WO2012026550A1 - ホログラム表示用モジュールおよび立体表示装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a hologram display module comprising an array of light source elements that are two-dimensionally arranged and emit coherent light, and an array of spatial light modulation elements that modulate the light for each light source element, and
- the present invention relates to a three-dimensional display device in which a plurality of hologram display modules are arranged vertically and horizontally, and relates to the hologram display module and the three-dimensional display device that do not have a mechanical operating portion and can display a wide viewing zone angle.
- a technique for displaying interference fringes using a spatial light modulator is known.
- SLM spatial light modulator
- the SLM 81 is an optical device that applies spatial modulation to incident light, and can arbitrarily control the amplitude of light, the phase of light, or the amplitude and phase of light according to electrical input information.
- the SLM 81 generally uses a liquid crystal, but since the thickness of the liquid crystal layer is required to be at least about 3 ⁇ m, it is technically difficult to realize a pixel pitch smaller than this.
- the pixel pitch may be enlarged.
- the hologram display device uses the interference fringes I, the screen size must be increased while keeping the pixel pitch of the SLM 81 in the wavelength order (1 ⁇ m order). For this reason, when the screen size is increased, the SLM 81 requires a huge number of pixels.
- the pixel pitch of the SLM 81 determines the viewing zone angle of the stereoscopic image, and the number of pixels determines the screen size.
- the pixel pitch is p
- the number of pixels is N ⁇ M
- the wavelength of the laser beam is ⁇
- the viewing zone angle is 2 sin ⁇ 1 ( ⁇ / (2p))
- the screen size is Np ⁇ Mp.
- the pixel pitch is about 1 ⁇ m (0.97 ⁇ m) and the number of pixels is 421,000 ⁇ 316,000.
- An SLM 81 having a fine and enormous number of pixels is required. As described above, in reality, it is technically difficult to manufacture such an SLM.
- Patent Document 1 a technique (horizontal parallax type hologram: HPO) referred to in Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 for compensating the horizontal resolution by abandoning vertical parallax is also known.
- HPO horizontal parallax type hologram
- An object of the present invention is to provide a hologram stereoscopic display technology having no mechanical working part and a wide viewing angle.
- the holographic display module of the present invention is summarized as (1) to (12).
- (1) A hologram display module in which a large number of light source elements and spatial light modulation elements arranged to overlap the light source elements are arranged, The light source elements generate spatially coherent light, the spatial light modulation elements spatially modulate light from the light source elements independently;
- the light source elements are two-dimensionally arranged in a predetermined height width region constituting one scanning line, and the openings of the light source elements are arranged at mutually different positions in the horizontal direction, so that the scanning line is in the height direction.
- a hologram display module characterized by being arranged in a line.
- the resolution of the horizontal parallax is ensured by abandoning the vertical parallax.
- the formation area of the spatial light modulation element and the formation area of the light source element can be secured.
- hologram data can be generated in a short time without using an expensive processor.
- the burden of data transmission is reduced, and a three-dimensional image can be displayed as a hologram in real time.
- the light source element used in the hologram display module of the present invention may be a self-light-emitting light source, or irradiates light from a certain coherent light source onto a mask in which a transmission pattern of pinholes and slits is formed, The light may be emitted from a pinhole or a slit.
- the light source element and the spatial light modulation element can be arranged in an oblique line pattern, a zigzag pattern, a houndstooth pattern, or the like.
- the hologram display module according to (2) wherein the hologram display module is arranged in a shifted manner.
- the light source element and the spatial light modulation element have a hatched pattern.
- each of the spatial light modulation elements modulates a phase and / or amplitude of light from the light source element.
- the array composed of a plurality of spatially coherent light source elements is composed of a light shielding mask in which a pinhole pattern or a slit pattern is formed, and the light shielding mask is irradiated with coherent light from a single transverse mode laser light source.
