(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インターレース導波路ホログラムマスターを製造する方法であって、
エマルジョンおよびインデキシング液に覆われた基盤の上の第１位置にフォトリソグラフィックマスクを配することで、第１ホログラフィック記録体を形成するステップと、
前記第１位置に対応する位置に視野領域マスクを配するステップと、
エマルジョンおよびインデキシング液に覆われた前記基盤の上の第２位置に前記フォトリソグラフィックマスクを配することで、第２ホログラフィック記録体を形成するステップと、
前記第２位置に対応する位置に視野領域マスクを配するステップと、を有し、
前記第２ホログラフィック記録体は、前記第１ホログラフィック記録体とインターレースされ、
前記視野領域マスクは、一連の暗転領域を有し、前記暗転領域間は、およそ２．５インチ離れており、
前記フォトリソグラフィックマスクおよび前記視野領域マスクは、それぞれ、一連の光透過性開口部を有し、前記一連の光透過性開口部は、それぞれ、特定の相互間距離を有する、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記第１位置が右視野に対応し、かつ、前記第２位置が左視野に対応する、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、
前記フォトリソグラフィックマスクは、等間隔に並んだ一連の線部を備え、
当該所定の線部が、ホログラフィックレコーディングをマスクする、方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、
前記線部は、それぞれ、標準的な画素の幅とおよそ等しい幅を有する、方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法であって、
前記線部の幅は、それぞれ、およそ２００ミクロンないし３００ミクロンである、方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、
前記エマルジョンは、ハロゲン化銀で形成される、方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
１．技術分野
本発明は一般に３次元（３−Ｄ）ディスプレイに関する。特に、本発明は３−Ｄホログラフィック液晶ディスプレイ（ＨＬＣＤ）に関し、これは観察者がゴーグルまたは眼鏡をかける必要が無い。本発明は、裸眼立体視(autostereoscopic)と称されるタイプの３−Ｄ  ＨＬＣＤシステムに関する。本発明はまた、前記３−Ｄ  ＨＬＣＤディスプレイで使用される右−左視点多重ホログラムの製造方法に関する。
【０００２】
２．関連技術
高性能ディスプレイシステムは、事実上、科学および工学機器のためのシステムインターフェースにおける主要構成要素である。例えば、３次元画像化は、３次元構造の視覚化を頼みとする神経科学研究およびその他の研究のような、医療に関する画像化において多大な利益を与える。
【０００３】
科学的視覚化、シミュレーション、および、機器設計は一般に、科学ワークステーション(scientific workstations)、強力な画像処理およびコンピュータグラフィックスのソフトウェア、ならびに、２次元ディスプレイに擬３次元像を描くために設計された特別なハードウェアを用いてなされている。残念なことには、これらのシステムには画像内容の重大な特徴が足りない。なぜなら、観察者が視覚的奥行きに関する２次元的な手掛かり(cue)を解釈して３次元像を生成することに頼っているからである。画像表示に第３の次元を付与することで、像の正確な空間的関係性を理解し、解釈するための、観察者の能力は大幅に強化される。
【０００４】
いくつかの３次元表示技術が開発されているが、これらの用途は多くの要因によって制限されている。これらの要因には、スキャナおよびプロジェクタのような外部装置の必要性、フリッカのない画像をリアルタイムで表示できないこと、解像度が低下されて鑑賞の範囲が制限されていること、特別な画像データのフォーマットおよびスキャンに関する依存性(reliance)、ならびに、コストの増大、が含まれている。従い、費用効率が高く、従来の２次元的ディスプレイのフォーマットと整合し、広い視野で「見まわせる」能力を備えたリアルタイムの双方向性を有し、３次元裸眼立体的視覚化をサポートしている３次元ディスプレイユニットが必要である。
