JP2014052408A - 表示方法及び表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型・薄型でありながら、高い光学性能を有する表示方法及び表示装置を提供する。
【解決手段】表示方法は、表示光束が透明な基板内を繰り返し内面反射して伝播し、表示光束が内面反射を行う毎に、表示光束の一部を透明な基板外に射出することにより、透明な基板のほぼ全面から表示光束を射出する表示方法であって、表示光束をホログラフィックに形成する、あるいは、表示装置は、表示光束を形成する空間位相変調素子と、表示光束が繰り返し内面反射して伝播する透明な基板と、表示光束が内面反射を行う毎に、表示光束の一部を透明な基板外へ射出させる分岐手段と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、表示方法及び表示装置に関する。

近年、表示画面の虚像を観察者の前方に形成するための画像表示装置が提案されている。この画像表示装置では、表示光束を透明な基板内で繰り返し内面反射させて、表示光束を基板内で伝播させている。そして、表示光束が内面反射を行う毎に、その表示光束の一部を基板外に射出させている。このようにすることにより、この画像表示装置では、基板のほぼ全面から表示光束を射出させている（特許文献１）。

より具体的には、この画像表示装置では、液晶表示素子の表示画面から表示光束が射出する。表示画面から射出した表示光束は対物レンズで平行光束に変換されて、透明な基板に入射する。そして、表示光束は透明な基板内で内面反射を繰り返しながら、透明な基板内を伝播する。このとき、内面反射毎に、表示光束の一部が基板から外に射出する。このように、透明な基板の複数の位置から表示光束が射出するため、透明な基板全面から表示光束が射出する。その結果、透明な基板から射出する表示光束全体の径は、透明な基板に入射したときの光束の径よりも大きくなる。

観察者が表示画面の虚像を観察するためには、透明な基板から射出する表示光束を眼に入射させなくてならない。上記の画像表示装置では、透明な基板から射出する表示光束の径が大きい（太い）。そのため、表示光束（透明な基板）に対する眼の位置合わせの許容範囲は、表示光束の径が小さい（細い）場合と比べると広くなる。その結果、観察者は、容易に虚像を観察することができる。

また、透明な基板から射出する表示光束は平行光束である。そのため、観察者は透明な基板の奥に虚像を観察することができる。また、表示光束が太いので、観察者は表示装置に眼を近づける必要が無い。なお、透明な基板の奥とは、透明な基板を挟んで観察者の位置と反対側の位置のことである。

特許第４６０５１５２号公報

特許文献１の画像表示装置では、表示画面（液晶表示素子）から射出した表示光束を、対物レンズで平行光束に変換している。ここで、表示光束には、軸上光束に加えて軸外光束が含まれているので、軸外光束も収差の少ない平行光束に変換しなければならない。そのため、対物レンズには複数枚のレンズが必要となる。その結果、特許文献１の画像表示装置では、平行光束を得るまでの構成（液晶表示素子と対物レンズ）が大型化してしまう。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、小型・薄型でありながら、高い光学性能を有する表示方法及び表示装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の表示方法は、
表示光束が透明な基板内を繰り返し内面反射して伝播し、
表示光束が内面反射を行う毎に、表示光束の一部を透明な基板外に射出することにより、
透明な基板のほぼ全面から表示光束を射出する表示方法であって、
表示光束をホログラフィックに形成することを特徴とする。

また、本発明の表示装置は、
表示光束を形成する空間位相変調素子と、
表示光束が繰り返し内面反射して伝播する透明な基板と、
表示光束が内面反射を行う毎に、表示光束の一部を透明な基板外へ射出させる分岐手段と、
を有することを特徴とする。

本発明によれば、小型・薄型でありながら、高い光学性能を有する表示方法及び表示装置を提供することができる。

表示装置の基本構造と表示光束の伝搬の様子を示す図であって、（ａ）は発散光束を透明な基板に入射させた場合、（ｂ）は平行光束を透明な基板に入射させた場合を示す図である。 表示光束２をホログラフィックに形成する方法及び装置を示す図であって、（ａ）は虚像を観察するときの通常の光学系を示す図、（ｂ）は表示光束をホログラフィックに形成する光学系を示す図である。 計算によってホログラムを求めるときの処理を示すブロック図である。 第１実施形態の表示装置を示す図であって、（ａ）は発散光束を透明な基板に入射させた場合、（ｂ）は平行光束を透明な基板に入射させた場合を示す図である。 第２実施形態の表示装置を示す図である。 第３実施形態の表示装置を示す図であって、（ａ）は発散光束を透明な基板に入射させた場合、（ｂ）は平行光束を透明な基板に入射させた場合を示す図である。 第４実施形態の表示装置を示す図であって、（ａ）は第１の透明な基板の構成と表示光束の伝搬の様子を示す図、（ｂ）は第２の透明な基板の構成と表示光束の伝搬の様子を示す図である。 第４実施形態の表示装置の全体構成を示す図である。 表示光束の回折角が大きくとれない場合の構成を示す図であって、（ａ）は第１の透明な基板の構成を示す図、（ｂ）は入射光、回折光及び０次光の関係を示す図である。 第５実施形態の表示装置を示す図であって、（ａ）は空間位相変調素子が反射型の場合、（ｂ）は空間位相変調素子が透過型の場合を示す図である。 本実施形態の表示装置から射出する光束を示す図であって、各々の光束の光学的距離を示す図である。

本発明のある態様にかかる実施形態の作用効果を説明する。なお、本実施形態の作用効果を具体的に説明するに際しては、具体的な例を示して説明することになる。しかし、それらの例示される態様はあくまでも本発明に含まれる態様のうちの一部に過ぎず、その態様には数多くのバリエーションが存在する。したがって、本発明は例示される態様に限定されるものではない。

本実施形態の表示方法は、表示光束をホログラフィックに形成し、この表示光束を透明な基板内を繰り返し内面反射させて伝播させ、内面反射する毎に表示光束の一部を透明な基板の外に射出して表示を行う。そして、表示光束が伝播されるに従って、複数の表示光束が透明な基板から射出される。このようにすることで、透明な基板のほぼ全面から表示光束を射出させている。

本実施形態の表示方法では、表示光束をホログラフィックに形成している。そのため、小型・薄型でありながら、高い光学性能を有する表示方法が実現できる。なお、表示光束をホログラフィックに形成するとは、ホログラムを使って表示光束を形成（再生）することを意味している。

また、本実施形態の表示方法では、表示光束が伝播されるに従って、複数の表示光束が透明な基板から射出される。観察者は、いずれか１つの表示光束を見ても、或いは複数の表示光束を見ても像を見ることができる。すなわち、それぞれの表示光束が合わさって一つの太い表示光束となっているとみなすことができる。また、画像の中心を表示する軸上の表示光束だけでなく、画像の端を表示する軸外の表示光束も同様に、それぞれの表示光束が合わさって一つの太い表示光束となっているとみなすことができる。このように、本実施形態の表示方法では、透明な基板から複数の表示光束が射出するが、これは、透明な基板の全面から一つの太い表示光束が射出されているのと等価である。そのため、透明な基板の全面が射出瞳であり、また、透明な基板の大きさが射出瞳の大きさである。従って、それ自体が瞳であるルーペと同様に瞳が大きいので、観察者は表示装置に顔を近づけなくても容易に虚像を観察することができる。

また、本実施形態の表示方法では、透明な基板から外に射出される表示光束は、無限遠に虚像を表示する光束である。すなわち、観察者が表示光束を見た時、無限遠（遠方）に虚像が形成される。よって、透明な基板から射出された複数の表示光束の各々についても、観察者がこれらの表示光束を見た時、全て無限遠に虚像が形成される。その結果、観察者の目が近点にしか焦点の合わない老眼であっても、観察者は焦点の合った表示を見ることができる。また、観察者はどの表示光束を見ても、或いは複数の表示光束を同時に見ても、無限遠に形成された虚像を見ることができる。なお、この表示光束（ホログラフィックに形成された表示光束）は平行光である。