- the hologram display module according to (1) is composed of a light shielding mask in which a pinhole pattern or a slit pattern is formed, and the light shielding mask is irradiated with coherent light from a single transverse mode laser light source.
- the single transverse mode laser light source comprises a laser light source of oscillation light of a plurality of colors, Each filter corresponding to the color of the oscillation light of the laser light source, Each is formed in a pattern to be a scanning line, or In one scanning line, each color filter area is formed in a repetitively generated pattern.
- the hologram display module according to any one of (5) to (7).
- the single transverse mode laser light source is composed of laser light sources of a plurality of colors of oscillation light
- the single transverse mode laser light source is inclined with respect to the light source element array surface by an angle that matches the light of the shortest wavelength among the light of a plurality of colors.
- the surface emitting laser array is composed of surface emitting lasers of oscillation light of a plurality of colors, Each surface emitting laser of the oscillation light of the plurality of colors, Each is formed in a pattern to be a scanning line, or In one scanning line, the surface emitting laser region of the oscillation light of the plurality of colors is formed in a pattern generated repeatedly.
- the vertical diffusion plate that diffuses light in the vertical direction corresponding to each hologram scanning line,
- the vertical diffusion plate is composed of a cylindrical lens array (lenticular plate) and a light-shielding mask in which a slit along the horizontal direction is formed on the emission side of each cylindrical lens,
- the vertical diffusion plate is composed of a unidirectional holographic diffuser and a light shielding mask in which a slit along the horizontal direction is formed on the emission side of each holographic diffuser.
- a stereoscopic display device comprising a display unit configured by arranging a plurality of the hologram display modules according to any one of (1) to (13) vertically and horizontally.
- the pitch between the spatial light modulation elements can be kept large even though the light source elements and the spatial light modulation elements are arranged in the horizontal direction within one scanning line. Fabrication of the spatial light modulator becomes easy. Also. Even when a self-luminous element such as a surface emitting laser is used as the light source element, the pitch between the light source elements can be kept large enough to prevent thermal interference between the light source elements.
- the stereoscopic display device of the present invention can display still images and moving images. In addition to monochrome display, color display is also possible.
- the present invention since there is no need to calculate the vertical parallax, the amount of calculation of hologram data is drastically reduced. Thereby, it is not necessary to use an expensive computing resource (such as a microprocessor), and the cost of the apparatus itself can be reduced.
- FIG. 1 is an explanatory view showing a first embodiment of the stereoscopic display device of the present invention.
- A is the figure which looked at the hologram display module in 1st Embodiment which irradiates a laser beam to a light-shielding mask from a laser light source via an optical fiber and a lens
- B is the figure seen from the same top.
- It is another explanatory view of the hologram display module in the first embodiment, and shows an example in which three hologram display modules share one laser light source and irradiate the light shielding mask with a laser beam through an optical fiber and a lens. It is.
- FIG. 1 is an explanatory view showing a first embodiment of the stereoscopic display device of the present invention.
- (A) is the figure which looked at the hologram display module in 1st Embodiment which irradiates a laser beam to a light-shielding mask from a laser light source via an
- FIG. 5 is a diagram showing a hologram display module that can be substituted for the hologram display module of FIG. 2, and FIG. 5A is a diagram showing an example in which laser light is irradiated from a laser light source to a light shielding mask through a lens.
- (B) is a figure which shows the example which irradiates a laser beam directly to a light shielding mask from a laser light source.
- FIG. 6 is an explanatory diagram showing the principle of the hologram display module.
- FIG. 7 is an explanatory diagram of a hologram display module in which an array in which pinholes are arranged vertically and horizontally is formed on a light shielding mask.
- FIG. 5A is a diagram showing an example in which laser light is irradiated from a laser light source to a light shielding mask through a lens.
- (B) is a figure which shows the example which irradiates a laser beam directly to a light shielding mask from a laser light
- FIG. 8 is an explanatory diagram of a hologram display module in which an array having slits arranged vertically and horizontally is formed on a mask.
