JP7157600B2 - 導光板、導光板製造方法及びそれを用いた映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヘッドマウントディスプレイなどの映像表示装置に用いる導光板に関する。

ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ：Head Mounted Display）などの映像表示装置では、プロジェクター（映像投影部）から出射された映像光をユーザの目まで伝搬させるための光学系として導光板が用いられる。ＨＭＤに用いられる導光板は、薄型でかつ映像を見ることができる視野（ＦｏＶ：Field of View）が広いことが望ましい。この導光板としてハーフミラーを用いることができるが、広い視野を確保するためには薄型化が困難であった。

これに関する背景技術として特許文献１や特許文献２には、ホログラム技術を用いて反射軸が表面法線に対して傾きを持っているような特殊なミラーまたはハーフミラー（該文献では、「スキューミラー」と呼んでいる）が記載されている。スキューミラーを導光板に採用すれば、導光板の表面に対して傾いたハーフミラーと同様の機能を実現し、導光板の薄型化とＦｏＶの向上を図る上で有効となる。

これについて特許文献１では、スキューミラーは反射軸が表面法線と一致しているという制約がなく、比較的広い波長範囲にわたって、ある一定の反射軸に対して光を反射すること、また、比較的広い範囲の入射角にわたって一定の反射軸を有することが述べられている。また特許文献２では、スキューミラーはその表面法線に対して傾けられ得る反射軸すなわちＳｋｅｗ軸を有し、これによる反射光線がある特定の「出射瞳部」に向けて出射されることが述べられている。

米国特許出願公開第２０１７／００５９７５９号明細書 国際公開第２０１７／１７６３９３号明細書

光回折機能を有する体積型ホログラムは、薄型でかつ波長選択性や角度選択性などの特性を有するために、選択的に光を回折させることができ、これをＨＭＤの導光板に採用することで、薄型でかつ広いＦｏＶを有する導光板を実現できる。また、体積型ホログラムの多重記録を有効に利用することで、色ムラや輝度ムラ等の少ない高画質かつ高分解能な映像表示が可能であり、製造コストや安定的な量産性をも実現可能である。しかしながら、体積型ホログラムを用いたＨＭＤの導光板には、映像表示装置として光学効率についての課題がある。以下ではこの課題について説明する。

まず、特許文献１、２に記載のスキューミラーと導光板の関係を説明する。スキューミラーを含む導光板の表面に、光線を入射した場合、導光板の表面からある角度θ_ｇだけ傾きを持ったスキューミラー面により光線の一部が反射される。ここで、全反射角θ_ＴＩＲ（ＴＩＲ：Total Internal Reflection）以上の入射角で導光板内を伝搬している光線をこのスキューミラーに入射させると、この光線の一部は、スキューミラー面によって反射され、導光板の外に出射させることができる（出射カプラー機能）。また、導光板の外から光線を入射させて、導光板内を全反射により伝搬させることもできる（入射カプラー機能）。このように、スキューミラーは導光板において、入射および出射カプラー機能を有する。このスキューミラーを体積型ホログラムによって実現した導光板を体積型ホログラム導光板と呼ぶ。

ここで、体積型ホログラム導光板の光学効率の考え方について説明する。ここでは、導光板の光学効率を「導光板を導光させる光の波長スペクトル強度の積分値の入出力比」と定める。つまり、導光板に入力（入射）した光すべての波長スペクトル強度の積分値を分母とし、導光板から出力（出射）される光すべての波長スペクトル強度の積分値を分子として、導光板の光学効率を計算する。ここで、波長スペクトル強度の積分は、可視光の波長域であるおよそ４００ｎｍ～７００ｎｍの範囲で行うこととする。また、出射カプラーから出射される光が広範囲に渡っている場合は出射カプラー内でも光量を積分する。

上記の光学効率を例えば、１枚のハーフミラーに適用すると、可視光の波長域で反射率がほぼ一定であるハーフミラーでは、出力される波長スペクトル強度を求めるには、入力する波長スペクトル強度に、すべての波長域でハーフミラーの反射率を乗算すればよい。そのため、積分値の入出力比もハーフミラーの反射率に一致する。よって、ハーフミラーの光学効率はハーフミラーの反射率そのものとなる。

一方、ホログラムでは、ホログラムの回折効率がハーフミラーの反射率に対応する。しかしながら、ハーフミラーの場合とは異なり、体積型ホログラム導光板の光学効率は、ホログラムの回折効率とは一致しない。なぜなら、体積型ホログラム導光板は、入力する光のうち、一部の波長のみを回折する「波長選択性」を有するからである。この波長選択性により、出力される光は、入力された光の波長の一部に限られる。そのため、光学効率は、波長の積分範囲における出力（回折）される波長の占める割合（波長使用率）とホログラムの実質的な回折効率（実質回折効率）の積となる。つまり、「体積型ホログラム導光板の光学効率＝実質回折効率×波長使用率」となる。これにより、上記のハーフミラーの反射率と同等の回折効率のホログラムを用いたとしても、光学効率は波長使用率分だけ低下してしまう。よって、体積型ホログラム導光板の光学効率を向上させるためには、実質回折効率と波長使用率を向上させる必要がある。

