JP2010256631A - Hologram optical element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、反射型で体積位相型のホログラム光学素子（以下、ＨＯＥとも称する）に関するものである。 The present invention relates to a reflection type volume phase hologram optical element (hereinafter also referred to as HOE).
反射型で体積位相型のＨＯＥは、その波長選択性・角度選択性により、特定の波長領域の光束のみを任意の方向に導くことが可能であることから、高いシースルー性と光学レンズ特性とを併せ持つ薄型の光学素子として有用である。 The reflection type volume phase type HOE can guide only a light beam in a specific wavelength region in an arbitrary direction due to its wavelength selectivity and angle selectivity, and thus has high see-through property and optical lens characteristics. It is useful as a thin optical element.
例えば、表示素子からの映像光を観察者の瞳の方向に反射させると同時に、外界光を透過させるコンバイナとして反射型のＨＯＥを用いることで、表示映像の虚像に外界を重ね合わせて観察可能なシースルーの映像表示装置や、それを備えたヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも称する）およびヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤとも称する）を実現することが可能である。このようなシースルーの映像表示装置を使用すれば、観察者は前方から視線をそらせることなく、映像表示装置から必要な情報を追加で観察可能である。したがって、このような映像表示装置は、様々なシーンで非常に有用なものとなる。 For example, by reflecting the image light from the display element in the direction of the observer's pupil and at the same time using a reflective HOE as a combiner that transmits the external light, the external image can be superimposed on the virtual image of the display image and observed. It is possible to realize a see-through video display device, a head mounted display (hereinafter also referred to as HMD) and a head-up display (hereinafter also referred to as HUD) including the see-through video display device. By using such a see-through video display device, the observer can additionally observe necessary information from the video display device without diverting his gaze from the front. Therefore, such a video display device is very useful in various scenes.
ところで、ＨＯＥは回折光学素子なので、ＨＯＥに入射した光は波長によって異なる方向に回折する。このため、波長による分散（色分散）が生じ、ＨＯＥを映像表示装置に適用した場合に、ＨＯＥの色分散に起因する横色収差が発生する。 By the way, since the HOE is a diffractive optical element, the light incident on the HOE is diffracted in different directions depending on the wavelength. For this reason, dispersion due to wavelength (chromatic dispersion) occurs, and lateral chromatic aberration due to chromatic dispersion of HOE occurs when HOE is applied to an image display device.
そこで、例えば特許文献１では、画面中心とＨＯＥで対応する領域（以下、中心部とも称する）で正反射に近い入射・反射特性となるようにＨＯＥを使用することで、画面中心でＨＯＥの色分散の影響を抑え、横色収差を低減している。 Therefore, for example, in Patent Document 1, the color of the HOE at the center of the screen is obtained by using the HOE so that the region corresponding to the center of the screen and the HOE (hereinafter also referred to as the center) has an incident / reflection characteristic close to regular reflection. The influence of dispersion is suppressed and lateral chromatic aberration is reduced.
また、近年、映像表示装置における視認性向上のため、ＨＯＥに対して様々な工夫が施されている。例えば特許文献２の装置では、ＨＯＥの中心部よりも周辺部の回折効率を低くすることで、表示映像の虚像と外界との目障りな境界（虚像の枠、エッジ）を不鮮明化している。また、例えば特許文献３の装置では、観察者の視線の変化やホログラムの取り付け角度の変化に対して明るさの低下と表示像のボケを防止するために、高効率狭帯域部と低効率広帯域部とからなり、かつ、これらの帯域の回折効率ピーク波長を一致させたＨＯＥを用いている。つまり、ＨＯＥの高効率狭帯域部によって表示像のボケを低減し、低効率広帯域部によって表示像のボケをあまり感じさせないで明るさの増大を図っている。 In recent years, various ideas have been applied to HOE in order to improve the visibility of video display devices. For example, in the apparatus of Patent Document 2, the diffractive efficiency of the peripheral portion is lower than the central portion of the HOE, thereby blurring an unsightly boundary (virtual image frame, edge) between the virtual image of the display image and the outside world. For example, in the apparatus of Patent Document 3, a high-efficiency narrowband portion and a low-efficiency broadband are used to prevent a decrease in brightness and a blurring of a display image with respect to a change in the line of sight of the observer or a change in the hologram mounting angle. HOE having the same diffraction efficiency peak wavelength in these bands is used. In other words, the high-efficiency narrow band portion of the HOE reduces the blur of the display image, and the low-efficiency broadband portion increases the brightness without causing the display image to be blurred much.
特許文献１のように、ＨＯＥの中心部で正反射に近い入射・反射特性となるようにＨＯＥを使用する場合、ＨＯＥに光学レンズとしての特性（光学パワー）を持たせると、画面中心で横色収差が発生しないようにしても、画面周辺でＨＯＥの色分散による横色収差が発生する。この画面周辺での横色収差については、ＨＯＥに極端に強い光学パワーを持たせなければ、ＨＯＥの色分散による影響を他の光学系の分散で打ち消して、実用上問題とならない範囲に抑えることができる。しかし、これは映像の観察画角が小さい場合だけであり、観察画角が大きくなるにつれて、画面周辺でのＨＯＥの色分散の影響を無視することができなくなり、画面周辺での横色収差が増大する。 As in Patent Document 1, when using the HOE so that the incident / reflection characteristics are close to regular reflection at the center of the HOE, if the HOE has characteristics (optical power) as an optical lens, Even if chromatic aberration does not occur, lateral chromatic aberration due to chromatic dispersion of HOE occurs around the screen. Regarding the lateral chromatic aberration around the screen, unless the HOE has an extremely strong optical power, the influence of the chromatic dispersion of the HOE is canceled by the dispersion of the other optical system, and is suppressed to a range where there is no practical problem. it can. However, this is only when the viewing angle of view of the image is small. As the viewing angle of view increases, the influence of HOE color dispersion around the screen cannot be ignored, and lateral chromatic aberration around the screen increases. To do.
また、特許文献２のように、ＨＯＥの中心部よりも周辺部の回折効率を低くすると、画面周辺は暗くなり、画面全体を明るく観察することはできない。さらに、特許文献３の構成では、ＨＯＥが低効率広帯域部を有しており、回折波長幅が広いので、特許文献１の場合と同様に、例えば画面周辺においてＨＯＥの色分散に起因する横色収差が生じる。 Further, as in Patent Document 2, if the diffraction efficiency of the peripheral portion is made lower than the central portion of the HOE, the periphery of the screen becomes dark and the entire screen cannot be observed brightly. Further, in the configuration of Patent Document 3, since the HOE has a low-efficiency broadband portion and has a wide diffraction wavelength width, as in Patent Document 1, for example, lateral chromatic aberration caused by chromatic dispersion of HOE around the screen. Occurs.
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、画面周辺でのＨＯＥの色分散の影響が無視できなくなるような、観察画角の大きい映像表示装置やＨＭＤおよびＨＵＤに適用したときでも、画面全体にわたって画質が良好で（横色収差の小さい）、明るい映像を観察させることができるＨＯＥを提供することにある。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. The object of the present invention is to provide an image display apparatus, an HMD, and an image display apparatus having a large observation angle of view so that the influence of color dispersion of HOE around the screen cannot be ignored. An object of the present invention is to provide an HOE that can observe a bright image with good image quality (small lateral chromatic aberration) over the entire screen even when applied to HUD.
本発明のホログラム光学素子は、反射型で体積位相型のホログラム光学素子であって、面内の領域によって回折波長の半値幅が異なることを特徴としている。 The hologram optical element of the present invention is a reflection-type volume phase hologram optical element, and is characterized in that the half-value width of the diffraction wavelength differs depending on the in-plane region.
本発明のホログラム光学素子において、前記回折波長の半値幅の最大の領域から周辺に向かって、前記回折波長の半値幅が狭くなることが望ましい。 In the hologram optical element of the present invention, it is desirable that the half-value width of the diffraction wavelength becomes narrower from the region having the maximum half-value width of the diffraction wavelength toward the periphery.
本発明のホログラム光学素子は、前記回折波長の半値幅の変化が対称となる少なくとも１本の対称軸を有し、前記対称軸の少なくとも一部を含む領域で前記回折波長の半値幅が最大であり、前記領域から前記対称軸に垂直な方向の周辺に向かって、前記回折波長の半値幅が狭くなることが望ましい。 The hologram optical element of the present invention has at least one symmetry axis in which the change in the half-value width of the diffraction wavelength is symmetric, and the half-value width of the diffraction wavelength is maximum in a region including at least a part of the symmetry axis. It is desirable that the half-value width of the diffraction wavelength becomes narrower from the region toward the periphery in the direction perpendicular to the symmetry axis.
本発明のホログラム光学素子において、前記回折波長の半値幅は、複数の領域間で段階的に変化してもよい。 In the hologram optical element of the present invention, the half width of the diffraction wavelength may change stepwise between a plurality of regions.
本発明のホログラム光学素子において、前記回折波長の半値幅は、複数の領域間で連続的に変化してもよい。 In the hologram optical element of the present invention, the half-value width of the diffraction wavelength may continuously change between a plurality of regions.
本発明のホログラム光学素子は、前記領域により膜厚が異なっていてもよい。 The hologram optical element of the present invention may have a different film thickness depending on the region.
本発明のホログラム光学素子において、最大回折効率は、領域によらずほぼ一定値であってもよい。 In the hologram optical element of the present invention, the maximum diffraction efficiency may be a substantially constant value regardless of the region.
本発明のホログラム光学素子において、回折波長の半値幅の異なる２領域のうち、半値幅がより広い領域を第１の領域とし、半値幅がより狭い領域を第２の領域とすると、半値幅の異なるどの２領域についても、第１の領域の膜厚は、第２の領域の膜厚よりも薄くてもよい。 In the hologram optical element of the present invention, of two regions having different half-value widths of diffraction wavelengths, a region having a larger half-value width is defined as a first region and a region having a smaller half-value width is defined as a second region. In any two different regions, the film thickness of the first region may be smaller than the film thickness of the second region.
本発明のホログラム光学素子において、表面がシリンドリカル面であってもよい。 In the hologram optical element of the present invention, the surface may be a cylindrical surface.
本発明のホログラム光学素子は、シリンドリカル形状に曲げた基板上に、ホログラム感材液を塗布して作製されてもよい。 The hologram optical element of the present invention may be produced by applying a hologram sensitive material liquid on a substrate bent into a cylindrical shape.
本発明のホログラム光学素子は、領域によってホログラムの屈折率変調（Δｎ）が異なっていてもよい。 In the hologram optical element of the present invention, the refractive index modulation (Δn) of the hologram may differ depending on the region.
本発明のホログラム光学素子は、レーザ光の２光束干渉により作製されるとともに、作製時のレーザ光の露光量が領域によって異なり、回折波長の半値幅の異なる２領域のうち、半値幅がより広い領域を第１の領域とし、半値幅がより狭い領域を第２の領域とすると、半値幅の異なるどの２領域についても、第１の領域における露光量は、第２の領域における露光量よりも高くてもよい。 The hologram optical element of the present invention is manufactured by two-beam interference of laser light, and the exposure amount of the laser light at the time of manufacture differs depending on the region, and the half-value width is wider among the two regions having different half-value widths of diffraction wavelengths. Assuming that the region is the first region and the region having a narrower half-value width is the second region, the exposure amount in the first region is higher than the exposure amount in the second region for any two regions having different half-value widths. It may be high.
本発明のホログラム光学素子は、レーザ光の２光束干渉により作製されるとともに、レーザ光の露光後の熱処理温度が領域によって異なり、回折波長の半値幅の異なる２領域のうち、半値幅がより広い領域を第１の領域とし、半値幅がより狭い領域を第２の領域とすると、半値幅の異なるどの２領域についても、第１の領域における熱処理温度は、第２の領域における熱処理温度よりも高くてもよい。 The hologram optical element of the present invention is manufactured by two-beam interference of laser light, and the heat treatment temperature after exposure of the laser light varies depending on the region, and the half-value width is wider among the two regions having different half-value widths of diffraction wavelengths. When the region is the first region and the region having a narrower half width is the second region, the heat treatment temperature in the first region is higher than the heat treatment temperature in the second region for any two regions having different half widths. It may be high.
本発明のホログラム光学素子は、レーザ光の２光束干渉により作製されるとともに、レーザ光の露光後の熱処理時間が領域によって異なり、回折波長の半値幅の異なる２領域のうち、半値幅がより広い領域を第１の領域とし、半値幅がより狭い領域を第２の領域とすると、半値幅の異なるどの２領域についても、第１の領域における熱処理時間は、第２の領域における熱処理時間よりも長くてもよい。 The hologram optical element of the present invention is manufactured by two-beam interference of laser light, and the heat treatment time after exposure of the laser light varies depending on the region, and the half width is wider among the two regions having different half widths of the diffraction wavelengths. Assuming that the region is the first region and the region having a smaller half width is the second region, the heat treatment time in the first region is longer than the heat treatment time in the second region for any two regions having different half widths. It may be long.
本発明では、ＨＯＥの面内の領域によって回折波長の半値幅が異なるので、例えば、ＨＯＥの周辺部の半値幅を中心部よりも狭めることにより、ＨＯＥの中心部で正反射に近い入射・反射特性となるようにＨＯＥを使用したときでも、ＨＯＥの周辺部を通る光に対する、ＨＯＥの色分散の影響を低減することができる。一方、ＨＯＥの中心部では、周辺部よりも広い半値幅によって光の利用効率を高めることができる。なお、例えばＨＯＥの周辺部の半値幅を狭めても、周辺部で最大回折効率が著しく低下することはない。 In the present invention, since the half-value width of the diffraction wavelength varies depending on the in-plane region of the HOE, for example, by making the half-value width of the peripheral portion of the HOE narrower than the center portion, incidence / reflection near the regular reflection at the center portion of the HOE. Even when the HOE is used so as to have the characteristics, the influence of the color dispersion of the HOE on the light passing through the peripheral portion of the HOE can be reduced. On the other hand, in the central part of the HOE, the light use efficiency can be increased by a half width wider than that in the peripheral part. For example, even if the half width at the periphery of the HOE is narrowed, the maximum diffraction efficiency is not significantly reduced at the periphery.
このように、本発明によれば、ＨＯＥの周辺部を通る光に対する、ＨＯＥの色分散の影響を低減できるので、画面周辺でのＨＯＥの色分散の影響が無視できなくなるような、観察画角の大きい映像表示装置に好適なＨＯＥを実現することができる。そして、本発明のＨＯＥを観察画角の大きい映像表示装置やＨＭＤ、ＨＵＤなどに適用したときでも、画面全体にわたって画質の良好な（横色収差の小さい）、明るい映像を観察させることができ、優れたレンズ特性を有する光学素子としてＨＯＥを機能させることができる。 As described above, according to the present invention, since the influence of the HOE color dispersion on the light passing through the peripheral portion of the HOE can be reduced, the viewing angle of view is such that the influence of the HOE color dispersion around the screen cannot be ignored. HOE suitable for a large video display device can be realized. Even when the HOE of the present invention is applied to an image display device with a large observation angle of view, HMD, HUD, etc., it is possible to observe a bright image with good image quality (small lateral chromatic aberration) over the entire screen, which is excellent. HOE can be made to function as an optical element having excellent lens characteristics.
