JP2004069859A - Method and apparatus for manufacturing hologram optical element, and image combiner and image display device - Google Patents

Method and apparatus for manufacturing hologram optical element, and image combiner and image display device Download PDF

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Yumiko Ouchi
大内 由美子
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress deterioration in optical performance by a fluctuation in a shrinkage rate of a hologram photosensitive material by simple adjustment even if this shrinkage rate fluctuates from the estimation of the time for designing. <P>SOLUTION: A reference optical system for irradiating the hologram photosensitive material with reference light and an object light optical system for irradiating the hologram photosensitive material with object light are used to cause the interference exposure of the hologram photosensitive material with the reference light and the object light. An operator inputs the actual shrinkage rate of the hologram photosensitive material from an input section 53. A control section 52 controls a position adjusting mechanism 51 so as to adjust the positions in an optical axis direction (G-direction) of a lens 47 and pinhole 48 which are portions of the object light optical system and the positions in a direction (H-direction) perpendicular to the optical axis thereof in accordance with the inputted shrinkage rate. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラム光学素子を露光する製造方法及び装置、並びに、イメージコンバイナ及び画像表示装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から、種々の用途において、ホログラム光学素子が広く用いられている。
【0003】
例えば、ホログラム光学素子を用いた装置として、従来から、使用者が外界の様子を観察しながらこれに重畳された表示画像を見ることができる、いわゆるシースルー型の頭部装着式画像表示装置(ヘッド・マウントディスプレイ)として、例えば特開2000−352689号公報や特開2001−264682号公報や特開2000−121989号公報に開示された画像表示装置が知られている。また、特開2001−264682号公報には、シースルー型の頭部装着式画像表示装置のみならず、それと実質的に同じ構成を持ちながらシースルー型として用いない(つまり、画像表示素子からの光に外界から等の他の光を重畳させることなく、画像表示素子からの光のみを使用者の眼に導びく)画像表示装置も開示され、この画像表示装置を携帯電話機のフリッパー部に内蔵する例も開示されている。
【0004】
これらの画像表示装置では、反射型ホログラム光学素子を用いることにより小型軽量化を図っている。反射型ホログラム光学素子は、波長選択性が優れ、極限られた波長領域の光のみを選択的に回折反射し得る。このため、シースルー型の画像表示装置を構成する場合、反射型ホログラム光学素子による外界等から透過する光量の損失を著しく低減させることができる。
【0005】
反射型ホログラム光学素子などのホログラム光学素子は、コヒーレントな2光束を干渉させ、その干渉縞を乳剤等のホログラム感光材料に記録させることで作製する。そして、その2光束の片方の光源位置から同じ波長で再生照明光を入射してやると、記録された干渉縞で回折格子のような回折作用を受け、もう一方の入射光と等価な波面が生成されるのである。
【0006】
すなわち、露光時の一方に自由曲面的な波面を作って、もう一方は単純な球面波等にして干渉縞を記録すると、簡単な照明により、複雑な自由曲面的な波面を生成することが可能である。
【0007】
ホログラム光学素子には、このように自由曲面的な位相変換作用を持たせることができるため、例えば、そのホログラム面上の位置に依存する3次以上の位相変換作用を持たせたホログラム光学素子をイメージコンバイナに用いると、その他の面はすべて平面や球面等で構成しても、諸収差を補正した画質の良い像を得ることができるのである。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ホログラム感光材料(ホログラム記録材料)は露光工程のいくつかのプロセス中に収縮することが一般に知られており、記録材料メーカーからも品質情報として開示されている。
【0009】
記録材料に収縮が起こると、干渉縞の間隔が変動するため、回折効率が低下したり、回折波長がシフトして収差が発生するなど、画像表示装置としての性能は悪化する。
【0010】
ところが、記録材料の収縮率は露光工程の諸条件によって変動することが多いため、画像表示装置を設計するときには、収縮率の変動幅のたとえば中間あたりを見積もって予め設計して、実際の収縮率との見積誤差は製造誤差として許容するか、もしくはプロセスを安定させ、収縮率変動幅を抑えるか、あるいは実際の収縮率に応じて再設計をするかなどの対処をする必要があった。
【0011】
また、ホログラム光学素子の使用時に当該ホログラム光学素子に照射される再生光を発する光源のピーク波長等の発光スペクトルが、当該光源の製造誤差で変動することがある。例えば、小型で安価なLEDでは、ピーク波長変動は一般に±10nm程度と言われている。
【0012】
再生波長が変動すると回折効率も変動するため上記と同様の性能劣化が起こるが、従来は製造誤差として許容するか、もしくはLEDをチップ選別して波長誤差の少ないものを入手するなどの方法を取っていたが、それではコストがかかってしまう。
【0013】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ホログラム感光材料の収縮率が設計時の見積から変動してもその変動による光学性能の劣化を簡単な調整で抑制することができること、及び、再生光を発する光源のピーク波長等が設計時の波長から変動しても光学性能の劣化を簡単な調整で抑制することができること、のいずれか一方又は両方を同時に達成することができるホログラム光学素子の製造方法及び装置を提供することを目的とする。
【0014】
また、本発明は、このような製造方法及び装置により露光することによって作製したホログラム光学素子を用いることにより、光学性能に優れかつコストダウンを図ることができるイメージコンバイナ及び画像表示装置を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明者の研究の結果、参照光をホログラム感光材料に照射する参照光光学系及び物体光を前記ホログラム感光材料に照射する物体光光学系を用い、前記参照光及び前記物体光を前記ホログラム感光材料に干渉露光させる場合、参照光学系の一部を位置調整することで回折効率が最大となる波長を調整することができることが、判明した。これは、参照光学系の一部を位置調整することで参照光の入射角が変更されるためである。また、物体光光学系の一部を位置調整することで、参照光光学系及び物体光光学系からなる露光光学系の収差を調整できる。
【0016】
一方、ホログラム感光材料の収縮率が変動することは、回折効率が最大となる波長が変動することに対応するとともに、露光光学系の収差が変動することに対応する。また、ホログラム光学素子の使用時に当該ホログラム光学素子に照射される再生光を発する光源のピーク波長等の発光スペクトルが変動することは、回折効率が最大となるべき波長が変動することに対応するとともに、露光光学系の収差が変動することに対応する。
【0017】
したがって、ホログラム感光材料の収縮率及び前記光源からの再生光のピーク波長をそれぞれ所定値に設定して、ホログラム光学素子の所望の特性を設計し、その特性が得られるように最適化して設計した前記参照光光学系及び前記物体光光学系を含む露光光学系において、実際の収縮率や実際のピーク波長に基づいて物体光光学系の一部や参照光光学系の一部の位置調整を行えば、実際の収縮率や実際のピーク波長が設定値から変動しても、その変動による光学性能の劣化を簡単に抑制することができる。
【0018】
本発明は、前述した課題を解決するため、このような本発明者による研究の結果により得られた新たな知見に基づいてなされたものである。すなわち、本発明の第1の態様によるホログラム光学素子の製造方法は、参照光をホログラム感光材料に照射する参照光光学系及び物体光を前記ホログラム感光材料に照射する物体光光学系を用い、前記参照光及び前記物体光を前記ホログラム感光材料に干渉露光させることで製造されるホログラム光学素子の製造方法であって、前記干渉露光により作製されるホログラム光学素子の前記ホログラム感光材料の実際の収縮率に関する情報、及び、前記干渉露光により作製されるホログラム光学素子の使用時に当該ホログラム光学素子に照射される再生光を発する光源の実際の発光スペクトルに関する情報のうちの、少なくとも一方の情報に基づいて、前記参照光光学系の一部及び前記物体光光学系の一部のうちの、少なくとも一方の位置を調整して、露光するものである。
【0019】
本発明の第2の態様によるホログラム光学素子の露光装置は、参照光をホログラム感光材料に照射する参照光光学系及び物体光を前記ホログラム感光材料に照射する物体光光学系を有し、前記参照光及び前記物体光を前記ホログラム感光材料に干渉露光させるホログラム光学素子の露光装置であって、前記参照光光学系の一部及び前記物体光光学系の一部のうちの、少なくとも一方の位置を調整する位置調整部と、前記干渉露光により作製されたホログラム光学素子の前記ホログラム感光材料の実際の収縮率に関する情報、及び、前記干渉露光により作製されたホログラム光学素子の使用時に当該ホログラム光学素子に照射される再生光を発する光源の実際の発光スペクトルに関する情報のうちの、少なくとも一方の情報に基づいて、前記位置調整部を制御する制御部と、を備えたものである。
【0020】
本発明の第3の態様によるイメージコンバイナは、反射型ホログラム光学素子が設けられ画像表示手段からの光と外界からの光を重畳させるイメージコンバイナであって、前記反射型ホログラム光学素子が、前記第1の態様による製造方法によって又は前記第2の態様による露光装置により露光することによって作製されたものである。
【0021】
本発明の第4の態様による画像表示装置は、前記第3の態様によるイメージコンバイナと、前記画像表示手段とを備え、使用時に少なくとも前記イメージコンバイナを含む部分が使用者に装着されるものである。
【0022】
本発明の第5の態様による画像表示装置は、画像表示手段と、該画像表示手段からの光を使用者の眼に導く導光部とを備えた画像表示装置であって、前記導光部は、前記第1の態様による製造方法によって又は前記第2の態様による露光装置により露光することによって作製された反射型ホログラム光学素子を有するものである。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるホログラム光学素子の製造方法及び装置、並びに、イメージコンバイナ及び画像表示装置について、図面を参照して説明する。
【0024】
図1は、本発明の一実施形態による画像表示装置の構成及びその光線(画像表示素子2からの光線のみ)の概略の経路を示す図である。
【0025】
ここでは図1に示すように、互いに直交するX軸、Y軸及びZ軸を定義する。すなわち、図1の紙面内の左右方向をZ軸とし、そのZ座標値の大きくなる向きは右と定義する。図1の紙面内の上下方向をY軸とし、Y座標値の大きくなる向きは上と定義する。図1の紙面に垂直な方向をX軸とし、右手系、すなわち、図1の紙面から奥の方向をX座標値が大きくなる向きと定義する。なお、Y軸方向は、実際の水平方向と一致していても良いし、その他の適宜方向であってもよい。
【0026】
本実施の形態による画像表示装置は、イメージコンバイナ1と、画像表示素子2とを備えている。
【0027】
本実施の形態では、画像表示素子2として透過型LCDが用いられている。画像表示素子2は、その背後から、LED3及び放物面鏡等の反射鏡4からなる光源により光源光が照射され、光源光を空間光変調して表示画像を示す光を透過させる。なお、画像表示素子2として、反射型LCD等の他の素子を用いても良いし、有機EL素子などの自発光型の素子を用いても良いことは、言うまでもない。
【0028】
