JP4305012B2 - ホログラム動画表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラム技術を用いて３次元動画あるいは２次元動画を可能にしたホログラム動画表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、立体動画を得るホログラム動画表示装置としては、代表的なものを挙げると、特許文献１に記載のものが知られている。このホログラム動画表示装置は、レーザを光源とし、音響光学式変調器（ＡＯＭ）を用いて成り、このＡＯＭにレーザ光を入射することで回折光を得、この回折光をミラーで走査して、ホログラム像を得るようにしている。
図７は、ホログラム動画表示装置の概略的構成を示す。このホログラム動画表示装置１では、画像の水平方向の１ライン分に相当する干渉縞がコンピュータで計算され、計算されたホログラムデータ２が音響光学式変調器（ＡＯＭ）３に入力される。音響光学式変調器３内部では入力された干渉縞の強度分布にしたがって屈折率分布が生じる。この屈折率分布によって、フーリエ変換レンズ４を通じて音響光学式変調器３に照射された赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）のレーザ光５が回折される。この回折光で水平方向の再生像が得られる。屈折率分布は音速で音響光学式変調器３の内部を移動するので、再生された像も同じ速度で移動する。そこで、ポリゴンミラー６を逆方向に同期をとって回転させ、回折光を静止させる。このようにして、音響光学変調器３からの回折光で水平方向の１ラインの再生画像が得られる。音響光学式変調器３で回折された水平方向の１ライン分の３色のレーザ光５は、ＨＯＥビーム結合器７で１本にまとめられ、ミラー８で光路変更され、ガルバノミラー９により垂直方向に走査して１画面の立体画像１０が得られる。この立体再生画像１０は、拡大投影レンズ１２、垂直拡散板１１を通して観察者に観取される。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第５１７２２５１号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の音響光学式変調器（ＡＯＭ）を使用したホログラム表示装置は、音響光学式変調器の帯域幅の制限で垂直方向の走査線の数が１４４本と非常に少ないものであり、高画質のホログラム画像が得られ難かった。
【０００５】
本発明は、上述に点に鑑み、ホログラム技術を用いて高画質の３次元動画、２次元動画を実現し得るようにしたホログラム動画表示装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るホログラム動画表示装置は、ホログラム動画データ及び光学系制御信号を供給する手段と、この手段からホログラム動画データ（以下、ホログラムデータという）が供給される１次元の光回折型ＭＥＭＳアレイと、光回折型ＭＥＭＳアレイへ照射して１次元ホログラムパターンを形成するためのレーザ光を出射するレーザ光源と、上記手段から供給された光学系制御信号により駆動され、１次元ホログラムパターンを走査して２次元ホログラムパターンとする走査ミラーと、走査ミラーの駆動に同期して上記手段から供給された光学系制御信号により参照光を出射するレーザ光源と、走査ミラーからの２次元ホログラムパターンが投影されるフォトリフラクティブ薄膜を有するスクリーンとを有する。そして、本発明は、スクリーンの端面から参照光を入射して前記フォトリフラクティブ薄膜に形成されたホログラムパターンをエッジリット方式により再生してスクリーンにホログラム動画像を表示するようにして成る。
【０００７】
光回折型ＭＥＭＳアレイの反射光側の前面には、各画素に対応する光回折型ＭＥＭＳピクセルに対して＋１次回折光と−１次回折光を反射してフォトリフラクティブ薄膜上にホログラムパターンとなる干渉縞を得るように集光させるための一対のミラーを配置することができる。
【０００８】
参照光には、赤色、緑色及び青色のレーザ光を用いることができる。スクリーンの前面には、ホログラム動画像を巨視化するためのフレネルレンズを配置することができる。ホログラムデータは、数値計算されたホログラムデータを用いる。ホログラムデータとしては、３次元ホログラムデータ、又は２次元ホログラムデータ、又は３次元と２次元のホログラムデータを組み合わせたホログラムデータとすることができる。
【０００９】
本発明のホログラム動画表示装置では、スクリーンにフォトリフラクティブ部材を用いるので、瞬時にホログラムパターンの書き込み、消去が可能になる。この ホログラムパターンに参照光を入射することにより、スクリーン上に再生されたホログラム像が得られる。水平方向の画素数、垂直方向の走査線数の増大化が可能になる。従って、高画質のホログラム動画表示ができる。
回折型ＭＥＭＳアレイを用いるときは、マイクロ秒の駆動が可能になり、動的なホログラムパターンの書き込み、ホログラム像の再生が可能になる。
【００１０】
１次元の回折型ＭＥＭＳアレイと、走査ミラーとを有し、１次元ホログラムパターンを走査ミラーで２次元ホログラムパターンとするときは、フォトリフラクティブ部材に１フレームのホログラムパターンが書き込まれる。
フォトリフラクティブ部材に形成されたホログラムパターンを、スクリーンの端部から参照光を入射するエッジリット方式で再生するときは、ホログラムパターンが比較的薄い透明媒体を介して比較的大きな角度で再生されてホログラム像が得られる。このため、再生光（参照光）に関与しない光が、全反射条件により透明媒体内に閉じ込められ外部に漏れない。また、再生光の入射角度が大きいので、透明媒体の外部からの光によって像再生されない。
【００１１】
参照光として赤色、緑色及び青色のレーザ光を用いることにより、カラーホログラム像が得られる。スクリーンの前面にフレネルレンズを配置するときは、再生した動画像の巨視化を可能にする。
ホログラムデータとして、数値計算されたホログラムデータを用いるときは、ホログラム動画表示が可能になる。ホログラムデータとして３次元ホログラムデータを用いるときは、立体ホログラム動画が表示される。ホログラムデータとして２次元ホログラムデータを用いるときは、２次元ホログラム動画が表示される。ホログラムデータとして３次元ホログラムデータと２次元ホログラムデータを組み合わせたホログラムデータを用いるときは、３次元画面の一部に２次元画面が表示され、あるいは逆に２次元画面の一部に３次元画面が表示されたホログラム動画が得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明のホログラム動画表示装置の実施の形態を説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係るホログラム動画表示装置の一実施の形態を３次元（立体）動画表示に適用した場合の概略構成を示す。
本実施の形態に係るホログラム動画表示装置２１は、ホログラムデータ（いわゆるホログラム動画データ）及び光学系制御信号を供給する手段２２と、このホログラムデータ及び光学制御信号の供給手段２２からのホログラムデータが入力される光回折器２３と、光回折器２３へ照射して回折像を形成するためのレーザ光を出射するレーザ光源２４と、ホログラム像を映し出すためのフォトリフラクティブ効果を持つ部材２５、即ちフォトリフラクティブ材料による薄膜２５を有したスクリーン２６と、参照光となるレーザ光を出射するレーザ光源２７と、１次元のホログラムパターンを走査して２次元のホログラムパターンにするための走査ミラー２８とを備えて成る。
【００１４】
ホログラムデータ及び光学系制御信号供給手段２２は、コンピュータ等の計算機、例えば演算回路を備えている。この手段２２からは、演算回路で数値計算されたホログラムデータ、いわゆるホログラム動画データが出力される。ホログラム動画データとしては、表示画像に応じて例えば３次元（立体）ホログラム動画データ、又は２次元ホログラム動画データ、又は立体動画と２次元動画（例えば文字、その他など）が表示される場合は、３次元ホログラム動画データと２次元ホログラム動画データを組み合わせたホログラム動画データとすることができる。また、この手段２２からは、光回折器２３、走査ミラー、参照光を出射するレーザ光源２７〔２７Ｒ，２７Ｇ，２７Ｂ）、さらに必要に応じて上記光源２４等を制御する制御信号が供給される。
【００１５】
回折像形成用のレーザ光源２４は、１本のコヒーレントなレーザ光を出射する１つのレーザ光源である。レーザ光源２４からのレーザ光は、例えばシリンドリカルレンズ系２９を通してシート・ビームに形成され、光回折器２４に入射するようになされる。
【００１６】
