JP2017003688A - Light beam control element and stereoscopic display device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光線の偏向を制御可能な光線制御素子、および、その光線制御素子を用いた立体表示装置に関する。 The present invention relates to a light beam control element capable of controlling the deflection of a light beam, and a stereoscopic display device using the light beam control element.
従来、立体像を表示する方式として、インテグラル方式が知られている。このインテグラル方式は、１９０８年にＬｉｐｐｍａｎｎが発表したインテグラルフォトグラフィー（ＩＰ：Integral Photography）と呼ばれる立体写真技術の原理に基づくものである。
ここで、図２８を参照して、ＩＰの原理について説明する。
ＩＰでは、図２８（ａ）に示すように、撮影時において、多数の小さな要素レンズＬ，Ｌ，…が２次元配列されたレンズアレーＬａを通して被写体Ｔを撮影する。ここで、被写体Ｔから射出される各光線は、要素レンズＬにより要素画像ｅとして、撮像素子（不図示）の各撮像画素Ｐ１，Ｐ２，…，Ｐｎに取得される。
Conventionally, an integral method is known as a method for displaying a stereoscopic image. This integral method is based on the principle of stereoscopic photography called Integral Photography (IP) announced by Lippmann in 1908.
Here, the principle of IP will be described with reference to FIG.
In the IP, as shown in FIG. 28A, at the time of photographing, the subject T is photographed through a lens array La in which a large number of small element lenses L, L,. Here, each light beam emitted from the subject T is acquired as an element image e by the element lens L to each of the imaging pixels P 1 , P 2 ,..., P n of the imaging element (not shown).
一方、ＩＰの表示において、図２８（ｂ）に示すように、各表示画素ＰＸ１，ＰＸ２，…，ＰＸｎを、撮影に用いたレンズアレーＬａに対する各撮像画素Ｐ１，Ｐ２，…，Ｐｎの位置関係と同じ場所に配置する。そして、各表示画素ＰＸ１，ＰＸ２，…，ＰＸｎから、撮影された輝度に変調された光線Ｘ１，Ｘ２，…，Ｘｎが放射され、レンズアレーＬａを通過することで、撮影時に撮像素子に入射した光線と逆方向に進行する光線となる。この光線が、被写体Ｔが存在した位置に被写体Ｔと等価な立体像Ｔ′を結ぶ。そして、観察者Ｏは、この空間に結像した立体像Ｔ′を見るため、特別なメガネを必要とせず、普段、ものを見るのと同じように立体像Ｔ′を見ることができる。 On the other hand, in the IP display, as shown in FIG. 28B, the display pixels PX 1 , PX 2 ,..., PX n are assigned to the imaging pixels P 1 , P 2 ,. , Pn are arranged at the same location. Then, light rays X 1 , X 2 ,..., X n modulated to the captured brightness are radiated from the display pixels PX 1 , PX 2 ,..., PX n and pass through the lens array La. Sometimes the light travels in the opposite direction to the light incident on the image sensor. This light ray forms a stereoscopic image T ′ equivalent to the subject T at the position where the subject T exists. Since the observer O sees the stereoscopic image T ′ formed in this space, the observer O does not need special glasses and can usually see the stereoscopic image T ′ in the same manner as when viewing an object.
この場合、立体像Ｔ′は、被写体Ｔと比較して奥行きが反転した像（逆視像）となるが、要素画像を点対称変換する手法等によって正転させることが可能である。なお、逆視像の回避手法は、本発明と直接関係がないため、ここでは詳細な説明は省略する。 In this case, the three-dimensional image T ′ is an image whose depth is inverted as compared to the subject T (back-viewed image), but can be rotated forward by a method such as a point-symmetric transformation of the element image. It should be noted that the method for avoiding the reverse vision image is not directly related to the present invention, and therefore a detailed description thereof is omitted here.
このインテグラル方式で再現される空間像の解像度限界は、レンズアレーのレンズの数で決まる。一方、レンズアレーの手前や奥に再生される立体像の解像度は、要素画像の画素数で決まる。そのため、高精細な立体像を奥行き方向の広い範囲で再生するためには、レンズアレーを構成するレンズの小口径化と、要素画像を表示するディスプレイの狭画素間隔化が必要となる。また、再生像を大きくするためには、レンズアレーおよびディスプレイの大面積化が必要となる（特許文献１、非特許文献１参照）。 The resolution limit of the aerial image reproduced by this integral method is determined by the number of lenses in the lens array. On the other hand, the resolution of a stereoscopic image reproduced before or behind the lens array is determined by the number of pixels of the element image. Therefore, in order to reproduce a high-definition stereoscopic image in a wide range in the depth direction, it is necessary to reduce the diameter of the lenses constituting the lens array and to narrow the pixel interval of the display that displays the element images. Further, in order to enlarge the reproduced image, it is necessary to increase the area of the lens array and the display (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).
しかし、発光素子や光学素子の高精細化がいくら進んでも、レンズを使用する光学系には、レンズの回折限界や焦点距離のように原理的に取り除くことができない性能限界が存在する。例えば、ディスプレイの画素サイズが要素レンズの最小スポットサイズより小さくなると映像ボケが発生するため、同時にスポットサイズも小さくする必要があるが、これをＡｂｂｅの回折限界よりも小さくすることは原理的に不可能である。また、レンズを用いたシステムでの視域角は要素レンズの焦点距離に反比例するが、これを無限に小さくすることはできない。さらに、視域角は要素レンズのピッチにも比例するため、レンズを用いた光学系における解像度と視域角には、トレードオフの関係がある。
このように、レンズを用いた光学系でインテグラル方式を実現しようとすると、その性能限界によって、さらなる高精細な立体像を表示することができないという問題がある。
However, no matter how high-definition of the light emitting element and optical element is advanced, an optical system using a lens has performance limits that cannot be removed in principle, such as the diffraction limit and focal length of the lens. For example, if the pixel size of the display is smaller than the minimum spot size of the element lens, image blurring occurs, so it is necessary to reduce the spot size at the same time. However, it is not possible in principle to make this smaller than the Abbe diffraction limit. Is possible. The viewing zone angle in a system using a lens is inversely proportional to the focal length of the element lens, but it cannot be made infinitely small. Further, since the viewing zone angle is also proportional to the pitch of the element lens, there is a trade-off relationship between the resolution and the viewing zone angle in the optical system using the lens.
As described above, when an integral system is realized by an optical system using a lens, there is a problem that a further high-definition stereoscopic image cannot be displayed due to its performance limit.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、要素レンズを用いずに、要素画像の各画素の光線の偏向を制御可能な光線制御素子、および、その光線制御素子を用いた立体表示装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of such problems, and uses a light beam control element capable of controlling the deflection of the light beam of each pixel of an element image without using an element lens, and the light beam control element. It is an object to provide a stereoscopic display device.
前記課題を解決するため、本発明に係る光線制御素子は、位相変調手段を備えた複数の光アンテナを２次元に配列した光アレーアンテナと、光強度変調手段と、を備える構成とした。 In order to solve the above-mentioned problems, a light beam control element according to the present invention is configured to include an optical array antenna in which a plurality of optical antennas each including a phase modulation unit are arranged in two dimensions, and a light intensity modulation unit.
かかる構成において、光線制御素子は、光アレーアンテナのそれぞれの光アンテナにおいて、位相変調手段が外部からの位相制御信号によって光の位相を切り替えて変調することで、励振分布に従って、光アレーアンテナの指向特性を変更する。これによって、光アレーアンテナからは、位相によって偏向が制御された光線が放射されることになる。 In such a configuration, the light beam control element in each optical antenna of the optical array antenna is modulated by the phase modulation means by switching the phase of the light according to the phase control signal from the outside, and thereby directing the optical array antenna according to the excitation distribution. Change characteristics. As a result, a light beam whose deflection is controlled by the phase is radiated from the optical array antenna.
また、光線制御素子は、光強度変調手段によって、複数の光アンテナから出射される光により形成される光線の偏向に対応した要素画像の画素の画素値を外部から入力する。そして、光強度変調手段が、当該画素値の階調に応じて、すなわち、濃淡のレベルに応じて、明るい画素値であれば光強度を強くし、暗い画素値であれば光強度を弱くするように、光源から発光される光を強度変調し、複数の光アンテナに供給する。
これによって、光アレーアンテナから放射される光線は、要素画像の画素値の階調に対応した強度となる。
このように、光線制御素子は、放射する光線の偏向および光強度を、要素画像の画素に対応して制御されることで、要素レンズを用いることなく、要素画像を再現することができる。
The light beam control element inputs from the outside the pixel value of the pixel of the element image corresponding to the deflection of the light beam formed by the light emitted from the plurality of optical antennas by the light intensity modulation means. Then, the light intensity modulation means increases the light intensity if the pixel value is bright, and decreases the light intensity if the pixel value is dark, according to the gradation of the pixel value, that is, according to the level of shading. As described above, the intensity of light emitted from the light source is modulated and supplied to a plurality of optical antennas.
Thereby, the light beam emitted from the optical array antenna has an intensity corresponding to the gradation of the pixel value of the element image.
In this manner, the light beam control element can reproduce the element image without using the element lens by controlling the deflection and light intensity of the emitted light beam corresponding to the pixel of the element image.
また、前記課題を解決するため、本発明に係る位相変調手段を備えた複数の光アンテナを２次元に配列した光アレーアンテナと、光アレーアンテナを複数配置する透明下地構造と、光強度変調手段と、を備える構成とした。 In order to solve the above problems, an optical array antenna in which a plurality of optical antennas each including the phase modulation unit according to the present invention are two-dimensionally arranged, a transparent base structure in which a plurality of optical array antennas are arranged, and a light intensity modulation unit And a configuration comprising:
かかる構成において、光線制御素子は、光アレーアンテナのそれぞれの光アンテナにおいて、位相変調手段が外部からの位相制御信号によって光の位相を切り替えて変調することで、励振分布に従って、光アレーアンテナの指向特性を変更する。これによって、光アレーアンテナからは、位相によって偏向が制御された光線が放射されることになる。
ここで、光アレーアンテナを、透明下地構造上に、視域を分割した複数の方向に光の出射方向を向けて複数配置することで、個々の光アレーアンテナは、要素画像を再現する際に、所定の視域よりも小さい振れ角で光線を出射すればよい。
In such a configuration, the light beam control element in each optical antenna of the optical array antenna is modulated by the phase modulation means by switching the phase of the light according to the phase control signal from the outside, and thereby directing the optical array antenna according to the excitation distribution. Change characteristics. As a result, a light beam whose deflection is controlled by the phase is radiated from the optical array antenna.
Here, by arranging a plurality of optical array antennas on the transparent base structure with the light emitting directions directed in a plurality of directions divided from the viewing zone, each optical array antenna can reproduce an element image. The light beam may be emitted with a swing angle smaller than a predetermined viewing area.
また、光線制御素子は、光強度変調手段によって、複数の光アンテナから出射される光により形成される光線の偏向に対応した要素画像の画素の画素値を外部から入力する。そして、光強度変調手段が、当該画素値の階調に応じて、すなわち、濃淡のレベルに応じて、明るい画素値であれば光強度を強くし、暗い画素値であれば光強度を弱くするように、光源から発光される光を強度変調し、透明下地構造を介して、複数の光アンテナに供給する。
これによって、光アレーアンテナから放射される光線は、要素画像の画素値の階調に対応した強度となる。
このように、光線制御素子は、放射する光線の偏向および光強度を、要素画像の画素に対応して制御されることで、要素レンズを用いることなく、要素画像を再現することができる。
The light beam control element inputs from the outside the pixel value of the pixel of the element image corresponding to the deflection of the light beam formed by the light emitted from the plurality of optical antennas by the light intensity modulation means. Then, the light intensity modulation means increases the light intensity if the pixel value is bright, and decreases the light intensity if the pixel value is dark, according to the gradation of the pixel value, that is, according to the level of shading. As described above, the intensity of light emitted from the light source is modulated and supplied to the plurality of optical antennas via the transparent base structure.
Thereby, the light beam emitted from the optical array antenna has an intensity corresponding to the gradation of the pixel value of the element image.
In this manner, the light beam control element can reproduce the element image without using the element lens by controlling the deflection and light intensity of the emitted light beam corresponding to the pixel of the element image.
また、前記課題を解決するため、本発明に係る立体表示装置は、前記した光線制御素子を用いてインテグラル方式により立体像を表示する立体表示装置であって、複数の光線制御素子と、画像時分割手段と、位相変更手段と、を備える構成とした。 In order to solve the above problem, a stereoscopic display device according to the present invention is a stereoscopic display device that displays a stereoscopic image by an integral method using the above-described light beam control element, and includes a plurality of light beam control elements, an image The time division means and the phase change means are provided.
かかる構成において、立体表示装置は、画像時分割手段によって、要素画像群を入力し、それぞれの要素画像において、光線制御素子の視域角とビーム幅とで特定される各光線に対応する画素の画素値を時分割して、要素画像に対応する光線制御素子に出力する。ここで、ビーム幅は、光線制御素子が放射する光線の電力半値幅を示す角度ピッチである。すなわち、視域角内でこのビーム幅（角度ピッチ）により、その光線に対応する要素画像の画素を特定することができる。 In such a configuration, the stereoscopic display device inputs the element image group by the image time division means, and in each element image, the pixel corresponding to each light ray specified by the viewing zone angle and the beam width of the light ray control element is obtained. The pixel values are time-divided and output to the light beam control element corresponding to the element image. Here, the beam width is an angular pitch indicating the half-power width of the light beam emitted by the light beam control element. That is, the pixel of the element image corresponding to the light ray can be specified by the beam width (angle pitch) within the viewing zone angle.
