JPH09258643A - ホログラフィ作成装置およびホログラフィ表示装置 - Google Patents

ホログラフィ作成装置およびホログラフィ表示装置

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JPH09258643A
JPH09258643A JP8068738A JP6873896A JPH09258643A JP H09258643 A JPH09258643 A JP H09258643A JP 8068738 A JP8068738 A JP 8068738A JP 6873896 A JP6873896 A JP 6873896A JP H09258643 A JPH09258643 A JP H09258643A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的低い空間分解能の記録素子を使用し
て、質が高く、再生時に共役像の除去が容易なホログラ
ムを作成するホログラフィ作成装置を提供するととも
に、本発明のホログラフィ作成装置で作成したホログラ
ムから原像に対する歪を低減するとともに、共役像を除
去して表示可能なホログラフィ表示装置を提供する。 【解決手段】 伝搬関数として、伝搬する軸と垂直な平
面内の前記軸と垂直な所定の方向側の半平面内でのみ値
を持つように限定した半平面伝搬関数を使用し、畳み込
み積分によって、ホログラム面上の物体光の波面を求
め、ホログラムデータの作成する。こうして、作成され
たホログラムを、読み出し光で読み出し、観察対象像の
共役像を形成する波面の光を、遮光板810、820に
よって遮光した後、観察対象像を観察する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、物体の3次元情報
を作成するホログラフィ作成装置、および、このホログ
ラフィ撮像装置から物体の3次元情報を読み出して物体
の3次元像を表示するホログラフィ表示装置に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】物体の3次元像の表示技術としてホログ
ラフィ技術が注目されている。このホログラフィ技術
は、物体の3次元情報を作成するホログラフィ作成技術
と、ホログラフィ作成技術によって記録された物体の3
次元情報を読み出して物体の3次元像を表示するホログ
ラフィ表示技術とから構成される。
【0003】従来のホログラフィ技術は、一般に、ホロ
グラフィ作成にあたって、記録素子が高分解能を有する
ことを前提として構築されており、ホログラフィ作成装
置の記録素子として高分解能の写真乾板やサーモプラス
チックを用いるものが大部分である。これらは、高い解
像度を有するという特質を活かして、参照光と物体光と
の成す角の角度を比較的大きく設定し、実際に撮像した
り、計算機などによる計算結果を記録してホログラムを
作成する。こうして得られたホログラムは、いわゆるo
ff−axisな再生が可能となり、共役像による画質
の悪化を避けることができる。
【0004】こうした作成技術は、高分解能であるが故
に、基本的に高度な写真技術であるため、ホログラフィ
撮像には多大の労力を必要とする。また、写真乾板やサ
ーモプラスチックの現像を要するので実時間性に乏し
い。
【0005】そこで、比較的低分解能の撮像素子である
CCDカメラを用いたホログラフィ技術が、「佐藤
他、テレビジョン学会誌 Vol.45,No.7,p
p.873−875(1991)」(以後、従来例1と
呼ぶ)や「橋本、画像電子学会誌 Vol.22,N
o.4,pp.315−322(1991)」(以後、
従来例2と呼ぶ)に提案されている。
【0006】従来例1は、ホログラフィ撮像技術で通常
は使用されるレンズを使用しない、フレネル型ホログラ
フィ技術の例である。また、従来例2に開示されている
ホログラフィ撮像技術は、実像の空間分解能を撮像素子
の空間分解能に合せるように、結像レンズを用い、結像
レンズの物体側直前に開口を配置し、off−axis
型のホログラムを得ようとしている。
【0007】また、計算機ホログラムを低分解能の液晶
空間光変調器で再生するホログラフィ技術が、「前野
他、3次元画像コンファレンス’94講演論文集、p
p.165−170」(以後、従来例3と呼ぶ)に提案
されている。従来例3は、再生したい実像の周りにマス
クを置き、共役像からの光の除去を図っている。
【0008】また、再生像の観察時での共役像の除去の
方法としては、シングルサイドバンド法(O.Bryngdahl
et al., J. Opt. Soc. Am. 58, 620, 1968)が知られて
いる。
【0009】この方法では、まず、位相成分に変化の無
い2次元平面物体について、共焦点光学系で共役像を得
て、この共役像のフレネルホログラムを得る。この共役
像のフレネルホログラムは、共焦点光学系のフーリエ面
に物体光のフーリエ成分の片側のみを通過させるマスク
を配置し、通過した物体光のフーリエ成分のみで形成さ
れた像のフレネルホログラムを記録して得られる。
【0010】次に、記録時と同距離だけホログラムから
フレネル伝搬させた波面が前焦点面となる共焦点光学系
を用い、記録時にマスクされなかった側のフーリエ成分
をマスクし、通過した光で像形成することにより、共役