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
反射型で体積位相型のＨＯＥは、可干渉性の２光束を用いてホログラム感光材料を露光し、２光束による干渉縞をホログラム感光材料に記録することにより作製される。ホログラム感光材料としては、フォトポリマー、銀塩材料、重クロム酸ゼラチンなどが挙げられるが、中でもドライプロセスで製造できるフォトポリマーが望ましい。 The reflection type volume phase type HOE is manufactured by exposing the hologram photosensitive material using two coherent light beams and recording interference fringes due to the two light beams on the hologram photosensitive material. Examples of the hologram photosensitive material include a photopolymer, a silver salt material, and dichromated gelatin. Among them, a photopolymer that can be manufactured by a dry process is preferable.
本発明のＨＯＥは、面内の領域によって回折波長の半値幅が異なるように作製される。例えば、本発明のＨＯＥでは、入射光束の中心光線付近の光が入射する領域（中心部）では回折波長の半値幅が広く、その周辺の光が入射する領域（周辺部）では、回折波長の半値幅が狭い。なお、回折波長の半値幅とは、ここでは、回折効率ピークの半値波長幅のことを指す。本実施形態では、ＨＯＥ（ホログラム感光材料）の膜厚を制御したり、作製条件（露光量、露光後処理（温度、時間））を制御してホログラムの屈折率変調（Δｎ）を制御することにより、回折波長の半値幅を容易にかつ領域ごとに任意の値に制御している。以下、本発明のＨＯＥについて、具体的に説明する。 The HOE of the present invention is manufactured so that the half width of the diffraction wavelength varies depending on the in-plane region. For example, in the HOE of the present invention, the half-value width of the diffraction wavelength is wide in the region (center portion) where the light near the central ray of the incident light beam is incident, and the diffraction wavelength of the region (peripheral portion) where the surrounding light is incident is wide. The full width at half maximum is narrow. In addition, the half value width of a diffraction wavelength here refers to the half value wavelength width of a diffraction efficiency peak. In this embodiment, the refractive index modulation (Δn) of the hologram is controlled by controlling the film thickness of the HOE (hologram photosensitive material) or by controlling the production conditions (exposure amount, post-exposure processing (temperature, time)). Thus, the half-value width of the diffraction wavelength is easily controlled to an arbitrary value for each region. Hereinafter, the HOE of the present invention will be specifically described.
〔１．膜厚による半値幅制御〕
まず、ＨＯＥの膜厚と回折波長の半値幅との関係について説明する。図１は、ＨＯＥの回折特性を示す説明図である。ＨＯＥの回折波長の半値幅は、一般的に次式で概算することが可能である（ホログラフィ入門、久保田敏弘著、朝倉書店、参照）。
Δλ＝λ2／（Ｔ（ｎ±（ｎ2−ｓｉｎ2θ）1/2）） （反射型：＋、透過型：−）
Δλ：回折波長の半値幅（ｎｍ）
λ：回折波長（ｎｍ）
Ｔ：ＨＯＥの膜厚（μｍ）
ｎ：ＨＯＥの平均屈折率
θ：ＨＯＥの作製時の物体光と参照光との角度差（°）
[1. (Half width control by film thickness)
First, the relationship between the film thickness of the HOE and the half width of the diffraction wavelength will be described. FIG. 1 is an explanatory diagram showing diffraction characteristics of HOE. The half-value width of the diffraction wavelength of HOE can generally be estimated by the following equation (see Introduction to Holography, Toshihiro Kubota, Asakura Shoten).
Δλ = λ 2 / (T (n ± (n 2 −sin 2 θ) 1/2 )) (reflection type: +, transmission type: −)
Δλ: half width of diffraction wavelength (nm)
λ: diffraction wavelength (nm)
T: HOE film thickness (μm)
n: Average refractive index of HOE θ: Angle difference (°) between object beam and reference beam at the time of manufacturing HOE
例えば、θ＝１８０°、ｎ＝１．５、λ＝５２０ｎｍとすると、反射型のＨＯＥにおいて、回折波長の半値幅Δλは、上式より、Δλ＝（５２０）2／３Ｔと表される。図２は、このときのＨＯＥの膜厚Ｔと回折波長の半値幅Δλとの関係を示している。図２より、反射型ＨＯＥ（リップマンホログラム）の回折波長の半値幅Δλは、ＨＯＥの膜厚Ｔに依存していることが分かる。したがって、領域によって膜厚を異ならせることにより、領域によって回折波長の半値幅を異ならせることができる。 For example, when θ = 180 °, n = 1.5, and λ = 520 nm, the half-value width Δλ of the diffraction wavelength is expressed as Δλ = (520) 2 / 3T from the above equation in the reflective HOE. FIG. 2 shows the relationship between the film thickness T of the HOE and the half-value width Δλ of the diffraction wavelength at this time. FIG. 2 shows that the half-value width Δλ of the diffraction wavelength of the reflective HOE (Lippmann hologram) depends on the film thickness T of the HOE. Therefore, by varying the film thickness depending on the region, the half width of the diffraction wavelength can be varied depending on the region.
以下、領域によって膜厚が異なる（領域によって回折波長の半値幅が異なる）ＨＯＥの実施例について、実施例１および２として説明する。 Hereinafter, examples of the HOE in which the film thickness varies depending on the region (the half-value width of the diffraction wavelength varies depending on the region) will be described as Examples 1 and 2.
（実施例１）
図３は、実施例１のＨＯＥ１の概略の構成を示す平面図である。なお、図３では、膜厚の異なる領域については異なるハッチングで示している。また、図４は、図３のＡ−Ａ’線上のＨＯＥ１のポジション（領域）と膜厚との関係を示す説明図である。なお、Ａ−Ａ’線は、後述する対称軸Ｓ1と同軸または平行であり、後述する対称軸Ｓ2と垂直である。
Example 1
FIG. 3 is a plan view illustrating a schematic configuration of the HOE 1 according to the first embodiment. In FIG. 3, regions having different film thicknesses are indicated by different hatching. FIG. 4 is an explanatory diagram showing the relationship between the position (region) of the HOE 1 on the line AA ′ in FIG. 3 and the film thickness. The AA ′ line is coaxial or parallel to a later-described symmetry axis S 1 and is perpendicular to a later-described symmetry axis S 2 .
実施例１のＨＯＥ１は、面内に複数の領域Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3を有し、全体として矩形形状となっている。領域Ｒ1はＨＯＥ１の中心Ｏを含む矩形の領域であり、領域Ｒ2は領域Ｒ1の周辺に位置する矩形の領域（領域Ｒ1を囲む領域）であり、領域Ｒ3はさらに領域Ｒ2の周辺に位置する矩形の領域（領域Ｒ2を囲む領域）である。なお、面内の領域の数は、上記の３つに限定されるわけではない。そして、図４に示すように、ＨＯＥ１の膜厚は、領域Ｒ1で最も薄く、一番外側の領域Ｒ3で最も厚く、領域Ｒ2でそれらの間の膜厚となっている。 The HOE 1 of the first embodiment has a plurality of regions R 1 , R 2 , R 3 in the plane and has a rectangular shape as a whole. Region R 1 is a rectangular region including the center O of the HOE 1, region R 2 is rectangular region around the region R 1 (the area surrounding the region R 1), region R 3 is further region R 2 Is a rectangular region (region surrounding the region R 2 ) located around Note that the number of in-plane regions is not limited to the above three. As shown in FIG. 4, the thickness of the HOE 1 is the smallest in the region R 1 , the thickest in the outermost region R 3 , and the thickness between them in the region R 2 .
領域Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3ごとに膜厚の異なるＨＯＥ１は、以下のようにして作製することが可能である。例えば、フィルム状のホログラム感光材料を用いる場合は、領域Ｒ1＋領域Ｒ2＋領域Ｒ3の形状、領域Ｒ2＋領域Ｒ3の形状、領域Ｒ3の形状の３つのホログラム感光材料を用意しておき、互いに位置合わせをしながら（領域Ｒ3同士、領域Ｒ2同士が重なるように）これらを順に積層した後、２光束で露光することにより、領域ごとに膜厚の異なるＨＯＥ１を得ることができる。 The HOE 1 having a different film thickness for each of the regions R 1 , R 2 , and R 3 can be manufactured as follows. For example, when a film-shaped hologram photosensitive material is used, three hologram photosensitive materials having the shape of region R 1 + region R 2 + region R 3 , region R 2 + region R 3 , and shape of region R 3 are prepared. ; then, after laminating with the mutually aligned (region R 3 together, as the region R 2 overlap each other) them sequentially, by exposing with two beams, to obtain a film thickness different HOE1 for each area be able to.
本実施例のＨＯＥ１では、領域Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3ごとに膜厚が異なっているので、図２で示した関係により、ＨＯＥ１の回折波長の半値幅を領域Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3ごとに容易に異ならせることができる。図５は、図３のＡ−Ａ’線上のＨＯＥ１のポジションと回折波長の半値幅との関係を示す説明図である。図４に示した膜厚分布の結果、図５に示すように、膜厚の最も薄い領域Ｒ1で回折波長の半値幅が最も広く、膜厚の最も厚い領域Ｒ3で回折波長の半値幅が最も狭く、領域Ｒ2でそれらの間の半値幅となっている。 In HOE1 of the present embodiment, since the film thickness is different for each area R 1, R 2, R 3, the relationship shown in FIG. 2, a region R 1 to the half-width of the diffraction wavelength of HOE1, R 2, R Every 3 can be easily different. FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the position of the HOE 1 on the line AA ′ in FIG. 3 and the half-value width of the diffraction wavelength. As a result of the film thickness distribution shown in FIG. 4, as shown in FIG. 5, the half-value width of the diffraction wavelength is widest in the thinnest region R 1 and the half-value width of the diffraction wavelength in the thickest region R 3. but the narrowest, and has a half-value width therebetween in the region R 2.
以上のように、本実施例では、ＨＯＥ１の面内の領域Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3によって回折波長の半値幅が異なるので、図５で示したように、回折波長の半値幅が最も内側の領域Ｒ1よりも最も外側の領域Ｒ3で狭いＨＯＥ１を実現することができる。これにより、ＨＯＥ１を例えば後述する映像表示装置に適用し、ＨＯＥ１の中心部（例えば領域Ｒ1）で正反射に近い入射・反射特性となるようにＨＯＥ１を使用したときでも、ＨＯＥ１の周辺部（例えば領域Ｒ3）を通る光に対する、ＨＯＥ１の色分散の影響を低減することができる。 As described above, in this embodiment, since the half-value width of the diffraction wavelength varies depending on the regions R 1 , R 2 , and R 3 in the plane of the HOE 1 , the half-value width of the diffraction wavelength is the innermost as shown in FIG. A narrow HOE 1 can be realized in the outermost region R 3 of the region R 1 . Thus, even when the HOE 1 is applied to, for example, a video display device to be described later, and the HOE 1 is used so as to have an incident / reflection characteristic close to regular reflection at the center of the HOE 1 (for example, the region R 1 ), the peripheral portion of the HOE 1 ( For example, the influence of the chromatic dispersion of the HOE 1 on the light passing through the region R 3 ) can be reduced.
したがって、画面周辺でのＨＯＥの色分散の影響が無視できなくなるような、観察画角の大きい映像表示装置に好適なＨＯＥ１を実現することができる。そして、本実施例のＨＯＥ１を観察画角の大きい映像表示装置やＨＭＤ、ＨＵＤなどに適用したときでも、画面全体にわたって画質が良好な（横色収差の小さい）映像を観察させることができ、優れたレンズ特性を有する光学素子としてＨＯＥを機能させることができる。 Accordingly, it is possible to realize HOE 1 suitable for a video display device having a large observation angle of view so that the influence of color dispersion of HOE around the screen cannot be ignored. Even when the HOE 1 of the present embodiment is applied to an image display device with a large observation angle of view, HMD, HUD, etc., an image with good image quality (small lateral chromatic aberration) can be observed over the entire screen. The HOE can function as an optical element having lens characteristics.
また、図６は、図３のＡ−Ａ’線上のＨＯＥ１のポジションと回折効率との関係を示す説明図である。なお、ここでは、ＨＯＥ１は、単色（例えば緑色）についてのみ感度を有するホログラム感光材料を露光することによって作製されているものとする。ＨＯＥ１の膜厚が厚くなると、干渉縞の層数が多くなるので回折効率は上がるが、実施例１では、複数の領域Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3にわたってほぼ一定の回折効率（例えば８５％以上）を確保できていることが分かる。つまり、本実施例のように、ＨＯＥ１の周辺部（例えば領域Ｒ3）の半値幅を狭めても、周辺部で最大回折効率が著しく低下することはない。 FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the position of the HOE 1 on the line AA ′ in FIG. 3 and the diffraction efficiency. Here, it is assumed that the HOE 1 is manufactured by exposing a hologram photosensitive material having sensitivity only for a single color (for example, green). As the film thickness of the HOE 1 increases, the number of interference fringes increases and the diffraction efficiency increases. However, in the first embodiment, the diffraction efficiency is substantially constant over a plurality of regions R 1 , R 2 , R 3 (for example, 85% or more). ). That is, as in the present embodiment, even if the half width of the peripheral portion (for example, the region R 3 ) of the HOE 1 is narrowed, the maximum diffraction efficiency is not significantly reduced in the peripheral portion.
このように、ＨＯＥ１の回折波長の半値幅を領域Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3によって異ならせても、ＨＯＥ１の最大回折効率は、領域Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3によらずほぼ一定値であるので、どの領域Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3でも高い光利用効率を実現することができる。その結果、映像表示装置においては、画面全体にわたって明るい映像を観察させることができる。また、ＨＯＥ１の中心部では周辺部に比べて回折波長の半値幅が広いので、ＨＯＥの全領域について一律に回折波長の半値幅を狭くする方法と比較して、必要な解像度を維持しつつ光利用効率を高くすることができ、有利である。 As described above, even if the half-value width of the diffraction wavelength of HOE 1 is varied depending on the regions R 1 , R 2 , and R 3 , the maximum diffraction efficiency of HOE 1 is substantially constant regardless of the regions R 1 , R 2 , and R 3. Therefore, high light utilization efficiency can be realized in any region R 1 , R 2 , R 3 . As a result, in the video display device, a bright video can be observed over the entire screen. In addition, since the half-value width of the diffraction wavelength is wider in the central portion of the HOE 1 than in the peripheral portion, the light is maintained while maintaining the necessary resolution as compared with the method in which the half-value width of the diffraction wavelength is uniformly narrowed over the entire region of the HOE. The utilization efficiency can be increased, which is advantageous.
