JP4739304B2 - Light wavefront display device and light wavefront display method - Google Patents
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Description
本発明は、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、物体を再生した画像を空間に形成する光波面再生方式に基づくものであり、特に３次元画像の立体表示技術に関するものである。 The present invention is based on an optical wavefront reproduction method in which coherent light representing an object to be displayed is reproduced as a wavefront, and an image obtained by reproducing the object is formed in space, and particularly relates to a stereoscopic display technique for a three-dimensional image. is there.
従来から、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイ等、２次元画像用のディスプレイには、２次元アレイ状に複数の電極（画素）を配置し、各画素の輝度値を変化させることで、２次元画像をデジタル表現する方式が用いられている。
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。
Conventionally, a two-dimensional image display such as a liquid crystal display or a plasma display has a plurality of electrodes (pixels) arranged in a two-dimensional array, and the luminance value of each pixel is changed to digitally convert the two-dimensional image. A method of expression is used.
The three-dimensional image display uses a method of hiding pixels by using slits or the like on the above-described two-dimensional image display, and a stereo display method of bending the light traveling direction using a lenticular lens or the like. Yes. By using such a method, different images are respectively presented to the left and right eyes of the observer.
Here, in presentation of a two-dimensional image, each pixel can be observed from any direction. That is, light rays diffuse from each pixel in all directions on the front surface of the display.
一方、３次元画像の提示においては、各画素から出る光線の進行方向を制限する（曲げる）ことで、観察位置の違いにより、観察者が見ることの可能な画素が異なるようにしている。つまり、右眼用の画像を提示している画素からの光は、右眼の方向にのみ観察可能とするとともに、左眼用の画像を提示している画素からの光は、左眼のみで観察可能とする。これにより、両眼の視差を利用した３次元画像用のディスプレイが構成される。
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。
On the other hand, in the presentation of a three-dimensional image, by restricting (bending) the traveling direction of the light beam emitted from each pixel, the pixels that can be seen by the observer differ depending on the observation position. That is, the light from the pixel presenting the right-eye image can be observed only in the direction of the right eye, and the light from the pixel presenting the left-eye image can be observed only from the left eye. Allow observation. Thereby, a display for a three-dimensional image using the binocular parallax is configured.
In addition to the control in the left and right directions as described above, for example, as described in Patent Document 1, a method of reproducing a plurality of light beams traveling in different directions using a pinhole or the like has been proposed. ing.
特許文献１に記載の方式では、複数の光線を、ある一つの点（ピンホール）の同じ場所から出力可能な構成としており、その一つの点に関して、複数方向の異なる光線を観察することが可能な構成としている。そして、複数のピンホールを高密度に並べ、これらのピンホールから出た光線により形成される像を、表示物体の像に近似させることにより、自然な立体表示に近い映像再生を実現する。
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。
In the method described in Patent Document 1, a plurality of light beams can be output from the same place of a single point (pinhole), and different light beams in a plurality of directions can be observed for the single point. It has a simple structure. Then, a plurality of pinholes are arranged at high density, and an image formed by light rays emitted from these pinholes is approximated to an image of a display object, thereby realizing video reproduction close to natural three-dimensional display.
In each of the above-mentioned methods, the light emitted from the display is treated as a light beam, but it is possible to reproduce natural 3D images by capturing the light as a wavefront instead of a light beam and faithfully reproducing the wavefront of the light coming from the object. There is holography.
ホログラフィは、物体光と参照光により形成される干渉縞をディスプレイに表示し、このディスプレイに参照光のみを出力することによって、物体光を間接的に再生する方式である。干渉縞を表示する方式としては、ホログラム（即ち、干渉縞）を計算機により計算して製作した計算機ホログラムを、非特許文献１に記載されているような音響光学素子(ＡＯＭ)や、非特許文献２に記載されているような液晶ディスプレイを用いて、電子的に表示する方式が提案されている。 Holography is a method for indirectly reproducing object light by displaying interference fringes formed by object light and reference light on a display and outputting only the reference light to the display. As a method of displaying interference fringes, a computer generated hologram obtained by calculating a hologram (that is, interference fringes) by a computer is used as an acousto-optic device (AOM) as described in Non-Patent Document 1, or a non-patent document. A method of displaying electronically using a liquid crystal display as described in FIG.
音響光学素子を用いた方式は、変調された超音波を使うことで、ホログラム再生が可能なレベルの干渉縞を表示することが可能である。しかしながら、この方式では、超音波の進行方向のみに限定された、１次元の干渉縞（１次元ホログラム）しか表現することができない。そのため、ホログラム再生を行うためには、１次元ホログラムを上下方向に走査しながら干渉縞を書き換えることにより、２次元的な立体映像を再生する必要がある。
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。
The method using an acousto-optic element can display interference fringes at a level that enables hologram reproduction by using modulated ultrasonic waves. However, in this method, only one-dimensional interference fringes (one-dimensional holograms) limited to only the traveling direction of ultrasonic waves can be expressed. Therefore, in order to perform hologram reproduction, it is necessary to reproduce a two-dimensional stereoscopic image by rewriting interference fringes while scanning the one-dimensional hologram in the vertical direction.
On the other hand, the method using a liquid crystal display is a method of displaying the interference fringes themselves produced by a computer as a two-dimensional interference fringe image on a normal two-dimensional image liquid crystal display. For this reason, the liquid crystal display needs to be formed using a panel having a pixel pitch of the order of 10 nm in order to realize the presentation of a stereoscopic image by a hologram.
３次元画像を自然に提示するために重要な要素の一つとして、自然な奥行き感の再現がある。つまり、観察者が物体を見る位置により、物体の見え方が変わるような３次元画像の提示である。
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。
One of the important elements for presenting a three-dimensional image naturally is the reproduction of a natural sense of depth. That is, it is presentation of a three-dimensional image in which the appearance of the object changes depending on the position where the observer views the object.
