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JP6637658B2 - Hologram display device - Google Patents
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Description

本発明は、ホログラム表示装置に関する。   The present invention relates to a hologram display device.

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。   As a hologram display technique, a technique of displaying an interference fringe using a spatial light modulator (SLM) is known. In this case, the width of the viewing angle is approximately inversely proportional to the pixel pitch of the SLM as the display device. Therefore, in order to increase the viewing angle, it is necessary to reduce the pixel pitch of the SLM. The size of the screen to be displayed is proportional to the resolution (N × M) of the SLM. Therefore, in order to increase the screen size, it is necessary to increase the resolution of the SLM.

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。   The hologram display device requires a pixel pitch on the order of the wavelength of visible light (on the order of 1 μm) in order to display interference fringes. For example, in order to realize a screen size of 40 inches and a viewing angle of 30 degrees, when the wavelength of the reference light, the object light, and the illumination light for reproduction is 600 nm, an SLM having a pixel pitch of 1.2 μm and a resolution of 764000 × 430000 is required. Will be needed. However, since there is no ultra-high-definition SLM as described above, it is necessary to use a plurality of SLMs for realization, and it is difficult to put it to practical use at present.

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
In order to solve the above problem, a screen scanning hologram display device has been proposed. In the hologram display device, the modulated light from the SLM is reduced in the horizontal direction and enlarged in the vertical direction and projected on a display screen using an anamorphic optical system. In this way, by reducing in the horizontal direction, the apparent pixel pitch in the horizontal direction is reduced and the viewing angle in the horizontal direction is increased. Then, the modulated light projected on the display screen is scanned in the horizontal direction on the display screen to achieve a large screen and a wide viewing area in the horizontal direction (for example, see Patent Document 1).
[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-8822

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。   In the conventional hologram display device, the viewing angle is about 15 degrees, and the viewing area is small.

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。   A hologram display device according to one embodiment of the present invention includes a spatial light modulator that receives a laser beam and modulates the laser beam based on hologram reproduction wavefront information, and forms an image by enlarging the modulated light modulated by the spatial light modulator. The modulated optical system is arranged on an image forming plane on which the modulated light is focused, and the modulated light is transmitted over time so that a visual field is formed in an entire circumferential area around the optical axis of the enlarged optical system. A deflecting optical system for deflecting by deflecting the deflection direction.

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。   The above summary of the present invention is not an exhaustive listing of all features of the present invention. Further, a sub-combination of these feature groups can also be an invention.

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。It is a lineblock diagram of a hologram display device in a 1st embodiment. 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。FIG. 2 is an optical path diagram illustrating a configuration of an optical system according to the first embodiment. 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。It is a figure explaining the difference of the observable area on the display screen in the conventional example and the observable area on the display screen in 1st Embodiment. 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。FIG. 2 is an optical path diagram of an optical system of the hologram display device according to the first embodiment. 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。It is a lineblock diagram of a hologram display device in a 2nd embodiment. 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。It is an optical path diagram of the optical system of the hologram display device in the third embodiment. 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。FIG. 7 is a flowchart illustrating a procedure for synchronizing rotation of a rotating screen and hologram display timing of a spatial light modulator. 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。3 is a photograph of a reproduced image obtained by a hologram display device as one example of the present invention.

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。   Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all combinations of the features described in the embodiments are necessarily essential to the solution of the invention.

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。   FIG. 1 is a configuration diagram of the hologram display device according to the first embodiment. The hologram display device 100 according to the present embodiment includes a light source 102, a spatial light modulator 104, a projection lens 106, a single side band (SSB) filter 108, a rotating screen 110, a screen driving unit 120, and a control unit 130. In the following description, the side of the spatial light modulator 104 is the front side or the front side, and the side of the region 111 where the observer observes the reproduced image is the rear side along the rotation axis A indicated by the one-dot chain line. Or, it is called the back. For example, with respect to the projection lens 106, the side on which the spatial light modulator 104 is disposed is the front side or the front, and the side on which the rotating screen 110 is disposed is the rear side or the rear. In this embodiment, the optical axis of the projection lens 106 and the rotation axis A are the same.

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。   The light source 102 emits laser light that is coherent light. A semiconductor laser or the like is used for a light emitting unit of the light source 102. The light source 102 includes a collimator lens, and emits a beam emitted from the light emitting unit as parallel light. The spatial light modulator 104 is an electronic hologram display element that displays a hologram pattern. The light source 102 emits the coherent light to the spatial light modulator 104 as illumination light for reproducing a hologram. The spatial light modulator 104 emits modulated light obtained by modulating the intensity or phase of the laser light incident from the light source 102 according to the reproduction wavefront information of the hologram. Note that the reproduction wavefront information is information on a wavefront forming a reproduction image. The wavefront of the coherent light emitted from the light source 102 is modulated by a hologram pattern displayed on the spatial light modulator 104, and after passing through the SSB filter 108, is converted into the reproduction wavefront.

