JP2019148738A - 回折光学部材および虚像表示装置 - Google Patents

回折光学部材および虚像表示装置 Download PDF

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Abstract

【課題】回折光学部材が備えるホログラム素子に水分が浸入することに起因して、ホログラム素子の偏向特性が劣化するのが的確に抑制または防止された回折光学部材、および、かかる回折光学部材を備えた信頼性に優れた虚像表示装置を提供すること。【解決手段】本発明の回折光学部材は、入射した光を偏向するホログラム素子と、前記ホログラム素子の一方の面側に設けられた第1基板と、前記第1基板と前記ホログラム素子との間に設けられた第1誘電体膜と、前記ホログラム素子の他方の面側に設けられた第2誘電体膜と、前記ホログラム素子の側面側に設けられた第3誘電体膜と、を備える。【選択図】図5

Description

本発明は、回折光学部材および虚像表示装置に関するものである。
瞳の網膜に直接レーザーを照射し、使用者に画像を視認させる表示装置としてヘッドマウントディスプレイ(HMD)が知られている。
ヘッドマウントディスプレイは、一般に、画像光を形成する画像形成部と、画像形成部で形成された画像光を偏向することで使用者の眼(瞳)に向けて射出する視認部とを備えている。このようなヘッドマウントディスプレイにより、使用者は、例えば、外の景色と、視認部を介して画像形成部により射出された画像光の双方を同時に視認することができる。
このようなヘッドマウントディスプレイでは、例えば、視認部として、ホログラム素子を備えるものが用いられ、このホログラム素子における光の回折により、画像形成部で形成された画像光が、使用者の眼に向かうように偏向され、その結果、使用者により視認される。
ここで、画像光を偏向させるホログラム素子として、体積ホログラムを用いた場合、体積ホログラムは、低屈折率層と高屈折率層とによる平面状の干渉縞を備え、この干渉縞により画像光を偏向するものである。
ところが、かかる構成の体積ホログラムに対して水分が浸入すると、体積ホログラムが膨張することに起因して、干渉縞の位置にズレが生じ、体積ホログラムの偏向特性が劣化すると言う問題があった。
特開平05−249317号公報 特開2008−139768号公報
特許文献1、2では、体積ホログラムの偏向特性が劣化するのを防止することを目的に、体積ホログラムに対して、誘電体膜を水蒸気バリア層として形成することが提案されており、特に、特許文献2では、体積ホログラムの上面側および下面側の双方に、誘電体膜(水蒸気バリア層)を形成することが提案されている。
しかしながら、誘電体膜を、体積ホログラムが備える双方の面側に、形成したとしても、水分の浸入に起因する体積ホログラムの偏向特性の劣化が的確に防止されているとは言えないのが実情であった。
なお、このような問題は、体積ホログラムで構成されるホログラム素子に限らず、表面レリーフホログラム、ブレーズ回折格子等のホログラム素子においても同様に生じている。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
本発明の適用例に係る回折光学部材は、入射した光を偏向するホログラム素子と、
前記ホログラム素子の一方の面側に設けられた第1基板と、
前記第1基板と前記ホログラム素子との間に設けられた第1誘電体膜と、
前記ホログラム素子の他方の面側に設けられた第2誘電体膜と、
前記ホログラム素子の側面側に設けられた第3誘電体膜と、を備えることを特徴とする。
本発明の適用例に係る回折光学部材では、
前記第2誘電体膜と前記ホログラム素子との間に設けられた第2接着層と、
前記第3誘電体膜と前記ホログラム素子との間に設けられた第3接着層と、を備え、
前記第2接着層と前記第3接着層とは、一体的に形成されていることが好ましい。
本発明の適用例に係る回折光学部材では、前記第2誘電体膜と前記第3誘電体膜とは、一体的に形成されていることが好ましい。
本発明の適用例に係る回折光学部材では、前記ホログラム素子の前記他方の面側に設けられた第2基板を備え、
前記第2誘電体膜は、前記第2基板と前記ホログラム素子との間に配置されていることが好ましい。
本発明の適用例に係る回折光学部材では、前記第2基板は、前記一方の面側の縁部に沿って立設する壁部を備え、
前記壁部の内周面側に前記第3誘電体膜が形成されていることが好ましい。
本発明の適用例に係る回折光学部材では、前記第1基板の前記一方の面側に設けられた第4誘電体膜と、
前記第2基板の前記他方の面側に設けられた第5誘電体膜と、を備え、
前記第3誘電体膜と、前記第4誘電体膜と、前記第5誘電体膜とが一体的に形成され、
前記ホログラム素子と、前記第1誘電体膜と、前記第1基板と、前記第2誘電体膜と、前記第2基板と、を備える積層体の全面は、一体的に形成された前記第3誘電体膜と、前記第4誘電体膜と、前記第5誘電体膜とにより被覆されていることが好ましい。
本発明の適用例に係る回折光学部材では、前記第1基板と前記第4誘電体膜との間に設けられた第1ハードコート層と、
前記第2基板と前記第5誘電体膜との間に設けられた第2ハードコート層と、
前記積層体の側面側と前記第3誘電体膜との間に設けられた第3ハードコート層と、を備えることが好ましい。
本発明の適用例に係る虚像表示装置は、本発明の回折光学部材を備えることを特徴とする。
