(57)【要約】      （修正有）【課題】低コストで精度良くホログラム素子を位置決めできる光学素子、これを用いた画像表示装置、及び光学素子の製造方法を提供する。【解決手段】規定の波長の光を選択的に反射又は透過するホログラム部ＨＯＥを備えたホログラム素子１０４ｈを設けたプリズムを有する光学素子において、第１プリズムの端面に凹部ＣＣを形成しており、凹部ＣＣ内にホログラム素子１０４ｈを配置した際に、凹部ＣＣとホログラム素子１０４ｈの外周の少なくとも一部とが接することで第１プリズムに対するホログラム部ＨＯＥの位置決めが行われる。【選択図】図６
2017003757.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
規定の波長の光を選択的に反射又は透過するホログラム部を備えたホログラム素子を設けたプリズムを有する光学素子において、
端面に凹部が形成された第１プリズムを有し、前記凹部内に前記ホログラム素子が配置され、前記凹部と前記ホログラム素子の外周の少なくとも一部とが接することで前記第１プリズムに対して前記ホログラム部が位置決めされている光学素子。
【請求項２】
前記第１プリズムの端面に接合する接合面を備えた第２プリズムを有し、前記第２プリズムの接合面には前記凹部に係合する凸部が形成されており、前記凹部と前記凸部とが係合することで前記第１プリズムに対して前記第２プリズムが位置決めされている請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記凸部により前記ホログラム素子が前記凹部に向けて押圧された状態で、前記第２プリズムが前記第１プリズムの端面に接合している請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第２プリズムの凸部の頂面が凸状の曲面である請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第１プリズムの凹部の底面が、前記第２プリズムの凸部の頂面の曲率以下の曲率を持つ曲面又は平面である請求項３に記載の光学素子。
【請求項６】
前記第２プリズムは、前記第１プリズムと接合されることで、前記ホログラム素子によって反射される光によって形成される虚像の歪みを補正する請求項２〜５のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項７】
前記第１プリズムは、光入射面から入射した画像光を前記ホログラム素子が配置された前記端面へ導光する請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項８】
規定の波長の光を選択的に反射又は透過するホログラム部を備えたホログラム素子を設けたプリズムを有する光学素子において、
第１プリズムの端面に、内部に突起が配置された凹部が形成され、前記凹部内に前記ホログラム素子が配置され、前記ホログラム素子は開口又は切欠を有しており、前記突起に前記開口又は切欠が係合することで前記第１プリズムに対して前記ホログラム部が位置決めされている光学素子。
【請求項９】
前記ホログラム素子は、前記ホログラム部を積層した基板を有し、前記ホログラム部を挟む前記基板の両側に前記開口又は切欠が形成され、前記第１プリズムの凹部には、前記開口又は切欠にそれぞれ係合する２つの突起が設けられている請求項８に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記第１プリズムの端面に接合する接合面を備えた第２プリズムを有し、前記第２プリズムの接合面には前記突起に係合する窪みが形成されており、前記突起が、前記開口又は切欠を通過して前記窪みに係合することで、前記第１プリズムに対して前記第２プリズムが位置決めされている請求項９に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記第１プリズムの凹部には、前記ホログラム素子を密着させる粘着剤が付与されている請求項１〜１０のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１２】
前記ホログラム素子は、接着剤を用いて前記第１プリズムの凹部に固着されており、前記凹部は前記接着剤を収容する収容部を有する請求項１〜１１のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の光学素子と、前記光学素子に対して前記規定の波長の光を出射する画像形成部とを有する画像表示装置。
【請求項１４】
ホログラム素子を設けたプリズムを有する光学素子の製造方法において、
第１プリズムの端面に凹部を形成し、
前記凹部と前記ホログラム素子の外周の少なくとも一部とを当接させることで、前記第１プリズムに対する前記ホログラム素子の位置決めを行い、
前記凹部に前記ホログラム素子を接合する光学素子の製造方法。
【請求項１５】
第２プリズムの接合面に凸部を形成し、
前記凹部と前記凸部とが係合するようにして、前記第１プリズムの端面に前記第２プリズムの接合面を接合する請求項１４に記載の光学素子の製造方法。
【請求項１６】
前記凹部と前記凸部とが係合する際に、前記凸部が前記ホログラム素子を押圧する請求項１５に記載の光学素子の製造方法。
【請求項１７】
シートに積層した感光材に２方向から規定の波長の光を照射することでホログラム部を形成して前記ホログラム素子を作製する請求項１４〜１６のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
【請求項１８】
ホログラム素子を設けたプリズムを有する光学素子の製造方法において、
第１プリズムの端面に凹部を形成すると共に、前記凹部内に突起を形成し、
前記ホログラム素子に開口又は切欠を形成し、
前記突起に前記開口又は切欠を係合させることで前記第１プリズムに対する前記ホログラム素子の位置決めを行い、
前記凹部に前記ホログラム素子を接合する光学素子の製造方法。
