JPWO2012026550A1 - ホログラム表示用モジュールおよび立体表示装置 - Google Patents

Abstract

互いに空間コヒーレントな光を発生する複数の光源要素からなるアレイと、複数の光源要素からの光をそれぞれ独立に空間変調する複数の空間光変調要素からなるアレイとを備えたホログラム表示用モジュール１００であって、走査線幅Ｌｖにおいて、光源要素を水平方向に密な一定間隔ｐで配置しかつ垂直方向に粗な一定間隔ｄ２で配置するとともに、空間光変調要素を光源要素の配置に合わせて配置する。

Description

本発明は、二次元的に配置され互いにコヒーレントな光を発する光源要素からなるアレイと、光源要素ごとにその光を変調する空間光変調要素からなるアレイとを備えたホログラム表示用モジュール、およびこのホログラム表示用モジュールを、複数、縦横配置した立体表示装置に関し、機械的稼動部分を持たずかつ広視域角の表示が可能な上記ホログラム表示用モジュールおよび上記立体表示装置に関する。

ホログラム表示技術として、空間光変調器（ＳＬＭ）を用いて干渉縞を表示する技術が知られている。
たとえば、図１７に示すホログラム表示装置８では、ＳＬＭ８１に光の波長オーダの干渉縞Ｉを表示し、この干渉縞Ｉに、レーザ光ＬＢを照射する。これにより、再生波Ｘが発生し、観察者の眼Ｅに、理論上、立体像が再現される。
ＳＬＭ８１は、入射した光に空間的な変調を与える光学装置であり、光の振幅、光の位相、または光の振幅および位相を、電気的入力情報により任意にコントロールすることができる。

しかし、実際には、光の波長オーダ（１μｍオーダ）の分解能（画素ピッチ）を有するＳＬＭ８１は存在しない。したがって、ＳＬＭ８１を用いたホログラム表示装置は提供されていない。
なお、ＳＬＭ８１としては液晶を用いたものが一般的であるが、液晶層の厚さが少なくとも３μｍ程度は必要なため、これより小さな画素ピッチを実現することは技術的に困難となっている。

また、従来の二次元ディスプレイでは、画面サイズを拡大したい場合には、画素ピッチを拡大すればよい。一方、ホログラム表示装置では、干渉縞Ｉを利用しているが故に、ＳＬＭ８１の画素ピッチを波長オーダ（１μｍオーダ）に保ったまま、画面サイズを大きくしなければならない。このため、画面サイズを大きくすると、ＳＬＭ８１には膨大な画素数が必要になる。

フレネル型ホログラム表示を行う図１７のホログラム表示装置では、ＳＬＭ８１の画素ピッチが立体像の視域角を決め、画素数が画面サイズを決める。画素ピッチをｐ、画素数をＮ×Ｍ、レーザ光の波長をλとすると、視域角は２ｓｉｎ^-1（λ／（２ｐ））であり、画面サイズはＮｐ×Ｍｐとなる。たとえば、視域角が３０°で画面サイズが２０インチのホログラム画像の表示を実現するためには、画素ピッチが約１μｍ（０．９７μｍ）で画素数が４２１，０００×３１６，０００の超高精細で莫大な画素数を有するＳＬＭ８１が必要になる。上述したように、現実にはこのようなＳＬＭを作製することは技術的に極めて困難である。

特開２００１０−８８２２

Ｓ． Ａ． Ｂｅｎｔｏｎ， Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｔａ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ４０１−４０９（１９７７）．

このような不都合を解決するべく、特許文献１，非特許文献２に参照される、垂直視差の放棄により水平方向解像度を補償する技術（水平視差型ホログラム：ＨＰＯ）も知られている。これらの技術では、垂直視差を放棄する代わりに現実的に重要な水平方向の解像度を十分に高くできるといった利点がある。しかし、ミラー駆動部が回転機構を持つため装置の寿命が短くなりやすく、しかも光学系が複雑でかつ大空間を占有するため、上記技術を用いて薄型ディスプレイ（フラットパネル型表示装置）を構成することは不可能である。

本発明の目的は、機械的稼動部分を持たずかつ広視域角のホログラム立体表示技術を提供することにある。

本発明のホログラム表示用モジュールは、（１）から（１２）を要旨とする。
（１）
多数の光源要素と、それに重なって配置される空間光変調要素とが配列されたホログラム表示用モジュールであって、
前記光源要素は互いに空間コヒーレントな光を発生し、前記空間光変調要素は前記光源要素からの光をそれぞれ独立に空間変調し、
一走査線を構成する所定高さ幅領域において、前記光源要素は２次元的に配列されるとともに、前記光源要素の開口が水平方向には互いに異なる位置に配置され、前記走査線が高さ方向に並んでいることを特徴とするホログラム表示用モジュール。

本発明では、垂直視差を放棄して水平視差の解像度を担保している。これにより、（ａ）空間光変調要素の形成領域や光源要素の形成領域を確保できる。また、（ｂ）ホログラムデータの計算量が激減するので、プロセッサとして高価なものを使用せずに、短時間でホログラムデータの生成ができる。また、データ伝送の負担も少なくなり、三次元画像をリアルタイムでホログラム表示することもできる。
本発明のホログラム表示用モジュールに使用される光源要素は、自己発光する光源であってもよいし、あるコヒーレント光源からの光を、ピンホールやスリットの透過パターンが形成されたマスクに照射し、当該光をピンホールやスリットから出射させるものであってもよい。

