WO2010103952A1 - 立体画像投影装置 - Google Patents

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projection
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井上　光輝
攀梅 林
堀米　秀嘉
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国立大学法人豊橋技術科学大学
有限会社ホーリーマイン
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    • G03H2001/261—Arrangement of the sub-holograms, e.g. partial overlapping in optical contact
    • G03H2001/2615—Arrangement of the sub-holograms, e.g. partial overlapping in optical contact in physical contact, i.e. layered holograms

Definitions

  • the present invention relates to a stereoscopic image projection apparatus that projects a stereoscopic image by making image light having directivity incident from the outside.
  • the present invention has been made in view of such problems, and displays a stereoscopic image with high reproducibility according to a change in the position of an observer and easily realizes downsizing of the system.
  • the purpose is to provide.
  • the stereoscopic image projection apparatus of the present invention projects a holographic recording medium along a flat substrate, and projects the image light by causing directional image light to enter the holographic recording medium.
  • the hologram recording medium of the projection image generating unit includes: A hologram formed in such a manner that two laser beams as a reference beam and an object beam are simultaneously incident in a predetermined range including a position corresponding to a predetermined point while keeping the incident angles on the hologram recording medium substantially the same. Is recorded in advance.
  • the reference image and the object beam are incident on the projection image generation unit at substantially the same incident angle, so that the projection image generation unit follows the flat substrate including the predetermined point that is the center of rotation. Since a hologram is recorded in advance in a predetermined range, image light having directivity is incident on the projection image generation unit while rotating the projection image generation unit around the predetermined point. The projection direction of the image generated by the light passing through the hologram is spatially shifted continuously. As a result, a highly reproducible stereoscopic image can be displayed even when the position of the observer changes, and the system scale can be easily reduced. Furthermore, the temporal continuity of the image when rotating the projection image generation unit can be improved by recording a hologram in a form formed by making the reference light and the object light incident at the same incident angle. .
  • the recording medium of the projection image generator is driven to rotate around a position corresponding to a predetermined point, and at the same time, a plurality of holograms formed by the reference light and object light entering the predetermined range are multiplexed. Preferably, it is recorded in advance.
  • the image light can be transmitted through the plurality of holograms, and the spatial and temporal continuity of the projection image can be easily improved.
  • the hologram recording medium of the projection image generation unit is driven to rotate about a position corresponding to a predetermined point as a rotation center, and at the same time, the predetermined range is periodically divided into a range that is synchronized with the rotation angle by the rotation drive. It is also preferable that a plurality of holograms formed by entering the reference light and the object light are divided and recorded in advance. In this case, when rotating the projection image generation unit, the image light can be transmitted through the plurality of holograms, and the spatial and temporal continuity of the projection image can be easily improved. Furthermore, the configuration of the hologram recording medium can be simplified.
  • the hologram recording medium preferably includes a plurality of hologram sheet materials stacked on a substrate, and the plurality of holograms are recorded on the plurality of hologram sheet materials, respectively.
  • a hologram recording medium With such a hologram recording medium, the diffraction efficiency of image light that passes through each hologram can be improved, and a bright stereoscopic image with little image blur can be displayed to the observer.
  • the projection image generation unit is rotated by the drive unit and is directed to a predetermined range on the substrate at an angle corresponding to the incident angle of the reference light and the object light at the time of hologram recording with respect to the surface on the substrate. It is also preferable that image light is incident.
  • the incident direction of the image light with respect to the hologram recording medium substantially coincides with the incident direction of the reference light and the object light, so that the diffraction efficiency of the image light transmitted through each hologram can be improved, A bright stereoscopic image with little image blur with respect to the direction can be displayed.
  • a three-dimensional image with high reproducibility can be displayed according to a change in the position of the observer, and the system can be easily downsized.
  • FIG. 1 is a perspective view of a stereoscopic image projector 1 that is a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view and a side view of the projection image generating disk of FIG. 1.
  • It is a schematic block diagram of the hologram recording system used for recording of the hologram of FIG. It is a figure which shows the incident direction of the image light with respect to the projection image generation disc of FIG. 2, and the projection direction of an image. It is a figure which shows the incident direction of the image light with respect to the projection image generation disc of FIG. 2, and the projection direction of an image.
  • FIG. 3 is a graph showing a relationship between a measured value of diffraction efficiency in an image irradiation direction with respect to a rotation angle of the projection image generation disk of FIG.
  • It is a front view which shows the projection image of the stereo image by the stereo image projector of FIG. It is a top view of the disc for projection image generation concerning the modification of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view of a stereoscopic image projection apparatus 1 which is a preferred embodiment of the present invention.
  • the stereoscopic image projecting apparatus 1 is an apparatus for projecting a stereoscopic image by transmitting image light having directivity incident from the outside, and includes a rotation driving unit 3 fixed on a pedestal 2 and a rotation driving unit. 3 is provided with a projection image generation disk (projection image generation unit) 4 supported by 3.
  • Rotation driving section 3 has an outer cylindrical portion 5 and the inner cylinder portion 6 of the center axis A 1 is arranged cheeks so as to be parallel to the installation surface 2a of the base 2, the inner cylindrical portion 6, the outer Attached so as to be rotatable along the inner surface of the cylindrical portion 5.
  • the rotation drive unit 3 by the supply of electric power from the outside, the rotary drive mechanism (not shown) for rotating around the inner cylinder portion 6 of the center axis A 1 at the desired angular velocity is built.
  • Such a rotational drive mechanism can be realized by an electric motor, a belt drive, a gear, and the like.
  • a rectangular opening 7 that is substantially perpendicular to the central axis A 1 is provided at the center inside the inner cylinder 6, and further, on the center axis A 1 inside the inner cylinder 6, A disc-shaped projection image generating disk 4 is supported so as to cover the opening 7.
  • the projection image forming disc 4, the central axis A 1 of the inner cylindrical portion 6 is arranged so as to penetrate the center of the surface in a direction perpendicular.
  • FIGS. 2A and 2B are a plan view and a side view, respectively, of the projection image generating disk 4.
