CN1591238A - 立体图像显示装置和立体图像显示系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供不仅可以实现可作成宽可视区的立体图像显示而且可以实现小型化的立体图像显示装置和立体图像显示系统。本发明涉及用所计算出的干涉条纹(计算机全息图)显示立体图像的立体图像显示装置和立体图像显示系统。本发明的立体图像显示装置具有：折射率随电场强度变化的光调制元件和根据所计算出的干涉条纹改变施加到光调制元件上的电场强度来将干涉条纹记录到光调制元件内的电场控制部。

Description

立体图像显示装置和立体图像显示系统
技术领域
本发明涉及用所计算出的干涉条纹(计算机全息图)显示立体图像的立体图像显示装置和立体图像显示系统。
背景技术
传统上，已知的立体图像显示装置是对在液晶显示器(LCD)上所显示的计算机全息图照射参照光来再现物体光，由此来显示立体图像的立体图像显示装置。计算机全息图是通过计算所求得的干涉条纹。具体地说，如图1所示，这样的干涉条纹是由照射到三维形状的物体上的激光反射而生成的物体光和参照光所生成的。
但是，在这种传统的立体图像显示装置中，受限于LCD的分辨率，而不能得到为显示三维形状物体的立体图像的足够的分辨率。
即，在传统的立体图像显示装置中，为了显示三维形状物体的立体图像，需要1μm水平以下的分辨率，而现状是即使最高精密的LCD，也只限于有10μm水平的分辨率，观察者在距离50cm的地点进行观察时，只能确保数cm宽的可视区(实际能观察立体图像的范围)，所以，不具有为显示三维形状物体的立体图像所需的足够的分辨率。
结果，在传统的立体图像显示装置中，只能用可视区狭窄的取景窗方式，来观察三维形状物体的立体图像。
为了解决这些问题，已知的立体图像显示系统是采用光折射结晶的立体图像显示系统作为排解LCD分辨率的限制(可视区的制约)的方式(譬如，参照专利文献1，特开2001-34148)。下面，参照图2，简单说明这种立体图像显示系统的原理。
如图2所示，这种立体图像显示系统由干涉条纹计算装置1、干涉条纹记录装置2a、参照光照射装置3a和3b、干涉条纹显示装置4构成。
如图1所示，干涉条纹计算装置1由计算机11构成，用来计算由照射到三维形状的物体上的激光反射而生成的物体光和参照光所生成的干涉条纹(计算机全息图)。
干涉条纹显示装置4由电子显示装置(在图2的例子中，为LCD12)构成，对由干涉条纹计算装置1所计算出的干涉条纹进行图像显示。从干涉条纹计算装置1用图像信号把这种干涉条纹进行图像显示的信息发送到干涉条纹显示装置4。
参照光照射装置3a向干涉条纹显示装置4(LCD12)照射参照光B1，参照光照射装置3b向干涉条纹记录装置2a(全息图记录元件21)照射参照光B2。在此，参照光B1与干涉条纹计算装置1在干涉条纹的计算中所使用的参照光具有相同的波长和相同的入射角。
向干涉条纹显示装置4照射参照光B1时，由该干涉条纹显示装置4产生直接光和物体光A1。在此，物体光A1与干涉条纹计算装置1在干涉条纹的计算中所使用的物体光具有等价的光的波面，并将其传输到干涉条纹记录装置2a。
干涉条纹记录装置2a由全息图记录元件(光调制元件)21构成，将由物体光A1和由参照光照射装置3b所照射的参照光B2所生成的干涉条纹记录到全息图记录元件21中。在此，使用光折射结晶作为全息图记录元件21。
如上所述，在将干涉条纹记录到全息图记录元件21(光折射结晶)的状态下，当用快门等遮断来自干涉条纹显示装置4的物体光A1，而仅向干涉条纹记录装置2a照射参照光B2时，就由全息图记录元件21所记录的干涉条纹产生物体光A2。结果，观察者通过物体光A2，就能立体地观察所述的三维形状的物体的图像。
