(57)【要約】【課題】高度な技術や多大なコストを要する回折光学素子を用いずに、容易に細い光束を発生させる点光源光学系を提供する。【解決手段】光源１と、該光源１から放射された光を略平行な光束に変換するコリメートレンズ２と、該コリメートレンズを透過した前記光束を回折する第１の回折機構３と、該第１の回折機構３を通過した前記光束を回折する第２の回折機構６と、該第２の回折機構６を通過した前記光束を回折する第３の回折機構９と、該第３の回折機構を通過した前記光束を回折する第４の回折機構１２と、を有し、前記第１の回折機構３ないし第４の回折機構１２は、入射した光を所定の方向に回折させる回折光学素子５、８、１１、１３と該回折光学素子５、８、１１、１３で回折された前記光束を所定の方向に導く導光部４、７、１０，１４とを備えていることを特徴とする点光源光学系を提供する。【選択図】図１
2012208227.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
該光源から放射された光を略平行な光束に変換するコリメートレンズと、
該コリメートレンズを透過した前記光束を回折する第１の回折機構と、
該第１の回折機構を通過した前記光束を回折する第２の回折機構と、
該第２の回折機構を通過した前記光束を回折する第３の回折機構と、
該第３の回折機構を通過した前記光束を回折する第４の回折機構と、を有し、
前記第１の回折機構ないし第４の回折機構は、入射した前記光束を所定の方向に回折させる回折光学素子と該回折光学素子で回折された前記光束を所定の方向に導く導光部とを備えていることを特徴とする点光源光学系。
【請求項２】
前記導光部のうち少なくとも１つが、くさび形状をしていることを特徴とする請求項１に記載の点光源光学系。
【請求項３】
前記回折光学素子は、前記光束を反射させて回折させることを特徴とする請求項１又は２の何れか１項に記載の点光源光学系。
【請求項４】
前記回折光学素子は、前記光束を透過させて回折させることを特徴とする請求項１又は２の何れか１項に記載の点光源光学系。
【請求項５】
前記回折機構のいずれに於いても前記導光部の屈折率が略同一であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の点光源光学系。
【請求項６】
前記回折光学素子と前記導光部は接着材によって接着されており、
該接着材の屈折率は、前記回折光学素子及び前記導光部の各屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の点光源光学系。
【請求項７】
前記光源を複数有し、
該複数の光源は、それぞれ波長の異なる光を射出し、
該波長の異なる光ごとに、その波長に応じて所定の回折角を有する前記回折光学素子を配置していることを特徴とする請求項1乃至６のいずれか１項に記載の点光源光学系。
【請求項８】
前記波長の異なる光の前記導光材内での光路はそれぞれ位置が異なっており、
前記導光部は、前記波長の異なる光の前記光路を分離する境界面を有することを特徴とする請求項７に記載の点光源光学系。
【請求項９】
前記回折光学素子は２以上の波長の異なる光をそれぞれ回折する回折格子を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の点光源光学系。
【請求項１０】
前記光源から射出される光の色は赤色、緑色及び青色であることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の点光源光学系。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の何れか１項に記載の点光源光学系を有することを特徴とする光学機器。
【請求項１２】
回折光学素子の記録材料を、該回折光学素子の使用時に該回折光学素子が回折した回折光を所定方向に導光する導光部に固定し、
一つのレーザ光を二つのレーザ光に分離した後、一方のレーザ光を、前記回折光学素子が光を回折する際に該光を入射させるのと同じ向きで前記記録材料に照射し、それと同時に、他方のレーザ光を、前記回折光が射出される前記導光部の面から入射させることで回折格子を形成することを特徴とする回折光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、点光源光学系、この点光源光学系を備える光学機器、及び、点光源光学系の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、MEMSミラーやガルバノミラーといった走査ミラーを用いてレーザ光源を２次元に走査することによって映像を表示する走査型の画像表示装置として、例えば、フォーカスフリーのプロジェクタや、接眼光学系を併用したヘッドマウントディスプレイがある。しかし、レーザ光源はその特性として光束が広がらないため、スペックル反射の除去が難しい、安全性の確保にコストがかかるといった問題がある。
【０００３】
