(57)【要約】  仮想の点光源から出現するコリメートビーム又は発散／収束ビームを発生させてホログラムを照明する光学ビームを形成する光学部品（例えば、複数の光学部品によるアレイ）が本明細書に記述されている。反射型ホログラムを前面から照明する光学ビーム、及びホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）ミラーと組み合わせた光学ビームによって反射型ホログラムの後方照明が可能になるさらなる構成も説明されている。
2020537763.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホログラムを照明して、結果として生じるホログラフィー像を形成する光を放射できる照明ユニットであって、前記照明ユニットは、個々のサブユニットによるアレイで構成され、各サブユニットは、光源と、対応する光学部品とを有し、前記照明ユニットは、コリメートビーム、発散ビーム、又は収束ビーム全体を形成する、照明ユニットを備える、ホログラフィックディスプレイ装置。
【請求項２】
前記照明ユニットは、複数のより小型の照明サブユニットによるアレイで構成され、各照明サブユニットは、光源と、その出射ビーム全体の形状を制御する（例えば、コリメートする）対応する光学部品とを有し、前記複数のより小型な照明サブユニットは、間に隙間がないように（又は無視できる程度の隙間になるように）アレイ内で「最密構造」又はモザイク状になっている、請求項１に記載のホログラフィックディスプレイ装置。
【請求項３】
前記複数のより小型な照明サブユニットによるアレイは、正方形、長方形、又は六角形の周期的構造を含む周期的構造になっている、請求項２に記載のホログラフィックディスプレイ装置。
【請求項４】
前記照明ユニットは、ホログラムの一端に配置された複数のサブユニットによるアレイを有する、請求項１から３のいずれか一項に記載のホログラフィックディスプレイ装置。
【請求項５】
前記照明ユニットは、反射型ホログラム又は透過型ホログラム用の光源として用いられるビームを形成する、請求項１から４のいずれか一項に記載のホログラフィックディスプレイ装置。
【請求項６】
前記照明ユニットは、小型であり、レーザ及び／又はＬＥＤから形成される複数の光源又は複数の光源によるアレイと、複数の光学素子又は複数の光学素子によるアレイとを有する、請求項１から５のいずれか一項に記載のホログラフィックディスプレイ装置。
【請求項７】
複数の光源によるアレイが、約４００ｎｍから７００ｎｍの波長で動作する、請求項１から６のいずれか一項に記載のホログラフィックディスプレイ装置。
【請求項８】
複数の光源によるアレイに近接して、コリメート照明（又は発散照明若しくは収束照明）を形成するのに用いられる光学素子（例えば、レンズ）が位置し、前記光学素子はレンズ又は曲面鏡の形態である、請求項１から７のいずれか一項に記載のホログラフィックディスプレイ装置。
【請求項９】
コリメート型の前記照明ユニットは、反射型ホログラム用に用いられ、任意選択で前記反射型ホログラムが後方から、すなわち、結果として生じる前記ホログラフィー像を見るのとは反対側から照明されるように、別個の反射型ＨＯＥ又は角度選択型ミラーを含む、請求項１から８のいずれか一項に記載のホログラフィックディスプレイ装置。
【請求項１０】
多色照明が形成され、前記個々の光源は、別個の有色ＬＥＤからなどの異なる色の光を放射し、それぞれの照明サブユニットからの多波長が、結果として生じるホログラフィー像を形成するホログラムに向かって反射されるときに、確実に同一線上にあるようにするのに、ダイクロイックミラー（又はＨＯＥミラー）が用いられる、請求項１から９のいずれか一項に記載のホログラフィックディスプレイ装置。
【請求項１１】
前記ホログラフィックディスプレイ装置は、複数の反射屈折素子によるアレイを用いる薄型コリメートビームを備え、前記複数の反射屈折素子は凸状反射面を有し、前記凸状反射面の上方には、光を前記凸状反射面に反射するミラーが位置しており、前記複数の反射屈折素子は、屈折光学部品と反射光学部品との組み合わせを用いて光のコリメートビームを形成する、請求項１から１０のいずれか一項に記載のホログラフィックディスプレイ装置。
【請求項１２】
前記ホログラフィックディスプレイ装置は、コリメートビームを形成する複数の放物面鏡によるアレイ又は一般的な反射鏡形状を有する、請求項１から１１のいずれか一項に記載のホログラフィックディスプレイ装置。
【請求項１３】
前記ホログラフィックディスプレイ装置は、仮想の点光源から発散するビーム全体を形成する複数の光学部品によるアレイを有する、請求項１から１２のいずれか一項に記載のホログラフィックディスプレイ装置。
【請求項１４】
仮想の点光源から発散するビーム全体を形成するオフセット光源（例えば、ＬＥＤ）をそれぞれが有する複数の光学部品によるアレイがある、請求項１から１３のいずれか一項に記載のホログラフィックディスプレイ装置。
【請求項１５】
各光源（例えば、ＬＥＤ）の位置が、前記照明ユニットに対してある角度で伝播するビーム全体を発生させるなどのために、各光源の局所光軸に対して中心からずれている、請求項１から１４のいずれか一項に記載のホログラフィックディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の光源による小型のアレイと、より大きい光学ビームを形成する光学部品とで構成され、コリメートビーム、発散ビーム、又は収束ビームを発生させてホログラムを照明する照明システムに関する。具体的には、本発明は、ホログラムを前面から照明する光学ビームの第１構成と、反射型ホログラムの後方照明を可能にするためにホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）ミラーと組み合わされた光学ビームの第２構成とに関する。