また、本実施例のＨＯＥ１においては、回折波長の半値幅の最大の領域Ｒ1から周辺に向かって、回折波長の半値幅が狭くなっている（図３、図５参照）。これにより、ＨＯＥ１の周辺部（例えば領域Ｒ3）の半値幅を狭くして、ＨＯＥの周辺部を通る光に対する、ＨＯＥ１の色分散の影響を確実に低減することができる。また、半値幅の最大の領域Ｒ1では、光の利用効率が最も高くなる。 In the HOE 1 of the present embodiment, the half width of the diffraction wavelength is narrowed from the region R 1 having the maximum half width of the diffraction wavelength toward the periphery (see FIGS. 3 and 5). This makes it possible to narrow the half width of the peripheral portion of the HOE 1 (eg, region R 3), with respect to light passing through a peripheral portion of the HOE, to reliably reduce the effect of chromatic dispersion of HOE 1. In the region R 1 having the maximum half width, the light use efficiency is the highest.
ところで、本実施例では、領域Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3で膜厚が互いに異なっていることと、図３に示したように、ＨＯＥ１の中央の領域Ｒ1の外側に領域Ｒ2が枠状に形成され、さらに領域Ｒ2の外側に領域Ｒ3が枠状に形成されていることから、互いに垂直な２つの対称軸Ｓ1、Ｓ2に対して膜厚の変化が対称となっている。なお、対称軸Ｓ1は、ＨＯＥ１の中心Ｏを通り、矩形形状のＨＯＥ１の長辺方向に平行な軸である。また、対称軸Ｓ2は、ＨＯＥ１の中心Ｏを通り、矩形形状のＨＯＥ１の短辺方向に平行な軸である。これにより、回折波長の半値幅の変化も、対称軸Ｓ1、Ｓ2に対して対称となる。したがって、本実施例のＨＯＥ１は、回折波長の半値幅の変化が対称となる対称軸を２本有していると言える。 By the way, in this embodiment, the thicknesses of the regions R 1 , R 2 , R 3 are different from each other, and as shown in FIG. 3, the region R 2 has a frame outside the central region R 1 of the HOE 1. Jo to be formed, further since the region R 3 outside the region R 2 is formed in a frame shape, change in film thickness with respect to each other the two perpendicular axes of symmetry S 1, S 2 becomes symmetrical Yes. The symmetry axis S 1 is an axis that passes through the center O of the HOE 1 and is parallel to the long side direction of the rectangular HOE 1 . The symmetry axis S 2 is an axis that passes through the center O of the HOE 1 and is parallel to the short-side direction of the rectangular HOE 1. Thereby, the change of the half value width of the diffraction wavelength is also symmetric with respect to the symmetry axes S 1 and S 2 . Therefore, it can be said that the HOE 1 of this embodiment has two symmetry axes in which the change in the half-value width of the diffraction wavelength is symmetric.
そして、本実施例のＨＯＥ１では、対称軸Ｓ1、Ｓ2の一部を含む領域Ｒ1で回折波長の半値幅が最大であり、領域Ｒ1から対称軸Ｓ1、Ｓ2にそれぞれ垂直な方向の周辺に向かって、回折波長の半値幅が狭くなっている。このように、本実施例のＨＯＥ１では、回折波長の半値幅の変化が対称系であるので、ＨＯＥ１の色分散の影響を対称に低減することができる。 Then, in HOE1 of the present embodiment, the half-width of the diffraction wavelength in the region R 1 that includes a portion of the symmetry axis S 1, S 2 is the maximum, respectively from the region R 1 to the symmetry axis S 1, S 2 perpendicular The full width at half maximum of the diffraction wavelength is narrowed toward the periphery of the direction. Thus, in the HOE 1 of the present embodiment, the change in the half-value width of the diffraction wavelength is a symmetric system, so that the influence of the chromatic dispersion of the HOE 1 can be reduced symmetrically.
また、本実施例のＨＯＥ１では、回折波長の半値幅は、複数の領域Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3の間で段階的に変化している（図５参照）。より詳しくは、回折波長の半値幅は、回折波長の半値幅の最大の領域Ｒ1から周辺に向かって（領域Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3の順に）段階的に狭くなっている。ここで、「段階的な変化」とは、１つの領域内では回折波長の半値幅が一定であり、複数の領域間では半値幅が異なるような変化を指す。 Further, in the HOE 1 of the present embodiment, the half width of the diffraction wavelength changes stepwise between the plurality of regions R 1 , R 2 , R 3 (see FIG. 5). More specifically, the half-value width of the diffraction wavelength is gradually reduced from the region R 1 having the maximum half-value width of the diffraction wavelength toward the periphery (in the order of regions R 1 , R 2 , R 3 ). Here, “stepwise change” refers to a change in which the half-value width of the diffraction wavelength is constant in one region and the half-value width is different among a plurality of regions.
このような半値幅の段階的な変化により、例えば、ＨＯＥ１の中心部（例えば領域Ｒ1）では半値幅をそのまま維持し、その周辺部（例えば領域Ｒ2、Ｒ3）の半値幅を変化させることができる。つまり、ＨＯＥ１における必要な部分のみ半値幅を変化させることができ、半値幅の調整、制御が容易となる。 By such a stepwise change in the half-value width, for example, the half-value width is maintained as it is in the central portion (for example, the region R 1 ) of the HOE 1 and the half-value widths in the peripheral portions (for example, the regions R 2 and R 3 ) are changed. be able to. In other words, the half-value width can be changed only in a necessary portion of the HOE 1, and the half-value width can be easily adjusted and controlled.
また、本実施例のＨＯＥ１では、回折波長の半値幅の異なる２領域のうち、半値幅がより広い領域を第１の領域とし、半値幅がより狭い領域を第２の領域とすると、半値幅の異なるどの２領域についても、第１の領域の膜厚は、第２の領域の膜厚よりも薄い関係にある。例えば、第１の領域として領域Ｒ1を考え、第２の領域として領域Ｒ3を考えると、領域Ｒ1の膜厚は、領域Ｒ3の膜厚よりも薄い。また、例えば、第１の領域として領域Ｒ2を考え、第２の領域として領域Ｒ3を考えても、領域Ｒ2の膜厚は、領域Ｒ3の膜厚よりも薄い。このような関係を満たすことにより、回折波長の半値幅が、領域Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3の順に狭くなるＨＯＥ１を実現することができる。 In the HOE 1 of the present embodiment, if two regions having different half-value widths of the diffraction wavelengths are different from each other, a region having a larger half-value width is defined as a first region and a region having a smaller half-value width is defined as a second region. In any two regions different from each other, the film thickness of the first region is smaller than the film thickness of the second region. For example, when the region R 1 is considered as the first region and the region R 3 is considered as the second region, the thickness of the region R 1 is smaller than the thickness of the region R 3 . For example, even if the region R 2 is considered as the first region and the region R 3 is considered as the second region, the thickness of the region R 2 is smaller than the thickness of the region R 3 . By satisfying such a relationship, it is possible to realize the HOE 1 in which the half width of the diffraction wavelength becomes narrower in the order of the regions R 1 , R 2 , R 3 .
ここで、ＨＯＥ１の回折波長の半値幅の最大値をΔλＲmax （ｍｍ）とし、回折波長の半値幅の最小値をΔλＲmin （ｍｍ）としたとき、ΔλＲmin ／ΔλＲmax は、以下の条件式を満足することが望ましい。
０．２５＜ΔλＲmin ／ΔλＲmax ＜０．７５
ΔλＲmin ／ΔλＲmax が大きいと横色収差の補正効果が少なくなる。一方、ΔλＲmin ／ΔλＲmax が小さいと、回折光の強度が低くなり、画面内での輝度差が大きくなる。いずれの場合も、結果として映像品位が低下する。上記の条件式を満足することにより、画面内での輝度差を大きくすることなく横色収差の発生を抑えることができ、良好な映像が得られる。
Here, when the maximum half-value width of the diffraction wavelength of HOE 1 is ΔλRmax (mm) and the minimum half-value width of the diffraction wavelength is ΔλRmin (mm), ΔλRmin / ΔλRmax satisfies the following conditional expression. Is desirable.
0.25 <ΔλRmin / ΔλRmax <0.75
When ΔλRmin / ΔλRmax is large, the lateral chromatic aberration correction effect is reduced. On the other hand, if ΔλRmin / ΔλRmax is small, the intensity of the diffracted light becomes low and the luminance difference in the screen becomes large. In either case, the video quality is degraded as a result. By satisfying the above conditional expression, the occurrence of lateral chromatic aberration can be suppressed without increasing the luminance difference in the screen, and a good image can be obtained.
ところで、本実施例では、ＨＯＥ１を、単色にのみ感度を有する単色ＨＯＥで構成した場合について説明したが、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色に感度を有するカラーＨＯＥで構成してもよい。ただし、カラーＨＯＥでは、ＲＧＢの相互作用により、ＲＧＢの各最大回折効率は単色ＨＯＥの最大回折効率よりも若干低下する。しかし、ＲＧＢのそれぞれについては、最大回折効率がほぼ一定である点に変わりはない。以下、この点について説明する。 By the way, in this embodiment, the case where the HOE 1 is composed of a single color HOE having sensitivity only for a single color has been described. However, a color HOE having sensitivity for three colors of red (R), green (G), and blue (B). You may comprise. However, in color HOE, the maximum diffraction efficiency of RGB is slightly lower than the maximum diffraction efficiency of monochromatic HOE due to the interaction of RGB. However, for each of RGB, the maximum diffraction efficiency remains almost constant. Hereinafter, this point will be described.
まず、カラーＨＯＥの設定条件について説明する。カラーＨＯＥは、感光層１層でＲＧＢの３色に感度を有しているとする。つまり、カラーＨＯＥは、ＲＧＢの３色の干渉縞が感光層１層に多重記録されることにより作製されており、ＲＧＢについての３つの回折ピーク波長を有している。ここでは、ＲＧＢの３色のレーザ光を１本に束ね、途中で２光束に分岐し、２光束干渉による３色同時露光により、上記３色の干渉縞が記録されている。なお、カラーＨＯＥにおける領域ごとの膜厚は、図４と同様とする。 First, color HOE setting conditions will be described. It is assumed that the color HOE has sensitivity to three colors of RGB with one photosensitive layer. That is, the color HOE is manufactured by multiple recording of RGB interference fringes on one photosensitive layer, and has three diffraction peak wavelengths for RGB. Here, RGB three-color laser beams are bundled into one, branched into two light beams in the middle, and the three-color interference fringes are recorded by simultaneous three-color exposure by two-beam interference. The film thickness for each region in the color HOE is the same as in FIG.
一方、ＲＧＢのそれぞれの最大回折効率の比（例えばＲの最大回折効率／Ｇの最大回折効率、Ｂの最大回折効率／Ｇの最大回折効率）は、各露光位置でのＲＧＢの露光量の比（例えばＲの露光量／Ｇの露光量、Ｂの露光量／Ｇの露光量）によって決まる。ここで、ＨＯＥ上の位置によってＲＧＢの最大回折効率比が異なると、色ムラ等の発生の原因になるので、どの位置でもＲＧＢの最大回折効率比がほぼ一定、すなわち、どの位置でもＲＧＢの露光量比がほぼ一定になるように（例えばＲの露光量／Ｇの露光量、Ｂの露光量／Ｇの露光量の値が±１０％程度の範囲に収まるように）、ＲＧＢのビーム径・広がりを調整し、干渉縞を記録する。このようにして３色の干渉縞を記録した場合のＨＯＥ中心での回折波長と回折効率との関係を図７に示す。ここでは、ＨＯＥ中心にてＲの最大回折効率：Ｇの最大回折効率：Ｂの最大回折効率＝４０％：７０％：５０％となる露光量比でＨＯＥを作製した。 On the other hand, the ratio of the maximum diffraction efficiency of RGB (for example, the maximum diffraction efficiency of R / the maximum diffraction efficiency of G, the maximum diffraction efficiency of B / the maximum diffraction efficiency of G) is the ratio of the RGB exposure amount at each exposure position. (For example, R exposure amount / G exposure amount, B exposure amount / G exposure amount). Here, if the RGB maximum diffraction efficiency ratio varies depending on the position on the HOE, it causes color unevenness and the like. Therefore, the RGB maximum diffraction efficiency ratio is almost constant at any position, that is, the RGB exposure at any position. The RGB beam diameters are set so that the quantity ratio is substantially constant (for example, the R exposure quantity / G exposure quantity and the B exposure quantity / G exposure quantity are within a range of about ± 10%). Adjust the spread and record the interference fringes. FIG. 7 shows the relationship between the diffraction wavelength at the center of the HOE and the diffraction efficiency when three-color interference fringes are recorded in this way. Here, the HOE was produced at the HOE center at an exposure amount ratio of R maximum diffraction efficiency: G maximum diffraction efficiency: B maximum diffraction efficiency = 40%: 70%: 50%.
カラーＨＯＥにおいて、ＨＯＥのポジションと膜厚との関係、およびＨＯＥのポジションと回折波長の半値幅との関係については、図４および図５と同様である。これに対して、カラーＨＯＥのポジションと回折効率との関係については、図８のように表される。図８のように、ＲＧＢのいずれについても、膜厚の最も薄い領域Ｒ1の最大回折効率よりも、膜厚の最も厚い領域Ｒ3の最大回折効率のほうが若干高くなる。ＲＧＢの最大回折効率の比は、領域Ｒ3の最大回折効率／領域Ｒ1の最大回折効率で表記すると、
Ｒ＝４６／４０＝１．１５
Ｇ＝７７／７０＝１．１
Ｂ＝５６／５０＝１．１２
となっている。
In the color HOE, the relationship between the HOE position and the film thickness, and the relationship between the HOE position and the half width of the diffraction wavelength are the same as those in FIGS. On the other hand, the relationship between the position of the color HOE and the diffraction efficiency is expressed as shown in FIG. As shown in FIG. 8, in any of RGB, the maximum diffraction efficiency of the thickest region R 3 is slightly higher than the maximum diffraction efficiency of the thinnest region R 1 . The ratio of the maximum diffraction efficiency of RGB is expressed as the maximum diffraction efficiency of the region R 3 / the maximum diffraction efficiency of the region R 1 .
R = 46/40 = 1.15
G = 77/70 = 1.1
B = 56/50 = 1.12
It has become.
