JPH05346508A - ホログラムレンズ及びそれを用いた表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 観察視野が広く均一の明るさで観察すること
ができる０ｆｆ−ａｘｉｓ型のホログラムレンズ及びそ
れを用いた表示装置を得ること。 【構成】 画像表示器からの画像情報に基づく光束を所
定方向に回折させて、該画像情報と他の画像情報とを空
間的に重畳させて同一視野で観察する為のホログラムレ
ンズであって、該ホログラムレンズはＮ．Ａが等しい複
数の要素ホログラムからなるｏｆｆ−ａｘｉｓ型である
ことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はホログラムレンズ及びそ
れを用いた表示装置に関し、例えばホログラムレンズを
光束結合素子として用い、画像表示器からの画像情報と
前方視野（ホログラムレンズ背後）の自然風景等の他の
画像情報とを空間的に重畳させて、双方の画像情報を同
一視野で観察するような場合に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】多層膜反射面やホログラム光学素子等の
光学的に透明な光束結合素子を用いて、表示素子からの
表示情報（画像情報）と外界の光景等の画像情報とを同
一視野内で空間的に重畳して観察するようにした表示装
置は、一般にヘッドアップディスプレイ装置と呼ばれ、
各分野で多用されている。

【０００３】又、該ヘッドアップディスプレイ装置の光
学装置の部品を小型にする為に、前記光束結合素子を観
察者の眼に比較的近い場所に設け、光学装置をヘルメッ
トに装着した表示装置はヘルメットマウントディスプレ
イ装置（ＨＭＤ装置）と呼ばれ、航空機の操縦時の表示
装置、ゲーム等の娯楽用、又は人工現実感(Artificial
Reality)用の表示装置等の様々な応用が提案されてい
る。

【０００４】図１０は米国特許第３，９４０，２０４号
広報に記載されている表示装置としてのＨＭＤ装置の光
路図である。

【０００５】ＣＲＴ（不図示）の画像表示面１０１から
射出した表示光は、プリズムシステム１０２を透過し
て、リレーレンズ１０３へ入射する。該リレーレンズ１
０３は、適当な曲率を有するバイザー（不図示）上に形
成されたホログラムコンバイナ１０５の近傍の中間結像
面１０４に表示光を結像する。該中間結像点から発散光
となった表示光は、レンズ作用を有するホログラムコン
バイナ１０５によって略平行光束にされ観察者の瞳１０
６に入射する。従って、観察者は無限遠に結像したＣＲ
Ｔの画像（虚像）を前方の風景１０７に重畳して観察す
ることができる。

【０００６】この表示装置において、ホログラムコンバ
イナが大きなｏｆｆ−ａｘｉｓ配置になっているため
に、該ホログラムコンバイナ１０５は複雑な収差を生じ
る。その為、本従来例ではプリズムシステム１０２やＣ
ＲＴの画像表示面１０１を傾けて配置し、ホログラムコ
ンバイナ１０５で発生する収差を補正するように構成さ
れている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の表示装置はホロ
グラムコンバイナで発生する諸収差をプリズムシステム
を傾けたり、リレーレンズを構成する一部のレンズを偏
心させたりして補正していた。この為装置全体が複雑化
し、又高い組立精度が要求されていた。

【０００８】この他、従来の表示装置において観察視野
を広くする為にはホログラムコンバイナを大きくしなけ
ればならず、それに伴いホログラムコンバイナから発生
する収差が増大するという問題点があった。

【０００９】これに対してホログラムコンバイナの増大
を防止しつつ観察視野の拡大を図ったヘッドアップディ
スプレイ装置（表示装置）が例えば米国特許第３８０７
８２９号や米国特許第３９１５５４８号等で提案されて
いる。

【００１０】そこではコンバイナとして同一寸法の複数
の要素ホログラムより成るホログラムアレイをｏｆｆ−
ａｘｉｓ（軸外し）配置して用いている。

【００１１】しかしながらこの表示装置では観察者の眼
に入射する各光束間でＮ．Ａ（開口数）が異なってきて
明るさが不均一となるという問題点があった。

【００１２】即ち、軸上光束のホログラムへの入射角を
θｉｎ、軸外光束の画角をｗ、観察者の瞳径をａとする
と入射光束のホログラム面上での寸法Ｈは、 Ｈ＝ａ／ｃｏｓ（θｉｎ＋ｗ） で表される。

【００１３】このうち、＋方向の軸外光束が入射するホ
ログラム寸法は画角の増大と共に大きくなってくる。こ
の結果、一般のヘッドアップディスプレイ装置やヘルメ
ットマウントディスプレイ装置（ＨＭＤ装置）にこのよ
うな分割したホログラムレンズアレイ（コンバイナ）を
用いるとＣＲＴ等の画像表示器上の各点から発する各光
束の立体角が異なってくる為にコンバイナ（ホログラム
レンズアレイの別機能）を介して重畳された画像は各要
素ホログラムの寸法に対応して明るさが不均一になると
いう問題点があった。