As described above, as a method for presenting such a three-dimensional image, there are a method for simultaneously displaying light beams in a plurality of directions (light beam reproduction method) and a holography (hologram method) for reproducing light coming from an object as a wavefront. .
光線再生方式の場合、異なる光線が目に入ることで、提示されている像が切り替ることになる。そのため、隣接する光線同士の提示間隔が広いと、滑らかな映像提示が困難である。したがって、見る位置を変えるときに滑らかに映像が切り替るような、自然な映像再生を行うためには、高密度に光線を再生しなければならず、光線数の増加に比例してデータ量が増大してしまうという問題が発生するおそれがある。
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。
In the case of the light beam reproduction method, when a different light beam enters the eye, the presented image is switched. Therefore, if the presentation interval between adjacent light beams is wide, it is difficult to present a smooth image. Therefore, in order to perform natural image reproduction that smoothly switches the image when the viewing position is changed, it is necessary to reproduce light rays at high density, and the amount of data increases in proportion to the increase in the number of light rays. There is a possibility that a problem of increase will occur.
On the other hand, in the case of the hologram method, since light coming from an object is reproduced as an analog wavefront, natural video presentation can be performed regardless of the amount of data.
However, in order to present light interference fringes, it is necessary to present a very high-definition image. Since this interference fringe needs to diffract light, it is necessary to present a fine fringe image of the light wavelength order (order of several hundred nm).
音響光学素子を用いた方式では、高精細なピッチで干渉縞を表現することは可能であるが、提示される映像は、水平方向のみの１次元ホログラムに限定されてしまうという問題がある。また、上述した２次元表示が可能な液晶ディスプレイであっても、画素ピッチが粗い、すなわち、数μｍオーダーの画素ピッチが、ＬＣＤ製造上の限界である。このため、数百ｎｍオーダーの画素ピッチを有する、高精細な画像表示が可能なディスプレイは、現時点では製造が困難である。
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。
In the method using an acoustooptic device, it is possible to express interference fringes with a high-definition pitch, but there is a problem that the presented image is limited to a one-dimensional hologram only in the horizontal direction. Further, even in the above-described liquid crystal display capable of two-dimensional display, the pixel pitch is coarse, that is, the pixel pitch on the order of several μm is a limit in manufacturing the LCD. For this reason, a display having a pixel pitch on the order of several hundred nm and capable of displaying a high-definition image is difficult to manufacture at present.
The present invention has been made paying attention to the above-described problems, and an optical wavefront display device and an optical wave capable of reproducing stereoscopic images by ideal wavefront reproduction of light even when the pixel pitch is coarse. It is an object to provide a surface display method.
前記課題を解決するために、本発明のうち、請求項１に記載した発明は、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。
In order to solve the above-mentioned problems, the invention described in claim 1 of the present invention reproduces coherent light representing an object to be displayed as a wave, and forms an image obtained by reproducing the object in space. A display device,
Coherent light output means for outputting the coherent light, modulation means for modulating the phase of the coherent light output from the coherent light output means to be equivalent to the phase of the light corresponding to the object, and the modulation means Converting means for converting the modulated light wave modulated by the light into a spherical wave ,
The modulation means includes a modulation means side opening disposed on a transmission path of coherent light output from the coherent light output means,
The conversion means includes a conversion means side opening disposed corresponding to the position of the modulation means side opening, and a spherical wave conversion that is disposed in the conversion means side opening and converts the modulated light into a spherical wave. a lens, and is characterized in Rukoto equipped with.
According to the present invention, the phase of coherent light representing an object to be displayed is directly modulated based on information on the phase of the object, and the phase is modulated so as to be equivalent to the phase of light corresponding to the object. It becomes possible.
In addition, according to the present invention, by passing through a spherical wave conversion lens, it is possible to convert at least the modulated light whose phase is modulated into a spherical wave without consuming electric power or the like.
次に、請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した発明であって、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。
Next, the invention described in claim 2 is the invention described in claim 1, wherein the modulation means are arranged in m columns × n rows (m and n are natural numbers, the same applies hereinafter),
The conversion means is arranged in m columns × n rows.
According to the present invention, it is possible to reproduce coherent light representing an object as an analog wavefront using a synthetic wave including a spherical wave of m columns × n rows formed by converting the wavefront of modulated light.
This is because, when the phase of coherent light representing an object is modulated so that it is equivalent to the phase of the light corresponding to the object, it becomes light with a very narrow field of view. This is because by using the wave, the light coming from the object can be faithfully reproduced by Huygens' principle.
次に、請求項３に記載した発明は、請求項１または２に記載した発明であって、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ものである。
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。
Next, the invention described in claim 3 is the invention described in claim 1 or 2, wherein the modulation means corresponds to the phase and amplitude of the coherent light output from the coherent light output means corresponding to the object. The light is modulated so as to be equivalent to the phase and amplitude of the light to be transmitted.
According to the present invention, it is possible to form an image reproducing an object in a space with higher accuracy than in the case where only the phase of coherent light is modulated by reflecting the phase of light corresponding to the object. Become.
次に、請求項４に記載した発明は、請求項１から３のうちいずれか１項に記載した発明であって、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ものである。
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。
Next, the invention described in claim 4 is the invention described in any one of claims 1 to 3, wherein the modulation means includes information relating to the phase of the object and information relating to the amplitude of the object. Complex amplitude hologram information is input, information on the phase of the object and information on the amplitude of the object are decomposed, and the coherent light is modulated based on at least information on the phase of the object among these pieces of information To do.
According to the present invention, reproduction is possible using a complex amplitude hologram generated by a computer, and reproduction is possible not only for real objects but also for virtual objects.
次に、請求項５に記載した発明は、請求項１から４のうちいずれか１項に記載した発明であって、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ものである。
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。
Next, the invention described in claim 5, an invention has been claimed in any one of claims 1 4, wherein the modulating means is arranged in front Symbol modulation means side opening, and applied A refractive index control element that changes a refractive index of the coherent light when passing according to a control signal to be transmitted, and at least information on the phase of the object among information on the phase of the object and information on the amplitude of the object, Modulation control means for applying the control signal.