在将这种光折射结晶用作全息图记录元件21的立体图像显示系统中，再次将由LCD所再现的物体光A1和参照光B2所生成的干涉条纹记录到光折射结晶上，就可以实现可视区的扩大。
但是，由于传统的使用光折射结晶的立体图像显示系统依靠光学方法将干涉条纹记录到干涉条纹记录装置2a内，所以，难以使系统小型化。
发明内容
鉴于以上问题，本发明的目的是提供既能实现宽的可视区又能实现装置小型化的立体图像显示装置和立体图像显示系统。
本发明的第一特征是用所计算出的干涉条纹(计算机全息图)显示立体图像的立体图像显示装置，其要点是设置有：具有折射率随电场强度变化的光电效应的光调制元件和通过根据所述所计算出的干涉条纹改变加到所述光调制元件上的所述电场强度将所述干涉条纹记录到所述光调制元件上的电场控制部。
在本发明的第一特征中，在所述光调制元件的表面设置有对应于所述干涉条纹的各像素的像素电极，所述电场控制部也可以通过控制施加到所述像素电极各自的电压来改变加到所述光调制元件上的所述电场强度。
在本发明的第一特征中，所述电场控制部也可以将所述干涉条纹的色深浅值和电压值相关联地存储起来，并将与各像素的所述干涉条纹的色深浅值相关联的电压值的电压施加到对应于各像素的像素电极上。
在本发明的第一特征中，所述电场控制部也可以考虑在相邻像素间的电场强度的相互作用来控制分别加到所述像素电极上的电压。
在本发明的第一特征中，所述电场控制部也可以只给特定的像素电极施加电压。
在本发明的第一特征中，所述电场控制部也可以在加到特定的像素电极的电压为规定电压以上的情况下对与该特定的像素电极相邻的像素电极不加电压。
本发明的第二特征是具有立体图像显示装置和服务器装置显示立体图像的立体图像显示系统；所述服务器装置具有：计算由物体光和参照光生成的干涉条纹(计算机全息图)的干涉条纹计算部、将所述干涉条纹的色深浅值和电压值相关联地存储起来的存储部、将与所计算的所述干涉条纹的各像素的色深浅值相关联的电压值发送到所述立体图像显示装置的发送部；所述立体图像显示装置具有：将对应于所述干涉条纹的各像素的像素电极设置在表面上并具有折射率随电场强度变化的光电效应的光调制元件和通过将由所述服务器装置接收到的与所述干涉条纹的各像素的色深浅值相关联的电压值的电压加到对应于各像素的像素电极上而将所述干涉条纹记录到所述光调制元件中的电场控制部。
附图说明
图1是现有技术的立体图像显示装置中求取计算机全息图情形的说明图。
图2是现有技术的立体图像显示系统的整体构成图。
图3是本发明第一实施例的立体图像显示系统的整体构成图。
图4是本发明第一实施例的立体图像显示装置的全息图记录元件的外观图。
图5是本发明第一实施例的立体图像显示装置的全息图记录元件的外观图。
图6是本发明第一实施例的立体图像显示装置的电场控制部的电场强度控制的说明图。
图7是本发明第一实施例的立体图像显示装置的电场控制部的电场强度控制的说明图。
图8是本发明第一实施例的立体图像显示系统的动作的流程图。
图9是由本发明第一实施例的立体图像显示系统的干涉条纹计算装置所计算的干涉条纹的图像信息和放大了该干涉条纹的局部区域的图像信息的示图。
图10是本发明第一实施例的立体图像显示装置的全息图记录元件的断面图。
图11是在本发明第一实施例的立体图像显示装置的光调制元件中所记录的构成干涉条纹的局部区域的像素的示图。
图12是本发明第二实施例的立体图像显示装置的电场控制部的电场强度控制的说明图。
图13是本发明第三实施例的立体图像显示系统的整体构成图。
图14是本发明第三实施例的立体图像显示系统的服务器装置的功能框图。
图15是本发明第三实施例的立体图像显示系统的立体图像显示装置的功能框图。
具体实施方式
(本发明第一实施例的立体图像显示系统的构成)
