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JP4804877B2 - 3D image display system and 3D image display method - Google Patents
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JP4804877B2 - 3D image display system and 3D image display method - Google Patents

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Description

本発明は、空間光変調素子にホログラムを呈示するとともに照明光を照射して再生光を発生させ三次元像を表示する三次元像表示システムおよび三次元像表示方法に関するものである。   The present invention relates to a three-dimensional image display system and a three-dimensional image display method for displaying a three-dimensional image by presenting a hologram on a spatial light modulation element and irradiating illumination light to generate reproduction light.

空間光変調素子を用いて三次元像を表示する三次元像表示システムまたは三次元像表示方法においては、空間光変調素子の各画素の透過率または位相変化量を調整することでホログラムを呈示し、この空間光変調素子に照明光を照射して再生光を発生させ、この再生光を結像することで三次元再生像を形成する。特許文献1に記載された三次元像表示システムは、空間光変調素子が離散的画素構造を有することを積極的に利用して、再生像を観察者が観察する際の視域を拡大することを意図している。   In a 3D image display system or 3D image display method for displaying a 3D image using a spatial light modulator, a hologram is presented by adjusting the transmittance or phase change amount of each pixel of the spatial light modulator. The spatial light modulator is irradiated with illumination light to generate reproduction light, and this reproduction light is imaged to form a three-dimensional reproduction image. The three-dimensional image display system described in Patent Literature 1 uses the fact that the spatial light modulation element has a discrete pixel structure, and expands the viewing area when the observer observes the reproduced image. Is intended.

回折格子に平行光が入射した場合に0次回折波,±1次回折波および更に高次の回折波が互いに分離されて出射されることと同様に、空間光変調素子が離散的画素構造を有することに起因して、ホログラムが呈示された空間光変調素子に照明光が入射すると、再生光として0次回折波,±1次回折波および更に高次の回折波が互いに分離されて出射される。   Similarly to the case where the 0th-order diffracted wave, ± 1st-order diffracted wave, and higher-order diffracted wave are separated and emitted when parallel light is incident on the diffraction grating, the spatial light modulator has a discrete pixel structure. When the illumination light is incident on the spatial light modulation element on which the hologram is presented, the 0th-order diffracted wave, the ± 1st-order diffracted wave, and the higher-order diffracted wave are separated from each other and emitted. The

隣接する画素の物体光と参照光との合成波面の位相がπを越えない範囲(折り返し成分が無い範囲)にホログラム表示範囲を限定して計算機ホログラムを表示した場合、照明光照射により発生した再生光の高次の回折波は、0次の回折波と同一波面であるが、空間光変調素子からの出射角がそれぞれ異なるので、空間光変調素子の背後に置かれたレンズの後焦点面で次数ごとにλf/Pの間隔で分離した後に個別に結像する。ここで、Pは空間光変調素子の画素ピッチであり、fはレンズの焦点距離であり、λは照明光の波長である。したがって、レンズ後焦点面で0次回折波が通過する位置に大きさ「λf/P」の開口を有するマスクを設けることにより、他の高次回折波を遮光して、想定した再生像を得ることができる。   When a computer generated hologram is displayed with the hologram display range limited to a range where the phase of the combined wavefront of the object light and the reference light of adjacent pixels does not exceed π (the range without the aliasing component), reproduction caused by illumination light irradiation The higher-order diffracted wave of light has the same wavefront as that of the 0th-order diffracted wave, but the exit angles from the spatial light modulator are different, so the rear focal plane of the lens placed behind the spatial light modulator The images are individually formed after separation at intervals of λf / P for each order. Here, P is the pixel pitch of the spatial light modulator, f is the focal length of the lens, and λ is the wavelength of the illumination light. Therefore, by providing a mask having an aperture of “λf / P” at the position where the 0th-order diffracted wave passes on the focal plane after the lens, other high-order diffracted waves are shielded to obtain an assumed reproduced image. be able to.

一方、隣接する画素の物体光と参照光との合成波面の位相がπから2πまでの範囲(1次の折り返し成分を含む範囲)にホログラム表示範囲を限定して計算機ホログラムを表示した場合、照明光照射により発生した再生光の高次の回折波は0次の物体光と同一波面であり、且つ、0次光を含む全ての回折波は全て計算によって発生させた1次の折り返し成分だけの再生光である。これらの回折波のなかで必要な出射角度を持つ一次の回折波のみを取り出すために、空間光変調素子の背後に置かれたレンズの後焦点面で1次回折波が通過する位置に大きさ「λf/P」の開口を有するマスクを設け、0次回折波と他の高次回折波を遮光して、必要な1次の回折波のみを通過させる。   On the other hand, when a computer generated hologram is displayed with the hologram display range limited to a range in which the phase of the combined wavefront of the object light and the reference light of adjacent pixels is from π to 2π (a range including a first-order aliasing component) The high-order diffracted wave of the reproduction light generated by the light irradiation has the same wavefront as that of the zero-order object light, and all the diffracted waves including the zero-order light are all composed of only the first-order folded component generated by calculation. Reproduction light. Among these diffracted waves, in order to extract only the first order diffracted wave having a required emission angle, the size is at a position where the first order diffracted wave passes through the back focal plane of the lens placed behind the spatial light modulator. A mask having an opening of “λf / P” is provided to shield the 0th-order diffracted wave and other high-order diffracted waves, and to pass only the necessary 1st-order diffracted waves.

すなわち、特許文献1に記載された三次元像表示システムは、特定の次数の折り返し成分を含む計算機ホログラムおよびその表示範囲を限定し、且つ、対応した開口のみを選択することで、必要な再生光を取り出している。この手法により、折り返し成分に対応したホログラムの表示および開口の選択を時分割または空間合成により行うことで、レンズによる結像再生像の出射角範囲すなわち視域を拡大する。
特開2000−250387号公報
That is, the three-dimensional image display system described in Patent Document 1 limits a computer generated hologram including a specific-order folding component and a display range thereof, and selects only a corresponding aperture, so that necessary reproduction light is obtained. Take out. With this method, the display of the hologram corresponding to the aliasing component and the selection of the aperture are performed by time division or space synthesis, thereby expanding the exit angle range, that is, the viewing zone, of the imaged reproduced image by the lens.
JP 2000-250387 A

特許文献1に記載されたものを含めて空間光変調素子を用いた三次元像表示システムおよび三次元像表示方法では、観察者の両眼視で三次元再生像を観察する際の視域を確保することが課題となっている。   In the three-dimensional image display system and the three-dimensional image display method using the spatial light modulator including those described in Patent Document 1, the viewing area when observing the three-dimensional reproduced image with binocular vision of the observer is set. Ensuring is an issue.

しかし、特許文献1に記載された技術では、空間光変調素子から出射される再生光のうちの0次回折光および高次回折光をレンズによって結像し、0次回折光と高次回折光とが交わる位置に再生像を形成する。この為に、隣接する画素の物体光と参照光との合成波面の位相がπから2πまでの範囲(1次の折り返し成分を含む範囲)に計算機ホログラム表示範囲を限定して計算機ホログラムを表示しなければならないので、計算機ホログラムの計算が煩雑であるという問題点がある。また、レンズ後焦点付近に再生像を近づけることができず、レンズ後焦点から離れた位置に再生像を形成することになるので、観察位置も更に離れた場所に位置することとなり、したがって、光学系全体が大きくなるという問題点もがある。   However, in the technique described in Patent Document 1, the 0th-order diffracted light and the higher-order diffracted light of the reproduction light emitted from the spatial light modulator are imaged by the lens, and the position where the 0th-order diffracted light and the high-order diffracted light intersect. A reconstructed image is formed. For this purpose, the computer generated hologram is displayed by limiting the display range of the computer generated hologram to a range where the phase of the combined wavefront of the object light and the reference light of adjacent pixels is from π to 2π (a range including the first-order aliasing component). Therefore, there is a problem that the calculation of the computer generated hologram is complicated. In addition, the reproduced image cannot be brought close to the focal point behind the lens, and the reproduced image is formed at a position away from the focal point behind the lens, so that the observation position is further away from the focal point. There is also a problem that the whole system becomes large.

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、視域を確保することができシステムの小型化が可能な三次元像表示システムおよび三次元像表示方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a three-dimensional image display system and a three-dimensional image display method capable of securing a viewing zone and miniaturizing the system. And

本発明に係る三次元像表示システムは、(1) 第1ホログラムが呈示され第1照明光の垂直入射により第1再生光を発生する第1空間光変調素子と、この第1空間光変調素子で発生した第1再生光を入力し結像して第1再生像を形成する第1アフォーカル光学系と、を含む第1表示装置と、(2) 第2ホログラムが呈示され第2照明光の垂直入射により第2再生光を発生する第2空間光変調素子と、この第2空間光変調素子で発生した第2再生光を入力し結像して第2再生像を形成する第2アフォーカル光学系と、を含む第2表示装置と、を備えることを特徴とする。更に、本発明に係る三次元像表示システムは、(3) 第1アフォーカル光学系の前段光学系と後段光学系との間の光路および第2アフォーカル光学系の前段光学系と後段光学系との間の光路の双方または何れか一方にミラーが挿入されており、第1アフォーカル光学系および第2アフォーカル光学系のうちの一方の前段光学系のミラーによる虚像が、他方の前段光学系または該前段光学系のミラーによる虚像に重なり、(4) 第1アフォーカル光学系および第2アフォーカル光学系それぞれの後段光学系が共通のものであり、(5) 第1アフォーカル光学系および第2アフォーカル光学系が第1再生像および第2再生像を互いに同一の空間領域に形成し、(6) 第2表示装置において、第2アフォーカル光学系の光軸に垂直な面に対して第2空間光変調素子の面が傾斜しており、(7) 第1表示装置において、第1空間光変調素子の画素ピッチをPとし、第1アフォーカル光学系の前段光学系の焦点距離をfとし、第1照明光の波長をλとしたときに、大きさ「λf/P」以下の開口を有する第1マスクが第1アフォーカル光学系の前段光学系の後焦点面に設けられ、(8) 第2表示装置において、第2空間光変調素子の画素ピッチをPとし、第2アフォーカル光学系の前段光学系の焦点距離をfとし、第2照明光の波長をλとしたときに、大きさ「λf/P」以下の開口を有する第2マスクが第2アフォーカル光学系の前段光学系の後焦点面に設けられていることを特徴とする。
The three-dimensional image display system according to the present invention includes: (1) a first spatial light modulation element that presents a first hologram and generates first reproduction light by vertical incidence of first illumination light; and the first spatial light modulation element A first display device including a first afocal optical system that inputs the first reproduction light generated in step 1 to form a first reproduction image; and (2) second illumination light presented by the second hologram. A second spatial light modulation element that generates the second reproduction light by vertical incidence of the light, and a second reproduction light that forms a second reproduction image by inputting the second reproduction light generated by the second spatial light modulation element and forming an image. And a second display device including a focal optical system. Further, the three-dimensional image display system according to the present invention includes: (3) an optical path between the front-stage optical system and the rear-stage optical system of the first afocal optical system, and a front-stage optical system and a rear-stage optical system of the second afocal optical system. Mirrors are inserted in both or any one of the optical paths between the first afocal optical system and the second afocal optical system. (4) the first afocal optical system and the second afocal optical system are common to each other, and (5) the first afocal optical system. And the second afocal optical system form the first reproduced image and the second reproduced image in the same spatial region, and (6) in the second display device, on a plane perpendicular to the optical axis of the second afocal optical system. On the other hand, the second spatial light modulator (7) In the first display device, the pixel pitch of the first spatial light modulator is P, the focal length of the front optical system of the first afocal optical system is f, and the first illumination A first mask having an aperture of a size “λf / P” or less when the wavelength of light is λ is provided on the rear focal plane of the front optical system of the first afocal optical system. (8) Second display In the apparatus, when the pixel pitch of the second spatial light modulator is P, the focal length of the front optical system of the second afocal optical system is f, and the wavelength of the second illumination light is λ, the size “λf” The second mask having an opening of “/ P” or less is provided on the rear focal plane of the front optical system of the second afocal optical system.

本発明に係る三次元像表示システムでは、第1表示装置において、第1ホログラムが呈示された第1空間光変調素子に第1照明光が垂直入射されると、その第1空間光変調素子から第1再生光が発生し、第1アフォーカル光学系により第1再生光が結像されて第1再生像が形成される。同様に、第2表示装置において、第2ホログラムが呈示された第2空間光変調素子に第2照明光が垂直入射されると、その第2空間光変調素子から第2再生光が発生し、第2アフォーカル光学系により第2再生光が結像されて第2再生像が形成される。ここで、第1アフォーカル光学系および第2アフォーカル光学系は、各々の後段光学系が共通のものであり、第1再生像および第2再生像を互いに同一の空間領域に形成する。少なくとも第2表示装置においては、第2アフォーカル光学系の光軸に垂直な面に対して第2空間光変調素子の面は傾斜している。また、第1表示装置において第1アフォーカル光学系の前段光学系の後焦点面に設けられた第1マスクは、大きさ「λf/P」以下の開口を有し、第2表示装置において第2アフォーカル光学系の前段光学系の後焦点面に設けられた第2マスクは、大きさ「λf/P」以下の開口を有する。このように、本発明に係る三次元像表示システムでは、複数の表示装置を用いることにより、視域を確保することができるとともに、システムの小型化が可能となる。   In the three-dimensional image display system according to the present invention, when the first illumination light is vertically incident on the first spatial light modulation element on which the first hologram is presented in the first display device, the first spatial light modulation element First reproduction light is generated, and the first reproduction light is imaged by the first afocal optical system to form a first reproduction image. Similarly, in the second display device, when the second illumination light is perpendicularly incident on the second spatial light modulation element on which the second hologram is presented, second reproduction light is generated from the second spatial light modulation element, The second reproduction light is imaged by the second afocal optical system to form a second reproduction image. Here, the first afocal optical system and the second afocal optical system are common to the subsequent optical systems, and form the first reproduced image and the second reproduced image in the same spatial region. At least in the second display device, the surface of the second spatial light modulator is inclined with respect to the surface perpendicular to the optical axis of the second afocal optical system. In the first display device, the first mask provided on the back focal plane of the front stage optical system of the first afocal optical system has an opening having a size of “λf / P” or less. The second mask provided on the rear focal plane of the front optical system of the two-afocal optical system has an opening having a size of “λf / P” or less. As described above, in the three-dimensional image display system according to the present invention, by using a plurality of display devices, the viewing zone can be secured and the system can be miniaturized.

