JPWO2013057951A1 - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

画像表示装置は、コヒーレント光を出射する光源と、入力画像に応じた回折格子パターンを表示することにより前記コヒーレント光を回折し、回折された光によって仮想画像を表示する空間変調素子と、前記入力画像の全画素の輝度の総和を表す総輝度を算出し、前記総輝度が減少したとき、前記入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より低い輝度で前記仮想画像が表示されるように、前記光源及び前記空間変調素子のうち少なくとも一方を制御する制御部とを備える。

Description

本発明は、回折格子パターンを用いてコヒーレント光を回折させることにより、画像を表示する画像表示装置に関するものである。

回折格子パターンを用いてコヒーレント光を回折させることにより、画像を表示する画像表示装置としては、例えば、計算機ホログラム（ＣＯＭＰＵＴＥＲ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ、以下「ＣＧＨ」と記す）を用いた画像表示装置がある。

この画像表示装置では、表示したい目標表示画像に対応する入力画像を基に計算機で求めた回折格子パターンを、位相変調型の液晶パネル等に表示し、その液晶パネルにレーザー光を照射して回折させることにより、仮想画像位置からの表示光の波面を再現し、仮想画像をユーザへ表示する。この結果、ＣＧＨ方式では、液晶パネルの手前や奥の位置に３次元立体画像を表示できる特徴がある。

例えば、ＣＧＨ方式で３次元立体画像を表示する画像表示装置として、３次元シーンのホログラフィック再構成用装置がある（特許文献１参照）。また、ＣＧＨ方式ではないが、回折格子パターンにより３次元立体画像をユーザに表示する画像表示装置もある（特許文献２参照）。

上記のＣＧＨ方式を用いた画像表示装置では、自然な立体感の感じられる立体画像表示方法として多くの研究がなされてきた反面、画素ピッチが小さく、画素数の多い空間変調素子やレーザー光源を必要とするなどの理由から、未だ普及するに至っていない。しかしながら、近年では、プロジェクタ用液晶パネルが高画素化され、また、可視域半導体レーザーの大出力化が実現され、ＣＧＨ方式を用いた画像表示装置が実用化に近づきつつある。

上記のように、ＣＧＨ方式を用いた従来の画像表示装置は、入力画像の各画素への回折格子パターンを重畳して表示する空間変調素子にレーザー光を照射して、表示した回折格子パターンで回折されたレーザー光によって画像を表示する。

ここで、輝度の大きな画素が多数存在する入力画像を表示する際には、多数の回折格子パターンが重畳されるため、それぞれの回折格子パターンが不明瞭になる。この結果、表示される画素への回折光が少なくなって、表示すべき輝度より暗い輝度で画素が表示される。逆に、輝度の大きな画素が少数しか存在しない入力画像を表示する際には、回折格子パターンが重畳される度合いが少なくなるため、それぞれの画素の回折格子パターンは明瞭に表示される。この結果、表示される画素への回折光が多くなって、表示すべき輝度より明るい輝度で画素が表示される。

別の見方をすれば、空間変調素子を照射するレーザー光の回折効率は、入力画像によっては大きく変化せず、仮想画像全体の輝度の総和が大きく変化しない。このため、入力画像中に輝度の大きな画素が多数存在するときには、レーザー光は多数の画素に振り分けられ、仮想画像の画素が低い輝度で表示される。一方、入力画像中に輝度の大きな画素が少数しか存在しないときには、レーザー光が少数の画素に集中し、仮想画像の画素がより大きな輝度で表示される。このように、計算機ホログラムによって画像を表示する場合、回折効率がほぼ一定となるため、入力画像中の明るい画素が少ないときに、表示すべき輝度より輝度が大きくなり、逆に明るい画素が多いときに、表示すべき輝度より輝度が小さくなる。

また、赤色、緑色、及び青色の３種のレーザー光源を用いて、それぞれの色の画像を重畳して出力することにより、フルカラーの画像表示が可能になるが、フルカラーの画像表示を行うとき、上記のように各色の入力画像中の輝度の大きな画素数が変化した場合には、仮想画像の色ずれが生じる。

このように、ＣＧＨ方式を用いた従来の画像表示装置では、動画表示をする際には、入力画像中の輝度の大きな画素の数が変化するため、シーンによって輝度や表示色が変化し、同様に、文字等の情報画像を表示する際にも、文字数の多少によって入力画像中の輝度の大きな画素の数が変化するため、輝度や表示色が変化するなどの課題があった。

特表２００８−５４１１４５号公報 特開平６−２０２５７５号公報

本発明の目的は、入力画像中の輝度の大きな画素の数の変動に影響されることなく、所望の輝度で仮想画像を表示することができる画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明の一局面に従う画像表示装置は、コヒーレント光を出射する光源と、入力画像に応じた回折格子パターンを表示することにより前記コヒーレント光を回折し、回折された光によって仮想画像を表示する空間変調素子と、前記入力画像の全画素の輝度の総和を表す総輝度を算出し、前記総輝度が減少したとき、前記入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より低い輝度で前記仮想画像が表示されるように、前記光源及び前記空間変調素子のうち少なくとも一方を制御する制御部とを備える。

上記の画像表示装置は、入力画像中の輝度の大きな画素の数の変動に影響されることなく、所望の輝度で仮想画像を表示することができる。

本発明の実施の形態１における画像表示装置の構成を示す概略図である。 半導体レーザーへの注入電流と光出力との関係を示す図である。 光出力が最大であるときの、光出力及び半導体レーザーへの注入電流の時間波形、並びに半導体レーザーへの注入電流と光出力との関係を示す図である。 光出力が最大出力の５分の１であるときの、光出力及び半導体レーザーへの注入電流の時間波形、並びに半導体レーザーへの注入電流と光出力との関係を示す図である。 本発明の実施の形態１による他の画像表示装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態２における画像表示装置の構成を示す概略図である。 図６に示す制御回路へ入力される文字数が少ない入力画像の一例を示す図である。 図６に示す制御回路へ入力される文字数が多い入力画像の一例を示す図である。 文字情報画像のフォントサイズを大きくした入力画像の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２における画像表示装置の他の構成を示す概略図である。 図７に示す入力画像に外枠パターンを付加した入力画像の一例を示す図である。 文字数が少ない場合に、制御用パターンとして文字列画像を付加した入力画像の一例を示す図である。 文字数が多い場合に、制御用パターンとして文字列画像を付加した入力画像の一例を示す図である。 文字数が少ない場合に、制御用パターンとして一様パターンを付加した入力画像の一例を示す図である。 文字数が少ない場合に、制御用パターンとして分布パターンを付加した入力画像の一例を示す図である。 本発明の実施の形態３における画像表示装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態３における画像表示装置の他の構成を示す概略図である。

以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における画像表示装置の構成を示す概略図である。図１に示す画像表示装置は、光源１０１、照明光学系１０２、空間変調素子１０３及び制御回路１０５を備える。本実施の形態では、回折格子パターンを用いてコヒーレント光を回折させることにより画像を表示する方式として、例えば、計算機ホログラム（ＣＧＨ）方式を用いており、観察者１０４に対して、仮想画像として目標表示画像２０１が表示される。

光源１０１は、コヒーレント光の一例として、レーザー光を出力するレーザー光源である。例えば、光源１０１として、緑色波長のレーザー光を出力する半導体レーザー（レーザーダイオード）を用いることができる。なお、コヒーレント光の波長は、上記の例に特に限定されず、他の色を用いたり、白色を用いて白黒表示を行ってもよい。

照明光学系１０２は、光源１０１からのレーザー光の波面形状や強度分布を変更することにより、光源１０１からのコヒーレント光を照明光に変換し、この照明光を空間変調素子１０３に出射する。例えば、照明光学系１０２として、拡散光のレーザー光を収束光へ変換する凸レンズを用いることができる。なお、照明光の波面形状を変える照明光学系は、レンズでもよいし、ミラーでもよいし、液晶レンズのように動的に波面形状等を変更できる素子でもよい。また、照明光学系は、強度分布を変更する光学系を含んでもよい。