しかし、回折効率を向上させると、導光している光のうち体積型ホログラムを透過する光の割合が少なくなるため、導光板内の光が導光中に減衰し、出射カプラーから出射する光強度が不均一になるという課題がある。ＨＭＤ向けの導光板では、出射カプラーが広く、出射カプラーの全面で光が略均一に出射されることが望ましい。なぜなら、ＨＭＤにおいてユーザが映像（虚像）を視認できる領域（アイボックス）が広くなり、ユーザはアイボックスの縁部分を視認しにくくなることでストレスが軽減されると共に、装着具合やユーザの目の位置の個人差の影響を軽減して、高い臨場感を得ることができるためである。そのため、回折効率は、出射カプラーから出射する光強度が不均一とならない程度に抑える必要があり、例えば１５％程度となる。このとき、出射光全体の実質的な回折効率は、およそ６８％程度となる。

また、波長使用率を向上させるためには、多重記録数を増加させる必要がある。しかし、多重記録数を増加させると、記録ホログラムの角度間隔が狭まり、クロストークやノイズグレーティング、ホログラフィック散乱等の発生による表示映像の画質劣化の課題がある。そのため、多重記録数を増加させるにも限度があり、波長使用率は例えば１０％程度となる。

以上のように、体積型ホログラム導光板の光学効率を向上させるためには、ホログラムの回折効率か波長使用率を向上させる必要があるが、どちらも限度があり、光学効率はその積となるため、上記の条件では光学効率が６．８％程度となり、これ以上の光学効率を実現することが困難である。光学効率が低いと表示する映像が暗くなるので、例えばＨＭＤのアプリケーションの一つである、外界に対して映像を重畳表示させてユーザに見せる拡張現実（ＡＲ：Augmented Reality）を実行した場合の臨場感が低下してしまう。これを補うため、映像を出射するプロジェクターの出力光量を大きくする必要があり、ＨＭＤの消費電力の増大、発熱、大型化などの課題を生じる。

本発明の目的は、このような課題に鑑みてなされたものであり、上記の課題を克服して光学効率の高い導光板、導光板製造方法及びそれを用いた映像表示装置を提供することである。

本発明は、上記背景技術及び課題に鑑み、その一例を挙げるならば、多重記録したホログラムにより入射光を回折する光回折部を有する導光板であって、光回折部では、少なくとも２つ以上の領域を有し、ある平行光線を入射したときに各領域によって異なる波長を回折する構成とした。

本発明によれば、光学効率を向上させる導光板、導光板製造方法及びそれを用いた映像表示装置を提供できる。

実施例１における映像表示装置の外観図である。 実施例１における映像表示装置の使用例を示す外観図である。 実施例１における映像表示装置のブロック構成を示す図である。 実施例１における導光板の全体構成を示す概略図である。 実施例１における導光板の導光面内の断面図である。 実施例１における体積型ホログラムの製造方法の概略図である。 実施例１における体積型ホログラムを再生する場合の光学配置を示す図である。 実施例１における体積型ホログラム導光板の光学効率の考え方を示す図である。 実施例１における体積型ホログラムの多重記録数Ｍと記録角度θw、再生波長λp、再生入射角度θinの関係を示す図である。 実施例１における再生光の波長選択性を示す図である。 実施例１における再生入射光をある角度に固定した場合の多重記録されたホログラムの波長選択性を示す図である。 実施例１における再生光の角度選択性を示す図である。 実施例１における再生入射光をある波長に固定した場合の多重記録されたホログラムの角度選択性を示す図である。 実施例１における波長使用率を増加させるためホログラムの多重記録間隔を詰めて記録する場合の問題点を説明する図である。 実施例１における導光板のホログラム記録領域を空間的に領域分割し、各領域で再生される波長の組が異なるようにして多重記録を行う構成を示す概略図である。 実施例１における導光板の具体的な設計例である。 実施例２おける導光板の構成を示す概略図である。

以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。以下の実施例では、映像表示装置がメガネ型のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）の場合について説明する。

図１Ａは、本実施例における映像表示装置の外観図である。また図１Ｂは、映像表示装置の使用例を示す外観図である。

図１Ａにおいて、メガネ型の映像表示装置（ＨＭＤ）１００は、メガネのツルに相当する部分に、ユーザ１の右目に表示する映像を投影する映像投影部１０３ａ、およびユーザ１の左目に表示する映像を投影する映像投影部１０３ｂを有する。また、メガネのレンズに相当する部分に、映像投影部１０３ａ、ｂで投影した映像をユーザ１の目に届ける出射カプラー２０３ａ、ｂを備えている。出射カプラー２０３ａ、ｂは、映像を表示するだけでなく、外界からの光を透過できるようになっており、外界に対して映像を重畳表示させてユーザに見せる拡張現実（ＡＲ：Augmented Reality）を表示することができる。図１Ｂに示すように、ユーザ１は、映像表示装置１００を頭部に装着することで、映像を両目で見ることができる。