像を除去して再生像を得る。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】従来のホログラフィ撮
像装置やホログラフィ表示装置は上記のように構成され
るので、以下のような問題点があった。
【0012】従来例1および従来例2のホログラフィ撮
像装置では、一般にCCDの空間分解能は10μm程度
であることから、物体光と参照光との成す角度は2〜3
°以内である必要である。物体光と参照光との成す角度
が大きくなると、干渉縞の間隔が撮像素子の分解能より
も小さくなってしまい、コントラス良く干渉縞を撮像す
ることができない。
【0013】そこで、従来例1のホログラフィ撮像装置
では、撮像対象物の大きさをCCDの大きさ程度とする
とともに、撮像対象物とCCDとの距離を大きくとって
いる。しかしながら、撮像対象物とCCDとの距離の最
適化の指針がなく、従って、性能を維持しつつ小型化を
図ることが困難である。
【0014】また、従来例1のホログラフィ撮像装置で
は、レンズを使用しないことから、視野を可変とするこ
とができない。
【0015】従来例2のホログラフィ撮像装置では結像
レンズの撮像対象物側の直前に絞りを配置するので、視
野を大きくとるためには縮小系を選択しなければならな
い。したがって、視野を大きくとると物体光の光軸に対
する角度は、レンズ通過後にレンズ入射前よりも拡大さ
れることになる。
【0016】そこで、物体光と参照光との角度を小さく
保つために絞りの開口を小さく絞ることになる。しか
し、レンズ中心を通過する物体光は、レンズ光軸に対す
るレンズへの入射角とレンズ光軸に対するレンズへの出
射角とは同一である。したがって、レンズ中心を通過す
る物体光に対しては、絞りの開口を小さく絞ることは、
参照光と干渉した後の空間周波数を低減することになら
ない。
【0017】このため、参照光の進行方向を光軸方向か
ら傾け、off−axis型のホログラムを得る方法が
考えられるが、off−axis型のホログラムが得ら
れる前提である物体の空間周波数がキャリア周波数より
小さいとの要請を、一般には満足できない。
【0018】また、開口を小さく絞ると、物体光を有効
に使用することができない。したがって、撮像対象物と
して反射率の高い物体を選択しなければならないという
制約や、強力な光源が必要となるという制約が課される
ことになる。
【0019】従来例1および従来例2のホログラフィ表
示装置は、撮像素子であるCCDの画素ピッチ、画素サ
イズと、画像再生時に使用される空間変調素子の画素ピ
ッチ、画素サイズとは異なる。
【0020】従来例1のホログラフィ表示装置はフルネ
ル型ホログラム方式を採用しているのにもかかわらず、
表示光学系にレンズが使用されている。また、従来例2
のホログラフィ表示装置は結像タイプの表示光学系とは
なっていない。
【0021】すなわち、従来例1および従来例2では、
ホログラフィ撮像時の光学系と画像再生時の光学系とが
異なるため、再生表示像の位置による拡大率が本質的に
異なることとなるので歪が発生することになる。
【0022】また、従来例1のホログラフィ表示装置の
ホログラフィ表示装置では、像の再生にあたって、強度
ホログラムあるいは位相ホログラムによる場合に必然的
に発生する共役像の除去ができないので、質の良い再生
像の観察ができない。
【0023】また、従来例2のホログラフィ表示装置で
は、レンズの後焦点面に0次光マスクを配置し、観察時
における0次光の除去を行っているが、+1次光および
−1次光のいずれか一方を通過させるフィルタとはなっ
ていないので、共役像の除去ができないので、質の良い
再生像の観察ができない。
【0024】従来例3の技術は不十分なoff−axi
sの例であり、実像とレンズの焦点とを結んだ延長上に
視点を設定して観察する場合には、共役像からの光の混
入を避けることはできず、実像の画像を劣化させる。
【0025】従来例4の技術は、位相成分に変化の無い
2次元平面物体にのみ適用することが可能であり3次元
物体には適用できないこと、および、撮像物体の位置を
共焦点光学系の前焦点面に設置しなければならないとい
う配置上の制約がある。
【0026】本発明は、上記を鑑みてなされたものであ
り、計算機ホログラムであって、比較的低い空間分解能
の記録素子を使用して、質が高く、再生時に共役像の除
去が容易なホログラムを作成するホログラフィ作成装置
を提供することを目的とする。
【0027】また、本発明は、本発明のホログラフィ作
成装置で作成したホログラムから原像に対する歪を低減
するとともに、共役像を除去して表示可能なホログラフ
ィ表示装置を提供することを目的とする。
【0028】
【課題を解決するための手段】請求項1のホログラフィ
作成装置は、仮想3次元空間中の仮想物体に関する、平
面状の仮想ホログラム面上のホログラムを作成するホロ
グラフィ作成装置であって、(a)観察対象となるべき
虚像の所定位置から、正も屈折力を有する第1の結像光
学系に応じて、虚像に対応する実像の位置を算出する第
1の位置算出手段と、(b)実像の位置での物体光の波
面を算出する第1の波面算出手段と、(c)物体光の伝
搬の伝搬関数を、伝搬する軸と垂直な平面内の伝搬する
軸と垂直な所定の方向側の半平面内でのみ値を持つよう
に限定し、半平面伝搬関数を算出する領域限定手段と、
(d)実像の位置での物体光の波面とホログラム面での