また、本実施形態の表示方法は、表示光束を反射させ、反射させた表示光束を振幅分割し、振幅分割によって、反射させた表示光束の進行方向と同じ方向に進行する光束と、反射させた表示光束の進行方向と異なる方向に進行する光束と、を生成し、反射と振幅分割を繰り返し行なう表示方法であって、表示光束は回折によって生成した光束であっても良い。

次に、本実施形態の表示装置の基本構成について説明する。図１は、本実施形態の表示装置の基本構成と表示光束の伝搬の様子を示す図であって、（ａ）は発散光束を透明な基板に入射させた場合、（ｂ）は平行光束を透明な基板に入射させた場合を示している。

図１に示すように、本実施形態の表示装置は、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ：反射型液晶表示素子）３、３’と、透明な基板４と、回折格子５と、を有する。ＬＣＯＳ３、３’はＳＰＭ（Ｓｐａｃｉａｌ Ｐｈａｓｅ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：空間位相変調素子）であって、表示光束２をホログラフィックに形成するホログラム表示素子である。なお、ＬＣＯＳ３、３’の代わりに、透過型の液晶表示素子を用いることもできる。

透明な基板４は界面（第１透過面）４ａと、界面（第２透過面）４ｂと、を有する。透明な基板４では、その内面、すなわち、界面４ａや界面４ｂで表示光束２の反射（全反射）が生じる。これにより、表示光束２は透明な基板４の内部を伝搬する。

回折格子５は分岐手段である。回折格子５は、表示光束２が内面反射を行う毎に、その光束の一部を透明な基板４の外へ射出させる。回折格子５は、界面４ａから界面４ｂまでの間に位置している。また、回折格子５は、ＬＣＯＳ３、３’と対向するように配置されている。なお、この回折格子５は、ボリュームホログラムで構成されていても良い。

表示光束２を形成するためには、ＬＣＯＳ３、３’に照明光を入射させる必要がある。図１（ａ）は、光源（不図示）からの照明光が発散光束の場合を示している。発散光束１は、界面４ａから入射し、界面４ｂに設けられたＬＣＯＳ３に入射する。ここで、ＬＣＯＳ３には位相ホログラム（ホログラムパターン、あるいは位相パターン）が表示されている。そのため、ＬＣＯＳ３に入射した発散光束１は位相ホログラム（ＬＣＯＳ３）で回折される。その結果、ＬＣＯＳ３から、表示光束２がホログラフィックに生成される。なお、表示光束２は、ＬＣＯＳ３に表示されたホログラムの１次回折光（１次光）として生成される。ＬＣＯＳ３で正反射した０次回折光（０次光）は、透明な基板４を射出する。

図１（ａ）の表示装置では、ＬＣＯＳ３に表示させている位相ホログラムが、発散光束１を入射させたときに平行な表示光束２を生じるホログラムとなっている。また、表示光束２は軸上の表示光束（画像の中心から出た光束）に相当する。なお、ＬＣＯＳ３からは軸外の表示光束（画像の中心以外から出た光束）もホログラフィックに生成されるが、軸外の表示光束については図示を省略している。

一方、図１（ｂ）は、光源（不図示）からの照明光が平行光束の場合を示している。平行光束１’は、界面４ａから入射し、界面４ｂに設けられたＬＣＯＳ３’に入射する。ＬＣＯＳ３’では位相ホログラム（ホログラムパターン、あるいは位相パターン）が表示されている。そのため、ＬＣＯＳ３’に入射した照明光は位相ホログラム（ＬＣＯＳ３’）で回折される。その結果、ＬＣＯＳ３’から、表示光束２がホログラフィックに生成される。なお、表示光束２は、ＬＣＯＳ３’に表示されたホログラムの１次回折光（１次光）として生成される。ＬＣＯＳ３’で正反射した０次回折光（０次光）は、透明な基板４を射出する。

図１（ｂ）の表示装置では、ＬＣＯＳ３’に表示させている位相ホログラムが、平行光束１’を入射させたときに平行な表示光束２を生じるホログラムとなっている。また、表示光束２は軸上の表示光束（画像の中心から出た光束）に相当する。ＬＣＯＳ３’からは軸外の表示光束（画像の中心以外から出た光束）もホログラフィックに生成されるが、軸外の表示光束については図示を省略している。

なお、ＬＣＯＳ３、３’には、発散光束や平行光束のほかに、収束光束を入射させても良い。ＬＣＯＳ３、３’に収束光束を入射させる場合は、収束光束を入射させたときに平行な表示光束が生じるホログラムを、ＬＣＯＳ３、３’に表示させれば良い。

ここで、表示光束２をホログラフィックに形成する方法及び装置について、図２を用いて詳説する。図２において、（ａ）は虚像を観察するときの通常の光学系を示す図、（ｂ）は表示光束をホログラフィックに形成する光学系を示す図である。この表示光束は、虚像を観察するときの光束（図２（ａ）における平行光束１０、１２）である。

図２（ａ）に示す光学系は、ＬＣＤなどの表示素子６と、レンズ７と、で構成されている。表示素子６をレンズ７の焦点位置（前側焦点位置）に置くと、表示素子６に表示された画像８はレンズ７によって無限遠に投影される。ここで、実線９は表示素子６の中心（軸上）から射出する光束、破線１１は表示素子の端（軸外）から射出する光束である。実線９で示す光束は、平行光束１０となってレンズ７を射出する。また、破線１１で示す光束も、平行光束１２となってレンズ７を射出する。

平行光束１０と１２は、観察者の眼１３の瞳１４に入射する。これにより、観察者は画像８の像１５を見ることができる。観察者の瞳１４に入射する光束１０と１２は平行光束であるので、観察者は表示装置の奥（図２（ａ）において、表示素子６よりも左側）、すなわち、無限遠にある虚像を観察していることになる。したがって、観察者の目が近点にしか焦点の合わない老眼であっても、観察者は焦点の合った画像８を見ることができる。

図２（ｂ）は、平行光束１０、１２をホログラフィックに形成するときの光学系を示している。この光学系は、コヒーレント光源１６と、ＳＰＭ（空間位相変調素子）１７と、で構成されている。コヒーレント光源１６としては、ＬＤ（レーザーダイオード）がある。また、ＳＰＭ１７としては、前述のＬＣＯＳがある。なお、このＳＰＭ１７は、ホログラム表示素子のことである。今後は、ホログラム表示素子をＳＰＭと称する。

ホログラムはホログラムパターンを有する。ホログラムパターンは、２つの波面によって形成された干渉パターンである。１つの波面は、図２（ａ）のレンズ７から射出する波面で、もう１つの波面は、図２（ｂ）のコヒーレント光源１６から射出する波面である。ここで、レンズ７から射出する波面（平行光束１０、１２）は、画像８の像の情報を含んでいる。一方、コヒーレント光源１６から射出する波面は干渉縞を生成する波面であると同時に、ホログラムから再生光を生成するための波面である。

なお、表示素子６から射出する光はインコヒーレントな光である。そのため、表示素子６から射出する光と、コヒーレント光源１６から射出する波面と、を重ね合わせても干渉しない。すなわち、ホログラムパターンを得ることができない。そこで、実際には、計算でホログラム（ホログラムパターン）を求める。そして、計算したホログラムをＳＰＭ１７に表示し、コヒーレント光源１６で照明する。このようにすることで、ホログラム、すなわち、平行光束１０、１２が再生される。平行光束１０、１２のうちの平行光束１０が、図１に示す表示光束２である。

そして、このホログラフィックに形成された平行光束１０、１２を観察者が見ることによって、観察者は画像８を観察することができる。すなわち、平行光束１０、１２は観察者の眼１３の瞳１４に入射し、像１５を形成する。

なお、図２（ａ）に示す光学系では、レンズ７は、軸外の画像（表示素子６の周辺部に表示された画像）も解像力良く眼１３に投影する必要がある。そのために、実際には、レンズ７は複数枚のレンズで構成される。また、レンズ７は、その径も大きくする必要がある。このようなことから、表示装置に図２（ａ）に示す光学系を用いた場合、表示装置の薄型化・小型化は困難となる。

次に、計算によるホログラムの求め方を詳説する。図３は、計算によってホログラムを求めるときの処理を示すブロック図である。図３に示すように、まず、画像データ１８を用意する。この画像データ１８は、図２（ａ）において、表示素子６に入力されるデータである。レンズ７から射出する波面は、フーリエ変換処理２０で、画像データ１８をフーリエ変換することによって求められる。