【背景技術】
【０００２】
当技術分野には、高品質の画像を発生させることができるディスプレイホログラムを均一に照明する小型で自己完結型の方法を提供する必要性がある。通常、ホログラム照明システムは、ホログラムの前面及び上方にスポットランプを使用し、そのスポットランプは、ホログラム自体の大きさと同等又はそれより大きい比較的長い距離を離して配置する必要があるので、多くの用途でホログラム照明システムは、大き過ぎて、扱いにくく、実用的でない。さらに、そのようなランプの照明は、概して均一ではなく、照明分布の中心の方が強くなっている。多くの用途では、ホログラム自体と近接して統合された小型照明システムから恩恵を受けるであろう。実施例には、容易に分かる追加の離れた照明を用いない、普通の絵画や写真のような、壁に取り付けられるディスプレイホログラム、及び自動車のブレーキライトやテールライトが含まれることになり、これらには、外部照明用のスペースがない。
【０００３】
理想的には、そのような小型照明システムは、迷光、特にホログラムを照明するのに用いられる主光源の方向の近くに放射して不要な二次像をもたらす周囲照明に用いられる（天井用のスポットランプなどの）他の代表的な光源又は任意の他の光源の影響を受けることもない。
【０００４】
ホログラムを照明する方法は以前にもあったが、これらは全て特定の難点を有している。例えば、透過ジオメトリでの反射型ホログラムの使用に関する米国特許第６，３６６，３７１Ｂ１号は、効率と迷光制御とが乏しい。
【０００５】
関連する従来の特許には、Ｄａｕｓｍａｎｎのドイツ特許公開第１０２００７０２２２４７Ａ１号と、Ｃｅｒｅｓの米国特許出願第１４／２５３，７３３号とがあり、これらの特許は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００６】
したがって、前述の課題のうちの少なくとも１つ又は複数を取り除く又は軽減することが、本発明の少なくとも１つの態様の目的である。
【０００７】
コリメートビーム、発散ビーム、又は収束ビームを発生させる光学ビームを形成して、ホログラムを照明する装置及び方法の改善を提供することが、本発明のさらなる目的である。
【０００８】
広告、技術や医療分野での視覚化、産業用途や民生用途（例えば、ポスター、３Ｄ写真、自動車照明など）に適した汎用画像媒体としてのホログラフィックディスプレイの改善を提供することが、本発明の少なくとも１つの態様のまたさらなる目的である。
【発明の概要】
【０００９】
本発明の一態様によれば、コリメートされ得るか、発散し得るか、又は収束し得る、より大きい光学ビームを形成して、ホログラムを照明する複数の光源によるアレイと光学部品とを備える小型のホログラフィックディスプレイ装置が提供される。各光源は、当該光源からの光を名目上はコリメートするように構成された、対応する光学部品を有してよい。
【００１０】
複数の光源によるアレイ及び光学部品からの集約ビームは、光源に対する個々の光学部品のオフセットを調整することによって、コリメートビーム、発散ビーム、又は収束ビーム全体を発生させるように構成され得る。
【００１１】
本発明のさらなる態様によれば、見る人、すなわち、ホログラムを見る人と同じ側から反射型ホログラムを照明するビームが提供される。
【００１２】
本発明のさらなる態様によれば、反射型ホログラムの後方（すなわち、見る人の反対側）照明を可能にするホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）ミラーと組み合わされたビームが提供される。
【００１３】
本発明のさらなる態様によれば、ホログラムを照明した結果として生じるホログラフィー像を形成する光を放射できる照明ユニットが提供される。照明ユニットは、コリメートビーム、発散ビーム、又は収束ビーム全体を形成する個々の光源によるアレイと対応する複数の光学部品によるアレイとで構成される。
【００１４】
本発明のさらなる態様によれば、ホログラムを照明した結果として生じるホログラフィー像を形成する光を放射できる照明ユニットであって、照明ユニットは、コリメートビーム、発散ビーム、又は収束ビーム全体を形成する個々の光源によるアレイと光学部品とで構成される、照明ユニットを備えるホログラフィックディスプレイ装置が提供される。
【００１５】
ホログラフィックディスプレイ装置はさらに、光源からの光を反射できる少なくとも１つのミラーを備えてよく、ミラーからの反射光は、ホログラム面からホログラフィー像を形成できる。
【００１６】
本発明のさらなる態様によれば、ホログラムを照明した結果として生じるホログラフィー像を形成する光を放射できる照明ユニットであって、照明ユニットは、コリメート照明、発散照明、又は収束照明を形成する個々の光源によるアレイと光学部品とで構成される、照明ユニットと、光源からの光を反射できる少なくとも１つのミラーと、ホログラム面とを備えるホログラフィックディスプレイ装置が提供され、ミラーからの反射光は、ホログラム面からホログラフィー像を形成できる。
【００１７】
一般的に言えば、本発明は、ホログラフィー像の再生を意図した光学ビームを提供する小型照明ユニットの提供に帰する。
【００１８】
本発明では、標準点又はコリメート光源が複数のより小型な光源ユニットによるアレイに置き換えられて、同じ機能を実行する照明ユニットを形成する。このアレイは、標準的な照明ユニットと同様の光源の輝度を実現するが、はるかに小型形状である。
【００１９】