- FIG. 9A is a diagram when the hologram display module 100 (or 101, 102, 103) is viewed from the direction of the white arrow y, and FIG. 9B is also the same when viewed from the direction of the white arrow x.
- FIG. FIG. 10 is a diagram showing another configuration of a color hologram display module when light source elements are generated by a pinhole array or a slit array (pinhole array in FIG. 10) using light from RGB optical fibers.
- (A) is a view of the module as viewed from the side
- (B) is a view of the same as seen from above.
- FIG. 11 is a diagram showing another configuration of a color hologram display module in the case where a light source element is generated by a pinhole array or a slit array (pinhole array in FIG. 11) using light from RGB optical fibers.
- (A) is a diagram showing an example in which light from each RGB optical fiber is collected into one optical fiber and one module is operated, and
- (B) is a light from each RGB optical fiber into one optical fiber. It is a figure which shows the example which aggregates and supplies this collected light to the several module for color hologram displays.
- FIG. 12 is a diagram showing the RGB arrangement of the color filters used in the color hologram display module (FIG. 10 or FIG. 11).
- FIG. 10 the color hologram display module
- FIG. 12A shows the case where the horizontal width of each of the RGB filters is equal to the module width.
- FIG. 4B is a diagram showing an example in which the filters are arranged so as not to be the same color filter over the scanning line of the hologram display module.
- FIG. 13 is a diagram showing another RGB arrangement example of the color filter used in the color hologram display module (FIG. 10 or FIG. 11).
- FIG. 14 is an explanatory diagram showing a second embodiment of the stereoscopic display device of the present invention that generates coherent light by an array of surface emitting lasers.
- FIG. 15 is a cross-sectional explanatory view of a hologram display module (Talbot resonator) used in the stereoscopic display device of the second embodiment.
- FIG. 16 is a diagram showing a configuration of a color hologram display module in the case where an array of surface emitting lasers having a Talbot resonator is used.
- FIG. 17 is a diagram showing a theoretical Fresnel type hologram display device (imaginary hologram display device).
- FIG. 1 is an explanatory view showing a first embodiment of the stereoscopic display device of the present invention.
- a stereoscopic display device (hologram device) A includes a display unit 1, a drive unit 2, and a control device 3.
- the drive unit 2 drives a spatial light modulation element (SLM) to be described later, and the control device 3 controls the entire stereoscopic display device A.
- SLM spatial light modulation element
- the feature of the stereoscopic display device of the present invention is the configuration of the display unit 1.
- the display unit 1 is configured by arranging a plurality of hologram display modules 100 vertically and horizontally. As shown in FIG. 2A, the hologram display module 101 includes a laser light source 111 in a single transverse mode.
- the light from the laser light source 111 is incident on the lens 113 for generating parallel light via the single-mode optical fiber 112, and the light from the lens 113 is The light shielding element 114 for generating the light source element array is irradiated.
- the light shielding mask 114 is formed with a pinhole array pattern or a slit array pattern. Therefore, the light shielding mask 114 forms a light source element in the present invention.
- Light emitted from pinholes or slits on the light-shielding mask 114 is kept in a coherent state, enters the spatial light modulator 115, and is further emitted to the hologram viewer via the vertical diffusion plate 116.
- Holograms can be classified into amplitude modulation type, phase modulation type, and complex amplitude modulation type depending on the modulation method.
- the spatial light modulation unit 115 modulates only the amplitude
- the spatial light modulation unit 115 modulates only the phase
- the spatial light modulator 115 modulates both the amplitude and the phase. Since an amplitude-modulated hologram uses a first-order diffraction image, it is preferable to tilt the parallel light from the lens 113 in accordance with the first-order diffraction angle as shown in FIG.
- FIG. 3 shows an example of the vertical diffusion plate 116.
- the vertical diffusing plate 116 is on an array made of SLM, and the cylindrical lens (lenticular plate) 1161 is each hologram scanning line (the width in the height direction of one scanning line is Lv, the horizontal direction). 1 is provided corresponding to Lh).