【請求項１９】
第２プリズムの接合面に窪みを形成し、
前記突起を、前記開口又は切欠を通過させた後に、前記窪みと係合させるようにして、前記第１プリズムの端面に前記第２プリズムの接合面を接合する請求項１８に記載の光学素子の製造方法。
【請求項２０】
前記開口又は切欠を設けた基板に感光材を積層し、前記感光材に２方向から光を照射することでホログラム部を形成して前記ホログラム素子を作製する請求項１８又は１９に記載の光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はホログラム素子を用いた光学素子、画像表示装置、及び光学素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ホログラフィック光学素子（Holographic Optical Element；以下「ホログラム素子」と略す。）をプリズム内に設け、このホログラム素子を介して使用者の眼に画像を映し出す画像表示装置の開発が進んでいる。その画像表示装置の一例としては、眼鏡型ウエラブルディスプレイやヘッドマウント型ディスプレイ等が知られている。
【０００３】
一般的なホログラム素子は、ホログラム面に対して平行でない干渉縞からなる２つの干渉縞パターンを有する。表示ユニットから投射した規定波長の光により形成される画像は、プリズム内部を反射してホログラム素子に到達し、当該ホログラム素子の干渉縞パターンによって回折反射し使用者の眼に導かれる。一方、外光における規定波長以外の光は、ホログラム素子を透過して使用者の眼に導かれる。すなわち使用者は、外界の景色と、表示ユニットにより形成される画像とを、ホログラム素子を通して同時に視認することが可能となる。
【０００４】
ここで特許文献１には、プリズムに形成した凹部内にホログラム感光材シートを貼り付け、更にホログラム感光材シートに可干渉のレーザー光で干渉縞パターンを露光し、紫外線等を照射して現像する技術が開示されている。又、特許文献２には、感光性フィルムを含む多層フィルムを、治具を用いて接眼プリズムに位置決めし固着した後、可干渉のレーザー光を感光性フィルムに照射して、ホログラム素子を作製する技術が開示されている。しかしながら、プリズムにホログラム感光材シートや多層フィルムを貼り付けた上で、個々に露光を行って干渉縞パターンを形成する手法では手間がかかり，コストが増大する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１６３９５３号公報
【特許文献２】特開２００８−１３７３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、シート状の感光材に予め干渉縞パターンを形成し、これをプリズム面に貼り付けることで、低コスト化を促進する試みがある。しかるに、かかる技術によれば、干渉縞パターンを形成したシートをプリズム面に貼り付ける際に、位置決めを高精度に行わないと、表示される画像が不鮮明なものとなる恐れがある。これに対し特許文献２には、多層フィルムを接眼プリズムに位置決めする際に位置決めピンなどの治具を用いることも開示されている。そこで、かかる技術を応用し、干渉縞パターンが形成されたシートを、治具を用いてプリズムに位置決めすることも考えられる。
【０００７】
しかしながら、このように治具を用いて位置決めを行う場合、治具とシートとの間に位置ずれが生じ、また治具と接眼プリズムとの間にも位置ずれが生じるので、複数の位置ずれの重畳が生じて、高精度な位置決めを実現できないという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、低コストで精度良くホログラム素子を位置決めできる光学素子、これを用いた画像表示装置、及び光学素子の製造方法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】
【０００９】
本発明の光学素子は、規定の波長の光を選択的に反射又は透過するホログラム部を備えたホログラム素子を設けたプリズムを有する光学素子において、
端面に凹部が形成された第１プリズムを有し、前記凹部内に前記ホログラム素子が配置され、前記凹部と前記ホログラム素子の外周の少なくとも一部とが接することで前記第１プリズムに対して前記ホログラム部が位置決めされているものである。
【００１０】
本発明の光学素子は、規定の波長の光を選択的に反射又は透過するホログラム部を備えたホログラム素子を設けたプリズムを有する光学素子において、
第１プリズムの端面に、内部に突起が配置された凹部が形成され、前記凹部内に前記ホログラム素子が配置され、前記ホログラム素子は開口又は切欠を有しており、前記突起に前記開口又は切欠が係合することで前記第１プリズムに対して前記ホログラム部が位置決めされているものである。
【００１１】
本発明の光学素子の製造方法は、ホログラム素子を設けたプリズムを有する光学素子の製造方法において、
第１プリズムの端面に凹部を形成し、
前記凹部と前記ホログラム素子の外周の少なくとも一部とを当接させることで、前記第１プリズムに対する前記ホログラム素子の位置決めを行い、
前記凹部に前記ホログラム素子を接合するものである。
【００１２】
本発明の光学素子の製造方法は、ホログラム素子を設けたプリズムを有する光学素子の製造方法において、
第１プリズムの端面に凹部を形成すると共に、前記凹部内に突起を形成し、
前記ホログラム素子に開口又は切欠を形成し、
前記突起に前記開口又は切欠を係合させることで前記第１プリズムに対する前記ホログラム素子の位置決めを行い、
前記凹部に前記ホログラム素子を接合するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、低コストで精度良くホログラム素子を位置決めできる光学素子、これを用いた画像表示装置、及び光学素子の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施の形態にかかる光学素子を備えたヘッドマウントディスプレイ１００の斜視図である。
