JP6135154B2 - 立体映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、視差画像を表示させることができる立体映像表示装置に関する。

立体映像を表示する映画が大きな話題になったこともあり、立体映像表示装置が注目されている。従来の立体映像表示装置は、観察者が眼鏡をかけるのを前提としており、煩わしくて疲れやすいという問題があった。

このため、観察者が裸眼で立体映像を視認可能な方式がいくつか提案され、製品化もされている。例えば、特許文献１には、時間分割で高速に光の方向を変化させて多視点の指向性画像を時分割で表示する技術が開示されている。また、非特許文献１には、水平および垂直方向に配列したプロジェクタアレーと、このプロジェクタアレーからの入射光に対して水平方向には狭い角度の拡散角特性を持ち、垂直方向に広い拡散角を有するリアスクリーンとを備えて立体画像を表示する技術が開示されている。

特開２００７−２４０９６５号公報

情報通信研究機構季報 Vol.56 Nos.1/2 2010 P.43-P.52

複数の視差画像を裸眼で観察する場合、各視差画像間のクロストーク、すなわち重なりが問題となる。従来は、特許文献１に開示されているように、ＬＥＤなどからなる複数の光源を間隔を置いて配置して、これらを順次点灯させて、異なる視差画像を異なる角度で出射させていた。出射光は、観察面にレンズで集光されるため、隣接する光源同士の間隔が大きいと、最終的な出射光の角度が各光源ごとに飛び飛びになり、各視差画像の出射角度間隔も広がってしまい、立体映像を視認可能な領域を見つけにくくなる。

出射角度が飛び飛びになるのを抑制するために、非特許文献１に記載されているように、観察面に配置されるスクリーンにわずかに拡散特性を持たせる手法も提案されているが、スクリーンの拡散特性は通常、ガウシアン分布であり、クロストークを完全に除去するのは難しい。また、最適な拡散特性が極めて狭い範囲に限られており、スクリーンの設計や製造が難しく、コスト高になる。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、構成を複雑化することなく、広い範囲で視差画像を視認可能な立体映像表示装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様では、ｎ個（ｎは２以上の整数）の視差画像のそれぞれに対応して設けられ、それぞれがコヒーレント光を拡散し得るｎ個の領域を有する光学素子と、
前記光学素子に前記コヒーレント光を照射して、該コヒーレント光を前記ｎ個の領域上で走査させる照射装置と、
前記照射装置から前記光学素子の各位置に入射されて拡散されたコヒーレント光によって照明され、コヒーレント光が前記ｎ個の領域上を走査するのに同期して、前記ｎ個の領域のそれぞれに対応する変調画像を生成する光変調器と、
前記変調画像により生成される前記ｎ個の視差画像のそれぞれを、異なる角度で同一の面に重ねて投射する投射光学系と、を備えることを特徴とする立体映像表示装置が提供される。

ｎ個の領域上をコヒーレント光が走査するのに同期して光変調器で変調画像を生成し、変調画像により生成されるｎ個の視差画像のそれぞれを異なる角度で同一の面に重ねて投射するため、観察者の右目と左目で別々の視差画像を視認可能な領域が広がり、立体画像を視認可能な領域が広くなる。

また、投射光学系に拡散部材を設けてもよく、これにより、より大きな視差画像を視認可能となる。

また、拡散部材は、一方向に対して他方向よりも高い拡散特性を有していてもよく、これにより、例えば他方向を上下方向とすることで、観察者の目の位置が上下にずれても、視差画像を正しく視認できる。
また、変調画像により生成されるｎ個の視差画像のそれぞれを投射光学系上の別個の領域に集光させる集光光学系を設けてもよく、これにより、変調画像光を効率的に投射光学系に集光でき、投射光学系の口径を小さくできる。

また、光学素子としてホログラム記録媒体を設けてもよく、これにより、ｎ個の領域のそれぞれごとに干渉縞を形成すればよいため、比較的容易に光学素子を形成できる。その際、ｎ個の領域に対応するｎ個の短冊領域の長手方向を、同一の面の水平方向に直交する方向に配置すれば、投射光学系でｎ個の視差画像のそれぞれを水平方向に並べることができる。なお、光学素子としてレンズアレイを用いてもよい。

また、ｎ個の短冊領域を密接配置してもよく、これにより、照射装置は、ｎ個の短冊領域の各境界においても、連続的に走査することができる。

また、照射装置は、ｎ個の短冊領域のそれぞれを長手方向に走査し、一つの短冊領域を走査している間は光変調器が同じ変調画像を生成し続けるようにしてもよく、これにより、時分割でｎ個の視差画像を生成できる。

また、位置検出部を設けて観察者の視線を検出して、観察者の視線方向に視差画像が投射されるように、光学素子上のコヒーレント光の走査範囲を制御してもよく、これにより、観察者は、視線を変更しなくても、確実に立体画像を視認可能となる。また、コヒーレント光の走査範囲を狭めることができ、コヒーレント光の利用効率が向上することから、より高輝度の視差画像をスクリーン２３に投射できる。

