JP2007279313A - 光学素子の製造方法、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

光学素子の製造方法、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 Download PDF

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Abstract

【課題】導光部材２１上に形成されるＨＯＥ２２ａに対するＨＯＥ２２ｂの位置精度を容易に高める。
【解決手段】光源３１からホログラム感光材料２２ａ1に光を照射し（第１の工程）、ホログラム感光材料２２ａ1を透過した光を波面変換光学素子３４によって波面変換して再度ホログラム感光材料２２ａ1に照射する（第２の工程）。続いて、第２の工程でホログラム感光材料２２ａ1を透過した光をホログラム感光材料２２ｂ1に照射し（第３の工程）、そのホログラム感光材料２２ｂ1を透過した光を波面変換光学素子３５によって波面変換して再度ホログラム感光材料２２ｂ1に照射する（第４の工程）。このように、１本の光束を波面変換しながら各ホログラム感光材料を２回ずつ露光するので、各ホログラム感光材料２２ａ1・２２ｂ1への光束の入射精度を、１光束について考えるだけで済む。
【選択図】図１

Description

本発明は、同一基板上の異なる位置または異なる基板上に保持された各ホログラム感光材料を露光することにより、複数の体積位相型のホログラフィック回折光学素子を有する光学素子を製造する光学素子の製造方法と、その光学素子と、その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に関するものである。
従来から、基板上に保持された複数のホログラム感光材料を同時に露光する技術が提案されている。例えば、図１３は、特許文献１に開示された露光方法によって複数のホログラム感光材料を露光する様子を模式的に示す説明図である。この露光方法では、不図示のレーザー光源から射出される光をビームスプリッタで２分割して得られる第１の参照光Ｒ１および第１の物体光Ｓ１を、基板５０１上の第１のホログラム感光材料５０２ａに対してプリズム５０３を介して互いに異なる角度で入射させる。
第１のホログラム感光材料５０２ａを透過した第１の参照光Ｒ１は、ミラー５０４・５０５で順次反射され、第２の物体光Ｓ２として基板５０１上の第２のホログラム感光材料５０６ａに入射し、プリズム５０７を介して外部に射出される。一方、第１のホログラム感光材料５０２ａを透過した第１の物体光Ｓ１は、基板５０１内で全反射され、第２の参照光Ｒ２として第２のホログラム感光材料５０６ａに入射し、プリズム５０７を介して外部に射出される。
したがって、第１の参照光Ｒ１と第１の物体光Ｓ１との２光束干渉により、第１のホログラム５０２が作製されるとともに、第２の参照光Ｒ２と第２の物体光Ｓ２との２光束干渉により、第２のホログラム５０６が作製される。このように、特許文献１の露光方法では、一方のホログラム（第１のホログラム５０２）の作製に用いた２光束を他方のホログラム（第２のホログラム５０６）の作製にも用いることで、２つのホログラムを同時に作製することが可能となる。
特許第３５２３１０６号公報
ところが、上記のように、１本の光束を２光束に分岐し、それらの２光束を独立して各ホログラム感光材料５０２ａ・５０６ａに入射させる構成では、第１のホログラム５０２に対する第２のホログラム５０６の位置精度を高めるにあたり、各ホログラム感光材料５０２ａ・５０６ａに対する光束の入射精度を、２光束のそれぞれについて考える必要がある。つまり、２光束のそれぞれについて、例えば各ホログラム感光材料５０２ａ・５０６ａへの入射角や入射位置の精度を高めることが必要となる。その結果、第１のホログラム５０２に対する第２のホログラム５０６の位置精度を高めることが困難であるという問題が生ずる。
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、一方のホログラムに対する他方のホログラムの位置精度を容易に高めることができる光学素子の製造方法と、その光学素子と、その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。
本発明の光学素子の製造方法は、同一基板上の異なる位置または異なる基板上に保持された各ホログラム感光材料を露光することにより、複数の体積位相型のホログラフィック回折光学素子を有する光学素子を製造する光学素子の製造方法であって、光源から射出される所定の波面を有する光を第１のホログラム感光材料に照射する第１の工程と、上記第１の工程で上記第１のホログラム感光材料を透過した光を第１の波面変換光学素子によってさらに異なる波面に変換して再度上記第１のホログラム感光材料に照射する第２の工程と、上記第２の工程で上記第１のホログラム感光材料を透過した光を第２のホログラム感光材料に照射する第３の工程と、上記第３の工程で上記第２のホログラム感光材料を透過した光を第２の波面変換光学素子によってさらに異なる波面に変換して再度上記第２のホログラム感光材料に照射する第４の工程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、同一基板上の異なる位置または異なる基板上に複数のホログラム感光材料が保持されている。これらのホログラム感光材料を露光することにより、同一基板上または異なる基板上に複数の体積位相型のホログラフィック回折光学素子が作製された光学素子を得ることができる。
より詳細には、第１の工程で第１のホログラム感光材料に照射される光と、第２の工程で第１のホログラム感光材料に照射される光との２光束干渉により、第１のホログラフィック回折光学素子が作製される。また、第３の工程で第２のホログラム感光材料に照射される光と、第４の工程で第２のホログラム感光材料に照射される光との２光束干渉により、第２のホログラフィック回折光学素子が作製される。
ここで、第ｎ番目（ｎは２以上の自然数とする）の工程では、その直前の第（ｎ−１）番目の工程でホログラム感光材料を露光した光を用いて、これと同一または異なるホログラム感光材料を露光し、必要に応じて、第１または第２の波面変換光学素子によって波面変換しているので、光源から射出される光として１本の光束を用い、かつ、各ホログラム感光材料に対して１本の光路で２回ずつ露光することができる。これにより、２光束干渉によって各ホログラフィック回折光学素子を確実に作製することができる。
このように、１本の光束を波面変換しながら各ホログラム感光材料を１本の光路で２回ずつ露光することで各ホログラフィック回折光学素子を作製するので、第１のホログラフィック回折光学素子に対する第２のホログラフィック回折光学素子の位置精度を高めるにあたり、各ホログラム感光材料への光束の入射精度（例えば入射角や入射位置に関する精度）を、１光束について考えるだけで済む。その結果、第１のホログラフィック回折光学素子に対する第２のホログラフィック回折光学素子の位置精度を容易に高めることが可能となる。
また、１本の光束を波面変換しながら各ホログラム感光材料を２回ずつ露光する構成では、同じホログラム感光材料に対して２回照射される光のうちのどちらかだけが、本来の条件（入射角、入射位置）からずれて入射するということはない。つまり、一方の光が本来の条件からずれてホログラム感光材料に入射すれば、他方の光もずれてホログラム感光材料に入射する。しかし、この場合であっても、２つの光がずれたなりに第１のホログラフィック回折光学素子および第２のホログラフィック回折光学素子が作製されるので、このような複数のホログラフィック回折光学素子を有する光学素子を使用することは可能である。
したがって、（１）第１のホログラフィック回折光学素子に対する第２のホログラフィック回折光学素子の位置精度を高めるにあたり、１光束について各ホログラム感光材料への入射精度を考えるだけでよいこと、（２）仮に本来の条件からずれて各ホログラム感光材料に光が入射しても、作製された光学素子をそれなりに使用できることから、本発明の製造方法によれば、光学素子を大量生産したときでも、性能の安定した光学素子を得ることができるという効果もある。
また、本発明の光学素子の製造方法は、上記第４の工程で上記第２のホログラム感光材料を透過した光の波面を、上記第２のホログラム感光材料に対して互いに反対側に配置される第３の波面変換光学素子および上記第２の波面変換光学素子によって交互に変換しながら、上記第２のホログラム感光材料を露光する第５の工程をさらに有していてもよい。
この場合、第２のホログラム感光材料を透過した光の波面が、第２の波面変換光学素子と第３の波面変換光学素子との間で交互に変換されながら、第２のホログラム感光材料が露光されるので、そのような波面変換を繰り返す回数に応じた、大面積の第２の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。これにより、作製された光学素子の再生時には（再生光を第１のホログラフィック回折光学素子に照射したときには）、入射光の光束径を拡大した状態で第２のホログラフィック回折光学素子から光を射出させることができ、光束径拡大光学素子を実現することが可能となる。
また、本発明においては、上記第１のホログラム感光材料および上記第２のホログラム感光材料は、同一基板上に保持されており、上記第３の工程では、上記第２の工程で上記第１のホログラム感光材料を透過した光を、上記基板内での全反射により導光し、上記第２のホログラム感光材料に照射するようにしてもよい。
このように、第１および第２のホログラム感光材料が同一基板上の異なる位置に保持されている場合でも、第３の工程では、第２の工程で第１のホログラム感光材料を透過した光が基板内での全反射により導光されて第２のホログラム感光材料に照射されるので、第３の工程および第４の工程での第２のホログラム感光材料の露光を確実に行うことができ、第２のホログラフィック回折光学素子を確実に作製することができる。
また、本発明においては、上記光源から射出される光の偏光方向は、上記基板内における全反射前の光線とそれと同一光路上の全反射後の光線とを含む平面に対して垂直方向であることが望ましい。
この場合、光源から射出される光が基板内で全反射されるときに、その偏光方向が回転しないので、第３の工程および第４の工程にて、同じ偏光方向の光同士を干渉させることができる。したがって、干渉縞のコントラストを下げることなく、第２の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。
また、本発明においては、上記第３の工程で、上記第２のホログラム感光材料に到達した光の上記平面に対して垂直な偏光方向の光強度は、それと直交する偏光方向の光強度よりも大きいことが望ましい。
第２のホログラム感光材料に到達した光の上記平面に対して垂直な偏光方向の光強度がそれと直交する偏光方向の光強度よりも大きければ、第２のホログラム感光材料に到達した光の、基板の複屈折による偏光状態の乱れは少ないと言える。したがって、上記構成によれば、干渉縞のコントラストの低下を抑えて、第２のホログラフィック回折光学素子の回折効率の低下を抑えることができる。
また、本発明においては、上記第３の工程では、上記第２のホログラム感光材料への入射光がその入射直前に上記基板で全反射される位置に不要光取出素子を配置し、上記光源から射出される光と偏光方向が垂直な光を、上記不要光取出素子を介して上記基板の外部に射出させることが望ましい。なお、上記の不要光取出素子としては、例えば、光源から射出される光と同じ偏光方向の光を反射させる一方、上記光と偏光方向が垂直な光を透過させる反射型偏光板と、基板と同等の屈折率を有する媒質（プリズム）との組み合わせを想定することができる。
