(57)【要約】【課題】２つの回折素子によって適正に波長補償できる表示装置、光学素子及び光学素子の製造方法を提供すること。【解決手段】本発明の表示装置は、画像光生成装置から出射された画像光の光路に沿って、正のパワーを有する第１光学部と、第１回折素子を含み、正のパワーを有する第２光学部と、正のパワーを有する第３光学部と、第２回折素子を含み、正のパワーを有する第４光学部と、を備え、第２光学部は、第１回折素子の一方面に設けられた第１部材と、第１部材における第１回折素子と反対側に設けられた第２部材と、をさらに含み、第１部材は、透光性及び５０Ｇｐａ以上の弾性率を有し、第２部材は、透光性及び光学パワーを有することを特徴とする。【選択図】図２
2020160134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像光生成装置から出射された画像光の光路に沿って、
正のパワーを有する第１光学部と、
第１回折素子を含み、正のパワーを有する第２光学部と、
正のパワーを有する第３光学部と、
第２回折素子を含み、正のパワーを有する第４光学部と、を備え、
前記第２光学部は、前記第１回折素子の一方面に設けられた第１部材と、前記第１部材における前記第１回折素子と反対側に設けられた第２部材と、をさらに含み、
前記第１部材は、透光性及び５０Ｇｐａ以上の弾性率を有し、
前記第２部材は、透光性及び光学パワーを有する
ことを特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記第１部材はガラスである
ことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記第１部材における前記第２部材に対向する面は平面である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
【請求項４】
前記第１部材と前記第２部材との間に隙間が設けられている
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項５】
前記第１部材と前記第２部材との間に隙間を生じさせるスペーサー部材をさらに備える
ことを特徴とする請求項４に記載の表示装置。
【請求項６】
前記スペーサー部材は、第１スペーサー部と第２スペーサー部とを含み、
前記第１スペーサー部及び前記第２スペーサー部はそれぞれ異なる材料で構成される
ことを特徴とする請求項５に記載の表示装置。
【請求項７】
前記第２部材は、前記第１部材に対向する面に設けられた遮光部材を有する
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項８】
第１回折素子と、
前記第１回折素子の一方面に設けられた第１部材と、前記第１部材における前記第１回折素子と反対の面に設けられた第２部材と、を有し、
前記第１部材は、透光性と５０Ｇｐａ以上の弾性率とを有し、
前記第２部材は、透光性と光学パワーとを有する
ことを特徴とする光学素子。
【請求項９】
前記第１部材はガラスである
ことを特徴とする請求項８に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記第１部材における前記第２部材に対向する面は平面である
ことを特徴とする請求項８又は９に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記第１部材と前記第２部材との間に隙間が設けられている
ことを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項１２】
前記第１部材と前記第２部材との間に隙間を生じさせるスペーサー部材をさらに備える
ことを特徴とする請求項１１に記載の光学素子。
【請求項１３】
前記スペーサー部材は、第１スペーサー部と第２スペーサー部とを含み、
前記第１スペーサー部及び前記第２スペーサー部はそれぞれ異なる材料で構成される
ことを特徴とする請求項１２に記載の光学素子。
【請求項１４】
前記第２部材は、前記第１部材に対向する面に設けられた遮光部材を有する
ことを特徴とする請求項８から１３のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項１５】
５０Ｇｐａ以上の弾性率及び透光性を有する第１部材上に設けられたホログラフィック感光層に対して物体光及び参照光を照射する干渉露光を行う工程と、
前記干渉露光により前記第１部材上に形成されたホログラム素子の前記第１部材と反対側に第２部材を設ける工程と、を備える
ことを特徴とする光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示装置、光学素子及び光学素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ホログラフィック素子等の回折素子を用いた表示装置として、画像光生成装置から出射された画像光を回折素子によって観察者の眼に向けて偏向するものが提案されている。回折素子では、特定波長で最適な回折角度と回折効率が得られるように干渉縞が最適化されている。しかしながら、画像光は、特定波長を中心にして所定のスペクトル幅を有していることから、特定波長からずれた周辺波長の光は、画像の解像度を低下させる原因となる。そこで、画像光生成装置から出射された画像光を反射型の第１回折素子によって、前方に配置された第２回折素子に向けて出射し、第１回折素子から出射された画像光を第２回折素子によって観察者の眼に向けて偏向する表示装置が提案されている。かかる構成によれば、第１回折素子によって周辺波長の光を補償して色収差をキャンセルすることができ、特定波長からずれた周辺波長の光に起因する画像の解像度の低下を抑制することができる（例えば、下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１６７１８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記第１回折素子の一面側に光学パワーを有するレンズ部材を設けることでレンズ部材による屈折力と第１回折素子の回折力とによって波長補償に必要な光学パワーを持たせることが考えられる。しかしながら、第１回折素子の干渉縞を露光する際、レンズ部材の曲面による屈折の影響を大きく受けることで本来とは異なる波面で露光が行われてしまう。その結果、レンズ部材による屈折の影響を受けた露光によって形成された干渉縞は、射出瞳に射出される画像光にボケを生じさせることで解像度の低下という問題が生じる。
【０００５】
また、レンズ部材の材料としてプラスチックを用いることで軽量化を図ることも考えられるが、プラスチック製のレンズでは露光時に回折素子の膨張収縮が発生し、所望の回折性能が得られなくなってしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る表示装置は、画像光生成装置から出射された画像光の光路に沿って、正のパワーを有する第１光学部と、第１回折素子を含み、正のパワーを有する第２光学部と、正のパワーを有する第３光学部と、第２回折素子を含み、正のパワーを有する第４光学部と、を備え、前記第２光学部は、前記第１回折素子の一方面に設けられた第１部材と、前記第１部材における前記第１回折素子と反対側に設けられた第２部材と、をさらに含み、前記第１部材は、透光性と５０Ｇｐａ以上の弾性率とを有し、前記第２部材は、透光性と光学パワーとを有することを特徴とする。
【０００７】
上記態様に係る表示装置では、前記第１部材はガラスであることが好ましい。
【０００８】
上記態様に係る表示装置では、前記第１部材における前記第１回折素子と反対の面は平面であることが好ましい。
【０００９】
上記態様に係る表示装置では、前記第１部材と前記第２部材との間に隙間が設けられていることが好ましい。
【００１０】
上記態様に係る表示装置では、前記第１部材と前記第２部材との間に隙間を生じさせるスペーサー部材をさらに備えることが好ましい。
【００１１】
上記態様に係る表示装置では、前記スペーサー部材は、前記第２部材と一体に設けられることが好ましい。
【００１２】
上記態様に係る表示装置では、前記第２部材は、前記第１部材に対向する面に設けられた遮光部材を有することが好ましい。
【００１３】
本発明の一態様に係る光学素子は、第１回折素子と、前記第１回折素子の一方面に設けられた第１部材と、前記第１部材における前記第１回折素子と反対の面に設けられた第２部材と、を有し、前記第１部材は、透光性と５０Ｇｐａ以上の弾性率とを有し、前記第２部材は、透光性と光学パワーとを有することを特徴とする。
【００１４】
上記態様に係る光学素子では、前記第１部材はガラスであることが好ましい。
【００１５】
上記態様に係る光学素子では、前記第１部材における前記第１回折素子と反対の面は平面であることが好ましい。
【００１６】
上記態様に係る光学素子では、前記第１部材と前記第２部材との間に隙間が設けられていることが好ましい。
【００１７】
上記態様に係る光学素子では、前記第１部材と前記第２部材との間に隙間を生じさせるスペーサー部材をさらに備えることが好ましい。
【００１８】
上記態様に係る光学素子では、前記スペーサー部材は、前記第２部材と一体に設けられることが好ましい。
