JP2019061080A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学系を構成する部品の点数を削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の光学系１０において、画像光投射装置３０から出射された画像光Ｌ０の進行方向に沿って、第２反射素子６０、第１回折素子５０、第１反射素子４０、および第２回折素子７０が配置されている。第１反射素子４０の反射面４１は、周辺部に対して中央部が凹んだ自由曲面の凹曲面であり、第１反射素子４０と第２回折素子７０との間に中間像が形成される。第２反射素子６０の反射面６１は、周辺部に対して中央部が凹んだ自由曲面の凹曲面であり、第２反射素子６０と第１回折素子５０との間に中間像が形成される。従って、中間像を形成するための中間レンズを必要としない。【選択図】図２

Description

本発明は、回折素子を利用して画像を表示する表示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表示装置として、画像光投射装置から前方に向けて出射された画像光を回折素子によって観察者の眼に向けて偏向するものが提案されている（特許文献１参照）。回折素子では、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。

特開２０１６−１６１６６９号公報

特許文献１に記載の表示装置において、画像光は、回折素子の干渉縞に対応する特定波長を中心にして所定のスペクトル幅を有していることから、特定波長からずれた波長の光は、画像の解像度を低下させる原因となる。

そこで、本願発明者は、画像光投射装置から出射された画像光の進行方向に沿って、第１回折素子、中間レンズ、反射素子、および第２回折素子を配置した表示装置を検討している。かかる表示装置では、画像光投射装置から出射された画像光を第１回折素子によって中間レンズに導き、中間レンズによって中間像を形成する。そして、中間像を反射素子によって第２回折素子に導き、第２回折素子によって観察者の眼に向けて偏向する。かかる構成によれば、第１回折素子によって波長補償を行うことができ、特定波長からずれた波長の光に起因する画像の解像度の低下を抑制することができる。しかしながら、上記構成の場合、中間レンズを必要とするので、部品点数が多い。

以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、光学系を構成する部品の点数を削減す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に、本発明に係る表示装置の一態様は、画像光投射装置から出射された画像光の進行方向に沿って、前記画像光投射装置から出射された画像光が入射する第１回折素子、前記第１回折素子から出射された前記画像光が入射する第１反射素子、および前記第１反射素子から出射された前記画像光を観察者の眼に向けて出射する第２回折素子が配置され、前記第１反射素子の反射面は、周辺部に対して中央部が凹んだ凹曲面であり、前記第１反射素子と前記第２回折素子との間に中間像が形成されることを特徴とする。

本発明では、画像光投射装置から投射された画像光は、第１回折素子を経由して第２回折素子に入射し、第２回折素子から観察者の眼に向けて出射される。従って、画像光投射装置から投射される画像光に、第２回折素子の干渉縞に対応する特定波長からずれた波長の光が含まれている場合でも、第２回折素子での回折角のずれを第１回折素子によって補償することができる。それ故、画像の解像度低下を抑制することができる。また、第１回折素子から第２回折素子に向かう光路には、反射面が周辺部に対して中央部が凹んだ凹曲面である第１反射素子が配置されており、第１反射素子と第２回折素子との間に中間像が形成される。従って、第１回折素子から第２回折素子に向かう光路に、中間像を形成するための中間レンズを設ける必要がないので、光学系を構成する部品の点数を削減することができる。また、中間レンズによって中間像を形成しないため、色収差が発生しにくいという利点もある。

本発明において、前記第１反射素子の反射面は、自由曲面である態様を採用することができる。

本発明において、前記第１回折素子および前記第２回折素子は各々、反射型である態様を採用することができる。

本発明において、前記第１回折素子および前記第２回折素子は各々、反射型の体積ホログラフィック素子である態様を採用することができる。かかる態様によれば、画像光を構成する波長を選択的に回折できるため、高い透過性が得られる。従って、表示装置は、外光（背景）と画像を同時に視認することができる。

本発明において、前記第１回折素子の入射面および前記第２回折素子の入射面は各々、周辺部に対して中央部が凹んだ凹曲面である態様を採用することができる。かかる態様によれば、第１回折素子および第２回折素子が集光機能を有するため、画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。従って、画角が大きく、かつ高画質な画像を表示することができる。

