光学デバイス、映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ
【課題】 ホログラムの特性を劣化させず、透明基材の接合面に気泡の混入がなく、透明基材同士の接着強度が高い光学デバイスを提供することである。
【解決手段】 光学デバイスは、ホログラム２４を貼り付けた透明基材２２と透明基材２３とが、ホログラム２４を挟むように接合され、その接合面を介して外界像がシースルーで観察されるものであって、ホログラム２４と透明基材２３との間は、ホログラム２４側から粘着剤２６、接着剤２５の順で接合されている構成とする。
【解決手段】 光学デバイスは、ホログラム２４を貼り付けた透明基材２２と透明基材２３とが、ホログラム２４を挟むように接合され、その接合面を介して外界像がシースルーで観察されるものであって、ホログラム２４と透明基材２３との間は、ホログラム２４側から粘着剤２６、接着剤２５の順で接合されている構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の透明基材の接合面を介してシースルーで外界像を観察することが可能な光学デバイスと、その光学デバイスを用いた映像表示装置と、その映像表示装置を用いたヘッドマウントディスプレイとに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光学素子の一つであるホログラムは、透明基材内に埋め込んで（２個の透明基材で挟み込んで）使用すれば、湿度や酸素などの外部環境の影響を受けることがないことから、例えばヘッドアップディスプレイやヘッドマウントディスプレイなどのコンバイナとして非常に有用である。
【０００３】
ここで、ホログラムが挟み込まれる透明基材同士を接合する手段としては、一般的に粘着シートや接着剤が用いられている。例えば特許文献１では、ヘッドアップディスプレイの作製において、ホログラムを貼った基材ともう１つの基材とを粘着シートで接合するようにしている。また、例えば特許文献２では、複数のホログラム原版を貼った基材と他の基材とを接着剤で接着している。
【特許文献１】特開平７−２３４６２７号公報
【特許文献２】特開２００２−４０９０９号公報
【特許文献３】特許２５０５３４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、透明基材同士の接合に粘着シートを用いる手法では、ホログラムに厚さがあるために、ホログラムと粘着シートとの界面に気泡が入りやすい。上記界面に気泡が入ると、その箇所で屈折率が変化するため、透明基材を介してシースルーで外界像を観察する際の視認性が低下する。また、透明基材の接合面同士の面間隔が一定でない場合や接合面の形状が複雑な場合には、粘着シートでは均一に接合することができない。したがって、透明基材同士の接合には接着剤を用いるのが有効である。
【０００５】
一方、ホログラムを、例えばヘッドマウントディスプレイのコンバイナとして用いる場合、そのホログラムは湿度や温度など外部環境の影響を受けないよう２個の透明基材で挟まれた状態で観察者の眼前に配置することが望ましい。このため、各透明基材の剥離による観察者への危険を回避すべく、透明基材同士の接合強度を高くする必要がある。つまり、ホログラムをコンバイナとして用いる用途では、圧倒的に高い接合強度が必要となり、実使用上、接合強度不足とならないようにする必要がある。また、ホログラムをコンバイナとして用いる用途では、接着剤には、上記のように「強い接着力」が要求されることに加えて、さらに「ホログラムに悪影響を与えない」ことも要求される。ホログラムへの悪影響とは、接着剤の浸透により記録された干渉縞の間隔がくずれて意図するホログラム特性が得られない状態である。
【０００６】
しかし、接着剤にこれらの両方の特性を充足させることは実際上難しく、強い接着力が必要な上記用途に用いることのできる接着剤はあまり存在しない。そのため、ホログラムに悪影響を与えずに透明基材同士を高い接着力で接着することができない。例えば特許文献３では、ホログラムと接着剤との間にポリビニルアルコールやポリエチレンテレフタレート等のバリア層を挿入することにより、接着剤のホログラムへの悪影響を防止しているが、これらの材料は一般的にホログラムとの密着性が弱く、ホログラムとバリア層との間の密着力が弱くなっている。従って、透明基材同士の接合面に加重が加わりにくい用途（車のフロントガラス等）でしか用いることができなかった。
【０００７】
特に、ヘッドマウントディスプレイでは、比較的高い接合強度が必要で車のフロントガラスに埋め込まれたヘッドアップディスプレイやホログラムスクリーンなどと比較して、ホログラムおよび透明基材が非常に小型であり、その接合面積が小さく形状も複雑である。このため、透明基材同士を高い接着力で接着することが益々困難となっている。
【０００８】
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あって、ホログラムの特性を劣化させず、透明基材の接合面に気泡の混入がなく、透明基材同士の接着強度が高い光学デバイスを提供することを目的とする。また、この光学デバイス備えた映像表示装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイとを提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明は、ホログラムを貼り付けた一方の透明基材と他方の透明基材とが、前記ホログラムを挟むように接合され、その接合面を介して外界像がシースルーで観察される光学デバイスであって、前記ホログラムと前記他方の透明基材との間は、前記ホログラム側から粘着剤、接着剤の順で接合されていることを特徴とするものである。
【００１０】
上記の構成によれば、一方の透明基材と他方の透明基材とがホログラムを挟むように接合される。このように一方の透明基材と他方の透明基材との接合面にホログラムが設けられていることにより、接合面を介して外界像をシースルーで観察者に提供しつつ、ホログラムの機能も併せ持つ光学デバイスを実現することができる。
【００１１】
ここで、ホログラム上に粘着剤、接着剤の順に設けられていることにより、ホログラムの特性を劣化させず、透明基材の接合面に気泡の混入がなく、透明基材同士を高い接着強度で接合することができる。
【００１２】
また、前記接合面の場所によって間隔の差が１０μｍ以上である場合でも、透明基材の接合面に気泡が混入することがない。
【００１３】
また、前記両透明基材の観察者の目に対向する面が同一面を形成することにより、外界像の光が一方の透明基材の楔状の下端部を透過するときの屈折を他方の透明基材でキャンセルすることができる。その結果、シースルーで観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
【００１４】
また、前記両透明基材は、プラスチックであることが好ましい。透明基材の接合部が目の前に配置される構成とした場合に、接合部の剥離や破損を抑制し、目に対する安全性を確保できるからである。
【００１５】
また、前記ホログラム、前記両透明基材、前記粘着剤、及び前記接着剤が、アクリル系材料であることが好ましい。同種の材料を用いることで密着力を高められる。
【００１６】
また、前記粘着剤は透明なシート状であり、厚みが３〜１００μｍであることが好ましい。シート状の粘着剤を用いることにより、取り扱いが容易となりホログラムへ簡単に貼り付けることができる。また膜厚を３μｍ以上にすることで、接合時に仮に接着剤が粘着剤に浸透してもホログラムまで到達することがなく、ホログラムへのダメージを防ぐことができる。一方、膜厚を１００μｍ以下にすることで、接合間隔を比較的狭くすることが可能となり、透過光の光学性能及び接合部の外観品質を向上させることができる。
【００１７】
本発明の映像表示装置は、上述した本発明の光学デバイスと、映像を表示して前記光学デバイスに提供する映像表示素子とを備えていることを特徴とするものである。この構成により、観察者は、映像表示素子から提供される映像を光学デバイスを介して観察することができるのと同時に、光学デバイスを介してシースルーで外界像を観察することもできる。
【００１８】
なお、前記透明基材の観察者の目に対向する面に対して、前記ホログラムが傾斜していることが好ましい。光学的な自由度が大きく、ホログラムでの反射を正反射に近い角度とすることができる。その結果、観察者は高効率で光学的によく収差補正された映像を観察することができる。
【００１９】
前記ホログラムは、体積位相型の反射型ホログラムであることが望ましい。この場合、映像表示素子から提供される映像光を上記ホログラムにて観察者の方向に反射させることにより、観察者に虚像を観察させることができる。しかも、体積位相型の反射型ホログラムは、外界像の光の透過率が高いので、観察者は外界像を明瞭に観察することができる。
【００２０】
また、前記ホログラムは、前記映像表示素子から提供される映像と外界像とを同時に観察者の目に導くコンバイナであってもよい。この場合、観察者は、上記ホログラムを介して、映像表示素子から提供される映像と外界像とを同時に観察することができる。
【００２１】
また、上記光学デバイスは、上記映像表示素子に表示される映像を拡大して観察者の目に虚像として導く接眼光学系を構成していてもよい。この場合、観察者は、映像表示素子に表示される映像を虚像として十分に視認することができる。また、接眼光学系は、映像表示素子の表示映像を拡大虚像として観察者に提供するので、接眼光学系を構成する光学デバイスの小型化、軽量化が可能となり、映像表示装置の小型化、軽量化が可能となる。
【００２２】
また、上記接眼光学系は、非軸対称な（正の）光学パワーを有していることが望ましい。この場合、接眼光学系を小型にしても、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。
【００２３】
また、上記光学デバイスの透明基材は、上記映像表示素子から提供される映像の光を内部で全反射させて上記ホログラムに導く構成が望ましい。この構成によれば、映像表示素子から提供される映像光を無駄なく利用して、観察者に明るい映像を提供することができる。また、映像表示素子を光学デバイスから離れた位置に配置することも可能となり、観察者の外界に対する視野を広く確保することができる。
【００２４】
本発明のヘッドマウントディスプレイは、上述した映像表示装置と、上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを備えていることを特徴としている。この構成によれば、映像表示装置が支持手段によって観察者の眼前で支持されるので、観察者は、ハンズフリーとなり、外界像と映像表示素子での表示映像を同時に観察しながら、空いた手で所望の作業を行うことができる。また、観察者の観察方向が一方向に定まるので、観察者は暗環境でも表示映像を探しやすいという利点もある。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、一方の透明基材と他方の透明基材との接合面にホログラムが設けられていることにより、接合面を介して外界像をシースルーで観察者に提供しつつ、ホログラムの機能も併せ持つ光学デバイスが得られ、その接合面はホログラム側から粘着剤、接着剤の順で接合することにより、ホログラムの特性を劣化させず、透明基材の接合面に気泡の混入がなく、透明基材同士を高い接着強度で接合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
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。図１（ａ）は、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤと略称する）の概略の構成を示す平面図であり、図１（ｂ）は、ＨＭＤの側面図であり、図１（ｃ）は、ＨＭＤの正面図である。ＨＭＤは、映像表示装置１と、それを支持する支持手段２とを有しており、全体として、一般の眼鏡から一方（例えば左目用）のレンズを取り除いたような外観となっている。