光回折器２３は、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）、例えば回折型ＭＥＭＳで構成された静電駆動型のアレイが用いられる。本例では回折型ＭＥＭＳアレイであるＧＬＶ（Ｇｒａｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｖａｌｖｅ）アレイにより構成される。この光回折器となるＧＬＶアレイ２３は、１ライン上に配列された複数本、例えば６０００本以上のリボン状ミラー（以下、単にリボンという）からなり、１画素に６本のリボンが割り当てられて形成される。１画素に対応する６本のリボンは、そのうちの１本置きの３本が可動リボンであり、残りの３本が固定リボンであり、電圧印加により可動リボンが変位して回折格子化し、光を振幅変調する。従って、このＧＬＶアレイ２３は、一次元の光変調器アレイであり、ＧＬＶアレイ２３にレーザ光源２４からのレーザ光を照射したとき一次元の光回折器として機能する。１画素に対応するＧＬＶの構成は後述する。
【００１７】
参照光用の赤、緑及び青のレーザ光源２７〔２７Ｒ，２７Ｇ，２７Ｂ〕から出射したレーザ光４６〔４６Ｒ，４６Ｇ，４６Ｂ〕はシリンドリカルレンズ系４７〔４７Ｒ，４７Ｇ，４７Ｂ〕により水平方向に長いシート・ビームに形成され、例えばガルバノミラー、ポリゴンミラー等の走査ミラー４８〔４８Ｒ，４８Ｇ，４８Ｂ〕にて垂直方向の走査されてフォトリフラクティブ薄膜２５の裏面に入射されるようになされる。レーザ光源２７〔２７Ｒ，２７Ｇ，２７Ｂ〕には、１水平ラインのホログラムデータに同期した制御信号が供給される。
【００１８】
ホログラムデータ及び光学系制御信号供給手段２２からのホログラムデータは、光回折器として機能するＧＬＶアレイ２３に供給され、可動リボンを駆動する。レーザ光源２４からのレーザ光がＧＬＶアレイ２４に照射されると、ＧＬＶアレイ２３から±１次回折光が反射される。この±１次回折光をフォトリフラクティブ薄膜２５上に集光させることで、フォトリフラクティブ材料で形成したフォトリフラクティブ薄膜２５上に干渉縞、即ちホログラムパターンが書き込まれる。
【００１９】
走査ミラー２８としては、例えばガルバノ・ミラーやポリゴン・ミラーなどを用いることができる。本例ではガルバノ・ミラーを用いる。
ＧＬＶアレイ２３とガルバノ・ミラー２８との間には、ＧＬＶアレイ２３からの回折光（後述の±１次回折光）をガルバノ・ミラー２８で反射してスクリーン２６のフォトリフラクティブ薄膜２５に集光させるための投射レンズ３６が配置される。また、投射レンズ３６の前面側には、ＧＬＶアレイからの±１次回折光以外の例えば０次光、高次回折光をカットするシュリーレン・フィルタ３８が配置される。
【００２０】
後述で明らかになるように、スクリーン２６を構成するフォトリフラクティブ薄膜２５の観察者３０側の表面には、参照光を照射して得られる画像光を垂直方向に拡散させるための散乱部材、本例ではマイクロレンズアレイ３２が設けられる。このマイクロレンズアレイ３２は、１水平ラインの画素に対応して水平方向に延びるかまぼこ型レンズが画素の水平ライン数と同じ数だけ垂直方向に配列されて成る。また、フォトリフラクティブ薄膜２５の裏面には、例えばガラス、プラスチック（アクリル、ポリカーボネートなど）等の透明媒体（例えば透明板）３３及びその裏面に光選択透過膜３４が配置される。光選択透過膜３４は、ＧＬＶアレイ２３からのレーザ光のみを選択的に透過し、可視光等の他の光を吸収する性質を有した膜である。ＧＬＶアレイ２３からスクリーン２６裏面に入射される光は、可視光でなく赤外光又は紫外光のレーザ光である。光選択透過膜３４はこの赤外光又は紫外光を透過する。スクリーン２６は、この光選択透過膜３４、透明媒体３３、フォトリフラクティブ薄膜２５及びマイクロレンズアレイ３２により構成される。このスクリーン２６の前面には、ホログラム動画像を巨視化するためのフレネルレンズ３７が配置される。
【００２１】
フォトリフラクティブ薄膜２５に形成されたホログラムパターンを再生するめの参照光としては、レーザ光が用いられる。再生用のレーザ光源２７としては、赤、緑、青のコヒーレントな光源であって、例えば赤は波長６４２ｎｍの半導体レーザ２７Ｒ、緑は波長５３２ｎｍの固体レーザ２７Ｇ、青は波長４５７ｎｍの固体レーザ２７Ｂを用いることができる。
【００２２】
参照光の照射方式としては、エッジリット方式が好ましい。本例では参照光のレーザ光は、スクリーン２６の端部から入射してホログラムパターンが形成されているフォトリフラクティブ薄膜２５の裏面に照射される。このエッジリット方式、いわゆるエジリットホログラムを採用して再生動画像を得るように構成される。
【００２３】
エッジリット方式によるホログラム表示では、フォトリフラクティブ薄膜２５の裏面に配した例えば厚さ数センチのガラス又は光学プラスチック等による透明媒体３３の端部から参照光のレーザ光を入射する。通常のホログラムは、再生光源とホログラムが空間的に離れているため、広い空間を必要とし、適切な条件でホログラムを再生するには、ホログラムと光源の位置関係を適切に設定する必要がある。
一方、エッジリットホログラムは、再生光源とホログラムを一体化することで、照明のための空間が不要となり、ホログラムが比較的薄い透明媒体３３を介して比較的大きな角度で再生できる。このため、次の利点がある。再生光に関与しない光が、全反射条件によって透明媒体３３内に閉じ込められ外部に漏れない。再生光の入射角度が大きいために、透明媒体の外部からの光によって像が再生されない。
【００２４】
ＧＬＶアレイ２３からの±１次回折光を集光させてフォトリフラクティブ薄膜２５上に干渉縞、即ちホログラム像を形成する光学系の概略を図２を用いて説明する。図２に示すように、１水平ラインの画素数に対応した多数個のＧＬＶピクセル２３′を１次元配列したＧＬＶアレイ２３が配置される。ＧＬＶアレイ２３の反射光側の前面には、各画素に対応する１ＧＬＶピクセル２３′に対して＋１次回折光４１ａと−１次回折光４１ｂを夫々反射してスクリーン２６上に集光させるための一対のミラー４２〔４２ａ，４２ｂ〕が配置される。レーザ光源２４からのレーザ光４４を１次元ＧＬＶアレイ２３の各ＧＬＶピクセル２３′に照射して発する反射光は、各ＧＬＶピクセル２３′の前面に配置されたシュリーレン・フィルタ３８（図１参照）により±１次回折光成分以外が除去される。結果として各ＧＬＶピクセル２３′から発するのは±１次回折光４１ａ，４１ｂのみとなる。この±１次回折光４１ａ及び４１ｂがミラー４２ａ，４２ｂで反射され、投影光学系、即ち投射レンズ３６（図１参照）によりフォトリフラクティブ薄膜２５で構成されたスクリーン２６上に集光されて干渉縞、即ちホログラムパターンが形成される。ここで、ミラー４２ａ，４２ｂは固定であり、ＧＬＶアレイ２３とミラー４２ａ，４２ｂとスクリーン２６との相互の距離も決まっている。
【００２５】
一方、スクリーン２６は、上述したようにフォトリフラクティブ効果を有する薄膜２５で構成される。ここで、フォトリフラクティブ効果について図３を用いて説明する。
同じ波数を持つ平面波が、結晶表面に対称的な角度で入射したとする。この２光波混合が、フォトリフラクティブ効果のもっとも基本的な配置である。その場合のフォトリフラクティブ効果の立ち上がりは次のような各ステージからなる。光が干渉してフォトリフラクティブ効果を有する膜に、周期的な強度分布を持った光干渉縞ができる。山部が明るい部分、谷部が暗い部分である（図３Ａ参照）。光強度に比例した数密度で正負の電荷が発生する。即ち、電子ー正孔対が励起される。電子は補足されて動けないが、正孔は熱的に全体に拡散する（図３Ｂ参照）。干渉縞の明るい部分はマイナスに、暗い部分はプラスに帯電することになる（図３Ｃ参照）。その結果、明るい部分と暗い部分との間に電界Ｅ（空間電場）が発生する（図３Ｄ参照）。この電界Ｅにより屈折率ｎが変化し、屈折率の高低による格子縞が形成される（図３Ｅ参照）。ここで、屈折率の変化は干渉縞の明るい部分と暗い部分の中間のところで生じ、屈折率格子は干渉縞からπ／２だけ位相がずれる。
【００２６】
このようなフォトリフラクティブ効果を示すフォトリフラクティブ材料には、無機材料と有機材料がある。無機材料としては、例えばＬｉＮｂＯ3 、ＦｅなどをドープしたＬｉＮｂＯ3 ：ＦｅやＢａＴｉＯ3 、ビスマスシリコンオキサイド（ＢＳＯ）、ＰＬＺＴセラミック等が挙げられる。
また、有機材料としては、長鎖状共役分子またはポリマーからなる共役主鎖上にキャリアトラップが設けられている高分子材料で、光導電性高分子ポリビニルカルバゾールにアゾベンゼン系のＮＬＯ色素を大量に混ぜたものや、（ＤＥＨ）を３０ｗｔ％、電子補足剤（ＴＮＦ）を１ｗｔ％混合した薄膜などが挙げられる。次に示す材料はその一例である。
【００２７】
【化１】
【００２８】
【化２】
【００２９】
【化３】
【００３０】
