JP7486381B2 - Hologram data generating device and program thereof - Google Patents

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Description

本発明は、ホログラムデータ生成装置およびそのプログラムに関する。 The present invention relates to a hologram data generating device and a program for the same.

ホログラフィは、光の波面を干渉縞として記録・再生する技術である。ホログラフィにより再現される三次元映像は、原理的には実際の被写体からの光を忠実に再現できるため、ステレオグラム(二眼立体方式)などの課題として挙げられるいわゆる輻輳と調節との不一致が生じないといわれている。
ホログラフィの技術を用いて、干渉縞の情報をホログラムデータとして生成する手法として、コンピュータを用いて計算によって生成する手法が存在する。このコンピュータ上でホログラムデータを生成する手法は、計算機合成ホログラム(Computer Generated Hologram:以下、CGHという)と呼ばれる。
このCGHのホログラムデータを生成する手法は、種々存在するが、例えば、2次元画像に位相情報を付加してフーリエ変換を行うことで、ホログラム面における物体光の複素振幅分布を生成し、参照光の複素振幅分布から、ホログラムデータを生成する(例えば、特許文献1参照)。
Holography is a technology that records and reproduces the wavefront of light as interference fringes. In principle, 3D images reproduced by holography can faithfully reproduce the light from an actual subject, so it is said that there is no problem with the so-called inconsistency between convergence and accommodation that is often seen in stereograms (two-eye stereoscopic methods).
As a method of generating hologram data based on information on interference fringes using holography technology, there is a method of generating hologram data through calculations using a computer. This method of generating hologram data on a computer is called a Computer Generated Hologram (hereinafter referred to as CGH).
There are various methods for generating hologram data for this CGH. For example, phase information is added to a two-dimensional image and a Fourier transform is performed to generate a complex amplitude distribution of the object light on the hologram plane, and hologram data is generated from the complex amplitude distribution of the reference light (see, for example, Patent Document 1).

ホログラムデータは、空間光変調器(Spatial light modulator:SLM)に表示され、読み出し光が照射されることで、三次元映像として再現される。
この三次元映像の視域角(三次元映像を観察可能な角度)は、ホログラムデータを表示するSLMの画素構造による回折角により制限され、画素ピッチと光の波長とに依存する。ここで、SLMの画素ピッチをp、光の波長をλとしたとき、視域角(全角)θは、θ=2sin-1[λ/(2p)]と表すことができる。そのため、ホログラム再生において、広視域を得るためには、SLMの狭画素ピッチ化が必要となる。
The hologram data is displayed on a spatial light modulator (SLM) and reproduced as a three-dimensional image by irradiating it with a readout light.
The viewing angle of this 3D image (the angle at which the 3D image can be observed) is limited by the diffraction angle due to the pixel structure of the SLM that displays the hologram data, and depends on the pixel pitch and the wavelength of light. Here, when the pixel pitch of the SLM is p and the wavelength of light is λ, the viewing angle (full angle) θ can be expressed as θ = 2 sin -1 [λ/(2p)]. Therefore, in order to obtain a wide viewing area in hologram reproduction, it is necessary to narrow the pixel pitch of the SLM.

また、ホログラフィによる三次元映像を大きく表示するには、SLMの大面積化が必要となる。ここで、SLMの幅方向の画素数をNx、SLMの高さ方向の画素数をNy、SLMの画素ピッチをpとしたとき、SLMの面積Sは、S=pNxNyと表すことができる。そのため、三次元映像の広視域化かつSLMの大面積化のためには、狭画素ピッチ化とともに多画素化が必要となる。
近年では、ホログラフィ立体表示用デバイスとして、狭画素ピッチおよび多画素のSLMの研究が進められている(例えば、特許文献2参照)。
Moreover, in order to display a large 3D image by holography, it is necessary to increase the area of the SLM. Here, when the number of pixels in the width direction of the SLM is Nx, the number of pixels in the height direction of the SLM is Ny, and the pixel pitch of the SLM is p, the area S of the SLM can be expressed as S = p 2 NxNy. Therefore, in order to widen the viewing area of a 3D image and increase the area of the SLM, it is necessary to narrow the pixel pitch and increase the number of pixels.
In recent years, research has been conducted into narrow-pixel-pitch and multi-pixel SLMs as devices for holographic stereoscopic display (see, for example, Patent Document 2).

特開2007-279221号公報JP 2007-279221 A 特開2019-144423号公報JP 2019-144423 A

ホログラム再生において、例えば、波長532nmで視域角30°を得るには、画素ピッチが1μmのSLMが必要となる。また、1cmの大きさのSLMで10000×10000画素(1億画素)が必要となる。このように、広視域で大画面の三次元映像を表示するホログラムデータは情報量が膨大となる。
そのため、コンピュータで計算によりホログラムデータを生成する従来の手法では、計算時間が長くかかってしまうという問題がある。
In hologram reproduction, for example, to obtain a viewing angle of 30° at a wavelength of 532 nm, an SLM with a pixel pitch of 1 μm is required. Also, an SLM with a size of 1 cm2 requires 10,000 × 10,000 pixels (100 million pixels). Thus, the amount of information required for hologram data to display a large-screen 3D image with a wide viewing zone is enormous.
Therefore, the conventional method of generating hologram data by calculation using a computer has a problem of taking a long time for the calculation.

また、ホログラフィによる三次元映像の面内分解能は、集光レンズとして作用するホログラムパターンを表示したときのSLMの回折限界で決まる。光の波長をλ、光の集光角(半幅)をφとしたとき、図13に示すように、面内分解能dは、d=λ/(2sinφ)と表すことができる。なお、光の集光角φは、ホログラム面の近傍の場合と、遠方の場合とで異なる。図13(a)に示すように、ホログラム面の近傍では、集光角φは、回折角θによって決まり、SLM100の画素ピッチをpとしたとき、φ=θ=sin-1[λ/(2p)]と表すことができる。また、図13(b)に示すように、ホログラム面から遠方では、集光角φは、見込み角θによって決まり、SLM100の大きさをW、SLM100から三次元映像までの伝播距離をzとしたとき、φ=θ=tan-1[W/(2|z|)]と表すことができる。
例えば、波長532nmで画素ピッチが1μmのSLM100の場合、ホログラム面の近傍に再生される三次元映像の面内分解能は1μmとなる。
なお、集光角φが大きいほど、面内分解能の値は小さくなる。すなわち、遠方では近傍よりも集光角φが小さいため、面内分解能の値は大きくなる。このように、遠方では近傍と比べると面内分解能の値は大きくなるものの、人間が知覚できないくらい小さな値であり、ディスプレイ用途においては、CGHの元となる三次元データには情報削減の余地がある。
Furthermore, the in-plane resolution of a three-dimensional image by holography is determined by the diffraction limit of the SLM when a hologram pattern acting as a condenser lens is displayed. When the wavelength of light is λ and the condensing angle (half width) of light is φ, the in-plane resolution d can be expressed as d=λ/(2sinφ) as shown in FIG. 13. The condensing angle φ of light differs between the vicinity of the hologram surface and the distant case. As shown in FIG. 13(a), in the vicinity of the hologram surface, the condensing angle φ is determined by the diffraction angle θ d , and when the pixel pitch of the SLM 100 is p, it can be expressed as φ=θ d =sin −1 [λ/(2p)]. Furthermore, as shown in FIG. 13(b), at a distance from the hologram surface, the collection angle φ is determined by the angle of view θ v , and can be expressed as φ = θ v = tan −1 [W/(2|z 0 |)] when the size of SLM 100 is W and the propagation distance from SLM 100 to the three-dimensional image is z 0 .
For example, in the case of the SLM 100 with a pixel pitch of 1 μm at a wavelength of 532 nm, the in-plane resolution of a three-dimensional image reproduced near the hologram surface is 1 μm.
It should be noted that the larger the collection angle φ, the smaller the in-plane resolution value. In other words, since the collection angle φ is smaller at a distant location than at a nearby location, the in-plane resolution value is larger. In this way, although the in-plane resolution value is larger at a distant location compared to at a nearby location, it is still so small that it cannot be perceived by humans, and for display purposes, there is room for information reduction in the 3D data that is the basis for CGH.

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、視覚的に影響のない範囲で、CGHの元となるデータを削減し、計算量を抑えて、ホログラムデータを生成することが可能なホログラムデータ生成装置およびそのプログラムを提供することを課題とする。 The present invention was made in consideration of these conventional problems, and aims to provide a hologram data generating device and a program for the device that can generate hologram data by reducing the amount of data that serves as the basis for CGH and reducing the amount of calculations to the extent that it does not affect the visual appearance.

前記課題を解決するため、本発明に係るホログラムデータ生成装置は、ホログラム生成対象画像からホログラムデータを生成するホログラムデータ生成装置であって、ダウンサンプリング手段と、アップサンプリング光波伝播手段と、ホログラムデータ計算手段と、を備える構成とした。 To solve the above problems, the hologram data generating device according to the present invention is a hologram data generating device that generates hologram data from a target image for hologram generation, and is configured to include a downsampling means, an upsampling light wave propagation means, and a hologram data calculation means.

かかる構成において、ホログラムデータ生成装置は、ダウンサンプリング手段によって、ホログラム再生像の空間周波数が少なくとも予め定めた値以上となる画素ピッチで、前記ホログラム生成対象画像をダウンサンプリングする。このホログラム再生像の空間周波数は、一般に視力1.0の人が知覚できる限界とされる30cpd(cycles per degree)を下らない値が好ましい。
そして、ホログラムデータ生成装置は、アップサンプリング光波伝播手段によって、ダウンサンプリング手段でダウンサンプリングされたホログラム生成対象画像の複素振幅分布を、ホログラム面において、ホログラムデータを表示する空間光変調器の画素ピッチにアップサンプリングするように光波伝播の計算を行う。このとき、光波伝播の計算を行う元データは、ダウンサンプリング手段でデータ量が削減されているため、光波伝播の計算で用いるフーリエ変換を高速に演算することができる。
そして、ホログラムデータ生成装置は、ホログラムデータ計算手段によって、アップサンプリング光波伝播手段でアップサンプリングされた複素振幅分布を物体光の複素振幅布として、予め準備した参照光の複素振幅分布により、ホログラムデータを計算する。
これによって、ホログラムデータ生成装置は、予め定めた大きさの空間光変調器に表示するホログラムデータを、データを削減して生成することができる。
In such a configuration, the hologram data generating device downsamples the image to be hologram-generated by the downsampling means at a pixel pitch such that the spatial frequency of the hologram-reconstructed image is at least equal to or greater than a predetermined value. The spatial frequency of the hologram-reconstructed image is preferably no less than 30 cpd (cycles per degree), which is generally considered to be the limit of perception for a person with 1.0 visual acuity.
The hologram data generation device then performs light wave propagation calculations using the upsampling light wave propagation means to upsample the complex amplitude distribution of the hologram generation target image downsampled by the downsampling means to the pixel pitch of the spatial light modulator that displays the hologram data on the hologram plane. At this time, the amount of data of the original data used for the light wave propagation calculation has been reduced by the downsampling means, so that the Fourier transform used in the light wave propagation calculation can be calculated at high speed.
Then, the hologram data generating device calculates hologram data using the complex amplitude distribution upsampled by the upsampling light wave propagation means as the complex amplitude distribution of the object light and the complex amplitude distribution of the reference light prepared in advance, using the hologram data calculation means.
This allows the hologram data generating device to generate hologram data to be displayed on a spatial light modulator of a predetermined size by reducing the amount of data.

