以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。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、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。
本発明の一実施の形態に係る照明装置、投射装置および投射型映像表示装置は、基本的な構成として、スペックルを効果的に防止することを可能にする構成を有している。
図1〜図9は、本発明の一実施の形態に係る照明装置、投射装置および投射型映像表示装置、並びに、その変形例を説明するための図である。このうち、図1〜図6を参照して、一実施の形態のうちの基本形態に係る照明装置、投射装置および投射型映像表示装置について説明する。その後、基本形態に係る照明装置、投射装置および投射型映像表示装置に対する変形の一例について説明する。
<基本形態>
〔基本形態の構成〕
まず、コヒーレント光を投射する照明装置および投射装置を含み且つスペックルを目立たなくさせることができる投射型映像表示装置の構成を、主として図1〜図5を参照して説明する。
図1に示す投射型映像表示装置10は、スクリーン15と、コヒーレント光からなる映像光を投射する投射装置20と、を有している。投射装置20は、仮想面上に位置する被照明領域LZをコヒーレント光で照明する照明装置40と、被照明領域LZと重なる位置に配置され照明装置40によってコヒーレント光で照明される空間光変調器30と、空間光変調器30からのコヒーレント光をスクリーン15に投射する投射光学系25と、を有している。
空間光変調器30としては、例えば、透過型の液晶マイクロディスプレイを用いることができる。この場合、照明装置40によって面状に照明される空間光変調器30が、画素毎にコヒーレント光を選択して透過させることにより、空間光変調器30をなすディスプレイの画面上に変調画像が形成されるようになる。こうして得られた変調画像(映像光)は、投射光学系25によって、等倍で或いは変倍されてスクリーン15へ投射される。これにより、変調画像がスクリーン15上に等倍で或いは変倍、通常、拡大されて表示され、観察者は当該画像を観察することができる。
なお、空間光変調器30としては、反射型のマイクロディスプレイを用いることも可能である。この場合、空間光変調器30での反射光によって変調画像が形成され、空間光変調器30へ照明装置40からコヒーレント光が照射される面と、空間光変調器30から変調画像をなす映像光が進みでる面が同一の面となる。このような反射光を利用する場合、空間光変調器30としてDMD(Digital Micromirror Device)などのMEMS素子を用いることも可能である。上述した特許文献2に開示された装置では、DMDが空間光変調器として利用されている。
また、空間光変調器30の入射面は、照明装置40によってコヒーレント光を照射される被照明領域LZと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、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。
スクリーン15は、透過型スクリーンとして構成されていてもよいし、反射型スクリーンとして構成されていてもよい。スクリーン15が反射型スクリーンとして構成されている場合には、観察者は、スクリーン15に関して投射装置20と同じ側から、スクリーン15で反射されるコヒーレント光によって表示される映像を観察することになる。一方、スクリーン15が透過型スクリーンとして構成されている場合、観察者は、スクリーン15に関して投射装置20とは反対の側から、スクリーン15を透過したコヒーレント光によって表示される映像を観察することになる。
ところで、スクリーン15に投射されたコヒーレント光は、拡散され、観察者に映像として認識されるようになる。この際、スクリーン上に投射されたコヒーレント光は拡散によって干渉し、スペックルを生じさせることになる。ただし、ここで説明する投射型映像表示装置10では、以下に説明する照明装置40が、時間的に角度変化するコヒーレント光で、空間光変調器30が重ねられている被照明領域LZを照明するようになっている。より具体的には、以下に説明する照明装置40は、コヒーレント光からなる拡散光で被照明領域LZを照明するが、この拡散光の入射角度が経時的に変化していく。この結果、スクリーン15上でのコヒーレント光の拡散パターンも時間的に変化するようになり、コヒーレント光の拡散で生じるスペックルが時間的に重畳されて目立たなくなる。以下、このような照明装置40について、さらに詳細に説明する。
図1および図2に示された照明装置40は、コヒーレント光を拡散してコヒーレント光の進行方向を被照明領域LZへ向ける光学素子50と、光学素子50の入射側に設けられ、入射したコヒーレント光を偏向して集光する光偏向部70と、光偏向部70に対してコヒーレント光を照射する照射装置60と、を有している。光学素子50は、各点が少なくとも被照明領域LZの全域に対してコヒーレント光を拡散可能なものである。光学素子50は、散乱板6の像5を再生し得るホログラム記録媒体55を含んでいる。図示する例では、光学素子50はホログラム記録媒体55から形成されている。光偏向部70は、ホログラム記録媒体55の入射側の面に一体に設けられている。ただし、光偏向部70とホログラム記録媒体55は離れて配置されてもよい。光偏向部70の具体例としては、樹脂製やガラス製のレンズ、フレネルレンズ、プリズム、ホログラムレンズ、回折光学素子(DOE:Diffractive Optical Element)等を挙げることができる。
照射装置60は、コヒーレント光が光偏向部70上を走査するように、光偏向部70に対してコヒーレント光を照射する。光偏向部70は、入射したコヒーレント光を屈折または回折により偏向して、ホログラム記録媒体55の出射側に位置する焦点FPに向けて集光する。これにより、光偏向部70で偏向されたコヒーレント光は、光学素子50に導かれて光学素子50のホログラム記録媒体55上を走査する。したがって、ある瞬間に、コヒーレント光を照射されているホログラム記録媒体55上の領域は、ホログラム記録媒体55の表面の一部分であって、とりわけ図示する例では、点と呼ばれるべき微小領域となっている。
