(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被照明領域に向けて入射光を回折する複数の第１要素回折光学素子と、
前記被照明領域に向けて入射光を回折する複数の第２要素回折光学素子と、を備える回折光学素子であって、
複数の第１要素回折光学素子は一定のパターンで規則的に配列され、
複数の第２要素回折光学素子は一定のパターンで規則的に配列され、
前記第２要素回折光学素子は、前記第１要素回折光学素子に含まれる二以上の区域の配置を変更してなる構造を有し、
前記二以上の区域の各々と同一の構成を有する複数の区域を前記回折光学素子内に含み、
同一の構成を有する前記複数の区域のうちの一部の区域は、一定の配置間隔で配置され、
同一の構成を有する前記複数の区域のうちの他の少なくとも一部の区域は、前記一部の区域に対して前記一定の配置間隔とは異なる配置間隔で配置されている、回折光学素子。
【請求項２】
前記第２要素回折光学素子は、前記第１要素回折光学素子を直交する二つの方向において分割することでいくつかの区域に区分けし、前記二以上の区域の配置を変更してなる構造を有する、請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項３】
入れ替えられる前記二以上の区域は、互いに同一の外輪郭を有する、請求項１又は２に記載の回折光学素子。
【請求項４】
入れ替えられる前記二以上の区域は、互いに同一となる正方形形状の外輪郭を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の回折光学素子。
【請求項５】
前記第１要素回折光学素子及び前記第２要素回折光学素子の少なくとも一方が、その周縁の内側に、回折構造が不連続となる境界を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の回折光学素子。
【請求項６】
前記二以上の区域の周縁に前記境界が位置する、請求項５に記載の回折光学素子。
【請求項７】
被照明領域に向けて入射光を回折する回折構造を備え、
前記回折構造は、その周縁の内側に、前記回折構造が不連続となる境界を含み、
前記回折構造は、同一の構成を有した複数の区域を含み、
前記境界は、前記複数の区域のうちの一部の区域の周縁に位置し、前記複数の区域のうちの他の少なくとも一部の区域の周縁に位置していない、回折光学素子。
【請求項８】
前記回折構造は、前記境界によって全周縁を区画された区域を含む、請求項７に記載の回折光学素子。
【請求項９】
前記回折構造は、同一の構成を有した複数の区域を含み、
前記境界は、前記複数の区域の周縁に位置し、
前記複数の区域のうちの一部の区域の周縁における前記境界の配置は、前記複数の区域のうちの他の少なくとも一部の区域の周縁における前記境界の配置と異なる、請求項７又は８に記載の回折光学素子。
【請求項１０】
コヒーレント光源と、
前記コヒーレント光源から射出したコヒーレント光を整形する整形光学系と、
前記整形光学系で整形されたコヒーレント光を、被照明領域に向けて回折する回折光学素子と、
前記被照明領域に重ねて配置され、前記回折光学素子で回折された前記コヒーレント光によって照明される空間光変調器と、を備え、
前記回折光学素子は、同一の構成を有する複数の区域を含み、
前記複数の区域のうちの一部の区域は、一定の配置間隔で配置され、
前記複数の区域のうちの他の少なくとも一部の区域は、前記一部の区域に対して前記一定の配置間隔とは異なる配置間隔で配置されている、投射装置。
【請求項１１】
前記同一の構成とは異なる同一の構成を有する複数の別の区域を含み、
前記複数の別の区域は、一定のピッチで配列されている、請求項１０に記載の投射装置。
【請求項１２】
前記複数の別の区域のうちの一部の区域の周縁の一部上に、回折構造が不連続となる境界が、位置している、請求項１１に記載の投射装置。
【請求項１３】
前記他の少なくとも一部の区域の全周縁に、回折構造が不連続となる境界が、位置している、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の投射装置。
【請求項１４】
コヒーレント光源と、
前記コヒーレント光源から射出したコヒーレント光を整形する整形光学系と、
請求項１〜９のいずれか一項に記載された回折光学素子であって、整形光学系で整形されたコヒーレント光を回折する回折光学素子と、を備える、照明装置。
【請求項１５】
コヒーレント光源と、
前記コヒーレント光源から射出したコヒーレント光を整形する整形光学系と、
請求項１〜９のいずれか一項に記載された回折光学素子であって、整形光学系で整形されたコヒーレント光を回折する回折光学素子と、
前記被照明領域に重ねて配置され、前記回折光学素子で回折された前記コヒーレント光によって照明される空間光変調器と、を備える、投射装置。
【請求項１６】
コヒーレント光源と、
前記コヒーレント光源から射出したコヒーレント光を整形する整形光学系と、
前記整形光学系で整形されたコヒーレント光を被照明領域に向けて回折する回折光学素子と、
前記被照明領域に重ねて配置され、前記回折光学素子で回折された前記コヒーレント光によって照明される空間光変調器と、を備え、
前記回折光学素子は、前記被照明領域に向けて入射光を回折する複数の第１要素回折光学素子と、前記被照明領域に向けて入射光を回折する複数の第２要素回折光学素子と、を備え、
複数の第１要素回折光学素子は一定のパターンで規則的に配列され、
複数の第２要素回折光学素子は一定のパターンで規則的に配列され、
前記第２要素回折光学素子は、前記第１要素回折光学素子に含まれる二以上の区域の配置を変更してなる構造を有する、投射装置。
【請求項１７】
請求項１０〜１３、１５及び１６のいずれか一項に記載の投射装置と、
前記空間光変調器上に得られる変調画像を投射されるスクリーンと、を備える、投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、回折光学素子、照明装置、投射装置、投射型表示装置および要素回折光学素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１（ＪＰ２０１５−１３２７０７Ａ）に開示されているように、光源および回折光学素子を含んだ照明装置が知られている。特許文献１に開示された照明装置では、回折光学素子が光源からの光を回折することで、投影面上に位置する被照明領域を所望のパターンで照明することができる。【０００３】
回折光学素子として、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ：Computer Generated Hologram）が知られている。計算機合成ホログラムは、任意の回折特性を持つ構造をコンピュータ上での計算によって設計することで作製される。一具体例として、被照明領域として照明すべき所望のパターンを点像の集合体と考え、各点像からの発散光と回折光学素子への入射を予定された光とによる干渉パターンを計算し、干渉パターンに対応した構造を作製することで、回折光学素子が得られる。【０００４】
このようにして作製された回折光学素子によって再生される像は、厳密には、各点像を再生する再生像の集合である。回折光学素子は、入射光の位相または振幅を変調する単位ピクセルを多数有している。そして、回折光学素子に含まれる単位ピクセルの配列を微細化し且つ単位ピクセルの数を増やすと、点像を高密度で近接して再生することができる。しかしながら、計算機での計算量等の制約から、点像を高密度で近接して配置することには限界がある。この結果、被照明領域内には点像の配列に対応した明暗が生じてしまい、被照明領域を均一な明るさで照明することができない。【０００５】
本開示は、以上の点を考慮してなされたものであり、被照明領域内における明るさのむらを目立たなくさせることを目的とする。
【発明の開示】
【０００６】
本開示による第１の回折光学素子は、
被照明領域に向けて入射光を回折する第１要素回折光学素子と、
前記被照明領域に向けて入射光を回折する第２要素回折光学素子と、を備え、
前記第２要素回折光学素子は、前記第１要素回折光学素子に含まれる二以上の区域の配置を変更してなる構造を有する。
【０００７】
本開示による第１の回折光学素子において、前記第２要素回折光学素子は、前記第１要素回折光学素子を直交する二つの方向において分割することでいくつかの区域に区分けし、前記二以上の区域の配置を変更してなる構造を有するようにしてもよい。
【０００８】
本開示による第１の回折光学素子において、入れ替えられる前記二以上の区域は、互いに同一の外輪郭を有するようにしてもよい。
【０００９】
本開示による第１の回折光学素子において、入れ替えられる前記二以上の区域は、互いに同一となる正方形形状の外輪郭を有するようにしてもよい。
【００１０】
本開示による第１の第１の回折光学素子において、
前記第１要素回折光学素子及び前記第２要素回折光学素子の少なくとも一方が、その周縁の内側に、前記回折構造が不連続となる境界を含むようにしてもよい。
【００１１】
本開示による第１の第１の回折光学素子において、前記二以上の区域の周縁に前記境界が位置していてもよい。
【００１２】
本開示による第１の第１の回折光学素子において、
前記二以上の区域の各々と同一の構成を有する複数の区域を前記回折光学素子内に含み、
同一の構成を有する前記複数の区域のうちの一部の区域は、一定のピッチで配置され、
同一の構成を有する前記複数の区域のうちの他の少なくとも一部の区域は、前記一部の区域に対して前記一定のピッチとは異なるピッチで配置されていてもよい。
【００１３】
本開示による第２の回折光学素子は、
被照明領域に向けて入射光を回折する回折構造を備え、
前記回折構造は、その周縁の内側に、前記回折構造が不連続となる境界を含む。
【００１４】
本開示による第２の回折光学素子において、前記回折構造は、前記境界によって全周縁を区画された区域を含むようにしてもよい。
【００１５】
本開示による第２の回折光学素子において、
前記回折構造は、同一の構成を有した複数の区域を含み、
前記境界は、前記複数の区域のうちの一部の区域の周縁に位置するようにしてもよい。
【００１６】
本開示による第２の回折光学素子において、
前記回折構造は、同一の構成を有した複数の区域を含み、
前記境界は、前記複数の区域の周縁に位置し、
前記複数の区域のうちの一部の区域の周縁における前記境界の配置は、前記複数の区域のうちの他の少なくとも一部の区域の周縁における前記境界の配置と異なるようにしてもよい。
【００１７】
本開示による第３の回折光学素子は、
被照明領域に向けて入射光を回折する回折光学素子であって、
同一の構成を有する複数の区域を含み、
前記複数の区域のうちの一部の区域は、一定のピッチで配置され、
前記複数の区域のうちの他の少なくとも一部の区域は、前記一部の区域に対して前記一定のピッチとは異なるピッチで配置されている。
【００１８】
本開示による第３の回折光学素子において、
前記同一の構成とは異なる同一の構成を有する複数の別の区域を含み、
前記複数の別の区域は、一定のピッチで配列されていてもよい。
【００１９】
本開示による第３の回折光学素子において、前記複数の別の区域のうちの一部の区域の周縁の一部上に、回折構造が不連続となる境界が、位置していてもよい。
【００２０】
本開示による第１又は第３の回折光学素子において、前記他の少なくとも一部の区域の周縁に、回折構造が不連続となる境界が、位置していてもよい。
【００２１】
本開示による第１又は第３の回折光学素子において、前記他の少なくとも一部の区域の全周縁に、回折構造が不連続となる境界が、位置していてもよい。
【００２２】
本開示による照明装置は、
コヒーレント光源と、
前記コヒーレント光源から射出したコヒーレント光を整形する整形光学系と、
上述した本開示による第１〜第３の回折光学素子のいずれかと、を備える。
【００２３】
本開示による投射装置は、
コヒーレント光源と、
前記コヒーレント光源から射出したコヒーレント光を整形する整形光学系と、
上述した本開示による第１〜第３の回折光学素子のいずれかであって、整形光学系で整形されたコヒーレント光を回折する回折光学素子と、
前記被照明領域に重ねて配置され、前記回折光学素子で回折された前記コヒーレント光によって照明される空間光変調器と、を備える。
【００２４】
本開示による投射型表示装置は、
上述した本開示による投射装置のいずれかであって、整形光学系で整形されたコヒーレント光を回折する回折光学素子と、
