WO2013039245A1 - 投射装置およびホログラム記録媒体 - Google Patents

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WO2013039245A1
WO2013039245A1 PCT/JP2012/073796 JP2012073796W WO2013039245A1 WO 2013039245 A1 WO2013039245 A1 WO 2013039245A1 JP 2012073796 W JP2012073796 W JP 2012073796W WO 2013039245 A1 WO2013039245 A1 WO 2013039245A1
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recording medium
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coherent light
aperture stop
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牧夫 倉重
谷口　幸夫
良平 岡
一敏 石田
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大日本印刷株式会社
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    • G03H2001/2292—Using scanning means

Definitions

  • the present invention relates to a projection apparatus and a hologram recording medium using a light source that emits coherent light.
  • an optical projection device In an optical projection device (projector), it is important to uniformly illuminate the screen with light emitted from a light source.
  • a liquid crystal three-plate type using a fly-eye lens As a method for realizing uniform illumination of the screen, a liquid crystal three-plate type using a fly-eye lens, an integrator rod type for DMD (Digital Micromirror Device), and the like have been proposed.
  • DMD Digital Micromirror Device
  • optical projectors generally illuminate a spatial light modulator such as a liquid crystal display using an illumination device consisting of a white light source such as a high-pressure mercury lamp, and enlarge and project the resulting modulated image on a screen with a lens.
  • a spatial light modulator such as a liquid crystal display using an illumination device consisting of a white light source such as a high-pressure mercury lamp, and enlarge and project the resulting modulated image on a screen with a lens.
  • high-intensity discharge lamps such as high-pressure mercury lamps have a relatively short life and need to be frequently replaced when used in optical projectors.
  • a method using a coherent light source such as a laser has been proposed.
  • semiconductor lasers widely used in the industry have a much longer lifetime than high-intensity discharge lamps such as high-pressure mercury lamps.
  • a spectroscopic device such as a dichroic mirror becomes unnecessary, and the entire device can be downsized.
  • speckle is a speckled pattern that appears when a scattering surface is irradiated with laser light or other coherent light. When it appears on a screen, it is observed as speckled brightness irregularities (brightness irregularities). It becomes a factor having a physiological adverse effect on the person.
  • speckles occur when coherent light is used is that coherent light reflected by each part of a scattering reflection surface such as a screen interferes with each other because of its extremely high coherence. .
  • Speckle Phenomena in Optics, Joseph W. Goodman, Roberts & Co., 2006 provides detailed theoretical considerations for speckle generation.
  • speckles are reduced by irradiating a scattering plate with laser light, guiding scattered light obtained therefrom to a spatial light modulator, and rotating the scattering plate by a motor. Techniques for reducing are disclosed.
  • coherent light as typified by laser light, has excellent straightness and can be irradiated as light with very high energy density. Therefore, it is preferable that the light path of the coherent light is designed as an illuminating device actually developed corresponding to the characteristics of the coherent light.
  • the inventors of the present invention have made extensive studies based on the above points, and as a result, invented a projection device that projects a modulated image generated by the optical modulator while the optical modulator is illuminated with coherent light. I went to. In addition, the present inventors have further researched, and when illuminating the light modulator with coherent light, it is possible to stably prevent the occurrence of a bright area protruding in the illumination area. The lighting device could be improved. That is, the present invention provides a projection device and a hologram recording medium that can make speckles inconspicuous, can effectively suppress the occurrence of uneven brightness in the illumination area, and can improve light utilization efficiency. The purpose is to do.
  • a hologram recording medium capable of diffusing coherent light; and An irradiation device for irradiating the hologram recording medium with coherent light so that the coherent light scans on the hologram recording medium;
  • a light modulator that is illuminated by the coherent light that is incident and diffused from the irradiation device to each position of the hologram recording medium;
  • a projection optical system that projects a modulated image generated by the light modulator onto a diffusion surface;
  • An imaging optical system that is disposed between the hologram recording medium and the optical modulator and illuminates the optical modulator by converging diffused light diffused at each point of the hologram recording medium; and
  • the hologram recording medium records information of a first aperture stop and a second aperture stop arranged in order from the imaging optical system toward the diffusion surface.
  • a hologram recording medium capable of diffusing coherent light
  • An irradiation control device for guiding the coherent light to the hologram recording medium so that the coherent light irradiated from the light source scans on the hologram recording medium
  • a light modulator that is illuminated by the coherent light that is incident and diffused at each position of the hologram recording medium from the irradiation control device
  • a projection optical system that projects a modulated image generated by the light modulator onto a diffusion surface
  • An imaging optical system that is disposed between the hologram recording medium and the optical modulator and illuminates the optical modulator by converging diffused light diffused at each point of the hologram recording medium
  • the hologram recording medium is provided with a projection device that records information of a first aperture stop and a second aperture stop that are sequentially arranged from the imaging optical system toward the diffusion surface.
  • a hologram recording medium including a recording area that is scanned with coherent light emitted from an irradiation device, and diffusing the coherent light in the recording area and guiding the light to an optical modulator.
  • the recording area includes a first aperture stop and a second aperture stop that are sequentially arranged from a projection optical system that projects a modulated image generated by the light modulator onto a diffusion surface toward the diffusion surface.
  • a hologram recording medium for recording information is provided.
  • the present invention it is possible to realize a projection apparatus that can make speckle inconspicuous, can effectively suppress the occurrence of uneven brightness in the illumination area, and can improve the light utilization efficiency.
  • the block diagram which shows schematic structure of the projection apparatus 20 which concerns on one Embodiment of this invention.
  • FIG. The figure which shows the example which rotates the mirror device 66 to a biaxial direction.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a projection apparatus 20 according to an embodiment of the present invention.
  • the projection apparatus 20 in FIG. 1 includes an optical element 50, an irradiation apparatus 60, an imaging optical system 70, a light modulator 30, and a projection optical system 80.
  • an illumination device 40 a combination of the optical element 50 and the irradiation device 60 is referred to as an illumination device 40.
  • the irradiation device 60 irradiates the optical element 50 with coherent light so that the coherent light scans the surface of the optical element 50.
  • the irradiation device 60 includes a laser light source 61 that emits coherent light, and a scanning device 65 that scans the surface of the optical element 50 with the coherent light emitted from the laser light source 61.
  • excluded the laser light source 61 from the irradiation apparatus 60 is called an irradiation control apparatus.
  • the optical element 50 includes a hologram recording medium 55 that can reproduce an image of the first aperture stop in an illuminated area LZ provided to overlap the position of the light modulator 30. Details of the hologram recording medium 55 will be described later.
  • Coherent light reflected by the scanning device 65 is incident on the hologram recording medium 55.
  • Interference fringes are recorded on the hologram recording medium 55. When coherent light is incident, the coherent light diffracted by the interference fringes is emitted as divergent light (diffused light).
  • the scanning device 65 changes the reflection angle of the incident coherent light so that the reflected coherent light scans on the hologram recording medium 55.
  • the coherent light incident on each point on the hologram recording medium 55 becomes diffused light and enters the imaging optical system 70.
  • the imaging optical system 70 is disposed between the hologram recording medium 55 and the optical modulator 30, and performs the function of converging the coherent light diffused by the hologram recording medium 55 and guiding it to the optical modulator 30.
  • the imaging optical system 70 includes a field lens 71 having convex surfaces on both sides, a field lens 71 having a convex shape on the hologram recording medium 55 side, and a flat surface on the optical modulator 30 side.
  • coherent light diffused at an arbitrary position on the hologram recording medium 55 becomes convergent light in the imaging optical system 70 and is provided at the position of the optical modulator 30.
  • the light enters the illuminated area LZ.
  • the illuminated area LZ can be illuminated with almost all of the coherent light diffused by the hologram recording medium 55, and the illumination intensity of the illuminated area LZ can be further improved.
  • optical modulator 30 for example, a reflective microdisplay made of a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) element such as DMD (Digital Micromirror Device) can be used.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • DMD Digital Micromirror Device
  • the DMD is also used as the optical modulator 30 in the apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-224760 described above.
  • a transmissive liquid crystal panel can be used as the optical modulator 30, but the coherent light passing through the imaging optical system 70 has various optical path lengths in the liquid crystal panel, not parallel light. Because of the difference, the contrast may decrease depending on the light incident angle on the liquid crystal panel. From this point of view, it is desirable to use a reflective microdisplay such as DMD as the optical modulator 30 of the present embodiment.
  • the incident surface of the light modulator 30 has the same position and the same shape and size as the illuminated region LZ where the illumination device 40 emits coherent light. In this case, it is because the coherent light from the illuminating device 40 can be utilized with high utilization efficiency for displaying the image on the diffusion screen 15.
  • the projection optical system 80 that projects the modulated image generated by the light modulator 30 onto the diffusing screen 15 includes a projection lens 81 composed of a plurality of lens groups, for example, and the modulated image generated by the light modulator 30. Is refracted by the projection lens 81 and projects a modulated image on the diffusing screen 15.
  • the size of the modulated image projected on the diffusion screen 15 can be adjusted by the diameter of the projection lens 81, the distance between the projection lens 81 and the light modulator 30, and the distance between the projection lens 81 and the diffusion screen 15.
  • the diffusing screen 15 in FIG. 1 is a transmission type, and diffuses the projected modulated image light.
  • the diffusing screen 15 may be a reflective type.
  • the modulated image diffused by the diffusion screen 15 is incident on a half mirror (not shown), and a part of the modulated image light diffused by the diffusion screen 15 is reflected by this half mirror.
  • a virtual image of the modulated image may be formed, and this virtual image may be viewed by an observer through a half mirror together with external light.
  • a head-up display device can be realized.
  • the front windshield of the vehicle can be used as the half mirror, and the observer can view the virtual image while viewing the scenery outside the vehicle through the windshield by sitting in the driver's seat and facing forward.
  • a hologram recording medium 55 or a prism may be used instead of the half mirror.
  • the optical modulator 30 can generate various modulated images.
  • the modulated image is generated by the optical modulator 30, and the modulated image is illuminated by the illuminated region LZ, so that the various modulated images are displayed on the diffusion screen. Can be projected.
  • the optical element 50 including the hologram recording medium 55 is used to illuminate the illuminated area LZ.
  • the hologram photosensitive material 58 which is a material for forming the hologram recording medium 55, is a reflective volume hologram using, for example, a photopolymer.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining how the images of the first and second aperture stops 10 and 11 are formed on the hologram photosensitive material 58 as interference fringes.
  • the first aperture stop 10 is placed at the position of the optical modulator 30.
  • the second aperture stop 11 is placed at the position of the entrance pupil of the projection optical system 80, and the scattering plate 6 or the light source is placed closer to the diffusion screen 15 than the second aperture stop 11.