そこで、LED光源からの光をコリメートレンズによって略平行光束とした後に回折光学素子によって２度回折を行うことにより、容易に細い光束を発生させる装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０‐２７６９８１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら従来の点光源光学系は、光源の射出面を小さくするために導光材を薄くすると、回折光学素子から射出された光束が導光部材内で反射して、その一部が再度回折光学素子に入射し、所望の方向とは別の方向へ射出されてしまい、光が無駄となってしまう。これを解消するためには、回折角の大きい回折光学素子を用いる必要があるが、そのような回折光学素子を製造するためには、高度な技術と多大なコストを要することとなる。このような問題に鑑みて、本発明は、高度な技術や多大なコストを要することなく、容易に細い光束を発生させる点光源光学系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】
上記課題を解決するために本発明では、光源と、該光源から放射された光を略平行な光束に変換するコリメートレンズと、該コリメートレンズを透過した前記光束を回折する第１の回折機構と、該第１の回折機構を通過した前記光束を回折する第２の回折機構と、該第２の回折機構を通過した前記光束を回折する第３の回折機構と、該第３の回折機構を通過した前記光束を回折する第４の回折機構と、を有し、前記第１の回折機構ないし第４の回折機構は、入射した前記光束を所定の方向に回折させる回折光学素子と該回折光学素子で回折された前記光束を所定の方向に導く導光部とを備えていることを特徴とする点光源光学系を提供する。
【０００７】
また、本発明では、回折光学素子の記録材料を、該回折光学素子の使用時に該回折光学素子が回折した回折光を所定方向に導光する導光部に固定し、一つのレーザ光を二つのレーザ光に分離した後、一方のレーザ光を、前記回折光学素子が光を回折する際に該光を入射させるのと同じ向きで前記記録材料に照射し、それと同時に、他方のレーザ光を、前記回折光が射出される前記導光部の面から入射させることで回折格子を形成することを特徴とする回折光学素子の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高度な技術や多大なコストを要する回折光学素子を用いずに、容易に細い光束を発生させる点光源光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本願の第１実施形態の点光源光学系を示す斜視図（概念図）である。
【図２】回折機構の説明図である。（ａ）は、透過型ホログラフィック光学素子から射出された光束の一部が薄板状導光材内で全反射した後、再度透過型ホログラフィック光学素子に入射している様子を示している。（ｂ）は、薄板状導光材内で全反射した後、再度透過型ホログラフィック光学素子に入射しないための回折角θを示している。
【図３】本願の第１実施形態の点光源光学系の説明図である。（ａ）はＬＥＤから射出された光束が第１の回折機構と第２の回折機構とを透過して射出されるまでを示している。（ｂ）は反射型ホログラフィック光学素子で回折された光が接着剤層とくさび状導光材とを透過する際の屈折の様子を示している。
【図４】本願の第２実施形態の点光源光学系の説明図である。（ａ）はＬＥＤから射出された光束が第１の回折機構と第２の回折機構を透過して射出されるまでを示している。（ｂ）は第２の回折機構から射出された光束が第３の回折機構と第４の回折機構を透過して射出されるまでを示している。
【図５】本願の第３実施形態の光学機器に用いる点光源光学系を示す斜視図（概念図）である。
【図６】（ａ）は本願の第３実施形態の光学機器を示す説明図である。（ｂ）は第３実施形態の光学機器の変形例を示す説明図である。
【図７】本願の第４実施形態の製造方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１乃至図３を参照しつつ説明する。図１は本発明の第１実施形態である点光源光学系１００の斜視図（概念図）である。なお、斜視図においては、説明のため、図面に向かって左手前から右奥の方向をＸ軸、右手前から左奥の方向をＹ軸、上下方向をＺ軸と定義する。
【００１１】
本第１実施形態の点光源光学系１００は、図１に示す通り、光源としてのLED１と、LED１からの光束を略平行光束（Ｚ軸に沿った光束）にするコリメートレンズ２とを有し、第１の回折機構３として、くさび状導光材４を透過した光束を回折する回折光学素子である反射型ホログラフィック光学素子５（以下「ホログラフィック素子」を「HOE」とする。）と、該反射型HOE５から射出された光束をＸ軸に沿って内部を進行させ第２の回折機構６に導光するくさび状導光材４とを有している。
【００１２】
ここで、図３（ａ）に示すくさび状導光材４の頂角θ４は、反射型ＨＯＥ５からくさび状導光材４に入射して進行する光束とその光束が入射する面とが作る角θ５と略同一に形成している。この結果、第１の回折機構３では、くさび状導光材４内をＸ軸に略平行な光束として進行させ、くさび状導光材４内での反射による光の損失を防止することができる。
【００１３】
第２の回折機構６は、薄板状導光材７と反射型HOE８から成り、第１の回折機構３から射出された光束（Ｘ軸方向）は、薄板状導光材７を透過して反射型HOE８に入射し、回折され、再度薄板状導光材７に入射し、薄板状導光材７内で全反射しながらＺ軸に沿って進行して第３の回折機構９に導かれる。
【００１４】
第３の回折機構９はくさび状導光材１０と反射型HOE１１とから成り、第２の回折機構６から射出された光束（Ｚ軸方向）は、くさび状導光材１０を透過し、反射型HOE１１に入射し、回折され、再度くさび状導光材１０に入射してくさび状導光材１０内をＹ軸に沿って進行し、第４の回折機構１２に導かれる。導光材１０をくさび状とすることの効果は、上記第１の回折機構における効果と同様である。
