JP2004226619A

JP2004226619A - 映像表示装置

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Publication number: JP2004226619A
Application number: JP2003013451A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Endo; 毅遠藤; Ichiro Kasai; 一郎笠井; Takashi Morimoto; 隆史森本; Tetsuya Noda; 哲也野田
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2003-01-22
Filing date: 2003-01-22
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2023-01-22
Also published as: US6771403B1; JP3873892B2; US20040141217A1

Abstract

【課題】映像表示の見やすい観察瞳を構成できる映像表示装置を低コストで提供する。
【解決手段】ホログラフィック光学素子（４）が、ホログラム基板面に対して平行でない干渉縞から成る干渉縞パターンを２つ有する複合ホログラムで構成されており、ＬＣＤ（３）から射出した所定の波長幅を有する映像光で空間的に異なる位置に２つの観察瞳を構成するとともに、映像光の全入射領域において同一の入射光線に対し条件式：Δθ＜２，Δη＞５０を満たすように作用する。ただし、Δθ：各干渉縞パターンでの回折角度の差（°）、Δη：各干渉縞パターンでの回折効率の差（％）である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は映像表示装置に関するものであり、例えば、液晶表示素子（ＬＣＤ：ｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｄｉｓｐｌａｙ）の２次元映像をホログラフィック光学素子（ＨＯＥ：ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃｏｐｔｉｃａｌｅｌｅｍｅｎｔ）を用いて観察者眼にシースルーで投影表示するＨＭＤ（ｈｅａｄｍｏｕｎｔｅｄｄｉｓｐｌａｙ），ＨＵＤ（ｈｅａｄｕｐｄｉｓｐｌａｙ）等の映像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ホログラムから成るコンバイナで映像を外界に重ねて投影表示するシースルー型映像表示装置が、特許文献１，２等で提案されている。そのなかでも特許文献１記載の映像表示装置は、接眼レンズ機能を有するホログラフィック光学素子によって２次元映像をシースルーで観察させる眼鏡型の映像表示装置である。そのような映像表示装置の概略光学構成を図１４に示す。図１４（Ａ）において、破線はホログラフィック光学素子（２２）を作製する際の露光光線を示しており、実線と点線は映像表示素子（２１）の表示映像を観察する際の再生光線束の最軸外光線を示している。
【０００３】
ホログラフィック光学素子（２２）の作製には、レーザ光源のようなコヒーレンスの高い光源が用いられる。そして、観察瞳（Ｅ）位置からの発散光束と軸非対称で複雑な波面を持った光束とを干渉させて、生じた干渉縞を屈折率変調として感光材料に記録すると、シースルー特性及び光利用効率の高い体積位相型・反射型ホログラムから成るホログラフィック光学素子（２２）が得られる。そのホログラフィック光学素子（２２）は、入射光の波面を変換して所望の方向に回折反射させるような位相関数を有し、また小型化のために軸非対称なレンズ機能を有する。映像観察時のホログラフィック光学素子（２２）の再生には、ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅ）等の光源、特にピーク波長が露光光線の波長とほぼ等しい光源（波長差２０ｎｍ以下）が用いられる。その光源からの光で映像表示素子（２１）を照明すると、映像表示素子（２１）から射出した映像光がホログラフィック光学素子（２２）に入射し、回折反射して観察者眼（２３）に導かれる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１８５００９号公報
