JP3861844B2 - 光学系およびホログラフィック光学素子の作製方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透過光学素子とホログラフィック光学素子を含む光学系、およびホログラフィック光学素子の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず、ホログラムについて簡単に説明する。ホログラムとは物体からの光の波面を記録した感光材料のことで、ホログラムを照明することにより先に記録した光の波面を再生する写真技術をホログラフィーという。
【０００３】
ホログラム感材に波面を記録するためには光の干渉を用いる。物体からの光と、任意に与えた参照光を干渉させて、その干渉縞を記録する。したがって、２つの光（物体光と参照光）は可干渉である必要があり、記録には一般にコヒーレントなレーザ光が用いられる。
【０００４】
反射型ホログラムは、透過型ホログラムに比べて波長選択性が非常に高い。つまり、ある波長には反応するが他の波長には反応しない。図１９に反射型および透過型のホログラムの回折波長幅を示す。
【０００５】
ホログラムには種々のタイプがあるが、回折効率が高く入射光束の利用効率をよくするためには、体積型で光吸収の少ない位相型ホログラムが適している。
【０００６】
ホログラムは波面再生性を有し、これを利用することでレンズの如き機能をもたせることができる。このような光学機能をもったホログラムをホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）と呼ぶ。
【０００７】
ホログラムは、基本的にそのホログラムを作製した光束と同じ波長および角度の光束を与えたときに最も高い回折効率で波面を再現できるので、入射光束としては、ホログラムの回折効率ピークに合わせた波長ピークを有するものを用いるのが望ましい。図２０に、波長５３２ｎｍのレーザ光を用いて作製した反射型ホログラムにおける入射光束の波長と回折効率の関係を示す。このホログラムの場合、入射光束の光源としては５３０ｎｍ付近に発光ピークをもつ緑色の発光ダイオード（ＬＥＤ）等が適する。ＬＥＤは、半値幅が２０〜４０ｎｍの発光波長帯域を有し、これを光源とすることでエネルギー効率のよい構成とすることができる。もちろん、ホログラムの作製に用いたレーザと同じ発光波長のレーザを光源としてもよい。
【０００８】
また、ホログラムを複数の波長帯域に回折効率を有するカラーホログラムとすることもできる。これは、多重露光により単一のホログラム感材に複数の波長の光の干渉縞を記録することや、各々異なる波長の光の干渉縞を記録したホログラムを積層することで実現される。図２１に、反射型カラーホログラムにおける入射光束の波長と回折効率の関係の例を示す。
【０００９】
ＨＯＥは他の光学素子と組み合わせて様々な光学系に利用されるが、カラーホログラムより成るカラーＨＯＥは、映像を提供する表示装置の光学系にも利用可能である。ここで、ＨＯＥは回折素子なので分散が大きく、入射光束の違いにより光線の振る舞いが大きく変化する。入射光束が単一波長の光でなく波長幅を有する場合、その波長の差によって色収差が発生し、解像度の低下を招く。
【００１０】
この問題を解決する方法がいくつか提案されている。例えば、特開平１−９２７１８号公報では、ＨＯＥの分散により発生する色収差を補正するための光学素子を光学系内に配置することが行われている。また、特開平６−２０２０３５号公報では、光学系内に複数のＨＯＥを配置し、１つのＨＯＥで発生した色収差を他のＨＯＥで補正するようにしている。
【００１１】
また、カラーＨＯＥは、再生される光の波面が波長によらず同じになるようにするために、作製時には、各波長の光ができるだけ同じ波面を有するように設定している。例えば、特開平７−２１００６６号公報では、作製時の光学系に曲面のミラーを用いることにより、パワーを有しながら各波長の光が同一の波面を有するＨＯＥを実現している。これは、反射面が、レンズの屈折とは異なり、波長依存性をもたないことを利用したものである。
【００１２】
【特許文献１】
特開平１−９２７１８号公報
【特許文献２】
特開平６−２０２０３５号公報
【特許文献３】
特開平７−２１００６６号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１−９２７１８号公報や特開平６−２０２０３５号公報のように、ＨＯＥによって生じる色収差を他の光学素子によって補正する方法は、解像度の高い映像を提供するために有用である。しかしながら、ＨＯＥのほかに別の光学素子を備えることは、光学系の複雑化および大型化を招く。ＨＯＥは薄型軽量な簡素な素子であることを大きな特長とするが、ＨＯＥによる色収差を補正するために他の光学素子を使用する必要があるのでは、その特長が損なわれることになる。
【００１４】
光学系にはＨＯＥのほかに他の光学素子も含まれ、その光学素子が光を透過させるものであれば、その透過光学素子により色収差が発生する。この色収差を補正しようとすると、補正用の光学素子を追加したり、ＨＯＥと透過光学素子の色収差を同時に補正する高性能な光学素子を備えたりする必要が生じて、光学系がさらに複雑化、大型化してしまう。
【００１５】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、透過光学素子とＨＯＥを含む光学系であって、色収差を補正するための光学素子を別途必要としない簡素で小型のものを実現することを目的とする。また、そのような光学系に適するＨＯＥの作製方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、光を透過させる透過光学素子と反射型ホログラフィック光学素子とを含む光学系は、反射型ホログラフィック光学素子が、各々異なる波長帯域に回折効率を有し、各々異なる波長帯域に対して各々異なる波面を再生可能な複数の反射型ホログラムより成り、光の波長差により透過光学素子で発生する軸上色収差を、前記複数の反射型ホログラムのそれぞれが異なる波面を再生することにより補正するものとする。
【００１７】
この光学系では、反射型ＨＯＥによって透過光学素子の軸上色収差を補正するため、透過光学素子の軸上色収差を補正するために他の光学素子を備える必要はない。したがって、簡素な構成でありながら解像度の高いカラー像を提供することができる。
【００１８】
さらに、光軸に対して垂直方向の色収差を補正するようにしてもよい。使用時に他の透過光学素子で発生する色収差を縦方向、横方向共に補正し得るカラーＨＯＥを実現することができる。ここで、反射型ホログラフィック光学素子が入射光束を結像させる光学的パワーを有するようにするとよい。光学系全体のパワーを透過光学素子と反射型ＨＯＥとに分担させることができて、設計の自由度が高まり、小型化も容易になる。
【００１９】
前記目的を達成するために、本発明ではまた、光を透過させる光学素子とともに用い、複数の波長帯域に回折効率を有し、各々異なる波長帯域に対して各々異なる波面を再生可能であり、光の波長差により前記光学素子で発生する軸上色収差を、それぞれが異なる波面を再生することにより補正する複数の反射型ホログラムを有する反射型ホログラフィック光学素子の作製方法において、２光束を感材に照射して感材に２光束の干渉縞を記録することを、照射する２光束の波長を変えて複数回または同時に行うととともに、光を透過させる透過光学素子または光を回折させる回折光学素子によって照射する２光束のうちの少なくとも一方の波面を波長ごとに相違させることにより前記複数の反射型ホログラムを作製するようにする。
【００２０】
２光束の干渉縞の記録に際して波長ごとに光束の波面を相違させておくことで、再生時に他の光学素子で発生する軸上色収差を良好に補正することが可能な反射型ＨＯＥが得られる。なお、特開平７−２１００６６号公報をはじめ、再生される光の波面が波長によらず同じになるようにする従来の方法で作製されるＨＯＥでは、他の光学素子で発生する軸上色収差を良好に補正することは不可能である。
また、光を透過させる透過光学素子によって光束の波面を波長ごとに相違させることができる。透過光学素子の表面での光の屈折角は波長に依存し、屈折には色分散が伴うから、レンズやプリズムのような透過光学素子を波長の異なる光束に共通して利用することが可能である。
または、光を回折させる回折光学素子によって光束の波面を波長ごとに相違させることもできる。回折光学素子による光の回折角は波長に依存し、回折には色分散が伴うから、回折光学素子を波長の異なる光束に共通して利用することが可能である。しかも、回折による色分散の度合いは大きいから、波長ごとに大きく波面を相違させることができる。
【００２１】
さらに、２光束の干渉縞の記録に際して波長ごとに光束の波面を相違させておくことで、再生時に他の光学素子で発生する光軸に対して垂直方向の色収差も良好に補正することが可能な反射型ＨＯＥが得られる。これにより、一層高品位の映像を提供することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は反射型ＨＯＥ１１により平行光束Ｌ１を１点に結像させる光学系を示している。この光学系に入射する光束Ｌ１は、例えば、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、および青色（Ｂ）の波長帯域の光をそれぞれ発する３つのＬＥＤからの各光束を平行光束としたものである。また、ＨＯＥ１１は、各光束の波長帯域に回折ピークが一致した３種の反射型ＨＯＥ（不図示）を積層してカラーＨＯＥとしたものとする。