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。   The hologram pattern can be generated by actually photographing with an image sensor. Further, the hologram pattern can be generated by computer simulation. The spatial light modulator 104 uses, for example, a spatial light modulator (MEMS-SLM) using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) or a spatial light modulator (LCOS-SLM) using LCOS (Liquid Crystal on Silicon). be able to.

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。   The hologram display device 100 shown in FIG. 1 uses a MEMS-SLM as an example of the spatial light modulator 104. Since the MEMS-SLM is a reflection type display device, the MEMS-SLM irradiates coherent light from the light source 102 to the inclined micro mirror surface from an oblique direction. When a transmission type ferroelectric liquid crystal is used, coherent light is irradiated from the back side, and when a reflection type LCOS-SLM is used, coherent light is irradiated from a position directly opposite the display surface. .

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。   The screen drive unit 120 rotates the rotating screen 110 around the rotation axis A in one direction. The screen drive unit 120 includes a motor 122, a rotation transmitting member 124, and a rotary encoder 126.

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。   The motor 122 rotates the rotary screen 110 around a rotation axis A that coincides with the optical axis of the projection lens 106 via the rotation transmission member 124. The rotation transmitting member 124 transmits the rotational force of the motor 122 to the rotating screen 110. As shown in FIG. 1, the rotation transmitting member 124 is, for example, a disk in which the rotation axis of the motor 122 and the center axis are aligned. The rotational force of the motor 122 is transmitted to the rotating screen 110 by pressing the cylindrical surface of the rotation transmitting member 124 against the circumferential surface of the rotating screen 110. Further, the rotation transmitting member 124 may be a gear. In this case, the rotation of the motor 122 may be transmitted to the rotation screen 110 by providing a tooth shape on the circumference of the rotation screen 110 and engaging with the rotation transmission member 124. The rotary encoder 126 detects the rotation of the motor 122 and transmits a pulse signal indicating the displacement of the rotation to the control unit 130.

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。   The control unit 130 mainly controls the operation of the light source 102, the spatial light modulator 104, and the motor 122. The control unit 130 includes a CPU 132 and an operation panel 134. In the present embodiment, the operation panel 134 is provided so that the user can operate near the hologram display device 100. However, the present invention is not limited to this. For example, another terminal device using a wired technology or a wireless technology is used. It may be configured to give an operation instruction from.

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。   The CPU 132 executes display control of the hologram display device 100 according to a hologram pattern to be displayed and an operation timing condition specified via the operation panel 134. The operation panel 134 is a display device including an input unit such as a touch panel, and receives input from an operator and displays menu items and the like. In the present embodiment, the control unit 130 functions as a control unit.

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。   The control unit 130 causes the spatial light modulator 104 to display a hologram pattern based on the reproduced wavefront information. The control unit 130 synchronizes the generation of the hologram pattern with the deflection direction of the screen lens 107 which changes with time according to the rotation of the motor 122. More specifically, the control unit 130 receives a pulse signal from the rotary encoder 126, and controls a hologram pattern to be displayed on the spatial light modulator 104 and a display timing of the hologram pattern according to the pulse signal. I do.

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。   The projection lens 106 is arranged behind the spatial light modulator 104. The projection lens 106 is a magnifying optical system that magnifies the modulated light emitted from the spatial light modulator 104 on a rotating screen 110 disposed behind and forms an image.

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。   The SSB filter 108 is disposed between the projection lens 106 and the rotating screen 110. More specifically, the SSB filter 108 is disposed on the rear focal plane of the projection lens 106, that is, on the Fourier plane. The SSB filter 108 removes a zero-order light and a conjugate image unnecessary for displaying a spatial hologram image.

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。   The rotating screen 110 is arranged on the image plane of the modulated light by the projection lens 106 and functions as a display screen for displaying a reproduced image. Further, the rotating screen 110 deflects the incident modulated light toward the observer who observes the reproduced image from a position shifted from the rotation axis A. In the present embodiment, the rotating screen 110 includes a screen lens 107 having a positive refractive power. The rotating screen 110 is preferably arranged such that the image plane of the modulated light by the projection lens 106 substantially coincides with the main plane on the front side of the screen lens 107. In the present embodiment, the rotating screen 110 and the screen driving unit 120 function as a deflection optical system.

