JP6681183B2 - 画像投映装置およびプラネタリウム - Google Patents

Description

本発明は，スクリーンに対して画像を投映する画像投映装置，およびそれを用いたプラネタリウムに関する。さらに詳細には，レーザー光を用い，そのレーザー光に基づいて回折現象により画像を生成し投映する画像投映装置およびプラネタリウムに関するものである。

従来から，回折光学素子によりレーザー光を回折させることで投映像を形成する画像投映装置が，プラネタリウム等に使用されている。この種の画像投映装置では，図１に示すような回折光学素子１を使用する。回折光学素子１は，２次元の凹凸パターンが形成された平板状の部材である。図１では凹凸を単純に交互に配置した市松状のパターンが示されているが，これは一例であり，実際の凹凸の配置パターンは任意である。回折光学素子１にコヒーレントなレーザー光（入射光）を入射させると，その裏面側には直接透過光である（０，０）次光の他に，ブラッグの法則に従って各次の回折光が得られる。ただし回折次数によっては，消滅則により回折光が現れないことがある。消滅しない回折次数のレーザー光はスクリーン上で明点をなし，消滅する次数についてはそのレーザー光が向かうはずの角度位置はスクリーン上で暗点となる。具体的にどの次数で回折光が現れどの次数で回折光が消滅するかは，凹凸パターンをフーリエ変換した結果による。すなわち凹凸パターン次第である。

そこで，目的とする絵柄を表す点に該当する次数の回折光が現れ，そうでない次数の回折光が消滅するようにする。例えば図２のような絵柄を回折光学素子１で表す場合を考える。図２のＡ部分を拡大して図３に示すように，絵柄は個々の座標点で構成されている。これら個々の座標点が，消滅しない回折光による明点（スポット）で表現される。つまり図３中の各座標点はそれぞれ，２次元の次数（ｍ，ｎ）を持っている（図４参照）。図３中で下地となっている部分に存在する筈の座標点は，凹凸パターンの消滅則により消滅して暗点となる次数に相当するものである。そして，当該絵柄を構成する全座標点が回折光として現れ，下地に相当する全座標点が消滅するような凹凸パターンをコンピューター演算で算出して，その凹凸パターンを再現した回折光学素子１を作製するのである（図５参照）。図５の回折光学素子１にレーザー光を入射させることで，図２のような絵柄を投映することができる。これを世上，ＣＧＨ（Computer Generated Hologram）と呼んでいる。つまり図２の絵柄は，回折光によるスポット群の形状として規定されている。

このような回折光学素子を用いた従来技術として，特許文献１に記載のものが挙げられる。同文献の技術は，鑑賞のための画像の投映ではなく加工対象物へのレーザー光の照射を目的とするものであるが，その図２中に「６３３」で示されるものが回折光学素子である（同文献中の［００２３］参照）。同文献の技術ではその図２に示されるように，回折光学素子６３３を通過したレーザー光を２つのプリズム６３５，６３６に通している。そして，２つのプリズム６３５，６３６間の間隔ｓの隙間をレーザー光が横切ることで，直接透過光（０次光）が反射され回折光（１次光）のみが被加工物Ｗへ向かうようにしている。このため，プリズム６３６におけるプリズム６３５と対向する面６３６ａに角度分離コーティングを施している（同文献の［００２５］参照）。

別の従来技術として，特許文献２に記載のものが挙げられる。同文献の技術は，距離計測のために計測対象物にパターンを投光するものであるが，その図１中に「４」で示されるものが回折光学素子である（同文献中の［００１２］参照）。同文献の技術ではその図２に示されるように，回折光学素子として多段のものを用いている。また，同文献の図８の（ｂ）では，０次光を避けた位置関係での配置を開示している（同文献の［００１９］参照）。

特開２０１３−０１３９１２号公報 特開２０１３−１９０３９４号公報

しかしながら前記した従来の技術には，次のような問題点があった。回折光学素子１による投映画像には図６に示すように，目的とする絵柄である直接像２の他に，０次光の像３と，共役像４とが含まれてしまう。０次光とは図１に示した（０，０）次の光のことである。また，図１中の（１，０）次や（０，１）次の光に対して，（−１，０）次や（０，−１）次の光を共役回折光という。回折光学素子１が，（１，０）次や（０，１）次の光により直接像２が構成されるように作られたものである場合に，共役回折光による共役像４も合わせて形成されることとなる。共役像４は，０次光の像３の位置を中心として直接像２を１８０°回転させた位置に形成される。０次光，共役像４ともに，図７のように投映装置１０とスクリーン１１との間に遮蔽板１２を置いて除去することも考えられるが，投映装置の大型化を招く。図８に示すように出射後の各レーザー光の光路は距離Ｄ以内では重なっているため，遮蔽板を距離Ｄ以遠に置く必要があるからである。

