JP2007219106A - 光束径拡大光学素子、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】簡単な構成で色むらの発生を抑える。
【解決手段】導光部材２の面２ａ・２ｂ上に、ＨＯＥ３１・３２をそれぞれ配置する。外部からの導光部材２への入射光は、導光部材２内で全反射するようにＨＯＥ３１にて回折され、ＨＯＥ３２に導かれる。ＨＯＥ３２では、導光部材２内を導光されて入射する光の一部が、回折効率に応じて導光部材２への入射光とほぼ平行に外部に射出するように回折されるとともに、残りの光が全反射される。ＨＯＥ３２では、このような射出と全反射とが繰り返される。ＨＯＥ３１・３２は、それぞれ、ｎ種類（ｎは２以上の自然数）の波長の光をほぼ同じ角度に回折するｎ種類のピッチの干渉縞を有しているので、外部からｎ種類の波長の光が導光部材２に入射したときでも、ＨＯＥ３２から外部に射出される光の射出ピッチを、ｎ種類の波長の光同士でほぼ同じにすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、入射光の光束径を拡大して射出する光束径拡大光学素子と、その光束径拡大光学素子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（以下、ＨＭＤとも称する）とに関するものである。

従来から、入射光の光束径を拡大して射出する光束径拡大光学素子が種々提案されている。例えば、特許文献１の光学素子では、導光部材に入射する光を３つの回折素子にて順次回折反射させることで、入射光の光束径を２次元的に拡大した状態で最終的に射出するようにしている。

ところが、上記光学素子では、単色の光で使用する場合は問題ないが、使用する波長幅が広くなると、色むら（色分散）が生じる問題がある。つまり、最初の回折素子に入射する光の波長が長くなればなるほど、その回折素子からの射出角（回折角）が大きくなるので、導光部材内で全反射した後に最終の回折素子にて回折されて外部に射出される光の射出位置のピッチが、波長の長い光ほど大きくなり、結果として色むらが生じることになる。

そこで、例えば特許文献２の光学素子では、図１３に示すように、３枚の導光板１０１・１０２・１０３を薄膜１０４・１０５をそれぞれ介して積層し、薄膜１０４・１０５を導光板１０１・１０２・１０３よりも屈折率の低い材料で構成することで、上記の色むらの問題を解決するようにしている。

この構成では、複数の離散的な波長λ１・λ２・λ３（ただし、λ１＜λ２＜λ３とする）の光１１１・１１２・１１３は、導光板１０１に形成された回折素子Ｈ１で異なる回折角で回折されて導光板１０１の内部に入射する。回折素子Ｈ１にて回折された光のうちで最も短い波長λ１の光１１１は、薄膜１０４・１０５を透過し、導光板１０３と空気との界面で反射され、導光板１０１に形成された別の回折素子Ｈ２に入射する。また、回折素子Ｈ１にて回折された波長λ２の光１１２は、薄膜１０４を透過し、導光板１０２と薄膜１０５との界面で反射され、回折素子Ｈ２に入射する。また、回折素子Ｈ１にて回折された最も長い波長λ３の光１１３は、導光板１０１と薄膜１０４との界面で反射され、回折素子Ｈ２に入射する。

回折素子Ｈ２に入射した光１１１・１１２・１１３の一部は、そこで回折されて外部に射出される一方、残りの光はそこで反射され、上記と同じ経路を辿る。以降はこの繰り返しである。

導光板１０１・１０２・１０３の厚さや屈折率を適宜選択することにより、光学素子から外部に射出される光１１１・１１２・１１３の射出ピッチη１・η２・η３をほぼ等しくすることができる。したがって、波長の異なる光の射出ピッチη１・η２・η３をほぼ等しくすることで、上述した色むらの発生を抑えることができる。

米国特許第６５８０５２９号明細書 米国特許第６８０５４９０号明細書

ところが、特許文献２の光学素子の構成では、光束径を拡大すべき光がＲＧＢで表現されるカラー映像の光であれば、ＲＧＢの３種類の光に対応して３枚の導光板１０１・１０２・１０３が最低必要であり、さらに２枚の導光板の間に薄膜１０４・１０５を形成する場合には、上記光学素子は５層構成となる。したがって、上記光学素子は、構成が複雑で非常に高価なものとなる。

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、簡単な構成で色むらの発生を抑えることができる光束径拡大光学素子と、その光束径拡大光学素子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。

本発明の光束径拡大光学素子は、入射光の光束径を拡大して射出する光束径拡大光学素子であって、互いに対向する２面を持ち、上記２面のそれぞれが互いに平行な平面を有する導光部材と、上記導光部材の平面上の異なる部位に保持される複数の体積位相型のホログラフィック回折光学素子とを備え、上記ホログラフィック回折光学素子は、外部からの上記導光部材への入射光を上記導光部材内で全反射するように回折する第１のホログラフィック回折光学素子と、上記導光部材内を導光されて入射する光の一部を回折効率に応じて上記導光部材への入射光とほぼ平行に外部に射出するように回折するとともに、残りの光を全反射する第２のホログラフィック回折光学素子とを含み、ｎを２以上の自然数とすると、上記第１のホログラフィック回折光学素子および上記第２のホログラフィック回折光学素子は、それぞれ、ｎ種類の波長の光をほぼ同じ角度に回折するｎ種類のピッチの干渉縞を有していることを特徴としている。

上記の構成によれば、導光部材の平面上の異なる部位に、複数の体積位相型のホログラフィック回折光学素子として、第１および第２のホログラフィック回折光学素子が保持される。外部からの導光部材への入射光は、導光部材内で全反射するように第１のホログラフィック回折光学素子にて回折される。また、第２のホログラフィック回折光学素子では、導光部材内を導光されて入射する光の一部が、回折効率に応じて導光部材への入射光とほぼ平行に外部に射出するように回折されるとともに、残りの光が全反射される。

なお、上記の「導光部材内を導光されて入射する光」には、第１のホログラフィック回折光学素子にて回折されて導光部材内を進行し、第２のホログラフィック回折光学素子に最初に入射する光だけでなく、第２のホログラフィック回折光学素子にて全反射されて導光部材内を進行し、再度第２のホログラフィック回折光学素子に入射する光も含まれる。第２のホログラフィック回折光学素子にて外部への光の射出と全反射とが繰り返されることにより、第２のホログラフィック回折光学素子から外部へ射出される光の光束径は、外部からの導光部材への入射光の光束径よりも広がることになる。

ここで、第１および第２のホログラフィック回折光学素子は、それぞれ、ｎ種類（ｎは２以上の自然数）の波長の光をほぼ同じ角度に回折するｎ種類のピッチの干渉縞を有しているので、外部からｎ種類の波長の光が導光部材に入射したときでも、第２のホログラフィック回折光学素子から外部に射出される光の射出ピッチを、ｎ種類の波長の光同士でほぼ同じにすることができる。したがって、１枚の導光部材に複数のホログラフィック回折光学素子を貼り合わせるという簡単な構成で色むら（色分散）の発生を抑えることができる。また、用いる導光部材の枚数が１枚で済むので、低コストである。

また、本発明においては、上記第２のホログラフィック回折光学素子は、該第２のホログラフィック回折光学素子にて全反射され、対向する平面で全反射されて再度入射する光の一部を回折効率に応じて上記導光部材への入射光とほぼ平行に外部に射出するように回折するとともに、残りの光を全反射する構成が望ましい。

この場合は、第２のホログラフィック回折光学素子にて外部への光の射出と全反射とが繰り返されるので、第２のホログラフィック回折光学素子から外部へ射出される光の光束径を、外部からの導光部材への入射光の光束径よりも確実に広げることができる。

また、本発明においては、上記第２のホログラフィック回折光学素子の回折効率は、上記第１のホログラフィック回折光学素子から光路に沿って遠ざかるにしたがって増大するように設定されていることが望ましい。この場合、第２のホログラフィック回折光学素子から外部に射出される光の強度分布を、第１のホログラフィック回折光学素子から第２のホログラフィック回折光学素子に向かう光路の方向において均一にすることができる。

また、本発明においては、上記第１のホログラフィック回折光学素子は、上記第２のホログラフィック回折光学素子から外部に射出される光の射出ピッチ以上の幅で形成されていることが望ましい。この場合、例えば第１のホログラフィック回折光学素子と同等の幅の光束径の光をこれに入射させれば、第２のホログラフィック回折光学素子から外部に射出される光の強度分布が離散的になる（光強度の高い位置が離散的に現れる）のを抑えることができ、射出される光の強度分布を均一にすることができる。