図２は、映像表示装置１００のブロック構成を示す図である。映像表示装置１００は、ユーザの右目に映像を表示する右目用映像表示部１０４ａ、およびユーザの左目に映像を表示する左目用映像表示部１０４ｂによって構成されている。図２では右目用と左目用で符号ａ、ｂを各構成ブロックに付しているが、２つ映像表示部は同様の構成となっているため、以下では、右目用ａと左目用ｂの符号を省略して右目用と左目用を特に区別せずに説明する。

図２において、映像表示部１０４では、まず映像入力部１０１から送られてきた映像データをもとに、画質補正部１０２および映像投影部１０３によって表示する映像を生成する。画質補正部１０２は、表示する映像の色や輝度の補正を行う。ここで、色ムラや輝度ムラ、色ずれ等が均一化し最小になるように調整を行う。映像投影部１０３は光源を含む小型プロジェクターを用いて構成されており、映像の虚像を投影する光学系となっている。つまり、映像投影部１０３を直接覗き込むと、ある距離の位置に２次元の映像を見ることができる。ここで、映像（虚像）が投影される距離は、ある有限の距離であってもよく、無限遠方であってもよい。

映像投影部１０３で生成された映像は、ある距離に虚像を投影するような光線群として出射される。この光線群は、少なくとも赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色に対応する波長を有しており、ユーザはカラー映像を見ることができる。また、この光線群は、水平方向に略６０度、垂直方向に略３０度の広がりを有しており、投影される虚像の視野（ＦｏＶ：Field of View）が広い映像を見ることができる。

映像投影部１０３から出射した光線群は、入射カプラー２０１を介して導光板２００に入射する。入射カプラー２０１は、導光板に入射した光線群の方向を、導光板２００内を全反射によって伝搬できる方向に変換する。このとき、光線群の各光線方向の相対関係を保ったまま変換することで、映像の歪みやぼけのない高精細な映像を表示できる。

導光板２００内に入射した光線群は、全反射を繰り返すことで伝搬され、アイボックス拡大部２０２に入射する。アイボックス拡大部２０２は、ユーザが映像を見ることのできるアイボックス（虚像が視認できる領域）を拡大する機能を有する。アイボックスが広ければ、ユーザはアイボックスの縁部分を視認しにくくなることでストレスが軽減され、また装着具合やユーザの目の位置の個人差の影響を軽減して、高い臨場感を得ることができる。

アイボックス拡大部２０２では、入射した光線群を、光線方向の相対関係を保ったまま複製して出射カプラー２０３に出射する。つまり、映像投影部１０３から出射した光線群は、光線方向（角度）の相対関係を保ったまま空間的に広げられる。

出射カプラー２０３では、入射した光線群を導光板２００の外に出射してユーザ１の目に届ける。つまり、出射カプラー２０３は入射カプラー２０１とは反対に、入射した光線群の方向を導光板２００の外に出射できる方向に変換する。

また、出射カプラー２０３では、アイボックス拡大部２０２によって広げられた方向とは異なる方向にアイボックスを拡大する機能も同時に有する。つまり、出射カプラー２０３に入射した光線群は、光線方向の相対関係を保ったまま複製され、空間的に広げられて導光板２００の外に出射される。

上記した構成は、右目映像表示部１０４ａと左目映像表示部１０４ｂとで略共通である。以上の構成によって、ユーザ１は、これら２つの映像表示部１０４ａ，１０４ｂで表示された映像（虚像）を見ることができる。

前記した図１Ａの映像表示装置１００では、導光板２００の一部である出射カプラー２０３の部分しか見えていないが、導光板２００のその他の部分は、黒いフレーム部分に隠れて外からは見えないようにしている。これは、導光板２００に意図せぬ角度から外界の光（外光）が入射すると、迷光となって表示映像の画質を劣化させる可能性があるためである。よって、出射カプラー２０３以外の部分は極力外界から見えないようにして、外光が導光板２００内に入射しないようにしている。
図３は、導光板２００の全体構成を示す概略図である。導光板２００は、入射カプラー２０１、アイボックス拡大部２０２、出射カプラー２０３を含んで構成され、これらはガラスまたはプラスティックなどの合成樹脂製の基板に収納され、厚みはおよそ１～２ｍｍ程度である。映像投影部１０３から出射した光線群は、前述のようにＲＧＢ光に対応する広い波長範囲と、水平方向６０度、垂直方向３０度のＦｏＶに対応する広い角度範囲を有しており、この光線群は、入射カプラー２０１に入射する。図３では、光線群内の中心光線３５０について導光板２００内の経路を示している。この中心光線３５０は、表示される映像の略中心のピクセルに対応し、実際には数ｍｍ径の有限の太さを持った光束である。

入射カプラー２０１は、プリズムによって構成され、入射光線群３２０の方向を、導光板２００を全反射によって導光する方向へと変換する。入射カプラー２０１から出射した光線群は、導光板２００内の内面反射によって、アイボックス拡大部２０２に伝搬していく。