まず０次光については，これを絵柄の一部として用いることは適切でない。０次光は直接透過光であるため回折光よりも著しく高強度だからである。前述の特許文献１の技術は０次光を排除しようとする技術であるが，そのために角度分離コーティングを用いている。これは，薄膜による光の干渉が角度依存性を持つことを利用したものであるが，薄膜の膜厚精度が悪いと０次光を完全には消し切れない。画像鑑賞用として使用に耐えうる程度に０次光を消すためには，著しく高い膜厚精度を要し，現実的でない。

次に共役像４については，特許文献１の技術では排除できない。直接像２と共役像４との全体で１つと認識されるような絵柄とすることも考えられるが，それでは０次光の像３の位置を中心とする点対称な絵柄に限定されてしまう。一方，特許文献２のように多段の回折光学素子を用いる前提であるなら，直接像２が残り共役像４が消えてしまうような凹凸パターンを前記演算により設計することが可能であるが，これにも工作精度の問題がある。使用するレーザー光の波長に匹敵する段差の中に多段のパターンを形成しなければならないからである。このため，通常の加工技術で作製した多段の回折光学素子では，共役像４が完全には消えずにうっすらながら残ってしまう。プラネタリウムのように背景が暗い場合にはそれでもはっきりと共役像４の存在が分かってしまう。なお，特許文献２の技術は０次光の除去に対してはもちろん無力である。

本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，レーザー光の回折を用いつつ，簡素な構成で０次光，共役像を排除して本来目的とする直接像のみをスクリーンに投映できる画像投映装置およびプラネタリウムを提供することにある。

本発明の一態様における画像投映装置は，レーザー光を出力するレーザー光源と，レーザー光源から出力されたレーザー光（以下，原レーザー光という）の光路上に設けられ，レーザー光の回折に基づく回折光を生成する回折光学素子とを有し，回折光によるスポット群の形状として規定される回折像をスクリーン上に投映する装置であって，原レーザー光の光路上に配置され，いずれも平面である入射面および出射面を有し，出射面より先方の領域よりも高い屈折率を有し，レーザー光に対して透明である透明部材を有し，透明部材は，出射面に回折光学素子が形成されているとともに，原レーザー光が回折光学素子に対して斜めに入射するように配置されているものであり，回折光学素子は，回折像を，入射したレーザー光の０次光と重ならず，また共役像の占める領域とも重ならない領域内に生成させるものであり，スクリーンに対して，０次光と共役像を構成する回折光とをいずれも実質的に排除しつつ，回折像を構成する回折光を照射する方位に配置されているものである。

上記態様における画像投映装置では，原レーザー光は，透明部材の内部を通ってその出射面の回折光学素子に入射される。そこで生じる回折光が，出射面より先方の領域への投映像を構成することとなる。ここにおいて，出射面の内外には屈折率差があり，また，出射面の回折光学素子への原レーザー光の入射が傾斜している。このため，原レーザー光に基づく０次光は，出射面から先方の領域へは出射されないか，または，出射面から先方の領域へ出射されるレーザー光全体の中で偏った方向に出射される。そして，回折光学素子が配置されている方位により，出射面から先方の領域へ出射されるレーザー光の少なくとも大部分が，目的とする回折像を構成する回折光で占められることとなる。これにより，０次光や共役像の影響を排除または極力軽減した，良好な画像の投映がなされる。この画像投映装置における回折光学素子は，レーザー光の垂直入射を受けた場合の回折像の占める領域が，レーザー光の垂直入射を受けた場合の０次光の位置よりも，出射面の最大傾斜方向に対して低い側に位置する方位に配置されていることになる。

上記において，出射面にて，原レーザー光についての全反射条件が成立しており，回折光学素子が，全反射条件下でも前記透明部材から光が出射可能な領域内に，回折像を構成する回折光をすべて含み，かつ前記共役像を構成する回折光を含まない方位に配置されていることが望ましい。これにより，出射面から先方の領域へ出射されるレーザー光から，０次光や，共役像を構成する回折光を完全に排除することができる。

また，透明部材は，入射面と出射面とが非平行なものであることが望ましい。これにより，原レーザー光の入射面への入射が垂直であっても，原レーザー光の出射面への入射を斜め入射とすることができる。例えば，透明部材として三角柱プリズムを用いることでこれを実現できる。また，上記態様においては，回折光学素子の段数は，最少の２段で十分である。

また，本発明の別の態様におけるプラネタリウムは，ドームスクリーンと，ドームスクリーンに画像を投映する第１画像投映装置および第２画像投映装置とを有し，第２画像投映装置は，前述のいずれかの態様の画像投映装置であり，第１画像投映装置からの画像と，第２画像投映装置からの回折像とがドームスクリーンに重ねて投映されるように構成されているものである。

本構成によれば，レーザー光の回折を用いつつ，簡素な構成で０次光，共役像を排除して本来目的とする直接像のみをスクリーンに投映できる画像投映装置およびプラネタリウムが提供されている。