【図２】本実施の形態にかかるヘッドマウントディスプレイ１００を正面から見た図である。
【図３】本実施の形態にかかるヘッドマウントディスプレイ１００を上方から見た図である。
【図４】ディスプレイユニット１０４の構成を示す概略断面図である。
【図５】画像表示部１０４Ｂの斜視図である。
【図６】偏向プリズム１０４ｇにホログラム素子１０４ｈを組み付ける工程を示す図である。
【図７】図５の構成を、画像表示部１０４Ｂの長手方向に対して垂直な面で、ホログラム素子１０４ｈの中心を通り長手方向に延びるVII-VII線に沿ってディスプレイユニット１０４を切断して、矢印方向に見た図である。
【図８】ヘッドマウントディスプレイ１００の主要回路のブロック図である。
【図９】本実施の形態の変形例にかかる偏向プリズム１０４ｇの斜面を示す斜視図である。
【図１０】図９の構成において、凹部ＣＣの長手方向に沿って凹部ＣＣの中心を通るように延びるX-X線を通る面で切断して矢印方向に見た断面図である。
【図１１】本実施の形態の別な変形例にかかる偏向プリズム１０４ｇの斜面を示す斜視図である。
【図１２】図１１の構成において、凹部ＣＣの長手方向に沿って凹部ＣＣの中心を通るように延びるXII-XII線を通る面で切断して矢印方向に見た断面図である。
【図１３】第２の実施の形態にかかる接眼プリズム１０４ｆと偏向プリズム１０４ｇの斜面を示す斜視図である。
【図１４】接眼プリズム１０４ｆと偏向プリズム１０４ｇを接合した状態で、図１３のXIV-XIV線を通る面で、主面に対して垂直に切断して矢印方向に見た図である。
【図１５】本実施の形態にかかる図７と同様な断面図である。
【図１６】本実施の形態の変形例を示す図であり、斜面ＰＬ４，ＰＬ５に直交し凹部ＣＣの中心を通る面で切断した断面図である。
【図１７】更に別な変形例を示す断面図である。
【図１８】更に別な変形例を示す断面図である。
【図１９】第３の実施の形態にかかる偏向プリズム１０４ｇの斜面を示す斜視図である。
【図２０】第３の実施の形態にかかる接眼プリズム１０４ｆと偏向プリズム１０４ｇの斜面を示す斜視図である。
【図２１】接眼プリズム１０４ｆと偏向プリズム１０４ｇを接合した状態で、図２０のXV-XV線を通る面で切断して矢印方向に見た図である。
【図２２】本実施の形態にかかる変形例であるホログラム素子の上面図である。
【図２３】他の実施の形態にかかる接眼プリズム１０４ｆと偏向プリズム１０４ｇの斜面を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（第１の実施の形態）
本発明の実施形態を、以下に図面を参照して説明する。図１は、第１の実施の形態にかかる光学素子を備えたヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとする）１００の斜視図である。図２は、本実施の形態にかかるＨＭＤ１００を正面から見た図である。図３は、本実施の形態にかかるＨＭＤ１００を上方から見た図である。以下、ＨＭＤ１００の右側及左側とは、ＨＭＤ１００を装着したユーザーにとっての右側及び左側をいうものとする。
【００１６】
図１〜３に示すように、本実施の形態のＨＭＤ１００は，フレーム１０１を有している。上方から見てコ字状であるフレーム１０１は、２つの眼鏡レンズ１０２を取り付ける前方部１０１ａと、前方部１０１ａの両端から後方へと延在する側部１０１ｂ、１０１ｃとを有する。フレーム１０１に取り付けられた２つの眼鏡レンズ１０２は屈折力を有していてもよいし、有していなくてもよい。
【００１７】
右側（ユーザーの利き目などに応じて左側でもよい）の眼鏡レンズ１０２の上部において、円筒状の主本体部１０３がフレーム１０１の前方部１０１ａに固定されている。主本体部１０３には、画像表示装置であるディスプレイユニット１０４が設けられている。主本体部１０３内には、後述するプロセッサー１２１からの指示に基づいてディスプレイユニット１０４の表示制御を司る表示制御部１０４ＤＲ（後述する図８を参照）が配置されている。なお、必要であれば両眼の前にそれぞれディスプレイユニットを配置してもよい。
【００１８】
図４は、ディスプレイユニット１０４の構成を示す概略断面図である。ディスプレイユニット１０４は、画像形成部１０４Ａと画像表示部１０４Ｂとからなる。図５は、画像表示部１０４Ｂの斜視図である。図４において、画像形成部１０４Ａは、主本体部１０３内に組み込まれており、光源１０４ａと、一方向拡散板１０４ｂと、集光レンズ１０４ｃと、表示素子１０４ｄとを有している。一方、いわゆるシースルー型の画像表示部１０４Ｂは、主本体部１０３から下方に向かい、片方の眼鏡レンズ１０２（図１参照）に平行に延在するように配置された全体的に板状であって、第２プリズムとしての接眼プリズム１０４ｆと、第１プリズムとしての偏向プリズム１０４ｇと、ホログラム素子１０４ｈとを、後述するようにして組み合わせて、光学素子を構成してなる。尚、偏向プリズム１０４ｇは、画像形成部１０４Ａ側の端部に、画像形成部１０４Ａから離れるにつれて厚みが薄くなるテーパー部ＴＰを備えているが、かかる形状は任意であり、図示のものに限られない。
【００１９】
光源１０４ａは、表示素子１０４ｄを照明する機能を有し、例えば光強度のピーク波長及び光強度半値の波長幅で４６２±１２ｎｍ（Ｂ光）、５２５±１７ｎｍ（Ｇ光）、６３５±１１ｎｍ（Ｒ光）となる３つの波長帯域の光（ここでは規定の波長の光とする）を発するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。このように光源１０４ａが規定の波長の光を出射することにより、表示素子１０４ｄを照明して得られる画像光に規定の波長を持たせることができ、ホログラム素子１０４ｈにて画像光を反射して、瞳孔Ｂの位置にて観察画角全域にわたってユーザーに画像を観察させることができる。また、光源１０４ａの各色についてのピーク波長は、ホログラム素子１０４ｈの回折効率のピーク波長の近傍に設定されており、光利用効率の向上がはかられている。尚、規定の波長以外の光については、ホログラム素子１０４ｈが透過するので、ディスプレイユニット１０４を通してユーザーが外界を観察できる。