【０００５】
（発明の概要および目的）
本発明の目的は、多重ホログラフィック回折格子構造により生成された、高解像度、フルカラー、裸眼立体視３次元画像を提供することである。
【０００６】
本発明の別の目的は、投射光を所要の表示および鑑賞用構造に限定するシステムを提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、費用効果が高く、小型で、かつ、従来型の２次元フラットパネル液晶ディスプレイ技術と互換性のある、３次元的鑑賞システムを提供することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、従来型の２次元的ディスプレイおよびビデオ送信フォーマットと互換性のある、３次元的鑑賞システムを提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、広く、見回せる視野を備えた３次元的鑑賞システムを提供することである。
【００１０】
最後に本発明の目的は、右視野および左視野のホログラフィック記録体を有する、ホログラムによる多重導波路(waveguide)を提供することである。
【００１１】
これら目的に基づき、本発明は裸眼立体視でき高解像度の広く見まわせる視野を有する小型フラットパネル３次元ホログラフィック液晶ディスプレイ（ＨＬＣＤ）システムを提供する。本システムは、特別な多重ホログラムの形状を呈している、新規性のある切替え可能バックライトパネルによって改良された、バックライト式ＬＣＤを備えている。
【００１２】
より具体的には、本システムは、バックライト、第１光回折ホログラム、第２右−左視野多重導波路ホログラム、および、ＬＣＤを備えている。バックライトが従来型のＬＣＤディスプレイで用いられているように平行光でなければ、マイクロコリメータアレイをバックライトと第１ホログラムとの間に配して平行光を提供する。
【００１３】
本システムは、それぞれの目に異なる視点からの対象物の光景を提示することで、３次元的な視差による奥行きに関する手掛かりを作成する。従来の３次元的鑑賞方法は、適切に目に光を送るためのゴーグルおよび専用鑑賞用眼鏡のような、専用鑑賞用装置を頼みにしていた。しかし、本発明によるシステムは新規性のある右−左視野多重導波路ホログラムを用いて、システム内部で右目または左目のいずれかに光を導いており、それにより外部の鑑賞用装置の必要性を排除している。
【００１４】
鑑賞システムで用いる新規性のある右−左視野多重導波路ホログラムマスターは、導波路伝播モードの物体光および参照光を含んでいる導波路ホログラフィックレコーディングとあわせて、フォトリソグラフィックマスクおよび視野領域マスクを組み合わせて用いるレコーディング工程で形成される。多重導波路ホログラムレコーディング工程は２段階の工程を有し、第１ホログラフィックレコーディングは第１の目の鑑賞域の形成に関し、第２ホログラフィックレコーディングは第２の目の鑑賞域の形成に関する。多重マスター導波路ホログラムは、従来型ＬＣＤディスプレイを裸眼立体視３−Ｄ  ＨＬＣＤディスプレイシステムに変換するための費用効果の高い方法を提供する、ホログラフィック密着複製体(holographic contact copies)の形成に用いられる。本発明の重要な特徴とは、導波路ホログラムが不要な光を鑑賞者に見せないようにする手段として提供されていることである。
【００１５】
本発明の他の特徴としては、鑑賞者の目の位置に応じて正確な３−Ｄ遠近図(perspective view)を表示するように、複数の右−左視野および頭位置追跡カメラを提供することである。
【００１６】
本発明の他の特徴および目的は、後文および添付の図面と併せて考察することでより正しく評価および理解できるであろう。しかし、当然のことながら、後文において本発明の好ましい実施形態を示しているが、それらは例示に過ぎず、限定するものではない。多くの変更および修正は本発明の思想から逸脱することなく、本発明の範囲内で製作可能であり、本発明はそれら全ての修正例を含んでいる。
【００１７】
本発明を構成する優位性および特徴に関する明快な概念、および、本発明が提供する標準的機構の構成および動作に関する明快な概念は、例示的な、および、それ故に非制限的な、添付の、本明細書の一部を構成する図面に示された実施形態を参照することによってさらに容易にはっきりと理解できるであろう。ここで、幾つかの図における同一の参照数字は同一の要素を指す。
【００１８】
（発明の実施形態）