イメージコンバイナ1は、ガラスやプラスチック等の光学材料で平行平板状に構成された板状部5と、ガラスやプラスチック等の光学材料で構成され画像表示素子2からの光を板状部5に導く導光部11と、を備えている。板状部5は、平行平板に限定されるものではなく、例えば使用者の視力矯正用光学的パワーを有していても良い。その場合には、例えば板状部5のZ軸方向の両面5a、5bのうちの少なくとも一方の面は、曲面で構成される。なお、板状部5は、図1中の下方にも延びているが、その図示は省略している。導光部11は、概略三角柱状に構成され、画像表示素子2からの光が入射される曲面からなる入射面11cと、入射面11cから入射した光を全反射する平面からなる反射面11bと、反射面11bで反射された光を射出して板状部5の面5aの図1中の上部付近に入射させる曲面からなる射出面11aと、を有している。
【0029】
板状部5は、フレーム等の支持部材(図示せず)を介して、眼鏡レンズと同様に、使用者の頭部に装着されて、使用者の眼(図示せず)の前に位置する。図1において、Pは、イメージコンバイナ1の、画像表示素子2からの光に対する射出瞳を示し、P0は射出瞳の中心Pの中心を示す。この射出瞳Pが使用者の眼の瞳とほぼ一致するように、イメージコンバイナ1が使用者に装着される。したがって、射出瞳Pの中心P0は、使用者の眼の瞳の中心とほぼ一致する。図1では、Z軸方向が板状部5の厚み方向と一致している。板状部5の眼側の面5a及び反対側の面5bは、XY平面と平行となっている。なお、図面には示していないが、LED3、反射鏡4、画像表示素子2及び導光部11も、前記支持部材により支持されている。これにより、画像表示素子2は、使用者が外界を観察するのを妨げないとともに、使用者が当該画像表示装置を装着するときに邪魔にならないように、板状部5に対して図1中紙面内の斜め左上方に配置されている。
【0030】
もっとも、画像表示素子2を他の適当な箇所に配置し、リレー光学系によって図1中の画像表示素子2の位置に表示画像を導いてもよいし、また、スキャン光学系を用いてこの位置に空中画像を形成してもよい。
【0031】
なお、図1において、点A1,A2は、画像表示素子2の表示部の図中紙面内での両端の位置をそれぞれ示す。また、点A0は、当該表示部の中心を示す。
【0032】
イメージコンバイナ1は、板状部5の前方から板状部5の厚みdを通過するように(すなわち、面5bから入射して面5aから射出するように)板状部5を透過する光(以下、「外界光」という。)に対して、画像表示素子2からの光を重畳させて、使用者の眼に導くように構成されている。
【0033】
本実施の形態では、板状部5における使用者の眼と対向する位置付近において、板状部5の内部に、反射型ホログラム光学素子(反射型HOE)6が設けられている。本実施の形態では、反射型HOE6は、図1に示すように、面5a,5bに対して反時計方向に所定角度傾けられている。また、板状部5における導光部11の面11aと対向する位置付近において、板状部5の内部に反射面(ミラー)5cが設けられている。反射面5cは、図1に示すように、面5a,5bに対して時計方向に所定角度傾けられている。なお、反射面5cより図1中の斜め上側の板状部5の部分は、画像表示素子2からの光が通過しないので、カットしておいてもよい。この場合、反射面5cは板状部5の表面に設けられることになる。
【0034】
本実施の形態では、板状部5と同じ材質の小片(図1中の板状部5における反射型HOE6の右側部分の小片)5dを基材として、これに反射型HOE6を作製し、その後、その小片5dを板状部5を形成する型枠の中に配置し、板状部5の材質を溶かした状態で型枠の中に流し込み、その後固めることによって、反射型HOE6を板状部5の内部に設けられている。もっとも、反射型HOE6を板状部5の内部に設ける方法は、これに限定されるものではない。
【0035】
画像表示素子2からの光の波長は、この反射型HOE6の回折効率ピークの波長を含む波長幅を持ち、その波長幅のうち極大部が回折効率ピークの波長と略一致しており、この反射型HOE6で画像表示素子2からの光を反射させる。一方、反射型HOE6は、外界光(図示せず)を偏向させることなく透過させる。なお、反射型HOE6としては、外界光を極力妨げることがないように、波長選択性の高いものを用いることが好ましい。反射型HOE6として、R,G,Bの各色を代表する狭い波長域の3波長光に対してそれぞれ選択性を持つものを用いれば、使用者が見る表示画像をカラー化することも可能である。
【0036】
反射型HOE6は、図1に示すように、画像表示素子2からの光を観察者の瞳の方向へ反射させる特性を有しているとともに、諸収差を補正した結像作用を持つように、そのホログラム面上の位置に依存する3次以上の位相変換作用を有している。反射型HOE6は、平面状のものでもよいし、曲面状のものでもよい。反射型HOE6として曲面状のものを用いる場合、その曲面の曲率中心が使用者の眼側にあるように配置すると、画角が大きい場合に、反射型HOE6の発生する画角による収差変動量が小さくなり、好ましい。
【0037】
反射型HOE6を構成するためのホログラム感光材料としては、例えば、フォトポリマー、フォトレジスト、フォトクロミック、フォトダイクロミック、銀塩乳剤、重クロム酸ゼラチン、ダイクロメートゼラチン、プラスチック、強誘電体、磁気光学材料、電気光学材料、非晶質半導体、フォトリフラクチィブ材料等が用いられる。そして、本実施の形態では、反射型HOE6として、後述するように、例えば、図5に示すホログラム露光装置にて2つの光源からの光を前記材料に同時に照射することによって露光することによって作製された反射型HOEが、用いられている。
【0038】
画像表示素子2の表示部上の任意の点を通過した光(表示画像の光)は、導光部11の入射面11cから導光部11内に入射し、導光部11の反射面11bで全反射され、導光部11の射出面11aから射出して、板状部5の面5aの領域R0から板状部5内に入射する。領域R0から板状部5内に入射した光は、反射面5cで反射された後に、板状部5の面5aの領域R1に臨界角より大きい入射角で入射し、領域R1で全反射される。この光は、板状部5の面5bの領域R2に臨界角より大きい入射角で入射し、領域R2で全反射される。この光は、さらに板状部5の面5aの領域R3に臨界角より大きい入射角で入射し、領域R3で全反射する。この光は、さらに板状部5の面5bの領域R4に臨界角より大きい入射角で入射し、領域R4で全反射する。この光は、さらに板状部5の面5aの領域R5に臨界角より大きい入射角で入射し、領域R5で全反射した後、反射型HOE6に入射する。このとき、この光は、反射型HOE6により、反射回折作用、及びそのホログラム面上の位置に依存する3次以上の位相変換作用による結像作用を受ける。その後、この光は、板状部5の面5aの領域R6から板状部5外へ射出される。このとき、画像表示素子2の同一箇所から出た光は、射出瞳Pから無限遠又は所定距離(後述する設計例では、1m。)に拡大虚像を形成するように射出瞳Pに置かれた使用者の眼の瞳に入射する。
【0039】
画像表示素子2から発し反射型HOE6で回折反射された後に使用者の眼に到達する光は、LED3の発光スペクトル特性と反射型HOE6の波長選択性とに応じて、通常は1つの波長領域の成分のみを持ち、たとえばLED3として白色LEDを用いると共に反射型HOE6としてカラーの反射型HOEを用いるような場合には離散的な複数の個別波長領域成分を持つ。
【0040】
ここで、本実施の形態による画像表示装置の光学系の具体的な設計例について、図1を参照して説明する。この設計例の設計に際し、設計プログラムとして、当該技術分野において著名な米国のOptical Research Associates製のcode V(商品名)を用いた。このとき、画像表示素子2の表示部の中心A0中央から発して、射出瞳Pの中心POを通過する光線の経路を、この光学装置全体の光軸と定義する。本設計例では、光軸は1本の直線ではなく、互いに傾いた線分を連結した形状となっている。
【0041】
本設計例の光学的な諸量は、下記の通りである。
【0042】
射出瞳Pの径は3mmである。図中紙面内上方向の視野角度は5°である。図中紙面内下方向の視野角度は−5°である。紙面奥行き方向の視野角は±6.75゜である。図中紙面内での画面サイズ(点A1と点A2との間の長さ)は3.6mmである。紙面奥行き方向の画面サイズは4.8mmである。板状部5の厚さdは3.5mmである。使用波長は約480nm〜約540nmの波長幅である。LED3のその波長幅におけるピーク波長は、516nmと仮定し、そのピーク波長に、反射型HOE6の回折効率が最大となる波長を一致させる。板状部5の波長587.56nm(d線)に対する屈折率はnd=1.596229で、アッベ数はνd=40.4である。
【0043】
HOE6の定義については露光に用いる2光束を定義することによりホログラムを一義的に定義することができる。2光束の定義は光源の位置と、各光源からの出射ビームが収束(VIR)か発散(REA)のどちらかで定義する。第1の点光源(HV1)の座標を(HX1,HY1,HZ1)、第2の点光源の座標を(HX2,HY2,HZ2)とする。この座標は、図2に示すように、HOE面が光軸と交わる点を原点とし、光軸方向にZ軸、HOE面内で紙面上方向をY軸、紙面の奥行き方向をX軸としており、図1に関連して定義した座標とは異なる。
【0044】
またホログラムを記録する乳剤は厚み20μm、屈折率1.493、屈折率変調は0.03のものを使用している。露光波長は532nmで乳剤の収縮率を1%と仮定している。収縮による再生光の波長変動は比例関係にあるので波長も1%短くなり、再生の中心波長は526.7nmになる。HOE6の面は、その中心が面5aから図1中のZ軸に沿って1.7mm右側にありY軸と同じ方向から紙面上時計周りに29.3°回転した方向である平面である。HOE6は、結像性能を最適にするために位相関数成分を持っている。
【0045】
ここで位相関数について説明すると、位相関数は、HOE6の純粋な各2個の点光源により定義される以外の非球面的な位相変換量を定義するもので、光学設計プログラムcode Vにおいては、X,Y軸成分の多項式係数などを用いて指定することができる。
【0046】
また、本設計例の光線追跡のための諸量を、下記の表1に提示する。光学面の順序(面番号の順序)は使用者の眼の瞳面(=イメージコンバイナ1の射出瞳Pの面)から画像表示素子2への順である。なお、表1において、各面番号に対応する図1中の参照符号を括弧書きの「符号」として示している。この点は、後述する表についても同様である。
【0047】
【表1】

Figure 2004069859
【0048】
表1で用いた位相関数の定義は、HOEをXY座標面上の位置と指定した点に入射する光線の受ける光路差を、使用する波長で規格化した値で表すもので、m,nを整数とするとき、一般形の下記の数1で表される多項式の係数を指定することで決められる。ただし、この係数は65個まで指定可能であって、順にC1,C2,C3,・・・,C65と呼び、係数の順番をjという整数で表すときに、X座標及びY座標の次数を示す整数m,nとの間に下記の数2という関係が成り立つように対応付ける。すなわち、本例では、位相関数は、下記の数3の多項式で定義されている。このような位相関数の定義は、後述する表についても同様である。
【0049】
【数1】
Figure 2004069859
【0050】
【数2】
Figure 2004069859
【0051】
【数3】
Figure 2004069859
【0052】
また、本設計例における各光学面の位置関係として、第1面(面番号1=図1中の符号P)の中心を原点(X,Y,Z)=(0,0,0)とした各光学面の中心の絶対位置とX軸の周りの回転量(反時計周りを正として測った値)を、下記の表2に示す。
【0053】
【表2】
Figure 2004069859
【0054】
本設計例のHOE6の第1光源(再生時に観察者の眼の側となる光源)は、HX1:0,HY1:−.173228×10+10,HZ1:−.135831×10+10より、図2のyz座標の第3象現で、HOE面の原点からの距離は2.2×10mmである。
【0055】
本設計例の画像表示装置における表1中に定義された反射型HOE6を実際に作製する際に用いる露光光学系を設計した。その露光光学系の要部の光路図を図3に示す。図4は、図3に示す光学系におけるプリズム21の拡大図である。さらに、図4に示す光学系を用いた、反射型HOE6の作製時に反射型HOE6を露光する本発明の一実施の形態によるホログラム露光装置の概略構成図を、図5に示す。
【0056】
図3に示す光学系は、1つのプリズム21と単一の球面レンズ22とで構成され、非常にシンプルにまとめられている。プリズム21は、図4に示すように、前述した図1中の板状部5の一部を構成する小片5dと、小片5dと同一の屈折率を持ち小片5dを保持する保持部材(「雇い」と呼ばれる場合もある。)24と、小片5dと保持部材24との間の隙間に充填され小片5d及び保持部材24と同一の屈折率を持つ充填剤(図示せず)と、から構成されている。プリズム21の小片5d側の面には、反射型HOE6(厳密に言えば、反射型HOE6を形成するための感光材料層)が形成され、露光が完了し反射型HOE6の作製が完了した後に、反射型HOE6が形成された小片5dを保持部材24から取り外して、前述した方法で反射型HOE6を板状部5の内部に設けることができるようになっている。
【0057】
図3及び図4において、射出瞳Pは、HOE6の位置を基準として、図1中の射出瞳Pを空気に屈折率換算した位置に配置している。図3及び図4において、B1は反射型HOE6の露光時の第1光源(射出瞳P側の光源)による露光光束(参照光)、B2は第2光源による露光光束(物体光)を形成するための平行光束(平面波)を示す。このように、図3に示す光学系は、アフォーカル光学系となっている。また、22aは球面レンズ22のプリズム21側の面、22bは球面レンズ22の第2光源側の面である。
【0058】
図5に示すホログラム露光装置では、レーザ光源31は、露光時間を制御するためのシャッタ32が開かれているときに、ビームエキスパンダ・ビーム整形ユニット33に入射する。このユニット33は、入射した光を集光点に集光するレンズ34と、前記集光点に配置されたピンホール35と、ピンホール35を通過した光をコリメートするコリメータレンズ36とを有し、ノイズ光をカットするスペイシャルフィルタとしての機能と、ビーム径を拡大するビームエキスパンダとしての機能とを、併せ持つ。ユニット33からの平行光束は、その偏光方向が1/2波長板37により回転された後に、所定の偏光成分のみが偏光ビームスプリッタ38を透過する。1/2波長板37は適宜回転させ得るようになっており、1/2波長板37及び偏光ビームスプリッタ38が光量調整部を構成している。偏光ビームスプリッタ38を透過した光は、ミラー39で反射された後に、ビームスプリッタ40で2光束に分割される。