上記の構成によれば、光源から射出される光と偏光方向が垂直な光を、不要光取出素子を介して基板の外部に射出させることにより、光源から射出される光と同じ偏光方向の光（上記平面に対して偏光方向が垂直な光）のみを第２のホログラム感光材料に入射させることができる。つまり、干渉に不要な光を予め取り除いた状態で第２のホログラム感光材料を露光することができる。これにより、同じ偏光方向の光同士を確実に干渉させて第２のホログラフィック回折光学素子を作製することが可能となる。その結果、干渉縞のコントラストの低下を確実に抑えて、第２のホログラフィック回折光学素子の回折効率の低下を確実に抑えることができる。
また、本発明においては、複数の波面変換光学素子の少なくとも１つは、２つの反射面を含んでいてもよい。
この場合、対応するホログラム感光材料を透過した光を、２つの反射面での波面変換によって、そのままの光束径で上記ホログラム感光材料の透過領域と同じ領域に入射させることができる。したがって、上記光の光束径を広げなくても済む分、光利用効率が向上し、ホログラム感光材料の露光時間を短縮することが可能となる。その結果、環境条件の変動によるホログラフィック回折光学素子の性能低下を回避することができ、性能の安定した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。
また、本発明においては、上記２つの反射面を含む波面変換光学素子であって、上記基板の対向する２平面のいずれかに保持されているホログラム感光材料に対応する波面変換光学素子は、上記基板とほぼ同じ屈折率の媒質を有していることが望ましい。
この場合、２つの反射面で波面変換した光を、上記媒質を介して臨界角以上の角度で基板に入射させることができる。これにより、上記基板内に入射した光を基板内での全反射によって導光することができる。
また、本発明においては、複数の波面変換光学素子の少なくとも１つは、回折光学素子であってもよい。なお、上記の回折光学素子は、ブレーズ型の回折光学素子であってもよいし、ホログラフィック回折光学素子であってもよい。
波面変換光学素子を１個の回折光学素子で構成すれば、波面変換光学素子を例えば２部材以上（２つの反射面、さらには基板と同等の屈折率の媒質）で構成する場合に比べて、製造時の環境変化などに起因する個々の波面変換光学素子の精度ばらつきを抑えることができる。したがって、波面変換光学素子を回折光学素子で構成することにより、複数のホログラフィック回折光学素子を有する光学素子を安定して製造することができる。特に、波面変換光学素子にて複雑な波面変換を行う場合ほど、波面変換光学素子を回折光学素子で構成することによる上記の効果は高くなる。
また、本発明においては、上記光源は、異なる波長の光を発振する複数のレーザー光源で構成されており、上記第１のホログラム感光材料および上記第２のホログラム感光材料は、上記各レーザー光源からの出射光の各波長に対応した感光性を有しており、上記第１の工程では、上記各レーザー光源から同時にまたは順次に出射される光を１つの光路に合成した後、上記第１のホログラム感光材料に照射するようにしてもよい。
この場合、第１のホログラム感光材料に照射される光の各波長間の位置ずれを抑えることができ、光学素子の性能劣化を回避することができる。
また、本発明においては、同一基板上の異なる位置または異なる基板上に保持された各ホログラム感光材料を露光することにより、複数の体積位相型のホログラフィック回折光学素子を有する光学素子を製造する光学素子の製造方法であって、光源から射出される所定の波面を有する光を第１のホログラム感光材料に照射する第１の工程と、上記第１の工程で上記第１のホログラム感光材料を透過した光の波面を、上記第１のホログラム感光材料に対して互いに反対側に配置される第１の波面変換光学素子および第２の波面変換光学素子によって交互に変換しながら、上記第１のホログラム感光材料を露光する第２の工程と、上記第２の工程で上記第１のホログラム感光材料を介して得られる光を第２のホログラム感光材料に照射する第３の工程と、上記第３の工程で上記第２のホログラム感光材料を透過した光を第３の波面変換光学素子によってさらに異なる波面に変換して再度上記第２のホログラム感光材料に照射する第４の工程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、同一基板上の異なる位置または異なる基板上に複数のホログラム感光材料が保持されている。これらのホログラム感光材料を露光することにより、同一基板上または異なる基板上に複数の体積位相型のホログラフィック回折光学素子が作製された光学素子を得ることができる。
より詳細には、第１の工程および第２の工程で第１のホログラム感光材料に照射される２光束が干渉することにより、第１のホログラフィック回折光学素子が作製される。また、第３の工程および第４の工程で第２のホログラム感光材料に照射される２光束が干渉することにより、第２のホログラフィック回折光学素子が作製される。
ここで、第ｎ番目（ｎは２以上の自然数とする）の工程では、その直前の第（ｎ−１）番目の工程でホログラム感光材料を露光した光を用いて、これと同一または異なるホログラム感光材料を露光し、必要に応じて、第１、第２または第３の波面変換光学素子によって波面変換しているので、光源から射出される光として１本の光束を用い、かつ、各ホログラム感光材料に対して１本の光路で少なくとも２回ずつ露光することができる。これにより、２光束干渉によって各ホログラフィック回折光学素子を確実に作製することができる。
このように、１本の光束を波面変換しながら各ホログラム感光材料を少なくとも２回ずつ露光することで各ホログラフィック回折光学素子を作製するので、第１のホログラフィック回折光学素子に対する第２のホログラフィック回折光学素子の位置精度を高めるにあたり、各ホログラム感光材料への光束の入射精度（例えば入射角や入射位置に関する精度）を、１光束について考えるだけで済む。その結果、第１のホログラフィック回折光学素子に対する第２のホログラフィック回折光学素子の位置精度を容易に高めることが可能となる。
また、１本の光束を波面変換しながら各ホログラム感光材料を少なくとも２回ずつ露光する構成では、同じホログラム感光材料に対して２回照射される光のうちのどちらかだけが、本来の条件（入射角、入射位置）からずれて入射するということはない。つまり、一方の光が本来の条件からずれてホログラム感光材料に入射すれば、他方の光もずれてホログラム感光材料に入射する。しかし、この場合であっても、２つの光がずれたなりに第１のホログラフィック回折光学素子および第２のホログラフィック回折光学素子が作製されるので、このような複数のホログラフィック回折光学素子を有する光学素子を使用することは可能である。
したがって、（１）第１のホログラフィック回折光学素子に対する第２のホログラフィック回折光学素子の位置精度を高めるにあたり、１光束について各ホログラム感光材料への入射精度を考えるだけでよいこと、（２）仮に本来の条件からずれて各ホログラム感光材料に光が入射しても、作製された光学素子をそれなりに使用できることから、本発明の製造方法によれば、光学素子を大量生産したときでも、性能の安定した光学素子を得ることができるという効果もある。
また、第１のホログラム感光材料を透過した光の波面が、第１の波面変換光学素子と第２の波面変換光学素子との間で交互に変換されながら、第１のホログラム感光材料が露光されるので、そのような波面変換を繰り返す回数に応じた、大面積の第１の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。これにより、作製された光学素子の再生時には（再生光を第２のホログラフィック回折光学素子に照射したときには）、入射光の光束径を拡大した状態で第１のホログラフィック回折光学素子から光を射出することができ、光束径拡大光学素子を実現することが可能となる。
また、本発明においては、上記第１の波面変換光学素子および上記第２の波面変換光学素子のうち、上記基板に対して上記第１のホログラム感光材料とは反対側に位置する波面変換光学素子は、回折光学素子であり、上記回折光学素子の回折効率は、上記第２のホログラム感光材料から遠ざかるにしたがって大きくなるように設定されていることが望ましい。
この場合、第１のホログラム感光材料を透過した光の波面が、第１の波面変換光学素子と第２の波面変換光学素子との間で交互に変換されながら、第１のホログラム感光材料が露光され、第１のホログラフィック回折光学素子が作製されたときに、第１のホログラフィック回折光学素子は、第２のホログラフィック回折光学素子から遠ざかるにしたがって回折効率が大きくなるように作製される。
したがって、再生光を第２のホログラフィック回折光学素子に照射して、入射光の光束径を拡大した状態で第１のホログラフィック回折光学素子から光を外部に射出させる際に、その射出される光の強度分布を、第２のホログラフィック回折光学素子から第１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。
本発明の光学素子は、同一基板上の異なる位置または異なる基板上に保持された各ホログラム感光材料を露光することにより、複数の体積位相型のホログラフィック回折光学素子を作製した光学素子であって、上記ホログラフィック回折光学素子は、第１のホログラフィック回折光学素子と第２のホログラフィック回折光学素子とを含み、上記第１のホログラフィック回折光学素子は、所定の波面を有する光を第１のホログラム感光材料に照射し、上記第１のホログラム感光材料を透過した光を第１の波面変換光学素子によってさらに異なる波面に変換して再度上記第１のホログラム感光材料に照射したときの２光束干渉によって作製されており、上記第２のホログラフィック回折光学素子は、上記第１の波面変換光学素子にて波面を変換された後に上記第１のホログラム感光材料を透過した光を第２のホログラム感光材料に照射し、上記第２のホログラム感光材料を透過した光を第２の波面変換光学素子によってさらに異なる波面に変換して再度上記第２のホログラム感光材料に照射したときの２光束干渉によって作製されていることを特徴としている。
この構成によれば、第１および第２のホログラフィック回折光学素子の作製に用いる光として、光源から射出される１本の光束を用い、この光束を必要に応じて第１および第２の波面変換光学素子にて波面変換しながら、第１および第２のホログラム感光材料に順次照射することで、第１および第２のホログラフィック回折光学素子が作製されている。このように、１本の光束で各ホログラム感光材料を２回ずつ露光することで各ホログラフィック回折光学素子が作製されているので、第１のホログラフィック回折光学素子に対する第２のホログラフィック回折光学素子の位置精度を容易に高めることができるなど、本発明の光学素子の製造方法による効果と同様の効果を得ることができる。
また、本発明の光学素子は、同一基板上の異なる位置または異なる基板上に保持された各ホログラム感光材料を露光することにより、複数の体積位相型のホログラフィック回折光学素子を作製した光学素子であって、上記ホログラフィック回折光学素子は、第１のホログラフィック回折光学素子と第２のホログラフィック回折光学素子とを含み、上記第１のホログラフィック回折光学素子は、所定の波面を有する光を第１のホログラム感光材料に照射し、上記第１のホログラム感光材料を透過した光を第１の波面変換光学素子によってさらに異なる波面に変換して再度上記第１のホログラム感光材料に照射したときの２光束干渉によって作製されており、上記第２のホログラフィック回折光学素子は、上記第１の波面変換光学素子にて波面を変換された後に上記第１のホログラム感光材料を透過した光の波面を、上記第２のホログラム感光材料に対して互いに反対側に配置される第２の波面変換光学素子および第３の波面変換光学素子によって交互に変換しながら、上記第２のホログラム感光材料を露光することによって作製されていることを特徴としている。