本発明の回折光学部材を備える虚像表示装置としてヘッドマウントディスプレイ(HMD)に適用した場合の実施形態の全体像を示す概略斜視図である。 図1に示すヘッドマウントディスプレイを上方から見た模式平面図である。 図2に示すヘッドマウントディスプレイのA部の画像表示装置の構成を拡大して示す概略平面図である。 図2に示すヘッドマウントディスプレイのA部の画像表示装置の構成を拡大して示す概略側面図である。 本発明の回折光学部材の第1実施形態を模式的に示す縦断面図である。 本発明の回折光学部材の第1実施形態を模式的に示す平面図である。 ホログラム素子の製造方法を示す概略平面図である。 ホログラム素子の製造方法を示す概略側面図である。 平面波を用いてホログラム素子を露光する露光方法(露光配置)を示す概略図である。 ホログラム素子の干渉縞の模様を示す概略平面図である。 ホログラム素子の干渉縞の模様を示す概略側面図である。 本発明の回折光学部材の第2実施形態を模式的に示す縦断面図である。 本発明の回折光学部材の第2実施形態を模式的に示す平面図である。 本発明の回折光学部材の第3実施形態を模式的に示す縦断面図である。 本発明の回折光学部材の第3実施形態を模式的に示す平面図である。 本発明の回折光学部材の第4実施形態を模式的に示す縦断面図である。 本発明の回折光学部材の第4実施形態を模式的に示す平面図である。 本発明の回折光学部材の第5実施形態を模式的に示す縦断面図である。 本発明の回折光学部材の第5実施形態を模式的に示す平面図である。 本発明の回折光学部材の第6実施形態を模式的に示す縦断面図である。 本発明の回折光学部材の第6実施形態を模式的に示す平面図である。 本発明の回折光学部材の第7実施形態を模式的に示す縦断面図である。 本発明の回折光学部材の第7実施形態を模式的に示す平面図である。
以下、本発明の回折光学部材および虚像表示装置を添付図面に示す好適な実施形態について説明する。
まず、本発明の回折光学部材を説明するのに先立って、本発明の回折光学部材を備える虚像表示装置(本発明の虚像表示装置)が適用されたヘッドマウントディスプレイ(HMD)について説明する。
図1は、本発明の回折光学部材を備える虚像表示装置としてヘッドマウントディスプレイ(HMD)に適用した場合の実施形態の全体像を示す概略斜視図、図2は、図1に示すヘッドマウントディスプレイを上方から見た模式平面図、図3は、図2に示すヘッドマウントディスプレイのA部の画像表示装置の構成を拡大して示す概略平面図、図4は、図2に示すヘッドマウントディスプレイのA部の画像表示装置の構成を拡大して示す概略側面図である。なお、以下では、説明の都合上、図2中の上側を「前(Z方向)」、下側を「後(−Z方向)」、紙面手前側を「上(X方向)」、紙面奥側を「下(−X方向)」、右側を「右(Y方向)」、左側を「左(−Y方向)」として説明を行う。換言すれば、後述する回折光学部材30の縦方向(フレーム140の高さ方向)を「±X方向」、回折光学部材30の横方向(視認部131Aの幅方向)を「±Y方向」、回折光学部材30の厚さ方向(視認部131Aの厚さ方向)を「±Z方向」として説明を行う。
ヘッドマウントディスプレイ1000は、図1に示すように、眼鏡様の形状を有する本体部100と、使用者の手で持つことが可能な程度の大きさを有する制御部200とを備えている。
本体部100と制御部200とは、本実施形態では、ケーブル300により有線で通信可能に接続されている。そして、本体部100と制御部200とは、このケーブル300を介して、画像信号や制御信号を通信する。なお、本体部100と制御部200とは、通信可能に接続されていればよく、図1に示した有線の他、無線であってもよい。
本体部100は、右眼用表示部110Aと、左眼用表示部110Bとを有している。右眼用表示部110Aは、右眼用画像の画像光を形成する画像形成部120Aを備え、左眼用表示部110Bは、左眼用画像の画像光を形成する画像形成部120Bを備えている。
画像形成部120Aは、眼鏡様をなす本体部100のフレーム140において、眼鏡のつる部分(右側)に収容され、これに対して、画像形成部120Bは、眼鏡様をなす本体部100のフレーム140において、眼鏡のつる部分(左側)に収容されている。
本体部100には、眼鏡のレンズ(右側)に対応する位置に、光透過性を有する視認部131Aが設けられている。視認部131Aは、右眼用画像の画像光を使用者の右眼(一方の眼)に向けて射出する。また、ヘッドマウントディスプレイ1000においては、視認部131Aが光透過性を有し、視認部131Aを介して右眼により周囲を視認可能となっている。
また、本体部100には、眼鏡のレンズ(左側)に対応する位置に、光透過性を有する視認部131Bが設けられている。視認部131Bは、左眼用画像の画像光を使用者の左眼(他方の眼)に向けて射出する。また、ヘッドマウントディスプレイ1000においては、視認部131Bが光透過性を有し、視認部131Bを介して左眼により周囲を視認可能となっている。
このように、ヘッドマウントディスプレイ1000は、本実施形態では、視認部131A、131Bを介して、眼により周囲が視認可能となっているAR(拡張現実)型のHMDである。
制御部200は、操作部210と操作ボタン部220とを備え、使用者は、制御部200の操作部210や操作ボタン部220に対して操作入力を行い、本体部100が備える各部に対する指示を行うよう構成されている。
かかる構成のヘッドマウントディスプレイ1000において、図2に示すように、フレーム140のつる部分(右側)に配置(収容)された画像形成部120A、および、フレーム140のつる部分(左側)に配置された画像形成部120Bは、それぞれ、光源10および走査ミラー20を有している。
さらに、レンズ(右側)に対応する位置に設けられた視認部131A、および、レンズ(左側)に対応する位置に設けられた視認部131Bは、それぞれ、使用者の右眼および左眼の網膜上に映像を表示させるための回折光学部材30を有している。
光源10は、本実施形態では、半導体レーザー光であり、赤色レーザー光源と、青色レーザー光源と、緑色レーザー光源とから出力される各レーザー光を合波したレーザー光である。そして、各色レーザー光源からの出力を適切に変調することで、任意の色のレーザー光が出力される。さらに、後述する走査ミラー20等と連動させて変調することで、使用者の眼の網膜上に映像を表示することができる。
走査ミラー20は、ミラーと、このミラーをある周波数で振動制御する振動制御部とを備えるものであり、振動制御部は、例えば、MEMSによって構成されている。このように、振動制御部を、MEMSにより構成することで、走査ミラー20の小型化が実現される。
なお、画像形成部120A、120Bは、光源10および走査ミラー20に代えて、画像情報を含む画像光を射出する画像表示素子と、射出された画像光を回折光学部材30に導く(入射させる)反射ミラーとを備えるものであってもよい。また、この場合、画像表示素子としては、画像情報を含む画像光を射出し得るものであれば、特に限定されず、発光ダイオード(LED)のようなバックライトで照明された液晶表示素子(LCD)や、有機EL表示素子(OLED)、複数のマイクロLEDが平面上に格子状をなして配列された表示素子等の二次元画像表示素子が挙げられる。