图3是本发明第一实施例的立体图像显示系统的整体构成图。本实施例的立体图像显示系统是用计算机全息图显示立体图像的立体图像显示系统。如图3所示，本实施例的立体图像显示系统由干涉条纹计算装置1、立体图像显示装置2和参照光照射装置3所构成。
在本实施例中，「图像」是包含静止图像和运动图像(影像或视频)双方的概念。
与传统技术涉及的干涉条纹计算装置1同样，干涉条纹计算装置1由计算机构成，用来计算由照射到三维形状的物体(例如，立方体的3D数据)上的激光反射而生成的物体光和参照光所生成的干涉条纹。所谓干涉条纹是亮度的变化对应于光的振幅信息、而纹路的图案对应于光的相位信息的色深浅图像。
立体图像显示装置2具有折射率随电场强度变化的光调制元件25，根据干涉条纹改变加到光调制元件25上的电场强度来将干涉条纹记录到光调制元件25中。如图3所示，立体图像显示装置2由全息图记录元件21和电场控制部22构成。
全息图记录元件21所采用的构成是在折射率随电场强度变化的光调制元件25的表面上设置了对应于干涉条纹的各像素的像素电极23，即，用微细的电极23、24夹住光调制元件25。
例如，如图4A和B所示，全息图记录元件21也可以是简单的矩阵方式的电极结构。这种情况下，全息图记录元件21采用了将X轴方向的电极23粘贴在薄膜化处理过的光调制元件25的上面而将Y轴方向的电极24粘贴在薄膜化处理过的光调制元件25的下面的结构。在此，X轴方向的电极23和Y轴方向的电极24的交叉部分，相当对应于各像素的像素电极23a。
如图5A和B所示，全息图记录元件21也可以是有源矩阵方式的电极结构。这种情况下，全息图记录元件21在每个对应于各像素的像素电极23采用了准备有可独立地进行ON/OFF控制的晶体管的结构。
在此，使用可利用极化反转容易实现靠电场控制的折射率调制的强电解质原料PLZT或SBT或SBN等原料作为光调制元件25。
电场控制部22根据从干涉条纹计算装置1用图像信号所发送的用来表示干涉条纹的信息(干涉条纹的各像素的色深浅值)改变加到光调制元件25上的电场强度，由此来改变该光调制元件25内部的折射率。
在此，参照图6，来具体说明电场控制部22控制加到光调制元件25上的电场强度的情形。图6A表示构成由干涉条纹计算装置1所计算出的干涉条纹的像素的一部分(A、B、C、…)。
对应于干涉条纹的各像素(A、B、C、…)位置的色深浅值，按图6B所示的「干涉条纹的色深浅变化曲线」变化的情况下，电场控制部22对对应于干涉条纹的各像素(A、B、C、…)的各像素电极23施加图6B柱形图(A、B、C、…)表示的电压。在此，电场控制部22能完全独立地控制加到各像素电极23上的电压。
亦即，与由干涉条纹计算装置1所计算出的干涉条纹的样子(图案)一样，电场控制部22局部地改变加给光调制元件25的电场强度，由此来局部地改变该光调制元件25内部的折射率，将该干涉条纹记录到光调制元件25内。在光调制元件25内部，电场强度不变化的状态下，折射率是一样的。
另外如图7A所示，电场控制部22也可以将干涉条纹的色深浅值和电压值相关联地存储起来，将与各像素的干涉条纹的色深浅值相关联的电压值的电压加到对应于各像素的像素电极23上。
这种情况下，电场控制部22根据图7B所示的电场强度与光调制元件内部的折射率的关系或干涉条纹的色深浅值与光调制元件25内部的折射率的关系计算每种光调制元件25的材料的干涉条纹的色深浅值与电压值的关系并存储起来。
一般，电场强度与折射率的关系，可以表示如下：
设不加电场时的折射率(即V＝0时的折射率)为「n0」，电压为「V」，电极间的距离为「d」，光电系数为「r」时，一般，折射率的变位Δn被表示为Δn∝r·n0 3·V/d。
