JP6287196B2 - 照明装置、投射装置および光走査装置 - Google Patents

Description

本発明は、コヒーレント光を光学素子上で走査させる光走査装置と、光学素子から拡散されたコヒーレント光で照明を行う照明装置と、この種の照明装置を内蔵する投射装置とに関する。

本発明者は、過去に、コヒーレント光で被照明領域を照明する際に、光走査装置にてコヒーレント光を走査させて、被照明領域内でのスペックルを目立たなくさせる照明装置を発明するとともに、この種の照明装置を用いてスクリーン上に光変調画像を投射する際に、スクリーン上のスペックルも目立たなくさせる投射装置とを発明した（特許文献１参照）。

特開２０１２−５８４８１号公報

上述した特許文献１では、光走査装置の具体例として、一つの軸線を中心として回動可能な反射面を有する反射デバイスを開示している。反射デバイスが軸線を中心として回動すると、光源からのコヒーレント光の入射角度が変化し、それに応じて、反射デバイスからのコヒーレント光の反射角度も変化する。よって、反射デバイスを連続的に回動させることで、コヒーレント光を一方向に走査させることができる。また、反射デバイスの回動軸を２方向に設けることで、コヒーレント光を二方向に走査させることもできる。

レーザ光などのコヒーレント光を２軸方向に走査させる装置として、従来からガルバノスキャナやファーストステアリングミラーなどが知られている。ところが、これらの装置は、精密な位置制御を行うことを目的としており、装置自体が高額で、かつ装置構成も複雑で、小型化も容易ではなかった。

上述した特許文献１に開示された照明装置や投射装置に用いられる光走査装置は、スペックルを目立たなくするために設けられており、光学素子上でコヒーレント光を精度よく走査させる必要はない。よって、できるだけ簡易な構造で低コストで光走査装置を実現するのが望ましい。

本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、低コストかつ簡易な構造で作製可能な光走査装置と、この光走査装置を内蔵する照明装置および投射装置とを提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様では、各位置に入射されたコヒーレント光を、所定の領域内の全域に対して拡散可能な光学素子と、
コヒーレント光が前記光学素子の表面を走査するように、前記光学素子に前記コヒーレント光を照射する照射装置と、を備える照明装置であって、
前記照射装置は、
コヒーレント光を発光する光源と、
前記光源から発光された前記コヒーレント光の進行方向を変化させて、該コヒーレント光を前記光学素子の表面上で走査させる光走査装置と、を有し、
前記光走査装置は、回転軸の周りを回転自在な回転部材を有し、
前記回転部材は、コヒーレント光が入射される径位置にて周方向に沿って配置される光偏向部を有し、
前記光偏向部は、入射されたコヒーレント光の反射方向または屈折方向を前記回転部材の回転位置に応じて連続的または段階的に変化させることを特徴とする照明装置が提供される。

回転部材に、コヒーレント光が入射される径位置に合わせて、周方向に沿って光偏向部を設けるため、回転部材を回転させるだけで、入射されたコヒーレント光の反射方向または屈折方向を連続的または段階的に変化させることができる。

前記光偏向部は、例えば、コヒーレント光が入射される径位置にて周方向に沿って配置される複数の反射部を有し、前記複数の反射部のそれぞれは、前記周方向の各位置での光の反射角度を複数通りに変化させてもよい。

前記複数の反射部は、少なくとも前記周方向に沿って配置される複数の凹面鏡を有していてもよい。

前記光偏向部は、例えば、光が入射される径位置にて周方向に沿って配置される複数の屈折部を有し、前記複数の屈折部のそれぞれは、前記周方向の各位置での光の屈折角度を複数通りに変化させてもよい。

前記複数の屈折部は、少なくとも前記周方向に沿って配置される複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイであってもよい。

前記複数の屈折部は、径方向に一列以上にわたって配置され、各列とも周方向に沿って複数個ずつ配置されてもよい。

前記光偏向部は、入射されたコヒーレント光を線状に拡散させるとともに、前記回転部材の回転に応じて、前記線状に拡散されたコヒーレント光を当該拡散方向とは交差する方向に移動させてもよい。

前記光偏向部は、周方向に沿って連続的または断続的に高さが変化する凹凸面を有していてもよい。

前記光偏向部は、径方向に沿って異方性拡散面を有していてもよい。

前記光偏向部は、周方向および径方向に沿ってトーリック面を有していてもよい。

前記光偏向部は、前記光学素子上を螺旋状に走査可能な形状を有していてもよい。

前記光源から発光されたコヒーレント光を、前記回転部材上の所定の径位置に集光させる集光光学系を有していてもよい。

前記光学素子は、参照部材の像を再生するための干渉縞が記録されたホログラム記録媒体であってもよい。

本発明の一態様は、前記所定の領域と重なる位置に配置され、請求項１乃至７のいずれかに記載の照明装置によって照明されて、光変調画像を生成する空間光変調器と、
前記光変調画像を投射部材上に投射する投射光学系と、を備えることを特徴とする投射装置であってもよい。

本発明の一態様は、回転軸の周りを回転自在な回転部材を備え、
前記回転部材は、光が入射される径位置にて周方向に沿って配置される光偏向部を有し、
前記光偏向部は、入射された光の反射方向または屈折方向を前記回転部材の回転位置に応じて連続的または段階的に変化させることを特徴とする光走査装置でもよい。

