JP6576937B2 - 照明装置及び表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明装置及びこれを用いる表示装置に関するものである。

例えば、照明光を面状に射出する照明装置が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に開示の照明装置は、入射光ビームをグレーティング又はホログラムによりそれぞれ１次元方向に拡大する２個のビーム拡大光学素子を備え、これら２個のビーム拡大光学素子により入射光ビームを順次異なる方向に拡大して射出させている。

特開平３−１９８０２３号公報

特許文献１は、単色の照明光を射出する照明装置を開示するもので、ここには複数色の照明光を射出する構成については言及されていない。ここで、特許文献１に開示の技術を応用して複数色の照明光を得る場合、異なる波長の照明光に対応させて、２個のビーム拡大光学素子の組合せを複数組用意することが想定される。

しかし、この場合、例えば赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光及び青色（Ｂ）光の３色の照明光を得ようとすると、６個のビーム拡大光学素子が必要になる。また、各組からの照明光を所定の射出領域に導くための反射ミラーやダイクロイックミラー等の光学素子も必要となる。そのため、特に照明光の射出方向からみた装置の奥行き寸法が大きくなって、照明装置の大型化を招くことになる。このことは、複数色のライン（帯）状の照明光を得る場合も同様である。また、照明光を用いる表示装置においても同様である。

したがって、かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、薄型化が可能な照明装置及びこれを用いる表示装置を提供することにある。

上記目的を達成する照明装置の発明は、
波長の異なる平面波の照明光を射出する複数の照明部が積層された積層照明部を備え、
前記照明部は、所定の波長の光を射出する光源と、該光源から射出される前記光を伝播する光導波路と、該光導波路を伝播する前記光を回折させて前記照明光として射出させるグレーティングと、を備え、
前記積層照明部は、波長の異なる前記照明光を同一方向に射出し、
前記積層照明部は、前記複数の照明部を、前記光の射出する方向に沿って順に、前記照明光の波長が長い側から短い側に順に積層してなり、
前記光導波路は、第１クラッドと、コアと、第２クラッドと、を備え、
前記照明部は、前記第１クラッドの上にコアが積層され、前記コアの上に前記グレーティングが積層され、前記グレーティングの上に前記第２クラッドが積層されており、
以下の条件式を満たす。

ただし、
第２クラッドの屈折率をＮｃ、
真空波数をｋ ₀ 、
前記照明部の外部へ放射される平面波の放射角度をθ _c 、
前記光導波路内を伝播する導波光の伝搬定数をβ ₀ 、
前記グレーティングの周期をΛ、
前記光導波路内を伝播する導波光の実効屈折率をＮ _eff 、
とする。

前記光導波路は、シングルモード光導波路からなるとよい。

前記光導波路は、スラブ型光導波路としてもよい。

前記グレーティングは、前記光導波路を伝播する前記光の伝播方向に沿って高さが高く
なるとよい。
前記照明光は、前記光導波路を伝搬する前記光の導波モードと放射モードとの結合によ
り、前記照明光として前記光導波路から射出されるとよい。

上記目的を達成する表示装置の発明は、
前記積層照明部を備える照明装置と、
該照明装置からの前記照明光の波長毎に表示光束の波面形状を形成するのに必要な変調量を算出する演算部と、
該演算部で演算された前記変調量に基づいて前記照明装置からの前記照明光を空間変調する空間光変調部と、
前記照明装置の前記積層照明部及び前記空間光変調部の駆動を制御する制御部と、を備え、
前記演算部は、表示画像に応じて前記照明光の波長毎に必要な変調量を算出し、
前記制御部は、前記表示画像に応じて前記照明光の波長毎に前記積層照明部の前記照明部と前記空間光変調部とを同期して駆動するものである。

上記目的を達成する表示装置の発明は、
前記積層照明部を備える照明装置と、
該照明装置からの前記照明光により画像を形成する表示部と、
該表示部に形成された画像を投影する投影光学部と、
前記照明装置の前記積層照明部及び前記表示部の駆動を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記照明光の波長毎に前記積層照明部の前記照明部と前記表示部とを同期して駆動するものである。

本発明によれば、薄型化が可能な照明装置及びこれを用いる表示装置を提供することが可能となる。

第１実施の形態に係る照明装置の概略構成を示す断面図である。 図１のグレーティングの形成例を説明する図である。 図１のグレーティングの形成例を説明する図である。 図１のグレーティングの形成例を説明する図である。 図１のグレーティングの形成例を説明する図である。 図１の照明部の機能を説明する図である。 第２実施の形態に係る照明装置の概略構成を示す断面図である。 スラブ型光導波路の基本構造を示す斜視図である。 図４の照明部をｚ方向から見た拡大概略図である。 図４の照明部をｘ方向から見た拡大概略図である。 第３実施の形態に係る照明装置の概略構成を示す断面図である。 図７の照明部をｚ方向から見た拡大概略図である。 図７の照明部をｘ方向から見た拡大概略図である。 第４実施の形態に係る照明装置のグレーティング高さを説明するための図である。 一定の高さのグレーティングを示す図である。 図９Ａ及び図９Ｂのグレーティングによる回折照明光の強度分布を示す図である。 第５実施の形態に係る表示装置の概略構成図である。 図１１の空間光変調部の概略断面図である。 図１１の空間光変調部の概略平面図である。 図１１の表示装置によるホログラム画像の再生メインルーチンを示す図である。 図１１の表示装置によるホログラム画像の再生サブルーチンを示す図である。 図１１の表示装置により再生しようとする画像の一例を示す図である。 図１１の空間光変調部に形成されたホログラムパターンの一例を示す図である。 図１１の空間光変調部から観察者の眼球への画像再生を説明する図である。 第６実施の形態に係る表示装置の概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。