図示する例で光学素子50をなしているホログラム記録媒体55は、光偏向部70で偏向されたコヒーレント光を再生照明光Laとして受けて、当該コヒーレント光を高効率で回折することができる。とりわけ、ホログラム記録媒体55は、その各位置、言い換えると、その各点とも呼ばれるべき各微小領域に入射するコヒーレント光を回折することによって、散乱板6の像5を再生することができるようになっている。
そして、光偏向部70で偏向されてホログラム記録媒体55上を走査するコヒーレント光は、ホログラム記録媒体55上の各位置(各点または各領域(以下、同じ))に、当該ホログラム記録媒体55の回折条件を満たすような入射角度で、入射するようになっている。とりわけ、図2に示すように、光偏向部70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が、それぞれ、被照明領域LZに重ねて散乱板6の像5を再生するようになっている。すなわち、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、被照明領域LZに入射するようになる。つまり、被照明領域LZよりホログラム記録媒体55側に位置する仮想面上で考えると、ホログラム記録媒体55の各位置に入射して回折されたコヒーレント光は、この仮想面上の対応する領域を照明すると共に、この仮想面上の各領域は少なくとも一部分において互いに重なり合う。
このようなコヒーレント光の回折作用を可能にするホログラム記録媒体55として、図示する例では、透過型のレリーフ型(エンボス型)ホログラムが用いられている。このホログラム記録媒体55は、図3に示すように、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ている。図3には、ホログラム記録媒体55をなすようになる感光性を有したホログラム感光材料58に、互いに干渉性を有したコヒーレント光からなる参照光Lrと物体光Loとが露光されている状態が、示されている。
参照光Lrは、例えば、特定波長域のレーザ光を発振するレーザ光源からのレーザ光が用いられており、ホログラム感光材料58に入射する。図3に示す例では、参照光Lrは、基準点SPからの発散光束として、ホログラム感光材料58へ入射する。
次に、物体光Loは、たと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。ここでは作製されるべきホログラム記録媒体55が透過型なので、物体光Loは、参照光Lrと同一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と干渉性を有している必要がある。したがって、例えば、同一のレーザ光源から発振されたレーザ光を分割して、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3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物体光Loとしてホログラム感光材料58へ入射している。この方法によれば、通常安価に入手可能な等方散乱板を散乱板6として用いた場合に、散乱板6からの物体光Loが、ホログラム感光材料58に概ね均一な光量分布で入射することが可能となる。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。このような場合には、得られたホログラム記録媒体55の各位置に入射した光が、それぞれ、散乱板6の像5を同様の明るさで再生すること、および、再生された散乱板6の像5が概ね均一な明るさで観察されることが実現され得る。
以上のようにして、参照光Lrおよび物体光Loがホログラム記録材料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、2次元パターンとして、ホログラム記録材料58の一方の表面に記録される。その後、ホログラム記録材料58の種類に対応した適切な後処理が施され、干渉縞が凹凸からなる2次元パターンに変換されたホログラム記録材料55が得られる。
図4には、図3の露光工程を経て得られたホログラム記録媒体55の回折作用(再生作用)が示されている。図4に示すように、図3のホログラム感光材料58から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、その回折条件が満たされるようになる。すなわち、図4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に対する基準点SPの相対位置(図3参照)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に対して位置する焦点FPに向かって収束し、露光工程時における参照光Lrと同一の波長を有する収束光束は、再生照明光Laとして、ホログラム記録媒体55に回折され、露光工程時におけるホログラム感光材料58に対する散乱板6の相対位置(図3参照)と同一の位置関係をなすようになるホログラム記録媒体50に対する特定の位置に、散乱板6の再生像5を生成する。
この際、散乱板6の再生像5を生成する再生光Lb、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散乱板6の像5の各点を再生する。そして、上述したように、また図3に示すように、露光工程時に散乱板6の出射面6aの各位置から出射する散乱光Loが、それぞれ、ホログラム感光材料58の概ね全領域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の全領域からの物体光Loが入射し、結果として、出射面6a全体の情報がホログラム記録媒体55の各位置にそれぞれ記録されている。このため、図4に示された、再生照明光Laとして機能する焦点FPへの収束光束をなす各光は、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、互いに同一の位置(被照明領域LZ)に再生することができる。
