JP2007094175A

JP2007094175A - 光学装置及び画像表示装置

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Publication number: JP2007094175A
Application number: JP2005285397A
Authority: JP
Inventors: Katsuyuki Akutsu; 克之阿久津; Hiroshi Takegawa; 洋武川
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2025-09-29
Also published as: KR101263515B1; US7502168B2; KR20070036692A; JP4810949B2; CN1940610A; US20070070504A1; CN100456068C

Abstract

【課題】入射する平行光束の入射角に依存した色ムラや輝度ムラを低減し得る光学装置を提供する。
【解決手段】導光板２１、反射型体積ホログラム回折格子から成る第１及び第２回折格子部材３０，４０を備え、第１回折格子部材３０には、その内部から表面に亙りピッチの等しい干渉縞が形成されている光学装置２０であって、第１回折格子部材において：（ａ）第１回折格子部材３０における干渉縞が第１回折格子部材３０の表面と成す傾斜角が最小傾斜角となる最小傾斜角領域よりも第２回折格子部材から遠い所に位置する外側領域に形成された干渉縞の傾斜角は、最小傾斜角領域から離れるほど大きく、（ｂ）最小傾斜角領域よりも第２回折格子部材に近い所に位置する内側領域に形成された干渉縞の傾斜角は、最小傾斜角領域に隣接する内側領域において最大傾斜角であり、最小傾斜角領域から離れるほど小さくなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像形成装置によって形成された２次元画像を観察者に観察させるために使用される光学装置、及び、係る光学装置を組み込んだ画像表示装置に関する。

画像形成装置によって形成された２次元画像を虚像光学系により拡大虚像として観察者に観察させるために、ホログラム回折格子を用いた虚像表示装置が、例えば、特表平８−５０７８７９号公報や特開２００２−１６２５９８号公報から周知である。

図１１に概念図を示す特表平８−５０７８７９号公報に開示された虚像表示装置は、画像形成装置１０１、導光板１０２、透過型ホログラムレンズ１０３、及び、透過型ホログラム回折格子１０４から構成されている。そして、画像形成装置１０１に表示された画像光は導光板１０２に入射され、この画像光は、導光板１０２の内部に設けられた透過型ホログラムレンズ１０３によって平行光とされ、しかも、導光板１０２の内部で全反射されるような角度に偏向される。そして、この画像光は、導光板１０２内を全反射しながら伝搬された後、導光板１０２の内部に、透過型ホログラムレンズ１０３から所定の距離を隔てて同じ軸線上に設けられた透過型ホログラム回折格子１０４に入射し、回折されて平行光のまま、導光板１０２から射出され、観察者の瞳に導かれる。

また、図１２の（Ａ）及び図１２の（Ｂ）に概念図を示す特開２００２−１６２５９８号公報に開示された虚像表示装置は、画像形成装置２０１、自由曲面プリズム２０２、導光板２０３、第１のＨＯＥ（Holographic Optical Element：ホログラフィック光学素子）２０４、第２のＨＯＥ２０５、第３のＨＯＥ２０６、及び、第４のＨＯＥ２０７から構成されている。そして、画像形成装置２０１に表示された画像光は、自由曲面プリズム２０２を介して導光板２０３に入射される。導光板２０３に入射された画像光は、導光板２０３の光線入射側と対向する面に設けられた第１のＨＯＥ２０４と光線入射側に設けられた第２のＨＯＥ２０５とによって続けて回折反射され、導光板２０３の内部で全反射するための臨界角以上とされる。更には、臨界角以上とされた画像光は、導光板２０３内を全反射しながら伝搬された後、第４のＨＯＥ２０７と第３のＨＯＥ２０６とによって続けて回折反射されることで臨界角以内の角度とされ、導光板２０３から射出され、観察者の瞳に導かれる。

ところで、特表平８−５０７８７９号公報に開示された虚像表示装置には、以下に述べる３つの問題がある。

先ず、この虚像表示装置では、画像形成装置１０１から射出された画像光を、直接、導光板１０２内の透過型ホログラムレンズ１０３に入射させるので、虚像表示装置における光学系の倍率を大きくとろうとして、画像形成装置１０１と透過型ホログラムレンズ１０３との間の距離（透過型ホログラムレンズ１０３の焦点距離）を短くすると、透過型ホログラムレンズ１０３の回折受容角が比較的小さいことから、瞳径１０５を大きくとることができないといった問題がある。しかも、透過型ホログラムレンズ１０３に形成すべき干渉縞は、非球面位相成分を有する複雑な構造であることから、透過型ホログラムレンズ１０３の回折受容角を大きくし、瞳径を大きくするために干渉縞を多重化し、あるいは、透過型ホログラムレンズ１０３を多層化することが困難であり、同一波長、同一入射角において、等しい回折角度を有しながら、異なる回折効率を得る構成とすることが困難である。

また、この虚像表示装置では、導光板１０２に設けられた透過型ホログラムレンズ１０３が、画像形成装置１０１から射出された画像光を平行光としながら（即ち、光学的パワーを発生させながら）、同時に偏向させるため、大きな単色偏心収差が発生する。その結果、瞳に導かれる表示画像の解像力が低下するといった問題が生じる。

更には、この虚像表示装置では、透過型ホログラムレンズ１０３にて発生する色収差を透過型ホログラム回折格子１０４によって補正するが、透過型ホログラム回折格子１０４の入射光線偏向方向は、図１１の紙面内に限られるため、少なくとも紙面垂直方向に発生する収差については打ち消すことができない。この透過型ホログラムレンズ１０３にて発生する色収差は、導光板１０２に設けられた２つの透過型ホログラム光学素子（透過型ホログラムレンズ１０３及び透過型ホログラム回折格子１０４）が相違しているために発生する問題であり、狭い波長帯域を有する光源しか実質上用いることができないといった大きな制約条件となっている。実際、図１１に示す虚像表示装置に対して、瞳からの逆光線追跡によるシミュレーションを行うと、２つの透過型ホログラム光学素子によって色収差を補正した場合であっても、波長が±２ｎｍシフトしたとすると、画像形成装置１０１上では±３０μｍの変位が生じることが分かった。

また、たとえ、２つの透過型ホログラム光学素子（透過型ホログラムレンズ１０３及び透過型ホログラム回折格子１０４）を、光学的パワーを持たない、全く等しい透過型体積ホログラム回折格子に代替したとしても、以下に説明する別の問題が発生する。

一般に、一定の入射角度において、透過型体積ホログラム回折格子の回折受容波長帯域は、反射型体積ホログラム回折格子と比較すると、広いことが知られている。従って、画像形成装置１０１から射出された画像光を構成する光の波長帯域が広い場合、若しくは、光の３原色であるＲＧＢ（Ｒ：赤色光、Ｇ：緑色光、Ｂ：青色光）のそれぞれを射出する光源（赤色光射出光源、緑色光射出光源、及び、青色光射出光源）から画像形成装置１０１が構成され、各光源から射出される光の波長の間隔が狭い場合（即ち、各光源から射出される光の波長帯域が広い場合）、膨大な回折による色分散、即ち、回折色分散が発生する。例えば、緑色（中心波長５５０ｎｍ）用に作製された透過型体積ホログラム回折格子であっても、４００〜６３０ｎｍ程度の波長帯域において１０％程度の回折効率を有し、青色発光ダイオード（ＬＥＤ，Light Emitting Diode）（発光波長帯域４１０〜４９０ｎｍ）や、赤色ＬＥＤ（発光波長帯域６００〜６６０ｎｍ）の一部の光を回折してしまう。

この回折色分散に起因した色収差は、２つの等しい干渉縞ピッチを有するホログラム回折格子を用いることで打ち消すことができる。しかしながら、一方のホログラム回折格子で発生する色分散が大きい場合、導光板内を伝搬する光束の広がりが大きくなるため、他方のホログラム回折格子で回折されることで導光板から射出されたとき、波長に依存して大きく伝搬方向が広がってしまい、観察者の瞳に表示される虚像の色の均一性が低下する。

また、特開２００２−１６２５９８号公報に開示された虚像表示装置にあっては、導光板２０３内部で画像形成装置２０１の像が中間結像されるため、第１のＨＯＥ２０４、第２のＨＯＥ２０５、第３のＨＯＥ２０６、第４のＨＯＥ２０７が、偏心レイアウト中で光学的パワーを持つ必要がある。それ故、この虚像表示装置においても、偏心収差が発生するといった問題を有する。従って、この虚像表示装置では、偏心収差を緩和するために、自由曲面プリズム２０２や、第１のＨＯＥ２０４、第２のＨＯＥ２０５、第３のＨＯＥ２０６、第４のＨＯＥ２０７を非軸対称に配置している。しかしながら、各ＨＯＥの回折効率は、実質的に７０〜８０％程度が上限であるため、４枚のＨＯＥの回折効率をトータルすると、７０〜８０％の４乗となり、回折効率が大幅に低下してしまう。更には、導光板２０３内部では、第１のＨＯＥ２０４、第２のＨＯＥ２０５によって回折されなかった光束は、第３のＨＯＥ２０６、第４のＨＯＥ２０７に入射しない。従って、光利用効率を増加させることができず、また、観察可能範囲を拡大することもできないといった問題がある。

本出願人は、これらの特表平８−５０７８７９号公報及び特開２００２−１６２５９８号公報に開示された虚像表示装置の問題点を解決するための虚像表示装置を、特願２００４−９７２２２にて提案した。

この虚像表示装置３００は、図１３に示すように、画像を表示する画像形成装置３０１と、画像形成装置３０１に表示された画像光が入射され、観察者の瞳３０６へと導く虚像光学系とを備えている。ここで、虚像光学系は、コリメート光学系３０１と、導光板３０２と、導光板３０２に設けられた第１の反射型体積ホログラム回折格子３０３と、第２の反射型体積ホログラム回折格子３０４とを備えている。そして、コリメート光学系３０１には、画像形成装置３０１の各画素から射出された光束が入射され、コリメート光学系３０１によって導光板３０２への入射角の異なる複数の平行光束から成る平行光束群が生成され、導光板３０２に入射される。ここで、導光板３０２の一端部は、コリメート光学系３０１から射出された平行光束群が入射される光入射部３０２Ａに相当し、導光板３０２の他端部は、平行光束群が外部に射出入射される光射出部３０２Ｂに相当する。導光板３０２の一方の光学面（表面，おもてめん）３０２Ｃから、平行光束群が入射され、射出される。一方、導光板３０２の表面３０２Ｃと平行である導光板３０２の他方の光学面（裏面）３０２Ｄに、第１の反射型体積ホログラム回折格子３０３及び第２の反射型体積ホログラム回折格子３０４が取り付けられている。

光入射部３０２Ａから入射した導光板３０２への入射角の異なる複数の平行光束から成る平行光束群は、第１の反射型体積ホログラム回折格子３０３に入射され、それぞれの平行光束群は、平行光束群のまま、回折反射される。そして、回折反射された平行光束群は、導光板３０２の光学面３０２Ｃ，３０２Ｄの間で全反射を繰り返しながら進行し、第２の反射型体積ホログラム回折格子３０４に入射する。第２の反射型体積ホログラム回折格子３０４に入射した平行光束群は、回折反射されることで全反射条件から外れ、光射出部３０２Ｂから射出され、観察者の瞳３０６に導かれる。

第２の反射型体積ホログラム回折格子３０４の内部に形成された干渉縞の形状と、第１の反射型体積ホログラム回折格子３０３の内部に形成された干渉縞の形状とは、導光板３０２の軸線に垂直な仮想面に対して対称な関係にある。従って、第２の反射型体積ホログラム回折格子３０４で回折反射される平行光束群は、第１の反射型体積ホログラム回折格子３０３への入射角と等しい角度で回折反射されるので、表示画像がぼけることなく、高い解像度で瞳３０６において表示される。

このように、虚像表示装置３００は、レンズ効果のない第１の反射型体積ホログラム回折格子３０３及び第２の反射型体積ホログラム回折格子３０４を備えているので、単色偏心収差及び回折色収差を、排除、あるいは、低減することができる。

特表平８−５０７８７９号公報特開２００２−１６２５９８号公報

ところで、この虚像表示装置３００における第１の反射型体積ホログラム回折格子３０３及び第２の反射型体積ホログラム回折格子３０４の内部に形成された干渉縞は多重化されており、あるいは、回折格子が多層化されているものの、干渉縞の傾斜角（第１の反射型体積ホログラム回折格子３０３及び第２の反射型体積ホログラム回折格子３０４の表面と干渉縞の成す角度）は一定である。また、複数の平行光束は、画像形成装置３０１からの射出位置に依存して、第１の反射型体積ホログラム回折格子３０３への入射角が異なるため、第１の反射型体積ホログラム回折格子３０３の種々の領域でブラッグ条件を満たす回折波長が異なる。その結果、第１の反射型体積ホログラム回折格子３０３の種々の領域において回折反射された光束の回折効率が異なってしまう。このことは、図１４に示すように、第１の反射型体積ホログラム回折格子３０３に入射する光が一定の波長帯域を有する場合、画像形成装置３０１からの射出位置に依存して、最も高い効率で回折する波長が異なり、画像形成装置３０１の画素の位置によって瞳に導かれる画素の像における色合いが異なる原因となる。尚、図１４において、波長λ₁，λ₂，λ₃は、画像形成装置３０１からの射出位置に依存して最も高い効率で回折する波長を示す。また、第１の反射型体積ホログラム回折格子３０３に入射する光が単波長の場合、画像形成装置３０１からの射出位置に依存して回折効率が異なると、輝度ムラが発生するといった問題を内在している。

