JP6287487B2 - 光学デバイス、画像投影装置及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、光学デバイス、画像投影装置及び電子機器に関するものである。

近年、画像表示装置から射出された画像光を、導光板を有する光学デバイスを用いて観察者の眼まで導光し、観察者に画像（虚像）を観察させる画像投影装置が商品化されている。例えば、画像投影装置の一種であるヘッドマウントディスプレイでは、小型化、広画角化、高効率化に関する開発が行われている。このような光学デバイスにおいては、導光板内に光を入射させ、または、導光板内を導光する光を射出させるための構成として回折光学素子を用いることが、従来から提案されている。

ところで、回折光学素子の回折特性には大きな波長依存性がある。そのため、回折光学素子を用いた光学デバイスを有する画像投影装置では、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、複数の色（例えば、赤、緑、青）の光のそれぞれに対応した複数の回折光学素子を有する光学デバイスが提案されている。このような光学デバイスを用いた画像投影装置では、導光板が導光する光に含まれる複数の色の光を、それぞれの色の光に対応する回折光学素子で回折させることで、回折効率の波長依存性による色毎の効率差を低減した虚像を表示することができる（例えば、特許文献１）。

特開２００９−１８６７９４号公報

上記特許文献１に記載の構成では、導光板内に光を入射させる構成、及び導光板内から光を射出させるための構成のそれぞれについて、導光板内を導光する光に含まれる複数の色に対応して複数個の回折光学素子を積層させている。そのため、上記特許文献１に記載の光学デバイスにおいては、構造が複雑となり、画像投影装置の製造コストが増大するおそれがある。

また、異なる色に対応した複数の回折光学素子を積層して設ける場合、一の色に対応する回折光学素子で回折した光が、他の色に対応する回折光学素子に入射し、更なる回折を受けることとなる。そのため、回折角の制御が困難となり、表示される虚像の画質が低下する等の問題が生じることもあった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、画像投影装置に用いられ、簡易な構成で高品位な映像を表示することが可能な光学デバイスを提供することを目的とする。また、このような光学デバイスを有し、高品位な映像を表示することが可能な画像投影装置を提供することをあわせて目的とする。さらに、このような画像投影装置を有し、高品位な映像を表示することが可能な電子機器を提供することをあわせて目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の一態様は、導光体と、前記導光体の第１面に設けられ、前記導光体の内部を導光した光の少なくとも一部を回折して取り出す透過型の第１回折素子と、前記導光体の前記第１面に設けられ、前記導光体へ向かう光の少なくとも一部を回折する透過型の第２回折素子と、前記導光体の前記第１面とは反対側の面である第２面に設けられ、前記第２回折素子を介して前記導光体の内部に入射した光の少なくとも一部を回折する反射型の第３回折素子と、を有することを特徴とする光学デバイスを提供する。
この構成によれば、第２回折素子において回折しなかった０次光を、第３回折素子で回折させることができるため、第１回折素子から射出する光の光量を増やすことができる。そのため、簡易な構成で明るく高品位な画像（虚像）を表示することが可能となる。

本発明の一態様においては、前記第２回折素子で回折された光と前記第１面とのなす角は、前記第３回折素子で回折された光と前記第２面とのなす角と同じ角度である構成としてもよい。
この構成によれば、容易に高効率で導光体から光を射出させることが可能となる。

本発明の一態様においては、前記第３回折素子は、表面レリーフ型の回折格子と、前記回折格子の表面を覆う反射膜と、を有する構成としてもよい。
この構成によれば、光学デバイス全体の薄型化が可能となる。

本発明の一態様においては、前記第３回折素子は、透過型の回折格子と、前記回折格子に対し前記第２面とは反対側に設けられた第１反射部材と、を有する構成としてもよい。
この構成によれば、簡易な構成で明るく高品位な画像（虚像）を表示することが可能となる。

