JP2015125331A

JP2015125331A - 立体像表示素子及びこれを用いた立体像表示装置

Info

Publication number: JP2015125331A
Application number: JP2013270598A
Authority: JP
Inventors: 朋禄下馬場; Tomoyoshi Shimobaba; 智義伊藤; Tomoyoshi Ito
Original assignee: Chiba University NUC
Current assignee: Chiba University NUC
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2015-07-06

Abstract

【課題】過大な構成変更を必要とせず、視域及び像を大きくすることのできる立体像表示素子及びこれを用いた立体像表示装置を提供する。【解決手段】入射される光を回折させる空間光変調素子３と、空間光変調素子によって回折された光を拡散する回折光学素子４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、立体像表示素子及びこれを用いた立体像表示装置に関する。より具体的には、空間光変調素子を用いて使用者に立体像を認識させることができるものに関する。

空間変調素子を用いてホログラムを作成し、これに光を入射させて立体像を表示させるホログラフィは、未来の表示装置、三次元ディスプレイ（立体像表示装置）として応用が期待されている。

立体像表示装置は、一般に、三次元立体像データをホログラム計算機によりホログラムデータを作成し、このホログラムデータを空間変調素子としての液晶表示素子に入力してホログラムを形成する一方、光源からの光を上記ホログラムに入力させて回折光を生じさせ、三次元立体像（再生像）を得る。

しかしながら、上記三次元立体像を得る技術は膨大な計算量が必要であり、結果的に、見える三次元立体像が小さくなってしまう、また、その見える範囲も狭くなってしまうといった課題がある。

上記課題のうち、見える三次元立体像が小さくなってしまうといった課題に対しては、例えば下記非特許文献１、２に、複数毎の液晶表示素子を並べることで大きな三次元立体像を得ようとする技術が開示されている。

また、下記非特許文献３には、１枚のホログラムを時間分割制御することで視域を拡大するといった技術が開示されている。

ＭａｓａＴａｎａｋａら，"Ｗｉｄｅ−ＡｎｇｌｅＷａｖｅｆｒｏｎｔＲｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＮｅａｒＤｉｓｐｌａｙＰｌａｎｅｉｎＴｈｒｅｅ−ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＤｉｓｐｌａｙＳｙｓｔｅｍ"，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＤｉｓｐｌａｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．６，Ｎｏ．１０，Ｏｃｔｏｂｅｒ２０１０ＹａｓｕｙｕｋｉＩｃｈｉｈａｓｈｉら，"Ｒｅａｌ−ｔｉｍｅｃａｐｔｕｒｅａｎｄｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｍｕｌｔｉｐｌｅＧＰＵｓｆｏｒ３Ｄｌｉｖｅｓｃｅｎｅｂｙａｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｆｒｏｍ４ＫＩＰｉｍａｇｅｓｔｏ８Ｋｈｏｌｏｇｒａｍｓ"，ＯＰＴＩＣＳＥＸＰＲＥＳＳ，２１６４５−２１６５５，Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．１９，１０Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２０１２ＭａｕｒｉｃｅＳｔａｎｌｅｙら，"１００Ｍｅｇａ−ｐｉｘｅｌｃｏｍｐｕｔｅｒｇｅｎｅｒａｔｅｄｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃｉｍａｇｅｓｆｒｏｍＡｃｔｉｖｅＴｉｌｉｎｇＴＭ−ａｄｙｎａｍｉｃａｎｄｓｃａｌａｂｌｅｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃｍｏｄｕｌａｔｏｒｓｙｓｔｅｍ"，Ｐｒｏｃ．ｏｆＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．５００５，２４７−２５８

しかしながら、上記特許文献１、２に記載の技術では、装置の構成自体が大きくなり、コストも大きくなってしまうといった課題がある。また、液晶表示素子自体を大画面にすると、その面積に合う特注の光学部品が必要となってしまうといった課題がある。

また、上記特許文献３に記載の技術では、視野は拡大できるものの、像のサイズを拡大することが難しいといった課題がある。また視野を拡大すればするほど高リフレッシュレートの表示素子が必要となるため、液晶表示素子自体の技術的な制約も発生する。

上記課題を解決する本発明の一の観点に係る立体像表示素子は、入射される光を回折させる空間光変調素子と、空間光変調素子によって回折された光を拡散する回折光学素子と、を備える。

また、本発明の他の一の観点に係る立体像表示装置は、光源と、光源から入射される光を回折させる空間光変調素子と、空間光変調素子によって回折された光を拡散する回折光学素子と、空間光変調素子に画像情報信号を入力するための情報処理装置と、を備える。

そこで、本発明は、上記課題を鑑み、過大な構成変更を必要とせず、視域及び像を大きくすることのできる立体像表示素子及びこれを用いた立体像表示装置を提供することを目的とする。

実施形態に係る立体像表示装置の概略を示す図である。実施形態に係る回折格子データ作成処理における位置関係についての概略を示す図である。本実施形態に係る立体像表示装置の他の一例を示す図である。本実施形態に係る立体像表示装置の他の一例を示す図である。シミュレーションにおける立体像を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態、シミュレーションの例示に限定されるものではない。

