WO2004013677A1 - イメージコンバイナ及び画像表示装置 - Google Patents

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WO2004013677A1
WO2004013677A1 PCT/JP2003/009429 JP0309429W WO2004013677A1 WO 2004013677 A1 WO2004013677 A1 WO 2004013677A1 JP 0309429 W JP0309429 W JP 0309429W WO 2004013677 A1 WO2004013677 A1 WO 2004013677A1
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WO
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distance
light
hologram
image display
image
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Application number
PCT/JP2003/009429
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English (en)
French (fr)
Inventor
Yumiko Ouchi
Kenji Hori
Original Assignee
Nikon Corporation
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    • G02—OPTICS
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    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
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    • G02B27/14—Beam splitting or combining systems operating by reflection only
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    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G02B2027/0174—Head mounted characterised by optical features holographic

Definitions

  • the present invention relates to an image combiner that allows a user to view an image formed by light from the front such as the outside world and a display image superimposed on the image, and a head-mounted image display device using the image combiner. is there. Background art
  • a head-mounted image display device of the so-called “through-through” type which allows the user to see the display image superimposed on the external world while observing the outside world (Head mount display)
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-3502 689 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-26664, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-1989, Is known.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-2646482 discloses not only a see-through type head mounted image display device but also a see-through type while having substantially the same configuration as that.
  • An image display device that does not use (that is, guides only light from the image display device to the user's eyes without superimposing other light such as from the outside on the light from the image display device) is also disclosed. There is also disclosed an example in which a display device is incorporated in a part of a flipper of a mobile phone.
  • the size and weight are reduced by using a reflection hologram optical element (the hologram optical element may be abbreviated as “HOE” in this specification).
  • the reflection hologram optical element has excellent wavelength selectivity and can selectively diffract and reflect only light in an extremely limited wavelength region. Therefore, when constructing a see-through type image display device, the reflection type The loss of the amount of light transmitted from the outside or the like due to the program optical element can be significantly reduced.
  • the exit pupil of the image complier is formed so as to substantially match the pupil of the user's eye in use, and the reflection hologram optical element is used as the reflection hologram optical element.
  • a reflection-type hologram optical element manufactured by aligning the position of one of the two light sources (reference light source) for exposing at the time of fabrication with the exit pupil of the image combiner is used (see Japanese Patent Application Laid-Open Paragraph No. 25 of Japanese Patent Publication No. 200-350—Japanese Patent Publication No. 200, paragraph No. 37 of Japanese Patent Laid-Open No. 200-26664, Japanese Patent Publication No. 2000-200 No. 89, paragraph number 27).
  • the reflection hologram optical element is manufactured by causing two coherent light beams to interfere with each other and recording the interference fringes on an emulsion or the like. Then, when reproduction illumination light is incident at the same wavelength from one of the light source positions of the two light beams, the recorded interference fringes undergo a diffraction effect like a diffraction grating, and a wavefront equivalent to the other incident light is generated. Because
  • the reflection-type hologram optical element has a free-form surface phase conversion
  • a reflection-type hologram optical element with a third-order or higher phase conversion function that depends on the position on the hologram surface is used for an image complier, all other surfaces are flat. Even if it is composed of a spherical surface or the like, an image with good image quality in which various aberrations are corrected can be obtained.
  • the reflection type hologram optical element used in the image combiner described in each of the above-mentioned publications has a third-order or higher-order phase conversion function depending on the position on the hologram surface.
  • CGH Computer Generated Hologram
  • aspherical lens there are methods to create a wavefront using Computer Generated Hologram (CGH) and methods using an aspherical lens.However, in the case of CGH, the order of the aspherical phase term is limited due to the quantization error. In the case of an aspherical lens, there are some disadvantages, such as simple design but a compromise must be made in terms of accuracy when actually making it. It is the actual situation to design with.
  • FIG. 21 shows a hologram exposure optical system described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-121899.
  • the main exposure lens that composes this exposure optical system is composed of five spherical lenses, and has a very complicated arrangement with four types of axes. Note that the position of the first light source (the light source that is on the side of the observer's eye during reproduction) in FIG. 21 almost coincides with the position of the exit pupil of the image compiler.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and it is possible to simplify the exposure optical system when exposing a hologram while reducing the size and weight by using a reflection type hologram optical element. It is an object of the present invention to provide an image combiner and an image display device using the same, which can be easily manufactured and can obtain desired optical characteristics with high accuracy. As a result of the research conducted by the present inventors, in the conventional image display apparatus, the exposure optical system used for manufacturing the reflection hologram optical element becomes extremely complicated. The reason is that the reference light source defining the reflection hologram optical element.
  • the reference light source Since the position of (the light source that is on the observer's eye side during reproduction) almost matches the position of the exit pupil of the image combiner, it can be said that the reference light source is close to the reflection hologram optical element. found. The more the reference light source that defines the reflection hologram optical element is located farther from the reflection hologram optical element, the simpler the exposure optical system used when manufacturing the reflection hologram optical element becomes. There was found. This point will be described later in detail in an embodiment.
  • the distance between the reference light source defining the reflective hologram optical element and the hologram surface of the reflective hologram optical element (however, the distance converted into the air) is Rd
  • the exit pupil of the image compina and the hologram Assuming that the distance from the surface (the distance converted into the air) is Pd, if the distance Rd is substantially longer than the distance Pd, that is, the reflection type optical gram optical element If the position of the reference light source defining the position is different from the position of the exit pupil of the image combiner, Therefore, the exposure optical system used in the production of the reflection type hologram optical element is simplified, and as a result, it can be easily manufactured and has desired optical characteristics such as a high-performance image-forming action with various aberrations corrected.
  • the distance R d be at least twice the distance P d in order to obtain an accurate optical image, and in particular to simplify the exposure optical system.
  • the distance Rd is preferably 100 mm or more.
  • the image complier according to the first invention is an image complier provided with a reflection type hologram optical element and superimposing light from an image display means and light transmitted through the main body, wherein the reflection type hologram optical element Has a third-order or higher phase conversion action depending on the position on the hologram surface, and has the side of the observer's eye during reproduction of two light sources for exposing the reflective hologram optical element at the time of its production.
  • the distance between the light source and the hologram surface of the reflective hologram element (the distance converted into air) is R d, and the exit pupil of the image combiner and the hologram surface of the reflective hologram optical element
  • the distance Rd is substantially longer than the distance Pd, where Pd is the distance between the distances (however, the distance converted into the air). It is.
  • the image complier wherein the distance R d is at least twice the distance P d.
  • An image comparator according to a third invention is the image invention according to the first invention or the second invention, wherein the distance R d is equal to or greater than 10 O mm.
  • An image display device includes: an image complier according to any one of the first to third aspects; and the image display means. At the time of use, at least a portion including the image comparator is attached to a user.
  • An image display device is an image display device comprising: an image display unit; and a light guide unit that guides light from the image display unit to a user's eye, wherein the light guide unit is a reflective device.
  • a reflective hologram optical element wherein the reflective hologram optical element has a third-order or higher phase conversion action depending on a position on the hologram surface, and is used for exposing the reflective hologram optical element during its production.
  • the distance between the light source on the observer's eye side during reproduction of the two light sources and the hologram surface of the reflective hologram element (however, the distance converted into the air) is Rd
  • the distance between the exit pupil of the inner member and the hologram surface of the reflection type hologram optical element (however, the distance converted into air) is Pd
  • the distance Rd is substantially larger than the distance Pd. Long It is an feature.
  • An image display device is the image display device according to the fifth invention, wherein the distance Rd is at least twice the distance Pd.
