JP2015194550A - 光学デバイス、画像投影装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】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、画像投影装置、電子機器を提供する。【解決手段】導光板２１と回折部３１と波長選択部４１と第１反射部５１と、を有し、回折部３１は、第１波長帯域の光を第１角度で回折する第１領域３１ａと、第２波長帯域の光を第１角度で回折する第２領域３１ｂとを含み、波長選択部４１は、第１領域３１ａと重なり、第１波長帯域の光を透過させ、異なる帯域の光を反射する第１波長選択領域４１ａと、第２領域３１ｂと重なり、第２波長帯域の光を透過させ、異なる帯域の光を反射する第２波長選択領域４１ｂと、を備え、第１反射部５１は、第１波長選択領域４１ａで反射された光を第１領域３１ａで第１面２１ａに対して第１角度で回折させ、かつ、第２波長選択領域４１ｂで反射された光を第２領域３１ｂで第１面２１ａに対して第１角度で回折させる位置に設けられている光学デバイス１。【選択図】図３

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、第１波長帯域の光と前記第１波長帯域とは異なる波長帯域である第２波長帯域の光とを内部で導光させる導光体と、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回折素子と、前記回折素子と重なる位置に設けられ、誘電体多層膜を含む波長選択素子と、前記導光体の一部に設けられた第１反射部と、を有し、前記回折素子は、第１部分と、前記第１部分とは異なる回折特性である第２部分と、を含み、前記第１部分は、前記回折素子を介して射出される前記第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特性を備え、前記第２部分は、前記回折素子を介して射出される前記第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特性を備え、前記波長選択素子は、前記回折素子の前記第１部分と重なる位置に設けられ、前記第１波長帯域の光を透過させ、かつ、前記第１波長帯域とは異なる帯域の光を反射する第３部分と、前記回折素子の前記第２部分と重なる位置に設けられ、前記第２波長帯域の光を透過させ、かつ、前記第２波長帯域とは異なる帯域の光を反射する第４部分と、を備え、前記第１反射部は、前記第３部分で反射された光を前記第１部分で前記第１面に対して第１角度で回折させ、かつ、前記第４部分で反射された光を前記第２部分で前記第１面に対して第１角度で回折させる位置に設けられてい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３部分において透過しなかった（反射した）残光を、第１反射部で反射させ、適切な角度で回折素子の第１部分、第２部分に再度入射させることができる。そのため、光量ロスを低減し、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反射部は、前記導光体の前記回折素子が設けられた部分よりも、前記導光体の内部を導光する光が入射する側とは反対側に位置する部分に設けられ、前記導光体は、前記第１反射部が設けられた部分において、前記第１面と前記第１面とは反対側に位置する面である第２面とが沿うように形成され、かつ、前記第１面及び前記第２面と直交するような面が形成されている構成としてもよい。
この構成によれば、第１反射部における反射角の制御が容易となる。

本発明の一態様においては、前記第１反射部は、金属膜である構成としてもよい。
この構成によれば、簡単な構成で確実に残光を反射することができる。

本発明の一態様においては、前記第１反射部は、誘電体多層膜である構成としてもよい。
この構成によれば、反射と同時に分光を行うことができる。

本発明の一態様においては、前記第１反射部は、反射型の回折素子である構成としてもよい。
この構成によれば、反射部材に対する入射角とは異なる角度に反射光を射出することができるため、回折素子への残光の入射角を制御しやすくなる。

本発明の一態様においては、前記回折素子は、前記第１面と前記波長選択素子との間に設けられている構成としてもよい。
この構成によれば、回折素子の形状を第１面に作り込むことができるため、部品数を減らすことができる。

本発明の一態様においては、前記波長選択素子は、前記第１面と前記回折素子との間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１面から順に波長選択素子、回折素子を作製しながら積層させることで、目的の積層構造を作製することができる。そのため、回折素子と波長選択素子とを個別に作製し、アライメントしながら重ね合せる場合と比べ、製造が容易となる。

本発明の一態様においては、前記波長選択素子は、前記第１面に対し３５°以上７０°以下の入射角で前記第３部分に入射する前記第１波長帯域の光を透過させ、前記第１面に対し３５°以上７０°以下の入射角で前記第４部分に入射する前記第２波長帯域の光を透過させる構成としてもよい。
この構成によれば、波長選択素子が広い角度に対応する波長依存性を有するため、画角を広げることができる。

本発明の一態様においては、前記導光体の内部を導光する光が入射する部分において、前記第１面に対して傾斜するように設けられた第２反射部を有する構成としてもよい。
この構成によれば、回折素子への入射角の制御が容易となる。

