WO2015128913A1 - 表示装置 - Google Patents

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堀川　嘉明
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オリンパス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a display device.
  • a display light beam is emitted from the display screen of the liquid crystal display element.
  • the display light flux emitted from the display screen is converted into a parallel light flux by the objective lens and is incident on the transparent substrate.
  • the display light beam propagates in the transparent substrate while repeating internal reflection in the transparent substrate.
  • a part of the display light flux is emitted from the substrate to the outside, and the display light flux is emitted from a plurality of positions of the transparent substrate, so the display light flux is emitted from the entire transparent substrate.
  • the diameter of the entire display light flux emitted from the transparent substrate is larger than the diameter of the light flux when it is incident on the transparent substrate.
  • the display light flux emitted from the transparent substrate In order for the observer to observe the virtual image of the display screen, the display light flux emitted from the transparent substrate must be incident on the eye.
  • the diameter of the display light beam emitted from the transparent substrate is large (thick). Therefore, the allowable range of alignment of the eye with respect to the display light flux (transparent substrate) is wider as compared with the case where the diameter of the display light flux is small (thin). As a result, the observer can easily observe the virtual image.
  • the display light flux emitted from the transparent substrate is a parallel light flux. Therefore, the observer can observe the virtual image behind the transparent substrate. In addition, since the display luminous flux is thick, the observer does not need to bring his eyes close to the display device. In addition, the back of a transparent substrate is the position on the opposite side to the position of the observer across the transparent substrate.
  • a display light flux emitted from a display screen is converted into a parallel light flux by an objective lens.
  • the display light flux contains an off-axis light flux in addition to the on-axis light flux, the off-axis light flux also has to be converted into a parallel light flux with few aberrations. Therefore, a plurality of lenses are required for the objective lens.
  • the configuration (a liquid crystal display element and an objective lens) for obtaining a parallel light beam is increased in size.
  • the present invention has been made in view of such problems, and it is an object of the present invention to provide a display device having high optical performance while being small and thin.
  • a display device which achieves the above object is: A spatial phase modulation element that forms a display light flux; A transparent substrate on which the display light flux is repeatedly internally reflected and propagated; A branch portion for emitting a part of the display light flux out of the transparent substrate each time the display light flux performs the internal reflection; A luminous flux introducing optical system having a beam splitter for guiding an illumination luminous flux to the spatial phase modulation element and for guiding the display luminous flux formed by the spatial phase modulation element to the transparent substrate; The spatial phase modulation element forms the display light beam in a holographic manner by the diffraction of the illumination light beam.
  • the lens power in the optical path of the display light beam between the spatial phase modulation element and the transparent substrate be zero.
  • the luminous flux introduction optical system may further include an optical element having a negative lens power in the optical path of the display luminous flux between the spatial phase modulation element and the transparent substrate.
  • the luminous flux introducing optical system may have a negative lens power in the optical path of the display luminous flux between the spatial phase modulation element and the transparent substrate.
  • the beam splitter comprises a polarizing beam splitter
  • the light flux introducing optical system may further include a 1 ⁇ 4 wavelength plate between the polarization beam splitter and the spatial light modulation element.
  • the luminous flux introducing optical system may cause the central axis of the illumination luminous flux to be inclined with respect to the normal of the spatial phase modulation element, and cause the illumination luminous flux to enter the spatial phase modulation element.
  • the reflection angle of zero-order light of the illumination light beam at the spatial phase modulation element may be larger than half of one display angle of view by the display light beam.
  • the zero-order light of the illumination light beam in the spatial light modulation element may be removed in the narrow direction of the angle of view.
  • the coherence length of the display light flux may be shorter than the distance traveled by the display light flux in one internal reflection.
  • the display luminous flux emitted out of the transparent substrate may display a virtual image at infinity.
  • zero-order light from the spatial phase modulation element be transmitted through the transparent substrate, and primary light be incident on the transparent substrate under the condition that the light be totally reflected inside the transparent substrate.
  • the branch portion may be a diffraction grating.
  • the diffraction grating may comprise a volume hologram.
  • the branch portion may be a prism array.
  • a second transparent substrate which receives the display light flux emitted from the transparent substrate and repeatedly internally reflects the display light flux and propagates; And a second branch portion for emitting a part of the display light flux out of the second transparent substrate each time the display light flux performs the internal reflection in the second transparent substrate. Good.
  • FIG. 5 illustrates a method and apparatus for holographically forming a display light beam. It is a block diagram which shows the process when calculating
  • FIG. 5 illustrates a method and apparatus for holographically forming a display light beam. It is a block diagram which shows the process when calculating
  • FIG. 5 is a partial detailed view of the light beam introduction optical system of FIG. 4; It is a figure which shows schematic structure of the display apparatus which concerns on 2nd Embodiment. It is a figure which shows schematic structure of the display apparatus which concerns on 3rd Embodiment.
  • FIG. 8 is a partial detailed view of the light beam introduction optical system of FIG. 7; It is a figure which shows schematic structure of the display apparatus which concerns on 4th Embodiment. It is a figure for demonstrating the display area of 4th Embodiment. It is a figure which shows schematic structure of the display apparatus which concerns on 5th Embodiment. It is a figure which shows the structure of a 2nd transparent board
  • the display device forms a display light beam in a holographic manner.
  • the display light flux is generated by diffraction, is repeatedly internally reflected and propagated in the transparent substrate, and a part of the display light flux is emitted out of the transparent substrate each time the internal reflection is performed. Then, as the display light beam propagates, a plurality of display light beams are emitted from the transparent substrate. Thus, the display luminous flux is emitted from almost the entire surface of the transparent substrate.
  • the display light flux is formed in a holographic manner. Therefore, high optical performance can be realized while being small and thin.
  • To form the display light flux in a holographic manner means to form (reproduce) the display light flux using a hologram.
  • the display device As the display light flux is propagated, a plurality of display light fluxes are emitted from the transparent substrate. Therefore, the observer can view the image by looking at any one display light flux or by looking at a plurality of display light fluxes. That is, it can be considered that the respective display light fluxes are combined to form one thick display light flux.
  • the off-axis display light flux that displays the end of the image is similarly considered to be a single thick display light flux by combining the respective display light fluxes. be able to.
  • a plurality of display light beams are emitted from the transparent substrate. This is equivalent to emitting one thick display light flux from the entire surface of the transparent substrate. Therefore, the entire surface of the transparent substrate is the exit pupil, and the size of the transparent substrate is the size of the exit pupil. Therefore, since the pupil is as large as a loupe which is itself a pupil, the observer can easily observe a virtual image without bringing the face close to the display device.
  • the display light flux emitted to the outside from the transparent substrate is a light flux that displays a virtual image at infinity. That is, when the observer looks at the display light flux, a virtual image is formed at infinity (far). Therefore, for each of the plurality of display luminous fluxes emitted from the transparent substrate, when the observer looks at these display luminous fluxes, virtual images are all formed at infinity. As a result, even if the observer's eyes are presbyopia which is not focused on the near point, the observer can see the in-focus display. In addition, the observer can view a virtual image formed at infinity by viewing any display light flux or viewing a plurality of display light fluxes simultaneously.
  • FIGS. 1A and 1B are diagrams for explaining the principle of image display of a display device according to the present invention.
  • the display device includes an LCOS (Liquid Crystal On Silicon: reflective liquid crystal display element) 3, a transparent substrate 4, and a diffraction grating 5.
  • the LCOS 3 is a SPM (Spacial Phase Modulator), and is a hologram display element that forms the display light beam 2 in a holographic manner.
  • the transparent substrate 4 has an interface 4 a and an interface 4 b.
  • reflection (total reflection) of the display light flux 2 occurs on the inner surface, that is, the interface 4 a and the interface 4 b. Thereby, the display light beam 2 propagates inside the transparent substrate 4.
  • the diffraction grating 5 constitutes a branch.
  • the diffraction grating 5 causes part of the light flux to be emitted out of the transparent substrate 4 each time the display light flux 2 is internally reflected.
  • the diffraction grating 5 is located between the interface 4a and the interface 4b.
  • the diffraction grating 5 may be configured of a volume hologram.
  • FIGS. 1A and 1B for convenience of explanation, the illumination light beam 1 is transmitted through the transparent substrate 4 from the interface 4a side of the transparent substrate 4 and is incident on the LCOS 3 disposed on the interface 4b side.
  • FIG. 1A shows the case where the illumination light beam 1 from the light source (not shown) is a diverging light beam
  • FIG. 1B shows the case where the illumination light beam 1 is a parallel light beam.
  • the illumination light beam 1 is incident from the interface 4a and is incident on the LCOS 3 disposed on the interface 4b side.
  • a phase hologram (hologram pattern or phase pattern) is displayed on the LCOS 3. Therefore, the illumination light beam 1 incident on the LCOS 3 is diffracted by the phase hologram (LCOS 3).
  • the display light flux 2 is generated holographically from the LCOS 3.
  • the display light beam 2 is generated as first-order diffracted light (first-order light) of the hologram displayed on the LCOS 3.
  • the zero-order diffracted light (zero-order light) specularly reflected by the LCOS 3 is emitted from the transparent substrate 4.
  • the phase hologram displayed on the LCOS 3 is a hologram that generates a parallel display light flux 2 when the illumination light flux 1 of a diverging light flux is incident.
  • the phase hologram displayed on the LCOS 3 is a hologram that produces a parallel display light flux 2 when the parallel illumination light flux 1 is incident.
  • the display light flux 2 corresponds to an on-axis display light flux (a light flux emitted from the center of the image).
  • the illumination light flux of the convergent light flux may be made incident on the LCOS 3.
  • the illumination light flux of the convergent light flux is made incident on the LCOS 3
  • an LCOS 3 generates an off-axis display light flux (a light flux emitted from other than the center of the image) in a holographic manner, but for clarity of the figure, the off-axis display light flux Illustration is omitted.
  • FIG. 2A is a diagram showing a typical optical system when observing a virtual image.
  • FIG. 2B is a view showing an optical system for forming a display light beam in a holographic manner.
  • the display light flux is a light flux (parallel light flux 10, 12 in FIG. 2A) when observing a virtual image.
  • the optical system shown in FIG. 2A includes a display element 6 such as an LCD and a lens 7.
  • a display element 6 such as an LCD
  • a lens 7 When the display element 6 is placed at the focal position (front focal position) of the lens 7, the image 8 displayed on the display element 6 is projected by the lens 7 at infinity.
  • the solid line 9 is a light flux emitted from the center (on the axis) of the display element 6, and the broken line 11 is a light flux emitted from the end (off axis) of the display element 6.
  • the light flux indicated by the solid line 9 becomes a parallel light flux 10 and exits the lens 7. Further, the light flux indicated by the broken line 11 also becomes a parallel light flux 12 and emits the lens 7.
  • the collimated light beams 10 and 12 enter the pupil 14 of the eye 13 of the observer. Thereby, the observer can view the image 15 of the image 8. Since the light beams 10 and 12 incident on the observer's pupil 14 are parallel light beams, the observer observes a virtual image at the back of the display (in FIG. 2A, to the left of the display element 6), that is, at infinity. It will be. Therefore, even if the observer's eye is a presbyopia focusing only at the near point, the observer can view the image 8 in focus.
