JP7358846B2 - 光学素子の製造方法、光学素子及び表示装置 - Google Patents

Description

本発明は光学素子の製造方法、光学素子及び表示装置に関するものである。

ホログラフィック素子等の回折素子を用いた表示装置として、画像光生成装置から出射された画像光を回折素子によって観察者の眼に向けて偏向するものが提案されている。回折素子では、特定波長で最適な回折角度と回折効率が得られるように干渉縞が最適化されている。しかしながら、画像光は、特定波長を中心にして所定のスペクトル幅を有していることから、特定波長からずれた周辺波長の光は、画像の解像度を低下させる原因となる。そこで、画像光生成装置から出射された画像光を反射型の第１回折素子によって、前方に配置された第２回折素子に向けて出射し、第１回折素子から出射された画像光を第２回折素子によって観察者の眼に向けて偏向する表示装置が提案されている。かかる構成によれば、第１回折素子によって波長補償を行うことができ、特定波長からずれた周辺波長の光に起因する画像の解像度の低下を抑制することができる（特許文献１参照）。

特開２０１７－１６７１８１号公報

上記第１回折素子及び第２回折素子は、ホログラム材料を基材に貼り付けた状態でレーザー光による干渉露光を行うことで干渉縞を有するホログラム層が形成される。ホログラム材料は干渉露光中に膨張収縮が発生することで基材とともに反ってしまう。このように干渉露光中に反りが発生すると、反った状態で干渉露光が行われることで所望の干渉縞を形成できず、所望の回折性能を得ることができない。そこで、ホログラム材料を弾性率の高いガラス基板で支持することが考えられるが、ガラス基板は破損するおそれや、装置の重量が増加するという問題が生じてしまう。

上記課題を解決するために、本発明の一態様の光学素子の製造方法は、マーキング部を有するガラス基板にホログラム形成用材料を貼り付けた後、前記ホログラム形成用材料を干渉露光することで前記ガラス基板にホログラム層を形成する第１工程と、前記ガラス基板から剥離した前記ホログラム層を、第１アライメントマークを有するプラスチック基板に貼り付ける第２工程と、を備え、前記第２工程では、前記プラスチック基板の前記第１アライメントマークと、前記干渉露光時に前記ホログラム層の前記マーキング部に対応する位置に形成された第２アライメントマークとを用いて、前記プラスチック基板及び前記ホログラム層の位置合わせを行うことを特徴とする。

前記第１工程において、前記ガラス基板における前記マーキング部が形成された第１面と反対の第２面に、前記ホログラム形成用材料を貼り付ける製造方法としてもよい。

前記ガラス基板において、前記マーキング部は、前記ホログラム層における光学有効領域の外側に前記第２アライメントマークを形成する位置に設けられている製造方法としてもよい。

前記第２工程では、前記マーキング部に対する前記第１アライメントマークにおける露光位置のズレを考慮した位置に前記第１アライメントマークを配置した前記プラスチック基板を用いる製造方法としてもよい。

前記第２工程では、前記プラスチック基板と前記ホログラム層とを接着材を介して貼り合わせる製造方法としてもよい。

前記ガラス基板及び前記プラスチック基板は湾曲形状を有する製造方法としてもよい。

前記第１工程では、球面波からなる参照光及び物体光を用いて前記ホログラム形成用材料を干渉露光する製造方法としてもよい。

本発明の第一態様の光学素子の製造方法は、マーキング部を有するガラス基板に第１ホログラム形成用材料を貼り付けた後、前記第１ホログラム形成用材料を干渉露光することで前記ガラス基板に第１ホログラム層を形成する第１工程と、前記ガラス基板から剥離した前記第１ホログラム層を、第１アライメントマークを有するプラスチック基板に貼り付ける第２工程と、前記ガラス基板に第２ホログラム形成用材料を貼り付けた後、前記第２ホログラム形成用材料を干渉露光することで前記ガラス基板に第２ホログラム層を形成する第３工程と、前記ガラス基板から剥離した前記第２ホログラム層を、前記プラスチック基板に貼り付けられた前記第１ホログラム層に重ねて貼り付ける第４工程と、を備え、前記第２工程では、前記プラスチック基板の前記第１アライメントマークと、前記第１工程における干渉露光時に前記第１ホログラム層の前記マーキング部に対応する位置に形成された第２アライメントマークとを用いて、前記プラスチック基板及び前記第１ホログラム層の位置合わせを行うことを特徴とする。

本発明の第二態様の光学素子の製造方法は、マーキング部を有するガラス基板に第１ホログラム形成用材料を貼り付けた後、前記第１ホログラム形成用材料を干渉露光することで前記ガラス基板に第１ホログラム層を形成する第１工程と、前記第１ホログラム層に第２ホログラム形成用材料を貼り付けた後、前記第２ホログラム形成用材料を干渉露光することで前記第１ホログラム層上に第２ホログラム層を形成する第２工程と、前記ガラス基板から剥離した前記第１ホログラム層及び前記第２ホログラム層の積層体を、第１アライメントマークを有するプラスチック基板に貼り付ける第３工程と、を備え、前記第３工程では、前記プラスチック基板の前記第１アライメントマークと、前記第１工程において前記第１ホログラム層の前記マーキング部に対応する位置に形成された第２アライメントマーク及び前記第２工程において前記第２ホログラム層の前記マーキング部に対応する位置に形成された第３アライメントマークの少なくとも一方とを用いて、前記プラスチック基板及び前記積層体の位置合わせを行うことを特徴とする。

本発明の第三態様の光学素子は、第１アライメントマークを有するプラスチック基板と、前記プラスチック基板に貼り付けられ、干渉縞とともに露光された第２アライメントマークを有するホログラム層と、を備え、前記第１アライメントマーク及び前記第２アライメントマークが所定の位置関係を有するように、前記プラスチック基板及び前記ホログラム層が互いに貼り付けられていることを特徴とする。

本発明の第四態様の表示装置は、画像光を生成する画像光生成装置と、前記画像光生成装置から射出された前記画像光を回折させる回折素子を含む光学系と、を備え、前記回折素子は、上記第三態様の光学素子で構成されることを特徴とする。

第一実施形態に係る表示装置の外観の一態様を示す外観図。 表示装置の別の外観の一態様を示す外観図。 表示装置の光学系の一態様を示す説明図。 第２回折素子の要部構成を示す図。 第１工程の説明図。 干渉露光工程の説明図。 第２工程の説明図。 第１回折素子および第２回折素子の回折特性を示す説明図。 第１回折素子と第２回折素子とが共役関係にある場合の説明図。 第１回折素子と第２回折素子とが共役関係にない場合の説明図。 第１回折素子と第２回折素子とが共役関係にない場合の説明図。 第１及び第２回折素子との共役関係からのずれの許容差を示す説明図。 共役関係からのずれの許容差を示す別の形態の説明図。 光学系の光線図。 第二実施形態における第２回折素子の要部構成を示す図。 第二実施形態における第２回折素子の製造工程を概念的に示す図。 第二実施形態における第２回折素子の製造工程を概念的に示す図。 第二実施形態における第２回折素子の製造工程を概念的に示す図。 第三実施形態における第２回折素子の製造工程を概念的に示す図。

（第一実施形態）
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度や角度を実際とは異ならせしめている。

図１は、本実施形態の表示装置１００の外観の一態様を示す外観図である。図２は、表示装置１００の別の外観の一態様を示す外観図である。図３は、図１に示す表示装置１００の光学系１０の一態様を示す説明図である。なお、図１から図３においては、表示装置を装着した観察者に対する前後方向をＺ軸に沿う方向とし、前後方向の一方側として表示装置を装着した観察者の前方を前側Ｚ１とし、前後方向の他方側として表示装置を装着した観察者の後方を後側Ｚ２としてある。また、表示装置を装着した観察者に対する左右方向をＸ軸に沿う方向とし、左右方向の一方側として表示装置を装着した観察者の右方を右側Ｘ１とし、左右方向の他方側として表示装置を装着した観察者の左方を左側Ｘ２としてある。また、表示装置を装着した観察者に対する上下方向をＹ軸方向に沿う方向とし、上下方向の一方側として表示装置を装着した観察者の上方を上側Ｙ１とし、上下方向の他方側として表示装置を装着した観察者の下方を下側Ｙ２としてある。

図１に示す表示装置１００は、頭部装着型の表示装置であり、画像光Ｌ０ａを右眼Ｅａに入射させる右眼用光学系１０ａと、画像光Ｌ０ｂを左眼Ｅｂに入射させる左眼用光学系１０ｂとを有している。表示装置１００は、例えば、眼鏡のような形状に形成される。具体的に、表示装置１００は、右眼用光学系１０ａと左眼用光学系１０ｂとを保持する筐体９０をさらに備えている。表示装置１００は、筐体９０によって観察者の頭部に装着される。

