JP2016188901A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各波長域の光が異なる導光部材内を導光する構成を採用した場合でも、小型化やコストの低減を図ることのできる表示装置を提供すること。【解決手段】第１表示装置１００Ａでは、共通の画像光出射装置１５から出射された画像光Ｌ０の第１波長域の可視光ＬＢを第１入射側回折光学素子３８によって回折して第１導光部材３０の第１入射部３１に入射させ、第１出射部３３から出射する。また、共通の画像光出射装置１５から出射された画像光Ｌ０の第２波長域の可視光ＬＧを第２入射側回折光学素子４８によって回折して第２導光部材４０の第２入射部４１に入射させ、第２出射部４３から出射する。さらに、共通の画像光出射装置１５から出射された画像光Ｌ０の第３波長域の可視光ＬＲを第３入射側回折光学素子５８によって回折して第３導光部材５０の第３入射部５１に入射させ、第３出射部５３から出射する。【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、導光部材の入射部に入射側回折光学素子を設け、入射側回折光学素子によって回折した光を共通の導光部材内で反射させながら進行させ、導光部材の出射部から出射させる構成が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、特許文献１に記載の表示装置においてカラー画像を表示する場合、入射側回折光学素子による回折角が光の波長域によって異なるため、色ムラが発生しやすいという問題点がある。

一方、入射側回折光学素子を設けた入射部、および出射部を備えた複数の導光部材（導光部材、第２導光部材および第３導光部材）を対向配置し、第１画像光出射装置から出射された第１波長域の可視光を第１導光部材の入射側回折光学素子に照射し、第２画像光出射装置から出射された第２波長域の可視光を第２導光部材の入射側回折光学素子に照射し、第３画像光出射装置から出射された第３波長域の可視光を第３導光部材の入射側回折光学素子に照射する構成が提案されている（特許文献２参照）。かかる構成によれば、第１波長域の可視光、第２波長域の可視光、および第３波長域の可視光に対して、別々の入射側回折光学素子および導光部材を用いたため、色ムラの発生を抑制することができる。

特開２００７−２１９１０６号公報 米国特許 ＵＳ ７，２０５，９６０ Ｂ２

しかしながら、特許文献２に記載の構成では、１つの画像を表示するのに複数の画像光出射装置が必要となるため、表示装置が大型化してしまう。このため、表示装置をヘッドマウントディスプレイ（頭部装着型表示装置）等として構成するのが困難である。また、複数の画像光出射装置を用いると、表示装置の製造コストが増大する。

以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、各波長域の光が異なる導光部材内を導光する構成を採用した場合でも、小型化やコストの低減を図ることのできる表示装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、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、前記画像光が照射される被照射領域、および前記被照射領域から入射した光を内部で導光して表示光として出射する出射領域を備えた導光光学装置と、を有し、前記導光光学装置は、前記被照射領域に設けられ、可視光のうち第１波長域の光に対する回折効率が可視光のうち前記第１波長域とは異なる波長域の光に対する回折効率よりも高い第１入射側回折光学素子と、前記第１入射側回折光学素子によって回折された光が入射する第１入射部、および前記第１入射部から入射した光を内部で導光して出射する第１出射部を備えた透光性の第１導光部材と、前記被照射領域に設けられ、可視光のうち前記第１波長域とは異なる第２波長域の光に対する回折効率が可視光のうち前記第２波長域とは異なる波長域の光に対する回折効率よりも高い第２入射側回折光学素子と、前記画像光が照射される側とは反対側で前記第１導光部材に対向配置され、前記第２入射側回折光学素子によって回折された光が入射する第２入射部、および前記第２入射部から入射した光を内部で導光して出射する第２出射部を備えた透光性の第２導光部材と、を有し、前記第１入射側回折光学素子は、前記第２入射側回折光学素子の一部と重なるように設けられ、前記第１出射部は、前記第２出射部の少なくとも一部と重なるように設けられていることを特徴とする。

本発明では、共通の画像光出射装置から出射された画像光を、第１入射側回折光学素子によって回折して第１導光部材の第１入射部に入射させ、第１導光部材内で反射しながら進行してきた第１波長域の可視光を第１出射部から出射する。また、共通の画像光出射装置から出射された画像光を、画像光の照射側からみたときに第１入射側回折光学素子とずれた領域に設けられた第２入射側回折光学素子によって回折して第２導光部材の第２入射部に入射させ、第２導光部材内で反射しながら進行してきた第２波長域の可視光を第２出射部から出射する。ここで、表示光の出射側からみたとき、第１出射部および第２出射部が重なるように設けられているため、第１出射部から出射させた第１波長域の可視光と、第２出射部から出射させた第２波長域の可視光とを合成して画像を表示することができる。その際、第１導光部材は、第１波長域の可視光を導光し、第２導光部材は、第２波長域の可視光を導光する。このため、第１入射側回折光学素子の第１波長域の可視光に対する回折角度と、第２入射側回折光学素子の第２波長域の可視光に対する回折角度とを同等としておけば、色ムラの発生を抑制することができる。また、第１入射側回折光学素子は、第２入射側回折光学素子の一部と重なるように設けられているため、画像光において斜めに進行する光も第２入射側回折光学素子に入射させることができる。さらに、画像光出射装置が共通であるため、各波長域の光が異なる導光部材内を導光する構成を採用した場合でも、表示装置の小型化やコストの低減を図ることができる。

本発明において、前記画像光出射装置は、前記画像光出射装置は、画像生成装置と、コリメーターレンズと、を備えていることが好ましい。かかる構成の場合、画像生成装置から出射された光の多くを導光光学装置の被照射領域に照射することができる。また、画像生成装置から光線が出射された位置に対応する多くの角度分布を含む画像光を第１入射側回折光学素子および第２入射側回折光学素子に入射させることができるので、画角を広げることができるとともに、画角を広げた場合でも、品位の高い画像を表示することができる。