本発明の一態様においては、前記第２回折素子は、前記第２回折素子の前記第１面とは反対側の面において前記導光体の一部を覆うように設けられた第２反射部材を有する構成としてもよい。
この構成によれば、第３回折素子において回折しなかった０次光を、第２回折素子で回折させることができる。そのため、第１回折素子から射出する光の光量を増やすことができ、簡易な構成で明るく高品位な画像（虚像）を表示することが可能となる。

本発明の一態様においては、前記第１回折素子、前記第２回折素子及び前記第３回折素子のうち少なくとも１つが体積ホログラムである構成としてもよい。
この構成によれば、一般に、体積ホログラムは、表面レリーフ型の回折素子よりも回折効率が高いため、第１回折素子から射出する光の光量を増やすことができ、簡易な構成で明るく高品位な画像（虚像）を表示することが可能となる。

本発明の一態様においては、前記第１回折素子は、第１波長帯域の光を前記第１面に対して第１角度となるように回折する第１部分と、第２波長帯域の光を前記第１面に対して前記第１角度となるように回折する第２部分と、を含む構成としてもよい。
この構成によれば、第１回折素子から、波長帯域ごとに分光した光を射出することができる。

本発明の一態様においては、前記第２回折素子は、前記第１波長帯域の光を前記第１面に対して第２角度となるように回折する第３部分と、前記第２波長帯域の光を前記第１面に対して前記第２角度となるように回折する第４部分と、を含む構成としてもよい。
この構成によれば、第２回折素子で分光した光を、第１回折素子から射出することができる。

本発明の一態様においては、前記第３部分で回折した前記第１波長帯域の光が前記第１部分に入射し、前記第４部分で回折した前記第２波長帯域の光が前記第２部分に入射するように設けられている構成としてもよい。
この構成によれば、第２回折素子で分光した光を、高効率で第１回折素子から射出することができる。

本発明の一態様においては、前記第３回折素子は、前記第１波長帯域の光を第２面に対して前記第２角度となるように回折する第５部分と、前記第２波長帯域の光を前記第２面に対して前記第２角度となるように回折する第６部分と、を含む構成としてもよい。
この構成によれば、第３回折素子で分光した光を、第１回折素子から射出することができる。

本発明の一態様においては、前記第５部分で回折した前記第１波長帯域の光が前記第１部分に入射し、前記第６部分で回折した前記第２波長帯域の光が前記第２部分に入射するように設けられている構成としてもよい。

また、本発明の一態様は、画像光を射出する画像表示装置と、上記の光学デバイスと、を有し、前記光学デバイスは、前記画像光を前記導光体に入射させ、前記導光体の内部を伝播する前記画像光を前記第１回折素子で回折させて取り出すことを特徴とする画像投影装置を提供する。
この構成によれば、上述の画像投影装置を有するため、高品位な映像を表示することが可能となる。

また、本発明の一態様は、上記の画像投影装置を有することを特徴とする電子機器を提供する。
この構成によれば、上述の画像投影装置を有するため、高品位な映像を表示することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る電子機器の外観図である。 表示装置の左眼用表示部の構成例を示す平面図である。 本発明の第１実施形態に係る光学デバイスの説明図である。 本発明の第２実施形態に係る光学デバイスの説明図である。 本発明の第３実施形態に係る光学デバイスの説明図である。 本発明の変形例に係る光学デバイスの設計思想を示す説明図である。

［第１実施形態］
以下、図を参照しながら、本発明の第１実施形態について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてある。

図１は、本実施形態に係る電子機器の外観図である。本実施形態では、電子機器として、透過型のヘッドマウントディスプレイ（表示装置１０００）を示している。表示装置１０００は、本発明の一態様である光学デバイス及び本発明の一態様である画像投影装置を有している。

本実施形態に係る表示装置１０００は、眼鏡のような形状を有する本体部１００と、使用者の手で持つことが可能な程度の大きさを有する制御部２００と、を備える。

本体部１００と制御部２００とは、有線または無線で、通信可能に接続される。本実施形態では、本体部１００と制御部２００とがケーブル３００で通信可能に接続されている。そして、本体部１００と制御部２００とは、このケーブルを介して、画像信号や制御信号を通信する。

