(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を入射し前記レーザ光をホログラムの再生波面情報に基づき変調する空間光変調器と、
前記空間光変調器によって変調された変調光を拡大して結像させる拡大光学系と、
前記変調光が結像される結像面に配置され、前記拡大光学系の光軸を中心とした円環状の全周領域に視域が形成されるように、前記変調光を経時的に偏向方向を変えて偏向させる偏向光学系と、
前記拡大光学系の前記偏向光学系の側の焦点面に配され、前記変調光のゼロ次光と共役像をカットするフィルタと
を備えるホログラム表示装置。
【請求項２】
前記偏向光学系は、前記光軸回りに回転される偏心レンズを含む請求項１に記載のホログラム表示装置。
【請求項３】
前記偏心レンズの表面に、前記変調光を前記光軸と前記偏向方向によって定まる面方向へ拡散させる拡散板が設けられた請求項２に記載のホログラム表示装置。
【請求項４】
前記偏向光学系は、前記光軸回りに回転される偏心凹面鏡を含む請求項１に記載のホログラム表示装置。
【請求項５】
前記偏心凹面鏡の表面に、前記変調光を前記光軸と前記偏向方向によって定まる面方向へ拡散させる拡散板が設けられた請求項４に記載のホログラム表示装置。
【請求項６】
前記拡散板は、レンチキュラーレンズによって構成される請求項３または５に記載のホログラム表示装置。
【請求項７】
前記拡散板は、ホログラフィックディフューザによって構成される請求項３または５に記載のホログラム表示装置。
【請求項８】
前記空間光変調器は、ＭＥＭＳ型空間光変調器である請求項１から７のいずれか１項に記載のホログラム表示装置。
【請求項９】
前記再生波面情報に基づくパターンを前記ＭＥＭＳ型空間光変調器に表示させる制御部を備え、
前記制御部は、前記パターンの生成と前記偏向方向とを同期させる請求項８に記載のホログラム表示装置。
【請求項１０】
前記視域は、少なくとも直径２ｍｍ以上の円を内包する大きさを有する請求項１から９のいずれか１項に記載のホログラム表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホログラム表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ホログラム表示技術として、空間光変調器（Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ、ＳＬＭ）を用いて、干渉縞を表示する技術が知られている。この場合、視域角の広さは、表示デバイスであるＳＬＭのピクセルピッチに概ね反比例する。したがって、視域角を広くするためには、ＳＬＭのピクセルピッチを小さくする必要がある。また、表示する画面サイズは、ＳＬＭの解像度（Ｎ×Ｍ）に比例する。したがって、画面サイズを大きくするためには、ＳＬＭの解像度を増やす必要がある。
【０００３】
ホログラム表示装置では、干渉縞を表示させるために、可視光の波長オーダ（１μｍオーダ）のピクセルピッチが要求される。例えば、画面サイズ４０インチ、視域角３０度を実現するには、参照光、物体光、再生用の照明光の波長を６００ｎｍとした場合、ピクセルピッチ１．２μｍで解像度７６４０００×４３００００のＳＬＭが必要になる。しかしながら、上述した超高精細なＳＬＭは存在しないため、実現するためには複数のＳＬＭを用いる必要があり、現状として実用化するのは難しい。
【０００４】
上述の問題を解決するために、スクリーン走査型のホログラム表示装置が提案されている。当該ホログラム表示装置では、アナモルフィック光学系を用いてＳＬＭからの変調光を水平方向には縮小するとともに、垂直方向には拡大して表示画面上に投影する。このように、水平方向に縮小することによって、水平方向の見かけのピクセルピッチを小さくして水平方向の視域角を広げる。そして、表示画面に投影された変調光を表示画面上に水平方向に走査することによって、大画面化および水平方向の広視域化を図っている（例えば、特許文献１を参照）。
［特許文献１］  特開２０１０−８８２２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のホログラム表示装置においては、視域角が１５度程度であり、視域が小さいことが問題であった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様におけるホログラム表示装置は、レーザ光を入射しレーザ光をホログラムの再生波面情報に基づき変調する空間光変調器と、空間光変調器によって変調された変調光を拡大して結像させる拡大光学系と、変調光が結像される結像面に配置され、拡大光学系の光軸を中心とした円環状の全周領域に視域が形成されるように、変調光を経時的に偏向方向を変えて偏向させる偏向光学系とを備える。
【０００７】
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態におけるホログラム表示装置の構成図である。
【図２】第１実施形態における光学系の構成を説明する光路図である。
【図３】従来例における表示画面上の観察可能領域と第１実施形態における表示画面上の観察可能領域の差異を説明する図である。
【図４】第１実施形態におけるホログラム表示装置の光学系の光路図である。