また、照明光学系自体を省略してもよく、この場合、光源１０１と空間変調素子１０３との間には何も光学部品が配置されず、空間がそのまま用いられる。このとき、光源１０１からのレーザー光は、光源を中心とする球面波となり、その波面の曲率を考慮すれば、空間変調素子１０３に表示する回折格子パターンを計算することができる。この構成では、光学部品がないため、収差や反射光による迷光などが生じにくく、クリアな画像が得られるという利点がある。

ここで、入力信号となる画像データとして、装置の外部から入力画像（入力画像データ）ＩＳが制御回路１０５に入力される。入力画像ＩＳは、入力画像を構成する全画素の輝度データ又は輝度を算出可能なデータを有している。なお、本実施の形態では、装置の外部、例えば、所定の画像出力機器やネットワークを介した他の機器等から入力画像ＩＳが入力される例について説明するが、この例に特に限定されず、画像表示装置内部で入力画像を生成する等の種々の変更が可能である。

空間変調素子１０３は、入力画像ＩＳに応じた回折格子パターンを表示することによって、照明光学系１０２からの照明光を回折させる。例えば、空間変調素子１０３として、位相変調型の反射型液晶パネルを用いることができる。なお、空間変調素子は、回折格子パターンを表示することにより照明光を回折できれば、他の表示素子を用いてもよく、また、透過型の空間変調素子を用いてもよい。透過型の空間変調素子は、反射型に比べて、素子の反りや作製誤差による収差を生じにくく、安定な画像を表示することができるという利点がある。

制御回路１０５は、回折格子パターン生成部１０６、光出力制御部１０７及び総輝度計算部１０８を備える。入力画像ＩＳは、回折格子パターン生成部１０６及び総輝度計算部１０８に入力される。回折格子パターン生成部１０６は、入力画像ＩＳに応じた回折格子パターンを空間変調素子１０３に表示させる。空間変調素子１０３は、照明光学系１０２から照明光を照射され、照明光を回折格子パターンにより回折させる。回折された光によって目標表示画像２０１が表示され、仮想画像が観察者１０４に視認される。

総輝度計算部１０８は、入力画像ＩＳの全画素の輝度の総和（総輝度）をフレーム単位で計算して光出力制御部１０７へ出力する。光出力制御部１０７は、入力画像ＩＳの全画素の輝度の総和に応じて光源１０１を駆動し、光源１０１の光出力を制御する。

具体的には、光出力制御部１０７は、総輝度計算部１０８の計算結果として、高輝度の画素が多く、総輝度が大きくなるほど、光源１０１の出力が大きくなり、高輝度の画素が少なく、総輝度が小さくなるほど、光源１０１の出力が小さくなるように光源１０１を制御する。この結果、光源１０１のレーザー光の出力を、総輝度計算部１０８によって算出された総輝度に比例させることができる。

例えば、光源１０１に半導体レーザーを用いている場合、半導体レーザーへの注入電流を制御して、レーザー光の出力を制御できる。図２は、半導体レーザーへの注入電流とレーザー光の出力（光出力）との関係を示す図である。図中のＩｔは、半導体レーザーの閾値電流である。

図２に示すように、動作点Ｏａから動作点Ｏｂまでの間では、光出力は注入電流値に比例するので、光出力制御部１０７が動作点Ｏａから動作点Ｏｂまでの間の注入電流値を光源１０１に設定することにより、総輝度計算部１０８によって算出された総輝度に応じて、最大の光出力からその１０分の１までの間の任意の光出力を設定できる。なお、図示していないが、半導体レーザーの光出力を分岐し、受光素子で光出力をモニターしてフィードバック制御することにより、より精密な光出力の制御が可能になる。

なお、光源１０１のレーザー光の出力の制御方法は、上記の例に特に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、光出力制御部１０７は、総輝度計算部１０８の計算結果として、総輝度が減少したとき、入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より低い輝度で仮想画像が表示されるように、光源１０１の出力を制御してもよい。また、光出力制御部１０７は、総輝度計算部１０８の計算結果として、総輝度が増加したとき、入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より高い輝度で仮想画像が表示されるように、光源１０１の出力を制御してもよい。

上記のように、総輝度が所定の閾値以下のときにレーザー光の出力を低下させてもよいし、総輝度が所定の閾値以上のときにレーザー光の出力を増加させるようにしてもよい。このように、総輝度とレーザー光の出力が比例しないような制御を行うことにより、目標表示画像の総輝度のより大きなバリエーションに対して、比較的小さな発光光量制御範囲で対応することができる。

また、本実施の形態では、上記の光出力の制御に代えて、又は、上記の光出力の制御とともに、光源１０１の点灯時間を制御してもよい。この場合、光出力制御部１０７は、総輝度計算部１０８の計算結果として、高輝度の画素が多く、総輝度が大きくなるほど、光源１０１の点灯時間が長くなり、高輝度の画素が少なく、総輝度が小さくなるほど、光源１０１の点灯時間が短くなるように光源１０１の点灯時間を制御するようにしてもよい。この場合も、光源１０１のレーザー光の出力を、総輝度計算部１０８によって算出された総輝度に比例させることができる。

また、光出力制御部１０７は、総輝度計算部１０８の計算結果として、総輝度が減少したとき、入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より低い輝度で仮想画像が表示されるように、光源１０１の点灯時間を制御してもよい。また、光出力制御部１０７は、総輝度計算部１０８の計算結果として、総輝度が増加したとき、入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より高い輝度で仮想画像が表示されるように、光源１０１の点灯時間を制御してもよい。

例えば、光源１０１に半導体レーザーを用いている場合、半導体レーザーへの注入電流を制御して、レーザー光の点灯時間を制御できる。図３は、レーザー光の出力（光出力）が最大であるときの、光出力及び半導体レーザーへの注入電流の時間波形、並びに半導体レーザーへの注入電流と光出力との関係を示す図である。図４は、レーザー光の出力（光出力）が最大出力の５分の１であるときの、光出力及び半導体レーザーへの注入電流の時間波形、並びに半導体レーザーへの注入電流と光出力との関係を示す図である。図中のＦは、入力画像の１フレーム期間を示している。

まず、光出力を最大にする場合、光出力制御部１０７は、図３の下段に示す注入電流を光源１０１に設定することにより、１フレーム期間Ｆにおいて、初めに消灯期間ｔ０が設定され、その後に、点灯期間ｔ１が設定される。

次に、光出力を最大出力の５分の１にする場合、光出力制御部１０７は、図４の下段に示す注入電流を光源１０１に設定することにより、１フレーム期間Ｆにおいて、初めに消灯期間ｔ０が設定され、その後に、点灯期間ｔ２が設定され、点灯期間ｔ２は、点灯期間ｔ１の５分の１の期間であり、残りの５分の４の期間（Ｆ−ｔ０−ｔ２）は消灯期間に設定され、この期間の注入電流は０となる。

上記のように、最大の光出力を得る際にも、フレーム間の空間変調素子１０３が安定しない期間（期間ｔ０）において、光源１０１を消灯し、画像出力が不安定化するのを防いでいる。また、フレーム間で消灯する間（期間ｔ０）において、注入電流を、半導体レーザーの発振閾値となる閾値電流Ｉｔをやや下回る値に設定しておくことにより、発光し始め（点灯期間ｔ２の始期）の光出力の立ち上がりが鋭くなる。この結果、より短い点灯期間を設定しても、点灯期間と光出力とが精度よく比例し、光出力制御のダイナミックレンジを大きくすることができる。

また、このような点灯時間による発光光量制御によると、フレーム間で最初に消灯している間の注入電流を除いて、ほぼ光出力と比例した注入電流で点灯でき、点灯期間の後の期間（Ｆ−ｔ０−ｔ２）の注入電流を０にすることができる。ここで、図２の例のように、注入電流量による発光光量制御による場合には、発光光量が１０分の１であっても、注入電流は最大光量時の８０％程度が必要になり、発光光量を低下させたときでも、発光光量に比例して必要電流を低減することができない。一方、図３及び図４の例のように、点灯時間による発光光量制御では、所望の光出力に比例した点灯期間が経過した後は、注入電流を０にできるので、注入電流量による発光光量制御に比べて、装置の消費電力を低減することができる。