アイボックス拡大部２０２は、導光板２００を伝搬してきた光線群を、ミラー面３３０およびビームスプリッター面３４０によって反射し、出射カプラー２０３に伝搬する。その際、ビームスプリッター面３４０により光線群が光線方向の相対関係を保ったまま複製されることで、ユーザが映像を見るアイボックスが縦方向に拡大される。ここで、アイボックス拡大部２０２は、ミラー面３３０およびビームスプリッター面３４０に挟まれた構造となっており、ミラー面３３０は略１００％の反射率のミラーで構成され、ビームスプリッター面３４０は略７０％程度の反射率の部分透過ミラーにより構成されている。これらのミラー面３３０やビームスプリッター面３４０は、誘電体多層膜や金属蒸着によって作成され、ＲＧＢ光に対応する広い波長範囲と水平６０度×垂直３０度でのＦｏＶに対応する広い角度範囲を有する光線群２２０に適用できるよう設計されている。

出射カプラー２０３は、光回折部である体積型ホログラムによって構成されており、入射した光線群の方向を変換し、導光板２００の外に出射させる。体積型ホログラムは、導光している光の一部を回折するため、残りの光はそのまま導光する。これを繰り返すことで、出射カプラー２０３から多数の出射光線群３１０が面内で複製されて出射しユーザ１の目に届けられる。これにより、アイボックスが横方向に拡大される。

ここで、ビームスプリッター面３４０の反射率および出射カプラー２０３を構成する体積型ホログラムの回折効率は、出射カプラー２０３で出射する光量（アイボックス内の光量）が略均一になるように設計する必要がある。そのため、ミラー面３３０とビームスプリッター面３４０の反射率分布は、均一でもよいし、不均一な分布を持たせてもよい。また、出射カプラー２０３を構成する体積型ホログラムの回折効率も図の縦方向に不均一な分布であるグラデーションを持たせることにより、アイボックス内の光量が略均一になるように設計することができる。

図４は、図３の導光板を下から見た、導光面内の断面図である。図４に示すように、映像投影部１０３から出射した光線群は、入射カプラー２０１によってアイボックス拡大部２０２に伝搬し、さらに、出射カプラー２０３に伝搬して、出射カプラー２０３から多数の出射光線群３１０が面内で複製されて出射しユーザ１の目に届けられる。入射カプラー２０１はプリズムにより構成されており、出射カプラー２０３を構成する体積型ホログラムは反射型ホログラムで構成している。以下、この体積型ホログラムの製造方法について示す。

図５Ａは、体積型ホログラムの製造方法の概略図を示している。体積型ホログラムは、感光性材料であるフォトポリマー等の記録媒体５１０にレーザ光等の可干渉性（コヒーレンス）の高い光源から出射される記録光５２０Ａ，Ｂによって作られる干渉縞をホログラムとして記録することにより製作できる。ここで、図５に示すようにｘ軸、ｙ軸を、紙面垂直方向にｚ軸を定義する。記録光５２０Ａ，Ｂはともにｙ軸からθｗ（記録角度）だけｘ軸に対して線対称に傾いた平行光であり、平面波記録ビームである。これにより、干渉縞面は、ｘ－ｚ面に平行に形成される。また、記録媒体５１０をｘ軸からθｇだけ傾かせる。干渉縞面が導光板における反射面（スキューミラー面）となるため、θｇは反射面の記録媒体面からの傾きとなる。また、記録媒体の表面反射による記録時の光利用効率低下および記録媒体５１０での屈折の影響を避けるためプリズム５００を用いている。

矢印５３０に示すように、ｚ軸を回転中心として記録光５２０Ａ、Ｂを回転させ記録光同士のなす角度を変えて多重記録を行う。ここで、ｘ軸に対して常に記録光が線対称になるようにすることで、干渉縞面を常にｘ－ｚ面と平行にすることができる。これにより、干渉縞面（反射面）を記録媒体面からθｇだけ傾いたまま固定して、干渉縞ピッチ（グレーティング間隔）の異なるホログラムを多重記録することができる。

なお、体積型ホログラムを光回折部とし、該光回折部の両側を基板で挟むことで導光板を製造できる。

図５Ｂは、上記の方法で多重記録した体積型ホログラム（スキューミラー）を、再生する場合の光学配置を示している。ここで、「再生」とは、ホログラムに入射光を照射して光を回折させることを意味し、今後この意味で用いる。

体積型ホログラムにｙ軸方向からθｐ（再生角度）だけ傾いた再生光線５５０を入射する（媒体に対する入射角度は、θin＝θp＋θgとなり、これを再生入射角度と呼ぶ）と、Ｂｒａｇｇ選択性を満たす場合は、回折光５６０がｙ軸からθｄだけ傾いた角度で出射する。再生光線がＲＧＢ光に対応する広い波長範囲と、（空気中で）水平方向６０度、垂直方向３０度のＦｏＶに対応する広い角度範囲を有している場合に、体積ホログラムが回折することができれば、体積型ホログラムは導光板の出射カプラーとして用いることができる。また、光線の波長は、観察者の目で等色関数により積分されて認識されるため、体積型ホログラムからの出射光線の波長分布は、入射光線と同様の波長分布である必要はなく、少なくともＲＧＢの３色に対応する波長がバランスよく含まれていればよい。また、本図で入射光線のパワー密度に対する出射光線のパワー密度を回折効率と呼ぶ。ここで、上記のθｇ、θｗ、θｐ、θｄおよびθinはすべて記録媒体５１０内の角度で記載されている。