本体部１００は、左眼用表示部１１０Ａと、右眼用表示部１１０Ｂとを備えている。

左眼用表示部１１０Ａは、左眼用画像の画像光を形成する画像形成部１２０Ａと、左眼用画像の画像光を導光する導光ユニット１３０Ａと、を備える。

画像形成部１２０Ａは、眼鏡型の本体部１００において眼鏡のつる部分に収容されており、導光ユニット１３０Ａは眼鏡型の本体部１００において眼鏡レンズ部分に収容されている。

導光ユニット１３０Ａには、光透過性を有する視認部１３１Ａが設けられている。導光ユニット１３０Ａは、導光ユニット１３０Ａの内部を伝播する左眼用画像の画像光を、視認部１３１Ａから使用者の左眼に向けて射出する。また、表示装置１０００においては、視認部１３１Ａが光透過性を有し、視認部１３１Ａを介して周囲を視認可能となっている。

一方、右眼用表示部１１０Ｂは、右眼用の画像形成部１０Ｂと、右眼用の導光ユニット１３０Ｂと、右眼用の視認部１３１Ｂと、を備える。左眼用表示部１１０Ａと右眼用表示部１１０Ｂとは、同様の構成を採用しており、眼鏡型の本体部１００の中央（鼻あて付近）に対して左右対称の構成を有している。

制御部２００は、操作部２１０と、操作ボタン部２５０と、を備える。使用者は、制御部２００の操作部２１０や操作ボタン部２５０に対して操作入力を行い、本体部１００に対する指示を行う。

図２は、本発明の一実施形態に係る表示装置１０００の左眼用表示部１１０Ａの構成例を示す平面図である。図２には、本体部１００を装着する使用者の左眼ＬＥを示してある。ここでは、左眼用表示部１１０Ａの構成例についてのみ説明する。

図に示す画像形成部１２０Ａと導光ユニット１３０Ａとは、本発明の画像投影装置に該当する。導光ユニット１３０Ａは、本発明の光学デバイスに該当する。

画像形成部１２０Ａは、左眼用の画像表示部１２１Ａと、投射光学系１２２Ａと、を備える。画像表示部１２１Ａは、左眼用のバックライト４１０Ａと、左眼用の光変調素子４１１Ａと、を備える。画像表示部１２１Ａは、本発明の画像表示装置に該当する。

バックライト４１０Ａは、例えば赤色、緑色及び青色といった発光色ごとの光源の集合から構成されている。各光源としては、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）やレーザー光源などを用いることができる。光変調素子４１１Ａとしては、例えば、表示素子である液晶表示デバイスなどを用いることができる。

なお、画像表示部１２１Ａとしては、他にも、有機エレクトロルミネッセンス装置（有機ＥＬ装置）や、レーザー光源とＭＥＭＳミラーを有するレーザー光を走査する走査光学系とを含む走査型画像表示装置など、通常知られた画像表示装置を採用することもできる。

投射光学系１２２Ａは、例えば、入力される画像光を投射する投射レンズの群から構成され、画像表示部１２１Ａの光変調素子４１１Ａから射出された画像光を投射して、平行な状態の光束にする。

導光ユニット１３０Ａは、投射光学系１２２Ａに対して相対位置が固定され、投射光学系１２２Ａから射出される画像光を、導光ユニット１３０Ａの所定の位置に導く。

次いで、図１及び図２を参照して、本実施形態に係る表示装置１０００の概略を説明する。

まず、画像表示部１２１Ａには、制御部２００からの画像信号が入力される。すると、画像表示部１２１Ａにおいて、バックライト４１０Ａの各光源が、赤色光、緑色光及び青色光を射出する。バックライト４１０Ａの各光源から射出された赤色光、緑色光及び青色光は、光変調素子４１１Ａに入射する。

光変調素子４１１Ａは、制御部２００から画像表示部１２１Ａに入力された画像信号に応じて、投射された赤色光、緑色光及び青色光を空間変調する。これにより、画像表示部１２１Ａは当該画像信号に応じた画像光を形成し、投射光学系１２２Ａに向けて射出する。