従って、本発明の目的は、入射する平行光束の入射角に依存した色ムラや輝度ムラを低減し得る光学装置、及び、係る光学装置を組み込んだ画像表示装置を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の第１の態様に係る光学装置は、
（Ａ）進行方位の異なる複数の平行光束から成る平行光束群が入射され、内部を全反射により伝播した後、射出される導光板、
（Ｂ）導光板に入射された該平行光束群が導光板の内部で全反射されるように、導光板に入射された該平行光束群を回折反射する、反射型体積ホログラム回折格子から成る第１回折格子部材、及び、
（Ｃ）導光板の内部を全反射により伝播した該平行光束群を回折反射し、導光板から平行光束群のまま射出する、反射型体積ホログラム回折格子から成る第２回折格子部材、
を備え、
第１回折格子部材には、その内部から表面に亙り干渉縞が形成されており、且つ、第１回折格子部材の表面における干渉縞のピッチは等しい光学装置であって、
第１回折格子部材における干渉縞が第１回折格子部材の表面と成す角度を傾斜角としたとき、第１回折格子部材において：
（ａ）傾斜角が最小傾斜角となる最小傾斜角領域よりも第２回折格子部材から遠い所に位置する外側領域に形成された干渉縞の傾斜角は、最小傾斜角領域から離れるほど大きく、
（ｂ）最小傾斜角領域よりも第２回折格子部材に近い所に位置する内側領域に形成された干渉縞の傾斜角は、最小傾斜角領域に隣接する内側領域において最大傾斜角であり、最小傾斜角領域から離れるほど小さくなる、
ことを特徴とする。

上記の目的を達成するための本発明の第１の態様に係る画像表示装置は、画像形成装置と；画像形成装置から射出された光束を平行光束とするコリメート光学系と；コリメート光学系にて進行方位の異なる複数の平行光束とされた光束が入射され、導光され、射出される光学装置とから成る。そして、光学装置は、上記の本発明の第１の態様に係る光学装置から成ることを特徴とする。

本発明の第１の態様に係る光学装置あるいは画像表示装置（以下、これらを総称して、単に、第１の態様に係る発明と呼ぶ場合がある）において、傾斜角が最小傾斜角となる最小傾斜角領域よりも第２回折格子部材から遠い所に第１回折格子部材の領域が存在しない場合があり、このような場合には上記の（ａ）項は無視する。また、最小傾斜角領域よりも第２回折格子部材に近い所に第１回折格子部材の領域が存在しない場合があり、このような場合には上記の（ｂ）項は無視する。

上記の目的を達成するための本発明の第２の態様に係る光学装置は、
（Ａ）進行方位の異なる複数の平行光束から成る平行光束群が入射され、内部を全反射により伝播した後、射出される導光板、
（Ｂ）導光板に入射された該平行光束群が導光板の内部で全反射されるように、導光板に入射された該平行光束群を回折反射する、反射型体積ホログラム回折格子から成る第１回折格子部材、及び、
（Ｃ）導光板の内部を全反射により伝播した該平行光束群を回折反射し、導光板から平行光束群のまま射出する、反射型体積ホログラム回折格子から成る第２回折格子部材、
を備え、
第１回折格子部材は、反射型体積ホログラム回折格子から成るＱ層の仮想回折格子層が積層されて成ると仮定したとき、第１回折格子部材を構成する各仮想回折格子層の表面における干渉縞のピッチは等しく、且つ、仮想回折格子層相互の干渉縞のピッチも等しい光学装置であって、
仮想回折格子層における干渉縞が仮想回折格子層の表面と成す角度を傾斜角としたとき、各仮想回折格子層において：
（ａ）傾斜角が最小傾斜角となる最小傾斜角領域よりも第２回折格子部材から遠い所に位置する外側領域に形成された干渉縞の傾斜角は、最小傾斜角領域から離れるほど大きく、
（ｂ）最小傾斜角領域よりも第２回折格子部材に近い所に位置する内側領域に形成された干渉縞の傾斜角は、最小傾斜角領域に隣接する内側領域において最大傾斜角であり、最小傾斜角領域から離れるほど小さくなり、
第１回折格子部材を、最も第２回折格子部材に近い部分から最も第２回折格子部材から遠い部分まで、Ｒ個の区画に分けたとき、ｒ番目（但し、ｒ＝１，２・・・Ｒ）の第１回折格子部材の区画ＲＧ_{1_r}は、Ｑ層の仮想回折格子層を、最も第２回折格子部材に近い部分から最も第２回折格子部材から遠い部分まで、Ｒ個の区画に分けたとき得られる仮想回折格子層の区画ＶＧ_(r,q)（但し、ｑは、１からＱの範囲内で選択された、重複の無い、任意の整数）の積層構造から構成されていることを特徴とする。

上記の目的を達成するための本発明の第２の態様に係る画像表示装置は、画像形成装置と；画像形成装置から射出された光束を平行光束とするコリメート光学系と；コリメート光学系にて進行方位の異なる複数の平行光束とされた光束が入射され、導光され、射出される光学装置とから成る。そして、光学装置は、上記の本発明の第２の態様に係る光学装置から成ることを特徴とする。

本発明の第２の態様に係る光学装置あるいは画像表示装置（以下、これらを総称して、単に、第２の態様に係る発明と呼ぶ場合がある）において、傾斜角が最小傾斜角となる最小傾斜角領域よりも第２回折格子部材から遠い所に仮想回折格子層の領域が存在しない場合があり、このような場合には上記の（ａ）項は無視する。また、最小傾斜角領域よりも第２回折格子部材に近い所に仮想回折格子層の領域が存在しない場合があり、このような場合には上記の（ｂ）項は無視する。

第２の態様に係る発明にあっては、第１回折格子部材において、領域と区画とは、一対一に対応している場合もあるし、一対一には対応していない場合もある。これについては、実施例において詳しく説明する。また、第２の態様に係る発明にあっては、実体的には、第１回折格子部材は、反射型体積ホログラム回折格子から成るＱ層の回折格子層が積層されて成る。

第１の態様に係る発明において、第１回折格子部材には、各平行光束を構成する異なる波長帯域（あるいは、波長）を有するＰ種類の光束の回折反射の角度を略同一とするために、Ｐ種類の干渉縞が形成されている構成とすることが好ましく、このような構成を採用することで、各波長帯域（あるいは、波長）を有する平行光束が第１回折格子部材において回折反射されるときの回折効率の増加、回折受容角の増加、回折角の最適化を図ることができる。尚、或る入射角度の平行光束を回折反射するＰ種類の干渉縞の傾斜角は、平行光束を構成する波長帯域（あるいは、波長）に拘わらず同一とする。Ｐ種類の干渉縞が形成されていることを、干渉縞が多重（Ｐ重）に形成されていると呼ぶ場合がある。

上記の好ましい構成を含む第１の態様に係る発明にあっては、
第２回折格子部材の中心を原点とし、原点を通る第２回折格子部材の法線をＸ軸、原点を通る導光板の軸線をＹ軸とし、第２回折格子部材によって回折反射され、導光板から射出された平行光束群に基づく像を観察するＸ軸上の地点と、第２回折格子部材によって回折反射された平行光束であってＸ−Ｙ平面内に位置する平行光束の内、最も第１回折格子部材に近い平行光束との成す角度を画角θ＝θ₀（＞０）、最も第１回折格子部材に遠い平行光束との成す角度を画角θ＝−θ₀（＜０）としたとき、
画角θ＝θ₀となる平行光束に相当する平行光束が回折反射される第１回折格子部材の領域が、前記最大傾斜角を有し、
画角θ＝−θ₀となる平行光束に相当する平行光束が回折反射される第１回折格子部材の領域が、前記最小傾斜角を有する構成とすることができる。

尚、画角とは、より厳密には、光学系の物体範囲を光学系の像空間から見たときの視角であると定義される。

あるいは又、上記の好ましい構成を含む第１の態様に係る発明にあっては、
第１回折格子部材は、反射型体積ホログラム回折格子から成るＱ層の回折格子層が積層されて成り、
第１回折格子部材を構成する各回折格子層には、その内部から表面に亙り、干渉縞が形成されており、
第１回折格子部材を構成する各回折格子層の表面における干渉縞のピッチは等しく、且つ、回折格子層相互の干渉縞のピッチも等しい構成とすることができる。尚、このような積層構造を採用することで、導光板の軸線方向に沿った第１回折格子部材の長さの短縮化、導光板の薄型化、第１回折格子部材が回折反射することのできる平行光束の入射角度の拡大化を図ることができる。

そして、この場合には、第１回折格子部材を構成する回折格子層の全てにおいて最小傾斜角は異なり、且つ、第１回折格子部材を構成する回折格子層の全てにおいて最大傾斜角は異なる構成とすることができ、あるいは又、第１回折格子部材を構成するＱ層の回折格子層において、少なくとも一の回折格子層の最小傾斜角は、他の一の回折格子層の最小傾斜角以上、最大傾斜角以下であるか、あるいは又、該一の回折格子層の最大傾斜角は、他の一の回折格子層の最小傾斜角以上、最大傾斜角以下である構成とすることができる。

あるいは又、この場合、第２回折格子部材の中心を原点とし、原点を通る第２回折格子部材の法線をＸ軸、原点を通る導光板の軸線をＹ軸とし、第２回折格子部材によって回折反射され、導光板から射出された平行光束群に基づく像を観察するＸ軸上の地点と、第ｑ層目の回折格子層（但し、ｑ＝１，２・・・Ｑ）によって回折反射され、第２回折格子部材によって回折反射された平行光束であってＸ−Ｙ平面内に位置する平行光束の内、最も第１回折格子部材に近い平行光束との成す角度を画角θ_q＝θ_{q_0}（＞０）、最も第１回折格子部材に遠い平行光束との成す角度を画角θ_q＝−θ_{q_0}（＜０）としたとき、
画角θ_q＝θ_{q_0}となる平行光束に相当する平行光束が回折反射される第ｑ層目の回折格子層の領域が、前記最大傾斜角を有し、
画角θ_q＝−θ_{q_0}となる平行光束に相当する平行光束が回折反射される第ｑ番目の回折格子層の領域が、前記最小傾斜角を有する構成とすることができる。

一方、第２の態様の発明において、各仮想回折格子層には、各平行光束を構成する異なる波長帯域（あるいは、波長）を有するＰ種類の光束の回折反射の角度を略同一とするために、Ｐ種類の干渉縞が形成されている構成とすることが好ましく、このような構成を採用することで、各波長帯域（あるいは、波長）を有する平行光束が第１回折格子部材において回折反射されるときの回折効率の増加、回折受容角の増加、回折角の最適化を図ることができる。尚、或る入射角度の平行光束を回折反射するＰ種類の干渉縞の傾斜角は、平行光束を構成する波長帯域（あるいは、波長）に拘わらず同一とする。

上記の好ましい構成を含む第２の態様に係る発明にあっては、第２回折格子部材の中心を原点とし、原点を通る第２回折格子部材の法線をＸ軸、原点を通る導光板の軸線をＹ軸とし、第２回折格子部材によって回折反射され、導光板から射出された平行光束群に基づく像を観察するＸ軸上の地点と、第ｑ層目の仮想回折格子層（但し、ｑ＝１，２・・・Ｑ）によって回折反射され、第２回折格子部材によって回折反射されると想定した想定平行光束であってＸ−Ｙ平面内に位置する想定平行光束の内、最も第１回折格子部材に近い想定平行光束との成す角度を画角θ_q＝θ_{q_0}（＞０）、最も第１回折格子部材に遠い想定平行光束との成す角度を画角θ_q＝−θ_{q_0}（＜０）としたとき、
画角θ_q＝θ_{q_0}となる想定平行光束に相当する想定平行光束が回折反射される第ｑ層目の仮想回折格子層の領域が、前記最大傾斜角を有し、
画角θ_q＝−θ_{q_0}となる想定平行光束に相当する想定平行光束が回折反射される第ｑ番目の仮想回折格子層の領域が、前記最小傾斜角を有する構成とすることができる。

更には、以上に説明した各種の好ましい構成、形態を含む第１の態様に係る発明あるいは第２の態様に係る発明にあっては、前記平行光束群の導光板内部における全反射の回数は、該平行光束群の導光板への入射角度に依存して異なる構成とすることができ、これによって、導光板の軸線方向に沿った第１回折格子部材の長さの短縮化、導光板の薄型化、第１回折格子部材が回折反射することのできる平行光束の入射角度の拡大化を図ることができる。

以上に説明した各種の好ましい構成、形態を含む第１の態様に係る発明あるいは第２の態様に係る発明（以下、これらを総称して、単に、本発明と呼ぶ場合がある）においては、進行方位の異なる複数の平行光束から成る平行光束群を導光板に入射する必要があるが、このような、平行光束であることの要請は、これら光束が導光板へ入射したときの光波面情報が、第１回折格子部材と第２回折格子部材を介して導光板から射出された後も保存される必要があることに基づく。尚、具体的には、進行方位の異なる複数の平行光束から成る平行光束群を生成するためには、コリメート光学系における焦点距離の所に、画像形成装置を位置させればよい。ここで、コリメート光学系は、画像形成装置から射出された光束の画像形成装置における画素の位置情報を、光学装置の光学系における角度情報に変換する機能を有する。

本発明において、導光板は、導光板の軸線と平行に延びる２つの平行面（便宜上、第１面及び第２面と呼ぶ）を有している。ここで、平行光束群が入射する導光板の面を導光板入射面、平行光束群が射出する導光板の面を導光板射出面としたとき、第１面によって導光板入射面及び導光板射出面が構成されていてもよいし、第１面によって導光板入射面が構成され、第２面によって導光板射出面が構成されていてもよい。前者の場合、第２面に第１回折格子部材及び第２回折格子部材が配置されている。一方、後者の場合、第２面に第１回折格子部材が配置され、第１面に第２回折格子部材が配置されている。導光板を構成する材料として、石英ガラスやＢＫ７等の光学ガラスを含むガラスや、プラスチック材料（例えば、ＰＭＭＡ、ポリカーボネート樹脂、アクリル系樹脂、非晶性のポリプロピレン系樹脂、ＡＳ樹脂を含むスチレン系樹脂）を挙げることができる。

反射型体積ホログラム回折格子から成る第１回折格子部材及び第２回折格子部材の構成材料や基本的な構造は、従来の反射型体積ホログラム回折格子の構成材料や構造と同じとすればよい。ここで、反射型体積ホログラム回折格子とは、＋１次の回折光のみを回折反射するホログラム回折格子を意味する。

