(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像情報を表示する情報表示手段と、該情報表示手段からの画像光を反射して瞳に投影するホログラム光学素子と、を有する情報表示装置に用いられるホログラム素子の製造方法であって、
ホログラム素子は、第１及び第２の点光源から出た光の干渉により露光されて製造される反射型で体積型のホログラム光学素子であり、
露光において、前記第１の点光源からの光を、ホログラム素子に対してそれぞれ偏心した少なくとも２つの光学素子を介してホログラム光学素子に導く一方、前記第２の点光源を前記瞳の位置と略一致させた状態で第２の点光源からの光をホログラム光学素子に直接導いて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】
前記第１の点光源からの光をホログラム素子に同一平面内で偏心した光学素子により導くことを特徴とする請求項１に記載のホログラム素子の製造方法。
【請求項３】
前記ホログラム素子は画像光を瞳に投影するためのパワーをそなえるよう製造されることを特徴とする請求項１又は２に記載のホログラム素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラムを用いた情報表示装置に関するものであり、更に詳しくは、情報表示手段の画像を瞳に表示するホログラムを用いた情報表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ホログラムを用いた情報表示装置として、ヘッドアップディスプレーやヘッドマウントディスプレー等が提案されている。例えば、特開平６−２７３６９０号公報に記載されている如く、ホログラムコンバイナーを用いて、ＣＲＴの画像を表示体と重ね合わせて表示する、ホログラムコンバイナーを用いたゲーム機が提案されている。そのホログラムコンバイナーの製造方法としては、２点光源からの光の干渉を用いて記録される構成である。
【０００３】
また、実公昭６１−２９７１号公報に記載されている如く、ヘルメットマウントディスプレーとして、航空機のパイロットに情報を表示する手段を具体的に提示しており、その製造方法としても、光学系の具体的な構成を提示している。さらに、特開平５−３４６５０８号公報に記載されている如く、ホログラムの製造光学系に非軸光学系を用いて、広画角での像面湾曲や歪曲に対する解決方法が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平６−２７３６９０号公報に記載されている構成では、ホログラムを用いたコンバイナーの構成は提案されているが、具体的な構成が示されていない。また、大きな画角において発生すると予想される像面湾曲や歪曲に対しての解決方法も提示されていない。そして、製造方法としても、２点光源からの露光というアイデアを提示しているのみであり、ホログラム光学素子には球面ミラー又は偏心した球面ミラーの機能のみしか与える事ができない。
【０００５】
また、上記実公昭６１−２９７１号公報に記載されているような構成では、比較的大きな画角に対応する具体的な構成を示してはいるものの、表示素子とホログラムコンバイナーとの間に、非常に多くの光学素子（レンズ）を必要とする構成になっており、また、再結像光学系であるので、情報表示装置全体が大型化してしまうという問題がある。
【０００６】
さらに、上記特開平５−３４６５０８号公報に記載されているような構成では、２つの製造光束両方のために、偏心した光学系を用いており、製造装置が複雑となり、大型化してしまうという問題がある。また、その製造されたホログラムを表示観察素子として使用する場合の、ホログラムの回折効率を向上させるための解決案が示されていない。
【０００７】
本発明は、これらの問題点に鑑み、比較的大きな画角に渡って表示素子からの情報を瞳に表示する機能を持ち、回折効率が高くて表示が明るく、高性能で且つコンパクトなホログラム素子を用いた情報表示装置におけるホログラム素子の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、画像情報を表示する情報表示手段と、該情報表示手段からの画像光を反射して瞳に投影するホログラム光学素子と、を有する情報表示装置に用いられるホログラム素子の製造方法であって、ホログラム素子は、第１及び第２の点光源から出た光の干渉により露光されて製造される反射型で体積型のホログラム光学素子であり、露光において、前記第１の点光源からの光を、ホログラム素子に対してそれぞれ偏心した少なくとも２つの光学素子を介してホログラム光学素子に導く一方、前記第２の点光源を前記瞳の位置と略一致させた状態で第２の点光源からの光をホログラム光学素子に直接導いて露光することを特徴とする。