  • FIG. 2B shows the optical system when forming the collimated light beams 10, 12 in a holographic manner.
  • This optical system is composed of a coherent light source 16 and an SPM (spatial phase modulation element) 17.
  • the coherent light source 16 for example, an LD (laser diode) can be used.
  • the SPM 17 for example, the above-mentioned LCOS can be used.
  • the SPM 17 is a hologram display element. In the present specification, the hologram display element is also referred to as SPM.
  • the hologram has a hologram pattern.
  • the hologram pattern is an interference pattern formed by two wavefronts.
  • One wavefront is the wavefront emerging from the lens 7 of FIG. 2A and the other wavefront is the wavefront emerging from the coherent light source 16 of FIG. 2B.
  • the wavefront (parallel light beams 10 and 12) emitted from the lens 7 includes information of the image of the image 8.
  • the wavefront emitted from the coherent light source 16 is a wavefront for generating interference fringes and at the same time a wavefront for generating reproduction light from the hologram.
  • the light emitted from the display element 6 is incoherent light. Therefore, even if the light emitted from the display element 6 and the wavefront emitted from the coherent light source 16 overlap, no interference occurs. That is, the hologram pattern can not be obtained. Therefore, in practice, a hologram (hologram pattern) is obtained by calculation. Then, the calculated hologram is displayed on the SPM 17 and illuminated with the coherent illumination light beam from the coherent light source 16. By doing so, holograms, ie, parallel light beams 10 and 12 are reproduced.
  • the parallel light beam 10 of the parallel light beams 10 and 12 is the display light beam 2 shown in FIGS. 1A and 1B.
  • the observer can observe the image 8 by the observer looking at the parallel luminous fluxes 10 and 12 formed in the holographic manner. That is, the parallel light beams 10 and 12 enter the pupil 14 of the eye 13 of the observer to form an image 15.
  • the lens 7 In the optical system shown in FIG. 2A, it is necessary for the lens 7 to project an off-axis image (an image displayed on the periphery of the display element 6) onto the eye 13 with high resolution. For that purpose, the lens 7 is actually composed of a plurality of lenses. In addition, the diameter of the lens 7 also needs to be increased. From such a thing, when the optical system shown to FIG. 2A is used for a display apparatus, thickness reduction and size reduction of a display apparatus become difficult.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a process for obtaining a hologram by calculation.
  • image data 18 is prepared.
  • the image data 18 is data to be input to the display element 6 in FIG. 2A.
  • the wavefront emitted from the lens 7 is obtained by Fourier transforming the image data 18 in the Fourier transform processing 20.
  • the spatial intensity distribution is also generated simultaneously with the spatial phase distribution, so that it is not possible to form a phase hologram with high diffraction efficiency. Therefore, before the Fourier transform process 20, the random phase addition process 19 is performed. If random phase information is given (superimposed) to the image data 18 in advance, the values of spatial intensity after Fourier transform can be averaged over the entire spatial frequency surface, that is, spatial intensity can be made substantially equal. As a result, the hologram can be made a phase hologram having only phase information.
  • the correction process 21 is a correction process based on the arrangement of the optical system.
  • the hologram parallel light beams 10 and 12
  • the correction processing 21 calculates a hologram based on the information of the spherical wave. Thereafter, the calculation result (hologram information) is input to the SPM driver 22. Then, a hologram is displayed on the SPM 17 (LCOS 3 in FIG. 1) by the control information from the SPM driver 22.
  • the diffraction efficiency of the SPM 17 is substantially constant, even in the case of an image of a bright scene or an image of a dark scene, the brightness is about the same. Therefore, in the case of forming the display light beam in a holographic manner, it is necessary to control the light amount to be incident on the SPM 17 according to the total light amount of the image. Therefore, by inputting the total light amount data of the image data 18 to the light source driver 23, the control of the brightness of the light source is performed.
  • the display light beam 2 emitted from the LCOS 3 is totally reflected by the interface 4 a of the transparent substrate 4 and enters the diffraction grating 5. A part of the display light beam 2 is diffracted by the diffraction grating 5. The diffraction direction is the normal direction of the interface 4a. The light beam diffracted by the diffraction grating 5 is emitted from the transparent substrate 4 to the outside to form a display light beam 2a.
  • the display light flux 2 transmitted through the diffraction grating 5 is further totally reflected by the interface 4 b of the transparent substrate 4 and transmitted through the diffraction grating 5.
  • the display light flux 2 transmitted through the diffraction grating 5 is totally reflected again at the interface 4 a and enters the diffraction grating 5.
  • a part of the display light beam 2 is diffracted by the diffraction grating 5.
  • the diffraction direction is the normal direction of the interface 4a.
  • the light beam diffracted by the diffraction grating 5 is emitted from the transparent substrate 4 to the outside to form a display light beam 2b.
  • the display light beam 2 propagates in the transparent substrate 4 to form a new display light beam 2c.
  • a large number of display light beams 2a, 2b, 2c,... Are emitted from the entire surface of the transparent substrate 4 (interface 4a) by such repetition.
  • the observer can observe a virtual image by causing at least one of the display light beams 2a, 2b, 2c,.
  • the observer can observe the moving image.
  • the observer can observe the still image.
  • the display luminous flux 2 is formed using LCOS3. Therefore, it is possible to realize a display device having high optical performance while being small and thin. Further, the luminous flux to be incident on the LCOS 3 may be only the axial luminous flux. Therefore, the light emitted from the light source can be used as it is as a light flux to be incident on the LCOS 3. In this case, since a lens for light flux conversion is not required, it is possible to make the display apparatus thinner and smaller.
  • the illumination light beam 1 incident on the LCOS 3 is a parallel light beam
  • only the parallel on-axis light beam may be made incident on the LCOS 3. Therefore, it is possible to simplify the lens for converting the convergent beam or the divergent beam into a parallel beam. Therefore, even in the case where the illumination light beam 1 incident on the LCOS 3 is a parallel light beam, it is possible to make the display device thinner and smaller. Also in the case where the convergent light beam is made incident on the LCOS 3, the thickness and size of the display device can be similarly reduced.
  • the display light flux 2 is formed holographically by the LCOS 3. Therefore, as described above, the thickness and size of the display device can be reduced.
  • the plurality of display light beams 2a, 2b, 2c,... are emitted from the transparent substrate 4.
  • the observer can observe a virtual image by making at least one display light flux enter the eye pupil.
  • the display luminous flux includes an axial luminous flux that displays the center of the image and an off-axial luminous flux that displays the end of the image, but each display luminous flux is thick and the exit pupil is the transparent substrate 4 from which the display luminous flux exits. It becomes the whole surface. Therefore, the allowable range of the alignment of the eye with respect to the display light flux (the transparent substrate 4) is wider than in the case where the diameter of the display light flux is small (thin). As a result, the observer can easily observe the virtual image.
  • LCOS is used for SPM, but a deformable mirror can also be used.
  • the deformable mirror there are a type in which each of a plurality of micro mirrors is deflected and a type in which one thin mirror is deformed.
  • the display device can be manufactured, for example, as follows. First, a recess is formed in a part of the transparent substrate 4, that is, in a part where the diffraction grating 5 is provided. Then, the diffraction grating 5 is disposed in this recess. Thereafter, the top of the diffraction grating 5 is covered with a transparent member that substantially matches the recess. Alternatively, first, a slit-like recess parallel to the interface 4 a is formed on the side surface of the transparent substrate 4. Then, the diffraction grating 5 is inserted into this recess. Thereafter, the side surface is covered with a transparent member, an adhesive or the like.
  • the specular reflected light of the zero-order light of the hologram displayed on the SPM composed of LCOS 3 surely exits the interface 4a and enters the display light flux 2 of the primary light. It is necessary not to. For this purpose, it is necessary to increase the diffraction angle of the display light flux 2.
  • the SPM has a structure in which minute pixels are arranged in one or two dimensions, and the minute pixels are used to display a hologram. Therefore, the size of two fine pixels, that is, twice the pixel pitch corresponds to the pitch d of the diffraction grating.
  • the diffraction angle ⁇ S decreases as the pitch d of the diffraction grating increases, that is, as the pixel pitch of the SPM increases.
  • the reflection angle of the 0th-order light is the same as the incident angle ⁇ I, it becomes difficult to separate the 0th-order light and the 1st-order light when the diffraction angle ⁇ S decreases.
  • FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of the display device according to the first embodiment.
  • the display device shown in FIG. 4 includes an LCOS (reflective liquid crystal display element) 30, a transparent substrate 40, a reflective prism 50, a prism array 60, and a light beam introduction optical system 70.
  • the light beam introduction optical system 70 includes a light source 71, a lens 72, a polarization beam splitter 73, and a 1 ⁇ 4 wavelength plate 74.
  • the light source 71 uses, for example, a semiconductor laser, and emits the illumination light flux 1 in a direction parallel to the transparent substrate 40.
  • the illumination light beam 1 emitted from the light source 71 passes through the lens 72 and is incident on the polarization beam splitter 73, for example, as S-polarization.
  • the illumination light beam 1 incident on the polarization beam splitter 73 is reflected by the polarizing film 73 a of the polarization beam splitter 73 and emitted from the polarization beam splitter 73.
  • the illumination light beam 1 emitted from the polarization beam splitter 73 is converted into circularly polarized light by transmitting through the 1 ⁇ 4 wavelength plate 74 and is irradiated to the LCOS 30.
  • the LCOS 30 constitutes an SPM (Spatial Phase Modulator) as in the LCOS 3 described above, and is a hologram display element that forms a display light beam in a holographic manner.
  • the LCOS 30 is disposed such that its normal is substantially parallel to the central ray of the illumination light beam 1 emitted from the light beam introduction optical system 70. Thereby, the LCOS 30 is illuminated by the illumination light beam 1 from a substantially vertical direction.
  • Diffracted light reflected by the LCOS 30 by irradiation of the illumination light beam 1 is converted again into linearly polarized light by the 1 ⁇ 4 wavelength plate 74 and enters the polarization beam splitter 73 as P-polarized light.
  • Diffracted light incident on the polarization beam splitter 73 is transmitted through the polarizing film 73 a of the polarization beam splitter 73 and emitted from the polarization beam splitter 73.
  • the diffracted light emitted from the polarization beam splitter 73 is incident on the transparent substrate 40.
  • the LCOS 30 displays phase information corresponding to the Fourier transform of the image information. Therefore, the LCOS 30 corresponds to the pupil position of a normal imaging optical system, and the angle of view of the image is the angle of the light flux.
  • the first-order diffracted light (first-order light) of the LCOS 30 is emitted as a display light flux from the pupil position, including the angle information.
  • FIG. 4 shows a typical parallel display light flux 2.
  • the transparent substrate 40 has parallel interfaces 40a and 40b.
  • a semipermeable membrane 40c is formed between the interface 40a and the interface 40b.
  • Such a transparent substrate 40 prepares, for example, two transparent parallel flat plates, forms a semipermeable membrane 40c on one surface of one transparent parallel flat plate, and the other transparent on the semipermeable membrane 40c. Parallel flat plates can be joined.
