JP6171740B2

JP6171740B2 - 光学デバイス及び画像表示装置

Info

Publication number: JP6171740B2
Application number: JP2013181104A
Authority: JP
Inventors: 横山　修; 修横山; 米窪　政敏; 政敏米窪; 文香山田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2017-08-02
Anticipated expiration: 2033-09-02
Also published as: JP2015049376A

Description

本発明は、導光板と回折光学素子とを用いた光学デバイス、並びにその光学デバイスを備えた画像表示装置に関する。

近年、画像投影装置の１つとして画像表示装置からの画像を、導光板を用いて、観察者の眼前まで導光して表示させるヘッドマウントディスプレイが商品化され、さらなる小型化、広画角化、高効率化に関する開発が行われている。その中で、導光板内への入射、出射を行うための素子の１つとして回折光学素子を用いた装置が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２）。

このような回折光学素子を用いた装置では、導光板を伝播してきた光は、出射用の回折光学素子領域で複数回この回折光学素子に入射し、その度に導光板から取り出され、観察者の眼に届く。したがって、観察者の眼の位置が水平方向に多少移動しても虚像が観察できる。

しかしながら、回折光学素子の回折特性には大きな波長依存性があるため、観察される虚像の色むらが大きくなることがある。そこで、従来から、回折光学素子を用いた装置では、色むらを改善するための対策が施されている。

特許文献１に開示された画像表示装置では、回折効率の波長依存性による色ごとの効率差を低減させるために、複数の導光板を用意し、それぞれの導光板を伝播させる色（波長成分）を限定している。

また、特許文献２に開示された画像表示装置では、出射用の回折光学素子の回折効率を位置によって変化させ、出射される光量の位置による差を少なくし、出射させる光量の分布を均一化する技術が開示されている。

一方、観察する虚像のサイズを大きくしたい場合、導光板へ入射させる光の角度範囲を大きく（例えば全角で２０度以上に）する必要がある。大きな角度範囲に亘って回折効率を高くできる回折光学素子として、体積ホログラムよりも表面レリーフ型回折格子の方がこのましく、このような表面レリーフ型回折格子を用いた装置も提案されている（例えば、特許文献３）。

特表２００８−５２３４３４号公報特表２００８−５３５０３２号公報特表２００９−５３９１２９号公報

しかしながら、特許文献１の装置では、出射用の回折光学素子の回折効率は、位置によらずに一定のため、入射用の回折光学素子から遠い位置ほど出射させる光量が減少し、出射用の回折光学素子における出射光量の分布が均一ではないという問題があった。

また、特許文献２の装置では、出射用の回折光学素子の回折効率を位置によって変化させ、出射される光量の位置による差を少なくすることが行われている。しかしながら、波長が長い光は導光板を伝播する角度が大きく、出射用の回折光学素子領域で回折格子に入射する回数は少ない。この場合は回折効率を位置によって変化させることで外へ取り出される光量の総量が少なくなる、という問題があった。

さらに、特許文献３の装置では、回折光学素子として表面レリーフ型回折格子を用いているため、導光板へ入射させる光の角度範囲を大きくすることができるが、出射用の表面レリーフ型回折格子の回折効率を位置によって変化させることを行っていないため、出射光量の分布が均一ではないという問題があった。

そこで、本発明は、上述した事情を考慮して、広い角度範囲に亘って回折効率を高くできる表面レリーフ型回折光学素子を用いた導光板構造において、色むらを低減できると共に出射光量分布を均一化でき光学デバイスの構造を提供することを解決課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る光学デバイスの第1の態様は、第１光入射部と第１光出射部とを備えた第１導光体と、第２光入射部と第２光出射部とを備えた第２導光体と、前記第２導光体の前記第２光出射部に設けられ、前記第２導光体の内部を導光した光の少なくとも一部を回折させて前記第２導光体の外部に取り出す第１回折光学素子と、
前記第１導光体の前記第１光出射部に設けられ、前記第１導光体の内部を導光した光の少なくとも一部及び前記第１回折光学素子で取り出された光の少なくとも一部を取り出す第２回折光学素子と、を有し、前記第１導光体及び前記第２導光体に入射する入射光は、一部が前記第１光入射部から前記第１導光体の内部に入射して導光され、他の一部が前記第２光入射部から前記第２導光体の内部に入射して導光され、前記第２導光体の内部を導光する光は、前記第１導光体の内部を導光する光よりも長波長の光を多く含み、前記第２回折光学素子は、前記第１光入射部に近い側と、前記第１光入射部から遠い側とで、回折効率が異なる部分を含み、前記第１回折光学素子は、回折効率がほぼ一定であることを特徴とする。

