明 細 イメージコンパイナ及び画像表示装置 技術分野
本発明は、 使用者が外界などの前方からの光による像とこれに重畳さ れた表示画像を見ることができるイメージコンバイナ、 およびこれを用 いた頭部装着式等の画像表示装置に関するものである。 背景技術
従来から、 使用者が外界の様子を観察しながらこれに重畳された表示 画像を見ることができる、 いわゆ'るシ一スルー型の頭部装着式画像表示 装置 (へヅ ド ' マウントディスプレイ) として、 例えば特開 2 0 0 0— 3 5 2 6 8 9号公報ゃ特開 2 0 0 1— 2 6 4 6 8 2号公報ゃ特開 2 0 0 0 - 1 2 1 9 8 9号公報に開示された画像表示装置が知られている。 ま た、 特開 2 0 0 1— 2 6 4 6 8 2号公報には、 シ一スルー型の頭部装着 式画像表示装置のみならず、 それと実質的に同じ構成を持ちながらシー スルー型として用いない (つまり、 画像表示素子からの光に外界から等 の他の光を重畳させることなく、 画像表示素子からの光のみを使用者の 眼に導びく) 画像表示装置も開示され、 この画像表示装置を携帯電話機 のフリ ヅパ一部に内蔵する例も開示されている。
これらの画像表示装置では、 反射型ホログラム光学素子 (本明細書で は、 ホログラム光学素子を 「H O E」 と略称することがある) を用いる ことにより小型軽量化を図っている。 反射型ホログラム光学素子は、 波 長選択性が優れ、 極限られた波長領域の光のみを選択的に回折反射し得 る。 このため、 シースルー型の画像表示装置を構成する場合、 反射型ホ
ログラム光学素子による外界等から透過する光量の損失を著しく低減さ せることができる。
そして、 これらの画像表示装置では、 イメージコンパイナの射出瞳は 使用状態における使用者の眼の瞳とほぼ一致するように形成され、 前記 反射型ホログラム光学素子として、 当該反射型ホログラム光学素子をそ の作製時に露光するための 2光源のうちの一方の光源 (参照光源) の位 置をイメージコンバイナの射出瞳の位置とほぼ一致させて作製した反射 型ホログラム光学素子が用いられていた (特開 2 0 0 0— 3 5 2 6 8 9 号公報の段落番号 2 5、特開 2 0 0 1— 2 6 4 6 8 2号の段落番号 3 7、 特開 2 0 0 0— 1 2 1 9 8 9号公報の段落番号 2 7 )。これらの公報には、 作製時の参照光源の位置をこのような位置に配置して作製した反射型ホ ログラム光学素子を用いることにより、 製造状態での露光光と使用状態 での観察光がほぼ一致するので、 使用状態での反射型ホログラム光学素 子の回折効率を最も向上させることができる旨が記載されている (特開 2 0 0 0 - 3 5 2 6 8 9号公報の段落番号 2 5、 特開 2 0 0 1— 2 6 4 6 8 2号の段落番号 3 7、 特開 2 0 0 0— 1 2 1 9 8 9号公報の段落番 号 2 7 )。
反射型ホログラム光学素子は、 コヒーレントな 2光束を干渉させ、 そ の干渉縞を乳剤等に記録させることで作製する。 そして、 その 2光束の 片方の光源位置から同じ波長で再生照明光を入射してやると、 記録され た干渉縞で回折格子のような回折作用を受け、 もう一方の入射光と等価 な波面が生成されるのである。
すなわち、 露光時の一方に自由曲面的な波面を作って、 もう一方は単 純な球面波等にして干渉縞を記録すると、 簡単な照明により、 複雑な自 由曲面的な波面を生成することが可能である。
反射型ホログラム光学素子には、 このように自由曲面的な位相変換作
用を持たせることができるため、 特に、 そのホログラム面上の位置に依 存する 3次以上の位相変換作用を持たせた反射型ホログラム光学素子を イメージコンパイナに用いると、 その他の面はすべて平面や球面等で構 成しても、諸収差を補正した画質の良い像を得ることができるのである。 前述した各公報に記載されたイメージコンバイナで用いられている反射 型ホログラム光学素子は、 そのホログラム面上の位置に依存する 3次以 上の位相変換作用を持っている。
反射型ホログラム光学素子を作製するときには、 設計時に定義した位 相変換作用と等価な波面を、 実際に作り出す必要がある。
その方法には、 Computer Generated Hologram ( C G H ) を用いて、 波面を作り出す方法や、 非球面レンズを用いる方法もあるが、 C G Hの 場合は量子化誤差の影響で非球面位相項の次数が制限されるなどのデメ リッ トがぁり、 非球面レンズの場合は設計は簡単でも実際に作るとなる と精度の点で妥協しなければならないなどのデメ リ ッ トがあるため、 球 面レンズ複数枚で設計するのが実状である。
図 2 1に、 特開 2 0 0 0— 1 2 1 9 8 9公報に記載されたホログラム 露光光学系を示す。 この露光光学系を構成する主要な露光レンズは、 5 枚の球面レンズで構成され、軸が 4種類という非常に複雑な配置である。 なお、 図 2 1 中の第 1光源 (再生時に観察者の眼の側となる光源) の位 置は、 イメージコンパイナの射出瞳の位置とほぼ一致している。
前記従来の画像表示装置では、 図 2 1からもわかるように、 ホログラ ムを露光する際に非常に複雑な偏心レンズを用いて非球面波を作り出す 必要があった。 前記従来の画像表示装置では、 ホログラムを露光する際 に、 精度の出し易い球面レンズを用いているとは言え、 その部品点数が 多いため個々の部品公差が厳しくなるし、 軸が 4種類と軸の偏心が多く 光学的な調整が困難であるために、 レンズを支持する金物等の精度だけ
で公差を押さえなければならない。 したがって製造が困難である上に、 でき上がり精度も妥協せざるを得ない。 発明の開示
本発明は、 このような事情に鑑みてなされたもので、 反射型ホログラ ム光学素子を用いて小型軽量化を図りつつ、 ホログラムを露光する際の 露光光学系を簡単にすることができ、 ひいては容易に製造することがで きるとともに所望の光学特性を精度良く得ることができる、 イメージコ ンバイナ及びこれを用いた画像表示装置を提供することを目的とする。 本発明者の研究の結果、 前記従来の画像表示装置において、 反射型ホ ログラム光学素子を作製する際に用いる露光光学系が非常に複雑となる 原因は、 反射型ホログラム光学素子を定義する参照光源 (再生時に観察 者の眼の側となる光源) の位置がィメージコンバイナの射出瞳の位置と ほぼ一致しているため、 当該参照光源が反射型ホログラム光学素子に近 いところにあるからだということが判明した。 そして、 反射型ホログラ ム光学素子を定義する参照光源を反射型ホログラム光学素子から、 より 遠い位置に置けば置くほど、 当該反射型ホログラム光学素子を作製する 際に用いる露光光学系が簡単となることが判明した。この点については、 後に実施の形態の項において詳述する。
したがって、 反射型ホログラム光学素子を定義する参照光源と反射型 ホログラム光学素子のホログラム面との間の距離 (ただし、 空気中に換 算した距離) を R dとし、 イメージコンパイナの射出瞳とホログラム面 との間の距離 (ただし、 空気中に換算した距離) を P dとしたとき、 前 記距離 R dを前記距離 P dより実質的に長くすれば、 つまり、 反射型ホ 口グラム光学素子を定義する参照光源の位置をイメージコンバイナの射 出瞳の位置に比べて違い位置にすれば、 前記従来の画像表示装置に比べ
て、 反射型ホログラム光学素子の作製時に用いる露光光学系が簡単とな り、 ひいては、 容易に製造することができるとともに、 諸収差を補正し た高性能な結像作用などの所望の光学特性を精度良く得ることができる, 特に、 より露光光学系を簡単にするためには、 前記距離 R dが前記距離 P dの 2倍以上であることが好ましい。 また、 より露光光学系を簡単に するためには、 前記距離 R dが 1 0 0 m m以上であること好ましい。 本発明は、 前述した課題を解決するため、 このような本発明者による 研究の結果により得られた新たな知見に基づいてなされたものである。 すなわち、 第 1の発明であるイメージコンパイナは、 反射型ホログラ ム光学素子が設けられ画像表示手段からの光と本体を透過した光を重畳 させるイメージコンパイナであって、前記反射型ホログラム光学素子は、 そのホログラム面上の位置に依存する 3次以上の位相変換作用を持ち、 前記反射型ホログラム光学素子をその作製時に露光するための 2つの光 源のうちの再生時に観察者の眼の側となる光源と前記反射型ホログラム 素子の前記ホログラム面との間の距離(ただし、空気中に換算した距離) を R dとし、 前記イメージコンバイナの射出瞳と前記反射型ホログラム 光学素子の前記ホログラム面との間の距離 (ただし、 空気中に換算した 距離) を P dとしたとき、 前記距離 R dは前記距離 P dより実質的に長 いことを特徴とするものである。
第 2の発明であるイメージコンパイナは、 であって、 前記距離 R dが 前記距離 P dの 2倍以上であることを特徴とするものである。
第 3の発明であるイメージコンパ'イナは、 前記第 1の発明又は第 2の 発明であって、 前記距離 R dが 1 0 O m m以上であることを特徴とする ものである。
第 4の発明である画像表示装置は、 前記第 1の発明から第 3の発明の いずれかであるイメージコンパ'イナと、 前記画像表示手段とを備え、 使
用時に少なくとも前記イメージコンパ'イナを含む部分が使用者に装着さ れることを特徴とするものである。
第 5の発明である画像表示装置は、 画像表示手段と、 該画像表示手段 からの光を使用者の眼に導く導光部とを備えた画像表示装置であって、 前記導光部は反射型ホログラム光学素子を有し、 前記反射型ホログラム 光学素子は、 そのホログラム面上の位置に依存する 3次以上の位相変換 作用を持ち、 前記反射型ホログラム光学素子をその作製時に露光するた めの 2つの光源のうちの再生時に観察者の眼の側となる光源と前記反射 型ホログラム素子の前記ホログラム面との間の距離 (ただし、 空気中に 換算した距離) を R dとし、 前記イメージコンパイナの射出瞳と前記反 射型ホログラム光学素子の前記ホログラム面との間の距離 (ただし、 空 気中に換算した距離) を P dとしたとき、 前記距離 R dが前記距離 P d より実質的に長いことを特徴とするものである。
第 6の発明である画像表示装置は、 前記第 5の発明であって、 前記距 離 R dが前記距離 P dの 2倍以上であることを特徴とするものである。 本発明の第 7の態様である画像表示装置は、 前記第 5の発明又は第 6 の発明であって、 前記距離 R dが 1 0 0 m m以上であることを特徴とす るものである。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の第 1の実施の形態である画像表示装置の構成及びそ の光線の概略の経路を示す図である。
図 2は、 ホログラムを定義する 2光源の座標系を示す図である。
図 3は、 本発明の第 1の実施の形態の第 1の具体例である画像表示装 置の設計値による横収差図である。 ( a )は画角が(X , Y ) = ( -6.66° , 5.00° ;)、 (b ) は画角が (X , Y ) 二 (-3.33° , 2.50° :)、 ( c ) は画角
が(X, Y) = (0.00° , 0.00° ;)、 ( d) は画角が (X, Y) = (3.33° , -2.50° )、 ( e)は画角が(X, Y) = (6.66° , -5.00° ) のものを示し、 左側の図は Y方向横収差、 右側の図が X方向横収差を示す。 又、 実線は 波長 521.36nm、破線は波長 531.36nm、 一点鎖線は波長 511.36nmの光 に付いてのものである。
図 4は、 本発明の第 1の実施の形態の第 1の具体例である画像表示装 置における反射型ホログラム光学素子を露光するための露光光学系の要 部を示す光路図である。
図 5は、 図 4に示す光学系におけるプリズムの拡大図である。
図 6は、 図 4に示す光学系を用いたホログラム露光装置の一例を示す 概略構成図である。
図 7は、 図 4に示す光学系の残存波面収差図である。
