JP2018005095A - ホログラム表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】視域を縮小することなくホログラムが表示される画面を大画面化する。【解決手段】複数の空間光変調器１２ａ〜１２ｄによりホログラムの再生波面情報に基づいて、それぞれ、入射したレーザ光を変調して再生波面の一部を空間的に生成し、それらの変調光を、それぞれ、複数の空間光変調器にそれぞれ対応して設けられた複数の拡大光学系２０ａ〜２４ａにより拡大し、平行にして、ホログラムが結像される結像面に空間的に配列して再生波面を生成する。それにより、複数の拡大光学系によりそれぞれ拡大され平行にされた変調光が結像面に空間的に配列されて再生波面が生成されることで、拡大されたホログラムが再生される。【選択図】図１

Description

本発明は、ホログラム表示装置に関する。

空間光変調器（ＳＬＭ）を用いて、ホログラムを電子的に表示する技術（電子ホログラフィと呼ぶ）が知られている。電子ホログラフィにおいて、ホログラムを視ることのできる領域（すなわち、視域）の広さ或いは角度範囲（すなわち、視域角）はＳＬＭのピクセルピッチに反比例し、ホログラムが表示される画面のサイズはＳＬＭのピクセル数（すなわち、解像度）に比例する。従って、ホログラムを大画面上に表示するとともに、それを広い視野において視ることのできる電子ホログラフィを実現するには、光の波長程度のピクセルピッチと高い解像度とを有する超高精細なＳＬＭを必要とする。

例えば、電子ホログラフィにおいて視域角３０度及び画面サイズ４０インチを実現するには、ピクセルピッチ１．０μｍ（光の波長０．６μｍとする）に対して、解像度約７６４，０００×４３０，０００のＳＬＭを必要とする。しかし、現存するＳＬＭの解像度は数１０００^２程度であることから、ＳＬＭを単純に用いる電子ホログラフィは現実的でない。

そこで、例えば特許文献１には、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）型のＳＬＭ（ＭＥＭＳ−ＳＬＭ）、拡大結像系、及び水平スキャナから構成される視域走査型のホログラム表示装置が開示されている。ホログラム表示装置は、ＭＥＭＳ−ＳＬＭにより変調された光を拡大結像系により拡大することで、画面を拡大する。ただし、これとともに見かけのピクセルピッチが拡大するため、視域が縮小する。そこで、ホログラム表示装置は、さらに、拡大結像系から出射する光を水平スキャナにより反射して、縮小した視域を水平方向に走査することで視域を実質的に広げる。
［特許文献１］ 特開２０１０−００８８２２号公報

しかしながら、上述の視域走査型のホログラム表示装置では、視域は、水平スキャナによりその走査角（例えば、４０度）内で走査することで比較的十分に拡げることができるが、画面サイズは、水平スキャナのミラーサイズ（例えば、２インチ）により制限される。ミラーを大きくするにも、大型化と重量化による慣性モーメントの増大により走査レートが下がるという問題がある。

本発明の一態様においては、ホログラムの再生波面情報に基づいて、それぞれ、入射したレーザ光を変調して再生波面の一部を空間的に生成する複数の空間光変調器と、複数の空間光変調器にそれぞれ対応して設けられ、対応する空間光変調器から出射する変調光を拡大し、平行にして、ホログラムが結像される結像面に空間的に配列して再生波面を生成する複数の拡大光学系と、結像面から出射する光束を集光して、三次元的に閉じた視域を形成する共通光学系と、を備えるホログラム表示装置が提供される。

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態に係るホログラム表示装置の構成を示す。 拡大光学系の構成を示す。 共通光学系の構成を上面視により示す。 共通光学系の構成を側面視により示す。 共通光学系による視域走査の原理を示す。 制御系の構成を示す。 一実施例にかかるホログラム表示装置により得られたホログラム像を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係るホログラム表示装置１の構成を示す。図中、拡大光学ユニット２０に含まれる複数の拡大光学系のそれぞれの光軸を一点鎖線により示している。ここで、複数の拡大光学系の光軸に平行な方向をＺ軸方向、これに直交する面内で互いに直交する２つの方向のうちの一方（すなわち、図面上下方向）をＹ軸方向（垂直方向とも呼ぶ）、他方をＸ軸方向（水平方向とも呼ぶ）とする。