【００２０】
また、光源１０４ａは、ＲＧＢの光を出射するＬＥＤで構成されているので、光源１０４ａのコストを抑えることができるとともに、表示素子１０４ｄを照明したときに、表示素子１０４ｄにてカラー画像を表示することが可能となり、そのカラー画像をユーザーが視認可能とすることができる。また、ＲＧＢの各ＬＥＤ素子は発光波長幅が狭いので、そのようなＬＥＤ素子を複数用いることにより、色再現性が高く、明るい画像表示が可能となる。
【００２１】
表示素子１０４ｄは、光源１０４ａからの出射光を画像データに応じて変調して画像を表示するものであり、光が透過する領域となる各画素をマトリクス状に有する透過型の液晶表示素子で構成されている。なお、表示素子１０４ｄは、反射型であってもよい。
【００２２】
接眼プリズム１０４ｆは、光入射面としての基端面ＰＬ１を介して入射する表示素子１０４ｄからの画像光を、相対する平行な内向主面ＰＬ２と外向主面ＰＬ３とで全反射させ、ホログラム素子１０４ｈを介してユーザーの瞳に導く一方、外光を透過させてユーザーの瞳に導くものであり、偏向プリズム１０４ｇとともに、例えばアクリル系樹脂（又はＰＣやガラス製でも良い）で構成されている。接眼プリズム１０４ｆは端面に接合面としての斜面ＰＬ５を形成し、偏向プリズム１０４ｇも端面に，斜面ＰＬ５と同じ角度で傾き且つ同じ寸法の端面としての斜面ＰＬ４を形成している。
【００２３】
次に、画像表示部１０４Ｂの製造方法を説明する。図６は、偏向プリズム１０４ｇにホログラム素子１０４ｈを組み付ける工程を示す図である。前準備として、矩形板状のホログラム素子１０４ｈを作製しておく。ホログラム素子１０４ｈは、基板としてのＰＥＴ製の矩形状シートＳＴに感光材を貼り付けて、可干渉性のレーザー光束を２方向から照射し、その２本のレーザー光束の干渉により干渉縞パターンが形成されたホログラム部ＨＯＥを形成したものである（特開２００８−１３７３４６号公報参照）。ホログラム部ＨＯＥの干渉縞パターンは、ホログラム素子１０４ｈの外周に対して精度良く形成されている。
【００２４】
一方、図６（ａ）に示すように、接眼プリズム１０４ｆの傾斜した斜面ＰＬ５の中央には、例えば金型を用いた成形等によって矩形状にくぼんだ凹部ＣＣを、例えば接眼プリズム１０４ｆの成形と同時に形成しておく。凹部ＣＣの大きさは、ホログラム素子１０４ｈよりわずかに大きくなっていると好ましい。凹部ＣＣの底面ＣＣｃは、斜面ＰＬ５と平行である。凹部ＣＣは、斜面ＰＬ４，ＰＬ５同士を合わせ込んだときに、偏向プリズム１０４ｇに対して適切な位置になるよう形成されている。
【００２５】
まず、接眼プリズム１０４ｆの凹部ＣＣの平面である底面ＣＣｃに粘着剤（図７に示すＡＤ：ＵＶ硬化性の粘着剤であると好ましい）を塗布し、図６（ｂ）に示すように、ホログラム素子１０４ｈを凹部ＣＣの底面ＣＣｃに載置する。このとき、粘着剤ＡＤの効果により底面ＣＣｃが、ホログラム部ＨＯＥと密着することとなる。又、粘着剤ＡＤは凹部ＣＣよりはみ出すことないので、その塗布が容易で取り扱い性に優れる。
【００２６】
その際に、ホログラム素子１０４ｈの一辺１０４ｈａを、凹部ＣＣの上方側面ＣＣａ（下方側面でも良い）に当接させ、他の一辺１０４ｈｂを、凹部ＣＣの左方側面ＣＣｂ（右方側面でも良い）に当接させると、凹部ＣＣに対してホログラム素子１０４ｈ，すなわち治具などを用いずともホログラム部ＨＯＥが精度良く位置決めされることとなる。ここで、「位置決め」とは、図６（ｂ）に示すように、凹部ＣＣの中心Ｏを原点とし、斜面ＰＬ５の長手方向をＸ軸とし、斜面ＰＬ５上でＹ軸に直交する方向をＹ軸とした時に、Ｘ軸方向の位置、Ｙ軸方向の位置、及び原点Ｏ回りの角度θ全てを、設計位置及び設計角度に対して許容範囲内に収めることをいうものとする。尚、ホログラム素子の位置決め精度は、例えば、ホログラム素子の長手方向の長さが１０ｍｍ程度である場合、０．１ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００２７】
かかる状態で、外部よりＵＶ光を照射することで、粘着剤ＡＤが硬化して、凹部ＣＣの底面ＣＣｃにホログラム素子１０４ｈが固着される。次いで、斜面ＰＬ４と斜面ＰＬ５の間に、ＵＶ硬化性の接着剤ＢＤを塗布し、接眼プリズム１０４ｆと偏向プリズム１０４ｇの側面同士を基準として、図５に示すように、斜面ＰＬ５に対して斜面ＰＬ４が互いにはみ出さないように規定位置に位置決めし、外部からＵＶ光を照射することで、接着剤ＢＤを硬化させる。なお、凹部ＣＣ内のスペースよりも大きな体積の接着剤ＢＤを用いて、斜面ＰＬ４と斜面ＰＬ５を接合したときに余分な接着剤ＢＤを接合部からはみ出させ、これを硬化前に拭き取るようにすれば、斜面ＰＬ４と斜面ＰＬ５との間の空間を接着剤ＢＤで完全に満たすことができる。なお、矩形状シートＳＴを斜面ＰＬ５からわずかに突出させ、斜面ＰＬ４を密着押圧することで弾性圧縮させて斜面ＰＬ５と面一とするようにしても良い。
【００２８】
偏向プリズム１０４ｇは、接眼プリズム１０４ｆに接合されて、接眼プリズム１０４ｆと一体となって略平行平板となるものである。本実施形態においては、接眼プリズム１０４ｆの凹部が設けられた端面（斜面ＰＬ５）に接合される偏向プリズム１０４ｇの斜面ＰＬ４は平坦である。偏向プリズム１０４ｇを設けなくても原理上、ユーザーはホログラム素子１０４ｈによって反射される画像光を虚像として視認することは可能であるが、この偏向プリズム１０４ｇを接眼プリズム１０４ｆに接合することにより，ユーザーがディスプレイユニット１０４を介して観察する外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
【００２９】