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。   As the screen lens 107, for example, an eccentric lens in which the optical axis OAs is eccentrically arranged with respect to the rotation axis A, an HOE (Holographic Optical Element), or the like can be used. As the eccentric lens, a spherical lens, an aspherical lens, a Fresnel lens, a DOE (Diffractive Optical Element) lens, or the like can be used. In the present embodiment, an eccentric spherical lens is used for the screen lens 107. The screen lens 107 deflects the incident modulated light in the eccentric direction of the optical axis OAs of the screen lens 107 with respect to the rotation axis A. The screen lens 107 is manufactured such that the outer circumference is a circle having a predetermined radius around the rotation axis A. The predetermined radius is, for example, 100 mm.

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。   The rotating screen 110 rotates around a rotation axis A that coincides with the optical axis of the projection lens 106. As a result, the rotating screen 110 deflects the incoming modulated light by changing the direction of deflection with time, thereby forming a viewing zone in the entire annular area around the optical axis of the projection lens 106.

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。   The rotating screen 110 in the present embodiment has a rotationally symmetric shape and rotates only in one direction. For this reason, even if the diameter is relatively large, it is easy to realize stable rotational scanning. That is, in the hologram display device 100 according to the present embodiment, it is relatively easy to enlarge the display screen of the reproduced image. In the following description, a plane orthogonal to the rotation axis A of the rotating screen 110 may be referred to as a scanning plane. A direction parallel to the scanning surface may be referred to as a horizontal direction, and a direction perpendicular to the scanning surface may be referred to as a vertical direction.

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。   Each light flux of the modulated light emitted from each point on the spatial light modulator 104 is once formed on the rotating screen 110 by the projection lens 106. Thereafter, these light beams overlap at a position separated by a distance L at which the reproduced image can be observed relatively large, and form a three-dimensionally closed, that is, localized, visual field. The region 111 is a region that is one section of the visual field localized at a position separated by a distance L from the rotating screen 110 along the rotation axis A.

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。   In the present embodiment, the modulated light emitted from the spatial light modulator 104 is enlarged and formed on the rotating screen 110 by the projection lens 106. That is, since the apparent pixel pitch on the rotating screen 110 is enlarged, the viewing angle is reduced. However, the hologram display device 100 changes the localization position of the visual field over time along the rotational scanning direction SD by rotating the rotating screen 110 around the rotation axis A. Thereby, as shown by the enlarged region 114, the viewing area of the hologram display device 100 is substantially enlarged to 360 degrees around the rotation axis A.

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。   Further, the control unit 130 synchronizes the generation of the hologram pattern with the rotation angle of the rotating screen 110 in order to generate a reproduced image that does not cause a sense of incongruity according to the observation position. As a specific synchronization method, a hologram pattern may be generated according to the rotation angle of the rotating screen 110. By synchronizing the rotation angle of the rotating screen 110 and the display of the hologram pattern, the observer can observe a reproduced image without any uncomfortable feeling according to the observation angle from an arbitrary position on the enlarged area 114.

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。   FIG. 2 is an optical path diagram illustrating the configuration of the optical system according to the first embodiment. FIG. 2 will be described first as a coaxial optical system in which the projection lens 106 and the screen lens 107a have a common optical axis OA in order to simplify the description. FIG. 2 shows modulated lights MLu and MLl emitted from both ends of the spatial light modulator 104 among the modulated lights emitted from each point on the spatial light modulator 104, and the propagation directions thereof are indicated by dotted lines. The same members as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and overlapping description will be omitted.

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。   The projection lens 106 is arranged behind the spatial light modulator 104. As shown by the modulated lights MLu and MLl, the modulated light emitted from the spatial light modulator 104 has a spread angle corresponding to the pixel pitch of the spatial light modulator 104. As shown in FIG. 2, the propagation direction of the modulated light is substantially parallel to the optical axis OA. The projection lens 106 emits the modulated lights MLu and MLl incident from the spatial light modulator 104 toward the rear focal position F '.

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。   The modulated light beams MLu and MLl emitted from the projection lens 106 have zero-order light and a conjugate image removed by the SSB filter 108 disposed on the Fourier plane of the projection lens 106, and are once formed on the screen lens 107a.

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。   As represented by the modulated lights MLu and MLl, the luminous flux of each modulated light emitted from each point on the spatial light modulator 104 is a predetermined light beam orthogonal to the optical axis OA via the screen lens 107a. In the area on the surface, substantially all overlap each other to form a localized viewing area 112a (hatched area), which is a three-dimensionally closed viewing area.

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。   The SSB filter 108 and the region 111a have an optically conjugate relationship with the screen lens 107a. The screen lens 107a functions as a so-called field lens that guides the incident modulated light to an area 111a on a predetermined surface.

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。   The region 111a on the predetermined surface is set at a position where the observer can easily observe the reproduced image. Note that, depending on the residual aberration of the projection lens 106 and the screen lens 107a, the positions where the respective luminous fluxes of the modulated light emitted from the screen lens 107a overlap may differ depending on the image height. It is sufficient that they substantially overlap.