【図５】第２実施形態におけるホログラム表示装置の構成図である。
【図６】第３実施形態におけるホログラム表示装置の光学系の光路図である。
【図７】回転スクリーンの回転と空間光変調器のホログラム表示タイミングの同期手順を説明するフロー図である。
【図８】本発明の一実施例としてのホログラム表示装置により得られた再生像の写真である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１０】
図１は、第１実施形態に係るホログラム表示装置の構成図である。本実施形態に係るホログラム表示装置１００は、光源１０２、空間光変調器１０４、プロジェクションレンズ１０６、シングルサイドバンド（ＳＳＢ）フィルタ１０８、回転スクリーン１１０、スクリーン駆動ユニット１２０および制御ユニット１３０を含む。なお、以下の説明において、一点鎖線で示された回転軸Ａに沿って、空間光変調器１０４の側を前側もしくは前方、観察者が再生像を観察する側である領域１１１の側を後側もしくは後方と称する。例えば、プロジェクションレンズ１０６に対しては、空間光変調器１０４が配置されている側が前側もしくは前方であり、また、回転スクリーン１１０が配置されている側が後側もしくは後方である。また、本実施形態において、プロジェクションレンズ１０６の光軸と回転軸Ａとは同一である。
【００１１】
光源１０２は、コヒーレント光であるレーザ光を出射する。光源１０２の発光部には、半導体レーザなどが用いられる。また、光源１０２はコリメートレンズを含み、発光部から出射されるビームを平行光にして出射する。空間光変調器１０４は、ホログラムパターンを表示する電子的なホログラム表示素子である。光源１０２は、コヒーレント光をホログラムの再生用の照明光として空間光変調器１０４に出射する。空間光変調器１０４は、光源１０２から入射されるレーザ光の強度、または位相をホログラムの再生波面情報に応じて変調させた変調光を出射する。なお、再生波面情報とは、再生像を形成する波面の情報である。光源１０２より照射されるコヒーレント光の波面は、空間光変調器１０４上に表示されるホログラムパターンによって変調されて、ＳＳＢフィルタ１０８を通過後に、当該再生波面に変換される。
【００１２】
当該ホログラムパターンは、実際にイメージセンサで撮影して生成することができる。また、当該ホログラムパターンは、コンピュータでのシミュレーションにより生成することができる。空間光変調器１０４は、例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）を使用した空間光変調器（ＭＥＭＳ−ＳＬＭ）やＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）を使用した空間光変調器（ＬＣＯＳ−ＳＬＭ）を用いることができる。
【００１３】
図１に示すホログラム表示装置１００においては、空間光変調器１０４の一例として、ＭＥＭＳ−ＳＬＭを利用している。ＭＥＭＳ−ＳＬＭは反射型表示装置であるので、傾いた微小ミラー面に対して斜め方向から光源１０２からのコヒーレント光を照射する。なお、透過型の強誘電性液晶を利用する場合には、裏面側からコヒーレント光を照射し、反射型のＬＣＯＳ−ＳＬＭを利用する場合には、表示面の正対位置からコヒーレント光を照射する。
【００１４】
スクリーン駆動ユニット１２０は、回転スクリーン１１０を回転軸Ａ回りに一方向に回転させる。スクリーン駆動ユニット１２０は、モータ１２２、回転伝達部材１２４、およびロータリエンコーダ１２６を含む。
【００１５】
モータ１２２は、回転伝達部材１２４を介して回転スクリーン１１０をプロジェクションレンズ１０６の光軸と一致する回転軸Ａ回りに回転させる。回転伝達部材１２４は、モータ１２２の回転力を回転スクリーン１１０に伝える。図１に示す様に、回転伝達部材１２４は、例えばモータ１２２の回転軸と中心軸を一致させた円盤である。回転伝達部材１２４の円柱面を回転スクリーン１１０の円周面に押し当てることにより、回転スクリーン１１０にモータ１２２の回転力は伝達される。また、回転伝達部材１２４をギヤとしてもよい。この場合、回転スクリーン１１０の円周にも歯形を設けて、回転伝達部材１２４と噛合させることにより、モータ１２２の回転を回転スクリーン１１０に伝達するとしてもよい。ロータリエンコーダ１２６は、モータ１２２の回転を検出して、回転の変位を示すパルス信号を制御ユニット１３０へ送信する。
【００１６】
制御ユニット１３０は、主に光源１０２、空間光変調器１０４およびモータ１２２の動作を制御する。制御ユニット１３０は、ＣＰＵ１３２と操作パネル１３４を含む。なお、本実施形態においては、ホログラム表示装置１００の近辺でユーザが操作できるように操作パネル１３４を備えるが、これに限定されるものではなく、例えば有線技術や無線技術を用いて他の端末装置から操作指示を与えるように構成してもよい。
【００１７】
ＣＰＵ１３２は、操作パネル１３４を介して指定された表示するホログラムパターン、動作タイミング条件等に従ってホログラム表示装置１００の表示制御を実行する。操作パネル１３４は、タッチパネルなどの入力部を備える表示装置であり、操作者からの入力を受け付けると共に、メニュー項目等の表示を行う。本実施形態において、制御ユニット１３０は制御部として機能する。