お、ホログラムデータ生成装置は、コンピュータを、前記した各手段として機能させるためのホログラムデータ生成プログラムで動作させることができる。 The hologram data generating device can be operated by a hologram data generating program that causes a computer to function as each of the above-mentioned means.

本発明は、以下に示す優れた効果を奏するものである。
本発明によれば、計算機ホログラムを生成する際に、視覚的に影響のない範囲でデータを削減し、計算量を抑えて、ホログラムデータを生成することができる。
これによって、本発明によれば、従来よりも高速にホログラムデータを生成することができる。
The present invention provides the following excellent effects.
According to the present invention, when generating a computer-generated hologram, it is possible to reduce data to an extent that does not affect the visual appearance, and to suppress the amount of calculations, thereby generating hologram data.
As a result, according to the present invention, hologram data can be generated faster than before.

本発明の実施形態に係るホログラムデータ生成装置の処理概要を説明するための説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining an overview of processing performed by a hologram data generating device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係るホログラムデータ生成装置が行うダウンサンプリング前後の画素ピッチを説明するための説明図であって、(a)はダウンサンプリング前、(b)はダウンサンプリング後を示す。1A and 1B are explanatory diagrams for explaining pixel pitch before and after downsampling performed by a hologram data generating device according to an embodiment of the present invention, where FIG. 1A shows the pixel pitch before downsampling and FIG. 本発明の実施形態に係るホログラムデータ生成装置の構成を示すブロック構成図である。1 is a block diagram showing a configuration of a hologram data generating device according to an embodiment of the present invention. ダウンサンプリング後の断層画像の複素振幅分布をホログラム面に光波伝播する処理を説明するための説明図である。11 is an explanatory diagram for explaining a process of propagating a complex amplitude distribution of a tomographic image after downsampling onto a hologram surface as a light wave. FIG. (a)~(e)は、広指向性を有した状態で、角スペクトル伝播により、ダウンサンプリング後の断層画像の複素振幅分布をアップサンプリングするデータの流れを説明するための説明図である。13A to 13E are diagrams illustrating the flow of data when upsampling the complex amplitude distribution of a downsampled tomographic image by angular spectrum propagation in a state having wide directivity. (a)~(d)は、広指向性を有した状態で、フレネル伝播により、ダウンサンプリング後の断層画像の複素振幅分布をアップサンプリングするデータの流れを説明するための説明図である。13A to 13D are diagrams illustrating the flow of data when the complex amplitude distribution of a downsampled tomographic image is upsampled by Fresnel propagation in a state having wide directivity. 本発明の実施形態に係るホログラムデータ生成装置の動作を示すフローチャートである。5 is a flowchart showing an operation of the hologram data generating device according to the embodiment of the present invention. (a)~(c)は複素振幅分布からホログラムデータを生成するまでの例を示す画像例、(e)は再生像を示す。13A to 13C are example images showing an example of how hologram data is generated from a complex amplitude distribution, and 13E shows a reconstructed image. ダウンサンプリング後の多視点画像の複素振幅分布をホログラム面に光波伝播する処理を説明するための説明図である。11 is an explanatory diagram for explaining a process of propagating a complex amplitude distribution of a multi-viewpoint image after downsampling onto a hologram surface as a light wave. FIG. ダウンサンプリング後の多視点断層画像の複素振幅分布をホログラム面に光波伝播する処理を説明するための説明図である。11 is an explanatory diagram for explaining a process of propagating a complex amplitude distribution of a multi-viewpoint tomographic image after downsampling onto a hologram surface as a light wave. FIG. (a)~(e)は、狭指向性を有した状態で、角スペクトル伝播により、ダウンサンプリング後の多視点画像の複素振幅分布をアップサンプリングするデータの流れを説明するための説明図である。13A to 13E are explanatory diagrams illustrating the flow of data when upsampling the complex amplitude distribution of a downsampled multi-view image by angular spectrum propagation in a state having narrow directivity. (a)~(d)は、狭指向性を有した状態で、フレネル伝播により、ダウンサンプリング後の多視点画像の複素振幅分布をアップサンプリングするデータの流れを説明するための説明図である。13A to 13D are explanatory diagrams for explaining the flow of data when upsampling the complex amplitude distribution of a downsampled multi-viewpoint image by Fresnel propagation in a state having narrow directivity. 三次元映像の面内分解能を説明するための説明図であって、(a)はホログラム面の近傍、(b)はホログラム面から遠方の場合を示す。1A and 1B are diagrams for explaining the in-plane resolution of a three-dimensional image, in which (a) shows the vicinity of a hologram surface, and (b) shows the case far from the hologram surface.

[ホログラムデータ生成装置の処理概要]
まず、図1を参照して、本発明の実施形態に係るホログラムデータ生成装置1(図3参照)の処理概要について説明する。
ホログラムデータ生成装置1は、ホログラムデータを生成するための元データ(三次元データ)である複素振幅分布U(x,y,z)を、観察者Mの視覚的に影響のない範囲でダウンサンプリングする。そして、ホログラムデータ生成装置1は、ダウンアンプリングされたデータから、光波伝播計算により、ホログラム面Hにおける元のデータに対応したSLM100の大きさの複素振幅分布U(x,y,0)を求め、ホログラムデータを生成する。なお、ホログラム面Hは、SLM100の表示面の位置である。
[Processing Overview of Hologram Data Generator]
First, with reference to FIG. 1, an outline of the processing performed by a hologram data generating device 1 (see FIG. 3) according to an embodiment of the present invention will be described.
The hologram data generating device 1 down-samples the complex amplitude distribution U(x, y, z), which is the original data (three-dimensional data) for generating hologram data, within a range that does not affect the visual perception of the observer M. Then, from the down-amplified data, the hologram data generating device 1 determines the complex amplitude distribution U(x, y, 0) of the size of the SLM 100 corresponding to the original data on the hologram plane H by light wave propagation calculation, and generates hologram data. Note that the hologram plane H is the position of the display surface of the SLM 100.

[ホログラムデータ生成装置が行うダウンサンプリングについて]
次に、図1を参照して、本発明の実施形態に係るホログラムデータ生成装置1が行うダウンサンプリングについて説明する。
ホログラムデータ生成装置1は、光波伝播計算を行う際に、ホログラム面Hから被写体Oまでの伝播距離zに応じて、異なる光波伝播の計算を行う。
ここでは、ホログラムデータ生成装置1は、ホログラムデータを表示するSLM100の大きさをN、SLM100の画素ピッチをp、光の波長をλとしたとき、zがNp/λ未満の場合は角スペクトル伝播法、zがNp/λ以上の場合はフレネル伝播法を用いる。これによって、光波の伝播計算による折り返しひずみを避けることができる。
[Downsampling performed by the hologram data generator]
Next, downsampling performed by a hologram data generating device 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
When performing light wave propagation calculations, the hologram data generation device 1 performs different light wave propagation calculations depending on the propagation distance zO from the hologram surface H to the object O.
Here, the hologram data generating device 1 uses the angular spectrum propagation method when zO is less than Np2 /λ, and the Fresnel propagation method when zO is Np2/λ or more, where N is the size of the SLM 100 that displays the hologram data, p is the pixel pitch of the SLM 100 , and λ is the wavelength of light. This makes it possible to avoid aliasing distortion due to light wave propagation calculations.

〔角スペクトル伝播法〕
一般に、角スペクトル伝播法では、三次元データの複素振幅分布U(x,y,z)からホログラム面Hの複素振幅分布U(x,y,0)を計算する場合、以下の式(1)(式(1-1)~式(1-3))の計算を順次行う。
[Angular spectrum propagation method]
Generally, in the angular spectrum propagation method, when calculating the complex amplitude distribution U(x, y, 0) on the hologram plane H from the complex amplitude distribution U(x, y, z) of three-dimensional data, the calculations of the following equation (1) (equations (1-1) to (1-3)) are performed in sequence.

Figure 0007486381000001
Figure 0007486381000001

ここで、FTはフーリエ変換、FT-1は逆フーリエ変換、A(u,v,z)は、複素振幅分布U(x,y,z)のスペクトル分布、u、vはそれぞれx方向とy方向とに対応した空間周波数を示す。なお、角スペクトル伝播法は、高速フーリエ変換(FFT)を用いるため、サンプリング数が2のべき乗の場合に特に高速に計算を行うことができる。
そこで、ホログラムデータ生成装置1は、SLM100に表示する生成対象のホログラムデータのサンプリング数N,N(サンプリング間隔p,p)に対して、以下の式(2)式に示すサンプリング数N′,N′(サンプリング間隔p′,p′)で、複素振幅分布U(x,y,z)をサンプリングする。
Here, FT is the Fourier transform, FT -1 is the inverse Fourier transform, A(u,v,z) is the spectral distribution of the complex amplitude distribution U(x,y,z), and u and v are the spatial frequencies corresponding to the x and y directions, respectively. Note that the angular spectrum propagation method uses a fast Fourier transform (FFT), and therefore can perform calculations at high speed, especially when the sampling number is a power of two.
Therefore, the hologram data generating device 1 samples the complex amplitude distribution U( x , y, z) with sampling numbers Nx ', Ny ' (sampling intervals px ' , py ' ) shown in the following equation (2), where Nx, Ny (sampling intervals px ', py ') are the sampling numbers of the hologram data to be generated and displayed on the SLM 100.