表示装置１００は、筐体９０として、フレーム９１と、フレーム９１の右側に設けられ、観察者の右耳に係止されるテンプル９２ａと、フレーム９１の左側に設けられ、観察者の左耳に係止されるテンプル９２ｂと、を備えている。フレーム９１は、両側部に収納空間９１ｓを有しており、収納空間９１ｓ内に、後述する光学系１０を構成する画像光投射装置等の各部品が収容されている。テンプル９２ａ，９２ｂは、ヒンジ９５によってフレーム９１に対して折り畳み可能に連結されている。

右眼用光学系１０ａと左眼用光学系１０ｂとは基本的な構成が同一である。従って、以下の説明では、右眼用光学系１０ａと左眼用光学系１０ｂとを区別せずに光学系１０として説明する。

また、図１に示す表示装置１００では、画像光Ｌ０をＸ軸に沿う左右方向に進行させたが、図２に示すように、画像光Ｌ０を上側Ｙ１から下側Ｙ２に進行させて観察者の眼Ｅに出射させる場合や、頭頂部から眼Ｅの前にわたって光学系１０が配置されるように構成される場合もある。

図３を参照して表示装置１００の光学系１０の基本的な構成を説明する。図３は、図１に示す表示装置１００の光学系１０の一態様を示す説明図である。なお、図３には、画像光Ｌ０の特定波長の光Ｌ１（実線）に加えて、長波長側の光Ｌ２（一点鎖線）、および特定波長に対して短波長側の光Ｌ３（点線）も図示してある。

図３に示すように、光学系１０では、画像光生成装置３１から出射された画像光Ｌ０の進行方向に沿って、正のパワーを有する第１光学部Ｌ１０と、正のパワーを有する第２光学部Ｌ２０と、正のパワーを有する第３光学部Ｌ３０と、正のパワーを有する第４光学部Ｌ４０とが配置されている。

本実施形態において、正のパワーを有する第１光学部Ｌ１０は、投射光学系３２によって構成されている。正のパワーを有する第２光学部Ｌ２０は、反射型の第１回折素子５０によって構成されている。正のパワーを有する第３光学部Ｌ３０は、導光系６０によって構成されている。正のパワーを有する第４光学部Ｌ４０は、反射型の第２回折素子７０によって構成されている。本実施形態において、第１回折素子５０および第２回折素子７０は、反射型の回折素子である。

かかる光学系１０において、画像光Ｌ０の進行方向に着目すると、画像光生成装置３１は、投射光学系３２に向けて画像光Ｌ０を出射し、投射光学系３２は入射した画像光Ｌ０を第１回折素子５０に向けて出射し、第１回折素子５０は入射した画像光Ｌ０を導光系６０に向けて出射する。導光系６０は、入射した画像光Ｌ０を第２回折素子７０に出射し、第２回折素子７０は、入射した画像光Ｌ０を観察者の眼Ｅに向けて出射する。

本実施形態において、画像光生成装置３１は画像光Ｌ０を生成する。
画像光生成装置３１は、有機エレクトロルミネッセンス表示素子等の表示パネル３１ａを備えている態様を採用することができる。かかる態様によれば、小型で高画質な画像表示が可能な表示装置１００を提供することができる。また、画像光生成装置３１は、照明光源（図示せず）と、照明光源から出射された照明光を変調する液晶表示素子等の表示パネル３１ａとを備えている態様を採用してもよい。かかる態様によれば、照明光源の選択が可能なため、画像光Ｌ０の波長特性の自由度が広がるという利点がある。ここで、画像光生成装置３１は、カラー表示可能な１枚の表示パネル３１ａを有する態様を採用することができる。また、画像光生成装置３１は、各色に対応する複数の表示パネル３１ａと、複数の表示パネル３１ａから出射された各色の画像光を合成する合成光学系とを有する態様を採用してもよい。さらに、画像光生成装置３１は、レーザー光をマイクロミラーデバイスで変調する態様を採用してもよい。

投射光学系３２は画像光生成装置３１が生成した画像光Ｌ０を投射する光学系であって、複数のレンズ３２ａによって構成されている。図３では、投射光学系３２におけるレンズ３２ａを３枚とした場合を例に挙げたが、レンズ３２ａの枚数はこれに限定されることはなく、投射光学系３２が４枚以上のレンズ３２ａを備えていてもよい。また、各レンズ３２ａは貼り合わせて投射光学系３２を構成してもよい。また、レンズ３２ａは自由曲面のレンズで構成されていてもよい。

導光系６０は、第１回折素子５０から出射された画像光Ｌ０が入射するレンズ系６１と、レンズ系６１から出射された画像光Ｌ０を斜めに傾いた方向に出射するミラー６２とを有している。レンズ系６１は、Ｚ軸に沿う前後方向に配置された複数のレンズ６１１からなる。ミラー６２は、前後方向に向けて斜めに傾いた反射面６２０を有している。本実施形態において、ミラー６２は全反射ミラーである。但し、ミラー６２をハーフミラーとしてもよく、この場合、外光を視認できる範囲を広くすることができる。

続いて、第１回折素子５０および第２回折素子７０の構成について説明する。
本実施形態において、第１回折素子５０および第２回折素子７０は基本的な構成が同一である。以下では、第２回折素子７０の構成を例に挙げて説明する。

第２回折素子（光学素子）７０は反射型体積ホログラフィック素子である。第２回折素子７０は、部分透過反射性のコンバイナーを構成する。そのため、第２回折素子７０を介して眼Ｅに外光が入射するため、観察者は画像光生成装置３１で形成した画像光Ｌ０と外光（背景）とが重畳した画像を認識することができる。

図３に示されるように第２回折素子７０は、観察者の眼Ｅと対向しており、画像光Ｌ０が入射する第２回折素子７０の入射面７０ａは、眼Ｅから離れる方向に凹んだ凹曲面形状となっている。換言すれば、入射面７０ａは、画像光Ｌ０の入射方向において、周辺部に対して中央部が凹んで湾曲した形状となっている。このため、第２回折素子７０は、画像光Ｌ０を観察者の眼Ｅに向けて効率良く集光させることができる。

図４は第２回折素子７０の要部構成を示す図である。図４に示すように第２回折素子７０は、プラスチック基板７１と、ホログラム層７２と、接着材７３と、を有している。プラスチック基板７１は、内面７１ａに対して外面７１ｂを凸とするように湾曲した曲面形状を有する。プラスチック基板７１としては、例えば、２ＧＰａから３ＧＰａの弾性率を有する透明材料で構成される。より具体的にプラスチック基板７１としては、例えば、シクロオレフィン樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート等からなる透光性プラスチック基板を用いた。

ホログラム層７２は、ホログラム７２ａと透明フィルム層７２ｂとを含む。ホログラム７２ａは、厚さが約５～５０μｍのフォトポリマー材料からなるホログラム感光層である。透明フィルム層７２ｂは、ホログラム７２ａを保護する保護層であり、透光性を有している。透明フィルム層７２ｂは、例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＡ（ポリアミド）、ＴＡＣ（トリアセチルセルロース）等の透明フィルムにより構成される。ホログラム層７２は、接着材７３を介してプラスチック基板７１の外面７１ｂに貼り付けられる。接着材７３は所定の透光性を有する。なお、接着材７３は必要に応じて省略可能である。すなわち、ホログラム層７２がプラスチック基板７１の外面７１ｂに直接貼り付けられていてもよい。

ホログラム７２ａは、内部に干渉縞７４が形成され、回折格子として機能する。干渉縞７４は屈折率等の差としてホログラム感光層に記録されており、干渉縞７４は特定の入射角度に対応するように、第２回折素子７０の入射面７０ａに対して一方方向に傾いている。従って、第２回折素子７０は、図３に示したように画像光Ｌ０を所定の方向に回折して偏向する。特定波長および特定の入射角度とは、画像光Ｌ０の波長と入射角度に対応する。

本実施形態において、画像光Ｌ０はカラー表示用である。第２回折素子７０には、赤色光、緑色光及び青色光の画像光Ｌ０が入射され、入射された画像光Ｌ０を所定の方向に回折して出射する。ホログラム７２ａの干渉縞７４は、５８０ｎｍから７００ｎｍの波長範囲のうち例えば波長６１５ｎｍの赤色画像光ＬＲに対応するピッチで形成された干渉縞７４Ｒと、５００ｎｍから５８０ｎｍの波長範囲のうち例えば波長５３５ｎｍの緑色画像光ＬＧに対応するピッチで形成された干渉縞７４Ｇと、４００ｎｍから５００ｎｍの波長範囲のうち例えば波長４６０ｎｍの青色画像光ＬＢに対応するピッチで形成された干渉縞７４Ｂと、を含む。