一方、光偏向部70にコヒーレント光を照射する照射装置60は、次のように構成され得る。図1および図2に示された例において、照射装置60は、特定波長域のコヒーレント光を生成するレーザ光源61aと、レーザ光源61a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、を有している。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、光偏向部70上を走査するようになる。
とりわけ、図2に示された例では、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を有した反射デバイス66を含んでいる。より具体的に説明すると、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として、構成されている。そして、図2および図5に示すように、このミラーデバイス66は、反射面66aの配向を変化させることによって、レーザ光源61a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2に示すように、ミラーデバイス66は、概ね、一定の位置(以下「基準位置」とも呼ぶ)RPにおいてレーザ光源61aからコヒーレント光を受けるようになっている。このため、コヒーレント光は、所定の角度範囲内において周期的に回動するミラーデバイス66によって進行方向を変えられた後、基準位置RPから発散する発散光束をなす光線の光路に沿って進むようになる。
また、前述のように、本実施の形態における光偏向部70は、基準位置RPから発散する発散光束を偏向して集光し、焦点FPに収束する収束光束に変換し得るように、構成されている。このため、光偏向部70で光路を調整されたコヒーレント光は、焦点FPに収束する収束光束の一光線をなす再生照明光La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、コヒーレント光は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の像を同一の位置(被照明領域LZ)に再生するようになる。
なお、図5は、図2に示された照明装置40の構成を斜視図として示している。図2および図5に示されたミラーデバイス66は、一つの軸線RA1に沿って反射面66aを回動させるように、構成されている。このため、ミラーデバイス66で連続的に進行方向を変化させられるコヒーレント光の光偏向部70への入射点IP1は、光偏向部70の入射面上の線状走査経路PW1を往復動するようになる。とりわけ図5に示された例では、ミラーデバイス66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、反射面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を中心として周期的に回動することにより、光偏向部70で偏向されたコヒーレント光の光学素子50への入射点IP2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X軸と平行な方向に往復動するようになっている。すなわち、図5に示された例では、照射装置60は、光偏向部70で偏向されたコヒーレント光がホログラム記録媒体55上を直線経路PW2に沿って走査するように、光偏向部70にコヒーレント光を照射する。なお、本明細書では、光学素子50と光偏向部70と走査デバイス65とを合わせたものを光偏向装置と呼ぶ。
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、ホログラム記録材料58が収縮する場合がある。このような場合、ホログラム記録材料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61aで生成するコヒーレント光の波長は、図3の露光工程(記録工程)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、焦点FPへの収束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2および図5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、基準位置RPを通過しない回動軸線RA1を中心として反射面66aを回動させた場合、ミラーデバイス66から光偏向部70へ向かうコヒーレント光は、厳密な意味で、基準位置RPからの発散光束をなす一光線とはならないことがあり、結果として、光偏向部70で偏向されてホログラム記録媒体55へ入射する光は、焦点FPへの収束光束に含まれる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、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、いわゆる、0次光が存在する。このような光学素子50を透過する0次光が、何らかの理由により被照明領域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。