【００１５】
第４の回折機構１２は、反射型HOE１３と棒状導光材１４とから成り、第３の回折機構９から射出された光束（Ｙ軸方向）は、棒状導光材１４を透過して、反射型HOE１３に入射し、回折され、再度棒状導光材１４に入射し、導光材内で全反射しながらＺ軸に沿って進行して、射出部１４ａから射出される。なお、第１ないし第４の回折機構３、６、９、１２において回折光として利用されるのは、いずれも一次回折光である。
【００１６】
以上のように、LED１から射出された光は、第１ないし第４の回折機構３，６，９，１２を順次通過することによって細い光束となり第４の回折機構１２の棒状導光材１４の射出部１４ａから射出される。例えば、薄板状導光材７のＸ軸方向の厚さが５０μｍであって、棒状導光材１４のY軸方向の太さが５０μｍであれば、５０μｍ×５０μｍ角の光束が得られることになる。
【００１７】
一般に、回折光学素子と導光材を用いた点光源光学系においては、図２（ｂ）に示すように、例えば５０μｍ×５０μｍ角の光源を得ようとすれば、薄板状導光材１５の厚さを５０μmとしなければならない。光源１６からコリメートレンズ１７を透過した略平行光の幅が例えば５，０００μｍであれば、この５,０００μｍ幅の光を全て厚さ５０μｍの導光部材内を通過させるためには、少なくともtanθ＞50となる回折角の透過型ＨＯＥ１８を使用しなければならず、tanθ＞50の条件を満たさない場合には、図２（ａ）に記載のように光の一部が薄板状導光材１５で反射した後に再度透過型ＨＯＥ１８に入射し、回折機構２０の外へ漏れてしまい、光が無駄になる。このことは反射型ＨＯＥを用いたとしても同様である。しかし、tanθ＞50となる回折角θを有するＨＯＥを製造するためには高度な技術力と多大なコストが必要となる。
【００１８】
これに対し、本第１実施形態に係る点光源光学系１００は、第１の回折機構３から第４の回折機構１２まで、回折機構を４つ設けている。これにより、図３（ａ）に示すように、例えば、コリメートレンズ２を透過した５,０００μｍ幅の光を第１の回折機構３の反射型ＨＯＥ５とくさび状導光材４によって一度約７０６μｍ幅（Ｚ軸方向の寸法）の光にして、そこから厚さ５０μｍ（Ｘ軸方向の寸法）の薄板状導光材７を備える第２の回折機構６によって回折することにより５０μｍ幅（Ｘ軸方向の寸法）の光を薄板状導光材７から射出する。この場合、反射型ＨＯＥ５、８は、tanθ10が約７．０８となる回折角を有していることとなる。上記の例においては、tanθ10が５√２より大きければ第２の回折機構６において薄板状導光材７内で反射した光が再度反射型ＨＯＥ８に入射するのを防ぐことができる。
【００１９】
また、第２の回折機構６から射出される光束は、この時点でＸ軸方向の幅は５０μｍとなっているものの、Ｙ軸方向では未だ５，０００μｍのままである。そこで、第２の回折機構６から射出された光束を第３の回折機構９によって回折することで、５，０００μｍの幅（Ｙ軸方向の寸法）を約７０６μｍ幅（Ｚ軸方向の寸法）とする。そして、第３の回折機構９から射出された光束を、Ｙ軸方向の寸法が５０μｍの棒状導光材１４を備える第４の回折機構１２によって回折することで５０μｍ幅（Ｙ軸方向の寸法）とする。この場合、反射型ＨＯＥ１１，１３もtanθ10に相当する値が約７．０８となる回折角を有することとなる。上記の例においては、tanθ10が５√２より大きければ第４の回折機構１２において棒状導光材１４内で反射した光が再度反射型ＨＯＥ１３に入射するのを防ぐことができる。したがって、本第１実施形態に係る点光源光学系１００は、tanθ＞５０となる回折角を有するＨＯＥを要する前記点光源光学系と異なり、ＨＯＥの製造において高度な技術力や多大なコストを必要としないといえる。
【００２０】
さらに、第１ないし第４の回折機構３，６，９，１２に用いるくさび状導光材４、１０、薄板状導光材７及び棒状導光材１４の屈折率を略同一とすることで、第１ないし第４の回折機構３、６、９、１２において回折角の同じHOEを用いることができるため、コストの低減を図ることが出来る。
【００２１】
また、反射型ＨＯＥ５とくさび状導光材４とは接着剤により接着されている。図３（ｂ）は反射型ＨＯＥ５で回折された光が、反射型ＨＯＥ５と接着剤層１８との境界面、及び、接着剤層１８とくさび状導光材４との境界面で屈折している様子を示している。反射型ＨＯＥ５の屈折率をｎ1、くさび状導光材４の屈折率をn2、接着剤層１８の屈折率をｎ3、反射型ＨＯＥ５から接着剤層１８への入射角をθ１、接着剤層１８からくさび状導光材への入射角をθ３とすると、回折された光がくさび状導光材への入射時に全反射を起こさないために、くさび状導光材４と反射型HOE５とを接着する接着剤１８は、一般に
n1*sinθ1＜n3*sinθ3＜n2
を満たす必要がある。一般に接着剤１８は樹脂であるため、屈折率の制御が非常に難しい。そこで、
n3＞n1、n3＞n2
となる接着剤１８を使用することで接着剤１８の屈折率管理を容易にすることができる。なお、このことは、第１の回折機構３に限られず、第２乃至第４の回折機構６、９、１２においても同様である。
【００２２】
接着剤１８としては、透明な紫外線硬化樹脂を用いることができる。例えば、「Norland Products，Inc．」の「Norland Optical Adhesives」という商品を用いる。