投射光学系１２２Ａは、入射する画像光を拡大しつつ平行化し、導光ユニット１３０Ａに向けて射出する。

導光ユニット１３０Ａは、導光ユニット１３０Ａの内部を反射させながら画像光を伝播し、視認部１３１Ａから使用者の左眼ＬＥに向かって射出する。射出された画像光は、左眼ＬＥの網膜上に虚像を形成する。

また、視認部１３１Ａに周囲から入射する光の少なくとも一部は、視認部１３１Ａを透過し、使用者の左眼ＬＥに導かれる。これにより、使用者には、画像形成部１２０Ａにより形成された画像と、外界からの光学像とが重畳されて見える。

使用者は、表示装置１０００の本体部１００を頭部に装着することにより、本体部１００から出力される画像光に応じた画像（虚像）を認識する。また、使用者は、本体部１００を頭部に装着したまま、本体部１００の視認部１３１Ａ，１３１Ｂを介して外界を見ることができる。

図３は、図２の導光ユニット１３０Ａに含まれる光学デバイス１にのみ着目し詳細に説明する説明図である。本実施形態の光学デバイス１は、導光板（導光体）２１と、第１回折部（第１回折素子）３１、第２回折部（第２回折素子）３２、第３回折部（第３回折素子）３３を有している。

導光板２１は、対向して延在する第１面２１ａと第２面２１ｂとを有し、透光性を有する長尺の部材である。導光板２１は、延在方向の一端２１ｘの側から入射した光を他端２１ｙの側に導光する。本実施形態の導光板２１は、互いに平行な第１面２１ａと第２面２１ｂとを有する直方体状の部材である。

導光板２１においては、内部に入射した光を、第１面２１ａ及び第２面２１ｂで反射させながら導光する。第１面２１ａ及び第２面２１ｂでの反射は、全反射を利用するものでもよく、第１面２１ａ及び第２面２１ｂにおいて反射特性を持たせたい領域に設けた反射部材によるものでもよい。反射部材としては、金属膜、誘電体多層膜及び回折素子を挙げることができる。

導光板２１は、透光性を有するならば、無機材料及び有機材料のいずれも使用することができる。導光板２１において内部を導光する際、第１面２１ａ及び第２面２１ｂの全反射を利用する場合には、導光板２１の周囲の媒質（例えば空気）との屈折率差が大きくなるように、なるべく高屈折率の材料を用いる方が好ましい。

本実施形態の導光板２１は、第２面２１ｂの他端側が光透過性を有し、第２面２１ｂを介して外光ＮＬが入射する構成となっている。これにより、導光板２１を介して外光ＮＬが観察者の左眼ＬＥにまで達し、周囲を観察可能となる。第２面２１ｂにおいて光透過性を有する範囲は、画角に応じて適宜設定する。

第１回折部３１は、第１面２１ａの他端２１ｙの側に設けられている。第１回折部３１は、透過型の回折素子である。

第２回折部３２は、第１面２１ａの一端２１ｘの側に設けられている。第１回折部３１は、透過型の回折素子である。本実施形態の光学デバイス１では、第２回折部３２として、第１回折部３１と同じ回折特性を有する表面レリーフ型の回折素子を用いることとしている。第２回折部３２のような回折素子を用いることで、光学デバイス全体の薄型化が可能となる。

第３回折部３３は、第２面２１ｂの一端２１ｘの側において、第２回折部３２に対向して設けられている。第３回折部３３は、反射型の回折素子である。

本実施形態の光学デバイス１では、第３回折部３３として、第１回折部３１と同じ回折特性を有する表面レリーフ型の回折素子に、金属膜（反射膜）を蒸着して反射特性を持たせた反射型の回折素子を用いている。このような構成の第３回折部３３を用いることで、光学デバイス全体の薄型化が可能となる。

第２回折部３２と第３回折部３３とが同じ回折特性を有しているため、第２回折部３２で回折された光（例えば、＋１次光の回折角）と第１面２１ａとのなす角θ１は、第３回折部３３で回折された光（例えば、＋１次光の回折角）と第２面２１ｂとのなす角θ２と同じ角度となる。

