JPH06202037A - ホログラフィックディスプレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 虚像のエッジが目立たない、良好な像を観察
することができるホログラフィックディスプレイを提供
する。 【構成】 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に回折せしめ、前記画像情
報を虚像として観察するホログラフィックディスプレイ
において、前記ホログラムレンズの回折効率の面内分布
を周辺部で徐々に低下させる。

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を用いた表示
装置に関し、特に、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せしめ、前
記画像情報を虚像として視認できる様にしたホログラフ
ィックディスプレイに関する。

【０００２】

【従来技術】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。また、該ヘッドアップディスプレイ装置の光
学装置の部分を小型にする為に、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）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（Ａｒｔｉｆｉ
ｃｉａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ）用の表示装置等の様々な応
用が提案されている。

【０００３】図７は米国特許第３，９４０，２０４号公
報に記載されている従来のＨＭＤ装置の光路図である。
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１０３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に前記
表示光を結像する。該中間結像点から発散光となった前
記表示光は、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１０６に入
射する。従って、観察者は無限遠に結像したＣＲＴの画
像（虚像）を前方の風景に重畳して観察することができ
る。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。そのた
め、本従来例ではプリズムシステム１０２を用いたり、
ＣＲＴの画像表示面１０１を傾けて配置し、前記ホログ
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。

【０００４】

【発明が解決しようとしている問題点】しかしながら、
上記従来例では、ホログラムコンバイナのホログラム領
域とその周囲の領域との境界線が明瞭になって形成され
ている為に、そのエッジでの前方視界の不連続性つまり
虚像のワクが視認される等の問題があった。

【０００５】このため、ホログラムのエッジでの回折効
率を著しく減じることが提案され、このようなホログラ
ムはエッジ不鮮明化ホログラムと呼ばれている。

【０００６】従来の回折効率を低減させる方法として
は、ホログラム露光及び又はホログラム処理パラメータ
を空間的（部分的）に変調させ、ホログラムの回折効率
を変えている。しかしながら、現在知られているホログ
ラム記録感材の特性は非線形であって、この方法を用い
て再現性を良くすることは非常に困難であった。

【０００７】また、特開平３−９８０７７号公報に開示
されている様に、ホログラム感材にホログラム露光の前
にマスク露光することによって感光画素領域と非感光画
素領域とを形成するエッジ不鮮明化の方法が提案されて
いる。この方法においては、前記マスクは長方形のマト
リックス状に配置された画素領域を有し、その不透明画
素領域の比率をホログラムエッジに近ずくにつれて増加
させることによってエッジの不鮮明化を行っている。

【０００８】しかしながら、上記従来例では、マスター
ホログラムを用いたコピーホログラム作製や反射ミラー
を用いた１ビーム露光による反射ホログラム作製の様な
単純な露光光学系の場合では、有効な方法であるけれど
も、２光束を用いた露光光学系や、非球面波面を用いた
露光の場合には使用するマスクの精密な位置合わせが必
要となり、特に前記画素領域のサイズが人間の目では区
別できないような極めて小さいサイズに作られている場
合には非常に困難な位置合わせ精度が要求され、現実的
ではないという問題があった。

【０００９】

【問題点を解決するための手段（及び作用）】本発明に
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せしめ、前記画像情報
を虚像として視認できる様にしたホログラフィックディ
スプレイにおいて、前記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ホログラムレンズアレイを構成
し、該ホログラムレンズアレイの周辺部を形成している
要素ホログラムの回折効率を、ある一定の領域から成る
中心部を形成している要素ホログラムの回折効率と比べ
て徐々に低くすることにより目障りなエッジ（虚像のワ
ク）を不鮮明化することができるホログラフィックディ
スプレイを構成したものである。

【００１０】更に、本発明は、両眼の視差に応じて異な
っている右目用画像と左目用画像を表示する２つの画像
表示器を備え、おのおのの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せし
め、それぞれの画像をそれぞれの目で虚像として視認
し、該２つの虚像を重畳させて立体画像を観察できる様
にしたホログラフィックディスプレイにおいて、前記ホ
ログラムレンズの回折効率の面内分布を該ホログラムレ
ンズの周辺部で徐々に低くなる様にすることで、該ホロ
グラムレンズのエッジによって生じる立体画像の不自然
な不連続性を抑える様にしたホログラフィックディスプ
レイである。

