JP4739304B2 - 光波面表示装置及び光波面表示方法 - Google Patents
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Description
また、3次元画像用のディスプレイには、上述した2次元画像用のディスプレイにスリット等を用いて画素を隠す方式や、レンチキュラーレンズ等を用いて光の進行方向を曲げるステレオ表示方式が用いられている。このような方式を用いることにより、観察者の左右の目には、それぞれ、異なる画像が提示される。
ここで、2次元画像の提示においては、各画素を、どの方向からも観察することが可能となっている。つまり、各画素から、ディスプレイ前面のあらゆる方向に、光線が拡散している。
また、上述したような左右2方向の制御以外にも、例えば、特許文献1に記載されているように、異なる方向に進行する複数の光線を、ピンホール等を用いて再生する方式が提案されている。
上述した各方式では、ディスプレイから出る光を光線として扱っているが、光を光線ではなく波面として捉え、物体から来る光の波面を忠実に再生することで自然な立体映像の再生が可能な方式として、ホログラフィがある。
一方、液晶ディスプレイを用いた方式は、計算機で製作した干渉縞そのものを、通常の2次元画像用の液晶ディスプレイに、2次元の干渉縞画像として表示する方式である。このため、液晶ディスプレイは、ホログラムによる立体映像の提示を実現するために、10nmオーダーの画素ピッチを有するパネルを用いて形成する必要がある。
このような3次元画像を提示する方法としては、上述したように、複数方向の光線を同時に表示する方式(光線再生方式)と、物体から来る光を波面として再生するホログラフィ(ホログラム方式)がある。
これに対し、ホログラム方式の場合、物体から来る光をアナログ波面として再生する方式であるため、データ量に関係なく自然な映像提示が可能となる。
しかしながら、光の干渉縞を提示するためには、非常に高精細な画像を提示する必要がある。この干渉縞は、光を回折させる必要があるため、光の波長オーダー(数百nmオーダー)の、細かな縞の画像を提示する必要がある。
本発明は、上述したような問題点に着目してなされたもので、画素ピッチが粗い状態であっても、理想的な光の波面再生による立体映像再生が可能な、光波面表示装置及び光波面表示方法を提供することを課題とする。
前記コヒーレント光を出力するコヒーレント光出力手段と、当該コヒーレント光出力手段から出力されたコヒーレント光の位相が、前記物体に対応する光の位相と等価となるように変調する変調手段と、前記変調手段によって変調された変調光の波を球面波に変換する変換手段と、を備え、
前記変調手段は、前記コヒーレント光出力手段から出力されたコヒーレント光の伝達経路上に配置された変調手段側開口部を備え、
前記変換手段は、前記変調手段側開口部の位置に対応して配置された変換手段側開口部と、当該変換手段側開口部に配置され、且つ前記変調光を球面波に変換する球面波変換レンズと、を備えることを特徴とするものである。
本発明によると、表示対象となる物体を表すコヒーレント光の位相を、物体の位相に関する情報に基づいて直接変調させて、その位相が、物体に対応する光の位相と等価となるように変調させることが可能となる。
また、本発明によると、球面波変換レンズを通過させることによって、電力の消費等を伴わずに、少なくとも位相が変調した変調光を、球面波に変換することが可能となる。
前記変換手段がm列×n行に配置されてなることを特徴とするものである。
本発明によると、変調光の波面を変換して形成されるm列×n行の球面波を含む合成波を用い、物体を表すコヒーレント光を、アナログ波面として再生することが可能となる。
これは、物体を表すコヒーレント光の位相を、物体に対応する光の位相と等価となるように変調させた状態では、非常に視野が狭い光となるものの、これらを球面波に変換した後に合成波とすることにより、ホイヘンスの原理によって、物体から来る光を、忠実に再生することが可能となるためである。
本発明によると、コヒーレント光の位相のみを、物体に対応する光の位相を反映させて変調させる場合と比較して、より高精度に、物体を再生した画像を空間に形成することが可能となる。