  • An image display device is the image display device according to the fifth or sixth aspect, wherein the distance Rd is 100 mm or more.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an image display device according to a first embodiment of the present invention and a schematic path of light rays.
  • FIG. 2 is a diagram showing a coordinate system of two light sources that define a hologram.
  • FIG. 3 is a lateral aberration diagram based on design values of an image display device which is a first specific example of the first embodiment of the present invention.
  • (b) has an angle of view of (X, Y) 2 (-3.33 °, 2.50 ° :), and
  • the left figure shows the Y-direction transverse aberration
  • the right figure shows the X-direction transverse aberration.
  • the solid line is for light at a wavelength of 521.36 nm
  • the broken line is for light at a wavelength
  • FIG. 4 is an optical path diagram showing a main part of an exposure optical system for exposing a reflection hologram optical element in an image display device according to a first specific example of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an enlarged view of a prism in the optical system shown in FIG.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing an example of a hologram exposure apparatus using the optical system shown in FIG.
  • FIG. 7 is a residual wavefront aberration diagram of the optical system shown in FIG.
  • FIG. 8 is a side view of an image display device as a first specific example of the first embodiment of the present invention when a reflective hologram optical element exposed using the optical system shown in FIG. 4 is incorporated. It is an aberration figure.
  • (c) Angle of view is (X, Y) two (0.00 °, 0.00.)
  • the figure on the left shows lateral aberration in the Y direction
  • the figure on the right shows lateral aberration in the X direction.
  • the solid line is for light of wavelength 521.36 nm
  • the broken line is for light of wavelength 531.36 nm
  • the dashed line is for light of wavelength 511.36 nm.
  • the vertical axis is 0.0250 at the upper end and -0.250 at the lower end, as in Fig. 3.
  • FIG. 9 is a diagram showing a first example of the image display apparatus according to the first embodiment of the present invention, in which the original design values are used and the reflection is obtained by exposure using the optical system shown in FIG.
  • FIG. 6 is a diagram showing a comparison with a distortion when a hologram optical element is incorporated.
  • the broken line indicates the size of the image element.
  • the line connecting the black circles shows the design value of the reproducing system, and the line connecting the mouth shows the value of the reproducing system using H 0 E after exposure.
  • FIG. 10 is an optical path diagram showing a main part of an exposure optical system for exposing a reflection hologram optical element in an image display device according to a second specific example of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is an optical path diagram showing a main part of an exposure optical system for exposing a reflection hologram optical element in an image display device according to a third specific example of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is an optical path diagram showing a main part of an exposure optical system for exposing a reflection hologram optical element in an image display device according to a fourth example of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is an optical path diagram showing a main part of an exposure optical system for exposing a reflection hologram optical element in an image display device according to a fifth specific example of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is an optical path diagram showing a main part of an exposure optical system for exposing a reflective hologram optical element in an image display device according to a sixth specific example of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration of an image display device according to a second embodiment of the present invention and schematic paths of light rays.
  • FIG. 16 is a lateral aberration diagram based on design values of the image display device according to the second embodiment of the present invention.
  • (c) has Angle of view is (X, Y) 2 (0.00 °, 0.00 °),
  • the figure on the left shows lateral aberration in the Y direction, and the figure on the right shows lateral aberration in the X direction.
  • the solid line represents the wavelength 461.259Nm N dashed line wavelength 471.259Nm, dashed line wavelength 451.259nm light It is about.
  • the vertical axis is 0.0250 at the upper end and -0.250 at the lower end, as in Fig. 3.
  • FIG. 17 is an optical path diagram showing a main part of an exposure optical system for exposing a reflective hologram optical element in an image display device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a residual wavefront aberration diagram of the optical system shown in FIG.
  • FIG. 19 is a lateral aberration diagram of the image display device according to the second embodiment of the present invention when a reflection hologram optical element exposed using the optical system shown in FIG. 17 is incorporated.
  • Angle is (X, Y) (0.00 °, 0.00 °),
  • the left figure shows the Y-direction transverse aberration
  • the right figure shows the X-direction transverse aberration.
  • the solid line is for light at 461.259 nm
  • the dashed line is for light at 471.259 nm
  • the dashed line is for light at 451.259 nm.
  • the vertical axis is 0.0250 at the upper end and -0.250 at the lower end, as in Fig. 3.
  • FIG. 20 shows a reflection type hologram optical system which is exposed by using the optical system shown in FIG. 17 and the original design values of the image display device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram showing a comparison with a distortion when an element is incorporated. The dashed line indicates the size of the image element, the line connecting the black circles indicates the design value of the reproduction system, and the line connecting the mouth indicates the value of the reproduction system using H 0 E after exposure. .
  • FIG. 21 is a view showing an exposure optical system for exposing a reflection type hologram optical element of a conventional image display device.
  • BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION an image combiner and an image display device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an image display device according to a first embodiment of the present invention and schematic paths of light rays (only light rays from the image display element 2).
  • an X axis, a Y axis, and a Z axis that are orthogonal to each other are defined. That is, the left-right direction in the plane of FIG. 1 is defined as the Z axis, and the direction in which the Z coordinate value increases is defined as the right.
  • the vertical direction in the plane of FIG. 1 is defined as the Y axis, and the direction in which the Y coordinate value increases is defined as upward.
  • the direction perpendicular to the paper of FIG. 1 is defined as the X axis, and the right-handed system, that is, the direction from the paper of FIG. 1 to the back is defined as the direction in which the X coordinate value increases.
  • the Y-axis direction may coincide with the actual horizontal direction, or may be any other appropriate direction.
  • the image display device includes an image complier 1 and an image display element 2.
  • a transmissive LCD is used as the image display element 2.
  • the image display element 2 is irradiated with light from a light source including a LED 3 and a reflecting mirror 4 such as a parabolic mirror from behind, and spatially modulates the light from the light source to transmit light representing a display image.
  • a light source including a LED 3 and a reflecting mirror 4 such as a parabolic mirror from behind
  • spatially modulates the light from the light source to transmit light representing a display image.
  • another element such as a reflection type LCD or a self-luminous element such as an organic EL element may be used as the image display element 2.
  • the image complier 1 is composed of a plate-shaped portion 5 made of an optical material such as glass or plastic and formed into a parallel plate, and a plate-shaped portion 5 made of an optical material made of glass or plastic and the like.
  • a light guide section 11 and a light guide section are provided.
  • the plate-shaped portion 5 is not limited to a parallel flat plate, and may have, for example, optical power for correcting vision of a user. In that case, an example For example, at least one of the two surfaces 5a and 5b in the Z-axis direction of the plate portion 5 is formed of a curved surface. These points are the same for each embodiment described later.
  • the plate-like portion 5 also extends downward in FIG. 1, its illustration is omitted.
  • the light guide section 11 is formed in a substantially triangular prism shape, and includes an incident surface 11 c formed of a curved surface on which light from the image display element 2 is incident, and a plane totally reflecting light incident from the incident surface 11 c.
  • An emission surface 1 la composed of a curved surface that emits light reflected by the reflection surface 11 b and enters the surface 5 a of the plate-shaped portion 5 near the upper portion in FIG. have.
  • the plate-like portion 5 is mounted on the user's head via a support member (not shown) such as a frame, like a spectacle lens, and is positioned in front of the user's eyes (not shown). I do.
  • a support member such as a frame, like a spectacle lens
  • P0 indicates a center of the center P of the exit pupil.
