JP2017161570A - ホログラフィック光学素子の製造方法および映像表示装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学パワーを持つＨＯＥの使用時の波長と作製時の波長とが一致していない場合でも、使用時の波長を、ＨＯＥの入射位置に関係なく一律にシフトさせて、使用時の観察画角内での色ムラを低減する。
【解決手段】作製時の二光束のうちで基準位置Ｏ側から感光材料に発散状態で入射する一方の光束に含まれる各光線の、感光材料に入射する直前の光路を、感光材料側から逆トレースして直線状に延長したときに、ＨＯＥの作製工程では、延長した各光路が基準位置Ｏからずれた位置で交差することによって複数の交点が生じ、かつ、複数の交点の位置が二光束の感光材料に対する入射角度の変化によって互いにずれるように、使用波長が回折ピーク波長からずれる色についての上記一方の光束が発散して感光材料に入射する。
【選択図】図１２

Description

本発明は、感光材料を二光束で露光してホログラフィック光学素子を作製する、ホログラフィック光学素子の製造方法と、その製造方法を用いた映像表示装置の製造方法とに関するものである。なお、以下では、ホログラフィック光学素子のことを、ＨＯＥ（Holographic Optical Element）とも称する。

従来から、ＨＯＥを用いて観察者に映像を観察させる映像表示装置が提案されている。この映像表示装置は、光源からの光を表示素子（例えば液晶表示素子）にて変調し、表示素子から出射される光（映像光）をＨＯＥで回折反射させて光学瞳に導く。光学瞳の位置では、ＨＯＥの光学パワーにより、回折反射された映像光が集光する。したがって、光学瞳において映像光が集光する位置に観察者の瞳を位置させることにより、観察者は表示素子に表示された映像の虚像を観察することが可能となる。このとき、光学瞳において映像光が集光する位置としては、例えば光学瞳の中心を考えることができる。以下では、光学瞳において映像光が集光する位置のことを、設計位置とも称する。ＨＯＥの使用時（映像観察時）の上記光源としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられる。

一方、ＨＯＥは、感光材料を二光束で露光し、二光束の干渉による縞（干渉縞）を感光材料に形成することによって作製される。ＨＯＥを作製する場合の光源（上記二光束を生成するための光源）としては、例えばレーザ光源が用いられる。また、使用時のＨＯＥに上記の光学パワーを持たせるためには、ＨＯＥの作製時に、感光材料に入射する一方の光束を、設計位置から発散して感光材料に入射させる必要がある。このため、作製時には、設計位置に、発散光を出射する点光源（例えばピンホール）が形成されるように、露光光学系を構成するのが一般的である。

ところで、ＨＯＥの作製時に使用する光源（レーザ光源）の波長と、ＨＯＥの使用時の光源（ＬＥＤ）の波長（強度ピーク波長）とが一致していない場合、設計位置に点光源を位置させてＨＯＥを作製すると、ＨＯＥの使用時（映像観察時）には、ＬＥＤからの光のうち、作製時のレーザ光源の波長付近の光（例えばレーザ光源の波長±５ｎｍの光）はＨＯＥで回折されて設計位置に向かうが、上記範囲を外れた光はＨＯＥで回折されずにそこを透過してしまう。作製時のレーザ光源の波長と使用時のＬＥＤの強度ピーク波長とが大幅にずれると、ＬＥＤから出射されてＨＯＥで回折されずにそこを透過する光（ＬＥＤの強度ピーク波長の光を含む）が大幅に増加する。その結果、設計位置に観察者の瞳を位置させて映像を観察する構成では、光源からの光の利用効率が低下し、観察する映像の明るさが大幅に低下する。

そこで、例えば特許文献１では、ＨＯＥの作製時の波長と使用時の波長が一致していない場合において、作製時の点光源の位置を、設計位置からずらして感光材料を露光することにより、使用時に、光源からの強度ピーク波長付近の光をＨＯＥで回折反射させて設計位置に導くようにしている。つまり、使用時にＨＯＥにて回折反射されて設計位置に入射する光の波長を、作製時の波長からずらし、これによって光利用効率の向上を図るようにしている。

特開２００８−１９１５２７号公報（請求項１、段落〔００８６〕、〔００９０〕、〔００９２〕、図１、図４等参照）

ところが、光学パワーを持つＨＯＥでは、ＨＯＥにおける映像光の入射位置によって、設計位置に向かう映像光の回折角度が異なる。このため、作製時の点光源の位置を、設計位置からずらして感光材料を露光したときに、設計位置に向かう映像光の回折波長の変化の仕方（作製時の波長からのずれ量）が、ＨＯＥにおける映像光の入射位置によって異なる。例えば、作製時の点光源の位置を、設計位置からずらして感光材料を露光することにより、使用時に、ＨＯＥにおいて画角中心に対応する位置で回折反射されて設計位置に入射する映像光の波長（使用時の波長）が、作製時の波長から＋５％だけずれるとした場合、ＨＯＥにおいて画角上端に対応する位置で回折反射されて設計位置に入射する映像光の波長や、ＨＯＥにおいて画角下端に対応する位置で回折反射されて設計位置に入射する映像光の波長が、作製時の波長から同じ比率で（＋５％）ずれない。なお、使用時の波長が作製時の波長から＋５％ずれるというのは、例えば作製時の波長（設計位置からずれた位置から出射される光の波長）が５００ｎｍのときに、使用時の波長（ＨＯＥで回折反射されて設計位置に入射する光の波長）が５２５ｎｍに伸びることを意味する。

このように、ＨＯＥで回折反射されて設計位置に向かう映像光の波長（使用時の波長）の、作製時の波長からのずれ方が、ＨＯＥにおける映像光の入射位置によって異なると、例えば同じ緑色でも、画角上端、画角中央、画角下端で緑色の色合い（濃淡）が異なることになり、観察画角内で色ムラが生ずることになる。このような色ムラは、作製時の波長と使用時の波長とのずれ量が大きくなるほど、顕著に現れる。なお、露光時の感光材料の収縮も考慮する場合は、そのような収縮によるＨＯＥの回折ピーク波長の変動も考慮して色ムラを低減することが必要となる。

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、その目的は、使用時に光学パワーを持つＨＯＥに入射した光が回折反射されて設計位置に導かれるときに、ＨＯＥの使用時の波長と作製時の波長とが一致していない場合でも、使用時に設計位置に入射する光の波長（使用時の波長）を、ＨＯＥの入射位置に関係なく、回折ピーク波長（作製時の露光波長または感光材料の収縮後の回折ピーク波長）から、一律に（同じ比率で）シフトさせることができ、これによって使用時の観察画角内での色ムラを低減することができるホログラフィック光学素子の製造方法と、その製造方法を用いた映像表示装置の製造方法とを提供することにある。

本発明の一側面に係るホログラフィック光学素子の製造方法は、少なくとも１色に対応する二光束を感光材料の表裏からそれぞれ入射させて、前記二光束の干渉による縞を前記感光材料に形成することにより、光学パワーを有する反射型のホログラフィック光学素子を作製する作製工程を含む、ホログラフィック光学素子の製造方法であって、作製時に用いる前記二光束の波長は、前記ホログラフィック光学素子の使用時の波長とは異なっており、使用時に、前記ホログラフィック光学素子に入射した光が回折反射されて一点またはほぼ一点に集光する設計時の位置を、基準位置としたとき、前記作製工程では、前記少なくとも１色について、前記二光束の前記感光材料に対する入射角度をそれぞれ変化させることによって、使用時の前記縞の法線方向を設計した方向に維持しつつ、使用時に前記ホログラフィック光学素子にて回折反射されて前記基準位置に向かう光の使用波長を、前記ホログラフィック光学素子の回折ピーク波長からずらし、使用時に表示面から出射された光が前記ホログラフィック光学素子で回折反射されて前記基準位置に導かれるときに、前記表示面の中心と前記基準位置とを光学的に結ぶ光路上を進行する、前記ホログラフィック光学素子に対する入射光線および出射光線を含む平面内において、作製時の前記二光束のうちで前記基準位置側から前記感光材料に発散状態で入射する一方の光束に含まれる各光線の、前記感光材料に入射する直前の光路を、前記感光材料側から逆トレースして直線状に延長したときに、延長した各光路が前記基準位置からずれた位置で交差することによって複数の交点が生じ、かつ、前記複数の交点の位置が前記二光束の前記感光材料に対する入射角度の変化によって互いにずれるように、前記使用波長が前記回折ピーク波長からずれる色についての前記一方の光束が発散して前記感光材料に入射し、前記平面内において、前記一方の光束に含まれる画角両端の２つの光線の、前記逆トレースして延長した各光路上での交点を第１の交点とし、前記２つの光線のうち、前記第１の交点と前記感光材料との間の光路中で、前記基準位置により近い側の光線を第１の光線とし、前記基準位置からより遠い側の光線を第２の光線とし、前記一方の光束に含まれる前記第１および前記第２の光線以外の光線を第３の光線とし、前記第１の光線と前記第３の光線との、前記逆トレースして延長した各光路上での交点を第２の交点とし、前記第２の光線と前記第３の光線との、前記逆トレースして延長した各光路上での交点を第３の交点としたとき、前記平面内で、前記第３の光線が前記第１の光線側に近づくにつれて、前記第２の交点の位置が、前記第１の交点側から前記感光材料側に近づく一方、前記第３の光線が前記第２の光線側に近づくにつれて、前記第３の交点の位置が、前記第１の交点側から前記感光材料とは反対側に遠ざかるように、前記第１、前記第２および前記第３の交点を含む前記複数の交点の位置がずれていることを特徴としている。

