JP2006162798A - 光学デバイス、映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】 特別な処理を要することなく、ホログラム感光材料２４ａと透明基材２２との密着性を高める。安全な光学デバイスを作製する。
【解決手段】 ホログラムからなる光学素子２４を透明基材２２上に貼り付けて光学デバイスを構成する場合に、光学素子２４および透明基材２２の両方を、アクリル系材料で構成する。特に、光学素子２４を透明基材２２・２３で挟持して光学デバイスとしての接眼光学系２１を作製する場合は、光学素子２４、透明基材２２・２３および透明基材２２・２３同士を接合する接着剤を全て、アクリル系材料で構成する。このようにアクリル系材料という同種類の材料で接眼光学系２１が構成されているので、特別な処理を行わなくても、これらの密着性を高めることができる。また、透明基材２２・２３がアクリル系材料で構成されているので、ガラスに比べて衝撃や外圧を確実に吸収することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ホログラム光学素子を透明基材上に貼り付けた光学デバイスと、その光学デバイスを用いた映像表示装置と、その映像表示装置を用いたヘッドマウントディスプレイとに関するものである。

ホログラム、ハーフミラーコート、ビームスプリッタ層などの光学素子は、透明基材内に埋め込んで（２個の透明基材で挟み込んで）使用すれば、湿度や酸素などの外部環境の影響を受けることがないことから、例えばヘッドアップディスプレイやヘッドマウントディスプレイなどのコンバイナとして非常に有用である。

ところで、一般的に、ヘッドアップディスプレイやホログラムスクリーンなどは、ホログラム感光材料にフォトポリマーを用い、基材にガラスを用いて作製される。これは、フォトポリマーを用いる場合、銀塩材料、重クロム酸ゼラチンを用いる場合とは異なり、ドライプロセスで容易にホログラムを製造可能であること、基材のガラスは透明性・耐久性に優れ、かつ容易に大面積で平滑な光学面を作製することが可能であること、などによる。しかし、フォトポリマーは有機質の材料であり、基材のガラスは無機質の材料であるため、基本的にこれら２種の材料同士の密着性は悪い。

そこで、ホログラムと基材との密着性を高めるための手法として、例えば特許文献１〜３に開示されたものがある。特許文献１では、ホログラム感光材料にシランカップリング剤を混ぜることにより、ホログラム感光材料と無機質なガラス基材との密着性を高めている。特許文献２では、基材の表面をシランカップリング剤で表面処理することにより、シランカップリング剤で無機質の基材と有機質のホログラム感光材料との密着性を高めている。特許文献３では、ホログラム感光材料を基材に貼り付けた後、レーザー露光の前に加熱処理を行うことによって、ホログラム感光材料と基材との密着性を高めている。
特開平１１−１６１１３８号公報 特開平１１−１６１１４２号公報 特開平７−２３４６２７号公報

ところが、ホログラム感光材料を貼り付ける基材がガラスからなる場合、ホログラム感光材料と基材との密着性を上げるためには、上述のようにホログラム感光材料に他の物質を混ぜる前処理や基材の表面処理などの特別な処理が必要となり、ホログラム光学素子の作成が容易ではない。また、このようにして作製されたホログラム光学素子をコンバイナとしてヘッドマウントディスプレイに用いる場合、基材がガラスでは、眼への安全性の観点から問題がある。

また、特許文献３の手法では、レーザー露光前の加熱処理により、レーザー露光前にホログラム感光材料中のモノマーが反応してしまい、レーザー露光による屈折率変調が小さくなってしまうおそれがある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、特別な処理を要することなくホログラム感光材料と基材との密着性を高めることができ、デバイスの安全面にも配慮した光学デバイスと、その光学デバイスを備えた映像表示装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイとを提供することにある。

本発明の光学デバイスは、ホログラムからなる光学素子を透明基材上に貼り付けた光学デバイスであって、上記光学素子および上記透明基材の両方が、アクリル系材料で構成されていることを特徴としている。

上記の構成によれば、ホログラムからなる光学素子およびその光学素子が貼り付けられる透明基材の両方が、アクリル系材料という同種類の材料で構成されているので、これらの一方に対して特別な処理を行わなくても、これらの密着性を高めることができる。また、透明基材がアクリル系材料で構成されており、ガラスに比べて衝撃や外圧を確実に吸収できるので、例えば本発明の光学デバイスをコンバイナとしてヘッドマウントディスプレイに用いる場合でも、ヘッドマウントディスプレイを装着した観察者の眼に対する安全性を高めることができる。さらに、アクリル系材料からなる光学素子は、ホログラムとしての特性（感度・屈折率変化など）に優れており、アクリル系材料からなる透明基材は、透過率が高い、成型が容易であるなど、光学基材としての特性に優れているという利点もある。

ここで、上記透明基材は、上記光学素子を挟むように、アクリル系材料で構成される他の透明基材と接合されている構成であってもよい。この場合、例えば本発明の光学デバイスをコンバイナとしてヘッドマウントディスプレイに容易に適用することができる。また、そのようなヘッドマウントディスプレイにおいて、外界像の光が一方の透明基材を透過することによる歪みを、他の透明基材でキャンセルすることができ、外界像に歪みが生じるのを防止することができる。

また、各透明基材は、アクリル系材料からなる接着剤で接合されている構成が望ましい。この場合、光学素子、各透明基材、接着剤の全てがアクリル系材料という同種の材料で構成されることになるので、各透明基材を接着剤で接合する構成でも、これらの密着性を高めることができる。

このとき、接着剤は、紫外線硬化型接着剤であることが望ましい。紫外線硬化型接着剤は収縮率が小さいので、光学素子や透明基材の変形やそれらへのダメージを極力抑えることができる。また、熱硬化型接着剤のように硬化時に熱を必要としないので、透明基材が熱によって変形するのを防止することができる。さらに、紫外線硬化型接着剤は、溶媒を含有しないタイプであるので、溶媒による光学素子への悪影響を無くすことができる。