【００２４】
カラーＨＯＥ１１を成す各ＨＯＥが他の波長帯域の光束に影響を及ぼさずに、対応する波長帯域の光束のみに独立に作用するためには、各ＨＯＥは高い波長選択性をもつ反射型ＨＯＥであることが望ましい。反射型ＨＯＥでは、図１９に示したように、回折される光束の波長幅（回折波長幅）が透過型ＨＯＥと比較して非常に狭い。このため、反射型のカラーＨＯＥを設計する際に、各色光の挙動を独立に制御することが可能になるのである。図１の光学系の場合、光学素子はカラーＨＯＥ１１のみなので、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束の結像点１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂを一致させるためには、各々の波長に対応するＨＯＥが各波長の光に対して同様に作用するように構成されていればよい。
【００２５】
このような光学系は図２に示す作製光学系を用いて作製することができる。この作製光学系は、Ｒ、Ｇ、Ｂのレーザ光を発する３種のレーザ光源からの光束を重畳し、重畳した光束を分岐させて２光束とし、各光束を集光させて新たに点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂおよび点光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂを形成し、点光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂからのレーザ光を凹面反射面２４によって平行光束Ｌ３として、点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂからの発散光束Ｌ２とホログラム感材２１上で干渉させるものである。点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂは互いに一致し、点光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂも互いに一致している。
【００２６】
点光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂからの光束は球波面として照射されるが、凹面反射面２４でコリメートされて平面波に変わる。この構成では、凹面反射面２４は点光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂに対して傾いており、良好な平面波を得るためには凹面反射面２４を非軸対称な自由曲面とするのが望ましい。コリメートのために波長依存性のない反射面２４のみを用いることで、Ｒ、Ｇ、Ｂの全ての光束は同様に平面波に変換される。こうして干渉縞を記録したホログラム感材２１は図１のカラーＨＯＥ１１となり、Ｒ、Ｇ、Ｂの各平行光束Ｌ１を、点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂと同じ点１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂに結像させることができる。
【００２７】
ここで、図１のＨＯＥ１１を、図３に示す光学系にそのまま適用する場合を考える。この光学系は、図１のカラーＨＯＥ１１とその結像点との間に、光学硝材で作製された直方体プリズム１５を配置したものである。一般に、光学硝材は分散をもち、屈折率が波長によって異なるため、プリズム内の光路長にも波長によって差が生じる。これにより、Ｒ、Ｇ、Ｂの光束の結像点１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂも異なって、軸上色収差が発生し、高い解像度での結像はできなくなる。
【００２８】
図２に示した光学系によるカラーＨＯＥ１１の作製方法は、前述の特開平７−２１００６６号公報と同じ考え方に基づくものである。このような作製方法は、図１に示すようにカラーＨＯＥ１１のみから成る光学系では問題ないが、図３に示すように、透過光学素子が光路上に存在する光学系では、上述のように色収差の問題を招く。
【００２９】
＜第１の実施形態＞
第１の実施形態の光学系を図４に示す。この光学系は、図３と同様に、カラーＨＯＥ３１とその結像点との間にプリズム１５を備える構成であるが、カラーＨＯＥ３１によって軸上色収差を補正するものである。
【００３０】
軸上色収差を補正するためには、例えば、Ｂ光の結像点１２Ｂまでの距離を短くし、Ｒ光の結像点１２Ｒまでの距離を長くして、それらの結像点１２Ｂ、１２ＲをＧ光の結像点１２Ｇに一致させればよい。すなわち、カラーＨＯＥ３１のＢ光に対する焦点距離を短くし、Ｒ光に対する焦点距離を長くすればよい。ここで用いているカラーＨＯＥ３１は、各々の波長に対して独立したＨＯＥを複合した多色ＨＯＥなので、各ＨＯＥの焦点距離を個別に設定することが可能である。これにより、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束に対するカラーＨＯＥ３１の焦点距離を全て等しくする。
【００３１】
カラーＨＯＥ３１の作製に用いる光学系を図５に示す。図２の光学系では、点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂを一致させ、点光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂも一致させたが、本実施形態では、一方の点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂを相違するように設定している。具体的には、Ｒ光の点光源２２ＲをＧ光の点光源２２Ｇよりもホログラム感材２１から遠くに配置し、Ｂ光の点光源２２ＢをＧ光の点光源２２Ｇよりもホログラム感材２１の近くに配置している。他方の点光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂからの光束は、凹面反射面２４で反射されてコリメートされ、ホログラム感材２１に対して平行光束として入射するので、記録される干渉縞の焦点距離は、各点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂとホログラム感材２１との距離に一致する。よって、Ｒ光に対する焦点距離は長く、Ｂ光に対する焦点距離は短くなる。
【００３２】
実際のホログラム感材の露光に際しては、点光源上にピンホールを配置し、露光のための光束を精波（スペーシャルフィルタリング）するので、上記のような点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｒの配置は難しい。これと同様の効果を同一の点光源で実現する光学系を図６、図７に示す。
【００３３】
図６の光学系は、カラーＨＯＥ３１と組み合わせて使用されるプリズム１５と等価な補正用プリズム２５を、点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂとホログラム感材２１との間に挿入したものである。点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂの位置は一致しており、また、点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂからホログラム感材２１までの配置は、図４に示した使用時の配置と一致させてある。
【００３４】
補正用プリズム２５の分散により、ホログラム感材２１と各点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂとの光学的な距離を変更することができ、図５に示した光学系で得られるものと等価なカラーＨＯＥ３１を得ることができる。
【００３５】
図７の光学系は、光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂと凹面反射面２４との間に補正用プリズム２６を挿入したものである。点光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂから凹面反射面２４までの光学的な距離は相違することになり、凹面反射面２４と補正用プリズム２６の分散量（分散値および光路長）を調整することにより、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束に対するカラーＨＯＥ３１の焦点距離に所望の差をもたせることができる。一例を挙げると、凹面反射面２４の焦点距離をカラーＨＯＥ３１のＧ光に対する焦点距離に一致させ、補正用プリズム２６として使用時のプリズム１５と等価なものを用いる。これで、プリズム１５によって生じる軸上色収差を補正するカラーＨＯＥ３１が得られる。具体的な調整はもちろんこの例に限らない。