Figure 0007486381000002
Figure 0007486381000002

このように、サンプリング数N,N(サンプリング間隔p,p)を、サンプリング数N′,N′(サンプリング間隔p′,p′)とダウンサンプリングしても、図2(a)(b)に示すように、複素振幅分布U(x,y,z)のx方向およびy方向の解析領域の大きさは同じになる。
ここで、floor(x)はxを超えない整数、<<はシフト演算子である。
p(z)は、ホログラム面Hから三次元データの被写体Oまでの伝播距離をzとしたとき、zにおけるサンプリング間隔であって、以下の式(3)で求められる値である。
In this way, even if the sampling numbers Nx , Ny (sampling intervals px , py ) are down-sampled to sampling numbers Nx ', Ny ' (sampling intervals px ', py '), the sizes of the analysis regions in the x and y directions of the complex amplitude distribution U(x, y, z) will be the same, as shown in Figures 2(a) and 2(b).
Here, floor(x) is an integer not greater than x, and << is the shift operator.
p(z o ) is the sampling interval at z o , where z o is the propagation distance from the hologram surface H to the object O of the three-dimensional data, and is a value calculated by the following formula (3).

Figure 0007486381000003
Figure 0007486381000003

ここで、Lは観察者Mからホログラム面Hまでの距離(視距離)である。なお、ヘッドマウントディスプレイのように、レンズ等により三次元映像を拡大して観察する場合においては、各距離は、レンズにより拡大された像までの距離とする。
また、βは再生像の空間周波数(cpd:cycles per degree)である。一般に視力1.0の人が知覚できる空間周波数の限界は30cpdといわれている。そこで、βは、30cpd以上とすることが好ましい。
なお、図1に示すように、サンプリング間隔p(z)の周期(2画素で1周期)Tを、T=2p(z)としたとき、1周期あたりの角度δθは、δθ=tan-1[T/(L-z)]≒T/(L-z)[rad]=T/(L-z)×180/π[deg]となり、1度あたりの周期(空間周波数)βは、β=1/δθ=(L-z)/T×π/180[cpd]となる。これにより、式(3)を導き出すことができる。
Here, L is the distance (visual distance) from the observer M to the hologram surface H. In addition, when a three-dimensional image is enlarged and observed by a lens or the like, such as a head-mounted display, each distance is the distance to the image enlarged by the lens.
Furthermore, β is the spatial frequency (cpd: cycles per degree) of the reproduced image. It is generally said that the limit of the spatial frequency that a person with 1.0 vision can perceive is 30 cpd. Therefore, it is preferable that β is 30 cpd or more.
As shown in Fig. 1, when the period T of the sampling interval p(z o ) (one period is two pixels) is T = 2p(z o ), the angle δθ per period is δθ = tan -1 [T/(L-z o )] ≈ T/(L-z o ) [rad] = T/(L-z o ) x 180/π [deg], and the period (spatial frequency) β per degree is β = 1/δθ = (L-z o )/T x π/180 [cpd]. From this, equation (3) can be derived.

〔フレネル伝播法〕
また、フレネル伝播法では、三次元データの複素振幅分布U(x,y,z)からホログラム面Hの複素振幅分布U(x,y,0)を計算する場合、以下の式(4)の計算を行う。
[Fresnel propagation method]
In addition, in the Fresnel propagation method, when calculating the complex amplitude distribution U(x, y, 0) on the hologram surface H from the complex amplitude distribution U(x, y, z) of three-dimensional data, the following equation (4) is calculated.

Figure 0007486381000004
Figure 0007486381000004

ここで、(ξ,η)は空間座標であり、二重積分計算において変数が重複しないように、U(ξ,η,z)とした。また、kは波数であり、k=2π/λである。この式(4)を、x′=x/(λz)、y′=y/(λz)と置き換えることで、FFTを用いて複素振幅分布U(x,y,0)を計算することができる。
ホログラム面Hの複素振幅分布U(x,y,0)のサンプリング数をN,N(サンプリング間隔q,q)として、座標変換を伴うFFT後のサンプリング間隔q,qは、以下の式(5)で計算することができる。
Here, (ξ, η) is the spatial coordinate, and U(ξ, η, z) is used so that the variables do not overlap in the double integral calculation. Also, k is the wave number, and k = 2π/λ. By replacing this formula (4) with x' = x/(λz) and y' = y/(λz), the complex amplitude distribution U(x, y, 0) can be calculated using FFT.
If the sampling number of the complex amplitude distribution U(x, y, 0) on the hologram surface H is Nx , Ny (sampling interval qx , qy ), the sampling interval qx , qy after FFT involving coordinate transformation can be calculated using the following equation (5).

Figure 0007486381000005
Figure 0007486381000005

そこで、ホログラムデータ生成装置1は、SLM100に表示する生成対象のホログラムデータのサンプリング数N,N(サンプリング間隔q,q)に対して、以下の式(6)式に示すサンプリング数N′,N′(サンプリング間隔q′,q′)で、複素振幅分布U(x,y,z)をサンプリングする。 Therefore, the hologram data generating device 1 samples the complex amplitude distribution U( x , y, z) with sampling numbers Nx ', Ny ' (sampling intervals qx ' , qy ' ) shown in the following equation (6), where Nx, Ny (sampling interval qx , qy ) is the sampling number of the hologram data to be generated and displayed on the SLM 100.

Figure 0007486381000006
Figure 0007486381000006

なお、floor(x)はxを超えない整数、<<はシフト演算子である。
また、p(z)は、ホログラム面Hから三次元データの被写体Oまでの伝播距離をzとしたとき、zにおけるサンプリング間隔であって、前記式(3)で求められる値である。
Note that floor(x) is an integer not exceeding x, and << is a shift operator.
Furthermore, p(z o ) is the sampling interval at z o, where z o is the propagation distance from the hologram surface H to the object O of the three-dimensional data, and is the value calculated by the above formula (3).

[ホログラムデータ生成装置の構成]
次に、図3を参照して、本発明の実施形態に係るホログラムデータ生成装置1の構成について説明する。
[Configuration of Hologram Data Generator]
Next, the configuration of the hologram data generating device 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

ホログラムデータ生成装置1は、ホログラム生成対象画像の各画素に位相を対応付けた複素振幅分布からホログラムデータを生成するものである。
ホログラム生成対象画像は、被写体やシーンの三次元データである。なお、この三次元データは、予め三次元データ記憶装置2に記憶されているものとする。
三次元データは、例えば、距離別に構成された断層画像、複数の視点位置に対応した多視点画像、多視点画像が距離別に構成された多視点断層画像等である。ここでは、三次元データは、画像の各画素に位相(例えば、ランダム位相、等位相、線形位相等)を対応付けた複素振幅分布とする。また、ここでは、三次元データを、断層画像の例で説明する。
図3に示すように、ホログラムデータ生成装置1は、データ受信手段10と、ダウンサンプリング手段11と、アップサンプリング光波伝播手段12と、ホログラムデータ計算手段13と、を備える。
The hologram data generating device 1 generates hologram data from a complex amplitude distribution in which a phase is associated with each pixel of an image for which a hologram is to be generated.
The image for which a hologram is to be generated is three-dimensional data of a subject or scene. Note that this three-dimensional data is assumed to be stored in the three-dimensional data storage device 2 in advance.
The three-dimensional data is, for example, a tomographic image arranged by distance, a multi-viewpoint image corresponding to a plurality of viewpoint positions, a multi-viewpoint tomographic image arranged by distance, etc. Here, the three-dimensional data is a complex amplitude distribution in which a phase (for example, a random phase, an equal phase, a linear phase, etc.) is associated with each pixel of the image. Here, the three-dimensional data will be described using an example of a tomographic image.
As shown in FIG. 3, the hologram data generating device 1 includes a data receiving means 10 , a downsampling means 11 , an upsampling light wave propagating means 12 , and a hologram data calculating means 13 .

データ受信手段10は、三次元データ記憶装置2から三次元データ(ホログラム生成対象画像)を受信するものである。なお、データ受信手段10は、外部に外部記憶装置として接続された三次元データ記憶装置2から三次元データを読み出してよいし、遠隔地にネットワークで接続された三次元データ記憶装置2から三次元データを受信することとしてもよい。
データ受信手段10は、受信した三次元データをダウンサンプリング手段11に出力する。
The data receiving means 10 receives three-dimensional data (image for generating a hologram) from the three-dimensional data storage device 2. The data receiving means 10 may read out three-dimensional data from a three-dimensional data storage device 2 connected to the outside as an external storage device, or may receive three-dimensional data from a three-dimensional data storage device 2 connected to a remote location via a network.
The data receiving means 10 outputs the received three-dimensional data to the downsampling means 11 .

ダウンサンプリング手段11は、ホログラム再生像の空間周波数が少なくとも予め定めた値以上となる画素ピッチで、三次元データ(ホログラム生成対象画像)をダウンサンプリングするものである。ここでは、ダウンサンプリング手段11は、ホログラム再生時に視覚的に影響のない範囲で、複素振幅分布をダウンサンプリングする。
ダウンサンプリング手段11は、図4に示すように、三次元データである断層画像U(x,y,z)の個々の奥行き方向の画像(図4中、太線で示す)ごとに、ダウンサンプリングを行う。xyは二次元座標を示し、zはホログラム面Hからの断層画像ごとの伝播距離を示す。また、iは断層を識別する1以上の整数である。
なお、ダウンサンプリング手段11は、ホログラム面Hまでの伝播距離zに応じて、前記式(2)または前記式(6)により、画像ごとのサンプリング点を算出する。
The downsampling means 11 downsamples the three-dimensional data (image to be generated for hologram generation) at a pixel pitch such that the spatial frequency of the hologram reproduction image is at least equal to or greater than a predetermined value. Here, the downsampling means 11 downsamples the complex amplitude distribution within a range that does not have a visual effect when the hologram is reproduced.
As shown in Fig. 4, the downsampling means 11 performs downsampling for each image in the depth direction (indicated by a thick line in Fig. 4) of the tomographic image Ui (x,y, zi ), which is three-dimensional data. xy indicates two-dimensional coordinates, and zi indicates the propagation distance of each tomographic image from the hologram plane H. Also, i is an integer of 1 or more that identifies a tomographic slice.
The downsampling means 11 calculates the sampling points for each image according to the propagation distance z i to the hologram surface H using the above formula (2) or (6).

