JPH05210069A - 光学装置および表示装置 - Google Patents

光学装置および表示装置

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JPH05210069A
JPH05210069A JP4184972A JP18497292A JPH05210069A JP H05210069 A JPH05210069 A JP H05210069A JP 4184972 A JP4184972 A JP 4184972A JP 18497292 A JP18497292 A JP 18497292A JP H05210069 A JPH05210069 A JP H05210069A
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JP
Japan
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image
light modulator
spatial light
optical device
liquid crystal
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JP4184972A
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English (en)
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Hirotsuna Miura
弘綱 三浦
Atsushi Amako
淳 尼子
Tomio Sonehara
富雄 曽根原
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Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/22—Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
    • G03H1/2294—Addressing the hologram to an active spatial light modulator
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
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    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/22—Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
    • G03H1/2202—Reconstruction geometries or arrangements
    • G03H1/2205—Reconstruction geometries or arrangements using downstream optical component
    • G03H2001/221—Element having optical power, e.g. field lens
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
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    • G03H2225/60—Multiple SLMs

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Abstract

(57)【要約】 【構成】 レーザ光源１０１から出射されたコヒーレン
ト光１１０を液晶空間光変調器１０３に記録したフラウ
ンホウファー回折像で波面制御し、観測者の角膜１０５
および水晶体１０６でフーリエ変換すると、網膜１０７
上に再生像が得られる。 【効果】 空間光変調器の大きさが瞳孔の大きさ程度で
よい為、装置全体が非常に小型・軽量となる。また、フ
ラウンホウファー回折像を用いるので立体像再生が極め
て容易である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光学装置およびそれを用
いた表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の光学装置は、図６のように、光源
６０１からの光６０６を光学系６０２で表示素子６０３
に導き、再生された実像を観測者６０５が観測するもの