回折光学部材30は、本実施形態では、走査ミラー20を介した光源10から出射された光を偏向(反射)させることにより、使用者の眼の網膜上に映像を表示させるためのものである。
この回折光学部材30に、本発明の回折光学部材が適用されている。回折光学部材30を、本発明の回折光学部材で構成することで、回折光学部材30が備えるホログラム素子310に対する水分の浸入が的確に抑制または防止される。そのため、ホログラム素子310が吸湿することに起因する偏向特性の劣化を的確に抑制または防止することができる。以下、この回折光学部材30について詳述する。
<第1実施形態>
まず、回折光学部材30の第1実施形態について説明する。
図5は、本発明の回折光学部材の第1実施形態を模式的に示す縦断面図、図6は、本発明の回折光学部材の第1実施形態を模式的に示す平面図、図7、図8は、ホログラム素子の製造方法を示す概略図、図9は、平面波を用いてホログラム素子を露光する露光方法(露光配置)を示す概略図、図10、図11は、ホログラム素子の干渉縞の模様を示す概略図である。なお、以下では、説明の都合上、図5中の上側を「上」、下側を「下」、図7中の左側を「前(Z方向)」、右側を「後(−Z方向)」、紙面手前側を「上(X方向)」、紙面奥側を「下(−X方向)」、上側を「右(Y方向)」、下側を「左(−Y方向)」として説明を行う。
回折光学部材30は、本実施形態では、図5、図6に示すように、第1基板321と、第1誘電体膜331と、ホログラム素子310と、第2誘電体膜332と、第3誘電体膜333とを有し、第1基板321と、第1誘電体膜331と、ホログラム素子310と、第2誘電体膜332とが回折光学部材30の下側から上側に向かって、この順で積層されており、第3誘電体膜333がホログラム素子310の側面を被覆するように設けられた積層体で構成されるものである。
この回折光学部材30では、第1誘電体膜331は、第1基板321の上面(他方の面)のほぼ全面を被覆するように形成され、ホログラム素子310は、第1誘電体膜331の縁部を被覆することなく第1誘電体膜331の中央部に配置されている。また、第2誘電体膜332は、第1誘電体膜331の中央部に配置されたホログラム素子310の上面を被覆し、さらに、第3誘電体膜333は、ホログラム素子310の側面を被覆することで、第1誘電体膜331と第2誘電体膜332と第3誘電体膜333とによりホログラム素子310を封止している。
本実施形態では、ホログラム素子310の上面を被覆する領域に位置する第2誘電体膜332と、ホログラム素子310の側面を被覆する領域に位置する第3誘電体膜333とは、一体的に設けられており、ホログラム素子310を収納する下方に開口した凹部を備える形状をなしている。
このような回折光学部材30にあっては、第1誘電体膜331と第2誘電体膜332と第3誘電体膜333とにより、ホログラム素子310の上面(他方の面)、下面(一方の面)および側面が被覆されることで封止されており、これにより、ホログラム素子310に対する水分の浸入が的確に抑制または防止される。そのため、ホログラム素子310が吸湿することに起因する吸湿劣化を的確に抑制または防止することができる。
以下、回折光学部材30を構成する各部について、順次、説明する。
なお、本明細書中では、回折光学部材30を構成する各部の下側の面(下面)を一方の面とし、各部の上側の面(上面)を他方の面として説明する。
第1基板321は、第1誘電体膜331を介してホログラム素子310の下面側に設けられることで、ホログラム素子310、第1誘電体膜331、第2誘電体膜332および第3誘電体膜333を支持するものであり、光源10から出射された光を、ホログラム素子310で偏向させるために、第1基板321は、実質的に透明(無色透明、着色透明または半透明)であるのが好ましい。
第1基板321の構成材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリプロピレン、シクロオレフィンポリマー、ポリアミド、ポリエーテルサルフォン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリアリレートのような樹脂材料や、石英ガラス、ソーダガラスのようなガラス材料等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
このような第1基板321の平均厚さは、特に限定されないが、0.5mm以上5mm以下程度であるのが好ましく、0.7mm以上2mm以下程度であるのがより好ましい。
ホログラム素子310(回折光学素子)は、光源10からの出射により入射した光を偏向(反射)させることで、使用者の眼の網膜上に映像を表示させるものであり、上面および下面がともに平坦な平板状をなし、本実施形態では、体積ホログラムで構成され、第1誘電体膜331を介して、第1基板321の上面側に載置されており、第1基板321および第1誘電体膜331を介して、光源10からの光を偏向させる。ホログラム素子310を、体積ホログラムで構成することにより、回折光学部材30に入射された光を比較的高い効率で回折させることができる。
この体積ホログラム(ホログラム素子310)は、樹脂層内部に屈折率分布を持って構成され、例えば、模式的には(図10、図11)の様に、低屈折率層と高屈折率層とにより平面状の干渉縞31(図10、図11参照)によって示される。
このような体積ホログラムで構成されるホログラム素子310を備える回折光学部材30を用いることにより、一般的なミラーを用いた場合では、光を正反射しか進行させられないのに対して、図3に示すように、正反射だけではない任意の方向に光の向きを変える(偏向する)ことが可能となる。また、一般的なミラーと比較して、ホログラム素子310ひいては回折光学部材30の小型化を実現することができる。
また、図4に示すように、回折光学部材30(ホログラム素子310)は、眼に対して正対して配置されており、ホログラム素子310は、走査ミラー20からの光を回折させ、1次回折光Lとして右眼に入射するように設計されている。