本発明において、前記第１反射素子は、部分透過性を有している態様を採用することができる。かかる態様によれば、第１反射素子を介して外界を視認することができる。

本発明において、前記画像光投射装置から前記第１回折素子に到る光路に、前記画像光投射装置から出射された前記画像光を前記第１回折素子に向けて出射する第２反射素子が設けられている態様を採用することができる。

本発明において、前記第２反射素子の反射面は、周辺部に対して中央部が凹んだ凹曲面であり、前記第２反射素子と前記第１回折素子との間に中間像が形成される態様を採用することができる。

本発明において、前記第２反射素子の反射面は、自由曲面である態様を採用することができる。

本発明において、前記第１反射素子と前記第２反射素子とは一体になっている態様を採用することができる。かかる態様によれば、表示装置を組み立てる際、第１反射素子および第２反射素子を１つの部品として取り扱うことができる。

本発明において、前記画像光投射装置、前記第２反射素子、前記第１回折素子、前記第１反射素子、および前記第２回折素子を保持するフレームを有し、前記フレームを観察者の頭部に装着した際、前記第２回折素子が観察者の眼前に配置される態様を採用することができる。

本発明において、前記画像光投射装置は、前方に向けて前記画像光を出射し、前記第２反射素子は、後方に向けて前記画像光を出射し、前記第１回折素子は、前方に向けて前記画像光を出射し、前記第１反射素子は、左右方向または下方向に向けて前記画像光を出射し、前記第２回折素子は、後方に向けて前記画像光を出射する態様を採用することができる。かかる態様によれば、観察者の頭部に装着されるフレームに対して、画像光投射装置、第２反射素子、第１回折素子、第２反射素子、および第２回折素子を搭載した場合、質量が比較的重い画像光投射装置が後方寄りに配置されるので、表示装置の重心が後方寄りに位置することになる。よって、表示装置を頭部に装着した際、フレームが前側に傾きにくい等、表示装置の装着安定性を向上することができる。

本発明の実施形態１に係る表示装置の外観の一態様を示す外観図。 図１に示す表示装置の光学系の一態様を示す説明図。 図２に示す第１反射素子および第２反射素子の反射面の自由曲面の形状を示す説明図。 図２に示す第１反射素子の反射面の自由曲面の形状のパラメーターを示す説明図。 図２に示す第２反射素子の反射面の自由曲面の形状のパラメーターを示す説明図。 図２に示す第２回折素子の干渉縞の説明図。 図２に示す第１回折素子および第２回折素子での波長補償の説明図。 図２に示す第２回折素子の具体的構成例１を示す断面図。 図２に示す第２回折素子の具体的構成例２を示す断面図。 本発明の実施形態２に係る表示装置の光学系の一態様を示す説明図。 図２および図４に示す光学系の第１回折素子から第２回折素子までの光路の説明図。 本発明の変形例に係る光学系の第１回折素子から第２回折素子までの光路の説明図。

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、本発明の実施形態１に係る表示装置１００の外観の一態様を示す外観図である。図２は、図１に示す表示装置１００の光学系１０の一態様を示す説明図である。なお、図１および図２では、前後方向を第１方向Ｚとし、前側を第１方向Ｚの一方側Ｚ１とし、後側を第１方向Ｚの他方側Ｚ２とし、横方向を第２方向Ｘとし、上下方向を第３方向Ｙとしてある。また、左眼用光学系１０ｂを示す図２では、右側（鼻側）を第２方向Ｘの一方側Ｘ１とし、左側（耳側）を第２方向Ｘの他方側Ｘ２としてある。

図１に示す表示装置１００は、頭部装着型の表示装置であり、画像光Ｌ０ａを右眼Ｅａに入射させる右眼用光学系１０ａと、画像光Ｌ０ｂを左眼Ｅｂに入射させる左眼用光学系１０ｂとを有している。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、表示装置１００は、右眼用光学系１０ａ、および左眼用光学系１０ｂを保持するフレーム９０を有しており、フレーム９０は観察者の頭部に装着される。フレーム９０は、後述する右眼用光学系１０ａの第２回折素子７０ａ、および左眼用光学系１０ｂの第２回折素子７０ｂを各々、保持する前部分９１を有しており、フレーム９０の右側のテンプル９２ａ、および左側のテンプル９２ｂの各々に、後述する右眼用光学系１０ａの画像光投射装置、および左眼用光学系１０ｂの画像光投射装置等が保持されている。