上記の注入電流値制御及び点灯時間制御ともに、下記のような理由により、制御のダイナミックレンジが有限の範囲に限られる可能性がある。すなわち、注入電流値制御で発光光量を極端に小さく設定した場合には、半導体レーザーの閾値電流近くで制御することになり、周囲温度変化や半導体レーザーの特性劣化などの影響により、精度良く所望の発光パワを得ることが困難になる場合がある。また、フィードバック制御を用いた場合にも、迷光などの影響が大きくなって制御精度が劣化する。同様に、点灯時間制御の場合にも、光出力波形の立ち上がり及び立ち下がりの鈍りやリンギングによって、極端に短い点灯時間で光出力を精度良く所望の発光パワーで発光させることが困難になる場合がある。

一方、入力画像ＩＳに含まれる全画素の輝度の総和は、シーンによって大きく異なるため、ＣＧＨ方式を用いた画像表示装置の光源の発光光量制御には、大きなダイナミックレンジが要求される。そこで、光出力制御部１０７は、注入電流値と点灯時間との両方を同時に制御して発光光量を制御してもよい。この場合、より小さい注入電流を短時間の点灯期間に設定すれば、極めて小さい発光光量を精度良く制御することができるので、発光光量制御のダイナミックレンジを大幅に拡大することができる。

図５は、本発明の実施の形態１による他の画像表示装置の構成を示す概略図である。図５に示す画像表示装置が図１に示す画像表示装置と異なる点は、光源１０１が、赤色のレーザ光を出射する光源１０１Ｒ、緑色のレーザ光を出射する光源１０１Ｇ、青色のレーザ光を出射する光源１０１Ｂに変更され、この変更に対応して、空間変調素子１０３及び制御回路１０５が動作する点である。

図５に示すように、光源は、赤、緑、青の３色の光源１０１Ｒ、光源１０１Ｇ、及び光源１０１Ｂからなる。総輝度計算部１０８は、入力画像ＩＳの全画素の輝度の総和（総輝度）を色毎に計算して光出力制御部１０７へ出力し、光出力制御部１０７は、図１に示す画像表示装置と同様に、各色の総輝度に応じて光源１０１Ｒ、光源１０１Ｇ及び光源１０１Ｂの各々を制御する。

回折格子パターン生成部１０６は、入力画像ＩＳの各色の画像に応じた回折格子パターンを時分割して空間変調素子１０３に表示させる。空間変調素子１０３は、照明光学系１０２から各色の照明光を時分割して照射され、各照明光を回折格子パターンにより色毎に回折させる。色毎に回折された光によって目標表示画像２０１がカラー表示され、仮想画像が観察者１０４に視認される。

上記のように、本例では、赤、緑、青の３色を時分割駆動しつつ同期させて処理し、入力画像ＩＳに対応する各色の画像の回折格子パターンを空間変調素子１０３に表示することにより、カラー表示が可能になっている。したがって、複数のレーザー光源を用いて多色表示を行う場合でも、本例のように、それぞれの色の入力画像について総輝度を計算し、総輝度に比例してそれぞれのレーザー光の出力及び／又は点灯時間を制御する。この結果、異なるシーンにおいても、色ずれを生じることがなく、所望の輝度でカラー画像を表示することができる。このように、本例では、入力画像中の輝度の大きな画素の数の変動に影響されることなく、一定の輝度で色ずれのない画像表示が可能なディスプレイ装置を提供することができる。

また、図５の構成では、同一の空間変調素子１０３を３色のレーザー光に共通に使用するため、より波長の長い赤色のレーザー光がより大きな角度で回折され、より波長の短い青色のレーザー光がより小さな角度で回折されるように、光源１０１Ｒ、光源１０１Ｇ、光源１０１Ｂは、主たる回折方向に回折角が大きくなる順に、例えば、上から下へ順に並べて配置されている。このような構成にすることにより、全ての色の光が回折される方向が略一致し、全ての色が観察できる視聴領域を簡略な構成で実現することができる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における画像表示装置の構成を示す概略図である。図６に示す画像表示装置が図１に示す画像表示装置と異なる点は、制御回路１０５が制御回路１０５ａに変更され、制御回路１０５ａに文字情報変更部１０９が追加された点であり、その他の点は図１に示す画像表示装置と同様であるので、詳細な説明を省略し、異なる点について以下に詳細に説明する。

図７は、図６に示す制御回路１０５ａへ入力される文字数が少ない入力画像の一例を示す図であり、図８は、図６に示す制御回路１０５ａへ入力される文字数が多い入力画像の一例を示す図である。

図７に示す入力画像は、高輝度（入力画像ＩＳの平均輝度より高い輝度又は最高輝度、例えば、緑色又は白色）の部分画像として、文字を表す複数の文字情報画像（図中の「Ｎ」、「ｅ」、「ｗ」、「Ｍ」、「ａ」、「ｉ」、「ｌ」、「１」）を含み、他の部分の画像は低輝度（入力画像ＩＳの平均輝度より低い輝度又は最低輝度、例えば、黒色）で表示され、表示領域の一部に少数の文字情報画像が表示される。また、図８に示す入力画像は、高輝度の部分画像として、文字を表す複数の文字情報画像（図中の「Ａ」、…、「／」、…、「Ａ」）を含み、他の部分の画像は低輝度で表示され、表示領域のほぼ全域に多数の文字情報画像が表示される。なお、文字情報画像は、上記の例に特に限定されず、文字単位で表示できるものであれば、「＋」、「△」等の記号、地図記号、絵文字、シンボル等の種々の文字や記号を含んでもよい。

総輝度計算部１０８は、図７又は図８に示す入力画像の全画素の輝度の総和（総輝度）を計算し、計算結果を光出力制御部１０７及び文字情報変更部１０９へ出力する。ここで、光出力制御部１０７は、実施の形態１と同様に光源１０１を制御してもよいが、説明を簡略化するため、本実施の形態では、上記の光量制御を除く、通常の光源制御のみを行うものとする。なお、実施の形態１と同様に光源１０１を制御する場合は、目標表示画像２０１の輝度が所望の輝度となるように、以下の制御と協働して光源１０１の光量制御を行う。また、総輝度計算部１０８は、入力画像の全画素の輝度の総和（総輝度）ではなく、文字情報画像の数(文字数)を計算して、計算結果を文字情報変更部１０９へ出力してもよい。

文字情報変更部１０９は、総輝度計算部１０８により算出された総輝度が減少したとき、複数の文字情報画像を拡大し、複数の文字情報画像を拡大させた入力画像を回折格子パターン生成部１０６に出力し、回折格子パターン生成部１０６は、複数の文字情報画像を拡大させた入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御する。空間変調素子１０３は、照明光学系１０２からの照明光を回折格子パターンにより回折させ、回折された光によって複数の文字情報画像が拡大された仮想画像が表示され、所望の輝度で仮想画像が表示される。

具体的には、図８に示す入力画像が入力された場合、文字情報変更部１０９は、総輝度計算部１０８の計算結果（総輝度）と、所定の基準値（例えば、表示領域の半分以上に文字等が表示されている場合の総輝度）とを比較する。このとき、総輝度が基準値を超えているので、文字情報変更部１０９は、総輝度が大きい、すなわち、文字情報画像の数（表示文字数）が多いと判断し、入力画像をそのまま回折格子パターン生成部１０６に出力し、回折格子パターン生成部１０６は、入力画像をそのまま用いて回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御する。この結果、図８に示す入力画像に対応する目標表示画像２０１が所望の輝度で表示される。

次に、図７に示す入力画像が入力された場合、文字情報変更部１０９は、総輝度計算部１０８の計算結果（総輝度）と、上記の基準値とを比較する。このとき、総輝度が基準値を下回っているので、文字情報変更部１０９は、総輝度が減少した、すなわち、文字情報画像の数（表示文字数）が減少したと判断し、文字情報画像のフォントサイズが大きくなるように、文字情報画像のフォントサイズを変化した入力画像を作成する。

図９は、文字情報画像のフォントサイズを大きくした入力画像の一例を示す図である。上記の処理により、文字情報変更部１０９は、図９に示すような入力画像を生成して回折格子パターン生成部１０６に出力し、回折格子パターン生成部１０６は、フォントサイズを大きくした入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御する。

