(57)【要約】【課題】ホログラム感光材料の収縮率が設計時の見積から変動しても、その変動による光学性能の劣化を簡単な調整で抑制する。【解決手段】参照光をホログラム感光材料に照射する参照光光学系及び物体光を前記ホログラム感光材料に照射する物体光光学系を用い、参照光及び物体光をホログラム感光材料に干渉露光させる。オペレータは、入力部５３から、ホログラム感光材料の実際の収縮率を入力する。制御部５２は、入力された収縮率に基づいて、物体光光学系の一部であるレンズ４７及びピンホール４８の、その光軸方向（Ｇ方向）位置及び光軸と垂直な方向（Ｈ方向）位置を調整するように、位置調整機構５１を制御する。【選択図】　　　　図５
2004069859.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
参照光をホログラム感光材料に照射する参照光光学系及び物体光を前記ホログラム感光材料に照射する物体光光学系を用い、前記参照光及び前記物体光を前記ホログラム感光材料に干渉露光させることで製造されるホログラム光学素子の製造方法であって、
前記干渉露光により作製されるホログラム光学素子の前記ホログラム感光材料の実際の収縮率に関する情報、及び、前記干渉露光により作製されるホログラム光学素子の使用時に当該ホログラム光学素子に照射される再生光を発する光源の実際の発光スペクトルに関する情報のうちの、少なくとも一方の情報に基づいて、前記参照光光学系の一部及び前記物体光光学系の一部のうちの、少なくとも一方の位置を調整してから露光することを特徴とするホログラム光学素子の製造方法。
【請求項２】
参照光をホログラム感光材料に照射する参照光光学系及び物体光を前記ホログラム感光材料に照射する物体光光学系を有し、前記参照光及び前記物体光を前記ホログラム感光材料に干渉露光させるホログラム光学素子の露光装置であって、
前記参照光光学系の一部及び前記物体光光学系の一部のうちの、少なくとも一方の位置を調整する位置調整部と、
前記干渉露光により作製されたホログラム光学素子の前記ホログラム感光材料の実際の収縮率に関する情報、及び、前記干渉露光により作製されたホログラム光学素子の使用時に当該ホログラム光学素子に照射される再生光を発する光源の実際の発光スペクトルに関する情報のうちの、少なくとも一方の情報に基づいて、前記位置調整部を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とするホログラム光学素子の露光装置。
【請求項３】
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外界からの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が、請求項１記載の製造方法によって又は請求項２記載の露光装置により露光することによって作製されたものであることを特徴とするイメージコンバイナ。
【請求項４】
請求項３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、請求項１記載の製造方法によって又は請求項２記載の露光装置により露光することによって作製された反射型ホログラム光学素子を有することを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラム光学素子を露光する製造方法及び装置、並びに、イメージコンバイナ及び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、種々の用途において、ホログラム光学素子が広く用いられている。
【０００３】
例えば、ホログラム光学素子を用いた装置として、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。
【０００４】
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。
【０００５】
反射型ホログラム光学素子などの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のホログラム感光材料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】
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、例えば、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。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ホログラム感光材料（ホログラム記録材料）は露光工程のいくつかのプロセス中に収縮することが一般に知られており、記録材料メーカーからも品質情報として開示されている。
【０００９】
記録材料に収縮が起こると、干渉縞の間隔が変動するため、回折効率が低下したり、回折波長がシフトして収差が発生するなど、画像表示装置としての性能は悪化する。
【００１０】
ところが、記録材料の収縮率は露光工程の諸条件によって変動することが多いため、画像表示装置を設計するときには、収縮率の変動幅のたとえば中間あたりを見積もって予め設計して、実際の収縮率との見積誤差は製造誤差として許容するか、もしくはプロセスを安定させ、収縮率変動幅を抑えるか、あるいは実際の収縮率に応じて再設計をするかなどの対処をする必要があった。
【００１１】
また、ホログラム光学素子の使用時に当該ホログラム光学素子に照射される再生光を発する光源のピーク波長等の発光スペクトルが、当該光源の製造誤差で変動することがある。例えば、小型で安価なＬＥＤでは、ピーク波長変動は一般に±１０ｎｍ程度と言われている。
【００１２】