【化４】
【００３１】
【化５】
【００３２】
【化６】
【００３３】
上述したように、フォトリフラクティブ薄膜２５にＧＬＶアレイ２３からの±１次回折光が集光し、±１次回折光の交差部に干渉縞が発生する。この干渉縞の明暗には電子と正孔が発生し、このうち電子は強誘電体結晶中の自発分極に基づく内部電界によって干渉縞の暗い部分に移動し、結晶中に局所的な周期的屈折率変化を発生させる。フォトリフラクティブ効果は、光が干渉しないと発現しない。従って、屈折率を変えた部分で±１次回折光が交差・干渉するように、ＧＬＶピクセル２３′のリボンの上下と、回折光の走査ミラー２８の動きを動的に調整することで、フォトリフラクティブ薄膜２５からなるスクリーン２６上に干渉縞を形成することができる。これにより、フォトリフラクティブ薄膜２５中にホログラムデータを書き込むことが可能となる。
後述するように、フォトリフラクティブ材料からなるスクリーン２６上に動的なホログラムパターンが描かれ、このホログラムパターンに参照光を照射することにより、ホログラム動画表示が可能になる。
【００３４】
図４は、１画素に対応する１ＧＬＶピクセル２３′の概略構成を示す。このＧＬＶピクセル２３′は、基板５１上に共通の基板側電極５２が形成され、この基板側電極５２と空間５６を挟んで対向するように、支持部を介して絶縁膜５３とその表面を被覆する反射膜を兼ねる駆動側電極５４からなる６本のリボン５５〔５５1 、５５2 、５５3 、５５4 、５５5 、５５6 〕が形成されて成る。このＧＬＶピクセル２３′は、リボン５５がいわゆる両持ち梁構造である。基板５１は例えばシリコン基板上に絶縁膜を有して形成される。リボン５５を構成する絶縁膜５３は例えばシリコン窒化まく形成され、駆動側電極５４は例えばアルミニウム（Ａｌ）膜で形成することができる。１ＧＬＶピクセル２３′は、１本置きの３本のリボン５５1 、５５3 、５５5 が基板側電極５２と駆動側電極５４間に印加する電気信号（即ち電圧）、本例ではホログラムデータで基板側電極５２に対して静電力で近接、離間する可動リボンである。その他のリボン５５2 、５５4 、５５6 は固定リボンとなる。図４Ａは、１本置きのリボン５５1 、５５3 、５５6 が基板側電極５２に引き寄せられた状態を示している。このとき、６本のリボン５５が１本置きに沈み込んで回折格子を形成する。
【００３５】
ＧＬＶピクセル２３′は、可動リボン５５1 、５５3 、５５5 の表面で反射するレーザ光の位相と、固定リボン５５2 、５５4 、５５6 の表面で反射するレーザ光の位相との差がアナログ的に制御される。例えば位相の差が０とλ／４の間でアナログ的に制御される。例えば、レーザ光がこのＧＬＶピクセル２３′に対して垂直に入射した場合を考える。６本のリボン５５が同一平面を形成していれば、図５Ａに示すように、レーザ光はそのまま垂直に反射する。このときリボン５５表面における反射光の波面Ｗ0 は、破線で示すようになっている。この反射光は０次光である。一方、リボン５５が１本置きに下がっていれば、図５Ｂに示すように垂直に反射する０次光の他に、回折により±１次光が発生する。±１次光の波面Ｗ1 、Ｗ2 は、実線で示すようになっている。２次以上の回折光も発生しているが、この強度は無視できる程度に小さい。図６は、このようなＧＬＶ素子ピクセル２３′が基板上に多数（例えば１０００個）、本例では画像の水平方向に沿うように、例えば立体像の水平方向の情報が入射されるように配列された１次現ＧＬＶアレイ２３を示す。このＧＬＶアレイ２３は、入射した光の反射光の位相を各ＧＬＶピクセル２３′毎に変更できる。
【００３６】
次に、図１のホログラム動画表示装置２１の概略の動作を説明する。３次元（立体）動画表示を例にとる。
図１に示すように、ホログラムデータ及び光学系制御信号の供給手段２２から３次元ホログラム動画データが１次元ＧＬＶアレイ２３に入力される。３次元ホログラム動画データは、立体像の１水平ライン毎のホログラムデータとして順次ＧＬＶアレイ２３入力され、ＧＬＶアレイ２３の画素に対応する各ＧＬＶピクセル２３′の可動リボン１５〔１５1 、１５3 、１５5 〕が画素データに応じて駆動される。レーザ光源２４により明るさを調整する場合には、レーザ光源２４に１水平ライン毎のホログラムデータに同期した制御信号がレーザ光源２４に供給され、回折格子形成用のレーザ光４４が出射される。レーザ光源２４により明るさを調整する必要がない場合には、常時レーザ光源２４から回折格子形成用のレーザ光４４が出射される。
【００３７】
レーザ光源２４からレーザ光がシリンドリカルレンズ系２９を通じてシート・ビーム４４としてＧＬＶアレイ２３に入射される。ＧＬＶアレイ２３で反射された±１次回折光４１ａ，４１ｂは、ミラー４２ａ，４２ｂで反射され、投射レンズ３６を通して走査ミラー２８で反射され、スクリーン２６のフォトリフラクティブ薄膜２５上に集光し、干渉縞、即ち１水平ラインのホログラムパターンを形成する。走査ミラー２８は、ホログラムデータ及び光学系制御信号の供給手段２２からの１水平ライン毎のホログラムデータに同期した制御信号により駆動され、ＧＬＶアレイ２３からのシート・ビーム（±１次回折光）を垂直方向に走査する。これにより、スクリーン２６のフォトリフラクティブ膜２５上に１フレームの３次元ホログラムパターンが書き込まれる。
【００３８】
１水平ラインのホログラムデータの垂直方向の走査、従って走査ミラー２８の駆動に同期して、供給手段２２からの制御信号が参照光用の赤、緑及び青のレーザ光源２７〔２７Ｒ，２７Ｇ，２７Ｂ〕に供給される。また、走査ミラー４８〔４８Ｒ，４８Ｇ，４８Ｂ〕は、走査ミラー２８の制御信号に同期した制御信号が供給手段２２から供給される。各レーザ光源２７Ｒ〜２７Ｂからは、参照光となる赤レーザ光４６Ｒ、緑レーザ光４６Ｇ及び青レーザ光４６Ｂが出射される。これらのレーザ光４６Ｒ，４６Ｇ，４６Ｂは、各シリンドリカルレンズ系４７〔４７Ｒ，４７Ｇ，４７Ｂ〕を通してシート・ビームとなり、走査ミラー４８〔４８Ｒ，４８Ｇ，４８Ｂ〕で反射され、１本のレーザ光に纏められてスクリーン２６の端部から透明媒体３３を通してフォトリフラクティブ薄膜２５の裏面にホログラムパターンの書き込みに同期して垂直方向に走査しながら照射される。この参照光の照射により、１フレームの立体画像が再生される。
【００３９】
フォトリフラクティブ薄膜では、ホログラムデータを書き込むレーザ光４４が照射され光の干渉が生じている間はフォトリフラクティブ効果が発現しホログラムパターンが書き込まれるが、レーザ光４４が照射されなくなるとフォトリフラクティブ効果が発現せず、書き込まれていたホログラムパターンは直ちに消え初期状態に戻る。 このようにして、レーザ光４４により次のフレームのホログラムパターンが書き込まれると共に、レーザ光４６による参照光で立体画像（ホログラム像）が再生され、順次各フレームの立体画像が再生されることで立体ホログラム動画像４９が表示される。立体ホログラム動画像４９は、スクリーン２６の前面に配置したフレネルレンズ３７によって拡大されて観察者３０に観察される。
【００４０】
エッジリット方式で照射された光は、干渉縞がない所では裏面側に反射するが、干渉縞が有る所では前方に散乱する。スクリーン２６の前面側から見るとバックが黒であって、ここに点で光っているので、奥行き感があるように見える。
【００４１】
本実施の形態のようにＧＬＶアレイ２３を利用して垂直走査によるホログラム動画表示の場合、１水平ライン毎の情報量は約６Ｍｂｉｔｓとなる。このようなホログラムデータを、制御用コンピュータからＧLVアレイ２３に送る場合、伝送線路の情報伝達速度が足りないときには、ホログラムデータに圧縮をかけて送り、ＧＬＶアレイ２３の前にある電子回路によってデータの圧縮を解きGLVアレイ２３に送っても良い。
【００４２】
動画ホログラムには大きな情報量が必要になる。そこで、現実的な実施の形態としては、ホログラムデータを水平方向のみとし、垂直方向は通常の結像データとするのがよい。ＧＬＶアレイ等の光回折器２３で投影する場合は、水平方向を一ラインのホログラムデータとし、このホログラムデータを垂直方向にビデオレート（例えば１秒間に３０回）で走査する必要がある。参照光（再生光）は水平方向のホログラムデータの走査に同期して透明媒体の端部より走査して照射するのが望ましい。ホログラムデータが水平方向のみである場合、フォトリフラクティブ薄膜２５の前面に設けたマイクロレンズ３２により、再生されたホログラム画像光が垂直方向に拡散され、垂直方向が繋がって見える。
【００４３】
上述の本実施の形態に係る立体ホログラム動画表示装置によれば、ホログラムパターンの書き込みに回折型ＭＥＭＳアレイ、例えばＧＬＶアレイによる光回折器２３を用い、ホログラムパターンを書き込む薄膜として瞬時に応答して周期的屈折率変化を発生し、直ぐに消えるフォトリフラクティブ薄膜２５を用いることにより、動的にホログラムパターンの書き込みが可能になり、参照光の照射により、動的な立体ホログラム再生画像を表示することができる。