ダウンサンプリング手段11によるダウンサンプリング後の波面Udown(x,y)は、comb(x,y)をくし関数として、Udown(x,y)=U(x,y)comb(x/p′,y/p′)と点群のデータとなる(zは省略)。
ダウンサンプリング手段11は、ダウンサンプリングしたサンプリング点およびその位置における複素振幅分布の値を、断層画像ごとにアップサンプリング光波伝播手段12に出力する。
The wavefront U down (x, y) after downsampling by the downsampling means 11 becomes point cloud data of U down (x, y) = U i (x, y) comb (x/ px ', y/ py ') where comb (x, y) is a comb function (z is omitted).
The downsampling means 11 outputs the downsampled sampling points and the values of the complex amplitude distribution at those positions to the upsampling light wave propagation means 12 for each tomographic image.

アップサンプリング光波伝播手段12は、ダウンサンプリング手段11でダウンサンプリングされた三次元データ(ホログラム生成対象画像)の複素振幅分布を、ホログラム面Hにおいて、SLM100の画素ピッチにアップサンプリングするように光波伝播の計算を行うものである。
ここでは、アップサンプリング光波伝播手段12は、ダウンサンプリング手段11でダウンサンプリングされた断層画像ごとの複素振幅分布に対して、ホログラム面Hからの距離に応じて、異なる光波伝播の計算を行う。
具体的には、アップサンプリング光波伝播手段12は、SLM100の大きさをN、SLM100の画素ピッチをp、光の波長をλとしたとき、zがNp/λ未満の場合、角スペクトル伝播法、zがNp/λ以上の場合はフレネル伝播法を用いる。
The upsampling light wave propagation means 12 calculates light wave propagation so as to upsample the complex amplitude distribution of the three-dimensional data (image to be generated as a hologram) downsampled by the downsampling means 11 to the pixel pitch of the SLM 100 on the hologram plane H.
Here, the upsampling light wave propagation means 12 performs different light wave propagation calculations according to the distance from the hologram surface H for the complex amplitude distribution for each tomographic image downsampled by the downsampling means 11 .
Specifically, when the size of the SLM 100 is N, the pixel pitch of the SLM 100 is p, and the wavelength of light is λ, the upsampling light wave propagation means 12 uses the angular spectrum propagation method when z i is less than Np 2 /λ, and uses the Fresnel propagation method when z i is Np 2 /λ or greater.

ここで、図5を参照して、光波伝播として角スペクトル伝播法を用いる場合の処理について説明する。
図5(a)は、ダウンサンプリング手段11でダウンサンプリングされた複素振幅分布Udown(x,y,z)を示す。なお、a,b,p,p,N,Nは、前記式(2)で説明した値である。
Here, with reference to FIG. 5, a process in which the angular spectrum propagation method is used for light wave propagation will be described.
5A shows the complex amplitude distribution U down (x, y, z o ) downsampled by the downsampling means 11. Note that a, b, p x , p y , N x , and N y are the values explained in equation (2) above.

アップサンプリング光波伝播手段12は、図5(a)に示す複素振幅分布Udown(x,y,z)に対して、高速フーリエ変換(FFT)を行うことで、図5(b)に示すスペクトル分布Adown(u,v,z)を生成する。ここで、u,vは、それぞれx方向,y方向の空間周波数を表す。
なお、スペクトル分布Adown(u,v,z)のサンプリング数は、ダウンサンプリング前の複素振幅分布U(図2(a)参照)に比べて1/a,1/bとなっている。
The upsampling light wave propagation means 12 performs a fast Fourier transform (FFT) on the complex amplitude distribution U down (x, y, z o ) shown in Fig. 5(a) to generate a spectral distribution A down (u, v, z o ) shown in Fig. 5(b), where u and v represent spatial frequencies in the x and y directions, respectively.
The number of samples of the spectral distribution A down (u, v, z o ) is 1/a, 1/b compared to the complex amplitude distribution U before downsampling (see FIG. 2A).

そこで、アップサンプリング光波伝播手段12は、スペクトル分布Adownを、アップサンプリングするため、図5(c)に示すように、元のサンプリング数N,Nに応じて、スペクトル分布Adownを複製・配置し、畳み込み積分を行うことで、アップサンプリングされたスペクトル分布Aup(u,v,z)を生成する。
up(u,v,z)は、以下の式(7)で算出することができる。
Therefore, in order to upsample the spectral distribution A down , the upsampling light wave propagation means 12 copies and arranges the spectral distribution A down according to the original sampling numbers N x and N y as shown in FIG. 5( c ), and performs convolution integration to generate an upsampled spectral distribution A up (u, v, z o ).
A up (u, v, z o ) can be calculated by the following formula (7).

Figure 0007486381000007
Figure 0007486381000007

そこで、アップサンプリング光波伝播手段12は、スペクトル分布Adown(u,v,z)をu方向に1/p′間隔で、v方向に1/p′間隔で配置することで、畳み込み積分を行うことができる。
そして、アップサンプリング光波伝播手段12は、スペクトル分布Aup(u,v,z)に対して、角スペクトル伝播の演算を行うことで、図5(d)に示すホログラム面Hにおけるスペクトル分布A(u,v,0)を生成する。
そして、アップサンプリング光波伝播手段12は、アップサンプリングされたスペクトル分布Aを断層画像の数だけ加算し、逆高速フーリエ変換(IFFT)を行うことで、図5(e)に示す複素振幅分布U(x,y,0)を生成する。
Therefore, the upsampling lightwave propagation means 12 can perform convolution integration by arranging the spectral distribution A down (u, v, z o ) at 1/p x ' intervals in the u direction and at 1/p y ' intervals in the v direction.
Then, the upsampling light wave propagation means 12 performs an angular spectral propagation calculation on the spectral distribution A up (u, v, z o ) to generate the spectral distribution A(u, v, 0) on the hologram plane H shown in FIG. 5( d ).
Then, the upsampling light wave propagation means 12 adds upsampled spectral distribution A by the number of times corresponding to the number of tomographic images, and performs an inverse fast Fourier transform (IFFT) to generate a complex amplitude distribution U(x, y, 0) shown in FIG. 5( e).

すなわち、アップサンプリング光波伝播手段12は、断層画像の奥行き方向のサンプリング数をN、zをi番目の断層画像のホログラム面Hまでの伝播距離としたとき、以下の式(8)により、スペクトル分布Aup(式(8)中、A)から、複素振幅分布U(u,v,0)を生成する。 That is, when the number of samples in the depth direction of the tomographic image is N z and z i is the propagation distance to the hologram plane H of the i-th tomographic image, the upsampling light wave propagation means 12 generates a complex amplitude distribution U(u, v, 0) from the spectral distribution A up (A i in equation (8)) by the following equation (8).

Figure 0007486381000008
Figure 0007486381000008

これによって、アップサンプリング光波伝播手段12は、ダウンサンプリングされた複素振幅分布Udownから、元のサンプリング数N,Nに応じた複素振幅分布Uを生成することができる。
なお、アップサンプリング光波伝播手段12において、以下の式(9)に示すフィルタHによるフィルタ処理を適用してもよい。
In this way, the upsampling light wave propagation means 12 can generate a complex amplitude distribution U according to the original sampling numbers N x and N y from the downsampled complex amplitude distribution U down .
In the upsampling light wave propagation means 12, a filtering process using a filter H shown in the following equation (9) may be applied.

Figure 0007486381000009
Figure 0007486381000009

このフィルタHは、以下の式(10)のように作用し、三次元映像を構成する単位を点から他の形状に変えることができる。 This filter H works as shown in the following equation (10), and can change the units that make up a 3D image from points to other shapes.

Figure 0007486381000010
Figure 0007486381000010

ここで、h(x,y)=FT-1[H(u、v)]である。
このフィルタ処理により、例えば、三次元映像を構成する単位を点から正方形とすることで、観察者が設計視距離よりも近くから三次元映像を観察した際に、三次元映像を構成する画素が疎であることを認識され難くすることができる。
Here, h(x,y)=FT −1 [H(u,v)].
This filtering process, for example, changes the units that make up a three-dimensional image from a point to a square, making it difficult for an observer to notice that the pixels that make up the three-dimensional image are sparse when observing the three-dimensional image from closer than the design viewing distance.

次に、図6を参照して、光波伝播としてフレネル伝播法を用いる場合の処理について説明する。
図6(a)は、ダウンサンプリング手段11でダウンサンプリングされた複素振幅分布Udown(x,y,z)を示す。なお、a,b,q,q,N,Nは、前記式(5)で説明した値である。
アップサンプリング光波伝播手段12は、図6(a)に示す複素振幅分布Udown(x,y,z)に対して、前記式(4)の高速フーリエ変換として、以下の式(11)の演算FTを行うことで、サンプリング間隔を縮小した図6(b)に示す複素振幅分布U(x,y,z)を生成する。
Next, a process in which the Fresnel propagation method is used for light wave propagation will be described with reference to FIG.
6A shows the complex amplitude distribution U down (x, y, z o ) downsampled by the downsampling means 11. Note that a, b, q x , q y , N x , and N y are the values explained in equation (5) above.
The upsampling light wave propagation means 12 performs an operation FT of the following equation (11) as the fast Fourier transform of the above equation (4) on the complex amplitude distribution U down (x, y, z o ) shown in Figure 6 (a) to generate a complex amplitude distribution U s (x, y, z o ) shown in Figure 6 (b) with a reduced sampling interval.

Figure 0007486381000011
Figure 0007486381000011

この式(11)は、前記式(4)の二重積分を、FFTを用いて演算する式である。ここで、(ξ,η)は空間座標であり、FFT適用前後で変数が重複しないようにUdown(ξ,η,z)とした。また、前記式(4)に示すように、このFFTは座標変換を伴うものであり、三次元データの複素振幅分布U(x,y,z)を、サンプリング間隔q,qでダウンサンプリングすることにより、FFT後のサンプリング間隔をp,pとすることができる。
複素振幅分布U(x,y,z)のサンプリング数は、ダウンサンプリング前の複素振幅分布U(図2(a)参照)に比べて1/a,1/bとなっている。
そこで、アップサンプリング光波伝播手段12は、複素振幅分布Uを、アップサンプリングするため、図6(c)に示すように、元のサンプリング数N,Nに応じて、複素振幅分布Uを複製・配置し、畳み込み積分を行うことで、アップサンプリングされた複素振幅分布Uup(x,y,z)を生成する。
up(x,y,z)は、以下の式(12)で算出することができる。
This formula (11) is a formula for calculating the double integral of the formula (4) using FFT. Here, (ξ, η) is a spatial coordinate, and U down (ξ, η, z 0 ) is used so that the variables do not overlap before and after the application of FFT. Also, as shown in the formula (4), this FFT involves coordinate transformation, and the complex amplitude distribution U (x, y, z 0 ) of the three-dimensional data is downsampled at sampling intervals q x , q y , so that the sampling intervals after FFT can be p x , p y .
The number of samples of the complex amplitude distribution U s (x, y, z o ) is 1/a, 1/b compared to the complex amplitude distribution U before downsampling (see FIG. 2A).
Therefore, in order to upsample the complex amplitude distribution Us , the upsampling light wave propagation means 12 copies and arranges the complex amplitude distribution Us according to the original sampling numbers Nx , Ny , as shown in Figure 6 (c), and performs convolution integration to generate an upsampled complex amplitude distribution Uup (x, y, z0 ).
U up (x, y, z o ) can be calculated by the following formula (12).

