JPH11326824A - 虚像観察光学系 - Google Patents
虚像観察光学系Info
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- JPH11326824A JPH11326824A JP10135770A JP13577098A JPH11326824A JP H11326824 A JPH11326824 A JP H11326824A JP 10135770 A JP10135770 A JP 10135770A JP 13577098 A JP13577098 A JP 13577098A JP H11326824 A JPH11326824 A JP H11326824A
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Abstract
フィック光学素子として使用する虚像観察光学系におい
て、収差の発生が充分に抑えられ、良好な虚像が観察で
きるようにする。 【解決手段】 画像表示装置6の表示画像の虚像を共働
して結像する少なくとも一の光学素子及びリップマン体
積ホログラム10とを備え、リップマン体積ホログラム
10の形状は、このリップマン体積ホログラム10内の
屈折力発生のための干渉縞の曲率と同一方向の曲率を有
している。
Description
示画像の虚像を観察するための虚像観察光学系に関す
る。
き画像表示装置により表示される表示画像の虚像を観察
するための虚像観察光学系が提案されている。そして、
このような光学系を小型に構成できる光学素子として、
リップマン体積ホログラムが提案されている。
束をリップマン体積ホログラムに反射させ、この反射光
を観察することにより、リップマン体積ホログラムがホ
ログラムレンズのように屈折力をもつ反射型ホログラフ
ィック光学素子として機能し、観察者は、画像表示装置
による表示画像の虚像を観察できることとなる。
にリップマン体積ホログラムを反射型ホログラフィック
光学素子として使用する虚像観察光学系においては、該
リップマン体積ホログラムにおいて生ずる収差が問題に
なる。そして、この収差量はホログラムの形状、すなわ
ち、ホログラム基板の形状に依存している。
と、ホログラフィック光学素子を光束が通る時に発生す
る収差が増大してしまい、十分な光学系の性能が得られ
ない場合がある。このような収差の発生は、特に、ホロ
グラムレンズのFナンバーが小さい場合に顕著となる。
案されるものであって、リップマン体積ホログラムを反
射型ホログラフィック光学素子として使用する虚像観察
光学系において、収差の発生が充分に抑えられ、良好な
虚像が観察できるようになされた虚像観察光学系を提供
しようとするものである。
め、本発明に係る虚像観察光学系は、画像表示装置と、
この画像表示装置の表示画像の虚像を共働して結像する
少なくとも一の光学素子及びリップマン体積ホログラム
とを備え、リップマン体積ホログラムの形状は、このリ
ップマン体積ホログラム内の屈折力発生のための干渉縞
の曲率と同一方向の曲率を有することを特徴とするもの
である。
像表示装置と、この画像表示装置の表示画像の虚像を結
像するリップマン体積ホログラムとを備え、リップマン
体積ホログラムの形状は、このリップマン体積ホログラ
ム内の屈折力発生のための干渉縞の曲率と同一方向の曲
率を有することを特徴とするものである。
体積ホログラムの形状は、一方向のみ曲率をもった形状
とし、または、曲率を有する方向を光学系の偏心方向と
一致させ、あるいては、曲率半径を10mm以上とする
ことにより、良好な虚像の結像を図ることができる。ま
た、画像表示装置とリップマン体積ホログラムとの間に
は、光束分割素子を配設することとしてもよい。
を参照しながら説明する。
すように、反射型回折光学素子であるリップマン体積ホ
ログラム10を反射光学素子として用いた非共軸(偏
心)系の虚像観察光学系として構成される。