According to the present invention, by controlling the control signal applied to the refractive index control element, at least the phase of the phase and the amplitude of the modulated light that has passed through the refractive index control element can be electrically modulated.
次に、請求項６に記載した発明は、請求項５に記載した発明であって、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。
Next, the invention described in claim 6 is the invention described in claim 5 , wherein the modulation means is arranged in two or more columns and two or more rows,
The refractive index control element is arranged corresponding to the arrangement of the modulation means.
According to the present invention, the distance between adjacent refractive index control elements is constant, and it becomes easy to electrically modulate at least the phase of the phase and amplitude of the modulated light that has passed through the refractive index control element.
次に、請求項７に記載した発明は、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。
Next, the invention described in claim 7 is a light wavefront display method for reproducing coherent light representing an object to be displayed as a wavefront, and forming an image of the object reproduced in space,
A coherent light output step for outputting the coherent light;
A modulation step for modulating the phase of the coherent light output in the coherent light output step to be equivalent to the phase of the light corresponding to the object;
And a spherical wave conversion step of converting the spherical wave waves modulated modulated light in the modulation step seen including,
In the spherical wave conversion step, the spherical surface disposed in the conversion means side opening disposed corresponding to the position of the modulation means side opening disposed on the transmission path of the coherent light output from the coherent light output means. The wave conversion lens converts the modulated light wave into a spherical wave .
According to the present invention, the phase of coherent light representing an object to be displayed is directly modulated based on information on the phase of the object, and the phase is modulated so as to be equivalent to the phase of light corresponding to the object. It becomes possible.
Further, according to the present invention, by passing through the spherical wave conversion lens, it is possible to convert at least a modulated light wave whose phase is modulated into a spherical wave without consuming electric power or the like.
本発明によれば、表示対象となる物体を表すコヒーレント光の位相を直接変調させて、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、変調した変調光の波面から形成される複数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。
According to the present invention, it is possible to directly modulate the phase of coherent light representing an object to be displayed and to modulate the phase to be equivalent to the phase of light corresponding to the object. In addition, it is possible to reproduce coherent light representing an object as an analog wavefront by using a synthetic wave including a plurality of spherical waves formed from the wavefront of the modulated light that has been modulated.
For this reason, even when a display that does not have a pixel pitch in the order of the wavelength of light, for example, a display that has a pixel pitch in the order of several μm, stereoscopic video playback by ideal wavefront playback of light is possible. It becomes.
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
（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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Configuration example of light wavefront display device)
First, the configuration of the light wavefront display device will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration concept of the light wavefront display device 1 of the present embodiment, and FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration concept of the light wavefront display device 1 of the present embodiment.
図１及び図２中に示すように、本実施形態の光波面表示装置１は、コヒーレント光出力手段２と、変調手段４と、変調制御手段６と、変換手段８とを備えている。
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。
As shown in FIGS. 1 and 2, the light wavefront display device 1 of the present embodiment includes a coherent light output unit 2, a modulation unit 4, a modulation control unit 6, and a conversion unit 8.
The coherent light output means 2 is formed using, for example, a laser output machine, and has a function of outputting coherent light 10 representing an object to be displayed (hereinafter referred to as “object”). In the present embodiment, laser light is used as the coherent light 10.
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が出力される位置、すなわち、コヒーレント光１０の伝達経路上に配置されている。
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。
The modulation unit 4 is arranged at a position where the coherent light 10 output from the coherent light output unit 2 is output, that is, on the transmission path of the coherent light 10.
The modulation unit 4 has a function of generating modulated light by passing the coherent light 10 output from the coherent light output unit 2 and modulating the phase by reflecting the phase of light corresponding to the object. ing. The detailed configuration of the modulation means 4 will be described later.
変調制御手段６は、変調手段４と計算機１２との間に介在して両者に接続されている。
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。
The modulation control means 6 is interposed between and connected to the modulation means 4 and the computer 12.
Further, the modulation control means 6 determines that the phase of the coherent light 10 passing through the modulation means 4 is based on information on the phase of the object such as complex amplitude hologram data (complex amplitude hologram information) input from the computer 12. Has a function of controlling the degree of modulation so as to be equivalent to the phase of light corresponding to. In this embodiment, a personal computer is used as the computer 12. In the present embodiment, complex amplitude hologram data is used as information relating to the phase of the object, as shown in FIG. Processing when the modulation control means 6 controls the degree of modulation of the coherent light 10 will be described later.
変換手段８は、変調手段４の、コヒーレント光１０が入射する面と反対側に、変調手段４と隙間を空けて配置されている。
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。
The conversion means 8 is arranged on the opposite side of the modulation means 4 from the surface on which the coherent light 10 is incident, with a gap from the modulation means 4.
The conversion unit 8 has a function of converting the modulated light wave that has passed through the modulation unit 4 into a spherical wave 14. The detailed configuration of the conversion means 8 will be described later.
In the optical wavefront display device 1 having the above configuration, first, the coherent light 10 is directly output from the coherent light output unit 2 to the modulation unit 4, and the output coherent light 10 passes through the modulation unit 4. At that time, the modulation is controlled with the degree of modulation so that the phase of the coherent light 10 passing through the modulation means 4 is equivalent to the phase of the light corresponding to the object.
Then, the spherical wave 14 formed from the modulated light wave that has passed through the modulation means 4 becomes a composite wave including the spherical wave 14 and is formed in space as an image reproducing the object, and is observed by the observer H. The
以下、図３及び図４を参照して、変調手段４の詳細な構成について説明する。
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。
The detailed configuration of the modulation means 4 will be described below with reference to FIGS.
FIG. 3 is a view of a part of the modulation means 4 as seen from a direction orthogonal to the output direction of the coherent light 10, and FIG. 4 is a view taken along the line IV in FIG.
