WO2020111168A1 - ホログラム用照明装置及びホログラム表示装置 - Google Patents

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WO2020111168A1
WO2020111168A1 PCT/JP2019/046518 JP2019046518W WO2020111168A1 WO 2020111168 A1 WO2020111168 A1 WO 2020111168A1 JP 2019046518 W JP2019046518 W JP 2019046518W WO 2020111168 A1 WO2020111168 A1 WO 2020111168A1
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WO
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light
guide plate
hologram
light guide
illumination
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PCT/JP2019/046518
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English (en)
French (fr)
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堀米　秀嘉
寿宏 加瀬澤
泰志 田淵
俊孝 奈良
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株式会社エガリム
岡本硝子株式会社
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    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S2/00—Systems of lighting devices, not provided for in main groups F21S4/00 - F21S10/00 or F21S19/00, e.g. of modular construction
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B35/00—Stereoscopic photography
    • G03B35/18—Stereoscopic photography by simultaneous viewing
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/22—Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09F—DISPLAYING; ADVERTISING; SIGNS; LABELS OR NAME-PLATES; SEALS
    • G09F19/00—Advertising or display means not otherwise provided for
    • G09F19/12—Advertising or display means not otherwise provided for using special optical effects

Definitions

  • the present invention relates to a hologram illumination device and a hologram display device for reproducing a hologram in which interference fringes are recorded.
  • holograms that project stereoscopic images in space have been used in many situations. For example, displaying a company logo, a product description, an advertisement for sales promotion, and a work of art in three dimensions by a hologram is effective in attracting an observer.
  • a hologram is formed by irradiating a photosensitive material with object light and reference light.
  • the object light and the reference light interfere with each other, a photoreaction occurs in the hologram recording layer of the photosensitive material, and the hologram is fixed as interference fringes.
  • the hologram is irradiated with light (reproduction illumination light) corresponding to the reference light at the time of recording, diffraction occurs, and light (reproduction light) corresponding to the object light at the time of recording is generated. Thereby, the observer can observe the stereoscopic image recorded on the hologram.
  • the reproduction illumination light used at the time of reproduction is required to have the same wavelength and the same incident angle as the reference light at the time of recording. With various irradiation conditions.
  • Patent Document 1 discloses a hologram illumination device 1 that uses a holographic optical element (HOE) for illumination that reproduces reproduction illumination light at a predetermined angle.
  • FIGS. 6A and 6B are side views of the hologram illuminating device 1 shown as an example of Patent Document 1 viewed from the width direction (Y direction) and an upper surface viewed from the thickness direction (Z direction). It is a figure. Further, by attaching the image reproducing hologram recording medium 6 to the hologram illuminating device 1, it becomes a hologram display device for displaying the image recorded on the image reproducing hologram recording medium 6.
  • 6A and 6B includes a light source 2, a light guide plate 4 that propagates the light 3 from the light source 2, and a light that propagates in the light guide plate 4 on the lower surface of the light guide plate 4.
  • an HOE 5 for illumination which receives at least a part of the reproduction illumination light 32 at a predetermined angle, and the hologram recording medium 6 for image reproduction is arranged adjacent to the lower surface of the HOE 5 for illumination. ..
  • three LEDs are used for the light source 2 and a glass plate is used for the light guide plate 4, and the edge of the glass plate 4 on which the LEDs 2 are arranged is 22° with respect to the normal line of the glass plate.
  • a linear Fresnel lens 7 is arranged between the LED 2 and the end of the glass plate 4 to form an inclination.
  • Light 3 emitted from the LED 2 (indicated by a thin solid line in the figure) is converted into substantially parallel light in the thickness direction via the linear Fresnel lens 7 and is incident obliquely downward on the paper surface.
  • the light 3 that has entered the light guide plate 4 from the side surface of the light guide plate 4 propagates in the light guide plate while being reflected by the upper surface and the lower surface of the light guide plate 4, but at least a part of the light 3 that has entered the lower surface of the light guide plate 4. Reproduces the reproduction illumination light by interfering with the lighting HOE 5.
  • the reproduced reproduction illumination light is applied to the image reproduction hologram recording medium 6, reproduction light is generated from the image reproduction hologram recording medium 6, and the stereoscopic image recorded on the image reproduction hologram recording medium 6 is displayed.
  • the apparent position of the stereoscopic image corresponds to the position of the subject at the time of recording the image reproducing hologram.
  • the stereoscopic image is displayed on the front side or the rear side of the hologram lighting device 1.
  • the hologram illuminating device of Patent Document 1 converts the light from the light source by the linear Fresnel lens 7 into substantially parallel light in the thickness direction of the light guide plate 4.
  • divergent light remained as it was in the plane direction of the light guide plate 4.
  • FIG. 6C when the divergent light is made to enter the side surface of the light guide plate perpendicularly, the divergent light gradually spreads. Occurs. Further, due to the refractive index of the light guide plate, diverging light that normally enters is refracted and enters, so that the divergence angle becomes small, and the area where light does not reach becomes large.
  • the incident angle ⁇ to the light guide plate is 45°
  • the refraction angle ⁇ to the inside of the light guide plate is about 28°
  • the divergence angle is about 56° as shown by the dotted line 3′′ and is shown by the chain line 3′.
  • the alternate long and short dash line in Fig. 6C is the normal to the side surface of the light guide plate.
  • FIG. 7A is a schematic diagram when divergent light is vertically incident from the side surface of the light guide plate
  • FIG. 7B is a simulation result of the incoherent irradiance.
  • FIG. 7B shows that in the arrangement of FIG. 7A, light with a maximum width of about 9.2 mm (full width at half maximum of about 7.2 mm) is incident on a rod lens with a diameter of about 12 mm (refractive index 1.517).
  • a divergent light with a divergence angle of about 78.2° is generated, and the central axis of the divergent light is 100 mm ⁇ 100 mm ⁇ 10 mm square shaped light guide plate (refractive index 1.517) to the side surface of the light guide plate in plan view.
  • the divergence angle of the light entering the light guide plate was about 49.4°. In this way, the divergence angle of the divergent light becomes small, the light reaches only a part of the light guide plate, the effective use area of the light is narrow, and as a result, the area of the illumination light to be reproduced is also small. There was a problem.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object thereof is to increase the effective area in the hologram illumination device and the hologram display device in which divergent light is incident from the side surface of the light guide plate. ..
  • a hologram illuminating device of the present invention is a hologram illuminating device that illuminates illumination light to an image reproducing hologram in which a stereoscopic image is recorded, and includes a light source and light from the light source.
  • a light guide plate that propagates, a holographic optical element for illumination that receives at least a part of light that propagates through the light guide plate and reproduces illumination light, and a side surface of the light guide plate that diverges light from the light source in plan view.
  • the light guide plate has a substantially polygonal shape as a whole in a plan view, and the central axis of the divergent light has a substantially polygonal shape. It is characterized in that it is arranged so as to be oblique to the side of.
  • the angle of the central axis of the diverging light with respect to one of the substantially polygonal shapes of the sides of the light guide plate is It is preferably in the range of ⁇ /2 ⁇ 10%, and it is more preferable that the incident surface is formed in a concave shape in a plan view.
  • another hologram illuminating device of the present invention is a hologram illuminating device that illuminates an image reproducing hologram in which a stereoscopic image is recorded with illumination light, and includes a light source and a guide for propagating the light from the light source.
  • an optical system for making the light incident on the light guide plate, and the incident surface on the side surface of the light guide plate is formed in a concave shape in a plan view.
  • the incident surface includes a concave curved surface having a circular curvature centered on a focus of the optical system.
  • a plurality of the optical systems may be provided, and the light guide plate may have a plurality of the incident surfaces corresponding to the respective optical systems, and the optical system may have a plurality of directions.
  • the light from the above may be incident on the light guide plate via the incident surface as a plurality of divergent lights.
  • the light guide plate in a plan view, is a substantially rectangular shape or a substantially square shape, and the incident surface is a side surface of a notch formed at a vertex of the substantially rectangular shape or the substantially square shape.
  • the divergent angle of the divergent light may be about 90°, and the central axis of the divergent light may be arranged at an angle of about 45° with respect to the sides of the substantially rectangular or substantially square shape.
  • another hologram illuminating device of the present invention is a hologram illuminating device that illuminates an image reproducing hologram in which a stereoscopic image is recorded with illumination light, and includes a light source and a guide for propagating the light from the light source.
  • the optical system includes means for diffusing light, which is provided in contact with the side surface of the light guide plate.
  • the hologram display device of the present invention is characterized in that any one of the hologram illumination devices described above is provided with an image reproduction hologram for reproducing a stereoscopic image by the illumination light.