このような光学デバイス１では、第２回折部３２を介して導光板２１内に入射する光Ｌは、第２回折部３２において第１面２１ａとのなす角θ１で回折して射出され、導光板２１の他端２１ｙ側に導光される。図では、第２回折部３２から角度θ１で射出される光を符号Ｌ１で示してる。

その際、入射する光Ｌのうち一部の光Ｌ０は、第２回折部３２で回折されない０次光であり、第１面２１ａの法線方向に透過する。この一部の光Ｌ０は、第２回折部３２に対向して設けられている第３回折部３３に、第２面２１ｂの法線方向から入射する。一部の光Ｌ０は、第３回折部３３において第２面２１ｂとのなす角θ２で回折して射出され、導光板２１の他端２１ｙ側に導光される。図では、第３回折部３３から角度θ２で射出される光を符号Ｌ２で示してる。

第２回折部３２から角度θ１で射出された回折光Ｌ１と、第３回折部３３から角度θ２で射出された回折光Ｌ２とは、導光板２１の他端２１ｙ側に設けられた第１回折部３１に対して同じ入射角（θ１＝θ２）で入射する。第１回折部３１では、回折光Ｌ１と回折光Ｌ２とを所定の回折角で回折し、外部に射出する。また、回折光Ｌ１と回折光Ｌ２との入射角が等しいため、容易に高効率で導光板２１から光を射出させることが可能となる。

このようにして光学デバイス１から射出され左眼ＬＥに入射した光（画像光）に基づいて、観察者は画像（虚像）を認識する。なお、光学デバイス１の第１回折部３１は、図２に示す導光ユニット１３０Ａの視認部１３１Ａに対応する位置に配置される。

このような構成の光学デバイス１においては、第２回折部３２において回折しなかった０次光を、第３回折部３３で回折させることができるため、第１回折部３１から射出する光の光量を増やすことができる。そのため、簡易な構成で明るく高品位な画像（虚像）を表示することが可能となる。

また、本実施形態の画像投影装置（左眼用表示部１１０Ａ、右眼用表示部１１０Ｂ）においては、上述のような光学デバイス１を有するため、高品位な画像（虚像）を表示することが可能となる。

また、本実施形態の表示装置１０００においては、上述の左眼用表示部１１０Ａ、右眼用表示部１１０Ｂを有するため、高品位な画像（虚像）を表示することが可能となる。

なお、上記実施形態の第１回折部３１は、第１波長帯域の光（例えば、赤色光）に応じた回折特性を有する第１部分と、第２波長帯域の光（例えば、青色光）に応じた回折特性を有する第２部分と、を有することとしてもよい。例えば、第１部分では、第１回折部３１に入射する赤色光を第１面２１ａの法線方向、すなわち第１面２１ａに対して９０度（第１角度）の方向に回折させる。また、第２部分では、第１回折部３１に入射する青色光を第１面２１ａの法線方向、すなわち第１面２１ａに対して９０度（第１角度）の方向に回折させる。

ここで、本明細書において「（光）に応じた回折特性」とは、入射する光の波長に応じて、回折光の射出方向が設計値通りの回折角となるように回折パターンが設計されていることを指す。回折光は、例えば＋１次光である。

回折素子において、回折角は、波長に依存して変化する。そのため、異なる波長の光が同じ入射角で入射する場合、同方向に射出するように回折させるためには、各光の波長に応じて回折パターンの設計が必要となる。表面レリーフ型の回折素子の場合、回折角は、凹凸のピッチや凹凸の深さによって制御することができる。

このような構成とすることで、第１回折部３１から、波長帯域ごとに分光した光を射出することができる。

このような場合、さらに第２回折部３２は、第１波長帯域の光（例えば、赤色光）に応じた回折特性を有する第３部分と、第２波長帯域の光（例えば、青色光）に応じた回折特性を有する第４部分と、を有することとしてもよい。例えば、第３部分では、第２回折部３２に入射する赤色光を、回折光と第１面２１ａとのなす角が第２角度となるように回折させる。また、第４部分では、第２回折部３２に入射する青色光を、回折光と第１面２１ａとのなす角が第２角度となるように回折させる。