また、走査デバイスでコヒーレント光を光学素子上を走査させてもよく、これにより、同一の面上でスペックルが時間的に重畳されて目立たなくなる。

また、波長帯域がそれぞれ異なる複数のコヒーレント光を放射する複数の光源部を照射装置に設けてもよく、これにより、カラーの立体画像を視認可能となる。

本発明によれば、構成を複雑化することなく、同一の面の広い範囲で視差画像を視認可能な立体映像表示装置を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る立体映像表示装置の概略構成を示す図。 ホログラム記録媒体５５の記録面の走査方向を示す図。 図２の一変形例を示す図。 視差画像が水平方向に広がる様子をわかりやすく説明する図。 （ａ）は光学素子５０として複数のレーザ光源６１のそれぞれを間隔を隔てて配置した一比較例を示す図、（ｂ）は（ａ）のコヒーレント光の主光線のみを示す図。 本実施形態の一変形例を示す図。 ホログラム記録媒体５５に散乱板６の像を干渉縞として形成する様子を説明する図。 図７の露光工程を経て得られたホログラム記録媒体５５に形成された干渉縞を用いて散乱板の像を再生する様子を説明する図。 ３つのレーザ光源６１を有する照射装置６０の一例を示す図。 図９に対応したホログラム記録媒体５５の記録面の走査方向を示す図。 レーザ光源６１ｒ、６１ｇ、６１ｂから放射されるコヒーレント光が平行光のまま走査デバイス６５に入射され、走査デバイス６５で反射されたコヒーレント光が発散光としてホログラム記録媒体５５に入射される例を示す図。 ３色のレーザ光源６１ｒ、６１ｇ、６１ｂを一つのチップに内蔵したレーザアレイ６２を光源として用いる例を示す図。 各色に対応する干渉縞を面方向に多重記録したホログラム記録媒体５５の一例を示す図。 ホログラム記録媒体５５を積層構造にして、各層で特定の色を回折させる例を示す図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから適宜変更したり、誇張してある。

図１は本発明の一実施形態に係る立体映像表示装置の概略構成を示す図である。図１の立体映像表示装置１は、光学素子５０と、照射装置６０と、光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）３０と、投射光学系２０とを備えている。

光学素子５０は、ｎ個（ｎは２以上の整数）の視差画像のそれぞれに対応して設けられ、それぞれがコヒーレント光を拡散し得るｎ個の領域５６を有する。光学素子５０は、例えば、光変調器３０の位置に重ねて設けられる被照明領域ＬＺに散乱板の像を再生し得るホログラム記録媒体５５を有する。ホログラム記録媒体５５の詳細については後述する。

照射装置６０は、コヒーレント光が光学素子５０のｎ個の領域５６上を走査するように、光学素子５０にコヒーレント光を照射する。照射装置６０は、コヒーレント光を放射するレーザ光源６１と、レーザ光源６１から放射されたコヒーレント光を光学素子５０の表面上で走査させる走査デバイス６５とを有する。

走査デバイス６５は、入射されたコヒーレント光の反射角度を一定周期で可変させて、反射されたコヒーレント光がホログラム記録媒体５５上を走査するようにしている。

光変調器３０は、照射装置６０から光学素子５０の各位置に入射されて拡散されたコヒーレント光によって照明され、コヒーレント光がｎ個の領域上を走査するのに同期して、ｎ個の領域５６のそれぞれに対応する変調画像を生成する。ここで、各位置とは、走査デバイス６５で反射されたコヒーレント光が入射される光学素子５０上のｎ個の領域５６内の任意の位置を指す。

光変調器３０として、例えば、透過型の液晶マイクロディスプレイを用いることができる。この場合、照射装置６０によって面状に照明される光変調器３０が、画素毎にコヒーレント光を選択して透過させることにより、光変調器３０であるディスプレイ上に変調画像が形成される。こうして得られた変調画像である映像光は、投射光学系２０によって、変倍されてスクリーン２３へ投射される。これにより、変調画像がスクリーン２３上に変倍、すなわち通常は拡大されて表示され、観察者は当該画像を観察することができる。

なお、光変調器３０として、反射型のマイクロディスプレイを用いることも可能である。この場合、光変調器３０での反射光によって変調画像が形成され、光変調器３０へ照射装置６０からコヒーレント光が照射される面と、光変調器３０で生成された変調画像の映像光である反射光の出射面が同一の面となる。このような反射光を利用する場合、光変調器３０としてＤＭＤ（Digital Micromirror Device）などのＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子を用いることも可能である。

図１の照射装置６０と光学素子５０で照明装置４０が構成され、照明装置４０は光変調器３０の位置に重ねて設けられる被照明領域ＬＺを照明する。

光変調器３０の入射面は、照射装置６０がコヒーレント光を照射する被照明領域ＬＺと同一の形状および大きさであることが好ましい。この場合、照射装置６０からのコヒーレント光を、スクリーンへの映像の表示に高い利用効率で利用することができるためである。

投射光学系２０は、光変調器３０が生成した変調画像により生成されるｎ個の視差画像のそれぞれを異なる角度で同一の面に重ねて投射する。投射光学系２０は、フィールドレンズ（集光光学系）２１と、プロジェクションレンズ（光学部材）２２と、スクリーン２３とを有する。

フィールドレンズ２１は、光変調器３０で生成された変調画像を変倍するために用いられるが、必須の構成部品ではないため、省略してもよい。ただし、フィールドレンズ２１を設けることにより、光変調器３０で生成された変調画像光を効率よくプロジェクションレンズ２２に入射させることができる。もし、フィールドレンズ２１を省略した場合は、光変調器３０からの変調画像光を入射させるためにプロジェクションレンズ２２の口径をできるだけ大きくする必要がある。

フィールドレンズ２１は、変調画像により生成されるｎ個の視差画像のそれぞれを、プロジェクションレンズ２２上の別個の領域に集光させる。プロジェクションレンズ２２は、別々の領域に集光されたｎ個の視差画像をスクリーン２３上に重ねて投射するために用いられる必須構成部品である。

スクリーン２３は拡散面を有する拡散部材からなる。図１では透過型スクリーン２３を用いる例を示している。なお、スクリーン２３は省略しても構わない。あるいは、スクリーン２３の代わりにミラーを配置してもよい。

図１では、透過型スクリーン２３を用いて、照射装置６０等が配置される面とは反対の面側から観察者が視差画像を視認する。以下では、観察者が視認する側をスクリーン２３の正面とする。

図１の透過型スクリーン２３は、拡散面の水平方向には拡散特性を持たせてもよいが、持たせなくてもよい。一方、垂直方向には広い拡散角を持っている。すなわち、透過型スクリーン２３は、一方向に対して他方向よりも高い拡散特性を有する。これにより、水平方向では、異なる角度で入射された複数の視差画像を視認でき、垂直方向では、入射角が大きく拡散することから、観察者の目の位置が上下にずれても、視差画像を正しく視認できる。ここで、水平方向とは、透過型スクリーン２３で視認される立体映像の水平隣接画素の並ぶ方向である。