【００１８】
制御ユニット１３０は、再生波面情報に基づくホログラムパターンを空間光変調器１０４に表示させる。制御ユニット１３０は、ホログラムパターンの生成と、モータ１２２の回転に応じて経時的に変化するスクリーンレンズ１０７の偏向方向とを同期させる。より具体的には、制御ユニット１３０は、ロータリエンコーダ１２６からのパルス信号を受信し、当該パルス信号に応じて、空間光変調器１０４に表示するホログラムパターンと、当該ホログラムパターンの表示タイミングとを制御する。
【００１９】
プロジェクションレンズ１０６は、空間光変調器１０４の後方に配置される。プロジェクションレンズ１０６は、空間光変調器１０４から出射された変調光を、後方に配置される回転スクリーン１１０上に拡大して結像する拡大光学系である。
【００２０】
ＳＳＢフィルタ１０８は、プロジェクションレンズ１０６と回転スクリーン１１０との間に配置される。より具体的には、ＳＳＢフィルタ１０８は、プロジェクションレンズ１０６の後側焦点面、すなわちフーリエ面上に配置される。ＳＳＢフィルタ１０８は、空間ホログラム画像の表示に不要なゼロ次光および共役像を除去する。
【００２１】
回転スクリーン１１０は、プロジェクションレンズ１０６による変調光の結像面に配置されて、再生像を表示する表示画面として機能する。また、回転スクリーン１１０は、入射された変調光を回転軸Ａ上からずれた位置より再生像を観察する観察者側に向けて偏向する。本実施形態において、回転スクリーン１１０は、正の屈折力を有するスクリーンレンズ１０７で構成される。回転スクリーン１１０は、プロジェクションレンズ１０６による変調光の結像面とスクリーンレンズ１０７の前側の主平面とが実質的に一致するように配置されるのが好ましい。本実施形態において、回転スクリーン１１０およびスクリーン駆動ユニット１２０が偏向光学系として機能する。
【００２２】
スクリーンレンズ１０７は、例えば、回転軸Ａに対して光軸ＯＡｓをずらして偏心配置した偏心レンズや、ＨＯＥ（Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ）等を使用することができる。偏心レンズには、球面レンズ、非球面レンズ、フレネルレンズ、ＤＯＥ（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ）レンズ等を使用することができる。本実施形態においては、スクリーンレンズ１０７に偏心球面レンズを使用する。スクリーンレンズ１０７は、回転軸Ａを基準として、スクリーンレンズ１０７の光軸ＯＡｓの偏心方向に、入射する変調光を偏向させる。スクリーンレンズ１０７は、外周が回転軸Ａを中心とした予め定められた半径の円となるように製作される。予め定められた半径は、例えば、１００ｍｍである。
【００２３】
回転スクリーン１１０は、プロジェクションレンズ１０６の光軸と一致する回転軸Ａを中心に回転する。これにより、回転スクリーン１１０は、入射する変調光を経時的に偏向方向を変えて偏向させて、プロジェクションレンズ１０６の光軸を中心とした円環状の全周領域に視域を形成する。
【００２４】
本実施形態における回転スクリーン１１０は回転対称な形状をもち一方向にのみ回転する。このため、比較的大きな径であっても、安定した回転走査を実現しやすい。すなわち、本実施形態におけるホログラム表示装置１００は、再生像の表示画面を大きくすることが比較的容易である。以下の説明において、回転スクリーン１１０の回転軸Ａに直交する平面を走査面と称する場合がある。また、走査面に平行な方向を水平方向、走査面に鉛直な方向を垂直方向と称する場合がある。
【００２５】
空間光変調器１０４上の各点から出射した変調光のそれぞれの光束は、プロジェクションレンズ１０６によって、回転スクリーン１１０上に一旦結像する。その後、これらの光束は、再生像を比較的大きく観察できる距離Ｌだけ離れた位置において重なり合って、三次元的に閉じた、すなわち局在化した視域を形成する。領域１１１は、回転スクリーン１１０から回転軸Ａに沿って距離Ｌだけ離れた位置に局在化した視域の一断面である領域を示す。
【００２６】
本実施形態において、空間光変調器１０４から出射された変調光は、プロジェクションレンズ１０６によって回転スクリーン１１０上に拡大結像される。すなわち、回転スクリーン１１０上における見かけのピクセルピッチが拡大されるため、視域角は狭くなる。しかしながら、ホログラム表示装置１００は、回転スクリーン１１０を回転軸Ａ回りに回転することによって、視域の局在位置を回転走査方向ＳＤに沿って経時的に変更する。これによって、拡大された領域１１４が示す様にホログラム表示装置１００の視域は実質的に回転軸Ａ回りに３６０度に拡大される。
【００２７】
また、制御ユニット１３０は、観察位置に応じた違和感の無い再生像を生成するために、ホログラムパターンの生成と回転スクリーン１１０の回転角とを同期させる。具体的な同期方法として、回転スクリーン１１０の回転角に応じて、ホログラムパターンを生成するとしてもよい。回転スクリーン１１０の回転角とホログラムパターンの表示とを同期させることによって、観察者は、拡大された領域１１４上の任意の位置から観察角度に応じた違和感のない再生像を観察することができる。
