(57)【要約】【課題】本発明は、不要光の発生を抑えることの容易な光束径拡大用の光学系を提供することを目的とする。【解決手段】入射光束の光路に対し互いに直列かつ平行の関係で斜めに配置され、前記入射光束を一部宛反射してその入射光束よりも大きい径の射出光束を生成する複数の部分透過反射面（６１，６２）を備えた光束径拡大用の光学系（１）であって、前記複数の部分透過反射面（６１，６２）のそれぞれは、前記入射光束を選択的に回折反射する反射型回折光学素子からなることを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光束の光路に対し互いに直列かつ平行の関係で斜めに配置され、前記入射光束を一部宛反射してその入射光束よりも大きい径の射出光束を生成する複数の部分透過反射面を備えた光束径拡大用の光学系であって、
前記複数の部分透過反射面の少なくとも１つは、
前記入射光束を選択的に回折反射する反射型回折光学素子からなる
ことを特徴とする光束径拡大用の光学系。
【請求項２】
請求項１に記載の光束径拡大用の光学系において、
前記複数の部分透過反射面のそれぞれは、
前記反射型回折光学素子からなり、
前記反射型回折光学素子それぞれの前記入射光束に対する回折効率の関係は、
それら反射型回折光学素子が回折反射した光の強度が均等化されるよう最適化されている
ことを特徴とする光束径拡大用の光学系。
【請求項３】
請求項２に記載の光束径拡大用の光学系において
前記複数の部分透過反射面のそれぞれは、
体積型の反射型ホログラム素子からなり、
前記反射型ホログラム素子それぞれの乳剤の厚さの関係は、
それら反射型ホログラム素子が回折反射した光の強度が均等化されるよう最適化されている
ことを特徴とする光束径拡大用の光学系。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載の光束径拡大用の光学系において、
前記複数の部分透過反射面のそれぞれは、
体積型かつ位相型の反射型ホログラム素子からなり、
前記反射型ホログラム素子それぞれの屈折率変調度の関係は、
それら反射型ホログラム素子が回折反射した光の強度が均等化されるよう最適化されている
ことを特徴とする光束径拡大用の光学系。
【請求項５】
可視光に対し透明な基板内に、請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の光束径拡大用の光学系を、前記複数の反射型回折光学素子が傾斜する姿勢で設けてなる
ことを特徴とするイメージコンバイナ。
【請求項６】
画像表示素子と、
請求項５に記載のイメージコンバイナと
を備えたことを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示装置、ビーム拡大器、フラットパネル照明装置などに適用される光束径拡大用の光学系、シースルー型の画像表示装置に適用されるイメージコンバイナ、シースルー型の画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
シースルー型の画像表示装置（アイグラスディスプレイ）の１つに、視野角及び射出瞳の拡大を図ったものがある（特許文献１の図５０など）。
このタイプの画像表示装置では、表示光束を導光する基板内に複数の平行な反射多層膜からなるハーフミラー（部分反射面）を設け、光束拡大の機能をその基板に持たせている。
【特許文献１】特表２００３−５３６１０２Ａ号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、特許文献１の項目［００５４］以下には、ハーフミラーで反射すべき光（必要光）の入射角度が２７°であり、ハーフミラーで透過すべき光（不要光）の入射角度が８１°である例が開示されている。
しかし、小さな入射角度の光を反射し、かつ大きな入射角度の光を透過する特性を反射多層膜からなるハーフミラーに付与することは、原理的に難しい。仮に、できたとしても、特殊材料を要したり、膜構成が極めて複雑になる。
【０００４】
よって、不要光がなるべく観察眼に入射しないような設計上の工夫を要し、それでもなお、不要光によるゴーストは完全に抑えられていないのが現状である。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、不要光の発生を抑えることの容易な光束径拡大用の光学系を提供することを目的とする。
また、本発明は、視野角及び射出瞳が大きく、かつゴーストを抑えることの容易なイメージコンバイナを提供することを目的とする。