【００２３】
なお、本第１実施形態に係る点光源光学系１００においては、第１の回折機構３から第４の回折機構１２まで、回折機構を４つ設けているが、それ以上であっても良い。この場合、構造は複雑になるが、より回折角の小さいＨＯＥを用いることが可能となる。また、回折角の小さいＨＯＥを用いずに、導光部７、１４に相当する部材の厚さを薄くすれば、より細い光束を射出することが可能となる。
【００２４】
くさび状導光材４、１０、薄板状導光材７及び棒状導光材１４には、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂などの光学用樹脂やガラス等を用いることができる。
【００２５】
また、点光源光学系全体におけるくさび状導光材の数及び配置は、本実施形態に限られず、第１の回折機構又は第３の回折機構に薄板状導光材を用いることも可能であり、また、第２の回折機構、第４の回折機構の薄板状導光材の代わりにくさび状導光材を用いることも可能である。ただし、例えばZ軸方向の厚さが一番厚い部分でも５０μｍとなるような薄いくさび状導光材の製造は容易でないため、本第１実施形態のように、光源に近い回折機構に或る程度厚みのあるくさび状導光材を配置し、光源から遠い回折機構においては薄板状導光材を用いた方が効率的である。
【００２６】
なお、くさび状導光材の代わりにくさび状導光材の光を射出する面のＺ軸方向の寸法と同じＺ軸方向の寸法を有する板状の導光材を使用しても良い。この場合、厚みは増すこととなるが、製造コストを低減することができる。
【００２７】
本第１実施形態においては、第３の回折機構９のX軸方向の寸法は、第１の回折機構３と第２の回折機構６によって幅が狭められた光束のＸ軸方向の寸法に合わせているが、第１の回折機構３と同じ構成の回折機構を第３の回折機構９として配置しても良い。それと同様に第２の回折機構６と同じ構成の回折機構を第４の回折機構１２として配置しても良い。この場合、点光源光学系のサイズは大きくなるが、製造コストを低減することができる。
【００２８】
本第１実施形態では第１の回折機構３と第２の回折機構６によって一方向に光束の幅を狭めた後に、それと直角方向の幅を第３の回折機構９と第４の回折機構１２によって狭めることにより光束を細めているが、必ずしもこのような順である必要はない。すなわち、本第１実施形態においては、コリメートレンズから射出された光をX軸方向、Z軸方向、Y軸方向、Z軸方向の順に回折させているが、これに限らず、例えばX軸方向、Y軸方向、Z軸方向、X軸方向の順に回折させても良いし、それ以外の順に回折させても良い。
【００２９】
反射型ＨＯＥ５，８、１１、１３は、いわゆる厚いホログラム（体積ホログラム）であることが望ましい。このような厚いホログラムであれば、一次回折光への回折比率（回折効率）を高めることが可能となる。
【００３０】
本第１実施形態の回折機構は、全て反射型ＨＯＥを用いているが、一部の回折機構を後述する第２実施形態のような透過型ＨＯＥを用いた回折機構としても良い。
【００３１】
（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態を図４を参照しつつ説明する。第１実施形態との相違は、第１実施形態においては反射型HOEを用いているのに対して、本実施形態においては、透過型のＨＯＥを使用している点にあり、その他の基本的な構成は第１実施形態と同様である。
【００３２】
すなわち、本第２実施形態の点光源光学系１２０は、図４（ａ）に示すように、光源としてのLED１８と、LED１８からの光束を略平行光束にするコリメートレンズ１９とを有し、第１の回折機構２０として、コリメートレンズ１９から射出された光束を回折する透過型HOE２１と、透過型HOE２１から射出された光束を第２の回折機構２２に導くくさび状導光材２３とを有している。第２の回折機構２２は、薄板状導光材２４と透過型HOE２５から成り、第１の回折機構２０から射出された光束は、透過型ＨＯＥ２５に入射し、回折され、薄板状導光材２４に入射し、薄板状導光材２４内で全反射しながら第３の回折機構２６に導かれる。
【００３３】
また、図４（ｂ）に示すように、第３の回折機構２６は透過型ＨＯＥ２７とくさび状導光材２８とから成り、第２の回折機構２２から射出された光束は、透過型ＨＯＥ２７に入射し、回折され、くさび状導光材２８に入射し、第４の回折機構２９に導かれる。第４の回折機構２９は、透過型ＨＯＥ３０と棒状導光材３１からなり、第３の回折機構２６から射出された光束は、透過型ＨＯＥ３０に入射し、回折され、棒状導光材３１に入射し、棒状導光材３１内で全反射しながら、その射出部３１ａから射出される。なお、第１ないし第２の回折機構２０、２２、２６、２９において回折光として利用されるのは、いずれも一次回折光である。
【００３４】
以上のように、LED１８から射出された光は、回折機構２０、２２、２６，２９において回折を繰り返すことによって細い光束となり棒状導光材３１の射出部３１ａから射出される。例えば、薄板状導光材２４の厚さが５０μｍであって、棒状導光材３１の太さが５０μｍであれば、５０μｍ×５０μｍ角の光束を得られることになる。
【００３５】
第１実施形態と同様に、第１ないし第４の回折機構２０、２２、２６、２９を備えることにより、ＨＯＥの製造において高度な技術力や多大なコストを必要とせず、光源からの光の無駄を生じない点光源光学系としている。
【００３６】