【００１４】この他、従来のＨＭＤ装置ではプリズムシ
ステムを傾けてホログラムコンバイナの軸上コマ収差を
補正している。しかしながらホログラムコンバイナから
はコマ収差のほかに非点収差も多く発生してくる。

【００１５】例えば観察者の瞳位置（入射瞳）近傍にホ
ログラム記録光束の発散光源点を置き、射出瞳近傍に収
束するあと１つの記録光束とを干渉させたホログラムコ
ンバイナでは結像面上で軸上の非点隔差は約１３ｍｍ、
画角±２０°では約５〜１５ｍｍ程度ある。この為、画
像情報を良好に観察するのが大変難しいという問題点が
あった。

【００１６】本発明はホログラムレンズアレイの構成を
適切に設定することにより、画像表示器からの画像情報
と他の画像情報とを空間的に重畳させて広い観察視野で
均一の明るさで観察することができるｏｆｆ−ａｘｉｓ
型のホログラムレンズ及びそれを用いた表示装置の提供
を目的とする。

【００１７】この他本発明はホログラムコンバイナを介
して画像表示器からの画像情報と他の画像情報とを空間
的に重畳して同一視野で観察する際、画像表示器とホロ
グラムコンバイナとの間の光路中にプリズムを設けるこ
とにより、コマ収差や非点収差を良好に補正し、良好な
る画像情報の観察が可能なホログラムレンズ及びそれを
用いた表示装置の提供を目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明のホログラムレン
ズはｏｆｆ−ａｘｉｓ型のホログラムレンズにおいて、
該ホログラムレンズが複数の要素ホログラムに分割され
ており、かつ、各要素ホログラムのＮ．Ａが等しくなる
ように各要素ホログラムサイズが分割されていることを
特徴としている。

【００１９】特に前記ホログラムレンズが体積位相型ホ
ログラムであることを特徴としている。

【００２０】本発明のホログラムレンズを用いた表示装
置としては、 （１−イ）画像表示器からの画像情報に基づく光束を
Ｎ．Ａが等しい複数の要素ホログラムから成るｏｆｆ−
ａｘｉｓ型のホログラムレンズを介し、所定方向に回折
させて、該画像情報と該ホログラムレンズの背後の画像
情報とを空間的に重畳させて同一視野で観察するように
したことを特徴としている。

【００２１】（１−ロ）画像表示器からの画像情報に基
づく光束をホログラムレンズを介して回折させて、該画
像情報と該ホログラムレンズの背後の画像情報とを空間
的に重畳させて同一視野で観察する際、該画像表示器と
該ホログラムレンズとの間の光路中にプリズムを設けた
ことを特徴としている。

【００２２】特に前記画像表示器と前記ホログラムレン
ズとの間の光路中にリレーレンズを設けたこと、前記画
像表示器と前記プリズムとの間の光路中にリレーレンズ
を設けたこと、前記プリズムは前記ホログラムから生じ
る非点収差を補正するように配置していること、前記ホ
ログラムレンズはコマ収差を補正する波面を用いて作製
されていること、前記リレーレンズは前記ホログラムレ
ンズのコマ収差を補正していること、そして前記リレー
レンズは偏心レンズを有していること等を特徴としてい
る。

【００２３】この他本発明のホログラムレンズは画像表
示器からの画像情報に基づく光束を所定方向に回折させ
て、該画像情報と他の画像情報とを空間的に重畳させて
同一視野で観察する為のホログラムレンズであって、該
ホログラムレンズはＮ．Ａが等しい複数の要素ホログラ
ムを有するｏｆｆ−ａｘｉｓ型より成っていることを特
徴としている。

【００２４】

【実施例】図１は本発明のホログラムレンズの実施例１
の要部概略図である。

【００２５】同図において３はｏｆｆ−ａｘｉｓ型のホ
ログラムレンズである。本実施例ではホログラムレンズ
３は３つの要素ホログラム３１，３２，３３を有するホ
ログラムレンズアレイより成る場合を示している。２は
基板であり、その面上にホログラムレンズ３を形成して
いる。１は絞り面であり、表示装置に適用したときの観
察者の瞳に担当している。５は像面であり、表示装置に
適用したときの画像表示器の画像情報の位置に相当して
いる。１０７は自然風景等の他の画像情報であり、像面
５に画像情報を配置したときホログラムレンズ３を介し
て双方の画像情報を空間的に重畳して同一視野で観察し
ている。