上述した本発明に係る光学デバイスの第１の態様によれば、第１導光体に入射する入射光は、一部が第１光入射部から第１導光体の内部に入射して導光され、他の一部が第２光入射部から第２導光体の内部に入射して導光される。第１導光体の内部に入射して導光される光の少なくとも一部は、第１導光体の第１光出射部に設けられた第２回折光学素子により第１導光体から取り出される。第２導光体の内部に入射して導光される光の少なくとも一部は、第２導光体の第２光出射部に設けられた第１回折光学素子により、第２導光体の外部に取り出される。さらに、第１回折光学素子で取り出された光の少なくとも一部は、第２回折光学素子により取り出される。このとき、第２回折光学素子は、第１光入射部に近い側と、第１光入射部から遠い側とで、回折効率が異なる部分を含むので、出射光量分布が均一化される。また、第１回折光学素子は、回折効率がほぼ一定なので、第１導光体内に導光される光よりも長波長の光を多く含む光が第２導光体内に導光され、第２導光体内を大きな角度で伝播し、第１回折光学素子に入射する回数が少ない場合でも、出射光量を増加させる。以上のように、この態様によれば、第１導光体と第２導光体の２つの導光体を用いることにより、回折効率の波長依存性による色ごとの効率差を低減し、第２回折光学素子に回折効率が異なる部分を設けたことにより出射光量分布の均一化を図り、かつ、第１回折光学素子は、回折効率がほぼ一定としたので、長波長側の光についても十分な出射光量を得ることができ、全体として、出射光量分布を均一化して色むらを抑制した光学デバイスが提供される。

上述した本発明に係る光学デバイスの第１の態様において、前記第１回折光学素子は、一方の面に第１凹凸構造を備えた表面レリーフ型の回折格子であり、前記第２導光体の前記第２光入射部と前記第２光出射部との両方を含む断面視において、前記第1凹凸構造の凸部を構成する面のうち前記第２光出射部と交差する面が、前記第２光出射部に垂直な方向に対して傾斜していることが好ましい。この場合には、第１回折光学素子に表面レリーフ型回折格子を用いたことにより広い角度範囲に亘って回折効率を高くすると共に、長波長側の光についても十分な出射光量を得ることができ、全体として、出射光量分布を均一化して色むらを抑制した光学デバイスが提供される。

上述した本発明に係る光学デバイスの第１の態様において、前記第２回折光学素子は、一方の面に第２凹凸構造を備えた表面レリーフ型の回折格子であり、前記第１導光体の前記第１光入射部と前記第１光出射部との両方を含む断面視において、前記第２凹凸構造の凸部を構成する面のうち前記第１光出射部と交差する面が、前記第１光出射部に垂直な方向に対して傾斜していることが好ましい。この場合には、第２回折光学素子に表面レリーフ型回折格子を用いたことにより広い角度範囲に亘って回折効率を高くすると共に、長波長側の光についても十分な出射光量を得ることができ、全体として、出射光量分布を均一化して色むらを抑制した光学デバイスが提供される。

上述した本発明に係る光学デバイスの第１の態様において、前記第２回折光学素子は、一方の面に第２凹凸構造を備えた表面レリーフ型の回折格子であり、前記第１導光体の前記第１光入射部と前記第１光出射部との両方を含む断面視において、前記第２凹凸構造の凹部の深さが、前記第１光入射部に近い側から、前記第１光入射部から遠い側にかけて、徐々に、あるいは、段階的に変化していることが好ましい。この場合には、第１光入射部に近い側に到達する光の方が、第１光入射部から遠い側に到達する光よりも多くなるが、第１光入射部に近い側から、第１光入射部から遠い側にかけて、徐々に、あるいは、段階的に変化しているので、回折効率が変化し、結果として出射光量分布の均一化が図られる。

上述した本発明に係る光学デバイスの第１の態様において、前記第２回折光学素子は、一方の面に第２凹凸構造を備えた表面レリーフ型の回折格子であり、前記第１導光体の前記第１光入射部と前記第１光出射部との両方を含む断面視において、前記第２凹凸構造の充填率が、前記第１光入射部に近い側から、前記第１光入射部から遠い側にかけて、徐々に、あるいは、段階的に変化していることが好ましい。この場合には、第１光入射部に近い側に到達する光の方が、第１光入射部から遠い側に到達する光よりも多くなるが、第１光入射部に近い側から、第１光入射部から遠い側にかけて、徐々に、あるいは、段階的に変化しているので、回折効率が変化し、結果として出射光量分布の均一化が図られる。

上述した本発明に係る光学デバイスの第１の態様において、前記第２回折光学素子は、前記第１導光体の前記第１光入射部と前記第１光出射部との両方を含む断面視において、前記第２凹凸構造の凸部を構成する面のうち前記第１光出射部と交差する面が、前記第１光出射部に垂直な方向に対して傾斜していることが好ましい。この場合には、回折効率を高めて十分な出射光量を得ることができる。

上述した本発明に係る光学デバイスの第１の態様において、前記第１導光体の前記第１光入射部に設けられ、前記入射光の一部を回折させて前記第１導光体の内部に入射させる第３回折光学素子と、前記第２導光体の前記第２光入射部に設けられ、前記入射光の他の一部を回折させて前記第２導光体の内部に入射させる第４回折光学素子とを有することが好ましい。この場合には、入射光を効率良く第１導光体および第２導光体の内部に入射させて導光させることができる。

上述した本発明に係る光学デバイスの第１の態様において、前記第３回折光学素子の格子周期は、前記第４回折光学素子の格子周期と異なる格子周期であり、かつ、前記第２回折光学素子の格子周期と同じ格子周期であり、前記第４回折光学素子の格子周期は、前記第１回折光学素子の格子周期と同じ格子周期であることが好ましい。この場合には、第２回折光学素子により回折させて第１導光体に入射させた光と同じ波長の光を第３回折光学素子により第１導光体から取り出すことができ、第３回折光学素子により回折させて第１導光体に入射させた光と同じ波長の光を第２回折光学素子により第１導光体から取り出すことができ、第４回折光学素子により回折させて第２導光体に入射させた光と同じ波長の光を第１回折光学素子により第２導光体から取り出すことができる。