すように、ビデオ信号1がLCDドライバ(液晶ディス
プレイ駆動回路)2に入力される。LCDドライバ2か
らは、LED(light emitting diode:発光素子)点灯
電流3と画像表示装置となるLCD(液晶ディスプレ
イ)6を駆動するドライブ信号4とが出力され、バック
ライト5とLCD6とに入力される。
波長が525nmのいわゆるチップサイズのLEDを横
2列、縦4列の計8個マウントしたLEDアレイ5aを
有している。このLEDアレイ5aのLCD6側には、
LEDアレイ5aからの照射光の輝度を均一にし、拡散
角度を制御するために、拡散板5bが配設されている。
LEDアレイ5aからの拡散角は、半値角で約10°と
なっている。
レイ)6としては、例えば、0.55インチの透過型液
晶ディスプレイを用いることができる。このLCD6に
おいては、電気信号である画像信号が画像に変換され、
このLCD6を透過するバックライト5からの射出光が
該画像に応じて変調される。LCD6を透過した光束
は、光束分割デバイスとなる楔形偏光性ビームスプリッ
タ7に入射する。このLCD6から楔形偏光性ビームス
プリッタ7への入射角は、約40°となっている。
ては、入射した全光量の一部がこの楔形偏光性ビームス
プリッタ7を透過し、残りは、この楔形偏光性ビームス
プリッタ7上に形成された偏光性光束分割膜8により反
射されて、HOE(ホログラフィック光学素子)基板9
に入射する。この楔形偏光性ビームスプリッタ7の楔の
開き角は、1°乃至5°となされており、図2に示す光
学系では、3°となっている。HOE基板9は、図1に
示すように、楔形偏光性ビームスプリッタ7からの入射
光に対して凹状の円筒面状に形成されている。このHO
E基板9を透過した光束は、このHOE基板9の裏面部
に形成されたリップマン体積ホログラム10により、特
定の波長域の光線のみが選択的に反射される。ここで
は、光源の波長である525nmを中心とする半値全巾
で10nm程度の範囲の光線のみが反射される。
た光線は、再びHOE基板9を透過して、楔形偏光性ビ
ームスプリッタ7に入射し、一部が該楔型偏光性ビーム
スプリッタ7を透過して、観察者の瞳11に入射する。
一方、HOE基板9の裏面側より進行してくる背景の光
束は、リップマン体積ホログラム10、HOE基板9及
び楔形偏光性ビームスプリッター7を透過して、瞳11
に入射する。
のスペクトルにおいては、波長が525nm付近の光線
がリップマン体積ホログラム10によって反射されるた
め、回折効率に略々逆比例して該帯域の強度が低下す
る。
板9は、図1及び図2に示すように、ホログラム内の干
渉縞の曲率と同一方向に一方向のみ曲率をもったメニス
カス形状の略々円筒面形状となされている。HOE基板
9をこのような円筒面形状とするのは、リップマン体積
ホログラム10で生ずる収差量を抑えるためである。ま
た、リップマン体積ホログラム10は、約20μmの厚
さのホログラム感光材層及び約50μmの厚さのポリエ
ステルカバーフィルムからなる厚さ約70μmのフィル
ム状のフォトポリマーにより形成されているため、2次
元的曲率をもった面に敷設することが困難であるためで
もある。
心により発生する収差の低減を目的として、リップマン
体積ホログラム10の曲率方向を光学系の偏心方向と一
致させて配置している。なお、リップマン体積ホログラ
ム10の形状は、このリップマン体積ホログラム10を
保持するHOE基板9のホログラムを付設する面の形状
によって決定される。
ると、このHOE基板9を透して見る背景像が、拡大ま
たは縮小されたり、像位置が動いたり、あるいは、収差
が付加されたりして、場合によっては視認性が極度に劣
化し、自然な背景をみることができなくなる。したがっ
て、この虚像観察光学系においては、HOE基板9が屈
折力を持たないことが重要になる。そこで、この虚像観
察光学系においては、HOE基板9のリップマン体積ホ
ログラム10が配される側の面s2は前述のように収差