そして、走査ミラー20は、本実施形態では、瞳の中心に対して垂直なZ軸と、両眼の中心を結んだY軸と、を含む面(YZ面)以外の位置に配置され、本実施形態では、YZ面(眼の高さ)より高い位置の高さHに走査ミラー20が配置されている。具体的には、例えば、瞳径が4mmだとすると、少なくとも瞳の中心から2mm以上の高さHに走査ミラー20が配置される。なお、瞳の中心から離れる高さの上限としては、例えば、ヘッドマウントディスプレイ1000として機能する範囲内である。このように配置することにより、走査ミラー20からホログラム素子310に入射した入射光のうち、0次回折光Lの進行方向は、左眼と異なる高さに進行し、その結果、左眼に入射しない。
これに対して、走査ミラー20から回折光学部材30(ホログラム素子310)へ入射した入射光のうち1次回折光Lは、右眼に入射し、これにより、画像を見ることができる。なお、0次回折光Lおよび1次回折光Lの方向は、ホログラム素子310を製造する際の、露光光学系の構成により調整することが可能である。
以上のような回折光学部材30が備えるホログラム素子310、すなわち、低屈折率層と高屈折率層とによる平面状の干渉縞31を備える体積ホログラムは、例えば、物体光Lと参照光Lとの二光束の干渉露光により形成することができる(図7、図8参照)。
すなわち、形成すべきホログラム素子310の一方の面に平面波Wの物体光Lで露光し、他方の面に物体光Lと交差するように平面波Wの参照光Lで露光する(図9参照)。そして、この物体光Lと参照光Lとが交差する角度によって、形成されるホログラム素子310(体積ホログラム)の特性が決定される。
なお、露光の方法として、図9に示すように、平面波Wを使用した例を示す。このように、平面波Wで記録された場合、ホログラム素子310の干渉縞31の角度は、図10に示すように、ホログラム全体でZ軸に対して垂直以外の角度で記録される。また、平面波Wを使用するので、記録される干渉縞31も直線(平面状)となる。なお、前記露光には、図9に示す平面波Wに代えて、球面波を用いることもできる。
図10、図11に示す干渉縞31は、フォトポリマーの部分を拡大して示す概略図である。干渉縞31は、屈折率の分布が斜めの線のようになっている。つまり、高屈折率層と低屈折率層とが交互に分布している。また、高屈折率層の幅w1と低屈折率層の幅w2とは、ほぼ同等の幅である。干渉縞31の幅は、例えば、400nm以上800nm以下程度に設定される。
このように、ホログラム素子310の干渉縞31は、上から見ても(図10参照)、横から見ても(図11参照)、斜めになるように形成される。
ここで、前述したような構成のホログラム素子310、換言すれば、物体光Lと参照光Lとの二光束の干渉露光により形成された低屈折率層と高屈折率層とによる平面状の干渉縞31を備える体積ホログラムを、例えば、第1基板321上に、第1誘電体膜331、第2誘電体膜332および第3誘電体膜333を設けることなく、直接、形成すると、次のような問題があった。すなわち、体積ホログラムに対して水分が浸入し、その結果、体積ホログラムが膨張することに起因して、干渉縞の位置にズレが生じ、体積ホログラムの偏向特性が劣化すると言う問題があった。
これに対して、本発明では、回折光学部材30は、第1基板321とホログラム素子310との間、すなわち、ホログラム素子310の下面(一方の面)側に設けられた第1誘電体膜331と、ホログラム素子310の上面(他方の面)側に設けられた第2誘電体膜332と、ホログラム素子310の側面側に設けられた第3誘電体膜333と、を備えている。これにより、第1誘電体膜331、第2誘電体膜332および第3誘電体膜333によりホログラム素子310が封止され、これら第1誘電体膜331、第2誘電体膜332および第3誘電体膜333により、水分(水蒸気)のホログラム素子310への浸入を抑制または防止する水蒸気バリア層としての機能を発揮させることができる。そのため、ホログラム素子310に対して水分が浸入するのが的確に抑制または防止され、ホログラム素子310が膨張して、干渉縞31の位置にズレが生じることに由来する、ホログラム素子310の偏向特性の劣化を的確に抑制または防止することができる。
なお、ホログラム素子310は、本実施形態で説明した、体積ホログラムの他、表面レリーフホログラム、ブレーズ回折格子等であってもよい。
また、ホログラム素子310の上面には、第2誘電体膜332との間に介在して、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリアミド、トリアセチルセルロースのような熱可塑性樹脂で構成される樹脂層が形成されていてもよい。
第1誘電体膜331は、第1基板321とホログラム素子310との間、すなわち、ホログラム素子310の下面側に設けられ、ホログラム素子310の下面側からの水分の浸入を抑制または防止する水蒸気バリア層としての機能を発揮するものである。
また、光源10から出射された光を、ホログラム素子310で偏向させるために、第1誘電体膜331は、実質的に透明(無色透明、着色透明または半透明)であるのが好ましい。
第1誘電体膜331の構成材料としては、誘電性を備え、第1誘電体膜331に水蒸気バリア性および透明性を付与できるものであれば、特に限定されないが、例えば、セラミックス材料、ガラス材料のような無機材料および樹脂材料等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができるが、中でも、セラミックス材料であることが好ましい。これにより、得られる第1誘電体膜331に、上述した第1誘電体膜331としての機能を確実に発揮させることができる。
セラミックス材料としては、例えば、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、シリカ、一酸化ケイ素、チタニア、酸化ハフニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、チタン酸バリウム等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。これらの中でも、一酸化ケイ素(SiO)、シリカ(SiO)、アルミナ(Al)、酸化ハフニウム、(HfO)、ジルコニア(ZrO)およびチタニア(TiO)であるのが好ましい。これらによれば、前述したセラミックス材料を用いることにより得られる効果をより顕著に発揮させることができる。また、セラミックス材料で構成される第1誘電体膜331であれば、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、プラズマ化学気相成長法のような気相成長法を用いて比較的容易に形成することができる。