以下では、光学素子５０として、ホログラム記録媒体５５を用いる例をまず最初に説明する。本実施形態のホログラム記録媒体５５は、ｎ個の短冊領域５６に分かれており、各短冊領域５６には干渉縞が形成されている。各短冊領域５６にコヒーレント光が入射されると、干渉縞で回折されたコヒーレント光が拡散光となって放射される。より詳細には、照射装置６０からホログラム記録媒体５５のいずれかの短冊領域５６内の各位置に入射されたコヒーレント光は、ホログラム記録媒体５５で回折されて、フィールドレンズ２１とプロジェクションレンズ２２を通過した後に、スクリーン２３上に投射される。

また、本実施形態では、ホログラム記録媒体５５の各短冊領域５６の長手方向、すなわち図１の紙面の表裏方向は、拡散面の水平方向に直交する方向に配置されている。

図２はホログラム記録媒体５５の記録面を示す図である。照射装置６０からのコヒーレント光は、ｎ個の短冊領域５６を順次に長手方向に走査する。図２では、一つの短冊領域５６を１回ずつコヒーレント光が走査するように矢印で走査方向を示しているが、実際には図３に示すように、１つの短冊領域５６を複数回高速に走査することもあり得る。

ｎ個の短冊領域５６は、密接配置されており、照射装置６０からのコヒーレント光は、短冊領域５６の境界をまたぐ際にも連続的な走査を行う。これにより、スクリーン２３に投射される複数の視差画像が水平方向に広がり、観察者が立体映像を視認可能な視域が広くなる。

照射装置６０からのコヒーレント光が一つの短冊領域５６を走査している間は、光変調器３０は同じ変調画像を生成し続ける。コヒーレント光が隣接する短冊領域５６を走査し始めると、それに同期して光変調器３０は変調画像を切り替える。

このように、照射装置６０による各短冊領域５６上のコヒーレント光の走査と光変調器３０が生成する変調画像の切替とは同期して行われる。したがって、ｎ個の短冊領域５６をすべて走査し終わった時点で、１フレーム分のｎ個の視差画像が時分割でスクリーン２３の同じ領域に投射されることになる。これらｎ個の視差画像は、それぞれ異なる入射角度でスクリーン２３の同じ領域に投射される。そして、これらｎ個の視差画像は、プロジェクションレンズ２２の水平方向に連続的に並ぶことになる。

図４は視差画像の投射方向をわかりやすく説明する図である。図４では、簡略化のために、ホログラム記録媒体５５が３つの短冊領域５６ａ、５６ｂ、５６ｃに分かれている例を示している。図示のように、照射装置６０からのコヒーレント光がホログラム記録媒体５５の各短冊領域５６を走査するのに同期して、光変調器３０は各短冊領域５６に対応する変調画像を生成し、この変調画像がフィールドレンズ２１とプロジェクションレンズ２２を介してスクリーン２３に投射される。

短冊領域５６ａからのコヒーレント光は、光変調器３０に重ねて配置される被照明領域ＬＺの全域を照明する。この照明を受けた変調画像である視差画像は、フィールドレンズ２１によりプロジェクションレンズ２２内の一部の領域２２ａに集光された後、スクリーン２３の全域に投射される。

また、短冊領域５６ｂからのコヒーレント光は、被照明領域の全域を照明し、この照明を受けた変調画像である視差画像は、フィールドレンズ２１によりプロジェクションレンズ２２内の他の一部の領域２２ｂに集光された後、スクリーン２３の全域に投射される。

さらに、短冊領域５６ｃからのコヒーレント光は、被照明領域の全域を照明し、この照明を受けた変調画像である視差画像は、プロジェクションレンズ２２内の他の一部の領域２２ｃを通過した後、スクリーン２３の全域に投射される。

プロジェクションレンズ２２内の領域２２ａ、２２ｂ、２２ｃは水平方向にそれぞれ密接配置されており、プロジェクションレンズ２２上では、異なる３つの視差画像が連続的に並ぶことになる。また、これらの視差画像は、それぞれ異なる入射角度でスクリーン２３に入射される。

光変調器３０は、コヒーレント光が短冊領域５６ａ〜５６ｃのそれぞれを走査するのに同期して、視差画像を生成する。すなわち、光変調器３０は、コヒーレント光が短冊領域５６ａ〜５６ｃのどれを走査するかに同期して、視差画像を切り替える。

図４のように、スクリーン２３の正面にいる観察者２４が、スクリーン２３の任意の水平位置に焦点を合わせると、その位置を通過する観察者の視線方向にあるプロジェクションレンズ２２上の領域２２ａ〜２２ｃのいずれかに対応した視差画像を視認できることになる。観察者の目には、この視差画像がスクリーン２３上に形成されているように見える。

観察者の目が例えば図４に示す位置にある場合は、右目では短冊領域５６ａに対応する視差画像を視認し、左目では短冊領域５６ｃに対応する視差画像を視認することになり、これらの視差により、観察者にはスクリーン２３付近に立体画像が浮かび上がって認識される。

図４の例では、ホログラム記録媒体５５を３つの短冊領域５６に分けて３視差画像の表示を行っており、プロジェクションレンズ２２内で同じ視差画像が視認される領域も比較的広い。短冊領域５６を細かく分けることにより、プロジェクションレンズ２２内で同じ視差画像が視認される領域も狭くなり、より多視差の立体映像表示が可能となる。

図５（ａ）は光学素子５０として複数のレーザ光源６１のそれぞれを間隔を隔てて配置した一比較例を示す図、図５（ｂ）は図５（ａ）のコヒーレント光の主光線のみを示す図である。

この比較例では、３つのレーザ光源６１を順次に点灯させ、各光源６１の点灯に同期させて、光変調器３０で生成する視差画像を切り替える。この比較例のように、複数の光源６１のそれぞれが間隔を隔てて離散的に配置されている場合には、プロジェクションレンズ２２上に結像する視差画像の位置も離散的になる。観察者がスクリーン２３の任意の位置に焦点を合わせたときに、観察者の視線方向にスクリーン２３上の焦点位置とプロジェクションレンズ２２の視差画像の結像位置とが並んでいる場合に限って、観察者はスクリーン２３上に視差画像を視認できることになる。

