(57)【要約】【課題】ホログラムを露光する際の露光光学系を簡単にする。【解決手段】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。【選択図】　　　　図１
2004069868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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Ｒｄ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Ｐｄとしたとき、前記距離Ｒｄは前記距離Ｐｄ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。
【請求項２】
前記距離Ｒｄが前記距離Ｐｄの２倍以上であることを特徴とする請求項１記載のイメージコンバイナ。
【請求項３】
前記距離Ｒｄが１００ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２記載のイメージコンバイナ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のイメージコンバイナと、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装置。
【請求項５】
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Ｒｄ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Ｐｄとしたとき、前記距離Ｒｄは前記距離Ｐｄより実質的に長いことを特徴とする画像表示装置。
【請求項６】
前記距離Ｒｄが前記距離Ｐｄの２倍以上であることを特徴とする請求項５記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記距離Ｒｄが１００ｍｍ以上であることを特徴とする請求項５又は６記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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、いわゆるシースルー型の頭部装着式画像表示装置（ヘッド・マウントディスプレイ）として、例えば特開２０００−３５２６８９号公報や特開２００１−２６４６８２号公報や特開２０００−１２１９８９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２００１−２６４６８２号公報には、シー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ッパー部に内蔵する例も開示されている。
【０００３】
これらの画像表示装置では、反射型ホログラム光学素子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。
【０００４】
そして、これらの画像表示装置では、イメージコンバ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２０００−３５２６８９号公報の段落番号２５、特開２００１−２６４６８２号の段落番号３７、特開２０００−１２１９８９号公報の段落番号２７）。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、製造状態での製造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２０００−３５２６８９号公報の段落番号２５、特開２００１−２６４６８２号の段落番号３７、特開２０００−１２１９８９号公報の段落番号２７）。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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バイナに用いると、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。
【０００８】
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。
【０００９】
その方法には、Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　Ｈｏｌｏｇｒａｍ（ＣＧＨ）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、ＣＧＨ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あり、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。
【００１０】
図２１に、特開２０００−１２１９８９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２１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、イメージコンバイナの射出瞳の位置とほぼ一致している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の画像表示装置では、図２１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。
【００１２】
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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
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）の位置がイ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。
【００１４】
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Ｒｄとし、イメージコンバ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Ｐｄとしたとき、前記距離Ｒｄを前記距離Ｐｄより実質的に長くすれば、つまり、反射型ホロ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遠い位置にすれば、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Ｒｄが前記距離Ｐｄ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Ｒｄが１００ｍｍ以上であること好ましい。
【００１５】
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、本発明の第１の態様によるイメージコンバイナは、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Ｒｄ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Ｐｄとしたとき、前記距離Ｒｄは前記距離Ｐｄより実質的に長いものである。
【００１６】
本発明の第２の態様によるイメージコンバイナは、前記第１の態様において、前記距離Ｒｄが前記距離Ｐｄの２倍以上であるものである。
【００１７】
本発明の第３の態様によるイメージコンバイナは、前記第１又は第２の態様において、前記距離Ｒｄが１００ｍｍ以上であるものである。
【００１８】
本発明の第４の態様による画像表示装置は、前記第１乃至第３のいずれかの態様によるイメージコンバイナと、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ものである。
【００１９】
本発明の第５の態様による画像表示装置は、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Ｒｄ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Ｐｄとしたとき、前記距離Ｒｄは前記距離Ｐｄより実質的に長いものである。
【００２０】
本発明の第６の態様による画像表示装置は、前記第５の態様において、前記距離Ｒｄが前記距離Ｐｄの２倍以上であるものである。
【００２１】