本基本形態においては、照射装置60から光偏向部70を介して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のうちの、ホログラム記録媒体55で回折されずにホログラム記録媒体55を透過する0次光L101の光路が、被照明領域LZから外れるように、照射装置60、光偏向部70および光学素子50が配置されている。すなわち、照射装置60から光偏向部70を介して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のうちの0次光L101が、直接、被照明領域LZに入射することはない。これにより、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ことを防止して、明るさの面内分布を均一とすることができる。また、投射装置20および投射型映像表示装置10においては、予定した映像を高品質で表示することができる。さらに、照射装置60の光源としてエネルギ密度の高いレーザ光を発振するレーザ光源を利用する場合には、安全性の面でも非常に好ましい。なお、前述の様に、被照明領域LZよりホログラム記録媒体55側に位置する仮想面上について考えると、0次光L101の光路が、コヒーレント光で照明される仮想面上の各領域から外れるようになっている。
〔基本形態の作用効果〕
次に、以上の構成からなる照明装置40、投射装置20および投射型映像表示装置10の作用について説明する。
まず、照射装置60は、コヒーレント光が光偏向部70上を走査するように、光偏向部70に対してコヒーレント光を照射する。具体的には、レーザ光源61aで一定方向に沿って進む特定波長のコヒーレント光が生成され、このコヒーレント光が走査デバイス65で進行方向を変えられる。この進行方向を変えられたコヒーレント光は、光偏向部70により、ホログラム記録媒体55の出射側の焦点FPに向かうようにさらに進行方向を変えられる。これにより、走査デバイス65は、光偏向部70を介して、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での回折により、被照明領域LZに重ねて散乱板6の像5を再生する。すなわち、照射装置60から光偏向部70を介して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、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、照明装置40は、被照明領域LZをコヒーレント光で照明するようになる。
図1に示すように、投射装置20においては、照明装置40の被照明領域LZと重なる位置に空間光変調器30が配置されている。このため、空間光変調器30は、照明装置40によって面状に照明され、画素毎にコヒーレント光を選択して透過させることにより、映像を形成するようになる。この映像は、投射光学系25によってスクリーン15に投射される。スクリーン15に投射されたコヒーレント光は、拡散され、観察者に映像として認識されるようになる。ただし、この際、スクリーン上に投射されたコヒーレント光は拡散によって干渉し、スペックルを生じさせることになる。
しかしながら、ここで説明してきた基本形態における照明装置40によれば、次に説明するように、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。
前掲の非特許文献1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、同一のレーザ光源からのコヒーレント光を、時間を区切って異なる方向から、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では、コヒーレント光が、光偏向部70上を走査するように、光偏向部70に照射される。これにより、光偏向部70で偏向されたコヒーレント光は、ホログラム記録媒体55上を走査する。光偏向部70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、同一の被照明領域LZの全域をコヒーレント光で照明するが、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。
被照明領域LZを基準にして考えると、被照明領域LZ内の各位置には絶えずコヒーレント光が入射してくるが、その入射方向は、図1に矢印A1で示すように、常に変化し続けることになる。結果として、空間光変調器30の透過光によって形成された映像の各画素をなす光が、図1に矢印A2で示すように経時的に光路を変化させながら、スクリーン15の特定の位置に投射されるようになる。
なお、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。これにともなって、照明装置40から被照明領域LZへのコヒーレント光の入射方向も連続的に変化するとともに、投射装置20からスクリーン15へのコヒーレント光の入射方向も連続的に変化する。ここで、投射装置20からスクリーン15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、スクリーン15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十分に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、上述してきた基本形態によれば、映像を表示しているスクリーン15上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り、結果として、人間の目には、相関の無いコヒーレント光の散乱パターンが多重化されて観察されることになる。したがって、各散乱パターン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になる。これにより、スクリーン15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。
なお、人間によって観察される従来のスペックルには、スクリーン15上でのコヒーレント光の散乱を原因とするスクリーン側でのスペックルだけでなく、スクリーンに投射される前におけるコヒーレント光の散乱を原因とする投射装置側でのスペックルも発生し得る。この投射装置側で発生したスペックルパターンは、空間光変調器30を介してスクリーン15上に投射されることによって、観察者に認識され得るようにもなる。しかしながら、上述してきた基本形態によれば、コヒーレント光がホログラム記録媒体55上を連続的に走査し、そして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が、それぞれ、空間光変調器30が重ねられた被照明領域LZの全域を照明するようになる。すなわち、ホログラム記録媒体55が、スペックルパターンを形成していたそれまでの波面とは別途の新たな波面を形成し、複雑且つ均一に、被照明領域LZ、さらには、空間光変調器30を介してスクリーン15を照明するようになる。このようなホログラム記録媒体55での新たな波面の形成により、投射装置側で発生するスペックルパターンは不可視化されることになる。