また、第１、第３の回折機構２０、２６に導光材としてくさび状導光材２３，２８を用いることにより、透過型ＨＯＥ２１，２７から射出された光束が導光材内で反射して再度透過型ＨＯＥ２１，２７に入射することを防ぐこともできる。つまり、くさび状導光材２３，２８の頂角θ６、θ７は、透過型ＨＯＥ２１，２７からくさび状導光材２３、２８に入射して進行する光束とその光束が入射する面とが作る角θ８、θ９の角度とそれぞれ略同一に形成している。この結果、第１、第３の回折機構２０、２６では、くさび状導光材２３、２８内を全反射させることなく進行させ、くさび状導光材２３、２８内での反射による光の損失を防止することができる。
【００３７】
さらに、第１ないし第４の回折機構２０，２２，２６，２９に用いるくさび状導光材２３，２８、薄板状導光材２４及び棒状導光材３１の屈折率を略同一とすることで、回折機構１乃至４において回折角の同じHOEを用いることができるため、コストの低減となる。
【００３８】
透過型ＨＯＥ２１の屈折率をｎ１、くさび状導光材２３の屈折率をn２、透過型ＨＯＥ２１とくさび状導光材２３とを接着する不図示の接着剤の屈折率をｎ３とすると、第１実施形態と同様に、回折された光が導光材に入射する前に全反射を起こさないように、かつ、屈折率管理を容易にするためには、
n3＞n1、n3＞n2
となる接着剤を使用すると良い。なお、このことは、第１の回折機構３に限られず、第２乃至第４の回折機構２２、２６、２９においても同様である。
【００３９】
接着剤としては、透明な紫外線硬化樹脂を用いることができる。例えば、「Norland Products，Inc．」の「Norland Optical Adhesives」という商品を用いる。
【００４０】
なお、本第２実施形態において、第１の回折機構２０から第４の回折機構２９まで、回折機構を４つ設けているが、それ以上であっても良い。この場合、構造は複雑になるが、より回折角の小さいＨＯＥを用いることが可能となる。また、回折角の小さいＨＯＥを用いずに、導光部２４，３１に相当する部材の厚さを薄くすれば、より細い光束を射出することが可能となる。
【００４１】
くさび状導光材２３，２８、薄板状導光材２４及び棒状導光材２９には、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂などの光学用樹脂やガラス等を用いることができる。
【００４２】
点光源光学系全体におけるくさび状導光材の数及び配置は、本実施形態に限られず、第１の回折機構２０又は第３の回折機構２６に薄板状導光材を用いることも可能であり、また、第２の回折機構２２、第４の回折機構２９の薄板状導光材の代わりにくさび状導光材を用いることも可能である。ただし、例えばZ軸方向の厚さが一番厚い部分で５０μｍとなるような薄いくさび状導光材の製造は容易でないため、本第１実施形態のように、光源に近い回折機構に或る程度厚みのあるくさび状導光材を配置し、光源から遠い回折機構に薄板状導光材を配置した方が効率的である。
【００４３】
なお、くさび状導光材の代わりにくさび状導光材の光を射出する面のＺ軸方向の寸法と同じＺ軸方向の寸法を有する板状の導光材を使用しても良い。この場合、厚みは増すこととなるが、製造コストを低減することができる。
【００４４】
本第２実施形態において、第３の回折機構２６は、第１実施形態と同様に、第２の回折機構２２から射出される光束の幅に合わせても良いが、第１の回折機構２０と同じ構成の回折機構を第３の回折機構２６に用いても良い。それと同様に、第４の回折機構２９も第３の回折機構２６から射出される光束の幅に合わせても良いが、第２の回折機構２６と同じ構成の回折機構を用いても良い。
【００４５】
本第２実施形態では第１の回折機構２０と第２の回折機構２２によって一方向に光束の幅を狭めた後に、それと直角方向の幅を第３の回折機構２６と第４の回折機構２９によって狭めることにより光束を細めているが、必ずしもこのような順である必要はない。
【００４６】
また、本第２実施形態の回折機構２０、２２、２６、２９は、全て透過型ＨＯＥを用いているが、一部の回折機構を前述の第１実施形態のような反射型ＨＯＥを用いた回折機構としても良い。
【００４７】
（第３実施形態）
以下、図５及び図６を参照しつつ、本発明に係る点光源光学系を備えた光学機器の一例として、第３の実施形態に係る網膜走査型表示装置３００について説明する。図５は、本第３実施形態の網膜操作型表示装置３００に用いる点光源光学系２００の例を説明するための斜視図（概念図）である。
【００４８】
点光源光学系２００においては、第１の実施形態と同様に、光源としてのＬＥＤ３３，３４，３５と、コリメートレンズ３６、３７、３８と、くさび状導光材３９と反射型ＨＯＥ４０、４１、４２とからなる第１の回折機構４３と、薄板状導光材４４と反射型ＨＯＥ４５、４６、４７からなる第２の回折機構４８と、くさび状導光材４９と反射型ＨＯＥ５０、５１、５２からなる第３の回折機構と、棒状導光材５４と反射型ＨＯＥ５５とからなる第４の回折機構５６とを有している。
【００４９】