（第１実施の形態）
図１は、第１実施の形態に係る照明装置の概略構成を示す断面図である。第１実施の形態に係る照明装置１０は、積層照明部２０を備える。積層照明部２０は、Ｒ光の平面波の照明光を射出する照明部２１Ｒと、Ｇ光の平面波の照明光を射出する照明部２１Ｇと、Ｂ光の平面波の照明光を射出する照明部２１Ｂとを備える。照明部２１Ｒ、２１Ｇ及び２１Ｂは、射出する照明光の波長が長い順に積層されて、ｚ方向の同一方向に照明光を射出する。したがって、図１では、照明部２１Ｒの照明光の射出側に照明部２１Ｇが積層され、照明部２１Ｇの照明光の射出側に照明部２１Ｂが積層されている。

照明部２１Ｒは、Ｒ光を射出する光源２２Ｒと、光源２２ＲからのＲ光をｙ方向に伝播する光導波路２３Ｒと、光導波路２３Ｒを伝播するＲ光を回折させてｙ方向に拡大された平面波の照明光として射出させるグレーティング２４Ｒと、を備える。光源２２Ｒは、例えば半導体レーザを有して構成され、光導波路２３Ｒの入射端に結合される。光導波路２３Ｒは、コア２５Ｒとクラッド２６Ｒとを有して構成される。コア２５Ｒは、Ｒ光の伝播方向（ｙ方向）と直交する方向（ｘ方向）の断面が、例えば円形、楕円形、矩形等の任意の形状に形成される。クラッド２６Ｒは、コア２５Ｒのｙ方向の両端を除く周囲で、少なくとも照明光の射出領域の上下に形成される。なお、図１は、積層照明部２０のｙｚ面の断面図を示している。

グレーティング２４Ｒは、平面波のＲ光をｚ方向に射出するように、光導波路２３Ｒの照明光の伝播路において、コア２５Ｒとクラッド２６Ｒとの界面又はコア２５Ｒ内にｙ方向に沿って形成される。グレーティング２４Ｒは、例えば、図２Ａに示すような矩形状の溝、図２Ｂに示すように鋸歯形状をした溝、図２Ｃに示すように波形状の溝、図２Ｄに示すように矩形状で屈折率の異なる溝で形成することができる。

照明部２１Ｇは、Ｇ光を射出する光源２２Ｇと、光源２２Ｇから射出されるＧ光をｙ方向に伝播するコア２５Ｇ及びクラッド２６Ｇを有する光導波路２３Ｇと、光導波路２３Ｇを伝播するＧ光を回折させてｙ方向に拡大された平面波の照明光として射出させるグレーティング２４Ｇとを備え、照明部２１Ｒと同様に構成される。照明部２１Ｂは、Ｂ光を射出する光源２２Ｂと、光源２２Ｂから射出されるＢ光をｙ方向に伝播するコア２５Ｂ及びクラッド２６Ｂを有する光導波路２３Ｂと、光導波路２３Ｂを伝播するＢ光を回折させてｙ方向に拡大された平面波の照明光として射出させるグレーティング２４Ｂとを備え、照明部２１Ｒと同様に構成される。図１においては、光導波路２３Ｒの上側のクラッド２６Ｒと光導波路２３Ｇの下側のクラッド２６Ｇ、及び、光導波路２３Ｇの上側のクラッド２６Ｇと光導波路２３Ｂの下側のクラッド２６Ｂは、それぞれ結合されている。

次に、照明部２１Ｒ、２１Ｇ及び２１Ｂの機能について、図３を参照して説明する。図３に示す照明部２１は、屈折率Ｎｓの下側のクラッド２６Ｄの上に、厚さＴ、屈折率Ｎｆのコア２５が積層され、その上に屈折率Ｎｇ、周期Λ、グレーティングファクタａ、高さｈｇのグレーティング２４が積層され、さらにその上に屈折率Ｎｃの上側のクラッド２６Ｕが積層されて構成されている。クラッド２６Ｄ、コア２５及びクラッド２６Ｕは、光導波路２３を構成する。