【００１１】本発明において、前記第一の発明による思
想及び手段を用いることも可能である。

【００１２】

【実施例】図１は本発明によるホログラフィックディス
プレイの第１の実施例を示す模式図である。

【００１３】ハロゲンランプ等の光源１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２で略平行光束
になり、液晶表示素子３を照明する。液晶表示素子３に
よって画像情報を与えられた光束は、プリズムや偏心し
たレンズ等から成るリレーレンズシステム４によって非
点収差やコマ収差を与えられ、ガラスやプラスチック等
の透明な基板５上に形成されたホログラムレンズ６へ入
射する。ホログラムレンズ６に入射した光束は、前記リ
レーレンズシステム４で与えられた収差と逆符号の収差
を生じる為に、良好に収差補正された略平行な光束とな
って観察者の瞳７へ入射する。

【００１４】つまり、観察者はホログラムレンズ６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
観察することができる。

【００１５】ホログラムレンズ６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効率を有してお
り（ブラック回折）、入射光束が白色光であっても前記
波長域の色光による画像を観察できる。従って、本実施
例では、特定の波長域の光のみを透過する様なフィルタ
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光源１からの光路に設けてもよい。

【００１６】同様に、光源部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も使用可
能である。

【００１７】次に、本実施の具体的な数値について説明
する。本実施例に用いたホログラムレンズ６は、波長５
１４．５ｎｍ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つに分割し、１つを感光材料を有す
る乾板から５０ｍｍの位置から発散する発散光束とし
て、入射角０°（垂直入射）で入射させ、他方を乾板か
ら１００ｍｍの位置に集光する収束光束として、入射角
３４°で前記発散光束に対して対向する方向から乾板に
入射させ、該２つの光束による干渉縞を記録、現像した
ものを使用した。

【００１８】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た。

【００１９】図２は、本実施例に用いたホログラムレン
ズ６の回折効率の面内分布を示す図であり、ｘ軸を水平
方向、ｙ軸を垂直方向として、図１に示したｘ、ｙ軸の
方向と一致させて表示している。

【００２０】図２（ｂ）、（ｃ）に示す如く、ｘ軸、ｙ
軸方向ともに、周辺部での回折効率ηは徐々に低下し、
０になっている。同図（ｂ）、（ｃ）は本発明に用いる
ホログラムレンズの回折効率分布の概念図を示している
ために、回折効率ηは任意単位で示しているが、本実施
例においては、中心付近における均一な回折効率分布を
有する部分の回折効率ηを約８０％に設定している。

【００２１】そして、図２（ａ）に示す斜線を施したホ
ログラムレンズの周辺部において、回折効率ηが徐々に
低くなっている。

【００２２】次に本発明を用いて、両眼視差のある１対
の画像を左右の目で観察することにより立体画像を得る
様にしたホログラフィックディスプレイの実施例を図３
〜５を用いて説明する。

【００２３】図３〜５は、両眼視差画像の作成原理を表
わす図であるが、本実施例のホログラフィックディスプ
レイは、図１で示した部材を対応さすと、右目、左目の
直前に配置したホログラムレンズ６によって反射投影さ
れた液晶表示素子３の画像を観察することになる。従っ
て、それぞれの画像はホログラムレンズ６を介して虚像
として観察されなければならない。

【００２４】つまり、図３〜５には本発明の装置は省略
しているが、右目画像、左目画像を提示しているフレー
ム６−ａ、６−ｂは図１の実施例のホログラムレンズ６
に対応していることになる。このとき、各画像にフレー
ム状の枠が表示されると、その枠が目障りとなって、自
然な立体視が困難となってしまう。つまり、ホログラム
レンズ６のエッジが観察されることは自然な立体視がで
きなくなるという問題が生じる。

【００２５】しかし、図２で説明した様な回折効率の面
内分布を有するホログラムレンズ６を用いると、図３に
示した様な不要なフレームは生じず、必要な画像（図３
においては、視差のある立方体の画像）のみを観察する
ことができ、各画像の自然な融像が可能となり、より自
然な臨場感のある立体画像を観察することができる。

【００２６】上記の場合は、図４に示す様にホログラム
レンズ６がそれぞれの目に比較的近い場所に設けられた
場合であるが、ホログラムレンズ６が遠方にあっても、
同様であって、図４に示す、６−ａ′、６−ｂ′の位置
にある場合も６−ａ″、６−ｂ″の位置にある場合も同
様である。このとき、６−ａ、６−ａ′、６−ａ″はす
べて左目用画像を左目へ反射回折する様な回折格子が記
録されており、同様に、６−ｂ、６−ｂ′、６−ｂ″は
右目用画像に対する回折格子である。これらの場合にお
いても、各格子の回折効率はそれぞれのエッジで徐々に
低下する様になっており、図４において斜線を施された
部分がこの回折効率が低下している部分に対応してい
る。