本発明の第７の態様による画像表示装置は、前記距離Ｒｄが１００ｍｍ以上であるものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるイ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。
【００２３】
［第１の実施の形態］
【００２４】
図１は、本発明の第１の実施形態によ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。
【００２５】
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１５についても、同様である。
【００２６】
本実施の形態による画像表示装置は、イメージコンバイナ１と、画像表示素子２とを備えている。
【００２７】
本実施の形態では、画像表示素子２として透過型ＬＣＤが用いられている。画像表示素子２は、その背後から、ＬＥＤ３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ＬＣＤ等の他の素子を用いても良いし、有機ＥＬ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。
【００２８】
イメージコンバイナ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１１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５ａ、５ｂ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１１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１１ｃと、入射面１１ｃから入射した光を全反射する平面からなる反射面１１ｂと、反射面１１ｂで反射された光を射出して板状部５の面５ａの図１中の上部付近に入射させる曲面からなる射出面１１ａと、を有している。
【００２９】
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、イメージコンバイナ１の、画像表示素子２からの光に対する射出瞳を示し、Ｐ０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、イメージコンバイナ１が使用者に装着される。したがって、射出瞳Ｐの中心Ｐ０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５ａ及び反対側の面５ｂは、ＸＹ平面と平行となっている。なお、図面には示していないが、ＬＥＤ３、反射鏡４、画像表示素子２及び導光部１１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。
【００３０】
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。
【００３１】
なお、図１において、点Ａ１，Ａ２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Ａ０は、当該表示部の中心を示す。
【００３２】
イメージコンバイナ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５ｂから入射して面５ａ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。
【００３３】
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ＨＯＥ）６が設けられている。本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６は、図１に示すように、面５ａ，５ｂ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１１の面１１ａ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）５ｃが設けられている。反射面５ｃは、図１に示すように、面５ａ，５ｂ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５ｃより図１中の斜め上側の板状部１５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５ｃは板状部５の表面に設けられることになる。
【００３４】
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ＨＯＥ６の右側部分の小片）５ｄを基材として、これに反射型ＨＯＥ６を作製し、その後、その小片５ｄ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ＨＯＥ６を板状部５の内部に設けている。もっとも、反射型ＨＯＥ６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。
【００３５】
画像表示素子２からの光の波長は、この反射型ＨＯＥ６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ＨＯＥ６で画像表示素子２からの光を反射させる。一方、反射型ＨＯＥ６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ＨＯＥ６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ＨＯＥ６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ぞ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。
【００３６】
反射型ＨＯＥ６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ＨＯＥ６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ＨＯＥ６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ＨＯＥ６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。
【００３７】
反射型ＨＯＥ６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、ダイクロメートゼラチン、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、フォトリフラクチィ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ＨＯＥ６を作製することができる。
【００３８】
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１１の入射面１１ｃから導光部１１内に入射し、導光部１１の反射面１１ｂで全反射され、導光部１１の射出面１１ａから射出して、板状部５の面５ａの領域Ｒ０から板状部５内に入射する。領域Ｒ０から板状部５内に入射した光は、反射面５ｃで反射された後に、板状部５の面５ａの領域Ｒ１に臨界角より大きい入射角で入射し、領域Ｒ１で全反射される。この光は、板状部５の面５ｂの領域Ｒ２に臨界角より大きい入射角で入射し、領域Ｒ２で全反射される。この光は、さらに板状部５の面５ａの領域Ｒ３に臨界角より大きい入射角で入射し、領域Ｒ３で全反射する。この光は、さらに板状部５の面５ｂの領域Ｒ４に臨界角より大きい入射角で入射し、領域Ｒ４で全反射する。この光は、さらに板状部５の面５ａの領域Ｒ５に臨界角より大きい入射角で入射し、領域Ｒ５で全反射した後、反射型ＨＯＥ６に入射する。このとき、この光は、反射型ＨＯＥ６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５ａの領域Ｒ６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、１ｍ。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。
【００３９】
画像表示素子２から発し反射型ＨＯＥ６で回折反射された後に使用者の眼に到達する光は、ＬＥＤ３の発光スペクトル特性と反射型ＨＯＥ６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ＬＥＤ３として白色ＬＥＤを用いると共に反射型ＨＯＥ６としてカラーの反射型ＨＯＥ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。