より小型な照明ユニットを提供することによってアレイの技術的利点が提供され、このアレイによって、工業デザイナーがホログラフィック照明システムの大きさを最小化するのに用いることができる薄型光学部品の形成が可能になることが分かっている。
【００２０】
したがって、照明ユニットは、ホログラムの一端のすぐ隣に配置された複数の小型光源ユニットによるアレイを備えてよい。したがって、照明ユニットは、コリメート光を形成し、広域コリメート参照ビームを形成してよい。
【００２１】
したがって、本発明の照明ユニットは小型であり、且つ先行技術で用いられているシステムより小さくなり得る。本発明の照明ユニットの寸法は、図５ａ及び図５ｂに示すとおりであってよい。従来の光源の大きさは、Ｄ×ＦＬＬで記載されてよく、本発明によるアレイ型の大きさは、Ｄ×ＦＬＡで記載されてよい。本発明では、ＦＬＡはＦＬＬよりはるかに小さく、ＦＬＡ：ＦＬＬの比では、約０．５：１より小さい、約０．２５：１より小さい、約０．５：１より小さい、約０．１：１より小さい。
【００２２】
コリメート型の小型照明ユニットは、レーザ及び／又はＬＥＤから形成される複数の光源又は複数の光源によるアレイを備えてよい。
【００２３】
ホログラフィックディスプレイ装置は、基板（例えば、ガラス基板）、当該基板に取り付けられたホログラム、及び画像も備えてよい。
【００２４】
複数の可視光源によるアレイ（すなわち、可視光ユニット）は、適切に構成されたホログラム付き基板のどの端部にも位置してよい。
【００２５】
ホログラフィックディスプレイ装置と、対向する複数の光源によるアレイとには、照明ビームを形成するのに用いられる光学素子がある。これらの光学素子は、凸レンズの形態であってよい。代替実施形態では、これらの素子は、曲面鏡であっても、回折光学部品であっても、透過型又は反射型のいずれであってもよい。
【００２６】
照明ユニットは、元のホログラムの記録に用いられる参照ビームを表す発散ビーム又は収束ビームを形成するように配置されてよい。
【００２７】
さらに、照明ユニットは、例えば、長方形、六角形、又は何らかの他の好適なモザイク状に形成されたレンズ素子を用いて実現され得る光源ユニットによる最密構造により、小型に維持されてよい。
【００２８】
本発明のホログラフィックディスプレイ装置は、反射型ホログラム用の光源が別個の反射型ＨＯＥ又は角度選択型ミラー（例えば、参照により本明細書に組み込まれる国際出願第２０１０／０７６５７１号）を含む場合に用いられてよい。基板（例えば、ガラス基板）、ホログラム、形成された照明像もあってよい。
【００２９】
本発明は、コリメーションアレイを用いる多色照明にも関連する。本実施形態において、個々の光源は、１つのパッケージに入った別個の有色ＬＥＤなどの、異なる色の光を放射するのに用いられてよい。各ＬＥＤパッケージは、単一光学部品（レンズ、ミラーなど）を照明する。これらのＬＥＤは空間的に分離されているので、それぞれの色は、異なる角度の光学部品から放出される。ダイクロイックミラー（又はＨＯＥミラー）は、別個の色の反射の角度を選択的に調整することで、多波長が確実に同一線上にあるようにするのに用いられてよい。したがって、複数の光源によるアレイは、制御され且つダイクロイックミラー又はＨＯＥに向かって放出し得る有色光を放射してよい。この光は、次に、反射されてホログラムを照明し、多色像を形成してよい。
【００３０】
本発明は、表示装置が複数の反射屈折コリメート素子によるアレイを備え得る実施形態にも関連する。反射屈折素子は、光源からの光を屈折させる、反射する、及び全反射（ＴＩＲ）する面の組み合わせを含んでよい。したがって、反射屈折素子は、屈折面、反射面、及びＴＩＲ面の組み合わせを用いて、光のビームを形成してよい。その結果として生じるアレイからの光のビームは、前述したように、ホログラムを照明するのに用いられてよい。
【００３１】
本発明は、放物面鏡又は一般的な反射鏡形状の形態をした、本発明のさらなる実施形態によるコリメートビームを形成するコリメート素子を備える表示装置にも関連する。これらの実施形態では、任意選択でミラーコーティングを有する放物面鏡に向かって光を放射する光源（例えば、ＬＥＤ又はレーザ）があってもよい。ホログラフィック用途に用いられ得る、光のコリメート参照ビームが形成されてよい。それぞれの放物面鏡が、その焦点に位置する光源（例えば、ＬＥＤ又はレーザ）を任意選択で有する、複数の放物面鏡によるアレイがあってよい。通常、それぞれの放物面鏡はミラーコーティングを有してよく、またホログラフィック用途に用いられ得るコリメート光ビームを形成してよい。
【００３２】
代替実施形態において、表示装置は、仮想の点光源から発散するビームを形成する、複数の光学部品によるアレイを備えてよい。通常、仮想の点光源から発散するビームを形成するオフセット光源（例えば、ＬＥＤ）をそれぞれが有する、複数の光学部品によるアレイがあってよい。ホログラムは、この表示装置で照明されてよい。いくつかの例では、ホログラムを照明する参照ビームは、コリメートビームではなく、むしろ発散ビーム又は収束ビームを必要とし得る。複数の素子による光学アレイは、仮想の点光源から発散しているように見えるビームを形成するように構成されてよい。
【００３３】
各光源（例えば、ＬＥＤ）の位置は、その局所光軸に対して中心からずれてよい。複数の屈折光学素子によるアレイ又は同様のビーム形状が、本願で論じられる他のタイプの光学素子を用いて実現され得る。
【００３４】
したがって、本発明は、広告又は芸術的な展示に好適であり得る、広く受け入れられる画像媒体を有したディスプレイホログラムに関する。あるいは、形成されるホログラムは、料金を受け取ることができる任意の他の商業目的に用いられてもよい。本発明のホログラムは、透過型ホログラムであっても反射型ホログラムであってもよい。