【００２７】更に、図４では、それぞれのホログラムレ
ンズは別体になっているが、図５に示す様に一枚のホロ
グラムレンズとすることも可能である。図５は、図４に
示すホログラムレンズのうち、目から最も離れて設けら
れた場合６−ａ″及び６−ｂ″に対応している。このと
き、図５（ｂ）に示す様に、６−ａ″のホログラムの回
折効率の面内分布７１（図中の実線）と同一の特性を有
する回折格子を図５（ａ）の６１の部分に記録し、６−
ｂ″のホログラムレンズの回折効率の面内分布７２（図
中の破線）と同一の特性を有する回折格子を図５（ａ）
の６２の部分に記録すれば良い。即ち図５（ａ）の６３
の部分は２重露光で記録されていることになる。

【００２８】つまり、本発明のホログラムレンズはエッ
ジにおける回折効率が徐々に低下していれば、その配置
される位置等に関係なく、本発明による思想、技術を用
いることができる。

【００２９】次に、図２の様な回折効率の面内分布を有
するホログラムレンズの作成方法について説明する。

【００３０】本願出願人による特開昭６３−２９１０８
１号公報に開示している様に、体積位相型ホログラム感
材は、干渉縞露光の他に、光照射量を変えることによっ
て回折効率をコントロールすることができる。前記特開
昭６３−２９１０８１号公報においては、ポリビニルカ
ルバゾールを主体とする感材についてのみ光照射量と回
折効率との関係が図示されているが、この関係は、重ク
ロム酸ゼラチンや、他のフォトポリマーにおいても同様
であり、この方法はその様な感材にも応用することがで
きる。

【００３１】つまり、前記公報では一様に光照射を行っ
ていたところを、本発明のホログラムレンズを作成する
際は、所定の回折効率分布となる光照射量が得られるフ
ィルターを用いて光照射を行えば良い。

【００３２】即ち、本発明においては、回折効率の面内
分布は図２（ｂ）、（ｃ）であるから、この特性を満足
するような透過率分布を有するフィルターを用いれば良
い。

【００３３】図６の実施例は、前記第１実施例における
ホログラムレンズ６を複数の要素ホログラムレンズに分
割してホログラフィックディスプレイを構成した例であ
る。各部の機能、構成は前述した実施例と同一なので、
ここではホログラムレンズについてのみ説明を行う。

【００３４】図６は、本発明によるホログラフィックデ
ィスプレイのホログラムレンズ部の第２実施例を示す図
である。ここでは、簡単のため７×７個の要素ホログラ
ムに分割された場合のものが図示されている（同図
（ａ））。

【００３５】この分割ホログラムレンズの各要素ホログ
ラムの回折効率をｘ、ｙ軸上で示したものが（ｂ）、
（ｃ）である。中央部の一定の領域に位置する３×３個
の要素ホログラムの回折効率は８０％、この中央部の隣
り合う第１の周辺部を構成している１６個の要素ホログ
ラムの回折効率は７５％、第２の周辺部である最外周の
２４個の要素ホログラムの回折効率は４０％にして、周
辺部になるにつれて、徐々に回折効率が低くなる様に設
定している。このホログラムの作製方法としては、露光
量と回折効率との関係を制御することによって作成でき
る。例えば、本実施例では感材としてポリビニルカルバ
ゾールを主体とするものを用いて、中央部の要素ホログ
ラムはそれぞれ露光量１００ｍＪ／ｃｍ²、その隣りあ
う第１の周辺部の要素ホログラムは、それぞれ露光量８
０ｍＪ／ｃｍ²、第２の周辺部である最外周の要素ホロ
グラムは、それぞれ露光量６０ｍＪ／ｃｍ²として干渉
縞の露光を行い、その後現像処理して分割されたホログ
ラムレンズとした。

【００３６】この様な露光量と回折効率との関係は他の
感光材料についても成り立つために、本発明で用いる感
材は重クロム酸ゼラチン、フォトポリマー等種々のもの
が使用可能である。

【００３７】また、本実施例においても、前記第１実施
例の中で用いたホログラムレンズの作製方法を用いるこ
とができ、その時は、すべての要素ホログラムは露光量
１００ｍＪ／ｃｍ²で干渉縞を露光し、その後（又はこ
の露光の前でもよいが）ステップ状の透過率を有するフ
ィルターを透過した光を照射をし、その後現像処理を行
うことによりホログラムレンズの回折効率を制御するこ
とも可能である。

【００３８】更に、当然のことながら、上述の２通りの
方法の組合せによって本発明のホログラムレンズを作製
することも可能である。また、参照光、物体光の各々の
ビーム強度（ビーム比）を各要素ホログラムごとに変え
る事によっても、回折効率を制御する事ができる。

