JP2012242513A

JP2012242513A - 電子ホログラフィ表示装置

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Publication number: JP2012242513A
Application number: JP2011110796A
Authority: JP
Inventors: Kenji Yamamoto; 健詞山本; Yasuyuki Ichihashi; 保之市橋; Takanori Senoo; 孝憲妹尾; Ryutaro Oi; 隆太朗大井; Taiichiro Kurita; 泰市郎栗田
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2012-12-10

Abstract

【課題】周辺部分に非表示部分がある空間光変調器を複数並べた電子ホログラフィ表示装置で、隣の空間光変調器との境界部分で画像が途切れがちであるが、これがないようにする。
【解決手段】空間光変調器と拡大光学系を備える表示ユニットの複数を横に並べた面と、閲覧者との間に、光学系を配置して、上記の画像が途切れることを解決する。つまり、空間光変調器から出射した光を、拡大光学系を用いてそれぞれの表示ユニット毎に上記光学系で拡大し、複数の表示ユニットからの光を連結させて、表示面全体に広がる一連の画像にする。その際に、上記非表示部分からの光を遮光板で遮蔽する。次に、その一連の画像を縮小光学系で縮小する。これにより、その個々の空間光変調器の画素数や分解能などの表示特性を損なうことなく、上記の非表示部分の影響を除外でき、その部分で画像が途切れないようにする。
【選択図】図１

Description

この発明は、大きな立体像を表示することが可能な電子ホログラフィ表示装置に関する。

ホログラフィ技術を用いた表示装置は、すでによく知られている。また、ホログラムを電子回路を用いて液晶表示装置などの表示装置上に構成することで、ホログラフィによる立体像を実現できることも知られており、この技術は電子ホログラフィと呼ばれている。

視域角および表示サイズの拡大された電子ホログラフィとしては、例えば、非特許文献１に報告がある。これは、インテグラルフォトグラフィ（ＩＰ）の手法により、被写体を自然光照明下で撮影し、計算機処理でホログラム画像データを生成し、この画像データを表示する空間光変調器によってこれに照射されたレーザ光を変調して、立体像を提示する、リアルタイムカラー動画ホログラフィ撮影・変換・表示システムである。この報告によれば、画素数８１９２×４３２０で画素ピッチ４．８μｍの空間光変調器を用いて、視域角５．６°で表示サイズは対角４．２ｃｍの表示を実現している。

一般に、電子ホログラフィによる表示装置では、空間光変調器が小さいことに起因して、小さい立体像が得られるのみである。そこで、複数の空間光変調器を並べて、実質的に大型の空間光変調器とすることが考えられる。しかし、空間光変調器として例えば液晶表示ユニットを用いる場合には、その周辺回路部分では表示できず、また、その固定枠が必要であり、さらに個々の液晶表示ユニットへの配線などが遮光部分となって、単純に空間光変調器を並べただけでは、ホログラムを表示できない隙間ができて立体像が所々見えなくなってしまうという問題が発生する。

そこで、非特許文献２では、複数の空間光変調器を用いる構成と、拡大光学系を用いた図５の構成と、が報告されている。図５の構成では、拡大光学系による視域角の狭角化に対処するために、複数の点光源を用いている。この報告に依れば、得られた解像度は７６８０×１３５で、横方向の画素ピッチは５．７６μｍで、横視域角は６．３°であった。しかし、この構成では、点光源からの光を平行光にするためのコリメーターにピンホールを適用できない、という問題がある。また、垂直視差を考慮していないといった問題もある。

また、非特許文献３には、空間光変調器を視域内で見た目に連続する様に３枚並べて、視域角を、１枚の場合の視域角５．３°の３倍の約１５°にするという図６に示す構成が記載されている。この方法では、実施を前提にすると３枚までが限度であり、より多くの枚数を用いて視域角を拡大するには、並べ方を改善する必要があった。ちなみに、３原色での時分割表示でカラー画像を表示している。

三科、妹尾、山本、大井、栗田、「超高精細液晶パネルを用いた電子ホログラフィーによる立体カラー映像再生」、 HODIC （ホログラフィック・ディスプレイ研究会） , vol. 30, no. 2, pp. 12-17 (May, 2010). Y. Takaki and Y. Tanemoto, "Frameless hologram display module employing resolution redistribution optical system," Proc. SPIE, vol.7619, 761902 (2010). T. Senoh, K. Yamamoto, T. Mishina, R. Oi, and T. Kurita, "Wide viewing-zone-angle full-color electronic holography system using very high resolution liquid crystal display panels," Proc. SPIE, vol.7957, 795709 (2011).