右眼用光学系１０ａと左眼用光学系１０ｂとは基本的な構成が同一である。従って、以下の説明では、右眼用光学系１０ａと左眼用光学系１０ｂとを区別せずに光学系１０として説明する。また、図２には、光学系１０として、左眼用光学系１０ｂのみを示し、右眼用光学系１０ａの説明を省略する。また、図２では、画像光の中央と両端の画角の光線を記載している。但し、第１回折素子３０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ある。

図２に示すように、光学系１０では、画像光投射装置３０から出射された画像光Ｌ０の進行方向に沿って、画像光投射装置３０から出射された画像光Ｌ０が入射する第１回折素子５０、第１回折素子５０から出射された画像光Ｌ０が入射する第１反射素子４０、および第１反射素子４０から出射された画像光Ｌ０を観察者の眼Ｅに向けて出射する第２回折素子７０が配置されている。また、画像光投射装置３０から第１回折素子５０に到る光路には、画像光投射装置３０から出射された画像光Ｌ０を第１回折素子５０に向けて出射する第２反射素子６０が設けられている。かかる光学系１０において、画像光Ｌ０の第１方向Ｚ（前後方向）での進行方向に着目すると、画像光投射装置３０は、第１方向Ｚの一方側Ｚ１（前方）に向けて画像光Ｌ０を出射する。第２反射素子６０では、画像光投射装置３０から出射された画像光Ｌ０が第１方向Ｚの他方側Ｚ２から入射し、入射した画像光Ｌ０を第１方向Ｚの他方側Ｚ２（後方）に向けて出射する。第１回折素子５０は、第２反射素子６０から出射された画像光Ｌ０が第１方向Ｚの一方側Ｚ１から入射し、入射した画像光Ｌ０を第１方向Ｚの一方側Ｚ１に向けて出射する。第１反射素子４０は、第１回折素子５０から出射された画像光Ｌ０が第１方向Ｚの他方側Ｚ２から入射し、入射した画像光Ｌ０を第２方向Ｘ（左右方向）の一方側Ｘ２に向けて出射する。第２回折素子７０は、第１回折素子５０から出射された画像光Ｌ０が第２方向Ｘの他方側Ｘ２から入射し、入射した画像光Ｌ０を第１方向Ｚの他方側Ｚ２に向けて出射する。第２回折素子７０から出射された画像光Ｌ０は、観察者の眼Ｅに入射する。

（光学系１０の詳細構成）
本形態において、画像光投射装置３０は、画像光Ｌ０を生成する画像光生成装置３１と、画像光生成装置３１が生成した画像光Ｌ０を投射する投射光学系３２とを有している。本形態において、画像光生成装置３１、および投射光学系３２は各々、画像光Ｌ０を第１方向Ｚの一方側Ｚ１に向けて出射する。

投射光学系３２は複数のレンズ３２１によって構成されている。画像光生成装置３１は、有機エレクトロルミネッセンス表示素子等の表示パネル３１０を備えている態様を採用することができる。かかる態様によれば、小型で高画質な画像表示が可能な表示装置１００を提供することができる。また、画像光生成装置３１は、照明光源（図示せず）と、照明光源から出射された照明光を変調する液晶表示素子等の表示パネル３１０とを備えている態様を採用してもよい。かかる態様によれば、照明光源の選択が可能なため、画像光Ｌ０の波長特性の自由度が広がるという利点がある。ここで、画像光生成装置３１は、カラー表示可能な１枚の表示パネル３１０を有する態様を採用することができる。また、画像光生成装置３１は、各色に対応する複数の表示パネル３１０と、複数の表示パネル３１０から出射された各色の画像光を合成する合成光学系とを有する態様を採用してもよい。さらに、画像光投射装置３０は、レーザー光をマイクロミラーデバイスで変調する態様を採用してもよい。

第２反射素子６０は、第１方向Ｚの他方側Ｚ２から第２方向Ｘの一方側Ｘ１に斜めに傾いた方向に反射面６１を向けて配置されており、画像光投射装置３０から投射された画像光Ｌ０を第１方向Ｚの他方側Ｚ２から第２方向Ｘの一方側Ｘ１に斜めに傾いた方向に出射する。

