JP2014224846A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回折光学素子によって回折した画像光を導光部材に入射させる構成を採用した場合における画像光の光量損失や明るさムラを低減することのできる表示装置を提供すること。
【解決手段】表示装置１００において、光入射部２１と第１反射面２０ｅとのＹ方向における距離Ｔ、導光部材２０内での画像光Ｌ０の第１反射面２０ｅへの入射角度θa、第１回折光学素子１７のＸ方向に沿う方向の幅Ｗ、第１回折光学素子１７に入射する画像光Ｌ０において画像光Ｌ０の進行方向に対してＸ方向に沿う方向で直交する方向の光束の幅φ、および画像光Ｌ０の第１回折光学素子１７への入射角度θbは、以下の関係
｛φ／（ｃｏｓθb）｝＜Ｗ＜（２×Ｔ×ｔａｎθa）
を満たしている。
【選択図】図２

Description

本発明は、画像光が導光部材内を導光して出射される表示装置に関するものである。

画像光が導光部材内を導光して出射される表示装置としては、例えば、頭部装着型の表示装置を挙げることができる。かかる表示装置に用いられる導光部材は、光入射部と、光入射部に沿う方向で光入射部から離間する光出射部と、光入射部と光出射部との間で対向する２つの反射面とを備えており、画像光は、対向する２つの反射面の間で反射を繰り返しながら導光部材内を進行する。

ここで、光入射部に回折光学素子を設け、画像光出射装置から出射された画像光を回折して光入射部に入射させる構成が提案されている（特許文献１、２参照）。かかる回折光学素子を用いれば、反射や屈折を利用するよりも小型で画像光に対する操作自由度が高いという利点がある。

特開２００７−２１９１０６号公報 特表２００９−５３９１２９号公報

しかしながら、光入射部に回折光学素子を設けた構成の場合、光入射部から導光部材内に入射した画像光が反射面で反射した後、光入射部に向けて進行すると、回折光学素子での透過等によって画像光の一部が表示に寄与しなくなるという問題点がある。その結果、画像光の光量損失や画像の明るさムラが発生する。

以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、回折光学素子によって回折した画像光を導光部材に入射させる構成を採用した場合における画像光の光量損失や明るさムラを低減することのできる表示装置を提供することにある。

本発明に係る表示装置の一態様は、画像光を出射する画像光出射装置と、光入射部および光出射部を備えた導光部材と、前記導光部材の前記画像光が照射される位置に設けられた回折光学素子と、を有し、前記導光部材は、前記回折光学素子が設けられた面と反対側に第１反射面を含み、前記画像光は、前記回折光学素子に第１方向に沿って入射して回折された後、前記第１反射面に第２方向に沿って入射し、前記導光部材の前記回折光学素子が設けられた面と前記第１反射面との間の距離をＴ、前記第２方向と前記第１反射面の法線とがなす角をθa、前記第１方向と前記回折光学素子の法線とがなす角をθb、前記回折光学素子における、前記第２方向を前記回折光学素子へ投影した方向に沿った幅をＷ、前記回折光学素子に入射する前記画像光における、前記第１方向と直交した方向に沿った光束の幅をφとしたとき、
｛φ／（ｃｏｓθb）｝＜Ｗ＜（２×Ｔ×ｔａｎθa）
を満たすことを特徴とする。

本発明では、回折光学素子の第２方向に沿う方向の幅Ｗ、回折光学素子に入射する画像光の第１方向と直交する方向の光束の幅φ、および画像光の回折光学素子への入射角度θbは、以下の関係
｛φ／（ｃｏｓθb）｝＜Ｗ
を満たしている。ここで、｛φ／（ｃｏｓθb）｝は、画像光の回折光学素子への入射領域の寸法に相当するので、画像光出射装置から出射された画像光の全てを回折光学素子に入射させることができる。また、光入射部と第１反射面との距離Ｔ、導光部材内での画像光の第１反射面への入射角度θa、および回折光学素子の幅Ｗは、以下の関係
Ｗ＜（２×Ｔ×ｔａｎθa）
を満たしている。ここで、（２×Ｔ×ｔａｎθa）は、画像光の導光部材内部での反射の１周期分の距離に相当するので、画像光は、導光部材の光入射部から入射した後、回折光学素子に到達しない。それ故、導光部材内部で画像光が回折光学素子に入射することに起因する光量の損失や明るさムラの発生を抑制することができる。

本発明において、前記導光部材は、前記光入射部に対して前記光出射部が位置する側とは反対側に位置する面に第２反射面を備え、前記画像光は、前記回折光学素子に入射して回折され、前記第２反射面で反射された後、前記第１反射面に入射する構成を採用することができる。

本発明において、前記回折光学素子は、透過型の回折光学素子であり、前記回折光学素子は、前記画像光出射装置と前記光入射部との間に設けられている構成を採用することができる。

本発明は、前記回折光学素子が表面レリーフ型のホログラム素子である場合に効果的である。表面レリーフ型のホログラムは、広い波長選択範囲が得られる一方、入射角度変化に対して反射率の低下が大きいという欠点がある。従って、回折光学素子として表面レリーフ型のホログラムを用いた場合には、本発明を適用した場合の効果が大である。