半平面伝搬関数との畳み込み積分を演算し、ホログラム
面上での物体光の波面を算出する畳み込み積分手段とを
備えることを特徴とする。
【0029】ここで、(e)ホログラム面上での物体光
の波面と参照光の波面との複素和を算出し、実数成分を
取り出してホログラムデータを得る干渉演算手段を更に
備えることを特徴としてもよい。
【0030】こうしたホログラフィ作成装置は、計算機
システムを使用して好適に実現できる。
【0031】請求項1のホログラフィ作成装置では、ま
ず、観察対象となるべき虚像の位置を決定し、第1の位
置算出手段が、この虚像の所定位置から、虚像に応じた
実像の位置を算出する。この実像位置の算出は、第1の
結像光学系に関するガウスの結像公式を用い、虚像位置
を与えることによって算出される。引き続き、第1の波
面算出手段が、第1の位置算出手段によって算出された
実像位置における実像の物体光の波面を算出する。
【0032】一方、領域限定手段が、物体光の伝搬を表
現する伝搬関数を、伝搬する軸と垂直な平面内の伝搬す
る軸と垂直な所定の方向側の半平面内でのみ値を持つよ
うに限定した半平面伝搬関数を算出する。すなわち、領
域限定手段は、伝搬する軸と垂直な平面内の伝搬する軸
と垂直な所定の方向側の半平面内では、伝搬関数を元の
ままとし、伝搬する軸と垂直な平面内の伝搬する軸と垂
直な所定の方向と反対の方向側の半平面内では、伝搬関
数を0とする。
【0033】そして、畳み込み積分手段が、実像の位置
での物体光の波面とホログラム面での半平面伝搬関数と
の畳み込み積分を演算して、ホログラム面上での物体光
の波面を算出する。
【0034】この後に、ホログラム面上での物体光の波
面と参照光の波面との複素和を算出して参照光との干渉
を演算し、実数部分を取り出すとホログラムデータが得
られるが、参照光がホログラム面に垂直に入射する一様
な強度を有するin−line型の場合には、複素和の
実数成分はホログラム面上での物体光の波面の実数成分
に比例するので、複素和演算を省略できる。
【0035】in−line型でない場合には、ホログ
ラム面上での物体光の波面と参照光の波面との複素和を
算出して参照光との干渉を演算する干渉演算手段を更に
も受け、算出した複素和の実数部分を取り出してホログ
ラムデータを得る。
【0036】請求項2のホログラフィ作成装置は、仮想
3次元空間中の仮想物体に関する、平面状の仮想ホログ
ラム面上のホログラムを作成するホログラフィ作成装置
であって、(a)観察対象となるべき虚像の所定位置か
ら、正も屈折力を有する第1の結像光学系に応じて、虚
像の各点に対応する前記ホログラム面上の位置を算出す
る第2の位置算出手段と、(b)虚像の各点での光の波
面を算出する第2の波面算出手段と、(c)虚像の各点
での光の伝搬の伝搬関数を、伝搬する軸と垂直な平面内
の前記軸と垂直な所定の方向側の半平面内でのみ値を持
つように限定し、半平面伝搬関数を算出する領域限定手
段と、(d)虚像の各点での光の波面と前記ホログラム
面での半平面伝搬関数との畳み込み積分を演算し、前記
ホログラム面上での物体光の波面を算出する畳み込み積
分手段とを備えることを特徴とする。
【0037】ここで、(e)ホログラム面上での物体光
の波面と参照光の波面との複素和を算出し、実数成分を
取り出してホログラムデータを得る干渉演算手段を更に
備えることを特徴としてもよい。
【0038】こうしたホログラフィ作成装置は、計算機
システムを使用して好適に実現できる。
【0039】請求項2のホログラフィ作成装置では、ま
ず、観察対象となるべき虚像の位置を決定し、第2の位
置算出手段が、この虚像の所定位置から、虚像の各点に
応じたホログラム面上の位置を算出する。このホログラ
ム面上の位置の算出は、第1の結像光学系の位置を基準
とした、虚像位置とホログラム面位置とから算出され
る。引き続き、第2の波面算出手段が、虚像の各点にお
ける光の波面を算出する。
【0040】一方、請求項1と同様に、領域限定手段
が、物体光の伝搬を表現する伝搬関数を、伝搬する軸と
垂直な平面内の伝搬する軸と垂直な所定の方向側の半平
面内でのみ値を持つように限定した半平面伝搬関数を算
出する。すなわち、領域限定手段は、伝搬する軸と垂直
な平面内の伝搬する軸と垂直な所定の方向側の半平面内
では、伝搬関数を元のままとし、伝搬する軸と垂直な平
面内の伝搬する軸と垂直な所定の方向と反対の方向側の
半平面内では、伝搬関数を0とする。なお、ここで、伝
達関数は、第1の結像光学系を含めた伝達関数である。
【0041】以後、請求項1と同様にして、ホログラム
データを得る。
【0042】請求項4のホログラフィ表示装置は、請求
項1または請求項2のホログラフィ作成装置で作成され
たホログラムに基づいて仮想物体の像を表示するホログ
ラフィ表示装置であって、(a)請求項1または請求項
2のホログラフィ作成装置で作成されたホログラムデー
タを入力する情報入力手段と、(b)情報入力手段から
通知された前記ホログラムデータに基づいて、ホログラ
ムを形成するホログラム形成部と、(c)ホログラムを
形成する波面の光を入力し、仮想物体の虚像を結像す
る、請求項1または請求項2のホログラフィ作成装置の
第1の結像光学系と同等の正の屈折力を有する第2の結
像光学系と、(d)第2の結像光学系のホログラム側と
は反対側の焦点に配置された0次光を遮光する第1の遮