  • the scattering plate 6 is placed closer to the diffusion screen 15 than the second aperture stop 11 will be described.
  • Scattered light from the scattering plate 6 passes through the second aperture stop 11.
  • the scattering plate 6 irradiates scattered light such that the illumination intensity distribution of light from each point of the second aperture stop 11 is uniform over the entire area of the first aperture stop 10.
  • a method for measuring the illumination intensity distribution of light for example, a method of directly measuring the illumination intensity distribution at the first aperture stop 10 using a CCD sensor or the like, or the method of measuring the first aperture stop 10 through the lens system. Examples include a method of measuring an illumination intensity distribution by forming an image on a CCD sensor or the like, a method of arranging a screen on the first aperture stop 10 and measuring the illumination intensity distribution on the screen with a camera or the like. it can.
  • the diameter of the first aperture stop 10 is smaller than the aperture of the imaging optical system 70. This is because the imaging optical system 70 converges the incident coherent light and guides it to the first aperture stop 10.
  • the magnitude relationship between the diameter of the first aperture stop 10 and the diameter of the second aperture stop 11 is arbitrary. However, by reducing the diameter of the second aperture stop 11, the diameter of the projection optical system 80 placed at the position of the second aperture stop 11 can be reduced, and the projection optical system 80 can be downsized.
  • the shape of the first aperture stop 10 is the same as the shape of the optical modulator 30.
  • the first aperture stop 10 is also rectangular.
  • the size of the first aperture stop 10 is the same as or slightly larger than the size of the optical modulator 30. Therefore, the first aperture stop 10 is similar to the optical modulator 30.
  • the size of the first aperture stop 10 is similar to or substantially equivalent to the size of the optical modulator 30, and the first aperture stop 10 is placed at the position of the optical modulator 30, whereby the optical modulator 30. Since the illumination can be performed according to the shape of the light, the light use efficiency can be improved.
  • the shape of the second aperture stop 11 is, for example, a circle, but may be a semicircle or a rectangle.
  • the size of the second aperture stop 11 is the same as the entrance pupil region of the projection optical system 80 or a part of the entrance pupil region. By limiting the size of the second aperture stop 11 below the entrance pupil of the projection optical system 80, light can be collected only in a necessary and sufficient region, so that light can be efficiently incident on the projection optical system 80. .
  • the hologram recording medium 55 is manufactured using the scattered light from the actual scattering plate 6 as the object light Lo.
  • FIG. 2 shows a state in which the photosensitive hologram photosensitive material 58, which is a base material of the hologram recording medium 55, is exposed to the reference light Lr and the object light Lo, which are coherent light beams having coherence with each other.
  • the reference light Lr for example, laser light from a laser light source 61 that oscillates laser light in a specific wavelength range is used.
  • the reference light Lr passes through the condensing element 7 made of a lens and is incident on the hologram photosensitive material 58.
  • the laser light for forming the reference light Lr is incident on the condensing element 7 as a parallel light beam parallel to the optical axis of the condensing element 7.
  • the reference light Lr passes through the condensing element 7, so that it is shaped (converted) into a convergent light beam from the parallel light beam so far, and is incident on the hologram photosensitive material 58.
  • the focal position FP of the convergent light beam Lr is at a position past the hologram photosensitive material 58. That is, the hologram photosensitive material 58 is disposed between the light condensing element 7 and the focal position FP of the convergent light beam Lr condensed by the light condensing element 7.
  • the object light Lo is incident on the hologram photosensitive material 58 as scattered light from the scattering plate 6 made of, for example, opal glass.
  • the hologram recording medium 55 to be manufactured is a reflection type, and the object light Lo is incident on the hologram photosensitive material 58 from the surface opposite to the reference light Lr.
  • the object light Lo is premised on having coherency with the reference light Lr. Therefore, for example, the laser light oscillated from the same laser light source 61 can be divided, and one of the divided light can be used as the reference light Lr and the other can be used as the object light Lo.
  • a parallel light beam parallel to the normal direction to the plate surface of the scattering plate 6 is incident on the scattering plate 6 and scattered, and the scattered light transmitted through the scattering plate 6 is the second aperture.
  • the light After passing through the stop 11 and the first aperture stop 10 in order, the light passes through the imaging optical system 70 and enters the hologram photosensitive material 58 as the object light Lo.
  • the isotropic scattering plate 6 that is usually available at a low cost is used as the scattering plate 6
  • the object light Lo from the scattering plate 6 is incident on the hologram photosensitive material 58 with a substantially uniform light amount distribution. be able to.
  • the object light Lo is incident on each position of the hologram photosensitive material 58 with a substantially uniform light amount from the entire area of the exit surface 6 a of the scattering plate 6. It becomes easy.
  • an interference fringe formed by the interference of the reference light Lr and the object light Lo is generated.
  • the pattern is recorded on the hologram photosensitive material 58 as a refractive index modulation pattern. Thereafter, appropriate post-processing corresponding to the type of the hologram photosensitive material 58 is performed, and the hologram recording medium 55 is obtained.
  • the scattered light (object light) from the scattering plate 6 is passed through the second aperture stop 11 and the first aperture stop 10 in order, and the hologram is formed via the imaging optical system 70. Since the information is guided to the recording medium 55, information on the first aperture stop 10 and the second aperture stop 11 can be recorded on the hologram recording medium 55. That is, the scattering plate 6 generates scattered light such that the illumination intensity distribution of light from each point of the second aperture stop 11 is uniform over the entire area of the first aperture stop 10. Information on the second aperture stops 10 and 11 is recorded on the hologram recording medium 55. Therefore, when the hologram recording medium 55 is reproduced, the image of the first aperture stop 10 in which the scattered light from the scattering plate 6 is narrowed can be reproduced. This image becomes illumination light of the light modulator 30.
  • recording the information of the first and second aperture stops 10 and 11 on the hologram recording medium 55 means recording the information of light passing through a spatially empty portion called the stop.
  • recording information does not change due to dust or scratches on the rod end face, and recording onto the hologram recording medium 55 can be performed easily and accurately. Therefore, when reproducing the hologram recording medium 55, the light modulator 30 can be illuminated with a more uniform illumination intensity distribution, and the illumination quality can be improved.
  • FIG. 3 is a view for explaining a state in which the image of the scattering plate 6 is reproduced using the interference fringes formed on the hologram recording medium 55 obtained through the exposure process of FIG.
  • the hologram recording medium 55 formed of the hologram photosensitive material 58 of FIG. 2 is light having the same wavelength as the laser beam used in the exposure process, and the optical path of the reference light Lr in the exposure process The light traveling in the opposite direction satisfies the Bragg condition. That is, as shown in FIG. 3, the reference point SP positioned with respect to the hologram recording medium 55 in the same positional relationship as the relative position of the focal point FP (see FIG. 2) with respect to the hologram photosensitive material 58 during the exposure process.
  • the divergent light beam that diverges from the light beam and has the same wavelength as the reference light Lr in the exposure step is diffracted as the reproduction illumination light La by the hologram recording medium 55 and converged by the imaging optical system 70, and then the first light is emitted.
  • the reproduced image 5 of the first aperture stop 10 is generated at the position of the optical modulator 30 corresponding to the aperture stop 10.
  • the reproduction light for generating the reproduction image 5 of the first aperture stop 10 that is, the light Lb formed by diffracting the reproduction illumination light La by the hologram recording medium 55 is transferred from the scattering plate 6 to the hologram photosensitive material 58 during the exposure process.
  • Respective points of the illuminated area LZ provided at the place where the first aperture stop 10 was provided are reproduced as light traveling in the opposite direction on the optical path of the object light Lo traveling forward.
  • the optical modulator 30 when reproducing the hologram recording medium 55, the optical modulator 30 is placed at the position of the first aperture stop 10 in FIG. 2, and the projection optical system 80 is placed at the position of the second aperture stop 11. It is burned. Note that the position of the first aperture stop 10 may be slightly shifted from the position of the optical modulator 30 in the front and rear directions in the optical axis direction.
  • the object light Lo that has passed through the first aperture stop 10 is diffused so as to enter the hologram photosensitive material 58, respectively. That is, the object light Lo from the exit surface 6a of the scattering plate 6 is incident on each position on the hologram photosensitive material 58, and as a result, exits from the exit surface 6a, and the second aperture stop 11 and the first aperture. Information on the light that has passed through both apertures 10 is recorded at each position of the hologram recording medium 55. For this reason, each light that forms a divergent light beam from the reference point SP functioning as the reproduction illumination light La shown in FIG. 3 is incident on each position of the hologram recording medium 55 independently and has the same contour.
  • the image 5 of the scattering plate 6 can be reproduced at the position of the light modulator 30 (illuminated area LZ).
  • the light diffused by the hologram recording medium 55 is converged by the imaging optical system 70 and travels in the direction of the illuminated area LZ, useless scattered light can be effectively suppressed. Therefore, most of the reproduction illumination light La incident on the hologram recording medium 55 can be effectively used to illuminate the illuminated area LZ.
  • the irradiation apparatus 60 includes a laser light source 61 that generates coherent light, and a scanning device 65 that changes the traveling direction of the coherent light from the laser light source 61.
  • the laser light source 61 may be a monochromatic laser light source or a plurality of laser light sources having different emission colors. For example, a plurality of red, green, and blue laser light sources may be used.
  • the laser light from each laser light source 61 irradiates the same point on the scanning device 65.
  • the hologram recording medium 55 is illuminated with the reproduction illumination light in which the illumination colors of the laser light sources 61 are mixed.
  • the coherent light from each laser light source is reflected at a reflection angle corresponding to the incident angle of the scanning device 65, is incident on the hologram recording medium 55, is diffracted separately from the hologram recording medium 55, and is illuminated. Overlapping on the region LZ becomes a composite color. For example, when a plurality of laser light sources of red, green, and blue are used, the color becomes white.
  • a separate scanning device 65 may be provided for each laser light source.
  • the type and number of laser light sources provided in the irradiation device 60 are not particularly limited.
  • the light modulator 30 is composed of LCOS or the like and has a color filter for each pixel, the modulated image generated by the light modulator 30 is colored by making the illuminated area LZ white light. can do.
  • an optical modulator 30 that generates a red modulated image, an optical modulator 30 that generates a green modulated image, and an optical modulator 30 that generates a blue modulated image are arranged close to each other.
  • the three illuminated areas LZ that illuminate each of the optical modulators 30 may be sequentially illuminated with diffused light from the hologram recording medium 55.
  • the three color modulation images generated by the three light modulators 30 are combined to generate a color modulation image.
  • three color modulation images generated simultaneously by the three optical modulators 30 may be combined using a prism or the like to generate a color modulation image.
