JP2018087949A - 映像表示装置、および導光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】映像光がスペクトル幅を有している場合においても解像度の低下を抑制した、良好な映像表示が可能な映像表示装置、および導光装置を提供する。【解決手段】映像光を生成する映像光生成部と、前記映像光を投射する投射系光学部と、収差を補正する補正系光学部と、前記映像光が第１入射面に入射されて偏向される第１回折素子と、前記映像光が第２入射面に入射されて偏向される第２回折素子と、を有し、前記映像光の進行方向に沿って前記映像光生成部、前記投射系光学部、前記第２回折素子、前記補正系光学部、前記第１回折素子の順に配置され、前記第２回折素子によって波長毎に偏向されて分散した前記映像光が、前記第１回折素子によって集光される。【選択図】図４
Description
本発明は、回折素子を利用して映像を表示する映像表示装置、および導光装置に関するものである。
ホログラフィック素子等の回折素子を用いた装置としては、ホログラム記録再生装置や、映像光を回折素子によって利用者の瞳に入射させる映像表示装置が挙げられる。映像表示装置の例としては、観察者の頭部に装着し映像を観察者の瞳に導くヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等を例示することができ、ホログラフィック素子は、観察者の眼前に配置され映像光を観察者の瞳へと偏向させる機能を有する。ホログラフィック素子では、特定波長で最適な回折角度と回折効率が得られるように干渉縞が最適化されている。
例えば、特許文献１には、ホログラフィック素子を使用したＨＭＤが開示され、ＨＭＤの構成において色ムラを抑制するため、導光板と２つの回折素子で映像光を導光させる表示装置の構成が提案されている。
例えば、特許文献１には、ホログラフィック素子を使用したＨＭＤが開示され、ＨＭＤの構成において色ムラを抑制するため、導光板と２つの回折素子で映像光を導光させる表示装置の構成が提案されている。
しかしながら、映像光が特定波長を中心にしてスペクトル幅を有している場合、特定波長からずれた波長の光は、映像の解像度を低下させる原因となる。
特許文献１に記載の表示装置では、レーザーを光源とし、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）のそれぞれの波長の光のズレによる色ムラについて考慮されているものの、各色光がスペクトル幅を有している場合については考慮されていない。
例えば、特定波長を中心にしてスペクトル幅を有する発光ダイオード素子（ＬＥＤ）や有機エレクトロルミネッセンス素子（ＯＬＥＤ）等を光源として使用する場合、特定波長からずれた波長の光によって映像の解像度が低下するという課題に対して、その解決策については何ら開示も示唆もされていない。
特許文献１に記載の表示装置では、レーザーを光源とし、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）のそれぞれの波長の光のズレによる色ムラについて考慮されているものの、各色光がスペクトル幅を有している場合については考慮されていない。
例えば、特定波長を中心にしてスペクトル幅を有する発光ダイオード素子（ＬＥＤ）や有機エレクトロルミネッセンス素子（ＯＬＥＤ）等を光源として使用する場合、特定波長からずれた波長の光によって映像の解像度が低下するという課題に対して、その解決策については何ら開示も示唆もされていない。
図１０は、ＬＥＤやＯＬＥＤ等から生成される映像光が、スペクトル幅を有することを示す説明図である。
図１０は、横軸に波長、縦軸に光の強度をとり、ＯＬＥＤが出射する映像光Ｌ０の波長分布の例を示す。図１０に示すように、映像光Ｌ０は、約５３５ｎｍを中心にしてスペクトル幅を有する波長分布を有する。
図１０は、横軸に波長、縦軸に光の強度をとり、ＯＬＥＤが出射する映像光Ｌ０の波長分布の例を示す。図１０に示すように、映像光Ｌ０は、約５３５ｎｍを中心にしてスペクトル幅を有する波長分布を有する。
図１１は、スペクトル幅を有している映像光が眼前のホログラフィック素子によって偏向されることを示す説明図である。
図１１は、映像表示装置の眼前部分を示しており、ホログラフィック素子によって構成される第一回折素子６１、観察者の眼Ｅ（瞳孔Ｅ１および網膜Ｅ２）、映像光Ｌ０を構成する特定波長Ｌ１（実線）と、特定波長Ｌ１に対して長波長側の光Ｌ２（一点鎖線）および特定波長に対して短波長側の光Ｌ３（点線）の光線図を示している。
第１回折素子６１に入射した映像光Ｌ０は、第１回折素子６１によって回折し観察者の眼Ｅ方向へと偏向される。映像光Ｌ０は、眼Ｅの瞳孔Ｅ１を介して網膜Ｅ２に到達することにより、観察者に映像を認識させる。
図１１は、映像表示装置の眼前部分を示しており、ホログラフィック素子によって構成される第一回折素子６１、観察者の眼Ｅ（瞳孔Ｅ１および網膜Ｅ２）、映像光Ｌ０を構成する特定波長Ｌ１（実線）と、特定波長Ｌ１に対して長波長側の光Ｌ２（一点鎖線）および特定波長に対して短波長側の光Ｌ３（点線）の光線図を示している。
第１回折素子６１に入射した映像光Ｌ０は、第１回折素子６１によって回折し観察者の眼Ｅ方向へと偏向される。映像光Ｌ０は、眼Ｅの瞳孔Ｅ１を介して網膜Ｅ２に到達することにより、観察者に映像を認識させる。
第１回折素子６１によって回折する角度は、入射する波長によって異なり、特定波長の光Ｌ１の回折角度を基準とした場合、長波長側の光Ｌ２は回折角度が大きくなり、短波長側の光Ｌ３は回折角度が小さくなる。従って図１１に示すように、波長により、第１回折素子６１によって回折し観察者の眼Ｅ方向へと偏向される角度が異なってしまう。その結果、網膜Ｅ２での結像位置がずれて、解像度の低下が起こる。