なお、本発明に係る三次元像表示システムは、第1表示装置および第2表示装置に加えて、同様の構成を有する他の表示装置を備えていてもよい。また、第2表示装置において第2アフォーカル光学系の光軸に垂直な面に対して第2空間光変調素子の面が傾斜していることに加えて、第1表示装置においても第1アフォーカル光学系の光軸に垂直な面に対して第1空間光変調素子の面が傾斜していてもよい。   In addition to the first display device and the second display device, the 3D image display system according to the present invention may include another display device having the same configuration. In addition to the fact that the surface of the second spatial light modulator is inclined with respect to the surface perpendicular to the optical axis of the second afocal optical system in the second display device, the first display device also has the first a The surface of the first spatial light modulator may be inclined with respect to a surface perpendicular to the optical axis of the focal optical system.

また、本発明に係る三次元像表示システムは、(8) 第1表示装置において、第1空間光変調素子で発生した第1再生光に含まれる0次光が第1アフォーカル光学系の前段光学系により集光される点に、第1マスクの開口の中心が位置し、(9) 第2表示装置において、第2空間光変調素子で発生した第2再生光に含まれる0次光が第2アフォーカル光学系の前段光学系により集光される点に、第2マスクの開口の中心が位置するのが好適である。この場合には、0次光により再生像が形成されるので、明るい像が得られ、また、照明光の利用効率がよい。   In the three-dimensional image display system according to the present invention, (8) in the first display device, the 0th-order light included in the first reproduction light generated by the first spatial light modulator is the first stage of the first afocal optical system. The center of the opening of the first mask is located at a point condensed by the optical system. (9) In the second display device, the 0th-order light included in the second reproduction light generated by the second spatial light modulation element is It is preferable that the center of the opening of the second mask is positioned at a point where light is collected by the preceding optical system of the second afocal optical system. In this case, a reproduced image is formed by the 0th-order light, so that a bright image can be obtained and the illumination light can be used efficiently.

また、本発明に係る三次元像表示システムは、第2表示装置において、第2アフォーカル光学系の光軸に垂直な面に対する第2空間光変調素子の面の傾斜角度が、0以外の整数をnとしたときに「sin-1(nλ/P)」であるのが好適である。この場合にも、視域を確保することができるとともに、システムの小型化が可能となる。 In the 3D image display system according to the present invention, in the second display device, the inclination angle of the surface of the second spatial light modulator with respect to the surface perpendicular to the optical axis of the second afocal optical system is an integer other than zero. It is preferable that “sin −1 (nλ / P)” when n is n. In this case as well, the viewing zone can be secured and the system can be downsized.

本発明に係る三次元像表示方法は、上記の本発明に係る三次元像表示システムを用いて三次元像を表示する方法であって、第2表示装置において、第2アフォーカル光学系の光軸に垂直な面に対する第2空間光変調素子の面の傾斜角度を、三次元像を観察する観察者の位置および両眼間隔に応じて設定して、第1表示装置により第1再生像を形成し、第2表示装置により第2再生像を形成することを特徴とする。本発明に係る三次元像表示方法は、三次元再生像を観察する観察者の位置および両眼間隔に応じて、上記の本発明に係る三次元像表示システムに含まれる第2表示装置における第2空間光変調素子の面の傾斜角度を設定する。したがって、観察者毎に最適な再生像表示条件を設定することができ、観察者毎に最適な視域を確保することができる。   A three-dimensional image display method according to the present invention is a method for displaying a three-dimensional image using the above-described three-dimensional image display system according to the present invention, and in the second display device, the light of the second afocal optical system. The inclination angle of the surface of the second spatial light modulator with respect to the surface perpendicular to the axis is set according to the position of the observer who observes the three-dimensional image and the distance between both eyes, and the first display image is displayed by the first display device. And forming a second reproduced image by the second display device. The 3D image display method according to the present invention provides a second display device in the second display device included in the 3D image display system according to the present invention, according to the position of the observer who observes the 3D reproduced image and the distance between both eyes. The inclination angle of the surface of the two spatial light modulator is set. Therefore, it is possible to set an optimal reproduced image display condition for each observer, and to secure an optimal viewing area for each observer.

本発明によれば、視域を確保することができ、システムの小型化が可能となる。   According to the present invention, a viewing zone can be secured, and the system can be downsized.

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明におい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。   The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

(第1実施形態)
離散的な画素構造を有する空間光変調素子にホログラムを呈示し、この空間光変調素子に照明光を入射させて再生光を発生させると、その再生光の最大の回折角θ,照明光の波長λおよび空間光変調素子の画素ピッチPの間に下記(1)式が成り立つ。したがって、再生光の最大の回折角θは下記(2)式で表される。
(First embodiment)
When a hologram is presented on a spatial light modulation element having a discrete pixel structure and illumination light is incident on this spatial light modulation element to generate reproduction light, the maximum diffraction angle θ of the reproduction light, the wavelength of the illumination light The following equation (1) is established between λ and the pixel pitch P of the spatial light modulator. Therefore, the maximum diffraction angle θ of the reproduction light is expressed by the following equation (2).

Figure 0004804877
Figure 0004804877

Figure 0004804877
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多くの空間光変調素子の画素ピッチPは十数μmであり、また、照明光の波長は可視域であるので、回折角θは数度でしかない。したがって、空間光変調素子の近傍に三次元像を再生表示させる場合、その全面積で発生する再生光が観察者の瞳に入射するためには、観察者は1m以上離れて観察する必要がある。さらに両眼での観察ではより離れた距離を確保する必要がある。従来の三次元像表示技術では、このように視域が狭いことが問題であった。   Many spatial light modulators have a pixel pitch P of several tens of μm, and the wavelength of illumination light is in the visible range, so the diffraction angle θ is only a few degrees. Therefore, when a three-dimensional image is reproduced and displayed in the vicinity of the spatial light modulation element, the observer needs to observe at a distance of 1 m or more in order for the reproduction light generated in the entire area to enter the observer's pupil. . Furthermore, it is necessary to secure a longer distance for observation with both eyes. In the conventional three-dimensional image display technology, such a narrow viewing zone has been a problem.

これに対して、本実施形態に係る三次元像表示システムでは、観察者の右眼で観察すべき再生像を形成する右眼用表示装置と、観察者の左眼で観察すべき再生像を形成する左眼用表示装置とを別個に備え、各々の再生像をミラーやハーフミラー等により空間的に重ね合わせることで、観察者が両眼で再生像を観察できるようにする。また、右眼用表示装置および左眼用表示装置それぞれにおいて、空間光変調素子で発生した再生光を結像して再生像を形成する光学系をアフォーカル光学系の構成とし、各々のアフォーカル光学系の後段光学系を共用化する。   In contrast, in the three-dimensional image display system according to the present embodiment, a right-eye display device that forms a reproduced image to be observed with the observer's right eye, and a reproduced image to be observed with the observer's left eye. A display device for the left eye to be formed is provided separately, and each reproduced image is spatially overlapped by a mirror, a half mirror, or the like, so that the observer can observe the reproduced image with both eyes. In each of the right-eye display device and the left-eye display device, an optical system that forms a reproduction image by forming an image of the reproduction light generated by the spatial light modulator is configured as an afocal optical system. The latter stage optical system of the optical system is shared.

アフォーカル光学系の後段光学系の役目は、0次回折波と高次回折波とが交わる位置を前段光学系の側に引き寄せて、空間光変調素子の実像と三次元再生像との距離を短くするというものである。このことから、伝搬関数の計算範囲が少なくなり、1輝点あたりのホログラム計算量を減少させることができ、また、1輝点あたりのホログラムパターン同士の重なりが少なくなることから制限のある空間光変調素子の階調を有効に用いることができるようになるという利点が発生する。   The role of the rear optical system of the afocal optical system is to draw the position where the 0th-order diffracted wave and the higher-order diffracted wave cross to the front optical system side, and to determine the distance between the real image of the spatial light modulator and the three-dimensional reconstructed image. It is to shorten it. As a result, the calculation range of the propagation function is reduced, the amount of hologram calculation per bright spot can be reduced, and the overlap of hologram patterns per bright spot is reduced, so that limited spatial light There is an advantage that the gradation of the modulation element can be used effectively.

図1は、第1実施形態に係る三次元像表示システム1の平面図である。この図に示される三次元像表示システム1は、空間光変調素子11,レンズ12,マスク13,空間光変調素子21,レンズ22,マスク23,ミラー25およびレンズ31を備える。空間光変調素子11および空間光変調素子21は互いに同等の構成のものである。レンズ12およびレンズ22は、互いに同等の構成のものであり、焦点距離fを有する。レンズ31は、焦点距離fを有する。マスク23とレンズ31との間の光路にミラー25が挿入されており、ミラー25によるレンズ22の虚像はレンズ12に重なる。 FIG. 1 is a plan view of a 3D image display system 1 according to the first embodiment. The three-dimensional image display system 1 shown in this figure includes a spatial light modulation element 11, a lens 12, a mask 13, a spatial light modulation element 21, a lens 22, a mask 23, a mirror 25, and a lens 31. The spatial light modulation element 11 and the spatial light modulation element 21 have the same configuration. Lens 12 and the lens 22 are of equal construction to each other, it has a focal length f 1. Lens 31 has a focal length f 2. A mirror 25 is inserted in the optical path between the mask 23 and the lens 31, and the virtual image of the lens 22 by the mirror 25 overlaps the lens 12.

空間光変調素子11とレンズ12との間の距離はfであり、レンズ12とマスク13との間の距離はfであり、マスク13とレンズ31との間の距離はfである。レンズ12およびレンズ31は、アフォーカル光学系を構成していて、レンズ31の後焦点面に空間光変調素子11の像14を形成する。空間光変調素子11,レンズ12,マスク13およびレンズ31は、観察者の右眼Eで観察すべき右眼用再生像を形成する右眼用表示装置を構成している。この右眼用表示装置では、空間光変調素子11は、ホログラムが呈示され、平面波である照明光LI1の垂直入射により再生光LR1を発生する。アフォーカル光学系(レンズ12,31)は、空間光変調素子11で発生した再生光LR1を入力し結像して、観察者の右眼Eで観察すべき右眼用再生像を形成する。 The distance between the spatial light modulator 11 and the lens 12 is f 1, the distance between the lens 12 and the mask 13 is f 1, the distance between the mask 13 and the lens 31 is a f 2 . The lens 12 and the lens 31 constitute an afocal optical system, and form the image 14 of the spatial light modulation element 11 on the rear focal plane of the lens 31. Spatial light modulation element 11, a lens 12, a mask 13 and the lens 31 constitute a right eye display device for forming a right-eye reproduced image to be viewed by the observer's right eye E R. In this right-eye display device, the spatial light modulator 11 presents a hologram, and generates reproduction light L R1 by vertical incidence of illumination light L I1 that is a plane wave. Afocal optical system (lens 12, 31) is imaged by entering the reproduction light L R1 generated in the spatial light modulator 11, forming a right-eye reproduced image to be viewed by the observer's right eye E R To do.

また、空間光変調素子21とレンズ22との間の距離はfであり、レンズ22とマスク23との間の距離はfであり、マスク23とレンズ31との間の距離はfである。レンズ22およびレンズ31は、アフォーカル光学系を構成していて、レンズ31の後焦点面に空間光変調素子21の像24を形成する。空間光変調素子21,レンズ22,マスク23およびレンズ31は、観察者の左眼Eで観察すべき左眼用再生像を形成する左眼用表示装置を構成している。この左眼用表示装置では、空間光変調素子21は、ホログラムが呈示され、平面波である照明光LI2の垂直入射により再生光LR2を発生する。アフォーカル光学系(レンズ22,31)は、空間光変調素子21で発生した再生光LR2を入力し結像して、観察者の左眼Eで観察すべき左眼用再生像を形成する。 The distance between the spatial light modulator 21 and the lens 22 is f 1, the distance between the lens 22 and the mask 23 is f 1, the distance between the mask 23 and the lens 31 is f 2 It is. The lens 22 and the lens 31 constitute an afocal optical system, and form an image 24 of the spatial light modulator 21 on the rear focal plane of the lens 31. Spatial light modulator 21, a lens 22, a mask 23 and the lens 31 constitute a display device for the left eye to form a left-eye reproduced image to be viewed by the observer's left eye E L. In this left-eye display device, the spatial light modulation element 21 presents a hologram and generates reproduction light L R2 by vertical incidence of illumination light L I2 that is a plane wave. Afocal optical system (lens 22 and 31) is imaged by entering the reproduction light L R2 generated in the spatial light modulator 21, forming a left-eye reproduced image to be viewed by the observer's left eye E L To do.

なお、右眼用表示装置に含まれるアフォーカル光学系(レンズ12,31)、および、左眼用表示装置に含まれるアフォーカル光学系(レンズ22,31)は、各々の後段光学系としてのレンズ31を共用していて、空間光変調素子11の像14と空間光変調素子21の像24とを互いに同一の空間領域に形成し、また、右眼用再生像と左眼用再生像とを互いに同一の空間領域(像14,24の近傍の空間領域)に形成する。   The afocal optical system (lenses 12 and 31) included in the right-eye display device and the afocal optical system (lenses 22 and 31) included in the left-eye display device are respectively used as subsequent optical systems. The lens 31 is shared, and the image 14 of the spatial light modulation element 11 and the image 24 of the spatial light modulation element 21 are formed in the same spatial region, and a reproduction image for the right eye and a reproduction image for the left eye Are formed in the same spatial region (a spatial region in the vicinity of the images 14 and 24).

右眼用表示装置において、空間光変調素子11の面はアフォーカル光学系(レンズ12,31)の光軸に垂直である。一方、左眼用表示装置においては、空間光変調素子21の面はアフォーカル光学系(レンズ22,31)の光軸に垂直な面に対して角度θだけ傾斜している。 In the display device for the right eye, the surface of the spatial light modulator 11 is perpendicular to the optical axis of the afocal optical system (lenses 12 and 31). On the other hand, in the display device for the left eye, the surface of the spatial light modulator 21 is inclined by an angle θ 1 with respect to the surface perpendicular to the optical axis of the afocal optical system (lenses 22 and 31).