（２）
互いに空間コヒーレントな光を発生する複数の光源要素からなるアレイと、前記複数の光源要素からの光をそれぞれ独立に空間変調する複数の空間光変調要素からなるアレイとを備えた請求項１に記載のホログラム表示用モジュールであって、
光源要素を水平方向に一定間隔（ｄ１）で配置した行を、垂直方向に前記粗な一定間隔（ｄ２）で順次所定数（Ｎ）配置することで前記一走査線を形成するとともに、前記空間光変調要素を前記光源要素の配置に合わせて配置し、
各行の光源要素は、他の何れかの行の光源要素と、前記水平方向に前記密な一定間隔（水平ピッチｐ）（＝ｄ１／Ｎ）ずれて配列されたことを特徴とする（１）に記載のホログラム表示用モジュール。
たとえば、本発明では、光源要素および空間光変調要素は、斜線パターン、ジグザグパターン、千鳥格子パターン等で配置できる。

（３）
第ｋ行（ｋ＝２，３，・・・，Ｎ）の光源要素は、第（ｋ−１）行の光源要素と、前記水平方向に密な一定間隔（水平ピッチｐ）（＝ｄ１／Ｎ）ずれて配列されたことを特徴とする（２）に記載のホログラム表示用モジュール。
ここでは、光源要素および空間光変調要素は、斜線パターンとなる。

（４）
前記各空間光変調要素は、前記光源要素からの光の位相および／または振幅を変調することを特徴とする（１）に記載のホログラム表示用モジュール。

（５）
前記空間コヒーレントな複数の光源要素からなるアレイは、ピンホールパターンまたはスリットパターンが形成された遮光マスクにより構成され、当該遮光マスクには単一横モードレーザ光源からのコヒーレント光が照射される、ことを特徴とする（１）に記載のホログラム表示用モジュール。

（６）
前記単一横モードレーザ光源からの光は、光ファイバーを介して前記遮光マスクに照射されることを特徴とする（１）に記載のホログラム表示用モジュール。

（７）
前記単一横モードレーザ光源が、少なくとも１つの他のホログラム表示用モジュールと共有されていることを特徴とする（６）に記載のホログラム表示用モジュール。

（８）
前記単一横モードレーザ光源は複数の色の発振光のレーザ光源からなり、
前記レーザ光源の発振光の色に対応した各フィルタが、
それぞれ走査線となるパターンで形成され、または、
１つの走査線内に、それぞれの色のフィルタ領域が繰り返して生じるパターンで形成されている、
ことを特徴とする（５）から（７）の何れかに記載のホログラム表示用モジュール。

（９）
単一横モードレーザ光源からのコヒーレント光が、レンズを介して平行光となって複数の光源要素からなるアレイに照射される、ことを特徴とする（５）から（８）の何れかに記載のホログラム表示用モジュール。

（１０）
前記各空間光変調要素が前記光源要素からの光の振幅を変調するホログラム表示用モジュールででは、前記レンズから前記光源要素への平行光の水平方向の入射角度が、アレイ面に対して傾いている（垂直でない）ことを特徴とする（９）に記載のホログラム表示用モジュール。

（１１）
前記単一横モードレーザ光源は複数の色の発振光のレーザ光源からなる場合には、複数の色の光のうち最も短波長の光に合わせた角度だけ光源要素アレイ面に対して傾けることを特徴とする（９）に記載のホログラム表示用モジュール。

（１２）
前記空間コヒーレントな複数の光源要素からなるアレイは、Ｔａｌｂｏｔ共振器を持つ面発光レーザアレイにより構成したことを特徴とする（２）に記載のホログラム表示用モジュール。

（１３）
前記面発光レーザアレイは複数の色の発振光の面発光レーザからなり、
前記複数の色の発振光の各面発光レーザが、
それぞれ走査線となるパターンで形成され、または、
１つの走査線内に、前記複数色の発振光の面発光レーザ領域が繰り返して生じるパターンで形成されている、
ことを特徴とする（１２）に記載のホログラム表示用モジュール。

（１４）
前記空間光変調要素からなる前記アレイ上に、
各ホログラム走査線に対応して垂直方向に光を拡散する垂直拡散板を備え、
前記垂直拡散板は、シリンドリカルレンズアレイ（レンティキュラー板）と、各前記シリンドリカルレンズの出射側に、水平方向に沿ったスリットが形成された遮光マスクとからなり、
あるいは、
前記垂直拡散板は、一方向性のホログラフィックディフューザと、各前記ホログラフィックディフューザの出射側に、水平方向に沿ったスリットが形成された遮光マスクとからなる、
ことを特徴とする（２）に記載のホログラム表示用モジュール。

（１５）
（１）から（１３）の何れかに記載のホログラム表示用モジュールを縦横に複数配置して構成した表示部を備えたことを特徴とする立体表示装置。
この構成により、スリットが垂直方向に並んでいることに起因する発光位置の違いを解消するとともに、垂直方向の視域を拡大することができる。

本発明によれば、機械的稼動部分を持たずかつ広視域角のホログラム表示用モジュールの製造が可能となり、大型かつ薄型のホログラム立体表示装置の製造が可能となる。
なお、本発明のホログラム表示用モジュールにおいて、１つの走査線内では光源要素と空間光変調要素が水平方向に蜜に配列されるにもかかわらず、空間光変調要素間のピッチは大きく保てるので、空間光変調部の製作が容易となる。また。光源要素に面発光レーザ等の自発光素子を用いたとしても、光源要素間の熱干渉を防げる程度に光源要素間のピッチを大きく保つことができる。

本発明の立体表示装置は、静止画および動画の表示が可能である。また、モノクロ表示はもちろん、カラー表示も可能である。本発明では、縦方向視差の計算の必要がないので、ホログラムデータの計算量が激減する。これにより、演算資源（マイクロプロセッサ等）として高価なものを使用する必要がなく、装置自体が低価格化できる。