本発明は、映像光がスペクトル幅を有している場合においても解像度の低下を抑制した映像表示を可能とし、良好な映像表示が可能な映像表示装置、および導光装置を提供することを目的とする。
［適用例１］本適用例に係る映像表示装置は、映像光を生成して出射する映像光生成部と、前記映像光を投射する投射系光学部と、前記映像光の収差を補正する補正系光学部と、第１入射面に入射される前記映像光を偏向する第１回折素子と、第２入射面に入射される前記映像光を偏向する第２回折素子と、を有し、前記映像光生成部から出射される前記映像光の進行方向に沿って、前記投射系光学部、前記第２回折素子、前記補正系光学部、前記第１回折素子の順に配置され、前記投射系光学部を経由して前記第２入射面に入射され前記第２回折素子によって波長毎に偏向されて分散した前記映像光が、前記補正系光学部を経由して前記第１入射面に入射され前記第１回折素子によって偏向されて集光されることを特徴とする。
本適用例によれば、映像光生成部によって生成された映像光を、投射系光学部、第２回折素子、補正系光学部、第１回折素子を介して、観察者の瞳へと導くことで映像を観察することが可能となる。ここで、第２回折素子によって波長毎に回折角度が異なり分散された（偏向された）映像光が、第１回折素子によって集光して略平行になって観察者の瞳へと出射される。そのため、波長による回折角度のずれを補償することが可能となり、これによって、解像度の劣化の無い映像を提供することができる。また、第２回折素子には投射系光学部を介した映像光が入射するので、第２回折素子を第２回折素子の面内方向の位置に応じた好適な構成とすることができる。
従って、良好な映像を表示することが可能な映像表示装置を提供することができる。
従って、良好な映像を表示することが可能な映像表示装置を提供することができる。
［適用例２］上記適用例に記載の前記第１入射面および前記第２入射面は、前記映像光の入射方向において、周辺部に対して中央部が凹んで湾曲した形状であることが好ましい。
本適用例によれば、第１入射面および第２入射面を周辺部に対して中央部が凹んで湾曲された形状とすることで、集光レンズと等価の機能を有するため、映像光を観察者の眼に向けて集光させる機能が増強されることになる。従って、画角が大きく、かつ高画質な映像表示が可能になるという効果を得ることができる。
［適用例３］上記適用例に記載の前記第１回折素子および前記第２回折素子は、反射型体積ホログラフィック素子であることが好ましい。
本適用例によれば、反射型体積ホログラフィック素子は映像光を構成する波長のみを選択的に回折できるため、高い透過性が得られ、映像表示装置は、外光（背景）と映像を同時に視認することが可能になるという効果を得ることができる。
［適用例４］上記適用例に記載の前記第１回折素子および前記第２回折素子は、ピッチが異なる複数種類の干渉縞が設けられていることが好ましい。
本適用例によれば、映像光のＲＧＢ各色に対応した複数種類の干渉縞を設けることで、映像表示装置は、カラーでの映像表示が可能になるという効果を得ることができる。
［適用例５］上記適用例に記載の前記第１回折素子は、前記第１入射面の法線方向から光を入射した際に、第１方向に最も高い回折効率となる素子であり、前記第２回折素子は、前記第２入射面の法線方向から光を入射した際に、第２方向に最も高い回折効率となる素子であり、前記第１回折素子および前記第２回折素子は、前記第２回折素子から前記第１回折素子までの間での光の反射回数と中間像の生成回数との和が偶数である場合には、前記第１入射面の法線と前記第２入射面の法線とを含む仮想面の法線方向から見て、前記第１入射面の法線方向に対する前記第１方向の向きと前記第２入射面の法線方向に対する前記第２方向の向きとが互いに同じ方向となるように配置され、前記第２回折素子から前記第１回折素子までの間での光の反射回数と中間像の生成回数との和が奇数である場合には、前記第１入射面の法線と前記第２入射面の法線とを含む仮想面の法線方向から見て、前記第１入射面の法線方向に対する前記第１方向の向きと前記第２入射面の法線方向に対する前記第２方向の向きとが互いに異なる方向となるように配置されていることが好ましい。
本適用例によれば、第１回折素子と第２回折素子の間に光学素子を配する場合において、波長毎に異なる回折角度のずれを補償する効果を得ることができる。
［適用例６］上記適用例に記載の前記映像光生成部が有機エレクトロルミネッセンス表示素子であることが好ましい。
本適用例によれば、小型で高精細な有機エレクトロルミネッセンス表示素子を採用できるため、小型で高画質な映像表示が可能な映像表示装置を提供することができる。
［適用例７］上記適用例に記載の前記映像光生成部が照明光源と液晶表示素子であることが好ましい。
本適用例によれば、照明光源の選択が可能なため、映像光の波長特性の自由度が広がるという効果を得ることができる。
［適用例８］本適用例に係る導光装置は、映像光を投射する投射系光学部と、前記映像光の収差を補正する補正系光学部と、第１入射面に入射される前記映像光を偏向する第１回折素子と、第２入射面に入射される前記映像光を偏向する第２回折素子と、を有し、前記映像光生成部から出射される前記映像光の進行方向に沿って、前記投射系光学部、前記第２回折素子、前記補正系光学部、前記第１回折素子の順に配置され、前記投射系光学部を経由して前記第２入射面に入射され前記第２回折素子によって波長毎に偏向されて分散した前記映像光が、前記補正系光学部を経由して前記第１入射面に入射され前記第１回折素子によって偏向されて集光されることを特徴とする。