【００２７】
映像表示装置１は、観察者に外界像をシースルーで観察させるとともに、映像を表示して観察者にそれを虚像として提供するものである。図１（ｃ）で示す映像表示装置１において、眼鏡の右目用レンズに相当する部分は、後述する２つの透明基材２２・２３（図３参照）の貼り合わせによって構成されている。なお、映像表示装置１の詳細な構成については後述する。
【００２８】
支持手段２は、映像表示装置１を観察者の眼前（例えば右目の前）で支持するものであり、ブリッジ３と、フレーム４と、テンプル５と、鼻当て６と、ケーブル７とを有している。なお、フレーム４、テンプル５および鼻当て６は、左右一対設けられているが、これらを左右で区別する場合は、右フレーム４Ｒ、左フレーム４Ｌ、右テンプル５Ｒ、左テンプル５Ｌ、右鼻当て６Ｒ、左鼻当て６Ｌのように表現するものとする。
【００２９】
映像表示装置１の一端は、ブリッジ３に支持されている。このブリッジ３は、映像表示装置１のほかにも左フレーム４Ｌおよび鼻当て６を支持している。左フレーム４Ｌは、左テンプル５Ｌを回動可能に支持している。一方、映像表示装置１の他端は、右フレーム４Ｒに支持されている。右フレーム４Ｒにおいて映像表示装置１の支持側とは反対側の端部は、右テンプル５Ｒを回動可能に支持している。ケーブル７は、外部信号（例えば映像信号、制御信号）や電力を映像表示装置１に供給するための配線であり、右フレーム４Ｒおよび右テンプル５Ｒに沿って設けられている。
【００３０】
観察者がＨＭＤを使用するときは、右テンプル５Ｒおよび左テンプル５Ｌを観察者の右側頭部および左側頭部に接触させるとともに、鼻当て６を観察者の鼻に当て、一般の眼鏡をかけるようにＨＭＤを観察者の頭部に装着する。この状態で、映像表示装置１にて映像を表示すると、観察者は、映像表示装置１の映像を虚像として観察することができるとともに、この映像表示装置１を介して外界像をシースルーで観察することができる。
【００３１】
なお、ＨＭＤは、映像表示装置１を１個だけ備えたものには限られない。例えば、図２（ａ）は、ＨＭＤの他の構成を示す平面図であり、図２（ｂ）は、上記ＨＭＤの側面図であり、図２（ｃ）は、上記ＨＭＤの正面図である。これらの図に示すように、ＨＭＤは、観察者の両目の前に配置される２個の映像表示装置１を備えた構成であってもよい。この場合、左目の前に配置される映像表示装置１は、ブリッジ３と左フレーム４Ｌとによってその間で支持される。また、ケーブル７は、両方の映像表示装置１と接続され、ケーブル７を介して外部信号等が両方の映像表示装置１に供給される。
【００３２】
次に、上述した映像表示装置１の詳細について説明する。図３は、映像表示装置１の概略の構成を示す断面図である。映像表示装置１は、映像表示素子１１と、接眼光学系２１とで構成されている。
【００３３】
映像表示素子１１は、光源１２と、一方向拡散板１３と、集光レンズ１４と、ＬＣＤ１５とを有している。なお、光源１２と、一方向拡散板１３と、集光レンズ１４とで、ＬＣＤ１５を照明する照明光学系が構成されている。
【００３４】
光源１２は、中心波長が例えば４６５ｎｍ、５２０ｎｍ、６３５ｎｍとなる３つの波長帯域の光を発するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。なお、光源１２は、白色光を発する白色光源であっても構わない。
【００３５】
一方向拡散板１３は、光源１２からの照明光を拡散させるものであるが、その拡散度は、方向によって異なっている。より詳細には、一方向拡散板１３は、ＨＭＤを観察者が装着したときの左右方向に対応する方向（図３の紙面に垂直な方向）には、入射光を約４０゜拡散させ、ＨＭＤを観察者が装着したときの上下方向（図３の紙面に平行な方向）には、入射光を約２゜拡散させる。
【００３６】
集光レンズ１４は、一方向拡散板１３にて拡散された光を集光するものである。集光レンズ１４は、上記拡散光が効率よく光学瞳Ｅを形成するように配置されている。ＬＣＤ１５は、映像信号に基づいて入射光を変調することにより、映像を表示する表示手段である。
【００３７】
一方、接眼光学系２１は、２つの透明基材２２・２３と、ホログラム２４とを有している。この接眼光学系２１は、透明基材２２・２３の接合面を介して外界像がシースルーで観察される光学デバイスを構成しているとともに、映像表示素子１１に表示される映像を拡大して観察者の目に虚像として導く光学デバイスを構成している。これにより、接眼光学系２１を構成する光学デバイスの小型化、軽量化が可能となり、映像表示装置１の小型化、軽量化が可能となる。また、接眼光学系２１は、非軸対称な正の光学パワーを有しており、内部に入射した映像光が良好に収差補正される。
【００３８】
透明基材２２・２３は、プラスチック（例えばアクリル系樹脂やポリカーボネート）で構成されており、これらは粘着剤２６と接着剤２５（例えば図８参照）で接合されている。このときの透明基材２２は、平行平板の下端部を下端に近くなるほど薄くして楔状にし、その上端部を上端に近くなるほど厚くした形状で構成されている。透明基材２３は、平行平板の上端部を透明基材２２の下端部に沿った形状とすることによって、透明基材２２と一体となって略平行平板となるように構成されている。
【００３９】
例えば、透明基材２２に透明基材２３を接合させない場合、外界像の光が透明基材２２の楔状の下端部を透過するときに屈折するので、透明基材２２を介して観察される外界像に歪みが生じる。しかし、透明基材２２に透明基材２３を接合させて、透明基材２２・２３の観察者の目に対向する面が同一面を形成するように、一体的な略平行平板を形成することで、外界像の光が透明基材２２の楔状の下端部を透過するときの屈折を透明基材２３でキャンセルすることができる。その結果、シースルーで観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
【００４０】
なお透明基材２２・２３は、曲率を有する矯正眼鏡レンズとしてもよい。この場合も透明基材２２・２３の観察者の目に対向する面が同一面を形成するように一体的に形成する。
【００４１】
ホログラム２４は、特定の入射角で入射する例えば４６５±１０ｎｍ、５２０±１０ｎｍ、６３５±１０ｎｍの３つの波長帯域の光を回折させる体積位相型の反射型ホログラムで構成されている。反射型ホログラムは、外界光の透過率が高く、透明性も高い。ホログラム２４は、透明基材２２の下端部の傾斜面に貼り付けられており、この結果、透明基材２２・２３で挟まれている。このホログラム２４の透過率は、１０％以上に設定されている。
【００４２】
このようにホログラム２４は、透明基材２２・２３の観察者の目に対向する面に対して傾斜しているので、光学的な自由度が大きく、ホログラム２４での反射を正反射に近い角度とすることができる。その結果、観察者は高効率で光学的によく収差補正された映像を観察することができる。
【００４３】
ここで、体積位相型の反射型ホログラムは、例えば、フォトポリマーのような感光材料を透明基材２２上に貼り付ける工程、これをレーザー光で露光する工程、紫外線照射による定着工程、ベイク処理工程、紫外線照射による接合工程などを経て形成される。
【００４４】
このような映像表示装置１の構成により、映像表示素子１１の光源１２から出射された光は、一方向拡散板１３にて拡散され、集光レンズ１４にて集光されてＬＣＤ１５に入射する。ＬＣＤ１５に入射した光は、映像信号に基づいて変調され、映像光として出射される。このとき、ＬＣＤ１５には、その映像自体が表示される。
【００４５】
ＬＣＤ１５からの映像光は、接眼光学系２１の透明基材２２の内部にその上端面から入射し、対向する２つの面で複数回全反射されて、ホログラム２４に入射する。ホログラム２４に入射した光は、反射されて光学瞳Ｅに達する。光学瞳Ｅの位置では、観察者は、ＬＣＤ１５に表示された映像の拡大虚像を観察することができる。光学瞳Ｅから虚像までの距離は数ｍ程度であり、また、虚像の大きさはＬＣＤ１５に表示された映像の１０倍以上である。
【００４６】
一方、透明基材２２・２３およびホログラム２４は、外界からの光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界像を観察することができる。したがって、ＬＣＤ１５に表示された映像の虚像は、外界像の一部に重なって観察されることになる。以上のことから、ホログラム２４は、映像表示素子１１から提供される映像と外界像とを同時に観察者の目に導くコンバイナとして機能していると言える。
【００４７】
以上のように、映像表示装置１では、ＬＣＤ１５から出射される映像光を、透明基材２２内での全反射によってホログラム２４に導く構成としている。これにより、映像表示素子１１から提供される映像光を無駄なく利用して、観察者に明るい映像を提供することができる。また、映像表示素子１１を観察者の眼の直前から大きく離れた位置に配置することができ、観察者の外界に対する視野を広く確保することができる。また、通常の眼鏡レンズと同様に透明基材２２・２３の厚さを３ｍｍ程度にすることができ、映像表示装置１を小型化、軽量化することができる。
【００４８】
また、ホログラム２４は、上述したように特定入射角の特定波長の光のみを回折させるので、透明基材２２・２３およびホログラム２４を透過する外界像の光に影響を与えることがない。それゆえ、観察者は、透明基材２２・２３およびホログラム２４を介して外界像を通常通り観察することができる。また、ホログラム２４の透過率は、１０％以上に設定されているので、観察者は透明基材２２・２３およびホログラム２４を介して外界像を十分に観察することができる。
【００４９】
次に、他の実施形態について説明する。図４は、本実施形態に係るＨＭＤの概略の構成を示す平面図である。上記の実施の形態と同様の部材には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。ＨＭＤは、観察者の両目の横に配置される２個の映像表示装置１と、それを支持する支持手段２とを有している。
【００５０】
支持手段２は、映像表示素子１１を観察者の両目の横で支持し、接眼光学系２１を観察者の眼前で支持するものであり、ブリッジ３と、フレーム４と、テンプル５とを有している。
【００５１】
映像表示素子１１はテンプル５に支持され、接眼光学系２１の一端は、ブリッジ３に支持され、他端はフレーム４に支持されている。フレーム４は、テンプル５を回動可能に支持している。
【００５２】
観察者がＨＭＤを使用するときは、ＨＭＤを観察者の頭部に装着する。この状態で、映像表示装置１にて映像を表示すると、観察者は、映像表示装置１の映像を虚像として観察することができるとともに、この映像表示装置１を介して外界像をシースルーで観察することができる。
【００５３】
次に、上述した映像表示装置１の詳細について説明する。映像表示素子１１は、光源１２と、反射型ＬＣＤ１６とを有している。反射型ＬＣＤ１６は、光源１２からの光を半透過反射面１６ａで反射し、液晶で映像信号に基づいて入射光を変調し、像面１６ｂに映像を表示する表示手段である。一方、接眼光学系２１は、上記の実施形態と同様に２つの透明基材２２・２３と、ホログラム２４とを有している。
【００５４】
このような映像表示装置１の構成により、映像表示素子１１の光源１２から出射された光は、半透過反射面１６ａで反射し、液晶で映像信号に基づいて変調され、像面１６ｂで映像光として反射され、半透過反射面１６ａを透過する。透過した映像光は、入射面２２ｇに斜入射し、透明基材２２で屈折し、ホログラム２４に入射する。ホログラム２４に入射した映像光は、光学瞳Ｅに向けて回折され、コリメートされる。光学瞳Ｅの位置では、観察者は、像面１６ｂに表示された映像の拡大虚像を観察することができる。光学瞳Ｅから虚像までの距離は数ｍ程度であり、また、虚像の大きさは像面１６ｂに表示された映像の１０倍以上である。なお、映像光は、入射面に対してＰ型偏光になるように偏光方向が設定されている。