本発明の一態様においては、前記第１部分及び前記第２部分の幅は、０．５ｍｍ以上、かつ、前記回折素子の互いに異なる回折特性の種類の数で７ｍｍを除した値より小さい構成としてもよい。
この構成によれば、第１部分及び第２部分が形成する周期構造により意図しない回折が生じたとしても、画質の低下を抑制することができ、高品位な映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３部分及び前記第４部分の幅は、０．５ｍｍ以上、かつ、前記波長選択素子を分割する領域の種類の数で７ｍｍを除した値より小さい構成としてもよい。
この構成によれば、第３部分及び第４部分が形成する周期構造により意図しない回折が生じたとしても、画質の低下を抑制することができ、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、前記第１波長帯域の光及び前記第２波長帯域の光を用いて形成された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回折素子で回折させ、前記波長選択素子を介し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。 誘電体多層膜の性質を説明するグラフである。 第１実施形態の光学デバイスの説明図である。 周期格子のピッチと回折角との関係を示したグラフである。 第１実施形態の変形例に係る光学デバイス２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３の説明図である。

［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１２０Ｂ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、一方向に延在する導光板（導光体）２１と、回折部（回折素子）３１、波長選択部（波長選択素子）４１、第１反射部５１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。

回折部３１は、第１面２１ａの他端２１ｙの側に設けられている。回折部３１では、導光板２１の内部を導光した光の少なくとも一部を回折させ、導光板２１から取り出す。回折部３１は、赤色光に応じた回折特性を有する複数の第１領域３１ａと、緑色光に応じた回折特性を有する複数の第２領域３１ｂと、青色光に応じた回折特性を有する複数の第３領域３１ｃと、を含む透過型の回折素子である。

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。

図では、第１領域３１ａの回折パターンは、入射角θで入射する赤色光Ｒ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）の方向に射出するように回折させることとして示している。図示は省略するが、第２領域３１ｂの回折パターン、第３領域３１ｃの回折パターンも、青色光及び緑色光を同様に第１面２１ａに対して９０度（第１角度）の方向に回折させる。

なお、赤色光、青色光、緑色光のうち任意の２つが、本発明における「第１波長帯域の光」及び「第２波長帯域の光」に該当する。本実施形態においては、赤色光が第１波長帯域の光であることとする。そのため、赤色光を第１角度となるように回折する第１領域３１ａは、本発明における「第１部分」に該当する。また、緑色光が第２波長帯域の光であることとする。そのため、緑色光を第１角度となるように回折する第２領域３１ｂは、本発明における「第２部分」に該当する。第１領域３１ａと第２領域３１ｂとは、回折特性が異なっている。

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θ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。

波長選択部４１は、第１面２１ａの他端２１ｙの側において、回折部３１と平面的に重なる位置に設けられており、反射型の誘電体多層膜を含む。具体的には、波長選択部４１は第１面２１ａの表面に設けられ、波長選択部４１の表面に回折部３１が積層している。

このような構造の光学デバイス１では、第１面２１ａから順に波長選択部４１、回折部３１を作製しながら積層させることで、目的の積層構造を作製することができる。そのため、回折部３１と波長選択部４１とを個別に作製し、アライメントしながら重ね合せる場合と比べ、製造が容易となる。

波長選択部４１は、複数の第１波長選択領域４１ａと、複数の第２波長選択領域４１ｂと、複数の第３波長選択領域４１ｃと、を有している。第１波長選択領域４１ａは、選択的に第１波長帯域の光（赤色光）を透過させ、かつ、第１波長帯域とは異なる帯域の光（残光）を反射する。第２波長選択領域４１ｂは、選択的に第２波長帯域の光（緑色光）を透過させ、かつ、第２波長帯域とは異なる帯域の光を反射する。第３波長選択領域４１ｃは、選択的に第３波長帯域の光（青色光）を透過させ、かつ、第３波長帯域とは異なる帯域の光を反射する。

これら複数の第１波長選択領域４１ａは、複数の第１領域３１ａとそれぞれ平面的に重なる位置に設けられている。複数の第２波長選択領域４１ｂは、複数の第２領域３１ｂとそれぞれ平面的に重なる位置に設けられている。複数の第３波長選択領域４１ｃは、複数の第３領域３１ｃとそれぞれ平面的に重なる位置に設けられている。