本発明において、前記回折光学素子は、反射型の回折光学素子であり、前記回折光学素子は、前記光入射部と反対側に位置する面に設けられている構成を採用してもよい。

この場合、前記回折光学素子は、反射型体積ホログラムであることが好ましい。かかる構成によれば、高い回折効率を得ることができるという利点がある。

本発明において、前記導光部材を保持するフレームを備え、前記フレームは、頭部に装着される構成を採用することができる。かかる構成によれば、本発明に係る表示装置を頭部装着型の表示装置として構成することができる。

本発明の実施の形態１に係る表示装置の一例を示す斜視図である。 図１に示す表示装置の光学系等の説明図である。 本発明の実施の形態１に用いた第１回折光学素子の０次反射率と入射角度との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態２に係る表示装置の光学系等の説明図である。 本発明の実施の形態３に係る表示装置の光学系等の説明図である。 本発明の実施の形態４に係る表示装置の光学系等の説明図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の説明で参照する図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならしめてある。また、以下の説明では、光入射部２１に沿う方向をＸ方向とし、Ｘ方向に直交する方向をＺ方向とし、Ｘ方向およびＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。

［実施の形態１］
（表示装置の全体構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係る表示装置の一例を示す斜視図である。図２は、図１に示す表示装置の光学系等の説明図であり、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、光学系の正面図、光学系の平面図、画像光が第１回折光学素子に入射する様子を示す説明図、および導光部材内で画像光が反射しながら進行する様子の説明図である。

図１に示す表示装置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（頭部装着型表示装置）であり、この表示装置１００を装着した観察者に対して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。表示装置１００は、観察者の眼前を覆う光学パネル１１０と、光学パネル１１０を支持するフレーム１２１と、フレーム１２１の角付近に配置された第１駆動部１３１および第２駆動部１３２とを備えている。光学パネル１１０は、第１パネル部分１１１と第２パネル部分１１２とを有しており、第１パネル部分１１１と第２パネル部分１１２とは、中央で一体的に連結された板状の部品となっている。図面に向かって左側の第１パネル部分１１１と第１駆動部１３１とを組み合わせた第１表示装置１００Ａは、左眼用の部分であり、単独でも表示装置として機能する。また、図面に向かって右側の第２パネル部分１１２と第２駆動部１３２とを組み合わせた第２表示装置１００Ｂは、右眼用の部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。

図２に示すように、第１表示装置１００Ａは、画像光出射装置１５、および導光部材２０等を備えている。画像光出射装置１５は、図１における第１駆動部１３１に相当し、導光部材２０は、図１における第１パネル部分１１１に相当する。なお、図１に示す第２表示装置１００Ｂは、第１表示装置１００Ａと同様の構造を有し、左右を反転させただけであるので、第２表示装置１００Ｂの詳細な説明は省略する。

画像光出射装置１５は、画像形成装置１１と投射光学系１２とを有する。画像形成装置１１は、図示を省略するが、２次元的な照明光を出射する照明装置と、透過型の空間光変調装置である液晶表示デバイス、照明装置および液晶表示デバイスの動作を制御する駆動制御部とを有する。照明装置は、赤、緑、青の３色を含む光を発生し、液晶表示デバイスは、照明装置からの照明光を空間的に変調して動画像等の表示対象となるべき画像光Ｌ０を形成する。投射光学系１２は、液晶表示デバイス上の各点から出射された画像光Ｌ０を平行状態の光束にするコリメートレンズである。なお、画像形成装置１１としては、光源からの光をＭＥＭＳ等のミラーで反射させて画像を形成させる反射型の空間光変調器を用いてもよい。

（導光部材２０の構成）
導光部材２０は、ＸＹ面に平行で互いにＺ方向で対向する２つの面（第１面２０ａおよび第２面２０ｂ）をもってＸ方向に延在する平板状の透光性部材からなる。導光部材２０は、一体形成品であるが、機能的に、光入射部２１と導光部２２と光出射部２３とに分けて考えることができる。

光入射部２１は、導光部材２０のＸ方向の一方側端部で画像光出射装置１５と対向する面であり、光出射部２３は、導光部材２０においてＸ方向で離間する他方側端部で観察者の眼Ｇと対向する面であり、導光部２２は、光入射部２１と光出射部２３との間でＸ方向に延在する部分である。本形態において、画像光出射装置１５から画像光Ｌ０の出射方向は、光入射部２１に対して斜めに向いており、観察者の視線は、光出射部２３に対して斜めに向いている。

光入射部２１と光出射部２３は、導光部材２０のＺ方向の異なる面に構成される場合もあるが、本形態において、光入射部２１および光出射部２３は、導光部材２０においてＺ方向の一方側に位置する第２面２０ｂに構成されている。

導光部２２は、導光部材２０の第１面２０ａからなる第１反射面２０ｅと、第２面２０ｂのうち、光入射部２１および光出射部２３を除く面からなる反射面２０ｆとを備えており、光入射部２１から入射した画像光Ｌ０を光出射部２３に導く。ここで、第１面２０ａおよび第２面２０ｂには、ミラー層等の反射コートが施されておらず、第１反射面２０ｅおよび反射面２０ｆは、屈折率差を利用した全反射面になっている。なお、導光部材２０のＺ方向の厚みは、例えば５ｍｍ程度である。