この結果、図７に示す入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より低い輝度の仮想画像（図９に示す入力画像を用いて表示される仮想画像）が目標表示画像２０１として表示される。このようにして、図８に示す入力画像に対応する仮想画像と同じ輝度で少ない文字が表示され、目標表示画像２０１を所望の輝度で表示することができる。

上記のように、図８に示す入力画像では、文字数が多いため、より多くの輝度の高い画素が目標表示画像に存在し、表示される画素の輝度が図７の場合に比べて低くなる。この輝度変化を抑制するため、本実施の形態では、文字数の少ないときに、より大きなフォント（図９に示す入力画像）を用いて輝度の高い画素が比較的多くなるようにしており、表示文字数の違いによる仮想画像の輝度の変化を低減することができる。

また、文字情報変更部１０９は、総輝度が増加した、すなわち、文字情報画像の数（表示文字数）が増加したとき、文字情報画像のフォントサイズが小さくなるように、文字情報画像のフォントサイズを変化させ、文字情報画像を変化させた入力画像を回折格子パターン生成部１０６に出力し、回折格子パターン生成部１０６は、文字情報画像を変化させた入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御してもよい。この場合、入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より高い輝度の仮想画像が目標表示画像２０１として表示されるので、図７に示す入力画像に対応する仮想画像と同じ輝度で多くの文字が表示され、目標表示画像２０１を所望の輝度で表示することができる。

なお、文字情報画像の変化の方法は、上記の例に特に限定されず、例えば、フォントを太字フォントに変更して輝度の高い画素が比較的多くなるようにしてもよい。この場合、文字情報変更部１０９は、文字情報画像の数が減少したとき、文字情報画像のフォントが太くなるように、文字情報画像のフォントを変化させ、文字情報画像を変化させた入力画像を回折格子パターン生成部１０６に出力し、回折格子パターン生成部１０６は、文字情報画像を変化させた入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御する。この結果、入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より低い輝度の仮想画像が目標表示画像２０１として表示され、図８に示す入力画像に対応する仮想画像と同じ輝度で少ない文字を表示することができるので、表示文字数の違いによる表示画像の輝度の変化が低減される。

また、文字情報変更部１０９は、文字情報画像の数が増加したとき、文字情報画像のフォントが細くなるように、文字情報画像のフォントを変化させ、文字情報画像を変化させた入力画像を回折格子パターン生成部１０６に出力し、回折格子パターン生成部１０６は、文字情報画像を変化させた入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御するようにしてもよい。この場合、入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より高い輝度の仮想画像が目標表示画像２０１として表示され、図７に示す入力画像に対応する仮想画像と同じ輝度で多くの文字を表示することができるので、表示文字数の違いによる表示画像の輝度の変化が低減される。

また、文字情報変更部１０９は、総輝度が大きくなる、すなわち、文字情報画像の数（表示文字数）が多くなるほど、文字情報画像のフォントサイズが小さくなり及び／又は文字情報画像のフォントが細くなり、一方、総輝度が小さくなる、すなわち、文字情報画像の数（表示文字数）が少なくなるほど、文字情報画像のフォントサイズが大きくなり及び／又は文字情報画像のフォントが太くなるように、入力画像中の文字情報画像のフォントサイズ及び／又はフォントを変化させ、文字情報画像を変化させた入力画像を回折格子パターン生成部１０６に出力し、回折格子パターン生成部１０６は、文字情報画像を変化させた入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御してもよい。この場合、常に一定の輝度で文字情報画像を表示することができる。

図１０は、本発明の実施の形態２における画像表示装置の他の構成を示す概略図である。図１０に示す画像表示装置が図１に示す画像表示装置と異なる点は、制御回路１０５が制御回路１０５ｂに変更され、制御回路１０５ｂに制御用パターン付加部１１０が追加された点であり、その他の点は図１に示す画像表示装置と同様であるので、詳細な説明を省略し、異なる点について以下に詳細に説明する。なお、光出力制御部１０７は、実施の形態１と同様に光源１０１を制御してもよいが、説明を簡略化するため、本例でも、通常の光源制御のみを行うものとする。

制御用パターン付加部１１０は、総輝度計算部１０８により算出された総輝度が減少したとき、入力画像ＩＳに後述する制御用パターンを付加し、制御用パターンを付加した入力画像を回折格子パターン生成部１０６に出力し、回折格子パターン生成部１０６は、制御用パターンを付加した入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御する。空間変調素子１０３は、照明光学系１０２からの照明光を回折格子パターンにより回折させ、回折された光によって輝度が増加された目標表示画像２０１が表示され、所望の輝度で仮想画像が表示される。

具体的には、図８に示す入力画像が入力された場合、制御用パターン付加部１１０は、総輝度計算部１０８の計算結果（総輝度）と、所定の基準値（例えば、表示領域の半分以上に文字等が表示されている場合の総輝度）とを比較する。このとき、総輝度が基準値を超えているので、制御用パターン付加部１１０は、総輝度が大きい、すなわち、文字情報画像の数（表示文字数）が多いと判断し、制御用パターンを付加することなく、入力画像をそのまま回折格子パターン生成部１０６に出力し、回折格子パターン生成部１０６は、入力画像をそのまま用いて回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御する。この結果、図８に示す入力画像に対応する目標表示画像２０１が所望の輝度で表示される。なお、上記の説明では、制御用パターンを付加しない例を説明したが、低輝度又は最低輝度（例えば、黒色）の制御用パターンを付加してもよく、この場合も、上記の同様の仮想画像を表示することができる。

次に、図７に示す入力画像が入力された場合、制御用パターン付加部１１０は、総輝度計算部１０８の計算結果（総輝度）と、上記の基準値とを比較する。このとき、総輝度が基準値を下回っているので、制御用パターン付加部１１０は、総輝度が減少した、すなわち、文字情報画像の数（表示文字数）が減少したと判断し、制御用パターンとして、入力画像の外周に付加される高輝度（例えば、入力画像ＩＳの中間輝度より高い輝度又は最高輝度、例えば、緑色又は白色）の外枠パターンを入力画像に付加し、外枠パターンの太さが太くなるように外枠パターンを変化させ、この外枠パターンを図７に示す入力画像に付加した入力画像を作成する。

図１１は、図７に示す入力画像に外枠パターンを付加した入力画像の一例を示す図である。上記の処理により、制御用パターン付加部１１０は、図１１に示すような入力画像を生成して回折格子パターン生成部１０６に出力し、回折格子パターン生成部１０６は、高輝度（例えば、緑色又は白色）の四角形状の外枠パターンＦＰが付加された入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御する。この結果、図７に示す入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より低い輝度の仮想画像（図１１に示す入力画像を用いて表示される仮想画像）が目標表示画像２０１として表示される。このようにして、図８に示す入力画像に対応する仮想画像と同じ輝度で少ない文字が表示され、目標表示画像２０１を所望の輝度で表示することができる。

また、制御用パターン付加部１１０は、総輝度が増加した、すなわち、文字情報画像の数（表示文字数）が増加したとき、外枠パターンＦＰの枠の太さが細くなるように、外枠パターンＦＰを変化させ、外枠パターンＦＰを変化させた入力画像を回折格子パターン生成部１０６に出力し、回折格子パターン生成部１０６は、外枠パターンＦＰを変化させた入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御してもよい。この場合、入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より高い輝度の仮想画像が目標表示画像２０１として表示されるので、図１１に示す入力画像に対応する仮想画像と同じ輝度で多くの文字が表示され、目標表示画像２０１を所望の輝度で表示することができる。

上記の処理により、本実施の形態では、図１１に示すように、入力画像の外周部に外枠パターンＦＰを付加し、文字数の少ない時には、より太い枠を表示して、輝度の高い画素が比較的多くなるようにしており、表示文字数の違いによる仮想画像の輝度の変化を低減することができる。

ここでは、枠の太さを変化させる例を述べたが、同一の太さの枠パターンで、文字数によって、その輝度を変化させてもよい。また、外枠パターン以外でも、アンダーラインのパターンや、画面の上下の線のみ、画面の左右の線のみ、などのパターンの太さや輝度を上記と同様に変化させてもよい。