ホログラム表示装置１は、複数の拡大光学系を採用することにより、すなわちマルチチャネル化により、ホログラムが表示される画面を大画面化することを目的とするマルチチャネル型のホログラム表示装置であり、空間光変調ユニット１０、拡大光学ユニット２０、共通光学系３０、及び制御系４０（図１では不図示、図５参照）を備える。なお、本実施形態では、ホログラム表示装置１は一例として４チャネル型とする。また、ホログラムが再生される結像面は、共通光学系３０（に含まれるレンズ素子３１のレンズ面）上に位置するものとする。

空間光変調ユニット１０は、ホログラムの再生波面情報に基づいてレーザ光を変調して再生波面を空間的に生成するユニットであり、複数（本実施形態では一例として４）の光源１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、複数（本実施形態では一例として４）の空間光変調器（ＳＬＭ）１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、及びシングルサイドバンド（ＳＳＢ）フィルタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを含む。なお、再生波面情報とは、ホログラムの再生像を形成する波面に関する情報である。

光源１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、ホログラムを再生するためのコヒーレントな照明光を生成する。光源として、例えば半導体レーザを採用することができる。なお、照明光をレーザ光とも呼ぶ。光源１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、それぞれ、ＳＬＭ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに対応して配置され、それらの変調素子に向けてレーザ光を出射する。なお、光源１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄに代えて、１つの光源からの光を分割して複数の照明光を生成し、これらをＳＬＭ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの変調素子に向けてそれぞれ出射することとしてもよい。複数の照明光の間でコヒーレンスが保たれることで、ホログラム像の画質が向上する。

ＳＬＭ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、それぞれ、変調素子を用いてホログラムパターンを表示して変調素子に入射する照明光（その強度及び位相）を変調することにより、再生波面の一部を空間的に生成する装置である。ＳＬＭ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、例えば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を使用したＳＬＭ（ＭＥＭＳ−ＳＬＭ）又は反射型液晶パネル（ＬＣＯＳ）を使用したＳＬＭ（ＬＣＯＳ−ＳＬＭ）を採用することができる。なお、ホログラムパターンは、イメージセンサを用いて撮影することにより又はコンピュータシミュレーションにより生成することができる。

本実施形態のホログラム表示装置１では、ＳＬＭ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄとして、高フレームレート表示が可能なＭＥＭＳ−ＳＬＭを採用する。ＭＥＭＳ−ＳＬＭは反射型の変調器であることから、変調素子の微小ミラー面に対して斜め方向から照明光を入射する。なお、反射型のＬＣＯＳ−ＳＬＭを採用する場合は、表示面の正対位置から照明光を入射する。強誘電性液晶を用いたＬＣＯＳ−ＳＬＭも高フレームレート表示が可能である。また、透過型のＳＬＭを採用する場合は、裏面側から照明光を入射する。

ＳＬＭ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、それぞれ、後述する拡大光学ユニット２０に含まれる拡大光学系２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄに対応してそれらの光軸上に配置され、光源１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄから出射するレーザ光を受け、これを変調して対応する拡大光学系２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄに向けて＋Ｚ方向に出力する。

シングルサイドバンド（ＳＳＢ）フィルタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは、それぞれ、対応するＳＬＭ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄから出射する変調光に含まれる不要光、例えばゼロ次光と共役光（共役像とも呼ぶ）をカットするフィルタである。ＳＳＢフィルタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは、それぞれ、後述する拡大光学系２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ内において第１レンズ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの焦点面に配置されている。ＳＬＭ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄから出射した変調光は、それぞれ、ＳＳＢフィルタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを通ることにより不要光がカットされて、再生波面の一部に変換される。図１では、ＳＳＢフィルタとして水平エッジを示しているが、垂直エッジ、水平スリット、及び垂直スリットを用いることができる。