また、立体表示装置は、位相変更手段によって、光線制御素子から放射される光線が、画像時分割手段で時分割された画素に対応する光線の偏向角となるように位相制御信号を要素画像に対応する光線制御素子に出力する。これによって、光線制御素子は、画像時分割手段で時分割された画素に対応する光線の偏向を時分割に制御することができる。
そして、立体表示装置は、要素画像に対応付けて、表示面に２次元に配列した複数の光線制御素子によって、それぞれの光線制御素子が、要素画像群のそれぞれの要素画像を再現することで、観察者に立体像を視認させることができる。
Further, the stereoscopic display device converts the phase control signal into the element image so that the light beam emitted from the light beam control element by the phase changing unit becomes the deflection angle of the light beam corresponding to the pixel time-divided by the image time-division unit. Output to the corresponding light control element. Thereby, the light beam control element can control the deflection of the light beam corresponding to the pixels time-divided by the image time-division means in a time-division manner.
Then, the stereoscopic display device reproduces each element image of the element image group by each light control element by a plurality of light control elements arranged in two dimensions on the display surface in association with the element image. An observer can make a stereoscopic image visible.
本発明は、以下に示す優れた効果を奏するものである。
本発明の光線制御素子によれば、インテグラル方式で撮像された要素画像を、要素レンズを用いることなく、要素画像の画素値の強度に応じた光線の偏向を制御されることで、要素画像を再現することができる。
また、本発明の立体表示装置によれば、要素レンズを用いることなく、個々の光線制御素子で再現される要素画像によって、観察者に立体像を視認させることができる。
このように、本発明は、従来、レンズの回折限界や焦点距離のように原理的に取り除くことができない性能限界には依存しないため、高精細な立体像を表示することが可能になる。
The present invention has the following excellent effects.
According to the light beam control element of the present invention, the element image captured by the integral method is controlled by controlling the deflection of the light beam according to the intensity of the pixel value of the element image without using an element lens. Can be reproduced.
Further, according to the stereoscopic display device of the present invention, it is possible to make the observer visually recognize a stereoscopic image by using the element image reproduced by each light beam control element without using an element lens.
As described above, the present invention does not depend on performance limits that cannot be removed in principle, such as the diffraction limit and focal length of lenses, so that a high-definition stereoscopic image can be displayed.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
〔立体表示装置の概要〕
まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態に係る光線制御素子１を用いた立体表示装置１００の概要について説明する。
立体表示装置１００は、インテグラル方式における立体像を表示するものである。図１に示すように、立体表示装置１００は、表示面Ｄに光線制御素子１，１，…を、２次元に複数配列し、光線制御素子１，１，…が、それぞれ、インテグラル方式における個別の要素画像ｅを表示することで、立体像Ｔを、観察者Ｏに視認させる。
〔光線制御素子の概要〕
次に、図２を参照して、本発明の第１実施形態に係る光線制御素子１の概要について説明する。図２（ａ）に示すように、光線制御素子１は、図１で説明した立体表示装置１００において、表示面Ｄに２次元配列され、インテグラル方式における要素画像ｅを表示する光線を出力するものである。なお、図２（ａ）は、立体表示装置１００を上面視した図面であり、光線制御素子１を１次元配列で表している。
光線制御素子１は、光の位相を制御されることで、光線の偏向を制御するものである。この光線制御素子１，１，…がそれぞれ要素画像ｅを表示する光線（光強度変調された要素画像の画素）を出力することで、観察者Ｏは、ＩＰの原理により立体像Ｔを視認することができる。
図２（ｂ）に示すように、光線制御素子１は、光を発光する光源１０と、光の強度を変調する光強度変調手段２０と、複数の２次元配列された光アンテナ３１からなる光アレーアンテナ３０とで構成される。この光線制御素子１の詳細な構成については、後で説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Outline of stereoscopic display device]
First, with reference to FIG. 1, the outline | summary of the three-dimensional display apparatus 100 using the light beam control element 1 which concerns on 1st Embodiment of this invention is demonstrated.
The stereoscopic display device 100 displays a stereoscopic image in the integral system. As shown in FIG. 1, the stereoscopic display device 100 has a plurality of light control elements 1, 1,... Arranged two-dimensionally on the display surface D. The light control elements 1, 1,. By displaying the individual element images e, the stereoscopic image T is visually recognized by the observer O.
[Outline of light control element]
Next, an outline of the light beam control element 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 2A, the light beam control element 1 outputs a light beam that is two-dimensionally arranged on the display surface D and displays the element image e in the integral method in the stereoscopic display device 100 described in FIG. Is. 2A is a top view of the stereoscopic display device 100, and the light beam control elements 1 are represented in a one-dimensional array.
The light beam control element 1 controls the deflection of the light beam by controlling the phase of the light. Each of the light beam control elements 1, 1,... Outputs a light beam (element image pixel subjected to light intensity modulation) for displaying the element image e, so that the observer O visually recognizes the stereoscopic image T based on the IP principle. be able to.
As shown in FIG. 2B, the light beam control element 1 includes a light source 10 that emits light, light intensity modulation means 20 that modulates the intensity of light, and a plurality of two-dimensionally arranged optical antennas 31. An array antenna 30 is included. The detailed configuration of the light beam control element 1 will be described later.
光線制御素子１は、複数の光アンテナ３１から出力される光の放射指向性を時系列に駆動制御されることで、観察者Ｏが視認する光線を時系列に生成する。
すなわち、光線制御素子１は、図２（ｂ）に示すように、時刻ｔ＝ｔ１，ｔ２，…，ｔｎにおいて、順次、偏向の異なる光線Ｘ１，Ｘ２，…，Ｘｎを生成することで、図２８（ｂ）で説明した従来のインテグラル方式の表示時における光線Ｘ１，Ｘ２，…，Ｘｎと同等の光線を生成する。
The light beam control element 1 generates light beams viewed by the observer O in time series by driving and controlling the radiation directivity of light output from the plurality of optical antennas 31 in time series.
That is, the light beam control element 1, as shown in FIG. 2 (b), the time t = t 1, t 2, ..., at t n, successively, light X 1, X 2 having different deflection, ..., the X n By generating, a light beam equivalent to the light beams X 1 , X 2 ,..., X n at the time of display of the conventional integral method described with reference to FIG.
つまり、図２（ｃ）に示すように、光線制御素子１は、要素画像ｅの画素の画素値に対応する光強度の光を、光アレーアンテナ３０を構成する複数の光アンテナ３１の先端から開口部Ｈを介して位相制御されて出射することで、偏向が制御された光線を時系列に放射し、１つの要素画像ｅとして表示する。
そして、個々の光線制御素子１は、図１に示すように、２次元配列した状態で、個別に要素画像を表示することで、レンズを用いずに、立体像Ｔを観察者Ｏに視認させることができる。以下、光線制御素子、立体表示装置の順で説明を行う。
That is, as shown in FIG. 2C, the light beam control element 1 emits light having a light intensity corresponding to the pixel value of the pixel of the element image e from the tips of the plurality of optical antennas 31 constituting the optical array antenna 30. By emitting light with phase control through the opening H, light beams whose deflection is controlled are radiated in time series and displayed as one element image e.
Then, as shown in FIG. 1, the individual light beam control elements 1 individually display the element images in a two-dimensional array, thereby allowing the observer O to visually recognize the stereoscopic image T without using a lens. be able to. Hereinafter, description will be made in the order of the light beam control element and the stereoscopic display device.
〔光線制御素子の構成（第１実施形態）〕
次に、図３を参照して、本発明の第１実施形態に係る光線制御素子１の構成について説明する。
図３に示すように、光線制御素子１は、光源１０と、光強度変調手段２０と、光アレーアンテナ３０と、を備える。
[Configuration of Light Beam Control Element (First Embodiment)]
Next, the configuration of the light beam control element 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 3, the light beam control element 1 includes a light source 10, a light intensity modulation means 20, and an optical array antenna 30.
光源１０は、光を発光するものである。この光源１０は、後記する光アレーアンテナ３０において光の干渉を起こさせるためコヒーレンスの高いものが好ましい。例えば、光源１０には、レーザー光を発生させる半導体レーザー発生器を用いることができる。
この光源１０で発光された光は、光強度変調手段２０に入射される。
The light source 10 emits light. The light source 10 preferably has high coherence in order to cause light interference in an optical array antenna 30 described later. For example, the light source 10 can be a semiconductor laser generator that generates laser light.
The light emitted from the light source 10 enters the light intensity modulation means 20.
光強度変調手段２０は、光源１０で発光された光の強度を、撮像した画像（要素画像）の画素に対応する強度に変調するものである。なお、光強度変調手段２０は、時系列に、要素画像の画素値を画像信号として入力し、光の強度をその画素値の階調に応じて変調する。
この光強度変調手段２０には、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶のポッケルス効果による屈折率変化を利用したＬＮ光変調器を用いることができる。
この光強度変調手段２０は、強度変調した光を、表示面Ｄに２次元に配置された複数の光アンテナ３１へ分配する。
The light intensity modulation means 20 modulates the intensity of light emitted from the light source 10 to an intensity corresponding to a pixel of a captured image (element image). The light intensity modulation means 20 inputs the pixel value of the element image as an image signal in time series, and modulates the light intensity according to the gradation of the pixel value.
As this light intensity modulation means 20, for example, an LN optical modulator using a refractive index change due to the Pockels effect of lithium niobate (LiNbO 3 ) crystal can be used.
The light intensity modulation means 20 distributes the intensity-modulated light to a plurality of optical antennas 31 arranged two-dimensionally on the display surface D.
なお、光源１０および光強度変調手段２０は、個別に分離したものを用いる必要はなく、強度変調機能を有する発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）を用いることができる。
また、光源１０は、必ずしも個別の光線制御素子１ごとに備える必要はなく、例えば、表示装置のバックライトのような面光源として、複数の光線制御素子１で共用しても構わない。
The light source 10 and the light intensity modulation means 20 do not need to be individually separated, and a light emitting diode (LED) having an intensity modulation function can be used.
Moreover, the light source 10 does not necessarily need to be provided for each individual light beam control element 1, and may be shared by a plurality of light beam control elements 1 as a surface light source such as a backlight of a display device, for example.
光アレーアンテナ３０は、複数の光アンテナ３１を光が出射する向きを合わせて平面上に２次元配列し、各光アンテナ３１，３１，…，３１の励振位相を変化させることで、光線の偏向を制御するものである。すなわち、光アレーアンテナ３０は、光線を対象としたフェーズドアレーアンテナとして機能する。 The optical array antenna 30 has a plurality of optical antennas 31 arranged two-dimensionally on a plane in accordance with the direction in which the light is emitted, and changes the excitation phase of each of the optical antennas 31, 31,. Is to control. That is, the optical array antenna 30 functions as a phased array antenna for light rays.
ここで、図４を参照して、一般的な放射素子で構成されるフェーズドアレーアンテナの原理について、簡単に説明しておく（詳細は、電子情報通信学会『知識の森』（http://www.ieice-hbkb.org/）４群２編７章を参照）。
図４（ａ）は、素子アンテナＡｔをｚ軸上に間隔ｄでＮ個配列した、リニアアレーアンテナを示している。
ここで、ｎ番目（ｎ＝０，１，…，Ｎ−１）の素子アンテナＡｔの位置ベクトルをｒｎ＝（０，０，ｚｎ）、励振振幅をａｎ、励振位相をΨｎ、極座標の角度（仰角θ、方位角φ；図４では、仰角のみ表示）を用いた素子指向性をｇ（θ，φ）とする。また、測定点の方向ベクトルをＲ＝（ｃｏｓθ，ｓｉｎθｓｉｎφ，ｓｉｎθｃｏｓφ）とする。このとき、図４（ａ）に示したリニアアレーアンテナの放射視向性Ｅ（θ，φ）は、以下の式（１）で表される。
Here, with reference to FIG. 4, the principle of a phased array antenna composed of general radiating elements will be briefly described (for details, see IEICE “Knowledge Forest” (http: // (See www.ieice-hbkb.org/) Chapter 4, Chapter 2, Chapter 7).
FIG. 4A shows a linear array antenna in which N element antennas At are arranged on the z axis at intervals d.
Here, the position vector of the n-th (n = 0, 1,..., N−1) element antenna At is r n = (0, 0, z n ), the excitation amplitude is a n , the excitation phase is Ψ n , The element directivity using polar coordinate angles (elevation angle θ, azimuth angle φ; only the elevation angle is shown in FIG. 4) is g (θ, φ). The direction vector of the measurement point is R = (cos θ, sin θ sin φ, sin θ cos φ). At this time, the radiation directionality E (θ, φ) of the linear array antenna shown in FIG. 4A is expressed by the following equation (1).
ここで、ｋ０＝２π／λは自由空間での波数、λは波長（自由空間波長）である。この式（１）の右辺の和の項は、素子アンテナの配列と励振分布にのみ依存する項であり、アレーファクタと呼ばれる。また、ここで、励振分布を一様励振分布とする場合、ａｎ＝１となる。また、励振分布をテイラー励振分布とする場合、ａｎはテイラー分布に合わせた値となる。 Here, k 0 = 2π / λ is a wave number in free space, and λ is a wavelength (free space wavelength). The sum term on the right side of Equation (1) is a term that depends only on the arrangement of element antennas and the excitation distribution, and is called an array factor. Here, when the excitation distribution is a uniform excitation distribution, a n = 1. In the case of the excitation distribution and Taylor excitation distribution, a n is a value that matches the Taylor distribution.
図４（ｂ）には、素子アンテナＡｔを平面上に配列した平面アレーアンテナの例（四角配列）を示している。ここで、原点からｚ軸方向にｎ番目、ｙ軸方向にｍ番目の素子アンテナＡｔの複素励振係数をＡｎｍ（＝ａｎｍｅｘｐ［Ψｎｍ］）、ｚ軸方向の素子間隔をｄｚ、ｙ軸方向の素子間隔をｄｙとすると、アレーファクタＦ（θ，φ）は、以下の式（２）で表される。 FIG. 4B shows an example (square array) of a planar array antenna in which the element antennas At are arranged on a plane. Here, the complex excitation coefficient of the n-th element antenna At in the z-axis direction from the origin and the m-th element antenna At in the y-axis direction is A nm (= a nm exp [Ψ nm ]), and the element spacing in the z-axis direction is d z , If the element spacing in the y-axis direction is d y, array factor F (theta, phi) is expressed by the following equation (2).