であった。
【０００３】また、従来の表示装置は、図７のように、
表示素子６０３上に再生された実像を左右の眼に導き、
両眼視差のみによって立体感を得るものであった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の光学装
置には、実像を再生するために表示装置から観測者まで
の距離が遠く、表示体を大きくしなければならないとい
う問題があった。またこのため光学装置全体も大きくし
なければならないという問題もあった。
【０００５】また、従来の表示装置には、水晶体の厚み
調節を伴わない立体再生を行うため立体感が不自然であ
り、長時間使用すると著しく眼が疲労するという問題が
あった。
【０００６】本発明は、このような問題点を解決するも
のであって、その目的は、簡便な手段により高性能な光
学装置と表示装置を提供するところにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の光学装置
は、眼球の網膜に結像させるための光学系の前側焦点位
置の近傍またはそれより前記網膜に近い側に回折像を発
生させるための手段を備えたことを特徴とする。
【０００８】本発明の第２の光学装置は、前記第１の光
学装置において、前記回折像を発生させるための手段と
して、コヒーレント光源と空間光変調器を用いることを
特徴とする。
【０００９】本発明の第３の光学装置は、前記第１、２
の光学装置において、前記回折像を発生させるための手
段として、アフォーカル光学系を用いることを特徴とす
る。
【００１０】本発明の第４の光学装置は、前記第１ない
し３の光学装置において、前記回折像がフラウンホウフ
ァー回折像であることを特徴とする。
【００１１】本発明の第５の光学装置は、前記第２ない
し４の光学装置において、前記空間光変調器が位相変調
型であることを特徴とする。
【００１２】本発明の第６の光学装置は、前記第２ない
し４の光学装置において、前記空間光変調器が振幅位相
変調型であることを特徴とする。
【００１３】本発明の第７の光学装置は、前記第２ない
し６の光学装置において、前記空間光変調器が液晶空間
光変調器であることを特徴とする。
【００１４】本発明の第１の表示装置は、本発明の第１
ないし７の光学装置を用いたことを特徴とする。
【００１５】本発明の第２の表示装置は、前記第１の表
示装置において、眼球の方向を検出する手段と、眼球の
網膜に結像させるための光学系のフーリエ変換レンズか
らのずれを補正する手段とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
【実施例】以下、実施例により本発明の詳細を示す。
【００１７】（実施例１）図１に本発明の光学装置の構
成を示す。レーザ光源１０１から出射されたコヒーレン
ト光１１０はコリメートレンズ１０２により平行光にな
る。この平行光を駆動装置１０４の信号により液晶空間
光変調器１０３で波面制御し、観測者の角膜１０５およ
び水晶体１０６で光学変換すると、網膜１０７上に再生
像が得られる。
【００１８】本実施例に用いた液晶空間光変調器につい
て説明する。この液晶空間光変調器は振幅位相変調型で
ある。図２に構成を示す。位相変調用のＥＣＢ（電界制
御複屈折）パネル２０３と振幅変調用ＴＮ（ツイステッ
ド・ネマティク）パネル２０６を焦点距離の等しいマイ
クロレンズアレー２０４、２０５によるアフォーカル系
で接続した。図中のｆはマイクロレンズアレーの焦点距
離である。ＥＣＢパネルの各画素の共役像がＴＮパネル
の画素上に結像するように配置してある。入射側の偏光
板２０２はＥＣＢパネルのダイレクターの向きにあわせ
てある。またＴＮパネルの入射側のダイレクターの向き
はＥＣＢパネルのダイレクターの向きにあわせてある。
偏光板２０７の向きはＴＮパネルのコントラスト比が最
大となる方向にあわせた。これにより光の振幅と位相が
独立に変調できる。ＴＮパネルとＥＣＢパネルはともに
アクティブマトリックス駆動方式で、画素ピッチは１０
μｍ×１０μｍである。
【００１９】この液晶空間光変調器に駆動装置の信号に
よりフラウンホウファー回折像のデータを記録する。こ
の駆動装置は液晶空間光変調器の駆動回路と、フラウン
ホウファー回折像のデータを記録するメモリーと、制御
回路からなる。再生したい像の眼球による光学変換像
（フラウンホウファー回折像）をあらかじめ計算してお
き、その振幅と位相データを駆動装置のメモリーに記録
する。このデータを次々に読み出して、制御回路により
液晶空間光変調器の制御信号を作成し、駆動回路を通し
て液晶空間光変調器に実時間で変化するフラウンホウフ