  • the image comparator 1 is attached to the user such that the exit pupil P substantially matches the pupil of the user's eye. Therefore, the center P 0 of the exit pupil P substantially coincides with the center of the pupil of the user's eye.
  • the Z-axis direction coincides with the thickness direction of the plate portion 5.
  • the eye-side surface 5a and the opposite surface 5b of the plate-like portion 5 are parallel to the XY plane.
  • the LED 3, the reflecting mirror 4, the image display element 2, and the light guide 11 are also supported by the support member.
  • the image display element 2 does not hinder the user from observing the outside world, and also prevents the user from wearing the image display device with the plate-like portion 5 as shown in FIG. It is located diagonally to the upper left in the paper.
  • the image display element 2 may be arranged at another appropriate place and the display image may be guided to the position of the image display element 2 in FIG. 1 by the relay optical system, or the position may be guided by the scan optical system.
  • the aerial image may be formed at the same time. This applies to each of the embodiments described later.
  • points A 1 and A 2 indicate the positions of both ends of the display unit of the image display element 2 in the drawing sheet.
  • the point AO indicates the center of the display.
  • the image combiner 1 transmits through the plate-like portion 5 so as to pass through the thickness d of the plate-like portion 5 from the front of the plate-like portion 5 (that is, to enter from the surface 5b and exit from the surface 5a).
  • the light from the image display element 2 is superimposed on light (hereinafter, referred to as “external light”), and the light is guided to the user's eyes.
  • a reflection type hologram optical element (reflection type H ⁇ E) 6 is provided inside the plate portion 5 near the position facing the user's eye in the plate portion 5.
  • the reflective HOE 6 is inclined clockwise by a predetermined angle with respect to the surfaces 5a and 5b.
  • a reflection surface (mirror) 5c is provided inside the plate portion 5 near the position facing the surface 11a of the light guide portion 11 in the plate portion 5.
  • the reflecting surface 5c is inclined at a predetermined angle counterclockwise with respect to the surfaces 5a and 5b, as shown in FIG.
  • the plate-like portion 15 obliquely above the reflection surface 5c in FIG. 1 may be cut off because light from the image display element 2 does not pass through. In this case, the reflection surface 5c is provided on the surface of the plate portion 5.
  • a small piece of the same material as the plate portion 5 (a small portion on the right side of the reflection type H 0 E 6 in the plate portion 5 in FIG. 1) 5 d is used as a base material, and a reflection type The HOE 6 is manufactured, and then the small pieces 5 d are arranged in a mold for forming the plate portion 5, poured into the mold in a state where the material of the plate portion 5 is melted, and then solidified.
  • the reflection type HOE 6 is provided inside the plate portion 5.
  • the method of providing the reflective HOE 6 inside the plate portion 5 is not limited to this.
  • the wavelength of the light from the image display element 2 has a wavelength width including the wavelength of the diffraction efficiency peak of the reflection type HOE 6, and a maximum part of the wavelength width is substantially equal to the wavelength of the diffraction efficiency peak.
  • the reflection type HOE 6 reflects light from the image display device 2.
  • the reflection type HOE 6 transmits external light (not shown) without being deflected. It is preferable to use a reflection type HOE 6 having high wavelength selectivity so as not to hinder external light as much as possible. If a reflective HO E 6 is used that has selectivity for each of three wavelengths in a narrow wavelength range representing each color of R, G, and B, the display image seen by the user can be colored. It is possible.
  • the reflective HOE 6 has the property of reflecting light from the image display element 2 in the direction of the viewer's pupil, and also has an imaging action in which various aberrations are corrected. In addition, it has a third-order or higher phase conversion action that depends on the position on the hologram surface.
  • the reflection-type HOE 6 may be a flat one or a curved one. When a curved surface is used as the reflective HO E 6, if the curved surface is arranged so that the center of curvature is on the user's eye side, the image generated by the reflective HO E 6 when the angle of view is large. This is preferable because the amount of aberration variation due to the angle is small.
  • Holographic photosensitive materials for constructing the reflective HOE 6 include, for example, photopolymers, photoresists, photochromics, photodie chromics, silver salt emulsions, dichromated gelatin, dichromated gelatin, and plastics. , Ferroelectrics, magneto-optical materials, electro-optical materials, amorphous semiconductors, photorefractive materials, and the like are used. Then, as will be described later, for example, by irradiating the light from the two light sources to the material at the same time with a hologram exposure apparatus as shown in FIG. 6, a reflective HOE 6 can be produced.
  • Light passing through an arbitrary point on the display unit of image display element 2 (light of display image) Is incident on the light guide 11 from the entrance surface 11 c of the light guide 11, is totally reflected by the reflection surface 11 b of the light guide 11, and exits 11 1 of the light guide 11.
  • the light that has entered the plate portion 5 from the region R 0 is reflected by the reflection surface 5 c, and then enters the region R 1 of the surface 5 a of the plate portion 5 at an incident angle larger than the critical angle, and the region R 1 for all reflections.
  • This light is incident on the region R2 of the surface 5b of the plate-shaped portion 5 at an incident angle larger than the critical angle, and is totally reflected in the region R2.
  • This light further enters the region R3 of the surface 5a of the plate-shaped portion 5 at an incident angle larger than the critical angle, and is totally reflected in the region R3.
  • This light further enters the region R4 of the surface 5b of the plate-shaped portion 5 at an incident angle larger than the critical angle, and is totally reflected in the region R4.
  • This light further enters the region R5 of the surface 5a of the plate-shaped portion 5 at an incident angle larger than the critical angle, is totally reflected in the region R5, and then enters the reflective HOE 6.
  • this light is subjected to reflection and diffraction by the reflection type HOE 6, and an imaging effect by a third or higher order phase conversion depending on its position on the hologram surface. Thereafter, this light is emitted from the region R 6 on the surface 5 a of the plate portion 5 to the outside of the plate portion 5.
  • the light emitted from the same place of the image display element 2 is infinite or a predetermined distance from the exit pupil P (in a specific example described later, this distance is lm. This distance is also a specific example of another embodiment described later).
  • the light enters the pupil of the user's eye placed at the exit pupil P so as to form an enlarged virtual image.
  • the light that is emitted from the image display element 2 and reaches the user's eyes after being diffracted and reflected by the reflective HE6 depends on the emission spectrum characteristics of the LED 3 and the wavelength selectivity of the reflective HOE 6.
  • a plurality of discrete individual components are used. It has a wavelength region component.
  • the reflection type HOE 6 is used as the reflection type HOE 6.
  • a light source which is on the observer's eye side during reproduction, of two light sources for exposing E6 corresponding to the one wavelength region or one individual wavelength region of the plurality of individual wavelength regions at the time of its production.
  • R d the distance between the hologram surface of the reflection type H 0 E 6 (the distance converted into the air)
  • R d the distance between the exit pupil of the image combiner and the hologram surface of the reflection type hologram optical element
  • Pd the distance between them (however, the distance converted into the air) is Pd
  • a reflection-type HOE in which the distance Rd is set to be substantially longer than the distance Pd is used.
  • the distance Rd is at least twice the distance: Pd. Further, it is preferable that the distance Rd is 100 mm or more.
  • the distance R d is not necessarily limited to the distance between the actual light source and the distance of the hologram surface.For example, when the optical system is disposed between the real light source and the hologram surface, the light source The distance is equivalent to the distance from the conjugate position to the hologram plane. In the case where a pseudo secondary light source is formed from the light source by a condenser lens, a space filter, or the like, the distance is equivalent to the distance from the secondary light source to the hologram surface. This will be a matter of common knowledge for those skilled in the art.