【００１９】
上記態様に係る光学素子では、前記第２部材は、前記第１部材に対向する面に設けられた遮光部材を有することが好ましい。
【００２０】
本発明の一態様に係る光学素子の製造方法は、５０Ｇｐａ以上の弾性率及び透光性を有する第１部材上にホログラム素子を形成するためのホログラム材料層を設ける工程と、前記第１部材上の前記ホログラム材料層に対して物体光及び参照光を照射する干渉露光を行う工程と、前記干渉露光により前記第１部材上に形成した前記ホログラム素子の前記第１部材と反対側に第２部材を設ける工程と、を備えることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第一実施形態の表示装置の外観図。
【図２】表示装置の光学系の説明図。
【図３Ａ】回折素子の干渉縞の説明図。
【図３Ｂ】回折素子の干渉縞の別形態の説明図。
【図４】第２光学部の要部構成を示す断面図。
【図５Ａ】第２光学部の製造工程を示す図。
【図５Ｂ】第２光学部の製造工程を示す図。
【図６】比較例における露光工程を示す図。
【図７】体積ホログラムにおける回折特性の説明図。
【図８】回折角度が同じ場合に第２回折素子から出射される光の説明図。
【図９Ａ】第１および第２回折素子の回折角を小さい角度で揃えた場合の説明図。
【図９Ｂ】第１および第２回折素子の回折角を大きい角度で揃えた場合の説明図。
【図１０】第１回折素子および第２回折素子の回折角度の関係を示した図。
【図１１】回折角度を異ならせた場合に第２回折素子から出射される光の説明図。
【図１２Ａ】補正光学系における第１の効果を示す図。
【図１２Ｂ】補正光学系における第２の効果を示す図。
【図１２Ｃ】補正光学系における第３の効果を示す図。
【図１３】プリズムの拡大図。
【図１４】光学系の光線図を模式的に示した図。
【図１５】第二実施形態における第２光学部の要部構成を示す断面図。
【図１６】第三実施形態における第２光学部の要部構成を示す断面図。
【図１７】第三実施形態の変形例に係る構成を示す断面図。
【図１８】第四実施形態における第２光学部の要部構成を示す断面図。
【図１９】第１回折素子の露光工程を示す図。
【図２０】変形例に係る露光工程を示す図。
【図２１Ａ】第五実施形態における第２光学部の要部構成を示す断面図。
【図２１Ｂ】遮光膜の平面形状を示す図。
【図２２】第六実施形態の光学系における第１および第２回折素子との間の光線図。
【図２３】第２回折素子から出射される光の説明図。
【図２４】図２３に示す光が眼に入射する様子を示す説明図。
【図２５】変形例に係る表示装置の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（第一実施形態）
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度や角度を実際とは異ならせしめている。
【００２３】
図１は、本実施形態の表示装置１００の外観の一態様を示す外観図である。図２は、図１に示す表示装置１００の光学系１０の一態様を示す説明図である。なお、以下の説明に用いる図面において必要に応じて、表示装置を装着した観察者に対する前後方向をＺ軸に沿う方向とし、前後方向の一方側として表示装置を装着した観察者の前方を前側Ｚ１とし、前後方向の他方側として表示装置を装着した観察者の後方を後側Ｚ２としてある。また、表示装置を装着した観察者に対する左右方向をＸ軸に沿う方向とし、左右方向の一方側として表示装置を装着した観察者の右方を右側Ｘ１とし、左右方向の他方側として表示装置を装着した観察者の左方を左側Ｘ２としてある。また、表示装置を装着した観察者に対する上下方向をＹ軸方向に沿う方向とし、上下方向の一方側として表示装置を装着した観察者の上方を上側Ｙ１とし、上下方向の他方側として表示装置を装着した観察者の下方を下側Ｙ２としてある。
【００２４】
図１に示す表示装置１００は、頭部装着型の表示装置であり、画像光Ｌ０ａを右眼Ｅａに入射させる右眼用光学系１０ａと、画像光Ｌ０ｂを左眼Ｅｂに入射させる左眼用光学系１０ｂとを有している。表示装置１００は、例えば、眼鏡のような形状に形成される。具体的に、表示装置１００は、右眼用光学系１０ａと左眼用光学系１０ｂとを保持する筐体９０をさらに備えている。表示装置１００は、筐体９０によって観察者の頭部に装着される。
【００２５】
表示装置１００は、筐体９０として、フレーム９１と、フレーム９１の右側に設けられ、観察者の右耳に係止されるテンプル９２ａと、フレーム９１の左側に設けられ、観察者の左耳に係止されるテンプル９２ｂと、を備えている。フレーム９１は、両側部に収納空間９１ｓを有しており、収納空間９１ｓ内に、後述する光学系１０を構成する画像光投射装置等の各部品が収容されている。テンプル９２ａ，９２ｂは、ヒンジ９５によってフレーム９１に対して折り畳み可能に連結されている。
【００２６】
右眼用光学系１０ａと左眼用光学系１０ｂとは基本的な構成が同一である。従って、以下の説明では、右眼用光学系１０ａと左眼用光学系１０ｂとを区別せずに光学系１０として説明する。
【００２７】
続いて、図２を参照して表示装置１００の光学系１０の基本的な構成を説明する。
図２に示すように、本実施形態の光学系１０では、画像光生成装置３１から出射された画像光Ｌ０の光路に沿って、正のパワーを有する第１光学部Ｌ１０と、正のパワーを有する第２光学部Ｌ２０と、正のパワーを有する第３光学部Ｌ３０と、正のパワーを有する第４光学部Ｌ４０とが配置されている。
【００２８】
本実施形態において、正のパワーを有する第１光学部Ｌ１０は、ミラー４０および投射光学系３２によって構成されている。正のパワーを有する第２光学部（光学素子）Ｌ２０は、反射型の第１回折素子５０と補正光学系４５とを含む。正のパワーを有する第３光学部Ｌ３０は、導光系６０によって構成されている。正のパワーを有する第４光学部Ｌ４０は、反射型の第２回折素子７０によって構成されている。本実施形態において、第１回折素子５０および第２回折素子７０は、反射型の回折素子である。
【００２９】
かかる光学系１０において、画像光Ｌ０の進行方向に着目すると、画像光生成装置３１は、投射光学系３２に向けて画像光Ｌ０を出射し、投射光学系３２は入射した画像光Ｌ０をミラー４０に向けて出射する。ミラー４０は反射面４０ａを有し、画像光Ｌ０を第１回折素子５０に向けて反射する。ミラー４０の反射面４０ａで反射された画像光Ｌ０は補正光学系４５を透過して第１回折素子５０に入射する。第１回折素子５０で回折された画像光Ｌ０は導光系６０に向けて出射される。導光系６０は、入射した画像光Ｌ０を第２回折素子７０に出射し、第２回折素子７０は、入射した画像光Ｌ０を観察者の眼Ｅに向けて出射する。
【００３０】
本実施形態において、画像光生成装置３１は画像光Ｌ０を生成する。
画像光生成装置３１は、有機エレクトロルミネッセンス表示素子等の表示パネル３１０を備えている態様を採用することができる。かかる態様によれば、小型で高画質な画像表示が可能な表示装置１００を提供することができる。また、画像光生成装置３１は、照明光源（図示せず）と、照明光源から出射された照明光を変調する液晶表示素子等の表示パネル３１０とを備えている態様を採用してもよい。かかる態様によれば、照明光源の選択が可能なため、画像光Ｌ０の波長特性の自由度が広がるという利点がある。ここで、画像光生成装置３１は、カラー表示可能な１枚の表示パネル３１０を有する態様を採用することができる。また、画像光生成装置３１は、各色に対応する複数の表示パネル３１０と、複数の表示パネル３１０から出射された各色の画像光を合成する合成光学系とを有する態様を採用してもよい。さらに、画像光生成装置３１は、レーザー光をマイクロミラーデバイスで変調する態様を採用してもよい。この場合、マイクロミラーデバイスを駆動することでレーザー光を走査することにより、画像光を生成する。
【００３１】
投射光学系３２は画像光生成装置３１が生成した画像光Ｌ０を投射する光学系であって、第１レンズ３０１、第２レンズ３０２、第３レンズ３０３および第４レンズ３０４によって構成されている。第１レンズ３０１、第２レンズ３０２、第３レンズ３０３および第４レンズ３０４は自由曲面レンズや回転対称のレンズで構成される。また、投射光学系３２は偏心光学系であってもよい。図２では、投射光学系３２におけるレンズの数を４枚とした場合を例に挙げたが、レンズの枚数はこれに限定されることはなく、投射光学系３２が５枚以上のレンズを備えていてもよい。また、各レンズは貼り合わせて投射光学系３２を構成してもよい。
【００３２】
導光系６０は、周辺部より中央が凹んだ反射面６２ａを有するミラー６２で構成されており、正のパワーを有している。ミラー６２は、前後方向に向けて斜めに傾いた反射面６２ａを有している。なお、反射面６２ａは球面、非球面、または自由曲面からなる。本実施形態において、ミラー６２は自由曲面からなる反射面６２ａを有した全反射ミラーである。但し、ミラー６２をハーフミラーとしてもよく、この場合、外光を視認できる範囲を広くすることができる。
【００３３】
続いて、第１回折素子５０を含む第２光学部Ｌ２０と、第２回折素子７０を含む第４光学部Ｌ４０の構成について説明する。
まず、第４光学部Ｌ４０の構成について説明する。以下では、第４光学部Ｌ４０を構成する第２回折素子７０の構成を主体に説明する。