回折光学素子の原理を示す斜視図である。 回折光学素子により投映される絵柄の一例を示す正面図である。 図２の一部の拡大図である。 投映される絵柄と座標点との関係を示す模式図である。 実際の回折光学素子の例を示す斜視図である。 投映画像における直接像，０次光の像，共役像の現れ方の例を示す模式図（その１）である。 ０次光の像および共役像を遮蔽板により除去する様子を示す斜視図である。 出射後の各レーザー光の光路を示す模式図である。 実施の形態に係る画像投映装置の断面図である。 実施の形態の投映装置における透明部材を示す断面図である。 実施の形態における回折光学素子の箇所でのレーザー光の状況を説明する模式図（その１）である。 実施の形態における回折光学素子の箇所でのレーザー光の状況を説明する模式図（その２）である。 全反射条件の場合に直接像，０次光の像，共役像の現れ方が満たすべき条件を示す模式図である。 全反射条件の場合に透明部材から出射可能な光の角度範囲を示す斜視模式図である。 投映画像における直接像，０次光の像，共役像の現れ方の例を示す模式図（その２）である。 投映画像における直接像，０次光の像，共役像の現れ方の例を示す模式図（その３）図である。 図１６の投映画像における直接像および共役像の領域を説明する模式図である。 透明部材の出射面における回折光学素子の配置例を示す斜視図（その１）である。 斜め入射による画像の歪みを説明する模式図（その１）である。 原画に逆歪みを掛けた画像の例を示す模式図である。 透明部材の出射面における回折光学素子の配置例を示す斜視図（その２）である。 斜め入射による画像の歪みを説明する模式図（その２）である。 画像形成装置の構成例（実施例１）を示す断面図である。 画像形成装置の構成例（実施例２）を示す断面図である。 実施例２の変形例を示す断面図である。 画像形成装置の構成例（実施例３）を示す断面図である。 実施の形態に係る画像投映装置を利用するプラネタリウム投映装置の正面図である。 実施の形態に係る画像投映装置を利用するプラネタリウムの斜視図である。

以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態に係る画像投映装置５は，図９に示すように構成されている。図９の画像投映装置５は，レーザー光源６と，透明部材７とを有している。画像投映装置５では，レーザー光源６から発射された原レーザー光Ｌが透明部材７に入射するようになっている。そして透明部材７から，投映レーザー光Ｐが発射されるようになっている。透明部材７はむろん，原レーザー光Ｌに対して透明な素材で形成されている。さらに透明部材７の素材は，その先の投映空間の媒体，すなわち空気の屈折率より高い屈折率を有している。画像投映装置５は当然，透明部材７から見て投映レーザー光Ｐが進んでいく先方（図９では上方）に何らかのスクリーンを置いた状態で使用される。そのスクリーン上に前述のスポット群である画像が投映される。

透明部材７についてさらに説明する。図１０に示すように透明部材７は，入射面８と出射面９とを有している。入射面８および出射面９はいずれも平面である。ただし出射面９には，図１や図５で説明した凹凸パターンが形成されている。すなわち出射面９が回折光学素子１をなしている。また，入射面８と出射面９とは非平行とされている。そして，レーザー光源６から発射された原レーザー光Ｌは，入射面８から，透明部材７の内部に進入するようになっている。このため，透明部材７の内部を進行した原レーザー光Ｌは，出射面９上の回折光学素子１に対し，内部側から斜め方向に照射されることとなる。

このため出射面９（回折光学素子１）においては，レーザー光の反射，屈折，回折といった現象が同時に起こることとなる。このことを図１１，図１２により説明する。図１１に示されるように出射面９では，原レーザー光Ｌに基づき，反射レーザー光ＬＲ，反射側回折レーザー光ＬＡ，透過レーザー光ＬＰ，および透過側回折レーザー光Ｌ１，Ｌ２が発生する。このうち反射レーザー光ＬＲおよび反射側回折レーザー光ＬＡは，透明部材７の出射面９から出射されない。透過レーザー光ＬＰおよび透過側回折レーザー光Ｌ１，Ｌ２が，透明部材７から出射されることとなる。透過レーザー光ＬＰが前述の０次光に相当し，透過側回折レーザー光Ｌ１，Ｌ２が前述の直接像２，共役像４を構成する回折光に相当する。

ここで，反射レーザー光ＬＲが原レーザー光Ｌに対して出射面９による正反射方向に向かうのと異なり，透過レーザー光ＬＰは，原レーザー光Ｌの方向に対して屈折した方向へ向かう。透明部材７と空気との屈折率差に基づくスネルの法則による。このため透過レーザー光ＬＰは，原レーザー光Ｌよりも，出射面９に対して浅い角度で進行していく。また，このことに伴い，透過側回折レーザー光Ｌ１，Ｌ２のうち透過側回折レーザー光Ｌ２は，透過レーザー光ＬＰと出射面９との間のごく狭い角度範囲内のみを進行していく。よって図１１のケースでは，透明部材７から出射されるレーザー光の範囲全体の中で，透過レーザー光ＬＰおよび透過側回折レーザー光Ｌ２は中心から大きく外れて偏った位置に存在することとなる。透明部材７から出射されるレーザー光の範囲全体の大部分は，透過側回折レーザー光Ｌ１により占められることとなる。そこでこの透過側回折レーザー光Ｌ１を絵柄の投映に用いればよい。つまり，透過側回折レーザー光Ｌ１による投映像が前述の直接像２となるようにすればよい。