【０００９】
また、前記第１の点光源からの光をホログラム素子に同一平面内で偏心した光学素子により導くことを特徴とする。
【００１０】
また、前記ホログラム素子は画像光を瞳に投影するためのパワーをそなえるよう製造されることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の情報表示装置の一実施形態を模式的に示す構成図である。同図はＹＺ平面を表し、紙面に垂直な方向がＸ軸方向である。同図に示すように、観察者の瞳１の前方にＨＯＥ素子（ホログラム光学素子）２が配置され、瞳１の下方には、画像情報を表示するＬＣＤ等の情報表示手段３が配置されている。このとき、情報表示手段３から発せられた画像光としての光４は、図示しないバンドパスフィルターにおいて、必要な波長域のみが透過する。そして、ＨＯＥ素子２で反射され、瞳１に導かれる。バンドパスフィルターを用いる代わりに、情報表示手段３が限られた波長領域のみの光を発するようにしても良い。
【００１２】
このように、必要な波長域の情報のみを用いる事は、本実施形態のような反射型のＨＯＥ素子を使用する場合に有効となる。つまり、このような反射型ホログラムは高い波長選択性と大きな分散を持つので、これにより発生する表示像の色ズレを防止するために必要な措置である。即ち、ホログラムに任意の方向に光線を偏向するパワーを持たせたとき、ホログラムの大きな分散のため、その光線の波長によって光線の偏向角は大きく変化する。ホログラムに光線偏向機能を強く持たせるほど、波長による偏向量の違いは顕著に現れる。その光線が或波長幅を持っている場合、色ズレとして観察され、表示像の解像力を著しく損なう。これを防止するために、ホログラムに入射する光束の波長幅を制限してやる必要がある。
【００１３】
ホログラムの偏向パワーは、ホログラム表面のフリンジ間隔によって定義される。ここで、フリンジ間隔と光束の偏向角及び波長には、以下の関係がある。
λ＝dx×（sinθr−sinθ0）
但し、
λ：入射光線の波長
dx：ホログラム光学素子の表面フリンジ間隔
θr：光線射出角
θ0：光線入射角
である。
【００１４】
よって、或ホログラムに或波長幅（Δλ）を持った光線が入射した場合の射出角の変化（Δθr）は、
sinΔθr＝Δλ／dx
で表され、或所定のホログラムと所望のΔθrを決めれば、必要なΔλを求める事ができる。
【００１５】
ホログラムにレンズのような集光或いは発散パワーを持たせた場合、ホログラムの表面フリンジは表面全体で均一ではなく、ローカルな場所において変化する。故に、ホログラム面全域において上記の式を適用し、その全てのローカルな場所で所望のΔθrを満たすために必要なΔλを求め、波長幅制限部材によってこのΔλ以下となるように、波長幅を制限すれば良い。
【００１６】
また、情報表示手段にＬＣＤ等の非発光素子を用いた場合は、その情報表示手段と照明光学系との間に、バンドパスフィルターを配置する事が望ましい。図６は、その配置の一例を模式的に示す構成図である。同図において、５は光源、その上方に設けられた６は、例えば放物面を反射面として持つリフレクター、７はその上方より覆いかぶさるように配置された反射板、８はその上部に設けられている拡散板である。以上が照明光学系である。９は情報表示手段３と照明光学系の一部を成す拡散板８との間に設けられたバンドパスフィルターである。その他の構成は、上記図１に示したものと同様である。この拡散板８以降の構成を、表示観察光学系と呼ぶ。
【００１７】
図６において、光源５から出た一点鎖線及び破線で示す光４は、リフレクター６及び反射板７に反射されつつ導かれ、拡散板８に入射する。その後、バンドパスフィルター９を介して情報表示手段３に入射し、ここで変調されて表示光束となる。表示光束は、ＨＯＥ素子２により偏向され、観察者の瞳１に導かれる。本例では、バンドパスフィルター９は、ＨＯＥ素子２から見て情報表示手段３の反対側に配置されている。
【００１８】
図７は、バンドパスフィルターによりゴーストが発生する配置例を模式的に示す図である。同図に示すように、本例ではバンドパスフィルター９が情報表示手段３とＨＯＥ素子２との間に設けられている。波長幅制限部材として、干渉膜で構成したバンドパスフィルターを用いた場合、所望の波長域の光は透過するが、他の波長域の光は反射される。
【００１９】