図３Ａは、図２に示す第２回折素子７０の干渉縞７５１の説明図である。図３Ａに示すように、第２回折素子７０は、反射型体積ホログラム素子で構成された部分反射型回折光学素子である。このため、第２回折素子７０は、部分透過反射性のコンバイナーを構成している。従って、外光も第２回折素子７０を介して眼Ｅに入射するため、観察者は、画像光生成装置３１で形成した画像光Ｌ０と外光（背景）とが重畳した画像を認識することができる。
【００３４】
第２回折素子７０は、観察者の眼Ｅと対向しており、画像光Ｌ０が入射する第２回折素子７０の入射面７１は、眼Ｅから離れる方向に凹んだ凹曲面になっている。換言すれば、入射面７１は、画像光Ｌ０の入射方向において、周辺部に対して中央部が凹んで湾曲した形状となっている。このため、画像光Ｌ０を観察者の眼Ｅに向けて効率良く集光させることができる。
【００３５】
第２回折素子７０は、特定波長に対応するピッチを有した干渉縞７５１を有している。干渉縞７５１は屈折率等の差としてホログラフィック感光層に記録されており、干渉縞７５１は特定の入射角度に対応するように、第２回折素子７０の入射面７１に対して一方方向に傾いている。従って、第２回折素子７０は、画像光Ｌ０を所定の方向に回折して偏向する。特定波長および特定の入射角度とは、画像光Ｌ０の波長と入射角度に対応する。かかる構成の干渉縞７５１は、参照光Ｌｒおよび物体光Ｌｓを用いてホログラフィック感光層に干渉露光を行うことにより形成することができる。
【００３６】
本実施形態では、画像光Ｌ０がカラー表示用であるため、後述する赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢを含む。このため、第２回折素子７０は、特定波長に対応するピッチで形成された干渉縞７５１Ｒ、７５１Ｇ、７５１Ｂを有している。例えば、干渉縞７５１Ｒは、５８０ｎｍから７００ｎｍの波長範囲のうち、例えば、波長６１５ｎｍの赤色光ＬＲに対応するピッチで形成される。干渉縞７５１Ｇは、５００ｎｍから５８０ｎｍの波長範囲のうち、例えば、波長５３５ｎｍの緑色光ＬＧに対応するピッチで形成される。干渉縞７５１Ｂは、４００ｎｍから５００ｎｍの波長範囲のうち、例えば、波長４６０ｎｍの青色光ＬＢに対応するピッチで形成される。かかる構成は、各波長に対応する感度を有するホログラフィック感光層を形成した状態で、各波長の参照光ＬｒＲ、ＬｒＧ、ＬｒＢ、および物体光ＬｓＲ、ＬｓＧ、ＬｓＢを用いてホログラフィック感光層に二光束干渉露光を行うことにより形成することができる。
【００３７】
なお、各波長に対応する感度を有する感光材料をホログラフィック感光層に分散させておき、各波長の参照光ＬｒＲ、ＬｒＧ、ＬｒＢおよび物体光ＬｓＲ、ＬｓＧ、ＬｓＢを用いてホログラフィック感光層に干渉露光を行うことによって、図３Ｂに示すように１つの層に干渉縞７５１Ｒ、７５１Ｇ、７５１Ｂを重畳した干渉縞７５１を形成してもよい。また、参照光ＬｒＲ、ＬｒＧ、ＬｒＢおよび物体光ＬｓＲ、ＬｓＧ、ＬｓＢとして球面波の光を用いてもよい。
【００３８】
続いて、第２光学部Ｌ２０の構成について説明する。
図４は第２光学部Ｌ２０の要部構成を示す断面図である。図４に示すように、第２光学部Ｌ２０は第１回折素子５０と補正光学系４５とを含む。第１回折素子５０は、第２回折素子７０と基本構成が同一の反射型体積ホログラム素子で構成される。そのため、第１回折素子５０には、特定波長に対応するピッチを有する干渉縞５０ａが設けられている。
【００３９】
本実施形態において、第１回折素子５０は補正光学系４５が一体に設けられている。補正光学系４５は、第１部材４６と第２部材４７とを含み、全体として画像光Ｌ０を偏向可能なパワーを有するプリズムと同様の機能を有する。第１部材４６は、第１回折素子５０の入射面（一方の面）５１に設けられる。第２部材４７は、第１部材４６における第１回折素子５０と反対側に設けられる。
【００４０】
第１部材４６は透光性及び５０Ｇｐａ以上１００ＧＰａ以下の弾性率を有する部材である。本実施形態において、第１部材４６は、例えば、８０Ｇｐの弾性率を有するガラス板で構成される。第１部材４６の裏面４６ｂに第１回折素子５０が貼り付けられている。なお、第１回折素子５０は、第１部材４６と対向する面に、例えば、プラスチックやガラス、ハードコートなどの保護用カバー部材を設けてもよい。
【００４１】
第１部材４６の表面４６ａに第２部材４７が貼り付けられている。第１部材４６の表面４６ａには、第２部材４７に対する位置合わせ用のアライメントマークが設けられていてもよい。
【００４２】
第２部材４７は透光性及び光学パワーを有する部材である。第２部材４７は、第１部材４６と略同じ屈折率を有する材料で構成される。例えば、第１部材４６の屈折率を１．５とした場合、第２部材４７は屈折率１．３〜１．９の材料で構成される。
【００４３】
本実施形態において、第２部材４７は、例えば、アクリル等のプラスチックで構成される。第２部材４７は、第１部材４６に対向する裏面４７ｂと、該裏面４７ｂと反対を向く表面４７ａとを有する。裏面４７ｂは平面で構成されるため、平面からなる第１部材４６の表面４６ａとの間に隙間を生じることがない。第２部材４７の裏面４７ｂには、第１部材４６に対する位置合わせ用のアライメントマークが設けられていてもよい。
【００４４】
表面４７ａは正の光学パワーを有する面で構成される。ここで、正の光学パワーを有する面とは、球面、非球面、シリンドリカル面、自由曲面等のレンズ形状を意味する。第２部材４７の表面４７ａは、補正光学系４５における光入射出射面４５ａとして機能する。なお、表面４７ａは裏面４７ｂに対して傾斜した傾斜面であってもよい。すなわち、表面４７ａは正の光学パワーを有していれば平面で構成されていてもよい。
【００４５】
このように本実施形態において、補正光学系４５は、ガラスとプラスチックとからなる２部品を組み合わせることで構成されている。
【００４６】
続いて、第２光学部Ｌ２０の製造方法について説明する。図５Ａ及び図５Ｂは第２光学部Ｌ２０の製造工程を示す図である。
第１回折素子５０における干渉縞５０ａは、図３Ａ及び図３Ｂに示した第２回折素子７０の干渉縞７５１と同様、参照光および物体光を用いてホログラフィック感光層に二光束干渉露光を行うことにより形成することができる。
【００４７】
まず、図５Ａに示すように、透光性及び５０Ｇｐａ以上１００ＧＰａ以下の弾性率を有する第１部材４６を用意し、該第１部材４６の裏面４６ｂにホログラフィック感光層５２を例えば塗布することで設ける。すなわち、第１部材４６はホログラフィック感光層５２を露光する際の支持部材として用いられる。ホログラフィック感光層５２としては、アクリル系ポリマー等の感光性モノマーをウレタン樹脂、エポキシ樹脂、セルロース樹脂等のバインダー樹脂に分散したホログラム材料で構成される。
【００４８】
そして、ホログラフィック感光層５２に対して二光束干渉露光を行う。二光束干渉露光では、参照点ＲＰに収束する参照光Ｌｒと物体点ＯＰから射出された物体光Ｌｓとをホログラフィック感光層５２で干渉させることで露光し、ホログラム素子としての第１回折素子５０を形成する。
【００４９】
干渉露光工程を行った際、ホログラフィック感光層５２に膨張あるいは収縮が発生する。このとき、ホログラフィック感光層５２を指示する支持部材に反り等の変形が生じるおそれがある。ここで、支持部材が変形すると、干渉縞がずれてしまい、回折角度が変化する等といった回折性能の低下を招いてしまう。
本実施形態によれば、ホログラフィック感光層５２を支持する第１部材４６が５０Ｇｐａ以上１００ＧＰａ以下の弾性率を有するので、干渉露光時に膨張あるいは収縮が発生しようとした場合に第１部材４６によってホログラフィック感光層５２の変形が抑制される。よって、干渉露光工程時における膨張収縮による回折性能の低下を抑制した信頼性の高い第１回折素子５０を得ることができる。
【００５０】
また、本実施形態の製造方法では、露光時の光入射面が少なくとも平面で構成された第１部材４６上に支持したホログラフィック感光層５２に対して二光束干渉露光を行うことで、後述の効果を奏することが可能である。
【００５１】
ここで、比較例として、１部材で構成された補正光学系を用いる場合について考える。図６は比較例における露光工程を示す図である。図６に示すように、１部品で構成された補正光学系４５Ａ上に設けられたホログラフィック感光層５２に対して二光束干渉露光を行うと、物体点ＯＰから射出された物体光Ｌｓが補正光学系４５Ａの光入射出射面４５ａ１で屈折することで波面変化が大きくなる。一方、参照点ＲＰに収束する参照光Ｌｒはホログラフィック感光層５２に直接入射するため、補正光学系４５Ａの表面で屈折されることによる波面変化が起こらない。
【００５２】
このように、比較例の露光工程によれば、物体光Ｌｓの波面が光入射出射面４５ａ１による屈折の影響を大きく受けるため、本来とは異なる図６中の二点鎖線で示される波面でホログラフィック感光層５２が露光されることで、第１回折素子５０として所望の回折性能を得ることができない。
【００５３】
なお、図６において、仮に露光光線を逆方向となるようにしたとき、すなわち物体点側を収束光とし参照点側を射出光とした場合、参照光が補正光学系１４５のレンズ面の影響を受けるため、同様に本来とは異なる波面でホログラフィック感光層５２が露光されてしまう。
【００５４】