本適用例によれば、映像光を、投射系光学部、第２回折素子、補正系光学部、第１回折素子を介して、観察者の瞳へと導くことで映像を観察することが可能となる。ここで、第２回折素子によって波長毎に回折角度が異なり分散された（偏向された）映像光が、第１回折素子によって集光して略平行になって観察者の瞳へと出射される。そのため、波長による回折角度のずれを補償することが可能となり、これによって、解像度の劣化の無い映像を提供することができる。また、補正系光学部を配することで、歪み等の収差を抑制することができる。
従って、良好な映像を表示することが可能な導光装置を提供することができる。
従って、良好な映像を表示することが可能な導光装置を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度や角度を実際とは異ならせしめている。
（実施形態１）
図１は、本発明を適用した映像表示装置１００の外観の一態様を示す外観図である。
図１において、映像表示装置１００は、頭部装着型の映像表示装置であり、右眼用映像光生成部５６ａと、右眼用映像光生成部５６ａから出射された映像光を偏向して観察者の右眼Ｅａに入射させる右眼用偏向部材６１ａと、左眼用映像光生成部５６ｂと、左眼用映像光生成部５６ｂから出射された映像光を偏向して観察者の左眼Ｅｂに入射させる左眼用偏向部材６１ｂとを有している。映像表示装置１００は、例えば、眼鏡のような形状に形成される。具体的には、映像表示装置１００は、右眼用映像光生成部５６ａ、右眼用偏向部材６１ａ、左眼用映像光生成部５６ｂ、および左眼用偏向部材６１ｂを保持するフレーム６０を有しており、フレーム６０は観察者の頭部に装着される。フレーム６０は、右眼用偏向部材６１ａおよび左眼用偏向部材６１ｂを支持する前部分６５を有しており、フレーム６０の右側のテンプル６２ａ、および左側のテンプル６２ｂの各々に、右眼用映像光生成部５６ａおよび左眼用映像光生成部５６ｂが設けられる。右眼用偏向部材６１ａおよび左眼用偏向部材６１ｂには、後述する第１回折素子６１が設けられている。
図１は、本発明を適用した映像表示装置１００の外観の一態様を示す外観図である。
図１において、映像表示装置１００は、頭部装着型の映像表示装置であり、右眼用映像光生成部５６ａと、右眼用映像光生成部５６ａから出射された映像光を偏向して観察者の右眼Ｅａに入射させる右眼用偏向部材６１ａと、左眼用映像光生成部５６ｂと、左眼用映像光生成部５６ｂから出射された映像光を偏向して観察者の左眼Ｅｂに入射させる左眼用偏向部材６１ｂとを有している。映像表示装置１００は、例えば、眼鏡のような形状に形成される。具体的には、映像表示装置１００は、右眼用映像光生成部５６ａ、右眼用偏向部材６１ａ、左眼用映像光生成部５６ｂ、および左眼用偏向部材６１ｂを保持するフレーム６０を有しており、フレーム６０は観察者の頭部に装着される。フレーム６０は、右眼用偏向部材６１ａおよび左眼用偏向部材６１ｂを支持する前部分６５を有しており、フレーム６０の右側のテンプル６２ａ、および左側のテンプル６２ｂの各々に、右眼用映像光生成部５６ａおよび左眼用映像光生成部５６ｂが設けられる。右眼用偏向部材６１ａおよび左眼用偏向部材６１ｂには、後述する第１回折素子６１が設けられている。
図２は、本発明を適用した映像表示装置１００の光学系の一態様を示す説明図である。
右眼用映像光生成部５６ａおよび左眼用映像光生成部５６ｂは基本的な構成が同一であるため、図２には、左眼用映像光生成部５６ｂの構成のみを説明し、右眼用映像光生成部５６ａの説明を省略する。
図２に示すように、実施形態１では、左眼用映像光生成部５６ｂから出射される映像光の進行方向に沿って、投射系光学部４１、第２回折素子３１、補正系光学部２１、および第１回折素子６１が、順に配置されている。ここで、図２における、投射系光学部４１、第２回折素子３１、補正系光学部２１、および第１回折素子６１が、映像光の光路を形成する導光装置１０１である。
図２では、映像光の中央と両端の画角の光線を記載している。なお、第２回折素子３１以降の光線は、図の簡略化の為に各画角の中心光線のみを記載し、他の光線を省略している。
右眼用映像光生成部５６ａおよび左眼用映像光生成部５６ｂは基本的な構成が同一であるため、図２には、左眼用映像光生成部５６ｂの構成のみを説明し、右眼用映像光生成部５６ａの説明を省略する。
図２に示すように、実施形態１では、左眼用映像光生成部５６ｂから出射される映像光の進行方向に沿って、投射系光学部４１、第２回折素子３１、補正系光学部２１、および第１回折素子６１が、順に配置されている。ここで、図２における、投射系光学部４１、第２回折素子３１、補正系光学部２１、および第１回折素子６１が、映像光の光路を形成する導光装置１０１である。
図２では、映像光の中央と両端の画角の光線を記載している。なお、第２回折素子３１以降の光線は、図の簡略化の為に各画角の中心光線のみを記載し、他の光線を省略している。
左眼用映像光生成部５６ｂによって生成された映像光Ｌ０は、投射系光学部４１を介して（経由して）、第２回折素子３１の第２入射面３１５へ入射する。第２回折素子３１へ入射した映像光Ｌ０は、第２回折素子３１によって回折し、偏向される。第２回折素子３１によって偏向された映像光Ｌ０は、補正系光学部２１を介して、第１回折素子６１の第１入射面６１５へ入射する。第１回折素子６１へ入射した映像光Ｌ０は、第１回折素子６１によって回折し、偏向される。そして、映像光Ｌ０は、眼Ｅの瞳孔Ｅ１を介して網膜Ｅ２に到達することにより、観察者に映像を認識させる。
左眼用映像光生成部５６ｂはＯＬＥＤ５６０によって構成され、映像光Ｌ０を生成する。なお、左眼用映像光生成部５６ｂは照明光源（ＬＥＤ等）と液晶表示素子で構成されてもよい。
投射系光学部４１はレンズ、ミラー等の光学素子によって構成される。投射系光学部４１は、映像光Ｌ０の放射角度を制御する機能を有し、左眼用映像光生成部５６ｂで生成された映像光Ｌ０を生成された位置に応じた角度を有する平行状態の光束に調整する。これによって、左眼用映像光生成部５６ｂで生成された映像光Ｌ０を、第２回折素子３１へ効率的に導くことができる。