図１は、本発明の立体表示装置の第１実施形態を示す説明図である。 （Ａ）はレーザ光源から光ファイバーとレンズを介して遮光マスクにレーザ光を照射する第１実施形態におけるホログラム表示用モジュールを横から見た図、（Ｂ）は同じく上から見た図である。 垂直拡散板の例。 第１実施形態におけるホログラム表示用モジュールの他の説明図であり、３つのホログラム表示用モジュールが１つのレーザ光源を共用して光ファイバーとレンズを介して遮光マスクにレーザ光を照射する例を示す図である。 図５は、図２のホログラム表示用モジュールに代替されるホログラム表示用モジュールを示す図であり、（Ａ）はレーザ光源からレンズを介して遮光マスクにレーザ光を照射する例を示す図であり、（Ｂ）はレーザ光源から遮光マスクにレーザ光を直接照射する例を示す図である。 図６は、ホログラム表示用モジュールの原理を示す説明図である。 図７は遮光マスクにピンホールが縦横に配置されたアレイが形成されているホログラム表示用モジュールの説明図である。 図８はマスクにスリットが縦横に配置されたアレイが形成されているホログラム表示用モジュールの説明図である。 図９（Ａ）は、ホログラム表示用モジュール１００（または１０１，１０２，１０３）を白矢印ｙ方向から見たときの図であり、図９（Ｂ）は同じく、白矢印ｘ方向から見たときの図である。 図１０は、ＲＧＢの各光ファイバーからの光を用いてピンホールアレイまたはスリットアレイ（図１０ではピンホールアレイ）による光源要素を生成する場合のカラー用ホログラム表示用モジュールの他の構成を示す図であり、（Ａ）はモジュールを横から見た図、（Ｂ）は同じく上から見た図である。 図１１は、ＲＧＢの各光ファイバーからの光を用いてピンホールアレイまたはスリットアレイ（図１１ではピンホールアレイ）による光源要素を生成する場合のカラー用ホログラム表示用モジュールの他の構成を示す図であり、（Ａ）はＲＧＢの各光ファイバーからの光を一本の光ファイバーに集約して１つのモジュールを動作させる例を示す図、（Ｂ）はＲＧＢの各光ファイバーからの光を一本の光ファイバーに集約しこの集約された光を複数のカラー用ホログラム表示用モジュールに供給する例を示す図である。 図１２は、カラー用ホログラム表示用モジュール（図１０または図１１）において用いられるカラーフィルタのＲＧＢ配置を示した図であり、（Ａ）はＲＧＢの各フィルタの横幅がモジュール幅に等しい場合を示す図、（Ｂ）はホログラム表示用モジュールの走査線に渉って同じ色のフィルタにならないように配置した例を示す図である。 図１３は、カラー用ホログラム表示用モジュール（図１０または図１１）において用いられるカラーフィルタの別のＲＧＢ配置例を示した図である。 図１４は、コヒーレント光を、面発光レーザのアレイにより生成する本発明の立体表示装置の第２実施形態を示す説明図である。 図１５は、第２実施形態の立体表示装置に使用されるホログラム表示用モジュール（Ｔａｌｂｏｔ共振器）の断面説明図である。 図１６は、Ｔａｌｂｏｔ共振器を有する面発光レーザのアレイを用いた場合のカラー用ホログラム表示用モジュールの構成を示す図である。 図１７は、理論上のフレネル型のホログラム表示装置（架空のホログラム表示装置）を示す図である。

図１は、本発明の立体表示装置の第１実施形態を示す説明図である。図１において、立体表示装置（ホログラム装置）Ａは、表示部１と、駆動部２と、制御装置３とを備えている。駆動部２は、後述する空間光変調要素（ＳＬＭ）を駆動し、制御装置３は立体表示装置Ａ全体を制御する。

本発明の立体表示装置の特徴は、表示部１の構成にある。表示部１は、複数のホログラム表示用モジュール１００が縦横に配置されて構成されている。
図２（Ａ）に示すように、ホログラム表示用モジュール１０１は、単一横モードのレーザ光源１１１を備えている。

図２（Ａ）のホログラム表示用モジュール１０１では、レーザ光源１１１からの光は、単一モードの光ファイバー１１２を介して平行光を生成するためのレンズ１１３に入射し、レンズ１１３からの光は、光源要素アレイ生成用の遮光マスク１１４に照射される。遮光マスク１１４にはピンホールアレイのパターン、またはスリットアレイのパターンが形成されている。したがって、遮光マスク１１４は、本発明における光源要素を形成する。遮光マスク１１４上のピンホール、またはスリットから出射した光は互いにコヒーレントな状態を保って、空間光変調部１１５に入射し、さらに垂直方向拡散板１１６を介してホログラム鑑賞者に出射される。

ホログラムは、変調方式により、振幅変調型と、位相変調型と、複素振幅変調型とに分類できる。
振幅変調型ホログラムでは、空間光変調部１１５は振幅のみを変調し、位相変調型ホログラムでは、空間光変調部１１５は位相のみを変調する。また、複素振幅変調型ホログラムでは、空間光変調部１１５は振幅と位相の両方を変調する。
振幅変調型ホログラムでは、一次回折像を利用するので、図２（Ｂ）に示すように、レンズ１１３からの平行光の傾斜角を、一次回折角に応じて傾けることが好ましい。