本実施形態においては、赤色光が第１波長帯域の光であることとしているため、赤色光を透過させ赤色とは異なる帯域の光を反射する第１波長選択領域４１ａは、本発明における「第３部分」に該当する。また、緑色光が第２波長帯域の光であることとしているため、緑色光を透過させ緑色とは異なる帯域の光を反射する第２波長選択領域４１ｂは、本発明における「第４部分」に該当する。

図４は、波長選択部４１を構成する誘電体多層膜について好適な物性を示す説明図である。図４は、第１波長選択領域４１ａについて、入射光の波長と透過率との関係を示すグラフである。結果を示す複数の線は、第１波長選択領域４１ａに対する入射角に対応している。

図に示すように、本実施形態の波長選択部４１においては、入射角３５°以上７０°以下の広い角度範囲で入射する赤色光を透過させることができる。

第２波長選択領域４１ｂ及び第３波長選択領域４１ｃについても、同様の波長選択性を有するように設計されている。

本実施形態の波長選択部４１では、このような広い角度に対応する波長依存性を有するため、画角を広げることができる。

また、光学デバイス１においては、導光板２１の一端２１ｘ側に、回折部３１に対する光の入射角を制御する入射角制御部ＡＲ１が設定されている。本実施形態の光学デバイス１においては、入射角制御部ＡＲ１に含まれる導光板２１は、対向する第１面２１ａ及び第２面２１ｂが平行であるため、入射角制御部ＡＲ１に入射する光は、入射時の入射角を維持するように制御されて回折部３１に導光される。そのため、導光板２１への入射角を回折部３１への入射角と等しくなるように制御すると、回折部３１に対する入射角を所望の角度に制御することができる。

なお、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、導光板２１の第１面２１ａと第２面２１ｂとは平行でなくてもよい。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。

図では、導光板２１内を伝播する光Ｌが回折部３１に入射する角度をθ１として示している。例えば光Ｌは白色光である。図においては、光Ｌは、第１波長選択領域４１ａに入射し、光Ｌに含まれる赤色光が第１波長選択領域４１ａを透過するとともに、残りの光が反射する。透過した赤色光は、回折部３１の第１領域３１ａに入射角θ１で入射し、回折されて観察者の左眼ＬＥに向けて射出される。図では射出光を符号Ｌ１として示している。

第１波長選択領域４１ａで反射された、第１波長帯域とは異なる帯域の光（残光Ｒ１）は、導光板２１の他端２１ｙ側に射出される。

ここで、光学デバイス１において、導光板２１の他端２１ｙ側に、第１波長選択領域４１ａで反射された残光Ｒ１をさらに反射させ、入射角θ１と等しい角度で回折部３１に入射させる反射部ＡＲ２が設定されている。図では、反射部ＡＲ２で反射する残光Ｒ１が回折部３１に入射する角度をθ２として示している。すなわち、反射部ＡＲ２は、θ１＝θ２となるように設けられている。

本実施形態の光学デバイス１においては、反射部ＡＲ２に含まれる導光板２１は、対向する第１面２１ａと第２面２１ｂとが沿うように形成され（第１面２１ａと第２面２１ｂとが平行であり）、他端２１ｙの面は第１面２１ａ及び第２面２１ｂと直交している。そのため、第１反射部における反射角の制御が容易とである。

また、反射部ＡＲ２には、第１反射部５１が含まれている。具体的には、第１反射部５１は、導光板２１の回折部３１が設けられた部分よりも、導光板２１の内部をどうこうする光Ｌが入射する側（一端２１ｘ側）とは反対側に位置する他端２１ｙの面に設けられている。

第１反射部５１としては、金属膜、誘電体多層膜、回折素子などを採用することができる。第１反射部５１として金属膜を採用すると、簡単な構成で確実に残光Ｒ１を反射することができる。

第１反射部５１として誘電体多層膜を採用すると、残光Ｒ１の反射と同時に分光を行うことができる。

第１反射部５１として反射型の回折素子を採用すると、第１反射部５１に対する入射角とは異なる角度に反射光を射出することができるため、回折部３１への残光Ｒ１の入射角を制御しやすくなる。

図においては、残光Ｒ１は、第２波長選択領域（第４部分）４１ｂに入射することとしている。残光Ｒ１には、赤色の波長帯域の光以外の光が含まれているため、残光Ｒ１のうち第２波長選択領域４１ｂで透過可能な緑色光が透過し、残りの光が反射する。透過した緑色光は、回折部３１の第２領域３１ｂに入射角θ２で入射し、回折されて観察者の左眼ＬＥに向けて第２面２２ａの法線方向（第１角度）で回折し射出される。回折光は、第１面２１ａの法線方向（第１角度）に射出される。図では射出光を符号Ｌ２として示している。