また、光学素子は、再生時に使用する上記透明基材に（アクリル系材料からなる）ホログラム感光材料を未露光の状態で貼り付けた後、レーザー露光することによって形成されている構成が望ましい。ここで、上記の再生とは、作製された光学素子を種々のデバイスに利用する場合を指す。つまり、「再生時に使用する」とは、光学素子の「作製時に使用する」とは異なる概念である。

上記構成によれば、再生時に使用する透明基材にホログラム感光材料を貼り付けた後にレーザー露光するので、レーザー露光後に光学素子を再生時に使用する透明基材に貼りなおす場合と比較して、作製工程が少なく、生産性が高い。また、貼りなおしのための接着剤が不要なので、光学素子への接着剤による悪影響がない。さらに、貼りなおしによる光学素子の位置ずれの心配がないなど、多くの利点がある。

また、光学素子は、（アクリル系材料からなる）ホログラム感光材料のレーザー露光による露光工程および上記ホログラム感光材料への光照射（例えば紫外線照射）による定着工程での重合反応により、上記透明基材に貼り付けられていることが望ましい。未露光のホログラム感光材料は、単にホログラム感光材料の粘着性でのみ貼り付けられているだけであるが、このように露光工程および定着工程での重合反応を利用することにより、ホログラム感光材料と透明基材との接合をより強固にすることができる。

また、透明基材における波長３６０ｎｍでの分光透過率は、１０％以下であることが望ましい。この場合、短波長である紫外線は、透明基材にほとんど吸収される。光学素子は、長期的には紫外線によって多少劣化し、黄変するので、上記構成によれば、光学素子の劣化を防ぐことができる。

また、透明基材における波長４００ｎｍでの分光透過率は、８０％以上であることが望ましい。この場合、透明基材の透明性を確保して、シースルー性を良好に保つことができる。

また、透明基材の荷重軟化点温度は、ホログラム感光材料中の未反応モノマーが上記ホログラム感光材料内を拡散して移動する温度以上となるように設定されていることが望ましい。なお、荷重軟化点温度とは、透明基材に荷重をかけたときに軟化（変形）するときの温度を指す。この場合、光学素子のベイク処理によって透明基材が変形するのを回避しながら、未反応モノマーの拡散によって屈折率の部分的な差を広げ、回折効率を高めることができる。また、透明基材の変形を防止できるので、良好な面精度を確保することができる。

また、光学素子は、複数の波長に対応する複数の回折効率のピークを持ち、上記回折効率がピークとなる各波長の回折効率の和が、１００％以上であることが望ましい。この場合、例えば映像表示素子からの映像を本発明の光学デバイスを介して観察者に虚像として提供する場合に、明るいカラー映像を虚像として提供することができる。また、映像表示素子の光源の光の利用効率を高めることもできる。

このとき、上記複数の波長は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色に対応する波長であることが望ましい。この場合、ＲＧＢの色によって、色純度の高い、色再現範囲の高いカラー映像を実現することができる。

また、上記回折効率がピークとなる各波長の回折効率のうちで最大の回折効率は、７０％以上であることが望ましい。この場合、明るい映像を実現することができ、光源の光の利用効率も高くなる。

本発明の映像表示装置は、上述した本発明の光学デバイスと、映像を表示して上記光学デバイスに提供する映像表示素子とを備えていることを特徴としている。この構成により、観察者は、映像表示素子から提供される映像を光学デバイスを介して観察することができるのと同時に、光学デバイスを介してシースルーで外界像を観察することもできる。

このとき、上記光学デバイスの光学素子は、体積位相型の反射型ホログラムであることが望ましい。この場合、映像表示素子から提供される映像光を上記ホログラムにて観察者の方向に反射させることにより、観察者に虚像を観察させることができる。しかも、体積位相型の反射型ホログラムは、外界像の光の透過率が高いので、観察者は外界像を明瞭に観察することができる。

また、上記光学デバイスの光学素子は、上記映像表示素子から提供される映像と外界像とを同時に観察者の目に導くコンバイナであってもよい。この場合、観察者は、上記光学素子を介して、映像表示素子から提供される映像と外界像とを同時に観察することができる。

また、上記光学デバイスは、上記映像表示素子に表示される映像を拡大して観察者の目に虚像として導く接眼光学系を構成していてもよい。この場合、観察者は、映像表示素子に表示される映像を虚像として十分に視認することができる。また、接眼光学系は、映像表示素子の表示映像を拡大虚像として観察者に提供するので、接眼光学系を構成する光学デバイスの小型化、軽量化が可能となり、映像表示装置の小型化、軽量化が可能となる。

また、上記接眼光学系は、非軸対称な（正の）光学パワーを有していることが望ましい。この場合、接眼光学系を小型にしても、良好に収差補正された映像を観察者に提供することができる。

また、上記光学デバイスの透明基材は、上記映像表示素子から提供される映像の光を内部で全反射させて上記光学素子に導く構成が望ましい。この構成によれば、映像表示素子から提供される映像光を無駄なく利用して、観察者に明るい映像を提供することができる。また、映像表示素子を光学デバイスから離れた位置に配置することも可能となり、観察者の外界に対する視野を広く確保することができる。

また、上記光学デバイスの光学素子の透過率は、１０％以上であることが望ましい。この場合、観察者は、光学素子を介しても外界像をシースルーで十分に観察することができる。

本発明のヘッドマウントディスプレイは、上述した映像表示装置と、上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを備えていることを特徴としている。この構成によれば、映像表示装置が支持手段によって観察者の眼前で支持されるので、観察者は、ハンズフリーとなり、外界像および映像表示素子での表示映像を虚像として観察しながら、空いた手で所望の作業を行うことができる。また、観察者の観察方向が一方向に定まるので、観察者は暗環境でも表示映像を探しやすいという利点もある。

