(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示対象となる物体を表すコヒーレント光を波として再生し、前記物体を再生した画像を空間に形成する光波面表示装置であって、
前記コヒーレント光を出力するコヒーレント光出力手段と、当該コヒーレント光出力手段から出力されたコヒーレント光の位相が、前記物体に対応する光の位相と等価となるように変調する変調手段と、前記変調手段によって変調された変調光の波を球面波に変換する変換手段と、を備え、
前記変調手段は、前記コヒーレント光出力手段から出力されたコヒーレント光の伝達経路上に配置された変調手段側開口部を備え、
前記変換手段は、前記変調手段側開口部の位置に対応して配置された変換手段側開口部と、当該変換手段側開口部に配置され、且つ前記変調光を球面波に変換する球面波変換レンズと、を備えることを特徴とする光波面表示装置。
【請求項２】
前記変調手段がｍ列×ｎ行（ｍ及びｎは自然数、以下同じ）に配置され、
前記変換手段がｍ列×ｎ行に配置されてなることを特徴とする請求項１に記載した光波面表示装置。
【請求項３】
前記変調手段は、前記コヒーレント光出力手段から出力されたコヒーレント光の位相及び振幅が前記物体に対応する光の位相及び振幅と等価となるように変調することを特徴とする請求項１または２に記載した光波面表示装置。
【請求項４】
前記変調手段は、前記物体の位相に関する情報と物体の振幅に関する情報を含む複素振幅ホログラム情報を入力し、前記物体の位相に関する情報と物体の振幅に関する情報とを分解し、且つこれらの情報のうち少なくとも物体の位相に関する情報に基づいて前記コヒーレント光を変調することを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項に記載した光波面表示装置。
【請求項５】
前記変調手段は、前記変調手段側開口部内に配置され、且つ印加される制御信号に応じて通過する際の前記コヒーレント光の屈折率を変化させる屈折率制御素子と、前記物体の位相に関する情報及び物体の振幅に関する情報のうち少なくとも物体の位相に関する情報に基づいて、前記制御信号を印加する変調制御手段と、を備えることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項に記載した光波面表示装置。
【請求項６】
前記変調手段は２列以上及び２行以上配置され、
前記屈折率制御素子は、前記変調手段の配置に対応して配置されていることを特徴とする請求項５に記載した光波面表示装置。
【請求項７】
表示対象となる物体を表すコヒーレント光を波面として再生し、前記物体を再生した画像を空間に形成する光波面表示方法であって、
前記コヒーレント光を出力するコヒーレント光出力ステップと、
前記コヒーレント光出力ステップにおいて出力されたコヒーレント光の位相が、前記物体に対応する光の位相と等価となるように変調する変調ステップと、
前記変調ステップにおいて変調された変調光の波を球面波に変換する球面波変換ステップと、を含み、
前記球面波変換ステップでは、前記コヒーレント光出力手段から出力されたコヒーレント光の伝達経路上に配置された変調手段側開口部の位置に対応して配置された変換手段側開口部に配置された球面波変換レンズにおいて、前記変調光の波を球面波に変換することを特徴とする光波面表示方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示対象となる物体を表すコヒーレント光を波面として再生し、物体を再生した画像を空間に形成する光波面再生方式に基づくものであり、特に３次元画像の立体表示技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイ等、２次元画像用のディスプレイには、２次元アレイ状に複数の電極（画素）を配置し、各画素の輝度値を変化させることで、２次元画像をデジタル表現する方式が用いられている。
また、３次元画像用のディスプレイには、上述した２次元画像用のディスプレイにスリット等を用いて画素を隠す方式や、レンチキュラーレンズ等を用いて光の進行方向を曲げるステレオ表示方式が用いられている。このような方式を用いることにより、観察者の左右の目には、それぞれ、異なる画像が提示される。
ここで、２次元画像の提示においては、各画素を、どの方向からも観察することが可能となっている。つまり、各画素から、ディスプレイ前面のあらゆる方向に、光線が拡散している。
【０００３】
一方、３次元画像の提示においては、各画素から出る光線の進行方向を制限する（曲げる）ことで、観察位置の違いにより、観察者が見ることの可能な画素が異なるようにしている。つまり、右眼用の画像を提示している画素からの光は、右眼の方向にのみ観察可能とするとともに、左眼用の画像を提示している画素からの光は、左眼のみで観察可能とする。これにより、両眼の視差を利用した３次元画像用のディスプレイが構成される。
また、上述したような左右２方向の制御以外にも、例えば、特許文献１に記載されているように、異なる方向に進行する複数の光線を、ピンホール等を用いて再生する方式が提案されている。
【０００４】
特許文献１に記載の方式では、複数の光線を、ある一つの点（ピンホール）の同じ場所から出力可能な構成としており、その一つの点に関して、複数方向の異なる光線を観察することが可能な構成としている。そして、複数のピンホールを高密度に並べ、これらのピンホールから出た光線により形成される像を、表示物体の像に近似させることにより、自然な立体表示に近い映像再生を実現する。