これに対して、本実施形態の露光工程によれば、図５Ａに示すように、物体点ＯＰから射出された物体光Ｌｓが第１部材４６の表面４６ａに入射するようになる。第１部材４６における第１回折素子５０と反対に位置する表面４６ａは平面で構成されるため、物体光Ｌｓは表面４６ａによる屈折の影響を受け難く、波面変化が小さい。また、ホログラフィック感光層５２に直接入射する参照光Ｌｒの波面変化は小さくなる。
【００５５】
このように本実施形態の製造方法によれば、物体光Ｌｓ及び参照光Ｌｒの波面が屈折の影響を受け難くできるので、ホログラフィック感光層５２の所望の位置を露光して干渉縞５０ａを形成することができる。したがって、所望の回折性能を備えた第１回折素子５０を製造することができる。
【００５６】
続いて、第１部材４６上に形成された第１回折素子５０の第１部材４６と反対側に第２部材４７を設ける。具体的に、図５Ｂに示すように、第１部材４６の表面４６ａに第２部材４７の裏面４７ｂを貼り付ける。このとき、第１部材４６の表面４６ａおよび第２部材４７の裏面４７ｂに設けられたアライメントマーク（不図示）を基準にして第１部材４６と第２部材４７とを精度良く貼り付けることができる。
【００５７】
以上のようにして、第１回折素子５０と補正光学系４５とを含む第２光学部Ｌ２０を製造することができる。本実施形態の第２光学部Ｌ２０によれば、干渉露光工程時の物体光Ｌｓ及び参照光Ｌｒに対する屈折の影響を低減するとともに干渉露光工程時における膨張収縮の発生を抑制した第１回折素子５０を備えたものとなる。つまり、第１回折素子５０は所望の回折性能を得ることができる。したがって、この第１回折素子５０を含む第２光学部Ｌ２０は信頼性の高いものとなる。
【００５８】
図７は、第１回折素子５０および第２回折素子７０を構成する体積ホログラムにおける回折特性を説明した図である。図７は、体積ホログラム上の１点に光線が入射したときの、特定波長と周辺波長の回折角の差を示したものである。図７には、特定波長を５３１ｎｍとしたとき、波長が５２６ｎｍの周辺波長の光の回折角度のずれを実線Ｌ５２６で示し、波長が５３６ｎｍの周辺波長の光の回折角度のずれを点線Ｌ５３６で示してある。図７に示すように、ホログラムに記録された同じ干渉縞に光線が入射した場合でも、長波長の光線ほど大きく回折し、短波長の光線ほど回折しにくい。そのため、本実施形態のように２つの回折素子、すなわち第１回折素子５０および第２回折素子７０を用いた際、特定波長に対する長波長の光および短波長の光における光線角度をそれぞれ考慮して入射させないと適正に波長補償できない。すなわち第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセルできなくなる。
【００５９】
図２に示す光学系１０では、特開２０１７−１６７１８１号公報に記載されているように、第１回折素子５０と第２回折素子７０との間での中間像の形成回数と、ミラー６２での反射回数の和が奇数か偶数かに対応して、第２回折素子７０への入射方向等を適正化してあるため、波長補償、すなわち色収差をキャンセル可能である。
【００６０】
ここで、第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度が同じ場合について考える。すなわち、第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度が同じ回折素子で構成されている場合について考える。図８は第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度が同じ場合に第２回折素子７０から出射される光の説明図である。なお、図８では、画像光Ｌ０の特定波長の光Ｌ１（実線）に加えて、長波長側の光Ｌ２（一点鎖線）、および特定波長に対して短波長側の光Ｌ３（点線）も図示してある。
【００６１】
図８に示すように、第１回折素子５０に入射した画像光Ｌ０は、第１回折素子５０によって回折されることで偏向する。このとき、図７に示したように体積ホログラムからなる第１回折素子５０では、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２の回折角度θ２が特定波長の光Ｌ１の回折角度θ１より大きくなる。また、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３の回折角度θ３が特定波長の光Ｌ１の回折角度θ１より小さくなる。従って、第１回折素子５０を出射した画像光Ｌ０は、波長毎に偏向されて分散することとなる。
【００６２】
第１回折素子５０を出射した画像光Ｌ０は、導光系６０を経由して第２回折素子７０に入射し、第２回折素子７０によって回折されることで偏向する。その際、第１回折素子５０から第２回折素子７０までの光路において、中間像の形成が１回行われるとともに、ミラー６２での反射が１回行われる。従って、画像光Ｌ０と第２回折素子７０の入射面法線との間の角度を入射角とすると、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２は、特定波長の光Ｌ１における入射角θ１１よりも大きな入射角θ１２となり、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３は、特定波長の光Ｌ１における入射角θ１１よりも小さな入射角θ１３となる。また、上述したように特定波長に対して長波長側の光Ｌ２の回折角度θ２は、特定波長の光Ｌ１の回折角度θ１よりも大きくなり、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３の回折角度θ３は、特定波長の光Ｌ１の回折角度θ１よりも小さくなる。
【００６３】
従って、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２は、特定波長の光Ｌ１よりも大きな入射角で第１回折素子５０に入射するが、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２の回折角度が、特定波長の光Ｌ１の回折角度よりも大きいため、結果として第２回折素子７０から出射するときには、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２と特定波長の光Ｌ１は略平行な光となる。これに対して、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３は、特定波長の光Ｌ１よりも小さな入射角で第１回折素子５０に入射するが、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３の回折角度が、特定波長の光Ｌ１の回折角度よりも小さいため、結果として第２回折素子７０から出射するときには、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３と特定波長の光Ｌ１は略平行な光となる。このようにして、図８に示すように、第２回折素子７０を出射した画像光Ｌ０は、略平行な光として観察者の眼Ｅに入射する。よって、波長毎の網膜Ｅ０での結像位置ずれが抑制されて、第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセルできる。
【００６４】
このように第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度を同じにすることで色収差をキャンセルする場合、第１回折素子５０と第２回折素子７０との間には共役関係が成立する。ここで、共役関係とは、第１回折素子５０の第１の位置から出射した光が正パワーを持つ導光系６０によって集光され、第２回折素子７０の第１の位置に対応する第２の位置に入射する関係をいう。
【００６５】
しかしながら、上述のように第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度を揃えることで共役関係を成立させる場合、以下の問題が生じる。
【００６６】
図９Ａは第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角を小さい角度で揃えた場合の説明図である。図９Ｂは第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角を大きい角度で揃えた場合の説明図である。なお、図９Ａおよび図９Ｂにおいて、光軸に沿って配置される各光学部を簡略化して太い矢印で示してある。
【００６７】
図９Ａでは、第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角を小さい角度αで揃えている。図９Ｂでは、第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角を角度αよりも大きい角度βで揃えている。
図９Ａに示されるように、第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角を小さい角度αで揃えると、観察者の顔における輪郭ＭＣに沿って各光学部材を配置することで表示装置の小型化を図ることが可能となる。しかしながら、図９Ａに示されるように、ミラー４０と導光系６０とが干渉し、画像光の一部が欠けるという問題が生じる。
