(57)【要約】  【課題】  【解決手段】１次元ホログラムを利用した画像ディスプレイ装置が開示されている。この画像ディスプレイ装置は、平行な光線を偏向させる光偏向ユニットであって、順に再構成された光の入射角を調整する光偏向ユニットと、線状の画像を順に更新することにより画像全体を再生する１次元ホログラム光学モジュレータとを具える。１次元ホログラムは、単一の軸情報を利用して、一度に一の線状の画像を表示できる。１次元ホログラムは、再生された入射光と同期して更新される。１次元ホログラムの入力データは、光学計算方法により計算してもよい。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビデオディスプレイ装置における１次元ホログラムを利用した改良型の画像ディスプレイ装置であって、
平行な光線を偏向させ、１次元ホログラムに対する再生光の入射角を調整する光偏向手段と、
単一の軸情報で一度に一の線画像を表示し、調整された入射再生光と同期して各線画像を順に更新することにより画像全体を再生する１次元ホログラム用光変調手段とを具えていることを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、前記光偏向手段が、傾めに交わるように構成された二枚の偏向プレートを利用して、ホログラムに対する入射角を変更することを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置において、前記光偏向手段が、一の偏向プレートと一の体積ホログラムを利用して、ホログラムに対する入射角を変更することを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置において、前記光偏向手段が、一の偏向プレートと一の反射型体積ホログラムを利用して、ホログラムに対する入射角を変更することを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置において、前記光変調手段が、光学計算機を利用して１次元データを計算し、前記光学計算機が、
コヒーレント光をビデオ信号に従って変調および拡散させ複数の平行な光線に変調するレンズと、
平行な光線により干渉パターンを読み、この読まれたデータを前記光変調手段に供給する光学センサとを具えることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は１次元ホログラムを利用した画像ディスプレイ装置に関し、特に、単一の軸情報を有する一の線画像を再生する１次元ホログラムを利用した画像ディスプレイ装置に関する。一つの線画像は無限遠で配置される。また、線画像は順に更新され、投影面が表示される。これは、２次元平面上の情報を有する３次元画像を再生する従来のホログラム技術と比較される。
【背景技術】
【０００２】
１次元ホログラムは線画像を表示するため、２次元ホログラムの特別な態様として考えられている。同様に１次元ホログラムは、回折格子の一般化または多重化した拡張として考えられている。特定の１次元ホログラムは、一定の格子周期と一定の周期的な強さを有する通常の回折格子と同じである。この１次元ホログラムは、適切な入射角を有する２つの平行な光線が干渉することにより形成される。２次元の画像は、１次元ホログラムにより表示される線画像を連続してスキャニングすることにより取得される。したがって必然的に、これは動画を表示するのに適している。
【０００３】
以前は１次元ホログラムの研究はほとんどされていなかった。しかしながら、１次元ホログラムの可能性は、画像を表示する情報の次元を検討することにより予測することができる。計算により１次元画像ホログラムの存在を証明できる。１次元ホログラムは、人々が投影面を見ることが可能な新しい有用な装置である。１次元ホログラムは、特定の状況下では従来の装置と比べてさらに有利である。
【０００４】
前述した状況の一例として、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）の応用例がある。１次元ホログラムは新しい装置であるため、我々が予想したことのない様々な分野に応用されるであろう。この点において、１次元ホログラムは、ＨＭＤタイプのポータブルなディスプレイ装置の分野における従来技術と比較されるであろう。従来技術には、一般的なプレート型ディスプレイ装置を利用した技術と、平行な光線を干渉させて特定の画像を形成する方法と、従来のホログラムによる方法とがある。プレート型ディスプレイを利用する場合、現在の動画用ＨＭＤディスプレイ装置は、この方法により動作する。現在、多くの応用例が存在するが、画像の質および利便性の点で多くの制約がある。
【０００５】