本発明によれば、光学素子および透明基材の両方が、アクリル系材料という同種類の材料で構成されているので、これらの一方に対して特別な処理を行わなくても、これらの密着性を高めることができる。また、透明基材がアクリル系材料で構成されているので、例えば本発明の光学デバイスをコンバイナとしてヘッドマウントディスプレイに用いる場合でも、ヘッドマウントディスプレイを装着した観察者の眼に対する安全性を高めることができる。

本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
〔１．ヘッドマウントディスプレイについて〕
図２（ａ）は、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤと略称する）の概略の構成を示す平面図であり、図２（ｂ）は、ＨＭＤの側面図であり、図２（ｃ）は、ＨＭＤの正面図である。ＨＭＤは、映像表示装置１と、それを支持する支持手段２とを有しており、全体として、一般の眼鏡から一方（例えば左目用）のレンズを取り除いたような外観となっている。

映像表示装置１は、観察者に外界像をシースルーで観察させるとともに、映像を表示して観察者にそれを虚像として提供するものである。図２（ｃ）で示す映像表示装置１において、眼鏡の右目用レンズに相当する部分は、後述する２つの透明基材２２・２３（図４参照）の貼り合わせによって構成されている。なお、映像表示装置１の詳細な構成については後述する。

支持手段２は、映像表示装置１を観察者の眼前（例えば右目の前）で支持するものであり、ブリッジ３と、フレーム４と、テンプル５と、鼻当て６と、ケーブル７とを有している。なお、フレーム４、テンプル５および鼻当て６は、左右一対設けられているが、これらを左右で区別する場合は、右フレーム４Ｒ、左フレーム４Ｌ、右テンプル５Ｒ、左テンプル５Ｌ、右鼻当て６Ｒ、左鼻当て６Ｌのように表現するものとする。

映像表示装置１の一端は、ブリッジ３に支持されている。このブリッジ３は、映像表示装置１のほかにも左フレーム４Ｌおよび鼻当て６を支持している。左フレーム４Ｌは、左テンプル５Ｌを回動可能に支持している。一方、映像表示装置１の他端は、右フレーム４Ｒに支持されている。右フレーム４Ｒにおいて映像表示装置１の支持側とは反対側端部は、右テンプル５Ｒを回動可能に支持している。ケーブル７は、外部信号（例えば映像信号、制御信号）や電力を映像表示装置１に供給するための配線であり、右フレーム４Ｒおよび右テンプル５Ｒに沿って設けられている。

観察者がＨＭＤを使用するときは、右テンプル５Ｒおよび左テンプル５Ｌを観察者の右側頭部および左側頭部に接触させるとともに、鼻当て６を観察者の鼻に当て、一般の眼鏡をかけるようにＨＭＤを観察者の頭部に装着する。この状態で、映像表示装置１にて映像を表示すると、観察者は、映像表示装置１の映像を虚像として観察することができるとともに、この映像表示装置１を介して外界像をシースルーで観察することができる。

なお、ＨＭＤは、映像表示装置１を１個だけ備えたものには限られない。例えば、図３（ａ）は、ＨＭＤの他の構成を示す平面図であり、図３（ｂ）は、上記ＨＭＤの側面図であり、図３（ｃ）は、上記ＨＭＤの正面図である。これらの図に示すように、ＨＭＤは、観察者の両目の前に配置される２個の映像表示装置１を備えた構成であってもよい。この場合、左目の前に配置される映像表示装置１は、ブリッジ３と左フレーム４Ｌとによってその間で支持される。また、ケーブル７は、両方の映像表示装置１と接続され、ケーブル７を介して外部信号等が両方の映像表示装置１に供給される。

〔２．映像表示装置について〕
次に、上述した映像表示装置１の詳細について説明する。
図４は、映像表示装置１の概略の構成を示す断面図である。映像表示装置１は、映像表示素子１１と、接眼光学系２１とで構成されている。

映像表示素子１１は、光源１２と、一方向拡散板１３と、集光レンズ１４と、ＬＣＤ１５とを有している。なお、光源１２と、一方向拡散板１３と、集光レンズ１４とで、ＬＣＤ１５を照明する照明光学系が構成されている。

光源１２は、中心波長が例えば４６５ｎｍ、５２０ｎｍ、６３５ｎｍとなる３つの波長帯域の光を発するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。なお、光源１２は、白色光を発する白色光源であっても構わない。

一方向拡散板１３は、光源１２からの照明光を拡散させるものであるが、その拡散度は、方向によって異なっている。より詳細には、一方向拡散板１３は、ＨＭＤを観察者が装着したときの左右方向に対応する方向（図４の紙面に垂直な方向）には、入射光を約４０゜拡散させ、ＨＭＤを観察者が装着したときの上下方向（図４の紙面に平行な方向）には、入射光を約２゜拡散させる。

集光レンズ１４は、一方向拡散板１３にて拡散された光を集光するものである。集光レンズ１４は、上記拡散光が効率よく光学瞳Ｅを形成するように配置されている。ＬＣＤ１５は、映像信号に基づいて入射光を変調することにより、映像を表示する表示手段である。

一方、接眼光学系２１は、２つの透明基材２２・２３と、光学素子２４とを有している。この接眼光学系２１は、透明基材２２・２３の接合面を介して外界像がシースルーで観察される光学デバイスを構成しているとともに、映像表示素子１１に表示される映像を拡大して観察者の目に虚像として導く光学デバイスを構成している。また、接眼光学系２１は、非軸対称な正の光学パワーを有しており、内部に入射した映像光が良好に収差補正される。