As shown in FIG. 3 and FIG. 4, the modulation means 4 is a modulation means formed using a synthetic resin such as an acrylic resin that does not transmit light (a plate of a material that has a light shielding function and is not insulating). The side body portion 16 is arranged in m columns × n rows, and includes a modulation means side opening 18 and a refractive index control element 20, respectively. In other words, the light wavefront display device 1 of the present embodiment includes m columns × n rows of modulation means 4. Note that m and n are natural numbers, and the same applies to the following description. In this embodiment, as an example, m and n are two or more natural numbers.
各変調手段側開口部１８は、変調手段側本体部１６をコヒーレント光１０の出力方向に貫通する矩形の孔であり、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の、伝達経路上に配置されている。
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。
Each modulation means side opening 18 is a rectangular hole that penetrates the modulation means side main body 16 in the output direction of the coherent light 10, and is disposed on the transmission path of the coherent light 10 output from the coherent light output means 2. Has been.
Each modulation means side opening 18 is arranged in a two-dimensional array.
Each refractive index control element 20 is formed using a material having an electro-optic effect, and all have the same shape. In this embodiment, PLZT (lead lanthanum zirconate titanate) is used as a material having an electro-optic effect. However, the present invention is not limited to this, and a KTN crystal or the like may be used instead of PLZT.
また、各屈折率制御素子２０は、各変調手段側開口部１８内にそれぞれ配置されている。すなわち、各屈折率制御素子２０は、２次元アレイ状に配置されている。
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。
Each refractive index control element 20 is arranged in each modulation means side opening 18. That is, the refractive index control elements 20 are arranged in a two-dimensional array.
In each modulation means side opening 18, electrodes 22 a and 22 b are respectively arranged on the upper and lower ends of each refractive index control element 20, and both of these electrodes 22 a and 22 b are connected to the refractive index control element 20. In contact. The arrangement state of the electrodes 22a and 22b with respect to the refractive index control element 20 is the same in all the refractive index control elements 20. In FIG. 3 and FIG. 4, of the two electrodes 22 a and 22 b, the upper electrode 22 is referred to as an electrode 22 a and the lower electrode 22 is referred to as an electrode 22 b. ing.
電極２２ａ，２２ｂには、それぞれ、電線２４を介して外部電源２６が接続されている。この外部電源２６は、変調制御手段６に備えられており、計算機１２に接続されている。
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。
An external power source 26 is connected to the electrodes 22a and 22b via electric wires 24, respectively. This external power supply 26 is provided in the modulation control means 6 and is connected to the computer 12.
Further, the external power source 26 has an independent external electric field for each of the electrodes 22a and 22b in contact with each refractive index control element 20, based on the data of the complex amplitude hologram input from the computer 12. Can be applied. A process of applying an external electric field having an independent strength to each of the electrodes 22a and 22b based on the data of the complex amplitude hologram will be described later.
次に、図５及び図６を参照して、変換手段８の詳細な構成について説明する。
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。
Next, the detailed configuration of the conversion means 8 will be described with reference to FIGS.
5 is a view of a part of the conversion means 8 as seen from a direction orthogonal to the output direction of the coherent light 10, and FIG. 6 is a view taken along the line VI of FIG.
As shown in FIGS. 5 and 6, the conversion means 8 is arranged in m columns × n rows on the conversion means main body 28 formed using a synthetic resin such as an acrylic resin having a light shielding function. , Respectively, are provided with a conversion means side opening 30 and a spherical wave conversion lens 32. That is, the light wavefront display device 1 of the present embodiment includes m column × n row conversion means 8.
各変換手段側開口部３０は、変換手段側本体部２８を、コヒーレント光１０の出力方向に貫通する円形の孔であり、各変調手段側開口部１８の位置に対応して、２次元アレイ状に配置されている。すなわち、各変換手段側開口部３０は、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。
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。
Each conversion means side opening 30 is a circular hole that penetrates the conversion means side main body 28 in the output direction of the coherent light 10, and corresponds to the position of each modulation means side opening 18 in a two-dimensional array shape. Is arranged. That is, each conversion means side opening 30 is disposed at a position where the modulated light whose phase is modulated after passing through the refractive index control element 20 is incident.
Each spherical wave conversion lens 32 is disposed in each conversion means side opening 30. That is, each spherical wave conversion lens 32 is disposed at a position where the modulated light whose phase is modulated after passing through the refractive index control element 20 is incident, like each conversion means side opening 30.
Each spherical wave conversion lens 32 is formed by a lens having a short focal length, such as a microlens or a GRIN lens, and passes the modulated light whose phase is modulated through the refractive index control element 20. It has a function of converting the modulated light into a constant spherical wave. In this embodiment, each spherical wave conversion lens 32 is formed by a microlens.
（変調制御手段が行う処理の一例）
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。
(Example of processing performed by modulation control means)
Next, processing when the modulation control unit 6 controls the modulation degree of the coherent light 10 passing through the modulation unit 4 will be described with reference to FIGS. 1 to 6 and FIGS. 7 to 10.
In order to control the modulation degree of the coherent light 10 passing through the modulation means 4, a process for controlling the voltage value of the external electric field applied to the electrodes 22a and 22b based on the data of the complex amplitude hologram input from the computer 12 I do. This voltage value forms a control signal applied to the refractive index control element 20.
以下、図７から図１０を参照して、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処理について説明する。
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。
A process for controlling the voltage value of the external electric field applied to the electrodes 22a and 22b based on the complex amplitude hologram data input from the computer 12 will be described below with reference to FIGS.
First, a method for calculating complex amplitude hologram data will be described. In the present embodiment, a computer generated hologram method is used as a method for calculating complex amplitude hologram data.
In this method, first, the three-dimensional information of the object is taken into the computer 12 using a CCD (charge-coupled device), a distance sensor, or the like. Here, the three-dimensional information of the object includes information regarding the phase of the object and information regarding the amplitude of the object. In the following description, the case where the object to be displayed is an actually existing object will be described. However, when the object to be displayed is a virtual object, the data of the CG model is stored in the computer 12. input.