拡大光学ユニット２０は、空間光変調ユニット１０から出力される変調光をホログラムが結像される結像面に出力して再生波面を生成するユニットであり、複数（本実施形態では一例として４）の拡大光学系２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを含む。

拡大光学系２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは、複数のＳＬＭ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄにそれぞれ対応して設けられ、対応するＳＬＭから出射する変調光を拡大し、平行にして、結像面上に空間的に配列する光学系である。拡大光学系２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは、ＸＹ面に平行な方向に関して２行２列に配列されている。すなわち、拡大光学系２０ａは−Ｘ及び＋Ｙ側に、拡大光学系２０ｂは＋Ｘ及び＋Ｙ側に、拡大光学系２０ｃは−Ｘ及び−Ｙ側に、拡大光学系２０ｄは＋Ｘ及び−Ｙ側に配置されている。

図２に、一例として、拡大光学系２０ａの構成を示す。図中、拡大光学系２０ａに対応するＳＬＭ１２ａ及びＳＳＢフィルタ２２ａを併せて示すとともに、拡大光学系２０ａの光軸Ｌａを一点鎖線により示している。拡大光学系２０ａは、第１レンズ２１ａ及び第２レンズ２３ａを含む。第１レンズ２１ａは、光を拡大する結像レンズであり、光軸Ｌａ上をＳＬＭ１２ａ側に配置されている。第１レンズ２１ａは、ＳＬＭ１２ａから出射する変調光を拡大して、＋Ｚ方向（すなわち、図面右方）に出力する。第２レンズ２３ａは、枠なし表示に好適なスクリーンレンズであり、光軸Ｌａ上をＳＳＢフィルタ２２ａを挟んで第１レンズ２１ａから＋Ｚ側に配置されている。第２レンズ２３ａは、第１レンズ２１ａから出力されＳＳＢフィルタ２２ａを通った変調光を平行にして、＋Ｚ方向（すなわち、図面右方）に出力する。

拡大光学系２０ｂ、２０ｃ、２０ｄも、拡大光学系２０ａと同様に構成される。すなわち、拡大光学系２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは、それぞれ、第１レンズ２１ａと同様の第１レンズ２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ及び第２レンズ２３ａと同様の第２レンズ２３ｂ、２３ｃ、２３ｄを含む。

ここで、第２レンズ２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄは、それぞれ矩形状を有し、結像面に平行な一面上に格子状に間隙なく配置されている。拡大光学系２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄにより、それぞれＳＬＭ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄから出射した変調光が拡大され、平行にされ（すなわち、平行光にされ）、そして１つの平行な光束に束ねられて、結像面に向けて＋Ｚ方向に出力される。それにより、ＳＬＭ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄからの出力が結像面上に空間的に配列されて再生波面の全体が生成される、すなわち結像面上に拡大されたホログラムの全体が再生されるとともに、そのホログラムを再生した光束が結像面から平行に＋Ｚ方向に出射する。

拡大光学ユニット２０において、上述のとおり第２レンズ２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄにより変調光を平行光にすることで、任意の数の変調光を、後述する共通光学系３０により１点に集光することができる１つの平行光に束ねることができる。

なお、第２レンズ２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの形状は矩形に限らず、それらを間隙なく一面上に配置することができれば、任意の形状でよい。例えば、六角形状の第２レンズを一面上に六角格子状に配置してもよい。

なお、第２レンズ２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄは、拡大された変調光を平行光にすることから、これらすべてが結像面に平行な一面上に配置されなくてよく、結像面又はこれに平行な別の一面上に配置されてもよく、またそれぞれが結像面に平行な異なる面上に配置されてもよい。

なお、第１レンズ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ及び第２レンズ２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄは、それぞれ、１つのレンズ素子から構成するに限らず、複数のレンズ素子から構成してもよい。それにより、収差を補正してもよい。

なお、拡大光学系２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄがそれぞれ有する第２レンズ２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄのうち、同一面上に隣接して配置された少なくとも２つの第２レンズを、光学接着剤により互いに接続することとしてもよい。それにより、隣接する第２レンズの間隙が光学接着剤により埋められ、それらの隣接する第２レンズをそれぞれ有する拡大光学系２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄから出射する変調光により再生波面を繋ぎ目なく生成して、結像面上にホログラムを再生することができる。