【００２８】
図２は、第１実施形態に係る光学系の構成を説明する光路図である。図２は、説明を簡単にするためにプロジェクションレンズ１０６とスクリーンレンズ１０７ａとが共通の光軸ＯＡを有する共軸光学系としてまずは説明する。また、図２では、空間光変調器１０４上の各点から出射する変調光の内、空間光変調器１０４の両端から出射する変調光ＭＬｕ、ＭＬｌを示し、その伝播方向を点線で示す。なお、図１で示した部材と同一の部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２９】
プロジェクションレンズ１０６は、空間光変調器１０４の後方に配置される。変調光ＭＬｕ、ＭＬｌに示すように、空間光変調器１０４から出射される変調光は、空間光変調器１０４のピクセルピッチに対応した広がり角をもつ。図２に示す通り、変調光の伝播方向は、光軸ＯＡと略平行である。プロジェクションレンズ１０６は、空間光変調器１０４から入射する変調光ＭＬｕ、ＭＬｌを後側焦点位置Ｆ´に向けて出射する。
【００３０】
プロジェクションレンズ１０６から出射した変調光ＭＬｕ、ＭＬｌは、プロジェクションレンズ１０６のフーリエ面に配置されたＳＳＢフィルタ１０８によってゼロ次光と共役像が除去され、スクリーンレンズ１０７ａ上に一旦結像される。
【００３１】
変調光ＭＬｕ、ＭＬｌに代表して示すように、空間光変調器１０４上の各点から出射したそれぞれの変調光の光束は、スクリーンレンズ１０７ａを介して、光軸ＯＡに直交する予め定められた面上の領域で、実質的にすべてが互いに重なり合うようにして、三次元的に閉じた視域である局在化した視域１１２ａ（ハッチングされた領域）を形成する。
【００３２】
スクリーンレンズ１０７ａに対して、ＳＳＢフィルタ１０８と領域１１１ａとは、光学的に共役な関係にある。そして、スクリーンレンズ１０７ａは、入射する変調光を予め定められた面上の領域１１１ａに導く、いわゆるフィールドレンズとして機能する。
【００３３】
予め定められた面上の領域１１１ａは、観察者が再生像を観察しやすい位置に定められる。なお、プロジェクションレンズ１０６およびスクリーンレンズ１０７ａの残存収差等により、スクリーンレンズ１０７ａから出射する変調光のそれぞれの光束が重なり合う位置は像高ごとに異なる場合があるが、領域１１１ａにおいて、それぞれの光束すべてが実質的に重なっていればよい。
【００３４】
領域１１１ａの大きさは、ホログラムの再生波面が瞳孔を通して人間の目に入射することを考えると、瞳孔の大きさ程度まで縮小できる。人間の瞳孔径は、周辺環境の明るさによって変化し、平均２〜８ｍｍであると言われている。そこで、本実施形態においては、領域１１１ａが、直径２ｍｍ以上の円を内包する大きさを有することで実質的な波面再生を実現できる。
【００３５】
局在化した視域１１２ａは、図２に示すように、スクリーンレンズ１０７ａに対して近側であるＥＰ１から徐々に広がり、領域１１１ａを経て徐々に狭まって遠側であるＥＰ２に至る三次元的な閉じた空間領域として表される。観察者は、少なくとも局在化した視域１１２ａにおいては、表示画面である回転スクリーン１１０ａ近傍に形成される再生像の全体を観察することができる。
【００３６】
図３は、従来例における表示画面上の観察可能領域と第１実施形態における表示画面上の観察可能領域の差異を説明する図である。特に、図３は表示画面に直交するある平面における断面を示した図である。なお、図３（ｂ）において表示画面は、スクリーンレンズ１０７の後側の主平面と捉えることができる。
【００３７】
図３（ａ）は、従来例におけるホログラム表示装置の表示画面上の可視領域を説明する図である。図３（ａ）では、表示画面４１０上の各点から出射する変調光のうち、表示画面４１０の両端から出射する変調光ＭＬｕ、ＭＬｌを示し、その伝播方向を一点鎖線で示す。
【００３８】
従来例におけるホログラム表示装置では、表示画面４１０上の各点から視域角αで出射される変調光の伝播方向は、変調光ＭＬｕ、ＭＬｌで示した通り互いに平行である。したがって、図３（ａ）において、観察者は、観察可能領域ＯＢＡ１に示す通り、表示画面４１０の一部の領域しか観察することができない。なお、観察可能領域ＯＢＡ１の幅は、表示画面４１０から観察眼Ｅの瞳孔までの距離をＬ、観察眼Ｅの瞳孔径をｄとすると、ｄ＋Ｌαである。
【００３９】
図３（ｂ）は、本実施形態におけるホログラム表示装置の表示画面上の可視領域を説明する図である。なお、説明を簡単にするために、図２と同様の共軸光学系として説明する。図３（ｂ）では、回転スクリーン１１０ａ上の各点から出射する変調光のうち、回転スクリーン１１０ａの両端から出射する変調光ＭＬｕ、ＭＬｌを示し、その伝播方向を一点鎖線で示す。
【００４０】
図３（ｂ）では、表示画面である回転スクリーン１１０ａ上の各点から距離Ｌだけ離れた位置にある観察者の観察眼Ｅの瞳孔に向かって、視域角βで変調光ＭＬｕ、ＭＬｌが出射される。そして、変調光ＭＬｕ、ＭＬｌで代表して示すように、回転スクリーン１１０ａ上から出射するそれぞれの変調光の光束は、領域１１１ａにおいて、実質的にそのすべてが互いに重なり合って、局在化した視域を形成する。したがって、図３（ｂ）において、観察者は、観察可能領域ＯＢＡ２に示す通り、回転スクリーン１１０ａの近傍に形成される再生像の全体を観察することができる。