  • the exposure optical system used for manufacturing the reflection type hologram optical element is simpler than that of the conventional image display device, and, as a result, easy. In addition to this, it is possible to accurately obtain desired optical characteristics such as a high-performance imaging operation in which various aberrations are corrected. This point will be described later in connection with a study on first to sixth specific examples described later in the present embodiment.
  • the path of a light beam emitted from the center AO of the display unit of the image display element 2 and passing through the center P0 of the exit pupil P is defined as the optical axis of the entire optical device.
  • the optical axis is not a single straight line but has a shape formed by connecting mutually inclined line segments.
  • optical quantities of the first specific example are as follows.
  • the diameter of the exit pupil P is 3 mm.
  • the viewing angle in the upward direction in the drawing is 5 °.
  • the viewing angle in the downward direction in the drawing is -5 °.
  • the viewing angle in the depth direction of the paper is ⁇ 6.75 °.
  • the screen size (the length between points A1 and A2) in the paper in the figure is 3.6 mm.
  • the screen size in the depth direction of the paper is 4.8 mm.
  • the thickness d of the plate portion 5 is 3.4 mm.
  • the wavelength used is a wavelength range of about 480 nm to about 540 nm.
  • H O E 6 can be defined by indicating the optical conditions of the two light beams.
  • the coordinates of the first point light source (H V 1) be (HX 1, H Y 1, H Z 1) and the coordinates of the second point light source be (HX 2, HY 2, H Z 2).
  • the origin is the point where the HOE plane intersects with the optical axis
  • the Z axis is in the optical axis direction
  • the Y axis is on the paper in the H ⁇ E plane
  • the X axis is the depth direction of the paper. This is different from the coordinates defined in connection with Figure 1.
  • the emulsion for recording the hologram has a thickness of 20, a refractive index of 1.493, and a refractive index modulation of 0.03. It is assumed that the exposure wavelength is 532 nm and the shrinkage of the emulsion is 2%. Since the wavelength variation of the reproduction light due to shrinkage is proportional, the wavelength is also reduced by 2%, and the center wavelength of reproduction is 51.3.36. nm.
  • the surface of H 0 E 6 is the direction whose center is 1.7 mm to the right from the surface 5 a along the Z axis in FIG. 1 and rotated 29.3 ° clockwise on the paper from the same direction as the Y axis. Is a plane.
  • HOE 6 has a phase function component corresponding to a third-order or higher-order phase conversion operation that depends on its position on the hologram surface in order to optimize the imaging performance.
  • phase function defines an aspherical phase conversion amount other than that defined by each of two pure point light sources of HOE 6, and in the optical design program code V, It can be specified using the polynomial coefficients of the X, Y, and Y axis components.
  • Table 1 below shows various quantities for ray tracing in the first specific example.
  • the order of the optical surfaces is from the pupil plane of the user's eye (the plane of the exit pupil P of the image complier 1) to the image display element 2.
  • reference numerals in FIG. 1 corresponding to the respective surface numbers are shown as “signs” in parentheses. This is the same for the tables described later.
  • HV1 REA HV2: VIR
  • HX1 0.000000x10 + 00 HY1:-. 173228 X 10 + 10 HZ1:-. 135831x10
  • HX2 0.000000 X 10+ 00 HY2: 0.300000 xl0 + os HZ2: -.213231X10
  • the first light source of HOE 6 in this example (the light source that is on the observer's eye side during reproduction) is
  • HX1 0, HYl: 0.214385 X 10 + 08, ⁇ 1: from 0 ⁇ 155769 X 10+ 08, in the third quadrant of the yz coordinates of FIG. 2, the distance from the origin of the HOE surface 2. 2 x 10 g Confuse.
  • the distance from the HOE 6 to the first light source (air conversion distance): d is 2. a 2 x 1 0 9 mm, is approximately infinity.
  • the plane of H 0 E 6 is at a distance of 14.7 mm from the pupil plane of the exit pupil P. Of these, 1. ⁇ mm is in a medium with a refractive index of about 1.6, so the air equivalent length is The air-equivalent distance P d from H 0 E 6 to the pupil plane of the exit pupil P is 14.06 mm.
  • the lateral aberration diagram for representing the imaging performance of the optical system of the image display device according to this specific example is shown. Is shown in FIG.
  • the lateral aberrations for the central wavelength 52.36 nm and the corresponding ⁇ 10 nm for 53.36 nm and 51.36 nm are simultaneously shown in one figure. From Fig. 3, it can be seen that when HOE 6 has the characteristics as designed, the lateral chromatic aberration is small over the entire field of view and the imaging performance is excellent.
  • FIG. 4 shows the optical path diagram of the main part of the exposure optical system.
  • FIG. 5 is an enlarged view of the prism 21 in the optical system shown in FIG.
  • FIG. 6 shows a schematic configuration diagram of an example of a hologram exposure apparatus that exposes the reflective HOE 6 at the time of manufacturing the reflective HOE 6 using the optical system shown in FIG. 21
  • the optical system shown in Fig. 4 basically corresponds to the exposure lens shown in Fig. 21, but is composed of one prism 21 and a single spherical lens 22 Has been.
  • the prism 21 has a small piece 5d constituting a part of the plate-like portion 5 in FIG. 1 and a small piece 5d having the same refractive index as the small piece 5d.
  • a reflection type HOE 6 (strictly speaking, a photosensitive material layer for forming the reflection type H 0 E 6) is formed.
  • the small piece 5 d on which the reflective HOE 6 is formed is removed from the holding member 24 so that the reflective HOE 6 can be provided inside the plate portion 5 by the method described above. ing.
  • the exit pupil P is arranged at a position obtained by converting the exit pupil P in FIG. 1 into an air based on the position of H0E6.
  • B 1 is an exposure light beam (reference light) from the first light source (light source on the exit pupil P side) during exposure of the reflective HOE 6
  • B 2 is an exposure light beam (object) from the second light source.
  • a parallel light beam (plane wave) for forming light is shown.
  • the optical system shown in FIG. 4 is an afocal optical system.
  • 22 a is a surface of the spherical lens 22 on the side of the prism
  • 22 b is a surface of the spherical lens 22 on the side of the second light source.
  • the laser light source 31 enters the beam expander / beam shaping unit 33 when the shutter 32 for controlling the exposure time is open.
  • the unit 33 includes a lens 34 for condensing incident light at a converging point, a binhole 35 disposed at the converging point, and a collimator for collimating light passing through the binhole 35. Overnight It has 22 lenses 36 and has both a function as a spatial filter to cut noise light and a function as a beam expander to enlarge the beam diameter.
  • the parallel light flux from the unit 33 is rotated by the half-wavelength plate 37, only a predetermined polarization component of the parallel light flux passes through the polarization beam splitter 38.
  • the half-wave plate 37 can be appropriately rotated, and the half-wave plate 37 and the polarizing beam splitter 38 constitute a light amount adjustment unit.
  • the light transmitted through the polarizing beam splitter 38 is reflected by the mirror 39 and then split into two light beams by the beam splitter 40.
  • the beam transmitted through the beam splitter 40 is reflected by the mirror 41, and after being stopped down to a desired diameter by the stop 42, the first light source (exit pupil) remains as a parallel beam (plane wave).
  • the first light source (exit pupil) remains as a parallel beam (plane wave).
  • the light is incident on a hologram photosensitive material such as an emulsion to be a reflection type H 0 E 6 applied to the prism 21.
  • the luminous flux reflected by the beam splitter 40 is reflected by the mirror 43, condensed by the condenser lens 44 at the focal point, and passes through the pinhole 45 arranged at this focal point.