図 8は、 図 4に示す光学系を用いて露光した反射型ホログラム光学素 子を組み込んだときの、 本発明の第 1の実施の形態の第 1の具体例であ る画像表示装置の横収差図である。 (a)は画角が(X, Y) = (-6.66° , 5.00° ;)、 (b) は画角が (X, Y) = (-3.33° , 2.50° ;)、 ( c) は画角 が (X, Y) 二 (0.00° , 0.00。 )、 (d) は画角が (X, Y) = (3.33° , -2.50° ) ( e ) は画角が(X, Y) = (6.66° , -5.00。 :) のものを示し、 左側の図は Y方向横収差、 右側の図が X方向横収差を示す。 又、 実線は 波長 521.36nm、破線は波長 531.36nm、一点鎖線は波長 511.36nmの光 に付いてのものである。 縦軸は、 図 3と同じように軸の上端が 0.0250、 下端が- 0.250である。
図 9は、 本発明の第 1の実施の形態の第 1の具体例である画像表示装 置の、 元の設計値の場合のディスト一シヨンと図 4に示す光学系を用い て露光した反射型ホログラム光学素子を組み込んだときのデイス トーシ ョンとの比較を示す図である。 破線は画像素子の大きさを示すものであ
り、 黒丸を結んだ線は再生系の設計値を示し、 口を結んだ線は露光後 H 0 Eを用いた再生系の値を示すものである。
図 1 0は、 本発明の第 1の実施の形態の第 2の具体例である画像表示 装置における反射型ホログラム光学素子を露光するための露光光学系の 要部を示す光路図である。
図 1 1は、 本発明の第 1の実施の形態の第 3の具体例である画像表示 装置における反射型ホログラム光学素子を露光するための露光光学系の 要部を示す光路図である。
図 1 2は、 本発明の第 1の実施の形態の第 4の具体例である画像表示 装置における反射型ホログラム光学素子を露光するための露光光学系の 要部を示す光路図である。
図 1 3は、 本発明の第 1の実施の形態の第 5の具体例である画像表示 装置における反射型ホログラム光学素子を露光するための露光光学系の 要部を示す光路図である。
図 1 4は、 本発明の第 1の実施の形態の第 6の具体例である画像表示 装置における反射型ホログラム光学素子を露光するための露光光学系の 要部を示す光路図である。
図 1 5は、 本発明の第 2の実施の形態である画像表示装置の構成及び その光線の概略の経路を示す図である。
図 1 6は、 本発明の第 2の実施の形態である画像表示装置の設計値に よる横収差図である。 ( a ) は画角が (X, Y) = (-6.66° , 5.00° :)、 ( b ) は画角が (X, Y) = (-3.33° , 2.50° ;)、 ( c ) は画角が (X , Y) 二 (0.00° , 0.00° )、 ( d )は画角が(X, Y) = (3.33° , -2.50° )ヽ ( e ) は画角が (X, Y) = (6.66° , -5.00。 ) のものを示し、 左側の 図は Y方向横収差、 右側の図が X方向横収差を示す。 又、 実線は波長 461.259nmN 破線は波長 471.259nm、 一点鎖線は波長 451.259nmの光
に付いてのものである。 縦軸は、 図 3と同じように軸の上端が 0.0250、 下端が- 0.250である。
図 1 7は、 本発明の第 2の実施の形態である画像表示装置における反 射型ホログラム光学素子を露光するための露光光学系の要部を示す光路 図である。
図 1 8は、 図 1 7に示す光学系の残存波面収差図である。
図 1 9は、 図 1 7に示す光学系を用いて露光した反射型ホログラム光 学素子を組み込んだときの、 本発明の第 2の実施の形態である画像表示 装置の横収差図である。 ( a)は画角が(X, Y) = (-6.66° , 5.00° :)、 (b) は画角が (X, Y) = (-3.33° , 2.50° )ヽ ( c ) は画角が (X, Y)二(0.00° , 0.00° )、 ( d)は画角が(X, Y) = (3.33° , -2.50° )N ( e ) は画角が (X, Y) = (6.66° , -5.00° ) のものを示し、 左側の 図は Y方向横収差、 右側の図が X方向横収差を示す。 又、 実線は波長 461.259nm、 破線は波長 471.259nm、 一点鎖線は波長 451.259nmの光 に付いてのものである。 縦軸は、 図 3と同じように軸の上端が 0.0250、 下端が- 0.250である。
図 2 0は、 本発明の第 2の実施の形態である画像表示装置の、 元の設 計値の場合のデイス ト一シヨンと図 1 7に示す光学系を用いて露光した 反射型ホログラム光学素子を組み込んだときのディストーションとの比 較を示す図である。 破線は画像素子の大きさを示すものであり、 黒丸を 結んだ線は再生系の設計値を示し、 口を結んだ線は露光後 H 0 Eを用い た再生系の値を示すものである。
図 2 1は、 従来の画像表示装置の反射型ホログラム光学素子を露光す るための露光光学系を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の実施の形態であるィメージコンバイナ及び画像表示装 置について、 図面を参照して説明する。
[第 1の実施の形態]
図 1は、 本発明の第 1の実施形態である画像表示装置の構成及びその 光線 (画像表示素子 2からの光線のみ) の概略の経路を示す図である。
ここでは図 1に示すように、 互いに直交する X軸、 Y軸及び Z軸を定 義する。 すなわち、 図 1の紙面内の左右方向を Z軸とし、 その Z座標値 の大きくなる向きは右と定義する。図 1の紙面内の上下方向を Y軸とし、 Y座標値の大きくなる向きは上と定義する。 図 1の紙面に垂直な方向を X軸とし、 右手系、 すなわち、 図 1の紙面から奥の方向を X座標値が大 きくなる向きと定義する。 なお、 Y軸方向は、 実際の水平方向と一致し ていても良いし、 その他の適宜方向であってもよい。 これらの定義は後 述する図 1 5についても、 同様である。
本実施の形態の画像表示装置は、 イメージコンパイナ 1と、 画像表示 素子 2とを備えている。
本実施の形態では、 画像表示素子 2として透過型 L C Dが用いられて いる。 画像表示素子 2は、 その背後から、 L E D 3及び放物面鏡等の反 射鏡 4からなる光源により光源光が照射され、 光源光を空間光変調して 表示画像を示す光を透過させる。 なお、 画像表示素子 2 として、 反射型 L C D等の他の素子を用いても良いし、 有機 E L素子などの自発光型の 素子を用いても良いことは、 言うまでもない。
イメージコンパイナ 1は、 ガラスやプラスチック等の光学材料で平行 平板状に構成された板状部 5と、 ガラスやプラスチック等の光学材料で 構成され画像表示素子 2からの光を板状部 5に導く導光部 1 1と、 を備 えている。 板状部 5は、 平行平板に限定されるものではなく、 例えば使 用者の視力矯正用光学的パワーを有していても良い。 その場合には、 例
えば板状部 5の Z軸方向の両面 5 a、 5 bのうちの少なくとも一方の面 は、 曲面で構成される。 これらの点は、 後述する各実施の形態について も同様である。 なお、 板状部 5は、 図 1中の下方にも延びているが、 そ の図示は省略している。 導光部 1 1は、 概略三角柱状に構成され、 画像 表示素子 2からの光が入射される曲面からなる入射面 1 1 cと、 入射面 1 1 cから入射した光を全反射する平面からなる反射面 1 1 bと、 反射 面 1 1 bで反射された光を射出して板状部 5の面 5 aの図 1中の上部付 近に入射させる曲面からなる射出面 1 l aと、 を有している。
板状部 5は、 フレーム等の支持部材 (図示せず) を介して、 眼鏡レン ズと同様に、 使用者の頭部に装着されて、 使用者の眼 (図示せず) の前 に位置する。 図 1において、 Pは、 ィメージコンバイナ 1の、 画像表示 素子 2からの光に対する射出瞳を示し、 P 0は射出瞳の中心 Pの中心を 示す。 この射出瞳 Pが使用者の眼の瞳とほぼ一致するように、 イメージ コンパ'イナ 1が使用者に装着される。 したがって、 射出瞳 Pの中心 P 0 は、 使用者の眼の瞳の中心とほぼ一致する。 図 1では、 Z軸方向が板状 部 5の厚み方向と一致している。 板状部 5の眼側の面 5 a及び反対側の 面 5 bは、 X Y平面と平行となっている。 なお、 図面には示していない が、 L E D 3、 反射鏡 4、 画像表示素子 2及び導光部 1 1も、 前記支持 部材により支持されている。 これにより、 画像表示素子 2は、 使用者が 外界を観察するのを妨げないとともに、 使用者が当該画像表示装置を装 着するときに邪魔にならないように、 板状部 5に対して図 1中紙面内の 斜め左上方に配置されている。
もっとも、 画像表示素子 2を他の適当な箇所に配置し、 リレー光学系 によって図 1中の画像表示素子 2の位置に表示画像を導いてもよいし、 また、 スキャン光学系を用いてこの位置に空中画像を形成してもよい。 この点は、 後述する各実施の形態についても同様である。
なお、 図 1において、 点 A l , A 2は、 画像表示素子 2の表示部の図 中紙面内での両端の位置をそれぞれ示す。 また、 点 A Oは、 当該表示部 の中心を示す。
ィメージコンバイナ 1は、 板状部 5の前方から板状部 5の厚み dを通 過するように (すなわち、 面 5 bから入射して面 5 aから射出するよう に) 板状部 5を透過する光 (以下、 「外界光」 という。) に対して、 画像 表示素子 2からの光を重畳させて、 使用者の眼に導くように構成されて いる。
本実施の形態では、 板状部 5における使用者の眼と対向する位置付近 において、 板状部 5の内部に、 反射型ホログラム光学素子 (反射型 H〇 E ) 6が設けられている。 本実施の形態では、 反射型 H O E 6は、 図 1 に示すように、 面 5 a , 5 bに対して時計方向に所定角度傾けられてい る。 また、 板状部 5における導光部 1 1の面 1 1 aと対向する位置付近 において、 板状部 5の内部に反射面 (ミラー) 5 cが設けられている。 反射面 5 cは、 図 1に示すように、 面 5 a , 5 bに対して反時計方向に 所定角度傾けられている。 なお、 反射面 5 cより図 1中の斜め上側の板 状部 1 5の部分は、 画像表示素子 2からの光が通過しないので、 カッ ト しておいてもよい。 この場合、 反射面 5 cは板状部 5の表面に設けられ ることになる。
本実施の形態では、 板状部 5 と同じ材質の小片 (図 1中の板状部 5に おける反射型 H 0 E 6の右側部分の小片) 5 dを基材として、 これに反 射型 H O E 6を作製し、 その後、 その小片 5 dを板状部 5を形成する型 枠の中に配置し、板状部 5の材質を溶かした状態で型枠の中に流し込み、 その後固めることによって、 反射型 H O E 6を板状部 5の内部に設けて いる。 もっとも、 反射型 H O E 6を板状部 5の内部に設ける方法は、 こ れに限定されるものではない。
画像表示素子 2からの光の波長は、 この反射型 H OE 6の回折効率ピ ークの波長を含む波長幅を持ち、 その波長幅のうち極大部が回折効率ピ ークの波長と略一致しており、 この反射型 H O E 6で画像表示素子 2か らの光を反射させる。 一方、 反射型 HO E 6は、 外界光 (図示せず) を 偏向させることなく透過させる。 なお、 反射型 HO E 6としては、 外界 光を極力妨げることがないように、 波長選択性の高いものを用いること が好ましい。 反射型 HO E 6として、 R, G, Bの各色を代表する狭い 波長域の 3波長光に対してそれそれ選択性を持つものを用いれば、 使用 者が見る表示画像をカラー化することも可能である。