なお、ガラス材料としては、例えば、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス等が挙げられる。
また、樹脂材料としては、例えば、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニル、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等が挙げられる。
さらに、第1誘電体膜331は、上述した構成材料で構成される単層体であっても多層体であってもよいが、多層体であることが好ましい。これにより、上述した第1誘電体膜331としての機能をより顕著に発揮させることができる。
なお、第1誘電体膜331を、セラミックス材料を用いて多層体とする場合、この第1誘電体膜331としては、例えば、一酸化ケイ素(SiO)で構成される層と、アルミナ(Al)で構成される層とを備え、一酸化ケイ素(SiO)を第1基板321側とする多層体、または、一酸化ケイ素(SiO)で構成される層と、酸化ハフニウム、(HfO)で構成される層とを備え、一酸化ケイ素(SiO)を第1基板321側とする多層体が挙げられる。
このような第1誘電体膜331の平均厚さは、特に限定されないが、50nm以上1μm以下程度であるのが好ましく、100nm以上300nm以下程度であるのがより好ましい。第1誘電体膜331の平均厚さが前記下限値未満であると、第1誘電体膜331の構成材料の種類によっては、第1誘電体膜331に十分な水蒸気バリア性を付与できないおそれがあり、さらに、第1誘電体膜331の平均厚さが前記上限値を超えると、第1誘電体膜331の構成材料の種類によっては、第1誘電体膜331に膜割れが発生するおそれがある。
第2誘電体膜332は、ホログラム素子310の上面側に設けられ、ホログラム素子310の側面側に設けられた第3誘電体膜333と一体的に設けられており、ホログラム素子310の上面側からの水分の浸入を抑制または防止する水蒸気バリア層としての機能を発揮するものである。
第2誘電体膜332の構成材料としては、上述した第1誘電体膜331で挙げたのと同様のものを用いることができる。また、第1誘電体膜331で挙げた構成材料で構成されていれば、第2誘電体膜332も、単層体であっても多層体であってもよい。
また、第2誘電体膜332の平均厚さは、第1誘電体膜331と同様に、50nm以上1μm以下程度であるのが好ましく、100nm以上300nm以下程度であるのがより好ましい。
第3誘電体膜333は、ホログラム素子310の側面側に設けられ、ホログラム素子310の上面側に設けられた第2誘電体膜332と一体的に設けられており、ホログラム素子310の側面側からの水分の浸入を抑制または防止する水蒸気バリア層としての機能を発揮するものである。
第3誘電体膜333の構成材料としては、上述した第1誘電体膜331で挙げたのと同様のものを用いることができる。また、第1誘電体膜331で挙げた構成材料で構成されていれば、第3誘電体膜333も、単層体であっても多層体であってもよい。
また、第3誘電体膜333の平均厚さは、第1誘電体膜331と同様に、50nm以上1μm以下程度であるのが好ましく、100nm以上300nm以下程度であるのがより好ましい。
以上のように、ホログラム素子310の上面側、下面側および側面側に、第1誘電体膜331、第2誘電体膜332および第3誘電体膜333を設けることで、これら誘電体膜331〜333によりホログラム素子310を確実に封止することができる。そのため、ホログラム素子310に対して水分が浸入するのが的確に抑制または防止されることとなる。その結果、ホログラム素子310が膨張して、干渉縞31の位置にズレが生じることに由来する、ホログラム素子310の偏向特性の劣化が的確に抑制または防止される。
また、第1誘電体膜331、第2誘電体膜332および第3誘電体膜333の水蒸気透過度は、0.1g/m・24hr(40℃、90%RH)以上2.0g/m・24hr(40℃、90%RH)以下であることが好ましく、0.1g/m・24hr(40℃、90%RH)以上1.0g/m・24hr(40℃、90%RH)以下であることがより好ましい。これにより、水分(水蒸気)のホログラム素子310への浸入を抑制または防止する水蒸気バリア層としての機能をより確実に発揮させることができる。
なお、本実施形態では、第1基板321およびホログラム素子310の双方が、上面および下面の双方が平板状をなす平行平板で構成される場合について説明したが、これらのうちの少なくとも一方は、その上面または下面のいずれか一方または双方が湾曲面で構成されるものであってもよい。
<第2実施形態>
次に、回折光学部材30の第2実施形態について説明する。
図12は、本発明の回折光学部材の第2実施形態を模式的に示す縦断面図、図13は、本発明の回折光学部材の第2実施形態を模式的に示す平面図である。
以下、第2実施形態の回折光学部材30について、前記第1実施形態の回折光学部材30との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図12、図13に示す第2実施形態の回折光学部材30は、さらに、第2基板322を備えること以外は、第1実施形態の回折光学部材30と同様である。
第2基板322は、ホログラム素子310の上面側に設けられ、これにより、第2誘電体膜332は、第2基板322とホログラム素子310との間に配置されている。このような第2基板322を設けることで、第2基板322は、第2誘電体膜332を保護する保護層としての機能を発揮するため、回折光学部材30の信頼性の向上を図ることができる。
この第2基板322は、前述した、第1基板321と同様のものを用いることができる。