【００４０】
そして、本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６として、当該反射型ＨＯＥ６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ＨＯＥ６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Ｒｄ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Ｐｄとしたとき、前記距離Ｒｄは前記距離Ｐｄより実質的に長くなるように設定した反射型ＨＯＥが、用いられている。距離Ｒｄが距離Ｐｄの２倍以上であることが好ましい。また、距離Ｒｄが１００ｍｍ以上であることが好ましい。
【００４１】
本実施の形態では、距離Ｒｄは前記距離Ｐｄ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。
【００４２】
［第１の実施の形態の第１の具体例］
【００４３】
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Ａ０中央から発して、射出瞳Ｐの中心Ｐ０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。
【００４４】
この第１の具体例の光学的な諸量は、下記の通りである。
【００４５】
射出瞳Ｐの径は３ｍｍ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±６．７５゜である。図中紙面内での画面サイズ（点Ａ１と点Ａ２との間の長さ）は３．６ｍｍである。紙面奥行き方向の画面サイズは４．８ｍｍである。板状部５の厚さｄは３．５ｍｍである。使用波長は約４８０ｎｍ〜約５４０ｎｍの波長幅である。板状部５の波長５８７．５６ｎｍ（ｄ線）に対する屈折率はｎｄ＝１．５９６２２９で、アッベ数はνｄ＝４０．４である。
【００４６】
ＨＯＥ６については露光に用いる２光束の波面で±の差で決まるため、２光束の光学条件を示すことによりＨＯＥ６を定義することができる。第１の点光源（ＨＶ１）の座標を（ＨＸ１，ＨＹ１，ＨＺ１）、第２の点光源の座標を（ＨＸ２，ＨＹ２，ＨＺ２）とする。この座標は、図２に示すように、ＨＯＥ面が光軸と交わる点を原点とし、光軸方向にＺ軸、ＨＯＥ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。
【００４７】
また、ホログラムを記録する乳剤は厚み２０μｍ、屈折率１．４９３、屈折率変調は０．０３のものを使用している。露光波長は５３２ｎｍ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５２１．３６ｎｍになる。ＨＯＥ６の面は、その中心が面５ａから図１中のＺ軸に沿って１．７ｍｍ右側にありＹ軸と同じ方向から紙面上時計周りに２９．３°回転した方向である平面である。ＨＯＥ６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。
【００４８】
ここで位相関数について説明すると、位相関数は、ＨＯＥ６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。
【００４９】
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（＝イメージコンバイナ１の射出瞳Ｐの面）から画像表示素子２への順である。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。
【００５０】
【表１】
2004069868.tif 000003
【００５１】
表１で用いた位相関数の定義は、ＨＯＥをＸＹ座標面上の位置と指定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、一般形の下記の数１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Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，・・・，Ｃ６５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との間に下記の数２と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、下記の数３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。
【００５２】
【数１】
2004069868.tif 000004
【００５３】
【数２】
2004069868.tif 000005
【００５４】
【数３】
2004069868.tif 000006
【００５５】
また、本具体例におけ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，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２に示す。
【００５６】
【表２】
2004069868.tif 000007
【００５７】
本具体例のＨＯＥ６の第１光源（再生時に観察者の眼の側となる光源）は、ＨＸ１：０，ＨＹ１：０．２１４３８５×１０＋０８，ＨＺ１：０．１５５７６９×１０＋０８より、図２のｙｚ座標の第３象現で、ＨＯＥ面の原点からの距離は２．２×１０９である。
【００５８】
そして、ＨＯＥ６の２光源は空気中に定義されるため、再生時のＨＯＥ６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、ＨＯＥ６から第１光源までの距離（空気換算距離）Ｒｄは、２．２×１０９ｍｍであり、ほぼ無限遠である。一方、ＨＯＥ６の面は射出瞳Ｐの瞳面から１４．７ｍｍの距離であるが、このうち１．７ｍｍは屈折率約１．６の媒質中であるので、空気換算長は１．０６ｍｍとなり、ＨＯＥ６から射出瞳Ｐの瞳面までの空気換算距離Ｐｄは１４．０６ｍｍとなる。
【００５９】
ここで、実際のＨＯＥ６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、本具体例によ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５２１．３６ｎｍ並びにこれに対する±１０ｎｍの５３１．３６ｎｍ及び５１１．３６ｎｍ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、ＨＯＥ６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。
【００６０】
ここで、表１中に定義された反射型ＨＯＥ６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２１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ＨＯＥ６の作製時に反射型ＨＯＥ６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。
【００６１】
図４に示す光学系は、基本的に図２１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２１と単一の球面レンズ２２とで構成され、非常にシンプルにまとめられている。
【００６２】
プリズム２１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５ｄと、小片５ｄと同一の屈折率を持ち小片５ｄを保持する保持部材（「雇い」と呼ばれる場合もある。）２４と、小片５ｄと保持部材２４との間の隙間に充填され小片５ｄ及び保持部材２４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２１の小片５側の面には、反射型ＨＯＥ６（厳密に言えば、反射型ＨＯＥ６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ＨＯＥ６の作製が完了した後に、反射型ＨＯＥ６が形成された小片５を保持部材２４から取り外して、前述した方法で反射型ＨＯＥ６を板状部５の内部に設けることができるようになっている。
【００６３】