Figure 0007486381000012
Figure 0007486381000012

そこで、アップサンプリング光波伝播手段12は、複素振幅分布U(x,y,z)をx方向に1/q′間隔で、y方向に1/q′間隔で配置することで、畳み込み積分を行うことができる。
そして、アップサンプリング光波伝播手段12は、アップサンプリングされた複素振幅分布Uupに対して、以下の式(13)の係数を乗算し、断層画像の数だけ加算することで、図6(d)に示すフレネル伝播後の複素振幅分布U(x,y,0)を生成する。
Therefore, the upsampling light wave propagation means 12 can perform convolution integration by arranging the complex amplitude distribution U s (x, y, z o ) at 1/q x ' intervals in the x direction and at 1/q y ' intervals in the y direction.
Then, the upsampling light wave propagation means 12 multiplies the upsampled complex amplitude distribution U up by the coefficient of the following equation (13) and adds up the results the same as the number of tomographic images, thereby generating a complex amplitude distribution U (x, y, 0) after Fresnel propagation shown in FIG. 6( d ).

Figure 0007486381000013
Figure 0007486381000013

この式(13)の係数は、前記式(4)の二重積分に乗算する係数である。
これによって、アップサンプリング光波伝播手段12は、ダウンサンプリングされた複素振幅分布Udownから、元のサンプリング数N,Nに応じた複素振幅分布Uを生成することができる。
The coefficient in this equation (13) is a coefficient that is multiplied by the double integral in the above equation (4).
In this way, the upsampling light wave propagation means 12 can generate a complex amplitude distribution U according to the original sampling numbers N x and N y from the downsampled complex amplitude distribution U down .

図3に戻って、ホログラムデータ生成装置1の構成について説明を続ける。
アップサンプリング光波伝播手段12は、生成した断層画像ごとの複素振幅分布U(x,y,0)を、ホログラムデータ計算手段13に出力する。
Returning to FIG. 3, the description of the configuration of the hologram data generating device 1 will be continued.
The upsampling light wave propagation means 12 outputs the complex amplitude distribution U(x, y, 0) for each generated tomographic image to the hologram data calculation means 13 .

ホログラムデータ計算手段13は、アップサンプリング光波伝播手段12で生成された複素振幅分布U(x,y,0)から、ホログラムデータを生成するものである。
ホログラムデータ計算手段13は、複素振幅分布U(x,y,0)を、物体光の複素振幅布として、予め準備した参照光の複素振幅分布により、ホログラムデータを生成する。
参照光の複素振幅分布は、予めホログラムデータ生成条件記憶手段14に記憶しておく。参照光の波面は、平面波、球面波等、任意の波面でよい。
The hologram data calculation means 13 generates hologram data from the complex amplitude distribution U(x, y, 0) generated by the upsampling light wave propagation means 12 .
The hologram data calculation means 13 generates hologram data using the complex amplitude distribution U(x, y, 0) as the complex amplitude distribution of the object light and the complex amplitude distribution of the reference light prepared in advance.
The complex amplitude distribution of the reference light is stored in advance in the hologram data generation condition storage means 14. The wavefront of the reference light may be any wavefront, such as a plane wave or a spherical wave.

また、ホログラムデータ計算手段13が生成するホログラムデータは、振幅型、位相型、複素振幅型のいずれであっても構わない。なお、振幅型のホログラム(振幅ホログラム)を生成する場合は、共役像が再生像に多重化される現象を回避するため、アップサンプリング光波伝播手段12における光波伝播計算では、ハーフゾーンプレート処理に代表される再生像から共役像を分離する処理を行うことが好ましい。
物体光の複素振幅分布と、参照光の複素振幅分布とからホログラムデータを生成する手法は一般的な手法を用いればよいため、ここでは、詳細な説明を省略する。
The hologram data generated by the hologram data calculation means 13 may be any of amplitude type, phase type, and complex amplitude type. When generating an amplitude type hologram (amplitude hologram), it is preferable to perform a process of separating the conjugate image from the reproduced image, such as a half zone plate process, in the light wave propagation calculation in the upsampling light wave propagation means 12 in order to avoid the phenomenon in which the conjugate image is multiplexed on the reproduced image.
A method for generating hologram data from the complex amplitude distribution of the object light and the complex amplitude distribution of the reference light can be a commonly used method, and therefore a detailed description thereof will be omitted here.

ホログラムデータ生成条件記憶手段14は、ホログラムデータを生成すための条件を予め記憶しておくものである。このホログラムデータ生成条件記憶手段14は、半導体メモリ等の一般的な記憶媒体で構成することができる。
このホログラムデータ生成条件記憶手段14に記憶する生成条件は、三次元データの構造(断層画像、多視点画像、多視点断層画像の識別および画像の構成)、SLM100の大きさおよび画素ピッチ、生成するホログラムデータの型(振幅型、位相型、複素振幅型)等である。
このホログラムデータ生成条件記憶手段14は、ダウンサンプリング手段11、アップサンプリング光波伝播手段12およびホログラムデータ計算手段13によって参照される。
The conditions for generating hologram data are stored in advance in the hologram data generating condition storage means 14. The hologram data generating condition storage means 14 can be configured with a general storage medium such as a semiconductor memory.
The generation conditions stored in this hologram data generation condition storage means 14 include the structure of the three-dimensional data (identification of tomographic images, multi-viewpoint images, and multi-viewpoint tomographic images and image configuration), the size and pixel pitch of the SLM 100, and the type of hologram data to be generated (amplitude type, phase type, complex amplitude type), etc.
The hologram data generation condition storage means 14 is referenced by the downsampling means 11, the upsampling light wave propagation means 12 and the hologram data calculation means 13.

以上説明したように、ホログラムデータ生成装置1を構成することで、ホログラムデータ生成装置1は、視覚的に影響のない範囲で、三次元データの情報量を削減して、高速にホログラムデータを生成することができる。
また、ホログラムデータ生成装置1の各構成は、1つの装置として構成する必要はなく、分離して構成してもよい。
なお、ホログラムデータ生成装置1は、図示を省略したコンピュータを、前記した各手段として機能させるためのホログラムデータ生成プログラムで動作させることができる。
By configuring the hologram data generating device 1 as described above, the hologram data generating device 1 can reduce the amount of information in the three-dimensional data to the extent that it does not have a visual impact, and generate hologram data at high speed.
Furthermore, each component of the hologram data generating device 1 does not have to be configured as a single device, and may be configured separately.
The hologram data generating device 1 can operate a computer (not shown) according to a hologram data generating program for causing the computer to function as each of the above-mentioned means.

[ホログラムデータ生成装置の動作]
次に、図7を参照(構成については適宜図3参照)して、本発明の実施形態に係るホログラムデータ生成装置1の動作について説明する。なお、三次元データ記憶装置2には、予め画像の各画素に位相が付加された三次元データ(複素振幅分布)が記憶されているものとする。また、ここでは、三次元データは、断層画像とする。
[Operation of the hologram data generating device]
Next, the operation of the hologram data generating device 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to Fig. 7 (for the configuration, refer to Fig. 3 as appropriate). It is assumed that the three-dimensional data storage device 2 stores three-dimensional data (complex amplitude distribution) in which a phase is added to each pixel of an image in advance. It is also assumed here that the three-dimensional data is a tomographic image.

ステップS1において、データ受信手段10は、三次元データ記憶装置2から三次元データ(複素振幅分布)を受信する。
ステップS2において、ダウンサンプリング手段11は、断層画像の個々の画像に対応する複素振幅分布を順次選択する。
ステップS3において、ダウンサンプリング手段11は、ステップS2で選択された画像を、ホログラム面Hからの距離に応じて、前記式(2)または前記式(6)により、サンプリング点を算出し、ダウンサンプリングする。
In step S 1 , the data receiving means 10 receives three-dimensional data (complex amplitude distribution) from the three-dimensional data storage device 2 .
In step S2, the downsampling means 11 sequentially selects complex amplitude distributions corresponding to the individual images of the tomographic images.
In step S3, the downsampling means 11 calculates sampling points for the image selected in step S2 according to the distance from the hologram surface H using the above formula (2) or (6), and downsamples the image.

ステップS4において、ダウンサンプリング手段11は、断層画像のすべての画像について、ダウンサンプリングを完了したか否かを判定する。
ここで、断層画像のすべての画像についてのダウンサンプリングが完了していない場合(ステップS4でNo)、ホログラムデータ生成装置1は、ステップS2に戻って、他の画像の複素振幅分布を選択し、動作を継続する。
In step S4, the downsampling means 11 determines whether or not downsampling has been completed for all images of the tomographic images.
If downsampling has not been completed for all images of the tomographic image (No in step S4), the hologram data generating device 1 returns to step S2, selects the complex amplitude distribution of another image, and continues the operation.

一方、断層画像のすべての画像についてのダウンサンプリングが完了した場合(ステップS4でYes)、ステップS5において、アップサンプリング光波伝播手段12は、ステップS3でダウンサンプリングされたすべての複素振幅分布を、ホログラム面Hからの距離に応じた光波伝播計算により、アップサンプリングしてホログラム面Hに伝播させて加算した複素振幅分布を生成する。
ステップS6において、ホログラムデータ計算手段13は、ステップS5で生成されたホログラム面Hにおける複素振幅分布から、参照光の複素振幅分布を用いて、ホログラムデータを生成する。
以上の動作によって、ホログラムデータ生成装置1は、視覚的に影響のない範囲で、三次元データの情報量を削減して、高速にホログラムデータを生成することができる。
On the other hand, when downsampling has been completed for all images of the tomographic image (Yes in step S4), in step S5, the upsampling light wave propagation means 12 upsamples all the complex amplitude distributions downsampled in step S3 by light wave propagation calculation according to the distance from the hologram plane H, propagates them to the hologram plane H, and generates a complex amplitude distribution by adding them up.
In step S6, the hologram data calculation means 13 generates hologram data from the complex amplitude distribution on the hologram plane H generated in step S5, by using the complex amplitude distribution of the reference light.
Through the above operations, the hologram data generating device 1 can reduce the amount of three-dimensional data without affecting the visual appearance, and generate hologram data at high speed.