例えば、外枠パターンの輝度を変化させる場合、制御用パターン付加部１１０は、総輝度が減少した、すなわち、文字情報画像の数が減少したとき、外枠パターンの輝度が増加するように外枠パターンを変化させ、この外枠パターンを付加した入力画像を回折格子パターン生成部１０６に出力し、回折格子パターン生成部１０６は、外枠パターンを付加した入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように空間変調素子を制御する。この結果、入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より低い輝度の仮想画像が目標表示画像２０１として表示される。このようにして、図８に示す入力画像に対応する仮想画像の同じ輝度で少ない文字を表示することができるので、表示文字数の違いによる仮想画像の輝度の変化を低減することができる。

また、制御用パターン付加部１１０は、総輝度が増加した、すなわち、文字情報画像の数（表示文字数）が増加したとき、外枠パターンの輝度が減少するように、外枠パターンを変化させ、この外枠パターンを変化させた入力画像を回折格子パターン生成部１０６に出力し、回折格子パターン生成部１０６は、外枠パターンを変化させた入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御してもよい。この場合、入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より高い輝度の仮想画像が目標表示画像２０１として表示されるので、図１１に示す入力画像に対応する仮想画像と同じ輝度で多くの文字が表示され、目標表示画像２０１を所望の輝度で表示することができる。

また、制御用パターン付加部１１０は、総輝度が大きくなる、すなわち、文字情報画像の数（表示文字数）が多くなるほど、外枠パターンの太さが細くなるように又は外枠パターンの輝度が減少するように外枠パターンを変化させ、一方、総輝度が小さくなる、すなわち、文字情報画像の数（表示文字数）が少なくなるほど、外枠パターンの太さが太くなるように又は外枠パターンの輝度が増加するように外枠パターンを変化させ、この外枠パターンを付加した入力画像を回折格子パターン生成部１０６に出力し、回折格子パターン生成部１０６は、外枠パターンを付加した入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御してもよい。この場合、常に一定の輝度で文字情報画像を表示することができる。

また、制御用パターンは、上記の例に特に限定されず、種々の変更が可能であり、画像表示装置に関連する所定の文字列を含む文字列画像（下地が高輝度又は最高輝度、例えば、緑色又は白色の画像であり、文字列が低輝度又は最低輝度、例えば、黒色の画像）、例えば、特定のロゴパターンを入力画像に付加して表示し、文字数によってその大きさや輝度を変化させてもよい。図１２は、文字数が少ない場合に、制御用パターンとして文字列画像を付加した入力画像の一例を示す図であり、図１３は、文字数が多い場合に、制御用パターンとして文字列画像を付加した入力画像の一例を示す図である。

例えば、図８に示す入力画像が入力された場合、制御用パターン付加部１１０は、総輝度計算部１０８の計算結果（総輝度）と、所定の基準値（例えば、表示領域の半分以上に文字等が表示されている場合の総輝度）とを比較する。このとき、総輝度が基準値を超えているので、制御用パターン付加部１１０は、総輝度が増加した、すなわち、文字情報画像の数（表示文字数）が増加したと判断し、文字列画像を入力画像に付加して、文字列画像が小さくなるように文字列画像を変化させ、図１３に示すような入力画像を生成して回折格子パターン生成部１０６に出力する。回折格子パターン生成部１０６は、下方にロゴマークとなる小さい文字列画像を付加した入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御し、目標表示画像２０１を所望の輝度で表示する。

次に、図７に示す入力画像が入力された場合、制御用パターン付加部１１０は、総輝度計算部１０８の計算結果（総輝度）と、上記の基準値とを比較する。このとき、総輝度が基準値を下回っているので、制御用パターン付加部１１０は、総輝度が減少した、すなわち、文字情報画像の数（表示文字数）が減少したと判断し、文字列画像が大きくなるように文字列画像を変化させ、図１２に示すような入力画像を生成して回折格子パターン生成部１０６に出力する。回折格子パターン生成部１０６は、大きな文字列画像が付加された入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御する。この結果、図７に示す入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より低い輝度で仮想画像（図１２に示す入力画像を用いて表示される仮想画像）が目標表示画像２０１として表示され、図１３に示す入力画像に対応する仮想画像と同じ輝度で少ない文字が表示され、目標表示画像２０１を所望の輝度で表示することができる。

なお、上記の例では、文字列画像の大きさを変化させたが、この例に特に限定されず、文字列画像の輝度を変化させてもよい。例えば、文字列画像として、下地が中間輝度、例えば、中間輝度の緑色又は灰色の画像であり、文字列が低輝度又は最低輝度、例えば、黒色の画像を用いる場合、制御用パターン付加部１１０は、総輝度が減少した、すなわち、文字情報画像の数が減少したとき、文字列画像の下地の輝度が増加するように文字列画像を変化させ、この文字列画像を付加した入力画像を回折格子パターン生成部１０６に出力し、回折格子パターン生成部１０６は、文字列画像を付加した入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御する。この場合、入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より低い輝度の仮想画像が目標表示画像２０１として表示され、輝度を減少させた文字列画像を付加した文字数が多い入力画像に対応する仮想画像と同じ輝度で少ない文字を表示することができる。

また、制御用パターン付加部１１０は、総輝度が増加した、すなわち、文字情報画像の数が増加したとき、文字列画像の下地の輝度が減少するように文字列画像を変化させ、この文字列画像を付加した入力画像を回折格子パターン生成部１０６に出力し、回折格子パターン生成部１０６は、文字列画像を付加した入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御する。この場合、輝度を減少する前の文字列画像を付加した入力画像を用いて表示される仮想画像より高い輝度の仮想画像が目標表示画像２０１として表示され、輝度を増加させた文字列画像を付加した文字数が少ない入力画像に対応する仮想画像と同じ輝度で多くの文字を表示することができる。この結果、表示文字数の違いによる仮想画像の輝度の変化を低減し、目標表示画像２０１を所望の輝度で表示することができる。

また、制御用パターン付加部１１０は、総輝度が大きくなる、すなわち、文字情報画像の数（表示文字数）が多くなるほど、文字列画像が小さくなるように又は文字列画像の輝度が減少するように文字列画像を変化させ、一方、総輝度が小さくなる、すなわち、文字情報画像の数（表示文字数）が少なくなるほど、文字列画像が大きくなるように又は文字列画像の輝度が増加するように文字列画像を変化させ、この文字列画像を付加した入力画像を回折格子パターン生成部１０６に出力し、回折格子パターン生成部１０６は、文字列画像を付加した入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御してもよい。この場合、常に一定の輝度で文字情報画像を表示することができる。

また、制御用パターンとして、入力画像全体に対して一定の輝度（例えば、入力画像の中間輝度）を有する一様パターンを付加して表示し、その輝度を変化させてもよい。図１４は、文字数が少ない場合に、制御用パターンとして一様パターンを付加した入力画像の一例を示す図である。

図８に示す入力画像が入力された場合、制御用パターン付加部１１０は、総輝度計算部１０８の計算結果（総輝度）と、所定の基準値（例えば、表示領域の半分以上に文字等が表示されている場合の総輝度）とを比較する。このとき、総輝度が基準値を超えているので、制御用パターン付加部１１０は、総輝度が大きい、すなわち、文字情報画像の数（表示文字数）が多いと判断し、一様パターンを付加することなく、入力画像をそのままを回折格子パターン生成部１０６に出力し、回折格子パターン生成部１０６は、入力画像をそのまま用いて回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御し、図８に示す入力画像に対応する目標表示画像２０１が所望の輝度で表示される。なお、上記の説明では、一様パターンを付加しない例を説明したが、低輝度又は最低輝度（例えば、黒色）の一様パターンを付加してもよく、この場合も、上記の同様の仮想画像を表示することができる。

次に、図７に示す入力画像が入力された場合、制御用パターン付加部１１０は、総輝度計算部１０８の計算結果（総輝度）と、上記の基準値とを比較する。このとき、総輝度が基準値を下回っているので、制御用パターン付加部１１０は、総輝度が減少した、すなわち、文字情報画像の数（表示文字数）が減少したと判断し、一様パターンの輝度が増加するように一様パターンの輝度を変化させ、図１４に示すような入力画像を生成して回折格子パターン生成部１０６に出力する。回折格子パターン生成部１０６は、一様パターンが付加された入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御する。この結果、図７に示す入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より低い輝度で仮想画像（図１４に示す入力画像を用いて表示される仮想画像）が目標表示画像２０１として表示され、図８に示す入力画像に対応する仮想画像と同じ輝度で少ない文字が表示され、目標表示画像２０１を所望の輝度で表示することができる。