本発明、ならびに、その様々な特徴および有利点の詳細は、後文にて詳細に記述された非制限的実施形態を参照しながらさらに十分に説明されている。
【００１９】
１．      システム概観
図１に示すように、本発明は、裸眼立体視型で、フルレゾリューションで、小型で、広い見回すことが可能な視野で、フラットパネル型の３次元的ディスプレイシステムを提供する。システム１０は、バックライト１２、マイクロコリメータアレイ１４、第１ホログラム１６、第２ホログラム１８、および、標準的ＬＣＤ２０から形成される、新規性を有する切替え可能バックライトパネルによって変更が加えられたバックライト式ＬＣＤを備えている。
【００２０】
組み立てられて使用されるとき、バックライト１２はマイクロコリメータアレイ１４を通して光を発信する。マイクロコリメータアレイ１４は、平行光を第１導波路ホログラム１６に向けて所定の角度で、好ましくは零度で投影する。第１ホログラム１６は、臨界角より大きな角度、好ましくは４５度、に光を回折し、平行光を様々な波長に分散させる。そして第２導波路ホログラム１８内の第１および第２ホログラフィック記録体が、対応するＬＣＤディスプレイ２０の奇数番目および偶数番目の画素から抜け出る前に、光を対応する第１および第２鑑賞域へ回折する。システム１０の各要素は、以下のセクションで詳細に議論される。
【００２１】
２．      ３−Ｄ  ＨＬＣＤ装置
図２および図２Ａに示されるように、本システムは、バックライト１２、マイクロコリメータアレイ１４、第１ホログラム１６、第２ホログラム１８、および、画素２１を備えた標準的ＬＣＤ２０を有する。
【００２２】
Ａ．  バックライト
バックライト１２は従来型の平行光であってよい。例えば、光は小型で、低出力の白色平行光照明源であってよい。前記光は短焦点距離のフレネルレンズを備えた低出力メタルハライドランプの使用を含めた様々な方法を通じて形成される。
【００２３】
Ｂ．  マイクロコリメータアレイおよび製作方法
マイクロコリメータアレイ１４は、バックライトが平行光でない（つまりは、拡散光である）場合に、バックライト光源を平行光にするために用いられる。各マイクロレンズの焦点に形成されたピンホールが光を集中させ、光を平行にする。マイクロコリメータアレイ１４は図３に示されるように、以下の工程を通して形成される。
【００２４】
適当な商業的に入手可能なマイクロレンズマスター２２を選択する。マスターのゴム製のネガ２４がゴムまたは他の適当な材料に形成される。ＵＶ硬化型エポキシ樹脂２８で覆われた基盤２６は、好ましくは１．４８から１．６５の間の屈折率を有する。そして、ゴム製のネガ２４は、エポキシ樹脂２８に加圧され、マイクロコリメータアレイ１４のマイクロレンズ２２を形成する。ゴム製のネガ２４がエポキシ樹脂２８を加圧し、エポキシ樹脂２８を硬化させるために、エポキシ樹脂をコートした基盤２６にＵＶ光が照射される。ゴム製のネガ２４が除去された後、シプレイ(Shipley)のポジ型フォトレジストの組成を含んだ黒色染料の混合物を、マイクロコリメータアレイ１４の基盤側に塗布する。それから、ＵＶ光を各マイクロレンズ２２に照射する。各マイクロレンズ２２曲率が、ＵＶ光を基盤２６に沿った焦点３０に集中させる。それから、エッチング溶液を基盤２６に用いて、マイクロコリメータアレイ１４内にピンホールを形成する。
【００２５】
Ｃ．  第１ホログラムおよび製作方法
図４を参照すれば、第１ホログラムを用いて、光を第２ホログラムに対し所定の角度で、好ましくは、光を赤、緑、および、青のスペクトル像に広げる、水平から４５−５０度（つまりは、反射角よりも大きな角度）で照射する。第１ホログラムは従来型の２つの光線によるレコーディング工程で形成される。より具体的には、ホログラフィックプレート基盤３２はハロゲン化銀のような感光性エマルジョン３４で覆われている。拡散された物体光および平行な参照光は基盤３２を通り、エマルジョン３４に達し、水平から４５−５０度の間で光を分散させるホログラムをレコーディングする。結果としてホログラムは、マイクロコリメータアレイ１４を通して投射された光を、分離した赤、緑、および、青のスペクトル像に分散させる。
【００２６】
Ｄ．  第２ホログラムおよび製作方法
図５に示すように、第２ホログラム１８は、別個の２つのインターレースホログラム記録体を備えている。一方の記録体は右視野に対応し、他方は左視野に対応している。眺められると、最後のホログラムが交互に右および左のホログラム記録体を生成し、これらが直接的に図６に示されているＬＣＤの画素と対応しており、３次元効果を生み出す。交互の右および左記録体はそれぞれ所定の幅を有する。この幅は標準的なＬＣＤの画素と等しく、好ましくは２００ミクロンである。