  • the projection image generating disk 4 is composed of a three-layer hologram sheet having the same shape as the glass substrates 8a and 8b between two disk-shaped glass substrates 8a and 8b.
  • Hologram recording medium) 9a, 9b, 9c are laminated and joined. That is, the hologram sheets 9a, 9b, 9c are joined along the inner surfaces 10a, 10b of the glass substrates 8a, 8b.
  • a material for the hologram sheets 9a, 9b, 9c for example, a photopolymer is used.
  • the thicknesses of the glass substrates 8a and 8b and the hologram sheets 9a, 9b, and 9c are not limited to specific values, but are set to, for example, 1.2 mm and 0.003 to 0.4 mm, respectively.
  • the number of hologram sheets 9a, 9b, and 9c is not limited to three as long as the number is one or more. However, three layers are preferable in terms of spatial and temporal continuity and clarity of a reproduced image. .
  • circular holograms 11a, 11b, and 11c are recorded in advance in the center portions of the hologram sheets 9a, 9b, and 9c, respectively, by a forming method that will be described later.
  • the projection image generating disc 4 when the projection image generating disc 4 is set in the rotation driving unit 3, the projection image generating disc 4 is placed in the formation area of the holograms 11a, 11b, and 11c by the rotation driving of the rotation driving unit 3. as the rotation about the center point C 1 is located in, it is rotated along the surface of the glass substrate 8a.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a hologram recording system 101 used for recording the holograms 11a, 11b, and 11c.
  • the laser beam L 1 in predetermined wavelength of 532nm and the like emitted from the laser light source 102, the laser beam L 1 is after passing through the shutter 103 rotates around the optical axis of the laser beam L 1 Transmits through the half-wave plate 104.
  • the laser beam L 1 whose polarization direction is changed to various angles are incident on the polarization beam splitter 105, parallel light L 3 of the parallel light L 2 and S-wave components of the P-wave component from the laser light L 1 , And divided into two optical paths that are substantially perpendicular to each other.
  • the parallel light L 3 is transmitted by the half-wave plate 109 that rotates about the optical axis of the parallel light L 3 and then reflected by the mirror 110, thereby changing the polarization direction.
  • the incident light is incident on the projection image generating disk 4 arranged at a predetermined position.
  • the mirror 110 is placed on an X-axis stage 106B that slides along a horizontal plane and a rotary stage 107B that rotates along a horizontal plane.
  • the parallel light L 3 incident on the projection image generating disk 4 is used as reference light for hologram recording
  • the parallel light L 2 is used as object light for hologram recording.
  • the projection image generating disk 4 in which only the hologram sheet 9a is bonded is installed in a state where it is attached to the rotation drive unit 3. Then, the center point C 1 of the projection image forming disc 4 is substantially positioned on the optical axis of the parallel light L 2, and the optical axis of the parallel light L 2 with respect to the surface of the glass substrate 8a is inclined as the angle theta 1
  • the X stage 106A and the rotary stage 107A are controlled.
  • the center point C 1 is approximately positioned on the optical axis of the parallel light L 3, and the optical axis of the parallel light L 3 to the surface of the glass substrate 8a is on the opposite side with respect to the parallel light L 2 X stage 106B and the rotary stage 107B is controlled so as to be approximately inclined at the same angle theta 1.
  • the inclination angle ⁇ 1 is set to 22.5 degrees.
  • the laser beam L 1 a predetermined strength (e.g., 2 mW ⁇ 7 mW) by opening the shutter 103 is emitted, the projection image forming disc 4 at a predetermined time (e.g., 20 seconds to 30 seconds) the parallel light L simultaneously enters the 2 and the parallel light L 3.
  • the hologram 11a is recorded at the center of the hologram sheet 9a.
  • the projection image generating disk 4 in a state where the hologram sheet 9b is laminated on the hologram sheet 9a is installed. Then, after rotating by 120 degrees by the rotary drive unit 3 a projection image forming disc 4 from the state at the time of hologram 11a recording, the parallel light L 2 and a predetermined time to the projection image forming disc 4 by opening the shutter 103 It is incident parallel light L 3 at the same time. In this way, the hologram 11b is recorded at the center of the hologram sheet 9b on the hologram sheet 9a.
  • the projection image generation disc 4 in a state where the hologram sheet 9c is laminated on the hologram sheets 9a and 9b is installed, and the projection image generation disc 4 is further rotated by 120 degrees, and then the shutter 103 is opened.
  • the hologram 11c is recorded at the center of the hologram sheet 9c on the hologram sheets 9a and 9b.
  • the three-layer holograms 11a, 11b, and 11c that are angle-multiplexed at an angular interval of 120 degrees are formed in the central portion of the projection image generating disk 4 and the hologram sheets 9a, 9b, the incident angle theta 1 to 9c are recorded while maintaining substantially the same with each other.
  • the same direction as the incident direction of the parallel light L 3 at the time of image light G 1 is recorded holograms 11a, i.e., from the angle theta 1 direction to the Z-axis along a YZ plane
  • the projection direction of the image is a direction inclined by an angle ⁇ 1 with respect to the Z axis along the YZ plane, corresponding to the incident direction of the parallel light L 2 when the hologram 11 a is recorded.
  • FIG. 6 is a graph showing measured values and theoretical values of diffraction efficiency with respect to the shift angle along the horizontal direction of the image irradiation direction when one hologram 11a is rotated.
  • a high diffraction efficiency of about 90% is maintained when the horizontal shift angle is in the range of ⁇ 10 degrees to +10 degrees.
  • the operation of the stereoscopic image projection apparatus 1 having the projection image generating disk 4 in which the three holograms 11a, 11b, and 11c are multiplexed and recorded at an angular interval of 120 degrees will be described. While the projection image generating disk 4 is rotated and rotated once, the states shown in FIGS. 5A, 4 and 5B appear once in order, and the irradiation direction of the image Are shifted in one direction. Further, while the projection image generating disk 4 is rotated once, the state rotated 180 degrees from the state shown in FIG. 4 also appears once.