【００６８】
一方、図９Ｂに示すように、第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角を大きい角度βで揃えると、ミラー４０と導光系６０との間隔が広がることで両者の干渉は回避できる。しかしながら、観察者の顔における輪郭ＭＣから離れた位置に各光学部材が配置されることになるため、結果的に表示装置の大型化という問題が生じる。
【００６９】
そこで、本実施形態の光学系１０では第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度を異ならせるようにした。図１０は本実施形態の光学系１０における第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度の関係を示した図である。
図１０に示すように、本実施形態の光学系１０では、第１回折素子５０における画像光Ｌ０の第１回折角α１と第２回折素子７０における画像光Ｌ０の第２回折角β１とが異なっている。具体的に、第２回折角β１は第１回折角α１より大きい。本実施形態の光学系１０によれば、第２回折角β１を第１回折角α１より大きくすることで、観察者の眼Ｅに大きな画角で画像光Ｌ０を入射させるとともに、観察者の顔における輪郭ＭＣに沿って各光学部を配置することができる。従って、光学系１０を含む表示装置自体の小型化を実現できる。
【００７０】
ところで、上述のように第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度α１，β１をそれぞれ異ならせることで表示装置を小型化できるが、後述のように新たな問題が生じる。
【００７１】
図１１は第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度を異ならせた場合に第２回折素子７０から出射される光の説明図である。なお、図１１に示す光路上には補正光学系４５が配置されていないものとする。図１１では、画像光Ｌ０の特定波長の光Ｌ１（実線）に加えて、長波長側の光Ｌ２（一点鎖線）、および特定波長に対して短波長側の光Ｌ３（点線）も図示してある。
【００７２】
図１１に示すように、第１回折素子５０に入射した画像光Ｌ０は、第１回折素子５０によって回折されることで偏向する。このとき、図１１に示すように第１回折素子５０を出射した画像光Ｌ０は、波長毎に偏向されて分散することとなる。
【００７３】
第１回折素子５０を出射した画像光Ｌ０は第２回折素子７０で回折されることで偏向する。このとき、第２回折素子７０の回折角度は第１回折素子５０の回折角度と異なるため、図１１に示すように、特定波長の光Ｌ１に対して長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３は拡がった状態で出射される。このようにして、図１１に示すように、第２回折素子７０を出射した画像光Ｌ０は波長毎に網膜Ｅ０での結像位置にずれが生じるので、色収差をキャンセルできず、画像光Ｌ０の解像度の低下という問題が生じる。
【００７４】
この問題を解消すべく、本実施形態の光学系１０は、図２に示したように、画像光Ｌ０の光路において第１光学部Ｌ１０と第４光学部Ｌ４０との間に、第２回折素子７０に対する画像光Ｌ０の入射角度を補正する補正光学系４５を設けている。具体的に、補正光学系４５は、第２光学部Ｌ２０を構成する第１回折素子５０の光入射側および光射出側に一体に設けられている。補正光学系４５は、画像光Ｌ０が入射あるいは出射される光入射出射面４５ａを有する。
【００７５】
補正光学系４５は、観察者の眼Ｅに近い側の厚みが厚く、観察者の眼Ｅから遠い側の厚みが薄くなる形状を有する。また、補正光学系４５は、第１回折素子５０に対して左側Ｘ２に位置する第２回折素子７０に近い側の厚みが厚く、第１回折素子５０に対して右側Ｘ１に位置する画像光生成装置３１に近い側の厚みが薄い形状を有していると換言できる。
【００７６】
光入射出射面４５ａは、観察者の眼Ｅに近づくにつれて前側Ｚ１に突出するように傾斜する面で構成されている。また、光入射出射面４５ａ１は、第２回折素子７０に近づくにつれて前側Ｚ１に突出するように傾斜する面で構成されると換言することもできる。
【００７７】
ここで、補正光学系４５の機能について図面を参照しながら説明する。
図１２Ａは補正光学系４５における第１の機能を示す図であり、図１２Ｂは補正光学系４５における第２の機能を示す図であり、図１２Ｃは補正光学系４５における第３の機能を示す図である。なお、図１２Ａ、図１２Ｂおよび図１２Ｃでは、第２回折素子７０の第２回折角β１が第１回折素子５０の第１回折角α１より大きいものとする。
また、図１３は補正光学系４５の拡大図である。図１３では第１部材４６及び第２部材４７を省略して示している。また、図１３では、画像光Ｌ０の特定波長の光Ｌ１（実線）に加えて、長波長側の光Ｌ２（一点鎖線）、および特定波長に対して短波長側の光Ｌ３（点線）も図示してある。
【００７８】
図１２Ａに示すように、補正光学系４５は、画像光Ｌ０の光路において、第１回折素子５０の光入射側に設けられる。そのため、画像光Ｌ０は、図１３に示すように光入射出射面４５ａから補正光学系４５内に入射する。このとき、光の分散によって補正光学系４５の入射時に、短波長側の光Ｌ３が最も大きく屈折し、長波長側の光Ｌ２が最も小さく屈折し、特定波長の光Ｌ１は短波長側の光Ｌ３および長波長側の光Ｌ２の間の大きさで屈折する。そして、特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３は補正光学系４５内を透過して第１回折素子５０に入射する。
【００７９】
特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３は補正光学系４５で分散されることによって第１回折素子５０の異なる場所に入射する。また、特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３における第１回折素子５０に対する入射角度はそれぞれ異なる。
【００８０】
このように補正光学系４５は、画像光Ｌ０を分散させることで第１回折素子５０に対する特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３の入射位置と角度をそれぞれ変化させる。
【００８１】
ここで、第１回折素子５０を構成する体積ホログラムの回折角は場所ごとで異なっている。補正光学系４５は、例えば、画像光Ｌ０における特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３における第１回折素子５０に対する入射位置をそれぞれ適切な位置に補正する。このように補正光学系４５によれば、第２回折素子７０から出射される際に図８に示したように特定波長の光およびその周辺波長の光が略平行となるように、第１回折素子５０から出射された画像光Ｌ０の第２回折素子７０に対する入射角を補正可能となる。すなわち、補正光学系４５は、図１２Ａに示すように「第１回折素子５０に入射する画像光Ｌ０の入射位置を波長毎に変えるように補正する」という第１の機能を有する。
【００８２】
また、補正光学系４５は、図１２Ｂに示すように、第１回折素子５０に対する画像光Ｌ０の入射角度を波長毎、すなわち、特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３毎にそれぞれ補正する。これにより、画像光Ｌ０は、図１３に示すように、例えば、画像光Ｌ０における長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３に対して予め角度をつけることで第１回折素子５０に対する入射角が補正される。このように補正光学系４５によれば、第２回折素子７０から出射される際に図８に示したように特定波長の光およびその周辺波長の光が略平行となるように、画像光Ｌ０を第１回折素子５０に入射させることが可能となる。すなわち、補正光学系４５は、図１２Ｂに示した「第１回折素子５０に対する画像光Ｌ０の入射角度を波長毎に補正する」という第２の機能を有する。
【００８３】
また、補正光学系４５は、図１２Ｃに示すように、画像光Ｌ０の光路において、第１回折素子５０と第２回折素子７０との間に設けられる。そのため、第１回折素子５０から出射された画像光Ｌ０は、波長毎に分散した状態で補正光学系４５に入射する。
図１３に示すように、第１回折素子５０は場所によって回折角が異なることから、特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３をそれぞれ異なる角度で回折させる。第１回折素子５０で回折された特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３は、再び補正光学系４５内を透過して光入射出射面４５ａから射出される。特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３は、補正光学系４５からそれぞれ異なる方向に射出される。このように補正光学系４５は、画像光Ｌ０を波長ごとに異なる方向に偏向することで、特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３における第２回折素子７０に対する入射角度をそれぞれ調整することができる。