右眼用表示装置において、アフォーカル光学系の前段光学系であるレンズ12の後焦点面に設けられているマスク13は、大きさ「λf/P」以下の開口を有し、空間光変調素子11で発生した再生光のうち±1次および±2次等の高次回折像を除去し、0次再生光のみを通過させる。また、左眼用表示装置において、アフォーカル光学系の前段光学系であるレンズ22の後焦点面に設けられているマスク23は、大きさ「λf/P」以下の開口を有し、空間光変調素子21で発生した再生光のうち±1次および±2次等の高次回折像を除去し、0次再生光のみを通過させる。ここで、Pは空間光変調素子11,21の画素ピッチであり、λは照明光LI1,LI2の波長である。 In the display device for the right eye, the mask 13 provided on the rear focal plane of the lens 12 that is the front stage optical system of the afocal optical system has an opening having a size of “λf 1 / P” or less, and spatial light modulation. High-order diffraction images such as ± 1st order and ± 2nd order are removed from the reproduced light generated by the element 11, and only the 0th-order reproduced light is allowed to pass through. In the left-eye display device, the mask 23 provided on the rear focal plane of the lens 22 which is the front stage optical system of the afocal optical system has an opening having a size of “λf 1 / P” or less, and is a space. High-order diffraction images such as ± 1st order and ± 2nd order are removed from the reproduction light generated by the light modulation element 21, and only the 0th-order reproduction light is passed. Here, P is the pixel pitch of the spatial light modulators 11 and 21, and λ is the wavelength of the illumination light L I1 and L I2 .

次に、空間光変調素子で発生する再生光から高次回折波を除去する方法について説明する。図2は、空間光変調素子11における再生光の発生の様子を示す平面図である。空間光変調素子11が離散的画素構造を有することから、平面波である照明光が空間光変調素子11に対して垂直入射すると、同図に示されるように、空間光変調素子11で発生する再生光のうちのn次回折波は、レンズ12の後焦点面上の位置Aに集光される。なお、同図は平面図を表していて、水平方向の集光点Aが離散的に示されているが、レンズ12の後焦点面において2次元的に集光点が離散的に存在する。 Next, a method for removing high-order diffracted waves from the reproduction light generated by the spatial light modulator will be described. FIG. 2 is a plan view showing how the reproduction light is generated in the spatial light modulator 11. Since the spatial light modulator 11 has a discrete pixel structure, when illumination light that is a plane wave is perpendicularly incident on the spatial light modulator 11, reproduction is generated in the spatial light modulator 11 as shown in FIG. n next Oriha of the light is focused at a position a n on the focal plane of the lens 12. Incidentally, the figure have represents a plan view, but focusing point A n in the horizontal direction are discretely shown, two-dimensionally converging point at the focal plane of the lens 12 are present discretely .

空間光変調素子11で発生する再生光のうちのn次回折波の回折角をθとすると、この回折角θ、回折次数n、照明光波長λおよび画素ピッチPの間に下記(3)式が成り立つ。したがって、n次回折波の回折角をθは下記(4)式で表される。 When the diffraction angle of the n next Oriha of reproduction light generated at the spatial light modulator 11 and theta o, the diffraction angle theta o, the diffraction order n, the following between the illumination light wavelength λ and a pixel pitch P (3 ) Formula holds. Therefore, the diffraction angle of the n-order Oriha theta o is expressed by the following equation (4).

Figure 0004804877
Figure 0004804877

Figure 0004804877
Figure 0004804877

凸レンズ12の中心を通過するn次回折波の光線は、そのまま直進し、また、空間光変調素子11の他の位置で発生するn次回折波も、凸レンズ12の中心を通過する光線に平行であることから、n次回折波は凸レンズ12の後焦点面の点Aに集光する。同図では、空間光変調素子11はレンズ12の前焦点面に位置しているが、この位置に拘らず、空間光変調素子11が前後に配置しても回折角は同等であり、平行光はレンズ12の後焦点面上の点Aで集光することになる。レンズ12の後焦点面における光軸から集光点Aまでの距離は下記(5)式で表される。 The n-th order diffracted light beam that passes through the center of the convex lens 12 travels straight, and the n-th order diffracted wave generated at another position of the spatial light modulator 11 is also parallel to the light beam that passes through the center of the convex lens 12. since there, n next Oriha is focused on a point a n of the back focal plane of the convex lens 12. In the figure, the spatial light modulation element 11 is located at the front focal plane of the lens 12, but regardless of this position, the diffraction angle is the same even if the spatial light modulation element 11 is arranged at the front and back, and the parallel light It will be condensed by a n points on the focal plane of the lens 12. Distance from the optical axis to the focusing point A n in the focal plane of the lens 12 is expressed by the following equation (5).

Figure 0004804877
Figure 0004804877

次数nが小さいときには、上記(5)式の最右辺の分母は略1であるので、上記(5)式は下記(6)式で近似される。この式から判るように、レンズ12の後焦点面において、各次数の回折波の集光点は等間隔に配列される。   When the order n is small, since the denominator of the rightmost side of the above equation (5) is approximately 1, the above equation (5) is approximated by the following equation (6). As can be seen from this equation, the condensing points of the diffracted waves of the respective orders are arranged at equal intervals on the rear focal plane of the lens 12.

Figure 0004804877
Figure 0004804877

図3は、レンズ12の後焦点面における各次数の回折波の集光の様子を示す図である。ホログラムが呈示された空間光変調素子11に照明光が入射したときに発生する再生光の各次数の回折波は、レンズ12の後焦点面において集光点Aを中心とする正方形領域を通過する。各次数の回折波は、同一の波面であるが、異なる光量である。これらの各次数の回折波の波面は、互いに異なった角度を持って進むので、各々が形成する再生像は互いにずれて重なったものとなる。そこで、0次回折光のみを取り出し他の高次の回折光を遮断して像の重なりを除去するため、レンズ12の後焦点面に、一辺の大きさ「λf/P」以下の正方形の開口を有するマスク13を配置し、その開口の中心部に0次透過光の集光点を遮光する遮光板を配置する。なお、空間光変調素子11が光の振幅および位相の双方を変調することが可能である場合には、この0次透過光の集光点を遮光する遮光板は不要である。 FIG. 3 is a diagram illustrating how the diffracted waves of the respective orders are collected on the rear focal plane of the lens 12. Diffracted waves of each order of the reproduction light illumination light to the spatial light modulator 11 in which a hologram is presented occurs when the incident is passed through a square area centered on the focal point A n at the focal plane of the lens 12 To do. The diffracted waves of the respective orders have the same wavefront but different amounts of light. Since the wavefronts of these orders of diffracted waves travel at different angles, the reconstructed images formed by them are shifted and overlapped with each other. Therefore, in order to take out only the 0th-order diffracted light and block other high-order diffracted light to remove the image overlap, a square aperture of one side size “λf 1 / P” or less is formed on the rear focal plane of the lens 12. Is disposed, and a light shielding plate for shielding the condensing point of the 0th-order transmitted light is disposed at the center of the opening. If the spatial light modulator 11 can modulate both the amplitude and phase of light, a light shielding plate that shields the condensing point of the zeroth order transmitted light is unnecessary.

図4は、第1実施形態に係る三次元像表示システム1における左眼用表示装置(空間光変調素子21から像24に到る光学系)を示す平面図である。ここでは、図1中のミラー25を省略して、アフォーカル光学系(レンズ22,31)の光軸が一直線上にあるものとする。左眼用表示装置においては、空間光変調素子21の面は、アフォーカル光学系(レンズ22,31)の光軸に垂直な面に対して角度θだけ傾斜しており、平面波である照明光LI2は、この傾斜した空間光変調素子21に対して垂直入射する。 FIG. 4 is a plan view showing a left-eye display device (an optical system from the spatial light modulation element 21 to the image 24) in the three-dimensional image display system 1 according to the first embodiment. Here, it is assumed that the mirror 25 in FIG. 1 is omitted and the optical axes of the afocal optical systems (lenses 22 and 31) are on a straight line. In the left-eye display device, the surface of the spatial light modulation element 21 is inclined by an angle θ 1 with respect to a surface perpendicular to the optical axis of the afocal optical system (lenses 22 and 31), and is an illumination that is a plane wave. The light L I2 is perpendicularly incident on the inclined spatial light modulator 21.

空間光変調素子21で発生する再生光の各次数の回折波は、空間光変調素子11の場合と同様の回折角で空間光変調素子21から出射される。空間光変調素子21で発生する再生光のうちのn次回折波は、レンズ22の後焦点面上の位置Bに集光される。空間光変調素子21で発生する再生光の各次数の回折波は、図2に示した場合と同じ角度を持つ回折波であり、その次数が等しい回折光は平行となるため、レンズ22の後焦点面で集光する集光点の間隔は上記(6)式と同じとなる。ここで、光量の大きいものは0次光であり、レンズ22の後焦点面に、集光点Bを中心に一辺の大きさ「λf/P」以下の正方形の開口を有するマスク23を配置して、0次回折光のみを取り出し、他の高次の回折光を遮断する。0次回折光の強度は高次回折光に比較し通常1桁以上大きいため、再生の光量として光源を有効に使うことができる。 The diffracted waves of the respective orders of the reproduction light generated by the spatial light modulator 21 are emitted from the spatial light modulator 21 at the same diffraction angle as that of the spatial light modulator 11. The nth-order diffracted wave of the reproduction light generated by the spatial light modulator 21 is collected at a position Bn on the rear focal plane of the lens 22. The diffracted waves of the respective orders of the reproduction light generated by the spatial light modulator 21 are diffracted waves having the same angle as that shown in FIG. 2, and the diffracted lights having the same order are parallel to each other. The interval between the condensing points for condensing light at the focal plane is the same as the above equation (6). Here, the light having a large amount of light is 0th-order light, and a mask 23 having a square opening having a side size “λf 1 / P” or less around the condensing point B 0 is formed on the rear focal plane of the lens 22. It is arranged to take out only the 0th-order diffracted light and block other high-order diffracted light. Since the intensity of the 0th-order diffracted light is usually more than an order of magnitude higher than that of the higher-order diffracted light, the light source can be used effectively as the reproduction light quantity.

図5は、第1実施形態に係る三次元像表示システム1における右眼用表示装置(空間光変調素子11から像14に到る光学系)と左眼用表示装置(空間光変調素子21から像24に到る光学系)とを互いに重ねて示す平面図である。ここでも、図1中のミラー25を省略して、アフォーカル光学系(レンズ12,31)およびアフォーカル光学系(レンズ22,31)それぞれの光軸が互いに一致するものとする。また、この図では、各々2つの輝点を再生させるホログラムを空間光変調素子11および空間光変調素子21それぞれに呈示し、空間光変調素子11,12で発生する再生光により実像点Cおよび虚像点Dを形成した場合について、これらの光束を重ねて示す。 FIG. 5 shows a display device for the right eye (an optical system from the spatial light modulation element 11 to the image 14) and a display device for the left eye (from the spatial light modulation element 21) in the three-dimensional image display system 1 according to the first embodiment. FIG. 6 is a plan view showing the optical system reaching the image 24) superimposed on each other. Also here, the mirror 25 in FIG. 1 is omitted, and the optical axes of the afocal optical system (lenses 12 and 31) and the afocal optical system (lenses 22 and 31) are assumed to coincide with each other. Further, in this figure, holograms for reproducing two bright spots are presented to the spatial light modulation element 11 and the spatial light modulation element 21 respectively, and the real image point C 1 and the reproduction light generated by the spatial light modulation elements 11 and 12 are displayed. for the case of forming the image points D 1, shown superimposed these light beams.

実像点Cは、レンズ12,22により虚像点Cへ虚像化され、さらにレンズ31により実像点Cとされる。また、虚像点Dは、レンズ12,22,31により虚像点Dへ虚像化され実像点Dとされる。 The real image point C 1 is converted into a virtual image point C 2 by the lenses 12 and 22, and further converted into a real image point C 3 by the lens 31. Further, the virtual image point D 1 is converted into a virtual image point D 2 by the lenses 12, 22, and 31 to be a real image point D 3 .

空間光変調素子11が光軸に対して傾きを持たない場合の再生光の光束は、レンズ12の後焦点面の0次透過光の集光点Aを中心とした少なくとも大きさ「λf/P」の正方形の内部の領域を通過し、実像点C,Dで集光された後、光軸に平行となる中心軸を持つ光束として発散する。 When the spatial light modulator 11 has no inclination with respect to the optical axis, the light beam of the reproduction light has at least a size “λf 1 ” centered on the condensing point A 0 of the 0th order transmitted light on the rear focal plane of the lens 12. / P "passes through the area inside the square, is collected at the real image points C 3 and D 3 , and then diverges as a light beam having a central axis parallel to the optical axis.

光軸に対して角度θだけ傾斜した空間光変調素子21に対して照明平面波が垂直入射する場合の再生光の光束は、レンズ22の後焦点面の0次透過光の集光点Bを中心とした少なくとも大きさ「λf/P」の正方形の内部の領域を通過し、実像点C,Dで集光された後、光軸に対して角度θの傾きとなる中心軸を持つ光束として発散する。 The light beam of the reproduction light when the illumination plane wave is perpendicularly incident on the spatial light modulator 21 inclined by the angle θ 1 with respect to the optical axis is the condensing point B 0 of the 0th order transmitted light on the rear focal plane of the lens 22. A center that passes through at least a region inside a square having a size of “λf 1 / P” and is focused at the real image points C 3 and D 3 and then has an angle θ 2 with respect to the optical axis. Diverges as a luminous flux with an axis.

観察者の右眼Eの視線を光軸に対して平行とするとともに観察者の左眼Eの視線を光軸に対して角度θだけ傾けることにより、すなわち、空間光変調素子21の像24の中心を視線交点とすることにより、観察者は両眼で実像点C,Dを観測することが可能となる。この場合、視差、輻輳および目の焦点調節機能を満足する自然な観察が可能となり、角度θを大きく取ることで近距離での三次元再生像の観察が可能となる。単眼で観測できる視野角θeは、アフォーカル光学系の倍率をMとして、下記(7)式または(8)式で表される。この角度範囲に空間光変調素子11,21の全体が結像される倍率Mを選択する。 By tilting angle theta 2 with respect to the optical axis line of sight of the left eye E L of the observer with the line of sight of the observer's right eye E R and parallel to the optical axis, i.e., the spatial light modulator 21 By setting the center of the image 24 as the line-of-sight intersection, the observer can observe the real image points C 3 and D 3 with both eyes. In this case, parallax, it is possible to naturally observed to satisfy the focusing function of the congestion and eye, three-dimensional reconstructed image of the observation at close range by a large angle theta 2 is possible. The viewing angle θe that can be observed with a single eye is expressed by the following formula (7) or (8), where M is the magnification of the afocal optical system. A magnification M at which the entire spatial light modulators 11 and 21 are imaged in this angular range is selected.