空間光変調器を複数並べることで大きな立体像を表示することが可能な電子ホログラフィ表示装置を実現することができることが予想されるが、単純に並べただけの場合は、空間光変調器の境界部分で、画像が途切れてしまうという問題がある。これは、例えばそれぞれの空間光変調器の端に配線が設けられており、この部分が非表示部分となるために、縦横に連続したホログラムを表示できなくなるためである。本発明では、この非表示部分による影響が無いようにする。

基本的には、空間光変調器を複数並べた面と閲覧者との間に光学系を配置することで上記の非表示部分による問題を解決する。このためには、空間光変調器から出射した光をそれぞれの空間光変調器ごとに上記光学系で拡大し、複数の空間光変調器からの光を連結させて、表示面全体に広がる一連の画像にする。その際に、上記非表示部分からの光を遮光板で遮蔽する。次に、その一連の画像を光学系で縮小する。これにより、その個々の空間光変調器の画素数や分解能などの表示特性を損なうことなく、その空間光変調器の非表示部分の影響を除外でき、その部分で立体像が途切れないようにするものであり、より具体的には、以下の様にする。

本発明の電子ホログラフィ表示装置では、ホログラムを表示する空間光変調器と、該空間光変調器に平行光線を照射する光照射手段と、該空間光変調器からの出射光の断面積を拡張する拡大光学系と、からなる表示ユニットの複数と、
上記の複数の表示ユニットからの光を入射する縮小光学系と、
を備える。
また、上記複数の表示ユニットのそれぞれの光軸は平行し、上記ホログラムの閲覧者から見て上記表示ユニットは縦横に配列したものであって、
上記複数の表示ユニットは、それぞれの空間光変調器上の画像表示領域からの光ビームと隣接する空間光変調器上の画像表示領域からの光ビームとが隣接領域で重なり合うように拡大し、
上記縮小光学系は、上記複数の表示ユニットによる像を縮小した像を、上記ホログラムの閲覧者に提示する。

上記拡大光学系は、２つの集光系の間に透過光、高次光あるいは共役光を削除するための空間フィルタを設けたものである。あるいは、上記縮小光学系は、２つの集光系の間に透過光、高次光あるいは共役光を抑制するための空間フィルタを設けたものであってもよい。

また、上記空間光変調器からの反射光を上記拡大光学系に入射する。

あるいは、上記空間光変調器を通過した光を上記拡大光学系に入射してもよい

上記光照射手段は、予め決められた複数の方向から光を上記空間光変調器に交互に照射する構成を備え、それぞれの表示ユニットにおける上記照射方向の切換えを同期して時分割で行うものであってもよい。

上記光照射手段は、予め決められた複数の波長の光を上記空間光変調器に交互に照射する構成を備え、それぞれの表示ユニットにおける上記照射波長の切換えを同期して時分割で行うものであってもよい。

空間光変調器を複数並べたことによる次の問題を、つまり、例えばそれぞれの空間光変調器の端に配線が設けられておりこの部分が非表示部分となるためにホログラムを表示できない隙間ができて立体像が所々見えなくなってしまうという問題を、解決でき、従来よりも大きな立体像を表示することが可能な電子ホログラフィ表示装置を実現できる。