【００２６】次にホログラムレンズアレイ３を垂直方向
に３つの要素ホログラムより構成した場合の光学特性に
ついて説明する。

【００２７】まず軸上光束についての説明を行う。同図
では光束は絞り面１から基板２上のホログラムレンズア
レイ３へ入射角θ₁ で入射する。このうち要素ホログラ
ム３１は軸上光束を角度θ₂ で光束４として反射回折す
る。このとき要素ホログラム３１は入射角度θ₁ で入射
してきた光束に対してのみブラッグ条件を満足するよう
に構成しており、収束性の光束４へと波面変換して像面
５上の結像点Ｆ１に集光している。

【００２８】絞り面１からの光束は同じ入射角度θ₁ で
ホログラムレンズアレイ３のうちの他の要素ホログラム
３２，３３へも入射する。しかしながらこれら要素ホロ
グラム３２，３３は入射角度θ₁ ではブラッグ条件を満
足せず所定の回折効率を有していない。本実施例ではこ
のようにして軸上光束のみが要素ホログラム３１で回折
し結像点Ｆ１に集光するようにしている。

【００２９】一方、画角＋ｗでホログラムレンズアレイ
３に入射する光束に対しては、要素ホログラム３２での
みブラッグ条件を満足し、結像点Ｆ２ヘ集光するように
している。同様に、画角−ｗで入射する光束に対しては
結像点Ｆ３へ集光するようにしている。

【００３０】本実施例ではホログラムレンズアレイ３に
よって結像させる光束の中心波長を５３０ｍｍとし、ホ
ログラムレンズアレイ３の中心Ｃ１へ入射する入射角度
θ₁＝６０°、回折角をθ₂ ＝２０°とし、該要素ホロ
グラム３１の焦点距離をｆ₃₁＝５０ｍｍとしている。該
要素ホログラム３１の中点Ｃ１での格子定数は面内格子
ピッチＰ_c1＝１．０１１μｍである。

【００３１】更に、該要素ホログラム３１がブラッグ条
件を満足する光軸上の光束径をφ１０ｍｍとしている。
該要素ホログラム３１の最も下の端の点Ｃ２では、面内
格子ピッチＰ_c2＝１．４４６６μｍであり、回折角は２
９．９８°である。又、最も上の端の点Ｃ３では、面内
格子ピッチＰ_c3＝０．７３９６μｍであり、回折角は
８．５９°に設定している。該要素ホログラム３１の開
口数（Ｎ．Ａ）はＮ．Ａ＝０．３６となる様に分割し、
その寸法は２０ｍｍに設定している。

【００３２】次に、結像面５上の結像点Ｆ３へ集光する
要素ホログラム３２について説明を行う。説明を簡単に
する為に、該要素ホログラム３２は画角＋ｗ＝１０°に
対応するものとして説明を行う。尚、この画角ｗはｏｆ
ｆ−ａｘｉｓ型のホログラムレンズアレイ３の仕様によ
って、適宜変更して設計されている。

【００３３】本実施例においては、該要素ホログラム３
２の焦点距離をｆ₃₂＝４５ｍｍとし、Ｎ．Ａ＝０．３６
と設定している。このとき、要素ホログラム３１の最上
端の点Ｃ３は、該要素ホログラム３２の最下端の点にも
対応している。この点Ｃ３での面内格子ピッチはＰ_c3＝
０．７３９６μｍであるから、この点Ｃ３へ画角＋ｗ＝
１０°、つまり入射角７０°で入射する光線は回折角１
２．８９°で回折される。

【００３４】従って、該要素ホログラム３２のＮ．Ａは
０．３６に設定されているので、該要素ホログラム３２
の最上端の点Ｃ４では、面内格子ピッチＰ_c4＝０．４８
７４μｍ、回折角−８．４９°（−符号は面法線から入
射光線が存在する象現に回折光が含まれていることを示
す。）となっている。

【００３５】そこで本実施例では該要素ホログラム３２
の寸法を約１７ｍｍに分割している。同様にして、画角
−ｗ＝−１０°で使用される要素ホログラム３３は、焦
点距離ｆ₃₃＝６０ｍｍに設定しており、Ｎ．Ａ＝０．３
６で約３０ｍｍの寸法に分割している。

【００３６】以上、本発明のホログラムレンズアレイの
垂直方向の分割方法について説明を行ったが、本実施例
では水平方向についても、同様にＮ．Ａを一定にする様
に分割している。

【００３７】図２は図１のホログラムレンズ３を光束結
合素子としてヘルメットマウントディスプレイ装置（Ｈ
ＭＤ装置）に適用したときの実施例１の要部概略図であ
る。図２において図１で示した要素と同一要素には同符
番を付している。

