(57)【要約】【課題】光の回折現象を利用した画像形成においては、画像の面積などにより画像の光量が異なるため、画像の明るさが変わる。【解決手段】形成される画像１８の光の利用率や面積に応じて、形成される画像１８を同じ明るさなど予め設定した明るさで表示するための位相差パターンを信号発生器１１が算出する。信号発生器１１で発生された位相差パターンは液晶表示素子１３に形成する画像に応じた信号として供給される一方、光源用電源１４に供給され半導体レーザからなる光源１５の光量を可変する。これにより、形成される画像１８は画像の種類に関係なくほぼ同じ明るさなどの設定した明るさとなり、人間の眼に対して自然に見える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光量が調整可能な光源からの光を、光の回折を利用して画像を形成する画素構造を有する画像表示素子に光学系を通して入射すると共に、形成する画像に応じた信号を前記画像表示素子に供給し、前記画像表示素子の回折効果により所望の画像を形成する画像形成装置であって、
形成される前記所望の画像の前記光源からの光の利用率と画像面積とに基づいて、形成される前記所望の画像を予め設定した明るさで表示するための位相差パターンを算出する信号発生手段と、
前記信号発生手段で発生された前記位相差パターンを前記画像表示素子に前記形成する画像に応じた信号として供給して前記画像表示素子を駆動する駆動手段と、
前記信号発生手段で発生された前記位相差パターンに応じて、前記光源の光量を可変制御する光量制御手段と
を有することを特徴とする画像形成装置。
【請求項２】
前記光源は半導体レーザであり、前記画像表示素子は液晶表示素子であり、前記信号発生手段は、反復フーリエ変換最適アルゴリズムを用いて前記位相差パターンを算出することを特徴とする請求項１記載の画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は画像形成装置に係り、特に光の回折を利用して画像を形成する画素構造を有する画像表示素子を備えた画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の回折を利用して画像を形成する画素構造を有する画像表示素子を備えた画像形成装置が従来知られている（例えば、特許文献１、２参照）。図８は従来の画像形成装置の一例の概略構成図を示す。同図に示す従来の画像形成装置２は、信号発生器２１から発生された表示すべき信号が液晶表示素子駆動回路２２を介して液晶表示素子２３に供給される。一方、光源用電源２４により駆動された光源２５から一定光量の光が出射され、その光が光学系２６によって、適切な照明エリアとなるように整形され、偏光板２７等により特定の偏波面を持つ直線偏光成分だけが液晶表示素子２３に入射する。
【０００３】
この直線偏光成分は液晶表示素子２３により変調を受けて直交する偏光成分が生じ、通常はその直交する偏光成分のみが透過するよう配置された偏光板２８を通り、液晶による変調の度合いに応じて画像２９を形成する。
【０００４】
なお、前記の光学系２６のように液晶の複屈折を利用するのではなく、液晶の位相差により生じる光の回折現象を利用した、画像形成方法がある。例えば黒い背景に対して白い円形の画像を形成する場合、液晶表示素子２３に光の位相差が生じるようなパターンを形成してやることで、光が特定の方向に回折し画像を形成する。この場合には偏光板２８が必要なくなり、液晶表示素子２３に入射した光がかなりの効率で利用されることになる。
【０００５】
【特許文献１】特表２００５−５０４３１２号公報
【特許文献２】特開２００６−１８４８６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、光の回折現象を利用した画像形成においては、液晶表示素子全体に入射する光をほぼそのまま利用するので全体の光量が一定なため、例えば同じ円形の画像でも、大きな円と小さな円では単位面積あたりの光量が異なるため、画像としての明るさが変わることになる。
【０００７】
また、円形のような単純な画像ではさほど問題とならないが、所望の画像が複雑になると不必要な光の干渉が不規則に生じるノイズが発生する。このノイズは、本来存在して欲しくないパターンが画像上に発生することであり、画像の品位を低下させる。そのために通常、液晶表示素子２３に発生させる位相差パターンはこのノイズを低減させるように計算されるが、ノイズを低減すると光の利用率が変化することがしばしばある。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みなされたもので、光の利用率の変化が殆どなく、自然な感じの画像や特殊な効果を持たせることが可能な画像形成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するため、本発明は光量が調整可能な光源からの光を、光の回折を利用して画像を形成する画素構造を有する画像表示素子に光学系を通して入射すると共に、形成する画像に応じた信号を画像表示素子に供給し、画像表示素子の回折効果により所望の画像を形成する画像形成装置であって、