本発明の電子ホログラフィ表示装置の例を示す図である。この例では、ホログラムを表示する空間光変調器、特に画像表示領域２と、該空間光変調器に平行光線を照射する光照射手段３と、該空間光変調器からの出射光の断面積を拡張する拡大光学系４と、からなる表示ユニット１の複数と、上記の複数の表示ユニットからの光を入射する縮小光学系１０と、を備える。空間光変調器は、コンピュータや画像制御装置などによって制御される。また、上記複数の表示ユニットのそれぞれの光軸は平行し、閲覧者２５から見て上記表示ユニットの配列は、縦横に並んだものである。上記複数の表示ユニット１では、それぞれの空間光変調器の画像表示領域２からの光ビームと、隣接する空間光変調器上の画像表示領域からの光ビームとが隣接領域でほぼ接するか僅かに重なり合う様にし、上記縮小光学系１０では、上記複数の表示ユニットによる像を縮小した像を、上記ホログラムの閲覧者２５に提示する。この空間光変調器および光源の制御ための構成を示す図である。空間光変調器は例示する様に表示駆動部１２で駆動され、表示駆動部１２は、表示データに従って制御部１３で制御される。また、光源３も制御部１３で制御される。特にカラー表示を行う場合は、光源の発する光の３原色の切換えと空間光変調器上の表示とを同期させる必要があるが、これを制御部１３が行う。上記の光ビームの重なりを説明するための図である。各表示ユニットから出力される光ビームの端部が（ａ）に示す様に階段状である場合で、隣合う光ビームとの間に隙間があると、その隙間は、閲覧者から見ると、黒い帯状に見える。それぞれの図中、実線イとロは互いに隣接する光ビームの光量であり、点線ハはその合成の光量である。また（ｂ）に例示する様に、隣合う光ビームとの間に重なりがあると、その部分の光量が増加し、明るい帯状に見える。一般に、感覚的な明るさは、上記光量の対数に比例することが知られており、縦軸を光量の対数にした場合は、点線ハの（ａ）の変化は、（ｂ）の変化よりも小さい。しかし、上記の端部を、（ｃ）の様に、外に向ってより減少する様になだらかに変化する様にすると、ずれの大きさに対する光量の変化を抑制する事ができる。（ｄ）の場合は重なり部分の光量が減少する様にずれた場合であり、（ｅ）の場合は重なり部分の光量が増加する様にずれた場合であるが、それぞれ、（ａ）、（ｂ）の場合と比べて点線ハの変化が小さいことが分る。閲覧者の位置を検出して自動的に視域を変更する構成例を示す図である。この構成例では、空間フィルタＦ２として液晶シャッタ１８を用いている。閲覧者２５をカメラ１５で撮像し、位置解析部１６で閲覧者２５の位置を割り出し、その割り出した位置情報を空間フィルタ駆動部１７に送り、空間フィルタ駆動部１７は液晶シャッタ１８の光の透過位置を制御するものである。このようにすることによって、閲覧者から見た実質的な視域を拡大することができる。非特許文献２の、拡大光学系を用いた構成を示す図である。この構成では、拡大光学系による視域角の狭角化に対処するために、複数の点光源を用いており、得られた解像度は７６８０×１３５で、横方向の画素ピッチは５．７６μｍで、横視域角は６．３°であった。非特許文献３の、反射型の空間光変調器を視域内で見た目に連続する様に３枚並べた構成を示す図である。視域角を、１枚の場合の視域角５．３°の３倍の約１５°にすることができた。ちなみに、３原色での時分割表示でカラー画像を表示している。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。

図１に本発明の電子ホログラフィ表示装置の例を示す。この例では、ホログラムを表示する空間光変調器、特に画像表示領域２と、該空間光変調器に平行光線を照射する光照射手段３と、該空間光変調器からの出射光の断面積を拡張する拡大光学系４と、からなる表示ユニット１の複数と、上記の複数の表示ユニットからの光を入射する縮小光学系１０と、を備える。空間光変調器は、図２に示す様に、表示駆動部で駆動される、コンピュータや画像制御装置などによって制御される。