図３は、垂直方向拡散板１１６の例を示している。
図３に示すように、垂直方向拡散板１１６は、ＳＬＭからなるアレイ上に、シリンドリカルレンズ（レンティキュラー板）１１６１は、各ホログラム走査線（一走査線の高さ方向の幅をＬｖ、水平方向の幅をＬｈとする）に対応して１本設けられている。シリンドリカルレンズ１１６１の群の上には、マスク１１６２が設けられている。このマスク１１６２には、シリンドリカルレンズの長さ方向に沿って（水平方向に）スリット１１６３が形成されている。
また、シリンドリカルレンズの代わりに垂直方向に光を拡散する性質をもつホログラフィックディフューザを用いてもよい。
この垂直方向拡散板１１６に、光源要素アレイ生成用の遮光マスク１１４（図２，後述する図７，図８等を参照）に形成されたスリットの垂直位置の違いを解消し、垂直方向の視域を拡大することができる。

前記の説明では１つのホログラム表示用モジュールに対して１つのレーザ光源が配置されていた。しかし、複数のホログラム表示用モジュールを縦横に２次元的に配列して立体表示装置を構成する場合には、図４に示すように、１つのレーザ光源１１１に取り付けられた光ファイバー１１２をたとえば３つに分岐して、３つのホログラム表示用モジュール１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃに接続することができる。
これにより、複数のホログラム表示用モジュール１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃで１つのレーザ光源１１１を共有することができる。このような構成により、レーザ光源の数を減らすことができるため、組み立て調整が容易となり、コストを低減することができる。

本発明では、図２のホログラム表示用モジュール１０１に代えて、図５（Ａ），（Ｂ）に示すホログラム表示用モジュール１０２，１０３を使用することができる。図５（Ａ）のホログラム表示用モジュール１０２では、レーザ光源１１１からの光はレンズ１１３に照射され、レンズ１１３からの光は遮光マスク１１４に照射される。図５（Ｂ）のホログラム表示用モジュール１０３では、レーザ光源１１１からの光はレンズを介すことなく直接遮光マスク１１４に照射される。

ホログラムの干渉縞情報は、物体で拡散・反射された物体波と参照波を光学的に干渉させてイメージセンサで撮影する、あるいは、コンピュータで干渉をシミュレーションすることで生成できる。干渉縞を空間光変調部１１５に表示し、レーザ光を空間光変調部１１５で変調して生じる再生波が立体像を発生する。

図６は、ホログラム表示用モジュール１０１，１０２，１０３の原理を示す説明図である。図６において、立体像ＳＯはディスプレイの手前に生成される。その最大距離ｈは、画面サイズＷＤとほぼ同じ（ここまで像が浮き出るように見える）としてよい。また、観察距離Ｌは画面サイズの３倍程度とする。立体像ＳＯ上の各点に集光するようにホログラム表示用モジュールから多数の球面波が出ており、立体像ＳＯ上の点から、実際の物体上の点から光が出るときと同じように光が出て鑑賞者の瞳７（眼）に入射する。
図６において、表示部１とホログラム鑑賞者の瞳７との距離をＬとし、瞳７の径をＤとする。表示部１からｈ離れたところに立体表示が結像されるとすると、瞳７に入る表示部１の領域の径ｑは、
ｑ＝（Ｄ×ｈ）／（Ｌ−ｈ） （１）
で表される。
ホログラム表示用モジュール１００（図１参照），１０１（図２参照），１０２（図５（Ａ）参照），１０３（図５（Ｂ）参照）等の水平方向幅（モジュール幅すなわち横幅）ＷＤがこの値以上であれば、観察者にとっては十分なコヒーレント領域が確保される。たとえば、Ｄ＝５ｍｍ，Ｌ＝１０５ｃｍ，ｈ＝３０ｃｍとすると、ｑ＝２ｍｍである。ホログラム表示用モジュール１００，１０１，１０２，１０３等の大きさは５ｍｍ×５ｍｍ程度とすることが容易であり、この場合には自然なホログラム表示ができる。

このとき、ホログラム表示用モジュールＳｋから出た球面波は立体像の上の点Ｐｋに集光し、点Ｐｋから発する球面波が瞳７によって、網膜上の点Ｐｋ′に結像される。ホログラム表示用モジュール１００，１０１，１０２，１０３等の大きさを、瞳７の大きさで決まるサイズｑより大きくすれば（実際には２ｑ程度）、より自然なホログラムが表示できる。
なお、ガラス基板に、レンズ１１３、遮光マスク１１４、空間光変調部１１５、垂直方向拡散板１１６を一体として形成することも可能である。表示部１の大きさは、携帯電話のディスプレイ等の小さいものから、家庭用テレビ等の大きいものまでさまざまである。

図７および図８に、ホログラム表示用モジュール１００（図１参照）、１０１（図２参照），１０２（図４（Ａ）参照）および１０３（図４（Ｂ）参照）の拡大図を示す。

図７では、光源要素アレイを形成するために、遮光マスク１１４にピンホールＨが縦横に配置されたアレイが形成されている。
図７に示したように、遮光マスク１１４に形成されるピンホールＨは、所定高さ幅領域（走査線幅Ｌｖ）において、水平方向に密な間隔（水平ピッチｐ）で配置されかつ垂直方向に粗な間隔ｄ２で配置される。なお、ピンホールＨの水平方向の間隔は、図中の白矢印ｙの方向から見たときの間隔である。ピンホールＨの垂直方向の間隔は、図中の白矢印ｘの方向から見たときの間隔である。なお、ピンホールＨの直径は水平ピッチｐ以下であることが望ましい。

すなわち、第１行（走査線幅Ｌｖにおける最上行）のピンホールＨ群は、水平方向に間隔ｄ１で形成されている。第２行（走査線幅Ｌｖにおける上から２番目の行）のピンホールＨ群は、第１行と垂直方向の間隔ｄ２だけ隔てられるとともに、第１行のピンホールＨ群とはｐ＝ｄ１／Ｎ隔てて形成される。同様にして第ｋ行（ｋ≦Ｎ）のピンホール群は、第１行と垂直間隔（（ｋ−１）×ｄ２）だけ隔てられるとともに、第１行のピンホールＨ群とは（ｋ−１）×ｐだけずれて形成される。なおＮは、走査線幅Ｌｖと垂直方向の間隔ｄ２によって、Ｎ＝Ｌｖ／ｄ２で決まる整数である。