ここで、ｚ軸方向にｎ番目、ｙ軸方向にｍ番目の素子アンテナＡｔの複素励振係数が、ｚ軸、ｙ軸方向に対して、それぞれＡｎ、Ａｍであって、Ａｎｍ＝Ａｎ×Ａｍと表されるとすると、前記式（２）は、以下の式（３）のように変形することができる。 Here, the complex excitation coefficients of the n-th element antenna At in the z-axis direction and the m-th element antenna At in the y-axis direction are A n and A m with respect to the z-axis and y-axis directions, respectively, and A nm = A When expressed as n × A m , the equation (2) can be transformed into the following equation (3).
この式（３）は、四角配列平面アレーアンテナの指向性が、リニアアレーアンテナの指向性の積として表されることを示している。
図３に戻って、光線制御素子１の構成について説明を続ける。
This equation (3) indicates that the directivity of the square array planar array antenna is expressed as the product of the directivity of the linear array antenna.
Returning to FIG. 3, the description of the configuration of the light beam control element 1 will be continued.
光アンテナ３１は、光アレーアンテナ３０における光線の放射指向性を特定するための光の位相を制御して光線を放射するものである。この光アンテナ３１は、光強度変調手段２０から表示面Ｄの円形の開口部Ｈへと光を導く光導波路３２と、この光導波路３２の経路内に設けた位相変調手段３３と、振幅変調手段３４と、を備える。
光導波路３２は、光強度変調手段２０で分配された光を表示面Ｄの開口部Ｈへ導くもので、例えば、以下の参考文献に示すような光ファイバー等である。
（参考文献）Qie,Yokoyama,et al.“A straightforward electro-optic polymer covered titanium dioxide strip line modulator with a low driving voltage”,Applied Physics Letters,105,073305-1-4 ,2014.08.
The optical antenna 31 emits a light beam by controlling the phase of light for specifying the radiation directivity of the light beam in the optical array antenna 30. The optical antenna 31 includes an optical waveguide 32 that guides light from the light intensity modulation unit 20 to the circular opening H of the display surface D, a phase modulation unit 33 provided in the path of the optical waveguide 32, and an amplitude modulation unit. 34.
The optical waveguide 32 guides the light distributed by the light intensity modulation means 20 to the opening H of the display surface D, and is, for example, an optical fiber as shown in the following reference.
(Reference) Qie, Yokoyama, et al. “A straightforward electro-optic polymer covered titanium dioxide strip line modulator with a low driving voltage”, Applied Physics Letters, 105, 073305-1-4, 2014.08.
位相変調手段３３は、光の位相を変調するもので、光導波路３２の光の経路上において、光導波路３２を部分的に置き換えた形態で配置される。ここでは、位相変調手段３３は、位相変調電圧Ｖｐに接続された電極３３ｖと、グランドＧに接続された電極３３ｇと、電極３３ｖ，３３ｇに挟まれた電気光学材料３３ｍと、を備える。 The phase modulation means 33 modulates the phase of light, and is arranged on the light path of the light guide 32 in a form in which the light guide 32 is partially replaced. Here, the phase modulation means 33 includes an electrode 33v connected to the phase modulation voltage Vp, an electrode 33g connected to the ground G, and an electro-optic material 33m sandwiched between the electrodes 33v and 33g.
電気光学材料３３ｍは、電気光学効果を有する材料である。例えば、電気光学材料３３ｍには、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：ＬＮ）、電気ＥＯ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ）ポリマー等を用いることができる。この電気光学材料３３ｍは、電気光学材料３３ｍを挟むように設けられた電極３３ｖ，３３ｇにかけられた位相変調電圧Ｖｐによって光の屈折率が変化し、位相を変調する。この位相変調電圧Ｖｐは、光アレーアンテナ３０の放射指向性を時系列に切り替える単位で、位相制御信号として外部から順次入力される。
なお、ここでは、位相変調手段３３として、電気光学材料３３ｍを用いたが、空間光位相変調器（ＬＣＯＳ−ＳＬＭ：Liquid Crystal on Silicon - Spatial Light Modulator）を用いても構わない。
The electro-optic material 33m is a material having an electro-optic effect. For example, lithium niobate (LiNbO 3 : LN), an electric EO (Electro-Optic) polymer, or the like can be used for the electro-optic material 33m. In the electro-optic material 33m, the refractive index of light is changed by the phase modulation voltage Vp applied to the electrodes 33v and 33g provided so as to sandwich the electro-optic material 33m, and the phase is modulated. The phase modulation voltage Vp is sequentially input from the outside as a phase control signal in units of switching the radiation directivity of the optical array antenna 30 in time series.
Although the electro-optic material 33m is used here as the phase modulation means 33, a spatial light phase modulator (LCOS-SLM: Liquid Crystal on Silicon-Spatial Light Modulator) may be used.
振幅変調手段３４は、光の振幅を変調するもので、光導波路３２の光の経路上において、光導波路３２を部分的に置き換えた形態で配置される。ここでは、振幅変調手段３４は、光導波路３２の光の経路上において、位相変調手段３３の後段に設けられ、振幅変調電圧Ｖａに接続された電極３４ｖと、グランドＧに接続された電極３４ｇと、電極３４ｖ，３４ｇに挟まれた電気光学材料３４ｍと、電気光学材料３４ｍの光の入射端および出射端に設けた偏光子３４ｔ，３４ｔと、を備える。 The amplitude modulation means 34 modulates the amplitude of light, and is arranged in a form in which the optical waveguide 32 is partially replaced on the light path of the optical waveguide 32. Here, the amplitude modulation means 34 is provided in the subsequent stage of the phase modulation means 33 on the light path of the optical waveguide 32, and includes an electrode 34v connected to the amplitude modulation voltage Va and an electrode 34g connected to the ground G. The electro-optic material 34m sandwiched between the electrodes 34v, 34g, and the polarizers 34t, 34t provided at the light incident end and the light exit end of the electro-optic material 34m.
電気光学材料３４ｍは、電気光学効果を有する材料である。例えば、電気光学材料３４ｍは、電気光学材料３３ｍと同様に、ＬｉＮｂＯ３、電気ＥＯポリマー等を用いることができる。この電気光学材料３４ｍは、電気光学材料３４ｍを挟むように設けられた電極３４ｖ，３４ｇにかけられた振幅変調電圧Ｖａによって光の偏向方向が変化する。 The electro-optic material 34m is a material having an electro-optic effect. For example, as the electro-optic material 34m, LiNbO 3 , an electric EO polymer, or the like can be used similarly to the electro-optic material 33m. In the electro-optic material 34m, the deflection direction of the light is changed by the amplitude modulation voltage Va applied to the electrodes 34v and 34g provided so as to sandwich the electro-optic material 34m.
偏光子３４ｔ，３４ｔは、光から直線偏光成分を抽出するものである。この偏光子３４ｔは、電気光学材料３４ｍの光の入射端および出射端に、それぞれ抽出する偏光方向が交差するように配置される。なお、ここで、交差とは、２つの偏光子３４ｔ，３４ｔの透過によって光の振幅成分が“０”とならない角度（抽出する偏光方向が直交しない角度）、例えば、４５°等で偏光方向が交わっていることをいう。
このように、電気光学材料３４ｍの両端に偏光子３４ｔ，３４ｔを設けることで、振幅変調電圧Ｖａによる偏向方向の変化に伴い、出力段の偏光子３４ｔを透過する光の振幅を制御することができる。
The polarizers 34t and 34t extract linearly polarized light components from light. The polarizer 34t is arranged so that the polarization directions to be extracted intersect the light incident end and the light exit end of the electro-optic material 34m, respectively. Here, the crossing is an angle at which the amplitude component of light does not become “0” due to the transmission of the two polarizers 34t and 34t (an angle at which the extracted polarization direction is not orthogonal), for example, 45 °, etc. Saying that we are in contact.
As described above, by providing the polarizers 34t and 34t at both ends of the electro-optic material 34m, the amplitude of the light transmitted through the output-stage polarizer 34t can be controlled in accordance with the change in the deflection direction by the amplitude modulation voltage Va. it can.
この振幅変調手段３４は、光の振幅を制御するものであって、各光アンテナ３１の振幅を、例えば、テイラー励振分布とするように個別に重み付けすることにより、光線制御素子１の放射パターンのサイドローブを低めに抑える効果がある。なお、光線制御素子１は、振幅変調手段３４を省略して構成してもよい。
以上説明したように、光線制御素子１を構成することで、個々の光アンテナ３１において時系列に位相と振幅を制御することで、光線制御素子１で１つ要素画像を再現することができる。
The amplitude modulation means 34 controls the amplitude of light, and by individually weighting the amplitude of each optical antenna 31 so as to obtain, for example, a Taylor excitation distribution, the radiation pattern of the light beam control element 1 is controlled. There is an effect to keep the side lobe low. The light beam control element 1 may be configured by omitting the amplitude modulation means 34.
As described above, by configuring the light beam control element 1, it is possible to reproduce one element image with the light beam control element 1 by controlling the phase and amplitude in time series in each optical antenna 31.
〔光線制御素子の立体表示装置への適用〕
次に、本発明に係る光線制御素子１を、立体表示装置１００（図１参照）に適用する場合の設計例について説明する。
[Application of light control element to 3D display device]
Next, a design example when the light beam control element 1 according to the present invention is applied to the stereoscopic display device 100 (see FIG. 1) will be described.
（要素画像と光線との関係）
まず、図５を参照（適宜図２参照）して、要素画像と光線制御素子１が生成する時系列の光線との関係について説明する。
図５（ａ）に示すように、要素画像ｅがｕ行ｖ列の画素で構成されていたとする。すると、図５（ｂ）に示すように、光線制御素子１は、垂直方向において、光線制御素子１固有の視域角（仰角θ）の範囲で、光線を時系列に生成する。この場合、時刻ｔ＝ｔ１，ｔ２，…，ｔＺにおいて、順次、偏向の異なる光線Ｘ１，Ｘ２，…，ＸＺを生成する。このとき、光線制御素子１は、光線Ｘ１を要素画像ｅの画素ｅ１ｙの光線に、光線ＸＺを要素画像ｅの画素ｅｕｙの光線にそれぞれ対応させ、垂直方向の視域角（仰角θ）の範囲内において、光線制御素子１固有の角度ピッチで光線を生成する。
(Relationship between element images and light rays)
First, with reference to FIG. 5 (refer to FIG. 2 as appropriate), the relationship between the element image and time-series light rays generated by the light ray control element 1 will be described.
As shown in FIG. 5A, it is assumed that the element image e is composed of pixels in u rows and v columns. Then, as shown in FIG. 5B, the light beam control element 1 generates light beams in time series in the vertical direction within the range of the viewing zone angle (elevation angle θ) unique to the light beam control element 1. In this case, the time t = t 1, t 2, ..., at t Z, successively, light X 1, X 2 having different deflection, ..., to generate the X Z. At this time, the light beam control element 1, the light rays X 1 to pixel e 1y of light elements image e, respectively made to correspond to rays X Z in light of the pixel e uy element image e, the vertical viewing angle (elevation angle Within the range of θ), light rays are generated at an angular pitch unique to the light ray control element 1.
また、同様に、図５（ｃ）に示すように、光線制御素子１は、水平方向において、光線制御素子１固有の視域角（方位角φ）の範囲で、光線を時系列に生成する。この場合、時刻ｔ＝ｔ１，ｔ２，…，ｔＹにおいて、順次、偏向の異なる光線Ｘ１，Ｘ２，…，ＸＹを生成する。このとき、光線制御素子１は、光線Ｘ１を要素画像ｅの画素ｅＺ１の光線に、光線ＸＹを要素画像ｅの画素ｅｚｖの光線にそれぞれ対応させ、水平方向の視域角（方位角φ）の範囲内において、光線制御素子１固有の角度ピッチで光線を生成する。
すなわち、光線制御素子１は、垂直方向の視域角（仰角θ）と水平方向の視域角（方位角φ）の範囲内において、時系列に、光線制御素子１固有の角度ピッチでラスタースキャンにより光線を生成する。
Similarly, as shown in FIG. 5C, the light beam control element 1 generates light beams in time series in the horizontal direction within the viewing angle (azimuth angle φ) unique to the light beam control element 1. . In this case, the time t = t 1, t 2, ..., at t Y, successively, light X 1, X 2 having different deflection, ..., to generate the X Y. At this time, the light beam control element 1, the light of the pixel e Z1 of the light beam X 1 element image e, respectively made to correspond to rays X Y the ray of pixel e zv element image e, the horizontal viewing angle (azimuth Within the range of the angle φ), light rays are generated at an angle pitch unique to the light ray control element 1.
In other words, the light beam control element 1 performs raster scanning at an angular pitch unique to the light beam control element 1 in time series within the range of the vertical viewing zone angle (elevation angle θ) and the horizontal viewing zone angle (azimuth angle φ). To generate a ray.
（視域角〔仰角，方位角〕および角度ピッチ〔ビーム幅〕）
次に、光線制御素子１を立体表示装置１００に適用する際の光線制御素子１の視域角および角度ピッチについて説明する。
ここで、視域角とは、観察者Ｏが立体表示装置１００に表示される立体像を視認することができる垂直方向の角度（仰角）と、水平方向の角度（方位角）とを意味する。ここでは、垂直方向の視域角と垂直方向の視域角とを同じとし、方向を区別することなく、単に視域角と呼ぶ。
また、角度ピッチとは、光線制御素子１が時系列に切り替える際の光線の角度、すなわち、光線のビーム幅（電力半値幅）を指す。
(Viewing angle [elevation angle, azimuth] and angle pitch [beam width])
Next, the viewing zone angle and the angle pitch of the light beam control element 1 when the light beam control element 1 is applied to the stereoscopic display device 100 will be described.
Here, the viewing zone angle means a vertical angle (elevation angle) at which the observer O can visually recognize a stereoscopic image displayed on the stereoscopic display device 100 and a horizontal angle (azimuth angle). . Here, the viewing zone angle in the vertical direction and the viewing zone angle in the vertical direction are the same, and are simply referred to as viewing zone angles without distinguishing the directions.