【特許文献２】
米国特許第４，６５５，５４０号明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ホログラフィック光学素子（２２）は角度選択性の幅が狭いため、上記のように露光・再生を行った場合、その回折効率は再生光線（実線，点線）の方向が露光光線（破線）の方向の付近にあるときに最大となり、露光光線と再生光線の方向が異なると回折効率が小さくなる。このため、点線の上側光線と実線の下側光線は、破線の露光光線に対して大きな角度差（δ）を持ってしまう。感光材料として一般的なフォトポリマーを用いた場合、得られる屈折率変調（Δｎ＝０．１近傍）では、ホログラフィック光学素子の回折効率（η）の角度選択性は鋭くなる。それらの結果として、設計した大きさの観察瞳（Ｅ）が得られないことになる。図１４（Ｂ）に、設計で想定した観察瞳（Ｅ）を実線で示し、実際に得られる観察瞳（Ｅ）を破線で示す。フォトポリマーを用いた場合の観察瞳（Ｅ）のサイズは、例えば横方向で１０〜２０ｍｍ、縦方向で１ｍｍ（破線），３〜５ｍｍ（実線）である。このため、観察者が眼（２３）を少し上下に振っただけで映像が見えなくなってしまう。フォトポリマーの代替として銀塩材料や重クロム酸ゼラチン等の感光材料を用いれば、より大きなΔｎ，ηを得ることができ角度選択性を緩和できるが、製造プロセスのコストアップを招き、また吸湿や温度変化の影響により耐久性に問題が生じてしまう。
【０００６】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、映像表示の見やすい観察瞳を構成できる映像表示装置を低コストで提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明の映像表示装置は、２次元映像を表示する映像表示素子と、前記２次元映像を拡大投影するための反射型ホログラフィック光学素子を含む拡大光学系と、を備えた映像表示装置であって、前記ホログラフィック光学素子が、ホログラム基板面に対して平行でない干渉縞から成る干渉縞パターンを複数有する複合ホログラムで構成されており、前記映像表示素子から射出した所定の波長幅を有する映像光で空間的に異なる位置に複数の観察瞳を構成するとともに、前記映像光の全入射領域において同一の入射光線に対し以下の条件式（Ｉ）及び（ＩＩ）を満たすように作用することを特徴とする。
Δθ＜２ …（Ｉ）
Δη＞５０ …（ＩＩ）
ただし、
Δθ：各干渉縞パターンでの回折角度の差（°）、
Δη：各干渉縞パターンでの回折効率の差（％）、
である。
【０００８】
第２の発明の映像表示装置は、上記第１の発明において、前記複合ホログラムが、干渉縞パターンの記録されたホログラムを複数積層して成る積層型ホログラムであることを特徴とする。
【０００９】
第３の発明の映像表示装置は、上記第１の発明において、前記複合ホログラムが、単一の感光材料に複数の干渉縞パターンを多重露光で記録して成る多重露光型ホログラムであることを特徴とする。
【００１０】
第４の発明の映像表示装置は、上記第１，第２又は第３の発明において、前記ホログラフィック光学素子が軸非対称な光学パワーを有することを特徴とする。
【００１１】
第５の発明の映像表示装置は、上記第１，第２，第３又は第４の発明において、前記映像表示素子が複数の色情報を含む映像を表示し、前記ホログラフィック光学素子が前記色情報に対応した複数の回折波長ピークを有することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施した映像表示装置を、図面を参照しつつ説明する。図１に眼鏡型映像表示装置の一実施の形態を概略光学断面で示し、その外観を図２に示す。図１において、１はＬＥＤ、２はコンデンサレンズ、３は透過型のＬＣＤ、４は体積位相型・反射型ホログラムから成るホログラフィック光学素子（接眼光学系の一部を成す拡大光学系に相当する。）、５は観察者眼、６はプリズム、Ｅは観察瞳である。さらに図２において、７はケーブル、８は連結部、８Ｒ，８Ｌは鼻当て部、９Ｒ，９Ｌはレンズ、１０は表示部、１１Ｒ，１１Ｌは観察者頭部への保持部材であるテンプル部、１４は筐体である。