【０００５】
また、本発明は、視野角及び射出瞳が大きく、かつゴーストを抑えることの容易なシースルー型の画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明をするに当たり、本発明者は、以下のことを検討した。
（回折効率の波長特性）
反射型ホログラム素子、とりわけ体積型かつ位相型の反射型ホログラム素子の回折効率の波長特性は、鋭い波長選択性（或る入射角で入射する再生光のうち、特定の波長成分だけを特定方向に回折する特性）を持つ。
【０００７】
その回折効率は、ホログラム素子の干渉縞を記録する乳剤のパラメータ（厚みや屈折率変調度）によって変化する（図１８参照）。
例えば、
乳剤の厚さ：１５μｍ、屈折率変調度：０．０３  →最大回折効率：約９８％、
乳剤の厚さ：１５μｍ、屈折率変調度：０．０１５→最大回折効率：約７６％、
乳剤の厚さ：  ５μｍ、屈折率変調度：０．０３  →最大回折効率：約５２％、
となる。つまり、このホログラム素子の回折効率は、乳剤のパラメータを調整することで制御可能である。
【０００８】
（回折効率の角度特性）
このホログラム素子は、入射角度に対しても鋭い特性（或る波長で入射する再生光のうち、特定の入射角度の光だけを回折する特性）を持つ（図１９参照）。
例えば、
乳剤の厚さ：１５μｍ、屈折率変調度：０．０３→半値全幅：７．５°程度、
乳剤の厚さ：１５μｍ、屈折率変調度：０．０１５→半値全幅：４．５°程度、
乳剤の厚さ：５μｍ、屈折率変調度：０．０３→半値全幅：１．１°程度、
となる。つまり、このホログラム素子の回折角度のピーク幅は、乳剤のパラメータを調整することで制御可能である。
【０００９】
したがって、小さな入射角度の光を反射し、かつ大きな入射角度の光を透過する特性をホログラム素子に付与することも可能である。
（回折効率と記録及び再生条件）
ホログラム素子による回折は、ブラッグの条件式に従う方向に射出する回折光の強度が最大となる。
【００１０】
体積型ホログラム素子におけるブラッグの条件式は、以下の式（１），（２）で表され、式（１），（２）を同時に満たす方向θIに射出する回折光の強度が最大となる。
１／λR（ｓｉｎθ0−ｓｉｎθR）＝１／λC（ｓｉｎθI−ｓｉｎθC）  ・・・（１）
１／λR（ｃｏｓθ0−ｃｏｓθR）＝１／λC（ｃｏｓθI−ｃｏｓθC）  ・・・（２）
ここで、式（１），（２）の左辺は、ホログラム素子の記録時の様子（図２０（ａ））を示し、右辺は、ホログラム素子の再生時の様子（図２０（ｂ））を示している。但し、式（１），（２）において、
λR：記録波長，
θ0：ホログラム面に対する物体光の入射角度，
θR：参照光の入射角度，
λC：再生波長，
θC：ホログラム面に対する再生光の入射角度，
θI：回折光の射出角度である。
【００１１】
なお、式（１）の根拠は、「ホログラム記録時に形成される干渉縞の間隔は、物体光及び参照光の入射角度と記録波長とによって決まること」と、「ホログラム再生時にはホログラムの面方向に隣り合う縞から射出する光同士の光路差が１波長分だけずれるときに強め合うこと」とにある。
また、式（２）の根拠は、これらの事項が「ホログラムの厚み方向に隣り合う縞から射出する光同士の間でも成り立つこと」にある。因みに、ホログラムの厚みが増すに従って式（２）の寄与が大きくなるので、回折効率を最大にするための条件は厳しくなる。
【００１２】
この式（１），（２）からも明らかなとおり、ホログラム素子の回折効率を簡単に高めるには、記録波長を再生波長に一致させておくことが好ましい。
（ホログラム素子の構造）
頭部装着型の画像表示装置では、画像表示素子の光源には、小型かつ安価なＬＥＤが好適である。画像表示素子がモノクロ画像表示素子であるときには特定の色成分からなる発光スペクトルのＬＥＤ、カラー画像表示素子であるときにも複数の特定の色成分（Ｒ色成分，Ｇ色成分，Ｂ色成分）からなる発光スペクトルのＬＥＤが用いられる。
【００１３】
仮に、後者が用いられた画像表示装置にホログラム素子を適用するならば、ホログラム素子の構成を、ＬＥＤの発光スペクトルの各成分に個別に感応する３層の構造とすればよい。或いは、それら各成分に個別に感応する３種の微小要素を含む１層の構造とすればよい。
そこで、本発明者は、以下の発明をした。
【００１４】
請求項１に記載の光束径拡大用の光学系は、入射光束の光路に対し互いに直列かつ平行の関係で斜めに配置され、前記入射光束を一部宛反射してその入射光束よりも大きい径の射出光束を生成する複数の部分透過反射面を備えた光束径拡大用の光学系であって、前記複数の部分透過反射面の少なくとも１つは、前記入射光束を選択的に回折反射する反射型回折光学素子からなることを特徴とする。
