JPH03198023A

JPH03198023A - 光学装置

Info

Publication number: JPH03198023A
Application number: JP1342138A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Kubota; 敏弘久保田
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 1989-12-27
Filing date: 1989-12-27
Publication date: 1991-08-29
Anticipated expiration: 2013-09-03
Also published as: JP2793671B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は光学装置に関し、特にホログラムの再生照明、
液晶表示素子のバックライト等フラットタイプの照明用
に適した光学装置に藺する。

〔従来の技術〕

例えば面積のあるホログラムに光束を照明して再生する
場合、従来は第１３図に示すようなレンズの組合せによ
る光学系により入射レーザ光を拡大光束にしてホログラ
ム全面を照明するか、あるいは、第１４図に示すような
レンズと凹面鏡の組合せによる光学系により同様にして
照明する等を行っている。しかしながら、これらの図面
から明らかなように、これらの光学系は光軸方向にある
程度の長さをとる必要があるため、広い空間を必要とす
る。また、ホログラムを最適な条件で再生するためには
、ホログラム、光学系、光源の位置関係を決められた条
件にセットしなければならない。このことは、ホログラ
ムを三次元デイスプレー手段として、また光学素子とし
て使用する場合に有利なことではない。これらのことは
、ホログラムの照明に限らず、各種の表示装置の照明光
学系として第１３図又は第１４図のような光学系を用い
る場合に言えることである。また、例えば液晶表示装置
のバックライトの場合には、散乱性の面光源が必要であ
るが、従来は第１３図又は第」４図のような光学系を用
いる場合、これらの光学系の出力側に散乱板を配置しな
ければならない。

〔発明が解決しようとする課題〕

したがって、本発明の目的は、上記従来の光学系の問題
点を解決して、空間的に嵩張らずにコンパクトな薄いパ
ネル状の形態をしていて、均一で、高輝度の面状の照明
を与えることができ、また位置決め楽な光学装置を提供
することである。なお、この光学装置の用途は上記した
ものに限らす、より広く種々の用途が考えられる。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、薄いパネル状の素子を用いて適当な大きさの
面状の照明光を得るための研究の結果完成されたもので
ある。本発明の光学装置は、１次元方向に入射光ビーム
を拡大する２個の光学素子を拡大方向が交差するように
前後に配置して構成したものであり、前記光学素子とし
ては、入射角が相対的に大きい入射光ビームを相対的に
小さい出射角で回折する回折格子又はホログラムにより
構成されたものであるか、平行な２面によって限定され
た導波路状に構成され、その一面に反射面が他の面に回
折格子又はホログラムが設けられ、この回折格子又はホ
ログラムは、上記２面間を繰り返し全反射しながら進行
する光の一部を上記他の面前方へ回折するように構成さ
れているものであるか、又は、相互に平行に配置された
複数の部分反射鏡からなり、各部分反射鏡は同一の入射
光ビームを相互に平行に反射するように配置されている
ものである。

〔作用〕

このような構成により、光ビーム拡大又は縮小機能を有
する、パネル状で、均一で高輝度の面状の照明を与える
ことができ、また位置決め楽な光学装置が構成される。

そして、この光学装置は、ホログラム再生用の照明装置
、液晶表示素子のバックライト光学系、その他の透過性
表示素子のバックライト光学系、反射性表示面の照明装
置、光の分岐又は合成用光学装置、太陽光利用照明装置
等として広く利用できる。