すなわち、ＲＧＢのそれぞれについて、最大回折効率の最大値と最小値との比が２０％以内に収まっていれば（比の値が１．２以下であれば）、カラーＨＯＥにおいても、ＲＧＢの最大回折効率は、領域によらずほぼ一定値であると言える。一方、単色ＨＯＥにおいては、図６より、最大回折効率の最大値と最小値との比は、９５／９０＝１．０６であり、２０％以内に収まっていることは明らかである。よって、単色ＨＯＥ、カラーＨＯＥを問わず、最大回折効率の最大値と最小値との比が２０％以内に収まっていれば、ＨＯＥの最大回折効率は、領域によらずほぼ一定値であると言える。 That is, for each of RGB, if the ratio between the maximum value and the minimum value of the maximum diffraction efficiency is within 20% (if the value of the ratio is 1.2 or less), even in the color HOE, the maximum of RGB It can be said that the diffraction efficiency is almost constant regardless of the region. On the other hand, in the monochromatic HOE, it is clear from FIG. 6 that the ratio between the maximum value and the minimum value of the maximum diffraction efficiency is 95/90 = 1.06, which is within 20%. Therefore, regardless of whether the color HOE is a single color HOE or a color HOE, if the ratio between the maximum value and the minimum value of the maximum diffraction efficiency is within 20%, the maximum diffraction efficiency of the HOE is almost constant regardless of the region. I can say that.
なお、以上では、領域Ｒ1から２本の対称軸Ｓ1、Ｓ2にそれぞれ垂直な方向の周辺に向かって、回折波長の半値幅が段階的に狭くなる例について説明したが、例えば図９のように、１本の対称軸（例えば対称軸Ｓ2）に垂直な方向の周辺に向かってのみ、回折波長の半値幅が段階的に狭くなるように、半値幅を制御してもよい（領域Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3を形成してもよい）。この場合は、対称軸Ｓ2の全部を含む領域Ｒ1で回折波長の半値幅が最大であり、領域Ｒ1から対称軸Ｓ2に垂直な方向の周辺に向かって、回折波長の半値幅が（領域Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3の順に）狭くなる。 In the above description, the example in which the half-value width of the diffraction wavelength is gradually reduced from the region R 1 toward the periphery in the direction perpendicular to the two symmetry axes S 1 and S 2 has been described. As described above, the half-value width may be controlled so that the half-value width of the diffraction wavelength is narrowed stepwise only toward the periphery in the direction perpendicular to one symmetry axis (for example, the symmetry axis S 2 ) ( Regions R 1 , R 2 and R 3 may be formed). In this case, the half-value width of the diffraction wavelength is maximum in the region R 1 including the entire symmetry axis S 2 , and the half-value width of the diffraction wavelength is increased from the region R 1 toward the periphery in the direction perpendicular to the symmetry axis S 2. It becomes narrower (in the order of regions R 1 , R 2 , R 3 ).
なお、ＨＯＥの膜厚の変化させる範囲は、５〜１００μｍの範囲が望ましい。ＨＯＥの膜厚を薄くしすぎると（例えば５μｍ以下にすると）、回折効率が低くなるので、望ましくはない。この点は、次の実施例２でも同様である。 The range in which the thickness of the HOE is changed is preferably in the range of 5 to 100 μm. If the thickness of the HOE is too thin (for example, 5 μm or less), the diffraction efficiency is lowered, which is not desirable. This is the same in the second embodiment.
（実施例２）
次に、実施例２のＨＯＥ１について説明する。図１０は、実施例２のＨＯＥ１の概略の構成を示す平面図である。なお、図１０では、膜厚の領域ごとの違いをグラデーションで示している。また、図１１は、図１０のＢ−Ｂ’線上のＨＯＥ１のポジションと膜厚との関係を示す説明図である。なお、Ｂ−Ｂ’線は、矩形のＨＯＥ１の長辺方向に平行であり、膜厚の変化が対称となる対称軸Ｓ2に対して垂直である。
(Example 2)
Next, the HOE 1 of Example 2 will be described. FIG. 10 is a plan view illustrating a schematic configuration of the HOE 1 according to the second embodiment. In FIG. 10, the difference in film thickness for each region is indicated by gradation. FIG. 11 is an explanatory diagram showing the relationship between the position of the HOE 1 on the line BB ′ of FIG. 10 and the film thickness. The line BB ′ is parallel to the long side direction of the rectangular HOE 1 and is perpendicular to the symmetry axis S 2 where the change in film thickness is symmetric.
実施例２のＨＯＥ１は、面内の領域によって膜厚が異なっているが、複数の領域間で膜厚が連続的に変化している。より具体的には、本実施例のＨＯＥ１は、表面の面１ａがシリンドリカル面となっており、中央の領域ＲCで膜厚が最も薄く、対称軸Ｓ2に垂直な方向の両端の２つの領域ＲEで膜厚が最も厚くなっている。ここで、「連続的な変化」とは、各領域内では回折波長の半値幅が変化しており、かつ、複数の領域の境界付近の半値幅がほぼ同じになるような変化を指す。なお、シリンドリカル形状のＨＯＥ１の作製方法については後述する。 Although the film thickness of the HOE 1 of Example 2 varies depending on the in-plane region, the film thickness continuously changes between a plurality of regions. More specifically, in the HOE 1 of this embodiment, the surface 1a of the surface is a cylindrical surface, the film thickness is the thinnest in the central region R C , and the two in the direction perpendicular to the symmetry axis S 2 are two. film thickness region R E is thickest. Here, the “continuous change” refers to a change in which the half-value width of the diffraction wavelength is changed in each region and the half-value widths near the boundaries of the plurality of regions are substantially the same. A method for manufacturing the cylindrical HOE 1 will be described later.
本実施例では、ＨＯＥ１の複数の領域（少なくとも領域ＲC、ＲE）間で膜厚を連続的に変化させることにより、図１２に示すように、回折波長の半値幅も、複数の領域間で連続的に変化する。つまり、膜厚は中央の領域ＲCから両端の２つの領域ＲEに向かって連続的に厚くなっているので、半値幅は中央の領域ＲCから両端の２つの領域ＲEに向かって連続的に狭くなっている。 In the present embodiment, by continuously changing the film thickness between a plurality of regions (at least the regions R C and R E ) of the HOE 1, as shown in FIG. Changes continuously. That is, the film thickness since the continuously becomes thicker towards the two regions R E both ends from the center of the region R C, the half width toward the center of the region R C into two regions R E both ends continuous It becomes narrower.
本実施例にように、面内の複数の領域間で回折波長の半値幅が連続的に変化することにより、ＨＯＥ１の複数の領域の境界で光路や回折特性が不連続に変化するのを回避することができ、境界の影響を無くすことができる。したがって、ＨＯＥ１の光学素子としての性能がより良好となり、より望ましい形態となる。 As in this embodiment, the half-width of the diffraction wavelength continuously changes between a plurality of in-plane regions, thereby avoiding discontinuous changes in the optical path and diffraction characteristics at the boundaries between the plurality of regions of the HOE 1. It is possible to eliminate the influence of the boundary. Accordingly, the performance of the HOE 1 as an optical element becomes better and a more desirable form is obtained.
また、本実施例のＨＯＥ１の表面（面１ａ）は、シリンドリカル面であるので、複数の領域間で膜厚を容易に連続的に変化させることができる。つまり、領域によって膜厚の異なるＨＯＥ１を容易に実現することができる。 Moreover, since the surface (surface 1a) of the HOE 1 of this embodiment is a cylindrical surface, the film thickness can be easily and continuously changed between a plurality of regions. That is, the HOE 1 having a different film thickness depending on the region can be easily realized.
また、表面をシリンドリカル面にして一方向（ここでは対称軸Ｓ2に垂直な方向）にのみ膜厚を変化させる構成のほうが、実施例１の図３のように両方向（２つの対称軸Ｓ1、Ｓ2に垂直な方向）に膜厚を変化させる構成よりも、ＨＯＥ１の作製が容易となる。 Further, in the configuration in which the surface is a cylindrical surface and the film thickness is changed only in one direction (here, the direction perpendicular to the symmetry axis S 2 ), both directions (two symmetry axes S 1) as shown in FIG. , The manufacturing of the HOE 1 is easier than the configuration in which the film thickness is changed in the direction perpendicular to S 2 .
なお、本実施例では、１本の対称軸Ｓ2に垂直な方向の周辺に向かってのみ、回折波長の半値幅が連続的に狭くなっていることから、対称軸Ｓ2の全部を含む領域ＲCで回折波長の半値幅が最大であり、領域ＲCから対称軸Ｓ2に垂直な方向の周辺（領域ＲE）に向かって、回折波長の半値幅が連続的に狭くなっているとも言える。 In the present embodiment, since the half-value width of the diffraction wavelength is continuously narrowed only toward the periphery in the direction perpendicular to the single symmetry axis S 2 , the region includes the entire symmetry axis S 2. the half-width of the diffraction wavelength in R C is the largest, from the region R C axis of symmetry S 2 perpendicular to the direction of the peripheral (region R E), and also the half-width of the diffraction wavelength is continuously narrowed I can say that.
次に、表面がシリンドリカル面のＨＯＥ１の作製方法について説明する。シリンドリカル形状のＨＯＥ１を作製するにあたっては、ホログラム感光材料として、例えばジェル状の固体を有機溶剤に溶かしたホログラム感材液を用いるのが最も簡便である。一般的に、ホログラム感材膜の膜厚を均一にしてＨＯＥを作製する場合は、平面性の高いガラス等のベース基材上にフィルム基板を配置し、その上に滴下したホログラム感材液をスキージ等のナイフコーター（ブレード）で平坦化して作製する。 Next, a method for manufacturing the HOE 1 having a cylindrical surface will be described. In producing the cylindrical HOE 1, it is most convenient to use, for example, a hologram photosensitive material solution in which a gel-like solid is dissolved in an organic solvent as the hologram photosensitive material. Generally, when producing a HOE with a uniform film thickness of a hologram sensitive material film, a film substrate is placed on a base material such as glass having a high flatness, and a hologram sensitive material liquid dropped on the film substrate is used. It is made by flattening with a knife coater (blade) such as a squeegee.
この手法を応用すれば、シリンドリカル形状のＨＯＥ１を容易に作製することが可能である。すなわち、図１３に示すように、シリンドリカル形状に曲げた基板２上に、基板２の表面（シリンドリカル面）に沿わせる形でフィルム基板３を配置し、その上にホログラム感材液４を塗布する。その後、ホログラム感材液４の表面をナイフコーター５で平坦化する。ホログラム感材液４において平坦化した面とは反対側の面は、基板２（またはフィルム基板３）に沿ったシリンドリカル面となるので、ホログラム感材液４を乾燥させた後に露光、熱処理等を行うことにより、シリンドリカル形状のＨＯＥ１を得ることができる。 By applying this method, it is possible to easily manufacture a cylindrical HOE 1. That is, as shown in FIG. 13, the film substrate 3 is arranged on the substrate 2 bent into a cylindrical shape so as to be along the surface (cylindrical surface) of the substrate 2, and the hologram sensitive material liquid 4 is applied thereon. . Thereafter, the surface of the hologram sensitive material liquid 4 is flattened by the knife coater 5. Since the surface opposite to the flattened surface in the hologram sensitive material liquid 4 is a cylindrical surface along the substrate 2 (or the film substrate 3), exposure, heat treatment, etc. are performed after the hologram sensitive material liquid 4 is dried. By performing, cylindrical HOE1 can be obtained.
以上のように、シリンドリカル形状に曲げた基板２上に、ホログラム感材液４を塗布してＨＯＥ１を作製することにより、表面がシリンドリカル面となるＨＯＥ１を容易に実現することができる。 As described above, by applying the hologram sensitive material liquid 4 on the substrate 2 bent into a cylindrical shape to produce the HOE 1, the HOE 1 whose surface becomes a cylindrical surface can be easily realized.
なお、平面性の高い基板上にホログラム感材液４を塗布し、ナイフコーター５を基板表面に垂直な方向に移動させながら同時に基板表面に平行に移動させる、つまり、ホログラム感材液４との接触部がシリンドリカル面を描くようにナイフコーター５を移動させ、余分なホログラム感材液４を取り除くことにより、シリンドリカル面としての面１ａを直接形成してシリンドリカル形状のＨＯＥ１を作製することも可能である。 In addition, the hologram photosensitive material liquid 4 is applied onto a substrate having high flatness, and the knife coater 5 is moved in parallel to the substrate surface while moving in a direction perpendicular to the substrate surface. It is also possible to manufacture the cylindrical HOE 1 by directly forming the surface 1a as the cylindrical surface by moving the knife coater 5 so that the contact portion draws a cylindrical surface and removing the extra hologram sensitive material liquid 4. is there.
〔２．作製条件による半値幅制御〕
上述したように、ＨＯＥの膜厚を領域によって異ならせる以外にも、ＨＯＥの作製条件を領域によって異ならせることにより、回折波長の半値幅を領域によって容易に異ならせることが可能である。これは、ＨＯＥの作製条件を領域によって異ならせることにより、ホログラムの屈折率変調（Δｎ）、言い換えれば、高屈折率部と低屈折率部との屈折率差を領域によって異ならせることができるからである。勿論、ＨＯＥの膜厚を領域によって異ならせる場合でも、以下に示す作製条件の制御を合わせて行ってもよい。この場合は、膜厚の影響と作製条件の影響とを両方掛け合わせた効果を得ることができる。
[2. (Half width control according to manufacturing conditions)
As described above, in addition to making the HOE film thickness different from region to region, it is possible to easily vary the half-value width of the diffraction wavelength from region to region by making the manufacturing conditions of the HOE different from region to region. This is because the refractive index modulation (Δn) of the hologram, in other words, the refractive index difference between the high refractive index portion and the low refractive index portion can be made different depending on the region by making the manufacturing conditions of the HOE different depending on the region. It is. Needless to say, even when the thickness of the HOE is different depending on the region, the following control of the manufacturing conditions may be performed. In this case, an effect obtained by multiplying both the influence of the film thickness and the influence of the manufacturing conditions can be obtained.
ここで、ホログラム感光材料として例えばフォトポリマーを用いた場合、ＨＯＥは、一般的に、以下の（１）〜（３）の工程を経て作製される。
（１）レーザ光の２光束干渉により干渉縞を記録する露光工程。
（２）ＵＶ照射による定着工程（レーザ光に感度を有する色素の分解、および未反応モノマーの重合による定着）。
（３）熱処理による増感工程（低分子成分の拡散により、Δｎが増大）。
Here, when, for example, a photopolymer is used as the hologram photosensitive material, the HOE is generally manufactured through the following steps (1) to (3).
(1) An exposure process for recording interference fringes by two-beam interference of laser light.
(2) Fixing step by UV irradiation (decomposition of a dye sensitive to laser light and fixing by polymerization of unreacted monomer).