再生波長が変動すると回折効率も変動するため上記と同様の性能劣化が起こるが、従来は製造誤差として許容するか、もしくはＬＥＤをチップ選別して波長誤差の少ないものを入手するなどの方法を取っていたが、それではコストがかかってしまう。
【００１３】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ホログラム感光材料の収縮率が設計時の見積から変動してもその変動による光学性能の劣化を簡単な調整で抑制することができること、及び、再生光を発する光源のピーク波長等が設計時の波長から変動しても光学性能の劣化を簡単な調整で抑制することができること、のいずれか一方又は両方を同時に達成することができるホログラム光学素子の製造方法及び装置を提供することを目的とする。
【００１４】
また、本発明は、このような製造方法及び装置により露光することによって作製したホログラム光学素子を用いることにより、光学性能に優れかつコストダウンを図ることができるイメージコンバイナ及び画像表示装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者の研究の結果、参照光をホログラム感光材料に照射する参照光光学系及び物体光を前記ホログラム感光材料に照射する物体光光学系を用い、前記参照光及び前記物体光を前記ホログラム感光材料に干渉露光させる場合、参照光学系の一部を位置調整することで回折効率が最大となる波長を調整することができることが、判明した。これは、参照光学系の一部を位置調整することで参照光の入射角が変更されるためである。また、物体光光学系の一部を位置調整することで、参照光光学系及び物体光光学系からなる露光光学系の収差を調整できる。
【００１６】
一方、ホログラム感光材料の収縮率が変動することは、回折効率が最大となる波長が変動することに対応するとともに、露光光学系の収差が変動することに対応する。また、ホログラム光学素子の使用時に当該ホログラム光学素子に照射される再生光を発する光源のピーク波長等の発光スペクトルが変動することは、回折効率が最大となるべき波長が変動することに対応するとともに、露光光学系の収差が変動することに対応する。
【００１７】
したがって、ホログラム感光材料の収縮率及び前記光源からの再生光のピーク波長をそれぞれ所定値に設定して、ホログラム光学素子の所望の特性を設計し、その特性が得られるように最適化して設計した前記参照光光学系及び前記物体光光学系を含む露光光学系において、実際の収縮率や実際のピーク波長に基づいて物体光光学系の一部や参照光光学系の一部の位置調整を行えば、実際の収縮率や実際のピーク波長が設定値から変動しても、その変動による光学性能の劣化を簡単に抑制することができる。
【００１８】
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の態様によるホログラム光学素子の製造方法は、参照光をホログラム感光材料に照射する参照光光学系及び物体光を前記ホログラム感光材料に照射する物体光光学系を用い、前記参照光及び前記物体光を前記ホログラム感光材料に干渉露光させることで製造されるホログラム光学素子の製造方法であって、前記干渉露光により作製されるホログラム光学素子の前記ホログラム感光材料の実際の収縮率に関する情報、及び、前記干渉露光により作製されるホログラム光学素子の使用時に当該ホログラム光学素子に照射される再生光を発する光源の実際の発光スペクトルに関する情報のうちの、少なくとも一方の情報に基づいて、前記参照光光学系の一部及び前記物体光光学系の一部のうちの、少なくとも一方の位置を調整して、露光するものである。
【００１９】
本発明の第２の態様によるホログラム光学素子の露光装置は、参照光をホログラム感光材料に照射する参照光光学系及び物体光を前記ホログラム感光材料に照射する物体光光学系を有し、前記参照光及び前記物体光を前記ホログラム感光材料に干渉露光させるホログラム光学素子の露光装置であって、前記参照光光学系の一部及び前記物体光光学系の一部のうちの、少なくとも一方の位置を調整する位置調整部と、前記干渉露光により作製されたホログラム光学素子の前記ホログラム感光材料の実際の収縮率に関する情報、及び、前記干渉露光により作製されたホログラム光学素子の使用時に当該ホログラム光学素子に照射される再生光を発する光源の実際の発光スペクトルに関する情報のうちの、少なくとも一方の情報に基づいて、前記位置調整部を制御する制御部と、を備えたものである。
【００２０】
本発明の第３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外界からの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が、前記第１の態様による製造方法によって又は前記第２の態様による露光装置により露光することによって作製されたものである。
【００２１】
本発明の第４の態様による画像表示装置は、前記第３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。
【００２２】
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、前記第１の態様による製造方法によって又は前記第２の態様による露光装置により露光することによって作製された反射型ホログラム光学素子を有するものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるホログラム光学素子の製造方法及び装置、並びに、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。
【００２４】
図１は、本発明の一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。
【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。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。