また、後述する制御系４０により、ＳＬＭ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを介して、拡大光学系２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄがそれぞれ有する第２レンズ２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄのうちの少なくとも２つの隣接する第２レンズの間に通る光に対する変調を補正することとしてもよい。例えば、結像歪みにより拡大像が隣接するレンズに入射する場合には、隣接するレンズに入射する部分の画像を表示しないように変調を補正することができる。それにより、隣接する第２レンズをそれぞれ有する拡大光学系２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄから出射する変調光により再生波面を繋ぎ目なく生成して、結像面上にホログラムを再生することができる。

また、拡大光学系２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄから出力される平行光の断面プロファイルにおいて周縁部の光量が低下することがある。そこで、後述する制御系４０により、ＳＬＭ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを介して、平行光の周縁に対して光量を補正することとしてもよい。それにより、拡大光学系２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄから出射する変調光により再生波面を繋ぎ目なく生成して、結像面上にホログラムを再生することができる。

共通光学系３０は、結像面から出射する光束、すなわち拡大光学系２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄからそれぞれ出射する光を束にして集光して三次元的に閉じた視域９９ａを形成するとともに、その視域９９ａを経時的に変更するユニットである。

図３Ａ及び図３Ｂに、共通光学系３０の構成を、それぞれ上面視及び側面視において示す。図中、拡大光学系２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄに含まれる第２レンズ２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄを併せて示す。共通光学系３０は、レンズ素子３１、回転装置３１ａ（図３Ａ及び図３Ｂでは不図示、図５参照）、及び拡散素子３２を含む。

レンズ素子３１は、結像面３０ａ上に配置され、結像面３０ａから出射する光束を集光する光学素子である。ここで、結像面３０ａから出射する光束は、拡大光学系２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄのそれぞれから出力される平行光を束ねたものであり、それらが共通のレンズ素子３１により集光されることで、すべてのチャネルの視域が共通の領域（すなわち、視域９９ａ）内に局在される。

ここで、視域９９ａは、再生波面が瞳孔を介して人の目に入ることでホログラムを視ることができることから、瞳孔のサイズまで縮小することができる。人の瞳孔径は、環境の明るさによって変化し、平均２〜８ｍｍであると言われている。そこで、本実施形態では、視域９９ａの大きさは直径２ｍｍ以上の円を内包する大きさとし、これに応じて見かけのピクセルピッチ、すなわち拡大光学系２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの拡大率を定める。

視域９９ａは、図３Ａに示すように上面視において、Ｚ軸方向に関して、レンズ素子３１の近側にある点ＥＰ１から徐々に広がり、一面９９を経て、遠側にある点ＥＰ２に狭まる三次元空間（図中のハッチングされた領域）として表される。ユーザは、Ｘ軸方向に関して、視域９９ａ内で、結像面３０ａ上に再生されるホログラムの全体を視ることができる。

ここで、レンズ素子３１は、レンズ中心が形状中心からずれた偏心レンズである。これにより、レンズ素子３１を、後述するように、回転装置３１ａにより形状中心を通る回転軸に対して回転することで、レンズ中心軸を通る焦点を回転軸に直交する一面上で移動させることができる。また、本実施形態では、レンズ素子３１として、フレネルレンズを採用する。それにより、レンズ素子３１が薄型・軽量になり慣性モーメントが小さくなるため、大型のレンズを用いて大画面化することができるとともに、より高速で回転してフレームレートをさらに上げることができる。

回転装置３１ａ（図３Ａ及び図３Ｂでは不図示、図５参照）は、レンズ素子３１をその形状中心を通る回転軸に対して回転する装置である。ただし、回転軸は、レンズ素子３１のレンズ中心軸（すなわち、レンズ中心をレンズ面に垂直に通る軸）に平行である。回転装置３１ａは、例えば、レンズ素子３１の外縁を係止してこれを保持する円環状のフレーム（不図示）、フレームの周縁に係合してこれを一方向に駆動することでレンズ素子３１を回転する回転モータ（不図示）、及びレンズ素子３１の回転速度或いは回転量を検出する検出器（不図示）を含んで構成することができる。なお、検出器の検出結果は後述する制御部４１に送信される。