上述した各方式では、ディスプレイから出る光を光線として扱っているが、光を光線ではなく波面として捉え、物体から来る光の波面を忠実に再生することで自然な立体映像の再生が可能な方式として、ホログラフィがある。
【０００５】
ホログラフィは、物体光と参照光により形成される干渉縞をディスプレイに表示し、このディスプレイに参照光のみを出力することによって、物体光を間接的に再生する方式である。干渉縞を表示する方式としては、ホログラム（即ち、干渉縞）を計算機により計算して製作した計算機ホログラムを、非特許文献１に記載されているような音響光学素子(ＡＯＭ)や、非特許文献２に記載されているような液晶ディスプレイを用いて、電子的に表示する方式が提案されている。
【０００６】
音響光学素子を用いた方式は、変調された超音波を使うことで、ホログラム再生が可能なレベルの干渉縞を表示することが可能である。しかしながら、この方式では、超音波の進行方向のみに限定された、１次元の干渉縞（１次元ホログラム）しか表現することができない。そのため、ホログラム再生を行うためには、１次元ホログラムを上下方向に走査しながら干渉縞を書き換えることにより、２次元的な立体映像を再生する必要がある。
一方、液晶ディスプレイを用いた方式は、計算機で製作した干渉縞そのものを、通常の２次元画像用の液晶ディスプレイに、２次元の干渉縞画像として表示する方式である。このため、液晶ディスプレイは、ホログラムによる立体映像の提示を実現するために、１０ｎｍオーダーの画素ピッチを有するパネルを用いて形成する必要がある。
【０００７】
【特許文献１】特許第３３７５９４４号公報
【非特許文献１】Proc. SPIE、「Electronic display system for computational holography」、1990、Practical holography IV、1212-20、Ｐ174〜Ｐ182
【非特許文献２】Sonehara et al、「Moving 3D-CGH Reconstruction Using A Liquid Crystal Spatial Wavefront Modulator」、1992、Japan Display '92、Ｐ315〜Ｐ318
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
３次元画像を自然に提示するために重要な要素の一つとして、自然な奥行き感の再現がある。つまり、観察者が物体を見る位置により、物体の見え方が変わるような３次元画像の提示である。
このような３次元画像を提示する方法としては、上述したように、複数方向の光線を同時に表示する方式（光線再生方式）と、物体から来る光を波面として再生するホログラフィ（ホログラム方式）がある。
【０００９】
光線再生方式の場合、異なる光線が目に入ることで、提示されている像が切り替ることになる。そのため、隣接する光線同士の提示間隔が広いと、滑らかな映像提示が困難である。したがって、見る位置を変えるときに滑らかに映像が切り替るような、自然な映像再生を行うためには、高密度に光線を再生しなければならず、光線数の増加に比例してデータ量が増大してしまうという問題が発生するおそれがある。
これに対し、ホログラム方式の場合、物体から来る光をアナログ波面として再生する方式であるため、データ量に関係なく自然な映像提示が可能となる。
しかしながら、光の干渉縞を提示するためには、非常に高精細な画像を提示する必要がある。この干渉縞は、光を回折させる必要があるため、光の波長オーダー（数百ｎｍオーダー）の、細かな縞の画像を提示する必要がある。
【００１０】
音響光学素子を用いた方式では、高精細なピッチで干渉縞を表現することは可能であるが、提示される映像は、水平方向のみの１次元ホログラムに限定されてしまうという問題がある。また、上述した２次元表示が可能な液晶ディスプレイであっても、画素ピッチが粗い、すなわち、数μｍオーダーの画素ピッチが、ＬＣＤ製造上の限界である。このため、数百ｎｍオーダーの画素ピッチを有する、高精細な画像表示が可能なディスプレイは、現時点では製造が困難である。
本発明は、上述したような問題点に着目してなされたもので、画素ピッチが粗い状態であっても、理想的な光の波面再生による立体映像再生が可能な、光波面表示装置及び光波面表示方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するために、本発明のうち、請求項１に記載した発明は、表示対象となる物体を表すコヒーレント光を波として再生し、前記物体を再生した画像を空間に形成する光波面表示装置であって、
前記コヒーレント光を出力するコヒーレント光出力手段と、当該コヒーレント光出力手段から出力されたコヒーレント光の位相が、前記物体に対応する光の位相と等価となるように変調する変調手段と、前記変調手段によって変調された変調光の波を球面波に変換する変換手段と、を備え、
前記変調手段は、前記コヒーレント光出力手段から出力されたコヒーレント光の伝達経路上に配置された変調手段側開口部を備え、
前記変換手段は、前記変調手段側開口部の位置に対応して配置された変換手段側開口部と、当該変換手段側開口部に配置され、且つ前記変調光を球面波に変換する球面波変換レンズと、を備えることを特徴とするものである。
本発明によると、表示対象となる物体を表すコヒーレント光の位相を、物体の位相に関する情報に基づいて直接変調させて、その位相が、物体に対応する光の位相と等価となるように変調させることが可能となる。