前記空間光変調器上に得られる変調画像を投射されるスクリーンと、を備える。
【００２５】
本開示による素回折光学素子の製造方法は、
所望の回折特性を実現するホログラム構造を設計する工程と、
設計された前記ホログラム構造をいくつかの区域に分割し、複数の区域の配置を変更して要素回折光学素子の構造を決定する工程と、を備える。
【００２６】
本開示によれば、被照明領域内における明るさのむらを効果的に目立たなくさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、一実施の形態を説明するための図であって、照明装置、投射装置および投射型表示装置を示す平面図である。
【図２】図２は、図１の照明装置に含まれる回折光学素子の一例を示す平面図である。
【図３】図３は、図２の回折光学素子に含まれる要素回折光学素子の一例を示す平面図である。
【図４】図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
【図５】図５は、反復フーリエ変換法の処理手順の一例を示すフローチャートである。
【図６Ａ】図６Ａは、第１要素回折光学素子の一例を示す平面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａに示された第１要素回折光学素子とともに用いられる第２要素回折光学素子の一例を示す平面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、第１要素回折光学素子の他の例を示す平面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａに示された第１要素回折光学素子とともに用いられる第２要素回折光学素子の一例を示す平面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、第１要素回折光学素子の更に他の例を示す平面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図８Ａに示された第１要素回折光学素子とともに用いられる第２要素回折光学素子の一例を示す平面図である。
【図９】図９は、図８Ａに示された第１要素回折光学素子と図８Ｂに示された第２要素回折光学素子とを含む回折光学素子を示す平面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、第１要素回折光学素子によって照明された被照明領域を示す平面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、第２要素回折光学素子によって照明された被照明領域を示す平面図である。
【図１１】図１１は、第１要素回折光学素子及び第２要素回折光学素子を含む回折光学素子によって照明された被照明領域を示す平面図である。
【図１２】図１２は、照明装置の一変形例を示す斜視図である。
【図１３】図１３は、照明装置の他の変形例を示す斜視図である。
【図１４】図１４は、照明装置の更に他の変形例を示す斜視図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、実際に作製した回折光学素子の複数の区域の分布を説明するための平面図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、実際に作製された図１５Ａの構成を有する回折光学素子の領域Ａａを撮像した画像データである。
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、実際に作製された図１５Ａの構成を有する回折光学素子の領域Ａｂを撮像した画像データである。
【図１５Ｄ】図１５Ｄは、実際に作製された図１５Ａの構成を有する回折光学素子の領域Ａｃを撮像した画像データである。
【図１５Ｅ】図１５Ｅは、実際に作製された図１５Ａの構成を有する回折光学素子の領域Ａｄを撮像した画像データである。
【図１５Ｆ】図１５Ｆは、実際に作製された図１５Ａの構成を有する回折光学素子の領域Ａｅを撮像した画像データである。
【図１５Ｇ】図１５Ｇは、図１５Ａに対応する図であって、回折光学素子を示す平面図である。
【図１５Ｈ】図１５Ｈは、図１５Ａに対応する図であって、回折光学素子を示す平面図である。
【図１６】図１６は、図１３に対応する図であって、照明装置の更に他の変形例を説明するための図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、図３に対応する図であって、要素回折光学素子の外輪郭および区域の区分け方法の変形例を説明するための図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、図３に対応する図であって、要素回折光学素子の外輪郭および区域の区分け方法の変形例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本開示の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。
【００２９】
また、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件並びにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「直交」、「同一」等の用語や、長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。
【００３０】
図１〜図１７Ｂは、一実施の形態およびその変形例を説明するための図である。このうち、図１は照明装置を示す平面図である。また、図２〜図９は照明装置に組み込まれる回折光学素子を説明するための図である。さらに、図１０Ａ〜図１１は、照明装置を用いて、被照射面ＩＰ上の被照明領域ＬＺを照明している状態を示している。
【００３１】
本実施の形態による照明装置２０は、コヒーレント光源２５と、コヒーレント光源２５から射出したコヒーレント光を整形する整形光学系３０と、整形光学系３０で整形されたコヒーレント光を回折する回折光学素子４０と、を有している。回折光学素子４０は、被照明領域ＬＺに向けて入射光を回折する回折構造ＤＳを有している。この照明装置２０は、回折光学素子４０の回折構造ＤＳでコヒーレント光を回折して複数の単位像ＵＩを被照射面ＩＰに照射することで、被照射面ＩＰ上の被照明領域ＬＺを照明する。とりわけ本実施の形態による照明装置２０では、被照明領域ＬＺを一様な明るさで照明するための工夫が成されている。以下、図示された具体例を参照しながら、一実施の形態による照明装置２０について説明していく。
【００３２】
図１に示された例において、照明装置２０は、投射型表示装置１０及び投射装置１５に適用されている。照明装置２０は、空間光変調器５０とともに投射装置１５を構成している。また、投射装置１５は、スクリーン１２とともに投射型表示装置１０を構成する。すなわち、図示された例において、照明装置２０は、空間光変調器５０の入射面を被照明領域ＬＺとして照明する。この例において、被照明領域ＬＺは例えば矩形形状とすることができる。
【００３３】
空間光変調器５０は、被照明領域ＬＺに配置される。そして、空間光変調器５０は、照明装置２０によって照明され、変調画像を形成する。好ましくは、照明装置２０からの光は、被照明領域ＬＺの全域のみを照明する。そして、空間光変調器５０の入射面は、照明装置２０によって光を照射される被照明領域ＬＺと同一の形状および大きさであることが好ましい。この場合、照明装置２０からの光を、変調画像の生成に高い利用効率で利用することができるからである。
【００３４】
空間光変調器５０は、特に制限されることなく、種々の公知の空間光変調器を利用することができる。例えば、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、透過型の液晶マイクロディスプレイや反射型のＬＣｏＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ（登録商標））を、空間光変調器５０として用いることができる。
【００３５】
図１に示された例のように、空間光変調器５０が、透過型の液晶マイクロディスプレイである場合、照明装置２０によって面状に照明される空間光変調器５０が、画素毎にコヒーレント光を選択して透過させることにより、空間光変調器５０をなすディスプレイの画面上に変調画像が形成されるようになる。こうして得られた変調画像は、最終的には、投射光学系１３によって、等倍で或いは変倍されてスクリーン１２へ投射される。これにより、変調画像がスクリーン１２上に等倍で或いは変倍されて表示され、観察者は当該画像を観察することができる。スクリーン１２は、透過型スクリーンとして構成されていてもよいし、反射型スクリーンとして構成されていてもよい。
【００３６】
次に、照明装置２０について説明する。上述したように、照明装置２０は、コヒーレント光源２５、整形光学系３０および回折光学素子４０を有している。また、照明装置２０は、コヒーレント光源２５、整形光学系３０および回折光学素子４０を収容するケーシングを、更に有していてもよい。
【００３７】
コヒーレント光源２５は、波長及び位相が揃ったコヒーレント光を射出することができる。コヒーレント光源２５として、種々の型式の光源を用いることができる。典型的には、コヒーレント光源２５として、レーザー光を発振するレーザー光源を用いることができる。一具体例として、図示されたコヒーレント光源２５は、半導体レーザー光源として構成され、例えば回路基板によって支持される。図１に示された例において、コヒーレント光源２５は、単一の光源を含んでいる。したがって、図示された例では、コヒーレント光源２５から発振されるコヒーレント光の波長域に対応した色で、被照明領域ＬＺ照明する。
【００３８】
ただし、コヒーレント光源２５が複数のコヒーレント光源２５を含み、各コヒーレント光源２５から射出した光が重ね合わされた後、整形光学系３０及び回折光学素子４０に向かうようにしてもよい。また、図１２に示された変形例のように、各コヒーレント光源２５から射出したコヒーレント光が、当該コヒーレント光源２５に対応して設けられた整形光学系３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ及び回折光学素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃを経て、その後に被照明領域ＬＺ上で重ね合わされるようにしてもよい。このような例において、照明装置２０に含まれる複数のコヒーレント光源２５は、同一の波長域のコヒーレント光を射出するようにしてもよいし、互いに異なる波長域のコヒーレント光を射出するようにしてもよい。照明装置２０が同一の波長域の光を射出する複数のコヒーレント光源２５を含むことで、被照射領域ＩＡを明るく照明することが可能となる。
【００３９】
一方、図１２に示す例において、コヒーレント光源２５は、互いに異なる波長域のコヒーレント光を射出する第１コヒーレント光源２５Ａ、第２コヒーレント光源２５Ｂ及び第３コヒーレント光源２５Ｃを有している。各コヒーレント光源２５Ａ〜２５Ｃからのコヒーレント光の射出、より具体的には射出の発停および射出出力を調節することで、被照明領域ＬＺの照明色や明るさを制御するようにしてもよい。
【００４０】
整形光学系３０は、コヒーレント光源２５から射出したコヒーレント光を整形する。言い換えると、整形光学系３０は、コヒーレント光の光軸に直交する断面での形状や、コヒーレント光の光束の立体的な形状を整形する。典型的には、整形光学系３０は、コヒーレント光の光軸に直交する断面でのコヒーレント光の光束断面積を拡大させる。
【００４１】
図示された例において、整形光学系３０は、コヒーレント光源２５から射出したコヒーレント光を拡幅した平行光束に整形する。すなわち、整形光学系３０は、コリメート光学系として機能する。図１に示すように、整形光学系３０は、コヒーレント光の光路に沿った順で、第１レンズ３１及び第２レンズ３２を有している。第１レンズ３１は、コヒーレント光源２５から射出したコヒーレント光を発散光束に整形する。第２レンズ３２は、第１レンズ３１で生成された発散光束を、平行光束に整形し直す。すなわち、第２レンズ３２は、コリメートレンズとして機能する。
【００４２】