【００３８】本実施例ではハロゲンランプ等の光源８か
ら発せられた光束は適宜な形状を有するランプハウス７
で略平行光とし、画像表示器の画像情報としての液晶表
示素子６を照明している。液晶表示素子６の表示面５上
の点Ｆ１の画像情報から発せられる光束４は、ガラスや
プラスチック等の透明な基板２上に形成されたホログラ
ムレンズアレイ３へ入射する。

【００３９】該ホログラムレンズアレイ３は光束４に対
してのみブラッグ条件を満足する要素ホログラム３１を
有しており、光束４は該要素ホログラム３１でのみ反射
回折され観察者の瞳１へ入射する。このとき、要素ホロ
グラム３１は光束４をわずかな発散光束へ変換するレン
ズ作用を有している。観察者は表示面５の点Ｆ１の画像
情報をホログラムレンズアレイ３の前方の点Ｆ１ａから
発散してきた光束４ａに基づく虚像として観察してい
る。

【００４０】同様の理由により、液晶表示素子６の表示
面５上の点Ｆ２，Ｆ３の画像情報から発光した光束は、
それぞれ要素ホログラム３２，３３によってのみ観察者
の瞳１方向へ反射回折される。これにより、点Ｆ２，Ｆ
３の画像情報をホログラムレンズアレイ３の前方の点Ｆ
２ａ，Ｆ３ａから発散してきた光束に基づく虚像として
観察している。

【００４１】以上の如く、液晶表示素子６の表示面５上
の各点は各要素ホログラム３１，３２，３３で反射回折
され、虚像面９を形成する。

【００４２】尚、本発明では白色光源を使用しても、要
素ホログラムは波長選択性（回折効率の波長依存性）を
有している為に、ブラッグ条件を満足する中心波長λ₀
の光束で回折効率のピークを有している。このとき半値
全幅を２Δλとすると、該要素ホログラムは入射してき
た白色光のうち、λ₀ −Δλからλ₀ ＋Δλの光束に対
してのみ反射回折作用を生じる。この為、本実施例では
光源としてハロゲンランプを使用している。

【００４３】又、当然のことながら、ハロゲンランプか
らの光束と必要な波長の光束のみも透過する干渉フィル
ターを用いても良い。又、本実施例では各要素ホログラ
ム３１，３２，３３はそれぞれ良好に収差補正された領
域６１，６２，６３を有しており、各領域６１ａ，６２
ａ，６３ａからなる虚像面９上の点はほとんど無収差に
近い点像となって観察できる。

【００４４】以上本実施例では、反射ｏｆｆ−ａｘｉｓ
型のホログラムレンズアレイを用いてヘルメットマウン
トディスプレイ装置を構成したが、透過ｏｆｆ−ａｘｉ
ｓ型のホログラムレンズアレイを用いても同様に構成す
ることができる。

【００４５】更に、本実施例では前記ホログラムレンズ
アレイ３の像面と液晶表示素子６の表示面５を一致させ
て構成した場合についてのみ説明したが、リレーレンズ
を用いて、ＣＲＴや液晶表示素子の表示面をリレーレン
ズの中間結像面へ変換し、該中間結像面が本実施例の表
示面５（ホログラムレンズアレイの物面）に一致する様
に構成しても良い。

【００４６】又、光源の不必要な波長光をカットする為
のコールドミラーや赤外カットフィルター等を適宜使用
して表示装置を構成しても良い。

【００４７】本実施例においては、一つの波長光に対し
てのみ回折効率を有するホログラムレンズアレイを用い
て表示装置を構成したが、回折中心波長が赤、青、緑で
ある様なホログラムレンズアレイを組み合わせて、同様
の表示装置を構成することも可能であり、これによれば
多色表示やフルカラー表示も行うことができる。

【００４８】図３は本発明のホログラムレンズの実施例
２の模式図である。

【００４９】本実施例ではホログラムレンズアレイを５
×５の要素ホログラムより構成した場合を示している。

【００５０】図中（ｉ，ｊ）（ｉ，ｊ＝−２〜２）で示
される要素ホログラムは、光軸となる点Ｃ１を含む軸上
光束用の要素ホログラム（０，０）に対して、それぞれ
垂直方向、水平方向の各画角の番号を示している。例え
ば要素ホログラム（ｉ，ｊ）＝（２，２）では垂直方向
に画角＋ｗ＝＋２０°、水平方向に画角＋ｗ＝＋２０°
であり、要素ホログラム（ｉ，ｊ）＝（−１，＋１）は
垂直方向に画角−１０°、水平方向に画角＋１０°の入
射光束に対して作用する要素ホログラムを示している。

【００５１】前述した様に、垂直方向については画角ｗ
が＋符号で大きいほど、要素ホログラムの分割寸法は小
さい。

【００５２】しかしながら、水平方向については（０，
０）番目の要素ホログラムの点Ｃ１を通る線ＡＡ´に対
して対称となる為に、±ｗの画角の要素ホログラムの分
割寸法は等しくなる。つまりｉ＝０となる各要素ホログ
ラムが最小の分割寸法となる。