干渉縞７４は共通の光源から出射されたコヒーレント光を物体光と参照光とに分離し、分離した物体光及び参照光をホログラム形成用材料に照射して干渉露光することで形成された縞である。干渉縞は、屈折率の変化、透過率の変化、凹凸パターン等の形状変化として記録されている。

第２回折素子７０において、ホログラム層７２は第２アライメントマーク７２Ｍを有する。第２アライメントマーク７２Ｍは、ホログラム層７２のホログラム７２ａ内に干渉縞７４とともに露光されている。第２アライメントマーク７２Ｍは、プラスチック基板７１に貼り付けるときの位置合わせ用のマークとして利用される。

また、第２回折素子７０において、プラスチック基板７１は第１アライメントマーク７１Ｍを有する。本実施形態において、プラスチック基板７１及びホログラム層７２は、第１アライメントマーク７１Ｍ及び第２アライメントマーク７２Ｍが所定の位置関係を有するように、互いに貼り付けられている。例えば、顕微鏡やカメラで上部から観察した際に、プラスチック基板７１の第１アライメントマーク７１Ｍとホログラム層７２の第２アライメントマーク７２Ｍとが平面的に重なった状態で、プラスチック基板７１及びホログラム層７２が貼り付けられている。なお、プラスチック基板７１に対するホログラム層７２の位置を規定可能であれば、第１アライメントマーク７１Ｍ及び第２アライメントマーク７２Ｍは上部から観察した際に重ならなくてもよい。

本実施形態において、第２回折素子７０は、ガラス基板にホログラム層７２を形成した後、ガラス基板から剥離したホログラム層７２をプラスチック基板７１に貼り付けることで製造される。以下、第２回折素子７０の製造方法について具体的に説明する。

第２回折素子７０の製造方法は、ガラス基板にホログラム層を形成する第１工程と、ガラス基板から剥離したホログラム層をプラスチック基板に貼り付ける第２工程と、を備えている。

まず、ガラス基板にホログラム層を形成する第１工程について説明する。
図５は第１工程の説明図である。図５において、上段は側断面図であり、下段はガラス基板を内側から外側に向かって視た平面図である。
第１工程では、図５に示すように、ガラス基板４０にホログラム形成用材料４１を貼り付ける。ガラス基板４０は内面（第１面）４０ａ及び内面４０ａと反対の外面（第２面）４０ｂを有し、外面４０ｂを凸とするように湾曲した曲面形状を有する。ガラス基板４０は、例えば、５０ＧＰａ以上の弾性率を有している。

ホログラム形成用材料４１としては、ホログラム材料４１ａと透明フィルム層７２ｂとを含む。ホログラム材料４１ａは赤色、緑色及び青色の各波長に対応する感度を有する感光材料を分散させた、厚さが約５～５０μｍのフォトポリマー材料からなる体積ホログラフィック材料層である。

なお、ホログラム形成用材料４１は、ガラス基板４０に対する貼り付け前の状態において、ホログラム材料４１ａの接着面が、例えば、ＰＥＴ等のカバーフィルムで覆われている。なお、ホログラム材料４１ａは干渉露光後にガラス基板４０から剥離するため、露光時にガラス基板４０上に保持可能であるとともに容易に剥離可能な接着力に設定される。

ホログラム形成用材料４１は、カバーフィルムを暗室内で剥がし、ホログラム材料４１ａ側をむき出しにした状態とする。ホログラム材料４１ａのフォトポリマーは未硬化又は半硬化の状態であり、粘着性を持つため、ホログラム材料４１ａをガラス基板４０の外面４０ｂにローラー等で押し当てることで良好に接着することができる。

本実施形態において、ガラス基板４０はマーキング部４０Ｍを有している。マーキング部４０Ｍはガラス基板４０の内面（第１面）４０ａに凸状に形成されている。マーキング部４０Ｍは、例えば、ガラス成形金型に予めアライメントマークを掘り込んでおくことによって、ガラス基板４０の内面４０ａに対して精度良く設けられる。マーキング部４０Ｍとしては、例えば、十字形状、円形状、二重円形状などのアライメントしやすい形状のマークを採用することができる。なお、マーキング部４０Ｍとしては、例えば、断面形状がＶ字状や半円状であり、深さを１０～１００μｍ程度とするのが望ましい。

本実施形態において、凸状のマーキング部４０Ｍはホログラム形成用材料４１における貼付面（外面４０ｂ）と反対であるガラス基板４０の内面４０ａに形成されている。そのため、マーキング部４０Ｍはガラス基板４０に対するホログラム形成用材料４１の貼り付けを妨げない。

図５の下段に示されるように、ガラス基板４０の内面４０ａにおいて、マーキング部４０Ｍは、光学有効領域４８より外側であって、ホログラム形成用材料４１の貼り付け領域４９より内側に位置する領域に設けられている。ここで、光学有効領域４８とは、後の干渉露光によって形成されるホログラム層７２のうち所望の回折性能を得る回折素子として有効に機能する領域を意味する。

以上のようにしてガラス基板４０上へのホログラム形成用材料４１の貼り付けが完了する。

続いて、ホログラム形成用材料４１を干渉露光する。
図６は干渉露光工程の説明図である。
干渉露光では、参照点ＳＢ１に収束する参照光ＳＢと物体点ＯＢ１から発散する物体光ＯＢとをホログラム形成用材料４１（ホログラム材料４１ａ）で干渉させることで露光し、ホログラム層７２を得る。

干渉露光工程には、図６に示す露光装置３００が用いられる。露光装置３００は、露光光となるレーザー光Ｔを射出するレーザー光源３０１と、レーザー光Ｔの通過と遮断とを切り替えるシャッター３０２と、レーザー光Ｔを物体光ＯＢと参照光ＳＢとに分離するビームスプリッター３０３とを備える。ビームスプリッター３０３に代えて偏光ビームスプリッターを用いることも可能である。偏光ビームスプリッターを用いる場合、１／２波長板と組み合わせて、物体光ＯＢ及び参照光ＳＢの強度比を調整することができる。

露光装置３００は、ホログラム形成用材料４１に形成する干渉縞の対応波長に応じてレーザー光源３０１から射出するレーザー光Ｔの波長を切り替える。

また、露光装置３００は、物体光ＯＢをガラス基板４０に貼り付けたホログラム形成用材料４１の一面側から照射する第１露光光学系３１０と、参照光ＳＢをガラス基板４０に貼り付けたホログラム形成用材料４１の他面側から照射する第２露光光学系３２０とを備えている。

第１露光光学系３１０は、物体光ＯＢの光路を曲げる第１ミラー３１１と、物体光ＯＢの光束径を調整する第１レンズ３１２と、第１レンズ３１２により光束径が拡張された物体光ＯＢを平行光束とする第１コリメーターレンズ３１３と、物体光ＯＢをホログラム形成用材料４１の手前で集光させるように入射させる第１集光レンズ３１４とを備える。第１露光光学系３１０は、物体光ＯＢをホログラム形成用材料４１の一面に対して発散光（球面波）として照射する。

第２露光光学系３２０は、参照光ＳＢの光束径を調整する第２レンズ３２１と、第２レンズ３２１により光束径が拡張された参照光ＳＢを平行光束とする第２コリメーターレンズ３２２と、平行化された参照光ＳＢの光路を曲げる第２ミラー３２３と、参照光ＳＢをホログラム形成用材料４１の奥側に集光させるように入射させる第２集光レンズ３２４とを備える。第２露光光学系３２０は、参照光ＳＢをホログラム形成用材料４１の他面に対して収束光（球面波）として照射する。

露光装置３００は、各波長の物体光ＯＢ及び参照光ＳＢを用いてホログラム形成用材料４１に干渉露光を行うことで、図４に示したように１つの層に干渉縞７４Ｒ，７４Ｇ，７４Ｂを重畳した干渉縞７４をホログラム形成用材料４１のホログラム材料４１ａに形成することができる。この干渉縞７４によって、ホログラム材料４１ａの内部に各波長の光に対する屈折率分布が生じることでホログラム７２ａが形成される。

また、干渉露光工程において、物体光ＯＢ及び参照光ＳＢはガラス基板４０に形成されたマーキング部４０Ｍを透過する。

マーキング部４０Ｍは、空気中との屈折率の差を利用して、物体光ＯＢ及び参照光ＳＢの一部を屈折させる機能を有する。そのため、マーキング部４０Ｍを透過する光路は、マーキング部４０Ｍを透過しない光路とは異なる。よって、マーキング部４０Ｍを通過した物体光ＯＢ及び参照光ＳＢによる干渉縞の位相はマーキング部４０Ｍを通過していない物体光ＯＢ及び参照光ＳＢによる干渉縞の位相と異なる。すなわち、マーキング部４０Ｍを透過した光による干渉縞はマーキング部４０Ｍを透過していない他の光による干渉縞７４と不連続となる。そのため、マーキング部４０Ｍを透過した光の干渉縞は干渉縞７４とともに内部に形成されるものの、干渉縞７４と不連続の縞であることから、マーキング部４０Ｍを透過した光の干渉縞は干渉縞７４に対して区別可能となる。このようにマーキング部４０Ｍを透過した光の干渉縞は干渉縞７４とともにホログラム７２ａ内に記録され、ホログラム層７２を位置合わせするために利用可能な第２アライメントマーク７２Ｍを構成する。