補正系光学部２１はレンズ、ミラー等の光学素子によって構成される。補正系光学部２１は、映像光Ｌ０の歪み等の収差を補正する機能を有する。これによって、第２回折素子３１で偏向された映像光Ｌ０を、第１回折素子６１へ効率的に導くことができる。
（第１回折素子６１及び第２回折素子３１の構成）
実施形態１において、左眼用偏向部材６１ｂには、反射型体積ホログラフィック素子６１０からなる第１回折素子６１が設けられている。反射型体積ホログラフィック素子６１０は部分反射型回折光学素子であり、左眼用偏向部材６１ｂは、部分透過反射性のコンバイナーである。このため、外光も左眼用偏向部材６１ｂ（コンバイナー）を介して眼Ｅに入射するため、観察者は、左眼用映像光生成部５６ｂで形成した映像光Ｌ０と外光（背景）とが重畳した画像を認識することができる。ここで、第１回折素子６１は、観察者と対向し、映像光Ｌ０が入射する第１回折素子６１の第１入射面６１５が、眼Ｅから離れる方向に凹んだ凹曲面になっている。換言すれば、第１入射面６１５は、映像光Ｌ０の入射方向において、周辺部に対して中央部が凹んで湾曲した形状となっている。そのため、映像光Ｌ０を観察者の眼Ｅに向けて効率良く集光させることができる。
実施形態１において、左眼用偏向部材６１ｂには、反射型体積ホログラフィック素子６１０からなる第１回折素子６１が設けられている。反射型体積ホログラフィック素子６１０は部分反射型回折光学素子であり、左眼用偏向部材６１ｂは、部分透過反射性のコンバイナーである。このため、外光も左眼用偏向部材６１ｂ（コンバイナー）を介して眼Ｅに入射するため、観察者は、左眼用映像光生成部５６ｂで形成した映像光Ｌ０と外光（背景）とが重畳した画像を認識することができる。ここで、第１回折素子６１は、観察者と対向し、映像光Ｌ０が入射する第１回折素子６１の第１入射面６１５が、眼Ｅから離れる方向に凹んだ凹曲面になっている。換言すれば、第１入射面６１５は、映像光Ｌ０の入射方向において、周辺部に対して中央部が凹んで湾曲した形状となっている。そのため、映像光Ｌ０を観察者の眼Ｅに向けて効率良く集光させることができる。
また、第２回折素子３１には、反射型体積ホログラフィック素子３１０が設けられている。反射型体積ホログラフィック素子３１０は部分反射型回折光学素子である。ここで、第２回折素子３１は、補正系光学部２１と対向し、映像光Ｌ０が入射する第２回折素子３１の第２入射面３１５が、凹んだ凹曲面になっている。換言すれば、第２入射面３１５は、映像光Ｌ０の入射方向において、周辺部に対して中央部が凹んで湾曲した形状となっている。そのため、映像光Ｌ０を補正系光学部２１に向けて効率良く偏向させることができる。
第１回折素子６１および第２回折素子３１は基本的な構成が同一であるため、ここでは、第１回折素子６１の構成のみを説明し、第２回折素子３１の説明を省略する。
図３は、第１回折素子６１の構造を示す断面図である。第１回折素子６１は、映像光Ｌ０を所定の方向に回折して偏向する。第１回折素子６１は、図３に模式的に示すように、特定波長に対応するピッチを有した干渉縞６１１を有している。干渉縞６１１は屈折率等の差としてホログラム感光層に記録されており、干渉縞６１１は特定入射角度に対応するように、第１回折素子６１の第１入射面６１５に対して一方方向に傾いている。ここで、特定波長および特定入射角度とは、映像光Ｌ０の波長と入射角度に対応する。かかる構成の干渉縞６１１は、参照光Ｌｒおよび物体光Ｌｓを用いてホログラフィック感光層に干渉露光を行うことにより形成することができる。
図３は、第１回折素子６１の構造を示す断面図である。第１回折素子６１は、映像光Ｌ０を所定の方向に回折して偏向する。第１回折素子６１は、図３に模式的に示すように、特定波長に対応するピッチを有した干渉縞６１１を有している。干渉縞６１１は屈折率等の差としてホログラム感光層に記録されており、干渉縞６１１は特定入射角度に対応するように、第１回折素子６１の第１入射面６１５に対して一方方向に傾いている。ここで、特定波長および特定入射角度とは、映像光Ｌ０の波長と入射角度に対応する。かかる構成の干渉縞６１１は、参照光Ｌｒおよび物体光Ｌｓを用いてホログラフィック感光層に干渉露光を行うことにより形成することができる。
以上、実施形態１に係る映像表示装置１００の構成について述べた。次に、映像光Ｌ０がスペクトル幅を有している場合、前述の映像表示装置１００によって、映像の解像度の低下が抑制される理由について説明する。
図４は、実施形態１に係る映像表示装置１００によって得られる作用を示した説明図である。なお、中央の画角のみ光線と効果を記載しているが、他の画角においても同様の効果が得られるため、省略して記載している。図４では、映像光Ｌ０の特定波長Ｌ１（実線）を図示しており、例えば映像光Ｌ０の強度ピークとなる波長（例えば、図１０における５３５ｎｍ）の光とする。また、図４では、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２（一点鎖線）および特定波長に対して短波長側の光Ｌ３（点線）を図示する。なお、第２回折素子３１から第１回折素子６１までの間は、図の簡略化のため、特定波長Ｌ１の光線のみを記載している。
第２回折素子３１に入射した映像光Ｌ０は、第２回折素子３１によって回折し偏向される。このとき、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２の回折角度は、特定波長Ｌ１の回折角度よりも大きくなる。また、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３の回折角度は、特定波長Ｌ１の回折角度よりも小さくなる。