【００４１】
従来のホログラム表示装置では、表示画面から出射する変調光の伝播方向は、それぞれ平行であり、視域角も等しいため、実質的にそれぞれの変調光の光束のすべてが重なり合う領域は存在し得ない。すなわち、従来のホログラム表示装置は、視域を局在化しない。これに対して、本実施形態におけるホログラム表示装置は、図２で示したようなプロジェクションレンズ１０６および回転スクリーン１１０ａの構成によって、実質的にそれぞれの変調光の光束のすべてを領域１１１ａで重ね合わせることにより、視域を局在化している。このように本実施形態におけるホログラム表示装置は、視域を局在化することにより、従来のホログラム表示装置と比較して、より表示画面に近い位置において、再生像の全体を観察することができる。
【００４２】
図４は、第１実施形態におけるホログラム表示装置の光学系の光路図である。なお、図１および図２で示した部材と同一の部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４３】
図４では、スクリーンレンズ１０７の光軸ＯＡｓは、回転軸Ａに直交する方向に距離Ｒだけ平行偏心している。スクリーンレンズ１０７上に結像した再生光は、スクリーンレンズ１０７においてＳＳＢフィルタ１０８と光学的に共役な関係にある領域１１１に向かってそれぞれ偏向されて、実質的に重なり合い、局在化した視域１１２を形成する。図２では、共軸光学系として説明したが、スクリーンレンズ１０７に偏心レンズを使用することにより、回転軸Ａ（図２における光軸ＯＡ）からスクリーンレンズ１０７の光軸ＯＡｓへ向かう方向に局在化した視域を変位させることができる。
【００４４】
領域１１１の回転軸Ａからの距離をＤ、スクリーンレンズ１０７の近軸像倍率をＭｓとすると、Ｄ＝Ｍｓ×Ｒの関係を満たす。回転スクリーン１１０が回転軸Ａ回りに回転することにより、局在化した視域１１２は経時的に変位して、回転軸Ａを中心に半径Ｄの円環状の視域が形成される。したがって、観察者は、回転スクリーン１１０の近傍に再生された回転軸Ａを中心に再生像を３６０度の方向から観察することができる。
【００４５】
図５は、第２実施形態におけるホログラム表示装置の構成図である。第２実施形態に係るホログラム表示装置２００は、第１実施形態に係るホログラム表示装置１００を構成する部材に加えて、拡散板２１２を有する。なお、図１で示した部材と同一の部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４６】
本実施形態における回転スクリーン２１０は、正の屈折力を有するスクリーンレンズ１０７と拡散板２１２から構成される。拡散板２１２は、スクリーンレンズ１０７の表面に設けられ、変調光を、回転軸Ａと変調光を偏向させる方向によって定まる面方向へ拡散させる。言い換えると、拡散板２１２は、回転軸Ａとスクリーンレンズ１０７の光軸ＯＡｓを含む平面内において、出射位置を中心とした扇状に変調光を拡散させる。また、拡散板２１２は、スクリーンレンズ１０７と一体で回転する。このため、拡散板２１２は、回転スクリーン２１０が回転軸Ａ回りに回転しても常に垂直方向に変調光を拡散させる。したがって、垂直方向に広い視域が形成され、さまざまな高さから回転スクリーン２１０の近傍に再生される再生像を良好に観察することができる。
【００４７】
拡散板２１２には、多数のシリンドリカルレンズで構成されるレンチキュラーレンズ、ホログラフィックディフューザなどを使用することができる。本実施形態においては、拡散板２１２にレンチキュラーレンズを使用する。このとき、レンチキュラーレンズは、シリンドリカルレンズの直交する２軸のうち曲率をもたない方の軸が、回転軸Ａとスクリーンレンズ１０７の光軸ＯＡｓを含む平面と直交するように配置される。このようにレンチキュラーレンズを配置することにより、回転軸Ａとスクリーンレンズ１０７の光軸ＯＡｓを含む平面内において、出射位置を中心とした扇状に変調光を拡散させることができる。
【００４８】
また、同様の拡散特性をもたせたホログラフィックディフューザでも、視域を垂直方向に拡大することができる。
【００４９】
領域２１１は、局在化した視域の一断面である領域を示す。領域２１１が示す様に、拡散板２１２の拡散作用により、局在化した視域が拡大される。また、回転スクリーン２１０の回転走査によって、拡大された領域２１４に示すように実質的に回転走査方向にも視域が拡大される。観察者は、拡大された領域２１４上の任意の位置から、表示画面である回転スクリーン２１０の近傍に形成される再生像の全体を観察することができる。
【００５０】
図６は、第３実施形態におけるホログラム表示装置の光学系の光路図である。なお、図１で示した部材と同一の部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５１】
本実施形態において、回転スクリーン３１０としてスクリーンミラー３０７を使用する。スクリーンミラー３０７は、回転軸Ａに対して中心軸ＣＡを偏心させた偏心凹面鏡である。スクリーンミラー３０７は、プロジェクションレンズ１０６による変調光の結像面に配置される。スクリーンミラー３０７は、プロジェクションレンズ１０６が配置されている側で、回転軸Ａから離れた位置に局在化した視域３１２を形成する。