すなわち、例えば、接眼プリズム１０４ｆに偏向プリズム１０４ｇを接合させない場合、外光は接眼プリズム１０４ｆの斜面ＰＬ５を透過するときに屈折するので、接眼プリズム１０４ｆを介して観察される外界像に歪みが生じる。しかし、接眼プリズム１０４ｆに相補的な斜面ＰＬ４を有する偏向プリズム１０４ｇを接合させて一体的な略平行平板を形成することで、外光が斜面ＰＬ５，ＰＬ４（ホログラム素子１０４ｈ）を透過するときの屈折を偏向プリズム１０４ｇでキャンセルすることができる。その結果、シースルーで観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。なお、ディスプレイユニット１０４とユーザーの瞳の間に眼鏡レンズ１０２（図１参照）を装着すると、通常眼鏡を使用しているユーザーでも問題なく画像を観察することが可能である。又、眼鏡レンズ１０２に接眼プリズム１０４ｆと偏向プリズム１０４ｇとを直接組み込むことも可能である。
【００３０】
図７は、図５の構成を、画像表示部１０４Ｂの長手方向に対して垂直な面で、ホログラム素子１０４ｈの中心を通り長手方向に延びるVII-VII線に沿ってディスプレイユニット１０４を切断して、矢印方向に見た図である。上述した規定の波長以外の光を透過するホログラム素子１０４ｈは、広帯域の波長を持つ外光ＯＬをほぼ透過し、更に凹部ＣＣ内に隙間なく充填された粘着剤ＡＤと接着剤ＢＤも透明であって、その屈折率は接眼プリズム１０４ｆと偏向プリズム１０４ｇの屈折率にほぼ等しいので、凹部ＣＣ及び斜面ＰＬ４、ＰＬ５は外観上目視できないようになっている。よって、外光ＯＬは、接眼プリズム１０４ｆと偏向プリズム１０４ｇを透過して、図７で下方にあるユーザーの瞳で視認される。一方、画像形成部１０４Ａから出射された画像光ＩＬは、接眼プリズム１０４ｆ内を導光してきた後、斜面ＰＬ５から出射して凹部ＣＣ内のホログラム素子１０４ｈに入射する。
【００３１】
ホログラム素子１０４ｈのホログラム部ＨＯＥは、表示素子１０４ｄから出射される画像光ＩＬ（３原色に対応した波長の光）を回折反射して、表示素子１０４ｄに表示される画像を拡大してユーザーの瞳に虚像として導く体積位相型の反射型ホログラムである。このホログラム部ＨＯＥは、例えば、回折効率のピーク波長および回折効率半値の波長幅で４６５±５ｎｍ（Ｂ光）、５２１±５ｎｍ（Ｇ光）、６３４±５ｎｍ（Ｒ光）の３つの規定の波長域の光を回折（反射）させるように作製されている。ここで、回折効率のピーク波長は、回折効率がピークとなるときの波長のことであり、回折効率半値の波長幅とは、回折効率が回折効率ピークの半値となるときの波長幅のことである。
【００３２】
反射型のホログラム部ＨＯＥは、高い波長選択性を有しており、上記規定の波長域（露光波長近辺）の波長の光しか回折反射しないので、回折反射される波長以外の波長を含む外光はホログラム部ＨＯＥを透過することになり、高い外光透過率を実現することができる。
【００３３】
次に、ディスプレイユニット１０４の動作について説明する。図４において、光源１０４ａから出射された光は、一方向拡散板１０４ｂにて拡散され、集光レンズ１０４ｃにて集光されて表示素子１０４ｄに入射する。表示素子１０４ｄに入射した光は、表示制御部１０４ＤＲから入力された画像データに基づいて画素ごとに変調され、画像光として出射される。これにより、表示素子１０４ｄにはカラー画像が表示される。
【００３４】
表示素子１０４ｄからの画像光は、接眼プリズム１０４ｆの内部にその基端面ＰＬ１から入射し、内向主面ＰＬ２と外向主面ＰＬ３で複数回全反射されて、ホログラム素子１０４ｈに入射する。ホログラム素子１０４ｈに入射した光は、ホログラム部ＨＯＥで反射され、内向主面ＰＬ２を透過して瞳孔Ｂに達する。瞳孔Ｂの位置では、ユーザーは、表示素子１０４ｄに表示された画像の拡大虚像を観察することができ、画像表示部１０４Ｂに形成される画面として視認することができる。この場合、ホログラム部ＨＯＥが画面を構成しているとみることもできるし、内向主面ＰＬ２に画面が形成されているとみることもできる。なお、本明細書において「画面」というときは、表示される画像を指すこともある。
【００３５】
一方、接眼プリズム１０４ｆ、偏向プリズム１０４ｇおよびホログラム素子１０４ｈは、外光をほとんど全て透過させるので、ユーザーはこれらを介して外界像（実像）を観察することができる。したがって、表示素子１０４ｄに表示された画像の虚像は、外界像の一部に重なって観察されることになる。このようにして、ＨＭＤ１００のユーザーは、ホログラム素子１０４ｈを介して、表示素子１０４ｄから提供される画像と外界像とを同時に観察することができる。尚、ディスプレイユニット１０４が非表示状態のとき画像表示部１０４Ｂは素通しとなり、外界像のみを観察できる。また本例では、光源と液晶表示素子とを組み合わせて画像形成部を構成しているが、光源と液晶表示素子の組合せに代えて、自発光型の表示素子（例えば、有機ＥＬ表示素子）を用いても良い。いずれにしても、画像表示部１０４Ｂに対向するユーザーの眼の視野に入るように、好ましくは、有効視野に少なくとも一部が重なるように画面を配置すると、ユーザーは画像を容易に視認することができる。
【００３６】
更に図１、２において、主本体部１０３の正面には、フレーム１０１の中央寄りに配置されたユーザーのジェスチャーを検出する近接センサ１０５と、側部寄りに配置されたカメラ１０６のレンズ１０６ａが前方を向くようにして設けられている。
【００３７】
図１、２において、フレーム１０１の右側の側部１０１ｂには、右副本体部１０７が取り付けられ、フレーム１０１の左側の側部１０１ｃには、左副本体部１０８が取り付けられている。右副本体部１０７及び左副本体部１０８は、細長い板形状を有しており、それぞれ内側に細長い突起状体１０７ａ，１０８ａを有している。この細長い突起状体１０７ａを、フレーム１０１の側部１０１ｂの長孔１０１ｄに係合させることで、右副本体部１０７が位置決めされた状態でフレーム１０１に取り付けられ、また細長い突起状体１０８ａを、フレーム１０１の側部１０１ｃの長孔１０１ｅに係合させることで、左副本体部１０８が位置決めされた状態でフレーム１０１に取り付けられている。