整形光学系３０による整形精度を向上させる観点において、整形光学系３０が、少なくとも一つの凹レンズと少なくとも一つの凸レンズとを含んでいることが好ましい。図１に示された例では、第１レンズ３１及び第２レンズ３２の両方が凸レンズとして構成されているが、第１レンズ３１及び第２レンズ３２のいずれか一方を凹レンズとしてもよい。凹レンズ及び凸レンズは、正負が逆のパワーを有していることから、お互いの収差の影響を緩和するようになる。すなわち、凹レンズと凸レンズとを組み合わせることで、レンズで生じる収差の影響を緩和することができる。これにより、被投射領域に対してさらに高精度に光を投射することができる。また、図示された例において、整形光学系３０は、二つのレンズを含んでいるが、この例に限られず、三以上のレンズを含むようにしてもよい。
【００４３】
また、整形光学系３０が凹レンズ及び凸レンズを含むことに代えて、整形光学系３０は、非球面レンズを含むようにしてもよい。正パワーを有した部分および負パワーを有した部分の両方を含む非球面レンズを用いることで、レンズで生じる収差の影響を緩和することができる。これにより、被照射面ＩＰ上の所望の領域に対してさらに高精度に光を投射することが可能となる。
【００４４】
なお、整形光学系３０に含まれるレンズは、当該レンズの光軸方向からの観察において、矩形形状となっていることが好ましい。レンズの不要部分をトリミングすることで、照明装置２０を小型軽量化することができる。
【００４５】
次に、回折光学素子４０について説明する。回折光学素子４０は、コヒーレント光源２５から射出した光に対して回折作用を及ぼす素子である。回折光学素子４０の回折特性は、コヒーレント光源２５からのコヒーレント光を回折して被照射面ＩＰ上の被照明領域ＬＺに向けるように設計されている。したがって、図１に示すように、被照明領域ＬＺは、回折光学素子４０の回折光によって、照明されることになる。
【００４６】
図２に示すように、回折光学素子４０は複数の要素回折光学素子４１を有している。複数の要素回折光学素子４１は、例えば同一平面上に配置される。図示された例においては、各要素回折光学素子４１は、回折光学素子４０を平面分割した一部分をなしている。そして、複数の要素回折光学素子４１は、隙間をあけることなく隣接して配置されている。各要素回折光学素子４１が、コヒーレント光源２５から射出したコヒーレント光に対して回折作用を及ぼすことができる。各要素回折光学素子４１は、コヒーレント光源２５からのコヒーレント光を回折して被照明領域ＬＺに向ける。
【００４７】
本実施の形態において、回折光学素子４０は、複数の要素回折光学素子４１の各々として、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂを含んでいる。第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂは、互いに異なる回折構造を有している。より具体的には、第２要素回折光学素子４１Ｂは、第１要素回折光学素子４１Ａをいくつかの区域に平面分割して複数の区域の配置を、当該区域の向きを変えることなく、入れ替えてなる構造を有する。ただし、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂは、コヒーレント光源２５からのコヒーレント光を回折して同一の被照明領域ＬＺに向ける。そして、第１要素回折光学素子４１Ａで回折されたコヒーレント光と、第２要素回折光学素子４１Ｂで回折されたコヒーレント光は、被照明領域ＬＺにおいて重なる。
【００４８】
図示された例において、第１要素回折光学素子４１Ａは回折光を被照明領域ＬＺ内であって被照明領域ＬＺの全域に照射する。第２要素回折光学素子４１Ｂも、主として、回折光を被照明領域ＬＺの全域を照射するようになる。好ましくは、第２要素回折光学素子４１Ｂも同様に回折光を被照明領域ＬＺ内のみに均一に照射する。また、図２に示された例において、回折光学素子４０は、複数の第１要素回折光学素子４１Ａ及び複数の第２要素回折光学素子４１Ｂを含んでいる。複数の第１要素回折光学素子４１Ａは千鳥配列され、複数の第２要素回折光学素子４１Ｂは千鳥配列されている。第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂは、回折光学素子４０が画成する面に沿った第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２のそれぞれに沿って、交互に配列されている。
【００４９】
なお、図面間での方向関係を明確化するため、いくつかの図面には、第１方向ｄ１、第２方向ｄ２及び第３方向ｄ３を図面間で共通する方向として示している。第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２は、互いに直交している。第３方向ｄ３は、第１方向ｄ１に直交し且つ第２方向ｄ２に直交している。すなわち、第３方向ｄ３は、回折光学素子４０が画成する面に直交している。
【００５０】
要素回折光学素子４１は、典型的には、ホログラム素子である。要素回折光学素子４１としてホログラム素子を用いることで、ホログラム素子の回折特性を設計しやすくなる。予め定めた位置、サイズおよび形状の被照明領域ＬＺの全域のみにコヒーレント光を投射し得るホログラム素子の設計は、比較的容易に行うことができる。
【００５１】
被照明領域ＬＺは、要素回折光学素子４１に対して予め定めた位置に、予め定めたサイズおよび形状を有するよう、例えば角度空間に設定される。被照明領域ＬＺの位置、サイズおよび形状は、要素回折光学素子４１の回折特性に依存しており、要素回折光学素子４１の回折特性を調整することで、被照明領域ＬＺの位置、サイズおよび形状を任意に調整することができる。従って、要素回折光学素子４１を設計する際には、まず被照明領域ＬＺの位置、サイズおよび形状を決定して、決定した被照明領域ＬＺの全域にコヒーレント光を投射できるように、要素回折光学素子４１の回折特性を調整すればよい。
【００５２】
要素回折光学素子４１は、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ：Computer Generated Hologram）として、或いは計算機合成ホログラムを利用して、作製され得る。計算機合成ホログラムは、任意の回折特性を持つ構造をコンピュータ上で計算することによって作製される。したがって、計算機合成ホログラムを利用して要素回折光学素子４１を作製することで、コヒーレント光源や光学系を用いた物体光及び参照光の生成や、露光によるホログラム記録材料への干渉縞の記録を不要とすることができる。照明装置２０は、例えば図１に示すように、要素回折光学素子４１に対して予め定めた位置に、予め定めたサイズおよび形状の被照明領域ＬＺを照明することを想定されている。被照明領域ＬＺに関する情報をパラメータとしてコンピュータに入力することで、この被照明領域ＬＺを照明可能な回折特性を実現するための構造、例えば凹凸面を、コンピュータでの演算によって特定することができる。特定された構造を、例えば樹脂賦型により形成することで、計算機合成ホログラムとしての要素回折光学素子４１を、簡易な手順にて低コストで作製することができる。
【００５３】
回折光学素子４０の要素回折光学素子４１は、図１０Ａ〜図１１に示すように、整形光学系３０からのコヒーレント光を回折して、複数の単位像ＵＩを被照射面ＩＰ上に再生する。被照射面ＩＰ上の被照明領域ＬＺは、複数の単位像ＵＩの集合体によって、照明されることになる。この要素回折光学素子４１は、次のようにして設計される。まず、図１０Ａに示すように、要素回折光学素子４１によってコヒーレント光を照射可能な点像ＰＩを被照射面ＩＰ上に配列してなる点像パターンを設定する。次に、被照射面ＩＰ上に被照明領域ＬＺの形状を設定する。その後、実際にコヒーレント光を照射すべき位置として、被照明領域ＬＺに位置する点像ＰＩを選択する。コヒーレント光を照射されるべき点像は、被照射面ＩＰ上の被照明領域ＬＺ内に敷き詰められている、或いは、分散されている。コヒーレント光を照射されるべき点像の配列パターンの外輪郭が、被照明領域ＬＺの外輪郭に概ね一致するようになる。
【００５４】
次に、要素回折光学素子４１への入射光と、各コヒーレント光を照射されるべき点像から要素回折光学素子４１に向かう発散光と、を設定する。ここで、「要素回折光学素子４１への入射光」は、要素回折光学素子４１が照明装置２０に組み込まれた状態において整形光学系３０から当該要素回折光学素子４１へ入射するようになる光と同一の光路を進む光とする。「各点像から要素回折光学素子４１に向かう発散光」は、照明装置２０の実際の使用時に、要素回折光学素子４１の各位置で回折されて各点像の位置に向かうようになる回折光の光路を逆向きに進んで、点像の位置から要素回折光学素子４１内の各位置へ入射する光とする。その後、要素回折光学素子４１への入射光と各点像から要素回折光学素子４１に向かう発散光とによって形成される要素回折光学素子４１上での干渉パターンを特定し、この干渉パターンに対応した微細構造を作製する。干渉パターンの計算は、「要素回折光学素子４１への入射光」や「各点像から要素回折光学素子４１に向かう発散光」のモデル設計を含め、計算機によって実行され得る。
【００５５】
要素回折光学素子４１は、位相型の回折光学素子であってもよいし、振幅型の回折光学素子であってもよい。更に、要素回折光学素子４１は、図１に示された例において透過型として構成されているが、反射型として構成されてもよい。要素回折光学素子４１が位相型の回折光学素子として構成される場合、要素回折光学素子４１をなす微細構造は、コヒーレント光の入射位置に応じて光路長が変化する凹凸パターン構造や、コヒーレント光の入射位置に応じて屈折率が異なるパターン構造を採用することができる。凹凸パターンからなる微細構造は、フォトリソグラフィー技術を利用した樹脂成形により、量産することができる点において好ましい。また、要素回折光学素子４１が振幅型の回折光学素子として構成される場合、要素回折光学素子４１をなす微細構造は、コヒーレント光の入射位置に応じて透過率が異なる構造を採用することができる。
【００５６】
ここで、図３及び図４を参照して、要素回折光学素子４１の具体例について更に説明する。図３及び図４に示された要素回折光学素子４１は、位相変調型のフーリエ変換ホログラムとして構成されている。位相変調型のフーリエ変換ホログラムは、フーリエ変換像の位相情報を多値化した深さとして媒体、すなわち表面層に記録することで作製される凹凸面を有するホログラムであり、媒体の光路長差に基づく回折現象を利用して再生光から原画像の光像を再生する。すなわち、この要素回折光学素子４１の回折現象を生じさせるための回折構造ＤＳは、凹凸面となっている。
【００５７】
図３は、一つの要素回折光学素子４１を示す平面図である。要素回折光学素子４１は、複数の単位ピクセル４５を有している。単位ピクセル４５は、入射光に及ぼす変調量を調節する最小単位である。図示された位相型の要素回折光学素子４１では、単位ピクセル４５毎に異なる量で入射光の位相を変調させることができる。つまり、図４に示された例では、高さの異なる単位ピクセル４５によって回折構造ＤＳが形成されている。
【００５８】
図４に示された要素回折光学素子４１では、単位ピクセル４５が、第３方向ｄ３に沿って８段階の高さのいずれかに設定されている。したがって、図示された要素回折光学素子４１では、入射光に与える位相変調量を８段階で制御することができる。ただし、単位ピクセル４５の段数は特に限定されるものではない。
【００５９】
多数の単位ピクセル４５に分割された要素回折光学素子４１では、多数の単位ピクセル４５に周期的な構造を付与することで、当該要素回折光学素子４１への入射光を回折することができる。単位ピクセル４５の配列方向に沿った周期構造のピッチをＰ〔ｎｍ〕とし入射光の波長をλ〔ｎｍ〕とすると、要素回折光学素子４１は、次の式で表される回折角度θ〔ｒａｄ〕だけ、入射光の進行方向を曲げて、回折光が進む位置が単位ピクセル４５の配列方向にそってずれるようにすることができる。
Ｓｉｎθ＝λ／Ｐ
【００６０】
この要素回折光学素子４１での最小の回折角度θminは、周期構造のピッチが要素回折光学素子４１の一辺の長さＡ〔ｎｍ〕と等しくなる場合であり、具体的には、Ｓｉｎ−１（λ／Ａ）〔ｒａｄ〕となる。一方、要素回折光学素子４１を連続的に並列配置することを考慮すると、要素回折光学素子４１での周期構造のピッチは、自然数ｋを用いて、Ａ／ｋ〔ｎｍ〕となる。周期構造のピッチがＡ／ｋ〔ｎｍ〕の場合、回折角度θｋは、Ｓｉｎ−１（ｋ×λ／Ａ）〔ｒａｄ〕となる。ここで、「λ／Ａ」が十分に小さい場合、回折角度θｋは、最小の回折角度θminのｋ倍となる。したがって、要素回折光学素子４１が一方向に配列された十分な数の単位ピクセル４５を有する場合、回折角度を一方向に沿って同一角度間隔で量子的に変化させることが可能となる。