第１回折格子部材には、その内部から表面に亙り干渉縞が形成されているが、係る干渉縞それ自体の形成方法は、従来の形成方法と同じとすればよい。具体的には、例えば、第１回折格子部材を構成する部材に対して一方の側の第１の所定の方向から物体光を照射し、同時に、第１回折格子部材を構成する部材に対して他方の側の第２の所定の方向から参照光を照射し、物体光と参照光とによって形成される干渉縞を第１回折格子部材を構成する部材の内部に記録すればよい。第１の所定の方向、第２の所定の方向、物体光及び参照光の波長を適切に選択することで、第１回折格子部材の表面における干渉縞の所望のピッチ、干渉縞の所望の傾斜角を得ることができる。ここで、第１回折格子部材にあっては、上述したように、干渉縞が設けられている第１回折格子部材の領域に依存して、干渉縞の傾斜角を変化させている。

第１の態様に係る発明の好ましい構成において、第１回折格子部材は反射型体積ホログラム回折格子から成るＱ層の回折格子層が積層されて成り、また、第２の態様に係る発明においても、第１回折格子部材は反射型体積ホログラム回折格子から成るＱ層の回折格子層が積層されて成るが、このような回折格子層の積層は、Ｑ層の回折格子層をそれぞれ別個に作製した後、Ｑ層の回折格子層を、例えば、紫外線硬化型接着剤を使用して積層（接着）すればよい。また、粘着性を有するフォトポリマー材料を用いて１層の回折格子層を作製した後、その上に順次粘着性を有するフォトポリマー材料を貼付けて回折格子層を作製することで、Ｑ層の回折格子層を作製してもよい。

本発明において、第１回折格子部材における干渉縞の傾斜角は変化しているが、傾斜角の変化は、段階的であってもよいし、連続的であってもよい。即ち、前者の場合、第１回折格子部材を、最も第２回折格子部材に近い部分から最も第２回折格子部材から遠い部分まで、Ｓ個の部分に分けたとき、ｓ番目（但し、ｓ＝１，２・・・Ｓ）の第１回折格子部材の部分ＲＧ_{1_s}における傾斜角を一定とし、しかも、ｓの値が異なると第１回折格子部材の部分ＲＧ_{1_s}における傾斜角を変える形態とすればよい。一方、後者の場合、干渉縞の傾斜角を徐々に変化させる形態とすればよく、このような傾斜角に連続的な変化を与える方法として、プリズムやレンズを用いて物体光及び／又は参照光に適切な波面を与えて、反射型体積ホログラム回折格子を露光作製する方法を挙げることができる。

第２回折格子部材における干渉縞の傾斜角は、一定であってもよいし、変化していてもよい。後者の場合、傾斜角は、第１回折格子部材に近づくに従い、増加する構成とすることが望ましい。このような構成にすることで、色ムラや輝度ムラの一層の低減を図ることができる。傾斜角の増加は、段階的であってもよいし、連続的であってもよい。即ち、前者の場合、第２回折格子部材を、最も第１回折格子部材から遠い部分から最も第１回折格子部材に近い部分まで、Ｔ個の部分に分けたとき、ｔ番目（但し、ｔ＝１，２・・・Ｔ）の第２回折格子部材の部分ＲＧ_{2_t}における傾斜角を一定とし、しかも、ｔの値が増加するに従い、第２回折格子部材の部分ＲＧ_{2_t}における傾斜角を増加させる形態とすればよい。一方、後者の場合、干渉縞の傾斜角を徐々に変化させる形態とすればよい。

本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る画像表示装置を構成する画像形成装置として、例えば、有機ＥＬ（Electro Luminescence）、無機ＥＬ、発光ダイオード（ＬＥＤ）といった発光素子から構成された画像形成装置；光源［例えば、ＬＥＤ］とライト・バルブ［例えば、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）等の液晶表示装置、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）］との組合せから成る画像形成装置；光源と光源から射出された平行光束を水平走査及び垂直走査する走査光学系［例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、ガルバノ・ミラー］との組合せから成る画像形成装置を挙げることができる。

例えば、発光素子から構成された画像形成装置、発光素子とライト・バルブとから構成された画像形成装置として、より具体的には、以下の構成を例示することができる。尚、特に断りの無い限り、画像形成装置を構成する発光素子の数は、画像形成装置に要求される仕様に基づき、決定すればよい。

（１）画像形成装置−Ａ・・・
（α）青色を発光する第１発光素子が２次元マトリクス状に配列された第１発光素子パネルから成る第１画像形成装置、
（β）緑色を発光する第１発光素子が２次元マトリクス状に配列された第２発光素子パネルから成る第２画像形成装置、及び、
（γ）赤色を発光する第１発光素子が２次元マトリクス状に配列された第３発光素子パネルから成る第３画像形成装置、並びに、
（δ）第１画像形成装置、第２画像形成装置及び第３画像形成装置から射出された光を１本の光路に纏めるための手段（例えば、ダイクロイック・プリズムであり、以下の説明においても同様である）、
を備えており、
第１発光素子、第２発光素子及び第３発光素子のそれぞれの発光／非発光状態を制御するカラー表示の画像形成装置。
（２）画像形成装置−Ｂ・・・
（α）青色を発光する第１発光素子、及び、青色を発光する第１発光素子から射出された射出光の通過／非通過を制御するための第１光通過制御装置［一種のライト・バルブであり、例えば、液晶形成装置やデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）から構成され、以下の説明においても同様である］から成る第１画像形成装置、
（β）緑色を発光する第２発光素子、及び、緑色を発光する第２発光素子から射出された射出光の通過／非通過を制御するための第２光通過制御装置（ライト・バルブ）から成る第２画像形成装置、及び、
（γ）赤色を発光する第３発光素子、及び、赤色を発光する第３発光素子から射出された射出光の通過／非通過を制御するための第３光通過制御装置（ライト・バルブ）から成る第３画像形成装置、並びに、
（δ）第１光通過制御装置、第２光通過制御装置及び第３光通過制御装置を通過した光を１本の光路に纏めるための手段、
を備えており、
光通過制御装置によってこれらの発光素子から射出された射出光の通過／非通過を制御することで画像を表示するカラー表示の画像形成装置。第１発光素子、第２発光素子、第３発光素子から射出された射出光を光通過制御装置へと案内するための手段（光案内部材）として、導光部材、マイクロレンズアレイ、ミラーや反射板、集光レンズを例示することができる。
（３）画像形成装置−Ｃ・・・
（α）青色を発光する第１発光素子が２次元マトリクス状に配列された第１発光素子パネル、及び、第１発光素子パネルから射出された射出光の通過／非通過を制御するための青色光通過制御装置（ライト・バルブ）から成る第１画像形成装置、
（β）緑色を発光する第２発光素子が２次元マトリクス状に配列された第２発光素子パネル、及び、第２発光素子パネルから射出された射出光の通過／非通過を制御するための緑色光通過制御装置（ライト・バルブ）から成る第２画像形成装置、
（γ）赤色を発光する第３発光素子が２次元マトリクス状に配列された第３発光素子パネル、及び、第３発光素子パネルから射出された射出光の通過／非通過を制御するための赤色光通過制御装置（ライト・バルブ）から成る第３画像形成装置、並びに、
（δ）青色光通過制御装置、緑色光通過制御装置及び赤色光通過制御装置を通過した光を１本の光路に纏めるための手段を備えており、
光通過制御装置（ライト・バルブ）によってこれらの第１発光素子パネル、第２発光素子パネル及び第３発光素子パネルから射出された射出光の通過／非通過を制御することで画像を表示するカラー表示の画像形成装置。
（４）画像形成装置−Ｄ・・・
（α）青色を発光する第１発光素子を備えた第１画像形成装置、
（β）緑色を発光する第２発光素子を備えた第２画像形成装置、及び、
（γ）赤色を発光する第３発光素子を備えた第３画像形成装置、並びに、
（δ）第１画像形成装置、第２画像形成装置及び第３画像形成装置から射出された光を１本の光路に纏めるための手段、更には、
（ε）１本の光路に纏めるための手段から射出された光の通過／非通過を制御するための光通過制御装置（ライト・バルブ）、
を備えており、
光通過制御装置によってこれらの発光素子から射出された射出光の通過／非通過を制御することで画像を表示する、フィールドシーケンシャル方式のカラー表示の画像形成装置。
（５）画像形成装置−Ｅ・・・
（α）青色を発光する第１発光素子が２次元マトリクス状に配列された第１発光素子パネルから成る第１画像形成装置、
（β）緑色を発光する第２発光素子が２次元マトリクス状に配列された第２発光素子パネルから成る第２画像形成装置、及び、
（γ）赤色を発光する第３発光素子が２次元マトリクス状に配列された第３発光素子パネルから成る第３画像形成装置、並びに、
（δ）第１画像形成装置、第２画像形成装置及び第３画像形成装置のそれぞれから射出された光を１本の光路に纏めるための手段、更には、
（ε）１本の光路に纏めるための手段から射出された光の通過／非通過を制御するための光通過制御装置（ライト・バルブ）、
を備えており、
光通過制御装置によってこれらの発光素子パネルから射出された射出光の通過／非通過を制御することで画像を表示する、フィールドシーケンシャル方式のカラー表示の画像形成装置。
（６）画像形成装置−Ｆ・・・
第１発光素子、第２発光素子及び第３発光素子のそれぞれの発光／非発光状態を制御することで画像を表示する、パッシブマトリックスタイプあるいはアクティブマトリックスタイプのカラー表示の画像形成装置。
（７）画像形成装置−Ｇ・・・
２次元マトリクス状に配列された発光素子ユニットからの射出光の通過／非通過を制御するための光通過制御装置（ライト・バルブ）を備えており、発光素子ユニットにおける第１発光素子、第２発光素子及び第３発光素子のそれぞれの発光／非発光状態を時分割制御し、更に、光通過制御装置によって第１発光素子、第２発光素子及び第３発光素子から射出された射出光の通過／非通過を制御することで画像を表示する、フィールドシーケンシャル方式のカラー表示の画像形成装置。

また、本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る画像表示装置を構成するコリメート光学系として、凸レンズ、凹レンズ、自由曲面プリズム、ホログラムレンズを、単独、若しくは、組み合わせた、全体として正の光学的パワーを持つ光学系を例示することができる。

本発明の光学装置を、例えば、頭部装着型のＨＭＤ（Head Mounted Display）に組み込むことができるし、本発明の画像表示装置によって、例えば、ＨＭＤを構成することができ、装置の軽量化、小型化を図ることができ、装置装着時の不快感を大幅に軽減させることが可能となるし、更には、製造コストダウンを図ることも可能となる。

画像形成装置から射出され、コリメート光学系を通過した複数の平行光束は、画像形成装置からの射出位置に依存して、第１回折格子部材への入射角が異なる。従って、干渉縞の傾斜角が一定の第１回折格子部材においては、領域毎でブラッグ条件を満たす回折波長が異なる。然るに、本発明にあっては、第１回折格子部材において干渉縞の傾斜角を一定とせずに変化を付けているので、平行光束の第１回折格子部材への入射角が異なっていても、第１回折格子部材の領域毎でブラッグ条件を満たすことが可能となる。その結果、第１回折格子部材の領域毎での或る波長帯域の回折効率を出来る限り一定とすることができ、画像形成装置の画素の位置によって瞳に導かれる画素の像における色合いや輝度が異なる（色ムラや輝度ムラが発生する）といった問題の発生を抑制することができる。しかも、第１回折格子部材の所定の領域において干渉縞の傾斜角を所定の値とすることで、第１回折格子部材に入射し、回折反射された平行光束を、第２回折格子部材の所定の領域に確実に入射させることができる。また、第１回折格子部材をＱ層の回折格子層が積層された構造とすれば、導光板の軸線方向に沿った第１回折格子部材の長さの短縮化を図りつつ、画角を大きくすることができる。

以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明する。

実施例１は、本発明の第１の態様に係る光学装置及び画像表示装置に関する。実施例１の光学装置及び画像表示装置の概念図を図１に示す。

実施例１の画像表示装置１０は、画像形成装置１１と、画像形成装置１１から射出された光束を平行光束とするコリメート光学系１２と、コリメート光学系１２にて進行方位の異なる複数の平行光束とされた光束が入射され、導光され、射出される光学装置２０とから成る。画像形成装置１１は、例えば、液晶表示装置（ＬＣＤ）から構成され、コリメート光学系１２は、例えば、凸レンズから構成され、進行方位の異なる複数の平行光束から成る平行光束群を生成するために、コリメート光学系１２における焦点距離の所に画像形成装置１１が配置されている。

実施例１の光学装置２０は、
（Ａ）進行方位の異なる複数の平行光束から成る平行光束群が入射され、内部を全反射により伝播した後、射出される導光板２１、
（Ｂ）導光板２１に入射された平行光束群が導光板２１の内部で全反射されるように、導光板２１に入射された平行光束群を回折反射する、反射型体積ホログラム回折格子から成る第１回折格子部材３０、及び、
（Ｃ）導光板２１の内部を全反射により伝播した平行光束群を回折反射し、導光板２１から平行光束群のまま射出する、反射型体積ホログラム回折格子から成る第２回折格子部材４０、
を備えている。

ここで、第１回折格子部材３０には、例えば、図２の（Ｂ）に模式的な断面図を示すように、その内部から表面に亙り干渉縞３１が形成されており、且つ、第１回折格子部材３０の表面における干渉縞３１のピッチは等しい。

そして、第１回折格子部材３０における干渉縞３１が第１回折格子部材３０の表面と成す角度を傾斜角φとしたとき、第１回折格子部材３０において、図２の（Ｂ）あるいは図２の（Ｃ）（実施例２における図３の（Ｂ）も参照）に模式的な断面図を示すように、
（ａ）傾斜角が最小傾斜角φ_MINとなる最小傾斜角領域ＲＧ_MINよりも第２回折格子部材４０から遠い所に位置する外側領域ＲＧ_OUTに形成された干渉縞３１の傾斜角φは、最小傾斜角領域ＲＧ_MINから離れるほど大きく、
（ｂ）最小傾斜角領域ＲＧ_MINよりも第２回折格子部材４０に近い所に位置する内側領域ＲＧ_INに形成された干渉縞３１の傾斜角φは、最小傾斜角領域ＲＧ_MINに隣接する内側領域ＲＧ_IN-NEARにおいて最大傾斜角φ_MAXであり、最小傾斜角領域ＲＧ_MINから離れるほど小さくなる。