また、上記関係と同様に、白色光である光Ｌが第２波長選択領域４１ｂに入射すると、光Ｌに含まれる緑色光が第２波長選択領域４１ｂを透過するとともに、残りの光が反射する。透過した緑色光は、回折部３１の第２領域３１ｂに入射し、回折されて観察者の左眼ＬＥに向けて射出される。

第２波長選択領域４１ｂで反射された、第２波長帯域とは異なる帯域の光は、導光板２１の他端２１ｙ側に射出され、第１反射部５１で反射した後に、第１波長選択領域４１ａに入射する。第１波長選択領域４１ａに入射する光のうち、第１波長選択領域４１ａで透過可能な赤色光が透過する。透過した緑色光は、回折部３１の第１領域３１ａに入射角θ２で入射し、回折されて観察者の左眼ＬＥに向けて第２面２２ａの法線方向（第１角度）で回折し射出される。回折光は、第１面２１ａの法線方向（第１角度）に射出される。

なお、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、導光板２１の第１面２１ａと第２面２１ｂとは平行でなくてもよく、他端２１ｙは第１面２１ａ及び第２面２１ｂと直交していなくてもよい。

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。また、他端２１ｙが第１面２１ａ及び第２面２１ｂと直交していなくても、例えば、第１反射部５１として回折素子を用い、第２面２１ｂに対する残光Ｒ１の入射角が所望の角度となるように制御することとしてもよい。

このような構成の光学デバイス１では、第１波長選択領域４１ａを透過できずに反射された光（残光Ｒ１）は、反射部ＡＲ２で反射し、回折部３１に入射する。回折部３１に入射する残光Ｒ１は、反射角度が制御されているため、回折部３１で効果的に回折し、波長選択部４１に入射する。

このような残光Ｒ１のうち一部の光は、第１波長選択領域４１ａ以外の領域（例えば、第２波長選択領域４１ｂ）に入射し、各領域の特性に応じて一部（例えば、緑色光）が透過する。

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。

以上のような構成の光学デバイス１においては、第１波長選択領域４１ａにおいて透過しなかった残光Ｒ１を、反射部ＡＲ２で反射させ、適切な角度で波長選択部４１及び回折部３１に再度入射させることができる。そのため、光量ロスを低減し、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。

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、本実施形態の光学デバイス１では、回折部３１及び波長選択部４１が以下のような構成となっているとよい。

図５は、平面的に重なる回折部３１及び波長選択部４１の一部拡大図である。図に示すように、本実施形態の回折部３１は、平面視で同じ形状の複数の第１領域３１ａと第２領域３１ｂと第３領域３１ｃとが、マトリクス状に配列している。同様に、本実施形態の波長選択部４１は、平面視で同じ形状の複数の第１波長選択領域４１ａと第２波長選択領域４１ｂと第３波長選択領域４１ｃとが、ｘｙ平面上にマトリクス状に配列している。

本実施形態の光学デバイス１においては、回折部３１が有する各領域３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、第１面２１ａに沿った方向の幅が０．５ｍｍ以上、かつ「７ｍｍを第１回折部３１の互いに異なる回折特性の種類の数で除した値より小さい」値となっている。波長選択部４１が有する各領域４１ａ，４１ｂ，４１ｃにおいては、第１面２１ａに沿った方向の幅が０．５ｍｍ以上、かつ「波長選択部４１を分割する領域の種類の数で７ｍｍを除した値より小さい」値となっている。
以下、この幅の規定について説明する。

（領域の幅の下限値について）
各領域の幅の下限値は、回折部３１や波長選択部４１の分割構造に起因した回折による画質低下を抑制する目的で設定する。

回折部３１や波長選択部４１が複数の領域に分割されていると、これらの領域の配列自体が回折素子として機能し、回折部３１や波長選択部４１を透過する光が、意図しない回折をするおそれがある。例えば、マトリクス状に配列した回折部３１において、各領域のマトリクス状配列により光が回折すると、像が行列方向に多重に広がり、像の輪郭が不鮮明となる（像にボケが生じる）。このような影響は、導光板２１を介して表示される画像、及び光学デバイス１を介して視認する周囲の景色の両方に及ぶ。