透明基材２２・２３は、例えばアクリル系樹脂で構成されており、これらは接着剤で接合されている。このときの透明基材２２は、平行平板の下端部を下端に近くなるほど薄くして楔状にし、その上端部を上端に近くなるほど厚くした形状で構成されている。透明基材２３は、平行平板の上端部を透明基材２２の下端部に沿った形状とすることによって、透明基材２２と一体となって略平行平板となるように構成されている。

例えば、透明基材２２に透明基材２３を接合させない場合、外界像の光が透明基材２２の楔状の下端部を透過するときに屈折するので、透明基材２２を介して観察される外界像に歪みが生じる。しかし、透明基材２２に透明基材２３を接合させて一体的な略平行平板を形成することで、外界像の光が透明基材２２の楔状の下端部を透過するときの屈折を透明基材２３でキャンセルすることができる。その結果、シースルーで観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。

光学素子２４は、特定の入射角で入射する例えば４６５±１０ｎｍ、５２０±１０ｎｍ、６３５±１０ｎｍの３つの波長帯域の光を回折させる体積位相型の反射型ホログラムで構成されている。光学素子２４は、透明基材２２の下端部の傾斜面に貼り付けられており、この結果、透明基材２２・２３で挟まれている。この光学素子２４の透過率は、１０％以上に設定されている。

光学素子２４の材料となるホログラム感光材料２４ａ（図５参照）としては、フォトポリマー、銀塩材料、重クロム酸ゼラチンなどが挙げられるが、中でもドライプロセスで製造できるフォトポリマーが望ましい。

このような映像表示装置１の構成により、映像表示素子１１の光源１２から出射された光は、一方向拡散板１３にて拡散され、集光レンズ１４にて集光されてＬＣＤ１５に入射する。ＬＣＤ１５に入射した光は、映像信号に基づいて変調され、映像光として出射される。このとき、ＬＣＤ１５には、その映像自体が表示される。

ＬＣＤ１５からの映像光は、接眼光学系２１の透明基材２２の内部にその上端面から入射し、対向する２つの面で複数回全反射されて、光学素子２４に入射する。光学素子２４に入射した光は、反射されて光学瞳Ｅに達する。光学瞳Ｅの位置では、観察者は、ＬＣＤ１５に表示された映像の拡大虚像を観察することができる。光学瞳Ｅから虚像までの距離は数ｍ程度であり、また、虚像の大きさはＬＣＤ１５に表示された映像の１０倍以上である。

一方、透明基材２２・２３および光学素子２４は、外界からの光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界像を観察することができる。したがって、ＬＣＤ１５に表示された映像の虚像は、外界像の一部に重なって観察されることになる。以上のことから、光学素子２４は、映像表示素子１１から提供される映像と外界像とを同時に観察者の目に導くコンバイナとして機能していると言える。

以上のように、映像表示装置１では、ＬＣＤ１５から出射される映像光を、透明基材２２内での全反射によって光学素子２４に導く構成としている。これにより、映像表示素子１１を観察者の眼の直前から大きく離れた位置に配置することができ、観察者の外界に対する視野を広く確保することができる。また、通常の眼鏡レンズと同様に透明基板２２・２３の厚さを３ｍｍ程度にすることができ、映像表示装置１を小型化、軽量化することができる。

また、光学素子２４は、上述したように特定入射角の特定波長の光のみを回折させるので、透明基材２２・２３および光学素子２４を透過する外界像の光に影響を与えることがない。それゆえ、観察者は、透明基材２２・２３および光学素子２４を介して外界像を通常通り観察することができる。また、光学素子２４の透過率は、１０％以上に設定されているので、観察者は透明基材２２・２３および光学素子２４を介して外界像を十分に観察することができる。

〔３．透明基材について〕
次に、透明基材２２・２３の詳細について説明する。
図５（ａ）は、透明基材２２（第１の透明基材）の平面図を示し、図５（ｂ）は、透明基材２２の正面図を示している。また、図５（ｃ）は、透明基材２３（第２の透明基材）の平面図を示し、図５（ｄ）は、透明基材２３の正面図を示している。さらに、図５（ｅ）は、透明基材２２・２３を接合させた接眼光学系２１の平面図を示している。

透明基材２２は、全体として略四角錐台の形状をしており、その上面および下面は、４つの側面で連結されている。この４つの側面は、図５（ａ）の平面図において、上面を中心として反時計回りに配置される面２２ａ・２２ｂ・２２ｃ・２２ｄで構成されている。これらの面２２ａ・２２ｂ・２２ｃ・２２ｄは、その法線方向が互いに異なっている。また、これらのうちの一側面（例えば面２２ｄ）には、上記上面よりも上方に突出する突出部２２ｅが形成されている。また、光学素子２４は、透明基材２２の例えば面２２ｂに貼り付けられている。

一方、透明基材２３は、透明基材２２が接合することで平行平板が形成されるような形状となっている。つまり、透明基材２３は、平行平板から透明基材２２の形状をくり抜いた形状をしている。ここで、透明基材２３において、透明基材２２と接合したときに、透明基材２２の面２２ａ・２２ｂ・２２ｃと対向する面を、それぞれ２３ａ・２３ｂ・２３ｃと称することにする。これらの面２３ａ・２３ｂ・２３ｃは、その法線方向が互いに異なっている。

このように光学素子２４を貼り付けた一方の透明基材２２に他方の透明基材２３を、光学素子２４を挟むように接着剤を介して接合することにより、図５（ｅ）に示すように、接眼光学系２１が形成される。この接眼光学系２１は、平面視で眼鏡のレンズのような形状をしている。この接眼光学系２１を用いることにより、透明基材２２・２３の接合面（面２２ａ・２２ｂ・２２ｃ、面２３ａ・２３ｂ・２３ｃ）を介して、シースルーで外界像を観察することが可能となる。