【００１３】
ＬＥＤ（１）はＬＣＤ（３）の表示面を照明するための照明光を発する照明光源であり、コンデンサレンズ（２）はＬＥＤ（１）からの光を平行光にする照明用のコリメータレンズである。またＬＣＤ（３）は、表示面上に２次元映像を表示する透過型の空間変調素子である。このＬＣＤ（３）は非発光型の映像表示素子であるため、その２次元映像はＬＥＤ（１）からの照明光で表示面が照明されることにより視覚可能となる。用いる映像表示素子は透過型の空間変調素子に限らず、反射型の空間変調素子でもよい。例えば、高速動作が可能な反射型ＬＣＤは、時分割のカラー表示が可能であり、高精細で安価なカラー表示に適している。また、照明光源としてＬＥＤ（１）を用い映像表示素子としてＬＣＤ（３）を用いることは、小型・軽量・低コストの光学構成を得る上で望ましい。ただし、これらの代わりに自発光型表示素子（例えばＥＬ：ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅｅｌｅｍｅｎｔ）を用いてもよい。映像表示素子として自発光型表示素子を用いれば、照明用の光源やコンデンサレンズが不要となるため、光学構成をより軽量で小型にすることができる。
【００１４】
上記のように、ＬＥＤ（１），コンデンサレンズ（２）及びＬＣＤ（３）から成る映像表示手段により、２次元映像が表示される。その映像光は、プリズム（６）と反射型ホログラフィック光学素子（４）から成る接眼光学系により、観察者眼（５）に導かれる。その結果、２次元映像はホログラフィック光学素子（４）によりシースルーで観察者眼（５）に拡大投影されて、虚像として観察される。図２に示すように、プリズム（６）は右眼用のレンズ（９Ｒ）の一部に埋め込まれており、プリズム（６）の上部には映像を表示する表示部（１０）が取り付けられている。表示部（１０）には電源供給部及び信号供給用のケーブル（７）が接続されている。表示部（１０）は筐体（１４）に覆われており、筐体（１４）によりプリズム（６）が挟まれている。そして、前述したＬＥＤ（１），コンデンサレンズ（２），ＬＣＤ（３）等は、筐体（１４）内に設けられている。このような構成にすることにより、軽量で小型の映像表示装置を構成することができる。図２の実施の形態は片眼のみに表示を行うものであるが、左眼用のレンズも右眼用のレンズと同様の構成とし、両眼表示を行ってもよい。両眼表示とすることによって、片眼で映像を観察することに起因する観察者の不自然な疲労を軽減することができる。
【００１５】
ホログラフィック光学素子（４）は、プリズム（６）とレンズ（９Ｒ）をホログラム基板として、その間に挟まれるようにして配置されている。また、ホログラフィック光学素子（４）は複合ホログラムで構成されており、ホログラム基板面に対して平行でない干渉縞から成る２つの干渉縞パターンを有している。干渉縞パターンの回折作用によって、ホログラフィック光学素子（４）の接眼レンズ機能が得られる。また、ホログラフィック光学素子（４）の波長選択性によって、良好なコンバイナ機能が得られる。つまり、ＬＣＤ（３）に表示される２次元映像を良好に観察することが可能になるとともに、ホログラフィック光学素子（４）を通して観察される外界についても十分な光量が得られる。また、ホログラフィック光学素子（４）の光学パワーは軸非対称になっている。ホログラフィック光学素子（４）が軸非対称な光学パワーを有することによって良好に収差補正された映像の観察が可能となり、正反射角度と異なる反射角度の回折反射による光路の折り畳みによって映像表示装置の小型化にも寄与することができる。なお、ここではホログラフィック光学素子（４）が２つの干渉縞パターンを有する場合を例に挙げて説明するが、干渉縞パターンの数は複数であればよく、３以上でも構わない。
【００１６】