上述した本発明に係る光学デバイスの第１の態様において、前記第３回折光学素子の格子周期は、前記第４回折光学素子の格子周期よりも短い格子周期であることが好ましい。この場合には、第１導光体に入射させる光の波長よりも長い波長の光を第２導光体に入射させることができる。

上述した本発明に係る光学デバイスの第１の態様において、前記第３回折光学素子は、一方の面に第３凹凸構造を備えた表面レリーフ型の回折格子であり、前記第１導光体の前記第１光入射部と前記第１光出射部との両方を含む断面視において、前記第３凹凸構造の凸部を構成する面のうち前記第１光入射部と交差する面が、前記第１光入射部に垂直な方向に対して傾斜し、前記第４回折光学素子は、一方の面に第４凹凸構造を備えた表面レリーフ型の回折格子であり、前記第２導光体の前記第２光入射部と前記第２光出射部との両方を含む断面視において、前記第４凹凸構造の凸部を構成する面のうち前記第２光入射部と交差する面が、前記第２光入射部に垂直な方向に対して傾斜していることが好ましい。この場合には、第３回折光学素子と第４回折光学素子に、傾斜面を有する凹凸構造を備えた表面レリーフ型回折格子を用いたことにより広い角度範囲に亘って回折効率を高くすると共に、長波長側の光についても十分な出射光量を得ることができ、全体として、出射光量分布を均一化して色むらを抑制した光学デバイスが提供される。

上述した本発明に係る光学デバイスの第１の態様において、前記第４回折光学素子は、前記第２光入射部に垂直な方向から見た平面視において、前記第３回折光学素子よりも前記第２光出射部側に位置し、前記第１回折光学素子は、前記第２光出射部に垂直な方向から見た平面視において、前記第２回折光学素子よりも前記第２光入射部側に位置していることが好ましい。この場合には、入射光及び出射光の光軸に沿って各回折光学素子が配置されているので、入射時及び出射時における損失を低下させる。

次に、本発明に係る画像表示装置は、上述した本発明に係る光学デバイスと画像光を発する画像形成部とを備える。そのような画像表示装置は、液晶ディスプレイ等の画像形成部やコリメート光学系を備えてもよく、ヘッドマウントディスプレイ等のように観察者の頭部に装着する形態に適合させることができる。

このように、本発明によれば、ヘッドマウントディスプレイ等のように観察者の頭部に装着する形態の画像表示装置においても、製造上の困難性を解消して製造コストの低廉化を図りつつ、観察者の顔に対するフィッティング性を向上させるとともに、広い画角を得ることができる光学デバイスを得ることができる。

なお、上記本発明に係る画像表示装置において「画像形成部」とは、例えば画像を表示する液晶ディスプレイやレーザー光を走査することにより観察者に画像として認識させるレーザー走査式ディスプレイなどの装置、及び画像表示から出射された画像光を集光及び変換する光学系を含む。

第１実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの全体像の一例を示す斜視図である。第１実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの左眼用光学系の内部構造及び導波路の一例を示す要部断面図である。傾斜のない回折格子における回折の態様を説明する要部断面図である。傾斜のある回折格子における回折の態様を説明する要部断面図である。第２回折光学素子が配置された部分の拡大図である。第２回折光学素子と比較される比較例の回折光学素子が配置された部分の拡大図である。第２回折光学素子と比較例の出射光量分布の一例を示す図である。第４回折光学素子が配置された部分の拡大図である。第１回折光学素子、第２回折光学素子、第３回折光学素子、及び第４回折光学素子の配置位置の一例を説明する説明図である。第１回折光学素子、第２回折光学素子、第３回折光学素子、及び第４回折光学素子の配置位置の一例を説明する説明図である。第２実施形態における第２回折光学素子が配置された部分の拡大図である。第２実施形態における第２回折光学素子の充填率を説明する説明図である。第３実施形態における第２回折光学素子が配置された部分の拡大図である。第４実施形態における第２回折光学素子が配置された部分の拡大図である。

以下、添付の図面を参照しながら本発明に係る様々な実施の形態を説明する。なお、図面においては、各部の寸法の比率は実際のものとは適宜に異ならせてある。また、以下に説明する実施形態では、本発明の光学デバイスを、観察者の頭部に装着する形態の画像表示装置の一例であるヘッドマウントディスプレイに適用した場合を例に説明するが、かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内に任意に変更可能である。

＜Ａ：第１実施形態＞
（ヘッドマウントディスプレイの全体構成）
図１は、第１実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ１００の全体像の一例を示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ１００は、眼鏡のような外観を有するヘッドマウントディスプレイであり、このヘッドマウントディスプレイ１００を装着した観察者に対して虚像による画像光を認識させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させることができる。