図６Ａは、体積型ホログラム導光板の光学効率の考え方を示している。まず、導光板の光学効率Ｈを、下記式（１）により定義する。

ここで、Ｓ_ｉｎ（λ）およびＳ_ｏｕｔ（λ）は、入射光および出射光の波長スペクトル分布であり、図６Ａにおける、横軸は波長、縦軸はスペクトル強度であるようなグラフ６００ａ、６００ｂによって示される。また、積分範囲は、可視光の波長域で行うこととする。つまり、光学効率Ｈは、入射光と出射光のエネルギーの総和（積分値）の比率で計算される。ここで扱う光学効率は、すべてある単一の角度の光線について考えている。ただし、導光するすべての角度の光線について考える場合も同様の考え方を用いることができる。

体積型ホログラム導光板では、出射光が複数発生する。そのため、ここではＮ本の光線が出射するとする。また、アイボックス拡大部２０２による縦方向の複製については説明を簡単にするために省略するが、同様の考え方により拡張可能である。

このとき、体積型ホログラム導光板の光学効率Ｈ_Ａｌｌは、下記式（２）にて表せる。

ここで、ｈ_ｍはｍ番目の出射光線の光学効率であり、下記式（３）によって表せる。

ここで、Ｍは多重記録数、Ｍ_ｍａｘは後述する最大多重記録数である。η_ｍはｍ番目の出射光線の回折効率である。したがって、体積型ホログラム導光板の光学効率Ｈ_Ａｌｌは、下記式（４）となる。

体積型ホログラム導光板の光学効率Ｈ_Ａｌｌを向上させるためには、Ｈ_Ｍ＝Ｍ／Ｍ_ｍａｘかＨ_η＝Ση_ｍΠ（１－η_i)のどちらかまたは両方を向上させればよい。ここで、Ｈ_Ｍ＝Ｍ／Ｍ_ｍａｘを「波長使用率」、Ｈ_η＝Ση_ｍΠ（１－η_i)を「実質回折効率」と呼ぶ。以下、この２つの項目について説明する。

実質回折効率Ｈ_ηは、ある１波長において、入射光が出射する効率を表している。実質回折効率を向上させることで光学効率を向上させることができるが、これは出射光線の強度の均一性とトレードオフの関係がある。

たとえば、Ｎ＝７として、ホログラムの回折効率を１００％（η_ｉ＝１）としてしまうと、実質回折効率は１００％となるが、η_１＝１００％、η_２＝０％、η_３＝０％・・・となり、導光方向への出射光線の複製が困難となる。また、ホログラムの回折効率を３０％とすると、実質回折効率は９２％と低下するが、η_１＝３０％、η_２＝２１％、η_３＝１５％・・・となり不均一ではあるが、導光方向への出射光線の複製が可能となる。また、ホログラムの回折効率を２％とすると、実質回折効率は１３％まで低下するが、均一性を高く保つことができる。このように、実質回折効率と出射光線強度の均一性とはトレードオフの関係がある。

上記の関係を解決するために、ホログラムの回折効率を導光方向へ不均一にする方法が考えられる。但し、これを行うと、外光透過率も不均一となる課題がある。

そのため、出射光線強度の均一性を維持したまま実質回折効率を高くすることは困難であり、実用上例えばＮ＝７のときに、１５％程度とするのが限度となる。このとき、実質回折効率は６８％程度となる（Ｈ_η＝６８％）。

波長使用率Ｈ_Ｍは、体積型ホログラムによって利用(再生)される波長の割合を表している。これは、体積型ホログラムの波長選択性に起因しており、例えば適切なコーティングを施したハーフミラー等は波長選択性がほとんどないため、波長使用率はほぼ１００％となる。体積型ホログラムでは、波長使用率を向上させることで光学効率を向上させることができるが、そのためには多重記録数を増加させる必要がある。

波長使用率Ｈ_Ｍは、Ｈ_Ｍ＝Ｍ／Ｍ_ｍａｘにより決定される。ここで、Ｍはホログラムの多重記録数、Ｍ_ｍａｘは最大多重記録数である。最大多重記録数Ｍ_ｍａｘは、多重記録時の記録角度θ_ｗを詰めて多重記録を行ったときに、波長選択性がなくなる、つまり入射するすべての波長を回折するようになるときの多重記録数と定義する。

図６Ｂに、体積型ホログラムの多重記録数Ｍと記録角度θw、空気中での再生波長λp、再生入射角度θinの関係を示している。図５Ａの光学配置によりホログラムの多重記録を行い、図５Ｂの光学配置によりホログラムの再生を行う場合を考える。空気中での記録波長λ_ｗ、再生波長λ_ｐとすると、Ｂｒａｇｇマッチにより再生入射光が回折する（回折光が発生する）再生波長λ_ｐの条件は、ある記録角度θ_ｗにて記録したホログラムに対して、下記式（５）