【００１５】
請求項２に記載の光束径拡大用の光学系は、請求項１に記載の光束径拡大用の光学系において、前記複数の部分透過反射面のそれぞれは、前記反射型回折光学素子からなり、前記反射型回折光学素子それぞれの前記入射光束に対する回折効率の関係は、それら反射型回折光学素子が回折反射した光の強度が均等化されるよう最適化されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項３に記載の光束径拡大用の光学系は、請求項２に記載の光束径拡大用の光学系において前記複数の部分透過反射面のそれぞれは、体積型の反射型ホログラム素子からなり、前記反射型ホログラム素子それぞれの乳剤の厚さの関係は、それら反射型ホログラム素子が回折反射した光の強度が均等化されるよう最適化されていることを特徴とする。
請求項４に記載の光束径拡大用の光学系は、請求項２又は請求項３に記載の光束径拡大用の光学系において、前記複数の部分透過反射面のそれぞれは、体積型かつ位相型の反射型ホログラム素子からなり、前記反射型ホログラム素子それぞれの屈折率変調度の関係は、それら反射型ホログラム素子が回折反射した光の強度が均等化されるよう最適化されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項５に記載のイメージコンバイナは、可視光に対し透明な基板内に、請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の光束径拡大用の光学系を、前記複数の反射型回折光学素子が傾斜する姿勢で設けてなることを特徴とする。
請求項６に記載の画像表示装置は、画像表示素子と、請求項５に記載のイメージコンバイナとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、不要光の発生を抑えることの容易な光束径拡大用の光学系が実現する。
また、本発明によれば、視野角及び射出瞳が大きく、かつゴーストを抑えることの容易なイメージコンバイナが実現する。
また、本発明によれば、視野角及び射出瞳が大きく、かつゴーストを抑えることの容易なシースルー型の画像表示装置が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態を説明する。
本実施形態は、シースルー型かつ頭部装着型の画像表示装置（アイグラスディスプレイ）の実施形態である。
先ず、本画像表示装置の構成を説明する。
【００２０】
本画像表示装置は、図１に示すように、可視光に対し透明な透明基板１と、表示ユニット１’とを備える。透明基板１及び表示ユニット１’は装着機構１”によって支持され、観察者の頭部に装着される。
装着機構１”は、例えば、眼鏡のフレームと同様の構成をしており、図１に示すようにテンプル、リム、ブリッジなどからなる。
【００２１】
この画像表示装置が観察者の頭部に装着されると、透明基板１は、観察眼（ここでは、観察者の右眼とする。）の正面に位置する。このとき表示ユニット１’は、観察者の視界を妨げない箇所（ここでは、観察者の右側頭部近傍とする。）に位置する。
以下では、この状態で観察眼が正面の遠方を目視しているときの視軸（視線）の方向を−Ｚ方向とし、観察者の下方を＋Ｘ方向とし、観察者の右方を＋Ｙとした右手系ＸＹＺ直交座標系で画像表示装置を表現する（図２も同様。）。また、場合によって、観察者から見た方向（右、左、上、下など）で画像表示装置を表現する。
【００２２】
図２に示すように、表示ユニット１’には、光源３、照明系４、モノクロ又はカラーの画像表示素子２、レンズ５などが配置される。表示ユニット１’内のレンズ５と透明基板１とが画像表示装置のイメージコンバイナとしての役割を果たす。
表示ユニット１’の光源３、照明系４、及び画像表示素子２としては、例えば、ＬＥＤ、放物面鏡、及びＬＣＤがそれぞれ用いられる。ＬＣＤとしては、透過型ＬＣＤや反射型ＬＣＤなどが適用可能である（図２では透過型ＬＣＤとした。）。また、画像表示素子２として自発光型のものを用いて光源３及び照明系４を省略することもできる。
【００２３】
このような表示ユニット１’の姿勢は、レンズ５を透明基板１の観察者側の面１ａに正対させた姿勢である。
透明基板１は、ガラスやプラスチックなどの光学材料からなる平行平板を原型としている。透明基板１の姿勢は、観察者側の面１ａと外界側の面１ｂとの法線がＺ軸と平行となる姿勢である。