本第３実施形態に係る点光源光学系は、光源として、赤色の光を放射するＬＥＤ（Ｒ）３３、緑色の光を放射するＬＥＤ（Ｇ）３４及び青色の光を放射するＬＥＤ（Ｂ）３５を、所定間隔を置いて配置しており、これに対応してコリメートレンズ（Ｒ）３６、コリメートレンズ（Ｇ）３７、コリメートレンズ（Ｂ）３８を配置している。また、第１、第２及び第３の回折機構において、ＲＧＢ３色の光の波長に応じて所定の回折角となるように設定された反射型ＨＯＥ（Ｒ）４０、４５、５０、５５反射型ＨＯＥ（Ｇ）４１、４６（不図示）、５１、５５、及び反射型ＨＯＥ（Ｂ）４２、４７（不図示）、５２、５５を、ＬＥＤのＲＧＢの３色に対応して配置している。第４の回折機構の反射型ＨＯＥ５５は、ＲＧＢの各色に対応する反射型のホログラムを３層に重畳して形成している。
【００５０】
以上のような構成とすることにより、ＲＧＢの３色は、それぞれが第１回の回折機構４３乃至第４の回折機構５６によって回折され、細い光束となって棒状導光材５４の射出部５７から射出されることとなるため、網膜操作型表示装置３００においてＲＧＢの光の強度を変化させることにより、映像信号に基づいたカラー画像を表示することが可能となる。なお、表示画像の色に応じてＲＧＢ以外の色の光源を用いても良く、光源の数を３以外としても良い。
【００５１】
くさび状導光材３９、４９、薄板状導光材４４及び棒状導光材５４には、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂などの光学用樹脂やガラス等を用いることができる。
【００５２】
これらの導光材の屈折率を略同一とすれば、第１の回折機構４３乃至第４の回折機構５６において回折角の同じHOEを用いることができるため、コストの低減を図ることが出来る。
【００５３】
反射型ＨＯＥ（Ｒ）４０の屈折率をｎ１、くさび状導光材３９の屈折率をn２、反射型ＨＯＥ（Ｒ）４０とくさび状導光材３９とを接着する不図示の接着剤の屈折率をｎ３とすると、第１実施形態と同様に、回折された光が導光材に入射する前に全反射を起こさないように、かつ、屈折率管理を容易にするためには、
n3＞n1、n3＞n2
となる接着剤を使用すると良い。なお、このことは、反射型ＨＯＥ（Ｒ）４０とくさび状導光材３９との間の接着に限らず、反射型ＨＯＥ（Ｇ）４１、反射型ＨＯＥ（Ｂ）４２とくさび状導光材３９との間の接着においても同様であり、また、第１の回折機構４３に限らず、第２乃至第４の回折機構４８，５３，５６においても同様である。
【００５４】
接着剤としては、透明な紫外線硬化樹脂を用いることができる。例えば、「Norland Products，Inc．」の「Norland Optical Adhesives」という商品を用いる。
【００５５】
なお、本第３実施形態に係る点光源光学系２００においては、第１の回折機構４３から第４の回折機構５６まで、回折機構を４つ設けているが、それ以上であっても良い。この場合、構造は複雑になるが、より屈折角の小さいＨＯＥを用いることが可能となる。また、回折角の小さいＨＯＥを用いずに、導光部４４、５４に相当する部材の厚さを薄くすれば、より細い光束を射出することが可能となる。
【００５６】
点光源光学系２００におけるくさび状導光材の数及び配置は、本実施形態に限られず、第１の回折機構４３又は第３の回折機構５３に薄板状導光材を用いることも可能であり、また、第２の回折機構４８、第４の回折機構５６の薄板状導光材の代わりに用いることも可能である。ただし、例えばZ軸方向の厚さが一番厚い部分で５０μｍとなるような薄いくさび状導光材の製造は容易でないため、本第１実施形態のように、光源に近い回折機構に或る程度厚みのあるくさび状導光材を配置し、光源から遠い回折機構に薄板状導光材を用いた方が効率的である。
【００５７】
第３の回折機構５３は、第２の回折機構４８によって幅が狭められた光束のX軸方向の寸法に合わせて、Ｘ軸方向の厚みを薄くしているが、第１の回折機構と同じ構成の回折機構を第３の回折機構に用いてもよい。それと同様に第２の回折機構と同じ構成の回折機構を第４の回折機構に用いても良い。この場合、点光源光学系のサイズは大きくなるが、製造コストを低減することができる。
【００５８】
本第３実施形態では第１の回折機構４３と第２の回折機構４８によって一方向に光束の幅を狭めた後に、それと直角方向の幅を第３の回折機構５３と第４の回折機構５６によって狭めることにより光束を細めているが、必ずしもこのような順である必要はない。すなわち、本第３実施形態においては、コリメートレンズから射出された光をX軸方向、Z軸方向、Y軸方向、Z軸方向の順に回折させているが、これに限らず、例えばX軸方向、Y軸方向、Z軸方向、X軸方向の順に回折させても良いし、それ以外の順に回折させても良い。
【００５９】
また、本第３実施形態の回折機構４３、４８、５３、５６は、全て反射型ＨＯＥを用いているが、前述の第２実施形態のような透過型ＨＯＥを用いた回折機構と組み合わせても良い。
【００６０】
第１の回折機構４３のくさび状導光材３９と第２の回折機構４８の薄板状導光材４４におけるＲＧＢの３色の光路を同じ部材内において単に間隔をあけて配置しただけとすると、反射型ＨＯＥで各々回折された光の一部が、他の光路に侵入し、これらの光が混じり合ってしまう可能性がある。そこで、隣接する光路の間の一部に、全反射させることができる境界面を設けることが有効である。例えば、図５に示すように光路の方向に沿った空隙部５７を設けることができる。空隙部５７は、導光材の厚さ方向に貫通していても、溝状としても、内部に埋め込まれた閉じた空間であっても良い。このような構成とすることで、ＲＧＢの３色の各光束は、境界面で全反射し、各光束が交じり合うのを防ぐことができる。
【００６１】