反射型 H O E 6は、 図 1に示すように、 画像表示素子 2からの光を観 察者の瞳の方向へ反射させる特性を有しているとともに、 諸収差を補正 した結像作用を持つように、 そのホログラム面上の位置に依存する 3次 以上の位相変換作用を有している。 反射型 HO E 6は、 平面状のもので もよいし、 曲面状のものでもよい。 反射型 HO E 6として曲面状のもの を用いる場合、 その曲面の曲率中心が使用者の眼側にあるように配置す ると、 画角が大きい場合に、 反射型 HO E 6の発生する画角による収差 変動量が小さくなり、 好ましい。
反射型 H O E 6を構成するためのホログラム感光材料としては、 例え ば、 フォ トポリマー、 フォ トレジス ト、 フォ トクロミ ック、 フォ トダイ クロミ ック、銀塩乳剤、重クロム酸ゼラチン、ダイクロメ一トゼラチン、 プラスチック、 強誘電体、磁気光学材料、 電気光学材料、 非晶質半導体、 フォ ト リフラクチイブ材料等が用いられる。 そして、 後述するように、 例えば図 6に示すようなホログラム露光装置にて 2つの光源からの光を 前記材料に同時に照射することによって、 反射型 H O E 6を作製するこ とができる。
画像表示素子 2の表示部上の任意の点を通過した光 (表示画像の光)
は、 導光部 1 1の入射面 1 1 cから導光部 1 1内に入射し、 導光部 1 1 の反射面 1 1 bで全反射され、導光部 1 1の射出面 1 1 aから射出して、 板状部 5の面 5 aの領域 R 0から板状部 5内に入射する。 領域 R 0から 板状部 5内に入射した光は、 反射面 5 cで反射された後に、 板状部 5の 面 5 aの領域 R 1に臨界角より大きい入射角で入射し、 領域 R 1で全反 射される。 この光は、 板状部 5の面 5 bの領域 R 2に臨界角より大きい 入射角で入射し、 領域 R 2で全反射される。 この光は、 さらに板状部 5 の面 5 aの領域 R 3に臨界角より大きい入射角で入射し、 領域 R 3で全 反射する。 この光は、 さらに板状部 5の面 5 bの領域 R 4に臨界角より 大きい入射角で入射し、 領域 R 4で全反射する。 この光は、 さらに板状 部 5の面 5 aの領域 R 5に臨界角より大きい入射角で入射し、 領域 R 5 で全反射した後、 反射型 HOE 6に入射する。 このとき、 この光は、 反 射型 HOE 6により、 反射回折作用、 及びそのホログラム面上の位置に 依存する 3次以上の位相変換作用による結像作用を受ける。 その後、 こ の光は、 板状部 5の面 5 aの領域 R 6から板状部 5外へ射出される。 こ のとき、 画像表示素子 2の同一箇所から出た光は、 射出瞳 Pから無限遠 又は所定距離 (後述する具体例では、 l m。 この距離は後述する他の実 施の形態の具体例も同様。)に拡大虚像を形成するように射出瞳 Pに置か れた使用者の眼の瞳に入射する。
画像表示素子 2から発し反射型 H◦ E 6で回折反射された後に使用者 の眼に到達する光は、 LED 3の発光スぺク トル特性と反射型 HOE 6 の波長選択性とに応じて、 通常は 1つの波長領域の成分のみを持ち、 た とえば LED 3として白色 LEDを用いると共に反射型 HOE 6として カラ一の反射型 H 0 Eを用いるような場合には離散的な複数の個別波長 領域成分を持つ。
そして、 本実施の形態では、 反射型 HOE 6として、 当該反射型 H〇
E 6をその作製時に前記 1つの波長領域又は前記複数の個別波長領域う ちの 1つの個別波長領域に対応して露光するための 2つの光源のうちの 再生時に観察者の眼の側となる光源と反射型 H 0 E 6のホログラム面と の間の距離 (ただし、 空気中に換算した距離) を R dとし、 前記ィメー ジコンバイナの射出瞳と前記反射型ホログラム光学素子の前記ホログラ ム面との間の距離(ただし、空気中に換算した距離)を P dとしたとき、 前記距離 R dは前記距離 P dより実質的に長くなるように設定した反射 型 H O Eが、 用いられている。 距離 R dが距離: P dの 2倍以上であるこ とが好ましい。また、距離 R dが 1 0 0 m m以上であることが好ましい。 なお、 距離 R dは、 必ずしも実在する光源が配置された距離とホログ ラム面の距離だけに限られず、 たとえば、 実在する光源とホログラム面 の間に光学系が配置されている場合には、 光源と共役な位置からホログ ラム面までの距離に相当する距離となる。 また、 光源からコンデンサレ ンズゃ空間フィル夕等により擬似 2次光源が形成されているような場合 には、当該 2次光源からホログラム面までの距離に相当する距離となる。 このことは当業者にとっては常識的な事項であろう。
本実施の形態では、 距離 R dは前記距離 P より実質的に長いので、 前記従来の画像表示装置に比べて、 反射型ホログラム光学素子の作製時 に用いる露光光学系が簡単となり、 ひいては、 容易に製造することがで きるとともに、 諸収差を補正した高性能な結像作用などの所望の光学特 性を精度良く得ることができる。 この点については、 本実施の形態の後 述する第 1乃至第 6の具体例に関する検討に関連して、 後述する。
[第 1の実施の形態の第 1の具体例]
ここで、 前記第 1の実施の形態の第 1の具体例について、 図 1を参照 して説明する。この第 1の具体例の設計に際し、設計プログラムとして、 当該技術分野において著名な米国の Optical Research Associates製の
code V (商品名) を用いた。 このとき、 画像表示素子 2の表示部の中心 A O中央から発して、 射出瞳 Pの中心 P 0を通過する光線の経路を、 こ の光学装置全体の光軸と定義する。 本具体例では、 光軸は 1本の直線で はなく、互いに傾いた線分を連結した形状となっている。これらの点は、 後述する各第 2乃至第 6の具体例及び第 2の実施の形態の具体例につい ても同様である。
この第 1の具体例の光学的な諸量は、 下記の通りである。
射出瞳 Pの径は 3 mmである。 図中紙面内上方向の視野角度は 5 ° で ある。 図中紙面内下方向の視野角度は— 5 ° である。 紙面奥行き方向の 視野角は ± 6. 7 5° である。 図中紙面内での画面サイズ (点 A 1と点 A 2との間の長さ) は 3. 6 mmである。 紙面奥行き方向の画面サイズ は 4. 8 mmである。 板状部 5の厚さ dは 3. 4mmである。 使用波長 は約 4 8 0 nm〜約 5 4 0 n mの波長幅である。板状部 5の波長 5 8 7. 5 6 nm ( d線) に対する屈折率は n d = 1 . 5 9 6 2 2 9で、 アッベ 数はソ d = 4 0. 4である。
H 0 E 6については露光に用いる 2光束の波面で土の差で決まるため、 2光束の光学条件を示すことにより H O E 6を定義することができる。 第 1の点光源 (H V 1 ) の座標を (HX 1 , H Y 1 , H Z 1 )、 第 2の点 光源の座標を (HX 2 , HY 2 , H Z 2 ) とする。 この座標は、 図 2に 示すように、 H O E面が光軸と交わる点を原点とし、 光軸方向に Z軸、 H〇 E面内で紙面上方向を Y軸、 紙面の奥行き方向を X軸としており、 図 1に関連して定義した座標とは異なる。
また、ホログラムを記録する乳剤は厚み 2 0 、屈折率 1. 4 9 3、 屈折率変調は 0. 0 3のものを使用している。 露光波長は 5 3 2 nmで 乳剤の収縮率を 2 %と仮定している。 収縮による再生光の波長変動は比 例関係にあるので波長も 2 %短くなり、 再生の中心波長は 5 2 1 . 3 6
n mになる。 H 0 E 6の面は、 その中心が面 5 aから図 1中の Z軸に沿 つて 1 . 7 m m右側にあり Y軸と同じ方向から紙面上時計周りに 2 9 . 3 ° 回転した方向である平面である。 H O E 6は、 結像性能を最適にす るために、 そのホログラム面上の位置に依存する 3次以上の位相変換作 用に対応する位相関数成分を持っている。
ここで位相関数について説明すると、 位相関数は、 H O E 6の純粋な 各 2個の点光源により定義される以外の非球面的な位相変換量を定義す るもので、 光学設計プログラム code V においては、 X, Y軸成分の多 項式係数などを用いて指定することができる。
また、 この第 1の具体例の光線追跡のための諸量を、 下記の表 1に提 示する。 光学面の順序 (面番号の順序) は使用者の眼の瞳面 (ニイメー ジコンパイナ 1の射出瞳 Pの面) から画像表示素子 2への順である。 な お、 表 1において、 各面番号に対応する図 1中の参照符号を括弧書きの 「符号」 として示している。 この点は、 後述する表についても同様であ る。
(表 1 )
面番号 (符号) 曲率半径 媒質 n d
1 (P) INFINITY
2(5a:R6) INFINITY 1.596229 40.4
3(6) INFINITY 1.596229 40. 反射面
ホログラム面:
2光束の定義
HV1: REA HV2: VIR
1 0
HX1 :0.000000x10+ 00 HY1:-.173228 X 10+ 10 HZ1:-.135831x10
HX2: 0.000000 X 10+ 00 HY2: 0.300000 xl0+o s HZ2:-.213231X10
位相係数
01 - O 3
C2 6.4341x10 -1.1210X10— Q 2 C5 : -9.0059X10
C7 -1.3958X10一04 -7.0582X10-° 5 CIO: 4.8900X10-° 6
5.9881 10 3.7963X10- 06 C16: -6.3066X10-° 6
-1.5310x10 -6.8667X10" 06 C21: 3.0656X10— 06
4.3271x10 5.9772X10一08 C27: 1.4296x10-° 6
1.7262x10 - 1.9135x10一06 C33: -2.4034x10- 06
1.0147X10 - 4.3191x10一07 C38: -2.6873x10-° 7
3.4866X10 1.0228X10- 06 C44: -5, 5562x10一07
-1.2622 10 1.5068X10一 07 C50: 2.6807x10— 07
2.7379X10 -6.8986X10" 08 C55: 1.8862X10— 08
1.0718x10- 09 C59: -2.1626X10- 08 C61: -1.3252x10— 07
-9.6312x10— Q8 C65: 4.7721x10-° 8
: R5) INFINITY 1.596229 40. 反射面
5(5b:R4) INFINITY 1.596229 40. 反射面
6(5a:R3) INFINITY 1.596229 40. 反射面
7(5b:R2) INFINITY 1.596229 40. 反射面
8(5a:Rl) INFINITY 1.596229 40. 反射面
9 (5c) INFINITY 1.596229 40. 反射面
1 O(5a:R0) INFINITY
1 1 (11a) -13.40165 1.596229 40.4
1 2 (lib) -278.57144 1.596229 40.4 反射面
1 3(llc) -25.94668 1.596229 40.4
1 4(2) INFINITY 表 1で用いた位相関数の定義は、 HO Eを X Y座標面上の位置と指定
¾朁 え用 紙 (規則 26}
した点に入射する光線の受ける光路差を、 使用する波長で規格化した値 で表すもので、 m, nを整数とするとき、 一般形の下記の ( 1 ) 式で表 される多項式の係数を指定することで決められる。 ただし、 この係数は 65個まで指定可能であって、 順に C I , C 2 , C 33 · · · , C 6 5と 呼び、 係数の順番を jという整数で表すときに、 X座標及び Y座標の次 数を示す整数 m, nとの間に下記の (2) 式のいう関係が成り立つよう に対応付ける。 すなわち、 本例では、 位相関数は、 下記の (3) 式の多 項式で定義されている。 このような位相関数の定義は、 後述する表につ いても同様である。 0 ·'·(1)
• (m + η + m + n