前記作製工程では、複数の色に対応する二光束を感光材料の表裏からそれぞれ入射させて、カラーの前記ホログラフィック光学素子を作製し、１色または２色について、前記感光材料の同じ位置に入射する光線の入射角度が、他の色と異なっており、前記感光材料に対して前記基準位置側に、前記複数の色に対応する複数の点光源を位置させるとともに、前記複数の点光源のうち、前記入射角度が前記他の色と異なる光を出射する点光源と、前記感光材料との間の光路中に光学素子を配置し、前記点光源から出射される光のみを、前記光学素子によって、前記平面内で前記複数の交点の位置がずれるような発散光に変換して、前記感光材料に入射させてもよい。

前記光学素子は、前記光を透過させることによって前記発散光に変換する光学部材を含んでいてもよい。

前記光学部材は、前記光を出射する前記点光源とは異なる点光源から出射される前記他の色の光を反射させて、前記感光材料に入射させてもよい。

前記光学部材は、平板状のダイクロイックミラーであってもよい。

前記光学素子は、前記光を反射させることによって前記発散光に変換する自由曲面ミラーを含んでいてもよい。

前記作製工程では、前記感光材料および前記光学素子を静止させた状態で、前記二光束を前記感光材料に入射させてもよい。

本発明の他の側面に係る映像表示装置の製造方法は、照明光学系からの光を変調して映像を表示する表示素子と、前記表示素子からの映像光を、観察者の瞳が位置する設計時の基準位置に導く接眼光学系とを有し、前記接眼光学系は、前記映像光を内部で導光する接眼プリズムと、前記接眼プリズムに接して設けられ、前記接眼プリズム内部で導光された前記映像光を回折反射する体積位相型で反射型のホログラフィック光学素子とを有する映像表示装置の製造方法であって、前記接眼プリズムに感光材料を貼り付ける貼付工程と、前記感光材料を二光束で露光することにより、前記ホログラフィック光学素子を作製する露光工程とを有しており、前記露光工程では、上述した製造方法を用いて、前記ホログラフィック光学素子を作製する。

上記の製造方法によれば、使用時に、光学パワーを持つホログラフィック光学素子に入射した光が回折反射されて設計時の位置（基準位置）に導かれるときに、ホログラフィック光学素子の使用時の波長と作製時の波長とが一致していない場合でも、使用時に基準位置に入射する光の波長（使用時の波長）を、ホログラフィック光学素子での入射位置に関係なく、回折ピーク波長（作製時に用いるレーザ光源の波長または露光時の感光材料の収縮後の回折ピーク波長）から同じ比率でシフトさせることができる。これにより、使用時に観察画角内で色ムラが生じるのを低減することができる。

本発明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。 上記映像表示装置に用いられるＨＯＥの斜視図である。 上記映像表示装置を備えたＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）の上面図である。 上記ＨＭＤの正面図である。 上記ＨＭＤの下面図である。 上記ＨＭＤの正面側からの斜視図である。 上記映像表示装置の製造方法の流れを示すフローチャートである。 上記映像表示装置に用いられるＨＯＥの作製時に、感光材料に照射される光線の入射角度を変更する前の光路の一例を示す説明図である。 上記ＨＯＥの作製時に、上記感光材料に照射される光線の入射角度を変更した後の光路の一例を示す説明図である。 上記ＨＯＥ上の位置と角度変更量との関係を示すグラフである。 一般的なｃｏｓθのグラフである。 図７において実線で示した光線が集まる位置の付近を拡大して示す説明図である。 図６の発散光が一点に集まる基準位置付近を拡大して示す説明図である。 図１０における上記光線が集まる位置付近をさらに拡大して示す説明図である。 図７において発散光の光路中に平板を加えたときの光線の光路を示す説明図である。 図１３において上記平板を透過する側の発散光が交わる位置を拡大して示す説明図である。 上記ＨＯＥを製造する露光光学系の概略の構成および光路を示す説明図である。 上記露光光学系の他の構成および光路を示す説明図である。

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。なお、本明細書において、数値範囲をａ〜ｂと表記した場合、その数値範囲に下限ａおよび上限ｂの値は含まれるものとする。また、本発明は、以下の内容に限定されるものではない。なお、以下での説明において、「使用時」とは、映像を観察すべく、ＨＯＥおよび映像表示装置を使用する場合のことを指し、「作製時」とは、ＨＯＥを作製すべく、感光材料を二光束で露光する場合のことを指す。

（映像表示装置について）
図１は、本実施形態の映像表示装置１の概略の構成を示す断面図である。映像表示装置１は、照明光学系２と、偏光板３と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４と、表示素子５と、接眼光学系６とを有している。

なお、説明の便宜上、方向を以下のように定義しておく。まず、表示素子５の表示面から出射された光が後述するＨＯＥ２３で回折反射されて基準位置Ｏに導かれるときに、上記表示面の中心と基準位置Ｏとを光学的に結ぶ光路上を進行する、ＨＯＥ２３に対する入射光線および出射光線を含む平面を、基準平面とする。そして、基準平面に垂直な方向をＸ方向とする。また、各光学部材の上記光路との交点における、面法線と垂直な面内で、Ｘ方向に垂直な方向をＹ方向とする。そして、Ｘ方向およびＹ方向に垂直な方向をＺ方向とする。このような定義を用いると、上記基準平面は、ＹＺ面となる。なお、上記の基準位置Ｏとは、ＨＯＥ２３の使用時に、ＨＯＥ２３に入射した光（映像光）が回折反射されて一点またはほぼ一点に集光する設計時の位置（観察者の瞳が位置すると考えられる位置）のことであり、例えば接眼光学系６によって形成される光学瞳Ｐの中心を考えることができる。

照明光学系２は、表示素子５を照明するものであり、光源１１と、照明ミラー１２と、拡散板１３とを有している。

光源１１は、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。複数の発光点（ＲＧＢの各発光点）は、水平方向（Ｘ方向）に略直線状に並んでいる。光源１１から出射される光の波長は、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、４５７±１２ｎｍ（Ｂ光）、５１６±１７ｎｍ（Ｇ光）、６３６±１１ｎｍ（Ｒ光）である。

本実施形態では、光源１１は、ＲＧＢ一体型のＬＥＤを２対備えている。そして、ＲＧＢのそれぞれについて、ＨＯＥ２３の基準平面に対して各発光点が対称に位置するように、各発光点が略直線状に並んでいる（例えばＢＧＲＲＧＢの順に発光点がＸ方向に並んでいる）。これにより、ＲＧＢの光強度の分布をＸ方向で対称にすることができる。

照明ミラー１２は、光源１１から出射された光（照明光）を拡散板１３に向けて反射させるとともに、Ｙ方向に関して、光学瞳Ｐと光源１１とが略共役となるように、照明光を曲げる光学素子である。

拡散板１３は、光源１１の複数の発光点が並ぶＸ方向に入射光を例えば４０°拡散し、Ｙ方向には入射光を拡散しない一方向拡散板である。拡散板１３は、偏光板３の表面に保持されている。

偏光板３は、拡散板１３を介して入射する光のうち、所定の偏光方向の光を透過させてＰＢＳ４に導く。

ＰＢＳ４は、偏光板３を透過した光を反射型の表示素子５の方向に反射させる一方、表示素子５にて反射された光のうち、画像信号オンに対応する光（偏光板３を透過した光とは偏光方向が直交する光）を透過させる平板状の偏光分離素子であり、接眼光学系６の後述する接眼プリズム２１の光入射面２１ａに貼り付けられている。

ＰＢＳ４を光入射面２１ａに貼り付けることにより、ＰＢＳ４の光入射側および光出射側に各光学部材をバランスよく配置することができる。これにより、各光学部材の保持姿勢が安定する。また、接眼光学系６の上方の空いたスペースに表示素子５を配置した設計が可能となり、空間を有効利用することができ、小型化にも有利となる。また、ＰＢＳ４の接眼プリズム２１への貼り付けにより、接眼プリズム２１における空気との界面（空気と直接接触する面）が減るため、上記界面における表面反射を低減して光利用効率を向上させるとともに、表面反射によるゴーストの発生を低減できる。

表示素子５は、照明光学系２からの光を変調して映像を表示する表示素子であり、本実施形態では、反射型の液晶表示素子で構成されている。表示素子５はカラーフィルタを有する構成であってもよいし、光源１１のＲＧＢごとの時分割発光に同期して、発光色に対応するＲＧＢの画像が表示されるように、時分割で駆動される構成であってもよい。