以上のようにしてホログラム層７２内には干渉縞７４とともに第２アライメントマーク７２Ｍが形成される。本実施形態において、マーキング部４０Ｍは図５に示したように光学有効領域４８の外側かつホログラム形成用材料４１の貼り付け領域４９より内側に設けられるため、第２アライメントマーク７２Ｍはホログラム層７２における回折機能に悪影響を及ぼさない領域に形成される。

第２アライメントマーク７２Ｍはガラス基板４０におけるマーキング部４０Ｍの位置からずれた場所に形成される。このずれ量はガラス基板４０の曲面度合、ガラス基板４０の厚さ、マーキング部４０Ｍに対する物体光ＯＢ及び参照光ＳＢの入射角に応じて決まる。そのため、第２アライメントマーク７２Ｍの位置ずれ量は予めシミュレーション等により求めておくのが望ましい。具体的にマーキング部４０Ｍは、物体光ＯＢ及び参照光ＳＢの光路上であって、ホログラム７２ａの第２アライメントマーク７２Ｍの形成予定位置に対応する場所に設けられている。

なお、干渉縞７４を形成したホログラム層７２に対してＵＶ照射、可視光照射及び熱処理を行うことで記録された縞を固着させるとともにホログラム層７２の脱色を行う。

ところで、干渉露光によって干渉縞７４を形成する反応過程において、ホログラム形成用材料４１に含まれるホログラム材料４１ａは収縮や膨張を起こす。収縮が起こるか膨張が起こるかは、その反応系の違いによって決まる。収縮や膨張が起こると、ホログラム形成用材料４１（ホログラム材料４１ａ）を支持する支持体に反りが生じることがある。干渉縞７４の生成過程で支持体に反りが生じると、反りの影響を受けることで生成された干渉縞７４の回折性能が低下する。

これに対し、本実施形態の製造方法では、プラスチック基板７１に比べて弾性率の高いガラス基板４０にホログラム形成用材料４１を支持した状態で干渉露光を行っている。そのため、プラスチック基板７１を支持体として用いる場合に比べて反りの発生が低減され、反りの影響を低減した干渉縞７４が製造される。

以上のように第１工程によれば、マーキング部４０Ｍを有するガラス基板４０にホログラム形成用材料４１を貼り付けた後、ホログラム形成用材料４１を干渉露光することでガラス基板４０にホログラム層７２が形成される。

続いて、ガラス基板から剥離したホログラム層をプラスチック基板に貼り付ける第２工程について説明する。図７は第２工程の説明図である。
図７に示すように、上述の干渉露光で形成したホログラム層７２をガラス基板４０から剥離し、プラスチック基板７１に位置合わせしながら貼り付ける。プラスチック基板７１はガラス基板４０と同様の形状を有する。すなわち、プラスチック基板７１は、内面（第１面）７１ａ及び内面７１ａと反対の外面（第２面）７１ｂを有し、外面７１ｂを凸とするように湾曲した曲面形状を有する。プラスチック基板７１には、ホログラム層７２との位置合わせに用いる第１アライメントマーク７１Ｍが予め形成されている。

第２工程では、プラスチック基板７１に予め形成された第１アライメントマーク７１Ｍと、干渉露光時にホログラム層７２に形成された第２アライメントマーク７２Ｍとを用いて、プラスチック基板７１及びホログラム層７２の位置合わせを行う。

プラスチック基板７１の第１アライメントマーク７１Ｍの位置は、上述の計算によって算出されるホログラム層７２の第２アライメントマーク７２Ｍの位置に対応する場所に設定される。本実施形態の第２工程では、マーキング部４０Ｍに対する第１アライメントマーク７１Ｍにおける露光位置のずれを考慮した位置に第１アライメントマーク７１Ｍを配置したプラスチック基板７１を用いた。

本実施形態では、例えば、顕微鏡やカメラで上部から観察した際に、プラスチック基板７１の第１アライメントマーク７１Ｍとホログラム層７２の第２アライメントマーク７２Ｍとが平面的に重なるように、プラスチック基板７１及びホログラム層７２を位置合わせする。

この構成によれば、第１アライメントマーク７１Ｍと第２アライメントマーク７２Ｍとを平面的に重ねることでプラスチック基板７１とホログラム層７２とを容易に位置合わせできる。なお、ホログラム層７２内に形成された第２アライメントマーク７２Ｍが見え難い場合、例えば、ホログラム層７２に対する光の当て方を工夫することで、第２アライメントマーク７２Ｍが形成された部位とそれ以外の部位との間で生じる光の回折度合いの差を利用して第２アライメントマーク７２Ｍの視認性を高めることができる。

ホログラム層７２は、上述のように干渉露光や紫外線照射、可視光照射、熱処理などの処理が施されているため、粘着力が無くなり、プラスチック基板７１との密着が十分に得られないおそれもある。本実施形態では、ホログラム層７２とプラスチック基板７１との間に透光性を有する接着材７３を配置することでホログラム層７２及びプラスチック基板７１を確実に接着できる。
以上の工程により、プラスチック基板７１に接着材７３を介してホログラム層７２を貼り付けた第２回折素子７０が製造される。

本実施形態の第２回折素子７０の製造方法によれば、ホログラム層７２を形成する際、ホログラム形成用材料４１の支持体として反り難いガラス基板４０を用いることで、ホログラム層７２に干渉縞７４を精度良く形成することができる。ここで、仮にホログラム層７２の支持基板としてガラス基板４０をそのまま利用した場合、ガラス基板４０は衝撃や振動等により破損するおそれがあることから第２回折素子７０の信頼性を低下させてしまう。また、表示装置１００の光学系１０はより軽量であることが望ましいことから、第２回折素子７０の重量を増加させるガラス基板４０を第２回折素子７０の構成として利用することは望ましくない。

本実施形態の製造方法では、ホログラム層７２への干渉縞７４の記録と第２アライメントマーク７２Ｍの記録とを同時に行うことで、干渉縞７４及び第２アライメントマーク７２Ｍの位置ずれが生じない。そして、プラスチック基板７１の第１アライメントマーク７１Ｍとホログラム層７２の第２アライメントマーク７２Ｍとを位置合わせすることで、反りの影響を抑えた干渉縞７４を有するホログラム層７２をプラスチック基板７１上の所定位置に貼り付けた第２回折素子７０が製造される。よって、本実施形態の第２回折素子７０によれば、プラスチック基板７１及びホログラム層７２が精度良く貼り付けられる。そのため、本実施形態の第２回折素子７０は、図３に示したように画像光Ｌ０を観察者の眼Ｅに向けて効率良く集光させることができる。

本実施形態の第２回折素子７０によれば、干渉露光時に支持体が反ることに起因して生じる性能低下を抑制した干渉縞７４を備えるとともに、プラスチック基板７１を支持体として備えることで軽量且つ破損や割れ等に強い耐衝撃性に優れた回折素子を提供できる。

第２回折素子７０と基本的な構成が同一である第１回折素子５０も反射型体積ホログラフィック素子で構成されている。第１回折素子５０は第２回折素子７０と同様の製造方法により製造されるため、第２回折素子７０と同様の効果を得ることができる。すなわち、第１回折素子５０は、干渉露光時に支持体が反ることに起因して生じる性能低下を抑制した干渉縞を備えるとともに、プラスチック基板を支持体として備えることで軽量且つ耐衝撃性に優れた回折素子を提供できる。

また、第１回折素子５０は、画像光Ｌ０が入射する入射面５０ａが凹んだ凹曲面形状を有している。換言すれば、入射面５０ａは、画像光Ｌ０の入射方向において、周辺部に対して中央部が凹んで湾曲した形状となっている。そのため、第１回折素子５０は画像光Ｌ０を導光系６０に向けて効率良く偏向させることができる。