具体的にヘッドマウントディスプレイ１００は、導光板２０と、導光板２０を支持する左右一対のテンプル１３１，１３２と、テンプル１３１，１３２に付加された一対の画像形成装置１１１，１１２とを備える。ここで、図面上において、導光板２０の左側と画像形成装置１１１とを組み合わせた第１表示装置１００Ａは、右眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも画像表示装置として機能する。また、図面上において、導光板２０で右側と画像形成装置１１２とを組み合わせた第２表示装置１００Ｂは、左眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも画像表示装置として機能する。

このようなヘッドマウントディスプレイ１００の内部構造及び導光板について説明する。図２は、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの内部構造及び導光板の一例を模式的に示す要部断面図である。図２は、本実施形態に係る左眼用光学系の内部構造及び導光板を示す要部断面図である。なお、図示を省略するが、右眼用光学系の内部構造及び導光板については図２を反転させて左右を入れ替えた構成となっている。図２に示すように、第１表示装置１００Ａ及び第２表示装置１００Ｂは、画像形成部１０と、導光板２０とを備える。

画像形成部１０は、画像表示装置１１と、投射光学系１２とを有する。このうち、画像表示装置１１は、本実施形態では、液晶表示デバイスであり、光源によって照明され赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色を含む画像光１３を発生させ、投射光学系１２に向けて出射する。画像表示装置１１としては、有機ＥＬパネルを用いることもできる。一方、投射光学系１２は、画像表示装置１１上の各点から出射された画像光を平行状態の光束に変換して、導光板２０に入射させるコリメートレンズである。特に、本実施形態において、画像形成部１０は、広い画角を得るために、パネルに対して垂直な法線方向に対して傾斜されて配置されている。

導光板２０は、第１の導光板１０１と第２の導光板２０１から構成されている。第１の導光板１０１及び第２の導光板２０１の全体的な外観は、図中ＹＸ面に平行に延びる平板状の部材によって形成されている。第１の導光板１０１及び第２の導光板２０１は、ガラスあるいは光透過性の樹脂材料等により形成された板状の部材である。

第１の導光板１０１は、画像形成部１０に対向配置された第１のパネル面１０１ａ、及び第１のパネル面１０１ａと対向する第２のパネル面１０１ｂを有し、第１のパネル面１０１ａの一方の端部に形成された光入射面１０１ｃを通じて画像光が入射され、入射された画像光は、第１のパネル面１０１ａ及び第２のパネル面１０１ｂにより全反射され、観察者の眼前に形成された光出射面１０１ｄへ導光する。

第２の導光板２０１は、第１の導光板１０１に対向配置された第１のパネル面２０１ａ、及び第１のパネル面２０１ａと対向する第２のパネル面２０１ｂを有し、第１のパネル面２０１ａの一方の端部に形成された光入射面２０１ｃを通じて画像光が入射され、入射された画像光は、第１のパネル面２０１ａ及び第２のパネル面２０１ｂにより全反射され、第１のパネル面２０１ａの他方の端部に形成された光出射面２０１ｄへ導光する。

なお、第１の導光板１０１の第１及び第２のパネル面１０１ａ，１０１ｂ、及び第２の導光板２０１の第１及び第２のパネル面２０１ａ，２０１ｂには反射コートを施さず、前記パネル面１０１ａ，１０１ｂ，２０１ａ，２０１ｂに対して外界側から入射する外界光が、高い透過率で第１の導光板１０１及び第２の導光板２０１を通過するようにしてもよい。これにより、第１の導光板１０１及び第２の導光板２０１を、外界像の透視が可能なシースルータイプとすることができる。

第１の導光板１０１の光入射面１０１ｃには、入射光を光出射面１０１ｄ側の端面方向に回折させる第１回折光学素子１０２が設けられ、光出射面１０１ｄには、光出射面１０１ｄから外部に向けて画像光を回折させ、虚像光として観察者の眼ＥＹに投射する第２回折光学素子１０３が設けられている。

第２の導光板２０１の光入射面２０１ｃには、入射光を光出射面２０１ｄ側の端面方向に回折させる第３回折光学素子２０２が設けられ、光出射面２０１ｄには、光出射面２０１ｄから外部に向けて画像光を回折させ、第１の導光板１０１を介して虚像光として観察者の眼ＥＹに投射する第４回折光学素子２０３が設けられている。

本実施形態においては、第１回折光学素子１０２、第２回折光学素子１０３、第３回折光学素子２０２、及び第４回折光学素子２０３は、一例として、いずれも表面レリーフ型の回折格子である。

（第１の導光板）
第１の導光板１０１の光入射面１０１ｃに設けられた第１回折光学素子１０２は、回折効率を高めるために、格子面が図２に示す方向に傾斜している。回折光を入射光の中心軸に近い方から０次、±１次...と順序づけていくと、図３に示すように傾斜なしの矩形形状の表面レリーフ型の回折格子の場合は、＋１次の回折光と−１次の回折光はほぼ同じ強度となる。

しかし、表面レリーフ型の回折格子の格子面を傾斜させた場合には、格子面の傾斜と入射光の方向が図４に示すような関係にあると、格子面上でのブラッグ反射により回折光が発生するため、＋１次の回折光の強度が、−１次の回折光の強度よりも高くなる。その結果、画像光を光出射面に向けて伝播する方向に回折される光に対する回折効率を高めることができる。