また、制御用パターン付加部１１０は、総輝度が大きくなる、すなわち、文字情報画像の数（表示文字数）が多くなるほど、一様パターンの輝度が減少するように一様パターンの輝度を変化させ、一方、総輝度が小さくなる、すなわち、文字情報画像の数（表示文字数）が少なくなるほど、一様パターンの輝度が増加するように一様パターンの輝度を変化させ、この一様パターンを付加した入力画像を回折格子パターン生成部１０６に出力し、回折格子パターン生成部１０６は、一様パターンを付加した入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御してもよい。この場合、常に一定の輝度で文字情報画像を表示することができる。

また、制御用パターンとして、入力画像全体に対して分布し且つ入力画像の中心部の輝度より周辺部の輝度が低い分布パターンを用いてもよい。図１５は、文字数が少ない場合に、制御用パターンとして分布パターンを付加した入力画像の一例を示す図である。

図８に示す入力画像が入力された場合、制御用パターン付加部１１０は、総輝度計算部１０８の計算結果（総輝度）と、所定の基準値（例えば、表示領域の半分以上に文字等が表示されている場合の総輝度）とを比較する。このとき、総輝度が基準値を超えているので、制御用パターン付加部１１０は、総輝度が大きい、すなわち、文字情報画像の数（表示文字数）が多いと判断し、分布パターンを付加することなく、入力画像をそのまま回折格子パターン生成部１０６に出力し、回折格子パターン生成部１０６は、入力画像をそのまま用いて回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御し、図８に示す入力画像に対応する目標表示画像２０１が所望の輝度で表示される。なお、上記の説明では、分布パターンを付加しない例を説明したが、低輝度又は最低輝度（例えば、中心も黒色に変化）の分布パターンを付加してもよく、この場合も、上記の同様の仮想画像を表示することができる。

次に、図７に示す入力画像が入力された場合、制御用パターン付加部１１０は、総輝度計算部１０８の計算結果（総輝度）と、上記の基準値とを比較する。このとき、総輝度が基準値を下回っているので、制御用パターン付加部１１０は、総輝度が減少した、すなわち、文字情報画像の数（表示文字数）が減少したと判断し、分布パターンの中心部の輝度が増加するように分布パターンの輝度を変化させ、図１５に示すような入力画像を生成して回折格子パターン生成部１０６に出力する。回折格子パターン生成部１０６は、分布パターンが付加された入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御する。

この結果、図７に示す入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より低い輝度で仮想画像（図１５に示す入力画像を用いて表示される仮想画像）が目標表示画像２０１として表示され、図８に示す入力画像に対応する仮想画像と同じ輝度で少ない文字が表示され、目標表示画像２０１を所望の輝度で表示することができる。また、図１５のような分布パターンでは、周辺部に輪郭がないために、仮想画像の分布パターン部分が観察者に認識されにくいという効果を持つ。

また、制御用パターン付加部１１０は、総輝度が大きくなる、すなわち、文字情報画像の数（表示文字数）が多くなるほど、分布パターンの中心部の輝度が減少するように分布パターンの輝度を変化させ、一方、総輝度が小さくなる、すなわち、文字情報画像の数（表示文字数）が少なくなるほど、分布パターンの中心部の輝度が増加するように分布パターンの輝度を変化させ、この分布パターンを付加した入力画像を回折格子パターン生成部１０６に出力し、回折格子パターン生成部１０６は、分布パターンを付加した入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御してもよい。この場合、常に一定の輝度で文字情報画像を表示することができる。

上記のように、本実施の形態では、入力画像の全画素の輝度の総和（総輝度）を計算し、総輝度に応じて光源１０１の光出力を制御したり、入力画像中にロゴマークや外枠などの制御用パターンを付加することにより、入力画像の画素の輝度の総和に応じて制御用パターンの輝度や大きさ等を制御することができる。

また、本実施の形態で述べた、制御用表示パターンを付加して表示する方法は、実施の形態１で述べたような、光源の光出力及び／又は点灯時間を制御する方法と組み合わせてもよい。この場合には、光出力制御部１０７は、目標表示画像２０１の輝度が所望の輝度となるように、上記の制御と協働して、実施の形態１と同様に光源１０１を制御する。この結果、光源の光出力及び／又は点灯時間の制御幅（ダイナミックレンジ）が小さくなり、より安定に輝度制御が可能になる。

また、光出力及び／又は点灯時間の制御と制御用パターンを付加する制御との組合せにおいては、制御用パターンを固定パターンとし、表示文字数にかかわらず、一定の輝度を有するパターンを付加してよい。この場合でも、目標表示画像の最小の輝度が、制御用パターンの輝度に相当する分だけ大きくなり、光源の光出力及び／又は点灯時間の制御幅（ダイナミックレンジ）が小さくなり、より安定に輝度制御が可能になる。また、制御用パターンが変化しないため、観察者が違和感を感じにくいという効果を持つ。

また、上記の各例では、入力画像が文字情報である場合に、制御用パターンを付加して表示する方法を示したが、入力画像が画像情報である場合にも、有効である。なお、上記の種々のパターンで輝度や太さ等を変化させたが、文字数が多い時にはそのパターンを消滅させてもよい。

（実施の形態３）
図１６は、本発明の実施の形態３における画像表示装置の構成を示す概略図である。図１６に示す画像表示装置において、図１に示す画像表示装置と同一の構成要素に関してはその説明を省略する。

図１６の画像表示装置の特徴は、図１に示す制御回路１０５が制御回路１０５ｃに変更され、制御回路１０５ｃに画像調整部１１１が追加され、空間変調素子１０３から出射する光の一部を遮断する遮光部１５０が追加された点である。画像調整部１１１は、遮光部１５０に向かう光を生成する遮光用パターンを入力画像ＩＳに付加して回折格子パターン生成部１０６に出力し、回折格子パターン生成部１０６は、遮光用パターンを付加した入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御する。なお、光出力制御部１０７は、実施の形態２と同様に動作し、説明を簡略化するため、本実施の形態でも、通常の光源制御のみを行うものとする。

図１６に示す画像表示装置は、遮光部１５０に向かう光が空間変調素子１０３の手前側（観察者１０４側）に存在する１点Ｐ１に向かうように構成されている。これは、空間変調素子１０３の手前の１点Ｐ１に位置する点状の制御用表示パターンを目標表示画像２０１に付加したことに相当する。

上記の構成により、画像調整部１１１は、総輝度計算部１０８により算出された総輝度に応じて遮光用パターンを変化させ、この遮光用パターンを入力画像ＩＳに付加し、空間変調素子１０３は、遮光部１５０に向かう光を回折及び生成する遮光用パターンを重畳した回折格子パターンを表示する。

具体的には、目標表示画像２０１に輝度の高い点が多く含まれている場合、すなわち、総輝度計算部１０８により算出された総輝度が増加したとき、画像調整部１１１は、遮光部１５０に向かう光を減少させる遮光用パターンを入力画像ＩＳに付加して回折格子パターン生成部１０６に出力し、回折格子パターン生成部１０６は、遮光用パターンを付加した入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御し、空間変調素子１０３は、遮光部１５０に向かう光がより少なくなるような回折格子パターンを表示する。

一方、目標表示画像２０１に輝度の高い点が少ない場合、すなわち、総輝度計算部１０８により算出された総輝度が減少したとき、画像調整部１１１は、遮光部１５０に向かう光を増加させる遮光用パターンを入力画像ＩＳに付加して回折格子パターン生成部１０６に出力し、回折格子パターン生成部１０６は、遮光用パターンを付加した入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように空間変調素子１０３を制御し、空間変調素子１０３は、遮光部１５０に向かう光がより多くなるような回折格子パターンを表示する。

上記の動作により、本実施の形態では、総輝度が減少したとき、遮光部１５０により遮光されて視聴者が視認しない光が増加するので、入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より低い輝度で仮想画像が目標表示画像２０１として表示される。この結果、目標表示画像２０１に生じる輝度変化が抑制され、入力画像中の輝度の大きな画素の数の変動に影響されることなく、所望の輝度で仮想画像を表示する。