【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に対して反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の内部に設けられている。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、本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６として、後述するように、例えば、図５に示す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露光することによって作製された反射型ＨＯＥが、用いられている。
【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（後述する設計例では、１ｍ。）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】
ここで、本実施の形態による画像表示装置の光学系の具体的な設計例について、図１を参照して説明する。この設計例の設計に際し、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ＰＯ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。本設計例では、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。
【００４１】
本設計例の光学的な諸量は、下記の通りである。
【００４２】
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。ＬＥＤ３のその波長幅におけるピーク波長は、５１６ｎｍと仮定し、そのピーク波長に、反射型ＨＯＥ６の回折効率が最大となる波長を一致させる。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。
【００４３】
ＨＯＥ６の定義については露光に用いる２光束を定義することによりホログラムを一義的に定義することができる。２光束の定義は光源の位置と、各光源からの出射ビームが収束（ＶＩＲ）か発散（ＲＥＡ）のどちらかで定義する。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。
【００４４】
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１％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１％短くなり、再生の中心波長は５２６．７ｎｍ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位相関数成分を持っている。
【００４５】
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。
【００４６】
また、本設計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。
【００４７】
【表１】
2004069859.tif 000003
【００４８】
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。
【００４９】
【数１】
2004069859.tif 000004
【００５０】
【数２】
2004069859.tif 000005
【００５１】
【数３】
2004069859.tif 000006
【００５２】
また、本設計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。
【００５３】
【表２】
2004069859.tif 000007
【００５４】
本設計例の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：−．１７３２２８×１０＋１０，ＨＺ１：−．１３５８３１×１０＋１０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２．２×１０９ｍｍである。
【００５５】
本設計例の画像表示装置における表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３に示す。図４は、図３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を露光する本発明の一実施の形態によるホログラム露光装置の概略構成図を、図５に示す。
【００５６】
図３に示す光学系は、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。プリズム２１は、図４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５ｄ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５ｄ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。
【００５７】
図３及び図４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３及び図４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３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。
【００５８】
図５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。