図１を参照して、導光板２１内における平行光束の挙動等を、以下、説明する。尚、後述する実施例２〜実施例５の説明を含む以下の説明において、全反射という用語は、内部全反射、あるいは、導光板内部における全反射を意味する。

第２回折格子部材４０の中心を原点Ｏとし、原点Ｏを通る第２回折格子部材４０の法線をＸ軸、原点Ｏを通る導光板２１の軸線をＹ軸とする。また、第２回折格子部材４０によって回折反射され、導光板２１から射出された平行光束群に基づく像を観察するＸ軸上の地点に瞳５０が存在するとする。瞳５０のＸ座標の値がアイレリーフｄに相当する。以下の説明においては、説明の簡素化のため、Ｘ−Ｙ平面内に位置する平行光束に関して説明を行う。また、第１回折格子部材３０の第２回折格子部材４０に近い端部から原点Ｏまでの距離をＬ₁、第１回折格子部材３０の第２回折格子部材４０に遠い端部から原点Ｏまでの距離をＬ₂とする。

画像形成装置１１から射出された光束ｒ₁（実線で示す）、ｒ₂（一点鎖線で示す）、ｒ₃（点線で示す）は、コリメート光学系１２を通過した後、それぞれ、入射角＋Θ_IN（＞０）、０（度）、−Θ_IN（＜０）の平行光束となって導光板２１に入射し、次いで、第１回折格子部材３０に入射（衝突）し、第１回折格子部材３０によって回折反射され、導光板２１内を全反射して、第２回折格子部材４０に向けて伝播し、第２回折格子部材４０に入射（衝突）し、瞳５０の中心に、それぞれ、画角θ＝−θ₀（＜０）、０（度）、＋θ₀（＞０）で入射する。尚、入射角Θで導光板２１に入射した平行光束は、画角θ（＝入射角［−Θ］）で導光板２１から射出される。この場合、各平行光束ｒ₁，ｒ₂，ｒ₃は、それぞれの有する異なる全反射角α₁，α₂，α₃に基づき、導光板２１内を異なった全反射位置及び全反射回数で進むことになる。ここで、平行光束が導光板２１の第１面２１Ａ（第２面２１Ｂと対向する面）での全反射を経て第２面２１Ｂ（第１回折格子部材３０及び第２回折格子部材４０が配置された導光板２１の面）で全反射するとき、第２面２１Ｂで全反射する位置（原点Ｏからの距離Ｌ）と全反射回数Ｎとの関係は、平行光束が第１回折格子部材３０に入射する位置（原点Ｏからの距離）をＬ_f、導光板２１の厚さをｔ、その平行光束の全反射角をαとしたとき、以下の式（１）で表される。

Ｌ＝Ｌ_f−２×Ｎ×ｔ×ｔａｎ（α）（１）

よって、平行光束ｒ₁，ｒ₂，ｒ₃の全反射角α₁，α₂，α₃における上記関係式（１）は、それぞれの平行光束の第１回折格子部材３０への入射位置（最初の内部反射位置であり、原点Ｏからの距離）を、Ｌ_{f_1}，Ｌ_{f_2}，Ｌ_{f_3}、第２回折格子部材４０への入射位置（最後の内部反射位置であり、原点Ｏからの距離）をＬ_{e_1}，Ｌ_{e_2}，Ｌ_{e_3}、全反射回数をＮ₁，Ｎ₂，Ｎ₃とすると、以下の式（２−１）、式（２−２）、式（２−３）で表すことができる。

Ｌ_{e_1}＝Ｌ_{f_1}−２×Ｎ₁×ｔ×ｔａｎ（α₁）（２−１）
Ｌ_{e_2}＝Ｌ_{f_2}−２×Ｎ₂×ｔ×ｔａｎ（α₂）（２−１）
Ｌ_{e_3}＝Ｌ_{f_3}−２×Ｎ₃×ｔ×ｔａｎ（α₃）（２−１）

ここで、Ｌ_{e_1}，Ｌ_{e_2}，Ｌ_{e_3}は、図１からも明らかなように、画角θとアイレリーフｄの関係に基づき、平行光束が瞳５０の中心部分に入射するように、一意的に決定される。また、Ｎ₁，Ｎ₂，Ｎ₃は正の整数でなければならない。このような関係式は、導光板２１の厚さｔと、平行光束が入射する第１回折格子部材３０の範囲Ｌ₁〜Ｌ₂、及び、第１回折格子部材３０における干渉縞３１のピッチと画角θよって導かれるα₁，α₂，α₃のとる様々な条件で成り立つために、より実用的な構成でこれらの変数を決定する必要がある。

以下の表１に示す条件において、画角θを−８度から＋８度まで１度刻みとし、各画角θにおいて同一波長でブラッグ条件を満足する第２回折格子部材４０における干渉縞の傾斜の分布を計算した結果を、以下の表２に示す。尚、一般に、平行光束が入射角ψ_INにて回折格子部材に入射し、射出回折角ψ_OUTで回折反射されるときの回折効率を最大とするような干渉縞の傾斜角φ_MAXは以下の式（３）で表すことができ、この式（３）はブラッグ条件に基づき導出することができる。

φ_MAX＝（ψ_OUT＋ψ_IN）／２（３）

尚、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例５における第２回折格子部材４０の干渉縞は、表２の傾斜角の値に則り、形成されている。具体的には、第２回折格子部材４０における干渉縞における傾斜角は、第１回折格子部材３０に近づくに従い、増加する。このような構成にすることで、色ムラや輝度ムラの一層の低減を図ることができる。尚、傾斜角の増加は、段階的であってもよいし、連続的であってもよい。即ち、前者の場合、第２回折格子部材４０を、最も第１回折格子部材３０から遠い部分から最も第１回折格子部材３０に近い部分まで、Ｔ個の部分に分けたとき、ｔ番目（但し、ｔ＝１，２・・・Ｔ）の第２回折格子部材の部分ＲＧ_{2_t}における傾斜角を一定とし、しかも、ｔの値が増加するに従い、第２回折格子部材の部分ＲＧ_{2_t}における傾斜角を増加させる形態とすればよい。一方、後者の場合、干渉縞の傾斜角を徐々に変化させる形態とすればよい。

［表１］
導光板２１の材質：光学ガラス（屈折率１．５２のＢＫ７）
導光板２１の厚さｔ：２．０ｍｍ
入射波長λ ：５２２ｎｍ
第２回折格子部材４０の
干渉縞ピッチ：４０２．２ｎｍ
画角０度で導光板２１から射出した光線の導光板２１内での全反射角
：５８．８度

［表２］

表２からも明らかなように、画角θの値が増加すると、第２回折格子部材４０における傾斜角が大きくなる。云い換えれば、画角θの値が小さい場合、全反射角αの値は小さくなり、このような画角θに対応する平行光束の導光板２１内部における全反射回数Ｎが多くなる。一方、画角θの値が大きい場合、全反射角αの値は大きくなり、このような画角θに対応する平行光束の導光板２１内部における全反射回数Ｎは少なくなる。

瞳５０の中心に入射する波長λ＝５２２ｎｍの平行光束が、第１回折格子部材３０のどの位置で回折反射し、更に、この平行光束が導光板２１の第２面２１Ｂを何回全反射して瞳５０に到達するかを、図２の（Ａ）のグラフに示す。尚、このグラフ、あるいは、後述する実施例における同様のグラフは、全て式（１）に基づき計算している。また、グラフにおける縦軸は距離Ｌを表し、横軸は画角θを表す。

実施例１にあっては、導光板２１の厚さｔ、アイレリーフｄ、第１回折格子部材３０における干渉縞のピッチ、画角θ₀，−θ₀を、以下の表３のとおりとした。

［表３］
導光板２１の厚さｔ：５ｍｍ
アイレリーフｄ：２０ｍｍ
第１回折格子部材３０における干渉縞のピッチ
：４０２．２ｎｍ
画角θ₀ ：４．０度
画角−θ₀ ：−４．０度

図２の（Ａ）において、右上がりの実線の曲線［１］は全反射回数Ｎ＝３の場合を表し、右上がりの点線の曲線［２］は全反射回数Ｎ＝４の場合を表す。

グラフの横軸（画角θであるが、入射角［−Θ］にも相当する）のマイナス方向は、同一波長でブラッグ条件を満足する第１回折格子部材３０の干渉縞３１の傾斜角φが相対的に小さくなる方向であり、グラフの横軸（画角θであるが、入射角［−Θ］にも相当する）のプラス方向は、同一波長でブラッグ条件を満足する第１回折格子部材３０の干渉縞３１の傾斜角φが相対的に大きくなる方向である。従って、グラフの曲線が左から右上がりになっているということは、画角θがプラス方向に変化するにつれて、同一波長の平行光束を回折反射する第１回折格子部材３０の干渉縞３１の傾斜角φが小から大に変化し、更には、このような傾斜角が設けられた第１回折格子部材３０の領域の原点Ｏからの距離が徐々に長くなることを意味している。

より具体的には、図２の（Ａ）に示すように、例えば、画角θ＝３度（＝入射角［−Θ］）に相当する平行光束は、第１回折格子部材３０において、点「Ａ」（Ｌ≒４０ｍｍ）のところで第１回折格子部材３０に入射し、この第１回折格子部材３０の領域において回折反射され、導光板２１の第２面２１Ｂで３回、全反射した後、第２回折格子部材４０に入射し、回折反射されて、導光板２１から射出され、瞳５０に導かれる。しかも、画角θ＝３度（＝入射角［−Θ］）に相当する平行光束は、第１回折格子部材３０において、点「Ｂ」（Ｌ≒６０ｍｍ）のところでも第１回折格子部材３０に入射し、この第１回折格子部材３０の領域において回折反射され、導光板２１の第２面２１Ｂで４回、全反射した後、第２回折格子部材４０に入射し、回折反射されて、導光板２１から射出され、瞳５０に導かれる。従って、第１回折格子部材３０において、点「Ｂ」（Ｌ≒６０ｍｍ）の領域における干渉縞３１の傾斜角φは、画角θ＝３度（＝入射角［−Θ］）における傾斜角３０．４度（表２参照）とすればよい。尚、このように、平行光束群の導光板２１内部における全反射の回数は、平行光束群の導光板２１への入射角度に依存して異なっている。

同様にして、距離Ｌと画角θと傾斜角φの関係を、以下の表４に例示する。

［表４］
距離Ｌ（ｍｍ）画角θ（度）傾斜角φ（度）
４０ −３．８７２８．３７
４５ −１．６７２８．９２
５００．２３２９．４７
５５１．７４２９．９７
６０３．０３３０．４５
６５４．１７３０．９３

尚、図２の（Ａ）に示す例においては、点線の曲線［２］（全反射回数Ｎ＝４）に則り、画角θに対応する傾斜角φを求め、第１回折格子部材３０の距離Ｌの領域における係る傾斜角φを有する干渉縞３１を第１回折格子部材３０の距離Ｌの領域に設ける。このような干渉縞３１にあっては、図２の（Ｂ）に第１回折格子部材３０の模式的な断面図を示すように、傾斜角φは、連続的に、しかも、Ｌの増加に伴い単調に増加する。

あるいは又、傾斜角φの変化を段階的とすることもできる。即ち、図２の（Ｃ）に第１回折格子部材３０の模式的な断面図を示すように、導光板２１の軸線方向に沿って第１回折格子部材３０をＳ個（具体的には、Ｓ＝６）の部分に分け、ｓ番目（但し、ｓ＝１，２・・・，６）の第１回折格子部材３０の部分ＲＧ_{1_s}における傾斜角φ_{1_s}を一定とし、しかも、ｓの値が異なると第１回折格子部材の部分ＲＧ_{1_s}における傾斜角φ_{1_s}を変える。部分ＲＧ_{1_s}の距離Ｌ_{1_s}の範囲と、画角θ_{1_s}（＝入射角［−Θ］_{1_s}）と、傾斜角φ_{1_s}との関係を、以下の表５に示す。

［表５］
ｓ距離Ｌ_{1_s}(mm) 画角θ_{1_s}(度) 傾斜角φ_{1_s}(度)
１４０．０〜４３．０ −３．２２８．５３
２４３．０〜４６．５ −１．９２８．８６
３４６．５〜５０．４ −０．３８２９．２９
４５０．４〜５５．００．９０２９．６９
５５５．０〜６０．１２．５３０．２５
６６０．１〜６５．０３．６４３０．７０

第１回折格子部材３０における干渉縞３１が第１回折格子部材３０の表面と成す角度を傾斜角φとしたとき、図２の（Ｂ）に示す第１回折格子部材３０の例においては、傾斜角が最小傾斜角φ_MIN（画角θ＝入射角［−Θ］＝−４．０度に相当）となる最小傾斜角領域ＲＧ_MIN（点「Ｃ」、Ｌ＝４０ｍｍが相当）よりも第２回折格子部材４０から遠い所に位置する外側領域ＲＧ_OUTに形成された干渉縞３１の傾斜角φは、最小傾斜角領域ＲＧ_MINから離れるほど大きくなる。尚、最小傾斜角領域ＲＧ_MINよりも第２回折格子部材４０に近い所に第１回折格子部材の領域は存在しないので、上記の（ｂ）項は無視する。

また、第２回折格子部材４０によって回折反射された平行光束であってＸ−Ｙ平面内に位置する平行光束の内、最も第１回折格子部材３０に近い平行光束との成す角度を画角θ＝θ₀（＞０）、最も第１回折格子部材に遠い平行光束との成す角度を画角θ＝−θ₀（＜０）としたとき、画角θ＝θ₀となる平行光束に相当する平行光束が回折反射される第１回折格子部材３０の領域（点「Ｄ」、Ｌ＝６５ｍｍが相当）が、最大傾斜角（画角θ＝入射角［−Θ］＝４．０度に相当）を有し、画角θ＝−θ₀となる平行光束に相当する平行光束が回折反射される第１回折格子部材の領域（点「Ｃ」、Ｌ＝４０ｍｍが相当）が、最小傾斜角（画角θ＝入射角［−Θ］＝−４．０度に相当）を有する。