  • the incident direction of the image light G 1 is made the same direction as the incident direction of the laser beam L 2 at the time of recording the hologram 11a, the projection direction of the image, the direction of incidence of the parallel light L 3 at the time of recording the hologram 11a and correspondingly, the angle theta 1 only a direction inclined with respect to the Z axis along a YZ plane, namely, the same direction as the direction shown in FIG. Therefore, while the projection image generating disk 4 is rotated once, the state rotated 180 degrees from the state shown in FIGS. 5A, 4 and 5B also appears once each. With respect to the hologram 11a, the irradiation direction of the image is shifted in one direction a total of two times.
  • the projection direction of the image is intermittently changed by the three holograms 11a, 11b, and 11c while the projection image generating disk 4 is rotated once. It can be seen that it is shifted and shifted a total of 6 times.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the measurement value of the diffraction efficiency in the image projection direction with respect to the rotation angle of the projection image generation disk 4. From this result, it can be seen that six images are continuously projected by three holograms 11a, 11b, and 11c during one rotation, and the diffraction efficiency at that time is also about 80% over a shift range of about 20 degrees each time. It can also be seen that is secured.
  • the stereoscopic image projector 1 having the above-described configuration receives image light G 1 having directivity from an external projector device 20 from a direction inclined by a predetermined angle ⁇ 1 with respect to the central axis A 1 of the inner cylinder portion 6. (See FIG. 8). Then, three holograms 11a, 11b, by incident image light G 1 in synchronization with the shift timing of an image by 11c, while changing the emission direction from the projection image forming disc 4 in one direction, the image Lights G 01 , G 02 , G 03 ,..., G 0n are projected in time series.
  • the image light G 1 is incident by continuously rotating the projection image generating disk 4, the image light G 01 , G 02 , G 03 ,..., G 0n can be repeatedly projected. As a result, a predetermined stereoscopic image can be raised on the front surface of the projection image generating disk 4.
  • the projector apparatus 20 is a device that can be continuously irradiated with the image light G 1 a moving image is reflected, for example, a projector having a built-in digital micromirror device manufactured by Texas Instruments is used .
  • the projection image generating disk 4 includes the center point C 1 that is the center of rotation by causing the reference light and the object light to be incident at substantially the same incident angle ⁇ 1.
  • the projection direction of the image generated by the image light passing through the holograms 11a, 11b, and 11c is spatially continuous. Shifted to.
  • the form of a hologram 11a formed with the reference light and the object light is incident at the same incident angle theta 1, 11b, an image projected direction between the projection image forming disc 4 rotated once by recording the 11c Since it can be shifted six times, the spatial and temporal continuity of the image when the projection image generating disk 4 is rotated can be improved.
  • the projection image generation disc 4 is rotated.
  • image light can be transmitted through the plurality of holograms 11a, 11b, and 11c, and the spatial and temporal continuity of the projected image can be easily improved.
  • the diffraction efficiency of the image light transmitted through the holograms 11a, 11b, and 11c can be improved, and a bright stereoscopic image with less image blur for the observer. Can be displayed.
  • each hologram 11 a. , 11b, 11c can improve the diffraction efficiency of image light, and a bright stereoscopic image with little image blur can be displayed in a predetermined direction.
  • the incident angles ⁇ 1 of the parallel light L 3 and the parallel light L 2 when recording the holograms 11a, 11b, and 11c are not necessarily set to be equal to each other, and may be different angles.
  • the holograms 11a, 11b, and 11c may be recorded in multiple recording without changing the angle of the projection image generating disk 4 during recording.
  • the incident angle ⁇ 1 10 degrees when recording the hologram 11a.
  • the incident angle ⁇ 1 when recording the hologram 11b is recorded as 8.352 degrees
  • the incident angle ⁇ 1 when recording the hologram 11c is recorded as 13.348 degrees.
  • to project the green light region of the image light G 1 as an image by the hologram 11a is projected red light area of the image light G 1 as an image by a hologram 11b, and the blue light region of the image light G 1 by the hologram 11c
  • the projection timing of the color image light by the projector device 20 and the rotation of the projection image generation disk 4 are synchronized so as to project as an image.
  • FIG. 9 shows the configuration of a projection image generation disk 204 according to a modification of the present invention.
  • the predetermined range around the center point C 1 of the projection image forming disc 204 shown in the figure three types of holograms 211a, 211b, 211c is recorded in advance are divided.
  • These holograms 211a, 211b, and 211c are formed in regions that are periodically divided so as to be evenly distributed over a predetermined range.
  • the holograms 211a, 211a, 211c, 211b and 211c are formed so as to be periodically arranged in this order.
  • the projection image generation disc 204 is rotated 120 degrees and the hologram 211b is recorded by the same method
  • the projection image generation disc 204 is further rotated 120 degrees and the hologram 211c is recorded by the same method.
  • the holograms 211a, 211b, and 211c in which the interference fringes are rotated by 120 degrees can be divided and generated.
  • the use of such a projection image forming disc 204 is projected green light region of the image light G 1 as an image by the hologram 211a, to project a red light area of the image light G 1 as an image by the hologram 211b, the hologram 211c blue light region of the image light G 1 to be projected as an image, to synchronize the timing of projecting the image light G 1 of each color light area of a color image by the projector apparatus 20 and the rotation of the projection image forming disc 204. That way, it is possible to shift in one direction while each hologram 211b, 211a, separates the light of each color component of the RGB image light G 1 is projected by 211c. As a result, it is possible to display a color stereoscopic image with little image blur and color blur to the observer. Furthermore, the configuration of the hologram recording medium can be simplified.
  • the hologram produced on the projection image generating disk 4 is not limited to the direct formation by the interference between the reference light and the object light, and the reference light and the object light are made incident at the same incident angle.
  • a hologram that reproduces the form of the interference fringes to be formed may be used.
  • a hologram formed by a diffraction grating having a high aspect ratio using a microfabrication process by an electron beam drawing apparatus or the like may be used.