この構成によれば、第１および第２のホログラフィック回折光学素子の作製に用いる光として、光源から射出される１本の光束を用い、この光束を必要に応じて第１、第２および第３の波面変換光学素子にて波面変換しながら、第１および第２のホログラム感光材料を露光することで、第１および第２のホログラフィック回折光学素子が作製されている。このように、１本の光束で各ホログラム感光材料を露光することで各ホログラフィック回折光学素子が作製されているので、第１のホログラフィック回折光学素子に対する第２のホログラフィック回折光学素子の位置精度を容易に高めることができるなど、本発明の光学素子の製造方法による効果と同様の効果を得ることができる。
しかも、第１のホログラム感光材料を透過した光の波面が、第２の波面変換光学素子と第３の波面変換光学素子との間で交互に変換されながら、第２のホログラム感光材料が露光されるので、そのような波面変換を繰り返す回数に応じた、大面積の第２のホログラフィック回折光学素子を作製することができ、光束径拡大光学素子を実現することが可能となる。
また、本発明の光学素子は、同一基板上の異なる位置または異なる基板上に保持された各ホログラム感光材料を露光することにより、複数の体積位相型のホログラフィック回折光学素子を作製した光学素子であって、上記ホログラフィック回折光学素子は、第１のホログラフィック回折光学素子と第２のホログラフィック回折光学素子とを含み、上記第１のホログラフィック回折光学素子は、所定の波面を有する光を第１のホログラム感光材料に照射し、上記第１のホログラム感光材料を透過した光の波面を、第１のホログラム感光材料に対して互いに反対側に配置される第１の波面変換光学素子および第２の波面変換光学素子によって交互に変換しながら、上記第１のホログラム感光材料を露光することによって作製されており、上記第２のホログラフィック回折光学素子は、上記第１のホログラム感光材料を介して得られる光を第２のホログラム感光材料に照射し、上記第２のホログラム感光材料を透過した光を第３の波面変換光学素子によってさらに異なる波面に変換して再度上記第２のホログラム感光材料に照射したときの２光束干渉によって作製されていることを特徴としている。
この構成によれば、第１および第２のホログラフィック回折光学素子の作製に用いる光として、光源から射出される１本の光束を用い、この光束を必要に応じて第１、第２および第３の波面変換光学素子にて波面変換しながら、第１および第２のホログラム感光材料を露光することで、第１および第２のホログラフィック回折光学素子が作製されている。このように、１本の光束で各ホログラム感光材料を露光することで各ホログラフィック回折光学素子が作製されているので、第１のホログラフィック回折光学素子に対する第２のホログラフィック回折光学素子の位置精度を容易に高めることができるなど、本発明の光学素子の製造方法による効果と同様の効果を得ることができる。
しかも、第１のホログラム感光材料を透過した光の波面が、第１の波面変換光学素子と第２の波面変換光学素子との間で交互に変換されながら、第１のホログラム感光材料が露光されるので、そのような波面変換を繰り返す回数に応じた、大面積の第１のホログラフィック回折光学素子を作製することができ、光束径拡大光学素子を実現することが可能となる。
本発明の映像表示装置は、光を出射する光源と、上記光源からの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観察者の瞳に導くための接眼光学系とを有し、上記接眼光学系は、上述した本発明の光学素子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、光源から出射される光は表示素子にて変調され、映像光として接眼光学系を介して観察者の瞳に導かれる。ここで、本発明の光学素子の構成によれば、上述したように、第１のホログラフィック回折光学素子に対する第２のホログラフィック回折光学素子の位置精度を容易に高めることができるので、このような光学素子を用いて映像表示装置を構成することにより、高精度、高信頼性の映像表示装置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、１本の光束を波面変換しながら１本の光路で各ホログラム感光材料を２回ずつ露光することで各ホログラフィック回折光学素子を作製するので、第１のホログラフィック回折光学素子に対する第２のホログラフィック回折光学素子の位置精度を高めるにあたり、各ホログラフィック回折光学素子への光束の入射精度を、１光束について考えるだけで済む。その結果、第１のホログラフィック回折光学素子に対する第２のホログラフィック回折光学素子の位置精度を容易に高めることが可能となる。
〔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．ヘッドマウントディスプレイの構成）
図２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斜視図である。ＨＭＤは、映像表示装置１と、映像表示装置１を観察者の眼前で支持する支持手段２とで構成されている。
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。この映像表示装置１は、後述する光源１１（図３参照）などを収容する筐体３に光学素子１４を一体化させて構成されている。光学素子１４は、全体として眼鏡の一方のレンズ（図２では右眼用レンズ）のような形状をなしている。以下、映像表示装置１の詳細について説明する。
（２．映像表示装置の構成）
図３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、光源１１と、導光板１２と、映像表示素子１３と、光学素子１４とを有して構成されている。なお、観察者がＨＭＤを装着したときの左右方向（図２において左眼用レンズおよび右眼用レンズが並ぶ方向）は、図３においては映像表示素子１３の長辺方向（図３の紙面に垂直な方向）に対応しており、後述するＨＯＥ（ホログラフィック回折光学素子）２２ｂへの光軸の入射面に垂直な方向にも対応している。
なお、上記光軸とは、ここでは、映像表示素子１３の表示領域の中心と光学素子１４によって形成される光学瞳Ｅの中心とを光学的に結ぶ軸を指す。また、上記入射面とは、ＨＯＥ２２ｂにおける入射光の光軸と反射光の光軸とを含む平面を指す。
光源１１は、３原色に対応する光、すなわち、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色に対応する光を出射するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。光源１１から出射される光の波長は、後述するＨＯＥ２２にて回折反射される光の波長とほぼ一致している。
導光板１２は、光源１１から出射された光を内部で導光して映像表示素子１３と対向する面から出射させるものである。
映像表示素子１３は、複数の画素をマトリクス状に有し、光源１１から導光板１２を介して入射する光を画像データに応じて各画素ごとに変調して映像を表示する光変調素子であり、本実施形態では、例えば透過型のＬＣＤで構成されている。
光学素子１４は、映像表示素子１３からの映像光を観察者の瞳に導く接眼光学系を構成しており、導光部材２１と、ＨＯＥ２２と、偏向部材２３（図２参照）とを有している。なお、図３では、偏向部材２３の図示を省略している。
導光部材２１は、入射光すなわち映像表示素子１３からの映像光を内部で導光し、ＨＯＥ２２ｂを介して観察者の瞳に導く一方、外光を透過させて観察者の瞳に導く第１の透明基板である。この導光部材２１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た形状で構成されている。つまり、導光部材２１は、互いに対向する平行な面２１ａ・２１ｂと、これらの面２１ａ・２１ｂに対して傾斜して形成される面２１ｃとを有しており、面２１ａと面２１ｃとで上記楔状の形状を形成している。なお、面２１ａは、映像光が入射する側の面とする。また、導光部材２１は、その下端部（面２１ｃ上）に配置されるＨＯＥ２２ｂを挟むように偏向部材２３と接着剤で接合されている。
ここで、後述する製造方法による光学素子１４の製造時に導光部材２１の内部を導光される光の偏光がみだれないようにするため、導光部材２１は、複屈折の小さい材料で構成されることが望ましい。したがって、導光部材２１は複屈折がほとんど生じないガラスで構成されることが望ましい。
なお、導光部材２１を樹脂で構成する場合、複屈折が生じるかどうかは、樹脂の成型条件によって決まる。つまり、例えば成型後の樹脂の冷やし方、温度、圧力のかけ方で内部応力の残存の程度が決まるので、そのような成型条件で複屈折が生じるかどうかが決まる。したがって、複屈折をほとんど生じさせない成型条件で成型するのであれば、導光部材２１は樹脂で構成されてもよい。
偏向部材２３は、平面視で略Ｕ字型の平行平板で構成されており（図２参照）、導光部材２１の下端部および両側面部（左右の各端面）と貼り合わされたときに、導光部材２１と一体となって略平行平板となる第２の透明基板である。この偏向部材２３を導光部材２１に接合することにより、観察者が光学素子１４を介して観察する外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
つまり、例えば、導光部材２１に偏向部材２３を接合させない場合、外界像の光は導光部材２１の楔状の下端部を透過するときに屈折するので、導光部材２１を介して観察される外界像に歪みが生じる。しかし、導光部材２１に偏向部材２３を接合させて一体的な略平行平板を形成することで、外界像の光が導光部材２１の楔状の下端部を透過するときの屈折を偏向部材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。
ＨＯＥ２２は、導光部材２１の表面上の異なる位置に保持される複数のＨＯＥ、すなわち、ＨＯＥ２２ａ・２２ｂで構成されている。ＨＯＥ２２ａ・２２ｂは、体積位相型で反射型のホログラフィック回折光学素子であり、それぞれ正の光学パワーを有し、映像表示素子１３から出射される３原色に対応した波長の光をそれぞれ回折させて観察者の瞳に導く。ＨＯＥ２２ａは、導光部材２１の面２１ｂ上に保持されており、ＨＯＥ２２ｂは、導光部材２１の面２１ｃ上に保持されている。
ＨＯＥ２２における各色の回折波長半値幅は、光源１１からの出射光の各色（出射光の各波長）の半値幅よりも狭く、光源１１からの出射光のうち、ＨＯＥ２２での回折効率が最大となる波長（回折ピーク波長）付近の光のみがＨＯＥ２２にて回折反射され、観察者の瞳に導かれることになる。
ＨＯＥ２２は、導光部材２１上に塗布されるホログラム感光材料を露光することによって形成されている。このホログラム感光材料は、ＲＧＢの光の全てに感度を有する単層カラーフォトポリマーで構成されていてもよいし、ＲＧＢの光のそれぞれに感度を有する各層を積層した３層カラーフォトポリマーで構成されていてもよい。
上記の構成において、光源１１から出射される光は、導光板１２を介して映像表示素子１３に入射し、そこで変調されて映像光として出射される。映像表示素子１３から出射される映像光は、光学素子１４の導光部材２１の面２１ａから内部に入射し、面２１ｂに保持されたＨＯＥ２２ａで回折反射される。その後、上記映像光は、面２１ａ・２１ｂで全反射を繰り返しながら導光部材２１内を導光され、面２１ｃに保持されたＨＯＥ２２ｂに到達する。ＨＯＥ２２ｂに到達した映像光は、そこで回折反射され、導光部材２１の面２１ａを介して観察者の瞳に向かって射出される。したがって、観察者は、光学瞳Ｅの位置にて、映像表示素子１３に表示された映像の拡大虚像を正面に観察することができる。