同図に示すように、このようなバンドパスフィルター９に、矢印で示すように外光Ａが当たった場合、許容される波長域以外の波長は通常のミラーと同様に反射され、それがＨＯＥ素子２の表面反射等により、ゴースト光Ｂとして矢印で示すように瞳１へ入射した場合、ゴーストとなり得る。これを低減させるためには、図６のように、バンドパスフィルター９がＨＯＥ素子２から見て情報表示手段３の反対側に配置されている構成が有効である。
【００２０】
また、この図６のような構成において、情報表示手段としてＬＣＤを用いた場合、情報表示手段と波長幅制限部材との間に１／４λ位相板を配置すると、更にゴーストを低減させる事ができる。図８は、その配置例を模式的に示す構成図である。同図に示すように、一点鎖線で示す光軸Ｘに沿って、左から波長幅制限部材であるバンドパスフィルター９、１／４λ位相板１０、ＬＣＤである情報表示手段３が配設されている。
【００２１】
今、図の右側より、矢印で示すように外光Ａが入射したとすると、情報表示手段３を透過した外光Ａは、ＬＣＤの働きにより、例えば偏光方向が縦方向の直線偏光となっている。そして、１／４λ位相板１０を透過して円偏光となり、バンドパスフィルター９により円偏光のまま反射される。これが再び１／４λ位相板１０を透過すると、最終的に偏光方向が９０度回転し、横方向の直線偏光となるので、ＬＣＤである情報表示手段３を透過する事ができなくなる。これにより、外光Ａが再び射出する事がなくなるので、波長幅制限部材による外光反射ゴーストは、完全に解消される。
【００２２】
ところで、上述のように、限られた波長領域の表示情報は、ＨＯＥ素子に入射すると、ＨＯＥ素子の回折作用により、瞳の方向に回折される。従って、ＨＯＥ素子で回折される波長領域と、表示情報の波長領域は、一致している事が好ましい。さらに、ＨＯＥ素子で発生する色収差の影響を小さくするためには、表示情報の波長領域は、ＨＯＥ素子で回折される波長領域よりも、狭い範囲である事が好ましい。
【００２３】
ＨＯＥ素子では、情報表示素子の表示が、瞳位置から見たときに無限遠又は有限の距離で良好な像となるように、回折作用を行う。このとき、ＨＯＥ素子と瞳との距離は、２０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である事が好ましい。ＨＯＥ素子と瞳との距離が大きすぎると、大きな視野角を有するものであるほど、ＨＯＥ素子が大型化してしまうので、好ましくない。逆に、この距離が小さすぎると、情報表示手段を配置するスペースが無くなるので、好ましくない。従って、装置を大型化せずに情報表示手段を配置するためには、ＨＯＥ素子と瞳との距離が、更に４０ｍｍ以上１００ｍｍ以下である事が好ましい。
【００２４】
一方、瞳の前方にある外界の情報は、ＨＯＥ素子に入射すると、ＨＯＥ素子で回折される波長領域を除いて、そのまま瞳に到達する。ＨＯＥ素子で回折される波長領域が、全体の瞳に入射する波長領域と比較して狭い場合は、観察者は外界の情報を殆どロス無く見る事ができる。このとき、表示情報の波長幅は、２ｎｍ以上３０ｎｍ以下に限定されている事が好ましい。
【００２５】
波長幅が狭すぎると、情報表示手段からの表示が暗くなってしまうので、好ましくない。逆に、波長幅が広すぎると、ＨＯＥ素子で発生する色収差の影響で、情報表示手段からの表示像の性能が劣化してしまうので、好ましくない。以上のように、瞳の前方に配置されたＨＯＥ素子による２つの作用の効果により、外界の情報と情報表示手段の情報とを重ね合わせて観察する事ができる。
【００２６】
図２は、本実施形態のホログラム製造状態を模式的に示す構成図である。図示しない光源から発せられたコヒーレント光線は、図示しないビームスプリッタによって２つの光線に分岐される。ここで、図示しない波長板等を用いて、２つの光線の偏光方向は揃えられている。この２つの光線は、それぞれ図示しない球面波発生レンズ及びその焦点に置かれたピンホールを通してスペイシャルフィルタリングされ、波面の揃った球面波に変換される。
【００２７】
ここで、同図の第１及び第２の点光源１１，１２は、それぞれ上記スペイシャルフィルタリングに使用されたピンホールと一致している。第２の点光源１２からの光は、絞り１３を通してＨＯＥ素子２に入射する。ＨＯＥ素子２は、ガラス基板２ａにより支持されている。第２の点光源１２は、図１に示す情報表示装置の使用状態における、観察者の瞳１に略一致するよう設定されている。このように、第２の点光源１２と瞳１の位置を略一致させると、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、ＨＯＥ素子２の使用状態での回折効率を、最も向上させる事ができる。