  • the polarization beam splitter 73 is disposed such that the exit surface 73 b of the diffracted light faces or is bonded to the interface 40 b at one end of the transparent substrate 40.
  • the reflecting prism 50 is formed integrally with a substrate facing the polarization beam splitter 73 to form a junction or interface 40 a at the interface 40 a.
  • the prism array 60 is integrally formed with the substrate forming the bonding or interface 40 b at the interface 40 b.
  • Diffracted light that has entered the transparent substrate 40 from the polarization beam splitter 73 passes through the transparent substrate 40 and enters the reflection prism 50.
  • the reflecting prism 50 is configured to reflect first-order light of the incident diffracted light so as to be incident on the transparent substrate 40, and other diffracted light including zero-order light to be transmitted or to be reflected in another direction. It is bonded to the substrate 40.
  • the primary light reflected by the reflection prism 50 is incident on the transparent substrate 40 as the display light flux 2.
  • the display light beam 2 incident on the transparent substrate 40 is propagated toward the other end of the transparent substrate 40 while being repeatedly reflected between the interface 40 a and the semipermeable film 40 c. That is, the display light beam 2 is amplitude-divided into reflected light and transmitted light in the semipermeable film 40c, and totally reflected in the interface 40a.
  • the display light beam 2 transmitted through the semipermeable film 40 c is incident on the prism array 60.
  • the prism array 60 constitutes a branching portion, reflects the incident display light beam 2 in the direction of the interface 40a so as to be emitted from the interface 40a, transmits the semipermeable film 40c, and displays the display light beam 2a from the interface 40a. Eject as 2b, 2c.
  • an off-axis display light flux (a light flux emitted from other than the center of the image) is also generated holographically from the LCOS 30, the illustration of the off-axis display light flux is omitted for the sake of clarity. Further, the display light flux 2 shows only the central ray of the axial light flux. These are the same in the other embodiments described later.
  • the illumination light beam 1 emitted from the light source 71 in the direction substantially parallel to the transparent substrate 40 in the light beam introduction optical system 70 is substantially perpendicular to the LCOS 30 using the polarization beam splitter 73. It is incident from the direction. Then, the diffracted light from the LCOS 30 is transmitted through the polarization beam splitter 73 and the transparent substrate 40 to be incident on the reflection prism 50, and the display light flux 2 of the primary light is reflected by the reflection prism 50 to be incident on the transparent substrate 40. I am doing it. Therefore, even if the diffraction angle of the first-order light of the LCOS 30 is small, the reflection prism 50 can reliably separate the first-order light from the zero-order light and the diffracted lights of other orders.
  • the optical path of the diffracted light between the LCOS 30 and the transparent substrate 40 is powerless, that is, the lens power in the optical path of the diffracted light is zero.
  • the polarization separation of the illumination light beam 1 and the diffracted light of the LCOS 30 is performed using the polarization beam splitter 73 and the 1 ⁇ 4 wavelength plate 74, the utilization efficiency of light can also be improved.
  • the direction of the polarization beam splitter 73 may be rotated with respect to the paper surface so that the lens 72 is at the back of the paper surface, and the light source 71 may be disposed at the back of the paper surface.
  • FIG. 6 is a view showing a schematic configuration of a display device according to the second embodiment.
  • the display device shown in FIG. 6 is the display device shown in FIG. 4 in which the display light beam 2 of the primary light of the diffracted light from the LCOS 30 emitted from the polarization beam splitter 73 is one end face 40d of the transparent substrate 40. To the interface 40a under the condition of total reflection.
  • the end surface 40d is formed to be inclined with respect to the interfaces 40a and 40b, and the emission surface 73b of the polarization beam splitter 73 is opposed or joined to the inclined end surface 40d. Then, diffracted light from the LCOS 30 emitted from the emission surface 73b of the polarization beam splitter 73 enters from the inclined end face 40d of the transparent substrate 40, and the display light flux 2 of primary light is totally reflected at the interface 40a. .
  • the display light flux 2 totally reflected at the interface 40a propagates inside the transparent substrate 40 as in the first embodiment, and is emitted from the interface 40a as the display light flux 2a, 2b, 2c. .
  • the same referential mark is attached to the member which produces the function similar to FIG. 4, and description is abbreviate
  • the same effects as in the first embodiment can be obtained. Further, in the present embodiment, since the reflecting prism 50 of FIG. 4 is not necessary, the number of parts can be reduced, and the cost can be reduced. Further, since the polarization beam splitter 73 is cut so as to be flush with the interface 40 a of the transparent substrate 40, it is possible to further reduce the thickness.
  • the illumination light beam 1 from the light source 71 is inclined relative to the transparent substrate 40 as the emission surface 73 b of the polarization beam splitter 73 is inclined relative to the interface 40 a of the transparent substrate 40. It is incident on the polarization beam splitter 73. However, the illumination light beam 1 is emitted from the light source 71 in a direction parallel to the transparent substrate 40, and the illumination light beam 1 is made incident on the polarization beam splitter 73 using a reflecting member etc. It can also be done.
  • FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of a display device according to the third embodiment.
  • the display shown in FIG. 7 is the display shown in FIG. 4 in which a concave lens 76 having a negative lens power is disposed in the optical path of diffracted light between the polarization beam splitter 73 and the transparent substrate 40. is there. That is, the lens power in the optical path of the display light flux between the spatial light modulation element and the transparent substrate is negative.
  • the other configuration is the same as that shown in FIG. 4 and, therefore, the members giving the same functions as those in FIG.
  • the concave lens 76 on the side of the exit surface 73 b of the polarization beam splitter 73 from which the diffracted light of the LCOS 30 is emitted, it is possible to enlarge the angle of view of the image displayed by the display light beam.
  • the pixel pitch d of the LCOS 30 is 11 ⁇ m, and the wavelength ⁇ of the illumination light beam 1 is 0.55 ⁇ m.
  • the lens 72 is formed of a convex lens having a focal length of 3f. Then, the illumination light flux 1 from the light source 71 is incident on the lens 72 as a parallel light flux, and the illumination light flux 1 of convergent light is incident on the LCOS 30.
  • the pupil position (virtual image of LCOS 30) can be brought close to the entrance pupil of the transparent substrate 40.
  • the direction of the polarization beam splitter 73 may be rotated with respect to the paper surface so that the lens 72 is at the back of the paper surface, and the light source 71 may be disposed at the back of the paper surface.
  • FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of a main part of a display device according to a fourth embodiment.
  • the light source 71 constituting the light beam introduction optical system 70 is disposed at an angle to the optical axis of the lens 72, and the illumination light flux from the light source 71 is arranged. 1 is made to be incident on the LCOS 30 with its central ray inclined relative to the normal of the LCOS 30.
  • the other configuration is the same as that shown in FIG.
  • zero-order light is removed by the reflecting prism 50 (see FIG. 4), for example, in the direction in which the angle of view is small.
  • image information (angle of view) is included in primary light of one side of zero-order light.
  • the reflection angle of zero-order light in the LCOS 30 is larger in the direction in which the angle of view is smaller than the half angle of view in that direction.
  • the left and right sides of the zero-order light have a wide angle of view due to the first-order light ( ⁇ first-order diffracted light), and the zeroth-order light in the direction orthogonal to the angle of view. It is possible to form a display area DS having a narrow angle of view by one-order primary light (for example, + 1st order diffracted light) which is cut to the last. Therefore, it is possible to easily cope with the display of high definition (HD) with an aspect ratio of 16: 9, for example.
  • HD high definition
  • FIG. 11 is a diagram showing a schematic configuration of a display device according to the fifth embodiment.
  • the display device according to the present embodiment includes a first transparent substrate 41 and a second transparent substrate 42.
  • the first transparent substrate 41 is located at the end of the second transparent substrate 42 and is fixed to the second transparent substrate 42 at this position.
  • the first transparent substrate 41 is configured in the same manner as the transparent substrate 40 described in the first embodiment, and diffracted light is incident from the light beam introduction optical system 70 (not shown).
  • the first transparent substrate 41 includes a reflecting prism 50 for separating zero-order light and primary light (display light flux) from the incident diffracted light, and the transmitted display light flux as the first transparent substrate 41.
  • a prism array 60 (not shown) for emitting light from the light source.
  • the second transparent substrate 42 has parallel interfaces 42a and 42b, as shown in FIG. A semipermeable membrane 42c is formed between the interface 42a and the interface 42b.
  • Such a second transparent substrate 42 prepares, for example, two transparent parallel flat plates, forms a semipermeable membrane 42c on one surface of one transparent parallel flat plate, and forms the semipermeable membrane 42c on the semipermeable membrane 42c.
  • the other transparent parallel flat plate can be joined.
  • the first transparent substrate 41 is fixed to the second transparent substrate 42 on the side of the interface 42 a of the end.
  • the second transparent substrate 42 has a prism array 80 in a region facing the first transparent substrate 41 on the interface 42 b side, and has a prism array 61 in the region of the other interface 42 b.
  • the prism array 61 is integrally formed with the substrate forming the bonding or the interface 42 b at the interface 42 b as in the case of the prism array 60 on the first transparent substrate 41 side.
  • the first transparent substrate 41 has a rectangular outer shape and is disposed with the long side direction as the Y-axis direction. Then, in the same manner as described in FIG. 4, the first transparent substrate 41 transmits the display light beam 2 along the long side direction from the first transparent substrate 41 to the display light beams 2a, 2b, 2c. And so on in the vertical direction (Z-axis direction) to be incident on the second transparent substrate 42.
  • the thickness of the first transparent substrate 41 is, for example, 2 to 4 mm.
  • the second transparent substrate 42 is in the form of a substantially rectangular plate as shown in FIG.
  • the length of the second transparent substrate 42 in the Y-axis direction (short side) is the same as the length of the long side of the first transparent substrate 41 excluding the reflecting prism 50.
  • the length in the X-axis direction (long side) is longer than the length of the short side of the first transparent substrate 41.
  • the outer shape of the second transparent substrate 42 is not limited to a rectangle.
  • the second transparent substrate 42 propagates the incident display light beams 2a, 2b, 2c,... Along the X-axis direction.
  • the thickness of the second transparent substrate 42 is, for example, 2 to 4 mm.
  • the display light beams 2a, 2b, 2c,... Incident on the second transparent substrate 42 are deflected by the prism array 80.
  • the deflected display light beams 2a, 2b, 2c,... Repeatedly reflect between the interface 42a of the second transparent substrate 42 and the semipermeable film 42c, and the second transparent substrate 42 in the X-axis direction Propagated to That is, the display light beams 2a, 2b, 2c,... Are amplitude-divided into reflected light and transmitted light in the semi-permeable film 42c, and totally reflected in the interface 42a.
  • the display light flux transmitted through the semipermeable film 42 c is incident on the prism array 61.
  • the prism array 61 constitutes a second branch portion, reflects the incident display light flux in the Z-axis direction so as to be emitted from the interface 42a, and transmits the semipermeable film 42c, and the display light flux 2d from the interface 42a. , 2e, 2f...