【0059】
ビームスプリッタ40を透過した光束は、ミラー41で反射され、レンズ42及びレンズ43を経由し、更に絞り44で所望の径に絞られた後に、平行光束(平面波)として、第1光源(射出瞳P側の光源)による露光光束(参照光束)として、プリズム21に塗布された反射型HOE6となるべき乳剤等のホログラム感光材料に入射する。ここで、レンズ42は、ミラー41で反射された平行光束をその焦点に集光する。レンズ43は、レンズ43の焦平面がレンズ42の焦点を含み、かつ、レンズ43の光軸とレンズ42の光軸とが平行になるように、配置されている。レンズ43は、モータ等のアクチュエータ(図示せず)により作動する位置調整機構45により、レンズ43の光軸と垂直な図5中の矢印Fの方向の位置を調整し得るようになっている。したがって、レンズ43から射出して反射型HOE6となるべきホログラム感光材料に入射する参照光は、平行光束であるが、位置調整機構45によりレンズ43位置を調整することによって、その入射方向が変わる。例えば、露光光学系の設計状態は、レンズ43の焦点がレンズ42の焦点と一致している位置にレンズ43が位置している状態であり、このとき参照光束は、レンズ42に入射する際の方向と同一の方向でホログラム感光材料に入射する。
【0060】
一方、ビームスプリッタ40で反射された光束は、ミラー46で反射され、集光レンズ47でその焦点に集光され、この焦点に配置されたピンホール48を通過した後、コリメータレンズ49で平行光束にされかつ必要な光束径に拡大され、更に絞り50で所定の径に絞られ、第2光源による露光光束(物体光束)を形成するための前記平行光束B2となる。この平行光束(平面波)B2は、レンズ22及びプリズム21により所望の非球面波となって、プリズム21に塗布された反射型HOE6となるべき乳剤等のホログラム感光材料に、参照光とは反対側から入射する。ただし、以上の説明は、当該露光光学系の設計状態、すなわち、レンズ47の焦点及びピンホール48がコリメータレンズ49の焦点と一致している状態での動作である。レンズ47及びピンホール48は、モータ等のアクチュエータ(図示せず)により作動する位置調整機構51により、レンズ47の光軸方向の図5中の矢印Gの方向の位置、及び、レンズ47の光軸と垂直な図5中の矢印Hの方向の位置を、調整し得るようになっている。レンズ47の焦点及びピンホール48が、レンズ47の焦点及びピンホール48がコリメータレンズ49の焦点と一致している設計時の位置から図5中の矢印Hの方向にずれると、それに応じて光束B2の方向(チルト)が変わる。また、レンズ47の焦点及びピンホール48が、前記設計時の位置から図5中の矢印Gの方向にずれると、それに応じて光束B2のフォーカスが変わって光束B2は平行光束ではなくなる。
【0061】
前述したようにして参照光束と物体光束とが乳剤等の感光材料に入射されることにより、それらが感光材料に干渉露光され、参照光と物体光の干渉縞が感光材料に、例えば屈折率の差として記録される。なお、この露光後に、必要に応じて感光材料が現像されることは、言うまでもない。
【0062】
以上の説明からわかるように、図5に示す露光装置では、図5中の要素31〜40は、平面波の参照光をホログラム感光材料に照射する参照光光学系と非球面波の物体光を前記ホログラム感光材料に照射する物体光光学系との、共用部分を構成している。また、図5中の要素41〜44が参照光学系の残りの部分を構成し、図5中の要素47〜50,22,21が物体光光学系の残りの部分を構成している。
【0063】
また、図5に示す露光装置は、キーボード等の入力部53と、マイクロコンピュータ又はパーソナルコンピュータ等からなる制御部52と、を更に備えている。オペレータは、入力部53から、ホログラム感光材料の実際の収縮率に関する収縮率情報(例えば、収縮率そのもの)及び干渉露光により作製される反射型HOE6の使用時に当該反射型HOE6に照射される再生光を発する光源としてのLED3の実際の発光スペクトルに関する光源発光スペクトル情報(例えば、LED3のピーク強度波長)を、制御部52の内部メモリ(図示せず)に入力することができるようになっている。制御部52の内部メモリ内には、収縮率情報及び光源発光スペクトル情報と、これらをパラメータとしてこれらに応じて露光される干渉縞を最適化するのに必要なレンズ43の位置並びにレンズ47及びピンホール48の位置と、の対応関係を示すルックアップテーブルが、予め格納されている。その例については、後述する。制御部52は、入力部53から入力された収縮率情報及び光源発光スペクトル情報に基づいて、ルックアップテーブルを参照してそれらの情報に対応する各位置を求め、その各位置となるように位置調整機構45,51を制御する。
【0064】
ところで、露光レンズの設計手法には色々あるが、図3に示す光学系の設計に際し、前述したCODE Vを用いた。CODE Vでは、表1中に示す反射型HOE6の第1光源から反射型HOE6を透過して、第2光源へ光線追跡することで行う。HOE6を透過した後に、図3に示す光学系を挿入して、反射型HOE6での位相変換作用と等価な作用を施せば、波面はきれいな球面波となって無収差で第2光源に結像する。
【0065】
表1及び表2に示す画像表示装置の光学系の設計値を基に、図3に示す光学系を設計する際、反射型HOE6を透過の設定に変更するが、このとき非球面位相項の変換作用が等しくなければならない。そのためには、位相係数を等しく受け渡すことと、第1光源の座標を物点としてそこから光線追跡することが必要である。再生系で定義した第1光源と異なる距離から露光系を設計しても、正しい位相変換作用は得られない。ただし、図3に示す光学系の設計においては、第1光源のHOE面の原点からの距離2.2×10mmは非常に大きいので、第1光源とHOE6面との間の空気換算距離の値は、無限遠とみなしても差し支えなく、実際に、無限遠とみなし、図3に示す光学系の光線追跡は平行光を入射して設計した。
【0066】
ここで、図3に示す光学系の光線追跡のための諸量を、下記の表3に提示する。光学面の順序(面番号の順序)は第1光源(=イメージコンバイナ1の射出瞳P側の光源)から第2光源への順である。
【0067】
表3において、面番号1の符号S1は第1光源を示している。面番号3のホログラム面の諸係数は前記表1と同じであるが、反射型HOE6を透過型HOEとして光線追跡するために、2光束はHOE6の同じ側から入射しなければならない。したがって、第1光源位置をREAからVIRに変更している。入射瞳径は、ホログラム面の有効径を満たす径が必要で、ここではφ4である。点光源(ここではその極限として平行光)からの光であるので、画角は必要ない。光線追跡のための波長は、露光波長の532nmである。この光学系は、面番号6の面を射出した後に平行光となるアフォーカル光学系である。
【0068】
【表3】
Figure 2004069859
【0069】
また、図3に示す光学系における各光学面の位置関係として、第3面(面番号3=図3中の符号6、ホログラム面)の中心を原点(X,Y,Z)=(0,0,0)とした各光学面の中心の絶対位置とX軸の周りの回転量(反時計周りを正として測った値)を、下記の表4に示す。
【0070】
【表4】
Figure 2004069859
【0071】
この表3に示す設計値を持つ場合の図3に示す光学系の光線軌跡による射出瞳面(すなわち、図3中の面23)上での波面収差図を、図6に示す。なお、この光線追跡を行う場合には、HOE6の位相係数として表1中の位相係数を用いる。図6からわかるように、RMS0.14λとよく補正されている。
【0072】
以上のように、収縮率が1%でLEDのピーク波長が516nmであると仮定した場合の、図1に示す画像表示装置の光学系の設計例を、表1に示した。そして、この設計例における反射型HOE6の設計値に応じて設計した露光光学系の設計値を、表3に示した。
【0073】
ここで、実際の収縮率が、見積の収縮率1%から外れて2%であったとする。このとき、再生主波長は521.4nmとなる。そうすると、526.7nmで最適化した再生系の位相関数を521.4nmで使用することになり、収差が生じてしまう。
【0074】
これでは具合が悪いので、予め収縮率が2%と仮定した再生系データ(図1に示す光学系の設計値)も作っておく。その設計値を、表5に提示する。表5において、反射型HOE6の位相関数以外の値は、表1と同じである。
【0075】
【表5】
Figure 2004069859
【0076】
表5に示す設計値の場合について、表3の設計値を持つ場合の図3に示す光学系を光線追跡したときの、射出瞳面(すなわち、図3中の面23)上での波面収差図を、図7に示す。なお、この光線追跡を行う場合には、HOE6の位相係数として表5中の位相係数を用いる。図7からわかるように、RMS0.41λと比較的大きい収差が発生している。
【0077】
図7に示す波面収差を光学設計プログラムcode Vを用いて分析したところ、この波面の乱れはチルト成分とフォーカス成分とに分けられ、その二つの成分を除けば、RMS0.15λに補正できることがわかった。
【0078】
図5に示す露光装置では、設計値の状態では、レンズ47の焦点及びピンホール48とコリメータレンズ49の焦点とを一致させて配置しているので、いずれか一方を光軸と垂直にシフトすれば、光線としてはチルトの効果が得られる。そして、ここでは、レンズ47の方がレンズ49より焦点距離が短いので、少しの移動量で大きな効果が得られるため、レンズ47及びピンホール48をシフトさせるのが好ましい。そこで、図5に示す露光装置では、位置調整機構51によりレンズ47及びピンホール48の図5中のH方向の位置を調整し得るようにしている。
【0079】
また、レンズ47の焦点及びピンホール48とコリメータレンズ49のいずれか一方を光軸方向にシフトすれば、フォーカスの効果が得られる。そこで、図5に示す露光装置では、位置調整機構51によりレンズ47及びピンホール48の図5中のG方向の位置を調整し得るようにしている。
【0080】
ここで、実際の収縮率が見積の収縮率1%から外れて2%である場合、レンズ47及びピンホール48を、レンズ47の光軸と垂直な方向(H方向)に6μm,光軸方向(G方向)に0.477mm動かして調整すると、そのときの図3に示す光学系を光線追跡したときの、射出瞳面(すなわち、図3中の面23)上での波面収差は、図8に示すように、rms0.15λに補正できる。なお、この光線追跡を行う場合には、HOE6の位相係数として表5中の位相係数を用いる。
【0081】
以上のことから、ホログラム感光材料の収縮率を1%と見込んで設計しておいたHOE6を基に設計した表3の設計値に従った露光装置を用いて露光した場合、露光工程の条件等により収縮率が2%に変動しても、位置調整機構51により前述した位置調整を行って再度露光することにより、再生系の性能を発揮するHOE6を露光することができる。
【0082】
前述した例では、図5中の制御部52の内部メモリ内のルックアップテーブルには、収縮率1%に対応してH方向位置0μm及びG方向位置0mm、収縮率2%に対応してH方向位置6μm及びG方向位置0.477mmを格納しておけばよい。収縮率2%についてH方向位置6μm及びG方向位置0.477mmを求めたのと同様の方法により、他の種々の収縮率についてもH方向位置及びG方向位置をそれぞれ求めておき、これらも前記ルックアップテーブルに格納しておけばよい。
【0083】
そして、例えば、最初に、H方向位置0μm及びG方向位置0mmに位置させた状態(すなわち、表3に示す設計値通りの状態)で、ホログラム感光材料を露光してHOE6を作製し、その作製したHOE6について回折効率の分光特性を測定し、その測定結果に基づいてホログラム感光材料の実際の収縮率を求め、この収縮率をオペレータが入力部53から制御部52に入力すればよい。制御部52は、この入力された収縮率に応じて位置調整機構51を制御して前述した位置調整を行う。したがって、次回以降の露光により作製された反射型HOE6は、画像表示装置の性能を十分に発揮するものとなる。本実施の形態による画像表示装置では、この反射型HOE6を用いたものである。
【0084】
ところで、実際の収縮率が見積の収縮率1%から外れて2%である場合には、前述したように、再生主波長(回折効率が最大となる波長)が526.7nmから521.4nmとなるが、前述した説明では、このような収縮率の変動に伴う再生主波長の変動による収差変動のみ補正し、光源波長とのずれによる明るさの変動は無視した。また、LED3のピーク波長が見積の516nmから変動し得る点も無視し、参照光B1は、設計値通りの方向からホログラム感光材料に入射するものとし、レンズ43はその方向に対応する図5中のF方向位置にあるものとした。
【0085】
本発明では、これらを無視したままとして必ずしも位置調整機構45を設ける必要はないが、これらを無視しないことが好ましい。よって、本実施の形態では、実際には、前述したように、制御部52の内部メモリ内のルックアップテーブルには、収縮率情報のみならず光源発光スペクトル情報(ここでは、LED3のピーク波長とする。)をもパラメータとして、レンズ47及びピンホール48の位置のみならずレンズ43の位置も、格納している。そして、制御部2は、ルックアップテーブルを参照して、入力部53から入力された収縮率及び実際のLED3のピーク波長に対応するレンズ47及びピンホール48のG方向位置及びH方向位置のみならずレンズ43のF方向位置も求め、求めた各位置となるように、位置調整機構45,51を制御する。
【0086】