参照光照射装置3向光调制元件25照射参照光B，在此，参照光B与干涉条纹计算装置1在干涉条纹的计算中所使用的参照光具有同样的波长和同样的入射角。
如上所述，在将干涉条纹记录到了光调制元件25的状态下，当向光调制元件25照射参照光B时，该光调制元件25所记录的干涉条纹就产生物体光A。结果，与干涉条纹计算装置1在干涉条纹的计算中所使用的来自三维形状的物体的光相同的物体光A进入观察者的眼睛，由此，观察者就可以立体地观察到上述三维形状的物体。
亦即，本实施例的立体图像显示装置2与现有技术的立体图像显示装置的不同点在于：依据电场强度的变化来控制全息图记录元件的折射率的变化；不是用光而是用电来实现对全息图记录元件的干涉条纹的记录；以及利用极化反转来实现电场强度的变化。
在上述的本实施例中，将干涉条纹计算装置1和立体图像显示装置2设置为分立的装置，但本发明并不局限于此，对于立体图像显示装置2具备干涉条纹计算装置1的功能的结构也可以适用。
(本发明第一实施例的立体图像显示系统的动作)
参照图8，对本发明第一实施例的立体图像显示系统的动作进行说明。
在步骤401，干涉条纹计算装置1计算由照射到三维形状的物体上的激光反射而生成的物体光和参照光所生成的干涉条纹。图9表示显示出该干涉条纹的样子和将所显示出的该干涉条纹的局部区域放大后的样子。各四角形A至D各自表示构成该干涉条纹的一个像素。
在步骤402，干涉条纹计算装置1将用来显示上述干涉条纹的信息用图像信号发送到立体图像显示装置2。
在步骤403，与传统的液晶显示装置等同样，立体图像显示装置2的电场控制部22根据构成干涉条纹的各像素的色深浅值控制加到对应于各像素的像素电极23的电场强度。
图10表示立体图像显示装置2的全息图记录元件21的断面图。在此，设像素电极23a(A)至23a(D)分别对应于像素A至D。另外，设调制元件25内部的折射率与电场强度的关系是图7B所示的关系。
例如，在各像素A至D的色深浅值分别为「255」、「200」、「255」、「100」的情况下，电场控制部22将加给像素电极23a(A)至23a(D)的电压分别改变为「+5V」、「+4V」、「+5V」、「+2V」。
在步骤404，如上所述，电场控制部22对全息图记录元件21的各像素电极23a(A)至23a(D)施加不同的电压，由此在光调制元件25中实现对应由干涉条纹计算装置1所计算出的干涉条纹的折射率调制，并记录该干涉条纹。
图11表示构成光调制元件25所记录的干涉条纹的局部区域的像素A至D。在图11中，为了容易理解，按色深浅的变化示出了对应于各像素A至D的折射率。
在步骤405，参照光照射装置3对光调制元件25照射与干涉条纹计算装置1在干涉条纹的计算中所使用的参照光具有同样波长和同样入射角的参照光B
在步骤406，在将干涉条纹记录到了光调制元件25的状态下，当向光调制元件25照射参照光B时，记录在该光调制元件25内的干涉条纹就产生物体光A。结果，与干涉条纹计算装置1在干涉条纹的计算中所使用的来自三维形状的物体的光相同的物体光A进入观察者的眼睛，由此，观察者就可以立体地观察到上述三维形状的物体。
(本发明第一实施例的立体图像显示系统的作用·效果)
按照本发明第一实施例的立体图像显示系统，由于可以电气地控制对干全息记录元件的干涉条纹的记录，不仅可以实现可作成宽可视区的立体图像显示，而且可以实现立体图像显示系统的小型化。
具体的说，按照本发明第一实施例的立体图像显示系统，由于没有必要如传统的立体图像显示系统那样，采用由LCD12等干涉条纹显示装置4显示干涉条纹，再将由所显示的干涉条纹发生的物体光A1和参照光B2所生成的干涉条纹写入到全息记录元件这样的两级构成，所以，可以实现立体图像显示系统的小型化。
(本发明第二实施例的立体图像显示系统的构成)