  • the central axis of the divergent light is arranged so as to be oblique to the side of the substantially polygonal shape of the light guide plate,
  • the spread of the divergent light can be made to correspond to the shape of the light guide plate having a substantially polygonal shape, and the effective area of the divergent light entering the light guide plate can be increased.
  • the incident surface is formed in a concave shape in a plan view, refraction of divergent light can be reduced, and the effective area can be increased.
  • each ray of divergent light enters perpendicularly to the incident surface, so that refraction does not occur and the divergence angle is changed.
  • the divergent light can be made incident on the light guide plate while being maintained.
  • Schematic configuration diagram of a hologram illumination device of the present invention (A) is a schematic diagram of the entrance structure in the hologram illuminating device of the present invention, and (B) is a simulation result of its incoherent irradiance. Modification of hologram illuminator Modification of hologram illuminator Another embodiment of the illuminating device for holograms of the present invention
  • Schematic configuration diagram of a conventional hologram illumination device (A) is a schematic diagram of the incident structure in the conventional hologram illuminating device, (B) is a simulation result of the incoherent irradiance
  • the hologram illuminating device of the present invention is a conventional Fresnel lens configured to irradiate substantially parallel light at a predetermined angle as a unit for irradiating a reproduction reference light for displaying a stereoscopic image recorded on a hologram.
  • a holographic optical element HOE
  • a holographic optical element configured to emit at least a part of light propagating through the light guide plate at a predetermined angle is adopted. is there.
  • a holographic optical element is referred to as an "illuminating holographic optical element (illuminating HOE)"
  • a hologram for generating reproduction illumination light recorded in the illuminating HOE is referred to as an "illuminating hologram”.
  • a hologram for reproducing a stereoscopic image to be displayed is called an “image reproducing hologram”
  • a medium on which the image reproducing hologram is recorded or formed is called an “image reproducing hologram recording medium”.
  • the hologram illuminator of the present invention has a thin, flat plate shape, is lightweight, and is configured to be portable (see FIG. 1 or 2 below).
  • plane view is a state in which the XY plane is viewed from the Z direction.
  • Cross-sectional view refers to a state in which a cross section perpendicular to the XY plane is viewed from the lateral direction.
  • the direction in which light travels on the XY plane is called the "azimuth”.
  • the side where the observer is located is referred to as “front side”, and the side opposite to the observer is referred to as “rear side”.
  • FIG. 1A is a plan view of an embodiment of the hologram lighting device 11 of the present invention
  • FIG. 1B is a plan view of the light guide plate 14 of the present invention
  • the hologram lighting device 11 receives a light source 12, a light guide plate 14 for propagating light from the light source, and at least a part of light propagating through a light guide plate adjacent to the front side or the rear side of the light guide plate 14.
  • a holographic optical element 15 for illumination represented by a dotted line
  • an optical system 16 for causing the light 13 emitted from the light source to enter the incident surface 17 on the side surface of the light guide plate 14 as divergent light 18 in plan view.
  • the light guide plate 14 has a substantially polygonal shape as a whole in plan view, and the central axis C of the divergent light 18 is oblique to the side S of the substantially polygonal shape of the light guide plate 14.
  • the incident surface 17 on the side surface of the light guide plate 14 is formed in a concave shape in a plan view.
  • the light guide plate 14 has a substantially square shape in a plan view, and is located at a position of a vertex V2 formed by a substantially square side S1 and a side S2.
  • the concave incident surface 17 is formed so that the sides S1 and S2 of the substantially square shape and the central axis C of the diverging light are 45°, that is, the central axis C is along the diagonal line of the substantially square light guide plate.
  • the light source 12, the optical system 16, and the light guide plate 14 are disposed in the.
  • the light source 12 is a light source capable of emitting light having the same wavelength as the reference light used when recording the illumination HOE 15, and is a micro fluorescent tube for LED, xenon lamp, semiconductor laser, organic EL element, liquid crystal backlight. Can be adopted.
  • the light 13 emitted from the light source 12 is a light having a high directivity such as a laser and a narrow width, although not shown in front of the optical system 16, at least in a plan view, the width of the light is widened or parallel. It is preferable to provide an optical system (for example, a beam expander, a collimator, an aperture, etc.) for shaping the light or shaping the beam into a predetermined width.
  • an optical system that shapes the light from the light source 12 (including the light that has passed through the optical system 16) in a sectional view, for example, a linear Fresnel lens that makes parallel light in a sectional view, or a sectional view
  • a prism for deflecting the direction of light obliquely downward or obliquely upward may be provided.
  • the light guide plate 14 is a means for propagating the light from the light source 12, and may be a flat plate made of a translucent material such as glass or resin.
  • the light guide plate 14 preferably has a substantially polygonal shape as a whole in a plan view.
  • the substantially polygonal shape is not limited to a quadrangle such as a square, a rectangle, a parallelogram, a rhombus, and a trapezoid, and may be a triangle, a pentagon, a hexagon, or the like.
  • a notch may be formed in a part of a side or a vertex of the polygon, and the notch may be used as the incident surface 17. As shown by the dotted line in FIG.
  • the lower right apex V2 is cut in a quadrant shape to form a concave incident surface 17, but the light guide plate 14 has a substantially square shape. ..
  • the front surface and the rear surface of the light guide plate 4 are preferably flat. As a result, ambient light does not diffusely reflect on the front surface and the rear surface of the light guide plate 4, so that it is less likely that an observer will obstruct the stereoscopic image. Further, the light propagating inside the light guide plate 4 is not diffusely reflected on the front surface and the rear surface, so that the propagation efficiency can be improved.
  • the light 18 that has entered the light guide plate 14 light that enters the front surface or the rear surface of the light guide plate 14 at a critical angle ⁇ c or more is reflected inward by total reflection and can propagate in the light guide plate. ..
  • the optical system 16 causes the light 13 emitted from the light source 12 to enter the incident surface 17 on the side surface of the light guide plate 14 as divergent light 18 in a plan view.
  • the optical system 16 for generating divergent light may be a rod lens, a cylindrical convex lens, a cylindrical concave mirror, or the like that converges parallel light at a focus and then diverges it, or a cylindrical concave lens, a cylindrical convex mirror, or the like that diverges parallel light.
  • the divergent light 18 is light whose wavefront spreads like a bundle of rays diverging from the point light source, and can be regarded as light diverging from the point light source arranged at the focal point of the optical system 16.
  • the divergence angle of the divergent light from the point light source is the divergence angle of the divergent light, and the divergence angle can be calculated from the refractive index based on the maximum width of the light incident on the optical system 16.
  • the rod lens is easy to manufacture as the optical system 16 has a simple structure of a cylinder, and in addition, it can refract light on both sides of the incident surface side and the emission surface side, and has a divergence angle of a short distance. A large divergent light can be formed, which is preferable. Further, the optical system 16 for generating divergent light may be configured to shape light even in cross section. In FIG. 1, a rod lens is arranged as the optical system 16 so that the focal point is located at the position of the vertex V2, and divergent light having a divergence angle of about 90 degrees is generated.
  • the incident surface 17 is a side surface of the light guide plate 14 on which the divergent light 18 formed by the optical system 16 is incident.
  • the incident surface 17 preferably has a concave shape in a plan view in order to reduce refraction when the divergent light enters the light guide plate 14.
  • the incident surface 17 itself may serve as an optical element to further shape divergent light that enters the light guide plate in a plan view or a sectional view.
  • the concave curvature of the incident surface 17 if the concave curvature of the incident surface 17 is increased, the divergence angle of the divergent light incident on the light guide plate can be increased, and if the curvature is decreased, It is possible to reduce the divergence angle of the divergent light that has entered the light guide plate.
  • the incident surface 17 In order to shape the light in the sectional view by the incident surface 17, the incident surface 17 is inclined with respect to the Z axis, or the incident surface 17 is made concave in the sectional view and the divergent light in the plan view incident on the light guide plate is observed in the sectional view. However, it may be divergent light. If the incident surface 17 having a concave shape in a plan view is a concave curved surface having a circular curvature centered on the focus position of the optical system 16, the divergent light enters almost perpendicularly to the incident surface, so that refraction hardly occurs, The divergent light can be made incident on the light guide plate while maintaining the divergence angle. In FIG.
  • the incident surface 17 is formed by cutting out in a quadrant shape of a circle centered on the vertex V2 at the position of the vertex V2, and a concave curved surface having a curvature of the circle centered on the vertex V2. have.
  • the light from the light source 12 is shaped into divergent light with a divergence angle of 90° at the vertex V2 which is the focus of the optical system 16, and the central axis C of the divergent light is equal to each side of the light guide plate 14 having a substantially square shape.