実際の収縮率が見積の収縮率からはずれた場合、それに応じて再生主波長が変動する。例えば、実際の収縮率が見積の収縮率1%から外れて2%である場合、前述したように、再生主波長(回折効率が最大となる波長)が526.7nmから521.4nmする。また、LED3のピーク波長が見積の波長から変動すると、光量の低下を招かないように再生主波長をLED3の実際のピーク波長と一致させることが好ましいことから、再生主波長を一致させるべき波長が変動することになる。一方、レンズ43をF方向へずらすと、それに応じて参照光B1のホログラム感光材料への入射角が変わるため、再生主波長を調整することができる。したがって、収縮率変動に伴う再生主波長の変動やLED3のピーク波長の変動を考慮する場合、それに応じてレンズ43のF方向位置を調整すればよい。収縮率やLED3のピーク波長に応じて最適化するためのレンズ43のF方向位置は、予め求めておくことができるので、その関係を前記ルックアップテーブルに格納しておけばよい。
【0087】
ところで、再生主波長の変動に応じて、収差(露光光学系の収差、すなわち、図3に示す光学系を光線追跡したときの、射出瞳面(すなわち、図3中の面23)上での波面収差)が生ずることになる。したがって、収縮率変動に伴う再生主波長の変動やLED3のピーク波長の変動を考慮する場合、この点も考慮してその収差が最も小さくなるようなレンズ47及びピンホール48のG方向位置及びH方向位置を求めておけばよい。すなわち、収縮率及び実際のLED3のピーク波長の両方をパラメータとして収差が最も小さくなるようなレンズ47及びピンホール48のG方向位置及びH方向位置を求め、その関係を前記ルックアップテーブルに格納しておけばよい。
【0088】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。
【0089】
例えば、前記実施の形態では、図5中の位置調整機構45,51は制御部52により自動的に制御されるようになっていたが、制御部52及び入力部53を取り除き、位置調整機構45,51として手動調整し得るものを用いてもよい。
【0090】
また、前記実施の形態は、レンズ47及びピンホール48の位置を調整し得るように構成されていたが、その代わりに、コリメータレンズ49の位置を調整し得るように構成してもよい。
【0091】
さらに、前記実施の形態では、レンズ43の位置を調整し得るように構成されていたが、その代わりに、レンズ42の位置を調整し得るように構成してもよい。
【0092】
また、前述した実施の形態は、本発明をシースルー型の頭部装着式画像表示装置に適用した例であったが、本発明は、シースルー型ではない画像表示装置に適用することもできる。この場合、前述した各実施の形態による画像表示装置において、外界からの光がイメージコンバイナ1に入射しないように構成すればよい。この場合、イメージコンバイナ1の部分は、2つの像を重ね合わせるものではないので、イメージコンバイナとは言えず、画像表示素子2からの光を使用者の眼に導く導光部となる。この場合、イメージコンバイナ1における板状部の下側部分(HOE6から下側の部分)を除去してもよい。このようなシースルー型でない画像表示装置は、例えば、特開2001−264682号の場合と同様に携帯電話機のフリッパー部に内蔵することができる。
【0093】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ホログラム感光材料の収縮率が設計時の見積から変動してもその変動による光学性能の劣化を簡単な調整で抑制することができること、及び、再生光を発する光源のピーク波長等が設計時の波長から変動しても光学性能の劣化を簡単な調整で抑制することができること、のいずれか一方又は両方を同時に達成することができる。
【0094】
また、本発明によれば、このような製造方法及び装置により露光することによって作製したホログラム光学素子を用いることにより、光学性能に優れかつコストダウンを図ることができるイメージコンバイナ及び画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態による画像表示装置の構成及びその光線の概略の経路を示す図である。
【図2】ホログラムを定義する2光源の座標系を示す図である。
【図3】図1に示す画像表示装置における反射型ホログラム光学素子を露光するための露光光学系の要部を示す光路図である。
【図4】図3に示す光学系におけるプリズムの拡大図である。
【図5】本発明の一実施の形態によるホログラム露光装置の概略構成図である。
【図6】ホログラム感光材料の収縮率が設計時の見込通りの場合の、図3に示す光学系の波面収差図である。
【図7】ホログラム感光材料の収縮率が設計時の見込と異なった場合の、図3に示す光学系の波面収差図である。
【図8】ホログラム感光材料の収縮率が設計時の見込と異なった場合において、収縮率変動を補正した後の、図3に示す光学系の波面収差図である。
【符号の説明】
1 イメージコンバイナ
2 画像表示素子
3 LED
4 反射鏡
5 板状部
6 反射型ホログラム光学素子
11 導光部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a manufacturing method and an apparatus for exposing a hologram optical element, and an image combiner and an image display device.
[0002]
[Prior art]
Hitherto, hologram optical elements have been widely used in various applications.
[0003]
For example, as a device using a hologram optical element, a so-called see-through type head-mounted image display device (head), which allows a user to see a display image superimposed thereon while observing the outside world, has conventionally been used. For example, an image display device disclosed in JP-A-2000-352689, JP-A-2001-264682, and JP-A-2000-121989 is known as a mount display. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-264682 discloses not only a see-through type head-mounted image display device but also a see-through type having substantially the same configuration as the see-through type (that is, light from an image display element is not used). There is also disclosed an image display device in which only light from an image display element is guided to a user's eyes without superimposing other light such as from the outside world, and an example in which this image display device is incorporated in a flipper portion of a mobile phone. Are also disclosed.
[0004]
In these image display devices, reduction in size and weight is achieved by using a reflection type hologram optical element. The reflection type hologram optical element has excellent wavelength selectivity and can selectively diffract and reflect only light in an extremely limited wavelength region. Therefore, when a see-through type image display device is configured, the loss of the amount of light transmitted from the outside or the like by the reflection hologram optical element can be significantly reduced.
[0005]
A hologram optical element such as a reflection hologram optical element is manufactured by causing two coherent light beams to interfere with each other and recording the interference fringes on a hologram photosensitive material such as an emulsion. When the reproduction illumination light is incident at the same wavelength from one of the light source positions of the two light beams, the recorded interference fringes are subjected to a diffraction effect such as a diffraction grating, and a wavefront equivalent to the other incident light is generated. Because
[0006]
That is, if one forms a free-form surface wavefront during exposure and the other forms a simple spherical wave to record interference fringes, a simple free-form illumination can generate a complex freeform surface wavefront. It is.
[0007]
Since the hologram optical element can have a free-form surface phase conversion effect as described above, for example, a hologram optical element having a third or higher order phase conversion effect depending on the position on the hologram surface is used. When used in an image combiner, an image with good image quality with various aberrations corrected can be obtained even if all other surfaces are configured as flat surfaces or spherical surfaces.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, it is generally known that a hologram photosensitive material (hologram recording material) shrinks during some processes of an exposure step, and is disclosed as quality information by a recording material maker.
[0009]
When the recording material contracts, the interval between the interference fringes fluctuates, so that the performance as an image display device is deteriorated, for example, the diffraction efficiency is lowered, the diffraction wavelength is shifted, and aberration occurs.
[0010]
However, since the shrinkage ratio of the recording material often fluctuates depending on various conditions of the exposure process, when designing an image display device, for example, an intermediate range of the change ratio of the shrinkage ratio is estimated in advance and the actual shrinkage ratio is designed. It was necessary to take measures such as accepting the estimation error as a manufacturing error, stabilizing the process and suppressing the shrinkage ratio fluctuation range, or redesigning according to the actual shrinkage ratio.