ところで、前掲の非特許文献1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。
図1〜図5を参照しながら説明してきた基本形態の投射型映像表示装置10について、スペックルコントラストを測定したところ、上述の光学素子50として、特定の再生照明光を受けた場合に散乱板6の像5を再生し得るように計算機を用いて設計された凹凸形状を有する計算機合成ホログラム(CGH)としてのレリーフ型ホログラムを用いた場合についてのスペックルコントラストは3.7%となった(条件1)。HDTV(高精細テレビ)の映像表示用途にて、観察者が肉眼観察した場合に輝度ムラ模様がほとんど認識できないレベルとして、スペックルコントラスト6.0%以下という基準(たとえば、WO/2001/081996号公報参照)が示されているが、上述してきた基本形態はこの基準を十分に満たしている。また、実際に肉眼観察したところ、視認され得る程度の輝度ムラ(明るさのムラ)は発生していなかった。
一方、レーザ光源からのレーザ光を平行光束に整形して空間光変調器30に入射させた場合、すなわち、図1に示された投射型映像表示装置10の空間光変調器30に、走査デバイス65、光偏向部70及び光学素子50を介さず、レーザ光源61aからのコヒーレント光を平行光束として入射させた場合、スペックルコントラストは20.7%となった(条件2)。この条件下では、肉眼観察により、斑点状の輝度ムラ模様がかなり顕著に観察された。
また、光源61aを緑色のLED(非コヒーレント光源)に交換し、このLED光源からの光を空間光変調器30に入射させた場合、すなわち、図1に示された投射型映像表示装置10の空間光変調器30に、走査デバイス65、光偏向部70及び光学素子50を介さず、LED光源からの非コヒーレント光を平行光束として入射させた場合、スペックルコントラストは4.0%となった(条件3)。この条件下では、肉眼観察で視認され得る程度の輝度ムラ(明るさのムラ)は発生していなかった。
条件1の結果が、条件2の結果よりも極めて良好であり、さらに、条件3の測定結果と比較しても良好となった。既に述べたとおり、スペックルの発生という問題は、実用上、レーザ光などのコヒーレント光源を用いた場合に生じる固有の問題であり、LEDなどの非コヒーレント光源を用いた装置では、考慮する必要のない問題である。加えて、条件1では、条件3と比較して、スペックル発生の原因となり得る光学素子50が追加されている。これらの点から、条件1によれば、スペックル不良に十分に対処することができたと言える。
加えて、上述してきた基本形態によれば、次の利点を享受することもできる。
上述してきた基本形態によれば、ホログラム記録媒体55における回折によるコヒーレント光の進行方向の角度変化を最小限に抑えることができる。これにより、ホログラム記録媒体55における光利用効率を向上することができる。
このことについてより詳しく説明する。レリーフ型のホログラム記録媒体55では、表面の凹凸構造によって干渉縞が記録されている。このホログラム記録媒体55は、この凹凸構造で回折された1次回折光により、所定の位置に散乱板の像を結像させることができる。そのため、ホログラム記録媒体55へのコヒーレント光の入射角度や、ホログラム記録媒体55からのコヒーレント光の出射角度によっては、ホログラム記録媒体55における回折効率が低い、又は、高次光に多くの光がとられてしまう、という問題が生じてしまう。例えば、入射角度が大きい場合や、出射角度が大きい場合に、ホログラム記録媒体55における回折によるコヒーレント光の進行方向の角度変化が大きくなるため、上記問題が生じてしまう。これにより、入射したコヒーレント光の光量を大幅に失ってしまう。
ここで、比較例として、図1の基本形態の構成から光偏向部70を除去し、照射装置60からホログラム記録媒体55に直接的にコヒーレント光(再生光)を入射させた場合を考える。図6は、比較例における再生光Lcと、基本形態における光偏向部70で偏向された再生光Laと、比較例及び基本形態における再生照明光Lbとを示す。図6は、それぞれ最大の入射角度でホログラム記録媒体55に入射する再生光Lc及び再生光Laと、再生光Lc及び再生光Laのそれぞれが回折されて最大の出射角度でホログラム記録媒体55から出射する再生照明光Lbとを示している。図6に示すように、同一の再生照明光Lbを得るために、比較例における回折によるコヒーレント光の進行方向の角度変化(θc)は、基本形態における回折によるコヒーレント光の進行方向の角度変化(θ1)より大きくなる。そのため、比較例では、前述のように、入射したコヒーレント光の光量を大幅に失ってしまうことになる。これに対して、前述の様に、基本形態によれば、光偏向部70によりコヒーレント光の進行方向を偏向してホログラム記録媒体55に入射させるようにしているので、ホログラム記録媒体55における回折によるコヒーレント光の進行方向の角度変化を最小限に抑えることができ、このような問題を解決できる。
また、上述してきた基本形態によれば、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、上述してきた基本形態によれば、ホログラム記録媒体55の各位置に入射するコヒーレント光が、互いに同一の位置に、散乱板6の像5を生成するとともに、当該像5に重ねて空間光変調器30が配置されている。このため、ホログラム記録媒体55で回折された光を、高効率で、映像形成のために利用することが可能となり、光源61aからの光の利用効率の面においても優れる。
〔基本形態への変形〕