【００５５】
ホログラム２４は、特定入射角の特定波長の光のみを回折させるので、透明基材２２・２３およびホログラム２４を透過する外界像の光に影響を与えることがない。それゆえ、観察者は、透明基材２２・２３およびホログラム２４を介して外界像を通常通り観察することができる。また、ホログラム２４の透過率は、１０％以上に設定されているので、観察者は透明基材２２・２３およびホログラム２４を介して外界像を十分に観察することができる。
【００５６】
なお図４の透明基材２２・２３は、曲率を有する矯正眼鏡レンズとしてもよい。図５に、矯正眼鏡レンズを採用した場合のＨＭＤの光学系の平面図を示す。この場合も透明基材２２・２３の観察者の目に対向する面が同一面を形成するように一体的に形成する。透明基材２２・２３の曲率により、観察者の瞳に対して視力が矯正される。
【００５７】
また図４の透明基材２２・２３の接合面は曲率を有してもよい。図６に、接合面が湾曲した透明基材２２・２３を採用した場合のＨＭＤの光学系の平面図を示す。透明基材２２の接合面が滑らかに膨らんだ曲面で構成され、これに対応して透明基材２３の接合面が滑らかにへこんだ曲面で構成されている。この接合面に設けられたホログラム２４も接合面に沿って湾曲している。これにより、映像光のホログラム２４への入射角が小さくなる。特にホログラム２４の端における入射角が小さくなることにより、観察される映像が端まで鮮明になる。
【００５８】
次に、図３の接眼光学系２１を例に透明基材２２・２３の接合部について説明する。図７（ａ）は、透明基材２２の平面図を示し、図７（ｂ）は、透明基材２２の正面図を示している。また、図７（ｃ）は、透明基材２３の平面図を示し、図７（ｄ）は、透明基材２３の正面図を示している。さらに、図７（ｅ）は、透明基材２２・２３を接合させた接眼光学系２１の平面図を示している。
【００５９】
透明基材２２は、全体として略四角錐台の形状をしており、その上面および下面は、４つの側面で連結されている。この４つの側面は、図７（ａ）の平面図において、上面を中心として反時計回りに配置される面２２ａ・２２ｂ・２２ｃ・２２ｄで構成されている。これらの面２２ａ・２２ｂ・２２ｃ・２２ｄは、その法線方向が互いに異なっている。また、これらのうちの一側面（例えば面２２ｄ）には、上記上面よりも上方に突出する突出部２２ｅが形成されている。また、ホログラム２４は、透明基材２２の例えば面２２ｂに貼り付けられている。
【００６０】
一方、透明基材２３は、透明基材２２が接合することで平行平板が形成されるような形状となっている。つまり、透明基材２３は、平行平板から透明基材２２の形状をくり抜いた形状をしている。ここで、透明基材２３において、透明基材２２と接合したときに、透明基材２２の面２２ａ・２２ｂ・２２ｃと対向する面を、それぞれ２３ａ・２３ｂ・２３ｃと称することにする。これらの面２３ａ・２３ｂ・２３ｃは、その法線方向が互いに異なっている。
【００６１】
このようにホログラム２４を貼り付けた一方の透明基材２２に他方の透明基材２３を、ホログラム２４を挟むように粘着剤２６と接着剤２５（図８参照）を介して接合することにより、図７（ｅ）に示すように、接眼光学系２１が形成される。この接眼光学系２１を用いることにより、透明基材２２・２３の接合面（面２２ａ・２２ｂ・２２ｃ、面２３ａ・２３ｂ・２３ｃ）を介して、シースルーで外界像を観察することが可能となる。
【００６２】
また、透明基材２２の接合面は、法線方向の異なる複数の面（面２２ａ・２２ｂ・２２ｃ）を含んでおり、透明基材２３の接合面は、法線方向の異なる複数の面（面２３ａ・２３ｂ・２３ｃ）を含んでいる。これにより、透明基材２２の面２２ａ・２２ｂ・２２ｃには、互いに異なる方向に接着剤２５の接着力が働く。また、透明基材２３においても同様に、面２３ａ・２３ｂ・２３ｃには、互いに異なる方向に接着剤２５の接着力が働く。その結果、透明基材２２・２３同士の接着強度をさらに高めて、破壊に対してより強くすることができる。
【００６３】
このような接合面が複数面あるような複雑な形状の場合、それぞれの面間隔を数ミクロンオーダーで均一に保つことは透明基材２２・２３を成形或いは削り加工する上で非常にコストがかかる。そこで、透明基材２２・２３を安価で簡単に成形した場合、各接合面どうしの間隔が、例えば、面２２ａと面２３ａ間で７０μｍ、面２２ｂと面２３ｂ間で１００μｍ、面２２ｃと面２３ｃ間で２００μｍのように、ばらつきが生じる。通常、接合面の場所によって間隔の差が１０μｍ以上である場合、流動性のない粘着シートのみで気泡なく密着して接合させることは難しい。接着剤を用いれば、その流動性により容易に密着して接合することができるが、接着剤２５とホログラム２４とが直接接触することで、接着剤中の低分子がホログラム２４へ浸透し、ホログラム２４にダメージを与える可能性がある。なお、接着剤とは、貼り合わせ前は流動性のある液体であり、その後、光照射や加熱などにより化学反応して硬化し、固体となって強く密着するものである。
【００６４】
そこで本発明では粘着剤を用いる。粘着剤とは、ゲル状の軟らかい固体であり、貼り合わせ前後において形態の変化を起こさず強く密着するものである。図８に図７（ｅ）のＡ−Ａ線断面図を示す。透明基材２２の面２２ｂに形成されたホログラム２４上に、粘着剤２６を貼り付け、更にその上及び接合面全体に接着剤２５を塗布し、透明基材２３を貼り合わせる。
【００６５】
この構成によると、ホログラム２４は粘着剤２６で覆われるのでその特性が劣化することはない。また透明基材２２・２３の接合面は接着剤２５で満たされるので気泡の混入がなくなる。更に、粘着剤２６はホログラム２４に強く密着するので透明基材２２・２３同士の接着強度が高い光学デバイスを提供することができる。
【００６６】
ここで、粘着剤２６はホログラム２４の表面を全て覆うことが望ましい。図９に、粘着剤２６でホログラム２４の表面を全て覆った場合の図７（ｅ）のＡ−Ａ線断面図を示す。ホログラム２４の側面まで粘着剤２６で覆うことにより、ホログラム２４が完全に粘着剤２６で覆われるのでより確実にその特性が劣化することはない。
【００６７】
なお、ホログラム２４を設ける透明基材２２・２３の接合面は、透明基材に対して平行であってもよいし、垂直であってもよい。この場合でも図８や図９と同様の層構成とすることができる。
【００６８】
粘着剤２６は、シート状であり、膜厚が３〜１００μｍである。シート状の粘着剤２６を用いることにより、取り扱いが容易となりホログラム２４へ簡単に貼り付けることができる。また膜厚を３μｍ以上にすることで、接合時に仮に接着剤２５が粘着剤２６に浸透してもホログラム２４まで到達することがなく、ホログラム２４へのダメージを防ぐことができる。一方、膜厚を１００μｍ以下にすることで、接合間隔を比較的狭くすることが可能となり、透過光の光学性能及び接合部の外観品質を向上させることができる。また接合部を通して外界像を観察する際、接合部による映像くずれを最小限に抑えることができる。また、透過率が９８％以上の粘着剤２６を用いることで、透明性が高い接合部を得ることができる。これにより、接合部を透過した光をロスなく利用でき、シースルーで明るさの低下が少ない外界像を観察することができる。
【００６９】
勿論、粘着剤２６としては、溶媒・モノマーのような低分子成分を含有しないものを用いる。溶媒・モノマーのような低分子成分がホログラム２４に浸透すると、ホログラム２４の体積や屈折率が変化し、記録された干渉縞の間隔がくずれることにより、光学特性が劣化するからである。
【００７０】
また、接着剤２５としては、紫外線硬化型接着剤を用いることが好ましい。一般的に、紫外線硬化型接着剤は、溶剤を含まず、収縮率が小さい接着剤であるので、ホログラム２４に与えるダメージが非常に小さい。また、紫外線硬化型接着剤は、熱硬化型接着剤のように硬化時に熱を必要としないので、透明基材２２・２３が例えばプラスチックからなる場合には特に有利である。また、紫外線照射により即座に硬化するので作業性が良好である。
【００７１】
また、透明基材２２・２３の屈折率と接着剤２５の屈折率との差が、０．０２以下であることが望ましい。接合に使用する接着剤２５の屈折率を透明基材２２・２３の屈折率と限りなく近づけることにより、接着剤２５と透明基材２２・２３との界面での光の屈折・散乱が少なくなり、観察者は接合部を通して外界像を問題なく視認することが可能となる。このような条件を満足する透明基材２２・２３と接着剤２５との組み合わせとしては、例えば、三菱レイヨン製のアクリペット（屈折率１．４９）と東亞合成社のLCR0628A（屈折率１．５０）とがある。
【００７２】
ところで、透明基材２２・２３としては、透明性・成型性に優れたアクリル系の材料を用い、ホログラム２４としては、優れた屈折率変化を示すアクリル系材料（アクリレート誘導体）からなるフォトポリマーを用いることが望ましい。そこで、このような材料で透明基材２２・２３およびホログラム２４を構成して光学デバイスを作製する場合、透明基材２２・２３を接合する接着剤２５及び粘着剤２６には、アクリル系の材料（アクリレート誘導体）を用いることが望ましい。
【００７３】
より具体的には、透明基材２２・２３の材料としては、例えばメタクリル樹脂を含むもの（例えば三菱レイヨン製のアクリペット、旭化成社のデルペット）を用いることができる。また、ホログラム２４の材料（感光材料）としては、例えばポリメチルメタクリレート、フェノキシエチルアクリレート、クロロフェニルアクリレートを含むもの（例えばDuPont社のOmniDex）を用いることができる。この場合、接着剤２５としては、例えばアクリル変性オリゴマーを含むもの（例えば東亞合成社のLCR0628A）、テトラヒドロフルヒルメタクリレートを含むもの（例えばNorland Optical社のNOA68）、テトラヒドロフルヒルメタクリレート、置換エチルアクリレート、置換ウレタンアクリレートを含むもの（例えばNorland Optical社のNOA76）を用いることができる。また粘着剤２６としてはアクリル酸エステルポリマーを含むもの（例えば積水化学製両面テープ#5511、日東電工製両面テープCS9621）を用いることができる。
【００７４】
一般的に、材料の密着性（接着力）は、異種材料同士よりも同種の材料同士のほうが強い。したがって、ホログラム２４（感光材料）および透明基材２２・２３ともにアクリル系の材料を用いる場合には、接着剤２５及び粘着剤２６もアクリル系の材料を用いる方が、必然的にこれらをより強力に接合することが可能となる。
【００７５】
ところで、各透明基材２２・２３の接合面が法線方向の異なる複数の面（面２２ａ・２２ｂ・２２ｃ、面２３ａ・２３ｂ・２３ｃ）を含んでいる構成について上述したが、接合面は１面のみであってもよい。
【００７６】
例えば、図１０（ａ）は、透明基材２２の他の構成例を示す平面図であり、図１０（ｂ）は、透明基材２３の他の構成例を示す平面図であり、図１０（ｃ）は、透明基材２２・２３を接合させた接眼光学系２１の他の構成例を示す平面図である。透明基材２２の接合面は、面２２ｆの１面だけであり、透明基材２３の接合面は、面２３ｆの１面だけである。そして、透明基材２２・２３は、面２２ｆと面２３ｆとが対向するように接着剤２５及び粘着剤２６を介して接合され、これによって接眼光学系２１が構成されている。
【００７７】
この場合、面２２ｆと面２３ｆ間の隙間は、部品精度により例えば中央部（ホログラム２４付近）が約１００μｍ、両端部が約５０μｍなど、同一面であっても場所によって異なる。このように接合面を有する構成でも、粘着剤２６を用いることにより、強い密着力でホログラム２４を劣化させずに均一に接合することができる。
【００７８】