本発明によると、計算機により生成した複素振幅ホログラムを用いて再生が可能となり、実物だけでなく仮想物体であっても再生が可能となる。
本発明によると、屈折率制御素子に印加する制御信号を制御することにより、屈折率制御素子を通過した変調光の位相及び振幅のうち少なくとも位相を、電気的に変調させることが可能となる。
前記屈折率制御素子は、前記変調手段の配置に対応して配置されていることを特徴とするものである。
本発明によると、隣接する屈折率制御素子間の距離が一定となり、屈折率制御素子を通過した変調光の位相及び振幅のうち少なくとも位相を、電気的に変調させることが容易となる。
前記コヒーレント光を出力するコヒーレント光出力ステップと、
前記コヒーレント光出力ステップにおいて出力されたコヒーレント光の位相が、前記物体に対応する光の位相と等価となるように変調する変調ステップと、
前記変調ステップにおいて変調された変調光の波を球面波に変換する球面波変換ステップと、を含み、
前記球面波変換ステップでは、前記コヒーレント光出力手段から出力されたコヒーレント光の伝達経路上に配置された変調手段側開口部の位置に対応して配置された変換手段側開口部に配置された球面波変換レンズにおいて、前記変調光の波を球面波に変換することを特徴とするものである。
本発明によると、表示対象となる物体を表すコヒーレント光の位相を、物体の位相に関する情報に基づいて直接変調させて、その位相が、物体に対応する光の位相と等価となるように変調させることが可能となる。
また、本発明によると、球面波変換レンズを通過させることによって、電力の消費等を伴わずに、少なくとも位相が変調した変調光の波を、球面波に変換することが可能となる。
このため、光の波長オーダーの画素ピッチを有していないディスプレイ、例えば、数μmオーダーの画素ピッチを有するディスプレイを用いた場合であっても、理想的な光の波面再生による立体映像再生が可能となる。
(光波面表示装置の構成例)
まず、光波面表示装置の構成について、図1から図6を用いて説明する。
図1は、本実施形態の光波面表示装置1の構成概念を示すブロック図であり、図2は、本実施形態の光波面表示装置1の構成概念を示す模式図である。
コヒーレント光出力手段2は、例えば、レーザー出力機を用いて形成されており、表示対象となる物体(以下、「物体」と記載する)を表すコヒーレント光10を出力する機能を有している。本実施形態では、コヒーレント光10として、レーザー光を用いる。
また、変調手段4は、コヒーレント光出力手段2から出力されたコヒーレント光10を通過させて変調光を生成し、その位相を、物体に対応する光の位相を反映させて変調する機能を有している。変調手段4の詳細な構成は、後述する。
また、変調制御手段6は、計算機12から入力された複素振幅ホログラムのデータ(複素振幅ホログラム情報)等、物体の位相に関する情報に基づいて、変調手段4を通過するコヒーレント光10の位相が、物体に対応する光の位相と等価となるように変調度合いを制御する機能を有している。本実施形態では、計算機12として、パーソナルコンピューターを用いる。また、本実施形態では、物体の位相に関する情報として、図1中に示すように、複素振幅ホログラムのデータを用いている。変調制御手段6による、コヒーレント光10の変調度合いを制御する際の処理については、後述する。
また、変換手段8は、変調手段4を通過した変調光の波を球面波14に変換する機能を有している。変換手段8の詳細な構成は、後述する。
上記の構成を有する光波面表示装置1では、まず、コヒーレント光出力手段2から、変調手段4へコヒーレント光10が直接出力され、この出力されたコヒーレント光10が変調手段4を通過する。その際に、変調手段4を通過するコヒーレント光10の位相が、物体に対応する光の位相と等価となるように変調度合いを制御されて変調する。
そして、変調手段4を通過した変調光の波から形成された球面波14が、その球面波14を含む合成波となって、物体を再生した画像として空間に形成され、観測者Hによって観測される。
図3は、変調手段4の一部を、コヒーレント光10の出力方向と直交する方向から見た図であり、図4は、図3のIV線矢視図である。