また、上記複数の表示ユニットのそれぞれの光軸は平行し、閲覧者２５から見て上記表示ユニットの配列は、縦横に並んだものである。上記複数の表示ユニット１は、それぞれの空間光変調器（ＳＬＭ）の画像表示領域２に表示される像のホログラフィ像を、隣接する空間光変調器上の画像表示領域に表示されるホログラフィ像とが隣接領域でほぼ接するか僅かに重なり合う様にし、上記縮小光学系１０は、上記ホログラフィ像を縮小した像を、上記ホログラムの閲覧者２５に提示する。

空間光変調器は、ホログラムを表示できる程度に十分精細な画素で構成された画像表示領域を備えたもので、例えば、非特許文献２に記載された７６８０×４３２０の画素を持った反射型の液晶パネルである。

この空間光変調器は図２に例示する様に、表示駆動部１２で駆動され、表示駆動部１２は表示データに従って制御部１３で制御される。また、光源３も制御部１３で制御される。特にカラー表示を行う場合は、光源の発する光の３原色の切換えと空間光変調器上の表示とを同期させる必要があるが、これを制御部１３が行う。

図１の反射型の液晶パネルに、直線偏光のレーザ光を偏光ビームスプリッタＢＳで、上記レーザ光を分岐して照射する。この照射においては、複数の表示ユニットに等しく上記レーザ光が分岐されるようにすることは、閲覧者２５からみて画面の明るさにムラが発生することを防止する上で重要なことである。また、この液晶パネルには、それぞれの画素に、画像を表示するための画像データに従った制御電圧が印加される。この制御電圧に応じて、照射光の偏光面が回転するので、反射して再び偏光ビームスプリッタＢＳを通過する際に、偏光面の回転角度に応じて光強度が変調され、これによって、上記閲覧者にとって上記液晶パネルに画像が提示される。

上記液晶パネル上の画像は、拡大光学系４で拡大される。この際、液晶パネルの画像表示領域２を制御するための回路が、その周辺部分に設けられている。その回路部分では光を透過してしまう構成の場合は、この部分を透過する光（以下では周辺光）を抑制する必要がある。図１の例では、このため、画像表示領域２からの出射光である光ビームを集光レンズＬ１で集光した後、空間フィルタＦ１を通す前やそれを通す際に、あるいはそれを通した後に遮光板に吸収させて、上記の周辺光を抑制する。空間フィルタＦ１は、ホログラムによる共役光や高次回折光，透過光を遮断する働きがあることは当然のことである。また、この空間フィルタＦ１を透過した光は、集光レンズＬ２で再び平行光線あるいはほぼ平行光線となって第１仮想面２０を通過する。この際、画像表示領域２が拡大されており、第１仮想面２０上で、隣接する表示ユニットからの出射光である光ビームとほぼ隙間無く接するか僅かに重なるようにすることが望ましい。しかし、この際、上記光ビームが隣の光ビームと重なる部分ではより明るくなり目立つので、ほぼ隙間無く接する様に構成することが望ましい。複数の表示ユニットが第１仮想面２０に結像する様にすることで、上記の周辺光のない画像が生成される。

上記の光ビームの重なりについて説明すると、各表示ユニットから出力される光ビームの端部が図３（ａ）に示す様に階段状である場合で、隣合う光ビームとの間に隙間があると、その隙間は、閲覧者から見ると、黒い帯状に見える。図３において、実線イとロは互いに隣接する光ビームの光量であり、点線ハはその合成の光量である。また図３（ｂ）に例示する様に、隣合う光ビームとの間に重なりがあると、その部分の光量が増加し、明るい帯状に見える。一般に、感覚的な明るさは、上記光量の対数に比例するこが知られており、縦軸を光量の対数にした場合は、点線ハの図３（ａ）の変化は、図３（ｂ）の変化よりも小さい。