図８は、図３に示す第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折特性を示す説明図である。図８は、体積ホログラム上の１点に光線が入射したときの、特定波長と周辺波長の回折角の差を示したものである。図８には、特定波長を５３１ｎｍとしたとき、波長が５２６ｎｍの周辺波長の光の回折角度のずれを実線Ｌ５２６で示し、波長が５３６ｎｍの周辺波長の光の回折角度のずれを点線Ｌ５３６で示してある。図８に示すように、ホログラムに記録された同じ干渉縞に光線が入射した場合でも、長波長の光線程、大きく回折し、短波長の光線程、回折しにくい。そのため、本実施形態のように２つの回折素子、すなわち第１回折素子５０および第２回折素子７０を用いた際、特定波長に対する長波長の光および短波長の光における光線角度をそれぞれ考慮して入射させないと適正に波長補償できない。すなわち第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセルできなくなる。また、干渉縞の本数によって回折角が異なるので、干渉縞を考慮する必要がある。

図３に示す光学系１０では、特開２０１７－１６７１８１号公報に記載されているように、第１回折素子５０と第２回折素子７０との間での中間像の形成回数と、ミラー６２での反射回数の和が奇数か偶数かに対応して、第２回折素子７０への入射方向等を適正化してあるため、波長補償、すなわち色収差をキャンセル可能である。

具体的に、第１回折素子５０に入射した画像光Ｌ０は、図３に示すように、第１回折素子５０によって回折されることで偏向する。このとき、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２の回折角度θ_２は、特定波長の光Ｌ１の回折角度θ_１より大きくなる。また、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３の回折角度θ_３は、特定波長の光Ｌ１の回折角度θ_１より小さくなる。従って、第１回折素子５０を出射した画像光Ｌ０は、波長毎に偏向されて分散することとなる。

第１回折素子５０を出射した画像光Ｌ０は、導光系６０を介して第２回折素子７０に入射し、第２回折素子７０によって回折されることで偏向する。その際、第１回折素子５０から第２回折素子７０までの光路において、中間像の形成が１回行われるとともに、ミラー６２での反射が１回行われる。従って、画像光Ｌ０と第２回折素子７０の入射面法線との間の角度を入射角とすると、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２は、特定波長の光Ｌ１における入射角θ_１１よりも大きな入射角θ_１２となり、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３は、特定波長の光Ｌ１における入射角θ_１１よりも小さな入射角θ_１３となる。また、上述したように特定波長に対して長波長側の光Ｌ２の回折角度θ_２は、特定波長の光Ｌ１の回折角度θ_１よりも大きくなり、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３の回折角度θ_３は、特定波長の光Ｌ１の回折角度θ_１よりも小さくなる。

従って、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２は、特定波長の光Ｌ１よりも大きな入射角で第１回折素子５０に入射するが、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２の回折角度が、特定波長の光Ｌ１の回折角度よりも大きいため、結果として第２回折素子７０から出射するときには、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２と特定波長の光Ｌ１は略平行な光となる。これに対して、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３は、特定波長の光Ｌ１よりも小さな入射角で第１回折素子５０に入射するが、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３の回折角度が、特定波長の光Ｌ１の回折角度よりも小さいため、結果として第２回折素子７０から出射するときには、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３と特定波長の光Ｌ１は略平行な光となる。このようにして、図３に示すように、第２回折素子７０を出射した画像光Ｌ０は、略平行な光として観察者の眼Ｅに入射するので、波長毎の網膜Ｅ０での結像位置ずれが抑制される。従って、第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセルできる。
本実施形態の第１回折素子５０及び第２回折素子７０は上述の製造方法により製造されることで干渉露光時に生じる反りの影響を低減されるので、所望の回折性能を得る干渉縞を有している。したがって、本実施形態の第１回折素子５０及び第２回折素子７０によれば上述のように色収差を精度良くキャンセルできる。

続いて、第１回折素子５０と第２回折素子７０との共役関係について説明する。
図９Ａは、第１回折素子５０と第２回折素子７０とが共役関係にある場合の説明図である。図９Ｂおよび図９Ｃは第１回折素子５０と第２回折素子７０とが共役関係にない場合の説明図である。図１０Ａおよび図１０Ｂは、図９Ｂおよび図９Ｃに示す第１回折素子５０と第２回折素子７０との共役関係からのずれの許容差を示す説明図である。図１０Ａおよび図１０Ｂには、特定波長の光を実線Ｌｅで示し、波長が特定波長－１０ｎｍの光を一点鎖線Ｌｆで示し、波長が特定波長＋１０ｎｍの光を二点鎖線Ｌｇで示してある。なお、図９Ａから図９Ｃ、図１０Ａおよび図１０Ｂでは、光の進行が分かりやすいように、第１回折素子５０、第２回折素子７０および導光系６０を透過型として示し、第１回折素子５０、第２回折素子７０および導光系６０を矢印で示してある。

図９Ａに示すように、第１回折素子５０と第２回折素子７０とを共役の関係とした場合、第１回折素子５０のＡ点（第１の位置）から出射した発散光は正パワーを持つ導光系６０によって集光され、第２回折素子７０のＢ点（第１の位置に対応する第２の位置）に入射する。従って、Ｂ点で発生する回折による色収差をＡ点で補償することができる。

これに対して、図９Ｂおよび図９Ｃに示すように、第１回折素子５０と第２回折素子７０とが共役の関係にない場合、第１回折素子５０のＡ点から出射した発散光は、中央の正パワーを持つ導光系６０によって集光されるが、第２回折素子７０上のＢ点よりも遠い位置、あるいは近い位置で交わって入射する。このため、Ａ点とＢ点とが１対１の関係になっていない。ここで、領域内の干渉縞が一様の場合に補償効果が高まることから、第１回折素子５０と第２回折素子７０とが共役の関係にない場合、補償効果が弱くなる。一方、第１回折素子５０によって、第２回折素子７０の投影領域全体を補償することは困難である。それ故、図９Ｂおよび図９Ｃに示す態様の場合、十分な波長補償を行うことができないので、解像度の劣化が発生する。

なお、特定波長に対して±１０ｎｍの波長の光では、特定波長の光が到達するＢ点から±０．４ｍｍ程度の誤差が存在するが、解像度の低下は目立たない。かかる許容範囲を検討した結果、図１０Ａに示すように、特定波長の光が到達する理想的な第２回折素子７０上のＢ点よりも手前で交わり±０．８ｍｍの範囲内に入射する場合には、解像度の低下は目立たない。また、図１０Ｂに示すように、特定波長の光が到達する理想的な第２回折素子７０上のＢ点よりも後方で交わり±０．８ｍｍの範囲内に入射する場合には、解像度の低下は目立たない。従って、第１回折素子５０と第２回折素子７０とにおいては、完全な共役関係になくても、略共役関係にあって、理想的なＢ点から±０．８ｍｍの範囲内に到達する場合には、解像度の低下を許容することができる。すなわち、本実施形態において、第１回折素子５０と第２回折素子７０とが共役関係を有するとは、特定波長の光の入射位置が理想的な入射点から±０．８ｍｍの誤差範囲に収まることをいう。

図１１は、本実施形態の光学系１０における光線図である。図１１では、光軸に沿って配置された各光学部を太い矢印で示してある。また、画像光生成装置３１の１つの画素から出射した光線を実線Ｌａで示し、画像光生成装置３１の端部から出射される主光線を一点鎖線Ｌｂで示し、第１回折素子５０と共役関係となる位置を長い破線Ｌｃで示してある。ここで、「中間像」とは、１画素から出射された光線（実線Ｌａ）が集まる個所であり、「瞳」とは、各画角の主光線（一点鎖線Ｌｂ）が集まる個所である。また、図１１は、画像光生成装置３１から出射された光の進行を示すものである。なお、図１１においては、図を簡略化するため、すべての光学部を透過型として図示している。

図１１に示すように、本実施形態の光学系１０では、画像光生成装置３１から出射された画像光の光路に沿って、正のパワーを有する第１光学部Ｌ１０と、第１回折素子５０を備え、正のパワーを有する第２光学部Ｌ２０と、正のパワーを有する第３光学部Ｌ３０と、第２回折素子７０を備え、正のパワーを有する第４光学部Ｌ４０とが設けられている。

第１光学部Ｌ１０の焦点距離はＬ／２であり、第２光学部Ｌ２０、第３光学部Ｌ３０、および第４光学部Ｌ４０の焦点距離はいずれもＬである。従って、第２光学部Ｌ２０から第３光学部Ｌ３０までの光学距離と第３光学部Ｌ３０から第４光学部Ｌ４０までの光学距離とが等しい。