光手段と、(e)第2の結像光学系のホログラム側とは
反対側の焦点面上に配置され、ホログラムを形成する波
面の光が第2の結像光学系を介して、実像を結像する波
面を遮光する第2の遮光手段とを備えることを特徴とす
る。
【0043】ここで、ホログラムの位置と第2の結像光
学系のホログラム側の焦点面との距離を変化させる移動
手段を更に備えることが可能である。
【0044】また、ホログラム形成部は、(i)情報入
力部から通知された撮像結果の光学像を表示する表示手
段と、(ii)表示手段に表示された光学像に応じた空間
光変調像が書き込まれる空間光変調器と、(iii)空間
光変調器に照射される読み出し光を発生する光源と、
(iv)読み出し光が空間光変調器を介することにより位
相又は振幅変調された位相又は振幅変調光を入力し、ホ
ログラフィ撮像装置の撮像素子と同一の大きさのホログ
ラムを形成するホログラム形成光学系とを備えることを
特徴とする。
【0045】請求項4のホログラフィ表示装置では、ま
ず、読み出し光などを使用して、ホログラム形成部が、
請求項1または請求項2のホログラフィ作成装置で作成
されたホログラム形成する。ホログラム形成部によって
形成されたホログラムを介した光は、後の第2の結像光
学系を介した後に観察に好適な虚像となる実像を形成す
る波面を有する光と、この実像の共役像である虚像を形
成する波面を有する光とを含んでいる。そして、共役像
である虚像を形成する波面を有する光は、第2の結像光
学系を介した後に実像を形成するが、観察にとって邪魔
物となる。
【0046】すなわち、ホログラム形成部によって形成
されたホログラムを介した光は、観察に好適な虚像を形
成する波面を有する光と、観察にとって余分な実像を形
成する波面を有する光と、やはり観察にあたっては余分
な0次光とが含まれている。
【0047】なお、第2の結像光学系は、撮像次の第1
の結像光学系と同等な光学系なので、第2の結像光学系
を介して形成される実像や虚像には、歪が無い。
【0048】請求項4のホログラフィ表示装置では、観
察にあたって余分な0次光を第2の結像光学系のホログ
ラム側とは反対側の焦点に設置された第1の遮光手段に
よって、観察にとって余分な実像を形成する波面を有す
る光を第2の結像光学系のホログラム側とは反対側の焦
点面に設置された第1の遮光手段によってマスクする。
【0049】この結果、第2の結像光学系のホログラム
側とは反対側の焦点面よりも遠方には、観察に好適な虚
像を形成する波面を有する光のみが到達する。したがっ
て、第2の光学系のホログラム側とは反対側の焦点面よ
りも遠方から、観察に好適な虚像を形成する波面を有す
る光のみを入力することにより、質の高い再生像を観察
することができる。
【0050】なお、ホログラム形成部、第2の結像光学
系、第1の遮光手段、および第2の遮光手段の機能は、
計算機を用いた演算処理によっても実現することが可能
である。
【0051】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
のホログラフィ撮像装置およびホログラフィ表示装置の
実施の形態を説明する。なお、図面の説明にあたって同
一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略す
る。
【0052】[ホログラフィ撮像装置の実施形態] (第1実施形態)図1は、本発明のホログラフィ作成装
置の第1実施形態の構成図である。図1に示すように、
この装置は、(a)観察対象となるべき虚像の所定位置
から、正も屈折力を有する結像光学系に応じて、虚像に
対応する実像の位置を算出する第位置算出手段110
と、(b)実像の位置での物体光の波面を算出する波面
算出手段210と、(c)物体光の伝搬の伝搬関数を、
伝搬する軸と垂直な平面内の伝搬する軸と垂直な所定の
方向側の半平面内でのみ値を持つように限定し、半平面
伝搬関数を算出する領域限定手段300と、(d)実像
の位置での物体光の波面とホログラム面での前記半平面
伝搬関数との畳み込み積分を演算し、ホログラム面上で
の物体光の波面を算出する畳み込み積分手段400と、
(e)ホログラム面上での物体光の波面と参照光の波面
との複素和を算出し、実数成分を取り出してホログラム
データを得る干渉演算手段500とを備える。こうした
ホログラフィ作成装置は、関数演算機能を有する計算機
システムを使用して好適に実現される。
【0053】図2は、本実施形態の装置でのホログラフ
ィ作成にあたって想定した光学系の説明図である。図2
に示すように、本実施形態の装置では、像の観察時に
は、結像光学系111(焦点距離=f)を介して虚像I
Mを観察することを想定する。なお、図2では、図示の
ように、結像光学系111の光軸方向をZ方向、紙面上
方向をY方向、紙面垂直方向をX方向としている。そし
て、結像光学系111の中心位置を原点としている。更
に、ホログラム面115を、観察時に想定する視点側と
は反対側の結像光学系111の焦点面位置に配置する。
【0054】本実施形態のホログラフィ作成装置は、以
下のようにして、ホログラムデータを得る。図3および
図4は、本実施形態のホログラフィ作成装置の動作を説
明するフローチャートである。
【0055】本実施形態のホログラフィ作成装置では、
まず、観察対象となるべき虚像の位置(Z=bz)を決