また、本発明においては、上記ホログラフィック回折光学素子は、上記第１のホログラフィック回折光学素子にて回折されて上記導光部材内を進行する光が上記第２のホログラフィック回折光学素子の配置方向に偏向されるように、上記光を回折する第３のホログラフィック回折光学素子をさらに含んでいてもよい。

この構成では、第１のホログラフィック回折光学素子にて回折されて導光部材内を進行する光は、第３のホログラフィック回折光学素子にて偏向されて導光部材内を進行し、第２のホログラフィック回折光学素子に入射する。したがって、導光部材内において、第１のホログラフィック回折光学素子から第３のホログラフィック回折光学素子への光の導光方向と、第３のホログラフィック回折光学素子から第２のホログラフィック回折光学素子への光の導光方向とは異なる。これにより、導光部材への入射光の光束径を、第３のホログラフィック回折光学素子にて一方向に拡大し、さらに第２のホログラフィック回折光学素子によって他の方向に拡大することが可能となり、入射光の光束径を２次元的に拡大することが可能となる。

また、本発明においては、上記第３のホログラフィック回折光学素子は、上記導光部材内を導光されて入射する光の一部を回折効率に応じて上記第２のホログラフィック回折光学素子の配置方向に回折するとともに、残りの光を全反射する構成が望ましい。

この場合、第１のホログラフィック回折光学素子から第３のホログラフィック回折光学素子への光の導光方向において、第３のホログラフィック回折光学素子での回折と全反射とを繰り返すようにすることができる。これにより、導光部材への入射光の光束径を上記導光方向に広げることが可能となる。

また、本発明においては、上記第３のホログラフィック回折光学素子は、該第３のホログラフィック回折光学素子にて全反射され、対向する平面で全反射されて再度入射する光の一部を回折効率に応じて上記第２のホログラフィック回折光学素子の配置方向に回折するとともに、残りの光を全反射する構成が望ましい。

この場合、第１のホログラフィック回折光学素子から第３のホログラフィック回折光学素子への光の導光方向において、第３のホログラフィック回折光学素子での回折と全反射とが繰り返されるので、導光部材への入射光の光束径を上記導光方向に確実に広げることが可能となる。

また、本発明においては、上記第３のホログラフィック回折光学素子は、上記ｎ種類の波長の光をほぼ同じ角度に回折するｎ種類のピッチの干渉縞を有していることが望ましい。この場合、第３のホログラフィック回折光学素子を用いて光束径を２次元的に拡大する構成であっても、第２のホログラフィック回折光学素子から外部に射出される光の射出ピッチを、ｎ種類の波長の光同士でほぼ同じにすることができ、色むらの発生を抑えることができる。

また、本発明においては、上記第３のホログラフィック回折光学素子の回折効率は、上記第１のホログラフィック回折光学素子から光路に沿って遠ざかるにしたがって増大するように設定されていることが望ましい。この場合、第３のホログラフィック回折光学素子にて回折されて第２のホログラフィック回折光学素子に向かう光の強度分布を、第１のホログラフィック回折光学素子から第３のホログラフィック回折光学素子に向かう光路の方向において均一にすることができる。

このとき、併せて、第２のホログラフィック回折光学素子の回折効率が、第１のホログラフィック回折光学素子から光路に沿って遠ざかるにしたがって増大するように設定されていれば、第１のホログラフィック回折光学素子から第３のホログラフィック回折光学素子に向かう光路の方向と、第３のホログラフィック回折光学素子から第２のホログラフィック回折光学素子に向かう光路の方向との両方向において、第２のホログラフィック回折光学素子から外部に射出される光の強度分布を均一にすることができる。

また、本発明においては、上記複数のホログラフィック回折光学素子の少なくとも１つは、ｎ種類の波長の個々に対応する干渉縞が各々に記録されたフォトポリマーをｎ枚積層してなる構成であってもよい。この場合、ホログラム感光材料としてシート状のフォトポリマーをｎ層積層することでホログラフィック回折光学素子を作製することができるので、上述した特性のホログラフィック回折光学素子を簡単に得ることができる。

また、本発明においては、上記複数のホログラフィック回折光学素子の少なくとも１つは、ｎ種類の波長に対応する干渉縞が記録されたフォトポリマー１層からなる構成であってもよい。この場合、ホログラム感光材料としてのフォトポリマー１層でホログラフィック回折光学素子を作製することができるので、上述した特性のホログラフィック回折光学素子をさらに簡単に得ることができる。

本発明の映像表示装置は、上述した本発明の光束径拡大光学素子と、光を出射する光源と、上記光源から出射される光を変調して映像を表示する表示素子と、上記表示素子からの映像光を上記光束径拡大光学素子に導く接眼光学系とを有していることを特徴としている。

上記の構成によれば、光源から出射される光は、表示素子にて変調されて映像光として出射され、接眼光学系を介して光束径拡大光学素子に導かれる。そして、光束径拡大光学素子からは、入射光の光束径が拡大した状態で映像光が射出される。したがって、光束径拡大光学素子に入射する前の光束径が小さい場合でも、十分な観察瞳サイズを確保することができ、接眼光学系を小型化することが可能となる。また、入射光の光束径が拡大した状態で映像光が射出されるので、観察者は瞳位置に応じて映像を観察することができる。

本発明の映像表示装置は、上述した本発明の光束径拡大光学素子（第３のホログラフィック回折光学素子を含むもの）と、光を出射する光源と、上記光源から出射される光を変調して映像を表示する表示素子と、上記表示素子からの映像光を上記光束径拡大光学素子に導く接眼光学系とを有し、上記光束径拡大光学素子は、第２のホログラフィック回折光学素子および第３のホログラフィック回折光学素子を２個ずつ有し、第１のホログラフィック回折光学素子は、外部からの入射光を両方の第３のホログラフィック回折光学素子に向かうように回折し、各第３のホログラフィック回折光学素子は、上記第１のホログラフィック回折光学素子にて回折されて導光部材内を進行してきた光を、対応する第２のホログラフィック回折光学素子の配置方向に回折することを特徴としている。

上記の構成によれば、光源から出射される光は、表示素子にて変調されて映像光として出射され、接眼光学系を介して光束径拡大光学素子に導かれる。そして、光束径拡大光学素子からは、入射光の光束径が２次元的に拡大した状態で映像光が射出される。したがって、光束径拡大光学素子に入射する前の光束径が小さい場合でも、十分な観察瞳サイズを確保することができ、接眼光学系ひいては装置自体を小型化することが可能となる。また、入射光の光束径が２次元的に拡大した状態で映像光が射出されるので、観察者は瞳位置に応じて映像を観察することができる。

また、第１のホログラフィック回折光学素子は、外部からの入射光を両方の第３のホログラフィック回折光学素子に向かうように回折し、各第３のホログラフィック回折光学素子は、上記第１のホログラフィック回折光学素子にて回折されて導光部材内を進行してきた光を、対応する第２のホログラフィック回折光学素子の配置方向に回折するので、第２のホログラフィック回折光学素子を観察者の両眼に対応する位置に配置しておけば、両眼で映像を観察できる映像表示装置において、上述した本発明の効果を得ることができる。

また、本発明においては、上記光束径拡大光学素子の第２のホログラフィック回折光学素子が、上記表示素子からの映像光と外光とを同時に観察者の瞳に導くコンバイナであってもよい。この場合、観察者は、第２のホログラフィック回折光学素子を介して、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、本発明の光束径拡大光学素子を用いることで接眼光学系を小型化できるので、装置として小型、軽量でありながら、シースルー性をさらに備えた映像表示装置を実現することができる。

また、本発明においては、上記接眼光学系の開口絞り位置は、上記光束径拡大光学素子の第１のホログラフィック回折光学素子の位置にほぼ一致していることが望ましい。この場合、小さな第１のホログラフィック回折光学素子によって、表示素子からの映像光を効率よく導光部材内部に取り込むことができる。

また、本発明においては、上記光源は、上記複数のホログラフィック回折光学素子の回折効率ピークの波長を含む、光強度の半値波長幅で１０ｎｍ以上の光を出射することが望ましい。この場合、複数のホログラフィック回折光学素子を角度選択性の高いもので構成した場合でも、映像観察に必要な画角を十分に確保することができる。

また、本発明においては、上記光束径拡大光学素子の導光部材の互いに対向する２面は、全反射条件を満たす曲率を持つ互いに平行な曲面を有していてもよい。この場合、導光部材の設計の自由度が広がり、デザイン性の高い映像表示装置を実現することができる。なお、導光部材において、複数のホログラフィック回折光学素子が保持される平面以外の部位が互いに対向する平行な曲面であっても、全反射条件を満たす限り、本発明の光束径拡大光学素子を実現することができる。