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。   Considering that the reconstructed wavefront of the hologram enters the human eye through the pupil, the size of the region 111a can be reduced to about the size of the pupil. The pupil diameter of a human varies depending on the brightness of the surrounding environment, and is said to be 2 to 8 mm on average. Thus, in the present embodiment, substantial wavefront reproduction can be realized by the region 111a having a size that includes a circle having a diameter of 2 mm or more.

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。   As shown in FIG. 2, the localized visual field 112a gradually expands from EP1, which is closer to the screen lens 107a, and gradually narrows through the region 111a to reach EP2, which is farther from the screen lens 107a. It is represented as a closed space area. The observer can observe the entire reproduced image formed in the vicinity of the rotating screen 110a, which is a display screen, at least in the localized visual field 112a.

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。   FIG. 3 is a diagram for explaining the difference between the observable area on the display screen in the conventional example and the observable area on the display screen in the first embodiment. In particular, FIG. 3 is a diagram showing a cross section in a plane orthogonal to the display screen. In FIG. 3B, the display screen can be regarded as a main plane on the rear side of the screen lens 107.

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。   FIG. 3A is a diagram illustrating a visible region on a display screen of a hologram display device in a conventional example. FIG. 3A shows modulated lights MLu and MLl emitted from both ends of the display screen 410 among modulated lights emitted from respective points on the display screen 410, and the propagation directions thereof are indicated by alternate long and short dash lines.

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。   In the hologram display device in the conventional example, the propagation directions of the modulated lights emitted from the respective points on the display screen 410 at the viewing angle α are parallel to each other as shown by the modulated lights MLu and MLl. Therefore, in FIG. 3A, the observer can observe only a partial area of the display screen 410 as shown in the observable area OBA1. Note that the width of the observable area OBA1 is d + Lα, where L is the distance from the display screen 410 to the pupil of the observation eye E, and d is the pupil diameter of the observation eye E.

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。   FIG. 3B is a diagram illustrating a visible region on the display screen of the hologram display device according to the present embodiment. For the sake of simplicity, the description will be made as a coaxial optical system similar to that of FIG. In FIG. 3B, of the modulated light emitted from each point on the rotating screen 110a, modulated light MLu and MLl emitted from both ends of the rotating screen 110a are shown, and the propagation directions thereof are indicated by dashed lines.

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。   In FIG. 3B, the modulated lights MLu and MLl are directed at a viewing zone angle β toward the pupil of the observation eye E of the observer located at a distance L from each point on the rotating screen 110 a as the display screen. Is emitted. Then, as shown by the modulated lights MLu and MLl, the luminous fluxes of the respective modulated lights emitted from the rotating screen 110a substantially completely overlap each other in the region 111a, and a localized visual field is formed. To form Therefore, in FIG. 3B, the observer can observe the entire reproduced image formed near the rotary screen 110a as shown in the observable area OBA2.

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。   In the conventional hologram display device, the propagation directions of the modulated lights emitted from the display screen are parallel to each other and the viewing angles are the same, so that there is substantially no region where all the light beams of the respective modulated lights overlap. . That is, the conventional hologram display device does not localize the viewing zone. On the other hand, in the hologram display device according to the present embodiment, substantially all of the light beams of the respective modulated lights are overlapped in the region 111a by the configuration of the projection lens 106 and the rotating screen 110a as shown in FIG. This localizes the viewing zone. As described above, the hologram display device according to the present embodiment can observe the entire reproduced image at a position closer to the display screen as compared with the conventional hologram display device by localizing the viewing zone. .

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。   FIG. 4 is an optical path diagram of an optical system of the hologram display device according to the first embodiment. The same members as those shown in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and overlapping description will be omitted.

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。   In FIG. 4, the optical axis OAs of the screen lens 107 is parallel eccentric by a distance R in a direction orthogonal to the rotation axis A. The reproduced light imaged on the screen lens 107 is deflected in the screen lens 107 toward an area 111 that is in an optically conjugate relationship with the SSB filter 108, and substantially overlaps and a localized visual field 112. To form In FIG. 2, the coaxial optical system has been described. However, by using an eccentric lens for the screen lens 107, the screen lens 107 is localized in the direction from the rotation axis A (the optical axis OA in FIG. 2) to the optical axis OAs of the screen lens 107. The visualized area can be displaced.

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。   If the distance of the region 111 from the rotation axis A is D, and the paraxial image magnification of the screen lens 107 is Ms, the relationship of D = Ms × R is satisfied. As the rotating screen 110 rotates about the rotation axis A, the localized viewing area 112 is displaced with time, and an annular viewing area having a radius D around the rotation axis A is formed. Therefore, the observer can observe the reproduced image from the direction of 360 degrees around the rotation axis A reproduced in the vicinity of the rotating screen 110.