（第１回折光学素子１７および第２回折光学素子１８）
導光部材２０には、光入射部２１に重なるように第１回折光学素子１７が配置されているとともに、光出射部２３に重なるように第２回折光学素子１８が配置されている。第１回折光学素子１７は、画像光出射装置１５から出射された画像光Ｌ０をＸ方向に回折して光入射部２１に斜めに入射させるように構成され、第２回折光学素子１８は、画像光出射装置１５から出射された画像光Ｌ０をＸ方向に回折して観察者の眼Ｇに到達させるように構成されている。

本形態において、第１回折光学素子１７および第２回折光学素子１８は、表面に凹凸を付した表面レリーフ型のホログラム素子、表面に鋸歯状の凹凸を付したブレーズ型のホログラム素子、または膜内部の屈折率差を利用した透過体積型のホログラム素子等の透過型回折光学素子である。このため、光入射部２１、光出射部２３、第１回折光学素子１７および第２回折光学素子１８は、導光部材２０に対して画像光出射装置１５が位置する側（導光部材２０の第１面２０ａ側）に配置されている。

（画像表示動作）
本形態の表示装置１００において、画像光出射装置１５から画像光Ｌ０が出射されると、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、画像光Ｌ０は、第１回折光学素子１７に入射角θｂで入射し、第１回折光学素子１７によってＸ方向に回折した１次回折光（＋１次回折光）が光入射部２１から導光部材２０に入射する。

次に、導光部材２０内において、画像光Ｌ０は、図２（ｂ）、（ｄ）に示すように、まず、導光部材２０の第１反射面２０ｅに入射角度θaで入射し、全反射される。次に、画像光Ｌ０は、導光部材２０の反射面２０ｆに入射角度θaで入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、導光部材２０の内部を光出射部２３が位置する側に導かれる。

そして、画像光Ｌ０は、光出射部２３から出射された後、第２回折光学素子１８によってＸ方向に回折され、１次回折光が観察者の眼Ｇに届く。従って、観察者は、画像光出射装置１５で形成された画像を見ることができる。

（シースルーでの背景の視認）
本形態の表示装置１００では、導光部材２０の第１面２０ａおよび第２面２０ｂには反射コートが施されていない。このため、導光部材２０の向こう側において、観察者の眼Ｇと光出射部２３とを通る仮想線上（光出射部２３を通って第２回折光学素子１８による画像光Ｌ０の回折方向に沿う方向に延在する仮想線上）を進行する外界光Ｌ１は、第１面２０ａから導光部材２０に入射した後、光出射部２３から出射される。そして、外界光Ｌ１のうち、第２回折光学素子１８から０次光として透過した光が観察者の眼Ｇに届く。従って、観察者は、画像光出射装置１５で形成された画像を見ることができるとともに、導光部材２０の向こう側の景色等をシースルーで見ることができる。

（画像光Ｌ０の光量損失対策）
図３は、本発明の実施の形態１に用いた第１回折光学素子１７の０次反射率と入射角度との関係を示すグラフである。

本形態の表示装置１００においては、以下に説明するように、まず、画像光出射装置１５から出射された画像光Ｌ０が導光部材２０に入射する際の損失を低減してある。より具体的には、第１回折光学素子１７のＸ方向に沿う方向の幅Ｗ、第１回折光学素子１７に入射する画像光Ｌ０において画像光Ｌ０の進行方向に対してＸ方向に沿う方向で直交する方向の光束の幅φ、および画像光Ｌ０の第１回折光学素子１７への入射角度θbは、以下の関係１
関係１・・｛φ／（ｃｏｓθb）｝＜Ｗ
を満たしている。

すなわち、画像光Ｌ０が第１回折光学素子１７に第１方向に沿って入射し、第１反射面２０ｅに第２方向に沿って入射するとした場合、画像光Ｌ０の第１方向と直交した方向に沿った光束の幅φ、第１回折光学素子１７における、第２方向を第１回折光学素子１７へ投影した方向に沿った幅Ｗ、第１方向と第１回折光学素子１７の法線とがなす角（入射角度θb）は、上記の関係１を満たしている。

ここで、図２（ｃ）に示すように、画像光Ｌ０の第１回折光学素子１７への入射領域のＸ方向の寸法は、｛φ／（ｃｏｓθb）｝で求められるので、本形態では、第１回折光学素子１７のＸ方向に沿う方向の幅Ｗが、画像光Ｌ０の第１回折光学素子１７への入射領域のＸ方向の寸法｛φ／（ｃｏｓθb）｝より大に設定されている。このため、画像光出射装置１５から出射された画像光Ｌ０の全てを第１回折光学素子１７に入射させることができる。