拡散素子３２は、レンズ素子３１に隣接してその＋Ｚ側に配置され、レンズ素子３１から出射する光束を回転軸に交差する方向に拡散する光学素子である。本実施形態では、一例として、交差する方向はＹ軸方向とし、拡散素子３２として光束をＹ軸方向に拡散するレンチキュラーレンズを採用する。

拡散素子３２を通った光束は、図３Ｂに示すように側面視において、レンチキュラーレンズを構成する個々のレンズ要素によりＹ軸方向に拡散されることで、それぞれのレンズ要素から出射する光束のすべてが一面９９上で視域９９ａを含んでＹ軸方向に延びる領域９９ｂに入ることとなる。それにより、ユーザは、Ｙ軸方向に関して、領域９９ｂ内で、結像面３０ａ上に再生されるホログラムの全体を視ることができる。この場合、垂直方向には同一の画像が見える水平視差型のホログラム表示になる。

図４に、共通光学系３０による視域走査の原理を示す。図中、結像面３０ａ上で互いに直交する２軸方向をそれぞれｘ軸方向及びｙ軸方向とする。なお、ｘ軸方向及びｙ軸方向は、それぞれ、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に平行である。また、視域９９ａが形成及び走査される一面９９上で互いに直交する２軸方向をそれぞれｘ'軸方向及びｙ'軸方向とする。なお、ｘ'軸方向及びｙ'軸方向は、それぞれ、ｘ軸方向及びｙ軸方向に平行である。

共通光学系３０において、まず、結像面３０ａから＋Ｚ方向に出射する光束は、レンズ素子３１により視域９９ａ（ただし、拡散素子３２を仮想的に取り外した場合に形成される視域）に向けて集光される。ここで、視域９９ａは、レンズ素子３１が偏心レンズであることで、その形状中心（ｘ軸とｙ軸との交点）からずれたレンズ中心軸Ｌ_３１上に形成される。なお、図示した例では、レンズ中心は結像面３０ａ上で＋ｘ及び＋ｙ側に位置し、視域９９ａは一面９９上で＋ｘ'及び＋ｙ'側に形成されている。

次に、レンズ素子３１から＋Ｚ方向に出射する光束は、拡散素子３２を通ることでｙ軸方向に拡散し、一面９９上で視域９９ａを含んでｙ'方向に延びる領域９９ｂに出力される。それにより、視域９９ａがｙ'方向に延びて領域９９ｂに拡大される。なお、図示した例では、領域９９ｂは＋ｘ'側に位置する。

最後に、回転装置３１ａ（図４では不図示、図５参照）によりレンズ素子３１をその形状中心を通る回転軸Ｌｒに対して矢印方向に連続的に回転する。それにより、レンズ中心軸Ｌ_３１（すなわち、拡散素子３２を仮想的に取り外した場合に形成される視域９９ａ）は、一面９９上で矢印方向に旋回する。ここで、レンズ素子３１から出射する光束は拡散素子３２によりｙ軸方向に拡散されている。従って、レンズ素子３１を回転することにより、拡散素子３２により拡散された光束がｘ軸方向に往復し、それにより領域９９ｂがｘ'軸方向に往復することで、視域が一面９９上で走査される。なお、図示した例では、領域９９ｂは−ｘ'方向に移動する。

なお、本実施形態では、拡散素子３２による光束の拡散方向はＹ軸方向に限らず、任意の方向、例えばＸ軸方向としてもよい。それにより、視域９９ａがｘ'軸方向に拡大され、その拡大された領域がレンズ素子３１の回転によりｙ'軸方向に往復することで、視域が一面９９上で走査されることとなる。