図1〜6に例示された一具体例に基づいて説明してきた基本形態に対して、種々の変更を加えることが可能である。以下、図面を参照しながら、変形の一例について説明する。以下の説明で用いる図面では、上述した実施の形態における対応する部分に対して用いた符号と同一の符号を用いており、重複する説明を省略する。
(光偏向部)
基本形態では、光偏向部70は、入射したコヒーレント光をホログラム記録媒体55の出射側に位置する焦点FPに向けて集光する一例について説明したが、これに限られない。例えば、光偏向部70は、基準位置RPから第1の発散角で発散する発散光束を偏向して集光し、第1の発散角より小さい第2の発散角を有する発散光束に変換し得るものでもよい。この場合、ある入射角度で光偏向部70に入射したコヒーレント光は偏向されて、偏向されたコヒーレント光が、当該入射角度より小さい入射角度でホログラム記録媒体55に入射することになる。従って、ホログラム記録媒体55における回折によるコヒーレント光の進行方向の角度変化を、光偏向部70を用いない場合より小さくできる。また、光偏向部70は、基準位置RPから発散する発散光束を偏向して集光し、平行光束に変換し得るものでもよい。
(投射装置)
基本形態では、空間光変調器30が被照明領域LZと重なる位置に配置される一例について説明したが、空間光変調器30は被照明領域LZと厳密に重なる位置に配置されていなくてもよい。例えば、図1の構成において、空間光変調器30は、被照明領域LZより光学素子50側に配置されてもよく、被照明領域LZより投射光学系25側に配置されてもよい。つまり、光学素子50の各位置に入射して拡散されたコヒーレント光が、空間光変調器30を重ねて照明するように、光学素子50と空間光変調器30が配置されていればよい。
(照明装置)
上述した形態によれば、スペックルを効果的に目立たなくさせることができる。ただし、この作用効果は、主として照明装置40に起因したものである。したがって、この照明装置40を種々の態様で有用に使用することができる。例えば、照明装置40を単なる照明として用いることができ、この場合、輝度ムラ、ちらつき等の明るさのムラを目立たなくさせることができる。
また、上述した照明装置40をスキャナ、一例として、像読み取り装置用の照明として用いてもよい。このような例においては、照明装置40の被照明領域LZ上にスキャンされるべき対象物を配置することにより、当該対象物上に生じるスペックルを目立たなくさせることができる。結果として、従来必要であった像補正手段等を不要にすることもできる。
照明装置40がスキャナに組み込まれる場合には、照明装置40による被照明領域LZが、上述した形態と同様に、面であってもよい。あるいは、照明装置40による被照明領域LZが一方向に延びる細長い領域、すなわち線状とも呼ばれるような領域であってもよい。この場合、スキャナに組み込まれた照明装置40が、前記一方向と直交する方向に沿って、対象物に対して相対移動することにより、二次元的な像情報を読み取ることも可能となる。
またさらに、図7に示すように、光学素子50が、重ならないようにして並べて配置された複数のホログラム記録媒体55−1,55−2,・・・を含んでいても良い。図7に示された各ホログラム記録媒体55−1,55−2,・・・は、それぞれ短冊状に形成され、その長手方向と直交する方向に、隙間無く並べて配列されている。また、各ホログラム記録媒体55−1,55−2,・・・は、互いに同一の仮想面上に位置している。各ホログラム記録媒体55−1,55−2,・・・は、それぞれ、重ならないようにして並べて配置された被照明領域LZ−1,LZ−2,・・・に散乱板6の像5を生成する、言い換えると、被照明領域LZ−1,LZ−2,・・・にコヒーレント光を照明するようになっている。各被照明領域LZ−1,LZ−2,・・・は、一方向に延びる細長い領域、すなわち線状とも呼ばれるような領域として形成され、その長手方向と直交する方向に、隙間無く並べて配列されている。また、各被照明領域LZ−1,LZ−2,・・・は、互いに同一の仮想面上に位置している。
図7に示された例では、次のようにして、被照明領域LZ−1,LZ−2,・・・を照明するようにしてもよい。まず、照射装置60は、光偏向部70で偏向されたコヒーレント光が第1のホログラム記録媒体55−1の長手方向(前記一方向)に沿った経路PW2を繰り返し走査するように、光偏向部70へコヒーレント光を照射する。第1のホログラム記録媒体55−1の各位置に入射したコヒーレント光は、それぞれ、第1の照明領域LZ−1に重ねて線状あるいは細長状の散乱板6の像5を再生し、当該第1の照明領域LZ−1をコヒーレント光で照明するようになる。所定の時間が経過すると、照射装置60は、光偏向部70で偏向されたコヒーレント光が第1のホログラム記録媒体55−1に隣接する第2のホログラム記録媒体55−2上を走査するように、光偏向部70へコヒーレント光を照射し、第1の被照明領域LZ−1に代えて、第1の被照明領域LZ−1に隣接する第2の被照明領域LZ−2をコヒーレント光で照明する。以下、順に各ホログラム記録媒体にコヒーレント光を照射して、当該ホログラム記録媒体に対応する被照明領域をコヒーレント光で照明していく。このような方法によれば、照明装置を移動させることなく、二次元的な像情報を読み取ることが可能となる。
(空間光変調器、投射光学系、スクリーン)
上述した形態によれば、スペックルを効果的に目立たなくさせることができる。ただし、この作用効果は、主として照明装置40に起因したものである。そして、この照明装置40を、種々の既知な空間光変調器、投射光学系、スクリーン等と組み合わせても、スペックルを効果的に目立たなくさせることができる。この点から、空間光変調器、投射光学系、スクリーンは、例示したものに限られず、種々の既知な部材、部品、装置等を用いることができる。
(投射型映像表示装置)