かかる光学系１０では、第１光学部Ｌ１０と第３光学部Ｌ３０との間に画像光の第１中間像Ｐ１が形成され、第２光学部Ｌ２０と第４光学部Ｌ４０との間に瞳Ｒ１が形成され、第３光学部Ｌ３０と第４光学部Ｌ４０との間に画像光の第２中間像Ｐ２が形成され、第４光学部Ｌ４０は、画像光を平行光化して射出瞳Ｒ２を形成する。その際、第３光学部Ｌ３０は、第２光学部Ｌ２０から射出された画像光を発散光あるいは収束光あるいは平行光と自在に制御して第４光学部Ｌ４０に入射させる。第２光学部Ｌ２０は、第１光学部Ｌ１０から射出された画像光を収束光として第３光学部Ｌ３０に入射させる。本実施形態の光学系１０において、瞳Ｒ１は、第２光学部Ｌ２０と第４光学部Ｌ４０との間のうち、第３光学部Ｌ３０の近傍に形成される。第３光学部Ｌ３０の近傍とは、第２光学部Ｌ２０と第３光学部Ｌ３０の間のうち、第２光学部Ｌ２０より第３光学部Ｌ３０に近い位置、または第３光学部Ｌ３０と第４光学部Ｌ４０の間のうち、第４光学部Ｌ４０より第３光学部Ｌ３０に近い位置を意味する。

また、第３光学部Ｌ３０は、画像光生成装置３１の１点からの画像光について、第１回折素子５０により偏向されて特定波長からずれた周辺波長の光を第２回折素子７０の所定の範囲に入射させる。すなわち、第１回折素子５０と第２回折素子７０は共役あるいは略共役の関係にある。ここで、第１回折素子５０の第３光学部Ｌ３０による第２回折素子７０上の射影の倍率の絶対値は０．５倍から１０倍までであり、かかる倍率の絶対値は１倍から５倍までであることが好ましい。

従って、本実施形態の光学系１０によれば、投射光学系３２と導光系６０との間に画像光の第１中間像Ｐ１が形成され、導光系６０の近傍に瞳Ｒ１が形成され、導光系６０と第２回折素子７０との間に画像光の第２中間像Ｐ２が形成され、第２回折素子７０は、画像光を平行光化して射出瞳Ｒ２を形成する。

本実施形態の光学系１０において、第１中間像Ｐ１は、第１光学部Ｌ１０（投射光学系３２）と第２光学部Ｌ２０（第１回折素子５０）との間に形成される。

本実施形態の光学系１０によれば、以下に示す４つの条件（条件１、２、３、４）を満たしている。
条件１：画像光生成装置３１の１つの点から出射した光線は、網膜Ｅ０に１つの点として結像される。
条件２：光学系の入射瞳と眼球の瞳が共役である。
条件３：周辺波長を補償するように第１回折素子５０と第２回折素子７０とを適正に配置する。
条件４：第１回折素子５０と第２回折素子７０とが共役または略共役の関係にある。

より具体的には、図１１に示す実線Ｌａから分かるように、画像光生成装置３１の１つの点から出射した光線は、網膜Ｅ０に１つの点として結像されるという条件１を満たすので、観察者は１画素を視認することができる。また、図１１に示す実線Ｌａから分かるように、光学系１０の入射瞳と眼Ｅの瞳Ｅ１とが共役（瞳の共役）の関係にあるという条件２を満たすので、画像光生成装置３１で生成した画像の全域を視認することができる。また、周辺波長を補償するように第１回折素子５０と第２回折素子７０とを適正に配置するという条件３を満たすため、波長補償を行うことによって第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセル可能である。また、図１１に示す長い破線Ｌｃから分かるように、第１回折素子５０と第２回折素子７０とが共役または略共役の関係にあるという条件４を満たすため、第１回折素子５０と第２回折素子７０とでは、光線を干渉縞が同一な個所に入射させることが可能であり、波長補償を適正に行うことができる。よって、画像光の解像度の劣化を抑えることができる。

したがって、本実施形態の光学系１０によれば、波長補償を適正に行うことで解像度の劣化を抑えた良質な画像を観察者に視認させることができる。また、本実施形態の光学系１０は、支持体としてプラスチック基板を用いることで軽量且つ耐衝撃性に優れた第１回折素子５０及び第２回折素子７０を備えている。よって、本実施形態の光学系１０は軽量且つ耐衝撃性に優れるため、観察者の頭部に装着される表示装置１００の光学系として好適に用いられる。

（第二実施形態）
続いて、第二実施形態に係る光学系について説明する。上記実施形態の光学系１０におけるホログラム層７２は、赤色画像光ＬＲ、緑色画像光ＬＧ及び青色画像光ＬＢに対応する干渉縞７４Ｒ，７４Ｇ，７４Ｂを１層のホログラム７２ａ内に重畳させた干渉縞７４を備える場合を説明したが、ホログラム層の構成これに限られない。なお、第一実施形態と共通の部材については同じ符号を付し、詳細な説明については省略する。

本実施形態においても、第２回折素子の構成を例に挙げて説明するが、第１回折素子についても同様のことが言える。

図１２は本実施形態における第２回折素子の要部構成を示す図である。図１２に示すように、本実施形態の第２回折素子（光学素子）１７０は、プラスチック基板７１と、第１ホログラム層１７３と、第２ホログラム層１７４と、第３ホログラム層１７５とを有している。

第１ホログラム層１７３は第１ホログラム１７３ａと透明フィルム層１７３ｂとを含む。本実施形態において、第１ホログラム１７３ａは、内部に第１干渉縞１７３ａ１が形成され、回折格子として機能する。第１干渉縞１７３ａ１は画像光Ｌ０のうち青色画像光ＬＢに対応するピッチで形成された干渉縞である。第１ホログラム層１７３は画像光Ｌ０に含まれる青色画像光ＬＢを所定の方向に回折して偏向する。

第１ホログラム層１７３には第２アライメントマーク１７３Ｍを有する。第２アライメントマーク１７３Ｍは、第１ホログラム層１７３の第１ホログラム１７３ａ内に第１干渉縞１７３ａ１とともに露光されている。第２アライメントマーク１７３Ｍは、プラスチック基板７１に貼り付けるときの位置合わせ用のマークとして利用される。

第２ホログラム層１７４は第２ホログラム１７４ａと透明フィルム層１７４ｂとを含む。本実施形態において、第２ホログラム１７４ａは、内部に第２干渉縞１７４ａ１が形成され、回折格子として機能する。第２干渉縞１７４ａ１は画像光Ｌ０のうち緑色画像光ＬＧに対応するピッチで形成された干渉縞である。第２ホログラム層１７４は画像光Ｌ０に含まれる緑色画像光ＬＧを所定の方向に回折して偏向する。

第２ホログラム層１７４には第３アライメントマーク１７４Ｍを有する。第３アライメントマーク１７４Ｍは、第２ホログラム層１７４の第２ホログラム１７４ａ内に第２干渉縞１７４ａ１とともに露光されている。第３アライメントマーク１７４Ｍは、プラスチック基板７１に貼り付けるときの位置合わせ用のマークとして利用される。

第３ホログラム層１７５は第３ホログラム１７５ａと透明フィルム層１７５ｂとを含む。本実施形態において、第３ホログラム１７５ａは、内部に第３干渉縞１７５ａ１が形成され、回折格子として機能する。第３干渉縞１７５ａ１は画像光Ｌ０のうち赤色画像光ＬＲに対応するピッチで形成された干渉縞である。第３ホログラム層１７５は画像光Ｌ０に含まれる赤色画像光ＬＲを所定の方向に回折して偏向する。

第３ホログラム層１７５には第４アライメントマーク１７５Ｍを有する。第４アライメントマーク１７５Ｍは、第３ホログラム層１７５の第３ホログラム１７５ａ内に第３干渉縞１７５ａ１とともに露光されている。第４アライメントマーク１７５Ｍは、プラスチック基板７１に貼り付けるときの位置合わせ用のマークとして利用される。

本実施形態の第２回折素子１７０は、プラスチック基板７１上に異なる色の光に対応する複数のホログラム層１７３，１７４，１７５を積層した構造を有している。

プラスチック基板７１は第１アライメントマーク７１Ｍを有する。
本実施形態において、プラスチック基板７１及び第１ホログラム層１７３は、第１アライメントマーク７１Ｍ及び第２アライメントマーク１７３Ｍが所定の位置関係を有するように、互いに貼り付けられている。例えば、第１ホログラム層１７３は、顕微鏡やカメラで上部から観察した際、プラスチック基板７１の第１アライメントマーク７１Ｍと第１ホログラム層１７３の第２アライメントマーク１７３Ｍとが平面的に重なった状態で、プラスチック基板７１に貼り付けられている。

また、第２ホログラム層１７４は、顕微鏡やカメラで上部から観察した際に、第１アライメントマーク７１Ｍ及び第２アライメントマーク１７３Ｍが平面的に重なった状態で、第１ホログラム層１７３に重ねて貼り付けられている。

また、第３ホログラム層１７５は、顕微鏡やカメラで上部から観察した際に、第１アライメントマーク７１Ｍ、第２アライメントマーク１７３Ｍ、第３アライメントマーク１７４Ｍ及び第４アライメントマーク１７５Ｍが平面的に重なった状態で、第２ホログラム層１７４に重ねて貼り付けられている。