しかし、図３（ｃ）の様に、外に向ってより減少する様になだらかに変化する様にすると、ずれの大きさに対する光量の変化を抑制する事ができる。図３（ｄ）の場合は重なり部分の光量が減少する様にずれた場合であり、図３（ｅ）の場合は重なり部分の光量が増加する様にずれた場合であるが、それぞれ、図３（ａ）、（ｂ）の場合と比べて点線ハの変化が小さいことが分る。
また、このなだらかな変化は、閲覧者にとってなだらかなものであり、光量の距離に対する変化は指数関数型とする事が望ましい。これは、上記の様に閲覧者の感じる明るさが光量の対数に比例するためである。この様な端部の処理は、例えば、図２の制御部１３で行う事ができる。

この第１仮想面２０上の画像は、縮小光学系１０を用いて縮小し、閲覧者に提示する。この際、縮小光学系１０は、集光レンズＬ３で集光し、空間フィルタＦ２でホログラムによる共役光や高次回折光，透過光を抑制し、集光レンズＬ４で集光して仮想面２１に投影する。ここで、第１仮想面２０上の画像より第２仮想面２１上の画像の方が小さくなるようにすることで、閲覧者から見える画像は小さくなるが、視域角を広角化することができる。

上記空間フィルタＦ１、Ｆ２に関しては、どちらか一方にすることも可能であるが、視域角の限界付近からみた画質の点からは、その両方を用いることが望ましい。

非特許文献１の場合と違い、本発明では上記光学系の外部で平行光を作るためピンホールは元々不要である。また垂直視差も考慮されている。さらには、上記空間フィルタＦ１またはＦ２を、例えば液晶シャッタを用いて、任意の位置で透過する空間フィルタにすることで、視域角の中心方向を制御することができる。従って、この制御を、閲覧者の位置に応じて行うか、または、時分割で視域を変化させることで、視域角を実質的に拡大することもできる。

上記の周辺光の原因となる隣接する表示ユニットの光ビームの隙間あるいは間隔のサイズについては、集光レンズＬ２の焦点距離を変えることで、その隙間の大小に関わらず、同じ構成で対処できる。図１は、画像表示領域のサイズに対する空間光変調器のサイズが２倍の例を示すものである。しかし、３倍の場合でも３．５倍の場合でも、集光レンズＬ１の焦点距離をｆとするとき、集光レンズＬ２の焦点距離を３ｆや３．５ｆにすることで、上記の場合と同様に周辺光を抑制することができる。

図１は、集光レンズＬ１の焦点距離をｆとするとき、集光レンズＬ２、Ｌ３、Ｌ４のそれぞれの焦点距離は、２ｆ、２ｆ’、ｆ’の場合である。ｆとｆ’が同じであれば全体の光学系は等倍になる。しかし、これは変えることが可能で、たとえば、ｆ’＞ｆとすると，像は大きくなるが視域角は狭くなる。

また、上記のように空間フィルタＦ１の通過領域を切り替えることで、再生される光の方向が変わる。それにより、視域を拡大できる。この切り替えは、メカニカルシャッタなどを用いて機械的に、あるいは、液晶シャッタなどを用いて電気的に実行することができる。

また、空間フィルタＦ２の通過領域を切り替えることでも、再生される光の方向を変えることができる。空間フィルタＦ１にするかあるいはＦ２にするかは、作りやすさで決めることもできる。

また、空間光変調器の画素のアスペクト比は、１であっても、その他の値でもよい。このアスペクト比に応じて、空間フィルタＦ１あるいはＦ２の通過領域のアスペクト比を変えるのが望ましい。つまり、上記通過領域が大きすぎる場合は、高次の回折光があって画質が僅かに悪くなり、小さすぎる場合は視域が狭くなる傾向にあるので、上記通過領域のアスペクト比は、画素のアスペクト比に応じているのが望ましい。

また、それぞれの空間光変調器に到達する平行光の光強度を、すべての空間光変調器で同じにすることで、画面のムラを防ぐ事ができる。このためには、反射透過特性の異なる偏光ビームスプリッタを使うことができる。また、当然のことながら、光路の途中に減光フィルタ（ＮＤフィルタ）を入れてもよい。この挿入位置としては、例えば、空間フィルタＦ１とＦ２間などが考えられる。ＮＤフィルタを入れることで、空間光変調器に到達する平行光の光強度が違ってもムラを防ぐ事ができる。