図４及び図５において、射出瞳Ｐは、ＨＯＥ６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、Ｂ１は反射型ＨＯＥ６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）、Ｂ２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、アフォーカル光学系となっている。また、２２ａは球面レンズ２２のプリズム２１側の面、２２ｂは球面レンズ２２の第２光源側の面である。
【００６４】
図６に示すホログラム露光装置では、レーザ光源３１は、露光時間を制御するためのシャッタ３２が開かれているときに、ビームエキスパンダ・ビーム整形ユニット３３に入射する。このユニット３３は、入射した光を集光点に集光するレンズ３４と、前記集光点に配置されたピンホール３５と、ピンホール３５を通過した光をコリメートするコリメータレンズ３６とを有し、ノイズ光をカットするスペイシャルフィルタとしての機能と、ビー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３３からの平行光束は、その偏光方向が１／２波長板３７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ッタ３８を透過する。１／２波長板３７は適宜回転させ得るようになっており、１／２波長板３７及び偏光ビームスプリッタ３８が光量調整部を構成している。偏光ビームスプリッタ３８を透過した光は、ミラー３９で反射された後に、ビームスプリッタ４０で２光束に分割される。
【００６５】
ビームスプリッタ４０を透過した光束は、ミラー４１で反射され、絞り４２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２１に塗布された反射型ＨＯＥ６となるべき乳剤等のホログラム感光材料に入射する。
【００６６】
一方、ビームスプリッタ４０で反射された光束は、ミラー４３で反射され、集光レンズ４４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４５を通過した後、コリメータレンズ４６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４７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Ｂ２となる。この平行光束（平面波）Ｂ２は、レンズ２２及びプリズム２１により所望の非球面波となって、プリズム２１に塗布された反射型ＨＯＥ６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。
【００６７】
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。
【００６８】
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ＨＯＥ６の第１光源から反射型ＨＯＥ６を透過して、第２光源へ光線追跡することで行う。ＨＯＥ６を透過した後に、図４に示す光学系を挿入して、反射型ＨＯＥ６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。
【００６９】
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ＨＯＥ６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ＨＯＥ面の原点からの距離２．２×１０９ｍｍは、非常に大きいので、第１光源とＨＯＥ６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。
【００７０】
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。
【００７１】
表３において、面番号１の符号Ｓ１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φ６．２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５３２ｎｍ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アフォーカル光学系である。
【００７２】
【表３】
2004069868.tif 000008
【００７３】
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。
【００７４】
【表４】
2004069868.tif 000009
【００７５】
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２３）上での波面収差図を、図７に示す。図７からわかるように、ＲＭＳ０．１λと非常によく補正されている。
【００７６】
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ＨＯＥ６の性能を見極める。このためには、第１の具体例によ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ＨＯＥ６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ＨＯＥ６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ＨＯＥ６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。
【００７７】
そのためには、図４に示す光学系の残存収差が完璧にＲＭＳ０λになるように、ＨＯＥ６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ＨＯＥ６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、当該光学系のディストーション（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。
【００７８】
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４に示す光学系を用いて露光される反射型ＨＯＥ６の性能は、表１に定義された設計上の反射型ＨＯＥ６の性能と同等となり、良好である。
【００７９】
［第１の実施の形態の第２の具体例］
【００８０】
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。
【００８１】
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ＨＯＥ６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、ＨＯＥ６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２．２×１０９ｍｍとほぼ無限遠であったのに対し、表５の場合には、距離Ｒｄが１９．９８ｍｍ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ＨＯＥ６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。
【００８２】
なお、この第２の具体例においても、ＨＯＥ６から射出瞳Ｐの瞳面までの空気換算距離Ｐｄ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＝１．４２×Ｐｄとなっている。
【００８３】
【表５】
2004069868.tif 000010
【００８４】
表１中に定義された反射型ＨＯＥ６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ＨＯＥ６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１０に示す。図１０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。
【００８５】
図１０に示す光学系は、反射型ＨＯＥ６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５１と、１枚のシリンドリカルレンズ５２と、４枚の球面レンズ５３〜５６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５１は、図４及び図５中のプリズム２１と同様に、図１中の板状部５の一部を構成する小片５ｄ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。
