(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明装置、拡大手段（ＶＥ）及び光変調手段（ＳＬＭ）を有し、２次元と３次元との少なくともいずれかの画像情報についてのホログラフィック再構成を行うホログラフィックディスプレイであって、
前記照明装置は、少なくとも１つの光源と光コリメーション手段（ＬＣＵ）とを有し、
前記光コリメーション手段（ＬＣＵ）は、前記少なくとも１つの光源の光を平行化し、前記光源により放射される前記光の、特定の平面波の角度スペクトルを有する光波動場を生成するように設計され、
前記光コリメーション手段は、光軸までの距離が増加するにつれて増大する角度で前記光コリメーション手段に入射する光を、波長（ＲＧＢ）に応じて、前記光軸に対して平行な方向に向けるように構成される偏向配列を含み、
前記拡大手段（ＶＥ）は、光の伝播方向で見て、前記光コリメーション手段（ＬＣＵ）の下流に配置され、
前記拡大手段（ＶＥ）は、前記光波動場の体積ホログラムとの透過相互作用により前記光波動場のアナモルフィックな拡大を実現するように設計されると共に配置される透過性体積ホログラム（ＶＨ）を有し、
前記光変調手段（ＳＬＭ）は、光の伝播方向で見て、アナモルフィックな前記拡大手段（ＶＥ）の上流または下流に配置され、該光変調手段（ＳＬＭ）は、少なくとも１つの方向において角度分布が１／２０°以下に制限される平面波で照明される、
ことを特徴とするホログラフィックディスプレイ。
【請求項２】
前記光コリメーション手段（ＬＣＵ）から射出する前記光波動場は、７０°以上の特定の入射角度で前記体積ホログラム（ＶＨ）に入射する、
ことを特徴とする請求項１に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項３】
前記体積ホログラム（ＶＨ）の厚さは、前記体積ホログラム（ＶＨ）を通過した光波動場が波動ベクトルの角度分布を有し、当該光波動場の波動ベクトルの当該角度分布の最大偏差が少なくとも１つの方向において１／２０°の値を超えないように選択される、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項４】
前記光変調手段上の定められた２つの点の間における拡大された前記光波動場（ｓＷＦ）の光束の光路長（ｚ（ｘ，ｙ））の差は、前記光の所定のコヒーレンス長において前記光変調手段（ＳＬＭ）の符号化面上において、所定の値を超えない、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項５】
前記拡大手段（ＶＥ）は、光の伝播方向で見て、前記体積ホログラム（ＶＨ１）の下流に配置される、さらなる体積ホログラム（ＶＨ２）を備え、
前記拡大手段（ＶＥ）の複数の体積ホログラム（ＶＨ１、ＶＨ２）は、前記光が２つの異なる方向に偏向されるように設計及び配置され、
前記光変調手段（ＳＬＭ）は、光の伝播方向で見て、前記さらなる体積ホログラム（ＶＨ２）の上流又は下流に配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項６】
２つの前記体積ホログラム（ＶＨ１、ＶＨ２）が、２つのほぼ垂直な方向において、平面波の定義された角度スペクトルを有する光波動場をアナモルフィックに拡張するように、光の伝播方向で見て、当該２つの体積ホログラム（ＶＨ１、ＶＨ２）の上流に、前記光コリメーション手段（ＬＣＵ）が位置する、
ことを特徴とする請求項５に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項７】
前記体積ホログラム（ＶＨ）は、物体光と参照光とが同一軸上に存在しない軸外体積ホログラムである、
ことを特徴とする請求項５または６に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項８】
前記光源は、レーザ、レーザダイオード、ＬＥＤ又はＯＬＥＤを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項９】
３つの一次光源の前記光を共通の光ファイバ（ＯＦ）に結合するためのビームコンバイナを有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項１０】
前記光コリメーション手段（ＬＣＵ）は、一次コリメーションレンズ（ｐＣＬ）を有する、
ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項１１】
一次コリメーションレンズ（ｐＣＬ）が、光の伝播方向で見て、体積ホログラム（ＶＨ）として設計される角度フィルタの上流に位置し、
前記角度フィルタの厚さは前記体積ホログラム（ＶＨ）を通過した光波動場が波動ベクトルの角度分布を有すると共に当該光波動場の波動ベクトルの当該角度分布の最大偏差が少なくとも１つの方向において１／２０°を超えないように選択される、
ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項１２】
前記光コリメーション手段（ＬＣＵ）は、平行化された波動場により照明される第１のマイクロレンズアレイ（ｆＭＬＡ）を有する、
ことを特徴とする請求項１０に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項１３】
散乱装置（ｓＰＳ）が、前記第１のマイクロレンズアレイ（ｆＭＬＡ）の焦点面に配置され、当該散乱装置から、前記光が当該散乱装置のすぐ下流に位置する複数の第１の開口絞り（ＡＳ）へ伝播する、
ことを特徴とする請求項１２に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項１４】
前記複数の第１の開口絞り（ＡＳ）は、スリット状の形状を有し、当該スリットと平行な方向及び垂直な方向のそれぞれについて、特定のコヒーレンス特性を有する前記光波動場の平面波の角度スペクトルを生成する、
ことを特徴とする請求項１３に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項１５】
前記光コリメーション手段（ＬＣＵ）の前記第１の開口絞り（ＡＳ）の開口部は、発光が一方の方向においてインコヒーレントである一方で他方の方向においてコヒーレントであるように、２つの異なる方向において前記光波動場の前記コヒーレンス特性が異なるような形状を有する、
ことを特徴とする請求項１４に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項１６】
第２のマイクロレンズアレイ（ｃＭＬＡ）が、前記第１の開口絞りの開口部が当該第２のマイクロレンズアレイ（ｃＭＬＡ）の対応するマイクロレンズの後焦点と一致するように、光の伝播方向で見て、前記第１の開口絞り（ＡＳ）の下流に配置される、
ことを特徴とする請求項１３に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項１７】
２つのさらなる開口絞り（ＡＳ１、ＡＳ２）が、前記第１の開口絞り（ＡＳ）と前記第２のマイクロレンズアレイ（ｃＭＬＡ）との間に配置される、
ことを特徴とする請求項１６に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項１８】
前記第２のマイクロレンズアレイ（ｃＭＬＡ）は、平面波の角度スペクトルを有するセグメント化された光波動場を生成し、ホログラフィック符号を担持する後続の光変調手段（ＳＬＭ）は、当該光波動場により、直接又は当該光波動場の横方向の拡大後に、照明される、
ことを特徴とする請求項１６に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項１９】
前記光変調手段（ＳＬＭ）は、透過型、反射型若しくは半透過型であり、又は、前記照明装置は、当該光変調手段（ＳＬＭ）の有効範囲をほぼ均一に照明するように設計され、
又は、
前記光変調手段（ＳＬＭ）が透過型、反射型若しくは半透過型であると共に前記照明装置が当該光変調手段（ＳＬＭ）の有効範囲をほぼ均一に照明するように設計される、
ことを特徴とする請求項１から１８のいずれか１項に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項２０】
少なくとも１つの前記体積ホログラム（ＶＨ）の下流において前記光波動場の平面波の特定の角度スペクトルを生成するために、前記光コリメーション手段（ＬＣＵ）の少なくとも１つのパラメータが変更可能である
ことを特徴とする請求項１から１９のいずれか１項に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項２１】
少なくとも１つの前記体積ホログラム（ＶＨ）は、前記ディスプレイを見る観察者に対する発光の外乱部分又は回折次数を抑制するように設計される、
ことを特徴とする請求項１から２０のいずれか１項に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項２２】
複数の前記体積ホログラム（ＶＨ１、ＶＨ２）の１つが、拡張要素としての機能に加えて、視野レンズの機能を有するように設計される、
ことを特徴とする請求項５に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項２３】
前記光コリメーション手段（ＬＣＵ）はライン構造を有し、１つのラインは互いに独立して切り替え可能な少なくとも２つの光源（ＬＳ）と、少なくとも２つのコリメーティング屈折レンズ（ＣＬ）をその出口に有し、これらのラインは、後方に配置される２次元拡大手段（ＶＥ）の表面全体を照明するように、当該２次元拡大手段のエッジに沿って並べて配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項２４】
体積格子（ＶＧ）として設計された前記体積ホログラムを有する２次元拡大手段（ＶＥ）を照明するためのウェッジ形光導波路装置（ＬＥ）が提供され、
前記体積格子（ＶＧ）は、その光入射面にほぼ垂直に位置する前記ウェッジ形光導波路装置（ＬＥ）の側面に取り付けられ、前記光コリメーション手段（ＬＣＵ）により放射されたセグメント化された平面波動場を拡大し、さらに下流に配置される光変調手段（ＳＬＭ）の表面へ方向付けるのに供される、
ことを特徴とする請求項２３に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項２５】
前記光コリメーション手段（ＬＣＵ）において並べて配置されるラインの数及び各ラインにおいて互いに独立して切り替え可能な光源（ＬＳ）の数に応じて、そのように形成された前記照明装置が独立して切り替え可能な照明セグメントのマトリクスを有する、
ことを特徴とする請求項２３に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項２６】
光の伝播方向で見て、シャッタ（ｓａＳ）が前記光コリメーション手段（ＬＣＵ）の前記第１のマイクロレンズアレイ（ｆＭＬＡ）の上流に配置され、
垂直または水平方向に延在する複数の帯形セグメントの透過性が制御可能である、
ことを特徴とする請求項１２に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項２７】