光回折器としてＧＬＶアレイ２３を用いることにより、水平方向の画素数、垂直方向の走査線数が大幅に増加することが出来、しかも、マイクロ秒で動作可能であるので、高画質の立体ホログラム動画像が得られる。
【００４４】
１次元のＧＬＶアレイ２３と２次元の走査ミラー２８で、ホログラムパターンをフォトリフラクティブ薄膜２５に投影するので、１フレームのホログラムパターンの書き込みが可能になる。水平方向のみをホログラムデータとすることにより、情報量を大幅に少なくでき、立体ホログラム動画表示を可能にすることができる。フォトリフラクティブ薄膜２５の前面に垂直方向の光拡散を行うマイクロレンズ３２を設けることにより、垂直方向の画像の継ぎ目が目立たなくなり、自然な形で立体動画像を見ることができる。スクリーン２６の前面にフレネルレンズ３７を配置することにより、ホログラム再生動画像を巨視化することができ、装置の小型化が可能になる。
【００４５】
スクリーン２６の端部から参照光を入射してフォトリフラクティブ薄膜２５に書き込まれたホログラムパターンを、エッジリット方式で再生するので、装置の小型、薄型化が可能になる。
参照光が赤色、緑色、青色のレーザ光を用いるので、カラー動画像が得られる。
【００４６】
上述の実施の形態では、３次元ホログラム動画表示装置に適用したが、２次元の動画像を表示する２次元ホログラム動画表示装置に適用することもできる。この場合は、ホログラムデータ及び光学系制御信号の供給手段２２からホログラムデータとして、２次元のホログラム動画データをＧＬＶアレイ２３に入力する。この２次元ホログラム動画データに同期して、即ち１水平ラインのホログラム動画データに同期して回折像を形成すためのレーザ光４４、走査ミラー２８、参照光となるレーザ光４６及びその走査ミラー４８を駆動するようになす。そのたの構成は前述の３次元ホログラム動画表示装置と同様である。
また、２次元の画像の一部に３次元の画像を表示する、その逆に３次元の画像の一部に２次元の画像を表示する様なホログラム動画表示装置にも適用できる。この場合には、上記供給手段２２からのホログラムデータとして、３次元ホログラムデータと２次元ホログラムデータとを組み合わせたホログラムデータをＧＬＶアレイ２３に供給するようになす。その他の構成は上述の実施の形態と同様である。
【００４７】
このような２次元ホログラム動画表示装置、あるいは２次元と３次元の画像が組み合わされたホログラム動画表示装置によれば、上例と同様に高画質の動的な２次元ホログラム再生画像、あるいは２次元及び３次元組み合わせの高画質の動的なホログラム再生画像を表示することができる。
【００４８】
上記供給手段２２からのホログラムデータとして、赤，緑、青のデータが１つに含まれた形のホログラムデータであれば、再生用の赤、緑及び青のレーザ光は図１に示すように、１つに纏めてスクリーン２６に照射してホログラム像を再生できる。その他の再生方法として、時分割方式がある。供給手段２２からの１水平ラインのホログラムデータとして、赤，緑、青の各ホログラムデータからなるホログラムデータを出力する。再生側では１水平ラインに関して、赤のホログラムパターンが書き込まれた時には赤の再生用レーザ光を照射し、次に緑のホログラムパターンが書き込まれた時には緑の再生用レーザ光を照射し、次に青のホログラムパターンが書き込まれた時には青の再生用レーザ光を照射するというように、各再生用のレーザ光を切り換えて１水平ラインに関して３回行う。１水平ラインの再生が終えたなら、走査ミラーを駆動して次の水平ラインに移り、同様に赤、緑、青のホログラムパターンを順次に書き込み・再生を繰り返す。これによって、カラー動画表示を行うことができる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明に係るホログラム動画表示装置によれば、ホログラム技術を用いて３次元動画、あるいは２次元動画、あるいは３次元と２次元動画を組み合わせた、ホログラム動画表示を実現することができる。そして、水平方向の画素数、垂直方向の走査線数を増大化できるので、高画質のホログラム動画を表示することが可能になる。
【００５０】
光回折器アレイとして、ＭＥＭＳアレイ、好ましくは回折型ＭＥＭＳアレイを用いるときは、高速動作が可能になるので動的なホログラム動画像を実現することができる。
１次元の回折型ＭＥＭＳアレイと走査ミラーを設けることにより、１フレーム分のホログラムパターンの書き込みが可能になる。この走査ミラーで形成されるホログラムパターンがフォトリフラクティブ部材に投影されることにより、ホログラム動画を表示することができる。
【００５１】
フォトリフラクティブ部材に形成されたホログラムパターンをエッジリット方式により再生するときは、再生光に関与しない光を外部に漏れることがなく、外部からの光によりホログラム像を再生することがない。
ホログラムデータを数値計算されたホログラムデータを用いることにより、ホログラム動画表示を実現できる。
参照光が赤色、緑色及び青色のレーザ光であるときは、カラーホログラム動画を表示することができる。
スクリーンの前面にフレネルレンズを配置することにより、再生したホログラム像を巨視化することができる。
【００５２】
ホログラムデータとして３次元ホログラムデータを用いるときは、立体ホログラム動画を表示することができる。ホログラムデータとして２次元ホログラムデータを用いるときは、２次元のホログラム動画を表示することができる。ホログラムデータとして３次元ホログラムデータと２次元ホログラムデータを組み合わせたホログラムデータを用いるときは、３次元画面の一部に２次元の画面（文字、記号の表示等を含む）が表示され、あるいは２次元画面の一部に３次元画面が表示されたホログラム動画を表示することがきる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るホログラム動画表示装置の実施の形態を示す構成図である。
【図２】本実施の形態のホログラム動画表示装置の回折型ＭＥＭＳアレイによる回折光を集光する光学系の構成図である。
【図３】本発明に適用されるフォトリフラクティブ効果に関する説明図である。
【図４】Ａ 本発明に係る光回折器となる回折型ＭＥＭＳアレイ（即ちＧＬＶアレイ）の１画素に対応した構成を示す斜視図である。Ｂ その断面図である。
【図５】Ａ，Ｂ 回折型ＭＥＭＳアレイの動作説明図である。
【図６】本発明に係る１次元の回折型ＭＥＭＳアレイの構成図である。
【図７】従来のホログラム動画表示装置の例を示す構成図である。
【符号の説明】
２１・・・ホログラム動画表示装置、２２・・・ホログラム及び光学系制御信号を供給する手段、２３・・・回折型ＭＥＭＳアレイ（ＧＬＶアレイ）、２３′・・・ＧＬＶピクセル、２４・・・回折格子形成用のレーザ光源、２５・・・フォトリフラクティブ薄膜、２６・・・スクリーン、２７〔２７Ｒ，２７Ｇ，２７Ｂ〕・・・参照光用のレーザ光源、２８・・・走査ミラー、２９・・・シリンドリカルレンズ系、３０・・・観察者、３２・・・マイクロレンズ、３３・・・透明媒体、３４・・・光選択透過膜、４１ａ・・・＋１次回折光、４１ｂ・・・−１次回折光、４２〔４２ａ，４２ｂ〕・・・ミラー、４４・・・レーザ光、４６〔４６Ｒ，４６Ｇ，４６Ｂ〕・・・参照光、４７〔４７Ｒ，４７Ｇ，４７Ｂ〕・・・シリンドリカルレンズ系、４８〔４８Ｒ，４８Ｇ，４８Ｂ〕・・・走査ミラー、５１・・・基板、５２・・・基板側電極、５３・・・絶縁膜、５４・・・駆動側電極、５５〔５５1 〜５５6 〕・・・ビーム、５６・・・空間
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラム技術を用いて３次元動画あるいは２次元動画を可能にしたホログラム動画表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、立体動画を得るホログラム動画表示装置としては、代表的なものを挙げると、特許文献１に記載のものが知られている。このホログラム動画表示装置は、レーザを光源とし、音響光学式変調器（ＡＯＭ）を用いて成り、このＡＯＭにレーザ光を入射することで回折光を得、この回折光をミラーで走査して、ホログラム像を得るようにしている。