また、本発明によると、球面波変換レンズを通過させることによって、電力の消費等を伴わずに、少なくとも位相が変調した変調光を、球面波に変換することが可能となる。
【００１２】
次に、請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した発明であって、前記変調手段がｍ列×ｎ行（ｍ及びｎは自然数、以下同じ）に配置され、
前記変換手段がｍ列×ｎ行に配置されてなることを特徴とするものである。
本発明によると、変調光の波面を変換して形成されるｍ列×ｎ行の球面波を含む合成波を用い、物体を表すコヒーレント光を、アナログ波面として再生することが可能となる。
これは、物体を表すコヒーレント光の位相を、物体に対応する光の位相と等価となるように変調させた状態では、非常に視野が狭い光となるものの、これらを球面波に変換した後に合成波とすることにより、ホイヘンスの原理によって、物体から来る光を、忠実に再生することが可能となるためである。
【００１３】
次に、請求項３に記載した発明は、請求項１または２に記載した発明であって、前記変調手段は、前記コヒーレント光出力手段から出力されたコヒーレント光の位相及び振幅が前記物体に対応する光の位相及び振幅と等価となるように変調することを特徴とするものである。
本発明によると、コヒーレント光の位相のみを、物体に対応する光の位相を反映させて変調させる場合と比較して、より高精度に、物体を再生した画像を空間に形成することが可能となる。
【００１４】
次に、請求項４に記載した発明は、請求項１から３のうちいずれか１項に記載した発明であって、前記変調手段は、前記物体の位相に関する情報と物体の振幅に関する情報を含む複素振幅ホログラム情報を入力し、前記物体の位相に関する情報と物体の振幅に関する情報とを分解し、且つこれらの情報のうち少なくとも物体の位相に関する情報に基づいて前記コヒーレント光を変調することを特徴とするものである。
本発明によると、計算機により生成した複素振幅ホログラムを用いて再生が可能となり、実物だけでなく仮想物体であっても再生が可能となる。
【００１５】
次に、請求項５に記載した発明は、請求項１から４のうちいずれか１項に記載した発明であって、前記変調手段は、前記変調手段側開口部内に配置され、且つ印加される制御信号に応じて通過する際の前記コヒーレント光の屈折率を変化させる屈折率制御素子と、前記物体の位相に関する情報及び物体の振幅に関する情報のうち少なくとも物体の位相に関する情報に基づいて、前記制御信号を印加する変調制御手段と、を備えることを特徴とするものである。
本発明によると、屈折率制御素子に印加する制御信号を制御することにより、屈折率制御素子を通過した変調光の位相及び振幅のうち少なくとも位相を、電気的に変調させることが可能となる。
【００１６】
次に、請求項６に記載した発明は、請求項５に記載した発明であって、前記変調手段は２列以上及び２行以上配置され、
前記屈折率制御素子は、前記変調手段の配置に対応して配置されていることを特徴とするものである。
本発明によると、隣接する屈折率制御素子間の距離が一定となり、屈折率制御素子を通過した変調光の位相及び振幅のうち少なくとも位相を、電気的に変調させることが容易となる。
【００１９】
次に、請求項７に記載した発明は、表示対象となる物体を表すコヒーレント光を波面として再生し、前記物体を再生した画像を空間に形成する光波面表示方法であって、
前記コヒーレント光を出力するコヒーレント光出力ステップと、
前記コヒーレント光出力ステップにおいて出力されたコヒーレント光の位相が、前記物体に対応する光の位相と等価となるように変調する変調ステップと、
前記変調ステップにおいて変調された変調光の波を球面波に変換する球面波変換ステップと、を含み、
前記球面波変換ステップでは、前記コヒーレント光出力手段から出力されたコヒーレント光の伝達経路上に配置された変調手段側開口部の位置に対応して配置された変換手段側開口部に配置された球面波変換レンズにおいて、前記変調光の波を球面波に変換することを特徴とするものである。
本発明によると、表示対象となる物体を表すコヒーレント光の位相を、物体の位相に関する情報に基づいて直接変調させて、その位相が、物体に対応する光の位相と等価となるように変調させることが可能となる。
また、本発明によると、球面波変換レンズを通過させることによって、電力の消費等を伴わずに、少なくとも位相が変調した変調光の波を、球面波に変換することが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、表示対象となる物体を表すコヒーレント光の位相を直接変調させて、その位相が、物体に対応する光の位相と等価となるように変調させることが可能となる。また、変調した変調光の波面から形成される複数の球面波を含む合成波を用い、物体を表すコヒーレント光を、アナログ波面として再生することが可能となる。
このため、光の波長オーダーの画素ピッチを有していないディスプレイ、例えば、数μｍオーダーの画素ピッチを有するディスプレイを用いた場合であっても、理想的な光の波面再生による立体映像再生が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
（光波面表示装置の構成例）
まず、光波面表示装置の構成について、図１から図６を用いて説明する。
図１は、本実施形態の光波面表示装置１の構成概念を示すブロック図であり、図２は、本実施形態の光波面表示装置１の構成概念を示す模式図である。
【００２２】