プロジェクションレンズ２２の視差画像の集光範囲は極めて狭いため、仮に観察者が視差画像を視認できても、視線方向をわずかにずらすだけで、観察者は視差画像を視認できなくなり、立体画像を視認可能な視域が極めて狭くなる。レーザ光源６１の数を増やせば、立体画像を視認可能な視方向の数が増えるが、立体画像が離散的にしか視認できないことには変わりはなく、視域を広くすることは困難である。

図５の例では、視差画像を視認可能な位置は、複数の光源同士の間隔、プロジェクションレンズ２２の径サイズ、およびプロジェクションレンズ２２とスクリーン２３との距離によって変わるが、いずれにしても、視差画像が視認できる位置が離散的にしか現れないため、観察者は、立体画像を視認できる場所を見つけるのが困難になり、少しでも左右にずれると立体画像を視認できなくなってしまう。

このように、複数のレーザ光源６１を離散的に配置する手法では、視差画像も離散的にしか視認できなくなり、本実施形態のように、視差画像を連続的な広い範囲で視認することは不可能である。

図６は本実施形態の一変形例を示す図である。図６の立体映像表示装置１は、図１の構成に加えて、観察者の位置を検出する位置検出部７０を備えており、照射装置６０は、位置検出部７０で検出された観察者の位置に合わせて、コヒーレント光の走査範囲を制御する。

位置検出部７０は、例えば、観察者の視線を検出する。視線を検出する具体的な手法は問わない。例えば、スクリーン２３に取り付けられた不図示のカメラで、スクリーン２３の正面である観察者側を撮影し、その撮影画像を解析して、人間の眼領域を抽出し、さらに、その眼領域の内部の瞳孔の中心を抽出して視線方向を検出する。

位置検出部７０で検出された観察者の視線は、照射装置６０に伝達される。照射装置６０は、観察者の視線方向に視差画像が投射されるように、光学素子５０上のｎ個の領域５６のうち一部の領域のみでコヒーレント光を走査させる。また、光変調器３０は、照射装置６０がコヒーレント光を走査させる領域に同期させて、変調画像を生成する。

以上により、図６の照射装置６０は、光学素子５０上でコヒーレント光を走査させる範囲を狭めることができ、コヒーレント光の利用効率が向上することから、より高輝度の視差画像をスクリーン２３に投射できる。

また、スクリーン２３の正面に複数の観察者がいる場合には、位置検出部７０で各観察者の視線を検出し、その検出結果に基づいて、照射装置６０は、すべての観察者の視線方向に視差画像が投射されるように、光学素子５０上のｎ個の領域５６のうち必要な領域のみでコヒーレント光を走査させればよい。

このように、本実施形態では、光学素子５０上のｎ個の領域５６を順にコヒーレント光で走査させ、コヒーレント光が一つの領域５６を走査している間は、光変調器３０で同じ変調画像を生成するようにし、コヒーレント光が走査する領域５６が変化すると、光変調器３０で生成する変調画像を切り替えるようにし、この変調画像をプロジェクションレンズ２２の対応領域に集光させた後にスクリーン２３に投射するため、観察者はスクリーン２３を通して水平方向に広い範囲で視差画像を視認でき、立体映像を視認可能な視域を広げることができる。

なお、上述した実施形態では、ホログラム記録媒体５５の各短冊領域５６の長手方向を、拡散面の水平方向に直交する方向に配置する例を説明したが、各短冊領域５６の長手方向を拡散面の水平方向に配置してもよい。この場合、照射装置６０が一つの短冊領域５６でコヒーレント光を走査している間に、光変調器３０で同じ変調画像を生成し続けるのではなく、あるタイミングだけ変調画像を生成し、それ以外は何も生成しないような制御が必要となる。

また、ホログラム記録媒体５５は、必ずしも短冊状に分割する必要はなく、例えば、格子状に分割してもよい。ホログラム記録媒体５５を格子状に分割した場合は、照射装置６０からのコヒーレント光が一つの格子領域を走査している間は、光変調器３０で同じ変調画像を生成し続けて、走査する格子領域が変化すると、光変調器３０で生成する変調画像を切り替えることになる。このような制御を行うと、スクリーン２３の水平方向だけでなく、垂直方向にも視差画像を投射でき、より多くの多視点化が可能となって、立体映像を視認可能な視域をより広げることができる。

本実施形態では、スクリーン２３に投射された視差画像に対応するコヒーレント光は、時間的に入射角度が変化しながらスクリーン２３に投射されるため、スクリーン２３上でコヒーレント光の拡散で生じるスペックルが時間的に重畳されて目立たなくなる。

次に、本実施形態で用いるホログラム記録媒体５５について詳述する。本実施形態では、走査デバイス６５で反射されてホログラム記録媒体５５上を走査するコヒーレント光は、ホログラム記録媒体５５上の各位置に、ホログラム記録媒体５５の回折条件を満たすような入射角度で入射するようにしている。ホログラム記録媒体５５上には干渉縞が形成されていることから、ホログラム記録媒体５５上の各点に入射したコヒーレント光は、この干渉縞で回折されて、同一の被照明領域ＬＺを照明するようになっている。より詳細には、ホログラム記録媒体５５上の各点に入射したコヒーレント光は、被照明領域ＬＺに重ねて散乱板の像を再生するようにしている。

このようなコヒーレント光の回折作用を可能にするホログラム記録媒体５５として、例えば、フォトポリマーを用いた透過型の体積型ホログラムが考えられる。図７はホログラム記録媒体５５に散乱板６の像を干渉縞として形成する様子を説明する図である。ここで、散乱板６とは、光を散乱させる参照部材であり、参照部材の具体的な形態は問わない。