The angle pitch refers to the angle of the light beam when the light beam control element 1 switches in time series, that is, the beam width (power half-value width) of the light beam.
光線制御素子１を立体表示装置１００に適用する場合、視域角については、３０°（ｄｅｇ．）以上、すなわち、光線の振れ角を、±１５°以上とする。また、光線のビーム幅（半値幅）については、約０．５°以下とする。
これは、「高木康弘，“３Ｄディスプレイ技術の現状と将来”，Ｐ１２２−１３５，日経ＢＰ社，２００９年」等にも報告されているように、両眼の輻輳と調節の不一致を解消するための条件である。
When the light beam control element 1 is applied to the stereoscopic display device 100, the viewing zone angle is 30 ° (deg.) Or more, that is, the deflection angle of the light beam is ± 15 ° or more. The beam width (half width) of the light beam is about 0.5 ° or less.
This is to eliminate the discrepancy between binocular congestion and accommodation as reported in “Yasuhiro Takagi,“ Current Status and Future of 3D Display Technology ”, P122-135, Nikkei Business Publications, 2009”. Is the condition.
すなわち、左右の眼に異なる映像を表示した場合、観察者は、立体の奥行き位置を知覚することはできる（輻輳機能）が、眼のピントが映像を表示しているディスプレイのスクリーン上に合ってしまう（調節機能）。この輻輳と調節との不一致を解決するためには、空間の１点を通る光線が２本以上同時に瞳に入射する必要がある。その場合、光線を表示する角度ピッチは、調節輻輳の不一致が問題になる、調節が機能する約１〜２ｍ以内の観察距離で、最短観察距離を６００ｍｍとして瞳孔径を５ｍｍとしたとき、約０．１〜０．５°とする必要がある。また、両眼で立体像を観察するためには、視域角は、３０°以上必要である。 In other words, when different images are displayed on the left and right eyes, the observer can perceive the depth position of the stereoscopic object (congestion function), but the focus of the eyes matches the screen of the display displaying the image. (Adjustment function). In order to solve the discrepancy between the convergence and the adjustment, it is necessary that two or more light rays passing through one point in the space are simultaneously incident on the pupil. In this case, the angular pitch for displaying the light beam is about 0 when the shortest observation distance is 600 mm and the pupil diameter is 5 mm at an observation distance within about 1 to 2 m at which the adjustment function is functioning. It is necessary to set to 1 to 0.5 °. Further, in order to observe a stereoscopic image with both eyes, the viewing zone angle needs to be 30 ° or more.
（光アンテナの数および間隔）
次に、光線制御素子１を立体表示装置１００に適用する際の素子アンテナである光アンテナ３１の数およびその間隔について説明する。
ここでは、光線制御素子１の光アレーアンテナ３０の光アンテナ３１を四角配列（図４（ｂ）参照）とし、垂直方向および水平方向の素子間隔（光アンテナ３１の間隔）ｄ、アレー数（光アンテナ３１の数）ｎ個×ｍ個、ビームの方位角φおよび仰角θを決めたとき、前記式（２）における光アンテナ３１の指向性（ｄＢｉ）を、ＭａｔｈＷｏｒｋｓ社の数値解析ソフトウェアであるＭＡＴＬＡＢで計算した。なお、その際の放射パターンの一例を図６に示す。
なお、本発明において、光アレーアンテナ３０の励振分布は、特に限定するものではなく、一様励振分布でも、テイラー励振分布でも構わない。
(Number and spacing of optical antennas)
Next, the number and interval of the optical antennas 31 that are element antennas when the light beam control element 1 is applied to the stereoscopic display device 100 will be described.
Here, the optical antennas 31 of the optical array antenna 30 of the light beam control element 1 are arranged in a square array (see FIG. 4B), and the vertical and horizontal element intervals (intervals between the optical antennas 31) d and the array number (optical When the number of antennas 31) n × m, the azimuth angle φ and the elevation angle θ of the beam are determined, the directivity (dBi) of the optical antenna 31 in the above equation (2) is expressed by MATLAB, a numerical analysis software of MathWorks. Calculated with An example of the radiation pattern at that time is shown in FIG.
In the present invention, the excitation distribution of the optical array antenna 30 is not particularly limited, and may be a uniform excitation distribution or a Taylor excitation distribution.
図７に、光アンテナ３１を３２×３２個とし、素子間隔ｄ＝１．０λ（λ＝波長）、方位角φ＝０°（ｄｅｇ．）、仰角θ＝０°（ｄｅｇ．）の場合のテイラー励振分布の指向性（図７（ａ））、一様励振分布の指向性（図７（ｂ））を示す。この図７（ａ）のテイラー励振分布では、サイドローブレベルを“−２５ｄＢ”、次数ｎ＝４としている。なお、次数ｎは、ピークが揃ったサードローブがメインローブの左右にｎ個存在することを意味する。
このように、テイラー励振分布（図７（ａ））と、一様励振分布（図７（ｂ））とでは、テイラー励振分布の方が、サイドローブが低減しており、より好ましい分布であるといえる。以下、テイラー励振分布の例で説明する。
FIG. 7 shows a case where the number of optical antennas 31 is 32 × 32, the element interval d = 1.0λ (λ = wavelength), the azimuth angle φ = 0 ° (deg.), And the elevation angle θ = 0 ° (deg.). The directivity of the Taylor excitation distribution (FIG. 7A) and the directivity of the uniform excitation distribution (FIG. 7B) are shown. In the Taylor excitation distribution of FIG. 7A, the side lobe level is “−25 dB” and the order n = 4. The order n means that there are n third lobes with aligned peaks on the left and right sides of the main lobe.
Thus, in the Taylor excitation distribution (FIG. 7A) and the uniform excitation distribution (FIG. 7B), the Taylor excitation distribution is more preferable because the side lobe is reduced. It can be said. Hereinafter, an example of the Taylor excitation distribution will be described.
＜Ａ．偏向角とビーム幅との関係＞
図８に、偏向角（方位角、仰角）とビーム幅との関係をシュミレーションした結果を示す。図８（ａ）は、方位角および仰角をそれぞれ０°（ｄｅｇ．）としたときの指向性である。なお、（ａ−１）は、仰角０°を基準にした指向性を示し、（ａ−２）は、方位角０°を基準にした指向性を示している。
また、図８（ｂ）は、方位角および仰角をそれぞれ１５°（ｄｅｇ．）としたときの指向性である。なお、（ｂ−１）は、仰角１５°を基準にした指向性を示し、（ｂ−２）は、方位角１５°を基準にした指向性を示している。
このとき、（ａ−１）ではビーム幅（半値幅）＝１．９０°、（ａ−２）ではビーム幅（半値幅）＝１．５８°、（ｂ−１）ではビーム幅（半値幅）＝２．０４°、（ｂ−２）ではビーム幅（半値幅）＝１．６４°となった。
このように、光アレーアンテナ３０の指向性において、偏向角が大きいほど、ビーム幅は広がる。
<A. Relationship between deflection angle and beam width>
FIG. 8 shows the result of simulating the relationship between the deflection angle (azimuth angle and elevation angle) and the beam width. FIG. 8A shows the directivity when the azimuth angle and the elevation angle are each 0 ° (deg.). In addition, (a-1) shows the directivity based on the elevation angle of 0 °, and (a-2) shows the directivity based on the azimuth angle of 0 °.
FIG. 8B shows the directivity when the azimuth angle and elevation angle are each 15 ° (deg.). In addition, (b-1) shows the directivity based on the elevation angle of 15 °, and (b-2) shows the directivity based on the azimuth angle of 15 °.
At this time, the beam width (half width) = 1.90 ° in (a-1), the beam width (half width) = 1.58 ° in (a-2), and the beam width (half width) in (b-1). ) = 2.04 °, and in (b-2), the beam width (full width at half maximum) = 1.64 °.
Thus, in the directivity of the optical array antenna 30, the beam width increases as the deflection angle increases.
＜Ｂ．素子数とビーム幅との関係＞
図９，図１０に、光アンテナ３１の数とビーム幅との関係をシュミレーションした結果を示す。図９において、（ａ）は素子数（光アンテナ３１の数）＝４×４個、（ｂ）は素子数＝８×８個、（ｃ）は素子数＝１６×１６個、図１０において、（ｄ）は素子数＝３２×３２個、（ｅ）は素子数＝４８×４８個、（ｆ）は素子数＝６４×６４個としたときの指向性を示している。なお、（ａ）〜（ｆ）のいずれも、素子間隔をλ、方位角および仰角をそれぞれ１５°（ｄｅｇ．）とした。
図９，図１０からも明らかなように、光アレーアンテナ３０の指向性において、素子数が増えるほど、ビーム幅は狭くなる。
<B. Relationship between number of elements and beam width>
9 and 10 show the results of simulating the relationship between the number of optical antennas 31 and the beam width. 9, (a) is the number of elements (number of optical antennas 31) = 4 × 4, (b) is the number of elements = 8 × 8, (c) is the number of elements = 16 × 16, (D) shows the directivity when the number of elements = 32 × 32, (e) shows the number of elements = 48 × 48, and (f) shows the directivity when the number of elements = 64 × 64. In any of (a) to (f), the element spacing was λ, and the azimuth and elevation were each 15 ° (deg.).
As is apparent from FIGS. 9 and 10, in the directivity of the optical array antenna 30, the beam width becomes narrower as the number of elements increases.
この図９，図１０の素子数とビーム幅との関係を図１１に示す。図１１において、横軸は、光アンテナ３１をＮ×Ｎ個の四角配列としたときのＮの値を示し、縦軸は、ビーム幅、すなわち、電力半値幅を示す。また、図１１において、実線は方位角を基準とした素子数とビーム幅との関係、点線は仰角を基準とした素子数とビーム幅との関係を示している。
図１１に示すように、方位角（すなわち、水平方向）のビーム幅の方が、仰角（すなわち垂直方向）のビーム幅より若干広いが、光アンテナ３１の数が５０×５０個以上になると、その差はほとんどない。
FIG. 11 shows the relationship between the number of elements in FIGS. 9 and 10 and the beam width. In FIG. 11, the horizontal axis indicates the value of N when the optical antennas 31 are arranged in an N × N square array, and the vertical axis indicates the beam width, that is, the power half-value width. In FIG. 11, the solid line indicates the relationship between the number of elements based on the azimuth and the beam width, and the dotted line indicates the relationship between the number of elements based on the elevation angle and the beam width.
As shown in FIG. 11, the beam width in the azimuth angle (that is, in the horizontal direction) is slightly wider than the beam width in the elevation angle (that is, in the vertical direction), but when the number of optical antennas 31 is 50 × 50 or more, There is almost no difference.
＜Ｃ．素子間隔とビーム幅との関係＞
図１２，図１３に、光アンテナ３１の数を固定（ここでは、３２×３２個）したときの光アンテナ３１の素子間隔とビーム幅との関係をシュミレーションした結果を示す。図１２において、（ａ）は素子間隔（光アンテナ３１の間隔）＝λ、（ｂ）は素子間隔＝１．２λ、（ｃ）は素子間隔＝１．４λ、図１３において、（ｄ）は素子間隔＝１．６λ、（ｅ）は素子間隔＝１．８λ、（ｆ）は素子間隔＝２．０λとしたときの指向性を示している。なお、（ａ）〜（ｆ）のいずれも方位角および仰角をそれぞれ１５°（ｄｅｇ．）とした。
図１２，図１３からも明らかなように、光アレーアンテナ３０の指向性において、素子間隔を広くするほど、ビーム幅は狭くなる。
<C. Relationship between element spacing and beam width>
FIGS. 12 and 13 show the results of simulating the relationship between the element spacing of the optical antenna 31 and the beam width when the number of optical antennas 31 is fixed (here, 32 × 32). In FIG. 12, (a) is an element interval (interval of the optical antenna 31) = λ, (b) is an element interval = 1.2λ, (c) is an element interval = 1.4λ, and FIG. Element spacing = 1.6λ, (e) shows the directivity when element spacing = 1.8λ, and (f) shows element spacing = 2.0λ. In each of (a) to (f), the azimuth angle and the elevation angle were 15 ° (deg.).
As apparent from FIGS. 12 and 13, in the directivity of the optical array antenna 30, the beam width becomes narrower as the element spacing is increased.
この図１２，図１３の素子間隔とビーム幅との関係を図１４に示す。図１４において、横軸は、光アンテナ３１の素子間隔を示し、縦軸は、ビーム幅、すなわち、電力半値幅を示す。
このように、素子間隔を広げるほど、ビーム幅は狭くなるが、同時に、グレーティングローブが、目標値とする視域角３０°（±１５°）に近付き、図１３（ｆ）に示すように、素子間隔が２．０λでは、“−１５°”の範囲に入ってしまう。
なお、光アンテナ３１の素子間隔を広げることは、光線制御素子１の製作の難易度が低くなる。そこで、光アンテナ３１の素子間隔は、グレーティングローブが目標値とした視域角（３０°）に影響を与えない範囲で最も広くすることが望ましいといえる。
FIG. 14 shows the relationship between the element spacing of FIG. 12 and FIG. 13 and the beam width. In FIG. 14, the horizontal axis indicates the element spacing of the optical antenna 31, and the vertical axis indicates the beam width, that is, the power half-value width.
Thus, the wider the element spacing, the narrower the beam width. At the same time, the grating lobe approaches the target viewing angle of 30 ° (± 15 °), and as shown in FIG. When the element spacing is 2.0λ, the range is “−15 °”.
Note that increasing the element spacing of the optical antenna 31 reduces the difficulty of manufacturing the light beam control element 1. Therefore, it can be said that the element spacing of the optical antenna 31 is desirably as wide as possible within a range that does not affect the viewing zone angle (30 °) set as the target value by the grating lobe.