本発明において、前記第１入射側回折光学素子は、前記第１導光部材と一体に形成され、前記第２入射側回折光学素子は、前記第２導光部材と一体に形成されていることが好ましい。かかる構成によれば、第１入射側回折光学素子を第１導光部材とは別の素子として設け、第２入射側回折光学素子を第２導光部材とは別の素子として設けた場合と比較して、組み立ての高効率化や低コスト化を図ることができる。

本発明において、前記第１入射側回折光学素子は、前記第１導光部材に対して前記第２導光部材の側に設けられた反射型回折格子であり、前記第２入射側回折光学素子は、前記第２導光部材に対して前記第１導光部材とは反対側に設けられた反射型回折格子であることが好ましい。

本発明において、前記第１入射側回折光学素子および前記第２入射側回折光学素子は、表面レリーフ回折格子であることが好ましい。かかる構成によれば、広い入射角度範囲にわたって画像光を第１導光部材および第２導光部材に入射させることができる。

本発明において、前記表面レリーフ回折格子は、ブレーズド回折格子であることが好ましい。かかる構成によれば、広い入射角度範囲にわたって画像光を第１導光部材および第２導光部材に入射させることができる。また、特定の回折次数の回折効率を高めることができる。

本発明において、前記第１導光部材には、前記第１導光部材の内部を導光した前記第１波長域の光を回折して前記第１出射部から出射させる第１出射側回折光学素子が設けられ、前記第２導光部材には、前記第１導光部材の内部を導光した前記第２波長域の光を回折して前記第２出射部から出射させる第２出射側回折光学素子が設けられ、前記第１入射側回折光学素子は、前記第１出射側回折光学素子と同じ格子周期となるように設けられ、前記第２入射側回折光学素子は、前記第２出射側回折光学素子と同じ格子周期となるように設けられていることが好ましい。かかる構成によれば、第１導光部材内を進行してきた第１波長域の可視光、および第２導光部材内を進行してきた第２波長域の可視光を適正な方向に出射することができる。

本発明において、前記第１出射側回折光学素子は、前記第１入射部とは反対側に位置する部分の回折効率が前記第１入射部側に位置する部分の回折効率より高く、前記第２出射側回折光学素子は、前記第２入射部とは反対側に位置する部分の回折効率が前記第１入射部側に位置する部分の回折効率より高いことが好ましい。かかる構成によれば、第１出射部および第２出射部から出射される光の強度分布のばらつきを抑制することができる。それ故、画像の明るさムラを抑制することができる。

本発明において、前記第１出射側回折光学素子は、前記第１導光部材と一体に形成され、前記第２出射側回折光学素子は、前記第２導光部材と一体に形成されていることが好ましい。かかる構成によれば、第１出射側回折光学素子を第１導光部材とは別の素子として設け、第２出射側回折光学素子を第２導光部材とは別の素子として設けた場合と比較して、組み立ての高効率化や低コスト化を図ることができる。

本発明において、前記第１出射側回折光学素子は、前記第１導光部材に対して前記第２導光部材の側に設けられた部分反射型回折格子であり、前記第２出射側回折光学素子は、前記第２導光部材に対して前記第１導光部材とは反対側に設けられた部分反射型回折格子であることが好ましい。かかる構成によれば、外光が導光光学装置を透過するので、背景をシースルーで視認することができる。

本発明において、前記第１出射側回折光学素子および前記第２出射側回折光学素子は、表面レリーフ回折格子であることが好ましい。かかる構成によれば、広い画角範囲に渡って回折効率を高めることができるので、第１出射部および第２出射部の各々から適正な方向に向けて十分な光量の光を出射することができる。

本発明において、前記表面レリーフ回折格子は、ブレーズド回折格子であることが好ましい。かかる構成によれば、特定の回折次数の回折効率を高めることができるので、第１出射部および第２出射部の各々から適正な方向に向けて十分な光量の光を出射することができる。

本発明において、前記第１出射側回折光学素子および前記第２出射側回折光学素子の少なくとも一方は、表面が保護層で覆われていることが好ましい。かかる構成によれば、長い期間にわたって、部分反射膜の劣化を抑制することができるので、良好なシースルー性能を維持することができる。

本発明において、前記導光光学装置は、前記被照射領域に設けられ、可視光のうち前記第１波長域および前記第２波長域とは異なる第３波長域の光に対する回折効率が可視光のうち前記第３波長域とは異なる波長域の光に対する回折効率よりも高い第３入射側回折光学素子と、前記第２導光部材に対して前記第１導光部材とは反対側で対向配置され、前記第３入射側回折光学素子によって回折された光が入射する第３入射部、および前記第３入射部から入射した光を内部で導光して出射する第３出射部を備えた透光性の第３導光部材と、を有し、前記第３入射側回折光学素子は、前記第１入射側回折光学素子または前記第２入射側回折光学素子のうち少なくとも一方の一部と重なるように設けられ、前記第１出射部は、前記第３出射部の少なくとも一部と重なるように設けられていることが好ましい。かかる構成によれば、さらに、第３出射部から出射させた第３波長域の可視光を合成して画像を表示することができる。また、第３導光部材は、第３波長域の可視光を導光するため、第３入射側回折光学素子の第３波長域の可視光に対する回折角度を第１入射側回折光学素子の第１波長域の可視光に対する回折角度や第２入射側回折光学素子の第２波長域の可視光に対する回折角度と同等としておけば、色ムラの発生を抑制することができる。