（３．光学素子の製造方法について）
次に、光学素子１４の製造方法について説明する。図１は、光学素子１４を製造する製造光学系の概略の構成を示す断面図である。この製造光学系は、光源３１と、ビームスプリッタ３２・３３と、波面変換光学素子３４・３５とを有している。
光源３１は、ＲＧＢの各波長の光をそれぞれ射出するレーザー光源３１Ｒ・３１Ｇ・３１Ｂで構成されている。ここで、ＲＧＢの各レーザー光は、後述するように、導光部材２１内では面２１ａ・２１ｂで全反射されるが、このときに偏光方向が回転しないような偏光方向（例えばＳ偏光）に設定されている。すなわち、ＲＧＢの各レーザー光の偏光方向は、導光部材２１内における全反射前の光線とそれと同一光路上の全反射後の光線とを含む平面に対して垂直方向（図１の紙面に対して垂直方向）に設定されている。なお、上記平面は、ＨＯＥ２２の光軸入射面と平行または一致すると考えてもよい。
ビームスプリッタ３２は、レーザー光源３１Ｒから射出されるＲ光を透過させる一方、レーザー光源３１Ｇから射出されるＧ光を反射させることにより、これらの光の光路を１つに重ね合わせる。ビームスプリッタ３３は、ビームスプリッタ３２を介して得られるＲ光およびＧ光を透過させる一方、レーザー光源３１Ｂから射出されるＢ光を反射させることにより、これらの光の光路を１つに重ね合わせる。ビームスプリッタ３２・３３は、例えば平板状で形成されているが、入射光の偏光方向を回転させないように、上記平面に対して垂直に配置される。
波面変換光学素子３４は、所定の波面を有する入射光をこれとは異なる波面に変換して出射するものであり、入射光を反射させる２つの反射面４１・４２と、これらの反射面４１・４２が貼り付けられる光学プリズム４３とで構成されている。反射面４１・４２は、例えば自由曲面で構成され、パワーを有している。光学プリズム４３は、導光部材２１と同等の屈折率を有する媒質で構成されており、後述するホログラム感光材料２２ａ1と密着して配置されるか、屈折率マッチング液を介して配置される。なお、波面変換光学素子３４は、３つ以上の反射面を有していてもよい。また、光学プリズム４３は、反射面４１・４２を保持できるのであればどのような形状で構成されてもよい。
波面変換光学素子３５は、所定の波面を有する入射光をこれとは異なる波面に変換して出射するものであり、入射光を反射させる２つの反射面５１・５２で構成されている。反射面５１・５２は、例えば自由曲面で構成され、パワーを有している。なお、波面変換光学素子３５は、３つ以上の反射面を有していてもよい。
このような製造光学系を用いての光学素子１４の製造は、以下のように行われる。なお、以下では、ＨＯＥ２２ａ・２２ｂを構成するホログラム感光材料を、ホログラム感光材料２２ａ1・２２ｂ1とそれぞれ称することとする。また、ホログラム感光材料２２ａ1・２２ｂ1は、各レーザー光源３１Ｒ・３１Ｇ・３１Ｂからの出射光の各波長に対応した感光性を有しているものとする。
まず、光源３１から射出される所定の波面を有する光（例えば平行光）をホログラム感光材料２２ａ1に照射する（第１の工程）。つまり、この工程では、レーザー光源３１Ｒ・３１Ｇから射出されるＲ光およびＧ光が、ビームスプリッタ３２にて合成されてビームスプリッタ３３の方向に出射され、ビームスプリッタ３３にてレーザー光源３１Ｂから射出されるＢ光とさらに合成される。ビームスプリッタ３３からはＲＧＢの光が１本の光路で出射され、導光部材２１の面２１ａ側からその内部に入射し、面２１ｂ上のホログラム感光材料２２ａ1に照射される。なお、ここでは、レーザー光源３１Ｒ・３１Ｇ・３１ＢからＲＧＢの各光を同時に射出しているが、順に射出するようにしてもよい。
次に、第１の工程でホログラム感光材料２２ａ1を透過した光を波面変換光学素子３４によってさらに異なる波面に変換して再度ホログラム感光材料２２ａ1に照射する（第２の工程）。つまり、この工程では、第１の工程でホログラム感光材料２２ａ1を透過し、波面変換光学素子３４の光学プリズム４３に入射した光が、光学プリズム４３に保持された２つの反射面４１・４２で順に反射され、所定の波面を有する光に変換されて、再度ホログラム感光材料２２ａ1に照射される。
第１の工程でホログラム感光材料２２ａ1に照射される光と、第２の工程でホログラム感光材料２２ａ1に照射される光との２光束干渉により、ホログラム感光材料２２ａ1に干渉縞が記録され、ＨＯＥ２２ａが作製される。
続いて、第２の工程でホログラム感光材料２２ａ1を透過した光をホログラム感光材料２２ｂ1に照射する（第３の工程）。つまり、この工程では、第２の工程でホログラム感光材料２２ａ1を露光した光が、そのホログラム感光材料２２ａ1を透過して、導光部材２１の互いに平行な面２１ａ・２１ｂで全反射を繰り返し、面２１ｃに保持されたホログラム感光材料２２ｂ1まで導光されてホログラム感光材料２２ｂ1を露光する。
その後、第３の工程でホログラム感光材料２２ｂ1を透過した光を波面変換光学素子３５によってさらに異なる波面に変換して再度ホログラム感光材料２２ｂ1に照射する（第４の工程）。つまり、この工程では、第３の工程でホログラム感光材料２２ｂ1を透過した光が、導光部材２１の外部に配置された波面変換光学素子３５の反射面５１に向かい、反射面５１・５２でさらに所定の波面を有する光に変換されて再度ホログラム感光材料２２ｂ1を露光する。
第３の工程でホログラム感光材料２２ｂ1に照射される光と、第４の工程でホログラム感光材料２２ｂ1に照射される光との２光束干渉により、ホログラム感光材料２２ｂ1に干渉縞が記録され、ＨＯＥ２２ｂが作製される。第４の工程でホログラム感光材料２２ｂ1を露光した光は、導光部材２１の面２１ａから外部に射出され、ゴースト光とならないように適正に処理される。
以上のように、上述した光学素子１４の製造方法によれば、光源３１から出射される１本の光束を波面変換光学素子３４・３５にて波面変換しながら、１本の光路で各ホログラム感光材料２２ａ1・２２ｂ1を２回ずつ露光し、各ＨＯＥ２２ａ・２２ｂをそれぞれ作製するので、ＨＯＥ２２ａに対するＨＯＥ２２ｂの位置精度を高めるにあたり、各ホログラム感光材料２２ａ1・２２ｂ1への光束の入射精度（例えば入射角や入射位置に関する精度）を、１光束について考えるだけで済む。その結果、ＨＯＥ２２ａに対するＨＯＥ２２ｂの位置精度を容易に高めることが可能となる。
また、１本の光路で各ホログラム感光材料２２ａ1・２２ｂ1を２回ずつ露光する構成では、一方の光が本来の条件（入射角、入射位置）からずれてホログラム感光材料２２ａ1・２２ｂ1に入射すれば、他方の光もずれてホログラム感光材料２２ａ1・２２ｂ1に入射することになる。しかし、この場合であっても、２つの光がずれたなりにＨＯＥ２２ａ・２２ｂが作製されるので、このような複数のＨＯＥ２２ａ・２２ｂを有する光学素子１４を使用することは可能である。
したがって、（１）ＨＯＥ２２ａに対するＨＯＥ２２ｂの位置精度を高めるにあたり、１光束について各ホログラム感光材料２２ａ1・２２ｂ1への入射精度を考えるだけでよいこと、（２）仮に本来の条件からずれて各ホログラム感光材料２２ａ1・２２ｂ1に光が入射しても、作製された光学素子１４をそれなりに使用できることから、上述した製造方法によれば、光学素子１４を大量生産したときでも、性能の安定した光学素子を得ることができる。
また、上記第３の工程では、第２の工程でホログラム感光材料２２ａ1を透過した光を、基板（導光部材２１）内での全反射により導光し、ホログラム感光材料２２ｂ1に照射しているので、各ホログラム感光材料２２ａ1・２２ｂ1が同一基板上の異なる位置に保持されている場合でも、第３の工程および第４の工程でのホログラム感光材料２２ｂ1の露光を確実に行うことができ、ＨＯＥ２２ｂを確実に作製することができる。
また、光源３１から射出される光の偏光方向は、導光部材２１内における全反射前の光線とそれと同一光路上の全反射後の光線とを含む平面に対して垂直方向に設定されているので、光源３１から射出される光が導光部材２１内で全反射されるときに、その偏光方向が回転しない。これにより、第３の工程および第４の工程にて、同じ偏光方向の光同士を干渉させることができ、干渉縞のコントラストを下げることなく、ＨＯＥ２２ｂを作製することができる。
また、第３の工程でホログラム感光材料２２ｂ1に到達した光の偏光状態は、例えば導光部材２１での複屈折によって乱れることがある。偏光状態の乱れた光同士を干渉させると、干渉縞のコントラストが低下し、結果的にＨＯＥ２２ｂの回折効率が低下する。しかし、本実施形態では、導光部材２１が複屈折の小さい材料で構成されているので、ホログラム感光材料２２ｂ1に到達した光の偏光状態の乱れは少なく、上記光において、上記平面に対して垂直な偏光方向の光強度（例えばＳ偏光の強度）を、それと直交する偏光方向の光強度（例えばＰ偏光の強度）よりも大きい状態とすることができる。したがって、このような光強度の関係を実現することにより、干渉縞のコントラストの低下を抑えて、ＨＯＥ２２ｂの回折効率の低下を抑えることができる。
また、波面変換光学素子３４は、少なくとも２つの反射面４１・４２を有しているので、第１の工程でホログラム感光材料２２ａ1を透過した光を、２つの反射面４１・４２での波面変換により、ほとんどそのままの光束径でホログラム感光材料２２ａ1の透過領域と同じ領域に入射させることができる。つまり、波面変換した光をホログラム感光材料２２ａ1の透過領域に入射させるにあたって、上記光の光束径を極端に広げる必要がない。この点は、波面変換光学素子３５についても同様に言える。したがって、対応するホログラム感光材料を透過した光の利用効率を向上させることができ、ホログラム感光材料２２ａ1・２２ｂ1の露光時間を短縮することが可能となる。その結果、環境条件の変動（空気のゆらぎ、埃の散乱、振動等）によるＨＯＥ２２ａ・２２ｂの性能低下を回避することができ、性能の安定したＨＯＥ２２ａ・２２ｂを作製することができる。
特に、導光部材２１の対向する２平面のいずれかに保持されているホログラム感光材料２２ａ1に対応する波面変換光学素子３４は、導光部材２１とほぼ同じ屈折率の光学プリズム４３を有しているので、２つの反射面４１・４２で波面変換した光を、光学プリズム４３を介して臨界角以上の角度で導光部材２１に入射させることができる。これにより、導光部材２１内に入射した光を導光部材２１内での全反射によって確実に導光することができる。
また、複数の波長に対応した感光性を有するホログラム感光材料２２ａ1・２２ｂ1を露光する場合、波長ごとに独立した製造光学系を構成し、順次露光する方法もあるが、これでは波長ごとの位置ずれ（色ずれ）が発生し、トータルの性能が劣化する場合がある。しかし、本実施形態のように、各レーザー光源３１Ｒ・３１Ｇ・３１Ｂから同時にまたは順次に出射される光を１つの光路に合成してホログラム感光材料２２ａ1・２２ｂ1に照射し、全ての波長に対応する１つの光学系でＨＯＥ２２ａ・２２ｂを作製することにより、波長ごとの位置ずれの発生を抑えることができ、光学素子１４の性能劣化を回避することができる。
（４．光学素子の他の製造方法について）
以上では、ホログラム感光材料２２ａ1・２２ｂ1の露光を、この順で行った例について説明したが、露光順序は逆であってもよい。すなわち、まず、ホログラム感光材料２２ｂ1を露光し、その後、ホログラム感光材料２２ｂ1を透過した光を用いてホログラム感光材料２２ａ1を露光するようにしてもよい。
例えば図４は、光学素子１４を製造する製造光学系の他の構成を示す断面図である。この製造光学系は、図１の構成に加えて、対物レンズ３６と、ピンホール３７とをさらに有している。
この製造光学系を用いて光学素子１４を製造する場合は、光源３１から射出される所定の波面を有する光（例えば平行光）を発散光にしてホログラム感光材料２２ｂ1に照射する（第１の工程）。つまり、この工程では、レーザー光源３１Ｒ・３１Ｇ・３１Ｂから射出されるＲＧＢの各光がビームスプリッタ３２・３３にて合成された後、対物レンズ３６で集光され、ピンホール３７を介して導光部材２１の面２１ａ側からその内部に入射し、面２１ｃ上のホログラム感光材料２２ｂ1に照射される。