(3) Sensitization step by heat treatment (Δn increases due to diffusion of low molecular components).
上記（１）〜（３）の工程のうち、（１）または（３）の工程における条件を領域によって異ならせることにより、ホログラムの屈折率変調（Δｎ）を領域によって容易に異ならせることができ、これによって回折波長の半値幅を容易に異ならせることができる。以下、（１）の露光条件の制御により作製されるＨＯＥを実施例３として説明し、（３）の熱処理条件の制御により作製されるＨＯＥを実施例４として説明する。なお、以下では、説明を理解しやすくするため、ＨＯＥの膜厚は一定とする。 Of the steps (1) to (3), the refractive index modulation (Δn) of the hologram can be easily made different depending on the region by changing the conditions in the step (1) or (3) depending on the region. As a result, the half width of the diffraction wavelength can be easily varied. Hereinafter, the HOE produced by controlling the exposure conditions (1) will be described as Example 3, and the HOE produced by controlling the heat treatment conditions (3) will be described as Example 4. In the following, the film thickness of the HOE is constant for easy understanding of the description.
（実施例３）
図１４は、本実施例のＨＯＥ１の概略の構成を示す平面図である。なお、図１４では、回折波長の半値幅の違いをグラデーションで示している。ここで、説明の理解がしやすいように、ＨＯＥ１の面内で例えば３つの領域Ｒ11、Ｒ12、Ｒ13を考える。領域Ｒ11は、ＨＯＥ１の中心Ｏを含む円形の領域であり、領域Ｒ12は、領域Ｒ11の周辺に位置する領域（領域Ｒ11の少なくとも一部を囲む領域）であり、領域Ｒ13は、さらに領域Ｒ12の周辺に位置する領域（領域Ｒ12の少なくとも一部を囲む領域）である。
(Example 3)
FIG. 14 is a plan view showing a schematic configuration of the HOE 1 of the present embodiment. In FIG. 14, the difference in the half-value width of the diffraction wavelength is shown by gradation. Here, for easy understanding of the description, for example, three regions R 11 , R 12 and R 13 are considered in the plane of the HOE 1. Region R 11 is a circular area including the center O of the HOE 1, region R 12 is a region around the region R 11 (the area surrounding at least a portion of the region R 11), area R 13 is a further region around the region R 12 (the area surrounding at least a portion of the region R 12).
図１５は、ホログラム感光材料としてフォトポリマーを用いた場合において、作製時にホログラム感光材料に照射されるレーザ光の露光量とＨＯＥの回折効率との関係を示している。同図に示すように、ある閾値以上の露光量でレーザ光をホログラム感光材料に照射することにより、ＨＯＥの回折効率は急激に上昇し、ある露光量以上（例えば露光量Ｐ1）でレーザ光を照射した場合は、ＨＯＥの回折効率はほぼ飽和した一定値を取る。通常、ＨＯＥを作製する場合、回折効率を安定させるため、回折効率が飽和する安定領域の露光量でレーザ光をホログラム感光材料に照射してＨＯＥを作製するのが一般的である。 FIG. 15 shows the relationship between the exposure amount of the laser beam irradiated to the hologram photosensitive material during production and the diffraction efficiency of the HOE when a photopolymer is used as the hologram photosensitive material. As shown in the figure, by irradiating the hologram photosensitive material with a laser beam with an exposure amount equal to or greater than a certain threshold value, the diffraction efficiency of the HOE increases rapidly, and the laser beam exceeds a certain exposure amount (for example, the exposure amount P 1 ). , The diffraction efficiency of HOE takes a substantially saturated constant value. Usually, when producing HOE, in order to stabilize diffraction efficiency, it is common to produce HOE by irradiating a hologram photosensitive material with a laser beam with an exposure amount in a stable region where diffraction efficiency is saturated.
本実施例では、領域によって回折波長の半値幅を異ならせるために、領域Ｒ11に対しては、回折効率が安定する露光量Ｐ1でレーザ光を照射し、領域Ｒ12および領域Ｒ13に対しては、安定領域でない露光量、すなわち、露光不足となる露光量Ｐ2、Ｐ3でレーザ光を照射することによりＨＯＥ１を作製する。なお、露光量の大小関係は、Ｐ1＞Ｐ2＞Ｐ3とする。図１６は、図１４のＣ−Ｃ’線上のＨＯＥ１のポジションと露光量との関係を示す説明図である。なお、Ｃ−Ｃ’線は、中心Ｏを通り、矩形のＨＯＥ１の長辺方向に平行である。 In this embodiment, in order to make the half-value width of the diffraction wavelength different depending on the region, the region R 11 is irradiated with the laser beam with the exposure amount P 1 at which the diffraction efficiency is stabilized, and the region R 12 and the region R 13 are irradiated. On the other hand, the HOE 1 is manufactured by irradiating laser light with exposure doses P 2 and P 3 that are not stable regions, that is, exposure doses P 2 and P 3 that are insufficiently exposed. Note that the magnitude relationship between the exposure amounts is P 1 > P 2 > P 3 . FIG. 16 is an explanatory diagram showing the relationship between the position of the HOE 1 on the CC ′ line in FIG. 14 and the exposure amount. The CC ′ line passes through the center O and is parallel to the long side direction of the rectangular HOE 1.
また、図１７は、各ポジションごとの回折特性を示している。同図より、領域Ｒ11、Ｒ12、Ｒ13における回折波長の半値幅をそれぞれΔλ1、Δλ2、Δλ3とすると、図１６の露光量制御で露光した結果、ＨＯＥ１の回折波長の半値幅は、Δλ1＞Δλ2＞Δλ3となった。つまり、回折効率が飽和していない領域Ｒ12、Ｒ13では半値幅は狭く、露光量増加に対してほとんど変化しないが（正確にはΔλ3よりもΔλ2のほうが僅かに広い）、領域Ｒ11では、急速に半値幅Δλ1が広がっている。このように、ＨＯＥの面内の領域Ｒ11、Ｒ12、Ｒ13によって露光量をＰ1、Ｐ2、Ｐ3と異ならせることにより、ＨＯＥの回折波長の半値幅を領域Ｒ11、Ｒ12、Ｒ13によって異ならせることができる。 FIG. 17 shows the diffraction characteristics for each position. From the figure, assuming that the half-value widths of the diffraction wavelengths in the regions R 11 , R 12 , and R 13 are Δλ 1 , Δλ 2 , and Δλ 3 , respectively, the half-value width of the diffraction wavelength of the HOE 1 is obtained as a result of exposure by the exposure control in FIG. Is Δλ 1 > Δλ 2 > Δλ 3 . That is, in the regions R 12 and R 13 where the diffraction efficiency is not saturated, the full width at half maximum is narrow and hardly changes as the exposure amount increases (exactly, Δλ 2 is slightly wider than Δλ 3 ), but the region R In 11 , the full width at half maximum Δλ 1 rapidly increases. In this way, by making the exposure amount different from P 1 , P 2 , P 3 by the regions R 11 , R 12 , R 13 in the plane of the HOE, the half-value width of the diffraction wavelength of the HOE is changed to the regions R 11 , R 12. , R 13 can be different.
以上のように、本実施例では、ＨＯＥ１の領域Ｒ11、Ｒ12、Ｒ13に対する露光量は、Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3（ただしＰ1＞Ｐ2＞Ｐ3）であり、領域Ｒ11、Ｒ12、Ｒ13の回折波長の半値幅は、Δλ1、Δλ2、Δλ3（ただしΔλ1＞Δλ2＞Δλ3）であることから、回折波長の半値幅の異なる２領域のうち、半値幅がより広い領域を第１の領域とし、半値幅がより狭い領域を第２の領域としたときに、半値幅の異なるどの２領域についても、第１の領域における露光量は、第２の領域における露光量よりも高いと言える。例えば、第１の領域として半値幅Δλ1の領域Ｒ11を考え、第２の領域として半値幅Δλ3（＜Δλ1）の領域Ｒ13を考えると、領域Ｒ11の露光量は、領域Ｒ13の露光量よりも高い。また、例えば、第１の領域として半値幅Δλ2の領域Ｒ12を考え、第２の領域として半値幅Δλ3（＜Δλ2）の領域Ｒ13を考えても、領域Ｒ12の露光量は、領域Ｒ13の露光量よりも高い。 As described above, in this embodiment, the exposure amounts for the regions R 11 , R 12 and R 13 of the HOE 1 are P 1 , P 2 and P 3 (where P 1 > P 2 > P 3 ), and the region R 11 , R 12 , and R 13 have half-widths of diffraction wavelengths of Δλ 1 , Δλ 2 , and Δλ 3 (where Δλ 1 > Δλ 2 > Δλ 3 ). When the region having a larger half-value width is the first region and the region having the smaller half-value width is the second region, the exposure amount in the first region for any two regions having different half-value widths is It can be said that the exposure amount in the region 2 is higher. For example, when the region R 11 having a half-value width Δλ 1 is considered as the first region and the region R 13 having the half-value width Δλ 3 (<Δλ 1 ) is considered as the second region, the exposure amount of the region R 11 is the region R It is higher than the exposure amount of 13 . Further, for example, even if a region R 12 having a half width Δλ 2 is considered as the first region and a region R 13 having a half width Δλ 3 (<Δλ 2 ) is considered as the second region, the exposure amount of the region R 12 is , higher than the exposure amount of area R 13.
ここで、図１８は、ＨＯＥ１のポジションとホログラムの屈折率変調（Δｎ）との関係を示している。ＨＯＥ１がレーザ光の２光束干渉により作製されるときに、上記のようにレーザ光の露光量を領域ごとに制御することにより、ホログラムの屈折率変調（Δｎ）を領域によって容易に異ならせることができる。つまり、同図に示すように、露光量の相対的に高い領域（例えば領域Ｒ11）では、屈折率変調（Δｎ）を相対的に高くすることができ、露光量の相対的に低い領域（例えば領域Ｒ13）では、屈折率変調（Δｎ）を相対的に低くすることができる。その結果、膜厚に関係なく、図１４および図１７のように回折波長の半値幅を領域ごとに容易に異ならせることができる。 Here, FIG. 18 shows the relationship between the position of the HOE 1 and the refractive index modulation (Δn) of the hologram. When the HOE 1 is manufactured by two-beam interference of laser light, the refractive index modulation (Δn) of the hologram can be easily varied depending on the region by controlling the exposure amount of the laser light for each region as described above. it can. That is, as shown in the figure, in a region with a relatively high exposure amount (for example, the region R 11 ), the refractive index modulation (Δn) can be made relatively high, and a region with a relatively low exposure amount ( For example, in the region R 13 ), the refractive index modulation (Δn) can be made relatively low. As a result, regardless of the film thickness, the half-value width of the diffraction wavelength can be easily varied for each region as shown in FIGS.
また、一般的に、レーザ光はガウシアン的な強度分布を持っているので、その強度分布を利用すれば、ＨＯＥ１の面内で露光量分布を軸対称（回転対称）にすることが可能かつ容易となり、図１４で示したように、回折波長の半値幅の分布を軸対称とすることが可能である。例えば露光光学系に配置されるビームエキスパンダにおいて、レーザ光のビーム径（拡大率）を調整することにより、中心部で露光量が多く、周辺に向かって露光量が少なくなるような、領域によって異なる露光量を容易に実現することができ、領域によって回折波長の半値幅が異なるＨＯＥ１を作製することが可能となる。しかも、隣接する領域間で露光量を連続的に変化させることができるので、回折波長の半値幅を連続的に変化させることができる。 In general, since laser light has a Gaussian intensity distribution, it is possible and easy to make the exposure distribution axially symmetric (rotationally symmetric) in the plane of the HOE 1 by using the intensity distribution. Thus, as shown in FIG. 14, the half-value width distribution of the diffraction wavelength can be axisymmetric. For example, in a beam expander arranged in an exposure optical system, by adjusting the beam diameter (magnification ratio) of the laser beam, depending on the region where the exposure amount is large at the center and the exposure amount decreases toward the periphery Different exposure amounts can be easily realized, and it becomes possible to manufacture the HOE 1 having different half-value widths of diffraction wavelengths depending on regions. In addition, since the exposure amount can be continuously changed between adjacent regions, the half-value width of the diffraction wavelength can be continuously changed.
なお、軸対称な露光量分布で露光し、ＨＯＥ１を作製した場合は、図１４のように、ＨＯＥ１の面内において、回折波長の半値幅の変化が対称となる対称軸Ｓが無数に存在することになる。そして、対称軸Ｓの一部を含む領域で回折波長の半値幅が最大であり、上記の領域から対称軸Ｓに垂直な方向の周辺に向かって、回折波長の半値幅が狭くなる。なお、このような半値幅の変化は、ＨＯＥ１の中心Ｏを通る全ての対称軸Ｓについて成り立つ。 In addition, when the exposure is performed with an axially symmetric exposure amount distribution and the HOE 1 is manufactured, an infinite number of symmetric axes S in which the change in the half-value width of the diffraction wavelength is symmetric exist in the plane of the HOE 1 as shown in FIG. It will be. Then, the half-value width of the diffraction wavelength is maximum in a region including a part of the symmetry axis S, and the half-value width of the diffraction wavelength becomes narrower from the region toward the periphery in the direction perpendicular to the symmetry axis S. Note that such a change in the half-value width holds for all the symmetry axes S passing through the center O of the HOE 1.
（実施例４）
次に、熱処理条件を領域によって異ならせることで、回折波長の半値幅を領域によって異ならせたＨＯＥについて説明する。なお、ＨＯＥの回折波長の半値幅の分布については、実施例３の図１４で代用する。
Example 4
Next, the HOE in which the half-value width of the diffraction wavelength is changed depending on the region by changing the heat treatment condition depending on the region will be described. Note that the half-value width distribution of the diffraction wavelength of the HOE is substituted in FIG.
通常、ＨＯＥを作製する場合、回折効率を高くするとともに半値幅を広くして、使用時の光利用効率を高めるため、十分な必要量の加熱処理を行い、ホログラムの屈折率変調（Δｎ）を最大化するのが一般的である。 Usually, when manufacturing HOE, a sufficient necessary amount of heat treatment is performed to increase the diffraction efficiency and widen the half width to increase the light utilization efficiency during use, and the refractive index modulation (Δn) of the hologram is adjusted. It is common to maximize.
本実施例では、干渉縞の記録、定着後の熱処理工程において、加える熱量を領域により変更することで、回折波長の半値幅を領域ごとに異ならせる。すなわち、加熱処理を十分に行った領域に加えて、加熱処理不足の領域も設け、その領域における屈折率変調（Δｎ）をより小さくすることで、領域によって回折波長の半値幅を異ならせる。 In the present embodiment, in the heat treatment process after recording and fixing interference fringes, the half-value width of the diffraction wavelength is varied for each region by changing the amount of heat applied depending on the region. That is, in addition to the region where the heat treatment is sufficiently performed, a region where the heat treatment is insufficient is also provided, and the refractive index modulation (Δn) in that region is made smaller, so that the half-value width of the diffraction wavelength varies depending on the region.