光の交じり合いに対しては、ＨＯＥを、波長選択性を持つＨＯＥとすることも有効である。これによれば、導光材内で各光束が混じり合ったとしても必要な波長の光束のみを選択して回折させることができる。
【００６２】
第４の回折機構５６においては、ＲＧＢ各色の光に対応する回折格子を３層に重畳して形成した反射型ＨＯＥ５５を用いているが、第１の回折機構４３乃至第３の回折機構５３と同様にＲＧＢのそれぞれに対応する３つのＨＯＥを備えても良い。
【００６３】
それとは逆に、第１の回折機構４３乃至第３の回折機構５３において第４の回折機構５６と同様の反射型ＨＯＥを用いることもできる。この場合、１箇所の光源からＲＧＢの３色の光を重ねて放射させることができ、ＲＧＢの光路を分ける必要もないため、第１実施形態のように単純で小型な装置とすることができる。なお、ＲＧＢ各色の光に対応した３層のＨＯＥ５５は反射型に限られず、透過型としても良い。
【００６４】
次に、図６（ａ）を参照して、第３実施形態の点光源光学系２００を具備する網膜操作型表示装置３００の全体構成について説明する。網膜走査型表示装置３００は、上記点光源光学系２００と、この点光源光学系２００の射出部５７を焦点位置とし、当該射出部５７から射出される光を略平行光に変換するコリメートレンズ５８と、このコリメートレンズからの略平行光を被走査面である観察者の網膜（眼底）６３に走査させる走査部としての可動ミラー５９と、この可動ミラーで反射された光束をリレーするリレーレンズ６０及びこの光束を観察者の網膜６３に結像する結像レンズ６１からなる結像光学系６２と、光源から射出される光の輝度及び可動ミラーの動作を制御する制御部６４とから構成される。ここで、光源は、上述のようにＬＥＤ３３、３４、３５で構成され、Ｒ、Ｇ、Ｂの光をそれぞれ放射するが、その際に、観察者の網膜上に表示すべき画像の画像信号（入力信号）に基づき、各光束の輝度が変調されて放射されるよう、制御部６４により制御される。なお、上述のように、導光材の厚さを５０μｍとすると、この点光源光学系は、その射出部５７から、約５０μｍ角の光（Ｒ，Ｇ，Ｂが合成された光）を射出することとなる。
【００６５】
また、この網膜走査型表示装置３００においては、走査部としての可動ミラー５９を、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）により構成している。なお、この走査部は、これらに限定されることはなく、従来公知の適宜の走査手段を用いることができる。そして、この可動ミラーは、ミラー面が水平方向及び垂直方向の２つの軸に対して、各々所定角度と所定振動数とで振動するよう制御部６４により制御されている。この所定振動数とは、水平走査の振動数と垂直走査の振動数に相当する。また、可動ミラー５９は、結像光学系６２の結像レンズ６１によって、ミラー面が観察眼６５の瞳６６と略共役になるように配置されている。このような構成により、観察者の瞳６６の位置で可動ミラー５９が仮想的に振動し、光束を網膜６３上に走査させ、走査角によって画像を合成する。そのため、この可動ミラー５９の振動数に同期して、制御部６４の制御により映像信号に基づいて光源３３，３４，３５から放射されるＲＧＢの光の強度を変化させることにより、映像信号に基づいた画像を表示することができる。
【００６６】
なお、点光源光学系２００の射出部５７から出射し、上述のコリメートレンズ５８及び結像光学系６２の２つの光学系を通過した光束は、観察眼６５の瞳６６上では略平行光束で、網膜６３では水晶体の屈折力により射出部と共役になる。したがって、網膜に走査される画像の一つの画素の大きさは、射出部の大きさに対して、コリメートレンズ、リレー光学系、及び、観察眼の水晶体６７によって構成される光学系の倍率を乗じた値に等しい。これは、光学系の構成によって当然異なるが、通常、ＶＧＡレベルの画像を得るためには、射出部の直径は数十μｍであることが要請されている。
【００６７】
具体的に述べると、水平方向の視野２０度の画像表示で、水晶体６７の焦点距離を１７ｍｍとした観察眼６５における網膜６３での一つの画素の大きさは１０μｍである。したがって、倍率１／５倍になるように、点光源光学系２００の射出部５７側に配置したコリメートレンズの焦点距離を決定すれば、射出部５７の直径は５０μｍに設定することができる。ここに示したような光学系であれば、結像光学系６２のリレーレンズ６０と結像レンズ６１との中間で網膜と光学的に共役な部分に絞りを設けたと仮定すれば、射出部５７の大きさは、本実施形態の５０μｍより多少大きい１００μｍ程度が適当であると想定される。なお、より高解像な映像を表示するにはより細い光束が必要となるが、本願発明によればこれを実現することも可能である。
【００６８】
あるいは、図６（ｂ）に示す本第３実施形態の変形例のように、可動ミラー６８において、平行光ではなく集光光とするように構成することもできる。すなわち、点光源光学系２００の射出部５７からの光をコリメートレンズ６９で略平行光に変換し、このコリメートレンズ６９からの略平行光を可動ミラー６８で集光し、結像光学系７０の結像レンズ７１により観察者の網膜６３に結像させるともに、この網膜６３に走査させる。このような構成とすることで、対物のリレーレンズ６０を使用しないので、網膜走査型表示装置４００を大幅に小型化することができる点で有利である。この場合には、網膜に走査される画像の一つの画素の大きさは、射出部５７の大きさに対して、コリメートレンズ６９と結像レンズ７１の両方の倍率を乗じて計算される。そのため、光効率は多少低下するものの、射出部５７の大きさは１００μｍ程度にすることができる。