ホログラフィック光学素子（４）は２つの干渉縞パターンを有するため、そこでは２つの結像関係が成立する。したがって、ホログラフィック光学素子（４）の２つの干渉縞パターンにより、図３に示すように、２つの観察瞳（Ｅ１，Ｅ２）が形成される。ここで、図３（Ａ）は観察者眼（５）と観察瞳（Ｅ１，Ｅ２）との位置関係を示しており、図３（Ｂ）はホログラフィック光学素子（４）により観察瞳（Ｅ１，Ｅ２）が形成される様子を光路で示している。このようにホログラフィック光学素子（４）は、ＬＣＤ（３）から射出した所定の波長幅を有する映像光で、空間的に異なる位置に２つの観察瞳（Ｅ１，Ｅ２）を構成する。これにより観察瞳（Ｅ１，Ｅ２）のサイズが全体として大きくなるため、映像表示が見やすくなる。また、ＬＥＤ（１）が発する照明光は（レーザー光に比べて）波長幅が大きいため、映像光も所定の波長幅を持つことになり、その結果得られる観察瞳（Ｅ１，Ｅ２）のサイズもほどよい大きさになる。
【００１７】
またホログラフィック光学素子（４）は、映像光の全入射領域において同一の入射光線に対し、以下の条件式（Ｉ）及び（ＩＩ）を満たすように作用する。
Δθ＜２ …（Ｉ）
Δη＞５０ …（ＩＩ）
ただし、
Δθ：各干渉縞パターンでの回折角度の差（°）、
Δη：各干渉縞パターンでの回折効率の差（％）、
である。
【００１８】
条件式（Ｉ）は２つの干渉縞パターンの位相関数がほぼ同じであることを意味しており、条件式（ＩＩ）は２つの干渉縞パターンの角度選択性が異なることを意味している。角度選択性が異なるということは、図４のグラフに示すように（α：光線入射角度，η：回折効率）、回折効率が高くなる光線入射角度に差があるということである。したがって、ホログラフィック光学素子（４）は、波面を変換するための位相関数がほぼ同じでありながら、異なった２つの角度選択性を有することになり、２つの観察瞳（Ｅ１，Ｅ２）はほぼ同じ光学パワーによって空間的に異なる位置に形成されることになる。
【００１９】
上記構成によると、観察者が眼（５）を上下方向に振ると、観察される映像は２つの観察瞳（Ｅ１，Ｅ２）のうちの一方のものから他方のものへと変化する。この変化は、２つの観察瞳（Ｅ１，Ｅ２）の位置ズレが大きいほど、ＬＣＤ（３）の画面サイズが小さいほど、観察される映像の大きさや位置の変化として認識されやすくなる。しかし、一般的なＨＭＤの映像の視野角は１０〜４０°程度であるため、条件式（Ｉ）を満たせばその変化は許容可能なレベルとなり、観察される映像の品位が損なわれることはない。一方、条件式（ＩＩ）に関しては、２つの干渉縞パターンの角度選択性の差異により、観察瞳（Ｅ１，Ｅ２）を拡大するという効果が左右される。つまり、条件式（ＩＩ）を満たせば、映像表示を見やすくするために観察瞳（Ｅ１，Ｅ２）のサイズを全体として効果的に大きくすることが可能となる。したがって、条件式（Ｉ）及び（ＩＩ）を満たすことにより、映像の品位が良くなり、観察瞳（Ｅ１，Ｅ２）も拡大されて見やすくなる。
【００２０】
ホログラフィック光学素子（４）の作製に用いる感光材料としては、フォトポリマー，銀塩材料，重クロム酸ゼラチン等が挙げられるが、なかでもドライプロセスでの低コストの製造が可能で耐久性にも優れるフォトポリマーが望ましい。銀塩材料や重クロム酸ゼラチン等の感光材料を用いなくても、上述したように観察瞳（Ｅ１，Ｅ２）が拡大されて見やすくなるという効果が得られるからである。また、ホログラフィック光学素子（４）を構成している複合ホログラムは、干渉縞パターンの記録されたホログラムを２枚積層して成る積層型ホログラムでもよく、単一の感光材料に２つの干渉縞パターンを多重露光で記録して成る多重露光型ホログラムでもよい。干渉縞パターンの記録されたホログラムを複数積層した積層型ホログラムには、高い回折効率が得られるというメリットがある。したがって、複合ホログラムとして積層型ホログラムをホログラフィック光学素子（４）に用いれば、映像表示を明るくすることができる。一方、単一の感光材料に複数の干渉縞パターンを多重露光で記録した多重露光型ホログラムには、必要な感光材料が少なく製作が容易というメリットがある。したがって、複合ホログラムとして多重露光型ホログラムをホログラフィック光学素子（４）に用いれば、低コスト化が可能である。
【００２１】