  • a transmission type diffraction grating film for example, 1000 LPM sheet manufactured by Edmund Optics
  • a sine wave grating is formed at a predetermined grating frequency can be used.
  • the hologram produced on the projection image generating disk 4 is not limited to the transmission type, and a reflection type hologram may be used.
  • the projection image generating disc 4 As a material constituting the projection image generating disc 4, a resin material such as plastic may be used in addition to glass, or the projection image generating disc 4 may be composed of only a hologram recording material.
  • the present invention uses a stereoscopic image projection apparatus that projects a stereoscopic image by causing image light having directivity to enter from the outside, and displays a highly reproducible stereoscopic image according to a change in the position of an observer. Therefore, the system can be easily downsized.
  • SYMBOLS 1 Stereoscopic image projection apparatus, 3 ... Rotation drive part, 4,204 ... Projection image production

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Abstract

　観察者の位置の変化に応じて再現性の高い立体画像を表示するとともに、システムの小型化を容易に実現することを目的とする。立体画像投影装置１は、ガラス基板８ａ，８ｂの内面１０ａ，１０ｂに沿ってホログラムシート９ａ，９ｂ，９ｃが積層され、指向性を有する画像光をホログラムシート９ａ，９ｂ，９ｃに入射させることにより画像光を投影する投影画像生成用ディスク４と、投影画像生成用ディスク４をガラス基板８ａ，８ｂ上の面に沿って、中心点Ｃ１を回転中心として回転駆動する回転駆動部３とを備え、ホログラムシート９ａ，９ｂ，９ｃには、中心点Ｃ１に対応する位置に、参照光及び物体光として２つのレーザ光Ｌ３，Ｌ２をホログラムシート９ａ，９ｂ，９ｃへの入射角θ１を略同一に保った状態で同時に入射させることにより形成される形態のホログラム１１ａ，１１ｂ，１１ｃが予め記録されている。

Description

立体画像投影装置
　本発明は、外部から指向性を有する画像光を入射させることにより立体画像を投影する立体画像投影装置に関するものである。
　従来から、リアリティの高い画像を表示させるために、空間に物体の３次元画像を表示させる画像表示システムが盛んに開発されている。このようなシステムの例としては、指向性画像の各画素を並べ替えることによって合成画像を生成して、その合成画像を液晶ディスプレイ及びレンチキュラーシートによって表示させることによって立体画像を生成する立体画像表示装置や、複数の画像生成手段によって生成された画像を反射機構を有する表示部に投影することによって立体画像を表示させる立体画像表示装置等が知られている（下記特許文献１及び下記特許文献２参照。）。
特開２００７－１７６３４号公報 特開平９－１９７５８１号公報
　しかしながら、上述した特許文献１に記載の装置では、ディスプレイ上に複数の指向性を有する画素が並べられているため、観察者の位置の変化に応じた立体画像を表示させようとすると立体画像の解像度が低下する傾向にある。また、特許文献２に記載の装置では、立体画像を観察する観察者の位置に応じて立体画像を再現するためには、予め多くの画像生成手段を準備する必要があるためシステム規模が大型化するという問題もあった。
　そこで、本発明はかかる課題に鑑みて為されたものであり、観察者の位置の変化に応じて再現性の高い立体画像を表示するとともに、システムの小型化を容易に実現する立体画像投影装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明の立体画像投影装置は、平板状の基板に沿ってホログラム記録媒体が形成され、指向性を有する画像光をホログラム記録媒体に入射させることにより画像光を投影するための投影画像生成部と、投影画像生成部を基板上の面に沿って、当該面上の所定点を回転中心として回転駆動する駆動部とを備え、投影画像生成部のホログラム記録媒体には、所定点に対応する位置を含む所定範囲に、参照光及び物体光として２つのレーザ光をホログラム記録媒体への入射角を略同一に保った状態で同時に入射させることにより形成される形態のホログラムが予め記録されていることを特徴とする。
　このような立体画像投影装置によれば、投影画像生成部には、参照光及び物体光を略同一の入射角で入射させることにより、回転中心である所定点を含む平板状の基板に沿った所定範囲に予めホログラムが記録されているので、その投影画像生成部をその所定点を中心として回転させながら、その投影画像生成部に向けて指向性を有する画像光が入射されることにより、画像光がホログラムを透過することにより生成される画像の投影方向が空間的に連続的にシフトされる。これにより、観察者の位置が変化しても再現性の高い立体画像を表示させることができるとともに、システム規模も容易に小型化することができる。さらに、参照光及び物体光を同一の入射角で入射させて形成される形態のホログラムを記録することで、投影画像生成部を回転させる際の画像の時間的な連続性を向上させることもできる。