図１の例では、ホログラムを表示する空間光変調器は、反射型のものであるが、非特許文献１に記載の様に、透過型の空間光変調器を用いることも可能である。また、透過型の空間光変調器を用いる場合には、非特許文献１の記載と同様に、複数の点光源からの光を時分割に切換えることで、視域角を拡大することもできる。この切換えに同期して、空間フィルタＦ１あるいはＦ２の透過領域を切換えることが望ましい。

さらに、非特許文献３の記載と同様に、複数の発光波長の異なる光源、例えば光の３原色となる３つの光源を順次切換えることで、カラー画像を表示できる。この切換えに同期して、空間光変調器の表示をそれぞれの色の画像に切換える。この同期は、例えば、図２の制御部１３を通じて行うことができる。

公知の技術によって、閲覧者の特に目の位置を認識する装置を実現することができる。この技術を図１の空間フィルタＦ１、Ｆ２の透過領域の切換えに適用して、閲覧者の位置に応じて空間フィルタＦ１またはＦ２の透過領域位置を変えて、閲覧者に最適な画像を提示することができる。また、複数の、例えば２人の、閲覧者がいる場合には、それぞれの閲覧者に最適な画像が閲覧できるように時分割で空間フィルタＦ１、Ｆ２の透過領域位置を切換えることで、より広い視域角のもとでの複数の閲覧者による閲覧ができる。

空間フィルタＦ２として液晶シャッタを用いている図４に示す例では、閲覧者２５をカメラ１５で撮像し、位置解析部１６で閲覧者２５の位置を割り出し、その割り出した位置情報を空間フィルタ駆動部１７に送り、空間フィルタ駆動部１７は液晶シャッタ１８の光の透過位置を制御するものである。このようにすることによって、閲覧者から見た実質的な視域を拡大することができる。

１表示ユニット
２画像表示領域
３光照射手段
４拡大光学系
１０縮小光学系
１１光源
１２表示駆動部
１３制御部
１５カメラ
１６位置解析部
１７空間フィルタ駆動部
１８液晶シャッタ
２０第１仮想面
２１第２仮想面
２５閲覧者
Ｆ１、Ｆ２空間フィルタ
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４集光レンズ

Claims

ホログラムを表示する空間光変調器と、平行光線を該空間光変調器に照射する照射手段と、該空間光変調器からの出射光の断面積を拡張する拡大光学系と、からなる表示ユニットの複数と、
上記の複数の表示ユニットからの光を入射する縮小光学系と、
を備え、
上記複数の表示ユニットのそれぞれの光軸は平行し、上記ホログラムの閲覧者から見て上記表示ユニットは縦横に分布した配置であって、
上記複数の表示ユニットでは、それぞれの空間光変調器上の画像表示領域からの光ビームと隣接する空間光変調器上の画像表示領域のからの光ビームとが隣接領域で重なり合う様にし、
上記縮小光学系では、上記複数の表示ユニットによる像を縮小した像を、上記ホログラムの閲覧者に提示することを特徴とする電子ホログラフィ表示装置。
上記拡大光学系あるいは上記縮小光学系の少なくとも一方は、２つの集光系の間に空間フィルタを設けたものであることを特徴とする請求項１に記載の電子ホログラフィ表示装置。
上記空間光変調器からの反射光を上記拡大光学系に入射することを特徴とする請求項１から２のいずれか１つに記載の電子ホログラフィ表示装置。
上記空間光変調器を通過した光を上記拡大光学系に入射することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の電子ホログラフィ表示装置。
上記光照射手段は、予め決められた複数の方向から光を上記空間光変調器に交互に照射する構成を備え、それぞれの表示ユニットにおける上記照射方向の切換えを同期して時分割で行うものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の電子ホログラフィ表示装置。
上記光照射手段は、予め決められた複数の波長の光を上記空間光変調器に交互に照射する構成を備え、それぞれの表示ユニットにおける上記照射波長の切換えを同期して時分割で行うものであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の電子ホログラフィ表示装置。