【００６１】
ここで、図３に示された要素回折光学素子４１の例において、単位ピクセル４５は、第１方向ｄ１に配列され、また第２方向ｄ２にも配列されている。この要素回折光学素子４１での回折作用により、入射光の進行方向が０次光の進行方向に対して曲げられ、回折光の入射位置を、０次光が入射するべき位置から、第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２のそれぞれにずらすことができる。図１０Ａは、例えば角度空間において、図３に示された要素回折光学素子４１によって照射可能な点像の配列パターンを示す平面図である。図１０Ａに示された例において、第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２に配列された点像ＰＩのうち、被照明領域ＬＺ内に位置する点像ＰＩの位置に単位像ＵＩが再生されている。
【００６２】
なお、要素回折光学素子４１の一辺の長さＷＡは、数μｍ〜数ｍｍとすることができる。例えば、要素回折光学素子４１の平面形状を２ｍｍ四方の正方形とすることができる。単位ピクセル４５の一辺の長さＷＢは、１０ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲にあることが好ましく、５０ｎｍ以上５μｍ以下の範囲にあることがより好ましく、１００ｎｍ以上２μｍ以下の範囲にあることが更に好ましい。また、要素回折光学素子４１をなす凹凸構造の凹凸深さ、すなわち第３方向ｄ３における最大高低差ＨＢは、５０ｎｍ以上２０μｍ以下の範囲にあることが好ましく、８０ｎｍ以上１５μｍ以下の範囲にあることがより好ましく、１００ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲にあることが更に好ましい。
【００６３】
要素回折光学素子４１の設計には、例えば反復フーリエ変換法が用いられる。図５は反復フーリエ変換法の処理手順の一例を示すフローチャートである。図５の処理手順は、被照射面ＩＰ上に得られる回折像をフラウンホーファ回折像として、実施される。
【００６４】
まず、要素回折光学素子４１への入射光の放射強度分布を設定するとともに、ランダムな位相分布を準備する（ステップＳＴ１）。次に、ステップＳＴ１で設定した放射強度分布とランダムな位相分布とを組み合わせた複素振幅分布を生成する（ステップＳＴ２）。その後、得られた複素振幅分布に対して逆フーリエ変換（ＩＦＴ）を施して、被照射面ＩＰ上での複素振幅分布を生成する（ステップＳＴ３）。
【００６５】
得られた複素振幅分布は、ランダムな位相分布を用いて計算されたものであり、当該ランダムな位相分布を反映している。次に、要素回折光学素子４１での回折によって得られるべき放射強度分布に基づき、ステップＳＴ３で得られた被照射面ＩＰ上での複素振幅分布の実部を修正する（ステップＳＴ４）。その後、ステップＳＴ４で実部を修正された複素振幅分布に対してフーリエ変換を施して、要素回折光学素子４１上での複素振幅分布を計算する（ステップＳＴ５）。次に、ステップＳＴ１で設定した要素回折光学素子４１への入射光の放射強度分布に基づき、ステップＳＴ５で得られた要素回折光学素子４１上での複素振幅分布の実部を修正する（ステップＳＴ６）。
【００６６】
その後、ステップＳＴ６で生成した複素振幅分布を用いて、ステップＳＴ３以降の処理を繰り返す。ステップＳＴ３〜ＳＴ６の処理を繰り返すうちに、要素回折光学素子４１上での複素振幅分布の実部が、ステップＳＴ１で設定した放射強度分布に近づいていく。
【００６７】
以上のようにして、所望の回折特性を実現するための要素回折光学素子４１の構造を設計することができる。なお、回折光学素子４０には複数の要素回折光学素子４１が含まれる。複数の要素回折光学素子４１の間での僅かな配置の相違を無視して、複数の要素回折光学素子４１を同一に設計してもよいし、或いは、回折光学素子４０内における複数の要素回折光学素子４１の間での僅かな配置の相違を考慮して、複数の要素回折光学素子４１を別々に設計してもよい。
【００６８】
上述したように、本実施の形態における要素回折光学素子４１は、複数の要素回折光学素子４１の各々として、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂを含んでいる。第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂは、互いに異なる回折構造を有している。より具体的には、第２要素回折光学素子４１Ｂは、第１要素回折光学素子４１Ａをいくつかの区域に平面分割して複数の区域の配置を、当該区域の向きを変えることなく、入れ替えてなる構造を有する。結果として、回折光学素子４０は、一定の構成を有する複数の区域であって、第２要素回折光学素子４１Ｂの配置に応じて配置ピッチが変化する複数の区域を含むようになる。言い換えると、この複数の区域に含まれる一部の区域は、一定の配列ピッチ規則的に配列され、複数の区域に含まれる残りの区域は、前記一部の区域に対して前記一定の配列ピッチとは異なるピッチで配置されている。
【００６９】
ここで、図６Ａ及び図６Ｂは、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂの組み合わせの一例を示している。このうち、図６Ａは第１要素回折光学素子４１Ａを示す平面図であり、図６Ｂは第２要素回折光学素子４１Ｂを示す平面図である。図６Ａ及び図６Ｂに示された例において、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂは、第１方向ｄ１に平面分割され且つ第２方向ｄ２にも平面分割されることで、複数の区域ＳＡ〜ＳＤに区分けされている。図示された例において、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂは、第１方向ｄ１に二分割され且つ第２方向ｄ２に二分割されている。とりわけ図示された例では、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂは、第１方向ｄ１に二等分に分割され且つ第２方向ｄ２に二等分に分割されている。結果として、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂは、同一の平面形状を有する四つの区域ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ，ＳＤに区分けされている。そして、第２要素回折光学素子４１Ｂは、第１要素回折光学素子４１Ａにおける区域ＳＢ及び区域ＳＣの位置を変更してなる構造を有している。
【００７０】
図６Ａ及び図６Ｂに示された例において、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂの間で配置が変更されていない区域ＳＡ，ＳＤは、図２に示された回折光学素子４０内において、同一のピッチで規則的に配列されるようになる。一方、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂの間で、区域ＳＢの配置は変更されている。第１要素回折光学素子４１Ａに含まれる各区域ＳＢは、第２要素回折光学素子４１Ｂに含まれる規則的に配列された複数の区域ＳＢに対して異なるピッチで規則性に従うことなく配置され、第２要素回折光学素子４１Ｂに含まれる各区域ＳＢは、第１要素回折光学素子４１Ａに含まれる規則的に配列された複数の区域ＳＢに対して異なるピッチで規則性に従うことなく配置されている。同様に、第１要素回折光学素子４１Ａに含まれる各区域ＳＣは、第２要素回折光学素子４１Ｂに含まれる規則的に配列された複数の区域ＳＣに対して異なるピッチで規則性に従うことなく配置され、第２要素回折光学素子４１Ｂに含まれる各区域ＳＣは、第１要素回折光学素子４１Ａに含まれる規則的に配列された複数の区域ＳＣに対して異なるピッチで規則性に従うことなく配置されている。
【００７１】
また、図７Ａ及び図７Ｂは、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂの組み合わせの他の例を示している。このうち、図７Ａは第１要素回折光学素子４１Ａを示す平面図であり、図７Ｂは第２要素回折光学素子４１Ｂを示す平面図である。図７Ａ及び図７Ｂに示された例において、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂは、第１方向ｄ１に三分割され且つ第２方向ｄ２にも二分割されることで、六つの区域ＳＥ〜ＳＪに区分けされている。このうち、区域ＳＥ，ＳＧ，ＳＨ，ＳＪは同一形状を有している。そして、第２要素回折光学素子４１Ｂは、第１要素回折光学素子４１Ａと、区域ＳＥ，ＳＧ，ＳＨ，ＳＪの配置位置を異にしている。また、区域ＳＦ，ＳＩは同一形状を有している。そして、第２要素回折光学素子４１Ｂは、第１要素回折光学素子４１Ａと、区域ＳＦ，ＳＩの配置位置を逆にしている。
【００７２】
第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂの一方を、上述してきた通常の回折光学素子として、すなわち計算機合成ホログラムとして設計されたホログラム構造をそのまま有する回折光学素子として、構成することができる。この場合、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂの他方を、計算機合成ホログラムとして設計されたホログラム構造を利用して、作製することができる。すなわち、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂの他方は、所望の回折特性を実現するホログラム構造を設計する工程と、設計されたホログラム構造をいくつかの区域に分割し、このうちの少なく一部の区域の配置を変更して要素回折光学素子の構造を決定する工程と、を経て製造される。或いは、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂの両方を、計算機合成ホログラムとして設計されたホログラム構造を平面分割して且つ少なくとも一部分の区域の配置を変更することで作製してもよい。また、区域に区分けする際、要素回折光学素子４１を第１方向ｄ１への分割数及び第２方向ｄ２ｂへの分割数は、特に限定されない。また、第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２のいずれか一方には複数の区域に区分けされていなくてもよい。
【００７３】
以上のような構成からなる照明装置２０では、コヒーレント光源２５から射出したコヒーレント光が、整形光学系３０で整形される。図示された具体例において、コヒーレント光は、光束断面積を拡大された平行光束に整形される。整形光学系３０で整形されたコヒーレント光は、回折光学素子４０に入射する。コヒーレント光は、入射位置に応じて、回折光学素子４０の第１要素回折光学素子４１Ａまたは第２要素回折光学素子４１Ｂによって回折される。
【００７４】
第１要素回折光学素子４１Ａで回折されたコヒーレント光は、被照射面ＩＰ上の被照明領域ＬＺ内に向かう。第１要素回折光学素子４１Ａで回折されたコヒーレント光は、被照射面ＩＰ上の被照明領域ＬＺ内に想定された点像ＰＩの位置に投射され、単位像ＵＩを再生する。同様に、第２要素回折光学素子４１Ｂで回折されたコヒーレント光は、被照射面ＩＰ上の被照明領域ＬＺ内に向かう。第２要素回折光学素子４１Ｂで回折されたコヒーレント光は、被照射面ＩＰ上の被照明領域ＬＺ内に想定された点像ＰＩの位置に投射され、単位像ＵＩを再生する。すなわち、本実施の形態による照明装置２０では、単位像ＵＩの集合体として、被照射面ＩＰ上の被照明領域ＬＺが所定のパターンにて照明される。
【００７５】
図１に示された例では、被照明領域ＬＺが、空間光変調器５０の入射面によって形成されている。照明装置２０によってコヒーレント光を照射された空間光変調器５０は、変調画像を形成する。変調画像は、投射光学系１３を経てスクリーン１２上に投射される。スクリーン１２上には、観察者によって観察される画像が表示される。
【００７６】