　投影画像生成部の記録媒体は、所定点に対応する位置を回転中心として回転駆動されると同時に、所定範囲に参照光及び物体光が入射されることにより形成される形態の複数のホログラムが多重して予め記録されている、ことが好ましい。この場合、投影画像生成部を回転させる際に複数のホログラムに画像光を透過させることができ、投影画像の空間的および時間的な連続性を容易に向上させることができる。
　また、投影画像生成部のホログラム記録媒体は、所定点に対応する位置を回転中心として回転駆動されると同時に、所定範囲が周期的に分割された範囲に、回転駆動による回転角度に同期して参照光及び物体光が入射されることにより形成される形態の複数のホログラムが、分割されて予め記録されている、ことも好ましい。この場合、投影画像生成部を回転させる際に複数のホログラムに画像光を透過させることができ、投影画像の空間的および時間的な連続性を容易に向上させることができる。さらには、ホログラム記録媒体の構成を単純化することができる。
　また、ホログラム記録媒体は、基板上に積層された複数のホログラムシート材を含み、複数のホログラムは、それぞれ複数のホログラムシート材に記録されている、ことも好ましい。かかるホログラム記録媒体を有すれば、各ホログラムを透過する画像光の回折効率を向上させることができ、観察者に対して画像ぼけの少ない明るい立体画像を表示させることができる。
　さらに、投影画像生成部には、駆動部によって回転駆動されながら、基板上の所定範囲に向けて、基板上の面に対してホログラム記録時の参照光及び物体光の入射角に対応する角度で画像光が入射される、ことも好ましい。かかる構成を採れば、ホログラム記録媒体に対する画像光の入射方向と、参照光及び物体光の入射方向がほぼ一致するので、各ホログラムを透過する画像光の回折効率を向上させることができ、所定の方向に対して画像ぼけの少ない明るい立体画像を表示させることができる。
　本発明によれば、観察者の位置の変化に応じて再現性の高い立体画像を表示するとともに、システムの小型化を容易に実現することができる。
本発明の好適な一実施形態である立体画像投影装置１の斜視図である。 図１の投影画像生成用ディスクの平面図及び側面図である。 図２のホログラムの記録に用いられるホログラム記録システムの概略構成図である。 図２の投影画像生成用ディスクに対する画像光の入射方向、及び画像の投影方向を示す図である。 図２の投影画像生成用ディスクに対する画像光の入射方向、及び画像の投影方向を示す図である。 図２のホログラムを回転させた場合の画像照射方向の水平方向に沿ったシフト角に対する回折効率の実測値及び理論値を示すグラフである。 図２の投影画像生成用ディスクの回転角に対する画像照射方向の回折効率の測定値との関係を示すグラフである。 図１の立体画像投影装置による立体画像の投影イメージを示す正面図である。 本発明の変形例に係る投影画像生成用ディスクの平面図である。
　以下、図面に基づいて、本発明による立体画像投影装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
　図１は、本発明の好適な一実施形態である立体画像投影装置１の斜視図である。この立体画像投影装置１は、外部から入射された指向性を有する画像光を透過させて立体画像を投影するための装置であり、台座２上に固定された回転駆動部３と、回転駆動部３に支持された投影画像生成用ディスク（投影画像生成部）４とを備えている。
　回転駆動部３は、台座２の設置面２ａに対して中心軸Ａ１がほほ平行になるように配置された外筒部５及び内筒部６を有し、この内筒部６は、外筒部５の内面に沿って回転可能に取り付けられている。この回転駆動部３には、外部からの電力の供給により、内筒部６をその中心軸Ａ１の周りを所望の角速度で回転させるための図示しない回転駆動機構が内蔵されている。このような回転駆動機構は、電気モータ、及びベルトドライブ、ギア等により実現することができる。
　また、内筒部６の内側の中心部には中心軸Ａ１に対してほぼ垂直な矩形状の開口部７が設けられ、さらに、内筒部６の内側の中心軸Ａ１上には、その開口部７を覆うように円板状の投影画像生成用ディスク４が支持されている。この投影画像生成用ディスク４は、内筒部６の中心軸Ａ１がその表面の中心を垂直な方向に貫くように配置されている。
　図２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、投影画像生成用ディスク４の平面図及び側面図である。同図に示すように、投影画像生成用ディスク４は、円板状の２つの光透過性のガラス基板８ａ，８ｂの間に、ガラス基板８ａ，８ｂと同一形状を有する３層のホログラムシート（ホログラム記録媒体）９ａ，９ｂ，９ｃが積層されて接合された構造を有している。すなわち、ホログラムシート９ａ，９ｂ，９ｃは、ガラス基板８ａ，８ｂの内面１０ａ，１０ｂに沿って接合されている。このホログラムシート９ａ，９ｂ，９ｃの材料としては、例えばフォトポリマーが使用される。なお、ガラス基板８ａ，８ｂ及び、ホログラムシート９ａ，９ｂ，９ｃの厚さとしては、特定の値には限定されないが、例えば、それぞれ１．２ｍｍ及び０．００３～０．４ｍｍに設定される。また、ホログラムシート９ａ，９ｂ，９ｃの層数も１層以上であれば３層には限定されないが、再生画像の空間的および時間的な連続性や明瞭性の点では３層が好適である。さらに、ホログラムシート９ａ，９ｂ，９ｃの中心部には、それぞれ、後述する形成方法によって円形状のホログラム１１ａ，１１ｂ，１１ｃが予め記録されている。このような構成により、投影画像生成用ディスク４が回転駆動部３にセットされると、回転駆動部３の回転駆動により、投影画像生成用ディスク４は、ホログラム１１ａ，１１ｂ，１１ｃの形成エリア内に位置する中心点Ｃ１を回転中心として、ガラス基板８ａの表面に沿って回転される。
　次に、投影画像生成用ディスク４のホログラム１１ａ，１１ｂ，１１ｃの記録方法について説明する。