C1X + C2Y + CSX 2 + c4XY +— +C65Y10 ·· <3) また、 本具体例におはる各光学面の位置関係として、 第 1面 (面番号 1 =図 1中の符号 P) の中心を原点 (X, Υ, Ζ ) 二 ( 0, 0, 0) と した各光学面の中心の絶対位置と X軸の周りの回転量 (反時計周りを正 として測った値) を、 下記の表 2に示す。
差替 え 用 紙 (規則 26)
(mm) ¾ ¾ # ¾
ST
Οΐ
66^8 •I ε99 6'εε 00000 •0
A8S6'90T Z8 0 •ε S6ss οε 00000 •0 (3π)ε T
9 8 •9 C9999"92 00000 •0 (qn) z I
00008 Ίϊ 00000 •0 (ΒΠ) T ΐ
0000 Ό 00000 ' T 00000'OC 00000 •0 (O S)O ΐ
0000'6Z 00008 ' 00000'8Z 00000 •0 (39)6
0000"0 00000 'ST 00000*92 00000 •0 (IPS) 8 oooo'o 0000 '9Ϊ 00000ΌΖ 00000 Ό
00000 CT 00000^1 00000 0 (ε¾·^ ) 9
OOOO'O 0000 9T 00000*8 00000 0
oooo'o 00000 ST 00000 00000 0 (SPS)
000 62 - 0000 00000Ό 00000 •0 ( 9 ) e
OOOO'O 00000 "21 00000Ό 00000 •0 (9¾-¾9)Z oooo'o 00000 •0 ooooo'o 00000 •0 (d) l
[98J§9p]
回
ω ^⑦ ¾x 入 mm x
( s挲:
:-61 i 600/C00Zdf/X3d 9f秦 00Z OAV
20 本具体例の HOE 6の第 1光源(再生時に観察者の眼の側となる光源) は、
HX1:0, HYl:0.214385 X 10+ 08 , ΗΖ1:0·155769 X 10+ 08より、 図 2の y z座標の第 3象現で、 HOE面の原点からの距離は 2. 2 x 10gで める。
そして、 HOE 6の 2光源は空気中に定義されるため、 再生時の HO E 6が媒質中にある場合は、 距離を屈折率換算して比較する。 この第 1 の具体例では、 HOE 6から第 1光源までの距離 (空気換算距離) : d は、 2. 2 x 1 09 mmであり、 ほぼ無限遠である。 一方、 H 0 E 6の 面は射出瞳 Pの瞳面から 14. 7 mmの距離であるが、 このうち 1. Ί mmは屈折率約 1. 6の媒質中であるので、 空気換算長は 1. 06 mm となり、 H 0 E 6から射出瞳 Pの瞳面までの空気換算距離 P dは 14. 06 mmとなる。
ここで、 実際の H 0 E 6が表 1中に定義された設計値をそのまま持つ と仮定した場合の、 本具体例である画像表示装置の光学系の結像性能を 表すための横収差図を、 図 3に示す。 中心波長 52 1. 36 nm並びに これに対する ± 1 0 nmの 5 3 1. 36 nm及び 5 1 1. 36 nmに関 する横収差を一つの図に同時に示してある。 図 3から、 HOE 6が設計 値通りの特性を持つ場合、 画角内全域に渡り横色収差が少なく、 結像性 能が優れていることがわかる。
ここで、 表 1中に定義された反射型 H 0 E 6を実際に作製する際に用 いる露光光学系を設計した。 その露光光学系の要部の光路図を図 4に示 す。 図 5は、 図 4に示す光学系におけるプリズム 2 1の拡大図である。 さらに、 図 4に示す光学系を用いた、 反射型 H 0 E 6の作製時に反射型 HOE 6を露光するホログラム露光装置の一例の概略構成図を、 図 6に 示す。
21 図 4に示す光学系は、 基本的に図 2 1中の露光レンズに対応するもの であるが、 1つのプリズム 2 1と単一の球面レンズ 2 2 とで構成され、 非常にシンプルにまとめられている。
プリズム 2 1は、 図 5に示すように、 前述した図 1中の板状部 5の一 部を構成する小片 5 dと、 小片 5 dと同一の屈折率を持ち小片 5 dを保 持する保持部材 (「雇い」 と呼ばれる場合もある。) 2 4と、 小片 5 dと 保持部材 2 4との間の隙間に充填され小片 5 d及び保持部材 2 4と同一 の屈折率を持つ充填剤 (図示せず) と、 から構成されている。 プリズム 2 1の小片 5 d側の面には、 反射型 H O E 6 (厳密に言えば、 反射型 H 0 E 6を形成するための感光材料層) が形成され、 露光が完了し反射型 H O E 6の作製が完了した後に、 反射型 H O E 6が形成された小片 5 d を保持部材 2 4から取り外して、 前述した方法で反射型 H O E 6を板状 部 5の内部に設けることができるようになつている。
図 4及び図 5において、 射出瞳 Pは、 H 0 E 6の位置を基準として、 図 1中の射出瞳 Pを空気に屈折率換算した位置に配置している。 図 4及 び図 5において、 B 1は反射型 H O E 6の露光時の第 1光源 (射出瞳 P 側の光源)による露光光束(参照光)、 B 2は第 2光源による露光光束(物 体光) を形成するための平行光束 (平面波) を示す。 このように、 図 4 に示す光学系は、 ァフォーカル光学系となっている。 また、 2 2 aは球 面レンズ 2 2のプリズム 2 1側の面、 2 2 bは球面レンズ 2 2の第 2光 源側の面である。
図 6に示すホログラム露光装置では、 レーザ光源 3 1は、 露光時間を 制御するためのシャッ夕 3 2が開かれているときに、 ビームエキスパン ダ · ビーム整形ュニッ ト 3 3に入射する。 このュニヅ ト 3 3は、 入射し た光を集光点に集光するレンズ 3 4と、 前記集光点に配置されたビンホ ール 3 5と、 ビンホール 3 5を通過した光をコリメートするコリメ一夕
22 レンズ 3 6 とを有し、 ノイズ光をカツ トするスペイシャルフィル夕とし ての機能と、ビ一ム径を拡大するビームエキスパンダとしての機能とを、 併せ持つ。 ユニッ ト 3 3からの平行光束は、 その偏光方向が 1 / 2波長 板 3 7により回転された後に、 所定の偏光成分のみが偏光ビームスプリ ヅ夕 3 8を透過する。 1 / 2波長板 3 7は適宜回転させ得るようになつ ており、 1 / 2波長板 3 7及び偏光ビームスプリ ッ夕 3 8が光量調整部 を構成している。 偏光ビームスプリ ツ夕 3 8を透過した光は、 ミラ一 3 9で反射された後に、 ビームスプリ ツ夕 4 0で 2光束に分割される。 ビ一ムスプリ ヅ夕 4 0を透過した光束は、 ミラー 4 1で反射され、. 絞 り 4 2で所望の径に絞られた後に、 平行光束 (平面波) のまま、 第 1光 源 (射出瞳 P側の光源) による露光光束 (参照光束) として、 プリズム 2 1に塗布された反射型 H 0 E 6 となるべき乳剤等のホログラム感光材 料に入射する。
一方、 ビームスプリツ夕 4 0で反射された光束は、 ミラー 4 3で反射 され、 集光レンズ 4 4で集光点に集光され、 この集光点に配置されたピ ンホール 4 5を通過した後、 コリメ一夕レンズ 4 6で平行光束にされか つ必要な光束径に拡大され、 更に絞り 4 7で所定の径に絞られ、 第 2光 源による露光光束 (物体光束) を形成するための前記平行光束 B 2 とな る。 この平行光束 (平面波) B 2は、 レンズ 2 2及びプリズム 2 1によ り所望の非球面波となって、 プリズム 2 1に塗布された反射型 H 0 E 6 となるべき乳剤等のホログラム感光材料に、 参照光とは反対側から入射 する。
このようにして参照光束と物体光束とが乳剤等の感光材料に入射され ることにより、 参照光と物体光の干渉縞が感光材料に、 例えば屈折率の 差として記録される。 なお、 この露光後に、 必要に応じて感光材料が現 像されることは、 言うまでもない。
23 ところで、 露光レンズの設計手法には色々あるが、 図 4に示す光学系 の設計に際し、 前述した CODE Vを用いた。 CODE Vでは、 表 1中に 示す反射型 H 0 E 6の第 1光源から反射型 H 0 E 6を透過して、 第 2光 源へ光線追跡することで行う。 H O E 6を透過した後に、 図 4に示す光 学系を挿入して、 反射型 H O E 6での位相変換作用と等価な作用を施せ ば、 波面はきれいな球面波となって無収差で第 2光源に結像する。
表 1及び表 2に示す画像表示装置の光学系の設定値を基に、 図 4に示 す光学系を設定する際、 反射型 H O E 6を透過の設定に変更するが、 こ のとき非球面位相項の変換作用が等しくなければならない。 そのために は、 位相係数を等しく受け渡すことと、 第 1光源の座標を物点としてそ こから光線追跡することが必要である。 再生系で定義した第 1光源と異 なる距離から露光系を設計しても、 正しい位相変換作用は得られない。 ただし、 図 4に示す光学系の設計においては、 第 1光源の H O E面の原 点からの距離 2 . 2 X 1 0 9m mは、 非常に大きいので、 第 1光源と H O E 6面との間の空気換算距離の値は、無限遠とみなしても差し支えなく、 実際に、 無限遠とみなし、 図 4に示す光学系の光線追跡は平行光を入射 して設計した。
ここで、 図 4に示す光学系の光線追跡のための諸量を、 下記の表 3に 提示する。 光学面の順序 (面番号の順序) は第 1光源 ( =イメージコン バイナ 1の射出瞳 P側の光源) から第 2光源への順である。
表 3において、 面番号 1の符号 S 1は第 1光源を示している。 面番号 3のホログラム面の諸係数は前記表 1と同じである。 入射瞳径は、 ホロ グラム面の有効径を満たす径が必要で、 ここでは 0 6 . 2である。 点光 源 (ここではその極限として平行光) からの光であるので、 画角は必要 ない。 光線追跡のための波長は、 露光波長の 5 3 2 n mである。 この光 学系は、 面番号 6の面を射出した後に平行光となるァフォーカル光学系
24 である。
(表 3 )
面番号 (符号) 曲率半径 媒質 nd V d
KS1) INFINITY
2(P) INFINITY
3(6) INFINITY 1.596229 40.4
ホログラム面:
2光束の定義
HV1: VIR HV2 : VIR
+ 00 + 10
HX1 :0.000000x10 HY1: -.173228x 10 H l:-. 135831 X 10
+ 0 6 + 07
HX2: 0.000000x10 HY2: J.oUUUUU X 11) HZ2: - . 213231 x 10
位相係数
0 2 一 03
G2 : 6.4341x10 C3 : -丄.1210x10 C5 - 一 9 0059x10
05 - 06
C7 : -1.3958x10 ° C9 : -7.0582x10 48900x10
06 - 06
C12: 5.9881 10 C14 3.7963x10 C16: - 6 3066x10
06
C18: -1.5310X10 C20 : -6.8667x10 C21: 3,0656x10
08 - 06
G23: 4.3271 10-° 6 C25 5.9772x10 C27: 1.4296x10
06 - 06
C29: 1.7262x10 C31 -1.9135x10 C33: -2.403 x 10
07
C35: 1.0147 10 C36 -4.3191x10 C38: -2.6873x10
06
C40: 3.4866X10 C42 1.0228x10 C44: -5.5562x10
07
C46: - -1.2622x10 C48 : 1.5068 10 C50: 2.6807 10 7
08
C52: 2.7379x10 C54 -6.8986x10 C55: 1.8862x10
08
C57: 1.0718x10 C59 -2.1626x10 C61: -1.3252x10
C63: - -9.6312x10 C65 : 4.7721x10一 08
4 (21b) INFINITY
5 (22a) -1158.0113 1.516800 64.103
6 (22b) -92.2168
また、 図 4に示す光学系における各光学面の位置関係として、 第 3面 (面番号 3 =図 4中の符号 6、 ホログラム面) の中心を原点 (X, Y, Z) = ( 0 , 0, 0 ) とした各光学面の中心の絶対位置と X軸の周りの 回転量 (反時計周りを正として測った値) を、 下記の表 4に示す。 (表 4)