  • the display light beam 2a repeats total reflection inside the second transparent substrate 42 and propagates inside the second transparent substrate 42 in the X-axis direction. Then, while propagating, the display luminous fluxes 2d, 2e, 2f,... Are sequentially emitted from the second transparent substrate 42 in the Z-axis direction.
  • the display light fluxes 2b and 2c that is, as shown in FIG. 11, the display light flux 2 spreads in the Y-axis direction of the display while propagating in the first transparent substrate 41, and is displayed while propagating in the second transparent substrate 42. It spreads in the X-axis direction of the device. As a result, the display light flux 2 is emitted from the entire surface of the display device (interface 42a).
  • FIG. 13 is a diagram showing an optical distance of each luminous flux emitted from the display device.
  • the display light beam 2 is emitted from the surface (interface 42a) of the second transparent substrate 42 of the display device.
  • the display luminous flux 2 is composed of display luminous fluxes 2d, 2e, 2f,.
  • FIG. 13 shows that the display light flux is emitted from three positions 30a, 30b, and 30c.
  • Each of the three display luminous fluxes is composed of a display luminous flux 2, a display luminous flux 2Uo which is the outermost off-axis, and a display luminous flux 2Lo which is the outermost off-axis.
  • the display light flux 2 corresponds to the light flux emitted from the on-axis (the center of the image).
  • the most off-axis display light flux 2Uo corresponds to the light flux emitted from the most off-axis (one end of the image).
  • the most off-axis display light flux 2Lo corresponds to the light flux emitted from the most off-axis (the other end of the image).
  • Positions 30a, 30b, and 30c are optical positions of the LCOS 30 (see FIG. 4) when viewed from the observer side. This optical position is the distance from the surface (interface 42 a) of the second transparent substrate 42 to the LCOS 30.
  • the position 30 a is an optical position of the LCOS 30 when the display light beam 2 is totally reflected and emitted only once in the second transparent substrate 42.
  • the position 30 b is an optical position of the LCOS 30 when the display light beam 2 is totally reflected twice and emitted in the second transparent substrate 42.
  • the position 30 c is an optical position of the LCOS 30 when the display light beam 2 is totally reflected three times in the second transparent substrate 42 and is emitted.
  • the difference ⁇ in optical distance between the two optical positions is a distance propagated by one total reflection occurring in the second transparent substrate 42. More specifically, it is the distance when the display light beam 2 reciprocates from the semipermeable film 42c to the interface 42a.
  • the number of optical positions of the LCOS 30 is actually the same as the number of light beams which propagate in a two-dimensional manner by repeating total reflection.
  • the display light flux 2 from the LCOS 30 at a plurality of different optical positions is usually incident on the pupil 14 of the observer.
  • the display light beam 2, the off-axis display light beam 2Lo, and the off-axis display light beam 2Uo are formed holographically by the coherent light. Therefore, the display light flux 2, the off-axis display light flux 2Lo, and the off-axis display light flux 2Uo also become coherent light.
  • the display light flux (2, 2 Lo, 2 Uo) from the position 30 b mainly enters the pupil 14. The display light flux from the position 30a and the position 30c also enters.
  • the display light flux from the position 30a, the display light flux from the position 30b, and the display light flux from the position 30c are each coherent light. Therefore, for example, when the display light flux from the position 30b and the display light flux from the position 30a enter the pupil 14 of the observer, the two light fluxes interfere with each other, and the virtual image to be observed becomes an unintended image (virtual image). It is assumed that The unintended image is, for example, an image with degraded image quality.
  • the coherence length of the illumination light beam 1 emitted from the light source 71 that is, the coherence length of the display light beam 2 shorter than the optical distance difference ⁇ . That is, the coherence length of the display light beam 2 is preferably shorter than the distance propagated by one total reflection occurring at the second transparent substrate 42. In this way, it is possible to prevent the formation of an unintended image even if a plurality of display light beams having different optical distances enter the eye of the observer.
  • the plurality of display light fluxes 2d, 2e, 2f,... are emitted from the second transparent substrate 42 as the display light flux is propagated. Therefore, the observer can view the image by looking at any one display light flux or by looking at a plurality of display light fluxes. That is, it can be considered that the respective display light fluxes are combined to form one thick display light flux.
  • the off-axis display light flux that displays the end of the image is similarly considered to be a single thick display light flux by combining the respective display light fluxes. be able to.
  • a plurality of display light beams are emitted from the surface of the display device, which means that one thick display light beam is emitted from the entire surface of the display device. It is equivalent. Therefore, the entire surface of the surface of the display device is the exit pupil, and the size of the surface of the display device is the size of the exit pupil. Therefore, since the pupil is as large as a loupe which is itself a pupil, the observer can easily observe a virtual image without bringing the face close to the display device.