平行な光線を干渉させる方法では、富士通などが、変更可能なピッチにより干渉の格子模様を形成する方法を開発したが、まだ実用化されていない。この方法では、表示速度の制限や高次回折の問題のために、高解像度で表示する際に問題がある。
【０００６】
さらに、通常の２次元ホログラムによる方法は、究極の方法と考えられているが、これは、ホログラムデータをコンピュータ処理するときに、膨大な量の計算負荷を必要とする。通常のホログラムを表示するのに非常に多くのデータが必要とされるため、ホログラムパターンを表示可能な光学モジュレータを製造することが困難であり、実用化するのが難しい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前述したこれらの問題を解決するために考えられた。本発明は、計算負荷の問題と、表示データサイズの問題と、光学モジュレータ装置の製造の問題とを解決する。これらの問題は、ホログラムディスプレイ装置を開発する際に直面する問題である。また、本発明は実用的なホログラムディスプレイ装置を提供することを目的とする。しかしながら、画像の２次元表示に関する制限がある。
【０００８】
画像ディスプレイ装置では、前述の目的は、一度に一の線画像を表示可能な１次元ホログラムを利用した改良型の画像ディスプレイ装置を提供することにより達成される。本発明は、平行な光を偏向させて再生される光の入射角を調整する光偏向手段と、順に更新され、偏向および再生された平行な光と同期される１次元ホログラム用光モジュレータとを具えている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の１次元ホノグラムを利用した画像ディスプレイ装置を添付の図面を参照して説明する。
【００１０】
通常のホノグラムは、コヒーレント光源による物体波および参照光波の干渉パターンの記録である。
【００１１】
干渉パターンによる欠点を人間が認識できない高解像度の画像を再生するために、干渉パターンは、約４００ｎｍの青色光の波長の半分である２００ｎｍのピクセルユニットを用いて、目のレンズの直径よりも大きな範囲で表示されなければならない。（２００ｎｍよりも小さい特定の解像度で表示することもできるが、参照光の位置における特定の制限がある）。
【００１２】
３次元情報を有するホログラムは、領域全体に亘って表示されるべきである。しかしながら、無限遠で形成される画像からの平行な光線によるホログラムは、目のレンズの直径よりも僅かに大きい５ｍｍ×５ｍｍサイズの同一のホログラム片により、繰り返し表示できる。
【００１３】
ここでは、前述の表示に必要とされるデータ量は、輝度データに５ｍｍ／２００ｎｍ＝２５０００の平方の値を掛けることにより得られる。輝度データを１バイトとした場合、６２５メガバイトのデータが必要となる。しかしながら、平面の特定の線が垂直または水平なデータのうちの一つにより表示できる場合は、水平な２５００の線を表示するときは、画像を表示するのに必要なデータ量は、２５０００：２５００即ち１０分の１に減少する。本発明の様々な利点は、前述の方法に基づいて説明される。
【００１４】
図１に示すように、無限遠のドットが、中心に観察者がいる球状の極座標に表示される場合、参照番号２のような同一の緯度θにおけるドットによる干渉パターン１は、極方向を「ｙ」、赤道方向を「ｘ」とすると、「ｘ」の関数により完全に表わされる。「ｘｙ」平面上の特定の位置では、緯度「θ」および経度「φ」から原点に入射するの平行な光線は、位相ベクトル法を用いて以下の式１のように表わされる。
2008536173.tif 000003
（Ｉｎ＝強さ、λ＝波長、σ＝原点における位相）。複数の平行な光線が入射し、入射光線の一つが参照光線である場合、「ｘｙ」平面における特定の位置の光ベクトルは、各光ベクトルの合計である以下の式２により表わされる。
2008536173.tif 000004
【００１５】
「θｉ」の値が一定であるとき、ターム「ｙ」は級数の和により得られる。光の強さのみを表わす従来のホログラムの計算方法によると、「ｙ」軸の得られる項の大きさは常に１であり、位相が「ｙ」軸の値に基づいて変化する。「ｙ」軸の項は、絶対値に影響を及ぼすことなく光ベクトルの位相のみを変化させる。したがって、絶対値の平方であるホログラムデータは、以下の式３により表わされる。
2008536173.tif 000005
【００１６】
上記の式は、「ｘ」のみの関数である。参照光は、同一の緯度「θ」からの入射光の一つとして式の計算結果に含まれている。
【００１７】
図２の円筒座標式における式２は、以下の式４に含まれている。
2008536173.tif 000006
（α＝入射光のｙ軸方向のタンジェントであり、θは極座標におけるφに対応する）。αが図２の参照番号３のように一定である場合、ホログラム４は「ｘ」の値のみの１次関数として表わされる。