また、計算機ホログラムの方法は、３次元データ（物体）から来る光（物体を表すコヒーレント光）と、参照光の干渉縞とを、計算により求める方法である。例えば、図７中に示すように、物体３４から来る光３６と参照光（図７には記載していないが、変調手段４と平行な等位相面を有する平面波とする）との干渉縞を、計算により求める。なお、図７は、物体を表すコヒーレント光１０が合成波３８に変換されて観測者Ｈに観測される様子を説明する図である。
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。
Further, the computer generated hologram method is a method of calculating light (coherent light representing an object) from three-dimensional data (object) and interference fringes of reference light by calculation. For example, as shown in FIG. 7, interference fringes between the light 36 coming from the object 34 and the reference light (not shown in FIG. 7, but a plane wave having an equiphase plane parallel to the modulation means 4) Calculate by calculation. FIG. 7 is a diagram for explaining how the coherent light 10 representing an object is converted into a synthesized wave 38 and observed by the observer H.
The interference fringes of the reference light can be obtained by the following equation (1) when the light coming from the object 34 is defined as “O” and the reference light is defined as “R”.
(R + O) 2 = R * R + O * O + R * O + RO * (1)
Here, R and O are both defined as an optical wavefront having a complex amplitude, and “*” represents a conjugate complex number.
また、式（１）では、右辺第３項のＲ*Ｏの部分が、複素振幅ホログラムで表された干渉縞となる。この干渉縞の計算範囲として、図７を例にするならば、平面４０を遮光面と考え、変調手段側開口部１８が矩形開口であるとする。そして、この変調手段側開口部１８の範囲における干渉縞を計算する。
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。
In the expression (1), the R * O portion of the third term on the right side is an interference fringe represented by a complex amplitude hologram. If FIG. 7 is taken as an example of the calculation range of the interference fringes, it is assumed that the plane 40 is a light shielding surface and the modulation means side opening 18 is a rectangular opening. Then, interference fringes in the range of the modulation means side opening 18 are calculated.
By the above method, a complex amplitude hologram including information regarding the phase of the object and information regarding the amplitude of the object is calculated.
The calculation method of the complex amplitude hologram used in the present embodiment is limited to the above-described method because there are many possible methods such as capturing an object as a set of point light sources or capturing a set of surface light sources. It is not a thing.
次に、図８を参照して、上記で演算した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について説明する。なお、図８は、複素振幅ホログラムと、電極に印加する外部電界の強さとの関連を示す図であり、図８（ａ）は、物体の画像を示す図、図８（ｂ）は、物体に対応する光の位相データの一例を示す図、図８（ｃ）は、物体に対応する光の位相と、各屈折率制御素子２０に対応する画素の輝度との関連を示すグラフである。 Next, a process for controlling the voltage value of the external electric field applied to the electrodes 22a and 22b based on the complex amplitude hologram data calculated above will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the complex amplitude hologram and the strength of the external electric field applied to the electrodes. FIG. 8A is a diagram showing an image of the object, and FIG. FIG. 8C is a graph showing the relationship between the phase of light corresponding to the object and the luminance of the pixel corresponding to each refractive index control element 20.
本実施形態では、干渉縞の例として、図８（ａ）に示す画像Ｐを入力データとする。
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。
In this embodiment, an image P shown in FIG. 8A is used as input data as an example of interference fringes.
First, for example, the complex amplitude hologram data is calculated and obtained by the above-described procedure, and the complex amplitude hologram data is input from the computer 12 to the modulation control means 6.
Next, information regarding the phase of the object included in the data of the complex amplitude hologram input to the modulation control means 6 is extracted, and using this information, the phase of light corresponding to the object shown in FIG. 8B is obtained. Corresponding image data is generated. At this time, specifically, the modulation control means 6 decomposes the information related to the phase of the object and the information related to the amplitude of the object contained in the data of the complex amplitude hologram, and among them, information related to the phase of the object Take out only.
画像データを生成する際には、図８（ｃ）に示すグラフを用いて、画像データの画素(屈折率制御素子２０)毎に、物体に対応する光の位相を反映する値（図８（ｃ）中では、「位相角度」と示す）を、輝度値に変換する。なお、図８（ｃ）に示すグラフでは、輝度値と位相値とが正比例の関係を持ったグラフとなっているが、これに限定されるものではなく、例えば、輝度値と位相値との関係が、表示デバイスの特性に対応した曲線であってもよい。
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。
When generating the image data, a value that reflects the phase of the light corresponding to the object for each pixel (refractive index control element 20) of the image data using the graph shown in FIG. c) is converted into a luminance value. In the graph shown in FIG. 8C, the luminance value and the phase value are in a directly proportional relationship. However, the graph is not limited to this. For example, the luminance value and the phase value The relationship may be a curve corresponding to the characteristics of the display device.
And based on the image data produced | generated as mentioned above, the voltage value of the external electric field applied to electrode 22a, 22b is set for every refractive index control element 20. FIG.
以下、図９及び図１０を用い、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処理について説明する。
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。
Hereinafter, a process of setting the voltage value of the external electric field applied to the electrodes 22a and 22b for each refractive index control element 20 based on the generated image data will be described using FIG. 9 and FIG.
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the range surrounded by IX in FIG. 8B and its periphery and the conversion means 8, and FIG. 9A is surrounded by IX in FIG. 8B. FIG. 9B is a diagram showing a state before the conversion means 8 is superimposed on the outer area and its periphery, and FIG. 9B is a diagram showing a state in which the conversion means 8 is superimposed on the range surrounded by IX in FIG. 8B. . FIG. 10 is a graph showing the relationship between the voltage of the external electric field applied to the electrode 22 and the luminance of the pixel corresponding to the refractive index control element 20.
図９（ａ）中に示すように、図８（ｂ）に示す画像データの各画素は、各変調手段側開口部１８の位置と対応している。
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。
As shown in FIG. 9A, each pixel of the image data shown in FIG. 8B corresponds to the position of each modulation means side opening 18.