【００３６】
以上、光軸方向の色ずれである軸上色収差の補正について述べたが、次に、光軸に対して垂直方向の色ずれの補正について説明する。なお、ここでは、光軸に対して垂直方向の色ずれの補正に説明を限定するので、主として中心光線について述べる。
【００３７】
図２の光学系で作製したカラーＨＯＥ１１とくさび状のプリズム１７を組み合わせた光学系を図８に示す。プリズム１７はカラーＨＯＥ１１とその結像点との間に配置されている。前述のように、図２の光学系で作製されるカラーＨＯＥ１１は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束に対して同様に作用する。したがって、カラーＨＯＥ１１に入射したＲ、Ｇ、Ｂの各光束は、同じ方向に回折され、同じ光束としてプリズム１７に入射する。プリズム１７は分散をもっており、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束は異なる屈折角で屈折して、結像面１２ｐ上の異なる点１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂに結像する。したがって、光軸に対して垂直な方向に色ずれが発生する。
【００３８】
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態の光学系を図９に示す。この光学系は、図８と同様に、カラーＨＯＥ４１とその結像点との間にプリズムを備える構成であるが、カラーＨＯＥ４１によって光軸に対して垂直方向の色収差を補正するものである。
【００３９】
この補正を行うためには、プリズム１７に対する入射角をＲ、Ｇ、Ｂの各光束で異ならせればよい。すなわち、カラーＨＯＥ４１のＢ光に対する回折角（ＨＯＥの法線に対する角度）をＧ光に対する回折角よりも大きくし、Ｒ光に対する回折角をＧ光に対する回折角よりも小さくすればよい。ここで用いているカラーＨＯＥ４１は、各々の波長に対して独立したＨＯＥを複合した多色ＨＯＥなので、各ＨＯＥの回折角を個別に設定することが可能である。これにより、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束に対するカラーＨＯＥ４１の回折角を相違させ、プリズム１７に対するＲ、Ｇ、Ｂの各光束の入射角を相違させ、これら全ての光束の結像点１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂを一致させる。
【００４０】
カラーＨＯＥ４１を作製するための光学系を図１０に示す。図２の光学系では、点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂを一致させ、点光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂも一致させたが、本実施形態では、一方の点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂを相違させている。具体的には、Ｒ光の点光源２２ＲをＧ光の点光源２２Ｇよりもホログラム感材２１に対する入射角が小さくなるように配置し、Ｂ光の点光源２２ＢをＧ光の点光源２２Ｇよりもホログラム感材２１に対する入射角が大きくなるように配置している。
【００４１】
実際のホログラム感材の露光に際しては、前述のように、点光源上にピンホールを配置し、露光のための光束を精波するので、上記のような点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｒの配置は難しい。これと同様の効果を同一の点光源で実現する光学系を図１１、図１２、図１３に示す。
【００４２】
図１１の光学系は、カラーＨＯＥ４１と組み合わせて使用されるプリズム１７と等価な補正用プリズム２７を、点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂとホログラム感材２１との間に挿入したものである。点光源２２Ｒ、３３Ｇ、２２Ｂの位置は一致しており、また、点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂからホログラム感材２１までの配置は、図９に示した使用時の配置と一致させてある。
【００４３】
補正用プリズム２７の分散により、ホログラム感材２１に対する点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂの光学的な相対位置を変更することができ、図１０に示した光学系で得られるものと等価なカラーＨＯＥ４１を得ることができる。ここで、結像状態を考えると、使用時には、くさび状のプリズム１７によって非点収差も発生する。図１０の光学系では使用時の非点収差を補正することはできないが、図１１に示した光学系では、光軸に対して垂直方向の色収差に加えて、非点収差も補正することができる。
【００４４】
図１２の光学系は、点光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂと凹面反射面２４との間に補正用プリズム２８を挿入したものである。凹面反射面２４によってコリメートされて平行光束となったＲ、Ｇ、Ｂの各光束は、ホログラム感材２１に対する入射角が異なり、補正用プリズム２８の分散量を調整することにより、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束に対するカラーＨＯＥ４１の回折角に所望の差にもたせることができる。
【００４５】
図１３の光学系は、図１２の補正用プリズム２８に代えて、補正用回折素子２９を用いたものである。この例では、紙面の上下方向についてのみＲ、Ｇ、Ｂの各光束の入射角を相違させることになるので、補正用回折素子２９は一次元回折素子である。一般に回折素子は屈折素子に比べて分散が大きいため、Ｒ、Ｇ、Ｂの光に大きな角度差を発生させるのに好適である。また、回折素子と屈折素子とでは分散の符号が逆であり、図１２と図１３とで、凹面反射面２４からの平行光束Ｌ３の偏向方向が逆になっているのはこのためである。
【００４６】
補正用回折素子２９の例を図１４に示す。この例では、高い回折効率を得るとともに所望の次数に回折を集中させるために、１次元ブレーズ形状としているが、８レベルまたは４レベルのマルチレベル形状やバイナリー格子状の回折素子としてもかまわない。ただし、バイナリー格子状の回折素子の場合、回折は±１次の２方向に発生する。また、レベル数の少ないマルチレベル形状の回折格子では、回折しない０次光が発生する。したがって、これらの回折素子を用いる場合は、不要な１次光や０次光がホログラム感材２１に入射しないように配慮する必要がある。
【００４７】
第１の実施形態の軸上色収差を補正する方法と、第２の実施形態の光軸に対して垂直方向の色収差を補正する方法を組み合わせることは可能であり、これらの方法を組み合わせて、使用時に他の透過光学素子で発生する色収差を縦方向、横方向共に補正し得るカラーＨＯＥを実現することができる。透過光学素子とこのようなカラーＨＯＥを備えた光学系では、設計の自由度が高まって、性能の向上のみならず、部品点数の低減による小型化やコストダウンを図ることができ、さらには素子の配置の自由度を高めることもできる。
【００４８】
本発明により性能向上が期待される光学系の例について説明する。図１５は、本出願人が特開２００１−２６４６８２号にて提案したＨＯＥを用いる情報表示光学系の概略を示す断面図である。表示素子面５２からの映像光束はプリズム５３に入射し、プリズム５３内で全反射を繰り返して、プリズム５３の下端に斜めに設けられたＨＯＥ５１に達する。この映像光束はＨＯＥ５１によって反射（回折）されて、プリズム５３から出射し、観察者の瞳Ｐに入射する。ＨＯＥ５１は、自由曲面で構成された凹面反射面と等価な光学的パワーを有し、表示素子面５２に表示された映像を拡大投影する接眼レンズとして機能する。
【００４９】
図中の光路は、瞳Ｐの中心と、表示素子面５２の中心を結ぶ光線のものを示している。実際には光束は上記の方向に進むが、理解を容易にするために、以下、瞳Ｐ側からの光路追跡で説明する。ＨＯＥ５１で回折され、プリズム５３内を進行した光線は、プリズム５３の上端面から出射する。全反射によってプリズム５３内を進行する光線はプリズム５３の上端面に対して斜めに入射することになる。
【００５０】
ここで用いたＨＯＥ５１を作製するための光学系を図１６に示す。特開２００１−２６４６８２号で述べたように、この表示光学系は非軸対称な光学系であり、良好な映像を提供するために、ＨＯＥ５１には複雑な波面変換が必要とされる。そのため、作製時の凹面反射面２４には複雑な波面を発生させる自由曲面を用いている。作製時に凹面反射面のみを用いると、得られるＨＯＥ５１はＲ、Ｇ、Ｂの各光束に対して同様に作用するものとなる。したがって、このＨＯＥ５１を用いた図１５の表示光学系では、図８に示した光学系と同様に、プリズム５３の分散により、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束は互いに異なる方向に出射することになり、表示素子面５２上の異なる点１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂに結像する。このような結像点１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂの不一致は、実際の映像提供においては色ずれとして認識されることになる。