図１及び図２中に示すように、本実施形態の光波面表示装置１は、コヒーレント光出力手段２と、変調手段４と、変調制御手段６と、変換手段８とを備えている。
コヒーレント光出力手段２は、例えば、レーザー出力機を用いて形成されており、表示対象となる物体（以下、「物体」と記載する）を表すコヒーレント光１０を出力する機能を有している。本実施形態では、コヒーレント光１０として、レーザー光を用いる。
【００２３】
変調手段４は、コヒーレント光出力手段２から出力されたコヒーレント光１０が出力される位置、すなわち、コヒーレント光１０の伝達経路上に配置されている。
また、変調手段４は、コヒーレント光出力手段２から出力されたコヒーレント光１０を通過させて変調光を生成し、その位相を、物体に対応する光の位相を反映させて変調する機能を有している。変調手段４の詳細な構成は、後述する。
【００２４】
変調制御手段６は、変調手段４と計算機１２との間に介在して両者に接続されている。
また、変調制御手段６は、計算機１２から入力された複素振幅ホログラムのデータ（複素振幅ホログラム情報）等、物体の位相に関する情報に基づいて、変調手段４を通過するコヒーレント光１０の位相が、物体に対応する光の位相と等価となるように変調度合いを制御する機能を有している。本実施形態では、計算機１２として、パーソナルコンピューターを用いる。また、本実施形態では、物体の位相に関する情報として、図１中に示すように、複素振幅ホログラムのデータを用いている。変調制御手段６による、コヒーレント光１０の変調度合いを制御する際の処理については、後述する。
【００２５】
変換手段８は、変調手段４の、コヒーレント光１０が入射する面と反対側に、変調手段４と隙間を空けて配置されている。
また、変換手段８は、変調手段４を通過した変調光の波を球面波１４に変換する機能を有している。変換手段８の詳細な構成は、後述する。
上記の構成を有する光波面表示装置１では、まず、コヒーレント光出力手段２から、変調手段４へコヒーレント光１０が直接出力され、この出力されたコヒーレント光１０が変調手段４を通過する。その際に、変調手段４を通過するコヒーレント光１０の位相が、物体に対応する光の位相と等価となるように変調度合いを制御されて変調する。
そして、変調手段４を通過した変調光の波から形成された球面波１４が、その球面波１４を含む合成波となって、物体を再生した画像として空間に形成され、観測者Ｈによって観測される。
【００２６】
以下、図３及び図４を参照して、変調手段４の詳細な構成について説明する。
図３は、変調手段４の一部を、コヒーレント光１０の出力方向と直交する方向から見た図であり、図４は、図３のＩＶ線矢視図である。
図３及び図４中に示すように、変調手段４は、光を透過しないアクリル樹脂等の合成樹脂（遮光機能を有し、且つ絶縁性のない物質の板）を用いて形成された変調手段側本体部１６に、ｍ列×ｎ行配置されており、それぞれ、変調手段側開口部１８と、屈折率制御素子２０とを備えている。すなわち、本実施形態の光波面表示装置１は、ｍ列×ｎ行の変調手段４を備えている。なお、ｍ及びｎは自然数であり、これは、以下の記載についても同様である。また、本実施形態では、一例として、ｍ及びｎを、２以上の自然数とする。
【００２７】
各変調手段側開口部１８は、変調手段側本体部１６をコヒーレント光１０の出力方向に貫通する矩形の孔であり、コヒーレント光出力手段２から出力されたコヒーレント光１０の、伝達経路上に配置されている。
また、各変調手段側開口部１８は、２次元アレイ状に配置されている。
各屈折率制御素子２０は、電気光学効果を有する材料を用いて形成されており、全て同一形状となっている。本実施形態では、電気光学効果を有する材料として、ＰＬＺＴ（lead lanthanum zirconate titanate）を用いるが、これに限定されるものではなく、ＰＬＺＴの代わりに、ＫＴＮ結晶等を用いてもよい。
【００２８】
また、各屈折率制御素子２０は、各変調手段側開口部１８内にそれぞれ配置されている。すなわち、各屈折率制御素子２０は、２次元アレイ状に配置されている。
各変調手段側開口部１８内において、各屈折率制御素子２０の上下両端側には、それぞれ、電極２２ａ，２２ｂが配置されており、これらの電極２２ａ，２２ｂは、ともに屈折率制御素子２０に接触している。また、電極２２ａ，２２ｂの屈折率制御素子２０に対する配置状態は、全ての屈折率制御素子２０において同一状態となっている。なお、図３及び図４中では、二つの電極２２ａ，２２ｂのうち、上方に配置されている電極２２を、電極２２ａと記載し、下方に配置されている電極２２を、電極２２ｂと記載している。
【００２９】
電極２２ａ，２２ｂには、それぞれ、電線２４を介して外部電源２６が接続されている。この外部電源２６は、変調制御手段６に備えられており、計算機１２に接続されている。
また、外部電源２６は、計算機１２から入力された複素振幅ホログラムのデータに基づいて、各屈折率制御素子２０に接触している電極２２ａ，２２ｂのそれぞれに対して、独立した強さの外部電界を印加可能な構成となっている。複素振幅ホログラムのデータに基づいて、電極２２ａ，２２ｂのそれぞれに対して、独立した強さの外部電界を印加する処理については、後述する。
【００３０】
次に、図５及び図６を参照して、変換手段８の詳細な構成について説明する。
図５は、変換手段８の一部をコヒーレント光１０の出力方向と直交する方向から見た図であり、図６は、図５のＶＩ線矢視図である。