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。   FIG. 5 is a configuration diagram of the hologram display device according to the second embodiment. The hologram display device 200 according to the second embodiment has a diffusion plate 212 in addition to the members constituting the hologram display device 100 according to the first embodiment. The same members as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and overlapping description will be omitted.

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。   The rotating screen 210 according to the present embodiment includes a screen lens 107 having a positive refractive power and a diffusion plate 212. The diffusion plate 212 is provided on the surface of the screen lens 107, and diffuses the modulated light in a plane direction determined by the rotation axis A and the direction in which the modulated light is deflected. In other words, the diffusion plate 212 diffuses the modulated light in a fan-shaped manner with the emission position as the center in a plane including the rotation axis A and the optical axis OAs of the screen lens 107. Further, the diffusion plate 212 rotates integrally with the screen lens 107. Therefore, even if the rotating screen 210 rotates around the rotation axis A, the diffusion plate 212 always diffuses the modulated light in the vertical direction. Therefore, a wide viewing area is formed in the vertical direction, and a reproduced image reproduced in the vicinity of the rotating screen 210 from various heights can be favorably observed.

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。   As the diffusion plate 212, a lenticular lens, a holographic diffuser, or the like including a large number of cylindrical lenses can be used. In the present embodiment, a lenticular lens is used for the diffusion plate 212. At this time, the lenticular lens is arranged such that one of the two orthogonal axes of the cylindrical lens having no curvature is orthogonal to the plane including the rotation axis A and the optical axis OAs of the screen lens 107. By arranging the lenticular lens in this manner, the modulated light can be diffused in a fan shape centered on the emission position in a plane including the rotation axis A and the optical axis OAs of the screen lens 107.

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。   Further, even with a holographic diffuser having similar diffusion characteristics, the viewing zone can be expanded in the vertical direction.

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。   The region 211 indicates a region that is one cross section of the localized visual field. As indicated by the region 211, the localized viewing zone is expanded by the diffusion action of the diffusion plate 212. In addition, the rotational scanning of the rotating screen 210 substantially enlarges the viewing area in the rotational scanning direction as shown in the enlarged area 214. The observer can observe the entire reproduced image formed in the vicinity of the rotating screen 210 as a display screen from an arbitrary position on the enlarged area 214.

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。   FIG. 6 is an optical path diagram of an optical system of the hologram display device according to the third embodiment. The same members as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and overlapping description will be omitted.

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。   In the present embodiment, a screen mirror 307 is used as the rotating screen 310. The screen mirror 307 is an eccentric concave mirror in which the central axis CA is eccentric with respect to the rotation axis A. The screen mirror 307 is arranged on the image plane of the modulated light by the projection lens 106. The screen mirror 307 forms a localized viewing zone 312 at a position away from the rotation axis A on the side where the projection lens 106 is disposed.

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。   An elliptical mirror can be used for the screen mirror 307. The screen mirror 307 is arranged such that the SSB filter 108 and the region 311 have an optically conjugate relationship with respect to the screen mirror 307. That is, in FIG. 6, when the SSB filter 108 is disposed at the first focal point Fm1 of the screen mirror 307, the region 311 is formed at the second focal point Fm2. By rotating the rotating screen 310 around the rotation axis A, an annular viewing zone is formed around the rotation axis A, as in the first embodiment and the second embodiment.

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。   Note that a diffusing plate may be provided on the surface of the screen mirror 307 to diffuse the modulated light in a plane direction determined by the rotation axis A and the direction of deflection of the modulated light. Thereby, the visual field in the vertical direction can be enlarged. As in the second embodiment, a lenticular lens, a holographic diffuser, or the like can be used as the diffusion plate.

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。   In the present embodiment, the screen mirror 307 is used as the reflection-type rotating screen, but it may be configured by combining a lens and a mirror. Further, an eccentric lens or a diffusion plate having a reflection surface formed by depositing silver or aluminum on one optical surface may be used. In this case, the rotating screen may be rotated by a motor through a shaft attached to a rotating shaft on the opposite side of the screen.

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。   FIG. 7 is a flowchart illustrating a procedure for synchronizing the rotation of the rotating screen and the hologram display timing of the spatial light modulator. In the description of this flow, the hologram display device 100 according to the first embodiment will be described. This flow is started, for example, when the CPU 132 receives a hologram display command from the user via the operation panel 134.