このように本発明は、２つの透明基材間の接合部間隔が異なっている場合でも強い密着力でホログラム２４を劣化させずに均一に接合させることができるので、接合する２つの透明基材２２・２３の接合面の形状や面精度の自由度が増す。即ち、接合面の形状や面精度に制約が少ないため、透明基材２２・２３を射出成形や削り加工など様々な方法で成形可能となる。従って、非常に安価で容易に成形した材料を用いることができ、コストダウンという点でも有利である。上記の実施形態では透明基材２２・２３の接合面は、平面である場合について説明したが、これに限定されるわけではなく、例えば曲面であってもよい。
【００７９】
次に、透明基材２２・２３の接合部の角度と応力との関係について説明する。図１１は透明基材２２・２３の接合部の断面図である。図１１（ａ）は透明基材２２・２３の観察者の目に対向する面と接合面との角度が小さい場合の断面図であり、図１１（ｂ）は透明基材２２・２３の観察者の目に対向する面と接合面との角度が大きい場合の断面図、図１１（ｃ）は透明基材２２・２３の観察者の目に対向する面と接合面とが垂直である場合の断面図、図１１（ｄ）は透明基材２２・２３の観察者の目に対向する面と接合面とが平行である場合の断面図である。図中の矢印は外部からの応力を示す。
【００８０】
図１１（ａ）において、透明基材２２・２３の観察者の目に対向する面２２ｇ、２３ｇと接合面との角度は約３０°である。ここで、例えば面２３ｇに対して垂直方向に外部から応力Ｓが加わり、透明基材２２の反対側面２２ｈから応力Ｓを打ち消す応力Ｓ’が加わるとする。この応力Ｓは、ホログラム２４の接合面に対して平行方向の成分Ｓ1とホログラム２４の接合面に対して垂直方向の成分Ｓ2とに分けられる。
【００８１】
この場合、成分Ｓ1は接合部のホログラム２４／粘着剤２６／接着剤２５の各層間を滑らせる方向にはたらくので、成分Ｓ1よりも各層間の密着力が弱いと層間剥離が生じる。一方、成分Ｓ2は接合部のホログラム２４／粘着剤２６／接着剤２５の各層間を引き剥がす方向にはたらくので、成分Ｓ2よりも各層間の密着力が弱いと層間剥離が生じる。
【００８２】
図１１（ｂ）において、透明基材２２・２３の観察者の目に対向する面２２ｇ、２３ｇと接合面との角度は約６０°である。ここで図１１（ａ）と同様に、面２３ｇに応力Ｓが加わり、面２２ｈに応力Ｓ’が加わるとすると、応力Ｓは、ホログラム２４の接合面に対して平行方向の成分Ｓ3とホログラム２４の接合面に対して垂直方向の成分Ｓ4とに分けられる。このとき、成分Ｓ3、Ｓ4と成分Ｓ1、Ｓ2との関係は、Ｓ3＞Ｓ1、Ｓ4＜Ｓ2である。
【００８３】
また図１１（ｃ）において、図１１（ａ）と同様に、面２３ｇに応力Ｓが加わり、面２２ｈに応力Ｓ’が加わるとする。この場合、応力Ｓが接合部のホログラム２４／粘着剤２６／接着剤２５の各層間を滑らせる方向にはたらくので、応力Ｓよりも各層間の密着力が弱いと層間剥離が生じる。一方、接合部のホログラム２４／粘着剤２６／接着剤２５の各層間を引き剥がす方向には作用しない。
【００８４】
また図１１（ｄ）において、面２２ｇに応力Ｓが加わり、面２３ｈに応力Ｓ’が加わるとする。この場合、応力Ｓは接合面を押しつける方向に作用し、接合部のホログラム２４／粘着剤２６／接着剤２５の各層間を滑らせる方向や接合部のホログラム２４／粘着剤２６／接着剤２５の各層間を引き剥がす方向には作用しない。
【００８５】
図１１（ａ）〜（ｄ）からわかるように、接合面の傾きが大きくなる程、接合部のホログラム２４／粘着剤２６／接着剤２５の各層間を滑らせる方向に作用する力は大きくなる（Ｓ1＜Ｓ3＜Ｓ）。従って、各層間はこれらの滑らせる力よりも強く密着させなければならない。一方、接合面の傾きが小さくなる程、接合部のホログラム２４／粘着剤２６／接着剤２５の各層間を引き剥がす方向に作用する力は大きくなる（Ｓ4＜Ｓ2）。従って、各層間はこれらの引き剥がす力よりも強く密着させなければならない。但し、図１１（ｄ）のように接合面の傾きが０°であるか、０°に近い場合は、応力Ｓは接合面を押しつける方向に作用する。
【００８６】
このことから、車のフロントガラス等にホログラムを埋め込むような場合、つまり図１１（ｄ）のような場合は、外部から応力を加えてもホログラムの接合面を滑らせたり引き剥がしたりする力が非常に弱いので、各層間の密着性をそれほど高める必要がない。また、フロントガラス等が枠にしっかりと固定されており、ホログラムの接合面に応力が加わりにくい用途であった。更に、ガラスを用いているので変形に強く、接合面を引き剥がすほどの大きな力が加わることは考えられない。従って、従来のようにホログラムと密着性の弱いバリア層などを用いることも可能である。
【００８７】
これに対して、ＨＭＤやヘッドアップディスプレイ等、頭部搭載型装置にホログラムを埋め込むような場合、つまり図１１（ａ）、（ｂ）のような場合は、外部からの応力がホログラムの接合面を滑らせたり引き剥がしたりする方向に作用するので、各層間の密着性を高める必要がある。また、透明基材２２・２３はブリッジ３やフレーム４によって部分的に支持されているだけなので、頭部に装着した際にフレーム４やテンプル５や鼻当て６に加わる応力が、透明基材２２・２３の接合面にひねりや押しといった力として伝わる。更に、透明基材２２・２３の接合部が目の前に配置される構成となるため、目に対する安全性を確保しなければならず、接合部が剥離や破損してはならない。そこで、透明基材２２・２３としてはガラスよりもプラスチックが好まれる。しかし、プラスチックは変形や歪みが生じやすい。従って、頭部搭載型装置にホログラムを埋め込む場合は、本発明のように粘着剤２６を用いてホログラム２４／粘着剤２６／接着剤２５間の密着性を高くする必要がある。
【００８８】
なお、上記の実施形態では、映像表示装置１をＨＭＤに適用した例について説明したが、例えばヘッドアップディスプレイに適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】（ａ）は、本発明の実施の一形態に係るヘッドマウントディスプレイの概略の構成を示す平面図であり、（ｂ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの側面図であり、（ｃ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの正面図である。
【図２】（ａ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの他の構成を示す平面図であり、（ｂ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの側面図であり、（ｃ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの正面図である。
【図３】上記ヘッドマウントディスプレイに用いられる映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの概略の構成を示す平面図である。
【図５】上記ヘッドマウントディスプレイに用いられる他の構成の矯正眼鏡レンズを採用した場合の光学系の平面図である。
【図６】上記ヘッドマウントディスプレイに用いられる他の構成の眼鏡レンズを採用した場合の光学系の平面図である。
【図７】（ａ）は、上記ヘッドマウントディスプレイに用いられる接眼光学系を構成する２種の透明基材のうちの一方の概略の構成を示す平面図であり、（ｂ）は、上記透明基材の正面図であり、（ｃ）は、他方の透明基材の概略の構成を示す平面図であり、（ｄ）は、上記透明基材の正面図であり、（ｅ）は、上記接眼光学系の平面図である。
【図８】図７（ｅ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図９】粘着剤でホログラムの表面を全て覆った場合の図７（ｅ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図１０】（ａ）は、上記一方の透明基材の他の構成例を示す平面図であり、（ｂ）は、上記他方の透明基材の他の構成例を示す平面図であり、（ｃ）は、上記接眼光学系の他の構成例を示す平面図である。
【図１１】（ａ）は、透明基材の観察者の目に対向する面と接合面との角度が小さい場合の断面図であり、（ｂ）は、透明基材の観察者の目に対向する面と接合面との角度が大きい場合の断面図であり、（ｃ）は、透明基材の観察者の目に対向する面と接合面とが垂直である場合の断面図であり、（ｄ）は、透明基材の観察者の目に対向する面と接合面とが平行である場合の断面図である。
【符号の説明】
【００９０】
１ 映像表示装置
２ 支持手段
１１ 映像表示素子
２１ 接眼光学系（光学デバイス）
２２ 透明基材
２２ａ 面（接合面）
２２ｂ 面（接合面）
２２ｃ 面（接合面）
２３ 透明基材
２３ａ 面（接合面）
２３ｂ 面（接合面）
２３ｃ 面（接合面）
２４ ホログラム
２５ 接着剤
２６ 粘着剤
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の透明基材の接合面を介してシースルーで外界像を観察することが可能な光学デバイスと、その光学デバイスを用いた映像表示装置と、その映像表示装置を用いたヘッドマウントディスプレイとに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光学素子の一つであるホログラムは、透明基材内に埋め込んで（２個の透明基材で挟み込んで）使用すれば、湿度や酸素などの外部環境の影響を受けることがないことから、例えばヘッドアップディスプレイやヘッドマウントディスプレイなどのコンバイナとして非常に有用である。
【０００３】
ここで、ホログラムが挟み込まれる透明基材同士を接合する手段としては、一般的に粘着シートや接着剤が用いられている。例えば特許文献１では、ヘッドアップディスプレイの作製において、ホログラムを貼った基材ともう１つの基材とを粘着シートで接合するようにしている。また、例えば特許文献２では、複数のホログラム原版を貼った基材と他の基材とを接着剤で接着している。
【特許文献１】特開平７−２３４６２７号公報
【特許文献２】特開２００２−４０９０９号公報
【特許文献３】特許２５０５３４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、透明基材同士の接合に粘着シートを用いる手法では、ホログラムに厚さがあるために、ホログラムと粘着シートとの界面に気泡が入りやすい。上記界面に気泡が入ると、その箇所で屈折率が変化するため、透明基材を介してシースルーで外界像を観察する際の視認性が低下する。また、透明基材の接合面同士の面間隔が一定でない場合や接合面の形状が複雑な場合には、粘着シートでは均一に接合することができない。したがって、透明基材同士の接合には接着剤を用いるのが有効である。
【０００５】
一方、ホログラムを、例えばヘッドマウントディスプレイのコンバイナとして用いる場合、そのホログラムは湿度や温度など外部環境の影響を受けないよう２個の透明基材で挟まれた状態で観察者の眼前に配置することが望ましい。このため、各透明基材の剥離による観察者への危険を回避すべく、透明基材同士の接合強度を高くする必要がある。つまり、ホログラムをコンバイナとして用いる用途では、圧倒的に高い接合強度が必要となり、実使用上、接合強度不足とならないようにする必要がある。また、ホログラムをコンバイナとして用いる用途では、接着剤には、上記のように「強い接着力」が要求されることに加えて、さらに「ホログラムに悪影響を与えない」ことも要求される。ホログラムへの悪影響とは、接着剤の浸透により記録された干渉縞の間隔がくずれて意図するホログラム特性が得られない状態である。
【０００６】