＜Ｄ．光アンテナの数および間隔の例＞
以上説明したように、光線制御素子１を立体表示装置１００に適用する際の光アンテナ３１の数およびその間隔は、メインローブのビーム幅（半値幅）が約０．５°以下、かつ、視域角が３０°（振れ角±１５°）以上となるように設計されたものであればよい。
例えば、光アレーアンテナ３０の励振分布をテイラー励振分布としたとき、光アンテナ３１を四角配列で７２×７２個とし、素子間隔ｄ＝１．８λ（λ＝波長）とする。
また、例えば、光アレーアンテナ３０の励振分布を一様励振分布としたとき、光アンテナ３１を四角配列で６４×６４個とし、素子間隔ｄ＝１．８λ（λ＝波長）とする。
<D. Example of number and spacing of optical antennas>
As described above, the number and interval of the optical antennas 31 when the light beam control element 1 is applied to the stereoscopic display device 100 are such that the main lobe beam width (half width) is about 0.5 ° or less and What is necessary is just to design so that a regional angle may be 30 degrees (runout angle ± 15 degrees) or more.
For example, when the excitation distribution of the optical array antenna 30 is a Taylor excitation distribution, 72 × 72 optical antennas 31 are arranged in a square array, and the element spacing d = 1.8λ (λ = wavelength).
For example, when the excitation distribution of the optical array antenna 30 is a uniform excitation distribution, the number of optical antennas 31 is 64 × 64 in a square array, and the element spacing is d = 1.8λ (λ = wavelength).
図１５に、ここで例示した光線制御素子１の指向性を示す。
図１５（ａ）は、テイラー励振分布において、素子数（光アンテナ３１の数）＝７２×７２個での指向性を示し、（ａ−１）は、仰角１５°を基準にした指向性を示し、（ａ−２）は、方位角１５°を基準にした指向性を示している。
また、図１５（ｂ）は、一様励振分布において、素子数（光アンテナ３１の数）＝６４×６４個での指向性を示し、（ｂ−１）は、仰角１５°を基準にした指向性を示し、（ｂ−２）は、方位角１５°を基準にした指向性を示している。なお、（ａ），（ｂ）ともに、素子間隔は、１．８λである。
FIG. 15 shows the directivity of the light beam control element 1 exemplified here.
FIG. 15A shows the directivity with the number of elements (the number of optical antennas 31) = 72 × 72 in the Taylor excitation distribution, and FIG. 15A shows the directivity with reference to an elevation angle of 15 °. (A-2) shows directivity with an azimuth angle of 15 ° as a reference.
FIG. 15B shows the directivity when the number of elements (number of optical antennas 31) = 64 × 64 in the uniform excitation distribution, and (b-1) is based on an elevation angle of 15 °. Directivity is shown, and (b-2) shows directivity with an azimuth angle of 15 ° as a reference. In both (a) and (b), the element spacing is 1.8λ.
図１５（ａ）に示すように、テイラー励振分布において、素子数を７２×７２個とし、素子間隔を１．８λとしたとき、ビーム幅（半値幅）は０．５°以下となり、視域角は３０°以上となる。なお、この場合、図１１に示した関係から、素子数を増やしてもビーム幅が小さくなるため、ここで説明した素子数７２×７２個以上であっても構わない。
また、図１５（ｂ）に示すように、一様励振分布において、素子数を６４×６４個とし、素子間隔を１．８λとしたとき、ビーム幅（半値幅）は０．５°以下となり、視域角は３０°以上となる。この場合も、素子数６４×６４個以上であっても構わない。
以上説明したように、光線制御素子１を用いることで、要素レンズを使用しない立体表示装置１００を実現することができる。
As shown in FIG. 15A, in the Taylor excitation distribution, when the number of elements is 72 × 72 and the element interval is 1.8λ, the beam width (half width) is 0.5 ° or less, and the viewing zone The angle is 30 ° or more. In this case, from the relationship shown in FIG. 11, the beam width is reduced even if the number of elements is increased. Therefore, the number of elements described here may be 72 × 72 or more.
Further, as shown in FIG. 15B, in the uniform excitation distribution, when the number of elements is 64 × 64 and the element interval is 1.8λ, the beam width (half-value width) is 0.5 ° or less. The viewing zone angle is 30 ° or more. Also in this case, the number of elements may be 64 × 64 or more.
As described above, by using the light beam control element 1, the stereoscopic display device 100 that does not use an element lens can be realized.
以上、本発明の実施形態に係る光線制御素子１について説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、ここでは、光アレーアンテナ３０の光アンテナ３１の配列を四角配列としたが、三角配列であっても構わない。 The light beam control element 1 according to the embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to this embodiment. For example, here, the array of the optical antennas 31 of the optical array antenna 30 is a square array, but it may be a triangular array.
〔光線制御素子を立体表示装置に適用したときの動作〕
次に、図３を参照（適宜図２参照）して、光線制御素子１を立体表示装置１００に適用したときの動作について説明する。
光線制御素子１は、光源１０によって、光強度変調手段２０に対して光（コヒーレンス光）を供給する。
そして、光線制御素子１は、光強度変調手段２０によって、光線制御素子１固有の角度ピッチの数に要素画像を区分した画素の画素値を画像信号として順次外部から時系列に入力する。そして、光強度変調手段２０は、その画素値に対応する階調に、光強度を変調する。これによって、時系列のある時点における画素値の階調に応じた光強度を持った光が生成されることになる。
さらに、光線制御素子１は、光強度変調手段２０によって、光強度の変調を行った光を、光導波路３２を介して、光アレーアンテナ３０の各光アンテナ３１，３１，…，３１に分配する。
[Operation when the light beam control element is applied to a stereoscopic display]
Next, referring to FIG. 3 (refer to FIG. 2 as appropriate), an operation when the light beam control element 1 is applied to the stereoscopic display device 100 will be described.
The light beam control element 1 supplies light (coherence light) to the light intensity modulation means 20 by the light source 10.
Then, the light beam control element 1 sequentially inputs the pixel values of the pixels obtained by dividing the element image into the number of angle pitches unique to the light beam control element 1 from the outside in time series by the light intensity modulation means 20. Then, the light intensity modulation means 20 modulates the light intensity to a gradation corresponding to the pixel value. As a result, light having light intensity corresponding to the gradation of the pixel value at a certain time point in time is generated.
Further, the light beam control element 1 distributes the light whose light intensity is modulated by the light intensity modulation means 20 to the respective optical antennas 31, 31,..., 31 of the optical array antenna 30 through the optical waveguide 32. .
そして、光線制御素子１は、個々の光アンテナ３１の位相変調手段３３によって、分配された光の位相を、外部から入力される位相制御信号（位相変調電圧Ｖｐ）により変調する。このとき、個々の光アンテナ３１の位相変調手段３３に設定される位相変調電圧Ｖｐは、光アンテナ３１の位置に応じて個別に設定され、また、水平および垂直方向の角度ピッチ分に区分して時系列に入力される画像信号に同期して変更される。
そして、光線制御素子１は、外部から入力される振幅制御信号（振幅変調電圧Ｖａ）により振幅を変調することで、光の強度を変更する。この振幅変調電圧Ｖａは、時系列に変化するものではなく、再生される立体像全体の光強度を変更する際に外部から入力される。
The light beam control element 1 modulates the phase of the distributed light by a phase control signal (phase modulation voltage Vp) input from the outside by the phase modulation means 33 of each optical antenna 31. At this time, the phase modulation voltage Vp set in the phase modulation means 33 of each optical antenna 31 is individually set according to the position of the optical antenna 31, and is divided into angular pitches in the horizontal and vertical directions. It is changed in synchronization with the image signal input in time series.
The light beam control element 1 modulates the amplitude by an amplitude control signal (amplitude modulation voltage Va) input from the outside, thereby changing the light intensity. The amplitude modulation voltage Va does not change in time series, but is input from the outside when changing the light intensity of the entire reproduced stereoscopic image.
そして、光線制御素子１は、個々の光アンテナ３１から、位相変調された光を表示面Ｄの開口部Ｈから出射することで、光の干渉によって、時系列に異なる放射パターンを生成し、要素画像を表示する。
以上の動作によって、光線制御素子１は、ＩＰにおける要素画像を表示することができる。これによって、立体表示装置１００は、光線制御素子１を表示素子とすることで、要素レンズを用いることなく、立体像を表示することが可能になる。
The light beam control element 1 emits phase-modulated light from the individual optical antennas 31 from the openings H of the display surface D, thereby generating different radiation patterns in time series due to light interference. Display an image.
With the above operation, the light beam control element 1 can display an element image in IP. Accordingly, the stereoscopic display device 100 can display a stereoscopic image without using an element lens by using the light beam control element 1 as a display element.
〔立体表示装置の構成〕
次に、図１６を参照（適宜図３参照）して、本発明の第１実施形態に係る光線制御素子１を備えた立体表示装置１００の構成について説明する。
図１６（ａ）に示すように、立体表示装置１００は、光線制御素子１が平面上に２次元配列されて構成される。この光線制御素子１の数は、ＩＰの撮像装置（不図示）で撮像された要素画像の数に相当する。
すなわち、個々の光線制御素子１がそれぞれの要素画像を表示することで、観察者に立体像を視認させることができる（図２参照）。
図１６（ｂ）に、立体表示装置１００の構成例を示す。図１６（ｂ）に示すように、立体表示装置１００は、２次元配列された複数の光線制御素子１と、画像時分割手段１０１と、位相変更手段１０２と、振幅変更手段（不図示）と、を備える。
光線制御素子１は、図３で説明したものと同一のものであるため、説明を省略する。
[Configuration of stereoscopic display device]
Next, with reference to FIG. 16 (refer to FIG. 3 as appropriate), the configuration of the stereoscopic display device 100 including the light beam control element 1 according to the first embodiment of the present invention will be described.
As shown in FIG. 16A, the stereoscopic display device 100 is configured by two-dimensionally arranging the light beam control elements 1 on a plane. The number of light beam control elements 1 corresponds to the number of element images captured by an IP imaging device (not shown).
That is, the individual light beam control elements 1 display the respective element images, thereby allowing the observer to visually recognize a stereoscopic image (see FIG. 2).
FIG. 16B shows a configuration example of the stereoscopic display device 100. As shown in FIG. 16B, the stereoscopic display device 100 includes a plurality of two-dimensionally arrayed light control elements 1, an image time division unit 101, a phase change unit 102, an amplitude change unit (not shown), .
The light beam control element 1 is the same as that described with reference to FIG.
画像時分割手段１０１は、ＩＰの画像信号（要素画像群）を外部から入力し、それぞれの要素画像において、光線制御素子１の視域角（例えば、±１５°）と、角度ピッチ（ビーム幅）で特定された画素値を時分割し、信号線Ｌｖを介して、要素画像に対応する光線制御素子１に出力する。
この画像時分割手段１０１は、画素値を個々の光線制御素子１の光強度変調手段２０に出力する。これによって、視域角内における所定の角度ピッチの光線として表示するための画素値が特定されることになる。
また、画像時分割手段１０１は、画素値を時分割で切り替えるタイミングに同期して、位相変更手段１０２に位相変調電圧Ｖｐを切り替えさせる。
The image time division unit 101 receives an IP image signal (element image group) from the outside, and in each element image, the viewing zone angle (for example, ± 15 °) of the light beam control element 1 and the angle pitch (beam width). ) Are time-divided and output to the light beam control element 1 corresponding to the element image via the signal line Lv.
The image time division unit 101 outputs the pixel value to the light intensity modulation unit 20 of each light beam control element 1. Thereby, a pixel value to be displayed as a light beam having a predetermined angular pitch within the viewing zone angle is specified.
Further, the image time division unit 101 causes the phase change unit 102 to switch the phase modulation voltage Vp in synchronization with the timing at which the pixel value is switched by time division.
位相変更手段１０２は、光線制御素子１の位相変調手段３３に入力される位相変調電圧Ｖｐを、画像時分割手段１０１と同期したタイミングで切り替えるものである。
この位相変更手段１０２は、画像時分割手段１０１が要素画像の画素値を時分割して光線制御素子１に出力するタイミングに同期して、光線制御素子１の個々の光アンテナ３１の位相変調手段３３に信号線Ｌｐを介して位相変調電圧Ｖｐを供給する。すなわち、位相変更手段１０２は、個々の光線制御素子１の光線が、画像時分割手段１０１で特定された視域角内における所定の角度ピッチの光線となるように、その偏向角（仰角、方位角）に対応した予め定めた位相に対応する位相変調電圧Ｖｐを位相変調手段３３に供給する。
The phase changing unit 102 switches the phase modulation voltage Vp input to the phase modulation unit 33 of the light beam control element 1 at a timing synchronized with the image time division unit 101.
This phase changing means 102 is synchronized with the timing at which the image time division means 101 time-divides the pixel value of the element image and outputs it to the light ray control element 1. The phase modulation means of each optical antenna 31 of the light ray control element 1. The phase modulation voltage Vp is supplied to 33 via the signal line Lp. In other words, the phase changing unit 102 determines the deflection angle (elevation angle, azimuth) so that the light beam of each light beam control element 1 becomes a light beam having a predetermined angular pitch within the viewing zone angle specified by the image time division unit 101. A phase modulation voltage Vp corresponding to a predetermined phase corresponding to the angle is supplied to the phase modulation means 33.
ここで、光線制御素子１は、個々の光アンテナ３１から放射される光の干渉によって、光線の偏向を制御するため、個々の光アンテナ３１の電圧制御を同時に行う必要がある。その制御法としては、例えば、液晶ディスプレイで広く利用されているアクティブマトリックス方式による電圧制御法を用いればよく、信号線Ｌｐの数を減らすこともできる。このアクティブマトリックス方式による電圧制御法を用いることで、光線制御素子１は、ある偏光方向への光線の発光時にトリガーをかけて、個々の光アンテナ３１に対して位相変調電圧Ｖｐを同時に印加することで、所望の偏光方向に光線を出射することができる。
これによって、光線制御素子１から、時分割で、光線の偏向角（仰角、方位角）が変更されて出射されることになる。
Here, since the light beam control element 1 controls the deflection of the light beam by the interference of the light emitted from the individual optical antennas 31, it is necessary to simultaneously control the voltages of the individual optical antennas 31. As the control method, for example, a voltage control method by an active matrix method widely used in liquid crystal displays may be used, and the number of signal lines Lp can be reduced. By using the voltage control method based on this active matrix system, the light beam control element 1 applies a phase modulation voltage Vp to each optical antenna 31 at the same time by triggering when light is emitted in a certain polarization direction. Thus, a light beam can be emitted in a desired polarization direction.