【００１８】
タンジェント値の式では、図３の曲線５が以下の式５の条件を満たす場合、前述した極座標および円筒座標の式は同じ条件になる。
2008536173.tif 000007
（「ｃ」は常に１より小さく、αはｘ軸方向のタンジェントであり、βはｙ軸方向のタンジェントである）
【００１９】
位相を表わすことができる空間的な光学モジュレータが使用される場合、参照光は計算結果から除外される。式２の定数項は、以下の式６で引用されている。
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【００２０】
ここでは、「θ」による定数項「ｙ」は、（θ，０）から入射する参照光により満たされ,後の項「ｘ」は参照光を使用せずに算出される。したがって、参照光を使用せずに前述の式の後の項を合計するだけで、特定の面における光ベクトルを完全に表わすことができる。
【００２１】
図７の参照番号２５のような同一の緯度「θ」の線は、図７の角２６における入射する参照光を用いて表わしてもよい。前述した事例と比較すると、位相データは含まれておらず、０番目の次元を考慮する必要がなく、表示可能な視界の範囲は、図７の領域２７と同じく図５の領域１４および１６より広い。
【００２２】
データ量の利点に加えて、１次元ホログラムを利用する場合、計算負荷におけるさらなる利点が得られる。垂直および水平方向の２０００×２０００ピクセルの画像を表示するホログラムが、解像度２００ｎｍで５×５ｍｍの領域に表示される場合、計算アルゴリズムによる相違は少ないが、従来のホログラム全体では、６２５メガピクセルのホログラムのために、４メガ画素に対して２．５×１０１５回の動作を必要とする。しかしながら、１次元ホログラムによる方法では、１次元ホログラムの２５０００の線状の要素のために、２０００の線状の画素要素の２０００回の繰返しに対して１×１０１１回の動作まで削減される。この場合、計算効率の増加は約２５０００倍である。解像度が増加するに伴い、この違いは増える。
【００２３】
デジタル方法が計算における特定の負荷を有している場合、図１０の単純な光学的計算装置を導入してもよい。
【００２４】
図１０のデータ２９が光学モジュレータ３２によりドット光源の輝度に変換される場合、収差を考慮しないとすれば、データ２９は、図１０のレンズ３０により、様々な入射角を有する一群の平行な入射光に変換される。
【００２５】
図１０の光学モジュレータ３２の光源入力がコヒーレントの場合、干渉パターンは、図１０の光学センサ配列３３に形成される。特定のデータ２９が光学モジュレータ３２に供給される場合、当該データは、図４の１次元ホログラムディスプレイ装置９，１０，および１１それぞれの入力データであるデータ３１に直接変換される。
【００２６】
前述の処理は、表示される総ての画素に対して並行に、光学計算スキーム内で実施される。入力データは、以下の方法に基づいて調整されるべきである。式３の指数「ｅ」のみ、以下の式７で表わしてもよい。
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【００２７】
この場合、Ｃｏｓ（θｉ）が１次元ホログラムでは一定であるため、「θｉ」が異なる場合、「θｉ」を適切に調整することにより、同じ結果を得ることができる。これは、前述の光学計算構造は、入力データの変調位置を調整することにより、総ての「θｉ」について総ての計算を実施できることを意味している。
【００２８】
さらに、光学センサの各ピクセルの位置に対応するさらに大きな「ｘ」の値は、センサを製造するときに一層利点がある。より小さな値によって「θｉ」を調整することにより、前述の結果を実現できる。また、軸に近い光線は収差を減少させるため、さらに有利である。前述の構造は、１次元ホログラムのために２次元の構造のみを必要とし、厚さを減少させることができるので、１次元ホログラムによく適応する。
【００２９】
図１０のフーリエ変換による光学計算構造（fourier transforming optical calculation structure）は、周知のレンズの特性であるが、これは、１次元ホログラムの計算にさらに適している。これを通常のホログラムの計算に適用した場合、厚さや収差の問題により、実用性が低下する。
【００３０】
データサイズおよび計算負荷に加え、さらに別の利点がある。すなわち、光学モジュレータの製造が容易である。電圧駆動方法により５×５ｍｍの領域のホログラム全体を表示可能な光学モジュレータの場合、電圧制御構造は、２５０００のｘ軸の列および２５０００のｙ軸のために、６２５Ｍ個の電気容量および６２５Ｍ個のスイッチングトランジスタを組み込むべきである。さらに、少なくとも２５０００本のトランジスタ駆動ワイヤが必要である。
【００３１】