しかし、接着剤にこれらの両方の特性を充足させることは実際上難しく、強い接着力が必要な上記用途に用いることのできる接着剤はあまり存在しない。そのため、ホログラムに悪影響を与えずに透明基材同士を高い接着力で接着することができない。例えば特許文献３では、ホログラムと接着剤との間にポリビニルアルコールやポリエチレンテレフタレート等のバリア層を挿入することにより、接着剤のホログラムへの悪影響を防止しているが、これらの材料は一般的にホログラムとの密着性が弱く、ホログラムとバリア層との間の密着力が弱くなっている。従って、透明基材同士の接合面に加重が加わりにくい用途（車のフロントガラス等）でしか用いることができなかった。
【０００７】
特に、ヘッドマウントディスプレイでは、比較的高い接合強度が必要で車のフロントガラスに埋め込まれたヘッドアップディスプレイやホログラムスクリーンなどと比較して、ホログラムおよび透明基材が非常に小型であり、その接合面積が小さく形状も複雑である。このため、透明基材同士を高い接着力で接着することが益々困難となっている。
【０００８】
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あって、ホログラムの特性を劣化させず、透明基材の接合面に気泡の混入がなく、透明基材同士の接着強度が高い光学デバイスを提供することを目的とする。また、この光学デバイス備えた映像表示装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイとを提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明は、ホログラムを貼り付けた一方の透明基材と他方の透明基材とが、前記ホログラムを挟むように接合され、その接合面を介して外界像がシースルーで観察される光学デバイスであって、前記ホログラムと前記他方の透明基材との間は、前記ホログラム側から粘着剤、接着剤の順で接合されていることを特徴とするものである。
【００１０】
上記の構成によれば、一方の透明基材と他方の透明基材とがホログラムを挟むように接合される。このように一方の透明基材と他方の透明基材との接合面にホログラムが設けられていることにより、接合面を介して外界像をシースルーで観察者に提供しつつ、ホログラムの機能も併せ持つ光学デバイスを実現することができる。
【００１１】
ここで、ホログラム上に粘着剤、接着剤の順に設けられていることにより、ホログラムの特性を劣化させず、透明基材の接合面に気泡の混入がなく、透明基材同士を高い接着強度で接合することができる。
【００１２】
また、前記接合面の場所によって間隔の差が１０μｍ以上である場合でも、透明基材の接合面に気泡が混入することがない。
【００１３】
また、前記両透明基材の観察者の目に対向する面が同一面を形成することにより、外界像の光が一方の透明基材の楔状の下端部を透過するときの屈折を他方の透明基材でキャンセルすることができる。その結果、シースルーで観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
【００１４】
また、前記両透明基材は、プラスチックであることが好ましい。透明基材の接合部が目の前に配置される構成とした場合に、接合部の剥離や破損を抑制し、目に対する安全性を確保できるからである。
【００１５】
また、前記ホログラム、前記両透明基材、前記粘着剤、及び前記接着剤が、アクリル系材料であることが好ましい。同種の材料を用いることで密着力を高められる。
【００１６】
また、前記粘着剤は透明なシート状であり、厚みが３〜１００μｍであることが好ましい。シート状の粘着剤を用いることにより、取り扱いが容易となりホログラムへ簡単に貼り付けることができる。また膜厚を３μｍ以上にすることで、接合時に仮に接着剤が粘着剤に浸透してもホログラムまで到達することがなく、ホログラムへのダメージを防ぐことができる。一方、膜厚を１００μｍ以下にすることで、接合間隔を比較的狭くすることが可能となり、透過光の光学性能及び接合部の外観品質を向上させることができる。
【００１７】
本発明の映像表示装置は、上述した本発明の光学デバイスと、映像を表示して前記光学デバイスに提供する映像表示素子とを備えていることを特徴とするものである。この構成により、観察者は、映像表示素子から提供される映像を光学デバイスを介して観察することができるのと同時に、光学デバイスを介してシースルーで外界像を観察することもできる。
【００１８】
なお、前記透明基材の観察者の目に対向する面に対して、前記ホログラムが傾斜していることが好ましい。光学的な自由度が大きく、ホログラムでの反射を正反射に近い角度とすることができる。その結果、観察者は高効率で光学的によく収差補正された映像を観察することができる。
【００１９】
前記ホログラムは、体積位相型の反射型ホログラムであることが望ましい。この場合、映像表示素子から提供される映像光を上記ホログラムにて観察者の方向に反射させることにより、観察者に虚像を観察させることができる。しかも、体積位相型の反射型ホログラムは、外界像の光の透過率が高いので、観察者は外界像を明瞭に観察することができる。
【００２０】
また、前記ホログラムは、前記映像表示素子から提供される映像と外界像とを同時に観察者の目に導くコンバイナであってもよい。この場合、観察者は、上記ホログラムを介して、映像表示素子から提供される映像と外界像とを同時に観察することができる。
【００２１】
また、上記光学デバイスは、上記映像表示素子に表示される映像を拡大して観察者の目に虚像として導く接眼光学系を構成していてもよい。この場合、観察者は、映像表示素子に表示される映像を虚像として十分に視認することができる。また、接眼光学系は、映像表示素子の表示映像を拡大虚像として観察者に提供するので、接眼光学系を構成する光学デバイスの小型化、軽量化が可能となり、映像表示装置の小型化、軽量化が可能となる。
【００２２】
また、上記接眼光学系は、非軸対称な（正の）光学パワーを有していることが望ましい。この場合、接眼光学系を小型にしても、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。
【００２３】
また、上記光学デバイスの透明基材は、上記映像表示素子から提供される映像の光を内部で全反射させて上記ホログラムに導く構成が望ましい。この構成によれば、映像表示素子から提供される映像光を無駄なく利用して、観察者に明るい映像を提供することができる。また、映像表示素子を光学デバイスから離れた位置に配置することも可能となり、観察者の外界に対する視野を広く確保することができる。
【００２４】
本発明のヘッドマウントディスプレイは、上述した映像表示装置と、上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを備えていることを特徴としている。この構成によれば、映像表示装置が支持手段によって観察者の眼前で支持されるので、観察者は、ハンズフリーとなり、外界像と映像表示素子での表示映像を同時に観察しながら、空いた手で所望の作業を行うことができる。また、観察者の観察方向が一方向に定まるので、観察者は暗環境でも表示映像を探しやすいという利点もある。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、一方の透明基材と他方の透明基材との接合面にホログラムが設けられていることにより、接合面を介して外界像をシースルーで観察者に提供しつつ、ホログラムの機能も併せ持つ光学デバイスが得られ、その接合面はホログラム側から粘着剤、接着剤の順で接合することにより、ホログラムの特性を劣化させず、透明基材の接合面に気泡の混入がなく、透明基材同士を高い接着強度で接合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
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。図１（ａ）は、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤと略称する）の概略の構成を示す平面図であり、図１（ｂ）は、ＨＭＤの側面図であり、図１（ｃ）は、ＨＭＤの正面図である。ＨＭＤは、映像表示装置１と、それを支持する支持手段２とを有しており、全体として、一般の眼鏡から一方（例えば左目用）のレンズを取り除いたような外観となっている。
【００２７】
映像表示装置１は、観察者に外界像をシースルーで観察させるとともに、映像を表示して観察者にそれを虚像として提供するものである。図１（ｃ）で示す映像表示装置１において、眼鏡の右目用レンズに相当する部分は、後述する２つの透明基材２２・２３（図３参照）の貼り合わせによって構成されている。なお、映像表示装置１の詳細な構成については後述する。
【００２８】
支持手段２は、映像表示装置１を観察者の眼前（例えば右目の前）で支持するものであり、ブリッジ３と、フレーム４と、テンプル５と、鼻当て６と、ケーブル７とを有している。なお、フレーム４、テンプル５および鼻当て６は、左右一対設けられているが、これらを左右で区別する場合は、右フレーム４Ｒ、左フレーム４Ｌ、右テンプル５Ｒ、左テンプル５Ｌ、右鼻当て６Ｒ、左鼻当て６Ｌのように表現するものとする。
【００２９】
映像表示装置１の一端は、ブリッジ３に支持されている。このブリッジ３は、映像表示装置１のほかにも左フレーム４Ｌおよび鼻当て６を支持している。左フレーム４Ｌは、左テンプル５Ｌを回動可能に支持している。一方、映像表示装置１の他端は、右フレーム４Ｒに支持されている。右フレーム４Ｒにおいて映像表示装置１の支持側とは反対側の端部は、右テンプル５Ｒを回動可能に支持している。ケーブル７は、外部信号（例えば映像信号、制御信号）や電力を映像表示装置１に供給するための配線であり、右フレーム４Ｒおよび右テンプル５Ｒに沿って設けられている。
【００３０】
観察者がＨＭＤを使用するときは、右テンプル５Ｒおよび左テンプル５Ｌを観察者の右側頭部および左側頭部に接触させるとともに、鼻当て６を観察者の鼻に当て、一般の眼鏡をかけるようにＨＭＤを観察者の頭部に装着する。この状態で、映像表示装置１にて映像を表示すると、観察者は、映像表示装置１の映像を虚像として観察することができるとともに、この映像表示装置１を介して外界像をシースルーで観察することができる。
【００３１】
なお、ＨＭＤは、映像表示装置１を１個だけ備えたものには限られない。例えば、図２（ａ）は、ＨＭＤの他の構成を示す平面図であり、図２（ｂ）は、上記ＨＭＤの側面図であり、図２（ｃ）は、上記ＨＭＤの正面図である。これらの図に示すように、ＨＭＤは、観察者の両目の前に配置される２個の映像表示装置１を備えた構成であってもよい。この場合、左目の前に配置される映像表示装置１は、ブリッジ３と左フレーム４Ｌとによってその間で支持される。また、ケーブル７は、両方の映像表示装置１と接続され、ケーブル７を介して外部信号等が両方の映像表示装置１に供給される。
【００３２】
次に、上述した映像表示装置１の詳細について説明する。図３は、映像表示装置１の概略の構成を示す断面図である。映像表示装置１は、映像表示素子１１と、接眼光学系２１とで構成されている。
【００３３】
映像表示素子１１は、光源１２と、一方向拡散板１３と、集光レンズ１４と、ＬＣＤ１５とを有している。なお、光源１２と、一方向拡散板１３と、集光レンズ１４とで、ＬＣＤ１５を照明する照明光学系が構成されている。
【００３４】
光源１２は、中心波長が例えば４６５ｎｍ、５２０ｎｍ、６３５ｎｍとなる３つの波長帯域の光を発するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。なお、光源１２は、白色光を発する白色光源であっても構わない。
【００３５】
一方向拡散板１３は、光源１２からの照明光を拡散させるものであるが、その拡散度は、方向によって異なっている。より詳細には、一方向拡散板１３は、ＨＭＤを観察者が装着したときの左右方向に対応する方向（図３の紙面に垂直な方向）には、入射光を約４０゜拡散させ、ＨＭＤを観察者が装着したときの上下方向（図３の紙面に平行な方向）には、入射光を約２゜拡散させる。