【００８６】
図１０に示す光学系の場合、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）は使っていないので、図２１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１０に示す光学系の場合、図２１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。
【００８７】
図１０に示す光学系を用いた、反射型ＨＯＥ６の作製時に反射型ＨＯＥ６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２１及びレンズ２２の代わりに、図１０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１９．９８ｍｍに設定されているので、これに応じて、例えばミラー４１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Ｂ１，Ｂ２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。
【００８８】
［第１の実施の形態の第３の具体例］
【００８９】
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。
【００９０】
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４７６ｎｍ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ＨＯＥ６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、ＨＯＥ６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２．２×１０９ｍｍとほぼ無限遠であったのに対し、表６の場合には、距離Ｒｄが３７．４３ｍｍ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ＨＯＥ６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。
【００９１】
なお、この第３の具体例においても、ＨＯＥ６から射出瞳Ｐの瞳面までの空気換算距離Ｐｄ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３の具体例では、Ｒｄ＝２．６６×Ｐｄとなっている。
【００９２】
【表６】
2004069868.tif 000011
【００９３】
表１中に定義された反射型ＨＯＥ６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ＨＯＥ６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１１に示す。図１１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。
【００９４】
図１１に示す光学系は、反射型ＨＯＥ６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６１と、４枚の球面レンズ６２〜６５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６１は、図４及び図５中のプリズム２１と同様に、図１中の板状部５の一部を構成する小片５ｄ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。
【００９５】
図１１に示す光学系の場合、図１０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１１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。
【００９６】
図１１に示す光学系を用いた、反射型ＨＯＥ６の作製時に反射型ＨＯＥ６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２１及びレンズ２２の代わりに、図１１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Ｒｄが３７．４３ｍｍに設定されているので、これに応じて、例えばミラー４１と絞り４２との間に凸レンズを同軸に配置する。なお、図１１中の光束Ｂ１，Ｂ２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。
【００９７】
［第１の実施の形態の第４の具体例］
【００９８】
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。
【００９９】
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６４７ｎｍ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ＨＯＥ６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、ＨＯＥ６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２．２×１０９ｍｍ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７５．２３ｍｍ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ＨＯＥ６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。
【０１００】
なお、この第４の具体例においても、ＨＯＥ６から射出瞳Ｐの瞳面までの空気換算距離Ｐｄ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４の具体例では、Ｒｄ＝５．３５×Ｐｄとなっている。
【０１０１】
【表７】
2004069868.tif 000012
【０１０２】
表１中に定義された反射型ＨＯＥ６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ＨＯＥ６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。
【０１０３】
図１２に示す光学系は、反射型ＨＯＥ６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７１と、３枚の球面レンズ７２〜７４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７１は、図４及び図５中のプリズム２１と同様に、図１中の板状部５の一部を構成する小片５ｄ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。
【０１０４】
図１２に示す光学系の場合、図１１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１２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。
【０１０５】
図１２に示す光学系を用いた、反射型ＨＯＥ６の作製時に反射型ＨＯＥ６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２１及びレンズ２２の代わりに、図１２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Ｒｄが７５．２３ｍｍに設定されているので、これに応じて、例えばミラー４１と絞り４２との間に凸レンズを同軸に配置する。なお、図１２中の光束Ｂ１，Ｂ２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。
【０１０６】
［第１の実施の形態の第５の具体例］
【０１０７】
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。
【０１０８】