本発明のヘッドマウントディスプレイは、上述した本発明の映像表示装置と、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有し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て支持されるので、観察者は映像表示装置から提供される映像をハンズフリーで観察することができる。

本発明によれば、第１および第２のホログラフィック回折光学素子は、それぞれ、ｎ種類（ｎは２以上の自然数）の波長の光をほぼ同じ角度に回折するｎ種類のピッチの干渉縞を有しているので、外部からｎ種類の波長の光が導光部材に入射したときでも、第２のホログラフィック回折光学素子から外部に射出される光の射出ピッチを、ｎ種類の波長の光同士でほぼ同じにすることができる。したがって、１枚の導光部材に複数のホログラフィック回折光学素子を貼り合わせるという簡単な構成で、かつ、低コストで、色むらの発生を抑えることができる。

〔実施の形態１〕
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．光束径拡大光学素子の構成）
図１は、本実施形態の光束径拡大光学素子１の概略の構成を示す断面図である。光束径拡大光学素子１は、入射光の光束径を拡大して射出する光学素子であり、導光部材２と、複数の体積位相型のホログラフィック回折光学素子３とを有している。

導光部材２は、本実施形態では平行平板で構成されている。つまり、導光部材２は、互いに対向する２つの面２ａ・２ｂを有しており、これらの面２ａ・２ｂが互いに平行な平面となっている。

ホログラフィック回折光学素子３は、本実施形態では、２つのホログラフィック回折光学素子、すなわち、ＨＯＥ３１・３２からなっている。ＨＯＥ３１・３２は、本実施形態ではともに透過型であり、導光部材２の平面上の異なる部位に保持されている。より具体的には、ＨＯＥ３１は導光部材２の面２ａ上に保持されており、ＨＯＥ３２は、導光部材２の面２ｂ上に保持されている。

ＨＯＥ３１は、外部からの導光部材２への入射光を導光部材２内で全反射するように回折する第１のホログラフィック回折光学素子である。本実施形態では、ＨＯＥ３１は、上記入射光を例えば４５度の角度で回折し、ＨＯＥ３２側に向かって導光部材２の内部を導光させる。

ここで、ＨＯＥ３１は、ホログラム感光材料として、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の個々に対応する干渉縞が記録された３種類のシート状のフォトポリマー３１Ｒ・３１Ｇ・３１Ｂを、導光部材２の面２ａ側からこの順で積層して構成されている。各フォトポリマー３１Ｒ・３１Ｇ・３１Ｂには、対応する波長の光を全てほぼ同じ角度（例えば４５度）で回折するようなピッチで干渉縞が露光記録されている。したがって、ＨＯＥ３１は、回折効率のピーク波長および回折効率半値の波長幅で、例えば４６５±５ｎｍ（Ｂ光）、５２１±５ｎｍ（Ｇ光）、６３４±５ｎｍ（Ｒ光）の３つの波長域の光を、ほぼ同じ角度（例えば４５度）で回折させる。ＨＯＥ３１の回折効率は、設定主波長に対して最大になるように設計されている。

また、ＨＯＥ３１は、ＨＯＥ３２から外部に射出される光の射出ピッチη以上の幅で形成されている。ここで、ＨＯＥ３１の幅とは、ＨＯＥ３１からＨＯＥ３２側に向かう光の導光方向（面２ａ・２ｂに平行な方向）の幅を指すものとする。

一方、ＨＯＥ３２は、導光部材２内を導光されて入射する光の一部を、回折効率に応じて導光部材２への入射光とほぼ平行に外部に射出するように回折するとともに、残りの光を全反射する第２のホログラフィック回折光学素子である。

ＨＯＥ３２は、少なくとも上記導光方向において、ＨＯＥ３１よりも大きな幅で形成されている。したがって、導光部材２内を導光されてＨＯＥ３２に入射する光には、ＨＯＥ３１にて４５度の角度で回折されて導光部材２内を進行し、ＨＯＥ３２に４５度の角度で最初に入射する光だけでなく、ＨＯＥ３２にて全反射されて導光部材２内を進行し、面２ａにて全反射されて再度ＨＯＥ３２に４５度の角度で入射する光も含まれる。

ＨＯＥ３２は、ホログラム感光材料として、ＢＧＲの個々に対応する干渉縞が記録された３種類のシート状のフォトポリマー３２Ｂ・３２Ｇ・３２Ｒを、導光部材２の面２ｂ側からこの順で積層して構成されている。各フォトポリマー３２Ｂ・３２Ｇ・３２Ｒには、対応する波長の光を全てほぼ同じ角度（導光部材２への外部からの入射光とほぼ平行となる角度）で回折するようなピッチで干渉縞が露光記録されている。したがって、ＨＯＥ３２は、回折効率のピーク波長および回折効率半値の波長幅で、例えば４６５±５ｎｍ（Ｂ光）、５２１±５ｎｍ（Ｇ光）、６３４±５ｎｍ（Ｒ光）の３つの波長域の光を、ほぼ同じ角度で回折させ、導光部材２への入射光と平行となるように外部に射出する。

ＨＯＥ３２の回折効率は、ＨＯＥ３２から外部に射出される光の強度が場所によらず一定となるように、ＨＯＥ３１から光路に沿って遠ざかるにしたがって増大するように設定されている。なお、このような回折効率の設定方法については後述する。

（２．ホログラフィック回折光学素子の作製方法）
次に、本実施形態のホログラフィック回折光学素子３（透過型）の作製方法について説明する。図２は、ホログラフィック回折光学素子３を作製する際の露光光学系の一部を模式的に示す説明図である。なお、以下では、ホログラフィック回折光学素子３のＨＯＥ３１の作製方法について説明するが、ＨＯＥ３２の作製についても以下の手法を適用することができる。

まず、導光部材２の面２ａ上の所定位置に各フォトポリマー３１Ｒ・３１Ｇ・３１Ｂをこの順で塗布し、これを露光光学系の所定位置に配置する。一方、ＲＧＢの各レーザー光源から出射されるＲＧＢの各レーザー光を１つに重ね合わせた後、ハーフミラーなどでＬ１・Ｌ２の２光束に分岐し、光束Ｌ１・Ｌ２を図２に示すような所定の角度で各フォトポリマー３１Ｒ・３１Ｇ・３１Ｂに入射させる。これにより、各フォトポリマー３１Ｒ・３１Ｇ・３１Ｂには、光束Ｌ１・Ｌ２の２光束干渉によって生成される干渉縞が、屈折率分布として記録される。

なお、ここでは、入光プリズム４をフォトポリマー３１Ｂに接するように配置し、入光プリズム４を介して２光束Ｌ１・Ｌ２を各フォトポリマー３１Ｒ・３１Ｇ・３１Ｂに入射させている。この入光プリズム４は、光束Ｌ１の入射面がその光束Ｌ１に対して垂直で、かつ、導光部材２の面２ａ・２ｂに平行となり、光束Ｌ２の入射面がその光束Ｌ２に対して垂直で、かつ、導光部材２の面２ａ・２ｂに対して４５度の角度をなすように配置されたものである。

このような入光プリズム４を介して各フォトポリマー３１Ｒ・３１Ｇ・３１Ｂを露光することにより、作製されたＨＯＥ３１に外部からの光を光束Ｌ１と同じ光路で入射させたときに、ＨＯＥ３１にて、その入射光を光束Ｌ２の進行方向と同じ方向の角度、すなわち、導光部材２内部で全反射する角度（４５度）で回折させることができる。

なお、上記のように入光プリズム４を配置する場合、フォトポリマー３１Ｂと入光プリズム４との間には、空気層ができないようエマルジョン液等を塗布して密着させることが必要である。

また、ＨＯＥ３１の面積が大きく、光束Ｌ２が各フォトポリマー３１Ｒ・３１Ｇ・３１Ｂを透過し、導光部材２の面２ｂで全反射して面２ａに到達した光が、再度ＨＯＥ３１の領域内に到達する場合には、面２ｂで全反射しないように、導光部材２の面２ｂ側にも露光光処理のためのプリズム（図示せず）を配置する必要がある。この場合も、導光部材２とプリズムとの間には、空気層ができないようエマルジョン液等を塗布して密着させる必要がある。