となる。ここで、θ_ｇは干渉縞面の記録媒体表面からの傾き角度であり、記録時に決定される定数である。また、θ_ｉｎは、再生時の記録媒体表面に対する入射角度、θ_ｗは多重記録時の図５Ｂのy軸からの角度であり、多重記録数分だけ値を持つ。また、記録媒体表面に対する入射角度θ_ｉｎの条件として書き直すと、下記式（６）

となる。記録波長λ_ｗと再生波長λ_ｐが決まると、再生入射角度θ_inは、記録時の角度θ_ｗによって決定される。またこのとき、再生される光の回折方向θ_ｄは、下記式（７）

となる。以上の関係式により、記録条件（θｗ、λｗ）から再生時の入射角度（θｉｎ）、出射光の角度（θｄ）を計算することができる。

図６Ｂでは以上の関係を図示している。多重記録数Ｍが大きくなると、それに伴って、再生される条件も増えていく。そして、波長選択性がなく可視域のすべての波長を回折するようになる多重記録数をＭ_ｍａｘとしている。

図７は、Ｂｒａｇｇ波長選択性を示している。図７Ａは、再生光の波長選択性である。再生入射光をある角度に固定した場合、一つの平面波ホログラムにより再生可能な波長は、図のようにＳｉｎｃ関数の形をしており、再生可能な（空気中の）波長幅は、およそ波長選択性の半値幅となるので、下記式（８）

と表せる。ここで、ｎ（ｎ＝１，２，３，・・・）は多重記録番号の添え字である。また、ｎ_mediaとＬ_ｚはそれぞれ記録媒体５１０の屈折率と厚みである。記録波長λｗ、再生波長λｐ、θｇ、屈折率ｎ_media、Ｌ_ｚは記録中変化しないとしている。図７Ｂは再生入射光をある角度に固定した場合の多重記録されたホログラムの波長選択性である。多重記録を行う角度θ_ｗから、式（５）によって再生される波長間隔λ_{ｐ＿ｉｎｔｅｒｖaｌ}を計算することができ、下記式（９）

となる。

また、図８は、Ｂｒａｇｇ角度選択性を示している。図８Ａは、再生光の角度選択性である。再生入射光をある波長に固定した場合、一つの平面波ホログラムにより再生可能な角度は、図のようにＳｉｎｃ関数の形をしており、再生可能な（記録媒体内の）角度幅は、下記式（１０）

と表せる。図８Ｂは再生入射光をある波長に固定した場合の多重記録されたホログラムの角度選択性である。多重記録を行う角度θ_ｗから、式（６）によって再生される角度間隔θ_{in_interval}を計算することができ、下記式（１１）

となる。θ_{in_interval}は、記録角度θ_ｗの間隔が小さくなると、それに伴って小さくなる。

以上の関係式を用いることで、ある条件で記録した場合の波長使用率を計算することができる。
波長使用率は、最大多重記録数Ｍ_ｍａｘを用いて、下記式（１２）

によって計算される。ここで、<>は、すべての多重記録（番号ｎ）での平均値を意味する。よって、Ｍ_ｍａｘは波長選択性の隙間がなくなるように記録を行った場合の多重記録数に対応する。また、角度選択性の隙間がなくなるように記録を行った場合の多重記録数とも一致する。

式（１２）から、ホログラムの多重記録角度θ_ｗの間隔を詰めて記録することで、つまりθ_{in_interval}を小さくすることで、波長選択性の隙間を埋めて、波長使用率Ｈ_Ｍを向上できることが分かる。これはつまり、多重記録数Ｍを増加させることと同じである。しかし多重記録数Ｍを増加させると、例えば以下に示す課題がある。

図９は、波長使用率を増加させるためホログラムの多重記録間隔を詰めて記録する場合の問題点を説明する図である。図９の上図は多重記録間隔を十分に空けて記録している場合の模式図である。これに対して、下図は記録角度間隔を詰めて記録した場合の模式図であり、このように記録角度間隔が詰まってくると、隣接ホログラム同士のクロストークが発生する。これは、Ｓｉｎｃ関数のサイドローブが干渉してその位相差によって再生強度を強めあったり弱めあったりする現象であり、画質劣化を引き起こす。通常、多重記録ホログラムの隣接ホログラムの位相差の制御は困難なので、本課題は本質的な問題であり、均一な回折効率を維持することが難しくなる。よって、隣接ホログラムの間隔は十分に空ける必要があり、例えば、θ_{in_interval}＝ｒ△θ_{1st_med}（ｒは正の実数値）としたとき、ｒ＝７～１０程度かそれ以上とする必要がある。またさらに、記録角度間隔を詰めて多くの多重記録を行うと、記録工程前半に記録したホログラムの再生や媒体内の散乱光によって書き込まれたホログラムの再生が記録工程後半に影響をあたえて、意図せぬホログラムが書き込まれるノイズグレーティングやホログラフィック散乱の発生といった課題もあり、これによりＨＭＤとしての画質劣化が起こる。従って、ｒは十分大きい必要があり、例えばｒ＝１０のとき、波長使用率Ｈ_Ｍは１０％（Ｈ_Ｍ＝１／ｒより）となる。これが、波長使用率の限度である（Ｈ_Ｍ＝１０％）。

