광학 장치 및 허상 표시 장치 document_id A220623017068

본 발명은 표시 화상광을 관찰자의 동공으로 도광하는 박형의 광학 장치 및 이 광학 장치를 구비하고, 2차원 화상을 허상 광학계에 의해 확대 허상으로서 관찰자에게 관찰시키기 위해 표시하는 허상 표시 장치에 관한 것이다. 종래부터, 2차원 화상을 허상 광학계에 의해 확대 허상으로서 관찰자에게 관찰시키기 위해 표시하는 허상 표시 장치로서, 홀로그램 광학 소자 중에서도 특히 반사형 체적 홀로그램 그레이팅을 이용한 도11에 도시한 바와 같은 허상 표시 장치(100)가 있다. 허상 광학 장치(100)는, 도11에 도시한 바와 같이 화상을 표시하는 화상 표시 소자(111)와, 화상 표시 소자(111)에 표시된 표시광을 입사하여 관찰자의 동공(116)으로 유도하는 허상 광학계를 구비하고 있다. 화상 표시 소자(111)는, 예를 들어 유기 EL(Electro Luminescence) 디스플레이, 무기 EL 디스플레이나, 액정 디스플레이(LCD : Liquid Crystal Display) 등이다. 허상 광학계는 콜리메이트 광학계(121)와, 도광판(122)과, 도광판(122)에 설치된 제1 반사형 체적 홀로그램 그레이팅(123)과, 제2 반사형 체적 홀로그램 그레이팅(124)을 구비한다. 콜리메이트 광학계(121)는 화상 표시 소자(111)의 각 화소로부터 사출된 광속을 입사하여, 서로 화각이 다른 평행 광속군으로 하는 광학계이다. 콜리메이트 광학계(121)로부터 사출된 서로 화각이 다른 평행 광속군은 각각 도광판(122)으로 입사된다. 도광판(122)은, 콜리메이트 광학계(121)로부터 사출된 서로 화각이 다른 평행 광속군을 입사하는 광 입사구(122a)를 한쪽 단부에 갖고, 다른 쪽 단부에 광을 사출하는 광 사출구(122b)를 갖는 광학면(122c)과, 이 광학면(122c)에 대향하는 광학면(122d)을 주면으로 하는 박형의 평행 평판인 도광판이다. 도광판(122)의 광학면(122d)에는, 광학면(122c)의 광 입사구(122a)와 대향하는 위치에 제1 반사형 체적 홀로그램 그레이팅(123)이 설치되고, 광학면(122c)의 광 사출구(122b)와 대향하는 위치에 제2 반사형 체적 홀로그램 그레이팅(124)이 설치되어 있다. 도12에 간섭 줄무늬가 기록된 제2 반사형 체적 홀로그램 그레이팅(124)의 단면도를 도시한다. 도12에 도시한 바와 같이, 제2 반사형 체적 홀로그램 그레이팅(124)에는, 간섭 줄무늬가 경사인 경사각이 다른 3종류의 간섭 줄무늬가 홀로그램 표면(124S)에 있어서 각각 동일 피치가 되도록 다중화되어 기록되어 있다. 제2 반사형 체적 홀로그램 그레이팅(124)은 경사각이 각각 다른 3종류의 간섭 줄무늬를 기록함으로써 회절 수용각을 넓히고 있다. 제2 반사형 체적 홀로그램 그레이팅(124)에는, 간섭 줄무늬(124a, 124b, 124c)가 경사각(θa, θb, θc)으로 각각 동일 피치, 즉 위치에 관계없이 균등한 피치로 복수 기록되어 있다. 제1 반사형 체적 홀로그램 그레이팅(123)은, 이 제2 반사형 체적 홀로그램 그레이팅(124)과, 광학면에 직교하는 면에 대해 대칭 형상으로 되어 있다. 또한, 제1 및 제2 반사형 체적 홀로그램 그레이팅(123, 124)은, 각각 간섭 줄무늬가 광학면(122d)과 수직인 평면에 대해 대칭이 되도록 도광판(122)의 광학면(122d) 상에 배치되어 있다. 도광판(122)의 광 입사구(122a)로부터 입사한 서로 화각이 다른 평행 광속군은, 상술한 제1 반사형 체적 홀로그램 그레이팅(123)에 입사되고, 각각의 평행 광속군이 평행 광속군 그대로 회절 반사된다. 회절 반사된 평행 광속군은, 도광판(122)의 광학면(122c, 122d) 사이에서 전반사를 반복하면서 진행하고, 상술한 제2 반사형 체적 홀로그램 그레이팅(124)에 입사하게 된다. 