Figure 0004804877
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Figure 0004804877
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次に、空間光変調素子21をY1軸の回りに角度θだけ傾けた場合、観察者の眼によって観察される輝点の再生位置から空間光変調素子21上で再生すべき輝点の位置への変換について説明する。観察者の両眼の間隔をEとし、両眼の中心から空間光変調素子11,21の像14,24の中心までの距離(すなわち観察距離)をLとすると、角度θは、下記(9)式または(10)式で表される。 Next, the case where the spatial light modulator 21 is tilted by the angle theta 1 around the Y1 axis, the position of the bright point to be reproduced on the spatial light modulation element 21 from the reproduction position of the bright spot to be observed by the eye of the observer The conversion to will be described. If the distance between the eyes of the observer is E and the distance from the center of both eyes to the centers of the images 14 and 24 of the spatial light modulators 11 and 21 (that is, the observation distance) is L, the angle θ 2 is 9) It is represented by the formula or the formula (10).

Figure 0004804877
Figure 0004804877

Figure 0004804877
Figure 0004804877

図6は、空間光変調素子21およびその像24を示す平面図である。この図では、空間光変調素子21と像24との間のアフォーカル光学系の図示は省略されており、空間光変調素子21で発生する再生光による虚像点D、および、この虚像点Dに対応する実像点Dが示されている。 FIG. 6 is a plan view showing the spatial light modulator 21 and its image 24. In this figure, the afocal optical system between the spatial light modulation element 21 and the image 24 is not shown, and the virtual image point D 1 by the reproduction light generated in the spatial light modulation element 21 and the virtual image point D A real image point D 3 corresponding to 1 is shown.

この図に示されるように、アフォーカル光学系(レンズ22,31)の後段レンズ31の後焦点位置を原点とするX2-Y2-Z2座標系を設定する。Y2軸は垂直方向であり、Z2軸はアフォーカル光学系の光軸と一致する。空間光変調素子21の中心位置を原点とするX1-Y1-Z1座標系を設定する。Y1軸は垂直方向であり、Z1軸はアフォーカル光学系の光軸と一致する。また、空間光変調素子21の中心位置を原点とするXs-Ys-Zs座標系を設定する。Ys軸は垂直方向であり、Zs軸は空間光変調素子21の面に対して垂直方向である。   As shown in this figure, an X2-Y2-Z2 coordinate system is set with the rear focal position of the rear lens 31 of the afocal optical system (lenses 22 and 31) as the origin. The Y2 axis is the vertical direction, and the Z2 axis coincides with the optical axis of the afocal optical system. An X1-Y1-Z1 coordinate system with the center position of the spatial light modulator 21 as the origin is set. The Y1 axis is the vertical direction, and the Z1 axis coincides with the optical axis of the afocal optical system. In addition, an Xs-Ys-Zs coordinate system with the center position of the spatial light modulator 21 as the origin is set. The Ys axis is the vertical direction, and the Zs axis is the vertical direction with respect to the plane of the spatial light modulator 21.

照明光入射により空間光変調素子2が形成する虚像点Dの位置をX1-Y1-Z1座標系で(x,y,z)と表し、観察される実像点Dの位置をX2-Y2-Z2座標系で(x,y,z)と表す。これら虚像点Dおよび実像点Dそれぞれの座標値の間には、下記(11)式または(12)式で表される関係がある。ここで、Mはアフォーカル光学系の倍率である。 The position of the virtual image point D 1 formed by the spatial light modulation element 2 by the illumination light incidence is expressed as (x 1 , y 1 , z 1 ) in the X1-Y1-Z1 coordinate system, and the observed position of the real image point D 3 is It is expressed as (x 2 , y 2 , z 2 ) in the X2-Y2-Z2 coordinate system. Between these image points D 1 and object point D 3 each coordinate value, relationship expressed by the following equation (11) or (12). Here, M is the magnification of the afocal optical system.

Figure 0004804877
Figure 0004804877

Figure 0004804877
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また、空間光変調素子21の傾斜角θと空間光変調素子21の像24の傾斜角θとの間には、下記(13)式または(14)式で表される関係がある。 In addition, there is a relationship represented by the following formula (13) or (14) between the tilt angle θ 1 of the spatial light modulator 21 and the tilt angle θ 2 of the image 24 of the spatial light modulator 21.

Figure 0004804877
Figure 0004804877

Figure 0004804877
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X1-Y1-Z1座標系における座標値をXs-Ys-Zs座標系における座標値に変換する回転行列をTθは、下記(15)式で表される。そして、X1-Y1-Z1座標系で表した虚像点Dの位置(x,y,z)は、下記(16)式により、Xs-Ys-Zs座標系で表した虚像点Dの位置(x,y,z)に変換される。 A rotation matrix Tθ 1 for converting a coordinate value in the X1-Y1-Z1 coordinate system into a coordinate value in the Xs-Ys-Zs coordinate system is expressed by the following equation (15). Then, the position (x 1 , y 1 , z 1 ) of the virtual image point D 1 expressed in the X1-Y1-Z1 coordinate system is the virtual image point D expressed in the Xs-Ys-Zs coordinate system according to the following equation (16). Is converted to a position of 1 (x s , y s , z s ).

Figure 0004804877
Figure 0004804877

Figure 0004804877
Figure 0004804877

なお、空間光変調素子21とその像24との間にミラーを挿入する場合には、そのミラーの数に留意して、上記(11a),(11b)式および上記(12a),(12b)式に適宜符号を与える必要がある。以上が左眼Eに提示すべき輝点の座標変換についての説明である。右眼Eに提示すべき輝点の座標変換については、(11)式および(12)式を用いるが、回転の変換は不要である。 When inserting a mirror between the spatial light modulation element 21 and the image 24, paying attention to the number of mirrors, the equations (11a) and (11b) and the above (12a) and (12b) It is necessary to give a sign to the formula as appropriate. This concludes the description of the coordinate transformation of the bright point to be presented to the left eye E L. The coordinate conversion of the bright point to be presented to the right eye E R, (11) uses a formula and (12), conversion of the rotation is not required.

次に、空間光変調素子11,21に呈示すべきホログラムを計算する方法について説明する。この計算方法は、空間光変調素子が光の振幅および位相の双方を空間的に変調するものであるか、および、空間光変調素子が光の振幅および位相の何れか一方のみを空間的に変調するものであるか、によって異なる。また、この計算方法としては、球面波法と、FFT(Fast Fourier Transform)を用いたフレネル変換法と、がある。以下では4つの場合に分けて計算方法について説明する。   Next, a method for calculating a hologram to be presented to the spatial light modulation elements 11 and 21 will be described. In this calculation method, the spatial light modulation element spatially modulates both the amplitude and phase of light, and the spatial light modulation element spatially modulates only one of the amplitude and phase of light. It depends on what you want to do. As the calculation method, there are a spherical wave method and a Fresnel transform method using FFT (Fast Fourier Transform). Hereinafter, the calculation method will be described in four cases.

最初に、空間光変調素子が光の振幅および位相の双方を変調するものである場合に球面波法によりホログラムを計算する方法について説明する。   First, a method for calculating a hologram by the spherical wave method when the spatial light modulation element modulates both the amplitude and phase of light will be described.

表示すべき三次元再生像がq個の輝点から構成されているものとし、q個の輝点のうちのh番目の輝点が(x,y,z)の位置で振幅Iを持つとし、空間光変調素子の画素数をN×Nとし、空間光変調素子の第m行第n列にある画素における波面の複素振幅分布O(m,n)は下記(17)式で表される。このとき、隣接する画素間の位相がπを越えない(すなわち、輝点と画素位置との間の距離の差がλ/2を超えない範囲)のみで計算することが重要である。 It is assumed that the three-dimensional reproduced image to be displayed is composed of q bright spots, and the h-th bright spot among the q bright spots is the amplitude I at the position of (x s , y s , z s ). h , the number of pixels of the spatial light modulator is N × N, and the complex amplitude distribution O h (m, n) of the wavefront at the pixel in the m-th row and n-th column of the spatial light modulator is (17) It is expressed by an expression. At this time, it is important to calculate only when the phase between adjacent pixels does not exceed π (that is, the range in which the difference in distance between the bright spot and the pixel position does not exceed λ / 2).

Figure 0004804877
Figure 0004804877

また、座標値zhが負の場合(すなわち、輝点が空間光変調素子に対しアフォーカル光学系の側に位置する場合)は、複素共役をとって、光の向きを修正する必要がある。そして、全ての輝点からの波面を累積加算することにより、波面の局所成分O(m,n)は下記(18)式で表される。   When the coordinate value zh is negative (that is, when the bright spot is located on the afocal optical system side with respect to the spatial light modulator), it is necessary to take a complex conjugate to correct the direction of light. Then, by accumulating the wavefronts from all the bright spots, the local component O (m, n) of the wavefront is expressed by the following equation (18).

Figure 0004804877
Figure 0004804877

以上のようにして、空間光変調素子が光の振幅および位相の双方を変調するものである場合に空間光変調素子に呈示すべきホログラムが球面波法により計算される。   As described above, when the spatial light modulation element modulates both the amplitude and phase of light, the hologram to be presented to the spatial light modulation element is calculated by the spherical wave method.

次に、空間光変調素子が光の振幅および位相の双方を変調するものである場合にフレネル変換法によりホログラムを計算する方法について説明する。   Next, a method for calculating a hologram by the Fresnel transformation method when the spatial light modulation element modulates both the amplitude and phase of light will be described.

空間光変調素子上の波面O(i,j)は、輝点の波面o(i,j)からの逆フレネル変換やフレネル変換により求められる。また、逆フレネル変換を用いる替わりに、輝点から空間光変調素子までフレネル変換した後、波面の方向を逆にするため複素共役をとってもよい。   The wavefront O (i, j) on the spatial light modulator is obtained by inverse Fresnel transformation or Fresnel transformation from the wavefront o (i, j) of the bright spot. Further, instead of using the inverse Fresnel transform, a complex conjugate may be taken to reverse the direction of the wave front after the Fresnel transform from the bright spot to the spatial light modulator.

フレネル変換を高速に計算するには、フレネル変換は輝点の波面と伝搬関数との畳み込み積分であることから、下記(19)式で表されるように、実像波面o(i,j)のフーリエ変換と伝搬関数((1/r)exp(jkr))のフーリエ変換との積を逆フーリエ変換して計算することと等価である。   In order to calculate the Fresnel transformation at high speed, since the Fresnel transformation is a convolution integral of the wavefront of the bright spot and the propagation function, the real image wavefront o (i, j) is expressed as shown in the following equation (19). This is equivalent to calculating the inverse Fourier transform of the product of the Fourier transform and the propagation function ((1 / r) exp (jkr)).

Figure 0004804877
Figure 0004804877

ここで、Fはフーリエ変換を表し、kは波数である。また、輝点からホログラムまでのz方向距離をz とすると、rは下記(20)式で表される。 Here, F represents a Fourier transform, and k is a wave number. Further, if the z-direction distance from the bright spot to the hologram is z s , r is expressed by the following equation (20).

Figure 0004804877
Figure 0004804877

実際の計算では、離散的に実行されるため、常にナイキスト間隔の吟味が必要である。このため、伝搬関数を機械的にフーリエ変換するのではなく、伝搬関数のフーリエ変換を解析的に解いた下記の近似式(21)式を使用してもよい。ここで、μは空間周波数である。   Since actual calculations are performed discretely, it is always necessary to examine the Nyquist interval. For this reason, instead of mechanically transforming the propagation function, the following approximate expression (21) obtained by analytically solving the Fourier transform of the propagation function may be used. Here, μ is a spatial frequency.

Figure 0004804877
Figure 0004804877

以上の計算を離散的に表現すると、以下のとおりである。伝搬距離をzとし、ホログラムのピッチをPとし、輝点での波面分布をo(Pm,Pn)とし、ホログラム面での波面をO(Pm,Pn)とし、伝搬関数をf(Pm,Pn)とすると、ホログラム面での波面O(Pm,Pn)は下記(22)式で表される。この式により空間光変調素子上の波面が求められる。このとき、隣接する画素間の位相がπを越えない(すなわち、輝点と画素位置との間の距離の差がλ/2を超えない範囲)のみで計算することが重要である。 The above calculation is expressed discretely as follows. The propagation distance is z s , the pitch of the hologram is P, the wavefront distribution at the bright spot is o (Pm, Pn), the wavefront on the hologram surface is O (Pm, Pn), and the propagation function is f (Pm, Pn). Pn), the wavefront O (Pm, Pn) on the hologram surface is expressed by the following equation (22). From this equation, the wavefront on the spatial light modulator is obtained. At this time, it is important to calculate only when the phase between adjacent pixels does not exceed π (that is, the range in which the difference in distance between the bright spot and the pixel position does not exceed λ / 2).

Figure 0004804877
Figure 0004804877

フレネル伝搬距離zによっては、下記(23)式を用いた方が好ましい。このときも、隣接する画素間の位相がπを越えない(すなわち、輝点と画素位置との間の距離の差がλ/2を超えない範囲)のみで計算することが重要である。 Depending on the Fresnel propagation distance z s , it is preferable to use the following equation (23). Also at this time, it is important to calculate only when the phase between adjacent pixels does not exceed π (that is, the range in which the difference in distance between the bright spot and the pixel position does not exceed λ / 2).

Figure 0004804877
Figure 0004804877

以上のフレネル変換を空間光変調素子との距離の異なる輝点の数だけ繰り返し、求めた波面を累積加算して、空間光変調素子に書き込むホログラムを求める。以上のようにして、空間光変調素子が光の振幅および位相の双方を変調するものである場合に空間光変調素子に呈示すべきホログラムがフレネル変換方により計算される。   The above Fresnel conversion is repeated for the number of bright spots having different distances from the spatial light modulation element, and the obtained wavefronts are cumulatively added to obtain a hologram to be written in the spatial light modulation element. As described above, when the spatial light modulation element modulates both the amplitude and phase of light, the hologram to be presented to the spatial light modulation element is calculated by the Fresnel conversion method.

次に、空間光変調素子が光の振幅および位相の何れか一方のみを変調するものである場合に球面波法によりホログラムを計算する方法について説明する。前述したような光の振幅および位相の双方を変調する空間光変調素子を用いる場合と比較して、光の振幅および位相の何れか一方のみを変調する空間光変調素子を用いる場合には、波面計算に際して以下の2点に留意することが重要である。   Next, a method for calculating a hologram by the spherical wave method when the spatial light modulation element modulates only one of the amplitude and phase of light will be described. When using a spatial light modulator that modulates only one of the amplitude and phase of light as compared to the case of using a spatial light modulator that modulates both the amplitude and phase of light as described above, the wavefront It is important to note the following two points in the calculation.