ァー回折像を発生させる。
【００２０】このフラウンホウファー回折像にコヒーレ
ント光を照射すると、振幅と位相が変調されて網膜上に
再生像が得られる。この再生像は実時間で変化させるこ
とができる。また３次元物体からの光波面を完全に再現
できるので、立体像を容易に再生することができる。
【００２１】また、干渉縞を記録する方式と違い、光波
面を完全に制御しているので、０次光や−１次光も発生
しない。このため、網膜に０次光などが焼き付くおそれ
もない。
【００２２】眼球の角膜と水晶体による合成前側焦点距
離は約１７ｍｍである。従って、眼球の主点の前方１７
ｍｍ付近に液晶空間光変調器を配置すれば、フーリエ変
換像に近い光学変換像が網膜上に得られる。本実施例で
はフラウンホウファー回折像のデータ作成において計算
が容易なフーリエ変換を用いたため、フーリエ変換から
のずれを補正光学系１０９で補正した。またこの補正光
学系は必要に応じて近視や乱視等の補正も行う。
【００２３】空間光変調器の画素ピッチが細かければ細
かいほど大きな再生像が得られる。本実施例では１０μ
ｍ×１０μｍであり、網膜上で約１．３ｍｍの再生像が
得られた。
【００２４】虹彩１０８の開口（瞳孔）は高々直径８ｍ
ｍ程度であるので液晶空間光変調器１０３の大きさも８
ｍｍ角程度でよい。これに応じてコリメートレンズ１０
２も直径１ｃｍ程度となり、装置全体が非常に小型・軽
量となる。
【００２５】（実施例２）図３に本発明の光学装置の別
の構成を示す。本実施例では液晶空間光変調器に表示し
た回折像をアフォーカル系を用いて縮小してから眼球に
入射した。図中、Ｆはフーリエ変換レンズ３０１の焦点
距離、ｆは３０２の焦点距離を示す。
【００２６】液晶空間光変調器からＦの位置にフーリエ
変換レンズ３０１を置く。そこから（Ｆ＋ｆ）の位置に
フーリエ変換レンズ３０２を置く。するとフーリエ変換
レンズ３０２からｆの位置に液晶空間光変調器の共役像
３０３が得られる。
【００２７】この共役像は元の液晶空間光変調器の像と
上下左右と大きさが違うだけで、振幅と位相の分布は全
く同じである。この共役像を眼球の主点の前方１７ｍｍ
付近に配置すれば再生像が網膜上に得られる。
【００２８】このときの縮小率は２つのレンズの焦点距
離の比で決まる。本実施例では５分の１である。本実施
例に用いた液晶空間光変調器は画素ピッチが４０μｍ、
大きさが５ｃｍ角である。従って共役像の大きさは１ｃ
ｍ角、画素ピッチは８μｍである。
【００２９】本実施例ではアフォーカル系の倍率を変え
ることにより、画素ピッチの粗い液晶空間光変調器も使
用することができる。
【００３０】また目の前に液晶空間光変調器を置かなく
てよいので、装置の応用範囲が広がる。
【００３１】（実施例３）図４に本発明の表示装置の構
成を示す。本発明の光学装置を左右の眼前に配置した。
本発明は両眼視差と水晶体調節により自然な立体感を実
現した。
【００３２】本実施例では液晶空間光変調器にフレネル
変換像を記録した。これはほぼ、フーリエ変換像にレン
ズ関数を重ねたものと考えることができる。
【００３３】このフーリエ変換の再生像は、現れる位置
が、奥行きに従って右眼と左眼でずれるようにしてあ
る。すなわち両眼視差によってまず立体感が得られる。
【００３４】さらに、物体の奥行き方向の位置によっ
て、それぞれに重ねるレンズ関数の焦点距離を変えた。
これにより、水晶体の厚み調節を伴った極めて自然な立
体感が得られた。
【００３５】本実施例では水晶体のフーリエ変換レンズ
からのずれを液晶空間光変調器に記録するデータによっ
て補正した。
【００３６】眼球の動きに応じた補正データをあらかじ
めメモリ４０１に記憶しておく。
【００３７】発光体４０２から出射された光は角膜によ
って反射され、光位置センサ４０３に入射する。この戻
り光の位置から眼球の動きを検出し、それに対応する補
正データをメモリ４０１から呼び出す。この補正データ
を元のフレネル変換像に重ね合わせて液晶空間光変調器
に記録した。これにより視線の方向に関係なく常に鮮明
な再生像が得られた。
【００３８】（実施例４）図５に本発明の表示装置の別
の構成を示す。本実施例では第２の実施例の光学装置を
利用した。液晶空間光変調器５０３とレンズ３０１、３
０２でアフォーカル系を構成した。途中、プリズム５０
４、５０５で光路を折り曲げた。
【００３９】本実施例では位相変調型の液晶空間光変調
器を用いてキノフォームを記録した。キノフォームとは
原画像にランダムな位相を乗せてフーリエ変換し、位相
成分だけを取り出したものである（詳細についてはＡｐ
ｐｌ．Ｏｐｔ．１２（１９７３）２３２８を参照）。た