本発明によれば、低コストかつ簡易な構造でコヒーレント光を走査可能な光走査装置と、この光走査装置を内蔵する照明装置および投射装置とを実現できる。

本発明の一実施形態に係る光走査装置６５と照明装置４０を内蔵する投射装置２０の概略構成を示すブロック図。 回転部材６２の一例を示す平面図。 反射部６７の一例を示す断面図。 屈折部６８の一例を示す断面図。 回転部材６２上に、周方向に沿って複数列に反射部６７または屈折部６８を配置する例を示す図。 ホログラム記録媒体５５に散乱板６の像を干渉縞として形成する様子を説明する図。 図６の露光工程を経て得られたホログラム記録媒体５５に形成された干渉縞を用いて散乱板の像を再生する様子を説明する図。 径方向に異方性拡散面を有し、周方向に連続的または断続的に高さが変化する凹凸面を有する光偏向部６６の平面図。 （ａ）は図８の光偏向部６６の周方向断面図、（ｂ）は光偏向部６６の径方向断面図。 図８の光偏向部６６の異方性拡散面６６ｂの任意の場所にコヒーレント光を入射させて回転部材６２を回転させた場合のコヒーレント光の軌跡を示す図。 径方向に異方性拡散面を持たず、周方向に連続的または断続的に高さが変化する凹凸面を有する光偏向部６６の一例を示す図。 トーリック面を説明する図。 トーリック面６６ｃを有する光偏向部６６の平面図。 （ａ）は図１３の光偏向部６６の周方向断面図、（ｂ）は光偏向部６６の径方向断面図。 図１３の光偏向部６６の異方性拡散面６６ｂの任意の場所にコヒーレント光を入射させて回転部材６２を回転させた場合のコヒーレント光の軌跡を示す図。 光学素子５０上を螺旋状に走査する光偏向部６６の一例を示す図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る光走査装置６５と照明装置４０を内蔵する投射装置２０の概略構成を示すブロック図である。

図１の投射装置２０は、光学素子５０と、光変調器３０と、投射光学系２１とを備えており、光学素子５０と照射装置６０とにより照明装置４０を構成している。

照射装置６０は、コヒーレント光が光学素子５０の表面を走査するように、光学素子５０にコヒーレント光を照射する。照射装置６０は、コヒーレント光を放射するレーザ光源６１と、レーザ光源６１から放射されたコヒーレント光を光学素子５０の表面上で走査させる光走査装置６５とを有する。

光学素子５０は、例えばホログラム感光材料に干渉縞を記録して形成されるホログラム記録媒体５５を用いて構成されている。ホログラム記録媒体５５の詳細については後述する。光学素子５０としてホログラム記録媒体５５を用いる場合、ホログラム記録媒体５５には、光走査装置６５にて反射または屈折されたコヒーレント光が入射される。ホログラム記録媒体５５は干渉縞が記録された記録面を有し、この記録面にコヒーレント光が入射されると、干渉縞で回折されたコヒーレント光が発散光（拡散光）となって放射されて、被照明領域ＬＺを照明する。

なお、光学素子５０は、ホログラム記録媒体５５ではなく、レンズアレイでもよい。この場合、照射装置６０からのコヒーレント光はレンズアレイ上を走査し、レンズアレイによって進行方向を変えられたコヒーレント光は被照明領域ＬＺを照明する。

光走査装置６５は、レーザ光源６１からのコヒーレント光の反射角度を時間的に変化させる。これにより、光走査装置６５からのコヒーレント光は、光学素子５０上を走査することになる。例えば、光学素子５０として、干渉縞が記録されたホログラム記録媒体５５を用いる場合、光走査装置６５からのコヒーレント光は、ホログラム記録媒体５５への入射角度および入射位置を時間的に変えながら、ホログラム記録媒体５５の記録面上の干渉縞により回折される。よって、被照明領域ＬＺには、入射角度や入射位置が時間的に変化するコヒーレント光が入射され、時間的に異なる角度で、かつ均一な光量で照明されることになる。

被照明領域ＬＺには、その位置に重なるように光変調器３０が配置されている。光変調器３０は、被照明領域ＬＺの照明光を利用して、変調画像を生成する。

光変調器３０としては、例えばＤＭＤ（Digital Micromirror Device）などのＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子からなる反射型のマイクロディスプレイを用いることができる。あるいは、光変調器３０として透過型の液晶パネルを用いてもよい。

光変調器３０の入射面は、照明装置４０がコヒーレント光を照射する被照明領域ＬＺと同一の位置で、かつ同一の形状および大きさであることが好ましい。この場合、照明装置４０からのコヒーレント光を、拡散スクリーン２３への映像の表示に高い利用効率で利用することができるからである。

光変調器３０で生成された変調画像は投射光学系２１に入射される。投射光学系２１は、例えば複数枚のレンズ群で構成されたプロジェクションレンズ２２を有する。光変調器３０で生成された変調画像は、プロジェクションレンズ２２で屈折されて拡散スクリーン２３上に投射される。プロジェクションレンズ２２の径や、プロジェクションレンズ２２と光変調器３０との距離や、プロジェクションレンズ２２と拡散スクリーン２３との距離によって、拡散スクリーン２３に投影される変調画像のサイズを調整することができる。