図７は、ホログラム動画表示装置の概略的構成を示す。このホログラム動画表示装置１では、画像の水平方向の１ライン分に相当する干渉縞がコンピュータで計算され、計算されたホログラムデータ２が音響光学式変調器（ＡＯＭ）３に入力される。音響光学式変調器３内部では入力された干渉縞の強度分布にしたがって屈折率分布が生じる。この屈折率分布によって、フーリエ変換レンズ４を通じて音響光学式変調器３に照射された赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）のレーザ光５が回折される。この回折光で水平方向の再生像が得られる。屈折率分布は音速で音響光学式変調器３の内部を移動するので、再生された像も同じ速度で移動する。そこで、ポリゴンミラー６を逆方向に同期をとって回転させ、回折光を静止させる。このようにして、音響光学変調器３からの回折光で水平方向の１ラインの再生画像が得られる。音響光学式変調器３で回折された水平方向の１ライン分の３色のレーザ光５は、ＨＯＥビーム結合器７で１本にまとめられ、ミラー８で光路変更され、ガルバノミラー９により垂直方向に走査して１画面の立体画像１０が得られる。この立体再生画像１０は、拡大投影レンズ１２、垂直拡散板１１を通して観察者に観取される。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第５１７２２５１号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の音響光学式変調器（ＡＯＭ）を使用したホログラム表示装置は、音響光学式変調器の帯域幅の制限で垂直方向の走査線の数が１４４本と非常に少ないものであり、高画質のホログラム画像が得られ難かった。
【０００５】
本発明は、上述に点に鑑み、ホログラム技術を用いて高画質の３次元動画、２次元動画を実現し得るようにしたホログラム動画表示装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るホログラム動画表示装置は、ホログラム動画データ及び光学系制御信号を供給する手段と、この手段からホログラム動画データ（以下、ホログラムデータという）が供給される１次元の光回折型ＭＥＭＳアレイと、光回折型ＭＥＭＳアレイへ照射して１次元ホログラムパターンを形成するためのレーザ光を出射するレーザ光源と、上記手段から供給された光学系制御信号により駆動され、１次元ホログラムパターンを走査して２次元ホログラムパターンとする走査ミラーと、走査ミラーの駆動に同期して上記手段から供給された光学系制御信号により参照光を出射するレーザ光源と、走査ミラーからの２次元ホログラムパターンが投影されるフォトリフラクティブ薄膜を有するスクリーンとを有する。そして、本発明は、スクリーンの端面から参照光を入射して前記フォトリフラクティブ薄膜に形成されたホログラムパターンをエッジリット方式により再生してスクリーンにホログラム動画像を表示するようにして成る。
【０００７】
光回折型ＭＥＭＳアレイの反射光側の前面には、各画素に対応する光回折型ＭＥＭＳピクセルに対して＋１次回折光と−１次回折光を反射してフォトリフラクティブ薄膜上にホログラムパターンとなる干渉縞を得るように集光させるための一対のミラーを配置することができる。
【０００８】
参照光には、赤色、緑色及び青色のレーザ光を用いることができる。スクリーンの前面には、ホログラム動画像を巨視化するためのフレネルレンズを配置することができる。ホログラムデータは、数値計算されたホログラムデータを用いる。ホログラムデータとしては、３次元ホログラムデータ、又は２次元ホログラムデータ、又は３次元と２次元のホログラムデータを組み合わせたホログラムデータとすることができる。
【０００９】
本発明のホログラム動画表示装置では、スクリーンにフォトリフラクティブ部材を用いるので、瞬時にホログラムパターンの書き込み、消去が可能になる。この ホログラムパターンに参照光を入射することにより、スクリーン上に再生されたホログラム像が得られる。水平方向の画素数、垂直方向の走査線数の増大化が可能になる。従って、高画質のホログラム動画表示ができる。
回折型ＭＥＭＳアレイを用いるときは、マイクロ秒の駆動が可能になり、動的なホログラムパターンの書き込み、ホログラム像の再生が可能になる。
【００１０】
１次元の回折型ＭＥＭＳアレイと、走査ミラーとを有し、１次元ホログラムパターンを走査ミラーで２次元ホログラムパターンとするときは、フォトリフラクティブ部材に１フレームのホログラムパターンが書き込まれる。
フォトリフラクティブ部材に形成されたホログラムパターンを、スクリーンの端部から参照光を入射するエッジリット方式で再生するときは、ホログラムパターンが比較的薄い透明媒体を介して比較的大きな角度で再生されてホログラム像が得られる。このため、再生光（参照光）に関与しない光が、全反射条件により透明媒体内に閉じ込められ外部に漏れない。また、再生光の入射角度が大きいので、透明媒体の外部からの光によって像再生されない。
【００１１】
参照光として赤色、緑色及び青色のレーザ光を用いることにより、カラーホログラム像が得られる。スクリーンの前面にフレネルレンズを配置するときは、再生した動画像の巨視化を可能にする。
ホログラムデータとして、数値計算されたホログラムデータを用いるときは、ホログラム動画表示が可能になる。ホログラムデータとして３次元ホログラムデータを用いるときは、立体ホログラム動画が表示される。ホログラムデータとして２次元ホログラムデータを用いるときは、２次元ホログラム動画が表示される。ホログラムデータとして３次元ホログラムデータと２次元ホログラムデータを組み合わせたホログラムデータを用いるときは、３次元画面の一部に２次元画面が表示され、あるいは逆に２次元画面の一部に３次元画面が表示されたホログラム動画が得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明のホログラム動画表示装置の実施の形態を説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係るホログラム動画表示装置の一実施の形態を３次元（立体）動画表示に適用した場合の概略構成を示す。
本実施の形態に係るホログラム動画表示装置２１は、ホログラムデータ（いわゆるホログラム動画データ）及び光学系制御信号を供給する手段２２と、このホログラムデータ及び光学制御信号の供給手段２２からのホログラムデータが入力される光回折器２３と、光回折器２３へ照射して回折像を形成するためのレーザ光を出射するレーザ光源２４と、ホログラム像を映し出すためのフォトリフラクティブ効果を持つ部材２５、即ちフォトリフラクティブ材料による薄膜２５を有したスクリーン２６と、参照光となるレーザ光を出射するレーザ光源２７と、１次元のホログラムパターンを走査して２次元のホログラムパターンにするための走査ミラー２８とを備えて成る。
【００１４】
ホログラムデータ及び光学系制御信号供給手段２２は、コンピュータ等の計算機、例えば演算回路を備えている。この手段２２からは、演算回路で数値計算されたホログラムデータ、いわゆるホログラム動画データが出力される。ホログラム動画データとしては、表示画像に応じて例えば３次元（立体）ホログラム動画データ、又は２次元ホログラム動画データ、又は立体動画と２次元動画（例えば文字、その他など）が表示される場合は、３次元ホログラム動画データと２次元ホログラム動画データを組み合わせたホログラム動画データとすることができる。また、この手段２２からは、光回折器２３、走査ミラー、参照光を出射するレーザ光源２７〔２７Ｒ，２７Ｇ，２７Ｂ）、さらに必要に応じて上記光源２４等を制御する制御信号が供給される。
【００１５】
回折像形成用のレーザ光源２４は、１本のコヒーレントなレーザ光を出射する１つのレーザ光源である。レーザ光源２４からのレーザ光は、例えばシリンドリカルレンズ系２９を通してシート・ビームに形成され、光回折器２４に入射するようになされる。
【００１６】
光回折器２３は、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）、例えば回折型ＭＥＭＳで構成された静電駆動型のアレイが用いられる。本例では回折型ＭＥＭＳアレイであるＧＬＶ（Ｇｒａｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｖａｌｖｅ）アレイにより構成される。この光回折器となるＧＬＶアレイ２３は、１ライン上に配列された複数本、例えば６０００本以上のリボン状ミラー（以下、単にリボンという）からなり、１画素に６本のリボンが割り当てられて形成される。１画素に対応する６本のリボンは、そのうちの１本置きの３本が可動リボンであり、残りの３本が固定リボンであり、電圧印加により可動リボンが変位して回折格子化し、光を振幅変調する。従って、このＧＬＶアレイ２３は、一次元の光変調器アレイであり、ＧＬＶアレイ２３にレーザ光源２４からのレーザ光を照射したとき一次元の光回折器として機能する。１画素に対応するＧＬＶの構成は後述する。
【００１７】