この場合、第２回折部３２の第３部分で回折した第１波長帯域の光が第１回折部３１の第１部分に入射し、第２回折部３２の第４部分で回折した第２波長帯域の光が第１回折部３１の第２部分に入射するように設けられているとよい。

このような構成とすることで、第２回折部３２で分光した光を、適切に第１回折部３１から射出することができる。

さらに、このような場合、第３回折部３３は、第１波長帯域の光（例えば、赤色光）に応じた回折特性を有する第５部分と、第２波長帯域の光（例えば、青色光）に応じた回折特性を有する第６部分と、を有することとしてもよい。例えば、第５部分では、第３回折部３３に入射する赤色光を、回折光と第２面２１ｂとのなす角が第２角度となるように回折させる。また、第６部分では、第３回折部３３に入射する青色光を、回折光と第２面２１ｂとのなす角が第２角度となるように回折させる。

この場合、第３回折部３３の第５部分で回折した第１波長帯域の光が第１回折部３１の第１部分に入射し、第３回折部３３の第６部分で回折した第２波長帯域の光が第１回折部３１の第２部分に入射するように設けられているとよい。

このような構成とすることで、第３回折部３３で分光した光を、適切に第１回折部３１から射出することができる。

また、本実施形態においては、導光板２１は第１面２１ａと第２面２１ｂとが平行である直方体状の部材であることとしたが、これに限らない。例えば、第１面２１ａの一部が第２面２１ｂに対して傾斜していたとしても、当該傾斜による反射角の違いを補正するように傾斜した部分を第１面２１ａまたは第２面２１ｂに設けることで、結果として第１回折部３１への入射角が所望の角度となるのであれば、そのような構成の導光板であっても用いることができる。導光板２１の第１面２１ａ及び第２面２１ｂに曲面が含まれる場合であっても同様に、別途の手段で結果として第１回折部３１への入射角が所望の角度となるように制御可能であれば使用可能である。

［第２実施形態］
図４は、本発明の第２実施形態に係る光学デバイス２の説明図である。本実施形態の光学デバイス２は、第１実施形態の光学デバイス１と一部共通しており、第３回折部３３の構成が異なっている。したがって、本実施形態において第１実施形態と共通する構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

光学デバイス３は、導光板２１と、第１回折部３１、第２回折部３２、第３回折部（第３回折素子）３４を有している。

第３回折部３４は、透過型の回折素子３４ａと、回折素子３４ａに重なって設けられた第１反射板（第１反射部材）３４ｂと、を有し、全体として反射型の回折素子を構成している。

回折素子３４ａは、表面レリーフ型の回折素子である。

第１反射板３４ｂは、反射面が第２面２１ｂと対向し、第２面２１ｂと平行となるように設けられている。第１反射板３４ｂは、例えば金属板や、表面に金属膜や誘電体多層膜を設けた板状の部材などを用いることができる。

第３回折部３４は、射出される回折光（例えば、＋１次光）の角度θ２が、第２回折部３２から射出される回折光（例えば、＋１次光）の角度θ１と等しくなるように設計されている。

なお、第３回折部３４においては、入射する光Ｌ０のうち一部の光は、入射したのち第１反射板３４ｂに達するまでと、第１反射板３４ｂで反射したのち第２面２１ｂに達するまでの２度回折を受けることとなる。そのため、このような成分についても角度θ２で射出されるように回折素子３４ａを設計することが好ましい。しかし、このような成分を捨象して設計しても実用上問題が無い場合には、回折素子３４ａとして第２回折部３２と同じ構成の透過型の回折素子を用いることとしてもよい。この場合、部品が共通するためコストダウンとなり、角度θ１，θ２を揃えやすくなる。