図３において、光導波路２３内に入射された光（波長λ）は、屈折率の異なるコア２５とクラッド２６Ｄ及びクラッド２６Ｕとの境界面で全反射を繰り返すことで閉じ込められて、光導波路２３内をある導波モードで伝播する。光導波路２３内を伝播する光は、周期Λのグレーティング２４が配置された部分で下記（１）式の条件を満たすと、導波モードと放射モードとの間の結合が起こる。これにより、光導波路２３内をｙ方向に伝搬定数β₀を持つ導波光が伝搬する場合、この導波光に付随してｙ方向の伝搬定数β_qをもつ空間高調波が発生する。このとき光導波路２３内を伝搬する光は、放射モードにより照明部２１の外部へ放射角度（θｃ）で平面波が帯状（１次元状）に放射される。

ただし、ｋ₀は真空波数、Ｎ_effは導波光の実効屈折率である。

ここで、光導波路２３内をｙ方向に伝播する導波光の伝播モードは、光導波路２３を構成するパラメータ条件（屈折率、厚さ、波長）によって、複数の伝搬定数が存在するマルチモード伝搬と、基本モードの１つの伝搬定数のみが存在するシングルモード伝搬とに分けることができる。

照明部２１から複数放射角度の平面波を射出させたい場合は、例えば、特定の伝搬モードに対して、（１）式のｑが１つに定まる周期Λのグレーティング２４を形成し、マルチモード光を伝搬させる。この場合は、各モードの伝搬光に付随して、放射モードにより光導波路２３の外部へ光が放射されるため、最終的に照明部２１から複数の放射角度の平面波を射出させることができる。あるいは、（１）式のｑが複数成立する周期Λのグレーティング２４を形成して、シングルモード光を伝搬させる。この場合は、伝搬光に付随して、ｑ次の放射モードにより光導波路２３の外部へ光が放射されるため、最終的に照明部２１から複数の放射角度の平面波を射出させることができる。

本実施の形態においては、照明部２１から特定の放射角度（θｃ）の平面波のみを出力させる。この場合は、特定の伝搬モードに対して、（１）式のｑが１つに定まる周期Λのグレーティング２４を形成して、シングルモード光を伝搬させる。このように構成すると、伝搬光に付随して、特定の放射モードにより光導波路２３の外部へ光が放射されるため、最終的に照明部２１から特定の放射角度の平面波のみを射出させることができる。

そのため、図１に示した照明装置１０においては、一例として、照明部２１Ｒ、２１Ｇ及び２１Ｂが以下に説明するように構成される。すなわち、照明部２１Ｒは、光源２２Ｒから射出されるＲ光の波長（λ_R）をλ_R＝６３２．８ｎｍ、コア２５Ｒの屈折率（Ｎｆ）及びグレーティング２４Ｒの屈折率（Ｎｇ）をＮｆ＝Ｎｇ＝１．５３１１、下側及び上側のクラッド２６Ｒの屈折率（Ｎｓ、Ｎｃ）をＮｓ＝Ｎｃ＝１．４５６７１、グレーティング２４Ｒの周期（Λ）をΛ＝３９４ｎｍとする。この場合、光導波路２３Ｒの実効屈折率Ｎ_effはＮ_eff＝１．５０４２８となり、照明光の放射角度（θｃ）はθｃ＝−４．０°となる。なお、グレーティングファクタａ及び高さｈｇは、ａ＝０．５、ｈｇ＝５０ｎｍである。また、放射角度θｃは、図３のｚ方向に対して右回りの角度を負としている。

また、照明部２１Ｇは、光源２２Ｇから射出されるＧ光の波長（λ_G）をλ_G＝５４６．０７４ｎｍ、コア２５Ｇの屈折率（Ｎｆ）及びグレーティング２４Ｇの屈折率（Ｎｇ）をＮｆ＝Ｎｇ＝１．５３５４、下側及び上側のクラッド２６Ｇの屈折率（Ｎｓ、Ｎｃ）をＮｓ＝Ｎｃ＝１．４６００８、グレーティング２４Ｇの周期（Λ）をΛ＝３３９ｎｍとする。この場合、光導波路２３Ｇの実効屈折率Ｎ_effはＮ_eff＝１．５０７８８となり、照明光の放射角度（θｃ）はθｃ＝−４．０°となる。なお、グレーティングファクタａ及び高さｈｇは、ａ＝０．５、ｈｇ＝５０ｎｍである。

また、照明部２１Ｂは、光源２２Ｂから射出されるＢ光の波長（λ_B）をλ_B＝４３５．８３４ｎｍ、コア２５Ｂの屈折率（Ｎｆ）及びグレーティング２４Ｂの屈折率（Ｎｇ）をＮｆ＝Ｎｇ＝１．５４４、下側及び上側のクラッド２６Ｂの屈折率（Ｎｓ、Ｎｃ）をＮｓ＝Ｎｃ＝１．４６６６９、グレーティング２４Ｂの周期（Λ）をΛ＝２６９ｎｍとする。この場合、光導波路２３Ｂの実効屈折率Ｎ_effはＮ_eff＝１．５１７となり、照明光の放射角度（θｃ）はθｃ＝−４．０°となる。なお、グレーティングファクタａ及び高さｈｇは、ａ＝０．５、ｈｇ＝５０ｎｍである。