差替 え 用 紙 (規則 26)
25
*士面 /お
面番 (符 ) X座標値 Y座標値 乙 •Λ串田 ©〗 りの 回 ¾角度
2 (P) 0.00000 -10.23007 -8.02157 51.8994
3 ( 6 ) 0.00000 0.00000 0.00000 0.0000
4 (21b) 0.00000 -3.25869 6.00000 -54.8135
5 (22a) 0.00000 -32.07451 135.37508 6.7639
6 (22b) 0.00000 -31.36784 141.33332 6.7639 この図 4に示す光学系の光線軌跡による射出瞳面 (すなわち、 図 4中 の面 2 3 ) 上での波面収差図を、 図 7に示す。 図 7からわかるように、 RMSで 0. 1 λと非常によく補正されている。
次に、 以上説明した図 4に示す光学系を含む図 6に示すホログラム露 光装置によって露光される反射型 Η ΟΕ 6の性能を見極める。 このため には、 第 1の具体例である画像表示装置の光学系において、 表 1中に定 義された設計値を持つ設計上の反射型 Η ΟΕ 6に代えて、 図 4に示す光 学系を含む図 6に示すホログラム露光装置によって露光される反射型 Η ΟΕ 6を組み込んだ場合の、 当該画像表示装置の光学系の光学性能を、 表 1中に定義された設計値をそのまま持つ反射型 Η◦ Ε 6をそのまま組 み込んだと仮定した場合の、 当該画像表示装置の光学系の光学性能と、 比較する必要がある。
そのためには、 図 4に示す光学系の残存収差が完璧に RMSで 0入に なるように、 Η ΟΕ 6の位相関数を変数にして最適化し、 その係数を、 表 1に示す画像表示装置の光学系のレンズデータに貼り付けて性能を評 価すればよい。 この方法でシミュレーションした露光後の Η 0 Ε 6を組 み込んだ画像表示装置の光学系の横収差図を図 8に示し、 当該光学系の デイス トーシヨン (画像表示素子 2の表示部の面上でのディス トーショ ン) を図 9に示す。
図 8に示す横収差は、 図 3に示す横収差とほぼ同等の良好な結果とな
え 用 紙(規則 26)
26 つている。 また、 両者のディス トーションもほとんど同等である。 この ように、図 4に示す光学系を用いて露光される反射型 H 0 E 6の性能は、 表 1に定義された設計上の反射型 HOE 6の性能と同等となり、 良好で ある。
[第 1の実施の形態の第 2の具体例]
次に、 前記第 1の実施の形態の第 2の具体例について、 説明する。 この第 2の具体例が前記第 1の具体例と異なる所は、 前述した表 1に 示す光学的な諸量のうち、反射型 H 0 E 6を定義する諸量(設計値)を、 下記の表 5に示すものに置き換えた点のみである。 表 1の場合には、 H OE 6から第 1光源 (再生時に観察者の眼の側となる光源) までの距離 (空気換算距離) Rdが 2. 2 X 1 09mmとほぼ無限遠であったのに 対し、 表 5の場合には、 距離 R dが 19. 98 mmに設定されている。 ただし、 表 5で定義されるホログラム面に関する他の諸量は、 表 1で定 義されるホログラム面に関する諸量を持つ反射型 HOE 6とほぼ同等の 結像性能が得られるように、 設定されている。
なお、 この第 2の具体例においても、 H 0 E 6から射出瞳 Pの瞳面ま での空気換算距離 P dは、 前記第 1の具体例と同じく、 14. 06mm である。 したがって、 この第 2の具体例では、 Rd= l . 42 xPdと なっている。
(表 5 )
27
面番号 (符号) 曲率半径 媒質 nd vd
3(6) INFINITY 1.596229 40. 反射面
ホログラム面:
2光束の定義
HV1: REA HV2: VIR
+ 0 2 + 0 2
HX1 :0.000000x 10+ 00 HY1:-.157255x10 HZl:-.123306xlO
+ 0 6 + 0 7
HX2: 0.000000x10+ 00 HY2:0.300000xlO HZ2:-.213231xlO
位相係数
0 1 0 2 04
C2 : 6.4111x10 C3 : 1.4147x10 C5 : 6.7622x10
0 3 0 4 0 7
C7 : -1.0315x10 C9 : -4.2591x10 CIO: 6.5841x10
0 5 0 6 0 6
C12: 3.0459x 10 C14: 1.5036x10 C16: -5.0732x10
0 6 0 6 0 7
C18: -2.0023x10 C20: -3.8089x10 C21: 2.2637x10
0 7 0 6 0 6
C23: -1.7895x10 C25: 1.5559x 10 C27: 4.4580x10
0 7 0 7 0 6
C29: 6.2301x10 C31: 6.7059x10 C33: -2.9845x10
0 7 0 8 0 7
C35: 4.1786x10 C36: -6.1226x10 C38: 1.5685x10
0 7 0 7 0 7
C40: -1.0540x10一 C42: 3.2292x10 C44: -5.9409x10
0 8 0 8 0 8
C46: -2.1441x10 C48: -2.4405x10 C50: -9.0636x10
0 7 0 8 0 9
C52: 6.0644x10 C54: -2.7338x10 C55: 3.1255x10
0 8 0 8 0 8
C57: -1.3599x 10 C59: 1.2567x10 C61: 1.3417x10
0 7 0 8
C63: -1.4143x10 C65: 2.9702x10 表 1中に定義された反射型 H O E 6を実際に作製する際に用いる露光 光学系を設計したのと同様の方法によって、 表 5中に定義された反射型 H O E 6を実際に作製する際に用いる露光光学系を設計した。 その露光 光学系の要部の光路図を図 1 0に示す。 図 1 0において、 図 4中の要素 と同一又は対応する要素には同一符号を付し、 その重複する説明は省略 する。 なお、 本具体例において、 第 1光源の位置は、 〇 iに示した位置 である。
図 1 0に示す光学系は、 反射型 H O E 6 となるべき乳剤等の感光材料
差替え用 銑(規則 26)
27-1 が塗布された 1個のプリズム 5 1 と、 1枚のシリン ドリカルレンズ 5 2 と、 4枚の球面レンズ 5 3〜 5 6 とが、 偏心配置された構成を有してい る。 なお、 図面には示していないが、 プリズム 5 1は、 図 4及び図 5中 のプリズム 2 1 と同様に、 図 1中の板状部 5の一部を構成する小片 5 d と、 これを保持する保持部材と、 これらの間に充填された充填材とから
差替 え用 紙(規則 26)
28 構成されている。
図 1 0に示す光学系の場合、 レンズ群のそれそれのレンズ偏心には、 シフトのみを使っており倒れ (ティルト) は使っていないので、 図 2 1 に示す従来の露光光学系に比べて、 レンズを支持する金物部品公差や組 み立ては精度が出し易い。 ただし、 図 1 0に示す光学系の場合、 図 2 1 に示す従来の露光光学系とほぼ同様に、 構成枚数が多いため公差は厳し くなる。
図 1 0に示す光学系を用いた、 反射型 HOE 6の作製時に反射型 HO E 6を露光するホログラム露光装置としては、 図 6に示すホログラム露 光装置において、 プリズム 2 1及びレンズ 22の代わりに、 図 1 0に示 す光学系を配置したものを使用すればよい。ただし、第 2の具体例では、 距離 Rdが 1 9. 98 mmに設定されているので、 これに応じて、 例え ばミラ一 4 1と絞り 42との間に凸レンズを同軸に配置する。 なお、 図 10中の光束81, B 2間の角度関係を満たすように、 図 6中の要素 4 3〜47の部分の位置及び角度が変更されることは、 言うまでもない。
[第 1の実施の形態の第 3の具体例]
次に、 前記第 1の実施の形態の第 3の具体例について、 説明する。 この第 3の具体例が前記第 1の具体例と異なる所は、 露光波長を 47 6 nmに設定した点と、 前述した表 1に示す光学的な諸量のうち反射型 HOE 6を定義する諸量 (設計値) を、 下記の表 6に示すものに置き換 えた点である。 表 1の場合には、 HOE 6から第 1光源 (再生時に観察 者の眼の側となる光源) までの距離 (空気換算距離) Rdが 2. 2 X 1 09mmとほぼ無限遠であつたのに対し、 表 6の場合には、 距離 R dが 3 7. 43 mmに設定されている。 ただし、 表 6で定義されるホログラム 面に関する他の諸量は、 表 1で定義されるホログラム面に関する諸量を 持つ反射型 HOE 6とほぼ同等の結像性能が得られるように、 設定され
29 ている。
なお、 この第 3の具体例においても、 HOE 6から射出瞳 Pの瞳面ま での空気換算距離 P dは、 前記第 1の具体例と同じく、 14. 06 mm である。 したがって、 この第 3の具体例では、 : Rd = 2. 6 6 xP dと なっている。
(表 6)
面番号 (符号) 曲率半径 媒質 nd vd
3(6) INFINITY 1.596229 40.4 反射面
ホログラム面:
2光束の定義
HV1 : REA HV2 : VIR
HX1 :0.000000x10+° 0 HY1:- .293706x10+ 02 HZ1:- .231950xl0+o 2
HX2 0.000000 X 10+ 00 HY2 :0.300000 X 10+ c 6 HZ2:- .213231 X 10+0 7 位相係数
C2 : 6.4562x10-° 1 C3 : 2.1484x10- 0 3 C5 : -3.8810x10" - 0 3
C7 -4.2961 x10- 04 C9 : -2.0878x10- 0 4 C10 : -1.5455x10" - 0 5
C12 1.2828x10-° C14: 8.6036x10一 0 6 C16 -2.0197x10" 0 5
C18 -1.6424x10- 05 C20: 3.1442x10一 0 7 C21 1.2270x10" 0 5
C23 1.0753x10- 05 C25: 1.0455x10— 0 5 C27: -8.4147x10一 0 7
C29 2.9980x10— 06 C31: 3.1664x10- 0 7 C33: -1.8134x10- 0 6
C35. 2.5856x10-° 8 C36: -2.0185x10- 0 6 C38 -1.7766x10" 0 6
C40: -1.1308x10-° 6 C42: -1.3573x10- 0 6 C44 5.1589x10- 0 8
C46: -2.2024x10一 07 C48: 3.4876x10一 0 8 C50: 3.5466x10- 0 7
C52: 7.2321x10— 07 C54: -1.5338x10- 0 8 C55: 1.1275x10- 0 7
C57: 1.2705x10- 07 C59: 2.2362x10— 0 8 C61: -5.0651 x10" 0 8
C63: -9.4909X10一08 C65: 1.8711x10- 0 9 表 1中に定義された反射型 H 0 E 6を実際に作製する際に用いる露光 光学系を設計したのと同様の方法によって、 表 6中に定義された反射型 HOE 6を実際に作製する際に用いる露光光学系を設計した。 その露光 光学系の要部の光路図を図 1 1に示す。 図 1 1において、 図 4中の要素 と同一又は対応する要素には同一符号を付し、 その重複する説明は省略 する。 なお、 本具体例において、 第 1光源の位置は、 02に示した位置 である。 差替 え用 弒 (規則 26)
30 図 1 1に示す光学系は、 反射型 H O E 6となるべき乳剤等の感光材料 が塗布された 1個のプリズム 6 1と、 4枚の球面レンズ 6 2〜 6 5とが、 偏心配置された構成を有している。 なお、 図面には示していないが、 プ リズム 6 1は、 図 4及び図 5中のプリズム 2 1 と同様に、 図 1中の板状 部 5の一部を構成する小片 5 dと、 これを保持する保持部材と、 これら の間に充填された充填材とから構成されている。