上述のピンホールの配列の例では、１つの走査線幅内で第１行から第Ｎ行まで配列が順に水平ピッチｐずつずれているとした。しかし、このように必ずしも順にずれている必要はない。すなわち、順に水平ピッチｐずつずれているＮ個の行の順番を適宜入れ替えた配列としてもよい。いずれの配列の場合でも、白矢印ｙ方向から１つの走査線幅内のＮ個の行を重ね合わせて見たとき、ピンホールがｐの間隔で配列して見えることが重要である。

また図７では、空間光変調部１１５が遮光マスク１１４上に形成されている。本実施形態では、空間光変調部１１５には液晶パネルが使用されている。空間光変調部１１５の１画素（空間光変調要素）の横・縦の大きさは、ｄ１×ｄ２であり、空間光変調部１１５として、通常使用されている液晶パネルが使用できる。空間光変調要素は、光源要素の配置に合わせて配置する。空間光変調部１１５は、画素ごとに位相・振幅の両方を変調することもできる。なお、変調は位相だけでも十分であり、位相変調により共役光の除去が容易にできる。
たとえば、Ｌｖ＝４００μｍ、ｄ１，ｄ２＝２０μｍ、ｐ＝１μｍ、Ｎ＝２０とすることができる。この場合、汎用の空間光変調部（画素数がＳＶＧＡ（８００×６００画素）程度、画素ピッチ２０μｍ）を適用することができ、ホログラム表示用モジュールの大きさは１６ｍｍ×１２ｍｍとなる。

図８は、遮光マスク１１４に形成されるパターンがスリットＳである場合を示している。作用は図７に示した遮光マスク１１４に形成されるパターンがピンホールＨである場合と概ね同じであるが、ピンホールよりも光の利用効率が高くなる。なお、スリットの幅は水平ピッチｐ以下、スリットの高さはｄ２以下とすることが望ましい。

図９（Ａ）は、ホログラム表示用モジュール１００（または１０１，１０２，１０３）を白矢印ｙ方向から見たときの図であり（１つの走査線幅内のＮ個の行を重ね合わせて表示してある）、図９（Ｂ）は同じく白矢印ｘ方向から見たときの図である。図９（Ａ）では、複雑な波面がホログラムにより再現されている様子が示されている。
本発明では、水平方向に、１０００本／ｍｍクラスの高密度ホログラムが達成でき、結果として視域の広い立体表示が可能となる。

これまでの例は、単色の表示であったが、次にカラー立体表示をする場合の構成について述べる。
図１０（Ａ）は、ピンホールアレイまたはスリットアレイ（図１０（Ａ）ではスリットアレイ）を用いた場合のカラー用ホログラム表示用モジュールの構成を示す図である。赤色光を発振するレーザＲ−ＬＡ、緑色光を発振するレーザＧ−ＬＡ、青色光を発振するレーザＢ−ＬＡの３種のレーザにそれぞれ単一モードの光ファイバー（３つの光ファイバーを一括して符号１１２で示す）が接続されており、３本の光ファイバーの出射端は密接に揃えられてレンズ１１３の焦点に置かれる。

特に、レンズ１１３としてシリンドリカルレンズが用いられるときは、水平方向（ｘ方向）に出射光が平行光となるようにレンズが配置される。また、光ファイバー１１２は垂直方向に一列に密接して配列されて、レンズ１１３の焦点に置かれる。これにより、ＲＧＢのどの光も水平方向に平行光となって遮光マスク１１４に入射する。空間光変調部１１５の入射側または出射側（図では出射側）には、カラーフィルタが配置されている。カラーフィルタ１１７については後述する。

また、空間光変調部１１５の後には必要に応じて垂直方向拡散板１１６（たとえば、図３に示したものも使用される）が置かれている。なお、カラーフィルタ１１７は、空間光変調部１１５と一体に形成されていてもよく、あるいは遮光マスク１１４と一体に形成されていてもよい。

前述したように、ホログラムは、変調方式により、振幅変調型と、位相変調型と、複素振幅変調型とに分類できる。
前述したように、振幅変調型ホログラムでは、空間光変調部１１５は振幅のみを変調し、位相変調型ホログラムでは、空間光変調部１１５は位相のみを変調するし、また複素振幅変調型ホログラムでは、空間光変調部１１５は振幅と位相の両方を変調する。
振幅変調型ホログラムでは、一次回折像を利用するので、レンズ１１３からの光の傾斜角を、一次回折角とほぼ同じ角度にすることが好ましい。
振幅変調型ホログラムでは、一次回折像を利用するので、図１０（Ｂ）に示すように、レンズ１１３からの光の傾斜角を、各色についての一次回折角のうち最大の一次回折角と同じ（ＲＧＢの場合にはＢと同じ角度）にすることが好ましい。
あるいはまた、ＲＧＢを出射する各光ファイバーごとに遮光マスク１１４に入射する角度を変えてもよい。
なお、ホログラムデータの作成時に、各色の一次回折角の違いを、前記データに織り込んでおくこともできる。

図１０（Ａ）では、ＲＧＢの３種のレーザにそれぞれ３本の光ファイバーを接続し、それらの出射端は密接に揃えられてレンズ１１３の焦点に置かれた構成となっているが、ＲＧＢの３種のレーザに接続された３本の光ファイバーを１本の光ファイバーに結合して、その出射端をレンズ１１３の焦点に置く構成としてもよい。