なお、本発明の虚像表示装置を、VR(仮想現実)型のヘッドマウントディスプレイ等に適用して、第2基板322にその透明性が求められない場合には第2基板322は、第1基板321で挙げた透明基板の他、不透明基板を用いることもできる。
不透明基板としては、例えば、アルミナのようなセラミックス材料で構成された基板、ステンレス鋼のような金属基板の表面に酸化膜(絶縁膜)を形成したもの等が挙げられる。
また、第2基板322と第2誘電体膜332との間には、後述する接着層341〜343と同様の構成をなす接着層が設けられていてもよい。
このような第2実施形態の回折光学部材30によっても、前記第1実施形態と同様の効果が得られる。
<第3実施形態>
次に、回折光学部材30の第3実施形態について説明する。
図14は、本発明の回折光学部材の第3実施形態を模式的に示す縦断面図、図15は、本発明の回折光学部材の第3実施形態を模式的に示す平面図である。
以下、第3実施形態の回折光学部材30について、前記第2実施形態の回折光学部材30との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図14、図15に示す第3実施形態の回折光学部材30は、回折光学部材30が備える第2基板322の構成が異なること以外は、第2実施形態の回折光学部材30と同様である。
第2基板322は、本実施形態では、平板状をなす本体部325の下面側の縁部に沿って立設する壁部326を備えている。これら本体部325および壁部326により形成される凹部327内に、ホログラム素子310、第2誘電体膜332および第3誘電体膜333が収納されることから、第2基板322は、第2誘電体膜332ばかりでなく、第3誘電体膜333をも保護する保護層としての機能を発揮するため、回折光学部材30のさらなる信頼性の向上を図ることができる。
また、第1誘電体膜331を介して第1基板321上に載置されたホログラム素子310に対して、凹部327の上面および内周面にそれぞれ一体的に設けられた第2誘電体膜332および第3誘電体膜333が形成された第2基板322を、凹部327内にホログラム素子310が収納されるように、接合することで本実施形態の回折光学部材30を形成することができる。そのため、ホログラム素子310の側面側に対する第3誘電体膜333の形成を比較的容易に実施することができる。
また、第2基板322の本体部325と第2誘電体膜332との間、第2基板322の壁部326と第3誘電体膜333との間、さらには、第2基板322の壁部326と第1誘電体膜331との間には、後述する接着層341〜343と同様の構成をなす接着層が設けられていてもよい。
このような第3実施形態の回折光学部材30によっても、前記第1実施形態と同様の効果が得られる。
<第4実施形態>
次に、回折光学部材30の第4実施形態について説明する。
図16は、本発明の回折光学部材の第4実施形態を模式的に示す縦断面図、図17は、本発明の回折光学部材の第4実施形態を模式的に示す平面図である。
以下、第4実施形態の回折光学部材30について、前記第1実施形態の回折光学部材30との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図16、図17に示す第4実施形態の回折光学部材30は、さらに、第1接着層341、第2接着層342および第3接着層343を備えること以外は、第1実施形態の回折光学部材30と同様である。
第1接着層341は、第1誘電体膜331とホログラム素子310との間に設けられ、第2接着層342は、第2誘電体膜332とホログラム素子310との間に設けられ、第3接着層343は、第3誘電体膜333とホログラム素子310との間に設けられており、第2接着層342と第3接着層343とは、一体的に形成されている。このような第1接着層341、第2接着層342および第3接着層343をそれぞれ設けることで、これら接着層341〜343を介した、ホログラム素子310と、第1誘電体膜331、第2誘電体膜332および第3誘電体膜333との密着性の向上を図ることができる。
これら接着層341〜343の構成材料としては、接着層341〜343に接着性を付与できるものであれば、特に限定されないが、例えば、アクリル系樹脂(接着剤)、シリコーン系樹脂(接着剤)、ポリエステル系樹脂(接着剤)、ウレタン系樹脂(接着剤)、またはポリ酢酸ビニル系樹脂(接着剤)等のうち、透明性を有するものが挙げられる。
また、第1誘電体膜331に含まれる構成材料と、第2誘電体膜332および第3誘電体膜333に含まれる構成材料とは、同一のものであっても異なるものであってもよい。
このような第4実施形態の回折光学部材30によっても、前記第1実施形態と同様の効果が得られる。
なお、前記積層体における接着層341〜343のうちの少なくとも1層の形成を省略することもできる。
<第5実施形態>
次に、回折光学部材30の第5実施形態について説明する。
図18は、本発明の回折光学部材の第5実施形態を模式的に示す縦断面図、図19は、本発明の回折光学部材の第5実施形態を模式的に示す平面図である。
以下、第5実施形態の回折光学部材30について、前記第4実施形態の回折光学部材30との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図18、図19に示す第5実施形態の回折光学部材30は、第2接着層342および第3接着層343と、第2誘電体膜332および第3誘電体膜333との構成が異なること以外は、第4実施形態の回折光学部材30と同様である。
第2接着層342および第3接着層343は、ともに、中央部側から縁部側に向かって、厚さが漸減して、一体的に設けられている。そして、これら第2接着層342および第3接着層343を、それぞれ、被覆するように、湾曲形状をなす第2誘電体膜332および第3誘電体膜333が一体的に設けられている。かかる構成の第2接着層342および第3接着層343を形成することで、第2接着層342および第3接着層343の上面側に、湾曲形状をなす第2誘電体膜332および第3誘電体膜333を、上述した気相成長法を用いて、比較的容易に成膜することができる。
このような第5実施形態の回折光学部材30によっても、前記第1実施形態と同様の効果が得られる。
<第6実施形態>
次に、回折光学部材30の第6実施形態について説明する。