【００３６】
集光レンズ１４は、一方向拡散板１３にて拡散された光を集光するものである。集光レンズ１４は、上記拡散光が効率よく光学瞳Ｅを形成するように配置されている。ＬＣＤ１５は、映像信号に基づいて入射光を変調することにより、映像を表示する表示手段である。
【００３７】
一方、接眼光学系２１は、２つの透明基材２２・２３と、ホログラム２４とを有している。この接眼光学系２１は、透明基材２２・２３の接合面を介して外界像がシースルーで観察される光学デバイスを構成しているとともに、映像表示素子１１に表示される映像を拡大して観察者の目に虚像として導く光学デバイスを構成している。これにより、接眼光学系２１を構成する光学デバイスの小型化、軽量化が可能となり、映像表示装置１の小型化、軽量化が可能となる。また、接眼光学系２１は、非軸対称な正の光学パワーを有しており、内部に入射した映像光が良好に収差補正される。
【００３８】
透明基材２２・２３は、プラスチック（例えばアクリル系樹脂やポリカーボネート）で構成されており、これらは粘着剤２６と接着剤２５（例えば図８参照）で接合されている。このときの透明基材２２は、平行平板の下端部を下端に近くなるほど薄くして楔状にし、その上端部を上端に近くなるほど厚くした形状で構成されている。透明基材２３は、平行平板の上端部を透明基材２２の下端部に沿った形状とすることによって、透明基材２２と一体となって略平行平板となるように構成されている。
【００３９】
例えば、透明基材２２に透明基材２３を接合させない場合、外界像の光が透明基材２２の楔状の下端部を透過するときに屈折するので、透明基材２２を介して観察される外界像に歪みが生じる。しかし、透明基材２２に透明基材２３を接合させて、透明基材２２・２３の観察者の目に対向する面が同一面を形成するように、一体的な略平行平板を形成することで、外界像の光が透明基材２２の楔状の下端部を透過するときの屈折を透明基材２３でキャンセルすることができる。その結果、シースルーで観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
【００４０】
なお透明基材２２・２３は、曲率を有する矯正眼鏡レンズとしてもよい。この場合も透明基材２２・２３の観察者の目に対向する面が同一面を形成するように一体的に形成する。
【００４１】
ホログラム２４は、特定の入射角で入射する例えば４６５±１０ｎｍ、５２０±１０ｎｍ、６３５±１０ｎｍの３つの波長帯域の光を回折させる体積位相型の反射型ホログラムで構成されている。反射型ホログラムは、外界光の透過率が高く、透明性も高い。ホログラム２４は、透明基材２２の下端部の傾斜面に貼り付けられており、この結果、透明基材２２・２３で挟まれている。このホログラム２４の透過率は、１０％以上に設定されている。
【００４２】
このようにホログラム２４は、透明基材２２・２３の観察者の目に対向する面に対して傾斜しているので、光学的な自由度が大きく、ホログラム２４での反射を正反射に近い角度とすることができる。その結果、観察者は高効率で光学的によく収差補正された映像を観察することができる。
【００４３】
ここで、体積位相型の反射型ホログラムは、例えば、フォトポリマーのような感光材料を透明基材２２上に貼り付ける工程、これをレーザー光で露光する工程、紫外線照射による定着工程、ベイク処理工程、紫外線照射による接合工程などを経て形成される。
【００４４】
このような映像表示装置１の構成により、映像表示素子１１の光源１２から出射された光は、一方向拡散板１３にて拡散され、集光レンズ１４にて集光されてＬＣＤ１５に入射する。ＬＣＤ１５に入射した光は、映像信号に基づいて変調され、映像光として出射される。このとき、ＬＣＤ１５には、その映像自体が表示される。
【００４５】
ＬＣＤ１５からの映像光は、接眼光学系２１の透明基材２２の内部にその上端面から入射し、対向する２つの面で複数回全反射されて、ホログラム２４に入射する。ホログラム２４に入射した光は、反射されて光学瞳Ｅに達する。光学瞳Ｅの位置では、観察者は、ＬＣＤ１５に表示された映像の拡大虚像を観察することができる。光学瞳Ｅから虚像までの距離は数ｍ程度であり、また、虚像の大きさはＬＣＤ１５に表示された映像の１０倍以上である。
【００４６】
一方、透明基材２２・２３およびホログラム２４は、外界からの光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界像を観察することができる。したがって、ＬＣＤ１５に表示された映像の虚像は、外界像の一部に重なって観察されることになる。以上のことから、ホログラム２４は、映像表示素子１１から提供される映像と外界像とを同時に観察者の目に導くコンバイナとして機能していると言える。
【００４７】
以上のように、映像表示装置１では、ＬＣＤ１５から出射される映像光を、透明基材２２内での全反射によってホログラム２４に導く構成としている。これにより、映像表示素子１１から提供される映像光を無駄なく利用して、観察者に明るい映像を提供することができる。また、映像表示素子１１を観察者の眼の直前から大きく離れた位置に配置することができ、観察者の外界に対する視野を広く確保することができる。また、通常の眼鏡レンズと同様に透明基材２２・２３の厚さを３ｍｍ程度にすることができ、映像表示装置１を小型化、軽量化することができる。
【００４８】
また、ホログラム２４は、上述したように特定入射角の特定波長の光のみを回折させるので、透明基材２２・２３およびホログラム２４を透過する外界像の光に影響を与えることがない。それゆえ、観察者は、透明基材２２・２３およびホログラム２４を介して外界像を通常通り観察することができる。また、ホログラム２４の透過率は、１０％以上に設定されているので、観察者は透明基材２２・２３およびホログラム２４を介して外界像を十分に観察することができる。
【００４９】
次に、他の実施形態について説明する。図４は、本実施形態に係るＨＭＤの概略の構成を示す平面図である。上記の実施の形態と同様の部材には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。ＨＭＤは、観察者の両目の横に配置される２個の映像表示装置１と、それを支持する支持手段２とを有している。
【００５０】
支持手段２は、映像表示素子１１を観察者の両目の横で支持し、接眼光学系２１を観察者の眼前で支持するものであり、ブリッジ３と、フレーム４と、テンプル５とを有している。
【００５１】
映像表示素子１１はテンプル５に支持され、接眼光学系２１の一端は、ブリッジ３に支持され、他端はフレーム４に支持されている。フレーム４は、テンプル５を回動可能に支持している。
【００５２】
観察者がＨＭＤを使用するときは、ＨＭＤを観察者の頭部に装着する。この状態で、映像表示装置１にて映像を表示すると、観察者は、映像表示装置１の映像を虚像として観察することができるとともに、この映像表示装置１を介して外界像をシースルーで観察することができる。
【００５３】
次に、上述した映像表示装置１の詳細について説明する。映像表示素子１１は、光源１２と、反射型ＬＣＤ１６とを有している。反射型ＬＣＤ１６は、光源１２からの光を半透過反射面１６ａで反射し、液晶で映像信号に基づいて入射光を変調し、像面１６ｂに映像を表示する表示手段である。一方、接眼光学系２１は、上記の実施形態と同様に２つの透明基材２２・２３と、ホログラム２４とを有している。
【００５４】
このような映像表示装置１の構成により、映像表示素子１１の光源１２から出射された光は、半透過反射面１６ａで反射し、液晶で映像信号に基づいて変調され、像面１６ｂで映像光として反射され、半透過反射面１６ａを透過する。透過した映像光は、入射面２２ｇに斜入射し、透明基材２２で屈折し、ホログラム２４に入射する。ホログラム２４に入射した映像光は、光学瞳Ｅに向けて回折され、コリメートされる。光学瞳Ｅの位置では、観察者は、像面１６ｂに表示された映像の拡大虚像を観察することができる。光学瞳Ｅから虚像までの距離は数ｍ程度であり、また、虚像の大きさは像面１６ｂに表示された映像の１０倍以上である。なお、映像光は、入射面に対してＰ型偏光になるように偏光方向が設定されている。
【００５５】
ホログラム２４は、特定入射角の特定波長の光のみを回折させるので、透明基材２２・２３およびホログラム２４を透過する外界像の光に影響を与えることがない。それゆえ、観察者は、透明基材２２・２３およびホログラム２４を介して外界像を通常通り観察することができる。また、ホログラム２４の透過率は、１０％以上に設定されているので、観察者は透明基材２２・２３およびホログラム２４を介して外界像を十分に観察することができる。
【００５６】
なお図４の透明基材２２・２３は、曲率を有する矯正眼鏡レンズとしてもよい。図５に、矯正眼鏡レンズを採用した場合のＨＭＤの光学系の平面図を示す。この場合も透明基材２２・２３の観察者の目に対向する面が同一面を形成するように一体的に形成する。透明基材２２・２３の曲率により、観察者の瞳に対して視力が矯正される。
【００５７】
また図４の透明基材２２・２３の接合面は曲率を有してもよい。図６に、接合面が湾曲した透明基材２２・２３を採用した場合のＨＭＤの光学系の平面図を示す。透明基材２２の接合面が滑らかに膨らんだ曲面で構成され、これに対応して透明基材２３の接合面が滑らかにへこんだ曲面で構成されている。この接合面に設けられたホログラム２４も接合面に沿って湾曲している。これにより、映像光のホログラム２４への入射角が小さくなる。特にホログラム２４の端における入射角が小さくなることにより、観察される映像が端まで鮮明になる。
【００５８】
次に、図３の接眼光学系２１を例に透明基材２２・２３の接合部について説明する。図７（ａ）は、透明基材２２の平面図を示し、図７（ｂ）は、透明基材２２の正面図を示している。また、図７（ｃ）は、透明基材２３の平面図を示し、図７（ｄ）は、透明基材２３の正面図を示している。さらに、図７（ｅ）は、透明基材２２・２３を接合させた接眼光学系２１の平面図を示している。
【００５９】
透明基材２２は、全体として略四角錐台の形状をしており、その上面および下面は、４つの側面で連結されている。この４つの側面は、図７（ａ）の平面図において、上面を中心として反時計回りに配置される面２２ａ・２２ｂ・２２ｃ・２２ｄで構成されている。これらの面２２ａ・２２ｂ・２２ｃ・２２ｄは、その法線方向が互いに異なっている。また、これらのうちの一側面（例えば面２２ｄ）には、上記上面よりも上方に突出する突出部２２ｅが形成されている。また、ホログラム２４は、透明基材２２の例えば面２２ｂに貼り付けられている。
【００６０】
一方、透明基材２３は、透明基材２２が接合することで平行平板が形成されるような形状となっている。つまり、透明基材２３は、平行平板から透明基材２２の形状をくり抜いた形状をしている。ここで、透明基材２３において、透明基材２２と接合したときに、透明基材２２の面２２ａ・２２ｂ・２２ｃと対向する面を、それぞれ２３ａ・２３ｂ・２３ｃと称することにする。これらの面２３ａ・２３ｂ・２３ｃは、その法線方向が互いに異なっている。
【００６１】
このようにホログラム２４を貼り付けた一方の透明基材２２に他方の透明基材２３を、ホログラム２４を挟むように粘着剤２６と接着剤２５（図８参照）を介して接合することにより、図７（ｅ）に示すように、接眼光学系２１が形成される。この接眼光学系２１を用いることにより、透明基材２２・２３の接合面（面２２ａ・２２ｂ・２２ｃ、面２３ａ・２３ｂ・２３ｃ）を介して、シースルーで外界像を観察することが可能となる。
【００６２】
また、透明基材２２の接合面は、法線方向の異なる複数の面（面２２ａ・２２ｂ・２２ｃ）を含んでおり、透明基材２３の接合面は、法線方向の異なる複数の面（面２３ａ・２３ｂ・２３ｃ）を含んでいる。これにより、透明基材２２の面２２ａ・２２ｂ・２２ｃには、互いに異なる方向に接着剤２５の接着力が働く。また、透明基材２３においても同様に、面２３ａ・２３ｂ・２３ｃには、互いに異なる方向に接着剤２５の接着力が働く。その結果、透明基材２２・２３同士の接着強度をさらに高めて、破壊に対してより強くすることができる。