[0011]
Further, when the hologram optical element is used, an emission spectrum such as a peak wavelength of a light source that emits reproduction light irradiated to the hologram optical element may fluctuate due to a manufacturing error of the light source. For example, in a small and inexpensive LED, the peak wavelength variation is generally said to be about ± 10 nm.
[0012]
If the reproduction wavelength fluctuates, the diffraction efficiency also fluctuates, causing the same performance degradation as described above.However, conventionally, manufacturing errors are allowed, or a method of selecting LEDs with a small wavelength error by selecting chips is used. But that would be costly.
[0013]
The present invention has been made in view of such circumstances, and even if the contraction rate of the hologram photosensitive material fluctuates from the estimate at the time of design, it is possible to suppress the deterioration of optical performance due to the fluctuation with a simple adjustment, A hologram capable of simultaneously achieving one or both of the following: even if the peak wavelength of a light source that emits reproduction light fluctuates from the wavelength at the time of design, deterioration of optical performance can be suppressed by simple adjustment. An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for manufacturing an optical element.
[0014]
Further, the present invention provides an image combiner and an image display device which are excellent in optical performance and can be reduced in cost by using a hologram optical element manufactured by exposing by such a manufacturing method and apparatus. With the goal.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
As a result of the research of the present inventors, the reference light and the object light are irradiated on the hologram photosensitive material by using the reference light optical system for irradiating the reference light to the hologram photosensitive material and the object light optical system for irradiating the hologram photosensitive material with the object light. It has been found that when the material is subjected to interference exposure, the wavelength at which the diffraction efficiency is maximized can be adjusted by adjusting the position of a part of the reference optical system. This is because the incident angle of the reference light is changed by adjusting the position of a part of the reference optical system. Further, by adjusting the position of a part of the object light optical system, the aberration of the exposure optical system including the reference light optical system and the object light optical system can be adjusted.
[0016]
On the other hand, a change in the contraction rate of the hologram photosensitive material corresponds to a change in the wavelength at which the diffraction efficiency is maximized, and also corresponds to a change in the aberration of the exposure optical system. Further, when the hologram optical element is used, the fluctuation of the emission spectrum such as the peak wavelength of the light source that emits the reproduction light applied to the hologram optical element corresponds to the fluctuation of the wavelength at which the diffraction efficiency is maximized. Corresponds to the fluctuation of the aberration of the exposure optical system.
[0017]
Therefore, the shrinkage ratio of the hologram photosensitive material and the peak wavelength of the reproduction light from the light source are set to predetermined values, and the desired characteristics of the hologram optical element are designed and optimized so as to obtain the characteristics. In an exposure optical system including the reference light optical system and the object light optical system, position adjustment of a part of the object light optical system and a part of the reference light optical system is performed based on an actual contraction ratio and an actual peak wavelength. For example, even if the actual shrinkage or the actual peak wavelength fluctuates from the set value, the deterioration of the optical performance due to the fluctuation can be easily suppressed.
[0018]
The present invention has been made based on new findings obtained as a result of such research by the present inventors in order to solve the aforementioned problems. That is, the method for manufacturing a hologram optical element according to the first aspect of the present invention uses a reference light optical system that irradiates reference light to a hologram photosensitive material and an object light optical system that irradiates object light to the hologram photosensitive material. A method for manufacturing a hologram optical element manufactured by subjecting said hologram photosensitive material to interference exposure of reference light and said object light, wherein an actual shrinkage ratio of said hologram photosensitive material of said hologram optical element manufactured by said interference exposure Information, and, based on at least one of the information on the actual emission spectrum of the light source that emits the reproduction light emitted to the hologram optical element when using the hologram optical element produced by the interference exposure, The position of at least one of a part of the reference light optical system and a part of the object light optical system is adjusted. To, it is intended to exposure.
[0019]
An exposure apparatus for a hologram optical element according to a second aspect of the present invention includes a reference light optical system for irradiating reference light to a hologram photosensitive material and an object light optical system for irradiating object light to the hologram photosensitive material. An exposure apparatus for a hologram optical element that causes light and the object light to interfere with and expose the hologram photosensitive material, wherein at least one of a part of the reference light optical system and a part of the object light optical system is positioned. A position adjustment unit to be adjusted, information on the actual shrinkage of the hologram photosensitive material of the hologram optical element produced by the interference exposure, and the hologram optical element when the hologram optical element produced by the interference exposure is used. The position is determined based on at least one of information on an actual emission spectrum of a light source that emits a reproduction light to be irradiated. A control unit for controlling the adjustment unit, those having a.
[0020]
An image combiner according to a third aspect of the present invention is an image combiner provided with a reflection type hologram optical element and superimposing light from an image display unit and light from the outside, wherein the reflection type hologram optical element includes It is manufactured by the manufacturing method according to the first aspect or by exposure using the exposure apparatus according to the second aspect.
[0021]
An image display device according to a fourth aspect of the present invention includes the image combiner according to the third aspect and the image display means, and a part including at least the image combiner is worn by a user during use. .
[0022]
An image display device according to a fifth aspect of the present invention is an image display device comprising: an image display unit; and a light guide unit that guides light from the image display unit to a user's eye, wherein the light guide unit Has a reflection type hologram optical element manufactured by exposure by the manufacturing method according to the first aspect or by the exposure apparatus according to the second aspect.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a method and an apparatus for manufacturing a hologram optical element, an image combiner, and an image display device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0024]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an image display device according to an embodiment of the present invention and schematic paths of light rays (only light rays from the image display element 2).
[0025]
Here, as shown in FIG. 1, an X axis, a Y axis, and a Z axis that are orthogonal to each other are defined. That is, the left-right direction in the paper of FIG. 1 is defined as the Z axis, and the direction in which the Z coordinate value increases is defined as the right. 1 is defined as the Y axis, and the direction in which the Y coordinate value increases is defined as upward. A direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1 is defined as the X axis, and a right-handed system, that is, a direction deeper from the paper surface of FIG. 1 is defined as a direction in which the X coordinate value increases. Note that the Y-axis direction may coincide with the actual horizontal direction, or may be any other appropriate direction.
[0026]
The image display device according to the present embodiment includes an image combiner 1 and an image display element 2.
[0027]
In the present embodiment, a transmission type LCD is used as the image display element 2. The image display element 2 is illuminated from behind by a light source including a LED 3 and a reflecting mirror 4 such as a parabolic mirror, and spatially modulates the light from the light source to transmit light indicating a display image. It is needless to say that another element such as a reflective LCD may be used as the image display element 2 or a self-luminous element such as an organic EL element may be used.
[0028]
The image combiner 1 includes a plate-shaped portion 5 made of an optical material such as glass or plastic and formed in a parallel plate shape, and guides light from the image display element 2 made of an optical material such as glass or plastic to the plate-shaped portion 5. A light guide unit 11. The plate-shaped portion 5 is not limited to a parallel flat plate, and may have, for example, optical power for correcting visual acuity of a user. In this case, for example, at least one of the two surfaces 5a and 5b in the Z-axis direction of the plate-shaped portion 5 is formed of a curved surface. In addition, the plate-shaped portion 5 also extends downward in FIG. 1, but is not shown. The light guide portion 11 is formed in a substantially triangular prism shape, and includes an incident surface 11c having a curved surface on which light from the image display element 2 is incident, and a reflecting surface 11b having a flat surface for totally reflecting the light incident from the incident surface 11c. An emission surface 11a formed of a curved surface that emits light reflected by the reflection surface 11b and causes the light to enter near the upper portion of the surface 5a of the plate-shaped portion 5 in FIG.
[0029]
The plate-like portion 5 is mounted on the head of the user via a support member (not shown) such as a frame, like a spectacle lens, and is located in front of the user's eyes (not shown). . In FIG. 1, P indicates the exit pupil of the image combiner 1 with respect to the light from the image display element 2, and P0 indicates the center of the center P of the exit pupil. The image combiner 1 is mounted on the user such that the exit pupil P substantially matches the pupil of the user's eye. Therefore, the center P0 of the exit pupil P substantially coincides with the center of the pupil of the user's eye. In FIG. 1, the Z-axis direction matches the thickness direction of the plate portion 5. The eye-side surface 5a and the opposite surface 5b of the plate-shaped portion 5 are parallel to the XY plane. Although not shown in the drawings, the LED 3, the reflecting mirror 4, the image display element 2, and the light guide 11 are also supported by the support member. Thereby, the image display element 2 does not hinder the user from observing the outside world and does not hinder the user from wearing the image display device. It is arranged diagonally to the upper left in the paper.
[0030]
Of course, the image display element 2 may be arranged at another appropriate place, and a display image may be guided to the position of the image display element 2 in FIG. 1 by a relay optical system, or this position may be obtained by using a scan optical system. The aerial image may be formed at the same time.
[0031]
In FIG. 1, points A1 and A2 indicate the positions of both ends of the display unit of the image display element 2 in the plane of the drawing. Point A0 indicates the center of the display unit.
[0032]
The image combiner 1 transmits light through the plate-shaped portion 5 so as to pass through the thickness d of the plate-shaped portion 5 from the front of the plate-shaped portion 5 (that is, to enter from the surface 5b and exit from the surface 5a). Hereinafter, the light from the image display element 2 is superimposed on “external light”, and is guided to the user's eyes.
[0033]
In the present embodiment, a reflection type hologram optical element (reflection type HOE) 6 is provided inside the plate-like portion 5 near a position facing the user's eye in the plate-like portion 5. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the reflection type HOE 6 is inclined at a predetermined angle counterclockwise with respect to the surfaces 5a and 5b. Further, a reflection surface (mirror) 5c is provided inside the plate portion 5 near a position facing the surface 11a of the light guide portion 11 in the plate portion 5. As shown in FIG. 1, the reflection surface 5c is inclined at a predetermined angle clockwise with respect to the surfaces 5a and 5b. Note that the portion of the plate-like portion 5 obliquely above the reflection surface 5c in FIG. 1 does not pass light from the image display element 2, and may be cut. In this case, the reflection surface 5c is provided on the surface of the plate portion 5.
[0034]
In the present embodiment, a small piece of the same material as the plate portion 5 (a small portion on the right side of the reflection type HOE 6 in the plate portion 5 in FIG. 1) 5d is used as a base material, and a reflection type HOE 6 is formed thereon. The small piece 5d is placed in a mold forming the plate portion 5, and the material of the plate portion 5 is melted, poured into the mold, and then solidified, whereby the reflection type HOE 6 is attached to the plate portion. 5 is provided inside. However, the method of providing the reflection type HOE 6 inside the plate portion 5 is not limited to this.
[0035]
The wavelength of the light from the image display element 2 has a wavelength width including the wavelength of the diffraction efficiency peak of the reflection type HOE 6, and a maximum part of the wavelength width substantially coincides with the wavelength of the diffraction efficiency peak. The light from the image display element 2 is reflected by the mold HOE6. On the other hand, the reflection type HOE 6 transmits external light (not shown) without being deflected. It is preferable to use a reflection type HOE 6 having high wavelength selectivity so as not to hinder external light as much as possible. If a reflective HOE 6 having selectivity with respect to three wavelength light in a narrow wavelength range representing each of R, G, and B colors is used, it is possible to color a display image viewed by a user. .