前記光変調手段（ＳＬＭ）の平面において垂直に延在する照明光の２つの帯形セグメントであって、かつ当該光変調手段のエッジとその中心との間で水平又は垂直方向に順次移動可能な前記照明光の２つの帯形セグメントを、それぞれオンに切り替える、
ことを特徴とする請求項２６に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項２８】
前記光コリメーション手段（ＬＣＵ）の前記第１のマイクロレンズアレイ（ｆＭＬＡ）の上流に位置する、一次コリメーションレンズアレイ（ＣＬＡ）の選択されたレンズが、光ファイバスイッチ（ｆｏＳ）により切り替え可能な光ファイバ光源のカスケードにより照明される、
ことを特徴とする請求項１２に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項２９】
前記光コリメーション手段（ＬＣＵ）の前記第１のマイクロレンズアレイ（ｆＭＬＡ）の上流に位置する、一次コリメーションレンズアレイ（ＣＬＡ）の選択されたレンズを照明するための多モード光ファイバの端部に、受動光射出点を備える、
ことを特徴とする請求項２８に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項３０】
前記光コリメーション手段（ＬＣＵ）の前記第１のマイクロレンズアレイ（ｆＭＬＡ）の選択されたセグメントは、前記光源の下流に位置する一次コリメーションレンズ（ＣＬ）と前記第１のマイクロレンズアレイ（ｆＭＬＡ）との間に配置される２つの切り替え可能な液晶ベースの回折格子（Ｇ１、Ｇ２）の組み合わせにより照明可能であり、帯形セグメントの強度が局所的に変更可能である、
ことを特徴とする請求項２８に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項３１】
２つの切り替え可能な液晶ベースの回折格子（Ｇ１、Ｇ２）の前記組み合わせは、前記光源の下流に位置する一次コリメーションレンズ（ＣＬ）とアナモルフィックな拡大手段（ＶＥ）との間に配置され、前記拡大手段（ＶＥ）により直接拡大される２つの走査形帯形照明領域を生成する、
ことを特徴とする請求項３０に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項３２】
前記切り替え可能な回折格子（Ｇ１、Ｇ２）は、切り替え可能な遅延板と組み合わされた、高分子分散型液晶の体積格子又は偏光格子として設計される、
ことを特徴とする請求項３０に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項３３】
前記光コリメーション手段（ＬＣＵ）の前記第１のマイクロレンズアレイ（ｆＭＬＡ）の選択されたセグメントは、２つの回折格子（Ｇ１、Ｇ２）の組み合わせにより照明可能であり、第１の前記回折格子（Ｇ１）は切り替え可能型であり、第２の前記回折格子（Ｇ２）は、前記第１のマイクロレンズアレイ（ｆＭＬＡ）の上流に配置されると共に、固定的に形成された回折構造を用いて少なくとも１つの光周波数に対する所望の偏向角度を実現するのに供される角度感知体積格子として設計される、
ことを特徴とする請求項２８に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項３４】
前記光コリメーション手段（ＬＣＵ）の前記第１のマイクロレンズアレイ（ｆＭＬＡ）の選択されたセグメントは、２つの回折格子（Ｇ１、Ｇ２）の組み合わせにより照明可能であり、第１の前記回折格子（Ｇ１）は切り替え可能型であり、第２の前記回折格子（Ｇ２）は、前記第１のマイクロレンズアレイ（ｆＭＬＡ）の上流に配置されると共に、装置の光軸までの距離が大きくなるにつれて増大する角度で入射する光を光軸に対して平行な方向に回折するように設計される複数の帯形セグメントを含む体積格子として設計される、
ことを特徴とする請求項２８に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項３５】
前記光源の前記一次コリメーションレンズ（ＣＬ）と前記光コリメーション手段（ＬＣＵ）の前記第１のマイクロレンズアレイ（ｆＭＬＡ）との間に配置される前記回折格子（Ｇ１、Ｇ２）は、使用される光路から前記格子（Ｇ１、Ｇ２）の０次回折を除去するために、軸外光路をも実現するように設計される、
ことを特徴とする請求項３０に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項３６】
前記光源の前記一次コリメーションレンズ（ＣＬ）と前記光コリメーション手段（ＬＣＵ）の前記第１のマイクロレンズアレイ（ｆＭＬＡ）との間に配置される前記回折格子（Ｇ１、Ｇ２）は、前記光コリメーション手段（ＬＣＵ）の前記第１のマイクロレンズアレイ（ｆＭＬＡ）の複数の表面領域の照明を、水平及び垂直方向において実現するように設計される、
ことを特徴とする請求項３０に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項３７】
前記光コリメーション手段（ＬＣＵ）の前記第１のマイクロレンズアレイ（ｆＭＬＡ）の上流に配置される前記一次コリメーションレンズアレイ（ｐＣＬＡ）のレンズは、角度スペクトルが１つの方向において約１／２０°の角度偏差を示し、かつ垂直方向において約１°の角度偏差を示すセグメント化された平面波により照明される、
ことを特徴とする請求項２８に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項３８】
前記一次コリメーションレンズアレイ（ｐＣＬＡ）のレンズのエッジにおける回折による平面波の角度スペクトルの拡張を防止するために、光の伝播方向において後方に、角度フィルタリングのための体積格子（ＶＧ１、ＶＧ２）として設計される２つの回折格子の組み合わせが配置される、
ことを特徴とする請求項３６に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項３９】
平面波の角度スペクトルの角度フィルタリングのための体積格子（ＶＧ１、ＶＧ２）として設計される回折格子の組み合わせは、広い角度選択性及び光軸から遠ざける大きい回折角を有する第１の薄い体積格子（ＶＧ１）と、平面波の所定の角度スペクトルの領域において入射する光束が装置の光軸に沿って回折されると共に、平面波の角度スペクトルの外側を伝播する光束が回折されずに伝送されるように設計される、狭い角度選択性を有する第２の厚い体積格子（ＶＧ２）と、を備える、
ことを特徴とする請求項３６に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項４０】
２つの垂直方向における平面波の角度スペクトルの角度フィルタリングを実現するための体積格子として設計される、回折格子の第１の組み合わせ（ＶＧ１、ＶＧ２）に対して９０°回転された体積格子として設計される回折格子の第２の組み合わせが、体積格子の前記第１の組み合わせ（ＶＧ１、ＶＧ２）の下流に配置される、
ことを特徴とする請求項３６に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項４１】
前記光変調手段（ＳＬＭ）は反射型若しくは半透過型である、又は、前記照明装置（ＦＬＵ）が、特定の偏光の光を用いて、前記反射型若しくは半透過型の光変調手段（ＳＬＭ）の有効範囲を照明するように、光の偏光を変更する光学要素により、前記照明装置（ＦＬＵ）が設計されると共に補完される、
又は、
前記光変調手段（ＳＬＭ）は反射型若しくは半透過型であり、かつ、前記照明装置（ＦＬＵ）が、特定の偏光の光を用いて、前記反射型若しくは半透過型の光変調手段（ＳＬＭ）の有効範囲を照明するように、光の偏光を変更する光学要素により、前記照明装置（ＦＬＵ）が設計されると共に補完される、
ことを特徴とする請求項２８に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項４２】
前記光変調手段（ＳＬＭ）は反射型若しくは半透過型である、又は、偏向要素の光回折機能が、光が導波路に結合されると共に当該光が前記光変調手段（ＳＬＭ）を照明するために結合出力される場合にのみ有効であり、前記光変調手段（ＳＬＭ）により変調され反射された光が戻ってくる場合には有効でないように、角度選択性の前記偏向要素と組み合わされた平面導波路（ｐＷＧ）により、前記照明装置（ＦＬＵ）が設計されると共に補完される、
又は、
前記光変調手段（ＳＬＭ）は反射型若しくは半透過型であり、かつ、偏向要素の光回折機能が、光が導波路に結合されると共に当該光が前記光変調手段（ＳＬＭ）を照明するために結合出力される場合にのみ有効であり、前記光変調手段（ＳＬＭ）により変調され反射された光が戻ってくる場合には有効でないように、角度選択性の前記偏向要素と組み合わされた平面導波路（ｐＷＧ）により、前記照明装置（ＦＬＵ）が設計されると共に補完される、
ことを特徴とする請求項２８に記載のホログラフィックディスプレイ。
【請求項４３】
前記光変調手段（ＳＬＭ）は反射型若しくは半透過型である、又は、切り替え可能な二次光源のライン構造により放射される光を平行化すると共にその光を平面導波路（ｐＷＧ）へ、直接又は角度選択性の偏向要素を通じて結合させる、ライン状光コリメーション手段（ＬＣＵ）により前記照明装置（ＦＬＵ）が設計されると共に補完される、
又は、
前記光変調手段（ＳＬＭ）は反射型若しくは半透過型であり、かつ、切り替え可能な二次光源のライン構造により放射される光を平行化すると共にその光を平面導波路（ｐＷＧ）へ、直接又は角度選択性の偏向要素を通じて結合させる、ライン状光コリメーション手段（ＬＣＵ）により前記照明装置（ＦＬＵ）が設計されると共に補完される、
ことを特徴とする請求項４１に記載のホログラフィックディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明装置、拡大部及び光変調器を有するホログラフィックディスプレイに関する。本ホログラフィックディスプレイは、２次元と３次元との少なくともいずれかの画像情報を提示するために使用される。
【背景技術】
【０００２】
大画面ホログラフィックディスプレイを実現する際に直面する以下の２つの主要な問題が存在する。
【０００３】
−例えば２４インチの対角寸法を有する大面積光変調器がホログラムを符号化するために使用される場合、この光変調器の広い面積は十分にコヒーレントな光で均一に照明される必要がある。
【０００４】
−それに対して、小型光変調器が投影構成と組み合わされる場合、装置が同様に２４インチの画面サイズを有し、かつレンズ及びミラー等の従来の光学手段が使用される場合、装置の奥行きが１ｍを上回る。
【０００５】
可能な限り平面的な大型照明装置を用いることで第１の問題は解決可能であるはずである。第２の問題は、照明装置と光変調器との少なくともいずれかを拡大するために従来の光学手段以外の手段を使用する場合にのみ解決可能である。
【０００６】
ホログラフィック投影ディスプレイは、例えば特許文献１において開示されている。当該文献において、ホログラムが符号化される小面積で高解像度の光変調器は、レンズ及びミラーの配置を活用して、画面として使用されるレンズ又は凹面ミラー上に拡大結像され、その画面とその画面のフーリエ面内に位置するビューウィンドウとの間に広がる空間内において再構成される。ホログラムがその画面上に拡大して結像されるため、当該構成は、再構成空間が同様に拡大されることにより従来のホログラフィック構成より非常に大きいオブジェクトを再構成できるという利点を有する。しかし、これは、光学構成がかなり大型であり特に軸方向に長く、奥行きがあるため、ホログラフィックデスクトップディスプレとして使用できないという欠点を伴う。