参照光用の赤、緑及び青のレーザ光源２７〔２７Ｒ，２７Ｇ，２７Ｂ〕から出射したレーザ光４６〔４６Ｒ，４６Ｇ，４６Ｂ〕はシリンドリカルレンズ系４７〔４７Ｒ，４７Ｇ，４７Ｂ〕により水平方向に長いシート・ビームに形成され、例えばガルバノミラー、ポリゴンミラー等の走査ミラー４８〔４８Ｒ，４８Ｇ，４８Ｂ〕にて垂直方向の走査されてフォトリフラクティブ薄膜２５の裏面に入射されるようになされる。レーザ光源２７〔２７Ｒ，２７Ｇ，２７Ｂ〕には、１水平ラインのホログラムデータに同期した制御信号が供給される。
【００１８】
ホログラムデータ及び光学系制御信号供給手段２２からのホログラムデータは、光回折器として機能するＧＬＶアレイ２３に供給され、可動リボンを駆動する。レーザ光源２４からのレーザ光がＧＬＶアレイ２４に照射されると、ＧＬＶアレイ２３から±１次回折光が反射される。この±１次回折光をフォトリフラクティブ薄膜２５上に集光させることで、フォトリフラクティブ材料で形成したフォトリフラクティブ薄膜２５上に干渉縞、即ちホログラムパターンが書き込まれる。
【００１９】
走査ミラー２８としては、例えばガルバノ・ミラーやポリゴン・ミラーなどを用いることができる。本例ではガルバノ・ミラーを用いる。
ＧＬＶアレイ２３とガルバノ・ミラー２８との間には、ＧＬＶアレイ２３からの回折光（後述の±１次回折光）をガルバノ・ミラー２８で反射してスクリーン２６のフォトリフラクティブ薄膜２５に集光させるための投射レンズ３６が配置される。また、投射レンズ３６の前面側には、ＧＬＶアレイからの±１次回折光以外の例えば０次光、高次回折光をカットするシュリーレン・フィルタ３８が配置される。
【００２０】
後述で明らかになるように、スクリーン２６を構成するフォトリフラクティブ薄膜２５の観察者３０側の表面には、参照光を照射して得られる画像光を垂直方向に拡散させるための散乱部材、本例ではマイクロレンズアレイ３２が設けられる。このマイクロレンズアレイ３２は、１水平ラインの画素に対応して水平方向に延びるかまぼこ型レンズが画素の水平ライン数と同じ数だけ垂直方向に配列されて成る。また、フォトリフラクティブ薄膜２５の裏面には、例えばガラス、プラスチック（アクリル、ポリカーボネートなど）等の透明媒体（例えば透明板）３３及びその裏面に光選択透過膜３４が配置される。光選択透過膜３４は、ＧＬＶアレイ２３からのレーザ光のみを選択的に透過し、可視光等の他の光を吸収する性質を有した膜である。ＧＬＶアレイ２３からスクリーン２６裏面に入射される光は、可視光でなく赤外光又は紫外光のレーザ光である。光選択透過膜３４はこの赤外光又は紫外光を透過する。スクリーン２６は、この光選択透過膜３４、透明媒体３３、フォトリフラクティブ薄膜２５及びマイクロレンズアレイ３２により構成される。このスクリーン２６の前面には、ホログラム動画像を巨視化するためのフレネルレンズ３７が配置される。
【００２１】
フォトリフラクティブ薄膜２５に形成されたホログラムパターンを再生するめの参照光としては、レーザ光が用いられる。再生用のレーザ光源２７としては、赤、緑、青のコヒーレントな光源であって、例えば赤は波長６４２ｎｍの半導体レーザ２７Ｒ、緑は波長５３２ｎｍの固体レーザ２７Ｇ、青は波長４５７ｎｍの固体レーザ２７Ｂを用いることができる。
【００２２】
参照光の照射方式としては、エッジリット方式が好ましい。本例では参照光のレーザ光は、スクリーン２６の端部から入射してホログラムパターンが形成されているフォトリフラクティブ薄膜２５の裏面に照射される。このエッジリット方式、いわゆるエジリットホログラムを採用して再生動画像を得るように構成される。
【００２３】
エッジリット方式によるホログラム表示では、フォトリフラクティブ薄膜２５の裏面に配した例えば厚さ数センチのガラス又は光学プラスチック等による透明媒体３３の端部から参照光のレーザ光を入射する。通常のホログラムは、再生光源とホログラムが空間的に離れているため、広い空間を必要とし、適切な条件でホログラムを再生するには、ホログラムと光源の位置関係を適切に設定する必要がある。
一方、エッジリットホログラムは、再生光源とホログラムを一体化することで、照明のための空間が不要となり、ホログラムが比較的薄い透明媒体３３を介して比較的大きな角度で再生できる。このため、次の利点がある。再生光に関与しない光が、全反射条件によって透明媒体３３内に閉じ込められ外部に漏れない。再生光の入射角度が大きいために、透明媒体の外部からの光によって像が再生されない。
【００２４】
ＧＬＶアレイ２３からの±１次回折光を集光させてフォトリフラクティブ薄膜２５上に干渉縞、即ちホログラム像を形成する光学系の概略を図２を用いて説明する。図２に示すように、１水平ラインの画素数に対応した多数個のＧＬＶピクセル２３′を１次元配列したＧＬＶアレイ２３が配置される。ＧＬＶアレイ２３の反射光側の前面には、各画素に対応する１ＧＬＶピクセル２３′に対して＋１次回折光４１ａと−１次回折光４１ｂを夫々反射してスクリーン２６上に集光させるための一対のミラー４２〔４２ａ，４２ｂ〕が配置される。レーザ光源２４からのレーザ光４４を１次元ＧＬＶアレイ２３の各ＧＬＶピクセル２３′に照射して発する反射光は、各ＧＬＶピクセル２３′の前面に配置されたシュリーレン・フィルタ３８（図１参照）により±１次回折光成分以外が除去される。結果として各ＧＬＶピクセル２３′から発するのは±１次回折光４１ａ，４１ｂのみとなる。この±１次回折光４１ａ及び４１ｂがミラー４２ａ，４２ｂで反射され、投影光学系、即ち投射レンズ３６（図１参照）によりフォトリフラクティブ薄膜２５で構成されたスクリーン２６上に集光されて干渉縞、即ちホログラムパターンが形成される。ここで、ミラー４２ａ，４２ｂは固定であり、ＧＬＶアレイ２３とミラー４２ａ，４２ｂとスクリーン２６との相互の距離も決まっている。
【００２５】
一方、スクリーン２６は、上述したようにフォトリフラクティブ効果を有する薄膜２５で構成される。ここで、フォトリフラクティブ効果について図３を用いて説明する。
同じ波数を持つ平面波が、結晶表面に対称的な角度で入射したとする。この２光波混合が、フォトリフラクティブ効果のもっとも基本的な配置である。その場合のフォトリフラクティブ効果の立ち上がりは次のような各ステージからなる。光が干渉してフォトリフラクティブ効果を有する膜に、周期的な強度分布を持った光干渉縞ができる。山部が明るい部分、谷部が暗い部分である（図３Ａ参照）。光強度に比例した数密度で正負の電荷が発生する。即ち、電子ー正孔対が励起される。電子は補足されて動けないが、正孔は熱的に全体に拡散する（図３Ｂ参照）。干渉縞の明るい部分はマイナスに、暗い部分はプラスに帯電することになる（図３Ｃ参照）。その結果、明るい部分と暗い部分との間に電界Ｅ（空間電場）が発生する（図３Ｄ参照）。この電界Ｅにより屈折率ｎが変化し、屈折率の高低による格子縞が形成される（図３Ｅ参照）。ここで、屈折率の変化は干渉縞の明るい部分と暗い部分の中間のところで生じ、屈折率格子は干渉縞からπ／２だけ位相がずれる。
【００２６】
このようなフォトリフラクティブ効果を示すフォトリフラクティブ材料には、無機材料と有機材料がある。無機材料としては、例えばＬｉＮｂＯ3 、ＦｅなどをドープしたＬｉＮｂＯ3 ：ＦｅやＢａＴｉＯ3 、ビスマスシリコンオキサイド（ＢＳＯ）、ＰＬＺＴセラミック等が挙げられる。
また、有機材料としては、長鎖状共役分子またはポリマーからなる共役主鎖上にキャリアトラップが設けられている高分子材料で、光導電性高分子ポリビニルカルバゾールにアゾベンゼン系のＮＬＯ色素を大量に混ぜたものや、（ＤＥＨ）を３０ｗｔ％、電子補足剤（ＴＮＦ）を１ｗｔ％混合した薄膜などが挙げられる。次に示す材料はその一例である。
【００２７】
【化１】
【化２】
【化３】
【化４】
【化５】
【化６】
上述したように、フォトリフラクティブ薄膜２５にＧＬＶアレイ２３からの±１次回折光が集光し、±１次回折光の交差部に干渉縞が発生する。この干渉縞の明暗には電子と正孔が発生し、このうち電子は強誘電体結晶中の自発分極に基づく内部電界によって干渉縞の暗い部分に移動し、結晶中に局所的な周期的屈折率変化を発生させる。フォトリフラクティブ効果は、光が干渉しないと発現しない。従って、屈折率を変えた部分で±１次回折光が交差・干渉するように、ＧＬＶピクセル２３′のリボンの上下と、回折光の走査ミラー２８の動きを動的に調整することで、フォトリフラクティブ薄膜２５からなるスクリーン２６上に干渉縞を形成することができる。これにより、フォトリフラクティブ薄膜２５中にホログラムデータを書き込むことが可能となる。
後述するように、フォトリフラクティブ材料からなるスクリーン２６上に動的なホログラムパターンが描かれ、このホログラムパターンに参照光を照射することにより、ホログラム動画表示が可能になる。
【００３４】