また、ホログラム記録媒体55が、空間光変調器30の入射面に対応した形状を有した平面状の散乱板6を用いて、干渉露光法により作製される例を示したが、これに限られず、ホログラム記録媒体55が、何らかのパターンを有した散乱板を用いて、干渉露光法により作製されてもよい。この場合、ホログラム記録媒体55によって、何らかのパターンを持った散乱板の像が再生されるようになる。言い換えると、光学素子50(ホログラム記録媒体55)は、何らかのパターンを持った被照明領域LZを照明するようになる。この光学素子50を用いる場合、空間光変調器30を、さらには投射光学系25をも上述の基本形態から省き、スクリーン15を被照明領域LZと重なる位置に配置することによって、スクリーン15上にホログラム記録媒体55に記録された何らかのパターンを表示することが可能となる。この表示装置においても、光偏向部70で偏向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、照射装置60が光偏向部70にコヒーレント光を照射することによって、スクリーン15上でのスペックルを目立たなくさせることができる。
図8には、このような例の一例が開示されている。図示する例において、光学素子50は、第1〜第3のホログラム記録媒体55−1,55−2,55−3を含んでいる。第1〜第3のホログラム記録媒体55−1,55−2,55−3は、互いに重ならないように位置をずらして、光学素子50の入射面と平行な面上に配置されている。各ホログラム記録媒体55−1,55−2,55−3は、矢印の輪郭を有した像5を再生することができる、言い換えると、矢印の輪郭を有した被照明領域LZ−1,LZ−2,LZ−3をコヒーレント光で照明することができるようになっている。各ホログラム記録媒体55−1,55−2,55−3にそれぞれ対応した第1〜第3の被照明領域LZ−1,LZ−2,LZ−3は、同一の仮想面上に、互いに重ならないように配置されている。とりわけ図示する例では、各被照明領域LZ−1,LZ−2,LZ−3をなす矢印によって示される向きがすべて同一で、この向きに沿って第1〜第3被照明領域LZ−1,LZ−2,LZ−3が順に位置している。例えば、光偏向部70からのコヒーレント光が第1ホログラム記録媒体55−1上を走査している場合には、最も後方に位置する第1の被照明領域LZ−1が照明される。一例として次に、図8に示すように、光偏向部70からのコヒーレント光が第2ホログラム記録媒体55−2上を走査するようになり、真ん中に位置する第2の被照明領域LZ−2が照明される。その後、光偏向部70からのコヒーレント光が第3ホログラム記録媒体55−3上を走査するようになると、最も前方に位置する第3の被照明領域LZ−3が照明される。
(照射装置)
上述した形態では、照射装置60が、レーザ光源61aと、走査デバイス65と、を有する例を示した。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9に示すように、ミラーデバイス66の反射面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9に示された例では、反射面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、反射面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偏向部70の表面への入射点IP1は、二次元方向に移動可能となる。結果として、光偏向部70で偏向されたコヒーレント光の光学素子50への入射点IP2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。一例として図9に示されているように、コヒーレント光の光偏向部70への入射点IP1が円周走査経路PW1上を移動するようにすることもでき、これによりコヒーレント光の光学素子50への入射点IP2が円周走査経路PW2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の反射面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IP2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、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61aが、光学素子50に対して移動、揺動、回転等の変位可能に構成され、光源61aの光学素子に対する変位によって、光源61aから照射されたコヒーレント光が光偏向部70上を走査するようにして、これにより光偏向部70で偏向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61a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61aから光偏向部70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61a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61a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61a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61a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。
上述した形態では、照射装置60が単一のレーザ光源61aのみを有する例を示したが、これに限られない。例えば、照射装置60が、同一波長域の光を発振する複数の光源を含んでいても良い。この場合、照明装置40は、被照明領域LZをより明るく照明することが可能となる。また、異なる固体のレーザ光源からのコヒーレント光は、互いに干渉性を有しない。したがって、散乱パターンの多重化がさらに進み、スペックルをさらに目立たなくさせることができる。