図７に示すように、ホログラム記録媒体５５は、実物の散乱板６からの散乱光を物体光Ｌｏとして用いて作製されている。図７には、ホログラム記録媒体５５の形成材料である感光性を有するホログラム感光材料５８に、互いに干渉性を有するコヒーレント光からなる参照光Ｌｒと物体光Ｌｏとを露光する状態が示されている。

参照光Ｌｒとしては、例えば、特定波長域のレーザ光を発振するレーザ光源６１からのレーザ光が用いられている。参照光Ｌｒは、レンズからなる集光素子７を透過してホログラム感光材料５８に入射される。図７に示す例では、参照光Ｌｒに対応するレーザ光が、集光素子７の光軸と平行な平行光束として、集光素子７に入射される。参照光Ｌｒは、集光素子７を透過することによって、それまでの平行光束から収束光束に整形、すなわち変換され、ホログラム感光材料５８に入射される。この際、収束光束Ｌｒの焦点位置ＦＰは、ホログラム感光材料５８を通り過ぎた位置にある。すなわち、ホログラム感光材料５８は、集光素子７と、集光素子７によって集光された収束光束Ｌｒの焦点位置ＦＰと、の間に配置されている。

次に、物体光Ｌｏは、たとえばオパールガラスからなる散乱板６からの散乱光として、ホログラム感光材料５８に入射される。図７の例では、作製されるべきホログラム記録媒体５５が透過型であり、物体光Ｌｏは、参照光Ｌｒと同じ側の面からホログラム感光材料５８に入射される。物体光Ｌｏは、参照光Ｌｒと干渉性を有することが前提である。したがって、例えば、同一のレーザ光源６１から発振されたレーザ光を分岐させて、分岐された一方を上述の参照光Ｌｒとして利用し、他方を物体光Ｌｏとして使用することができる。

図７に示す例では、散乱板６の板面への法線方向と平行な平行光束が、散乱板６に入射されて散乱され、そして、散乱板６を透過した散乱光が物体光Ｌｏとしてホログラム感光材料５８に入射される。この方法によれば、通常安価に入手可能な等方散乱板を散乱板６として用いた場合に、散乱板６からの物体光Ｌｏを、ホログラム感光材料５８に概ね均一な光量分布で入射することが可能となる。またこの方法によれば、散乱板６による散乱の度合いにも依存するが、ホログラム感光材料５８の各位置に、散乱板６の出射面６ａの全域から概ね均一な光量で参照光Ｌｒが入射しやすくなる。このような場合には、得られたホログラム記録媒体５５の各位置に入射した光が、それぞれ、散乱板６の像５を同様の明るさで再生すること、および、再生された散乱板６の像５が概ね均一な明るさで観察されることが実現され得る。

以上のようにして、参照光Ｌｒおよび物体光Ｌｏがホログラム記録材料５８に露光されると、参照光Ｌｒおよび物体光Ｌｏが干渉して干渉縞が生成され、この光の干渉縞が、何らかのパターン、例えば体積型ホログラムでは、一例として、屈折率変調パターンとして、ホログラム記録材料５８に記録される。その後、ホログラム記録材料５８の種類に対応した適切な後処理が施され、ホログラム記録媒体５５が得られる。

図８は図７の露光工程を経て得られたホログラム記録媒体５５に形成された干渉縞を用いて散乱板の像を再生する様子を説明する図である。図８に示すように、図７のホログラム感光材料５８にて形成されたホログラム記録媒体５５は、露光工程で用いられたレーザ光と同一波長の光であって、露光工程における参照光Ｌｒの光路を逆向きに進む光によって、そのブラッグ条件が満たされるようになる。すなわち、図８に示すように、露光工程時におけるホログラム感光材料５８に対する焦点ＦＰの相対位置（図７参照）と同一の位置関係をなすようにしてホログラム記録媒体５５に対して位置する基準点ＳＰから発散し、露光工程時における参照光Ｌｒと同一の波長を有する発散光束は、再生照明光Ｌａとして、ホログラム記録媒体５５にて回折され、露光工程時におけるホログラム感光材料５８に対する散乱板６の相対位置（図７参照）と同一の位置関係をなすようになるホログラム記録媒体５５に対する特定の位置に、散乱板６の再生像５を生成する。

この際、散乱板６の再生像５を生成する再生光である再生照明光Ｌａをホログラム記録媒体５５で回折してなる光Ｌｂは、露光工程時に散乱板６からホログラム感光材料５８へ向かって進んでいた物体光Ｌｏの光路を逆向きに進む光として散乱板６の像５の各点を再生する。そして、上述したように、また図７に示すように、露光工程時に散乱板６の出射面６ａの各位置から出射する物体光Ｌｏが、それぞれ、ホログラム感光材料５８の概ね全領域に入射するように拡散すなわち広がっている。すなわち、ホログラム感光材料５８上の各位置には、散乱板６の出射面６ａの全領域からの物体光Ｌｏが入射された結果として、出射面６ａ全体の情報がホログラム記録媒体５５の各位置にそれぞれ記録されている。このため、図８に示された、再生照明光Ｌａとして機能する基準点ＳＰからの発散光束をなす各光は、それぞれ単独で、ホログラム記録媒体５５の各位置に入射して互いに同一の輪郭を有した散乱板６の像５を、互いに同一の位置である被照明領域ＬＺに再生することができる。

ホログラム記録媒体５５に入射した光は、被照明領域ＬＺの方向に回折されるため、無駄な散乱光を効果的に抑制できる。したがって、ホログラム記録媒体５５に入射される再生照明光Ｌａをすべて、散乱板６の像を形成するために有効利用できる。

次に、このようなホログラム記録媒体５５からなる光学素子５０にコヒーレント光を照射する照射装置６０の構成について説明する。図１の立体映像表示装置１では、照射装置６０内に１個のレーザ光源６１を設ける例を示しているが、カラーの立体映像を表示するためには、例えばＲＧＢの各色に対応した３つのレーザ光源６１を設ける必要がある。