なお、以上では、ＲＧＢの各レーザー光を各フォトポリマー３１Ｒ・３１Ｇ・３１Ｂに同時に照射しているが、ＲＧＢの各レーザー光の照射は、時間的にずれていてもよい。また、各フォトポリマー３１Ｒ・３１Ｇ・３１Ｂを全て塗布した後に、ＲＧＢのレーザー光を同時に照射するのではなく、各フォトポリマー３１Ｒ・３１Ｇ・３１Ｂの塗布ごとに対応する波長のレーザー光を順に照射するようにしてもよい。

（３．回折効率の設定方法について）
次に、ＨＯＥ３２の回折効率の設定方法について説明する。図３は、ＨＯＥ作製時の露光量（露光エネルギー）と回折効率との一般的な関係を示すグラフである。同図に示すように、露光量が大きくなるに伴って回折効率は増大し、一定のエネルギー以上で飽和する。したがって、回折効率が飽和するまでは、露光量を調整することによってＨＯＥの回折効率をコントロールすることができる。

本実施形態では、上述したように、ＨＯＥ３２の回折効率を、ＨＯＥ３１から光路に沿って遠ざかるにしたがって増大するように設定しているが、このような回折効率の設定は、上記のように露光量を調整することによって行うことができる。具体的には、例えば、ＨＯＥ３２の露光時に、ＨＯＥ３１側からＨＯＥ３２側に向けてシャッタ部材を移動させ、ＨＯＥ３２への光の照射時間（露光時間）を場所に応じて変化させることにより、ＨＯＥ３２の場所に応じて露光量を調整することができ、ＨＯＥ３１から遠ざかるにしたがってＨＯＥ３２の回折効率を増大させることができる。

また、露光時に用いる光の強度分布を予め設定しておき、そのような強度分布を持った光でＨＯＥ３２を露光することによっても、ＨＯＥ３２の回折効率を場所によって変化させることができる。例えば、ＨＯＥ３２を露光する光の光束径を広げ、ガウス分布の左半分に相当する光のみをＨＯＥ３２に照射するようにすれば、強度の低い光でＨＯＥ３２におけるＨＯＥ３１に近い側を露光し、強度の高い光でＨＯＥ３２におけるＨＯＥ３１から遠い側を露光することができる。これにより、ＨＯＥ３１から遠ざかるにしたがってＨＯＥ３２の回折効率を増大させることができる。

なお、ＨＯＥ３２の各フォトポリマー３２Ｒ・３２Ｇ・３２Ｂの厚さや、屈折率変調量Δｎを調整することにより、ＨＯＥ３２の回折効率を上記のように設定することもできる。

（４．作用効果について）
次に、上述した光束径拡大光学素子１の構成による作用効果について、図１に基づいて説明する。

光束径拡大光学素子１のＨＯＥ３１に入射したＲＧＢの各波長の光（λＲ、λＧ、λＢ）は、そこでほぼ全て４５度方向に回折され、導光部材２の内部を全反射しながら導光され、ＨＯＥ３２に向かう。ＨＯＥ３２に４５度の角度で最初に入射した光の一部は、ＨＯＥ３２のその入射位置の回折効率に応じて回折され、外部に射出されるとともに、回折されなかった残りの光はそこで全反射され、再度導光部材２内で導光される。

ＨＯＥ３２で全反射された上記光は、導光部材２の対向する面２ａで全反射され、再度ＨＯＥ３２に入射する。ＨＯＥ３２に入射した光の一部は、上記と同様に、その入射位置の回折効率に応じて回折され、外部に射出されるとともに、回折されなかった残りの光はそこで全反射され、再度導光部材２内で導光される。以降、ＨＯＥ３２に光が到達するごとに、一部の光の回折と残りの光の全反射とが繰り返される。

以上のようにしてＨＯＥ３２の複数位置から外部に射出される光は、外部光がＨＯＥ３１に入射したときの角度と同じ角度で（上記外部光と平行に）ＨＯＥ３２から射出される。ここで、ｍを２以上の自然数としたとき、ＨＯＥ３２での回折および全反射がｍ回起こるとすると、ＨＯＥ３１に入射した光がＨＯＥ３２からｍ本射出されることになる。つまり、ＨＯＥ３２にて外部への光の射出と全反射とが繰り返されることにより、ＨＯＥ３２から外部へ射出される光の光束径は、外部からの導光部材２への入射光の光束径よりも広がることになる。このように、ＨＯＥ３１に入射した光は、ＨＯＥ３２の面積に対応した光束径に拡大されてＨＯＥ３２から射出される。

このように、本実施形態では、ＨＯＥ３１・３２は、それぞれ、ＲＧＢの３種類の波長の光をほぼ同じ角度に回折する３種類のピッチの干渉縞を有しているので、外部からＲＧＢの光が導光部材２に入射したときでも、ＲＧＢの光はＨＯＥ３１にてほぼ同じ角度に回折され、３色ともにほぼ同じ光路を通って、ＨＯＥ３２から外部に射出される。このように、導光部材２内でＲＧＢの光路がほぼ同じになるので、ＨＯＥ３２から外部に射出される光の射出ピッチηを、ＲＧＢの光同士でほぼ同じにすることができる。

したがって、色による射出位置のずれもなく、ほぼ入射光の波長特性と同様の波長特性の光を外部に射出することができる。しかも、従来のように複数の導光板を積層せずに、１枚の導光部材２に複数のＨＯＥ３１・３２を貼り合わせるという簡単な構成で色むら（色分散）の発生を抑えることができ、広帯域の波長にも容易に対応することができる。また、用いる導光部材２の枚数が１枚で済むので、低コストで光束径拡大光学素子１を得ることができる。

ここで、ＨＯＥ３２から射出される光の色むらを抑えるという観点からは、ＨＯＥ３２から外部に射出される光の射出ピッチηが、最低２種類の波長の光同士で同じであればよいと言える。したがって、ＨＯＥ３１・３２は、ＲＧＢのうちの２種類の波長に対応する２種類のピッチの干渉縞を有していればよい。つまり、ｎを２以上の自然数とすると、ＨＯＥ３１・３２は、それぞれ、ｎ種類の波長の光をほぼ同じ角度に回折するｎ種類のピッチの干渉縞を有していればよい。

また、本実施形態では、ＨＯＥ３２は、ＨＯＥ３１からＨＯＥ３２側に向かう光の導光方向において、ＨＯＥ３１よりも大きな幅で形成されており、ＨＯＥ３２にて全反射され、導光部材２の対向する面２ａで全反射されて再度入射する光の一部を回折効率に応じて回折するとともに、残りの光を全反射するので、ＨＯＥ３２にて外部への光の射出と全反射とを複数回繰り返すようにすることができる。これにより、ＨＯＥ３２から外部へ射出される光の光束径を、外部からの導光部材２への入射光の光束径よりも確実に広げることができる。

また、ＨＯＥ３１は、ＨＯＥ３２から外部に射出される光の射出ピッチη以上の幅で形成されている。ＨＯＥ３１の幅が上記射出ピッチη未満であると、ＨＯＥ３１を介して導光部材２内に取り込む光束の径が小さすぎ、導光部材２内を導光されてＨＯＥ３２に入射する光を、その光入射面（回折面）に対して部分的にしか入射させることができない。この結果、ＨＯＥ３２から射出される光の強度分布において、光強度の高い位置が各射出位置に対応して離散的に現れ、強度分布が不均一となる。

しかし、本実施形態のように、ＨＯＥ３１の幅を上記射出ピッチη以上の幅とすれば、ＨＯＥ３１と同等の幅の光束径の光をＨＯＥ３１に入射させることで、導光部材２内を導光されてＨＯＥ３２に入射する光を、その光入射面全体に入射させることができる。これにより、ＨＯＥ３２から射出される光の強度分布が離散的な分布となるのを抑えることができ、強度分布を均一にすることができる。

また、ＨＯＥ３１・３２を構成する各フォトポリマーは、対応する波長の光を所定の角度に回折するように設計された所定ピッチの回折構造が、それぞれのフォトポリマー中の周期的な屈折率分布として実現されるものである。各フォトポリマーは、数十ミクロンから数百ミクロンの厚さであり、複数の層からなる場合も、ほぼ１枚のフィルム材料と同様に取り扱うことができる。したがって、このようなフォトポリマーを用いることにより、ＨＯＥ３１・３２を容易に得ることができる。

なお、本実施形態では、導光部材２において、ホログラフィック回折光学素子３（ＨＯＥ３１・３２）が保持される面２ａ・２ｂは、その全体が互いに平行な平面となっている。しかし、導光部材２のうち、ホログラフィック回折光学素子３が配置されていない部分が互いに平行な曲面で構成されても、全反射条件を満たせば、光束径拡大光学素子１として機能する。したがって、導光部材２は、面２ａ・２ｂの全体が平面である必要はなく、少なくともＨＯＥ３１・３２の保持部が平面であればよいと言える。

〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、以下での説明の便宜上、実施の形態１と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。

図４は、本実施形態の光束径拡大光学素子１の概略の構成を示す断面図である。本実施形態の光束径拡大光学素子１は、複数のホログラフィック回折光学素子３を構成するＨＯＥ３１・３２を反射型で構成した以外は、実施の形態１と同様の構成である。

本実施形態のＨＯＥ３１・３２を構成するホログラム感光材料は、ＲＧＢの３種類の波長に対応する干渉縞が記録されたフォトポリマー１層で構成されている。つまり、本実施形態のＨＯＥ３１・３２は、ＲＧＢの各光がほぼ同じ角度（例えば４５度）に回折反射されるように設定された３種類のピッチの回折構造（干渉縞）を有する屈折率分布が、１つの層の中に多重露光によって形成されたものである。

図５は、本実施形態のホログラフィック回折光学素子３（反射型）を作製する際の露光光学系の一部を模式的に示す説明図である。反射型のＨＯＥ３１・３２の作製時は、フォトポリマーへの光の入射のさせ方が実施の形態１とは異なる。すなわち、透過型のＨＯＥの作製時は、フォトポリマーに対して同じ側から２光束Ｌ１・Ｌ２を入射させ、これらを干渉させるのに対して、反射型のＨＯＥ３１・３２の作製時は、フォトポリマーに対して互いに反対の方向から２光束Ｌ１・Ｌ２を入射させ、これらを干渉させる。

なお、ＨＯＥ３１の回折効率が設定主波長に対して最大になるように設定されている点、ＨＯＥ３２がＨＯＥ３１に比べて少なくとも導光方向には大きく設定されている点、ＨＯＥ３２の回折効率がＨＯＥ３１から光路に沿って遠ざかるにしたがって増大するように設定されている点など、種々の条件については実施の形態１と全く同様である。

上記の構成において、導光部材２の面２ｂを介してＨＯＥ３１に入射したＲＧＢの各波長の光（λＲ、λＧ、λＢ）は、そこでほぼ全て４５度方向に回折反射され、導光部材２の内部を全反射しながら導光され、ＨＯＥ３２に向かう。ＨＯＥ３２に４５度の角度で最初に入射した光の一部は、ＨＯＥ３２のその入射位置の回折効率に応じて回折され、導光部材２の面２ａを介して、外部光がＨＯＥ３１に入射したときの角度と同じ角度で（上記外部光と平行に）外部に射出される。一方、ＨＯＥ３２にて回折されなかった残りの光は、そこで全反射され、再度導光部材２内で導光される。

ＨＯＥ３２で全反射された上記光は、導光部材２の対向する面２ａで全反射され、再度ＨＯＥ３２に入射する。ＨＯＥ３２に入射した光の一部は、上記と同様に、その入射位置の回折効率に応じて回折され、外部に射出されるとともに、回折されなかった残りの光はそこで全反射され、再度導光部材２内で導光される。以降、ＨＯＥ３２に光が到達するごとに、一部の光の回折と残りの光の全反射とが繰り返される。これにより、ＨＯＥ３２から外部へ射出される光の光束径は、外部からの導光部材２への入射光の光束径よりも広がることになる。

以上のように、ＨＯＥ３１・３２を反射型で構成しても、実施の形態１と同様に、光束径拡大光学素子１にて、入射光の光束径を拡大して外部に射出することができる。

また、反射型のＨＯＥ３１・３２は、透過型のＨＯＥに比べて波長選択性が高いので、ＲＧＢのそれぞれの色の光を所定の角度で確実に回折させることができる。つまり、透過型のＨＯＥでは、波長の変化に対する回折効率の変化がブロードであり、例えば、Ｇ光に感度を有するフォトポリマーがＲ光やＢ光でも反応して違う角度で射出されてしまうことがある。しかし、反射型のＨＯＥ３１・３２では、波長の変化に対する回折効率の変化がシャープなので、ＲＧＢのそれぞれの色の光を、対応する色に感度を有するフォトポリマーで確実に回折させることができる。

また、後述する実施の形態４ないし６のように、本発明の光束径拡大光学素子１をシースルー用途で用いる場合には、ＨＯＥの波長選択性が高いほうが、ＨＯＥを透過するときの外光の乱れを防止することができる。したがって、本発明の光束径光学素子１をそのようなシースルー用途に適用することを考えた場合には、本実施形態のようにＨＯＥ３１・３２を反射型で構成することが望ましい。

また、本実施形態では、ＨＯＥ３１・３２を構成するホログラム感光材料は、ＢＧＲの３種類の波長に対応する干渉縞が記録されたフォトポリマー１層で構成されている。これにより、３層フォトポリマーを用いる場合に比べて、より簡易な構成の光束径拡大光学素子１を実現することができる。

なお、実施の形態１・２で示したＨＯＥ３１・３２のうち、一方をフォトポリマー１層で構成し、他方をフォトポリマー３層で構成するようにしても構わない。また、ＨＯＥ３１・３２の一方を透過型で構成し、他方を反射型で構成するようにしても勿論構わない。

〔実施の形態３〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、以下での説明の便宜上、実施の形態１または２と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。

図６は、本実施形態の光束径拡大光学素子１の概略の構成を示す斜視図である。本実施形態では、光束径拡大光学素子１のホログラフィック回折光学素子３が、実施の形態１または２のＨＯＥ３１・３２に加えて、さらにＨＯＥ３３を含んでいる。このＨＯＥ３３は、ＨＯＥ３１にて回折されて導光部材２内を進行する光がＨＯＥ３２の配置方向に偏向されるように、上記光を回折する第３のホログラフィック回折光学素子である。ＨＯＥ３３は、反射型で構成されており、導光部材２の面２ａまたは面２ｂに保持されている。

また、ＨＯＥ３３は、導光部材２内を導光されて入射する光の一部を回折効率に応じてＨＯＥ３２の配置方向に例えば４５度で回折するとともに、残りの光を全反射するように設計されている。ＨＯＥ３３は、ＨＯＥ３１からＨＯＥ３３への光の導光方向において、ＨＯＥ３１よりも大きな幅で形成されており、それゆえ、導光部材２内を導光されてＨＯＥ３３に入射する光には、ＨＯＥ３１にて回折されてＨＯＥ３３に入射する光のほかに、ＨＯＥ３３にて一度全反射され、導光部材２の対向する面で全反射されて再度ＨＯＥ３３に入射する光も含まれる。

また、ＨＯＥ３３は、ＲＧＢの３種類の波長の光をほぼ同じ角度（例えば４５度）に回折する３種類のピッチの干渉縞を有している。なお、ＨＯＥ３３を構成するホログラム感光材料は、実施の形態１で示した３層フォトポリマーで構成されていてもよいし、実施の形態２で示したフォトポリマー１層で構成されていてもよい。

また、ＨＯＥ３３の回折効率は、ＨＯＥ３１から光路に沿って遠ざかるにしたがって増大するように設定されている。なお、回折効率の設定方法については、実施の形態１で示した手法を用いることができる。

なお、本実施形態では、ＨＯＥ３１・３２は両方とも反射型を想定している。また、ＨＯＥ３２は、ＨＯＥ３１からＨＯＥ３３への光の導光方向においては、ＨＯＥ３３と同等の幅（ＨＯＥ３１よりも大きな幅）で形成されており、ＨＯＥ３３からＨＯＥ３２への導光方向においては、ＨＯＥ３１・３３よりも大きな幅で形成されている。さらに、ＨＯＥ３２の回折効率は、ＨＯＥ３１から光路に沿って遠ざかるにしたがって（ＨＯＥ３３からＨＯＥ３２に向かう方向に）増大するように設定されている。

上記の構成において、ＨＯＥ３１に入射したＲＧＢの各波長の光は、そこでほぼ全て４５度方向に回折反射され、導光部材２の内部を全反射しながら導光され、ＨＯＥ３３の方向に向かう。ＨＯＥ３３に４５度の角度で最初に入射した光の一部は、ＨＯＥ３３のその入射位置の回折効率に応じて回折され、ＨＯＥ３２の方向に回折される。一方、ＨＯＥ３３にて回折されなかった残りの光は、そこで全反射され、再度導光部材２内で導光される。