  • the display light fluxes 2d, 2e, 2f... (Display light flux 2) emitted from the second transparent substrate 42 to the outside are light fluxes for displaying a virtual image at infinity. That is, when the observer looks at the display light flux, a virtual image is formed at infinity (far). Therefore, also for each of the plurality of display light fluxes emitted from the second transparent substrate 42, when the observer looks at these display light fluxes, virtual images are all formed at infinity. As a result, even if the observer's eyes are presbyopia which is not focused on the near point, the observer can see the in-focus display.
  • the observer can view a virtual image formed at infinity by viewing any display light flux or viewing a plurality of display light fluxes simultaneously.
  • a two-dimensionally spread display can be configured by using two transparent substrates.
  • the SPM is used to generate the display luminous flux in a holographic manner.
  • the display light flux can be generated holographically without using SPM.
  • a hologram pattern may be recorded on a film, and this film may be placed at the position of SPM. It may not be a film, as long as it has a characteristic that the hologram pattern can be recorded only once.
  • the transparent substrate 40 described in the first to third embodiments and the first transparent substrate 41 and the second transparent substrate 42 described in the fifth embodiment are shown in FIGS. 1A and 1B.
  • a diffraction grating formed of a volume hologram may be used.
  • the light beam introduction optical system 70 may be configured by using, for example, a half prism in place of the polarization beam splitter 73 with the 1 ⁇ 4 wavelength plate 74 omitted.
  • the display device according to the present invention is useful in that it has high optical performance while being small and thin.

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Abstract

　表示光束2を形成する空間位相変調素子30と、表示光束2が繰り返し内面反射して伝播する透明な基板40と、表示光束2が内面反射を行う毎に、表示光束2の一部を透明な基板40外へ射出させる分岐部40cと、照明光束1を空間位相変調素子30に導き、空間位相変調素子30で形成される表示光束2を透明な基板40に導くビームスプリッタ73を有する光束導入光学系70と、を備え、空間位相変調素子30は、照明光束1の回折により表示光束2をホログラフィックに形成する。

Description

表示装置 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１４年２月２６日に日本国に特許出願された特願２０１４－３５７０３の優先権を主張するものであり、この先の出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。
　本発明は、表示装置に関するものである。
　近年、表示画面の虚像を観察者の前方に形成するための画像表示装置が提案されている。この画像表示装置では、表示光束を透明な基板内で繰り返し内面反射させて、表示光束を基板内で伝播させている。そして、表示光束が内面反射を行う毎に、その表示光束の一部を基板外に射出させることにより、基板のほぼ全面から表示光束を射出させている（特許文献１）。
　より具体的には、この画像表示装置では、液晶表示素子の表示画面から表示光束が射出する。表示画面から射出した表示光束は対物レンズで平行光束に変換されて、透明な基板に入射する。そして、表示光束は透明な基板内で内面反射を繰り返しながら、透明な基板内を伝播する。このとき、内面反射毎に、表示光束の一部が基板から外に射出して、透明な基板の複数の位置から表示光束が射出するため、透明な基板全面から表示光束が射出する。その結果、透明な基板から射出する表示光束全体の径は、透明な基板に入射したときの光束の径よりも大きくなる。
　観察者が表示画面の虚像を観察するためには、透明な基板から射出する表示光束を眼に入射させなくてはならない。上記の画像表示装置では、透明な基板から射出する表示光束の径が大きい（太い）。そのため、表示光束（透明な基板）に対する眼の位置合わせの許容範囲は、表示光束の径が小さい（細い）場合と比べると広くなる。その結果、観察者は、容易に虚像を観察することができる。
　また、透明な基板から射出する表示光束は平行光束である。そのため、観察者は透明な基板の奥に虚像を観察することができる。また、表示光束が太いので、観察者は表示装置に眼を近づける必要が無い。なお、透明な基板の奥とは、透明な基板を挟んで観察者の位置と反対側の位置のことである。
特許第４６０５１５２号公報
　特許文献１の画像表示装置では、表示画面（液晶表示素子）から射出した表示光束を、対物レンズで平行光束に変換している。ここで、表示光束には、軸上光束に加えて軸外光束が含まれているので、軸外光束も収差の少ない平行光束に変換しなければならない。そのため、対物レンズには複数枚のレンズが必要となる。その結果、特許文献１の画像表示装置では、平行光束を得るまでの構成（液晶表示素子と対物レンズ）が大型化してしまう。
　本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、小型・薄型でありながら、高い光学性能を有する表示装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成する本発明に係る表示装置は、
　表示光束を形成する空間位相変調素子と、
　前記表示光束が繰り返し内面反射して伝播する透明な基板と、
　前記表示光束が前記内面反射を行う毎に、前記表示光束の一部を前記透明な基板外へ射出させる分岐部と、
　照明光束を前記空間位相変調素子に導き、前記空間位相変調素子で形成される前記表示光束を前記透明な基板に導くビームスプリッタを有する光束導入光学系と、を備え、
　前記空間位相変調素子は、前記照明光束の回折により前記表示光束をホログラフィックに形成する、ことを特徴とするものである。
　前記光束導入光学系は、前記空間位相変調素子と前記透明な基板との間の前記表示光束の光路中におけるレンズパワーが零とするとよい。
　前記光束導入光学系は、前記空間位相変調素子と前記透明な基板との間の前記表示光束の光路中に、負のレンズパワーを有する光学素子をさらに備えてもよい。
　前記光束導入光学系は、前記空間位相変調素子と前記透明な基板との間の前記表示光束の光路中におけるレンズパワーが負であってもよい。
　前記ビームスプリッタは偏光ビームスプリッタからなり、
　前記光束導入光学系は、前記偏光ビームスプリッタと前記空間位相変調素子との間に１／４波長板をさらに備えてもよい。
　前記光束導入光学系は、前記照明光束の中心光線を前記空間位相変調素子の法線に対して傾斜させて、前記照明光束を前記空間位相変調素子に入射させてもよい。
　前記空間位相変調素子での前記照明光束の０次光の反射角は、前記表示光束による一つの表示画角の半分よりも大きいとよい。
　前記空間位相変調素子での前記照明光束の０次光を画角の狭い方向で除去するとよい。
　前記表示光束のコヒーレンス長は、一度の前記内面反射で前記表示光束が伝播する距離より短いとよい。
　前記透明な基板外に射出される前記表示光束は、無限遠に虚像を表示するものであるとよい。
　前記空間位相変調素子による０次光は前記透明な基板を透過し、１次光は前記透明な基板の内部で全反射する条件で、前記透明な基板に入射するとよい。
　前記分岐部は回折格子とするとよい。
　前記回折格子はボリュームホログラムからなるとよい。
　前記分岐部はプリズムアレイとしてもよい。
　前記透明な基板から射出される前記表示光束を入射して、該表示光束を繰り返し内面反射して伝播する第２の透明な基板と、
　該第２の透明な基板内で前記表示光束が前記内面反射を行う毎に、前記表示光束の一部を当該第２の透明な基板外へ射出させる第２の分岐部と、をさらに備えるとよい。
　本発明によれば、小型・薄型でありながら、高い光学性能を有する表示装置を提供することができる。
表示装置の基本構造と発散する照明光束を透明な基板に入射させた場合の表示光束の伝搬の様子を示す図である。 表示装置の基本構造と平行な照明光束を透明な基板に入射させた場合の表示光束の伝搬の様子を示す図である。 虚像を観察するときの通常の光学系を示す図である。 表示光束をホログラフィックに形成する方法及び装置を示す図である。 計算によってホログラムを求めるときの処理を示すブロック図である。 第１実施の形態に係る表示装置の概略構成を示す図である。 図４の光束導入光学系の部分詳細図である。 第２実施の形態に係る表示装置の概略構成を示す図である。 第３実施の形態に係る表示装置の概略構成を示す図である。 図７の光束導入光学系の部分詳細図である。 第４実施の形態に係る表示装置の概略構成を示す図である。 第４実施の形態の表示領域を説明するための図である。 第５実施の形態に係る表示装置の概略構成を示す図である。 図１１の第２の透明な基板の構成及び表示光束の伝搬の様子を示す図である。 図１１の表示装置から射出される光束の光学的距離を説明するための図である。
　先ず、本発明の実施の形態の説明に先立って、本発明に係る表示装置による画像表示の原理について説明する。
　本発明に係る表示装置は、表示光束をホログラフィックに形成する。この表示光束は、回折によって生成され、透明な基板内を繰り返し内面反射して伝播され、内面反射する毎に表示光束の一部が透明な基板の外に射出される。そして、表示光束が伝播するに従って、複数の表示光束が透明な基板から射出される。これにより、透明な基板のほぼ全面から表示光束が射出される。
　このように、本発明に係る表示装置では、表示光束をホログラフィックに形成している。そのため、小型・薄型でありながら、高い光学性能を実現できる。なお、表示光束をホログラフィックに形成するとは、ホログラムを使って表示光束を形成（再生）することを意味している。
　また、本発明に係る表示装置では、表示光束を伝播させるに従って、複数の表示光束を透明な基板から射出させる。したがって、観察者は、いずれか１つの表示光束を見ても、あるいは複数の表示光束を見ても像を見ることができる。すなわち、それぞれの表示光束が合わさって一つの太い表示光束となっているとみなすことができる。また、画像の中心を表示する軸上の表示光束だけでなく、画像の端を表示する軸外の表示光束も同様に、それぞれの表示光束が合わさって一つの太い表示光束となっているとみなすことができる。
　このように、本発明に係る表示装置では、透明な基板から複数の表示光束を射出させる。これは、透明な基板の全面から一つの太い表示光束を射出するのと等価である。そのため、透明な基板の全面が射出瞳であり、また、透明な基板の大きさが射出瞳の大きさである。したがって、それ自体が瞳であるルーペと同様に瞳が大きいので、観察者は表示装置に顔を近づけなくても容易に虚像を観察することができる。