  • the azimuth is set so that it becomes an angle of 45°, each ray of divergent light enters perpendicularly to the incident surface, and the divergent ray has a side edge (outermost ray) while maintaining the divergence angle of 90°.
  • the HOE 15 for illumination is a kind of optical element in which a hologram for illumination having a deflection function is formed on a photosensitive material, and is arranged in contact with the front or rear surface of the light guide plate 14.
  • the HOE 15 for illumination receives a predetermined amount of light propagating inside the light guide plate 14 from the front or rear surface of the light guide plate 14 and enters the illumination HOE 15 at an incident angle within a predetermined range. Illumination light that is parallel light with an emission angle of is reproduced.
  • the illumination hologram of the illumination HOE 15 records interference fringes formed by the interference between the object light and the reference light, and may be a transmission type or a reflection type.
  • the illumination HOE 15 is irradiated so as to travel in the same direction and at the same angle as the irradiation light, and as the reference light, the divergent light incident from the light guide plate 14 to the illumination HOE 15 is irradiated.
  • the range of reproducible incident angles of the lighting HOE 15 can be set appropriately.
  • the incident angle may be an angle inside the light guide plate 14 and may be set in a range of 0° to 90°.
  • the incident angle and the incident azimuth can be widened (the angle selectivity can be weakened) by reducing the thickness of the recording medium of the illumination HOE 15.
  • the thickness of the hologram recording medium of the HOE 15 for illumination is about 1 to 500 ⁇ m, but when the angle selectivity is weakened, the thickness is preferably 2 to 20 ⁇ m.
  • the illumination light from the illumination HOE 15 corresponds to the object light used when recording the illumination HOE 15, and the emission angle of the illumination light corresponds to the angle of the object light.
  • the emission angle of the illumination light needs to be set so as to interfere with (the hologram of) the hologram recording medium for image reproduction. That is, when the hologram recording medium for image reproduction is produced by the reference light irradiated to the recording medium at an incident angle of 45° from a predetermined direction, the emission angle of the reproduction illumination light is As long as the HOE 15 and the image recording hologram recording medium are arranged in parallel, the angle is set to 45°.
  • a plurality of image reproducing hologram recording media having different recording methods or a hologram recording medium corresponding to a plurality of wavelengths may be used, so that the emission angle of the reproducing illumination light is constant. It may be set so as to include the above range (for example, 40° to 50°), or may be set so as to include the emission angles which are discontinuous and have a plurality of angles.
  • the illumination HOE 15 can be configured to multiple-record multiple types of illumination holograms in the same area and reproduce the reproduction illumination light by light having different azimuths, incident angles or wavelengths. In this case, the light from the light source can be effectively used.
  • a plurality of types of illumination holograms are multi-recorded in the same area, and reproduction illumination light of different azimuth, emission angle or wavelength is reproduced corresponding to light of different azimuth, incident angle or wavelength. It can also be configured as possible. In this case, different images can be reproduced by multiple-recording different images on the hologram recording medium for image reproduction.
  • an image reproduction hologram recording medium in which an image reproduction hologram is recorded is arranged on the front side or the rear side of the light guide plate 14 so that the illumination light reproduced from the illumination HOE 15 is irradiated.
  • the transmissive illumination HOE 15 is disposed on the front side of the light guide plate 14
  • the transmissive image reproduction hologram is disposed on the front side of the light guide plate 14 and the illumination HOE 15, and the light propagated through the light guide plate is used for illumination.
  • the stereoscopic image is reproduced to the front side from the image reproducing hologram by the illumination light reproduced to the front side from the HOE 15.
  • the transmissive illumination HOE 15 is arranged on the rear side of the light guide plate 14
  • the reflection type image reproducing hologram is arranged on the rear side of the light guide plate 14 and the illumination HOE 15, and the light propagating through the light guide plate is used.
  • the three-dimensional image is reproduced from the hologram for image reproduction to the front side by the illumination light reproduced from the illumination HOE 15 to the rear side.
  • the light for displaying the stereoscopic image passes through the illumination HOE 15 and the light guide plate 14, and the stereoscopic image can be observed on the front side.
  • the reflection type illumination HOE 15 is arranged on the front side of the light guide plate 14
  • the reflection type image reproducing hologram is arranged on the rear side of the light guide plate 14, and the light propagated through the light guide plate causes the light to travel from the illumination HOE 15 to the rear side.
  • the illumination light reproduced to the side is irradiated to the image reproducing hologram via the light guide plate, and the stereoscopic image is reproduced to the front side from the image reproducing hologram.
  • the light for displaying the stereoscopic image passes through the light guide plate 14 and the illumination HOE 15 and the stereoscopic image can be observed on the front side.
  • the transmission-type image reproduction hologram is arranged on the front side of the light guide plate 14, and the light propagated through the light guide plate causes the light to pass from the illumination HOE 15 to the front side.
  • the illuminating light reproduced to the image reproduction hologram is applied to the image reproduction hologram through the light guide plate, and the stereoscopic image is reproduced to the front side from the image reproduction hologram.
  • FIG. 2A is a schematic diagram of an incident structure in the hologram lighting device of FIG. 1, and FIG. 2B is a simulation result of the incoherent irradiance.
  • a 100 mm ⁇ 100 mm ⁇ 10 mm square light guide plate (refractive index 1.517) is formed with a concave curved entrance surface having a radius of curvature of 20 mm centered on the apex position of the light guide plate and having a diameter of about 12 mm.
  • the optical axis is arranged so that the central axis of the divergent light from the rod lens (refractive index 1.517) is located on the diagonal line, and the rod lens is arranged so that the focal point is located at the center of the radius of curvature of the entrance surface of 20 mm.
  • 2B shows that in the arrangement of FIG. 2A, light having a maximum beam width of about 9.2 mm (full width at half maximum of about 7.2 mm) is incident on the rod lens and the divergence angle is about 78.2°. It is a simulation when divergent light is generated and is incident on the incident surface of the light guide plate such that the central axis of the divergent light is along the diagonal line of the light guide plate. From the simulation result, it was confirmed that the divergent light incident on the light guide plate was applied to a wider range as compared with the result of FIG. 7B.
  • the central axis C of the divergent light has a substantially polygonal shape. Since it is arranged so as to be oblique to the side of the light guide plate, the spread of the divergent light can be adapted to the shape of the light guide plate.
  • the divergence angle of the divergent light and the azimuth of the central axis C are appropriately set according to the shape of the light guide plate and the position of the incident surface, but the light beam at the side edge of the divergent light is one of the sides of the substantially light guide plate.
  • the angle of the central axis of the divergent light with respect to one of the sides of the light guide plate is within the range of ⁇ /2 ⁇ 10%, where ⁇ is the divergence angle of the divergent light. Is preferred. That is, when the divergence angle is 60°, it is preferable that the angle of the central axis of the divergent light with respect to one side of the light guide plate is 27° to 33° (30° ⁇ 10%).
  • the divergence angle ⁇ of the divergent light is preferably within a range of ⁇ 10% of the apex removed by the notch.
  • the center axis of the divergent light is arranged so as to divide the apex included in the notch into two equal parts.
  • FIG. 3A an incident surface 27 having a concave shape in plan view is formed in the middle of the side S3 of the light guide plate 24 having a substantially square shape, and the light emitted from the light source 22 is diverged by the optical system 26 as the light guide plate 28. Is configured to be incident on.
  • the central axis C of the divergent light 28 is arranged perpendicularly to the side S3, but the concave incident surface 27 reduces the refraction when the divergent light is incident on the light guide plate. The effective area can be increased.
  • each ray of the divergent light is incident almost perpendicularly to the concave surface, so that the divergent light is almost The light can be incident on the light guide plate without refracting it while maintaining the divergence angle.
  • an incident surface 37 having a concave shape in a plan view is formed by a notch including a vertex V4 of a light guide plate 34 having a substantially pentagonal shape, and light emitted from the light source 32 is diverged by the optical system 36 as divergent light 38. It is configured to enter the light guide plate.
  • the central axis C of the divergent light 38 is arranged so as to be oblique with respect to the sides S3 and S4 forming the vertex V4, and further, is arranged so as to divide the vertex V4 into two equal parts.
  • the shape of the light guide plate 34 that gradually expands from the incident surface 37 and the spread of the divergent light 38 are matched, and the effective area of the divergent light in the light guide plate can be increased.
  • the concave incident surface 37 reduces the refraction of the divergent light when it enters the light guide plate, thereby increasing the effective area of the light.
  • each ray of the divergent light is incident almost perpendicularly to the concave surface, so that the divergent light is almost The light can be incident on the light guide plate without refracting it while maintaining the divergence angle.