  • the above-described projection optical system 80 is mainly provided for projecting the modulated image of the light modulator 30 onto the diffusion screen 15.
  • speckles are overlapped and averaged, and as a result, speckles are not noticeable.
  • the scanning device 65 changes the traveling direction of the coherent light with time, and directs it in various directions so that the traveling direction of the coherent light is not constant. As a result, the coherent light whose traveling direction is changed by the scanning device 65 scans the incident surface of the hologram recording medium 55 of the optical element 50.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the scanning path of the scanning device 65.
  • the scanning device 65 includes a reflection device 66 having a reflection surface 66a that can be rotated about one axis RA1.
  • the reflection device 66 includes a mirror device having a mirror as a reflection surface 66a that can be rotated about one axis RA1.
  • This mirror device 66 changes the traveling direction of coherent light from the laser light source 61 by changing the orientation of the mirror 66a.
  • the mirror device 66 generally receives coherent light from the laser light source 61 at the reference point SP.
  • the coherent light whose traveling direction is finally adjusted by the mirror device 66 is incident on the hologram recording medium 55 of the optical element 50 as reproduction illumination light La (see FIG. 3) that can form one light beam diverging from the reference point SP. obtain.
  • the coherent light from the irradiation device 60 scans on the hologram recording medium 55, and the image of the scattering plate 6 in which the coherent light incident on each position on the hologram recording medium 55 has the same contour. 5 is reproduced at the same position (illuminated area LZ).
  • the reflection device 66 is configured to rotate the mirror 66a along one axis RA1.
  • the rotation axis RA ⁇ b> 1 of the mirror 66 a has an XY coordinate system defined on the plate surface of the hologram recording medium 55 (that is, the XY plane is parallel to the plate surface of the hologram recording medium 55. It extends parallel to the Y axis of the (XY coordinate system). Then, since the mirror 66a rotates around the axis line RA1 parallel to the Y axis of the XY coordinate system defined on the plate surface of the hologram recording medium 55, the coherent light from the irradiation device 60 is applied to the optical element 50.
  • the incident point IP reciprocates in a direction parallel to the X axis of the XY coordinate system defined on the plate surface of the hologram recording medium 55. That is, in the example shown in FIG. 4, the irradiation device 60 irradiates the optical element 50 with coherent light so that the coherent light scans on the hologram recording medium 55 along a linear path.
  • the scanning device 65 configured by the mirror device 66 or the like is a member that can rotate at least around the axis line RA1, and is configured by using, for example, MEMS.
  • the scanning device 65 periodically rotates, but in applications such as a liquid crystal display device that is directly observed by humans, it is 1/30 seconds per cycle, which is more coherent at a higher speed depending on the type of screen to be displayed. If it can scan with light, there will be no restriction
  • the hologram photosensitive material 58 may shrink when the hologram recording medium 55 is produced.
  • the traveling direction of the light incident on the hologram recording medium 55 of the optical element 50 does not take exactly the same path as the one light beam included in the divergent light beam from the reference point SP, it is illuminated.
  • the image 5 can be reproduced in the region LZ.
  • the mirror (reflection surface) 66a of the mirror device 66 constituting the scanning device 65 is inevitably deviated from the rotation axis RA1. Therefore, when the mirror 66a is rotated around the rotation axis RA1 that does not pass through the reference point SP, the light incident on the hologram recording medium 55 may not be a single light beam that forms a divergent light beam from the reference point SP. is there.
  • the image 5 can be substantially reproduced by being superimposed on the illuminated region LZ by coherent light from the irradiation device 60 having the illustrated configuration.
  • the scanning device 65 does not necessarily have to be a member that reflects the coherent light. Instead of reflecting, the scanning device 65 may cause the coherent light to be refracted or diffracted to scan the optical element 50.
  • the projection apparatus 20 scans the hologram recording medium 55 with coherent light by the scanning device 65, and enters the coherent light diffused by the hologram recording medium 55 into the imaging optical system 70.
  • the imaging optical system 70 changes the coherent light into convergent light, and illuminates the illuminated area LZ. Thereby, the ratio of the coherent light which is not used for the illumination of the illuminated area LZ in the coherent light diffused by the hologram recording medium 55 can be reduced, and the illumination intensity of the illuminated area LZ can be improved.
  • the first aperture stop 10 When recording the hologram recording medium 55, the first aperture stop 10 is placed at the position of the optical modulator 30, and the second aperture stop 11 is placed at the position of the entrance pupil of the imaging optical system 70.
  • the scattering plate 6 is placed on the screen side of the aperture stop 11. Then, the scattered light (object light) from the scattering plate 6 enters the second aperture stop 11 so that the object light from each point of the second aperture stop 11 irradiates the entire area of the first aperture stop 10. To.
  • the object light that has passed through the first aperture stop 10 enters the hologram photosensitive material 58 via the imaging optical system 70. Thereby, information of the first and second aperture stops 10 and 11 can be recorded on the hologram recording medium 55.
  • the coherent light diffused by the hologram recording medium 55 is converged by the imaging optical system 70 and the position of the first aperture stop 10 (illuminated region). ) Can be illuminated.
  • This illumination is a reproduction of the image of the first aperture stop 10 and is not a reproduction of the image of the scattering plate 6. That is, in this embodiment, the information of the light that has passed through the first aperture stop 10 out of the light emitted from the scattering plate 6 is not reproduced on the hologram recording medium 55 in the optical system. Reproduce. Therefore, unlike the conventional integrator rod system, a high-quality projection image can be obtained without being affected by dust or scratches on the rod end surface.
  • all of the coherent light modulated by the light modulator 30 can be passed through the second aperture stop 11, and the light use efficiency can be improved.
  • the aperture of the projection optical system 80 can be reduced, and the projection optical system 80 can be downsized.
  • the position of the hologram recording medium 55 is not restricted by the focal length of the imaging optical system 70 or the like. This is because, for example, if the hologram recording medium 55 is placed and recorded in advance at a position to be set at the time of reproduction, the original desired light beam information can be reproduced. This increases the degree of freedom in design.
  • a modulated image is generated using the scanning device 65, the optical element 50 including the hologram recording medium 55, and the optical modulator 30, and thus the modulated image is generated using, for example, a normal liquid crystal display device.
  • the scanning device 65 scans the hologram recording medium 55 with coherent light and projects a modulated image onto the diffusion screen 15, so that speckle is not conspicuous while using coherent light.
  • the projection device 20 capable of displaying a high-quality image can be realized.
  • the viewing angle can be widened.
  • the scanning device 65 makes each position on the hologram recording medium 55 incident coherent light of a corresponding specific wavelength at an incident angle that satisfies the Bragg condition at the position.
  • the coherent light incident on each position illuminates the entire illuminated area LZ by diffracting by the interference fringes recorded on the hologram recording medium 55. That is, the coherent light incident on each position of the hologram recording medium 55 from the irradiation device 60 is diffused (expanded) by the optical element 50 and enters the entire illuminated area LZ.
  • the irradiation device 60 illuminates the illuminated area LZ with coherent light.
  • the laser light source 61 includes a plurality of laser light sources 61 that emit light of different colors, information on the light of each color that has passed through the first aperture stop 10 is reproduced in the illuminated region LZ. Therefore, when these laser light sources 61 emit light at the same time, the illuminated area LZ is illuminated with white in which three colors are mixed.
  • the mode refers to speckle patterns that are uncorrelated with each other.
  • coherent light is projected from different directions onto the same screen from a plurality of laser light sources 61
  • coherent light from the same laser light source 61 is projected onto the screen from different directions every unit time, the number of times the incident direction of the coherent light has changed during the time that cannot be resolved by the human eye Will exist.
  • the interference patterns of light are overlapped uncorrelatedly and averaged, and as a result, speckles observed by the observer's eyes become inconspicuous.
  • the irradiation device 60 described above irradiates the optical element 50 with coherent light so that the coherent light scans on the hologram recording medium 55. Further, the coherent light incident on the arbitrary position in the hologram recording medium 55 from the irradiation device 60 illuminates the entire illuminated area LZ, but the illumination directions of the coherent light illuminating the illuminated area LZ are different from each other. Since the position on the hologram recording medium 55 where the coherent light enters changes with time, the incident direction of the coherent light to the illuminated region LZ also changes with time.
  • coherent light continuously scans on the hologram recording medium 55.
  • the incident direction of coherent light incident on the illuminated area LZ from the irradiation device 60 via the optical element 50 also changes continuously.
  • the pattern of speckles generated on the illuminated area LZ also changes greatly, and is uncorrelated.
  • a speckle pattern is superimposed.
  • the frequency of scanning devices 65 such as MEMS mirrors and polygon mirrors that are commercially available is usually several hundred Hz or higher, and scanning devices 65 that reach tens of thousands of Hz are not uncommon.
  • the incident direction of coherent light changes temporally at each position of the illuminated region LZ, and this change is a speed that cannot be resolved by the human eye. It is. Accordingly, if a screen is arranged in the illuminated area LZ, speckles generated corresponding to each incident angle are overlapped and averaged and observed by the observer, so that the image displayed on the screen Speckle can be made very inconspicuous for an observer who observes the above.
  • the light modulator 30 is arranged so as to overlap the position of the illuminated region LZ, and the light modulator 30 projects onto the diffusion screen 15 via the projection optical system 80. Similarly, since speckles generated on the diffusion screen 15 are overlapped and averaged, the speckles generated on the diffusion screen 15 become inconspicuous.
  • the scanning device 65 is used to scan the coherent light on the hologram recording medium 55, and the coherent light diffracted by the hologram recording medium 55 is incident on the entire illuminated area LZ.
  • the lighting device 40 can be realized with a very simple configuration.
  • Speckle Phenomena in Optics, Joseph W. Goodman, Roberts & Co., 2006 mentioned above proposed a method that uses a numerical value called speckle contrast (unit%) as a parameter indicating the degree of speckle generated on the screen. ing.
  • speckle contrast is defined as a value obtained by dividing the standard deviation of the actual luminance variation on the screen divided by the average luminance value when displaying a test pattern image that should have a uniform luminance distribution. Amount. The larger the speckle contrast value is, the larger the speckle occurrence level on the screen is, which indicates that the spot-like luminance unevenness pattern is more prominently presented to the observer.
  • the optical element 50 for making speckles inconspicuous can also function as an optical member for shaping and adjusting the beam form of coherent light emitted from the irradiation device 60. Therefore, the optical system can be reduced in size and simplified.
  • the coherent light incident on the specific position of the hologram recording medium 55 is transmitted to the entire area within the illuminated area LZ as to the information on the light of each color that has passed through the first aperture stop 10. Generate. For this reason, all the light diffracted by the hologram recording medium 55 can be used for illumination, and the use efficiency of the light from the laser light source 61 is excellent.