図４は、１画素に対応する１ＧＬＶピクセル２３′の概略構成を示す。このＧＬＶピクセル２３′は、基板５１上に共通の基板側電極５２が形成され、この基板側電極５２と空間５６を挟んで対向するように、支持部を介して絶縁膜５３とその表面を被覆する反射膜を兼ねる駆動側電極５４からなる６本のリボン５５〔５５1 、５５2 、５５3 、５５4 、５５5 、５５6 〕が形成されて成る。このＧＬＶピクセル２３′は、リボン５５がいわゆる両持ち梁構造である。基板５１は例えばシリコン基板上に絶縁膜を有して形成される。リボン５５を構成する絶縁膜５３は例えばシリコン窒化まく形成され、駆動側電極５４は例えばアルミニウム（Ａｌ）膜で形成することができる。１ＧＬＶピクセル２３′は、１本置きの３本のリボン５５1 、５５3 、５５5 が基板側電極５２と駆動側電極５４間に印加する電気信号（即ち電圧）、本例ではホログラムデータで基板側電極５２に対して静電力で近接、離間する可動リボンである。その他のリボン５５2 、５５4 、５５6 は固定リボンとなる。図４Ａは、１本置きのリボン５５1 、５５3 、５５6 が基板側電極５２に引き寄せられた状態を示している。このとき、６本のリボン５５が１本置きに沈み込んで回折格子を形成する。
【００３５】
ＧＬＶピクセル２３′は、可動リボン５５1 、５５3 、５５5 の表面で反射するレーザ光の位相と、固定リボン５５2 、５５4 、５５6 の表面で反射するレーザ光の位相との差がアナログ的に制御される。例えば位相の差が０とλ／４の間でアナログ的に制御される。例えば、レーザ光がこのＧＬＶピクセル２３′に対して垂直に入射した場合を考える。６本のリボン５５が同一平面を形成していれば、図５Ａに示すように、レーザ光はそのまま垂直に反射する。このときリボン５５表面における反射光の波面Ｗ0 は、破線で示すようになっている。この反射光は０次光である。一方、リボン５５が１本置きに下がっていれば、図５Ｂに示すように垂直に反射する０次光の他に、回折により±１次光が発生する。±１次光の波面Ｗ1 、Ｗ2 は、実線で示すようになっている。２次以上の回折光も発生しているが、この強度は無視できる程度に小さい。図６は、このようなＧＬＶ素子ピクセル２３′が基板上に多数（例えば１０００個）、本例では画像の水平方向に沿うように、例えば立体像の水平方向の情報が入射されるように配列された１次現ＧＬＶアレイ２３を示す。このＧＬＶアレイ２３は、入射した光の反射光の位相を各ＧＬＶピクセル２３′毎に変更できる。
【００３６】
次に、図１のホログラム動画表示装置２１の概略の動作を説明する。３次元（立体）動画表示を例にとる。
図１に示すように、ホログラムデータ及び光学系制御信号の供給手段２２から３次元ホログラム動画データが１次元ＧＬＶアレイ２３に入力される。３次元ホログラム動画データは、立体像の１水平ライン毎のホログラムデータとして順次ＧＬＶアレイ２３入力され、ＧＬＶアレイ２３の画素に対応する各ＧＬＶピクセル２３′の可動リボン１５〔１５1 、１５3 、１５5 〕が画素データに応じて駆動される。レーザ光源２４により明るさを調整する場合には、レーザ光源２４に１水平ライン毎のホログラムデータに同期した制御信号がレーザ光源２４に供給され、回折格子形成用のレーザ光４４が出射される。レーザ光源２４により明るさを調整する必要がない場合には、常時レーザ光源２４から回折格子形成用のレーザ光４４が出射される。
【００３７】
レーザ光源２４からレーザ光がシリンドリカルレンズ系２９を通じてシート・ビーム４４としてＧＬＶアレイ２３に入射される。ＧＬＶアレイ２３で反射された±１次回折光４１ａ，４１ｂは、ミラー４２ａ，４２ｂで反射され、投射レンズ３６を通して走査ミラー２８で反射され、スクリーン２６のフォトリフラクティブ薄膜２５上に集光し、干渉縞、即ち１水平ラインのホログラムパターンを形成する。走査ミラー２８は、ホログラムデータ及び光学系制御信号の供給手段２２からの１水平ライン毎のホログラムデータに同期した制御信号により駆動され、ＧＬＶアレイ２３からのシート・ビーム（±１次回折光）を垂直方向に走査する。これにより、スクリーン２６のフォトリフラクティブ膜２５上に１フレームの３次元ホログラムパターンが書き込まれる。
【００３８】
１水平ラインのホログラムデータの垂直方向の走査、従って走査ミラー２８の駆動に同期して、供給手段２２からの制御信号が参照光用の赤、緑及び青のレーザ光源２７〔２７Ｒ，２７Ｇ，２７Ｂ〕に供給される。また、走査ミラー４８〔４８Ｒ，４８Ｇ，４８Ｂ〕は、走査ミラー２８の制御信号に同期した制御信号が供給手段２２から供給される。各レーザ光源２７Ｒ〜２７Ｂからは、参照光となる赤レーザ光４６Ｒ、緑レーザ光４６Ｇ及び青レーザ光４６Ｂが出射される。これらのレーザ光４６Ｒ，４６Ｇ，４６Ｂは、各シリンドリカルレンズ系４７〔４７Ｒ，４７Ｇ，４７Ｂ〕を通してシート・ビームとなり、走査ミラー４８〔４８Ｒ，４８Ｇ，４８Ｂ〕で反射され、１本のレーザ光に纏められてスクリーン２６の端部から透明媒体３３を通してフォトリフラクティブ薄膜２５の裏面にホログラムパターンの書き込みに同期して垂直方向に走査しながら照射される。この参照光の照射により、１フレームの立体画像が再生される。
【００３９】
フォトリフラクティブ薄膜では、ホログラムデータを書き込むレーザ光４４が照射され光の干渉が生じている間はフォトリフラクティブ効果が発現しホログラムパターンが書き込まれるが、レーザ光４４が照射されなくなるとフォトリフラクティブ効果が発現せず、書き込まれていたホログラムパターンは直ちに消え初期状態に戻る。 このようにして、レーザ光４４により次のフレームのホログラムパターンが書き込まれると共に、レーザ光４６による参照光で立体画像（ホログラム像）が再生され、順次各フレームの立体画像が再生されることで立体ホログラム動画像４９が表示される。立体ホログラム動画像４９は、スクリーン２６の前面に配置したフレネルレンズ３７によって拡大されて観察者３０に観察される。
【００４０】
エッジリット方式で照射された光は、干渉縞がない所では裏面側に反射するが、干渉縞が有る所では前方に散乱する。スクリーン２６の前面側から見るとバックが黒であって、ここに点で光っているので、奥行き感があるように見える。
【００４１】
本実施の形態のようにＧＬＶアレイ２３を利用して垂直走査によるホログラム動画表示の場合、１水平ライン毎の情報量は約６Ｍｂｉｔｓとなる。このようなホログラムデータを、制御用コンピュータからＧLVアレイ２３に送る場合、伝送線路の情報伝達速度が足りないときには、ホログラムデータに圧縮をかけて送り、ＧＬＶアレイ２３の前にある電子回路によってデータの圧縮を解きGLVアレイ２３に送っても良い。
【００４２】
動画ホログラムには大きな情報量が必要になる。そこで、現実的な実施の形態としては、ホログラムデータを水平方向のみとし、垂直方向は通常の結像データとするのがよい。ＧＬＶアレイ等の光回折器２３で投影する場合は、水平方向を一ラインのホログラムデータとし、このホログラムデータを垂直方向にビデオレート（例えば１秒間に３０回）で走査する必要がある。参照光（再生光）は水平方向のホログラムデータの走査に同期して透明媒体の端部より走査して照射するのが望ましい。ホログラムデータが水平方向のみである場合、フォトリフラクティブ薄膜２５の前面に設けたマイクロレンズ３２により、再生されたホログラム画像光が垂直方向に拡散され、垂直方向が繋がって見える。
【００４３】
上述の本実施の形態に係る立体ホログラム動画表示装置によれば、ホログラムパターンの書き込みに回折型ＭＥＭＳアレイ、例えばＧＬＶアレイによる光回折器２３を用い、ホログラムパターンを書き込む薄膜として瞬時に応答して周期的屈折率変化を発生し、直ぐに消えるフォトリフラクティブ薄膜２５を用いることにより、動的にホログラムパターンの書き込みが可能になり、参照光の照射により、動的な立体ホログラム再生画像を表示することができる。
光回折器としてＧＬＶアレイ２３を用いることにより、水平方向の画素数、垂直方向の走査線数が大幅に増加することが出来、しかも、マイクロ秒で動作可能であるので、高画質の立体ホログラム動画像が得られる。
【００４４】
１次元のＧＬＶアレイ２３と２次元の走査ミラー２８で、ホログラムパターンをフォトリフラクティブ薄膜２５に投影するので、１フレームのホログラムパターンの書き込みが可能になる。水平方向のみをホログラムデータとすることにより、情報量を大幅に少なくでき、立体ホログラム動画表示を可能にすることができる。フォトリフラクティブ薄膜２５の前面に垂直方向の光拡散を行うマイクロレンズ３２を設けることにより、垂直方向の画像の継ぎ目が目立たなくなり、自然な形で立体動画像を見ることができる。スクリーン２６の前面にフレネルレンズ３７を配置することにより、ホログラム再生動画像を巨視化することができ、装置の小型化が可能になる。
【００４５】
スクリーン２６の端部から参照光を入射してフォトリフラクティブ薄膜２５に書き込まれたホログラムパターンを、エッジリット方式で再生するので、装置の小型、薄型化が可能になる。