【００２４】
透明基板１の内部には、平面ミラー７、複数の（ここでは２つの）反射型ホログラム素子（以下、「ＨＯＥ」という。）６１、６２が設けられる。
平面ミラー７は、反射率の高い金属膜などからなる。
ＨＯＥ６１，６２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、非結晶半導体、フォトリフラクティブ材料などが用いられる。
【００２５】
因みに、ＨＯＥ６１，６２の製造方法は、公知の手法に従い、２つの光源から射出した記録光を前記材料に同時に照射するものである。
平面ミラー７の形成箇所は、表示ユニット１’に対向する位置であり、その姿勢は、観察者の左奥から右手前にかけて傾斜した姿勢（その反射面の法線がＸ軸に垂直であり、＋Ｚかつ−Ｙ方向を向く姿勢）である。ここでは、平面ミラー７と透明基板１の面１ａ，１ｂとが成す角度θＡを、２５°とする。
【００２６】
ＨＯＥ６１の形成箇所は、平面ミラー７から所定距離だけ離れ、観察眼の右半分に対向する位置の近傍であり、その姿勢は、観察者の左手前から右奥にかけて傾斜した姿勢（その法線がＸ軸に垂直であり、＋Ｚかつ＋Ｙ方向を向く姿勢）である。ここでは、ＨＯＥ６１と透明基板１の面１ａ，１ｂとが成す角度θＢを２５°とする。
ＨＯＥ６２の形成箇所は、観察眼の左半分に対向する位置の近傍であり、その姿勢は、ＨＯＥ６１と同じである。
【００２７】
因みに、ＨＯＥ６１，６２の設けられた透明基板１の製造方法は、例えば次のとおりである。すなわち、ＨＯＥ６１，６２の形成された、透明基板１と同じ材料からなる小片を、透明基板１を形成する型枠の中に配置し、透明基板１の材料を溶かした状態でその型枠の中に流し込み、固める。
次に、本画像表示装置における光線の振る舞いを説明する。
【００２８】
表示ユニット１’が駆動されると、光源３、照明系４が画像表示素子２を照明する。画像表示素子２の表示面の各点から射出した各画角の表示光束は、レンズ５において平行光束（その表示面の虚像を画像表示素子２の背後の無限遠に形成する表示光束）に変換される。この表示光束は、観察者側の面１ａから透明基板１の内部に導入され、平面ミラー７に入射して反射する。
【００２９】
この表示光束は、透明基板１の面１ａに臨界角よりも大きい所定の入射角度範囲（５０°±α）（α：視野角の半値）で入射し、全反射する。この表示光束は、さらに外界側の面１ｂにも同じ角度で入射し、全反射する。表示光束は、このような全反射を面１ａと面１ｂとの間で繰り返し内面反射しつつ、透明基板１の内部を観察者の右から左の方向（−Ｙ方向）へと伝播され、ＨＯＥ６１、６２に順に入射する。
【００３０】
表示光束のうち、ＨＯＥ６１に対し所定角度範囲（２５°±α）で入射したもの（全反射回数が奇数回であるもの）は、所定の回折効率で回折反射され、透明基板１の面１ａから略垂直に射出し（その射出角度は０°±α）、観察眼の近傍の領域に入射する。それ以外の角度の表示光束は、ＨＯＥ６１を透過する。
表示光束のうち、ＨＯＥ６２に対し前記所定角度範囲（２５°±α）で入射したもの（全反射回数が奇数回であるもの）は、別の所定の回折効率で回折反射され、透明基板１の面１ａから略垂直に射出し（その射出角度は０°±α）、観察眼の近傍の前記領域から若干ずれた領域に入射する。それ以外の角度の表示光束は、ＨＯＥ６２を透過する。
【００３１】
ＨＯＥ６１にて回折反射された表示光束と、ＨＯＥ６２にて回折反射された表示光束とが、観察眼の近傍に画像表示装置の射出瞳を形成する。この射出瞳内に観察眼の瞳が配置されていれば、観察者は画像表示素子２の表示面の虚像を観察することができる。
次に、本画像表示装置の各部の特性を説明する。
光源（ここでは、ＬＥＤとする。）３の発光強度の波長特性は、画像表示素子２がモノクロの画像表示素子であるとき、特定の単一波長にピークを有する。画像表示素子２がカラー画像表示素子であるとき、特定の複数の波長成分（Ｒ色成分、Ｇ色成分、Ｂ色成分）にピークを有する。よって、表示光束は、単一又は複数の離散的な特定の波長成分を持つ。
【００３２】
ＨＯＥ６１，６２の回折効率の波長特性は、その特定の波長成分においてピークを有する。
また、ＨＯＥ６１，６２の回折効率の角度特性は、前述した所定角度範囲の中心（２５°）においてピークを有する。
また、ＨＯＥ６１，６２の回折効率の関係は、ＨＯＥ６１が回折反射した表示光束の強度と、ＨＯＥ６２が回折反射した表示光束の強度とが均等化されるよう設定されている。
【００３３】