  • an incident surface 47 having a concave shape in plan view is formed by a notch including the vertex V5 of the light guide plate 44 having a substantially hexagonal shape, and light emitted from the light source 42 is diverged by the optical system 46 as divergent light 48. It is configured to enter the light guide plate.
  • the numerical aperture (NA) of the optical system 46 is increased to form divergent light with a divergence angle of 120°, and the divergent light is arranged so as to converge at the vertex V5.
  • the central axis C of the divergent light 38 is arranged so as to be oblique with respect to the sides S4 and S5 forming the vertex V5, and further, is arranged so as to divide the vertex V5 into two equal parts.
  • each ray of the divergent light is incident almost perpendicularly to the concave surface, so that the divergent light is hardly refracted.
  • the light can be incident on the light guide plate while maintaining the divergence angle.
  • the divergence angle is the same angle as the apex
  • the central axis of the divergent light is arranged in the direction that bisects the apex, and by having an incident surface having a concave curved surface with a circular curvature centered on the focus, The diverging light spreads along the sides of the polygonal light guide plate, and the effective area of light can be increased.
  • part of the divergent light that has entered the light guide plate is emitted to the outside from the sides S3 and S6 of the light guide plate.
  • a first incident surface 57A having a concave shape in a plan view is formed by a notch including the vertex V2 of the substantially rectangular light guide plate 54, and a second incident surface having a concave shape in a plan view is formed in the middle of the side S2.
  • the surface 57B is formed, the first light source 52A and the first optical system 56A are arranged for the first incident surface 57A, and the second light source 52B and the second optical surface 56B are arranged for the second incident surface 57B.
  • the optical system 56B is arranged.
  • the first incident surface 57A is formed by a quadrant cutout including the vertex V2
  • the second incident surface 57B is formed by a semicircle cutout.
  • the optical axes of the first and second light sources 52A and 52B are the same, and the optical axes are obliquely arranged at 45° with respect to the side S2.
  • the first and second optical systems 56A , 56B forms divergent light with a divergence angle of 90°.
  • the focus of the first optical system 56A is arranged so as to be located at the center of the curved surface forming the first incident surface 57A
  • the focus of the second optical system 56B is arranged at the center of the curved surface forming the second incident surface 57B. It is preferable to be arranged so as to be located at.
  • each ray of the divergent light enters substantially perpendicularly to the concave surface, so that the divergent light can be incident on the light guide plate without substantially refracting the divergent light while maintaining the divergence angle.
  • the reference light can be applied to a wider area by the two light sources, and a wider illumination light can be reproduced.
  • the second incident surface 57B does not need to be a curved surface except for the portion where the divergent light enters, and at least the second incident surface 57B has a quadrant shape. It is sufficient if it is formed by the notch.
  • an entrance surface 67 having a concave shape in plan view is formed in the middle of the side S2 of the substantially rectangular light guide plate 64, and the first light source 62A and the first optical surface are provided for one entrance surface 67.
  • a system 66A, a second light source 62B and a second optical system 66B are arranged.
  • the incident surface 67 is formed by a semicircular cutout.
  • the optical axes of the first and second light sources 62A and 62B are line-symmetrical, and the optical axes are obliquely arranged at 45° with respect to the side S2, and the first and second optical systems 66A. , 66B forms divergent light with a divergence angle of 90°.
  • both the focal point of the first optical system 66A and the focal point of the second optical system 66B are arranged so as to be located at the center of the curved surface forming the incident surface 67.
  • each ray of the divergent light enters substantially perpendicularly to the concave surface, so that the divergent light can be incident on the light guide plate without substantially refracting the divergent light while maintaining the divergence angle.
  • the reference light can be applied to a wider area by the two light sources, and a wider illumination light can be reproduced.