なお、本発明の実施形態に係るホログラムデータ生成装置1は、ステップS5の動作を、ステップS3とステップS4との間で行ってもよい。これによって、各断面画像の選択、ダウンサンプリング、アップサンプリングしてホログラム面Hまでの伝播計算を1枚ずつ逐次処理することができ、計算に必要となるメモリ領域を節約することができる。 The hologram data generating device 1 according to the embodiment of the present invention may perform the operation of step S5 between steps S3 and S4. This allows the selection, downsampling, and upsampling of each cross-sectional image to be performed sequentially for each image, and the propagation calculations to the hologram surface H can be performed, thereby saving memory space required for the calculations.

[ホログラムデータの生成例]
次に、図8を参照(適宜図1,図3参照)して、ホログラムデータ生成装置1によるホログラムデータの生成例について説明する。
(a)は、ホログラムデータを生成する対象である画像である。ここでは、説明を簡略化するため、1画像とする。
(a)は、画素数が2048×2048、画素ピッチが8μmであり、ランダム位相が付加された複素振幅分布とする。また、光の波長は、532nmとした。また、光波の伝播距離zを-10mm(再生像は、SLM100の奥10mmの位置に表示)、視距離Lを500mmとした。この条件において、再生像の空間周波数が30cpd以上となる画素ピッチは、145μm以下である。一方、FFTを高速に計算可能なデータ数は2のべき乗であることが好ましい。
そこで、ダウンサンプリング手段11は、(a)の画像を水平・垂直方向にそれぞれ1/16に間引き、画素数を128×128、画素ピッチを128μmとする。このようにダウンサンプリングを行っても、再生像の空間周波数は、30cpd以上であるため、間引きによる影響は知覚されないことになる。また、水平・垂直方向にそれぞれ1/16に間引かれ、サンプリング数が1/256となった複素振幅分布に対してFFTを適用するため、元の複素振幅分布に適用する場合に比べて計算の高速化が可能となる。
[Example of hologram data generation]
Next, an example of hologram data generation by the hologram data generating device 1 will be described with reference to FIG. 8 (and also with reference to FIGS. 1 and 3 as appropriate).
1A is an image for which hologram data is to be generated. For the sake of simplicity, only one image is shown.
(a) shows a complex amplitude distribution with a pixel count of 2048×2048, a pixel pitch of 8 μm, and a random phase added. The wavelength of the light is 532 nm. The propagation distance z O of the light wave is −10 mm (the reconstructed image is displayed at a position 10 mm behind the SLM 100), and the viewing distance L is 500 mm. Under these conditions, the pixel pitch at which the spatial frequency of the reconstructed image is 30 cpd or more is 145 μm or less. On the other hand, it is preferable that the number of data that can be calculated at high speed by FFT is a power of 2.
Therefore, the downsampling means 11 thins out the image (a) by 1/16 in both the horizontal and vertical directions, so that the number of pixels is 128 x 128 and the pixel pitch is 128 μm. Even if downsampling is performed in this way, the spatial frequency of the reproduced image is 30 cpd or more, so that the effect of thinning out is not perceived. In addition, since FFT is applied to the complex amplitude distribution that has been thinned out by 1/16 in both the horizontal and vertical directions and the number of samples is 1/256, it is possible to speed up the calculation compared to the case where it is applied to the original complex amplitude distribution.

(b)は、(a)をダウンサンプリングした複素振幅分布をホログラム面Hに伝播させた画像である。すなわち、(b)は、アップサンプリング光波伝播手段12が、ダウンサンプリングした複素振幅分布にFFTを適用し、そのスペクトル分布を複製・配置、角スペクトル伝播法により-10mmの伝播距離だけ伝播させ、IFFTを適用した結果である。なお、(b-1)は伝播後の光波の振幅、(b-2)は伝播後の光波の位相を示している。 (b) is an image obtained by propagating the downsampled complex amplitude distribution of (a) onto the hologram surface H. In other words, (b) is the result of the upsampling light wave propagation means 12 applying FFT to the downsampled complex amplitude distribution, duplicating and arranging the spectral distribution, propagating it a propagation distance of -10 mm using the angular spectrum propagation method, and then applying IFFT. Note that (b-1) shows the amplitude of the light wave after propagation, and (b-2) shows the phase of the light wave after propagation.

(c)は、(b)のホログラム面Hに伝播させた画像から、ホログラムデータ計算手段13が生成したホログラムデータ(位相ホログラム)を示す。ここでは、参照光を平面波とし、入射角をx方向およびy方向ともに1.5°とした。 (c) shows the hologram data (phase hologram) generated by the hologram data calculation means 13 from the image propagated to the hologram surface H in (b). Here, the reference light is a plane wave, and the incidence angle is 1.5° in both the x and y directions.

(e)は、(c)のホログラムデータを再生計算し、再生の一部を拡大した画像である。なお、ここでは、読出光を平面波、波長を532nmとし、入射角を、ホログラムデータを生成した条件と同じにした。(e)に示すように、再生像は(a)の画像が水平・垂直方向にそれぞれ1/16に間引かれた点群として表現されている。
このように、ホログラムデータ生成装置1は、ダウンサンプリングを行って、視覚的に影響のないホログラムデータを生成することができる。
以上の説明では、三次元データとして、断層画像を用いた例で説明した。以下では、多視点画像、多視点断層画像を用いた場合の例を説明する。
(e) is an image obtained by calculating the reproduction of the hologram data of (c) and enlarging a part of the reproduction. Note that here, the readout light is a plane wave, the wavelength is 532 nm, and the incident angle is the same as the condition for generating the hologram data. As shown in (e), the reproduction image is expressed as a point cloud in which the image of (a) is thinned out to 1/16 in both the horizontal and vertical directions.
In this way, the hologram data generating device 1 can perform downsampling to generate hologram data that is visually unaffected.
In the above description, an example has been described in which a tomographic image is used as the three-dimensional data. In the following, an example will be described in which a multi-viewpoint image and a multi-viewpoint tomographic image are used.

[他の三次元データの例]
〔多視点画像〕
図9を参照(適宜図3参照)して、ホログラムデータ生成装置1が、多視点画像からホログラムデータを生成する処理の概要を説明する。
多視点画像は、同一の被写体を複数の視点位置から撮影(またはCG等で仮想的に撮影)した個々の視点位置ごとの画像である。
多視点画像は、二次元の各視点画像に視点位置への方向を付加したものである。また、多視点画像は、画像の各画素に位相(例えば、ランダム位相、等位相、線形位相等)を付加した複素振幅分布である。
図9に示す多視点画像Umn(x,y,z)のxyは二次元座標を示し、zはホログラム面Hまでの伝播距離を示す。また、mおよびnは視点位置の多視点画像を識別する識別子である。また、θおよびθは、視点位置の方向を示す水平および垂直方向の角度である。
[Other examples of 3D data]
[Multi-view images]
An outline of the process in which the hologram data generating device 1 generates hologram data from a multi-viewpoint image will be described with reference to FIG. 9 (and also with reference to FIG. 3 as necessary).
A multi-viewpoint image is an image of the same subject photographed from a plurality of viewpoint positions (or photographed virtually using CG or the like), with each image being taken from a plurality of viewpoint positions.
A multi-viewpoint image is a two-dimensional image with a direction to the viewpoint added to each of the two-dimensional viewpoints. Also, a multi-viewpoint image is a complex amplitude distribution with a phase (e.g., random phase, equal phase, linear phase, etc.) added to each pixel of the image.
In the multi-viewpoint image U mn (x, y, z o ) shown in Fig. 9, x and y indicate two-dimensional coordinates, and z o indicates the propagation distance to the hologram surface H. Additionally, m and n are identifiers for identifying the multi-viewpoint image at the viewpoint position. Additionally, θ m and θ n are horizontal and vertical angles indicating the direction of the viewpoint position.

ホログラムデータ生成装置1は、多視点画像Umn(x,y,z)を、ダウンサンプリングする。そして、ホログラムデータ生成装置1は、伝播計算により、視点位置の方向(θ,θ)にアップサンプリングしてホログラム面Hに伝播させた複素振幅分布Umn(x,y,0)を生成する。そして、ホログラムデータ生成装置1は、ホログラム面Hにおいて、すべての複素振幅分布Umn(x,y,0)を加算して、1つの複素振幅分布U(x,y,0)を生成し、参照光の複素振幅分布を用いてホログラムデータを生成する。 The hologram data generating device 1 downsamples the multi-viewpoint image U mn (x, y, z o ). Then, by propagation calculation, the hologram data generating device 1 generates a complex amplitude distribution U mn (x, y, 0) that is upsampled in the direction of the viewpoint position (θ m , θ n ) and propagated to the hologram plane H. Then, the hologram data generating device 1 adds all the complex amplitude distributions U mn (x, y, 0) on the hologram plane H to generate one complex amplitude distribution U(x, y, 0), and generates hologram data using the complex amplitude distribution of the reference light.

〔多視点断層画像〕
図10を参照(適宜図3参照)して、ホログラムデータ生成装置1が、多視点断層画像からホログラムデータを生成する処理の概要を説明する。
多視点断層画像は、同一の被写体を複数の視点位置から撮影(またはCG等で仮想的に撮影)した個々の視点位置ごとの断層画像である。
多視点断層画像は、二次元の各断層画像に、視点位置への方向を付加したものである。また、多視点断層画像は、画像の各画素に位相(例えば、ランダム位相、等位相、線形位相等)を付加した複素振幅分布である。なお、多視点画像群は、二次元の各視点画像に、視点位置への方向と奥行情報を付加したものであってもよい。
図10に示す多視点断層画像Uimn(x,y,z)のxyは二次元座標を示し、zはホログラム面Hまでの断層画像ごとの伝播距離を示す。また、iは断層を識別する0以上の整数である。また、mおよびnは視点位置の多視点画像を識別する識別子である。また、θおよびθは、視点位置の方向を示す水平および垂直方向の角度である。
[Multi-view cross-sectional images]
An outline of the process in which the hologram data generating device 1 generates hologram data from a multi-viewpoint tomographic image will be described with reference to FIG. 10 (and also with reference to FIG. 3 as necessary).
A multi-viewpoint tomographic image is a tomographic image of the same subject photographed from a plurality of viewpoint positions (or photographed virtually using CG or the like), with each image being taken from each viewpoint position.
A multi-view tomographic image is obtained by adding a direction to a viewpoint position to each two-dimensional tomographic image. Also, a multi-view tomographic image is a complex amplitude distribution in which a phase (e.g., a random phase, an equal phase, a linear phase, etc.) is added to each pixel of an image. Note that a multi-view image group may be obtained by adding a direction to a viewpoint position and depth information to each two-dimensional viewpoint image.
In the multi-view tomographic image U imn (x, y, z i ) shown in Fig. 10, x and y indicate two-dimensional coordinates, and z i indicates the propagation distance for each tomographic image to the hologram surface H. Furthermore, i is an integer of 0 or more that identifies a tomographic image. Furthermore, m and n are identifiers that identify the multi-view image at the viewpoint position. Furthermore, θ m and θ n are horizontal and vertical angles that indicate the direction of the viewpoint position.