図１では省略しているが、拡散スクリーン２３で拡散された変調画像を、不図示のハーフミラーに入射して、このハーフミラーで、拡散スクリーン２３で拡散された変調画像光の一部を反射させて変調画像の虚像を形成して、この虚像を外光とともにハーフミラーを介して観察者が視認できるようにしてもよい。これにより、ヘッドアップディスプレイ装置を実現できる。この場合、ハーフミラーとして、例えば、車両のフロントガラスを用いることができ、観察者は運転席に座って前方を向くことで、フロントガラスを通して車外の景色を見ながら、虚像を視認できる。あるいは、ハーフミラーの代わりに、種々の光学素子５０やプリズムを用いてもよい。

光変調器３０では、種々の変調画像を生成可能であり、光変調器３０で変調画像を生成して、その変調画像を被照明領域ＬＺで照明することで、種々の変調画像を拡散スクリーン２３上に投射することができる。

なお、上述した照射装置６０と光学素子５０を備えた本実施形態を照明装置４０に適用する場合は、光学素子５０からの出射光により被照明領域ＬＺを照明できることから、光学素子５０からの出射光を照明光として利用でき、光変調器３０と投射光学系２１は不要である。

上述したように、被照明領域ＬＺは、時間的に異なる角度で照明され、この照明光を利用して光変調器３０で生成された変調画像が投射光学系２１で拡散スクリーン２３に投射される。このため、拡散スクリーン２３の入射角度も時間的に角度変化する。これにより、拡散スクリーン２３で生成されるスペックルパターンが時間的に変化し、観察者の目には不可視化される。

図１の投射装置２０は、被照明領域ＬＺに光変調器３０を配置しており、光変調器３０の照明領域のサイズは、被照明領域ＬＺのサイズに依存することになる。よって、例えば被照明領域ＬＺのサイズに見合ったサイズの光変調器３０を配置しなければならないという制約が生じる。

このような制約をなくすには、被照明領域ＬＺと光変調器３０との間に、被照明領域ＬＺのサイズ変換手段を設ければよい。このサイズ変換手段は、例えばリレー光学系で実現可能である。

光学素子５０として、干渉縞が記録されたホログラム記録媒体５５を用いる場合、ホログラム記録媒体５５は、照射装置６０から放射されるコヒーレント光を再生照明光Ｌａとして受けて、当該コヒーレント光を高効率で回折する。とりわけ、ホログラム記録媒体５５は、その各位置、言い換えると、その各点とも呼ばれるべき各微小領域に入射するコヒーレント光を回折することによって、散乱板の像を再生することができるようになっている。

一方、照射装置６０は、ホログラム記録媒体５５に照射されるコヒーレント光が、光走査装置６５によりホログラム記録媒体５５上を走査するようにしている。したがって、ある瞬間に、照射装置６０によってコヒーレント光が照射されたホログラム記録媒体５５上の領域は、ホログラム記録媒体５５の表面の一部分であって、とりわけ図示する例では、点と呼ばれるべき微小領域となっている。

そして、照射装置６０から放射されてホログラム記録媒体５５上を走査するコヒーレント光は、ホログラム記録媒体５５上の各位置（各点または各領域（以下、同じ））に、当該ホログラム記録媒体５５の回折条件を満たすような入射角度で、入射するようになっている。照射装置６０からホログラム記録媒体５５の各位置に入射したコヒーレント光は、それぞれ、ホログラム記録媒体５５で回折されて被照明領域ＬＺを照明する。

照射装置６０は、それぞれがコヒーレント光を生成するレーザ光源６１と、このレーザ光源６１からのコヒーレント光の進行方向を変化させる光走査装置６５と、を有する。

レーザ光源６１は、例えばそれぞれ異なる波長帯域のレーザ光を放射する複数のレーザ光源６１を用いてもよい。複数のレーザ光源６１を用いる場合は、各レーザ光源６１からのレーザ光が光走査装置６５上の同一点を照射するようにする。これにより、ホログラム記録媒体５５は、各レーザ光源６１の照明色が混ざり合った再生照明光で照明されることになる。

レーザ光源６１は、単色のレーザ光源６１でもよいし、発光色の異なる複数のレーザ光源６１でもよい。例えば、赤、緑、青の複数のレーザ光源６１を用いて構成してもよい。
複数のレーザ光源６１を用いる場合は、各レーザ光源６１からのコヒーレント光が光走査装置６５上の一点に照射されるように各レーザ光源６１を配置すれば、各レーザ光源６１からのコヒーレント光の入射角度に応じた反射角度で反射されて、ホログラム記録媒体５５上に入射され、ホログラム記録媒体５５から別個に回折されて、被照明領域ＬＺ上で重ね合わされて合成色になる。例えば、赤、緑、青の複数のレーザ光源６１を用いて構成した場合には白色になる。あるいは、各レーザ光源６１ごとに、別個の光走査装置６５を設けてもよい。

なお、例えば白色で照明する場合は、赤緑青以外の色で発光するレーザ光源６１、例えば、黄色で発光するレーザ光源６１を別個に設けた方が、より白色に近い色を再現できる場合もある。したがって、照射装置６０内に設けるレーザ光源６１の種類は、特に限定されるものではない。

カラーの変調画像を形成する場合には、種々の実現手法が考えられる。光変調器３０がＬＣＯＳなどで構成されていて、各画素ごとにカラーフィルタを有する場合には、被照明領域ＬＺを白色光とすることで、光変調器３０で生成される変調画像をカラー化することができる。