  • the first optical system 66A and the second optical system 66B are provided in the present embodiment, the optical system is shared and two light beams are made incident on one optical system from different directions. May generate two divergent lights.
  • the lighting HOE is separately provided in each of an area irradiated with divergent light from the first light source and an area irradiated with divergent light from the second light source.
  • one lighting HOE may be provided over the two regions.
  • the light from one light source is split by a beam splitter or the like to form two light fluxes, and each of them is used as a light source, and divergent light is used. May be generated.
  • the number of divergent lights it is possible to deal with a larger area. For example, in FIG. 4, light is emitted only from the lower side S2 side, but by arranging the light source, the optical system, and the incident surface also on the upper side S4, it is possible to further increase the area in the vertical direction.
  • FIG. 5 shows another embodiment of the present invention, in which an optical system 76 including means for diffusing light from the light source 72 is provided in contact with the side surface of the light guide plate 74.
  • the hologram illuminating device 71 includes a light source 72, a light guide plate 74 that propagates light 73 from the light source, an illuminating HOE 75 (shown by a dotted line) adjacent to the front or rear side of the light guide plate 74, and a light source.
  • An optical system 76 that makes light 73 from 72 enter the incident surface on the side surface of the light guide plate 74.
  • the optical system 76 includes means for diffusing the light, which is provided in contact with the side surface of the light guide plate.
  • a diffuser that scatters or disperses light to diffuse light when transmitting light
  • a tape having a scattering substance mixed therein, a scattering layer, a scattering layer. It may be a film or the like.
  • the diffused light 78 is in a scattered state.
  • the diffused light 78 propagates in the light guide plate and is incident on the HOE 75 for illumination, the diffraction efficiency is increased.
  • it is inferior to divergent light it is possible to reproduce the illumination light from the illumination HOE 75, and it is possible to reproduce a stereoscopic image from the image reproduction hologram by the illumination light.
  • the diffused light 78 can be made incident into the light guide plate.
  • the optical system 76 can be made extremely small.
  • Illumination device for hologram 12
  • Light source 14
  • Light guide plate 15
  • HOE for illumination 16
  • Hologram recording medium for image reproduction 17

Abstract

【課題】導光板の側面から発散光を入射させるホログラム用照明装置及びホログラム表示装置において、従来よりも有効面積を広くする。 【解決手段】立体像を記録した像再生用ホログラムに対して照明光を照射するホログラム用照明装置であって、光源と、光源からの光を伝搬する導光板と、導光板を伝搬する光の少なくとも一部を受けて照明光を再生する照明用ホログラフィック光学素子と、光源からの光を平面視で発散光として導光板の側面の入射面に入射させる光学系と、を備え、平面視において、導光板は、全体として略多角形の形状を有し、発散光の中心軸が、導光板の略多角形の形状の辺と斜めになるように配置されることを特徴とする。

Description

ホログラム用照明装置及びホログラム表示装置
　本発明は、干渉縞が記録されたホログラムを再生するためのホログラム用照明装置、ホログラム表示装置に関する。
　近年、空間に立体像を映し出すホログラムが多くの場面で利用されている。例えば、企業のロゴ、商品説明、販売促進用の広告、美術作品を、ホログラムによって立体的に表示することは、観察者の興味を引く点で効果的である。
　一般に、ホログラムは、感光材料に物体光と参照光とを照射することによって形成される。物体光と参照光とが干渉すると、感光材料のホログラム記録層内に光反応が生じ、干渉縞としてホログラムが定着する。そして、記録時の参照光に相当する光（再生照明光）をホログラムに照射すると、回折が生じて、記録時の物体光に相当する光（再生光）が生じる。これにより、観察者はホログラムに記録された立体像を観察することができる。記録時の参照光としては、一般に可干渉性を有するレーザー光が用いられるので、再生時に用いる再生照明光についても、記録時の参照光と同一の波長及び同一の入射角が求められるなど、厳密な照射条件を伴う。
　特許文献１には、所定の角度の再生照明光を再生する照明用ホログラフィック光学素子（HolographicOptical Elements：ＨＯＥ）を利用したホログラム用照明装置１が開示されている。図６（Ａ）及び（Ｂ）は、特許文献１の実施例として示されたホログラム用照明装置１の幅方向（Ｙ方向）から観た側面図及び厚さ方向（Ｚ方向）から観た上面図である。また、ホログラム用照明装置１に像再生用ホログラム記録媒体６を取り付けることにより、像再生用ホログラム記録媒体６に記録された像を表示するホログラム表示装置となる。図６（Ａ）及び（Ｂ）のホログラム用照明装置１は、光源２と、光源２からの光３を伝搬する導光板４と、導光板４の下面に、導光板４内を伝搬する光３の少なくとも一部を受けて、再生照明光３２を所定の角度で照射する照明用ＨＯＥ５とを備えており、像再生用ホログラム記録媒体６が照明用ＨＯＥ５の下面に隣接して配置されている。図６においては、光源２に３個のＬＥＤを用い、導光板４にガラス板を用いており、ＬＥＤ２が配置されるガラス板４の端部にはガラス板の法線に対して２２°の傾斜を形成し、ＬＥＤ２とガラス板４の端部との間には、リニアフレネルレンズ７が配置されている。ＬＥＤ２から発した光３（図中、細い実線で示す）は、リニアフレネルレンズ７を介して厚さ方向について略平行光に変換され、紙面の斜め下向きに入射する。導光板４の側面から導光板４内に入射した光３は、導光板４の上面及び下面で反射しつつ導光板内を伝搬するが、導光板４の下面に入射した光３の少なくとも一部は、照明用ＨＯＥ５と干渉することによって再生照明光を再生する。再生した再生照明光は像再生用ホログラム記録媒体６に照射され、像再生用ホログラム記録媒体６から再生光が生成され、像再生用ホログラム記録媒体６に記録された立体像が表示される。立体像の見かけ上の位置は、像再生用ホログラムの記録時における被写体の位置に対応し、見かけ上、ホログラム用照明装置１の前側に立体像が表示されたり、後側に立体像が表示されたりする。
特開２０１５－２３０４１０号