次に、ホログラフィック光学素子（４）に用いる積層型ホログラムの製造方法を説明する。ここで説明する積層型ホログラムは、図５に拡大して示すように、２つのホログラム（Ｈ１，Ｈ２）から成る積層構造を有しており、その２つのホログラム（Ｈ１，Ｈ２）の波面変換機能を表す位相関数は同じになっている。図６に、積層型ホログラム作製用の２光束ホログラム露光装置の光学構成を示す。露光は２回行われ、第１の露光と第２の露光とでは仮想光源点（Ｐ１，Ｑ１；Ｐ２，Ｑ２）の配置も露光光学系（Ｇ１，Ｇ２）の種類・配置も異なっている。つまり、第１の露光と第２の露光とでフォトポリマーに対する露光光線の入射角度が異なっても、位相関数はほぼ同じ干渉縞パターンを生成することの可能な露光光学系（Ｇ１，Ｇ２）が用いられる。第１の露光と第２の露光とでは光線入射角度が異なるので、同じ波長の光に対して異なった２つの角度選択性を有する（つまり回折効率の極大が２つある）ホログラフィック光学素子（４）が得られる。また、それぞれの露光に対して露光光学系（Ｇ１，Ｇ２）は独立した構成をとるため、その設計は容易である。
【００２２】
積層型ホログラムの作製に際し、まず、プリズム（６）のホログラム基板面（６ａ）上に、第１のフォトポリマーを固定する。第１の露光光学系（Ｇ１）を使用して、２つの仮想光源点（Ｐ１，Ｑ１）からの２光束により第１の露光を行う。その結果、干渉縞が屈折率変調として第１のフォトポリマーに記録される。第１のフォトポリマーに記録した干渉縞をＵＶ（ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｒａｙ）照射，ベーク処理により定着すると、第１のホログラム（Ｈ１）が得られる。次に、第１のホログラム（Ｈ１）上に第２のフォトポリマーを固定する。第２の露光光学系（Ｇ２）を使用して、２つの仮想光源点（Ｐ２，Ｑ２）からの２光束により第２の露光を行う。その結果、干渉縞が屈折率変調として第２のフォトポリマーに記録される。第２のフォトポリマーに記録した干渉縞をＵＶ照射，ベーク処理により定着すると、第２のホログラム（Ｈ２）が得られる。以上のようにして、前記積層型ホログラムから成るホログラフィック光学素子（４）を作製することができる（図５）。なお、露光を行うたびにＵＶ照射を行うのは、それぞれの材料に対して十分にＵＶを当てて干渉縞を完全に定着するためである。したがって、製造工程を簡素化するために、第１の露光後のＵＶ照射，ベーク処理を省略して、第２の露光後に一度ＵＶ照射，ベーク処理を行うようにしてもよい。
【００２３】
次に、ホログラフィック光学素子（４）に用いる多重露光型ホログラムの第１の製造方法を説明する。図７に、多重露光型ホログラム作製用の２光束ホログラム露光装置全体の概略構成を示す。図７において、Ｓ０はレーザー光源、ｍ１はハーフミラー、ｍ２，ｍ３は反射ミラー、Ｌ１，Ｌ２は対物レンズ、Ｕ１は露光ユニットである。図７の露光装置の一部を成す露光ユニット（Ｕ１）を図８に示し、その設計時の光学構成を図９に示す。図８，図９において、Ｐ，Ｐ１，Ｐ２；Ｑ，Ｑ１，Ｑ２は仮想光源点、Ｍ１，Ｍ２は軸非対称な露光ミラーである。
【００２４】
図８に示すように、露光ユニット（Ｕ１）にはプリズム（６）と露光ミラー（Ｍ１，Ｍ２）が固定されており、露光ユニット（Ｕ１）の平行移動によってプリズム（６）と露光ミラー（Ｍ１，Ｍ２）が一体的に平行移動するように構成されている。対物レンズ（Ｌ１，Ｌ２）により形成される仮想光源点（Ｐ，Ｑ）の位置は固定であるため、露光ユニット（Ｕ１）が平行移動すると、仮想光源点（Ｐ，Ｑ）とプリズム（６）及び露光ミラー（Ｍ１，Ｍ２）との位置関係が相対的に変化することになる。図８中の実線と破線で示す光路は、固定の仮想光源点（Ｐ，Ｑ）に対し実際にプリズム（６）及び露光ミラー（Ｍ１，Ｍ２）が移動する前後（第１，第２の露光時）の露光光線配置を示している。これに対し、図９中の実線と破線で示す光路は、固定のプリズム（６）及び露光ミラー（Ｍ１，Ｍ２）に対する仮想光源点（Ｐ１，Ｐ２；Ｑ１，Ｑ２）の相対的な移動前後（第１，第２の露光時）の露光光線配置を示している。
【００２５】