実施例２は、実施例１の変形である。実施例２にあっては、実施例１の表３に示した種々のパラメータを、以下の表６に示すパラメータに変更した。

［表６］
導光板２１の厚さｔ：６ｍｍ
アイレリーフｄ：２０ｍｍ
第１回折格子部材３０における干渉縞のピッチ
：４０２．２ｎｍ
画角θ₀ ：３．５度
画角−θ₀ ：−３．５度

瞳５０の中心に入射する波長λ＝５２２ｎｍの平行光束が、第１回折格子部材３０のどの位置で回折反射し、更に、この平行光束が導光板２１の第２面２１Ｂを何回全反射して瞳５０に到達するかを、図３の（Ａ）のグラフに示す。

図３の（Ａ）において、右上がりの実線の曲線［１］は全反射回数Ｎ＝３の場合を表し、右上がりの点線の曲線［２］は全反射回数Ｎ＝４の場合を表す。ここで、グラフの曲線が左から右上がりになっているということは、実施例１において説明したと同様に、画角θがプラス方向に変化するにつれて、同一波長の平行光束を回折反射する第１回折格子部材３０の干渉縞３１の傾斜角φが小から大に変化し、更には、このような傾斜角が設けられた第１回折格子部材３０の領域の原点Ｏからの距離が徐々に長くなることを意味している。

例えば、画角θ＝０．２度〜３．５度（＝入射角［−Θ］）に相当する平行光束は、第１回折格子部材３０において、Ｌ≒４０ｍｍ〜５０ｍｍのところで第１回折格子部材３０に入射し、この第１回折格子部材３０の領域において回折反射され、導光板２１の第２面２１Ｂで３回、全反射した後、第２回折格子部材４０に入射し、回折反射されて、導光板２１から射出され、瞳５０に導かれる。そして、この場合には、画角θがプラス方向に変化するにつれて、同一波長の平行光束を回折反射する第１回折格子部材３０の干渉縞３１の傾斜角φが小から大に変化し、更には、このような傾斜角が設けられた第１回折格子部材３０の領域の原点Ｏからの距離が徐々に長くなる。

一方、画角θが０．２度以下の場合にあっては、即ち、画角θ＝−３．５度〜０．２度（＝入射角［−Θ］）に相当する平行光束は、第１回折格子部材３０において、Ｌ≒４９ｍｍ〜６０ｍｍのところで第１回折格子部材３０に入射し、この第１回折格子部材３０の領域において回折反射され、導光板２１の第２面２１Ｂで４回、全反射した後、第２回折格子部材４０に入射し、回折反射されて、導光板２１から射出され、瞳５０に導かれる。そして、この場合にも、画角θがプラス方向に変化するにつれて、同一波長の平行光束を回折反射する第１回折格子部材３０の干渉縞３１の傾斜角φが小から大に変化し、更には、このような傾斜角が設けられた第１回折格子部材３０の領域の原点Ｏからの距離が徐々に長くなる。

距離Ｌと画角θと傾斜角φの関係を、以下の表７に例示する。

［表７］
距離Ｌ（ｍｍ）画角θ（度）傾斜角φ（度）
４００．３２９．４９
４５２．０５３０．０８
５０ −３．２２８．５３
５５ −１．３７２９．００
６００．１５２９．４５

ここで、画角θ＝−θ₀＝−３．５度に相当する平行光束が第１回折格子部材３０に入射する領域であるＬ≒４９ｍｍの領域における干渉縞の傾斜角φが最小傾斜角φ_MINである。そして、傾斜角φが最小傾斜角φ_MINとなる最小傾斜角領域ＲＧ_MIN（Ｌ≒４９ｍｍが相当）よりも第２回折格子部材４０から遠い所に位置する外側領域ＲＧ_OUT（Ｌ＝６０ｍｍまでの領域が相当）に形成された干渉縞の傾斜角φは、最小傾斜角領域ＲＧ_MIN（Ｌ≒４９ｍｍが相当）から離れるほど大きい。

一方、最小傾斜角領域ＲＧ_MIN（Ｌ≒４９ｍｍが相当）よりも第２回折格子部材４０に近い所に位置する内側領域ＲＧ_INに形成された干渉縞３１の傾斜角φは、最小傾斜角領域ＲＧ_MINに隣接する内側領域ＲＧ_IN-NEARにおいて最大傾斜角φ_MAXであり、最小傾斜角領域ＲＧ_MINから離れるほど小さくなる。

尚、外側領域ＲＧ_OUTにおいて、傾斜角φは、連続的に、しかも、Ｌの増加に伴い単調に増加し、内側領域ＲＧ_INにおいても、傾斜角φは、連続的に、しかも、Ｌの増加に伴い単調に増加する構成としてもよいし、図３の（Ｂ）に第１回折格子部材３０の模式的な断面図を示すように、外側領域ＲＧ_OUTにおいて、傾斜角φは、段階的に、しかも、Ｌの増加に伴い単調に増加し、内側領域ＲＧ_INにおいても、傾斜角φは、段落的に、しかも、Ｌの増加に伴い単調に増加する構成としてもよい。即ち、導光板２１の軸線方向に沿って第１回折格子部材３０をＳ個（具体的には、Ｓ＝６）の部分に分け、ｓ番目（但し、ｓ＝１，２・・・，６）の第１回折格子部材３０の部分ＲＧ_{1_s}における傾斜角φ_{1_s}を一定とし、しかも、ｓの値が異なると第１回折格子部材の部分ＲＧ_{1_s}における傾斜角φ_{1_s}を変えてもよい。部分ＲＧ_{1_s}の距離Ｌ_{1_s}の範囲と、画角θ_{1_s}（＝入射角［−Θ］_{1_s}）と、傾斜角φ_{1_s}との関係を、以下の表８に示す。

［表８］
ｓ距離Ｌ_{1_s}(mm) 画角θ_{1_s}(度) 傾斜角φ_{1_s}(度)
１４０．０〜４３．３０．８３２９．６６
２４３．３〜４６．６２．０５２８．５５
３４６．６〜４９．９３．０５３１．４５
４４９．９〜５３．２ −２．８１２８．２８
５５３．２〜５６．５ −１．４４２８．７８
６５６．５〜５９．８ −０．３７５２９．２３

尚、実施例２にあっては、画角θ＝０．１５度以下に相当する平行光束にあっては、導光板２１の第２面２１Ｂで４回、全反射され、画角θ＝０．１５度以上に相当する平行光束にあっては、導光板２１の第２面２１Ｂで３回、全反射される。

実施例３も実施例１の変形である。実施例３にあっては、実施例１の表３に示した種々のパラメータを、以下の表９に示すパラメータに変更した。

［表９］
導光板２１の厚さｔ：５ｍｍ
アイレリーフｄ：２０ｍｍ
第１回折格子部材３０における干渉縞のピッチ
：４０２．２ｎｍ
画角θ₀ ：６．０度
画角−θ₀ ：−６．０度

また、実施例３にあっては、第１回折格子部材３０は、反射型体積ホログラム回折格子から成るＱ層（実施例３にあっては、Ｑ＝２）の回折格子層３０Ａ，３０Ｂが積層されて成り、第１回折格子部材３０を構成する各回折格子層３０Ａ，３０Ｂには、その内部から表面に亙り、干渉縞が形成されており、第１回折格子部材３０を構成する各回折格子層３０Ａ，３０Ｂの表面における干渉縞のピッチは等しく、且つ、回折格子層３０Ａ，３０Ｂ相互の干渉縞のピッチも等しい。

尚、第１回折格子部材３０を構成する回折格子層３０Ａ，３０Ｂの全てにおいて最小傾斜角φ_MINは異なり、且つ、第１回折格子部材３０を構成する回折格子層３０Ａ，３０Ｂの全てにおいて最大傾斜角φ_MAXは異なる。

瞳５０の中心に入射する波長λ＝５２２ｎｍの平行光束が、第１回折格子部材３０のどの位置で回折反射し、更に、この平行光束が導光板２１の第２面２１Ｂを何回全反射して瞳５０に到達するかを、図４の（Ａ）のグラフに示す。

図４の（Ａ）において、右上がりの実線の曲線［１］は全反射回数Ｎ＝３の場合を表し、右上がりの点線の曲線［２］は全反射回数Ｎ＝４の場合を表す。ここで、グラフの曲線が左から右上がりになっているということは、実施例１において説明したと同様に、画角θがプラス方向に変化するにつれて、同一波長の平行光束を回折反射する第１回折格子部材３０の干渉縞３１の傾斜角φが小から大に変化し、更には、このような傾斜角が設けられた第１回折格子部材３０の領域の原点Ｏからの距離が徐々に長くなることを意味している。

例えば、画角θ＝１．３度〜６．０度（＝入射角［−Θ］）に相当する平行光束は、Ｌ≒３６ｍｍ〜５１ｍｍのところで第２層目の回折格子層３０Ｂに入射し、この第２層目の回折格子層３０Ｂの領域において回折反射され、導光板２１の第２面２１Ｂで３回、全反射した後、第２回折格子部材４０に入射し、回折反射されて、導光板２１から射出され、瞳５０に導かれる。そして、この場合には、画角θがプラス方向に変化するにつれて、同一波長の平行光束を回折反射する第２層目の回折格子層３０Ｂの干渉縞の傾斜角φが小から大に変化し、更には、このような傾斜角が設けられた第２層目の回折格子層３０Ｂの領域の原点Ｏからの距離が徐々に長くなる。

一方、画角θが１．３度以下の場合にあっては、即ち、画角θ＝−６．０度〜１．３度（＝入射角［−Θ］）に相当する平行光束は、第１層目の回折格子層３０Ａにおいて、Ｌ≒３６ｍｍ〜５２ｍｍのところで第１層目の回折格子層３０Ａに入射し、この第１層目の回折格子層３０Ａの領域において回折反射され、導光板２１の第２面２１Ｂで４回、全反射した後、第２回折格子部材４０に入射し、回折反射されて、導光板２１から射出され、瞳５０に導かれる。そして、この場合にも、画角θがプラス方向に変化するにつれて、同一波長の平行光束を回折反射する第１層目の回折格子層３０Ａの干渉縞の傾斜角φが小から大に変化し、更には、このような傾斜角が設けられた第１層目の回折格子層３０Ａの原点Ｏからの距離が徐々に長くなる。

尚、画角θ＝−６．０度〜１．３度（＝入射角［−Θ］）に相当する平行光束は、第２層目の回折格子層３０Ｂに入射する場合があるが、係る平行光束の第２層目の回折格子層３０Ｂにおける回折効率が低いので、係る平行光束が第２層目の回折格子層３０Ｂによって回折反射されることはない。同様に、画角θ＝１．３度〜６．０度（＝入射角［−Θ］）に相当する平行光束は、第１層目の回折格子層３０Ａにも入射するが、係る平行光束の第１層目の回折格子層３０Ａにおける回折効率が低いので、係る平行光束が第１層目の回折格子層３０Ａによって回折反射されることはない。

第１層目の回折格子層３０Ａにあっては、画角θ₁＝−θ_{1_0}＝−６．０度に相当する平行光束が回折反射される第１層目の回折格子層３０Ａの領域であるＬ≒３６ｍｍの領域における干渉縞の傾斜角φが最小傾斜角φ_MINである。そして、傾斜角φが最小傾斜角φ_MINとなる最小傾斜角領域ＲＧ_MIN（Ｌ≒３６ｍｍが相当）よりも第２回折格子部材４０から遠い所に位置する外側領域ＲＧ_OUT（Ｌ＝５２ｍｍまでの領域が相当）に形成された干渉縞の傾斜角φは、最小傾斜角領域ＲＧ_MIN（Ｌ≒３６ｍｍが相当）から離れるほど大きい。そして、画角θ₁＝θ_{1_0}となる平行光束に相当する平行光束が回折反射される第１層目の回折格子層３０Ａの領域（Ｌ＝５２ｍｍの領域が相当）が最大傾斜角φ_MAXを有する。

一方、第２層目の回折格子層３０Ｂにあっては、画角θ₂＝−θ_{2_0}＝１．３度に相当する平行光束が回折反射される第２層目の回折格子層３０Ｂの領域であるＬ≒３６ｍｍの領域における干渉縞の傾斜角φが最小傾斜角φ_MINである。そして、傾斜角φが最小傾斜角φ_MINとなる最小傾斜角領域ＲＧ_MIN（Ｌ≒３６ｍｍが相当）よりも第２回折格子部材４０から遠い所に位置する外側領域ＲＧ_OUT（Ｌ＝５１ｍｍまでの領域が相当）に形成された干渉縞の傾斜角φは、最小傾斜角領域ＲＧ_MIN（Ｌ≒３６ｍｍが相当）から離れるほど大きい。そして、画角θ₂＝θ_{2_0}となる平行光束に相当する平行光束が回折反射される第２層目の回折格子層３０Ｂの領域（Ｌ＝５１ｍｍの領域が相当）が最大傾斜角φ_MAXを有する。

ここで、最小傾斜角領域ＲＧ_MINよりも第２回折格子部材４０に近い所に回折格子層の領域は存在しないので、実施例１において説明した（ｂ）項は無視する。

外側領域ＲＧ_OUTにおいて、傾斜角φは、連続的に、しかも、Ｌの増加に伴い単調に増加する構成としてもよいし、図４の（Ｂ）に第１回折格子部材３０の模式的な断面図を示すように、外側領域ＲＧ_OUTにおいて、傾斜角φは、段階的に、しかも、Ｌの増加に伴い単調に増加する構成としてもよい。即ち、導光板２１の軸線方向に沿って第１回折格子部材３０をＳ個（具体的には、Ｓ＝６）の部分に分け、ｓ番目（但し、ｓ＝１，２・・・，６）の第１層目の回折格子層３０Ａの部分ＲＧ_(q,s)［ＲＧ_(1,1)，ＲＧ_(2,1)，ＲＧ_(3,1)，ＲＧ_(4,1)，ＲＧ_(5,1)，ＲＧ_(6,1)］、ｓ番目の第２層目の回折格子層３０Ｂの部分ＲＧ_(q,s)［ＲＧ_(1,2)，ＲＧ_(2,2)，ＲＧ_(3,2)，ＲＧ_(4,2)，ＲＧ_(5,2)，ＲＧ_(6,2)］における傾斜角を一定とし、しかも、ｓの値が異なると回折格子層３０Ａ，３０Ｂの部分における傾斜角を変えてもよい。また、第１層目の回折格子層３０Ａと第２層目の回折格子層３０Ｂの積層順序を逆にしてもよい。