ここで、熱処理を異ならせる方法としては、（Ａ）領域によって熱処理温度のみを異ならせる、（Ｂ）領域によって熱処理時間のみを異ならせる、（Ｃ）領域によって熱処理温度および熱処理時間の両方を異ならせる、の３通りの方法を用いることができる。（Ｃ）の方法は（Ａ）と（Ｂ）の組み合わせで実現できるので、以下では、特に（Ａ）および（Ｂ）の方法でＨＯＥ１を作製する場合について説明する。 Here, as a method of varying the heat treatment, (A) only the heat treatment temperature is varied depending on the region, (B) only the heat treatment time is varied depending on the region, and (C) both the heat treatment temperature and the heat treatment time are varied depending on the region. The following three methods can be used. Since the method (C) can be realized by a combination of (A) and (B), a case where the HOE 1 is manufactured by the methods (A) and (B) will be described below.
（Ａ）領域によって熱処理温度を異ならせてＨＯＥを作製
図１９は、図１４のＣ−Ｃ’線上のＨＯＥ１のポジションと熱処理温度との関係を示している。例えば、「１２０℃で２時間」の熱処理が必要なホログラム感光材料を用いた場合、領域Ｒ11に対しては、「１２０℃で２時間」の熱処理を行い、領域Ｒ13に対しては、「９０℃で２時間」の熱処理を行い、領域Ｒ12に対しては、「それらの間の温度（例えば１０５℃）で２時間」の熱処理を行い、領域によって熱処理温度を異ならせる。
(A) Production of HOE by different heat treatment temperature depending on region FIG. 19 shows the relationship between the position of HOE 1 on the CC ′ line in FIG. 14 and the heat treatment temperature. For example, when a hologram photosensitive material that requires heat treatment at “120 ° C. for 2 hours” is used, the region R 11 is heat-treated at “120 ° C. for 2 hours”, and the region R 13 is subjected to heat treatment. A heat treatment of “2 hours at 90 ° C.” is performed, and a heat treatment of “2 hours at a temperature between them (eg, 105 ° C.)” is performed on the region R 12 , and the heat treatment temperature varies depending on the region.
なお、熱処理に際し、各領域に対応して複数のヒータ源を用い、各ヒータ源の温度を領域ごとに変えたり、ヒータ源とホログラム感光材料との距離を領域ごとに変えることにより、熱処理温度を領域によって異ならせることが可能である。また、例えばホログラム感光材料の裏面側に部分的に放熱部材を設けて、ヒータ源による加熱時の温度分布を領域によって異ならせることにより、熱処理温度を領域によって異ならせることも可能である。 In the heat treatment, a plurality of heater sources are used corresponding to each region, and the heat treatment temperature is changed by changing the temperature of each heater source for each region or changing the distance between the heater source and the hologram photosensitive material for each region. It can be different depending on the area. Further, for example, a heat dissipating member is partially provided on the back side of the hologram photosensitive material, and the temperature distribution during heating by the heater source is varied depending on the region, so that the heat treatment temperature can be varied depending on the region.
このような熱処理温度の制御により、図１７と同様の回折特性を有するＨＯＥ１を作製することができる。つまり、熱処理温度の最も高い領域Ｒ11については、回折波長の半値幅をΔλ1と最も広くすることができ、熱処理温度の最も低い領域Ｒ13については、回折波長の半値幅をΔλ3と最も狭くすることができ、熱処理温度がそれらの間の領域Ｒ12については、回折波長の半値幅をΔλ2とそれらの間の半値幅にすることができる。 By controlling the heat treatment temperature as described above, the HOE 1 having the same diffraction characteristics as in FIG. 17 can be manufactured. That is, for the region R 11 having the highest heat treatment temperature, the half-value width of the diffraction wavelength can be made the largest at Δλ 1, and for the region R 13 having the lowest heat treatment temperature, the half-value width of the diffraction wavelength is the largest at Δλ 3. For the region R 12 where the heat treatment temperature is between them, the half width of the diffraction wavelength can be made Δλ 2 and the half width between them.
以上のことから、回折波長の半値幅の異なる２領域のうち、半値幅がより広い領域を第１の領域とし、半値幅がより狭い領域を第２の領域とすると、半値幅の異なるどの２領域についても、第１の領域における熱処理温度は、第２の領域における熱処理温度よりも高いと言える。例えば、第１の領域として半値幅Δλ1の領域Ｒ11を考え、第２の領域として半値幅Δλ3（＜Δλ1）の領域Ｒ13を考えると、領域Ｒ11の熱処理温度は、領域Ｒ13の熱処理温度よりも高い。また、例えば、第１の領域として半値幅Δλ2の領域Ｒ12を考え、第２の領域として半値幅Δλ3（＜Δλ2）の領域Ｒ13を考えても、領域Ｒ12の熱処理温度は、領域Ｒ13の熱処理温度よりも高い。 From the above, when two regions having different half-value widths of diffraction wavelengths are defined as a first region and a region having a smaller half-value width is defined as a second region, Regarding the region, it can be said that the heat treatment temperature in the first region is higher than the heat treatment temperature in the second region. For example, when the region R 11 having a half width Δλ 1 is considered as the first region and the region R 13 having a half width Δλ 3 (<Δλ 1 ) is considered as the second region, the heat treatment temperature of the region R 11 is the region R It is higher than the heat treatment temperature of 13 . Further, for example, even if the region R 12 having the half width Δλ 2 is considered as the first region and the region R 13 having the half width Δλ 3 (<Δλ 2 ) is considered as the second region, the heat treatment temperature of the region R 12 is higher than the heat treatment temperature of the region R 13.
ＨＯＥ１が、レーザ光の２光束干渉により作製されるときに、上記のように露光後の熱処理温度を領域ごとに制御することによっても、実施例３の図１８と同様に、ホログラムの屈折率変調（Δｎ）を領域ごとに容易に異ならせることができる。したがって、膜厚に関係なく、回折波長の半値幅を領域ごとに容易に異ならせることができる。 When the HOE 1 is produced by two-beam interference of laser light, the refractive index modulation of the hologram can also be performed by controlling the heat treatment temperature after exposure for each region as described above, as in FIG. (Δn) can be easily varied for each region. Therefore, regardless of the film thickness, the half width of the diffraction wavelength can be easily varied for each region.
（Ｂ）領域によって熱処理時間を異ならせてＨＯＥを作製
図２０は、図１４のＣ−Ｃ’線上のＨＯＥ１のポジションと熱処理時間との関係を示している。例えば、「１２０℃で２時間」の熱処理が必要なホログラム感光材料を用いた場合、領域Ｒ11に対しては、「１２０℃で２時間」の熱処理を行い、領域Ｒ13に対しては、「１２０℃で１５分」の熱処理を行い、領域Ｒ12に対しては、「１２０℃でそれらの間の時間（例えば１時間）」の熱処理を行い、領域によって熱処理時間を異ならせる。なお、例えば、領域Ｒ12、Ｒ13のヒータ源側に断熱材等のマスクを設けて、時間の経過に合わせて領域Ｒ12、Ｒ13の前から各マスクを順に取り去ることにより、熱処理時間を領域によって異ならせることが可能である。
(B) Production of HOE by different heat treatment time depending on region FIG. 20 shows the relationship between the position of HOE 1 on the CC ′ line in FIG. 14 and the heat treatment time. For example, when a hologram photosensitive material that requires heat treatment at “120 ° C. for 2 hours” is used, the region R 11 is heat-treated at “120 ° C. for 2 hours”, and the region R 13 is subjected to heat treatment. A heat treatment of “15 minutes at 120 ° C.” is performed, and a heat treatment of “time at 120 ° C. (for example, 1 hour)” is performed on the region R 12 , and the heat treatment time varies depending on the region. Incidentally, for example, by providing a mask insulation such as a heater source side of the region R 12, R 13, by removing the respective masks from the previous region R 12, R 13 sequentially in accordance with the elapse of time, the heat treatment time It can be different depending on the area.
このような熱処理時間の制御によっても、図１７と同様の回折特性を有するＨＯＥ１を作製することができる。つまり、熱処理時間の最も長い領域Ｒ11については、回折波長の半値幅をΔλ1と最も広くすることができ、熱処理時間の最も短い領域Ｒ13については、回折波長の半値幅をΔλ3と最も狭くすることができ、熱処理時間がそれらの間の領域Ｒ12については、回折波長の半値幅をΔλ2とそれらの間の半値幅にすることができる。 Also by such control of the heat treatment time, the HOE 1 having the same diffraction characteristics as in FIG. 17 can be manufactured. That is, for the region R 11 with the longest heat treatment time, the half-value width of the diffraction wavelength can be as wide as Δλ 1, and for the region R 13 with the shortest heat treatment time, the half-value width of the diffraction wavelength can be as wide as Δλ 3. For the region R 12 between which the heat treatment time is between them, the half width of the diffraction wavelength can be Δλ 2 and the half width between them.
以上のことから、回折波長の半値幅の異なる２領域のうち、半値幅がより広い領域を第１の領域とし、半値幅がより狭い領域を第２の領域とすると、半値幅の異なるどの２領域についても、第１の領域における熱処理時間は、第２の領域における熱処理時間よりも長いと言える。例えば、第１の領域として半値幅Δλ1の領域Ｒ11を考え、第２の領域として半値幅Δλ3（＜Δλ1）の領域Ｒ13を考えると、領域Ｒ11の熱処理時間は、領域Ｒ13の熱処理時間よりも長い。また、例えば、第１の領域として半値幅Δλ2の領域Ｒ12を考え、第２の領域として半値幅Δλ3（＜Δλ2）の領域Ｒ13を考えても、領域Ｒ12の熱処理時間は、領域Ｒ13の熱処理時間よりも長い。 From the above, when two regions having different half-value widths of diffraction wavelengths are defined as a first region and a region having a smaller half-value width is defined as a second region, Regarding the region, it can be said that the heat treatment time in the first region is longer than the heat treatment time in the second region. For example, when the region R 11 having a half width Δλ 1 is considered as the first region and the region R 13 having a half width Δλ 3 (<Δλ 1 ) is considered as the second region, the heat treatment time of the region R 11 is the region R 11. Longer than 13 heat treatment time. Further, for example, even if the region R 12 having the half width Δλ 2 is considered as the first region and the region R 13 having the half width Δλ 3 (<Δλ 2 ) is considered as the second region, the heat treatment time of the region R 12 is , longer than the annealing time of the domain R 13.
ＨＯＥ１が、レーザ光の２光束干渉により作製されるときに、上記のように露光後の熱処理時間を領域ごとに制御することによっても、実施例３の図１８と同様に、ホログラムの屈折率変調（Δｎ）を領域ごとに容易に異ならせることができる。したがって、膜厚に関係なく、回折波長の半値幅を領域ごとに容易に異ならせることができる。 When the HOE 1 is manufactured by the two-beam interference of the laser light, the refractive index modulation of the hologram can be performed similarly to FIG. 18 of the third embodiment by controlling the heat treatment time after exposure for each region as described above. (Δn) can be easily varied for each region. Therefore, regardless of the film thickness, the half width of the diffraction wavelength can be easily varied for each region.
なお、上述したＨＯＥ１の作製条件の制御によって回折波長の半値幅を領域ごとに異ならせる方法（実施例３、４）は、領域によって膜厚を変化させることによって半値幅を領域ごとに異ならせる方法（実施例１、２）とは異なり、半値幅の狭い領域（露光不足あるいは加熱処理不足の領域）のほうが、半値幅の広い領域に比べてホログラムの屈折率変調（Δｎ）が小さいため、回折効率が低くなる傾向にある（回折効率と半値幅とは逆の相関となる）。 In addition, the method (Examples 3 and 4) in which the half-value width of the diffraction wavelength is varied for each region by controlling the manufacturing conditions of the HOE 1 described above is a method in which the half-value width is varied for each region by changing the film thickness depending on the region. Unlike (Examples 1 and 2), the refractive index modulation (Δn) of the hologram is smaller in the region with a narrow half-value width (the region that is underexposed or underheated) than the region with a large half-value width. Efficiency tends to be low (diffraction efficiency and half-width are opposite to each other).
なお、実施例４のように熱処理条件（熱処理温度、熱処理時間）の制御によって回折波長の半値幅を制御する方法は、特に、後述するＨＵＤに適用される面積の広いＨＯＥ１を作製する場合に有効となる。面積の広いＨＯＥ１を作製する場合には、大型のヒータ源を用いることが容易であり、そのような大型のヒータ源を用いた場合でも、上述した熱処理条件の制御が容易で、かつ、熱処理も効率的に行えるからである。 Note that the method of controlling the half-value width of the diffraction wavelength by controlling the heat treatment conditions (heat treatment temperature and heat treatment time) as in Example 4 is particularly effective when manufacturing a HOE 1 having a wide area applied to the HUD described later. It becomes. When manufacturing the HOE 1 having a large area, it is easy to use a large heater source. Even when such a large heater source is used, the control of the heat treatment conditions described above is easy, and the heat treatment is also performed. This is because it can be done efficiently.
（補足）
上述したように、ＨＯＥの作製条件の制御によって回折波長の半値幅を制御する場合、ホログラム感光材料としては、ホログラムの屈折率変調（Δｎ）を大きくできる材料を用いることが望ましい。また、このときのΔｎは、０．０２以上が望ましく、０．０３以上がより望ましい。その理由は以下の通りである。なお、Δｎを大きくできるホログラム感光材料の詳細については後述する。
(Supplement)
As described above, when the half-value width of the diffraction wavelength is controlled by controlling the manufacturing conditions of the HOE, it is desirable to use a material that can increase the refractive index modulation (Δn) of the hologram as the hologram photosensitive material. Further, Δn at this time is preferably 0.02 or more, and more preferably 0.03 or more. The reason is as follows. Details of the hologram photosensitive material capable of increasing Δn will be described later.
ＨＯＥの膜厚を一定とし、ＨＯＥは単色光を回折させる単色ＨＯＥとする。Δｎが小さい材料を用いた場合（作製されたＨＯＥのΔｎが例えば０．０１以下の場合）、屈折率差が小さすぎるため、回折波長の半値幅を効果的に広げる（変化させる）ことが困難である。また、ＨＯＥの中心部でも回折効率が高々８０％程度と低く、また、回折効率が高い部分でも半値幅がほとんど広がらない。 The thickness of the HOE is constant, and the HOE is a monochromatic HOE that diffracts monochromatic light. When a material having a small Δn is used (when the Δn of the manufactured HOE is 0.01 or less, for example), it is difficult to effectively widen (change) the half-value width of the diffraction wavelength because the refractive index difference is too small. It is. In addition, the diffraction efficiency is as low as about 80% even at the center of the HOE, and the half-value width hardly increases even at the portion where the diffraction efficiency is high.
