JP2006308645A - ホログラフィ光学系及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、大視野角かつ大面積でありながら実現性の高いホログラフィ光学系、
及び画像表示装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のホログラフィ光学系は、所望の回折光を生成するためのホログラ
ム要素（１Ａ）を複数有し、各ホログラム要素（１Ａ）又は各ホログラム要素の縮小投影像を所定面上に点在させると共に、その所定面にて生起する回折光の全体により、三次元画像を表示する。各ホログラム要素（１Ａ）に微小素子（Ｐ）を小ピッチで配置すれば、各回折光の回折拡がり角度θは大きくなり、三次元画像の視野角を大きくすることができる。また、複数のホログラム要素（１Ａ）は離散的に配列されるので、ホログラム要素の配置面のサイズを大きくしても、微小素子（Ｐ）の総数は抑えられる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、所望の回折光を生成することのできるホログラフィ光学系、及びそれを搭載した画像表示装置に関する。

ホログラムは、コヒーレントな照明光束を所望の回折光に変換することのできる回折光学素子である。三次元の物体から射出した回折光と同じ振幅分布と位相分布を持つ回折光を再現すれば、三次元画像を表示することができる。また、その振幅分布と位相分布とを時間に応じて変調すれば、三次元動画像を表示することもできる。
光波の振幅分布や位相分布を変調する素子は複数種類あり、ＬＣＤ（液晶表示素子，Liquid Crystal Display）、ＰＡＬ−ＳＬＭ、或いは、両者を組み合わせたＰＰＭが有望である（非特許文献１，２など）。なお、ＰＡＬ−ＳＬＭは、平行配向液晶空間光変調器（Parallel-Aligned Nematic Liquid Crystal Spatial Light Modulator）の略であり、ＰＰＭは、プログラマブル位相変調ユニット（Programmable Phase Modulator）の略である。

将来的に、二次元動画像を表示するディスプレイと同様、三次元動画像を表示するホログラムに対しても大面積化の要求が生じ得る。ホログラムを大面積化すれば、複数人で同時に鑑賞したり、観察者の視点を広範囲で移動させたりできるからである。
"ハマホト通信バックナンバーVOL.15より「光アドレス型平行配行液晶空間光変調器PAL−SLM X7665」",浜松ホトニクス株式会社，［online］，２００２年，［平成１７年３月２８日検索］，インターネット＜URL:Http://www.hpk.co.jp/jpn/products/hamahot/email15.htm＞ "ハマホト通信バックナンバーVOL.25より「プログラマブル位相変調ユニット」"，浜松ホトニクス株式会社，［online］，２００２年，［平成１７年３月２８日検索］，インターネット＜URL:Http://www.hpk.co.jp/jpn/products/hamahot/email25．htm＞

しかし、回折光学素子であるホログラムは、二次元画像を表示するディスプレイとは異なり、そのまま拡大すると視野角が小さくなり、適当な距離に大きな虚像を表示することができなくなる。
なぜなら、回折光学素子の単位構造のサイズが大きくなると、回折角が小さくなるからである。例えば、簡単のために、回折光学素子を幅ｗのスリットとし、波長λの単色な平面波で照明する場合の回折拡がり角度θ（半角）は、θ＜λ／ｗである。

このため、ホログラムの大面積化には、ホログラムの単位構造の数（例えば、ＰＰＭの微小素子の数）を膨大にする必要が伴い、製造に困難をきたす。ホログラムを制御するときに必要なデータ量も、単位構造の数が増えた分だけ増大する。
そこで本発明は、大視野角かつ大面積でありながら実現性の高いホログラフィ光学系、及び画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明のホログラフィ光学系は、所望の回折光を生成するためのホログラム要素を複数有し、各ホログラム要素又は各ホログラム要素の縮小投影像を所定面上に点在させると共に、その所定面にて生起する回折光の全体により、三次元画像を表示することを特徴とする。
なお、前記複数のホログラム要素を、前記所定面とは別の面に配列すると共に、前記ホログラフィ光学系に、前記複数のホログラム要素を個別に縮小投影し、その縮小投影像を前記所定面上に点在させる光学系アレイを備えてもよい。

また、前記ホログラフィ光学系に投光される照明光束のサイズを、前記複数のホログラム要素の配置面の全体を一括照明可能なサイズに設定すると共に、前記ホログラフィ光学系に、前記照明光束を複数の光束に分割すると共に、各光束のサイズを、前記複数のホログラム要素が過不足無く照明されるよう個別に調整する光学系アレイを備えてもよい。
また、前記ホログラム要素又は前記縮小投影像は、前記所定面上に不等間隔で配列されてもよい。

また、前記ホログラフィ光学系には、前記ホログラフィ光学系に投光される照明光束の進行方向と、前記ホログラフィ光学系から射出する前記回折光の進行方向とが略揃うように、前記複数のホログラム要素を経由する各光束を個別に偏向する光学系アレイを備えられてもよい。
また、前記複数のホログラム要素の各々は、位相変調素子アレイ、振幅変調素子アレイ、振幅・位相変調素子アレイの何れかの微小光学素子アレイから構成されてもよい。