- a mask 1162 is provided on the group of cylindrical lenses 1161.
- a slit 1163 is formed in the mask 1162 along the length direction of the cylindrical lens (in the horizontal direction).
- a holographic diffuser having a property of diffusing light in the vertical direction may be used instead of the cylindrical lens.
- the vertical diffusion plate 116 eliminates the difference in the vertical position of the slits formed in the light-shielding mask 114 for generating the light source element array (see FIG. 2, FIG. 7, FIG. 8 and the like described later). The area can be expanded.
- one laser light source is arranged for one hologram display module.
- a three-dimensional display device is configured by two-dimensionally arranging a plurality of hologram display modules vertically and horizontally, as shown in FIG. 4, for example, three optical fibers 112 attached to one laser light source 111 are provided. And can be connected to three hologram display modules 101A, 101B, and 101C.
- one laser light source 111 can be shared by the plurality of hologram display modules 101A, 101B, and 101C. With such a configuration, the number of laser light sources can be reduced, so that assembly adjustment is facilitated and costs can be reduced.
- the hologram display modules 102 and 103 shown in FIGS. 5A and 5B can be used in place of the hologram display module 101 of FIG.
- the hologram display module 102 in FIG. 5A the light from the laser light source 111 is applied to the lens 113, and the light from the lens 113 is applied to the light shielding mask 114.
- the hologram display module 103 in FIG. 5B light from the laser light source 111 is directly applied to the light shielding mask 114 without passing through a lens.
- Hologram interference fringe information can be generated by optically interfering an object wave diffused / reflected by an object with a reference wave and photographing with an image sensor, or by simulating interference with a computer. Interference fringes are displayed on the spatial light modulator 115, and a reproduction wave generated by modulating the laser light by the spatial light modulator 115 generates a three-dimensional image.
- FIG. 6 is an explanatory diagram showing the principle of the hologram display modules 101, 102, 103.
- the stereoscopic image SO is generated in front of the display.
- the maximum distance h may be substantially the same as the screen size WD (the image appears to pop out so far).
- the observation distance L is about three times the screen size.
- a number of spherical waves are emitted from the hologram display module so as to be focused on each point on the stereoscopic image SO, and light is emitted from a point on the actual object from a point on the stereoscopic image SO. Light comes out and enters the viewer's pupil 7 (eye).
- FIG. 6 is an explanatory diagram showing the principle of the hologram display modules 101, 102, 103.
- the stereoscopic image SO is generated in front of the display.
- the maximum distance h may be substantially the same as the screen size WD (the image appears to pop out so far).
- the observation distance L is about three times the screen size
- the distance between the display unit 1 and the pupil 7 of the hologram viewer is L, and the diameter of the pupil 7 is D.
- Hologram display modules 100 see FIG. 1), 101 (see FIG. 2), 102 (see FIG. 5A), 103 (see FIG. 5B), etc. have horizontal widths (module width or lateral width) WD. If it is equal to or greater than this value, a sufficient coherent area is secured for the observer.
- the size of the hologram display modules 100, 101, 102, 103 and the like can be easily set to about 5 mm ⁇ 5 mm. In this case, a natural hologram display can be performed.
- the spherical wave emitted from the hologram display module Sk is focused on the point Pk on the stereoscopic image, and the spherical wave emitted from the point Pk is focused on the point Pk ′ on the retina by the pupil 7.
- the size of the hologram display modules 100, 101, 102, 103, etc. is made larger than the size q determined by the size of the pupil 7 (actually about 2q), a more natural hologram can be displayed.
- the lens 113, the light shielding mask 114, the spatial light modulator 115, and the vertical diffusion plate 116 can be integrally formed on the glass substrate.
- the size of the display unit 1 varies from a small one such as a mobile phone display to a large one such as a home TV.