【００５９】
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、レンズ４２及びレンズ４３を経由し、更に絞り４４で所望の径に絞られた後に、平行光束（平面波）として、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。ここで、レンズ４２は、ミラー４１で反射された平行光束をその焦点に集光する。レンズ４３は、レンズ４３の焦平面がレンズ４２の焦点を含み、かつ、レンズ４３の光軸とレンズ４２の光軸とが平行になるように、配置されている。レンズ４３は、モータ等のアクチュエータ（図示せず）により作動する位置調整機構４５により、レンズ４３の光軸と垂直な図５中の矢印Ｆの方向の位置を調整し得るようになっている。したがって、レンズ４３から射出して反射型ＨＯＥ６となるべきホログラム感光材料に入射する参照光は、平行光束であるが、位置調整機構４５によりレンズ４３位置を調整することによって、その入射方向が変わる。例えば、露光光学系の設計状態は、レンズ４３の焦点がレンズ４２の焦点と一致している位置にレンズ４３が位置している状態であり、このとき参照光束は、レンズ４２に入射する際の方向と同一の方向でホログラム感光材料に入射する。
【００６０】
一方、ビームスプリッタ４０で反射された光束は、ミラー４６で反射され、集光レンズ４７でその焦点に集光され、この焦点に配置されたピンホール４８を通過した後、コリメータレンズ４９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５０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。ただし、以上の説明は、当該露光光学系の設計状態、すなわち、レンズ４７の焦点及びピンホール４８がコリメータレンズ４９の焦点と一致している状態での動作である。レンズ４７及びピンホール４８は、モータ等のアクチュエータ（図示せず）により作動する位置調整機構５１により、レンズ４７の光軸方向の図５中の矢印Ｇの方向の位置、及び、レンズ４７の光軸と垂直な図５中の矢印Ｈの方向の位置を、調整し得るようになっている。レンズ４７の焦点及びピンホール４８が、レンズ４７の焦点及びピンホール４８がコリメータレンズ４９の焦点と一致している設計時の位置から図５中の矢印Ｈの方向にずれると、それに応じて光束Ｂ２の方向（チルト）が変わる。また、レンズ４７の焦点及びピンホール４８が、前記設計時の位置から図５中の矢印Ｇの方向にずれると、それに応じて光束Ｂ２のフォーカスが変わって光束Ｂ２は平行光束ではなくなる。
【００６１】
前述した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、それらが感光材料に干渉露光され、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。
【００６２】
以上の説明からわかるように、図５に示す露光装置では、図５中の要素３１〜４０は、平面波の参照光をホログラム感光材料に照射する参照光光学系と非球面波の物体光を前記ホログラム感光材料に照射する物体光光学系との、共用部分を構成している。また、図５中の要素４１〜４４が参照光学系の残りの部分を構成し、図５中の要素４７〜５０，２２，２１が物体光光学系の残りの部分を構成している。
【００６３】
また、図５に示す露光装置は、キーボード等の入力部５３と、マイクロコンピュータ又はパーソナルコンピュータ等からなる制御部５２と、を更に備えている。オペレータは、入力部５３から、ホログラム感光材料の実際の収縮率に関する収縮率情報（例えば、収縮率そのもの）及び干渉露光により作製される反射型ＨＯＥ６の使用時に当該反射型ＨＯＥ６に照射される再生光を発する光源としてのＬＥＤ３の実際の発光スペクトルに関する光源発光スペクトル情報（例えば、ＬＥＤ３のピーク強度波長）を、制御部５２の内部メモリ（図示せず）に入力することができるようになっている。制御部５２の内部メモリ内には、収縮率情報及び光源発光スペクトル情報と、これらをパラメータとしてこれらに応じて露光される干渉縞を最適化するのに必要なレンズ４３の位置並びにレンズ４７及びピンホール４８の位置と、の対応関係を示すルックアップテーブルが、予め格納されている。その例については、後述する。制御部５２は、入力部５３から入力された収縮率情報及び光源発光スペクトル情報に基づいて、ルックアップテーブルを参照してそれらの情報に対応する各位置を求め、その各位置となるように位置調整機構４５，５１を制御する。
【００６４】
ところで、露光レンズの設計手法には色々あるが、図３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３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。
【００６５】
表１及び表２に示す画像表示装置の光学系の設計値を基に、図３に示す光学系を設計する際、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３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３に示す光学系の光線追跡は平行光を入射して設計した。
【００６６】
ここで、図３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。
【００６７】
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と同じであるが、反射型ＨＯＥ６を透過型ＨＯＥとして光線追跡するために、２光束はＨＯＥ６の同じ側から入射しなければならない。したがって、第１光源位置をＲＥＡからＶＩＲに変更している。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φ４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。