【００２８】
また、第１の点光源１１とＨＯＥ素子２との間には、ホログラム製造光学系１４を構成する第１〜第４レンズブロックＧｒ１〜Ｇｒ４が配置してある。これらのレンズブロックは、同図のＹＺ断面でのみ偏心している。つまり、ＨＯＥ素子２の使用状態において、情報表示手段３の情報が、瞳１で良好な像として観察できるように、これらのレンズブロックは、ホログラム製造状態において、ＨＯＥ素子２に入射する第１の点光源１１からの光の波面をコントロールするように配置されている。
【００２９】
即ち、本発明で使用するホログラムは、第１と第２の２つの点光源から出た光の干渉により露光された体積型ホログラムである。また、上述のように、レンズブロックの偏心が１平面内だけで行われていると、設計及び製造上非常に簡単になるので好ましい。ちなみに、同図の紙面に垂直な方向がＸ軸方向である。
【００３０】
また、ホログラム使用状態においては、ＨＯＥ素子２を斜めに傾けて使用するために、ＨＯＥ素子２にパワーがある場合は非軸光学系となり、ＨＯＥ素子２が共軸レンズと同等の働きしかしない場合は、傾いた方向に非対称な歪曲（台形歪曲）や非対称な像面湾曲が発生してしまう。故に、コンパクトな構成にするためには、ＨＯＥ素子２にパワーを持たせる必要があり、共軸レンズ以上の収差補正能力が要求される。ＨＯＥ素子２にこのような機能を持たせるためには、ホログラム製造光学系１４における露光状態が問題となる。
【００３１】
図３は、ホログラム製造光学系の露光状態とＨＯＥ素子の機能の説明図である。まず、同図（ａ）に示すように、ＨＯＥ素子２がホログラム製造光学系１４及び光源と共軸上に配置され、この状態で露光されると、ＨＯＥ素子２は共軸レンズ（群）と同等の働きを有する事になる。従って、この場合は、ホログラム使用状態において非対称な収差を補正する事は、原理的に不可能である。
【００３２】
次に、同図（ｂ）に示すように、ＨＯＥ素子２が傾いた状態で露光されると、第１，第２の点光源１１，１２からの２つの光の波面自体は軸対称であるが、ＨＯＥ素子２は、２つの光軸ａ，ｂと使用状態が一致していると、その軸の近辺で非対称な収差を補正する事ができるようになる。しかし、軸から外れると、非対称収差が発生してしまうので、この構成で使用できる上記情報表示手段３は、非常に画角の小さなものに限られてしまう。
【００３３】
さらに、同図（ｃ）に示すように、ホログラム製造光学系１４が偏心した状態で、ＨＯＥ素子２が露光されると、偏心したレンズを透過した光線は、軸対称ではなくなり、複雑な波面となるために、非対称な収差を補正する事ができるようになる。しかしながら、非常に大きな画角において良好な像性能，歪曲性能を有するためには、同図（ｄ）に示すように、ホログラム製造光学系１４において、複数のレンズ群が傾いて配置されている構成である事が好ましい。
【００３４】
このように、少なくとも２つのレンズ群が偏心して配置されると、非対称な歪曲収差と非対称な像面湾曲が、各々により補正されるので好ましい。レンズ群が１つであると、両方を補正する良好な情報表示装置を構成する事が困難となる。
【００３５】
以下、本発明に係る情報表示装置の構成を、コンストラクションデータ，収差性能等を挙げて更に具体的に説明する。尚、以下に挙げる実施例は、上述した実施形態に対応している。実施例の製造光学系のコンストラクションにおいて、ri(i=1,2,3...)は、第２の点光源側から数えてi 番目の面の曲率半径を示し、di(i=1,2,3...)は、第２の点光源側から数えてi 番目の軸上面間隔（ここでは偏心前状態）を示している。また、製造光学系に用いられているガラス材の種類は、ＢＫ７である。
【００３６】
また、例えば図９に模式的に示すように、ＹＺ平面において（Ｘ軸は紙面に垂直）、ＨＯＥ素子２に対する入射ベクトル（Ｚ，Ｙ，Ｘ）が、破線で示すようには突き抜けずに、偏向して射出ベクトル（Ｚ′，Ｙ′，Ｘ′）として出て行くとき、入射ベクトルと射出ベクトルの関係は、以下に示す式で表される。
Ｚ′＝Ｚ＋（ｍ・λO／λ）・（ｄψ／ｄｘ）
Ｙ′＝Ｙ＋（ｍ・λO／λ）・（ｄψ／ｄｙ）
Ｘ′＝√（１−Ｚ′2−Ｙ′2）
但し、
ｍ ：次数
λO：基準波長
λ ：波長
である。
【００３７】
また、
ψ＝Ｃ1ｘ＋Ｃ2ｙ＋Ｃ3ｘ2＋Ｃ4ｘｙ＋…
但し、
Ｃj：ＨＯＥ位相係数
ｊ ：係数の番号（ｊ＝１，２，３，４，…）
である。ここで、
ｊ＝｛（ｍ＋ｎ）2＋ｍ＋３ｎ｝／２
但し、
ｍ，ｎ：ｘ，ｙの指数
である。
【００３８】
0003885386.tif 000002