（実施形態）
図１は、本実施形態に係る立体像表示装置（以下「本装置」という。）の概略を示す図である。本装置１は、光源２と、光源２から入射される光を回折させる空間光変調素子３と、空間光変調素子３によって回折された光を拡散する回折光学素子４と、空間光変調素子３に画像情報信号を入力するための情報処理装置５と、を備える。

本装置１において、光源２は、上記の記載から明らかなとおり、空間光変調素子３に入射するための光を発することができるものである。光源２によって発せられる光は、空間位相変調素子３によって回折を受ける光であることが必要であるため、コヒーレント光又は部分的コヒーレント光を発生するものであることが必要である。光源２は、この機能を有するものである限りにおいて限定されるわけではないが、例えばレーザー光源、やＬＥＤ光源であることが好ましい。

また本実施形態において光源２は、カラー表示を行いたい場合、色の数に対応して複数設けておくことが好ましい。例えば、カラー表示の場合、赤、青、緑の色それぞれの波長に対応した色の光源２を設けておくことが好ましい。なお、白色光源に所望の波長の光を取り出すためのフィルタを組み合わせた構成であってもよい。なおこの場合において、空間光変調素子３は、一つであっても、各色に対応して各々対応する空間光変調素子を複数設けてもよい。一つの場合、光源２の発する色を時間分割して順番に発光させるとともにこの色に合わせて空間光変調素子に形成されるホログラムを異ならせることで対応できる。

空間光変調素子３は、上記のとおり、光源２から入射される光を回折させるためのものであり、具体的には光を回折させるための回折格子を形成することができるものであることが好ましい。空間光変調素子３の構成は、この限りにおいて限定されるわけではないが、例えば、液晶表示素子、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）、ＡＯＭ（ＡｃｏｕｓｔＯｐｔｉｃＭｏｄｕｌａｔｏｒ）を用いることができる。液晶表示素子の場合、透過型であっても、反射型であってもよい。

本実施形態に係る回折光学素子４は、空間光変調素子３によって回折された光を更に回折、拡散する機能を有するものである。回折光学素子４の具体的な構造は限定されるわけではないが、例えば、拡散板やレンズアレイ等を用いることができる。

本実施形態において、回折光学素子４が拡散する光の角度は、形成する再生像に応じて適宜調整可能であり限定されるわけではないが、回折光学素子４に垂直な方向から入射された光を回折光学素子の面に対して２０度以上８０度以下の範囲で拡散するものであることが好ましい。なお、この拡散させた後の光の強度としては、限定されるわけではないが均一に拡散させることが再生像の強度の均一性を確保するうえで好ましい。

また、本実施形態において、回折光学素子４と空間光変調素子３とは、所定の距離を保った状態で固定配置されていることが好ましい。このようにすることで、情報処理装置５は回折光学素子４の配置を考慮した上で空間光変調素子３に入力する画像情報信号を作成することが可能となる。なお、この固定配置の関係としては特に限定されない。ただし、空間光変調素子が透過型である場合、空間光変調素子３の平面と回折光学素子４の平面とが略平行としておくと、光路を変えるための他の光学部材を必要としないという観点から好ましい。なおここで「略平行」とは、完全な平行状態を含むものであるが、製造上の誤差等を含む概念であって、例えば０度からプラスマイナス５度位は含まれる概念である。もちろん、空間光変調素子３と回折光学素子４とは略平行でなくてもよく、レンズやミラーなどの光学部材を介することで適宜調整可能である。なお本明細書では、この回折光学素子４と空間光変調素子３の組み合わせを立体像表示素子と表現する。

また本実施形態において、情報処理装置５は、空間光変調素子３に入力する画像情報信号を作成する装置である。

ここで画像情報信号は、空間光変調素子３に入力される信号であるが、空間光変調素子３はこの画像情報信号が入力されると回折格子となる。すなわち、画像情報信号は、空間位相変調素子３が表示する回折格子データを作成し、画像情報信号として空間位相変調素子３に出力する。

また本実施形態において情報処理装置５は、処理前画像データに基づき、上記回折格子データを作成する。ここで処理前画像データとは、回折格子データ作成処理の前の画像データをいい、三次元的な位置情報データ、その位置データにおける強度データを含むデータであり、処理前画像データが再生像を想定したものである。

ここで、回折格子データ作成処理は、回折格子データを作成することができる限りにおいて限定されるわけではないが、（１）処理前画像データに対し、回折光学素子４における複素振幅を求める処理、（２）空間光変調素子における複素振幅を求める処理、（３）実部データ又は位相部分データを取り出す処理、を行うことが好ましい。

ここで上記（１）の処理は、様々な手法を設計することが可能であり、限定されるわけではないが、例えば、下記式（１）による処理を行うことが好ましい。この場合における位置の関係についての概略を図２に示しておく。

なお上記式において、ｕ（ｘ_ｄ，ｙ_ｄ）は回折光学素子での複素振幅を、ａ（ｘ_ｊ，ｙ_ｊ，ｚ_ｊ）は三次元像の各点の複素振幅を、ｒ_ｊｄは、三次元像の或る一点と回折光学素子の或る一点の距離をそれぞれ示す。