  • a part of the coherent light from the irradiation device 60 passes through the hologram recording medium 55 without being diffracted by the hologram recording medium 55.
  • Such light is called zero order light.
  • the zero-order light enters the illuminated area LZ, abnormal areas such as point-like areas, linear areas, and planar areas whose brightness (luminance) increases sharply compared to the surroundings are illuminated area LZ. Will occur within.
  • volume hologram recording medium 55 (hereinafter referred to as volume reflection type holo) is used, especially in the case of a volume reflection type hologram, the illuminated region LZ is not arranged in the direction in which the zero order light travels, and therefore the zero order light is compared. Can be easily avoided.
  • volume transmission type hologram recording medium 55 hereinafter referred to as volume transmission type holo
  • the zero-order light can be separated by selecting a recording angle so that incident light and outgoing light do not interfere with each other.
  • the reflection type holo has higher wavelength selectivity than the transmission type holo. That is, the reflection type holo can diffract coherent light having a desired wavelength only by a desired layer even if interference fringes corresponding to different wavelengths are laminated.
  • the reflection type holo is also excellent in that it is easy to remove the influence of zero-order light.
  • the transmission type holo has a wide diffractable spectrum and a wide tolerance of the laser light source 61.
  • interference fringes corresponding to different wavelengths are laminated, coherent light of a desired wavelength is generated even in layers other than the desired layer. It will be diffracted. Therefore, in general, it is difficult to make the transmission type holo a laminated structure.
  • the scanning device 65 is an example of the uniaxial rotation type mirror device 66 that changes the traveling direction of the coherent light by reflection, the scanning device 65 is not limited thereto.
  • the scanning device 65 has a second rotation in which the mirror (reflection surface 66a) of the mirror device 66 intersects not only the first rotation axis RA1 but also the first rotation axis RA1. It may be rotatable about the axis RA2. In the example shown in FIG.
  • the second rotation axis RA2 of the mirror 66a is a first rotation axis RA1 extending in parallel with the Y axis of the XY coordinate system defined on the plate surface of the hologram recording medium 55.
  • the incident point IP of the coherent light from the irradiation device 60 to the optical element 50 is the plate of the hologram recording medium 55. It is possible to move in a two-dimensional direction on the surface. For this reason, as shown in FIG. 5 as an example, the incident point IP of the coherent light to the optical element 50 can be moved on the circumference.
  • the scanning device 65 may include two or more mirror devices 66.
  • the mirror 66a of the mirror device 66 can be rotated only about a single axis, the incident point IP of the coherent light from the irradiation device 60 to the optical element 50 is expressed by the hologram recording medium 55. It can be moved in a two-dimensional direction on the plate surface.
  • mirror device 66a included in the scanning device 65 includes a MEMS mirror, a polygon mirror, and a galvano scanner.
  • the scanning device 65 may include a reflection device that changes the traveling direction of coherent light by reflection, that is, a device other than the mirror device 66 described above as an example in the present embodiment.
  • the scanning device 65 may include a refractive prism, a lens, and the like.
  • the scanning device 65 is not essential, and the light source 61 of the irradiation device 60 is configured to be displaceable (moving, swinging, rotating) with respect to the optical element 50.
  • the coherent light irradiated from the above may be scanned on the hologram recording medium 55.
  • the light source 61 of the irradiation device 60 has been described on the premise that the light source 61 oscillates a laser beam shaped as a linear light beam, but is not limited thereto.
  • the coherent light irradiated to each position of the optical element 50 is shaped by the optical element 50 into a light beam that enters the entire illuminated area LZ. Therefore, there is no inconvenience even if the coherent light irradiated from the light source 61 of the irradiation device 60 to the optical element 50 is not accurately shaped. For this reason, the coherent light generated from the light source 61 may be diverging light.
  • the cross-sectional shape of the coherent light generated from the light source 61 may not be a circle but an ellipse or the like.
  • the transverse mode of the coherent light generated from the light source 61 may be a multimode.
  • the coherent light is incident on a region having a certain area instead of a point when entering the hologram recording medium 55 of the optical element 50.
  • the light diffracted by the hologram recording medium 55 and incident on each position of the illuminated area LZ is multiplexed in angle.
  • coherent light is incident on each position of the illuminated area LZ from a certain angle range. Speckle can be made more inconspicuous by such multiplexing of angles.
  • FIG. 1 shows an example in which the coherent light reflected by the scanning device 65 is directly incident on the optical element 50.
  • a condensing lens is provided between the scanning device 65 and the optical element 50, and the light is condensed. You may make it make coherent light into a parallel light beam with a lens, and inject into the optical element 50.
  • a parallel light beam is used as the reference light Lr instead of the above-described convergent light beam in the exposure process when the hologram recording medium 55 is manufactured.
  • Such a hologram recording medium 55 can be produced and duplicated more easily.
  • optical element 50 In the embodiment described above, an example in which the optical element 50 includes the reflective volume hologram 55 using a photopolymer has been described, but the present invention is not limited thereto. Further, the optical element 50 may include a volume hologram that is recorded using a photosensitive medium including a silver salt material. Furthermore, the optical element 50 may include a transmissive volume hologram recording medium 55 or a relief (embossed) hologram recording medium 55.
  • a relief (embossed) hologram is recorded with hologram interference fringes due to the uneven structure on the surface.
  • scattering due to the uneven structure on the surface may cause a loss of light amount and may cause a new unintended speckle generation.
  • the volume-type hologram is preferable.
  • the hologram interference fringe is recorded as a refractive index modulation pattern (refractive index distribution) inside the medium, it is not affected by scattering due to the uneven structure on the surface.
  • the hologram recording medium 55 is preferably a volume hologram using a photopolymer.
  • a so-called Fresnel type hologram recording medium 55 is produced, and a Fourier transform type hologram recording medium 55 obtained by performing recording using a lens is produced. It doesn't matter. However, when the Fourier transform type hologram recording medium 55 is used, a lens may also be used during image reproduction.
  • the striped pattern to be formed on the hologram recording medium 55 does not use the actual object light Lo and the reference light Lr, but the planned wavelength and incident direction of the reproduction illumination light La.
  • it may be designed using a computer based on the shape and position of the image to be reproduced.
  • the hologram recording medium 55 obtained in this way is also called a computer-generated hologram.
  • the hologram recording medium 55 as a computer-generated hologram corresponds to each coherent light in each wavelength range.
  • the coherent light in each wavelength region may be diffracted in the corresponding region to reproduce an image.
  • the irradiation device 60 is configured to be able to scan the coherent light on the optical element 50 in a one-dimensional direction, and the coherent light irradiated to each position by the hologram recording medium 55 of the optical element 50 is used.
  • An example is shown in which the illumination device 40 illuminates the two-dimensional illuminated area LZ by being configured to diffuse in a two-dimensional direction.
  • the present invention is not limited to such an example.
  • the irradiation device 60 is configured to be able to scan the coherent light on the optical element 50 in a two-dimensional direction, and
  • the hologram recording medium 55 of the optical element 50 is configured to diffuse the coherent light irradiated to each position in a two-dimensional direction.
  • the region LZ may be illuminated.
  • the irradiation device 60 is configured to be able to scan the coherent light on the optical element 50 in a one-dimensional direction, and the hologram recording medium 55 of the optical element 50 irradiates each position.
  • the configured coherent light may be configured to diffuse in a one-dimensional direction so that the illumination device 40 illuminates the one-dimensional illuminated area LZ.
  • the scanning direction of the coherent light by the irradiation device 60 and the diffusion direction of the hologram recording medium 55 of the optical element 50 may be parallel to each other.
  • the irradiation device 60 is configured to be able to scan the coherent light on the optical element 50 in a one-dimensional direction or a two-dimensional direction, and the coherent light irradiated onto the hologram recording medium 55 of the optical element 50 at each position. May be configured to diffuse in a one-dimensional direction.
  • the optical device 50 has a plurality of hologram recording media 55, and the illumination device 40 illuminates a two-dimensional region by sequentially illuminating the illuminated regions LZ corresponding to the hologram recording media 55. You may make it do.
  • each illuminated area LZ may be sequentially illuminated at a speed as if it were illuminated simultaneously by the human eye, or it can be recognized that the illuminated area LZ is also illuminated sequentially by the human eye. It may be illuminated sequentially at such a slow speed.
  • a combination of the optical element 50, the scanning device 65 in the irradiation device 60, and the intermediate optical system 70 is referred to as a projection control device 90.