As a result, the light beam control element 1 emits the light beam with its deflection angle (elevation angle, azimuth angle) changed in a time-sharing manner.
なお、図示を省略した振幅変更手段は、適宜、観察者が立体像の明暗を調節する際に、そのレベル信号が入力され、すべての光線制御素子１に共通の信号線（不図示）を介して、振幅変調手段３４に振幅変調電圧Ｖａを供給する。
以上説明したように、立体表示装置１００を構成することで、立体表示装置１００は、要素レンズを用いないで、観察者にＩＰの立体像を視認させることができる。
The amplitude changing means (not shown) receives a level signal when the observer appropriately adjusts the brightness of the stereoscopic image, and passes through a signal line (not shown) common to all the light beam control elements 1. Thus, the amplitude modulation voltage Va is supplied to the amplitude modulation means 34.
As described above, by configuring the stereoscopic display device 100, the stereoscopic display device 100 can allow an observer to visually recognize an IP stereoscopic image without using an element lens.
（立体表示装置の高解像度化について）
図１６では、立体表示装置１００において、すべての光線制御素子１を、画像時分割手段１０１と、位相変更手段１０２と、振幅変更手段（不図示）とで制御する構成とした。しかし、立体表示装置１００が、高解像度化するにつれて、それらをフレーム周期内で駆動することは困難となる。
このように、立体表示装置１００を高解像度化する場合には、図１６に示した光線制御素子１の予め定めた数を１ユニットとし、ユニット単位で駆動制御すればよい。
(About higher resolution of 3D display device)
In FIG. 16, in the stereoscopic display device 100, all the light beam control elements 1 are controlled by the image time division unit 101, the phase change unit 102, and the amplitude change unit (not shown). However, as the stereoscopic display device 100 increases in resolution, it becomes difficult to drive them within the frame period.
Thus, in order to increase the resolution of the stereoscopic display device 100, the predetermined number of the light beam control elements 1 shown in FIG. 16 may be one unit, and drive control may be performed in units.
例えば、図１７に示すように、立体表示装置１００で、水平１９２０×垂直１０８０画素のＨＤＴＶ（High-definition television）の画素数と同じ要素画像の数を表示させる場合、要素画像を表示する光線制御素子１の水平６０×垂直６０個分を１つのユニットＵとする。
そして、立体表示装置１００は、水平３２×垂直１８ユニットの５７６個の各ユニットＵを、個別に並列に駆動制御すればよい。その場合、立体表示装置１００は、図１６で説明した画像時分割手段１０１と位相変更手段１０２とを、ユニットＵごとに備え、さらに、画像信号をユニットＵごとの画像信号として分配する画像分配手段（不図示）を備える構成とすればよい。なお、ユニットＵごとの駆動は、さらに、ユニットＵを上下で２等分してフレームごとに交互に駆動することとしてもよい。これによって、駆動操作時間を１フレーム時間（フレームレート）の２倍に引き延ばすことができる。
For example, as shown in FIG. 17, when displaying the same number of element images as the number of HDTV (High-definition television) of 1920 × vertical 1080 pixels on the stereoscopic display device 100, light control for displaying the element image One unit U is defined by 60 horizontal elements × 60 vertical elements 1.
Then, the stereoscopic display device 100 may drive and control the 576 units U each of horizontal 32 × vertical 18 units individually in parallel. In that case, the stereoscopic display device 100 includes the image time division unit 101 and the phase change unit 102 described in FIG. 16 for each unit U, and further, an image distribution unit that distributes an image signal as an image signal for each unit U. A configuration provided with (not shown) may be used. The driving for each unit U may be further performed by alternately dividing the unit U into two equal parts in the upper and lower directions and every frame. As a result, the drive operation time can be extended to twice the frame time (frame rate).
なお、図１７の立体表示装置１００において、１フレーム時間を１／６０（ｓｅｃ）、ユニットＵを上下で２等分してフレームごとに交互に駆動した場合、光線制御素子１に求められる切り替え速度は、以下の通りとなる。
すなわち、切り替え速度は、１／６０（１フレーム時間）×２／６０（上下駆動した１ユニット中の要素画像における走査時間）×１／６０×１／６０（光アレーアンテナ３０における偏向方向数で、視域角３０°／ビーム幅０．５°＝６０偏光方向とした場合の水平６０×垂直６０方向）（ｓｅｃ）＝０．１５４μｓｅｃとなる。
In the stereoscopic display device 100 of FIG. 17, when one frame time is 1/60 (sec), and the unit U is divided into two equal parts, the switching speed required for the light beam control element 1 is alternately driven for each frame. Is as follows.
That is, the switching speed is 1/60 (one frame time) × 2/60 (scanning time in the element image in one unit driven up and down) × 1/60 × 1/60 (the number of deflection directions in the optical array antenna 30). The viewing zone angle is 30 ° / the beam width is 0.5 ° = horizontal 60 × vertical 60 direction when the polarization direction is 60) (sec) = 0.154 μsec.
この切り替え速度は、光アンテナ３１の位相変調手段３３（図３参照）で用いられる電気光学効果を有する材料である、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：ＬＮ）、電気ＥＯポリマーの応答速度で十分対応することができる。
また、このとき、光強度変調手段２０から出力される強度変調速度は、６．５ＭＨｚ（１／０．１５４〔μｓｅｃ〕）となり、光源１０として既存のレーザー発生器を用いることができ、光強度変調手段２０として既存の光変調器を用いることができる。
これによって、立体表示装置１００は、表示画像が高解像度化されても、フレーム周期内で駆動することが可能になる。
This switching speed is a material having an electro-optic effect used in the phase modulation means 33 (see FIG. 3) of the optical antenna 31, for example, a response speed of lithium niobate (LiNbO 3 : LN) or an electric EO polymer is sufficient. Can respond.
At this time, the intensity modulation speed output from the light intensity modulation means 20 is 6.5 MHz (1 / 0.154 [μsec]), and an existing laser generator can be used as the light source 10. An existing optical modulator can be used as the modulation means 20.
As a result, the stereoscopic display device 100 can be driven within the frame period even when the resolution of the display image is increased.
（立体表示装置のカラー化について）
図１６では、説明を容易にするため、立体表示装置１００において、単色（モノクロ）の立体像を表示する構成としている。
立体表示装置１００をカラー化する場合、図１８に示すように、ＲＧＢごとの光線制御素子１（１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ）を組として同じ要素画像を表示する構成（要素画像カラー表示単位１ＣＬ）とすればよい。
(About colorization of stereoscopic display devices)
In FIG. 16, for ease of explanation, the stereoscopic display device 100 is configured to display a monochrome (monochrome) stereoscopic image.
When the stereoscopic display device 100 is colorized, as shown in FIG. 18, a configuration (element image color display unit) that displays the same element image by combining the light beam control elements 1 (1 R , 1 G , 1 B ) for each of RGB. 1 CL ).
ここで、光線制御素子１Ｒは赤色（Ｒ）の要素画像を表示する素子、光線制御素子１Ｇは緑色（Ｇ）の要素画像を表示する素子、光線制御素子１Ｂは青色（Ｂ）の要素画像を表示する素子である。この光線制御素子１（１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ）は、それぞれ、図３で説明した光源１０が発光する色が異なる。例えば、光線制御素子１Ｒには、光源１０として赤色発光ダイオード、あるいは、光源１０および光強度変調手段２０として強度変調機能を有する赤色発光ダイオードを用いればよい（他の色も同様）。
なお、光線制御素子１Ｒ，１Ｇ，１Ｂは、それぞれサイズが異なる。より詳細には、光線制御素子１Ｒ，１Ｇ，１Ｂは、各色の波長に応じて、光アンテナ３１（図３参照）の間隔が異なる。
Here, the light control element 1 R is an element that displays a red (R) element image, the light control element 1 G is an element that displays a green (G) element image, and the light control element 1 B is a blue (B) element. This element displays an element image. The light control elements 1 (1 R , 1 G , 1 B ) have different colors emitted from the light source 10 described in FIG. For example, a red light emitting diode as the light source 10 or a red light emitting diode having an intensity modulation function as the light source 10 and the light intensity modulating means 20 may be used for the light control element 1 R (the same applies to other colors).
The light beam control elements 1 R , 1 G and 1 B have different sizes. More specifically, the light beam control elements 1 R , 1 G , 1 B have different intervals between the optical antennas 31 (see FIG. 3) according to the wavelengths of the respective colors.
ここで、先にフェーズドアレーアンテナの原理で説明した図４（ａ）を参照して、波長と光アンテナ３１の間隔との関係について説明しておく。
図４（ａ）に示すように、素子アンテナＡｔ（光アンテナ３１に相当）をｚ軸上に配列した場合、偏向角θ（図４（ａ）では、仰角）、波長λ、隣接するアンテナとの間隔ｄ、隣接するアンテナとの位相差δは、以下の式（４）の関係がある
Here, the relationship between the wavelength and the distance between the optical antennas 31 will be described with reference to FIG. 4 (a) described in the principle of the phased array antenna.
As shown in FIG. 4A, when the element antenna At (corresponding to the optical antenna 31) is arranged on the z axis, the deflection angle θ (the elevation angle in FIG. 4A), the wavelength λ, And the phase difference δ between adjacent antennas have the relationship of the following formula (4):
この式（４）において、同じ偏向角θを実現する場合、波長λとアンテナの間隔ｄとは比例関係になる。
そこで、図１８に示す要素画像カラー表示単位１ＣＬは、光線制御素子１Ｒ，１Ｇ，１Ｂのそれぞれの光アンテナ３１（図３参照）の間隔ｄＲ，ｄＧ，ｄＢの比を、使用するＲＧＢそれぞれの光の波長（例えば、Ｒ：７００ｎｍ，Ｇ：５４６ｎｍ，Ｂ：４３６ｎｍ）の比とすればよい。なお、要素画像カラー表示単位１ＣＬのうち、光線制御素子１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ以外の領域は、光の漏えいを防止するため、遮光膜等で構成すればよい。
すなわち、図１９に示すように、カラーの立体像を表示する立体表示装置１００ＣＬは、光線制御素子１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを含んだ要素画像カラー表示単位１ＣＬを平面上に２次元配列して構成すればよい。なお、立体表示装置１００ＣＬを、例えば、８５インチのＨＤＴＶ相当の水平１９２０×垂直１０８０の画素数と同じ数の要素画像を表示させる場合、要素画像カラー表示単位１ＣＬの水平および垂直サイズは、それぞれ約９８０μｍとなる。
In this equation (4), when realizing the same deflection angle θ, the wavelength λ and the antenna interval d are in a proportional relationship.
Therefore, the element image color display unit 1 CL shown in FIG. 18, the distance d R of the respective optical antenna 31 of the light beam control element 1 R, 1 G, 1 B ( see FIG. 3), d G, the ratio of d B The ratio of the wavelengths of light for each of the RGB colors used (for example, R: 700 nm, G: 546 nm, B: 436 nm) may be used. In the element image color display unit 1 CL , regions other than the light beam control elements 1 R , 1 G , and 1 B may be configured with a light shielding film or the like in order to prevent light leakage.
That is, as shown in FIG. 19, the stereoscopic display device 100 CL that displays a color stereoscopic image has a two-dimensional element image color display unit 1 CL including the light beam control elements 1 R , 1 G , and 1 B on a plane. What is necessary is just to arrange and comprise. For example, when the stereoscopic display device 100 CL displays the same number of element images as the number of horizontal 1920 × vertical 1080 pixels equivalent to an 85-inch HDTV, the horizontal and vertical sizes of the element image color display unit 1 CL are: Each is about 980 μm.
〔光線制御素子の他の構成（第２実施形態）〕
次に、図２０を参照して、本発明の第２実施形態に係る光線制御素子１Ｂの構成について説明する。第１実施形態に係る光線制御素子１（図３参照）は、１つの光アレーアンテナ３０によって、要素画像を表示する予め定めた視域（３０°）全体をカバーする構成とした。
[Other Configurations of Light Control Element (Second Embodiment)]
Next, with reference to FIG. 20, the structure of the light beam control element 1B according to the second embodiment of the present invention will be described. The light beam control element 1 (see FIG. 3) according to the first embodiment is configured to cover the entire predetermined viewing area (30 °) for displaying an element image by one optical array antenna 30.
光線制御素子１Ｂは、視域を複数の光アレーアンテナ３０Ｂで分割して表示するものである。
図２０に示すように、光線制御素子１Ｂは、光源１０と、光強度変調手段２０と、複数の光アレーアンテナ３０Ｂと、光アレーアンテナ３０Ｂを球面上に配置する透明の下地構造４０と、を備える。光源１０および光強度変調手段２０は、図３で説明した光線制御素子１の構成と同じものであるため、説明を省略する。
The light beam control element 1B displays the viewing area divided by a plurality of optical array antennas 30B.
As shown in FIG. 20, the light beam control element 1B includes a light source 10, a light intensity modulation means 20, a plurality of optical array antennas 30B, and a transparent base structure 40 in which the optical array antennas 30B are arranged on a spherical surface. Prepare. The light source 10 and the light intensity modulating means 20 are the same as the configuration of the light beam control element 1 described in FIG.
光アレーアンテナ３０Ｂは、複数の光アンテナ３１（図３参照）を光が出射する向きを合わせて平面上に２次元配列し、各光アンテナ３１，３１，…，３１の励振位相を変化させることで、光線の偏向を制御するものであって、基本的構成は光アレーアンテナ３０（図３参照）と同じである。
ただし、光アレーアンテナ３０Ｂは、予め定めた視域を分割して表示するため、図２０（ａ）の平面図に示すように、所定の角度ごとに複数備える。ここでは、４５°ごと、すなわち、水平方向、垂直方向、（左右）斜め方向の４方向それぞれに複数（ここでは、７個、計２５個〔中心は共通〕）の光アレーアンテナ３０Ｂを放射状に備える。
In the optical array antenna 30B, a plurality of optical antennas 31 (see FIG. 3) are two-dimensionally arranged on a plane in accordance with the direction in which light is emitted, and the excitation phases of the optical antennas 31, 31,. Thus, the deflection of the light beam is controlled, and the basic configuration is the same as that of the optical array antenna 30 (see FIG. 3).