部分ＲＧ_(q,s)の距離Ｌ_{1_s}の範囲と、画角θ_{1_s}（＝入射角［−Θ］_{1_s}）と、傾斜角φ_{1_s}との関係を、以下の表１０に示す。

［表１０］
３回全反射
（ｑ，ｓ）距離Ｌ_{1_s}(mm) 画角θ_{1_s}(度) 傾斜角φ_{1_s}(度)
（２，１）３６．０〜３８．２５１．７４２９．９７
（２，２）３８．２５〜４０．７５２．８３０．３６
（２，３）４０．７５〜４３．２５３．７３０．７２
（２，４）４３．２５〜４５．７５４．５３１．０７
（２，５）４５．７５〜４８．５５．２３１．４０
（２，６）４８．５〜５２．０５．８３１．７０
４回全反射
（ｑ，ｓ）距離Ｌ_{1_s}(mm) 画角θ_{1_s}(度) 傾斜角φ_{1_s}(度)
（１，１）３６．０〜３８．２５ −５．４２８．０３
（１，２）３８．２５〜４０．７５ −４．０２８．３４
（１，３）４０．７５〜４３．２５ −２．９２８．６０
（１，４）４３．２５〜４５．７５ −１．７５２８．９０
（１，５）４５．７５〜４８．５ −０．７６２９．１７
（１，６）４８．５〜５２．００．０８２９．４２

実施例３にあっては、第１回折格子部材を多層構造とすることで、導光板の軸線方向に沿った第１回折格子部材の長さの短縮化を図りつつ、画角を大きくすることができる。

実施例４も実施例１の変形である。実施例４にあっては、実施例１の表３に示した種々のパラメータを、以下の表１１に示すパラメータに変更した。

［表１１］
導光板２１の厚さｔ：２ｍｍ
アイレリーフｄ：２０ｍｍ
第１回折格子部材３０における干渉縞のピッチ
：４０２．２ｎｍ
画角θ₀ ：８．０度
画角−θ₀ ：−８．０度

また、実施例４にあっては、第１回折格子部材３０は、反射型体積ホログラム回折格子から成るＱ層（実施例４にあっては、Ｑ＝４）の回折格子層３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄが積層されて成り、第１回折格子部材３０を構成する各回折格子層３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄには、その内部から表面に亙り、干渉縞が形成されており、第１回折格子部材３０を構成する各回折格子層３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄの表面における干渉縞のピッチは等しく、且つ、回折格子層３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ相互の干渉縞のピッチも等しい。

尚、第１回折格子部材３０を構成する回折格子層３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄの全てにおいて最小傾斜角φ_MINは異なり、且つ、第１回折格子部材３０を構成する回折格子層３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄの全てにおいて最大傾斜角φ_MAXは異なる。

瞳５０の中心に入射する波長λ＝５２２ｎｍの平行光束が、第１回折格子部材３０のどの位置で回折反射し、更に、この平行光束が導光板２１の第２面２１Ｂを何回全反射して瞳５０に到達するかを、図５の（Ａ）のグラフに示す。尚、図５の（Ａ）及び（Ｂ）においては、図面を簡素化のために、部分ＲＧ_(q,s)を（ｑ，ｓ）で表示する。

図５の（Ａ）において、右上がりの実線の曲線［１］は全反射回数Ｎ＝４の場合を表し、右上がりの点線の曲線［２］は全反射回数Ｎ＝５の場合を表し、右上がりの実線の曲線［３］は全反射回数Ｎ＝６の場合を表し、右上がりの点線の曲線［４］は全反射回数Ｎ＝７の場合を表す。ここで、グラフの曲線が左から右上がりになっているということは、実施例１において説明したと同様である。

画角θ＝３．９度〜７．２度（＝入射角［−Θ］）に相当する平行光束は、Ｌ≒３８ｍｍ〜４７ｍｍのところで第１回折格子部材３０を構成する第１層目の回折格子層３０Ａに入射し、この第１層目の回折格子層３０Ａの領域において回折反射され、導光板２１の第２面２１Ｂで４回、全反射した後、第２回折格子部材４０に入射し、回折反射されて、導光板２１から射出され、瞳５０に導かれる。そして、この場合には、画角θがプラス方向に変化するにつれて、同一波長の平行光束を回折反射する第１層目の回折格子層３０Ａの干渉縞の傾斜角φが小から大に変化し、更には、このような傾斜角が設けられた第１層目の回折格子層３０Ａの領域の原点Ｏからの距離が徐々に長くなる。

また、画角θ＝−０．３度〜３．９度（＝入射角［−Θ］）に相当する平行光束は、Ｌ≒３８ｍｍ〜４７ｍｍのところで第１回折格子部材３０を構成する第２層目の回折格子層３０Ｂに入射し、この第２層目の回折格子層３０Ｂの領域において回折反射され、導光板２１の第２面２１Ｂで５回、全反射した後、第２回折格子部材４０に入射し、回折反射されて、導光板２１から射出され、瞳５０に導かれる。そして、この場合にも、画角θがプラス方向に変化するにつれて、同一波長の平行光束を回折反射する第２層目の回折格子層３０Ｂの干渉縞の傾斜角φが小から大に変化し、更には、このような傾斜角が設けられた第２層目の回折格子層３０Ｂの領域の原点Ｏからの距離が徐々に長くなる。

更には、画角θ＝−４．３度〜−１．５度（＝入射角［−Θ］）に相当する平行光束は、Ｌ≒３８ｍｍ〜４１ｍｍのところで第１回折格子部材３０を構成する第３層目の回折格子層３０Ｃに入射し、この第３層目の回折格子層３０Ｃの領域において回折反射され、導光板２１の第２面２１Ｂで６回、全反射した後、第２回折格子部材４０に入射し、回折反射されて、導光板２１から射出され、瞳５０に導かれる。そして、この場合にも、画角θがプラス方向に変化するにつれて、同一波長の平行光束を回折反射する第３層目の回折格子層３０Ｃの干渉縞の傾斜角φが小から大に変化し、更には、このような傾斜角が設けられた第３層目の回折格子層３０Ｃの領域の原点Ｏからの距離が徐々に長くなる。

また、画角θ＝−８．０度〜−５．６度（＝入射角［−Θ］）に相当する平行光束は、Ｌ≒３８ｍｍ〜４０ｍｍのところで第１回折格子部材３０を構成する第４層目の回折格子層３０Ｄに入射し、この第４層目の回折格子層３０Ｄの領域において回折反射され、導光板２１の第２面２１Ｂで７回、全反射した後、第２回折格子部材４０に入射し、回折反射されて、導光板２１から射出され、瞳５０に導かれる。そして、この場合にも、画角θがプラス方向に変化するにつれて、同一波長の平行光束を回折反射する第４層目の回折格子層３０Ｄの干渉縞の傾斜角φが小から大に変化し、更には、このような傾斜角が設けられた第４層目の回折格子層３０Ｄの領域の原点Ｏからの距離が徐々に長くなる。

尚、或る回折格子層に入射した平行光束は、他の３層の内の少なくとも１層の回折格子層に入射する場合があるが、他の回折格子層にあっては、係る平行光束の回折効率が低いので、係る平行光束が他の回折格子層によって回折反射されることはない。

第１層目の回折格子層３０Ａにあっては、画角θ₁＝−θ_{1_0}＝３．９度に相当する平行光束が回折反射される第１層目の回折格子層３０Ａの領域であるＬ≒３５ｍｍの領域における干渉縞の傾斜角φが最小傾斜角φ_MINである。そして、傾斜角φが最小傾斜角φ_MINとなる最小傾斜角領域ＲＧ_MIN（Ｌ≒３５ｍｍが相当）よりも第２回折格子部材４０から遠い所に位置する外側領域ＲＧ_OUT（Ｌ＝４７ｍｍまでの領域が相当）に形成された干渉縞の傾斜角φは、最小傾斜角領域ＲＧ_MIN（Ｌ≒３５ｍｍが相当）から離れるほど大きい。そして、画角θ₁＝θ_{1_0}となる平行光束に相当する平行光束が回折反射される第１層目の回折格子層３０Ａの領域（Ｌ＝４７ｍｍの領域が相当）が最大傾斜角φ_MAXを有する。

一方、第２層目の回折格子層３０Ｂにあっては、画角θ₂＝−θ_{2_0}＝−０．３度に相当する平行光束が回折反射される第２層目の回折格子層３０Ｂの領域であるＬ≒３５ｍｍの領域における干渉縞の傾斜角φが最小傾斜角φ_MINである。そして、傾斜角φが最小傾斜角φ_MINとなる最小傾斜角領域ＲＧ_MIN（Ｌ≒３５ｍｍが相当）よりも第２回折格子部材４０から遠い所に位置する外側領域ＲＧ_OUT（Ｌ＝４７ｍｍまでの領域が相当）に形成された干渉縞の傾斜角φは、最小傾斜角領域ＲＧ_MIN（Ｌ≒３５ｍｍが相当）から離れるほど大きい。そして、画角θ₂＝θ_{2_0}となる平行光束に相当する平行光束が回折反射される第２層目の回折格子層３０Ｂの領域（Ｌ＝４７ｍｍの領域が相当）が最大傾斜角φ_MAXを有する。

更には、第３層目の回折格子層３０Ｃにあっては、画角θ₃＝−θ_{3_0}＝−４．３度に相当する平行光束が回折反射される第３層目の回折格子層３０Ｃの領域であるＬ≒３５ｍｍの領域における干渉縞の傾斜角φが最小傾斜角φ_MINである。そして、傾斜角φが最小傾斜角φ_MINとなる最小傾斜角領域ＲＧ_MIN（Ｌ≒３５ｍｍが相当）よりも第２回折格子部材４０から遠い所に位置する外側領域ＲＧ_OUT（Ｌ＝４１ｍｍまでの領域が相当）に形成された干渉縞の傾斜角φは、最小傾斜角領域ＲＧ_MIN（Ｌ≒３５ｍｍが相当）から離れるほど大きい。そして、画角θ₃＝θ_{3_0}となる平行光束に相当する平行光束が回折反射される第３層目の回折格子層３０Ｃの領域（Ｌ＝４１ｍｍの領域が相当）が最大傾斜角φ_MAXを有する。

また、第４層目の回折格子層３０Ｄにあっては、画角θ₄＝−θ_{4_0}＝−８．０度に相当する平行光束が回折反射される第４層目の回折格子層３０Ｄの領域であるＬ≒３５ｍｍの領域における干渉縞の傾斜角φが最小傾斜角φ_MINである。そして、傾斜角φが最小傾斜角φ_MINとなる最小傾斜角領域ＲＧ_MIN（Ｌ≒３５ｍｍが相当）よりも第２回折格子部材４０から遠い所に位置する外側領域ＲＧ_OUT（Ｌ＝４０ｍｍまでの領域が相当）に形成された干渉縞の傾斜角φは、最小傾斜角領域ＲＧ_MIN（Ｌ≒３５ｍｍが相当）から離れるほど大きい。そして、画角θ₄＝θ_{4_0}となる平行光束に相当する平行光束が回折反射される第４層目の回折格子層３０Ｄの領域（Ｌ＝４０ｍｍの領域が相当）が最大傾斜角φ_MAXを有する。

外側領域ＲＧ_OUTにおいて、傾斜角φは、連続的に、しかも、Ｌの増加に伴い単調に増加する構成としてもよいし、図５の（Ｂ）に第１回折格子部材３０の模式的な断面図を示すように、外側領域ＲＧ_OUTにおいて、傾斜角φは、段階的に、しかも、Ｌの増加に伴い単調に増加する構成としてもよい。即ち、導光板２１の軸線方向に沿って第１回折格子部材３０をＳ個（具体的には、Ｓ＝６）の部分に分け、ｓ番目（但し、ｓ＝１，２・・・，６）の回折格子層３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄの部分における傾斜角を一定とし、しかも、ｓの値が異なると回折格子層３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄの部分における傾斜角を変えてもよい。また、第１層目の回折格子層３０Ａと第２層目の回折格子層３０Ｂと第３層目の回折格子層３０Ｃと第４層目の回折格子層３０Ｄの積層順序は、本質的に任意である。

部分ＲＧ_(q,s)の距離Ｌ_{1_s}の範囲と、画角θ_{1_s}（＝入射角［−Θ］_{1_s}）と、傾斜角φ_{1_s}との関係を、以下の表１２に示す。

［表１２］
４回全反射
（ｑ，ｓ）距離Ｌ_{1_s}(mm) 画角θ_{1_s}(度) 傾斜角φ_{1_s}(度)
（１，１）３５〜３７４．０２３０．８６
（１，３）３７〜３９４．６３３１．１３
（１，３）３９〜４１５．２４３１．４２
（１，４）４１〜４３５．８５３１．７２
（１，５）４３〜４５６．４５３２．０５
（１，６）４５〜４７７．１４３２．４５
５回全反射
（ｑ，ｓ）距離Ｌ_{1_s}(mm) 画角θ_{1_s}(度) 傾斜角φ_{1_s}(度)
（２，１）３５〜３７ −０．１５２９．３５
（２，２）３７〜３９０．６２９．５９
（２，３）３９〜４１１．４４２９．８７
（２，４）４１〜４３２．２３０．１４
（２，５）４３〜４５２．９５３０．４２
（２，６）４５〜４７３．８７３０．７９
６回全反射
（ｑ，ｓ）距離Ｌ_{1_s}(mm) 画角θ_{1_s}(度) 傾斜角φ_{1_s}(度)
（３，１）３５．０〜３６．２ −４．１７２８．３０
（３，２）３６．２〜３７．４ −３．４２８．４８
（３，３）３７．４〜３８．６ −２．７３２８．６４
（３，４）３８．６〜３９．８ −２．１２２８．８０
（３，５）３９．８〜４１．０ −１．５２２８．９６
７回全反射
（ｑ，ｓ）距離Ｌ_{1_s}(mm) 画角θ_{1_s}(度) 傾斜角φ_{1_s}(度)
（４，１）３５．０〜３６．２ −７．９２７．５４
（４，２）３６．２〜３７．４ −７．１４２７．６８
（４，３）３７．４〜３８．６ −６．３２７．８４
（４，４）３８．６〜３９．８ −５．７２７．９６