定し、位置算出手段110が、ガウスの結像公式を使用
して、虚像IMの各点の位置(bx,by,bz)か
ら、虚像IMの各点に応じた実像RLの各点の位置(a
x,ay,az)を、 ax=f・bx/(bz−f) …(1) ay=f・by/(bz−f) …(2) az=f・bz/(bz−f) …(3) より算出する。このとき、ホログラム面と実像RLとの
距離Lは、 L=f2/(f−bz) …(4) となる。
【0056】引き続き、波面算出手段210が、位置算
出手段110によって算出された実像位置(ax,a
y,az)における実像の物体光の波面O(X,Y)を
算出する。
【0057】一方、領域限定手段300が、物体光の伝
搬に関する、ホログラム面116上の伝搬関数f(X,
Y)を、伝搬する軸と垂直な平面内の伝搬する軸と垂直
な所定の方向側の半平面内でのみ値を持つように限定し
た半平面伝搬関数を算出する。すなわち、領域限定手段
は、伝搬する軸と垂直な平面内の伝搬する軸と垂直な所
定の方向側の半平面内では、伝搬関数を元のままとし、
伝搬する軸と垂直な平面内の伝搬する軸と垂直な所定の
方向と反対の方向側の半平面内では、ホログラム面11
6上の伝搬関数f(X,Y)=0とする。
【0058】なお、ホログラム面116上での伝搬関数
f(X,Y)は、 f(X,Y)=(1/r)exp[j・k・r] …(5) ここで、r=(X2+Y2+Z21/2 k:波数 である。
【0059】そして、畳み込み積分手段400が、ホロ
グラム面116上での物体光の波面u(X,Y)を、 u(X,Y)=F-1[F[O(X,Y)]・F[f(X,Y)]*] …(6) により、実像の位置での物体光の波面O(X,Y)とホ
ログラム面での半平面伝搬関数f(X,Y)との畳み込
み積分の演算により、実像の位置での物体光の波面O
(X,Y)の逆フレネル変換として算出する。なお、距
離を近似したフレネル変換は、近距離の場合や数百分の
1波長の精度を必要とする場合には適用できない。
【0060】実際の計算では、離散的な演算が行われる
ので、常に、ナイキスト間隔の吟味が必要となる。した
がって、伝搬関数f(X,Y)を機械的にフーリエ変換
するのでは無く、F[f(X,Y)]を解析に解いて近
似した、 F[f(X,Y)]=exp[jkL(1−μ2λ21/2] …(7) ここで、μ:空間周波数 λ:波長 を使用してもよい。なお、使用にあたっては、上記と同
様に半平面で値を有することとする。
【0061】以上を離散的に表現した場合について説明
する。
【0062】フレネル伝送距離L、ホログラムのピッチ
hp、実像位置の波面O(hpm,hpn)、ホログラ
ム面116での波面をH(hpm,hpn)とすると、 H(hpm,hpn)=F-1[F[O(hpm,hpn)] ×F[f(hpm,hpn)]*]…(8) f(hpm,hpn)=(1/r)exp[jkr] …(9) r=((hpm)2+(hpn)2+L21/2 ここで、m=−N/2〜(N/2)−1の整数 n=−N/2〜(N/2)−1の整数 となる。
【0063】ただし、f(hpm,hpn)は半平面で
のみ値を有し、他の領域では0とする。半平面をXの正
領域とすると、m=0〜(N/2)−1の整数、および
n=−N/2〜(N/2)−1の整数の場合に、f(h
pm,hpn)は値を有する。また、半平面をXの負領
域とすると、m=−N/2〜0の整数、およびn=−N
/2〜(N/2)−1の整数の場合に、f(hpm,h
pn)は値を有する。半平面をYの正領域とすると、m
=−N/2〜(N/2)−1の整数、およびn=0〜
(N/2)−1の整数の場合に、f(hpm,hpn)
は値を有する。また、半平面をYの負領域とすると、m
=−N/2〜(N/2)−1の整数、および、n=−N
/2〜0の整数の場合に、f(hpm,hpn)は値を
有する。
【0064】以上の半平面のみに値を有するようにする
変換を、以後、 ch[f(hpm,hpn)] と表記する。
【0065】フレネル距離Lの値によっては、 F[f(hpm,hpn)] =exp[kL(1−(mλ/(hpN))2 −(nλ/(hpN))21/2] …(10) を用いる方が好適である。
【0066】これを利用するにあたっては、逆フーリエ
変換した後、半平面を0とする。この演算は、 ch[F-1[exp[kL(1−(mλ/(hpN))2 −(nλ/(hpN))21/2]]] …(11) と表すことができる。
【0067】次に、干渉演算手段500が、ホログラム
面上での物体光の波面H(hpm,hpn)と参照光の
波面との複素和を算出し、実数成分を取り出してホログ
ラムデータを得る。
【0068】なお、in−line型の場合には、干渉
演算手段500による干渉演算は必要なく、ホログラム
面116での波面をH(hpm,hpn)の実数成分を
取り出せばよい。
【0069】(第2実施形態)図5は、本発明のホログ
ラフィ作成装置の第2実施形態の構成図である。図5に
示すように、この装置は、(a)観察対象となるべき虚
像の所定位置から、正も屈折力を有する第1の結像光学
系に応じて、虚像の各点に対応する前記ホログラム面上
の位置を算出する位置算出手段120と、(b)ホログ
ラム面での物体光の波面を算出する波面算出手段220
と、(c)物体光の伝搬の伝搬関数を、伝搬する軸と垂
直な平面内の伝搬する軸と垂直な所定の方向側の半平面
内でのみ値を持つように限定し、半平面伝搬関数を算出