さらに図１２は，図１１とほぼ同じような状況であるが，原レーザー光Ｌの出射面９へ向かっての入射角θがスネルの法則による臨界角以上である場合を示している。この場合，全反射の状態となるので，透過レーザー光ＬＰが発生しない。そして，出射面９から前方へ出射されるレーザー光は，透過側回折レーザー光Ｌ１のみとなる。もちろんこの場合にも，透過側回折レーザー光Ｌ１による投映像が直接像２となるようにすればよい。この場合にスクリーン上には，直接像２のみが投映されることとなる。

これより，特に図１２のように全反射条件を満たした構成とすることで，スクリーンへの投映画像から，図６に示した０次光の像３や共役像４を排除して，直接像２のみを投映することができる。図１１のように全反射条件ではない構成の場合でも，従来技術のように回折光学素子１に垂直にレーザー光を入射させる場合と比べれば簡単に０次光の像３や共役像４を排除できる。図１１に示したことから，透過レーザー光ＬＰ（０次光）や透過側回折レーザー光Ｌ２（共役回折光）が，投映図形全体の中で中心から外れて偏った位置に現れることとなるからである。このため容易に，０次光の像３や共役像４がスクリーンの範囲外となるように画像投映装置５をスクリーンに対して配置することができる。また，遮蔽板により０次光の像３や共役像４を除去する場合でも，図８に示した従来技術の場合よりはるかに容易である。

ただし，上記を実現するためには，回折光学素子１による投映画像に一定の制約がある。以下，このことを説明する。上記を実現するための回折光学素子１は，最低限，垂直入射した場合の投映画像の配置上，直接像２が，０次光の像３や共役像４から完全に分離している必要がある。図６に示したのは，この条件を満たしている例である。すなわち図６の例では，直接像２と共役像４との間に，直線Ｂを引くことができる。直線Ｂは，０次光の像３を通っており，かつ，直接像２とも共役像４とも交差していない。直線Ｂに対して，直接像２は一方の側の範囲内のみに存在しており，共役像４はその反対側の範囲内のみに存在している。このようになっている場合に，図１１における透過側回折レーザー光Ｌ１の範囲内に，直接像２のスポット群の光がすべて含まれる一方で，０次光や共役像４の光が全く含まれないようにすることが可能である。

さらに，図１２に示した全反射条件が成立している状態での投映のためには，上記の完全分離の条件に加えて，図１３に示す条件も満たされている必要がある。図１３は，図６と似たような図ではあるが，直線Ｂの代わりに全反射臨界曲線Ｆを引いた図である。全反射臨界曲線Ｆとは，図６に示したような垂直入射の場合の投映領域のうち，全反射条件が成立している場合でも透明部材７から出射可能な範囲と出射不可能な範囲との境目である。すなわち全反射条件が成立している場合には，図１４に示すように，原レーザー光Ｌに対して全反射の臨界角ω（入射角θより小さい）だけ傾斜した光線がなす円錐面Ｇを考えることができる。この円錐面Ｇより内側の範囲内のみで透明部材７から光が出射可能であり，円錐面Ｇより外側では光が透明部材７から出射できないのである。この点についての詳細は例えば，特開２００４−０３１８５６号公報の［０００９］，［００１０］を参照されたい。

図１３に示した全反射臨界曲線Ｆは，図１４の円錐面Ｇの内側の領域Ｆ１と外側の領域Ｆ２との境界線に相当する曲線である。光が出射可能である領域Ｆ１は，図６に示した直線Ｂにより２分される領域よりやや狭い。この領域Ｆ１の中に直接像２が全部含まれ，かつ領域Ｆ２の中に共役像４が全部含まれる必要がある。なお０次光の像３の位置は，全反射条件が満たされていれば必ず領域Ｆ１から出ることになる。なお図１３では，直接像２や共役像４の絵柄自体が図６に示した絵柄に対してやや歪んでいるが，これは，後述する逆歪みを施した絵柄をこの図には示したためである。

上記の条件を満たしえない例として例えば，図１５に示すようなものを挙げることができる。図１５の例では垂直入射した場合の投映画像の配置上，直接像２が，０次光の像３を囲んで生成される配置となっている。そしてこのことにより必然的に，直接像２と共役像４とが重なっている。図１５の例では，図６における直線Ｂに相当する直線を引くことができない。０次光の像３を通るいかなる直線を引いても，直接像２，共役像４ともにその直線を跨いで両側に存在することとなってしまうからである。垂直入射でこのような回折像を生成する回折光学素子を画像投映装置５に組み込んだとしても，上記の透過側回折レーザー光Ｌ１の範囲内に，直接像２の光をすべて含めることもできないし，逆に共役像４の光の一部が必ず入り込んでしまう。結果としてスクリーン上には，原画を２つ折りにして重ねたような画像が投映されてしまうことになる。