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４７６ｎｍ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ＨＯＥ６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点である。表１の場合には、ＨＯＥ６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２．２×１０９ｍｍ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１４６．２８ｍｍ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ＨＯＥ６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。
【０１０９】
なお、この第５の具体例においても、ＨＯＥ６から射出瞳Ｐの瞳面までの空気換算距離Ｐｄ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＝１０．４０×Ｐｄとなっている。
【０１１０】
【表８】
2004069868.tif 000013
【０１１１】
表１中に定義された反射型ＨＯＥ６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８中に定義された反射型ＨＯＥ６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１３に示す。図１３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。
【０１１２】
図１３に示す光学系は、反射型ＨＯＥ６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８１と、図１３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８２と、２枚の球面レンズ８３，８４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８３と球面レンズ８４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。
【０１１３】
なお、図面には示していないが、プリズム８１は、図４及び図５中のプリズム２１と同様に、図１中の板状部５の一部を構成する小片５ｄ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。
【０１１４】
図１３に示す光学系を用いた、反射型ＨＯＥ６の作製時に反射型ＨＯＥ６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２１及びレンズ２２の代わりに、図１３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Ｒｄが１４６．２８ｍｍに設定されているので、これに応じて、例えばミラー４１と絞り４２との間に凸レンズを同軸に配置する。なお、図１３中の光束Ｂ１，Ｂ２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。
【０１１５】
［第１の実施の形態の第６の具体例］
【０１１６】
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。
【０１１７】
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ＨＯＥ６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、ＨＯＥ６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２．２×１０９ｍｍ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２×１０７ｍｍ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ＨＯＥ６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。
【０１１８】
なお、この第６の具体例においても、ＨＯＥ６から射出瞳Ｐの瞳面までの空気換算距離Ｐｄは、前記第１の具体例と同じく、１４．０６ｍｍである。
【０１１９】
【表９】
2004069868.tif 000014
【０１２０】
表１中に定義された反射型ＨＯＥ６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ＨＯＥ６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。
【０１２１】
図１４に示す光学系は、反射型ＨＯＥ６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９１と、互いに同軸の２枚の球面レンズ９２，９３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、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。
【０１２２】
なお、図面には示していないが、プリズム９１は、図１中の板状部５の一部を構成する小片５ｄと同等なプリズムである。
【０１２３】
図１４に示す光学系を用いた、反射型ＨＯＥ６の作製時に反射型ＨＯＥ６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２１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Ｂ１，Ｂ２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。
【０１２４】
［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］
【０１２５】
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ＨＯＥ６を露光する場合は、ＨＯＥ６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。
【０１２６】
その理由は、以下の通りだと考えることができる。
【０１２７】
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バ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。
【０１２８】
露光系とは、再生系で定義された反射型ＨＯＥ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。
【０１２９】
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ＨＯＥ６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。
【０１３０】
さて、距離Ｒｄ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ＨＯＥ６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、それぞれの変換作用と等価なものを構成しようとすると、空間的に密集した場所でそれぞ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。
【０１３１】
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、それぞ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。
【０１３２】
そして、露光系でＨＯＥ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。
【０１３３】
距離Ｒｄ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ＨＯＥとして光線追跡すると、ＨＯＥ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ＨＯＥ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。
【０１３４】