【０００７】
特許文献２で開示される投影ディスプレイにおいて、小型光変調器は相対的に小型の照明装置により照明され、軸外に配置されたホログラフィックミラー要素を用いて画面上に拡大されて投影される。当該構成の利点は、システム全体の軸寸法が斜めの光路により縮小されることである。しかし、本構成は、ホログラフィックデスクトップディスプレイとして使用するには依然として大きすぎる。
【０００８】
特許文献３において、光偏向のための１次元格子と２次元格子とを組み合わせた平面投影ディスプレイが開示される。ビデオ投影器の虚像は、１つの方向において棒状格子体を介して誘導され、その後、第１の方向に対して垂直な第２の方向において板状格子体を介して誘導される。１つの実施形態において、複数の格子は、ディスプレイの表面に対して４５°の角度で積層され、かつ各々が入射方向に対して直角に光を偏向するガラスの帯で作成される。しかし、光変調器の画像はそれにより拡大されるのではなく増加され、法線方向において板状格子体の表面を見る観察者は全く同一の変調器の画像の２次元構成を見る。しかし、そのような構成で、光変調器の符号化面が実際に拡大されるホログラフィック投影ディスプレイを実現することはできない。
【０００９】
特許文献４において、例えば光変調器により放射された矩形断面を有する平行光線束は２つの垂直方向に拡張され、鏡のように反射しない１次元表面及び鏡のように反射しない２次元表面に小さい角度で順次入射する。２次元拡張は平坦な「かすり」入射により達成され、表面は、この場合は入射方向に対して垂直である所望の方向に光束を反射するようなテクスチャを有する。これは、２次元回折格子又はホログラフィック表面格子を使用して実現される。その構成において、入射光波動場の断面積は実際に拡大されるが、光線束が回折格子により反射される際の光線束の定義された振幅及び位相の変調については言及されていない。しかし、これは３次元シーンのホログラフィック再構成においては不可欠である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２００６／１１９７６０Ａ２号
【特許文献２】米国特許出願公開第２００７／２５２９５６Ａ号明細書
【特許文献３】国際公開第ＷＯ２００２／０８２１６８Ａ号
【特許文献４】国際公開第ＷＯ２００２／０３１４０５Ａ号
【特許文献５】国際公開第ＷＯ２００６／０６６９１９Ａ１号
【特許文献６】国際公開第ＷＯ２００４／０４４６５９Ａ２号
【特許文献７】国際公開第ＷＯ２００４／１０９３８０号
【特許文献８】国際公開第ＷＯ２０１０／０６６７００号
【特許文献９】国際出願第ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５８６２５号
【特許文献１０】国際出願第ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５８６２６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、本発明の目的は、最小限の数の一次光源のみを含み、可能な限り小さい奥行きを有しながら可能な限り大きい面積を有する照明装置を有する、ホログラフィックディスプレイを提供することである。本発明のさらなる目的は、装置の奥行きを大幅に大きくすることなく、ホログラムとして符号化された可能な限り小型の光変調器を、十分な大きさに拡大することである。いずれの場合も、照明装置により放射された平面波の角度スペクトル及びそれらのコヒーレンス特性は、オブジェクトのホログラフィック表現又はホログラフィックと立体の複合表現の条件を満たす。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的は、請求項１の特徴により本発明に従って解決される。本発明のさらなる好適な実施形態及びそれに関連する説明は、従属請求項において定義される。
【００１３】
本発明に係るホログラフィックディスプレイは、照明装置、拡大部及び光変調器を備える。照明装置は、少なくとも１つの光源及び光コリメーション部を備える。光コリメーション部は、少なくとも１つの光源により放射された光を平行光とし、かつ光源により放射された光の、指定可能な平面波の角度スペクトルを有する光波動場を生成するように設計される。拡大部は、光の伝播方向で見て光コリメーション部の下流に配置される。拡大部は、光波動場と体積ホログラム（ＶＨ）との透過相互作用により光波動場のアナモルフィックな拡張を実現するように設計及び配置される透過型体積ホログラムを備える。ここで、光コリメーション部及び拡大部は、ホログラフィック、立体又は裸眼立体ディスプレイにおいて、各々がそれ自体に対して使用されるのが好ましい。光コリメーション部及び拡大部は、その場合はコリメーション及び拡大モジュールとして、本発明に係るそのようなディスプレイに対する拡張された平行な光波動場を提供する。本発明の文脈において、アナモルフィックな拡張は、中間光学像の提供を伴わない入射光束又は光波動場の光束の拡張又は拡大を特に意味する。
【００１４】
ホログラム情報を符号化するための光変調器は、光の伝播方向に見てアナモルフィック拡大部の上流又は下流に配置される。
【００１５】
光コリメーション部から射出する光波動場は、７０°以上であるべき指定可能な入射角度で体積ホログラムに入射する。その場合、入射角度は体積ホログラムの面法線に関係し、体積ホログラムの前方及び後方の光学媒体の起こり得る屈折率の差を考慮する。
【００１６】
体積ホログラムの厚さは、光波動場が波動ベクトルの角度分布を示し、かつ光波動場の波動ベクトルの角度分布の最大偏差が少なくとも１つの方向において１／２０°の値を超えないように選択される。波動ベクトルは光波動場の波の伝播方向を表現する。
【００１７】
光変調器上の２つの定義された点の間における拡大された光波動場の光束の光路長差は、光の所定のコヒーレンス長において光変調器の符号化面上で所定の値を超えない。これは、例えばサブホログラムと一致する光変調器の所定のサブ領域を通過する２つの任意の光束の間の光路長差が、これらの光束が依然として干渉を発生することができるほどに十分に小さいものとすることを意味する。サブホログラムの定義は、特許文献５において説明される。その限りにおいて、使用される光のそのように定義されたコヒーレンス長を用いて、ディスプレイを用いて観察者に対して３次元シーンをホログラムとして提示することができるように、特許文献５に基づくそのディスプレイにおいて増加的及び減殺的干渉が依然として可能であることが確認される。
【００１８】
拡大部は、さらに、光の伝播方向において下流に配置されるさらなる体積ホログラムを備えうる。なお、拡大部の体積ホログラムは光が２つの異なる方向に偏向されるように設計及び配置され、光変調器は光の伝播方向に見てさらなる体積ホログラムの上流又は下流に配置される。本実施形態によると、第１の体積ホログラムは、光コリメーション部により平行にされた光波動場を第１の方向において拡張又は拡大するために使用される。第１の体積ホログラムの下流に配置されるさらなる（すなわち、第２の）体積ホログラムは、第１の体積ホログラムにより第１の方向において拡大された光波動場を第２の方向において拡張又は拡大するために使用される。それにより、例えば、好ましくは、１つの一次光源のみが広い面積又は領域をほぼ均一に照明でき、好ましくは、拡大部は非常に小さいスペースをとる。
【００１９】
２つの体積ホログラムは、２つのほぼ垂直な方向においてアナモルフィックに、すなわち各方向において異なる拡大倍率を用いて、平面波の定義された角度スペクトルを有する光波動場を拡張するように構成される。
【００２０】
使用される体積ホログラムは軸外体積ホログラムであるのが好ましく、その場合、物体光及び参照光は同一軸上に存在しない。
【００２１】
レーザ、レーザダイオード、ＬＥＤ又はＯＬＥＤが光源として使用されうる。
【００２２】
複数の光源の発光又は光は、ビームコンバイナにより組み合わされて共通光ファイバに射出されてもよい。単一の光源のみが使用される場合、その光は光ファイバを介して光コリメーション部に誘導されてもよい。
【００２３】
平行な光波動場を生成するために使用される一次コリメーションレンズが、光ファイバの光射出点の下流に配置されてもよい。この平行な光波動場は、例えば立体ディスプレイを照明するために使用されてもよい。
【００２４】
さらに、一次コリメーションレンズの光の伝播方向における後方に体積ホログラムの形態の角度フィルタが配置されてもよい。その厚さは、光波動場が波動ベクトルの角度分布を示すと共に、光波動場の波動ベクトルの角度分布の最大偏差が少なくとも１つの方向において例えば１／２０°である指定可能な値を超えないように、選択される。これにより、光コリメーション部において、事前に少なくとも１つの方向における平面波の角度スペクトルを指定可能な角度範囲に限定でき、所望の光束の拡張又は光束の偏向の効果のみを考慮して光コリメーション部の下流に配置される体積ホログラムの厚さを定めることができる。
【００２５】
平行な光波動場は、光コリメーション部の第１のマイクロレンズアレイを照明してもよい。
【００２６】
散乱装置が第１のマイクロレンズアレイの焦点面に配置されてもよく、そこから光は散乱装置のすぐ下流に位置する第１の開口絞りに伝播し、それぞれの横方向範囲に関して指定可能なコヒーレンス特性を有する光波動場の平面波の角度スペクトルを生成するために、第１の開口絞りの開口部は非対称な横方向範囲を有する。これは、ディスプレイのホログラフィック及び立体の複合した符号化の場合に特に重要であり、光波動場は、ホログラフィック符号化の方向において十分なコヒーレンスであるが、立体符号化の方向において十分なインコヒーレンスを示す必要がある。
【００２７】
光コリメーション部の第１の開口絞りの開口部は、発光が一方の方向においてほぼインコヒーレントである一方で他方の方向において十分にコヒーレントであるように、光波動場のコヒーレンス特性が２つの方向において異なるように寸法を決められる。一般に、発光のコヒーレンスの度合は大きくなると、各方向における開口部が小さくなる。
【００２８】
第２のマイクロレンズアレイは、第１の開口絞りの開口部が対応するマイクロレンズの後焦点と一致するように、光の伝播方向において第１の開口絞りの下流に構成されるのが好ましい。従って、第２のマイクロレンズアレイは平面波の角度スペクトルを有するセグメント化された光波動場を生成し、ホログラフィック符号を担持する後続の光変調器はこの光波動場により、直接又は光波動場の横方向の拡大後に、照明される。
【００２９】
２つのさらなる開口絞りが第１の開口絞りと第２のマイクロレンズアレイとの間に配置されるのが好ましく、前記さらなる開口絞りは、第１の開口絞りの二次光源の光がそれに割り当てられたマイクロレンズと異なるマイクロレンズに伝播する（照明のクロストーク）のを防止するために使用される。
【００３０】
光変調器は、透過型、反射型又は半透過型である。
【００３１】
照明装置は、光変調器の有効範囲をほぼ均一に照明するように設計され、かつそのように寸法を決められる。
【００３２】