このような構成の光学デバイス２では、第３回折部３４において第１実施形態で示した第３回折部３３のような金属膜の蒸着工程が不要となり、簡易な構成となる。また、透過型の回折素子に対して金属膜を蒸着し反射型の回折素子とする場合には、金属膜に膜厚の面内分布により、回折角が設計値と異なるおそれがあるが、上記構成の第３回折部３４においては、このようなおそれもない。さらに、蒸着工程が不要となるためコストアップを抑制することができる。

したがって、光学デバイス２では、簡易な構成で明るく高品位な画像（虚像）を表示することが可能となる。

［第３実施形態］
図５は、本発明の第３実施形態に係る光学デバイス３の説明図である。本実施形態の光学デバイス３は、第２実施形態で示した光学デバイス２と一部共通し、第２回折部３２に対し第１面２１ａとは反対側に第２反射板（第２反射部材）３５が設けられていることが異なっている。したがって、本実施形態において第１，２実施形態と共通する構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

第２反射板３５は、第２回折部３２の他端側の一部を覆って、第２回折部３２に対し第１面２１ａとは反対側に設けられている。第２反射板３５は、反射面が第１面２１ａと対向し、第１面２１ａと平行となるように設けられている。第２反射板３５としては、上述の第１反射板３４ｂと同様の構成を採用することができる。

例えば第１面２１ａに対して入射角θ３で入射する光Ｌを第２回折部３２で回折して射出する一方で、入射する光Ｌのうち一部の光Ｌ０は、第２回折部３２で回折されない０次光として第３回折部３４に入射する。第３回折部３４に入射する０次光Ｌ０のうち一部の光は、さらに第３回折部３３で回折されない０次光として第３回折部３４から射出する。

光学デバイス３では、第２回折部３２に対し第１面２１ａとは反対側に第２反射板３５が設けられており、第３回折部３４において回折しなかった０次光を、第２回折部３２で回折させることができる。そのため、第１回折部３１から射出する光の光量を増やすことができ、簡易な構成で明るく高品位な画像（虚像）を表示することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

上記実施形態では、第１回折部３１、第２回折部３２、第３回折部３３、回折素子３４ａとして、表面レリーフ型の回折素子を用いることとしたが、これに限らない。これらのうち１以上に、体積ホログラムを用いることとしてもよい。一般に、体積ホログラムは、表面レリーフ型の回折素子よりも回折効率が高いため、第１回折部３１から射出する光の光量を増やすことができ、簡易な構成で明るく高品位な画像（虚像）を表示することが可能となる。

各回折部について体積ホログラムを用いる場合には、回折角を揃えるための設計が必要となる。例えば、第１実施形態の光学デバイス１において、第２回折部３２、第３回折部３３として体積ホログラムを用いる場合には、以下のように設計する。

図６は、第２回折部３２、第３回折部３３として体積ホログラムを用いる場合の体積ホログラムの設計思想について示す説明図である。

体積ホログラムである第３回折部３３は、第２回折部３２の０次光（透過光）が第３回折部３３に入射した際に、第３回折部３３で発生する反射回折光の角度が、導光板２１内で第２回折部３２の回折光の角度と一致するように設計する。すなわち、回折光の角度を決める第３回折部３３の屈折率、体積ホログラムの縞ピッチ、体積ホログラムの縞の傾斜角度に基づいて定まるブラック条件において、第３回折部３３の回折光の角度と、第２回折部３２の回折光の角度とが一致するように設計する。

第２回折部３２、第３回折部３３の屈折率が導光板２１と一致しており、入射光が第１面２１ａの法線方向から入射する場合を想定すると、以下のようになる。

入射する光の波長をλ、体積ホログラムである第３回折部３３の縞ピッチをｄ、第３回折部３３のブラッグ反射角をθ、第３回折部３３の干渉縞の傾斜角をφとすると、第３回折部３３から射出される光の導光板２１内の伝播角αは、α＝ｓｉｎ^−１（λ／２ｄ）−Φとなる。