回折光学素子による垂直入射時の画像が上記の完全分離の条件を満たしているか否かについては，次のようにして判断することもできる。すなわち，下の（１），（２）の条件をいずれも満たしていればよい。
（１）直接像２が，０次光の像３と重ならないこと。
（２）直接像２の領域と共役像４の領域とが重ならないこと。

ここで直接像２の「領域」とは，直接像２を構成する点により張られる最大の多角形のことである。共役像４の領域も同様である。例えば，垂直入射時の画像が図１６に示すようなものであったとする。この場合には一見，直接像２が０次光の像３とも共役像４とも重なっていないように見える。しかし図１６に対して，図６の直線Ｂに相当する直線も，図１３に示した全反射臨界曲線Ｆも，引くことはできない。「領域」まで考えると図１７に示すように，直接像２の領域２０と共役像４の領域４０とが重なっており，（１）はともかく（２）を満たさないからである。垂直入射でこのような画像を生成するものはやはり，本形態の回折光学素子１としては不適切である。

なお，上記の直接像２と０次光の像３と共役像４との分離関係は，垂直入射の場合に限らず，傾斜入射の場合であっても基本的には同じことである。傾斜入射の場合であっても直接像２と０次光の像３と共役像４とがすべて現れる状況（図１１の状況）であれば，これらはやはり分離していることになる。

図１１あるいは図１２における透過側回折レーザー光Ｌ１の範囲内に，直接像２のスポット群をすべて含め，共役像４を全く含めないためには，回折光学素子１が上記のような分離関係（さらに全反射条件の場合には図１３の条件も）を満たす回折像を形成するものである他に，次の条件が必要である。すなわち上記の回折光学素子１が，傾斜面である出射面９上にその最大傾斜方向に対して所定の方位で配置されている必要がある。

端的に言えば図６中の直線Ｂが，出射面９における水平線に対して平行になる関係になっている必要がある，ということである。図１３の場合には，全反射臨界曲線Ｆに垂直で０次光の像３の位置を通る直線が，出射面９における水平線に対して垂直になっている必要がある。この配置であると，垂直入射した場合に直接像２の占める位置が，垂直入射した場合の０次光の位置よりも，出射面９上にその最大傾斜方向に対して低い側に位置することになる。そして傾斜入射であることにより，直接像２のみが透過側回折レーザー光Ｌ１の範囲内に含まれて目的の画像投映がなされるのである。このように本形態では，上記の分離関係（さらに全反射条件の場合には図１３の条件も）および方位関係により，スクリーンに対する照射光から，０次光と，共役像４を構成する回折光とがいずれも実質的に排除される。そして，直接像２である回折像を構成する回折光のみ照射されるのである。

もし回折光学素子１が，上記に対して９０°面内回転した方位に配置されていると，投映画像上では画像が部分的に分離して現れることになる。図６のような例でいえば，尻尾の一部が消失した画像と，その消失した尻尾部分のみの画像とが分離して現れることになる。なお，出射面９における水平線とは，図１１や図１２における紙面に垂直な方向の線のことである。また，出射面９の最大傾斜方向とは，図１１や図１２における左右方向のことであり，左側が低い側，右側が高い側に相当する。

なお，本形態の画像投映装置５では，スクリーン上に投映される画像（スポット群）が，垂直入射の場合の画像どおりでなくやや歪んだ形となる。図１０に示したように回折光学素子１に対して原レーザー光Ｌを斜めに入射させるからである。このため，本形態の画像投映装置５に使用する回折光学素子１では，上記を考慮して原画に逆歪みを掛けた画像に基づく設計がなされていることが望ましい。

例えば図１８に示すように，回折光学素子１の格子の軸が，出射面９の底辺１３に対して平行および垂直になっている場合を考える。さらにその回折光学素子１は，垂直入射による投映の場合に，画角（図１０中の角度φのような投映レーザー光Ｐの広がり角のこと）が５０°×６０°の長方形の領域内に直接像２を生成するものであったとする。この場合に画像投映装置５による投映を行うと，直接像２を形成するスポット群の回折光は，半径９０°の半球空間内で，図１９中に太線１４で示される領域内のどこかに存在する。この領域は図示される通りやや歪んだ形状である。当然，その中に現れる実際の絵柄も，その分歪んだものとなる。そこで図２０に示すような，原画に逆歪みを掛けた画像を垂直入射で形成するような回折光学素子１を使用する。これにより図１８に示した構成例にて，原画（ここでは図２に示したような絵柄）に忠実な画像を図１９の太線１４内に投映することができる。なお，前述の図１３に描いたのも，この逆歪み絵柄である。