【００３５】
一般的に言えば、本発明は、実質的に自己完結型であり得て、実用的な照明を提供し、任意選択で実質的に迷光の影響を受けないディスプレイホログラム（すなわち、ホログラム）の提供に帰する。光源の電力は、全体で約１０〜５００Ｗの範囲にあり得る。
【００３６】
光源は、任意の適切又は好適な光源であってよく、例えば、レーザ若しくはＬＥＤ、又はこれらの任意の組み合わせであってよく、その組み合わせの中には、赤色、緑色、及び青色のレーザ若しくはＬＥＤ又は３色を超えるなどの、それぞれの集まりが含まれる。
【００３７】
本発明における光源は、反射型ホログラムが照明されている背後又は実質的に背後に（すなわち、像を見るのとは反対側に）位置する且つ／又は配置されてよい。このことが、光源がホログラムの前方に位置する一般的な先行技術と対照的である。したがって、本発明は、形成されたホログラフィー像の背後又は前方のいずれかに位置する及び／又は配置された光源又は複数の光源を用いる反射型ホログラムに関する。
【００３８】
光源又は複数の光源は、筐体又は箱の中に位置し且つ／又は配置されてよい。したがって、光源又は複数の光源は、ホログラフィックディスプレイ装置の中に実質的に封入されてよく、これにより、自己完結型の装置が形成される。このことが、先行技術のシステムと対照的である。代替実施形態において、光源又は複数の光源は、例えば極めて近接したミラーを用いて、筐体の外側に配置されてもよい。
【００３９】
通常、形成されるホログラムは、筐体又は箱の内面／内側に形成されてよく、また外側から見ることができる。したがって、表示面は実質的に透明であってよい。
【００４０】
ホログラフィックディスプレイ装置は、形成されるホログラムにとって所望の方向に、放射される光を向け直す又はその焦点を調整するのに用いられ得る光学部品も備えてよい。
【００４１】
照明するアレイ型装置からホログラム面に入射する照明の角度は高く、通常は、例えば約５０〜８５度、又は好ましくは６０〜８５度であり、通常は少なくとも約７０度である。
【００４２】
本発明のさらなる態様によれば、前述の複数の態様のうちのいずれかで説明したホログラフィックディスプレイ装置を用いてホログラフィー像を形成する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
本発明の実施形態が、以下に説明される添付図面を参照して、例としてのみ、これから説明される。
【００４４】
【図１ａ】先行技術による光源及び関連する光学部品の側面図を表す。
【００４５】
【図１ｂ】図１ａに示す光源及び関連する光学部品の前面図を表す。
【００４６】
【図２】米国特許出願第１４／２５３，７３３号に説明されている先行技術の反射型ホログラムの照明を表す。
【００４７】
【図３ａ】ホログラムの下部に配置され、本発明の一実施形態による広域コリメート参照ビームを形成する、複数の小型光源ユニットによるアレイの側面図を表す。
【図３ｂ】ホログラムの下部に配置され、本発明の一実施形態による広域コリメート参照ビームを形成する、複数の小型光源ユニットによるアレイの前面図を表す。
【００４８】
【図４】本発明のさらなる実施形態による、ＨＯＥを含む、反射型ホログラム用のコリメート光源を表す。
【００４９】
【図５ａ】本発明のさらなる実施形態によるコリメート照明のアレイユニットに用いられる光源を表す。
【図５ｂ】本発明のさらなる実施形態による単一光学部品に用いられる光源を表す。
【００５０】
【図６】本発明のさらなる実施形態によるコリメーションアレイを用いた多色照明を表す。
【００５１】
【図７ａ】本発明のさらなる実施形態による、複数の反射屈折素子によるアレイを用いた薄型コリメートビームを表す。
【図７ｂ】本発明のさらなる実施形態による、複数の反射屈折素子によるアレイを用いた薄型コリメートビームを表す。
【００５２】
【図８ａ】本発明のさらなる実施形態によるコリメートビームを形成するのに用いられる放物面鏡又は一般的な反射鏡形状の形態をしたコリメート素子を表す。
【図８ｂ】本発明のさらなる実施形態によるコリメートビームを形成するのに用いられる放物面鏡又は一般的な反射鏡形状の形態をしたコリメート素子を表す。
【００５３】
【図９】本発明のさらなる実施形態による、仮想の点光源から発散するビームを形成する、複数の光学部品によるアレイを表す。
【００５４】
【図１０ａ】先行技術による従来の大型照明システムを表す。
【図１０ｂ】本発明のさらなる実施形態による小型で利用できるアレイ状光学部品を表す。
【００５５】
【図１１ａ】本発明のさらなる実施形態による、全体的に最密構造又はモザイク状になっている、複数の光学素子によるアレイを示す。
【図１１ｂ】本発明のさらなる実施形態による、全体的に最密構造又はモザイク状になっている、複数の光学素子によるアレイを示す。
【図１１ｃ】本発明のさらなる実施形態による、全体的に最密構造又はモザイク状になっている、複数の光学素子によるアレイを示す。
【００５６】
【図１２ａ】従来の大型照明システムを用いて得られる強度均一性を表す。
【図１２ｂ】本発明のさらなる実施形態による小型で利用できるアレイ状光学部品を用いて得られる強度均一性を表す。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
一般的に言えば、本発明の一実施形態は、ホログラフィー像の再生を意図した参照光学ビームを提供する小型照明ユニットの提供に帰する。標準的な光源が、ホログラムに極めて近接したより小型のパッケージで同じ機能を実行する、複数のより小型な光源ユニットによるアレイに置き換えられる。このアレイによって、標準的な照明ユニットと同様の光源の輝度が、はるかに小型形状で実現される。