多重露光型ホログラムの作製に際し、まず、プリズム（６）のホログラム基板面（６ａ）上に、フォトポリマーを固定して、図７に示すレーザー光源（Ｓ０）をＯＮする。レーザー光源（Ｓ０）から射出した露光光束はハーフミラー（ｍ１）で２光束に分割され、一方は対物レンズ（Ｌ１）に入射し、他方は２枚の反射ミラー（ｍ２，ｍ３）で反射された後、対物レンズ（Ｌ２）に入射する。各対物レンズ（Ｌ１，Ｌ２）により、図８に示すように、仮想光源点（Ｐ，Ｑ）が露光ユニット（Ｕ１）内に形成される。実線位置の露光ミラー（Ｍ１，Ｍ２）で２つの仮想光源点（Ｐ，Ｑ）からの２光束（実線）により第１の露光を行うと、干渉縞が屈折率変調としてフォトポリマーに記録される。次に、露光ユニット（Ｕ１）を破線位置まで移動させる。そして、破線位置の露光ミラー（Ｍ１，Ｍ２）で２つの仮想光源点（Ｐ，Ｑ）からの２光束（破線）により第２の露光を行うと、干渉縞が屈折率変調としてフォトポリマーに記録される。露光する際の露光エネルギーはレーザー光源の出力強度と図示しないシャッターが開となる時間により設定される。このことは以降の他の実施の形態についても同様である。フォトポリマーに記録した各干渉縞をＵＶ照射，ベーク処理により定着すると、２つの干渉縞パターンが２重に露光記録された複合ホログラムが得られる。得られた複合ホログラムにおいて、第１の露光により記録された干渉縞パターンの位相関数と、第２の露光により記録された干渉縞パターンの位相関数と、はほぼ同一である。
【００２６】
上記多重露光型ホログラムの作製において、仮想光源点（Ｐ，Ｑ）は移動しない。したがって、露光ミラー（Ｍ１，Ｍ２）等から成る露光光学系が１つで済むため、製造の低コスト化を達成することができる。また設計時には、図９に示すように、露光光線が入射する２点を仮想光源点（Ｐ１，Ｐ２）として設定する。そして、その間の任意の光線について、仮想光源点（Ｑ１，Ｑ２）に相当する２点で所望の結像性能が得られるように、かつ結像倍率がほぼ等倍となるように、露光ミラー（Ｍ１，Ｍ２）を設計する。２つの対物レンズ（Ｌ１，Ｌ２）の相対位置が変化しないので、露光ユニット（Ｕ１）の移動は結像性能に影響しない。したがって、露光ユニット（Ｕ１）の移動距離については精度が不要となるので、多重露光を容易かつ低コストで行うことができる。
【００２７】
次に、ホログラフィック光学素子（４）に用いる多重露光型ホログラムの第２の製造方法を説明する。図１０に、多重露光型ホログラム作製用の単光束ホログラム露光装置全体の概略構成を示し、その設計時の光学構成を図１１に示す。図１０において、Ｓ０はレーザー光源、Ｌ３は対物レンズ、Ｕ２は露光ユニットであり、図１１において、Ｐ１，Ｐ２は仮想光源点、Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３は軸非対称な露光ミラーである。図１０及び図１１に示す露光装置は、図７〜図９に示す露光装置に単光束露光記録方式を採用したものであり、露光ユニット（Ｕ２）内に搭載された３枚の露光ミラー（Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３）によって単光束露光記録を可能にしている。
【００２８】
図１０に示すように、レーザー光源（Ｓ０）から射出した露光光束は対物レンズ（Ｌ３）に入射する。対物レンズ（Ｌ３）により、図１１に示すように、仮想光源点（Ｐ１）が形成される。仮想光源点（Ｐ１）から射出した露光光束（実線）は、プリズム（６）を透過してホログラム基板（６ａ）上のフォトポリマーを照射した後、３枚の露光ミラー（Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３）で順に反射される。反射された光束は、ホログラム基板（６ａ）上のフォトポリマーを再び照射する。最初にフォトポリマーを照射する光束と、露光ミラー（Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３）で反射したのち再びフォトポリマーを対向方向から照射する光束と、で干渉縞が形成され、屈折率変調としてフォトポリマーに露光記録される。以上のようにして第１の露光が行われる。次に、露光ユニット（Ｕ２）を移動させて、仮想光源点（Ｐ２）から射出した露光光束（破線）により、第２の露光を第１の露光と同様に行う。露光光学系の設計にあたっては、第１の製造方法の場合と同様に、露光記録される複合ホログラムの位相関数がほぼ同一になるように設計する。フォトポリマーに記録した各干渉縞をＵＶ照射，ベーク処理により定着すると、２つの干渉縞パターンが２重に露光記録された複合ホログラムが得られる。この露光装置によると、露光光学系の構成が簡単であるため、露光時の調整を容易に行うことができる。さらに、干渉縞を乱して光学性能を低下させる振動や風等の影響も軽減することができる。
【００２９】