また、前記複数のホログラム要素の各々は、反射型の前記微小光学素子アレイから構成されてもよい。
また、前記照明光束に、少なくとも赤色、緑色、青色の３色の波長成分を含ませると共に、前記複数のホログラム要素に、前記赤色の波長成分のみの回折光を生成する赤色用ホログラム要素、前記青色の波長成分のみの回折光を生成する青色用ホログラム要素、及び、前記緑色の波長成分のみの回折光を生成する緑色用ホログラム要素の３種類を含ませてもよい。

また、本発明の画像表示装置は、前記複数のホログラム要素の配置面を照明するための可干渉性の高い前記照明光束を生成する照明光学系とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、大視野角かつ大面積でありながら実現性の高いホログラフィ光学系及び画像表示装置を提供することができる。

［本発明の原理］
図１、図２を参照して本発明の原理を説明する。
図１（Ａ）は、実在する物体Ｉを観察眼Ｅが窓Ｈを通して観察する様子を示し、図１（Ｂ）は、窓Ｈと同じサイズのホログラムＨＯＥによる虚像Ｉ’（物体Ｉの虚像）を観察眼Ｅが観察する様子を示している。何れの場合も、コヒーレントな照明光が用いられるとする。

このとき、図１（Ａ）の窓Ｈ上に生じる光波と、図１（Ｂ）のホログラムＨＯＥ上に生じる光波とは、等価である。よって、窓Ｈに正対する観察眼Ｅと、ホログラムＨＯＥに正対する観察眼Ｅとは、等価な観察をすることができる。
図２（Ａ）は、１つの窓Ｈを離散的な小さな窓の集合体Ｈ’に代えたときの様子を示し、図２（Ｂ）は、１つのホログラムＨＯＥを離散的な小さなホログラムの集合体ＨＯＥ’に代えたときの様子を示す。これら２つの観察でも、等価な関係が成り立つ。

図２（Ａ）の観察を図１（Ａ）の観察と比較する。図２（Ａ）の観察では、１つの窓Ｈを通した観察（図１（Ａ））よりも、観察眼Ｅに入射する光量が低下するので、物体Ｉの見え方は暗くなる。しかし、窓の集合体Ｈ’と物体Ｉとの間隔が十分に広ければ、１つの窓Ｈを通した観察（図１（Ａ））と同様に、物体Ｉを観察することは可能である。
図２（Ｂ）の観察を図１（Ｂ）の観察と比較する。図２（Ｂ）の観察では、１つのホログラムＨＯＥの観察（図１（Ｂ））よりも観察眼Ｅに入射する光量が低下するので、虚像Ｉ’の見え方は暗くなる。しかし、ホログラムの集合体ＨＯＥ’と虚像Ｉ’との間隔が十分に広ければ、１つのホログラムＨＯＥの観察（図１（Ｂ））と同様に、虚像Ｉ’を観察することは可能である。

そこで、本発明では、図２（Ｂ）の原理を利用する。
［第１実施形態］
図３、図４、図５を参照して本発明の第１実施形態を説明する。本実施形態は、ホログラムを利用した三次元動画像表示装置の実施形態である。
図３（Ａ）は、本表示装置の全体構成図である。図３（Ａ）に示すとおり、レーザ光源１１、コリメータレンズ１２、ホログラム１、観察眼Ｅが順に配置される。ホログラム１には、駆動回路１３が接続される。

レーザ光源１１から射出したコヒーレントな照明光束Ｌは、コリメータレンズ１２により平行光束に変換され、ホログラム１の背面を同位相で照明する。照明されたホログラム１は、その前面側に回折光を生成する。
駆動回路１３は、ホログラム１内の各微小素子に駆動信号を与え、ホログラム１に入射する光波の振幅分布と位相分布とを制御する。制御された回折光は、観察眼Ｅに入射し、ホログラム１の背後の十分に離れた位置に三次元動画像（虚像）を表示する。

図３（Ｂ）は、ホログラム１を観察眼Ｅの側から見た正面図である。図３（Ｂ）に示すように、観察眼Ｅから見ると、複数のホログラム要素１Ａは同一面上に二次元状に点在している。複数のホログラム要素１Ａの配置間隔は、少なくとも、個々のホログラム要素１Ａ内の構造周期よりも十分に広い。
個々のホログラム要素１Ａは、図３（Ｂ）内に拡大して示すように、複数の微小素子Ｐ（単位構造）を二次元状に配置してなる。複数の微小素子Ｐの全体は、入射した照明光束に対し回折光学素子として作用し、回折光を生成する。また、複数の微小素子Ｐは、与えられた駆動信号に応じてその状態を変化させ、ホログラム１に入射する光波の位相分布及び振幅分布を変調する。