ここで、反射面６１は、周辺部に対して中央部が凹んだ凹曲面であり、第２反射素子６０と第１回折素子５０との間に中間像が形成される。本形態において、反射面６１は、図３および図５を参照して後述する自由曲面になっている。

第１回折素子５０は、反射性の回折素子であり、第２反射素子６０から出射された画像光Ｌ０を第１方向Ｚの一方側Ｚ１に向けて出射する。本形態において、第１回折素子５０は、第２反射素子６０に対して第１方向Ｚの他方側Ｚ２で離間する位置において、第１方向Ｚの一方側Ｚ１から第２方向Ｘの他方側Ｘ２に斜めに傾いた方向に入射面５１を向けて配置されている。従って、第１回折素子５０は、第１方向Ｚの一方側Ｚ１から第２方向Ｘの他方側Ｘ２に斜めに傾いた方向から入射した画像光Ｌ０を第１方向Ｚの一方側Ｚ１に向けて出射する。

第１反射素子４０は、第１方向Ｚの他方側Ｚ２から第２方向Ｘの一方側Ｘ１に斜めに傾いた方向に反射面４１を向けて配置されており、第１回折素子５０から出射された画像光Ｌ０を第１方向Ｚの一方側Ｚ１から第２方向Ｘの一方側Ｘ１に斜めに傾いた方向に出射する。

ここで、反射面４１は、周辺部に対して中央部が凹んだ凹曲面であり、第１反射素子４０と第２回折素子７０との間に中間像が形成される。本形態において、反射面４１は、図３および図４を参照して後述する自由曲面になっている。

第２回折素子７０は、第１反射素子４０に対して第１方向Ｚの一方側Ｚ１で対向する位置から第２方向Ｘの一方側Ｘ１にずれた位置において入射面７１を第１方向Ｚの他方側Ｚ２に向けて配置されている。

（反射面４１、６１の構成）
図３は、図２に示す第１反射素子４０および第２反射素子６０の反射面４１、６１の自由曲面の形状を示す説明図である。図４は、図２に示す第１反射素子４０の反射面４１の自由曲面の形状のパラメーターを示す説明図である。図５は、図２に示す第２反射素子６０の反射面６１の自由曲面の形状のパラメーターを示す説明図である。なお、図３に示す座標系は、図１および図２に示すＸＹＺ座標系と相違していることから、小文字のｘｙｚを用いたｘｙｚ座標で示してある。また、図４および図５にはパラメーターの一部のみを示してあり、図４および図５に図示を省略したパラメーターの値は０である。また、図３において、ｚはサグ量を示し、図４および図５において、ｘおよびｙは、反射面４１、６１の面内方向で直交する２方向を示す。

図２に示す第１反射素子４０および第２反射素子６０の反射面４１、６１は各々、図３に示す自由曲面によって構成されており、自由曲面の形状は、図３に示す式によって規定される。ここで、第１反射素子４０の反射面４１の各パラメーターは、図４に示す通りである。第２反射素子６０の反射面６１の各パラメーターは、図５に示す通りである。

（第１回折素子５０および第２回折素子７０の詳細構成）
図６は、図２に示す第２回折素子７０の干渉縞７５１の説明図である。図２において、第２回折素子７０は、反射型体積ホログラフィック素子７５を備えており、反射型体積ホログラフィック素子７５は部分反射型回折光学素子である。このため、第２回折素子７０は、部分透過反射性のコンバイナーを構成している。従って、外光も第２回折素子７０を介して眼Ｅに入射するため、観察者は、画像光生成装置３１で形成した画像光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。

第２回折素子７０は、観察者の眼Ｅと対向しており、画像光Ｌ０が入射する第２回折素子７０の入射面７１は、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、入射面７１は、画像光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。このため、画像光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。

第１回折素子５０は、反射型体積ホログラフィック素子５５を備えており、反射型体積ホログラフィック素子５５は部分反射型回折光学素子である。第１回折素子５０は、画像光Ｌ０が入射する入射面５１が、凹んだ凹曲面になっている。換言すれば、入射面５１は、画像光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、画像光Ｌ０を第１反射素子４０に向けて効率良く偏向させることができる。