ホログラムデータ生成装置1は、多視点断層画像Uimn(x,y,z)を、ダウンサンプリングする。そして、ホログラムデータ生成装置1は、多視点断層画像Uimn(x,y,z)を、伝播計算により、視点位置の方向(θ,θ)にアップサンプリングしてホログラム面Hに伝播させた複素振幅分布Uimn(x,y,0)を生成する。そして、ホログラムデータ生成装置1は、ホログラム面Hにおいて、すべての複素振幅分布Uimn(x,y,0)を加算して、1つの複素振幅分布U(x,y,0)を生成し、参照光の複素振幅分布を用いてホログラムデータを生成する。 The hologram data generating device 1 downsamples the multi-viewpoint tomographic image U imn (x, y, z i ). Then, the hologram data generating device 1 upsamples the multi-viewpoint tomographic image U imn (x, y, z i ) in the direction of the viewpoint position (θ m , θ n ) by propagation calculation to generate a complex amplitude distribution U imn (x, y, 0) propagated to the hologram plane H. Then, the hologram data generating device 1 adds up all the complex amplitude distributions U imn (x, y, 0) on the hologram plane H to generate one complex amplitude distribution U(x, y, 0), and generates hologram data using the complex amplitude distribution of the reference light.

〔狭指向性光波伝播について〕
図9および図10で説明した多視点画像および多視点断層画像は、視点位置の方向で画像を認識させるため、狭指向性の光波伝播を行う必要がある。
そこで、ここでは、アップサンプリング光波伝播手段12における狭指向性光波伝播の処理について説明する。
なお、ダウンサンプリング手段11の処理については、多視点画像または多視点断層画像であっても、個々の画像のダウンサンプリングの手法は同じであるため、説明を省略する。また、ホログラムデータ計算手段13の処理については、多視点画像または多視点断層画像であっても、同じであるため、説明を省略する。
[Narrow directional light wave propagation]
The multi-viewpoint images and multi-viewpoint tomographic images described with reference to FIGS. 9 and 10 require narrow-directivity light wave propagation in order to allow the images to be recognized in the direction of the viewpoint positions.
Therefore, here, the process of narrow directional light wave propagation in the upsampling light wave propagation means 12 will be described.
The process of the downsampling means 11 is omitted because the method of downsampling each image is the same whether it is a multi-view image or a multi-view tomographic image, and the process of the hologram data calculation means 13 is omitted because the method of downsampling each image is the same whether it is a multi-view image or a multi-view tomographic image.

まず、図11を参照して、アップサンプリング光波伝播手段12が、光波伝播として角スペクトル伝播法を用いる場合の処理について説明する。
図11(a)は、ダウンサンプリング手段11でダウンサンプリングされた複素振幅分布Udown(x,y,z)を示す。図11(b)は、複素振幅分布Udown(x,y,z)を高速フーリエ変換(FFT)したスペクトル分布Adown(u,v,z)を示す。図11の(a)から(b)への処理は、図5の(a)から(b)への処理と同じである。
First, with reference to FIG. 11, a process in which the upsampling light wave propagation means 12 uses the angular spectrum propagation method as the light wave propagation will be described.
Fig. 11(a) shows a complex amplitude distribution U down (x, y, z o ) downsampled by the downsampling means 11. Fig. 11(b) shows a spectral distribution A down (u, v, z o ) obtained by subjecting the complex amplitude distribution U down (x, y, z o ) to a fast Fourier transform (FFT). The process from (a) to (b) in Fig. 11 is the same as the process from (a) to (b) in Fig. 5.

アップサンプリング光波伝播手段12は、スペクトル分布Adown(u,v,z)に対して、角スペクトル伝播の演算を行うことで、図11(c)に示すホログラム面Hにおけるスペクトル分布Adown(u,v,0)を生成する。
そして、アップサンプリング光波伝播手段12は、スペクトル分布Adown(u,v,0)を、視点位置の方向(θ,θ)に対応する位置にシフトさせるとともに、他の領域をゼロパディングして、図11(d)に示すアップサンプリングしたスペクトル分布A(u,v,0)を生成する。
そして、アップサンプリング光波伝播手段12は、アップサンプリングされたスペクトル分布Aを多視点画像の数だけ加算し、逆高速フーリエ変換(IFFT)を行うことで、図11(e)に示す複素振幅分布U(x,y,0)を生成する。
The upsampling light wave propagation means 12 performs angular spectrum propagation calculation on the spectral distribution A down (u, v, z o ) to generate the spectral distribution A down (u, v, 0) on the hologram plane H shown in FIG. 11( c ).
Then, the upsampling light wave propagation means 12 shifts the spectral distribution A down (u, v, 0) to a position corresponding to the direction of the viewpoint position (θ m , θ n ) and pads other areas with zeros to generate the upsampled spectral distribution A(u, v, 0) shown in Figure 11 (d).
Then, the upsampling light wave propagation means 12 adds upsampled spectral distribution A as many times as the number of multi-viewpoint images and performs an inverse fast Fourier transform (IFFT) to generate a complex amplitude distribution U(x, y, 0) as shown in FIG. 11(e).

なお、スペクトル分布Adown(u,v,0)のシフトとアップサンプリング、および、多視点画像の加算処理は、一括して行ってもよい。すなわち、アップサンプリング光波伝播手段12は、アップサンプリングしたスペクトル分布Adown(u,v,0)の計算用に予め振幅と位相をゼロに初期化した配列(サンプリング数:N×N)を用意しておき、各多視点画像に対応したスペクトル分布Adown(u,v,0)を計算後、(θ,θ)に対応する位置にシフトさせた上で用意した配列に足し合わせてもよい。これによって、アップサンプリング光波伝播手段12は、ダウンサンプリングされた複素振幅分布Udownから、視点位置の方向に対応し、元のサンプリング数N,Nに応じた複素振幅分布Uを生成することができる。 The shift and upsampling of the spectral distribution A down (u, v, 0) and the addition process of the multi-viewpoint images may be performed all at once. That is, the upsampling light wave propagation means 12 may prepare an array (sampling number: N x ×N y ) whose amplitude and phase are initialized to zero in advance for the calculation of the upsampled spectral distribution A down (u, v, 0), calculate the spectral distribution A down (u, v, 0) corresponding to each multi-viewpoint image, and then shift it to a position corresponding to (θ m , θ n ) and add it to the prepared array. In this way, the upsampling light wave propagation means 12 can generate a complex amplitude distribution U corresponding to the direction of the viewpoint position and according to the original sampling numbers N x and N y from the downsampled complex amplitude distribution U down .

次に、図12を参照して、アップサンプリング光波伝播手段12が、光波伝播としてフレネル伝播法を用いる場合の処理について説明する。
図12(a)は、ダウンサンプリング手段11でダウンサンプリングされた複素振幅分布Udown(x,y,z)を示す。図12(b)は、複素振幅分布Udown(x,y,z)に対して、前記式(11)の演算FTを行うことで、サンプリング間隔を縮小した複素振幅分布U(x,y,z)を示す。図12の(a)から(b)への処理は、図6の(a)から(b)への処理と同じである。
Next, with reference to FIG. 12, a process in which the upsampling light wave propagation means 12 uses the Fresnel propagation method for light wave propagation will be described.
Fig. 12(a) shows a complex amplitude distribution U down (x, y, z o ) downsampled by the downsampling means 11. Fig. 12(b) shows a complex amplitude distribution U s (x, y, z o ) in which the sampling interval is reduced by performing the operation FT of the above-mentioned formula (11) on the complex amplitude distribution U down (x, y, z o ). The process from (a) to (b) in Fig. 12 is the same as the process from (a) to (b) in Fig. 6.

そして、アップサンプリング光波伝播手段12は、複素振幅分布U(x,y,z)を、視点位置の方向(θ,θ)に対応する位置にシフさせるとともに、他の領域をゼロパディングして、図12(c)に示すアップサンプリングした複素振幅分布Uup(x,y,z)を生成する。
そして、アップサンプリング光波伝播手段12は、アップサンプリングされた複素振幅分布Uupに対して、前記式(13)の係数を乗算し、断層画像の数だけ加算することで、図12(d)に示すフレネル伝播後の複素振幅分布U(x,y,0)を生成する。
これによって、アップサンプリング光波伝播手段12は、ダウンサンプリングされた複素振幅分布Udownから、視点位置の方向に対応し、元のサンプリング数N,Nに応じた複素振幅分布Uを生成することができる。
Then, the upsampling light wave propagation means 12 shifts the complex amplitude distribution Us (x,y, z0 ) to a position corresponding to the direction of the viewpoint position ( θm , θn ) and zero-pads other regions to generate the upsampled complex amplitude distribution Uup (x,y, z0 ) shown in Figure 12(c).
Then, the upsampling light wave propagation means 12 multiplies the upsampled complex amplitude distribution U up by the coefficient of the above-mentioned formula (13) and adds up the results the number of times equal to the number of tomographic images, thereby generating a complex amplitude distribution U(x, y, 0) after Fresnel propagation shown in FIG. 12( d ).
As a result, the upsampling light wave propagation means 12 can generate a complex amplitude distribution U corresponding to the direction of the viewpoint position and according to the original sampling numbers N x and N y from the downsampled complex amplitude distribution U down .