【００２７】
第２ホログラム１８は、以下の工程で形成される右−左インターレースホログラムマスターである。図５に示されるように、ホログラフィックプレートまたは基盤３６は感光性エマルジョン、好ましくはハロゲン化銀、で覆われ、エマルジョン層３８を形成する。そして、コートされた基盤３６は、エマルジョン層がグレーガラスプレートホルダー４０と離れている方を向くように、グレーガラスプレートホルダー４０に取り付けられる。それから、エマルジョン層の露出面は、ＩＳＯＰＡＲ（登録商標）のようなインデキシング液(indexing fluid)４４で覆われる。
【００２８】
１．  フォトリソグラフィックマスク
フォトリソグラフィックマスク４４はエマルジョン層３８の上に配され、レコーディングに先立ってインデキシング液４６で覆われる。マスク４４は等間隔に並んだ一連の線をなす。各線は標準的ＬＣＤ画素の幅に等しい、好ましくは２００ないし３００ミクロンの幅を有する。例えば、奇数番目の線が黒線４８で、かつ、偶数番目の線が透明線５０であれば、奇数番目の線はマスクとして作用し、マスク４４の奇数番目の線の下のホログラフィックレコーディングを阻止する。
【００２９】
２．  視野領域マスク
周知のことだが、人間は右目から受け取る情報と左目から受け取る情報とが僅かに異なることで、３次元性を知覚している。右目と左目とがおよそ２．５インチ離れていることにより、知覚される差異が生じ、これが３次元効果を生む奥行きに関する手掛かり(depth cue)へと収束する。この概念が、図５に示されているようなホログラフィックレコーディング工程において視野領域マスク５２を使用して模倣されている。
【００３０】
視野領域マスク拡散器５２は、ホログラフィックレコーディングの間、右視野または左視野のいずれかを遮断する目的で使用される。視野領域マスク拡散器５２は、基盤５４、および、視野領域マスク５６を備えている。
【００３１】
視野領域マスク５６は一連の暗転領域(blacked out region)５８を供する。例えば、各暗転領域は２．５インチの幅を有し、隣の暗転領域５８とは２．５インチ離れている。レコーディング工程の間、視野領域マスク５６は物体光の光路内に配される。暗転領域５８は、物体光の右半分または左半分のどちらかを遮断する。
【００３２】
視野領域マスク５６はフォトリソグラフィックマスク４６を伴って使用されて、分離した右視野および左視野を生成するためにインターレースされた第１ホログラフィック記録体および第２ホログラフィック記録体を形成する。
【００３３】
図７を参照すれば、フォトリソグラフィックマスク４６および視野領域マスク５６は、第１部分体および第２部分体を備えている。第１ホログラフィックレコーディングの間、フォトリソグラフィックマスク４６および視野領域マスク５６は第１位置に存在しなければならない。フォトリソグラフィックマスク４６および視野領域マスク５６は、第２ホログラフィックレコーディングが開始される前に、第２位置に移動されなければならない。
【００３４】
例えば、フォトリソグラフィックマスク４６がＬＣＤの奇数番目画素に対応する領域をマスクし、かつ、視野領域マスク５６が第１ホログラフィック記録体を形成する間、右視野領域を遮断すれば、第２ホログラフィック記録体を形成する間は、フォトリソグラフィックマスク４６がＬＣＤの偶数番目画素に対応する領域をマスクし、かつ、視野領域マスク５６が左視野領域をマスクしなければならない。
【００３５】
ホログラフィック記録体は、図５に示されるように２つのビームによるレコーディング工程で形成される。第１ホログラフィック記録体は、物体光をそのシステムの要求されている再生距離と等しい距離に配された視野領域マスク５６を通し、そして、フォトリソグラフィックマスク４６を通して形成される。参照光は第１ホログラムをレコーディングするために使用した参照角と等しい角度で、好ましくは水平から４５−５０度で、フォトリソグラフィックマスク４６を通る。そして、フォトリソグラフィックマスク４６および視野領域マスク５６は第１位置から第２位置に移動され、第２ホログラフィック記録体を形成するため、レコーディングが繰り返される。
【００３６】
第１ホログラフィック記録体は、所定幅を有する複数のホログラムを作り、これらは前記所定幅と同一の幅の空白部によって分離されている。第２ホログラフィック記録体は、隙間の開いた、第１ホログラフィック記録体によって現われる空白部を埋める複数のホログラムを作る。