する領域限定手段300と、(d)実像の位置での物体
光の波面とホログラム面での前記半平面伝搬関数との畳
み込み積分を演算し、ホログラム面上での物体光の波面
を算出する畳み込み積分手段400と、(e)ホログラ
ム面上での物体光の波面と参照光の波面との複素和を算
出し、実数成分を取り出してホログラムデータを得る干
渉演算手段500とを備える。こうしたホログラフィ作
成装置は、関数演算機能を有する計算機システムを使用
して好適に実現される。
【0070】図6は、本実施形態の装置でのホログラフ
ィ作成にあたって想定した光学系の説明図である。図6
に示すように、本実施形態の装置では、像の観察時に
は、結像光学系111(焦点距離=f)を介して、結像
光学系111の一方の焦点面を観測面として、虚像IM
を観察することを想定する。なお、図6では、図示のよ
うに、結像光学系111の光軸方向をZ方向、紙面上方
向をY方向、紙面垂直方向をX方向としている。そし
て、ホログラム面115を、観察時に想定する視点側と
は反対側の結像光学系111の焦点面位置に配置する。
【0071】本実施形態のホログラフィ作成装置は、以
下のようにして、ホログラムデータを得る。図7は、本
実施形態のホログラフィ作成装置の動作を説明するフロ
ーチャートである。
【0072】図6において、結像光学系111が無く、
かつ、観測面からの距離Lの光軸上に点光源δ(X)が
あると想定する。この場合、観測面上での物体光の波面
f(X,Y)は、 f(X,Y)=(1/r)exp[jkr] …(12) ここで、r=(X2+Y2+L21/2 k:波数 となる。また、ホログラム面116の直後の波面をu
(X,Y)とすると、結像光学系111が存在する場合
の観測面での波面は、 F[u(X,Y)] ここで、F:フーリエ変換 となる。
【0073】ここで、 f(X,Y)=F[u(X,Y)] …(13) とすると、 u(X,Y)=F-1[(1/r)exp[jkr]] …(14) となる。この波面u(X,Y)は、図6の光学系におい
て、観測面から距離Lの面(虚像面)上の光軸上に点光
源を再生するホログラムの物体波である。すなわち、結
像光学系111を含めた伝達関数となる。
【0074】次に、虚像面上の任意の位置(X’,
Y’)に存在する点光源を再生する場合を考える。この
場合には、ホログラム面116上の位置(X,Y)を、 X=(f/L)X’ …(15) Y=(f/L)Y’ …(16) で計算し、この位置に上記のu(X,Y)と同様の波面
を設定すればよい。
【0075】すなわち、まず、位置算出手段120が、
(15)式および(16)式によって、虚像面上の位置
(X’,Y’)に対応するホログラム面116上の位置
(X,Y)を算出する。
【0076】引き続き、波面算出手段220が、虚像の
各点の波面O(X,Y)を算出する。
【0077】一方、領域限定手段320が、物体光の伝
搬に関する、ホログラム面116上の位置(X,Y)に
おける伝搬関数u(X,Y)を、伝搬する軸と垂直な平
面内の伝搬する軸と垂直な所定の方向側の半平面内での
み値を持つように限定した半平面伝搬関数を算出する。
すなわち、領域限定手段320は、伝搬する軸と垂直な
平面内の伝搬する軸と垂直な所定の方向側の半平面内で
は、伝搬関数を元のままとし、伝搬する軸と垂直な平面
内の伝搬する軸と垂直な所定の方向と反対の方向側の半
平面内では、ホログラム面116上の伝搬関数を0とす
る。
【0078】そして、畳み込み積分手段400が、ホロ
グラム面116上での物体光の波面U(X,Y)を、 U(X,Y)=F-1[F[O(X,Y)] ×F[F-1[f(X,Y)]]] …(17) により、畳み込み積分を演算して求める。
【0079】以上を離散的に表現した場合について説明
する。
【0080】フレネル伝送距離L、ホログラムのピッチ
hp、虚像位置の波面O(hpm,hpn)、ホログラ
ム面116での波面をU(hpm,hpn)とすると、 U(hpm,hpn)=F-1[F[O(hpm,hpn)] ×F[ch[F-1[f(hpm,hpn)]]]] …(18) f(hpm,hpn)=(1/r)exp[jkr] r=((hpm)2+(hpn)2+L21/2 ここで、m=−N/2〜(N/2)−1の整数 n=−N/2〜(N/2)−1の整数 となる。
【0081】ただし、f(hpm,hpn)は半平面で
のみ値を有し、他の領域では0とする。半平面をXの正
領域とすると、m=0〜(N/2)−1の整数、および
n=−N/2〜(N/2)−1の整数の場合に、f(h
pm,hpn)は値を有する。また、半平面をXの負領
域とすると、m=−N/2〜0の整数、およびn=−N
/2〜(N/2)−1の整数の場合に、f(hpm,h
pn)は値を有する。半平面をYの正領域とすると、m
=−N/2〜(N/2)−1の整数、およびn=0〜
(N/2)−1の整数の場合に、f(hpm,hpn)
は値を有する。また、半平面をYの負領域とすると、m
=−N/2〜(N/2)−1の整数、および、n=−N
/2〜0の整数の場合に、f(hpm,hpn)は値を
有する。
【0082】以上の半平面のみに値を有するようにする
変換を、(18)では、 ch[f(hpm,hpn)] と表記している。
【0083】次に、干渉演算手段500が、ホログラム
面上での物体光の波面H(hpm,hpn)と参照光の