図１１は、ＲＧＢの各光ファイバーからの光を用いてピンホールアレイまたはスリットアレイ（図１１ではピンホールアレイ）による光源要素を生成する場合のカラー用ホログラム表示用モジュールの他の構成を示す図であり、（Ａ）はＲＧＢの各光ファイバーからの光を一本の光ファイバーに集約して１つのモジュールを動作させる例を示す図、（Ｂ）はＲＧＢの各光ファイバーからの光を一本の光ファイバーに集約しこの集約された光を複数のカラー用ホログラム表示用モジュールに供給する例を示す図である。

図１０では１つのカラーホログラム表示用モジュール１０４に対して１組のＲＧＢのレーザ光源１１１（Ｒ−ＬＡ，Ｇ−ＬＡ，Ｂ−ＬＡ）が配置されそれぞれのレーザ光源Ｒ−ＬＡ，Ｇ−ＬＡ，Ｂ−ＬＡから光ファイバーを引き出していた。
ここでは、図１１（Ａ）に示すように、ＲＧＢの各レーザ光源Ｒ−ＬＡ，Ｇ−ＬＡ，Ｂ−ＬＡに設けられた光ファイバーを１本（符号１１２で示す）に集約することができる。

また、本発明では、図１１（Ｂ）に示すように、図１１（Ａ）のようにして集約された光ファイバー（符号１１２で示す）を複数（ここでは３つ）に分岐することができる。これにより、複数のホログラム表示用モジュール１０４で１組のＲＧＢのレーザ光源１１１を共有することができる。このような構成により、レーザ光源Ｒ−ＬＡ，Ｇ−ＬＡ，Ｂ−ＬＡの数を減らすことができるため、組み立て調整が容易となり、コストを低減することができる。

図１２（Ａ），（Ｂ）は、カラーフィルタ１１７におけるＲＧＢの配置を示した図である。カラーフィルタ１１７は、Ｒ光のみを透過するフィルタ要素ＲＦ、Ｇ光のみを透過するフィルタ要素ＧＦ、Ｂ光のみを透過するフィルタ要素ＢＦの繰り返しからなる。

図１２（Ａ）では、フィルタ要素ＲＦ，ＧＦ，ＢＦの各横幅はモジュール横幅Ｌｈに等しく、フィルタ要素ＲＦ，ＧＦ，ＢＦの各縦幅Ｌｓは、単色の場合の走査線幅Ｌｖに対応している。図１２（Ａ）では、フィルタ要素ＲＦ，ＧＦ，ＢＦは、この順で垂直方向に繰りかえし配置されている。１つのホログラム表示用モジュールの縦幅（垂直方向の幅）をＬｄで表してある。

前述したように、ホログラム鑑賞者の瞳との距離をＬ、瞳の径をＤとし、表示部からｈ離れたところに立体表示が結像されるとすると、瞳に入る表示部の領域の径ｑは、ｑ＝（Ｄ×ｈ）／（Ｌ−ｈ）で表される。
モジュール横幅Ｌｈが、「瞳に入る表示部の領域の径」の約２倍（２ｑ）よりも大きい場合には、図１２（Ｂ）に示すように、フィルタ要素ＲＦ，ＧＦ，ＢＦの横幅を２ｑ程度に設定し、フィルタ要素の縦幅Ｌｓの帯状領域がフィルタ要素ＲＦ，ＧＦ，ＢＦとなるように配置してもよい。

図１３は、フィルタ要素ＲＦ，ＧＦ，ＢＦの別の配置例を示す図である。この例では、光源要素となるピンホールＨが縦横に配置されたアレイが形成されている。すなわち、第１行（走査線幅Ｌｖにおける最上行）のピンホールＨ群は、水平方向に間隔ｄ１で形成されている。空間光変調要素も光源要素に対応して配列されているので、空間光変調要素の横方向の画素ピッチはｄ１となる。このとき、横一行の空間光変調要素に対応してフィルタ要素ＲＦ，ＧＦ，ＢＦが順に繰り返し配置される。つまりフィルタ要素の横方向のピッチもｄ１となる。第２行（走査線幅Ｌｖにおける上から２番目の行）のピンホールＨ群は、第１行と垂直方向の間隔ｄ２だけ隔てられるとともに、第１行のピンホールＨ群とはｐ＝ｄ１／Ｎ隔てて形成される。第２行の空間光変調要素および、対応するフィルタ要素ＲＦ，ＧＦ，ＢＦも光源要素に対応して配列される。各行において、空間光変調要素および、対応するフィルタ要素ＲＦ，ＧＦ，ＢＦは順次ｐずつづれて配列される。このようにずらして配列された行において、フィルタ要素の位置関係が第１行と同じ位置関係になるところまでが、１つの走査線となる。
なお、以上のカラー用ホログラム表示用モジュール説明においては、光の３原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）を典型的な例として説明したが、この他の色の光をさらに加えても、あるいは用途によっては全く別の色の光の組み合わせとしてもよい。

次に、コヒーレント光を面発光レーザを光源要素とするアレイにより生成する第２実施形態を説明する。図１４は、ホログラム表示用モジュール４００の一部を示す平面図である。図１４では、面発光レーザ要素Ｐが縦横に配置された面発光レーザのアレイが形成されている。
面発光レーザ要素Ｐは水平方向に一定ピッチの密な間隔で配置し、かつ垂直方向に一定ピッチの粗な間隔で配置されている。具体的には、面発光レーザのアレイの形状は、図７に記載したピンホールＨのパターンと同じである。走査線幅Ｌｖ、空間光変調部の横・縦の大きさｄ１，ｄ２、白抜き矢印の方向ｙから見たときの水平ピッチｐ、走査線幅内の面発光レーザ要素Ｐの個数Ｎも図７のＬｖ、ｄ１，ｄ２、ｐ、Ｎと同じである。