表示素子５は、ＰＢＳ４からほぼ垂直に入射する光がほぼ垂直に反射されてＰＢＳ４に向かうように配置されている。これにより、反射型の表示素子に対して大きな入射角で光を入射させる構成に比べて、解像度を増大させるような光学設計が容易となる。表示素子５の表示面は長方形となっており、表示面の長手方向がＸ方向となり、短手方向がＹ方向となるように配置されている。

また、表示素子５は、照明ミラー１２からＰＢＳ４に向かう光路に対して光源１１と同じ側に配置されている。これにより、照明光学系２から表示素子５までの光学系全体をコンパクトに構成することができる。表示素子５は、光源１１と同一の基板で支持されていてもよいし、別々の基板で支持されていてもよい（図１では、光源１１および表示素子５の支持基板は省略している）。なお、表示素子５は、透過型の液晶表示素子であってもよい。

接眼光学系６は、表示素子５からの映像光を観察者の瞳（光学瞳Ｐ）に導くための光学系であり、非軸対称（非回転対称）な正の光学パワーを有している。この接眼光学系６は、接眼プリズム２１と、偏向プリズム２２と、ＨＯＥ２３とを有している。

接眼プリズム２１は、表示素子５からＰＢＳ４を介して入射する映像光を内部で導光する一方、外界像の光（外光）を透過させるものであり、平行平板の上端部を上端に向かうほど厚くし、下端部を下端に向かうほど薄くした形状で構成されている。

接眼プリズム２１において、ＰＢＳ４が貼り付けられる面は、表示素子５からの映像光が入射する光入射面２１ａであり、光学瞳Ｐとほぼ平行に位置して互いに対向する２つの面２１ｂ・２１ｃは、映像光を全反射によって導光する全反射面となっている。そのうち、光学瞳Ｐ側の面２１ｂは、ＨＯＥ２３で回折反射される映像光の出射面を兼ねている。

接眼プリズム２１は、その下端部に配置されるＨＯＥ２３を挟むように偏向プリズム２２と接着剤で接合されている。本実施形態では、接眼プリズム２１を構成する面のうち、ＨＯＥ２３が接する面２１ｄ以外で映像光が透過する面（光入射面２１ａ、面２１ｂ）は、平面となっている。なお、接眼プリズム２１において、ＨＯＥ２３が接する面２１ｄの形状については後述する。

偏向プリズム２２は、接眼プリズム２１とＨＯＥ２３を介して貼り合わされて略平行平板を形成している。偏向プリズム２２を接眼プリズム２１と貼り合わせることで、外光が接眼プリズム２１の楔状の下端部を透過するときの屈折を偏向プリズム２２でキャンセルすることができ、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。

ＨＯＥ２３は、接眼プリズム２１に接して設けられ、接眼プリズム２１内部で導光された映像光を回折反射する体積位相型で反射型のホログラフィック光学素子である。ＨＯＥ２３は、回折効率のピーク波長（回折ピーク波長）および回折効率半値の波長幅で、例えば、４６５±５ｎｍ（Ｂ光）、５２０±５ｎｍ（Ｇ光）、６３２±５ｎｍ（Ｒ光）の３つの波長域の光を回折（反射）させる。なお、ＨＯＥ２３を作製するときに用いるレーザ光源の波長（露光波長）は、例えば、４７６ｎｍ（Ｂ光）、５３２ｎｍ（Ｇ光）、６４７ｎｍ（Ｒ光）であるが、露光時に感光材料が２．３％収縮するため、回折ピーク波長も、露光波長から２．３％だけ短波長側にシフトした値となっている。

上記の構成において、照明光学系２の光源１１から出射された光は、照明ミラー１２で反射され、拡散板１３にてＸ方向にのみ拡散された後、所定の偏光方向の光のみが偏光板３を透過する。そして、偏光板３を透過した光は、ＰＢＳ４で反射され、表示素子５に入射する。

表示素子５では、入射光が画像信号に応じて変調される。このとき、画像信号オンに対応する映像光は、表示素子５にて入射光とは偏光方向が直交する光に変換されて出射されるため、ＰＢＳ４を透過して接眼プリズム２１の内部に光入射面２１ａから入射する。一方、画像信号オフに対応する映像光は、表示素子５にて偏光方向が変換されずに出射されるため、ＰＢＳ４で遮断され、接眼プリズム２１の内部に入射しない。

接眼プリズム２１では、入射した映像光が接眼プリズム２１の対向する２つの面２１ｃ・２１ｂでそれぞれ１回ずつ全反射された後、ＨＯＥ２３に入射し、そこで回折反射されて面２１ｂから出射され、光学瞳Ｐに達する。したがって、この光学瞳Ｐの位置では、観察者は、表示素子５に表示された映像を虚像として観察することができる。

一方、接眼プリズム２１、偏向プリズム２２およびＨＯＥ２３は、外光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界像をシースルーで観察することができる。したがって、表示素子５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。

（ＨＯＥ貼り付け面の形状およびＨＯＥの回折パワーについて）
本実施形態では、接眼プリズム２１においてＨＯＥ２３が接する面２１ｄは、一方向であるＹ方向において曲率が０であり、一方向と垂直な方向であるＸ方向において０でない曲率を有する面としている。したがって、図２に示すように、ＨＯＥ２３において、面２１ｄに貼り付けられる側の面２３ａは、面２１ｄに沿った曲面、すなわち、Ｙ方向において曲率が０であり、Ｘ方向において０でない曲率を有する面となっている。また、ＨＯＥ２３の回折パワー（光学パワー）は、Ｙ方向において０ではなく（例えば正の回折パワー）、Ｘ方向において０となっている。

このように接眼プリズム２１の面２１ｄの形状およびＨＯＥ２３の回折パワーを設定することにより、Ｘ方向においては、表示素子５から出射されてＨＯＥ２３に入射する映像光を正反射に近い角度で反射させて光学瞳Ｐに導くとともに、ＨＯＥ２３の波長依存性（回折パワー）による波長分散を防止できる。一方、Ｙ方向においては、表示素子５から出射されてＨＯＥ２３に入射する映像光を、ＨＯＥ２３の回折パワーによって反射させて光学瞳Ｐに導くため、ＨＯＥ２３での回折による波長分散が生じる。このように、波長分散はＸ方向では生じず、Ｙ方向のみで生じるため、映像観察時に、画面中心以外の位置に表示された点が伸びる方向がＹ方向のみとなる。

ここで、例えば、接眼プリズムにおけるＨＯＥ貼り付け面で映像光が反射する方向と、ＨＯＥで映像光が回折する方向とが、画面中心（映像観察時の画角中心）において略一致する構成で、平面状のＨＯＥを用いると、画面中心から放射状の方向に映像光の波長が分散され、その結果、画像が放射状に伸びる。しかし、本実施形態では、上記のように、ＨＯＥ２３の波長依存性によって画像が引き伸ばされる方向が、Ｙ方向のみに制限されるため、放射状に画像が伸びる構成よりも画像品位の劣化を抑えることができる。しかも、ＨＯＥ２３の回折パワーは、Ｘ方向において０であるので、ＨＯＥ２３の回折パワーに起因する収差の発生を抑えることができる。

また、接眼プリズム２１の面２１ｄが、一方向（Ｘ方向）にのみ曲率を有しているため、面２１ｄに貼り付ける感光材料として、フィルム状のものを用いることが可能となり、面２１ｄへの感光材料の貼り付けが容易となる。

また、本実施形態では、接眼プリズム２１のＨＯＥ２３が接する面２１ｄで映像光が反射する方向と、ＨＯＥ２３で映像光が回折する方向とを、ＨＯＥ２３における画面中心（表示映像の中心）と対応する位置で略一致させている。この場合、上述したように接眼プリズム２１の面２１ｄの形状およびＨＯＥ２３の回折パワーを設定することにより、画面中心からＸ方向にずれた位置でも、面２１ｄで映像光が反射する方向と、ＨＯＥ２３で映像光が回折する方向とが略一致する。したがって、画面中心およびそこからＸ方向にずれた位置においては、表示される点（画像）はどちらに伸びることもない。また、画面中心およびそこからＸ方向にずれた位置から、Ｙ方向にずれた位置では、Ｙ方向に点が伸びるが、点が伸びる量は、画面中心からのＹ方向の位置ずれ量に依存して大きくなる。

また、画像が引き伸ばされる方向がＹ方向となる場合、このＹ方向を画角の狭い方向と一致させれば、画像の劣化を最小限にできる。本実施形態では、表示素子５は、矩形の表示面の短手方向がＹ方向となるように配置されており、表示面の短手方向（画角の狭い方向）と、面２１ｄの曲率が０となる方向とが、ともにＹ方向で一致しているので、ＨＯＥ２３の波長依存性による画像の劣化を最小限に止めることができる。

接眼プリズム２１において、映像光の透過面（例えば光入射面２１ａ、面２１ｂ）に光学パワーを持たせて光を曲げるようにすることも可能である。この場合、透過面での屈折により倍率色収差が発生し、上述のＨＯＥ２３による点の伸びと同様の現象が起こるが、通常は、回折に比べて屈折の波長依存性は小さいので、回折パワーのみ（回折による波長依存性）を考えておけば十分である。