図５及び図６中に示すように、変換手段８は、遮光機能を有するアクリル樹脂等の合成樹脂等を用いて形成された変換手段側本体部２８に、ｍ列×ｎ行配置されており、それぞれ、変換手段側開口部３０と、球面波変換レンズ３２とを備えている。すなわち、本実施形態の光波面表示装置１は、ｍ列×ｎ行の変換手段８を備えている。
【００３１】
各変換手段側開口部３０は、変換手段側本体部２８を、コヒーレント光１０の出力方向に貫通する円形の孔であり、各変調手段側開口部１８の位置に対応して、２次元アレイ状に配置されている。すなわち、各変換手段側開口部３０は、屈折率制御素子２０を通過して位相が変調した変調光が入射する位置に配置されている。
各球面波変換レンズ３２は、それぞれ、各変換手段側開口部３０に配置されている。すなわち、各球面波変換レンズ３２は、各変換手段側開口部３０と同様、屈折率制御素子２０を通過して位相が変調した変調光が入射する位置に配置されている。
また、各球面波変換レンズ３２は、マイクロレンズやＧＲＩＮレンズ等の、焦点距離の短いレンズによって形成されており、屈折率制御素子２０を通過して位相が変調した変調光を通過させて、この変調光を、一定の球面波に変換する機能を有している。本実施形態では、各球面波変換レンズ３２を、マイクロレンズによって形成している。
【００３２】
（変調制御手段が行う処理の一例）
次に、図１から図６を参照しつつ、図７から図１０を用いて、変調制御手段６による、変調手段４を通過するコヒーレント光１０の変調度合いを制御する際の処理について説明する。
変調手段４を通過するコヒーレント光１０の変調度合いを制御するためには、計算機１２から入力される複素振幅ホログラムのデータに基づいて、電極２２ａ，２２ｂに印加する外部電界の電圧値を制御する処理を行う。なお、この電圧値は、屈折率制御素子２０に印加される制御信号を形成している。
【００３３】
以下、図７から図１０を参照して、計算機１２から入力される複素振幅ホログラムのデータに基づいて、電極２２ａ，２２ｂに印加する外部電界の電圧値を制御する処理について説明する。
まず、複素振幅ホログラムのデータを演算する方法について説明する。本実施形態では、複素振幅ホログラムのデータを演算する方法として、計算機ホログラムの方法を用いる。
この方法では、最初に、ＣＣＤ（charge-coupled device)や距離センサ等を用いて、物体の３次元情報を計算機１２に取り込む。ここで、物体の３次元情報には、物体の位相に関する情報と、物体の振幅に関する情報が含まれる。なお、以下の説明は、表示対象となる物体が、現実に存在する物体である場合について説明するが、表示対象となる物体が、仮想物体である場合には、ＣＧモデルのデータを計算機１２に入力する。
【００３４】
また、計算機ホログラムの方法は、３次元データ（物体）から来る光（物体を表すコヒーレント光）と、参照光の干渉縞とを、計算により求める方法である。例えば、図７中に示すように、物体３４から来る光３６と参照光（図７には記載していないが、変調手段４と平行な等位相面を有する平面波とする）との干渉縞を、計算により求める。なお、図７は、物体を表すコヒーレント光１０が合成波３８に変換されて観測者Ｈに観測される様子を説明する図である。
参照光の干渉縞は、物体３４から来る光を「Ｏ」と定義し、参照光を「Ｒ」と定義すると、下記の式（１）により求められる。
（Ｒ＋Ｏ）2＝Ｒ*Ｒ＋Ｏ*Ｏ＋Ｒ*Ｏ＋ＲＯ*      …（１）
ここで、Ｒ及びＯは、共に複素振幅を有する光波面として定義されており、「＊」は、共役複素数を表す。
【００３５】
また、式（１）では、右辺第３項のＲ*Ｏの部分が、複素振幅ホログラムで表された干渉縞となる。この干渉縞の計算範囲として、図７を例にするならば、平面４０を遮光面と考え、変調手段側開口部１８が矩形開口であるとする。そして、この変調手段側開口部１８の範囲における干渉縞を計算する。
以上の方法により、物体の位相に関する情報と物体の振幅に関する情報を含む、複素振幅ホログラムが演算される。
なお、本実施形態で用いた複素振幅ホログラムの演算方法は、物体を点光源の集合として捉える場合や、面光源の集合として捉える場合など、多数の方法が考えられるため、上述した方法に限定するものではない。
【００３６】
次に、図８を参照して、上記で演算した複素振幅ホログラムのデータに基づいて、電極２２ａ，２２ｂに印加する外部電界の電圧値を制御する処理について説明する。なお、図８は、複素振幅ホログラムと、電極に印加する外部電界の強さとの関連を示す図であり、図８（ａ）は、物体の画像を示す図、図８（ｂ）は、物体に対応する光の位相データの一例を示す図、図８（ｃ）は、物体に対応する光の位相と、各屈折率制御素子２０に対応する画素の輝度との関連を示すグラフである。
【００３７】
本実施形態では、干渉縞の例として、図８（ａ）に示す画像Ｐを入力データとする。
まず、例えば、上述した手順によって、複素振幅ホログラムのデータを演算して求めておき、その複素振幅ホログラムのデータを、計算機１２から変調制御手段６に入力する。
次に、変調制御手段６に入力された複素振幅ホログラムのデータに含まれる、物体の位相に関する情報を取り出し、この情報を用いて、図８（ｂ）に示す、物体に対応する光の位相に対応した画像データを生成する。このとき、具体的には、変調制御手段６において、複素振幅ホログラムのデータに含まれている、物体の位相に関する情報と物体の振幅に関する情報とを分解し、両者のうち、物体の位相に関する情報のみを取り出す。
【００３８】