ところで、回折光学素子は、入射光の位相または振幅を変調する複数の単位ピクセルを有している。そして、要素回折光学素子４１の一辺の長さＷＡを大きくすることで、単位像ＵＩの原像となる点像ＰＩを高密度で近接して配置することができる。すなわち、単位像ＵＩを高密度で近接して再生することが可能となる。しかしながら、計算機での計算量、装置サイズ等の制約から、単位ピクセル４５で照明され得る点像ＰＩを高密度で近接して配置することには限界がある。この結果、従来の照明装置では、被照明領域内に単位像の配列に応じた明暗が視認されることがあった。
【００７７】
このような不具合に対処するため、本実施の形態の照明装置２０に含まれる回折光学素子４０は、その一部分として、計算機合成ホログラムとして設計された回折光学素子をいくつかの区域に平面分割し且つ複数の区域の配置を変更してなる構造を有する要素回折光学素子４１を含んでいる。とりわけ回折光学素子４０は、第１要素回折光学素子４１Ａと第２要素回折光学素子４１Ｂを含んでおり、第２要素回折光学素子４１Ｂは、第１要素回折光学素子４１Ａをいくつかの区域に分割し且つ少なくとも一部の区域の配置を変更してなる構造を有している。このような第２要素回折光学素子４１Ｂによれば、回折特性の設計時にコヒーレント光を照射することを意図された点像ＰＩ上だけでなく、当該点像ＰＩの周囲となる領域にもコヒーレント光を分散して照射することができる。
【００７８】
具体的には、図６Ａ及び図７Ａに示された通常の計算機合成ホログラムとして構成された第１要素回折光学素子４１Ａは、精度良く作製されているとの前提において、図１０Ａに示すように、設計時にコヒーレント光を照射することを意図された点像ＰＩ上に単位像ＵＩを再生することができる。点像ＰＩが第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２に大きく離間している場合には、単位像ＵＩも第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２に大きく離間して再生されるようになる。この結果、第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２に明暗のむらが視認されてしまう可能性がある。
【００７９】
一方、図６Ｂ及び図７Ｂに示された通常の計算機合成ホログラムの平面構造の一部の配置を変更してなる第２要素回折光学素子４１Ｂは、設計時にコヒーレント光を照射することを意図された点像ＰＩ上だけでなく、当該点像ＰＩ以外の位置又は領域にも、例えば図１０Ｂに示すように当該点像ＰＩの周囲にも光を分散させることができる。したがって、原画像としての点像ＰＩが第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２に沿って離間していたとしても、第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２に隣り合う単位像ＵＩの隙間を小さくすることができ、更には、第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２に隣り合う単位像ＵＩを部分的に重ねることができる。
【００８０】
結果として、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂを含む回折光学素子４０での再生像は、第１要素回折光学素子４１Ａによる再生像と第２要素回折光学素子４１Ｂによる再生像を足し合わせたものとなる。この結果、図１１に示すように、被照射面ＩＰ上の被照明領域ＬＺを十分に明るく且つ十分均一な明るさで照明することが可能となる。
【００８１】
なお、単位像ＵＩの分散の程度は、要素回折光学素子４１をより多くの区域に区分けし、区分けされたより多数の区域の配置を変更すると、大きくなる傾向にある。すなわち、要素回折光学素子４１を第１方向ｄ１に多く区分けすると、単位像ＵＩは第１方向ｄ１に広がりやすくなる。同様に、要素回折光学素子４１を第２方向ｄ２に多く区分けすると、単位像ＵＩは第２方向ｄ２に広がりやすくなる。また、コヒーレント光を照射されるべき点像ＰＩの位置に応じて、単位像ＵＩの分散の程度が変化する傾向がある。回折角度が小さくなる位置に再生される単位像ＵＩ、すなわち、０次光の光路に近接する位置に再生される単位像ＵＩは、分散して広がりやすくなる。その一方で、回折角度が大きくなる位置に再生される単位像ＵＩは、分散の程度が小さくなる傾向がある。
【００８２】
このような作用効果が得られるメカニズムについて、図８Ａ〜図９に示された回折光学素子４０を参照して、より詳しく説明する。要素回折光学素子４１は、角度空間において所定の方向へ入射光を回折するため、当該回折方向に対応した周期構造を付与されている。この周期構造は、回折光が向けられるべき一つの点像ＰＩに対応して、一つ設けられる。そして、要素回折光学素子４１には、当該要素回折光学素子４１によって再生されるべき単位像ＵＩの強度と関連する数の周期構造を付与されている。結果として、各要素回折光学素子４１は極めて複雑な構造を有するようになる。
【００８３】
ここで図８Ａは、一つの単位像ＵＩのみを再生することを意図された第１要素回折光学素子４１Ａを示している。図８Ａに示された第１要素回折光学素子４１Ａにおいて、直線は周期構造の繰り返しを示している。例えば周期構造が凹凸として実現される場合、一例として線の位置に、図４に示された凹凸の頂部４６が位置する。図８ＡにおけるＺ−Ｚ線に沿った断面は、例えば図４に示された断面を有するようになる。
【００８４】
図８Ａに示された例において、第１方向ｄ１に沿った周期構造のピッチＰ１は、第１要素回折光学素子４１Ａの第１方向ｄ１に沿った長さＷＡの１／８となっている。したがって、図８Ａに示された第１要素回折光学素子４１Ａによる第１方向ｄ１への回折角度は、第１方向ｄ１に沿った最小の回折角度、すなわちｓｉｎ−１（λ／ＷＡ）〔ｒａｄ〕の８倍の回折角度となる。また、図８Ａに示された例において、第２方向ｄ２に沿った周期構造のピッチＰ２は、第１要素回折光学素子４１Ａの第２方向ｄ２に沿った長さＷＡの１／４となっている。したがって、図８Ａに示された第１要素回折光学素子４１Ａによる第２方向ｄ２への回折角度は、第１方向ｄ１に沿った最小の回折角度、すなわちｓｉｎ−１（λ／ＷＡ）〔ｒａｄ〕の４倍の回折角度となる。結果として、図８Ａに示された第１要素回折光学素子４１Ａの周期構造によれば、０次光が向かう点像ＰＩから、第１方向ｄ１に８個ずれ且つ第２方向ｄ２に４個ずれた位置にある点像ＰＩ上に単位像ＵＩを再生することができる。
【００８５】
次に、図８Ｂは、図８Ａに示された第１要素回折光学素子４１Ａを利用して、作製された第２要素回折光学素子４１Ｂを示している。図８Ｂに示された第２要素回折光学素子４１Ｂは、図８Ａに示された第１要素回折光学素子４１Ａを第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２のそれぞれに三分割して九つの区域Ｓ１〜Ｓ９に区分けし且つ複数の区域の配置を変更することで形成されている。具体的には、区域Ｓ２，Ｓ８の配置を入れ替え、且つ、区域Ｓ４，Ｓ６の配置を入れ替えている。一方、区域Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５，Ｓ７，Ｓ９の位置は変更されていない。
【００８６】
このようにして得られた第２要素回折光学素子４１Ｂでは、配置を変更された区域Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８の縁部領域ＥＡを跨ぐ周期構造の長さＰ１Ｘ，Ｐ２Ｘが、その他の部分での周期構造のピッチＰ１，Ｐ２と異なるようになる。したがって、この部分に入射したコヒーレント光の回折角度は、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂの他の部分に入射したコヒーレント光の回折角度と異なるようになる。そして、周期構造の長さＰ１Ｘ，Ｐ２Ｘが元々の周期構造のピッチＰ１，Ｐ２よりも長くなっている領域に入射したコヒーレント光の回折角度は、予定した回折角度よりも小さくなる。また、周期構造の長さＰ１Ｘ，Ｐ２Ｘが元々の周期構造のピッチＰ１，Ｐ２よりも短くなっている領域に入射したコヒーレント光の回折角度は、予定した回折角度よりも大きくなる。つまり、この第２要素回折光学素子４１Ｂで再生される単位像ＵＩは被照射面ＩＰ上において分散して広がることになる。
【００８７】
また、通常、複数の要素回折光学素子を含む回折光学素子では、複数の要素回折光学素子を隣接して配置するとともに、隣り合う二つの要素回折光学素子の間を周期構造が連続的に接続するようになる。
【００８８】
一方、図９に示された回折光学素子４０では、第２要素回折光学素子４１Ｂが第１要素回折光学素子４１Ａと隣接するようにして配置される。第２要素回折光学素子４１Ｂの外周縁の一部は、配置を変更された区域Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８によって形成されている。したがって、第２要素回折光学素子４１Ｂの配置を変更された区域Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８の縁部領域ＥＡが、当該第２要素回折光学素子４１Ｂと第１要素回折光学素子４１Ａとの接続領域ＣＡをなすようになる。この回折光学素子４０では、接続領域ＣＡを跨ぐ周期構造の長さＰ１Ｙ，Ｐ２Ｙが、その他の部分での周期構造のピッチＰ１，Ｐ２と異なるようになる。したがって、この部分に入射したコヒーレント光の回折角度は、回折光学素子４０の他の部分に入射したコヒーレント光の回折角度と異なるようになる。
【００８９】
以上のようにして、計算機合成ホログラムとして設計された構造の一部区域の配置を変更した構造を有する第２要素回折光学素子４１Ｂを含む回折光学素子４０によれば、計算機合成ホログラムの設計時に予定された点像ＰＩの位置からずれた位置にコヒーレント光を照射することができる。すなわち、被照明領域ＬＺ内に再生される単位像ＵＩを広げることができ、これにより、隣り合う二つの単位像ＵＩの隙間を小さくして、被照明領域ＬＺ内における明るさのばらつきを効果的に目立たなくさせることができる。
【００９０】
ところで、上述してきた回折構造ＤＳ（図４参照）の回折を生じさせる構成が凹凸面等の形状である回折光学素子４０については、第２要素回折光学素子４１Ｂが、要素回折光学素子４１をいくつかの区域に分割して複数の区域の配置を変更してなる構造を有するのか否かを、回折構造ＤＳの回折を生じさせる構成に関するマッピングデータ、一例として回折光学素子４０を撮像した画像データを用いて判断することができる。また、振幅変調型の回折光学素子４０についても、同様に、回折構造ＤＳの回折を生じさせる構成に関するマッピングデータ、一例として回折光学素子４０を撮像した画像データを用いて、第２要素回折光学素子４１Ｂが、要素回折光学素子４１をいくつかの区域に分割して複数の区域の配置を変更してなる構造を有するのか否かの判断を行うことができる。
【００９１】
ここで、図１５Ａに示された回折光学素子４０を実際に作製した。そして、実際に作製された回折光学素子４０を撮像することで得られた画像データを図１５Ｂ〜図１５Ｆに示す。図１５Ｂ〜図１５Ｆは、それぞれ、光学顕微鏡を用いて図１５Ａの領域Ａａ〜領域Ａｅを撮影した画像データである。図１５Ａに示された回折光学素子４０は、第１方向ｄ１に二つ並べられ且つ第２方向ｄ２に複数並べられた複数の第１要素回折光学素子４１Ａと、第１方向ｄ１に二つ並べられ且つ第２方向ｄ２に複数並べられた複数の第２要素回折光学素子４１Ｂと、を有している。複数の第１要素回折光学素子４１Ａは、隣接して隙間なく配列されている。複数の第２要素回折光学素子４１Ｂは、隣接して隙間なく配列されている。第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂは、同一の平面視形状を有している。第１方向ｄ１に、二つの第１要素回折光学素子４１Ａ及び二つの第２要素回折光学素子４１Ｂが並べられている。第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂは、第１方向ｄ１に隣接して隙間無く配列されている。
【００９２】