【００５１】
＜第３の実施形態＞
この色ずれの問題を解消した第３の実施形態である情報表示光学系を図１７に示す。この表示光学系は、瞳Ｐ上の同一点からのＲ、Ｇ、Ｂの各光束の表示素子面５２上での結像点１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂが一致するように、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束に対して回折角を調整したカラーＨＯＥ６１を備えたものである。
【００５２】
このカラーＨＯＥ６１を作製するための光学系を図１８に示す。図１６の光学系とは異なり、点光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂとホログラム感材２１との間に補正用プリズム２８を配置しておく。点光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂから光束は、自由曲面で構成される凹面反射面２４で反射され、さらに平面の反射面２４ａで反射されて、補正用プリズム２８に入射する。
【００５３】
各光束は補正用プリズム２８の表面に対して斜めに入射し、補正用プリズム２８の分散により、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束は互いに異なる方向に屈折して、異なる角度でホログラム感材２１に入射する。これにより、ホログラム感材２１から得られるカラーＨＯＥ６１の回折角が、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束ごとに相違することになる。補正用プリズム２８によるＲ、Ｇ、Ｂの各光束に対する屈折量の差は、カラーＨＯＥ６１によりＲ、Ｇ、Ｂの各光束の表示素子面５２上での結像点１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂが一致するように調整しておく。
【００５４】
なお、ここではカラーＨＯＥ６１から表示素子面５２の方向に光路を追跡する説明をしたが、実際には光束は表示素子面５２からカラーＨＯＥ６１に向かって進むため、カラーＨＯＥ６１はプリズム５３で発生した色収差を補正することになる。また、本実施形態では光軸に対して垂直方向の色収差のみを補正しているが、前述のように、同時に軸上色収差を補正することも可能である。これにより、一層高品位の映像を提供することができる。
【００５５】
【発明の効果】
光を透過させる透過光学素子と反射型ホログラフィック光学素子とを含む光学系において、本発明のように、反射型ホログラフィック光学素子が、各々異なる波長帯域に回折効率を有し、各々異なる波長帯域に対して各々異なる波面を再生可能な複数の反射型ホログラムより成り、光の波長差により透過光学素子で発生する軸上色収差を、前記複数の反射型ホログラムのそれぞれが異なる波面を再生することにより補正するようにすると、軸上色収差を補正するために他の光学素子を備える必要がなくなって、簡素な構成でありながら解像度の高いカラー像を提供することができる。特に、ホログラフィック光学素子を反射型としているので、波長帯域ごとに光の挙動を独立に制御することが可能であり、透過光学素子に応じた適切な軸上色収差補正を行うことができる。
【００５６】
さらに、光軸に対して垂直方向の色収差を補正するようにしてもよい。使用時に他の透過光学素子で発生する色収差を縦方向、横方向共に補正し得るカラーＨＯＥを実現することができる。透過光学素子とこのようなカラーＨＯＥを備えた光学系では、設計の自由度が高まって、性能の向上のみならず、部品点数の低減による小型化やコストダウンを図ることができ、さらには素子の配置の自由度を高めることもできる。
また、反射型ホログラフィック光学素子が入射光束を結像させる光学的パワーを有するようにすると、光学系全体のパワーを透過光学素子と反射型ＨＯＥとに分担させることができて、設計の自由度が高まり、小型化も容易になる。
【００５７】
光を透過させる光学素子とともに用い、複数の波長帯域に回折効率を有し、各々異なる波長帯域に対して各々異なる波面を再生可能であり、光の波長差により前記光学素子で発生する軸上色収差を、それぞれが異なる波面を再生することにより補正する複数の反射型ホログラムを有する反射型ホログラフィック光学素子の作製方法において、本発明のように、２光束を感材に照射して感材に２光束の干渉縞を記録することを、照射する２光束の波長を変えて複数回または同時に行うととともに、照射する２光束のうちの少なくとも一方の波面を波長ごとに相違させることにより複数の反射型ホログラムを作製するようにすると、再生時に他の光学素子で発生する軸上色収差を良好に補正することが可能な反射型ＨＯＥが得られる。
このとき、光を透過させる透過光学素子、または光を回折させる回折光学素子によって光束の波面を波長ごとに相違させるので、同一の透過光学素子や回折光学素子を波長の異なる光束に共用することが可能であり、反射型ＨＯＥ作製のための光学系を簡素にすることができる。
【００５８】
さらに、再生時に他の光学素子で発生する光軸に対して垂直方向の色収差を良好に補正することも可能な反射型ＨＯＥが得られるので、一層高品位の映像を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＨＯＥのみから成る光学系を示す図。
【図２】 図１のＨＯＥを作製するための光学系を示す図。
【図３】 ＨＯＥとプリズムより成り、軸上色収差が発生する光学系を示す図。
【図４】 第１の実施形態の光学系を示す図。
【図５】 第１の実施形態の光学系に含まれるＨＯＥを作製するための光学系を示す図。
【図６】 第１の実施形態の光学系に含まれるＨＯＥを作製するための他の光学系を示す図。
【図７】 第１の実施形態の光学系に含まれるＨＯＥを作製するためのさらに他の光学系を示す図。
【図８】 ＨＯＥとプリズムより成り、光軸に対して垂直方向に色収差が発生する光学系を示す図。
【図９】 第２の実施形態の光学系を示す図。
【図１０】 第２の実施形態の光学系に含まれるＨＯＥを作製するための光学系を示す図。
【図１１】 第２の実施形態の光学系に含まれるＨＯＥを作製するための他の光学系を示す図。
【図１２】 第２の実施形態の光学系に含まれるＨＯＥを作製するためのさらに他の光学系を示す図。
【図１３】 第２の実施形態の光学系に含まれるＨＯＥを作製するためのさらに他の光学系を示す図。
【図１４】 図１３の光学系に用いる回折素子の例を示す図。
【図１５】 光軸に対して垂直方向に色収差が発生する光学系を示す図。
【図１６】 図１５の光学系に含まれるＨＯＥを作製するための光学系を示す図。
【図１７】 第３の実施形態の光学系を示す図。
【図１８】 第３の実施形態の光学系に含まれるＨＯＥを作製するための光学系を示す図。
【図１９】 反射型ホログラムおよび透過型ホログラムの回折波長幅を示す図。
【図２０】 反射型ホログラムにおける入射光束の波長と回折効率の関係の例を示す図。
【図２１】 反射型カラーホログラムにおける入射光束の波長と回折効率の関係の例を示す図。
【符号の説明】
１１ カラーＨＯＥ
１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ 結像点
１５ 直方体プリズム
１７ くさび状プリズム
２１ ホログラム感材
２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ 点光源
２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂ 点光源
２４ 凹面反射面
２４ａ 平面反射面
２５、２６、２７、２８ 補正用プリズム
２９ 補正用回折素子
３１ カラーＨＯＥ
４１ カラーＨＯＥ
５１ カラーＨＯＥ
５２ 表示素子面
５３ プリズム
６１ カラーＨＯＥ
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ 光束
Ｐ 観察者瞳
【発明の属する技術分野】
本発明は、透過光学素子とホログラフィック光学素子を含む光学系、およびホログラフィック光学素子の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず、ホログラムについて簡単に説明する。ホログラムとは物体からの光の波面を記録した感光材料のことで、ホログラムを照明することにより先に記録した光の波面を再生する写真技術をホログラフィーという。
【０００３】
ホログラム感材に波面を記録するためには光の干渉を用いる。物体からの光と、任意に与えた参照光を干渉させて、その干渉縞を記録する。したがって、２つの光（物体光と参照光）は可干渉である必要があり、記録には一般にコヒーレントなレーザ光が用いられる。
【０００４】