本実施形態では、接眼プリズム２１を構成する面のうち、ＨＯＥ２３が接する面２１ｄ以外で映像光が透過する面（光入射面２１ａ、面２１ｂ）は平面であるため、上記した屈折の波長依存性の影響をほとんど無視することができる。

本実施形態では、面２１ｄは、Ｘ方向において光学瞳Ｐ側に凹となる曲率を有しているが、接眼プリズム２１において映像光の透過面に光学パワーを持たせるのであれば、面２１ｄは、Ｘ方向において光学瞳Ｐ側に凸となる曲率を有していてもよい。この場合でも、ＨＯＥ２３において、面２１ｄに貼り付けられる側の面２３ａは、面２１ｄに沿った曲面、すなわち、Ｙ方向において曲率が０であり、Ｘ方向において０でない曲率を有する面となる。

（ヘッドマウントディスプレイについて）
次に、本実施形態の映像表示装置の応用例であるヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ；head-mounted display、本明細書ではＨＭＤと略称する場合もある）について説明する。図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃは、本実施形態のＨＭＤ４０の上面図、正面図、下面図であり、図４は、ＨＭＤ４０の正面側からの斜視図である。ＨＭＤ４０は、上述した映像表示装置１と、フレーム４２と、レンズ４３と、鼻当て４４と、位置調整機構４５とを有している。

映像表示装置１は、筐体１ａ内に、上述した照明光学系２、偏光板３、ＰＢＳ４および表示素子５を有しており、接眼光学系６の上端部も筐体１ａ内に位置している。接眼光学系６は、接眼プリズム２１および偏向プリズム２２の貼り合わせによって構成されており、右眼用レンズ４３Ｒの前方（観察者とは反対側の外界側）に位置している。筐体１ａ内の光源１１および表示素子５は、筐体１ａを貫通して設けられるケーブル（図示せず）を介して、図示しない回路基板と接続されており、回路基板から光源１１および表示素子５に駆動電力や映像信号が供給される。

なお、映像表示装置１は、静止画や動画を撮影する撮像装置、マイク、スピーカー、イヤホンなどをさらに備え、外部のサーバーや端末とインターネット等の通信回線を介して、撮像画像および表示画像の情報や音声情報をやりとり（送受信）する構成であってもよい。

フレーム４２は、観察者の頭部に装着され、映像表示装置１を観察者の眼前で支持する支持部材である。このフレーム４２は、観察者の左右の側頭部に当接するテンプルを含んでいる。

レンズ４３は、観察者の右眼および左眼の眼前に配置される右眼用レンズ４３Ｒおよび左眼用レンズ４３Ｌを含んでいる。右眼用レンズ４３Ｒおよび左眼用レンズ４３Ｌは、右連結部４６Ｒおよび左連結部４６Ｌを介して、位置調整機構４５と連結されている。右眼用レンズ４３Ｒおよび左眼用レンズ４３Ｌは、視力矯正用のレンズであってもよいし、視力矯正を行わない単なるダミーレンズであってもよい。

鼻当て４４は、観察者の鼻と当接する右鼻当て４４Ｒおよび左鼻当て４４Ｌを含んでいる。右鼻当て４４Ｒおよび左鼻当て４４Ｌは、右連結部４７Ｒおよび左連結部４７Ｌを介して、位置調整機構４５と連結されている。

位置調整機構４５は、フレーム４２に対して鼻当て４４を観察者の眼幅方向に垂直な上下方向に相対的に移動させることにより、フレーム４２で支持された映像表示装置１の上下方向の位置を調整する機構である。なお、位置調整機構４５を設けることなく、レンズ４３および鼻当て４４をフレーム４２に直接固定した構成としてもよい。

ＨＭＤ４０を観察者の頭部に装着し、表示素子５に映像を表示すると、その映像光が接眼光学系６を介して光学瞳に導かれる。したがって、光学瞳の位置に観察者の瞳を合わせることにより、観察者は、映像表示装置１の表示映像の拡大虚像を観察することができる。また、これと同時に、観察者は接眼光学系６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、映像表示装置１が支持部材としてのフレーム４２で支持されることにより、観察者は映像表示装置１から提供される映像をハンズフリーで長時間安定して観察することができる。

なお、図３Ａ等では、映像表示装置１の接眼光学系６と、レンズ４３とを別体で構成しているが、接眼光学系６をレンズ４３と一体化した構成とすることも可能である。また、映像表示装置１を２つ用いて両眼で映像を観察できるようにしてもよい。

（ＨＯＥの製造方法）
次に、上述した映像表示装置１に用いられるＨＯＥ２３の製造方法について説明する。

《基本的な流れ》
図５は、本実施形態の映像表示装置１の製造方法の流れを示すフローチャートである。映像表示装置１の製造方法は、貼付工程（Ｓ１）と、露光工程（Ｓ２）とを有している。貼付工程では、接眼プリズム２１の面２１ｄに感光材料５０（図６参照）を貼り付ける。感光材料５０としては、例えばフォトポリマーを用いることができる。露光工程は、貼付工程の後に、感光材料５０を二光束で露光することにより、ＨＯＥ２３を作製する作製工程（Ｓ２’）を含む。この作製工程では、少なくとも１色に対応する二光束を感光材料５０の表裏からそれぞれ入射させて、二光束の干渉による縞を感光材料５０に形成することにより、光学パワーを有する反射型のＨＯＥ２３を作製する。

《基本的な考え方》
反射型のＨＯＥは、内部で、屈折率分布が周期的に変動する構造を持つ。屈折率分布は、ＨＯＥの作製時に、レーザ光を二つの光路に分岐して感光材料に表と裏から当て、二光束の干渉により感光材料の内部にできた干渉縞の明暗に対応している。ＨＯＥにおいて、必要な光学性能を維持しつつ、使用時の波長を、ＨＯＥの回折ピーク波長からずらすには、干渉縞の角度を維持しつつ、干渉縞の間隔を変えればよい。具体的には、感光材料のそれぞれの位置で、表と裏から入射する二光線を考え、その二光線と縞の法線とを含む面内で、光線と縞の法線との角度について、感光材料の表側と裏側とで、絶対値は同じで、方向が反対となるように、二光線の角度を変えればよい。

ＨＯＥが、二つの平行光の干渉によって作製されたものであれば、上述の角度変化は感光材料に対する光線の入射位置によらずに一律の変化となる（全ての入射位置で同じ角度変化となる）。しかし、光学パワーを持つＨＯＥを作製する場合、角度変化は一律とはならない。縞の法線と感光材料内での光線との角度をθとすれば、縞の間隔は、ｃｏｓθに反比例して変化し、例えばｃｏｓθを大きくすると（角度θを小さくすると）、干渉縞の周期は短くなる。光学パワーを持つＨＯＥを作製する場合、使用時の波長をずらす前の角度θが感光材料の入射位置によって異なるため、感光材料の入射位置によらずにｃｏｓθを一定の比率で変えるためには（感光材料のどの位置でもｃｏｓθの値を一定量だけ変化させるためには）、角度θの変化量が一律でない（光線の入射位置によって角度θが変化する）ことになる。この点について、図面を用いてより詳細に説明する。

ここで、光学パワーを持つＨＯＥの作製（感光材料の露光）に用いる二光束として、一方が平行光であり、もう一方が、一点から発散する発散光である場合を考える。なお、現実的には、平行光や発散光は空気中を飛んでいて、感光材料に入射する際に空気との界面で屈折が起こるが、ここでは説明を簡単にするために、感光材料の内部の平均の屈折率が空気に等しく、感光材料と空気との界面での屈折が起こらない場合を例として説明する。

図６は、ＨＯＥの作製時に、縞の法線を維持したまま感光材料５０に対する光線の入射角度を変える前の光路を示している。なお、同図において、感光材料５０に対して右側（裏側）から入射する光束は平行光であり、左側（表側）から入射する光束は一点から発散する発散光である。上記一点は、基準位置Ｏ、すなわち、使用時の光学瞳Ｐにおいて観察者の瞳が位置することが想定される設計時の位置である。

一方、図７は、波長を５％伸ばすために光線の入射角度を変更した場合の光路（実線参照）を示している。なお、図７において、破線で示した光線の光路は、図６の実線で示した光線の光路（角度変更前の光路）に対応している。また、光線の入射角度の変更に伴って基準位置Ｏからずれた発散点の位置を、便宜的に位置Ｏ₁とする。ここで、波長を５％伸ばすというのは、ＨＯＥの回折ピーク波長が例えば５００ｎｍだったとすれば、使用時にＨＯＥで回折されて基準位置Ｏに入射する映像光の波長（使用時の波長）を５２５ｎｍにする、ということである。なお、上記ＨＯＥの回折ピーク波長は、露光時の感光材料５０の収縮を考慮しない場合は、ＨＯＥを作製するレーザ光源の波長（作製時の波長）であり、露光時の感光材料５０の収縮を考慮する場合は、露光による感光材料５０の収縮後にＨＯＥ２３の回折効率が最大となる波長である。