量低減のために面形状が制約されるので、もう一方の面
s1の形状を工夫することにより、HOE基板9の屈折
力を0としている。
OE基板9が平面でなく凹面や非球面凹面になっている
ため、HOE基板9の表面反射による迷光が瞳11に入
射することが防止されている。さらに、このHOE基板
9の曲率半径は、このHOE基板9と瞳11との間の距
離の2倍の値に対して十分に異なった値となされてい
る。これは、凹面鏡の焦点距離が、その曲率半径の1/
2となることに関係するものであり、瞳11の周辺から
の光束がHOE基板9の表面反射により平行光になり、
瞳11に入射して網膜上に結像してゴースト像となるの
を防止するためである。
行うものであるが、リップマン体積ホログラム10をR
(レッド),G(グリーン),B(ブルー)の三原色光
のレーザーで多重露光して作成し、バックライト光源に
もR,G,Bのスペクトルを含むものを使用することに
より、フルカラー表示も可能である。また、このように
してリップマン体積ホログラム10をカラー化すると、
背景からの光がこのリップマン体積ホログラム10を透
過するとき、R,G,Bについて均等にスペクトルが欠
落して瞳11に到達するため、背景の色がより自然なも
のとして観察できるという利点がある。
3に示すように、画像表示装置6と、自由曲面反射鏡1
2と、リップマン体積ホログラム10とにより構成する
こともできる。すなわち、LCDの如き画像表示装置6
から射出された光は、自由曲面反射鏡12により反射さ
れ、次にリップマン体積ホログラム10により反射され
て、瞳11に至る。また、本発明に係る虚像観察光学系
は、図4に示すように、画像表示装置6と、リップマン
体積ホログラム10とにより構成することもできる。こ
の場合には、LCDの如き画像表示装置6から射出され
た光は、リップマン体積ホログラム10により反射され
て、瞳11に至る。
おいても、リップマン体積ホログラム10を支持するH
OE基板9を、平面ではなく、ホログラム内に生成され
る干渉縞の曲率と同一方向の曲率をもったものとしてい
るので、良好な収差特性が得られるとともに、HOE基
板9の表面反射による迷光が瞳11に入射することが防
止されている。
像表示装置として透過型のLCD(液晶画像表示装置)
を使用している。しかし、この画像表示装置としては、
透過型のLCDに限定されず、反射型のLCDや、自発
光素子であるエレクトロ・ルミネッセンス画像表示装置
や、あるいは、フィールド・エミッション・ディスプレ
イなど、種々の画像表示装置を用いることができる。
ログラム10を、ホログラムレンズのようにホログラフ
ィック光学素子として光学系中で使用する場合、該リッ
プマン体積ホログラム10を、そのホログラム媒質中に
生成される干渉縞の曲率と同一方向の曲率をもつように
形成して、露光後、熱処理を経て製造することにより、
このホログラフィック光学素子にて発生する収差量を低
減させることができる。これは、特に、Fナンバーの小
さい、いわゆる明るいレンズの場合に顕著である。リッ
プマン体積ホログラム10を、一方向のみ曲率をもった
メニスカス形状とすることにより、フィルム状フォトポ
リマーなどからなるリップマン体積ホログラム10の装
着が容易となる。また、このリップマン体積ホログラム
10の一方向の曲率方向を光学系の光学系の偏心方向と
一致させて配置することにより、偏心による収差を効果
的に低減させることができる。
構造方法と機能とを説明する。リップマン体積ホログラ
ム10は、フォトポリマー、ダイクロメートゼラチンな
どのホログラム材料により形成され、断面構造を見る
と、図5に示すように、複数の干渉縞が形成されてい
る。この干渉縞においては、屈折率が変調されている。
の中心屈折率n及び屈折率変調度Δnについては、 n=1.52 △n=0.06 である。このリップマン体積ホログラム10における干
渉縞は、図5に示すように、略々材料の厚さ方向に沿っ
て入っていることがわかる。このような干渉縞は、ホロ