〔４．接眼光学系の製造方法について〕
次に、光学デバイスとしての接眼光学系２１の製造方法について説明する。
接眼光学系２１の製造工程は、貼付工程、露光工程、定着工程、ベイク（熱処理）工程、接合工程の５つの工程からなっている。なお、これらの工程による接眼光学系２１の製造を光学素子２４の「作製」と称するとき、作製された光学素子２４を種々のデバイスに利用する場合を「再生」と称することとする。以下、上記製造工程の詳細について、図１に基づいて説明する。

まず、再生時に使用する一方の透明基材２２上に、例えばフォトポリマーからなるホログラム感光材料２４ａを貼り付ける（貼付工程）。そして、レーザー光の２光束干渉により、透明基材２２上のホログラム感光材料２４ａを露光する（露光工程）。続いて、ホログラム感光材料２４ａに紫外線を照射することによって、ホログラム感光材料２４ａを定着させる（定着工程）。

その後、透明基材２２上に貼り付けられたホログラム感光材料２４ａをベイクし、回折効率の高いホログラム（光学素子２４）を形成する（ベイク工程）。そして、最後に、一方の透明基材２２と他方の透明基材２３との接合面に光硬化型接着剤である紫外線硬化型接着剤を塗布し、上記紫外線硬化型接着剤に紫外線を照射してこれを硬化させることにより、両透明基材２２・２３をホログラム感光材料２４ａ（光学素子２４）を挟むように接合する（接合工程）。これにより、接眼光学系２１が完成する。

なお、上記のベイク処理により、ホログラムの回折効率が上がる理由は、以下の通りである。ホログラム感光材料２４ａを露光すると、干渉縞ができて、ホログラムに屈折率の高い部分と低い部分とが形成される。しかし、ホログラム感光材料２４ａとしてのフォトポリマーは重合性材料であり、このような露光だけでは屈折率の高い部分と低い部分とにおける屈折率の差が小さい。そこで、ベイク処理によりホログラム感光材料２４ａに熱を加えると、ホログラム感光材料２４ａにおける未反応のモノマーなどが熱で拡散され、疎密の差が激しくなる。これにより、ホログラムにおける屈折率の差が広がり、回折効率が上がるようになる。

なお、ベイク工程は、接合工程の後に行うことも可能であるが、この場合、接合後の未硬化の接着剤がベイクによりホログラム層に悪影響を与えることが懸念される。そのため、本実施形態のように、接合前にベイクを完了させる方が望ましい。

〔５．接眼光学系の詳細について〕
本実施形態では、接眼光学系２１の製造にあたり、ホログラム感光材料２４ａおよび透明基材２２・２３に、アクリル系の材料を用いている。具体的には、ホログラム感光材料２４ａとしては、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、メタクリレートやフェノキシエチルアクリレート、クロロフェニルアクリレートトリエチレングリコールジアクリレート、トリメチロールプロパントリメタクリレートなど多くのアクリレート誘導体を含む材料（例えばDuPont製のOmniDex）などが用いられている。また、透明基材２２・２３としては、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などのメタクリル樹脂（例えば三菱レイヨン製のアクリペットや日本ゼオン製のゼオネックス、旭化成製のデルペット）などが用いられている。

このように、光学素子２４の材料であるホログラム感光材料２４ａおよびそのホログラム感光材料２４ａが貼り付けられる透明基材２２を、アクリル系材料という同種の材料で構成することにより、これらを異種材料で構成する場合に比べて、ホログラム感光材料２４ａと透明基材２２との密着性が上がる。したがって、従来のように、ホログラム感光材料２４ａに他の物質を添加したり、透明基材２２の表面を処理するなど、特殊な処理を行わなくても、これらの密着性を高めることができる。

また、アクリル系のホログラム感光材料２４ａは、ホログラム材料としての特性に優れている。すなわち、露光工程でのレーザー露光時の重合反応の反応性（反応速度・露光感度）が高く、また、レーザー露光後の屈折率変化も大きい。このため、短時間で干渉縞を記録することが可能であり、振動などの外部環境の影響を受けにくい。さらに、記録されたホログラムは屈折率変化が大きいので、高い回折効率をもつ優れたホログラムを作製することが可能である。

また、アクリル系の透明基材２２・２３は、透明性が高く、射出成型などによる成型が容易であるなどの特性を有しており、光学基材としての特性に優れている。さらに、アクリル系の透明基材２２・２３は、安価で軽量であり、ガラスに比べて衝撃や外圧を確実に吸収することができる。したがって、本実施形態のように、透明基材２２・２３を用いて接眼光学系２１を構成し、これをコンバイナとしてＨＭＤに適用した場合でも、ＨＭＤを装着した観察者の眼に対する安全性を高めることができる。

このように、接眼光学系２１の製造において、ホログラム感光材料２４ａおよび透明基材２２・２３の両方にアクリル系の材料を用いることは、単に密着力を高める以外に多くのメリットがあり、非常に有効である。

また、本実施形態では、透明基材２２が、アクリル系材料で構成される他の透明基材２３と光学素子２４を挟むように接合されて接眼光学系２１が構成されているので、この接眼光学系２１をコンバイナとしてＨＭＤに容易に適用することができる。

ここで、各透明基材２２・２３の接合に用いる接着剤は、アクリル系材料で構成されていることが望ましい。このような接着剤としては、例えば、アクリル変性オリゴマーやテトラヒドロフルヒルメタクリレート、置換エチルアクリレート、置換ウレタンアクリレートなど、アクリレート誘導体を含む接着剤（例えば東亞合成社のLCR0628AやNorland Optical社のNOA76など）がある。

一般的に、材料の密着性（接着力）は、異種材料同士よりも同種材料同士のほうが強い。したがって、ホログラム感光材料２４ａと透明基材２２・２３がともにアクリル系の材料で構成される場合は、接着剤としてもアクリル系の材料を用いれば、必然的により強力な密着力を得ることができる。