波長を５％伸ばすためには、ｃｏｓθを５％小さくする必要がある。図８は、ＨＯＥ上の位置と角度変更量との関係を示したものである。なお、図８の横軸は、基準平面内（基準位置Ｏを含むＹＺ面内）でＨＯＥの面に沿う方向であり、図６および図７の上下方向に対応している（図８の横軸でマイナスからプラスに向かう方向が、図６および図７で下から上に向かう方向である）。図６および図７で上側ほど、感光材料５０に入射する光線と縞の法線とのなす角度の絶対値が大きいため、ｃｏｓθを５％小さくするための角度変化量が小さくなる。

このことは、以下の考察からも明らかである。図９は、一般的なｃｏｓθのグラフを示している。ただし、０°≦θ≦９０°とする。θが大きい角度範囲において、ｃｏｓθの値を一定量だけ（例えばΔｃｏｓθ＝５％）変化させるための角度θの変化量をΔθａと
し、θが小さい角度範囲において、ｃｏｓθの値を同じ量（Δｃｏｓθ＝５％）だけ変化
させるための角度θの変化量をΔθｂとしたとき、同図より、Δθａ＜Δθｂであること
がわかる。すなわち、角度θが大きいほど、ｃｏｓθを一定量だけ変化させる場合に、小さい角度変化量で済むことになる。

図１０は、図７において実線で示した光線が集まる位置Ｏ₁付近を拡大して示したものである。参考のため、図１１に、図６の発散光が一点に集まる基準位置Ｏ付近を拡大して示す。図１１では、光線が一点（基準位置Ｏ）に集まっているのに対して、図１０では、光線が最も集まったところでも幅があり、一点に集まっていない状態となっている。

図１２は、図１０において、位置Ｏ₁付近をさらに拡大して示したものである。各光線の集光付近を詳しく見ると、基準平面内において、各光線の光路が基準位置Ｏからずれた位置で交差することによって、複数の交点が生じていることがわかる。つまり、発散光に含まれる各光線のうち、基準位置Ｏに近い側の光線ほど、より感光材料に近い側で集光する（他の光線と交わる）。このような挙動は、上述のように角度変化量が一律でないことに起因する。ここでは、感光材料に対して入射角度の変化を与えた光線を、感光材料側から逆向きにトレースして示しているが、実際にＨＯＥを作製する場合には、図１２等で示したような分布を持つ光を作製して感光材料に照射すればよいことになる。

図１３は、図７において、発散光の光路中に平板５５を加えたときの光線の光路を示している。平板５５と感光材料５０との間の光路は、図７で示したものと同じである（平板５５で光路を折り曲げているだけである）。また、図１４は、図１３において平板５５を透過する側の発散光が集光して交わる位置（便宜的に、位置Ｏ₂とする）を拡大したものである。図１４は、図１０とほぼ同じ縮尺で示しているが、図１４の位置Ｏ₂は、図１０の位置Ｏ₁よりも一点に集まっていることがわかる。すなわち、一点（位置Ｏ₂）から発散する発散光の光路中に平板５５を斜めに入れることにより、感光材料５０に照射される光の集光状態（光束に含まれる各光線の分布）を、図１０および図１２で示したような分布に変化させて感光材料５０を露光することができる。これにより、作製されたＨＯＥにおいて、光線の入射位置に関係なく、基準位置Ｏに入射する光の波長（使用波長）を、ＨＯＥ２３の回折ピーク波長から一律に変化させることが可能となる。なお、位置Ｏ₂（点光源の位置）や、平板５５の角度、厚みおよび屈折率が変わると、感光材料５０を露光する光束の分布が変化するが、これらのパラメータは、使用波長の回折ピーク波長からの変化量に応じて適切に設定されればよい。

以上のように、図１３で示した光学系によって、図１２で示した光路分布が生成されることから、図１２で示した光路中に含まれる各光線の交点の分布については、以下のように考えることができる。

まず、基準平面内において、二光束Ｌ１・Ｌ２のうち、発散光である一方の光束Ｌ１が感光材料５０（図１３参照）に入射するときの直前の光路を、感光材料５０側から逆トレースして直線状に延長したときに、図１２で示したような光路分布が得られるものとする。この光路分布において、光束Ｌ１に含まれる画角両端の２つの光線Ａ・Ｂの交点を、交点Ｔ１（第１の交点）とする。このとき、光線Ａは、交点Ｔ１と感光材料５０との間の光路中で、基準位置Ｏにより近い側の光線（第１の光線）とし、光線Ｂは、基準位置Ｏからより遠い側の光線（第２の光線）とする。また、光束Ｌ１に含まれる光線Ａ・Ｂ以外の光線を、光線Ｃ（第３の光線）とする。そして、光線Ａと光線Ｃとの、上記逆トレースして延長した各光路上での交点を、交点Ｔ２（第２の交点）とし、光線Ｂと光線Ｃとの、上記逆トレースして延長した各光路上での交点を、交点Ｔ３（第３の交点）とする。このとき、基準平面内で、光線Ｃが光線Ａ側（基準位置Ｏ側）に近づくにつれて、交点Ｔ２の位置が交点Ｔ１側から感光材料５０側に近づく一方、光線Ｃが光線Ｂ側に近づくにつれて（基準位置Ｏとは反対側に向かうにつれて）、交点Ｔ３の位置が交点Ｔ１側から感光材料５０とは反対側に遠ざかるように、交点Ｔ１〜Ｔ３を含む複数の交点の位置が連続的にずれている。

（実施例）
《映像表示装置》
以下、図１で示した映像表示装置１の数値実施例について、コンストラクションデータ等を挙げてさらに具体的に説明する。

表１に、実施例の映像表示装置１のコンストラクションデータ等を示す。表１に示す面データ中、Ｓｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）は、光源１１から光学瞳Ｐ（基準位置Ｏ）に至る光路中で、光学瞳Ｐ側から数えてｉ番目の面を示しており、面データは面Ｓｉの配置データを示している。

実施例では、Ｓ１は接眼プリズム２１の映像光出射面、Ｓ２は接眼プリズム２１の面２１ｄ（ＨＯＥ貼り付け面）、Ｓ３は面２１ｂ（全反射面（Ｓ１と同一平面））、Ｓ４は面２１ｃ（全反射面）、Ｓ５は面２１ａ（ＰＢＳ貼り付け面）、Ｓ６はＰＢＳ４の透過面、Ｓ７は表示素子５のカバーガラス表面、Ｓ８は表示素子５の液晶面、Ｓ９は表示素子５のカバーガラス表面、Ｓ１０はＰＢＳ４の反射面、Ｓ１１は偏光板３の出射面、Ｓ１２は偏光板３と拡散板１３との境界面、Ｓ１３は拡散板１３の入射面、Ｓ１４は照明ミラー１２の反射面、Ｓ１５は光源１１のＬＥＤ発光面、である。

各面Ｓｉの配置は、面データ中の基準点座標（ｘ，ｙ，ｚ）と回転角度（ＡＤＥ）の各面データでそれぞれ特定される。面Ｓｉの基準点座標は、その基準点をローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点として、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）におけるローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）で表されており（単位：ｍｍ）、その基準点を中心とするＸ軸回りの回転角度ＡＤＥで面Ｓｉの傾きが表されている（単位：°；Ｘ軸の正方向に対して反時計回りがＸ回転の回転角度の正方向である。）。ただし、座標系はすべて右手系で定義されており、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）は出射面Ｓ１のローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と一致した絶対座標系になっている。したがって、Ｘ方向，Ｙ方向は、面Ｓｉの基準点を原点とし、かつ、基準点での法線をＺ軸とする直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）における座標軸方向である。図１において、面Ｓ１では、Ｘ方向は紙面に垂直方向（画角の左右方向）、Ｙ方向は紙面の上下方向（画角の上下方向）である。

ＨＯＥの基準波長、つまりＨＯＥを作製する際の製造波長（規格化波長）および再生波長はともに５３２ｎｍであり、回折光の使用次数は１次である。ＨＯＥの回折構造を有する面Ｓｉ（ＨＯＥ面）は、その基準点を原点とするローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を用いた以下の式（ＤＳ）で定義される。式（ＤＳ）に示すように、位相関数φはＨＯＥの位置（Ｘ，Ｙ）による生成多項式（二元多項式）であり、表２に示す回折面データは、位相関数φの位相係数Ａ（ｊ，ｋ）をＸの次数とＹの次数とに対応させて示している（１行目：Ｘの次数、１列目：Ｙの次数）。なお、回折面データにおいて表記の無い項の係数は０であり、すべてのデータに関してＥ−ｎ＝×１０^-nである。
φ＝ΣΣ｛Ａ（ｊ，ｋ）・Ｘ^j・Ｙ^k｝ ・・・（ＤＳ）
ただし、
φ：位相関数、
Ａ（ｊ，ｋ）：Ｘのｊ次、Ｙのｋ次の位相係数（ＨＯＥ係数）、
である。