【００６３】
このような接合面が複数面あるような複雑な形状の場合、それぞれの面間隔を数ミクロンオーダーで均一に保つことは透明基材２２・２３を成形或いは削り加工する上で非常にコストがかかる。そこで、透明基材２２・２３を安価で簡単に成形した場合、各接合面どうしの間隔が、例えば、面２２ａと面２３ａ間で７０μｍ、面２２ｂと面２３ｂ間で１００μｍ、面２２ｃと面２３ｃ間で２００μｍのように、ばらつきが生じる。通常、接合面の場所によって間隔の差が１０μｍ以上である場合、流動性のない粘着シートのみで気泡なく密着して接合させることは難しい。接着剤を用いれば、その流動性により容易に密着して接合することができるが、接着剤２５とホログラム２４とが直接接触することで、接着剤中の低分子がホログラム２４へ浸透し、ホログラム２４にダメージを与える可能性がある。なお、接着剤とは、貼り合わせ前は流動性のある液体であり、その後、光照射や加熱などにより化学反応して硬化し、固体となって強く密着するものである。
【００６４】
そこで本発明では粘着剤を用いる。粘着剤とは、ゲル状の軟らかい固体であり、貼り合わせ前後において形態の変化を起こさず強く密着するものである。図８に図７（ｅ）のＡ−Ａ線断面図を示す。透明基材２２の面２２ｂに形成されたホログラム２４上に、粘着剤２６を貼り付け、更にその上及び接合面全体に接着剤２５を塗布し、透明基材２３を貼り合わせる。
【００６５】
この構成によると、ホログラム２４は粘着剤２６で覆われるのでその特性が劣化することはない。また透明基材２２・２３の接合面は接着剤２５で満たされるので気泡の混入がなくなる。更に、粘着剤２６はホログラム２４に強く密着するので透明基材２２・２３同士の接着強度が高い光学デバイスを提供することができる。
【００６６】
ここで、粘着剤２６はホログラム２４の表面を全て覆うことが望ましい。図９に、粘着剤２６でホログラム２４の表面を全て覆った場合の図７（ｅ）のＡ−Ａ線断面図を示す。ホログラム２４の側面まで粘着剤２６で覆うことにより、ホログラム２４が完全に粘着剤２６で覆われるのでより確実にその特性が劣化することはない。
【００６７】
なお、ホログラム２４を設ける透明基材２２・２３の接合面は、透明基材に対して平行であってもよいし、垂直であってもよい。この場合でも図８や図９と同様の層構成とすることができる。
【００６８】
粘着剤２６は、シート状であり、膜厚が３〜１００μｍである。シート状の粘着剤２６を用いることにより、取り扱いが容易となりホログラム２４へ簡単に貼り付けることができる。また膜厚を３μｍ以上にすることで、接合時に仮に接着剤２５が粘着剤２６に浸透してもホログラム２４まで到達することがなく、ホログラム２４へのダメージを防ぐことができる。一方、膜厚を１００μｍ以下にすることで、接合間隔を比較的狭くすることが可能となり、透過光の光学性能及び接合部の外観品質を向上させることができる。また接合部を通して外界像を観察する際、接合部による映像くずれを最小限に抑えることができる。また、透過率が９８％以上の粘着剤２６を用いることで、透明性が高い接合部を得ることができる。これにより、接合部を透過した光をロスなく利用でき、シースルーで明るさの低下が少ない外界像を観察することができる。
【００６９】
勿論、粘着剤２６としては、溶媒・モノマーのような低分子成分を含有しないものを用いる。溶媒・モノマーのような低分子成分がホログラム２４に浸透すると、ホログラム２４の体積や屈折率が変化し、記録された干渉縞の間隔がくずれることにより、光学特性が劣化するからである。
【００７０】
また、接着剤２５としては、紫外線硬化型接着剤を用いることが好ましい。一般的に、紫外線硬化型接着剤は、溶剤を含まず、収縮率が小さい接着剤であるので、ホログラム２４に与えるダメージが非常に小さい。また、紫外線硬化型接着剤は、熱硬化型接着剤のように硬化時に熱を必要としないので、透明基材２２・２３が例えばプラスチックからなる場合には特に有利である。また、紫外線照射により即座に硬化するので作業性が良好である。
【００７１】
また、透明基材２２・２３の屈折率と接着剤２５の屈折率との差が、０．０２以下であることが望ましい。接合に使用する接着剤２５の屈折率を透明基材２２・２３の屈折率と限りなく近づけることにより、接着剤２５と透明基材２２・２３との界面での光の屈折・散乱が少なくなり、観察者は接合部を通して外界像を問題なく視認することが可能となる。このような条件を満足する透明基材２２・２３と接着剤２５との組み合わせとしては、例えば、三菱レイヨン製のアクリペット（屈折率１．４９）と東亞合成社のLCR0628A（屈折率１．５０）とがある。
【００７２】
ところで、透明基材２２・２３としては、透明性・成型性に優れたアクリル系の材料を用い、ホログラム２４としては、優れた屈折率変化を示すアクリル系材料（アクリレート誘導体）からなるフォトポリマーを用いることが望ましい。そこで、このような材料で透明基材２２・２３およびホログラム２４を構成して光学デバイスを作製する場合、透明基材２２・２３を接合する接着剤２５及び粘着剤２６には、アクリル系の材料（アクリレート誘導体）を用いることが望ましい。
【００７３】
より具体的には、透明基材２２・２３の材料としては、例えばメタクリル樹脂を含むもの（例えば三菱レイヨン製のアクリペット、旭化成社のデルペット）を用いることができる。また、ホログラム２４の材料（感光材料）としては、例えばポリメチルメタクリレート、フェノキシエチルアクリレート、クロロフェニルアクリレートを含むもの（例えばDuPont社のOmniDex）を用いることができる。この場合、接着剤２５としては、例えばアクリル変性オリゴマーを含むもの（例えば東亞合成社のLCR0628A）、テトラヒドロフルヒルメタクリレートを含むもの（例えばNorland Optical社のNOA68）、テトラヒドロフルヒルメタクリレート、置換エチルアクリレート、置換ウレタンアクリレートを含むもの（例えばNorland Optical社のNOA76）を用いることができる。また粘着剤２６としてはアクリル酸エステルポリマーを含むもの（例えば積水化学製両面テープ#5511、日東電工製両面テープCS9621）を用いることができる。
【００７４】
一般的に、材料の密着性（接着力）は、異種材料同士よりも同種の材料同士のほうが強い。したがって、ホログラム２４（感光材料）および透明基材２２・２３ともにアクリル系の材料を用いる場合には、接着剤２５及び粘着剤２６もアクリル系の材料を用いる方が、必然的にこれらをより強力に接合することが可能となる。
【００７５】
ところで、各透明基材２２・２３の接合面が法線方向の異なる複数の面（面２２ａ・２２ｂ・２２ｃ、面２３ａ・２３ｂ・２３ｃ）を含んでいる構成について上述したが、接合面は１面のみであってもよい。
【００７６】
例えば、図１０（ａ）は、透明基材２２の他の構成例を示す平面図であり、図１０（ｂ）は、透明基材２３の他の構成例を示す平面図であり、図１０（ｃ）は、透明基材２２・２３を接合させた接眼光学系２１の他の構成例を示す平面図である。透明基材２２の接合面は、面２２ｆの１面だけであり、透明基材２３の接合面は、面２３ｆの１面だけである。そして、透明基材２２・２３は、面２２ｆと面２３ｆとが対向するように接着剤２５及び粘着剤２６を介して接合され、これによって接眼光学系２１が構成されている。
【００７７】
この場合、面２２ｆと面２３ｆ間の隙間は、部品精度により例えば中央部（ホログラム２４付近）が約１００μｍ、両端部が約５０μｍなど、同一面であっても場所によって異なる。このように接合面を有する構成でも、粘着剤２６を用いることにより、強い密着力でホログラム２４を劣化させずに均一に接合することができる。
【００７８】
このように本発明は、２つの透明基材間の接合部間隔が異なっている場合でも強い密着力でホログラム２４を劣化させずに均一に接合させることができるので、接合する２つの透明基材２２・２３の接合面の形状や面精度の自由度が増す。即ち、接合面の形状や面精度に制約が少ないため、透明基材２２・２３を射出成形や削り加工など様々な方法で成形可能となる。従って、非常に安価で容易に成形した材料を用いることができ、コストダウンという点でも有利である。上記の実施形態では透明基材２２・２３の接合面は、平面である場合について説明したが、これに限定されるわけではなく、例えば曲面であってもよい。
【００７９】
次に、透明基材２２・２３の接合部の角度と応力との関係について説明する。図１１は透明基材２２・２３の接合部の断面図である。図１１（ａ）は透明基材２２・２３の観察者の目に対向する面と接合面との角度が小さい場合の断面図であり、図１１（ｂ）は透明基材２２・２３の観察者の目に対向する面と接合面との角度が大きい場合の断面図、図１１（ｃ）は透明基材２２・２３の観察者の目に対向する面と接合面とが垂直である場合の断面図、図１１（ｄ）は透明基材２２・２３の観察者の目に対向する面と接合面とが平行である場合の断面図である。図中の矢印は外部からの応力を示す。
【００８０】
図１１（ａ）において、透明基材２２・２３の観察者の目に対向する面２２ｇ、２３ｇと接合面との角度は約３０°である。ここで、例えば面２３ｇに対して垂直方向に外部から応力Ｓが加わり、透明基材２２の反対側面２２ｈから応力Ｓを打ち消す応力Ｓ’が加わるとする。この応力Ｓは、ホログラム２４の接合面に対して平行方向の成分Ｓ1とホログラム２４の接合面に対して垂直方向の成分Ｓ2とに分けられる。
【００８１】
この場合、成分Ｓ1は接合部のホログラム２４／粘着剤２６／接着剤２５の各層間を滑らせる方向にはたらくので、成分Ｓ1よりも各層間の密着力が弱いと層間剥離が生じる。一方、成分Ｓ2は接合部のホログラム２４／粘着剤２６／接着剤２５の各層間を引き剥がす方向にはたらくので、成分Ｓ2よりも各層間の密着力が弱いと層間剥離が生じる。
【００８２】
図１１（ｂ）において、透明基材２２・２３の観察者の目に対向する面２２ｇ、２３ｇと接合面との角度は約６０°である。ここで図１１（ａ）と同様に、面２３ｇに応力Ｓが加わり、面２２ｈに応力Ｓ’が加わるとすると、応力Ｓは、ホログラム２４の接合面に対して平行方向の成分Ｓ3とホログラム２４の接合面に対して垂直方向の成分Ｓ4とに分けられる。このとき、成分Ｓ3、Ｓ4と成分Ｓ1、Ｓ2との関係は、Ｓ3＞Ｓ1、Ｓ4＜Ｓ2である。
【００８３】
また図１１（ｃ）において、図１１（ａ）と同様に、面２３ｇに応力Ｓが加わり、面２２ｈに応力Ｓ’が加わるとする。この場合、応力Ｓが接合部のホログラム２４／粘着剤２６／接着剤２５の各層間を滑らせる方向にはたらくので、応力Ｓよりも各層間の密着力が弱いと層間剥離が生じる。一方、接合部のホログラム２４／粘着剤２６／接着剤２５の各層間を引き剥がす方向には作用しない。
【００８４】
また図１１（ｄ）において、面２２ｇに応力Ｓが加わり、面２３ｈに応力Ｓ’が加わるとする。この場合、応力Ｓは接合面を押しつける方向に作用し、接合部のホログラム２４／粘着剤２６／接着剤２５の各層間を滑らせる方向や接合部のホログラム２４／粘着剤２６／接着剤２５の各層間を引き剥がす方向には作用しない。
【００８５】
図１１（ａ）〜（ｄ）からわかるように、接合面の傾きが大きくなる程、接合部のホログラム２４／粘着剤２６／接着剤２５の各層間を滑らせる方向に作用する力は大きくなる（Ｓ1＜Ｓ3＜Ｓ）。従って、各層間はこれらの滑らせる力よりも強く密着させなければならない。一方、接合面の傾きが小さくなる程、接合部のホログラム２４／粘着剤２６／接着剤２５の各層間を引き剥がす方向に作用する力は大きくなる（Ｓ4＜Ｓ2）。従って、各層間はこれらの引き剥がす力よりも強く密着させなければならない。但し、図１１（ｄ）のように接合面の傾きが０°であるか、０°に近い場合は、応力Ｓは接合面を押しつける方向に作用する。