第１の導光板１０１の光出射面１０１ｄに設けられた第２回折光学素子１０３は、図２に示すように、格子面は傾斜していない。しかし、第２回折光学素子１０３は、図２に示すように、回折格子の深さが段階的に変化しており、第１の導光板１０１の光出射面１０１ｄ側の端面に近くなるほど、深くなっている。詳しくは後述する。

なお、第２回折光学素子１０３が出射させる光は、画像光１３と同じ角度にする必要があるので、第１回折光学素子１０２と第２回折光学素子１０３の格子周期（図２におけるＸ方向の周期）は同一となっている。

図２に示すように、回折格子による回折角度は、波長によって異なり、波長が短いほど回折角度が小さい。したがって、第１回折光学素子１０２によって第１の導光板１０１に導入される角度は、青色光１３Ｂ、緑色光１３Ｇ、及び赤色光１３Ｒによって異なっている。本実施形態では、青色光１３Ｂが広い入射角度範囲に亘って第１の導光板１０１内を全反射で伝播できるように、第１回折光学素子１０２の格子周期が決められている。このように構成すると、赤色光１３Ｒに対する回折角は大きくなり、赤色光１３Ｒに対する回折効率は大きく低下する。したがって、第１の導光板１０１は、実質的に青色光１３Ｂと緑色光１３Ｇが伝播される。

第１の導光板１０１内で全反射を繰り返しながら伝播した光は、第２回折光学素子１０３に到達し、回折格子面に入射するたびに少しずつ取り出されて観察者の眼ＥＹに到達する。波長が短い青色光１３Ｂは、第１の導光板１０１内を小さな角度（立った角度）で伝播し、第２回折光学素子１０３が設けられている領域においては、第２回折光学素子１０３に入射する回数が、緑色光１３Ｇ、赤色光１３Ｒに比べて多くなる。図２では、青色光１３Ｂが第２回折光学素子１０３に５回入射する例を示している。

（第２回折光学素子）
図５に第２回折光学素子１０３が設けられた部分を拡大して示す。図５に示すように、第２回折光学素子１０３は、５つの領域１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ，１０３Ｄ，１０３Ｅに分割されおり、それぞれの領域で回折格子の深さが異なっている。第１回折光学素子１０２から見て最も遠い領域１０３Ｅにおける回折格子の深さが最も深く、領域１０３Ｅにおける回折格子の深さは、第１の導光板１０１内を小さな角度で伝播してくる青色光１３Ｂに対して、１次回折効率が最大となる深さとなっている。そして、回折格子の深さは、領域１０３Ｄ，１０３Ｃ，１０３Ｂ，１０３Ａと第１回折光学素子１０２に近くなるほど、段階的に回折格子の深さが浅くなっている。

図６に示すように、全体が同じ深さの第２回折光学素子１０３'を第１の導光板１０１に設けたとすると、第１回折光学素子１０２に最も近い領域１０３Ａで多くの光が取り出され、第１回折光学素子１０２から最も遠い領域１０３Ｅまで到達する光量が減少してしまう。

図７に、深さが段階的に変化する第２回折光学素子１０３を用いた場合と、全体が同じ深さの第２回折光学素子１０３'を用いた場合の出射光量の比較結果を示す。図７において、曲線ａは、全体が同じ深さの第２回折光学素子１０３'を用いた場合の出射光量の分布を示す。また、曲線ｂは、深さが段階的に変化する第２回折光学素子１０３を用いた場合の出射光量の分布を示す。

図７に示すように、全体が同じ深さの第２回折光学素子１０３'を用いた場合には、第１回折光学素子１０２に最も近い領域１０３Ａで多くの光が取り出され、第１回折光学素子１０２から遠い領域になるほど、光量が減少してしまうことがわかる。

しかし、図７に示すように、深さが段階的に変化する第２回折光学素子１０３を用いた場合には、第１回折光学素子１０２に最も近い領域１０３Ａから、第１回折光学素子１０２から最も遠い領域１０３Ｅまで、出射光量の分布はほぼ均一となる。これは、第１回折光学素子１０２に最も近い領域１０３Ａでの回折格子を浅くして回折効率を低くしてあるため、領域１０３Ａ以降においても第１の導光体１０１内に残存している光量が増加し、第１回折光学素子１０２から最も遠い領域１０３Ｅまで光を届けることができるためである。

（第２の導光板）
第１の導光板１０１の第１回折光学素子１０２で回折されずに透過した光２３は、第２の導光板２０１の光入射面２０１ｃに設けられた第３回折光学素子２０２に入射する。第３回折光学素子２０２に入射した光は、回折されて第２の導光板２０１に導入される。

第２の導光板２０１の光入射面２０１ｃに設けられた第３回折光学素子２０２は、回折効率を高めるために、格子面が図２に示す方向に傾斜している。格子面が傾斜している構成は、第１回折光学素子１０２と同様である。しかし、第３回折光学素子２０２の格子周期は、第１回折光学素子１０２の格子周期とは異なっている。このように第３回折光学素子２０２の格子周期を第１回折光学素子１０２の格子周期と異ならせたために、第１の導光板１０１内を伝播させる光と異なる波長範囲の光を第２の導光板２０１内に伝播させることができる。具体的には、第３回折光学素子２０２の格子周期は、緑色光２３Ｇが広い入射角度範囲に亘って第２の導光板２０１内を全反射で伝播できるように第１回折光学素子１０２の格子周期よりも長い格子周期に設定されている。したがって、入射角によっては、青色光に対する回折角が小さくなり、第２の導光板２０１と空気の界面で全反射されずに第２の導光板２０１を透過してしまう。その結果、第２の導光板２０１では、実質的に緑色光２３Ｇと赤色光２３Ｒが伝播されることになる。