However, in order to divide and display a predetermined viewing zone, a plurality of optical array antennas 30B are provided for each predetermined angle as shown in the plan view of FIG. Here, a plurality of optical array antennas 30B (in this case, a total of 25 (the center is common)) in each of 45 degrees, that is, in each of the four directions of the horizontal direction, the vertical direction, and the (left and right) diagonal direction are radially arranged. Prepare.
この光線制御素子１Ｂでは、光アレーアンテナ３０Ｂを、図２０（ａ）のＡ−Ａ断面図である（ｂ）（ｂ−１）や、（ａ）のＢ−Ｂ断面図である（ｂ）（ｂ−２）に示すように、球面（球冠）上に備える。
ここで、視域を約３０°とした場合、図２０（ｃ）に示すように、光アレーアンテナ３０Ｂの表示面中心における表示面と直交する垂線（主軸Ｌ）が球の中心Ｃを通り、隣接する光アレーアンテナ３０Ｂの主軸Ｌと中心Ｃとのなす角を、３０°／（所定方向ごとの光アレーアンテナ３０Ｂの数）とすればよい（ここでは、３０°／７＝約４．３°）。
In this light beam control element 1B, the optical array antenna 30B is shown in the AA sectional view of FIG. 20A (b) (b-1) or the BB sectional view of (a) (b). As shown in (b-2), it is provided on a spherical surface (spherical crown).
Here, when the viewing area is about 30 °, as shown in FIG. 20C, the perpendicular (main axis L) perpendicular to the display surface at the center of the display surface of the optical array antenna 30B passes through the center C of the sphere, The angle formed between the main axis L and the center C of the adjacent optical array antenna 30B may be 30 ° / (the number of optical array antennas 30B for each predetermined direction) (here, 30 ° / 7 = about 4.3). °).
下地構造（透明下地構造）４０は、光強度変調手段２０と光アレーアンテナ３０Ｂとの間に設けられ、光アレーアンテナ３０Ｂを、球面（球冠）上に設置するものである。この下地構造４０は、それぞれの光アレーアンテナ３０Ｂが、図２０（ｃ）で説明した角度を有するように傾斜を設けている。
この下地構造４０は、透明部材であって、光強度変調手段２０上に、例えば、ポリマー材料をナノインプリントするか、石英等を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）で加工して形成することができる。なお、下地構造４０で光アレーアンテナ３０Ｂを配置しない領域については、光の漏えいを防止するため、遮光膜等で表面加工することとする。
The base structure (transparent base structure) 40 is provided between the light intensity modulation means 20 and the optical array antenna 30B, and the optical array antenna 30B is installed on a spherical surface (spherical crown). The base structure 40 is inclined so that each optical array antenna 30B has the angle described with reference to FIG.
The underlying structure 40 is a transparent member, and is formed on the light intensity modulation means 20 by, for example, nanoimprinting a polymer material or processing quartz or the like by reactive ion etching (RIE). Can do. In addition, in the base structure 40, the region where the optical array antenna 30B is not disposed is surface-treated with a light shielding film or the like in order to prevent light leakage.
（光アンテナの数および間隔）
次に、光線制御素子１Ｂを立体表示装置１００に適用する際の光アレーアンテナ３０Ｂを構成する光アンテナ３１の数およびその間隔について説明する。
図２０で説明したように、水平方向、垂直方向、斜め方向ごとの光アレーアンテナ３０Ｂの数を７個とし、視域を３０°とした場合、個々の光アレーアンテナ３０Ｂの偏向角は、約４．３°（±２．２°）であればよい。
(Number and spacing of optical antennas)
Next, the number and interval of the optical antennas 31 constituting the optical array antenna 30B when the light beam control element 1B is applied to the stereoscopic display device 100 will be described.
As described in FIG. 20, when the number of the optical array antennas 30B for each of the horizontal direction, the vertical direction, and the oblique direction is seven and the viewing area is 30 °, the deflection angle of each optical array antenna 30B is about It may be 4.3 ° (± 2.2 °).
図２１，図２２に、光アンテナ３１の数を８×８個としたときの素子間隔とビーム幅（半値幅）との関係をシュミレーションした結果を示す。図２１において、（ａ）は素子間隔（光アンテナ３１の間隔）＝２．０λ、（ｂ）は素子間隔＝４．０λ、（ｃ）は素子間隔＝６．０λ、図２２において、（ｄ）は素子間隔＝８．０λ、（ｅ）は素子間隔＝１０．０λ、（ｆ）は素子間隔＝１２．０λとしたときの指向性を示している。なお、（ａ）〜（ｆ）のいずれも方位角を０°（ｄｅｇ．）、仰角を２．２°（ｄｅｇ．）とした。
このとき、（ａ）ではビーム幅（半値幅）＝３．２０°、（ｂ）ではビーム幅（半値幅）＝１．６０°、（ｃ）ではビーム幅（半値幅）＝１．０６°、（ｄ）ではビーム幅（半値幅）＝０．８０°、（ｅ）ではビーム幅（半値幅）＝０．６４°（ｆ）ではビーム幅（半値幅）＝０．５４°となった。
FIGS. 21 and 22 show the results of simulating the relationship between the element spacing and the beam width (half width) when the number of optical antennas 31 is 8 × 8. 21A is an element interval (interval of the optical antenna 31) = 2.0λ, FIG. 21B is an element interval = 4.0λ, FIG. 21C is an element interval = 6.0λ, and FIG. ) Shows the directivity when the element interval is 8.0λ, (e) shows the element interval = 10.0λ, and (f) shows the directivity when the element interval = 12.0λ. In any of (a) to (f), the azimuth angle was set to 0 ° (deg.), And the elevation angle was set to 2.2 ° (deg.).
At this time, the beam width (half width) = 3.20 ° in (a), the beam width (half width) = 1.60 ° in (b), and the beam width (half width) = 1.06 ° in (c). (D) Beam width (half width) = 0.80 °, (e) Beam width (half width) = 0.64 ° (f) Beam width (half width) = 0.54 ° .
すなわち、光アンテナ３１の数を８×８個としたとき、素子間隔を１２λとすれば、ビーム幅は０．５４°となり、個々の光アレーアンテナ３０Ｂの視域を±２．２°とするとともに、ビーム幅を、両眼で立体像を観察するために適した約０．１〜０．５°の範囲とすることができる。 That is, when the number of optical antennas 31 is 8 × 8, if the element spacing is 12λ, the beam width is 0.54 °, and the viewing area of each optical array antenna 30B is ± 2.2 °. In addition, the beam width can be in a range of about 0.1 to 0.5 ° suitable for observing a stereoscopic image with both eyes.
以上説明したように、光線制御素子１Ｂは、第１実施形態に係る光線制御素子１（図３参照）よりも、素子数（光アンテナ３１の数）を少なくし、素子間隔を広くすることができるため、デバイス製作を容易にすることができる。 As described above, the light beam control element 1B can reduce the number of elements (the number of optical antennas 31) and increase the element spacing, compared to the light beam control element 1 according to the first embodiment (see FIG. 3). Therefore, device fabrication can be facilitated.
（光線制御素子１Ｂを用いた立体表示装置の高解像度化について）
この光線制御素子１Ｂを、立体表示装置に適用する場合、図１６で説明した立体表示装置１００において、光線制御素子１を光線制御素子１Ｂに置き換えて構成すればよい。また、光線制御素子１Ｂを用いて、ＨＤＴＶ等相当の高解像度化した立体像を表示する場合、図１７で説明したのと同様に、複数の光線制御素子１Ｂを１つのユニットとして駆動制御すればよい。また、ユニットＵごとの駆動を、ユニットＵを上下で２等分してフレームごとに交互に駆動することとしてもよい。
(About high resolution of a stereoscopic display device using the light beam control element 1B)
When this light beam control element 1B is applied to a stereoscopic display device, the light beam control element 1 may be replaced with the light beam control element 1B in the stereoscopic display device 100 described with reference to FIG. Also, when displaying a high-resolution stereoscopic image equivalent to HDTV or the like using the light beam control element 1B, the drive control of the plurality of light beam control elements 1B as one unit is performed as described with reference to FIG. Good. Further, the driving for each unit U may be alternately driven for each frame by dividing the unit U into two equal parts.
なお、図１７の立体表示装置１００における光線制御素子１を光線制御素子１Ｂに置き換え、１フレーム時間を１／６０（ｓｅｃ）、ユニットＵを上下で２等分してフレームごとに交互に駆動した場合、光線制御素子１Ｂに求められる切り替え速度は、以下の通りとなる。
すなわち、切り替え速度は、１／６０（１フレーム時間）×２／６０（上下駆動した１ユニット中の要素画像における走査時間）×１／４（水平方向、垂直方向、〔左右〕斜め方向の４方向の各要素画像中の光アレーアンテナ３０Ｂにおける走査時間）×１／８×１／８（光アレーアンテナ３０Ｂにおける偏向方向数）（ｓｅｃ）＝２．１７μｓｅｃとなる。
Note that the light beam control element 1 in the stereoscopic display device 100 of FIG. 17 is replaced with the light beam control element 1B, and 1 frame time is 1/60 (sec), the unit U is divided into two equal parts up and down, and each frame is driven alternately. In this case, the switching speed required for the light beam control element 1B is as follows.
That is, the switching speed is 1/60 (one frame time) × 2/60 (scanning time in the element image in one unit driven up and down) × 1/4 (horizontal direction, vertical direction, [left / right) diagonal direction 4 The scanning time in the optical array antenna 30B in each element image in the direction) × 1/8 × 1/8 (the number of deflection directions in the optical array antenna 30B) (sec) = 2.17 μsec.
この切り替え速度は、光アンテナ３１の位相変調手段３３（図３参照）で用いられる電気光学効果を有する材料である、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：ＬＮ）、電気ＥＯポリマーの応答速度で十分対応することができる。
また、このとき、光強度変調手段２０から出力される強度変調速度は、４６１ｋＨｚ（１／２．１７〔μｓｅｃ〕）となり、光源１０として既存のレーザー発生器を用いることができ、光強度変調手段２０として既存の光変調器を用いることができる。
This switching speed is a material having an electro-optic effect used in the phase modulation means 33 (see FIG. 3) of the optical antenna 31, for example, a response speed of lithium niobate (LiNbO 3 : LN) or an electric EO polymer is sufficient. Can respond.
At this time, the intensity modulation speed output from the light intensity modulation means 20 is 461 kHz (1 / 2.17 [μsec]), and an existing laser generator can be used as the light source 10. An existing optical modulator can be used as 20.
（光線制御素子１Ｂを用いた立体表示装置のカラー化について）
光線制御素子１Ｂを用いた立体表示装置をカラー化する場合、図２３に示すように、ＲＧＢごとの光線制御素子１Ｂ（１ＢＲ，１ＢＧ，１ＢＢ）を組として同じ要素画像を表示する構成（要素画像カラー表示単位１ＢＣＬ）とすればよい。
なお、図２３に示す要素画像カラー表示単位１ＢＣＬは、光線制御素子１ＢＲ，１ＢＧ，１ＢＢのそれぞれの光アンテナ３１（図３参照）の間隔の比は、使用するＲＧＢそれぞれの光の波長（例えば、Ｒ：７００ｎｍ，Ｇ：５４６ｎｍ，Ｂ：４３６ｎｍ）の比となるため、その比に応じて、光線制御素子１ＢＲ，１ＢＧ，１ＢＢの大きさが異なる。なお、要素画像カラー表示単位１ＢＣＬのうち、光線制御素子１ＢＲ，１ＢＧ，１ＢＢ以外の領域は、光の漏えいを防止するため、遮光膜等で構成すればよい。
(About the colorization of the stereoscopic display device using the light beam control element 1B)
When colorizing a stereoscopic display device using the light beam control element 1B, as shown in FIG. 23, the same elemental image is displayed with the light beam control elements 1B (1B R , 1B G , 1B B ) for each RGB as a set. (Element image color display unit 1B CL ) may be used.
The element image color display unit 1B CL shown in FIG. 23 has an interval ratio of the optical antennas 31 (see FIG. 3) of the light beam control elements 1B R , 1B G , and 1B B. Since the ratio of wavelengths (for example, R: 700 nm, G: 546 nm, B: 436 nm), the sizes of the light beam control elements 1B R , 1B G , and 1B B differ depending on the ratio. In the element image color display unit 1B CL , regions other than the light beam control elements 1B R , 1B G , and 1B B may be configured with a light shielding film or the like in order to prevent light leakage.
そして、図２４に示すように、光線制御素子１Ｂを用いた立体表示装置１００ＢＣＬは、光線制御素子１Ｂ（１ＢＲ，１ＢＧ，１ＢＢ）を含んだ要素画像カラー表示単位１ＢＣＬを平面上に２次元配列して構成すればよい。 Then, as shown in FIG. 24, the stereoscopic display device 100B CL using the light beam control element 1B displays the element image color display unit 1B CL including the light beam control element 1B (1B R , 1B G , 1B B ) on the plane. The two-dimensional array may be configured.
〔光線制御素子の他の構成（第３実施形態）〕
次に、図２５を参照して、本発明の第３実施形態に係る光線制御素子１Ｃの構成について説明する。
光線制御素子１Ｃは、光線制御素子１Ｂ（図２０参照）と同様に、視域を複数の光アレーアンテナ３０Ｂで分割して表示するものである。
図２５に示すように、光線制御素子１Ｃは、光源１０と、光強度変調手段２０と、複数の光アレーアンテナ３０Ｂと、光アレーアンテナ３０Ｂを円柱側面の円弧上に配置する透明の下地構造４０と、を備える。
[Other Configurations of Light Beam Control Element (Third Embodiment)]
Next, with reference to FIG. 25, the structure of the light beam control element 1C according to the third embodiment of the present invention will be described.