Then, as shown in FIG. 9B, when the conversion means 8 is superimposed on the range surrounded by IX in FIG. 8B, pixels with different luminance values can be seen for each conversion means side opening 30. Become.
Here, the relationship between the voltage and the luminance value shown in FIG. 10 can be set by the characteristics of the electro-optical effect of the refractive index control element 20. That is, when the material of the refractive index control element 20 is PLZT as in this embodiment, for example, as shown in the following formulas (2) and (3), the electro-optic effect is proportional to the square of the voltage. In order to use the effect, the following relationship is established.
Δn = −1 / 2 × (n 3 * K * E 2 ) (2)
Δφ∝Δn (3)
Here, K is a Kerr constant, which is a constant that varies depending on the material of the refractive index control element 20. Further, n represents a refractive index, Δn represents a refractive index displacement amount, Δφ represents a phase displacement amount, and E represents an electric field strength.
そして、屈折率制御素子２０を挟む２つの電極２２ａ，２２ｂ間の距離をｄ、印加電圧Ｖとすると、以下の式（４）が成立する。
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。
When the distance between the two electrodes 22a and 22b sandwiching the refractive index control element 20 is d and the applied voltage V, the following expression (4) is established.
E = V / d (4)
Therefore, the voltage value applied to the electrode 22 corresponding to each conversion means side opening 30 is set based on the graph of FIG. 10 according to the luminance value of the pixel for each conversion means side opening 30.
At this time, as described above, when the voltage value of the external electric field applied to the electrodes 22a and 22b is set using the relationship graph between the voltage and the luminance value shown in FIG. The degree of phase modulation of the coherent light 10 can be electrically controlled.
電極２２ａ，２２ｂに外部電界を印加すると、この外部電界が各屈折率制御素子２０に印加されて、各屈折率制御素子２０の屈折率が変化する。各屈折率制御素子２０の屈折率が変化すると、各屈折率制御素子２０を通過するコヒーレント光１０の変調度合いが変化する。
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。
When an external electric field is applied to the electrodes 22a and 22b, this external electric field is applied to each refractive index control element 20, and the refractive index of each refractive index control element 20 changes. When the refractive index of each refractive index control element 20 changes, the degree of modulation of the coherent light 10 passing through each refractive index control element 20 changes.
Here, since each refractive index control element 20 has the same shape, the intensity of the external electric field applied to each refractive index control element 20 depends only on the voltage value applied to each refractive index control element 20. It is determined.
Therefore, by controlling the voltage value of the external electric field applied to the electrodes 22a and 22b based on the data of the complex amplitude hologram input from the computer 12, the phase of the coherent light 10 passing through each refractive index control element 20 is controlled. The degree of modulation can be controlled.
（光波面表示装置の動作例）
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。
(Operation example of optical wavefront display device)
Next, an example of the operation of the optical wavefront display device 1 having the above configuration will be described with reference to FIGS. 11 to 13 with reference to FIGS.
FIG. 11 is a conceptual diagram showing the operation of the light wavefront display device 1.
As shown in FIG. 11, when the coherent light 10 is output from the coherent light output means 2 (coherent light output step), the output coherent light 10 is arranged in each modulation means side opening 18. The light enters each refractive index control element 20 (see FIGS. 3 and 4).
At this time, the voltage value (control signal) of the external electric field applied to the electrodes 22a and 22b in contact with each refractive index control element 20 is based on the data of the complex amplitude hologram input from the computer 12, and the refractive index. Each control element 20 is controlled independently.
そして、これらの制御された電圧値は、複素振幅ホログラムのデータに含まれる、物体に対応する光の位相に関する情報を用い、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、それぞれ、各屈折率制御素子２０を通過したコヒーレント光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）。
Then, these controlled voltage values are converted into image data corresponding to the luminance value reflecting the phase of the light corresponding to the object using the information regarding the phase of the light corresponding to the object included in the complex amplitude hologram data. Based on this, the phase of the coherent light 10 that has passed through each refractive index control element 20 is controlled to be equivalent to the phase of the light corresponding to the object.
Therefore, when an independently controlled voltage value is applied to each refractive index control element 20, each refractive index control element 20 is an image corresponding to a luminance value reflecting the phase of light corresponding to the object. Based on the data, the refractive index changes independently (see FIGS. 9 and 10).
そして、各屈折率制御素子２０に入射したコヒーレント光１０の位相は、各屈折率制御素子２０を通過し、屈折率の変化に対応して、それぞれ、異なる変調度合いで変調され、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）。すなわち、各屈折率制御素子２０を通過したコヒーレント光１０の位相は、ｍ列×ｎ行の変調手段と同数の箇所、すなわち、ｍ×ｎ箇所で、物体に対応する光の位相と等価となるように変調する。 Then, the phase of the coherent light 10 incident on each refractive index control element 20 passes through each refractive index control element 20 and is modulated with a different modulation degree corresponding to the change in the refractive index, corresponding to the object. Modulation is performed so as to be equivalent to the phase of light (modulation step). That is, the phase of the coherent light 10 that has passed through each refractive index control element 20 is equivalent to the phase of the light corresponding to the object at the same number of places as the modulation means of m columns × n rows, that is, m × n places. To modulate.
ここで、各屈折率制御素子２０を通過した変調光は、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ているものの、この状態では、非常に視野が狭い光であり、観測者Ｈが、物体を再生した画像として知覚することが困難な状態となっている。
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）。
Here, the modulated light that has passed through each refractive index control element 20 has a phase modulated so as to be equivalent to the phase of the light corresponding to the object, but in this state, the light has a very narrow field of view, It is difficult for the observer H to perceive the object as a reproduced image.
The modulated light that has passed through each refractive index control element 20 and whose phase is modulated with a different degree of modulation and is equivalent to the phase of the light corresponding to the object enters each spherical wave conversion lens 32. (See FIGS. 5 and 6).