また、ここで上記（２）の処理は、様々な手法を設計することが可能であり、限定されるわけではないが、例えば、下記式（２）による処理を行うことが好ましい。

なお上記式において、ｕ（ｘ_ｈ，ｙ_ｈ）はホログラム面での複素振幅を、ｒ_ｈｄは回折光学素子のある一点とホログラム表示素子のある一点と光源との距離を示す。

この処理の具体的な方法としては、まず、三次元の立体像から出る光波の回折光学素子上での複素振幅（三次元像の光波の振幅と位相）を上記式（１）で求める。次いで、回折光学素子からホログラム表示素子への光の伝搬を上記式（２）で計算する。回折光学素子からは色々な方向に光が拡散されるが、ホログラムに到達するものだけを抽出することになる。そして、ホログラム面の複素振幅（複素数）から実数部を取り出して振幅ホログラムを得る、又は、位相部分を取り出して位相ホログラムを得る。

なお、上記計算については、高速フーリエ変換等を用いた高速化手法による高速化が可能である。

以上、本実施形態により、過大な構成変更を必要とせず、視域及び像を大きくすることのできる立体像表示素子及びこれを用いた立体像表示装置を提供することができる。

また、本実施形態に係る立体像表示装置は、複数の表示素子を並べて配置することで、更に大きな像を得ることができる。例えば、図３で示すように、一つの回折光学素子に、複数の空間光変調素子を配置し、それぞれに所定の計算を行わせることで、大きな像を得ることができる。また、図４で示すように、一つの回折光学素子に一つの空間光変調素子を対応させた組を複数設ける構成としてもよい。一つの回折光学素子に、複数の空間光変調素子を配置した場合は、複数空間光変調素子を設けたとしても、観測者はひとつの回折光学素子によって空間光変調素子が隠されているため、違和感を覚えることがない。なお、一つの回折光学素子に一つの空間光変調素子を対応させた組を複数設ける構成としても、複数の回折光学素子の間隙を見ることとなるが、再生像が分割されてしまうといったことはない。

（シミュレーション）
ここで、上記立体像表示装置の効果について、シミュレーションを行いその実現性を確認した。以下具体的に示す。

まず、ホログラムを作成する空間光表示素子として、一般的な画素数の素子（１９２０×１０８０画素、画素間隔８μｍ、リフレッシュレート３０Ｈｚ）のものを採用した。なおこの表示素子のサイズは約２ｃｍ×１ｃｍであった。

一方、拡散角３０度×３０度の拡散板（約３ｃｍ×３ｃｍ）を上記のホログラム表示素子と平行に５０ｃｍの距離を置いて配置する構成とした。

次に、再生像を表示するための三次元的な情報を含む処理前画像データを基礎とし、この画像データに対し上記実施形態における式（１）、（２）で示される処理を施し回折格子データを得た。

そして、この回折格子データを上記空間光変調素子に入れ、光源からの光を空間光変調素子、拡散板に順次入射させた結果得られた回折画像のイメージを図５に示しておく。

一方、上記と同様である一方、回折光学素子を配置せず、回折光学素子を含まない処理を行った後の回折格子データを空間光変調素子に出力し、光源からの光を平行光として照射し回折画像を得た。なお本処理において用いた式は下記式（３）で示したものである。

この結果、回折光学素子を用いた例の場合、視域が３０度達成されていること、及び再生像の大きさが拡散板と同じ約３ｃｍに拡大されていることが確認できた一方、回折光学素子を用いていない場合は、３度と非常に狭い視域であった。また、再生される像の大きさは空間光変調素子と同じ大きさ以上にすることはできず、回折光学素子を用いた場合の方が大きいものであった。

以上、このシミュレーションの結果により、過大な構成変更を必要とせず、視域及び像を大きくすることのできる立体像表示素子及びこれを用いた立体像表示装置を提供することができることを確認した。

なお、回折光学素子を用いていない場合に、上記回折光学素子を用いる場合と同様の３０度×３０度の視域を実現するためには、上記で用いたホログラム表示素子を７×７枚又は８×８枚程度用い、更に、大口径の縮小レンズで１／８に縮小しなくては実現できないため、今回の構成は非常に小さなシステム構成で実現できる点で非常に大きな利点がある。また、時間分割方式で実現しようとする場合は、通常のリフレッシュレート３０Ｈｚの５０〜６０倍（１５００〜１８００Ｈｚ）のものを使用しなくては実現できず、この点からも本構成が非常に有用なものであるといった利点がある。

本発明は、立体像表示素子及びこれを用いた立体像表示装置として産業上の利用可能性がある。

Claims

入射される光を回折させる空間光変調素子と、
前記空間光変調素子によって回折された前記光を拡散する回折光学素子と、を備える立体像表示素子。
前記空間光変調素子を複数備える請求項１記載の立体像表示素子。
光源と、
前記光源から入射される光を回折させる空間光変調素子と、
前記空間光変調素子によって回折された前記光を拡散する回折光学素子と、
前記空間光変調素子に画像情報信号を入力するための情報処理装置と、を備える立体像表示装置。