形成される所望の画像の光源からの光の利用率と画像面積とに基づいて、形成される所望の画像を予め設定した明るさで表示するための位相差パターンを算出する信号発生手段と、信号発生手段で発生された位相差パターンを画像表示素子に形成する画像に応じた信号として供給して画像表示素子を駆動する駆動手段と、信号発生手段で発生された位相差パターンに応じて、光源の光量を可変制御する光量制御手段とを有することを特徴とする。
【００１０】
この発明では、形成される所望の画像の光源からの光の利用率と画像面積とに基づいて、形成される所望の画像を予め設定した明るさで表示するための位相差パターンを光の回折を利用して画像を形成する画素構造を有する画像表示素子に供給すると共に、位相差パターンに応じて、光源の光量を可変制御するようにしたため、形成される所望の画像を予め設定した明るさで表示することができる。ここで、上記の画像表示素子は液晶表示素子を用い得る。また、信号発生手段は、反復フーリエ変換最適アルゴリズムを用いて前記位相差パターンを算出する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、形成される所望の画像を予め設定した明るさで表示することができるため、形成される所望の画像として自然な感じの画像や特殊な効果を持たせた画像を表示することができ、また光源の明るさを有効利用できることから、省電力の効果も有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明の画像形成装置の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明になる画像形成装置の一実施の形態の概略構成図を示す。本実施の形態の画像形成装置１では、信号発生器１１から発生された表示すべき画像に対応した位相差パターンが液晶表示素子駆動回路１２を介して液晶表示素子１３に供給される。また、信号発生器１１は発生する位相差パターンに応じて、光源用電源１４が出力する電源電圧を可変制御することで、光源１５から出射する光の光量を可変調整する。
【００１３】
一方、光源用電源１４により駆動される光源１５は半導体レーザであり、出射する光の波長は一定（例えば、６３５ｎｍ）であるが、その光量は前述したように、信号発生器１１は発生する位相差パターンに応じて可変される光源用電源１４からの電源電圧により可変制御される。この光源１５から出射するレーザ光は、単一の波長であり、また光の拡がり角の小ささにより、容易に光の回折に適したコリメート光にすることができる。更に、一般的にその出力光は直線偏光であり、一つの軸方向にのみ偏光の位相差がつく液晶を用いる場合に好都合である。また、半導体レーザの場合、光源用電源１４からの動作電流や動作パルス幅などで容易に強度変調がかかる。
【００１４】
光源１５から出射したレーザ光は、光学系１６によりコリメートされた後、所定の位相差のパターンが作られた液晶表示素子１３に入射する。液晶表示素子１３は入射する直線偏光成分を位相差パターンに応じて回折し、その光の回折効果によって所望の画像１８を形成する。
【００１５】
図２は液晶表示素子１３の駆動に係る回路部分の等価回路図、図３は液晶表示素子１３の一画素当たりの概略断面図を示す。図２に示す等価回路自体は、従来の液晶表示素子２３の駆動に係る回路部分のそれと同様であり（ただし、液晶の変調度は異なる）、また、図３に示す液晶表示素子の断面構造も従来のそれと基本的には同じである（ただし、液晶材料や厚みは異なる）。
【００１６】
図３に示すように、液晶表示素子１３は良く知られているように、表面にマトリクス状に配列された複数個の画素電極１０７が形成されている素子基板１１３の上方に、シール素材によって形成される所定の間隙を有して、表面に少なくとも透明電極１０５が形成された透明基板１１２が配置されている。このとき画素電極１０７と透明電極１０５とが対向するようにされている。そして、前記した所定の間隙には、液晶１１０を整列させるための配向膜１１１を介して、液晶１１０が充填されている。また、図３の断面構造の液晶表示素子１３の画素電極１０７は、スイッチングトランジスタ１０１を介して信号線１０３に接続されており、スイッチングトランジスタ１０１はそのゲートが走査線１０２に接続されている。