ただし、フーリエ変換によって求められた空間周波数分布には、空間位相分布と同時に空間強度分布も生じるので、回折効率の良い位相ホログラムを形成できない。そこで、フーリエ変換処理２０の前に、ランダム位相の付与１９が行われる。予め画像データ１８にランダムな位相情報を付与（重畳）しておくと、フーリエ変換後の空間強度の値を空間周波数面全面に渡って平均化、すなわち、空間強度をほぼ等しくするができる。その結果、ホログラムを位相情報のみを持つ位相ホログラムとすることができる。

次に補正処理２１を行う。この補正処理２１は、光学系の配置に基づく補正処理である。例えば、図２（ｂ）に示す光学系では、コヒーレント光源１６からの波面でホログラム（平行光束１０、１２）を再生する。この再生を行なったときに、正確な表示光束２（平行光束１０、１２）が形成されるようにする必要がある。コヒーレント光源１６からの波面は球面波であるので、補正処理２１では、この球面波の情報でホログラムを計算する。その後、計算結果（ホログラム情報）はＳＰＭドライバ制御２２に入力される。そして、ＳＰＭドライバ制御２２からの制御情報により、ＳＰＭ１７（図１ではＬＣＯＳ３、３’）にホログラムが表示される。

なお、ＳＰＭ１７の回折効率はほぼ一定であるので、明るいシーンの画像でも、暗いシーンの画像でも、同程度の明るさになってしまう。従って、表示光束をホログラフィックに形成する場合は、画像の総光量に従ってＳＰＭ１７に入射させる光量を制御する必要がある。そこで、画像データ１８の総光量データを光源ドライバ２３に入力することで、光源の明るさの制御が行われる。

図１（ａ）に戻って説明を続ける。ＬＣＯＳ３から射出した表示光束２は、透明な基板４の界面４ａで全反射し、回折格子５に入射する。回折格子５では、表示光束２の一部が回折される。回折方向は、界面４ａの法線方向である。回折格子５で回折された光束は透明な基板４から外に射出し、表示光束２ａとなる。

回折格子５を透過した表示光束２は、更に透明な基板４の界面４ｂで全反射し、回折格子５を透過する。回折格子５を透過した表示光束２は、再び界面４ａで全反射し、回折格子５に入射する。回折格子５では、表示光束２の一部が回折される。回折方向は、界面４ａの法線方向である。回折格子５で回折された光束は透明な基板４から外に射出し、表示光束２ｂとなる。同様に、表示光束２は透明な基板４内を伝播し、新たな表示光束２ｃを形成する。このような繰り返しにより、透明な基板４（界面４ａ）の全面から多数の表示光束（２ａ、２ｂ、２ｃ）が射出される。

観察者は、表示光束２ａ、２ｂ、２ｃの少なくとも１つを眼に入射させることで、虚像を観察することができる。ここで、例えば、画像データ１８が動画の場合は、観察者は動画を観察することができる。また、画像データが静止画の場合は、観察者は静止画を観察することができる。

本実施形態の表示装置の基本構成では、ＬＣＯＳ３を用いて表示光束２を形成している。そのため、小型・薄型でありながら、高い光学性能を有する表示装置が実現できる。また、ＬＣＯＳ３に入射させる光束は軸上光束のみで良い。そのため、光源から射出した光を、そのままＬＣＯＳ３に入射させる光束として使うことができる。この場合、光束変換用のレンズを必要としないため、表示装置の薄型化・小型化ができる。

また、ＬＣＯＳ３’に入射させる光束が平行光束の場合であっても、平行な軸上光束のみをＬＣＯＳ３’に入射させればよい。そのため、収束光束や発散光束を平行光束に変換するレンズを、簡素化することができる。よって、ＬＣＯＳ３’に入射させる光束が平行光束の場合であっても、表示装置の薄型化・小型化ができる。

また、本実施形態の表示装置の基本構成では、ＬＣＯＳ３、３’で表示光束２をホログラフィックに形成している。そのため、上記のように、表示装置の薄型化・小型化ができる。

また、本実施形態の表示装置の基本構成では、表示光束が伝播されるに従って、複数の表示光束２ａ、２ｂ、２ｃが透明な基板４から射出される。観察者は、眼の瞳に少なくとも１つの表示光束を入射させることで、虚像を観察することができる。本実施形態の表示装置の基本構成では、複数の表示光束２ａ、２ｂ、２ｃが存在するので、表示光束の径が大きくなっているのと等価である。表示光束には画像の中心を表示する軸上光束と画像の端を表示する軸外光束があるが、それぞれの表示光束が太くなっており、射出瞳は表示光束が射出する透明な基板の全面となる。そのため、表示光束（透明な基板４）に対する眼の位置合わせの許容範囲は、表示光束の径が小さい（細い）場合比べると広くなる。その結果、観察者は、容易に虚像を観察することができる。

なお、上記のように、ＳＰＭには、ＬＣＯＳや透過型の液晶表示素子が用いられるが、デフォーマブルミラーを用いることもできる。デフォーマブルミラーとしては、複数の微小ミラーの各々を偏向させるタイプや、１枚の薄いミラーを変形させるタイプがある。

また、表示装置は、例えば、次のようにして製作することができる。まず、透明な基板４の一部、すなわち、回折格子５を設ける部分に凹部を形成しておく。そして、この凹部に、回折格子５を配置する。その後、回折格子の上から、凹部と略一致する透明部材で覆う。あるいは、まず、透明な基板４の側面に、界面４ａと平行なスリット状の凹部を形成する。そして、この凹部に回折格子５を挿入する。その後、側面を透明部材や接着材等で覆う。

第１実施形態の表示装置を図４に示す。図４において、（ａ）は発散光束を透明な基板に入射させた場合、（ｂ）は平行光束を透明な基板に入射させた場合を示している。本実施形態の表示装置では、ＳＰＭ（空間位相変調素子）として、ＬＣＯＳ（反射型液晶表示素子）３、３’を用いている。

本実施形態の表示装置は、光源２４と、ＬＣＯＳ（反射型液晶表示素子）３、３’と、透明な基板４と、回折格子５と、を有する。なお、図１に示した表示装置と同様の機能を生じる部材は同じ番号を付し、説明は省略する。

透明な基板４は、界面（第１透過面）４ａと、界面（第２透過面）４ｂと、を有する。透明な基板４では、その内面、すなわち、界面４ａや界面４ｂで表示光束２の反射（全反射）が生じる。これにより、表示光束２は透明な基板４の内部を伝搬する。

ＬＣＯＳ３、３’はＳＰＭ（空間位相変調素子）であって、表示光束２を形成する素子である。このＬＣＯＳ３、３’は、表示光束２をホログラフィックに形成するホログラム表示素子である。ＬＣＯＳ３、３’は、光源２４から界面４ｂまでの間に配置されている。より具体的には、ＬＣＯＳ３、３’は、界面４ｂの空気と接触している側に設けられている。

回折格子５は分岐手段である。回折格子５は、表示光束２が内面反射を行う毎に、その光束の一部を透明な基板４の外へ射出させる。回折格子５は、界面４ａから界面４ｂまでの間に位置している。また、回折格子５は、ＬＣＯＳ３、３’と対向するように配置されている。なお、この回折格子５は、ボリュームホログラムで構成しても良い。また、光源２４側から透明な基板４を見たとき、ＬＣＯＳ３、３’と回折格子５とが隣り合うように配置されている。

このような構成において、ＬＣＯＳ３、３’から、表示光束２が射出される。そして、図１で説明したように、表示光束２は透明な基板４内を伝搬し、表示光束２ａ、２ｂ、２ｃを透明な基板４の外に射出する。なお、図４（ｂ）に示す表示装置でも表示光束２ｂ、２ｃは生成されているが、図示を省略している。

図４（ａ）に示すＬＣＯＳ３には、発散光束１を入射させたときに平行な表示光束２が生じるホログラム（位相ホログラム）が表示されている。そのため、光源２４から射出した発散光束１を変換することなく、そのままＬＣＯＳ３に入射させることができる。その結果、光源２４を透明な基板４やＬＣＯＳ３に近づけることができる。図４（ａ）では、光源２４は界面４ａに接している。よって、表示装置の薄型化・小型化ができる。