だし、本実施例では再生像の奥行きに応じたレンズ関数
がキノフォームに重ね合わせてある。
【００４０】レーザ光源５０１からの光を光ファイバ５
０２で導き、コリメートレンズ１０２でコリメートして
用いた。
【００４１】本実施例ではレーザ光源に３色（赤、青、
緑）のレーザを時間的（１５ミリ秒毎）に切り替えて用
いた。これを液晶空間光変調器に記録するデータと同期
させることによって、カラーの３次元動画再生をおこな
った。
【００４２】なお、本実施例では、ＴＦＴ駆動方式とネ
マティック液晶を組み合わせて応答速度を速くしたが、
強誘電性液晶などを用いてもよい。
【００４３】本実施例でも極めて自然な立体感が得られ
た。
【００４４】以上本発明の実施例について述べてきた
が、本発明はこのほかにも、広くヘッドアップディスプ
レイ、医療装置などに応用が可能である。
【００４５】
【発明の効果】本発明の光学装置は、観測者の角膜およ
び水晶体を光学系の一部として用いるために部品点数が
大幅に削減できる。また空間光変調器の大きさが瞳孔の
大きさ程度でよい為、装置全体が非常に小型・軽量とな
る。しかも空間光変調器を大型化しなくてよいため高精
細な空間光変調器を実現しやすいという効果も生まれ
る。さらにフラウンホウファー回折像を用いるので立体
像再生が極めて容易である。
【００４６】また、本発明の表示装置では、物体のフレ
ネル変換像に重ねるレンズ関数の焦点距離を変えること
により、水晶体の厚み調節を伴った極めて自然な立体感
が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学装置の構成を示す側面図である。
【図２】本発明の実施例に用いた液晶空間光変調器の構
成を示す側面図である。
【図３】本発明の光学装置の別の構成を示す側面図であ
る。
【図４】本発明の表示装置の構成を示す上面図である。
【図５】本発明の表示装置の別の構成を示す側面図であ
る。
【図６】従来の光学装置の構成を示す側面図である。
【図７】従来の表示装置の構成を示す上面図である。
【符号の説明】
１０１ レーザ光源 １０２ コリメートレンズ １０３ 液晶空間光変調器 １０４ 駆動装置 １０５ 角膜 １０６ 水晶体 １０７ 網膜 １０８ 虹彩 １０９ 補正光学系 １１０ コヒーレント光 ２０１ コヒーレント光 ２０２ 偏光板 ２０３ ＥＣＢパネル ２０４ マイクロレンズアレー ２０５ マイクロレンズアレー ２０６ ＴＮパネル ２０７ 偏光板 ２０８ 液晶層 ２０９ 液晶層 ３０１ フーリエ変換レンズ ３０２ フーリエ変換レンズ ３０３ 共役像 ４０１ メモリ ４０２ 発光体 ４０３ 光位置センサ ４０４ 駆動装置 ５０１ レーザ光源 ５０２ 光ファイバ ５０３ 液晶空間光変調器 ５０４ プリズム ５０５ プリズム ６０１ 光源 ６０２ 光学系 ６０３ 表示素子 ６０４ 駆動装置 ６０５ 観測者 ６０６ 光 ７０１ レンズ

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 眼球の網膜に結像させるための光学系の
    前側焦点位置の近傍またはそれより前記網膜に近い側に
    回折像を発生させるための手段を備えたことを特徴とす
    る光学装置。
  2. 【請求項２】 前記回折像を発生させるための手段とし
    て、コヒーレント光源と空間光変調器を用いることを特
    徴とする請求項１記載の光学装置。
  3. 【請求項３】 前記回折像を発生させるための手段とし
    て、アフォーカル光学系を用いることを特徴とする請求
    項１、２記載の光学装置。
  4. 【請求項４】 前記回折像はフラウンホウファー回折像
    であることを特徴とする請求項１ないし３記載の光学装
    置。
  5. 【請求項５】 前記空間光変調器は位相変調型であるこ
    とを特徴とする請求項２ないし４の光学装置。
  6. 【請求項６】 前記空間光変調器は振幅位相変調型であ
    ることを特徴とする請求項２ないし４の光学装置。
  7. 【請求項７】 前記空間光変調器は液晶空間光変調器で
    あることを特徴とする請求項２ないし６の光学装置。
  8. 【請求項８】 請求項１ないし７記載の光学装置を用い
    たことを特徴とする表示装置。
  9. 【請求項９】 眼球の方向を検出する手段と、眼球の網
    膜に結像させるための光学系のフーリエ変換レンズから
    のずれを補正する手段とを備えたことを特徴とする請求
    項８記載の表示装置。
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