しかし、光波が体積ホログラムにより回折される際に、例えば体積ホログラムにより回折される際の光コリメーション部の平面波の角度スペクトルの変化が、光コリメーション部のパラメータの選択時に考慮される必要があるように、光波動場の角度スペクトルは変更される。例えば、倍率１０のアナモルフィックな拡張により、平面波の角度スペクトルは当該方向において平均で同一の倍率で減少される。従って、少なくとも１つの体積ホログラムの下流において光波動場の平面波の指定可能な角度スペクトルを生成するために、光コリメーション部の少なくとも１つのパラメータは変更可能であることが必要でありうる。これは、例えば光コリメーション部の各光学構成要素の制御又は手動調節、又は特定のアプリケーションに対する光コリメーション部の適切な設計により達成されうる。
【００３３】
また一方、ディスプレイを見る観察者に対する発光の外乱部分又は回折次数を抑制するために、少なくとも１つの体積ホログラムの角度フィルタリング効果を使用することも同時に可能である。これは、高次回折又は不要な回折次数が抑制又は削除される必要があるため、特許文献５で説明されるように、ホログラフィックディスプレイにおいて特に有用である。
【００３４】
さらに、拡張要素の機能に加えて視野レンズの機能を有するように複数の体積ホログラムのうちの１つを設計することができる。そのような視野レンズの機能により、実際又は仮想の光源は、特許文献５において説明されるように、ホログラフィックディスプレイにおいて光源の像面に結像されうる。
【００３５】
本発明は、特許文献５又は特許文献６で説明されるようなホログラフィックディスプレイにおいて適用されるのが特に好ましい。これにより、ホログラフィックディスプレイの平面的で省スペースの設計が可能になる。
【００３６】
例えば２４０ｆｐｓ（フレーム／秒）以上の非常に高いフレームレートを用いる場合、個々の領域セグメントがオンにされ、かつ互いに独立して時間変調されうることにより、例えば所望の調節値又は設定値（例えば、液晶位相変調器の切り替え動作における位相平坦域）に到達した光変調器上の領域のみが照明されるように、照明装置を設計するのが有利である。この動作モードを走査とも呼ぶ。
【００３７】
このために、水平又は垂直方向に延在する複数の帯（ストリップ）形セグメントがシャッタにおいて有効にされ、後方に配置される光変調器上の帯形領域が任意に照明される場合に、そのシャッタが光コリメーション部の第１のマイクロレンズアレイの上流（光の伝播方向において）に配置されるようにホログラフィックディスプレイの照明装置が変更されることは意味がある。
【００３８】
その場合、光変調器の走査照明の１つの実現例のオプションは、例えば、光変調器の平面において垂直に延在し、かつ光変調器のエッジとその中心との間で水平又は垂直方向に順次移動される照明光の帯形セグメントを常に２つずつオンに切り替えることである。
【００３９】
しかし、光の制御のためにシャッタを使用することは、一度にシャッタ要素のごく一部のみがオンに切り替えられ、すなわち透過性になるため、光出力損失を伴うという欠点を有する。
【００４０】
大面積走査照明装置を実現する別の可能な方法は、２つの体積格子の組み合わせにより小型の平面光コリメーション部により放射されるセグメント化された平面波動場を２つの垂直方向において拡大するのではなく、２次元拡大効果を有する第２の体積格子のみを使用し、線（ライン）構造を有する光コリメーション部によりそれを照明することである。その場合、ラインは、互いに独立して切り替え可能な少なくとも２つの光源を有し、少なくとも２つのコリメーティング屈折レンズを出口に有し、これらのラインは、後方に配置される２次元拡大部の表面全体を照明するように、そのような拡大部のエッジに沿って並べて配置される。体積格子は、平坦な角度で入射する光束が体積格子の表面に対してほぼ垂直に射出するように光束を回折する。
【００４１】
ライン状の光コリメーション部の出口付近に形成される照明面は、ガラス等の屈折性材料で作成され、２次元体積格子がこの入射面に対してほぼ垂直な射出面に接続される、ウェッジ形光導波路装置の入射面をさらに照明してもよい。
【００４２】
屈折性材料で作成されるウェッジ形光導波路装置の代わりに光学媒体又は空気を提供せずに、ライン状光コリメーション部により放射される照明光が２次元体積格子又は２次元体積格子を担持する材料に直接入射することも可能である。
【００４３】
この構成は、光コリメーション部により放射されるセグメント化された平面波動場を拡大し、それを後続の光変調器の表面に方向付ける。
【００４４】
光コリメーション部内の並べて配置されるラインの数及び各ラインにおける互いに独立して切り替え可能な光源の数に応じて、そのように形成された照明装置は独立して切り替え可能な照明セグメントのマトリクスを有する。
【００４５】
しかし、例えば特許文献７で説明されるように、そのように形成された照明装置の各セグメントが専用の光源により照明され、かつ切り替えられる場合、この解決策はかなり非効率である。
【００４６】
使用可能な光パワーの利用を向上し、かつさらには可能な限り少ない一次光源を用いて動作するために、例えばカスケード状の光導波路又はスイッチのシステムを介して非常に小数の光源の光を制御及び分散することは意味がある。
【００４７】
能動光学スイッチが電圧印加時に例えば光を１つの光ファイバから別の光ファイバに切り替えることができる。複数のそのような分岐が例えば木構造で一列に接続される場合、単一の一次光源は、Ｎをカスケードの数としたときに、２からＮの累乗個の切り替え可能な二次光源の電力を生成できる。
【００４８】
この点に関する１つの実現例のオプションは、光コリメーション部の第１のマイクロレンズアレイの上流に位置する一次コリメーションレンズアレイの選択されたレンズが、そのような切り替え可能な光ファイバ光導波路のカスケードにより照明されることでありうる。
【００４９】
光コリメーション部の第１のマイクロレンズアレイの上流に位置する一次コリメーションレンズアレイの選択されたレンズを照明するさらなる可能な方法は、実際の構成に従って、１つ以上の一次コリメーションレンズを照明する多モード光ファイバの端部に受動光射出点を提供することである。
【００５０】
しかし、このオプションは、個々の二次光源を能動的に制御できずに、１つの一次光源の光が複数の二次光源に分散されることを意味する。
【００５１】
光ファイバ光導波路及びスイッチに加えて、光源の下流に配置される一次コリメーションレンズと光コリメーション部の第１のマイクロレンズアレイとの間に配置される２つの切り替え可能なＬＣベースの回折格子の組み合わせを使用して光コリメーション部の第１のマイクロレンズアレイの選択されたセグメントを照明するために、液晶格子等の偏光要素をさらに使用することができる。その場合、例えば帯形セグメントの強度も局所的に変更可能である。
【００５２】
切り替え可能な回折格子の組み合わせにより生成される照明領域は、体積格子に基づく拡大部の入射面をさらに直接照明でき、体積格子により拡大されうる。主な利点は、光吸収シャッタが不要なことである。
【００５３】
そのような格子の組み合わせは、例えば、偏向角度が格子定数により制御可能であり表面に直角に入射する光束が特定の角度で回折格子から射出する第１の回折格子と、この光束が再度ほぼ直角に格子の表面から射出するように光束を偏向して方向付ける第２の制御可能な回折格子とを備えてもよい。その場合、光束の横方向オフセットの量は、偏向角度及び２つの回折格子の間の距離により定められる。
【００５４】
走査ステップが一般に離散的であるため、ＬＣ格子の代わりに、ＰＤＬＣ体積格子又は偏光格子を偏光のための切り替え可能な回折格子として使用することができ、切り替え可能な遅延板と組み合わせることができる。切り替え可能な遅延板は、光束の偏光を能動的に切り替えるために使用される。従って、例えば１組の偏光切り替え偏光格子を使用することも可能であり、その場合、格子は正及び負の１次回折において同一の強度を示す。
【００５５】
指定可能な一連の固定走査ステップに対して、角度感知（angle-sensitive）体積格子と関連して角度分割多重化を使用することもでき、その場合、第１の回折格子は切り替え可能型であり、第２の回折格子は、光コリメーション部の第１のマイクロレンズアレイの上流に配置されると共に、少なくとも１つの光周波数に対する指定可能な偏向角度が固定的に形成された回折構造により実現される、角度感知体積格子の形態で設計される。２つの格子のうちの第１の格子は、例えば切り替え可能なＰＤＬＣ格子スタックであってもよい。
【００５６】
ここで、第１の格子又は格子スタックは、一次コリメーションレンズにより平行光にされる入射光束の能動的な角度偏向を実現し、光束は、入射角度に依存して受動角度感知体積格子により横方向にオフセットされ、かつ光軸に対して平行になるように方向付けられる。
【００５７】
光は、空間分割多重化を用いて排他的に偏向することができ、その場合、第１の回折格子は切り替え可能型であり、第２の回折格子は、光コリメーション部の第１のマイクロレンズアレイの上流に配置されると共に、複数の帯形セグメントを含む体積格子の形態で設計される。また、帯形セグメントは、光軸までの距離が増加するにつれて増大する角度で入射する光が、光軸に対して平行な方向に回折されるように作成される。これは、このオプションを用いる場合に第２の格子の各帯形セグメントが光軸に対して斜めに入射する光束を光軸に対して再度平行になるように方向付けるために、固定的に形成された偏向角度を実現することを意味する。この格子は、入射光束の伝播方向が影響を受けないように、例えば回折格子が全く形成されない領域を中央にさらに有してもよい。
【００５８】
構成の光軸に対して平行に延在する光路に加えて、光軸に対して斜めに又は非対称に延在する光路を実現することがさらに可能である。このためには、例えば、１次回折以上の高次回折のみが光路のさらに下流において使用されるものとする場合に格子の０次回折を除去するために、軸外光路をさらに実現することができるように、光源の一次コリメーションレンズと光コリメーション部の第１のマイクロレンズアレイとの間に配置される回折格子を設計することが必要である。
【００５９】
光源の一次コリメーションレンズと光コリメーション部の第１のマイクロレンズアレイとの間に配置される回折格子は、光コリメーション部の第１のマイクロレンズアレイ上の特定の領域が水平及び／又は垂直方向において切り替え可能な方法で照明されるようにさらに設計されてもよい。このようにして、後続の光変調器の２つの異なる方向に方向付けられる照明、すなわち２次元走査照明を実現することができる。
【００６０】
光コリメーション部の第１のマイクロレンズアレイが、大面積コリメーションレンズと組み合わされた単一の光源ではなく、コリメーションレンズアレイと組み合わされた複数の光源により照明される場合、特殊な問題が存在するだろう。この場合の問題は、レンズのエッジにおける回折により生じる照明の平面波の拡張された角度スペクトルであり、それにより補償するためのさらなる手段が必要となる。
【００６１】
光コリメーション部の第１のマイクロレンズアレイのレンズは、例えば、角度スペクトルが１つの方向において約１／２０°の角度偏差を示し、かつ垂直方向において約１°の角度偏差を示すセグメント化された平面波により照明される。平面波の角度スペクトルのこの制限は、例えば１次元水平又は垂直ホログラフィック符号化法を利用するホログラフィックディスプレイにおいて必要となりうる。
【００６２】
この場合、１つの解決策は、例えば、波動場のさらなる角度フィルタリングを実現することであり、この場合、コリメーションレンズアレイのレンズのエッジにおける回折による平面波の角度スペクトルの拡張を防止するために、光の伝播方向において後方に角度フィルタリングのための２つの体積格子の組み合わせが配置される。