  • the collimator lens 46 converts the beam into a parallel beam, expands it to a required beam diameter, and further narrows it down to a predetermined diameter by a stop 47 to form an exposure beam (object beam) by the second light source.
  • the parallel light flux B 2 is obtained.
  • the parallel light flux (plane wave) B 2 is converted into a desired aspherical wave by the lens 22 and the prism 21, and the hologram is exposed to a hologram such as an emulsion to be a reflection type H 0 E 6 applied to the prism 21. Light enters the material from the opposite side of the reference beam.
  • the reflection type HOE 6 is changed to the transmission setting.
  • the conversion effects of the phase terms must be equal. For that purpose, it is necessary to pass the phase coefficient equally and to trace the ray from the coordinates of the first light source as an object point. Even if the exposure system is designed from a distance different from the first light source defined in the reproduction system, the correct phase conversion action cannot be obtained. However, in the design of the optical system shown in FIG. 4, the distance 2.
  • the symbol S1 of the surface number 1 indicates the first light source.
  • the coefficients of the hologram surface of surface number 3 are the same as in Table 1 above.
  • the diameter of the entrance pupil must satisfy the effective diameter of the hologram plane, and is 06.2 here. Since the light comes from a point light source (in this case, parallel light as its limit), the angle of view is not required.
  • the wavelength for ray tracing is 532 nm, the exposure wavelength.
  • This optical system is an afocal optical system that becomes parallel light after exiting the surface of surface number 6. 24.
  • HV1 VIR HV2: VIR
  • HX1 0.000000x10 HY1: -.173228x 10 H l:-. 135831 X 10
  • HX2 0.000000x10
  • HY2 J.oUUUUU X11
  • HZ2 -.213231 x 10
  • FIG. 7 A wavefront aberration diagram on the exit pupil plane (that is, the plane 23 in FIG. 4) based on the ray trajectory of the optical system shown in FIG. 4 is shown in FIG. As can be seen from Fig. 7, the RMS is very well corrected to 0.1 ⁇ .
  • the performance of the reflection type optical disk 6 exposed by the hologram exposure device shown in FIG. 6 including the optical system shown in FIG. 4 described above will be determined.
  • the optical system of the image display device which is the first specific example, the optical system shown in FIG. 4 is used instead of the designed reflective type 6 having the design values defined in Table 1.
  • the optical performance of the optical system of the image display device when the reflection type exposed by the hologram exposure device shown in Fig. 6 including the system shown in Fig. 6 is incorporated. It is necessary to compare with the optical performance of the optical system of the image display device, assuming that the type ⁇ 6 is incorporated as it is.
  • Fig. 8 shows the lateral aberration diagram of the optical system of the image display device incorporating ⁇ 0 ⁇ 6 after exposure simulated by this method, and the distortion of the optical system (on the surface of the display unit of the image display element 2).
  • Figure 9 shows the distortion at the point.
  • the transverse aberration shown in Fig. 8 is almost as good as the transverse aberration shown in Fig. 3.
  • the second example is different from the first example in that, among the optical quantities shown in Table 1 above, the quantities (design values) that define the reflection type H0E6 are as follows. The only difference is that it is replaced with the one shown in Table 5 of In the case of Table 1, almost infinite distance from H OE 6 to the first light source (a light source which is a side of the observer's eye during playback) (air-converted distance) Rd is 2. and 2 X 1 0 9 mm In contrast, in Table 5, the distance R d was set to 19.98 mm. However, the other quantities related to the hologram surface defined in Table 5 are set so as to obtain imaging performance almost equivalent to that of the reflective HOE 6 having the quantities related to the hologram surface defined in Table 1. ing.
  • HV1 REA HV2: VIR
  • HX1 0.000000x 10+ 00 HY1:-. 157255x10 HZl:-. 123306xlO
  • HX2 0.000000x10 + 00 HY2: 0.300000xlO HZ2: -.213231xlO
  • FIG. 10 shows an optical path diagram of a main part of the exposure optical system.
  • the same or corresponding elements as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
  • the position of the first light source is the position indicated by ⁇ i.
  • the optical system shown in Fig. 10 is a photosensitive material such as an emulsion to be a reflective HOE6.
  • Replacement pig (Rule 26) It has a configuration in which one prism 51 coated with 27-1, one cylindrical lens 52, and four spherical lenses 53 to 56 are eccentrically arranged.
  • the prism 51 is, like the prism 21 in FIGS. 4 and 5, a small piece 5 d constituting a part of the plate-like portion 5 in FIG. From the holding member to hold and the filler material filled between them
  • the hologram exposure apparatus that exposes the reflective HOE 6 during the fabrication of the reflective HOE 6 using the optical system shown in FIG. 10 is the same as the holographic exposure apparatus shown in FIG. Then, an optical system having the optical system shown in FIG. 10 may be used.
  • the distance Rd is set to 19.98 mm, and accordingly, for example, a convex lens is coaxially arranged between the mirror 41 and the diaphragm 42.
  • the positions and angles of the elements 43 to 47 in FIG. 6 are changed so as to satisfy the angular relationship between the light beams 81 and B2 in FIG.
  • the third example is different from the first example in that the exposure wavelength is set to 476 nm, and the reflective HOE 6 is defined among the optical quantities shown in Table 1 described above. This is the point where various quantities (design values) were replaced with those shown in Table 6 below.
  • the distance from HOE 6 to the first light source (a light source which is a side of the observer's eye during playback) (air-converted distance) Rd is 2. filed almost infinity 2 X 1 0 9 mm
  • the distance R d is set to 37.43 mm.
  • the other quantities related to the hologram surface defined in Table 6 were set so that imaging performance almost equivalent to that of the reflective HOE 6 having the quantities related to the hologram surface defined in Table 1 was obtained. 29
  • HV1 REA HV2: VIR
  • HX1 0.000000x10 + ° 0 HY1:-.293706x10 + 02 HZ1:-.231950xl0 + o 2
  • prism 61 coated with a photosensitive material such as an emulsion to be a reflective HOE 6 and four spherical lenses 62 to 65 are eccentrically arranged.
  • prism 61 is, like prism 21 in FIGS. 4 and 5, a small piece 5 d constituting a part of plate-like portion 5 in FIG. And a filler filled between them.
  • one cylindrical lens can be reduced compared to the optical system shown in FIG. Also, in the case of the optical system shown in Fig. 11, only the shift is used for the lens eccentricity of each lens group, and no tilt is used.
  • the hologram exposure apparatus that exposes the reflective HOE 6 during the fabrication of the reflective HOE 6 using the optical system shown in FIG. 11 is the same as the hologram exposure apparatus shown in FIG. 6 except that the prism 21 and the lens 22 are replaced. Then, an optical system having the optical system shown in FIG. 11 may be used.
  • the distance R d is set to 37.43 mm, and accordingly, for example, a convex lens is coaxially arranged between the mirror 41 and the diaphragm 42. I do. Needless to say, the positions and angles of the elements 43 to 47 in FIG. 6 are changed so as to satisfy the angular relationship between the light fluxes B 1 and B 2 in FIG.
  • the fourth example is different from the first example in that the exposure wavelength is set to 647 nm, and that the reflective HOE 6 is defined among the optical quantities shown in Table 1 above. This is the point where various quantities (design values) to be used were replaced with those shown in Table 7 below.
  • Table 1 the distance from HOE 6 to the first light source (the light source that is on the observer's eye side during reproduction) (air equivalent distance) Rd is 2.2 X 10 g mm, which is almost infinite.