参照光が赤色、緑色、青色のレーザ光を用いるので、カラー動画像が得られる。
【００４６】
上述の実施の形態では、３次元ホログラム動画表示装置に適用したが、２次元の動画像を表示する２次元ホログラム動画表示装置に適用することもできる。この場合は、ホログラムデータ及び光学系制御信号の供給手段２２からホログラムデータとして、２次元のホログラム動画データをＧＬＶアレイ２３に入力する。この２次元ホログラム動画データに同期して、即ち１水平ラインのホログラム動画データに同期して回折像を形成すためのレーザ光４４、走査ミラー２８、参照光となるレーザ光４６及びその走査ミラー４８を駆動するようになす。そのたの構成は前述の３次元ホログラム動画表示装置と同様である。
また、２次元の画像の一部に３次元の画像を表示する、その逆に３次元の画像の一部に２次元の画像を表示する様なホログラム動画表示装置にも適用できる。この場合には、上記供給手段２２からのホログラムデータとして、３次元ホログラムデータと２次元ホログラムデータとを組み合わせたホログラムデータをＧＬＶアレイ２３に供給するようになす。その他の構成は上述の実施の形態と同様である。
【００４７】
このような２次元ホログラム動画表示装置、あるいは２次元と３次元の画像が組み合わされたホログラム動画表示装置によれば、上例と同様に高画質の動的な２次元ホログラム再生画像、あるいは２次元及び３次元組み合わせの高画質の動的なホログラム再生画像を表示することができる。
【００４８】
上記供給手段２２からのホログラムデータとして、赤，緑、青のデータが１つに含まれた形のホログラムデータであれば、再生用の赤、緑及び青のレーザ光は図１に示すように、１つに纏めてスクリーン２６に照射してホログラム像を再生できる。その他の再生方法として、時分割方式がある。供給手段２２からの１水平ラインのホログラムデータとして、赤，緑、青の各ホログラムデータからなるホログラムデータを出力する。再生側では１水平ラインに関して、赤のホログラムパターンが書き込まれた時には赤の再生用レーザ光を照射し、次に緑のホログラムパターンが書き込まれた時には緑の再生用レーザ光を照射し、次に青のホログラムパターンが書き込まれた時には青の再生用レーザ光を照射するというように、各再生用のレーザ光を切り換えて１水平ラインに関して３回行う。１水平ラインの再生が終えたなら、走査ミラーを駆動して次の水平ラインに移り、同様に赤、緑、青のホログラムパターンを順次に書き込み・再生を繰り返す。これによって、カラー動画表示を行うことができる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明に係るホログラム動画表示装置によれば、ホログラム技術を用いて３次元動画、あるいは２次元動画、あるいは３次元と２次元動画を組み合わせた、ホログラム動画表示を実現することができる。そして、水平方向の画素数、垂直方向の走査線数を増大化できるので、高画質のホログラム動画を表示することが可能になる。
【００５０】
光回折器アレイとして、ＭＥＭＳアレイ、好ましくは回折型ＭＥＭＳアレイを用いるときは、高速動作が可能になるので動的なホログラム動画像を実現することができる。
１次元の回折型ＭＥＭＳアレイと走査ミラーを設けることにより、１フレーム分のホログラムパターンの書き込みが可能になる。この走査ミラーで形成されるホログラムパターンがフォトリフラクティブ部材に投影されることにより、ホログラム動画を表示することができる。
【００５１】
フォトリフラクティブ部材に形成されたホログラムパターンをエッジリット方式により再生するときは、再生光に関与しない光を外部に漏れることがなく、外部からの光によりホログラム像を再生することがない。
ホログラムデータを数値計算されたホログラムデータを用いることにより、ホログラム動画表示を実現できる。
参照光が赤色、緑色及び青色のレーザ光であるときは、カラーホログラム動画を表示することができる。
スクリーンの前面にフレネルレンズを配置することにより、再生したホログラム像を巨視化することができる。
【００５２】
ホログラムデータとして３次元ホログラムデータを用いるときは、立体ホログラム動画を表示することができる。ホログラムデータとして２次元ホログラムデータを用いるときは、２次元のホログラム動画を表示することができる。ホログラムデータとして３次元ホログラムデータと２次元ホログラムデータを組み合わせたホログラムデータを用いるときは、３次元画面の一部に２次元の画面（文字、記号の表示等を含む）が表示され、あるいは２次元画面の一部に３次元画面が表示されたホログラム動画を表示することがきる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るホログラム動画表示装置の実施の形態を示す構成図である。
【図２】本実施の形態のホログラム動画表示装置の回折型ＭＥＭＳアレイによる回折光を集光する光学系の構成図である。
【図３】本発明に適用されるフォトリフラクティブ効果に関する説明図である。
【図４】Ａ 本発明に係る光回折器となる回折型ＭＥＭＳアレイ（即ちＧＬＶアレイ）の１画素に対応した構成を示す斜視図である。Ｂ その断面図である。
【図５】Ａ，Ｂ 回折型ＭＥＭＳアレイの動作説明図である。
【図６】本発明に係る１次元の回折型ＭＥＭＳアレイの構成図である。
【図７】従来のホログラム動画表示装置の例を示す構成図である。
【符号の説明】
２１・・・ホログラム動画表示装置、２２・・・ホログラム及び光学系制御信号を供給する手段、２３・・・回折型ＭＥＭＳアレイ（ＧＬＶアレイ）、２３′・・・ＧＬＶピクセル、２４・・・回折格子形成用のレーザ光源、２５・・・フォトリフラクティブ薄膜、２６・・・スクリーン、２７〔２７Ｒ，２７Ｇ，２７Ｂ〕・・・参照光用のレーザ光源、２８・・・走査ミラー、２９・・・シリンドリカルレンズ系、３０・・・観察者、３２・・・マイクロレンズ、３３・・・透明媒体、３４・・・光選択透過膜、４１ａ・・・＋１次回折光、４１ｂ・・・−１次回折光、４２〔４２ａ，４２ｂ〕・・・ミラー、４４・・・レーザ光、４６〔４６Ｒ，４６Ｇ，４６Ｂ〕・・・参照光、４７〔４７Ｒ，４７Ｇ，４７Ｂ〕・・・シリンドリカルレンズ系、４８〔４８Ｒ，４８Ｇ，４８Ｂ〕・・・走査ミラー、５１・・・基板、５２・・・基板側電極、５３・・・絶縁膜、５４・・・駆動側電極、５５〔５５1 〜５５6 〕・・・ビーム、５６・・・空間
Claims (8)
- ホログラム動画データ及び光学系制御信号を供給する手段と、
前記手段からホログラム動画データが供給される１次元の光回折型ＭＥＭＳアレイと、
前記光回折型ＭＥＭＳアレイへ照射して１次元ホログラムパターンを形成するためのレーザ光を出射するレーザ光源と、
前記手段から供給された光学系制御信号により駆動され、前記１次元ホログラムパターンを走査して２次元ホログラムパターンとする走査ミラーと、
前記走査ミラーの駆動に同期して前記手段から供給された光学系制御信号により参照光を出射するレーザ光源と、
前記走査ミラーからの２次元ホログラムパターンが投影されるフォトリフラクティブ薄膜を有するスクリーンとを有し、
前記スクリーンの端面から前記参照光を入射して前記フォトリフラクティブ薄膜に形成されたホログラムパターンをエッジリット方式により再生して前記スクリーンにホログラム動画像を表示するようにして成る
ことを特徴とするホログラム動画表示装置。 - 前記光回折型ＭＥＭＳアレイの反射光側の前面に、各画素に対応する光回折型ＭＥＭＳピクセルに対して＋１次回折光と−１次回折光を反射して前記フォトリフラクティブ薄膜上にホログラムパターンとなる干渉縞を得るように集光させるための一対のミラーが配置されて成る
ことを特徴とする請求項１記載のホログラム動画表示装置。 - ホログラム動画データは、数値計算されたホログラム動画データである
ことを特徴とする請求項１記載のホログラム動画表示装置。 - 前記参照光が、赤色、緑色及び青色のレーザ光である
ことを特徴とする請求項３記載のホログラム動画表示装置。 - 前記スクリーンの前面に、ホログラム動画像を巨視化するためのフレネルレンズが配置されて成る
ことを特徴とする請求項１記載のホログラム動画表示装置。 - 前記ホログラム動画データが、３次元ホログラム動画データである
ことを特徴とする請求項１記載のホログラム動画表示装置。 - 前記ホログラム動画データが、２次元ホログラム動画データである
ことを特徴とする請求項１記載のホログラム動画表示装置。 - 前記ホログラム動画データが、３次元ホログラム動画データと２次元ホログラム動画データを組み合わせたホログラム動画データである
ことを特徴とする請求項１記載のホログラム動画表示装置。
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