図20は、本発明の回折光学部材の第6実施形態を模式的に示す縦断面図、図21は、本発明の回折光学部材の第6実施形態を模式的に示す平面図である。
以下、第6実施形態の回折光学部材30について、前記第4実施形態の回折光学部材30との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図20、図21に示す第6実施形態の回折光学部材30は、第2基板322と、第4誘電体膜334と、第5誘電体膜335と、第2誘電体膜332とではなく第4誘電体膜334および第5誘電体膜335に一体的に形成された第3誘電体膜333とを備えること以外は、第4実施形態の回折光学部材30と同様である。
第2基板322は、ホログラム素子310の上面側に設けられ、さらに、第5誘電体膜335は、この第2基板322の上面側に設けられている。また、第4誘電体膜334は、第1基板321の下面側に設けられている。さらに、本実施形態では、第3誘電体膜333は、第2誘電体膜332との一体的な形成が省略され、第2基板322の上面側に位置する第5誘電体膜335および第1基板321の下面側に位置する第4誘電体膜334と一体的に形成されている。
これにより、ホログラム素子310と、第1誘電体膜331と、第1基板321と、第2誘電体膜332と、第2基板322と、接着層341〜343とを備える積層体の全面(積層体の上面、下面および側面)は、一体的に形成された第3誘電体膜333と、第4誘電体膜334と、第5誘電体膜335とにより被覆される。よって、前記積層体の側面側は、第3誘電体膜333により被覆され、その結果、ホログラム素子310の側面側は、第3接着層343を介して、第3誘電体膜333で被覆されることとなる。
第3誘電体膜333、第4誘電体膜334および第5誘電体膜335は、前記第1実施形態の第1誘電体膜331で説明したのと同様の構成のものとされるが、水蒸気バリア層としての機能の他に、反射防止膜としての機能を付与するようにしてもよい。
第3誘電体膜333、第4誘電体膜334および第5誘電体膜335に反射防止膜としての機能を付与する場合、これらは、セラミックス材料で構成される多層体であることが好ましく、具体的には、例えば、一酸化ケイ素(SiO)で構成される層と、ジルコニア(ZrO)で構成される層と、シリカ(SiO)で構成される層と、チタニア(TiO)で構成される層と、ジルコニア(ZrO)で構成される層と、シリカ(SiO)で構成される層とを備え、一酸化ケイ素(SiO)を基板側とする多層体が挙げられる。
また、この場合、第3誘電体膜333、第4誘電体膜334および第5誘電体膜335の平均厚さは、反射防止膜としての機能が発揮されるように適宜設定されるが、例えば、100nm以上500nm以下程度であるのが好ましく、300nm以上500nm以下程度であるのがより好ましい。
このような第6実施形態の回折光学部材30によっても、前記第1実施形態と同様の効果が得られる。
なお、前記積層体における接着層341〜343のうちの少なくとも1層の形成を省略することもできる。
<第7実施形態>
次に、回折光学部材30の第7実施形態について説明する。
図22は、本発明の回折光学部材の第7実施形態を模式的に示す縦断面図、図23は、本発明の回折光学部材の第7実施形態を模式的に示す平面図である。
以下、第7実施形態の回折光学部材30について、前記第6実施形態の回折光学部材30との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図22、図23に示す第7実施形態の回折光学部材30は、第1ハードコート層351と、第2ハードコート層352と、第3ハードコート層353とを備えること以外は、第6実施形態の回折光学部材30と同様である。
第1ハードコート層351は、前記積層体の下面側すなわち第1基板321と、第4誘電体膜334との間に設けられ、第2ハードコート層352は、前記積層体の上面側すなわち第2基板322と、第5誘電体膜335との間に設けられ、第3ハードコート層353は、前記積層体の側面側と第3誘電体膜333との間に設けられている。そして、これら第1ハードコート層351、第2ハードコート層352および第3ハードコート層353が一体的に設けられることで、前記積層体の全面を被覆しており、さらに、第3誘電体膜333、第4誘電体膜334および第5誘電体膜335により被覆されている。このようなハードコート層351〜353が、前記積層体と誘電体膜333〜335との間に介在することで、前記積層体と誘電体膜333〜335とのハードコート層351〜353を介した接着性の向上を図ることができる。
ハードコート層351〜353は、樹脂材料を含有するものであり、例えば、有機ケイ素化合物(シランカップリング剤)と金属酸化物とを含有する組成物(ハードコート材料)を用いて形成されたもので構成することができる。
有機ケイ素化合物としては、特に限定されないが、例えば、一般式(1):(RSi(X4−n(一般式(1)中、Rは重合可能な官能基を有する炭素数が2以上の有機基、Xは加水分解基を表わし、nは1または2の整数を表す。)で表わされるものが用いられる。
また、金属酸化物としては、特に限定されないが、例えば、Al、Ti、Sb、Zr、Si、Ce、Fe、In、Sn、Zn等の金属の酸化物が挙げられ、かかる酸化物のうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。これらの中でも、特に、TiO、ZrO、CeO、ZnO、SnOおよびITO(インジウム−スズ複合酸化物)が好ましい。これらの金属酸化物のハードコート層351〜353に含まれる含有量を適宜設定することにより、ハードコート層351〜353の屈折率を所望の大きさに設定することができる。
また、ハードコート層351〜353の平均厚さは、例えば、1μm以上50μm以下程度であるのが好ましく、5μm以上30μm以下程度であるのがより好ましい。
なお、ハードコート層351〜353は、液状をなす組成物(ハードコート材料)を、前記積層体に供給した後に、乾燥させることで形成することができる。また、前記積層体に前記組成物を供給する方法としては、例えば、組成物中に積層体を浸漬させる方法(浸漬法)、積層体に組成物をシャワー(噴霧)する方法(噴霧法)、積層体に組成物を塗布する方法(塗布法)等が挙げられるが、浸漬法であることが好ましい。これにより、均一な厚さを有するハードコート層351〜353を一括して形成することができる。