波面との複素和を算出し、実数成分を取り出してホログ
ラムデータを得る。
【0084】なお、in−line型の場合には、干渉
演算手段500による干渉演算は必要なく、ホログラム
面116での波面をU(hpm,hpn)の実数成分を
取り出せばよい。
【0085】[ホログラフィ表示装置の実施形態] (第1実施形態)図8は、本発明のホログラフィ表示装
置の実施形態の構成図である。本実施形態のホログラフ
ィ表示装置は、図1または図5のホログラフィ作成装置
によって作成された強度ホログラムに基づいて、像を再
生表示する装置である。
【0086】図8に示すように、この装置は、(a)図
12のホログラフィ撮像装置されたホログラム情報を入
力する情報入力部600と、(b)情報入力部600を
介したホログラム情報を入力し、このホログラム情報に
基づいてホログラム117を形成するホログラム形成部
700と、(c)ホログラム117を形成する波面の光
を入力して結像する、図2の結像光学系111と同等の
結像光学系112と、(d)結像光学系112のホログ
ラム117側とは反対側の焦点位置に配置された0次遮
光板810と、(e)結像光学系112のホログラム1
17側とは反対側の焦点面の紙面下方に配置された遮光
板820とを備える。
【0087】ホログラム形成部700は、(i)情報入
力部600から通知された情報に基づいて、画像表示す
る表示装置710と、(ii)表示装置710で表示され
た画像のを書き込む、空間光変調器720と、(iii)
空間光変調器720に照射する、平面波である可干渉光
を発生するレーザ光源730と、(iv)レーザ光源73
0から出力された光を空間光変調器720へ導くリレー
光学系740と、(v)空間光変調器652で位相変調
された光を入力し、空間光変調器720のホログラム1
17を形成するアフォーカル光学系750とを備える。
【0088】まず、情報入力部600からホログラム情
報である画像情報を入力し、表示装置710に表示し
て、その画像情報を空間光変調器720に書き込む。表
示装置710としては小型CRTを、空間光変調装置7
20としては、光書き込み型液晶空間光変調素子を好適
に使用できる。
【0089】引き続き、レーザ光源730から出射され
た光がリレー光学系740を介して空間光変調器720
に照射される。そして、空間光変調器720で位相変調
された光はアフォーカル光学系750を介して、空間光
変調器720のホログラム117を形成する。
【0090】図9は、再生時における虚像の観察の説明
図である。ホログラム117に作成時の参照光の共役波
である平行光、すなわち、読み出し光を照射すると、実
像RL1を形成する波面の光が発生する。この光は結像
光学系112に入力し、虚像IM1を形成する波面の光
となる。図9に示すように、虚像IM1を形成する波面
の光は、結像光学系112のホログラム117側とは反
対側の焦点面において、焦点の紙面上方を通過するの
で、結像光学系112のホログラム117側とは反対側
の焦点面の後方から、この光を観察することにより虚像
IM1を観察することにより、正しい像方向の像の全体
像が歪が無しで好適に観測される。
【0091】図10は、再生時における共役像の除去の
説明図である。図10に示すように、ホログラム117
に作成時の参照光の共役波である平行光、すなわち、読
み出し光を照射すると、実像RL1の共役像である虚像
IM2を形成する波面の光が発生する。この光は結像光
学系112に入力し、実像RL2を形成する波面の光と
なる。図10に示すように、実像RL2を形成する波面
の光は、結像光学系112のホログラム117側とは反
対側の焦点面において、焦点の紙面下方を通過するの
で、0次遮光板810または遮光板820によって遮光
される。この結果、図9で説明した、結像光学系112
のホログラム117側とは反対側の焦点面の後方からの
虚像IM1の観測にあたって、実像RL2を形成する波
面の光が混入することが無く、好適な像観察ができる。
【0092】
【発明の効果】以上、詳細に説明した通り、請求項1の
ホログラフィ作成装置によれば、伝搬関数を半空間での
み値を持つように制限して、ホログラムを計算によって
作成するので、再生時に共役像の除去が容易であり、質
の高いホログラムを撮像することができる。
【0093】また、請求項1のホログラフィ作成装置に
よれば、伝搬関数の逆フーリエ返還を半空間でのみ値を
持つように制限して、ホログラムを計算によって作成す
るので、再生時に共役像の除去が容易であり、質の高い
ホログラムを撮像することができる。
【0094】また、請求項4のホログラフィ表示装置に
よれば、ホログラフィ作成時の結像光学系と同等の結像
光学系を採用するとともに、結像光学系によって結像さ
れる実像を形成する波面の光を遮光するので、請求項1
または請求項2のホログラフィ撮像装置で撮像したホロ
グラムから、共役像に係る光を除去し、原像に対する歪
を低減して、良質の像の再生表示が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のホログラフィ作成装置の第1実施形態
の構成図である。
【図2】第1実施形態のホログラフィ作成装置が想定す
る光学系の説明図である。
【図3】第1実施形態のホログラフィ作成装置の動作
(前半)のフローチャートである。
【図4】第1実施形態のホログラフィ作成装置の動作