また、本形態の表示装置１００では、図３に示す第１回折光学素子１７の反射特性から分かるように、第１回折光学素子１７での反射率は角度依存性を有しており、例えば、導光部材２０内で第１回折光学素子１７に画像光Ｌ０が到達した際、入射角度が小さいと、反射率が小さくなってしまう。例えば、導光部材２０内で第１回折光学素子１７に画像光Ｌ０が到達した際の入射角度が４７°以下では、反射率が２６％以下であり、入射角度が３５°以下では、反射率が１０％以下である。

従って、導光部材２０内で第１回折光学素子１７に画像光Ｌ０が到達すると、光量損失が発生してしまう。そこで、本形態では、画像光Ｌ０が導光部材２０の光入射部２１から入射した後、導光部材２０の内部で画像光Ｌ０が第１反射面２０ｅで全反射した際、画像光Ｌ０が第１回折光学素子１７に到達しないようになっている。より具体的には、光入射部２１と第１反射面２０ｅとのＺ方向における距離Ｔ、導光部材２０内での画像光Ｌ０の第１反射面２０ｅへの入射角度θa、および第１回折光学素子１７のＸ方向に沿う方向の幅Ｗは、以下の関係２
関係２・・Ｗ＜（２×Ｔ×ｔａｎθa）
を満たしている。

すなわち、画像光Ｌ０が第１回折光学素子１７に第１方向に沿って入射し、第１反射面２０ｅに第２方向に沿って入射するとした場合、導光部材２０の第１回折光学素子１７が設けられた面と第１反射面２０ｅとの間の距離Ｔ、第２方向と第１反射面２０ｅの法線とがなす角（入射角度θa）、第１回折光学素子１７における、第２方向を第１回折光学素子１７へ投影した方向に沿った幅Ｗは、上記の関係２を満たしている。

ここで、光入射部２１から導光部材２０内に入射した画像光Ｌ０は、図２（ｄ）に示すように、導光部材２０の第１反射面２０ｅに入射角度θaで入射し、第１反射面２０ｅで反射した画像光Ｌ０は、反射面２０ｆに入射角度θaで入射する。かかる反射の１周期に相当するＸ方向の距離は、（２×Ｔ×ｔａｎθa）で求められることから、本形態では、第１回折光学素子１７のＸ方向に沿う方向の幅Ｗは、画像光Ｌ０の１周期分のＸ方向の進行距離（２×Ｔ×ｔａｎθa）より小に設定されている。

このため、画像光Ｌ０が導光部材２０の光入射部２１から入射した後、第１反射面２０ｅで全反射した際、第１回折光学素子１７に到達しないので、第１回折光学素子１７に入射することに起因する光量の損失が抑制される。

（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態の表示装置１００では、光入射部２１と第１反射面２０ｅとのＺ方向における距離Ｔ、導光部材２０内での画像光Ｌ０の第１反射面２０ｅへの入射角度θa、第１回折光学素子１７のＸ方向に沿う方向の幅Ｗ、第１回折光学素子１７に入射する画像光Ｌ０において画像光Ｌ０の進行方向に対してＸ方向に沿う方向で直交する方向の光束の幅φ、および画像光Ｌ０の第１回折光学素子１７への入射角度θbは、以下の関係
｛φ／（ｃｏｓθb）｝＜Ｗ＜（２×Ｔ×ｔａｎθa）
を満たしている。

すなわち、第１回折光学素子１７のＸ方向に沿う方向の幅Ｗ、第１回折光学素子１７に入射する画像光Ｌ０において画像光Ｌ０の進行方向に対してＸ方向に沿う方向で直交する方向の光束の幅φ、および画像光Ｌ０の第１回折光学素子１７への入射角度θbは、以下の関係１
関係１・・｛φ／（ｃｏｓθb）｝＜Ｗ
を満たしている。ここで、｛φ／（ｃｏｓθb）｝は、画像光Ｌ０の第１回折光学素子１７への入射領域のＸ方向の寸法に相当するので、画像光出射装置１５から出射された画像光のＬ０全てを第１回折光学素子１７に入射させることができる。また、本形態の表示装置１００では、光入射部２１と第１反射面２０ｅとのＺ方向における距離Ｔ、導光部材２０内での画像光Ｌ０の第１反射面２０ａへの入射角度θa、および第１回折光学素子１７のＸ方向に沿う方向の幅Ｗは、以下の関係２
関係２・・Ｗ＜（２×Ｔ×ｔａｎθa）
を満たしている。ここで、（２×Ｔ×ｔａｎθa）は、画像光Ｌ０の導光部材２０内部での反射の１周期分の距離に相当するので、画像光Ｌ０は、導光部材２０の光入射部２１から入射した後、第１回折光学素子１７に到達しない。それ故、導光部材２０内部で画像光Ｌ０が第１回折光学素子１７に入射することに起因する光量の損失や明るさムラの発生を抑制することができる。

また、第１回折光学素子１７としては、表面レリーフ型のホログラム素子、ブレーズ型のホログラム素子、透過体積型のホログラム素子等が用いられるが、かかる透過型回折光学素子のうち、表面レリーフ型のホログラムは、広い波長選択範囲が得られる一方、入射光の入射角度を変化させたときの反射率の低下が大きいという欠点がある。従って、第１回折光学素子１７として表面レリーフ型のホログラムを用いた場合には、本発明を適用した場合の効果が大である。