次に、本画像表示装置の効果を説明する。
ＨＯＥ６１，６２の上記特性によれば、これらＨＯＥ６１，６２は、画像表示素子２の表示面の虚像を観察眼が観察するために必要な表示光束、つまり所定角度範囲（２５°±α）で入射する表示光束を回折反射し、それ以外の光、つまり他の角度で入射する表示光束や外界光束（透明基板１の外界側から観察者側に向かう光束）を全部透過する。
【００３４】
よって、観察眼には、必要光（所定角度範囲で入射する表示光束と外界光束）のみが入射し、ゴーストを発生させるような不要光（所定角度範囲以外の角度で入射する表示光束）は何ら入射しない。つまり、ＨＯＥ６１，６２の使用により、ゴーストが抑えられている。
また、ゴーストを抑えるための設計上の工夫は、ＨＯＥ６１，６２の回折効率の波長特性及び角度特性の最適化のみなので、イメージコンバイナにおける各光学面（符号１ａ，
１ｂ，５，７，６１，６２）の配置関係や面形状などの設計の自由度は、高く保たれる。
【００３５】
また、ＨＯＥ６１，６２から観察眼に向かう表示光束の強度が均等化されるので、観察者は、観察眼の瞳が射出瞳内でずれたとしても表示面の虚像を快適に観察できる。
ここで、仮に、ＨＯＥ６１，６２と同じ特性の膜を誘電体多層膜で実現するためには、２０層以上の複雑な膜構成になる。このように複雑な膜を精度良く蒸着するためには、透明基板１をガラス基板で構成せざるを得ない。なぜなら、プラスチック基板への蒸着は、その耐熱性の限界から、蒸着時の輻射熱の影響を避けるため、５〜６層程度の少ない層数で構成することが一般的とされている。よって、イメージコンバイナの軽量化が難しい。
【００３６】
しかし、ＨＯＥ６１，６２であれば、透明基板１をプラスチック基板で構成できる。なぜなら、例えば、フォトポリマーを材料としたＨＯＥであれば、製造工程（露光工程）は全てドライ工程であり、ベイク温度が１２０℃程度である。
よって、本実施形態では、透明基板１を軽量化し、画像表示装置を軽量化することが容易である。
【００３７】
（第１実施形態のＨＯＥ６１，６２の設計例）
以下、本実施形態のＨＯＥ６１，６２の設計例を説明する。
なお、画像表示素子２としてカラー画像表示素子を想定し、光源３としてＲ色成分、Ｇ色成分、Ｂ色成分からなる発光スペクトルのＬＥＤを用いることを想定した。
ＬＥＤの発光強度の波長特性は、図３のとおりである。横軸が波長、縦軸が強度を示す。このＬＥＤの発光スペクトルの各波長成分の半値全幅は、Ｒ色成分：２３ｎｍ，Ｇ色成分：６０．８ｎｍ，Ｂ色成分：２９ｎｍである。
【００３８】
また、ＨＯＥ６１，６２は、体積型かつ位相型の反射型ホログラム素子とし、その構造には、それぞれＧ色成分用、Ｂ色成分用、Ｒ色成分用の３層の構造を採用した。また、設計データを表現するための座標には、図２中円枠内に示すローカル座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を用いた。
ＨＯＥ６１の設計データは、
記録波長：５３２ｎｍ，４７６ｎｍ，６４７ｎｍ
ＨＯＥ材料：フォトポリマー
Ｇ色成分用の乳剤の厚さ：３．７μｍ，
Ｂ色成分用の乳剤の厚さ：３．２μｍ，
Ｒ色成分用の乳剤の厚さ：４．４μｍ，
屈折率変調度：０．０３，
記録後の収縮率：１．５％，
記録時の第１光源の座標（ｘ，ｙ，ｚ）：（０，−０．４２２６１８×１０20，−０．９０６３０８×１０20），
記録時の第２光源の座標（ｘ，ｙ，ｚ）：（０，０．４２２６１８×１０20，−０．９０６３０８×１０20）である。
【００３９】
このＨＯＥ６１に対し記録波長と同じ波長の再生光を入射角度２５°で入射させると、回折効率は、Ｒ色成分、Ｇ色成分、Ｂ色成分とも約３０％である。つまり、ＨＯＥ６１に入射した表示光束の約３０％がＨＯＥ６１にて観察眼の方向に回折反射され、残りの約７０％がＨＯＥ６２へ向かう。
ＨＯＥ６２の設計データは、
Ｇ色成分用の乳剤の厚さ：５．２μｍ，
Ｂ色成分用の乳剤の厚さ：４．６μｍ，
Ｒ色成分用の乳剤の厚さ：６．２μｍ，
それ以外は、ＨＯＥ６１と同じである。
【００４０】
このＨＯＥ６２に対し記録波長と同じ波長の再生光を入射角度２５°で入射させると、回折効率はＲ色成分、Ｇ色成分、Ｂ色成分とも約５０％である。つまり、ＨＯＥ６１に入射した表示光束の約７０×５０％＝約３５％がＨＯＥ６２にて観察眼の方向に回折反射される。
本設計例の図１のＹ方向の視野角を２０°とするとき、ＨＯＥ６１，６２で回折反射される表示光束の入射角度範囲は、２５°±１０°になる。
【００４１】