次に、第１の工程でホログラム感光材料２２ｂ1を透過した光を波面変換光学素子３５によってさらに異なる波面に変換して再度ホログラム感光材料２２ｂ1に照射する（第２の工程）。つまり、この工程では、第１の工程でホログラム感光材料２２ｂ1を透過した光が、波面変換光学素子３５の反射面５２に向かい、反射面５２・５１でさらに所定の波面を有する光に変換されて再度ホログラム感光材料２２ｂ1を露光する。
第１の工程でホログラム感光材料２２ｂ1に照射される光と、第２の工程でホログラム感光材料２２ｂ1に照射される光との２光束干渉により、ホログラム感光材料２２ｂ1に干渉縞が記録され、ＨＯＥ２２ｂが作製される。
続いて、第２の工程でホログラム感光材料２２ｂ1を透過した光をホログラム感光材料２２ａ1に照射する（第３の工程）。つまり、この工程では、第２の工程でホログラム感光材料２２ｂ1を露光した光が、そのホログラム感光材料２２ｂ1を透過して、導光部材２１の互いに平行な面２１ａ・２１ｂで全反射を繰り返され、面２１ｂに保持されたホログラム感光材料２２ａ1まで導光されてホログラム感光材料２２ａ1を露光する。
その後、第３の工程でホログラム感光材料２２ａ1を透過した光を波面変換光学素子３４によってさらに異なる波面に変換して再度ホログラム感光材料２２ａ1に照射する（第４の工程）。つまり、この工程では、第３の工程でホログラム感光材料２２ａ1を透過し、波面変換光学素子３４の光学プリズム４３に入射した光が、光学プリズム４３に保持された２つの反射面４２・４１で順に反射され、所定の波面を有する光に変換されて、再度ホログラム感光材料２２ａ1に照射される。
第３の工程でホログラム感光材料２２ａ1に照射される光と、第４の工程でホログラム感光材料２２ａ1に照射される光との２光束干渉により、ホログラム感光材料２２ａ1に干渉縞が記録され、ＨＯＥ２２ａが作製される。
以上、ホログラム感光材料２２ａ1・２２ｂ1のうちで、先に露光されるものを第１のホログラム感光材料、後に露光されるものを第２のホログラム感光材料とし、波面変換光学素子３４・３５のうちで、第１のホログラム感光材料を透過した光を波面変換するものを第１の波面変換光学素子とし、第２のホログラム感光材料を透過した光を波面変換するものを第２の波面変換光学素子とすれば、図１の製造光学系を用いた製造方法と、図４の製造光学系を用いた製造方法とは、いずれも、以下の（１）から（４）の工程を有するものであることがわかる。
すなわち、上記両者の製造方法は、（１）光源から射出される所定の波面を有する光を第１のホログラム感光材料に照射する第１の工程と、（２）上記第１の工程で上記第１のホログラム感光材料を透過した光を第１の波面変換光学素子によってさらに異なる波面に変換して再度上記第１のホログラム感光材料に照射する第２の工程と、（３）上記第２の工程で上記第１のホログラム感光材料を透過した光を第２のホログラム感光材料に照射する第３の工程と、（４）上記第３の工程で上記第２のホログラム感光材料を透過した光を第２の波面変換光学素子によってさらに異なる波面に変換して再度上記第２のホログラム感光材料に照射する第４の工程とを有している。したがって、図４の製造光学系を用いた製造方法によれば、図１の製造光学系を用いた製造方法による上述した効果と同様の効果を得ることができると言える。
なお、第１および第２の工程における２光束干渉により作製されるＨＯＥを第１のＨＯＥとし、第３および第４の工程における２光束干渉により作製されるＨＯＥを第２のＨＯＥとすれば、第１のＨＯＥは、第１のホログラム感光材料の露光によって作製されるものであり、第２のＨＯＥは、第２のホログラム感光材料の露光によって作製されるものである。
したがって、本実施形態のＨＯＥ２２ａ・２２ｂのうちで、どちらが第１のＨＯＥでどちらが第２のＨＯＥになるかは、ホログラム感光材料２２ａ1・２２ｂ1のうちでどちらを先に露光するかによって決まる。つまり、先にホログラム感光材料２２ａ1を露光すれば、ＨＯＥ２２ａが第１のＨＯＥとなり、ＨＯＥ２２ｂが第２のＨＯＥとなる。逆に、先にホログラム感光材料２２ｂ1を露光すれば、ＨＯＥ２２ｂが第１のＨＯＥとなり、ＨＯＥ２２ａが第２のＨＯＥとなる。
（５．光学素子の他の構成について）
ところで、以上で説明した光学素子１４の製造方法は、図５の光学素子１４’の製造にも適用することができる。図５は、光学素子１４’の概略の構成を示す断面図である。この光学素子１４’は、複数のＨＯＥ２２ａ・２２ｂが異なる基板６１・６２上にそれぞれ保持されており、これらの基板６１・６２が１つの筐体７１内に配置されているものである。
この光学素子１４’では、筐体７１の開口部７１ａを介して基板６１に入射した光は、ＨＯＥ２２ａにて回折反射され、基板６１から出射された後、基板６２に入射する。そしえ、基板６２に入射した光は、ＨＯＥ２２ｂにて回折反射され、開口部７１ｂを介して外部からの入射光と平行に出射される。
図６は、光学素子１４’を製造する製造光学系の概略の構成を示す断面図である。この製造光学系は、波面変換光学素子３４・３５と、光源３８とを有している。ここでは、波面変換光学素子３４・３５は、いずれも、２つの反射面（反射面４１・４２または反射面５１・５２）を有して構成されている。つまり、波面変換光学素子３４は、図１の光学プリズム４３を有していない。これは、光学素子１４’の製造においては、光を基板６１・６２内で全反射によって導光しないため、光学プリズム４３を設ける必要がないからである。光源３８は、図１の光源３１とビームスプリッタ３２・３３とをまとめたものに対応している。
光学素子１４’を製造する際は、まず、光源３８から射出される所定の波面を有する光（例えば平行光）をホログラム感光材料２２ａ1に照射する（第１の工程）。つまり、この工程では、光源３８から出射されるＲＧＢの光が、１本の光路で基板６１に入射し、そこを透過してその表面に保持されているホログラム感光材料２２ａ1に照射される。
次に、第１の工程でホログラム感光材料２２ａ1を透過した光を波面変換光学素子３４によってさらに異なる波面に変換して再度ホログラム感光材料２２ａ1に照射する（第２の工程）。つまり、この工程では、第１の工程でホログラム感光材料２２ａ1を透過した光が、波面変換光学素子３４の２つの反射面４１・４２で順に反射され、所定の波面を有する光に変換されて、再度ホログラム感光材料２２ａ1に照射される。
第１の工程でホログラム感光材料２２ａ1に照射される光と、第２の工程でホログラム感光材料２２ａ1に照射される光との２光束干渉により、ホログラム感光材料２２ａ1に干渉縞が記録され、ＨＯＥ２２ａが作製される。
続いて、第２の工程でホログラム感光材料２２ａ1を透過した光をホログラム感光材料２２ｂ1に照射する（第３の工程）。つまり、この工程では、第２の工程でホログラム感光材料２２ａ1を露光した光が、そのホログラム感光材料２２ａ1を透過して、基板６１を透過し、これと異なる位置に配置された基板６２に入射し、その表面に保持されているホログラム感光材料２２ｂ1に入射する。
その後、第３の工程でホログラム感光材料２２ｂ1を透過した光を波面変換光学素子３５によってさらに異なる波面に変換して再度ホログラム感光材料２２ｂ1に照射する（第４の工程）。つまり、この工程では、第３の工程でホログラム感光材料２２ｂ1を透過した光が、波面変換光学素子３５の反射面５１・５２で順に反射され、所定の波面を有する光に変換されて再度ホログラム感光材料２２ｂ1に照射される。
第３の工程でホログラム感光材料２２ｂ1に照射される光と、第４の工程でホログラム感光材料２２ｂ1に照射される光との２光束干渉により、ホログラム感光材料２２ｂ1に干渉縞が記録され、ＨＯＥ２２ｂが作製される。
以上のように、本発明の製造方法は、複数のＨＯＥ２２が同一基板上の異なる位置に保持された光学素子１４のみならず、複数のＨＯＥ２２ａ・２２ｂが異なる基板６１・６２上にそれぞれ保持された光学素子１４’の製造にも適用することができる。したがって、光学素子１４’の製造においても、上述した本発明と同様の効果を得ることができる。
なお、以上では、複数のＨＯＥ２２が反射型で構成された光学素子１４・１４’の製造方法について説明したが、１本の光路で複数のホログラム感光材料を２回ずつ露光する本発明の製造方法によれば、複数のＨＯＥ２２が透過型で構成された光学素子の製造にも、勿論適用することができる。この場合は、例えば、第１の工程にてホログラム感光材料２２ａ1を透過した光が、第２の工程にて第１の工程と同じ側からホログラム感光材料２２ａ1を露光できるように、波面変換光学素子３４の各反射面を適切に配置すればよい。波面変換光学素子３５についても同様である。
〔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、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７は、本実施形態の光学素子８１の概略の構成を示す断面図である。本実施形態の光学素子８１は、ＨＭＤに適用できることは勿論のこと、それ単体でも潜望鏡として利用できるものであり、平行平板からなる導光部材８２と、実施の形態１と同様の複数のＨＯＥ２２（ＨＯＥ２２ａ・２２ｂ）とで構成されている。導光部材８２は、互いに対向する平行な面８２ａ・８２ｂを有している。なお、面８２ａは、外部からの映像光が入射する側の面とする。ＨＯＥ２２ａは、導光部材８２の面８２ｂに保持されており、ＨＯＥ２２ｂは、導光部材８２の面８２ａに保持されている。
このような光学素子８１の構成では、導光部材８２の面８２ａ側から入射した映像光は、対向する面８２ｂに保持されたＨＯＥ２２ａにて回折反射され、偏向される。ＨＯＥ２２ａでの回折角度は、導光部材８２内で導光される光が全反射するように臨界角以上の角度に設定されており、ＨＯＥ２２ａで回折反射された光は、導光部材８２の面８２ａ・８２ｂで全反射されながら、面８２ａに保持されたＨＯＥ２２ｂまで導光される。ＨＯＥ２２ｂに到達した光は、映像光が面８２ａに入射したときの角度と同じ角度で面８２ｂから射出されるように、ＨＯＥ２２ｂにて回折反射される。したがって、観察者は、ＨＯＥ２２ａに向かって面８２ａから入射した光の情報（映像）を、ＨＯＥ２２ａとは異なる位置のＨＯＥ２２ｂの正面で観察することができる。
なお、ＨＯＥ２２ｂにて最終的に回折されなかった光は、ＨＯＥ２２ａからＨＯＥ２２ｂへの導光方向における導光部材８２の端面８２ｃに到達する。この端面８２ｃに到達した光が不要光として外部に射出されると、端面８２ｃが光ることになり、光学素子８１の外観が損なわれる。そこで、導光部材８２の端面８２ｃには遮光部材を設けるか、端面８２ｃを墨塗りし、端面８２ｃを光吸収面とすることが望ましい。これにより、端面８２ｃを介して導光部材８２内部の光が外部に射出されるのを防止することができ、上述の不都合を回避することができる。このように端面８２ｃを光吸収面とする構成は、以下に示す光学素子８１の製造時にも適用でき、また、後述する実施の形態３にも適用することができる。
図８は、光学素子８１を製造する製造光学系の概略の構成を示す断面図である。この製造光学系は、光源９１と、波面変換光学素子９２・９３と、不要光取出素子９４とを有している。
光源９１は、図１の光源３１とビームスプリッタ３２・３３とをまとめたものに対応しており、ＲＧＢの各光を１本の光路で射出する。波面変換光学素子９２・９３は、本実施形態では、反射型の回折光学素子（以下、ＤＯＥと略称する）で構成されており、入射光の波面を変換して射出する。なお、ＤＯＥは、ブレーズ型であってもよいし、ＨＯＥであってもよい。波面変換光学素子９２は、そこで回折反射された光をホログラム感光材料２２ａ1に対して臨界角以上の角度で入射させるために、空気層ができないようにホログラム感光材料２２ａ1と密着して配置されるか、屈折率マッチング液を介して配置される。