図９は３つのレーザ光源６１を有する照射装置６０の一例を示す図である。この例では、それぞれがコヒーレント光を生成する３色のレーザ光源６１ｒ、６１ｇ、６１ｂと、これらレーザ光源６１からのコヒーレント光の進行方向を変化させる走査デバイス６５と、を有する。

レーザ光源６１ｒ、６１ｇ、６１ｂは、それぞれ波長帯域が違うコヒーレント光を放射するものであり、具体的には、レーザ光源６１ｒは赤色で発光し、レーザ光源６１ｇは緑色で発光し、レーザ光源６１ｂは青色で発光する。これら３種類のレーザ光源６１に加えて、別個の波長帯域を有する、すなわち他の色である例えば黄色で発光するレーザ光源６１を設けてもよい。また、レーザ光源６１ｒ、６１ｇ、６１ｂの少なくとも一つを別の色で発光するレーザ光源６１に置換してもよい。

ホログラム記録媒体５５には、例えば図１０に拡大図示するように、レーザ光源６１ｒ、６１ｇ、６１ｂのそれぞれが照射する計３つの短冊領域５６ｒ、５６ｇ、５６ｂを一つの組として、密接配置された複数の組に対応する干渉縞が繰り返し形成されている。図１０の例では、レーザ光源６１ｒが照射される短冊領域５６ｒと、レーザ光源６１ｇが照射される短冊領域５６ｇと、レーザ光源６１ｂが照射される短冊領域５６ｂとからなる組が、ホログラム記録媒体５５の水平方向にｎ組密接配置されている。レーザ光源６１ｒ、６１ｇ、６１ｂは同時に、一つの組内の対応する短冊領域５６ｒ、５６ｇ、５６ｂをそれぞれ走査するため、被照明領域ＬＺは、これら短冊領域５６からの拡散光が重なり合って白色で照明されることになる。よって、光変調器３０でカラーの変調画像を生成すれば、その変調画像の色がそのままスクリーン２３に投射されることになる。以下では、短冊領域５６ｒ、５６ｇ、５６ｂを総称して短冊領域５６と呼ぶ。

ここで、図１０において、隣接する組同士は密接配置されている必要があるが、同じ組内の３つの短冊領域５６ｒ、５６ｇ、５６ｂ同士の境界は、必ずしも隣接していなくてもよく、間に隙間があってもよい。この場合、隙間には、走査デバイス６５で反射されたコヒーレント光が入射されないことになるが、実用上問題はない。また、一つの組内の各色の短冊領域５６ｒ、５６ｇ、５６ｂ同士は等面積である必要もない。

ホログラム記録媒体５５に各色ごとのｎ組分の短冊領域５６を形成するには、図７の原理で、各記録領域ごとに参照光Ｌｒと物体光Ｌｏを照射して、対応する記録領域に干渉縞を形成すればよい。

レーザ光源６１ｒ，６１ｇ、６１ｂの特性にもよるが、赤緑青以外の色で発光するレーザ光源６１、例えば、黄色で発光するレーザ光源６１を別個に設けた方が、より白色に近い色を再現できる場合もある。したがって、照射装置６０内に設けるレーザ光源６１の種類は、特に限定されるものではない。例えば、４色のレーザ光源６１を設ける場合は、各レーザ光源６１に対応づけて、ホログラム記録媒体５５に各組が４色のそれぞれに対応したｎ組分の短冊領域５６を形成すればよい。

走査デバイス６５は、コヒーレント光の進行方向を経時的に変化させ、コヒーレント光の進行方向が一定とはならないよう種々の方向へ向ける。この結果、走査デバイス６５で進行方向を変化させられるコヒーレント光が、光学素子５０のホログラム記録媒体５５の入射面上を走査するようになる。図９の例では、走査デバイス６５にはレーザ光源６１ｒ、６１ｇ、６１ｂからの３種類のコヒーレント光が入射されるため、走査デバイス６５は、これらコヒーレント光の反射角度を経時に変化させて、ホログラム記録媒体５５の各色ごとのｎ組分の短冊領域５６上を走査させる。

図９では、レーザ光源６１ｒ、６１ｇ、６１ｂからのコヒーレント光が走査デバイス６５の一点に収束している。このため、走査デバイス６５の反射面の面積が小さくてもよく、走査デバイス６５の重量も軽量化でき、走査デバイス６５の回動に要する消費電力も少なくて済む。その一方で、３つのレーザ光源６１ｒ、６１ｇ、６１ｂからのコヒーレント光が一点に収束するため、反射面の特定箇所に強い光が照射されることになり、走査デバイス６５の寿命が短くなるという耐久性の問題がある。そこで、走査デバイス６５の反射面に照射されるコヒーレント光を分散させる手法も考えられる。

図１１は、レーザ光源６１ｒ、６１ｇ、６１ｂから放射されるコヒーレント光が平行光のまま走査デバイス６５に入射され、走査デバイス６５で反射されたコヒーレント光が発散光としてホログラム記録媒体５５に入射される例を示す図である。

図１１の例では、走査デバイス６５の３箇所にレーザ光源６１ｒ、６１ｇ、６１ｂからのコヒーレント光が入射され、各箇所からホログラム記録媒体５５に向けて、コヒーレント光が反射されることになる。

また、図１２は、３色のレーザ光源６１ｒ、６１ｇ、６１ｂを一つのチップに内蔵したレーザアレイ６２を光源として用いる例を示す図である。図１２の例でも、図１と同様のホログラム記録媒体５５が用いられ、投射光学系２０の構成も図１と同様である。

なお、レーザアレイ６２内のレーザ光源６１ｒ、６１ｇ、６１ｂは平行な方向にコヒーレント光を放射するため、収束光学系としての集光レンズを設けて、これらコヒーレント光を図９に示すように走査デバイス６５の同一点に収束させてもよい。