また、光源２４は、界面４ａよりも界面４ｂ側に位置させても良い。例えば、界面４ａから透明な基板４の内部に向けて凹部（穴）を形成し、凹部に光源２４を配置しても良い。このようにすれば、表示装置をさらに薄型化・小型化ができる。なお、薄型化・小型化に支障のない範囲であれば、光源２４を、界面４ａからやや離れた位置（界面４ａの近傍）に配置しても良い。

このように、図４（ａ）に示す表示装置では、光束変換用のレンズを必要としないため、表示装置の薄型化・小型化ができる。

一方、図４（ｂ）に示すＬＣＯＳ３’には、平行光束１’を入射させたときに平行な表示光束２が生じるホログラムが表示されている。そのため、光源２４からＬＣＯＳ３’までの光路中に、レンズ２５が配置されている。このレンズ２５により、発散光束１を平行光束１’に変換している。図４（ｂ）示す表示装置では、レンズ２５が存在するため、光源２４を界面４ａの近傍に配置することは難しい。よって、図４（ａ）に示す表示装置に比べると、表示装置が薄型化・小型化されているとはいえない。

しかしながら、図４（ｂ）示す表示装置では、軸上光束のみをＬＣＯＳ３’に入射させればよい。そのため、レンズ２５を簡素化、例えば、レンズ２５を構成するレンズの枚数を少なくすることができる。図４（ｂ）示す表示装置では、レンズ２５は単レンズで十分である。また、レンズの収差は、前述の補正処理２１(図３)の中で補正すればよい。よって、ＬＣＯＳ３’に入射させる光束が平行光束の場合であっても、従来の表示装置（図２（ａ））に比べると表示装置の薄型化・小型化ができる。

なお、図４（ａ）や（ｂ）示す表示装置において、ＬＣＯＳ３、３’を、界面ｂよりも界面ａ側（界面ａと界面ｂの間）に配置しても良い。

また、ＬＣＯＳ３で表示するホログラムについては、補正処理２１（図３）で、ホログラム情報の補正処理を行っている。このようにすることで、発散光束１がＬＣＯＳ３に入射したときに、正確な表示光束２が形成される。同様に、ＬＣＯＳ３’で表示するホログラムについても、補正処理２１（図３）で、ホログラム情報の補正処理を行っている。このようにすることで、平行光束１’がＬＣＯＳ３’入射したときに、正確な表示光束２が形成される。

また、図４（ａ）に示す表示装置では、ＬＣＯＳ３で反射した０次光（０次の回折光）は発散しながら透明な基板４から射出するので、表示（虚像の観察）に悪影響を及ぼすことは無い。また、図４（ｂ）に表示装置では、ＬＣＯＳ３’で反射した０次光は、そのまま（平行光束の状態で）、垂直に透明な基板４から射出するので、表示（虚像の観察）に悪影響を及ぼすことは無い。

また、本実施形態の表示装置では、０次光は透明な基板４を透過し、１次光（表示光束２）は透明な基板４（界面４ａ、４ｂ）で全反射する条件を満たすように、ＬＣＯＳ３とＬＣＯＳ３’が配置されている。よって、０次光が表示（虚像の観察）に悪影響を及ぼすことは無い。

また、本実施形態の表示装置でも、観察者の瞳に入射する光束は平行光束であるので、観察者は表示装置の奥、すなわち、無限遠にある虚像を観察していることになる。したがって、観察者の目が近点にしか焦点の合わない老眼であっても、観察者は焦点の合った画像８を見ることができる。

また、本実施形態の表示装置では、簡単のために、表示光束２については軸上光束のみを示し、軸外光束は明示していない。しかしながら、軸外光束が存在するのは言うまでもない。

第２実施形態の表示装置を図５に示す。本実施形態の表示装置は、光源２４から、ＬＣＯＳ３’に至るまでの光路中に、別のＬＣＯＳ２６を有する。具体的には、図５に示すように、ＬＣＯＳ３’は界面４ａ側に配置され、ＬＣＯＳ２６が界面４ｂ側に配置されている。なお、第１実施形態の表示装置と同様の機能を生じる部材は同じ番号を付し、説明は省略する。

ＬＣＯＳ３’には、平行光束１’を入射させたときに平行な表示光束２が生じるホログラムが表示されている。一方、ＬＣＯＳ２６には、発散光束１を入射させたときに平行光束１’が生じるホログラムが表示されている。

光源２４から射出した発散光束１は、ＬＣＯＳ２６に入射する。発散光束１は、ＬＣＯＳ２６で平行光束１’に変換される。変換された平行光束１’は、ＬＣＯＳ２６から射出する。ＬＣＯＳ２６から射出した平行光束１’は、ＬＣＯＳ３’に入射する。ＬＣＯＳ３’では、平行光束１’から表示光束２が生成（再生）され、表示光束２はＬＣＯＳ３’から射出する。そして、図１で説明したように、表示光束２は透明な基板４内を伝搬し、表示光束２ａ（２ｂ、２ｃ）を透明な基板４の外に射出する。

図４（ｂ）に示す表示装置（第１実施形態）の場合、光源２４と界面４ａの間にレンズ２５を配置しなくてはならない。そのため、光源２４は、界面４ａから離れた位置に配置される。その結果、表示装置の薄型化・小型化が十分にできない。

これに対して、本実施形態の表示装置では、レンズ２５の役目を果たすＬＣＯＳ２６を、界面４ｂ側に配置できる。そのため、光源２４を、界面４ａに接近させることができる。その結果、図４（ａ）に示す表示装置（第１実施形態）と同程度に、表示装置の薄型化・小型化ができる。

なお、図５では、光源２４側から透明な基板４を見たとき、ＬＣＯＳ３’と回折格子５とが重なり合うように配置されている。しかしながら、回折格子５で回折された表示光束２ａがＬＣＯＳ３’を通過しないように、実際には、ＣＯＳ３’と回折格子５とは隣り合うように配置されている。

また、本実施形態では、簡単のために、表示光束２については軸上光束のみを示し、軸外光束は明示していない。しかしながら、軸外光束が存在するのは言うまでもない。また、ＬＣＯＳ２６を通常のホログラム(ホログラムレンズ)で置き換えることもできる。この場合は、ボリュームホログラムが回折効率の点で好ましい。

第３実施形態の表示装置を図６に示す。図６において、（ａ）は発散光束を透明な基板に入射させた場合、（ｂ）は平行光束を透明な基板に入射させた場合を示している。本実施形態の表示装置では、ＳＰＭ（空間位相変調素子）として、ＬＣＤ（透過型液晶表示素子）を用いている。

本実施形態の表示装置は、光源２４と、ＬＣＤ（透過型液晶表示素子）２７、２７’と、透明な基板４と、回折格子５と、を有する。なお、第１実施形態の表示装置と同様の機能を生じる部材は同じ番号を付し、説明は省略する。

ＬＣＤ２７、２７’はＳＰＭ（空間位相変調素子）であって、表示光束２を形成する素子である。このＬＣＤＳ２７、２７’は、表示光束２をホログラフィックに形成するホログラム表示素子である。ＬＣＤ２７、２７’は、光源２４から界面４ｂまでの間に配置されている。より具体的には、ＬＣＤ２７、２７’は、界面４ｂの空気と接触している側に設けられている。

図６（ａ）に示す表情装置では、光源２４からの発散光束１をＬＣＤ２７に入射させる。一方、図６（ｂ）に示す表情装置では、光源２４からの平行光束１’をＬＣＤ２７’に入射させる。そして、ＬＣＤ２７、２７’に位相ホログラムを表示することにより、１次の回折光（１次光）として表示光束２を形成する。表示光束２が透明な基板４を伝播し、表示光束２ａ、２ｂ、２ｃが透明な基板４を射出する作用は、第１実施形態の表示装置と同様である。