ホログラム要素１Ａ内の微小素子Ｐの単位構造のサイズは、十分に小さい値（例えば、数μｍ程度）に設定されている。このサイズは、回折光の回折拡がり角度θ（図３（Ａ）参照）が、本表示装置に必要とされている視野角の分だけ確保されるような値である。
また、ホログラム要素１Ａ内の微小素子Ｐの数は、十分に大きい値（例えば、数十個）に設定されている。この数とホログラム要素１Ａの配置間隔とは、ホログラム１全体に含まれる微小素子Ｐの数が、観察眼Ｅが虚像を鮮明に見るために必要最低限な値になるように定められる。

以上のホログラム１のうち、図３（Ｂ）のＸ−Ｘ’線における断面は、図４に示すとおりである。ホログラム１を構成する各ホログラム要素１Ａは、背面からの照明光に応じて前面に回折光を生起させる「透過型のホログラム要素」であって、不図示の透明基板上に支持されている。それらの形成面の光源側に、マイクロレンズアレイ１Ｂが配置されている。

マイクロレンズアレイ１Ｂには、ホログラム要素１Ａと同数のマイクロレンズが、ホログラム要素１Ａと同じ配列パターンで設けられている。図４に示したように、各マイクロレンズは、互いに対向する１対のレンズ面Ｌ１，Ｌ２からなる。
各マイクロレンズ（レンズ面Ｌ１，Ｌ２）は、両側テレセントリックに構成され、光源側からの入射光束の径を縮小する逆エキスパンダである。入射側のレンズ面Ｌ１のサイズはなるべく大きく確保され、射出側のレンズ面Ｌ２のサイズは、ホログラム要素１Ａが外接する円と同じ又はそれより若干大きい程度に設定される。なお、図４では、マイクロレンズ（レンズ面Ｌ１，Ｌ２）が両凸レンズで表されているが、光源側に凸のメニスカスレンズであってもよい。

このうち、各レンズ面Ｌ１の形成領域の全体が、平面波である照明光束Ｌで一括照明される。その照明光束Ｌは、各レンズ面Ｌ１で複数の部分光束に分割される。各レンズ面Ｌ１に入射した各部分光束は、各レンズ面Ｌ１の作用と、それに対向する各レンズ面Ｌ２の作用とを受け、波面形状を保ったまま、その径のみを縮小する。縮小後の各部分光束は、対応する各ホログラム要素１Ａを過不足無く同位相で個別に照明する。

照明された各ホログラム要素１Ａは、それぞれ回折光を生成する。各回折光の重ね合わせが、観察眼Ｅに対し三次元動画像を表示する。
ここで、上述したとおり、各ホログラム要素１Ａの単位構造サイズは十分に小さいので、各回折光の回折拡がり角度θは大きく、したがって、ホログラム要素１Ａの全体が表示する三次元画像の視野角も大きい。

しかも、本実施形態のホログラム１は、複数のホログラム要素１Ａを離散的に配列しているので、大面積でありながらも微小素子の総数を抑えている。
また、マイクロレンズアレイ１Ｂは、照明光束Ｌを個々のホログラム要素１Ａに対しロスなく集光するので、照明光束Ｌの利用効率が高い。
なお、本実施形態のホログラム１では、ホログラム要素１Ａが等間隔で配列されると、特定の方向に余分な回折光が生じて三次元動画像が劣化する虞がある。このため、ホログラム要素１Ａは、不等間隔に配置されることが望ましい。図５には、一例として、ホログラム要素１Ａがランダムに配置された様子を示した。

［第２実施形態］
図６を参照して本発明の第２実施形態を説明する。本実施形態も、ホログラムを利用した三次元動画像表示装置の実施形態である。ここでは、第１実施形態（図４）との相違点のみ説明する。相違点は、ホログラム１の細部にある。
図６は、本実施形態のホログラム１の部分断面図（図３（Ｂ）のＸ−Ｘ’線における断面図）である。図６に示すように、このホログラム１においては、ホログラム要素１Ａのサイズは大きく、その分だけホログラム要素１Ａ同士の隙間は、狭められている。また、マイクロレンズアレイ１Ｂの配置箇所は、ホログラム要素１Ａの配置面よりも観察眼Ｅ側である。

マイクロレンズアレイ１Ｂの各マイクロレンズ（レンズ面Ｌ１，Ｌ２）は、両側テレセントリックに構成され、ホログラム要素１Ａを観察眼Ｅ側の所定面Ｓ上に縮小投影する屈折型の縮小光学系である。光源側のレンズ面Ｌ１のサイズはなるべく大きく確保される。
このうち、ホログラム要素１Ａの配置領域の全体が、照明光束Ｌで一括照明される。照明された各ホログラム要素１Ａは、回折光を生成する。