本実施形態の第２回折素子１７０によれば、青色画像光ＬＢ、緑色画像光ＬＧ及び赤色画像光ＬＲに対応する第１ホログラム層１７３、第２ホログラム層１７４及び第３ホログラム層１７５をプラスチック基板７１上にそれぞれ積層することで、単層のホログラム層に３色に対応した干渉縞を重畳して形成する構成に比べて各色の光に対する回折効率を向上させることができる。

本実施形態において、第２回折素子１７０は、ガラス基板にホログラム層を形成した後、ガラス基板から剥離したホログラム層をプラスチック基板７１に貼り付ける工程を繰り返すことで製造される。以下、第２回折素子１７０の製造方法について説明する。

第２回折素子１７０の製造方法は、ガラス基板に第１ホログラム層を形成する第１工程と、ガラス基板から剥離した第１ホログラム層をプラスチック基板に貼り付ける第２工程と、ガラス基板に第２ホログラム層を形成する第３工程と、ガラス基板から剥離した第２ホログラム層をプラスチック基板に貼り付ける第４工程と、ガラス基板に第３ホログラム層を形成する第５工程と、ガラス基板から剥離した第３ホログラム層をプラスチック基板に貼り付ける第６工程と、を備えている。

図１３Ａから図１３Ｃは本実施形態における第２回折素子１７０の製造工程を概念的に示す図である。
図１３Ａに示すように、第１工程では、ガラス基板４０に第１ホログラム形成用材料１４１を貼り付ける。その後、第１ホログラム形成用材料１４１を青色の波長帯を有する参照光ＳＢ及び物体光ＯＢを用いて干渉露光することで第１ホログラム層１７３を形成する。第１ホログラム層１７３には第１干渉縞１７３ａ１とともに第２アライメントマーク１７３Ｍが形成される。

第２工程では、上述の干渉露光で形成した第１ホログラム層１７３をガラス基板４０から剥離し、プラスチック基板７１に位置合わせしながら貼り付ける。第２工程では、プラスチック基板７１に予め形成された第１アライメントマーク７１Ｍと、干渉露光時に第１ホログラム層１７３に形成された第２アライメントマーク１７３Ｍとを用いて、プラスチック基板７１及び第１ホログラム層１７３の位置合わせを行う。

図１３Ｂに示すように、第３工程では、ガラス基板４０に第２ホログラム形成用材料１４２を貼り付ける。その後、第２ホログラム形成用材料１４２を緑色の波長帯を有する参照光ＳＢ及び物体光ＯＢを用いて干渉露光することで第２ホログラム層１７４を形成する。第２ホログラム層１７４には第２干渉縞１７４ａ１とともに第３アライメントマーク１７４Ｍが形成される。

第４工程では、上述の干渉露光で形成した第２ホログラム層１７４をガラス基板４０から剥離し、プラスチック基板７１に位置合わせしながら貼り付ける。また、第４工程では、プラスチック基板７１に予め形成された第１アライメントマーク７１Ｍと、干渉露光時に第２ホログラム層１７４に形成された第３アライメントマーク１７４Ｍとを用いて、プラスチック基板７１及び第２ホログラム層１７４の位置合わせを行う。なお、プラスチック基板７１上に貼り付けられた第１ホログラム層１７３の第２アライメントマーク１７３Ｍと第２ホログラム層１７４に形成された第３アライメントマーク１７４Ｍとを用いて、プラスチック基板７１に対する第２ホログラム層１７４の位置合わせを行ってもよい。

図１３Ｃに示すように、第５工程では、ガラス基板４０に第３ホログラム形成用材料１４３を貼り付ける。その後、第３ホログラム形成用材料１４３を赤色の波長帯を有する参照光ＳＢ及び物体光ＯＢを用いて干渉露光することで第３ホログラム層１７５を形成する。第３ホログラム層１７５には第３干渉縞１７５ａ１とともに第４アライメントマーク１７５Ｍが形成される。

第６工程では、上述の干渉露光で形成した第３ホログラム層１７５をガラス基板４０から剥離し、プラスチック基板７１に位置合わせしながら貼り付ける。第６工程では、プラスチック基板７１に予め形成された第１アライメントマーク７１Ｍと、干渉露光時に第３ホログラム層１７５に形成された第４アライメントマーク１７５Ｍとを用いて、プラスチック基板７１及び第３ホログラム層１７５の位置合わせを行う。なお、第１ホログラム層１７３上に貼り付けられた第２ホログラム層１７４に形成された第３アライメントマーク１７４Ｍと第３ホログラム層１７５に形成された第４アライメントマーク１７５Ｍとを用いて、プラスチック基板７１に対する第３ホログラム層１７５の位置合わせを行ってもよい。

以上の工程により、プラスチック基板７１上に第１ホログラム層１７３、第２ホログラム層１７４及び第３ホログラム層１７５を順に積層して貼り付けることで第２回折素子１７０が製造される。

本実施形態の第２回折素子１７０の製造方法によれば、第１ホログラム形成用材料１４１の支持体として反り難いガラス基板４０を用いることで、第１ホログラム層１７３に干渉縞を精度良く形成できる。また、第１ホログラム層１７３はプラスチック基板７１上の所定位置に精度良く貼り付けられる。また、第２ホログラム層１７４及び第３ホログラム層１７５についても同様の効果が得られる。すなわち、第２ホログラム層１７４及び第３ホログラム層１７５には干渉縞が精度良く形成されるとともに、第２ホログラム層１７４及び第３ホログラム層１７５はプラスチック基板７１上の所定位置に精度良く貼り付けられる。

本実施形態の第２回折素子１７０によれば、干渉露光時に支持体が反ることに起因して生じる性能低下を抑制した第１干渉縞１７３ａ１、第２干渉縞１７４ａ１及び第３干渉縞１７５ａ１を備えるとともに、プラスチック基板７１を支持体として備えることで軽量且つ破損や割れ等に強い耐衝撃性に優れた回折素子を提供できる。

本実施形態の第２回折素子１７０では、プラスチック基板７１上に第１ホログラム層１７３、第２ホログラム層１７４及び第３ホログラム層１７５を積層して貼り付けて構成する場合を例に挙げたが、本発明は、プラスチック基板７１上に第１ホログラム層１７３及び第２ホログラム層１７４を積層して貼り付けた２層構造の回折素子にも適用可能である。また、本発明は、プラスチック基板７１上に第１ホログラム層１７３、第２ホログラム層１７４及び第３ホログラム層１７５に加えて第４ホログラム層を積層した４層構造の回折素子、或いは、４層以上の回折素子にも適用可能である。

（第三実施形態）
続いて、第三実施形態に係る光学系について説明する。上記第二実施形態では、ガラス基板４０上に第１ホログラム層１７３～第３ホログラム層１７５を個別に形成した後、プラスチック基板７１上に順に積層する場合を説明したが、ガラス基板４０上に第１ホログラム層～第３ホログラム層の積層体を形成した後、該積層体をプラスチック基板７１上に貼り付けるようにしてもよい。なお、第二実施形態と共通の部材については同じ符号を付し、詳細な説明については省略する。

本実施形態においても、第２回折素子の構成を例に挙げて説明するが、第１回折素子についても同様のことが言える。本実施形態の第２回折素子の製造方法は、ガラス基板に第１ホログラム層を形成する第１工程と、第１ホログラム層上に第２ホログラム層を形成する第２工程と、第２ホログラム層上に第３ホログラム層を形成する第３工程と、ガラス基板から剥離した第１ホログラム層、第２ホログラム層及び第３ホログラム層の積層体をプラスチック基板に貼り付ける第４工程と、を備えている。

図１４は本実施形態における第２回折素子２７０の製造工程を概念的に示す図である。
図１４に示すように、第１工程では、ガラス基板４０に第１ホログラム形成用材料１４１を貼り付ける。その後、第１ホログラム形成用材料１４１を青色の波長帯を有する参照光ＳＢ及び物体光ＯＢを用いて干渉露光することで第１ホログラム層１７３を形成する。第１ホログラム層１７３には第２アライメントマーク１７３Ｍが形成される。なお、干渉露光後、必要に応じてＵＶ照射、可視光照射及び熱処理を行うことで記録された縞を固着させるとともにホログラム層を脱色する。

続いて第２工程では、第１ホログラム層１７３上に第２ホログラム形成用材料１４２を貼り付ける。その後、第２ホログラム形成用材料１４２を緑色の波長帯を有する参照光ＳＢ及び物体光ＯＢを用いて干渉露光することで第２ホログラム層１７４を形成する。第２ホログラム層１７４には第３アライメントマーク１７４Ｍが形成される。なお、干渉露光後、必要に応じてＵＶ照射、可視光照射及び熱処理を行うことで記録された縞を固着させるとともにホログラム層を脱色する。