【００５２】
スクリーンミラー３０７には、楕円面鏡を用いることができる。スクリーンミラー３０７は、スクリーンミラー３０７に対して、ＳＳＢフィルタ１０８と領域３１１とが光学的に共役な関係となるように配置される。すなわち、図６において、スクリーンミラー３０７の第１焦点Ｆｍ１にＳＳＢフィルタ１０８を配置すると、第２焦点Ｆｍ２に領域３１１が形成される。回転スクリーン３１０を回転軸Ａ回りに回転することによって、第１実施形態および第２実施形態と同様に、回転軸Ａを中心に円環状の視域が形成される。
【００５３】
なお、スクリーンミラー３０７の表面に、変調光を、回転軸Ａと変調光の偏向方向によって定まる面方向へ拡散させる拡散板を設けてもよい。これにより、垂直方向の視域も拡大することができる。拡散板としては、第２実施形態と同様に、レンチキュラーレンズ、ホログラフィックディフューザなどを使用することができる。
【００５４】
本実施形態では、反射型の回転スクリーンとして、スクリーンミラー３０７を使用したが、レンズとミラーとを組み合わせて構成してもよい。また、一方の光学面に銀やアルミを蒸着することによって反射面を形成した偏心レンズや拡散板を使用してもよい。この場合、スクリーンの反対側で回転軸に取り付けたシャフトを通してモータによって回転スクリーンを回転させてもよい。
【００５５】
図７は、回転スクリーンの回転と空間光変調器のホログラム表示タイミングの同期手順を説明するフロー図である。なお、本フローの説明においては、第１実施形態におけるホログラム表示装置１００を用いて説明する。本フローは、例えば、操作パネル１３４を介してユーザからホログラム表示指令をＣＰＵ１３２が受け付けたときに開始する。
【００５６】
ユーザからのホログラム表示指令を受け付けると、ＣＰＵ１３２は、回転スクリーン１１０の回転を開始する（ステップＳ１０１）。具体的には、モータ１２２を駆動させて、回転スクリーン１１０を回転させる。ＣＰＵ１３２は、ロータリエンコーダ１２６から受信するモータ１２２の回転数を示す出力信号より、モータ１２２の回転数の変動を監視する。そして、ＣＰＵ１３２は、モータ１２２の回転数が予め定められた回転数に到達し、回転動作が安定するまで待機する。ここで、予め定められた回転数は、予め定められた立体像の表示のフレームレートから決定される。
【００５７】
本実施形態におけるホログラム表示装置１００では、回転スクリーン１１０が１回転するごとに１つの立体像が生成される。したがって、立体像の表示フレームレートをｆ（Ｈｚ）とすると、回転スクリーン１１０の回転数は、６０ｆ（ｒｐｍ）である。本実施形態において、回転伝達部材１２４の半径をｒ１、回転スクリーン１１０の半径をｒ２、回転スクリーン１１０の回転数をｍ、そしてモータ１２２の回転数ｎとすると、ｎ＝（ｒ２／ｒ１）×ｍという関係を有する。ＣＰＵ１３２は、当該関係式より、モータ１２２の回転数ｎを算出する。なお、予め定められた立体像の表示フレームレートｆは、例えば、３０Ｈｚである。
【００５８】
また、ＣＰＵ１３２は、ユーザからのホログラム表示指令を受け付けると、光源１０２からの発光、および空間光変調器１０４のホログラムパターンの表示を開始する。
【００５９】
モータ１２２の動作が安定したと判断すると、ＣＰＵ１３２は、ロータリエンコーダ１２６からの出力信号より、回転スクリーン１１０の回転角を検出する（ステップＳ１０２）。当該回転角は、予め定められた基準方位からの、スクリーンレンズ１０７による視域の偏向方向の回転角度である。当該予め定められた基準方位は、例えば再生する立体像の正面における再生像を観察できる方位である。
【００６０】
次に、ＣＰＵ１３２は、検出した回転スクリーン１１０の回転角に応じて、対応する再生像を回転スクリーン１１０上に投射するために、空間光変調器１０４に表示するホログラムパターン表示を切り替える（ステップＳ１０３）。具体的には、回転角度が０度の場合には、常に再生する立体像の正面からの観察像が表示されるように、空間光変調器１０４のホログラムパターン表示のタイミングを制御する。このように制御することにより、立体像の姿勢を常に一定に保つことができる。すなわち、再生される立体像の右側の観察位置に対しては、常に立体像の右側面における像を再生する変調光が回転スクリーン１１０に投射され、背面の観察位置に対しては、常に立体像の背面における像を再生する変調光が回転スクリーン１１０に投射される。
【００６１】
また、空間光変調器１０４のホログラムパターンの表示フレームレートをｆｈとすると、上述した立体像の表示フレームレートｆとの関係より、回転スクリーン１１０が１回転する間に、ｆｈ／ｆ枚のホログラムパターンが表示される。例えば、空間光変調器１０４のホログラムパターンの表示フレームレートｆｈを３０ｋＨｚ、立体像の表示フレームレートｆを３０Ｈｚとすると、回転スクリーン１１０が１回転する間に、１０００枚のホログラムパターンが空間光変調器１０４に表示される。
【００６２】
スクリーンレンズ１０７は、固定されたＳＳＢフィルタ１０８の開口と共役な位置に当該開口の投影像である領域１１１を形成する。ＳＳＢフィルタ１０８は矩形開口を有するため、スクリーンレンズ１０７によって形成される領域１１１は矩形形状を有する。また、ＳＳＢフィルタ１０８は固定されているため、矩形開口の長辺と直交する方向に形成される領域１１１は、長辺が回転走査の方向と平行となるように形成される。一方、矩形開口の短辺と直交する方向に形成される領域１１１は、短辺が回転走査の方向と平行となるように形成される。