図 1 1に示す光学系の場合、 図 1 0に示す光学系に比べて、 シリンド リカルレンズ 1枚を減らすことができている。 また、 図 1 1に示す光学 系の場合も、 レンズ群のそれそれのレンズ偏心には、 シフ トのみを使つ ており倒れ (ティルト) は使っていない。
図 1 1に示す光学系を用いた、 反射型 H O E 6の作製時に反射型 H O E 6を露光するホログラム露光装置としては、 図 6に示すホログラム露 光装置において、 プリズム 2 1及びレンズ 2 2の代わりに、 図 1 1に示 す光学系を配置したものを使用すればよい。ただし、第 3の具体例では、 距離 R dが 3 7 . 4 3 m mに設定されているので、 これに応じて、 例え ばミラ一 4 1と絞り 4 2との間に凸レンズを同軸に配置する。 なお、 図 1 1中の光束 B 1 , B 2間の角度関係を満たすように、 図 6中の要素 4 3〜4 7の部分の位置及び角度が変更されることは、 言うまでもない。
[第 1の実施の形態の第 4の具体例]
次に、 前記第 1の実施の形態の第 4の具体例について、 説明する。 この第 4の具体例が前記第 1の具体例と異なる所は、 露光波長を 6 4 7 n mに設定した点と、 前述した表 1に示す光学的な諸量のうち反射型 H O E 6を定義する諸量 (設計値) を、 下記の表 7に示すものに置き換 えた点である。 表 1の場合には、 H O E 6から第 1光源 (再生時に観察 者の眼の側となる光源) までの距離 (空気換算距離) R dが 2 . 2 X 1 0 g m mとほぼ無限遠であったのに対し、 表 7の場合には、 距離 R dが
31
75. 23 mmに設定されている。 ただし、 表 7で定義されるホログラ ム面に関する他の諸量は、 表 1で定義されるホログラム面に関する諸量 を持つ反射型 HOE 6とほぼ同等の結像性能が得られるように、 設定さ れている。
なお、 この第 4の具体例においても、 HOE 6から射出瞳 Pの瞳面ま での空気換算距離 P dは、 前記第 1の具体例と同じく、 14. 06 mm である。 したがって、 この第 4の具体例では、 Rd= 5. 35 xP dと なっている。
(表 7)
面番号 (符号) 曲率半径 媒質 nd V d
3(6) INFINITY 1.596229 40.4 反射面
ホログラム面:
2光束の定義
HV1: REA HV2 : VIR
HX1: 0.000000x10+ 00 HY1:- -.553760x10+ c 2 HZ1:- 509267 X 10+ 0 2
HX2:0.000000 xl0+o° HY2:0.300000 xl0+c 6 HZ2:- 213239x10+ 07 位相係数
C2 : 5.8653x10-° 1 C3 : -4.7580x10" 0 3 C5 : - 6.0876x10— - 0 3
C7 : -2.4040x10- 04 C9 : -9.9769x10— 0 5 C10 : 1.1280x10— - 0 6
C12: -9.9745x10-° 6 C14 -4.8552X10- 0 6 C16 -6.9748x10" - 0 6
C18: - 1.8263x10— Q 6 C20 -5.6603x10- 0 6 C21 4.3977x10" 0 6
C23: 4.5293x10— 06 C25. 1.3025x10一 0 6 C27: 5.1045x10- 0 6
C29: 6.0870x10一07 C31: -8.1812x10— 0 7 C33: -8.4377x10" 0 7
C35: 8.1137x10 -07 C36: -6.5192x10一 0 7 C38: 2.8374x10" 0 7
C40: -9.8121x10" 07 C42 1.9651x10- 0 6 C44: -1.4067x10- 0 6
C46: -7.7498x10- 08 C48 2.0578x10一 0 7 C50: -9.3853x10一 0 8
C52: 9.2070x10-° 8 C54: - 4.9617x10一 0 8 C55: 3.0027x10- 0 8
C57: -5.9862x10-° 8 C59 9.6063x10- 0 8 C61: -1.8475x10" 0 7
C63: -1.7459x10- 07 C65 1.1549x10一 0 Y 表 1中に定義された反射型 H 0 E 6を実際に作製する際に用いる露光 光学系を設計したのと同様の方法によって、 表 7中に定義された反射型 H 0 E 6を実際に作製する際に用いる露光光学系を設計した。 その露光 光学系の要部の光路図を図 12に示す。 図 12において、 図 4中の要素 差替 え 用 紙 (規則 26)
32 と同一又は対応する要素には同一符号を付し、 その重複する説明は省略 する。 なお、 本具体例において、 第 1光源の位置は、 0 3に示した位置 る。
図 1 2に示す光学系は、 反射型 H 0 E 6となるべき乳剤等の感光材料 が塗布された 1個のプリズム 7 1と、 3枚の球面レンズ 7 2〜 7 4とが、 偏心配置された構成を有している。 なお、 図面には示していないが、 プ リズム 7 1は、 図 4及び図 5中のプリズム 2 1と同様に、 図 1中の板状 部 5の一部を構成する小片 5 dと、 これを保持する保持部材と、 これら の間に充填された充填材とから構成されている。
図 1 2に示す光学系の場合、 図 1 1に示す光学系に比べて、 球面レン ズ 1枚を減らすことができている。また、図 1 2に示す光学系の場合も、 レンズ群のそれぞれのレンズ偏心には、シフ トのみを使っており倒れ(テ ィルト) は使っていない。
図 1 2に示す光学系を用いた、 反射型 H O E 6の作製時に反射型 H O E 6を露光するホログラム露光装置としては、 図 6に示すホログラム露 光装置において、 プリズム 2 1及びレンズ 2 2の代わりに、 図 1 2に示 す光学系を配置したものを使用すればよい。ただし、第 4の具体例では、 距離11 (1が 7 5 . 2 3 m mに設定されているので、 これに応じて、 例え ばミラ一 4 1と絞り 4 2との間に凸レンズを同軸に配置する。 なお、 図 1 2中の光束8 1 , B 2間の角度関係を満たすように、 図 6中の要素 4 3〜4 7の部分の位置及び角度が変更されることは、 言うまでもない。
[第 1の実施の形態の第 5の具体例]
次に、 前記第 1の実施の形態の第 5の具体例について、 説明する。 この第 5の具体例が前記第 1の具体例と異なる所は、 露光波長が 4 7 6 n mである点と、 前述した表 1に示す光学的な諸量のうち反射型 H O E 6を定義する諸量 (設計値) を、 下記の表 8に示すものに置き換えた
33 点である。 表 1の場合には、 HOE 6から第 1光源 (再生時に観察者の 眼の側となる光源) までの距離 (空気換算距離) R dが 2. 2 X 109 mmとほぼ無限遠であったのに対し、 表 7の場合には、 距離 Rdが 14 6. 28 mmに設定されている。 ただし、 表 8で定義されるホログラム 面に関する他の諸量は、 表 1で定義されるホログラム面に関する諸量を 持つ反射型 HOE 6とほぼ同等の結像性能が得られるように、 設定され ている。
なお、 この第 5の具体例においても、 HOE 6から射出瞳 Pの瞳面ま での空気換算距離 P dは、 前記第 1の具体例と同じく、 14. 06mm である。 したがって、 この第 5の具体例では、 Rd= 1 0. 40 XP d となっている。
(表 8)
面番号 (符号) 曲率半径 媒質 nd ソ d
3(6) INFINITY 1.596229 40.4 反射面
ホログラム面:
2光束の定義
HV1: REA HV2 : VIR
HX1: 0.000000x10+ 00 HY1:-. 114800x10+ 03 HZ1:- .906616x10+ a 2
HX2: 0.000000 6
X 10+ 00 HY2: 0.300000 xlO+c HZ2:- .213231x10+。 7 位相係数
C2 : 6.4562x10-° 1 C3 : -7.7935x10- 0 3 C5 : -7.6999 10" - 0 3
C7 : -1.6780x10- 04 C9 : -1.0821x10" 0 4 C10 : -1.3111x10" 0 5
C12: 8.8526x10" 06 C14: 6.7304x10- 0 6 C16- -2.0346x10- 0 5
C18: -1.6415x10" 05 C20: 3.3963x10" 0 7 C21 1.2269x10- 0 5
C23: 1.0758x 10- 05 C25: 1.0457x10- 0 5 C27: -8.4145x10- 0 7
C29: 2.9982x10-° 6 C31: 3.1652x10- 0 7 C33: -1.8137x10- 0 6
C35: 2.5814 10" 08 C36: -2.0185x10" 0 6 C38- -1.7766x10- 0 6
C40: -1.1308x10- 06 C42: -1.3573x10- 0 6 C44 5.1578x10- 0 8
C46: -2.2024x10- 07 C48: 3.4870x10- 0 8 C50 3.5469x10- 0 7
C52: 7.2325x10-° C54: -1.5335x10 - 0 8 C55: 1.1275x10" 0 7
C57: 1.2705x10-° 7 C59: 2.2363x10- 0 8 C61: -5.0658x10- 0 8
C 63: -9.4917x10-° 8 C65: 1.8712x10 - 0 9 表 1中に定義された反射型 H 0 E 6を実際に作製する際に用いる露光 差替え用弒 wm)
34 光学系を設計したのと同様の方法によって、 表 8中に定義された反射型 H O E 6を実際に作製する際に用いる露光光学系を設計した。 その露光 光学系の要部の光路図を図 1 3に示す。 図 1 3において、 図 4中の要素 と同一又は対応する要素には同一符号を付し、 その重複する説明は省略 する。 なお、 本具体例において、 第 1光源の位置は、 0 4に示した位置 である。
図 1 3に示す光学系は、 反射型 H O E 6となるべき乳剤等の感光材料 が塗布された 1個のプリズム 8 1と、 図 1 3中の紙面内に曲率を持つが 紙面に垂直な断面は平面である 1枚のシリンドリカルレンズ 8 2と、 2 枚の球面レンズ 8 3 , 8 4とが、 偏心配置された構成を有している。 た だし、 球面レンズ 8 3と球面レンズ 8 4とは同軸であるので、 レンズの 偏心軸は合計 2本である。また、レンズ群のそれそれのレンズ偏心には、 シフトのみを使っており倒れ (ティルト) は使っていない。
なお、 図面には示していないが、 プリズム 8 1は、 図 4及び図 5中の プリズム 2 1と同様に、図 1中の板状部 5の一部を構成する小片 5 dと、 これを保持する保持部材と、 これらの間に充填された充填材とから構成 されている。
図 1 3に示す光学系を用いた、 反射型 H O E 6の作製時に反射型 H O E 6を露光するホログラム露光装置としては、 図 6に示すホログラム露 光装置において、 プリズム 2 1及びレンズ 2 2の代わりに、 図 1 3に示 す光学系を配置したものを使用すればよい。ただし、第 5の具体例では、 距離 R dが 1 4 6 . 2 8 m mに設定されているので、 これに応じて、 例 えばミラ一4 1 と絞り 4 2との間に凸レンズを同軸に配置する。 なお、 図 1 3中の光束 B l, B 2間の角度関係を満たすように、 図 6中の要素 4 3〜4 7の部分の位置及び角度が変更されることは、言うまでもない。
[第 1の実施の形態の第 6の具体例]