【００５３】本実施例ではこの様に各要素ホログラムの
寸法及び光学作用を特定することにより、各要素ホログ
ラムのＮ．Ａを一定にして均一な明るさの画像情報の観
察を可能としている。

【００５４】尚、本発明においてホログラムレンズアレ
イを構成する要素ホログラムの数は要素ホログラム間の
境界で面内格子ピッチが等しく、かつ入射角と回折角が
格子方程式を満足する様に接続し、更に各要素ホログラ
ムがその要素ホログラムを利用する画角の光束に対して
のみブラッグ条件を満足する様に設定すればいくつあっ
ても良い。

【００５５】尚、以上の各実施例では反射型のｏｆｆ−
ａｘｉｓ型ホログラムレンズアレイについて説明した
が、透過型のｏｆｆ−ａｘｉｓ型ホログラムレンズアレ
イについても同様に適用可能である。

【００５６】次に本発明のｏｆｆ−ａｘｉｓ型のホログ
ラムレンズアレイの作成方法について図１の要素ホログ
ラム３１を例にとり説明する。尚、他の要素ホログラム
についても作成方法は基本的に同じである。

【００５７】まず、図１に示すように要素ホログラム３
１は、該ホログラムの面上の点Ｃ１で面内格子ピッチＰ
_c1＝１．０１１μｍ、格子傾き角φ_C1＝１１．０４°、
格子間隔ｄ_c1＝０．１９３７μｍとなる格子定数を有す
る。

【００５８】点Ｃ２ではＰ_c2＝１．２３７５μｍ、φ_C2
＝９．１５°、ｄ_c2＝０．１９６８μｍ、点Ｃ３ではＰ
_c3＝０．８３９０μｍ、φ_C3＝１３．１４°、ｄ_c3＝
０．１９０７μｍである。

【００５９】そこで図４を用いてこれらの格子定数を有
する要素ホログラムを記録波長５１４．５ｎｍのアルゴ
ンイオンレーザを用いて屈折率１．５の感光材料に記録
する方法について説明する。

【００６０】図４においてアルゴンイオンレーザ１１か
ら射出した波長５１４．５ｎｍのレーザ光は、ハーフミ
ラー１２で２つの光束に分け、各々コリメータレンズシ
ステム１３ａ，１３ｂで平行光束にしている。

【００６１】このうち一方の平行光束Ｌａは光軸に対し
てβ１を傾けて配置したレンズシステム１５へ入射し、
ミラー１６で反射させている。ミラー１６からの反射光
束１９は透明な基盤１７上に塗布または貼付された感光
材料１８へ入射する。該入射光束１９は前記レンズシス
テム１５の画角β１の軸外光束となっており、本発明に
よるｏｆｆ−ａｘｉｓ型のホログラムレンズのｏｆｆ−
ａｘｉｓ配置によって生じる収差や、使用（再生）時の
波長（本実施例では５３０ｎｍである）と記録光波長
（５１４．５ｎｍ）との波長差によって生じる収差等を
補正する為の逆収差を発生させている。

【００６２】他方の平行光束Ｌｂはミラー２０で反射さ
せ、光軸に対してβ２傾けて配置したレンズシステム２
１で、収差を含む収束光束２２として感光材料１８へ入
射させている。

【００６３】これらの各光束１９，２２はそれぞれ入射
角θ_r1，θ_r2で感光材料１８に互いに対向する側から入
射させて干渉させている。これより反射型のホログラム
を記録している。

【００６４】尚、本実施例に用いる記録材料１８として
は、重クロム酸ゼラチン、フォトポリマー、銀塩感材等
種々のものが使用できるが、図４に示す実施例ではフォ
トポリマーを使用している。

【００６５】図５は記録光学系の感光材料１８へ入射す
る２光束１９，２２を誇張して示した光線の説明図であ
る。

【００６６】図６は本要素ホログラム３１の面上の各点
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３における記録レーザ光の入射角を示す
説明図である。

【００６７】 図中点Ｃ１でθ_ri（Ｃ１）＝６９．８８°，θ_r2（Ｃ
１）＝２５．４９° 点Ｃ２でθ_ri（Ｃ２）＝７０．９５°，θ_r2（Ｃ２）＝
１９．３９° 点Ｃ３でθ_ri（Ｃ３）＝６９．０２°，θ_r2（Ｃ３）＝
３１．２０° であり、点Ｃ１から光束１９の１次結像点Ｐ１迄の距離
は約６００ｍｍ、点Ｃ１から光束１９の結像点Ｐ２迄の
距離は約８８ｍｍになっている。