次に、ホログラフィック光学素子（４）に用いる多重露光型ホログラムの第３の製造方法を説明する。図１２に、多重露光型カラーホログラム作製用の２光束ホログラム露光装置全体の概略構成を示す。この露光装置は、より高度な情報表示のために、前記２光束ホログラム露光装置（図７）をカラー対応に応用したものである。装置構成に関しては、レーザー光源（Ｓ０）の代わりにＲ（赤）・Ｇ（緑）・Ｂ（青）の３原色に対応したレーザー光源（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）を用い、それに付随して反射ミラー（ｍ４）とハーフミラー（ｍ５，ｍ６）を追加したほかは、前記２光束ホログラム露光装置（図７）と同様の構成になっている。なお、フルカラー映像を表示するためにはＲＧＢの３原色に対応した照明・表示を行う構成にすればよいが、表示する映像によっては２色又は４色以上の複数で照明・表示を行う構成にしてもよい。したがって、ホログラム露光もそれに対応した複数の色について行えばよい。
【００３０】
多重露光型カラーホログラムの作製は、前記２光束ホログラム露光装置（図７）を用いた第１，第２の露光をＲ・Ｇ・Ｂの各色について順次行えばよい。つまり、Ｒの露光光束による第１の露光、Ｇの露光光束による第１の露光、Ｂの露光光束による第１の露光、露光ユニット（Ｕ１）の移動、Ｒの露光光束による第２の露光、Ｇの露光光束による第２の露光、Ｂの露光光束による第２の露光、ＵＶ処理、ベーク処理の順に行えばよい。また、Ｒ・Ｇ・Ｂの各色について同時に露光を行うようにしてもよい。つまり、ＲＧＢ同時に第１の露光、露光ユニット（Ｕ１）の移動、ＲＧＢ同時に第２の露光、ＵＶ処理、ベーク処理を順次行うようにしてもよい。このようにして得られた複合ホログラムの角度選択性及び波長選択性を図１３に示す。図１３（Ａ）は角度選択性（α：光線入射角度，η：回折効率）を示しており、図１３（Ｂ）は波長選択性（λ：波長，γ：再生光量）を示している。
【００３１】
上記のようにして得られた複合ホログラムは、図１３（Ｂ）に示すように、ＲＧＢの３原色成分に対応した３つの回折波長ピークを有する。したがって、これをホログラフィック光学素子（４）として用い、さらにＲＧＢの３色に対応したＬＥＤ（１）とＬＣＤ（３）を用いれば、フルカラーの映像表示装置を実現することができる。例えば、カラー化のためにＲＧＢの３原色成分に対応した各発光を行う３つのＬＥＤ（１）を照明光源として用い、ＲＧＢの３原色成分に対応した色情報を含む映像を表示するＬＣＤ（３）をフィールドシーケンシャル方式で駆動し、その映像信号に同期して３つのＬＥＤを時分割で順次発光させる構成にすればよい。また、前記第２の露光を特定の色について省略すれば、その色の映像光について観察瞳（Ｅ）を拡大する効果がなくなるため、観察瞳（Ｅ）の大きさが色毎に異なった映像表示を行うことができる。
【００３２】
なお、上述した実施の形態には以下の構成を有する発明（ｉ）〜（ｖ）が含まれており、その構成によると、映像表示の見やすい観察瞳（Ｅ）を構成できる眼鏡型映像表示装置を低コストで提供することができる。
（ｉ）２次元映像を表示する映像表示素子と、前記２次元映像を拡大投影するための反射型ホログラフィック光学素子を含む接眼光学系と、を備えた眼鏡型映像表示装置であって、前記ホログラフィック光学素子が、ホログラム基板面に対して平行でない干渉縞から成る干渉縞パターンを複数有する複合ホログラムで構成されており、少なくとも２つの干渉縞パターンについてほぼ同じ位相関数と互いに異なる角度選択性とを有し、前記映像表示素子から射出した所定の波長幅を有する映像光で空間的に異なる位置に複数の観察瞳を構成することを特徴とする映像表示装置。
（ｉｉ）前記複合ホログラムが、干渉縞パターンの記録されたホログラムを複数積層したものであることを特徴とする上記（ｉ）記載の映像表示装置。
（ｉｉｉ）前記複合ホログラムが、単一の感光材料に複数の干渉縞パターンを多重露光で記録したものであることを特徴とする上記（ｉ）記載の映像表示装置。
（ｉｖ）前記ホログラフィック光学素子が軸非対称な光学パワーを有することを特徴とする上記（ｉ），（ｉｉ）又は（ｉｉｉ）記載の映像表示装置。