あるいは、例えば、赤色の変調画像を生成する光変調器３０と、緑色の変調画像を生成する光変調器３０と、青色の変調画像を生成する光変調器３０とを近接配置し、これら３つの光変調器３０のそれぞれを照明する３つの被照明領域ＬＺを、順次にホログラム記録媒体５５からの拡散光で照明するようにしてもよい。これにより、３つの光変調器３０で生成された３色の変調画像が合成されて、カラーの変調画像を生成可能となる。このような時分割駆動の代わりに、３つの光変調器３０で同時に生成した３色の変調画像をプリズム等を用いて合成して、カラーの変調画像を生成してもよい。

光走査装置６５は、コヒーレント光の進行方向を経時的に変化させ、コヒーレント光の進行方向が一定とはならないよう種々の方向へ向ける。この結果、光走査装置６５で進行方向を変化させられるコヒーレント光が、光学素子５０のホログラム記録媒体５５の入射面上を走査するようになる。

光走査装置６５は、図１に示すように、回転軸６４の周りを回転自在な回転部材６２と、回転部材６２を回転させる制御を行う回転制御部６３とを有する。

図２は回転部材６２の一例を示す平面図である。図２の回転部材６２は、レーザ光などのコヒーレント光が入射される径位置にて周方向に沿って配置される光偏向部６６を有する。ここで、径位置とは、回転部材６２の回転軸位置とコヒーレント光の入射位置との距離である。この光偏向部６６は、入射されたコヒーレント光の反射方向または屈折方向を回転部材６２の回転位置に応じて連続的または段階的に変化させる。

光偏向部６６は、例えば、図２に示すように、周方向に沿って、かつ径方向に１列に配置される複数の反射部６７または屈折部６８を有する。図２に示す複数の反射部６７または屈折部６８のそれぞれの表面形状は、周方向に沿って連続的または段階的に変化している。したがって、回転部材６２が回転軸６４の周りを回転したときに、コヒーレント光の入射軸が固定であっても、回転部材６２で反射または屈折されたコヒーレント光の反射方向または屈折方向は連続的または段階的に変化する。ここで、連続的に変化とは、例えば凹レンズや凸レンズのように、コヒーレント光の入射面が滑らかに変化しており、この面で反射されるコヒーレント光の反射または屈折方向が絶えず変化することを指し、段階的に変化とは、例えば多角形形状のように、コヒーレント光の入射面が断続的に変化しており、この面で反射されるコヒーレント光の反射または屈折方向が不連続に変化することを指す。光偏向部６２の光軸と光偏向部６２に入射されるコヒーレント光の固定の光軸との位置関係を時間に応じて連続的に変化させる方が、光学素子５０上を途切れなく連続的に走査させることができるため、より望ましいが、被照明領域ＬＺ内とスクリーン２３上でのスペックルを目立たなくさせるという観点では、光偏向部６２の光軸と光偏向部６２に入射されるコヒーレント光の固定の光軸との位置関係を時間に応じて断続的に変化させても、同様の効果が得られる。

図３は反射部６７の一例を示す断面図である。図３の反射部６７は、回転部材６２の周方向に沿って、かつ径方向に１列に配置された複数の凹面鏡である。

図３の反射部６７は、回転部材６２の回転に伴って図３の矢印の方向、すなわち凹面鏡６７の光軸と直交する方向に移動する。よって、コヒーレント光の入射軸が固定であっても、回転部材６２の回転位置によって、図３（ａ）、図３（ｂ）および図３（ｃ）のように、反射部６７からのコヒーレント光の反射方向は、連続的に変化する。

また、図４は屈折部６８の一例を示す断面図である。図４の屈折部６８は、回転部材６２の径方向に沿って配置された複数のマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイである。図４の屈折部６８は、回転部材６２の回転に伴って図４の矢印の方向に移動する。よって、コヒーレント光の入射軸が固定であっても、回転部材６２の回転位置によって、図４（ａ）、図４（ｂ）および図４（ｃ）のように、屈折部６８によるコヒーレント光の屈折方向は、連続的に変化する。

図１は、光源６１からのコヒーレント光を光走査装置６５で反射させる例を示しているが、図４のような屈折部６８を有する回転部材６２を光走査装置６５内に設ける場合は、この回転部材６２の裏面側に光源６１からのコヒーレント光を入射させて、屈折部６８で屈折されたコヒーレント光を光学素子５０に入射させることになる。

図２では、コヒーレント光の入射径位置に合わせて、周方向に一列分の反射部６７または屈折部６８を配置しているが、コヒーレント光の入射軸が固定であっても、コヒーレント光が回転部材６２に入射される際にそのビームを十分に絞れていない場合には、反射部６７または屈折部６８の一列分だけでは、被照明領域ＬＺの照明強度が弱くなるおそれがある。そこで、図５に示すように、回転部材６２上に、周方向に沿って配置された反射部６７または屈折部６８を、径方向に複数列にわたって配置してもよい。図５では、周方向に二列分の反射部６７または屈折部６８を配置する例を示しているが、周方向に三列分以上の反射部６７または屈折部６８を配置してもよい。あるいは、回転部材６２の全面にわたって、反射部６７または屈折部６８を配置してもよい。回転部材６２の全面に反射部６７または屈折部６８を配置すれば、回転部材６２の面上のどこにコヒーレント光が入射されても、反射または屈折させることができ、コヒーレント光の入射位置の制御が容易になる。

また、反射部６７上に設ける反射部６７または屈折部６８のサイズや形状は、必ずしもすべてが同じである必要はない。回転部材６２の径方向に沿って反射部６７または屈折部６８の形状が連続的または段階的に変化して、入射されたコヒーレント光の反射方向または屈折方向が連続的または段階的に変化するのであれば、具体的な反射部６７または屈折部６８のサイズや形状は問わない。