【００３８】
右副本体部１０７内には、地磁気を検出する地磁気センサ１０９（後述する図８参照）と、姿勢に応じた出力を生成する、角速度センサを含むジャイロ及び加速度センサ１１０（後述する図８参照）とが搭載されており、左副本体部１０８内には、スピーカ（又はイヤホン）１１１Ａ及びマイク１１１Ｂ（後述する図８参照）とが設けられている。主本体部１０３と右副本体部１０７とは、配線ＨＳで信号伝達可能に接続されており、主本体部１０３と左副本体部１０８とは、不図示の配線で信号伝達可能に接続されている。図３に簡略図示するように、右副本体部１０７は、その後端から延在するコードＣＤを介して制御ユニットＣＴＵに接続されている。なお、ジャイロ及び加速度センサを一体化した６軸センサを用いてもよい。また、入力される音声に応じてマイク１１１Ｂから生成される出力信号に基づいて、音声によってＨＭＤを操作することもできる。また、主本体部１０３と左副本体部１０８とが無線接続されるように構成してもよい。
【００３９】
図８は、ＨＭＤ１００の主要回路のブロック図である。制御ユニットＣＴＵは、プロセッサー１２１と、操作部１２２と、ＧＰＳ衛星からの電波を受信するＧＰＳ受信部１２３と、外部とデータのやりとりを行う通信部１２４と、プログラム等を格納するＲＯＭ１２５と、画像データ等を保存するＲＡＭ１２６と、各部に給電するための電源回路１２８及びバッテリー１２７と、ＳＳＤやフラッシュメモリ等のストレージデバイス１２９とを有している。プロセッサー１２１はスマートフォンなどで用いられているアプリケーションプロセッサーを使用することが出来るが、プロセッサー１２１の種類は問わない。例えば、アプリケーションプロセッサーの内部にＧＰＵやＣｏｄｅｃなど画像処理に必要なハードウェアが標準で組み込まれているものは、小型のＨＭＤには適したプロセッサーであるといえる。
【００４０】
更に、プロセッサー１２１には、受光部１０５ａが人体から放射される検出光を検出したときは、その信号が入力され、これによりジェスチャー検出等が可能になる。又、プロセッサー１２１は、表示制御部１０４ＤＲを介してディスプレイユニット１０４の画像表示を制御する。
【００４１】
プロセッサー１２１は、電源回路１２８を介してバッテリー１２７からの給電を受け、ＲＯＭ１２４及びストレージデバイス１２９の少なくとも一方に格納されたプログラムに従って動作し、操作部１２２からの電源オンなどの操作入力に従い、カメラ１０６からの画像データを入力してＲＡＭ１２６に記憶し、必要に応じて通信部１２４を介して外部と通信を行うことができる。
【００４２】
図９は、本実施の形態の変形例にかかる接眼プリズム１０４ｆの斜面を示す斜視図であり、図１０は、図９の構成において、凹部ＣＣの長手方向に沿って凹部ＣＣの中心を通るように延びるX-X線を通る面で切断して矢印方向に見た断面図である。本変形例においては、凹部ＣＣの底面ＣＣｃの中央に、更に深い類似形の皿状部ＣＣｄを形成している。皿状部ＣＣｄの周囲が底面ＣＣｃとなる。本変形例によれば、図１０に点線で示すように，底面ＣＣｃに密着するようにして凹部ＣＣにホログラム素子１０４ｈを取り付けたとき、皿状部ＣＣｄが凹部ＣＣとホログラム素子１０４ｈとの間に塗布された接着剤ＢＤの逃げ部（接着剤だまり、すなわち収容部）となり、余分な接着剤ＢＤを収容することができる。これにより供給された接着剤ＢＤの量の変動を吸収でき、外部に洩れ出る接着剤を抑えて外観品質の向上に貢献する。
【００４３】
図１１は、本実施の形態の別な変形例にかかる接眼プリズム１０４ｆの斜面を示す斜視図であり、図１２は、図１１の構成において、凹部ＣＣの長手方向に沿って凹部ＣＣの中心を通るように延びるXII-XII線を通る面で切断して矢印方向に見た断面図である。本変形例においては、凹部ＣＣの底面ＣＣｃの周囲に、更に深い周溝ＣＣｅを形成している。周溝ＣＣｅの内方が底面ＣＣｃとなる。本変形例によれば、図１２に点線で示すように，底面ＣＣｃに密着するようにして凹部ＣＣにホログラム素子１０４ｈを取り付けたとき、周溝ＣＣｅが凹部ＣＣとホログラム素子１０４ｈとの間に塗布された接着剤ＢＤの逃げ部（接着剤だまり、すなわち収容部）となり、余分な接着剤ＢＤを収容することができる。
【００４４】
（第２の実施の形態）
図１３は、第２の実施の形態にかかる接眼プリズム１０４ｆと偏向プリズム１０４ｇの斜面を示す斜視図である。図１４は、接眼プリズム１０４ｆと偏向プリズム１０４ｇを接合した状態で、図１３のXIV-XIV線（ホログラム素子１０４ｈの中心を通り画像表示部１０４Ｂの長手方向に延びる線）を通る面で切断して矢印方向に見た図である。図１５は、本実施の形態にかかる図７と同様な断面図である。本実施の形態については異なる点を主として説明し、第１の実施の形態と共通する構成については説明を省略する。
【００４５】
本実施の形態においては、偏向プリズム１０４ｇの斜面ＰＬ４の中央に、例えば金型を用いた成形により矩形板状に突出した凸部ＣＶを形成している。凸部ＣＶの頂面ＣＶａは平面である。凸部ＣＶの外周形状は凹部ＣＣの内周形状に一致している。本実施の形態では、ホログラム部ＨＯＥに粘着剤を塗布する必要はない。ディスプレイユニットの組み付けの際に、図１４，１５に示すように、ホログラム素子１０４ｈを凹部ＣＣに対して位置決めしながら、底面ＣＣｃに載置する。次いで、斜面ＰＬ４と斜面ＰＬ５のいずれか一方に、ＵＶ硬化性の接着剤を塗布し、凹部ＣＣに凸部ＣＶを係合させてゆく。斜面ＰＬ４と斜面ＰＬ５とが密着したとき、ホログラム素子１０４ｈのシートＳＴは凸部ＣＶにより全面的に押圧され、ホログラム部ＨＯＥを底面ＣＣｃに密着させることができる。かかる状態で、外部からＵＶ光を照射することで、接着剤を硬化させる。
【００４６】
本実施の形態によれば、凹部ＣＣに凸部ＣＶを係合させることにより、接眼プリズム１０４ｆと偏向プリズム１０４ｇの位置決めが行われ，同時にホログラム素子１０４ｈを押圧固定できるので、接眼プリズム１０４ｆに対してホログラム部ＨＯＥを精度良く位置決めできる。
【００４７】