【００６３】
そこで、領域１１１の短辺の長さと、回転スクリーン１１０が１回転する間に表示されるホログラムパターンの数の積が、走査円周の長さよりも大きくなるように設定する。これにより、ホログラムパターンごとに形成される領域１１１が互いに重なりをもち、走査円周上に連続した視域が形成される。
【００６４】
ＣＰＵ１３２は、ユーザからの終了指示があったか否かを判断する（ステップＳ１０４）。ユーザから終了指示がなかった場合には（ステップＳ１０４でＮＯ）、Ｓ１０２に移行して回転スクリーン１１０の回転と空間光変調器１０４に表示するホログラムパターンの表示タイミングとの同期制御を継続する。
【００６５】
ユーザから終了指示があった場合には（ステップＳ１０４でＹＥＳ）、ＣＰＵ１３２は、光源１０２の発光、空間光変調器１０４のホログラムパターンの表示を停止する。また、ＣＰＵ１３２は、モータ１２２の駆動を停止して、回転スクリーン１１０の回転を停止して、ホログラム表示装置１００の全ての動作を終了する。
【００６６】
図８は、本発明の一実施例としてのホログラム表示装置により得られた再生像の写真である。本実施例のホログラム表示装置において、空間光変調器には、ＭＥＭＳ−ＳＬＭであるＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ：Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製のＤｉｓｃｏｖｅｒｙＴＭ４１００）を使用した。空間光変調器は、解像度１０２４×７６８で、ピクセルピッチは１３．６８μｍである。また、フレームレートは２２．７２７ｋＨｚである。また、像再生用の照明光の光源には、発振波長６３５ｎｍの半導体レーザを使用した。
【００６７】
プロジェクションレンズは、倍率Ｍｐを５．７１とした。したがって、スクリーンレンズ上においてピクセルピッチは、７８．１μｍに拡大される。また、スクリーンレンズ上における表示画面のサイズは８０×６０ｍｍ２（対角３．９４インチ）に拡大される。
【００６８】
本実施例の回転スクリーンは、反射型のスクリーンである。スクリーンレンズには、軸外しフレネルレンズを使用した。スクリーンレンズは、直径１００ｍｍであり、光軸の偏心量、すなわち回転軸と光軸との距離は１７２ｍｍである。
【００６９】
また、垂直方向の拡散板として、平面側にアルミコートを施したレンチキュラーレンズを使用し、シリンドリカル面をフレネルレンズ側に向けて、フレネルレンズの後方に近接させて配置した。フレネルレンズは焦点距離を７００ｍｍとした。フレネルレンズを透過した変調光はレンチキュラーレンズの平面側に施されたアルミコーティングにより反射され、フレネルレンズを２回通過する。このため、スクリーンレンズの実効焦点距離は３５０ｍｍである。
【００７０】
回転スクリーンの反射面の裏側に回転スクリーンの回転軸と軸を略一致するようにシャフトを取り付けた。そして、サーボモータを使用して当該シャフトを介して回転スクリーンを回転させた。また、ＤＭＤに送信する表示ホログラムの更新シグナルを取得するために、ロータリエンコーダを使用した。ロータリエンコーダは、立体表示のフレームレートを概ね３０Ｈｚとするために、回転スクリーン１回転につき８００パルスを生成する。
【００７１】
サーボモータの回転速度を１７０４ｒｐｍに設定し、立体表示のフレームレートを、２８．４Ｈｚとした。したがって、回転スクリーンが１回転する間に生成されるホログラムパターンの数は８００である。
【００７２】
図８（ａ）、図８（ｂ）は、それぞれ異なる物体の再生像を異なる角度から撮影した写真である。具体的には、図８（ａ）は、スクリーンからの高さがそれぞれ異なる、円環（スクリーンからの高さ７０ｍｍ）、"ＴＵＡＴ"の文字（スクリーンからの高さ９０ｍｍ）、および"３Ｄ"の文字（スクリーンからの高さ１１０ｍｍ）からなるシンボルの再生像を異なる角度０度、９０度、１８０度、２７０度の４方向から撮影した写真である。また、図８（ｂ）は、飛行機の再生像を異なる角度０度、９０度、１８０度、２７０度の４方向から撮影した写真である。
【００７３】
観察位置に応じて、再生された立体像の向きは変化した。シンボルの立体像は異なる高さの物体から形成されており、観察位置に応じて、それぞれの物体の相対位置が変化した。円環、「３Ｄ」および「ＴＵＡＴ」の相対的な距離が、観察角度に応じて変化していることから、立体的に視認されることがわかる。また、再生像は滑らかな運動視差を有していた。複数の観察者が回転スクリーンの周りの異なる方向から同時に再生された立体像を観察することができた。
【００７４】
以上で説明したホログラム表示装置は、例えば（１）３６０度好きな方向からのスポーツ観戦、（２）信頼性の高いインターネットショッピング、（３）映像を取り囲んでのカンファレンス、（４）医療画像、シミュレーション結果、設計図等の可視化に利用できる。また、観察位置によって異なる映像を表示できるため、ユーザごとに異なる映像コンテンツを表示することも可能である。