【００８６】
このことから、車のフロントガラス等にホログラムを埋め込むような場合、つまり図１１（ｄ）のような場合は、外部から応力を加えてもホログラムの接合面を滑らせたり引き剥がしたりする力が非常に弱いので、各層間の密着性をそれほど高める必要がない。また、フロントガラス等が枠にしっかりと固定されており、ホログラムの接合面に応力が加わりにくい用途であった。更に、ガラスを用いているので変形に強く、接合面を引き剥がすほどの大きな力が加わることは考えられない。従って、従来のようにホログラムと密着性の弱いバリア層などを用いることも可能である。
【００８７】
これに対して、ＨＭＤやヘッドアップディスプレイ等、頭部搭載型装置にホログラムを埋め込むような場合、つまり図１１（ａ）、（ｂ）のような場合は、外部からの応力がホログラムの接合面を滑らせたり引き剥がしたりする方向に作用するので、各層間の密着性を高める必要がある。また、透明基材２２・２３はブリッジ３やフレーム４によって部分的に支持されているだけなので、頭部に装着した際にフレーム４やテンプル５や鼻当て６に加わる応力が、透明基材２２・２３の接合面にひねりや押しといった力として伝わる。更に、透明基材２２・２３の接合部が目の前に配置される構成となるため、目に対する安全性を確保しなければならず、接合部が剥離や破損してはならない。そこで、透明基材２２・２３としてはガラスよりもプラスチックが好まれる。しかし、プラスチックは変形や歪みが生じやすい。従って、頭部搭載型装置にホログラムを埋め込む場合は、本発明のように粘着剤２６を用いてホログラム２４／粘着剤２６／接着剤２５間の密着性を高くする必要がある。
【００８８】
なお、上記の実施形態では、映像表示装置１をＨＭＤに適用した例について説明したが、例えばヘッドアップディスプレイに適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】（ａ）は、本発明の実施の一形態に係るヘッドマウントディスプレイの概略の構成を示す平面図であり、（ｂ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの側面図であり、（ｃ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの正面図である。
【図２】（ａ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの他の構成を示す平面図であり、（ｂ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの側面図であり、（ｃ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの正面図である。
【図３】上記ヘッドマウントディスプレイに用いられる映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの概略の構成を示す平面図である。
【図５】上記ヘッドマウントディスプレイに用いられる他の構成の矯正眼鏡レンズを採用した場合の光学系の平面図である。
【図６】上記ヘッドマウントディスプレイに用いられる他の構成の眼鏡レンズを採用した場合の光学系の平面図である。
【図７】（ａ）は、上記ヘッドマウントディスプレイに用いられる接眼光学系を構成する２種の透明基材のうちの一方の概略の構成を示す平面図であり、（ｂ）は、上記透明基材の正面図であり、（ｃ）は、他方の透明基材の概略の構成を示す平面図であり、（ｄ）は、上記透明基材の正面図であり、（ｅ）は、上記接眼光学系の平面図である。
【図８】図７（ｅ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図９】粘着剤でホログラムの表面を全て覆った場合の図７（ｅ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図１０】（ａ）は、上記一方の透明基材の他の構成例を示す平面図であり、（ｂ）は、上記他方の透明基材の他の構成例を示す平面図であり、（ｃ）は、上記接眼光学系の他の構成例を示す平面図である。
【図１１】（ａ）は、透明基材の観察者の目に対向する面と接合面との角度が小さい場合の断面図であり、（ｂ）は、透明基材の観察者の目に対向する面と接合面との角度が大きい場合の断面図であり、（ｃ）は、透明基材の観察者の目に対向する面と接合面とが垂直である場合の断面図であり、（ｄ）は、透明基材の観察者の目に対向する面と接合面とが平行である場合の断面図である。
【符号の説明】
【００９０】
１ 映像表示装置
２ 支持手段
１１ 映像表示素子
２１ 接眼光学系（光学デバイス）
２２ 透明基材
２２ａ 面（接合面）
２２ｂ 面（接合面）
２２ｃ 面（接合面）
２３ 透明基材
２３ａ 面（接合面）
２３ｂ 面（接合面）
２３ｃ 面（接合面）
２４ ホログラム
２５ 接着剤
２６ 粘着剤
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホログラムを貼り付けた一方の透明基材と他方の透明基材とが、前記ホログラムを挟むように接合され、その接合面を介して外界像がシースルーで観察される光学デバイスであって、
前記ホログラムと前記他方の透明基材との間は、前記ホログラム側から粘着剤、接着剤の順で接合されていることを特徴とする光学デバイス。
【請求項２】
前記接合面の場所によって間隔の差が１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の光学デバイス。
【請求項３】
前記両透明基材の観察者の目に対向する面が同一面を形成することを特徴とする請求項１又は２記載の光学デバイス。
【請求項４】
前記両透明基材は、プラスチックであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の光学デバイス。
【請求項５】
前記ホログラム、前記両透明基材、前記粘着剤、及び前記接着剤が、アクリル系材料であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の光学デバイス。
【請求項６】
前記粘着剤は透明なシート状であり、厚みが３〜１００μｍであることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の光学デバイス。
【請求項７】
請求項１〜６の何れかに記載の光学デバイスと、
映像を表示して前記光学デバイスに提供する映像表示素子とを備えていることを特徴とする映像表示装置。
【請求項８】
前記透明基材の観察者の目に対向する面に対して、前記ホログラムが傾斜していることを特徴とする請求項７記載の映像表示装置。
【請求項９】
前記ホログラムは、体積位相型の反射型ホログラムであることを特徴とする請求項７又は８記載の映像表示装置。
【請求項１０】
前記ホログラムは、前記映像表示素子から提供される映像と外界像とを同時に観察者の目に導くコンバイナであることを特徴とする請求項７〜９の何れかに記載の映像表示装置。
【請求項１１】
前記光学デバイスは、前記映像表示素子に表示される映像を拡大して観察者の目に虚像として導く接眼光学系を構成していることを特徴とする請求項７〜１０の何れかに記載の映像表示装置。
【請求項１２】
前記接眼光学系は、非軸対称な光学パワーを有していることを特徴とする請求項１１に記載の映像表示装置。
【請求項１３】
前記光学デバイスの透明基材は、前記映像表示素子から提供される映像の光を内部で全反射させて前記ホログラムに導くことを特徴とする請求項７〜１２の何れかに記載の映像表示装置。
【請求項１４】
請求項７〜１３の何れかに記載の映像表示装置と、
前記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを備えていることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
【請求項１】
ホログラムを貼り付けた一方の透明基材と他方の透明基材とが、前記ホログラムを挟むように接合され、その接合面を介して外界像がシースルーで観察される光学デバイスであって、
前記ホログラムと前記他方の透明基材との間は、前記ホログラム側から粘着剤、接着剤の順で接合されていることを特徴とする光学デバイス。
【請求項２】
前記接合面の場所によって間隔の差が１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の光学デバイス。
【請求項３】
前記両透明基材の観察者の目に対向する面が同一面を形成することを特徴とする請求項１又は２記載の光学デバイス。
【請求項４】
前記両透明基材は、プラスチックであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の光学デバイス。
【請求項５】
前記ホログラム、前記両透明基材、前記粘着剤、及び前記接着剤が、アクリル系材料であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の光学デバイス。
【請求項６】
前記粘着剤は透明なシート状であり、厚みが３〜１００μｍであることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の光学デバイス。
【請求項７】
請求項１〜６の何れかに記載の光学デバイスと、
映像を表示して前記光学デバイスに提供する映像表示素子とを備えていることを特徴とする映像表示装置。
【請求項８】
前記透明基材の観察者の目に対向する面に対して、前記ホログラムが傾斜していることを特徴とする請求項７記載の映像表示装置。
【請求項９】
前記ホログラムは、体積位相型の反射型ホログラムであることを特徴とする請求項７又は８記載の映像表示装置。
【請求項１０】
前記ホログラムは、前記映像表示素子から提供される映像と外界像とを同時に観察者の目に導くコンバイナであることを特徴とする請求項７〜９の何れかに記載の映像表示装置。
【請求項１１】
前記光学デバイスは、前記映像表示素子に表示される映像を拡大して観察者の目に虚像として導く接眼光学系を構成していることを特徴とする請求項７〜１０の何れかに記載の映像表示装置。
【請求項１２】
前記接眼光学系は、非軸対称な光学パワーを有していることを特徴とする請求項１１に記載の映像表示装置。
【請求項１３】
前記光学デバイスの透明基材は、前記映像表示素子から提供される映像の光を内部で全反射させて前記ホログラムに導くことを特徴とする請求項７〜１２の何れかに記載の映像表示装置。
【請求項１４】
請求項７〜１３の何れかに記載の映像表示装置と、
前記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを備えていることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−３０１２２９（Ｐ２００６−３０１２２９Ａ）
【公開日】平成１８年１１月２日（２００６．１１．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１２１８９４（Ｐ２００５−１２１８９４）
【出願日】平成１７年４月２０日（２００５．４．２０）
【出願人】（３０３０５０１５９）コニカミノルタフォトイメージング株式会社 (1,066)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月２日（２００６．１１．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年４月２０日（２００５．４．２０）
【出願人】（３０３０５０１５９）コニカミノルタフォトイメージング株式会社 (1,066)
【Ｆターム（参考）】
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