図１２の装置では、レーザアレイ６２を用いることで、レーザ光源６１ｒ、６１ｇ、６１ｂの位置決めが容易になり、各装置間での光路のばらつきも抑制される。

〔ホログラム記録媒体５５の構造〕
図１０等で説明したホログラム記録媒体５５は、レーザ光源６１ｒ、６１ｇ、６１ｂの各色ごとにｎ個の領域５６を有する。これら各色ごとのｎ個の領域５６のそれぞれには、図１３に示すように、各色に対応する干渉縞が面方向に多重記録されている。この場合、各色のコヒーレント光の設計入射角にて、他の色の波長域のコヒーレント光の回折条件が干渉しないように、すなわち、互いの回折の波長スペクトルが干渉しないように、ホログラム記録媒体５５の膜厚と屈折率変調量Δｎを調整する必要がある。

なお、図１３では、各色に対応した記録領域に、符号５５ｒ、５５ｇ、５５ｂを付しているが、各記録領域５５ｒ、５５ｇ、５５ｂは、ｎ個の領域に分割されている。

図１３は、反射型のホログラム記録媒体５５に多重記録する例を示しているが、図１等のように、透過型のホログラム記録媒体５５を用いてもよい。

あるいは、図１４に示すように、ホログラム記録媒体５５を積層構造にして、各層で特定の色を回折させてもよい。図１４の例では、上から下に向かって、赤用の層５５ｒと、緑用の層５５ｇと、青用の層５５ｂとが積層され、各層には、各色の各波長域のコヒーレント光を干渉させるための干渉縞がそれぞれ記録されている。図１４においても、各層５５ｒ、５５ｇ、５５ｂは、ｎ個の領域に分割されている。

図１４の例では、図１３と同様に、各層５５ｒ、５５ｇ、５５ｂともに、ホログラム記録媒体５５の面方向に３つの記録領域に分割されており、実際に散乱板像を再生するために使用される記録領域は、斜線を付した領域のみである。したがって、各層ごとに干渉縞を形成する際には、斜線を付した領域のみに干渉縞を形成すればよい。あるいは、図１５に示すように、面方向に３つの記録領域に分割せずに、各層の全領域に干渉縞をそれぞれ形成して、面方向の全域を散乱板像の再生に利用してもよい。

（反射型と透過型のホログラム記録媒体５５）
反射型のホログラム記録媒体５５（以下、反射型ホロ）は、透過型のホログラム記録媒体５５（以下、透過型ホロ）に比べて、波長選択性が高い。すなわち、反射型ホロは、異なる波長に対応した干渉縞を積層させても、所望の層のみで所望の波長のコヒーレント光を回折させることができる。また、０次光の影響を除去しやすい点でも、反射型ホロは優れている。

一方、透過型ホロは、回折可能なスペクトルが広く、レーザ光源６１の許容度が広いが、異なる波長に対応した干渉縞を積層させると、所望の層以外の層でも所望の波長のコヒーレント光が回折されてしまう。よって、一般には、透過型ホロは、積層構造にするのが困難である。

〔０次光の回避〕
照射装置６０からのコヒーレント光の一部は、ホログラム記録媒体５５で回折されることなく当該ホログラム記録媒体５５を透過する。このような光は０次光と呼ばれる。０次光が被照明領域ＬＺに入射してしまうと、周囲と比較して明るさすなわち輝度が急激に上昇する異常領域である点状領域、線状領域、面状領域が被照明領域ＬＺ内に発生してしまう。

反射型のホログラム記録媒体５５を用いる場合は、０次光が進行する方向には光変調器３０と投射光学系２０は配置されないため、０次光を比較的容易に回避できるが、図１等に示す透過型のホログラム記録媒体５５を用いる場合は、０次光が進行する方向と近い方向に光変調器３０と投射光学系２０が配置される可能性が高く、注意が必要である。

例えば、図１の構成では、走査デバイス６５で反射されたコヒーレント光の光路は変化するため、０次光が光変調器３０や投射光学系２０を通過する可能性がある。このため、図１の構成を採用する場合には、０次光が光変調器３０や投射光学系２０を通過しないように、０次光の進行経路に応じて、走査デバイス６５、光変調器３０および投射光学系２０の配置場所を設計する必要がある。

（光学素子５０）
上述した形態において、光学素子５０が、フォトポリマーを用いた透過型の体積型ホログラム５５からなる例を示したが、これに限られない。既に説明したように、光学素子５０は複数のホログラム記録媒体５５を含んでいてもよい。また、光学素子５０は、銀塩材料を含む感光媒体を利用して記録するタイプの体積型ホログラムを含んでもよい。さらに、光学素子５０は、反射型の体積型ホログラム記録媒体５５を含んでいてもよいし、レリーフ型すなわちエンボス型のホログラム記録媒体５５を含んでいてもよい。

ただし、レリーフすなわちエンボス型ホログラムは、表面の凹凸構造によってホログラム干渉縞の記録が行われる。しかしながら、このレリーフ型ホログラムの場合、表面の凹凸構造による散乱が、新たなスペックル生成要因となる可能性があり、この点において体積型ホログラムの方が好ましい。体積型ホログラムでは、媒体内部の屈折率変調パターンすなわち屈折率分布としてホログラム干渉縞の記録が行われるため、表面の凹凸構造による散乱による影響を受けることはない。

もっとも、体積型ホログラムでも、銀塩材料を含む感光媒体を利用して記録するタイプのものは、銀塩粒子による散乱が新たなスペックル生成要因となる可能性がある。この点において、ホログラム記録媒体５５としては、フォトポリマーを用いた体積型ホログラムの方が好ましい。

また、図７に示す露光工程では、いわゆるフレネルタイプのホログラム記録媒体５５が作成されることになるが、レンズを用いた記録を行うことにより得られるフーリエ変換タイプのホログラム記録媒体５５を作成しても構わない。ただ、フーリエ変換タイプのホログラム記録媒体５５を用いる場合には、像再生時にもレンズを使用してもよい。