表３および表４は、ＨＯＥ面（ＨＯＥ貼り付け面）の形状式係数、および照明ミラーの形状式係数をそれぞれ示している。ＨＯＥ面および照明ミラーは、自由曲面で形成されている。自由曲面データに関し、自由曲面（ＸＹ多項式面）からなる面Ｓｉは、その基準点を原点とするローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を用いた以下の式（ＦＳ）で定義される（球面項を示す部分は存在していない）。表３および表４に示す自由曲面データは、その自由曲面係数Ｂ（ｊ，ｋ）をＸの次数とＹの次数とに対応させて示している（１行目：Ｘの次数、１列目：Ｙの次数）。なお、表３および表４の自由曲面データにおいて、表記の無い項の係数は０であり、すべてのデータに関してＥ−ｎ＝×１０^-nである。
Ｚ＝ΣΣ｛Ｂ（ｊ，ｋ）・Ｘ^j・Ｙ^k｝ ・・・（ＦＳ）
ただし、
Ｚ：座標（Ｘ，Ｙ）の位置でのＺ方向（光軸方向）のサグ量（ｍｍ）、
Ｂ（ｊ，ｋ）：Ｘのｊ次、Ｙのｋ次の多項式自由曲面係数、
である。

本実施例では、表２に示すように、ＨＯＥ係数がＹ０次の全ての項で０であり、また、式（ＦＳ）に球面項を示す部分が存在しないことで、ＨＯＥのＸ方向の回折パワーを０にしている。また、表３に示すように、ＨＯＥ面の形状式係数が、Ｙ０次Ｘ偶数次（範囲は２〜１０）の項で０でなく、Ｙ０次で無い項で全て０であることにより、ＨＯＥ面がＸ方向に曲率を有しており、Ｙ方向には曲率を有していないことがわかる。このように構成したことで、ＨＯＥの波長依存性（回折パワー）によって点が延びる方向が、上下方向のみとなり、それゆえ、放射状に画像が伸びる構成よりも、画像品位の劣化を抑えることができる。

《第１の露光光学系》
次に、ＨＯＥを作製する露光光学系の一実施例について説明する。図１５は、ＨＯＥを製造する露光光学系６０（第１の露光光学系）の概略の構成および光路を示す説明図である。ＨＯＥの作製時には、図示しないレーザ光源からの光が、平行光として伝播されて二光束に分岐され、その後、レンズでそれぞれ集光されて点光源（ピンホール）とみなせる状態にされている。図１５では、各点光源からの光を感光材料５０の表裏に導く部分のみを示している。また、接眼光学系６の接眼プリズム２１は、使用時に映像光が入射する側である上部の構造を省略し、感光材料５０が貼り付けられる斜面の近傍のみを図示している。

感光材料５０の両側からレーザ光が入射しているが、図１５において、感光材料５０の右側の光路においても左側の光路においても、感光材料５０のある点には、２つの異なる角度で各光線が入射しており、計４本の光線（左側の光路で２本の光線、右側の光路で２本の光線）が入射している。感光材料５０のある点に入射する右側２本の光線および左側２本の光線のうち、上側の光線は、入射角度の変化による回折波長の操作を行わない光線、つまり、使用時の波長を回折ピーク波長からずらさない光線を示し、下側の光線は、回折波長の操作を行う光線、具体的には、使用時の波長を回折ピーク波長から＋５％伸ばす光線を示している。ここでは、例として、ＲＧＢのうちでいずれか一色についてのみ波長を＋５％伸ばし、残る二つの色については、回折波長の操作を行わない状態を示している。

感光材料５０に対して左側（例えば表側）の光路中には、点光源６１・６２と、ダイクロイックミラー６３とが配置されており、右側（例えば裏側）の光路中には、点光源６４・６５と、自由曲面ミラー６６・６７と、ダイクロイックミラー６８と、色補正プリズム６９とが配置されている。

点光源６１から出射されたレーザ光（例えばＲおよびＧのレーザ光）は、ダイクロイックミラー６３の表面で反射された後、接眼プリズム２１を介して感光材料５０に入射する。また、点光源６２から出射されたレーザ光（例えばＢのレーザ光）は、ダイクロイックミラー６３に入射し、ダイクロイックミラー６３の入射面および出射面で屈折した後、接眼プリズム２１を介して感光材料５０に入射する。すなわち、ＲＧＢのうちで回折波長の操作を行わない色のレーザ光がダイクロイックミラー６３で反射し、波長を伸ばす色についてのレーザ光が、ダイクロイックミラー６３を透過して、感光材料５０に入射する。

一方、点光源６４から出射されたレーザ光（例えばＲおよびＧのレーザ光）は、自由曲面ミラー６６で反射された後、ダイクロイックミラー６８の表面で反射され、色補正プリズム６９を介して、感光材料５０に接眼プリズム２１とは反対側から入射する。また、点光源６５から出射されたレーザ光（例えばＢのレーザ光）は、自由曲面ミラー６７で反射された後、ダイクロイックミラー６８に入射し、ダイクロイックミラー６８の入射面および出射面で屈折した後、色補正プリズム６９を介して、感光材料５０に接眼プリズム２１とは反対側から入射する。すなわち、ＲＧＢのうちで回折波長の操作を行わない色のレーザ光がダイクロイックミラー６８で反射し、波長を伸ばす色についてのレーザ光が、ダイクロイックミラー６８を透過して、感光材料５０に入射する。

このように、二光束を感光材料５０の表裏からそれぞれ入射させることにより、二光束の干渉による縞が感光材料５０に形成され、その結果、反射型のＨＯＥが作製される。

図１５において、感光材料５０に対して左側の光路では、点光源６２の位置、ダイクロイックミラー６３の角度、厚みおよび屈折率を適切に選択することにより、感光材料５０に対する入射角度の変更に伴う不均一な波長シフト、つまり、入射位置によって波長シフト量が変動する上述の問題を解消することができる。感光材料５０に対して右側の光路では、レーザ光が平行光に近い状態であるために、平板（ダイクロイックミラー６８）を透過しても、不均一な波長シフトの補正にならないため、自由曲面ミラー６７によって補正を行っている。

なお、ここでは、ダイクロイックミラー６８で反射する光の波長が二種類あり、これら二種類の波長については、同一の自由曲面ミラー６６によって波面を変換している。画像観察時、接眼光学系６の接眼プリズム２１において、波長によって光学面での屈折角度に差が生じることで、二波長間で画像の縦方向のずれが生じるため、それを補正する目的で、光路中に色補正プリズム６９が配置されている。残る一波長については、自由曲面ミラー６７によって上記の縦ずれを補正できるので、色補正プリズム６９を透過する必要はない。したがって、色補正プリズム６９の位置は、図１５のように、ダイクロイックミラー６８の下流側（ダイクロイックミラー６８と感光材料５０との間）であってもよいし、ダイクロイックミラー６８の上流側（ダイクロイックミラー６８と自由曲面ミラー６６との間）であってもよい。

ここでは、ＲＧＢの３色のレーザ光で感光材料５０を露光する場合について説明したが、ＲＧＢのうちのいずれか２色または１色のレーザ光で感光材料５０を露光する場合についても、上述の露光光学系６０を用いて感光材料５０を露光することができる。このとき、どの色の点光源を、点光源６１〜６２、点光源６４〜６５の位置に配置するかは、使用時に用いる光源（回折ピーク波長からずらしたい使用波長）によって決めればよい。なお、単色で感光材料５０を露光する場合は（モノクロのＨＯＥを作製する場合は）、点光源６１・６４の位置から露光すると使用波長をずらすことができないため、点光源６２・６５の位置から露光することになる。また、ＲＧＢの３色とも、使用波長を回折ピーク波長からずらすことも可能であり、この場合は、点光源６２の位置にＲＧＢの３色の点光源を位置させればよい。

表５〜表１０は、露光光学系６０のコンストラクションデータおよび自由曲面ミラーの形状式係数を、波長ずらしなしおよび波長ずらし＋５％のそれぞれの場合について示したものである。なお、コンストラクションデータにおけるｘ、ｙ、ｚの各座標は、面における代表点の座標で示している。

なお、上記した露光光学系でＨＯＥを作製する場合の作製波長（作製時のレーザ波長）、露光時の感光材料の収縮（例えば２．３％）を考慮したＨＯＥの回折ピーク波長、使用時の光源の強度ピーク波長の一例は、以下の通りである。すなわち、作製波長は、４７６ｎｍ（Ｂ光）、５３２ｎｍ（Ｇ光）、６４７ｎｍ（Ｒ光）であり、ＨＯＥの回折ピーク波長は、４６５ｎｍ（Ｂ光）、５２０ｎｍ（Ｇ光）、６３２ｎｍ（Ｒ光）であり、使用時の光源の強度ピーク波長は、４８８ｎｍ（Ｂ光）、５２０ｎｍ（Ｇ光）、６３２ｎｍ（Ｒ光）である。つまり、この例は、Ｇ光およびＲ光については、使用時に設計位置（基準位置）に入射する光の波長（使用波長）が回折ピーク波長からずれず（使用時の光源の強度ピーク波長のままであり）、Ｂ光についてのみ使用波長が回折ピーク波長から＋５％だけずれるように、感光材料を露光してＨＯＥを作製するときの例である。

