２０３ａを含む回転駆動部３と、回転駆動部３の回転軸２０３ａに支持された投影画像生成用ディスク２０４とを備えている。投影画像生成用ディスク２０４は、投影画像生成用ディスク４と同様に、２枚の円板状のガラス基板２０８ａ，２０８ｂの間にホログラム記録媒体２０９が接合された構造を有している。また、投影画像生成用ディスク２０４は、そのガラス基板２０８ａの中心点Ｃ_２に回転軸２０３ａが貫通された状態で支持されており、回転駆動部２０３により回転軸２０３ａが回転駆動されることにより、ガラス基板２０８ａの中心点Ｃ_２を回転中心としてガラス基板２０８ａの表面に沿って回転可能にされている。

このような投影画像生成用ディスク２０４には、ガラス基板８ａの表面上の中心点Ｃ_２から外側の距離Ｄ_１〜Ｄ_２の範囲に、複数の矩形状のホログラム２１１が環状に並ぶように配列されている。

これらのホログラム２１１は、図３に示したホログラム記録システム１０１と同様なシステムを用いて作製される。すなわち、ホログラム記録システム１０１において、投影画像生成用ディスク２０４を、回転駆動部２０３に取り付けられた状態でその中心点Ｃ_２から上側の距離Ｄ_１〜Ｄ_２の範囲に平行光Ｌ_２，Ｌ_３の光軸が位置し、かつガラス基板２０８ａの表面に対して平行光Ｌ_３の光軸が角度θ_２ほど傾くように配置される。そして、投影画像生成用ディスク２０４を回転駆動部２０３によって所定の角度（例えば、１０度）だけ回転させた後、シャッタ１０３を開くことによって投影画像生成用ディスク２０４にパルス状の平行光Ｌ_２及び平行光Ｌ_３を同時に入射させる。投影画像生成用ディスク４を所定角度回転させる度に、Ｘ軸ステージ１０６及び回転ステージ１０７を駆動することにより、投影画像生成用ディスク２０４の平行光Ｌ_３の光軸に対する平行光Ｌ_２の入射角度θ_１＋θ_２を所定の範囲で水平面に沿って走査させる。これを繰り返すことにより、投影画像生成用ディスク２０４の中心点Ｃ_２から距離Ｄ_１〜Ｄ_２の範囲には、ガラス基板２０８ａの円周に沿って一定の角度間隔及び距離間隔で多重された複数のホログラム２１１が記録され、それらの複数のホログラム２１１は、物体光をその中心軸Ａ_２に対して様々な角度に変化させて多重記録されたものとなる。

このような立体画像投影装置２０１に対して、投影画像生成用ディスク２０４を回転駆動させながら、ホログラム２１１の記録時のレーザ光Ｌ_３の光軸と同一軸に沿って中心点Ｃ_２から距離Ｄ_１〜Ｄ_２の範囲に、プロジェクタ装置２０から指向性を有するパルス状の画像光Ｇ_１が入射されると、複数のホログラム２１１が、記録時の回転位置と一致した状態で中心点Ｃ_２の外側の距離Ｄ_１〜Ｄ_２の固定範囲に順次配置される。そして、そのホログラム２１１に記録時の平行光Ｌ_３と同一の方向から画像光Ｇ_１が入射されることになる。従って、複数のホログラム２１１の配置タイミングに同期させてパルス状の画像光Ｇ_１を入射させることにより、投影画像生成用ディスク４の前面に所定の立体画像を浮かび上がらせることができる。

以上説明した立体画像投影装置２０１によっても、観察者に対して解像度の高い立体画像を表示させることができる。さらに、回転中心Ｃ_２にホログラム２１１が配置されていないので、投影画像生成用ディスク２０４を回転軸を用いて回転させることができ、回転機構の構成を単純化することができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、図９（ａ）及び（ｂ）に示す本発明の変形例である投影画像生成用ディスク３０４のように、ガラス基板２０８ａの表面上の中心点Ｃ_２から所定距離ほど離れた位置に環状に複数のマーカ３１２を取り付け、マーカ３１２の位置に対応してフォトインタラプタ（検出部）３１３を設けてもよい。このようなマーカ３１２をホログラム２１１の多重配置に対応して所定間隔で配列し、投影画像生成用ディスク３０４の回転駆動時にフォトインタラプタ３１３によってマーカ３１２の通過を検出することにより、投影画像生成用ディスク３０４の回転角度を認識することができる。その結果、フォトインタラプタ３１３の検出信号を用いてプロジェクタ装置２０による画像光の照射タイミングを制御することで、投影される立体画像のちらつき及び同期ずれを確実に低減することができる。