図６（ａ）に示すＬＣＤ２７には、発散光束１を入射させたときに平行な表示光束２が生じるホログラム（位相ホログラム）が表示されている。そのため、光源２４から射出した発散光束１を変換することなく、そのままＬＣＤ２７に入射させることができる。その結果、光源２４を透明な基板４やＬＣＤ２７に近づけることができる。よって、表示装置の薄型化・小型化ができる。

一方、図４（ｂ）に示すＬＣＤ２７’には、平行光束１’を入射させたときに平行な表示光束２が生じるホログラムが表示されている。そのため、光源２４からＬＣＤ２７’までの光路中に、レンズ（不図示）を配置する必要がある。しかしながら、軸上光束のみをＬＣＤ２７’に入射させればよい。そのため、レンズを簡素化、例えば、レンズを構成するレンズの枚数を少なくすることができる。図４（ｂ）に示す表示装置では、レンズは単レンズで十分である。また、レンズの収差は、前述の補正処理２１（図３）の中で補正すればよい。よって、ＬＣＤ２７’に入射させる光束が平行光束の場合であっても、従来の表示装置（図２（ａ））に比べると表示装置の薄型化・小型化ができる。

なお、薄型化・小型化に支障のない範囲であれば、図６（ａ）や（ｂ）示す表示装置において、ＬＣＤ２７、２７’を界面ｂからやや離れた位置に配置しても良い。あるいは、ＬＣＤ２７、２７’を界面ｂよりも界面ａ側（界面ａと界面ｂの間）に配置しても良い。また、光源２４とＬＣＤ２７、２７’を、界面ａ側に配置しても良い。

また、第１実施形態の表示装置と同様に、ＬＣＤ２７で表示するホログラムについては、補正処理２１（図３）で、ホログラム情報の補正処理を行っている。このようにすることで、発散光束１がＬＣＤ２７に入射したときに、正確な表示光束２が形成される。同様に、ＬＣＤ２７’で表示するホログラムについても、補正処理２１（図３）で、ホログラム情報の補正処理を行っている。このようにすることで、平行光束１’が入射したときに、正確な表示光束が形成される。

また、図６（ａ）に示す表示装置では、ＬＣＤ２７を透過した０次光（０次の回折光）は発散しながら透明な基板４から射出するので、表示（虚像の観察）に悪影響を及ぼすことは無い。また、図６（ｂ）に示す表示装置では、ＬＣＤ２７’を透過した０次光２８は、そのまま（平行光束の状態で）、垂直に透明な基板４から射出するので、表示（虚像の観察）に悪影響を及ぼすことは無い。

また、本実施形態の表示装置では、０次光は透明な基板４を透過し、１次光（表示光束２）は透明な基板４（界面４ａ、４ｂ）で全反射する条件を満たすように、ＬＣＤ２７とＬＣＤ２７’が配置されている。よって、０次光が表示（虚像の観察）に悪影響を及ぼすことは無い。

また、本実施形態の表示装置でも、観察者の瞳に入射する光束は平行光束であるので、観察者は表示装置の奥、すなわち、無限遠にある虚像を観察していることになる。したがって、観察者の目が近点にしか焦点の合わない老眼であっても、観察者は焦点の合った画像８を見ることができる。

なお、ＬＣＤ２７、２７’に通常の強度情報を表示するＬＣＤを用いても良い。この場合、ＬＣＤに表示されるのは位相ホログラムではなく、振幅ホログラムとなるので、回折効率は低下する。

また、本実施形態の表示装置では、簡単のために、表示光束２については軸上光束のみを示し、軸外光束は明示していない。しかしながら、軸外光束が存在するのは言うまでもない。

第４実施形態の表示装置を図７、図８に示す。図７において、（ａ）は第１の透明な基板の構成と表示光束の伝搬の様子を示す図、（ｂ）は第２の透明な基板の構成と表示光束の伝搬の様子を示す図である。また、図８は、表示装置の全体構成を示す図である。

本実施形態の表示装置は、図８に示すように、第１の透明な基板３０と、第２の透明な基板３６と、を備える。第１の透明な基板３０は第２の透明な基板３６の端部に位置し、この位置で、第１の透明な基板３０が第２の透明な基板３６に固定されている。

第１の透明な基板３０は、図７（ａ）に示すように、ＳＰＭ２９と、ビームスプリッタ３１と、回折格子３２と、を有する。また、第２の透明な基板３６は、図７（ｂ）に示すように、ビームスプリッタ３７と、回折格子３８と、回折格子３９と、を有する。なお、回折格子３２、回折格子３８及び回折格子３９は、ボリュームホログラムであることが好ましい。

ＳＰＭ２９は、表示光束３４をホログラフィックに形成する空間位相変調素子である。また、第１の透明な基板３０と第２の透明な基板３６では、表示光束３４が繰り返し内面反射して伝播する。また、ビームスプリッタ３１は、表示光束３４が第１の透明な基板３０で内面反射を行う毎に、表示光束３４の一部を第２の透明な基板３６に入射させる。また、ビームスプリッタ３７は、表示光束３４が第２の透明な基板３６で内面反射を行う毎に、表示光束３４の一部を第２の透明な基板３６から射出させる。

以下、詳細に説明する。なお、図７及び図８では、簡単のために、表示装置に入射させる光束（照明光）と表示光束は、軸上光束のうちの中心光線のみを示している。ただし、以下の説明では光束と称して説明する。また、軸外光束を明示していないが、軸外光束が存在するのは言うまでもない。

第１の透明な基板３０は、図７（ａ）と及び図８に示すように、外形が長方形の透明部材で構成されている。そして、長辺方向（Ｘ軸方向）に沿って、ＳＰＭ２９、ビームスプリッタ３１及び回折格子３２が配置されている。表示光束３４は、長辺方向に沿って伝播していく。なお、第１の透明な基板３０の厚みは、例えば、２〜４ｍｍである。

ビームスプリッタ３１と回折格子３２の外形は、共に長方形となっている。また、ビームスプリッタ３１と回折格子３２は、対向するように配置されている。ビームスプリッタ３１は、第１の透明な基板３０の２つの界面の間に配置されている。回折格子３２は、第１の透明な基板３０の一方の界面側に配置されている。

また、この一方の界面の端部には、切り欠きが形成されている。そして、切り欠きによって生じた傾斜面に、ＳＰＭ２９が配置されている。また、２つの界面に挟まれた端面（短辺側）の１つは、傾斜面となっている。この傾斜面から、平行光束３３が入射する。

本実施形態の表示装置では、図示しないＬＤ光源から、平行光束３３をＳＰＭ２９に入射させている。そして、ＳＰＭ２９に表示されたホログラムにより、表示光束３４が回折の１次光として形成される。表示光束３４は、第１の透明な基板３０の内面（界面）で全反射する。全反射した表示光束３４は、ビームスプリッタ３１で透過光と反射光に分離される。

透過光は、第１の透明な基板３０の界面に設けられた回折格子３２に入射する。そして、回折格子３２によって、ビームスプリッタ３１側に向かって回折される。回折された光は表示光束３４ａとなって、第１の透明な基板３０を垂直に射出する。第１の透明な基板３０を垂直に射出した表示光束３４ａは、第２の透明な基板３６に入射する（図７（ｂ））。

反射光は、再び第１の透明な基板３０の内面（界面）で全反射され、再度ビームスプリッタ３１に入射する。そして、ビームスプリッタ３１で再度、透過光と反射光に分離される。

再度分離された透過光は、回折格子３２に入射する。そして、回折格子３２によって、ビームスプリッタ３１側に向かって回折される。回折された光は表示光束３４ｂとなって、第１の透明な基板３０を垂直に射出する。第１の透明な基板３０を垂直に射出した表示光束３４ｂは、第２の透明な基板３６に入射する（図７（ｂ））。

再度分離された反射光は、再び、第１の透明な基板３０の内面（界面）で全反射される。そして、表示光束３４ａや表示光束３４ｂと同様の作用によって、表示光束３４ｃが生成される。

このように、表示光束３４は第１の透明な基板３０の内面（界面）で全反射を繰り返して、第１の透明な基板３０内を伝播する。そして、伝播しながら、次々と表示光束３４ａ、３４ｂ、３４ｃを第１の透明な基板３０から垂直に射出させ、第２の透明な基板３６に入射させる。なお、ここでは簡単の為に、射出する表示光束は三つ示している（３４ａ、３４ｂ、３４ｃ）。光束の数はこれに限らない。