これに対して、Δｎが大きい材料を用いた場合（作製されたＨＯＥのΔｎが例えば０．０２以上、望ましくは０．０３以上の場合）、ＨＯＥの回折波長の半値幅は、回折効率が９０％以上となる回折効率飽和領域において効果的に広くなる。一方、回折効率が低い領域（非飽和領域）では、回折効率が増加しても、回折波長の半値幅がほとんど広がらない。 On the other hand, when a material having a large Δn is used (when the Δn of the manufactured HOE is 0.02 or more, preferably 0.03 or more), the half width of the diffraction wavelength of the HOE has a diffraction efficiency of 90. % Is effectively widened in a saturation region where the diffraction efficiency is greater than or equal to%. On the other hand, in the region where the diffraction efficiency is low (unsaturated region), even if the diffraction efficiency is increased, the half-value width of the diffraction wavelength is hardly increased.
つまり、Δｎを大きくできるホログラム感光材料（Δｎ≧０．０２、望ましくはΔｎ≧０．０３となる材料）を用い、ＨＯＥの中心部で回折効率が９０％以上の飽和領域となるように（中心部でΔｎが０．０２以上、望ましくは０．０３以上となるように）ＨＯＥを作製することにより、ＨＯＥの中心部の半値幅を周辺部の半値幅よりも大きく広げて、ＨＯＥの領域によって半値幅に差を持たせることが容易にかつ確実にできる。また、単色ＨＯＥであれば、回折波長の半値幅の最も広い領域（例えば中心部）で回折効率９０％以上を容易に実現することも可能となる。 That is, a hologram photosensitive material (Δn ≧ 0.02, preferably Δn ≧ 0.03) that can increase Δn is used, and the diffraction efficiency is 90% or more in the center of the HOE (center). By making the HOE, the half width of the central portion of the HOE is made larger than the half width of the peripheral portion so that Δn is 0.02 or more, preferably 0.03 or more. It is possible to easily and reliably provide a difference in the half width. Further, in the case of a monochromatic HOE, it is possible to easily realize a diffraction efficiency of 90% or more in a region (for example, the central portion) having the widest half width of the diffraction wavelength.
次に、Δｎを大きくできるホログラム感光材料の詳細について説明する。
Δｎを大きくできるホログラム感光材料（例えばΔｎ≧０．０２、望ましくはΔｎ≧０．０３）としては、以下の構成のフォトポリマーを用いることができる。このフォトポリマーは、ＲＧＢの感光性色素、重合開始材に加えて、重合性モノマー、マトリックスポリマー、必要に応じて可塑剤を含んでいる。
Next, details of the hologram photosensitive material capable of increasing Δn will be described.
As a hologram photosensitive material capable of increasing Δn (for example, Δn ≧ 0.02, preferably Δn ≧ 0.03), a photopolymer having the following configuration can be used. This photopolymer contains a polymerizable monomer, a matrix polymer, and, if necessary, a plasticizer in addition to the RGB photosensitive dye and the polymerization initiator.
上記構成のフォトポリマーを用いてＨＯＥを作製する場合、露光により、干渉縞明部でのモノマー重合、暗部の未重合モノマーの明部への拡散、暗部におけるマトリックスポリマーの残存というシステムでホログラムを記録する。このとき、主にマトリックスポリマーと重合性モノマーとからなる明部と、主にマトリックスポリマーからなる暗部との屈折率差および密度差を大きくすることで、Δｎを大きくできる。 When making a HOE using a photopolymer with the above configuration, a hologram is recorded by exposure using a system in which monomer polymerization occurs in the bright part of the interference fringe, diffusion of unpolymerized monomer in the dark part into the bright part, and matrix polymer remains in the dark part. To do. At this time, Δn can be increased by increasing the refractive index difference and the density difference between the bright part mainly composed of the matrix polymer and the polymerizable monomer and the dark part mainly composed of the matrix polymer.
ここで、Δｎが大きいフォトポリマーは、具体的に以下のいずれかの手法で得ることができる。
（１）マトリックスポリマーと重合性モノマーの屈折率差を大きくする。
具体的には、複数の重合性モノマーを併用するのが一般的であるが、その一つに、Ｎ−ビニルカルパゾールを用いるのがよい。Ｎ−ビニルカルパゾールは、代表的な高屈折の重合性モノマーであり、明部と暗部の屈折率差を大きくするのに有効に働く。
（２）マトリックスポリマーに対して重合性モノマーの割合を大きくする。
具体的には、フォトポリマー中のマトリックスポリマーの割合をＰ重量％とし、フォトポリマー中の重合性モノマーの割合をＭ重量％とすると、Ｍ／Ｐ≧０．７が望ましく、Ｍ／Ｐ≧１．０がより望ましい。この場合は、拡散するモノマー量を多くすることができ、大きな屈折率差を持たせることが可能となる。
（３）可塑剤を少量加える。
フォトポリマー中の可塑剤の割合を例えば１重量％以下とすることにより（１重量％以下の可塑剤を加えることにより）、重合性モノマーの拡散がより容易になり、大きな屈折率差を持たせることが可能となる。
Here, the photopolymer having a large Δn can be specifically obtained by any of the following methods.
(1) Increase the refractive index difference between the matrix polymer and the polymerizable monomer.
Specifically, a plurality of polymerizable monomers are generally used in combination, and N-vinyl carbazole is preferably used as one of them. N-vinylcarpazole is a typical high-refractive polymerizable monomer, and effectively works to increase the difference in refractive index between the bright part and the dark part.
(2) Increasing the ratio of the polymerizable monomer to the matrix polymer.
Specifically, when the ratio of the matrix polymer in the photopolymer is P wt% and the ratio of the polymerizable monomer in the photopolymer is M wt%, M / P ≧ 0.7 is desirable, and M / P ≧ 1 0.0 is more desirable. In this case, the amount of monomer to diffuse can be increased, and a large difference in refractive index can be provided.
(3) Add a small amount of plasticizer.
For example, by setting the proportion of the plasticizer in the photopolymer to 1% by weight or less (by adding 1% by weight or less of the plasticizer), diffusion of the polymerizable monomer becomes easier and a large refractive index difference is given. It becomes possible.
〔３．ＨＯＥの応用例について〕
次に、領域によって回折波長の半値幅が異なる上記したＨＯＥ１を適用可能な映像表示装置、ＨＭＤおよびＨＵＤについて説明する。
[3. Application example of HOE]
Next, a video display device, HMD, and HUD to which the above-described HOE 1 in which the half width of the diffraction wavelength varies depending on the region will be described.
（映像表示装置について）
図２１は、映像表示装置１１の概略の構成を示す断面図である。映像表示装置１１は、光源２１と、照明光学系２２と、表示素子２３と、接眼光学系２４とを有して構成されている。本実施形態では、水平方向の観察画角が例えば±１３°、垂直方向の観察画角が例えば±７．５°となっており、いわゆるワイド画面の映像を観察することが可能となっている。
(About video display device)
FIG. 21 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the video display device 11. The video display device 11 includes a light source 21, an illumination optical system 22, a display element 23, and an eyepiece optical system 24. In the present embodiment, the observation angle in the horizontal direction is, for example, ± 13 °, and the observation angle in the vertical direction is, for example, ± 7.5 °, so that a so-called wide screen image can be observed. .
光源２１は、表示素子２３を照明するものであり、本実施形態では、ＲＧＢの各波長領域の光を同一の発光面から発光する高演色白色光源で構成されている。つまり、光源２１は、例えば、Ｂ光を発光する半導体発光素子であるＬＥＤと、Ｂ光で励起されてＧ光を発光する緑色蛍光体と、Ｂ光で励起されてＲ光を発光する赤色蛍光体とを有して構成され、ＢＧＲの各光を同一の発光面から発光する。光源２１（特に上記の同一の発光面）は、接眼光学系２４によって形成される光学瞳Ｐと略共役となるように配置されている。なお、光源２１は、ＲＧＢのいずれか１つまたは２つの光を発光する光源で構成されていてもよい。 The light source 21 illuminates the display element 23. In the present embodiment, the light source 21 is composed of a high color rendering white light source that emits light in each wavelength region of RGB from the same light emitting surface. That is, the light source 21 includes, for example, an LED which is a semiconductor light emitting element that emits B light, a green phosphor that emits G light when excited by B light, and red fluorescence that emits R light when excited by B light. The BGR light is emitted from the same light emitting surface. The light source 21 (particularly the same light emitting surface as described above) is disposed so as to be substantially conjugate with the optical pupil P formed by the eyepiece optical system 24. The light source 21 may be a light source that emits one or two lights of RGB.
照明光学系２２は、光源２１からの光を集光して表示素子２３に導く光学系であり、例えば凹面反射面を有するミラー２２ａで構成されている。表示素子２３は、光源２１から照明光学系２２を介して入射する光を画像データに応じて変調して映像を表示するものであり、例えば透過型のＬＣＤで構成されている。表示素子２３は、矩形の表示画面の長辺方向が水平方向（図２１の紙面に垂直な方向；左右方向と同じ）となり、短辺方向がそれに垂直な方向となるように配置されている。 The illumination optical system 22 is an optical system that condenses light from the light source 21 and guides it to the display element 23, and includes, for example, a mirror 22a having a concave reflecting surface. The display element 23 modulates light incident from the light source 21 via the illumination optical system 22 according to image data and displays an image, and is configured by, for example, a transmissive LCD. The display element 23 is arranged such that the long side direction of the rectangular display screen is the horizontal direction (direction perpendicular to the paper surface of FIG. 21; the same as the left-right direction), and the short side direction is the direction perpendicular thereto.
接眼光学系２４は、表示素子２３からの映像光を光学瞳Ｐ（または光学瞳Ｐの位置にある観察者の瞳）に導く観察光学系であり、接眼プリズム３１と、偏向プリズム３２と、ＨＯＥ３３とを有して構成されている。なお、ＨＯＥ３３は、上述したＨＯＥ１に対応するものである。 The eyepiece optical system 24 is an observation optical system that guides the image light from the display element 23 to the optical pupil P (or the pupil of the observer at the position of the optical pupil P), and includes an eyepiece prism 31, a deflection prism 32, and a HOE 33. And is configured. The HOE 33 corresponds to the HOE 1 described above.
接眼プリズム３１は、表示素子２３からの映像光を内部で全反射させてＨＯＥ３３を介して光学瞳Ｐに導く一方、外界光を透過させて光学瞳Ｐに導くものであり、偏向プリズム３２とともに、例えばアクリル系樹脂で構成されている。この接眼プリズム３１は、平行平板の下端部を楔状にした形状で構成されている。接眼プリズム３１の上端面は、映像光の入射面としての面３１ａとなっており、前後方向に位置する２面は、互いに平行な面３１ｂ・３１ｃとなっている。 The eyepiece prism 31 totally reflects the image light from the display element 23 and guides it to the optical pupil P through the HOE 33, while transmitting the external light to the optical pupil P. Together with the deflection prism 32, For example, it is made of an acrylic resin. The eyepiece prism 31 is formed in a shape in which a lower end portion of a parallel plate is wedge-shaped. An upper end surface of the eyepiece prism 31 is a surface 31a as an incident surface for image light, and two surfaces positioned in the front-rear direction are surfaces 31b and 31c parallel to each other.
偏向プリズム３２は、平面視で略Ｕ字型の平行平板で構成されており（図２２参照）、接眼プリズム３１の下端部および両側面部（左右の各端面）と貼り合わされたときに、接眼プリズム３１と一体となって略平行平板となるものである。偏向プリズム３２は、ＨＯＥ３３を挟むように接眼プリズム３１と隣接または接着して設けられている。これにより、外界光が接眼プリズム３１の楔状の下端部を透過するときの屈折を偏向プリズム３２でキャンセルすることができ、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。 The deflecting prism 32 is configured by a substantially U-shaped parallel plate in plan view (see FIG. 22), and when attached to the lower end portion and both side surface portions (left and right end surfaces) of the eyepiece prism 31, the eyepiece prism. 31 and a substantially parallel flat plate. The deflection prism 32 is provided adjacent to or adhering to the eyepiece prism 31 so as to sandwich the HOE 33 therebetween. Thereby, the refraction when the external light passes through the wedge-shaped lower end of the eyepiece prism 31 can be canceled by the deflecting prism 32, and distortion of the external image observed through the see-through can be prevented.
ＨＯＥ３３は、表示素子２３からの映像光（ＲＧＢの各光）を光学瞳Ｐの方向に回折反射させる一方、外界光を透過させて光学瞳Ｐに導くコンバイナとしての反射型で体積位相型のホログラム光学素子であり、接眼プリズム３１において偏向プリズム３２との接合面である面３１ｄに形成されている。ＨＯＥ３３は、軸非対称な正の光学的パワーを有しており、正の光学的パワーを持つ非球面凹面ミラーと同様の機能を持っている。これにより、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めて装置を容易に小型化することができるとともに、良好に収差補正された映像を観察者に提供することができる。 The HOE 33 diffracts and reflects the image light (RGB light) from the display element 23 in the direction of the optical pupil P, while transmitting and reflecting external light to the optical pupil P, and a reflection type volume phase hologram. It is an optical element, and is formed on a surface 31 d that is a joint surface with the deflection prism 32 in the eyepiece prism 31. The HOE 33 has an axially asymmetric positive optical power and has the same function as an aspherical concave mirror having a positive optical power. Thereby, the degree of freedom of arrangement of each optical member constituting the apparatus can be increased, and the apparatus can be easily reduced in size, and an image with good aberration correction can be provided to the observer.
上記構成の映像表示装置１において、光源２１から出射された光は、照明光学系２２のミラー２２ａによって反射、集光され、ほぼコリメート光となって表示素子２３に入射し、そこで変調されて映像光として出射される。表示素子２３からの映像光は、接眼光学系２４の接眼プリズム３１の内部に面３１ａから入射し、続いて面３１ｂ・３１ｃで少なくとも１回ずつ全反射されてＨＯＥ３３に入射する。 In the image display device 1 having the above-described configuration, the light emitted from the light source 21 is reflected and collected by the mirror 22a of the illumination optical system 22, and is substantially collimated and incident on the display element 23, where it is modulated and imaged. It is emitted as light. Image light from the display element 23 enters the eyepiece prism 31 of the eyepiece optical system 24 from the surface 31a, and then is totally reflected at least once by the surfaces 31b and 31c and enters the HOE 33.