第1の留意点として、輝点から空間光変調素子上に伝搬する波面の半分についてのみ波面を計算し、残りの半分についてはデータとして0を与える。すなわち、輝点を通過する空間光変調素子からの法線を中心としたホログラム表示領域において、その法線とXs軸に平行に仮定した線分を線対称軸として、Ys軸の正の向きの領域(以下「Ys領域」という。)と、Ys軸の負の向きの領域(以下「Ys領域」という。)とに2分する。そして、Ys領域のみに伝搬関数を計算する場合と、Ys領域のみに伝搬関数を計算する場合と、の2種類を実施する。 As a first point of attention, the wavefront is calculated only for half of the wavefront propagating from the bright spot onto the spatial light modulator, and 0 is given as data for the remaining half. That is, in the hologram display region centered on the normal line from the spatial light modulation element that passes through the bright spot, the line segment assumed to be parallel to the normal line and the Xs axis is used as the axis of symmetry of the Ys axis. A region (hereinafter referred to as “Ys + region”) and a region in the negative direction of the Ys axis (hereinafter referred to as “Ys region”) are divided into two. Then, a case of calculating the transfer function only Ys + region Ys - performed in the case of calculating only the propagation function region, two types of.

第2の留意点として、アフォーカル光学系の前段レンズ12,22の後焦点面に置かれたマスク13,23の開口それぞれは、0次光透過光の集光点を通りXs軸に平行な線分を線対称とした半分の開口に制限される。すなわち、右眼用表示装置のマスク13については、A点より下の開口を塞ぎ上の開口を残す場合と、A点より上の開口を塞ぎ下の開口を残す場合との2種類を実施する。また、左眼用表示装置のマスク23については、B点より下の開口を塞ぎ上の開口を残す場合と、B点より上の開口を塞ぎ下の開口を残す場合との2種類を実施する。 As a second point of attention, each of the apertures of the masks 13 and 23 placed on the back focal planes of the front lenses 12 and 22 of the afocal optical system passes through the condensing point of the 0th-order transmitted light and is parallel to the Xs axis. The opening is limited to a half opening with line segments symmetrical. That is, the mask 13 of the right-eye display device includes a case leaving an opening on closing the opening below the A 0-point, two kinds of the case to leave an opening at the bottom closes the opening above the A 0 points carry out. Also, the mask 23 of the left-eye display device, and when leaving an opening on closing the opening below the 0 point B, two kinds of the case to leave an opening at the bottom closes the opening above the zero point B carry out.

表示すべき三次元再生像がq個の輝点から構成されているものとし、q個の輝点のうちのh番目の輝点が(x,y,z)の位置で振幅Iを持つとし、空間光変調素子の画素数をN×Nとする。Ys領域のみで伝搬関数を計算する場合には、空間光変調素子の第m行第n列にある画素における波面の複素振幅分布O(m,n)は、下記(24)式および(25)式で表される。一方、Ys領域のみで伝搬関数を計算する場合には、空間光変調素子の第m行第n列にある画素における波面の複素振幅分布O(m,n)は、下記(26)式および(27)式で表される。このとき、隣接する画素間の位相がπを越えない(すなわち、輝点と画素位置との間の距離の差がλ/2を超えない範囲)のみで計算することが重要である。 It is assumed that the three-dimensional reproduced image to be displayed is composed of q bright spots, and the h-th bright spot among the q bright spots is the amplitude I at the position of (x s , y s , z s ). h and the number of pixels of the spatial light modulator is N × N. When calculating the propagation function only in the Ys region, the complex amplitude distribution O h (m, n) of the wavefront in the pixel in the m-th row and the n-th column of the spatial light modulator is expressed by the following equation (24) and ( 25). On the other hand, when calculating the propagation function only in the Ys + region, the complex amplitude distribution O h (m, n) of the wavefront in the pixel in the m-th row and the n-th column of the spatial light modulator is given by the following equation (26): And (27). At this time, it is important to calculate only when the phase between adjacent pixels does not exceed π (that is, the range in which the difference in distance between the bright spot and the pixel position does not exceed λ / 2).

Figure 0004804877
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Figure 0004804877
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Figure 0004804877
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また、座標値zhが負の場合(すなわち、輝点が空間光変調素子に対しアフォーカル光学系の側に位置する場合)は、複素共役をとって、光の向きを修正する必要がある。そして、全ての輝点からの波面を累積加算することにより、波面の局所成分O(m,n)は下記(28)式で表される。   When the coordinate value zh is negative (that is, when the bright spot is located on the afocal optical system side with respect to the spatial light modulator), it is necessary to take a complex conjugate to correct the direction of light. Then, by accumulating the wavefronts from all the bright spots, the local component O (m, n) of the wavefront is expressed by the following equation (28).

Figure 0004804877
Figure 0004804877

さらに、この(28)式の実数成分を下記(29)式により抽出することで、光の振幅および位相の何れか一方のみを変調する空間光変調素子に呈示すべきホログラム分布ON(i,j)を求める。また、実数成分のみを抽出する別の手法として、上記(24)式以降を実数のみで計算してもよい。   Further, by extracting the real number component of the equation (28) by the following equation (29), the hologram distribution ON (i, j) to be presented to the spatial light modulation element that modulates only one of the amplitude and the phase of light. ) Further, as another method for extracting only the real number component, the above equation (24) and after may be calculated using only the real number.

Figure 0004804877
Figure 0004804877

以上のようにして、空間光変調素子が光の振幅および位相の何れか一方のみを変調するものである場合に空間光変調素子に呈示すべきホログラムが球面波法により計算される。   As described above, when the spatial light modulation element modulates only one of the amplitude and phase of light, the hologram to be presented to the spatial light modulation element is calculated by the spherical wave method.

次に、空間光変調素子が光の振幅および位相の何れか一方のみを変調するものである場合にフレネル変換法によりホログラムを計算する方法について説明する。この場合にも、上述した第1および第2の留意点に留意することが重要である。   Next, a method for calculating a hologram by the Fresnel transformation method when the spatial light modulation element modulates only one of the amplitude and phase of light will be described. Also in this case, it is important to pay attention to the first and second points to be noted.

空間光変調素子上の波面O(i,j)は、輝点の波面o(i,j)からの逆フレネル変換やフレネル変換により求められる。また、逆フレネル変換を用いる替わりに、輝点から空間光変調素子までフレネル変換した後、波面の方向を逆にするため複素共役をとってもよい。   The wavefront O (i, j) on the spatial light modulator is obtained by inverse Fresnel transformation or Fresnel transformation from the wavefront o (i, j) of the bright spot. Further, instead of using the inverse Fresnel transform, a complex conjugate may be taken to reverse the direction of the wave front after the Fresnel transform from the bright spot to the spatial light modulator.

フレネル変換を高速に計算するには、フレネル変換は輝点の波面と伝搬関数との畳み込み積分であることから、下記(30)式で表されるように、実像波面o(i,j)のフーリエ変換と伝搬関数((1/r)exp(jkr))のフーリエ変換との積を逆フーリエ変換して計算することと等価である。   In order to calculate the Fresnel transform at high speed, since the Fresnel transform is a convolution integral of the wavefront of the bright spot and the propagation function, the real image wavefront o (i, j) can be expressed by the following equation (30). This is equivalent to calculating the inverse Fourier transform of the product of the Fourier transform and the propagation function ((1 / r) exp (jkr)).

Figure 0004804877
Figure 0004804877

ここで、Fはフーリエ変換を表し、kは波数である。また、輝点からホログラムまでのz方向距離をz とすると、rは下記(31)式で表される。 Here, F represents a Fourier transform, and k is a wave number. Further, when the z-direction distance from the bright spot to the hologram is z s , r is expressed by the following equation (31).

Figure 0004804877
Figure 0004804877

空間光変調素子により形成される虚像再生像および実像再生像のうちの何れを用いるかを、後述する開口内の遮光部分によって切り替えるために、2つの場合分けを利用して、Ysの場合またはYsの場合において、下記(32)式で表されるように伝搬関数の値を0とする。 Whether to use any of a virtual image reproduced image and real reproduced image formed by the spatial light modulation element, in order to switch the light-shielding portion of the opening to be described later, by utilizing the two case analysis, the case of Ys + or In the case of Ys , the value of the propagation function is set to 0 as represented by the following equation (32).

Figure 0004804877
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伝搬関数を機械的にフーリエ変換するのではなく、伝搬関数のフーリエ変換を解析的に解いた下記の近似式(33)式を使用してもよい。ここで、μは空間周波数である。   Instead of mechanically Fourier transforming the propagation function, the following approximate expression (33) obtained by analytically solving the Fourier transform of the propagation function may be used. Here, μ is a spatial frequency.

Figure 0004804877
Figure 0004804877

以上の計算を離散的に表現すると、以下のとおりである。伝搬距離をzとし、ホログラムのピッチをPとし、輝点での波面分布をo(Pm,Pn)とし、ホログラム面での波面をO(Pm,Pn)とし、伝搬関数をf(Pm,Pn)とすると、ホログラム面での波面O(Pm,Pn)は下記(34)式で表される。この式により空間光変調素子上の波面が求められる。ただし、伝搬関数f(Pm,Pn)について、Ysの場合には下記(35)式とし、Ysの場合には下記(36)式とする。このとき、隣接する画素間の位相がπを越えない(すなわち、輝点と画素位置との間の距離の差がλ/2を超えない範囲)のみで計算することが重要である。 The above calculation is expressed discretely as follows. The propagation distance is z s , the pitch of the hologram is P, the wavefront distribution at the bright spot is o (Pm, Pn), the wavefront on the hologram surface is O (Pm, Pn), and the propagation function is f (Pm, Pn). Pn), the wavefront O (Pm, Pn) on the hologram surface is expressed by the following equation (34). From this equation, the wavefront on the spatial light modulator is obtained. However, the transfer function f (Pm, Pn) for, when the Ys + is the following equation (35), Ys - the following equation (36) in the case of. At this time, it is important to calculate only when the phase between adjacent pixels does not exceed π (that is, the range in which the difference in distance between the bright spot and the pixel position does not exceed λ / 2).

Figure 0004804877
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Figure 0004804877
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Figure 0004804877
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フレネル伝搬距離zによっては、下記(37)式を用いた方が好ましい。ただし、伝搬関数を半平面とすると、そのフーリエ変換も半平面となるから、伝搬関数f(Pm,Pn)のフーリエ変換について、Ysの場合には下記(38)式とし、Ysの場合には下記(39)式とする。このときも、隣接する画素間の位相がπを越えない(すなわち、輝点と画素位置との間の距離の差がλ/2を超えない範囲)のみで計算することが重要である。 Depending on the Fresnel propagation distance z s , it is preferable to use the following equation (37). However, when the propagation function and the half-plane, and because the even Fourier transform becomes half plane, propagation function f (Pm, Pn) for the Fourier transform of the case of Ys + The following equation (38), Ys - the case of Is the following equation (39). Also at this time, it is important to calculate only when the phase between adjacent pixels does not exceed π (that is, the range in which the difference in distance between the bright spot and the pixel position does not exceed λ / 2).

Figure 0004804877
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Figure 0004804877
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Figure 0004804877
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以上のフレネル変換を空間光変調素子との距離の異なる輝点の数だけ繰り返し、求めた波面を累積加算して、空間光変調素子に書き込むホログラムを求める。以上のようにして、空間光変調素子が光の振幅および位相の何れか一方のみを変調するものである場合に空間光変調素子に呈示すべきホログラムがフレネル変換法により計算される。   The above Fresnel conversion is repeated for the number of bright spots having different distances from the spatial light modulation element, and the obtained wavefronts are cumulatively added to obtain a hologram to be written in the spatial light modulation element. As described above, when the spatial light modulation element modulates only one of the amplitude and phase of light, the hologram to be presented to the spatial light modulation element is calculated by the Fresnel transform method.

次に、光の振幅および位相の何れか一方のみを変調する空間光変調素子を用いた場合であって上記のように半平面のみで伝搬関数を利用したときにおけるマスク13,23による遮光について説明する。   Next, a description will be given of light shielding by the masks 13 and 23 when a spatial light modulation element that modulates only one of the amplitude and phase of light is used and the propagation function is used only in the half plane as described above. To do.

図7は、第1実施形態に係る三次元像表示システム1における右眼用表示装置(空間光変調素子11から像14に到る光学系)を示す斜視図である。同図(a)は、その斜視図を示す。同図(b)は、マスク13の正面図を示す。この図は、1個の輝点対してYsの半平面伝搬関数を畳み込んだ計算結果であるホログラムを空間光変調素子11に提示し、空間光変調素子11に垂直に入射した照明平面波による再生像を示している。輝点1個に対して半平面伝搬関数を畳み込んだ計算結果は、余弦波ゾーンプレートを中心対称に半分としたものとなる。 FIG. 7 is a perspective view showing a right-eye display device (an optical system from the spatial light modulation element 11 to the image 14) in the three-dimensional image display system 1 according to the first embodiment. The figure (a) shows the perspective view. FIG. 2B shows a front view of the mask 13. In this figure, a hologram, which is a calculation result obtained by convolving a Ys half-plane propagation function with respect to one bright spot, is presented to the spatial light modulator 11, and the illumination plane wave incident perpendicularly to the spatial light modulator 11 is used. A reconstructed image is shown. The calculation result obtained by convolving the half-plane propagation function with respect to one bright spot is obtained by halving the cosine wave zone plate in a central symmetry.

余弦波ゾーンプレートのうち照明されている一部を拡大して考えると、回折格子が記録されているものとみなせる。この回折格子にビーム状の微小な平面波が入射すると、0次透過光(0次光)が発生するだけでなく、角度を伴って回折される±1次光も発生する。+1次回折光は実像点Cを発生させ、−1次回折光は虚像点Dを発生させる。ホログラム全体が照明されているため、それぞれの微小部分でこの様な±1次回折光が発生し、実像点Cおよび虚像点Dを形成する。実像点Cおよび虚像点Dは、レンズ12,31によるアフォーカル光学系により伝送され、実像点C,Dを形成する。 When the illuminated part of the cosine wave zone plate is enlarged, it can be considered that the diffraction grating is recorded. When a beam-like plane wave is incident on this diffraction grating, not only 0th order transmitted light (0th order light) is generated but also ± 1st order light that is diffracted with an angle is generated. Order diffracted light to generate a real image point C 1, -1 order diffracted light generates the image points D 1. Since the entire hologram is illuminated, such ± first-order diffracted light is generated in each minute portion, and a real image point C 1 and a virtual image point D 1 are formed. The real image point C 1 and the virtual image point D 1 are transmitted by the afocal optical system including the lenses 12 and 31 to form real image points C 3 and D 3 .