以上説明したＨＯＥ６１の回折効率の波長特性は、図４（ａ），（ｂ），（ｃ）のとおりである。（ａ）はＲ色成分に対する特性、（ｂ）はＧ色成分に対する特性、（ｃ）はＢ色成分に対する特性である。各図において、円形の点でプロットしたのは、−Ｙ方向の最大画角の表示光束に対する特性、三角形の点でプロットしたのは、中心画角の表示光束に対する特性、四角形の点でプロットしたのは、＋Ｙ方向の最大画角の表示光束に対する特性である。また、各図には、ＨＯＥ６１に入射する表示光束の強度の波長特性（＝図３に示したＬＥＤの発光強度の波長特性）も重ね描きしてある。
【００４２】
また、ＨＯＥ６２の回折効率の波長特性は、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）のとおりである。図５の表記方法は、図４のそれと同じである。但し、ＨＯＥ６２に入射する表示光束は、回折効率が３０％であるＨＯＥ６１を透過したものであるので、その透過率（７０％）を考慮して、図５における表示光束の強度は、図４における表示光束の強度を０．７掛けした値にしてある。
【００４３】
そして、ＨＯＥ６１が回折反射した表示光束の強度（射出強度）は、図４に示した表示光束の強度とＨＯＥ６１の回折効率との積で表され、ＨＯＥ６２が回折反射した表示光束の強度は、図５に示した表示光束の強度とＨＯＥ６２の回折効率との積で表される。
それらの強度をそれぞれ計算し、両者の最大値を１として規格化したものが、図６、図７である。
【００４４】
図６がＨＯＥ６１、図７がＨＯＥ６２についてのグラフである。図６、図７において、横軸が画角、縦軸が相対強度である。円形の点でプロットしたのは表示光束のＲ色成分の強度、四角形の点でプロットしたのは表示光束のＧ色成分の強度、三角形の点でプロットしたのは表示光束のＢ色成分の強度である。
上述したようにＨＯＥ６１の回折効率とＨＯＥ６２の回折効率とがそれぞれ３０％，５０％に設定されたので、ＨＯＥ６１が回折反射した表示光束の強度と、ＨＯＥ６２が回折反射した表示光束の強度とは、図６、図７を比較すると明らかなように、ＨＯＥによる違いは少なく同程度になっている。
【００４５】
なお、これらの図の縦軸は光強度を示しており、表示面の虚像を目視している観察者が実際に感じる色のバランスは、その光強度に加えて図８に示すような比視感度を考慮する必要がある。この比視感度を考慮するとＧ色の明るさが相対的に上がるので、本実施形態の観察者が感じるＲ色、Ｇ色、Ｂ色のバランスは、よいことがわかる。
また、本設計例では、上記設計データから明らかなように、ＨＯＥ６１とＨＯＥ６２との乳剤の厚さを変えることによって、それらに異なる回折効率を付与した。これによって、それぞれの回折効率を確実に制御できた。
【００４６】
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態を説明する。
本実施形態は、シースルー型かつ頭部装着型の画像表示装置（アイグラスディスプレイ）の実施形態である。ここでは、第１実施形態との相違点のみ説明する。
相違点は、以下のとおりである。
【００４７】
図９に示すように、透明基板１内に形成されるＨＯＥは、表示光束の入射順に、ＨＯＥ６３，６４，６５，６６の４つである。なお、図９において、図２に示すものと同じ作用をする要素には同じ符号を付した。
４つのＨＯＥ６３，６４，６５，６６が回折反射するのは、全反射回数が偶数回の表示光束である。
【００４８】
平面ミラー７と透明基板１の面１ａ，１ｂとの成す角度θＡは、３５°である。
ＨＯＥ６３，６４，６５，６６と透明基板１の面１ａ，１ｂとの成す角度θＢは、５５°である。
ＨＯＥ６３，６４，６５，６６は、入射角度範囲５５°±α（α：視野角の半値）の表示光束を所定の回折効率で回折反射する。入射角度がそれ以外の角度である表示光束については、透過する。
【００４９】
このような本実施形態の画像表示装置も、第１実施形態の画像表示装置と同様の効果が得られる。
（第２実施形態のＨＯＥ６３，６４，６５，６６の設計例）
以下、本実施形態のＨＯＥ６３，６４，６５，６６の設計例を説明する。
なお、画像表示素子２としてカラー画像素子を想定し、光源３として第１実施形態と同じ特性のＬＥＤを用いることを想定した。
【００５０】
また、ＨＯＥ６３，６４，６４，６６は、体積型かつ位相型の反射型ホログラム素子とし、その構造には、それぞれＧ色成分用、Ｂ色成分用、Ｒ色成分用の３層の構造を採用した。また、設計データを表現するための座標には、図９中円枠内に示すローカル座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を用いた。