図3及び図4中に示すように、変調手段4は、光を透過しないアクリル樹脂等の合成樹脂(遮光機能を有し、且つ絶縁性のない物質の板)を用いて形成された変調手段側本体部16に、m列×n行配置されており、それぞれ、変調手段側開口部18と、屈折率制御素子20とを備えている。すなわち、本実施形態の光波面表示装置1は、m列×n行の変調手段4を備えている。なお、m及びnは自然数であり、これは、以下の記載についても同様である。また、本実施形態では、一例として、m及びnを、2以上の自然数とする。
また、各変調手段側開口部18は、2次元アレイ状に配置されている。
各屈折率制御素子20は、電気光学効果を有する材料を用いて形成されており、全て同一形状となっている。本実施形態では、電気光学効果を有する材料として、PLZT(lead lanthanum zirconate titanate)を用いるが、これに限定されるものではなく、PLZTの代わりに、KTN結晶等を用いてもよい。
各変調手段側開口部18内において、各屈折率制御素子20の上下両端側には、それぞれ、電極22a,22bが配置されており、これらの電極22a,22bは、ともに屈折率制御素子20に接触している。また、電極22a,22bの屈折率制御素子20に対する配置状態は、全ての屈折率制御素子20において同一状態となっている。なお、図3及び図4中では、二つの電極22a,22bのうち、上方に配置されている電極22を、電極22aと記載し、下方に配置されている電極22を、電極22bと記載している。
また、外部電源26は、計算機12から入力された複素振幅ホログラムのデータに基づいて、各屈折率制御素子20に接触している電極22a,22bのそれぞれに対して、独立した強さの外部電界を印加可能な構成となっている。複素振幅ホログラムのデータに基づいて、電極22a,22bのそれぞれに対して、独立した強さの外部電界を印加する処理については、後述する。
図5は、変換手段8の一部をコヒーレント光10の出力方向と直交する方向から見た図であり、図6は、図5のVI線矢視図である。
図5及び図6中に示すように、変換手段8は、遮光機能を有するアクリル樹脂等の合成樹脂等を用いて形成された変換手段側本体部28に、m列×n行配置されており、それぞれ、変換手段側開口部30と、球面波変換レンズ32とを備えている。すなわち、本実施形態の光波面表示装置1は、m列×n行の変換手段8を備えている。
各球面波変換レンズ32は、それぞれ、各変換手段側開口部30に配置されている。すなわち、各球面波変換レンズ32は、各変換手段側開口部30と同様、屈折率制御素子20を通過して位相が変調した変調光が入射する位置に配置されている。
また、各球面波変換レンズ32は、マイクロレンズやGRINレンズ等の、焦点距離の短いレンズによって形成されており、屈折率制御素子20を通過して位相が変調した変調光を通過させて、この変調光を、一定の球面波に変換する機能を有している。本実施形態では、各球面波変換レンズ32を、マイクロレンズによって形成している。
次に、図1から図6を参照しつつ、図7から図10を用いて、変調制御手段6による、変調手段4を通過するコヒーレント光10の変調度合いを制御する際の処理について説明する。
変調手段4を通過するコヒーレント光10の変調度合いを制御するためには、計算機12から入力される複素振幅ホログラムのデータに基づいて、電極22a,22bに印加する外部電界の電圧値を制御する処理を行う。なお、この電圧値は、屈折率制御素子20に印加される制御信号を形成している。
まず、複素振幅ホログラムのデータを演算する方法について説明する。本実施形態では、複素振幅ホログラムのデータを演算する方法として、計算機ホログラムの方法を用いる。
この方法では、最初に、CCD(charge-coupled device)や距離センサ等を用いて、物体の3次元情報を計算機12に取り込む。ここで、物体の3次元情報には、物体の位相に関する情報と、物体の振幅に関する情報が含まれる。なお、以下の説明は、表示対象となる物体が、現実に存在する物体である場合について説明するが、表示対象となる物体が、仮想物体である場合には、CGモデルのデータを計算機12に入力する。
参照光の干渉縞は、物体34から来る光を「O」と定義し、参照光を「R」と定義すると、下記の式(1)により求められる。
(R+O)2=R*R+O*O+R*O+RO* …(1)