第２の導光板２０１の光出射面２０１ｄに設けられた第４回折光学素子２０３は、第３回折光学素子２０２と同様に、回折効率を高めるために、格子面が図２に示す方向に傾斜している。詳しくは後述する。

なお、第４回折光学素子２０３が出射させる光は、画像光２３と同じ角度にする必要があるので、第３回折光学素子２０２と第４回折光学素子２０３の格子周期（図２におけるＸ方向の周期）は同一となっている。

第２の導光板２０１では、緑色光２３Ｇと赤色光２３Ｒが伝播されるが、その中でも赤色光２３Ｒを高い効率で伝播させることが重要となる。これは、緑色光は第１の導光板１０１でも伝播されるためである。

波長が長い赤色光２３Ｒは、第３回折光学素子２０２によって大きな角度で回折されるため、第２の導光板２０１内部を大きな角度で伝播する。したがって、第４回折光学素子２０３が設けられている領域においては、第４回折光学素子２０３に入射する回数が少ない。図２では、赤色光２３Ｒが第４回折光学素子２０３に２回入射する例を示している。

（第４回折光学素子）
このように、第４回折光学素子２０３に入射する回数が少ない場合には、第２回折光学素子１０３のように、複数の領域に分割して入射側の回折光学素子に近い領域の回折効率を低くしても、出射光量の分布を均一化する効果は少なく、出射される光量が低下して観察される虚像が暗くなる場合がある。

そこで、本実施形態においては、図８に示すように、第４回折光学素子２０３の格子面を傾斜させ、傾斜型表面レリーフ回折格子とすることで、出射光量を増加させている。

（回折光学素子の位置関係）
図９に示すように、第１の導光板１０１の第１回折光学素子１０２に入射する光の光軸は、所定の角度で傾斜しているため、第２の導光板２０１の第３回折光学素子２０２の位置は、第１回折光学素子１０２に比べて第２の導光板２０１の中央部側に移動した位置になっている。

同様に、第１の導光板１０１の第２回折光学素子１０３から出射する光の光軸は、所定の角度で傾斜しているため、第２の導光板２０１の第４回折光学素子２０３の位置は、第１回折光学素子１０２に比べて第２の導光板２０１の中央部側に移動した位置になっている。

したがって、第１の導光板１０１の正面側から見ると、図１０に示すように、第１回折光学素子１０２と第３回折光学素子２０２、及び、第２回折光学素子１０３と第４回折光学素子２０３の位置は、第１の導光板１０１の長手方向においてずれた位置関係を有している。なお、図１０においては、各回折光学素子を枠のみで表している。各回折光学素子をこのような位置に配置することにより、入射時及び出射時における損失を低下させることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、青色光から緑色光を分担する第１の導光板１０１と、緑色光から赤色光を分担する第２の導光板２０１とに分離して導光させ、出射面１０１ｄでの反射回数が多い青色光に対しては、回折効率が領域によって異なる第２回折光学素子１０３を適用し、出射面２０１ｄでの反射回数が少ない赤色光に対しては、格子面が傾斜した第４回折光学素子２０３を適用したので、出射光量分布の不均一あるいは色ムラを抑制した虚像を表示できる画像表示装置を提供することができる。

＜Ｂ：第２実施形態＞
次いで、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第２回折光学素子１０３における回折効率を領域によって変えるために、第２回折光学素子１０３の回折格子の充填率を領域によって変更した例である。図１１は本実施形態における第２回折光学素子１０３が設けられた部分の拡大図である。図１２は回折格子の充填率を説明するための図である。

図１２に示すように、回折格子の充填率とは、回折格子の格子周期に対する回折格子の幅が占める比率で、隣り合う２つの回折格子の間隔、つまり格子周期をＰ、回折格子の幅をＬとした時、Ｌ／Ｐで表される。

格子周期Ｐは、第２回折光学素子１０３全体に亘って同一なので、本実施形態においては、回折格子の充填率を変えるために、図１１に示すように複数の領域１０３Ａ〜１０３Ｅのそれぞれにおいて回折格子の幅を変化させた。具体的には、第１回折光学素子１０２から最も遠い領域１０３Ｅの回折格子の充填率が最も高く、領域１０３Ｄ、領域１０３Ｃ、領域１０３Ｂ、領域１０３Ａと第１回折光学素子１０２に近づくほど、回折格子の充填率を低くしている。このように構成した結果、第１回折光学素子１０２から最も遠い領域１０３Ｅの回折効率が最も高く、領域１０３Ｄ、領域１０３Ｃ、領域１０３Ｂ、領域１０３Ａと第１回折光学素子１０２に近づくほど回折効率が低下し、第１回折光学素子１０２に最も近い領域１０３Ａで最も回折効率が低くなっている。