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。   Upon receiving a hologram display command from the user, the CPU 132 starts rotating the rotating screen 110 (step S101). Specifically, the rotating screen 110 is rotated by driving the motor 122. The CPU 132 monitors a change in the rotation speed of the motor 122 from an output signal indicating the rotation speed of the motor 122 received from the rotary encoder 126. Then, the CPU 132 waits until the rotation speed of the motor 122 reaches a predetermined rotation speed and the rotation operation is stabilized. Here, the predetermined number of rotations is determined from a predetermined frame rate for displaying a stereoscopic image.

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。   In the hologram display device 100 according to the present embodiment, one three-dimensional image is generated every time the rotating screen 110 makes one rotation. Therefore, assuming that the display frame rate of the stereoscopic image is f (Hz), the number of rotations of the rotating screen 110 is 60 f (rpm). In the present embodiment, if the radius of the rotation transmitting member 124 is r1, the radius of the rotating screen 110 is r2, the number of rotations of the rotating screen 110 is m, and the number of rotations of the motor 122 is n, n = (r2 / r1) × m It has the relationship The CPU 132 calculates the rotation speed n of the motor 122 from the relational expression. In addition, the display frame rate f of the predetermined stereoscopic image is, for example, 30 Hz.

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。   When receiving a hologram display command from the user, the CPU 132 starts displaying light from the light source 102 and displaying a hologram pattern of the spatial light modulator 104.

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。   When determining that the operation of the motor 122 is stabilized, the CPU 132 detects the rotation angle of the rotating screen 110 from the output signal from the rotary encoder 126 (Step S102). The rotation angle is a rotation angle of the direction of deflection of the viewing zone by the screen lens 107 from a predetermined reference direction. The predetermined reference azimuth is, for example, an azimuth in which a reproduced image in front of a three-dimensional image to be reproduced can be observed.

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。   Next, the CPU 132 switches the hologram pattern display to be displayed on the spatial light modulator 104 in order to project a corresponding reproduced image on the rotating screen 110 according to the detected rotation angle of the rotating screen 110 (step S103). . Specifically, when the rotation angle is 0 degrees, the timing of displaying the hologram pattern of the spatial light modulator 104 is controlled so that the observation image from the front of the stereoscopic image to be reproduced is always displayed. By performing such control, the attitude of the three-dimensional image can always be kept constant. In other words, the modulated light for reproducing the image on the right side of the stereoscopic image is always projected on the rotating screen 110 for the observation position on the right side of the reproduced stereoscopic image, and the stereoscopic image is always projected for the observation position on the back side. The modulated light for reproducing the image on the back of the projector is projected on the rotating screen 110.

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。   Further, if the display frame rate of the hologram pattern of the spatial light modulator 104 is fh, it is fh / f hologram patterns during one rotation of the rotating screen 110, based on the relationship with the display frame rate f of the three-dimensional image described above. Is displayed. For example, assuming that the display frame rate fh of the hologram pattern of the spatial light modulator 104 is 30 kHz and the display frame rate f of the stereoscopic image is 30 Hz, 1000 hologram patterns are applied to the spatial light modulator while the rotating screen 110 rotates once. Displayed at 104.

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。   The screen lens 107 forms an area 111 which is a projection image of the aperture at a position conjugate with the aperture of the fixed SSB filter 108. Since the SSB filter 108 has a rectangular opening, the region 111 formed by the screen lens 107 has a rectangular shape. Further, since the SSB filter 108 is fixed, the region 111 formed in a direction orthogonal to the long side of the rectangular opening is formed such that the long side is parallel to the direction of the rotational scanning. On the other hand, the region 111 formed in a direction orthogonal to the short side of the rectangular opening is formed such that the short side is parallel to the direction of the rotational scanning.

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。   Thus, the product of the length of the short side of the region 111 and the number of hologram patterns displayed during one rotation of the rotating screen 110 is set to be larger than the length of the scanning circumference. Accordingly, the regions 111 formed for each hologram pattern overlap each other, and a continuous viewing area is formed on the scanning circumference.

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。   The CPU 132 determines whether or not there has been a termination instruction from the user (step S104). If there is no end instruction from the user (NO in step S104), the process proceeds to step S102 to continue the synchronous control of the rotation of the rotating screen 110 and the display timing of the hologram pattern displayed on the spatial light modulator 104.

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。   If there is a termination instruction from the user (YES in step S104), CPU 132 stops the light emission of light source 102 and the display of the hologram pattern of spatial light modulator 104. Further, the CPU 132 stops driving the motor 122, stops rotation of the rotating screen 110, and ends all operations of the hologram display device 100.