また、照射装置60が、異なる波長域のコヒーレント光を発生させる複数の光源を含んでいてもよい。この例によれば、単一レーザ光では表示することが困難な色を加法混色によって生成し、当該色で被照明領域LZを照明することができる。また、この場合、投射装置20または透過型映像表示装置10において、空間光変調器30が、例えばカラーフィルタを含んでおり、各波長域のコヒーレント光毎に変調画像の形成が可能である場合には、複数色で映像を表示することが可能となる。あるいは、空間光変調器30がカラーフィルタを含んでいなくとも、照射装置60が各波長域のコヒーレント光を時分割的に照射し、且つ、空間光変調器30が、照射されている波長域のコヒーレント光に対応した変調画像を形成するように時分割的に作動する場合にも、複数色で映像を表示することが可能となる。とりわけ、投射装置20または透過型映像表示装置10において、照射装置60が、赤色光に対応する波長域のコヒーレント光を発生する光源と、緑色光に対応する波長域のコヒーレント光を発生する光源と、青色光に対応する波長域のコヒーレント光を発生する光源と、を含んでいる場合には、フルカラーで映像を表示することが可能となる。
(光学素子)
上述した形態において、光学素子50が、透過型のレリーフ型ホログラム55からなる例を示したが、これに限られない。既に説明したように、光学素子50は複数のホログラム記録媒体55を含んでいてもよい。また、光学素子50は、フォトポリマーを用いた透過型の体積型ホログラム記録媒体を含んでいてもよい。さらに、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。
また、図3に示す露光工程では、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に形成されるべき屈折率変調パターンや凹凸パターン等の縞状パターンは、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。このような計算機合成ホログラムをレリーフ型ホログラムとして作成した例においても、上述した基本形態と同様に、光偏向部70によって計算機合成ホログラムにおけるコヒーレント光の角度変化を最小限に抑えることができる。従って、計算機合成ホログラムにおける光利用効率を向上することができると共に、計算機合成ホログラムの設計を容易にできる。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。
さらに、上述した形態において、光学素子50が、各位置に照射されたコヒーレント光を拡げて、当該拡げたコヒーレント光を用いて被照明領域LZの全域を照明するホログラム記録媒体55を、有している例を示したが、これに限られない。光学素子50は、ホログラム記録媒体55に代えて或いはホログラム記録媒体55に加えて、各位置に照射されたコヒーレント光の進行方向を変化させるとともに拡散させて、被照明領域LZの全域をコヒーレント光で照明する光学要素としてのレンズアレイまたは拡散板を有するようにしてもよい。このようなレンズアレイの具体例として、拡散機能を付与された全反射型または屈折型のフレネルレンズやフライアイレンズ等を挙げることができる。また、このような拡散板の具体例として、拡散機能を付与されたオパールガラス、すりガラス又は樹脂拡散板等を挙げることができる。なお、本発明における光学素子50における「拡散」とは、入射光を所定の方向に角度的に拡げて出射することを指し、回折光学素子やレンズアレイ等による拡散角が十分に制御された場合のみならず、オパールガラス等の散乱粒子により出射角を拡げる場合も含まれるものとする。このような照明装置40においても、照射装置60が、光偏向部70上を走査するように光偏向部70に対してコヒーレント光を照射し、それにより光偏向部70で偏向されたコヒーレント光が光学素子50のレンズアレイ上を走査するよう、且つ、光学素子50の各位置に入射したコヒーレント光が、それぞれレンズアレイ又は拡散板によって進行方向を変化させられて少なくとも被照明領域LZを照明するよう、照射装置60、光偏向部70および光学素子50を構成しておくことにより、スペックルを効果的に目立たなくさせることができる。なお、レンズアレイ又は拡散板の場合には、0次光について考慮する必要はない。従って、光偏向部70は、入射したコヒーレント光を被照明領域LZに向けて偏向しても良い。
(照明方法)
上述した形態において、照射装置60が光偏向部70を介して光学素子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、レンズアレイまたは拡散板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が光偏向部70を介して光学素子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、レンズアレイまたは拡散板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を照明してもよい(図9を参照しながら、既に説明した態様)。
また、既に言及しているように、照射装置60及び光偏向部70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、レンズアレイまたは拡散板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、光学素子のホログラム記録媒体55、レンズアレイまたは拡散板の拡散方向と、が平行となるようにしてもよい。
さらに、照射装置60及び光偏向部70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、レンズアレイまたは拡散板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、既に説明したように、光学素子50が複数のホログラム記録媒体55、レンズアレイまたは拡散板を有し、各ホログラム記録媒体55、レンズアレイまたは拡散板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。
(変形例の組み合わせ)
なお、以上において上述した基本形態に対するいくつかの変形例を説明してきたが、当然に、複数の変形例を適宜組み合わせて適用することも可能である。