回転部材６２に複数の反射部６７または屈折部６８を配置するには、例えば、回転部材６２の表面をエッチング処理または機械的な切削処理により加工してもよいし、回転部材６２の表面に反射部６７または屈折部６８を配置するための複数の凹部を形成して、これらの凹部に、予め作製した複数の反射部６７または屈折部６８を接合してもよい。

上述したように、本実施形態に係る光走査装置６５は、照明装置４０または投射装置２０に組み込んだときに、被照明領域ＬＺ内とスクリーン上でのスペックルを目立たなくすればよいため、コヒーレント光の走査精度はそれほど要求されない。よって、回転部材６２上に配置される反射部６７または屈折部６８の形状精度や配置位置精度もそれほど要求されない。

本実施形態では、光源６１からのコヒーレント光をある程度絞り込んだ状態で、光走査装置６５内の回転部材６２に入射させるのが重要である。入射コヒーレント光のビーム径が大きいと、回転部材６２からの発散点のビーム口径も大きくなり、光学素子５０に理想的なコヒーレント光を入射できなくなる。例えば、光学素子５０としてホログラム記録媒体５５を用いた場合、ホログラム記録媒体５５に干渉縞を記録する際に使用した記録光にできるだけ近い再生光を入射するのが理想的であるが、上述したように、光走査装置６５内の回転部材６２への入射コヒーレント光のビーム径が大きいと、理想的な再生光をホログラム記録媒体５５に入射できない。そこで、図１に示すように、照射装置６０内の光源６１と光走査装置６５との間に集光レンズ６７を配置してもよい。集光レンズ６７は、光源６１からのコヒーレント光が光走査装置６５の１点に収束されるように位置決めされる。これにより、光走査装置６５の回転中心とコヒーレント光の発散中心が一致するため、光走査装置６５が回転する際にも、常に基準点ＳＰからの発散光をホログラム記録媒体５５に入射することができ、当初意図した通りに被照明領域ＬＺを照明できるようになる。

このように、本実施形態に係る光走査装置６５によれば、２軸のガルバノミラーよりも発散点を小さくできる。２軸のガルバノミラーは、各軸用の２つのミラーの発散点がそれぞれ異なるため、各発散点が完全には一致しない。よって、２軸のガルバノミラーを用いても、完全な平行光を作れない。これに対して、本実施形態に係る光走査装置６５は、発散点を極小化できるため、光走査装置６５で反射または屈折させたコヒーレント光を平行光にすることも可能である。

本実施形態では、コヒーレント光の回折作用を可能にするホログラム記録媒体５５として、フォトポリマーを用いた透過型の体積型ホログラムを用いることができる。

図６はホログラム記録媒体５５に散乱板６の像を干渉縞として形成する様子を説明する図である。ここで、散乱板６とは、光を散乱させる参照部材であり、参照部材の具体的な形態は問わない。

図６に示すように、ホログラム記録媒体５５は、実物の散乱板６からの散乱光を物体光Ｌｏとして用いて作製されている。図６には、ホログラム記録媒体５５をなすようになる感光性を有したホログラム感光材料５８に、互いに干渉性を有するコヒーレント光からなる参照光Ｌｒと物体光Ｌｏとが露光されている状態が示されている。

参照光Ｌｒとしては、例えば、特定波長域のレーザ光を発振するレーザ光源６１からのレーザ光が用いられている。参照光Ｌｒは、レンズからなる集光素子７を透過してホログラム感光材料５８に入射する。図６に示す例では、参照光Ｌｒをなすようになるレーザ光が、集光素子７の光軸と平行な平行光束として、集光素子７へ入射する。参照光Ｌｒは、集光素子７を透過することによって、それまでの平行光束から収束光束に整形（変換）され、ホログラム感光材料５８へ入射する。この際、収束光束Ｌｒの焦点位置ＦＰは、ホログラム感光材料５８を通り過ぎた位置にある。すなわち、ホログラム感光材料５８は、集光素子７と、集光素子７によって集光された収束光束Ｌｒの焦点位置ＦＰと、の間に配置されている。

次に、物体光Ｌｏは、たとえばオパールガラスからなる散乱板６からの散乱光として、ホログラム感光材料５８に入射する。図６の例では、作製されるべきホログラム記録媒体５５が透過型であり、物体光Ｌｏは、参照光Ｌｒと同じ側の面からホログラム感光材料５８へ入射する。物体光Ｌｏは、参照光Ｌｒと干渉性を有することが前提である。したがって、例えば、同一のレーザ光源６１から発振されたレーザ光を分光させて、分光された一方を上述の参照光Ｌｒとして利用し、他方を物体光Ｌｏとして使用することができる。

図６に示す例では、散乱板６の板面への法線方向と平行な平行光束が、散乱板６へ入射して散乱され、そして、散乱板６を透過した散乱光が物体光Ｌｏとしてホログラム感光材料５８へ入射している。この方法によれば、通常安価に入手可能な等方散乱板を散乱板６として用いた場合に、散乱板６からの物体光Ｌｏが、ホログラム感光材料５８に概ね均一な光量分布で入射することが可能となる。またこの方法によれば、散乱板６による散乱の度合いにも依存するが、ホログラム感光材料５８の各位置に、散乱板６の出射面６ａの全域から概ね均一な光量で参照光Ｌｒが入射しやすくなる。このような場合には、得られたホログラム記録媒体５５の各位置に入射した光が、それぞれ、散乱板６の像５を同様の明るさで再生すること、および、再生された散乱板６の像５が概ね均一な明るさで観察されることが実現され得る。