本発明において、前記画像光出射装置および前記導光光学装置を保持するフレームを有し、前記フレームは、観察者の頭部に装着される態様を採用することができる。本発明によれば、表示装置の小型化を図ることができるので、ヘッドマウントディスプレイ（頭部装着型表示装置）等として構成するのに適している。

本発明を適用した表示装置の一例を示す斜視図である。 図１に示す表示装置の構成を模式的に示す説明図である。 図１に示す表示装置の導光光学装置の光入射側等の平面的構成を拡大して示す平面図である。 図１に示す表示装置に用いた入射回折光学素子を照明光が照射される側からみたときの説明図である。 図１に示す表示装置に用いた回折光学素子の断面構成を模式的に示す説明図である。

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、導光光学装置が延在している横方向をＸ方向とし、Ｘ方向に直交する前後方向をＺ方向とし、Ｘ方向およびＺ方向に直交する上下方向をＹ方向とする。

（表示装置の全体構成）
図１は、本発明を適用した表示装置の一例を示す斜視図である。図２は、図１に示す表示装置の構成を模式的に示す説明図であり、図２（ａ）、（ｂ）は、表示装置に用いた導光光学装置を画像光出射装置が配置されている側からみたときの説明図、および導光光学装置等の平面的構成を示す説明図である。

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）である。表示装置１００は、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の側枠に設けられた第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、単独でも虚像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。

ここで、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、以下の説明では、第１表示装置１００Ａを中心に説明し、第２表示装置１００Ｂの詳細な説明は省略する。

図２に示すように、第１表示装置１００Ａは、画像光出射装置１５および導光光学装置２０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、導光光学装置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において、画像光出射装置１５は第２駆動部１３２に相当し、導光光学装置２０は第２パネル部分１１２に相当する。

画像光出射装置１５は、画像形成装置１１と投射光学系１２とを有している。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。

本形態において、投射光学系１２は、画像形成装置１１（液晶表示デバイス）上の各点から出射された画像光Ｌ０の光線を集光するパワーを有するコリメーターレンズ１２０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や、有機エレクトロルミネッセンス表示素子を用いてもよい。

（導光光学装置２０の構成）
図３は、図１に示す表示装置の導光光学装置２０の光入射側等の平面的構成を拡大して示す平面図である。

図２および図３に示すように、導光光学装置２０は、画像光Ｌ０が照射される被照射領域２１と、被照射領域２１から入射して進行してきた光を表示光Ｌ１として出射する表示光出射領域２３とを備えている。

本形態において、導光光学装置２０は、まず、透光性の第１導光部材３０を有しており、第１導光部材３０のＸ方向の一方側は、画像光出射装置１５にＺ方向で対向している。第１導光部材３０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３０ａおよび第２面３０ｂ）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。第１面３０ａは、画像光出射装置１５から画像光Ｌ０が照射される側の面であり、観察者の眼Ｇが位置する側の面である。第１導光部材３０は、一体形成品であるが、機能的に、第１入射部３１と、第１導光部３２と、第１出射部３３とに分けて考えることができる。第１入射部３１は、第１導光部材３０のＸ方向の一方側で、画像光Ｌ０の照射領域と部分的に重なる面である。第１出射部３３は、第１導光部材３０の第１面３０ａにおいて、第１入射部３１からＸ方向で離間する他方側で観察者の眼Ｇと対向する面である。第１導光部３２は、第１入射部３１と第１出射部３３との間でＸ方向に延在する部分である。

導光光学装置２０の被照射領域２１において、第１導光部材３０には、画像光Ｌ０の照射側からみたときに第１入射部３１に重なるように第１入射側回折光学素子３８が設けられている。また、導光光学装置２０の表示光出射領域２３には、表示光Ｌ１の出射側からみたときに第１出射部３３に重なるように第１出射側回折光学素子３９が設けられている。

本形態において、第１入射側回折光学素子３８は、反射型回折格子であり、第２面３０ｂの側に設けられている。このため、第１入射部３１は、第１導光部材３０の第２面３０ｂに構成されている。また、第１出射側回折光学素子３９は、透過性および反射性を備えた部分反射型回折格子であり、第２面３０ｂの側に設けられている。

第１導光部３２は、第１導光部材３０の第１面３０ａのうち、第１出射部３３を除く面からなる第１反射面と、第２面３０ｂのうち、第１入射部３１および第１出射側回折光学素子が設けられている部分を除く面からなる第２反射面とを備えており、第１入射部３１から入射した画像光Ｌ０を全反射させながら第１出射部３３に導く。第１面３０ａおよび第２面３０ｂには、ミラー層等の反射コートが施されておらず、第１反射面および第２反射面は、空気層との屈折率差を利用した全反射面になっている。

また、導光光学装置２０は、第１導光部材３０に対して画像光Ｌ０の照射側とは反対側（Ｚ方向の他方側）で対向する透光性の第２導光部材４０を有している。第２導光部材４０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４０ａおよび第２面４０ｂ）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等、第１導光部材３０と同様な構成を有している。第１面４０ａは、第１導光部材３０の側の面であり、第２面４０ｂは、第１導光部材３０の側とは反対側の面である。第２導光部材４０は、機能的に、第２入射部４１と、第２導光部４２と、第２出射部４３とに分けて考えることができる。

第２入射部４１は、第２導光部材４０のＸ方向の一方側に位置する面であり、第２出射部４３は、第２導光部材４０の第１面４０ａにおいて第２入射部４１からＸ方向で離間する他方側で観察者の眼Ｇと第１導光部材３０を介して対向している。第２導光部４２は、第２入射部４１と第２出射部４３との間でＸ方向に延在する部分である。

導光光学装置２０の被照射領域２１において、第２導光部材４０には、画像光Ｌ０の照射側からみたときに第２入射部４１に重なるように第２入射側回折光学素子４８が設けられている。また、導光光学装置２０の表示光出射領域２３には、表示光Ｌ１の出射側からみたときに第２出射部４３に重なるように第２出射側回折光学素子４９が設けられている。