参照图12A和12B说明本发明第二实施例的立体图像显示系统。以下，主要说明本实施例的立体图像显示系统与上述第一实施例的立体图像显示系统的不同点。
例如，在实验装置标志的图像那样的普通的图像信息中，相邻的像素间的色深浅值可能急剧变化。因此，显示这种像素信息的图像显示装置必须要完全独立地控制所有的像素。
但是，由于干涉条纹是光波的合成，若在微观上来看，没有像上述的实验装置标志的图像那样相邻的像素间的色深浅值急剧变化。因此，在用来显示干涉条纹的信息的情况下，即使是不完全独立地控制所有的像素，再生的干涉条纹中的恶化的影响也少。
因而，考虑到在相邻的像素电极23a(A)至23a(D)间的电场强度的相互作用，再生干涉条纹的电场控制部22可以控制施加给各像素电极23a(A)至23a(D)的电压。
亦即，电场控制部22无需对每个相互邻接的像素完全独立地控制对应于所有的像素的像素电极23a，只要控制得使在近旁像素的色深浅值的变化趋势与原来的干涉条纹的色深浅值的变化趋势相同即可。
参照图12A和12B具体说明在电场控制部22不能完全独立地控制对应于所有的像素的像素电极的情况下，即，相邻的像素电极间的电场相互影响的情况下，控制加到光调制元件25的电场强度的情形。
在此，图12A表示构成由干涉条纹计算装置1所计算出的干涉条纹的像素的一部分(A、B、C、…)。在图12A中，对应于对应像素C的像素电极23a(C)的相邻的像素电极既可以只是对应像素B和D的像素电极23a(B)和23a(D)，也可以包含对应于像素A和E的像素电极23a(A)和23a(E)。
例如，如图12B所示，考虑到在相邻的像素电极间的电场强度的相互作用，电场控制部22使对于对应像素A和B的像素电极施加的电压比真值小，使对于对应像素C的像素电极施加的电压比真值大。所谓真值就是在电场控制部22能完全独立地控制对应于所有的像素的像素电极的情况下(参照图6B)，施加给各像素电极的电压。
结果，各像素A至C的色深浅值与图6B的情况不同，但由3个像素A至C的色深浅值所形成的「干涉条纹的色深浅变化曲线」基本上与图6B所示的「干涉条纹的色深浅变化曲线」相同。
电场控制部22为了使对对应像素C的像素电极施加的电压比真值大，而对像素A、B、D、E等与像素C相邻的像素电极不加电压，也可以将施加电压的像素电极做得稀疏。
亦即，电场控制部22可以无需完全独立地控制对于对应所有的像素的像素电极施加的电压，只控制对于对应特定的像素的像素电极施加的电压。在此，需要控制电压的像素电极的决定方法，随光调制元件25的特性而不同。
通过进行上述的处理，从宏观来看，即使电场控制部22不能完全独立地控制对应所有的像素的像素电极的情况下，亦即，即使相邻的像素电极间的电场相互影响的情况下，也可以得到与图6B所示的「干涉条纹的色深浅变化曲线」同样的结果。
另外，电场控制部22也可以在施加给特定像素电极(例如，对应像素C的像素电极)的电压为规定电压以上的情况下，对与该特定像素电极相邻的像素电极(例如，像素电极A、B、D、E)不施加电压。
按照本实施例的立体图像显示系统，由于放宽了相邻的电极间的完全独立控制这样的制约条件，从而使制造变得容易。
(本发明第三实施例的立体图像显示系统的构成)
参照图13至15，说明本发明第三实施例的立体图像显示系统。以下，主要说明本实施例的立体图像显示系统与上述第一实施例的立体图像显示系统的不同点。
如图13所示，本实施例的立体图像显示系统具备服务器装置100和立体图像显示装置2。本实施例是就立体图像显示装置2经由数据包通信网5可能实现与服务器装置100间的通信的移动通信终端构成例的说明。
如图14所示，服务器装置100设置有干涉条纹计算部1a、存储部1b和发送部1c。