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Abstract

　スペックルを目立たなくさせることができ、且つ照明領域内の明るさのムラの発生を効果的に抑制でき、且つ光利用効率の向上を可能とすることを課題とする。　投射装置（２０）は、走査デバイス（６５）により、ホログラム記録媒体（５５）上をコヒーレント光で走査して、ホログラム記録媒体（５５）で拡散されたコヒーレント光を結像光学系（７０）に入射して、この結像光学系（７０）でコヒーレント光を収束光に変えて、被照明領域（ＬＺ）を照明する。ホログラム記録媒体（５５）には、第１および第２の開口絞り（１０，１１）の情報が記録される。ホログラム記録媒体（５５）は、散乱板（６）から照射された光のうち第１の開口絞り（１０）を通過した光の像を再生する。したがって、従来のインテグレータロッド方式のように、ロッド端面のゴミや傷等の影響を受けずに、高品質に投影画像が得られる。

Description

投射装置およびホログラム記録媒体
　本発明は、コヒーレント光を照射する光源を用いた投射装置およびホログラム記録媒体に関する。
　光学式投射装置（プロジェクタ）では、光源から照射された光でスクリーンを均一に照明することが重要である。スクリーンの均一照明を実現する手法として、フライアイレンズを用いた液晶３板式やＤＭＤ（Digital Micromirror Device）用のインテグレータロッド方式などが提案されている。
　ところが、これらの方式では、液晶ディスプレイの形状に合わせて矩形照明を行う際の構成レンズの焦点距離によって決定される光学配置の制約が大きく、設計自由度が低い上に、部品点数も多いという問題がある。
　また、インテグレータロッド方式では、ロッド端面にゴミや傷が存在すると、像としてマイクロディスプレイ上に結像してしまうため、端面の清浄さを保つことが必要となる。
　一方、光学式プロジェクタでは一般に、高圧水銀ランプなどの白色光源からなる照明装置を用いて液晶ディスプレイ等の空間光変調器を照明し、得られた変調画像をレンズでスクリーン上に拡大投影する方式を採用している。
　ところが、高圧水銀ランプなどの高輝度放電ランプは、寿命が比較的短く、光学式プロジェクタなどに用いた場合、頻繁にランプ交換を行う必要がある。そこで、レーザなどのコヒーレント光源を用いる方式も提案されている。例えば、産業界で広く利用されている半導体レーザは、高圧水銀ランプなどの高輝度放電ランプに比べてはるかに長寿命である。また、単一波長の光を生成可能な光源であるため、ダイクロイックミラーなどの分光装置が不要になり、装置全体を小型化できるという利点もある。
　ところで、レーザ光などのコヒーレント光源を用いる方式には、スペックルの発生といった新たな問題が生じている。スペックル（speckle）は、レーザ光などのコヒーレント光を散乱面に照射したときに現れる斑点状の模様であり、スクリーン上に発生すると斑点状の輝度ムラ（明るさのムラ）として観察され、観察者に対して生理的な悪影響を及ぼす要因になる。コヒーレント光を用いた場合にスペックルが発生する理由は、スクリーンなどの散乱反射面の各部で反射したコヒーレント光が、その極めて高い可干渉性ゆえに、互いに干渉し合うことによって生じるものとされている。たとえば、Speckle Phenomena in Optics, Joseph W. Goodman, Roberts & Co., 2006には、スペックルの発生についての詳細な理論的考察がなされている。
　このように、コヒーレント光源を用いる方式では、スペックルの発生という固有の問題が生じるため、スペックルの発生を抑制するための技術が提案されている。たとえば、特開平６－２０８０８９号公報には、レーザ光を散乱板に照射し、そこから得られる散乱光を空間光変調器に導くとともに、散乱板をモータによって回転駆動することにより、スペックルを低減する技術が開示されている。
　上述したとおり、コヒーレント光源を用いた投射装置において、スペックルを低減する技術が提案されているが、これまでに提案された手法では、スペックルを効率的かつ十分に抑制することはできていない。たとえば、前掲の特開平６－２０８０８９号公報に開示されている方法では、レーザ光を散乱板に照射して散乱させてしまうため、一部のレーザ光は映像表示に全く貢献することなく浪費されてしまう。また、スペックル低減のために散乱板を回転させる必要があるが、そのような機械的な回転機構は比較的大型の装置となり、また、電力消費も大きくなる。更に、散乱板を回転させたとしても、照明光の光軸の位置は変わらないため、スクリーン上での拡散に起因して発生するスペックルを十分に抑制することはできない。
　ところで、コヒーレント光は、レーザ光に代表されるように、優れた直進性を有するとともに、非常にエネルギ密度の高い光として照射され得る。したがって、実際に開発される照明装置としては、このようなコヒーレント光の特性に対応して、コヒーレント光の光路が設計されていることが好ましい。
　本件発明者らは、以上の点を踏まえて鋭意研究を重ね、その結果として、コヒーレント光で光変調器を照明した状態で、光変調器で生成される変調画像を投射させる投射装置を発明するにいたった。また、本件発明者らは、さらに研究を進め、コヒーレント光で光変調器を照明する際に、照明領域内に明るさが突出して明るくなる領域が生じることを安定して防止し得るように、当該照明装置を改善することができた。すなわち、本発明は、スペックルを目立たなくさせることができ、且つ照明領域内の明るさのムラの発生を効果的に抑制でき、且つ光利用効率を向上可能な投射装置およびホログラム記録媒体を提供することを目的とする。
　上記の課題を解決するために、本発明の一態様では、コヒーレント光を拡散し得るホログラム記録媒体と、
　コヒーレント光が前記ホログラム記録媒体上を走査するように、前記ホログラム記録媒体にコヒーレント光を照射する照射装置と、
　前記照射装置から前記ホログラム記録媒体の各位置に入射されて拡散されたコヒーレント光によって照明される光変調器と、
　前記光変調器で生成される変調画像を拡散面に投射する投射光学系と、
　前記ホログラム記録媒体と前記光変調器との間に配置され、前記ホログラム記録媒体の各点で拡散された拡散光を収束させて前記光変調器を照明する結像光学系と、を備え、
　前記ホログラム記録媒体は、前記結像光学系から前記拡散面の方向に向かって順に配置される第１の開口絞りおよび第２の開口絞りの情報を記録することを特徴とする投射装置が提供される。
　また、本発明の一態様では、コヒーレント光を拡散し得るホログラム記録媒体と、
　光源から照射されたコヒーレント光が前記ホログラム記録媒体上を走査するように、前記ホログラム記録媒体にコヒーレント光を導光する照射制御装置と、
　前記照射制御装置から前記ホログラム記録媒体の各位置に入射されて拡散されたコヒーレント光によって照明される光変調器と、
　前記光変調器で生成される変調画像を拡散面に投射する投射光学系と、
　前記ホログラム記録媒体と前記光変調器との間に配置され、前記ホログラム記録媒体の各点で拡散された拡散光を収束させて前記光変調器を照明する結像光学系と、を備え、
　前記ホログラム記録媒体は、前記結像光学系から前記拡散面の方向に向かって順に配置される第１の開口絞りおよび第２の開口絞りの情報を記録する投射装置が提供される。
　また、本発明の一態様では、照射装置から照射されたコヒーレント光が走査される記録領域を備え、この記録領域で該コヒーレント光を拡散させて光変調器に導光するホログラム記録媒体であって、
　前記記録領域は、前記光変調器で生成される変調画像を拡散面に投射する投射光学系から、前記拡散面の方向に向かって順に配置される第１の開口絞りおよび第２の開口絞りの情報を記録するホログラム記録媒体が提供される。
　本発明によれば、スペックルを目立たなくさせることができ、且つ照明領域内の明るさのムラの発生を効果的に抑制でき、且つ光利用効率を向上可能な投射装置を実現できる。
本発明の一実施形態に係る投射装置２０の概略構成を示すブロック図。 ホログラム感光材料５８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２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６の像を再生する様子を説明する図。 走査デバイス６５の走査経路を説明する図。 ミラーデバイス６６を二軸方向に回動させる例を示す図。
　以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから適宜変更したり、誇張してある。
　図１は本発明の一実施形態に係る投射装置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、照射装置６０と、結像光学系７０と、光変調器３０と、投射光学系８０とを備えている。本明細書では、光学素子５０と照射装置６０を合わせたものを照明装置４０と呼ぶ。
　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走査デバイス６５とを有する。本明細書では、照射装置６０からレーザ光源６１を除いた構成部分を照射制御装置と呼ぶ。
　光学素子５０は、光変調器３０の位置に重ねて設けられる被照明領域ＬＺに第１の開口絞りの像を再生し得るホログラム記録媒体５５を有する。ホログラム記録媒体５５の詳細については後述する。ホログラム記録媒体５５には、走査デバイス６５にて反射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には干渉縞が記録されており、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）となって放射される。
　走査デバイス６５は、入射されたコヒーレント光の反射角度を可変させて、反射されたコヒーレント光がホログラム記録媒体５５上を走査するようにしている。
　ホログラム記録媒体５５上の各点に入射されたコヒーレント光は、拡散光となって、結像光学系７０に入射される。結像光学系７０は、ホログラム記録媒体５５と光変調器３０の間に配置されて、ホログラム記録媒体５５で拡散したコヒーレント光を収束させて光変調器３０に導く作用を行なう。結像光学系７０は、両面が凸形状のフィールドレンズ７１や、ホログラム記録媒体５５側が凸形状で光変調器３０側が平坦なフィールドレンズ７１等で構成される。
　このような結像光学系７０を設けることで、ホログラム記録媒体５５上の任意の位置で拡散されたコヒーレント光は、結像光学系７０にて収束光となり、光変調器３０の位置に設けられる被照明領域ＬＺに入射される。これにより、ホログラム記録媒体５５で拡散されたコヒーレント光のほぼすべてで被照明領域ＬＺを照明でき、被照明領域ＬＺの照明強度をより向上できる。
　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。上述した特開２００８－２２４７６０号公報に開示された装置でも、ＤＭＤが光変調器３０として利用されている。
　この他、光変調器３０としては、透過型の液晶パネルを用いることも可能であるが、結像光学系７０を通過するコヒーレント光は、平行光ではなく液晶パネル内での光路長が様々に異なるため、液晶パネルへの光線入射角度によっては、コントラストが下がるおそれがある。この意味からも、本実施形態の光変調器３０としては、ＤＭＤなどの反射型のマイクロディスプレイを用いるのが望ましい。
　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１５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を拡散スクリーン１５に投射する投射光学系８０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８１を有し、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８１で屈折されて拡散スクリーン１５上に変調画像を投射する。プロジェクションレンズ８１の径や、プロジェクションレンズ８１と光変調器３０との距離や、プロジェクションレンズ８１と拡散スクリーン１５との距離によって、拡散スクリーン１５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の拡散スクリーン１５は、透過型であり、投射された変調画像光を拡散する。なお、拡散スクリーン１５は、反射型でもよい。
　図１では省略しているが、拡散スクリーン１５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１５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、ホログラム記録媒体５５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上に投射することができる。