反射型ホログラムは、透過型ホログラムに比べて波長選択性が非常に高い。つまり、ある波長には反応するが他の波長には反応しない。図１９に反射型および透過型のホログラムの回折波長幅を示す。
【０００５】
ホログラムには種々のタイプがあるが、回折効率が高く入射光束の利用効率をよくするためには、体積型で光吸収の少ない位相型ホログラムが適している。
【０００６】
ホログラムは波面再生性を有し、これを利用することでレンズの如き機能をもたせることができる。このような光学機能をもったホログラムをホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）と呼ぶ。
【０００７】
ホログラムは、基本的にそのホログラムを作製した光束と同じ波長および角度の光束を与えたときに最も高い回折効率で波面を再現できるので、入射光束としては、ホログラムの回折効率ピークに合わせた波長ピークを有するものを用いるのが望ましい。図２０に、波長５３２ｎｍのレーザ光を用いて作製した反射型ホログラムにおける入射光束の波長と回折効率の関係を示す。このホログラムの場合、入射光束の光源としては５３０ｎｍ付近に発光ピークをもつ緑色の発光ダイオード（ＬＥＤ）等が適する。ＬＥＤは、半値幅が２０〜４０ｎｍの発光波長帯域を有し、これを光源とすることでエネルギー効率のよい構成とすることができる。もちろん、ホログラムの作製に用いたレーザと同じ発光波長のレーザを光源としてもよい。
【０００８】
また、ホログラムを複数の波長帯域に回折効率を有するカラーホログラムとすることもできる。これは、多重露光により単一のホログラム感材に複数の波長の光の干渉縞を記録することや、各々異なる波長の光の干渉縞を記録したホログラムを積層することで実現される。図２１に、反射型カラーホログラムにおける入射光束の波長と回折効率の関係の例を示す。
【０００９】
ＨＯＥは他の光学素子と組み合わせて様々な光学系に利用されるが、カラーホログラムより成るカラーＨＯＥは、映像を提供する表示装置の光学系にも利用可能である。ここで、ＨＯＥは回折素子なので分散が大きく、入射光束の違いにより光線の振る舞いが大きく変化する。入射光束が単一波長の光でなく波長幅を有する場合、その波長の差によって色収差が発生し、解像度の低下を招く。
【００１０】
この問題を解決する方法がいくつか提案されている。例えば、特開平１−９２７１８号公報では、ＨＯＥの分散により発生する色収差を補正するための光学素子を光学系内に配置することが行われている。また、特開平６−２０２０３５号公報では、光学系内に複数のＨＯＥを配置し、１つのＨＯＥで発生した色収差を他のＨＯＥで補正するようにしている。
【００１１】
また、カラーＨＯＥは、再生される光の波面が波長によらず同じになるようにするために、作製時には、各波長の光ができるだけ同じ波面を有するように設定している。例えば、特開平７−２１００６６号公報では、作製時の光学系に曲面のミラーを用いることにより、パワーを有しながら各波長の光が同一の波面を有するＨＯＥを実現している。これは、反射面が、レンズの屈折とは異なり、波長依存性をもたないことを利用したものである。
【００１２】
【特許文献１】
特開平１−９２７１８号公報
【特許文献２】
特開平６−２０２０３５号公報
【特許文献３】
特開平７−２１００６６号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１−９２７１８号公報や特開平６−２０２０３５号公報のように、ＨＯＥによって生じる色収差を他の光学素子によって補正する方法は、解像度の高い映像を提供するために有用である。しかしながら、ＨＯＥのほかに別の光学素子を備えることは、光学系の複雑化および大型化を招く。ＨＯＥは薄型軽量な簡素な素子であることを大きな特長とするが、ＨＯＥによる色収差を補正するために他の光学素子を使用する必要があるのでは、その特長が損なわれることになる。
【００１４】
光学系にはＨＯＥのほかに他の光学素子も含まれ、その光学素子が光を透過させるものであれば、その透過光学素子により色収差が発生する。この色収差を補正しようとすると、補正用の光学素子を追加したり、ＨＯＥと透過光学素子の色収差を同時に補正する高性能な光学素子を備えたりする必要が生じて、光学系がさらに複雑化、大型化してしまう。
【００１５】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、透過光学素子とＨＯＥを含む光学系であって、色収差を補正するための光学素子を別途必要としない簡素で小型のものを実現することを目的とする。また、そのような光学系に適するＨＯＥの作製方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、光を透過させる透過光学素子と反射型ホログラフィック光学素子とを含む光学系は、反射型ホログラフィック光学素子が、各々異なる波長帯域に回折効率を有し、各々異なる波長帯域に対して各々異なる波面を再生可能な複数の反射型ホログラムより成り、光の波長差により透過光学素子で発生する軸上色収差を、前記複数の反射型ホログラムのそれぞれが異なる波面を再生することにより補正するものとする。
【００１７】
この光学系では、反射型ＨＯＥによって透過光学素子の軸上色収差を補正するため、透過光学素子の軸上色収差を補正するために他の光学素子を備える必要はない。したがって、簡素な構成でありながら解像度の高いカラー像を提供することができる。
【００１８】
さらに、光軸に対して垂直方向の色収差を補正するようにしてもよい。使用時に他の透過光学素子で発生する色収差を縦方向、横方向共に補正し得るカラーＨＯＥを実現することができる。ここで、反射型ホログラフィック光学素子が入射光束を結像させる光学的パワーを有するようにするとよい。光学系全体のパワーを透過光学素子と反射型ＨＯＥとに分担させることができて、設計の自由度が高まり、小型化も容易になる。
【００１９】
前記目的を達成するために、本発明ではまた、光を透過させる光学素子とともに用い、複数の波長帯域に回折効率を有し、各々異なる波長帯域に対して各々異なる波面を再生可能であり、光の波長差により前記光学素子で発生する軸上色収差を、それぞれが異なる波面を再生することにより補正する複数の反射型ホログラムを有する反射型ホログラフィック光学素子の作製方法において、２光束を感材に照射して感材に２光束の干渉縞を記録することを、照射する２光束の波長を変えて複数回または同時に行うととともに、光を透過させる透過光学素子または光を回折させる回折光学素子によって照射する２光束のうちの少なくとも一方の波面を波長ごとに相違させることにより前記複数の反射型ホログラムを作製するようにする。
【００２０】
２光束の干渉縞の記録に際して波長ごとに光束の波面を相違させておくことで、再生時に他の光学素子で発生する軸上色収差を良好に補正することが可能な反射型ＨＯＥが得られる。なお、特開平７−２１００６６号公報をはじめ、再生される光の波面が波長によらず同じになるようにする従来の方法で作製されるＨＯＥでは、他の光学素子で発生する軸上色収差を良好に補正することは不可能である。
また、光を透過させる透過光学素子によって光束の波面を波長ごとに相違させることができる。透過光学素子の表面での光の屈折角は波長に依存し、屈折には色分散が伴うから、レンズやプリズムのような透過光学素子を波長の異なる光束に共通して利用することが可能である。
または、光を回折させる回折光学素子によって光束の波面を波長ごとに相違させることもできる。回折光学素子による光の回折角は波長に依存し、回折には色分散が伴うから、回折光学素子を波長の異なる光束に共通して利用することが可能である。しかも、回折による色分散の度合いは大きいから、波長ごとに大きく波面を相違させることができる。
【００２１】
さらに、２光束の干渉縞の記録に際して波長ごとに光束の波面を相違させておくことで、再生時に他の光学素子で発生する光軸に対して垂直方向の色収差も良好に補正することが可能な反射型ＨＯＥが得られる。これにより、一層高品位の映像を提供することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は反射型ＨＯＥ１１により平行光束Ｌ１を１点に結像させる光学系を示している。この光学系に入射する光束Ｌ１は、例えば、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、および青色（Ｂ）の波長帯域の光をそれぞれ発する３つのＬＥＤからの各光束を平行光束としたものである。また、ＨＯＥ１１は、各光束の波長帯域に回折ピークが一致した３種の反射型ＨＯＥ（不図示）を積層してカラーＨＯＥとしたものとする。
【００２４】
カラーＨＯＥ１１を成す各ＨＯＥが他の波長帯域の光束に影響を及ぼさずに、対応する波長帯域の光束のみに独立に作用するためには、各ＨＯＥは高い波長選択性をもつ反射型ＨＯＥであることが望ましい。反射型ＨＯＥでは、図１９に示したように、回折される光束の波長幅（回折波長幅）が透過型ＨＯＥと比較して非常に狭い。このため、反射型のカラーＨＯＥを設計する際に、各色光の挙動を独立に制御することが可能になるのである。図１の光学系の場合、光学素子はカラーＨＯＥ１１のみなので、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束の結像点１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂを一致させるためには、各々の波長に対応するＨＯＥが各波長の光に対して同様に作用するように構成されていればよい。