【００６８】前述した様に要素ホログラム３１の寸法
（点Ｃ２から点Ｃ３までの長さ）は２０ｍｍである。レ
ンズシステム２１と感光材料１８との間の距離を５０ｍ
ｍにしたので、レンズシステム２１のレンズ径は約３０
ｍｍである。

【００６９】本発明では以上説明した方法を用いて、各
要素ホログラムをステップ＆リピート法の様な手段によ
って記録することによってホログラムレンズアレイを作
製している。このとき他の要素ホログラムを記録する際
に、該要素ホログラムの中心への光束入射角はミラー１
６，２０を回転させて行っている。又、要素ホログラム
の寸法に応じて各入射光束１９，２２をマスク（不図
示）や、液晶等の空間光変調器（不図示）を用いたりす
ることによって制限している。

【００７０】本実施例では回転対称なレンズシステムの
軸外光束による収差光束を用いて要素ホログラムを記録
する方法を用いたが、シリンドリカルレンズや偏心させ
たレンズを含むレンズシステム等の様な記録光学系を用
いることも可能である。

【００７１】又、収差発生の為のレンズシステム１５，
２１へは平行光束を入射させているが、本実施例のコリ
メーションシステム１３の代わりに凹レンズや凸レン
ズ、顕微鏡対物レンズ等を用いて発散光にしてレンズシ
ステム１５，２１を有限結像系にして構成しても良い。

【００７２】以上の様に実施例１ではｏｆｆ−ａｘｉｓ
型のホログラムレンズアレイを各要素ホログラムのＮ．
Ａが等しくなる様に各要素ホログラムの寸法を設定し、
これによりホログラム全面に渡って明るさが均一な広画
角のｏｆｆ−ａｘｉｓ型のホログラムレンズアレイを構
成している。

【００７３】又、該ｏｆｆ−ａｘｉｓ型のホログラムレ
ンズアレイを用いて、ＣＲＴや液晶表示素子からの画像
情報光を観察者の瞳へ反射回折させ、前記画像情報を観
察する際、輝度ムラのない大画面の表示装置を構成して
いる。

【００７４】図７は本発明のホログラムレンズを用いた
表示装置の実施例２の要部概略図である。

【００７５】本実施例ではハロゲンランプ等の光源７１
から発せられた光束は適宜な形状を有するランプハウス
７２で略平行光束になり、画像情報としての液晶表示素
子７３を照明する。該液晶表示素子７３上の各点から発
せられる光束はプリズム７４で該入射光束に後述するホ
ログラムレンズ７６と逆符号の非点収差を与え、ガラス
やプラスチック等の透明な基板７５上に形成されたホロ
グラムレンズ７６へ入射する。

【００７６】該ホログラムレンズ７６はプリズム７４で
与えられた非点収差と逆符号の非点収差を生じている。
この為に、該ホログラムレンズ７６に入射した光束はバ
ランス良く収差補正された略平行な光束となって観察者
の瞳７７へ入射する。

【００７７】これにより観察者はホログラムレンズ７６
の前方に液晶表示素子３で形成された画像情報を虚像と
して他の画像情報８０と空間的に重畳して同一視野で観
察している。

【００７８】前記ホログラムレンズ７６は入射光束に対
し、特定の波長域の光束に対してのみ反射回折光率を有
している（ブラッグ回折）。この為、入射光束が白色光
であっても前記波長域の色光で画像情報の観察ができる
ようにしている。

【００７９】本実施例では特定の波長域の光束のみを透
過するフィルターを設けていないが、不要な波長光をカ
ットしたり、ホログラムレンズによる色収差を防ぐため
に干渉フィルター等のフィルターを設けても良い。

【００８０】同様に、光源７１で生じる熱や赤外線の対
策としてコールドミラーや赤外カットフィルター等を用
いても良い。

【００８１】次に本実施例の構成上の各要素の具体的な
数値例について説明する。

【００８２】本実施例に用いたホログラムレンズ６の製
造方法としては、例えば波長５１４．５ｎｍのアルゴン
レーザからのコヒーレント光をハーフミラー等で２つの
光束に分割し、このうち一方の光束を乾板から５０ｍｍ
の位置から発散する発散光束（記録光束）として、入射
角０°（垂直入射）で入射させている。

【００８３】又、他方の光束を看板から１００ｍｍの位
置に集光する収束光束として、入射角３４°で前記記録
光束に対して対向する方向から乾板に入射させている。
そして該２つの光束による干渉縞を記録、現像したもの
を使用している。

【００８４】感光材料としては重クロム酸ゼラチン、銀
塩感材、フォトポリマー等種々のものが使用できるが、
本実施例ではフォトポリマーを用いている。

【００８５】又、本実施例に用いるプリズム７４は屈折
率１．９１の光学ガラスからなるプリズム頂角が約１６
°、中心厚が約５ｍｍでホログラムレンズ７６から約２
１ｍｍの位置に光軸と約５度をなす角度で配置してい
る。又、前記プリズム７４と液晶表示素子７３との間の
距離は約８ｍｍである。更に、前記液晶表示素子７３は
光軸に対して約４°の角度で傾けて配置している。