- FIG. 7 and 8 are enlarged views of the hologram display modules 100 (see FIG. 1), 101 (see FIG. 2), 102 (see FIG. 4 (A)), and 103 (see FIG. 4 (B)).
- an array in which pinholes H are arranged vertically and horizontally is formed in the light shielding mask 114.
- the pinholes H formed in the light shielding mask 114 are arranged at a high horizontal interval (horizontal pitch p) in the predetermined height width region (scanning line width Lv) and in the vertical direction.
- the horizontal interval between the pinholes H is the interval when viewed from the direction of the white arrow y in the figure.
- the vertical interval between the pinholes H is the interval when viewed from the direction of the white arrow x in the figure.
- the diameter of the pinhole H is desirably equal to or less than the horizontal pitch p.
- the pinhole group H in the first row (the uppermost row in the scanning line width Lv) is formed at the interval d1 in the horizontal direction.
- the pinhole group in the k-th row (k ⁇ N) is separated from the first row by a vertical interval ((k ⁇ 1) ⁇ d2), and the pinhole group in the first row is (k ⁇ 1) Formed with a shift of xp.
- the arrangement is sequentially shifted by the horizontal pitch p from the first row to the Nth row within one scanning line width.
- the spatial light modulator 115 is formed on the light shielding mask 114.
- a liquid crystal panel is used for the spatial light modulator 115.
- the horizontal and vertical sizes of one pixel (spatial light modulation element) of the spatial light modulator 115 are d1 ⁇ d2, and a normally used liquid crystal panel can be used as the spatial light modulator 115.
- the spatial light modulation element is arranged in accordance with the arrangement of the light source elements.
- the spatial light modulator 115 can also modulate both phase and amplitude for each pixel. Note that the phase alone is sufficient for modulation, and conjugate light can be easily removed by phase modulation.
- Lv 400 ⁇ m
- d1, d2 20 ⁇ m
- p 1 ⁇ m
- N 20.
- a general-purpose spatial light modulator (the number of pixels is about SVGA (800 ⁇ 600 pixels) and the pixel pitch is 20 ⁇ m) can be applied, and the size of the hologram display module is 16 mm ⁇ 12 mm.
- FIG. 8 shows a case where the pattern formed on the light shielding mask 114 is the slit S.
- the operation is substantially the same as the case where the pattern formed on the light shielding mask 114 shown in FIG. 7 is a pinhole H, but the light utilization efficiency is higher than that of the pinhole.
- it is desirable that the width of the slit is equal to or less than the horizontal pitch p and the height of the slit is equal to or less than d2.
- FIG. 9A is a diagram when the hologram display module 100 (or 101, 102, 103) is viewed from the direction of the white arrow y (displayed by superimposing N rows within one scanning line width).
- FIG. 9B is a view when seen from the direction of the white arrow x.
- FIG. 9A shows how a complex wavefront is reproduced by a hologram.
- a 1000 / mm class high-density hologram can be achieved in the horizontal direction, and as a result, a stereoscopic display with a wide viewing zone is possible.
- FIG. 10A is a diagram showing a configuration of a color hologram display module when a pinhole array or a slit array (a slit array in FIG. 10A) is used.
- the laser R-LA that oscillates red light, the laser G-LA that oscillates green light, and the laser B-LA that oscillates blue light, each of which has a single-mode optical fiber 112 are connected, and the exit ends of the three optical fibers are closely aligned and placed at the focal point of the lens 113.
- the lens 113 when a cylindrical lens is used as the lens 113, the lens is arranged so that the emitted light becomes parallel light in the horizontal direction (x direction).
- the optical fibers 112 are closely arranged in a line in the vertical direction and are placed at the focal point of the lens 113.
- any RGB light becomes parallel light in the horizontal direction and enters the light shielding mask 114.
- a color filter is disposed on the incident side or the emission side (the emission side in the figure) of the spatial light modulator 115. The color filter 117 will be described later.