また，図２１に示すように，回折光学素子１の格子の軸が，出射面９の底辺１３に対していずれも斜めである配置も可能である。この場合にも画像の歪みはあるが，その歪み方は上記のものとは異なる。この場合には，直接像２を形成するスポット群の回折光は半球空間内で，図２２中の太線２１で示される領域内のどこかに存在する。したがってこの場合には，図２０に示したものとは異なる逆歪み画像を垂直入射で形成するような回折光学素子１を使用する。図４に示したものが実は，この場合の逆歪み画像である。なお，前出の図１１，図１２は，図１８，図２１中の回折光学素子１を矢印Ｃの目線で見た断面図に相当する。また，前述の出射面９の水平方向は，図１８，図２１中の底辺１３に平行な方向である。出射面９の最大傾斜方向は，斜辺２４に平行な方向である。

実施例１として，図２３の画像投映装置１５を示す。図２３の画像投映装置１５は，透明部材１７として，三角柱プリズムを用いたものである。ここでは三角柱プリズムとして，断面が直角二等辺三角形であるものを用い，その一方の短辺の面を入射面１８として，長辺の面を出射面１９として用いている。透明部材１７の材質は石英ガラス（屈折率１．４５７）とした。この場合，空気への出射に際しての全反射の臨界角は，４３．３４°である。このため，レーザー光源６から原レーザー光Ｌを入射面１８に垂直に入射することで，出射面１９への入射角θが臨界角以上である４５°となる。このため，図１２に示した全反射条件での投映がなされる。

また，回折光学素子１としては，透明部材１７と同じく石英ガラスを用い，その基板にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて凹凸パターンを形成した。凹凸パターンの段数は，最も単純な，「凸」と「凹」との２段とした。この回折光学素子１を透明部材１７の出射面１９に光学接着剤により貼り付けた。

実施例１では，レーザー光源６からの原レーザー光Ｌの波長を６３５ｎｍ（赤色）とした。また，回折光学素子１のピクセルサイズ（図１中のＲ）を６００ｎｍとした。これにより，前述の画角５０°×６０°の領域内に，縦横±５１２次以内の回折次数にて原画を表現できるようにした。これにより，半径９０°の半球空間内で図１９中の太線領域１４（回折光学素子１の配置が図１８の場合）内に，もしくは図２２中の太線領域２１（回折光学素子１の配置が図２１の場合）内に，原画を再現する投映像が収納されるようにした。なお，回折光学素子１の凹凸パターンの段差（図１１中のＳ）は約７００ｎｍとした。

図２３に示される透明部材１７の配置の場合，原レーザー光Ｌが出射面１９で反射（全反射）されることによる反射レーザー光ＬＲは，透明部材１７の第３の面２２に対して垂直に入射することになる。反射側回折レーザー光ＬＡも，その大部分は第３の面２２に入射することになる。そこでこの配置の場合には，例えば，第３の面２２に適宜の光吸収部材を設けておくことにより，レーザー光の反射成分を吸収することができる。これにより，不要な光線の発生を防止できる。

実施例２としては，図２４の画像投映装置２５を示す。図２４の画像投映装置２５における透明部材２７は，直角二等辺三角形断面の三角柱プリズムであるという点で，前述の実施例１の透明部材１７と共通する。ただしその配置が異なっており，実施例２では，長辺の面を入射面２８として，一方の短辺の面を出射面２９として用いている。それ以外の点は実施例１の場合と同じである。図９に示したものもこれと同様の構成である。むろん実施例２の構成であっても，実施例１の場合と同様に全反射条件で，原画を再現する画像の投映が可能である。

図２４に示される透明部材２７の配置の場合，原レーザー光Ｌが出射面２９で反射（全反射）されることによる反射レーザー光ＬＲは，透明部材２７の第３の面３２においても全反射条件を満たすこととなる。これにより，二次反射レーザー光ＬＳがレーザー光源６へ向けて戻ってくることになる。そこでレーザー光源６と入射面２８との間に，原レーザー光Ｌを邪魔しないように部分的に適宜の光吸収部材を設けておくことにより，レーザー光の戻り成分を吸収することができる。また，第３の面３２にも適宜の光吸収部材を設けておくことにより，第３の面３２からの，反射レーザー光ＬＲに基づく回折レーザー光の出射を防止することができる。

あるいは実施例２の構成では，図２５に示すように，レーザー光源６から２本の原レーザー光Ｌを発射する変形例が可能である。この場合には，第３の面３２をも出射面として用い，そこにも回折光学素子１を貼り付けておく。これにより，２組の投映レーザー光Ｐを出射することができる。この場合の透明部材２７ではむろん，第３の面３２に光吸収部材を設けることができない。その替わりに，より小サイズの三角柱プリズムの短辺の面同士を向き合わせるとともにその間に適宜の光吸収部材２３を挟み込んで一体としたものを用いることが好ましい。