ここで、R及びOは、共に複素振幅を有する光波面として定義されており、「*」は、共役複素数を表す。
以上の方法により、物体の位相に関する情報と物体の振幅に関する情報を含む、複素振幅ホログラムが演算される。
なお、本実施形態で用いた複素振幅ホログラムの演算方法は、物体を点光源の集合として捉える場合や、面光源の集合として捉える場合など、多数の方法が考えられるため、上述した方法に限定するものではない。
まず、例えば、上述した手順によって、複素振幅ホログラムのデータを演算して求めておき、その複素振幅ホログラムのデータを、計算機12から変調制御手段6に入力する。
次に、変調制御手段6に入力された複素振幅ホログラムのデータに含まれる、物体の位相に関する情報を取り出し、この情報を用いて、図8(b)に示す、物体に対応する光の位相に対応した画像データを生成する。このとき、具体的には、変調制御手段6において、複素振幅ホログラムのデータに含まれている、物体の位相に関する情報と物体の振幅に関する情報とを分解し、両者のうち、物体の位相に関する情報のみを取り出す。
そして、以上のように生成された画像データに基づいて、屈折率制御素子20毎に、電極22a,22bに印加する外部電界の電圧値を設定する。
図9は、図8(b)中にIXで囲んだ範囲及びその周辺と、変換手段8との関係を示す図であり、図9(a)は、図8(b)中にIXで囲んだ範囲及びその周辺に変換手段8を重ねる前の状態を示す図、図9(b)は、図8(b)中にIXで囲んだ範囲に変換手段8を重ねた状態を示す図である。また、図10は、電極22に印加する外部電界の電圧と、屈折率制御素子20に対応する画素の輝度との関連を示すグラフである。
そして、図9(b)中に示すように、図8(b)中にIXで囲んだ範囲に変換手段8を重ねると、変換手段側開口部30毎に異なる輝度値の画素が見える状態となる。
ここで、図10中に示す、電圧と輝度値との関係は、屈折率制御素子20が有する電気光学効果の特性により設定することができる。すなわち、本実施形態のように、屈折率制御素子20の材料がPLZTの場合、例えば、以下の式(2)、(3)に示すように、電気光学効果が電圧の2乗に比例するカー効果を利用するため、下記の関係が成立する。
Δn=−1/2×(n3*K*E2) …(2)
Δφ∝Δn …(3)
ここで、Kはカー定数であり、屈折率制御素子20の素材により異なる定数である。また、nは屈折率、Δnは屈折率変位量、Δφは位相変位量、Eは電界強度を示す。
E=V/d …(4)
したがって、変換手段側開口部30毎の画素の輝度値に合わせて、各変換手段側開口部30に対応する電極22に印可する電圧値を、図10のグラフに基づいて設定する。
このとき、上述したように、図10に示した電圧と輝度値との関係グラフを用いて、電極22a,22bに印加する外部電界の電圧値を設定すると、各屈折率制御素子20を通過するコヒーレント光10の位相の変調度合いを、電気的に制御することが可能となる。
ここで、各屈折率制御素子20は、全て同一形状となっているため、各屈折率制御素子20に印加される外部電界の強度は、各屈折率制御素子20に印加される電圧値のみによって決定される。
したがって、計算機12から入力される複素振幅ホログラムのデータに基づいて、電極22a,22bに印加する外部電界の電圧値を制御することにより、各屈折率制御素子20を通過するコヒーレント光10の位相の変調度合いを、制御することが可能となっている。
次に、上記の構成を備えた光波面表示装置1の動作の一例について、図1から図10を参照しつつ、図11から図13を用いて説明する。
図11は、光波面表示装置1の動作を示す概念図である。
図11中に示すように、コヒーレント光出力手段2からコヒーレント光10が出力される(コヒーレント光出力ステップ)と、この出力されたコヒーレント光10は、各変調手段側開口部18内に配置された各屈折率制御素子20に入射する(図3、4参照)。
このとき、各屈折率制御素子20に接触する電極22a,22bに、それぞれ印加される外部電界の電圧値(制御信号)は、計算機12から入力される複素振幅ホログラムのデータに基づいて、屈折率制御素子20毎に独立して制御されている。