本実施の形態においても、外光ＯＬは、接眼プリズム１０４ｆと偏向プリズム１０４ｇを透過して、図１５で下方にあるユーザーの瞳で視認される。一方、接眼プリズム１０４ｆを介して導光された画像光ＩＬは、接眼プリズム１０４ｆ内を導光してきた後、斜面ＰＬ５から出射して凹部ＣＣ内のホログラム素子１０４ｈに入射する。
【００４８】
図１６は、本実施の形態の変形例を示す図であり、斜面ＰＬ４，ＰＬ５に直交し凹部ＣＣの中心を通る面で切断した断面図である。上述した実施の形態では、凸部ＣＶの頂面が平面であったのに対し、本変形例では頂面ＣＶａが曲面（紙面に垂直な軸を持つ円筒面）である。
【００４９】
接眼プリズム１０４ｆと偏向プリズム１０４ｇを組み付ける際に，図１６（ａ）に示すように、斜面ＰＬ５の凸部ＣＶを斜面ＰＬ４の凹部ＣＣに接近していったとき、まず頂面ＣＶａの中央が凹部ＣＣに位置決めされたホログラム素子１０４ｈのシートＳＴの中央に当接し、更に斜面ＰＬ４，ＰＬ５同士を接近させると、ホログラム素子１０４ｈに弾性変形が生じることで頂面ＣＶａの中央から周辺にかけてシートＳＴに漸次当接してゆく。これにより，ホログラム部ＨＯＥと底面ＣＣｃとの間に空気が存在していたとしても、最終的に図１６（ｂ）に示す状態では、周辺側に押し出されて気泡として残ることが抑制される。従ってディスプレイユニットの光学特性を高めることができる。
【００５０】
図１７、１８は、更に別な変形例を示す図である。図１７の例では、凸部ＣＶの頂面ＣＶａと、凹部ＣＣの底面ＣＣｃとが、それぞれ曲率半径が等しい曲面を有している。一方、図１８の例では、凸部ＣＶの凸状曲面である頂面ＣＶａと、凹部ＣＣの凹状曲面である底面ＣＣｃとが、曲面を有しているが、その曲率半径が互いに異なっている。頂面ＣＶａの曲率半径が、底面ＣＣｃの曲率半径より大きいと好ましい。各部の曲率半径は、気泡を押し出す効果を考慮して最適な値を選択できる。尚、以上の実施の形態において、凹部ＣＣに対して凸部ＣＶを傾けながらホログラム素子１０４ｈに当接させて行くことで、気泡を反対側に押し出すように組み付けることもできる。又、底面ＣＣｃに倣ってホログラム部ＨＯＥを曲面とすることで、形成される虚像のピント位置ズレの影響を抑制できる。
【００５１】
（第３の実施の形態）
図１９は、第３の実施の形態にかかる接眼プリズム１０４ｆの斜面を示す斜視図である。図２０は、第３の実施の形態にかかる接眼プリズム１０４ｆと偏向プリズム１０４ｇの斜面を示す斜視図である。図２１は、接眼プリズム１０４ｆと偏向プリズム１０４ｇを接合した状態で、図２０のXXI-XXI線（円柱状突起ＣＹの中心を通り、ホログラム素子１０４ｈの短手方向に沿って伸びる線）を通る面で切断して矢印方向に見た図である。
【００５２】
本実施の形態においては、ホログラム素子１０４ｈは、ＰＥＴ製の矩形状シートＳＴ上に、より長さの短いホログラム部ＨＯＥを積層しており、矩形状シートＳＴ上にはホログラム部ＨＯＥを挟んで両側に円形開口ＣＨを形成している。円形開口ＣＨの位置は、ホログラム部ＨＯＥの干渉縞パターンに対して精度良く位置決めされている。ホログラム素子１０４ｈの製造方法としては、パンチ等で円形開口ＣＨを形成した矩形状シートＳＴ上に感光材を貼り付けて、更に円形開口ＣＨを用いて治具等に固定した上で、可干渉性のレーザー光束を２方向から感光材に照射することにより、円形開口ＣＨに対して方向付けされたホログラム部ＨＯＥを形成することができる。
【００５３】
一方、接眼プリズム１０４ｆの斜面ＰＬ５における凹部ＣＣの底面ＣＣｃには、円形開口ＣＨの内径と略等しい外径を持つ円柱部ＣＹ（本実施の形態では突起を構成する）が２本植設されている。円形開口ＣＨの内径と円柱部ＣＹの外径は互いに嵌め合い公差の範囲内に収まるように形成されている。円柱部ＣＹの高さは、凹部ＣＣの深さより長くなっており、従って円柱部ＣＹは斜面ＰＬ５より外側に突出している。凹部ＣＣと円柱部ＣＹは、接眼プリズム１０４ｆの成形時に同時に形成できる。
【００５４】
更に、偏向プリズム１０４ｇの斜面ＰＬ４には、円柱部ＣＹの外径に等しい内径を持つ一対の袋孔ＢＨ（本実施の形態では窪みを構成する）が形成されている。袋孔ＢＨも、偏向プリズム１０４ｇの成形時に同時に成形できる。
【００５５】
組み付け時において、接眼プリズム１０４ｆの凹部ＣＣの平面である底面ＣＣｃに粘着剤を塗布して凹部ＣＣ内に付与した後、図１９に示すように、凹部ＣＣの円柱部ＣＹに円形開口ＣＨを対向させながら、ホログラム素子１０４ｈを凹部ＣＣに接近させ、円形開口ＣＨに円柱部ＣＹを係合させて通過させつつ、ホログラム素子１０４ｈを底面ＣＣｃに載置する。ホログラム部ＨＯＥを挟んで両側に一対の円形開口ＣＨを設けることで相互の間隔が広がり、従って円形開口ＣＨを円柱部ＣＹに係合させることで、精度の良い位置決めを行える。このとき、粘着剤の効果により底面ＣＣｃが矩形状シートＳＴと密着することとなる。
【００５６】
本実施の形態によれば、円形開口ＣＨに円柱部ＣＹを係合させることで、斜面ＰＬ５に対してホログラム素子１０４ｈ，すなわちホログラム部ＨＯＥが精度良く位置決めされることとなる。
【００５７】
かかる状態で、凹部ＣＣ内をＵＶ硬化性の接着剤で満たした状態で、図２０に示すように、円柱部ＣＹを袋孔ＢＨに挿入するようにして、斜面ＰＬ４，ＰＬ５同士を合わせ込む。図２１に示すように、円柱部ＣＹを袋孔ＢＨに係合しつつ斜面ＰＬ４，ＰＬ５同士が密着したとき、ホログラム素子１０４ｈは接眼プリズム１０４ｆに対して精度良い位置となる。その後、外部からＵＶ光を照射することで、凹部ＣＣ内の接着剤を硬化させて、接眼プリズム１０４ｆと偏向プリズム１０４ｇを接合することができる。
【００５８】
尚、例えば凹部ＣＣに一対の円柱部を設ける代わりに、円筒状袋孔を形成し、ホログラム素子１０４ｈの矩形状シートＳＴに、対応する円筒状突起を形成して、円筒状袋孔に円筒状突起を係合させることで、ホログラム素子１０４ｈの位置決めを行うこともできる。かかる場合、接眼プリズム１０４ｆと偏向プリズム１０４ｇとの位置決めは、両者の側面を用いれば良く、袋孔ＢＨは不要となる。更に、１つの円形開口ＣＨに１つの円柱部ＣＹを係合させることで、図６（ｂ）に示すＸＹ方向の位置決めを行い、矩形状シートＳＴの外周の一部を凹部ＣＣに当接させることで、θ方向の位置決めを行うこともできる。