35 次に、 前記第 1の実施の形態の第 6の具体例について、 説明する。 この第 6の具体例が前記第 1の具体例と異なる所は、 前述した表 1に 示す光学的な諸量のうち、反射型 HO E 6を定義する諸量(設計値)を、 下記の表 9に示すものに置き換えた点のみである。 表 1の場合には、 H OE 6から第 1光源 (再生時に観察者の眼の側となる光源) までの距離 (空気換算距離) Rdが 2. 2 X 1 09 mmとほぼ無限遠であったのに 対し、 表 7の場合には、 距離 R dが 2 X 1 07 mmとやや短いもののや はりほぼ無限遠に設定されている。 ただし、 表 9で定義されるホログラ ム面に関する他の諸量は、 表 1で定義されるホログラム面に関する諸量 を持つ反射型 HOE 6とほぼ同等の結像性能が得られるように、 設定さ れている o
なお、 この第 6の具体例においても、 H〇 E 6から射出瞳 Pの瞳面ま での空気換算距離 P dは、 前記第 1の具体例と同じく、 14. 0 6 mm である。
(表 9)
36
面番号 (符号) 曲率半径 媒質 nd V d
3( 6) INFINITY 1.596229 40.4 反射面
ホログラム面:
2光束の定義
HV1 REA HV2 : VIR
HX1 0.000000x10+ 00 HY1: -. 154564x10+ 10 HZ1:-. 156741 X 10+ 1 0
HX2: 0.000000x 10+ 00 HY2:0. 161469x10+ 05 HZ2:-.213757xl0+o 7
位相係数
C2 : 6.9691 x 10— 01 C3 : -6.8879x10— 0 3 C5 : -4.9727 10 - 0 3
C7 4.5573x10-° 6 G9 : - 5.8581x10一 0 5 CIO: 8.2522x10- - 0 5
C12 1.0705x10" 06 C14: -2.7546x10- 0 5 C16: 1.3809x10" - 0 6
C18 8.7299x10-° 6 C20: 1.9922x10— 0 5 C21: -6.1812x10" - 0 6
C23. 2.7606x10-° 6 C25: 2.1018x10- 0 5 C27: 3.0300x10" 0 5
C29. -1.9307x10- 06 C31: -7.7454x10- 0 7 C33: -3.1438x10" - 0 6
C35. -5.5880x10— fl 6 C36: 3.3921x10一 0 7 C38: -3.0563 10" - 0 6
C40- -3.9916x10— 06 C42: -1.3029x10— 0 6 C44: -6.5609X10" - 0 6
C46. 1.1493x10- 07 C48: 6.4394x10" 0 8 C50: 1.3610x10" 0 7
C52: 3.0892x10— 07 C54: 4.2329x10- 0 7 C55: -8.0825x10" 0 9
C57: 1.2810xl0-07 C59: 2.1026x10一 0 7 C61: 2.8983x10" 0 8
C63: 2.5455x10-° 8 C65: 4.2578x10- 0 7 表 1中に定義された反射型 H 0 E 6を実際に作製する際に用いる露光 光学系を設計したのと同様の方法によって、 表 9中に定義された反射型 HOE 6を実際に作製する際に用いる露光光学系を設計した。 その露光 光学系の要部の光路図を図 14に示す。 図 14において、 図 4中の要素 と同一又は対応する要素には同一符号を付し、 その重複する説明は省略 する。 なお、 この第 6の具体例では、 距離 Rdの値は、 無限遠とみなし ても差し支えなく、 前記第 1の具体例の場合と同様に、 実際、 露光レン ズの光線追跡は平行光を入射して設計した。
図 1 4に示す光学系は、 反射型 HOE 6となるべき乳剤等の感光材料 が塗布された 1個のプリズム 9 1と、 互いに同軸の 2枚の球面レンズ 9 2, 9 3とを有している。 レンズ群が同軸であれば、 金物に組み込むと きに透過光の偏心 (フレ) を目視しながら、 フレがなくなるように支持 部となる金物で押さえることができ、 性能が格段に良くなる。 そして、 差簪 ぇ 用 紙 (規則 26,
37 金物の胴付面とレンズの外径中心軸の直角度を出しておけば、 その後の 配置が偏心していても、 角度や位置精度を簡単に出すことができる。 なお、 図面には示していないが、 プリズム 9 1は、 図 1中の板状部 5 の一部を構成する小片 5 dと同等なプリズムである。
図 14に示す光学系を用いた、 反射型 HOE 6の作製時に反射型 HO E 6を露光するホログラム露光装置としては、 図 6に示すホログラム露 光装置において、 プリズム 2 1及びレンズ 22の代わりに、 図 14に示 す光学系を配置したものを使用すればよい。なお、図 14中の光束 B 1 , B 2間の角度関係を満たすように、 図 6中の要素 43〜47の部分の位 置及び角度が変更されることは、 言うまでもない。
[第 1の実施の形態の第 1乃至第 6の具体例に基づく検討] 前述した第 1の実施の形態の第 1乃至第 6の具体例を比較すると、 3 次以上の高次の非球面位相項を持たせた HOE 6を露光する場合は、 H OE 6から第 1光源 (再生時に観察者の眼の側となる光源) までの距離 (空気換算距離) Rdが、 遠くなるほど、 露光光学系は簡単になること がわかる。
その理由は、 以下の通りだと考えることができる。
以下はいずれも観察者の眼の瞳側から光線追跡している。 また、 再生 系とは、 露光された反射型 HOEを板状部番に組み込んで、 画像表示装 置と一体となったイメージコンパ'イナの光学系のことである。 そして、 再生系の光線追跡は、 観察者が観察する虚像から画像表示装置の表示画 面へ向けて行っている。
露光系とは、 再生系で定義された反射型 H 0 Eを露光するための光学 系で、. 光線追跡は反射型 HOEの第 1光源を物点とし、 HOEを透過し た後、 露光レンズを経て第 2光源に結像するように行う。
ここで、 再生系を基に露光系の光学系を設定する際、 反射型 HOE 6
38 を透過の設定に変更するが、 このとき非球面位相項の変換作用が等しく なければならない。 そのためには位相係数を等しく受け渡すことと、 第 1光源の座標を物点としてそこから光線追跡することが必要である。 再 生系で定義した第 1光源と異なる距離から露光系を設計しても、 正しい 位相変換作用は得られない。
さて、距離 R dが遠くなるほど露光光学系の構成が簡単になる理由は、 露光系で第 1光源から H O E 6に入射して、 透過した後の光線の発散角 による。 非球面波面を持つ光線が収束している所で、 それそれの変換作 用と等価なものを構成しょうとすると、 空間的に密集した場所でそれそ れの光線に必要な位相変換作用を与えなければならない。 したがって、 レンズ枚数を多く使い少しずつ光を屈折させながら所望の補正を行わな ければならない。
一方、 非球面量としては、 同程度の非球面波面でも光束が発散してい るところでは、 それそれの成分が空間的に分離されているので、 補正し 易いのである。
そして、 露光系で H 0 E透過後の光線の発散角は第 1光源の光源距離 に依存する。
距離 R dが例えば再生系の合成焦点距離と略等しいとき、 光源の座標 から再生系の光学配置で反射型 H 0 Eとして光線追跡すると、 H 0 Eで 反射した光束は焦点近傍から出た光束であるから、 略平行となる。 露光 レンズはその略平行光を H 0 Eの反対側へ延長した光束を無収差に変換 するように設計する。 ·
次に、 距離 R dが再生系の合成焦点距離より短いときは、 第 1光源の 座標から再生系の光学配置で光線追跡したとき、 H 0 E面で反射した後 に発散光となる。 露光レンズはその発散光を H O Eの反対側へ延長した 光束を無収差に変換するので、 収束光に補正を加えて無収差で結像させ
39 なくてはならない。
光源が十分遠いときには、再生系で光源の座標から光線追跡したとき、 反射後収束光となる。 そして、 その収束光を H 0 Eの反対側へ延長した 光束を無収差に変換するので、 発散光を補正すれば良くなり、 露光レン ズ構成が簡略化できる。
第 1光源が遠ければ遠いほど発散の度合いが増し、 より空間的に分離 して補正し易くなる。
第 1光源がホログラム面に近いときは、 露光系の入射 N Aが大きくな るため露光レンズの設計難易度があがる。 光源距離が遠くなれば、 ホロ グラム面の有効径は変わらないから、 相対的に露光系の入射 N Aが小さ くなり、 露光レンズの構成をシンプル化できることになる。
以上、距離 R dが遠くなるほど露光光学系は簡単になる理由について、 考察した。
このように距離 R dが遠くなるほど露光光学系は簡単になるので、 距 離 R dを距離 P dより実質的に長くすれば、 距離 R dを距離 P dと一致 させていた前記従来の画像表示装置に比べて、 反射型 H O E 6の作製時 に用いる露光光学系が簡単となるのである。
そして、 前述した第 1の実施の形態の第 1乃至第 6の具体例の比較か ら、 距離 R dが前記距離 P dの 2倍以上にすることが、 より露光光学系 を簡単にするために好ましいことがわかる。 また、 距離 R dが距離 P d の 5倍以上にすることが、 より露光光学系を簡単にするために好ましい ことがわかる。
[第 2の実施の形態]
図 1 5は、 本発明の第 2の実施の形態である画像表示装置の構成およ びその光線 (画像表示素子 2からの光線のみ) の経路を示す図である。 図 1 5において、 図 1中の要素と同一または対応する要素には同一符号
40 を付し、 その重複する説明は省略する。 なお、 図 1 5において、 光源を 構成する L E D 3及び反射鏡 4は省略している。
本実施の形態が前記第 1の実施の形態の第 1の具体例と基本的に異な る所は、 反射型 HOE 6の露光波長が 476 n mであることと、 第 1光 源と反射型 H 0 E 6との間の距離 R dが 146 mmであることである。 本実施の形態の光学的な諸量は下記の通りである。
射出瞳 Pの径は 3 mmである。 図中紙面内上方向の視野角度は 5 ° で ある。 図中紙面内下方向の視野角度は— 5 ° である。 紙面奥行き方向の 視野角は士 6. 75° である。 図中紙面内での画面サイズ (点 A 1と点 A2との間の長さ) は 3. 6 mmである。 紙面奥行き方向の画面サイズ は 4. 8 mmである。 板状部 5の厚さ dは 3. 4mmである。 板状部 5 は、 前記第 1の実施の形態の第 1の具体例と同じ材質を用いている。 また、 本実施の形態の光線追跡のための諸量を、 下記の表 10に提示 する。 光学面の順序 (面番号の順序) は使用者の眼の瞳の面 (=ィメー ジコンバイナ 1の射出瞳 Pの面) から画像表示素子 2への順である。 (表 1 0)
41
面番号(符号) 曲率半径 媒質 nd vd
1(P) INFINITY
2(5a:R6) INFINITY 1.596229 40.4
3(6) INFINITY 1.596229 40.4 反射面
ホログラム面
2光束の定義
HV1: REA HV2 • VIR
HX1: 0.000000x10+ 00 HY1:-. 114800 xl0+c 3 HZ1:- 906616x10+ 02
HX2:0.000000 xl0+0° HY2:0.300000 xl0+c 6 HZ2:- .213231x10+ 07 位相係数
C2 6.4562x10-° 1 C3 - 7.7935x10 - 03 C5 -7.6999x10- - 03
C7 -1.6780x10" 04 C9 -1.0821x10- 04 CIO -1.3111x10" - 05
C12: 8.8526x10— 06 C14: 6.7304x10一 06 C16: -2.0346X10一 05
C18: -1.6415x10— 05 C20: 3.3963x10" 07 C21 1.2269x10- 05
G23: 1.0758x10- 05 C25: 1.0457x10- 05 C27: -8.4145x10- 07
C29: 2.9982x 10- 06 C31: 3.1652x10- 07 C33: -1.8137x10- 06
C35: 2.5814x10 -08 C36: -2.0185x10— 06 C38 -1.7766x10" 06