このため、屈折率制御素子20毎に独立して制御された電圧値が印加されると、各屈折率制御素子20は、それぞれ、物体に対応する光の位相を反映する輝度値に対応した画像データに基づいて、独立して屈折率が変化する(図9、10参照)。
各屈折率制御素子20を通過し、異なる変調度合いで位相が変調されて、物体に対応する光の位相と等価となるように位相が変調した変調光は、各球面波変換レンズ32に入射する(図5、6参照)。
そして、各球面波変換レンズ32において変換された球面波14が空間へ伝播されると、これらの球面波14が合成された合成波が形成される。この合成波は、ホイヘンスの原理によって、物体を表すコヒーレント光と等価な波面42として、空間に形成される。
このため、観測者Hには、図13に示すような画像Pが、物体を再生した画像として知覚される。なお、図13は、観測者Hに知覚される、空間に形成された画像の一例を示す図である。
したがって、本実施形態の光波面表示装置1では、物体の位相に関する情報に基づいて、変調手段4を通過するコヒーレント光10の位相が、物体に対応する光の位相と等価となるように変調度合いを制御している。
また、物体に対応する光の位相と等価となるように変調された変調光の波面を、m列×n行の球面波14に変換し、これらの球面波14を含む合成波を用いて、ホイヘンスの原理により、物体を表すコヒーレント光をアナログ波面として再生している。
その結果、光の波長オーダーの画素ピッチを有していないディスプレイ、例えば、数μmオーダーの画素ピッチを有するディスプレイを用いた場合であっても、理想的な光の波面再生による立体映像の再生が可能となる。
また、本実施形態の光波面表示装置1では、変調手段4が、変調手段側開口部18と、電気光学効果を有する屈折率制御素子20とを備えており、変調制御手段6が、物体の位相に関する情報に基づいて、屈折率制御素子20に外部電界を印加する外部電源26を備えている。
その結果、屈折率制御素子20を通過するコヒーレント光10の位相の変調度合いを、電気的に制御することが可能となる。
また、本実施形態の光波面表示装置1では、変調制御手段6が、物体の位相に関する情報と物体の振幅に関する情報を分解し、両者のうち、物体の位相に関する情報のみに基づいて、屈折率制御素子20を通過するコヒーレント光10の変調度合いを制御している。
また、本実施形態の光波面表示装置1では、変換手段8が、変調手段側開口部18の位置に対応して配置された、変換手段側開口部30を備えている。
このため、屈折率制御素子20を通過して変調した変調光が、変調手段側開口部18へ円滑に入射する。
その結果、これらの球面波14を含む合成波によって、物体を再生した画像を空間に形成することが容易となる。
また、本実施形態の光波面表示装置1では、変換手段8が、変換手段側開口部30に配置され、位相が変調した変調光を球面波に変換する球面波変換レンズ32を備えている。
このため、球面波変換レンズ32を通過させることによって、電力の消費等を伴わずに、位相が変調した変調光を、球面波14に変換することが可能となる。
その結果、位相が変調した変調光を、球面波14に変換する際の処理を簡略化することが可能となる。
なお、本実施形態の光波面表示装置1では、物体の位相に関する情報に基づいて、変調手段4を通過するコヒーレント光10の位相が、物体に対応する光の位相と等価となるように変調度合いを制御しているが、これに限定されるものではない。すなわち、物体の位相に関する情報に加え、物体の振幅に関する情報に基づいて、変調手段4を通過するコヒーレント光10の位相及び振幅が、物体に対応する光の位相及び振幅と等価となるように変調度合いを制御してもよい。すなわち、変調手段4を通過させた変調光の位相及び振幅を、物体に対応する光の位相及び振幅を反映させて変調させてもよい。
ここで、変調手段側開口部18の開口面積を可変する制御としては、公知のPWM(Pulse Width Modulation)変調等、時分割を用いてもよい。この場合、PWM変調を用いることにより、全ての中間階調を「白」と「黒」の一定時間投写によって表現することが可能となるため、正確な映像描写が可能となる。
また、このような構成であれば、計算機12により生成した複素振幅ホログラムに含まれる、物体の振幅に関する情報に基づいて、変調手段4を通過するコヒーレント光10の変調度合いを制御することが可能となる。このため、物体が実物の場合だけではなく仮想物体の場合であっても、物体の表示が可能となる。