　図３は、ホログラム１１ａ，１１ｂ，１１ｃの記録に用いられるホログラム記録システム１０１の概略構成図である。ホログラム記録システム１０１においては、レーザ光源１０２から５３２ｎｍ等の所定波長のレーザ光Ｌ１が出射され、そのレーザ光Ｌ１はシャッタ１０３を通過した後に、レーザ光Ｌ１の光軸を中心に回転する１／２波長板１０４を透過する。そして、偏光方向が様々な角度に変更されたレーザ光Ｌ１が偏光ビームスプリッタ１０５に入射することにより、レーザ光Ｌ１からＰ波成分の平行光Ｌ２及びＳ波成分の平行光Ｌ３が、互いにほぼ垂直な光路に向けて２分割される。
　このようにして生成された平行光Ｌ２は、水平面に沿ってスライドするＸ軸ステージ１０６Ａ及び水平面に沿って回転する回転ステージ１０７Ａ上に載置されたミラー１０８によって反射されることにより、所定位置に水平面に垂直になるように配置された投影画像生成用ディスク４に向けて、水平面に沿った所望の角度で入射される。これに対して、平行光Ｌ３は、平行光Ｌ３の光軸を中心に回転する１／２波長板１０９を透過した後に、ミラー１１０によって反射されることにより、偏光方向が変化された後に、所定位置に配置された投影画像生成用ディスク４に向けて入射される。このミラー１１０は、水平面に沿ってスライドするＸ軸ステージ１０６Ｂ及び水平面に沿って回転する回転ステージ１０７Ｂ上に載置されている。ここで、投影画像生成用ディスク４に入射する平行光Ｌ３は、ホログラム記録用の参照光として、平行光Ｌ２は、ホログラム記録用の物体光として利用される。
　このようなホログラム記録システム１０１によってホログラムを記録する際には、まず、ホログラムシート９ａのみが接合された状態の投影画像生成用ディスク４を、回転駆動部３に取り付けた状態で設置する。そして、投影画像生成用ディスク４の中心点Ｃ１が平行光Ｌ２の光軸上にほぼ位置し、かつ、ガラス基板８ａの表面に対して平行光Ｌ２の光軸が角度θ１ほど傾くようにＸステージ１０６Ａ及び回転ステージ１０７Ａが制御される。同様に、中心点Ｃ１が平行光Ｌ３の光軸上にほぼ位置し、かつ、ガラス基板８ａの表面に対して平行光Ｌ３の光軸が、平行光Ｌ２に対して反対側にほぼ同一角度θ１で傾くようにＸステージ１０６Ｂ及び回転ステージ１０７Ｂが制御される。例えば、この傾斜角度θ１は２２．５度に設定される。この状態で、レーザ光Ｌ１を所定強度（例えば、２ｍＷ～７ｍＷ）で出射させてシャッタ１０３を開くことによって、投影画像生成用ディスク４に所定時間（例えば、２０秒～３０秒）平行光Ｌ２及び平行光Ｌ３を同時に入射させる。このようにして、ホログラムシート９ａの中心にホログラム１１ａが記録される。
　その後、ホログラムシート９ａの上にホログラムシート９ｂを積層した状態の投影画像生成用ディスク４を設置する。そして、ホログラム１１ａ記録時の状態から投影画像生成用ディスク４を回転駆動部３によって１２０度だけ回転させた後、シャッタ１０３を開くことによって投影画像生成用ディスク４に所定時間だけ平行光Ｌ２及び平行光Ｌ３を同時に入射させる。このようにして、ホログラムシート９ａ上のホログラムシート９ｂの中心にホログラム１１ｂが記録される。同様にして、ホログラムシート９ａ，９ｂの上にホログラムシート９ｃを積層した状態の投影画像生成用ディスク４を設置し、投影画像生成用ディスク４をさらに１２０度だけ回転させた後、シャッタ１０３を開くことによって、ホログラムシート９ａ，９ｂ上のホログラムシート９ｃの中心にホログラム１１ｃが記録される。以上の操作により、投影画像生成用ディスク４の中心部には、１２０度の角度間隔で角度多重された３層のホログラム１１ａ，１１ｂ，１１ｃが、参照光及び物体光のホログラムシート９ａ，９ｂ，９ｃへの入射角θ１が互いにほぼ同一に保った状態で記録される。
　図４及び図５には、上述の方法で作製された投影画像生成用ディスク４のホログラム１１ａに外部から画像光Ｇ１を入射した場合に、投影画像生成用ディスク４の反対側に再生される画像の照射方向について示している。図４及び図５には、投影画像生成用ディスク４の中心軸に沿ってＺ軸を、ガラス基板８ａの表面に沿って水平方向及び垂直方向にＸ軸及びＹ軸を取っている。図４に示すように、画像光Ｇ１がホログラム１１ａを記録した際の平行光Ｌ３の入射方向と同一の方向から、すなわち、ＹＺ平面に沿ってＺ軸に対して角度θ１の方向から入射された場合は、画像の投影方向は、ホログラム１１ａを記録時の平行光Ｌ２の入射方向と対応して、ＹＺ平面に沿ってＺ軸に対して角度θ１だけ傾いた方向となる。
　一方、ホログラム１１ａをＺ軸を中心に時計回りに回転させることを想定した場合における図４の状態に至る直前には、図５（ａ）に示すような状態になる。ここでは、画像の投影方向はＹＺ平面に沿った方向から＋Ｘ軸方向にずれた方向になる。これに対して、図４に示す状態の直後には図５（ｂ）に示すような状態になり、画像の投影方向はＹＺ平面に沿った方向から－Ｘ軸方向にずれた方向になる。これは、ホログラム１１ａ上に形成される回折格子が回転して光の回折方向もその回折格子の回転に伴って変化するためである。
　このような現象を利用して、ホログラム１１ａをガラス基板８ａの表面に沿って所定角度範囲で回転させながら画像光をその表面に対する入射角をθ１で入射させれば、生成される画像の照射方向を一方向にシフトさせることができる。図６は、１つのホログラム１１ａを回転させた場合の画像照射方向の水平方向に沿ったシフト角に対する回折効率の実測値及び理論値を示すグラフである。このように、水平方向のシフト角が－１０度から＋１０度の範囲で約９０％の高い回折効率が維持されている。
　次に、３つのホログラム１１ａ，１１ｂ，１１ｃが１２０度の角度間隔で多重記録された投影画像生成用ディスク４を有する立体画像投影装置１の動作について説明する。投影画像生成用ディスク４を回転駆動させて１回転させる間には、図５（ａ）、図４、及び図５（ｂ）に示したような状態が順番に１回現れ、画像の照射方向が一方向にシフトされる。また、投影画像生成用ディスク４を１回転させる間には、図４に示した状態から１８０度回転した状態も１回現れる。この場合は、画像光Ｇ１の入射方向がホログラム１１ａの記録時のレーザ光Ｌ２の入射方向と同一の方向となり、画像の投影方向が、ホログラム１１ａを記録時の平行光Ｌ３の入射方向と対応して、ＹＺ平面に沿ってＺ軸に対して角度θ１だけ傾いた方向、すなわち、図４に示した方向と同じ方向となる。このことから、投影画像生成用ディスク４を１回転させる間に、図５（ａ）、図４、及び図５（ｂ）に示したような状態から１８０度回転した状態も１回ずつ現れるので、ホログラム１１ａに関しては画像の照射方向が計２回一方向にシフトされる。さらに、３つのホログラム１１ａ，１１ｂ，１１ｃが多重されていることを考慮すると、投影画像生成用ディスク４を１回転させる間に、３つのホログラム１１ａ，１１ｂ，１１ｃによって断続的に画像の投影方向がシフトされ、合計で６回シフトされることがわかる。