なお、図１６では、遮光用パターンが空間変調素子１０３の手前側の点光源となる例を示したが、遮光用パターンは、空間変調素子１０３に対して目標表示画像２０１と同じ側にあってもよく、点光源以外の任意のパターンでも構わない。遮光用パターンが観察者側にある構成では、遮光部１５０のサイズが小さくてよい、という利点がある。

また、遮光用パターンによって生成され、遮光部１５０に向かう光は、空間変調素子１０３で回折されない０次光であることが好ましい。また、遮光部１５０に向かう光は、目標表示画像の総輝度によって変化しない一定のパターンでもよい。

図１７は、本発明の実施の形態３における画像表示装置の他の構成を示す概略図である。図１７に示す画像表示装置が図１６に示す画像表示装置と異なる点は、筐体１６０が追加され、筐体１６０の一部が遮光部１５０として機能する点であり、その他の点は図１６に示す画像表示装置と同様であるので、詳細な説明を省略し、異なる点について以下に詳細に説明する。

本来、画像表示装置では、空間変調素子の画素ピッチに応じた不要な回折光や、照明光学系等の光学素子の表面の汚れ、この光学素子を保持する保持部材などからの散乱光が生じる。図１７に示す画像表示装置は、これらの不要な光が外部に漏れないように、主に光源１０１、照明光学系１０２、空間変調素子１０３等を遮光性の筐体１６０で覆い、筐体１６０に設けた観察窓１６１から仮想画像の観察を行うように構成されている。

具体的には、筐体１６０は、略直方体形状を有し、筐体１６０の観察者１０４側の一面に略長方形形状の観察窓１６１が形成されており、観察窓１６１の下側の部分が遮光部１５０となる。このように、筐体１６０の一部から遮光部１５０を構成することにより、簡単な構成で、遮光部１５０を形成することができる。

また、遮光部１５０の配置に関しては、図１７の如く、空間変調素子１０３への入射光ＩＬが空間変調素子１０３で回折されずに反射した光ＲＬの進行方向近傍に配置することが好ましい。この配置構成では、遮光部１５０が空間変調素子１０３での反射光ＲＬも同時に遮断することができるので、より簡単な構成でノイズ光の少ない画像表示が可能となる。

以上で、入力画像の違いによる輝度変化の抑制効果を述べたが、実施の形態１〜３で述べた輝度制御の方法は、周囲の明るさによって輝度制御してもよい。また、実施の形態１〜３で述べた図１、図５、図６、図１０、図１６及び図１７では、据え置き型の画像表示装置の形状を図示したが、別のより小型の構成であっても、上記と同様の効果を発揮する。また、周囲の明るさによって輝度制御する方法は、シースルー型の頭部装着型ディスプレイに特に有用となる。

また、上記の各実施の形態は、一例であって、発明の趣旨を逸脱しない範囲でさまざまな変形を加えることができるのはいうまでもない。また、上記の各実施の形態の各構成要素やそれらを変形した構成要素を適宜組み合わせて用いることも、もちろん可能である。

上記の各実施の形態から本発明の各態様について説明すると、以下のようになる。すなわち、本発明の一態様に係る画像表示装置は、コヒーレント光を出射する光源と、入力画像に応じた回折格子パターンを表示することにより前記コヒーレント光を回折し、回折された光によって仮想画像を表示する空間変調素子と、前記入力画像の全画素の輝度の総和を表す総輝度を算出し、前記総輝度が減少したとき、前記入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より低い輝度で前記仮想画像が表示されるように、前記光源及び前記空間変調素子のうち少なくとも一方を制御する制御部とを備える。

この画像表示装置においては、総輝度が減少したとき、入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より低い輝度で仮想画像が表示されるように、光源及び空間変調素子のうち少なくとも一方を制御しているので、空間変調素子で回折された光によって仮想画像を表示し、入力画像の全画素の輝度の総和に応じて仮想画像の輝度を制御することができ、入力画像中の輝度の大きな画素の数の変動に影響されることなく、所望の輝度で仮想画像を表示することができる。

前記画像表示装置は、前記空間変調素子から出射する光の一部を遮断する遮光部をさらに備え、前記制御部は、前記遮光部に向かう光を生成する遮光用パターンを前記入力画像に付加し、前記遮光用パターンを付加した前記入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように前記空間変調素子を制御することが好ましい。

この場合、遮光部に向かう光を生成する遮光用パターンを入力画像に付加し、遮光用パターンを付加した入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように空間変調素子を制御しているので、総輝度が増加したとき、遮光部に向かう光がより少なくなるような回折格子パターンを表示して、観察者が視認する仮想画像の輝度を増加させ、一方、総輝度が減少したとき、遮光部に向かう光がより多くなるような回折格子パターンを表示して、観察者が視認する仮想画像の輝度を減少させることができる。この結果、仮想画像に生じる不要な輝度変化が抑制され、入力画像中の輝度の大きな画素の数の変動に影響されることなく、所望の輝度で仮想画像を表示する。

前記遮光用パターンによって生成される光は、前記空間変調素子から出射される０次回折光を含むことが好ましい。

この場合、０次回折光は空間変調素子で回折されずに反射されるので、この反射光を遮断することにより、ノイズの少ない仮想画像を表示することができる。

前記制御部は、前記総輝度が減少したとき、前記入力画像を構成する高輝度の部分画像を拡大させ、前記部分画像を拡大させた前記入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように前記空間変調素子を制御することが好ましい。

この場合、総輝度が減少したとき、高輝度の部分画像を拡大させた入力画像に応じた回折格子パターンを表示しているので、入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より低い輝度で仮想画像を表示することができ、入力画像中の輝度の大きな画素の数が減少しても、所望の輝度で仮想画像を表示することができる。

前記入力画像は、前記部分画像として、文字を表す複数の文字情報画像を含み、前記制御部は、前記文字情報画像の数が減少したとき、前記文字情報画像のフォントサイズが大きくなるように、前記文字情報画像のフォントサイズを変化させ、前記文字情報画像を変化させた入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように前記空間変調素子を制御することが好ましい。

この場合、文字情報画像の数が減少したとき、文字情報画像のフォントサイズが大きくなるように、文字情報画像のフォントサイズを変化させた入力画像に応じた回折格子パターンを表示しているので、入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より低い輝度で仮想画像を表示することができ、入力画像中の輝度の大きな文字情報画像の数が減少しても、所望の輝度で仮想画像を表示することができる。

前記入力画像は、前記部分画像として、文字を表す複数の文字情報画像を含み、前記制御部は、前記文字情報画像の数が減少したとき、前記文字情報画像のフォントが太くなるように、前記文字情報画像のフォントを変化させ、前記文字情報画像を変化させた入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように前記空間変調素子を制御することが好ましい。

この場合、文字情報画像の数が減少したとき、文字情報画像のフォントが太くなるように、文字情報画像のフォントを変化させた入力画像に応じた回折格子パターンを表示しているので、入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より低い輝度で仮想画像を表示することができ、入力画像中の輝度の大きな文字情報画像の数が減少しても、所望の輝度で仮想画像を表示することができる。

前記制御部は、前記総輝度が減少したとき、前記基準仮想画像より低い輝度で前記仮想画像が表示されるように、前記入力画像に制御用パターンを付加し、前記制御用パターンを付加した前記入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように前記空間変調素子を制御することが好ましい。

この場合、総輝度が減少したとき、基準仮想画像より低い輝度で前記仮想画像が表示されるように、入力画像に制御用パターンを付加し、制御用パターンを付加した入力画像に応じた回折格子パターンを表示しているので、入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より低い輝度で仮想画像を表示することができ、入力画像中の輝度の大きな画素の数が減少しても、所望の輝度で仮想画像を表示することができる。

前記制御用パターンは、前記入力画像の外周に付加される高輝度の外枠パターンを含み、前記制御部は、前記総輝度が減少したとき、前記外枠パターンの太さが太くなるように又は前記外枠パターンの輝度が増加するように前記外枠パターンを変化させ、前記外枠パターンを変化させた前記入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように前記空間変調素子を制御することが好ましい。