【００２５】
このような光学系は図２に示す作製光学系を用いて作製することができる。この作製光学系は、Ｒ、Ｇ、Ｂのレーザ光を発する３種のレーザ光源からの光束を重畳し、重畳した光束を分岐させて２光束とし、各光束を集光させて新たに点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂおよび点光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂを形成し、点光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂからのレーザ光を凹面反射面２４によって平行光束Ｌ３として、点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂからの発散光束Ｌ２とホログラム感材２１上で干渉させるものである。点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂは互いに一致し、点光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂも互いに一致している。
【００２６】
点光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂからの光束は球波面として照射されるが、凹面反射面２４でコリメートされて平面波に変わる。この構成では、凹面反射面２４は点光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂに対して傾いており、良好な平面波を得るためには凹面反射面２４を非軸対称な自由曲面とするのが望ましい。コリメートのために波長依存性のない反射面２４のみを用いることで、Ｒ、Ｇ、Ｂの全ての光束は同様に平面波に変換される。こうして干渉縞を記録したホログラム感材２１は図１のカラーＨＯＥ１１となり、Ｒ、Ｇ、Ｂの各平行光束Ｌ１を、点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂと同じ点１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂに結像させることができる。
【００２７】
ここで、図１のＨＯＥ１１を、図３に示す光学系にそのまま適用する場合を考える。この光学系は、図１のカラーＨＯＥ１１とその結像点との間に、光学硝材で作製された直方体プリズム１５を配置したものである。一般に、光学硝材は分散をもち、屈折率が波長によって異なるため、プリズム内の光路長にも波長によって差が生じる。これにより、Ｒ、Ｇ、Ｂの光束の結像点１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂも異なって、軸上色収差が発生し、高い解像度での結像はできなくなる。
【００２８】
図２に示した光学系によるカラーＨＯＥ１１の作製方法は、前述の特開平７−２１００６６号公報と同じ考え方に基づくものである。このような作製方法は、図１に示すようにカラーＨＯＥ１１のみから成る光学系では問題ないが、図３に示すように、透過光学素子が光路上に存在する光学系では、上述のように色収差の問題を招く。
【００２９】
＜第１の実施形態＞
第１の実施形態の光学系を図４に示す。この光学系は、図３と同様に、カラーＨＯＥ３１とその結像点との間にプリズム１５を備える構成であるが、カラーＨＯＥ３１によって軸上色収差を補正するものである。
【００３０】
軸上色収差を補正するためには、例えば、Ｂ光の結像点１２Ｂまでの距離を短くし、Ｒ光の結像点１２Ｒまでの距離を長くして、それらの結像点１２Ｂ、１２ＲをＧ光の結像点１２Ｇに一致させればよい。すなわち、カラーＨＯＥ３１のＢ光に対する焦点距離を短くし、Ｒ光に対する焦点距離を長くすればよい。ここで用いているカラーＨＯＥ３１は、各々の波長に対して独立したＨＯＥを複合した多色ＨＯＥなので、各ＨＯＥの焦点距離を個別に設定することが可能である。これにより、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束に対するカラーＨＯＥ３１の焦点距離を全て等しくする。
【００３１】
カラーＨＯＥ３１の作製に用いる光学系を図５に示す。図２の光学系では、点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂを一致させ、点光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂも一致させたが、本実施形態では、一方の点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂを相違するように設定している。具体的には、Ｒ光の点光源２２ＲをＧ光の点光源２２Ｇよりもホログラム感材２１から遠くに配置し、Ｂ光の点光源２２ＢをＧ光の点光源２２Ｇよりもホログラム感材２１の近くに配置している。他方の点光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂからの光束は、凹面反射面２４で反射されてコリメートされ、ホログラム感材２１に対して平行光束として入射するので、記録される干渉縞の焦点距離は、各点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂとホログラム感材２１との距離に一致する。よって、Ｒ光に対する焦点距離は長く、Ｂ光に対する焦点距離は短くなる。
【００３２】
実際のホログラム感材の露光に際しては、点光源上にピンホールを配置し、露光のための光束を精波（スペーシャルフィルタリング）するので、上記のような点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｒの配置は難しい。これと同様の効果を同一の点光源で実現する光学系を図６、図７に示す。
【００３３】
図６の光学系は、カラーＨＯＥ３１と組み合わせて使用されるプリズム１５と等価な補正用プリズム２５を、点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂとホログラム感材２１との間に挿入したものである。点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂの位置は一致しており、また、点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂからホログラム感材２１までの配置は、図４に示した使用時の配置と一致させてある。
【００３４】
補正用プリズム２５の分散により、ホログラム感材２１と各点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂとの光学的な距離を変更することができ、図５に示した光学系で得られるものと等価なカラーＨＯＥ３１を得ることができる。
【００３５】
図７の光学系は、光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂと凹面反射面２４との間に補正用プリズム２６を挿入したものである。点光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂから凹面反射面２４までの光学的な距離は相違することになり、凹面反射面２４と補正用プリズム２６の分散量（分散値および光路長）を調整することにより、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束に対するカラーＨＯＥ３１の焦点距離に所望の差をもたせることができる。一例を挙げると、凹面反射面２４の焦点距離をカラーＨＯＥ３１のＧ光に対する焦点距離に一致させ、補正用プリズム２６として使用時のプリズム１５と等価なものを用いる。これで、プリズム１５によって生じる軸上色収差を補正するカラーＨＯＥ３１が得られる。具体的な調整はもちろんこの例に限らない。
【００３６】
以上、光軸方向の色ずれである軸上色収差の補正について述べたが、次に、光軸に対して垂直方向の色ずれの補正について説明する。なお、ここでは、光軸に対して垂直方向の色ずれの補正に説明を限定するので、主として中心光線について述べる。
【００３７】
図２の光学系で作製したカラーＨＯＥ１１とくさび状のプリズム１７を組み合わせた光学系を図８に示す。プリズム１７はカラーＨＯＥ１１とその結像点との間に配置されている。前述のように、図２の光学系で作製されるカラーＨＯＥ１１は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束に対して同様に作用する。したがって、カラーＨＯＥ１１に入射したＲ、Ｇ、Ｂの各光束は、同じ方向に回折され、同じ光束としてプリズム１７に入射する。プリズム１７は分散をもっており、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束は異なる屈折角で屈折して、結像面１２ｐ上の異なる点１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂに結像する。したがって、光軸に対して垂直な方向に色ずれが発生する。