また、体積ホログラムである第２回折部３２の縞ピッチをｄ’、第２回折部３２のブラッグ反射角をθ’、第２回折部３２の干渉縞の傾斜角をφ’とすると、第２回折部３２から射出される光の導光板２１内の伝播角αは、α＝Φ’−ｓｉｎ^−１（λ／２ｄ’）となる。

すなわち、第２回折部３２から射出される回折光と、第３回折部３３から射出される回折光と、の導光板２１内の伝播角が一致するためには、下記式
ｓｉｎ^−１（λ／２ｄ）−Φ＝Φ’−ｓｉｎ^−１（λ／２ｄ’）
が成り立つ条件で第２回折部３２、第３回折部３３の干渉縞が記録されていればよい。

１，２，３…光学デバイス、２１…導光板（導光体）、２１ａ…第１面，２１ｂ…第２面、２１ｘ…一端、２１ｙ…他端、３１…第１回折部（第１回折素子）、３２…第２回折部（第２回折素子）、３３，３４…第３回折部（第３回折素子）、３４ｂ…第１反射板（第１反射部材）、３５…第２反射板（第２反射部材）、１０００…表示装置、Ｌ，Ｌ０…光

Claims (13)

1. 導光体と、
   前記導光体の第１面に設けられ、前記導光体の内部を導光した光の少なくとも一部を回折して取り出す透過型の第１回折素子と、
   前記導光体の前記第１面に設けられ、前記導光体へ向かう光の少なくとも一部を回折する透過型の第２回折素子と、
   前記導光体の前記第１面とは反対側の面である第２面に設けられ、前記第２回折素子を介して前記導光体の内部に入射した光の少なくとも一部を回折する反射型の第３回折素子と、を有することを特徴とする光学デバイス。
2. 前記第２回折素子で回折された光と前記第１面とのなす角は、前記第３回折素子で回折された光と前記第２面とのなす角と同じ角度であることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
3. 前記第３回折素子は、表面レリーフ型の回折格子と、前記回折格子の表面を覆う反射膜と、を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光学デバイス。
4. 前記第３回折素子は、透過型の回折格子と、前記回折格子に対し前記第２面とは反対側に設けられた第１反射部材と、を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光学デバイス。
5. 前記第２回折素子は、前記第２回折素子の前記第１面とは反対側の面において前記導光体の一部を覆うように設けられた第２反射部材を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光学デバイス。
6. 前記第１回折素子、前記第２回折素子及び前記第３回折素子のうち少なくとも１つが体積ホログラムであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光学デバイス。
7. 前記第１回折素子は、第１波長帯域の光を前記第１面に対して第１角度となるように回折する第１部分と、第２波長帯域の光を前記第１面に対して前記第１角度となるように回折する第２部分と、を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光学デバイス。
8. 前記第２回折素子は、前記第１波長帯域の光を前記第１面に対して第２角度となるように回折する第３部分と、前記第２波長帯域の光を前記第１面に対して前記第２角度となるように回折する第４部分と、を含むことを特徴とする請求項７に記載の光学デバイス。
9. 前記第３部分で回折した前記第１波長帯域の光が前記第１部分に入射し、
   前記第４部分で回折した前記第２波長帯域の光が前記第２部分に入射するように設けられていることを特徴とする請求項８に記載の光学デバイス。
10. 前記第３回折素子は、前記第１波長帯域の光を前記第２面に対して第２角度となるように回折する第５部分と、前記第２波長帯域の光を前記第２面に対して前記第２角度となるように回折する第６部分と、を含むことを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載の光学デバイス。
11. 前記第５部分で回折した前記第１波長帯域の光が前記第１部分に入射し、
    前記第６部分で回折した前記第２波長帯域の光が前記第２部分に入射するように設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の光学デバイス。
12. 画像光を射出する画像表示装置と、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載の光学デバイスと、を有し、
    前記光学デバイスは、前記画像光を前記導光体に入射させ、前記導光体の内部を伝播する前記画像光を前記第１回折素子で回折させて取り出すことを特徴とする画像投影装置。
13. 請求項１２に記載の画像投影装置を有することを特徴とする電子機器。

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