また、本形態では、第１回折光学素子１７の幅Ｗの上限を設定したので、第１回折光学素子１７の幅Ｗを過度に大とすることがなくなる。それ故、コストを低減することができる。

［実施の形態２］
図４は、本発明の実施の形態２に係る表示装置の光学系等の説明図である。なお、本形態の基本的な構成は、実施の形態１と同様であるため、共通する部分には同一の符号を付して図示し、それらの説明を省略する。実施の形態１では、導光部材２０内において、Ｘ方向の一方方向（光入射部２１側から光出射部２３に向かう方向）に進行する画像光Ｌ０に着目し、光入射部２１と第１反射面２０ｅとのＺ方向における距離Ｔ、導光部材２０内での画像光Ｌ０の第１反射面２０ａへの入射角度θa、および第１回折光学素子１７のＸ方向に沿う方向の幅Ｗが、以下の関係２
関係２・・Ｗ＜（２×Ｔ×ｔａｎθa）
を満たしている構成とした。

これに対して、本形態では、図４に示すように、導光部材２０において光入射部２１に対して光出射部２３が位置する側とは反対側の側面２０ｃに反射層２５が形成されている。このため、導光部材２０において光入射部２１に対して光出射部２３が位置する側とは反対側の側面２０ｃは、第２反射面２０ｇになっている。このような構成の場合、第１回折光学素子１７によって−Ｘ方向に回折した１次回折光（＋１次回折光）は、光入射部２１から導光部材２０に入射した後、第２反射面２０ｇで反射してから第１反射面２０ｅで反射する。

そこで、本形態では、光入射部２１と第１反射面２０ｅとのＺ方向における距離Ｔ、導光部材２０内での画像光Ｌ０の第１反射面２０ａへの入射角度θa、および第１回折光学素子１７のＸ方向に沿う方向の幅Ｗが、以下の関係３
関係３・・Ｗ＜（Ｔ×ｔａｎθa）
を満たす構成になっている。このため、導光部材２０の内部で画像光Ｌ０が、Ｘ方向で折り返してから導光部材２０の内部を進行する場合でも、画像光Ｌ０が第１回折光学素子１７に到達する回数が最大でも１回で済む。それ故、導光部材２０内部で画像光Ｌ０が第１回折光学素子１７に入射することに起因する光量の損失や明るさムラの発生を抑制することができる。

また、本形態でも、実施の形態１と同様、第１回折光学素子１７のＸ方向に沿う方向の幅Ｗ、第１回折光学素子１７に入射する画像光Ｌ０において画像光Ｌ０の進行方向に対してＸ方向に沿う方向で直交する方向の光束の幅φ、および画像光Ｌ０の第１回折光学素子１７への入射角度θbは、以下の関係１
関係１・・｛φ／（ｃｏｓθb）｝＜Ｗ
を満たしている。このため、画像光出射装置１５から出射された画像光のＬ０全てを第１回折光学素子１７に入射させることができる。

［実施の形態３］
図５は、本発明の実施の形態３に係る表示装置の光学系等の説明図である。なお、本形態の基本的な構成は、実施の形態１と同様であるため、共通する部分には同一の符号を付して図示し、それらの説明を省略する。図５に示すように、本形態でも、導光部材２０は、ＸＹ面に平行で互いにＺ方向で対向する２つの面（第１面２０ａおよび第２面２０ｂ）をもってＸ方向に延在する平板状の透光性部材からなる。

本形態においては、第１回折光学素子１７および第２回折光学素子１８として反射型回折光学素子が用いられている。例えば、第１回折光学素子１７および第２回折光学素子１８には、反射型体積ホログラム素子が用いられている。このため、光入射部２１、第１回折光学素子１７、光出射部２３、および第２回折光学素子１８は、導光部材２０に対して画像光出射装置１５が位置する側とは反対側（導光部材２０の第１面２０ａ側）に配置されている。このため、導光部材２０の第２面２０ｂの全体が第１反射面２０ｅであり、導光部材２０の第１面２０ａのうち、光入射部２１および光出射部２３を除く面が反射面２０ｆになっている。また、画像光出射装置１５からの画像光Ｌ０の出射方向は、例えば、導光部材２０の第２面２０ｂに対して垂直の場合は、観察者の視線も導光部材２０の第２面２０ｂに対して垂直である。なお、画像光出射装置１５からの画像光Ｌ０の出射方向は、例えば、導光部材２０の第２面２０ｂに対して斜めであってもよく、この場合、観察者の視線も導光部材２０の第２面２０ｂに対して斜めである。

このように構成した表示装置１００において、画像光出射装置１５から画像光Ｌ０が出射されると、画像光Ｌ０は、導光部材２０の第１面２０ａのうち、光入射部２１と対向する部分から導光部材２０に入射した後、光入射部２１から出射される。

次に、光入射部２１から出射された画像光Ｌ０は、第１回折光学素子１７に入射角θｂで入射し、第１回折光学素子１７によってＸ方向に回折した１次回折光が光入射部２１から導光部材２０に入射する。本形態において、入射角θｂは０°で示したが、それ以外の角度であってもよい。