〔実施例〕

以下、図面を参照にしながら、本発明を実施例に基づい
て説明する。

第１図は、本発明の光学装置１を用いたホログラム再生
装置の斜視図であり、光学装置１はパネル状の形態をし
ている。光学装置１は柱状素子１１と板状素子１２から
なり、光源３からの照明光は例えば光ファイバー４を経
て柱状素子１１の一端に入射し、板状素子１２により２
次元的に拡大された光束として出射し、光学装置１の全
面に密着されたホログラム２に照明光として入射し、ホ
ログラムから立体像等を再生するものである。第２図の
光学装置１０作用を説明するための図面を参照すると、
柱状素子１１の一端に入射したビーム光５はこの素子１
１により面状の光束６に変換されて板状素子１２の一端
に入射する。この面状光６は、板状素子１２によりその
垂直方向に拡大され２次元的に広がった光束７として板
状素子１２の前面から出射する。上記の柱状素子１１と
板状素子１２は本質的には同様な作用を行うものであり
、一端から細い光ビームが入射すると面状の光束に変換
して出射し、一端から面状の光束が入射すると２次元的
に広がった光束に変換して出射するものである。これら
の素子１１．１２は第３図（ａ）〜（Ｃ）の中の何れか
の構成を採用しており、素子１１．１２は相互に同じも
のであっても、またこれらの中の異なるものを組み合わ
せて用いてもよい。

さて、第３図には素子１１の断面を示しであるが、板状
素子１２も同一の断面構造を有している。

第３図（ａ）に示したものは、透明基板１３（素子１１
の場合は柱状、素子１２の場合は板状）の表面に回折格
子又はホログラム１４を設け、透明基板１３の一端から
入射するビーム光５がこの回折格子又はホログラム１４
によって前面に回折されて図示のように拡大された面状
光束６（素子１２の場合は２次元的に広がった光束）と
して出射するものである。このような、素子１１又は１
２をホログラムから作成するには、第４図に示したよう
に、透明基板１３の一面に感光材料２１を塗布し、実線
で示したようにビーム光５と同様な入射光２３と透明基
板１３の裏面から入射させた光束２２とを感光材料２１
上で干渉させ、これを現像して、レリーフタイプ又は振
幅タイプ又は位相タイプのホログラム１４にするか、透
明基板１３を透過させずに、点線で示したような２つの
光束２２′と２３′を感光材料２１上で干渉させてホロ
グラム１４を作成してもよい。第３図（ｂ）に示したも
のは、比較的薄い導波路型の透明板１５の裏面を反射面
１７とし、その前面に図の（ａ）の場合と同様に回折格
子又はホログラム１６を設けである。この透明板１５の
一端から例えば結合プリズム１８を介して導入されたビ
ーム光５は、反射面１７と回折格子又はホログラム１６
を設けである面との間を繰り返し全反射しながら進行し
て行く。繰り返し全反射する光は、常に同じ角度で相互
に隣接するように回折格子又はホログラム１６に入射す
るので、図の（ａ）の場合と同様に拡大された面状光束
６となって透明板１５のの前面から出射する。繰り返し
全反射に伴って回折格子又はホログラム１６に入射する
光の強さは弱くなるので、回折格子又はホログラム１６
は回折効率が順次大きくなるように回折効率に分布を持
たせることが望ましい。なお、このような回折格子又は
ホログラム１６の作成方法としては、第４図に示した方
法に準じた方法を採用すればよい。さらに、次の（Ｃ）
に示したものは、透明な基板１９中に基板平面に対して
４５°の角度をなす部分反射鏡２０を等間隔に多数平行
に配置し、ビーム光５がこれらの部分反射鏡２０によっ
て反射され、透明基板１９の前面から連続した２次元の
ビーム６として射出されるようにしたものである。この
場合も、後方の部分反射鏡２０に入射すると一ム５０強
度が順次弱くなるので、後方の反射鏡２０はど反射率を
より高めなければならない。

次に、第３図（ａ）に示す構造の素子１１と１２を用い
て構成したホログラム再生装置の具体例を第５図に示す
。図の（ａ）は正面図、ら）は側面図を示している。ホ
ログラム１４　（第３図（ａ）参照）を作成するために
、光源としては出力ＩＷ、波長４８８ｎｍのアルゴンレ
ーザを用い、感光材料２１　（第４図）としてシブレイ
社製のマイクロポジット１３００−３１を用い、現像剤
としてマイクロポジットデイベロツバ−を用いてレリー
フホログラム１４を作成した。このようにして作成した
、素子１１と１２を第５図に示したように配置し、板状
素子１２の前面に再生する画像ホログラム２を張りつけ
、偏向用ホログラム１４作成に用いたアルゴンレーザか
らの光を入射光５として用い、画像ホログラム２を再生
したところ、直径５ｃｍの再生領域２４が均一に照明さ
れ、画像が良好に再生された。なお、入射光５の拡大率
はｌ　／ｃｏｓ　８２゜になる。