各球面波変換レンズ３２に入射した変調光の波は、図１２に示すように、各球面波変換レンズ３２を通過して、各球面波変換レンズ３２の焦点距離で集光した後、各球面波変換レンズ３２において球面波１４に変換される（球面波変換ステップ）。なお、図１２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る。
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。
The modulated light wave incident on each spherical wave conversion lens 32 passes through each spherical wave conversion lens 32 and is condensed at the focal length of each spherical wave conversion lens 32 as shown in FIG. The wave conversion lens 32 converts the spherical wave 14 (spherical wave conversion step). FIG. 12 is a view of a part of the conversion unit 8 as seen from a direction orthogonal to the output direction of the coherent light 10.
Then, when the spherical wave 14 converted in each spherical wave conversion lens 32 is propagated to the space, a combined wave is formed by combining these spherical waves 14. This synthesized wave is formed in space as a wavefront 42 equivalent to coherent light representing an object by Huygens' principle.
Therefore, the observer H perceives an image P as shown in FIG. 13 as an image obtained by reproducing an object. FIG. 13 is a diagram illustrating an example of an image formed in a space that is perceived by the observer H.
（本実施形態の効果）
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。
(Effect of this embodiment)
Therefore, in the light wavefront display device 1 of the present embodiment, the degree of modulation is based on the information related to the phase of the object so that the phase of the coherent light 10 passing through the modulation unit 4 is equivalent to the phase of the light corresponding to the object. Is controlling.
Further, the wave front of the modulated light modulated so as to be equivalent to the phase of the light corresponding to the object is converted into a spherical wave 14 of m columns × n rows, and a synthesized wave including these spherical waves 14 is used. Based on Huygens' principle, coherent light representing an object is reproduced as an analog wavefront.
As a result, even when a display that does not have a pixel pitch in the order of the wavelength of light, for example, a display that has a pixel pitch in the order of several μm, stereoscopic image reproduction by ideal wavefront reproduction of light is possible. It becomes possible.
これは、従来の高精細な干渉縞が必要となるホログラフィと異なり、光の波長程度という高精細なパターンは必要としないためであり、粗い画素ピッチでありながら、理想的な波面再生法としてのホログラフィと等価な波面再生による、空間映像表示が可能となるためである。
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。
This is because unlike a conventional holography that requires a high-definition interference fringe, a high-definition pattern of the wavelength of light is not required. This is because spatial image display by wavefront reproduction equivalent to holography becomes possible.
Further, in the light wavefront display device 1 of the present embodiment, the modulation unit 4 includes the modulation unit side opening 18 and the refractive index control element 20 having an electro-optic effect. An external power supply 26 is provided to apply an external electric field to the refractive index control element 20 based on information regarding the phase.
このため、屈折率制御素子２０に印加する外部電界の電圧値を制御することにより、屈折率制御素子２０を通過した変調光の位相を、電気的に変調させることが可能となる。
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。
Therefore, by controlling the voltage value of the external electric field applied to the refractive index control element 20, the phase of the modulated light that has passed through the refractive index control element 20 can be electrically modulated.
As a result, it is possible to electrically control the degree of phase modulation of the coherent light 10 that passes through the refractive index control element 20.
Further, in the light wavefront display device 1 of the present embodiment, the modulation control unit 6 decomposes the information related to the phase of the object and the information related to the amplitude of the object, and based on only the information related to the phase of the object, only the refractive index. The degree of modulation of the coherent light 10 passing through the control element 20 is controlled.
その結果、物体の位相に関する情報と物体の振幅に関する情報を一括して用いた場合と比較して、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。
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。
As a result, it is possible to form an image in which the object is reproduced in the space with higher accuracy than when the information related to the phase of the object and the information related to the amplitude of the object are collectively used.
Further, in the light wavefront display device 1 of the present embodiment, the conversion unit 8 includes the conversion unit side opening 30 arranged corresponding to the position of the modulation unit side opening 18.
For this reason, the modulated light modulated by passing through the refractive index control element 20 is smoothly incident on the modulation means side opening 18.
また、屈折率制御素子２０が２次元アレイ状に配置されているため、変調光の波面から形成される球面波１４が、２次元アレイ状に配置されることとなる。
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。
Further, since the refractive index control elements 20 are arranged in a two-dimensional array, the spherical wave 14 formed from the wavefront of the modulated light is arranged in a two-dimensional array.
As a result, it becomes easy to form an image in which the object is reproduced in the space by the combined wave including the spherical waves 14.
In the light wavefront display device 1 of the present embodiment, the conversion unit 8 includes a spherical wave conversion lens 32 that is disposed in the conversion unit side opening 30 and converts the modulated light whose phase is modulated into a spherical wave.
For this reason, by passing through the spherical wave conversion lens 32, it is possible to convert the modulated light whose phase is modulated into the spherical wave 14 without consuming electric power or the like.
As a result, it is possible to simplify the processing when converting the modulated light whose phase is modulated into the spherical wave 14.
（応用例）
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。
(Application examples)
In the light wavefront display device 1 according to the present embodiment, the degree of modulation is based on the information related to the phase of the object so that the phase of the coherent light 10 passing through the modulation unit 4 is equivalent to the phase of the light corresponding to the object. However, the present invention is not limited to this. That is, based on the information about the amplitude of the object in addition to the information about the phase of the object, the phase and amplitude of the coherent light 10 passing through the modulation means 4 are modulated so as to be equivalent to the phase and amplitude of the light corresponding to the object. The degree may be controlled. That is, the phase and amplitude of the modulated light that has passed through the modulation means 4 may be modulated by reflecting the phase and amplitude of the light corresponding to the object.
この場合、例えば、図１４に示すように、変調手段側開口部１８内に、カメラの絞りのような構成を有する開口面積可変な可変部材４４を配置し、変調手段側開口部１８の開口面積を可変にすることで、変調手段側開口部１８を通過する光の光量（強度）を変化可能な構成としてもよい。なお、図１４は、本実施形態の変形例を示す図である。
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。
In this case, for example, as shown in FIG. 14, a variable member 44 having a variable opening area having a configuration like a camera diaphragm is disposed in the modulation means side opening 18, and the opening area of the modulation means side opening 18. It is good also as a structure which can change the light quantity (intensity) of the light which passes the modulation | alteration means side opening part 18 by making variable. FIG. 14 is a diagram illustrating a modification of the present embodiment.