　特許文献１のホログラム用照明装置は、図６（Ａ）に示すように、リニアフレネルレンズ７によって光源からの光に対し、導光板４の厚さ方向について略平行光に変換されるが、図６（Ｂ）に示すように、導光板４の平面方向については発散光のままであった。図６（Ｃ）に示すように、発散光を導光板の側面に対し、垂直に入射させると、発散光が徐々に拡がっていくため、入射部近傍では狭く、周辺に光が届かない領域が生じる。さらに、導光板の屈折率によって、通常は入射する発散光が屈折して入射するため、発散角が小さくなり、光が届かない領域が広くなってしまう。媒質Ａから媒質Ｂに入射する光の屈折は、ｎ1ｓｉｎα＝ｎ2ｓｉｎβ（ｎ1：媒質Ａの屈折率、α：入射角、ｎ2：媒質Ｂの屈折率、β：屈折角）の関係であるから、例えば、空気中から屈折率が１．５の導光板に入射する場合は、図６（Ｃ）のように発散角が９０°の発散光を導光板の側面に垂直に照射すると、導光板への入射角αは４５°となり、導光板内への屈折角βは約２８°となるので、点線３”で示すように発散角は約５６°となり、鎖線３’で示す４５°の発散光の軌跡に比べると光の届く領域が狭くなる。なお図６（Ｃ）の一点鎖線は、導光板の側面に対する法線である。
　図７（Ａ）は、導光板の側面から垂直に発散光を入射させた場合の模式図であり、（Ｂ）は、そのインコヒーレント放射照度のシミュレーション結果である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の配置において、最大幅約９．２ｍｍの光（半値全幅約７．２ｍｍ）を直径約１２ｍｍのロッドレンズ（屈折率１．５１７）に入射させ、発散角約７８．２°の発散光を生成し、１００ｍｍ×１００ｍｍ×１０ｍｍの正方形状の導光板（屈折率１．５１７）に対し、平面視において発散光の中心軸が導光板の側面に対して垂直になるように入射させた場合のシミュレーションであり、導光板内に入射した光の発散角は約４９．４°となった。このように、発散光の発散角が小さくなり、導光板の一部分だけにしか光が到達しておらず、光の有効利用面積が狭く、その結果、再生される照明光の面積も狭くなるいという問題があった。
　本発明は、前述した問題に鑑みてなされてものであって、導光板の側面から発散光を入射させるホログラム用照明装置及びホログラム表示装置において、従来よりも有効面積を広くすることを目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明のホログラム用照明装置は、立体像を記録した像再生用ホログラムに対して照明光を照射するホログラム用照明装置であって、光源と、前記光源からの光を伝搬する導光板と、前記導光板を伝搬する光の少なくとも一部を受けて照明光を再生する照明用ホログラフィック光学素子と、前記光源からの光を平面視で発散光として前記導光板の側面の入射面に入射させる光学系と、を備え、平面視において、前記導光板は、全体として略多角形の形状を有し、前記発散光の中心軸が、前記導光板の略多角形の形状の辺と斜めになるように配置されることを特徴とする。
　さらに、上記ホログラム用照明装置において、平面視において、前記発散光の発散角をθとしたときに、前記導光板の辺の略多角形の形状の一つに対する前記発散光の中心軸の角度がθ／２±１０％の範囲内であることが好ましく、前記入射面は平面視で凹状に成形されていることがより好ましい。
　また、他の本発明のホログラム用照明装置は、立体像を記録した像再生用ホログラムに対して照明光を照射するホログラム用照明装置であって、光源と、前記光源からの光を伝搬する導光板と、前記導光板を伝搬する光の少なくとも一部を受けて照明光を再生する照明用ホログラフィック光学素子と、前記光源からの光を平面視で発散光として前記導光板の側面の入射面に入射させる光学系と、を備え、前記導光板の側面の前記入射面は平面視で凹状に成形されていることを特徴とする。
　さらに、上記ホログラム用照明装置において、前記入射面は、前記光学系の焦点を中心とした円の曲率の凹曲面を含むことが好ましい。
　さらに、上記ホログラム用照明装置において、複数の前記光学系を備え、前記導光板は、各光学系に対応した複数の前記入射面を有していてもよいし、前記光学系は、複数の方向からの光を複数の発散光として、前記入射面を介して前記導光板に入射させてもよい。
　さらに、上記ホログラム用照明装置において、平面視において、前記導光板は略長方形又は略正方形であり、前記入射面は、前記略長方形又は略正方形の頂点の位置に形成された切り欠きの側面であり、前記発散光の発散角は略９０°であり、前記発散光の中心軸が、前記略長方形又は略正方形の辺に対して約４５°の角度となるように配置されていてもよい。
　また、他の本発明のホログラム用照明装置は、立体像を記録した像再生用ホログラムに対して照明光を照射するホログラム用照明装置であって、光源と、前記光源からの光を伝搬する導光板と、前記導光板を伝搬する光の少なくとも一部を受けて照明光を再生する照明用ホログラフィック光学素子と、前記光源からの光を前記導光板の側面の入射面に入射させる光学系と、を備え、前記光学系は、前記導光板の側面に接して設けられた光を拡散させる手段を含むことを特徴とする。
　また、本発明のホログラム表示装置は、上記いずれかのホログラム用照明装置に、前記照明光によって立体像を再生する像再生用ホログラムが取り付けられたことを特徴とする。
　本発明においては、全体として略多角形の形状を有する導光板に対して、発散光の中心軸が、前記導光板の略多角形の形状の辺と斜めになるように配置されているため、発散光の拡がりを略多角形状の導光板の形状に対応させることが可能となり、導光板内に入射する発散光の有効面積を広くすることが可能となる。また、入射面は平面視で凹状に成形されていることにより、発散光の屈折を小さくすることができ、より有効面積を広くすることが可能となる。特に、入射面が、光学系の焦点を中心とした円の曲率の凹曲面を含む場合には、発散光の各光線が入射面に対し垂直に入射するので、屈折が起こらず、発散角を維持したまま発散光を導光板内に入射させることができる。その他の効果については実施の形態の中で説明する。
本発明のホログラム用照明装置の概略構成図 （Ａ）は本発明のホログラム用照明装置における入射構造の模式図であり、（Ｂ）はそのインコヒーレント放射照度のシミュレーション結果 ホログラム用照明装置の変形例 ホログラム用照明装置の変形例 本発明のホログラム用照明装置の他の実施形態 従来のホログラム用照明装置の概略構成図 （Ａ）は従来のホログラム用照明装置における入射構造の模式図であり、（Ｂ）はそのインコヒーレント放射照度のシミュレーション結果
　本発明のホログラム用照明装置は、ホログラムに記録された立体像を表示するための再生参照光を照射する手段として、略平行光を所定の角度で照射するように構成された従来のフレネルレンズ、コリメータレンズなどの光学素子に代えて、導光板を介して伝搬する光の少なくとも一部を所定の角度で出射するように構成されたホログラフィック光学素子（Holographic Optical Elements：ＨＯＥ）を採用したものである。
　以下、かかるホログラフィック光学素子を「照明用ホログラフィック光学素子（照明用ＨＯＥ）」といい、照明用ＨＯＥに記録された再生照明光を生成するためのホログラムを「照明用ホログラム」という。また、表示対象である立体像を再生するためのホログラムを「像再生用ホログラム」といい、像再生用ホログラムが記録又は形成された媒体を「像再生用ホログラム記録媒体」という。
　本発明のホログラム用照明装置は、薄型の平板状であって、軽量であり、持ち運び可能に構成される（以下、図１又は図２参照）。ホログラム用照明装置１の寸法について、横（Ｘ方向）、縦（Ｙ方向）及び高さ（Ｚ方向）で表した場合、「平面視」とはＺ方向からＸＹ平面を見た状態であり、「断面視」とはＸＹ平面に対し垂直な断面を横方向から見た状態である。さらに、ＸＹ平面における光の進む方向を「方位」と呼ぶ。また、ホログラム用照明装置の平面を基準にして、観察者の位置する側を「前側」といい、観察者とは反対側を「後側」という。
　図１（Ａ）は、本発明のホログラム用照明装置１１の一実施態様の平面図であり、図１（Ｂ）は、本発明の導光板１４の平面図である。ホログラム用照明装置１１は、光源１２と、光源からの光を伝搬する導光板１４と、導光板１４の前側又は後側に隣接して配置された導光板を伝搬する光の少なくとも一部を受けて照明光を再生する照明用ホログラフィック光学素子１５（点線で示す）と、光源から出射した光１３を平面視で発散光１８として導光板１４の側面の入射面１７に入射させる光学系１６と、を備えている。そして、本発明においては、平面視において、導光板１４は、全体として略多角形の形状を有し、発散光１８の中心軸Ｃが、導光板１４の略多角形の形状の辺Ｓと斜めになるように配置されることが好ましい。また、本発明においては、導光板１４の側面の入射面１７は平面視で凹状に成形されていることが好ましい。図１においては、図１（Ｂ）に示すように、導光板１４は、平面視において、略正方形状を有し、略正方形状の辺Ｓ１と辺Ｓ２とで構成される頂点Ｖ２の位置に凹状の入射面１７が形成され、略正方形状の辺Ｓ１と辺Ｓ２と発散光の中心軸Ｃが４５°になるように、つまり、中心軸Ｃが略正方形状の導光板の対角線に沿うように、光源１２、光学系１６及び導光板１４が配置されている。
　光源１２は、照明用ＨＯＥ１５の記録時に用いた参照光と同一の波長を含む光を出射可能な光源であり、ＬＥＤ、キセノンランプ、半導体レーザー、有機ＥＬ素子、液晶バックライト用の超小型蛍光管などを採用することができる。光源１２から出射した光１３が、レーザー等の指向性が高く幅が細い光の場合は、光学系１６の前に、図示していないが、少なくとも平面視において、光の幅を広げたり、平行光に成形したり、ビーム形状を整えたりして所定の幅に成形する光学系（例えば、ビームエキスパンダー、コリメーター、アパーチャー等）を設けることが好ましい。また、図示していないが、断面視においても光源１２からの光（光学系１６を通過した光を含む）を成形する光学系、例えば断面視で平行光とするリニアフレネルレンズや、断面視で光の向きを斜め下方向又は斜め上方向に偏向するプリズムなどを備えていてもよい。
　導光板１４は、光源１２からの光を伝搬する手段であり、ガラス、樹脂等の透光性材料の平板を採用することができる。導光板１４は、平面視において、全体として略多角形の形状を有することが好ましい。略多角形の形状としては、正方形、長方形、平行四辺形、菱形、台形、等の四角形だけではなく、三角形、五角形、六角形などでもよい。多角形の辺又は頂点の一部に切り欠きが形成されていてもよく、切り欠き部分を入射面１７として利用してもよい。図１（Ｂ）に点線で示すように、右下の頂点Ｖ２は凹状の入射面１７を形成するために四分円状に欠けているが、導光板１４は略正方形状を有している。導光板４の前側表面及び後側表面は平らであることが好ましい。これにより、周囲の外光が導光板４の前側表面及び後側表面で乱反射することがないので、観察者が立体像を観察する際の妨げになるおそれが少なくなる。また、導光板４内部を伝搬する光についても、前側表面及び後側表面で乱反射することがないので、伝搬効率を向上させることができる。導光板１４内に入射した光１８のうち、臨界角θc以上で導光板１４の前側表面又は後側表面に入射する光は、全反射により内側に反射され、導光板内を伝搬することができる。