以上より、導光板の光学効率はＨ_Ａｌｌ＝Ｈ_η×Ｈ_Ｍ＝６８％×１０％＝６．８％程度が限度となる。以下では、本制約を超えて光学効率を向上する方法について説明する。

図１０は上記の課題を解決するための本実施例における領域分割記録法を説明する図である。本手法では、記録媒体のホログラム記録領域を空間的に領域分割する。そして、各領域で、再生される波長の組が異なるようにして多重記録を行う。つまり、記録角度θｗの組を領域毎に変化させる。これにより、各領域では、多重記録数が少なくても、全体としての波長使用率を向上させることができる。また、一つの領域の回折効率が高すぎると、後方の回折光量が低下するが、本手法では、領域の異なる部分では、異なる波長が再生されるため、前方のホログラムが高回折効率であっても、後方のホログラムで別の波長でまた高回折効率にすることができる。そのため、各領域の回折効率を上げてもよく、回折効率の上限を向上させることができる。なお、図１０では、瞳の１次元の複製系となっているが、２次元の複製系でも用いることができる。

図１０では、入射カプラー１０００から入射波長スペクトル強度Ｓ_ｉｎを有する光源からの光線を入射している。本入射光は、入射カプラー１０００によって、導光板２００に入射し、全反射によって導光板内を導光する。そして、最初の出射カプラー領域１０１０に入射すると、一部の光は導光板２００の外に出射される。ここで、出射されるある角度の光線の波長スペクトル強度Ｓ_out ¹を見ると、Ｂｒａｇｇ波長選択性によって、歯抜けの状態になっており、多重記録数Ｍ個以下のピークが立っている。また、出射カプラー領域１０１０を透過した光は、出射カプラー領域１０２０に入射すると、一部の光が導光板２００の外に出射される。このとき、出射される上記角度の光線の波長スペクトル強度Ｓ_out ²を見ると、出射カプラー領域１０１０から出射されているその光線と平行な光線の波長スペクトル強度Ｓ_out ¹と比較して、すべてのピーク位置が波長選択性の半値幅である△λ_{1st_med}以上ずれている。これにより、領域１０１０で出射した波長以外の波長の光が領域１０２０から出射される。領域１０３０、１０４０でも同様に、出射される（回折される）波長の組をずらすことで、前方の領域で回折された波長とは異なる波長を回折させる。なお、各領域で回折される波長の組は等間隔でも等間隔でなくてもよく、複数でなくてもよい。

ここで、出射スペクトル強度のピーク位置は、光線の角度によって異なるが、ピークの数や歯抜けになっている割合である波長使用率はほとんど変わらず、すべての角度の光線において、上記の関係を成立させることができる。また、各分割領域の境界は重なり部分１０７０、１０８０、１０９０を作ることで、領域境界の影響を低減させてもよい。また、各分割領域での多重記録数（再生波長スペクトル強度のピークの数）は必ずしも一致している必要はない。またさらに、各分割領域において記録角度のオフセット量（全体的なシフト量）を変えることで、各分割領域によって必要最低限の角度範囲にのみ再生させて、記録媒体のダイナミックレンジ（たとえばＭ＃と呼ばれる指標等）を有効に活用してもよい。

次に、領域分割記録を行った場合の光学効率について説明する。図１０に示す各領域での回折する波長スペクトル強度すべての和１０６０が、隙間がなくなるようにするように領域分割を行えば波長使用率Ｈ_Ｍを１００％に近づけることも原理的には可能である。この場合、領域の数は、およそ波長使用率Ｈ_Ｍの逆数となる。また、領域数を増やせば各領域の回折効率も増やすことができるので、実質回折効率Ｈ_ηを１００％に近づけることも原理的には可能である。従って、ある角度の光線における光学効率Ｈ_Ａｌｌは、従来よりも飛躍的に向上することができる可能性がある。

図１１に具体的な設計例を示す。導光板の厚みは１．５ｍｍとし、０．５ｍｍの記録媒体の層を有している。導光板内の中心光線の入射角度は５５度で、このとき横方向のＦｏＶはおよそ３９度となる。また、このときＭ_ｍａｘは１０００程度になる。中心光線の出射光線数Ｎが８本（ｍ＝１～８）となるような出射カプラーのサイズとし、領域分割数Ｋを５（ｋ＝１～５）とする。また、各領域での回折効率をおよそη_ｉ＝３０％とし、５０多重記録を行う（Ｍ＝５０）。このとき、中心光線の実質回折効率Ｈ_ηは５０％程度、波長使用率Ｈ_Ｍは、領域分割記録によってＫ倍されるので、Ｈ_Ｍ＝Ｋ×Ｍ／Ｍ_ｍａｘ＝５×５０／１０００＝２５％程度となるので、光学効率Ｈ_ＡＬＬはおよそ１２．５％となる。これは、従来の限度であった６．８％に対して２倍程度の効率向上を実現している。また、領域分割数Ｋと多重記録数Ｍ、回折効率η_ｉはより大きい値にすることが可能であり、これ以上の光学効率向上も望める。