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。 FIG. 8 is a photograph of a reproduced image obtained by the hologram display device as one embodiment of the present invention. In the hologram display device of this embodiment, a DMD (Digital Micromirror Device: Discovery 4100 manufactured by Texas Instruments), which is a MEMS-SLM, was used as the spatial light modulator. The spatial light modulator has a resolution of 1024 × 768 and a pixel pitch of 13.68 μm. The frame rate is 22.727 kHz. In addition, a semiconductor laser having an oscillation wavelength of 635 nm was used as a light source of illumination light for image reproduction.

プロジェクションレンズは、倍率M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80×60mm(対角3.94インチ)に拡大される。 Projection lens, the magnification M p was 5.71. Therefore, the pixel pitch on the screen lens is expanded to 78.1 μm. The size of the display screen on the screen lens is enlarged to 80 × 60 mm 2 (3.94 inches diagonally).

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。   The rotating screen of this embodiment is a reflection type screen. An off-axis Fresnel lens was used as the screen lens. The screen lens has a diameter of 100 mm, and the eccentricity of the optical axis, that is, the distance between the rotation axis and the optical axis is 172 mm.

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。   As a vertical diffusion plate, a lenticular lens having an aluminum coating on the plane side was used, and the cylindrical surface was arranged close to the rear of the Fresnel lens with the Fresnel lens side. The focal length of the Fresnel lens was 700 mm. The modulated light transmitted through the Fresnel lens is reflected by the aluminum coating applied to the plane side of the lenticular lens, and passes twice through the Fresnel lens. Therefore, the effective focal length of the screen lens is 350 mm.

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。   A shaft was attached to the back side of the reflection surface of the rotating screen so that the rotation axis of the rotating screen substantially coincided with the axis. Then, the rotating screen was rotated via the shaft using a servomotor. In addition, a rotary encoder was used to acquire a display hologram update signal to be transmitted to the DMD. The rotary encoder generates 800 pulses per rotation of the rotating screen in order to set the frame rate of stereoscopic display to approximately 30 Hz.

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。   The rotation speed of the servomotor was set to 1704 rpm, and the frame rate for stereoscopic display was set to 28.4 Hz. Therefore, the number of hologram patterns generated during one rotation of the rotating screen is 800.

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。   FIGS. 8A and 8B are photographs of reconstructed images of different objects taken from different angles. Specifically, FIG. 8A shows a ring (a height 70 mm from the screen), a character “TUAT” (a height 90 mm from the screen), and “3D”, each having a different height from the screen. Is a photograph of a reproduced image of a symbol composed of characters (height from the screen: 110 mm) taken from four directions of different angles: 0, 90, 180, and 270 degrees. FIG. 8B is a photograph of a reproduced image of the airplane taken from four directions of different angles of 0 °, 90 °, 180 °, and 270 °.

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。   The direction of the reproduced stereoscopic image changed according to the observation position. The three-dimensional images of the symbols are formed from objects of different heights, and the relative positions of the respective objects have changed according to the observation position. Since the relative distance between the ring, “3D” and “TUAT” changes according to the observation angle, it can be seen that the object is stereoscopically viewed. In addition, the reproduced image had smooth motion parallax. Multiple observers were able to observe stereoscopic images reproduced simultaneously from different directions around the rotating screen.

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。   The hologram display device described above includes, for example, (1) watching sports from a 360-degree favorite direction, (2) highly reliable Internet shopping, (3) a conference surrounding images, (4) medical images, and simulation. As a result, it can be used for visualizing design drawings. Further, since different videos can be displayed depending on the observation position, it is possible to display different video contents for each user.

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。   In the above description, each of the projection lens 106 and the screen lens 107 is described as a single convex lens. However, the projection lens 106 and the screen lens 107 may be composed of a plurality of lenses from the viewpoint of aberration correction.

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。   In the above description, the screen lens 107 and the screen mirror 307 have a positive refractive power, but may have a negative refractive power.

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。   In the above description, an elliptical mirror is used as the screen mirror 307, but the shape is not limited to an elliptical surface. For example, a spherical surface, a paraboloid, or a hyperboloid may be used. Further, it may be a free-form surface.

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。   In the above description, the screen lens 107 and the screen mirror 307 have been described as being arranged on the image forming plane on which the modulated light is formed by the projection lens 106. However, the screen lens 107 and the screen mirror 307 do not need to partially or entirely coincide with the image plane of the modulated light by the projection lens 106, and are disposed substantially near the image plane. It should just be.

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。   The residual aberration of the projection lens 106, the screen lens 107, and the screen mirror 307, for example, distortion may be compensated by changing the hologram pattern displayed on the spatial light modulator 104.

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。   In the above description, the diffusion plate 212 has been described as being disposed on the surface of the screen lens 107 and the screen mirror 307. However, the diffusion plate 212 does not need to partially or entirely coincide with the screen lens 107 and the screen mirror 307, and may be disposed substantially near the screen lens 107 and the screen mirror 307. .