The light beam control element 1C displays the viewing area divided by a plurality of optical array antennas 30B, similarly to the light beam control element 1B (see FIG. 20).
As shown in FIG. 25, the light beam control element 1C includes a light source 10, a light intensity modulation means 20, a plurality of optical array antennas 30B, and a transparent base structure 40 in which the optical array antennas 30B are arranged on a circular arc of a cylindrical side surface. And comprising.
光源１０および光強度変調手段２０は、図３で説明した光線制御素子１の構成と同じものであり、光アレーアンテナ３０Ｂおよび下地構造４０は、図２０で説明した光線制御素子１Ｂの構成と同じものである。すなわち、光アレーアンテナ３０Ｂは、光アレーアンテナ３０（図３参照）よりも素子（光アンテナ３１）を少なく、例えば、８×８個とすることができる。
ただし、光線制御素子１Ｂは、所定角度ごとに放射状に光アレーアンテナ３０Ｂを配置したが、光線制御素子１Ｃは、円柱形状の円弧に沿って１方向（水平方向）に光アレーアンテナ３０Ｂを配置している点が異なっている。
The light source 10 and the light intensity modulation means 20 are the same as the configuration of the light beam control element 1 described in FIG. 3, and the optical array antenna 30B and the base structure 40 are the same as the configuration of the light beam control element 1B described in FIG. Is. That is, the optical array antenna 30B has fewer elements (optical antennas 31) than the optical array antenna 30 (see FIG. 3), for example, 8 × 8.
However, although the light beam control element 1B radially arranges the optical array antenna 30B at every predetermined angle, the light beam control element 1C places the light array antenna 30B in one direction (horizontal direction) along the circular arc. Is different.
図２５（ａ）の平面図に示すように、光線制御素子１Ｃは、水平方向に複数（ここでは、７個）、光アレーアンテナ３０Ｂを備える。
この光線制御素子１Ｃでは、光アレーアンテナ３０Ｂを、（ａ）のＡ−Ａ断面図である（ｂ）（ｂ−１）や、（ａ）のＢ−Ｂ断面図である（ｂ）（ｂ−２）に示すように、円柱形状の円弧に沿って備える。
As shown in the plan view of FIG. 25A, the light beam control element 1C includes a plurality (here, seven) of optical array antennas 30B in the horizontal direction.
In this light beam control element 1C, the optical array antenna 30B is shown in (a) A-A sectional view of (a) (b) (b-1) or (a) BB sectional view of (b) (b -2) As shown in FIG.
ここで、水平方向の視域を約３０°とした場合、図２５（ｃ）に示すように、光アレーアンテナ３０Ｂの表示面中心における表示面と直交する垂線（主軸Ｌ）が円弧の中心Ｃを通り、隣接する光アレーアンテナ３０Ｂの主軸Ｌと中心Ｃとのなす角を、３０°／（光アレーアンテナ３０Ｂの数）とすればよい（ここでは、３０°／７＝約４．３°）。 Here, when the viewing area in the horizontal direction is about 30 °, as shown in FIG. 25C, the perpendicular (main axis L) perpendicular to the display surface at the display surface center of the optical array antenna 30B is the center C of the arc. And the angle formed by the main axis L and the center C of the adjacent optical array antenna 30B may be 30 ° / (the number of optical array antennas 30B) (here, 30 ° / 7 = about 4.3 °). ).
このように、光線制御素子１Ｃを構成することで、垂直方向の視域（この実施形態では、約４．３°）は抑えられるが、水平方向の視域は、第１，第２実施形態の光線制御素子１，１Ｂと同様に、両眼で立体像を観察するために必要な３０°を確保することができる。
また、このとき、光線制御素子１Ｃは、第２実施形態の光線制御素子１Ｂと同様に、光線制御素子１よりも、素子数（光アンテナ３１の数）を少なくし、素子間隔を広くすることができるため、デバイス製作を容易にすることができる。
Thus, by configuring the light beam control element 1C, the vertical viewing zone (in this embodiment, about 4.3 °) is suppressed, but the horizontal viewing zone is the first and second embodiments. Similarly to the light beam control elements 1 and 1B, 30 ° necessary for observing a stereoscopic image with both eyes can be secured.
At this time, similarly to the light beam control element 1B of the second embodiment, the light beam control element 1C has a smaller number of elements (number of optical antennas 31) and a wider element interval than the light beam control element 1. Therefore, device fabrication can be facilitated.
（光線制御素子１Ｃを用いた立体表示装置の高解像度化について）
この光線制御素子１Ｃを、立体表示装置に適用する場合、図１６で説明した立体表示装置１００において、光線制御素子１を光線制御素子１Ｃに置き換えて構成すればよい。また、光線制御素子１Ｃを用いて、ＨＤＴＶ等相当の高解像度化した立体像を表示する場合、図１７で説明したのと同様に、複数の光線制御素子１Ｃを１つのユニットとして駆動制御すればよい。また、ユニットＵごとの駆動を、ユニットＵを上下で２等分してフレームごとに交互に駆動することとしてもよい。
(Regarding higher resolution of a stereoscopic display device using the light beam control element 1C)
When the light beam control element 1C is applied to a stereoscopic display device, the light beam control element 1 may be replaced with the light beam control element 1C in the stereoscopic display device 100 described with reference to FIG. Further, when displaying a high-resolution stereoscopic image corresponding to HDTV or the like using the light beam control element 1C, similarly to the case described with reference to FIG. 17, the plurality of light beam control elements 1C are driven and controlled as one unit. Good. Further, the driving for each unit U may be alternately driven for each frame by dividing the unit U into two equal parts.
なお、図１７の立体表示装置１００における光線制御素子１を光線制御素子１Ｃに置き換え、１フレーム時間を１／６０（ｓｅｃ）、ユニットＵを上下で２等分してフレームごとに交互に駆動した場合、光線制御素子１Ｃに求められる切り替え速度は、以下の通りとなる。
すなわち、切り替え速度は、１／６０（１フレーム時間）×２／６０（上下駆動した１ユニット中の要素画像における走査時間）×１／１（水平方向の要素画像中の光アレーアンテナ３０Ｂにおける走査時間）×１／８×１／８（光アレーアンテナ３０Ｂにおける偏向方向数）（ｓｅｃ）＝８．６８μｓｅｃとなる。
Note that the light beam control element 1 in the stereoscopic display device 100 of FIG. 17 is replaced with the light beam control element 1C, and one frame time is 1/60 (sec), the unit U is divided into two equal parts, and the frames are alternately driven for each frame. In this case, the switching speed required for the light beam control element 1C is as follows.
That is, the switching speed is 1/60 (one frame time) × 2/60 (scanning time in the element image in one unit driven up and down) × 1/1 (scanning in the optical array antenna 30B in the element image in the horizontal direction). Time) × 1/8 × 1/8 (the number of deflection directions in the optical array antenna 30B) (sec) = 8.68 μsec.
この切り替え速度は、光線制御素子１Ｂと同様、既存のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：ＬＮ）、電気ＥＯポリマーの応答速度で十分対応することができる。
また、このとき、光強度変調手段２０から出力される強度変調速度は、１１５ｋＨｚ（１／８．６８〔μｓｅｃ〕）となり、光線制御素子１Ｂと同様、光源１０として既存のレーザー発生器を用いることができ、光強度変調手段２０として既存の光変調器を用いることができる。
Similar to the light control element 1B, this switching speed can be sufficiently met by the response speed of the existing lithium niobate (LiNbO 3 : LN) and electric EO polymer.
At this time, the intensity modulation speed output from the light intensity modulation means 20 is 115 kHz (1 / 8.68 [μsec]), and an existing laser generator is used as the light source 10 as in the light beam control element 1B. An existing optical modulator can be used as the light intensity modulating means 20.
（光線制御素子１Ｃを用いた立体表示装置のカラー化について）
光線制御素子１Ｃを用いた立体表示装置をカラー化する場合、図２６に示すように、ＲＧＢごとの光線制御素子１Ｃ（１ＣＲ，１ＣＧ，１ＣＢ）を組として同じ要素画像を表示する構成（要素画像カラー表示単位１ＣＣＬ）とすればよい。
なお、光線制御素子１ＣＲ，１ＣＧ，１ＣＢは、図１８で説明したように、各色の波長に応じて、光アンテナ３１（図３参照）の間隔（ｄＲ，ｄＧ，ｄＢ）が異なる。
そして、図２７に示すように、カラーの立体像を表示する立体表示装置１００ＣＣＬは、光線制御素子１ＣＲ，１ＣＧ，１ＣＢを含んだ要素画像カラー表示単位１ＣＣＬを平面上に２次元配列して構成すればよい。
(About colorization of a stereoscopic display device using the light control element 1C)
In the case of colorizing a stereoscopic display device using the light beam control element 1C, as shown in FIG. 26, the same elemental image is displayed with the light beam control elements 1C (1C R , 1C G , 1C B ) for each RGB as a set. (Element image color display unit 1C CL ) may be used.
The light beam control elements 1C R , 1C G , and 1C B have intervals (d R , d G , d B ) between the optical antennas 31 (see FIG. 3) according to the wavelengths of the respective colors, as described in FIG. Is different.
As shown in FIG. 27, a stereoscopic display device 100C CL that displays a color stereoscopic image has a two-dimensional element image color display unit 1C CL including light beam control elements 1C R , 1C G , and 1C B on a plane. What is necessary is just to arrange and comprise.
１，１Ｂ，１Ｃ 光線制御素子
１０ 光源
２０ 光強度変調手段
３０ 光アレーアンテナ
３１ 光アンテナ
３２ 光導波路
３３ 位相変調手段
３３ｍ 電気光学材料
３３ｖ，３３ｇ 電極
３４ 振幅変調手段
３４ｍ 電気光学材料
３４ｖ，３３ｇ 電極
３４ｔ 偏光子
４０ 下地構造（透明下地構造）
１００ 立体表示装置
１０１ 画像時分割手段
１０２ 位相変更手段
1, 1B, 1C Light control element 10 Light source 20 Light intensity modulation means 30 Optical array antenna 31 Optical antenna 32 Optical waveguide 33 Phase modulation means 33m Electro-optic material 33v, 33g Electrode 34 Amplitude modulation means 34m Electro-optic material 34v, 33g Electrode 34t Polarizer 40 Base structure (transparent base structure)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Stereoscopic display apparatus 101 Image time division means 102 Phase change means
Claims (8)
外部からの位相制御信号によって光の位相を切り替えて変調する位相変調手段を備えた複数の光アンテナを２次元に配列した光アレーアンテナと、
前記複数の光アンテナから出射される光により形成される光線の偏向に対応した前記要素画像の画素の画素値を外部から入力し、当該画素値の階調に応じて、光源から発光される光を強度変調し、前記複数の光アンテナに供給する光強度変調手段と、
を備えることを特徴とする光線制御素子。 A light beam control element for displaying individual element images in an integral type stereoscopic display device,
An optical array antenna in which a plurality of optical antennas having phase modulation means for switching and modulating the phase of light according to a phase control signal from the outside are arranged two-dimensionally;
Light that is emitted from the light source in accordance with the pixel value of the pixel of the elemental image corresponding to the deflection of the light beam formed by the light emitted from the plurality of optical antennas, and according to the gradation of the pixel value Light intensity modulating means for intensity-modulating and supplying the plurality of optical antennas;
A light beam control element comprising:
外部からの位相制御信号によって光の位相を切り替えて変調する位相変調手段を備えた複数の光アンテナを２次元に配列した光アレーアンテナと、
視域を分割した複数の方向に光の出射方向を向けて前記光アレーアンテナを複数配置する透明下地構造と、
前記複数の光アンテナから出射される光により形成される光線の偏向に対応した前記要素画像の画素の画素値を外部から入力し、当該画素値の階調に応じて、光源から発光される光を強度変調し、前記透明下地構造を介して、前記複数の光アンテナに供給する光強度変調手段と、
を備えることを特徴とする光線制御素子。 A light beam control element for displaying individual element images in an integral type stereoscopic display device,
An optical array antenna in which a plurality of optical antennas having phase modulation means for switching and modulating the phase of light according to a phase control signal from the outside are arranged two-dimensionally;
A transparent base structure in which a plurality of the optical array antennas are arranged with the light emitting directions directed in a plurality of directions obtained by dividing the viewing zone;
Light that is emitted from the light source in accordance with the pixel value of the pixel of the elemental image corresponding to the deflection of the light beam formed by the light emitted from the plurality of optical antennas, and according to the gradation of the pixel value Light intensity modulating means for modulating the intensity and supplying the plurality of optical antennas via the transparent base structure;
A light beam control element comprising:
前記インテグラル方式の要素画像に対応付けて、表示面に２次元に配列した複数の前記光線制御素子と、
要素画像群を入力し、それぞれの要素画像において、前記光線制御素子の視域角とビーム幅とで特定される各光線に対応する画素の画素値を時分割して、前記要素画像に対応する前記光線制御素子に出力する画像時分割手段と、
前記光線制御素子から放射される光線が、前記画像時分割手段で時分割された画素に対応する光線の偏向角となるように位相制御信号を前記要素画像に対応する前記光線制御素子に出力する位相変更手段と、
を備えることを特徴とする立体表示装置。 A stereoscopic display device that displays a stereoscopic image by an integral method using the light beam control element according to any one of claims 1 to 7,
A plurality of the light beam control elements arranged in a two-dimensional manner on a display surface in association with the integral type element image;
An element image group is input, and in each element image, a pixel value of a pixel corresponding to each light ray specified by a viewing zone angle and a beam width of the light ray control element is time-divided to correspond to the element image. Image time division means for outputting to the light beam control element;
A phase control signal is output to the light beam control element corresponding to the element image so that the light beam emitted from the light beam control element has a deflection angle of the light beam corresponding to the pixel time-divided by the image time division means. Phase changing means;
A stereoscopic display device comprising:
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