【００１７】
図２において、図３に示した信号線１０３は複数本並行して配置され、これら各信号線１０３と直交する方向に、上記の走査線１０２複数本、基板上に配置されており、これら複数本の信号線１０３と複数本の走査線１０２との各交差部には、上記のスイッチングトランジスタ１０１と、保持容量１０６等から構成される表示画素１００がマトリクス状に形成・配置されている。
【００１８】
そして、スイッチングトランジスタ１０１においては、ドレインが所定の信号線１０３に、ゲートが所定の走査線１０２に、ソースは保持容量１０６の電極と画素電極１０７に、それぞれ接続されている。更に、保持容量１０６のもう一方の電極は、共通電極線１０４に接続されている。ここで、複数本の信号線１０３、走査線１０２及び表示画素１００（画素電極１０７を含む）より、図３の透明な素子基板１１３が構成されている。
【００１９】
次に、この液晶表示素子１３の動作について説明する。図２及び図３において、基本動作は走査線１０２に接続されているスイッチングトランジスタ１０１を線順次で選択し、オン状態にし、そのタイミングに合わせて信号線１０３にデータ信号を印加し、電荷を画素に注入する。蓄積された電荷は、選択された表示画素１００の保持容量１０６により、スイッチングトランジスタ１０１のオフ期間にも蓄積保持される。
【００２０】
保持容量１０６に蓄積されたデータ信号に対応する電荷による保持電圧により、各表示画素１００では、画素電極１０７と透明電極１０５間の電圧が液晶１１０に印加され、それに応じて液晶１１０の分子の傾きが変化する。これにより液晶分子の屈折率により表示画素毎で光に位相差が発生する。そしてこの位相差を、偏光を利用した光学系を用いることにより、光の回折を利用して画像が表示される。
【００２１】
ここで、本実施の形態では、上記の信号線１０３に液晶表示素子駆動回路１２を介して位相差パターンをデータ信号として印加する。この液晶表示素子駆動回路１２は、予めパターン信号の階調に対して、液晶による位相変調度がほぼリニアに変換されるテーブルが内蔵されている。そして、その位相差パターンに応じて、光源１５の光量を変化させることで、自然な感じの画像や特殊な効果を持たせることが可能で、省電力な画像形成を行う。
【実施例１】
【００２２】
次に、本発明の画像形成装置の実施例１について説明する。図４は本実施例により形成する画像の各例を示し、図５は本実施例により液晶表示素子１３に形成される二種類の位相差パターンを示す。本実施例では、図１に示した画像１８として、図４（ａ）に示すある半径の円形の画像と、図４（ｂ）に示す同図（ａ）の円形画像の４倍の半径を持つ円形の画像との一方を形成することとする。
【００２３】
図４（ａ）に示す小径の円形画像を表示するときに液晶表示素子１３に形成される位相差のパターンは図５（ａ）に示され、図４（ｂ）に示す大径の円形画像を表示するときに液晶表示素子１３に形成される位相差のパターンは図５（ｂ）に示される。位相差は黒から白への変化で一周期となる。これらの位相差パターンは図１の信号発生器１１で作成され、液晶表示素子駆動回路１２を介して、液晶表示素子１３上に形成される。
【００２４】
この時の光利用率は、液晶表示素子１３自体の損失を無視すると、図４（ａ）、（ｂ）共に９０％以上であるが、図４（ａ）に示した小径の円形画像が、図４（ｂ）に示した大径の円形画像に比べて面積が１／１６倍であるため、小径の円形画像の方が単位面積あたりの明るさが１６倍となる。
【００２５】
そこで、本実施例では両方の円形画像の単位面積あたりの明るさが同じように見えるように、図４（ａ）に示した小径の円形画像を形成する際には、図４（ｂ）に示した大径の円形画像を形成する場合に比べて、図１の信号発生器１１は光源用電源１４により光源１５の動作電流を下げて光量が１／１６倍となるようにする。このように光源１５からのレーザ光の光量を調整することにより、小径の円形画像を形成したときでも、大径の円形画像を形成したときでも、両者とも同じ明るさとなり、人間の眼に対して自然に見える。また従来の画像形成装置に比べ、光源の明るさが少なくて済むため、省電力の効果もある。
【実施例２】
【００２６】
次に、本発明の画像形成装置の実施例２について説明する。図６は本実施例により形成する画像の各例を示し、図７は本実施例により液晶表示素子１３に形成される二種類の位相差パターンを示す。本実施例では、図１に示した画像１８として、図６（ａ）に示すアルファベット「Ｉ」の文字画像と、図６（ｂ）に示すアルファベット「Ｇ」の文字画像との一方を形成することとする。
【００２７】