なお、回折格子３２は、回折効率の高いボリュームホログラムが望ましい。また、ＳＰＭ２９で正反射した０次光３５は第１の透明な基板３０で全反射せず、そのまま第１の透明な基板３０の外に射出する。そして、射出した０次光３５は、図示しないトラップ機構により消滅する。

第２の透明な基板３６は、図７（ｂ）及び図８に示すように、外形が略長方形の透明部材で構成されている。Ｘ軸方向（短辺）の長さは、第１の透明な基板３０の長辺の長さと同じである。一方、Ｚ軸方向（長辺）の長さは、第１の透明な基板３０の短辺の長さよりも長い。なお、第２の透明な基板３６の外形は、長方形に限られない。表示光束３４は、Ｚ軸方向に沿って伝播していく。なお、第２の透明な基板３６の厚みは、例えば、２〜４ｍｍである。

回折格子３９の外形は、回折格子３２と同様に長方形である。回折格子３９の短辺の長さは、第１の透明な基板３０の短辺の長さを超えないことが好ましい。回折格子３９は、第２の透明な基板３６の一方の界面側に配置されている。また、回折格子３９は、回折格子３２と対向する位置に配置されている。

ビームスプリッタ３７と回折格子３８の各々は、回折格子３９（第１の透明な基板３０）と重複していない範囲に設けられている。また、ビームスプリッタ３７と回折格子３８は、対向するように配置されている。ビームスプリッタ３７は、第２の透明な基板３６の２つの界面の間に配置されている。回折格子３８は、第２の透明な基板３６の一方の界面（回折格子３９が配置されている界面）に配置されている。

第２の透明な基板３６に入射した表示光束３４ａ、３４ｂ、３４ｃは、回折格子３８により回折される。回折された表示光束３４ａ、３４ｂ、３４ｃは、第２の透明な基板３６の内面（界面）で全反射してビームスプリッタ３７に入射する。ここからは、表示光束３４ａを使って説明する。

表示光束３４ａは、ビームスプリッタ３７で透過光と反射光に分離される。透過光は回折格子３８に入射する。そして、回折格子３８によって、ビームスプリッタ３７側に向かって回折される。回折された光は表示光束３４ｄとなって、第２の透明な基板３６を垂直に射出する。

反射光は、再び第２の透明な基板３６の内面（界面）で全反射され、再度ビームスプリッタ３７に入射する。そして、ビームスプリッタ３７で再度、透過光と反射光に分離される。

再度分離された透過光は、回折格子３８に入射する。そして、回折格子３８によって、ビームスプリッタ３７側に向かって回折される。回折された光は表示光束３４ｅとなって、第２の透明な基板３６を垂直に射出する。

再度分離された反射光は、再び、第２の透明な基板３６の内面（界面）で全反射される。そして、表示光束３４ｄや表示光束３４ｅと同様の作用によって、表示光束３４ｆが生成される。

このように、表示光束３４ａは第２の透明な基板３６の内面（界面）で全反射を繰り返して、第２の透明な基板３６内を伝播する。そして、伝播しながら、次々と表示光束３４ｄ、３４ｅ、３４ｆを第２の透明な基板３６から垂直に射出させる。表示光束３４ｂ、３４ｃも同様である。すなわち、図８に示すように、表示光束３４は第１の透明な基板３０の内部を伝播しながら表示装置の一方の方向４１に広がると共に、第２の透明な基板３６の内部を伝播しながら表示装置の他方の方向４２に広がる。その結果、表示装置の表面４０の全面から、表示光束４３が射出される。

このように、本実施形態の表示装置では、ＳＰＭ２９には、平行光束３３を入射させたときに平行な表示光束３４が生じるホログラムが表示されている。そのため、光源からＳＰＭ２９までの光路中に、レンズ（不図示）を配置する必要がある。しかしながら、ＳＰＭ２９には、軸上光束のみを入射させればよい。そのため、レンズを簡素化、例えば、レンズを構成するレンズの枚数を少なくすることができる。本実施形態の表示装置では、レンズは単レンズで十分である。また、レンズの収差は、前述の補正処理２１（図３）の中で補正すればよい。よって、ＳＰＭ２９に入射させる光束が平行光束の場合であっても、従来の表示装置（図２（ａ））に比べると表示装置の薄型化・小型化ができる。

なお、ＳＰＭ２９に、発散光束を入射させても良い。そして、ＳＰＭ２９に、発散光束を入射させたときに平行な表示光束３４が生じるホログラムを表示するようにしても良い。このようにすれば、光源から射出した発散光束を変換することなく、そのままＳＰＭ２９に入射させることができる。その結果、光源を透明な基板３０やＳＰＭ２９に近づけることができる。その結果、表示装置の薄型化・小型化ができる。なお、発散光束に代えて、収束光束をＳＰＭ２９に入射させても良い。

また、本実施形態の表示装置では、表示光束が伝播されるに従って、複数の表示光束３４ｄ、３４ｅ、３４ｆが第２の透明な基板３６から射出される。観察者は、いずれか１つの表示光束を見ても、或いは複数の表示光束を見ても像を見ることができる。すなわち、それぞれの表示光束が合わさって一つの太い表示光束となっているとみなすことができる。また、画像の中心を表示する軸上の表示光束だけでなく、画像の端を表示する軸外の表示光束も同様に、それぞれの表示光束が合わさって一つの太い表示光束となっているとみなすことができる。このように、本実施形態の表示装置では、表示装置の表面４０から複数の表示光束が射出するが、これは、表示装置の表面４０の全面から一つの太い表示光束が射出されているのと等価である。そのため、表示装置の表面４０の全面が射出瞳であり、また、表示装置の表面４０の大きさが射出瞳その大きさである。従って、それ自体が瞳であるルーペと同様に瞳が大きいので、観察者は表示装置に顔を近づけなくても容易に虚像を観察することができる。

また、第２の透明な基板３６から外に射出される表示光束３４ｄ、３４ｅ、３４ｆ（表示光束４３）は、無限遠に虚像を表示する光束である。すなわち、観察者が表示光束を見た時、無限遠（遠方）に虚像が形成される。よって、第２の透明な基板３６から射出された複数の表示光束の各々についても、観察者がこれらの表示光束を見た時、全て無限遠に虚像が形成される。その結果、観察者の目が近点にしか焦点の合わない老眼であっても、観察者は焦点の合った表示を見ることができる。また、観察者はどの表示光束を見ても、或いは複数の表示光束を同時に見ても、無限遠に形成された虚像を見ることができる。なお、第１〜３実施形態においても透明な基板を二枚用いて二次元的広がりのある表示装置に出来ることは言うまでもない。

さて、本実施形態の表示装置では、ＳＰＭ２９を配置した面を、回折格子３２を設けた面に対して傾斜させている（図７（ａ））。このような構成は、ＳＰＭ２９から射出される表示光束３４の回折角が十分に大きくとれない場合に有効である。しかしながら、この回折角を十分に大きく取れる場合は、ＳＰＭ２９を配置した面を、回折格子３２を設けた面に対して傾ける必要はない。第１〜３実施形態の表示装置と同様にすれば良い。

ＳＰＭから射出される表示光束の回折角が大きくとれない場合について、図９を用いて説明する。図９において、（ａ）は第１の透明な基板の構成を示す図、（ｂ）は入射光、回折光及び０次光の関係を示す図である。なお、図７（ａ）と同様の機能を生じる部材は同じ番号を付し、説明は省略する。

上記のように、ＳＰＭ（ＬＣＯＳ、ＬＣＤ）４４にはホログラムが表示される。ホログラムは、一種の回折格子である。そのため、図９（ｂ）に示すように、ＳＰＭ４４に入射した入射光（入射角θ_R）は、回折角θ_Sで回折される。その結果、ＳＰＭ４４から回折光が射出する。なお、ＳＰＭ４４からは０次光も射出する。この０次光は、反射角θ_RでＳＰＭ４４から射出する。