【００３９】加えて、本実施例においては、７×７個の
同一サイズの要素ホログラムに分割されて、２つの回折
効率の異なる第１、第２の周辺部分を有する場合につい
て説明を行ったが、周辺部分の要素ホログラムサイズを
次第に小さくして、かつ、回折効率を低くすることによ
って、ステップ状に回折効率が低下していくのではな
く、よりなだらかに（徐々に）低くすることも可能であ
る。

【００４０】尚、本実施例のホログラムレンズを図３〜
５の実施例にも適用できるのはいうまでもない。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明を用いたホ
ログラフィックディスプレイは効果的に目障りなエッジ
（虚像のワク）を不鮮明化することができ、特に分割ホ
ログラムを用いた場合はヘッドアップディスプレイ等へ
応用するとより効果的で、視認性に優れた表示装置が構
成できる。

【００４２】また、本発明を用いて立体画像を観察する
ホログラフィックディスプレイを構成した場合は、右目
用画像と左目用画像との自然な融像が可能となり、より
自然な臨場感のある立体画像を観察することができると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるホログラフィックディスプレイの
概略図。

【図２】本発明の第１実施例に用いるホログラムレンズ
の特性の説明図。

【図３】本発明による立体画像観察時の効果を説明する
図。

【図４】本発明による立体画像観察時の実施例を示す。

【図５】本発明のホログラムレンズの実施例。

【図６】本発明の第２実施例に用いるホログラムレンズ
の特性の説明図。

【図７】従来のホログラフィックディスプレイの概略
図。

【符号の説明】

１ 光源 ２ リフレクタ ３ 液晶表示素子 ４ リレーレンズシステム ５ 基板 ６ ホログラムレンズ ７ 観察者の瞳

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金子 正 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 (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

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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に回折せしめ、前記画
   像情報を虚像として視認するようにしたホログラフィッ
   クディスプレイにおいて、前記ホログラムレンズの周辺
   部の回折効率が中心部の回折効率より小さいことを特徴
   とするホログラフィックディスプレイ。
2. 【請求項２】 前記ホログラムレンズは中心部から周辺
   部へいくに従って徐々に回折効率が小さくなっているこ
   とを特徴とする請求項１記載のホログラフィックディス
   プレイ。
3. 【請求項３】 両眼の視差に応じて異なる右目用画像と
   左目用画像を表示する２つの画像表示器を備え、おのお
   のの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せしめ、前記右目用画像を
   虚像として右目で視認し、前記左目用画像を虚像として
   左目で視認することによって前記画像を立体的に観察で
   きる様にしたホログラフィックディスプレイにおいて、 前記ホログラムレンズの回折効率の面内分布が、該ホロ
   グラムレンズの周辺部へいくに従って徐々に小さくなっ
   ていることを特徴とするホログラフィックディスプレ
   イ。
4. 【請求項４】 前記ホログラムレンズが複数の要素ホロ
   グラムレンズに分割されてホログラムレンズアレイを構
   成していることを特徴とする請求項１、２又は３記載の
   ホログラフィックディスプレイ。
5. 【請求項５】 前記ホログラムレンズアレイの周辺に位
   置する各要素のホログラムレンズは、回折効率の面内分
   布は均一で、その回折効率は中心部に位置する要素ホロ
   グラムレンズの回折効率よりも小さいことを特徴とする
   請求項４記載のホログラフィックディスプレイ。
6. 【請求項６】 前記ホログラムレンズアレイの中央部の
   ある一定の領域を構成する要素ホログラムレンズの回折
   効率をη₁ 、前記中央部の領域と隣りあっている第１の
   周辺部の要素ホログラムレンズの回折効率をη₂ 、前記
   第１の周辺部の要素ホログラムレンズに隣接している第
   ２の周辺部を構成している要素ホログラムレンズの回折
   効率をη₃ 、更にその周辺部を構成している第３の周辺
   部の要素ホログラムレンズの回折効率をη₄ 、η₅ …η
   _(m-1) としたとき、各周辺部を構成するレンズの回折効
   率η₂ 、η₃ …η_(m-1) が、 η₁ ＞η₂ ＞η₃ ＞…＞η_m となる様に、各ホログラム
   レンズの回折効率を設定することを特徴とする請求項５
   記載のホログラフィックディスプレイ。
7. 【請求項７】 情報表示器からの情報光を回折部材によ
   って観察者の瞳方向へ回折せしめ、前記情報を虚像とし
   て視認するようにした表示装置において、前記回折部材
   の周辺部の回折効率が中心部の回折効率より小さいこと
   を特徴とする表示装置。