図１５Ａでは、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂは、第１方向ｄ１において二つに等分割され、且つ、第２方向ｄ２において二つに等分割されている。結果として、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂは、それぞれ、四つの区域Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄを含んでいる。第２要素回折光学素子４１Ｂは、第１要素回折光学素子４１Ａと、第１区域Ｓａの配置において同一となっているが、第２区域Ｓｂ、第３区域Ｓｃ及び第４区域Ｓｄの配置において異なっている。
【００９３】
隙間無く配列された複数の要素回折光学素子４１を含む回折光学素子４０において、各単位像ＵＩを再生するための周期構造を重ね合わせるようにして形成された回折構造ＤＳは、要素回折光学素子４１の内部で連続的に形成される。また、隣り合う要素回折光学素子４１の間となる境目においても、回折特性の乱れを防止するため、回折構造は連続的となっている。これにより、隣り合う要素回折光学素子４１の境目で回折された光が、意図しない方向に進むことを効果的に防止している。要素回折光学素子４１の回折構造は、形状や材料を種々選択することで回折を生じさせるための構成を有している。回折構造の回折を生じさせるための構成の一例として、図４に示された凹凸面を例示することができる。そして、回折構造の連続性は、この回折を生じさせるための構成の変化が漸次変化していくことを意味している。
【００９４】
その一方で、一つの要素回折光学素子４１が、計算機合成ホログラムとして設計された回折構造をいくつかの区域に分割して複数の区域の配置をこの回折構造から変更してなる構成を有する場合、この要素回折光学素子４１は、その周縁の内側に、すなわちその内部に、回折構造が不連続となる境界ＢＤを含むことになる。第２要素回折光学素子４１Ｂが第１要素回折光学素子４１Ａをいくつかの区域に分割して複数の区域の配置を変更してなる回折構造を有する場合、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂの少なくとも一方が、その周縁の内側に、回折構造が不連続となる境界ＢＤを含むことになる。上述した例のように、第１要素回折光学素子４１Ａが計算機合成ホログラムとして設計されている場合には、第２要素回折光学素子４１Ｂが、その周縁の内側に、回折構造が不連続となる境界ＢＤを含むことになる。
【００９５】
回折構造が不連続となる境界ＢＤは、位置を変更された区域の周縁の少なくとも一部分上に位置する。回折構造が不連続となる境界ＢＤは、回折構造の変化の連続性を断ち切る線状部をなす。実際上、回折構造が不連続となる境界ＢＤは、後述するように回折構造を拡大観察した際に、回折構造のパターンを断ち切る線状部として特定され得る。以下において、この回折構造が不連続となっている回折構造の境界ＢＤを、単に、「不連続な回折構造の境界」とも呼ぶ。
【００９６】
要素回折光学素子４１内に位置する不連続な回折構造の境界ＢＤは、上述した区域間に位置する縁部領域ＥＡである。したがって、この縁部領域ＥＡとしての境界ＢＤを跨ぐ方向に、単位像ＵＩを広げること或いは単位像ＵＩを形成する回折光を拡散させることができる。
【００９７】
また、位置を変えられた区域の周縁の一部が、当該区域を含む要素回折光学素子４１と他の要素回折光学素子４１との境界をなす場合には、回折光学素子４０は、その周縁の内側に、隣り合う二つの要素回折光学素子４１の境目として、不連続な回折構造の境界ＢＤを含むようになる。この不連続な回折構造の境界ＢＤは、上述した要素回折光学素子間に位置する接続領域ＣＡである。この接続領域ＣＡとしての境界ＢＤを跨ぐ方向に、単位像ＵＩを広げること或いは単位像ＵＩを形成する回折光を拡散させることができる。
【００９８】
すなわち、回折光学素子４０又は要素回折光学素子４１が、その周縁の内側に、不連続な回折構造の境界ＢＤを含む場合、その境界ＢＤを跨ぐ方向に、単位像ＵＩを広げること或いは単位像ＵＩを形成する回折光を拡散させることができる。このような回折光学素子４０又は要素回折光学素子４１によれば、隣り合う二つの単位像ＵＩの隙間に起因した被照明領域ＬＺ内における明るさのばらつきを、効果的に目立たなくさせることができる。
【００９９】
そして、図１５Ａでは、計算機合成ホログラムとして設計された第１要素回折光学素子４１Ａから、区域Ｓｂ、区域Ｓｃ及び区域Ｓｄの位置を変更することで第２要素回折光学素子４１Ｂが構成されている。したがって、第２要素回折光学素子４１Ｂは、区域Ｓｂ、区域Ｓｃ及び区域Ｓｄの周縁となる位置に不連続な回折構造の境界ＢＤを有し得る。一方、第１要素回折光学素子４１Ａの区域Ｓｂと、この第１要素回折光学素子４１Ａに隣接する第２要素回折光学素子４１Ｂの区域Ｓａとの相対位置関係は、隣接する二つの第１要素回折光学素子４１Ａの間における区域Ｓｂと区域Ｓａとの相対位置関係と同一であることから、不連続な回折構造の境界ＢＤは存在しない。したがって、区域Ｓａの周縁ついては、配置を変更された第２要素回折光学素子４１Ｂの区域Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄとの境界となる位置のみに、不連続な回折構造の境界ＢＤが形成される。結果として、図１５Ａに示された回折光学素子４０では、長くて太い破線として示された部分に、不連続な回折構造の境界ＢＤが存在するようになる。
【０１００】
不連続な回折構造の境界ＢＤは、顕微鏡等を用いた拡大観察により視認され得る。不連続な回折構造の境界ＢＤは、回折構造の入射光を回折するための構成の変化の不連続箇所であり、計算機合成ホログラムとして設計されたホログラム素子から位置を変更された区域の周縁に位置する。したがって、回折構造の回折を生じさせる構成の変化が視認される程度まで拡大して回折光学素子４０又は要素回折光学素子４１を観察することで、回折構造の回折を生じさせるための構成の変化を示すパターンの不連続部分として視認される。また、回折光学素子４０又は要素回折光学素子４１を撮像することで得られた画像データを画像処理することで、回折構造の回折を生じさせるための構成の変化を示すパターンから区別して不連続な回折構造の境界ＢＤを特定することも可能である。
【０１０１】
とりわけ、計算機合成ホログラムとして設計された回折構造に含まれる二以上の区域の配置を変更して一つの要素回折光学素子４１を作製する際、配置変更の前後において、要素回折光学素子４１の形状を一定に維持することが好ましい。要素回折光学素子４１の外輪郭を一定に維持することで、要素回折光学素子４１を含む回折光学素子４０を、要素回折光学素子４１を隙間無く敷き詰めることで作製することができる。このような回折光学素子４０は、コンパクトで入射光の利用効率に優れる。そして、要素回折光学素子４１の平面視形状を一定に保つには、各区域の周縁を直線によって構成することが有効であり、区域の分断および配置替えの作業性においても優れる。このような例においては、一般に曲線によって表わされる回折構造の変化を示すパターンから、直線状に延びる不連続な回折構造の境界ＢＤを明確に区別することが可能となる。
【０１０２】
すなわち、上述したように、回折構造の連続性は、この回折を生じさせるための構成の変化が漸次変化していくことを意味している。その一方で、回折構造が不連続となる境界ＢＤとは、回折構造の連続性を断ち切る線状部を意味している。そして、この不連続な回折構造の境界ＢＤは、回折構造の拡大観察において、回折構造の連続性を示すパターンを断ち切る線状部として特定される。
【０１０３】
図１５Ａにおける領域Ａａ及び領域Ａｂは、計算機合成ホログラムとして設計された隣接する二つの第１要素回折光学素子４１Ａの境界部分を含んでいる。第１要素回折光学素子４１Ａは計算機合成ホログラムとして設計されているので、領域Ａａ及び領域Ａｂには、不連続な回折構造の境界ＢＤが存在しないことになる。図１５Ｂの写真及び図１５Ｃは、図１５Ａにおける領域Ａａ及び領域Ａｂをそれぞれ撮影した画像データである。撮影対象となった図１５Ａの構成を有する回折光学素子４０は、図３及び図４に示された凹凸面を回折構造として有している。そして、図１５Ｂの写真及び図１５Ｃの画像、並びに、後述する図１５Ｄ〜図１５Ｆの画像には、単位ピクセル４５は視認されないものの、単位ピクセル４５の高さ勾配が濃淡によって示されている。つまり、単位ピクセル４５の高さが急に変化する部分と単位ピクセル４５の高さが緩やかに変化する部分とが画像における濃淡として示されている。そして、図１５Ｂに示された区域Ｓａ及び区域Ｓｂの境界になると想定される位置には、単位ピクセル４５の高さ勾配を示す濃淡パターンを断ち切る線状部、すなわち不連続な回折構造の境界ＢＤは視認されない。同様に、図１５Ｃの画像においても、隣接する二つの区域の境界になると想定される位置に、単位ピクセル４５の高さ勾配を示す濃淡パターンを断ち切る不連続な回折構造の境界ＢＤは視認されない。
【０１０４】
一方、図１５Ｄは、図１５Ａの領域Ａｃを示している。図１５Ａに示すように、領域Ａｃでは、第２要素回折光学素子４１Ｂの区域Ｓｄの周囲に不連続な回折構造の境界ＢＤが存在する。実際に、図１５Ｄに示された画像には、単位ピクセル４５の高さ勾配を示す濃淡パターンが、区域Ｓｄの周囲となる直線状の位置において断ち切られて、不連続となっている。つまり、図１５Ｄに示された写真から、第１要素回折光学素子４１Ａの区域Ｓｄと第２要素回折光学素子４１Ｂの区域Ｓｄとの間に相当する位置、及び、第２要素回折光学素子４１Ａの区域Ｓａ及び区域Ｓｄの間に相当する位置で、回折構造のパターンが分断されていることが確認される。その一方で、図１５Ｄに示された写真には、第１要素回折光学素子４１Ａの区域Ｓｂ及び区域Ｓｄの間に相当する位置、及び、第１要素回折光学素子４１Ａの区域Ｓｂと第２要素回折光学素子４１Ｂの区域Ｓａとの間に相当する位置には、図１５Ａと同様に、不連続な回折構造の境界ＢＤは視認されない。
【０１０５】
さらに、図１５Ｅ及び図１５Ｆは、それぞれ、図１５Ａの領域Ａｄ及び領域Ａｅを示している。図１５Ａに示すように、領域Ａｄ及び領域Ａｅでは、第２要素回折光学素子４１Ｂの隣接する二つの区域の間となる位置に、不連続な回折構造の境界ＢＤが存在する。そして、この不連続な回折構造の境界ＢＤは、図１５Ｅに示された画像及び図１５Ｆに示された画像において、存在を確認することができる。
【０１０６】
このように、区域の位置変更に応じて不連続な回折構造の境界ＢＤが回折光学素子４０内に生じる。更に、画像データによって、上位概念化すると回折構造の回折を生じさせる構成のマッピングデータによって、不連続な回折構造の境界ＢＤを特定することができる。次に、この特定された不連続な回折構造の境界ＢＤに基づき、第２要素回折光学素子４１Ｂが、要素回折光学素子４１をいくつかの区域に分割し且つ複数の区域の配置を変更してなる構造を有するのか否かを、判断することができる。以下、画像データ等のマッピングデータを用いた判断手法について説明する。
【０１０７】
まず、回折光学素子４０の回折構造の回折を生じさせる構成のマッピングデータを取得する。上述したように、マッピングデータとして、回折光学素子４０を撮像した画像データを用いることができる。図１５Ｂ〜図１５Ｆには、マッピングデータの具体例としての画像データが示されている。マッピングデータは、回折光学素子４０の回折構造が有する回折を生じさせるための構成の分布を情報として含んでいる。そしてマッピングデータから、回折を生じさせるための構成の変化勾配の不連続性としての、不連続な回折構造の境界ＢＤの有無を確認する。
【０１０８】
次に、不連続な回折構造の境界ＢＤによって少なくとも一部分を区画される小区域と、同様の回折構造を有する小区域を探す。この処理は、コンピュータによるデータ処理によって実行されることが好ましい。同様の回折構造を有するか否かについての判断は、コンピュータを用いてデータの相関の有無を確認することで、行うことができる。
【０１０９】
コンピュータを用いてデータの相関の有無を確認する場合、少なくとも部分的に不連続な回折構造の境界ＢＤで区画される小区域と、データ上１００％同一となる回折構造を有する小区域のみを同一と判断する必要はない。マッピングデータ等に応じて相関度合が５０％以上、より好ましくは７０％以上、更に好ましくは９０％以上の場合に、少なくとも部分的に不連続な回折構造の境界ＢＤで区画される小区域と同様の回折構造を有すると判断するようにしてもよい。またマッピングデータを扱う際には、フィルタ処理等のノイズを削除する処理等を事前に行うようにしてもよい。さらには、製造誤差や取り扱い中における付着物等による誤差等の影響を排除するため、同一構造として作製された多数のサンプルに対する処理を事前に行うこと等によって、計算機等の処理装置を学習させておくことが好ましい。