  • the distance R d 31 the distance from HOE 6 to the first light source (the light source that is on the observer's eye side during reproduction)
  • 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 Phase coefficient
  • Fig. 12 shows the optical path diagram of the main part of the exposure optical system.
  • the element replacement paper in Figure 4 (Rule 26) Elements that are the same as or correspond to those in 32 are given the same reference numerals, and redundant description is omitted.
  • the optical system shown in Fig. 12 has an eccentric arrangement of one prism 71 coated with a photosensitive material such as an emulsion to be a reflection type H0E6, and three spherical lenses 72 to 74. It has the structure which was done.
  • prism 71 is, like prism 21 in FIGS. 4 and 5, a small piece 5 d constituting a part of plate-like portion 5 in FIG. And a filler filled between them.
  • each lens eccentricity of the lens group uses only a shift and does not use a tilt.
  • the hologram exposure apparatus that exposes the reflective HOE 6 during the production of the reflective HOE 6 using the optical system shown in FIG. 12 is the same as the hologram exposure apparatus shown in FIG. 6 except that the prism 21 and the lens 22 are used. Then, an optical system having the optical system shown in FIG. 12 may be used. However, in the fourth specific example, since the distance 11 (1 is set to 75.23 mm, a convex lens is coaxially provided between the mirror 41 and the diaphragm 42, for example. It goes without saying that the positions and angles of the elements 43 to 47 in FIG. 6 are changed so as to satisfy the angular relationship between the light beams 81 and B2 in FIG. .
  • the fifth example is different from the first example in that the exposure wavelength is 476 nm and the reflective HOE 6 is defined among the optical quantities shown in Table 1 described above.
  • Various quantities (design values) were replaced with those shown in Table 8 below. 33 points.
  • the distance from HOE 6 to the first light source (a light source which is a side of the observer's eye during playback) (air conversion distance) R d is 2.
  • the distance Rd is set to 146.28 mm.
  • the other parameters for the hologram surface defined in Table 8 were set so that imaging performance almost equivalent to that of the reflective HOE 6 having the parameters for the hologram surface defined in Table 1 was obtained. I have.
  • HV1 REA HV2: VIR
  • HX1 0.000000x10 + 00 HY1:-. 114800x10 + 03 HZ1:-.906616x10 + a 2
  • FIG. 13 shows the optical path diagram of the main part of the exposure optical system.
  • elements that are the same as or correspond to the elements in FIG. 4 are given the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted.
  • the position of the first light source is a position shown in 0 4.
  • the optical system shown in Fig. 13 has one prism 81 coated with a photosensitive material such as an emulsion to be a reflective HOE 6, and a cross section perpendicular to the paper that has a curvature in the paper in Fig. 13
  • a photosensitive material such as an emulsion to be a reflective HOE 6
  • a cross section perpendicular to the paper that has a curvature in the paper in Fig. 13 Has a configuration in which one cylindrical lens 82, which is a plane, and two spherical lenses 83, 84 are eccentrically arranged.
  • the spherical lens 83 and the spherical lens 84 are coaxial, the eccentric axes of the lenses are two in total.
  • only the shift is used for the lens eccentricity of each lens group, and no tilt is used.
  • the prism 81 is, similarly to the prism 21 in FIGS. 4 and 5, a small piece 5 d constituting a part of the plate-like portion 5 in FIG. It is composed of a holding member for holding and a filler filled between them.
  • the hologram exposure apparatus that exposes the reflective HOE 6 during the production of the reflective HOE 6 using the optical system shown in FIG. 13 is the same as the hologram exposure apparatus shown in FIG. Then, the one in which the optical system shown in FIG. 13 is arranged may be used.
  • the distance R d is set to 146.28 mm, and accordingly, for example, a convex lens is coaxially provided between the mirror 41 and the aperture 42. Deploy. Needless to say, the positions and angles of the elements 43 to 47 in FIG. 6 are changed so as to satisfy the angular relationship between the light beams Bl and B2 in FIG.
  • the sixth example is different from the first example in that, among the optical quantities shown in Table 1 above, the quantities (design values) that define the reflective HO E 6 are as follows. Only the points shown in Table 9 are replaced. In the case of Table 1, almost infinite distance from H OE 6 to the first light source (a light source which is a side of the observer's eye during playback) (air-converted distance) Rd is 2. and 2 X 1 0 9 mm against though there, in the case of Table 7, the distance R d is set substantially at infinity slightly shorter though and beam with 2 X 1 0 7 mm. However, the other parameters for the hologram surface defined in Table 9 were set so that imaging performance almost equivalent to that of the reflective HOE 6 having the parameters for the hologram surface defined in Table 1 was obtained. O
  • the air-equivalent distance P d from H ⁇ E 6 to the pupil plane of the exit pupil P is 14.06 mm as in the first specific example.
  • HV1 REA HV2: VIR
  • HX2 0.000000x 10+ 00 HY2: 0.161 469x10 + 05 HZ2: -.213757xl0 + o 7
  • FIG. 14 shows the optical path diagram of the main part of the exposure optical system. 14, elements that are the same as elements corresponding to those in FIG. 4 or that correspond to elements in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
  • the value of the distance Rd may be regarded as infinity, and as in the case of the first specific example, in fact, the ray tracing of the exposure lens involves incident parallel light. And designed.
  • the optical system shown in Fig. 14 has one prism 91 coated with a photosensitive material such as an emulsion to be a reflective HOE 6, and two coaxial spherical lenses 92, 93. ing. If the lens group is coaxial, the eccentricity (deflection) of the transmitted light can be visually confirmed when mounted on the hardware, and can be held down by the hardware serving as the support so that the deflection is eliminated, and the performance is significantly improved. And the paper for the hairpin (rule 26, 37 If the perpendicularity between the barrel surface of the hardware and the center axis of the outer diameter of the lens is given, the angle and positional accuracy can be easily obtained even if the subsequent arrangement is eccentric.
  • the prism 91 is a prism equivalent to the small piece 5d constituting a part of the plate-like portion 5 in FIG.
  • the hologram exposure apparatus that exposes the reflective HOE 6 at the time of manufacturing the reflective HOE 6 using the optical system shown in FIG. 14 is the same as the hologram exposure apparatus shown in FIG. 6 except that the prism 21 and the lens 22 are used instead. What is necessary is just to use the optical system shown in FIG. Needless to say, the positions and angles of the elements 43 to 47 in FIG. 6 are changed so as to satisfy the angular relationship between the light beams B 1 and B 2 in FIG.
  • the reproduction system is an optical system of an image combiner that is integrated with an image display device by incorporating an exposed reflective HOE into a plate-shaped part number.
  • the ray tracing of the reproduction system is performed from the virtual image observed by the observer to the display screen of the image display device.
  • the exposure system is an optical system for exposing the reflection type H0E defined in the reproduction system.
  • the ray tracing uses the first light source of the reflection type HOE as the object point, and after exposing through the HOE, the exposure lens Through the second light source.
  • the reflective HOE 6 38 is changed to the transmission setting, in which case the conversion effects of the aspherical phase terms must be equal. For that purpose, it is necessary to pass the phase coefficient equally and to trace the ray from the coordinates of the first light source as an object point. Even if the exposure system is designed from a distance different from the first light source defined in the reproduction system, the correct phase conversion function cannot be obtained.
  • the reason that the configuration of the exposure optical system becomes simpler as the distance Rd becomes longer is based on the divergence angle of the light beam that enters the HOE 6 from the first light source and passes through the exposure system. If a ray having an aspherical wavefront is converging, and if an attempt is made to construct an equivalent of each of these transformations, it will give the necessary phase transformation to each ray in a spatially dense place. There must be. Therefore, the desired correction must be made while using a large number of lenses and refracting the light little by little.