　また、本発明に係る表示装置において、透明な基板から外に射出される表示光束は、無限遠に虚像を表示する光束である。すなわち、観察者が表示光束を見た時、無限遠（遠方）に虚像が形成される。よって、透明な基板から射出された複数の表示光束の各々についても、観察者がこれらの表示光束を見た時、全て無限遠に虚像が形成される。その結果、観察者の目が近点に焦点の合わない老眼であっても、観察者は焦点の合った表示を見ることができる。また、観察者はどの表示光束を見ても、あるいは複数の表示光束を同時に見ても、無限遠に形成された虚像を見ることができる。
　次に、図を参照して、本発明に係る表示装置の画像表示の原理について、さらに詳細に説明する。
　図１Ａ、図１Ｂは、本発明に係る表示装置の画像表示の原理を説明するための図である。表示装置は、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ：反射型液晶表示素子）３と、透明な基板４と、回折格子５とを有する。ＬＣＯＳ３はＳＰＭ（Ｓｐａｃｉａｌ Ｐｈａｓｅ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：空間位相変調素子）であって、表示光束２をホログラフィックに形成するホログラム表示素子である。
　透明な基板４は、界面４ａと界面４ｂとを有する。透明な基板４では、その内面、すなわち、界面４ａや界面４ｂで表示光束２の反射（全反射）が生じる。これにより、表示光束２は透明な基板４の内部を伝搬する。
　回折格子５は分岐部を構成する。回折格子５は、表示光束２が内面反射を行う毎に、その光束の一部を透明な基板４の外へ射出させる。回折格子５は、界面４ａから界面４ｂまでの間に位置している。回折格子５は、ボリュームホログラムで構成されていても良い。
　表示光束２を形成するためには、ＬＣＯＳ３に照明光束１を入射させる必要がある。図１Ａ、図１Ｂでは、説明の便宜上、照明光束１を透明な基板４の界面４ａ側から透明な基板４を透過させて界面４ｂ側に配置されたＬＣＯＳ３に入射させている。図１Ａは、光源（不図示）からの照明光束１が発散光束の場合を示しており、図１Ｂは照明光束１が平行光束の場合を示している。
　図１Ａ、図１Ｂにおいて、照明光束１は、界面４ａから入射し、界面４ｂ側に配置されたＬＣＯＳ３に入射する。ここで、ＬＣＯＳ３には位相ホログラム（ホログラムパターン、あるいは位相パターン）が表示されている。そのため、ＬＣＯＳ３に入射された照明光束１は位相ホログラム（ＬＣＯＳ３）で回折される。その結果、ＬＣＯＳ３から、表示光束２がホログラフィックに生成される。なお、表示光束２は、ＬＣＯＳ３に表示されたホログラムの１次回折光（１次光）として生成される。ＬＣＯＳ３で正反射された０次回折光（０次光）は、透明な基板４から射出される。
　図１Ａの表示装置では、ＬＣＯＳ３に表示させている位相ホログラムが、発散光束の照明光束１を入射させたときに平行な表示光束２を生じるホログラムとなっている。一方、図１Ｂの表示装置では、ＬＣＯＳ３に表示させている位相ホログラムが、平行な照明光束１を入射させたときに平行な表示光束２を生じるホログラムとなっている。また、図１Ａ、図１Ｂにおいて、表示光束２は軸上の表示光束（画像の中心から出た光束）に相当する。
　なお、ＬＣＯＳ３には、発散光束や平行光束の照明光束１のほかに、収束光束の照明光束を入射させても良い。ＬＣＯＳ３に収束光束の照明光束を入射させる場合は、収束光束を入射させたときに平行な表示光束が生じるホログラムを、ＬＣＯＳ３に表示させれば良い。なお、図１Ａ、図１Ｂにおいて、ＬＣＯＳ３からは軸外の表示光束（画像の中心以外から出た光束）もホログラフィックに生成されるが、図を明瞭とするため、軸外の表示光束については図示を省略している。
　ここで、表示光束２をホログラフィックに形成する方法及び装置について、図２Ａ、図２Ｂを用いて説明する。図２Ａは、虚像を観察するときの通常の光学系を示す図である。図２Ｂは、表示光束をホログラフィックに形成する光学系を示す図である。この表示光束は、虚像を観察するときの光束（図２Ａにおける平行光束１０、１２）である。
　図２Ａに示す光学系は、ＬＣＤなどの表示素子６と、レンズ７とで構成されている。表示素子６をレンズ７の焦点位置（前側焦点位置）に置くと、表示素子６に表示された画像８はレンズ７によって無限遠に投影される。ここで、実線９は表示素子６の中心（軸上）から射出する光束、破線１１は表示素子６の端（軸外）から射出する光束である。実線９で示す光束は、平行光束１０となってレンズ７を射出する。また、破線１１で示す光束も、平行光束１２となってレンズ７を射出する。
　平行光束１０及び１２は、観察者の眼１３の瞳１４に入射する。これにより、観察者は画像８の像１５を見ることができる。観察者の瞳１４に入射する光束１０及び１２は平行光束であるので、観察者は表示装置の奥（図２Ａにおいて、表示素子６よりも左側）、すなわち、無限遠にある虚像を観察していることになる。したがって、観察者の目が近点にしか焦点の合わない老眼であっても、観察者は焦点の合った画像８を見ることができる。
　図２Ｂは、平行光束１０、１２をホログラフィックに形成するときの光学系を示している。この光学系は、コヒーレント光源１６と、ＳＰＭ（空間位相変調素子）１７とで構成されている。コヒーレント光源１６としては、例えばＬＤ（レーザーダイオード）が使用可能である。また、ＳＰＭ１７としては、例えば前述のＬＣＯＳが使用可能である。なお、ＳＰＭ１７は、ホログラム表示素子のことである。本明細書では、ホログラム表示素子をＳＰＭとも称する。
　ホログラムはホログラムパターンを有する。ホログラムパターンは、２つの波面によって形成された干渉パターンである。１つの波面は、図２Ａのレンズ７から射出する波面で、もう１つの波面は、図２Ｂのコヒーレント光源１６から射出する波面である。ここで、レンズ７から射出する波面（平行光束１０、１２）は、画像８の像の情報を含んでいる。一方、コヒーレント光源１６から射出する波面は干渉縞を生成する波面であると同時に、ホログラムから再生光を生成するための波面である。
　表示素子６から射出される光はインコヒーレントな光である。そのため、表示素子６から射出される光と、コヒーレント光源１６から射出される波面とを重ね合わせても干渉しない。すなわち、ホログラムパターンを得ることができない。そこで、実際には、計算でホログラム（ホログラムパターン）を求める。そして、計算したホログラムをＳＰＭ１７に表示し、コヒーレント光源１６からのコヒーレントな照明光束で照明する。このようにすることで、ホログラム、すなわち、平行光束１０、１２が再生される。平行光束１０、１２のうちの平行光束１０が、図１Ａ、図１Ｂに示す表示光束２である。
　そして、このホログラフィックに形成された平行光束１０、１２を観察者が見ることによって、観察者は画像８を観察することができる。すなわち、平行光束１０、１２は観察者の眼１３の瞳１４に入射し、像１５を形成する。
　なお、図２Ａに示す光学系では、レンズ７は、軸外の画像（表示素子６の周辺部に表示された画像）も解像力良く眼１３に投影する必要がある。そのために、実際には、レンズ７は複数枚のレンズで構成される。また、レンズ７は、その径も大きくする必要がある。このようなことから、表示装置に図２Ａに示す光学系を用いた場合、表示装置の薄型化・小型化は困難となる。
　次に、計算によるホログラムの求め方について説明する。図３は、計算によってホログラムを求めるときの処理を示すブロック図である。図３に示すように、まず、画像データ１８を用意する。この画像データ１８は、図２Ａにおいて、表示素子６に入力されるデータである。レンズ７から射出する波面は、フーリエ変換処理２０で、画像データ１８をフーリエ変換することによって求められる。
　ただし、フーリエ変換によって求められる空間周波数分布には、空間位相分布と同時に空間強度分布も生じるので、回折効率の良い位相ホログラムを形成できない。そこで、フーリエ変換処理２０の前に、ランダム位相付与処理１９が行われる。予め画像データ１８にランダムな位相情報を付与（重畳）しておくと、フーリエ変換後の空間強度の値を空間周波数面全面に渡って平均化、すなわち、空間強度をほぼ等しくするができる。その結果、ホログラムを位相情報のみを持つ位相ホログラムとすることができる。
　次に補正処理２１を行う。この補正処理２１は、光学系の配置に基づく補正処理である。例えば、図２Ｂに示す光学系では、コヒーレント光源１６からの波面でホログラム（平行光束１０、１２）を再生する。この再生を行なったときに、正確な表示光束２（平行光束１０、１２）が形成されるようにする必要がある。コヒーレント光源１６からの波面は球面波であるので、補正処理２１では、この球面波の情報でホログラムを計算する。その後、計算結果（ホログラム情報）はＳＰＭドライバ２２に入力される。そして、ＳＰＭドライバ２２からの制御情報により、ＳＰＭ１７（図１ではＬＣＯＳ３）にホログラムが表示される。
　なお、ＳＰＭ１７の回折効率はほぼ一定であるので、明るいシーンの画像でも、暗いシーンの画像でも、同程度の明るさになってしまう。したがって、表示光束をホログラフィックに形成する場合は、画像の総光量に従ってＳＰＭ１７に入射させる光量を制御する必要がある。そこで、画像データ１８の総光量データを光源ドライバ２３に入力することで、光源の明るさの制御が行われる。
　図１Ａに戻って説明を続ける。ＬＣＯＳ３から射出した表示光束２は、透明な基板４の界面４ａで全反射されて回折格子５に入射する。回折格子５では、表示光束２の一部が回折される。回折方向は、界面４ａの法線方向である。回折格子５で回折された光束は透明な基板４から外に射出し、表示光束２ａとなる。
　回折格子５を透過した表示光束２は、更に透明な基板４の界面４ｂで全反射されて回折格子５を透過する。回折格子５を透過した表示光束２は、再び界面４ａで全反射されて回折格子５に入射する。回折格子５では、表示光束２の一部が回折される。回折方向は、界面４ａの法線方向である。回折格子５で回折された光束は透明な基板４から外に射出し、表示光束２ｂとなる。同様に、表示光束２は透明な基板４内を伝播し、新たな表示光束２ｃを形成する。このような繰り返しにより、透明な基板４（界面４ａ）の全面から多数の表示光束２ａ、２ｂ、２ｃ・・・が射出される。
　観察者は、表示光束２ａ、２ｂ、２ｃ・・・の少なくとも１つを眼に入射させることで、虚像を観察することができる。例えば、画像データ１８が動画の場合は、観察者は動画を観察することができる。また、画像データが静止画の場合は、観察者は静止画を観察することができる。
　図１Ａでは、ＬＣＯＳ３を用いて表示光束２を形成している。そのため、小型・薄型でありながら、高い光学性能を有する表示装置が実現できる。また、ＬＣＯＳ３に入射させる光束は軸上光束のみで良い。そのため、光源から射出した光を、そのままＬＣＯＳ３に入射させる光束として使うことができる。この場合、光束変換用のレンズを必要としないため、表示装置の薄型化・小型化ができる。
　また、図１Ｂに示したように、ＬＣＯＳ３に入射させる照明光束１が平行光束の場合であっても、平行な軸上光束のみをＬＣＯＳ３に入射させればよい。そのため、収束光束や発散光束を平行光束に変換するレンズを、簡素化することができる。よって、ＬＣＯＳ３に入射させる照明光束１が平行光束の場合であっても、表示装置の薄型化・小型化ができる。なお、ＬＣＯＳ３に収束光束を入射させる場合も、同様に表示装置の薄型化・小型化ができる。
　また、図１Ａ、図１Ｂに示した表示装置では、ＬＣＯＳ３で表示光束２をホログラフィックに形成している。そのため、上記のように、表示装置の薄型化・小型化ができる。
　また、図１Ａ、図１Ｂに示した表示装置では、表示光束が伝播されるに従って、複数の表示光束２ａ、２ｂ、２ｃ・・・が透明な基板４から射出される。観察者は、眼の瞳に少なくとも１つの表示光束を入射させることで、虚像を観察することができる。このように、透明な基板４には、複数の表示光束２ａ、２ｂ、２ｃ・・・が存在するので、表示光束の径が大きくなっているのと等価である。表示光束には画像の中心を表示する軸上光束と画像の端を表示する軸外光束があるが、それぞれの表示光束が太くなっており、射出瞳は表示光束が射出する透明な基板４の全面となる。そのため、表示光束（透明な基板４）に対する眼の位置合わせの許容範囲は、表示光束の径が小さい（細い）場合比べると広くなる。その結果、観察者は、容易に虚像を観察することができる。
　なお、上記のように、ＳＰＭには、ＬＣＯＳが用いられるが、デフォーマブルミラーを用いることもできる。デフォーマブルミラーとしては、複数の微小ミラーの各々を偏向させるタイプや、１枚の薄いミラーを変形させるタイプがある。
　また、表示装置は、例えば、次のようにして製作することができる。まず、透明な基板４の一部、すなわち、回折格子５を設ける部分に凹部を形成しておく。そして、この凹部に、回折格子５を配置する。その後、回折格子５の上から、凹部と略一致する透明部材で覆う。あるいは、まず、透明な基板４の側面に、界面４ａと平行なスリット状の凹部を形成する。そして、この凹部に回折格子５を挿入する。その後、側面を透明部材や接着材等で覆う。
　ところで、図１Ａ、図１Ｂに示した構成においては、ＬＣＯＳ３からなるＳＰＭに表示されるホログラムの０次光の正反射光が確実に界面４ａを射出して、１次光の表示光束２に入らないようにする必要がある。そのためには、表示光束２の回折角を大きくする必要がある。
　ここで、ホログラムは、一種の回折格子である。したがって、回折格子のピッチをｄ、入射角をθＩ、回折角をθＳ、回折次数をｍ、波長をλとすると、ｄ＝ｍλ／（sinθＳ－sinθI）、のグレーティング方程式が成り立つ。