【００５９】
図２２は、本実施の形態にかかる変形例であるホログラム素子の上面図である。本変形例では、矩形状シートＳＴに，円形開口の代わりに切欠ＣＴを形成している。切欠ＣＴは、略円形状の係合部ＣＴａと、係合部ＣＴａから端部側に延在する延在部ＣＴｂとからなる。本変形例では、円柱部ＣＹが係合部ＣＴａに係合することで、ホログラム素子１０４ｈの位置決めを行うようになっている。本変形例のように構成することで、ホログラム素子１０４ｈの設置作業が容易になり、また、感光材への光照射時の発熱に起因するホログラム素子１０４ｈの変形が生じ難くなる、等のメリットがある。
【００６０】
上記各実施形態においては、接眼プリズム１０４ｆを第１プリズムとして、これに形成した凹部にホログラム素子１０４ｈを配置したが、これに限るものではなく、虚像の歪みを補正するための補助光学部材としての偏向プリズム１０４ｇを第１プリズムとし、図２３に示すように、この偏向プリズム１０４ｇに形成した凹部内にホログラム素子１０４ｈを配置してもよい。この場合、図２３に示すように、第２プリズムとしての接眼プリズム１０４ｆの斜面ＰＬ５に、偏向プリズム１０４ｇの斜面ＰＬ４に設けられた凹部ＣＣに対応する凸部を設けてもよいし、斜面ＰＬ５を平坦にしてもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１００            ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）
１０１            フレーム
１０１ａ            前方部
１０１ｂ            側部
１０１ｃ            側部
１０１ｄ            長孔
１０１ｅ            長孔
１０２            眼鏡レンズ
１０３            主本体部
１０４            ディスプレイユニット
１０４Ａ            画像形成部
１０４Ｂ            画像表示部
１０４ＤＲ        表示制御部
１０４ａ            光源
１０４ｂ            一方向拡散板
１０４ｃ            集光レンズ
１０４ｄ            表示素子
１０４ｆ            接眼プリズム（第２プリズム）
１０４ｇ            偏向プリズム（第１プリズム）
１０４ｈ            ホログラム素子
１０４ｈａ        一辺
１０４ｈｂ        一辺
１０５            近接センサ
１０５ａ          受光部
１０６            カメラ
１０６ａ          レンズ
１０７            右副本体部
１０７ａ            突起状体
１０８            左副本体部
１０８ａ            突起状体
１０９            地磁気センサ
１１０            加速度センサ
１１１Ｂ            マイク
１２１            プロセッサー
１２２            操作部
１２３            ＧＰＳ受信部
１２４            通信部
１２７            バッテリー
１２８            電源回路
１２９            ストレージデバイス
ＡＤ            粘着剤
Ｂ            瞳孔
ＢＤ            接着剤
ＢＨ            袋孔
ＣＣ            凹部
ＣＣａ            上方側面
ＣＣｂ            左方側面
ＣＣｃ            底面
ＣＣｄ            皿状部
ＣＣｅ            周溝
ＣＤ            コード
ＣＨ            円形開口
ＣＴ            切欠
ＣＴａ            係合部
ＣＴｂ            延在部
ＣＴＵ            制御ユニット
ＣＶ            凸部
ＣＶａ            頂面
ＣＹ            円柱部
ＨＯＥ            ホログラム部
ＨＳ            配線
ＩＬ            画像光
ＯＬ            外光
ＰＬ１            基端面
ＰＬ２            内向主面
ＰＬ３            外向主面
ＰＬ４            斜面
ＰＬ５            斜面
ＳＴ            矩形状シート
ＴＰ            テーパー部
【図１】
2017003757.tif 000003
【図２】
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【図３】
2017003757.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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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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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図７】
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【図１５】
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