また、拡散素子３２はレンズ素子３１の−Ｚ側に配置することも可能であり、一体化することも可能である。

上述の構成の共通光学系３０により、結像面３０ａから平行に出射する光束を集光して、三次元的に閉じた視域９９ａ（図中のハッチングされた領域）を形成することで、結像面３０ａ上に拡大して再生されたホログラムの全体を視域９９ａ内において視ることができる。さらに、共通光学系３０により、視域９９ａを経時的に変更することで、一面９９上の様々な異なる位置で、結像面３０ａ上に拡大して再生されたホログラムの全体を視ることができる。

なお、レンズ素子３１の偏心率、すなわちレンズ中心軸Ｌ_３１と回転軸Ｌｒとのずれは、水平方向に関する視域９９ａの拡大率に応じて定めることとする。ここで、レンズ素子３１を回転することにより一面９９上で視域９９ａ（すなわち、領域９９ｂ）がｘ軸方向に走査される範囲は、レンズ素子３１の偏心率の２倍と与えられる。そこで、所望する視域９９ａの拡大率に応じてレンズ素子３１の偏心率を定めることで、視域９９ａが走査される範囲が拡がり、視域９９ａを実効的に拡大することができる。

なお、共通光学系３０において、回転装置３１ａによりレンズ素子３１を連続回転して、視域９９ａ（すなわち、拡大された領域９９ｂ）を一面９９上で走査することとしたが、これに限らず、ホログラムを視る１又は複数のユーザ（の特に目）の動きを検出し、回転装置３１ａによりレンズ素子３１をユーザの動きに追従して回転することとしてもよい。それにより、ＳＬＭ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄにより低いフレームレートでレーザ光を変調して、そのユーザに対してホログラムの全体を再生することができる。

図５に、制御系４０の構成を示す。制御系４０は、ホログラム表示装置１の構成各部を統括制御するユニットであり、光源１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、ＳＬＭ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、回転装置３１ａ、及びこれらを制御する制御部４１を含む。制御部４１は、例えば、コンピュータ、マイクロコントローラ等を含む情報処理装置に制御用プログラムを実行させることによってその機能が発現される。

制御部４１は、ホログラムの再生波面情報、ホログラムパターン、フレームレート等の情報を記憶装置（不図示）内に有し、これらの情報に基づいてＳＬＭ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄによるレーザ光の変調を制御する。例えば、制御部４１は、回転装置３１ａの検出器（不図示）を用いてレンズ素子３１の回転位置を検出し、その検出結果より視域９９ａ（すなわち、領域９９ｂ）のＸ軸方向に関する位置を特定し、その位置に応じて再生波面情報に基づきＳＬＭ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄによるレーザ光の変調を制御する。このようにレンズ素子３１の回転に同期してホログラムの像を生成することで、移動する視域９９ａの位置に応じてその位置から視ることのできるホログラムの像をそれぞれ生成することができる。

また、再生されるホログラムの像にディストーションが生じる場合、制御部４１は、ＳＬＭ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに表示するホログラムパターンを逆に変形することにより、ディストーションを補償することとしてもよい。

なお、共通光学系３０において、レンズ素子３１及び拡散素子３２は、レンズ素子３１を回転させるために、わずかに離間して配置されている。円周上を回転する視域９９ａにレンズ素子から光が集光する際に、レンズ素子と拡散板が一致していれば、拡散板での光の拡散位置は視域９９ａの円周上の位置によらず一定である。しかし、レンズ素子と拡散板が離間していると、拡散板での光の拡散位置は視域９９ａの円周上の位置によって変化する。拡散板がＹ軸方向に光を拡散する場合には、レンズ素子の回転角によって、ホログラムの像がｙ' 軸方向に移動して見えることになる。

そこで、制御部４１は、共通光学系３０におけるレンズ素子３１と拡散素子３２との間の離間距離に応じて、ホログラムの像の位置がｙ'軸方向に逆に移動するように、ＳＬＭ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄによるレーザ光の変調を補正することとしてもよい。それにより、回転装置３１ａによりレンズ素子３１を回転した際に、ｙ'軸方向に関して異なる拡散素子３２上の位置に入る光束により領域９９ｂ内で視ることのできるホログラムの像を一致させることができる。