ここで、入射角θ_R、回折角θ_S及び回折格子のピッチｄの関係は、以下のようになる。なお、λは入射光の波長である。

ＳＰＭ４４は、微細な画素が１次元、あるいは２次元に配列された構造を持つ。この微細な画素を使ってホログラムを表示している。よって、微細な画素２つの大きさ、すなわち画素ピッチの２倍が回折格子のピッチｄに相当する。

上記の式から分かるように、入射角θ_Rを一定とすると、回折格子のピッチｄが大きくなるほど、すなわち、ＳＰＭ４４の画素ピッチが大きくなるほど、回折角θ_Sは小さくなる。ここで、反射角θ_Rは一定であるので、回折角θ_Sが小さくなると、反射光と回折光を分離することが困難になる。

そこで、画素ピッチが大きいＳＰＭ４４を使用する場合は、ＳＰＭ４４を配置した面を、回折格子３２を設けた面に対して傾斜させる。このようにすれば、反射光と回折光を分離することが容易になる。

例えば、表示装置の画角を±５．７度確保する場合の具体例を、図９（ａ）を用いて詳説する。画角±５．７度は、携帯電話等のモバイル機器のディスプレイを明視距離で見る場合を想定している。画角の範囲は１１．４度であるので、表示光束３４と０次光３５と分離するには、表示光束３４Ｌ（表示光束（回折光あるいは１次回折光）の軸外主光線）と０次光との角度差は最低１２度必要である。この時、表示光束３４（表示光束３４Ｌの軸外主光線）と０次光３５のなす角は０．６度となり０次光３５を分離することができる。

位相情報を表示するＳＰＭ４４の画素ピッチは３μｍである。すると、ＳＰＭ４４に表示する回折格子（ホログラムの一状態）のピッチは６μｍとなる。入射角θ_Rを６０度とすると、式１より回折角θ_Sは７２度となる。必要な角度差１２度を確保できる。

このとき、図９（ａ）に数値で示す配置を行うと、表示光束３４は、透明な基板３０の内面（界面）に入射角５１．６度で入射し全反射で透明な基板３０内を伝播することができる。

第５実施形態の表示装置を図１０に示す。（ａ）は空間位相変調素子が反射型の場合、（ｂ）は空間位相変調素子が透過型の場合を示している。本実施形態の表示装置は、空間位相変調素子から射出する０次光を捕捉するようにしている。なお、第１実施形態の表示装置と同様の機能を生じる部材は同じ番号を付し、説明は省略する。また、表示光束２の伝播、透明な基板４からの射出は第１実施形態の表示装置と同様である。

図１０（ａ）に示す表示装置では、光源２４から射出した発散光束１を、レンズ４５で収束光束４６に変換し、ＬＣＯＳ４７に入射させた例である。ＬＣＯＳ４７に表示された位相ホログラムで、表示光束２を形成する。

図１０（ａ）に示す表示装置では、界面４ａの端部に、傾斜面が形成されている。この傾斜面は、界面４ｂ側に傾斜している。そして、この傾斜面にレンズ４５が配置されている。また、界面４ｂ側の端部にも、傾斜面が形成されている。この傾斜面は、界面４ａ側に傾斜している。そして、この傾斜面にＬＣＯＳ４７が配置されている。

そして、界面４ｂから傾斜面が形成される位置に、トラップ４８が設けられている。トラップ４８は、界面４ｂから回折格子５に向かって、垂直に形成されている。

一方、図１０（ｂ）に示す表示装置では、光源２４から射出した発散光束１を、レンズ４５で収束光束４６に変換し、ＬＣＤ４７’に入射させた例である。ＬＣＤ４７’に表示された位相ホログラムで、表示光束２を形成する。

図１０（ｂ）に示す表示装置では、界面４ａと界面４ｂで挟まれた側面に、レンズ４５が配置されている。また、界面４ａと界面４ｂとの間に、ＬＣＤ４７’が斜めに配置されている。ＬＣＤ４７’は、レンズ４５とトラップ４８の間に配置されている。

光源２４は、例えば、半導体レーザーである。光源２４からは、発散光束１が射出される。発散光束１は、レンズ４５で収束光束４６に変換される。収束光束はＬＣＯＳ４７、ＬＣＤ４７’に入射する。ＬＣＯＳ４７、ＬＣＤ４７’からは０次光と表示光束２が生成される。

ここで、図１０（ａ）に示す表示装置では、ＬＣＯＳ４７は反射型のＳＰＭである。そのため、ＬＣＯＳ４７で正反射した０次光は、トラップ４８に向かう。一方、図１０（ｂ）に示す表示装置では、ＬＣＤ４７’は透過型のＳＰＭである。そのため、ＬＣＤ４７’を直進（透過）した０次光は、トラップ４８に向かう。

トラップ４８は、光を吸収或いは遮断する部材である。よって、トラップ４８に入射した０次光は、トラップ４８で吸収或いは遮断される。その結果、０次光が表示光束２（虚像の観察）に悪影響を及ぼすことがない。

また、本実施形態の表示装置では、収束光束４６をＬＣＯＳ４７やＬＣＤ４７’に入射させている。このようにすると、ＬＣＯＳ４７やＬＣＤ４７’から射出する０次光も、収束光束になっている。そのため、トラップ４８に入射するまでの間に、０次光が広がることが無い。その結果、０次光が表示光束２に悪影響を及ぼすことがない。なお、トラップ４８の位置での０次光の光束径は、トラップ４８の面積より小さいほうが良く、できれば点状に集光させておくほうが良い。

なお、ＬＣＯＳ４７やＬＣＤ４７’で表示するホログラムについては、補正処理２１（図３）で、ホログラム情報の補正処理を行っている。このようにすることで、収束光束４６がＬＣＯＳ４７やＬＣＤ４７’に入射したときに、正確な表示光束２が形成される。

また、レンズ４５を透明な基板４と一体にしても良い。あるいは、第２実施形態の表示装置と同様にして、レンズ４５に代えて、ＬＣＯＳ或いは通常のホログラムを用いても良い。このようにすれば、表示装置の薄型化・小型化ができる。

また、図１０（ｂ）に示す表示装置では、透明な基板４の中にＬＣＤ４７’が一体的に配置されている。しかしながら、実際には、例えば、ＬＣＤ４７’は２つの透明部材で挟まれている。例えば、図１０（ａ）の構成において、ＬＣＤ４７をＬＣＤ４７’に交換し、ＬＣＤ４７’側から別の透明部材でＬＣＤ４７’を覆うようにすれば良い。

図１１は、本実施形態の表示装置から射出する光束を示す図であって、各々の光束の光学的距離を示す図である。第４実施形態の表示装置を例に説明する。

図８に示したように、表示装置の第２の透明な基板３６の表面４０から、表示光束４３が射出する。この表示光束４３は、図７（ｂ）に示すように、表示光束３４ｄ、３４ｅ、３４ｆで構成されている（ただし、実際には、この３つの光束以外にも、多数の光束が表面４０から射出している）。このような表示装置を観察者が見た場合、表示光束の一部が観察者の眼の瞳５１に入射するので、観察者は表示（虚像）を見ることができる。

図１１には、表示光束が３つの位置５０ａ、５０ｂ、５０ｃから射出する様子が示されている。３つの表示光束の各々は、表示光束３４と、最軸外の表示光束３４Ｕｏと、最軸外の表示光束３４Ｌｏで構成されている。表示光束３４は、軸上（画像の中心）から射出した光束に対応する。最軸外の表示光束３４Ｕｏは、最軸外（画像の一方の端）から射出した光束に対応する。最軸外の表示光束３４Ｌｏは、最軸外（画像の他方の端）から射出した光束に対応する。

５０ａ、５０ｂ、５０ｃは、それぞれ観察者側から見たときのＳＰＭ２９（図８）の光学的位置である。この光学的位置は、第２の透明な基板３６の表面４０からＳＰＭ２９までの距離である。

５０ａは、表示光束３４が第２の透明な基板３６内で１回だけ全反射して射出する場合のＳＰＭ２９の光学的位置である。５０ｂは、表示光束が第２の透明な基板３６内で２回全反射して射出する場合のＳＰＭ２９の光学的位置である。５０ｃは、表示光束が第２の透明な基板３６内で３回全反射して射出する場合のＳＰＭ２９の光学的位置である。