【００６３】
平面波の角度スペクトルの角度フィルタリングのための体積格子の組み合わせは、広い角度選択性及び格子の面法線から遠ざける大きい回折角を有する第１の薄い体積格子と、平面波の所定の角度スペクトルの領域に入射する光束が格子の面法線に沿ってほぼ回折されると共に、平面波の角度スペクトルの外側を伝播する光束が回折されずに伝送されるように設計される狭い角度選択性を有する第２の厚い体積格子とを備える。
【００６４】
少なくとも１つの方向において１／２０°以下に制限される平面波の角度スペクトルを有し、かつ多数の光源とコリメーティングレンズアレイとを備える照明装置は、直視型ディスプレイに対してこのように作成可能である。
【００６５】
２つの垂直方向における平面波の角度スペクトルの角度フィルタリングを実現できるように、体積格子の第１の組み合わせに対して９０°回転された体積格子の第２の組み合わせを体積格子の第１の組み合わせの下流に配置することができる。
【００６６】
透過型光変調器（バックライト部ＢＬＵ）に対する照明装置は一般に、反射型光変調器（フロントライト部ＦＬＵ）を照明するようにさらに変更可能である。
【００６７】
例えば、光の伝播方向において２次元体積格子の下流に配置される遅延板、特にλ／４板により、拡大部として大面積体積格子を有する照明装置を補完できる。例えば水平方向の直線偏光がこのλ／４板に入射する場合、これは円偏光となって板から射出する。光路において下流に配置される反射型光変調器は、変調された円偏光をλ／４板に向けて反射し、この板を再度通過した後、光は垂直偏光を示す。ここで、この垂直偏光は、妨害されることなく、かつ最初の水平偏光と干渉することなく体積格子を通過し、体積格子の前方に位置する観察者により知覚される。
【００６８】
一方の照明光と他方の反射された変調光との偏光についての分離に加えて、それらを分離する別の方法が存在し、それは、すなわち光変調器の表面全体を範囲に含み、かつ光変調器を照明するために光をさらに結合出力する平面導波路に適切な光源により放射された光を射出する体積回折格子等の偏光要素の角度選択性を利用することである。
【００６９】
例えば十分に厚い透過型体積格子が使用され、かつ光変調器が十分に傾いた角度、すなわち、例えば５°で照明される場合、変調光が反射型光変調器から戻ってくる際に体積格子の「オフブラッグ」照明が存在し、光変調器を照明するために使用されるこの体積格子は回折機能を有さない。従って、光変調器により反射及び変調された光は妨害されずに観察者に伝播しうる。
【００７０】
本発明の教示を実現及び延長するための多くの可能な方法が存在する。このために、一方で請求項１に続く従属請求項が参照され、他方で添付の図面を含む本発明の好適な実施形態の以下の説明が参照される。一般に、教示の好適な物理的形態及び延長は、本発明の好適な実施形態の説明及び添付の図面と関連して説明される。図面は概略図である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】波動場を２つの方向において順次拡張する２つの透過型体積格子の前方に光コリメーション部を備える照明装置を示す図。
【図２】図１の光コリメーション部を示す側面図。
【図３】照明装置における２つの透過型体積格子を使用する２つの垂直方向における２重光束拡張の原理を示す図。
【図４】図３に示す実施形態により実現されるそれぞれ１０倍にされる２重光束拡張を示す図。
【図５】ホログラフィック軸外レンズの平面における水平方向に１０倍にされる光変調器（ＳＬＭ、左側）のアナモルフィックな拡大を示す図。
【図６】透過型体積格子の形態で設計される軸外視野レンズを使用して、１つの方向において１０倍にアナモルフィックに拡大される反射型光変調器（基板に配置される下方のＳＬＭ）を有する構成を示す上面図。
【図７】構成を通過後の符号化面上の種々の点における光束の光路長差が異なる濃淡で示される光変調器の符号化面の拡大を示す図。
【図８】ライン状光コリメーション部の単一のセルの設計を示す図。
【図９】二列のコリメーティング屈折レンズを備える光コリメーション部を有する平面照明装置のさらなる一実施形態を示す図（左側：側面図、右側：３つの二重レンズのみを示す斜視図）。
【図１０】二列のコリメーティング屈折レンズを備える光コリメーション部を有する平面照明装置のさらなる一実施形態を示す図（左側：側面図、右側：光コリメーション部の２つのラインのみを示す正面図）。
【図１１】縞状に分割されるシャッタを有し、かつ光コリメーション部の下流で生じる波動場のアナモルフィックな拡大を実現する走査照明装置のさらなる一実施形態を示す図。
【図１２】一次光源により放射された光を２つの光ファイバの間で切り替える能動光学スイッチを示す図。
【図１３】光ファイバスイッチのカスケードを使用してコリメーションレンズアレイの選択されたレンズを照明できるようにする光コリメーション部の一実施形態を示す図。
【図１４】多モードファイバの端部における受動光射出点を示す図。
【図１５】２つのＬＣ格子を使用してコリメーションレンズアレイの選択された領域を照明できるようにする光コリメーション部のさらなる一実施形態を示す図。
【図１６】図１５に従う２つのＬＣ格子を使用して、帯形の照明領域を有し、かつ後方に構成される図１１に従う拡大部の入射面を直接照明できるようにする光コリメーション部を有する走査照明装置の一実施形態を示す図。
【図１７】２つの体積格子ＶＧ１及びＶＧ２の組み合わせの角度フィルタリング効果を示す図。
【図１８Ａ】光ファイバスイッチを使用して反射型光変調器に対する照明装置のコリメーション放物面鏡アレイの選択された放物面鏡を照明できるようにする光コリメーション部のさらなる一実施形態を示す図。
【図１８Ｂ】図１８Ａに従って、体積格子を介して光を平面導波路に射出するライン状光コリメーション部の実施形態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００７２】
全ての図面において、同一又は同等の部分は同様の図中符号で示される。
【００７３】
図１は、ホログラフィックディスプレイの照明装置の一実施形態を示し、当該照明装置は、光波動場を２つの異なる方向において順次拡張する２つの透過型体積格子の前方に光コリメーション部を備える。この場合、２つのマイクロレンズアレイを備える光コリメーション部は小型であるのが好ましい。
【００７４】
光波動場はアナモルフィックに拡張される。すなわち、拡大倍率は２つの異なる方向で異なる。
【００７５】
電力（Ｐ）及び波長（λ）が安定化されたレーザダイオードｓＬＤにより放射された光は、屈折率分布型レンズ（gradient-index lens）ＧＲＩＮＣＬを介して光ファイバＯＦに結合される。
【００７６】
光ファイバの端部により放射される発散光は光コリメーション部により平行光にされ、すなわち、平面波に形成される。これは、光線がこの平行化により平行に方向付けられることを意味する。光コリメーション部は一次コリメーションレンズｐＣＬを備える。
【００７７】
光コリメーション部ＬＣＵの第１のマイクロレンズアレイｆＭＬは、このマイクロレンズアレイｆＭＬに入射する光を個々のマイクロレンズの焦点面において集光して二次光源ｓＬＳのアレイを生成する。
【００７８】
第１のマイクロレンズアレイｆＭＬのマイクロレンズの焦点面に配置される散乱板ｓＰＳにより、光の位相を空間内に統計的に散乱させることができる。この散乱面ｓＰＳ（図１を参照）は、例えば（例えば、１つ以上の圧電性結晶により）機械移動される散乱板ｓＰＳでありうる。
【００７９】
二次光源の平面における統計的な時間的可変空間位相変調は、ホログラムが１次元符号化される場合に光変調器上にインコヒーレント方向における被照明範囲（スイートスポットと呼ばれる）を生成可能とするために必要である。
【００８０】
開口絞りＡＳ（ｓＬＳ）は、散乱板ｓＰＳの平面の下流に配置され、二次光源ｓＬＳの空間範囲を限定するために使用される。１次元符号化法が使用される場合、十分な空間コヒーレンスが１つの方向において保証される必要がある。これは、統計的に位相変動する光源のサイズを制御することにより達成される。第２のコヒーレント方向は、二次光源の小さい空間範囲により特徴付けられる。従って、第２のコリメーティングマイクロレンズアレイｃＭＬの下流に０．５°及び１／６０°の角度範囲の平面波の角度スペクトルを作成するために、開口絞りＡＳ（ｓＬＳ）の開口部は極めて非対称であり、例えば、インコヒーレント方向において１５μｍであり、かつ、コヒーレント方向において０．５μｍである。
【００８１】
２つの開口絞りａＡＳ１及びａＡＳ２は、二次光源のアレイとして使用される開口絞りＡＳ（ｓＬＳ）と二次光源ｓＬＳを平行光化するマイクロレンズアレイｃＭＬとの間に配置され、照明のクロストークを防止するため、すなわち、二次光源の光が隣接するマイクロレンズ、すなわちその光に割り当てられたマイクロレンズ以外のマイクロレンズに到達することを防止するために使用される。
【００８２】
図２は、図１の光コリメーション部ＬＣＵの左側面図を示す。本例において、一次光源は色ＲＧＢを表す３つのレーザダイオードＲ、Ｇ、Ｂを有し、それらの赤色、緑色及び青色の発光は光ファイバＯＦにおいて組み合わされる。
【００８３】
図２において、図中符号は以下の要素を示す。Ｒ：赤色レーザダイオード、Ｇ：緑色レーザダイオード、Ｂ：青色レーザダイオード、ｐＬＳ：一次光源、ＹＪ１及びＹＪ２：Ｙ接合点１及び２、ＯＦ：光ファイバ、ｃｐＬＳ（ＲＧＢ）：組み合わされた一次光源（赤色、緑色、青色）、ｐＣＬ：一次コリメーションレンズ、ｃＷＦ：平行波面、ｆＭＬＡ：集光マイクロレンズアレイ、ｓＰＳ＋ＰＺＴ：統計的位相散乱及び圧電並進（piezo translation）素子、ＡＳ（ｓＬＳ）：（二次光源の有効範囲を定義する）開口絞り、ＡＳ（ｉｃｔ）１＋２：照明のクロストークを回避するための開口絞り１及び２、ｃＭＬＡ：コリメーティングマイクロレンズアレイ、ｓｃＷＦ：セグメント化された平行波面。
【００８４】
図３は、照明装置における、体積格子の形態の２つの透過型格子を使用する、２つの異なる（本例では垂直）方向における２重光束拡張の原理を示す図である。ＬＣＵから射出した光波動場は、第１の透過型体積ホログラムＶＨ１により偏向及び拡張される。その後、この光波動場は、第２の透過型体積ホログラムＶＨ２により再度偏向及び拡張される。
【００８５】
図１に示す実施形態において、光コリメーション部は光路ＳＧにおいてこれらの２つの格子の上流に配置される。
【００８６】
拡大部の体積ホログラムは、好ましくは、例えば適切な厚さを有する、相応に感光性を得た感光性材料の現場露光により製造されうる。このように、照明装置において存在する実際の収差をこれらの体積ホログラムにより補償することができる。
【００８７】
図４は、図３に示すように光コリメーション部の下流に配置される２つの透過型体積格子ＶＨ１及びＶＨ２を使用して、どのようにセグメント化された平行波面の波動場が２つの方向においてそれぞれ１０倍に順次拡張されるかを示す。
【００８８】
光コリメーション部ＬＣＵの下流に存在するセグメント化された平行波面ｓｃＷＦの平面波の角度スペクトルは、２つの体積ホログラム又は格子における回折により変更される。格子の下流における信号波の個々のｍ次回折の角度θsは、以下のように計算される：
0005918758.tif 000002