続いて第３工程では、第２ホログラム層１７４上に第３ホログラム形成用材料１４３を貼り付ける。その後、第３ホログラム形成用材料１４３を赤色の波長帯を有する参照光ＳＢ及び物体光ＯＢを用いて干渉露光することで第３ホログラム層１７５を形成する。第３ホログラム層１７５には第４アライメントマーク１７５Ｍが形成される。なお、干渉露光後、必要に応じてＵＶ照射、可視光照射及び熱処理を行うことで記録された縞を固着させるとともにホログラム層を脱色する。

以上のようにしてガラス基板４０上には第１ホログラム層１７３、第２ホログラム層１７４及び第３ホログラム層１７５の積層体２００が形成される。なお、上述したＵＶ照射、可視光照射及び熱処理を各ホログラム層の形成後に都度行うのに代えて、積層体２００に対してＵＶ照射、可視光照射及び熱処理を一括して処理してもよい。

続いて第４工程では、ガラス基板４０から上記積層体２００を剥離した後、該積層体２００をプラスチック基板７１に貼り付ける。また、第４工程では、プラスチック基板７１の第１アライメントマーク７１Ｍと、第１工程において第１ホログラム層１７３に形成された第２アライメントマーク１７３Ｍ、第２工程において第２ホログラム層１７４に形成された第３アライメントマーク１７４Ｍ及び第３工程において第３ホログラム層１７５に形成された第４アライメントマーク１７５Ｍの少なくともいずれかとを用いて、プラスチック基板７１及び積層体２００の位置合わせを行う。

以上の工程により、プラスチック基板７１上に第１ホログラム層１７３、第２ホログラム層１７４及び第３ホログラム層１７５を積層した積層体２００を貼り付けた第２回折素子２７０が製造される。

本実施形態の第２回折素子２７０の製造方法によれば、プラスチック基板７１に対する貼り付けが１回の工程で済むため、第２回折素子２７０の製造工程を短縮できる。また、位置決め精度が要求されるプラスチック基板７１上に対する貼り付けが１回で済むため、各ホログラム層１７３，１７４，１７５をプラスチック基板７１に対して個別に貼り付ける場合のように累積公差を考慮する必要がなくなる。よって、第１ホログラム層１７３、第２ホログラム層１７４及び第３ホログラム層１７５をプラスチック基板７１に精度良く貼り付けることができる。

本実施形態の第２回折素子２７０は、ガラス基板４０上に第１ホログラム層１７３、第２ホログラム層１７４及び第３ホログラム層１７５からなる３層の積層体２００を形成する場合を例に挙げたが、本発明はこれに限られない。例えば、本発明は、ガラス基板４０上に第１ホログラム層１７３及び第２ホログラム層１７４からなる２層の積層体を形成し、該２層の積層体をガラス基板４０から剥離してプラスチック基板７１に貼り合わせた２層構造の回折素子にも適用可能である。また、本発明は、ガラス基板４０上に第１ホログラム層１７３、第２ホログラム層１７４及び第３ホログラム層１７５に加えて第４ホログラム層を積層した４層の積層体を用いる場合、或いは、４層以上の積層体を用いる場合にも適用可能である。

なお、上述した実施形態は、本発明の好適な実施の形態であり、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態は、反射型体積ホログラフィック素子を例にして説明したが、透過型体積ホログラフィック素子にも適用可能である。

また、上述した実施形態では、ガラス基板４０におけるマーキング部４０Ｍとして凸状のものを例に挙げたが、ガラス基板４０の内面４０ａに遮光性のインクで所定形状のマークを書いたものをマーキング部として利用してもよい。また、ガラス基板４０の内面４０ａにレーザーマーキングを行うことでマーキング部を形成してもよい。レーザーマーキングを用いる場合、マーキング部はガラス基板４０に凹状に設けられる。なお、遮光性のインクやレーザーマーキングによるマーキングはガラス基板４０に対するホログラム形成用材料４１の貼り付けを妨げない。そのため、遮光性のインクやレーザーマーキングはガラス基板４０におけるホログラム形成用材料４１の貼付面（外面４０ｂ）に形成してもよい。

また、上述した実施形態では、ガラス基板４０に貼り付けた１つのホログラム形成用材料４１に対して干渉露光を個別に行う場合を例に挙げたが、ロール状のシート上に配置した複数のホログラム形成用材料をガラス基板上に順次搬送し、ガラス基板に支持した各ホログラム形成用材料をそれぞれ露光する、ｒｏｌｌ ｔｏ ｒｏｌｌ方式（ロールトゥロール方式）で露光を行ってもよい。

３１…画像光生成装置、４０…ガラス基板、４０Ｍ…マーキング部、４１…ホログラム形成用材料、５０…第１回折素子（光学素子）、７２…ホログラム層、４８…光学有効領域、７０，１７０…第２回折素子（光学素子）、７１…プラスチック基板、７１Ｍ…第１アライメントマーク、７２Ｍ，１７３Ｍ…第２アライメントマーク、７３…接着材、７４…干渉縞、１００…表示装置、１４１…第１ホログラム形成用材料、１４２…第２ホログラム形成用材料、１４３…第３ホログラム形成用材料、１７３…第１ホログラム層、１７３ａ１…第１干渉縞、１７４…第２ホログラム層、１７４ａ１…第２干渉縞、１７５…第３ホログラム層、１７５ａ１…第３干渉縞、１７４Ｍ…第３アライメントマーク、１７５Ｍ…第４アライメントマーク、２００…積層体、ＯＢ…物体光、ＳＢ…参照光。

Claims (8)

1. 基板表面に設けられた凸状のマーキング部を有するガラス基板に第１ホログラム形成用材料を貼り付けた後、前記第１ホログラム形成用材料を干渉露光することで前記ガラス基板に第１ホログラム層を形成する第１工程と、
   前記ガラス基板から剥離した前記第１ホログラム層を、第１アライメントマークを有するプラスチック基板に貼り付ける第２工程と、
   前記ガラス基板に第２ホログラム形成用材料を貼り付けた後、前記第２ホログラム形成用材料を干渉露光することで前記ガラス基板に第２ホログラム層を形成する第３工程と、
   前記ガラス基板から剥離した前記第２ホログラム層を、前記プラスチック基板に貼り付けられた前記第１ホログラム層に重ねて貼り付ける第４工程と、を備え、
   前記第２工程では、前記プラスチック基板の前記第１アライメントマークと、前記第１工程における干渉露光時に前記第１ホログラム層の前記マーキング部に対応する位置に形成された第２アライメントマークとを用いて、前記プラスチック基板及び前記第１ホログラム層の位置合わせを行う
   ことを特徴とする光学素子の製造方法。
2. 前記第１工程において、前記ガラス基板における前記マーキング部が形成された第１面と反対の第２面に、前記第１ホログラム形成用材料を貼り付ける
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
3. 前記ガラス基板において、前記マーキング部は、前記第１ホログラム層における光学有効領域の外側に前記第２アライメントマークを形成する位置に設けられている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子の製造方法。
4. 前記第２工程では、前記マーキング部に対する前記第１アライメントマークにおける露光位置のズレを考慮した位置に前記第１アライメントマークを配置した前記プラスチック基板を用いる
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法。
5. 前記第２工程では、前記プラスチック基板と前記第１ホログラム層とを接着材を介して貼り合わせる
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法。
6. 前記ガラス基板及び前記プラスチック基板は湾曲形状を有する
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法。
7. 前記第１工程では、球面波からなる参照光及び物体光を用いて前記第１ホログラム形成用材料を干渉露光する
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法。
8. 基板表面に設けられた凸状のマーキング部を有するガラス基板に第１ホログラム形成用材料を貼り付けた後、前記第１ホログラム形成用材料を干渉露光することで前記ガラス基板に第１ホログラム層を形成する第１工程と、
   前記第１ホログラム層に第２ホログラム形成用材料を貼り付けた後、前記第２ホログラム形成用材料を干渉露光することで前記第１ホログラム層上に第２ホログラム層を形成する第２工程と、
   前記ガラス基板から剥離した前記第１ホログラム層及び前記第２ホログラム層の積層体を、第１アライメントマークを有するプラスチック基板に貼り付ける第３工程と、を備え、
   前記第３工程では、前記プラスチック基板の前記第１アライメントマークと、前記第１工程において前記第１ホログラム層の前記マーキング部に対応する位置に形成された第２アライメントマーク及び前記第２工程において前記第２ホログラム層の前記マーキング部に対応する位置に形成された第３アライメントマークの少なくとも一方とを用いて、前記プラスチック基板及び前記積層体の位置合わせを行う
   ことを特徴とする光学素子の製造方法。

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