  • the divergence angle of the light beam after passing through H 0 E in the exposure system depends on the light source distance of the first light source.
  • the distance R d is, for example, approximately equal to the combined focal length of the reproduction system, if the ray traces as a reflection type H 0 E in the optical arrangement of the reproduction system from the coordinates of the light source, the light beam reflected by H 0 E Therefore, they are almost parallel.
  • the exposure lens is designed to convert the nearly parallel light beam that has been extended to the opposite side of H 0 E into an aberration-free light beam. ⁇
  • the exposure lens converts the divergent light beam that has been extended to the opposite side of the HOE into an aberration-free beam. 39 must.
  • the light source When the light source is far enough, when the ray is traced from the coordinates of the light source in the reproduction system, it becomes convergent light after reflection. Then, since the luminous flux obtained by extending the convergent light to the opposite side of H 0 E is converted into aberration-free light, it is sufficient to correct the divergent light, and the exposure lens configuration can be simplified.
  • the incident NA of the exposure system increases, and the design difficulty of the exposure lens increases. If the light source distance increases, the effective diameter of the hologram surface does not change, so the incident NA of the exposure system becomes relatively small, and the configuration of the exposure lens can be simplified.
  • the exposure optical system becomes simpler as the distance Rd increases, if the distance Rd is substantially longer than the distance Pd, the conventional image in which the distance Rd matches the distance Pd is used.
  • the exposure optical system used when fabricating the reflective HOE 6 is simpler than the display device.
  • the distance R d is more than twice the distance P d to simplify the exposure optical system. It turns out that it is preferable. In addition, it can be seen that it is preferable that the distance R d be at least 5 times the distance P d in order to further simplify the exposure optical system.
  • FIG. 15 is a diagram showing a configuration of an image display device according to a second embodiment of the present invention and a path of light rays (only light rays from image display element 2).
  • the same or corresponding elements as those in FIG. 40 is added and the duplicate description is omitted.
  • the LED 3 and the reflecting mirror 4 constituting the light source are omitted.
  • This embodiment is basically different from the first specific example of the first embodiment in that the exposure wavelength of the reflective HOE 6 is 476 nm and that the first light source and the reflective HOE 6 The distance R d from 0 E 6 is 146 mm.
  • the optical quantities of the present embodiment are as follows.
  • the diameter of the exit pupil P is 3 mm.
  • the viewing angle in the upward direction in the drawing is 5 °.
  • the viewing angle in the downward direction in the drawing is -5 °.
  • the viewing angle in the depth direction of the paper is 6.75 °.
  • the screen size (the length between points A1 and A2) in the paper of the figure is 3.6 mm.
  • the screen size in the depth direction of the paper is 4.8 mm.
  • the thickness d of the plate portion 5 is 3.4 mm.
  • Table 10 below shows various quantities for ray tracing according to the present embodiment.
  • HX1 0.000000x10 + 00 HY1:-. 114800 xl0 + c 3 HZ1:-906 616x10 + 02
  • HX2 0.000000 xl0 +0 ° HY2: 0.300000 xl0 + c 6 HZ2:-.213231x10 + 07 Phase coefficient
  • Table 11 shows the absolute position of the center and the amount of rotation around the X-axis (measured as positive counterclockwise). Acets for replacement (Rule 26) 42
  • the first light source of the reflective HOE 6 of the present embodiment (the light source which is on the observer's eye side during reproduction) is
  • 1.7 mm is in a medium with a refractive index of about 1.6, so the air equivalent length Is 1.06 mm, and the air-equivalent distance Pd from HOE 6 to the pupil plane of the exit pupil P is 14.06 mm.
  • a lateral aberration diagram for representing the imaging performance of the optical system of the image display device according to the present embodiment Is shown in Figure 16.
  • Table 1 was obtained.
  • the exposure optical system used to actually produce the reflective HOE 6 defined in Table 0 was designed.
  • Figure 17 shows the optical path diagram of the main part of the exposure optical system.
  • elements that are the same as or correspond to the elements in FIG. 4 are given the same reference numerals, and overlapping descriptions will be omitted.
  • the position of the first light source is a position shown in 0 5.
  • the optical system shown in Fig. 17 has one prism 101 coated with a photosensitive material such as an emulsion to be a reflective HOE 6, and has a curvature in the paper plane in Fig. 17 but is perpendicular to the paper plane. It has a configuration in which one cylindrical lens 102 having a flat cross section and two spherical lenses 103 and 104 are eccentrically arranged. However, since the spherical lens 103 and the spherical lens 104 are coaxial, the lens has two eccentric axes in total. In addition, only the shift is used for the lens eccentricity of each lens group, and no tilt is used. Thus, the optical system shown in FIG. 17 has a relatively simple configuration. Although not shown in the drawings, the prism 101 is, like the prism 21 in FIGS. 4 and 5, a small piece 5 d constituting a part of the plate-like portion 5 in FIG. And a filler filled between them.
  • a photosensitive material such as an emulsion to be a reflective H
  • the hologram exposure apparatus that exposes the reflective H ⁇ E 6 during the production of the reflective HOE 6 using the optical system shown in FIG. 17 is the same as the hologram exposure apparatus shown in FIG. Instead of this, one having the optical system shown in FIG. 17 may be used.
  • the symbol S1 of the surface number 1 indicates the first light source.
  • the coefficients of the hologram surface of surface number 3 are the same as those in Table 10 above.
  • the diameter of the entrance pupil must satisfy the effective diameter of the hologram surface, and is 6.2 in this case.
  • the wavelength for ray tracing is 476 nm, the exposure wavelength.
  • FIG. 18 shows a wavefront aberration diagram on the exit pupil plane (that is, the plane 23 in FIG. 17) based on the ray trajectory of the optical system shown in FIG. As can be seen from Fig. 18, it is very well corrected to 0.3 mm at 1 ⁇ 3.
  • the performance of the reflection type optical disk 6 exposed by the hologram exposure apparatus including the optical system shown in FIG. 17 described above will be determined.
  • the optical system shown in FIG. 17 is used instead of the designed reflective type ⁇ 0 ⁇ 6 having the design values defined in Table 10.
  • the optical performance of the optical system of the image display device when incorporating the reflection type ⁇ 6 exposed by the hologram exposure apparatus including It is necessary to compare with the optical performance of the optical system of the image display device assuming that it has been incorporated.
  • Fig. 19 shows the lateral aberration diagram of the optical system of the image display device incorporating ⁇ ⁇ 0 ⁇ 6 after exposure simulated by this method.
  • the distortion of the optical system (the surface of the display unit of the image display element 2) Dist one on
  • the transverse aberration shown in FIG. 19 is as good as the transverse aberration shown in FIG. The distortions are almost the same.
  • the performance of the reflective H 0 E 6 exposed using the optical system shown in FIG. 17 is equivalent to the performance of the reflective H 0 E 6 in the design defined in Table 1 and is excellent. is there.
  • each of the embodiments described above is an example in which a head-mounted image display device is configured using the image complier of the present invention.
  • the combiner 1 may be configured so that it can be attached to a viewfinder of a camera, a microscope, and an eyepiece of a binocular, or the image combiner may be incorporated in a camera, a microscope, a binocular, or the like.
  • the present invention can be applied to an image display device which is not a see-through type.
  • the image display device according to each of the embodiments described above may be configured so that light from the outside does not enter the image compiler 1.