【００５８】
より小型な照明ユニットを提供することによって、工業デザイナーがホログラフィック／照明システムの大きさを最小化するのに用いることができる薄型光学部品の形成を可能にするアレイの技術的利点が提供される。本発明者は、以下に論じられ且つ例示されるような技術的利点を初めて認識した。
【００５９】
図１ａは、先行技術の従来の照明による反射型ホログラム１０を表す側面図である。ここには、光源１２（例えば、レーザ又はＬＥＤ）、基板１４（例えば、ガラス基板）、大型照明ユニット１６、ミラー又はＨＯＥ１８、及び像２０が示されている。
【００６０】
図１ｂは、図１ａに示す描写の前面図であり、コリメート照明２２を示している。
【００６１】
図１ａ及び図１ｂに示す照明装置の短所は、大型照明ユニット１６が用いられていることである。
【００６２】
図２は、米国特許出願第１４／２５３，７３３号に説明されている先行技術の反射型ホログラムの照明を表している。図２には、光源３０（例えば、レーザ又はＬＥＤ）、凹面鏡又はＨＯＥ（３２）、ＨＯＥ又は角度選択型ミラー３４、ホログラム３６、及び像３８が示されている。
【００６３】
図２において、光源３０は、透過型ホログラムに代表的な構成で配置されている。しかしながら、照明を反射するＨＯＥ３４が追加されているので、ここで、光が反射像ホログラムの元の参照ビームと一致する。この構成には、前述の発明者による出願であり、参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願第１４／２５３，７３３号に詳しく述べられているような、いくつかの利点がある。そのような配置には、例えば、像３８のコントラストを低下させ得る周囲照明の影響を受けにくいなどの利点がいくつかある。
【００６４】
図１ａ、図１ｂ、及び図２に示す略図には、ホログラフィックプレートを照明し、次いでホログラフィックプレートから像を生成するのに用いられる光源及び関連する光学部品が示されている。両方の事例では、ホログラフィックプレートの上部及び下部にそれぞれ配置された光源とコリメーション光学部品とを備えた照明モジュールの大きさが、少なくともフルサイズのホログラフィックプレートに達している。これには、複数の短所がある。
【００６５】
図１ａ、図１ｂ、及び図２に示す照明技法と対照的に、本発明の一実施形態は、アレイ（すなわち、複数の光源）から得られるコリメート照明の使用に関する。これにより、米国特許出願第１４／２５３，７３３号の場合と比較して、照明ユニットの大きさを縮小するなどの特定の技術的利点が提供される。
【００６６】
広域ＬＥＤチップ及びコリメータを用いる従来の照明は、ホログラムの端部に向かって著しく低下する強度分布を形成することが分かっている。本発明は、この課題に対処する。複数の小型光源による分散アレイを利用することによって、ホログラムの照明がより均一な、したがって、最終的なホログラフィー像の品質を向上させる、より小型なシステムの形成が可能であることが分かった。
【００６７】
本願の発明者は、ホログラフィー像プレートを照明するための理想的な光源を探し出そうと試み、所望の光源が、以下に挙げる特性のうちの少なくとも１つ又は複数を優先的に有し得ることを発見した。
・光源の波長は、ホログラフィック記録レーザの波長と一致しているか、又はその波長に可能な限り近接していること。
・光源のスペクトル帯域幅は、ホログラムのスペクトル帯域幅より小さいか、又はそのスペクトル帯域幅とほぼ一致していること。
・光源からのビームは、好ましくは、ホログラムを記録するのに用いられる参照ビーム形状と一致するように構成され、高い解像度の再構築ホログラフィー像を発生させる優れたビーム品質（コリメーション又はエタンデュ）を有すること。
【００６８】
以下では、本発明の実施形態によるホログラフィックプレートを照明するのに好適な小型光源を説明する。
【００６９】
図３ａ及び図３ｂは、ホログラムの下部に配置され、広域コリメート参照ビームを形成する、本発明の一実施形態による、複数の小型光学サブユニットによるアレイを表している。各サブユニットは、光源とコリメート光学部品とを含む。図３ａは、反射型ホログラム用のコリメート光源の形成を示す側面図であり、図３ｂはその前面図である。
【００７０】
具体的には、図３ａは、複数の光源によるアレイ、すなわち、少なくとも２つ若しくはそれより多くの光源又は複数の光源を有するコリメート型の小型照明ユニットの形態をした照明ユニット１００を示している。小型サブユニット１１０の寸法は、通常、５〜５０ｍｍの範囲にあるかもしれないが、この範囲に制限されない。通常、アレイ内のサブユニットを最密構造にすることが、最大光学効率のために用いられる。
【００７１】
コリメート型の小型照明ユニット１００は、レーザ及び／又はＬＥＤから形成される複数の光源又は複数の光源によるアレイを備えてよい。図３ａは、ホログラム１０４（フィルムで作られている場合）が取り付けられた基板１０２（例えば、ガラス基板）、及び像１０６も示している。小型光源１１０からの光が基板１０２から反射して、ホログラム１０４及び像１０６が形成される。
【００７２】
図３ｂは、ホログラム１０４用のコリメート照明を形成するのに、複数のサブユニット１１０によるアレイがあってもよいことを示している。サブユニット１１０からの光が、コリメート照明１１２となって放射されているところが示されている。
【００７３】