また、図16に示すように、ミラー46の傾斜が45度でない場合は、コヒーレント光出力手段2から出力されたコヒーレント光10が、各屈折率制御素子20に入射されるまでの光路長が、各屈折率制御素子20の場所によって異なってしまう
このため、これらの光路長が、位相に関する情報に、光路長の違い(図16中に示す「Δd」)に対応する初期位相値を加算することで、45度に傾斜した傾きのミラー46と等価なコヒーレント光10を入射させることが可能となる。
2 コヒーレント光出力手段
4 変調手段
6 変調制御手段
8 変換手段
10 コヒーレント光
12 計算機
14 球面波
16 変調手段側本体部
18 変調手段側開口部
20 屈折率制御素子
22 電極
24 電線
26 外部電源
28 変換手段側本体部
30 変換手段側開口部
32 球面波変換レンズ
34 物体
36 物体から来る光
38 合成波
40 平面
42 波面
44 可変部材
46 ミラー
H 観測者
P 画像
Claims (7)
- 表示対象となる物体を表すコヒーレント光を波として再生し、前記物体を再生した画像を空間に形成する光波面表示装置であって、
前記コヒーレント光を出力するコヒーレント光出力手段と、当該コヒーレント光出力手段から出力されたコヒーレント光の位相が、前記物体に対応する光の位相と等価となるように変調する変調手段と、前記変調手段によって変調された変調光の波を球面波に変換する変換手段と、を備え、
前記変調手段は、前記コヒーレント光出力手段から出力されたコヒーレント光の伝達経路上に配置された変調手段側開口部を備え、
前記変換手段は、前記変調手段側開口部の位置に対応して配置された変換手段側開口部と、当該変換手段側開口部に配置され、且つ前記変調光を球面波に変換する球面波変換レンズと、を備えることを特徴とする光波面表示装置。 - 前記変調手段がm列×n行(m及びnは自然数、以下同じ)に配置され、
前記変換手段がm列×n行に配置されてなることを特徴とする請求項1に記載した光波面表示装置。 - 前記変調手段は、前記コヒーレント光出力手段から出力されたコヒーレント光の位相及び振幅が前記物体に対応する光の位相及び振幅と等価となるように変調することを特徴とする請求項1または2に記載した光波面表示装置。
- 前記変調手段は、前記物体の位相に関する情報と物体の振幅に関する情報を含む複素振幅ホログラム情報を入力し、前記物体の位相に関する情報と物体の振幅に関する情報とを分解し、且つこれらの情報のうち少なくとも物体の位相に関する情報に基づいて前記コヒーレント光を変調することを特徴とする請求項1から3のうちいずれか1項に記載した光波面表示装置。
- 前記変調手段は、前記変調手段側開口部内に配置され、且つ印加される制御信号に応じて通過する際の前記コヒーレント光の屈折率を変化させる屈折率制御素子と、前記物体の位相に関する情報及び物体の振幅に関する情報のうち少なくとも物体の位相に関する情報に基づいて、前記制御信号を印加する変調制御手段と、を備えることを特徴とする請求項1から4のうちいずれか1項に記載した光波面表示装置。
- 前記変調手段は2列以上及び2行以上配置され、
前記屈折率制御素子は、前記変調手段の配置に対応して配置されていることを特徴とする請求項5に記載した光波面表示装置。 - 表示対象となる物体を表すコヒーレント光を波面として再生し、前記物体を再生した画像を空間に形成する光波面表示方法であって、
前記コヒーレント光を出力するコヒーレント光出力ステップと、
前記コヒーレント光出力ステップにおいて出力されたコヒーレント光の位相が、前記物体に対応する光の位相と等価となるように変調する変調ステップと、
前記変調ステップにおいて変調された変調光の波を球面波に変換する球面波変換ステップと、を含み、
前記球面波変換ステップでは、前記コヒーレント光出力手段から出力されたコヒーレント光の伝達経路上に配置された変調手段側開口部の位置に対応して配置された変換手段側開口部に配置された球面波変換レンズにおいて、前記変調光の波を球面波に変換することを特徴とする光波面表示方法。
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