実施例４にあっては、第１回折格子部材を更に多層構造とすることで、導光板の軸線方向に沿った第１回折格子部材の長さの一層短縮化を図りつつ、画角を一層大きくすることができるし、導光板の厚さを薄くすることもでき、光学装置及び画像表示装置の一層の小型化を図ることができる。

尚、図５の（Ａ）に示したように、画角領域Ａに対応する第１回折格子部材の領域にあっては、所望のブラッグ条件で回折する干渉縞の傾斜角が存在しない。このような場合にあっても、図６に示すように、画角領域Ａの前後の画角に対応する第１回折格子部材の領域における干渉縞が、画角領域Ａに相当する平行光束を回折反射できる程度の回折効率を有していれば、即ち、回折効率の角度特性の半値ｈが、画角領域Ａに相当する入射角を有する平行光束を回折反射できる程度に大きければ、特段の問題は生じない。

更には、瞳５０の中心に入射する波長λ＝５２２ｎｍの平行光束が、第１回折格子部材３０のどの位置で回折反射し、更に、この平行光束が導光板２１の第２面２１Ｂを何回全反射して瞳５０に到達するかを、図７の（Ａ）のグラフに示すように、画角領域Ｂに対応する第１回折格子部材の領域が２箇所、存在する構成とすることもでき、これによって、一層確実に第１回折格子部材３０における平行光束の回折反射を達成することができる。係る第１回折格子部材３０の模式的な断面図を、図７の（Ｂ）に示す。尚、図７の（Ａ）及び（Ｂ）においては、図面を簡素化のために、部分ＲＧ_(q,s)を（ｑ，ｓ）で表示する。この場合の、部分ＲＧ_(q,s)の距離Ｌ_{1_s}の範囲と、画角θ_{1_s}（＝入射角［−Θ］_{1_s}）と、傾斜角φ_{1_s}との関係を、以下の表１３に示す。尚、この場合にあっては、第１回折格子部材を構成するＱ層の回折格子層において、少なくとも一の回折格子層の最小傾斜角は、他の一の回折格子層の最小傾斜角以上、最大傾斜角以下であるか、あるいは又、この一の回折格子層の最大傾斜角は、他の一の回折格子層の最小傾斜角以上、最大傾斜角以下であると云える。

［表１３］
４回全反射
（ｑ，ｓ）距離Ｌ_{1_s}(mm) 画角θ_{1_s}(度) 傾斜角φ_{1_s}(度)
（１，１）３５〜３７４．０２３０．８６
（１，２）３７〜３９４．６３３１．１３
（１，３）３９〜４１５．２４３１．４２
（１，４）４１〜４３５．８５３１．７２
（１，５）４３〜４５６．４５３２．０５
（１，６）４５〜４７７．１４３２．４５
５回全反射
（ｑ，ｓ）距離Ｌ_{1_s}(mm) 画角θ_{1_s}(度) 傾斜角φ_{1_s}(度)
（２，１）３５〜３７ −０．１５２９．３５
（２，２）３７〜３９０．６２９．５９
（２，３）３９〜４１１．４４２９．８７
（２，４）４１〜４３２．２３０．１４
（２，５）４３〜４５２．９５３０．４２
（２，６）４５〜４７３．８７３０．７９
６回全反射
（ｑ，ｓ）距離Ｌ_{1_s}(mm) 画角θ_{1_s}(度) 傾斜角φ_{1_s}(度)
（３，１）３５〜３６．２ −４．１７２８．３０
（３，２）３６．２〜３７．４ −３．４２８．４８
（３，３）３７．４〜３８．６ −２．７３２８．６４
（３，４）３８．６〜３９．８ −２．１２２８．８０
（３，５）３９．８〜４１．０ −１．５２２８．９６
７回全反射
（ｑ，ｓ）距離Ｌ_{1_s}(mm) 画角θ_{1_s}(度) 傾斜角φ_{1_s}(度)
（４，１）３５〜３６．２ −７．９２７．５４
（４，２）３６．２〜３７．４ −７．１４２７．６８
（４，３）３７．４〜３８．６ −６．３２７．８４
（４，４）３８．６〜３９．８ −５．７２７．９６
（４，５）３９．８〜４２．５ −４．１７２８．３０

実施例５は、本発明の第２の態様に係る光学装置及び画像表示装置に関する。実施例５の光学装置及び画像表示装置の概念図は、基本的には図１に示したと同様である。

実施例５の光学装置における第１回折格子部材１３０の概念図（断面）を図８の（Ａ）に示す。

実施例５の光学装置は、実施例１と同様に、
（Ａ）進行方位の異なる複数の平行光束から成る平行光束群が入射され、内部を全反射により伝播した後、射出される導光板２１、
（Ｂ）導光板２１に入射された平行光束群が導光板２１の内部で全反射されるように、導光板２１に入射された平行光束群を回折反射する、反射型体積ホログラム回折格子から成る第１回折格子部材１３０、及び、
（Ｃ）導光板２１の内部を全反射により伝播した平行光束群を回折反射し、導光板２１から平行光束群のまま射出する、反射型体積ホログラム回折格子から成る第２回折格子部材４０、
を備えている。

そして、第１回折格子部材１３０は、図８の（Ｂ）に概念図（断面）を示すように、反射型体積ホログラム回折格子から成るＱ層（実施例５にあっては、Ｑ＝２である）の仮想回折格子層が積層されて成ると仮定したとき、第１回折格子部材１３０を構成する各仮想回折格子層２３０Ａ，２３０Ｂの表面における干渉縞のピッチは等しく、且つ、仮想回折格子層２３０Ａ，２３０Ｂ相互の干渉縞のピッチも等しい。尚、この２層の仮想回折格子層２３０Ａ，２３０Ｂは、図４の（Ｂ）に示した実施例３における回折格子層３０Ａ，３０Ｂと等価であり、仮想回折格子層２３０Ａ，２３０Ｂの特性は、図４の（Ｂ）における回折格子層３０Ａ，３０Ｂと同等であるので、このような仮想回折格子層２３０Ａ，２３０Ｂの構成に関しては、実施例３の説明を参照されたい。

更には、仮想回折格子層２３０Ａ，２３０Ｂにおける干渉縞が仮想回折格子層２３０Ａ，２３０Ｂの表面と成す角度を傾斜角としたとき、各仮想回折格子層２３０Ａ，２３０Ｂにおいて：
（ａ）傾斜角が最小傾斜角となる最小傾斜角領域よりも第２回折格子部材から遠い所に位置する外側領域に形成された干渉縞の傾斜角は、最小傾斜角領域から離れるほど大きく、
（ｂ）最小傾斜角領域よりも第２回折格子部材に近い所に位置する内側領域に形成された干渉縞の傾斜角は、最小傾斜角領域に隣接する内側領域において最大傾斜角であり、最小傾斜角領域から離れるほど小さくなる。

そして、第１回折格子部材１３０を、最も第２回折格子部材に近い部分から最も第２回折格子部材から遠い部分まで、Ｒ個の区画（実施例５にあっては、Ｒ＝６）に分けたとき、ｒ番目（但し、ｒ＝１，２・・・Ｒ）の第１回折格子部材の区画ＲＧ_{1_r}は、Ｑ層の仮想回折格子層を、最も第２回折格子部材に近い部分から最も第２回折格子部材から遠い部分まで、Ｒ個の区画に分けたとき得られる仮想回折格子層の区画ＶＧ_(r,q)（但し、ｑは、１からＱの範囲内で選択された、重複の無い、任意の整数）の積層構造から構成されている。

具体的には、図８の（Ａ）に示すように、第１層目の回折格子層１３０Ａ及び第２層目の回折格子層１３０Ｂは、第２回折格子部材側から、以下の表１４の順で配列されている。表１４にあっては、上段に記載された回折格子層ほど、第２回折格子部材４０に近いところに位置する。

［表１４］
第１層目の回折格子層１３０Ａ第２層目の回折格子層１３０Ｂ
区画ＶＧ_(1,2) 区画ＶＧ_(1,1)
区画ＶＧ_(2,1) 区画ＶＧ_(2,2)
区画ＶＧ_(3,2) 区画ＶＧ_(3,1)
区画ＶＧ_(4,2) 区画ＶＧ_(4,1)
区画ＶＧ_(5,1) 区画ＶＧ_(5,2)
区画ＶＧ_(6,2) 区画ＶＧ_(6,1)

ここで、区画ＶＧ_(1,1)，ＶＧ_(2,1)，ＶＧ_(3,1)，ＶＧ_(4,1)，ＶＧ_(5,1)，ＶＧ_(6,1)の有する特性は、実施例３における第１層目の回折格子層３０Ａの部分ＲＧ_(q,s)［ＲＧ_(1,1)，ＲＧ_(2,1)，ＲＧ_(3,1)，ＲＧ_(4,1)，ＲＧ_(5,1)，ＲＧ_(6,1)］の有する特性と同じとすることができるし、区画ＶＧ_(1,2)，ＶＧ_(2,2)，ＶＧ_(3,2)，ＶＧ_(4,2)，ＶＧ_(5,2)，ＶＧ_(6,2)の有する特性は、実施例３における第１層目の回折格子層３０Ａの部分ＲＧ_(q,s)［ＲＧ_(1,2)，ＲＧ_(2,2)，ＲＧ_(3,2)，ＲＧ_(4,2)，ＲＧ_(5,2)，ＲＧ_(6,2)］の有する特性と同じとすることができる。

図９には、図８の（Ａ）に示したように積層された第１回折格子部材１３０への平行光束の入射状態を模式的に示す。簡略化のため導光板２１は省略している。画像形成装置１１の各画素位置から射出された光束群がコリメート系光学系１２によりコリメートされ、進行方向の異なる平行光束から成る光束群に変換される。その後、これらの平行光束は図示しない導光板２１を通過し、図８の（Ａ）に示した第１回折格子部材１３０に入射する。このとき、区画ＶＧ_(1,2)に入射した平行光束ｒ₁は、区画ＶＧ_(1,2)によって回折反射されること無く、区画ＶＧ_(1,1)に入射し、ここで回折反射される。

即ち、平行光束ｒ₁は最もプラス方向の入射角（最もマイナス方向の画角−θ₀）を有するので、区画ＶＧ_(1,1)において所定のブラッグ条件に基づき回折反射され、導光板２１内を全反射を繰り返しながら伝播していく。一方、この平行光束ｒ₁は、区画ＶＧ_(1,2)においては殆ど回折反射されない。これは、図１０に示すように、それぞれの区画ＶＧ_(r,q)における回折効率の角度特性が同じ位置に積層されている他の区画ＶＧ_(r,q')における回折効率の角度特性をカバーするほど大きくないためである。

しかも、積層されている回折格子層３０Ａ，３０Ｂの厚さは、例えば２０μｍと非常に薄いため、平行光束ｒ₁と平行光束ｒ₇の全反射の位置がずれることがなく、実施例３にて説明したとほぼ同じ特性を有する。尚、第１層目の回折格子層３０Ａと第２層目の回折格子層３０Ｂの積層順序を逆にしてもよい。

尚、第２回折格子部材４０の中心を原点Ｏとし、原点Ｏを通る第２回折格子部材４０の法線をＸ軸、原点Ｏを通る導光板の軸線をＹ軸とし、第２回折格子部材４０によって回折反射され、導光板２１から射出された平行光束群に基づく像を観察するＸ軸上の地点（瞳５０）と、第ｑ層目の仮想回折格子層（但し、ｑ＝１，２・・・Ｑ）によって回折反射され、第２回折格子部材４０によって回折反射されると想定した想定平行光束であってＸ−Ｙ平面内に位置する想定平行光束の内、最も第１回折格子部材１３０に近い想定平行光束との成す角度を画角θ_q＝θ_{q_0}（＞０）、最も第１回折格子部材１３０に遠い想定平行光束との成す角度を画角θ_q＝−θ_{q_0}（＜０）としたとき、
画角θ_q＝θ_{q_0}となる想定平行光束に相当する想定平行光束が回折反射される第ｑ層目の仮想回折格子層の領域が、最大傾斜角を有し、
画角θ_q＝−θ_{q_0}となる想定平行光束に相当する想定平行光束が回折反射される第ｑ番目の仮想回折格子層の領域が、最小傾斜角を有する。

以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこれらの実施例に限定するものではない。実施例１〜実施例４において、第１回折格子部材３０には、各平行光束を構成する異なる波長帯域（あるいは、波長）を有するＰ種類の光束の回折反射の角度を略同一とするために、Ｐ種類の干渉縞が形成されている構成とすることができるし、実施例５において、各仮想回折格子層には、各平行光束を構成する異なる波長帯域（あるいは、波長）を有するＰ種類の光束の回折反射の角度を略同一とするために、Ｐ種類の干渉縞が形成されている構成とすることができる。

実施例５にあっては、第１回折格子部材を構成する回折格子層の部分（領域）と仮想回折格子層の区画とが一対一に対応していたが、これに限定するものではなく、図８の（Ｃ）及び（Ｄ）に、それぞれ、第１回折格子部材の変形例の概念図（断面）、及び、仮想回折格子層の変形例の積層構造の概念図（断面）である。