画像データを生成する際には、図８（ｃ）に示すグラフを用いて、画像データの画素(屈折率制御素子２０)毎に、物体に対応する光の位相を反映する値（図８（ｃ）中では、「位相角度」と示す）を、輝度値に変換する。なお、図８（ｃ）に示すグラフでは、輝度値と位相値とが正比例の関係を持ったグラフとなっているが、これに限定されるものではなく、例えば、輝度値と位相値との関係が、表示デバイスの特性に対応した曲線であってもよい。
そして、以上のように生成された画像データに基づいて、屈折率制御素子２０毎に、電極２２ａ，２２ｂに印加する外部電界の電圧値を設定する。
【００３９】
以下、図９及び図１０を用い、生成された画像データに基づいて、屈折率制御素子２０毎に、電極２２ａ，２２ｂに印加する外部電界の電圧値を設定する処理について説明する。
図９は、図８（ｂ）中にＩＸで囲んだ範囲及びその周辺と、変換手段８との関係を示す図であり、図９（ａ）は、図８（ｂ）中にＩＸで囲んだ範囲及びその周辺に変換手段８を重ねる前の状態を示す図、図９（ｂ）は、図８（ｂ）中にＩＸで囲んだ範囲に変換手段８を重ねた状態を示す図である。また、図１０は、電極２２に印加する外部電界の電圧と、屈折率制御素子２０に対応する画素の輝度との関連を示すグラフである。
【００４０】
図９（ａ）中に示すように、図８（ｂ）に示す画像データの各画素は、各変調手段側開口部１８の位置と対応している。
そして、図９（ｂ）中に示すように、図８（ｂ）中にＩＸで囲んだ範囲に変換手段８を重ねると、変換手段側開口部３０毎に異なる輝度値の画素が見える状態となる。
ここで、図１０中に示す、電圧と輝度値との関係は、屈折率制御素子２０が有する電気光学効果の特性により設定することができる。すなわち、本実施形態のように、屈折率制御素子２０の材料がＰＬＺＴの場合、例えば、以下の式（２）、（３）に示すように、電気光学効果が電圧の２乗に比例するカー効果を利用するため、下記の関係が成立する。
Δｎ＝−１／２×（ｎ3＊Ｋ＊Ｅ2）      …（２）
Δφ∝Δｎ      …（３）
ここで、Ｋはカー定数であり、屈折率制御素子２０の素材により異なる定数である。また、ｎは屈折率、Δｎは屈折率変位量、Δφは位相変位量、Ｅは電界強度を示す。
【００４１】
そして、屈折率制御素子２０を挟む２つの電極２２ａ，２２ｂ間の距離をｄ、印加電圧Ｖとすると、以下の式（４）が成立する。
Ｅ＝Ｖ／ｄ      …（４）
したがって、変換手段側開口部３０毎の画素の輝度値に合わせて、各変換手段側開口部３０に対応する電極２２に印可する電圧値を、図１０のグラフに基づいて設定する。
このとき、上述したように、図１０に示した電圧と輝度値との関係グラフを用いて、電極２２ａ，２２ｂに印加する外部電界の電圧値を設定すると、各屈折率制御素子２０を通過するコヒーレント光１０の位相の変調度合いを、電気的に制御することが可能となる。
【００４２】
電極２２ａ，２２ｂに外部電界を印加すると、この外部電界が各屈折率制御素子２０に印加されて、各屈折率制御素子２０の屈折率が変化する。各屈折率制御素子２０の屈折率が変化すると、各屈折率制御素子２０を通過するコヒーレント光１０の変調度合いが変化する。
ここで、各屈折率制御素子２０は、全て同一形状となっているため、各屈折率制御素子２０に印加される外部電界の強度は、各屈折率制御素子２０に印加される電圧値のみによって決定される。
したがって、計算機１２から入力される複素振幅ホログラムのデータに基づいて、電極２２ａ，２２ｂに印加する外部電界の電圧値を制御することにより、各屈折率制御素子２０を通過するコヒーレント光１０の位相の変調度合いを、制御することが可能となっている。
【００４３】
（光波面表示装置の動作例）
次に、上記の構成を備えた光波面表示装置１の動作の一例について、図１から図１０を参照しつつ、図１１から図１３を用いて説明する。
図１１は、光波面表示装置１の動作を示す概念図である。
図１１中に示すように、コヒーレント光出力手段２からコヒーレント光１０が出力される（コヒーレント光出力ステップ）と、この出力されたコヒーレント光１０は、各変調手段側開口部１８内に配置された各屈折率制御素子２０に入射する（図３、４参照）。
このとき、各屈折率制御素子２０に接触する電極２２ａ，２２ｂに、それぞれ印加される外部電界の電圧値（制御信号）は、計算機１２から入力される複素振幅ホログラムのデータに基づいて、屈折率制御素子２０毎に独立して制御されている。
【００４４】
そして、これらの制御された電圧値は、複素振幅ホログラムのデータに含まれる、物体に対応する光の位相に関する情報を用い、物体に対応する光の位相を反映する輝度値に対応した画像データに基づいて、それぞれ、各屈折率制御素子２０を通過したコヒーレント光１０の位相が、物体に対応する光の位相と等価となるように制御されている。
このため、屈折率制御素子２０毎に独立して制御された電圧値が印加されると、各屈折率制御素子２０は、それぞれ、物体に対応する光の位相を反映する輝度値に対応した画像データに基づいて、独立して屈折率が変化する（図９、１０参照）。
【００４５】
そして、各屈折率制御素子２０に入射したコヒーレント光１０の位相は、各屈折率制御素子２０を通過し、屈折率の変化に対応して、それぞれ、異なる変調度合いで変調され、物体に対応する光の位相と等価となるように変調する（変調ステップ）。すなわち、各屈折率制御素子２０を通過したコヒーレント光１０の位相は、ｍ列×ｎ行の変調手段と同数の箇所、すなわち、ｍ×ｎ箇所で、物体に対応する光の位相と等価となるように変調する。
【００４６】