[変形例]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。
例えば、ここでは、ホログラムデータ生成装置1において、三次元データのダウンサンプリングを行ったが、予め外部でダウンサンプリングを行った三次元データを入力し、ホログラムデータを生成することとしてもよい。その場合、ホログラムデータ生成装置1は、ダウンサンプリング手段11を省いて構成すればよい。
これによって、ホログラムデータ生成装置1は、外部から入力する三次元データのデータ量を削減することで、スループットを高めることができる。
[Modification]
Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this embodiment.
For example, here, downsampling of the three-dimensional data is performed in the hologram data generating device 1, but it is also possible to input three-dimensional data that has been downsampled in advance externally and generate hologram data. In that case, the hologram data generating device 1 may be configured without downsampling means 11.
This allows the hologram data generating device 1 to reduce the amount of three-dimensional data input from outside, thereby increasing throughput.

また、ここでは、アップサンプリング光波伝播手段12が行う光波伝播計算として、角スペクトル伝播法、フレネル伝播法を例として説明した。
しかし、これら以外の光波伝播計算を用いても構わない。例えば、角スペクトル伝播法は、シフト角スペクトル法等の派生計算法を用いてもよい。また、例えば、フレネル伝播法は、シフト回折計算法等の派生計算手法を用いてもよい。
また、フレネル伝播法は、伝播距離zo(図1参照)が、(x+y)/(2λ) << zの場合、以下の式(14)に示すフラウンホーファー回折計算を用いてもよい。
Further, here, the light wave propagation calculation performed by the upsampling light wave propagation means 12 has been described using the angular spectrum propagation method and the Fresnel propagation method as examples.
However, other light wave propagation calculation methods may be used. For example, the angular spectrum propagation method may use a derivative calculation method such as the shift angular spectrum method. Also, for example, the Fresnel propagation method may use a derivative calculation method such as the shift diffraction calculation method.
Furthermore, in the Fresnel propagation method, when the propagation distance z o (see FIG. 1) is (x 2 +y 2 )/(2λ)<<z 0 , the Fraunhofer diffraction calculation shown in the following equation (14) may be used.

Figure 0007486381000014
Figure 0007486381000014

また、ここでは、三次元データ記憶装置2に予め位相が付加された三次元データ(ホログラム生成対象画像)を記憶することとした。
しかし、ホログラムデータ生成装置1に入力する画像は、必ずしも位相を付加した複素振幅分布である必要はない。
その場合、ホログラムデータ生成装置1は、アップサンプリング光波伝播手段12の前段で、ダウンサンプリング手段11の前段または後段に、画像に位相を付加する位相付加手段を備える構成とすればよい。
In addition, here, the three-dimensional data (image for which a hologram is to be generated) to which a phase has been added in advance is stored in the three-dimensional data storage device 2 .
However, the image input to the hologram data generating device 1 does not necessarily have to be a complex amplitude distribution with a phase added.
In that case, the hologram data generating device 1 may be configured to include a phase adding means for adding a phase to an image, located upstream of the upsampling light wave propagating means 12 and upstream or downstream of the downsampling means 11.

1 ホログラムデータ生成装置
10 データ受信手段
11 ダウンサンプリング手段
12 アップサンプリング光波伝播手段
13 ホログラムデータ計算手段
14 ホログラムデータ生成条件記憶手段
2 三次元データ記憶装置
REFERENCE SIGNS LIST 1 Hologram data generating device 10 Data receiving means 11 Downsampling means 12 Upsampling light wave propagating means 13 Hologram data calculating means 14 Hologram data generating condition storing means 2 Three-dimensional data storage device

Claims (4)

ホログラム生成対象画像からホログラムデータを生成するホログラムデータ生成装置であって、
ホログラム再生像の空間周波数が少なくとも予め定めた値以上となる画素ピッチで、前記ホログラム生成対象画像をダウンサンプリングするダウンサンプリング手段と、
前記ダウンサンプリング手段でダウンサンプリングされたホログラム生成対象画像の複素振幅分布を、ホログラム面において、前記ホログラムデータを表示する空間光変調器の画素ピッチにアップサンプリングするように光波伝播の計算を行うアップサンプリング光波伝播手段と、
前記アップサンプリング光波伝播手段でアップサンプリングされた複素振幅分布を物体光の複素振幅布として、予め準備した参照光の複素振幅分布により、前記ホログラムデータを計算するホログラムデータ計算手段と、を備え
前記ホログラム生成対象画像は、断層画像であって、
前記ダウンサンプリング手段は、前記断層画像の奥行きごとの画像から前記ホログラム面までの距離に応じてダウンサンプリングを行い、
前記アップサンプリング光波伝播手段は、前記ホログラム面において、前記奥行きごとの画像に対して計算されたすべての複素振幅分布を加算することを特徴とするホログラムデータ生成装置。
A hologram data generating device that generates hologram data from a target image for hologram generation, comprising:
a downsampling unit that downsamples the image to be hologram-generated at a pixel pitch such that the spatial frequency of a hologram-reconstructed image is at least equal to or greater than a predetermined value;
an upsampling light wave propagation means for calculating light wave propagation so as to upsample the complex amplitude distribution of the image to be hologram-generated, downsampled by the downsampling means, to a pixel pitch of a spatial light modulator that displays the hologram data on a hologram plane;
a hologram data calculation means for calculating the hologram data by using the complex amplitude distribution upsampled by the upsampling light wave propagation means as a complex amplitude distribution of object light and a complex amplitude distribution of a reference light prepared in advance ,
The hologram generation target image is a tomographic image,
the downsampling means performs downsampling in accordance with a distance from an image for each depth of the tomographic image to the hologram surface,
A hologram data generating device , characterized in that the upsampling light wave propagating means adds up all complex amplitude distributions calculated for the images for each depth on the hologram plane .
ホログラム生成対象画像からホログラムデータを生成するホログラムデータ生成装置であって、
ホログラム再生像の空間周波数が少なくとも予め定めた値以上となる画素ピッチで、前記ホログラム生成対象画像をダウンサンプリングするダウンサンプリング手段と、
前記ダウンサンプリング手段でダウンサンプリングされたホログラム生成対象画像の複素振幅分布を、ホログラム面において、前記ホログラムデータを表示する空間光変調器の画素ピッチにアップサンプリングするように光波伝播の計算を行うアップサンプリング光波伝播手段と、
前記アップサンプリング光波伝播手段でアップサンプリングされた複素振幅分布を物体光の複素振幅布として、予め準備した参照光の複素振幅分布により、前記ホログラムデータを計算するホログラムデータ計算手段と、を備え
前記ホログラム生成対象画像は、視点方向が異なる複数の視点画像からなる多視点画像であって、
前記ダウンサンプリング手段は、前記視点画像ごとに、前記ホログラム面までの距離に応じてダウンサンプリングを行い、
前記アップサンプリング光波伝播手段は、前記視点方向に応じて、前記ホログラム面までの光波伝播の計算を行い、前記ホログラム面において多視点画像のすべての複素振幅分布を加算することを特徴とするホログラムデータ生成装置。
A hologram data generating device that generates hologram data from a target image for hologram generation, comprising:
a downsampling unit that downsamples the image to be hologram-generated at a pixel pitch such that the spatial frequency of a hologram-reconstructed image is at least equal to or greater than a predetermined value;
an upsampling light wave propagation means for calculating light wave propagation so as to upsample the complex amplitude distribution of the image to be hologram-generated, downsampled by the downsampling means, to a pixel pitch of a spatial light modulator that displays the hologram data on a hologram plane;
a hologram data calculation means for calculating the hologram data by using the complex amplitude distribution upsampled by the upsampling light wave propagation means as a complex amplitude distribution of object light and a complex amplitude distribution of a reference light prepared in advance ,
The hologram generation target image is a multi-viewpoint image consisting of a plurality of viewpoint images with different viewpoint directions,
the downsampling means performs downsampling for each of the viewpoint images in accordance with a distance to the hologram surface;
The upsampling light wave propagation means calculates light wave propagation to the hologram surface according to the viewpoint direction, and adds up all complex amplitude distributions of multi-viewpoint images at the hologram surface .
ホログラム生成対象画像からホログラムデータを生成するホログラムデータ生成装置であって、
ホログラム再生像の空間周波数が少なくとも予め定めた値以上となる画素ピッチで、前記ホログラム生成対象画像をダウンサンプリングするダウンサンプリング手段と、
前記ダウンサンプリング手段でダウンサンプリングされたホログラム生成対象画像の複素振幅分布を、ホログラム面において、前記ホログラムデータを表示する空間光変調器の画素ピッチにアップサンプリングするように光波伝播の計算を行うアップサンプリング光波伝播手段と、
前記アップサンプリング光波伝播手段でアップサンプリングされた複素振幅分布を物体光の複素振幅布として、予め準備した参照光の複素振幅分布により、前記ホログラムデータを計算するホログラムデータ計算手段と、を備え
前記ホログラム生成対象画像は、視点方向が異なる複数の断層画像からなる多視点断層画像であって、
前記ダウンサンプリング手段は、前記断層画像の奥行きごとの画像から前記ホログラム面までの距離に応じてダウンサンプリングを行い、
前記アップサンプリング光波伝播手段は、前記視点方向に応じて、前記ホログラム面までの光波伝播の計算を行い、前記ホログラム面において複数の断層画像のすべての複素振幅分布を加算することを特徴とするホログラムデータ生成装置。
A hologram data generating device that generates hologram data from a target image for hologram generation, comprising:
a downsampling unit that downsamples the image to be hologram-generated at a pixel pitch such that the spatial frequency of a hologram-reconstructed image is at least equal to or greater than a predetermined value;
an upsampling light wave propagation means for calculating light wave propagation so as to upsample the complex amplitude distribution of the image to be hologram-generated, downsampled by the downsampling means, to a pixel pitch of a spatial light modulator that displays the hologram data on a hologram plane;
a hologram data calculation means for calculating the hologram data by using the complex amplitude distribution upsampled by the upsampling light wave propagation means as a complex amplitude distribution of object light and a complex amplitude distribution of a reference light prepared in advance ,
The hologram generation target image is a multi-viewpoint tomographic image consisting of a plurality of tomographic images with different viewpoint directions,
the downsampling means performs downsampling in accordance with a distance from an image for each depth of the tomographic image to the hologram surface,
The upsampling light wave propagation means calculates light wave propagation to the hologram plane according to the viewpoint direction, and adds up all complex amplitude distributions of a plurality of tomographic images on the hologram plane .
コンピュータを、請求項1から請求項のいずれか一項に記載のホログラムデータ生成装置として機能させるためのホログラムデータ生成プログラム。 A hologram data generating program for causing a computer to function as the hologram data generating device according to any one of claims 1 to 3 .
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