　光学系１６は、光源１２から出射した光１３を平面視で発散光１８として導光板１４の側面の入射面１７に入射させる。発散光生成用の光学系１６としては、平行光を焦点でいったん収束させた後に発散させるロッドレンズ、シリンドリカル凸レンズ、シリンドリカル凹面鏡等でもよいし、平行光を発散させるシリンドリカル凹レンズ、シリンドリカル凸面鏡等でもよい。発散光１８は、点光源からの発散する光線束のように波面が拡がる光であり、光学系１６の焦点の位置に配置した点光源から発散する光とみなすことができる。点光源からの発散光の広がり角が発散光の発散角であり、発散角は、光学系１６に入射する光の最大幅を基準として屈折率から算出可能である。ロッドレンズは、光学系１６として、円柱という簡易な構造であるために製造が容易である上に、入射面側と出射面側の両側で光を屈折させることができ、短い距離で発散角の大きい発散光を成形することができ好ましい。また、発散光生成用の光学系１６は、断面視においても光を成形するようにしてもよい。図１では、光学系１６として、頂点Ｖ２の位置に焦点が位置するように、ロッドレンズを配置し、約９０度の発散角の発散光を生成した。
　入射面１７は、光学系１６で形成された発散光１８が入射される導光板１４の側面である。入射面１７は、発散光が導光板１４内に入射する際の屈折を小さくするために、平面視で凹状を有していることが好ましい。また、入射面１７自体が光学素子として、平面視又は断面視で導光板に入射する発散光をさらに成形してもよい。入射面１７によって平面視で光を成形するには、入射面１７の凹状の曲率を大きくすれば、導光板内に入射した発散光の発散角を大きくすることができ、曲率を小さくすれば、導光板内に入射した発散光の発散角を小さくすることができる。入射面１７によって断面視で光を成形するには、入射面１７をＺ軸に対して傾斜させたり、断面視で入射面１７を凹状にして導光板内に入射した平面視発散光を断面視でも発散光としてもよい。平面視凹状の入射面１７として、光学系１６の焦点の位置を中心とした円の曲率の凹曲面とすると、発散光が入射面に対してほぼ垂直に入射するため、屈折がほぼ起こらず、発散角を維持したまま発散光を導光板内に入射させることができる。図１においては、入射面１７は、頂点Ｖ２の位置において、頂点Ｖ２を中心とする円の四分円状に切り欠いて形成されており、頂点Ｖ２を中心とする円の曲率を有する凹曲面を有している。図１では、光源１２からの光は、光学系１６の焦点である頂点Ｖ２で発散角９０°の発散光に成形され、発散光の中心軸Ｃが、略正方形の導光板１４の各辺と４５°の角度となるように方位が設定され、発散光の各光線が入射面に対し垂直に入射し、発散角９０°を維持したまま、発散光の側縁の光線（最も外側の光線）が略正方形のＸ方向及びＹ方向と平行になるように拡がり、有効照射面積を増やすことができる。
　照明用ＨＯＥ１５は、感光材料に偏向機能を有する照明用ホログラムが形成された一種の光学素子であり、導光板１４の前側又は後側表面に接して配置される。照明用ＨＯＥ１５は、導光板１４の内部を伝搬する光のうち、導光板１４の前側又は後側表面から照明用ＨＯＥ１５へと所定の範囲の入射角で入射光が入射すると、照明用ホログラムから所定の出射角の平行光である照明光が再生される。照明用ＨＯＥ１５の照明用ホログラムは、物体光と参照光との干渉によって形成された干渉縞を記録したものであり、透過型でも反射型でもよく、参照光と同じ方位から、同じ入射角で、同じ波長の光が照射されると、物体光と同じ方位に、同じ角度で、同じ波長の光を再生し、射出する。このため、物体光としては、照射光と同じ方位に、同じ角度で進むように、照明用ＨＯＥ１５に照射し、参照光としては、導光板１４から照明用ＨＯＥ１５に入射する発散光を照射する。照明用ＨＯＥ１５の再生可能な入射角の範囲は、適宜設定することができる。例えば、入射角は、導光板１４の内部における角度で、０°～９０°の範囲に設定してもよい。また、入射角、入射方位を広くする（角度選択性を弱める）には、照明用ＨＯＥ１５の記録媒体の厚みを薄くすることで実現される。照明用ＨＯＥ１５のホログラム記録媒体の厚みは１～５００μｍ程度が用いられるが、角度選択性を弱める場合には、２～２０μｍの厚みとすることが好ましい。
　照明用ＨＯＥ１５からの照明光は、照明用ＨＯＥ１５の記録時に用いられた物体光に対応し、照明光の出射角は、物体光の角度に対応する。照明光の出射角は、像再生用ホログラム記録媒体（のホログラム）と干渉するように設定する必要がある。すなわち、像再生用ホログラム記録媒体が、当該記録媒体に対して所定の方向から４５°の入射角で照射された参照光によって作製されたものである場合、再生照明光の出射角は、照明用ＨＯＥ１５と像再生用ホログラム記録媒体とが平行に配置されている限り、４５°に設定することとなる。また、ホログラム用照明装置１１において、記録方法の異なる複数の像再生用ホログラム記録媒体や複数の波長に対応したホログラム記録媒体を使用する場合もあるので、再生照明光の出射角は、一定の連続した範囲（例えば、４０°～５０°）を含むように設定されてもよいし、不連続で複数の角度を持った出射角を含むように設定されてもよい。照明用ＨＯＥ１５には、同一領域内に複数種類の照明用ホログラムを多重記録し、異なる方位、入射角又は波長の光によって、再生照明光を再生させるように構成することができる。この場合は、光源からの光を有効利用することができる。また、照明用ＨＯＥ１５には、同一領域内に複数種類の照明用ホログラムを多重記録し、異なる方位、入射角又は波長の光に対応して、異なる方位、出射角又は波長の再生照明光を再生可能に構成することもできる。この場合は、像再生用ホログラム記録媒体にも異なる像を多重記録しておくことで、異なる像を再生することが可能となる。
　図１には図示していないが、照明用ＨＯＥ１５から再生した照明光が照射されるように、導光板１４の前側又は後側に像再生用ホログラムが記録された像再生用ホログラム記録媒体が配置される。例えば、透過型の照明用ＨＯＥ１５を導光板１４の前側に配置した場合は、導光板１４及び照明用ＨＯＥ１５の前側に透過型の像再生用ホログラムが配置され、導光板を伝搬した光によって照明用ＨＯＥ１５から前側に再生した照明光によって像再生用ホログラムから立体像を前側に再生させる。また、透過型の照明用ＨＯＥ１５を導光板１４の後側に配置した場合は、導光板１４及び照明用ＨＯＥ１５の後側に反射型の像再生用ホログラムが配置され、導光板を伝搬した光によって照明用ＨＯＥ１５から後側に再生した照明光によって像再生用ホログラムから立体像を前側に再生させる。立体像を表示する光は、照明用ＨＯＥ１５及び導光板１４を通過して前側において立体像が観察できる。また、反射型の照明用ＨＯＥ１５を導光板１４の前側に配置した場合は、導光板１４の後側に反射型の像再生用ホログラムが配置され、導光板を伝搬した光によって照明用ＨＯＥ１５から後側に再生した照明光が導光板を介して像再生用ホログラムに照射され、像再生用ホログラムから立体像を前側に再生させる。立体像を表示する光は、導光板１４及び照明用ＨＯＥ１５を通過して前側において立体像が観察できる。また、反射型の照明用ＨＯＥ１５を導光板１４の後側に配置した場合は、導光板１４の前側に透過型の像再生用ホログラムが配置され、導光板を伝搬した光によって照明用ＨＯＥ１５から前側に再生した照明光が導光板を介して像再生用ホログラムに照射され、像再生用ホログラムから立体像を前側に再生させる。ここで、照明光の進む方向と、像再生用ホログラムから再生する立体像を表示する光の進む方向とは角度をつけることが好ましい。
　図２（Ａ）は、図１のホログラム用照明装置における入射構造の模式図であり、（Ｂ）は、そのインコヒーレント放射照度のシミュレーション結果である。図２では、１００ｍｍ×１００ｍｍ×１０ｍｍの正方形状の導光板（屈折率１．５１７）に、導光板の頂点の位置を中心とした曲率半径２０ｍｍの凹曲面の入射面を形成し、直径約１２ｍｍのロッドレンズ（屈折率１．５１７）からの発散光の中心軸が対角線上に位置するように光軸を配置し、焦点が入射面の曲率半径２０ｍｍの中心に位置するようにロッドレンズを配置した。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の配置において、最大幅約９．２ｍｍのビーム幅の光（半値全幅約７．２ｍｍ）をロッドレンズに入射させ、発散角約７８．２°の発散光を生成し、導光板の入射面に対し、発散光の中心軸が導光板の対角線に沿うように入射させた場合のシミュレーションである。シミュレーション結果から、導光板内に入射した発散光は、図７（Ｂ）の結果と比べて広い範囲に照射されていることが確認できた。
　このように、本発明では、光源１２から出射した光１３を光学系１６によって発散光１８として導光板１４の側面の入射面１７に入射させる際に、発散光の中心軸Ｃが、略多角形状の導光板の辺と斜めになるように配置されているため、発散光の拡がりを導光板の形状に対応させることが可能となる。発散光の発散角及び中心軸Ｃの方位は、導光板の形状及び入射面の位置に応じて適宜設定されるが、発散光の側縁の光線が略多角形状の導光板の辺の一つに沿うように設定することが好ましく、発散光の発散角をθとしたときに、導光板の辺の一つに対する発散光の中心軸の角度がθ／２±１０％の範囲内であることが好ましい。つまり、発散角が６０°の場合は、導光板の一辺に対する発散光の中心軸の角度が２７°～３３°（３０°±１０％）とすることが好ましい。また、多角形状の導光板の頂点を含む切り欠きによって入射面を形成した場合、発散光の発散角θは、切り欠きで除かれた頂点の角度±１０％の範囲内であることが好ましい。また、多角形状の導光板の頂点を含む切り欠きによって入射面を形成した場合、発散光の中心軸が、切り欠きに含まれる頂点を２等分するように配置することが好ましい。
　図３及び図４は、本発明の変形例である。図３（Ａ）は、略正方形状の導光板２４の辺Ｓ３の中間に平面視凹状の入射面２７が形成されており、光源２２から出射した光が光学系２６によって発散光２８として導光板に入射するように構成されている。本実施の形態では、発散光２８の中心軸Ｃは、辺Ｓ３に対して垂直に配置されているが、凹状の入射面２７によって発散光が導光板に入射する際の屈折が小さくなり、光の有効面積を広くすることができる。特に凹状の入射面２７が、光学系２６であるロッドレンズの焦点を中心とする円の曲率の場合には、発散光の各光線が凹面に対してほぼ垂直に入射するため、発散光をほぼ屈折させずに発散角を維持したまま導光板に入射させることができる。