【００８４】
すなわち、補正光学系４５は、第１回折素子５０における画像光Ｌ０の回折角の不足分を補うことで、波長毎に分散した画像光Ｌ０における第２回折素子７０に対する入射角が補正される。このように補正光学系４５によれば、第２回折素子７０から出射される際に図８に示したように特定波長の光およびその周辺波長の光が略平行となるように、波長毎に分散した画像光Ｌ０の出射角を補正することが可能となる。すなわち、補正光学系４５は、図１２Ｃに示した「第１回折素子５０における画像光Ｌ０の回折角の不足分を補うように補正する」という第３の機能を有する。
【００８５】
このように補正光学系４５によれば、図１２Ａ、図１２Ｂおよび図１２Ｃに示した効果を奏することができるので、第２回折素子７０を出射した画像光Ｌ０を略平行な光として観察者の眼Ｅに入射させることができる。よって、波長毎の網膜Ｅ０での結像位置ずれが抑制されて、第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセルできる。したがって、補正光学系４５を有した第２光学部Ｌ２０を備えることで、第１回折素子５０および第２回折素子７０における回折角を異ならせた構造を採用しつつ、第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセルすることで高い画質を得ることができる。つまり、２つの回折素子によって適正に波長補償を行いつつ、回折角を異ならせることで表示装置１００の小型化を図ることができる。
【００８６】
以上のように、本実施形態の光学系１０によれば、補正光学系４５を備えることで、図１２Ａ、図１２Ｂおよび図１２Ｃに示した機能を得ることができる。よって、本実施形態の光学系１０によれば、補正光学系４５を用いることで、第２回折素子７０に対する画像光Ｌ０の入射角度を精度良く補正可能である。
【００８７】
従って、本実施形態の光学系１０によれば、互いに回折角の異なる第１回折素子５０および第２回折素子７０を用いる場合であっても、補正光学系４５によって第２回折素子７０を出射した画像光Ｌ０を略平行な光として観察者の眼Ｅに入射させることができる。よって、波長毎の網膜Ｅ０での結像位置ずれが抑制されて、第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセルできる。よって、画像光の解像度の劣化を抑えることができる。
【００８８】
すなわち、本実施形態の光学系１０によれば、第１回折素子５０および第２回折素子７０における回折角を異ならせた構造を採用しつつ、第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセルして高い画質を得ることができる。つまり、本実施形態の光学系１０によれば、２つの回折素子によって適正に波長補償を行いつつ、回折角を異ならせることで表示装置１００の小型化を図ることができる。
【００８９】
図１４は本実施形態の光学系１０の光線図を模式的に示した図である。図１４において、光軸に沿って配置された各光学部を太い矢印で示してある。また、図１４では、画像光生成装置３１の中心から出射される画像光の光線を実線Ｌａで示し、画像光生成装置３１の端部から出射される画像光の主光線を一点鎖線Ｌｂで示している。また、図１４は、画像光生成装置３１から出射された光の進行を示すものである。なお、図１４においては、図を簡略化するため、すべての光学部を透過型として図示している。以下の説明において、「中間像」とは、１画素から出射された光線（実線Ｌａ）が集まる個所であり、「瞳」とは、各画角の主光線（一点鎖線Ｌｂ）が集まる個所である。
【００９０】
図１４に示されるように、本実施形態の光学系１０は、画像光生成装置３１から出射された画像光の光路に沿って、正のパワーを有する第１光学部Ｌ１０と、第１回折素子５０を備え、正のパワーを有する第２光学部Ｌ２０と、正のパワーを有する第３光学部Ｌ３０と、第２回折素子７０を備え、正のパワーを有する第４光学部Ｌ４０とが設けられている。
【００９１】
本実施形態の光学系１０では、第１光学部Ｌ１０と第３光学部Ｌ３０との間に画像光の第１中間像Ｐ１が形成され、第２光学部Ｌ２０と第４光学部Ｌ４０との間に瞳Ｒ１が形成され、第３光学部Ｌ３０と第４光学部Ｌ４０との間に画像光の第２中間像Ｐ２が形成され、第４光学部Ｌ４０は、画像光を平行光化して射出瞳Ｒ２を形成する。その際、第３光学部Ｌ３０は、第２光学部Ｌ２０から射出された画像光の画角の主光線を発散光として第４光学部Ｌ４０に入射させる。
【００９２】
本実施形態の光学系１０において、瞳Ｒ１は、第２光学部Ｌ２と第４光学部Ｌ４０との間のうち、第２光学部Ｌ２０と第３光学部Ｌ３０との間に形成される。
【００９３】
従って、本実施形態の光学系１０によれば、投射光学系３２と導光系６０との間に画像光の第１中間像Ｐ１が形成され、導光系６０の近傍に瞳Ｒ１が形成され、導光系６０と第２回折素子７０との間に画像光の第２中間像Ｐ２が形成され、第２回折素子７０は、画像光を平行光化して射出瞳Ｒ２を形成する。
【００９４】
本実施形態の光学系１０において、第１中間像Ｐ１は、第１光学部Ｌ１０（投射光学系３２）と第２光学部Ｌ２０（第１回折素子５０）との間に形成される。
【００９５】
本実施形態の光学系１０によれば、以下に示す３つの条件（条件１、２、３）を満たしている。
条件１：画像光生成装置３１の１つの点から出射した光線は、網膜Ｅ０に１つの点として結像される。
条件２：光学系の入射瞳と眼球の瞳が共役である。
条件３：第１回折素子５０と第２回折素子７０との間で周辺波長を補償する。
【００９６】
より具体的には、図１４に示す一点鎖線Ｌｂから分かるように、画像光生成装置３１の１つの点から出射した光線は、網膜Ｅ０に１つの点として結像されるという条件１を満たすので、観察者は１画素を視認することができる。また、図１４に示す実線Ｌａから分かるように、光学系１０の入射瞳と眼Ｅの瞳Ｅ１とが共役（瞳の共役）の関係にあるという条件２を満たすので、画像光生成装置３１で生成した画像の全域を視認することができる。また、上述したように補正光学系４５を設けることで、第１回折素子５０と第２回折素子７０との間で画像光Ｌ０の周辺波長を補償するという条件３を満たすため、第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセルすることができる。
【００９７】
（第二実施形態）
続いて、第二実施形態に係る光学系について説明する。上記実施形態の光学系では、補正光学系における第１部材の表面が平面で構成される場合を説明したが、第１部材の板状はこれに限られない。なお、第一実施形態と共通の部材については同じ符号を付し、詳細な説明については省略する。
【００９８】
図１５は本実施形態における第２光学部の要部構成を示す断面図である。図１５に示すように、本実施形態の第２光学部Ｌ２１は、第１回折素子１５０と補正光学系１４５とを含む。補正光学系１４５は、第１部材１４６と第２部材４７とを含む。第１部材１４６は、第１回折素子１５０の入射面（一方の面）１５１に設けられる。第２部材４７は、第１部材１４６における第１回折素子５０と反対側に設けられる。
【００９９】
第１部材１４６は透光性及び５０Ｇｐａ以上１００ＧＰａ以下の弾性率を有する部材である。本実施形態において、第１部材１４６は、例えば、８０Ｇｐの弾性率を有するガラスで構成される。第１部材１４６の裏面１４６ｂに第１回折素子１５０が貼り付けられている。第１部材１４６の裏面１４６ｂは曲面で構成され、表面１４６ａは平面で構成されている。第２部材４７は、平面で構成された表面１４６ａに貼り付けられる。
【０１００】
本実施形態において、第１回折素子１５０は曲面からなる第１部材１４６の裏面１４６ｂ上に設けられている。そのため、第１回折素子１５０は、画像光Ｌ０お入射する入射面１５１が凹んだ凹曲面になっている。つまり、第１回折素子１５０の入射面１５１は、画像光Ｌ０の入射方向において、周辺部に対して中央部が凹んで湾曲した形状となっている。そのため、第１回折素子１５０は画像光Ｌ０を導光系６０に向けて効率良く偏向させることができる。
【０１０１】
本実施形態の第２光学部Ｌ２１によれば、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。すなわち、干渉露光時における物体光及び参照光に対する屈折の影響を低減するとともに膨張収縮の発生を抑制することで所望の回折性能を有した第１回折素子１５０を得ることができる。
【０１０２】
（第三実施形態）
続いて、第三実施形態に係る光学系について説明する。上記実施形態の光学系では、補正光学系において第１部材と第２部材とが密着する場合を説明したが、本実施形態の補正光学系では、第二実施形態の補正光学系において第１部材及び第２部材を離間させた構成について説明する。なお、第二実施形態と共通の部材については同じ符号を付し、詳細な説明については省略する。
【０１０３】
図１６は本実施形態における第２光学部の要部構成を示す断面図である。図１６に示すように、第２光学部Ｌ２２は、第１回折素子１５０と補正光学系２４５とを含む。補正光学系２４５は、互いに離間した状態に配置された第１部材１４６及び第２部材１４７を含む。
【０１０４】