図６に、一実施例にかかるホログラム表示装置により得られたホログラム像を示す。本実施例のホログラム表示装置は、２つの光源、２つのＳＬＭ、及び２つの拡大光学系を備える２チャネル型のホログラム表示装置とした。２つの拡大光学系は光軸に直交する面内で水平方向に並設した。

２チャネル型のホログラム表示装置の空間光変調ユニットにおいて、光源として波長６３５ｎｍの半導体レーザを使用し、レーザ光を２分岐して２チャンネルで用いた。ＳＬＭとして、Ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ^ＴＭ４１００（Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．）のデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）を使用した。ＤＭＤは、ピクセルピッチ１３．６８μｍ、解像度１，０２４×７６８、及びフレームレート２２，７２７Ｈｚを有する。

拡大光学ユニットにおいて、拡大光学系の拡大倍率は７．４３倍とし、ホログラムが再生される結像面上の画面サイズを１５６×１０４ｍｍ^２及び見かけのピクセルピッチを１０２μｍとした。それにより、視域は、幅５．００ｍｍに縮小される。

共通光学系において、レンズ素子として有効径２００ｍｍのフレネルレンズを使用した。拡散素子として、レンチキュラーレンズを使用した。回転装置として、ＤＣモータを使用した。ここで、回転数を１，８００ｒｐｍとして、ホログラムのフレームレートを６０Ｈｚとした。なお、１回の水平走査により１８９の視域が水平方向に並ぶことになる。フレネルレンズの回転軸とレンズ中心軸との距離を３１５ｍｍとして、視域の走査距離は６３０ｍｍとなった。フレネルレンズの焦点距離を８００ｍｍとして、視域の形成距離は８００ｍｍとなり、視域角は４３．０度となった。

図６の４つの段に、それぞれ異なる物体「apple」、「head」、「T-REX」、及び「castle」のホログラムを、５つの異なる水平位置（左から、−３１５ｍｍ、−１５８ｍｍ、０ｍｍ、１５８ｍｍ、３１５ｍｍ）から撮影した写真を示す。水平視域が広く、両眼でホログラムの再生像を観察することができ、頭を左右に大きく動かすことができた。また、再生像は滑らかな運動視差を有していた。

なお、本実施形態に係るホログラム表示装置１は一例として４チャネル型としたが、これに限らず、２、３、又は５以上のマルチチャネル型としてもよい。それに応じて、拡大光学系、光源、及びＳＬＭの数が定まる。また、拡大光学系２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを２行２列に配列するに限らず、拡大光学系の数に応じて、任意に配列してよい。例えば２つの拡大光学系を２行又は２列に配列してもよい。

なお、本実施形態に係るホログラム表示装置１では、ホログラムが再生される結像面は、共通光学系３０に含まれるレンズ素子３１のレンズ面上に位置するものとした、換言するとレンズ素子３１を結像面上に配置することとしたが、結像面３０ａに入力される光束は、拡大光学系２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄのそれぞれから出力される平行光を束ねてなる平行光であることから、結像面３０ａとレンズ素子３１のレンズ面とは一致する必要はなく、離間してもよい。

本実施形態に係るホログラム表示装置１は、例えば、次の分野において応用することができる。（１）立体テレビ。現在の立体テレビを視るには専用メガネの装着を要する。しかし、視覚疲労を伴うため長時間の視聴には適当でない。そこで、電子ホログラフィを原理とする立体テレビが実現できれば、専用メガネを要しないため、立体テレビの普及に寄与すると期待される。（２）ロボット手術、腹腔鏡手術。本実施形態に係る電子ホログラフィ技術は視覚疲労のない高精細な立体表示を実現することができる。そこで、これらの分野において、高精細な立体像を長時間表示するディスプレイとしての利用が期待される。（３）ロボットの遠隔操作。ロボットを遠隔操作するのにその立体視が必要である。現在の技術では、専用メガネの装着を要する立体ディスプレイが利用されている。しかし、視覚疲労を伴うため、長時間の利用に適当でない。また、運動視差がないため微細な操作が難しいなどの問題もある。そこで、本実施形態に係る電子ホログラフィ技術によりこれらの問題を解決できると期待される。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１…ホログラム表示装置、１０…空間光変調ユニット、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ…光源、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ…空間光変調器（ＳＬＭ）、２０…拡大光学ユニット、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ…拡大光学系、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ…第１レンズ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ…シングルサイドバンド（ＳＳＢ）フィルタ、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ…第２レンズ、３０…共通光学系、３０ａ…結像面、３１…レンズ素子、３１ａ…回転装置、３２…拡散素子、４０…制御系、４１…制御部、９９…一面、９９ａ…視域、９９ｂ…領域、Ｌ_３１…レンズ中心軸。