本形態において、第２入射側回折光学素子４８は、反射型回折格子であり、第２面４０ｂの側に設けられている。このため、第２入射部４１は、第２導光部材４０の第２面４０ｂに構成されている。また、第２出射側回折光学素子４９は、部分反射型回折格子であり、第２面４０ｂの側に設けられている。

第２導光部４２は、第２導光部材４０の第１面４０ａのうち、第２出射部４３を除く面からなる第１反射面と、第２面４０ｂのうち、第２入射部４１および第２出射側回折光学素子４９が設けられている部分を除く面からなる第２反射面とを備えており、第２入射部４１から入射した画像光Ｌ０を全反射させながら第２出射部４３に導く。第１面４０ａおよび第２面４０ｂは、ミラー層等の反射コートが施されておらず、第１反射面および第２反射面は、空気層との屈折率差を利用した全反射面になっている。

さらに、導光光学装置２０は、第２導光部材４０に対して第１導光部材３０とは反対側（画像光Ｌ０の照射側とは反対側（Ｚ方向の他方側）で対向する透光性の第３導光部材５０を有している。第３導光部材５０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５０ａおよび第２面５０ｂ）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等、第１導光部材３０および第２導光部材４０と同様な構成を有している。より具体的には、第１導光部材３０、第２導光部材４０、および第３導光部材５０は、長さや厚さが等しい導光板であり、画像光Ｌ０の出射側からみたとき、各々の端部が重なっている。第３導光部材５０において、第１面５０ａは、第２導光部材４０の側の面であり、第２面５０ｂは、第２導光部材４０の側とは反対側の面である。第３導光部材５０は、機能的に、第３入射部５１と、第３導光部５２と、第３出射部５３とに分けて考えることができる。

第３入射部５１は、第３導光部材５０のＸ方向の一方側に位置する面であり、第３出射部５３は、第３導光部材５０の第１面５０ａにおいて第３入射部５１からＸ方向で離間する他方側で観察者の眼Ｇと第１導光部材３０および第２導光部材４０を介して対向している。第３導光部５２は、第３入射部５１と第３出射部５３との間でＸ方向に延在する部分である。

導光光学装置２０の被照射領域２１において、第３導光部材５０には、画像光Ｌ０の照射側からみたときに第３入射部５１に重なるように第３入射側回折光学素子５８が設けられている。また、導光光学装置２０の表示光出射領域２３には、表示光Ｌ１の出射側からみたときに第３出射部５３に重なるように第３出射側回折光学素子５９が設けられている。

本形態において、第３入射側回折光学素子５８は、反射型回折格子であり、第２面５０ｂの側に設けられている。このため、第３入射部５１は、第３導光部材５０の第２面４０ｂに構成されている。また、第３出射側回折光学素子５９は、部分反射型回折格子であり、第２面５０ｂの側に設けられている。

第３導光部５２は、第３導光部材５０の第１面５０ａのうち、第３出射部５３を除く面からなる第１反射面と、第２面５０ｂのうち、第３入射部５１および第３出射側回折光学素子５９が設けられている部分を除く面からなる第２反射面とを備えており、第３入射部５１から入射した画像光Ｌ０を全反射させながら第３出射部５３に導く。第１面５０ａおよび第２面５０ｂは、ミラー層等の反射コートが施されておらず、第１反射面および第２反射面は、空気との屈折率差を利用した全反射面になっている。

（回折光学素子の構成）
図４は、図１に示す表示装置に用いた入射回折光学素子を照明光が照射される側からみたときの説明図であり、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、第１入射側回折光学素子の説明図、第２入射側回折光学素子の説明図、第３入射側回折光学素子の説明図、および入射側回折素子の説明図である。

本形態において、第１入射側回折光学素子３８と第１出射側回折光学素子３９とは格子周期が等しく、第２入射側回折光学素子４８と第２出射側回折光学素子４９とは格子周期が等しく、第３入射側回折光学素子５８と第３出射側回折光学素子５９とは格子周期が等しい。

一方、図４に示すように、第１入射側回折光学素子３８の格子周期Ｐ１（第１出射側回折光学素子３９の格子周期）、第２入射側回折光学素子４８の格子周期Ｐ２（第２出射側回折光学素子４９の格子周期）、および第３入射側回折光学素子５８の格子周期Ｐ３（第３出射側回折光学素子５９の格子周期）は互いに相違している。本形態において、第１入射側回折光学素子３８の格子周期Ｐ１、第２入射側回折光学素子４８の格子周期Ｐ２、および第３入射側回折光学素子５８の格子周期Ｐ３は、以下の関係
Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３
にある。

ここで、第１入射側回折光学素子３８の格子周期Ｐ１（第１出射側回折光学素子３９の格子周期）は、青色光の波長を中心とする第１波長域（例えば、４５０ｎｍ〜４９５ｎｍ）の可視光ＬＢに対応させてある。第２入射側回折光学素子４８の格子周期Ｐ２（第２出射側回折光学素子４９の格子周期）は、緑色光の波長を中心とする第２波長域（例えば、４９５ｎｍ〜５７０ｎｍ）の可視光ＬＢに対応させてある。第３入射側回折光学素子５８の格子周期Ｐ３（第３出射側回折光学素子５９の格子周期）は、赤色光の波長を中心とする第３波長域（例えば、６２０ｎｍ〜７５０ｎｍ）の可視光ＬＲに対応させてある。