図7の余弦波ゾーンプレート上において、輝点(実像点C,虚像点D)から遠い(すなわち、中心から離れた)入射位置では、余弦波ゾーンプレートの間隔が小さいため、回折格子としての間隔も狭く、したがって、回折角は大きくなる。反対に、輝点(実像点C,虚像点D)に近い(すなわち、中心に近い)入射位置では、余弦波ゾーンプレートの間隔が大きいため、回折格子としての間隔も大きく、したがって、回折角は小さくなる。 On the cosine wave zone plate of FIG. 7, at the incident position far from the bright point (real image point C 1 , virtual image point D 1 ) (ie, away from the center), the distance between the cosine wave zone plates is small, Therefore, the diffraction angle becomes large. On the other hand, at the incident position close to the luminescent spot (real image point C 1 , virtual image point D 1 ) (that is, close to the center), the distance between the cosine wave zone plates is large, so the distance as the diffraction grating is also large. The corner becomes smaller.

そして、+1次回折光および−1次回折光それぞれの回折角は互いに等しいことから、ホログラム面から実像点Cまでの距離と、ホログラム面から虚像点Dまでの距離とは、互いに等しい。したがって、実像点Cおよび虚像点Dはは、ホログラム面を対称面とする互いに面対称の位置に再生されることになる。マスク13の開口は、0次回折波を透過させるが、更にこの開口を集光点より上下に2分し片方を遮光する遮光板を加えることにより、以下に説明する空間光変調素子11が再生する実像点Cおよび虚像点Dの何れか一方を選択する機能を有する。 The + 1 since order diffracted light and -1-order diffracted light each diffraction angles are equal to each other, the distance from the hologram surface to object point C 1, and the distance from the hologram plane to the virtual image point D 1, equal to each other. Therefore, the real image point C 1 and the virtual image point D 1 are reproduced at positions symmetrical with respect to each other with the hologram plane as a symmetry plane. The aperture of the mask 13 transmits the 0th-order diffracted wave, but the spatial light modulator 11 described below reproduces by further adding a light-shielding plate that divides the aperture into two above and below the condensing point and shields one of them. having any function of selecting one of the real image points C 1 and image points D 1 to.

図8および図9は、第1実施形態に係る三次元像表示システム1における右眼用表示装置(空間光変調素子11から像14に到る光学系)において、Ysの半平面伝搬関数を利用した場合の光束を示す側面図である。図8は虚像点Dの光束を示し、図9は実像点Cの光束を示す。Ysの半平面伝搬関数による再生の場合には、虚像再生像Dからの光線は光軸に対して下向きであり、実像再生像Cからの光線は光軸に対して上向きである。したがって、レンズ12の後焦点面で光軸より上の光線を遮光すると、ホログラムの虚像再生像がレンズによって結像した実像が得られ(図8)、レンズ12の後焦点面で光軸より下の光線を遮光すると、ホログラムの実像再生像がレンズによって虚像化した像が得られる(図9)。 8 and 9 show the Ys half-plane propagation function in the right-eye display device (the optical system from the spatial light modulator 11 to the image 14) in the three-dimensional image display system 1 according to the first embodiment. It is a side view which shows the light beam at the time of utilizing. Figure 8 shows a light beam of image points D 1, FIG. 9 shows a light beam of the real image point C 1. In the case of reproduction by the Ys half-plane propagation function, the light beam from the virtual image reproduction image D 1 is downward with respect to the optical axis, and the light beam from the real image reproduction image C 1 is upward with respect to the optical axis. Therefore, when the light beam above the optical axis is shielded on the rear focal plane of the lens 12, a real image obtained by forming the virtual image reproduction image of the hologram by the lens is obtained (FIG. 8), and below the optical axis on the rear focal plane of the lens 12. When the light beam is blocked, a real image reproduction image of the hologram is obtained as a virtual image by the lens (FIG. 9).

図10および図11は、第1実施形態に係る三次元像表示システム1における右眼用表示装置(空間光変調素子11から像14に到る光学系)において、Ysの半平面伝搬関数を利用した場合の光束を示す側面図である。図10は虚像点Dの光束を示し、図11は実像点Cの光束を示す。Ysの半平面伝搬関数による再生の場合には、虚像再生像Dからの光線は光軸に対して上向きであり、実像再生像Cからの光線は光軸に対して下向きである。したがって、レンズ12の後焦点面で光軸より下の光線を遮光すると、ホログラムの虚像再生像がレンズによって結像した実像が得られ(図10)、レンズ12の後焦点面で光軸より上の光線を遮光すると、ホログラムの実像再生像がレンズによって虚像化した像が得られる(図11)。 10 and 11 show Ys + half-plane propagation functions in the right-eye display device (optical system from the spatial light modulator 11 to the image 14) in the three-dimensional image display system 1 according to the first embodiment. It is a side view which shows the light beam at the time of utilizing. Figure 10 shows a light beam of image points D 1, Figure 11 shows the luminous flux of object point C 1. In the case of reproduction by half-plane propagation function ys + is light from the virtual image reproduced image D 1 is the upward relative to the optical axis, light rays from the real image reproduced image C 1 is downward with respect to the optical axis. Therefore, if light rays below the optical axis are shielded on the rear focal plane of the lens 12, a real image in which a virtual image reproduction image of the hologram is formed by the lens is obtained (FIG. 10), and above the optical axis on the rear focal plane of the lens 12. When the light beam is blocked, a real image reproduction image of the hologram is obtained as a virtual image by the lens (FIG. 11).

再生物体が複数の輝点によって構成されていても、ホログラム面上では、畳み込み積分の性質上、1点の半平面伝搬関数を複数重ね合わせたものとなるため、再生の様子も1点の半平面伝搬関数によるホログラムと同様になる。   Even if the reconstructed object is composed of a plurality of bright spots, on the hologram surface, due to the nature of convolution integral, a plurality of one-point half-plane propagation functions are superimposed, so that the state of reproduction is also one-half Similar to a hologram with a plane propagation function.

以上のように、第1実施形態に係る三次元像表示システムおよび当該システムを用いた三次元表示方法では、右眼用表示装置および左眼用表示装置を用いることにより、視域を確保することができるとともに、システムの小型化が可能となる。また、空間光変調素子で発生する再生光のうち0次回折波を利用することから、明るい像が得られ、また、照明光の利用効率がよい。   As described above, in the 3D image display system and the 3D display method using the system according to the first embodiment, the viewing area is secured by using the right eye display device and the left eye display device. And miniaturization of the system. In addition, since the 0th-order diffracted wave is used in the reproduction light generated by the spatial light modulator, a bright image can be obtained and the use efficiency of the illumination light is good.

(第2実施形態)
次に、本発明に係る三次元像表示システムの第2実施形態について説明する。第2実施形態でも、0次回折波を複数用いて視域を広げるに際して、少なくとも2枚のレンズで構成されるアフォーカル光学系の後段のレンズを共用化して部品数を削減する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the three-dimensional image display system according to the present invention will be described. Also in the second embodiment, when the viewing zone is expanded by using a plurality of 0th-order diffracted waves, the latter lens of the afocal optical system composed of at least two lenses is shared to reduce the number of parts.

図12は、第2実施形態に係る三次元像表示システム2の平面図である。この三次元像表示システム2は3組の表示装置を備える。この図では、ミラーやハーフミラー等の図示を省略して、3組の表示装置それぞれに含まれるアフォーカル光学系を互いに重ねて表示している。   FIG. 12 is a plan view of the 3D image display system 2 according to the second embodiment. The three-dimensional image display system 2 includes three sets of display devices. In this figure, illustration of a mirror, a half mirror, etc. is abbreviate | omitted, and the afocal optical system contained in each of 3 sets of display apparatuses is mutually superimposed and displayed.

3組の表示装置のうち、第1表示装置は、空間光変調素子51から像54までの光学系を含み、アフォーカル光学系としてレンズ52およびレンズ81を含む。第2表示装置は、空間光変調素子61から像64までの光学系を含み、アフォーカル光学系としてレンズ62およびレンズ81を含む。また、第3表示装置は、空間光変調素子71から像74までの光学系を含み、アフォーカル光学系としてレンズ72およびレンズ81を含む。像54,64,74は、アフォーカル光学系による空間光変調素子51,61,71の像である。   Of the three sets of display devices, the first display device includes an optical system from the spatial light modulation element 51 to the image 54, and includes a lens 52 and a lens 81 as an afocal optical system. The second display device includes an optical system from the spatial light modulator 61 to the image 64, and includes a lens 62 and a lens 81 as an afocal optical system. The third display device includes an optical system from the spatial light modulator 71 to the image 74, and includes a lens 72 and a lens 81 as an afocal optical system. Images 54, 64, and 74 are images of the spatial light modulation elements 51, 61, and 71 using an afocal optical system.

3個の空間光変調素子51,61,71は、アフォーカル光学系に対して特定の角度を持って互いに傾斜して配置されている。また、3個の空間光変調素子51,61,71それぞれは、平面波である照明光が垂直入射する。ここで、上記の空間光変調素子の特定の角度は、n次回折波の進行方向とアフォーカル光学系の光軸とを一致させ得るものあり、n番目の空間光変調素子の配置角度θは下記(40)式で示される。 The three spatial light modulators 51, 61, 71 are arranged to be inclined with respect to each other with a specific angle with respect to the afocal optical system. In addition, illumination light that is a plane wave is vertically incident on each of the three spatial light modulation elements 51, 61, and 71. Here, the specific angle of the spatial light modulator is such that the traveling direction of the nth-order diffracted wave can coincide with the optical axis of the afocal optical system, and the arrangement angle θ n of the nth spatial light modulator Is represented by the following equation (40).

Figure 0004804877
Figure 0004804877

空間光変調素子が光軸に対し角度を持っていても、照明平面波が空間光変調素子に垂直に入射し回折波を発生させるが、その回折波の角度は(40)式に従うため、レンズ52,62,72に入射する高次回折光は、互いに平行であり、レンズ52,62,72の後焦点面で上記(5)式および(6)式と同様の振る舞いを示す。   Even if the spatial light modulator has an angle with respect to the optical axis, the illumination plane wave is incident perpendicularly to the spatial light modulator to generate a diffracted wave. The angle of the diffracted wave follows the equation (40), and therefore the lens 52 , 62, 72 are parallel to each other, and exhibit the same behavior as the above expressions (5) and (6) on the rear focal planes of the lenses 52, 62, 72.

図12において、光軸に垂直な面に対し角度θで配置された空間光変調素子に垂直に照明平面波を入射させると、その空間光変調素子で発生する0次回折光は、図2中の集光点Aの様に、角度0で配置された空間光変調素子に垂直に照明平面波を入射させた場合のn次回折波の集光点に集光する。 In FIG. 12, when an illumination plane wave is incident perpendicularly to a spatial light modulator arranged at an angle θ n with respect to a plane perpendicular to the optical axis, the 0th-order diffracted light generated by the spatial light modulator is shown in FIG. focusing point a as the n, focused on the n next Oriha the focal point when a is incident illumination plane wave vertically arranged spatial light modulator at angles 0.

例えば、角度θを与えられた空間光変調素子に照明平面波を垂直に入射させると、0次回折光は集光点Aに集光し、−1次回折光は集光点Aに集光し、+1次回折光は集光点Aに集光する。このとき、−1次回折光は、角度を与えずに配置した空間光変調素子に対して照明平面波を垂直に入射させた場合の0次回折光と同一の光束をたどることになる。 For example, when an illumination plane wave is vertically incident on a spatial light modulator having an angle θ 1 , the 0th-order diffracted light is condensed at the condensing point A 1 and the −1st-order diffracted light is condensed at the condensing point A 0 . and, + 1-order diffracted light is focused at the focal point a 2. At this time, the −1st order diffracted light follows the same light beam as the 0th order diffracted light when the illumination plane wave is vertically incident on the spatial light modulator arranged without giving an angle.

さらに例えば、角度θを与えられた空間光変調素子に照明平面波を垂直に入射させると、0次回折光は集光点Aに集光し、−1次回折光は集光点Aに集光し、−2次回折光は集光点Aに集光する。このとき、−2次回折光は、角度を与えずに配置した空間光変調素子に対して照明平面波を垂直に入射させた場合の0次回折光と同一の光束をたどることになる。 Further, for example, when an illumination plane wave is vertically incident on a spatial light modulator having an angle θ 2 , the 0th-order diffracted light is collected at the condensing point A 2 and the −1st-order diffracted light is collected at the condensing point A 1 . light and -2-order diffracted light is focused on the focal point a 0. At this time, the −2nd order diffracted light follows the same luminous flux as the 0th order diffracted light when the illumination plane wave is vertically incident on the spatial light modulator arranged without giving an angle.

以上のように、上記(40)式で表される角度θを与えられて配置された空間光変調素子に垂直な照明平面波を入射させたとき、その空間光変調素子で発生する0次回折波は、アフォーカル光学系により異なった経路をたどり再結像するが、その異なった経路とは上記(5)式または(6)式で示す位置を経たものとなる。ホログラムによって発生した波面はn次回折波にそれぞれ等しく含まれるが、そのうち0次回折波の強度が最大となるため、この0次回折波を用いて三次元物体の再生を行うことが光源の有効利用となる。 As described above, when the illumination plane wave perpendicular to the spatial light modulation element arranged with the angle θ n represented by the above equation (40) is incident, the zeroth-order diffraction generated in the spatial light modulation element. The waves follow a different path by the afocal optical system and are re-imaged. The different paths pass through positions indicated by the above formula (5) or (6). The wavefront generated by the hologram is equally contained in the nth-order diffracted wave, but the intensity of the 0th-order diffracted wave is maximized. Therefore, it is effective to reproduce the three-dimensional object using this 0th-order diffracted wave. It becomes use.