　ＳＰＭは、微細な画素が１次元あるいは２次元に配列された構造を有し、その微細な画素を使ってホログラムを表示している。よって、微細な画素２つの大きさ、すなわち画素ピッチの２倍が回折格子のピッチｄに相当する。
　上記のグレーティング方程式から明らかなように、入射角θＩを一定とすると、回折格子のピッチｄが大きくなるほど、すなわち、ＳＰＭの画素ピッチが大きくなるほど、回折角θＳは小さくなる。ここで、０次光の反射角は入射角θＩと同じ角度なので、回折角θＳが小さくなると、０次光と１次光とを分離することが困難になる。
　そこで、本発明に係る表示装置の好適実施の形態では、ＳＰＭでの回折角が小さくても反射光と回折光とを容易に分離できるようにする。
（第１実施の形態）
　図４は、第１実施の形態に係る表示装置の概略構成を示す図である。図４に示す表示装置は、ＬＣＯＳ（反射型液晶表示素子）３０、透明な基板４０、反射プリズム５０、プリズムアレイ６０、光束導入光学系７０を有する。光束導入光学系７０は、光源７１、レンズ７２、偏光ビームスプリッタ７３及び１／４波長板７４を備える。
　光源７１は、例えば半導体レーザが使用され、透明な基板４０と平行な方向に照明光束１を射出する。図５に部分詳細図をも示すように、光源７１から射出される照明光束１は、レンズ７２を経て偏光ビームスプリッタ７３に例えばＳ偏光で入射される。偏光ビームスプリッタ７３に入射された照明光束１は、偏光ビームスプリッタ７３の偏光膜７３ａで反射されて偏光ビームスプリッタ７３から射出される。偏光ビームスプリッタ７３から射出された照明光束１は、１／４波長板７４を透過することにより円偏光に変換されてＬＣＯＳ３０に照射される。
　ＬＣＯＳ３０は、上述したＬＣＯＳ３と同様、ＳＰＭ（空間位相変調素子）を構成するもので、表示光束をホログラフィックに形成するホログラム表示素子である。ＬＣＯＳ３０は、その法線が、光束導入光学系７０から射出される照明光束１の中心光線とほぼ平行となるように配置される。これにより、ＬＣＯＳ３０は、ほぼ垂直方向から照明光束１によって照明される。
　照明光束１の照射によりＬＣＯＳ３０で反射される回折光は、１／４波長板７４で再び直線偏光に変換されて偏光ビームスプリッタ７３にＰ偏光で入射する。偏光ビームスプリッタ７３に入射した回折光は、偏光ビームスプリッタ７３の偏光膜７３ａを透過して、偏光ビームスプリッタ７３から射出される。偏光ビームスプリッタ７３から射出された回折光は、透明な基板４０に入射される。
　ここで、ＬＣＯＳ３０には、上述したように像情報のフーリエ変換に相当する位相情報が表示される。したがって、ＬＣＯＳ３０は、通常の結像光学系の瞳位置に相当し、像の画角が光束の角度となる。ＬＣＯＳ３０の１次回折光（１次光）は、その角度情報を含んで、瞳位置から表示光束として射出される。図４では、代表的な平行な表示光束２を示している。
　透明な基板４０は、平行な界面４０ａと界面４０ｂとを有する。界面４０ａと界面４０ｂの間には、半透膜４０ｃが形成されている。このような透明な基板４０は、例えば２枚の透明な平行平板を用意し、一方の透明な平行平板の一方の表面に半透膜４０ｃを形成し、その半透膜４０ｃ上に他方の透明な平行平板を接合して構成することができる。
　偏光ビームスプリッタ７３は、回折光の射出面７３ｂが、透明な基板４０の一端部の界面４０ｂに対向又は接合して配置される。反射プリズム５０は、偏光ビームスプリッタ７３と対向して界面４０ａに接合又は界面４０ａを形成する基板と一体に形成される。また、プリズムアレイ６０は、界面４０ｂに接合又は界面４０ｂを形成する基板と一体に形成される。
　偏光ビームスプリッタ７３から透明な基板４０に入射した回折光は、透明な基板４０を透過して反射プリズム５０に入射される。反射プリズム５０は、入射する回折光のうち１次光を透明な基板４０に入射させるように反射させ、０次光を含む他の回折光は透過又は他の方向に反射させるように、透明な基板４０に接合されている。
　反射プリズム５０で反射された１次光は、表示光束２として透明な基板４０に入射される。透明な基板４０に入射された表示光束２は、界面４０ａと半透膜４０ｃとの間で反射を繰り返しながら、透明な基板４０の他端部に向けて伝播される。つまり、表示光束２は、半透膜４０ｃでは反射光と透過光とに振幅分割され、界面４０ａでは全反射される。
　半透膜４０ｃを透過した表示光束２は、プリズムアレイ６０に入射される。プリズムアレイ６０は、分岐部を構成するもので、入射した表示光束２が界面４０ａから射出されるように界面４０ａの方向に反射させて半透膜４０ｃを透過させ、界面４０ａから表示光束２ａ、２ｂ、２ｃ・・・として射出させる。なお、ＬＣＯＳ３０からは軸外の表示光束（画像の中心以外から出た光束）もホログラフィックに生成されるが、図を明瞭とするため、軸外の表示光束については図示を省略している。また、表示光束２は、軸上光束のうちの中心光線のみを示している。これらは、後述の他の実施の形態においても同様である。
　本実施の形態に係る表示装置によると、光束導入光学系７０において、光源７１から透明な基板４０とほぼ平行な方向に射出された照明光束１を、偏光ビームスプリッタ７３を用いてＬＣＯＳ３０にほぼ垂直方向から入射させている。そして、ＬＣＯＳ３０からの回折光を、偏光ビームスプリッタ７３及び透明な基板４０を透過させて反射プリズム５０に入射させ、反射プリズム５０により１次光の表示光束２を反射させて透明な基板４０に入射させている。したがって、ＬＣＯＳ３０の１次光の回折角が小さくても、反射プリズム５０により１次光を０次光や他の次数光の回折光と確実に分離することができる。
　また、ＬＣＯＳ３０と透明な基板４０との間の回折光の光路がパワーレス、つまり回折光の光路中におけるレンズパワーが零となっている。これにより、小型・薄型でありながら、高い光学性能を有する表示装置が実現できる。また、偏光ビームスプリッタ７３及び１／４波長板７４を用いて、照明光束１とＬＣＯＳ３０の回折光とを偏光分離するので、光の利用効率も向上できる。なお、図４において、偏光ビームスプリッタ７３の向きを紙面に対してレンズ７２が紙面の奥になるように回転し、光源７１を紙面の奥になるように配置されていてもよい。
（第２実施の形態）
　図６は、第２実施の形態に係る表示装置の概略構成を示す図である。図６に示す表示装置は、図４に示した表示装置において、偏光ビームスプリッタ７３から射出されるＬＣＯＳ３０からの回折光のうち、１次光の表示光束２が透明な基板４０の一方の端面４０ｄから界面４０ａに全反射の条件で入射させるように構成されたものである。
　そのため、端面４０ｄは、界面４０ａ、４０ｂに対して傾斜して形成され、その傾斜した端面４０ｄに偏光ビームスプリッタ７３の射出面７３ｂが対向又は接合されている。そして、偏光ビームスプリッタ７３の射出面７３ｂから射出されるＬＣＯＳ３０からの回折光が、透明な基板４０の傾斜した端面４０ｄから入射して、１次光の表示光束２が界面４０ａで全反射される。界面４０ａで全反射された表示光束２は、第１実施の形態の場合と同様に透明な基板４０の内部を伝播して、界面４０ａから表示光束２ａ、２ｂ、２ｃ・・・として射出される。なお、図４と同様の機能を生じる部材には同じ参照符号を付し、説明を省略する。
　したがって、本実施の形態においても、第１実施の形態と同様の効果が得られる。また、本実施の形態では、図４の反射プリズム５０が不要となるので、部品点数の削減が可能となり、コストダウンが図れる。また、偏光ビームスプリッタ７３を、透明な基板４０の界面４０ａと同一平面となるようにカットしているので、より薄型化が可能となる。なお、図６では、偏光ビームスプリッタ７３の射出面７３ｂを透明な基板４０の界面４０ａに対して傾斜させたのに伴い、光源７１からの照明光束１を透明な基板４０に対して傾斜させて偏光ビームスプリッタ７３に入射させている。しかし、光源７１から透明な基板４０と平行な方向に照明光束１を射出させ、その照明光束１を反射部材等を適宜使用して偏光ビームスプリッタ７３に入射させるようにして、より薄型化を図ることもできる。
（第３実施の形態）
　図７は、第３実施の形態に係る表示装置の概略構成を示す図である。図７に示す表示装置は、図４に示した表示装置において、偏光ビームスプリッタ７３と透明な基板４０との間の回折光の光路中に、負のレンズパワーを有する凹レンズ７６を配置したものである。つまり、空間位相変調素子と透明な基板との間の表示光束の光路中におけるレンズパワーを負としたものである。その他の構成は、図４と同様であるので、図４と同様の機能を生じる部材には同じ参照符号を付して説明を省略する。
　このように、ＬＣＯＳ３０の回折光が射出される偏光ビームスプリッタ７３の射出面７３ｂ側に凹レンズ７６を配置すれば、表示光束によって表示される画像の画角を拡大することが可能となる。例えば、図７において、ＬＣＯＳ３０の画素ピッチｄを１１μｍ、照明光束１の波長λを０．５５μｍとする。この場合、図８に部分詳細図を示すように、１次光の回折角θは、ｄsinθ＝λ、からほぼ２．８５度となる。つまり、１次光による画角は±２．８５度となる。
　ここで、図８に示すように、凹レンズ７６の焦点距離を－ｆとして、その焦点位置にＬＣＯＳ３０を配置すると、偏向角がほぼ倍となる。これにより、同じＬＣＯＳ３０で、同じ波長の照明光束１を用いて、±５．７度の画角を確保することができる。この画角は、ＬＣＯＳ３０の画素ピッチが１／２、つまりほぼ５．５μｍに相当する。
　この場合、±５．７度の画角方向では、０次光の左右に±５．７度の範囲で画像情報(画角の広がり)を含んだ１次光が発生することになるが、０次光は、±５．７度の画角方向に垂直な方向において、反射プリズム５０による１次光の全反射条件によりぎりぎりカットされる。また、凹レンズ７６から射出される回折光を平行光とするため、レンズ７２は焦点距離が３ｆの凸レンズで構成される。そして、光源７１からの照明光束１がレンズ７２に平行光束で入射されて、ＬＣＯＳ３０に収束光の照明光束１が入射される。
　したがって、本実施の形態によると、上述した実施の形態の効果に加えて、瞳位置（ＬＣＯＳ３０の虚像）を透明な基板４０の入射瞳に近づけることができる。なお、図７において、偏光ビームスプリッタ７３の向きを紙面に対してレンズ７２が紙面の奥になるように回転し、光源７１を紙面の奥になるように配置されていてもよい。
（第４実施の形態）
　図９は、第４実施の形態に係る表示装置の要部の概略構成を示す図である。本実施の形態に係る表示装置は、図４に示した表示装置において、光束導入光学系７０を構成する光源７１をレンズ７２の光軸に対して傾けて配置して、光源７１からの照明光束１を、その中心光線がＬＣＯＳ３０の法線に対して傾斜させてＬＣＯＳ３０に入射させるようにしている。その他の構成は、図４と同様である。
　本実施の形態において、０次光は、例えば画角の小さい方向において反射プリズム５０（図４参照）により除去される。このとき、画角の小さい方向では、０次光の片側の１次光に、画像情報(画角)が含まれるようにしている。ＬＣＯＳ３０での０次光の反射角は、画角の小さい方向では、その方向の半画角よりも大きくなっている。
　これにより、例えば図１０に模式的に示すように、０次光の左右に１次光（±１次回折光）による広い画角を有し、その画角方向と直交する方向において、０次光がぎりぎりにカットされた片側の１次光（例えば、＋１次回折光）による狭い画角を有する表示領域ＤＳを形成することができる。したがって、例えばアスペクト比が１６：９のハイビジョン（ＨＤ）の表示にも容易に対応することが可能となる。
（第５実施の形態）
　図１１は、第５実施の形態に係る表示装置の概略構成を示す図である。本実施の形態に係る表示装置は、第１の透明な基板４１と、第２の透明な基板４２とを備える。第１の透明な基板４１は、第２の透明な基板４２の端部に位置し、この位置で第２の透明な基板４２に固定されている。
　第１の透明な基板４１は、第１実施の形態で説明した透明な基板４０と同様に構成されて、光束導入光学系７０（図示せず）から回折光が入射される。また、第１の透明な基板４１は、入射する回折光から０次光と１次光（表示光束）とを分離するための反射プリズム５０及び伝播される表示光束を第１の透明な基板４１から射出させるためのプリズムアレイ６０（図示せず）を有している。
　第２の透明な基板４２は、図１２に示すように、第１の透明な基板４１と同様に、平行な界面４２ａと界面４２ｂとを有する。界面４２ａと界面４２ｂの間には、半透膜４２ｃが形成されている。このような第２の透明な基板４２は、例えば２枚の透明な平行平板を用意し、一方の透明な平行平板の一方の表面に半透膜４２ｃを形成し、その半透膜４２ｃ上に他方の透明な平行平板を接合して構成することができる。
　第２の透明な基板４２には、端部の界面４２ａ側に第１の透明な基板４１が固定される。また、第２の透明な基板４２は、界面４２ｂ側で第１の透明な基板４１と対向する領域にプリズムアレイ８０を有し、その他の界面４２ｂの領域にはプリズムアレイ６１を有する。また、プリズムアレイ６１は、第１の透明な基板４１側のプリズムアレイ６０と同様に、界面４２ｂに接合又は界面４２ｂを形成する基板と一体に形成される。
　以下、詳細に説明する。第１の透明な基板４１は、図１１に示すように、外形が長方形状に構成され、長辺方向がＹ軸方向として配置されている。そして、図４で説明したと同様にして、第１の透明な基板４１は、表示光束２を長辺方向に沿って伝播しながら、第１の透明な基板４１から表示光束２ａ、２ｂ、２ｃ・・・を垂直方向（Ｚ軸方向）に射出させて第２の透明な基板４２に入射させる。なお、第１の透明な基板４１の厚みは、例えば、２～４ｍｍである。