ＨＯＥ３３で全反射された上記光は、導光部材２の対向する面で全反射され、再度ＨＯＥ３３に入射する。ＨＯＥ３３に入射した光の一部は、上記と同様に、その入射位置の回折効率に応じてＨＯＥ３２の方向に回折され、そこで回折されなかった残りの光は全反射され、再度導光部材２内で導光される。以降、ＨＯＥ３３に光が到達するごとに、一部の光の回折と残りの光の全反射とが繰り返される。これにより、ＨＯＥ３３からＨＯＥ３２に回折される光の光束径は、外部からの導光部材２への入射光の光束径よりもＨＯＥ３３の長手方向（ＨＯＥ３１からＨＯＥ３３への導光方向）に広がることになる。

ＨＯＥ３３からＨＯＥ３２に４５度の角度で最初に入射した光の一部は、ＨＯＥ３２のその入射位置の回折効率に応じて回折され、外部光がＨＯＥ３１に入射したときの角度と同じ角度で（上記外部光と平行に）外部に射出される。一方、ＨＯＥ３２にて回折されなかった残りの光は、そこで全反射され、再度導光部材２内で導光される。上記光は、導光部材２の対向する面で全反射され、再度ＨＯＥ３２に入射する。ＨＯＥ３２に入射した光の一部は、上記と同様に、その入射位置の回折効率に応じて回折され、外部に射出されるとともに、回折されなかった残りの光はそこで全反射され、再度導光部材２内で導光される。以降、ＨＯＥ３２に光が到達するごとに、一部の光の回折と残りの光の全反射とが繰り返される。これにより、ＨＯＥ３３からＨＯＥ３２に入射する光の光束径は、ＨＯＥ３３からＨＯＥ３２への導光方向に広がることになる。

以上のように、本実施形態では、外部からの入射光を、導光部材２内でＨＯＥ３１からＨＯＥ３３を介してＨＯＥ３２に向かう方向に導光し、ＨＯＥ３２から外部に射出する構成としているので、導光部材２への入射光の光束径を、ＨＯＥ３３にて一方向に拡大し、さらにＨＯＥ３２によって他の方向に拡大することができる。これにより、入射光の光束径を２次元的に拡大することができる。

また、ＨＯＥ３３は、導光部材２内を導光されて入射する光の一部を回折効率に応じてＨＯＥ３２の配置方向に回折するとともに、残りの光を全反射するので、ＨＯＥ３１からＨＯＥ３３への光の導光方向において、ＨＯＥ３３での回折と全反射とを繰り返すようにすることができる。これにより、導光部材２への入射光の光束径を上記導光方向に広げることが可能となる。

また、ＨＯＥ３３は、ＲＧＢの３種類の波長の光をほぼ同じ角度に回折する３種類のピッチの干渉縞を有しているので、本実施形態のようにＨＯＥ３３を用いて光束径を２次元的に拡大する構成であっても、ＨＯＥ３２から外部に射出される光の射出ピッチを、３種類の波長の光同士でほぼ同じにすることができる。その結果、ＨＯＥ３２から射出される光において、色むらの発生を抑えることができる。

また、ＨＯＥ３３の回折効率は、ＨＯＥ３１から光路に沿って遠ざかるにしたがって増大するように設定されているので、ＨＯＥ３３にて回折されてＨＯＥ３２に向かう光の強度分布を、ＨＯＥ３１からＨＯＥ３３に向かう光路の方向において均一にすることができる。特に、本実施形態では、ＨＯＥ３２の回折効率が、ＨＯＥ３１から光路に沿って遠ざかるにしたがって増大するように設定されているので、ＨＯＥ３１からＨＯＥ３３に向かう光路の方向だけでなく、ＨＯＥ３３からＨＯＥ３２に向かう光路の方向にも、ＨＯＥ３２から外部に射出される光の強度分布を均一にすることができる。つまり、ＨＯＥ３２から外部に射出される光の強度分布を２次元的に均一にすることができる。

〔実施の形態４〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、以下での説明の便宜上、実施の形態１ないし３と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。

本実施形態では、実施の形態２で説明した光束径拡大光学素子１を映像表示装置１０に適用している。以下、映像表示装置１０の詳細について説明する。

図７は、本実施形態の映像表示装置１０の概略の構成を示す断面図である。この映像表示装置１０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り、実施の形態２で説明した光束径拡大光学素子１と、映像投影光学系１１とで構成されている。映像投影光学系１１は、光源１２と、導光板１３と、表示素子１４と、接眼光学系１５とを備えている。

光源１２は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色の光を出射するＬＥＤで構成されている。導光板１３は、光源１２から出射されるＲＧＢの各光を内部で導光し、表示素子１４の光入射面全体に入射させる。なお、導光板１３の代わりにレンズを配置してもよい。

表示素子１４は、複数の画素をマトリクス状に有し、光源１２からの出射光を画像データに応じて各画素ごとに変調することによって映像を表示する光変調素子であり、例えば透過型の液晶表示素子で構成されている。なお、表示素子１４は、反射型の液晶表示素子であってもよいし、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device；米国テキサスインスツルメント社製）であってもよい。

接眼光学系１５は、表示素子１４から出射される光（映像光）を平行光にして光束径拡大光学素子１に導くものであり、例えば接眼レンズで構成されている。なお、接眼光学系１５は、複数のレンズで構成されていてもよい。

光束径拡大光学素子１は、映像投影光学系１１からの映像光がＨＯＥ３１に対して例えば垂直に入射するように配置されている。つまり、光束径拡大光学素子１は、導光部材２の面２ｂが映像投影光学系１１側に位置し、面２ａが観察者側に位置するように配置されている。

また、接眼光学系１５の開口絞り位置は、ＨＯＥ３１の位置にほぼ一致するように設定されている。このように接眼光学系１５の開口絞り位置を設定することにより、ＨＯＥ３１の外形、またはＨＯＥ３１の露光領域を開口絞りとして用いることができる。この場合、小さなＨＯＥ３１によって、表示素子１４からの映像光を効率よく導光部材２の内部に取り込むことができる。

上記の構成によれば、光源１２から出射されるＲＧＢの各光は、隣接する導光板１３に入射し、面光源として表示素子１４を照明する。表示素子１４では、画像データに応じて入射光が変調され、カラーの映像光が出射される。この映像光は、接眼光学系１５にて平行光となり、光束径拡大光学素子１に入射する。

光束径拡大光学素子１では、接眼光学系１５を介して入射する映像光が、まず、ＨＯＥ３１に入射し、そこでＨＯＥ３２の側に４５度で回折反射され、導光部材２内を全反射しながらＨＯＥ３２に導光される。ＨＯＥ３２に到達した光は、ＨＯＥ３２にて順次観察者の方向に回折反射され、実質的に、入射光の光束径が拡大された状態で観察者の瞳Ｅに向かう。

以上のように、本発明の光束径拡大光学素子１を用いて映像表示装置１０を構成することにより、入射光の光束径が小さくても、観察者の瞳Ｅに向かって射出される光束の径は大きくなるので、観察者の瞳Ｅの位置が動いても、観察者は安定して映像を観察することができる。また、入射光の光束径が小さい場合でも、十分な観察瞳サイズを確保することができるので、接眼光学系１５を小型化することも可能となる。

また、ＨＯＥ３２を、波長選択性および角度選択性の高い反射型のホログラフィック回折素子で構成することにより、ＨＯＥ３２にて回折反射しない波長、角度の光に対しては、回折素子として機能しないので、外界の光（同図の破線の矢印）をＨＯＥ３２を介してそのまま観察者の瞳Ｅに導くことができる。これにより、外界のシーンの上に表示素子１４に表示された映像を重ねて観察することができる、いわゆるシースルーディスプレイを実現することができる。つまり、ＨＯＥ３２は、表示素子１４からの映像光と外光とを同時に観察者の瞳Ｅに導くコンバイナとして機能しているので、観察者は、ＨＯＥ３２を介して、表示素子１４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、本発明の光束径拡大光学素子１を用いることで接眼光学系１５を小型化できるので、装置として小型、軽量でありながら、シースルー性をさらに備えた映像表示装置１０を実現することができる。

また、光束径の拡大方向（ＨＯＥ３１からＨＯＥ３２に向かう光の方向）が観察者の瞳Ｅの動きやすい方向（例えば観察者の上下方向や左右方向）になるように光束径拡大光学素子１を配置することにより、観察者の瞳Ｅの動きにも対応できる映像表示装置１０を実現することができる。

なお、本実施形態では、実施の形態２の光束径拡大光学素子１を映像表示装置１０に適用した例について説明したが、実施の形態１・３の光束径拡大光学素子１を映像表示装置１０に適用することも勿論可能である。