　図７には、投影画像生成用ディスク４の回転角に対する画像投影方向の回折効率の測定値との関係を示すグラフである。この結果から、１回転させる間に３つのホログラム１１ａ，１１ｂ，１１ｃによって６回の画像が連続的に投影されることがわかり、その時の回折効率も各回で約２０度のシフト範囲にわたって８０％程度が確保されていることもわかる。
　上述した構成の立体画像投影装置１には、内筒部６の中心軸Ａ１に対して所定角度θ１傾いた方向から外部のプロジェクタ装置２０から指向性を有する画像光Ｇ１が入射される（図８参照）。そうすると、３つのホログラム１１ａ，１１ｂ，１１ｃによる画像のシフトタイミングに同期させて画像光Ｇ１を入射させることにより、投影画像生成用ディスク４からの出射方向が一方向に沿って変化しながら、画像光Ｇ０１，Ｇ０２，Ｇ０３，…，Ｇ０ｎが時系列に投影される。また、投影画像生成用ディスク４を連続して回転させて画像光Ｇ１を入射させれば、画像光Ｇ０１，Ｇ０２，Ｇ０３，…，Ｇ０ｎを繰り返し投影することができる。その結果、投影画像生成用ディスク４の前面に所定の立体画像を浮かび上がらせることができる。
　ここで、プロジェクタ装置２０としては、動画像が反映された画像光Ｇ１を連続的に照射することができるデバイスであり、例えば、テキサスインスツルメンツ社製のデジタルマイクロミラーデバイスを内蔵するプロジェクタが用いられる。
　以上説明した立体画像投影装置１によれば、投影画像生成用ディスク４には、参照光及び物体光を略同一の入射角θ１で入射させることにより、回転中心である中心点Ｃ１を含むガラス基板８ａ，８ｂの内面１０ａ，１０ｂに沿った所定範囲に予めホログラム１１ａ，１１ｂ、１１ｃが記録されているので、その投影画像生成用ディスク４をその中心点Ｃ１を中心として回転させながら、その投影画像生成用ディスク４に向けて指向性を有する画像光が入射されることにより、画像光がホログラム１１ａ，１１ｂ，１１ｃを透過することにより生成される画像の投影方向が空間的に連続的にシフトされる。これにより、観察者の位置が変化しても再現性の高い立体画像を表示させることができるとともに、システム規模も容易に小型化することができる。さらに、参照光及び物体光を同一の入射角θ１で入射させて形成される形態のホログラム１１ａ，１１ｂ，１１ｃを記録することで投影画像生成用ディスク４を１回転させる間に画像投影方向を６回シフトさせることができるので、投影画像生成用ディスク４を回転させる際の画像の空間的および時間的な連続性を向上させることもできる。
　また、投影画像生成用ディスク４の複数のホログラムシート９ａ，９ｂ，９ｃには、それぞれ、複数のホログラム１１ａ，１１ｂ，１１ｃが多重して予め記録されているので、投影画像生成用ディスク４を回転させる際に複数のホログラム１１ａ，１１ｂ，１１ｃに画像光を透過させることができ、投影画像の空間的および時間的な連続性を容易に向上させることができる。また、ホログラムシート９ａ，９ｂ，９ｃのそれぞれに記録することで各ホログラム１１ａ，１１ｂ，１１ｃを透過する画像光の回折効率を向上させることができ、観察者に対して画像ぼけの少ない明るい立体画像を表示させることができる。
　さらに、投影画像生成用ディスク４には、投影画像生成用ディスク４に対してホログラム記録時の参照光及び物体光の入射角に対応する角度θ１で画像光が入射されるので、各ホログラム１１ａ，１１ｂ，１１ｃを透過する画像光の回折効率を向上させることができ、所定の方向に対して画像ぼけの少ない明るい立体画像を表示させることができる。
　なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、各ホログラム１１ａ，１１ｂ，１１ｃを記録する際の平行光Ｌ３及び平行光Ｌ２の入射角度θ１は、必ずしも互いに等しく設定される必要はなく、異なる角度であってもよいし、各ホログラム１１ａ，１１ｂ，１１ｃは記録の際に投影画像生成用ディスク４の角度を変更しないで多重記録されていてもよい。例えば、カラーの立体画像を表示させるためのホログラムを記録する場合には、緑色光領域（５３２ｎｍ）のレーザ光Ｌ１のみを使用して、ホログラム１１ａを記録する際の入射角度θ１＝１０度、ホログラム１１ｂを記録する際の入射角度θ１＝８．３５２度、及びホログラム１１ｃを記録する際の入射角度θ１＝１３．３４８度として記録する。この場合は、ホログラム１１ａによって画像光Ｇ１の緑色光領域を画像として投影させ、ホログラム１１ｂによって画像光Ｇ１の赤色光領域を画像として投影させ、ホログラム１１ｃによって画像光Ｇ１の青色光領域を画像として投影させるように、プロジェクタ装置２０によるカラー画像光の投影タイミングと投影画像生成用ディスク４の回転とを同期させる。そうすれば、それぞれのホログラム１１ｂ，１１ａ，１１ｃによって画像光Ｇ１のＲＧＢの各色成分の光を、入射角度θ１に沿って入射しても、同一の回折角で分離して投影させながら一方向にシフトさせることができる。その結果、観察者に対して画像ぼけや色滲みの少ないカラーの立体画像を表示させることができる。さらに、このように入射角度を異ならせてホログラムを記録する際には、投影画像生成用ディスク４を回転しないで固定したままで多重記録してもよい。
　また、投影画像生成用ディスク４の構成としては、複数層のホログラムシートを積層したものに限定されるものではなく、１層のホログラムシートに微細化された複数のホログラムを分割して記録されたものを用いてもよい。図９には、本発明の変形例に係る投影画像生成用ディスク２０４の構成を示している。同図に示す投影画像生成用ディスク２０４の中心点Ｃ１を中心とした所定範囲には、３種類のホログラム２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃが分割されて予め記録されている。これらのホログラム２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃは、互いに所定範囲上に均等に分布するように周期的に分割された領域に形成されており、例えば、六角形状の分割領域に一直線上に沿ってホログラム２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃがこの順で周期的に並ぶように形成されている。