【００３８】
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態の光学系を図９に示す。この光学系は、図８と同様に、カラーＨＯＥ４１とその結像点との間にプリズムを備える構成であるが、カラーＨＯＥ４１によって光軸に対して垂直方向の色収差を補正するものである。
【００３９】
この補正を行うためには、プリズム１７に対する入射角をＲ、Ｇ、Ｂの各光束で異ならせればよい。すなわち、カラーＨＯＥ４１のＢ光に対する回折角（ＨＯＥの法線に対する角度）をＧ光に対する回折角よりも大きくし、Ｒ光に対する回折角をＧ光に対する回折角よりも小さくすればよい。ここで用いているカラーＨＯＥ４１は、各々の波長に対して独立したＨＯＥを複合した多色ＨＯＥなので、各ＨＯＥの回折角を個別に設定することが可能である。これにより、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束に対するカラーＨＯＥ４１の回折角を相違させ、プリズム１７に対するＲ、Ｇ、Ｂの各光束の入射角を相違させ、これら全ての光束の結像点１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂを一致させる。
【００４０】
カラーＨＯＥ４１を作製するための光学系を図１０に示す。図２の光学系では、点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂを一致させ、点光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂも一致させたが、本実施形態では、一方の点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂを相違させている。具体的には、Ｒ光の点光源２２ＲをＧ光の点光源２２Ｇよりもホログラム感材２１に対する入射角が小さくなるように配置し、Ｂ光の点光源２２ＢをＧ光の点光源２２Ｇよりもホログラム感材２１に対する入射角が大きくなるように配置している。
【００４１】
実際のホログラム感材の露光に際しては、前述のように、点光源上にピンホールを配置し、露光のための光束を精波するので、上記のような点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｒの配置は難しい。これと同様の効果を同一の点光源で実現する光学系を図１１、図１２、図１３に示す。
【００４２】
図１１の光学系は、カラーＨＯＥ４１と組み合わせて使用されるプリズム１７と等価な補正用プリズム２７を、点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂとホログラム感材２１との間に挿入したものである。点光源２２Ｒ、３３Ｇ、２２Ｂの位置は一致しており、また、点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂからホログラム感材２１までの配置は、図９に示した使用時の配置と一致させてある。
【００４３】
補正用プリズム２７の分散により、ホログラム感材２１に対する点光源２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂの光学的な相対位置を変更することができ、図１０に示した光学系で得られるものと等価なカラーＨＯＥ４１を得ることができる。ここで、結像状態を考えると、使用時には、くさび状のプリズム１７によって非点収差も発生する。図１０の光学系では使用時の非点収差を補正することはできないが、図１１に示した光学系では、光軸に対して垂直方向の色収差に加えて、非点収差も補正することができる。
【００４４】
図１２の光学系は、点光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂと凹面反射面２４との間に補正用プリズム２８を挿入したものである。凹面反射面２４によってコリメートされて平行光束となったＲ、Ｇ、Ｂの各光束は、ホログラム感材２１に対する入射角が異なり、補正用プリズム２８の分散量を調整することにより、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束に対するカラーＨＯＥ４１の回折角に所望の差にもたせることができる。
【００４５】
図１３の光学系は、図１２の補正用プリズム２８に代えて、補正用回折素子２９を用いたものである。この例では、紙面の上下方向についてのみＲ、Ｇ、Ｂの各光束の入射角を相違させることになるので、補正用回折素子２９は一次元回折素子である。一般に回折素子は屈折素子に比べて分散が大きいため、Ｒ、Ｇ、Ｂの光に大きな角度差を発生させるのに好適である。また、回折素子と屈折素子とでは分散の符号が逆であり、図１２と図１３とで、凹面反射面２４からの平行光束Ｌ３の偏向方向が逆になっているのはこのためである。
【００４６】
補正用回折素子２９の例を図１４に示す。この例では、高い回折効率を得るとともに所望の次数に回折を集中させるために、１次元ブレーズ形状としているが、８レベルまたは４レベルのマルチレベル形状やバイナリー格子状の回折素子としてもかまわない。ただし、バイナリー格子状の回折素子の場合、回折は±１次の２方向に発生する。また、レベル数の少ないマルチレベル形状の回折格子では、回折しない０次光が発生する。したがって、これらの回折素子を用いる場合は、不要な１次光や０次光がホログラム感材２１に入射しないように配慮する必要がある。
【００４７】
第１の実施形態の軸上色収差を補正する方法と、第２の実施形態の光軸に対して垂直方向の色収差を補正する方法を組み合わせることは可能であり、これらの方法を組み合わせて、使用時に他の透過光学素子で発生する色収差を縦方向、横方向共に補正し得るカラーＨＯＥを実現することができる。透過光学素子とこのようなカラーＨＯＥを備えた光学系では、設計の自由度が高まって、性能の向上のみならず、部品点数の低減による小型化やコストダウンを図ることができ、さらには素子の配置の自由度を高めることもできる。
【００４８】
本発明により性能向上が期待される光学系の例について説明する。図１５は、本出願人が特開２００１−２６４６８２号にて提案したＨＯＥを用いる情報表示光学系の概略を示す断面図である。表示素子面５２からの映像光束はプリズム５３に入射し、プリズム５３内で全反射を繰り返して、プリズム５３の下端に斜めに設けられたＨＯＥ５１に達する。この映像光束はＨＯＥ５１によって反射（回折）されて、プリズム５３から出射し、観察者の瞳Ｐに入射する。ＨＯＥ５１は、自由曲面で構成された凹面反射面と等価な光学的パワーを有し、表示素子面５２に表示された映像を拡大投影する接眼レンズとして機能する。
【００４９】
図中の光路は、瞳Ｐの中心と、表示素子面５２の中心を結ぶ光線のものを示している。実際には光束は上記の方向に進むが、理解を容易にするために、以下、瞳Ｐ側からの光路追跡で説明する。ＨＯＥ５１で回折され、プリズム５３内を進行した光線は、プリズム５３の上端面から出射する。全反射によってプリズム５３内を進行する光線はプリズム５３の上端面に対して斜めに入射することになる。
【００５０】
ここで用いたＨＯＥ５１を作製するための光学系を図１６に示す。特開２００１−２６４６８２号で述べたように、この表示光学系は非軸対称な光学系であり、良好な映像を提供するために、ＨＯＥ５１には複雑な波面変換が必要とされる。そのため、作製時の凹面反射面２４には複雑な波面を発生させる自由曲面を用いている。作製時に凹面反射面のみを用いると、得られるＨＯＥ５１はＲ、Ｇ、Ｂの各光束に対して同様に作用するものとなる。したがって、このＨＯＥ５１を用いた図１５の表示光学系では、図８に示した光学系と同様に、プリズム５３の分散により、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束は互いに異なる方向に出射することになり、表示素子面５２上の異なる点１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂに結像する。このような結像点１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂの不一致は、実際の映像提供においては色ずれとして認識されることになる。
【００５１】
＜第３の実施形態＞
この色ずれの問題を解消した第３の実施形態である情報表示光学系を図１７に示す。この表示光学系は、瞳Ｐ上の同一点からのＲ、Ｇ、Ｂの各光束の表示素子面５２上での結像点１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂが一致するように、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束に対して回折角を調整したカラーＨＯＥ６１を備えたものである。
【００５２】