実施例３としては，図２６の画像投映装置３５を示す。図２６の画像投映装置３５における透明部材３７は，正三角形断面の三角柱プリズムである。それ以外の点は実施例２の場合と同じである。実施例３の構成では，出射面３９への原レーザー光Ｌの入射角θが６０°となり，これも全反射条件を満たす。このため実施例３の構成でも，上記と同様に画像の投映が可能である。なお，実施例３の構成例では，反射レーザー光ＬＲは，透明部材３７の第３の面４２に対して垂直に入射することになる。そこでこの配置の場合においても，第３の面４２に適宜の光吸収部材を設けておくことにより，レーザー光の反射成分を吸収することができる。むろん実施例３においても，図２５に示したような２本ビーム方式の変形例が可能である。

以上詳細に説明したように本実施の形態および前記各実施例によれば，レーザー光源６からの原レーザー光Ｌの光路上に透明部材を配置している。そして透明部材からその先方の空気中への光の出射面に回折光学素子１を設けている。これにより，高屈折領域から低屈折領域へ向かう界面に回折格子が位置するとともに，その回折格子に対して原レーザー光Ｌが斜めに入射されるようにしている。これにより，前述のように０次光が全反射により排除されるか，あるいは，投映光全体の中で偏って位置するようにしている。また，回折光学素子１としては，垂直入射の際の直接像が，０次光とも共役像とも分離された領域内に現れるものを用いている。これにより，投映先画面に対して，直接像のみを投映することが容易にできる画像投映装置が実現されている。

本実施の形態または前記各実施例の画像投映装置は例えば，図２７に示すプラネタリウム投映装置４７における副投映部４８として有益である。プラネタリウム投映装置４７は副投映部４８の他に，通常の主投映部４９を有している。副投映部４８は，主投映部４９の間に配置されている。主投映部４９から投映される主画像は主として，星野（せいや）画像である。副投映部４８から投映される副画像は，前述の回折光学素子１による回折像（直接像２）として形状が規定されたスポット群の画像である。このようなプラネタリウム投映装置４７により，主画像と副画像とを重ねてドームスクリーンに投映することができる。

本実施の形態または前記各実施例の画像投映装置はあるいは，図２８に示すようなプラネタリウム５０における副画像の投映装置５１としても有益である。図２８には，投映装置５１の他に，主画像の投映装置５２，ドームスクリーン５３，操作台５４を示している。投映装置５２は，前述の副投映部４８を有しない通常のプラネタリウム投映装置である。その代わりに，投映装置５２とは別に投映装置５１を設けたのが図２８の構成例である。このような構成でも，投映装置５２から投映される主画像と，投映装置５１から投映される副画像とがドームスクリーン５３に重ねて投映されることとなる。

副画像としては例えば，星座における星の配列に付随して示す絵柄や結び線などが挙げられる。プラネタリウムの場合背景が暗いことから，共役像を完全に排除することが求められる。０次光についても同様である。本実施の形態または前記各実施例の画像投映装置では，遮蔽板なしで，もしくは小さな遮蔽板で，０次光や共役像を排除できる。それでいて，多段回折格子のような製作に難がある回折光学素子を要求することもない。このようにきわめて有益な画像投映装置およびプラネタリウムとなっている。

なお，本実施の形態および前記各実施例は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，前記実施例はいずれも，全反射条件が満たされるものを挙げた。しかし図１１で説明したように，全反射条件が満たされることは必須ではない。透明部材の屈折率と回折光学素子１への原レーザー光Ｌの入射角との組み合わせによっては全反射条件が満たされないこともあるが，それでも前述のように一定の有用性がある。

また，前記各実施例では，透明部材と回折光学素子１とを同じ材質のものとしたが，このことも必須ではない。いずれも，原レーザー光Ｌに対する透明性が高く，かつ，空気（先方領域の媒質）の屈折率より大きい屈折率を有するものであればよい。また，そのような材質の基板に凹凸パターンを形成した回折光学素子１を透明部材の出射面に貼り付けることも必須ではない。替わりに，透明部材の出射面に直接に凹凸パターンを形成してもよい。また，透明部材の具体的形状としては三角柱プリズムを挙げたが，それら以外の形状であってもよい。透明部材の形状としては要は，互いに非平行な２面を入射面および出射面として利用できる形状であればよい。

また，本形態および前記各実施形態では，回折光学素子１の凹凸パターンとして多段のものを要求しないことが１つの利点ではあるが，多段パターンの回折光学素子を用いることを排除するものではない。多段パターンの回折光学素子で共役像を排除したものであっても，０次光は排除できないので，そこに本発明の構成を適用することで，０次光の排除という利点はある。

１ 回折光学素子
２ 直接像（回折像）
３ ０次光の像
４ 共役像
５ 画像投映装置
６ レーザー光源
７ 透明部材
８ 入射面
９ 出射面
１５ 画像投映装置
１７ 透明部材
１８ 入射面
１９ 出射面
２４ 斜辺（最大傾斜方向）
２５ 画像投映装置
２７ 透明部材
２８ 入射面
２９ 出射面
３５ 画像投映装置
３７ 透明部材
３８ 入射面
３９ 出射面
４７ プラネタリウム投映装置
４８ 副投映部
４９ 主投映部
５０ プラネタリウム
５１ 投映装置（副画像）
５２ 投映装置（主画像）
５３ ドームスクリーン