したがって、第２回折素子３１を出射した映像光Ｌ０は、波長毎に偏向されて分散することとなる。
したがって、第２回折素子３１を出射した映像光Ｌ０は、波長毎に偏向されて分散することとなる。
第２回折素子３１を出射した映像光Ｌ０は、補正系光学部２１を介して第１回折素子６１に入射し、第１回折素子６１によって回折し偏向される。映像光Ｌ０と第１回折素子６１の入射面法線との間の角度を入射角とすると、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２は、特定波長Ｌ１よりも大きな入射角となり、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３は、特定波長Ｌ１よりも小さな入射角となる。
このとき、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２の回折角度は、特定波長Ｌ１の回折角度よりも大きくなる。また、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３の回折角度は、特定波長Ｌ１の回折角度よりも小さくなる。
このとき、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２の回折角度は、特定波長Ｌ１の回折角度よりも大きくなる。また、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３の回折角度は、特定波長Ｌ１の回折角度よりも小さくなる。
特定波長に対して長波長側の光Ｌ２は、特定波長Ｌ１よりも大きな入射角で第１回折素子６１に入射するが、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２の回折角度が、特定波長Ｌ１の回折角度よりも大きいため、結果として第１回折素子６１から出射するときには、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２と特定波長Ｌ１は略平行な光となる。
同様に、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３は、特定波長Ｌ１よりも小さな入射角で第１回折素子６１に入射するが、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３の回折角度が、特定波長Ｌ１の回折角度よりも小さいため、結果として第１回折素子６１から出射するときには、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３と特定波長Ｌ１は略平行な光となる。
したがって、第１回折素子６１を出射した映像光Ｌ０は、集光されて、略平行な光として観察者の瞳へと入射する。その結果、波長毎の網膜での結像位置ずれが抑制される。
ここで、第１回折素子６１および第２回折素子３１は、波長による回折角度のずれが相殺するように作られていることが好ましい。
例えば、第１回折素子６１および第２回折素子３１を、干渉縞６１１、３１１のピッチおよび傾きが面内方向で等しくなるようにすると波長による回折角度のずれを相殺できる。ただし、第１回折素子６１と第２回折素子３１の間に配置される光学部品による影響を考慮すると、干渉縞６１１、３１１のピッチおよび傾きが面内方向で異なる態様を採用する方が好ましい場合もある。その場合においては、第１回折素子６１を出射した映像光Ｌ０が集光するように、光学部品による影響を考慮して干渉縞６１１、３１１のピッチおよび傾きを僅かに異ならせる。いずれの場合においても、第２回折素子３１に入射する映像光Ｌ０は、投射系光学部４１を介することで生成された位置に応じた角度を有する平行状態の光束に調整されているので、第２回折素子３１の面内方向の位置に応じて、それぞれが波長による回折角度のずれを相殺するように干渉縞３１１のピッチおよび傾きを好適な構成とすることができる。
（作用・効果）
以上説明した通り、実施形態１に係る映像表示装置１００によれば、スペクトル幅を有する映像光Ｌ０が、第２回折素子３１によって波長毎に偏向されて分散したのち、第１回折素子６１によって集光されて、略平行な光として観察者の瞳へと入射される。そのため、網膜Ｅ２での結像位置のずれが減少し、解像度の低下が抑制された映像表示が可能となる。
以上説明した通り、実施形態１に係る映像表示装置１００によれば、スペクトル幅を有する映像光Ｌ０が、第２回折素子３１によって波長毎に偏向されて分散したのち、第１回折素子６１によって集光されて、略平行な光として観察者の瞳へと入射される。そのため、網膜Ｅ２での結像位置のずれが減少し、解像度の低下が抑制された映像表示が可能となる。
また、補正系光学部２１は、映像光Ｌ０の歪み等の収差を補正する機能を持たせることができるため、歪み等の収差が抑制されたより良好な映像を表示することが可能な映像表示装置１００を提供することができる。
図５Ａおよび図５Ｂは、実施形態１による、解像度の低下抑制の効果を説明するための図である。図５Ａが実施形態１による観察者の瞳位置での表示映像を示し、図５Ｂが実施形態１を適用しない（例えば、図１１の状態による）観察者の瞳位置での表示映像を示している。図５Ｂに示すように波長による回折角度のずれによって解像度が低下している表示映像が、本発明を適用することで、図５Ａに示すように解像度の低下が抑制され、良好な表示映像となる。
なお、本発明は前述の実施形態１に限定されず、実施形態１に種々の変更や改良などを加えることが可能である。変形例を以下に述べる。
（変形例１）