ここで、各屈折率制御素子２０を通過した変調光は、物体に対応する光の位相と等価となるように位相が変調しているものの、この状態では、非常に視野が狭い光であり、観測者Ｈが、物体を再生した画像として知覚することが困難な状態となっている。
各屈折率制御素子２０を通過し、異なる変調度合いで位相が変調されて、物体に対応する光の位相と等価となるように位相が変調した変調光は、各球面波変換レンズ３２に入射する（図５、６参照）。
【００４７】
各球面波変換レンズ３２に入射した変調光の波は、図１２に示すように、各球面波変換レンズ３２を通過して、各球面波変換レンズ３２の焦点距離で集光した後、各球面波変換レンズ３２において球面波１４に変換される（球面波変換ステップ）。なお、図１２は、変換手段８の一部を、コヒーレント光１０の出力方向と直交する方向から見た図である。
そして、各球面波変換レンズ３２において変換された球面波１４が空間へ伝播されると、これらの球面波１４が合成された合成波が形成される。この合成波は、ホイヘンスの原理によって、物体を表すコヒーレント光と等価な波面４２として、空間に形成される。
このため、観測者Ｈには、図１３に示すような画像Ｐが、物体を再生した画像として知覚される。なお、図１３は、観測者Ｈに知覚される、空間に形成された画像の一例を示す図である。
【００４８】
（本実施形態の効果）
したがって、本実施形態の光波面表示装置１では、物体の位相に関する情報に基づいて、変調手段４を通過するコヒーレント光１０の位相が、物体に対応する光の位相と等価となるように変調度合いを制御している。
また、物体に対応する光の位相と等価となるように変調された変調光の波面を、ｍ列×ｎ行の球面波１４に変換し、これらの球面波１４を含む合成波を用いて、ホイヘンスの原理により、物体を表すコヒーレント光をアナログ波面として再生している。
その結果、光の波長オーダーの画素ピッチを有していないディスプレイ、例えば、数μｍオーダーの画素ピッチを有するディスプレイを用いた場合であっても、理想的な光の波面再生による立体映像の再生が可能となる。
【００４９】
これは、従来の高精細な干渉縞が必要となるホログラフィと異なり、光の波長程度という高精細なパターンは必要としないためであり、粗い画素ピッチでありながら、理想的な波面再生法としてのホログラフィと等価な波面再生による、空間映像表示が可能となるためである。
また、本実施形態の光波面表示装置１では、変調手段４が、変調手段側開口部１８と、電気光学効果を有する屈折率制御素子２０とを備えており、変調制御手段６が、物体の位相に関する情報に基づいて、屈折率制御素子２０に外部電界を印加する外部電源２６を備えている。
【００５０】
このため、屈折率制御素子２０に印加する外部電界の電圧値を制御することにより、屈折率制御素子２０を通過した変調光の位相を、電気的に変調させることが可能となる。
その結果、屈折率制御素子２０を通過するコヒーレント光１０の位相の変調度合いを、電気的に制御することが可能となる。
また、本実施形態の光波面表示装置１では、変調制御手段６が、物体の位相に関する情報と物体の振幅に関する情報を分解し、両者のうち、物体の位相に関する情報のみに基づいて、屈折率制御素子２０を通過するコヒーレント光１０の変調度合いを制御している。
【００５１】
その結果、物体の位相に関する情報と物体の振幅に関する情報を一括して用いた場合と比較して、より高精度に、物体を再生した画像を空間に形成することが可能となる。
また、本実施形態の光波面表示装置１では、変換手段８が、変調手段側開口部１８の位置に対応して配置された、変換手段側開口部３０を備えている。
このため、屈折率制御素子２０を通過して変調した変調光が、変調手段側開口部１８へ円滑に入射する。
【００５２】
また、屈折率制御素子２０が２次元アレイ状に配置されているため、変調光の波面から形成される球面波１４が、２次元アレイ状に配置されることとなる。
その結果、これらの球面波１４を含む合成波によって、物体を再生した画像を空間に形成することが容易となる。
また、本実施形態の光波面表示装置１では、変換手段８が、変換手段側開口部３０に配置され、位相が変調した変調光を球面波に変換する球面波変換レンズ３２を備えている。
このため、球面波変換レンズ３２を通過させることによって、電力の消費等を伴わずに、位相が変調した変調光を、球面波１４に変換することが可能となる。
その結果、位相が変調した変調光を、球面波１４に変換する際の処理を簡略化することが可能となる。
【００５３】
（応用例）
なお、本実施形態の光波面表示装置１では、物体の位相に関する情報に基づいて、変調手段４を通過するコヒーレント光１０の位相が、物体に対応する光の位相と等価となるように変調度合いを制御しているが、これに限定されるものではない。すなわち、物体の位相に関する情報に加え、物体の振幅に関する情報に基づいて、変調手段４を通過するコヒーレント光１０の位相及び振幅が、物体に対応する光の位相及び振幅と等価となるように変調度合いを制御してもよい。すなわち、変調手段４を通過させた変調光の位相及び振幅を、物体に対応する光の位相及び振幅を反映させて変調させてもよい。
【００５４】
この場合、例えば、図１４に示すように、変調手段側開口部１８内に、カメラの絞りのような構成を有する開口面積可変な可変部材４４を配置し、変調手段側開口部１８の開口面積を可変にすることで、変調手段側開口部１８を通過する光の光量（強度）を変化可能な構成としてもよい。なお、図１４は、本実施形態の変形例を示す図である。