【００６８】
【表３】
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【００６９】
また、図３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３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。
【００７０】
【表４】
2004069859.tif 000009
【００７１】
この表３に示す設計値を持つ場合の図３に示す光学系の光線軌跡による射出瞳面（すなわち、図３中の面２３）上での波面収差図を、図６に示す。なお、この光線追跡を行う場合には、ＨＯＥ６の位相係数として表１中の位相係数を用いる。図６からわかるように、ＲＭＳ０．１４λとよく補正されている。
【００７２】
以上のように、収縮率が１％でＬＥＤのピーク波長が５１６ｎｍであると仮定した場合の、図１に示す画像表示装置の光学系の設計例を、表１に示した。そして、この設計例における反射型ＨＯＥ６の設計値に応じて設計した露光光学系の設計値を、表３に示した。
【００７３】
ここで、実際の収縮率が、見積の収縮率１％から外れて２％であったとする。このとき、再生主波長は５２１．４ｎｍとなる。そうすると、５２６．７ｎｍで最適化した再生系の位相関数を５２１．４ｎｍで使用することになり、収差が生じてしまう。
【００７４】
これでは具合が悪いので、予め収縮率が２％と仮定した再生系データ（図１に示す光学系の設計値）も作っておく。その設計値を、表５に提示する。表５において、反射型ＨＯＥ６の位相関数以外の値は、表１と同じである。
【００７５】
【表５】
2004069859.tif 000010
【００７６】
表５に示す設計値の場合について、表３の設計値を持つ場合の図３に示す光学系を光線追跡したときの、射出瞳面（すなわち、図３中の面２３）上での波面収差図を、図７に示す。なお、この光線追跡を行う場合には、ＨＯＥ６の位相係数として表５中の位相係数を用いる。図７からわかるように、ＲＭＳ０．４１λと比較的大きい収差が発生している。
【００７７】
図７に示す波面収差を光学設計プログラムｃｏｄｅ　Ｖを用いて分析したところ、この波面の乱れはチルト成分とフォーカス成分とに分けられ、その二つの成分を除けば、ＲＭＳ０．１５λに補正できることがわかった。
【００７８】
図５に示す露光装置では、設計値の状態では、レンズ４７の焦点及びピンホール４８とコリメータレンズ４９の焦点とを一致させて配置しているので、いずれか一方を光軸と垂直にシフトすれば、光線としてはチルトの効果が得られる。そして、ここでは、レンズ４７の方がレンズ４９より焦点距離が短いので、少しの移動量で大きな効果が得られるため、レンズ４７及びピンホール４８をシフトさせるのが好ましい。そこで、図５に示す露光装置では、位置調整機構５１によりレンズ４７及びピンホール４８の図５中のＨ方向の位置を調整し得るようにしている。
【００７９】
また、レンズ４７の焦点及びピンホール４８とコリメータレンズ４９のいずれか一方を光軸方向にシフトすれば、フォーカスの効果が得られる。そこで、図５に示す露光装置では、位置調整機構５１によりレンズ４７及びピンホール４８の図５中のＧ方向の位置を調整し得るようにしている。
【００８０】
ここで、実際の収縮率が見積の収縮率１％から外れて２％である場合、レンズ４７及びピンホール４８を、レンズ４７の光軸と垂直な方向（Ｈ方向）に６μｍ，光軸方向（Ｇ方向）に０．４７７ｍｍ動かして調整すると、そのときの図３に示す光学系を光線追跡したときの、射出瞳面（すなわち、図３中の面２３）上での波面収差は、図８に示すように、ｒｍｓ０．１５λに補正できる。なお、この光線追跡を行う場合には、ＨＯＥ６の位相係数として表５中の位相係数を用いる。
【００８１】
以上のことから、ホログラム感光材料の収縮率を１％と見込んで設計しておいたＨＯＥ６を基に設計した表３の設計値に従った露光装置を用いて露光した場合、露光工程の条件等により収縮率が２％に変動しても、位置調整機構５１により前述した位置調整を行って再度露光することにより、再生系の性能を発揮するＨＯＥ６を露光することができる。
【００８２】
前述した例では、図５中の制御部５２の内部メモリ内のルックアップテーブルには、収縮率１％に対応してＨ方向位置０μｍ及びＧ方向位置０ｍｍ、収縮率２％に対応してＨ方向位置６μｍ及びＧ方向位置０．４７７ｍｍを格納しておけばよい。収縮率２％についてＨ方向位置６μｍ及びＧ方向位置０．４７７ｍｍを求めたのと同様の方法により、他の種々の収縮率についてもＨ方向位置及びＧ方向位置をそれぞれ求めておき、これらも前記ルックアップテーブルに格納しておけばよい。
【００８３】
そして、例えば、最初に、Ｈ方向位置０μｍ及びＧ方向位置０ｍｍに位置させた状態（すなわち、表３に示す設計値通りの状態）で、ホログラム感光材料を露光してＨＯＥ６を作製し、その作製したＨＯＥ６について回折効率の分光特性を測定し、その測定結果に基づいてホログラム感光材料の実際の収縮率を求め、この収縮率をオペレータが入力部５３から制御部５２に入力すればよい。制御部５２は、この入力された収縮率に応じて位置調整機構５１を制御して前述した位置調整を行う。したがって、次回以降の露光により作製された反射型ＨＯＥ６は、画像表示装置の性能を十分に発揮するものとなる。本実施の形態による画像表示装置では、この反射型ＨＯＥ６を用いたものである。
【００８４】