【００７５】
以上の説明では、プロジェクションレンズ１０６およびスクリーンレンズ１０７をそれぞれ１枚の凸レンズで代表して説明したが、収差補正の観点等より、複数のレンズから構成されても良い。
【００７６】
以上の説明では、スクリーンレンズ１０７およびスクリーンミラー３０７は正の屈折力を有するとしていたが、負の屈折力を有するとしてもよい。
【００７７】
以上の説明では、スクリーンミラー３０７に、楕円面鏡を用いたが、形状は楕円面に限定されない。例えば、球面、放物面、双曲面としてもよい。また、自由曲面であってもよい。
【００７８】
以上の説明では、スクリーンレンズ１０７およびスクリーンミラー３０７は、プロジェクションレンズ１０６によって変調光が結像される結像面に配置されるとして説明した。しかしながら、スクリーンレンズ１０７およびスクリーンミラー３０７は、プロジェクションレンズ１０６による変調光の結像面と、部分的にもしくは全体的に一致していなくてもよく、実質的に当該結像面の近傍に配置されていればよい。
【００７９】
なお、プロジェクションレンズ１０６、スクリーンレンズ１０７、スクリーンミラー３０７の残存収差、例えばディストーションを、空間光変調器１０４に表示するホログラムパターンを変更することによって、補償するとしても良い。
【００８０】
以上の説明では、拡散板２１２は、スクリーンレンズ１０７よびスクリーンミラー３０７の表面に配置されるとして説明した。しかしながら、拡散板２１２は、スクリーンレンズ１０７およびスクリーンミラー３０７と、部分的にもしくは全体的に一致していなくてもよく、実質的にスクリーンレンズ１０７よびスクリーンミラー３０７の近傍に配置されていればよい。
【００８１】
以上の説明では、回転伝達部材１２４を介してモータ１２２にて回転スクリーン１１０を回転させる例を紹介した。しかしながら、スクリーンミラー３０７のような反射型のスクリーンを使用する場合には、回転軸Ａとモータ１２２の回転軸とを一致させるように、モータ１２２を回転スクリーンの裏側に設置して、モータによって直接的に回転スクリーンを回転させてもよい。
【００８２】
以上の説明では、反射型の回転スクリーンとして、楕円面鏡を使用する例を紹介したが、ＭＥＭＳミラーアレイを使用してもよい。この場合には、スクリーンを回転させることなく、ＭＥＭＳミラーアレイを構成するマイクロミラーの反射面を経時的に偏向させることによって局在化した視域の形成位置を経時的に変位させることができるため、偏向光学系はスクリーン駆動ユニット１２０を含めずに構成することができる。
【００８３】
以上の説明では、ロータリエンコーダ１２６は、モータ１２２の回転軸に取り付けたスリット円板にて、モータ１２２の回転角および回転数を検出した。しかしながら、別の構成として、ロータリエンコーダ１２６は、スクリーンレンズ１０７の保持枠にスリット円板を設けて、直接的に回転スクリーン１１０の回転角および回転数を検出するとしてもよい。
【００８４】
以上の説明では、観察位置に応じた違和感の無い再生像を生成するために、ホログラムパターンの生成と回転スクリーン１１０の回転角とを同期させる方法として、回転スクリーン１１０の回転角に応じて、ホログラムパターンを生成した。しかし、空間光変調器１０４のホログラムパターン生成のタイミングと同期させて、回転スクリーン１１０の回転角を制御するとしてもよい。
【００８５】
以上の説明では、空間光変調器１０４の中心軸とプロジェクションレンズ１０６の光軸とが略一致する構成について説明したが、空間光変調器１０４の中心軸に対してプロジェクションレンズ１０６の光軸は偏心していてもよい。また、プロジェクションレンズ１０６の光軸は回転スクリーンの回転軸に対して偏心していてもよい。この場合においても、空間光変調器１０４から出射された変調光が、後方に配置される回転スクリーン１１０上に拡大結像されるようにする。
【００８６】
以上の説明では、ホログラム表示装置で光源を１つのみ用いたため、単色の表示となる。ホログラム表示装置でＲＧＢの光源を用いることで、時分割でカラー表示を実現することができる。あるいは、ホログラム表示装置を３台用いて、それぞれの光源をＲＧＢの光源とすることでカラー表示を実現することができる。
【００８７】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００８８】
１００、２００  ホログラム表示装置、１０２  光源、１０４  空間光変調器、１０６  プロジェクションレンズ、１０７、１０７ａ  スクリーンレンズ、１０８  ＳＳＢフィルタ、１１０、１１０ａ、２１０、３１０  回転スクリーン、１１１、１１１ａ、２１１、３１１  領域、１１２、１１２ａ、３１２  局在化した視域、１１４、２１４  拡大された領域、１２０  スクリーン駆動ユニット、１２２  モータ、１２４  回転伝達部材、１２６  ロータリエンコーダ、１３０  制御ユニット、１３２  ＣＰＵ、１３４  操作パネル、２１２  拡散板、３０７  スクリーンミラー、４１０  表示画面
【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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