各ホログラム要素１Ａが生成した各回折光は、各マイクロレンズ（レンズ面Ｌ１，Ｌ２）の作用を受け、ホログラム要素１Ａの縮小投影像１Ａ’を所定面Ｓ上に個別に形成する。
形成された縮小投影像１Ａ’の所定面Ｓ上における配列座標は、複数のホログラム要素１Ａの配置面上におけるそれと略同じになる。よって、縮小投影像１Ａ’は、所定面Ｓ上に点在することになる。それらの各縮小投影像１Ａ’から射出する各光束の重ね合わせが、観察眼Ｅに対し三次元動画像を表示する。

ここで、本実施形態では、ホログラム要素１Ａのサイズが大きいので、ホログラム要素１Ａにて生じる回折光束の回折角度θ’は小さい。しかし、各縮小投影像１Ａ’にて生じ光線の射出角度βは、その縮小倍率の分だけ大きくなる。よって、その縮小倍率を最適化すれば、射出角度∂を、本表示装置に必要とされている視野角と同じにすることができる。

以上、本実施形態のホログラム１は、ホログラム要素１Ａの縮小投影像１Ａ’を離散的に配列し、第１実施形態のホログラム１と等価なホログラムを実現している。したがって、第１実施形態と同様、大視野角と大面積を確保しながら微小素子の総数を抑えることができる。
しかも、本実施形態のホログラム１では、縮小投影する分だけホログラム要素１Ａのサイズを大きくすることができるので、第１実施形態のホログラム１よりも製造が容易である。

また、本実施形態のホログラム１では、隣り合うホログラム素子１Ａ同士の隙間が狭められているので、照明光束Ｌの利用効率が高い。
なお、本実施形態のホログラム１では、縮小投影像１Ａ’が等間隔で配列されると、特定の方向に余分な回折光が生じて三次元動画像が劣化する虞がある。このため、ホログラム要素１Ａ、マイクロレンズ（Ｌ１，Ｌ２）の少なくとも一方は、不等間隔に配置されることが望ましい。

［第３実施形態］
図７を参照して本発明の第３実施形態を説明する。本実施形態も、ホログラムを利用した三次元動画像表示装置の実施形態である。ここでは、第２実施形態（図６）との相違点のみ説明する。相違点は、ホログラム１の細部にあり、主に縮小光学系を反射型に構成したことにある。

図７は、本実施形態のホログラム１の部分断面図（図３（Ｂ）のＸ−Ｘ’における断面図）である。図７に示すように、このホログラム１においては、マイクロレンズアレイ１Ｂの代わりにマイクロミラーアレイ１Ｄが配置される。
マイクロミラーアレイ１Ｄのマイクロミラー（ミラーＭ１，Ｍ２）は、マイクロレンズアレイ１Ｂのマイクロレンズ（レンズ面Ｌ１，Ｌ２）と同じ機能を持つ。よって、ホログラム要素１Ａからの回折光は、ミラーＭ１，Ｍ２で順に反射した後、観察眼Ｅ側の所定面Ｓ上にホログラム要素１Ａの縮小投影像１Ａ’を形成する。

なお、図７では、或るホログラム要素１Ａに対応するマイクロミラー（ミラーＭ１，Ｍ２）と、それに隣接するホログラム要素１Ａに対応するマイクロミラー（ミラーＭ１，Ｍ２）とが面対称の関係にある場合を示した。
また、このホログラム１では、反射型の光学系（ミラーＭ１，Ｍ２）を利用したので、光路が折れ曲がり、光軸方向だけでなくその垂直方向にも若干のスペースを要する。このため、ホログラム要素１Ａの配置間隔は、第２実施形態のそれよりも若干広めに設定される。

また、マイクロミラーアレイ１Ｄは、例えば、透明基板の表面を成形し、ミラーＭ１，Ｍ２を形成すべき部分にのみ反射膜を施してなる。また、この透明基板のうち、光を透過すべき面は、余分な回折光が発生しないよう滑らかな平面になっている。
以上、本実施形態のホログラム１は、反射型の光学系（マイクロミラー）を利用し、第２実施形態と等価なホログラムを実現している。したがって、第２実施形態と同様の効果が得られる。

しかも、反射型の光学系（ミラーＭ１，Ｍ２）を利用すると、例えば、照明光束の波長を時分割で変調してカラーの三次元動画像を表示する際、色収差が生じないといった利点もある。
なお、本実施形態のホログラム１では、縮小投影像１Ａ’が等間隔で配列されると、特定の方向に余分な回折光が生じて三次元動画像が劣化する虞がある。このため、ホログラム要素１Ａ、マイクロミラー（Ｍ１，Ｍ２）の少なくとも一方が、不等間隔に配置されることが望ましい。

［第４実施形態］
図８を参照して本発明の第４実施形態を説明する。本実施形態も、ホログラムを利用した三次元動画像表示装置の実施形態である。ここでは、第１実施形態（図４）との相違点のみ説明する。相違点は、ホログラム１の細部にあり、主にホログラム要素１Ａを反射型に構成したことにある。