以上のようにして、参照光Ｌｒおよび物体光Ｌｏがホログラム記録材料５８に露光されると、参照光Ｌｒおよび物体光Ｌｏが干渉してなる干渉縞が生成され、この光の干渉縞が、何らかのパターン、体積型ホログラムでは、一例として、屈折率変調パターンとして、ホログラム記録材料５８に記録される。その後、ホログラム記録材料５８の種類に対応した適切な後処理が施され、ホログラム記録材料５５が得られる。

図７は図６の露光工程を経て得られたホログラム記録媒体５５に形成された干渉縞を用いて散乱板の像を再生する様子を説明する図である。図７に示すように、図６のホログラム感光材料５８にて形成されたホログラム記録媒体５５は、露光工程で用いられたレーザ光と同一波長の光であって、露光工程における参照光Ｌｒの光路を逆向きに進む光によって、そのブラッグ条件が満たされるようになる。すなわち、図７に示すように、露光工程時におけるホログラム感光材料５８に対する焦点ＦＰの相対位置（図６参照）と同一の位置関係をなすようにしてホログラム記録媒体５５に対して位置する基準点ＳＰから発散し、露光工程時における参照光Ｌｒと同一の波長を有する発散光束は、再生照明光Ｌａとして、ホログラム記録媒体５５にて回折され、露光工程時におけるホログラム感光材料５８に対する散乱板６の相対位置（図６参照）と同一の位置関係をなすようになるホログラム記録媒体５５に対する特定の位置に、散乱板６の再生像５を生成する。

この際、散乱板６の再生像５を生成する再生光（再生照明光Ｌａをホログラム記録媒体５５で回折してなる光）Ｌｂは、露光工程時に散乱板６からホログラム感光材料５８へ向かって進んでいた物体光Ｌｏの光路を逆向きに進む光として散乱板６の像５の各点を再生する。そして、上述したように、また図６に示すように、露光工程時に散乱板６の出射面６ａの各位置から出射する散乱光Ｌｏが、それぞれ、ホログラム感光材料５８の概ね全領域に入射するように拡散している（広がっている）。すなわち、ホログラム感光材料５８上の各位置には、散乱板６の出射面６ａの全領域からの物体光Ｌｏが入射し、結果として、出射面６ａ全体の情報がホログラム記録媒体５５の各位置にそれぞれ記録されている。
このため、図７に示された、再生照明光Ｌａとして機能する基準点ＳＰからの発散光束をなす各光は、それぞれ単独で、ホログラム記録媒体５５の各位置に入射して互いに同一の輪郭を有した散乱板６の像５を、互いに同一の位置（被照明領域ＬＺ）に再生することができる。

ホログラム記録媒体５５に入射した光は、被照明領域ＬＺの方向に伝搬されるため、無駄な散乱光を効果的に抑制できる。したがって、ホログラム記録媒体５５に入射される再生照明光Ｌａをすべて、散乱板６の像を形成するために有効利用できる。

図１に示す光偏向部６６は、図３や図４に示すように、複数の反射部６７や屈折部６８を周方向に沿って並べて配置したものに限定されない。例えば、光偏向部６６は、径方向には異方性拡散面を有し、周方向には連続的または断続的に高さが変化する凹凸面を有していてもよい。

ここで、異方性拡散面とは、第１軸方向では曲率が連続的または断続的に変化し、第１軸に交差する第２軸方向では曲率が一定の面である。異方性拡散面の代表例は、シリンドリカル面である。また、連続的または断続的に高さが変化する凹凸面とは、例えば周期的またはランダムに波打つ面である。

図８は、径方向に異方性拡散面を有し、周方向に連続的または断続的に高さが変化する凹凸面を有する光偏向部６６の平面図である。図９（ａ）は図８の光偏向部６６の周方向断面図、図９（ｂ）は光偏向部６６の径方向断面図である。図９（ａ）の例では、光偏向部６６は周方向に沿って連続的に高さが変化する凹凸面６６ａを有するが、凹凸の周期や大きさは任意に変更して構わない。図９（ｂ）の例では、光偏向部６６は径方向に凸状のシリンドリカル面６６ｂを有するが、凹状のシリンドリカル面を有していてもよい。

図１０は図８の光偏向部６６の異方性拡散面６６ｂの任意の場所にコヒーレント光を入射させて回転部材６２を回転させた場合のコヒーレント光の軌跡を示す図である。コヒーレント光を異方性拡散面６６ｂ上の任意の場所に入射させると、その場所で反射または屈折されるコヒーレント光は、線状に拡散していく。このため、光走査装置６５の光軸後方に配置される光学素子５０上では、線状のビーム軌跡５０ａを描く。この状態で回転部材６２を回転させると、光学素子５０上の線状のビーム軌跡５０ａが、そのビーム軌跡の長手方向に直交する方向に移動する。これにより、光走査装置６５は、光学素子５０上の二次元方向でコヒーレント光を走査させることができる。

なお、光偏向部６６への入射光が集光レンズ６７で集光された収束光の場合は、図１１に示すように、光偏向部６６が径方向に異方性拡散面を有していなくても、線状にコヒーレント光を拡散させることができる。したがって、光偏向部６６への入射光が収束光の場合は、光偏向部６６が周方向に連続的または断続的に高さが変化する凹凸面６６ａを有していればよく、径方向に異方性拡散面を設ける必要はない。