したがって、図３ａ及び図３ｂは本発明を例示しており、これらの図には、ホログラム１０４及び基板１０２の下部／裏面に複数の光学ユニット１１０によるアレイが位置していることが示されている。複数の光源１００によるアレイから基板１０２に光が放射されて、ホログラム１０４及び像１０６が形成される。
【００７４】
照明ユニット１００は、約４００ｎｍから６４０ｎｍの可視スペクトルに該当する波長で動作してよい。サブユニット１１０は、広域ビーム１１２を形成する機能を有する。
【００７５】
図３ａとコリメート型の小型照明ユニット１００を示す外枠１１８とを参照することで、図１ａ及び図１ｂに示すような従来のシステムで示される大きさと比較して、ここでは大きさが縮小されていることが分かる。
【００７６】
図３ｂは、上記の光源１１０のそれぞれには、コリメート照明１１２を形成するのに用いられる光学素子１２０があることを示している。光学素子１２０は、本実施形態では凸レンズの形態である。
【００７７】
光学サブユニット１１０はそれぞれ、ＬＥＤ又はレーザなどの光源からの光をコリメートすることができる。このコリメーションはレンズで実現されてもよいが、反射鏡でも実現され得る。コリメーションの程度（又はビーム品質）は、図１ａ及び図１ｂに示す単一光源／大型コリメート光学部品で実現されるものと同等であるか、又はそれより優れている。
【００７８】
光アレイを形成する光学照明ユニット１００及び関連するサブユニット１１０は、元のホログラムの記録に用いられる参照ビームを表す発散ビーム又は収束ビーム全体を形成するようにも配置され得る。これを行うことができるのは、サブユニットからサブユニットへと出射角が徐々に変化するように、ユニット内の光源のオフセットを調整することによってである。
【００７９】
光サブユニット１１０の最密構造は、長方形、六角形、又は何らかの他の好適なモザイク状に形成されたレンズ素子を用いて実現され得る。
【００８０】
図４は、本発明のさらなる実施形態による、ＨＯＥを含む反射型ホログラム用のコリメート光源を表す。図４には、前述した図３ａ及び図３ｂと同様の複数のレーザ及び／又はＬＥＤによるアレイを備えたコリメート型の小型照明ユニット２１０がある。本実施形態には、米国特許出願第１４／２５３，７３３号に説明されているように、別個の反射型ＨＯＥ又は角度選択型ミラー２１２がある。ここには、基板２１４（例えば、ガラス基板）、ホログラム２１６、及び形成される照明像２１８も示されている。
【００８１】
したがって、図４で形成されるコリメート光は、図３ａ及び図３ｂに説明されているのと同様なコリメート型の小型照明ユニットを用いて形成される。したがって、そのような装置は、図１ａ及び図１ｂに示すなどの先行技術に見られる単一の光源又は大型コリメート光学部品から実現されるものと比べて、大きさが縮小され、コリメーションの程度（又はビーム品質）が同等であるなどの、前述したことと同じ対応する技術的利点を有する。
【００８２】
図５ａ及び図５ｂは、ホログラムの参照ビーム照明用のコリメートビームを発生させるアレイ状光学部品及び単一光学部品に基づく照明システムを表す。具体的には、図５ａは、コリメート型の照明ユニット３１２を形成する複数のレーザ及び／又はＬＥＤによるアレイなどの、複数の光源３１０（すなわち、Ｎ個のサブユニット）によるアレイを示す。図５ａと対照的に、図５ｂには、単一のコリメータ３１４がある。
【００８３】
図５ａには、複数の光源３１０（すなわち、アレイ）がある。光源３１０の上方には、コリメート光を形成するのに用いられる一連の光学素子３１６がある。
【００８４】
これらの図は、従来の単一光学部品によるシステムと同等のビーム品質を有するコリメートビームを、アレイベースの手法でどのように実現することができるかを説明するのに役立つ。図５ｂ及び方程式１を参照すると、コリメートビームの品質は、ビーム幅（Ｄ）と、ビーム発散角（ｑ）の正弦との積で定義されるので、ビーム品質は、Ｄ×ｓｉｎ（ｑ）である。図５ａを参照すると、アレイの個々の光学サブユニットは、ｄ×ｓｉｎ（ｑ）のビーム品質を有し、ｄは、サブユニットの幅である。アレイの全幅には幅（ｄ）のユニットが（Ｎ）個含まれ、（Ｎ×ｄ＝Ｄ）となるため、Ｄ×ｓｉｎ（ｑ）となる単一光学部品の場合と同等のビーム品質がアレイで生み出される。サブユニット光学部品に用いられるＬＥＤチップのサイズ（ｌ）と、当該光学部品の焦点距離（ＦＬＡ）とを選択することによって、より大きいＬＥＤチップサイズ（Ｌ）とコリメータ焦点距離（ＦＬＬ）とを用いる従来の照明器具によって実現されるコリメーション角（ｑ）に一致させることが可能であることが分かっている。コリメーション角（ｑ）の等価性は、光学焦点距離に対するチップサイズの比が両方の事例で確実に同じになるようにする（すなわち、［（ｌ／ＦＬＡ）＝（Ｌ／ＦＬＬ）］となるようにする）ことによって実現される。
［方程式１］
【数１】
2020537763.tif 000003
【００８５】
したがって、これが示すことは、本発明で提案された複数の光源によるアレイを用いることで、上記のビーム品質の定義によって記述されているように、単一光学部品によるシステムと同等のコリメートビームが提供されるということである。
【００８６】
本発明者は、アレイによって収集される全光束が、大型ＬＥＤチップによる従来の単一光源オプションと確実に同等になるか、又はそれより強くなることが可能であることも発見した。したがって、コリメーションの程度に加えて、アレイの有効輝度を単一のＬＥＤ／光学部品と一致させるか又はそれより向上させることができる。このことは、以下の図１０ａ及び図１０ｂの詳細な説明で説明される。
【００８７】
本発明における光学アレイの設計には、射出成形などの技法で複製できる単一の統合されたマルチ光学レンズ／光学部品と、光学バッフリングで制御されている個々の光源ユニット間の迷光と、強度分布のあらゆる「グリッド」パターンの最小化とが含まれてよい。