ところで、反射型のホログラフィック回折光学素子３は、角度選択性が高く、単一波長に対して、回折効率の角度半値波長幅は２度程度である。すなわち、単一波長の光では、導光部材２に入射した後の角度が２度に相当する画角の映像光しかホログラフィック回折光学素子３で回折反射しないことになり、十分な画角を確保できなくなる。

そこで、本実施形態では、光源１２として、複数のホログラフィック回折光学素子３の回折主波長（回折効率ピークの波長）を含む、光強度の半値波長幅で１０ｎｍ以上の光を出射するものを用いている。より具体的には、図８に示す分光強度特性を持つ光源１２を用いている。

この光源１２は、例えば、光強度のピーク波長および光強度半値の波長幅で４６２±１２ｎｍ、５２５±１７ｎｍ、６３５±１１ｎｍとなる３つの波長帯域の光を発するＲＧＢ一体型のＬＥＤ（例えば日亜化学製）で構成されている。ここで、光強度のピーク波長とは、光強度がピークとなるときの波長のことであり、光強度半値の波長幅とは、光強度が光強度ピークの半値となるときの波長幅のことである。なお、図８の光強度は、Ｂ光の最大光強度を１００としたときの相対値で示している。

このように、光源１２の出射光の光強度半値の波長幅が少なくとも１０ｎｍあれば、ほぼ１０度の画角を確保することができる。したがって、上記特性の光源１２を用いることにより、複数のホログラフィック回折光学素子３を角度選択性の高いもので構成した場合でも、映像観察に必要な画角を十分に確保することができ、映像表示装置１０に使用することができる。

なお、ホログラフィック回折光学素子３の角度選択幅は、ホログラフィック回折光学素子３の材料であるフォトポリマーの屈折率や厚みで若干変化するが、このようなことを考慮したとしても、光源１２の出射光の光強度半値の波長幅が少なくとも１０ｎｍあれば、映像観察に必要な画角を十分に確保できることがわかっている。

なお、光源１２の出射光の光強度半値の波長幅があまり大きすぎると、光源１２の発光波長幅に対してホログラフィック回折光学素子３での回折波長幅が相対的に小さくなりすぎ、光源１２の出射光の光利用効率が低下する。そこで、このような光利用効率の低下を回避するために、光源１２の出射光の光強度半値の波長幅は、４０ｎｍ以下であることが望ましい。

ところで、光束径拡大光学素子１において、ＨＯＥ３２にて最終的に回折されなかった光は、ＨＯＥ３１からＨＯＥ３２への導光方向における導光部材２の端面２ｃに到達する。この端面２ｃに到達した光が不要光として外部に射出されると、端面２ｃが光ることになり、映像表示装置１０の外観が損なわれる。そこで、導光部材２の端面２ｃには、図７に示すように、遮光部材５を設けるようにすることが望ましい。このような遮光部材５を設けることにより、端面２ｃを介して導光部材２内部の光が外部に射出されるのを防止することができる。

なお、上記の遮光部材５を設ける代わりに、端面２ｃを墨塗りし、端面２ｃを光吸収面とすることにより、端面２ｃを介して導光部材２内部の光が外部に射出されるのを防止するようにしてもよい。

〔実施の形態５〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、以下での説明の便宜上、実施の形態１ないし４と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。

図９（ａ）は、本発明のＨＭＤの概略の構成を示す平面図であり、図９（ｂ）は、このＨＭＤの正面図である。このＨＭＤは、実施の形態４で示した映像表示装置１０と、支持手段４０とで構成されている。支持手段４０は、映像表示装置１０を観察者の眼前で支持するものであり、映像表示装置１０の導光部材２の一端を支持する右テンプル４０Ｒと、他端を支持する左テンプル４０Ｌとで構成されている。

一方、映像投影光学系１１の各構成要素は、図９（ａ）（ｂ）に示す筐体１６内に収容されている。この筐体１６は、観察者がＨＭＤを装着したときに右眼の前方でかつ上方に位置するように、光束径拡大光学素子１の導光部材２に保持されている。

観察者がＨＭＤを使用するときは、右テンプル４０Ｒおよび左テンプル４０Ｌ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、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１０の表示素子１４（図７参照）に映像を表示すると、観察者は、その映像を虚像として観察することができるとともに、映像表示装置１０を介して外界像をシースルーで観察することができる。

このように、本実施形態のＨＭＤは、映像表示装置１０が支持手段４０で支持されて構成されるので、観察者は映像表示装置１０から提供される映像および外界像をハンズフリーで観察することができる。

〔実施の形態６〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、以下での説明の便宜上、実施の形態１ないし５と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。

図１０は、本実施形態のＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。このＨＭＤは、実施の形態３の光束径拡大光学素子１と実施の形態４の映像投影光学系１１とで映像表示装置１０を構成し、これをＨＭＤに適用したものである。このＨＭＤは、映像投影光学系１１の表示素子１４に表示された映像を観察者が両眼で観察できるようにしたものである。映像投影光学系１１の各構成要素を収容する筐体１６は、観察者がＨＭＤを装着したときに両眼の間に位置するように導光部材２に保持されている。

図１０の光束径拡大光学素子１は、複数のホログラフィック回折光学素子３として、１個のＨＯＥ３１と、２個のＨＯＥ３２と、２個のＨＯＥ３３とを有している。ＨＯＥ３１は、導光部材２の表面上で観察者の両眼の間に対応する位置に保持されており、外部からの入射光を両方のＨＯＥ３３に向かうように回折する。

一方の組のＨＯＥ３２・３３は、導光部材２の表面上で観察者の右眼に対応する位置に配置されており、他方の組のＨＯＥ３２・３３は、導光部材２の表面上で観察者の左眼に対応する位置に配置されている。各ＨＯＥ３３は、ＨＯＥ３１にて回折されて導光部材２内を進行してきた光を、対応するＨＯＥ３２の配置方向に回折する。

ここで、本実施形態のＨＯＥ３１の作製方法について説明する。図１１は、ＨＯＥ３１を作製する際の露光光学系の一部を模式的に示す説明図である。反射型のＨＯＥ３１の作製時は、ＲＧＢの各レーザー光源（図示せず）からの出射光を１本の光路に重ね合わせた後、この光をＬ１・Ｌ２・Ｌ３の３光束に分岐する。そして、フォトポリマーに対して一方の側から光束Ｌ１を入射させ、他方の側から２光束Ｌ２・Ｌ３を入射させ、これらの３光束を干渉させる。このとき、光束Ｌ１の入射方向は、導光部材２の面２ａ・２ｂに対して垂直方向である。一方、光束Ｌ２・Ｌ３の入射方向は、導光部材２の面２ａ・２ｂに対してはそれぞれ４５度の角度をなし、かつ、互いの光束Ｌ２・Ｌ３が垂直に交わるような方向である。

上記の構成によれば、筐体１６内の光源１２から出射される光は、表示素子１４にて変調されて映像光として出射され、接眼光学系１５を介して光束径拡大光学素子１に導かれる。そして、光束径拡大光学素子１では、ＨＯＥ３１は、映像投影光学系１１からの入射光を両方のＨＯＥ３３に向かうように回折し、各ＨＯＥ３３は、ＨＯＥ３１にて回折されて導光部材２内を進行してきた光を、対応するＨＯＥ３２の配置方向に回折する。そして、各ＨＯＥ３２からは、入射光の光束径が２次元的に拡大された状態で映像光が射出される。

以上のように、本実施形態のＨＭＤでは、映像光が２次元的に拡大された状態で射出されるので、観察者は瞳位置が２次元的にずれたとしても、その瞳位置に応じて映像を容易に観察することができる。また、光束径拡大光学素子１に入射する前の光束径が小さい場合でも、十分な観察瞳サイズを確保することができるので、接眼光学系１５を小型化することが可能となる。また、最終的に映像光が射出される各ＨＯＥ３２を、導光部材２において観察者の両眼に対応する位置に配置しているので、両眼で映像を観察できる映像表示装置において、上述した本発明の効果を得ることができる。

ところで、以上では、光束径拡大光学素子１の導光部材２の面２ａ・２ｂ（図１１参照）が全体的に平面である場合について説明したが、面２ａ・２ｂは、必ずしも面全体が平面である必要はない。例えば、図１２（ａ）は、本実施形態のＨＭＤの他の構成例を示す平面図であり、図１２（ｂ）は、上記構成のＨＭＤの正面図である。このＨＭＤは、導光部材２の面２ａ・２ｂにおいて、ＨＯＥ３１の保持部とＨＯＥ３３の保持部との間が互いに平行な曲面２ｄ・２ｅで構成されたものである。ただし、曲面２ｄ・２ｅの曲率は、全ての映像光が全反射する曲率に設定されている。