《第２の露光光学系》
次に、ＨＯＥを作製する露光光学系の他の実施例について説明する。図１６は、ＨＯＥを製造する露光光学系７０（第２の露光光学系）の概略の構成および光路を示す説明図である。なお、図１６においても、図示しないレーザ光源からの光が二光束に分岐されて集光され、点光源となった状態から感光材料５０の表裏に入射する部分のみを示している。

この例では、ＲＧＢのうちの一つの色（例えばＧ）については、光線の入射角度の変化による回折波長の操作を行わず、他の一つの色（例えばＲ）については、使用波長を５％伸ばし（＋５％）、残る一つの色（例えばＢ）については、使用波長を５％縮める（−５％）場合について説明する。

感光材料５０に対して左側（例えば表側）の光路中には、点光源７１〜７３と、ダイクロイックミラー７４と、自由曲面ミラー７５とが配置されており、右側（例えば裏側）の光路中には、点光源７６〜７８と、自由曲面ミラー７９〜８１とが配置されている。

左側の光路において、点光源７１から出射されたレーザ光（例えばＧのレーザ光）は、ダイクロイックミラー７４の表面で反射された後、接眼プリズム２１を介して感光材料５０に入射する。また、点光源７２から出射されたレーザ光（例えばＲのレーザ光）は、ダイクロイックミラー７４に入射し、ダイクロイックミラー７４の入射面および出射面で屈折した後、接眼プリズム２１を介して感光材料５０に入射する。また、点光源７３から出射されたレーザ光（例えばＢのレーザ光）は、自由曲面ミラー７５で反射した後、接眼プリズム２１を介して感光材料５０に入射する。すなわち、ＲＧＢのうちで回折波長の操作を行わない色のレーザ光がダイクロイックミラー７４で反射し、回折波長を操作する色についてのレーザ光が、ダイクロイックミラー７４を透過する、または自由曲面ミラー７５で反射して、感光材料５０に入射する。

一方、右側の光路において、点光源７６から出射されたレーザ光（例えばＧのレーザ光）は、自由曲面ミラー７９で反射した後、感光材料５０に接眼プリズム２１とは反対側から入射する。また、点光源７７から出射されたレーザ光（例えばＲのレーザ光）は、自由曲面ミラー８０で反射した後、感光材料５０に接眼プリズム２１とは反対側から入射する。また、点光源７８から出射されたレーザ光（例えばＢのレーザ光）は、自由曲面ミラー８１で反射した後、感光材料５０に接眼プリズム２１とは反対側から入射する。

図１６の例では、感光材料５０に対して左側の光路においても、右側の光路においても、図１５と比較して、感光材料５０のある位置において、入射する他の２本の光線に対して入射角度の異なる光線が上側に一つ追加されており、これが波長を縮めるためのレーザ光の光路である。また、感光材料５０の左側の光路については、上記上側の光線（レーザ光）を通すために、ダイクロイックミラー７４の位置をずらし、また、断面台形状にカットしている。なお、ダイクロイックミラー７４の角度や厚みについては、図１５の場合と同じである。また、感光材料５０の異なる位置に入射する上記上側の各光線は、自由曲面ミラー７５によって一旦交わった後で、感光材料５０に入射するように構成されている。自由曲面ミラー７５と感光材料５０との間で光路が交わっている部分を見れば、自由曲面ミラー７５で反射した各光線が一点に集光せずに、ずれていることがわかる。

また、感光材料５０の右側の光路については、色補正プリズムおよびダイクロイックミラーは無く、３つの自由曲面ミラー７９〜８１によってそれぞれ適切に波面が変換されている。ダイクロイックミラーを使用することもできるが、ＲＧＢの各レーザ光を角度差で空間的に分離できれば、ダイクロイックミラーを使用しなくてもよい。また、上述した観察時の画像の縦ずれについては、複数波長で共通に使用する光路がない場合、各自由曲面ミラー７９〜８１で個別に補正できるので、色補正プリズムは不要である。

表１１〜表２０は、露光光学系７０のコンストラクションデータおよび自由曲面ミラーの形状式係数を、波長ずらしなし、波長ずらし＋５％および波長ずらし−５％のそれぞれの場合について示したものである。なお、コンストラクションデータにおけるｘ、ｙ、ｚの各座標は、面における代表点の座標で示している。

なお、上記した露光光学系でＨＯＥを作製する場合の作製波長（作製時のレーザ波長）、露光時の感光材料の収縮（例えば２．３％）を考慮したＨＯＥの回折ピーク波長、使用時の光源の強度ピーク波長の一例は、以下の通りである。すなわち、作製波長は、４７６ｎｍ（Ｂ光）、５３２ｎｍ（Ｇ光）、６４７ｎｍ（Ｒ光）であり、ＨＯＥの回折ピーク波長は、４６５ｎｍ（Ｂ光）、５２０ｎｍ（Ｇ光）、６３２ｎｍ（Ｒ光）であり、使用時の光源の強度ピーク波長は、４４２ｎｍ（Ｂ光）、５２０ｎｍ（Ｇ光）、６６４ｎｍ（Ｒ光）である。つまり、この例は、Ｇ光については、使用時に設計位置（基準位置）に入射する光の波長（使用波長）が回折ピーク波長からずれず（使用時の光源の強度ピーク波長のままであり）、Ｂ光については使用波長が回折ピーク波長から−５％だけずれ、Ｒ光については使用波長が回折ピーク波長から＋５％だけずれるように、感光材料を露光してＨＯＥを作製するときの例である。

（まとめ）
以上のように、本実施形態のＨＯＥの製造方法では、作製工程Ｓ２’（図５参照）において、少なくとも１色について、二光束の感光材料に対する入射角度をそれぞれ変化させることによって、使用時の縞の法線方向を設計した方向に維持しつつ、使用時にＨＯＥにて回折反射されて基準位置に向かう光の使用波長を、ＨＯＥの回折ピーク波長からずらしている。そして、基準平面内において、作製時の二光束のうちで基準位置側から感光材料に発散状態で入射する一方の光束に含まれる各光線の、感光材料に入射する直前の光路を、感光材料側から逆トレースして直線状に延長したときに、延長した各光路が基準位置からずれた位置で交差することによって複数の交点が生じ、かつ、複数の交点の位置が二光束の感光材料に対する入射角度の変化によって互いにずれるように、使用波長が回折ピーク波長からずれる色についての一方の光束が発散して感光材料に入射している。特に、図１２で示したように、基準平面内で、光線Ｃが光線Ａ側に近づくにつれて、交点Ｔ２の位置が、交点Ｔ１側から感光材料側に近づく一方、光線Ｃが光線Ｂ側に近づくにつれて、交点Ｔ３の位置が、交点Ｔ１側から感光材料とは反対側に遠ざかるように、交点Ｔ１〜Ｔ３を含む複数の交点の位置がずれている。

使用時に、光学パワーを持つＨＯＥ２３に入射した光が回折反射されて基準位置Ｏに導かれるときに、ＨＯＥ２３の使用時の波長と作製時の波長とが一致していない場合でも、作製時に用いる二光束のうちの一方（発散光）について、図１０および図１２で示した光路分布を作って感光材料５０を露光することにより、作製されたＨＯＥ２３の使用時において、光線の入射位置に関係なく、基準位置Ｏに入射する光の波長（使用波長）を、ＨＯＥ２３の回折ピーク波長（作製時のレーザ波長、または感光材料５０の収縮後のＨＯＥ２３の回折ピーク波長）から一律に変化させることができる（ＨＯＥ２３のどの入射位置でも、基準位置Ｏに向かう光の波長を同じ比率で回折ピーク波長からシフトさせることができる。これにより、使用時に観察画角内で色ムラが生じるのを低減することができる。

特に、ＲＧＢのうち２色（または３色）のレーザ光を用いてカラーのＨＯＥ２３を作製する場合、１色（または２色）について、感光材料５０の同じ位置に入射する光線の入射角度が、他の色と異なっており、感光材料５０に対して基準位置Ｏ側に、複数の色に対応する複数の点光源（例えば図１５では点光源６１・６２、図１６では点光源７１〜７３）を位置させるとともに、複数の点光源のうち、入射角度が他の色と異なる光を出射する点光源（例えば図１５では点光源６２、図１６では点光源７２・７３）と、感光材料５０との間の光路中に光学素子（例えばダイクロイックミラー６３、ダイクロイックミラー７４、自由曲面ミラー７５）を配置し、点光源６２（点光源７２・７３）から出射される光のみを、上記光学素子によって、平面内で複数の交点の位置がずれるような発散光に変換して、感光材料５０に入射させている。これにより、カラーのＨＯＥ２３の作製において、使用波長をずらしたい色についてのみ、所望の光路分布を持つ発散光を生成してＨＯＥ２３を作製し、ＨＯＥ２３の入射位置に関係なく、使用波長を一定の比率で変化させることが可能となる。

また、上記の光学素子は、（点光源６２（点光源７２）から出射される）光を透過させることによって上記発散光に変換する光学部材（例えば平板状のダイクロイックミラー６３、ダイクロイックミラー７４）を含んでいる。そのような光学部材を光路中に配置することにより、点光源を用いて上記発散光を容易に生成することが可能となる。