- a vertical diffusion plate 116 (for example, the one shown in FIG. 3 is also used) is placed after the spatial light modulator 115 as necessary.
- the color filter 117 may be formed integrally with the spatial light modulator 115 or may be formed integrally with the light shielding mask 114.
- holograms can be classified into an amplitude modulation type, a phase modulation type, and a complex amplitude modulation type according to the modulation method.
- the spatial light modulation unit 115 modulates only the amplitude
- the spatial light modulation unit 115 modulates only the phase
- the complex amplitude modulation hologram The spatial light modulator 115 modulates both amplitude and phase.
- the inclination angle of the light from the lens 113 is substantially the same as the first-order diffraction angle.
- the inclination angle of the light from the lens 113 is the same as the maximum first-order diffraction angle among the first-order diffraction angles for each color ( In the case of RGB, the angle is preferably the same as B). Or you may change the angle which injects into the light shielding mask 114 for every optical fiber which radiate
- FIG. 10A three optical fibers are connected to three types of RGB lasers, and their emission ends are closely aligned and placed at the focal point of the lens 113.
- a configuration may be adopted in which three optical fibers connected to the three types of lasers are coupled to one optical fiber and the emission end thereof is placed at the focal point of the lens 113.
- FIG. 11 is a diagram showing another configuration of a color hologram display module in the case where a light source element is generated by a pinhole array or a slit array (pinhole array in FIG. 11) using light from RGB optical fibers.
- A is a diagram showing an example in which light from each RGB optical fiber is collected into one optical fiber and one module is operated, and
- B) is a light from each RGB optical fiber into one optical fiber. It is a figure which shows the example which aggregates and supplies this collected light to the several module for color hologram displays.
- a set of RGB laser light sources 111 (R-LA, G-LA, B-LA) are arranged for one color hologram display module 104, and the laser light sources R-LA, G-LA, The optical fiber was pulled out from B-LA.
- the optical fibers provided in the RGB laser light sources R-LA, G-LA, and B-LA can be integrated into one (indicated by reference numeral 112).
- the optical fibers (indicated by reference numeral 112) aggregated as shown in FIG. 11A can be branched into a plurality (three here).
- a set of RGB laser light sources 111 can be shared by a plurality of hologram display modules 104.
- the number of laser light sources R-LA, G-LA, and B-LA can be reduced, so that assembly adjustment can be facilitated and costs can be reduced.
- FIGS. 12A and 12B are diagrams showing the RGB arrangement in the color filter 117.
- the color filter 117 includes a repetition of a filter element RF that transmits only R light, a filter element GF that transmits only G light, and a filter element BF that transmits only B light.
- the horizontal widths of the filter elements RF, GF, and BF are equal to the module horizontal width Lh, and the vertical widths Ls of the filter elements RF, GF, and BF correspond to the scanning line width Lv in the case of a single color. Yes.
- the filter elements RF, GF, and BF are repeatedly arranged in this order in the vertical direction.
- the vertical width (width in the vertical direction) of one hologram display module is represented by Ld.
- the horizontal widths of the filter elements RF, GF, and BF are set as shown in FIG. It may be set to about 2q, and may be arranged so that the band-like regions having the vertical width Ls of the filter elements are the filter elements RF, GF, and BF.
- FIG. 13 is a diagram illustrating another arrangement example of the filter elements RF, GF, and BF.
- an array in which pinholes H serving as light source elements are arranged vertically and horizontally is formed. That is, the pinhole H group in the first row (the uppermost row in the scanning line width Lv) is formed at the interval d1 in the horizontal direction. Since the spatial light modulation elements are also arranged corresponding to the light source elements, the horizontal pixel pitch of the spatial light modulation elements is d1.
- the filter elements RF, GF, and BF are repeatedly arranged in order corresponding to the spatial light modulation elements in one horizontal row. That is, the horizontal pitch of the filter elements is also d1.