図８は、本実施形態のホログラム１の部分断面図（図３（Ｂ）のＸ−Ｘ’線における断面図）である。図８に示すように、このホログラム１のホログラム要素１Ａは、入射した照明光束を、所望の位相分布及び所望の振幅分布を持つ回折光に変換することのできる反射型の回折光学素子である。ホログラム要素１Ａは、前面からの照明光に応じて前面に回折光を生起させる「反射型のホログラム要素」である。反射型であること以外は、第１実施形態のホログラム要素と同じである。

このホログラム要素１Ａは、同一面上に、その反射面を観察眼Ｅ側に向けた姿勢で二次元状に点在している。互いに隣接するホログラム要素１Ａ同士の間隔は、個々のホログラム要素１Ａの幅よりも広く設定されている。
このホログラム要素１Ａの配置面の光源側に、マイクロレンズアレイ１Ｂが配置され、その配置面の観察眼Ｅ側に、マイクロミラーアレイ１Ｃが配置される。

マイクロレンズアレイ１Ｂには、ホログラム要素１Ａと同数のマイクロレンズ（レンズ面Ｌ１，Ｌ２）が、ホログラム要素１Ａと同じ配列パターンで配列されている。マイクロレンズ（レンズ面Ｌ１，Ｌ２）の作用は、第１実施形態におけるマイクロレンズのそれと同じである。このマイクロレンズアレイ１Ｂの観察眼Ｅ側のレンズ面Ｌ２の間隙の各々に、ホログラム要素１Ａが固定される。なお、図８では、マイクロレンズ（レンズ面Ｌ１，Ｌ２）が光源側に凸のメニスカスレンズで表されているが、両凸レンズであってもよい。

マイクロミラーアレイ１Ｃには、ホログラム要素１Ａと同数の平面状のマイクロミラーＭ１が、ホログラム要素１Ａと同じ配列パターンで、その反射面を光源側に向けた姿勢で設けられている。このマイクロミラーアレイ１Ｃは、例えば、透明基板の表面を成形し、マイクロミラーＭ１を形成すべき部分にのみ反射膜を施してなる。
このうち、マイクロレンズアレイ１Ｂの光源側のレンズ面Ｌ１の形成領域の全体が、平面波である照明光束Ｌで一括照明される。その照明光束Ｌは、各レンズ面Ｌ１で複数の部分光束に分割される。

各レンズ面Ｌ１に入射した部分光束は、そのレンズ面Ｌ１の作用と、それに対向するレンズ面Ｌ２の作用とを受け、波面形状を保ったまま、その径のみを縮小する。縮小後の各部分光束は、ホログラム要素１Ａの非形成領域を通過し、マイクロミラーアレイ１Ｃの対応するマイクロミラーＭ１に入射する。マイクロミラーＭ１に入射した部分光束は、その光路を折り曲げた後に、それに対応するホログラム要素１Ａを過不足無く照明する。

照明された各ホログラム要素１Ａは、それぞれ回折光を生成する。各ホログラム要素１Ａの照明方向は斜め方向であるが、ホログラム要素１Ａ内の各微小素子は、回折光の進行方向が照明光束Ｌの進行方向に略一致するよう適切に制御される。
各ホログラム要素１Ａが生成する各回折光は、マイクロミラーアレイ１Ｃの非ミラー部分を透過して、観察眼Ｅへ向かう。それら各回折光の重ね合わせが、観察眼Ｅに対し三次元動画像を表示する。なお、マイクロミラーアレイ１Ｃのうち、回折光を透過させるべき面は、余分な回折光が発生しないような平面になっている。

以上、本実施形態のホログラム１は、反射型のホログラム要素１Ａを用い、第１実施形態のホログラム１と等価なホログラムを実現している。したがって、第１実施形態と同様、大視野角かつ大面積を確保しながら微小素子の総数を抑えることができる。
また、本実施形態のホログラム１では、互いに隣接するホログラム要素１Ａの間隙に光路が設けられ、かつその光路が折り畳まれるので、ホログラム要素１Ａが反射型であるにも拘わらず、ホログラム１に入射する照明光束Ｌの進行方向と、ホログラム１から観察眼Ｅへ向かう回折光の進行方向とを略一致させることができる。これらの進行方向が一致すれば、ホログラム１の観察眼Ｅ側に広い空間を確保することができる。

また、本実施形態のホログラム１では、ホログラム要素１Ａが等間隔で配列されると、特定の方向に余分な回折光が生じて三次元動画像が劣化する虞がある。このため、ホログラム要素１Ａは、不等間隔に配置されることが望ましい。
［第５実施形態］
図９を参照して本発明の第５実施形態を説明する。本実施形態も、ホログラムを利用した三次元動画像表示装置の実施形態である。ここでは、第４実施形態（図８）との相違点のみ説明する。相違点は、ホログラム１の細部、特に、マイクロミラーアレイ１Ｃにある。