ここで、Λは波長であり、ｎは屈折率であり、Λxは体積格子の表面における周期であり、θRは再構成された光束の角度、すなわち照明光束が体積格子に入射するラジアン角度である。象限１、２、３及び４に対する角度の符号規約は、＋、＋、−及び−である。
【００８９】
ａｒｃｓｉｎ（ｘ）は、以下のように導出される：
0005918758.tif 000003
この場合、ｄθs／ｄθRは、次式で求められる：
0005918758.tif 000004
【００９０】
平面波の角度スペクトルＰＷＳの目標角度範囲は、コヒーレント方向において１／６０°であり、インコヒーレント方向において０．５°である。ｔａｎ（０．５°）×１０００ｍｍ＝８．７３ｍｍと仮定すると、±０．２５°の平面波の角度スペクトルは、ディスプレイに対して１ｍの距離に９ｍｍ幅のスイートスポットを作成するのに十分であると言うことができる。照明の平面波の角度スペクトルは、ディスプレイの下流に構成される観察者追跡のための偏向部（例えば、特許文献５を参照）により更に拡張されるため、過度に広い角度が選択されるべきではない。そのような偏向部は、例えば特許文献８又は特許文献９において説明されている。
【００９１】
観察者追跡のための偏向角度が３０°以上である場合、大きい偏向角度でも人間の眼の角度分解能の限界（約１／６０°）を超えないことを保証するために、例えば偏向部の上流における平面波の角度スペクトルはコヒーレント方向においても１／６０°未満であり例えばわずか１／１００°と小さい角度が選択されうる。
【００９２】
しかし、式（３）によると、図３及び図１に示す体積格子において、角度は０．１倍に減少する。これは、θR0＝８４．２６°及びθS0＝０°において、すなわち設計上の幾何学的配置において±０．２５°の平面波の角度スペクトルが存在する場合、これが格子の下流で±０．０２５°の平面波の角度スペクトルに変換されるであろうことを意味する。幾何学的配置が逆である場合、倍率は１０になるだろう。
【００９３】
従って、光コリメーション部の平面波の角度スペクトルは、光変調器の１次元符号化に対して±１／１２°及び±２．５°である。この種の符号化を用いて、３次元シーンは、１つの方向においてホログラムとして、そして、垂直方向において立体的に符号化又は生成される。ホログラフィック符号化の方向に依存して、これを水平視差のみ（ＨＰＯ）又は垂直視差のみ（ＶＰＯ）型符号化と呼ぶ。
【００９４】
照明のコヒーレンス特性が関与しない単独の立体符号化の場合、３°以下の角度範囲が水平方向と垂直方向との少なくともいずれかにおいて確実に許容されるために、１°より非常に小さい特定の角度範囲に照明の平面波の角度スペクトルを制限することは無意味である。
【００９５】
更なる実施形態において示すように、上記の説明は、特にホログラフィックディスプレイであるディスプレイの光変調器の符号化面の拡大の達成に更に適用されてもよい。この場合、ホログラフィックディスプレイにおいて使用される光学構成要素の数を最小限にできるのが好ましい。それに加えて、少なくとも１つの方向において光変調器のサイズを最小化することが更に好ましい（図５を参照）。
【００９６】
このために、例えば１次元符号化されたホログラフィックディスプレイの光変調器の好ましくはインコヒーレント方向において、アナモルフィックな拡大を達成するために、例えば軸外視野レンズの形態で設計される体積格子を使用できる。
【００９７】
１つの方向におけるアナモルフィックな拡大は、高さがディスプレイと同一であるが幅がディスプレイの１／１０しかない反射型光変調器を使用できるという利点を有する。これを図５に示す。
【００９８】
透過型体積格子の形態で実現される軸外レンズを使用して拡大が達成されることにより、ディスプレイ内の構成要素の数は減少する。レンズは、１つの方向において角度フィルタの効果を有してもよい。これは、光変調器をディスプレイの下端に取り付けられうることを意味し、体積格子は、格子に入射する波面からコヒーレント方向における仮想ビューウィンドウ（例えば、特許文献５におけるビューウィンドウＶＷ）の角度を切り取ることができ、視野レンズの機能において当該角度のみを観察者に向けて回折することができる。これは、図６に示す図がホログラフィックディスプレイの側面図でもあることを意味する。
【００９９】
図６に、光コリメーション部を簡略に示す。開口部及び分散板（例えば、図２を参照）を使用して光変調器ＳＬＭを照明するために必要とされるセグメント化された平面波動場を生成するために、このコリメーション部は示される一次光源ｐＬＳ及び一次コリメーションレンズｐＣＬに加えて、例えば２つのマイクロレンズアレイを備える。
【０１００】
移動する観察者の眼に対して波面を追跡する（観察者追跡）ための偏向部（不図示）は視野レンズＶＨ２の下流に配置されてもよく、これは小型で平面的な設計を保証するための重要な構成要素である。これは、例えば特許文献９において説明されるように、局所的に異なる偏向角度を実現する、２つの交差する可変制御可能な回折格子でありうる。
【０１０１】
ホログラフィックディスプレイＨＤの照明装置の小型設計を図１に示す。結果として、２つのマイクロレンズアレイｆＭＬＡ及びｃＭＬＡを備える光コリメーション部ＬＣＵのサイズは非常に小さい。図１に示す実施形態は、ディスプレイとほぼ同じサイズ又は外側寸法を有し、かつ拡大部ＶＥの下流に配置される光変調器（不図示）を照明することを元々は意図した。しかし、更なる一実施形態によると、これは光変調器をアナモルフィックに拡大するためにも使用可能である。これは望遠鏡の設計と同様に行われ、例えば１０倍の光束拡張を実現する。従って、望遠鏡の嵩張る設計を大幅に最小化することができる。これは、ここで透過型体積ホログラムＶＨ１、ＶＨ２の形態のみで設計される格子を使用する光束拡張の手法に結果的に従うことにより、しかしながら本発明の普遍性を制限すると解釈されることなく、達成可能である。原理を図３に示す。
【０１０２】
光変調器は図３の拡大部ＶＥの上流に配置されてもよく、反射型又は透過型のいずれであってもよい。しかし、反射型の構成が好ましい。そのような光変調器は、例えばシリコン上液晶（ＬＣｏＳ、liquid crystal on silicon）素子又は例えばデジタルマイクロミラー装置（ＤＭＤ）である微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の形態で設計される。光コリメーション部ＬＣＵ及び光変調器は異なる色又は光周波数の各々に対して提供されてもよく、それらは、適切な光束結合要素（例えば、カラーＣＣＤカメラにおけるビームスプリッタ板と同等であるが反対方向に延在するＸキューブ）と組み合わされてもよく、図３に示す実施形態に結合されてもよい。
【０１０３】
このために、本発明によれば、そのような一実施形態において、光路ＳＧにおいて拡大部ＶＥとして使用される２つの体積格子ＶＨ１、ＶＨ２の上流に配置される光コリメーション部ＬＣＵだけではなく、光変調器も２つの体積格子ＶＨ１、ＶＨ２の上流に同様に配置される。この場合、光変調器は図２の光コリメーション部ＬＣＵの下流であるが図３の２つの体積格子ＶＨ１、ＶＨ２の上流に配置される。
【０１０４】
この場合、１６（水平）：９（垂直）のアスペクト比を有する２４インチディスプレイの光変調器は、５３０ｍｍ×３００ｍｍではなく５３ｍｍ×３０ｍｍのサイズを有する。小型光変調器は反射モードで実行可能である。（ｄをＳＭＬの厚さとする場合に）応答時間はτ〜ｄ2であるため、反射モードでの動作によりフレームレートを約４倍に増加できる。更に、電子制御要素（バックプレーン）は透過型に作成される必要がない。
【０１０５】
図４は、セグメント化された平行波面の波動場が図１に示すように光コリメーション部ＬＣＵの下流に配置される２つの透過型体積格子ＶＨ１及びＶＨ２を使用して２つの方向においてどのように順次拡張又は拡大されるかを示す。この２重光束拡張の原理は、ディスプレイにおいて非常に小型の光コリメーション部ＬＣＵだけではなく、非常に小型の光変調器ＳＬＭも使用できるようにするために利用されうる。その場合、光変調器ＳＬＭは反射型であってもよい。有効面が小さい光変調器は、有効面が大きい光変調器より非常に安価である。
【０１０６】
光の伝播方向において光変調器の下流に配置される２つの体積格子ＶＨ１及びＶＨ２は、照明装置（バックライト部）ＢＬＵと同様に角度フィルタリングに使用可能である。これは、平面波の角度スペクトルがコヒーレント方向において最大±１／２０°に制限されると共にインコヒーレント方向において最大±１／２°に制限されるように、体積格子ＶＨ１及びＶＨ２の厚さが選択されるべきことを意味する。光変調器ＳＬＭの拡大された光波動場ｓＷＦは、例えば体積格子ＶＨ１及びＶＨ２の実際の設計に依存して、第２の２次元体積格子ＶＨ２に対して斜めに空間中に構成されうる。しかし、例えば特許文献５において説明されるホログラフィックディスプレイにおいて、表されるべき３次元シーンの個々の点は、異なる深さ領域におけるホログラフィック符号化により生成されうる。この限りにおいて、３次元シーンが表される場合、２つの体積格子ＶＨ１及びＶＨ２により拡大される光波動場の可能な傾きは、第２の体積格子ＶＨ２に対してそれ相応に異なる距離においてシーンの個々の点を作成することにより考慮されうる。
【０１０７】
２つの体積格子ＶＨ１及びＶＨ２により拡大される光波動場ｓＷＦの傾きＳＬＷＦは、体積格子ＶＨ１及びＶＨ２を通過する際の光束の光路長が異なるため生じる。２つの方向において拡大される光変調器ＳＬＭに対して、これを図７に示す。光変調器ＳＬＭの拡大された符号化面は、個々の点を通過する光束の光路長差を示し、これを正面図（図７において右側）の異なる濃淡により示す。この差は、明度が最も異なる２つの対角部、すなわち左下隅と右上隅との間で最大である。ディスプレイにより再構成される３次元シーンの深さを符号化する場合、これを考慮する必要がある。
【０１０８】
光路長差により生じる別の要件は、照明装置により放射される光束のコヒーレンス長に関する。例えばサブホログラムの点を表すことができる（特許文献５を参照）光変調器の拡大された符号化面上の２つの個別の点における光路長が異なるため、光のコヒーレンス長は、これらの光束が依然として干渉を発生させられるように、これらの点の間の最大可能光路長差より大きい必要がある。符号化面が例えばサブホログラムと一致しうる（図７において四角形の形態で示すような）サブ領域に分割される場合、コヒーレンス長は、干渉がサブホログラムの全範囲にわたり依然として発生するように、光路長差が最も大きい対角線上で対向する２つの隅点の間の光路長差より大きい必要がある。上述のように、後方に構成される、例えば観察者追跡のための光学構成要素により、光路長差が更に拡大されうることを更に考慮する必要がある。
【０１０９】
光変調器及び光束結合装置が拡大部ＶＥの上流に配置される場合、例えば特許文献１０において説明されると共に例えば「光波多重化手段」と呼ばれる、光束結合装置の表面積も好ましくは非常に小さくなりうる。代替的に、同様の効果を有する役目をするであろう、寸法が相対的に小さい複屈折方解石板を使用できる。
【０１１０】
体積格子ＶＨ１及びＶＨ２の角度フィルタリング機能により、例えば開口部における回折又は光コリメーション部におけるクロストークにより生じる、外乱放射角度が観察者の眼に向けて伝播することは防止されうる。従って、体積格子ＶＨ２の角度選択性は、実際のアプリケーションに適合するように選択されるべきである。
【０１１１】