図６（ａ）に示す文字画像を表示するときに液晶表示素子１３に形成される位相差のパターンは図７（ａ）に示され、図６（ｂ）に示す文字画像を表示するときに液晶表示素子１３に形成される位相差のパターンは図７（ｂ）に示される。これらの位相差パターンは図１の信号発生器１１で作成され、液晶表示素子駆動回路１２を介して、液晶表示素子１３上に形成される。
【００２８】
ここで、液晶表示素子１３に形成する位相差パターンは、反復フーリエ変換最適化アルゴリズムという計算法により決定する。この計算法は、形成したい画像のフーリエ変換・逆変換を繰り返し行い、最適解を探索する計算法である。ただし、この計算法を用いたときに、最適解は一義的に決まるものではなく、光の利用効率を優先させた解、不要な回折により発生するノイズ成分が最も小さくなるような解、両方の組み合わせで最適解を選ぶなど、複数の解が存在する。その中の一つの解によれば、図６（ａ）の文字画像の光の利用率は約７６％、図６（ｂ）の文字画像の光の利用率は約６７％となる。また、図６（ａ）、（ｂ）の各文字の面積比が約１：２であるため、そのまま画像を形成すると文字によって明るさが変わることとなる。
【００２９】
すなわち、図６（ａ）の文字画像と同図（ｂ）の文字画像との単位面積当たりの光量比は、７６：３３.５となる。そこで、本実施例では、図６（ａ）の文字画像形成時と同図（ｂ）の文字画像形成時との相対光量比が、３３.５：７６となるように、その情報を光源用電源１４に与えて光源１５の駆動電流を調整する。すると、両文字画像とも同じ明るさとなり、人間の眼に対して自然に見える。なお、上記のように必ずしも同じような明るさとする必要はなく、特別に文字を強調したい場合は、明るさが取れるように光量を調整してもよい。
【００３０】
なお、信号発生器１１は形成する画像に対応した位相差パターンを、反復フーリエ変換最適化アルゴリズムに基づいて作成するが、この際に最適化した位相差パターン毎に光の利用率も変わり、この光利用率は入射した光量と最終表示画像の明るい部分の光量との比率である。位相差パターンの最適化には、画像形状の再現的な計算がメインで、全体の明るさは付随的に計算されるもので、単位面積当たりの光量といった計算は一切ない。
【００３１】
なお、本発明は、上記の実施の形態及び実施例で挙げた透過型液晶表示素子に限らず、反射型液晶表示素子や、マイクロマシン技術の応用により表面に段差を作り光路差とする画像表示素子を含むものである。また、他にも光の位相差パターンを変化させる素子についても本発明は有効である。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は複雑なパターンの画像は、どれか一つのパターンに着目して光量が決まるわけではないので、光の利用率は平均化されてしまい、光源の光量はあまり変わらないが、例えば、ロゴや文字情報だけを表示する情報・宣伝用のディスプレイなどの二値的な画像形成に適している。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の画像形成装置の一実施の形態の概略構成図である。
【図２】液晶表示素子の駆動に係る回路部分の等価回路図である。
【図３】液晶表示素子の一画素当たりの概略断面図である。
【図４】本発明の画像形成装置の実施例１の形成画像の各例を示す図である。
【図５】図４の各画像を形成するための、液晶表示素子上に形成される位相差パターンの概略図である。
【図６】本発明の画像形成装置の実施例２の形成画像の各例を示す図である。
【図７】図６の各画像を形成するための、液晶表示素子上に形成される位相差パターンの概略図である。
【図８】従来の画像形成装置の一例の概略構成図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  本発明に係わる画像形成装置
２  従来の画像形成装置
１１  信号発生器
１２  液晶表示素子駆動回路
１３  液晶表示素子
１４  光源用電源
１５  光源
１６  光学系
１８  形成される画像
１０１  スイッチングトランジスタ
１０２  走査線
１０３  信号線
１０４  共通電極線
１０５  透明電極
１０６  保持容量
１０７  画素電極
１１０  液晶
１１１  配向膜
１１２  透明基板
１１３  素子基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図８】
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【図５】
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【図７】
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