さて、以上はホログラム２を再生するのに、第２図に示
したような本発明のパネル状の光学装置１を用いること
を考えたが、この光学装置１はホログラムの再生だけで
なく、面状の照明光を用いるいかなる用途にも用いつる
。第６図の断面図は、液晶表示装置のバックライトとし
て本発明のパネル状の光学装置１を用いる例を示してお
り、図の（ａ）は光学装置１の前面に散乱板２７を配置
し、光学装置１から出射される光束を散乱光に変換し、
この散乱光にて液晶表示素子２６を背面から照明してい
る。同図（５）は光学装置１の板状素子１２の前面に散
乱性を持たせ、散乱板２７を省いた例を示している。こ
のような散乱性を与えるためには、第３図（Ｃ）の素子
においては、透明基板１９の前面を散乱面にすればよい
が、第３図（ａ）ないしくｂ）の場合はホログラム１４
又は１６自身に散乱性を持たせることもできる。このよ
うなホログラムを作成するためには、第７図に示すよう
に、感光材料２１上で干渉させる２つの光において、感
光材料２１に垂直に入射する光の代わりに散乱板２７′
を介することにより、干渉光の一方を散乱性にしてホロ
グラム１４又は１６を作成するようにすればよい。

ところで、第３図に示したものは何れも基板をとおして
後側を見ることができる（図の（ｂ）の場合も、裏面の
反射面１７を屈折率差による全反射面とすれば素子は透
過性になる。）。したがって、表示装置のバックライト
だけでなく、例えば第８図に示すように、反射性の表示
面２８に本光学装置１により前面から照明光７を当てて
、その反射光２９を光学装置１を通過させて見るように
することもできる。このような照明は、例えば計器類の
窓として光学装置１を用いることによって実現できる。

以上、光学装置ｌとしては、細い入射ビーム５を２次元
的に拡大して太い光束７として出射する作用をするもの
としてきたが、この人、出射関係を逆転させることもで
きる。すなわち、第９図に示すように、板状素子１２の
前面に大きな断面を有する光束３０を入射させて面状の
光束３１に変換し、この光を柱状素子１１の側面に入射
させ、その一端から細いビーム状の光束３２として出射
させるものである。この場合も素子１１．１２として第
３図（ａ）から（Ｃ）の何れのものも使用できる。

このように入射ビームを縮小する光学装置１′は、例え
ば太陽光３０をこの光学装置１で細いビーム３２に集め
、その光を太陽電池に入射させる等の用途に用いること
ができる。

ところで、第９図の入射ビームを縮小するものと第２図
の入射ビームを拡大するものを組み合わせて、例えば太
陽光を地下室等の自然光が到達できない場所へ送って照
明するのに用いることもできる。第１０図を参照にする
と、第９図のような光学装置１′は太陽光３４を縮小し
て密度を高め、光ファイバー３３に入射させる。光ファ
イバー３３の他端は同様な光学装置１の柱状素子１１の
一端に接続されており、ここから入射する密度の高い光
は拡大されて板状素子１２の面から出射する。

したがって、光学素子１′を屋上等に設置し、光学素子
１を地下室等に設置し、両者間を光ファイバー３３にて
繋ぐことにより、従来自然光により照明できなった場所
を照明するようにすることもできる。

ところで、例えば第３図（ｂ）又は（Ｃ）に示したもの
において、繰り返し全反射の周期大きくするか、部分反
射鏡２０の間隔を長くとり、隣接する回折光又は反射光
が連続しないようにすることで、入射ビーム５を分岐す
ることができる。光路を逆にすることで複数光路を合成
すこともできる。第１１図は、このような光学装置１を
用いて、入力側（出力側）の１本の光ファイバー３６を
出力側（入力端）の複数本の光ファイバー３７．．３７
２ｓ３’１３、・・・・・・、３７１に分岐（合成）す
る例を示している。なお、第３図（ａ）の場合でも、光
量損失を考慮しなければ同様に分岐、合成に使用できる
。