仮想ビューウィンドウＶＷの角度範囲は、符号化された波動場から特に切り取られてもよい。これは、符号化された波動関数の平滑化に対応し、仮想ビューウィンドウＶＷの近傍で発生する回折次数が抑制又は回避されるように最適化されうる。その場合、光変調器ＳＬＭは、コヒーレント方向において１／６０°の角度範囲を超えない光の平面波の角度スペクトルで照明されるべきである。しかし、角度範囲は光変調器ＳＬＭの下流において±３°と大きくてもよい。
【０１１２】
図１及び図６に示す実施形態に係る照明装置は、例えば反射型光変調器を照明するために使用されるいわゆるフロントライトの形態で設計され、かつ使用されてもよい。照明装置により放射され光変調器に入射する光の偏光は、光変調器により反射された光がほぼ偏向されずに照明装置を通過して観察者に向けて伝播するように、また、照明装置に再入射しないように、例えば遅延板を使用して変更される。そのような遅延板は適切な方法で設計されるべきであり、照明装置と光変調器との間に配置されるべきである。遅延板を使用する代わりに、照明光が光変調器により反射される際に照明光自体に反映されないように、照明光が照明装置から射出されることにより、例えば光が光変調器の面法線に対して５°の角度で照明装置から射出される場合、照明光が光変調器による反射後に照明装置に再入射することは防止されうる。照明装置の体積格子は、これのために、相応に設計される必要があるだろう。この場合、光変調器により反射された光は、体積格子又は体積ホログラムの指定可能な角度選択性により照明装置の体積格子に「会う」ことがないため、ほぼ偏向されずに照明装置を通過する。
【０１１３】
例えば２４０ｆｐｓ（フレーム／秒）以上の非常に高いフレームレートを用いる場合、例えば所望の調節値又は設定値（例えば、ＬＣ切り替え動作における位相平坦域）に到達した後方に構成される光変調器上の領域のみが照明されるように、個々の領域セグメントがオンにされ、かつ互いに独立して時間変調されうるように照明装置を設計するのが有利である。
【０１１４】
大面積走査照明装置を実現する１つの可能な方法は、小型光コリメーション部により放射されるセグメント化された平面波動場を２つの体積格子の組み合わせにより２つの垂直方向において拡大するのではなく、第２の２次元拡大体積格子のみを使用して、後続の構成においてそのエッジの１つ、すなわち光が格子に入射するエッジに沿って、互いに独立して切り替え可能な少なくとも２つの光源を備えると共にエッジの幅全体にわたり体積格子の表面全体を照明する少なくとも２つのコリメーティング屈折レンズを出口に備える非常に多くの線状光コリメーション部を配置することである。２次元体積格子による拡大後、その総数がコリメーションラインの数とライン当りの切り替え可能な光源数との積である独立して切り替え可能な照明セグメントの、アレイが作成される。
【０１１５】
そのような光コリメーション部の個々のラインを図８に示す。図８において、図中符号は以下の意味を有する。ＬＳ：光源、ｓＰＳ：統計的位相散乱要素、ＦＬ：集光レンズ、ＡＳ（ｓＬＳ）：開口絞り（二次光源）、Ｂ：基板、ａＡＳ１：アポダイズされた開口絞り１、ａＡＳ２：アポダイズされた開口絞り２、ＣＬ：コリメーションレンズ。
【０１１６】
線状光コリメーション部の出口付近に形成される照明面は、ガラス等の屈折性材料で作成され、この入射面に対してほぼ垂直な射出面に２次元体積格子が接続される、ウェッジ形光導波路装置の入射面を更に照明することができる。そのような光導波路装置を図９に従う実施形態により説明し、図中符号ＬＥで示す。
【０１１７】
屈折性材料で作成されるウェッジ形光導波路装置ＬＥの代わりに光学媒体又は光学的大気を提供せずに、線状光コリメーション部により放射される照明光が平面体積格子又は２次元体積格子を担持する材料に直接入射することも可能である。
【０１１８】
二列のコリメーティング屈折レンズを備える平面照明装置の図９に示す実施形態は、単一の光源又は二次光源である光導波路の出力結合点を制御するという特徴に基づく。例えば５ｍｍ幅の縞は水平方向において互いに独立して照明される。光コリメーション部の出口に存在する各レンズは、例えば光源としてレーザダイオードＬＤを割り当てられうる。二重レンズにより平行光とされる２つのレーザダイオードがオンに切り替えられる場合、例えば図１０の領域１１及び１２であるレンズの幅を有する垂直縞がほぼ均一に照明されるだろう。また一方、これらの領域を個別にオン及びオフに切り替えることもできる。
【０１１９】
図１０では、互いに独立して制御され、すなわち照明されうる照明装置上の個々の領域に番号が付与されている。照明装置は、垂直方向において２つの領域に分割され、水平方向において多くの領域（例えば、図１０において４０個）に分割される。図１０に示す構成は、タイル状の照明装置の多くのサブ領域のうちの１つとして見ることもできる。例えば、２つのそのようなサブ領域がそれらの離れた端部において結合される場合、垂直方向に４つのセグメントが存在することになる。ここで、ディスプレイ平面又はそのすぐ近傍の平面、すなわちディスプレイ平面から＋１０ｍｍ〜−２０ｍｍの深さに存在する平面が高輝度面として示される場合、照明されない部分の間隙幅は観察者により知覚されえないように１００μｍ以下である。
【０１２０】
走査照明装置の別の実施形態によると、縞状にセグメント化されるシャッタは、光コリメーション部の下流における波動場のアナモルフィックな拡大の原理に従って動作する照明装置（図１１を参照）の小型光コリメーション部の第１のマイクロレンズアレイの上流に配置され、垂直又は水平方向に延在する複数の帯形セグメントの透過性を制御できる。本構成の利点は、帯形シャッタの外乱回折部分が開口絞り（二次光源）ＡＳ（ｓＬＳ）により空間的にフィルタリングされ、すなわち遮断されることである。
【０１２１】
例えば５ｍｍ×５ｍｍの開口部を有するマイクロレンズを用いる場合、Ｄｘ、Ｄｙ＝０．１ｍｍの帯形シャッタのセグメントの調整許容範囲は重要ではない。
【０１２２】
走査方向に依存して、帯形シャッタのレンズセグメントは、垂直縞を生成するために水平に構成されるか又は水平縞を生成するために垂直に構成される。
【０１２３】
好適な一実施形態は、ディスプレイ平面、すなわち光変調器の平面に存在する２つの照明される垂直又は水平に延在する縞を有し、当該縞は、光変調器のエッジとその中心との間で水平又は垂直方向に順次移動可能である（図１１を参照）。光源は、例えば時間の３％オンにされる。
【０１２４】
しかし、シャッタの使用はレーザ出力の低下を伴う。図１１に示す実施形態において、シャッタの表面の２０％のみが透過する。更に、ワイヤグリッド偏光子ＷＧＰが使用されない場合、透過率は７０％未満である。これは、８５％を上回る光がシャッタ平面において吸収されることを意味する。
【０１２５】
吸収損失は、光ファイバスイッチと関連して光導波路を使用することにより最小限にされうる。１つの可能性は、切り替え可能な光ファイバ光源のカスケードにより光コリメーション部の第１のマイクロレンズアレイの上流に配置される一次コリメーションレンズアレイの選択されたレンズを照明することである。例えば、図１２に示すようなファイバスイッチは２つの出口の間で可変に５００ｍＷを各色に切り替えられうることが可能である。
【０１２６】
図１３は、コリメーションレンズアレイＣＬＡの選択されたレンズが照明されることを可能とする光コリメーション部における光ファイバスイッチｆｏＳのカスケードを示す。コリメーションレンズアレイＣＬＡは、円柱レンズ又は矩形口径を有するレンズを備えてもよい。円柱レンズが使用される場合、光源の像は、円柱レンズ全体を照明するようにＣＬＡの上流で１つの方向に拡張される必要がある。このために、例えば１対１６の比率の受動ファイバ光スプリッタを使用できる。図示する構成は、一次光源ｐＬＳにより放射された光を２つの平面に可変に分割することに更に適用可能である。
【０１２７】
図１４は、光コリメーション部の第１のマイクロレンズアレイの上流に配置される一次コリメーションレンズアレイの指定可能なレンズを照明するための多モード光ファイバの端部における受動光射出点を示す。レンズＬは、例えば図１３の第１のマイクロレンズアレイｆＭＬＡの上流に位置する。この構成を使用して、図１３に示す光コリメーション部の長さを大幅に減少することができる。
【０１２８】
共通波長を有するように複数のレーザを安定化することがかなり困難であるため、一次光源の数は可能な限り小数に維持されるべきである。共通波長を発生させる１つの可能な方法は、結合共振器を使用することである。また一方、各色に対して１つの一次光源を使用することは好適な実施形態である。
【０１２９】
走査照明装置内のシャッタにより生じる吸収損失を最小限にするために、光ファイバスイッチの使用に加えて、照明装置の選択された縞を照明するために液晶格子等の光回折偏向部を使用できる。光源の下流に位置する一次コリメーションレンズと第１のマイクロレンズアレイとの間に配置される２つの切り替え可能なＬＣ回折格子の組み合わせにより、光コリメーション部の第１のマイクロレンズアレイの選択されたセグメントが照明されうる場合について、これを図１５に示す。
【０１３０】
ＬＣ格子は更に、複数の縞、すなわちコリメーションレンズアレイの３つ以上のセグメントを同時に照明することを可能とする。更に、強度は縞内で局所的に変更されうる。
【０１３１】
走査ステップが離散的であるため、走査照明装置における吸収損失を最小限にするために、照明装置の選択されたセグメントを照明するために切り替え可能なＰＤＬＣ体積格子を更に使用できる。
【０１３２】
更に、偏光面の向きを変更する切り替え可能な遅延板と組み合わされる偏光格子も使用可能である。また更に、例えば１組の偏光切り替え偏光格子を使用でき、格子は正及び負の１次回折において同一の強度を示す。
【０１３３】
また更に、吸収損失の最小化は、角度分割多重体積格子を使用することにより達成されうる。走査ステップが離散的かつ指定可能であるため、角度分割多重化は、走査照明装置を実現するために角度選択体積格子と関連して使用可能である。
【０１３４】
図１５の第１の回折格子は切り替え可能型であり、光コリメーション部の第１のマイクロレンズアレイの上流に配置される第２の回折格子は、例えば角度選択体積格子の形態で提供可能であり、この角度選択体積格子は、固定的に形成された回折構造を使用して少なくとも１つの光波長に対する必要な偏向角度を実現するために使用される。
【０１３５】
図１５の第１の回折格子は、切り替え可能なＰＤＬＣ格子スタックの形態で更に設計可能であり、この場合、光コリメーション部の第１のマイクロレンズアレイの上流に配置される図１５の第２の格子は、構成から光軸までの距離が増加するにつれて増大する角度で格子に入射する光が光軸に対して平行な方向に再度回折されるように設計される必要な偏向配列を示す、体積格子の形態で設計される。
【０１３６】
回折配列は、排他的に空間分割多重化されうる。これは、図１５の第２の格子が、異なる光学特性を有する回折格子と共に例えば空間的に分離された１０個の帯形セグメントを有する単なる体積格子でありうることを意味し、当該回折格子は、波長ＲＧＢに依存して、光軸までの距離が増加するにつれて増大する傾いた角度で入射する光を光軸に対して平行になるように回折する。この格子は、入射光が回折されずに透過されるように、例えば体積格子が全く形成されない縞を中央に更に有しうる。
【０１３７】
図１５に示す例の場合のように、光軸に対称に延在する光コリメーション部内の光路に加えて、光コリメーション部の光軸に対して斜めに存在する対称軸を用いて斜光路が同様に実現されうる。そのような軸外構成において、光軸に対して平行に延在する光路から遠ざかるように誘導されるため、当該構成において使用される格子の０次回折の強度は重要でない。