なお、照明光の放射角度θｃは、０°であっても良いことはもちろんである。

これにより、図１において、照明部２１Ｒから放射されるＲ光は、照明部２１Ｇ及び２１Ｂを透過して射出される。また、照明部２１Ｇから放射されるＧ光は、照明部２１Ｂを透過してＲ光と同一方向に射出される。また、照明部２１Ｂから放射されるＢ光は、当該照明部２１Ｂを透過して射出されるＲ光及びＢ光と同一方向に射出される。なお、図１には、射出されるＲ光、Ｇ光及びＢ光の平面波のイメージを、それぞれ破線、一点鎖線及び二点鎖線で示している。

本実施の形態に係る照明装置１０によると、光源２２Ｒ、光導波路２３Ｒ及びグレーティング２４Ｒを有する照明部２１Ｒと、光源２２Ｇ、光導波路２３Ｇ及びグレーティング２４Ｇを有する照明部２１Ｇと、光源２２Ｂ、光導波路２３Ｂ及びグレーティング２４Ｂを有する照明部２１Ｂとが積層された積層照明部２０から、Ｒ光、Ｇ光及びＢ光の平面波の照明光を同一方向に帯状に射出させることができる。したがって、照明装置１０の薄型化・小型化が可能となる。

（第２実施の形態）
図４は、第２実施の形態に係る照明装置の概略構成を示す断面図である。本実施の形態に係る照明装置１１は、第１実施の形態に係る照明装置１０において、照明部２１Ｒ、２１Ｇ及び２１Ｂの光導波路２３Ｒ、２３Ｇ及び２３Ｂが、それぞれスラブ型光導波路３１Ｒ、３１Ｇ及び３１Ｂとして構成され、Ｒ光、Ｇ光及びＢ光の平面波の照明光を同一方向に面状（２次元状）に射出させるものである。

図５に示すように、スラブ型光導波路３１は、基本構造として、平板状のコア２５と、その両面に積層されたクラッド２６とを有する。図５において、導波光の伝播方向をｙ方向、コアの厚み方向をｚ方向、ｙ方向及びｚ方向と直交する方向をｘ方向とするとき、コア２５のｘ方向の両端面にはクラッドが形成されておらず、ｚ方向にはコア２５とクラッド２６との屈折率差が存在する。コア２５にｙ方向から導入された光は、コア２５とクラッド２６との屈折率差によりコア２５内に閉じ込められてｙ方向に伝播される。

図６Ａは図４の照明部２１Ｂをｚ方向から見た拡大概略図であり、図６Ｂはｘ方向から見た拡大概略図である。スラブ型光導波路３１Ｂは、一端から他端に向けて拡開するテーパ状光導波路３２Ｂと、テーパ状光導波路３２Ｂの拡開した他端に結合された矩形状光導波路３３Ｂとを備える。テーパ状光導波路３２Ｂ及び矩形状光導波路３３Ｂは、ｘｙ平面に延在するコア２５Ｂと、コア２５Ｂのｚ方向に対向する両面に形成されたクラッド２６Ｂとを有し、矩形状光導波路３３Ｂにグレーティング２４Ｂが形成されている。テーパ状光導波路３２Ｂ及び矩形状光導波路３３Ｂは、例えば一体に形成されて、テーパ状光導波路３２Ｂの一端に光源２２Ｂが結合される。

図６Ａ及び図６Ｂにおいて、光源２２Ｂから射出されたＢ光は、テーパ状光導波路３２Ｂにおいてｚ方向に閉じ込められてｙ方向に伝播される。また、光源２２Ｂから射出されたＢ光は、ｘ方向には球面波として広がって伝播されて面積が拡大される。また、グレーティング２４Ｂは、ｙｚ平面においては所定の形状（図では矩形）及び周期で形成され、ｘｙ平面においては導波光の球面波に合わせて球面状に形成される。

スラブ型光導波路３１Ｇを有する照明部２１Ｇ及びスラブ型光導波路３１Ｒを有する照明部２１Ｒも、図６Ａ及び図６Ｂに示した照明部２１Ｂと同様に構成される。その他の構成は、第１実施の形態と同様であるので説明を省略する。

本実施の形態に係る照明装置１１によると、光源２２Ｒ、スラブ型光導波路３１Ｒ及びグレーティング２４Ｒを有する照明部２１Ｒと、光源２２Ｇ、スラブ型光導波路３１Ｇ及びグレーティング２４Ｇを有する照明部２１Ｇと、光源２２Ｂ、スラブ型光導波路３１Ｂ及びグレーティング２４Ｂを有する照明部２１Ｂとが積層された積層照明部２０から、Ｒ光、Ｇ光及びＢ光の平面波の照明光を同一方向に面状に射出させることができる。したがって、複数色の照明光を大面積で射出する照明装置１１を薄型かつ小型に実現することが可能となる。

（第３実施の形態）
図７は、第３実施の形態に係る照明装置の概略構成を示す断面図である。本実施の形態に係る照明装置１２は、第２実施の形態に係る照明装置１１において、照明部２１Ｒ、２１Ｇ及び２１Ｂのスラブ型光導波路３１Ｒ、３１Ｇ及び３１Ｂを構成するテーパ状光導波路３２Ｒ、３２Ｇ及び３２Ｂに、それぞれ変換グレーティング３４Ｒ、３４Ｇ及び３４Ｂが形成されている。