図１は、実施例１の光学装置及び画像表示装置の概念図である。図２の（Ａ）は、実施例１において、導光板内部における平行光束の全反射回数と、画角θと、第１回折格子部材における平行光束の入射位置の関係を示すグラフであり、図２の（Ｂ）及び（Ｃ）は、実施例１の第１回折格子部材の模式的な断面図である。図３の（Ａ）は、実施例２において、導光板内部における平行光束の全反射回数と、画角θと、第１回折格子部材における平行光束の入射位置の関係を示すグラフであり、図３の（Ｂ）は、実施例２の第１回折格子部材の模式的な断面図である。図４の（Ａ）は、実施例３において、導光板内部における平行光束の全反射回数と、画角θと、第１回折格子部材における平行光束の入射位置の関係を示すグラフであり、図４の（Ｂ）は、実施例３の第１回折格子部材の模式的な断面図である。図５の（Ａ）は、実施例４において、導光板内部における平行光束の全反射回数と、画角θと、第１回折格子部材における平行光束の入射位置の関係を示すグラフであり、図５の（Ｂ）は、実施例４の第１回折格子部材の模式的な断面図である。図６は、第１回折格子部材の領域における回折効率の角度特性が重複している状態を模式的に示す図である。図７の（Ａ）は、実施例４の変形例において、導光板内部における平行光束の全反射回数と、画角θと、第１回折格子部材における平行光束の入射位置の関係を示すグラフであり、図７の（Ｂ）は、実施例４の変形例の第１回折格子部材の模式的な断面図である。図８の（Ａ）は、実施例５の光学装置における第１回折格子部材の概念図（断面）であり、図８の（Ｂ）は、仮想回折格子層が積層されて成ると仮定したとき、第１回折格子部材を構成する各仮想回折格子層の概念図（断面）であり、図８の（Ｃ）は、実施例５の光学装置における第１回折格子部材の変形例の概念図（断面）である。図９は、図８の（Ａ）に示したように積層された第１回折格子部材への平行光束の入射状態を模式的に示す図である。図１０は、多層化された回折格子層に入射する光束が回折反射されるか否かを説明するための図である。図１１は、特表平８−５０７８７９号公報に開示された虚像表示装置の概念図である。図１２の（Ａ）及び（Ｂ）は、特開２００２−１６２５９８号公報に開示された虚像表示装置の概念図である。図１３は、特願２００４−９７２２２にて提案された虚像表示装置の概念図である。図１４は、虚像表示装置を構成する画像形成装置から出射される画像を構成する光の波長スペクトルを模式的に示す図である。

符号の説明

１０・・・画像表示装置、１１・・・画像形成装置、１２・・・コリメート光学系、２０・・・光学装置、２１・・・導光板、３０，１３０・・・第１回折格子部材、１３０Ａ，１３０Ｂ・・・回折格子層、２３０Ａ，２３０Ｂ・・・仮想回折格子層、４０・・・第２回折格子部材、５０・・・瞳

Claims

（Ａ）進行方位の異なる複数の平行光束から成る平行光束群が入射され、内部を全反射により伝播した後、射出される導光板、
（Ｂ）導光板に入射された該平行光束群が導光板の内部で全反射されるように、導光板に入射された該平行光束群を回折反射する、反射型体積ホログラム回折格子から成る第１回折格子部材、及び、
（Ｃ）導光板の内部を全反射により伝播した該平行光束群を回折反射し、導光板から平行光束群のまま射出する、反射型体積ホログラム回折格子から成る第２回折格子部材、
を備え、
第１回折格子部材には、その内部から表面に亙り干渉縞が形成されており、且つ、第１回折格子部材の表面における干渉縞のピッチは等しい光学装置であって、
第１回折格子部材における干渉縞が第１回折格子部材の表面と成す角度を傾斜角としたとき、第１回折格子部材において：
（ａ）傾斜角が最小傾斜角となる最小傾斜角領域よりも第２回折格子部材から遠い所に位置する外側領域に形成された干渉縞の傾斜角は、最小傾斜角領域から離れるほど大きく、
（ｂ）最小傾斜角領域よりも第２回折格子部材に近い所に位置する内側領域に形成された干渉縞の傾斜角は、最小傾斜角領域に隣接する内側領域において最大傾斜角であり、最小傾斜角領域から離れるほど小さくなる、
ことを特徴とする光学装置。
第１回折格子部材には、各平行光束を構成する異なる波長帯域を有するＰ種類の光束の回折反射の角度を略同一とするために、Ｐ種類の干渉縞が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
第２回折格子部材の中心を原点とし、原点を通る第２回折格子部材の法線をＸ軸、原点を通る導光板の軸線をＹ軸とし、第２回折格子部材によって回折反射され、導光板から射出された平行光束群に基づく像を観察するＸ軸上の地点と、第２回折格子部材によって回折反射された平行光束であってＸ−Ｙ平面内に位置する平行光束の内、最も第１回折格子部材に近い平行光束との成す角度を画角θ＝θ₀、最も第１回折格子部材に遠い平行光束との成す角度を画角θ＝−θ₀としたとき、
画角θ＝θ₀となる平行光束に相当する平行光束が回折反射される第１回折格子部材の領域が、前記最大傾斜角を有し、
画角θ＝−θ₀となる平行光束に相当する平行光束が回折反射される第１回折格子部材の領域が、前記最小傾斜角を有することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
第１回折格子部材は、反射型体積ホログラム回折格子から成るＱ層の回折格子層が積層されて成り、
第１回折格子部材を構成する各回折格子層には、その内部から表面に亙り、干渉縞が形成されており、
第１回折格子部材を構成する各回折格子層の表面における干渉縞のピッチは等しく、且つ、回折格子層相互の干渉縞のピッチも等しいことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
第１回折格子部材を構成する回折格子層の全てにおいて最小傾斜角は異なり、且つ、第１回折格子部材を構成する回折格子層の全てにおいて最大傾斜角は異なることを特徴とする請求項４に記載の光学装置。
第１回折格子部材を構成するＱ層の回折格子層において、少なくとも一の回折格子層の最小傾斜角は、他の一の回折格子層の最小傾斜角以上、最大傾斜角以下であるか、あるいは又、該一の回折格子層の最大傾斜角は、他の一の回折格子層の最小傾斜角以上、最大傾斜角以下であることを特徴とする請求項４に記載の光学装置。
第２回折格子部材の中心を原点とし、原点を通る第２回折格子部材の法線をＸ軸、原点を通る導光板の軸線をＹ軸とし、第２回折格子部材によって回折反射され、導光板から射出された平行光束群に基づく像を観察するＸ軸上の地点と、第ｑ層目の回折格子層（但し、ｑ＝１，２・・・Ｑ）によって回折反射され、第２回折格子部材によって回折反射された平行光束であってＸ−Ｙ平面内に位置する平行光束の内、最も第１回折格子部材に近い平行光束との成す角度を画角θ_q＝θ_{q_0}、最も第１回折格子部材に遠い平行光束との成す角度を画角θ_q＝−θ_{q_0}としたとき、
画角θ_q＝θ_{q_0}となる平行光束に相当する平行光束が回折反射される第ｑ層目の回折格子層の領域が、前記最大傾斜角を有し、
画角θ_q＝−θ_{q_0}となる平行光束に相当する平行光束が回折反射される第ｑ番目の回折格子層の領域が、前記最小傾斜角を有することを特徴とする請求項４に記載の光学装置。
前記平行光束群の導光板内部における全反射の回数は、該平行光束群の導光板への入射角度に依存して異なることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
（Ａ）進行方位の異なる複数の平行光束から成る平行光束群が入射され、内部を全反射により伝播した後、射出される導光板、
（Ｂ）導光板に入射された該平行光束群が導光板の内部で全反射されるように、導光板に入射された該平行光束群を回折反射する、反射型体積ホログラム回折格子から成る第１回折格子部材、及び、
（Ｃ）導光板の内部を全反射により伝播した該平行光束群を回折反射し、導光板から平行光束群のまま射出する、反射型体積ホログラム回折格子から成る第２回折格子部材、
を備え、
第１回折格子部材は、反射型体積ホログラム回折格子から成るＱ層の仮想回折格子層が積層されて成ると仮定したとき、第１回折格子部材を構成する各仮想回折格子層の表面における干渉縞のピッチは等しく、且つ、仮想回折格子層相互の干渉縞のピッチも等しい光学装置であって、
仮想回折格子層における干渉縞が仮想回折格子層の表面と成す角度を傾斜角としたとき、各仮想回折格子層において：
（ａ）傾斜角が最小傾斜角となる最小傾斜角領域よりも第２回折格子部材から遠い所に位置する外側領域に形成された干渉縞の傾斜角は、最小傾斜角領域から離れるほど大きく、
（ｂ）最小傾斜角領域よりも第２回折格子部材に近い所に位置する内側領域に形成された干渉縞の傾斜角は、最小傾斜角領域に隣接する内側領域において最大傾斜角であり、最小傾斜角領域から離れるほど小さくなり、
第１回折格子部材を、最も第２回折格子部材に近い部分から最も第２回折格子部材から遠い部分まで、Ｒ個の区画に分けたとき、ｒ番目（但し、ｒ＝１，２・・・Ｒ）の第１回折格子部材の区画ＲＧ_{1_r}は、Ｑ層の仮想回折格子層を、最も第２回折格子部材に近い部分から最も第２回折格子部材から遠い部分まで、Ｒ個の区画に分けたとき得られる仮想回折格子層の区画ＶＧ_(r,q)（但し、ｑは、１からＱの範囲内で選択された、重複の無い、任意の整数）の積層構造から構成されていることを特徴とする光学装置。
各仮想回折格子層には、各平行光束を構成する異なる波長帯域を有するＰ種類の光束の回折反射の角度を略同一とするために、Ｐ種類の干渉縞が形成されていることを特徴とする請求項９に記載の光学装置。
第２回折格子部材の中心を原点とし、原点を通る第２回折格子部材の法線をＸ軸、原点を通る導光板の軸線をＹ軸とし、第２回折格子部材によって回折反射され、導光板から射出された平行光束群に基づく像を観察するＸ軸上の地点と、第ｑ層目の仮想回折格子層（但し、ｑ＝１，２・・・Ｑ）によって回折反射され、第２回折格子部材によって回折反射されると想定した想定平行光束であってＸ−Ｙ平面内に位置する想定平行光束の内、最も第１回折格子部材に近い想定平行光束との成す角度を画角θ_q＝θ_{q_0}、最も第１回折格子部材に遠い想定平行光束との成す角度を画角θ_q＝−θ_{q_0}としたとき、
画角θ_q＝θ_{q_0}となる想定平行光束に相当する想定平行光束が回折反射される第ｑ層目の仮想回折格子層の領域が、前記最大傾斜角を有し、
画角θ_q＝−θ_{q_0}となる想定平行光束に相当する想定平行光束が回折反射される第ｑ番目の仮想回折格子層の領域が、前記最小傾斜角を有することを特徴とする請求項９に記載の光学装置。
前記平行光束群の導光板内部における全反射の回数は、該平行光束群の導光板への入射角度に依存して異なることを特徴とする請求項９に記載の光学装置。
画像形成装置と、
画像形成装置から射出された光束を平行光束とするコリメート光学系と、
コリメート光学系にて進行方位の異なる複数の平行光束とされた光束が入射され、導光され、射出される光学装置、
から成る画像表示装置であって、
光学装置は、
（Ａ）進行方位の異なる複数の平行光束から成る平行光束群が入射され、内部を全反射により伝播した後、射出される導光板、
（Ｂ）導光板に入射された該平行光束群が導光板の内部で全反射されるように、導光板に入射された該平行光束群を回折反射する、反射型体積ホログラム回折格子から成る第１回折格子部材、及び、
（Ｃ）導光板の内部を全反射により伝播した該平行光束群を回折反射し、導光板から平行光束群のまま射出する、反射型体積ホログラム回折格子から成る第２回折格子部材、
を備え、
第１回折格子部材には、その内部から表面に亙り干渉縞が形成されており、且つ、第１回折格子部材の表面における干渉縞のピッチは等しく、
第１回折格子部材における干渉縞が第１回折格子部材の表面と成す角度を傾斜角としたとき、第１回折格子部材において：
（ａ）傾斜角が最小傾斜角となる最小傾斜角領域よりも第２回折格子部材から遠い所に位置する外側領域に形成された干渉縞の傾斜角は、最小傾斜角領域から離れるほど大きく、
（ｂ）最小傾斜角領域よりも第２回折格子部材に近い所に位置する内側領域に形成された干渉縞の傾斜角は、最小傾斜角領域に隣接する内側領域において最大傾斜角であり、最小傾斜角領域から離れるほど小さくなる、
ことを特徴とする画像表示装置。
画像形成装置と、
画像形成装置から射出された光束を平行光束とするコリメート光学系と、
コリメート光学系にて進行方位の異なる複数の平行光束とされた光束が入射され、導光され、射出される光学装置、
から成る画像表示装置であって、
光学装置は、
（Ａ）進行方位の異なる複数の平行光束から成る平行光束群が入射され、内部を全反射により伝播した後、射出される導光板、
（Ｂ）導光板に入射された該平行光束群が導光板の内部で全反射されるように、導光板に入射された該平行光束群を回折反射する、反射型体積ホログラム回折格子から成る第１回折格子部材、及び、
（Ｃ）導光板の内部を全反射により伝播した該平行光束群を回折反射し、導光板から平行光束群のまま射出する、反射型体積ホログラム回折格子から成る第２回折格子部材、
を備え、
第１回折格子部材は、反射型体積ホログラム回折格子から成るＱ層の仮想回折格子層が積層されて成ると仮定したとき、第１回折格子部材を構成する各仮想回折格子層の表面における干渉縞のピッチは等しく、且つ、仮想回折格子層相互の干渉縞のピッチも等しく、
仮想回折格子層における干渉縞が仮想回折格子層の表面と成す角度を傾斜角としたとき、各仮想回折格子層において：
（ａ）傾斜角が最小傾斜角となる最小傾斜角領域よりも第２回折格子部材から遠い所に位置する外側領域に形成された干渉縞の傾斜角は、最小傾斜角領域から離れるほど大きく、
（ｂ）最小傾斜角領域よりも第２回折格子部材に近い所に位置する内側領域に形成された干渉縞の傾斜角は、最小傾斜角領域に隣接する内側領域において最大傾斜角であり、最小傾斜角領域から離れるほど小さくなり、
第１回折格子部材を、最も第２回折格子部材に近い部分から最も第２回折格子部材から遠い部分まで、Ｒ個の区画に分けたとき、ｒ番目（但し、ｒ＝１，２・・・Ｒ）の第１回折格子部材の区画ＲＧ_{1_r}は、Ｑ層の仮想回折格子層を、最も第２回折格子部材に近い部分から最も第２回折格子部材から遠い部分まで、Ｒ個の区画に分けたとき得られる仮想回折格子層の区画ＶＧ_(r,q)（但し、ｑは、１からＱの範囲内で選択された、重複の無い、任意の整数）の積層構造から構成されていることを特徴とする画像表示装置。