不要光取出素子９４は、光源９１から射出される光と偏光方向が垂直な光を導光部材８２の外部に射出させる素子であり、例えば、反射型偏光板９５と、プリズム９６とで構成されている。反射型偏光板９５は、光源９１から射出される光と同じ偏光方向の光（例えばＳ偏光）を反射させる一方、上記光と偏光方向が垂直な光（例えばＰ偏光）を透過させる。プリズム９６は、導光部材８２と同等の屈折率を有するものであり、反射型偏光板９５を透過した光（例えばＰ偏光）を外部に射出する。不要光取出素子９４は、ホログラム感光材料２２ｂ1への入射光がその入射直前に導光部材８２で全反射される位置に配置されている。
このような製造光学系を用いての光学素子８１の製造は、以下のように行われる。まず、光源９１から射出される所定の波面を有する光（例えば平行光）をホログラム感光材料２２ａ1に照射する（第１の工程）。つまり、この工程では、光源９１から出射されるＲＧＢの光が、１本の光路で導光部材８２に入射し、そこを透過してその表面に保持されているホログラム感光材料２２ａ1に照射される。
次に、第１の工程でホログラム感光材料２２ａ1を透過した光を波面変換光学素子９２によってさらに異なる波面に変換して再度ホログラム感光材料２２ａ1に照射する（第２の工程）。つまり、この工程では、第１の工程でホログラム感光材料２２ａ1を透過した光が、波面変換光学素子９２にて回折反射されて（所定の波面を有する光に変換されて）、再度ホログラム感光材料２２ａ1に照射される。
第１の工程でホログラム感光材料２２ａ1に照射される光と、第２の工程でホログラム感光材料２２ａ1に照射される光との２光束干渉により、ホログラム感光材料２２ａ1に干渉縞が記録され、ＨＯＥ２２ａが作製される。
続いて、第２の工程でホログラム感光材料２２ａ1を透過した光をホログラム感光材料２２ｂ1に照射する（第３の工程）。つまり、この工程では、第２の工程でホログラム感光材料２２ａ1を露光した光が、そのホログラム感光材料２２ａ1を透過して、導光部材８２の互いに平行な面８２ａ・８２ｂで全反射を繰り返されながら、面８２ａに保持されたホログラム感光材料２２ｂ1まで導光されてホログラム感光材料２２ｂ1に照射される。
このとき、ホログラム感光材料２２ｂ1への入射光がその入射直前に導光部材８２で全反射される位置に不要光取出素子９４が配置されているため、光源９１から射出される光と同じ偏光方向の光（例えばＳ偏光）は反射型偏光板９５にて反射されてホログラム感光材料２２ｂ1に照射される。一方、上記光と偏光方向が垂直な光（例えばＰ偏光）は、反射型偏光板９５を透過し、プリズム９６を介して外部に射出される。
その後、第３の工程でホログラム感光材料２２ｂ1を透過した光を波面変換光学素子９３によってさらに異なる波面に変換して再度ホログラム感光材料２２ｂ1に照射する（第４の工程）。つまり、この工程では、第３の工程でホログラム感光材料２２ｂ1を透過した光が、波面変換光学素子９３にて回折反射されて（所定の波面を有する光に変換されて）、再度ホログラム感光材料２２ｂ1に照射される。
第３の工程でホログラム感光材料２２ｂ1に照射される光と、第４の工程でホログラム感光材料２２ｂ1に照射される光との２光束干渉により、ホログラム感光材料２２ｂ1に干渉縞が記録され、ＨＯＥ２２ｂが作製される。第４の工程でホログラム感光材料２２ｂ1を露光した光は、導光部材８２の面８２ｂから外部に射出され、ゴースト光とならないように適正に処理される。
以上のように、本実施形態においても、光源９１から出射される光を１本の光路でホログラム感光材料２２ａ1・２２ｂ1に２回ずつ導いてこれらを露光し、ＨＯＥ２２ａ・２２ｂをそれぞれ作製するので、各ホログラム感光材料２２ａ1・２２ｂ1への光束の入射精度を、１光束について考えるだけで済む。その結果、ＨＯＥ２２ａに対するＨＯＥ２２ｂの位置精度を容易に高めることができるなど、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
また、本実施形態では、光源９１から射出される光と偏光方向が垂直な光（例えばＰ偏光）を、不要光取出素子９４を介して導光部材８２の外部に射出させているので、導光部材８２での複屈折によりＰ偏光が多少発生しても、Ｓ偏光のみをホログラム感光材料２２ｂ1に入射させることができる。つまり、干渉に不要なＰ偏光を予め取り除いた状態でホログラム感光材料２２ｂ1を露光することができる。これにより、Ｓ偏光同士を確実に干渉させてＨＯＥ２２ｂを作製することが可能となり、干渉縞のコントラストの低下を確実に抑えて、ＨＯＥ２２ｂの回折効率の低下を確実に抑えることができる。
また、本実施形態では、波面変換光学素子９２・９３は、それぞれ１個のＤＯＥで構成されているので、実施の形態１のように波面変換光学素子を２部材以上（２つの反射面、さらには基板と同等の屈折率の媒質）で構成した場合に比べて、製造時の環境変化などに起因する個々の波面変換光学素子９２・９３の精度ばらつきを抑えることができる。その結果、複数のＨＯＥ２２を有する光学素子８１を安定して製造することができる。特に、波面変換光学素子９２・９３にて複雑な波面変換を行う場合ほど、この効果は大きい。
なお、本実施形態においても、ホログラム感光材料２２ａ1・２２ｂ1の露光順序を逆にすることは可能である。つまり、図８に示した経路とは逆の経路で光が進行するように、ホログラム感光材料２２ｂ1・２２ａ1の順序でこれらを露光するようにしても構わない。この場合、上記の不要光取出素子９４は、ホログラム感光材料２２ａ1への入射光がその入射直前に導光部材８２で全反射される位置に配置されればよい。
〔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、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。
（１．光学素子の構成について）
図９は、本実施形態の光学素子１０１の概略の構成を示す断面図である。この光学素子１０１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り、ＨＭＤに適用可能で、実施の形態２と同様に、導光部材８２の表面上の異なる位置にＨＯＥ２２ａ・２２ｂを保持して構成されている。すなわち、導光部材８２の面８２ｂにＨＯＥ２２ａが保持されており、面８２ａにＨＯＥ２２ｂが保持されている。ただし、本実施形態の光学素子１０１は、ＨＯＥ２２ｂがＨＯＥ２２ａよりも導光方向（面８２ａ・８２ｂに平行な方向）に長く形成されている点で、実施の形態２の光学素子８１とは異なっている。
ＨＯＥ２２ａは、外部からの導光部材８２への入射光を導光部材８２内で全反射するように回折する。一方、ＨＯＥ２２ｂは、導光部材８２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８２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。ＨＯＥ２２ｂは、少なくとも上記導光方向において、ＨＯＥ２２ａよりも大きな幅で形成されているので、導光部材８２内を導光されてＨＯＥ２２ｂに入射する光には、ＨＯＥ２２ａにて回折されて導光部材８２内を進行し、ＨＯＥ２２ｂに最初に入射する光だけでなく、ＨＯＥ２２ｂにて一度全反射されて導光部材８２内を進行し、面８２ｂにて全反射されて再度ＨＯＥ２２ｂに入射する光も含まれる。
上記の構成によれば、導光部材８２の面８２ａ側から入射した映像光は、対向する面８２ｂに保持されたＨＯＥ２２ａにて回折反射され、導光部材８２の内部を面８２ａ・８２ｂで全反射しながら導光され、ＨＯＥ２２ｂに向かう。ＨＯＥ２２ｂに最初に入射した光の一部は、ＨＯＥ２２ｂのその入射位置の回折効率に応じて回折され、外部に射出される一方、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８２内で導光される。
ＨＯＥ２２ｂで全反射された上記光は、導光部材８２の対向する面８２ｂで全反射され、再度ＨＯＥ２２ｂに入射する。ＨＯＥ２２ｂ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、外部に射出される一方、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８２内で導光される。以降、ＨＯＥ２２ｂ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ＨＯＥ２２ｂの複数位置から外部に射出される光は、外部光がＨＯＥ２２ａ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）ＨＯＥ２２ｂから射出される。ここで、ｍを２以上の自然数としたとき、ＨＯＥ２２ｂでの回折および全反射がｍ回起こるとすると、ＨＯＥ２２ａに入射した光がＨＯＥ２２ｂからｍ本射出されることになる。つまり、ＨＯＥ２２ｂ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、ＨＯＥ２２ｂ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８２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、ＨＯＥ２２ａに入射した光は、ＨＯＥ２２ｂの面積に対応した光束径に拡大されてＨＯＥ２２ｂから射出される。
（２．光学素子の製造方法について）
次に、光学素子１０１の製造方法について説明する。図１０は、光学素子１０１を製造する製造光学系の概略の構成を示す断面図である。この製造光学系は、光源９１と、波面変換光学素子１１１・１１２・１１３とを有している。光源９１は、実施の形態２で用いたものと同様である。
波面変換光学素子１１１は、２つの反射面１２１・１２２が光学プリズム１２３上に貼り付けられて構成されている。光学プリズム１２３は、導光部材８２と同等の屈折率を有する媒質であり、ホログラム感光材料２２ａ1と例えば密着して配置される。
波面変換光学素子１１２・１１３は、例えばＤＯＥで構成されているが、ＨＯＥで構成されていても構わない。波面変換光学素子１１２は、ホログラム感光材料２２ｂ1と密着して配置されており、波面変換光学素子１１３は、導光部材８２の面８２ｂ上に配置されている。したがって、波面変換光学素子１１２・１１３は、ホログラム感光材料２２ｂ1に対して互いに反対側に位置する関係となっている。
このような製造光学系を用いての光学素子１０１の製造は、以下のように行われる。なお、ここでは、先に露光されるホログラム感光材料２２ａ1が第１のホログラム感光材料に対応しており、ＨＯＥ２２ａが第１のＨＯＥに対応している。また、後に露光されるホログラム感光材料２２ｂ1が第２のホログラム感光材料に対応しており、ＨＯＥ２２ｂが第２のＨＯＥに対応している。また、波面変換光学素子１１１・１１２・１１３は、それぞれ順に第１、第２、第３の波面変換光学素子に対応している。
まず、光源９１から射出される所定の波面を有する光（例えば平行光）をホログラム感光材料２２ａ1に照射する（第１の工程）。つまり、この工程では、光源９１から出射されるＲＧＢの光が、１本の光路で導光部材８２に入射し、そこを透過してその表面に保持されているホログラム感光材料２２ａ1に照射される。
次に、第１の工程でホログラム感光材料２２ａ1を透過した光を波面変換光学素子１１１によってさらに異なる波面に変換して再度ホログラム感光材料２２ａ1に照射する（第２の工程）。つまり、この工程では、第１の工程でホログラム感光材料２２ａ1を透過し、波面変換光学素子１１１の光学プリズム１２３に入射した光が、光学プリズム１２３に保持された２つの反射面１２１・１２２で順に反射され、所定の波面を有する光に変換されて、再度ホログラム感光材料２２ａ1に照射される。