次に、導光部材２０内において、画像光Ｌ０は、まず、導光部材２０の第１反射面２０ｅに入射角度θaで入射し、全反射される。次に、画像光Ｌ０は、導光部材２０の反射面２０ｆに入射角度θaで入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、導光部材２０の内部を光出射部２３が位置する側に導かれる。

そして、画像光Ｌ０は、光出射部２３から出射された後、第２回折光学素子１８によってＸ方向に回折され、再び、光出射部２３から導光部材２０に入射する。しかる後に、画像光Ｌ０は、導光部材２０の第１面２０ａのうち、光出射部２３と対向する部分から観察者に向けて出射される。

このように構成した表示装置１００でも、第１回折光学素子１７のＸ方向に沿う方向の幅Ｗ、第１回折光学素子１７に入射する画像光Ｌ０において画像光Ｌ０の進行方向に対してＸ方向に沿う方向で直交する方向の光束の幅φ、および画像光Ｌ０の第１回折光学素子１７への入射角度θbは、以下の関係１
関係１・・｛φ／（ｃｏｓθb）｝＜Ｗ
を満たしている。ここで、θbが例えば０°の場合、画像光Ｌ０の第１回折光学素子１７への入射領域のＸ方向の寸法はφであり、第１回折光学素子１７のＸ方向に沿う方向の幅Ｗより小である。このため、画像光出射装置１５から出射された画像光のＬ０全てを第１回折光学素子１７に入射させることができる。

また、本形態の表示装置１００では、光入射部２１と第１反射面２０ｅとのＺ方向における距離Ｔ、導光部材２０内での画像光Ｌ０の第１反射面２０ａへの入射角度θa、および第１回折光学素子１７のＸ方向に沿う方向の幅Ｗは、以下の関係２
関係２・・Ｗ＜（２×Ｔ×ｔａｎθa）
を満たしている。ここで、（２×Ｔ×ｔａｎθa）は、画像光Ｌ０の導光部材２０内部での反射の１周期分の距離に相当するので、画像光Ｌ０は、導光部材２０の光入射部２１から入射した後、第１回折光学素子１７に到達しない。それ故、導光部材２０内部で画像光Ｌ０が第１回折光学素子１７に入射することに起因する光量の損失や明るさムラの発生を抑制することができる。

また、本形態では、第１回折光学素子１７として、反射型体積ホログラムを用いたため、高い回折効率が得られるという利点がある。なお、本形態でも、実施の形態２で説明した構成を採用してもよい。

［実施の形態４］
図６は、本発明の実施の形態４に係る表示装置の光学系等の説明図である。なお、本形態の基本的な構成は、実施の形態１と同様であるため、共通する部分には同一の符号を付して図示し、それらの説明を省略する。

図５に示すように、本形態でも、実施の形態１と同様、導光部材２０は、ＸＹ面に平行で互いにＺ方向で対向する２つの面（第１面２０ａおよび第２面２０ｂ）をもってＸ方向に延在する平板状の透光性部材からなり、光入射部２１と光出射部２３との間に導光部２２を有している。第１回折光学素子１７および第２回折光学素子１８として透過型回折光学素子が用いられており、光入射部２１、第１回折光学素子１７、光出射部２３、および第２回折光学素子１８は、導光部材２０に対して画像光出射装置１５が位置する側（導光部材２０の第２面２０ｂ側）に配置されている。このため、導光部材２０の第１面２０ａの全体が第１反射面２０ｅであり、導光部材２０の第２面２０ｂのうち、光入射部２１および光出射部２３を除く面が反射面２０ｆになっている。なお、画像光出射装置１５からの画像光Ｌ０の出射方向は、例えば導光部材２０の第２面２０ｂに対して垂直である場合、観察者の視線も導光部材２０の第２面２０ｂに対して垂直である。

また、本形態では、導光部材２０に対して、画像光出射装置１５が位置する側（導光部材２０の第２面２０ｂ側）とは反対側（導光部材２０の第１面２０ａ側）には、導光部材２０と平行に導光部材２０′が配置されている。導光部材２０′は、導光部材２０と同様、ＸＹ面に平行で互いにＺ方向で対向する２つの面（第１面２０ａ′および第２面２０ｂ′）をもってＸ方向に延在する平板状の透光性部材からなり、光入射部２１′と光出射部２３′との間に導光部２２′を有している。導光部材２０′に対しては第１回折光学素子１７′および第２回折光学素子１８′として透過型回折光学素子が用いられており、光入射部２１′、第１回折光学素子１７′、光出射部２３′、および第２回折光学素子１８′は、導光部材２０′に対して画像光出射装置１５が位置する側（導光部材２０′の第２面２０ｂ′側）に配置されている。このため、導光部材２０′の第１面２０ａ′の全体が第１反射面２０ｅ′であり、導光部材２０′の第２面２０ｂ′のうち、光入射部２１′および光出射部２３′を除く面が反射面２０ｆ′になっている。