図１４に示したように、面発光レーザ要素Ｐは、所定高さ幅領域（走査線幅Ｌｖ）において、水平方向に密な間隔（水平ピッチｐ）で配置されかつ垂直方向に粗な間隔ｄ２で配置される。

また図１４では、空間光変調部４１３が面発光レーザアレイ上に形成されている。本実施形態では、空間光変調部１１５には液晶パネルが使用されている。空間光変調部４１３の大きさは、ｄ１×ｄ２であり、空間光変調部４１３として、通常使用されている液晶パネルが使用できる。空間光変調部４１３の空間光変調要素も、面発光レーザ要素Ｐの配置に合わせて配置する。空間光変調部４１３は、画素ごとに位相・振幅の両方を変調することもできる。なお、変調は位相だけで十分であり、位相変調により共役光の除去が容易にできる。

単に面発光レーザを２次元的に配列しただけでは、各面発光レーザから出射する光は互いにインコヒーレントである。そこで互いにコヒーレントな光にするために、面発光レーザアレイにＴａｌｂｏｔ共振器を導入する。

図１５の横断面説明図に示すように、本実施形態では、ホログラム表示用モジュール４００は、Ｔａｌｂｏｔ共振器を導入している。ホログラム表示用モジュール４００は、面発光レーザアレイ４１０と、反射ミラー４１２と、空間光変調部４１３とから構成される。反射ミラー４１２は、Ｔａｌｂｏｔ距離（周期的な像を自己結像する距離）の１／４の位置（たとえば、ｄ１＝ｄ２＝２０μｍとしたとき約３３０μｍ）にセットされている。なお、面発光レーザを用いたＴａｌｂｏｔ共振器の構成は、特開２００８−１２４０８７（発明者：黒川隆志等）として開示されており周知である。

Ｔａｌｂｏｔ−Ｌａｕ効果により、面発光レーザアレイ４１０上に自己結像が生じ、レーザ間の光注入同期による位相の同期が起こる。このときの、発振波長の均一性は良好で、低パワー光の注入でも面発光レーザアレイ４１０への注入同期を生じさせることができる。なお、コヒーレンスの必要なサイズはホログラム表示用モジュール全体でもよいし、（走査線幅）×（２ｑ幅）でも良い。ｑは図６で説明した、ホログラム表示用モジュール上の瞳に入る領域の幅である。

以上により、本実施形態でも、水平方向に、１０００本／ｍｍクラスの高密度ホログラムが達成でき、結果として視域の広い立体表示が可能となる。また、面発光レーザ４１１の横方向ピッチｄ１、縦方向ピッチｄ２を大きくしているので、放熱が促進できる。
本実施形態では、レンズ系、ビーム走査系などが不用であり、フラットパネルを、安価に製造できる。特に第１の実施形態に比べ本実施形態では、より薄型の表示装置を構成することができ、また光源は自己発光するので、光の利用効率が大きい。

次に面発光レーザアレイを用いたカラー立体表示の構成例について述べる。図１６は、Ｔａｌｂｏｔ共振器を有する面発光レーザアレイを用いた場合のカラー用ホログラム表示用モジュールの構成を示す図である。
基本的な構成は単色用のホログラム表示用モジュールの構成（図１４）と同様であるが、１つの基板上に、赤色光を発振する面発光レーザアレイＲ−ＶＡ、緑色光を発振する面発光レーザアレイＧ−ＶＡ、青色光を発振する面発光レーザアレイＢ−ＶＡの３種のレーザが走査線幅で交互に配置されている点が異なっている。

この構成では、１本の走査線幅内に配置された例えば赤色の面発光レーザの光がコヒーレントになり、交互にＲＧＢのコヒーレントな走査線が形成される。したがって、カラーフィルタを用いたと同様な効果により、カラーのホログラム表示が可能となる。
なお、各ＲＧＢの波長に対して、Ｔａｌｂｏｔ共振器の長さを同じにするために、ＲＧＢの走査線ごとに少しずつ面発光レーザアレイのピッチは異なって設計され、同時に対応する空間光変調部のピッチも異なっている。

１ 表示部
２ 駆動部
３ 制御装置
７ 瞳
８ ホログラム表示装置
８１ ＳＬＭ
１００，１０１，１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃ，１０２，１０３，１０４，１０４Ａ，１０４Ｂ，１０４Ｃ ホログラム表示用モジュール
１１１ レーザ光源
１１２ 光ファイバー
１１３ レンズ
１１４ 遮光マスク
１１５ 空間光変調部
１１６ 垂直方向拡散板
１１７ カラーフィルタ
４００ ホログラム表示用モジュール
４１０ 面発光レーザアレイ
４１１ 面発光レーザ
４１２ 反射ミラー
４１３ 空間光変調部
１１６１ シリンドリカルレンズ
１１６２ マスク
１１６３ スリット
Ａ 立体表示装置
Ｅ 眼
Ｈ ピンホール
Ｉ 干渉縞
ＬＢ レーザ光
Ｒ−ＬＡ，Ｇ−ＬＡ，Ｂ−ＬＡ 各Ｒ，Ｇ，Ｂ光を発するレーザ光源
ＲＦ，ＧＦ，ＢＦ カラーフィルタ要素
Ｒ−ＶＡ、Ｇ−ＶＡ、Ｂ−ＶＡ 各Ｒ，Ｇ，Ｂ光を発する面発光レーザアレイ
Ｌｖ 走査線幅
Ｌｈ モジュール横幅（水平方向の幅）
Ｌｄ モジュール縦幅（垂直方向の幅）
Ｐ 面発光レーザ要素
Ｓ スリット
ＳＯ 立体像
Ｘ 再生波
ｄ１ 空間光変調部の画素の水平方向のピッチ
ｄ２ 空間光変調部の画素の垂直方向のピッチ
ｐ スリットまたはピンホールまたは面発光レーザの水平方向の擬似的ピッチ
ｑ ホログラム表示用モジュール上の瞳に入る領域の幅
ｘ，ｙ 白矢印