　本実施形態では、被照明領域ＬＺを照明するために、ホログラム記録媒体５５を含む光学素子５０を用いている。ホログラム記録媒体５５を形成する材料となるホログラム感光材料５８は、例えばフォトポリマーを用いた反射型の体積型ホログラムである。図２はホログラム感光材料５８に第１および第２の開口絞り１０，１１の像を干渉縞として形成する様子を説明する図である。
　図２に示すように、ホログラム感光材料５８に第１および第２の開口絞り１０，１１の像を干渉縞として形成する際には、光変調器３０の位置に第１の開口絞り１０が置かれ、投射光学系８０の入射瞳の位置に第２の開口絞り１１が置かれ、第２の開口絞り１１よりも拡散スクリーン１５側に散乱板６または光源が置かれる。以下では、第２の開口絞り１１よりも拡散スクリーン１５側に散乱板６を置いた例を説明する。
　散乱板６からの散乱光は、第２の開口絞り１１を通過する。散乱板６は、第２の開口絞り１１の各点からの光の照明強度分布が第１の開口絞り１０の全域で均一になるような散乱光を照射する。ここで、光の照明強度分布の測定方法としては、例えば、ＣＣＤセンサ等を用いて第１の開口絞り１０での照明強度分布を直接測定する方法や、レンズ系を通して第１の開口絞り１０の像をＣＣＤセンサ等に結像させることにより照明強度分布を測定する方法や、第１の開口絞り１０にスクリーンを配置してスクリーン上の照明強度分布をカメラ等で測定する方法等を挙げることができる。
　第１の開口絞り１０の径は、結像光学系７０の口径よりも小さくしている。これは、結像光学系７０は、入射されたコヒーレント光を収束させて第１の開口絞り１０に導くためである。一方、第１の開口絞り１０の径と第２の開口絞り１１の径との大小関係は、任意である。ただし、第２の開口絞り１１の径を小さくすることで、第２の開口絞り１１の位置に置かれる投射光学系８０の口径を小さくすることができ、投射光学系８０の小型化を図れる。
　第１の開口絞り１０の形状は、光変調器３０の形状と同じである。例えば、光変調器３０が矩形であれば、第１の開口絞り１０も矩形である。第１の開口絞り１０のサイズは、光変調器３０のサイズと同じか、若干大きい。よって、第１の開口絞り１０は、光変調器３０の相似形である。第１開口絞り１０のサイズが光変調器３０のサイズと同じ、または、ほぼ同等な相似形であり、光変調器３０の位置に第１の開口絞り１０が置かれることにより、光変調器３０の形状に合わせて照明ができるため、光利用効率を向上させることができる。これは、ホログラム記録媒体５５には第１の開口絞り１０を通過した光の情報のみ記録されているため、結像光学系７０を通してホログラム記録媒体５５を再生した際に、第１開口絞り１０の元々配置されていた平面においてビームの輪郭が第１開口絞り１０の形状となるからである。
　一方、第２の開口絞り１１の形状は、例えば円形であるが、半円や矩形でもよい。第２の開口絞り１１のサイズは、投射光学系８０の入射瞳の領域と同じか、または入射瞳の領域の一部である。投射光学系８０の入射瞳以下に第２開口絞り１１のサイズを制限することで、必要十分な領域のみに光を集めることができるため、投射光学系８０に効率よく光を入射させることができる。
　図２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る。図２は、ホログラム記録媒体５５の母材となる、感光性を有する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とを露光した状態を示す。
　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に入射される。図２に示す例では、参照光Ｌｒを形成するためのレーザ光が、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、の間に配置される。
　一方、物体光Ｌｏは、例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２の例では、作製されるべきホログラム記録媒体５５が反射型であり、物体光Ｌｏは、参照光Ｌｒと反対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割させて、分割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２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第２の開口絞り１１と第１の開口絞り１０を順に通過した後、結像光学系７０を通過して、物体光Ｌｏとしてホログラム感光材料５８へ入射される。この方法によれば、通常安価に入手可能な等方散乱板６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を、ホログラム感光材料５８に概ね均一な光量分布で入射させることができる。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物体光Ｌｏが入射しやすくなる。
　以上のようにして、参照光Ｌｒおよび物体光Ｌｏがホログラム感光材料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、何らかのパターン例えば、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、ホログラム感光材料５８に記録される。その後、ホログラム感光材料５８の種類に対応した適切な後処理が施され、ホログラム記録媒体５５が得られる。
　このように、本実施形態では、散乱板６からの散乱光（物体光）を、第２の開口絞り１１と第１の開口絞り１０を順に通過させて、結像光学系７０を介してホログラム記録媒体５５に導くため、ホログラム記録媒体５５には、第１の開口絞り１０と第２の開口絞り１１の情報を記録することができる。すなわち、散乱板６は、第２の開口絞り１１の各点からの光の照明強度分布が第１の開口絞り１０の全域で均一になるような散乱光を発生するため、このような第１および第２の開口絞り１０，１１の情報がホログラム記録媒体５５に記録される。よって、ホログラム記録媒体５５を再生すると、散乱板６からの散乱光を絞り込んだ第１の開口絞り１０の像を再生することができる。この像は、光変調器３０の照明光となる。
　ここで、ホログラム記録媒体５５に、第１および第２の開口絞り１０，１１の情報を記録するということは、絞りという空間的に何もない箇所を通過する光の情報を記録することであり、上述したインテグレータロッド方式のように、ロッド端面のゴミや傷によって記録情報が変化することもなく、簡易かつ精度よくホログラム記録媒体５５への記録を行うことができる。よって、ホログラム記録媒体５５の再生時に、より均一な照明強度分布で光変調器３０を照明でき、照明品質を向上できる。
　図３は図２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６の像を再生する様子を説明する図である。図３に示すように、図２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３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２参照）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、結像光学系７０にて収束された後に、第１の開口絞り１０に対応する光変調器３０の位置に第１の開口絞り１０の再生像５を生成する。
　この際、第１の開口絞り１０の再生像５を生成する再生光、すなわち再生照明光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、第１の開口絞り１０があった場所に設けられる被照明領域ＬＺの各点を再生する。
　図３に示すように、ホログラム記録媒体５５の再生時には、図２の第１の開口絞り１０の位置に光変調器３０が置かれ、第２の開口絞り１１の位置に投射光学系８０が置かれる。なお、第１の開口絞り１０の位置は、光変調器３０の位置から光軸方向の前後に多少ずれて配置されてもよい。
　ホログラム記録媒体５５の記録時には、図２に示したように、第１の開口絞り１０を通過した物体光Ｌｏが、それぞれ、ホログラム感光材料５８に入射するように拡散している。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からの物体光Ｌｏが入射し、結果として、出射面６ａより出射し、第２の開口絞り１１と第１の開口絞り１０の両方を通過した光の情報がホログラム記録媒体５５の各位置に記録されている。このため、図３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、光変調器３０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で拡散された光は、結像光学系７０により収束されて、被照明領域ＬＺの方向に進行するため、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のほとんどを、被照明領域ＬＺを照明するために有効利用できる。
　次に、図２のような構成で干渉縞が形成されるホログラム記録媒体５５からなる光学素子５０にコヒーレント光を照射する照射装置６０の構成について説明する。図１～図３に示された例において、照射装置６０は、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走査デバイス６５と、を有する。
　レーザ光源６１は、単色のレーザ光源でもよいし、発光色の異なる複数のレーザ光源でもよい。例えば、赤、緑、青の複数のレーザ光源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からのレーザ光が走査デバイス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。この場合、各レーザ光源からのコヒーレント光は、走査デバイス６５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を用いて構成して場合には白色になる。あるいは、各レーザ光源ごとに、別個の走査デバイス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、例えば、黄色で発光するレーザ光源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の種類や数は、特に限定されるものではない。
　光変調器３０にて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。
　上述した投射光学系８０は、主には、光変調器３０の変調画像を拡散スクリーン１５に投影するために設けられている。拡散スクリーン１５を設けることで、スペックルが重ねられて平均化される結果、スペックルが目立たなくなる。
　走査デバイス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、走査デバイス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。
　図４は走査デバイス６５の走査経路を説明する図である。
　本実施形態に係る走査デバイス６５は、一つの軸線ＲＡ１を中心として回動可能な反射面６６ａを有する反射デバイス６６を含んでいる。反射デバイス６６は、一つの軸線ＲＡ１を中心として回動可能な反射面６６ａとしてのミラーを有したミラーデバイスを有する。このミラーデバイス６６は、ミラー６６ａの配向を変化させることによって、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ようになっている。この際、図３に示すように、ミラーデバイス６６は、概ね、基準点ＳＰにおいてレーザ光源６１からコヒーレント光を受けるようになっている。
　ミラーデバイス６６で進行方向を最終調整されたコヒーレント光は、基準点ＳＰからの発散光束の一光線をなし得る再生照明光Ｌａ（図３参照）として、光学素子５０のホログラム記録媒体５５へ入射し得る。結果として、照射装置６０からのコヒーレント光がホログラム記録媒体５５上を走査するようになり、且つ、ホログラム記録媒体５５上の各位置に入射したコヒーレント光が同一の輪郭を有した散乱板６の像５を同一の位置（被照明領域ＬＺ）に再生するようになる。