　図９のような投影画像生成用ディスク２０４の生成は、図３に示したホログラム記録システム１０１を用いて行われ、中心点Ｃ１を回転中心として回転駆動させながら、上記のように分割されたディスク２０４上の範囲にその回転駆動の角度に同期して平行光Ｌ２及び平行光Ｌ３を同時入射させることによってホログラム２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃが記録される。詳細には、投影画像生成用ディスク２０４の前面に所望の分割領域にのみレーザ光を透過させる光学マスクを配置した状態で、平行光Ｌ２及び平行光Ｌ３を同時入射させることによってホログラム２１１ａを記録する。その後、投影画像生成用ディスク２０４を１２０度回転させてから同一の方法でホログラム２１１ｂを記録した後に、投影画像生成用ディスク２０４をさらに１２０度回転させてから同一の方法でホログラム２１１ｃを記録する。このようにすれば、互いに１２０度干渉縞が回転されたホログラム２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃを分割して生成することができる。
　このような投影画像生成用ディスク２０４を用いれば、ホログラム２１１ａによって画像光Ｇ１の緑色光領域を画像として投影させ、ホログラム２１１ｂによって画像光Ｇ１の赤色光領域を画像として投影させ、ホログラム２１１ｃによって画像光Ｇ１の青色光領域を画像として投影させるように、プロジェクタ装置２０によるカラー画像の各色光領域の画像光Ｇ１の投影タイミングと投影画像生成用ディスク２０４の回転とを同期させる。そうすれば、それぞれのホログラム２１１ｂ，２１１ａ，２１１ｃによって画像光Ｇ１のＲＧＢの各色成分の光を分離して投影させながら一方向にシフトさせることができる。その結果、観察者に対して画像ぼけや色滲みの少ないカラーの立体画像を表示させることができる。さらには、ホログラム記録媒体の構成を単純化することができる。
　また、投影画像生成用ディスク４に作製されるホログラムとしては、参照光と物体光の干渉による直接的な形成に限定されるものではなく、参照光及び物体光を同一の入射角で入射させて形成される干渉縞の形態を再現したホログラムでも良く、例えば、電子線描画装置等による微細加工プロセスを用いたアスペクト比の高い回折格子で形成したホログラムを用いてもよい。このようなホログラムが形成されたシート材としては、正弦波格子が所定の格子周波数で形成された透過型回折格子フィルム（例えば、エドモンド・オプティクス社製１０００ＬＰＭシート）を用いることができる。また、投影画像生成用ディスク４に作製されるホログラムとしては、透過型のものに限定されるものではなく、反射型ホログラムを用いてもよい。
　またさらに、投影画像生成用ディスク４を構成する材料としては、ガラス以外にもプラスチック等の樹脂材料を用いてもよいし、ホログラム記録材料のみで構成されていてもよい。
　本発明は、外部から指向性を有する画像光を入射させることにより立体画像を投影する立体画像投影装置を使用用途とし、観察者の位置の変化に応じて再現性の高い立体画像を表示するとともに、システムの小型化を容易に実現することのできるものである。
　１…立体画像投影装置、３…回転駆動部、４，２０４…投影画像生成用ディスク（投影画像生成部）、８ａ，８ｂ…ガラス基板、９ａ，９ｂ，９ｃ…ホログラムシート（ホログラム記録媒体）、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ…ホログラム、Ｃ１…中心点、Ｇ１…画像光、Ｌ２…レーザ光（物体光）、Ｌ３…平行光（参照光）、θ１…入射角。

Claims (5)

  1. 　平板状の基板に沿ってホログラム記録媒体が形成され、指向性を有する画像光を前記ホログラム記録媒体に入射させることにより前記画像光を投影するための投影画像生成部と、
    　前記投影画像生成部を前記基板上の面に沿って、当該面上の所定点を回転中心として回転駆動する駆動部とを備え、
    　前記投影画像生成部の前記ホログラム記録媒体には、前記所定点に対応する位置を含む所定範囲に、参照光及び物体光として２つのレーザ光を前記ホログラム記録媒体への入射角を略同一に保った状態で同時に入射させることにより形成される形態のホログラムが予め記録されている、
    ことを特徴とする立体画像投影装置。
  2. 　前記投影画像生成部の前記ホログラム記録媒体は、前記所定点に対応する位置を回転中心として回転駆動されると同時に、前記所定範囲に前記参照光及び前記物体光が入射されることにより形成される形態の複数のホログラムが多重して予め記録されている、
    ことを特徴とする請求項１記載の立体画像投影装置。
  3. 　前記投影画像生成部の前記ホログラム記録媒体は、前記所定点に対応する位置を回転中心として回転駆動されると同時に、前記所定範囲が周期的に分割された範囲に、前記回転駆動による回転角度に同期して前記参照光及び前記物体光が入射されることにより形成される形態の複数のホログラムが、分割されて予め記録されている、
    ことを特徴とする請求項１記載の立体画像投影装置。
  4. 　前記ホログラム記録媒体は、前記基板上に積層された複数のホログラムシート材を含み、
    　前記複数のホログラムは、それぞれ前記複数のホログラムシート材に記録されている、
    ことを特徴とする請求項２記載の立体画像投影装置。
  5. 　前記投影画像生成部には、前記駆動部によって回転駆動されながら、前記基板上の前記所定範囲に向けて、前記基板上の面に対して前記ホログラム記録時の前記参照光及び物体光の前記入射角に対応する角度で前記画像光が入射される、
    ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の立体画像投影装置。
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