このような回折による画質への影響は、観察者の視力により程度が異なる。目の分解能は、視力が良いほど高く、目に入射する光の入射角について、視力１．５の人では約０．０１°、視力１．０の人では約０．０２°、視力０．５の人では約０．０３°の違いを判別可能である。発明者の検討により、目の分解能の３倍の回折角までならば、像のボケを顕著に感じないことが分かっている。

そのため、平均的な視力の観察者として、例えば視力１．０の人を想定すると、０．０６°までの入射角の違いであればボケを顕著に感じないと想定できる。すなわち、各領域のマトリクス配列により生じる回折角が０．０６°までであれば、各領域のマトリクス配列に起因した回折による画質への影響を捨象してデバイスを設計することができると考えられる。

図６は、他の色よりもボケに対して最も影響の大きい緑色光を周期格子（回折格子）に入射したときの回折について、周期格子のピッチと回折角との関係を示したグラフである。グラフにおいて、横軸は周期格子のピッチ（単位：ｍｍ）縦軸は回折角（単位：°）を示す。図６からは、周期格子のピッチが０．５ｍｍ以上であれば、回折角は０．０６°となることが分かる。したがって、回折部３１が有する各領域３１ａ，３１ｂ，３１ｃの幅は、０．５ｍｍ以上とするとよい。

なお、回折格子のピッチと回折角との関係は、入射光の波長が異なると変化する。光学デバイス１の設計においては、視感度が高く画質に与える影響が最も大きい緑色光について、領域の幅を決定すると好ましい。

このような考え方は、波長選択部４１が有する各領域４１ａ，４１ｂ，４１ｃの幅を設定する際にも、同様に適用することができる。

（領域の幅の上限値について）
まず、「人間の瞳孔径」は、人種によって差がほとんどない一方で、暗視野では大きく、明視野では小さく、というように変化する。具体的には、瞳孔径は同一人物であっても２ｍｍ〜７ｍｍ程度の範囲で変化することが知られている。

本実施形態の光学デバイス１の設計時には、使用環境が暗所であるのか明所であるのかを想定し、基準となる瞳孔径を設定する。例えば、表示装置１０００のようなヘッドマウントディスプレイにおいては、瞳孔径が３．５ｍｍ程度となる場合が多い。

上述したように、回折部３１において、赤色光、緑色光、青色光に分割して観察者の網膜に画像光を照射する場合、例えば、第１領域３１ａの幅が３．５ｍｍであるとすると、第１領域３１ａから射出された赤色光の幅（主光線軸に直交する方向の幅）が瞳孔径と等しくなる。すると、目線によっては、第１領域３１ａから射出された光のみが観察者の眼に照射され、表示される画像が赤く色付いてしまうという不具合が想定される。

そのように想定される不具合を抑制するため、回折部３１が有する各領域３１ａ，３１ｂ，３１ｃの幅を、使用時の瞳孔径を回折部３１が有する領域の種類（第１回折部３１の互いに異なる回折特性の種類）である「３」で除した値よりも小さい値とする。もちろん、回折部３１が有する領域の種類が増える場合には、瞳孔径を除する値も異なる。このように領域の幅を設定すると、観察者の眼に特定の色の画像光のみが照射されるおそれが低減され、色付きが抑制できる。例えば、回折部３１が有する各領域３１ａ，３１ｂ，３１ｃの幅は１．０ｍｍ以下である。

このような考え方は、波長選択部４１が有する各領域４１ａ，４１ｂ，４１ｃの幅を設定する際にも、同様に適用することができる。

なお、上記幅は、観察者の視力が１．０であり、使用時の観察者の瞳孔径が３．５ｍｍ程度となる状況で使用する光学デバイス１について設定したものである。そのため、想定する観察者の視力や使用環境における観察者の瞳孔径が異なる場合には、上記設計思想に応じて適宜幅を設定するとよい。

図７は、本実施形態の変形例に係る光学デバイス２の説明図であり、図３に対応する図である。光学デバイス２は、導光板２１、回折部３１、波長選択部４１、第１反射部５１を有している。また、入射角制御部ＡＲ１と反射部ＡＲ２とが設定されている。

回折部３１は、第１面２１ａの他端２１ｙの側において第１面２１ａの表面に設けられている。一方、波長選択部４１は、光透過性を有する板状の保持部４９の上に設けられている。保持部４９上に設けられた波長選択部４１は、例えば不図示のスペーサ部材を介して導光板２１に対して保持部４９が固定されることで、回折部３１と平面的に重なっている。

このような構成の光学デバイス２であっても、簡易な構成で明るく高品位な画像を表示することが可能となる。また、回折部３１の形状を第１面２１ａに作り込むことができるため、部品数を減らすことができる。