グラムの焼き付けを行う際に、2光束をホログラム面の
裏側及び表側からそれぞれ入射させることで実現でき
る。
説明する。回析光がどのようなふるまいをするかは、干
渉縞への入射角をθ1とするとき、各干渉縞の層からの
散乱光がどのような反射角θ2で互いに最も強め合うか
を考察すればよい。
に示すように、ある層上の異なる2点の散乱成分が互い
に強め合うことが必要になる。その条件は、2点間の距
離をLとすれば、 Lsinθ1−Lsinθ2=mλ となる。これが任意のLについて成り立つためには、L
についての恒等式になればよい。つまり、 θ1=θ2 ・・・(1式) である。次に、異なる2層の散乱成分が互いに強め合う
ためには、図7に示すように、縞間の距離をdとする
と、 dcosθ1+dcosθ2=mλ ・・・(2式) (1式)、(2式)より、 2dcosθ1=mλ (Bragg回析条件) m=1(first order)の場合、 2dcosθ1=λ つまり、Bragg回析は、波長選択性または角度選択性を
もった鏡面反射であるということができる。適当な干渉
縞をホログラムに記録しておくことにより、ホログラム
上に入射したある波長λの光線を任意の方向に偏向して
反射することが可能となり、レンズ機能をもった反射鏡
として用いることができる。
型レンズとしての収差特性が、その形状によりどのよう
に変化するかを例を挙げて示す。図8、図11及び図1
5、図9、図12及び図16、そして、図10、図13
及び図17には、リップマン体積ホログラムの形状がそ
れぞれ、凸面、平面、凹面をした偏心系の虚像観察光学
系のそれぞれの光線追跡図と画像表示装置上のスポット
形状と干渉縞の模式的な状態を示している。これら3種
類の偏心系の虚像観察光学系は、使用波長544nm、
入射瞳系10mm、画角−10°、0°、12°など、
全て同一の条件となっており、異なるのは、リップマン
体積ホログラムの形状とこのホログラムに記録される干
渉縞の非球面位相係数のみである。それぞれのレンズリ
ストを、以下の〔表1〕、〔表2〕及び〔表3〕として
示す。
源(レンズリストのHX1,HY1,HZ1,HX2,
HY2,HZ2が2点光源の座標を表す)の露光により
生成されるホログラム面上での位相差に、非球面波面で
の露光により発生する位相差を付加するためのもので、
実際のホログラム面上の位相ΦHOEは、次のように表
すことができる。
ホログラム面上での位相差で、Φpolyは非球面波面での
露光により生成されるホログラム面上での位相差(X、
Yはホログラム面上の座標)であり、どちらも光路差で
表現されている。そして、これらの係数は、逆光線追跡
により瞳から画角−10°、0°、12°で平行光束が
射出したときに、画像表示装置上に良好に光束が集光す
るように自動設計にて決定することができる。自動設計
のルーチンは、3例ともすべて同一のものを使ってい
る。このようにして、3つの画角の最適化を行った結果
を、図11、図12及び図13のスポットダイアグラム
に示している。これにより明らかなように、ホログラム
形状をそれぞれ凸面、平面、凹面とした場合で、収差量
が異なることがわかる。最も収差量が少ないのは、ホロ
グラム形状を凹面とした場合である。
は、図14に示すように、点光源13及び非球面波面生
成光学ブロック14を有するリップマン体積ホログラム
製造光学系を用いて製造することができる。このリップ
マン体積ホログラム製造光学系においては、参照光とし
て平行光を、物体光として点光源13からの球面波を非
球面位相生成光学ブロック14を通して非球面波とした
ものを使用する。
されるときには、このホログラム内の干渉縞の状態は、
図15に示すように、ホログラムの曲率方向と干渉縞の
曲率方向とは、互いに逆方向となっている。また、リッ
プマン体積ホログラムが凹面状に形成されるときには、
このホログラム内の干渉縞の状態は、図17に示すよう
に、ホログラムの曲率方向と干渉縞の曲率方向とが、互
いに一致する方向となっている。