この場合、総輝度が減少したとき、高輝度の外枠パターンを入力画像に付加し、外枠パターンの太さが太くなるように又は外枠パターンの輝度が増加するように外枠パターンを変化させ、外枠パターンを変化させた入力画像に応じた回折格子パターンを表示しているので、入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より低い輝度で仮想画像を表示することができ、入力画像中の輝度の大きな画素の数が減少しても、所望の輝度で仮想画像を表示することができる。

前記制御用パターンは、前記画像表示装置に関連する所定の文字列を含む文字列画像を含み、前記制御部は、前記総輝度が減少したとき、前記文字列画像が大きくなるように又は前記文字列画像の輝度が増加するように前記文字列画像を変化させ、前記文字列画像を変化させた前記入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように前記空間変調素子を制御することが好ましい。

この場合、総輝度が減少したとき、文字列画像が大きくなるように又は文字列画像の輝度が増加するように文字列画像を変化させ、文字列画像を変化させた入力画像に応じた回折格子パターンを表示しているので、入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より低い輝度で仮想画像を表示することができ、入力画像中の輝度の大きな画素の数が減少しても、所望の輝度で仮想画像を表示することができる。

前記制御用パターンは、前記入力画像全体に対して一定の輝度を有する一様パターンを含み、前記制御部は、前記総輝度が減少したとき、前記一様パターンの輝度が増加するように前記一様パターンの輝度を変化させ、前記一様パターンの輝度を変化させた前記入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように前記空間変調素子を制御することが好ましい。

この場合、総輝度が減少したとき、一様パターンの輝度が増加するように一様パターンの輝度を変化させ、一様パターンの輝度を変化させた入力画像に応じた回折格子パターンを表示しているので、入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より低い輝度で仮想画像を表示することができ、入力画像中の輝度の大きな画素の数が減少しても、所望の輝度で仮想画像を表示することができる。

前記制御用パターンは、前記入力画像全体に対して分布し且つ前記入力画像の中心部の輝度より周辺部の輝度が低い分布パターンを含み、前記制御部は、前記総輝度が減少したとき、前記分布パターンの中心部の輝度が増加するように前記分布パターンの輝度を変化させ、前記分布パターンの輝度を変化させた前記入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように前記空間変調素子を制御することが好ましい。

この場合、総輝度が減少したとき、分布パターンの中心部の輝度が増加するように分布パターンの輝度を変化させ、分布パターンの輝度を変化させた入力画像に応じた回折格子パターンを表示しているので、入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より低い輝度で仮想画像を表示することができ、入力画像中の輝度の大きな画素の数が減少しても、所望の輝度で仮想画像を表示することができる。

前記制御部は、前記総輝度に応じて前記光源の出力を制御することが好ましい。

この場合、総輝度に応じて光源の出力を制御しているので、総輝度の変化に応じて仮想画像の輝度を制御することができ、入力画像中の輝度の大きな画素の数の変動に影響されることなく、所望の輝度で仮想画像を表示することができる。

前記制御部は、前記総輝度に応じて前記光源の点灯時間を制御することが好ましい。

この場合、総輝度に応じて光源の点灯時間を制御しているので、総輝度の変化に応じて仮想画像の輝度を制御することができ、入力画像中の輝度の大きな画素の数の変動に影響されることなく、所望の輝度で仮想画像を表示することができる。

前記画像表示装置は、前記光源からの前記コヒーレント光を照明光に変換して前記空間変調素子に出射する照明光学系をさらに備えることが好ましい。

この場合、照明光学系により光源からのコヒーレント光の波面形状や強度分布を変更することができるので、仮想画像の表示に適した照明光を空間変調素子に照射することができる。

本発明にかかる画像表示装置は、コヒーレント光を回折する空間変調素子を眼球近くに有し、空間変調素子が回折格子パターンを表示することにより、空間変調素子からの回折光が眼球想定位置へ至る、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）等の表示装置として有用である。また、表示システム、表示方法、表示装置の設計方法、等の用途にも応用できる。

Claims (14)

1. コヒーレント光を出射する光源と、
   入力画像に応じた回折格子パターンを表示することにより前記コヒーレント光を回折し、回折された光によって仮想画像を表示する空間変調素子と、
   前記入力画像の全画素の輝度の総和を表す総輝度を算出し、前記総輝度が減少したとき、前記入力画像をそのまま用いて表示される基準仮想画像より低い輝度で前記仮想画像が表示されるように、前記光源及び前記空間変調素子のうち少なくとも一方を制御する制御部とを備えることを特徴とする画像表示装置。
2. 前記空間変調素子から出射する光の一部を遮断する遮光部をさらに備え、
   前記制御部は、前記遮光部に向かう光を生成する遮光用パターンを前記入力画像に付加し、前記遮光用パターンを付加した前記入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように前記空間変調素子を制御することを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
3. 前記遮光用パターンによって生成される光は、前記空間変調素子から出射される０次回折光を含むことを特徴とする請求項２記載の画像表示装置。
4. 前記制御部は、前記総輝度が減少したとき、前記入力画像を構成する高輝度の部分画像を拡大させ、前記部分画像を拡大させた前記入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように前記空間変調素子を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の画像表示装置。
5. 前記入力画像は、前記部分画像として、文字を表す複数の文字情報画像を含み、
   前記制御部は、前記文字情報画像の数が減少したとき、前記文字情報画像のフォントサイズが大きくなるように、前記文字情報画像のフォントサイズを変化させ、前記文字情報画像を変化させた入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように前記空間変調素子を制御することを特徴とする請求項４記載の画像表示装置。
6. 前記入力画像は、前記部分画像として、文字を表す複数の文字情報画像を含み、
   前記制御部は、前記文字情報画像の数が減少したとき、前記文字情報画像のフォントが太くなるように、前記文字情報画像のフォントを変化させ、前記文字情報画像を変化させた入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように前記空間変調素子を制御することを特徴とする請求項４記載の画像表示装置。
7. 前記制御部は、前記総輝度が減少したとき、前記基準仮想画像より低い輝度で前記仮想画像が表示されるように、前記入力画像に制御用パターンを付加し、前記制御用パターンを付加した前記入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように前記空間変調素子を制御することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の画像表示装置。
8. 前記制御用パターンは、前記入力画像の外周に付加される高輝度の外枠パターンを含み、
   前記制御部は、前記総輝度が減少したとき、前記外枠パターンの太さが太くなるように又は前記外枠パターンの輝度が増加するように前記外枠パターンを変化させ、前記外枠パターンを変化させた前記入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように前記空間変調素子を制御することを特徴とする請求項７記載の画像表示装置。
9. 前記制御用パターンは、前記画像表示装置に関連する所定の文字列を含む文字列画像を含み、
   前記制御部は、前記総輝度が減少したとき、前記文字列画像が大きくなるように又は前記文字列画像の輝度が増加するように前記文字列画像を変化させ、前記文字列画像を変化させた前記入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように前記空間変調素子を制御することを特徴とする請求項７記載の画像表示装置。
10. 前記制御用パターンは、前記入力画像全体に対して一定の輝度を有する一様パターンを含み、
    前記制御部は、前記総輝度が減少したとき、前記一様パターンの輝度が増加するように前記一様パターンの輝度を変化させ、前記一様パターンの輝度を変化させた前記入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように前記空間変調素子を制御することを特徴とする請求項７記載の画像表示装置。
11. 前記制御用パターンは、前記入力画像全体に対して分布し且つ前記入力画像の中心部の輝度より周辺部の輝度が低い分布パターンを含み、
    前記制御部は、前記総輝度が減少したとき、前記分布パターンの中心部の輝度が増加するように前記分布パターンの輝度を変化させ、前記分布パターンの輝度を変化させた前記入力画像に応じた回折格子パターンを表示するように前記空間変調素子を制御することを特徴とする請求項７記載の画像表示装置。
12. 前記制御部は、前記総輝度に応じて前記光源の出力を制御することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の画像表示装置。
13. 前記制御部は、前記総輝度に応じて前記光源の点灯時間を制御することを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の画像表示装置。
14. 前記光源からの前記コヒーレント光を照明光に変換して前記空間変調素子に出射する照明光学系をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の画像表示装置。

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