【００３７】
そして、右−左インターレースホログラムマスター１８の複製体が密着複製(contact copy)で作られる。ここで、右−左インターレースホログラムマスター１８は、波長５１４ナノメートルの４５度参照レーザービームを用いた従来通りの方法で複製される。
【００３８】
より具体的には、図８に示されるように、右−左インターレースホログラム密着複製体５８は以下の工程で形成される。ハロゲン化銀のような感光性エマルジョン６２がコートされたホログラフィックプレート６０がグレーガラスプレートホルダー４０の上に、前記エマルジョン６２とグレーガラスプレート４０とが密着するように装着される。ガラススペーサ６４はホログラフィックプレート６０の上方に配される。スペーサ６４は好ましくは厚さ１ミリメートルである。そして、右−左インターレースホログラムマスター１８は、ガラススペーサ６４の上に配され、右−左インターレースホログラムマスター１８のエマルジョンがコートされてある側３８がスペーサ６４と接触する。コートされているホログラフィックプレート６０、スペーサ６４、および、右−左インターレースホログラムマスター１８は、インデックスされ(indexed)て、ホログラフィックプレートのエマルジョンコーティングおよびマスター上のエマルジョン層はＬＣＤ基盤の厚さと同一の距離、好ましくは１ミリメートル、だけ分離されている。そして、密着複製体５８は、マスター１８、スペーサ６４、ホログラフィックプレート６０、および、エマルジョン層６２を通して、単一の参照ビームを所定の角度で、好ましくは４５度で、所定の露光時間の間、露光することでレコーディングされる。そして、密着複製体５８は光化学処理によって現像される。
【００３９】
事実上、無数の代用物が本発明には存在するが、それら全てをここで詳細に述べる必要はない。開示されている全ての実施形態は、必要以上の実験なしに実施可能である。
【００４０】
発明者によって検討された本発明を実施する上での最良の形態について説明したが、本発明の実施がそれに限定されることはない。明らかなことだが、本発明の特徴に関する様々な追加、変形、および、再構成は、基調をなしている創意に溢れた概念的思想およびその範囲から逸脱することなく実施可能である。例えば、個々の構成要素は開示された材料から製造する必要は無く、事実上、適当なあらゆる材料から製造可能である。さらに、開示した各実施形態において開示された全ての特徴は、互いに両立し得ない特徴を除いて、開示された別のあらゆる実施形態で開示されている特徴と組み合わせること、または、代用することが可能である。
【００４１】
付随の請求項は、そのような全ての追加、変形、および、再構成をカバーするよう、意図されている。本発明の好都合な実施形態は、付随の副請求項によって区別されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ３−Ｄ  ＨＬＣＤシステムの概略図である。
【図２】  本システムの要素の分解概略図である。
【図２Ａ】  ＬＣＤ画素を通過する平行光の分解該略図である。
【図３】  マイクロコリメータアレイを作成する方法の概略図である。
【図４】  第１ホログラムのレコーディング工程の概略図である。
【図５】  第２ホログラムのレコーディング工程の概略図である。
【図６】  第２ホログラムが形成する交互の右および左視野の図である。
【図７】  第１ホログラフィックレコーディングおよび第２ホログラフィックレコーディングにおけるフォトリソグラフィックマスクおよび視野領域マスクの位置の図である。
【図８】  第２ホログラムマスターを複製する方法の概略図である。
【符号の説明】
１２  ・・・  バックライト
１４  ・・・  マイクロコリメータアレイ
１６  ・・・  第１ホログラム
１８  ・・・  第２ホログラム
２０  ・・・  ＬＣＤ
２１  ・・・  画素
【図１】
0004458401.tif 000002
【図２】
0004458401.tif 000003
【図２Ａ】
0004458401.tif 000004
【図３】
0004458401.tif 000005
【図４】
0004458401.tif 000006
【図５】
0004458401.tif 000007
【図６】
0004458401.tif 000008
【図７】
0004458401.tif 000009
【図８】
0004458401.tif 000010