図９は、本実施形態のホログラム１の部分断面図（図３（Ｂ）のＸ−Ｘ’線における断面図）である。図９に示すように、本実施形態のマイクロミラーアレイ１Ｃのうち、ホログラム要素１Ａからの回折光を透過すべき面Ｌ３には、プリズムの機能、すなわち、入射光束の波面を保ちながらその進行方向のみを変化させる機能が付与される。この面Ｌ３の姿勢は、マイクロミラーアレイ１Ｃを透過した回折光の進行方向が、照明光束Ｌの進行方向と略一致するように設定される。

この機能が追加されたので、本実施形態では、ホログラム要素１Ａが生成する回折光を０次光の向きと略一致させることができる。したがって、照明光束の利用効率が高まる。
以上、本実施形態のホログラム１では、マイクロミラーアレイ１Ｃにプリズムの機能が付加されるので、第４実施形態と同様の効果に加え、回折効率のさらなる向上の効果が得られる。

なお、本実施形態のホログラム１では、ホログラム要素１Ａが等間隔で配列されると、特定の方向に余分な回折光が生じて三次元動画像が劣化する虞がある。このため、ホログラム要素１Ａは、不等間隔に配置されることが望ましい。
［第６実施形態］
図１０を参照して本発明の第６実施形態を説明する。本実施形態も、ホログラムを利用した三次元動画像表示装置の実施形態である。ここでは、第４実施形態（図８）との相違点のみ説明する。相違点は、ホログラム１の細部にあり、特に、マイクロレンズアレイ１Ｅが追加された点にある。

図１０は、本実施形態のホログラム１の部分断面図（図３（Ｂ）のＸ−Ｘ’線における断面図）である。図１０に示すように、マイクロミラーアレイ１Ｃの観察眼Ｅ側に、マイクロレンズアレイ１Ｅが追加して配置される。マイクロレンズアレイ１Ｅの各マイクロレンズ（レンズ面Ｌ３，Ｌ４）は、各ホログラム要素１Ａを観察眼Ｅ側の所定面Ｓ上に個別に縮小投影する。図１０中に符号１Ａ’で示したのが、縮小投影像である。

したがって、本実施形態のホログラム１によれば、第４実施形態と同様の効果に加え視野角のさらなる拡大の効果が得られる。
なお、本実施形態のホログラム１では、縮小投影像１Ａ’が等間隔が配列されると、特定の方向に余分な回折光が生じて三次元動画像が劣化する虞がある。このため、ホログラム要素１Ａ、マイクロレンズの少なくとも一方は、不等間隔に配置されることが望ましい。

また、本実施形態のホログラム１は、第４実施形態のホログラム１にマイクロレンズアレイ１Ｅを追加したものであるが、第５実施形態のホログラム１にも、同様のマイクロレンズアレイ１Ｅを追加することができる。
［第７実施形態］
図１１を参照して本発明の第７実施形態を説明する。本実施形態も、ホログラムを利用した三次元動画像表示装置の実施形態である。ここでは、第６実施形態（図１０）との相違点のみ説明する。相違点は、ホログラム１の細部にあり、主に縮小光学系を反射型に構成したことにある。

図１１は、本実施形態のホログラム１の部分断面図（図３（Ｂ）のＸ−Ｘ’線における断面図）である。図１１に示すように、反射型のホログラム要素１Ａは、その反射面を光源側に向けた姿勢で所定面Ｓ上に点在している。所定面Ｓの光源側に、マイクロレンズアレイ１Ｆが配置される。
マイクロレンズアレイ１Ｆの光源側の面には、ホログラム要素１Ａと同数のマイクロレンズＬ１が、ホログラム要素１Ａと同じ配列パターンで設けられている。マイクロレンズアレイ１Ｆの観察眼Ｅ側の面には、ホログラム要素１Ａと同数のプリズム部Ｌ２，及び凹のマイクロミラーＭ１が、ホログラム要素１Ａと同じ配列パターンで形成されている。

このうち、マイクロレンズＬ１の形成領域の全体が、照明光束Ｌで一括照明される。その照明光束Ｌは、各マイクロレンズＬ１で複数の部分光束に分割される。各部分光束は、集光しながらマイクロレンズアレイ１Ｆの観察眼Ｅ側へ射出し、各ホログラム要素１Ａを個別に斜めから照明する。
各ホログラム要素１Ａにて生成された回折光は、マイクロレンズアレイ１Ｆの各マイクロミラーＭ１に入射し、その集光作用を受けて、所定面Ｓ上にホログラム要素１Ａの縮小投影像１Ａ’を個別に形成する。

なお、ホログラム要素１Ａを照明する光束を、集光光束（つまり、平面波ではなく、球面波）とすることにより、ホログラム要素１Ａの縮小像１Ａ’側をテレセントリックにしている。このため、横倍率が掛かるだけで、縮小像１Ａ’が作る光波の位相分布は、ホログラム要素１Ａが変調する位相分布に等しくなる。したがって、照明光束が集光光束になっていることを考慮することなく、ホログラム要素１Ａによる位相制御を行えばよい。