変形例１では、映像光がカラー映像である場合についての第１回折素子６１および第２回折素子３１の一様態を示す。なお、実施形態１と同一の構成部位については、同一の番号を使用し、重複する説明は省略する。また、実施形態１と同様に、第１回折素子６１および第２回折素子３１は基本的な構成が同一であるため、ここでは、第１回折素子６１の構成のみを説明し、第２回折素子３１の説明を省略する。
変形例１では、映像光がカラー映像である場合についての第１回折素子６１および第２回折素子３１の一様態を示す。なお、実施形態１と同一の構成部位については、同一の番号を使用し、重複する説明は省略する。また、実施形態１と同様に、第１回折素子６１および第２回折素子３１は基本的な構成が同一であるため、ここでは、第１回折素子６１の構成のみを説明し、第２回折素子３１の説明を省略する。
図６は、変形例１の第１回折素子６１を示す断面図である。変形例１において、第１回折素子６１は反射型体積ホログラフィック素子６１０Ｒ、６１０Ｇ、６１０Ｂが積層されるように構成され、それぞれ干渉縞６１１Ｒ、６１１Ｇ、６１１Ｂを有する。
図７は、映像光Ｌ０がカラー映像である場合の波長分布の例を示す説明図であり、映像光Ｌ０が複数の波長域に光の強度を有することを示した図である。図７に示す通り、映像光Ｌ０はカラー映像であるため、赤色光領域（λＲ）、緑色光領域（λＧ）、青色光領域（λＢ）のそれぞれの色に対応した波長域に光の強度ピークを有する。ここで、λＲは波長４００ｎｍから５００ｎｍ、λＧは波長５００ｎｍから５８０ｎｍ、λＢは５８０ｎｍから７００ｎｍとする。
干渉縞６１１Ｒ、６１１Ｇ、６１１Ｂは、映像光Ｌ０を構成するλＲ、λＧ、λＢのそれぞれの波長域の光の強度ピーク（例えば、図７における６１５ｎｍ、５３５ｎｍ、４６０ｎｍ）に対応したピッチを有している。干渉縞６１１Ｒ、６１１Ｇ、６１１Ｂは、屈折率等の差としてホログラム感光層に記録されており、干渉縞６１１Ｒ、６１１Ｇ、６１１Ｂは、映像光の入射角度で回折が生じるように、第１回折素子６１の入射面に対して一方向に傾いている。かかる構成の干渉縞６１１Ｒ、６１１Ｇ、６１１Ｂは、参照光ＬｒＲ、ＬｒＧ、ＬｒＢおよび物体光ＬｓＲ、ＬｓＧ、ＬｓＢを用いてホログラフィック感光層に干渉露光を行い、積層することにより形成することができる。
（作用・効果）
以上述べたように、変形例１によれば実施形態１での効果に加えて、以下の作用と効果を得ることができる。
第１回折素子６１が、映像光Ｌ０を構成するλＲの光、λＧの光、λＢの光のそれぞれの波長に対応した干渉縞６１１Ｒ、６１１Ｇ、６１１Ｂを有することで、映像光Ｌ０を構成するλＲの光、λＧの光、λＢの光を偏向する作用が得られる。したがって、観察者にカラー映像を認識させることが可能となる効果を得ることができる。
なお、図７に示すようにλＲの光、λＧの光、λＢの光はそれぞれスペクトル幅を有しているが、実施形態１で述べた作用・効果は同様に得ることができる。すなわち、スペクトル幅を有する映像光Ｌ０が、第２回折素子３１によって波長毎に偏向されて分散したのち、第１回折素子６１によって集光されて、略平行な光として観察者の瞳へと入射する作用によって、解像度の低下を抑制した映像表示を可能とする効果が得られる。
以上述べたように、変形例１によれば実施形態１での効果に加えて、以下の作用と効果を得ることができる。
第１回折素子６１が、映像光Ｌ０を構成するλＲの光、λＧの光、λＢの光のそれぞれの波長に対応した干渉縞６１１Ｒ、６１１Ｇ、６１１Ｂを有することで、映像光Ｌ０を構成するλＲの光、λＧの光、λＢの光を偏向する作用が得られる。したがって、観察者にカラー映像を認識させることが可能となる効果を得ることができる。
なお、図７に示すようにλＲの光、λＧの光、λＢの光はそれぞれスペクトル幅を有しているが、実施形態１で述べた作用・効果は同様に得ることができる。すなわち、スペクトル幅を有する映像光Ｌ０が、第２回折素子３１によって波長毎に偏向されて分散したのち、第１回折素子６１によって集光されて、略平行な光として観察者の瞳へと入射する作用によって、解像度の低下を抑制した映像表示を可能とする効果が得られる。
（変形例２）
変形例２では、映像光がカラー映像である場合についての第１回折素子６１および第２回折素子３１のさらに他の一様態を示す。なお、実施形態１と同一の構成部位については、同一の番号を使用し、重複する説明は省略する。また、実施形態１と同様に、第１回折素子６１および第２回折素子３１は基本的な構成が同一であるため、ここでは、第１回折素子６１の構成のみを説明し、第２回折素子３１の説明を省略する。
変形例２では、映像光がカラー映像である場合についての第１回折素子６１および第２回折素子３１のさらに他の一様態を示す。なお、実施形態１と同一の構成部位については、同一の番号を使用し、重複する説明は省略する。また、実施形態１と同様に、第１回折素子６１および第２回折素子３１は基本的な構成が同一であるため、ここでは、第１回折素子６１の構成のみを説明し、第２回折素子３１の説明を省略する。
図８は、変形例２の第１回折素子６１を示す断面図である。変形例２において、第１回折素子６１は反射型体積ホログラフィック素子６１０で構成され、干渉縞６１１Ｒ、６１１Ｇ、６１１Ｂが重畳した構成を有する。
干渉縞６１１Ｒ、６１１Ｇ、６１１Ｂは、変形例１と同様に、映像光Ｌ０に対応するピッチおよび傾きを有しており、屈折率等の差としてホログラム感光層に記録されている。かかる構成の干渉縞６１１Ｒ、６１１Ｇ、６１１Ｂは、参照光ＬｒＲ、ＬｒＧ、ＬｒＢおよび物体光ＬｓＲ、ＬｓＧ、ＬｓＢを用いて、ホログラフィック感光層に同時に干渉露光を行うことにより形成することができる。
（作用・効果）
変形例２によれば、変形例１および実施形態１での効果に加えて、以下の作用と効果を得ることができる。