Claims (16)

1. ホログラムの再生波面情報に基づいて、それぞれ、入射したレーザ光を変調して再生波面の一部を空間的に生成する複数の空間光変調器と、
   前記複数の空間光変調器にそれぞれ対応して設けられ、対応する空間光変調器から出射する変調光を拡大し、平行にして、前記ホログラムが結像される結像面に空間的に配列して前記再生波面を生成する複数の拡大光学系と、
   前記結像面から出射する光束を集光して、三次元的に閉じた視域を形成する共通光学系と、
   を備えるホログラム表示装置。
2. 前記複数の拡大光学系は、それぞれ、光を拡大する第１レンズ及び該第１レンズを通った光を平行にする第２レンズを有し、
   前記複数の拡大光学系がそれぞれ有する前記第２レンズは、前記結像面又は該結像面に平行な一面上に配置される、請求項１に記載のホログラム表示装置。
3. 前記複数の空間光変調器は、前記複数の拡大光学系がそれぞれ有する前記第２レンズのうちの少なくとも２つの隣接する第２レンズの間に通る光に対する変調を補正する、請求項２に記載のホログラム表示装置。
4. 前記共通光学系は、前記視域を経時的に変更する、請求項１から３のいずれか一項に記載のホログラム表示装置。
5. 前記共通光学系は、前記結像面から出射する光束を集光するレンズ素子と、該レンズ素子をレンズ中心軸と平行な回転軸に対して回転する回転装置と、前記レンズ素子から出射する光束を前記回転軸に交差する拡散方向に拡散する拡散素子と、を含む、請求項４に記載のホログラム表示装置。
6. 前記共通光学系は、前記回転装置により前記レンズ素子を連続回転する、請求項５に記載のホログラム表示装置。
7. 前記レンズ中心軸と前記回転軸とのずれは、前記回転軸と前記拡散方向とに交差する方向に関する前記視域の拡大率に応じて定められる、請求項６に記載のホログラム表示装置。
8. 前記共通光学系は、前記回転装置により前記レンズ素子を前記ホログラムを視るユーザの動きに追従して回転する、請求項５に記載のホログラム表示装置。
9. 前記レンズ素子は、偏心レンズである、請求項５から８のいずれか一項に記載のホログラム表示装置。
10. 前記レンズ素子は、フレネルレンズである、請求項５から９のいずれか一項に記載のホログラム表示装置。
11. 前記ホログラムの再生波面情報に基づいて前記複数の空間光変調器によるレーザ光の変調を制御する制御部をさらに備える、請求項５から１０のいずれか一項に記載のホログラム表示装置。
12. 前記制御部は、前記回転装置による前記レンズ素子の回転位置に応じて前記複数の空間光変調器によるレーザ光の変調を制御する、請求項１１に記載のホログラム表示装置。
13. 前記制御部は、前記レンズ素子と前記拡散素子との間の離間距離に応じて前記複数の空間光変調器によるレーザ光の変調を補正する、請求項１１又は１２に記載のホログラム表示装置。
14. 前記拡散素子は、レンチキュラーレンズである、請求項１３に記載のホログラム表示装置。
15. 前記複数の空間光変調器は、ＭＥＭＳ型ＳＬＭである、請求項１から１４のいずれか一項に記載のホログラム表示装置。
16. 前記複数の拡大光学系のそれぞれの内に、対応する空間光変調器から出射する変調光のゼロ次光と共役光をカットするフィルタを備える、請求項１５に記載のホログラム表示装置。