また、組成物(ハードコート材料)は、有機ケイ素化合物と金属酸化物との他に、紫外線硬化型の硬化剤を含有するものであってもよく、この場合、ハードコート層351〜353は、前記積層体における液状をなす組成物の乾燥の後に、前記組成物に紫外線を照射することで形成することができる。
さらに、第4誘電体膜334、第5誘電体膜335および第3誘電体膜333の表面(最外周)には、フッ素系材料やシリコーン系材料等で構成される撥液膜が設けられていてもよい。これにより、回折光学部材30の水等に対する耐液性の向上を図ることができる。
このような第7実施形態の回折光学部材30によっても、前記第1実施形態と同様の効果が得られる。
以上、本発明の回折光学部材および虚像表示装置を、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものでない。
例えば、本発明の回折光学部材では、回折光学部材が備える各層同士の間に、任意の層が設けられていてもよく、具体的には、回折光学部材が備えるホログラム素子の上面には、第2誘電体膜との間に介在して、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリアミド、トリアセチルセルロースのような熱可塑性樹脂で構成される樹脂層等が形成されていてもよい。
また、前記各実施形態では、第1基板および第1誘電体膜を介して、入射された光を偏向(反射)させる場合について説明したが、これに限らず、ホログラム素子を上下反転させて第1基板上に第1誘電体膜を介して載置した場合には、第1基板の反対側から入射された光を偏向させることもできる。
さらに、前記実施形態では、本発明の回折光学部材を備える虚像表示装置(画像表示装置)を、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)に適用した場合を一例に説明したが、これに限定されず、本発明の回折光学部材を備える虚像表示装置は、物に固定されたヘッドアップディスプレイや、双眼鏡型のハンドヘルドディスプレイにも適用することができる。
また、前記実施形態のように、光透過性を有する視認部を備えるAR(拡張現実)型のヘッドマウントディスプレイに、本発明の虚像表示装置を適用した場合には、本発明の回折光学部材を構成する各部には、光透過性(透明性)が求められるが、光透過性が求められない視認部を備えるVR(仮想現実)型のヘッドマウントディスプレイ等に適用した場合には、本発明の回折光学部材を構成する各部には、光透過性を有しないものを用いることもできる。
さらに、前記実施形態では、ホログラム素子の側面の全面(4つの面の全て)に、第3誘電体膜を形成する場合について説明したが、これに限定されず、その一部に対する形成を省略することもできる。
10…光源、20…走査ミラー、30…回折光学部材、31…干渉縞、100…本体部、110A…右眼用表示部、110B…左眼用表示部、120A…画像形成部、120B…画像形成部、131A…視認部、131B…視認部、140…フレーム、200…制御部、210…操作部、220…操作ボタン部、300…ケーブル、310…ホログラム素子、321…第1基板、322…第2基板、325…本体部、326…壁部、327…凹部、331…第1誘電体膜、332…第2誘電体膜、333…第3誘電体膜、334…第4誘電体膜、335…第5誘電体膜、341…第1接着層、342…第2接着層、343…第3接着層、351…第1ハードコート層、352…第2ハードコート層、353…第3ハードコート層、1000…ヘッドマウントディスプレイ、L…0次回折光、L…1次回折光、L…物体光、L…参照光、w1…幅、w2…幅

Claims (8)

  1. 入射した光を偏向するホログラム素子と、
    前記ホログラム素子の一方の面側に設けられた第1基板と、
    前記第1基板と前記ホログラム素子との間に設けられた第1誘電体膜と、
    前記ホログラム素子の他方の面側に設けられた第2誘電体膜と、
    前記ホログラム素子の側面側に設けられた第3誘電体膜と、を備えることを特徴とする回折光学部材。
  2. 前記第2誘電体膜と前記ホログラム素子との間に設けられた第2接着層と、
    前記第3誘電体膜と前記ホログラム素子との間に設けられた第3接着層と、を備え、
    前記第2接着層と前記第3接着層とは、一体的に形成されている請求項1に記載の回折光学部材。
  3. 前記第2誘電体膜と前記第3誘電体膜とは、一体的に形成されている請求項1または2に記載の回折光学部材。
  4. 前記ホログラム素子の前記他方の面側に設けられた第2基板を備え、
    前記第2誘電体膜は、前記第2基板と前記ホログラム素子との間に配置されている請求項1ないし3のいずれか1項に記載の回折光学部材。
  5. 前記第2基板は、前記一方の面側の縁部に沿って立設する壁部を備え、
    前記壁部の内周面側に前記第3誘電体膜が形成されている請求項4に記載の回折光学部材。
  6. 前記第1基板の前記一方の面側に設けられた第4誘電体膜と、
    前記第2基板の前記他方の面側に設けられた第5誘電体膜と、を備え、
    前記第3誘電体膜と、前記第4誘電体膜と、前記第5誘電体膜とが一体的に形成され、
    前記ホログラム素子と、前記第1誘電体膜と、前記第1基板と、前記第2誘電体膜と、前記第2基板と、を備える積層体の全面は、一体的に形成された前記第3誘電体膜と、前記第4誘電体膜と、前記第5誘電体膜とにより被覆されている請求項4に記載の回折光学部材。
  7. 前記第1基板と前記第4誘電体膜との間に設けられた第1ハードコート層と、
    前記第2基板と前記第5誘電体膜との間に設けられた第2ハードコート層と、
    前記積層体の側面側と前記第3誘電体膜との間に設けられた第3ハードコート層と、を備える請求項6に記載の回折光学部材。
  8. 請求項1ないし7のいずれか1項に記載の回折光学部材を備えることを特徴とする虚像表示装置。
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