도광판(122)의 길이 방향의 길이 및 광학면(122c)과 광학면(122d) 사이의 두께는, 이 때에 내부를 전반사하면서 진행하는 서로 화각이 다른 평행 광속군이 각 화각에 의해 제2 반사형 체적 홀로그램 그레이팅(124)에 도달하기까지의 전반사 횟수에 차이가 나는 광로 길이가 되도록 박형화되고, 길이 방향의 길이도 충분한 길이가 되도록 설계되어 있다. 구체적으로는, 도광판(122)으로 입사하는 평행 광속군 중, 제2 반사형 체적 홀로그램 그레이팅(124)측으로 경사지면서 입사하는 평행 광속, 즉 입사각이 큰 평행 광속의 반사 횟수는, 그와는 반대로 제2 반사형 체적 홀로그램 그레이팅(124)측으로 그다지 경사지지 않고 입사하는 평행 광속, 즉 입사각이 작은 평행 광속의 반사 횟수와 비교하여 적어진다. 이것은, 도광판(122)으로 입사한 평행 광속군은 각각 화각이 다른 평행 광속이 되어 입사되기 때문이다. 즉, 제1 반사형 체적 홀로그램 그레이팅(123)으로의 입사 각도도 다르고, 각각 다른 회절각으로 사출됨으로써 각 평행 광속의 전반사각도 다르기 때문에 도광판(122)을 박형화하고 길이 방향의 길이를 충분히 확보함으로써 전반사하는 횟수에 차이가 현저해진다. 제2 반사형 체적 홀로그램 그레이팅(124)에 입사한 각 화각의 평행 광속군은 회절 반사됨으로써 전반사 조건으로부터 벗어나고, 도광판(122)의 광 사출구(122a)로부터 사출되어 관찰자의 동공(116)에 입사한다. 이와 같이, 제2 반사형 체적 홀로그램 그레이팅(124)은, 기록된 간섭 줄무늬가 제1 반사형 체적 홀로그램 그레이팅(123)의 간섭 줄무늬와 광학면에 직교하는 면에 대해 대칭인 형상이 되도록 도광판(122)의 광학면(122d) 상에 설치되어 있다. 따라서, 제2 반사형 체적 홀로그램 그레이팅(124)에서 반사되는 평행 광속군은, 제1 반사형 체적 홀로그램 그레이팅(123)으로의 입사각과 동일한 각도로 반사되게 되기 때문에, 표시 화상이 흐려지지 않고 높은 해상도로 동공(116)에 표시되게 된다. 이 허상 표시 장치(100)는, 렌즈 효과가 없는 제1 반사형 체적 홀로그램 그레이팅(123) 및 제2 반사형 체적 홀로그램 그레이팅(124)을 구비함으로써 단색 편심 수차 및 회절 색수차를 배제 저감시킬 수 있다. 그러나, 이 허상 광학 장치(100)는 각 광속의 화각에 의한 색 불균일 및 휘도 불균일이 컸다. 즉, 이 허상 광학 장치(100)의 제1 및 제2 반사형 체적 홀로그램 그레이팅(123, 124)의 간섭 줄무늬의 경사각은 다중화나 적층화되어 있었지만 하나의 홀로그램면 내에서 일정하였다. 이 경우에는, 도13에 도시한 바와 같이 각 화각에 의해 홀로그램에 입사하는 광선의 입사각이 다르고, 홀로그램 상의 각각의 위치에서 브래그 조건을 충족시키는 회절 파장이 다르기 때문에 각각의 위치에서 반사된 광선(B91, B92, B93)의 회절 효율이 각각 달라지게 된다. 이것은 도14와 같이 홀로그램에 입사하는 광원 파장 스펙트럼이 일정한 대역을 갖고 있는 경우, 화각에 의해 가장 높은 효율로 회절하는 파장이 달라, 표시 화면의 장소에 따라 색조가 다르게 되는 경우가 있었다. 즉, 도14 중에 있어서 S91, S92, S93으로 나타내는 파장은, 각각 도13 중의 B91, B92, B93의 위치에서 가장 높은 효율로 회절되는 파장이다. 따라서, 광원 파장 스펙트럼이 일정한 대역을 갖고 있는 경우, 표시 화면의 장소에 따라 색조가 달라질 우려가 있다. 또한, 홀로그램에 입사하는 광이 단파장인 경우, 화각에 의해 회절 효율이 달라 휘도 불균일이 발생될 우려가 있었다. [특허 문헌 1] 일본 특허 공표 평8-507879호 공보 [특허 문헌 2] 일본 특허 공개 제2002-162598호 공보