【０１３８】
例えば、図１５に示す動作原理は、格子の第１の構成と同一の設計を有するが第１の構成に対して９０°回転される格子の第２の構成が第１の構成の下流に配置される２Ｄ走査にも拡張可能である。更に、特にＬＣ格子又は２Ｄ走査に拡張される光コリメーション部を同様に用いて、局所調光が可能である。光ファイバスイッチがＬＣ格子より非常に高速で動作するため、光ファイバスイッチを使用する構成は、走査及び局所調光が組み合わされるアプリケーションにおいて、より長い予備応答時間を有する。
【０１３９】
好適な一実施形態によると、２つの回折格子Ｇ１及びＧ２を使用して下流に配置される光コリメーション部のコリメーションレンズアレイの選択された領域が照明されるようにする図１５に示す構成は、光コリメーション部の出口で生じる波動場を後方においてアナモルフィックに拡大する走査照明装置の図１１に示す構成の光コリメーション部の代わりに更に使用可能である。これを図１６に示す。
【０１４０】
走査照明装置の本実施形態の主な利点は、帯形の照明領域を生成するために光吸収シャッタを必要としないため発光効率が高いことである。図１６を参照すると、２つの制御可能な回折格子Ｇ１及びＧ２により生成される帯形の照明領域は、下流に配置され、かつ回折格子ＶＧ１及びＶＧ２を備える拡大部により直接拡大される。個々の構成要素を示すために使用される図中符号は、図１１及び図１５と基本的に同一である。図中符号ｍ１及びｍ−１は、光の伝播方向に見て第１の制御可能な回折格子Ｇ１の１次回折及び対称的な−１次回折に関し、これらは、図１６に示すように第２の回折格子Ｇ２の下流で３つの色ＲＧＢに対する帯形の照明領域ｔ（ｘ，ｙ，ＲＧＢ）として発生し、その後に拡大される。
【０１４１】
一次レーザ光源により放射されるエネルギーの効率的使用を可能にするここに示す照明装置に対する走査及び調光の解決策は、非常に広範な可能な方法の例にすぎない。
【０１４２】
例えば平面波の角度スペクトルの特定の角度許容範囲に適合する必要のある裸眼立体及びホログラフィック３Ｄディスプレイにおいて、必要に応じて、光回折体積格子は、好ましくは、光の偏向に加えて照明の平面波の角度スペクトルのフィルタリングに更に使用されることができる。
【０１４３】
ここでの開始点は、走査照明装置の射出面等のディスプレイのサイズを有する被照明範囲である。
【０１４４】
光源は、例えば二次光源に対する出力結合点を有するファイバマトリクスであってもよい。ファイバマトリクスと出力結合点の少なくともいずれかは、個別にオン及びオフに切り替え可能な少なくとも２つの領域が形成されるように光の射出が制御可能であるように設計されてもよい。領域間の遷移は、観察者にちらつく感覚を与えないために使用される、時間的に平滑化された強度遷移の形態で更に設計されうる。
【０１４５】
ファイバマトリクスから射出する光束は一次レンズアレイにより平行光にされる。ファイバマトリクスの出力結合点の横方向の範囲は、レンズを透過後に平面波の角度スペクトルが１つの方向において例えば１／２０°であり、かつ垂直方向において約１°であるように、レンズアレイのコリメーションレンズのサイズに適合される。これは、考慮される方向において同一数のレンズの開口を用いて、個々の二次光源の幅は高さの２０倍であることを意味する。従って、ファイバマトリクスの二次光源は棒状である。
【０１４６】
図１７は、走査照明装置として動作するそのような照明装置の入射部分を示す。一次光源ＰＬＱにより放射された光は、二次光源ＳＬＱが少なくともグループで切り替え可能であるように多くの切り替え可能なパスに分散される。平行光のセグメントはレンズアレイＬにより放射され、この場合、これらのセグメントの平面波の角度スペクトルは二次光源のサイズにより決定される。平面波の所望の目標角度スペクトルは、下流に配置されるコリメーションレンズアレイのレンズのエッジにおける回折により拡張される。レンズアレイの個々のコリメーションレンズが３ｍｍ×３ｍｍから５ｍｍ×５ｍｍのサイズを有する場合、これは、場合によっては、平面波の所望の角度スペクトルの不要な回折拡張に加えて、この照明装置により照明されるディスプレイ上の輝度変調として更に知覚されうる。
【０１４７】
この問題は、例えば二次光源の光を平行光にするレンズアレイの下流における波動場の角度フィルタリングにより解決されうる。これは、一次コリメーションレンズアレイのレンズのエッジにおける回折による平面波の角度スペクトルの拡張を防止するために、図１７に示すように、光の伝播方向において一次コリメーションレンズの後方に角度フィルタリングのための２つの体積格子の組み合わせを配置することにより達成されうる。第１の回折格子ＶＧ１はかなり薄く（厚さｄは例えば１０μｍ以下である）、従って、広い角度／波長選択性を示す。この場合、「広い」は、体積格子がより広い角度範囲で平面波を回折することを意味する。例えばプラスチック材料又はガラスで作成される第１の体積格子ＶＧ１の再構成配列が０°／−４５°である場合、例えば±４°の平面波の角度スペクトルが総内部反射の角度に対応する角度分回折される。
【０１４８】
第２の体積格子ＶＧ２はかなり厚く、すなわち、その厚さｄは２００μｍ以上である。これはプラスチック材料又はガラスで作成され、例えば−４５°／０°の再構成配列を有する。格子の厚さにより、平面波の所定の角度スペクトルの内側に存在する入射光束のみが構成の光軸に向けて回折され、かつ平面波の角度スペクトルの外側を伝播する光束は回折されずに透過されるような性質の、狭い角度選択性が生じる。このように、レンズのエッジにおける回折により拡張される平面波の角度スペクトルの主要部分は有用な光路の外側に誘導される。従って、平面波の角度スペクトルは第２の体積格子ＶＧ２の下流において所望の形態を有する。
【０１４９】
少なくとも１つの方向において１／２０°以下に制限される平面波の角度スペクトルを有する直視型ディスプレイに対する照明装置は、単一の大面積コリメーションレンズの代わりにコリメーションレンズアレイを使用して、このように作成可能である。
【０１５０】
ここで説明する直視型照明装置は、例えば１次元ホログラフィック符号化法を利用するホログラフィック３Ｄディスプレイにおいて使用可能である。
【０１５１】
２次元ホログラフィック符号化法が使用される場合、上述の手順に従う角度フィルタリングの処理を２度目に実行することができ、その場合、２つの垂直方向における平面波の角度スペクトルの角度フィルタリングのために、体積格子の第１の組み合わせに対して９０°回転される第２の組み合わせが、例えば２つの方向において１／２０°以下の平面波の所望の角度スペクトルを実現するために、第１の組み合わせの下流に配置される。
【０１５２】
上述の透過型光変調器（バックライト部ＢＬＵ）に対する照明装置は、一般に、反射型光変調器（フロントライト部ＦＬＵ）を照明するように更に変更可能である。そのように変更される場合、１つの問題は、反射型光変調器を照明する光と反射型光変調器により反射された変調光とを分離することである。
【０１５３】
第１のオプションは、反射型光変調器を照明する光と当該光変調器により反射された変調光とを偏光の観点で分離することである。例えば、図１１に示す照明装置は、光の伝播方向において２次元体積格子の下流に配置される遅延板、特にλ／４板により補完される（不図示）。例えば水平直線偏光がλ／４板に入射する場合、これは円偏光となって板から射出する。光軸において下流に配置される反射型光変調器（不図示）は、変調された円偏光を再度λ／４板に向けて後方へ反射し、この板を再度通過した後、光は垂直偏光を示す。この時点で、この垂直偏光は妨害されることなく体積格子を通過することができ、体積格子の前方に位置する観察者（不図示）により知覚されることができる。
【０１５４】
変調された反射光から照明光を分離する別の可能な方法は、体積回折格子のような偏光要素の角度選択性を利用することである。対応する構成を図１８Ａに示す。反射型光変調器に対するフロントライト部ＦＬＵの形態の照明装置が示され、そこでは、光ファイバスイッチのカスケードは、コリメーティング放物面鏡アレイＣＰＭＡの選択可能な放物面鏡を照明する。放物面鏡により平行光にされた光は、結合体積格子ｃＶＧを介して平面光導波路ｐＷＧに結合され、その入射面全体にわたり分散される。
【０１５５】
例えば十分に厚い透過型体積格子が使用され、かつ、十分に傾斜した角度、すなわち、例えば５°の角度で光変調器が照明される場合、反射型光変調器から戻ってくる際に体積格子の「オフブラッグ」照明が存在し、光変調器を照明するために使用されるこの体積格子は回折機能を有さない。このように、光変調器に向かう光路及び光変調器から戻る光路は分離される。本方法により、図１８Ａに示す例えばアポクロマート型でありうるλ／４板を使用せずにすむ。λ／４板は、照明光と光変調器により変調された反射光との分離が異なる偏光を使用することにより達成される場合にのみ必要であろう。
【０１５６】
図１８Ｂは、図１８Ａに従って体積格子を介して平面導波路に光を射出するための線状光コリメーション部の更なる実施形態を一定の尺度で示す。個々のオプションにおいて使用される図中符号は以下の意味を有する：
−ＦＬＵ：フロントライト部。
−ＬＣＵ：光コリメーション部。
−オプションＢのＬ：レンズ、（上述のような）従来の平行光化。
−オプションＣのＰＭ：放物面鏡（長さが最短であるオプション）。
−オプションＤのｏａＰＭ：軸外放物面鏡。
−オプションＥのｏａＰＭＰ：軸外放物面鏡プリズム。
【０１５７】
導波路のコアに入射平面波を射出するために使用される入力結合体積格子は、反射型光変調器に対する照明装置の平面導波路の下端に常に収容される。体積格子が十分に厚い場合、角度選択性は、この体積格子を通過する球面光波がほぼ回折されずに透過されるように十分に狭い。これは、光コリメーション部のサイズを最小化するために利用されうる。これを図１８Ａの左側の図に示す。この場合、コリメーティング放物面鏡の行は入力結合格子の下流に配置され、二次光源としてファイバの端部の行から射出する球面波を平行光にするために使用される。入力結合体積格子は、放物面鏡により反射された平面波が平面導波路に結合されるように寸法を決められる。これを図１８Ｂに示す実施形態Ｃに更に示す。この実施形態は、全ての実施形態の中で最短である。
【０１５８】
他の実施形態は、若干多くのスペースを必要とし、レンズを使用する従来の平行光化（オプションＢ）及び軸外に位置する放物面鏡を使用する平行光化（オプションＤ）又は放物面鏡及びプリズムの組み合わせを使用する平行光化（オプションＥ）に関する。
【０１５９】
オプションＥに示す軸外放物面鏡プリズムは、コリメータ及び入力結合プリズムとして同時に使用されるため、平面導波路に光を射出するために体積格子を必要としない。
【０１６０】
本発明は、ここで説明された実施形態に限定されるべきでなく、像生成のためにホログラフィック法、裸眼立体法又はそれらを組み合わせた方法を使用するかに関係なく、少ない奥行きを有する大画面ディスプレイを実現するために広義に使用可能である。
【０１６１】
最後に、上述の実施形態は特許請求の範囲の教示を示すにすぎないと理解されるべきであり、特許請求の範囲の教示はこれらの実施形態に限定されないことを述べる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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