［第２実施形態］
図８は、本発明の第２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１実施形態の光学デバイス１と一部共通している。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２２、回折部３１、波長選択部４１、第１反射部５１を有している。また、入射角制御部ＡＲ１と反射部ＡＲ２とが設定されている。

導光板２２は、導光板２２の内部を導光する光Ｌが入射する一端側の部分において、第１面２２ａに対して傾斜するように反射面（第２反射部）２２ｒが設けられている。反射面２２ｒは、入射角制御部ＡＲ１の一部を構成している。反射面２２ｒでの反射は、全反射を利用するものでもよく、反射面２２ｒ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。

このような光学デバイス３であっても、高品位な画像を表示することが可能となる。また、反射面２２ｒを用いると、回折部３１への入射角の制御が容易である。そのため、光学デバイス３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。

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。

１，２，３…光学デバイス、Ｌ…光、２１…２１ａ，２２ａ…第１面、２１ｂ…第２面、２１ｘ…一端、２１ｙ…他端、２２ｒ…反射面、３１…回折部（回折素子）、３１ａ…第１領域、３１ｂ…第２領域、４１…波長選択部（波長選択素子）、４１ａ…第１波長選択領域、４１ｂ…第２波長選択領域、５１…第１反射部、Ｒ１…残光、ＡＲ１…入射角制御部、ＡＲ２…反射部、１０００…表示装置

Claims (13)

1. 第１波長帯域の光と前記第１波長帯域とは異なる波長帯域である第２波長帯域の光とを内部で導光させる導光体と、
   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回折素子と、
   前記回折素子と重なる位置に設けられ、誘電体多層膜を含む波長選択素子と、
   前記導光体の一部に設けられた第１反射部と、を有し、
   前記回折素子は、第１部分と、前記第１部分とは異なる回折特性である第２部分と、を含み、
   前記第１部分は、前記回折素子を介して射出される前記第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特性を備え、
   前記第２部分は、前記回折素子を介して射出される前記第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特性を備え、
   前記波長選択素子は、
   前記回折素子の前記第１部分と重なる位置に設けられ、前記第１波長帯域の光を透過させ、かつ、前記第１波長帯域とは異なる帯域の光を反射する第３部分と、
   前記回折素子の前記第２部分と重なる位置に設けられ、前記第２波長帯域の光を透過させ、かつ、前記第２波長帯域とは異なる帯域の光を反射する第４部分と、を備え、
   前記第１反射部は、前記第３部分で反射された光を前記第１部分で前記第１面に対して第１角度で回折させ、かつ、前記第４部分で反射された光を前記第２部分で前記第１面に対して第１角度で回折させる位置に設けられていることを特徴とする光学デバイス。
2. 前記第１反射部は、前記導光体の前記回折素子が設けられた部分よりも、前記導光体の内部を導光する光が入射する側とは反対側に位置する部分に設けられ、
   前記導光体は、前記第１反射部が設けられた部分において、前記第１面と前記第１面とは反対側に位置する面である第２面とが沿うように形成され、かつ、前記第１面及び前記第２面と直交するような面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
3. 前記第１反射部は、金属膜であ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１反射部は、誘電体多層膜であ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１反射部は、反射型の回折素子であ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。
6. 前記回折素子は、前記第１面と前記波長選択素子との間に設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光学デバイス。
7. 前記波長選択素子は、前記第１面と前記回折素子との間に設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光学デバイス。
8. 前記波長選択素子は、前記第１面に対し３５°以上７０°以下の入射角で前記第３部分に入射する前記第１波長帯域の光を透過させ、前記第１面に対し３５°以上７０°以下の入射角で前記第４部分に入射する前記第２波長帯域の光を透過させることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光学デバイス。
9. 前記導光体の内部を導光する光が入射する部分において、前記第１面に対して傾斜するように設けられた第２反射部を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光学デバイス。
10. 前記第１部分及び前記第２部分の幅は、０．５ｍｍ以上、かつ、７ｍｍを前記回折素子の互いに異なる回折特性の種類の数で除した値より小さいことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の光学デバイス。
11. 前記第３部分及び前記第４部分の幅は、０．５ｍｍ以上、かつ、前記波長選択素子を分割する領域の種類の数で７ｍｍを除した値より小さいことを特徴とする請求項１０に記載の光学デバイス。
12. 前記第１波長帯域の光及び前記第２波長帯域の光を用いて形成された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回折素子で回折させ、前記波長選択素子を介し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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