ここで、２つの光学的位置の差を光学的距離の差異４９とすると、光学的距離の差異４９は、第２の透明な基板３６で生じる１回の全反射によって伝播する距離である。より具体的には、ビームスプリッタ３７から界面までを表示光束３４が往復したときの距離である。

なお、図１１では三つの光学的位置を説明したが、ＳＰＭ２９の光学的位置は、実際には二次元に全反射を繰り返して伝播する光束の数だけある。また、観察者の瞳には、通常複数の異なる光学的位置のＳＰＭ２９からの表示光束が入射する。

ＳＰＭ２９では、コヒーレント光によって、表示光束３４、最軸外の表示光束３４Ｌｏ及び最軸外の表示光束３４Ｕｏがホログラフィックに形成される。そのため、表示光束３４、最軸外の表示光束３４Ｌｏ及び最軸外の表示光束３４Ｕｏも、各々コヒーレント光となる。図１１に示すように、観察者の瞳５１には、主に５０ｂからの表示光束（３４、３４Ｌ、３４Ｕ）が入射するが、瞳５１の位置によっては、５０ａや５０ｃからの表示光束も入射する。

上記のように、５０ａからの表示光束、５０ｂからの表示光束及び５０ｃからの表示光束は、各々コヒーレント光である。そのため、５０ｂからの表示光束と５０ａからの表示光束が観察者の瞳５１に入射した場合、２つの光束が干渉してしまい、観察する虚像が意図しない像（虚像）になってしまうことが考えられる。意図しない像とは、例えば、画質が劣化した像である。

そこで、光源２４のコヒーレンス長を、光学的距離の差異４９より短くすることが好ましい。すなわち、光源２４のコヒーレンス長は、第２の透明な基板３６で生じる１回の全反射によって伝播する距離より短いことが好ましい。このようにすることで、異なる光学的距離を持つ複数の表示光束が観察者の眼に入射しても、意図しない像が形成されることを防止することができる。

以上の実施形態の表示装置では、表示光束をホログラフィックに生成するためにＳＰＭを用いている。しかしながら、ＳＰＭを用いなくても、表示光束をホログラフィックに生成することはできる。例えば、静止画であれば、ホログラムパターンを変化させる必要がない。そのため、フィルムにホログラムパターンを記録し、このフィルムをＳＰＭの位置に配置しても良い。ホログラムパターンを一度しか記録できない特性を持つものであれば、フィルムでなくても良い。

以上のように、本発明に係る表示方法及び表示装置は、小型・薄型でありながら、高い光学性能を有する点において有用である。

１ 発散光束
１’ 平行光束
２、２ａ、２ｂ、２ｃ 表示光束
３、３’２６ ＬＣＯＳ
４ 透明な基板
４ａ 界面（第１透過面）
４ｂ 界面（第２透過面）
５、３２、３８、３９ 回折格子
６ 表示素子（ＬＣＤ）
７、２５ レンズ
８ 画像
９ 表示素子の中心（軸上）の光束
１０、１２ 平行光束
１１ 表示素子の端（軸外）の光束
１３ 観察者の眼
１４ 眼の瞳
１５ 画像の像
１６ コヒーレント光源
１７ ＳＰＭ（空間位相変調素子）
１８ 画像データ
１９ ランダム位相の付与
２０ フーリエ変換処理
２１ 補正処理
２２ ＳＰＭドライバ制御
２３ 光源ドライバ
２４ 光源
２７、２７’ ＬＣＤ
２８ 透過光束（０次の回折光、０次光）
２９ ＳＰＭ（空間位相変調素子）
３０ 第１の透明な基板
３１、３７ ビームスプリッタ
３２、３８、３９ 回折格子
３３ 平行光束
３４、３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、３４ｅ、３４ｆ、４３ 表示光束
３４Ｌ、３４Ｕ 表示光束（表示光束３４の軸外主光線）
３４Ｌｏ、３４Ｕｏ 最軸外の表示光束
３５ ０次光
３６ 第２の透明な基板
４０ 表示装置の表面
４１ 表示装置の一方の方向
４２ 表示装置の他方の方向
４４ ＳＰＭ（ＬＣＯＳ、ＬＣＤ）
４５ レンズ
４６ 収束光束
４７ ＬＣＯＳ
４７’ ＬＣＤ
４８ トラップ
４９ 光学的距離の差異
５０ａ、５０ｂ、５０ｃ ＳＰＭの光学的位置
５１ 眼の瞳

Claims (17)

1. 表示光束が透明な基板内を繰り返し内面反射して伝播し、
   前記表示光束が前記内面反射を行う毎に、前記表示光束の一部を前記透明な基板外に射出することにより、
   前記透明な基板のほぼ全面から前記表示光束を射出する表示方法であって、
   前記表示光束をホログラフィックに形成することを特徴とする表示方法。
2. 前記表示光束のコヒーレンス長が、一度の前記内面反射で前記表示光束が伝播する距離より短いことを特徴とする請求項１に記載の表示方法。
3. 前記透明な基板外に射出される前記表示光束が、無限遠に虚像を表示することを特徴とする請求項２に記載の表示方法。
4. 表示光束を形成する空間位相変調素子と、
   前記表示光束が繰り返し内面反射して伝播する透明な基板と、
   前記表示光束が前記内面反射を行う毎に、前記表示光束の一部を前記透明な基板外へ射出させる分岐手段と、
   を有することを特徴とする表示装置。
5. 前記空間位相変調素子がホログラフィックに前記表示光束を形成することを特徴とする請求項４に記載の表示装置。
6. 前記透明な基板を２枚用いたことを特徴とする請求項５に記載の表示装置。
7. 前記空間位相変調素子による０次光は前記透明な基板を透過し、１次光は前記透明な基板で全反射する条件を満たすように、前記空間位相変調素子を配置したことを特徴とする請求項５に記載の表示装置。
8. 前記空間位相変調素子に収束光束を入射し、前記０次光を捕捉するトラップを設けたことを特徴とする請求項５に記載の表示装置。
9. 前記表示光束のコヒーレンス長が、一度の前記内面反射によって伝播する距離より短いことを特徴とする請求項５に記載の表示装置。
10. 前記分岐手段が回折格子であることを特徴とする請求項５に記載の表示装置。
11. 前記回折格子がボリュームホログラムからなることを特徴とする請求項１０に記載の表示装置。
12. 表示光束をホログラフィックに形成する空間位相変調素子と、
    前記表示光束が繰り返し内面反射して伝播する第１の透明な基板と第２の透明な基板と、
    前記表示光束が前記第１の透明な基板で内面反射を行う毎に、前記表示光束の一部を前記第２の透明な基板に入射させる分岐手段と、
    前記表示光束が前記第２の透明な基板で内面反射を行う毎に、前記表示光束の一部を前記第２の透明な基板から射出させる分岐手段と、を有し、
    前記表示光束のコヒーレンス長が、一度の前記内面反射によって伝播する距離より短いことを特徴とする表示装置。
13. 光源と、透明な基板と、空間位相変調素子と、分岐素子と、を備え、
    前記透明な基板は、第１透過面と、第２透過面と、を有し、
    前記空間位相変調素子は、前記光源から前記第２透過面までの間に配置され、
    前記分岐素子は、前記第１透過面から前記第２透過面までの間に配置され、
    前記光源側から前記透明な基板を見たとき、前記空間位相変調素子と前記分岐素子とが隣り合うように配置されていることを特徴とする表示装置。
14. 前記光源から前記空間位相変調素子に至る光路中に、別の空間位相変調素子を有することを特徴とする請求項１３に記載の表示装置。
15. 前記光源は前記第１透過面に接していることを特徴とする請求項１３に記載の表示装置。
16. 前記光源から前記空間位相変調素子までの光路中にレンズが配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の表示装置。
17. 表示光束を反射させ、
    反射させた前記表示光束を振幅分割し、
    前記振幅分割によって、反射させた前記表示光束の進行方向と同じ方向に進行する光束と、反射させた前記表示光束の進行方向と異なる方向に進行する光束と、を生成し、
    前記反射と前記振幅分割を繰り返し行なう表示方法であって、
    前記表示光束は回折によって生成した光束であることを特徴とする表示方法。

Images