【００３９】
ＨＯＥ素子２の仕様
基準波長    ：５３２ｎｍ
厚み        ：８μｍ
屈折率      ：１．５
屈折率変化量：０．０６
【００４０】
ＨＯＥ位相係数
C2 : 5.8025×10-2   C3 :-1.0457×10-2   C5 :-1.0112×10-2
C7 :-1.9464×10-5   C9 :-6.0607×10-6   C10: 1.6841×10-7
C12: 4.9205×10-7   C14: 3.2034×10-7   C16: 1.1633×10-8
C18: 2.5071×10-8   C20: 1.2672×10-8   C21:-9.0737×10-12
C23: 7.9093×10-11  C25: 1.6319×10-11  C27:-3.3694×10-11
C29: 2.6194×10-12  C31: 5.0358×10-12  C33: 7.2193×10-13
C35:-5.1512×10-13  C36: 1.5692×10-14  C38:-7.3829×10-14
C40:-2.9860×10-13  C42:-1.9909×10-13  C44:-1.4226×10-13
C46:-1.8836×10-15  C48:-7.4871×10-15  C50:-8.9216×10-15
C52:-2.2137×10-15  C54: 2.0010×10-16  C55: 5.2087×10-18
C57: 6.8463×10-17  C59: 2.4471×10-16  C61: 2.9062×10-16
C63: 7.4263×10-17  C65: 7.7253×10-17
【００４１】
0003885386.tif 000003
【００４２】
0003885386.tif 000004
0003885386.tif 000005
【００４３】
0003885386.tif 000006
【００４４】
また、図４は、実施例の瞳から無限遠の光線を入射させたときの像点（情報表示手段上）での点像の状態を表している。そして、図５は、実施例の瞳から無限遠の光線を入射させたときの像点（情報表示手段上）での歪曲収差の状態を表している。ここでの実線は計測値、破線は計算値である。図４において、それぞれの点像に付けられた▲１▼，▲２▼，▲３▼…の数字は、図５における歪曲図のグリッド上に付けられた数字と一致しており、それぞれの位置関係を示している。これらの図より、本発明の実施形態においては、歪曲性能，点像性能共に良好である事が分かる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、比較的大きな画角に渡って表示素子からの情報を瞳に表示する機能を持ち、回折効率が高くて表示が明るく、高性能で且つ部品点数が少なくてコンパクトな、ホログラムを用いた情報表示装置を提供する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の情報表示装置の一実施形態を模式的に示す構成図。
【図２】本実施形態のホログラム製造状態を模式的に示す構成図。
【図３】ホログラム製造光学系の露光状態とＨＯＥ素子の機能の説明図。
【図４】瞳から無限遠の光線を入射させたときの像点での点像。
【図５】瞳から無限遠の光線を入射させたときの像点での歪曲収差。
【図６】バンドパスフィルターの配置の一例を模式的に示す構成図。
【図７】ゴーストが発生する配置例を模式的に示す図。
【図８】１／４λ位相板の配置例を模式的に示す構成図。
【図９】入射ベクトルと射出ベクトルの関係を模式的に示す図。
【符号の説明】
１    瞳
２    ＨＯＥ素子
３    情報表示手段
４    光
５    光源
６    リフレクター
７    反射板
８    拡散板
９    バンドパスフィルター
１０    １／４λ位相板
１１    第１の点光源
１２    第２の点光源
１３    絞り
１４    ホログラム製造光学系
Ｇｒ１    第１レンズブロック
Ｇｒ２    第２レンズブロック
Ｇｒ３    第３レンズブロック
Ｇｒ４    第４レンズブロック
【図１】
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【図２】
0003885386.tif 000008
【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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