また、各透明基材２２・２３の接合に用いる接着剤は、アクリル系の接着剤の中でも特に、本実施形態のように紫外線硬化型接着剤であることが望ましい。紫外線硬化型接着剤は、収縮率が小さいので、光学素子２４や透明基材２２・２３の変形やそれらへのダメージを極力抑えることができる。また、熱硬化型接着剤のように硬化時に熱を必要としないので、透明基材２２・２３が熱によって変形するのを防止することができる。さらに、紫外線硬化型接着剤は、溶媒を含有しないタイプであるので、溶媒による光学素子２４への悪影響を無くすことができる。

また、本実施形態では、光学素子２４は、再生時に使用する透明基材２２にホログラム感光材料２４ａを未露光の状態で貼り付けた後、レーザー露光することによって形成されている。これにより、レーザー露光後に光学素子２４を再生時に使用する透明基材に貼りなおす場合と比較して、単に、作製工程が少なく、生産性が高いだけでなく、以下の多くの利点がある。すなわち、貼りなおしのための接着剤が不要なので、光学素子２４への接着剤による悪影響がない。また、貼りなおしによる光学素子２４の位置ずれの心配がない。透明基材２２の面精度が理想から多少ずれていても、そのズレを含めて露光することによって光学素子２４を作製できるので、再生時に透明基材２２の面精度のズレの影響を無くすか、非常に小さくすることができる。

また、未露光のホログラム感光材料２４ａを、再生時に使用する透明基材２２上に貼り付けてから、レーザー露光によりホログラムを記録した光学デバイスを作製するので、露光時のホログラム感光材料２４ａの重合反応およびその後の定着時の重合反応により、ホログラム感光材料２４ａを透明基材２２上に強く密着させることができる。なお、この効果は、ホログラム感光材料２４ａと透明基材２２とが同種の材料（アクリル系材料）で構成されていることとも相まって得られる大きな効果である。未露光のホログラム感光材料２４ａは、その粘着性により透明基材２２上に貼り付けられているが、露光後は材料に粘着性がなくなる。したがって、光学素子２４は、ホログラム感光材料２４ａのレーザー露光による露光工程およびホログラム感光材料２４ａへの光照射による定着工程での重合反応により、透明基材２２に貼り付けられているとも言うことができる。

ところで、ホログラムからなる光学素子２４は、その再生時において、長期的には、紫外線により多少劣化し、黄変する。このため、アクリル材料からなる透明基材２２・２３に例えば紫外線吸収剤を含有させるなどにより、透明基材２２・２３にて光学素子２４に到達する紫外線を減らす必要がある。そこで、そのような紫外線による光学素子２４の劣化、黄変を抑制するためには、透明基材２２・２３における波長３６０ｎｍでの分光透過率は、１０％以下であることが望ましい。なお、このことは、紫外線吸収剤を含有しない透明基材２２・２３についても言えることである。

また、透明基材２２・２３に紫外線吸収剤を多く含有させすぎると、透明基材２２・２３自体が黄みを帯びてくる。こうなると、接眼光学系２１を眼前にコンバイナとして配置する本実施形態の用途においては、外観上問題があるばかりでなく、接眼光学系２１を介してシースルーで観察される外界像の色を観察者が適切に視認できなくなる（シースルー性が低下する）。そこで、透明基材２２・２３の透明性を確保して、シースルー性を良好に保つために、透明基材２２・２３における波長４００ｎｍでの分光透過率を、８０％以上に設定し、このような分光透過率を実現できるように紫外線吸収剤の含有量を抑えることが望ましい。

なお、再生時に使用する光源の出射光から紫外線領域の光をカットすることにより、透明基材２２・２３の劣化、黄変を抑制してもよい。

ところで、ホログラム感光材料２４ａに対するレーザー露光後、ベイク処理を行うことにより、光学素子２４の回折効率が増大する。これは、上述したように、加熱により、ホログラム感光材料２４ａ中に含まれる未反応モノマーが拡散移動するためである。したがって、ベイク処理での熱に耐えることができるように、透明基材２２の荷重軟化点温度は、なるべく高いことが望ましいが、最低限、用いるホログラム感光材料２４ａ中に含まれる未反応モノマーが、ホログラム感光材料２４ａ内を拡散移動することが可能となる温度以上に設定される必要がある。なお、荷重軟化点温度とは、透明基材２２に荷重をかけたときに軟化（変形）するときの温度を指す。

本実施形態では、透明基材２２の荷重軟化点温度は、未反応モノマーが拡散移動できる温度よりも約２０℃以上高く設定されている。未反応モノマーが拡散移動できる温度は、用いるホログラム感光材料２４ａにより異なるが、ホログラム感光材料２４ａとして、例えばDuPont社のOmniDexを用いた場合、透明基材２２としては、荷重軟化点温度が１００℃以上のものを用いればよいことになる。このような透明基材２２を用いることにより、ベイク処理によって透明基材２２が変形するのを回避しながら、未反応モノマーの拡散によって屈折率の部分的な差を広げ、回折効率を高めることができる。また、透明基材２２の変形を防止できるので、良好な面精度を確保することができる。

ところで、再生時に光学素子２４から出射される光（再生光）の波長（再生波長）は、作製時にホログラム感光材料２４ａを露光するレーザー光の波長により決定される。したがって、再生時に単色の再生光を得るためには、作製時に最低１色以上のレーザー光でホログラム感光材料２４ａを露光する必要がある。また、再生時にカラーの再生光を得るためには、作製時にカラーに対応した複数波長のレーザー光でホログラム感光材料２４ａを露光する必要がある。映像鑑賞という観点では、カラーが望ましく、それゆえ、本実施形態では、作製時に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色に対応した３つの波長のレーザー光でホログラム感光材料２４ａを露光することにより、再生時にカラーの映像（再生像）が得られるようにしている。