【００８８】
理想的には、これらの構成要素をレンズアレイにおいて積極的に位置合わせする必要性は何もない。したがって、単一のＰＣＢへのＬＥＤチップ配置を許容すること、及びレンズアレイの製造は、これらの構成要素を正しい位置にはめ込むことが可能なように行われてよい。
【００８９】
図６は、本発明のさらなる実施形態によるコリメーションアレイを用いた多色照明を表す。具体的には、図６は、別個の有色ＬＥＤを用いて多波長照明を実現する１つの構成を示す。多波長が確実に同一線上にあるようにするために、ダイクロイックミラー（又はＨＯＥミラー）が用いられる。
【００９０】
図６の略図には、複数のサブユニット４１０によるアレイがあり、光が制御されてダイクロイックミラー又はＨＯＥ４１２に向かって放出される。ミラー４１２は異なる角度に配置されるので、異なる色の光が同一線上にあるようにもたらされる。次いで、光はホログラム４１６に向かって反射され、次にホログラム４１６で反射されて像４１８が形成される。
【００９１】
図７ａ及び図７ｂは、本発明のさらなる実施形態による、複数の反射屈折素子によるアレイを用いた薄型コリメートビームを表す。具体的には、図７ａは、ＬＥＤ又はレーザの形態をした光源５１０を示している。光源５１０の上方に位置しているのは、ミラーコーティング５２０を有する凹面５１４に向けて光を反射させる平面鏡の形態をしたミラーコーティング５１２である。図７ａに示すように、コリメートビームの光５１６が、屈折光学部品と反射光学部品との組み合わせ（より一般的には反射屈折光学部品と呼ばれる）を用いて形成される（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｌｕｘｅｏｎｓｔａｒ．ｃｏｍ／ａｓｓｅｔｓ／ｄｏｗｎｌｏａｄｓ／ｃａｒｃｌｏ−ｇｕｉｄｅ．ｐｄｆ）。
【００９２】
図７ａに示すように、例えば部分５１８で、全反射（ＴＩＲ）が発生する。
【００９３】
図７ｂは、コリメートビームの光５５２を形成する複数の反射屈折光学部品５５０によるアレイがある一実施形態を示す。コリメートビームの光は、上述されたように、ホログラフィック用途に用いられてよい。
【００９４】
図８ａ及び図８ｂは、本発明のさらなる実施形態によるコリメートビームを形成する放物面鏡又は一般的な反射鏡形状の形態をしたコリメート素子を表す。図８ａは、ミラーコーティング６１４を有する放物面鏡６１２に向かって光を放射する光源６１０（例えば、ＬＥＤ又はレーザ）を示している。これによって、図８ａに示すように、コリメート光ビーム６１６が形成される。光ビーム６１６は、上述したように、ホログラフィック用途に用いられてよい。
【００９５】
図８ｂは、複数の放物面鏡６５０によるアレイを示しており、それぞれの放物面鏡６５０がその焦点に位置する光源６１０（例えば、ＬＥＤ又はレーザ）を有する。図８ａと同様に、それぞれの放物面鏡６５２はミラーコーティング６５４を有し、ホログラフィック用途に用いられ得るコリメート光ビーム６５６を形成する。
【００９６】
図９は、本発明のさらなる実施形態による、仮想の点光源から発散するビームを形成する、複数の光学部品によるアレイを表す。図９には、仮想の点光源７１０が示されている。図９に示すように、それぞれがオフセット光源７１４（例えば、ＬＥＤ）を有して、仮想の点光源７１０から発散するビームを形成する、複数の光学部品７１２によるアレイがある。形成されたホログラム７１６がある。
【００９７】
図９に示すような実施形態では、いくつかの例において、ホログラムを照明する参照ビームはコリメートビームではなく、むしろ発散ビーム又は収束ビームを必要とし得る。複数の素子７１４による光学アレイが、仮想の点光源７１０から発散しているように見えるビーム７１８を形成するように構成され得る。
【００９８】
各光源７１４（例えば、ＬＥＤ）の位置は、その局所光軸に対して中心からずれている。図９に示す例は、複数の屈折光学素子７１２によるアレイを用いているが、同様のビーム形状が、本願で論じられる他のタイプの光学素子で実現され得る。
【００９９】
図１０ａは、先行技術による従来のコリメート型の照明ユニットの一例を詳しく示している。図１０ｂは、本発明による、大きさを縮小した複数の光学部品によるアレイに基づく、等価な照明システムを詳細に示している。
【０１００】
図１０ａでは、先行技術による反射型ホログラム８１０の従来の照明を表している。左側には、従来のコリメート型の照明ユニットの側面図があり、右側にはその前面図がある。ここには、単一の広域光源８１２（例えば、レーザ又はＬＥＤ）、基板８１４（例えば、ガラス基板）、大型照明ユニット８１６、ミラー又はＨＯＥ８１８、及び像８２０が示されている。
【０１０１】
図１０ｂの左側には側面図があり、右側には前面図がある。図１０ｂ及びコリメート型の小型照明ユニット９００についての外枠９１８を参照することで、図１ａ及び図１ｂに示すような従来のシステムに示されるものと比較して、ここでは大きさが縮小されていることが分かる。
【０１０２】
図１０ｂの右側には、それぞれの光源９１０の上方に、コリメート照明９１２を形成するのに用いられる光学素子９２０があることが示されている。光学素子９２０は、本実施形態では凸レンズの形態である。
【０１０３】
図１０ｂを参照することによって、単一光学部品の照明器具と比較して、光学アレイがどれほど小型になり得るか、また高い輝度のビームをどのように発生させることができるかを、以下の詳細で説明する。ここで詳しく述べられるホログラムの大きさは、幅２００ｍｍ×高さ１２０ｍｍであり、参照ビームによって７０度の入射角で照明されている。どの照明システムの大きさも、ホログラムが照明されている領域に対応することが理解されるであろう。