このカラーＨＯＥ６１を作製するための光学系を図１８に示す。図１６の光学系とは異なり、点光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂとホログラム感材２１との間に補正用プリズム２８を配置しておく。点光源２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂから光束は、自由曲面で構成される凹面反射面２４で反射され、さらに平面の反射面２４ａで反射されて、補正用プリズム２８に入射する。
【００５３】
各光束は補正用プリズム２８の表面に対して斜めに入射し、補正用プリズム２８の分散により、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束は互いに異なる方向に屈折して、異なる角度でホログラム感材２１に入射する。これにより、ホログラム感材２１から得られるカラーＨＯＥ６１の回折角が、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束ごとに相違することになる。補正用プリズム２８によるＲ、Ｇ、Ｂの各光束に対する屈折量の差は、カラーＨＯＥ６１によりＲ、Ｇ、Ｂの各光束の表示素子面５２上での結像点１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂが一致するように調整しておく。
【００５４】
なお、ここではカラーＨＯＥ６１から表示素子面５２の方向に光路を追跡する説明をしたが、実際には光束は表示素子面５２からカラーＨＯＥ６１に向かって進むため、カラーＨＯＥ６１はプリズム５３で発生した色収差を補正することになる。また、本実施形態では光軸に対して垂直方向の色収差のみを補正しているが、前述のように、同時に軸上色収差を補正することも可能である。これにより、一層高品位の映像を提供することができる。
【００５５】
【発明の効果】
光を透過させる透過光学素子と反射型ホログラフィック光学素子とを含む光学系において、本発明のように、反射型ホログラフィック光学素子が、各々異なる波長帯域に回折効率を有し、各々異なる波長帯域に対して各々異なる波面を再生可能な複数の反射型ホログラムより成り、光の波長差により透過光学素子で発生する軸上色収差を、前記複数の反射型ホログラムのそれぞれが異なる波面を再生することにより補正するようにすると、軸上色収差を補正するために他の光学素子を備える必要がなくなって、簡素な構成でありながら解像度の高いカラー像を提供することができる。特に、ホログラフィック光学素子を反射型としているので、波長帯域ごとに光の挙動を独立に制御することが可能であり、透過光学素子に応じた適切な軸上色収差補正を行うことができる。
【００５６】
さらに、光軸に対して垂直方向の色収差を補正するようにしてもよい。使用時に他の透過光学素子で発生する色収差を縦方向、横方向共に補正し得るカラーＨＯＥを実現することができる。透過光学素子とこのようなカラーＨＯＥを備えた光学系では、設計の自由度が高まって、性能の向上のみならず、部品点数の低減による小型化やコストダウンを図ることができ、さらには素子の配置の自由度を高めることもできる。
また、反射型ホログラフィック光学素子が入射光束を結像させる光学的パワーを有するようにすると、光学系全体のパワーを透過光学素子と反射型ＨＯＥとに分担させることができて、設計の自由度が高まり、小型化も容易になる。
【００５７】
光を透過させる光学素子とともに用い、複数の波長帯域に回折効率を有し、各々異なる波長帯域に対して各々異なる波面を再生可能であり、光の波長差により前記光学素子で発生する軸上色収差を、それぞれが異なる波面を再生することにより補正する複数の反射型ホログラムを有する反射型ホログラフィック光学素子の作製方法において、本発明のように、２光束を感材に照射して感材に２光束の干渉縞を記録することを、照射する２光束の波長を変えて複数回または同時に行うととともに、照射する２光束のうちの少なくとも一方の波面を波長ごとに相違させることにより複数の反射型ホログラムを作製するようにすると、再生時に他の光学素子で発生する軸上色収差を良好に補正することが可能な反射型ＨＯＥが得られる。
このとき、光を透過させる透過光学素子、または光を回折させる回折光学素子によって光束の波面を波長ごとに相違させるので、同一の透過光学素子や回折光学素子を波長の異なる光束に共用することが可能であり、反射型ＨＯＥ作製のための光学系を簡素にすることができる。
【００５８】
さらに、再生時に他の光学素子で発生する光軸に対して垂直方向の色収差を良好に補正することも可能な反射型ＨＯＥが得られるので、一層高品位の映像を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＨＯＥのみから成る光学系を示す図。
【図２】 図１のＨＯＥを作製するための光学系を示す図。
【図３】 ＨＯＥとプリズムより成り、軸上色収差が発生する光学系を示す図。
【図４】 第１の実施形態の光学系を示す図。
【図５】 第１の実施形態の光学系に含まれるＨＯＥを作製するための光学系を示す図。
【図６】 第１の実施形態の光学系に含まれるＨＯＥを作製するための他の光学系を示す図。
【図７】 第１の実施形態の光学系に含まれるＨＯＥを作製するためのさらに他の光学系を示す図。
【図８】 ＨＯＥとプリズムより成り、光軸に対して垂直方向に色収差が発生する光学系を示す図。
【図９】 第２の実施形態の光学系を示す図。
【図１０】 第２の実施形態の光学系に含まれるＨＯＥを作製するための光学系を示す図。
【図１１】 第２の実施形態の光学系に含まれるＨＯＥを作製するための他の光学系を示す図。
【図１２】 第２の実施形態の光学系に含まれるＨＯＥを作製するためのさらに他の光学系を示す図。
【図１３】 第２の実施形態の光学系に含まれるＨＯＥを作製するためのさらに他の光学系を示す図。
【図１４】 図１３の光学系に用いる回折素子の例を示す図。
【図１５】 光軸に対して垂直方向に色収差が発生する光学系を示す図。
【図１６】 図１５の光学系に含まれるＨＯＥを作製するための光学系を示す図。
【図１７】 第３の実施形態の光学系を示す図。
【図１８】 第３の実施形態の光学系に含まれるＨＯＥを作製するための光学系を示す図。
【図１９】 反射型ホログラムおよび透過型ホログラムの回折波長幅を示す図。
【図２０】 反射型ホログラムにおける入射光束の波長と回折効率の関係の例を示す図。
【図２１】 反射型カラーホログラムにおける入射光束の波長と回折効率の関係の例を示す図。
【符号の説明】
１１ カラーＨＯＥ
１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ 結像点
１５ 直方体プリズム
１７ くさび状プリズム
２１ ホログラム感材
２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ 点光源
２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂ 点光源
２４ 凹面反射面
２４ａ 平面反射面
２５、２６、２７、２８ 補正用プリズム
２９ 補正用回折素子
３１ カラーＨＯＥ
４１ カラーＨＯＥ
５１ カラーＨＯＥ
５２ 表示素子面
５３ プリズム
６１ カラーＨＯＥ
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ 光束
Ｐ 観察者瞳
Claims (5)
- 光を透過させる透過光学素子と反射型ホログラフィック光学素子とを含む光学系において、
反射型ホログラフィック光学素子が、各々異なる波長帯域に回折効率を有し、各々異なる波長帯域に対して各々異なる波面を再生可能な複数の反射型ホログラムより成り、光の波長差により透過光学素子で発生する軸上色収差を、前記複数の反射型ホログラムのそれぞれが異なる波面を再生することにより補正することを特徴とする光学系。 - さらに、光軸に対して垂直方向の色収差を補正することを特徴とする請求項１に記載の光学系。
- 反射型ホログラフィック光学素子が入射光束を結像させる光学的パワーを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
- 光を透過させる光学素子とともに用い、複数の波長帯域に回折効率を有し、各々異なる波長帯域に対して各々異なる波面を再生可能であり、光の波長差により前記光学素子で発生する軸上色収差を、それぞれが異なる波面を再生することにより補正する複数の反射型ホログラムを有する反射型ホログラフィック光学素子の作製方法において、
２光束を感材に照射して感材に２光束の干渉縞を記録することを、照射する２光束の波長を変えて複数回または同時に行うととともに、光を透過させる透過光学素子または光を回折させる回折光学素子によって照射する２光束のうちの少なくとも一方の光束の波面を波長ごとに相違させることにより前記複数の反射型ホログラムを作製することを特徴とする反射型ホログラフィック光学素子の作製方法。 - さらに、光軸に対して垂直方向の色収差を補正することを特徴とする請求項４に記載の反射型ホログラフィック光学素子の作製方法。
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