Claims (15)

1. 多数の光源要素と、それに重なって配置される空間光変調要素とが配列されたホログラム表示用モジュールであって、
   前記光源要素は互いに空間コヒーレントな光を発生し、前記空間光変調要素は前記光源要素からの光をそれぞれ独立に空間変調し、
   一走査線を構成する所定高さ幅領域において、前記光源要素は２次元的に配列されるとともに、前記光源要素の開口が水平方向には互いに異なる位置に配置され、前記走査線が高さ方向に並んでいることを特徴とするホログラム表示用モジュール。
2. 互いに空間コヒーレントな光を発生する複数の光源要素からなるアレイと、前記複数の光源要素からの光をそれぞれ独立に空間変調する複数の空間光変調要素からなるアレイとを備えた請求項１に記載のホログラム表示用モジュールであって、
   光源要素を水平方向に一定間隔（ｄ１）で配置した行を、垂直方向に前記粗な一定間隔（ｄ２）で順次所定数（Ｎ）配置することで前記一走査線を形成するとともに、前記空間光変調要素を前記光源要素の配置に合わせて配置し、
   各行の光源要素は、他の何れかの行の光源要素と、前記水平方向に前記密な一定間隔（水平ピッチｐ）（＝ｄ１／Ｎ）ずれて配列されたことを特徴とする請求項１に記載のホログラム表示用モジュール。
3. 第ｋ行（ｋ＝２，３，・・・，Ｎ）の光源要素は、第（ｋ−１）行の光源要素と、前記水平方向に密な一定間隔（水平ピッチｐ）（＝ｄ１／Ｎ）ずれて配列されたことを特徴とする請求項２に記載のホログラム表示用モジュール。
4. 前記各空間光変調要素は、前記光源要素からの光の位相および／または振幅を変調することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のホログラム表示用モジュール。
5. 前記空間コヒーレントな複数の光源要素からなるアレイは、ピンホールパターンまたはスリットパターンが形成された遮光マスクにより構成され、当該遮光マスクには単一横モードレーザ光源からのコヒーレント光が照射される、ことを特徴とする請求項２に記載のホログラム表示用モジュール。
6. 前記単一横モードレーザ光源からの光は、光ファイバーを介して前記遮光マスクに照射されることを特徴とする請求項５に記載のホログラム表示用モジュール。
7. 前記単一横モードレーザ光源が、少なくとも１つの他のホログラム表示用モジュールと共有されていることを特徴とする請求項５または６に記載のホログラム表示用モジュール。
8. 前記単一横モードレーザ光源は複数の色の発振光のレーザ光源からなり、
   前記レーザ光源の発振光の色に対応した各フィルタが、
   それぞれ走査線となるパターンで形成され、または、
   １つの走査線内に、それぞれの色のフィルタ領域が繰り返して生じるパターンで形成されている、
   ことを特徴とする請求項５から７の何れかに記載のホログラム表示用モジュール。
9. 単一横モードレーザ光源からのコヒーレント光が、レンズを介して平行光となって複数の光源要素からなるアレイに照射される、ことを特徴とする請求項５から８の何れかに記載のホログラム表示用モジュール。
10. 前記各空間光変調要素が前記光源要素からの光の振幅を変調するホログラム表示用モジュールででは、前記レンズから前記光源要素への平行光の水平方向の入射角度が、アレイ面に対して傾いている（垂直でない）ことを特徴とする請求項９に記載のホログラム表示用モジュール。
11. 前記単一横モードレーザ光源は複数の色の発振光のレーザ光源からなる場合には、複数の色の光のうち最も短波長の光に合わせた角度だけ光源要素アレイ面に対して傾けることを特徴とする請求項９に記載のホログラム表示用モジュール。
12. 前記空間コヒーレントな複数の光源要素からなるアレイは、Ｔａｌｂｏｔ共振器を持つ面発光レーザアレイにより構成したことを特徴とする請求項２に記載のホログラム表示用モジュール。
13. 前記面発光レーザアレイは複数の色の発振光の面発光レーザからなり、
    前記複数の色の発振光の各面発光レーザが、
    それぞれ走査線となるパターンで形成され、または、
    １つの走査線内に、前記複数色の発振光の面発光レーザ領域が繰り返して生じるパターンで形成されている、
    ことを特徴とする請求項１２に記載のホログラム表示用モジュール。
14. 前記空間光変調要素からなる前記アレイ上に、
    各ホログラム走査線に対応して垂直方向に光を拡散する垂直拡散板を備え、
    前記垂直拡散板は、シリンドリカルレンズアレイ（レンティキュラー板）と、各前記シリンドリカルレンズの出射側に、水平方向に沿ったスリットが形成された遮光マスクとからなり、
    あるいは前記垂直拡散板は、一方向性のホログラフィックディフューザと、各前記ホログラフィックディフューザの出射側に、水平方向に沿ったスリットが形成された遮光マスクとからなる、
    ことを特徴とする請求項２に記載のホログラム表示用モジュール。
15. 請求項１から１４の何れかに記載のホログラム表示用モジュールを縦横に複数配置して構成した表示部を備えたことを特徴とする立体表示装置。