[0036]
As shown in FIG. 1, the reflective HOE 6 has a characteristic of reflecting light from the image display element 2 in the direction of the pupil of the observer, and has an image forming action in which various aberrations are corrected. It has a third or higher order phase conversion action depending on the position on the hologram surface. The reflection type HOE 6 may be a flat type or a curved type. In the case where a curved HOE 6 is used, if the curvature H of the curved surface is located on the user's eye side, when the angle of view is large, the amount of aberration variation due to the angle of view generated by the reflective HOE 6 is small. It is smaller and preferable.
[0037]
Examples of the hologram photosensitive material for constituting the reflection type HOE 6 include a photopolymer, a photoresist, a photochromic, a photodichromic, a silver salt emulsion, a dichromated gelatin, a dichromated gelatin, a plastic, a ferroelectric material, and a magneto-optical material. , An electro-optic material, an amorphous semiconductor, a photorefractive material, and the like. In the present embodiment, the reflective HOE 6 is manufactured by exposing the material by simultaneously irradiating the light from two light sources with a hologram exposing apparatus shown in FIG. A reflective HOE is used.
[0038]
Light (light of a display image) that has passed through an arbitrary point on the display unit of the image display element 2 enters the light guide unit 11 from the incident surface 11c of the light guide unit 11, and the reflection surface 11b of the light guide unit 11 The light is totally reflected from the light guide 11, exits from the emission surface 11 a of the light guide 11, and enters the plate 5 from the region R <b> 0 of the surface 5 a of the plate 5. The light that has entered the plate-like portion 5 from the region R0 is reflected by the reflection surface 5c, and then enters the region R1 of the surface 5a of the plate-like portion 5 at an incident angle larger than the critical angle, and is totally reflected by the region R1. You. This light is incident on the region R2 of the surface 5b of the plate portion 5 at an incident angle larger than the critical angle, and is totally reflected by the region R2. This light further enters the region R3 of the surface 5a of the plate-shaped portion 5 at an incident angle larger than the critical angle, and is totally reflected by the region R3. This light further enters the region R4 of the surface 5b of the plate-shaped portion 5 at an incident angle larger than the critical angle, and is totally reflected by the region R4. This light further enters the region R5 of the surface 5a of the plate-shaped portion 5 at an incident angle larger than the critical angle, and is totally reflected by the region R5, and then enters the reflection type HOE 6. At this time, the light is subjected to the reflection-diffraction function and the image formation function by the third or higher order phase conversion function depending on the position on the hologram surface by the reflection type HOE 6. After that, this light is emitted from the region R <b> 6 of the surface 5 a of the plate portion 5 to the outside of the plate portion 5. At this time, the light emitted from the same portion of the image display element 2 is placed on the exit pupil P so as to form an enlarged virtual image at infinity or a predetermined distance (1 m in a design example described later) from the exit pupil P. The light enters the pupil of the user's eye.
[0039]
The light that is emitted from the image display element 2 and reaches the user's eye after being diffracted and reflected by the reflection type HOE 6 usually has one wavelength range according to the emission spectrum characteristics of the LED 3 and the wavelength selectivity of the reflection type HOE 6. In the case where a white LED is used as the LED 3 and a color reflective HOE is used as the reflective HOE 6, for example, the LED 3 has a plurality of discrete individual wavelength region components.
[0040]
Here, a specific design example of the optical system of the image display device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. In designing this design example, code V (trade name) manufactured by Optical Research Associates of the United States, which is famous in the technical field, was used as a design program. At this time, the path of a light beam emitted from the center A0 of the display unit of the image display element 2 and passing through the center PO of the exit pupil P is defined as the optical axis of the entire optical device. In the present design example, the optical axis is not a single straight line, but has a shape obtained by connecting mutually inclined line segments.
[0041]
The optical quantities of this design example are as follows.
[0042]
The diameter of the exit pupil P is 3 mm. The view angle in the upward direction in the drawing is 5 °. The viewing angle in the downward direction in the drawing is −5 °. The viewing angle in the depth direction of the paper is ± 6.75 °. The screen size (the length between points A1 and A2) in the paper of the drawing is 3.6 mm. The screen size in the depth direction of the paper is 4.8 mm. The thickness d of the plate portion 5 is 3.5 mm. The used wavelength has a wavelength width of about 480 nm to about 540 nm. The peak wavelength of the LED 3 in the wavelength width is assumed to be 516 nm, and the wavelength at which the diffraction efficiency of the reflective HOE 6 is maximized matches the peak wavelength. The refractive index of the plate portion 5 at a wavelength of 587.56 nm (d-line) is nd = 1.596229, and the Abbe number is νd = 40.4.
[0043]
Regarding the definition of the HOE 6, a hologram can be uniquely defined by defining two light beams used for exposure. The definition of the two luminous fluxes is defined by the position of the light source and either convergence (VIR) or divergence (REA) of the beam emitted from each light source. The coordinates of the first point light source (HV1) are (HX1, HY1, HZ1), and the coordinates of the second point light source are (HX2, HY2, HZ2). As shown in FIG. 2, the coordinates have the origin at the point where the HOE plane intersects the optical axis, the Z axis in the optical axis direction, the Y axis in the HOE plane above the paper surface, and the X axis in the depth direction of the paper surface. , Different from the coordinates defined in connection with FIG.
[0044]
The hologram recording emulsion used had a thickness of 20 μm, a refractive index of 1.493, and a refractive index modulation of 0.03. It is assumed that the exposure wavelength is 532 nm and the shrinkage of the emulsion is 1%. Since the wavelength fluctuation of the reproduction light due to the contraction is in a proportional relationship, the wavelength is also shortened by 1%, and the central wavelength of reproduction is 526.7 nm. The plane of the HOE 6 is a plane whose center is 1.7 mm to the right of the plane 5a along the Z-axis in FIG. 1 and rotated 29.3 ° clockwise on the paper from the same direction as the Y-axis. The HOE 6 has a phase function component to optimize the imaging performance.
[0045]
The phase function will now be described. The phase function defines an aspherical phase conversion amount other than that defined by two pure point light sources of the HOE 6, and in the optical design program code V, X , Y-axis component, or the like.
[0046]
Table 1 below shows various quantities for ray tracing in this design example. The order of the optical surfaces (the order of the surface numbers) is from the pupil plane of the user's eye (= the plane of the exit pupil P of the image combiner 1) to the image display element 2. In Table 1, reference numerals in FIG. 1 corresponding to the respective surface numbers are shown as “signs” in parentheses. This applies to a table described later.
[0047]
[Table 1]
Figure 2004069859
[0048]
The definition of the phase function used in Table 1 is a value obtained by standardizing the optical path difference of a light ray incident on a point designated as a position on the XY coordinate plane of the HOE with the wavelength to be used. When an integer is used, it is determined by designating a coefficient of a polynomial expressed by the following equation 1 in a general form. However, up to 65 coefficients can be specified, and are called C1, C2, C3,..., C65 in order, and when the order of the coefficients is represented by an integer j, the order of the X coordinate and the Y coordinate is indicated. The integers m and n are associated with each other so that the following relationship is established. That is, in the present example, the phase function is defined by the following polynomial of Expression 3. The definition of such a phase function is the same for a table described later.
[0049]
(Equation 1)
Figure 2004069859
[0050]
(Equation 2)
Figure 2004069859
[0051]
[Equation 3]
Figure 2004069859
[0052]
In addition, as the positional relationship between the optical surfaces in the present design example, the center of the first surface (surface number 1 = code P in FIG. 1) is defined as the origin (X, Y, Z) = (0, 0, 0). Table 2 below shows the absolute position of the center of each optical surface and the amount of rotation about the X-axis (value measured when the counterclockwise direction is positive).
[0053]
[Table 2]
Figure 2004069859
[0054]
The first light source of the HOE 6 of this design example (the light source that is on the side of the observer's eye during reproduction) is HX1: 0, HY1: −. 173228 × 10 +10 , HZ1:-. 135831 × 10 +10 Accordingly, in the third quadrant of the yz coordinates in FIG. 2, the distance from the origin of the HOE plane is 2.2 × 10 9 mm.
[0055]
An exposure optical system used when actually manufacturing the reflection type HOE 6 defined in Table 1 in the image display device of this design example was designed. FIG. 3 shows an optical path diagram of a main part of the exposure optical system. FIG. 4 is an enlarged view of the prism 21 in the optical system shown in FIG. Further, FIG. 5 shows a schematic configuration diagram of a hologram exposure apparatus according to an embodiment of the present invention for exposing the reflective HOE 6 at the time of manufacturing the reflective HOE 6 using the optical system shown in FIG.
[0056]
The optical system shown in FIG. 3 includes one prism 21 and a single spherical lens 22, and is very simply arranged. As shown in FIG. 4, the prism 21 includes a small piece 5d that constitutes a part of the plate-like portion 5 in FIG. 1 described above, and a holding member that has the same refractive index as the small piece 5d and holds the small piece 5d (“hiring”). And a filler (not shown) filled in the gap between the small piece 5d and the holding member 24 and having the same refractive index as the small piece 5d and the holding member 24. ing. On the surface of the prism 21 on the small piece 5d side, a reflective HOE 6 (a strictly speaking, a photosensitive material layer for forming the reflective HOE 6) is formed. The small piece 5d on which the reflection type HOE 6 is formed is detached from the holding member 24, and the reflection type HOE 6 can be provided inside the plate portion 5 by the above-described method.
[0057]
3 and 4, the exit pupil P is arranged at a position obtained by converting the exit pupil P in FIG. 3 and 4, B1 forms an exposure light beam (reference light) from the first light source (light source on the exit pupil P side) during exposure of the reflective HOE 6, and B2 forms an exposure light beam (object light) from the second light source. Of a parallel light beam (plane wave) is shown. Thus, the optical system shown in FIG. 3 is an afocal optical system. Reference numeral 22a denotes a surface of the spherical lens 22 on the prism 21 side, and reference numeral 22b denotes a surface of the spherical lens 22 on the second light source side.
[0058]
In the hologram exposure apparatus shown in FIG. 5, the laser light source 31 enters the beam expander / beam shaping unit 33 when the shutter 32 for controlling the exposure time is opened. The unit 33 has a lens 34 for condensing the incident light at a converging point, a pinhole 35 disposed at the converging point, and a collimator lens 36 for collimating the light passing through the pinhole 35. It has both a function as a spatial filter for cutting noise light and a function as a beam expander for expanding a beam diameter. After the polarization direction of the parallel light beam from the unit 33 is rotated by the half-wave plate 37, only a predetermined polarization component passes through the polarization beam splitter 38. The half-wave plate 37 can be appropriately rotated, and the half-wave plate 37 and the polarization beam splitter 38 constitute a light amount adjustment unit. The light transmitted through the polarizing beam splitter 38 is reflected by a mirror 39 and then split by a beam splitter 40 into two light beams.
[0059]
The light beam transmitted through the beam splitter 40 is reflected by the mirror 41, passes through the lens 42 and the lens 43, is further narrowed down to a desired diameter by the diaphragm 44, and is converted into a parallel light beam (plane wave) as a first light source (exit pupil). As an exposure light beam (reference light beam) from the P-side light source), the light is incident on a hologram photosensitive material such as an emulsion to be a reflective HOE 6 applied to the prism 21. Here, the lens 42 focuses the parallel light flux reflected by the mirror 41 at its focal point. The lens 43 is disposed such that the focal plane of the lens 43 includes the focal point of the lens 42 and the optical axis of the lens 43 is parallel to the optical axis of the lens 42. The position of the lens 43 in the direction of the arrow F in FIG. 5 perpendicular to the optical axis of the lens 43 can be adjusted by a position adjusting mechanism 45 operated by an actuator (not shown) such as a motor. Therefore, the reference light emitted from the lens 43 and incident on the hologram photosensitive material to be the reflection type HOE 6 is a parallel light flux, but the incident direction changes by adjusting the position of the lens 43 by the position adjusting mechanism 45. For example, the design state of the exposure optical system is a state in which the lens 43 is located at a position where the focal point of the lens 43 matches the focal point of the lens 42. At this time, the reference light beam when entering the lens 42 The light enters the hologram photosensitive material in the same direction as the direction.