ここで、変調手段側開口部１８の開口面積を可変する制御としては、公知のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調等、時分割を用いてもよい。この場合、ＰＷＭ変調を用いることにより、全ての中間階調を「白」と「黒」の一定時間投写によって表現することが可能となるため、正確な映像描写が可能となる。
【００５５】
このような構成であれば、コヒーレント光１０の位相のみを、物体に対応する光の位相を反映させて変調させる場合と比較して、より高精度に、物体を再生した画像を空間に形成することが可能となる。
また、このような構成であれば、計算機１２により生成した複素振幅ホログラムに含まれる、物体の振幅に関する情報に基づいて、変調手段４を通過するコヒーレント光１０の変調度合いを制御することが可能となる。このため、物体が実物の場合だけではなく仮想物体の場合であっても、物体の表示が可能となる。
【００５６】
また、本実施形態の光波面表示装置１では、コヒーレント光出力手段２から変調手段４へ、コヒーレント光１０が直接出力される構成としたが、これに限定されるものではない。すなわち、例えば、図１５及び図１６に示すように、変調手段４へ出力されるコヒーレント光１０が、ミラー４６等を介して間接的に出力される構成としてもよい。なお、図１５及び図１６は、本実施形態の変形例を示す図である。
【００５７】
この場合、ミラー４６は、図１５に示すように、４５度の傾斜等、コヒーレント光出力手段２から出力されたコヒーレント光１０が反射して、変調手段４、具体的には各屈折率制御素子２０に平行に入射する状態で配置する。
また、図１６に示すように、ミラー４６の傾斜が４５度でない場合は、コヒーレント光出力手段２から出力されたコヒーレント光１０が、各屈折率制御素子２０に入射されるまでの光路長が、各屈折率制御素子２０の場所によって異なってしまう
このため、これらの光路長が、位相に関する情報に、光路長の違い（図１６中に示す「Δｄ」）に対応する初期位相値を加算することで、４５度に傾斜した傾きのミラー４６と等価なコヒーレント光１０を入射させることが可能となる。
【００５８】
また、本実施形態の光波面表示装置１では、コヒーレント光出力手段２としてレーザー出力機を用いたが、これに限定されるものではなく、コヒーレント光１０を出力する手段としては、位相が安定して入力できる光源であればよい。つまり、面発光レーザーのような構造で、画素（開口）毎に異なるコヒーレント光を入射できるようにし、変調手段４において、屈折率制御素子２０毎に初期位相を調整することで、入射されるコヒーレント光１０の位相を調節可能な構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本実施形態の光波面表示装置の構成概念を示すブロック図である。
【図２】本実施形態の光波面表示装置の構成概念を示す模式図である。
【図３】変調手段の一部を、コヒーレント光の出力方向と直交する方向から見た図である。
【図４】図３のＩＶ線矢視図である。
【図５】変換手段の一部をコヒーレント光の出力方向と直交する方向から見た図である。
【図６】図５のＶＩ線矢視図である。
【図７】物体を表すコヒーレント光が合成波に変換されて観測者に観測される様子を説明する図である。
【図８】複素振幅ホログラムと、電極に印加する外部電界の強さとの関連を示す図である。
【図９】図８（ｂ）中にＩＸで囲んだ範囲及びその周辺と、変換手段との関係を示す図である。
【図１０】電極に印加する外部電界の電圧と、素子に対応する画素の輝度との関連を示すグラフである。
【図１１】光波面表示装置の動作を示す概念図である。
【図１２】変換手段の一部を、コヒーレント光の出力方向と直交する方向から見た図である。
【図１３】観察者に知覚される、空間に形成された画像の一例を示す図である。
【図１４】本実施形態の変形例を示す図である。
【図１５】本実施形態の変形例を示す図である。
【図１６】本実施形態の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１    光波面表示装置
２    コヒーレント光出力手段
４    変調手段
６    変調制御手段
８    変換手段
１０  コヒーレント光
１２  計算機
１４  球面波
１６  変調手段側本体部
１８  変調手段側開口部
２０  屈折率制御素子
２２  電極
２４  電線
２６  外部電源
２８  変換手段側本体部
３０  変換手段側開口部
３２  球面波変換レンズ
３４  物体
３６  物体から来る光
３８  合成波
４０  平面
４２  波面
４４  可変部材
４６  ミラー
Ｈ    観測者
Ｐ    画像
【図１】
0004739304.tif 000002
【図２】
0004739304.tif 000003
【図３】
0004739304.tif 000004
【図４】
0004739304.tif 000005
【図５】
0004739304.tif 000006
【図６】
0004739304.tif 000007
【図７】
0004739304.tif 000008
【図１０】
0004739304.tif 000009
【図１１】
0004739304.tif 000010
【図１２】
0004739304.tif 000011
【図１４】
0004739304.tif 000012
【図１５】
0004739304.tif 000013
【図１６】
0004739304.tif 000014
【図８】
0004739304.tif 000015
【図９】
0004739304.tif 000016
【図１３】
0004739304.tif 000017