また、プリズム部Ｌ２により、本実施形態では、ホログラム要素１Ａが生成する回折光を０次光の向きと略一致させることができるので、照明光束の利用効率が高まる。
以上、本実施形態のホログラム１は、反射型の光学系を利用して第６実施形態のホログラム１と等価なホログラムを実現している。反射型の光学系を利用すると、光学素子を単純化できるだけでなく、例えば、照明光束の波長を時分割で変調してカラーの三次元動画像を表示する際、色収差が生じないといった利点もある。

なお、本実施形態のホログラム１では、縮小投影像１Ａ’が等間隔で配列されると、特定の方向に余分な回折光が生じて三次元動画像が劣化する虞がある。このため、マイクロレンズＬ１及びマイクロミラーＭ１からなる光学系と、ホログラム要素１Ａとの少なくとも一方が不等間隔に配置されることが望ましい。
［第８実施形態］
図１２、図１３を参照して本発明の第８実施形態を説明する。本実施形態も、ホログラムを利用した三次元動画像表示装置の実施形態である。ここでは、第２実施形態（図６）との相違点のみ説明する。相違点は、ホログラム１の細部と照明光束Ｌの成分とにあり、ホログラム１をカラー表示可能に構成したことにある。

図１２は、本実施形態のホログラム１の部分断面図（図３（Ｂ）のＸ−Ｘ’線における断面図）である。
本表示装置の照明光束Ｌは、赤色、緑色、青色の３種類の波長成分を含む。ホログラム要素１Ａの配置面の光源側には、フィルタアレイＦが配置されている。
フィルタアレイＦには、ホログラム要素１Ａと同数のバンドパスフィルタが、ホログラム要素１Ａと同じ配列パターンで配列されている。各バンドパスフィルタは、各ホログラム要素１Ａを個別にカバーしている。

バンドパスフィルタには、赤色の波長成分にのみ透過性を示すフィルタＲと、緑色の波長成分にのみ透過性を示すフィルタＧと、青色の波長成分にのみ透過性を示すフィルタＢとの３種類がある。
よって、フィルタＲに対応するホログラム要素１Ａは、赤色の波長成分のみからなる回折光を生成する赤色用ホログラム要素となり、フィルタＧに対応するホログラム要素１Ａは、緑色の波長成分のみからなる回折光を生成する緑色用ホログラム要素となり、フィルタＢに対応するホログラム要素１Ａは、青色の波長成分のみからなる回折光を生成する青色用ホログラム要素となる。

図１３（Ａ）は、フィルタＲ，Ｇ，Ｂの配列パターンの例を示す図である。図１３（Ａ）に示すように、３種類のフィルタＲ，Ｇ，Ｂの各々がホログラム１の全体に一様に分布していれば、色ムラの無い良好なカラーの三次元立体画像を表示することが可能である。
また、図１３（Ｂ）は、フィルタＲ，Ｇ，Ｂの配列パターンの別の例を示す図である。図１３（Ｂ）に示すように、幾つかのホログラム要素１Ａからなるブロック毎に、３種類のフィルタＲ，Ｇ，Ｂを振り分けてもよい。

なお、本実施形態の表示装置は、第２実施形態の表示装置をカラー表示可能に構成したものであるが、他の何れかの実施形態の表示装置も、同様にしてカラー表示可能に構成することができる。
［その他］
なお、上述した各実施形態のホログラム要素１Ａには、ＰＰＭ，PＡＬ−ＳＬＭなどを適用することができる。少なくとも、各実施形態のホログラム要素１Ａは、入射した照明光束に対し回折光学素子として作用し、かつ、与えられた駆動信号に応じてその状態を変化させ、入射した照明光束の複素振幅分布を変調することができればよい。

このような回折光学素子の種類には、入射光の位相を変調する微小素子を複数個配列してなる位相変調素子アレイや、入射光の振幅を変調する微小素子を複数個配列してなる振幅変調素子アレイや、入射光の振幅及び位相を変調する微小素子を複数個配列してなる振幅・位相変調素子アレイなどがある。
また、上述した各実施形態の表示装置は、動画像を表示するものであるが、静止画像を表示する表示装置にも本発明は適用可能である。静止画像しか表示しないのであれば、非駆動型の回折光学素子（つまり、状態の変化しない回折光学素子）を用いることができる。

また、上述した各実施形態の表示装置は、立体の動画表示などを必要とするシミュレータ、３次元医療画像、立体ディスプレイ、立体テレビ電話、アミューズメント機器のディスプレイなど、各分野の機器に適用することができる。