【０１０４】
この例では、図１０ａに示す従来の照明ベースのユニットの大きさは、ほぼ２００×１２０×４０ｍｍであるのに対して、図１０ｂに示す小型のアレイ型は、ほぼ２００×２５×４０ｍｍの大きさを有し、これは従来のシステムの大きさのほぼ５分の１である。
【０１０５】
図１０ａ及び図１０ｂに示す２つの照明システムの強度も比較することができ、アレイベースの手法では、同等またはより高い光強度を発生させるように設計することができることを示している。
【０１０６】
比較のために、両方のシステムは、全ＬＥＤ放射領域が１０ｍｍ２であり、波長が６３５ｎｍであると仮定した。すなわち、従来のシステムは単一の１０ｍｍ２のＬＥＤチップであり、等価なアレイ（１０個×２列）は、より小さい０．５ｍｍ２領域のＬＥＤチップによる２０個の集まりで構成される。
【０１０７】
したがって、例えば、図１０ａ及び図１０ｂに示す各構成からの全ＬＥＤ出射光束は同等であり、約７００ルーメンに等しいことが仮定できる。最終ビームにおいて１．６度の広がりという等価なコリメーションが、図１０ａに示す従来のシステムでは、１２０ｍｍの焦点距離ＦＬＬの単一反射鏡で実現され得、図１０ｂに示すアレイ手法でも、個々の光学レンズ素子が約２５ｍｍの焦点距離ＦＬＡを有する場合に実現され得る。
【０１０８】
２つのシステムの光学モデリングによって、図１０ａに示す標準的なシステムでは、全出射ＬＥＤ光束の約１１．４％が収集され、図１０ｂに示す本発明によるアレイベースの手法では約１５％であることが示されている。これは、最終的な照明強度が、図１０ａに示す標準的なシステムでは３５，０００ニットであり、図１０ｂに示す本発明によるアレイベースの照明器具では、より高い４２，０００ニットであると、言い換えることができる。
【０１０９】
図１１ａ、図１１ｂ、及び図１１ｃは、本発明による個々の光学素子の例であり、それぞれ、六角形、ひし形、正方形の形状で全体的に最密構造になっている。これらの形状による最密構造では、光学素子の間に隙間が発生しない。隙間が存在したならば、ホログラフィー像の品質を低下させることになる暗い縞が、照明ビームの強度分布に現れるであろう。
【０１１０】
具体的には、図１１ａは、異なる光学素子１０１０の間に隙間がなく全体的に最密構造をした、六角形の光学素子１０１０を示している。六角形の光学素子１０１０の中心には、ＬＥＤチップ１０１２がある。
【０１１１】
図１１ｂは、異なる光学素子１０２０の間に隙間がなく全体的に最密構造をした、ひし形状の光学素子１０２０を示している。ひし形状の光学素子１０２０の中心には、ＬＥＤチップ１０２２がある。
【０１１２】
図１１ｃは、異なる光学素子１０３０の間に隙間がなく全体的に最密構造をした、正方形の光学素子１０３０を示している。正方形の光学素子１０３０の中心には、ＬＥＤチップ１０３２がある。
【０１１３】
図１２ａは、先行技術による単一の大型光学システム１１００用の参照照明ビーム全体にわたる強度均一性の一例である。表示部の端部における強度は、ビームの中心部の強度の５０％以下に低下し得る。これは、ＬＥＤからの放射パターンと、光学部品によるビームの口径食によって生じる。
【０１１４】
それに対して、図１２ｂは、本発明による複数の照明サブユニット１２００によるアレイで構成されている。それぞれの照明サブユニット１２００の輝度は、例えば、アレイの各ＬＥＤへの駆動電流を個別に変えることによって調整されてよい。この方式では、ビームの端部での強度低下を、ビームの中心部と比較して５％未満になるように、最小化することが可能である。より均一な強度のビームで照明されると、ホログラフィー像が改善されるという結果になる。これは、先行技術と比べて著しい改善である。
【０１１５】
本発明の具体的な実施形態が上述されたが、説明された実施形態から逸脱するものも、依然として本発明の範囲に含まれ得ることが理解されるであろう。例えば、任意の好適な種類の光源又は複数の光源が、ホログラフィー像を形成するのに用いられてよい。さらに、任意の好適な種類の反射面（例えば、ミラー）が用いられてもよい。
【図１ａ】
2020537763.tif 000004
【図１ｂ】
2020537763.tif 000005
【図２】
2020537763.tif 000006
【図３ａ】
2020537763.tif 000007
【図３ｂ】
2020537763.tif 000008
【図４】
2020537763.tif 000009
【図５ａ】
2020537763.tif 000010
【図５ｂ】
2020537763.tif 000011
【図６】
2020537763.tif 000012
【図７ａ】
2020537763.tif 000013
【図７ｂ】
2020537763.tif 000014
【図８ａ】
2020537763.tif 000015
【図８ｂ】
2020537763.tif 000016
【図９】
2020537763.tif 000017
【図１０ａ】
2020537763.tif 000018
【図１０ｂ】
2020537763.tif 000019
【図１１ａ】
2020537763.tif 000020
【図１１ｂ】
2020537763.tif 000021
【図１１ｃ】
2020537763.tif 000022
【図１２ａ】
2020537763.tif 000023
【図１２ｂ】
2020537763.tif 000024
【国際調査報告】
2020537763.tif 000025
2020537763.tif 000026
2020537763.tif 000027