[0060]
On the other hand, the light beam reflected by the beam splitter 40 is reflected by a mirror 46, condensed at a focal point by a condenser lens 47, passes through a pinhole 48 arranged at the focal point, and then collimated by a collimator lens 49. The beam is expanded to a required light beam diameter and further reduced to a predetermined diameter by the stop 50 to become the parallel light beam B2 for forming an exposure light beam (object light beam) by the second light source. This parallel light beam (plane wave) B2 is converted into a desired aspherical wave by the lens 22 and the prism 21, and is applied to the hologram photosensitive material such as an emulsion to be the reflection type HOE 6 applied to the prism 21 on the side opposite to the reference light. Incident from However, the above description is an operation in a design state of the exposure optical system, that is, a state in which the focal point of the lens 47 and the pinhole 48 coincide with the focal point of the collimator lens 49. The position of the lens 47 and the pinhole 48 in the direction of the arrow G in FIG. 5 in the optical axis direction of the lens 47 and the light of the lens 47 are adjusted by a position adjusting mechanism 51 operated by an actuator (not shown) such as a motor. The position in the direction of arrow H in FIG. 5 perpendicular to the axis can be adjusted. When the focal point of the lens 47 and the pinhole 48 deviate from the designed position where the focal point of the lens 47 and the pinhole 48 coincide with the focal point of the collimator lens 49 in the direction of arrow H in FIG. The direction (tilt) of B2 changes. When the focus of the lens 47 and the pinhole 48 deviate from the position at the time of the design in the direction of the arrow G in FIG. 5, the focus of the light beam B2 is changed accordingly, and the light beam B2 is no longer a parallel light beam.
[0061]
As described above, when the reference light beam and the object light beam are incident on a photosensitive material such as an emulsion, they are interference-exposed to the photosensitive material, and interference fringes of the reference light and the object light are applied to the photosensitive material, for example, with a refractive index of Recorded as the difference. Needless to say, the photosensitive material is developed as required after this exposure.
[0062]
As can be understood from the above description, in the exposure apparatus shown in FIG. 5, the elements 31 to 40 in FIG. 5 include the reference light optical system for irradiating the hologram photosensitive material with the reference light of the plane wave and the object light of the aspherical wave. It forms a common part with the object light optical system that irradiates the hologram photosensitive material. Elements 41 to 44 in FIG. 5 constitute the rest of the reference optical system, and elements 47 to 50, 22, and 21 in FIG. 5 constitute the rest of the object light optical system.
[0063]
The exposure apparatus shown in FIG. 5 further includes an input unit 53 such as a keyboard, and a control unit 52 including a microcomputer or a personal computer. The operator uses the input unit 53 to input shrinkage ratio information (for example, the shrinkage ratio itself) relating to the actual shrinkage ratio of the hologram photosensitive material, and the reproduction light emitted to the reflection-type HOE 6 when using the reflection-type HOE 6 produced by interference exposure. The light source emission spectrum information (for example, the peak intensity wavelength of the LED 3) relating to the actual emission spectrum of the LED 3 as the light source that emits light is input to an internal memory (not shown) of the control unit 52. In the internal memory of the control unit 52, the shrinkage ratio information and the light source emission spectrum information, the position of the lens 43, the lens 47, and the A look-up table indicating the correspondence between the position of the hole 48 and the position is stored in advance. An example will be described later. The control unit 52 obtains each position corresponding to the information by referring to the look-up table based on the contraction ratio information and the light source emission spectrum information input from the input unit 53, and sets the position to be each position. The adjusting mechanisms 45 and 51 are controlled.
[0064]
By the way, although there are various methods for designing the exposure lens, the above-mentioned CODEV was used in designing the optical system shown in FIG. In CODE V, the light is traced from the first light source of the reflective HOE 6 shown in Table 1 through the reflective HOE 6 and traced to the second light source. If the optical system shown in FIG. 3 is inserted after passing through the HOE 6 and an operation equivalent to the phase conversion operation of the reflection type HOE 6 is performed, the wavefront becomes a clear spherical wave and forms an image with no aberration on the second light source. I do.
[0065]
When designing the optical system shown in FIG. 3 based on the design values of the optical system of the image display device shown in Tables 1 and 2, the reflection type HOE 6 is changed to the transmission setting. The transformation effects must be equal. For that purpose, it is necessary to transfer the phase coefficient equally and to trace the ray from the coordinate of the first light source as an object point. Even if the exposure system is designed from a distance different from the first light source defined in the reproduction system, a correct phase conversion operation cannot be obtained. However, in the design of the optical system shown in FIG. 3, the distance from the origin of the HOE surface of the first light source is 2.2 × 10 9 Since mm is very large, the value of the air-equivalent distance between the first light source and the surface of the HOE 6 may be regarded as infinity. In fact, it is regarded as infinity, and the ray tracing of the optical system shown in FIG. Was designed with parallel light incident.
[0066]
Here, various quantities for ray tracing of the optical system shown in FIG. 3 are presented in Table 3 below. The order of the optical surfaces (the order of the surface numbers) is from the first light source (= the light source on the exit pupil P side of the image combiner 1) to the second light source.
[0067]
In Table 3, reference numeral S1 of the surface number 1 indicates a first light source. The coefficients of the hologram surface of surface number 3 are the same as those in Table 1 above, but two rays must enter from the same side of HOE 6 in order to perform ray tracing using reflection HOE 6 as transmission HOE. Therefore, the first light source position is changed from REA to VIR. The entrance pupil diameter needs to be a diameter that satisfies the effective diameter of the hologram surface, and is φ4 here. Since the light is emitted from a point light source (here, parallel light as its limit), an angle of view is not required. The wavelength for ray tracing is the exposure wavelength of 532 nm. This optical system is an afocal optical system that becomes parallel light after emitting the surface of surface number 6.
[0068]
[Table 3]
Figure 2004069859
[0069]
Further, as the positional relationship between the respective optical surfaces in the optical system shown in FIG. 3, the center of the third surface (surface number 3 = symbol 6 in FIG. 3, the hologram surface) has the origin (X, Y, Z) = (0, 0). Table 4 below shows the absolute position of the center of each optical surface as (0, 0) and the amount of rotation around the X-axis (value measured as positive counterclockwise).
[0070]
[Table 4]
Figure 2004069859
[0071]
FIG. 6 shows a wavefront aberration diagram on the exit pupil plane (that is, the plane 23 in FIG. 3) based on the ray trajectory of the optical system shown in FIG. 3 having the design values shown in Table 3. When performing this ray tracing, the phase coefficients in Table 1 are used as the phase coefficients of the HOE 6. As can be seen from FIG. 6, the RMS is well corrected to 0.14λ.
[0072]
As described above, Table 1 shows a design example of the optical system of the image display device shown in FIG. 1 on the assumption that the contraction rate is 1% and the peak wavelength of the LED is 516 nm. Table 3 shows the design values of the exposure optical system designed according to the design values of the reflective HOE 6 in this design example.
[0073]
Here, it is assumed that the actual shrinkage ratio is 2% which deviates from the estimated shrinkage ratio of 1%. At this time, the main reproduction wavelength is 521.4 nm. In this case, the phase function of the reproduction system optimized at 526.7 nm is used at 521.4 nm, and aberration occurs.
[0074]
Since this is not good, reproduction system data (design values of the optical system shown in FIG. 1) in which the contraction rate is assumed to be 2% is also created in advance. The design values are presented in Table 5. In Table 5, values other than the phase function of the reflection type HOE 6 are the same as those in Table 1.
[0075]
[Table 5]
Figure 2004069859
[0076]
Waveform aberration on the exit pupil plane (that is, the surface 23 in FIG. 3) when the optical system shown in FIG. 3 is ray-traced with the design values shown in Table 3 for the design values shown in Table 5. The figure is shown in FIG. When performing this ray tracing, the phase coefficients in Table 5 are used as the phase coefficients of the HOE 6. As can be seen from FIG. 7, a relatively large aberration of RMS 0.41λ is generated.
[0077]
When the wavefront aberration shown in FIG. 7 was analyzed using the optical design program code V, it was found that this wavefront disturbance was divided into a tilt component and a focus component, and it was possible to correct the RMS to 0.15λ by excluding the two components. Was.
[0078]
In the exposure apparatus shown in FIG. 5, in the state of the design value, the focal point of the lens 47 and the focal point of the pinhole 48 and the collimator lens 49 are arranged so as to be coincident with each other. For example, a tilt effect can be obtained as a light beam. Since the focal length of the lens 47 is shorter than that of the lens 49, a great effect can be obtained with a small amount of movement. Therefore, it is preferable to shift the lens 47 and the pinhole 48. Therefore, in the exposure apparatus shown in FIG. 5, the position of the lens 47 and the pinhole 48 in the H direction in FIG. 5 can be adjusted by the position adjusting mechanism 51.
[0079]
In addition, if one of the focus of the lens 47 and the pinhole 48 or the collimator lens 49 is shifted in the optical axis direction, a focusing effect can be obtained. Therefore, in the exposure apparatus shown in FIG. 5, the position of the lens 47 and the pinhole 48 in the direction G in FIG. 5 can be adjusted by the position adjusting mechanism 51.
[0080]
Here, when the actual shrinkage ratio is 2% which deviates from the estimated shrinkage ratio of 1%, the lens 47 and the pinhole 48 are set at 6 μm in the direction (H direction) perpendicular to the optical axis of the lens 47 and in the optical axis direction. When adjusted by moving the optical system shown in FIG. 3 in the (G direction) by 0.477 mm, the wavefront aberration on the exit pupil plane (that is, the plane 23 in FIG. 3) when the optical system shown in FIG. As shown in FIG. 8, the rms can be corrected to 0.15λ. When performing this ray tracing, the phase coefficients in Table 5 are used as the phase coefficients of the HOE 6.
[0081]
From the above, when exposure was performed using an exposure apparatus according to the design values in Table 3 designed based on HOE6, which was designed based on the assumption that the shrinkage ratio of the hologram photosensitive material was 1%, the conditions of the exposure process, etc. Even if the shrinkage rate fluctuates to 2%, the HOE 6 exhibiting the performance of the reproducing system can be exposed by performing the above-described position adjustment by the position adjustment mechanism 51 and exposing again.
[0082]
In the example described above, the look-up table in the internal memory of the control unit 52 in FIG. 5 shows that the H-direction position 0 μm and the G-direction position 0 mm corresponding to the contraction ratio 1% and H corresponding to the contraction ratio 2% What is necessary is just to store the direction position 6 μm and the G direction position 0.477 mm. The H-direction position and the G-direction position were also obtained for the other various shrinkage ratios by the same method as that for the H-direction position of 6 μm and the G-direction position of 0.477 mm for the shrinkage ratio of 2%. What is necessary is just to store it in a lookup table.