図８Ａは図７の照明部２１Ｂをｚ方向から見た拡大概略図であり、図８Ｂはｘ方向から見た拡大概略図である。変換グレーティング３４Ｂは、テーパ状光導波路３２ＢにおけるＢ光の伝播路の任意の位置に形成されて、テーパ状光導波路３２Ｂを伝播するＢ光をｘｙ平面において球面波から平面波に変換する。また、グレーティング２４Ｂは、ｙｚ平面においては所定の形状（図では矩形）及び周期で形成され、ｘｙ平面においては導波光の平面波に合わせて直線状に形成される。

照明部２１Ｇの変換グレーティング３４Ｇ及びグレーティング２４Ｇ、並びに照明部２１Ｒの変換グレーティング３４Ｒ及びグレーティング２４Ｒも、照明部２１Ｂの変換グレーティング３４Ｂ及びグレーティング２４Ｂと同様に構成される。その他の構成は、第２実施の形態と同様であるので説明を省略する。

本実施の形態に係る照明装置１２においても、第２実施の形態に係る照明装置１１と同様に、積層照明部２０から、Ｒ光、Ｇ光及びＢ光の平面波の照明光を同一方向に面状に射出させることができる。したがって、複数色の照明光を大面積で射出する照明装置１２を薄型かつ小型に実現することが可能となる。

（第４実施の形態）
図９Ａは、第４実施の形態に係る照明装置を説明するための図である。本実施の形態では、第１実施の形態〜第３実施の形態に係る照明装置において、照明部２１Ｂのグレーティング２４Ｂの高さｈｇを、導波光の伝播方向（ｙ方向）におけるグレーティング長さＬが長くなるのに従って高くする。

すなわち、図９Ｂに示すように、グレーティング２４Ｂの高さｈｇがグレーティング長さＬに亘って一定の場合、グレーティング２４Ｂで回折されて照明部２１Ｂから射出される照明光の強度は、導波光の伝播方向におけるグレーティング長さＬが長くなるに従って、図１０に実線で示すように指数関数的に減衰する。そこで、本実施の形態では、図１０に破線で示すように、グレーティング長さＬに亘って回折される照明光の強度がほぼ一定となるように、図９Ａに示すように、グレーティング２４Ｂの高さｈｇを、グレーティング長さＬが長くなるのに従って高くする。照明部２１Ｇ及び２１Ｒのグレーティング２４Ｇ及び２４Ｒについても、同様である。その他の構成は、上記の対応する実施の形態と同様である。

したがって、第１実施の形態の構成に適用した場合は、Ｒ光、Ｇ光及びＢ光の平面波の照明光を、ほぼ一定の強度でより長い帯状に射出させることが可能となる。また、第２実施の形態や第３実施の形態の構成に適用した場合は、Ｒ光、Ｇ光及びＢ光の平面波の照明光を、ほぼ一定の強度でより伝播方向に長い面状の大面積で射出させることができる。

また、上述したように、積層照明部２０は、射出する照明光の波長が長い順に、すなわち最下層から順に照明部２１Ｒ、２１Ｇ及び２１Ｂが積層されて構成されている。したがって、グレーティング２４Ｒ、２４Ｇ及び２４Ｂの高さｈｇを、グレーティング長さＬが長くなるのに従って高くしても、下層の照明部から射出された照明光が上層の照明部を透過する際に不要次数の回折光が発生するのを防止することができる。

（第５実施の形態）
図１１は、第５実施の形態に係る表示装置の概略構成図である。図１１に示す表示装置１００は、ホログラフィック表示装置を構成するもので、照明装置１０１、空間光変調部１０２、照明駆動部１０３、光変調駆動部１０４、演算部１０５及び制御部１０６を備える。照明装置１０１、空間光変調部１０２、照明駆動部１０３、光変調駆動部１０４、演算部１０５及び制御部１０６は、照明装置１０１及び空間光変調部１０２が相対位置を固定されて、例えば単一の筐体に配置される。

本実施の形態に係る表示装置１００は、計算機ホログラム技術を用いて対象物の光波面を再生することにより観察されるホログラム画像を対象としている。対象物とは、演算部１０５に入力される仮想物体である。ホログラム画像を再生するとは、対象物が存在した場合に形成される光波面を形成することであり、これによって対象物の像が観察者の眼球１０７の網膜上に形成され、対象物の虚像を観察することができる。ホログラム画像は、表示すべき対象物の虚像を遠方、特に無限遠に配置した２次元画像として表示することに限定されるものではなく、３次元画像として表示されてもよい。

照明装置１０１は、第２〜４実施の形態で説明した照明装置からなり、Ｒ光、Ｇ光及びＢ光の平面波の照明光を同一方向に面状に射出可能な積層照明部１０７を備える。積層照明部１０８は、照明駆動部１０３により駆動される。