ところで、実際の収縮率が見積の収縮率１％から外れて２％である場合には、前述したように、再生主波長（回折効率が最大となる波長）が５２６．７ｎｍから５２１．４ｎｍとなるが、前述した説明では、このような収縮率の変動に伴う再生主波長の変動による収差変動のみ補正し、光源波長とのずれによる明るさの変動は無視した。また、ＬＥＤ３のピーク波長が見積の５１６ｎｍから変動し得る点も無視し、参照光Ｂ１は、設計値通りの方向からホログラム感光材料に入射するものとし、レンズ４３はその方向に対応する図５中のＦ方向位置にあるものとした。
【００８５】
本発明では、これらを無視したままとして必ずしも位置調整機構４５を設ける必要はないが、これらを無視しないことが好ましい。よって、本実施の形態では、実際には、前述したように、制御部５２の内部メモリ内のルックアップテーブルには、収縮率情報のみならず光源発光スペクトル情報（ここでは、ＬＥＤ３のピーク波長とする。）をもパラメータとして、レンズ４７及びピンホール４８の位置のみならずレンズ４３の位置も、格納している。そして、制御部２は、ルックアップテーブルを参照して、入力部５３から入力された収縮率及び実際のＬＥＤ３のピーク波長に対応するレンズ４７及びピンホール４８のＧ方向位置及びＨ方向位置のみならずレンズ４３のＦ方向位置も求め、求めた各位置となるように、位置調整機構４５，５１を制御する。
【００８６】
実際の収縮率が見積の収縮率からはずれた場合、それに応じて再生主波長が変動する。例えば、実際の収縮率が見積の収縮率１％から外れて２％である場合、前述したように、再生主波長（回折効率が最大となる波長）が５２６．７ｎｍから５２１．４ｎｍする。また、ＬＥＤ３のピーク波長が見積の波長から変動すると、光量の低下を招かないように再生主波長をＬＥＤ３の実際のピーク波長と一致させることが好ましいことから、再生主波長を一致させるべき波長が変動することになる。一方、レンズ４３をＦ方向へずらすと、それに応じて参照光Ｂ１のホログラム感光材料への入射角が変わるため、再生主波長を調整することができる。したがって、収縮率変動に伴う再生主波長の変動やＬＥＤ３のピーク波長の変動を考慮する場合、それに応じてレンズ４３のＦ方向位置を調整すればよい。収縮率やＬＥＤ３のピーク波長に応じて最適化するためのレンズ４３のＦ方向位置は、予め求めておくことができるので、その関係を前記ルックアップテーブルに格納しておけばよい。
【００８７】
ところで、再生主波長の変動に応じて、収差（露光光学系の収差、すなわち、図３に示す光学系を光線追跡したときの、射出瞳面（すなわち、図３中の面２３）上での波面収差）が生ずることになる。したがって、収縮率変動に伴う再生主波長の変動やＬＥＤ３のピーク波長の変動を考慮する場合、この点も考慮してその収差が最も小さくなるようなレンズ４７及びピンホール４８のＧ方向位置及びＨ方向位置を求めておけばよい。すなわち、収縮率及び実際のＬＥＤ３のピーク波長の両方をパラメータとして収差が最も小さくなるようなレンズ４７及びピンホール４８のＧ方向位置及びＨ方向位置を求め、その関係を前記ルックアップテーブルに格納しておけばよい。
【００８８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。
【００８９】
例えば、前記実施の形態では、図５中の位置調整機構４５，５１は制御部５２により自動的に制御されるようになっていたが、制御部５２及び入力部５３を取り除き、位置調整機構４５，５１として手動調整し得るものを用いてもよい。
【００９０】
また、前記実施の形態は、レンズ４７及びピンホール４８の位置を調整し得るように構成されていたが、その代わりに、コリメータレンズ４９の位置を調整し得るように構成してもよい。
【００９１】
さらに、前記実施の形態では、レンズ４３の位置を調整し得るように構成されていたが、その代わりに、レンズ４２の位置を調整し得るように構成してもよい。
【００９２】
また、前述した実施の形態は、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。
【００９３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ホログラム感光材料の収縮率が設計時の見積から変動してもその変動による光学性能の劣化を簡単な調整で抑制することができること、及び、再生光を発する光源のピーク波長等が設計時の波長から変動しても光学性能の劣化を簡単な調整で抑制することができること、のいずれか一方又は両方を同時に達成することができる。
【００９４】
また、本発明によれば、このような製造方法及び装置により露光することによって作製したホログラム光学素子を用いることにより、光学性能に優れかつコストダウンを図ることができるイメージコンバイナ及び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】本発明の一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】図１に示す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４】図３に示す光学系におけるプリズムの拡大図である。
【図５】本発明の一実施の形態によるホログラム露光装置の概略構成図である。
【図６】ホログラム感光材料の収縮率が設計時の見込通りの場合の、図３に示す光学系の波面収差図である。
【図７】ホログラム感光材料の収縮率が設計時の見込と異なった場合の、図３に示す光学系の波面収差図である。
【図８】ホログラム感光材料の収縮率が設計時の見込と異なった場合において、収縮率変動を補正した後の、図３に示す光学系の波面収差図である。
【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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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