ＨＯＥ６３の設計データは、
記録波長：５３２ｎｍ，４７６ｎｍ，６４７ｎｍ，
ＨＯＥ材料：フォトポリマー，
乳剤の厚さ：６．４μｍ，
Ｇ色成分用の乳剤の屈折率変調度：０．０１５，
Ｂ色成分用の乳剤の屈折率変調度：０．０１３，
Ｒ色成分用の乳剤の屈折率変調度：０．０１７，
記録後の収縮率：１．５％，
記録時の第１光源の座標（ｘ，ｙ，ｚ）：（０，−０．８１９１５２×１０20，−０．５７３５７６×１０20），
記録時の第２光源の座標（ｘ，ｙ，ｚ）：（０，０．８１９１５２×１０20，−０．５７３５７６×１０20）である。
【００５１】
このＨＯＥ６３に対し記録波長と同じ波長の再生光を入射角度５５°で入射させると、回折効率は、Ｒ色成分、Ｇ色成分、Ｂ色成分とも約２０％である。つまり、ＨＯＥ６３に入射した表示光束の約２０％がＨＯＥ６３にて観察眼の方向に回折反射され、残りの約８０％がＨＯＥ６４へ向かう。
ＨＯＥ６４の設計データは、
Ｇ色成分用の乳剤の屈折率変調度：０．０１７，
Ｂ色成分用の乳剤の屈折率変調度：０．０１５，
Ｒ色成分用の乳剤の屈折率変調度：０．０２，
それ以外は、ＨＯＥ６３と同じである。
【００５２】
このＨＯＥ６４に対し記録波長と同じ波長の再生光を入射角度５５°で入射させると、回折効率はＲ色成分、Ｇ色成分、Ｂ色成分とも約２５％である。つまり、ＨＯＥ６３に入射した表示光束の約８０×２５％＝約２０％がＨＯＥ６４にて観察眼の方向に回折反射され、約８０×７５％＝約６０％がＨＯＥ６５へ向かう。
ＨＯＥ６５の設計データは、
Ｇ色成分用の乳剤の屈折率変調度：０．０２，
Ｂ色成分用の乳剤の屈折率変調度：０．０１８，
Ｒ色成分用の乳剤の屈折率変調度：０．０２５，
それ以外は、ＨＯＥ６３と同じである。
【００５３】
このＨＯＥ６５に対し記録波長と同じ波長の再生光を入射角度５５°で入射させると、回折効率はＲ色成分、Ｇ色成分、Ｂ色成分とも約３３％である。つまり、ＨＯＥ６３に入射した表示光束の約６０×３３％＝約２０％がＨＯＥ６５にて観察眼の方向に回折反射され、約６０×６７％＝約４０％がＨＯＥ６６へ向かう。
ＨＯＥ６６の設計データは、
Ｇ色成分用の乳剤の屈折率変調度：０．０３，
Ｂ色成分用の乳剤の屈折率変調度：０．０２６，
Ｒ色成分用の乳剤の屈折率変調度：０．０３５，
それ以外は、ＨＯＥ６３と同じである。
【００５４】
このＨＯＥ６６に対し記録波長と同じ波長の再生光を入射角度５５°で入射させると、回折効率はＲ色成分、Ｇ色成分、Ｂ色成分とも約５０％である。つまり、ＨＯＥ６３に入射した表示光束の約４０×５０％＝約２０％がＨＯＥ６６にて観察眼の方向に回折反射される。
ここで、本設計例の図９のＹ方向の視野角を２０°とするとき、ＨＯＥ６３，６４，６５，６６で回折反射される表示光束の入射角度範囲は、５５°±１０°になる。
【００５５】
以上説明したＨＯＥ６３の回折効率の波長特性、ＨＯＥ６４の回折効率の波長特性、ＨＯＥ６５の回折効率の波長特性、ＨＯＥ６６の回折効率の波長特性は、それぞれ図１０、図１１、図１２、図１３のとおりである。図１０、図１１、図１２、図１３における表記方法は、図４、図５におけるそれと同じである。また、各図には、各ＨＯＥに入射する表示光束の強度の波長特性も重ね描きしてある。
【００５６】
但し、ＨＯＥ６４に入射する表示光束は、回折効率が２０％であるＨＯＥ６３を透過したものであるので、その透過率（８０％）を考慮して、図１１における表示光束の強度は、図１０における表示光束の強度を０．８掛けした値にしてある。同様に、図１２における表示光束の強度、図１３における表示光束の強度も、そこへ至るまでに透過するＨＯＥの透過率を考慮した値にしてある。
【００５７】
そして、ＨＯＥ６３が回折反射した表示光束の強度は、図１０に示した表示光束の強度とＨＯＥ６３の回折効率との積で表され、ＨＯＥ６４が回折反射した表示光束の強度は、図１１に示した表示光束の強度とＨＯＥ６４の回折効率との積で表され、ＨＯＥ６５が回折反射した表示光束の強度は、図１２に示した表示光束の強度とＨＯＥ６５の回折効率との積で表され、ＨＯＥ６６が回折反射した表示光束の強度は、図１３に示した表示光束の強度とＨＯＥ６６の回折効率との積で表される。
【００５８】
それら強度をそれぞれ計算し、全ての最大値を１として規格化したものが、図１４、図１５、図１６、図１７である。なお、図１４、図１５、図１６、図１７の表記方法は、図６、図７のそれと同じである。