ここで、図4と同様に、アフォーカル光学系の後段レンズ81の後焦点位置を原点とするX2-Y2-Z2座標系を設定する。Y2軸は垂直方向であり、Z2軸はアフォーカル光学系の光軸と一致する。空間光変調素子の中心位置を原点とするX1-Y1-Z1座標系を設定する。Y1軸は垂直方向であり、Z1軸はアフォーカル光学系の光軸と一致する。また、空間光変調素子の中心位置を原点とするXs-Ys-Zs座標系を設定する。Ys軸は垂直方向であり、Zs軸は空間光変調素子の面に対して垂直方向である。   Here, as in FIG. 4, the X2-Y2-Z2 coordinate system is set with the rear focal position of the rear lens 81 of the afocal optical system as the origin. The Y2 axis is the vertical direction, and the Z2 axis coincides with the optical axis of the afocal optical system. An X1-Y1-Z1 coordinate system having the origin at the center position of the spatial light modulator is set. The Y1 axis is the vertical direction, and the Z1 axis coincides with the optical axis of the afocal optical system. Also, an Xs-Ys-Zs coordinate system with the center position of the spatial light modulator as the origin is set. The Ys axis is the vertical direction, and the Zs axis is the vertical direction with respect to the plane of the spatial light modulator.

照明光入射により空間光変調素子が形成する虚像点Dの位置をX1-Y1-Z1座標系で(x,y,z)と表し、観察される実像点Dの位置をX2-Y2-Z2座標系で(x,y,z)と表す。これら虚像点Dおよび実像点Dそれぞれの座標値の間には、上記(11)式または(12)式で表される関係がある。 The position of the virtual image point D 1 formed by the spatial light modulation element by the illumination light incidence is expressed as (x 1 , y 1 , z 1 ) in the X1-Y1-Z1 coordinate system, and the observed position of the real image point D 3 is X2 It is expressed as (x 2 , y 2 , z 2 ) in the -Y2-Z2 coordinate system. Between the coordinate values of the virtual image point D 1 and the real image point D 3, there is a relationship represented by the above expression (11) or (12).

X1-Y1-Z1座標系における座標値をXs-Ys-Zs座標系における座標値に変換する回転行列をTθは、下記(41)式で表される。そして、X1-Y1-Z1座標系で表した虚像点Dの位置(x,y,z)は、下記(42)式により、Xs-Ys-Zs座標系で表した虚像点Dの位置(x,y,z)に変換される。 The rotation matrix Tθ n for converting the coordinate value in the X1-Y1-Z1 coordinate system into the coordinate value in the Xs-Ys-Zs coordinate system is expressed by the following equation (41). The position (x 1 , y 1 , z 1 ) of the virtual image point D 1 expressed in the X1-Y1-Z1 coordinate system is expressed by the virtual image point D expressed in the Xs-Ys-Zs coordinate system according to the following equation (42). Is converted to a position of 1 (x s , y s , z s ).

Figure 0004804877
Figure 0004804877

Figure 0004804877
Figure 0004804877

また、空間光変調素子の像の傾きθonは、空間光変調素子の傾きθnに対して、下記(43)式または(44)式で表される関係がある。さらに、この(44)式に上記(40)式を代入して近似すると、下記(45)式が得られる。 Further, the inclination θ on of the image of the spatial light modulation element has a relationship represented by the following expression (43) or (44) with respect to the inclination θn of the spatial light modulation element. Further, when the above equation (40) is substituted into this equation (44) and approximated, the following equation (45) is obtained.

Figure 0004804877
Figure 0004804877

Figure 0004804877
Figure 0004804877

Figure 0004804877
Figure 0004804877

ホログラムを計算する方法は第1実施形態の場合と同様である。   The method for calculating the hologram is the same as in the first embodiment.

次に、図13を用いて、再生輝点の発散角が増加して視域が拡大されることを説明する。図13は、第2実施形態に係る三次元像表示システム2における再生光の発生の様子を示す平面図である。この図でも、ミラーやハーフミラー等の図示を省略して、3組の表示装置それぞれに含まれるアフォーカル光学系を互いに重ねて表示している。また、この図では、各々2つの輝点を再生させるホログラムを空間光変調素子51,61,71それぞれに呈示し、空間光変調素子51,61,71で発生する再生光により実像点Cおよび虚像点Dを形成した場合について、これらの光束を重ねて示す。 Next, it will be described with reference to FIG. 13 that the divergence angle of the reproduction bright spot is increased and the viewing zone is enlarged. FIG. 13 is a plan view showing a state of reproduction light generation in the three-dimensional image display system 2 according to the second embodiment. Also in this figure, illustration of a mirror, a half mirror, etc. is abbreviate | omitted, and the afocal optical system contained in each of three sets of display apparatuses is mutually superimposed and displayed. Further, in this figure, holograms for reproducing two bright spots are presented to the spatial light modulation elements 51, 61, 71, respectively, and the real image point C 1 and the reproduction light generated by the spatial light modulation elements 51, 61, 71 are displayed. for the case of forming the image points D 1, shown superimposed these light beams.

実像点Cは、レンズ52,62,72により虚像点Cへ虚像化され、さらにレンズ81により実像点Cとされる。また、虚像点Dは、レンズ52,62,72,31により虚像点Dへ虚像化され実像点Dとされる。 The real image point C 1 is converted into a virtual image point C 2 by the lenses 52, 62, and 72, and further converted into a real image point C 3 by the lens 81. Further, the virtual image point D 1 is converted into a virtual image point D 2 by the lenses 52, 62, 72, and 31 to be a real image point D 3 .

空間光変調素子51が光軸に対して傾きを持たない場合の再生光の光束は、レンズ52の後焦点面の0次透過光の集光点Aを中心とした少なくとも大きさ「λf/P」の正方形の内部の領域を通過し、実像点C,Dで集光された後、光軸に平行となる中心軸を持つ光束として発散する。 When the spatial light modulator 51 is not inclined with respect to the optical axis, the light beam of the reproduction light has at least a size “λf 1 ” centered on the condensing point A 0 of the 0th order transmitted light on the rear focal plane of the lens 52. / P "passes through the area inside the square, is collected at the real image points C 3 and D 3 , and then diverges as a light beam having a central axis parallel to the optical axis.

光軸に対して角度θだけ傾斜した空間光変調素子61に対して照明平面波が垂直入射する場合の再生光の光束は、レンズ62の後焦点面の0次透過光の集光点A+1を中心とした少なくとも大きさ「λf/P」の正方形の内部の領域を通過し、実像点C,Dで集光された後、光軸に対して角度θo1の傾きとなる中心軸を持つ光束として発散する。 The light beam of the reproduction light when the illumination plane wave is perpendicularly incident on the spatial light modulation element 61 inclined by the angle θ 1 with respect to the optical axis is the condensing point A +1 of the 0th order transmitted light on the rear focal plane of the lens 62. A center that passes through at least a region inside a square having a size of “λf 1 / P” and is focused at the real image points C 3 and D 3 and then has an angle θ o1 with respect to the optical axis. Diverges as a luminous flux with an axis.

光軸に対して角度(−θ)だけ傾斜した空間光変調素子71に対して照明平面波が垂直入射する場合の再生光の光束は、レンズ72の後焦点面の0次透過光の集光点A−1を中心とした少なくとも大きさ「λf/P」の正方形の内部の領域を通過し、実像点C,Dで集光された後、光軸に対して角度θo-1の傾きとなる中心軸を持つ光束として発散する。 When the illumination plane wave is perpendicularly incident on the spatial light modulator 71 tilted by an angle (−θ 1 ) with respect to the optical axis, the light beam of the reproduction light is collected by the zero-order transmitted light on the rear focal plane of the lens 72. The light passes through at least a region inside a square having a size of “λf 1 / P” centered on the point A− 1 , is condensed at the real image points C 3 and D 3 , and then has an angle θ o− with respect to the optical axis. Diverges as a light beam having a central axis with an inclination of 1 .

レンズ52,62,72の後焦点面での大きさ「λf/P」の開口が連続して配置しているため、実像点C,Dからの発散光束は、連続したものとなり、連続した視域の拡大となる。したがって、第1実施形態の様に視点を固定する必要が無くなる。 Since the apertures of the size “λf 1 / P” on the rear focal planes of the lenses 52, 62, and 72 are continuously arranged, the divergent light beams from the real image points C 3 and D 3 are continuous, The continuous viewing zone is expanded. Therefore, it is not necessary to fix the viewpoint as in the first embodiment.

図12および図13では空間光変調素子51,61,71が同一空間領域に存在するかの如く表示した。空間光変調素子および照明光源を一体にして1組だけ設けて、これらの方位を時系列的に変化させるとともに、その方位に応じて、ホログラムを空間光変調素子に呈示し、アフォーカル光学系の前段レンズの後焦点面における開口の位置を例えば電磁シャッタで変化させてもよい。しかし、より好適かつ簡便には、図14に示されるような構成とすればよい。   12 and 13, the spatial light modulation elements 51, 61 and 71 are displayed as if they exist in the same spatial region. Only one set of the spatial light modulation element and the illumination light source is provided, and these directions are changed in time series, and the hologram is presented to the spatial light modulation element according to the direction, and the afocal optical system The position of the opening on the rear focal plane of the front lens may be changed by, for example, an electromagnetic shutter. However, a configuration as shown in FIG. 14 may be used more suitably and simply.

図14は、第2実施形態に係る三次元像表示システム2の平面図である。この図に示される三次元像表示システム2は、空間光変調素子51,レンズ52,マスク53,空間光変調素子61,レンズ62,マスク63,ミラー65,空間光変調素子71,レンズ72,マスク73,ミラー75およびレンズ81を備える。空間光変調素子51,61,71は互いに同等の構成のものである。レンズ52,62,72は、互いに同等の構成のものであり、焦点距離fを有する。レンズ81は、焦点距離fを有する。マスク63とレンズ81との間の光路にミラー65が挿入されており、ミラー65によるレンズ62の虚像はレンズ52に重なる。マスク73とレンズ81との間の光路にミラー75が挿入されており、ミラー75によるレンズ72の虚像はレンズ52に重なる。 FIG. 14 is a plan view of the 3D image display system 2 according to the second embodiment. The three-dimensional image display system 2 shown in this figure includes a spatial light modulator 51, a lens 52, a mask 53, a spatial light modulator 61, a lens 62, a mask 63, a mirror 65, a spatial light modulator 71, a lens 72, and a mask. 73, a mirror 75 and a lens 81. The spatial light modulators 51, 61, 71 have the same configuration. Lens 52, 62, 72 is of comparable construction to each other, has a focal length f 1. Lens 81 has a focal length f 2. A mirror 65 is inserted in the optical path between the mask 63 and the lens 81, and the virtual image of the lens 62 by the mirror 65 overlaps the lens 52. A mirror 75 is inserted in the optical path between the mask 73 and the lens 81, and the virtual image of the lens 72 by the mirror 75 overlaps the lens 52.

空間光変調素子51とレンズ52との間の距離はfであり、レンズ52とマスク53との間の距離はfであり、マスク53とレンズ81との間の距離はfである。レンズ52およびレンズ81は、アフォーカル光学系を構成していて、レンズ81の後焦点面に空間光変調素子51の像54を形成する。空間光変調素子51,レンズ52,マスク53およびレンズ81は、1つの表示装置を構成している。この表示装置では、空間光変調素子51は、ホログラムが呈示され、平面波である照明光の垂直入射により再生光を発生する。アフォーカル光学系(レンズ52,81)は、空間光変調素子51で発生した再生光を入力し結像して再生像を形成する。 The distance between the spatial light modulator 51 and the lens 52 is f 1, the distance between the lens 52 and the mask 53 is f 1, the distance between the mask 53 and the lens 81 is f 2 . The lens 52 and the lens 81 constitute an afocal optical system, and form an image 54 of the spatial light modulation element 51 on the rear focal plane of the lens 81. The spatial light modulation element 51, the lens 52, the mask 53, and the lens 81 constitute one display device. In this display device, the spatial light modulation element 51 presents a hologram and generates reproduction light by vertical incidence of illumination light that is a plane wave. The afocal optical system (lenses 52 and 81) inputs the reproduction light generated by the spatial light modulation element 51 and forms an image by forming an image.

空間光変調素子61とレンズ62との間の距離はfであり、レンズ62とマスク63との間の距離はfであり、マスク63とレンズ81との間の距離はfである。レンズ62およびレンズ81は、アフォーカル光学系を構成していて、レンズ81の後焦点面に空間光変調素子61の像64を形成する。空間光変調素子61,レンズ62,マスク63およびレンズ81は、1つの表示装置を構成している。この表示装置では、空間光変調素子61は、ホログラムが呈示され、平面波である照明光の垂直入射により再生光を発生する。アフォーカル光学系(レンズ62,81)は、空間光変調素子61で発生した再生光を入力し結像して再生像を形成する。 The distance between the spatial light modulator 61 and the lens 62 is f 1, the distance between the lens 62 and the mask 63 is f 1, the distance between the mask 63 and the lens 81 is f 2 . The lens 62 and the lens 81 constitute an afocal optical system, and form an image 64 of the spatial light modulator 61 on the rear focal plane of the lens 81. The spatial light modulator 61, the lens 62, the mask 63, and the lens 81 constitute one display device. In this display device, the spatial light modulation element 61 presents a hologram and generates reproduction light by vertical incidence of illumination light that is a plane wave. The afocal optical system (lenses 62 and 81) inputs the reproduction light generated by the spatial light modulation element 61 and forms an image by forming an image.

また、空間光変調素子71とレンズ72との間の距離はfであり、レンズ72とマスク73との間の距離はfであり、マスク73とレンズ81との間の距離はfである。レンズ72およびレンズ81は、アフォーカル光学系を構成していて、レンズ81の後焦点面に空間光変調素子71の像74を形成する。空間光変調素子71,レンズ72,マスク73およびレンズ81は、1つの表示装置を構成している。この表示装置では、空間光変調素子71は、ホログラムが呈示され、平面波である照明光の垂直入射により再生光を発生する。アフォーカル光学系(レンズ72,81)は、空間光変調素子71で発生した再生光を入力し結像して再生像を形成する。 The distance between the spatial light modulator 71 and the lens 72 is f 1, the distance between the lens 72 and the mask 73 is f 1, the distance between the mask 73 and the lens 81 is f 2 It is. The lens 72 and the lens 81 constitute an afocal optical system, and form an image 74 of the spatial light modulator 71 on the rear focal plane of the lens 81. The spatial light modulator 71, the lens 72, the mask 73, and the lens 81 constitute one display device. In this display device, the spatial light modulator 71 presents a hologram and generates reproduction light by vertical incidence of illumination light that is a plane wave. The afocal optical system (lenses 72 and 81) inputs the reproduction light generated by the spatial light modulation element 71 and forms an image by forming an image.