また、第３図（ａ）のものにおいて、ホログラム１４と
して紙面方向に拡大結像作用を有するものを用い、光学
装置１全体として像拡大又は縮小作用を有するようにす
ることもできる。第１２図にこの作用を説明しであるが
、入力画像をｘ、ｙとしたとき、柱状素子１１によりＸ
方向に拡大し、Ｘ１ｙ′の１次元方向にのみ拡大された
中間像とし、これを板状素子１２によりさらにＸ方向に
拡大し、ｘ　／　、ｙ　／の２次元方向に拡大した画像
を得ることができる（ｘ′、ｙ′はＸ方向、Ｘ方向に拡
大した像を表す。）。この光路を逆にすると、像の縮小
もできる。したがって、全体の系を第１０図と同様に形
成し、ただしこの場合、光ファイバー３３は像伝達可能
なイメージファイバーを用いることにより、画像を縮小
、拡大して伝送するようにすることができる。

さて、以上において、第３図に示した素子１１（素子１
２も同様）は波長依存性については何ら考慮していない
。しかしながら、特に図の（ａ）及びら）のものは回折
を利用しているため、白色光又はＲ，Ｇ、　Ｂ、の３原
色の光源からの光を混合した光５を用いて、例えば液晶
素子２６又はカラーホログラム２を照明してカラー表示
をする場合、カラーを忠実に再現することが困難である
。その理由は、回折角に波長依存性があるため、何れの
波長についても図に示したように入射ビーム５が正確に
回折６されないからである。そのためには、ホログラム
１４．１６として、各原色の波長それぞれについて図示
のように回折するホログラムを３色以上について繰り返
し全に記録したものを用いるか、または、各波長別々に
ホログラムを記録しそれを重ね合わせてホログラム１４
．１６として用いるかをしなければならない。なお、特
に本発明の光学装置ｌを拡大系として、例えばホログラ
ム、液晶表示素子等の表示体を照明するのに用いる場合
、光源は高輝度なレーザ、ＬＥＤ、白熱ランプ等を用い
る。レーザ、ＬＥＤを用いてカラー表示をする場合には
、例えばＲ，Ｇ、　Ｂ、の３原色のこれら光源を用意し
、それらから出る光を混合して用いる。

本発明の光学装置１は以上説明したものに限らず種々の
用途に用いつる。例えば、液晶表示素子以外の透過型の
表示装置のバックライト用に、また、自動車のブレーキ
ランプ、レンチキュラー板式立体写真の照明装置、信号
機、機械式計器の照明装置等のためにも用いることがで
きる。

〔発明の効果〕

本発明においては、１次元方向に入射光ビームを拡大す
る２個の光学素子を拡大方向が交差するように前後に配
置し、特に、前記光学素子として第３図（ａ）から（Ｃ
）のような構成のものを用いたので、光ビーム拡大又は
縮小機能を有する、パネル状で、均一で高輝度の面状の
照明を与えることができ、また位置決め楽な光学装置を
構成することができる。そして、この光学装置は、ホロ
グラム再生用の照明装置、液晶表示素子のバックライト
光学系、その他の透過性表示素子のバックライト光学系
、反射性表示面の照明装置、光の分岐又は合成用光学装
置、太陽光利用照明装置等として広く利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の光学装置を用いたホログラ
ム再生装置の斜視図、第２図は第１図の光学装置の作用
を説明するための図、第３図は第２図の光学装置を構成
する素子の断面図、第４図は第３図の素子の製造方法を
説明するための図、第５図は本発明の光学装置を用いた
ホログラム再生装置の正面図と側面図、第６図は本発明
の光学装置を液晶表示装置のバックライトとして用いた
場合の断面図、第７図は拡散性を有する第６図の素子の
製造方法を説明するための図、第８図は本発明の光学装
置を反射性表示面の照明系に用いる場合の断面図、第９
図は本発明の光学装置を光ビーム縮小系として用いる場
合を説明するための図、第１θ図は太陽光による地下室
等の照明に本発明の光学装置を用いる場合の構成を説明
するための図、第１１図は光分岐、合成に本発明の光学
装置を用いる場合の斜視図、第１２図は本発明の光学装
置を拡大結像作用を有するものに構成した場合の作用を
説明するための図、第１３図、第１４図は従来の光ビー
ム拡大光学系の構成を説明するための図である。１．１′・・・本発明の光学装置、２・・・画像ホログ
ラム、３・・・光源、４・・・光ファイバー、５・・・
入射光ビーム、６・・・面状光、７・・・拡大出射光、
７′・・・ホログラムの再生像、１１・・・柱状素子、
１２・・・板状素子、１３・・・透明基板、１４・・・
回折格子又はホログラム、１５・・・透明板、１６・・
・回折格子又はホログラム、１７・・・反射面、１８・
・・結合プリズム、１９・・・透明基板、２０・・・部
分反射鏡、２１・・・感光材料、２２．２３．２２’、
２３’・・・入射光、２６・・・液晶表示素子、２７．
２７′・・・散乱板、２８・・・反射性表示面、２９・
・・反射光、３０・・・光束、３１・・・面状光束、３
２・・・ビーム状光束、３３・・・光ファイバ、３４．
３５・・・太陽光、３６．３７．．３７゜、３７３、・
・・・・・、３７．ｌ・・・光ファイバー出　　願　　
人　大日本印刷株式会社