干涉条纹计算部1a计算由物体光和参照光所生成的干涉条纹(计算机全息图)；存储部1b将干涉条纹的色深浅值和电压值相关联地存储起来；发送部1c将与所计算出的干涉条纹的各像素的色深浅值相关联的电压值发送到立体图像显示装置2。
如图15所示，立体图像显示装置2设置有通信部31、全息图记录元件21、电场控制部22、光源32和光反射板33。
通信部31对于服务器装置100请求发送用来显示立体图像的对应于干涉条纹的各像素的色深浅值的电压值，并将接收到的电压值发送到电场控制部22。
电场控制部22将经由通信部31从服务器装置接收到的与干涉条纹的色深浅值相关联的电压值的电压加到对应于各像素的像素电极上，由此，将该干涉条纹记录到全息图记录元件21的光调制元件25内。全息图记录元件21的构成与上述第一实施例的全息图记录元件21的构成相同。
光反射板33反射来自光源32的光，由此生成参照光B。在此，参照光B与服务器装置100的干涉条纹计算部1a在干涉条纹的计算中所使用的参照光具有相同的波长和相同的入射角。光源32既可以是便携式终端在液晶显示器中所使用的背光，也可以是与这种背光分开设置的光源。
在上述第三实施例中，说明了服务器装置100经数据包通信网络5将与干涉条纹的色深浅值相关联的电压值发送到立体图像显示装置2的结构，但本发明也可以适用服务器装置100经数据包通信网络5将干涉条纹的色深浅值发送到立体图像显示装置2的结构。
如以上说明的那样，按照本发明，可以提供不仅可以实现可作成宽可视区的立体图像显示而且可以实现小型化的立体图像显示装置和立体图像显示系统。
对于所属领域的普通技术人员来说，可以作出各种改型，但均不背离本发明的宗旨。

Claims (7)

1.一种用计算出来的干涉条纹(计算机全息图)显示立体图像的立体图像显示装置，其特征在于设置有具有折射率随电场强度变化的光电效应的光调制元件和根据所述计算出来的干涉条纹改变加到所述光调制元件上的所述电场强度来将所述干涉条纹记录到所述光调制元件内的电场控制部。
2.根据权利要求1的立体图像显示装置，其特征在于在所述光调制元件的表面设置有对应于所述干涉条纹的各像素的像素电极；所述电场控制部分别控制加到所述像素电极上的电压来改变加到所述光调制元件上的所述电场强度。
3.根据权利要求2的立体图像显示装置，其特征在于所述电场控制部将所述干涉条纹的色深浅值和电压值相关联地存储起来，并将与各像素的所述干涉条纹的色深浅值相关联的电压值的电压加到对应于各像素的像素电极上。
4.根据权利要求2的立体图像显示装置，其特征在于考虑到在相邻象素间的电场强度的相互作用，所述电场控制部分别控制加到所述像素电极的电压。
5.根据权利要求4的立体图像显示装置，其特征在于所述电场控制部只对特定的像素电极施加电压。
6.根据权利要求4的立体图像显示装置，其特征在于所述电场控制部在加到特定的像素电极上的电压是规定电压以上的情况下，对与该特定的像素电极相邻的像素电极不加电压。
7.一种具有立体图像显示装置和服务器装置的显示立体图像的立体图像显示系统；
所述服务器装置设置有计算由物体光和参照光生成的干涉条纹(计算机全息图)的干涉条纹计算部、将所述干涉条纹的色深浅值和电压值相关联地存储起来的存储部和将与所计算出的所述干涉条纹的各像素的色深浅值相关联的电压值发送到所述立体图像显示装置的发送部；
所述立体图像显示装置设置有将对应于所述干涉条纹的各像素的像素电极设置在表面上并具有折射率随电场强度变化的光电效应的光调制元件和将由所述服务器装置接收到的与所述干涉条纹的各像素的色深浅值相关联的电压值的电压加到对应于各像素的像素电极上而将所述干涉条纹记录到所述光调制元件内的电场控制部。
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