　図４に示すように、反射デバイス６６は、一つの軸線ＲＡ１に沿ってミラー６６ａを回動させるように構成されている。図４に示された例では、ミラー６６ａの回動軸線ＲＡ１は、ホログラム記録媒体５５の板面上に定義されたＸＹ座標系（つまり、ＸＹ平面がホログラム記録媒体５５の板面と平行となるＸＹ座標系）のＹ軸と、平行に延びている。そして、ミラー６６ａが、ホログラム記録媒体５５の板面上に定義されたＸＹ座標系のＹ軸と平行な軸線ＲＡ１を中心として回動するため、照射装置６０からのコヒーレント光の光学素子５０への入射点ＩＰは、ホログラム記録媒体５５の板面上に定義されたＸＹ座標系のＸ軸と平行な方向に往復動するようになる。すなわち、図４に示された例では、照射装置６０は、コヒーレント光がホログラム記録媒体５５上を直線経路に沿って走査するように、光学素子５０にコヒーレント光を照射する。
　ミラーデバイス６６等で構成される走査デバイス６５は、上述したように、少なくとも軸線ＲＡ１回りに回動可能な部材であり、例えば、ＭＥＭＳなどを用いて構成される。走査デバイス６５は、周期的に回動運動を行うが、人間が直接観察する液晶表示装置などの用途では、１周期１／３０秒程度、表示したい画面の種類に応じてそれ以上に高速にコヒーレント光で走査できれば、その回動周波数には特に制限はない。
　なお、実際上の問題として、ホログラム記録媒体５５を作成する際、ホログラム感光材料５８が収縮する場合がある。このような場合、ホログラム感光材料５８の収縮を考慮して、照射装置６０から光学素子５０に照射されるコヒーレント光の入出射角度が調整されることが好ましい。したがって、コヒーレント光源６１で生成するコヒーレント光の波長は、図２の露光工程で用いた光の波長と厳密に一致させる必要はなく、ほぼ同一となっていてもよい。
　また、同様の理由から、光学素子５０のホログラム記録媒体５５へ入射する光の進行方向も、基準点ＳＰからの発散光束に含まれる一光線と厳密に同一の経路を取っていなくとも、被照明領域ＬＺに像５を再生することができる。実際に、図３および図４に示す例では、走査デバイス６５をなすミラーデバイス６６のミラー（反射面）６６ａは、必然的に、その回動軸線ＲＡ１からずれる。したがって、基準点ＳＰを通過しない回動軸線ＲＡ１を中心としてミラー６６ａを回動させた場合、ホログラム記録媒体５５へ入射する光は、基準点ＳＰからの発散光束をなす一光線とはならないことがある。しかしながら、実際には、図示された構成の照射装置６０からのコヒーレント光によって、被照明領域ＬＺに重ねて像５を実質的に再生することができる。
　ところで、走査デバイス６５は、必ずしもコヒーレント光を反射させる部材である必要はなく、反射ではなく、コヒーレント光を屈折や回折等を行わせて、コヒーレント光を光学素子５０上で走査させてもよい。
　（本実施形態の作用効果）
　次に、以上の構成からなる投射装置２０の作用および効果について説明する。
　本実施形態に係る投射装置２０は、走査デバイス６５により、ホログラム記録媒体５５上をコヒーレント光で走査して、ホログラム記録媒体５５で拡散されたコヒーレント光を結像光学系７０に入射して、この結像光学系７０でコヒーレント光を収束光に変えて、被照明領域ＬＺを照明する。これにより、ホログラム記録媒体５５で拡散されたコヒーレント光のうち、被照明領域ＬＺの照明に利用されないコヒーレント光の割合を低減でき、被照明領域ＬＺの照明強度の向上が図れる。
　ホログラム記録媒体５５を記録する際には、光変調器３０の位置に第１の開口絞り１０を置き、かつ結像光学系７０の入射瞳の位置に第２の開口絞り１１を置き、第２の開口絞り１１よりもスクリーン側に散乱板６を置く。そして、散乱板６からの散乱光（物体光）を第２の開口絞り１１に入射し、第２の開口絞り１１の各点からの物体光が第１の開口絞り１０の全域を照射するようにする。第１の開口絞り１０を通過した物体光は、結像光学系７０を経てホログラム感光材料５８に入射される。これにより、ホログラム記録媒体５５には、第１および第２の開口絞り１０，１１の情報を記録できる。
　このようなホログラム記録媒体５５に再生光を照射した場合には、ホログラム記録媒体５５で拡散されたコヒーレント光を結像光学系７０で収束させて、第１の開口絞り１０の位置（被照明領域）に置かれる光変調器３０の全域を照明することができる。この照明は、第１の開口絞り１０の像を再生したものであり、散乱板６の像を再生したものではない。すなわち、本実施形態では、光学系内の実物体の像をホログラム記録媒体５５で再生するのではなく、散乱板６から照射された光のうち第１の開口絞り１０を通過した光の情報を再生する。したがって、従来のインテグレータロッド方式のように、ロッド端面のゴミや傷等の影響を受けずに、高品質の投影画像が得られる。
　また、本実施形態によれば、光変調器３０で変調されたコヒーレント光のすべてを第２の開口絞り１１を通過させることができ、光の利用効率を向上できる。
　また、第２の開口絞り１１の径を小さくすることで、投射光学系８０の口径を小さくでき、投射光学系８０の小型化を図れる。
　さらに、本実施形態では、結像光学系７０の焦点距離等によって、ホログラム記録媒体５５の位置が制約されることがない。これは例えば、ホログラム記録媒体５５を、あらかじめ再生時に設置したい位置に置いて配置記録しておけば、元々の所望の光線情報を再生できるためである。これにより、設計の自由度が広がる。
　このように、本実施形態では、走査デバイス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。また、本実施形態では、走査デバイス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１５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１５を設けることで、視野角を広げることも可能となる。
　走査デバイス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ＬＺの全域を重ねて照明する。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（拡げられて）、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、第１の開口絞り１０を通過した各色の光の情報が再生される。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。
　本実施形態では、以下に説明するように、スペックルを目立たせずに被照明領域ＬＺ上に光像を形成することができる。
　前掲のSpeckle Phenomena in Optics, Joseph W. Goodman, Roberts & Co., 2006によれば、スペックルを目立たなくさせるには、偏光・位相・角度・時間といったパラメータを多重化し、モードを増やすことが有効であるとされている。ここでいうモードとは、互いに無相関なスペックルパターンのことである。例えば、複数のレーザ光源６１から同一のスクリーンに異なる方向からコヒーレント光を投射した場合、レーザ光源６１の数だけ、モードが存在することになる。また、同一のレーザ光源６１からのコヒーレント光を、単位時間毎に異なる方向からスクリーンに投射した場合、人間の目で分解不可能な時間の間にコヒーレント光の入射方向が変化した回数だけ、モードが存在することになる。そして、このモードが多数存在する場合には、光の干渉パターンが無相関に重ねられて平均化され、結果として、観察者の目によって観察されるスペックルが目立たなくなるものと考えられている。
　上述した照射装置６０は、コヒーレント光がホログラム記録媒体５５上を走査するように、光学素子５０にコヒーレント光を照射する。また、照射装置６０からホログラム記録媒体５５内の任意の位置に入射したコヒーレント光は、被照明領域ＬＺの全域を照明するが、当該被照明領域ＬＺを照明するコヒーレント光の照明方向は互いに異なる。そして、コヒーレント光が入射するホログラム記録媒体５５上の位置が経時的に変化するため、被照明領域ＬＺへのコヒーレント光の入射方向も経時的に変化する。
　上述したように、本実施形態では、コヒーレント光は、ホログラム記録媒体５５上を連続的に走査する。これに伴って、照射装置６０から光学素子５０を介して被照明領域ＬＺに入射されるコヒーレント光の入射方向も連続的に変化する。ここで、光学素子５０から被照明領域ＬＺへのコヒーレント光の入射方向が僅か（例えば０．数°）だけ変化すれば、被照明領域ＬＺ上に生じるスペックルのパターンも大きく変化し、無相関なスペックルパターンが重畳されることになる。加えて、実際に市販されているＭＥＭＳミラーやポリゴンミラー等の走査デバイス６５の周波数は通常数百Ｈｚ以上であり、数万Ｈｚにも達する走査デバイス６５も珍しくない。
　以上のことから、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８０を介して拡散スクリーン１５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１５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１５上で発生するスペックルは目立たなくなる。
　上述したように、本発明の実施形態では、走査デバイス６５を用いて、コヒーレント光をホログラム記録媒体５５上で走査させ、ホログラム記録媒体５５で回折されたコヒーレント光を被照明領域ＬＺの全域に入射させるという、きわめて簡易な構成で、照明装置４０を実現できる。
　（本実施形態のその他の特徴）
　前掲のSpeckle Phenomena in Optics, Joseph W. Goodman, Roberts & Co., 2006には、スクリーン上に生じたスペックルの程度を示すパラメータとして、スペックルコントラスト（単位％）という数値を用いる方法が提案されている。このスペックルコントラストは、本来は均一の輝度分布をとるべきテストパターン映像を表示した際に、スクリーン上に実際に生じる輝度のばらつきの標準偏差を、輝度の平均値で除した値として定義される量である。このスペックルコントラストの値が大きければ大きいほど、スクリーン上のスペックル発生程度が大きいことを意味し、観察者に対して、斑点状の輝度ムラ模様がより顕著に提示されていることを示す。
　加えて、上述してきた本実施形態によれば、次の利点を享受することもできる。
　上述してきた本実施形態によれば、スペックルを目立たなくさせるための光学素子５０が、照射装置６０から照射されるコヒーレント光のビーム形態を整形および調整するための光学部材としても機能し得る。したがって、光学系を小型且つ簡易化することができる。
　また、上述してきた本実施形態によれば、ホログラム記録媒体５５の特定位置に入射するコヒーレント光が、被照明領域ＬＺ内の全域に、第１の開口絞り１０を通過した各色の光の情報を生成する。このため、ホログラム記録媒体５５で回折された光をすべて照明用に利用することが可能となり、レーザ光源６１からの光の利用効率の面においても優れる。
（０次光の回避）
　照射装置６０からのコヒーレント光の一部は、ホログラム記録媒体５５で回折されることなく当該ホログラム記録媒体５５を透過する。このような光は０次光と呼ばれる。０次光が被照明領域ＬＺに入射してしまうと、周囲と比較して明るさ（輝度）が急激に上昇する点状領域、線状領域、面状領域等の異常領域が被照明領域ＬＺ内に発生してしまう。
　体積型のホログラム記録媒体５５（以下、体積反射型ホロ）を用いる場合、特に体積反射型ホログラムの場合は０次光が進行する方向には被照明領域ＬＺは配置されないため、０次光を比較的容易に回避できる。また、体積透過型のホログラム記録媒体５５（以下、体積透過型ホロ）を用いる場合は、入射光と出射光が干渉しないよう、記録角度を選択すれば０次光を分離することができる。配置上の問題で０次光の光路と１次光の光路を分離できない場合は、回折効率を極力高くし、０次光の影響をできるだけ抑えるようにするのが望ましい。
（反射型と透過型のホログラム記録媒体５５）
　反射型ホロは、透過型ホロに比べて、波長選択性が高い。すなわち、反射型ホロは、異なる波長に対応した干渉縞を積層させても、所望の層のみで所望の波長のコヒーレント光を回折させることができる。また、０次光の影響を除去しやすい点でも、反射型ホロは優れている。
　一方、透過型ホロは、回折可能なスペクトルが広く、レーザ光源６１の許容度が広いが、異なる波長に対応した干渉縞を積層させると、所望の層以外の層でも所望の波長のコヒーレント光が回折されてしまう。よって、一般には、透過型ホロは、積層構造にするのが困難である。
（照射装置６０）