縞の曲率には影響しないため、基本的には2点光源の位
置によって決定される。これより、図17に示すよう
に、ホログラム形状が凹面の場合が、もっとも干渉縞の
曲率とホログラムの曲率とが近いことがわかる。そして
この場合が、収差特性がもっとも良好になっている。
反射型レンズとして虚像観察光学系において用いる場
合、ホログラムの形状を、ホログラム内に生成される干
渉縞の曲率と同一方向の曲率をもつように形成すること
により、このホログラムレンズの収差特性を向上させる
ことができる。
射型液晶表示装置を用いて、フルカラー化して構成する
ことができる。すなわち、この虚像観察光学系において
は、図18に示すように、ビデオ信号1がLCDドライ
バ(液晶ディスプレイ駆動回路)2に入力される。LC
Dドライバ2からは、LED(light emitting diode:
発光素子)点灯電流3と画像表示装置となるLCD(液
晶ディスプレイ)6を駆動するドライブ信号4とが出力
され、ライト5とLCD6とに入力される。
470nm、525nm、640nmのいわゆるチップ
サイズのLEDを数個ずつマウントしたLEDアレイ5
aを有している。また、画像表示装置となるLCD(液
晶ディスプレイ)6としては、例えば、0.55インチ
の反射型液晶ディスプレイを用いることができる。この
LCD6においては、電気信号である画像信号が画像に
変換され、ライト5から導光板6aによりLCD6に入
射した光束が該画像に応じて変調されて反射される。L
CD6により反射された光束は、光束分割デバイスとな
る楔形偏光性ビームスプリッタ7に入射する。この楔形
偏光性ビームスプリッタ7においては、入射した全光量
の一部がこの楔形偏光性ビームスプリッタ7を透過し、
残りは、この楔形偏光性ビームスプリッタ7上に形成さ
れた偏光性光束分割膜8により反射されて、HOE(ホ
ログラフィック光学素子)基板9に入射する。HOE基
板9は、楔形偏光性ビームスプリッタ7からの入射光に
対して凹状の円筒面状に形成されている。このHOE基
板9を透過した光束は、このHOE基板9の裏面部に形
成されたリップマン体積ホログラム10により、特定の
波長域、すなわち、リップマン体積ホログラム10内の
干渉縞がブラッグ(Bragg)条件を満たす波長の光線の
みが選択的に反射される。ここでは、光源の波長である
470nm、525nm、640nmを中心とする半値
全巾で10nm程度の範囲の光線のみが反射される。
た光線は、再びHOE基板9を透過して、楔形偏光性ビ
ームスプリッタ7に入射し、一部が該楔型偏光性ビーム
スプリッタ7を透過して、観察者の瞳11に入射する。
一方、HOE基板9の裏面側より進行してくる背景の光
束は、リップマン体積ホログラム10、HOE基板9及
び楔形偏光性ビームスプリッター7を透過して、瞳11
に入射する。
のスペクトルにおいては、波長が470nm、525n
m、640nm付近の光線がリップマン体積ホログラム
10によって反射されるため、回折効率に略々逆比例し
てこの帯域の強度が低下する。
板9は、ホログラム内の干渉縞の曲率と同一の方向の曲
率を有するメニスカス形状の略々円筒面形状となされて
いる。そのため、リップマン体積ホログラム10で発生
する収差量が低減される。
学系においては、リップマン体積ホログラムを、ホログ
ラムレンズのようにホログラフィック光学素子として光
学系中で使用しており、該リップマン体積ホログラム
を、そのホログラム媒質中に生成される干渉縞の曲率と
同一方向の曲率をもつように形成することにより、この
ホログラフィック光学素子にて発生する収差量を低減さ
せることができる。
いわゆる明るいレンズの場合に顕著である。リップマン
体積ホログラムを、一方向のみ曲率をもったメニスカス
形状とすることにより、フィルム状フォトポリマーなど
からなるリップマン体積ホログラムの装着が容易とな
る。また、このリップマン体積ホログラムの一方向の曲
率方向を光学系の光学系の偏心方向と一致させて配置す