このように、導光部材２の互いに対向する面２ａ・２ｂが、全反射条件を満たす曲率を持つ互いに平行な曲面２ｄ・２ｅをそれぞれ有していることにより、導光部材２の設計の自由度が広がり、デザイン性の高い映像表示装置１０およびＨＭＤを実現することができる。

なお、以上の各実施の形態で説明した構成を適宜組み合わせ、さらに他の光束径拡大光学素子１や映像表示装置１０、ＨＭＤを構成することも勿論可能である。

本発明の光束径拡大光学素子１および映像表示装置１０は、上述したＨＭＤのみならず、例えばヘッドアップディスプレイやその他のディスプレイ、小型のビーム拡大器、フラットパネルディスプレイの照明装置などに適用することが可能である。

本発明の実施の一形態に係る光束径拡大光学素子の概略の構成を示す断面図である。 上記光束径拡大光学素子のホログラフィック回折光学素子を作製する際の露光光学系の一部を模式的に示す説明図である。 上記ホログラフィック回折光学素子を作製するときの露光量と回折効率との関係を示すグラフである。 本発明の他の実施の形態に係る光束径拡大光学素子の概略の構成を示す断面図である。 上記光束径拡大光学素子のホログラフィック回折光学素子を作製する際の露光光学系の一部を模式的に示す説明図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係る光束径拡大光学素子の概略の構成を示す斜視図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係る映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。 上記映像表示装置の光源の分光強度特性を示すグラフである。 （ａ）は、本発明のさらに他の実施の形態に係るＨＭＤの概略の構成を示す平面図であり、（ｂ）は、上記ＨＭＤの正面図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係るＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。 上記ＨＭＤに適用される光束径拡大光学素子のホログラフィック回折光学素子を作製する際の露光光学系の一部を模式的に示す説明図である。 （ａ）は、上記ＨＭＤの他の構成例を示す平面図であり、（ｂ）は、上記構成のＨＭＤの正面図である。 従来の光束径拡大光学素子の概略の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 光束径拡大光学素子
２ 導光部材
２ａ 面
２ｂ 面
２ｄ 曲面
２ｅ 曲面
３ ホログラフィック回折光学素子
１０ 映像表示装置
１２ 光源
１４ 表示素子
１５ 接眼光学系
３１ ＨＯＥ（第１のホログラフィック回折光学素子）
３１Ｒ フォトポリマー
３１Ｇ フォトポリマー
３１Ｂ フォトポリマー
３２ ＨＯＥ（第２のホログラフィック回折光学素子）
３２Ｒ フォトポリマー
３２Ｇ フォトポリマー
３２Ｂ フォトポリマー
３３ ＨＯＥ（第３のホログラフィック回折光学素子）
４０ 支持手段

Claims (18)

1. 入射光の光束径を拡大して射出する光束径拡大光学素子であって、
   互いに対向する２面を持ち、上記２面のそれぞれが互いに平行な平面を有する導光部材と、
   上記導光部材の平面上の異なる部位に保持される複数の体積位相型のホログラフィック回折光学素子とを備え、
   上記ホログラフィック回折光学素子は、
   外部からの上記導光部材への入射光を上記導光部材内で全反射するように回折する第１のホログラフィック回折光学素子と、
   上記導光部材内を導光されて入射する光の一部を回折効率に応じて上記導光部材への入射光とほぼ平行に外部に射出するように回折するとともに、残りの光を全反射する第２のホログラフィック回折光学素子とを含み、
   ｎを２以上の自然数とすると、
   上記第１のホログラフィック回折光学素子および上記第２のホログラフィック回折光学素子は、それぞれ、ｎ種類の波長の光をほぼ同じ角度に回折するｎ種類のピッチの干渉縞を有していることを特徴とする光束径拡大光学素子。
2. 上記第２のホログラフィック回折光学素子は、該第２のホログラフィック回折光学素子にて全反射され、対向する平面で全反射されて再度入射する光の一部を回折効率に応じて上記導光部材への入射光とほぼ平行に外部に射出するように回折するとともに、残りの光を全反射することを特徴とする請求項１に記載の光束径拡大光学素子。
3. 上記第２のホログラフィック回折光学素子の回折効率は、上記第１のホログラフィック回折光学素子から光路に沿って遠ざかるにしたがって増大するように設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光束径拡大光学素子。
4. 上記第１のホログラフィック回折光学素子は、上記第２のホログラフィック回折光学素子から外部に射出される光の射出ピッチ以上の幅で形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光束径拡大光学素子。
5. 上記ホログラフィック回折光学素子は、上記第１のホログラフィック回折光学素子にて回折されて上記導光部材内を進行する光が上記第２のホログラフィック回折光学素子の配置方向に偏向されるように、上記光を回折する第３のホログラフィック回折光学素子をさらに含んで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束径拡大光学素子。
6. 上記第３のホログラフィック回折光学素子は、上記導光部材内を導光されて入射する光の一部を回折効率に応じて上記第２のホログラフィック回折光学素子の配置方向に回折するとともに、残りの光を全反射することを特徴とする請求項５に記載の光束径拡大光学素子。
7. 上記第３のホログラフィック回折光学素子は、該第３のホログラフィック回折光学素子にて全反射され、対向する平面で全反射されて再度入射する光の一部を回折効率に応じて上記第２のホログラフィック回折光学素子の配置方向に回折するとともに、残りの光を全反射することを特徴とする請求項６に記載の光束径拡大光学素子。
8. 上記第３のホログラフィック回折光学素子は、上記ｎ種類の波長の光をほぼ同じ角度に回折するｎ種類のピッチの干渉縞を有していることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の光束径拡大光学素子。
9. 上記第３のホログラフィック回折光学素子の回折効率は、上記第１のホログラフィック回折光学素子から光路に沿って遠ざかるにしたがって増大するように設定されていることを特徴とする請求項５から８のいずれかに記載の光束径拡大光学素子。
10. 上記複数のホログラフィック回折光学素子の少なくとも１つは、ｎ種類の波長の個々に対応する干渉縞が各々に記録されたフォトポリマーをｎ枚積層してな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束径拡大光学素子。
11. 上記複数のホログラフィック回折光学素子の少なくとも１つは、ｎ種類の波長に対応する干渉縞が記録されたフォトポリマー１層からな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束径拡大光学素子。
12. 請求項１から１１のいずれかに記載の光束径拡大光学素子と、
    光を出射する光源と、
    上記光源から出射される光を変調して映像を表示する表示素子と、
    上記表示素子からの映像光を上記光束径拡大光学素子に導く接眼光学系とを有していることを特徴とする映像表示装置。
13. 請求項５から９のいずれかに記載の光束径拡大光学素子と、
    光を出射する光源と、
    上記光源から出射される光を変調して映像を表示する表示素子と、
    上記表示素子からの映像光を上記光束径拡大光学素子に導く接眼光学系とを有し、
    上記光束径拡大光学素子は、第２のホログラフィック回折光学素子および第３のホログラフィック回折光学素子を２個ずつ有し、
    第１のホログラフィック回折光学素子は、外部からの入射光を両方の第３のホログラフィック回折光学素子に向かうように回折し、
    各第３のホログラフィック回折光学素子は、上記第１のホログラフィック回折光学素子にて回折されて導光部材内を進行してきた光を、対応する第２のホログラフィック回折光学素子の配置方向に回折することを特徴とする映像表示装置。
14. 上記光束径拡大光学素子の第２のホログラフィック回折光学素子が、上記表示素子からの映像光と外光とを同時に観察者の瞳に導くコンバイナであることを特徴とする請求項１２または１３に記載の映像表示装置。
15. 上記接眼光学系の開口絞り位置は、上記光束径拡大光学素子の第１のホログラフィック回折光学素子の位置にほぼ一致していることを特徴とする請求項１２から１４のいずれかに記載の映像表示装置。
16. 上記光源は、上記複数のホログラフィック回折光学素子の回折効率ピークの波長を含む、光強度の半値波長幅で１０ｎｍ以上の光を出射することを特徴とする請求項１２から１５のいずれかに記載の映像表示装置。
17. 上記光束径拡大光学素子の導光部材の互いに対向する２面は、全反射条件を満たす曲率を持つ互いに平行な曲面を有していることを特徴とする請求項１２から１６のいずれかに記載の映像表示装置。
18. 請求項１２から１７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有し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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