ここで、明るいカラーの再生像を得るためには、ＲＧＢの３つの波長のそれぞれについて、光学素子２４での回折効率を高くする必要がある。なお、回折効率とは、入射光のエネルギーのうち、回折光としてどの程度のエネルギーを取り出せるかを示す値であり、一般的には、入射光の強度とある次数の回折光の強度との比を百分率で示したものがこれにあたる。

このとき、１色の回折ピーク（回折効率のピーク）、すなわち、回折ピークを１個だけ持つ光学素子２４では、回折効率は原理的に１００％以上にはならない。しかし、回折される光の波長（回折波長）が複数あるカラーホログラムでは、異なる波長ごとに回折ピークが存在するため、例えばそれぞれの回折効率の和を１００％以上にすることが可能となる。

そこで、本実施形態では、光学素子２４が複数の波長（ＲＧＢ）に対応する複数の回折ピークを持ち、かつ、上記ピークとなる複数の回折効率の和が１００％以上となるように、光学素子２４を作製している。このような光学素子２４は、作製時にＲＧＢのレーザー光でホログラム感光材料２４ａを露光し、ベイク処理によって各色の回折効率を高めることによって実現することができる。

これにより、上記光学素子２４を有する接眼光学系２１をコンバイナとしてＨＭＤに適用し、ＨＭＤの映像表示素子１にカラー映像を表示したときに、観察者は光学素子２４を介して明るいカラー映像を虚像として観察することができる。また、再生時に用いる光源１２（再生光源）の光を有効に利用することもできる。また、各回折ピークを持つ波長が、ＲＧＢの各色に対応する波長であるので、ＲＧＢの色によって、色純度の高い、色再現範囲の高いカラー映像を虚像として観察者に提供することができる。

なお、ＲＧＢの各波長の回折ピークにおける回折効率は、理想的には最大１００％であり、その和は、理想的には回折ピークの数×１００％である。しかし、実際には、ホログラム感光材料２４ａが複数のレーザー光の波長に感度を有しているため、互いに影響しあい、全ての回折ピークの回折効率を最大１００％に近づけることは困難となり、結果的に、各波長の回折ピークの回折効率は、例えば数１０％程度（例えば図６（ａ）のようにＲＧＢのそれぞれにおいて５０％程度）となる。しかし、この場合でも、各波長の回折ピークにおける回折効率の和を１００％以上にすることは可能である（図６（ａ）の例では、１５０％以上となる）。

また、良好なカラー表示を得るためには、各色（ＲＧＢ）の明るさのバランス（カラーバランス）を取る必要がある。単純には、映像の明るさは、各色についての「回折効率×回折光の波長（回折波長）と同じ波長での照明光（再生光）強度」の和であり、映像のカラーバランスは、この各色の「回折効率×回折波長と同じ波長での照明光強度」の値を、良好な白表示となるようにある一定の比率に調整することにより達成される。したがって、実際の上記比率は、回折波長によって異なるある一定値を取る。すなわち、良好なカラー表示を得るには、各回折波長と同じ波長での照明光の強度を考慮して、それぞれの回折波長での回折効率を設定するとよい。

例えば、ＲＧＢの３色の回折光を生じる光学素子２４において、図６（ａ）のようにＲＧＢの３色についての回折効率がほぼ等しいとする。この光学素子２４を図６（ｂ）の照明光源（再生光源である光源１２）で照明したとき、白色表示を得るにはＲの光の強度が足りないとする。このような状態になったときは、図６（ｃ）のようにＲの光の回折効率を他の光の回折効率よりも高くすればよい。

なお、図６（ｂ）における曲線ｒｇｂは、それぞれＲＧＢの各光強度を示し、曲線Ｌは、ＲＧＢの各光強度を総合した結果を示しているが、これらの光強度は、例えばＢの光強度に対する相対値としている。

このように、ＲＧＢの回折光の光量バランスを白色表示が得られるように調整することにより、良好なカラー表示を得ることができる。このような映像の明るさおよび再生光源の光の効率的な利用を考えると、図６（ｃ）に示すように、回折効率がピークとなる各波長（ＲＧＢ）の回折効率のうち、最大の回折効率が７０％以上となるように、光学素子２４を作製（特にベイク処理）すればよい。

ところで、上述したように、ホログラム感光材料２４ａは、ベイク処理によって回折効率が高くなる（増感される）。一方、本実施形態では、耐熱性がそれほど高くないアクリル系材料で透明基材２２を構成している。このため、通常一般に行われる１００℃以上のベイク温度でホログラム感光材料２４ａをベイク処理すると、透明基材２２が変形する。したがって、上記ベイク温度では、ホログラム感光材料２４ａをベイク処理することができない。しかし、仮に、ベイク処理しなければ、上述した「各ＲＧＢの光の回折効率の和を１００％以上にする」ことはできず、「ＲＧＢのうちで最大の回折効率を示す波長の回折効率を７０％以上にする」こともできない。

そこで、透明基材２２としてアクリル材料を用いる本実施形態の構成では、一般的なベイク条件を緩和してベイク処理を行えばよい。つまり、ホログラム感光材料２４ａのベイク処理を、低いベイク温度で、少し長めに行えばよい。

具体的には、透明基材２２の荷重軟化点温度以下の温度でベイクすればよい。短時間で効率よくベイク効果を得るには、勿論、ベイク温度が高いほうが望ましいが、例えば、荷重軟化点温度をＴ℃とすると、
ベイク温度（℃）＝Ｔ−Δ
（ただし、Δは、５、１０、１５、２０、２５、３０のいずれか）
でベイク処理を行えばよい。