次に、距離Ｒｄ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、ＨＯＥ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ＨＯＥ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なくてはならない。
【０１３５】
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ＨＯＥ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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
第１光源がホログラム面に近いときは、露光系の入射ＮＡ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ＮＡ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。
【０１３８】
以上、距離Ｒｄ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。
【０１３９】
このように距離Ｒｄが遠くなるほど露光光学系は簡単になるので、距離Ｒｄを距離Ｐｄより実質的に長くすれば、距離Ｒｄを距離Ｐｄ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ＨＯＥ６の作製時に用いる露光光学系が簡単となるのである。
【０１４０】
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Ｒｄが前記距離Ｐｄ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Ｒｄが距離Ｐｄ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。
【０１４１】
［第２の実施の形態］
【０１４２】
図１５は、本発明の第２の実施の形態によ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１５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を付し、その重複する説明は省略する。なお、図１５において、光源を構成するＬＥＤ３及び反射鏡４は省略している。
【０１４３】
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ＨＯＥ６の露光波長が４７６ｎｍであることと、第１光源と反射型ＨＯＥ６との間の距離Ｒｄが１４６ｍｍであることである。
【０１４４】
本実施の形態の光学的な諸量は下記の通りである。
【０１４５】
射出瞳Ｐの径は３ｍｍ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±６．７５゜である。図中紙面内での画面サイズ（点Ａ１と点Ａ２との間の長さ）は３．６ｍｍである。紙面奥行き方向の画面サイズは４．８ｍｍである。板状部５の厚さｄは３．５ｍｍ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。
【０１４６】
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（＝イメージコンバイナ１の射出瞳Ｐの面）から画像表示素子２への順である。
【０１４７】
【表１０】
2004069868.tif 000015
【０１４８】
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（面番号１＝図１中の符号Ｐ）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１１に示す。
【０１４９】
【表１１】
2004069868.tif 000016
【０１５０】
本実施の形態の反射型ＨＯＥ６の第１光源（再生時に観察者の眼の側となる光源）は、ＨＸ１：０，ＨＹ１：−．１１４８００×１０＋０３，ＨＺ１：−．９０６６１６×１０＋０２より、図２のｙｚ座標の第３象現で、ＨＯＥ面の原点からの距離１４６ｍｍである。
【０１５１】
そして、ＨＯＥ６の２光源は空気中に定義されるため、再生時のＨＯＥ６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、ＨＯＥ６から第１光源までの距離（空気換算距離）Ｒｄは、１４６ｍｍである。一方、ＨＯＥ６の面は射出瞳Ｐの瞳面から１４．７ｍｍの距離であるが、このうち１．７ｍｍは屈折率約１．６の媒質中であるので、空気換算長は１．０６ｍｍとなり、ＨＯＥ６から射出瞳Ｐの瞳面までの空気換算距離Ｐｄは１４．０６ｍｍとなる。
【０１５２】
ここで、実際のＨＯＥ６が表１０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、本実施の形態によ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１６に示す。中心波長４６１ｎｍ並びにこれに対する±１０ｎｍの４７１ｎｍ及び４５１ｎｍに関する横収差を一つの図に同時に示してある。図１６から、ＨＯＥ６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。
【０１５３】
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ＨＯＥ６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１０中に定義された反射型ＨＯＥ６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１７に示す。図１７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。
【０１５４】
図１７に示す光学系は、反射型ＨＯＥ６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１０１と、図１７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１０２と、２枚の球面レンズ１０３，１０４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１０３と球面レンズ１０４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。このように、図１７に示す光学系は、比較的簡単な構成となっている。
【０１５５】
なお、図面には示していないが、プリズム１０１は、図４及び図５中のプリズム２１と同様に、図１中の板状部５の一部を構成する小片５ｄ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。
【０１５６】
図１７に示す光学系を用いた、反射型ＨＯＥ６の作製時に反射型ＨＯＥ６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２１及びレンズ２２の代わりに、図１７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、距離Ｒｄが１４６ｍｍに設定されているので、これに応じて、例えばミラー４１と絞り４２との間に凸レンズを同軸に配置する。なお、図１７中の光束Ｂ１，Ｂ２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。
【０１５７】
ここで、図１７に示す光学系の光線追跡のための諸量を、下記の表１１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。
【０１５８】
表１２において、面番号１の符号Ｓ１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１０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φ６．２である。光線追跡のための波長は、露光波長の４７６ｎｍである。
【０１５９】
【表１２】
2004069868.tif 000017
【０１６０】
また、図１７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１７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１３に示す。