しかしながら、１次元ホログラム用の光学モジュレータは、内部の構造において、一つの軸線のために２５０００本のワイヤのみを必要とし、容量は十分であり、トランジスタはディスプレイ領域に配置する必要がない。
【００３２】
１次元ホログラムの画像ディスプレイ装置は、図４のように構成してもよい。
【００３３】
図４の参照番号７に示すように、安定した入射する参照光は、図４の１次元ホログラムのデフレクタ９または１０のうちの一つにより偏向され、これにより、画像は１次元ホログラム１１を介して見られる。デフレクタ９および１０は、互いに交わる斜線のように構成されている。これは、単一のデフレクタにより形成してもよい。しかし、一のデフレクタを利用する場合は、２つのデフレクタを利用するときよりも視界が狭くなる。変更例として、２つのデフレクタのうちの１枚のシートを体積ホログラムに置き換えることができる。
【００３４】
入射する参照光が図５の角度１５で入射する場合、各デフレクタが偏向可能な角度の範囲は、図５の参照番号１４および１６により示されている。目の安全のために、参照光線は、図４のホログラム１１の観察者側の内側面の内部反射現象全体を用いて取り除かれる。一方のデフレクタが動作する場合、他方のデフレクタは透明な状態を維持する。水平線を示す場合、両方のデフレクタが同時に透明な状態を維持する。ここで、２つのデフレクタの斜線構造は、常に対称である必要はない。しかし実際は、対称的は構造は最大の視界を得るのに好適である。図８のパターンは、図４の１次元ホログラム１１を拡大したものであり、図９はこのホログラムの輝度の情報のグラフである。
【００３５】
近視の人のために、図４の参照番号１１と観察者の目との間に凹レンズを挿入してもよい。ディスプレイ装置により再生される画像のみを見る場合、画像の明るさを強調する偏向プレートの前に、電子的な光シャッタを配置してもよい。
【００３６】
縁部と中心部との輝度の違いを補うために、ＬＣＤを光シャッタとして使用できる。さらに必要に応じて、光シャッタが開口を調整するように設計されていることが好適である。画像のノイズを削減するために、ホログラムを更新するときにパルス参照光を用いてもよい。
【００３７】
色は３原色を用いて参照光の色を更新することにより表示される。視界は、参照番号１４および１６のように制限される。
【００３８】
図６は、使用する光学モジュレータが位相を表示できる場合の構造を示す図である。ここでは、デフレクタの一つのシートのみで十分である。１次元ホログラムの垂直および水平な関係と参照光は変化する。参照光の入射角は線２７により選定されるため、色を更新する仕組は単純になる。視界は無制限になる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
前述したように、１次元ホログラムを利用した画像ディスプレイ装置は、ガラス型の持ち運び可能なディスプレイ装置と、特大のスクリーンに立体的に表示するホームシアタ用のディスプレイ装置に応用できる。
【００４０】
本発明は、本発明の目的および本質的な特徴から逸脱しない範囲でいくつかの変更例で実現されているが、前述した例は、他に明記のない限り、前述した説明の詳細により限定されないと理解すべきであり、むしろ、添付した請求項により規定される目的および意図の範囲内で広く構成されるべきであり、したがって、請求項の対象および境界またはこのような対象および境界と均等の範囲内の総ての変更および修正は、添付した請求項に包まれることを意図する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、本発明の１次元ホログラムを形成する一群の平行な入射光の極座標の式の例を示す図である。
【図２】図２は、本発明の一群の入射光の円筒座標の式を示す図である。
【図３】図３は、本発明の一群の入射光の平面投影の式を示す図である。
【図４】図４は、本発明の１次元ホログラムを利用したディスプレイ装置の構造を示す図である。
【図５】図５は、本発明の１次元ホログラムディスプレイ装置による参照光線および線画像の概念を示す図である。
【図６】図６は、本発明の位相を表示可能な光学モジュレータを利用したディスプレイ装置の構造を示す図である。
【図７】図７は、本発明のディスプレイ装置による参照光線および線画像の概念を示す図である。
【図８】図８は、本発明の光学モジュレータ上に形成された１次元ホログラムを示す拡大図である。
【図９】図９は、本発明のホログラムを伝達する輝度の強さのグラフである。
【図１０】図１０は、本発明の１次元ホノグラム用の光学計算装置を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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