C40: -1.1308x10- 06 C42: -1.3573x10— 06 C44 5.1578x10- 08
C46: -2.2024x10- 0 C48: 08
0 1 U C50- Q ο · Κ otΛ,ρu,αiy Λ ΙΛ υ- 07
C52: 7.2325x10-° 7 C54: -1.5335x10" 08 C55. 1.1275X10- 07
C57: 1.2705X10-07 C59: 2.2363x10- 08 C61: - 5.0658x10一 08
C63: -9.4917x10— 08 C65: 1.8712x10- 09
4(5a:R5) INFINITY 1.596229 40.4 反射面
5(5b:R4) INFINITY 1.596229 40.4 反射面
6(5a:R3) INFINITY 1.596229 404 反射面
7(5b:R2) INFINITY 1.596229 40.4 反射面
8(5a:Rl) INFINITY 1.596229 40.4 反射面
9 (5c) INFINITY 1.596229 40.4 反射面
10(5a:R0) INFINITY
1 1 (11a) -13.83546 1.596229 40.4
12 (lib) -330.62026 1.596229 40.4 反射面
13(llc) -26.37009 1.596229 40.4
14(2) INFINITY
また、 本実施の形態における各光学面の位置関係として、 第 1面 (面 L =図 1中の符号 Ρ ) の中心を原点 (X, Y Z) = (0 0 0) とした各光学面の中心の絶対位置と X軸の周りの回転量 (反時計周りを 正として測った値) を、 下記の表 1 1に示す。 差替え用 鉞 (規則 26)
42
(表 1 1 )
面番号(符号) X座標値 Y座標値 Ζ座標値 X軸の周りの
回転角度 [degree]
KP) 0.00000 0.00000 0.00000 0.0000
2(5a:R6) 0.00000 0.00000 13.00000 0.0000
3( 6 ) 0.00000 -0.37516 14.70000 -29.3000
4(5a:R5) 0.00000 4.00000 13.00000 0.0000
5 (5b:R4) 0.00000 8.00000 16.40000 0.0000
6 (5a:R3) 0.00000 14.00000 13.00000 0.0000
7 (5b:R2) 0.00000 20.00000 16.40000 0.0000
8 (5a:Rl) 0.00000 25.00000 13.00000 0.0000
9(5c) 0.00000 28.00000 14.80000 29.0000
1 0 (5a:R0) 0.00000 30.00000 13.00000 0.0000
1 1 (11a) 0.00000 27.00000 11.80000 25.0486
1 2 (lib) 0.00000 26.90665 6.87646 67.0486
1 3(llc) 0.00000 31.282 4.22843 108.8167
14( 2 ) 0.00000 34.0048 1.41794 126.4527 本実施の形態の反射型 H O E 6の第 1光源 (再生時に観察者の眼の側 となる光源) は、
HX1-0, HYi:-.114800 X 10+ 0 3 , ΗΖ1:-·906616 X 10+ 02より、 図 2の y z座標の第 3象現で、 H 0 E面の原点からの距離 1 4 6 mmである。 そして、 H O E 6の 2光源は空気中に定義されるため、 再生時の HO E 6が媒質中にある場合は、 距離を屈折率換算して比較する。 本実施の 形態では、 H O E 6から第 1光源までの距離 (空気換算距離) R dは、 1 4 6 mmである。 一方、 H〇 E 6の面は射出瞳 Pの瞳面から 1 4. 7 mmの距離であるが、 このうち 1. 7 mmは屈折率約 1 . 6の媒質中で あるので、 空気換算長は 1. 0 6 mmとなり、 H O E 6から射出瞳 Pの 瞳面までの空気換算距離 P dは 1 4. 0 6 mmとなる。
ここで、 実際の H O E 6が表 1 0中に定義された設計値をそのまま持 つと仮定した場合の、 本実施の形態である画像表示装置の光学系の結像 性能を表すための横収差図を、 図 1 6に示す。 中心波長 4 6 l nm並び にこれに対する士 1 0 nmの 4 7 1 nm及び 4 5 1 nmに関する横収差
差替え用紙(規則 26)
43 を一つの図に同時に示してある。 図 1 6から、 H 0 E 6が設計値通りの 特性を持つ場合、 画角内全域に渡り横色収差が少なく、 結像性能が優れ ていることがわかる。
前記第 1の実施の形態の第 1の具体例に関して表 1中に定義された反 射型 H O E 6を実際に作製する際に用いる露光光学系を設計したのと同 様の方法によって、 表 1 0中に定義された反射型 H O E 6を実際に作製 する際に用いる露光光学系を設計した。 その露光光学系の要部の光路図 を図 1 7に示す。 図 1 7において、 図 4中の要素と同一又は対応する要 素には同一符号を付し、 その重複する説明は省略する。 なお、 本具体例 において、 第 1光源の位置は、 0 5に示した位置である。
図 1 7に示す光学系は、 反射型 H O E 6となるべき乳剤等の感光材料 が塗布された 1個のプリズム 1 0 1 と、 図 1 7中の紙面内に曲率を持つ が紙面に垂直な断面は平面である 1枚のシリンドリカルレンズ 1 0 2と、 2枚の球面レンズ 1 0 3, 1 0 4とが、 偏心配置された構成を有してい る。ただし、球面レンズ 1 0 3と球面レンズ 1 0 4とは同軸であるので、 レンズの偏心軸は合計 2本である。 また、 レンズ群のそれそれのレンズ 偏心には、 シフ トのみを使っており倒れ (ティルト) は使っていない。 このように、 図 1 7に示す光学系は、 比較的簡単な構成となっている。 なお、 図面には示していないが、 プリズム 1 0 1は、 図 4及び図 5中 のプリズム 2 1と同様に、 図 1中の板状部 5の一部を構成する小片 5 d と、 これを保持する保持部材と、 これらの間に充填された充填材とから 構成されている。
図 1 7に示す光学系を用いた、 反射型 H O E 6の作製時に反射型 H〇 E 6を露光するホログラム露光装置としては、 図 6に示すホログラム露 光装置において、 プリズム 2 1及びレンズ 2 2の代わりに、 図 1 7に示 す光学系を配置したものを使用すればよい。ただし、本実施の形態では、
44 距離 R dが 1 4 6 m mに設定されているので、 これに応じて、 例えばミ ラ一 4 1と絞り 4 2との間に凸レンズを同軸に配置する。 なお、 図 1 7 中の光束 B l , B 2間の角度関係を満たすように、 図 6中の要素 4 3〜 4 7の部分の位置及び角度が変更されることは、 言うまでもない。
ここで、 図 1 7に示す光学系の光線追跡のための諸量を、 下記の表 1 2に提示する。 光学面の順序 (面番号の順序) は第 1光源 (=イメージ コンパ'イナ 1の射出瞳 P側の光源) から第 2光源への順である。
表 1 2において、 面番号 1の符号 S 1は第 1光源を示している。 面番 号 3のホログラム面の諸係数は前記表 1 0と同じである。 入射瞳径は、 ホログラム面の有効径を満たす径が必要で、 ここでは 6 . 2である。 光線追跡のための波長は、 露光波長の 4 7 6 n mである。
(表 1 2 )
45
また、 図 1 7に示す光学系における各光学面の位置関係として、 第 3 面 (面番号 3 =図 1 7中の符号 6、 ホログラム面) の中心を原点 (X, Υ, Ζ) = (0 0, 0) とした各光学面の中心の絶対位置と X軸の周 りの回転量(反時計周りを正として測った値)を、下記の表 13に示す。 (表 1 3) 差替え用紙(規則 26)
46 面番号(符号) X座標値 Y座標値 Ζ座標値 X軸の周りの
回転角度 [degree]
2(P) 0.00000 -7.84782 -6.19772 51.7005
3(6 ) 0.00000 0.00000 0.00000 0.0000
4 (101b) 0.00000 -6.81808 12.00000 -50.0000
5 (102a 0.00000 -17.64076 63.57146 -14.6593
6 (102b) 0.00000 -20.6776 75.18083 -14.6593
7 (103a) 0.00000 -30.39783 106.67695 -14.6593
8 (103b) 0.00000 -33.43468 118.28632 -14.6593
9 (104a) 0.00000 -51.1291 185.92939 -14.6593
10 (104b) 0.00000 -54.4648 198.68124 -14.6593
この図 1 7に示す光学系の光線軌跡による射出瞳面 (すなわち、 図 1 7中の面 2 3 ) 上での波面収差図を、 図 18に示す。 図 18からわかる ように、 1 1\ 3で0. 3えと非常によく補正されている。
次に、 以上説明した図 17に示す光学系を含む前記ホログラム露光装 置によって露光される反射型 Η 0 Ε 6の性能を見極める。このためには、 本実施の形態である画像表示装置の光学系において、 表 10中に定義さ れた設計値を持つ設計上の反射型 Η 0 Ε 6に代えて、 図 17に示す光学 系を含む前記ホログラム露光装置によって露光される反射型 ΗΟΕ 6を 組み込んだ場合の、 当該画像表示装置の光学系の光学性能を、 表 10中 に定義された設計値をそのまま持つ反射型 ΗΟΕ 6をそのまま組み込ん だと仮定した場合の、 当該画像表示装置の光学系の光学性能と、 比較す る必要がある。
そのためには、 図 1 7に示す光学系の残存収差が完璧に RMSで 0入 になるように、 Η 0 Ε 6の位相関数を変数にして最適化し、その係数を、 表 10に示す画像表示装置の光学系のレンズデータに貼り付けて性能を 評価すればよい。 この方法でシミュレーションした露光後の Η 0 Ε 6を 組み込んだ画像表示装置の光学系の横収差図を図 1 9に示し、 当該光学 系のディス ト一シヨン (画像表示素子 2の表示部の面上でのディスト一
差替 え用紙 (規則 26)
47 シヨン) を図 2 0に示す。
図 1 9に示す横収差は、 図 1 6に示す横収差とほぼ同等の良好な結果 となっている。 また、 両者のディス トーションもほとんど同等である。 このように、 図 1 7に示す光学系を用いて露光される反射型 H 0 E 6の 性能は、表 1に定義された設計上の反射型 H 0 E 6の性能と同等となり、 良好である。
以上、本発明の各実施の形態及びそれらの具体例について説明したが、 本発明はこれらの実施の形態や具体例に限定されるものではない。
例えば、 前述した各実施の形態は、 本発明であるイメージコンパイナ を用いて頭部装着式の画像表示装置を構成した例であつたが、 前述した 各実施の形態で採用されていた各イメージコンバイナ 1は、 カメラのフ アインダーや顕微鏡及び双眼鏡の接眼レンズ部に装着し得るように構成 したり、 あるいは、 当該イメージコンパ'イナをカメラや顕微鏡や双眼鏡 等に組み込んでもよい。
また、 前述した各実施の形態は、 本発明をシースルー型の頭部装着式 画像表示装置に適用した例であつたが、 本発明は、 シースルー型ではな い画像表示装置に適用することもできる。 この場合、 前述した各実施の 形態である画像表示装置において、 外界からの光がィメ一ジコンパイナ 1に入射しないように構成すればよい。 この場合、 イメージコンパイナ 1の部分は、 2つの像を重ね合わせるものではないので、 イメージコン バイナとは言えず、 画像表示素子 2からの光を使用者の眼に導く導光部 となる。この場合、イメージコンパイナ 1における板状部の下側部分(H O E 6から下側の部分) を除去してもよい。 このようなシ一スルー型で ない画像表示装置は、 例えば、 特開 2 0 0 1— 2 6 4 6 8 2号の場合と 同様に携帯電話機のフリッパ一部に内蔵することができる。