ところで、異方性拡散面６６ｂはシリンドリカル面に限らない。例えば、異方性拡散面６６ｂとしてトーリック（トロイダル）面を用いてもよい。ここで、トーリック面とは、図１２に示すように、円をその中心を通らない回転軸の周りに回転させたときに生じる曲面である。トーリック面６６ｃは、互いに交差する二軸方向のそれぞれにおいて、曲率が連続的または断続的に変化している。このようなトーリック面６６ｃの任意の場所に入射されたコヒーレント光は、線状に拡散して線状ビーム軌跡を形成する。このとき、トーリック面６６ｃを所定の方向に移動させることで、線状ビーム軌跡をその長手方向とは異なる方向に移動させることができる。

図１３はトーリック面６６ｃを有する光偏向部６６の平面図、図１４（ａ）は図１３の光偏向部６６の周方向断面図、図１４（ｂ）は光偏向部６６の径方向断面図である。図１４（ａ）に示すように、光偏向部６６は周方向に複数のトーリック部６９に分けられており、各トーリック部６９はトーリック面６６ｃを有する。図１４の例では、各トーリック部６９が凸状のトーリック面６６ｃを有するが、凹状のトーリック面６６ｃを有していてもよい。

図１５は図１３の光偏向部６６の異方性拡散面６６ｂの任意の場所にコヒーレント光を入射させて回転部材６２を回転させた場合のコヒーレント光の軌跡を示す図である。トーリック面６６ｃに入射された光は、線状に拡散するため、光学素子５０上では、線状のビーム軌跡５０ａを描く。この状態で回転部材６２を回転させると、その回転方向である周方向についてもトーリック面６６ｃになっていることから、図１５に示すように、光学素子５０上の線状のビーム軌跡は、その長手方向に直交する方向に移動することになる。これにより、図１５の場合も、図１０と同様に、光学素子５０上の二次元方向でコヒーレント光を走査させることができる。

光偏向部６６の具体的な形態は、上述した各例に限定されるものではない。スペックルを低減する観点からは、コヒーレント光が光学素子５０上をできるだけ密に走査するのが望ましい。その方が、被照明領域ＬＺに入射されるコヒーレント光の角度多重度、すなわち角度的な密度が大きくなり、入射方向を連続的に変化させる作用と併せることによりスペックルの低減効果を最大限に高めることができるためである。

光学素子５０がレンズアレイのように円形である場合、図１６に示すように、光学素子５０上を螺旋状に走査することで、走査密度を高くすることができる。光学素子５０上を螺旋状に走査するには、光偏向部６６のビーム照射位置に対応する周方向の形状を徐々に変化させて、このビーム照射位置からの拡散光の軌跡が螺旋状になるようにすればよい。

このように、光偏向部６６のビーム照射位置に対応する周方向の形状を最適化することで、螺旋状に走査するビーム軌跡の間隔を調整することができ、ビーム軌跡の間隔を狭めてより密に走査することも可能となる。また、光偏向部６６のビーム照射位置に対応する周方向の形状を調整することで、回転部材６２が１周する間に、光学素子５０上で複数の螺旋状の軌跡を描くようにすることも可能となる。

このように、本実施形態に係る光走査装置６５は、回転軸６４の周りを回転自在な回転部材６２を備え、この回転部材６２は、コヒーレント光が入射される径位置にて周方向に沿って配置される光偏向部６６を有するため、回転部材６２を回転させるだけで、光走査装置６５から出射されるコヒーレント光の方向を一軸方向または二軸方向に変化させることができる。よって、光走査装置６５の内部構成を簡略化でき、照明装置４０全体を小型化できる。回転部材６２は、例えば複数の反射部６７または屈折部６８を周方向に配置した簡易な構造であり、回転部材６２の駆動も容易であるため、低コストで光走査装置６５を実現できる。

また、本実施形態に係る光走査装置６５は、光源６１と光走査装置６５との間に集光光学系６７を設けることで、回転部材６２での発散点をできるだけ小さくでき、光学素子５０に対して理想的なコヒーレント光を入射させることができる。よって、光学素子５０としてホログラム記録媒体を用いた場合は、ホログラム記録媒体に干渉縞を形成するのに用いた記録光に対応する理想的な再生光を照射でき、ホログラム記録媒体に記録するのに用いた散乱板の像を忠実に再現することができる。

また、本実施形態では、光走査装置６５、ホログラム記録媒体５５を含む光学素子５０、および光変調器３０を用いて変調画像を生成するため、例えば通常の液晶表示装置を用いて変調画像を生成する場合と比べて、変調画像を生成するまでのハードウェア構成を大幅に小型化できる。さらに、本実施形態では、光走査装置６５でホログラム記録媒体５５上をコヒーレント光で走査させ、かつ拡散スクリーン２３に変調画像を投射するため、コヒーレント光を用いながらも、スペックルを目立たせなくすることができ、高品質の画像表示が可能な投射装置２０を実現できる。また、拡散スクリーン２３を設けることで、視野角を広げることも可能となる。