- the spatial light modulation elements in the second row and the corresponding filter elements RF, GF, BF are also arranged corresponding to the light source elements. In each row, the spatial light modulation elements and the corresponding filter elements RF, GF, and BF are sequentially arranged by p. In the rows arranged in such a manner, one scanning line is formed until the positional relationship of the filter elements is the same as that of the first row.
- the three primary colors of light, red (R), green (G), and blue (B) have been described as typical examples. Or a combination of light of different colors depending on the application.
- FIG. 14 is a plan view showing a part of the hologram display module 400.
- an array of surface emitting lasers in which surface emitting laser elements P are arranged vertically and horizontally is formed.
- the surface emitting laser elements P are arranged at a constant interval with a constant pitch in the horizontal direction and at a rough interval with a constant pitch in the vertical direction.
- the shape of the surface emitting laser array is the same as the pattern of the pinhole H described in FIG.
- the scanning line width Lv, the horizontal and vertical dimensions d1 and d2 of the spatial light modulator, the horizontal pitch p when viewed from the direction of the white arrow, and the number N of surface emitting laser elements P within the scanning line width are also shown. 7 is the same as Lv, d1, d2, p, and N.
- the surface emitting laser elements P are arranged in a predetermined height width region (scanning line width Lv) with a dense interval (horizontal pitch p) in the horizontal direction and a coarse interval d2 in the vertical direction. It is arranged with.
- the spatial light modulator 413 is formed on the surface emitting laser array.
- a liquid crystal panel is used for the spatial light modulator 115.
- the size of the spatial light modulator 413 is d1 ⁇ d2, and a normally used liquid crystal panel can be used as the spatial light modulator 413.
- the spatial light modulation element of the spatial light modulation unit 413 is also arranged in accordance with the arrangement of the surface emitting laser element P.
- the spatial light modulator 413 can also modulate both phase and amplitude for each pixel. Note that only the phase is sufficient for modulation, and conjugate light can be easily removed by phase modulation.
- the surface emitting lasers are simply arranged two-dimensionally, the light emitted from each surface emitting laser is incoherent with each other. Therefore, a Talbot resonator is introduced into the surface emitting laser array in order to obtain coherent light.
- the hologram display module 400 introduces a Talbot resonator.
- the hologram display module 400 includes a surface emitting laser array 410, a reflection mirror 412, and a spatial light modulator 413.
- the configuration of a Talbot resonator using a surface emitting laser is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-124087 (inventor: Takashi Kurokawa, etc.) and is well known.
- the size required for coherence may be the entire hologram display module, or (scanning line width) ⁇ (2q width). q is the width of the region that enters the pupil on the hologram display module described in FIG.
- a 1000 / mm class high-density hologram can be achieved in the horizontal direction, and as a result, stereoscopic display with a wide viewing zone is possible. Moreover, since the horizontal pitch d1 and the vertical pitch d2 of the surface emitting laser 411 are increased, heat dissipation can be promoted. In this embodiment, a lens system, a beam scanning system, etc. are unnecessary, and a flat panel can be manufactured at low cost. In particular, compared with the first embodiment, this embodiment can form a thinner display device, and the light source emits light, and thus the light use efficiency is high.
- FIG. 16 is a diagram showing a configuration of a color hologram display module when a surface emitting laser array having a Talbot resonator is used.
- the basic configuration is the same as that of the monochromatic hologram display module (FIG. 14), but on a single substrate, a surface emitting laser array R-VA that emits red light, and a surface emitting that emits green light.
- the difference is that three types of lasers, laser array G-VA and surface emitting laser array B-VA that oscillates blue light, are alternately arranged with a scanning line width.
- the light of, for example, a red surface emitting laser arranged within one scanning line width becomes coherent, and RGB coherent scanning lines are alternately formed. Therefore, a color hologram display can be achieved by the same effect as when the color filter is used.
- the pitch of the surface emitting laser array is designed slightly different for each RGB scanning line, and the corresponding spatial light modulation unit The pitch is also different.
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Abstract
Description
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。
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