第１の工程でホログラム感光材料２２ａ1に照射される光と、第２の工程でホログラム感光材料２２ａ1に照射される光との２光束干渉により、ホログラム感光材料２２ａ1に干渉縞が記録され、ＨＯＥ２２ａが作製される。
続いて、第２の工程でホログラム感光材料２２ａ1を透過した光をホログラム感光材料２２ｂ1に照射する（第３の工程）。つまり、この工程では、第２の工程でホログラム感光材料２２ａ1を露光した光が、そのホログラム感光材料２２ａ1を透過して、導光部材８２の互いに平行な面８２ａ・８２ｂで全反射を繰り返されながら、面８２ａに保持されたホログラム感光材料２２ｂ1まで導光されてホログラム感光材料２２ｂ1に照射される。
その後、第３の工程でホログラム感光材料２２ｂ1を透過した光を波面変換光学素子１１２によってさらに異なる波面に変換して再度ホログラム感光材料２２ｂ1に照射する（第４の工程）。つまり、この工程では、第３の工程でホログラム感光材料２２ｂ1を透過した光が、波面変換光学素子１１２にて回折反射されて（所定の波面を有する光に変換されて）、再度ホログラム感光材料２２ｂ1に照射される。第３の工程でホログラム感光材料２２ｂ1に照射される光と、第４の工程でホログラム感光材料２２ｂ1に照射される光との２光束干渉により、ホログラム感光材料２２ｂ1に干渉縞が記録される。
次に、第４の工程でホログラム感光材料２２ｂ1を透過した光の波面を、波面変換光学素子１１３・１１２によって交互に変換しながら、ホログラム感光材料２２ｂ1を露光する（第５の工程）。つまり、この工程では、第４の工程でホログラム感光材料２２ｂ1を透過した光の波面が、波面変換光学素子１１３によって、導光部材８２の面８２ｂから波面変換光学素子１１２に最初に入射する光の波面と等価な波面に変換されてホログラム感光材料２２ｂ1に入射する。
その後、ホログラム感光材料２２ｂ1を透過した光の波面が、波面変換光学素子１１２によって、最初に波面変換光学素子１１２から波面変換光学素子１１３に向かう光と等価な波面に変換されて、ホログラム感光材料２２ｂ1に入射する。これにより、ホログラム感光材料２２ｂ1で最初の干渉縞が記録された位置とはずれた位置に、同様の干渉縞が記録される。
以降は、この繰り返しであり、最後は、波面変換光学素子１１２にて波面変換された光が、ホログラム感光材料２２ｂ1を透過して導光部材８２の面８２ｂから外部に射出される。このような第３から第５の工程により、外部からの入射光束よりも大きな面積を有するホログラム感光材料２２ｂ1を露光することができ、ＨＯＥ２２ｂを作製することができる。
以上のように、本実施形態においても、光源９１から出射される光を１本の光路でホログラム感光材料２２ａ1・２２ｂ1に導いてこれらを露光し、ＨＯＥ２２ａ・２２ｂをそれぞれ作製するので、各ホログラム感光材料２２ａ1・２２ｂ1への光束の入射精度を、１光束について考えるだけで済む。その結果、ＨＯＥ２２ａに対するＨＯＥ２２ｂの位置精度を容易に高めることができるなど、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
また、上記した第５の工程では、第４の工程でホログラム感光材料２２ｂ1を透過した光の波面を、ホログラム感光材料２２ｂ1に対して互いに反対側に配置される波面変換光学素子１１３・１１２によって交互に変換しながら、ホログラム感光材料２２ｂ1を露光しているので、そのような波面変換を繰り返す回数に応じた、大面積のＨＯＥ２２ｂを作製することができる。これにより、作製された光学素子１０１の再生時には（再生光をＨＯＥ２２ａに照射したときには）、入射光の光束径を拡大した状態でＨＯＥ２２ｂから光を射出させることができ、光束径拡大光学素子を確実に実現することができる。
（３．光学素子の他の製造方法について）
ところで、以上では、ホログラム感光材料２２ａ1・２２ｂ1の露光をこの順で行った例について説明したが、露光順序は逆であってもよい。例えば図１１は、光学素子１０１を製造する製造光学系の他の構成を示す断面図である。この製造光学系は、図１０とは逆の経路で光が進行するように光源９１を配置した以外は、図１０と全く同様の構成である。
このような製造光学系を用いての光学素子１０１の製造は、以下のように行われる。なお、ここでは、先に露光されるホログラム感光材料２２ｂ1が第１のホログラム感光材料に対応しており、ＨＯＥ２２ｂが第１のＨＯＥに対応している。また、後に露光されるホログラム感光材料２２ａ1が第２のホログラム感光材料に対応しており、ＨＯＥ２２ａが第２のＨＯＥに対応している。また、波面変換光学素子１１２・１１３・１１１はそれぞれ順に第１、第２、第３の波面変換光学素子に対応している。
まず、光源９１から射出される所定の波面を有する光をホログラム感光材料２２ｂ1に照射する（第１の工程）。つまり、この工程では、光源９１から出射されるＲＧＢの光が、１本の光路で導光部材８２に面８２ｂ側から入射し、そこを透過して面８２ａに保持されているホログラム感光材料２２ｂ1に照射される。
次に、第１の工程でホログラム感光材料２２ｂ1を透過した光の波面を、ホログラム感光材料２２ｂ1に対して互いに反対側に配置される波面変換光学素子１１２および波面変換光学素子１１３によって交互に変換しながら、ホログラム感光材料２２ｂ1を露光する（第２の工程）。つまり、この工程では、第１の工程でホログラム感光材料２２ｂ1を透過した光の波面が、波面変換光学素子１１２によって異なる波面に変換されてホログラム感光材料２２ｂ1に入射する。
その後、ホログラム感光材料２２ｂ1を透過した光の波面が、波面変換光学素子１１３によって、最初に外部からホログラム感光材料２２ｂ1に入射した光の波面と等価な波面に変換されて、ホログラム感光材料２２ｂ1に入射する。以降は、この繰り返しであり、最終的には、波面変換光学素子１１２にて波面変換された光が、波面変換光学素子１１３の配置されていない導光部材８２の面８２ｂに向かう。第１および第２の工程により、ホログラム感光材料２２ｂ1が露光され、ＨＯＥ２２ｂが作製される。
続いて、第２の工程でホログラム感光材料２２ｂ1を介して得られる光をホログラム感光材料２２ａ1に照射する（第３の工程）。つまり、この工程では、第２の工程で波面変換光学素子１１２にて波面変換された光が、波面変換光学素子１１３の配置されていない導光部材８２の面８２ｂで全反射され、面８２ａ・８２ｂで全反射を繰り返しながら導光部材８２内を導光されてホログラム感光材料２２ａ1に照射される。
そして、第３の工程でホログラム感光材料２２ａ1を透過した光を波面変換光学素子１１１によってさらに異なる波面に変換して再度ホログラム感光材料２２ａ1に照射する（第４の工程）。つまり、この工程では、第３の工程でホログラム感光材料２２ａ1を透過し、波面変換光学素子１１１の光学プリズム１２３に入射した光が、光学プリズム１２３に保持された２つの反射面１２２・１２１で順に反射され、所定の波面を有する光に変換されて、再度ホログラム感光材料２２ａ1に照射される。
その結果、第３の工程でホログラム感光材料２２ａ1に照射される光と、第４の工程でホログラム感光材料２２ａ1に照射される光との２光束干渉により、ホログラム感光材料２２ａ1に干渉縞が記録され、ＨＯＥ２２ａが作製される。
以上、図１１に示すような露光順序で光学素子１０１を製造する場合でも、光源９１から出射される光を１本の光路でホログラム感光材料２２ｂ1・２２ａ1に照射してＨＯＥ２２ｂ・２２ａをそれぞれ作製することができる。したがって、ＨＯＥ２２ａに対するＨＯＥ２２ｂの位置精度を容易に高めることができるなど、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
また、図１１の光学素子１０１の製造方法によれば、導光部材８２に対してホログラム感光材料２２ｂ1とは反対側に位置する波面変換光学素子１１３の回折効率を、ホログラム感光材料２２ａ1から遠ざかるにしたがって大きくなるように設定することにより、露光に用いる光の利用効率の低下を回避しながら、ＨＯＥ２２ｂの回折効率をコントロールすることができる。以下、この点について説明する。
図１２は、ホログラム感光材料２２ｂ1を露光する光源９１からの光Ｌ１が波面変換光学素子１１２・１１３にて回折されて進行する経路を模式的に示す説明図である。ここで、波面変換光学素子１１２の回折効率は、ほぼ１００％に設定されている。これは、波面変換光学素子１１２の回折効率を下げて、光源９１から波面変換光学素子１１２に垂直に入射した光を０次光としてそのまま導光部材８２の外部へ射出させると、その後の露光に使うエネルギーが低下するからである。
上記のように波面変換光学素子１１２の回折効率をほぼ１００％に設定し、それに加えて、波面変換光学素子１１３の回折効率を、ホログラム感光材料２２ａ1から遠ざかるにしたがって大きくなるように設定した場合、光源９１からの光Ｌ１が波面変換光学素子１１２を介して波面変換光学素子１１３に入射すると、波面変換光学素子１１３では、入射位置の回折効率に応じて所定の角度に回折される光Ｌ２（同図の破線で示す光）と、０次光すなわち全反射する光Ｌ３（同図の１点鎖線の光）との２種類の光が発生する。
これら２種類の光Ｌ２・Ｌ３により、ホログラム感光材料２２ｂ1には、入射光を所定の角度で回折する回折縞（破線の２光束干渉によって記録される干渉縞）と、入射光を全反射させる回折縞（１点鎖線の２光束干渉によって記録される干渉縞）との２種類の回折縞が記録されるが、ホログラム感光材料２２ｂ1を露光した後は、これらの光Ｌ２・Ｌ３は、全て全反射する角度で導光する光となり、再度波面変換光学素子１１３側へ向かうことになる。したがって、ホログラム感光材料２２ｂ1を透過する際の透過率の低下による光量ロスを考慮したとしても、露光光全体の光量ロスはほとんど生じない。
また、波面変換光学素子１１３の回折効率を、ホログラム感光材料２２ａ1から遠ざかるにしたがって大きくなるように設定していることによって、同図の破線の経路で進行する光Ｌ２の光量は、ホログラム感光材料２２ａ1に近づくにつれて次第に低下するので、破線の経路で進行する光の２光束干渉によって記録された干渉縞についてのＨＯＥ２２ｂの回折効率は、ホログラム感光材料２２ａ1に近づくにつれて減少するように設定される（ＨＯＥ２２ａから遠ざかるにしたがって増大するように設定される）。
したがって、波面変換光学素子１１３の回折効率をホログラム感光材料２２ａ1から遠ざかるにしたがって大きくなるように設定することにより、露光に用いる光の利用効率の低下を回避しながら、ＨＯＥ２２ｂの回折効率をコントロールすることができる。
また、上記のようにＨＯＥ２２ｂの回折効率がＨＯＥ２２ａから遠ざかるにしたがって増大するように設定されることにより、光学素子１０１の再生時に（ＨＯＥ２２ａに外部光を入射させたときに）、ＨＯＥ２２ｂの各射出位置（回折と全反射とが両方行われる位置）から外部に射出される光の強度分布を、ＨＯＥ２２ａからＨＯＥ２２ｂに向かう光路の方向において均一にすることができ、ＨＯＥ２２ｂから外部に射出される光の強度を場所によらず一定にすることができる。
なお、以上の各実施の形態で説明した製造光学系の構成を適宜組み合わせて光学素子を製造することも勿論可能である。例えば、実施の形態１で用いた波面変換光学素子３４・３５の一方と、実施の形態２で用いた波面変換光学素子９２・９３の一方とを組み合わせて光学素子を製造することも勿論可能である。また、実施の形態１・３において、基板内での全反射により光を導光する構成においては、実施の形態２で用いた不要光取出素子９４を適用して光学素子を製造することも勿論可能である。
本発明は、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される光学素子およびその製造に好適である。