アクリル材料の耐熱性にも依存するが、透明基材２２として一般的なグレードのアクリル材料を用いる場合、ベイク温度は、上式を満たす１００℃以下ということになる。勿論、より耐熱性を高めたアクリル基材を透明基材２２として用いれば、ベイク温度は上述の式より１００℃以上となり、１００℃以上でのベイク処理も可能となる。

なお、本実施形態では、接眼光学系２１として光学素子２４が透明基材２２・２３で挟持された構成について説明したが、本実施形態で説明した構成は、光学素子２４が単に透明基材２２上に貼り付けられて光学デバイスが構成される場合にも勿論適用することができる。この場合、本実施形態のような、透明基材２２・２３同士を接合するための接着剤が不要なので、接着剤の光学素子２４への悪影響を無くすことができる。

なお、本実施形態では、透明基材２２・２３の接合面は、平面である場合について説明したが、これに限定されるわけではなく、例えば曲面であってもよい。

なお、本実施形態では、映像表示装置１をＨＭＤに適用した例について説明したが、例えばヘッドアップディスプレイに適用することも可能である。

なお、本実施形態では、透明基材２２・２３として、平板上のものを用いているが、曲率を有するものであってもよい。この場合、接眼光学系２１に矯正眼鏡レンズとしての機能を持たせることもできる。

本発明の実施の一形態に係るヘッドマウントディスプレイに用いられる映像表示装置の接眼光学系の製造工程を模式的に示す説明図である。 （ａ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの概略の構成を示す平面図であり、（ｂ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの側面図であり、（ｃ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの正面図である。 （ａ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの他の構成を示す平面図であり、（ｂ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの側面図であり、（ｃ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの正面図である。 上記映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。 （ａ）は、上記接眼光学系を構成する２種の透明基材のうちの一方の概略の構成を示す平面図であり、（ｂ）は、上記透明基材の正面図であり、（ｃ）は、他方の透明基材の概略の構成を示す平面図であり、（ｄ）は、上記透明基材の正面図であり、（ｅ）は、上記接眼光学系の平面図である。 （ａ）は、上記接眼光学系の光学素子における異なる波長ごとの回折効率の一例を示すグラフであり、（ｂ）は、再生時に上記光学素子に光を供給する光源の波長と光強度との関係を示すグラフであり、（ｃ）は、上記光学素子における異なる波長ごとの回折効率の他の例を示すグラフである。

符号の説明

１ 映像表示装置
２ 支持手段
１１ 映像表示素子
２１ 接眼光学系（光学デバイス）
２２ 透明基材
２３ 透明基材
２４ 光学素子
２４ａ ホログラム感光材料

Claims (20)

1. ホログラムからなる光学素子を透明基材上に貼り付けた光学デバイスであって、
   上記光学素子および上記透明基材の両方が、アクリル系材料で構成されていることを特徴とする光学デバイス。
2. 上記透明基材は、上記光学素子を挟むように、アクリル系材料で構成される他の透明基材と接合されていることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
3. 上記各透明基材は、アクリル系材料からなる接着剤で接合されていることを特徴とする請求項２に記載の光学デバイス。
4. 上記接着剤は、紫外線硬化型接着剤であることを特徴とする請求項３に記載の光学デバイス。
5. 上記光学素子は、再生時に使用する上記透明基材にホログラム感光材料を未露光の状態で貼り付けた後、レーザー露光することによって形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光学デバイス。
6. 上記光学素子は、ホログラム感光材料のレーザー露光による露光工程および上記ホログラム感光材料への光照射による定着工程での重合反応により、上記透明基材に貼り付けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光学デバイス。
7. 上記透明基材における波長３６０ｎｍでの分光透過率は、１０％以下であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光学デバイス。
8. 上記透明基材における波長４００ｎｍでの分光透過率は、８０％以上であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光学デバイス。
9. 上記透明基材の荷重軟化点温度は、ホログラム感光材料中の未反応モノマーが上記ホログラム感光材料内を拡散して移動する温度以上となるように設定されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の光学デバイス。
10. 上記光学素子は、複数の波長に対応する複数の回折効率のピークを持ち、
    上記回折効率がピークとなる各波長の回折効率の和が、１００％以上であることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の光学デバイス。
11. 上記複数の波長は、赤、緑、青の各色に対応する波長であることを特徴とする請求項１０に記載の光学デバイス。
12. 上記回折効率がピークとなる各波長の回折効率のうちで最大の回折効率は、７０％以上であることを特徴とする請求項１０または１１に記載の光学デバイス。
13. 請求項１から１２のいずれかに記載の光学デバイスと、
    映像を表示して上記光学デバイスに提供する映像表示素子とを備えていることを特徴とする映像表示装置。
14. 上記光学デバイスの光学素子は、体積位相型の反射型ホログラムであることを特徴とする請求項１３に記載の映像表示装置。
15. 上記光学デバイスの光学素子は、上記映像表示素子から提供される映像と外界像とを同時に観察者の目に導くコンバイナであることを特徴とする請求項１３または１４に記載の映像表示装置。
16. 上記光学デバイスは、上記映像表示素子に表示される映像を拡大して観察者の目に虚像として導く接眼光学系を構成していることを特徴とする請求項１３から１５のいずれかに記載の映像表示装置。
17. 上記接眼光学系は、非軸対称な光学パワーを有していることを特徴とする請求項１６に記載の映像表示装置。
18. 上記光学デバイスの透明基材は、上記映像表示素子から提供される映像の光を内部で全反射させて上記光学素子に導くことを特徴とする請求項１３から１７のいずれかに記載の映像表示装置。
19. 上記光学デバイスの光学素子の透過率は、１０％以上であることを特徴とする請求項１３から１８のいずれかに記載の映像表示装置。
20. 請求項１３から１９のいずれかに記載の映像表示装置と、
    上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを備えていることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。

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