空間光変調部１０２は、積層照明部１０８からの平面波の照明光を透過又は反射させて、光波面の振幅、位相、偏光等を電子的に制御する。空間光変調部１０２は、例えば図１２Ａに概略断面図を、図１２Ｂに概略平面図を示すように、２次元アレイ状に配列された多数の光変調要素素子１０２ａを有する。なお、図１２Ａ及び図１２Ｂでは、光変調要素素子１０２ａを白黒の矩形のドットで示している。空間光変調部１０２は、例えば液晶を用いて位相変調を行う透過型ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等で構成され、光変調駆動部１０４により駆動される。これにより、空間光変調部１０２は、積層照明部１０８からの平面波の照明光を透過させて、平面波の空間位相分布が変調された表示光束を生成する。

演算部１０５は、空間光変調部１０２の各光変調要素素子１０２ａの位相変調量を数値化したデータであるホログラムデータを計算する。ホログラムデータとは、実空間においてホログラムパターンを形成するために空間光変調部１０２の光変調要素素子１０２ａごとに数値化したデータであり、例えば実空間の空間光変調部１０２に対する複素振幅分布として与えられる。すなわち、各光変調要素素子１０２ａと、ホログラムデータの最小単位（個々の変調量データ）とは、１対１で対応している。一方、ホログラムパターンとは、空間光変調部１０２に形成される光変調量に対応した物理量の２次元的分布であり、例えば屈折率変化により光位相量を変調する空間光変調部１０２では屈折率分布である。なお、ホログラムデータは、例えばＧｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎ反復計算法（以下、ＧＳ法と称する）を用いて算出することができる（例えば、特開２００４−１８４６０９号公報参照）。

制御部１０６は、照明駆動部１０３、光変調駆動部１０４及び演算部１０５に接続される。制御部１０６は、演算部１０５から出力されるホログラムデータに基づいて、光変調駆動部１０４を介して空間光変調部１０２を駆動する。これにより、空間光変調部１０２は、ホログラムパターンを形成する。また、制御部１０６は、空間光変調部１０２に形成するホログラムパターンの書き換えに同期して、照明駆動部１０３を介して積層照明部１０８のＲ光、Ｇ光及びＢ光の各光源を順次駆動する。これにより、積層照明部１０８からＲ光、Ｇ光及びＢ光の平面波の照明光が色順次で射出されて、空間光変調部１０２に参照光として入射される。

以下、本実施の形態に係る表示装置１００の動作について、図１３Ａ，図１３Ｂ、図１４Ａ、図１４Ｂ及び図１５を参照して説明する。

図１３Ａはホログラム画像の再生メインルーチンを示す図であり、図１３Ｂは再生サブルーチンを示す図である。図１４Ａ及び図１４Ｂは、ホログラムデータの算出方法を説明する図である。図１３Ａに示すように、先ず、制御部１０６は、ステップＳ１０において、再生しようとする画像のデータを演算部１０５に入力する。

図１４Ａは、再生しようとする画像の一例を示している。画像は、外部から入力されるものに限らず、演算部１０５で生成されても良い。また、画像は２次元平面上の対象物のデータであっても良く、立体的な対象物のデータであっても良い。

次に、制御部１０６は、ステップＳ２０において、カラー表示のために対応波長λ（ｉ）を選択する。ここでは、説明の便宜上、ｉ＝０、１、２とし、λ（０）はＲ光、λ（１）はＧ光、λ（２）はＢ光とする。なお、対応波長の順序は、これに限定されるものではない。その後、制御部１０６は、ステップＳ３０において、対応波長λ（ｉ）のホログラム画像の再生サブルーチンへ移行する。

再生サブルーチンでは、図１３Ｂに示すように、先ず、制御部１０６は、ステップＳ３１において、演算部１０５により対応波長λ（ｉ）のホログラムデータを算出させる。ホログラムデータは、空間光変調部１０２が対応波長λ（ｉ）と同じ波長の平面波による参照光が照射された場合に、回折により無限遠に配置された画像が形成する光波面とほぼ同じ光波面を形成するように、参照光の波面を変調する変調量のデータとして計算される。ホログラムデータは、例えば、高速フーリエ変換を用いたＧＳ法によって導出する。

次に、制御部１０６は、ステップＳ３２において、演算部１０５が算出したホログラムデータに基づいて光変調駆動部１０４を介して空間光変調部１０２にホログラムパターンを形成する。すなわち、制御部１０６は、光変調駆動部１０４を介して各光変調要素素子１０２ａを制御して位相変調量の２次元分布を形成する。これにより、空間光変調部１０２には、演算部１０５で算出されたホログラムデータに基づくパターンが形成される。

図１４Ｂは、空間光変調部１０２に形成されたホログラムパターンの一例を示している。なお、図１４Ｂにおいて、ホログラムデータの白黒の矩形状の点の一つは、ホログラムデータの最小単位のデータであり、実空間の光変調要素素子１０２ａの位相変調量に対応する。ホログラムデータは、必ずしも図１４Ｂに示されるような白黒の２値である必要はなく、例えば多くの値をとっても良い。