(後半)のフローチャートである。
【図5】本発明のホログラフィ作成装置の第2実施形態
の構成図である。
【図6】第2実施形態のホログラフィ作成装置が想定す
る光学系の説明図である。
【図7】第2実施形態のホログラフィ作成装置の動作の
フローチャートである。
【図8】本発明のホログラフィ表示装置の実施形態の構
成図である。
【図9】実施形態のホログラフィ表示装置における再生
像の観察の説明図である。
【図10】実施形態のホログラフィ表示装置における共
役像の除去の説明図である。
【符号の説明】
110,120…位置算出手段、111,112…結像
光学系、210,220…波面算出手段、300…領域
限定手段、400…畳み込み積分手段、500…干渉演
算手段、600…情報入力手段、700…ホログラム形
成部、810…0次光遮光板、820…遮光板。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 仮想3次元空間中の仮想物体に関する、
    平面状の仮想ホログラム面上のホログラムを作成するホ
    ログラフィ作成装置であって、 観察対象となるべき虚像の所定位置から、正も屈折力を
    有する第1の結像光学系に応じて、前記虚像に対応する
    実像の位置を算出する第1の位置算出手段と、 前記実像の位置での物体光の波面を算出する第2の波面
    算出手段と、 前記物体光の伝搬の伝搬関数を、伝搬する軸と垂直な平
    面内の前記軸と垂直な所定の方向側の半平面内でのみ値
    を持つように限定し、半平面伝搬関数を算出する領域限
    定手段と、 前記実像の位置での物体光の波面と前記ホログラム面で
    の前記半平面伝搬関数との畳み込み積分を演算し、前記
    ホログラム面上での物体光の波面を算出する畳み込み積
    分手段と、 を備えることを特徴とするホログラフィ作成装置。
  2. 【請求項2】 仮想3次元空間中の仮想物体に関する、
    平面状の仮想ホログラム面上のホログラムを作成するホ
    ログラフィ作成装置であって、 観察対象となるべき虚像の所定位置から、正も屈折力を
    有する第1の結像光学系に応じて、前記虚像の各点に対
    応する前記ホログラム面上の位置を算出する第2の位置
    算出手段と、 前記虚像の各点での光の波面を算出する第2の波面算出
    手段と、 前記虚像の各点での光の伝搬の伝搬関数を、伝搬する軸
    と垂直な平面内の前記軸と垂直な所定の方向側の半平面
    内でのみ値を持つように限定し、半平面伝搬関数を算出
    する領域限定手段と、 前記虚像の各点での光の波面と前記ホログラム面での前
    記半平面伝搬関数との畳み込み積分を演算し、前記ホロ
    グラム面上での物体光の波面を算出する畳み込み積分手
    段と、 を備えることを特徴とするホログラフィ作成装置。
  3. 【請求項3】 前記ホログラム面上での物体光の波面と
    参照光の波面との複素和を算出し、実数成分を取り出し
    てホログラムデータを得る干渉演算手段を更に備えるこ
    とを特徴とする請求項1または2に記載のホログラフィ
    作成装置。
  4. 【請求項4】 請求項1または請求項2のホログラフィ
    作成装置で作成されたホログラムに基づいて仮想物体の
    像を表示するホログラフィ表示装置であって、 請求項1または請求項2のホログラフィ作成装置で作成
    されたホログラムデータを入力する情報入力手段と、 前記情報入力手段から通知された前記ホログラムデータ
    に基づいて、ホログラムを形成するホログラム形成部
    と、 前記ホログラムを形成する波面の光を入力し、前記仮想
    物体の虚像を結像する、請求項1または請求項2のホロ
    グラフィ作成装置の第1の結像光学系と同等の正の屈折
    力を有する第2の結像光学系と、 前記第2の結像光学系の前記ホログラム側とは反対側の
    焦点に配置された0次光を遮光する第1の遮光手段と、 前記第2の結像光学系の前記ホログラム側とは反対側の
    焦点面上に配置され、前記ホログラムを形成する波面の
    光が前記第2の結像光学系を介して、実像を結像する波
    面を遮光する第2の遮光手段と、 を備えることを特徴とするホログラフィ表示装置。
  5. 【請求項5】 前記ホログラムの位置と前記第2の結像
    光学系の前記ホログラム側の焦点面との距離を変化させ
    る第2の移動手段を更に備える、ことを特徴とする請求
    項4記載のホログラフィ表示装置。
  6. 【請求項6】 前記ホログラム形成部は、 前記情報入力部から通知された撮像結果の光学像を表示
    する表示手段と、 前記表示手段に表示された前記光学像に応じた空間光変
    調像が書き込まれる空間光変調器と、 前記空間光変調器に照射される読み出し光を発生する光
    源と、 前記読み出し光が前記空間光変調器を介することにより
    位相又は振幅変調された位相又は振幅変調光を入力し、
    前記ホログラフィ撮像装置の撮像素子と同一の大きさの
    ホログラムを形成するホログラム形成光学系と、 を備えることを特徴とする請求項4記載のホログラフィ
    表示装置。
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