本発明の原理を説明する図である。（Ａ）は、実在する物体Ｉを観察眼Ｅが窓Ｈを通して観察する様子を示し、（Ｂ）は、窓Ｈと同じサイズのホログラムＨＯＥが生成した虚像Ｉ’（物体Ｉの虚像）を観察眼Ｅが観察する様子を示している。 本発明の原理を説明する図である。（Ａ）は、１つの窓Ｈを離散的な小さな窓の集合体Ｈ’に代えたときの様子を示し、（Ｂ）は、１つのホログラムＨＯＥを離散的な小さなホログラムの集合体ＨＯＥ’に代えたときの様子を示す。 （Ａ）は、表示装置の全体構成図であり、（Ｂ）は、ホログラム１を観察眼Ｅの側から見た正面図である。 第１実施形態のホログラム１の部分断面図（図３（Ｂ）のＸ−Ｘ’線における断面図）である。 ホログラム要素１Ａがランダムに配置された様子を示す図である。 第２実施形態のホログラム１の部分断面図（図３（Ｂ）のＸ−Ｘ’線における断面図）である。 第３実施形態のホログラム１の部分断面図（図３（Ｂ）のＸ−Ｘ’における断面図）である。 第４実施形態のホログラム１の部分断面図（図３（Ｂ）のＸ−Ｘ’線における断面図）である。 第５実施形態のホログラム１の部分断面図（図３（Ｂ）のＸ−Ｘ’線における断面図）である。 第６実施形態のホログラム１の部分断面図（図３（Ｂ）のＸ−Ｘ’線における断面図）である。 第７実施形態のホログラム１の部分断面図（図３（Ｂ）のＸ−Ｘ’線における断面図）である。 第８実施形態のホログラム１の部分断面図（図３（Ｂ）のＸ−Ｘ’線における断面図）である。 フィルタＲ，Ｇ，Ｂの配列パターンの例を示す図である。

符号の説明

１１：レーザ光源，１２：コリメータレンズ，１：ホログラム，１３：駆動回路，１Ａ：ホログラム要素，Ｐ：微小素子

Claims (9)

1. 所望の回折光を生成するためのホログラム要素を複数有し、各ホログラム要素又は各ホログラム要素の縮小投影像を所定面上に点在させると共に、その所定面にて生起する回折光の全体により、三次元画像を表示する
   ことを特徴とするホログラフィ光学系。
2. 請求項１に記載のホログラフィ光学系において、
   前記複数のホログラム要素は、前記所定面とは別の面に配列されており、
   前記複数のホログラム要素を個別に縮小投影し、その縮小投影像を前記所定面上に点在させる光学系アレイを備えた
   ことを特徴とするホログラフィ光学系。
3. 請求項１又は請求項２に記載のホログラフィ光学系において、
   前記ホログラフィ光学系に投光される照明光束のサイズは、前記複数のホログラム要素の配置面の全体を一括照明可能なサイズであり、
   前記照明光束を複数の光束に分割すると共に、各光束のサイズを、前記複数のホログラム要素が過不足無く照明されるよう個別に調整する光学系アレイを備えた
   ことを特徴とするホログラフィ光学系。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のホログラフィ光学系において、
   前記ホログラム要素又は前記縮小投影像は、前記所定面上に不等間隔で配列される
   ことを特徴とするホログラフィ光学系。
5. 請求項１〜請求項４の何れか一項に記載のホログラフィ光学系において、
   前記ホログラフィ光学系に投光される照明光束の進行方向と、前記ホログラフィ光学系から射出する前記回折光の進行方向とが略揃うように、前記複数のホログラム要素を経由する各光束を個別に偏向する光学系アレイを備えた
   ことを特徴とするホログラフィ光学系。
6. 請求項１〜請求項５の何れか一項に記載のホログラフィ光学系において、
   前記複数のホログラム要素の各々は、
   位相変調素子アレイ、振幅変調素子アレイ、振幅・位相変調素子アレイの何れかの微小光学素子アレイからなる
   ことを特徴とするホログラフィ光学系。
7. 請求項６に記載のホログラフィ光学系において、
   前記複数のホログラム要素の各々は、
   反射型の前記微小光学素子アレイからなる
   ことを特徴とするホログラフィ光学系。
8. 請求項１〜請求項７の何れか一項に記載のホログラフィ光学系において、
   前記照明光束には、少なくとも赤色、緑色、青色の３色の波長成分が含まれ、
   前記複数のホログラム要素には、
   前記赤色の波長成分のみの回折光を生成する赤色用ホログラム要素、前記青色の波長成分のみの回折光を生成する青色用ホログラム要素、及び、前記緑色の波長成分のみの回折光を生成する緑色用ホログラム要素の３種類が含まれる
   ことを特徴とするホログラフィ光学系。
9. 請求項１〜請求項８の何れか一項に記載のホログラフィ光学系と、
   前記複数のホログラム要素の配置面を照明するための可干渉性の高い前記照明光束を生成する照明光学系と
   を備えたことを特徴とする画像表示装置。
   

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