その後、制御部１０６は、ステップＳ３３において、照明駆動部１０３を介して積層照明部１０８の対応波長λ（ｉ）の照明部の光源を駆動して、積層照明部１０８から対応波長λ（ｉ）の平面波による参照光を射出させる。これにより、空間光変調部１０２には、対応波長λ（ｉ）の平面波による参照光が照射される。

図１５は、空間光変調部１０２から観察者の眼球１０７への画像再生を説明する図である。空間光変調部１０２に形成されるホログラムパターンは、演算部１０５により無限遠に配置された仮想の画像が形成すると推定される光波面を生成するように算出されたものである。したがって、空間光変調部１０２に平面波の参照光が照射されると、変調されて透過した表示光束は、画像の無限遠虚像を形成する。つまり、画像の任意の一点は、空間光変調部１０２に対して所定の角度を有する平行光束として射出される。射出された平行光束は眼球１０７の水晶体１０７ａ等の屈折作用により網膜上に集光されることで点像を形成する。このとき、空間光変調部１０２から射出される光束の角度は、観察者が点像を見込む角度と等しくなる。空間光変調部１０２からは、角度の異なる複数の平行光束が同時に射出されるため網膜上に画像が形成される。

図１３Ａに示すように、制御部１０６は、ステップＳ４０においてステップＳ３０の処理を、ステップＳ５０においてｉをインクリメントしながらｉ＝２となるまで繰り返す。これにより、空間光変調部１０２には、Ｒ、Ｇ、Ｂに対応するホログラムパターンが色順次で形成されて、対応する色の参照光が照射される。また、制御部１０６は、ステップＳ６０において画像投影が終了するまで、ステップＳ１０〜６０の処理を繰り返す。

以上により、観察者の網膜上に画像が無限遠に位置する虚像として表示される。したがって、再生する画像を固定してステップＳ１０〜ステップＳ６０を繰り返せば、静止画像をカラー表示することが可能となり、再生する画像を順次変化させながらステップＳ１０〜ステップＳ６０を繰り返せば、動画像をカラー表示することが可能となる。

本実施の形態に係る表示装置１００によると、画像の光波面が再生したカラーのホログラム画像の静止画又は動画を観察することが可能になる。また、表示装置１００は、第２〜４実施の形態で説明した構成の積層照明部１０８を用いて、Ｒ光、Ｇ光及びＢ光の平面波の照明光を射出させるので、積層照明部１０８の薄型化・小型化により、装置全体の薄型化・小型化が可能となる。

（第６実施の形態）
図１６は、第６実施の形態に係る表示装置の概略構成図である。図１６に示す表示装置１１０は、投射型表示装置を構成するもので、照明装置１１１、第１の光拡散デバイス１１２、ロッドインテグレータ１１３、第２の光拡散デバイス１１４、コンデンサレンズ１１５、フィールドレンズ１１６、反射型表示デバイス１１７、投影レンズ１１８、照明駆動部１１９及び制御部１２０を備える。

照明装置１１１は、第２〜４実施の形態で説明した照明装置からなり、Ｒ光、Ｇ光及びＢ光の平面波の照明光を同一方向に面状に射出可能な積層照明部１２１を備える。積層照明部１２１は、制御部１２０により照明駆動部１１９を介して駆動されて、Ｒ光、Ｇ光及びＢ光の平面波の照明光を色順次で射出する。

積層照明部１２１から射出された照明光は、第１の光拡散デバイス１１２によって拡散されてロッドインテグレータ１１３に入射される。ロッドインテグレータ１１３に入射された照明光は、ロッドインテグレータ１１３の内部で繰り返し反射しながら伝播されてロッドインテグレータ１１３から射出され、更に第２の光拡散デバイス１１４によって拡散される。本実施の形態において、第１の光拡散デバイス１１２及び第２の光拡散デバイス１１４には、超音波モータ１２２及び１２３が固定されている。超音波モータ１２２及び１２３は、制御部１０９により双方又は一方が駆動されることによって、第１の光拡散デバイス１１２と第２の光拡散デバイス１１４との両方又は一方を光軸に対して垂直方向に微振動させることが可能になっている。

第２の光拡散デバイス１１４により拡散された照明光は、コンデンサレンズ１１５及びフィールドレンズ１１６を経て反射型表示デバイス１１７に照射される。反射型表示デバイス１１７は、例えばＤＭＤ（Digital Micromirror Device）で構成され、制御部１２０により駆動が制御される。ＤＭＤは、微小な多数のミラーを備え、制御部１２０により映像信号に基づいて各々のミラーの角度が制御されることにより照明光を変調する。

反射型表示デバイス１１７に照射された照明光は、当該反射型表示デバイス１１７によって映像信号に応じて変調される。反射型表示デバイス１１７による変調光は、フィールドレンズ４３を経て投影レンズ１１８によりスクリーン１２４に拡大投影される。なお、反射型表示デバイス１１７の光束入射面の位置は、ロッドインテグレータ１１３の射出面の位置及びスクリーン１２４の投射面の位置と共役な関係にある。