上述したようにＨＯＥ６３，６４，６５，６６の回折効率がそれぞれ２０％，２５％，３３％，５０％に設定されたので、ＨＯＥ６３，６４，６５，６６が回折反射した表示光束の強度は、図１４、図１５、図１６、図１７を比較すると明らかなように、ＨＯＥによる違いは少なく同程度になっている。
【００５９】
なお、これらの図の縦軸は光強度を示しており、表示面の虚像を目視している観察者が実際に感じる色のバランスは、その光強度に加えて図８に示したような比視感度を考慮する必要がある。この比視感度を考慮するとＧ色の明るさが相対的に上がるので、本実施形態の観察者が感じるＲ色、Ｇ色、Ｂ色のバランスは、よいことがわかる。
また、本設計例では、上記設計データから明らかなように、ＨＯＥ６３，６４，６５，６６の乳剤の屈折率変調度を変えることによって、それらに異なる回折効率を付与した。これによって、それぞれの回折効率を確実に制御できた。
【００６０】
［その他］
なお、上述した各実施形態では、ＨＯＥの回折効率を制御するために、ＨＯＥの乳剤の厚み、屈折率変調度の一方のみを調整したが、双方を調整してもよい。
また、上述した各実施形態では、透明基板１内に設けられたＨＯＥの数が２又は４であるが、それ以外の数にしてもよい。
【００６１】
また、上述した各実施形態では、透明基板１の内部において観察者の右方から左方へと進行する表示光束の光路が折線状になっている（内面反射を利用している）（図２、図９参照）が、直線状となった画像表示装置（内面反射を利用していない画像表示装置）にも本発明は適用可能である。但し、同じ厚さの透明基板１であっても光路を折線状にした方がより太い径の表示光束を導光できるので、折れ線状とした方が、透明基板１の薄化と視野角の確保との双方を実現できる点で好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
上述した実施形態は、シースルー型の画像表示装置（アイグラスディスプレイ）の実施形態であるが、本発明の光束拡大用の光学系は、非シースルー型の画像表示装置（ヘッドマウントディスプレイ）、ビーム拡大器、フラットパネル照明装置などに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】シースルー型の画像表示装置（アイグラスディスプレイ）の外観図である。
【図２】第１実施形態の画像表示装置の光学系部分のＹＺ平面における断面図である。
【図３】ＬＥＤの発光強度の波長特性を示す図である。
【図４】ＨＯＥ６１の回折効率の波長特性及びＨＯＥ６１への表示光束の入射強度を示す図である。
【図５】ＨＯＥ６２の回折効率の波長特性及びＨＯＥ６２への表示光束の入射強度を示す図である。
【図６】ＨＯＥ６１からの表示光束の射出強度（画角特性）を示す図である。
【図７】ＨＯＥ６２からの表示光束の射出強度（画角特性）を示す図である。
【図８】比視感度曲線を示すグラフである。
【図９】第２実施形態の画像表示装置の光学系部分のＹＺ平面における断面図である。
【図１０】ＨＯＥ６３の回折効率の波長特性及びＨＯＥ６３への表示光束の入射強度を示す図である。
【図１１】ＨＯＥ６４の回折効率の波長特性及びＨＯＥ６４への表示光束の入射強度を示す図である。
【図１２】ＨＯＥ６５の回折効率の波長特性及びＨＯＥ６５への表示光束の入射強度を示す図である。
【図１３】ＨＯＥ６６の回折効率の波長特性及びＨＯＥ６６への表示光束の入射強度を示す図である。
【図１４】ＨＯＥ６３からの表示光束の射出強度（画角特性）を示す図である。
【図１５】ＨＯＥ６４からの表示光束の射出強度（画角特性）を示す図である。
【図１６】ＨＯＥ６５からの表示光束の射出強度（画角特性）を示す図である。
【図１７】ＨＯＥ６６からの表示光束の射出強度（画角特性）を示す図である。
【図１８】ホログラム素子の乳剤のパラメータと回折効率との関係を示す図である。
【図１９】ホログラム素子の再生光の入射角度と回折効率との関係を示す図である。
【図２０】（ａ）は、ホログラム素子の記録時の様子、（ｂ）は、ホログラム素子の再生時の様子を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１  透明基板
１’  表示ユニット
１”  装着機構
２  画像表示素子
５  レンズ
３  光源
４  照明系
７  平面ミラー
６１，６２，６３，６４，６５，６６  反射型ホログラム素子（ＨＯＥ）
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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