ることにより、偏心による収差を効果的に低減させるこ
とができる。すなわち、本発明は、リップマン体積ホロ
グラムを反射型ホログラフィック光学素子として使用す
る虚像観察光学系において、収差の発生が充分に抑えら
れ、良好な虚像が観察できるようになされた虚像観察光
学系を提供することができるものである。
態における構成を示す斜視図である。
る。
態における構成を示す平面図である。
態における構成を示す平面図である。
ホログラムの構造を示す拡大拡大断面図である。
(表面での反射)を説明するための断面図である。
(表面以外での反射)を説明するための断面図である。
した場合の光線追跡図である。
した場合の光線追跡図である。
成した場合の光線追跡図である。
成した場合のスポットダイアグラムである。
成した場合のスポットダイアグラムである。
成した場合のスポットダイアグラムである。
ホログラムを製造するための光学系の構成を示す側面図
である。
成した場合の内部の干渉縞の状態を模式的に示す断面図
である。
成した場合の内部の干渉縞の状態を模式的に示す断面図
である。
成した場合の内部の干渉縞の状態を模式的に示す断面図
である。
形態における構成を示す平面図である。
束分割膜、9 HOE基板、10 リップマン体積ホロ
グラム、11 瞳
Claims (14)
- 【請求項1】 画像表示装置と、 上記画像表示装置の表示画像の虚像を共働して結像する
少なくとも一の光学素子及びリップマン体積ホログラム
とを備え、 上記リップマン体積ホログラムの形状は、このリップマ
ン体積ホログラム内の屈折力発生のための干渉縞の曲率
と同一方向の曲率を有することを特徴とする虚像観察光
学系。 - 【請求項2】 リップマン体積ホログラムの形状は、一
方向のみ曲率をもった形状であることを特徴とする請求
項1記載の虚像観察光学系。 - 【請求項3】 リップマン体積ホログラムの形状が曲率
を有する方向が光学系の偏心方向と一致していることを
特徴とする請求項2記載の虚像観察光学系。 - 【請求項4】 リップマン体積ホログラムの形状は、曲
率半径が10mm以上であることを特徴とする請求項2
記載の虚像観察光学系。 - 【請求項5】 画像表示装置は、反射型液晶画像表示装
置であることを特徴とする請求項1記載の虚像観察光学
系。 - 【請求項6】 画像表示装置と、 上記画像表示装置の表示画像の虚像を結像するリップマ
ン体積ホログラムとを備え、 上記リップマン体積ホログラムの形状は、このリップマ
ン体積ホログラム内の屈折力発生のための干渉縞の曲率
と同一方向の曲率を有することを特徴とする虚像観察光
学系。 - 【請求項7】 リップマン体積ホログラムの形状は、一
方向のみ曲率をもった形状であることを特徴とする請求
項6記載の虚像観察光学系。 - 【請求項8】 リップマン体積ホログラムの形状が曲率
を有する方向が光学系の偏心方向と一致していることを
特徴とする請求項7記載の虚像観察光学系。 - 【請求項9】 リップマン体積ホログラムの形状は、曲
率半径が10mm以上であることを特徴とする請求項7
記載の虚像観察光学系。 - 【請求項10】 画像表示装置とリップマン体積ホログ
ラムとの間に光束分割素子を備えたことを特徴とする請
求項6記載の虚像観察光学系。 - 【請求項11】 リップマン体積ホログラムの形状は、
一方向のみ曲率をもった形状であることを特徴とする請
求項10記載の虚像観察光学系。 - 【請求項12】 リップマン体積ホログラムの形状は、
曲率半径が10mm以上であることを特徴とする請求項
11記載の虚像観察光学系。 - 【請求項13】 リップマン体積ホログラムの形状が曲
率を有する方向が光学系の偏心方向と一致していること
を特徴とする請求項11記載の虚像観察光学系。 - 【請求項14】 画像表示装置は、反射型液晶画像表示
装置であることを特徴とする請求項6記載の虚像観察光
学系。
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