つまり、第１回折素子６１が、映像光Ｌ０を構成するλＲの光、λＧの光、λＢの光のそれぞれの波長に対応した干渉縞６１１Ｒ、６１１Ｇ、６１１Ｂを有することで、映像光Ｌ０を構成するλＲの光、λＧの光、λＢの光を偏向する作用が得られ、変形例１と同様にカラー映像表示が可能になる。
また、スペクトル幅を有した映像光Ｌ０は、第２回折素子３１によって波長毎に偏向されて分散したのち、第１回折素子６１によって波長毎に集光して、略平行な光として観察者の瞳へと入射する。したがって、実施形態１と同様に、解像度の低下を抑制した映像表示を可能とする効果が得られる。
変形例２では、上記効果に加えて、干渉縞６１１Ｒ、６１１Ｇ、６１１Ｂが重畳された構成を有し、反射型体積ホログラフィック素子６１０が積層された構成をとる必要がないため、変形例１と比べて少ない部品点数でカラー映像表示が可能になる。
変形例２によれば、変形例１および実施形態１での効果に加えて、以下の作用と効果を得ることができる。
つまり、第１回折素子６１が、映像光Ｌ０を構成するλＲの光、λＧの光、λＢの光のそれぞれの波長に対応した干渉縞６１１Ｒ、６１１Ｇ、６１１Ｂを有することで、映像光Ｌ０を構成するλＲの光、λＧの光、λＢの光を偏向する作用が得られ、変形例１と同様にカラー映像表示が可能になる。
また、スペクトル幅を有した映像光Ｌ０は、第２回折素子３１によって波長毎に偏向されて分散したのち、第１回折素子６１によって波長毎に集光して、略平行な光として観察者の瞳へと入射する。したがって、実施形態１と同様に、解像度の低下を抑制した映像表示を可能とする効果が得られる。
変形例２では、上記効果に加えて、干渉縞６１１Ｒ、６１１Ｇ、６１１Ｂが重畳された構成を有し、反射型体積ホログラフィック素子６１０が積層された構成をとる必要がないため、変形例１と比べて少ない部品点数でカラー映像表示が可能になる。
（変形例３）
本発明に係る映像表示装置１００を構成する際に、表示性能、サイズ、デザイン等の都合によりミラー、レンズ等の光学素子を追加あるいは削減する場合がある。変形例３では、実施形態１に対して、ミラー、レンズ等の光学素子を追加あるいは削減する場合について、第１回折素子６１および第２回折素子３１の配置の一様態を示す。
本発明に係る映像表示装置１００を構成する際に、表示性能、サイズ、デザイン等の都合によりミラー、レンズ等の光学素子を追加あるいは削減する場合がある。変形例３では、実施形態１に対して、ミラー、レンズ等の光学素子を追加あるいは削減する場合について、第１回折素子６１および第２回折素子３１の配置の一様態を示す。
図９は実施形態１と変形例３について、第１回折素子６１および第２回折素子３１の配置を示している。なお、図９では、第１回折素子６１および第２回折素子３１の配置を説明するために、構成部品を省略および変形して示している。具体的には、左眼用映像光生成部５６ｂおよび投射系光学部４１および補正系光学部２１を省略し、第１回折素子６１および第２回折素子３１を平面で記載している。ここで、第１回折素子６１および第２回折素子３１の間で生じる中間像の生成を、中間像生成レンズ７１で示し、補正系光学部２１内の反射をミラーＭ１およびミラーＭ２で示している。変形例３は実施形態１に対して、第１回折素子６１と第２回折素子３１の間にミラーＭ２が追加された配置を示している。
ここで、第１回折素子６１の第１入射面６１５の法線方向から光を入射した際に最も回折効率が高くなる方向を第１方向Ｄ１とし、第２回折素子３１の第２入射面３１５の法線方向から光を入射した際に最も回折効率が高くなる方向を第２方向Ｄ２としている。
実施形態１では、第１入射面６１５の法線方向に対する第１方向Ｄ１の向きはＣＷ方向で、第２入射面３１５の法線方向に対する第２方向Ｄ２の向きもＣＷ方向となるように、第１回折素子６１と第２回折素子３１が配置されている。
変形例３では、第１入射面６１５の法線方向に対する第１方向Ｄ１の向きはＣＷ方向で、第２入射面３１５の法線方向に対する第２方向Ｄ２の向きはＣＣＷ方向となるように、第１回折素子６１と第２回折素子３１が配置されている。
つまり、第２回折素子３１から第１回折素子６１までの間での反射回数と中間像の生成回数の和が偶数であるか奇数であるかによって、第２回折素子３１および第１回折素子６１の配置が異なる。
具体的には、反射回数と中間像の生成回数の和が偶数である場合（実施形態１）は、第１入射面６１５の法線と第２入射面３１５の法線とを含む仮想面の法線方向（図９の平面視方向）から見て、第１入射面６１５の法線方向に対する第１方向Ｄ１の向きと第２入射面３１５の法線方向に対する第２方向Ｄ２の向きとが互いに同じ方向（ＣＷ方向）となるように、第２回折素子３１および第１回折素子６１が配置される。
一方、反射回数と中間像の生成回数の和が奇数である場合（変形例３）は、前述の仮想面の法線方向（図９の平面視方向）から見て、前述の第１方向Ｄ１の向きと前述の第２方向Ｄ２の向きとが互いに逆方向（ＣＷ方向およびＣＣＷ方向）となるように、第２回折素子３１および第１回折素子６１が配置される。
具体的には、反射回数と中間像の生成回数の和が偶数である場合（実施形態１）は、第１入射面６１５の法線と第２入射面３１５の法線とを含む仮想面の法線方向（図９の平面視方向）から見て、第１入射面６１５の法線方向に対する第１方向Ｄ１の向きと第２入射面３１５の法線方向に対する第２方向Ｄ２の向きとが互いに同じ方向（ＣＷ方向）となるように、第２回折素子３１および第１回折素子６１が配置される。
一方、反射回数と中間像の生成回数の和が奇数である場合（変形例３）は、前述の仮想面の法線方向（図９の平面視方向）から見て、前述の第１方向Ｄ１の向きと前述の第２方向Ｄ２の向きとが互いに逆方向（ＣＷ方向およびＣＣＷ方向）となるように、第２回折素子３１および第１回折素子６１が配置される。
これによって、スペクトル幅を有する映像光Ｌ０が、第２回折素子３１によって波長毎に偏向されて分散したのち、第１回折素子６１によって波長毎に集光して、略平行な光として観察者の瞳へと入射される。