Claims (7)

1. レーザー光を出力するレーザー光源と，
   前記レーザー光源から出力されたレーザー光の光路上に設けられ，前記レーザー光の回折に基づく回折光を生成する回折光学素子とを有し，
   前記回折光によるスポット群の形状として規定される回折像をスクリーン上に投映する画像投映装置であって，
   前記レーザー光源から出力されたレーザー光の光路上に配置され，いずれも平面である入射面および出射面を有し，前記出射面より先方の領域よりも高い屈折率を有し，レーザー光に対して透明である透明部材を有し，
   前記透明部材は，
   前記出射面に前記回折光学素子が形成されているとともに，
   前記レーザー光源から出力されたレーザー光が前記回折光学素子に対して斜めに入射するように配置されているものであり，
   前記回折光学素子は，
   前記回折像を，入射したレーザー光の０次光と重ならず，また共役像の占める領域とも重ならない領域内に生成させるものであるとともに，
   スクリーンに対して，０次光と前記共役像を構成する回折光とをいずれも実質的に排除しつつ，前記回折像を構成する回折光を照射する方位に配置されているものであり，
   前記出射面にて，前記レーザー光源から出力されたレーザー光についての全反射条件が成立しており，
   前記回折光学素子が，全反射条件下でも前記透明部材から光が出射可能な領域内に，前記回折像を構成する回折光をすべて含み，かつ前記共役像を構成する回折光を含まない方位に配置されていることを特徴とする画像投映装置。
2. レーザー光を出力するレーザー光源と，
   前記レーザー光源から出力されたレーザー光の光路上に設けられ，前記レーザー光の回折に基づく回折光を生成する回折光学素子とを有し，
   前記回折光によるスポット群の形状として規定される回折像をスクリーン上に投映する画像投映装置であって，
   前記レーザー光源から出力されたレーザー光の光路上に配置され，いずれも平面である入射面および出射面を有し，前記出射面より先方の領域よりも高い屈折率を有し，レーザー光に対して透明である透明部材を有し，
   前記透明部材は，
   前記出射面に前記回折光学素子が形成されているとともに，
   前記レーザー光源から出力されたレーザー光が前記回折光学素子に対して斜めに入射するように配置されているものであり，
   前記回折光学素子は，
   前記回折像を，入射したレーザー光の０次光と重ならず，また共役像の占める領域とも重ならない領域内に生成させるものであるとともに，
   スクリーンに対して，０次光と前記共役像を構成する回折光とをいずれも実質的に排除しつつ，前記回折像を構成する回折光を照射する方位に配置されているものであり，
   前記透明部材は，前記入射面と前記出射面とが非平行なものであることを特徴とする画像投映装置。
3. 請求項１に記載の画像投映装置であって，前記透明部材は，
   前記入射面と前記出射面とが非平行なものであることを特徴とする画像投映装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の画像投映装置であって，
   前記透明部材は三角柱プリズムであることを特徴とする画像投映装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の画像投映装置であって，
   前記回折光学素子の段数が２段であることを特徴とする画像投映装置。
6. ドームスクリーンと，前記ドームスクリーンに画像を投映する第１画像投映装置および第２画像投映装置とを有するプラネタリウムであって，
   前記第２画像投映装置は，
   レーザー光を出力するレーザー光源と，
   前記レーザー光源から出力されたレーザー光の光路上に設けられ，前記レーザー光の回折に基づく回折光を生成する回折光学素子とを有し，
   前記回折光によるスポット群の形状として規定される回折像をスクリーン上に投映する装置であり，
   前記レーザー光源から出力されたレーザー光の光路上に配置され，いずれも平面である入射面および出射面を有し，前記出射面より先方の領域よりも高い屈折率を有し，レーザー光に対して透明である透明部材を有し，
   前記透明部材は，
   前記出射面に前記回折光学素子が形成されているとともに，
   前記レーザー光源から出力されたレーザー光が前記回折光学素子に対して斜めに入射するように配置されているものであり，
   前記回折光学素子は，
   前記回折像を，入射したレーザー光の０次光と重ならず，また共役像の占める領域とも重ならない領域内に生成させるものであるとともに，
   スクリーンに対して，０次光と前記共役像を構成する回折光とをいずれも実質的に排除しつつ，前記回折像を構成する回折光を照射する方位に配置されているものであり， 前記第１画像投映装置からの画像と，前記第２画像投映装置からの前記回折像とが前記ドームスクリーンに重ねて投映されるように構成されていることを特徴とするプラネタリウム。
7. ドームスクリーンと，前記ドームスクリーンに画像を投映する第１画像投映装置および第２画像投映装置とを有するプラネタリウムであって，
   前記第２画像投映装置は，請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の画像投映装置であり，
   前記第１画像投映装置からの画像と，前記第２画像投映装置からの前記回折像とが前記ドームスクリーンに重ねて投映されるように構成されていることを特徴とするプラネタリウム。

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