このため、第１入射側回折光学素子３８（第１出射側回折光学素子３９）は、第１波長域の可視光ＬＢに対する回折効率が、他の波長域の可視光（第２波長域の可視光ＬＧおよび第３波長域の可視光ＬＲ）に対する回折効率より高い。また、第２入射側回折光学素子４８（第２出射側回折光学素子４９）は、第２波長域の可視光ＬＧに対する回折効率が、他の波長域の可視光（第１波長域の可視光ＬＢおよび第３波長域の可視光ＬＲ）に対する回折効率より高い。また、第３入射側回折光学素子５８（第３出射側回折光学素子５９）は、第３波長域の可視光ＬＲに対する回折効率が、他の波長域の可視光（第１波長域の可視光ＬＢおよび第２波長域の可視光ＬＧ）に対する回折効率より高い。

（導光光学装置２０の被照射領域２１の詳細構成）
図２（ａ）および図４に示すように、導光光学装置２０の被照射領域２１を画像光Ｌ０の照射側からみたとき、第１入射側回折光学素子３８および第２入射側回折光学素子４８は、導光光学装置２０の被照射領域２１を分割するように互いにＸ方向にずれた領域に設けられている。また、導光光学装置２０の被照射領域２１を画像光Ｌ０の照射側からみたとき、第３入射側回折光学素子５８は、第１入射側回折光学素子３８および第２入射側回折光学素子４８とともに導光光学装置２０の被照射領域２１を分割するように、第１入射側回折光学素子３８および第２入射側回折光学素子４８に対してＸ方向にずれた領域に設けられている。従って、画像光Ｌ０の照射側からみたとき、第１入射部３１、第２入射部４１および第３入射部５１は、導光光学装置２０の被照射領域２１を３つの領域に分割している。本形態では、画像光Ｌ０の照射側からみたとき、Ｘ方向の一方側から他方側（表示光出射領域２３の側）に向かって、第３入射側回折光学素子５８、第２入射側回折光学素子４８および第１入射側回折光学素子３８が順に設けられている。また、画像光Ｌ０の照射側からみたとき、Ｘ方向の一方側から他方側（表示光出射領域２３の側）に向かって、第３入射部５１、第２入射部４１および第１入射部３１が順に設けられている。

また、導光光学装置２０の被照射領域２１において、第１入射側回折光学素子３８、第２入射側回折光学素子４８、および第３入射側回折光学素子５８は、画像光Ｌ０の照射方向において異なる位置に配置されており、画像光Ｌ０の照射側からみたとき、第１入射側回折光学素子３８と第２入射側回折光学素子４８とがＸ方向で重なり部分３４で部分的に重なっている。また、画像光Ｌ０の照射側からみたとき、第３入射側回折光学素子５８は、第１入射側回折光学素子３８とは重なっていないが、第２入射側回折光学素子４８とＸ方向で重なり部分４５で部分的に重なっている。

これに対して、図２（ａ）に示すように、表示光Ｌ１の出射側からみたとき、導光光学装置２０の表示光出射領域２３において第１出射部３３、第２出射部４３、および第３出射部５３が重なるように設けられており、第１出射側回折光学素子３９、第２出射側回折光学素子４９、および第３出射側回折光学素子５９が重なるように設けられている。

従って、第１導光部材３０、第２導光部材４０および第３導光部材５０は、Ｘ方向の長さが等しいが、第１導光部材３０の第１入射部３１と第１出射部３３との距離は、第２導光部材４０の第２入射部４１と第２出射部４３との距離より短い。また、第２導光部材４０の第２入射部４１と第２出射部４３との距離は、第３導光部材５０の第３入射部５１と第３出射部５３との距離より短い。

（回折光学素子の詳細構成）
図５は、図１に示す表示装置に用いた回折光学素子の断面構成を模式的に示す説明図であり、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、入射側回折光学素子の第１例の説明図、入射側回折光学素子の第２例の説明図、出射側回折光学素子の第１例の説明図、および出入射側回折光学素子の第２例の説明図である。

図５（ａ）に示すように、本形態において、第１入射側回折光学素子３８、第２入射側回折光学素子４８、および第３入射側回折光学素子５８は各々、第１導光部材３０の一方面、第２導光部材４０の一方面、および第３導光部材５０の一方面に一体に形成されている。このため、第１入射側回折光学素子３８、第２入射側回折光学素子４８、および第３入射側回折光学素子５８を各々、第１導光部材３０、第２導光部材４０および第３導光部材５０とは別の素子として設けた場合と比較して、組み立ての高効率化や低コスト化を図ることができる。

また、第１入射側回折光学素子３８、第２入射側回折光学素子４８、および第３入射側回折光学素子５８は各々、導光部材（第１導光部材３０、第２導光部材４０および第３導光部材５０）の表面に形成した凹凸６１の表面に反射性金属層６２を形成した反射型表面レリーフ回折格子である。より具体的には、第１入射側回折光学素子３８、第２入射側回折光学素子４８、および第３入射側回折光学素子５８を構成する反射型表面レリーフ回折格子は、導光部材（第１導光部材３０、第２導光部材４０および第３導光部材５０）に形成された鋸歯状回折格子（鋸歯状の凹凸６１からなる回折格子）の表面に反射性金属層６２を形成した反射型ブレーズド回折格子である。

本形態において、反射性金属層６２は、図５（ａ）に示すように、凹凸６１に沿うように略一定の厚さを有する膜、あるいは、図５（ｂ）に示すように、凹凸６１の凹部６８を埋めるように形成された膜からなる。ここで、反射性金属層６２の表面に酸化膜等からなる透光性の保護膜６３を形成し、反射性金属層６２の劣化を防止することが好ましい。