変形例３では第１回折素子６１と第２回折素子３１の間にミラーＭ２を追加した一様態を示したが、光学素子の追加あるいは削減はこれに限らない。例えば、レンズやミラーをさらに追加する場合およびミラーを削減する場合があげられる。
その場合においても、第２回折素子３１から第１回折素子６１までの間での反射回数と中間像の生成回数の和が偶数であるか奇数であるかによって、第１入射面６１５の法線方向に対する第１方向Ｄ１の向きと第２入射面３１５の法線方向に対する第２方向Ｄ２の向きとが、前述した例と同様に構成されればよい。
その場合においても、第２回折素子３１から第１回折素子６１までの間での反射回数と中間像の生成回数の和が偶数であるか奇数であるかによって、第１入射面６１５の法線方向に対する第１方向Ｄ１の向きと第２入射面３１５の法線方向に対する第２方向Ｄ２の向きとが、前述した例と同様に構成されればよい。
（作用・効果）
以上述べたように、変形例３によれば、表示性能、サイズ、デザイン等の都合によりミラー、レンズ等の光学素子を追加あるいは削減した場合においても、実施形態１で述べた、スペクトル幅を有した映像光Ｌ０による解像度の低下を抑制した映像表示が可能であるため、映像表示装置１００の設計および配置の自由度が向上する。
以上述べたように、変形例３によれば、表示性能、サイズ、デザイン等の都合によりミラー、レンズ等の光学素子を追加あるいは削減した場合においても、実施形態１で述べた、スペクトル幅を有した映像光Ｌ０による解像度の低下を抑制した映像表示が可能であるため、映像表示装置１００の設計および配置の自由度が向上する。
２１…補正系光学部、３１…第２回折素子、４１…投射系光学部、６１…第１回折素子、１００…映像表示装置、１０１…導光装置、３１０、６１０…反射型体積ホログラフィック素子、３１１、６１１…干渉縞、３１５…第２入射面、５６０…有機エレクトロルミネッセンス素子、５６ｂ…左眼用映像光生成部、６１５…第１入射面、Ｄ１…第１方向、Ｄ２…第２方向、Ｌ０…映像光。
Claims (8)
- 映像光を生成して出射する映像光生成部と、
前記映像光を投射する投射系光学部と、
前記映像光の収差を補正する補正系光学部と、
第１入射面に入射される前記映像光を偏向する第１回折素子と、
第２入射面に入射される前記映像光を偏向する第２回折素子と、
を有し、
前記映像光生成部から出射される前記映像光の進行方向に沿って、前記投射系光学部、前記第２回折素子、前記補正系光学部、前記第１回折素子の順に配置され、
前記投射系光学部を経由して前記第２入射面に入射され前記第２回折素子によって波長毎に偏向されて分散した前記映像光が、前記補正系光学部を経由して前記第１入射面に入射され前記第１回折素子によって偏向されて集光されることを特徴とする映像表示装置。 - 請求項１に記載の映像表示装置において、前記第１入射面および前記第２入射面は、前記映像光の入射方向において、周辺部に対して中央部が凹んで湾曲した形状であることを特徴とする映像表示装置。
- 請求項１または２に記載の映像表示装置において、前記第１回折素子および前記第２回折素子は、反射型体積ホログラフィック素子であることを特徴とする映像表示装置。
- 請求項１から３のいずれか一項に記載の映像表示装置において、前記第１回折素子および前記第２回折素子は、ピッチが異なる複数種類の干渉縞が設けられていることを特徴とする映像表示装置。
- 請求項１から４のいずれか一項に記載の映像表示装置において、前記第１回折素子は、前記第１入射面の法線方向から光を入射した際に、第１方向に最も高い回折効率となる素子であり、
前記第２回折素子は、前記第２入射面の法線方向から光を入射した際に、第２方向に最も高い回折効率となる素子であり、
前記第１回折素子および前記第２回折素子は、
前記第２回折素子から前記第１回折素子までの間での光の反射回数と中間像の生成回数との和が偶数である場合には、前記第１入射面の法線と前記第２入射面の法線とを含む仮想面の法線方向から見て、前記第１入射面の法線方向に対する前記第１方向の向きと前記第２入射面の法線方向に対する前記第２方向の向きとが互いに同じ方向となるように配置され、
前記第２回折素子から前記第１回折素子までの間での光の反射回数と中間像の生成回数との和が奇数である場合には、前記第１入射面の法線と前記第２入射面の法線とを含む仮想面の法線方向から見て、前記第１入射面の法線方向に対する前記第１方向の向きと前記第２入射面の法線方向に対する前記第２方向の向きとが互いに異なる方向となるように配置されていることを特徴とする映像表示装置。 - 請求項１から５のいずれか一項に記載の映像表示装置において、前記映像光生成部が有機エレクトロルミネッセンス表示素子によって構成されることを特徴とする映像表示装置。
- 請求項１から５のいずれか一項に記載の映像表示装置において、前記映像光生成部が照明光源と液晶表示素子によって構成されることを特徴とする映像表示装置。
- 映像光を投射する投射系光学部と、
前記映像光の収差を補正する補正系光学部と、
第１入射面に入射される前記映像光を偏向する第１回折素子と、
第２入射面に入射される前記映像光を偏向する第２回折素子と、
を有し、
前記映像光生成部から出射される前記映像光の進行方向に沿って、前記投射系光学部、前記第２回折素子、前記補正系光学部、前記第１回折素子の順に配置され、
前記投射系光学部を経由して前記第２入射面に入射され前記第２回折素子によって波長毎に偏向されて分散した前記映像光が、前記補正系光学部を経由して前記第１入射面に入射され前記第１回折素子によって偏向されて集光されることを特徴とする導光装置。
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