ＨＯＥ３３は、光源２１が発光するＲＧＢの各波長領域の光を、各波長領域ごとに独立して回折する回折素子として機能する波長選択性を有しており、また、光源２１が発光するＲＧＢの光に対しては凹面反射面として機能するように設計されている。したがって、ＨＯＥ３３に入射した光は、そこで回折反射されて光学瞳Ｐに達し、同時に、外界光もＨＯＥ３３を透過して、光学瞳Ｐに向かう。よって、光学瞳Ｐの位置に観察者の瞳を位置させることにより、観察者は、表示素子２３に表示された映像を拡大虚像として観察することができると同時に、外界像をシースルーで観察することができる。なお、表示素子２３に表示された映像を観察者が良好に観察できるように、接眼光学系２４において諸収差（コマ収差、像面湾曲、非点収差、歪曲収差）が補正されている。 The HOE 33 has wavelength selectivity that functions as a diffraction element that independently diffracts light in each wavelength region of RGB emitted from the light source 21 for each wavelength region. It is designed to function as a concave reflecting surface for light. Therefore, the light incident on the HOE 33 is diffracted and reflected there and reaches the optical pupil P. At the same time, external light passes through the HOE 33 and travels toward the optical pupil P. Therefore, by locating the observer's pupil at the position of the optical pupil P, the observer can observe the image displayed on the display element 23 as an enlarged virtual image, and at the same time, observe the outside world image with see-through. Can do. Note that various aberrations (coma aberration, field curvature, astigmatism, distortion) are corrected in the eyepiece optical system 24 so that the viewer can observe the image displayed on the display element 23 satisfactorily.
また、光源２１の発光面と接眼光学系２４の光学瞳Ｐ（観察者の瞳）とは略共役であるので、光源２１から射出された光を効率よく光学瞳Ｐに導くことができる。これにより、光学瞳Ｐの位置に観察者の瞳を位置させたときには、光源２１からの光を観察者の瞳（瞳孔）に効率よく入射させることができ、観察者は、明るい高品位な映像を観察することができる。 Further, since the light emitting surface of the light source 21 and the optical pupil P (observer's pupil) of the eyepiece optical system 24 are substantially conjugate, the light emitted from the light source 21 can be efficiently guided to the optical pupil P. Thus, when the observer's pupil is positioned at the position of the optical pupil P, the light from the light source 21 can be efficiently incident on the pupil (pupil) of the observer, and the observer can obtain a bright, high-quality image. Can be observed.
（ＨＭＤについて）
図２２は、ＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。ＨＭＤは、上記した映像表示装置１１と、支持手段１２とで構成されている。
(About HMD)
FIG. 22 is a perspective view showing a schematic configuration of the HMD. The HMD includes the video display device 11 and support means 12 described above.
映像表示装置１１について補足すると、映像表示装置１１は、少なくとも光源２１および表示素子２３（ともに図２１参照）を内包する筐体１３をさらに有している。この筐体１３は、接眼光学系２４の一部を保持している。接眼光学系２４は、接眼プリズム３１および偏向プリズム３２の貼り合わせによって構成されており、全体として眼鏡の一方のレンズ（図２２では右眼用レンズ）のような形状をしている。また、映像表示装置１１は、筐体１３を貫通して設けられるケーブル１４を介して、光源２１および表示素子２３に少なくとも駆動電力および映像信号を供給するための回路基板（図示せず）を有している。 To supplement the video display device 11, the video display device 11 further includes a housing 13 that includes at least a light source 21 and a display element 23 (both refer to FIG. 21). The housing 13 holds a part of the eyepiece optical system 24. The eyepiece optical system 24 is configured by bonding an eyepiece prism 31 and a deflection prism 32, and has a shape like one lens of a pair of glasses (lens for right eye in FIG. 22) as a whole. In addition, the video display device 11 has a circuit board (not shown) for supplying at least driving power and a video signal to the light source 21 and the display element 23 via a cable 14 provided through the housing 13. is doing.
支持手段１２は、眼鏡のフレーム（ブリッジ、テンプルを含む）に相当する支持機構であり、映像表示装置１１を観察者の眼前（例えば右眼の前）で支持している。また、支持手段１２は、観察者の鼻と当接する鼻当て１５（右鼻当て１５Ｒ・左鼻当て１５Ｌ）と、その鼻当て１５を所定の位置で固定する鼻当てロックユニット１６とを含んでいる。鼻当てロックユニット１６は、ばね性の軸により鼻当て５を保持している。 The support means 12 is a support mechanism corresponding to a spectacle frame (including a bridge and a temple), and supports the video display device 11 in front of the observer's eyes (for example, in front of the right eye). Further, the support means 12 includes a nose pad 15 (right nose pad 15R / left nose pad 15L) that contacts the observer's nose, and a nose pad lock unit 16 that fixes the nose pad 15 at a predetermined position. Yes. The nose pad lock unit 16 holds the nose pad 5 by a spring shaft.
観察者がＨＭＤを頭部に装着し、表示素子２３に映像を表示すると、その映像光が接眼光学系２４を介して光学瞳に導かれる。したがって、光学瞳の位置に観察者の瞳を合わせることにより、観察者は、映像表示装置１１の表示映像の拡大虚像を観察することができる。また、これと同時に、観察者は、接眼光学系２４を介して、外界像をシースルーで観察することができる。 When the observer wears the HMD on the head and displays an image on the display element 23, the image light is guided to the optical pupil via the eyepiece optical system 24. Therefore, by aligning the observer's pupil with the position of the optical pupil, the observer can observe an enlarged virtual image of the display image on the image display device 11. At the same time, the observer can observe the external image through the eyepiece optical system 24 in a see-through manner.
このように、映像表示装置１１が支持手段１２にて支持されることにより、観察者は映像表示装置１１から提供される映像をハンズフリーで長時間安定して観察することができる。なお、映像表示装置１１を２つ用いて両眼で映像を観察できるようにしてもよい。この場合は、両方の観察光学系の間の距離（眼幅距離）を調整するための調整機構（図示せず）を設けることが必要である。 In this way, the video display device 11 is supported by the support means 12, so that the observer can observe the video provided from the video display device 11 stably and for a long time without hands. Note that two video display devices 11 may be used so that video can be observed with both eyes. In this case, it is necessary to provide an adjustment mechanism (not shown) for adjusting the distance (eye distance) between the two observation optical systems.
また、上記した鼻当て１５を自由自在に動かすことにより、観察者に対して映像表示装置１１の位置を相対的に前後、左右、上下の各方向に調整することができ、これによって、接眼光学系２４の光学瞳の位置を、観察者の瞳の位置に配置することができる。位置調整後は、鼻当てロックユニット１６によって鼻当て１５の位置を固定することにより、光学瞳を良好な位置に固定することができる。 Further, by freely moving the above-described nose pad 15, the position of the image display device 11 can be adjusted relative to the observer in the front and rear, left and right, and up and down directions. The position of the optical pupil of the system 24 can be placed at the position of the observer's pupil. After the position adjustment, the optical pupil can be fixed at a good position by fixing the position of the nose pad 15 by the nose pad lock unit 16.
以上のことから、鼻当て１５および鼻当てロックユニット１６は、少なくとも、映像表示装置１１の接眼光学系２４（または光学瞳）と観察者の瞳との距離を調整する調整機構（第１の調整機構）を構成していると言えるが、第１の調整機構は、映像表示装置１１の上下、左右方向の位置を調整するための第２の調整機構と独立して構成されていてもよい。この場合は、各々の位置調整がさらに容易となる。 From the above, the nose pad 15 and the nose pad lock unit 16 are at least an adjustment mechanism (first adjustment) that adjusts the distance between the eyepiece optical system 24 (or optical pupil) of the video display device 11 and the pupil of the observer. The first adjustment mechanism may be configured independently of the second adjustment mechanism for adjusting the vertical and horizontal positions of the video display device 11. In this case, each position adjustment becomes easier.
（ＨＵＤについて）
図２３は、ＨＵＤの概略の構成を示す断面図である。ＨＵＤに適用される映像表示装置１１は、表示素子２３を照明する光源として光源２５を用い、照明光学系２２として照明レンズ２６を用い、接眼光学系２４の代わりに観察光学系２７を用いて構成されている。つまり、本実施形態のＨＵＤは、このような構成の映像表示装置１１を備え、観察光学系２７の後述するＨＯＥ３３が、観察者の視界内に配置される基板としてのウィンドシールド３４に保持されている構成である。
(About HUD)
FIG. 23 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the HUD. The video display device 11 applied to the HUD uses a light source 25 as a light source for illuminating the display element 23, uses an illumination lens 26 as the illumination optical system 22, and uses an observation optical system 27 instead of the eyepiece optical system 24. Has been. That is, the HUD of the present embodiment includes the video display device 11 having such a configuration, and a HOE 33 (to be described later) of the observation optical system 27 is held by a windshield 34 as a substrate disposed in the field of view of the observer. It is the composition which is.
光源２５は、単色光（例えば中心波長５３２ｎｍのＧ光）を発光する高輝度ＬＥＤで構成されている。観察光学系２７は、ＨＯＥ３３と、そのＨＯＥ３３が形成される基板としてのウィンドシールド３４とで構成されている。ＨＯＥ３３は、Ｇの波長領域にのみ回折ピーク波長（例えば５２１ｎｍ）を有する体積位相型で反射型のＨＯＥで構成されているが、ＢやＲの波長領域にも回折ピーク波長を有していてもよい。ウィンドシールド３４は、例えば車両、船舶、鉄道、航空機などの輸送手段における運転席前面のフロントガラスに相当する。 The light source 25 is composed of a high-intensity LED that emits monochromatic light (for example, G light having a center wavelength of 532 nm). The observation optical system 27 includes a HOE 33 and a windshield 34 as a substrate on which the HOE 33 is formed. The HOE 33 is constituted by a volume phase type reflective HOE having a diffraction peak wavelength (for example, 521 nm) only in the G wavelength region, but even if it has a diffraction peak wavelength in the B or R wavelength region. Good. The windshield 34 corresponds to a windshield in front of the driver's seat in a transportation means such as a vehicle, a ship, a railroad, and an aircraft.
上記の構成によれば、光源２５から出射される光は、照明レンズ２６で集光されて表示素子２３に入射する。表示素子２３にて画像データに応じて変調された光（映像光）は、ＨＯＥ３３に入射し、そこで回折反射されて光学瞳に導かれる。したがって、光学瞳の位置では、観察者は、表示素子２３にて表示された映像の拡大虚像を観察できると同時に、ＨＯＥ３３およびウィンドシールド３４を介して外界を観察することができる。 According to the above configuration, the light emitted from the light source 25 is collected by the illumination lens 26 and enters the display element 23. Light (video light) modulated in accordance with image data by the display element 23 enters the HOE 33, where it is diffracted and reflected and guided to the optical pupil. Therefore, at the position of the optical pupil, the observer can observe the magnified virtual image of the image displayed on the display element 23 and can observe the outside world through the HOE 33 and the windshield 34.
なお、ウィンドシールド３４とは別体の基板にＨＯＥ３３を保持し、上記基板を観察者の視界内に配置することによってＨＵＤを構成してもよい。この場合は、プロンプタのような原稿表示装置としてＨＵＤを機能させることができる。 The HUD may be configured by holding the HOE 33 on a substrate separate from the windshield 34 and placing the substrate in the field of view of the observer. In this case, the HUD can function as a document display device such as a prompter.
なお、以上で説明した構成や方法を適宜組み合わせてＨＯＥ、映像表示装置、ＨＭＤおよびＨＵＤを構成することも勿論可能である。 Needless to say, the HOE, the video display device, the HMD, and the HUD can be configured by appropriately combining the configurations and methods described above.
本発明のＨＯＥは、映像の観察画角が大きい映像表示装置やＨＭＤ、ＨＵＤに利用することが可能である。 The HOE of the present invention can be used for video display devices, HMDs, and HUDs that have a large video viewing angle.
１ ＨＯＥ（ホログラム光学素子）
１ａ 面（シリンドリカル面）
２ 基板
４ ホログラム感材液
Ｒ1 領域
Ｒ2 領域
Ｒ3 領域
ＲC 領域
ＲE 領域
Ｒ11 領域
Ｒ12 領域
Ｒ13 領域
Ｓ 対称軸
Ｓ1 対称軸
Ｓ2 対称軸
1 HOE (hologram optical element)
1a surface (cylindrical surface)
2 Substrate 4 Hologram-sensitive material solution R 1 region R 2 region R 3 region R C region RE region R 11 region R 12 region R 13 region S Axis of symmetry S 1 Axis of symmetry S 2 Axis of symmetry
Claims (14)
面内の領域によって回折波長の半値幅が異なることを特徴とするホログラム光学素子。 A reflection type volume phase hologram optical element,
A hologram optical element characterized in that a half-value width of a diffraction wavelength varies depending on an in-plane region.
回折波長の半値幅の異なる２領域のうち、半値幅がより広い領域を第１の領域とし、半値幅がより狭い領域を第２の領域とすると、半値幅の異なるどの２領域についても、第１の領域における露光量は、第２の領域における露光量よりも高いことを特徴とする請求項１１に記載のホログラム光学素子。 It is produced by two-beam interference of laser light, and the exposure amount of the laser light at the time of production varies depending on the region,
Of two regions having different half-value widths of diffraction wavelengths, a region having a larger half-value width is defined as a first region, and a region having a smaller half-value width is defined as a second region. The hologram optical element according to claim 11, wherein an exposure amount in the first region is higher than an exposure amount in the second region.
回折波長の半値幅の異なる２領域のうち、半値幅がより広い領域を第１の領域とし、半値幅がより狭い領域を第２の領域とすると、半値幅の異なるどの２領域についても、第１の領域における熱処理温度は、第２の領域における熱処理温度よりも高いことを特徴とする請求項１１に記載のホログラム光学素子。 It is manufactured by two-beam interference of laser light, and the heat treatment temperature after laser light exposure differs depending on the region,
Of two regions having different half-value widths of diffraction wavelengths, a region having a larger half-value width is defined as a first region, and a region having a smaller half-value width is defined as a second region. The hologram optical element according to claim 11, wherein the heat treatment temperature in the first region is higher than the heat treatment temperature in the second region.
回折波長の半値幅の異なる２領域のうち、半値幅がより広い領域を第１の領域とし、半値幅がより狭い領域を第２の領域とすると、半値幅の異なるどの２領域についても、第１の領域における熱処理時間は、第２の領域における熱処理時間よりも長いことを特徴とする請求項１１または１３に記載のホログラム光学素子。 It is produced by two-beam interference of laser light, and the heat treatment time after laser light exposure varies depending on the region,
Of two regions having different half-value widths of diffraction wavelengths, a region having a larger half-value width is defined as a first region, and a region having a smaller half-value width is defined as a second region. The hologram optical element according to claim 11 or 13, wherein the heat treatment time in the first region is longer than the heat treatment time in the second region.
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