また、投影画像生成用ディスク上に作製されるホログラムは必ずしも多重化されている必要はない。例えば、図１０に示す本発明の変形例である投影画像生成用ディスク４０４のように、ガラス基板８ａの表面上の中心点Ｃ_１を含む位置に、１回だけ所定の入射角度θ_１で平行光Ｌ_２を入射することにより露光されたホログラム１１が予め生成されていてもよい。同図では、投影画像生成用ディスク４０４の中心軸に沿ってＺ軸を、ガラス基板８ａの表面に沿った水平方向及び垂直方向にＸ軸及びＹ軸を取ってあり、平行光Ｌ_２の入射角度θ_１＝０度でホログラム１１を作製した場合を示している。このような投影画像生成用ディスク４０４に画像光を入射させる場合には、露光時の平行光Ｌ_３の入射方向である−Ｚ軸方向に対して所定角度ψだけ＋Ｙ軸方向に傾斜した方向で、ガラス基板８ａ上の中心点Ｃ_１を含む固定範囲に画像光が照射される。このような投影画像生成用ディスク４０４によっても、投影画像生成用ディスク４０４を回転させながらガラス基板８ａ上の１つのホログラム１１に画像光を連続的に入射させた際に、画像の投影方向がＸＺ平面に沿って左右にシフトするので、ちらつきの少ない立体画像を表示させることができる。さらに、このようにして作製されるホログラム４０４を回転させながら多重記録してもよい。その場合、投影画像生成用ディスク４０４に対して上述のような方向から画像光を入射させた時にディスクが１回転する間に複数回にわたり画像光Ｇ_０１〜Ｇ_０ｎが投影されるので（図６）、ディスクの回転数を下げることができ、装置の構成をさらに簡略化できる。

また、投影画像生成用ディスクに作製されるホログラムとしては、透過型のものに限定されるものではなく、反射型ホログラムを用いてもよい。

またさらに、投影画像生成用ディスクを構成する材料としては、ガラス以外にもプラスチック等の樹脂材料を用いてもよいし、ホログラム記録材料のみで構成されていてもよい。

本発明の第１実施形態である立体画像投影装置１の斜視図である。 図１の投影画像生成用ディスクの平面図及び側面図である。 図２のホログラムの記録に用いられるホログラム記録システムの概略構成図である。 図２のホログラム記録時のレーザ光強度を示すグラフである。 図２のホログラムにおける物体光の入射方向における回折効率を示すグラフである。 図１の立体画像投影装置による立体画像の投影イメージを示す平面図である。 本発明の第２実施形態にかかる立体画像投影装置の平面図である。 本発明の第２実施形態にかかる立体画像投影装置の正面図である。 本発明の変形例である投影画像生成用ディスクの平面図及び側面図である。 本発明の別の変形例である投影画像生成用ディスクに対する画像光の入射方向を示す図である。

符号の説明

１，２０１…立体画像投影装置、３，２０３…回転駆動部、４，２０４，３０４，４０４…投影画像生成用ディスク、８ａ，２０８ａ…ガラス基板、９，２０９…ホログラム記録媒体、１１，２１１…ホログラム、３１２…マーカ、３１３…フォトインタラプタ、Ｃ_１，Ｃ_２…中心点、Ｇ_１…画像光、Ｌ_２…平行光（物体光）、Ｌ_３…平行光（参照光）。

Claims (3)

1. 平板状の基板に沿ってホログラム記録媒体が形成され、指向性を有する画像光を前記ホログラム記録媒体に入射させることにより前記画像光を投影するための投影画像生成部と、
   前記投影画像生成部を前記基板上の面に沿って、当該面上の所定点を回転中心として回転駆動する駆動部と、
   前記画像光を照射するプロジェクタ装置とを備え、
   前記投影画像生成部には、前記ホログラム記録媒体に、参照光及び物体光として２つのレーザ光を同時に入射させることにより複数のホログラムが予め記録されており、
   前記複数のホログラムは、前記所定点を回転中心として前記投影画像生成部を回転駆動させると同時に、前記物体光の入射方向を前記基板上の面に対する垂直な面に沿って走査させながら、前記物体光を前記所定点を含む固定範囲に入射させることにより、多重して予め記録されており、
   前記駆動部は、前記画像光が前記複数のホログラムの記録時の前記参照光の光軸に沿った状態で、前記複数のホログラムが前記基板上の前記固定範囲において順次配置されるように、前記投影画像生成部を回転駆動するように構成されており、
   前記プロジェクタ装置は、前記基板上の固定範囲に向けて時系列に変化する指向性のパルス状の前記画像光を、前記駆動部の回転駆動による前記複数のホログラムの配置タイミングに同期させて入射させる、
   ことを特徴とする立体画像投影装置。
2. 前記投影画像生成部には、前記駆動部によって回転駆動されながら、前記基板上の固定
   範囲に向けて、前記基板上の面に対して斜めに前記画像光が入射される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の立体画像投影装置。
3. 前記投影画像生成部の基板上の前記回転中心から所定距離離れた位置に環状に配置された複数のマーカと、
   前記基板上の前記複数のマーカに対応した位置に設けられ、前記複数のマーカの通過を検出することにより、前記投影画像生成部の回転角度を検出する検出部と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の立体画像投影装置。

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