本実施の形態に係る表示装置１１０は、映像信号に応じて制御部１２０により照明駆動部１１９を介して積層照明部１２１を制御するとともに、反射型表示デバイス１１７を制御する。これにより、表示装置１１０は、色順次方式によるカラー表示を行うことが可能となる。また、表示装置１１０は、制御部１２０により超音波モータ１２２及び１２３を制御することにより、第１の光拡散デバイス１１２及び第２の光拡散デバイス１１４の両方又は一方を光軸に対して垂直方向に微振動させることが可能である。これにより、第１の光拡散デバイス１１２及び第２の光拡散デバイス１１４による光束拡散作用に加え、第１の光拡散デバイス１１２及び第２の光拡散デバイス１１４の両方又は一方の変動によって、スペックルパターンを変化、重畳させることができるので、スペックルをほぼ完全に除去することができる。したがって、観察者にとって不快なスペックルをほぼ完全に除去した像をスクリーン１２４に投影することができる。また、表示装置１１０は、第２〜４実施の形態で説明した構成の積層照明部１２１を用いて、Ｒ光、Ｇ光及びＢ光の平面波の照明光を射出させるので、積層照明部１２１の薄型化・小型化により、装置全体の薄型化・小型化が可能となる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、第１〜４実施の形態において、積層照明部を構成する複数の照明部からの照明光の射出方向は、同一方向に限らず、照明部ごとに任意の方向としてもよい。また、複数の照明部の積層順序は、各照明部のグレーティングの高さが一定であれば、任意の順序で積層してもよい。さらに、複数の照明部は、Ｒ光、Ｇ光及びＢ光の３つに限らず、任意の２色以上とすることが可能である。

１０、１１、１２ 表示装置
２０ 積層照明部
２１、２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ 照明部
２２、２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ 光源
２３、２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂ 光導波路
２４、２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂ グレーティング
３１、３１Ｒ、３１Ｇ、３１Ｂ スラブ型光導波路
３４Ｒ、３４Ｇ、３４Ｂ 変換グレーティング
１００、１１０ 表示装置
１０１、１１１ 照明装置
１０２ 空間光変調部
１０３、１１９ 照明駆動部
１０４ 光変調駆動部
１０５ 演算部
１０６、１２０ 制御部
１０８、１２１ 積層照明部
１１７ 反射型表示デバイス
１１８ 投影レンズ
１２４ スクリーン

Claims (7)

1. 波長の異なる平面波の照明光を射出する複数の照明部が積層された積層照明部を備え、
   前記照明部は、所定の波長の光を射出する光源と、該光源から射出される前記光を伝播する光導波路と、該光導波路を伝播する前記光を回折させて前記照明光として射出させるグレーティングと、を備え、
   前記積層照明部は、波長の異なる前記照明光を同一方向に射出し、
   前記積層照明部は、前記複数の照明部を、前記光の射出する方向に沿って順に、前記照明光の波長が長い側から短い側に順に積層してなり、
   前記光導波路は、第１クラッドと、コアと、第２クラッドと、を備え、
   前記照明部は、前記第１クラッドの上にコアが積層され、前記コアの上に前記グレーティングが積層され、前記グレーティングの上に前記第２クラッドが積層されており、
   以下の条件式を満たす照明装置。
   

   

   ただし、
   第２クラッドの屈折率をＮｃ、
   真空波数をｋ ₀ 、
   前記照明部の外部へ放射される平面波の放射角度をθ _c 、
   前記光導波路内を伝播する導波光の伝搬定数をβ ₀ 、
   前記グレーティングの周期をΛ、
   前記光導波路内を伝播する導波光の実効屈折率をＮ _eff 、
   とする。
2. 前記光導波路は、シングルモード光導波路からなる、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記光導波路は、スラブ型光導波路からなる、請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 前記グレーティングは、前記光導波路を伝播する前記光の伝播方向に沿って高さが高くなる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明装置。
5. 前記照明光は、前記光導波路を伝搬する前記光の導波モードと放射モードとの結合により、前記照明光として前記光導波路から射出される
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の照明装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の照明装置と、
   該照明装置からの前記照明光の波長毎に表示光束の波面形状を形成するのに必要な変調量を算出する演算部と、
   該演算部で演算された前記変調量に基づいて前記照明装置からの前記照明光を空間変調する空間光変調部と、
   前記照明装置の前記積層照明部及び前記空間光変調部の駆動を制御する制御部と、を備え、
   前記演算部は、表示画像に応じて前記照明光の波長毎に必要な変調量を算出し、
   前記制御部は、前記表示画像に応じて前記照明光の波長毎に前記積層照明部の前記照明部と前記空間光変調部とを同期して駆動する、
   表示装置。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の照明装置と、
   該照明装置からの前記照明光により画像を形成する表示部と、
   該表示部に形成された画像を投影する投影光学部と、
   前記照明装置の前記積層照明部及び前記表示部の駆動を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記照明光の波長毎に前記積層照明部の前記照明部と前記表示部とを同期して駆動する、
   表示装置。

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