上記の光学部材は、（使用波長をずらしたい色の）光を出射する点光源（例えば点光源６２・７２）とは異なる点光源（例えば点光源６１・７１）から出射される他の色の光を反射させて、感光材料５０に入射させてもよい。この場合、１つの光学部材を用いて、使用波長をずらす光（上記発散光）の感光材料５０への入射と、使用波長をずらさない光の感光材料５０への入射とを同時に実現できるため、コンパクトな構成で上述した本実施形態の効果を得ることができる。

特に、上記光学部材が、平板状のダイクロイックミラー６３・６４であれば、上記コンパクトな構成を確実に実現することができる。

また、上記した光学素子は、光（使用波長をずらしたい色の光）を反射させることによって上記発散光に変換する自由曲面ミラー７５を含んでいてもよい。上記光学素子として、平板状のダイクロイックミラーを用いる場合は、上記ダイクロイックミラーの配置角度、厚さ、屈折率の３つの要因が、使用波長のずれ方に影響するため、使用波長を精度よくずらすためには、これら３つの要因を精度よく管理することが必要となる。これに対して、上記光学素子として、自由曲面ミラー７５を用いる場合は、使用波長のずれ方は、反射面の面形状のみによって決まるため、面形状だけを管理することによって、使用波長を精度よくずらすことが可能となる。

上述したＨＯＥの作製工程においては、感光材料５０および上記光学素子を静止させた状態で、二光束を感光材料５０に入射させている。このようにすることで、感光材料５０等を移動させながらＨＯＥ２３を作製する場合に比べて、安定した光学性能のＨＯＥ２３を作製することが可能となる。特に、ＲＧＢの露光ごとに感光材料５０等を移動させると、作製されたＨＯＥ２３にＲＧＢ間での色ずれが生じることが懸念されるが、静止状態での露光により、このような懸念が全くなくなる。

また、本実施形態の映像表示装置１の製造方法は、映像表示装置１のＨＯＥ２３を作製する際に、上述した本実施形態の製造方法を用いる。これにより、使用時に観察画角内での色ムラが低減された映像を観察者に観察させることができ、観察される映像の品位を向上させることができる。

なお、本実施形態では、一方向（Ｙ方向）にのみ光学パワーを有するＨＯＥ２３の製造方法について説明したが、Ｘ方向およびＹ方向の両方向に光学パワーを有するＨＯＥを製造する場合でも、本実施形態のＨＯＥ２３の製造方法を適用することは可能である。また、本実施形態では、ＨＯＥ２３が曲面形状である場合について説明したが、ＨＯＥ２３が平板状で形成される場合でも、本実施形態のＨＯＥ２３の製造方法を適用することは可能である。

本発明は、例えば映像表示装置やＨＭＤに用いられるＨＯＥの製造に利用可能である。

２ 照明光学系
５ 表示素子
６ 接眼光学系
２１ 接眼プリズム
２３ ＨＯＥ（ホログラフィック光学素子）
５０ 感光材料
６１ 点光源
６２ 点光源
６３ ダイクロイックミラー（光学素子、光学部材）
７１ 点光源
７２ 点光源
７３ 点光源
７４ ダイクロイックミラー（光学素子、光学部材）
７５ 自由曲面ミラー（光学素子）
Ａ 光線（第１の光線）
Ｂ 光線（第２の光線）
Ｃ 光線（第３の光線）
Ｌ１ 光束（一方の光束）
Ｔ１ 交点（第１の交点）
Ｔ２ 交点（第２の交点）
Ｔ３ 交点（第３の交点）
Ｏ 基準位置
Ｐ 光学瞳

Claims (8)

1. 少なくとも１色に対応する二光束を感光材料の表裏からそれぞれ入射させて、前記二光束の干渉による縞を前記感光材料に形成することにより、光学パワーを有する反射型のホログラフィック光学素子を作製する作製工程を含む、ホログラフィック光学素子の製造方法であって、
   作製時に用いる前記二光束の波長は、前記ホログラフィック光学素子の使用時の波長とは異なっており、
   使用時に、前記ホログラフィック光学素子に入射した光が回折反射されて一点またはほぼ一点に集光する設計時の位置を、基準位置としたとき、
   前記作製工程では、
   前記少なくとも１色について、前記二光束の前記感光材料に対する入射角度をそれぞれ変化させることによって、使用時の前記縞の法線方向を設計した方向に維持しつつ、使用時に前記ホログラフィック光学素子にて回折反射されて前記基準位置に向かう光の使用波長を、前記ホログラフィック光学素子の回折ピーク波長からずらし、
   使用時に表示面から出射された光が前記ホログラフィック光学素子で回折反射されて前記基準位置に導かれるときに、前記表示面の中心と前記基準位置とを光学的に結ぶ光路上を進行する、前記ホログラフィック光学素子に対する入射光線および出射光線を含む平面内において、
   作製時の前記二光束のうちで前記基準位置側から前記感光材料に発散状態で入射する一方の光束に含まれる各光線の、前記感光材料に入射する直前の光路を、前記感光材料側から逆トレースして直線状に延長したときに、延長した各光路が前記基準位置からずれた位置で交差することによって複数の交点が生じ、かつ、前記複数の交点の位置が前記二光束の前記感光材料に対する入射角度の変化によって互いにずれるように、前記使用波長が前記回折ピーク波長からずれる色についての前記一方の光束が発散して前記感光材料に入射し、
   前記平面内において、前記一方の光束に含まれる画角両端の２つの光線の、前記逆トレースして延長した各光路上での交点を第１の交点とし、前記２つの光線のうち、前記第１の交点と前記感光材料との間の光路中で、前記基準位置により近い側の光線を第１の光線とし、前記基準位置からより遠い側の光線を第２の光線とし、前記一方の光束に含まれる前記第１および前記第２の光線以外の光線を第３の光線とし、前記第１の光線と前記第３の光線との、前記逆トレースして延長した各光路上での交点を第２の交点とし、前記第２の光線と前記第３の光線との、前記逆トレースして延長した各光路上での交点を第３の交点としたとき、
   前記平面内で、前記第３の光線が前記第１の光線側に近づくにつれて、前記第２の交点の位置が、前記第１の交点側から前記感光材料側に近づく一方、前記第３の光線が前記第２の光線側に近づくにつれて、前記第３の交点の位置が、前記第１の交点側から前記感光材料とは反対側に遠ざかるように、前記第１、前記第２および前記第３の交点を含む前記複数の交点の位置がずれていることを特徴とするホログラフィック光学素子の製造方法。
2. 前記作製工程では、
   複数の色に対応する二光束を感光材料の表裏からそれぞれ入射させて、カラーの前記ホログラフィック光学素子を作製し、
   １色または２色について、前記感光材料の同じ位置に入射する光線の入射角度が、他の色と異なっており、
   前記感光材料に対して前記基準位置側に、前記複数の色に対応する複数の点光源を位置させるとともに、前記複数の点光源のうち、前記入射角度が前記他の色と異なる光を出射する点光源と、前記感光材料との間の光路中に光学素子を配置し、
   前記点光源から出射される光のみを、前記光学素子によって、前記平面内で前記複数の交点の位置がずれるような発散光に変換して、前記感光材料に入射させることを特徴とする請求項１に記載のホログラフィック光学素子の製造方法。
3. 前記光学素子は、前記光を透過させることによって前記発散光に変換する光学部材を含むことを特徴とする請求項２に記載のホログラフィック光学素子の製造方法。
4. 前記光学部材は、前記光を出射する前記点光源とは異なる点光源から出射される前記他の色の光を反射させて、前記感光材料に入射させることを特徴とする請求項３に記載のホログラフィック光学素子の製造方法。
5. 前記光学部材は、平板状のダイクロイックミラーであることを特徴とする請求項３または４に記載のホログラフィック光学素子の製造方法。
6. 前記光学素子は、前記光を反射させることによって前記発散光に変換する自由曲面ミラーを含むことを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載のホログラフィック光学素子の製造方法。
7. 前記作製工程では、前記感光材料および前記光学素子を静止させた状態で、前記二光束を前記感光材料に入射させることを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載のホログラフィック光学素子の製造方法。
8. 照明光学系からの光を変調して映像を表示する表示素子と、
   前記表示素子からの映像光を、観察者の瞳が位置する設計時の基準位置に導く接眼光学系とを有し、
   前記接眼光学系は、
   前記映像光を内部で導光する接眼プリズムと、
   前記接眼プリズムに接して設けられ、前記接眼プリズム内部で導光された前記映像光を回折反射する体積位相型で反射型のホログラフィック光学素子とを有する映像表示装置の製造方法であって、
   前記接眼プリズムに感光材料を貼り付ける貼付工程と、
   前記感光材料を二光束で露光することにより、前記ホログラフィック光学素子を作製する露光工程とを有しており、
   前記露光工程では、請求項１から７のいずれかに記載の製造方法を用いて、前記ホログラフィック光学素子を作製することを特徴とする映像表示装置の製造方法。

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