【０１１０】
このようにして、目視やデータ処理等により検出された不連続な回折構造の境界ＢＤによって少なくとも部分的に区画される小区域と同一な回折構造を有すると判断される小区域の有無が確認される。
【０１１１】
一例として図１５Ａ〜図１５Ｆに示された回折光学素子４０では、第２要素回折光学素子４１Ｂ内における区域Ｓｂ、区域Ｓｃ及び区域Ｓｄが、全周を不連続な回折構造の境界ＢＤによって区画された区域として、回折光学素子４０内のどこに位置しているかが特定される。
【０１１２】
一方、第２要素回折光学素子４１Ｂ内における区域Ｓａは、その周縁の一部分のみを不連続な回折構造の境界ＢＤによって区画されている。上述したように、不連続な回折構造の境界ＢＤは、計算機合成ホログラムとして設計された回折構造の一部区域の配置を変更することによって、当該変更された区域の周縁に生じる。したがって、不連続な回折構造の境界ＢＤの形状を考慮しながら、当該境界ＢＤによって区画される小区域を小さ目の範囲に設定しておくことで、計算機合成ホログラム内の一部であって配置を変更された区域を、探し出し易くなる。そして、同様の構造を有する区域が確認された場合には、当該小領域の不連続な回折構造の境界ＢＤで区画されていない側に広がる領域における構造の同一性について確認する。このような確認を進めていくことで、同一の構造を有し且つ回折光学素子４０内に分散配置された複数の区域Ｓａを特定することができる。
【０１１３】
以上のようにして、少なくとも部分的に不連続な回折構造の境界ＢＤで区画される区域と同一の回折構造を有する区域の分布を特定していく。一例として、不連続な回折構造の境界ＢＤによって部分的に区画された区域Ｓａと同一の構造を有する区域の特定が最初に行われた場合、図１５Ｇに示すように、回折光学素子４０内における区域Ｓａの大きさと分布がまず特定される。別の例として不連続な回折構造の境界ＢＤによって全周縁を区画された区域Ｓｄと同一の構造を有する区域の特定が最初に行われた場合、図１５Ｈに示すように、回折光学素子４０内における区域Ｓｄの分布がまず特定される。処理装置による計算量や目視等による作業量を低減する観点からは、全周を不連続な回折構造の境界ＢＤによって区画された区域、図１５Ａの例では区域Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄと同一な区域の特定から開始し、その後に確認すべき領域が狭くなったところで、一部を不連続な回折構造の境界ＢＤによって区画された区域、図１５Ａの例では区域Ｓａと同一な区域の特定を行うことが好ましい。
【０１１４】
少なくとも部分的に不連続な回折構造の境界ＢＤで区画される区域として、区域Ｓａ、区域Ｓｂ、区域Ｓｃ及び区域Ｓｄの分布を特定しくことで、図１５Ａに示すような各区域Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄの回折光学素子４０内における分布が特定される。その後、各区域Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄの分布から、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂの分布を把握することができる。
【０１１５】
以上のようにして、画像データを用いて、第２要素回折光学素子４１Ｂが、要素回折光学素子４１をいくつかの区域に分割し且つ複数の区域の配置を変更してなる構造を有していることを確認することができる。このようにしてマッピングデータを用いて同一と判断される構造を有した区域を異なる配置にて含む二種類の要素回折光学素子４１を有した回折光学素子４０によれば、上述した作用効果、すなわち、被照明領域ＬＺ内における明るさのむらを目立たなくさせることができ、被照明領域ＬＺ内をより均一な明るさで照明することができる。
【０１１６】
なお、以上において回折光学素子４０内における不連続な回折構造の境界ＢＤの有無や区域の特定に、マッピングデータが用いられ得ることを説明した。マッピングデータの具体例として、光学顕微鏡を介して回折光学素子４０を撮像した画像データを例示し、この画像データを画像処理により解析することを説明した。しかしながら、この例に限られず、光学顕微鏡に限られず、レーザー顕微鏡、電子顕微鏡、原子間力顕微鏡等を用いて、回折光学素子４０の画像データを取得するようにしてもよい。また、マッピングデータとしては、画像データに限られることなく、図４に示された回折構造ＤＳにおける各単位ピクセル４５の頂部４６の位置を示すマッピングデータ、言い換えると各位置での凹部の深さを表すデータ等を用い、このデータをコンピュータで処理することもできる。
【０１１７】
ところで、図１５Ａ，図１５Ｇ及び図１５Ｈに示された回折光学素子４０は、被照明領域ＬＺに向けて入射光を回折する回折構造を有し、その周縁の内側に不連続な回折構造の境界ＢＤを含んでいる。このように内部に不連続な回折構造の境界ＢＤを設けられた回折光学素子４０では、不連続な回折構造の境界ＢＤを横切る方向に単位像ＵＩを広げること或いは単位像ＵＩを形成する回折光を拡散させることができる。したがって、内部に不連続な回折構造の境界ＢＤを設けられた回折光学素子４０によれば、隣り合う二つの単位像ＵＩの隙間に起因した被照明領域ＬＺ内における明るさのばらつきを、効果的に目立たなくさせることができる。例えば、内部に不連続な回折構造の境界ＢＤを設けられた回折光学素子として、例えば図示された具体例における第２要素回折光学素子４１Ｂのみによって構成された回折光学素子４０、或いは、第２要素回折光学素子４１Ｂを含むが第１要素回折光学素子４１Ａを含まない回折光学素子４０によっても、被照明領域ＬＺ内を均一な明るさで照明することができる。
【０１１８】
また、図１５Ｇに示された回折光学素子４０は、同一の構成を有した複数の区域Ｓａを含み、不連続な回折構造の境界ＢＤは、複数の区域Ｓａのうちの一部の区域Ｓａの周縁に位置している。同様に、図１５Ｈに示された回折光学素子４０は、同一の構成を有した複数の区域Ｓｄを含み、不連続な回折構造の境界ＢＤは、複数の区域Ｓｄのうちの一部の区域Ｓｄの周縁に位置している。このような回折光学素子４０は、例えば、上述してきた第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂを含むことによって、或いは、計算機合成ホログラムとして設計されたホログラムを複数の区域に分割し且つ複数の区域の一部の配置を変更することで得られた要素回折光学素子を用いることによって、作製され得る。このような回折光学素子４０によれば、不連続な回折構造の境界ＢＤの長さを変化させることで、単位像ＵＩを広げる程度或いは単位像ＵＩを形成する回折光の拡散の程度を調節することができる。したがって、被照明領域ＬＺ内における明るさのむらを目立たなくさせることができ、被照明領域ＬＺをより均一な明るさで照明することができる。
【０１１９】
さらに、図１５Ｈに示された回折光学素子４０は、不連続な回折構造の境界ＢＤによって全周縁を区画された区域を含んでいる。したがって、回折光学素子４０では、不連続な回折構造の境界ＢＤの長さを十分に確保することができる。これにより、単位像ＵＩを十分に広げること或いは単位像ＵＩを形成する回折光を十分に拡散させることができる。また、不連続な回折構造の境界ＢＤが種々の方向に延びることになる。結果として、単位像ＵＩを種々の方向に広げること或いは単位像ＵＩを形成する回折光を種々の方向に拡散させることができる。これらにより、被照明領域ＬＺ内における明るさのむらを目立たなくさせることができ、被照明領域ＬＺをより均一な明るさで照明することができる。
【０１２０】
さらに、図１５Ｇに示された回折光学素子４０は、同一の構成を有した複数の区域Ｓａを含んでいる。そして、複数の区域Ｓａのうちの一部の区域の周縁における不連続な回折構造の境界ＢＤの配置は、複数の区域Ｓａのうちの他の少なくとも一部の区域Ｓａの周縁における不連続な回折構造の境界ＢＤの配置と異なっている。このような回折光学素子４０によれば、被照明領域ＬＺをより均一な明るさで照明することができる。
【０１２１】
具体的には、図１５Ｇにおいて、他の第２要素回折光学素子４１Ｂと第１方向ｄ１に隣接する第２要素回折光学素子４１Ｂの区域Ｓａについては、言い換えると第１要素回折光学素子４１Ａと隣接しない第２要素回折光学素子４１Ｂの区域Ｓａについては、その全周縁上に不連続な回折構造の境界ＢＤが位置している。一方、第１要素回折光学素子４１Ａと第１方向ｄ１に隣接する第２要素回折光学素子４１Ｂの区域Ｓａについては、その周縁の一部分上のみに不連続な回折構造の境界ＢＤが位置している。また、他の第１要素回折光学素子４１Ａと第１方向ｄ１に隣接する第１要素回折光学素子４１Ａの区域Ｓａについては、言い換えると第２要素回折光学素子４１Ｂと隣接しない第１要素回折光学素子４１Ａの区域Ｓａについては、その周縁上に不連続な回折構造の境界ＢＤは位置していない。このような回折光学素子４０によれば、区域Ｓａによって回折された回折光を適切に拡散させることができ、結果として、被照明領域ＬＺをより均一な明るさで照明することができる。
【０１２２】
加えて、上述した第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂを含む回折光学素子４０は、一定の構成を有する複数の区域を含んでいる。そして、複数の区域のうちの一部の区域は、一定のピッチで配置され、複数の区域のうちの他の少なくとも一部の区域は、前記一部の区域に対して前記一定のピッチとは異なるピッチで配置され得る。そして、このような回折光学素子４０は、上述した第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂを含む回折光学素子４０と同様に、不連続な回折構造の境界ＢＤを含むようになり、結果として、被照明領域ＬＺをより均一な明るさで照明することができる。
【０１２３】
より具体的には、図１５Ａ及び図１５Ｈに示された回折光学素子４０は、互いに異なる回折構造を含んだ区域Ｓａ〜Ｓｄを含んでいる。とりわけ回折光学素子４０は、区域Ｓａ〜Ｓｄを隙間なく敷き詰めることで構成されている。図１５Ｈによく示されているように、回折光学素子４０は、一定の構成を有する複数の第４区域Ｓｄを含んでいる。回折光学素子４０に含まれる一部の第４区域Ｓｄは、一定のピッチで配置されている。図示された例において、第１要素回折光学素子４１Ａに含まれる第４区域Ｓｄは、第１方向ｄ１に一定のピッチで配列され且つ第２方向ｄ２に一定のピッチで配列されている。回折光学素子４０に含まれる他の一部の第４区域Ｓｄの各々は、具体的には第２要素回折光学素子４１Ｂに含まれる第４区域Ｓｄの各々は、第１要素回折光学素子４１Ａに含まれる第４区域Ｓｄに対して、第１要素回折光学素子４１Ａに含まれる第４区域Ｓｄの第１方向ｄ１への配置ピッチとは異なるピッチで配置されている。この回折光学素子４０では、第４区域Ｓｄの周囲に不連続な回折構造の境界ＢＤが含まれるようになり、結果として、被照明領域ＬＺをより均一な明るさで照明することができる。
【０１２４】
また、図１５Ａ及び図１５Ｇに示すように、回折光学素子４０は、第４区域Ｓｄの構成とは異なる構成を有する複数の第１区域Ｓａを更に含み、この複数の第１区域Ｓａは、一定のピッチで配列されている。より具体的には、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂのいずれかに含まれた複数の第１区域Ｓａは、第１方向ｄ１に一定のピッチで配置され且つ第２方向ｄ２に一定のピッチで配置されている。さらに厳密には、回折光学素子４０に含まれたすべての第１区域Ｓａは、第１方向ｄ１に一定のピッチで配置され且つ第２方向ｄ２に一定のピッチで配置されている。このような第１区域Ｓｓによれば、第４区域Ｓｄとの組み合わせにおいて、第１区域Ｓｓの周縁の一部のみに不連続な回折構造の境界ＢＤを設けることや、第１区域Ｓｓの周縁における不連続な回折構造の境界ＢＤの位置を変化させることが可能となる。これにより、第１区域Ｓａでの回折によって再生される単位像ＵＩを広げる方向や単位像ＵＩを広げる程度、或いは、第１区域Ｓａでの回折光を拡散させる方向および程度を、適宜調節することが可能となる。
【０１２５】