【０１６１】
【表１３】
2004069868.tif 000018
【０１６２】
この図１７に示す光学系の光線軌跡による射出瞳面（すなわち、図１７中の面２３）上での波面収差図を、図１８に示す。図１８からわかるように、ＲＭＳ０．３λと非常によく補正されている。
【０１６３】
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ＨＯＥ６の性能を見極める。このためには、本実施の形態によ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ＨＯＥ６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ＨＯＥ６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ＨＯＥ６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。
【０１６４】
そのためには、図１７に示す光学系の残存収差が完璧にＲＭＳ０λになるように、ＨＯＥ６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ＨＯＥ６を組み込んだ画像表示装置の光学系の横収差図を図１９に示し、当該光学系のディストーション（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２０に示す。
【０１６５】
図９に示す横収差は、図１６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１７に示す光学系を用いて露光される反射型ＨＯＥ６の性能は、表１に定義された設計上の反射型ＨＯＥ６の性能と同等となり、良好である。
【０１６６】
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。
【０１６７】
例えば、前述した各実施の形態は、本発明によるイメージコンバ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ったが、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、カメラのファ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、当該イメージコンバイナをカメラや顕微鏡や双眼鏡等に組み込んでもよい。
【０１６８】
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ったが、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による画像表示装置において、外界からの光がイメージコンバイナ１に入射しないように構成すればよい。この場合、イメージコンバイナ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、イメージコンバイナ１における板状部の下側部分（ＨＯＥ６から下側の部分）を除去してもよい。このようなシースルー型でない画像表示装置は、例えば、特開２００１−２６４６８２号の場合と同様に携帯電話機のフリッパー部に内蔵することができる。
【０１６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、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ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によ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】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】本発明の第１の実施の形態の第１の具体例による画像表示装置の設計値による横収差図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の第１の具体例によ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】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】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】図４に示す光学系の残存波面収差図である。
【図８】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の具体例による画像表示装置の横収差図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態の第１の具体例による画像表示装置の、元の設計値の場合のディストーションと図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ィストーションとの比較を示す図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態の第２の具体例によ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１１】本発明の第１の実施の形態の第３の具体例によ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１２】本発明の第１の実施の形態の第４の具体例によ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１３】本発明の第１の実施の形態の第５の具体例によ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１４】本発明の第１の実施の形態の第６の具体例によ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１５】本発明の第２の実施の形態によ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１６】本発明の第２の実施の形態による画像表示装置の設計値による横収差図である。
【図１７】本発明の第２の実施の形態によ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１８】図１７に示す光学系の残存波面収差図である。
【図１９】図１７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の実施の形態による画像表示装置の横収差図である。
【図２０】本発明の第２の実施の形態による画像表示装置の、元の設計値の場合のディストーションと図１７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。
【図２１】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。
【符号の説明】
１　イメージコンバイナ
２　画像表示素子
３　ＬＥＤ
４　反射鏡
５　板状部
６　反射型ホログラム光学素子
１１　導光部
【図１】
2004069868.tif 000019
【図２】
2004069868.tif 000020
【図３】
2004069868.tif 000021
【図４】
2004069868.tif 000022
【図５】
2004069868.tif 000023
【図６】
2004069868.tif 000024
【図７】
2004069868.tif 000025
【図８】
2004069868.tif 000026
【図９】
2004069868.tif 000027
【図１０】
2004069868.tif 000028
【図１１】
2004069868.tif 000029
【図１２】
2004069868.tif 000030
【図１３】
2004069868.tif 000031
【図１４】
2004069868.tif 000032
【図１５】
2004069868.tif 000033
【図１６】
2004069868.tif 000034
【図１７】
2004069868.tif 000035
【図１８】
2004069868.tif 000036
【図１９】
2004069868.tif 000037
【図２０】
2004069868.tif 000038
【図２１】
2004069868.tif 000039