本手法の特徴は、シースルー性（外界透過性）を保ちつつ光学効率を向上させることが可能な点である。ハーフミラー等の波長選択性のほとんどない素子のアレイを用いて光学効率を向上させるためには、外界透過率を一部犠牲にしなければならない。例えば、１００％の光学効率を実現するためには、導光板の最後は１００％反射のミラーにする必要がある。しかし、その部分での外界透過率は０％となってしまう。一方、体積型ホログラム導光板では、領域分割を行うことで、各領域にて波長選択性を有するため、例えば回折効率１００％のホログラムを各領域に記録し、領域分割数Ｋと波長使用率Ｈ_Ｍの関係が、Ｋ＝１／Ｈ_Ｍであれば、光学効率Ｈ_Ａｌｌは１００％となるが、導光板のどの領域も外界透過率は０％とはなっておらず、１－Ｈ_Ｍとなる。各領域の波長使用率Ｈ_Ｍを十分小さくして（領域分割数Ｋを十分大きくして）、回折効率１００％のホログラムを記録することができれば、外界透過率の低下はほとんどなく、光学効率１００％を達成できる可能性があり、少なくともそれに近づけることは可能である。

以上のように、本実施例によれば、高いシースルー性を保ったまま光学効率を向上させる導光板、導光板製造方法及びそれを用いた映像表示装置を提供できる。

図１２は、本実施例における導光板の構成を示している。本実施例では、領域分割ではなく、多層構造とすることで光学効率を向上させている。図１２において、導光板２００は４層の構造となっており、各層に、ある角度の光線に対して異なる波長の組を回折する体積型ホログラムが記録されている。各層には、入射カプラー１２００および出射カプラー１２１０が含まれており、各層内で、入射・出射カプラーの組は同じ角度で記録された体積型ホログラムを対称に並べた構成となっている。これにより、入射カプラーによって回折して導光板の中に入り導光する光線の角度と波長の組合せと出射カプラーによって回折して導光板の外に出射する光線の角度と波長の組合せが一致し、光の損失が最小となる。また、導光中に導光板の歪み等の影響で意図しない方向に光線角度がずれた場合は、出射カプラーにてＢｒａｇｇ条件を満たさなくなるため、意図しない方向の光線が出射されることを抑制できる。これにより、導光による映像のボケ（光線の角度ずれ）を抑制することが可能となる。

図１２において、各層の入射・出射カプラーに記録されている体積型ホログラムは、実施例１の時と同様に、回折する波長（の分布）が異なっており、波長のピーク位置が△θ_１ｓｔ以上ずれている。これにより、各層で回折される波長１２５０（Ｓ_ｏｕｔ ^１～Ｓ_ｏｕｔ ⁴）が異なり、その和１２６０の波長使用率を向上させることができる。

なお、本実施例における多層構造と、実施例１の領域分割記録を併用することも可能であり、これにより、光学効率を向上させることもできる。

以上、実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。すなわち、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１００：映像表示装置（ＨＭＤ）、１０１：映像入力部、１０２：画質補正部、１０３：映像投影部（光源を含む）、１０４：映像表示部、２００：導光板、２０１、１０００、１２００：入射カプラー、２０２：アイボックス拡大部、２０３、１２１０：出射カプラー、１０１０、１０２０、１０３０、１０４０：出射カプラー領域

Claims (3)

1. 多重記録したホログラムにより入射光を回折する光回折部を有する導光板であって、
   前記光回折部は、少なくとも２つの空間的に分割された第１の領域と第２の領域を有し、
   前記第１の領域と前記第２の領域は、ある平行光線を前記光回折部に入射したときに前記第１の領域で回折する波長と、前記第１の領域を透過した光が前記第２の領域に入射し該第２の領域で回折する波長が異なるように構成されており、
   前記第１の領域と前記第２の領域によって回折される波長が、波長選択性の半値幅以上ずれており、
   前記光回折部は、前記導光板の内部を伝搬する光を前記導光板の外に出射する光に変換する出射カプラーとして用いられ、
   前記導光板の内部を伝搬する光線を複製して前記出射カプラーに出射するアイボックス拡大部を備えることを特徴とする導光板。
2. 請求項１に記載の導光板において、
   前記アイボックス拡大部が、ミラー面とビームスプリッター面を含む構成であることを特徴とする導光板。
3. 導光板を有する映像表示装置であって、
   前記導光板は、多重記録したホログラムにより入射光を回折する光回折部を有し、
   前記光回折部は、少なくとも２つの空間的に分割された第１の領域と第２の領域を有し、
   前記第１の領域と前記第２の領域は、ある平行光線を前記光回折部に入射したときに前記第１の領域で回折する波長と、前記第１の領域を透過した光が前記第２の領域に入射し該第２の領域で回折する波長が異なるように構成されており、
   表示する映像の画質を補正する画質補正部を備え、
   前記画質補正部は、前記導光板の有する前記光回折部により生じる映像の色ムラや輝度ムラ、色ずれを均一化することを特徴とする映像表示装置。

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