【００８６】図８は本発明のホログラムレンズを用いた
表示装置の実施例３の要部概略図である。

【００８７】本実施例では図７の実施例２に比べて液晶
表示素子７３とプリズム７４との間にリレーレンズ７８
を設けたことと、該プリズム７４を前記リレーレンズ７
８の中間結像面７９近傍に配置したことが異なってお
り、その他の構成は略同じである。

【００８８】次に実施例２と異なる点を中心に説明す
る。

【００８９】リレーレンズ７８は材質の屈折率が１．７
５５、焦点距離が約１４ｍｍの両凸面の単レンズより成
っている。ホログラムレンズ７６とプリズム７４とで生
じる収差を補正するために、該リレーレンズ７８の軸外
収差を用いている。このため該リレーレンズ７８の少な
くとも一部のレンズは光軸に対して適当な偏心、傾きを
与えて構成している。

【００９０】液晶表示素子７３と該リレーレンズ７８と
の間の距離は約２６ｍｍで、該リレーレンズ７８とプリ
ズム７４との間の距離は約２３ｍｍ、該プリズム７４と
ホログラムレンズ７６との間の距離は約３７ｍｍであ
る。該プリズム７４は材質の屈折率が１．４８７、プリ
ズム頂角が約１０°、中心厚が約４ｍｍであって、第１
面（リレーレンズ側の面）は光軸に対して略垂直に配置
している。

【００９１】本実施例においてはリレーレンズ７８によ
ってもホログラムレンズ７６によって生じる収差を補正
するようにして、これによりより良好なる収差補正を行
っている。

【００９２】図９は本発明のホログラムレンズを用いた
表示装置の実施例４の要部概略図である。

【００９３】本実施例では図７の実施例２に比べて液晶
表示素子７３とプリズム７４との間にリレーレンズ７８
を設けたことと、該プリズム７４を前記リレーレンズ７
８の中間結像面７９よりも前記リレーレンズ７８に近い
位置に配置したことが異なっており、その他の構成は略
同じである。

【００９４】次に実施例２と異なる点を中心に説明す
る。

【００９５】リレーレンズ７８は材質の屈折率が１．７
５５、焦点距離が約１５ｍｍの両凸面の単レンズより成
っている。ホログラムレンズ７６とプリズム７４とで生
じる収差を補正するために、該リレーレンズ７８の軸外
収差を用いている。このため該リレーレンズ７８は光軸
に対して適当な偏心、傾きを与えて構成している。

【００９６】液晶表示素子７３と該リレーレンズ７８と
の間の距離は約２７ｍｍで、該リレーレンズ７８とプリ
ズム７４との間の距離は約１６ｍｍ、該プリズム７４と
ホログラムレンズ７６との間の距離は約５０ｍｍであ
る。該プリズム７４は材質の屈折率が１．４８７、プリ
ズム頂角が約５°、中心厚が約１．５ｍｍであって、第
１面（リレーレンズ側の面）は光軸に対して約３０°傾
けて配置している。

【００９７】本実施例においてはリレーレンズ７８によ
ってもホログラムレンズ７６によって生じる収差を補正
するようにして、これによりより良好なる収差補正を行
っている。

【００９８】本実施例では実施例３に比べてプリズム７
４を小さくすることができるという特徴がある。

【００９９】以上の実施例２，３，４において使用した
ホログラムレンズ７６は、前述した如く発散光束と収束
光束の２光束の干渉により作製しているが、これら記録
光束に収差を与えて、ホログラムを記録し、該ホログラ
ムの再生時（使用時）に生じる収差を補正するようにし
て作製しても良い。

【０１００】又、これまでの実施例２，３，４において
プリズム７６により非点収差を発生させていたが、本発
明の表示装置において生じるコマ収差の補正は記録光束
にコマ収差を与えてホログラムレンズを作製し、このと
き得られるホログラムレンズを用いて構成しても良い。

【０１０１】以上のように実施例２，３，４によれば画
像表示器からの画像情報光をホログラムレンズによって
観察者の瞳方向へ回折して画像情報を虚像として観察す
る際、画像表示器とホログラムレンズとの間にプリズム
を設けることにより、ホログラムレンズによって生じる
非点収差を良好に補正し、解像度の高い鮮明な画像情報
を観察することができる表示装置を構成している。