以上に説明してきたように、本実施の形態における回折光学素子４０は、被照明領域ＬＺに向けて入射光を回折する第１要素回折光学素子４１Ａと、被照明領域ＬＺに向けて入射光を回折する第２要素回折光学素子４１Ｂと、を有している。第２要素回折光学素子４１Ｂは、第１要素回折光学素子４１Ａをいくつかの区域に分割して複数の区域の配置を変更してなる構造を有している。このような本実施の形態によれば、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂの少なくとも一方で回折されて被照明領域ＬＺ内に再生される単位像ＵＩを広げることができる。具体的には、要素回折光学素子４１のうちの入れ替えられた区域の周縁となる領域ＥＡ、言い換えると、入れ替えられた区域が他の区域と接続する領域ＥＡへの入射光が回折されて進む方向は、要素回折光学素子４１のそれ以外の領域への入射光が回折される方向からずれる。したがって、被照明領域ＬＺ内に再生される個々の単位像ＵＩを広げることができ、隣り合う単位像ＵＩの間の隙間を小さくすること、更には隣り合う単位像ＵＩを重ねることができる。これにより、被照明領域ＬＺ内における明るさのむらを目立たなくさせることができ、被照明領域ＬＺをより均一な明るさで照明することができる。
【０１２６】
なお、レーザー光などのコヒーレント光源を用いた照明装置では、スペックルの発生という問題が生じる。スペックル（speckle）は、レーザー光などのコヒーレント光を散乱面に照射したときに現れる斑点状の模様であり、斑点状の輝度ムラ（明るさのムラ）として観察され、観察者に対して生理的な悪影響を及ぼす要因になる。本実施の形態によれば、第１要素回折光学素子４１Ａで回折されたコヒーレント光と第２要素回折光学素子４１Ｂで回折されたコヒーレント光とが被照明領域ＬＺで重なり合うことで、スペックルを目立たなくさせることが可能となる。
【０１２７】
上述した一実施の形態の一具体例において、第２要素回折光学素子４１Ｂは、第１要素回折光学素子４１Ａを直交する二つの方向ｄ１，ｄ２に分割することでいくつかの区域に区分けし、複数の区域の配置を二つの方向ｄ１，ｄ２において変更してなる構造を有している。このような具体例によれば、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂの少なくとも一方で回折されて被照明領域ＬＺ内に再生される単位像ＵＩを、二つの方向に沿って広げることができる。したがって、被照明領域ＬＺ内の明るさを二方向のそれぞれにおいて均一化することができる。
【０１２８】
上述した一実施の形態の一具体例において、入れ替えられる複数の区域は、互いに同一の外輪郭を有している。とりわけ上述した具体例において、入れ替えられる複数の区域は、同一の形状を有している。このような例によれば、第１要素回折光学素子４１Ａの外輪郭、すなわち外形状と、第２要素回折光学素子４１Ｂの外輪郭を一致させることができる。したがって、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂを近接または隣接して配置すること、更には隙間無く敷き詰めることも可能となる。これにより、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂを含む回折光学素子４０を小型化することができる。
【０１２９】
上述した一実施の形態の一具体例において、入れ替えられる複数の区域は、互いに同一となる正方形形状の外輪郭を有している。このような例によれば、第１要素回折光学素子４１Ａの外輪郭、すなわち外形状と、第２要素回折光学素子４１Ｂの外輪郭を一致させることができる。したがって、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂを近接または隣接して配置すること、更には隙間無く敷き詰めることも可能となる。これにより、第１要素回折光学素子４１Ａ及び第２要素回折光学素子４１Ｂを含む回折光学素子４０を小型化することができる。
【０１３０】
一実施の形態を複数の具体例により説明してきたが、これらの具体例が一実施の形態を限定することを意図していない。上述した一実施の形態は、その他の様々な具体例で実施されることが可能であり、その要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、追加を行うことができる。
【０１３１】
以下、図面を参照しながら、変形の一例について説明する。以下の説明および以下の説明で用いる図面では、上述した具体例と同様に構成され得る部分について、上述の具体例における対応する部分に対して用いた符号と同一の符号を用いるとともに、重複する説明を省略する。
【０１３２】
まず、上述した一具体例において、第１要素回折光学素子４１Ａを、計算機合成ホログラムとして設計された通常のホログラムとする例を示した。この例において、第２要素回折光学素子４１Ｂは、計算機合成ホログラムとして設計された通常のホログラムを平面分割し且つ平面分割により得られた複数の区域を入れ替えてなる構造を有するようにした。しかしながら、この例に限られず、第１要素回折光学素子４１Ａも、計算機合成ホログラムとして設計された通常のホログラムを平面分割し且つ平面分割により得られた複数の区域を入れ替えてなる構造を有するようにしてもよい。さらに、回折光学素子４０が第３要素回折光学素子を有し、第３要素回折光学素子が、第１要素回折光学素子４１Ａをいくつかの区域に分割して複数の区域の配置を変更してなる構造であり、且つ、第２要素回折光学素子４１Ｂをいくつかの区域に分割して複数の区域の配置を変更してなる構造を有するようにしてもよい。
【０１３３】
また、上述した一具体例として、被照明領域ＬＺが矩形形状からなる例を示したが、この例に限られない。被照明領域ＬＺが、文字、絵柄、色模様、記号、マーク、イラスト、キャラクター、ピクトグラムのいずれか一以上を表すパターンを含むようにしてもよい。要素回折光学素子４１を用いることで被照明領域ＬＺの形状を高い自由度で変更することができる。これにより、多様な演出効果を実現することができる。
【０１３４】
さらに、空間光変調器５０が被照明領域ＬＺに重ねて配置される例を示したがこの例に限られない。照明装置２０が、直接または投射光学系を介し、スクリーン１２上に単位像ＵＩを再生するようにしてもよい。すなわち、この例では、スクリーン１２が被照射面ＩＰ上に設けられる。また、別の例として、図１３に示すように、路面を被照射面ＩＰとして、整形光学系３０が路面上の被照明領域ＬＺを照明するようにしてもよい。或いは、路面以外の地面や、ビル等の構造物、湖面や海面等の水面等を被照射面ＩＰとして、照明装置２０がこれらの被照射面ＩＰ上の被照明領域ＬＺを照明するようにしてもよい。
【０１３５】
なお、図１３に示された例において、照明装置２０の回折光学素子４０は被照射面ＩＰに対して大きく傾斜している。このような適用において、被照射面ＩＰ上における隣り合う単位像ＵＩの間隔が大きくなってしまい、被照明領域ＬＺ内における明るさのむらが目立ち易くなる。とりわけ、被照射面ＩＰへの法線方向と回折光学素子４０への法線方向との両方に平行な面が、すなわち図示された例では鉛直面が、被照射面ＩＰを横切る線に沿った方向に大きくひらく。したがって、隣り合う単位像ＵＩの間隔が大きくなってしまう方向に、各単位像ＵＩを広げるようにして照射することが有効である。言い換えると、被照射面ＩＰへの法線方向と回折光学素子４０への法線方向との両方に平行な面内において、回折光学素子４０での回折光をより拡散することが有効である。具体的には、被照射面ＩＰへの法線方向と回折光学素子４０への法線方向との両方に平行な面が回折光学素子４０を横切る方向における異なる位置にある複数の区域の配置を変更することが有効である。このような回折光学素子４０では、上述した不連続な回折構造の境界ＢＤが、被照射面ＩＰへの法線方向と回折光学素子４０への法線方向との両方に平行な面内において回折光を効果的に広げることができる。
【０１３６】
さらに、図１４に示すように、照明装置２０は携帯型の装置として構成されてもよい。図１４に示された照明装置２０は、円柱状の外形状を有し、片手で把持できるようになっている。この照明装置２０はケーシング２１を有している。コヒーレント光源２５、整形光学系３０及び回折光学素子４０は、ケーシング２１によって保持されている。回折光学素子４０は、コヒーレント光の出射面をなし、ケーシング２１の端面に保持されている。コヒーレント光源２５及び整形光学系３０は、図示しない電源等とともに、ケーシング２１内に収容されている。ケーシング２１の外面には、照明装置２０を制御するためのスイッチ２２が設けられている。
【０１３７】
さらに、図１６に示すように、照明装置２０が、二つの回折光学素子４０Ａ，４０Ｂを有するようにしてもよい。図１６に示された例において、照明装置２０は、第１回折光学素子４０Ａ及び第２回折光学素子４０Ｂを有している。第１回折光学素子４０Ａで回折された回折光は第１被照明領域ＬＺＡに向けられ、第２回折光学素子４０Ｂで回折された回折光は第１被照明領域ＬＺＡとは異なる第２被照明領域ＬＺＢに向けられている。図示された例において、第１被照明領域ＬＺＡは矢印のパターンを有し、第２被照明領域ＬＺＢは線のパターンを有している。
【０１３８】
図１６に示された例において、第１被照明領域ＬＺＡ及び第２被照明領域ＬＺＢへのコヒーレント光の照射を互いから独立して制御することができるようにしてもよい。例えば、第１回折光学素子４０Ａでの回折光および第２回折光学素子４０Ｂでの回折光を互いにから独立して遮断することができるシャッター装置を用いることができる。また、図１６に示された例において、二つの回折光学素子４０Ａ，４０Ｂに対して、単一のコヒーレント光源２５から射出したコヒーレント光が入射するようになっている。走査装置やシャッター装置やコヒーレント光源２５からのコヒーレント光の進行方向を調節する走査装置等を用いることで、第１回折光学素子４０Ａおよび第２回折光学素子４０Ｂへのコヒーレント光の入射を互いから独立して制御するようにしてもよい。他の例として、第１回折光学素子４０Ａに入射するコヒーレント光を射出するコヒーレント光源と、第２回折光学素子４０Ｂに入射するコヒーレント光を射出するコヒーレント光源とが、別個に設けられ、二つのコヒーレント光源からのコヒーレント光の射出を互いから独立して制御することができるようにしてもよい。
【０１３９】
さらに、上述した例において、要素回折光学素子４１の区域が、四角形状、とりわけ正方形形状または長方形形状である例を示したが、この例に限られない。例えば、要素回折光学素子４１が、図１７Ａに示すように平行四辺形形状の区域を含むようにしてもよいし、菱形形状の区域を含むようにしてもよい。さらに、要素回折光学素子４１が、図１７Ｂに示すように三角形形状の区域を含むようにしてもよい。さらに、上述した例において、回折光学素子４０が四角形形状の要素回折光学素子４１を含む例を示したが、この例に限られず、回折光学素子４０が、図１７Ｂに示すように三角形形状の要素回折光学素子４１を含むようにしてもよいし、六角形形状の要素回折光学素子４１を含むようにしてもよい。さらに、回折光学素子４０が、異なる形状を有した二種類の要素回折光学素子４１を含むようにしてもよい。例えば、回折光学素子４０が、五角形形状の複数の要素回折光学素子４１と、六角形形状の複数の要素回折光学素子４１と、を敷き詰めるようにして含むようしてもよい。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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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１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５Ｅ】
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【図１５Ｆ】
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【図１５Ｇ】
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【図１５Ｈ】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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