（ｖ）前記映像表示素子が複数の色情報を含む映像を表示するものであり、前記ホログラフィック光学素子が前記色情報に対応した複数の回折波長ピークを有することを特徴とする上記（ｉ），（ｉｉ），（ｉｉｉ）又は（ｉｖ）記載の映像表示装置。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の映像表示装置によれば、ホログラフィック光学素子が空間的に異なる位置に複数の観察瞳を構成するとともに、映像光の全入射領域において同一の入射光線に対し特定の条件を満たすように作用するため、低コストでありながら映像表示の見やすい観察瞳を構成することができる。さらに、ホログラフィック光学素子を積層型ホログラムで構成することにより、映像表示を明るくすることができ、ホログラフィック光学素子を多重露光型ホログラムで構成することにより、低コスト化を達成することができる。また、軸非対称な光学パワーを有するホログラフィック光学素子を用いることによって、良好に収差補正された映像の観察が可能となり、映像表示装置の小型化にも寄与することができる。映像表示素子が複数の色情報を含む映像を表示し、その色情報に対応した複数の回折波長ピークをホログラフィック光学素子が有する構成とすることによって、より高度な情報表示のためのカラー化に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施した映像表示装置の概略光学構成を示す断面図。
【図２】本発明を実施した映像表示装置の外観を示す斜視図。
【図３】各干渉縞パターンにより観察瞳が形成される様子を説明するための図。
【図４】ホログラフィック光学素子の角度選択性を示すグラフ。
【図５】積層型ホログラムから成るホログラフィック光学素子の一部を拡大して示す断面図。
【図６】積層型ホログラム作製用の２光束ホログラム露光装置を示す光学構成図。
【図７】多重露光型ホログラム作製用の２光束ホログラム露光装置全体の概略構成を示す模式図。
【図８】図７の２光束ホログラム露光装置を構成している露光ユニットを示す模式図。
【図９】図７の２光束ホログラム露光装置の設計時の光学構成を示す図。
【図１０】多重露光型ホログラム作製用の単光束ホログラム露光装置の概略構成を示す模式図。
【図１１】図１０の単光束ホログラム露光装置の設計時の光学構成を示す図。
【図１２】図７の２光束ホログラム露光装置をカラー対応に応用した例を示す模式図。
【図１３】ホログラフィック光学素子の角度選択性及び波長選択性を示すグラフ。
【図１４】従来の映像表示装置の概略光学構成を示す図。
【符号の説明】
１ …ＬＥＤ
２ …コンデンサレンズ
３ …透過型のＬＣＤ（映像表示素子）
４ …反射型のホログラフィック光学素子（拡大光学系）
５ …観察者眼
６ …プリズム
６ａ …ホログラム基板面
Ｅ，Ｅ１，Ｅ２ …観察瞳

Claims

２次元映像を表示する映像表示素子と、前記２次元映像を拡大投影するための反射型ホログラフィック光学素子を含む拡大光学系と、を備えた映像表示装置であって、
前記ホログラフィック光学素子が、ホログラム基板面に対して平行でない干渉縞から成る干渉縞パターンを複数有する複合ホログラムで構成されており、前記映像表示素子から射出した所定の波長幅を有する映像光で空間的に異なる位置に複数の観察瞳を構成するとともに、前記映像光の全入射領域において同一の入射光線に対し以下の条件式（Ｉ）及び（ＩＩ）を満たすように作用することを特徴とする映像表示装置；
Δθ＜２ …（Ｉ）
Δη＞５０ …（ＩＩ）
ただし、
Δθ：各干渉縞パターンでの回折角度の差（°）、
Δη：各干渉縞パターンでの回折効率の差（％）、
である。
前記複合ホログラムが、干渉縞パターンの記録されたホログラムを複数積層して成る積層型ホログラムであることを特徴とする請求項１記載の映像表示装置。
前記複合ホログラムが、単一の感光材料に複数の干渉縞パターンを多重露光で記録して成る多重露光型ホログラムであることを特徴とする請求項１記載の映像表示装置。
前記ホログラフィック光学素子が軸非対称な光学パワーを有することを特徴とする請求項１，２又は３記載の映像表示装置。
前記映像表示素子が複数の色情報を含む映像を表示し、前記ホログラフィック光学素子が前記色情報に対応した複数の回折波長ピークを有することを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の映像表示装置。