さらに、本形態では、導光部材２０′に対して、画像光出射装置１５が位置する側（導光部材２０′の第２面２０ｂ′側）とは反対側（導光部材２０′の第１面２０ａ′側）には、導光部材２０′と平行に導光部材２０″が配置されている。導光部材２０″は、導光部材２０、２０′と同様、ＸＹ面に平行で互いにＺ方向で対向する２つの面（第１面２０ａ″および第２面２０ｂ″）をもってＸ方向に延在する平板状の透光性部材からなり、光入射部２１″と光出射部２３″との間に導光部２２″を有している。導光部材２０″に対しては第１回折光学素子１７″および第２回折光学素子１８″として透過型回折光学素子が用いられており、光入射部２１″、第１回折光学素子１７″、光出射部２３″、および第２回折光学素子１８″は、導光部材２０″に対して画像光出射装置１５が位置する側（導光部材２０″の第２面２０ｂ″側）に配置されている。このため、導光部材２０″の第１面２０ａ″の全体が第１反射面２０ｅ″であり、導光部材２０″の第２面２０ｂ″のうち、光入射部２１″および光出射部２３″を除く面が反射面２０ｆ″になっている。

このように構成した表示装置１００において、導光部材２０は、画像光Ｌ０の青色光成分の導光に用いられ、導光部材２０′は、画像光Ｌ０の緑色光成分の導光に用いられ、導光部材２０″は、画像光Ｌ０の赤色光成分の導光に用いられる。このため、第１回折光学素子１７、１７′、１７″、および第２回折光学素子１８、１８′、１８″は、対応する光の波長に対応した構成を有している。従って、第１回折光学素子１７および第２回折光学素子１８は、青色光成分に対する回折効率は高いが、緑色光成分および赤色光成分に対する回折効率が低い。また、第１回折光学素子１７′および第２回折光学素子１８′は、緑色光成分に対する回折効率は高いが、青色光成分および赤色光成分に対する回折効率が低い。第１回折光学素子１７″および第２回折光学素子１８″は、赤色光成分に対する回折効率は高いが、青色光成分および緑色光成分に対する回折効率が低い。

このように構成した表示装置１００において、画像光出射装置１５から画像光Ｌ０が出射されると、画像光Ｌ０は、第１回折光学素子１７に入射角θｂで入射し、青色光成分は、第１回折光学素子１７によってＸ方向に回折した１次回折光が光入射部２１から導光部材２０に入射する。本形態において、入射角θｂは例えば０°である。次に、導光部材２０内において、画像光Ｌ０の青色光成分は、導光部材２０の第１反射面２０ｅに入射角度θaで入射し、全反射される。次に、画像光Ｌ０の青色光成分は、導光部材２０の反射面２０ｆに入射角度θaで入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光Ｌ０の青色光成分は、導光部材２０の内部を光出射部２３が位置する側に導かれる。そして、画像光Ｌ０の青色光成分は、光出射部２３から観察者に向けて出射される。

これに対して、画像光Ｌ０の緑色光成分および赤色光成分は、第１回折光学素子１７および導光部材２０を透過して、第１回折光学素子１７′に入射角θｂ′で入射する。そして、緑色光成分は、第１回折光学素子１７′によってＸ方向に回折した１次回折光が光入射部２１′から導光部材２０′に入射する。本形態において、入射角θｂ′は例えば０°である。次に、導光部材２０′内において、画像光Ｌ０の緑色光成分は、導光部材２０′の第１反射面２０ｅ′に入射角度θa′で入射し、全反射される。次に、画像光Ｌ０の緑色光成分は、導光部材２０′の反射面２０ｆ′に入射角度θa′で入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光Ｌ０の緑色光成分は、導光部材２０′の内部を光出射部２３′が位置する側に導かれる。そして、画像光Ｌ０の緑色光成分は、光出射部２３′から出射された後、第２回折素子１８′、導光部材２０および第２回折光学素子１８を透過して、観察者に向けて出射される。

また、画像光Ｌ０の赤色光成分は、第１回折光学素子１７′および導光部材２０′を透過して、第１回折光学素子１７″に入射角θｂ″で入射し、赤色光成分は、第１回折光学素子１７″によってＸ方向に回折した１次回折光が光入射部２１″から導光部材２０″に入射する。本形態において、入射角θｂ″は例えば０°である。次に、導光部材２０″内において、画像光Ｌ０の赤色光成分は、導光部材２０″の第１反射面２０ｅ″に入射角度θa″で入射し、全反射される。次に、画像光Ｌ０の赤色光成分は、導光部材２０″の反射面２０ｆ″に入射角度θa″で入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光Ｌ０の赤色光成分は、導光部材２０″の内部を光出射部２３″が位置する側に導かれる。そして、画像光Ｌ０の赤色光成分は、光出射部２３″から出射された後、第２回折光学素子１８″、導光部材２０′、第２回折光学素子１８′、導光部材２０および第２回折光学素子１８を透過して、観察者に向けて出射される。