また、図５（ｃ）に示すように、第１出射側回折光学素子３９、第２出射側回折光学素子４９、および第３出射側回折光学素子５９は各々、第１導光部材３０、第２導光部材４０、および第３導光部材５０と一体に形成されている。このため、第１出射側回折光学素子３９、第２出射側回折光学素子４９、および第３出射側回折光学素子５９を各々、第１導光部材３０、第２導光部材４０および第３導光部材５０とは別の素子として設けた場合と比較して、組み立ての高効率化や低コスト化を図ることができる。

また、第１出射側回折光学素子３９、第２出射側回折光学素子４９、および第３出射側回折光学素子５９は各々、導光部材（第１導光部材３０、第２導光部材４０および第３導光部材５０）の表面に形成した凹凸６５の表面に反射性および透過性を備えた部分反射性金属層６６を形成した部分反射型表面レリーフ回折格子である。より具体的には、第１出射側回折光学素子３９、第２出射側回折光学素子４９、および第３出射側回折光学素子５９を構成する部分反射型表面レリーフ回折格子は、導光部材（第１導光部材３０、第２導光部材４０および第３導光部材５０）に形成された鋸歯状回折格子（鋸歯状の凹凸６５からなる回折格子）の表面に部分反射性金属層６６を形成した部分反射型ブレーズド回折格子である。

本形態において、部分反射性金属層６６は、図５（ｃ）に示すように、凹凸６５に沿うように略一定の厚さを有する膜、あるいは、図５（ｄ）に示すように、凹凸６５の凹部６９を埋めるように形成された膜からなる。ここで、部分反射性金属層６６の表面に酸化膜等からなる透光性の保護膜６３を形成し、部分反射性金属層６６の劣化を防止することが好ましい。

また、本形態において、第１出射側回折光学素子３９、第２出射側回折光学素子４９、および第３出射側回折光学素子５９は各々、第１入射部３１、第２入射部４１および第３入射部５１とは反対側（矢印Ｘ１で示す側）の回折効率が第１入射部３１、第２入射部４１、および第３入射部５１の側に位置する部分の回折効率より高くなっている。本形態において、第１出射側回折光学素子３９、第２出射側回折光学素子４９、および第３出射側回折光学素子５９は部分反射型ブレーズド回折格子であり、格子周期Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を変えることができないので、凹部６９の深さをＸ方向で変えてある。例えば、矢印Ｘ１で示す方向に沿って、凹部６９の深さを連続的あるいは段階的に深くしてある。

（動作）
本形態の第１表示装置１００Ａにおいて、画像光出射装置１５から出射された画像光Ｌ０が導光光学装置２０の被照射領域２１に照射された際、第１入射側回折光学素子３８によって回折された画像光Ｌ０の第１波長域の可視光ＬＢの＋１次回折光が第１入射部３１から第１導光部材３０に斜めに入射する。従って、第１波長域の可視光ＬＢは、第１導光部３２において第１面３０ａおよび第２面３０ｂに臨界角より大きな入射角度で入射することにより、第１導光部３２で全反射しながら進行する。そして、第１波長域の可視光ＬＢは、第１出射側回折光学素子３９によって回折されて、第１出射部３３から出射される。また、画像光Ｌ０が導光光学装置２０の被照射領域２１に照射された際、第２入射側回折光学素子４８によって回折された画像光Ｌ０の第２波長域の可視光ＬＧの＋１次回折光が第２入射部４１から第２導光部材４０に入射する。従って、第２波長域の可視光ＬＧは、第２導光部４２において第１面４０ａおよび第２面４０ｂに臨界角より大きな入射角度で入射することにより、第２導光部４２で全反射しながら進行する。そして、第２波長域の可視光ＬＧは、第２出射側回折光学素子４９によって回折されて、第２出射部４３から出射される。また、画像光Ｌ０が導光光学装置２０の被照射領域２１に照射された際、第３入射側回折光学素子５８によって回折された画像光Ｌ０の第３波長域の可視光ＬＲの＋１次回折光が第３入射部５１から第３導光部材５０に入射する。従って、第３波長域の可視光ＬＲは、第３導光部５２において第１面５０ａおよび第２面５０ｂに臨界角より大きな入射角度で入射することにより、第３導光部５２で全反射しながら進行する。そして、第３波長域の可視光ＬＲは、第３出射側回折光学素子５９によって回折されて、第３出射部５３から出射される。

その結果、第１出射部３３から出射された第１波長域の可視光ＬＢ、第２出射部４３から出射された第２波長域の可視光ＬＧ、および第３出射部５３から出射された第３波長域の可視光ＬＲが合成され、カラーの表示光Ｌ１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。

ここで、第１出射側回折光学素子３９、第２出射側回折光学素子４９、および第３出射側回折光学素子５９は各々、第１入射部３１、第２入射部４１および第３入射部５１とは反対側（矢印Ｘ１で示す側）の回折効率が第１入射部３１、第２入射部４１、および第３入射部５１の側に位置する部分の回折効率より高くなっている。このため、第１出射側回折光学素子３９、第２出射側回折光学素子４９、および第３出射側回折光学素子５９から第１出射部３３、第２出射部４３および第３出射部５３に向けて回折される光量のばらつきが小さい。それ故、観察者が視認する画像での明るさムラを低減することができる。