なお、アフォーカル光学系(レンズ52,81)、アフォーカル光学系(レンズ62,81)、および、アフォーカル光学系(レンズ72,81)は、各々の後段光学系としてのレンズ81を共用していて、空間光変調素子51,61,71の像54,64,74を互いに同一の空間領域に形成し、また、各々の再生像を互いに同一の空間領域(像54,64,74の近傍の空間領域)に形成する。   The afocal optical system (lenses 52 and 81), the afocal optical system (lenses 62 and 81), and the afocal optical system (lenses 72 and 81) share the lens 81 as the subsequent optical system. The images 54, 64, 74 of the spatial light modulators 51, 61, 71 are formed in the same spatial region, and the reproduced images are formed in the same spatial region (near the images 54, 64, 74). Space region).

空間光変調素子61の面は、アフォーカル光学系(レンズ62,81)の光軸に垂直な面に対して角度(−θ)だけ傾斜している。また、空間光変調素子71の面は、アフォーカル光学系(レンズ72,81)の光軸に垂直な面に対して角度θだけ傾斜している。ここで、角度θは上記(40)式で表される。 The surface of the spatial light modulator 61 is inclined by an angle (−θ 1 ) with respect to a surface perpendicular to the optical axis of the afocal optical system (lenses 62 and 81). Further, the surface of the spatial light modulator 71 is inclined by an angle θ 1 with respect to a surface perpendicular to the optical axis of the afocal optical system (lenses 72 and 81). Here, the angle θ 1 is expressed by the above equation (40).

レンズ52の後焦点面に設けられているマスク53は、大きさ「λf/P」以下の開口を有し、空間光変調素子51で発生した再生光のうち±1次および±2次等の高次回折像を除去し、0次再生光のみを通過させる。レンズ62の後焦点面に設けられているマスク63は、大きさ「λf/P」以下の開口を有し、空間光変調素子61で発生した再生光のうち±1次および±2次等の高次回折像を除去し、0次再生光のみを通過させる。また、レンズ72の後焦点面に設けられているマスク73は、大きさ「λf/P」以下の開口を有し、空間光変調素子71で発生した再生光のうち±1次および±2次等の高次回折像を除去し、0次再生光のみを通過させる。ここで、Pは空間光変調素子51,61,71の画素ピッチであり、λは照明光の波長である。 The mask 53 provided on the rear focal plane of the lens 52 has an opening having a size of “λf 1 / P” or less, and ± 1st order, ± 2nd order, etc. of the reproduction light generated by the spatial light modulator 51. Are removed, and only the 0th order reproduction light is allowed to pass through. The mask 63 provided on the rear focal plane of the lens 62 has an opening having a size of “λf 1 / P” or less, and ± 1st order, ± 2nd order, etc. of the reproduction light generated by the spatial light modulator 61. Are removed, and only the 0th order reproduction light is allowed to pass through. The mask 73 provided on the rear focal plane of the lens 72 has an opening having a size of “λf 1 / P” or less, and ± 1st order and ± 2 of the reproduction light generated by the spatial light modulator 71. The next-order higher-order diffraction image is removed, and only the 0th-order reproduction light is allowed to pass. Here, P is the pixel pitch of the spatial light modulators 51, 61, 71, and λ is the wavelength of the illumination light.

以上のように構成される第2実施形態に係る三次元像表示システムでも、複数の表示装置を用いることにより、視域を確保することができるとともに、システムの小型化が可能となる。また、空間光変調素子で発生する再生光のうち0次回折波を利用することから、明るい像が得られ、また、照明光の利用効率がよい。   Even in the three-dimensional image display system according to the second embodiment configured as described above, by using a plurality of display devices, a viewing zone can be secured and the system can be downsized. In addition, since the 0th-order diffracted wave is used in the reproduction light generated by the spatial light modulator, a bright image can be obtained and the use efficiency of the illumination light is good.

第1実施形態に係る三次元像表示システム1の平面図である。1 is a plan view of a 3D image display system 1 according to a first embodiment. 空間光変調素子11における再生光の発生の様子を示す平面図である。3 is a plan view showing a state of reproduction light generation in the spatial light modulation element 11. FIG. レンズ12の後焦点面における各次数の回折波の集光の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of condensing of the diffraction wave of each order in the back focal plane of the lens. 第1実施形態に係る三次元像表示システム1における左眼用表示装置(空間光変調素子21から像24に到る光学系)を示す平面図である。It is a top view which shows the display apparatus for left eyes (the optical system from the spatial light modulation element 21 to the image 24) in the three-dimensional image display system 1 which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る三次元像表示システム1における右眼用表示装置(空間光変調素子11から像14に到る光学系)と左眼用表示装置(空間光変調素子21から像24に到る光学系)とを互いに重ねて示す平面図である。In the three-dimensional image display system 1 according to the first embodiment, a display device for the right eye (an optical system from the spatial light modulator 11 to the image 14) and a display device for the left eye (from the spatial light modulator 21 to the image 24). FIG. 空間光変調素子21およびその像24を示す平面図である。2 is a plan view showing a spatial light modulation element 21 and an image 24 thereof. FIG. 第1実施形態に係る三次元像表示システム1における右眼用表示装置(空間光変調素子11から像14に到る光学系)を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the display apparatus for right eyes (the optical system from the spatial light modulation element 11 to the image 14) in the three-dimensional image display system 1 which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る三次元像表示システム1における右眼用表示装置(空間光変調素子11から像14に到る光学系)において、Ysの半平面伝搬関数を利用した場合の光束を示す側面図である。FIG. 6 shows a light beam when a Ys half-plane propagation function is used in a right-eye display device (an optical system from the spatial light modulator 11 to the image 14) in the three-dimensional image display system 1 according to the first embodiment. It is a side view. 第1実施形態に係る三次元像表示システム1における右眼用表示装置(空間光変調素子11から像14に到る光学系)において、Ysの半平面伝搬関数を利用した場合の光束を示す側面図である。FIG. 6 shows a light beam when a Ys half-plane propagation function is used in a right-eye display device (an optical system from the spatial light modulator 11 to the image 14) in the three-dimensional image display system 1 according to the first embodiment. It is a side view. 第1実施形態に係る三次元像表示システム1における右眼用表示装置(空間光変調素子11から像14に到る光学系)において、Ysの半平面伝搬関数を利用した場合の光束を示す側面図である。FIG. 6 shows a light beam when a Ys + half-plane propagation function is used in the right-eye display device (an optical system from the spatial light modulator 11 to the image 14) in the three-dimensional image display system 1 according to the first embodiment. It is a side view. 第1実施形態に係る三次元像表示システム1における右眼用表示装置(空間光変調素子11から像14に到る光学系)において、Ysの半平面伝搬関数を利用した場合の光束を示す側面図である。FIG. 6 shows a light beam when a Ys + half-plane propagation function is used in the right-eye display device (an optical system from the spatial light modulator 11 to the image 14) in the three-dimensional image display system 1 according to the first embodiment. It is a side view. 第2実施形態に係る三次元像表示システム2の平面図である。It is a top view of the three-dimensional image display system 2 which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る三次元像表示システム2における再生光の発生の様子を示す平面図である。It is a top view which shows the mode of the generation | occurrence | production of the reproduction | regeneration light in the three-dimensional image display system 2 which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る三次元像表示システム2の平面図である。It is a top view of the three-dimensional image display system 2 which concerns on 2nd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1,2…三次元像表示システム、11…空間光変調素子、12…レンズ、13…マスク、14…像、21…空間光変調素子、22…レンズ、23…マスク、24…像、25…ミラー、31…レンズ、51…空間光変調素子、52…レンズ、53…マスク、54…像、61…空間光変調素子、62…レンズ、63…マスク、64…像、65…ミラー、71…空間光変調素子、72…レンズ、73…マスク、74…像、75…ミラー、81…レンズ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 ... Three-dimensional image display system, 11 ... Spatial light modulation element, 12 ... Lens, 13 ... Mask, 14 ... Image, 21 ... Spatial light modulation element, 22 ... Lens, 23 ... Mask, 24 ... Image, 25 ... Mirror, 31 ... lens, 51 ... spatial light modulator, 52 ... lens, 53 ... mask, 54 ... image, 61 ... spatial light modulator, 62 ... lens, 63 ... mask, 64 ... image, 65 ... mirror, 71 ... Spatial light modulation element, 72 ... lens, 73 ... mask, 74 ... image, 75 ... mirror, 81 ... lens.

Claims (4)

第1ホログラムが呈示され第1照明光の垂直入射により第1再生光を発生する第1空間光変調素子と、この第1空間光変調素子で発生した第1再生光を入力し結像して第1再生像を形成する第1アフォーカル光学系と、を含む第1表示装置と、
第2ホログラムが呈示され第2照明光の垂直入射により第2再生光を発生する第2空間光変調素子と、この第2空間光変調素子で発生した第2再生光を入力し結像して第2再生像を形成する第2アフォーカル光学系と、を含む第2表示装置と、
を備え、
前記第1アフォーカル光学系の前段光学系と後段光学系との間の光路および前記第2アフォーカル光学系の前段光学系と後段光学系との間の光路の双方または何れか一方にミラーが挿入されており、前記第1アフォーカル光学系および前記第2アフォーカル光学系のうちの一方の前段光学系のミラーによる虚像が、他方の前段光学系または該前段光学系のミラーによる虚像に重なり、
前記第1アフォーカル光学系および前記第2アフォーカル光学系それぞれの後段光学系が共通のものであり、
前記第1アフォーカル光学系および前記第2アフォーカル光学系が前記第1再生像および前記第2再生像を互いに同一の空間領域に形成し、
前記第2表示装置において、前記第2アフォーカル光学系の光軸に垂直な面に対して前記第2空間光変調素子の面が傾斜しており、
前記第1表示装置において、前記第1空間光変調素子の画素ピッチをPとし、前記第1アフォーカル光学系の前段光学系の焦点距離をfとし、前記第1照明光の波長をλとしたときに、大きさ「λf/P」以下の開口を有する第1マスクが前記第1アフォーカル光学系の前段光学系の後焦点面に設けられ、
前記第2表示装置において、前記第2空間光変調素子の画素ピッチをPとし、前記第2アフォーカル光学系の前段光学系の焦点距離をfとし、前記第2照明光の波長をλとしたときに、大きさ「λf/P」以下の開口を有する第2マスクが前記第2アフォーカル光学系の前段光学系の後焦点面に設けられている、
ことを特徴とする三次元像表示システム。
A first spatial light modulation element that presents a first hologram and generates first reproduction light by vertical incidence of the first illumination light, and inputs and images the first reproduction light generated by the first spatial light modulation element A first display device including a first afocal optical system for forming a first reproduced image;
A second spatial light modulation element that presents a second hologram and generates second reproduction light by vertical incidence of second illumination light, and inputs and images the second reproduction light generated by the second spatial light modulation element A second display device including a second afocal optical system for forming a second reproduced image;
With
Mirrors are provided on either or either of the optical path between the front optical system and the rear optical system of the first afocal optical system and the optical path between the front optical system and the rear optical system of the second afocal optical system. The virtual image by the mirror of one preceding optical system of the first afocal optical system and the second afocal optical system is overlapped with the virtual image by the other preceding optical system or the mirror of the preceding optical system. ,
The latter optical system of each of the first afocal optical system and the second afocal optical system is common,
The first afocal optical system and the second afocal optical system form the first reproduced image and the second reproduced image in the same spatial region;
In the second display device, a surface of the second spatial light modulator is inclined with respect to a surface perpendicular to the optical axis of the second afocal optical system,
In the first display device, the pixel pitch of the first spatial light modulator is P, the focal length of the front optical system of the first afocal optical system is f, and the wavelength of the first illumination light is λ. Sometimes, a first mask having an opening of a size “λf / P” or less is provided on the back focal plane of the front stage optical system of the first afocal optical system,
In the second display device, the pixel pitch of the second spatial light modulator is P, the focal length of the front optical system of the second afocal optical system is f, and the wavelength of the second illumination light is λ. Sometimes, a second mask having an opening of a size “λf / P” or less is provided on the rear focal plane of the front stage optical system of the second afocal optical system,
A three-dimensional image display system characterized by this.
前記第1表示装置において、前記第1空間光変調素子で発生した第1再生光に含まれる0次光が前記第1アフォーカル光学系の前段光学系により集光される点に、前記第1マスクの開口の中心が位置し、
前記第2表示装置において、前記第2空間光変調素子で発生した第2再生光に含まれる0次光が前記第2アフォーカル光学系の前段光学系により集光される点に、前記第2マスクの開口の中心が位置する、
ことを特徴とする請求項1記載の三次元像表示システム。
In the first display device, the first-order light included in the first reproduction light generated by the first spatial light modulation element is condensed by a first stage optical system of the first afocal optical system. The center of the mask opening is located,
In the second display device, the second-order light included in the second reproduction light generated by the second spatial light modulation element is condensed by the front optical system of the second afocal optical system. The center of the mask opening is located,
The three-dimensional image display system according to claim 1.
前記第2表示装置において、前記第2アフォーカル光学系の光軸に垂直な面に対する前記第2空間光変調素子の面の傾斜角度が、0以外の整数をnとしたときに「sin-1(nλ/P)」である、ことを特徴とする請求項1記載の三次元像表示システム。 In the second display device, when the inclination angle of the surface of the second spatial light modulator with respect to the surface perpendicular to the optical axis of the second afocal optical system is an integer other than 0 , “sin −1 The three-dimensional image display system according to claim 1, wherein (nλ / P) ”. 請求項1記載の三次元像表示システムを用いて三次元像を表示する方法であって、
前記第2表示装置において、前記第2アフォーカル光学系の光軸に垂直な面に対する前記第2空間光変調素子の面の傾斜角度を、前記三次元像を観察する観察者の位置および両眼間隔に応じて設定して、
前記第1表示装置により第1再生像を形成し、前記第2表示装置により第2再生像を形成する、
ことを特徴とする三次元像表示方法。
A method for displaying a three-dimensional image using the three-dimensional image display system according to claim 1, comprising:
In the second display device, the angle of inclination of the surface of the second spatial light modulator with respect to the surface perpendicular to the optical axis of the second afocal optical system, the position of the observer observing the three-dimensional image, and both eyes Set according to the interval,
Forming a first reproduced image by the first display device and forming a second reproduced image by the second display device;
A three-dimensional image display method characterized by the above.
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