【０１０２】

【発明の効果】本発明によれば以上のようにホログラム
レンズアレイの要素ホログラムサイズを適切に設定する
ことにより、画像表示器からの画像情報と他の画像情報
とを空間的に重畳させて広い観察視野で均一の明るさで
観察することができるｏｆｆ−ａｘｉｓ型のホログラム
レンズ及びそれを用いた表示装置を達成することができ
る。

【０１０３】この他、本発明によればホログラムコンバ
イナを介して画像表示器からの画像情報と他の画像情報
とを空間的に重畳して同一視野で観察する際、画像表示
器とホログラムコンバイナとの間の光路中にプリズムを
設けることによりコマ収差や非点収差を良好に補正し、
良好なる画像情報の観察が可能な表示装置を達成するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のホログラムレンズアレイの実施例１
の要部概略図

【図２】 本発明のホログラムレンズを用いた表示装置
の実施例１の概略図

【図３】 本発明のホログラムレンズの実施例２の説明
図

【図４】 本発明のホログラムレンズの作製方法の要部
概略図

【図５】 本発明のホログラムレンズの記録光束の説明
図

【図６】 本発明のホログラムレンズの記録光束の説明
図

【図７】 本発明のホログラムレンズを用いた表示装置
の実施例２の要部概略図

【図８】 本発明のホログラムレンズを用いた表示装置
の実施例３の要部概略図

【図９】 本発明のホログラムレンズを用いた表示装置
の実施例４の要部概略図

【図１０】 従来のホログラムレンズを用いた表示装置
の要部概略図

【符号の説明】

１，７７ 絞り面（瞳） ２，７５ 基板 ３，７６ ホログラムレンズ ４ 光束 ５ 像面（画像情報） ６，７３ 画像表示器 ７，７２ ランプハウス ８，７１ 光源 ７４ プリズム ７８ リレーレンズ ８０ 画像情報

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉永 曜子 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 小林 辰 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 松村 進 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｏｆｆ−ａｘｉｓ型のホログラムレンズ
   において、該ホログラムレンズが複数の要素ホログラム
   に分割されており、かつ、各要素ホログラムのＮ．Ａが
   等しくなるように各要素ホログラムサイズが分割されて
   いることを特徴とするｏｆｆ−ａｘｉｓ型のホログラム
   レンズ。
2. 【請求項２】 画像表示器からの画像情報に基づく光束
   をＮ．Ａが等しい複数の要素ホログラムから成るｏｆｆ
   −ａｘｉｓ型のホログラムレンズを介し、所定方向に回
   折させて、該画像情報と該ホログラムレンズの背後の画
   像情報とを空間的に重畳させて同一視野で観察するよう
   にしたことを特徴とする表示装置。
3. 【請求項３】 前記ホログラムレンズが体積位相型ホロ
   グラムであることを特徴とする請求項１のホログラムレ
   ンズ。
4. 【請求項４】 前記ホログラムレンズが体積位相型ホロ
   グラムであることを特徴とする請求項２の表示装置。
5. 【請求項５】 画像表示器からの画像情報に基づく光束
   をホログラムレンズを介して回折させて、該画像情報と
   該ホログラムレンズの背後の画像情報とを空間的に重畳
   させて同一視野で観察する際、該画像表示器と該ホログ
   ラムレンズとの間の光路中にプリズムを設けたことを特
   徴とする表示装置。
6. 【請求項６】 前記画像表示器と前記ホログラムレンズ
   との間の光路中にリレーレンズを設けたことを特徴とす
   る請求項５の表示装置。
7. 【請求項７】 前記画像表示器と前記プリズムとの間の
   光路中にリレーレンズを設けたことを特徴とする請求項
   ５の表示装置。
8. 【請求項８】 前記画像表示器の中間結像面を前記プリ
   ズムと前記ホログラムレンズとの間、又は前記プリズム
   近傍に設けることを特徴とする請求項７の表示装置。
9. 【請求項９】 前記プリズムは前記ホログラムから生じ
   る非点収差を補正するように配置していることを特徴と
   する請求項５の表示装置。
10. 【請求項１０】 前記ホログラムレンズはコマ収差を補
    正する波面を用いて作製されていることを特徴とする請
    求項５の表示装置。
11. 【請求項１１】 前記リレーレンズは前記ホログラムレ
    ンズのコマ収差を補正していることを特徴とする請求項
    ６又は７の表示装置。
12. 【請求項１２】 前記リレーレンズは偏心レンズを有し
    ていることを特徴とする請求項１１の表示装置。
13. 【請求項１３】 画像表示器からの画像情報に基づく光
    束を所定方向に回折させて、該画像情報と他の画像情報
    とを空間的に重畳させて同一視野で観察する為のホログ
    ラムレンズであって、該ホログラムレンズはＮ．Ａが等
    しい複数の要素ホログラムを有するｏｆｆ−ａｘｉｓ型
    より成っていることを特徴とするホログラムレンズ。