  • the portion of the image complier 1 is not an image combiner because it does not superimpose the two images, and serves as a light guide that guides light from the image display element 2 to the user's eyes.
  • the lower portion (the lower portion from HOE 6) of the plate-shaped portion in the image complier 1 may be removed.
  • Such an image display device which is not a see-through type can be incorporated in a part of a flipper of a mobile phone as in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-264682.

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Abstract

使用時に、光学材料で構成され眼鏡レンズに相当する板状部５が、イメージコンバイナ１の射出瞳Ｐ付近に置かれる使用者の眼の前に位置する。コンバイナ１は、板状部５の前方から板状部５の厚みを通過するように板状部５を透過する光に対して、画像表示素子２からの光を重畳させて、眼に導く。画像表示素子２からの光は、板状部５内の反射型ＨＯＥ６で回折反射された後に、使用者の眼に到達する。ＨＯＥ６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つ。ＨＯＥ６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ＨＯＥ６との間の空気換算距離Ｒｄは、イメージコンバイナ１の射出瞳ＰとＨＯＥ６との間の空気換算距離Ｐｄより実質的に長い。このような構成とすることにより、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る。

Description

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)
Figure imgf000021_0001
• (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
Figure imgf000049_0001
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。

Claims

48 請 求 の 範 囲
1 . 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バイナであって、
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おいて、 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は前記距離： P dよ り実質的に長いことを特徴とするイメージコンバイナ。
2 . 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 請求の範囲第 1項に記載のィメージコンパイナ。
3 . 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請求の範 囲第 1項に記載のイメージコンパ'イナ。
4 . 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請求の範 囲第 2項に記載のイメージコンバイナ。
5 . . 請求の範囲第 1項から第 4項のいずれかに記載のイメージコンパ 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 コンバ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画像表示
6 . 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、 49 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おいて、 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は前記距離 P dよ り実質的に長いことを特徴とする画像表示装置。
7 . 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 請求の範囲第 6項に記載の画像表示装置。
8 . 前記距離 R が 1 0 0 m m以上であることを特徴とする請求の範囲 第 6項又は第 7項に記載の画像表示装置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006064301A1 (en) * 2004-12-13 2006-06-22 Nokia Corporation System and method for beam expansion with near focus in a display device
CN105892057A (zh) * 2016-05-16 2016-08-24 中国民航大学 一种基于聚合物多层膜的全息彩色衍射平视显示装置

Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1619536B1 (en) * 2003-04-28 2022-02-16 Nikon Corporation Image combiner and image display
KR20050030087A (ko) * 2003-09-24 2005-03-29 삼성전자주식회사 칼라 필터 유닛 및 이를 채용한 프로젝션 시스템
WO2006001254A1 (ja) * 2004-06-29 2006-01-05 Nikon Corporation イメージコンバイナ及び画像表示装置
JP5066782B2 (ja) * 2004-08-26 2012-11-07 株式会社ニコン 接眼式表示装置とこれを有するカメラ
WO2006070723A1 (ja) * 2004-12-28 2006-07-06 Nikon Corporation イメージコンバイナ、及び画像表示装置
JP4967319B2 (ja) * 2005-11-18 2012-07-04 コニカミノルタホールディングス株式会社 映像表示装置
JP2007193071A (ja) * 2006-01-19 2007-08-02 Shimadzu Corp ヘルメットマウントディスプレイ
JP2008191527A (ja) * 2007-02-07 2008-08-21 Konica Minolta Holdings Inc ホログラム光学素子およびその製造方法と、映像表示装置
JP5003291B2 (ja) * 2007-05-31 2012-08-15 コニカミノルタホールディングス株式会社 映像表示装置
EP2229603B1 (en) * 2007-12-17 2012-08-29 Nokia Corporation Exit pupil expanders with spherical and aspheric substrates
EP2225592B1 (en) 2007-12-18 2015-04-22 Nokia Technologies OY Exit pupil expanders with wide field-of-view
FR2929720B1 (fr) * 2008-04-03 2010-11-12 Optinvent Collimateur catadioptrique
JP4706737B2 (ja) 2008-08-18 2011-06-22 ソニー株式会社 画像表示装置
US9223137B2 (en) * 2010-10-08 2015-12-29 Seiko Epson Corporation Virtual image display apparatus
US9841599B2 (en) 2014-06-05 2017-12-12 Osterhout Group, Inc. Optical configurations for head-worn see-through displays
KR102191963B1 (ko) * 2014-02-03 2020-12-17 삼성전자주식회사 홀로그램 디스플레이가 가능한 휴대용 기기 및 홀로그램 디스플레이 방법
KR101591937B1 (ko) * 2014-02-11 2016-02-05 (주)그린광학 수술용 헤드 마운트 디스플레이
CN103941398B (zh) * 2014-04-09 2016-10-19 北京理工大学 透过式眼镜显示器
CN105445935B (zh) * 2014-06-26 2017-12-29 联想(北京)有限公司 显示装置和电子设备
JP6464708B2 (ja) * 2014-12-08 2019-02-06 セイコーエプソン株式会社 画像表示装置
JP6477051B2 (ja) * 2015-03-09 2019-03-06 セイコーエプソン株式会社 画像表示装置
JP7093729B2 (ja) * 2016-06-21 2022-06-30 株式会社Ｎｔｔドコモ シースルー表示システム
US11275177B2 (en) * 2017-03-31 2022-03-15 Sony Corporation Distance measurement apparatus and vehicle
JP7261724B2 (ja) * 2019-11-08 2023-04-20 株式会社日立エルジーデータストレージ 映像表示装置及び映像表示システム
US11675192B2 (en) * 2019-12-06 2023-06-13 Meta Platforms Technologies, Llc Hybrid coupling diffractive optical element
KR20220077725A (ko) * 2020-12-02 2022-06-09 삼성전자주식회사 홀로그래픽 렌즈 및 이를 포함하는 장치
CN113031281B (zh) * 2021-04-21 2022-11-08 南昌三极光电有限公司 一种光学系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1164781A (ja) * 1997-08-14 1999-03-05 Fuji Xerox Co Ltd 網膜直接描画装置
US20010038361A1 (en) * 2000-04-27 2001-11-08 Yasushi Tanijiri Image display apparatus

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3885386B2 (ja) 1998-10-20 2007-02-21 コニカミノルタオプト株式会社 ホログラム素子の製造方法
JP4691744B2 (ja) 1999-06-11 2011-06-01 コニカミノルタホールディングス株式会社 映像表示装置
JP4325064B2 (ja) 2000-03-17 2009-09-02 コニカミノルタホールディングス株式会社 情報表示光学系
JP2002258488A (ja) 2001-03-05 2002-09-11 Minolta Co Ltd ホログラフィック光学素子の製造における露光方法及び露光装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1164781A (ja) * 1997-08-14 1999-03-05 Fuji Xerox Co Ltd 網膜直接描画装置
US20010038361A1 (en) * 2000-04-27 2001-11-08 Yasushi Tanijiri Image display apparatus

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006064301A1 (en) * 2004-12-13 2006-06-22 Nokia Corporation System and method for beam expansion with near focus in a display device
JP2008523433A (ja) * 2004-12-13 2008-07-03 ノキア コーポレイション 表示装置において近焦点で光線拡張するシステム及び方法
CN105892057A (zh) * 2016-05-16 2016-08-24 中国民航大学 一种基于聚合物多层膜的全息彩色衍射平视显示装置
CN105892057B (zh) * 2016-05-16 2018-08-31 中国民航大学 一种基于聚合物多层膜的全息彩色衍射平视显示装置

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