本実施形態によれば、青色光から緑色光を分担する第１の導光板１０１と、緑色光から赤色光を分担する第２の導光板２０１とに分離して導光させ、出射面１０１ｄでの反射回数が多い青色光に対しては、回折効率が領域によって異なる第２回折光学素子１０３を適用し、出射面２０１ｄでの反射回数が少ない赤色光に対しては、格子面が傾斜した第４回折光学素子２０３を適用したので、出射光量分布の不均一あるいは色ムラを抑制した虚像を表示できる画像表示装置を提供することができる。

＜Ｃ：第３実施形態＞
次いで、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第２回折光学素子１０３における回折効率を領域によって変えるために、第２回折光学素子１０３の回折格子の深さを領域によって変更すると共に、回折格子を傾斜させた例である。図１３は本実施形態における第２回折光学素子１０３が設けられた部分の拡大図である。

図１３に示すように、第１回折光学素子１０２から最も遠い領域１０３Ｅの回折格子の深さが最も深く、第１の導光板１０１内を小さな角度で伝播してくる青色光１３Ｂに対して、１次回折効率が最大となる深さとなっている。そして、回折格子の深さは、領域１０３Ｄ，１０３Ｃ，１０３Ｂ，１０３Ａと第１回折光学素子１０２に近くなるほど、段階的に回折格子の深さが浅くなっている。このように構成した結果、第１回折光学素子１０２から最も遠い領域１０３Ｅの回折効率が最も高く、領域１０３Ｄ、領域１０３Ｃ、領域１０３Ｂ、領域１０３Ａと第１回折光学素子１０２に近づくほど回折効率が低下し、第１回折光学素子１０２に最も近い領域１０３Ａで最も回折効率が低くなっている。

さらに、本実施形態においては、第２回折光学素子１０３の回折格子を図１３に示すように傾斜させている。その結果、第２回折光学素子１０３から出射される光の光量を増加させることができる。

＜Ｄ：第４実施形態＞
次いで、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、第２回折光学素子１０３における回折効率を領域によって変えるために、第２回折光学素子１０３の回折格子の充填率を領域によって変更すると共に、回折格子を傾斜させた例である。図１４は本実施形態における第２回折光学素子１０３が設けられた部分の拡大図である。

本実施形態では、図１４に示すように複数の領域１０３Ａ〜１０３Ｅのそれぞれにおいて回折格子の幅を変化させ、回折格子の充填率を変化させた。具体的には、第１回折光学素子１０２から最も遠い領域１０３Ｅの回折格子の充填率が最も高く、領域１０３Ｄ、領域１０３Ｃ、領域１０３Ｂ、領域１０３Ａと第１回折光学素子１０２に近づくほど、回折格子の充填率を低くしている。このように構成した結果、第１回折光学素子１０２から最も遠い領域１０３Ｅの回折効率が最も高く、領域１０３Ｄ、領域１０３Ｃ、領域１０３Ｂ、領域１０３Ａと第１回折光学素子１０２に近づくほど回折効率が低下し、第１回折光学素子１０２に最も近い領域１０３Ａで最も回折効率が低くなっている。

＜Ｅ：変形例＞
上述した第１実施形態〜第４実施形態では、入射側の回折光学素子である第１回折光学素子１０２，第３回折光学素子２０２として、表面レリーフ型の回折格子を用いたが、これに限定されるものではなく、体積ホログラム、ミラー、あるいはプリズム等の光学素子を用いることも可能である。また、第１実施形態〜第４実施形態では、第１回折光学素子１０２，第３回折光学素子２０２，第４回折光学素子２０３として、傾斜型の表面レリーフ回折格子を用いる例について説明したが、ブレーズ型回折格子を適用することも可能である。

さらに、上述した第１実施形態〜第４実施形態では、便宜的に、第２回折光学素子１０３を５つの領域に分割した例について説明したが、さらに分割数を多くするようにしてもよい。あるいは、領域ごとに回折格子の深さや回折格子の充填率を変更するのではなく、連続的に回折格子の深さや回折格子の充填率を変化させるように構成することも可能である。

１０…画像形成部、１１…画像表示装置、１２…投射光学系、１３…画像光、１３Ｂ…青色光、１３Ｇ…緑色光、１３Ｒ…赤色光、２０…導光板、２３…画像光、２３Ｇ…緑色光、２３Ｒ…赤色光、１００…ヘッドマウントディスプレイ、１００Ａ，１００Ｂ…表示装置、１０１…第１導光板、１０１ａ，１０１ｂ…パネル面、１０１ｃ…第１光入射面、１０１ｄ…第１光出射面、１０２…第１回折光学素子、１０３…第２回折光学素子、１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ，１０３Ｄ，１０３Ｅ…領域、１１１，１１２…画像形成装置、１３１，１３２…テンプル、２０１…第２導光板、２０１ａ，２０１ｂ…パネル面、２０１ｃ…第２光入射面、２０１ｄ…第２光出射面、２０２…第３回折光学素子、２０３…第４回折光学素子。