本実施形態において、第１部材１４６は、第１回折素子１５０の入射面１５１に設けられる。第２部材１４７は、第１部材１４６における第１回折素子１５０と反対側に離間した状態で設けられる。すなわち、第１部材１４６の表面１４６ａと第２部材１４７の裏面１４７ｂとの間には隙間Ｇが設けられている。なお、第２部材１４７は不図示の鏡筒等の保持部材に固定されることで第１部材１４６に対して離間した状態で配置される。
本実施形態の補正光学系２４５においても、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
なお、第１部材１４６の表面１４６ａ及び第２部材１４７の裏面１４７ｂの少なくとも一方にＡＲコート等の反射防止膜を設けてもよい。
【０１０５】
図１７は第三実施形態の変形例に係る構成を示す断面図である。
図１７に示すように、本変形例の第２光学部Ｌ２３では、第１部材１４６の表面１４６ａと第２部材１４７の裏面１４７ｂとの間にスペーサー部材８０を配置している。スペーサー部材８０は、第１部材１４６及び第２部材１４７間の隙間Ｇを所定の値に保持する。スペーサー部材８０は、第１スペーサー部８１と第２スペーサー部８２とを含む。第１スペーサー部８１は、第１部材１４６の表面１４６ａと第２部材１４７の裏面１４７ｂとの間における一部に設けられ、第２スペーサー部８２は第１部材１４６の表面１４６ａと第２部材１４７の裏面１４７ｂとの間における残りの一部に設けられる。第１スペーサー部８１及び第２スペーサー部８２は互いに異なる材料で構成される。例えば、第１スペーサー部８１及び第２スペーサー部８２の一方はプラスチック材料で構成され、第１スペーサー部８１及び第２スペーサー部８２の他方はゴムなどの弾性部材で構成される。
【０１０６】
ガラスで構成された第１部材１４６とプラスチックで構成された第２部材１４７とでは線膨張係数が異なるため、熱によるひずみ方に差が出る。本実施形態の構成によれば、弾性部材で構成された第２スペーサー部８２が伸縮することで線膨張係数の違いによる熱ひずみの影響を緩和することができる。これにより、熱ひずみによる補正光学系２４５の破壊を防止することができる。
本変形例の構成においても、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
【０１０７】
なお、スペーサー部材を第２部材１４７の裏面１４７ｂと一体に設けてもよい。このようにすれば、第２部材１４７とスペーサー部材とを一体成形することで部品点数の削減が図られる。
【０１０８】
なお、第一実施形態の補正光学系４５について第１部材４６及び第２部材４７を離間させる構成を採用してもよい。すなわち、第１部材４６及び第２部材４７間に隙間Ｇを設けるようにしてもよい。
【０１０９】
（第四実施形態）
続いて、第四実施形態に係る光学系について説明する。上記実施形態の光学系では、補正光学系における第１部材の表面が平面で構成される場合を説明したが、第１部材の表面は曲面であってもよい。本実施形態の補正光学系では、第１部材の表面が曲面である場合について説明する。なお、第一実施形態と共通の部材については同じ符号を付し、詳細な説明については省略する。
【０１１０】
図１８は本実施形態における第２光学部の要部構成を示す断面図である。図１８に示すように、第２光学部Ｌ２４は、第１回折素子３５０と補正光学系３４５とを含む。補正光学系３４５は、第１部材３４６と第２部材３４７とを含む。第１部材３４６は、第１回折素子３５０の入射面（一方の面）３５１に設けられる。第２部材３４７は、第１部材３４６における第１回折素子３５０と反対側に設けられる。
【０１１１】
第１部材３４６は透光性及び５０Ｇｐａ以上１００ＧＰａ以下の弾性率を有する部材である。本実施形態において、第１部材３４６は、例えば、８０Ｇｐの弾性率を有するガラスで構成される。第１部材３４６の裏面３４６ｂに第１回折素子３５０が貼り付けられている。第１部材３４６の裏面３４６ｂ及び表面３４６ａはいずれも曲面で構成されている。第２部材３４７は表面３４６ａに貼り付けられる。
【０１１２】
第２部材３４７は透光性及び光学パワーを有する部材である。本実施形態において、第２部材３４７は、例えば、アクリル等のプラスチックで構成される。第２部材３４７は、第１部材３４６に対向する裏面３４７ｂと、該裏面３４７ｂと反対を向く表面３４７ａとを有する。表面３４７ａは正の光学パワーを有する面で構成され、補正光学系３４５における光入射出射面３４５ａとして機能する。
【０１１３】
続いて、本実施形態の第２光学部の製造方法について説明する。図１９は第１回折素子３５０の露光工程を示す図である。
図１９に示すように、第１部材３４６を用意し、該第１部材３４６の裏面３４６ｂにホログラフィック感光層５２を例えば塗布することで設ける。続いて、ホログラフィック感光層５２に対して二光束干渉露光を行う。二光束干渉露光では、参照点ＲＰに収束する参照光Ｌｒと物体点ＯＰから射出された物体光Ｌｓとをホログラフィック感光層５２で干渉させることで露光し、ホログラム素子としての第１回折素子３５０を形成する。
【０１１４】
本実施形態において、第１部材３４６の表面３４６ａは、物体点ＯＰからの距離に応じて設定された、例えば、シリンダー形状（円筒形状）を有する。なお、第１部材３４６の表面３４６ａは、円筒形状に近いその他の形状、例えば、自由曲面形状であってもよい。
【０１１５】
例えば、物体点ＯＰからホログラフィック感光層５２に一番近い距離をＬとし、第１部材３４６の厚さをＬｇとした場合、表面３４６ａの曲率半径はＬ−Ｌｇで規定される。この場合において、物体点ＯＰから射出された物体光Ｌｓは図１９に示すように第１部材３４６の表面３４６ａに対して垂直入射する。
【０１１６】
ここで、上記第一実施形態のように第１部材４６の表面４６ａが平面である場合、物体点ＯＰから射出されることで距離に応じた球面状の波形を描く物体光Ｌｓの波面変化を完全に抑制することは難しい。これに対し、本実施形態の構成によれば、物体点ＯＰから射出された物体光Ｌｓが第１部材３４６の表面３４６ａに対して垂直入射するので、物体光Ｌｓの波面が表面３４６ａに入射する際に屈折の影響を受けない。したがって、本実施形態の露光工程によれば、ホログラフィック感光層５２に入射する参照光Ｌｒの波面変化を最も小さくすることができる。よって、本実施形態の製造方法によれば、ホログラフィック感光層５２の露光をより高い精度で行うことで、より回折性能の高い第１回折素子３５０を製造することができる。
【０１１７】
なお、本実施形態では、物体光Ｌｓを射出する物体点ＯＰからホログラフィック感光層５２までの距離を有限とする場合において物体光Ｌｓの波面が屈折の影響を受け難くする場合について説明した。
しかしながら、物体点からホログラフィック感光層までの距離を無限遠とみなせる場合、物体点から出射される物体光の波面は平行となる。この場合、図２０に示されるように、表面４６ａが平面で構成された第１部材４６を支持部材を用いたとしても、物体光Ｌｓの波面における屈折の影響が低減されるのでホログラフィック感光層５２を精度良く露光することができる。
【０１１８】
（第五実施形態）
続いて、第五実施形態に係る光学系について説明する。本実施形態の光学系では、補正光学系における第２部材に遮光膜を形成する場合について説明する。なお、第一実施形態と共通の部材については同じ符号を付し、詳細な説明については省略する。
【０１１９】
図２１Ａは本実施形態における第２光学部の要部構成を示す断面図である。図２１Ａに示すように、第２光学部Ｌ２５は、第１回折素子５０と補正光学系４４５とを含む。補正光学系４４５は、第１部材４６と第２部材４７と遮光膜（遮光部材）４８とを含む。遮光膜４８は、第２部材４７の裏面４７ｂに設けられている。遮光膜４８は、例えば光吸収性を有する黒色の塗膜で構成される。なお、遮光膜４８は、光を吸収可能であれば膜の他に黒色のプラスチックや黒色の接着剤であってもよい。
【０１２０】
図２１Ｂは遮光膜４８の平面形状を示す図である。図２１Ｂに示すように、開口部４８ａが遮光膜４８に設けられている。開口部４８ａの大きさは、第１回折素子５０に入射する画像光Ｌ０あるいは第１回折素子５０で回折される画像光Ｌ０のうち迷光となり得る成分を遮光するように設計される。これにより、第２光学部Ｌ２５は、迷光成分を低減した画像光を後段の光学系に導くことができる。
【０１２１】
なお、遮光膜４８は第１部材４６の表面４６ａに設けてもよい。第１部材４６の表面４６ａに遮光膜４８を設ける場合、第１回折素子５０の干渉露光時に遮光膜４８が露光光を妨げるおそれがある。そのため、遮光膜４８は、第１回折素子５０の干渉露光が終了した後、第１部材４６の表面４６ａに成膜される。
【０１２２】
（第六実施形態）
続いて、第六実施形態に係る光学系について説明する。上記実施形態の光学系では、補正光学系によって特定波長の光、短波長側の光および長波長側の光が第２回折素子７０上の一点に入射するように画像光を補正する場合を説明したが、本実施形態は特定波長の光、短波長側の光および長波長側の光における入射位置が第２回折素子７０上でわずかに異なる場合について説明する。
【０１２３】