　第２の透明な基板４２は、図１１に示すように、外形が略長方形の板状をなしている。第２の透明な基板４２は、Ｙ軸方向（短辺）の長さが第１の透明な基板４１の反射プリズム５０を除く長辺の長さと同じである。一方、Ｘ軸方向（長辺）の長さは、第１の透明な基板４１の短辺の長さよりも長い。なお、第２の透明な基板４２の外形は、長方形に限られない。第２の透明な基板４２は、入射した表示光束２ａ、２ｂ、２ｃ・・・をＸ軸方向に沿って伝播していく。なお、第２の透明な基板４２の厚みは、例えば、２～４ｍｍである。
　図１２に示すように、第２の透明な基板４２に入射された表示光束２ａ、２ｂ、２ｃ・・・は、プリズムアレイ８０により偏向される。偏向された表示光束２ａ、２ｂ、２ｃ・・・は、第２の透明な基板４２の界面４２ａと半透膜４２ｃとの間で反射を繰り返しながら、第２の透明な基板４２をＸ軸方向に伝播される。つまり、表示光束２ａ、２ｂ、２ｃ・・・は、半透膜４２ｃでは反射光と透過光とに振幅分割され、界面４２ａでは全反射される。
　半透膜４２ｃを透過した表示光束は、プリズムアレイ６１に入射される。プリズムアレイ６１は、第２の分岐部を構成するもので、入射した表示光束が界面４２ａから射出されるようにＺ軸方向に反射させて半透膜４２ｃを透過させ、界面４２ａから表示光束２ｄ、２ｅ、２ｆ・・・として射出させる。
　このように、表示光束２ａは第２の透明な基板４２の内部で全反射を繰り返して、第２の透明な基板４２の内部をＸ軸方向に伝播する。そして、伝播しながら、次々と表示光束２ｄ、２ｅ、２ｆ・・・を第２の透明な基板４２からＺ軸方向に射出させる。表示光束２ｂ、２ｃも同様である。すなわち、図１１に示すように、表示光束２は第１の透明な基板４１の内部を伝播しながら表示装置のＹ軸方向に広がると共に、第２の透明な基板４２の内部を伝播しながら表示装置のＸ軸方向に広がる。その結果、表示装置の表面（界面４２ａ）の全面から、表示光束２が射出される。
　ここで、本実施の形態に係る表示装置から射出される光束について説明する。図１３は、表示装置から射出される各々の光束の光学的距離を示す図である。図１１に示したように、表示装置の第２の透明な基板４２の表面（界面４２ａ）から表示光束２が射出される。この表示光束２は、図１２に示したように、表示光束２ｄ、２ｅ、２ｆ・・・で構成されている。このような表示装置を観察者が見た場合、表示光束の一部が観察者の眼の瞳１４に入射するので、観察者は表示（虚像）を見ることができる。
　図１３には、表示光束が３つの位置３０ａ、３０ｂ、３０ｃから射出する様子が示されている。３つの表示光束の各々は、表示光束２と、最軸外の表示光束２Ｕｏと、最軸外の表示光束２Ｌｏで構成されている。表示光束２は、軸上（画像の中心）から射出された光束に対応する。最軸外の表示光束２Ｕｏは、最軸外（画像の一方の端）から射出された光束に対応する。最軸外の表示光束２Ｌｏは、最軸外（画像の他方の端）から射出された光束に対応する。
　位置３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、それぞれ観察者側から見たときのＬＣＯＳ３０（図４参照）の光学的位置である。この光学的位置は、第２の透明な基板４２の表面（界面４２ａ）からＬＣＯＳ３０までの距離である。
　位置３０ａは、表示光束２が第２の透明な基板４２内で１回だけ全反射して射出する場合のＬＣＯＳ３０の光学的位置である。位置３０ｂは、表示光束２が第２の透明な基板４２内で２回全反射して射出する場合のＬＣＯＳ３０の光学的位置である。位置３０ｃは、表示光束２が第２の透明な基板４２内で３回全反射して射出する場合のＬＣＯＳ３０の光学的位置である。
　ここで、２つの光学的位置の光学的距離の差Δは、第２の透明な基板４２で生じる１回の全反射によって伝播する距離である。より具体的には、半透膜４２ｃから界面４２ａまでを表示光束２が往復したときの距離である。
　なお、図１３では三つの光学的位置３０ａ、３０ｂ、３０ｃを示したが、ＬＣＯＳ３０の光学的位置は、実際には二次元に全反射を繰り返して伝播する光束の数だけある。また、観察者の瞳１４には、通常複数の異なる光学的位置のＬＣＯＳ３０からの表示光束２が入射する。
　ＬＣＯＳ３０では、コヒーレント光によって、表示光束２、最軸外の表示光束２Ｌｏ及び最軸外の表示光束２Ｕｏがホログラフィックに形成される。そのため、表示光束２、最軸外の表示光束２Ｌｏ及び最軸外の表示光束２Ｕｏも、各々コヒーレント光となる。図１３に示すように、観察者の瞳１４が位置３０ｂに正対する場合、瞳１４には、主に位置３０ｂからの表示光束（２、２Ｌｏ、２Ｕｏ）が入射するが、瞳１４の位置によっては、位置３０ａや位置３０ｃからの表示光束も入射する。
　上記のように、位置３０ａからの表示光束、位置３０ｂからの表示光束及び位置３０ｃからの表示光束は、各々コヒーレント光である。そのため、例えば位置３０ｂからの表示光束と位置３０ａからの表示光束とが観察者の瞳１４に入射した場合、２つの光束が干渉してしまい、観察する虚像が意図しない像（虚像）になってしまうことが想定される。意図しない像とは、例えば、画質が劣化した像である。
　そのため、光源７１（図４参照）から射出される照明光束１のコヒーレンス長、つまり表示光束２のコヒーレンス長は、光学的距離の差Δより短くすることが好ましい。すなわち、表示光束２のコヒーレンス長は、第２の透明な基板４２で生じる１回の全反射によって伝播する距離より短いことが好ましい。このようにすることで、異なる光学的距離を持つ複数の表示光束が観察者の眼に入射しても、意図しない像が形成されることを防止することができる。
　本実施の形態に係る表示装置では、表示光束が伝播されるに従って、複数の表示光束２ｄ、２ｅ、２ｆ・・・が第２の透明な基板４２から射出される。したがって、観察者は、いずれか１つの表示光束を見ても、あるいは複数の表示光束を見ても像を見ることができる。すなわち、それぞれの表示光束が合わさって一つの太い表示光束となっているとみなすことができる。また、画像の中心を表示する軸上の表示光束だけでなく、画像の端を表示する軸外の表示光束も同様に、それぞれの表示光束が合わさって一つの太い表示光束となっているとみなすことができる。
　このように、本実施の形態に係る表示装置では、表示装置の表面から複数の表示光束が射出するが、これは、表示装置の表面の全面から一つの太い表示光束が射出されているのと等価である。そのため、表示装置の表面の全面が射出瞳であり、また、表示装置の表面の大きさが射出瞳の大きさである。したがって、それ自体が瞳であるルーペと同様に瞳が大きいので、観察者は表示装置に顔を近づけなくても容易に虚像を観察することができる。
　また、第２の透明な基板４２から外に射出される表示光束２ｄ、２ｅ、２ｆ・・・（表示光束２）は、無限遠に虚像を表示する光束である。すなわち、観察者が表示光束を見た時、無限遠（遠方）に虚像が形成される。よって、第２の透明な基板４２から射出された複数の表示光束の各々についても、観察者がこれらの表示光束を見た時、全て無限遠に虚像が形成される。その結果、観察者の目が近点に焦点の合わない老眼であっても、観察者は焦点の合った表示を見ることができる。また、観察者はどの表示光束を見ても、あるいは複数の表示光束を同時に見ても、無限遠に形成された虚像を見ることができる。なお、第２～４実施の形態においても透明な基板を二枚用いて二次元的広がりのある表示装置を構成できることは言うまでもない。
　なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変形又は変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、表示光束をホログラフィックに生成するためにＳＰＭを用いている。しかしながら、ＳＰＭを用いなくても、表示光束をホログラフィックに生成することはできる。例えば、静止画であれば、ホログラムパターンを変化させる必要がない。そのため、フィルムにホログラムパターンを記録し、このフィルムをＳＰＭの位置に配置しても良い。ホログラムパターンを一度しか記録できない特性を持つものであれば、フィルムでなくても良い。
　また、第１～３実施の形態で説明した透明な基板４０や第５実施の形態で説明した第１の透明な基板４１及び第２の透明な基板４２は、図１Ａ、図１Ｂに示した透明な基板４と同様にボリュームホログラムからなる回折格子を用いる構成としてもよい。また、光束導入光学系７０は、１／４波長板７４を省略し、偏光ビームスプリッタ７３に代えて例えばハーフプリズムを用いて構成してもよい。
　以上のように、本発明に係る表示装置は、小型・薄型でありながら、高い光学性能を有する点において有用である。
　１　照明光束
　２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ　表示光束
　３　ＬＣＯＳ
　４　透明な基板
　４ａ、４ｂ　界面
　５　回折格子
　１４　眼の瞳
　３０　ＬＣＯＳ
　４０　透明な基板
　４０ａ、４０ｂ　界面
　４０ｃ　半透膜
　４１　第１の透明な基板
　４２　第２の透明な基板
　４２ａ、４２ｂ　界面
　４２ｃ　半透膜
　５０　反射プリズム
　６０、６１　プリズムアレイ
　７０　光束導入光学系
　７１　光源
　７２　レンズ
　７３　偏光ビームスプリッタ
　７４　１／４波長板
　７６　凹レンズ
　８０　プリズムアレイ

Claims (15)

  1. 　表示光束を形成する空間位相変調素子と、
    　前記表示光束が繰り返し内面反射して伝播する透明な基板と、
    　前記表示光束が前記内面反射を行う毎に、前記表示光束の一部を前記透明な基板外へ射出させる分岐部と、
    　照明光束を前記空間位相変調素子に導き、前記空間位相変調素子で形成される前記表示光束を前記透明な基板に導くビームスプリッタを有する光束導入光学系と、を備え、
    　前記空間位相変調素子は、前記照明光束の回折により前記表示光束をホログラフィックに形成する、ことを特徴とする表示装置。
  2. 　前記光束導入光学系は、前記空間位相変調素子と前記透明な基板との間の前記表示光束の光路中におけるレンズパワーが零である、ことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
  3. 　前記光束導入光学系は、前記空間位相変調素子と前記透明な基板との間の前記表示光束の光路中に、負のレンズパワーを有する光学素子をさらに備える、ことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
  4. 　前記光束導入光学系は、前記空間位相変調素子と前記透明な基板との間の前記表示光束の光路中におけるレンズパワーが負である、ことを特徴とする請求項１または３に記載の表示装置。
  5. 　前記ビームスプリッタは偏光ビームスプリッタからなり、
    　前記光束導入光学系は、前記偏光ビームスプリッタと前記空間位相変調素子との間に１／４波長板をさらに備える、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の表示装置。
  6. 　前記光束導入光学系は、前記照明光束の中心光線を前記空間位相変調素子の法線に対して傾斜させて、前記照明光束を前記空間位相変調素子に入射させる、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の表示装置。
  7. 前記空間位相変調素子での前記照明光束の０次光の反射角は、前記表示光束による一つの表示画角の半分よりも大きい、ことを特徴とする請求項６に記載の表示装置。
  8. 　前記空間位相変調素子での前記照明光束の０次光を画角の狭い方向で除去することを特徴とする請求項５または７に記載の表示装置。
  9. 　前記表示光束のコヒーレンス長は、一度の前記内面反射で前記表示光束が伝播する距離より短い、ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の表示装置。
  10. 　前記透明な基板外に射出される前記表示光束は、無限遠に虚像を表示するものである、ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の表示装置。
  11. 　前記空間位相変調素子による０次光は前記透明な基板を透過し、１次光は前記透明な基板の内部で全反射する条件で、前記透明な基板に入射する、ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の表示装置。
  12. 　前記分岐部は回折格子からなる、ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の表示装置。
  13. 　前記回折格子はボリュームホログラムからなる、ことを特徴とする請求項１２に記載の表示装置。
  14. 　前記分岐部はプリズムアレイからなる、ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の表示装置。
  15. 　前記透明な基板から射出される前記表示光束を入射して、該表示光束を繰り返し内面反射して伝播する第２の透明な基板と、
    　該第２の透明な基板内で前記表示光束が前記内面反射を行う毎に、前記表示光束の一部を当該第２の透明な基板外へ射出させる第２の分岐部と、をさらに備える、ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の表示装置。
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