（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態の第１表示装置１００Ａでは、共通の画像光出射装置１５から出射された画像光Ｌ０の第１波長域の可視光ＬＢを第１入射側回折光学素子３８によって回折して第１導光部材３０の第１入射部３１に入射させ、第１出射部３３から出射する。また、共通の画像光出射装置１５から出射された画像光Ｌ０の第２波長域の可視光ＬＧを第２入射側回折光学素子４８によって回折して第２導光部材４０の第２入射部４１に入射させ、第２出射部４３から出射する。さらに、共通の画像光出射装置１５から出射された画像光Ｌ０の第３波長域の可視光ＬＲを第３入射側回折光学素子５８によって回折して第３導光部材５０の第３入射部５１に入射させ、第３出射部５３から出射する。ここで、表示光Ｌ１の出射側からみたとき、第１出射部３３、第２出射部４３および第３出射部５３が重なるように設けられているため、第１波長域の可視光ＬＢ、第２波長域の可視光ＬＧ、および第３波長域の可視光ＬＲを合成して画像を表示することができる。このため、第１入射側回折光学素子３８の第１波長域の可視光ＬＢに対する回折角度、第２入射側回折光学素子４８の第２波長域の可視光ＬＧに対する回折角度、および第３入射側回折光学素子５８の第３波長域の可視光ＬＲに対する回折角度を同等としておけば、各光が各々、第１出射側回折光学素子３９、第２出射側回折光学素子４９および第３出射側回折光学素子５９で反射する回数が同等となる。従って、色ムラの発生を抑制することができる。また、画像光出射装置１５が共通であるため、各波長域の光が異なる導光部材内を導光する構成を採用した場合でも、第１表示装置１００Ａの小型化やコストの低減を図ることができる。例えば、画像光出射装置１５のＸ方向の寸法が１０ｍｍである場合、Ｘ方向に画像光出射装置１５を３つ配置すると、少なくとも３０ｍｍのスペースが必要であるが、本形態によれば、１０ｍｍのスペースで十分である。それ故、第１表示装置１００Ａは、ヘッドマウントディスプレイ（頭部装着型表示装置）等を構成するのに適している。

また、画像光出射装置１５は、画像光Ｌ０を出射する画像生成装置１１と、画像光Ｌ０を導光光学装置２０の被照射領域２１に集光させるコリメーターレンズ１２０とを備えている。このため、画像生成装置１１から出射された光の全てを導光光学装置２０の被照射領域２１に出射することができる。また、図３に示すように、画像生成装置１１から光線が出射された位置に対応する全ての角度分布を含む画像光Ｌ０１、Ｌ０２、Ｌ０３を各々、第１入射側回折光学素子３８、第２入射側回折光学素子４８および第３入射側回折光学素子５８に入射させることができるので、画角を広げることができるとともに、画角を広げた場合でも、品位の高い画像を表示することができる。

また、導光光学装置２０の被照射領域２１において第１入射側回折光学素子３８と第２入射側回折光学素子４８とが部分的に重なっており、第２入射側回折光学素子４８と第３入射側回折光学素子５８とが部分的に重なっている。このため、画像光Ｌ０において、斜めに進行する光も第２入射側回折光学素子４８や第３入射側回折光学素子５８に入射させることができる。特に本形態では、第１入射側回折光学素子３８、第２入射側回折光学素子４８、および第３入射側回折光学素子５８が反射型回折格子であるが、この場合でも、画像光Ｌ０において、斜めに進行する光も第２入射側回折光学素子４８や第３入射側回折光学素子５８に効率よく入射させることができる。それ故、画角を広げた場合でも、品位の高い画像を表示することができる。

また、第１入射側回折光学素子３８、第２入射側回折光学素子４８、および第３入射側回折光学素子５８は各々、反射型表面レリーフ回折格子である。より具体的には、第１入射側回折光学素子３８、第２入射側回折光学素子４８、および第３入射側回折光学素子５８は各々、反射型ブレーズド回折格子である。このため、広い入射角度範囲にわたって特定の回折次数の回折効率を高めることができるので、画像光Ｌ０の所定の波長域の光を第１入射部３１、第２入射部４１、および第３入射部５１においてそれぞれ第１導光部材３０、第２導光部材４０、および第３導光部材に高い効率で回折させて結合させることができる。

また、第１出射側回折光学素子３９、第２出射側回折光学素子４９、および第３出射側回折光学素子５９は各々、部分反射型表面レリーフ回折格子である。より具体的には、第１出射側回折光学素子３９、第２出射側回折光学素子４９、および第３出射側回折光学素子５９は各々、部分反射型ブレーズド回折格子である。このため、特定の回折次数の回折効率を高めることができる。従って、第１出射部３３、第２出射部４３および第３出射部５３の各々から適正な方向に向けて十分な光量の光を出射することができる。

（他の実施の形態）
上記実施の形態では、第１入射側回折光学素子３８、第２入射側回折光学素子４８、および第３入射側回折光学素子５８が反射型回折格子であったが、透過型回折格子であってもよい。また、上記実施の形態では、第１出射側回折光学素子３９、第２出射側回折光学素子４９、および第３出射側回折光学素子５９が反射型回折格子であったが、透過型回折格子であってもよい。

１１・・画像生成装置、１２・・投射光学系、１５・・画像光出射装置、２０・・導光光学装置、２１・・被照射領域、２３・・表示光出射領域、２６・・被照射領域、３０・・第１導光部材、３１・・第１入射部、３２・・第１導光部、３３・・第１出射部、３４、４５・・重なり部分、３８・・第１入射側回折光学素子、３９・・第１出射側回折光学素子、４０・・第２導光部材、４１・・第２入射部、４２・・第２導光部、４３・・第２出射部、４８・・第２入射側回折光学素子、４９・・第２出射側回折光学素子、５０・・第３導光部材、５１・・第３入射部、５２・・第３導光部、５３・・第３出射部、５８・・第３入射側回折光学素子、５９・・第３出射側回折光学素子、６１、６５・・凹凸、６３・・保護膜、６２・・反射性金属、６６・・部分反射性金属層、６８、６９・・凹部、１００・・表示装置、１００Ａ・・第１表示装置、１００Ｂ・・第２表示装置、１２０・・コリメーターレンズ、Ｇ・・観察者の眼、Ｌ０、Ｌ０１、Ｌ０２、Ｌ０３、画像光、Ｌ１・・表示光、ＬＢ・・第１波長域、ＬＧ・・第２波長域の可視光、ＬＲ・・第３波長域の可視光、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３・・格子周期