Claims

第１光入射部と第１光出射部とを備えた第１導光体と、
第２光入射部と第２光出射部とを備えた第２導光体と、
前記第２導光体の前記第２光出射部に設けられ、前記第２導光体の内部を導光した光の少なくとも一部を回折させて前記第２導光体の外部に取り出す第１回折光学素子と、
前記第１導光体の前記第１光出射部に設けられ、前記第１導光体の内部を導光した光の少なくとも一部及び前記第１回折光学素子で取り出された光の少なくとも一部を取り出す第２回折光学素子と、を有し、
前記第１導光体及び前記第２導光体に入射する入射光は、一部が前記第１光入射部から前記第１導光体の内部に入射して導光され、他の一部が前記第２光入射部から前記第２導光体の内部に入射して導光され、
前記第２導光体の内部を導光する光は、前記第１導光体の内部を導光する光よりも長波長の光を多く含み、
前記第２回折光学素子は、前記第１光入射部に近い側と、前記第１光入射部から遠い側とで、回折効率が異なる部分を含み、
前記第１回折光学素子は、回折効率がほぼ一定であることを特徴とする光学デバイス。
請求項１に記載の光学デバイスにおいて、
前記第１回折光学素子は、一方の面に第１凹凸構造を備えた表面レリーフ型の回折格子であり、前記第２導光体の前記第２光入射部と前記第２光出射部との両方を含む断面視において、前記第1凹凸構造の凸部を構成する面のうち前記第２光出射部と交差する面が、前記第２光出射部に垂直な方向に対して傾斜していることを特徴とする光学デバイス。
請求項１または２に記載の光学デバイスにおいて、
前記第２回折光学素子は、一方の面に第２凹凸構造を備えた表面レリーフ型の回折格子であり、前記第１導光体の前記第１光入射部と前記第１光出射部との両方を含む断面視において、前記第２凹凸構造の凸部を構成する面のうち前記第１光出射部と交差する面が、前記第１光出射部に垂直な方向に対して傾斜していることを特徴とする光学デバイス。
請求項１または２に記載の光学デバイスにおいて、
前記第２回折光学素子は、一方の面に第２凹凸構造を備えた表面レリーフ型の回折格子であり、前記第１導光体の前記第１光入射部と前記第１光出射部との両方を含む断面視において、前記第２凹凸構造の凹部の深さが、前記第１光入射部に近い側から、前記第１光入射部から遠い側にかけて、徐々に、あるいは、段階的に変化していることを特徴とする光学デバイス。
請求項１または２に記載の光学デバイスにおいて、
前記第２回折光学素子は、一方の面に第２凹凸構造を備えた表面レリーフ型の回折格子であり、前記第１導光体の前記第１光入射部と前記第１光出射部との両方を含む断面視において、前記第２凹凸構造の充填率が、前記第１光入射部に近い側から、前記第１光入射部から遠い側にかけて、徐々に、あるいは、段階的に変化していることを特徴とする光学デバイス。
請求項４または５に記載の光学デバイスにおいて、
前記第２回折光学素子は、前記第１導光体の前記第１光入射部と前記第１光出射部との両方を含む断面視において、前記第２凹凸構造の凸部を構成する面のうち前記第１光出射部と交差する面が、前記第１光出射部に垂直な方向に対して傾斜していることを特徴とする光学デバイス。
請求項１乃至６の何れかに記載の光学デバイスにおいて、
前記第１導光体の前記第１光入射部に設けられ、前記入射光の一部を回折させて前記第１導光体の内部に入射させる第３回折光学素子と、
前記第２導光体の前記第２光入射部に設けられ、前記入射光の他の一部を回折させて前記第２導光体の内部に入射させる第４回折光学素子と、を有することを特徴とする光学デバイス。
請求項７に記載の光学デバイスにおいて、
前記第３回折光学素子の格子周期は、前記第４回折光学素子の格子周期と異なる格子周期であり、かつ、前記第２回折光学素子の格子周期と同じ格子周期であり、
前記第４回折光学素子の格子周期は、前記第１回折光学素子の格子周期と同じ格子周期であることを特徴とする光学デバイス。
請求項８に記載の光学デバイスにおいて、
前記第３回折光学素子の格子周期は、前記第４回折光学素子の格子周期よりも短い格子周期であることを特徴とする光学デバイス。
請求項７乃至９の何れかに記載の光学デバイスにおいて、
前記第３回折光学素子は、一方の面に第３凹凸構造を備えた表面レリーフ型の回折格子であり、前記第１導光体の前記第１光入射部と前記第１光出射部との両方を含む断面視において、前記第３凹凸構造の凸部を構成する面のうち前記第１光入射部と交差する面が、前記第１光入射部に垂直な方向に対して傾斜し、
前記第４回折光学素子は、一方の面に第４凹凸構造を備えた表面レリーフ型の回折格子であり、前記第２導光体の前記第２光入射部と前記第２光出射部との両方を含む断面視において、前記第４凹凸構造の凸部を構成する面のうち前記第２光入射部と交差する面が、前記第２光入射部に垂直な方向に対して傾斜していることを特徴とする光学デバイス。
請求項７乃至１０の何れかに記載の光学デバイスにおいて、
前記第４回折光学素子は、前記第２光入射部に垂直な方向から見た平面視において、前記第３回折光学素子よりも前記第２光出射部側に位置し、
前記第１回折光学素子は、前記第２光出射部に垂直な方向から見た平面視において、前記第２回折光学素子よりも前記第２光入射部側に位置していることを特徴とする光学デバイス。
請求項１乃至１１の何れかに記載の光学デバイスと画像光を発する画像形成部とを備えたことを特徴とする画像表示装置。