また、ホログラム記録媒体５５に形成されるべき縞状パターンである屈折率変調パターンや凹凸パターンは、現実の物体光Ｌｏおよび参照光Ｌｒを用いることなく、予定した再生照明光Ｌａの波長や入射方向、並びに、再生されるべき像の形状や位置等に基づき計算機を用いて設計されてもよい。このようにして得られたホログラム記録媒体５５は、計算機合成ホログラムとも呼ばれる。また上述した変形例のように波長域の互いに異なる複数のコヒーレント光が照射装置６０から照射される場合には、計算機合成ホログラムとしてのホログラム記録媒体５５は、各波長域のコヒーレント光にそれぞれ対応して設けられた複数の領域に平面的に区分けされ、各波長域のコヒーレント光は対応する領域で回折されて像を再生するようにしてもよい。

さらに、上述した形態において、光学素子５０が、各位置に照射されたコヒーレント光を拡げて、当該拡げたコヒーレント光を用いて被照明領域ＬＺの全域を照明するホログラム記録媒体５５を有する例を示したが、これに限られない。光学素子５０は、ホログラム記録媒体５５に代えて、或いはホログラム記録媒体５５に加えて、各位置に照射されたコヒーレント光の進行方向を変化させるとともに拡散させて、被照明領域ＬＺの全域をコヒーレント光で照明する光学要素としてのレンズアレイを有するようにしてもよい。このような具体例として、拡散機能を付与された全反射型または屈折型フレネルレンズや、フライアイレンズ等を挙げることができる。このような照射装置６０においても、照射装置６０が、レンズアレイ上をコヒーレント光が走査するようにして、光学素子５０にコヒーレント光を照射するようにし、且つ、照射装置６０から光学素子５０の各位置に入射したコヒーレント光が、レンズアレイによって進行方向を変化させられて被照明領域ＬＺを照明するよう、照射装置６０および光学素子５０を構成しておくことにより、スペックルを効果的に目立たなくさせることができる。

より具体的には、本実施形態の場合、レーザ光源６１ｒ、６１ｇ、６１ｂのそれぞれに対応した少なくとも３つのレンズを含むレンズアレイを設ける必要がある。各レンズには、対応するレーザ光源６１から放射されて、走査デバイス６５で反射されたコヒーレント光が入射される。そして、各レンズは、入射されたコヒーレント光を拡散させて、被照明領域ＬＺの全域に照射する。これにより、ホログラム記録媒体５５を設けなくても、被照明領域ＬＺの全域を例えば白色で照明できる。

本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

１ 立体映像表示装置、５ 像、６ 散乱板、２０ 投射光学系、２１ フィールドレンズ、２２ プロジェクションレンズ、２３ スクリーン、３０ 光変調器、５０ 光学素子、５５ ホログラム記録媒体、５８ ホログラム感光材料、６０ 照射装置、６１ｒ、６１ｇ、６１ｂ 光源、７０ 位置検出部

Claims (13)

1. ｎ個（ｎは２以上の整数）の視差画像のそれぞれに対応して設けられ、それぞれがコヒーレント光を拡散し得るｎ個の領域を有する光学素子と、
   前記光学素子に前記コヒーレント光を照射して、該コヒーレント光を前記ｎ個の領域上で走査させる照射装置と、
   前記照射装置から前記光学素子の各位置に入射されて拡散されたコヒーレント光によって照明され、コヒーレント光が前記ｎ個の領域上を走査するのに同期して、前記ｎ個の領域のそれぞれに対応する変調画像を生成する光変調器と、
   前記変調画像により生成される前記ｎ個の視差画像のそれぞれを異なる角度で同一の面に重ねて投射する投射光学系と、を備えることを特徴とする立体映像表示装置。
2. 前記投射光学系は、前記面に配置されて、前記変調画像に対応するコヒーレント光を拡散させる拡散部材を備え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。
3. 前記拡散部材は、一方向に対して他方向よりも高い拡散特性を有することを特徴とする請求項２に記載の立体映像表示装置。
4. 前記拡散部材は、前記面で視認される立体映像の水平隣接画素の並ぶ方向である水平方向に直交する方向に対して、水平方向よりも高い拡散特性を有す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。
5. 前記変調画像により生成される前記ｎ個の視差画像のそれぞれを前記投射光学系上に設けられる光学部材の別個の領域に集光させる集光光学系を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の立体映像表示装置。
6. 前記光学素子は、ホログラム記録媒体であり、
   前記ｎ個の領域のそれぞれは、前記ホログラム記録媒体の一方向に延在されてコヒーレント光を回折させる干渉縞が形成された短冊領域であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の立体映像表示装置。
7. 前記ｎ個の短冊領域の長手方向は、前記面の水平方向に直交する方向に配置されることを特徴とする請求項６に記載の立体映像表示装置。
8. 前記ｎ個の短冊領域のそれぞれは密接配置されることを特徴とする請求項６または７に記載の立体映像表示装置。
9. 前記照射装置は、前記ｎ個の短冊領域のそれぞれについて、順次にその長手方向に沿ってコヒーレント光を走査させ、
   前記光変調器は、前記照射装置が一つの短冊領域上でコヒーレント光を走査させている間は、該短冊領域に対応する変調画像を生成し続けることを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の立体映像表示装置。
10. 観察者の位置を検出する位置検出部を備え、
    前記照射装置は、前記ｎ個の領域の一部のみでコヒーレント光を走査させて、前記位置検出部で検出された観察者の位置で視差画像を視認させることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の立体映像表示装置。
11. 前記位置検出部は、観察者の視線を検出することを特徴とする請求項１０に記載の立体映像表示装置。
12. 前記照射装置は、
    コヒーレント光を放射する光源と、
    前記光源から放射されたコヒーレント光の反射角度を調整して、反射されたコヒーレント光を前記光学素子上で走査させる走査デバイスと、を有することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の立体映像表示装置。
13. 前記光源は、波長帯域がそれぞれ異なる複数のコヒーレント光を放射する複数の光源部を有し、
    前記光学素子は、前記複数の光源部のそれぞれごとに、対応する光源部からのコヒーレント光が走査する前記ｎ個の領域を有することを特徴とする請求項１２に記載の立体映像表示装置。

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