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。   In the above description, an example in which the rotating screen 110 is rotated by the motor 122 via the rotation transmitting member 124 has been introduced. However, when a reflection type screen such as the screen mirror 307 is used, the motor 122 is installed on the back side of the rotating screen so that the rotating axis A and the rotating axis of the motor 122 coincide with each other. Alternatively, the rotating screen may be rotated.

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。   In the above description, an example in which an ellipsoidal mirror is used as the reflective rotary screen has been introduced, but a MEMS mirror array may be used. In this case, without turning the screen, the reflecting surface of the micromirror constituting the MEMS mirror array can be deflected with time to displace the position of the localized visual field with time. The deflection optical system can be configured without including the screen drive unit 120.

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。   In the above description, the rotary encoder 126 detects the rotation angle and the number of rotations of the motor 122 with the slit disk attached to the rotation shaft of the motor 122. However, as another configuration, the rotary encoder 126 may provide a slit disc on the holding frame of the screen lens 107 and directly detect the rotation angle and the rotation speed of the rotating screen 110.

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。   In the above description, as a method of synchronizing the generation of the hologram pattern and the rotation angle of the rotating screen 110 in order to generate a reproduced image without a sense of incongruity according to the observation position, Generated pattern. However, the rotation angle of the rotating screen 110 may be controlled in synchronization with the timing of generating a hologram pattern by the spatial light modulator 104.

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。   In the above description, the configuration in which the central axis of the spatial light modulator 104 substantially coincides with the optical axis of the projection lens 106 has been described, but the optical axis of the projection lens 106 is deviated from the central axis of the spatial light modulator 104. You may care. Further, the optical axis of the projection lens 106 may be eccentric with respect to the rotation axis of the rotating screen. Also in this case, the modulated light emitted from the spatial light modulator 104 is formed into an enlarged image on the rotating screen 110 disposed behind.

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。   In the above description, since only one light source is used in the hologram display device, a single color display is performed. By using an RGB light source in the hologram display device, color display can be realized in a time-division manner. Alternatively, color display can be realized by using three hologram display devices and using each light source as an RGB light source.

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。   As described above, the present invention has been described using the embodiments, but the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiments. It is apparent to those skilled in the art that various changes or improvements can be made to the above embodiment. It is apparent from the description of the appended claims that embodiments with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.

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 100, 200 hologram display device, 102 light source, 104 spatial light modulator, 106 projection lens, 107, 107a screen lens, 108 SSB filter, 110, 110a, 210, 310 rotating screen, 111, 111a, 211, 311 area, 112 , 112a, 312 localized viewing zone, 114, 214 enlarged area, 120 screen drive unit, 122 motor, 124 rotation transmitting member, 126 rotary encoder, 130 control unit, 132 CPU, 134 operation panel, 212 diffuser , 307 screen mirror, 410 display screen

Claims (10)

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。
A spatial light modulator that injects laser light and modulates the laser light based on reproduction wavefront information of a hologram;
Magnifying optical system for magnifying the modulated light modulated by the spatial light modulator to form an image,
The modulated light is deflected with time so that the modulated light is arranged on an image plane on which the modulated light is focused, and a visual field is formed in an entire circumferential area around the optical axis of the magnifying optical system. A deflection optical system for changing the direction and deflecting the light,
A hologram display device, comprising: a filter disposed on a focal plane of the magnifying optical system on the side of the deflection optical system , the filter configured to cut a zero-order light of the modulated light and a conjugate image.
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。   The hologram display device according to claim 1, wherein the deflection optical system includes an eccentric lens rotated around the optical axis. 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。   The hologram display device according to claim 2, wherein a diffusion plate that diffuses the modulated light in a plane direction determined by the optical axis and the deflection direction is provided on a surface of the eccentric lens. 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。   The hologram display device according to claim 1, wherein the deflection optical system includes an eccentric concave mirror rotated around the optical axis. 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。   The hologram display device according to claim 4, wherein a diffusion plate for diffusing the modulated light in a surface direction determined by the optical axis and the deflection direction is provided on a surface of the eccentric concave mirror. 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。   The hologram display device according to claim 3, wherein the diffusion plate is configured by a lenticular lens. 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。   The hologram display device according to claim 3, wherein the diffusion plate includes a holographic diffuser. 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。   The hologram display device according to claim 1, wherein the spatial light modulator is a MEMS spatial light modulator. 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。
A control unit that displays a pattern based on the reproduced wavefront information on the MEMS spatial light modulator,
The hologram display device according to claim 8, wherein the control unit synchronizes the generation of the pattern with the deflection direction.
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。   The hologram display device according to any one of claims 1 to 9, wherein the viewing zone has a size including at least a circle having a diameter of 2 mm or more.
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