Here, as control for varying the opening area of the modulation means side opening 18, time division such as known PWM (Pulse Width Modulation) modulation may be used. In this case, by using PWM modulation, it is possible to represent all intermediate tones by projecting “white” and “black” for a certain period of time, so that accurate video rendering is possible.
このような構成であれば、コヒーレント光１０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。
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。
With such a configuration, an image in which an object is reproduced is formed in a space with higher accuracy than in the case where only the phase of the coherent light 10 is modulated by reflecting the phase of light corresponding to the object. It becomes possible.
Further, with such a configuration, it is possible to control the degree of modulation of the coherent light 10 that passes through the modulation unit 4 based on the information regarding the amplitude of the object included in the complex amplitude hologram generated by the computer 12. Become. For this reason, even when the object is a virtual object as well as a real object, the object can be displayed.
また、本実施形態の光波面表示装置１では、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が直接出力される構成としたが、これに限定されるものではない。すなわち、例えば、図１５及び図１６に示すように、変調手段４へ出力されるコヒーレント光１０が、ミラー４６等を介して間接的に出力される構成としてもよい。なお、図１５及び図１６は、本実施形態の変形例を示す図である。 In the light wavefront display device 1 of the present embodiment, the coherent light 10 is directly output from the coherent light output means 2 to the modulation means 4, but the present invention is not limited to this. That is, for example, as shown in FIGS. 15 and 16, the coherent light 10 output to the modulation unit 4 may be indirectly output via the mirror 46 or the like. 15 and 16 are diagrams showing a modification of the present embodiment.
この場合、ミラー４６は、図１５に示すように、４５度の傾斜等、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が反射して、変調手段４、具体的には各屈折率制御素子２０に平行に入射する状態で配置する。
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。
In this case, as shown in FIG. 15, the mirror 46 reflects the coherent light 10 output from the coherent light output means 2 such as a 45 ° inclination, and the modulation means 4, specifically, each refractive index control element. It arrange | positions in the state which injects into 20 parallel.
Further, as shown in FIG. 16, when the inclination of the mirror 46 is not 45 degrees, the optical path length until the coherent light 10 output from the coherent light output means 2 is incident on each refractive index control element 20 is For this reason, the optical path length is determined by adding an initial phase value corresponding to the difference in optical path length (“Δd” shown in FIG. 16) to the information on the phase. Thus, the coherent light 10 equivalent to the mirror 46 inclined at 45 degrees can be incident.
また、本実施形態の光波面表示装置１では、コヒーレント光出力手段２としてレーザー出力機を用いたが、これに限定されるものではなく、コヒーレント光１０を出力する手段としては、位相が安定して入力できる光源であればよい。つまり、面発光レーザーのような構造で、画素（開口）毎に異なるコヒーレント光を入射できるようにし、変調手段４において、屈折率制御素子２０毎に初期位相を調整することで、入射されるコヒーレント光１０の位相を調節可能な構成としてもよい。 Further, in the light wavefront display device 1 of the present embodiment, a laser output machine is used as the coherent light output means 2, but the present invention is not limited to this, and the means for outputting the coherent light 10 has a stable phase. Any light source can be used. That is, a coherent light that is different for each pixel (aperture) can be incident with a structure such as a surface emitting laser, and the initial phase is adjusted for each refractive index control element 20 in the modulation unit 4, thereby allowing incident coherent light. It is good also as a structure which can adjust the phase of the light 10. FIG.
１ 光波面表示装置
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical wavefront display apparatus 2 Coherent light output means 4 Modulation means 6 Modulation control means 8 Conversion means 10 Coherent light 12 Computer 14 Spherical wave 16 Modulation means side main body 18 Modulation means side opening 20 Refractive index control element 22 Electrode 24 Electric wire 26 External power supply 28 Conversion means side main body 30 Conversion means side opening 32 Spherical wave conversion lens 34 Object 36 Light coming from object 38 Synthetic wave 40 Plane 42 Wavefront 44 Variable member 46 Mirror H Observer P Image
Claims (7)
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。 A light wavefront display device that reproduces coherent light representing an object to be displayed as a wave and forms an image of the reproduced object in space,
Coherent light output means for outputting the coherent light, modulation means for modulating the phase of the coherent light output from the coherent light output means to be equivalent to the phase of the light corresponding to the object, and the modulation means Converting means for converting the modulated light wave modulated by the light into a spherical wave ,
The modulation means includes a modulation means side opening disposed on a transmission path of coherent light output from the coherent light output means,
The conversion means includes a conversion means side opening disposed corresponding to the position of the modulation means side opening, and a spherical wave conversion that is disposed in the conversion means side opening and converts the modulated light into a spherical wave. optical wavefront display device comprising Rukoto comprises a lens, a.
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。 The modulation means are arranged in m columns × n rows (m and n are natural numbers, hereinafter the same),
2. The light wavefront display device according to claim 1, wherein the conversion means is arranged in m columns × n rows.
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。 The modulation means is arranged in two or more columns and two or more rows,
6. The light wavefront display device according to claim 5 , wherein the refractive index control element is arranged corresponding to the arrangement of the modulation means.
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。 A light wavefront display method for reproducing coherent light representing an object to be displayed as a wavefront and forming an image of the reproduced object in space,
A coherent light output step for outputting the coherent light;
A modulation step for modulating the phase of the coherent light output in the coherent light output step to be equivalent to the phase of the light corresponding to the object;
A spherical wave conversion step of converting the modulated light wave modulated in the modulation step into a spherical wave,
In the spherical wave conversion step, the spherical surface disposed in the conversion means side opening disposed corresponding to the position of the modulation means side opening disposed on the transmission path of the coherent light output from the coherent light output means. in the wave conversion lens, an optical wavefront display how to and converting the wave of the modulated light into a spherical wave.
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