【００６９】
（第４実施形態）
以下、図７を参照しつつ本発明の第４実施形態に係る点光源光学系用回折部材の製造方法を説明する。
【００７０】
本第４実施形態に係る製造方法においては、例えば、レーザ装置７２と、レーザ装置７２から射出されたレーザを物体光と参照光とに分割するビームスプリッタ７３と、物体光としてビームスプリッタから射出されたレーザを所定方向に反射させる第１ミラー７４と、第１ミラー７４によって反射されたレーザを所定倍率の平行光束に広げる物体光側ビームエキスパンダ７５と、ビームエキスパンダから射出されたレーザを所定方向に反射させる第２ミラー７６と、参照光としてビームスプリッタ７３から射出されたレーザを所定倍率の平行光束に広げる参照光側ビームエキスパンダ７７とを用意する。
【００７１】
また、点光源光学系に用いるくさび状導光材７８にあらかじめホログラフィック感光材料７９を貼り付け、入射側及び射出側からそれぞれ物体光と参照光を入射させることによって露光する。
【００７２】
ホログラフィック感光材料７９は非常に繊細であり、曲げなどにより容易に回折しなくなる。特に、本願に係る点光源光学系においてはHOEから鋭角に光束を射出するため、HOEの微細なそりで正しく回折パタンを記録できなくなる。しかし、上記構成によれば、くさび状導光材７８とＨＯＥを一体とすることで、ＨＯＥの曲げやそりを解消し、精度よく回折パタンを記録することができる。
【００７３】
露光の後、感光材料に応じた処理を行ってＨＯＥが完成する。例えば、感光材料として銀塩乳剤等の現像処理を要するものを使用する場合には、露光の後、現像処理、漂白処理、乾燥処理等を行う。一方、フォトポリマーのような現像処理の必要がない感光材料を用いた場合には、露光の後、紫外線をあてたり、熱を加えたりして完成する。
【００７４】
なお、図７においては、反射型ＨＯＥの製造について説明しているが、透過型ＨＯＥの製造においても同様の方法を用いることができ、また、くさび状導光材でなくても、点光源光学系に用いる導光材であれば、例えば、板状の導光材であっても良い。さらに、物体光と参照光の発生方法は上記方法に限られず、必要に応じて適宜変更可能である。
【００７５】
以上のように、本発明によれば、高度な技術がなくても回折光学素子を作成でき、コストを抑えた点光源光学系を提供することができる。
【符号の説明】
【００７６】
１    ＬＥＤ
２    コリメートレンズ
３    第１の回折機構
４    くさび状導光材
５    反射型ＨＯＥ
６    第２の回折機構
７    薄板状導光材
８    反射型ＨＯＥ
９    第３の回折機構
１０    くさび状導光材
１１    反射型ＨＯＥ
１２    第４の回折機構
１３    反射型ＨＯＥ
１４    棒状導光材
１４ａ  射出部
１５    薄板状導光材
１６    光源
１７    コリメートレンズ
１８    ＬＥＤ
１９    コリメートレンズ
２０    第１の回折機構
２１    透過型ＨＯＥ
２２    第２の回折機構
２３    くさび状導光材２３
２４    薄板状導光材
２５    透過型ＨＯＥ
２６    第３の回折機構
２７    透過型ＨＯＥ
２８    くさび状導光材
２９    第４の回折機構
３０    透過型ＨＯＥ
３１    棒状導光材
３１ａ  射出部
３３    ＬＥＤ（Ｒ）
３４    ＬＥＤ（Ｇ）
３５    ＬＥＤ（Ｂ）
３６    コリメートレンズ（Ｒ）
３７    コリメートレンズ（Ｇ）
３８    コリメートレンズ（Ｂ）
３９    くさび状導光材
４０    反射型ＨＯＥ（Ｒ）
４１    反射型ＨＯＥ（Ｇ）
４２    反射型ＨＯＥ（Ｂ）
４３    第１の回折機構
４４    薄板状導光材
４５    反射型ＨＯＥ（Ｒ）
４６    反射型ＨＯＥ（Ｇ）
４７    反射型ＨＯＥ（Ｂ）
４８    第２の回折機構
４９    くさび状導光材
５０    反射型ＨＯＥ（Ｒ）
５１    反射型ＨＯＥ（Ｇ）
５２    反射型ＨＯＥ（Ｂ）
５３    第３の回折機構
５４    棒状導光材
５５    反射型ＨＯＥ
５６    第４の回折機構
５７    射出部
５８    コリメートレンズ
５９    可動ミラー
６０    リレーレンズ
６１    結像レンズ
６２    結像光学系
６３    網膜（眼底）
６４    制御部
６５    観察眼
６６    瞳
６７    水晶体
６８    可動ミラー
６９    コリメートレンズ
７０    結像光学系
７１    結像レンズ
７２    レーザ装置
７３    ビームスプリッタ
７４    第１ミラー
７５    物体光側ビームエキスパンダ
７６    第２ミラー
７７    参照光側ビームエキスパンダ
７８    くさび状導光材
７９    ホログラフィック感光材料
１００    点光源光学系
１２０    点光源光学系
２００    点光源光学系
３００    網膜走査型表示装置
４００    網膜走査型表示装置
【図１】
2012208227.tif 000003
【図２】
2012208227.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2012208227.tif 000007
【図６】
2012208227.tif 000008
【図７】
2012208227.tif 000009