　上述した形態では、照射装置６０が、レーザ光源６１と走査デバイス６５とを有する例を説明した。走査デバイス６５は、コヒーレント光の進行方向を反射によって変化させる一軸回動型のミラーデバイス６６からなる例を示したが、これに限られない。走査デバイス６５は、図５に示すように、ミラーデバイス６６のミラー（反射面６６ａ）が、第１の回動軸線ＲＡ１だけでなく、第１の回動軸線ＲＡ１と交差する第２の回動軸線ＲＡ２を中心としても回動可能となっていてもよい。図５に示された例では、ミラー６６ａの第２の回動軸線ＲＡ２は、ホログラム記録媒体５５の板面上に定義されたＸＹ座標系のＹ軸と平行に延びる第１回動軸線ＲＡ１と、直交している。そして、ミラー６６ａが、第１軸線ＲＡ１および第２軸線ＲＡ２の両方を中心として回動可能なため、照射装置６０からのコヒーレント光の光学素子５０への入射点ＩＰは、ホログラム記録媒体５５の板面上で二次元方向に移動可能となる。このため、一例として図５に示されているように、コヒーレント光の光学素子５０への入射点ＩＰが円周上を移動するようにすることもできる。
　また、走査デバイス６５が、二以上のミラーデバイス６６を含んでいてもよい。この場合、ミラーデバイス６６のミラー６６ａが、単一の軸線を中心としてのみ回動可能であっても、照射装置６０からのコヒーレント光の光学素子５０への入射点ＩＰを、ホログラム記録媒体５５の板面上で二次元方向に移動させることができる。
　なお、走査デバイス６５に含まれるミラーデバイス６６ａの具体例としては、ＭＥＭＳミラー、ポリゴンミラー、ガルバノスキャナ等を挙げることができる。
　また、走査デバイス６５は、反射によってコヒーレント光の進行方向を変化させる反射デバイス、すなわち、本実施形態において、一例として上述してきたミラーデバイス６６以外のデバイスを含んで構成されていてもよい。例えば、走査デバイス６５が、屈折プリズムやレンズ等を含んでいていてもよい。
　そもそも、走査デバイス６５は必須ではなく、照射装置６０の光源６１が、光学素子５０に対して変位可能（移動、揺動、回転）に構成され、光源６１の光学素子５０に対する変位によって、光源６１から照射されたコヒーレント光がホログラム記録媒体５５上を走査するようにしてもよい。
　さらに、照射装置６０の光源６１が、線状光線として整形されたレーザ光を発振する前提で説明してきたが、これに限られない。とりわけ、上述した形態では、光学素子５０の各位置に照射されたコヒーレント光は、光学素子５０によって、被照明領域ＬＺの全域に入射するようになる光束に整形される。したがって、照射装置６０の光源６１から光学素子５０に照射されるコヒーレント光は精確に整形されていなくとも不都合は生じない。このため、光源６１から発生されるコヒーレント光は、発散光であってもよい。また、光源６１から発生されるコヒーレント光の断面形状は、円でなく、楕円等であってもよい。さらには、光源６１から発生されるコヒーレント光の横モードがマルチモードであってもよい。
　なお、光源６１が発散光束を発生させる場合、コヒーレント光は、光学素子５０のホログラム記録媒体５５に入射する際に、点ではなくある程度の面積を持った領域に入射することになる。この場合、ホログラム記録媒体５５で回折されて被照明領域ＬＺの各位置に入射する光は、角度を多重化されることになる。言い換えると、各瞬間において、被照明領域ＬＺの各位置には、或る程度の角度範囲の方向からコヒーレント光が入射する。このような角度の多重化によって、スペックルをさらに効果的に目立たなくさせることができる。
　さらに、図１では、走査デバイス６５で反射されたコヒーレント光を直接に光学素子５０に入射させる例を示したが、走査デバイス６５と光学素子５０の間に集光レンズを設けて、この集光レンズでコヒーレント光を平行光束にして光学素子５０に入射するようにしてもよい。このような例では、ホログラム記録媒体５５を作製する際の露光工程において、参照光Ｌｒとして、上述した収束光束に代えて、平行光束を用いることになる。このようなホログラム記録媒体５５は、より簡単に作製および複製することができる。
（光学素子５０）
　上述した形態において、光学素子５０が、フォトポリマーを用いた反射型の体積型ホログラム５５からなる例を示したが、これに限られない。また、光学素子５０は、銀塩材料を含む感光媒体を利用して記録するタイプの体積型ホログラムを含んでもよい。さらに、光学素子５０は、透過型の体積型ホログラム記録媒体５５を含んでいてもよいし、レリーフ型（エンボス型）のホログラム記録媒体５５を含んでいてもよい。
　ただし、レリーフ（エンボス）型ホログラムは、表面の凹凸構造によってホログラム干渉縞の記録が行われる。しかしながら、このレリーフ型ホログラムの場合、表面の凹凸構造による散乱が、光量ロスの原因となるほか、意図しない新たなスペックル生成要因となる可能性があり、この点において体積型ホログラムの方が好ましい。体積型ホログラムでは、媒体内部の屈折率変調パターン（屈折率分布）としてホログラム干渉縞の記録が行われるため、表面の凹凸構造による散乱による影響を受けることはない。
　もっとも、体積型ホログラムでも、銀塩材料を含む感光媒体を利用して記録するタイプのものは、銀塩粒子による散乱が光量ロスの原因となるほか、意図しない新たなスペックル生成要因となる可能性がある。この点において、ホログラム記録媒体５５としては、フォトポリマーを用いた体積型ホログラムの方が好ましい。
　また、図２に示す記録工程では、いわゆるフレネルタイプのホログラム記録媒体５５が作成されることになるが、レンズを用いた記録を行うことにより得られるフーリエ変換タイプのホログラム記録媒体５５を作成してもかまわない。ただ、フーリエ変換タイプのホログラム記録媒体５５を用いる場合には、像再生時にもレンズを使用してもよい。
　また、ホログラム記録媒体５５に形成されるべき縞状パターン、例えば屈折率変調パターンや凹凸パターンは、現実の物体光Ｌｏおよび参照光Ｌｒを用いることなく、予定した再生照明光Ｌａの波長や入射方向、並びに、再生されるべき像の形状や位置等に基づき計算機を用いて設計されてもよい。このようにして得られたホログラム記録媒体５５は、計算機合成ホログラムとも呼ばれる。また上述した変形例のように波長域の互いに異なる複数のコヒーレント光が照射装置６０から照射される場合には、計算機合成ホログラムとしてのホログラム記録媒体５５は、各波長域のコヒーレント光にそれぞれ対応して設けられた複数の領域に平面的に区分けされ、各波長域のコヒーレント光は対応する領域で回折されて像を再生するようにしてもよい。
（照明方法）
　上述した形態において、照射装置６０が光学素子５０上でコヒーレント光を一次元方向に走査可能とするように構成され、且つ、光学素子５０のホログラム記録媒体５５が各位置に照射されたコヒーレント光を二次元方向に拡散するように構成され、これにより、照明装置４０が二次元的な被照明領域ＬＺを照明する例を示した。ただし、既に説明してきたように、このような例に限定されることはなく、例えば、照射装置６０が光学素子５０上でコヒーレント光を二次元方向に走査可能とするように構成され、且つ、光学素子５０のホログラム記録媒体５５が各位置に照射されたコヒーレント光を二次元方向に拡散するように構成され、これにより、図５に示したように、照明装置４０が二次元的な被照明領域ＬＺを照明してもよい。
　また、既に言及しているように、照射装置６０が光学素子５０上でコヒーレント光を一次元方向に走査可能とするように構成され、且つ、光学素子５０のホログラム記録媒体５５が各位置に照射されたコヒーレント光を一次元方向に拡散するように構成され、これにより、照明装置４０が一次元的な被照明領域ＬＺを照明するようにしてもよい。この態様において、照射装置６０によるコヒーレント光の走査方向と、光学素子５０のホログラム記録媒体５５の拡散方向と、が平行となるようにしてもよい。
　さらに、照射装置６０が光学素子５０上でコヒーレント光を一次元方向または二次元方向に走査可能とするように構成され、且つ、光学素子５０のホログラム記録媒体５５が各位置に照射されたコヒーレント光を一次元方向に拡散するように構成されていてもよい。この態様において、光学素子５０が複数のホログラム記録媒体５５を有し、各ホログラム記録媒体５５に対応した被照明領域ＬＺを順に照明していくことによって、照明装置４０が二次元的な領域を照明するようにしてもよい。この際、各被照明領域ＬＺが、人間の目では同時に照明されているかのような速度で、順に照明されていってもよいし、あるいは、人間の目でも順番に照明していると認識できるような遅い速度で、順に照明されていってもよい。
　なお、本明細書では、光学素子５０と、照射装置６０内の走査デバイス６５と、中間光学系７０とを合わせたものを投射制御装置９０と呼ぶ。
　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。

Claims (14)

  1. 　コヒーレント光を拡散し得るホログラム記録媒体と、
    　コヒーレント光が前記ホログラム記録媒体上を走査するように、前記ホログラム記録媒体にコヒーレント光を照射する照射装置と、
    　前記照射装置から前記ホログラム記録媒体の各位置に入射されて拡散されたコヒーレント光によって照明される光変調器と、
    　前記光変調器で生成される変調画像を拡散面に投射する投射光学系と、
    　前記ホログラム記録媒体と前記光変調器との間に配置され、前記ホログラム記録媒体の各点で拡散された拡散光を収束させて前記光変調器を照明する結像光学系と、を備え、
    　前記ホログラム記録媒体は、前記結像光学系から前記拡散面の方向に向かって順に配置される第１の開口絞りおよび第２の開口絞りの情報を記録することを特徴とする投射装置。
  2. 　前記ホログラム記録媒体は、前記第２の開口絞りの各点からの光の照明強度分布が前記第１の開口絞りの全域で均一になり得る拡散特性を持つ光源または散乱部材を用いて記録されることを特徴とする請求項１に記載の投射装置。
  3. 　前記第１の開口絞りは前記光変調器の位置に配置され、
    　前記第２の開口絞りは前記投射光学系の入射瞳に配置されることを特徴とする請求項１に記載の投射装置。
  4. 　前記第１の開口絞りの形状と前記光変調器の形状とは相似形であることを特徴とする請求項１に記載の投射装置。
  5. 　前記第２の開口絞りは、前記投射光学系の入射瞳の領域と同じか、または該入射瞳の領域の一部であることを特徴とする請求項１に記載の投射装置。
  6. 　前記ホログラム記録媒体は、体積型ホログラムであることを特徴とする請求項１に記載の投射装置。
  7. 　前記ホログラム記録媒体は、計算機合成ホログラムであることを特徴とする請求項１に記載の投射装置。
  8. 　前記ホログラム記録媒体は、表面レリーフ型のホログラフィックディフューザであることを特徴とする請求項１に記載の投射装置。
  9. 　前記光変調器は、空間光変調器であることを特徴とする請求項１に記載の投射装置。
  10. 　前記空間光変調器は、前記照射装置からのコヒーレント光を透過または反射させて変調画像を生成することを特徴とする請求項９に記載の投射装置。
  11. 　前記空間光変調器は、反射型のマイクロミラーデバイスを有するマイクロディスプレイであることを特徴とする請求項９に記載の投射装置。
  12. 　前記照射装置は、
    　コヒーレント光を放射する光源と、
    　前記光源から放射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上で走査させる走査デバイスと、を有することを特徴とする請求項１に記載の投射装置。
  13. 　コヒーレント光を拡散し得るホログラム記録媒体と、
    　光源から照射されたコヒーレント光が前記ホログラム記録媒体上を走査するように、前記ホログラム記録媒体にコヒーレント光を導光する照射制御装置と、
    　前記照射制御装置から前記ホログラム記録媒体の各位置に入射されて拡散されたコヒーレント光によって照明される光変調器と、
    　前記光変調器で生成される変調画像を拡散面に投射する投射光学系と、
    　前記ホログラム記録媒体と前記光変調器との間に配置され、前記ホログラム記録媒体の各点で拡散された拡散光を収束させて前記光変調器を照明する結像光学系と、を備え、
    　前記ホログラム記録媒体は、前記結像光学系から前記拡散面の方向に向かって順に配置される第１の開口絞りおよび第２の開口絞りの情報を記録することを特徴とする投射装置。
  14. 　照射装置から照射されたコヒーレント光が走査される記録領域を備え、この記録領域で該コヒーレント光を拡散させて光変調器に導光するホログラム記録媒体であって、
    　前記記録領域は、前記光変調器で生成される変調画像を拡散面に投射する投射光学系から、前記拡散面の方向に向かって順に配置される第１の開口絞りおよび第２の開口絞りの情報を記録することを特徴とするホログラム記録媒体。
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