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の映像表示装置に適用される光学素子を製造する製造光学系の概略の構成を示す断面図である。 上記ヘッドマウントディスプレイの概略の構成を示す斜視図である。 上記映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。 上記光学素子を製造する製造光学系の他の構成を示す断面図である。 他の光学素子の概略の構成を示す断面図である。 上記光学素子を製造する製造光学系の概略の構成を示す断面図である。 本発明の他の実施の形態に係る光学素子の概略の構成を示す断面図である。 上記光学素子を製造する製造光学系の概略の構成を示す断面図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係る光学素子の概略の構成を示す断面図である。 上記光学素子を製造する製造光学系の概略の構成を示す断面図である。 上記光学素子を製造する製造光学系の他の構成を示す断面図である。 ホログラム感光材料を露光する光源からの光が２種の波面変換光学素子にて回折されて進行する経路を模式的に示す説明図である。 従来の露光方法によって複数のホログラム感光材料を露光する様子を模式的に示す説明図である。
符号の説明
１ 映像表示装置
２ 支持手段
１１ 光源
１３ 映像表示素子
１４ 光学素子（接眼光学系）
２１ 導光部材（基板）
２１ａ 面
２１ｂ 面
２２ ＨＯＥ
２２ａ ＨＯＥ
２２ａ1 ホログラム感光材料
２２ｂ ＨＯＥ
２２ｂ1 ホログラム感光材料
３１ 光源
３１Ｒ レーザー光源
３１Ｇ レーザー光源
３１Ｂ レーザー光源
３４ 波面変換光学素子
３５ 波面変換光学素子
３８ 光源
４１ 反射面
４２ 反射面
４３ 光学プリズム
５１ 反射面
５２ 反射面
６１ 基板
６２ 基板
８１ 光学素子
８２ 導光部材（基板）
８２ａ 面
８２ｂ 面
９１ 光源
９２ 波面変換光学素子
９３ 波面変換光学素子
９４ 不要光取出素子
１０１ 光学素子
１１１ 波面変換光学素子
１１２ 波面変換光学素子
１１３ 波面変換光学素子
１２１ 反射面
１２２ 反射面
１２３ 光学プリズム

Claims (17)

  1. 同一基板上の異なる位置または異なる基板上に保持された各ホログラム感光材料を露光することにより、複数の体積位相型のホログラフィック回折光学素子を有する光学素子を製造する光学素子の製造方法であって、
    光源から射出される所定の波面を有する光を第１のホログラム感光材料に照射する第１の工程と、
    上記第１の工程で上記第１のホログラム感光材料を透過した光を第１の波面変換光学素子によってさらに異なる波面に変換して再度上記第１のホログラム感光材料に照射する第２の工程と、
    上記第２の工程で上記第１のホログラム感光材料を透過した光を第２のホログラム感光材料に照射する第３の工程と、
    上記第３の工程で上記第２のホログラム感光材料を透過した光を第２の波面変換光学素子によってさらに異なる波面に変換して再度上記第２のホログラム感光材料に照射する第４の工程とを有していることを特徴とする光学素子の製造方法。
  2. 上記第４の工程で上記第２のホログラム感光材料を透過した光の波面を、上記第２のホログラム感光材料に対して互いに反対側に配置される第３の波面変換光学素子および上記第２の波面変換光学素子によって交互に変換しながら、上記第２のホログラム感光材料を露光する第５の工程をさらに有していることを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
  3. 上記第１のホログラム感光材料および上記第２のホログラム感光材料は、同一基板上に保持されており、
    上記第３の工程では、上記第２の工程で上記第１のホログラム感光材料を透過した光を、上記基板内での全反射により導光し、上記第２のホログラム感光材料に照射することを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子の製造方法。
  4. 上記光源から射出される光の偏光方向は、上記基板内における全反射前の光線とそれと同一光路上の全反射後の光線とを含む平面に対して垂直方向であることを特徴とする請求項３に記載の光学素子の製造方法。
  5. 上記第３の工程で、上記第２のホログラム感光材料に到達した光の上記平面に対して垂直な偏光方向の光強度は、それと直交する偏光方向の光強度よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の光学素子の製造方法。
  6. 上記第３の工程では、上記第２のホログラム感光材料への入射光がその入射直前に上記基板で全反射される位置に不要光取出素子を配置し、上記光源から射出される光と偏光方向が垂直な光を、上記不要光取出素子を介して上記基板の外部に射出させることを特徴とする請求項４または５に記載の光学素子の製造方法。
  7. 複数の波面変換光学素子の少なくとも１つは、２つの反射面を含んでい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素子の製造方法。
  8. 上記２つの反射面を含む波面変換光学素子であって、上記基板の対向する２平面のいずれかに保持されているホログラム感光材料に対応する波面変換光学素子は、上記基板とほぼ同じ屈折率の媒質を有していることを特徴とする請求項７に記載の光学素子の製造方法。
  9. 複数の波面変換光学素子の少なくとも１つは、回折光学素子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素子の製造方法。
  10. 上記光源は、異なる波長の光を発振する複数のレーザー光源で構成されており、
    上記第１のホログラム感光材料および上記第２のホログラム感光材料は、上記各レーザー光源からの出射光の各波長に対応した感光性を有しており、
    上記第１の工程では、上記各レーザー光源から同時にまたは順次に出射される光を１つの光路に合成した後、上記第１のホログラム感光材料に照射す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素子の製造方法。
  11. 同一基板上の異なる位置または異なる基板上に保持された各ホログラム感光材料を露光することにより、複数の体積位相型のホログラフィック回折光学素子を有する光学素子を製造する光学素子の製造方法であって、
    光源から射出される所定の波面を有する光を第１のホログラム感光材料に照射する第１の工程と、
    上記第１の工程で上記第１のホログラム感光材料を透過した光の波面を、上記第１のホログラム感光材料に対して互いに反対側に配置される第１の波面変換光学素子および第２の波面変換光学素子によって交互に変換しながら、上記第１のホログラム感光材料を露光する第２の工程と、
    上記第２の工程で上記第１のホログラム感光材料を介して得られる光を第２のホログラム感光材料に照射する第３の工程と、
    上記第３の工程で上記第２のホログラム感光材料を透過した光を第３の波面変換光学素子によってさらに異なる波面に変換して再度上記第２のホログラム感光材料に照射する第４の工程とを有していることを特徴とする光学素子の製造方法。
  12. 上記第１の波面変換光学素子および上記第２の波面変換光学素子のうち、上記基板に対して上記第１のホログラム感光材料とは反対側に位置する波面変換光学素子は、回折光学素子であり、
    上記回折光学素子の回折効率は、上記第２のホログラム感光材料から遠ざかるにしたがって大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項１１に記載の光学素子の製造方法。
  13. 同一基板上の異なる位置または異なる基板上に保持された各ホログラム感光材料を露光することにより、複数の体積位相型のホログラフィック回折光学素子を作製した光学素子であって、
    上記ホログラフィック回折光学素子は、第１のホログラフィック回折光学素子と第２のホログラフィック回折光学素子とを含み、
    上記第１のホログラフィック回折光学素子は、
    所定の波面を有する光を第１のホログラム感光材料に照射し、上記第１のホログラム感光材料を透過した光を第１の波面変換光学素子によってさらに異なる波面に変換して再度上記第１のホログラム感光材料に照射したときの２光束干渉によって作製されており、
    上記第２のホログラフィック回折光学素子は、
    上記第１の波面変換光学素子にて波面を変換された後に上記第１のホログラム感光材料を透過した光を第２のホログラム感光材料に照射し、上記第２のホログラム感光材料を透過した光を第２の波面変換光学素子によってさらに異なる波面に変換して再度上記第２のホログラム感光材料に照射したときの２光束干渉によって作製されていることを特徴とする光学素子。
  14. 同一基板上の異なる位置または異なる基板上に保持された各ホログラム感光材料を露光することにより、複数の体積位相型のホログラフィック回折光学素子を作製した光学素子であって、
    上記ホログラフィック回折光学素子は、第１のホログラフィック回折光学素子と第２のホログラフィック回折光学素子とを含み、
    上記第１のホログラフィック回折光学素子は、
    所定の波面を有する光を第１のホログラム感光材料に照射し、上記第１のホログラム感光材料を透過した光を第１の波面変換光学素子によってさらに異なる波面に変換して再度上記第１のホログラム感光材料に照射したときの２光束干渉によって作製されており、
    上記第２のホログラフィック回折光学素子は、
    上記第１の波面変換光学素子にて波面を変換された後に上記第１のホログラム感光材料を透過した光の波面を、上記第２のホログラム感光材料に対して互いに反対側に配置される第２の波面変換光学素子および第３の波面変換光学素子によって交互に変換しながら、上記第２のホログラム感光材料を露光することによって作製されていることを特徴とする光学素子。
  15. 同一基板上の異なる位置または異なる基板上に保持された各ホログラム感光材料を露光することにより、複数の体積位相型のホログラフィック回折光学素子を作製した光学素子であって、
    上記ホログラフィック回折光学素子は、第１のホログラフィック回折光学素子と第２のホログラフィック回折光学素子とを含み、
    上記第１のホログラフィック回折光学素子は、
    所定の波面を有する光を第１のホログラム感光材料に照射し、上記第１のホログラム感光材料を透過した光の波面を、第１のホログラム感光材料に対して互いに反対側に配置される第１の波面変換光学素子および第２の波面変換光学素子によって交互に変換しながら、上記第１のホログラム感光材料を露光することによって作製されており、
    上記第２のホログラフィック回折光学素子は、
    上記第１のホログラム感光材料を介して得られる光を第２のホログラム感光材料に照射し、上記第２のホログラム感光材料を透過した光を第３の波面変換光学素子によってさらに異なる波面に変換して再度上記第２のホログラム感光材料に照射したときの２光束干渉によって作製されていることを特徴とする光学素子。
  16. 光を出射する光源と、
    上記光源からの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観察者の瞳に導くための接眼光学系とを有し、
    上記接眼光学系は、請求項１３から１５のいずれかに記載の光学素子で構成されていることを特徴とする映像表示装置。
  17. 請求項１６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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