図２２は、本実施形態の光学系１０Ａにおける第１回折素子５０と第２回折素子７０との間の光線図である。図２３は、第２回折素子７０から出射される光の説明図である。図２４は、図２３に示す光が眼Ｅに入射する様子を示す説明図である。なお、図２２には、特定波長の光を実線Ｌｅで示し、波長が特定波長−１０ｎｍの光を一点鎖線Ｌｆで示し、波長が特定波長＋１０ｎｍの光を二点鎖線Ｌｇで示してある。図２４には、図面に向かって最も左側に、波長が特定波長−１０ｎｍの光（図２３に一点鎖線Ｌｆで示す光）が眼Ｅに入射する様子を示し、図面に向かって最も右側に、波長が特定波長＋１０ｎｍの光（図２３に二点鎖線Ｌｇで示す光）が眼Ｅに入射する様子を示し、その間には、特定波長−１０ｎｍから特定波長＋１０ｎｍまで波長を変化させた光が眼Ｅに入射する様子を示してある。なお、図２４には、特定波長の光が眼Ｅに入射する様子を示していないが、特定波長の光が眼Ｅに入射する様子は、左から３番目に示す様子と左から４番目に示す様子との中間の様子となる。
【０１２４】
図２３に示すように、特定波長からずれた周辺波長の光では、第２回折素子７０に入射する状態が異なる。ここで、第２回折素子７０では、光軸に近づくほど干渉縞数が少なくなり、光を曲げる力が弱い。このため、長波長側の光を光軸側に入射させ、短波長側の光を端の方に入射させれば、特定波長の光、および周辺波長の光は平行光化されるため、波長補償と同様な効果を得ることができる。
【０１２５】
この場合、図２３に示すように波長によって光線位置がずれるため、瞳に入射する光線径が径φａから径φｂへと大きくなる。その時の瞳孔に入射する光線強度の様子を示したのが図２４である。図２４から分かるように、特定波長近傍では瞳孔を満たす事ができないが、周辺波長の光は、特定波長の光とずれた位置に入射するため、瞳孔径を満たすことができる。その結果、観察者は画像を見やすくなる等の利点を得ることができる。
【０１２６】
以上、本発明の表示装置に係る一実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されることはなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態では、第２回折素子７０における画像光Ｌ０の第２回折角が第１回折素子５０における画像光Ｌ０の第１回折角よりも大きい場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明において、第２回折素子７０における第２回折角と第１回折素子５０における第１回折角とは互いに異なっていればよく、第１回折角が第２回折角よりも大きくてもよい。このように第１回折角を第２回折角よりも大きくする場合においても、補正光学系を設けることで、２つの回折素子によって適正に波長補償を行いつつ、表示装置の小型化を図ることが可能となる。
【０１２７】
また、上記実施形態の補正光学系４５は、図１２Ａから図１２Ｃで示した全ての機能を有する場合を例に挙げたが、本発明の補正光学系はこれらの機能の少なくともいずれかを有していてもよい。
【０１２８】
また、上記実施形態の光学系では、第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度を異ならせた場合に生じる問題を補正光学系によって解決する場合について説明したが、補正光学系の用途はこれに限られない。
【０１２９】
ここで、第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度を揃えた場合、第１回折素子５０と第２回折素子７０とは共役関係或いは略共役関係を満たすことになる。
第１回折素子５０と第２回折素子７０とが共役関係或いは略共役関係を満たす場合、第１回折素子５０の第１の点から出射した発散光は正パワーを持つ導光系６０によって集光され、第２回折素子７０における第１の点に対応する第２の点に入射する。
従って、第１回折素子５０と第２回折素子７０とが共役関係或いは略共役関係を満たす場合、第２回折素子７０で発生する回折による色収差を第１回折素子５０により補償することが可能となる。
【０１３０】
ところで、表示装置１００の構造上、画像光Ｌ０は第２回折素子７０に対して斜め方向から入射（斜入射）する。このように画像光Ｌ０が第２回折素子７０に対して斜入射する場合、第２回折素子７０上における画像光Ｌ０の光線形状に歪が生じてしまう。
すると、観察者の眼Ｅに入射する画像光の光線形状と、第１回折素子５０および第２回折素子７０に入射する画像光の結像光線の形状との間に差が生じるため、上述した共役関係或いは略共役関係を満たすことが難しくなってしまう。
【０１３１】
例えば、第２回折素子７０に斜入射する画像光Ｌ０の光線形状を予め円形等といった所望の光線形状に補正することができれば、第１回折素子５０および第２回折素子７０における画像光の入射形状が一致することになるので、第１回折素子５０および第２回折素子７０が共役関係或いは略共役関係を満たすようになる。補正光学系４５であれば画像光Ｌ０の光線形状を補正する手段として有効に利用可能である。
なお、上述した第２回折素子７０に対する画像光Ｌ０の斜入射は第１回折素子５０及び第２回折素子７０が共役関係を有しない場合においても発生する。補正光学系４５は、共役関係の有無によらず、第２回折素子７０に斜入射する画像光Ｌ０の光線形状を補正する手段として利用できる。
【０１３２】
（変形例）
図２５は変形例に係る表示装置１０１の構成図である。本変形例の表示装置１０１は、図２５に示すように、画像光Ｌ０ａを右眼Ｅａに入射させる右眼用光学系１０ａと、画像光Ｌ０ｂを左眼Ｅｂに入射させる左眼用光学系１０ｂと、右眼用光学系１０ａおよび左眼用光学系１０ｂを保持する筐体９０と、を備えている。
【０１３３】
本変形例の表示装置１０１は、右眼用光学系１０ａおよび左眼用光学系１０ｂにおいて、画像光Ｌ０を上側Ｙ１から下側Ｙ２に進行させることで観察者の眼Ｅに出射させる構成を有している。
【０１３４】
本変形例の表示装置１０１においても上述の光学系１０を有している。そのため、本変形例の表示装置１０１においても、２つの回折素子によって適正に波長補償を行いつつ、装置の小型化を図ることができる。
【０１３５】
上記実施形態では、本発明の光学素子を第２光学部Ｌ２０の構成に適用する場合を例に挙げたが、本発明の光学素子を第４光学部Ｌ４０の構成に適用してもよい。この場合、第４光学部Ｌ４０を構成する第２回折素子は、透光性と５０Ｇｐａ以上の弾性率とを有する第１部材と、透光性と光学パワーとを有する第２部材とを備えたものとなる。
【０１３６】
［他の表示装置への適用］
上記実施形態では、頭部装着型の表示装置１００を例示したが、ヘッドアップディスプレイやハンドヘルドディスプレイやプロジェクター用光学系等に対して本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【０１３７】
３１…画像光生成装置、４６，１４６，３４６…第１部材、４７，１４７，３４７…第２部材、４８…遮光膜（遮光部材）、５０，１５０，３５０…第１回折素子、５２…ホログラフィック感光層、７０…第２回折素子、８０…スペーサー部材、８１…第１スペーサー部、８２…第２スペーサー部、１００，１０１…表示装置、Ｇ…隙間、Ｌ０…画像光、Ｌ１０…第１光学部、Ｌ２０，Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３，Ｌ２４，Ｌ２５…第２光学部（光学素子）、Ｌ３０…第３光学部、Ｌ４０…第４光学部、Ｌｒ，ＬｒＲ，ＬｒＧ，ＬｒＢ…参照光、Ｌｓ，ＬｓＲ，ＬｓＧ,ＬｓＢ…物体光。
【図１】
2020160134.tif 000003
【図２】
2020160134.tif 000004
【図３Ａ】
2020160134.tif 000005
【図３Ｂ】
2020160134.tif 000006
【図４】
2020160134.tif 000007
【図５Ａ】
2020160134.tif 000008
【図５Ｂ】
2020160134.tif 000009
【図６】
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【図７】
2020160134.tif 000011
【図８】
2020160134.tif 000012
【図９Ａ】
2020160134.tif 000013
【図９Ｂ】
2020160134.tif 000014
【図１０】
2020160134.tif 000015
【図１１】
2020160134.tif 000016
【図１２Ａ】
2020160134.tif 000017
【図１２Ｂ】
2020160134.tif 000018
【図１２Ｃ】
2020160134.tif 000019
【図１３】
2020160134.tif 000020
【図１４】
2020160134.tif 000021
【図１５】
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【図１６】
2020160134.tif 000023
【図１７】
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【図１８】
2020160134.tif 000025
【図１９】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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