このように構成した表示装置１００において、光入射部２１と第１反射面２０ｅとのＺ方向における距離Ｔ、導光部材２０内での画像光Ｌ０の第１反射面２０ｅへの入射角度θa、第１回折光学素子１７のＸ方向に沿う方向の幅Ｗ、第１回折光学素子１７に入射する画像光Ｌ０において画像光Ｌ０の進行方向に対してＸ方向に沿う方向で直交する方向の光束の幅φ、および画像光Ｌ０の第１回折光学素子１７への入射角度θbは、以下の関係
｛φ／（ｃｏｓθb）｝＜Ｗ＜（２×Ｔ×ｔａｎθa）
を満たしている。

また、光入射部２１′と第１反射面２０ｅ′とのＹ方向における距離Ｔ′、導光部材２０′内での画像光Ｌ０の第１反射面２０ｅ′への入射角度θa′、第１回折光学素子１７′のＸ方向に沿う方向の幅Ｗ′、第１回折光学素子１７′に入射する画像光Ｌ０において画像光Ｌ０の進行方向に対してＸ方向に沿う方向で直交する方向の光束の幅φ′、および画像光Ｌ０の第１回折光学素子１７′への入射角度θb′は、以下の関係
｛φ′／（ｃｏｓθb′）｝＜Ｗ′＜（２×Ｔ′×ｔａｎθa′）
を満たしている。

さらに、光入射部２１″と第１反射面２０ｅ″とのＹ方向における距離Ｔ″、導光部材２０″内での画像光Ｌ０の第１反射面２０ｅ″への入射角度θa″、第１回折光学素子１７″のＸ方向に沿う方向の幅Ｗ″、第１回折光学素子１７″に入射する画像光Ｌ０において画像光Ｌ０の進行方向に対してＸ方向に沿う方向で直交する方向の光束の幅φ″、および画像光Ｌ０の第１回折光学素子１７″への入射角度θb″は、以下の関係
｛φ″／（ｃｏｓθb″）｝＜Ｗ″＜（２×Ｔ″×ｔａｎθa″）
を満たしている。

それ故、画像光Ｌ０の青色光成分、緑色光成分および赤色光成分のいずれにおいても、光量損失や画像の明るさムラを低減することができる。なお、本形態でも、実施の形態２で説明した構成を採用してもよい。

１１・・画像形成装置、１２・・投射光学系、１５・・画像光出射装置、１７、１７′、１７″・・第１回折光学素子、１８、１８′、１８″・・第２回折光学素子、２０、２０′、２０″・・導光部材、２０ａ、２０ａ′、２０ａ″・・導光部材の第１面、２０ｂ、２０ｂ′、２０ｂ″・・導光部材の第２面、２０ｃ・・側面、２０ｅ、２０ｅ′、２０ｅ″・・第１反射面、２０ｆ、２０ｆ′、２０ｆ″・・反射面、２０ｇ・・第２反射面、２１、２１′、２１″・・光入射部、２２、２２′、２２″・・導光部、２３、２３′、２３″・・光出射部、２５・・反射層、１００・・表示装置、１２１・・フレーム

Claims (7)

1. 画像光を出射する画像光出射装置と、
   光入射部および光出射部を備えた導光部材と、
   前記導光部材の前記画像光が照射される位置に設けられた回折光学素子と、
   を有し、
   前記導光部材は、前記回折光学素子が設けられた面と反対側に第１反射面を含み、
   前記画像光は、前記回折光学素子に第１方向に沿って入射して回折された後、前記第１反射面に第２方向に沿って入射し、
   前記導光部材の前記回折光学素子が設けられた面と前記第１反射面との間の距離をＴ、
   前記第２方向と前記第１反射面の法線とがなす角をθa、
   前記第１方向と前記回折光学素子の法線とがなす角をθb、
   前記回折光学素子における、前記第２方向を前記回折光学素子へ投影した方向に沿った幅をＷ、
   前記回折光学素子に入射する前記画像光における、前記第１方向と直交した方向に沿った光束の幅をφとしたとき、
   ｛φ／（ｃｏｓθb）｝＜Ｗ＜（２×Ｔ×ｔａｎθa）
   を満たすことを特徴とする表示装置。
2. 請求項１に記載の表示装置において、
   前記導光部材は、前記光入射部に対して前記光出射部が位置する側とは反対側に位置する面に第２反射面を備え、
   前記画像光は、前記回折光学素子に入射して回折され、前記第２反射面で反射された後、前記第１反射面に入射することを特徴とする表示装置。
3. 請求項１または２に記載の表示装置において、
   前記回折光学素子は、透過型の回折光学素子であり、
   前記回折光学素子は、前記画像光出射装置と前記光入射部との間に設けられていることを特徴とする表示装置。
4. 請求項３に記載の表示装置において、
   前記回折光学素子は、表面レリーフ型のホログラムであることを特徴とする表示装置。
5. 請求項１または２に記載の表示装置において、
   前記回折光学素子は、反射型の回折光学素子であり、
   前記回折光学素子は、前記光入射部と反対側に位置する面に設けられていることを特徴とする表示装置。
6. 請求項５に記載の表示装置において、
   前記回折光学素子は、反射型体積ホログラムであることを特徴とする表示装置。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の表示装置において、
   前記導光部材を保持するフレームを備え、
   前記フレームは、頭部に装着されることを特徴とする表示装置。

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