　図３（Ｂ）は、略五角形状の導光板３４の頂点Ｖ４を含む切り欠きによって平面視凹状の入射面３７が形成されており、光源３２から出射した光が光学系３６によって発散光３８として導光板に入射するように構成されている。本実施の形態では、発散光３８の中心軸Ｃは、頂点Ｖ４を構成する辺Ｓ３及びＳ４に対して斜めになるように配置され、さらに、頂点Ｖ４を２等分するように配置されており、平面視において、入射面３７から徐々に拡がる導光板３４の形状と発散光３８の拡がりとが整合しており、導光板における発散光の有効面積を広くすることができる。さらに、凹状の入射面３７によって発散光が導光板に入射する際の屈折が小さくなり、光の有効面積を広くすることができる。特に凹状の入射面３７が、光学系３６であるロッドレンズの焦点を中心とする円の曲率の場合には、発散光の各光線が凹面に対してほぼ垂直に入射するため、発散光をほぼ屈折させずに発散角を維持したまま導光板に入射させることができる。
　図３（Ｃ）は、略六角形状の導光板４４の頂点Ｖ５を含む切り欠きによって平面視凹状の入射面４７が形成されており、光源４２から出射した光が光学系４６によって発散光４８として導光板に入射するように構成されている。本実施の形態では、光学系４６の開口数（ＮＡ）を大きくして発散角が１２０°の発散光を成形し、頂点Ｖ５で収束するように配置した。発散光３８の中心軸Ｃは、頂点Ｖ５を構成する辺Ｓ４及びＳ５に対して斜めになるように配置され、さらに、頂点Ｖ５を２等分するように配置されている。発散光３８の発散角が頂点Ｖ５の角度とほぼ同じ大きさとすることにより、導光板における発散光の有効面積を広くすることができる。さらに、凹状の入射面４７によって発散光が導光板に入射する際の屈折が小さくなり、光の有効面積を広くすることができる。特に凹状の入射面４７が、光学系４６の焦点を中心とする円の曲率の場合には、発散光の各光線が凹面に対してほぼ垂直に入射するため、発散光をほぼ屈折させずに発散角を維持したまま導光板に入射させることができる。このように、発散角を頂点と同じ角度とし、頂点を二等分する方位に発散光の中心軸を配置し、焦点を中心とする円の曲率の凹曲面を有する入射面とすることにより、発散光が多角形の導光板の辺に沿って広がり、光の有効面積を広くすることができる。なお、図３（Ｃ）において、導光板に入射した発散光の一部が導光板の辺Ｓ３及び辺Ｓ６から外部に出射している。
　図４（Ａ）は、略長方形の導光板５４の頂点Ｖ２を含む切り欠きによって平面視凹状の第１の入射面５７Ａが形成されており、辺Ｓ２の中間に平面視凹状の第２の入射面５７Ｂが形成されており、第１の入射面５７Ａに対して第１の光源５２Ａ及び第１の光学系５６Ａが配置され、第２の入射面５７Ｂに対して第２の光源５２Ｂ及び第２の光学系５６Ｂが配置されている。第１の入射面５７Ａは、頂点Ｖ２を含む四分円状の切り欠きによって形成され、第２の入射面５７Ｂは、半円状の切り欠きによって形成されている。第１及び第２の光源５２Ａ、５２Ｂは、光軸の向きは同じ向きであり、辺Ｓ２に対して４５°となるように斜めに光軸が配置され、第１及び第２の光学系５６Ａ、５６Ｂによって発散角が９０°の発散光に成形される。第１の光学系５６Ａの焦点が第１の入射面５７Ａを構成する曲面の中心に位置するように配置され、第２の光学系５６Ｂの焦点が第２の入射面５７Ｂを構成する曲面の中心に位置するように配置されることが好ましい。このように配置することにより、発散光の各光線が凹面に対してほぼ垂直に入射するため、発散光をほぼ屈折させずに発散角を維持したまま導光板に入射させることができる。本実施の形態では、２つの光源によってより広い領域に参照光を照射することができ、より広い照明光を再生させることができる。なお、本実施の形態において、第２の入射面５７Ｂについては、発散光が入射する部分以外は、特に曲面とする必要はなく、最低限、第２の入射面５７Ｂが四分円状の切り欠きによって形成されていれば足りる。
　図４（Ｂ）は、略長方形の導光板６４の辺Ｓ２の中間に平面視凹状の入射面６７が形成されており、一つの入射面６７に対して第１の光源６２Ａ及び第１の光学系６６Ａと、第２の光源６２Ｂ及び第２の光学系６６Ｂが配置されている。入射面６７は、半円状の切り欠きによって形成されている。第１及び第２の光源６２Ａ、６２Ｂは、光軸の向きが線対称であり、辺Ｓ２に対して４５°となるように斜めに光軸が配置され、第１及び第２の光学系６６Ａ、６６Ｂによって発散角が９０°の発散光に成形される。第１の光学系６６Ａの焦点も、第２の光学系６６Ｂの焦点も、入射面６７を構成する曲面の中心に位置するように配置されることが好ましい。このように配置することにより、発散光の各光線が凹面に対してほぼ垂直に入射するため、発散光をほぼ屈折させずに発散角を維持したまま導光板に入射させることができる。本実施の形態では、２つの光源によってより広い領域に参照光を照射することができ、より広い照明光を再生させることができる。なお、本実施の形態においては、第１の光学系６６Ａ及び第２の光学系６６Ｂを設けたが、光学系を共有させて、一つの光学系に対し、異なる方向から２つの光束を入射させて２つの発散光を生成してもよい。
　図４（Ａ）及び（Ｂ）において、照明用ＨＯＥは、第１の光源からの発散光が照射される領域と、第２の光源からの発散光が照射される領域のそれぞれに別々に設けてもよいし、２つの領域にわたって一つの照明用ＨＯＥを設けてもよい。また、図４（Ａ）及び（Ｂ）においては、２つの光源を使用したが、一つの光源からの光をビームスプリッター等によって分離して２つの光束を成形し、それぞれを光源として、発散光を生成してもよい。さらに、発散光の数を増やすことにより、より大面積にも対応することが可能である。例えば、図４では下辺Ｓ２側からのみ光を照射しているが、上辺Ｓ４にも光源、光学系及び入射面を配置することで、縦方向においてもより大面積化することが可能である。
　図５は、本発明の他の実施形態であり、導光板７４の側面に接して光源７２からの光を拡散させる手段を含む光学系７６を設けたものである。ホログラム用照明装置７１は、光源７２と、光源からの光７３を伝搬する導光板７４と、導光板７４の前側又は後側に隣接して配置された照明用ＨＯＥ７５（点線で示す）と、光源７２からの光７３を導光板７４の側面の入射面に入射させる光学系７６と、を備えている。そして、本実施の形態においては、光学系７６は、導光板の側面に接して設けられた光を拡散させる手段を含んでいる。光を拡散させる手段としては、特に光を透過させる際に光を散乱若しくは分散して拡散光とするディフューザを使用することができ、例えば、内部に散乱物質が配合されたテープ、散乱層、散乱フィルムなどでもよい。このような拡散光７８は、波面の揃った規則的な発散光とは異なり、光線が散乱した状態であったが、導光板内を伝搬させて照明用ＨＯＥ７５に入射させることによって、回折効率は発散光に劣るものの照明用ＨＯＥ７５から照明光を再生させることが可能であり、かかる照明光によって像再生用ホログラムから立体像を再生することができた。本実施の形態においては、例えば、収束性が高いレーザーポインタの光を導光板の側面に接着された拡散用テープに直接照射しても、導光板内に拡散光７８を入射させることができ、光学系７６を極めて小さくすることができる。
１１　ホログラム用照明装置
１２　光源
１４　導光板
１５　照明用ＨＯＥ
１６　像再生用ホログラム記録媒体
１７　入射面

Claims (10)

  1. 立体像を記録した像再生用ホログラムに対して照明光を照射するホログラム用照明装置であって、
    　光源と、
    　前記光源からの光を伝搬する導光板と、
    　前記導光板を伝搬する光の少なくとも一部を受けて照明光を再生する照明用ホログラフィック光学素子と、
    　前記光源からの光を平面視で発散光として前記導光板の側面の入射面に入射させる光学系と、を備え、
    　平面視において、前記導光板は、全体として略多角形の形状を有し、前記発散光の中心軸が、前記導光板の略多角形の形状の辺と斜めになるように配置されることを特徴とするホログラム用照明装置。
  2. 平面視において、前記発散光の発散角をθとしたときに、前記導光板の辺の略多角形の形状の一つに対する前記発散光の中心軸の角度がθ／２±１０％の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のホログラム用照明装置。
  3. 　前記入射面は平面視で凹状に成形されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のホログラム用照明装置。
  4. 　立体像を記録した像再生用ホログラムに対して照明光を照射するホログラム用照明装置であって、
    　光源と、
    　前記光源からの光を伝搬する導光板と、
    　前記導光板を伝搬する光の少なくとも一部を受けて照明光を再生する照明用ホログラフィック光学素子と、
    　前記光源からの光を平面視で発散光として前記導光板の側面の入射面に入射させる光学系と、を備え、
    　前記導光板の側面の前記入射面は平面視で凹状に成形されていることを特徴とするホログラム用照明装置。
  5. 前記入射面は、前記光学系の焦点を中心とした円の曲率の凹曲面を含むことを特徴とする請求項３又は４に記載のホログラム用照明装置。
  6. 　複数の前記光学系を備え、前記導光板は、各光学系に対応した複数の前記入射面を有していることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のホログラム用照明装置。
  7. 　前記光学系は、複数の方向からの光を複数の発散光として、前記入射面を介して前記導光板に入射させることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のホログラム用照明装置。
  8. 　平面視において、前記導光板は略長方形又は略正方形であり、前記入射面は、前記略長方形又は略正方形の頂点の位置に形成された切り欠きの側面であり、前記発散光の発散角は略９０°であり、前記発散光の中心軸が、前記略長方形又は略正方形の辺に対して約４５°の角度となるように配置されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載のホログラム用照明装置。
  9. 立体像を記録した像再生用ホログラムに対して照明光を照射するホログラム用照明装置であって、
    　光源と、
    　前記光源からの光を伝搬する導光板と、
    　前記導光板を伝搬する光の少なくとも一部を受けて照明光を再生する照明用ホログラフィック光学素子と、
    　前記光源からの光を前記導光板の側面の入射面に入射させる光学系と、を備え、
    　前記光学系は、前記導光板の側面に接して設けられた光を拡散させる手段を含むことを特徴とするホログラム用照明装置。
  10. 　請求項１乃至９の何れか１項に記載のホログラム用照明装置に、前記照明光によって立体像を再生する像再生用ホログラムが取り付けられたことを特徴とするホログラム表示装置。
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