[0083]
Then, for example, first, the hologram photosensitive material is exposed in the state where it is positioned at the H-direction position 0 μm and the G-direction position 0 mm (that is, the state according to the design values shown in Table 3), and the HOE 6 is manufactured. The spectral characteristics of the diffraction efficiency of the obtained HOE 6 are measured, the actual shrinkage of the hologram photosensitive material is obtained based on the measurement result, and the operator may input the shrinkage from the input unit 53 to the control unit 52. The control unit 52 controls the position adjusting mechanism 51 according to the input contraction rate to perform the above-described position adjustment. Therefore, the reflective HOE 6 manufactured by the subsequent exposure will exhibit the performance of the image display device sufficiently. The image display device according to the present embodiment uses the reflection type HOE 6.
[0084]
By the way, when the actual shrinkage ratio is 2%, which deviates from the estimated shrinkage ratio of 1%, as described above, the main reproduction wavelength (the wavelength at which the diffraction efficiency is maximized) is 526.7 nm to 521.4 nm. However, in the above description, only the aberration fluctuation due to the fluctuation of the main reproduction wavelength due to the fluctuation of the contraction rate is corrected, and the fluctuation of the brightness due to the deviation from the light source wavelength is ignored. Also, ignoring the fact that the peak wavelength of the LED 3 can vary from the estimated 516 nm, the reference light B1 is assumed to be incident on the hologram photosensitive material from the direction as designed, and the lens 43 corresponds to that direction in FIG. In the F direction.
[0085]
In the present invention, it is not always necessary to provide the position adjustment mechanism 45 while ignoring them, but it is preferable not to ignore them. Therefore, in the present embodiment, as described above, the lookup table in the internal memory of the control unit 52 actually stores not only the contraction rate information but also the light source emission spectrum information (here, the peak wavelength of the LED 3 and the peak wavelength of the LED 3). ) Is stored as the parameter, not only the position of the lens 47 and the pinhole 48 but also the position of the lens 43. Then, the control unit 2 refers to the look-up table, and if only the G direction position and the H direction position of the lens 47 and the pinhole 48 corresponding to the contraction rate input from the input unit 53 and the actual peak wavelength of the LED 3 are determined. First, the position of the lens 43 in the F direction is also obtained, and the position adjusting mechanisms 45 and 51 are controlled so as to be at the obtained positions.
[0086]
When the actual shrinkage ratio deviates from the estimated shrinkage ratio, the dominant reproduction wavelength changes accordingly. For example, when the actual shrinkage ratio is 2%, which deviates from the estimated shrinkage ratio of 1%, as described above, the main reproduction wavelength (the wavelength at which the diffraction efficiency is maximized) changes from 526.7 nm to 521.4 nm. Further, if the peak wavelength of the LED 3 fluctuates from the estimated wavelength, it is preferable to match the main reproduction wavelength with the actual peak wavelength of the LED 3 so as not to cause a decrease in the amount of light. Will fluctuate. On the other hand, when the lens 43 is shifted in the F direction, the incident angle of the reference beam B1 on the hologram photosensitive material changes accordingly, so that the main reproduction wavelength can be adjusted. Therefore, when considering the fluctuation of the main reproduction wavelength and the fluctuation of the peak wavelength of the LED 3 due to the fluctuation of the shrinkage, the position of the lens 43 in the F direction may be adjusted accordingly. Since the position in the F direction of the lens 43 for optimizing according to the contraction ratio and the peak wavelength of the LED 3 can be obtained in advance, the relationship may be stored in the lookup table.
[0087]
By the way, according to the fluctuation of the main reproduction wavelength, aberration (aberration of the exposure optical system, that is, on the exit pupil plane (that is, plane 23 in FIG. 3) when light ray tracing is performed on the optical system shown in FIG. 3). (Wavefront aberration). Therefore, when the fluctuation of the main reproduction wavelength and the fluctuation of the peak wavelength of the LED 3 due to the fluctuation of the contraction rate are taken into consideration, the positions of the lens 47 and the pinhole 48 in the G direction and H where the aberration is minimized are also taken into consideration. What is necessary is just to obtain the direction position. That is, the G-direction position and the H-direction position of the lens 47 and the pinhole 48 that minimize the aberration are obtained using both the contraction rate and the actual peak wavelength of the LED 3 as parameters, and the relationship is stored in the lookup table. You should leave it.
[0088]
The embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to this embodiment.
[0089]
For example, in the above embodiment, the position adjustment mechanisms 45 and 51 in FIG. 5 are automatically controlled by the control unit 52. However, the control unit 52 and the input unit 53 are removed, and the position adjustment mechanisms 45 and 51 are removed. , 51 may be manually adjustable.
[0090]
In the above embodiment, the positions of the lens 47 and the pinhole 48 can be adjusted. However, the position of the collimator lens 49 may be adjusted instead.
[0091]
Furthermore, in the above-described embodiment, the position of the lens 43 is configured to be adjustable, but instead, the position of the lens 42 may be adjusted.
[0092]
Although the above-described embodiment is an example in which the present invention is applied to a see-through type head mounted image display device, the present invention can be applied to an image display device which is not a see-through type. In this case, the image display device according to each of the above-described embodiments may be configured so that light from the outside does not enter the image combiner 1. In this case, the portion of the image combiner 1 is not an image combiner because it does not superimpose two images, and serves as a light guide that guides light from the image display element 2 to the user's eyes. In this case, a lower portion (a lower portion from the HOE 6) of the plate-shaped portion in the image combiner 1 may be removed. Such an image display device that is not a see-through type can be built in a flipper unit of a mobile phone, for example, as in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-264682.
[0093]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, even if the shrinkage ratio of the hologram photosensitive material fluctuates from the estimate at the time of design, the deterioration of the optical performance due to the fluctuation can be suppressed with a simple adjustment. , Even if the peak wavelength or the like of the light source that emits light fluctuates from the wavelength at the time of design, it is possible to simultaneously suppress one or both of the degradation of the optical performance and the simple adjustment.
[0094]
Further, according to the present invention, there is provided an image combiner and an image display device which are excellent in optical performance and can achieve cost reduction by using a hologram optical element produced by exposure using such a production method and apparatus. can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an image display device according to an embodiment of the present invention and a schematic path of light rays.
FIG. 2 is a diagram showing a coordinate system of two light sources defining a hologram.
3 is an optical path diagram showing a main part of an exposure optical system for exposing a reflection hologram optical element in the image display device shown in FIG.
FIG. 4 is an enlarged view of a prism in the optical system shown in FIG.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a hologram exposure apparatus according to one embodiment of the present invention.
6 is a wavefront aberration diagram of the optical system shown in FIG. 3 when the contraction rate of the hologram photosensitive material is as expected at the time of design.
FIG. 7 is a wavefront aberration diagram of the optical system shown in FIG. 3 when the contraction rate of the hologram photosensitive material is different from the expected value at the time of design.
8 is a wavefront aberration diagram of the optical system shown in FIG. 3 after correcting for a change in shrinkage when the shrinkage of the hologram photosensitive material is different from the expected value at the time of design.
[Explanation of symbols]
1 Image combiner
2 Image display device
3 LED
4 Reflector
5 plate part
6. Reflection type hologram optical element
11 Light guide

Claims (5)

参照光をホログラム感光材料に照射する参照光光学系及び物体光を前記ホログラム感光材料に照射する物体光光学系を用い、前記参照光及び前記物体光を前記ホログラム感光材料に干渉露光させることで製造されるホログラム光学素子の製造方法であって、
前記干渉露光により作製されるホログラム光学素子の前記ホログラム感光材料の実際の収縮率に関する情報、及び、前記干渉露光により作製されるホログラム光学素子の使用時に当該ホログラム光学素子に照射される再生光を発する光源の実際の発光スペクトルに関する情報のうちの、少なくとも一方の情報に基づいて、前記参照光光学系の一部及び前記物体光光学系の一部のうちの、少なくとも一方の位置を調整してから露光することを特徴とするホログラム光学素子の製造方法。
Manufacture by subjecting the hologram photosensitive material to interference exposure of the reference light and the object light using a reference light optical system that irradiates reference light to the hologram photosensitive material and an object light optical system that irradiates the hologram photosensitive material with object light. A method for producing a hologram optical element,
The information regarding the actual shrinkage ratio of the hologram photosensitive material of the hologram optical element produced by the interference exposure and the reproduction light emitted to the hologram optical element when the hologram optical element produced by the interference exposure is used are emitted. After adjusting the position of at least one of the part of the reference light optical system and the part of the object light optical system based on at least one of the information on the actual emission spectrum of the light source. A method for manufacturing a hologram optical element, comprising exposing.
参照光をホログラム感光材料に照射する参照光光学系及び物体光を前記ホログラム感光材料に照射する物体光光学系を有し、前記参照光及び前記物体光を前記ホログラム感光材料に干渉露光させるホログラム光学素子の露光装置であって、
前記参照光光学系の一部及び前記物体光光学系の一部のうちの、少なくとも一方の位置を調整する位置調整部と、
前記干渉露光により作製されたホログラム光学素子の前記ホログラム感光材料の実際の収縮率に関する情報、及び、前記干渉露光により作製されたホログラム光学素子の使用時に当該ホログラム光学素子に照射される再生光を発する光源の実際の発光スペクトルに関する情報のうちの、少なくとも一方の情報に基づいて、前記位置調整部を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とするホログラム光学素子の露光装置。
Hologram optics having a reference light optical system for irradiating reference light to the hologram photosensitive material and an object light optical system for irradiating object light to the hologram photosensitive material, and performing interference exposure of the reference light and the object light to the hologram photosensitive material An element exposure apparatus,
A position adjustment unit that adjusts the position of at least one of a part of the reference light optical system and a part of the object light optical system,
The information regarding the actual shrinkage ratio of the hologram photosensitive material of the hologram optical element manufactured by the interference exposure and the reproduction light emitted to the hologram optical element when the hologram optical element manufactured by the interference exposure is used are emitted. A control unit that controls the position adjustment unit based on at least one of information on the actual emission spectrum of the light source,
An exposure apparatus for a hologram optical element, comprising:
反射型ホログラム光学素子が設けられ画像表示手段からの光と外界からの光を重畳させるイメージコンバイナであって、前記反射型ホログラム光学素子が、請求項1記載の製造方法によって又は請求項2記載の露光装置により露光することによって作製されたものであることを特徴とするイメージコンバイナ。An image combiner provided with a reflection type hologram optical element and superimposing light from an image display unit and light from the outside, wherein the reflection type hologram optical element is manufactured by the manufacturing method according to claim 1 or according to claim 2. An image combiner produced by exposing with an exposure device. 請求項3記載のイメージコンバイナと、前記画像表示手段とを備え、使用時に少なくとも前記イメージコンバイナを含む部分が使用者に装着されることを特徴とする画像表示装置。An image display device comprising: the image combiner according to claim 3; and the image display means, wherein at least a portion including the image combiner is worn by a user during use. 画像表示手段と、該画像表示手段からの光を使用者の眼に導く導光部とを備えた画像表示装置であって、前記導光部は、請求項1記載の製造方法によって又は請求項2記載の露光装置により露光することによって作製された反射型ホログラム光学素子を有することを特徴とする画像表示装置。An image display device comprising: an image display unit; and a light guide unit that guides light from the image display unit to a user's eye, wherein the light guide unit is formed by the manufacturing method according to claim 1 or claim 2. 3. An image display device comprising a reflection hologram optical element produced by exposing with the exposure device according to 2.
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