Claims (15)

1. 画像光を出射する画像光出射装置と、
   前記画像光が照射される被照射領域、および前記被照射領域から入射した光を内部で導光して表示光として出射する出射領域を備えた導光光学装置と、
   を有し、
   前記導光光学装置は、
   前記被照射領域に設けられ、可視光のうち第１波長域の光に対する回折効率が可視光のうち前記第１波長域とは異なる波長域の光に対する回折効率よりも高い第１入射側回折光学素子と、
   前記第１入射側回折光学素子によって回折された光が入射する第１入射部、および前記第１入射部から入射した光を内部で導光して出射する第１出射部を備えた透光性の第１導光部材と、
   前記被照射領域に設けられ、可視光のうち前記第１波長域とは異なる第２波長域の光に対する回折効率が可視光のうち前記第２波長域とは異なる波長域の光に対する回折効率よりも高い第２入射側回折光学素子と、
   前記画像光が照射される側とは反対側で前記第１導光部材に対向配置され、前記第２入射側回折光学素子によって回折された光が入射する第２入射部、および前記第２入射部から入射した光を内部で導光して出射する第２出射部を備えた透光性の第２導光部材と、
   を有し、
   前記第１入射側回折光学素子は、前記第２入射側回折光学素子の一部と重なるように設けられ、
   前記第１出射部は、前記第２出射部の少なくとも一部と重なるように設けられている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、
   前記画像光出射装置は、画像生成装置と、コリメーターレンズと、を備えてい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、
   前記第１入射側回折光学素子は、前記第１導光部材と一体に形成され、
   前記第２入射側回折光学素子は、前記第２導光部材と一体に形成されていることを特徴とする表示装置。
4. 請求項１または２に記載の表示装置において、
   前記第１入射側回折光学素子は、前記第１導光部材に対して前記第２導光部材の側に設けられた反射型回折格子であり、
   前記第２入射側回折光学素子は、前記第２導光部材に対して前記第１導光部材とは反対側に設けられた反射型回折格子であることを特徴とする表示装置。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の表示装置において、
   前記第１入射側回折光学素子および前記第２入射側回折光学素子は、表面レリーフ回折格子であ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、
   前記表面レリーフ回折格子は、ブレーズド回折格子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、
   前記第１導光部材には、前記第１導光部材の内部を導光した前記第１波長域の光を回折して前記第１出射部から出射させる第１出射側回折光学素子が設けられ、
   前記第２導光部材には、前記第１導光部材の内部を導光した前記第２波長域の光を回折して前記第２出射部から出射させる第２出射側回折光学素子が設けられ、
   前記第１入射側回折光学素子は、前記第１出射側回折光学素子と同じ格子周期となるように設けられ、
   前記第２入射側回折光学素子は、前記第２出射側回折光学素子と同じ格子周期となるように設けられていることを特徴とする表示装置。
8. 請求項７に記載の表示装置において、
   前記第１出射側回折光学素子は、前記第１入射部とは反対側に位置する部分の回折効率が前記第１入射部側に位置する部分の回折効率より高く、
   前記第２出射側回折光学素子は、前記第２入射部とは反対側に位置する部分の回折効率が前記第１入射部側に位置する部分の回折効率より高いことを特徴とする表示装置。
9. 請求項７または８に記載の表示装置において、
   前記第１出射側回折光学素子は、前記第１導光部材と一体に形成され、
   前記第２出射側回折光学素子は、前記第２導光部材と一体に形成されていることを特徴とする表示装置。
10. 請求項７または８に記載の表示装置において、
    前記第１出射側回折光学素子は、前記第１導光部材に対して前記第２導光部材の側に設けられた部分反射型回折格子であり、
    前記第２出射側回折光学素子は、前記第２導光部材に対して前記第１導光部材とは反対側に設けられた部分反射型回折格子であることを特徴とする表示装置。
11. 請求項７乃至１０の何れか一項に記載の表示装置において、
    前記第１出射側回折光学素子および前記第２出射側回折光学素子は、表面レリーフ回折格子であることを特徴とする表示装置。
12. 請求項１１に記載の表示装置において、
    前記表面レリーフ回折格子は、ブレーズド回折格子であることを特徴とする表示装置。
13. 請求項７乃至１２の何れか一項に記載の表示装置において、
    前記第１出射側回折光学素子および前記第２出射側回折光学素子の少なくとも一方は、表面が保護層で覆われていることを特徴とする表示装置。
14. 請求項１乃至１３の何れか一項に記載の表示装置において、
    前記導光光学装置は、
    前記被照射領域に設けられ、可視光のうち前記第１波長域および前記第２波長域とは異なる第３波長域の光に対する回折効率が可視光のうち前記第３波長域とは異なる波長域の光に対する回折効率よりも高い第３入射側回折光学素子と、
    前記第２導光部材に対して前記第１導光部材とは反対側で対向配置され、前記第３入射側回折光学素子によって回折された光が入射する第３入射部、および前記第３入射部から入射した光を内部で導光して出射する第３出射部を備えた透光性の第３導光部材と、
    を有し、
    前記第３入射側回折光学素子は、前記第１入射側回折光学素子または前記第２入射側回折光学素子のうち少なくとも一方の一部と重なるように設けられ、
    前記第１出射部は、前記第３出射部の少なくとも一部と重なるように設けられていることを特徴とする表示装置。
15. 請求項１乃至１４の何れか一項に記載の表示装置において、
    前記画像光出射装置および前記導光光学装置を保持するフレームを有し、
    前記フレームは、観察者の頭部に装着されることを特徴とする表示装置。