Claims

【特許請求の範囲】（１）１次元方向に入射光ビームを拡大する２個の光学
素子を拡大方向が交差するように前後に配置して構成し
たことを特徴とする光学装置。（２）前記光学素子の少なくとも一方が入射角（法線に
対する）が相対的に大きい入射光ビームを相対的に小さ
い出射角（法線に対する）で回折する回折格子又はホロ
グラムにより構成されていることを特徴とする請求項１
記載の光学装置。（３）前記光学素子の少なくとも一方が平行な２面によ
って限定された導波路状に構成され、その一面に反射面
が他の面に回折格子又はホログラムが設けられ、この回
折格子又はホログラムは、上記２面間を繰り返し全反射
しながら進行する光の一部を上記他の面前方へ回折する
ように構成されているものであることを特徴とする請求
項１記載の光学装置。（４）前記光学素子の少なくとも
一方が相互に平行に配置された複数の部分反射鏡からな
り、各部分反射鏡は同一の入射光ビームを相互に平行に
反射するように配置されていることを特徴とする請求項
１記載の光学装置。（５）前記光学素子の一方と他方は同一の原理によって
入射光ビームを拡大するものであることを特徴とする請
求項１から４の何れか１項記載の光学装置。（６）前記光学素子の一方と他方は異なる原理によって
入射光ビームを拡大するものであることを特徴とする請
求項１から４の何れか１項記載の光学装置。（７）入射光ビームを拡大するために用いることを特徴
とする請求項１から６の何れか１項記載の光学装置。（８）ホログラム再生用の照明装置として用いることを
特徴とする請求項７記載の光学装置。（９）液晶表示素子のバックライト光学系として用いる
ことを特徴とする請求項７記載の光学装置。（１０）後段の前記光学素子の出射面に拡散性を持たせ
たことを特徴とする請求項９記載の光学装置。（１１）透過性表示素子のバックライト光学系として用
いることを特徴とする請求項７記載の光学装置。（１２）反射性表示面の照明装置として用いることを特
徴とする請求項７記載の光学装置。（１３）入射光ビームを縮小するために用いることを特
徴とする請求項１から６の何れか１項記載の光学装置。（１４）光の分岐又は合成用に用いることを特徴とする
請求項１から６の何れか１項記載の光学装置。（１５）前記回折格子又はホログラムが１次元方向に結
像性を有することを特徴とする請求項２記載の光学装置
。（１６）１次元方向に入射光ビームを拡大する２個の光
学素子を拡大方向が交差するように前後に配置して構成
した光学装置を２個用い、前記光学装置を光ファイバー
にて連結し、太陽光等の照明光を一旦縮小して伝送し、
再度拡大するように構成したことを特徴とする照明装置
。