光走査装置６５は、ホログラム記録媒体５５上の各位置に、当該位置でのブラッグ条件を満たす入射角度で、対応する特定波長のコヒーレント光を入射させる。この結果、各位置に入射したコヒーレント光は、それぞれ、ホログラム記録媒体５５に記録された干渉縞による回折により、被照明領域（所定の領域）ＬＺの全域に重ねて散乱板６の像５を再生する。すなわち、照射装置６０からホログラム記録媒体５５の各位置に入射したコヒーレント光はそれぞれ、光学素子５０で拡散されて、被照明領域ＬＺの全域に入射するようになる。

このようにして、照射装置６０は、被照明領域ＬＺをコヒーレント光で照明する。例えば、レーザ光源６１がそれぞれ異なる色で発光する複数のレーザ光源６１を有する場合は、被照明領域ＬＺは、各色で散乱板６の像５が再生される。したがって、これらレーザ光源６１が同時に発光する場合は、被照明領域ＬＺは３色が混ざり合った白色で照明されることになる。

また、本実施形態によれば、被照明領域ＬＺの各位置において時間的にコヒーレント光の入射方向が変化していき、且つ、この変化は、人間の目で分解不可能な速さである。したがって、仮に被照明領域ＬＺにスクリーンを配置したとすると、各入射角度に対応して生成されたスペックルが重ねられ平均化されて観察者に観察されることから、スクリーンに表示されている映像を観察する観察者に対して、スペックルを極めて効果的に目立たなくさせることができる。本実施形態の場合は、被照明領域ＬＺの位置に重ねて光変調器３０を配置し、この光変調器３０から投射光学系２１を介して拡散スクリーン２３に投射しているが、この場合も同様であり、拡散スクリーン２３上で発生するスペックルが重ねられて平均化されるため、拡散スクリーン２３上で発生するスペックルは目立たなくなる。

本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

５ 像、６ 散乱板、７ 集光素子、２０ 投射装置、２１ 投射光学系、２２ プロジェクションレンズ、２３ 拡散スクリーン、３０ 光変調装置、４０ 照射装置、５０
光学素子、５５ ホログラム記録媒体、５８ ホログラム感光材料、６０ 照射装置、６１ レーザ光源、６２ 回転部材、６５ 光走査装置、６６ 光偏向部、６７ 反射部、６８ 屈折部

Claims (14)

1. 被照明領域を照明する照明装置であって、
   各位置に入射されたコヒーレント光を、前記被照明領域内の全域に対して拡散可能な光学素子と、
   コヒーレント光が前記光学素子の表面を走査するように、前記光学素子に前記コヒーレント光を照射する照射装置と、を備え、
   前記照射装置は、
   コヒーレント光を発光する光源と、
   前記光源から発光された前記コヒーレント光の進行方向を変化させて、該コヒーレント光を前記光学素子の表面上で走査させる光走査装置と、を有し、
   前記光走査装置は、回転軸の周りを回転自在な回転部材を有し、
   前記回転部材は、コヒーレント光が入射される径位置にて周方向に沿って配置される光偏向部を有し、
   前記光偏向部は、入射されたコヒーレント光の反射方向または屈折方向を前記回転部材の回転位置に応じて連続的または段階的に変化させ、
   前記光走査装置は、前記回転部材の回転によって、前記光偏向部にて反射または屈折されたコヒーレント光を前記光学素子上で走査させ、
   前記光学素子は、参照部材の像を再生するための干渉縞が記録されたホログラム記録媒体であることを特徴とする照明装置。
2. 前記光偏向部は、コヒーレント光が入射される径位置にて周方向に沿って配置される複数の反射部を有し、
   前記複数の反射部のそれぞれは、前記周方向の各位置での光の反射角度を複数通りに変化させることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記複数の反射部は、少なくとも前記周方向に沿って配置される複数の凹面鏡を有することを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 前記複数の反射部は、径方向に一列以上にわたって配置され、各列とも周方向に沿って複数個ずつ配置されることを特徴とする請求項２または３に記載の照明装置。
5. 前記光偏向部は、光が入射される径位置にて周方向に沿って配置される複数の屈折部を有し、
   前記複数の屈折部のそれぞれは、前記周方向の各位置での光の屈折角度を複数通りに変化させることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
6. 前記複数の屈折部は、少なくとも前記周方向に沿って配置される複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイであることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
7. 前記複数の屈折部は、径方向に一列以上にわたって配置され、各列とも周方向に沿って複数個ずつ配置されることを特徴とする請求項５または６に記載の照明装置。
8. 前記光偏向部は、入射されたコヒーレント光を線状に拡散させるとともに、前記回転部材の回転に応じて、前記線状に拡散されたコヒーレント光を当該拡散方向とは交差する方向に移動させる請求項１に記載の照明装置。
9. 前記光偏向部は、周方向に沿って連続的または断続的に高さが変化する凹凸面を有する請求項８に記載の照明装置。
10. 前記光偏向部は、径方向に沿って異方性拡散面を有する請求項８または９に記載の照明装置。
11. 前記光偏向部は、周方向および径方向に沿ってトーリック面を有する請求項８乃至１０のいずれかに記載の照明装置。
12. 前記光偏向部は、前記光学素子上を螺旋状に走査可能な形状を有する請求項１に記載の照明装置。
13. 前記光源から発光されたコヒーレント光を、前記回転部材上の所定の径位置に集光させる集光光学系を有することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の照明装置。
14. 前記被照明領域と重なる位置に配置され、請求項１乃至１３のいずれかに記載の照明装置によって照明されて、光変調画像を生成する空間光変調器と、
    前記光変調画像を投射部材上に投射する投射光学系と、を備えることを特徴とする投射装置。

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