図６に示すように、第２回折素子７０は、特定波長に対応するピッチを有した干渉縞７５１を有している。干渉縞７５１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７５１は特定入射角度に対応するように、第２回折素子７０の入射面７１に対して一方方向に傾いている。従って、第２回折素子７０は、画像光Ｌ０を所定の方向に回折して偏向する。特定波長および特定入射角度とは、画像光Ｌ０の波長と入射角度に対応する。かかる構成の干渉縞７５１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。

なお、第１回折素子５０および第２回折素子７０は基本的な構成が同一であるため、従って、第１回折素子５０については、図６に第１回折素子５０の干渉縞５５１を図示し、それらの説明を省略する。

（波長補償）
図７は、図２に示す第１回折素子５０および第２回折素子７０での波長補償の説明図である。なお、図７では、画角の中央の光線における波長補償のみを示してあるが、画角の他の光線においても同様の波長補償が行われる。図７では、画像光Ｌ０の特定波長の光Ｌ１（実線）を図示しており、例えば画像光Ｌ０の強度ピークとなる波長の光とする。また、図７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）を図示してある。第１回折素子５０から第２回折素子７０までの間は、図の簡略化のため、特定波長の光Ｌ１の光線のみを記載している。

図７において、第１回折素子５０に入射した画像光Ｌ０は、第１回折素子５０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、特定波長の光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、特定波長の光Ｌ１の回折角度よりも小さくなる。従って、第１回折素子５０を出射した画像光Ｌ０は、波長毎に偏向されて分散することとなる。

第１回折素子５０を出射した画像光Ｌ０は、第１反射素子４０を介して第２回折素子７０に入射し、第２回折素子７０によって回折し偏向される。その際、第１回折素子５０から第２回折素子７０までの光路において、第１反射素子４０による反射が１回行われるとともに、第１反射素子４０による中間像の形成が１回行われる。従って、画像光Ｌ０と第２回折素子７０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、特定波長の光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、特定波長の光Ｌ１よりも小さな入射角となる。また、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２の回折角度は、特定波長の光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、特定波長の光Ｌ１の回折角度よりも小さくなる。

従って、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２は、特定波長の光Ｌ１よりも大きな出射角で第１回折素子５１から出射するが、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２の回折角度が、特定波長の光Ｌ１の回折角度よりも大きいため、結果として第２回折素子７０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と特定波長の光Ｌ１は略平行な光となる。これに対して、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３は、特定波長の光Ｌ１よりも小さな出射角で第１回折素子５１から出射するが、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３の回折角度が、特定波長の光Ｌ１の回折角度よりも小さいため、結果として第２回折素子７０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と特定波長の光Ｌ１は略平行な光となる。それ故、第２回折素子７０を出射した画像光Ｌ０は、略平行な光として観察者の眼Ｅに入射するので、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５０、および第２回折素子７０およびは、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５０および第２回折素子７０を、図６に示す干渉縞５５１、７５１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。但し、第１回折素子５０と第２回折素子７０と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５５１、７５１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２回折素子７０を出射した画像光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５５１、７５１のピッチおよび傾きをいずれかに異ならせる。いずれの場合においても、第１回折素子５０に入射する画像光Ｌ０は、投射光学系３２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１回折素子５０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５５１のピッチおよび傾きを好適な構成とすることができる。

（第１回折素子５０および第２回折素子７０の具体的構成例）
図８は、図２に示す第２回折素子７０の具体的構成例１を示す断面図である。図９は、図２に示す第２回折素子７０の具体的構成例２を示す断面図である。図１および図２に示す表示装置において、画像光Ｌ０がカラー表示用の場合、第１回折素子５０および第２回折素子７０は、図８または図９に示すように構成される。なお、図８および図９には、第２回折素子７０のみを示し、第１回折素子５０の図示を省略してある。

図８に示す構成例において、第２回折素子７０では、反射型体積ホログラフィック素子７５Ｒ、７５Ｇ、７５Ｂが積層されており、反射型体積ホログラフィック素子７５Ｒ、７５Ｇ、７５Ｂの各々には、特定波長に対応するピッチで干渉縞７５１Ｒ、７５１Ｇ、７５１Ｂが形成されている。例えば、干渉縞７５１Ｒは、５８０ｎｍから７００ｎｍの波長範囲のうち、例えば、波長６１５ｎｍに対応するピッチで形成される。干渉縞７５１Ｇは、５００ｎｍから５８０ｎｍの波長範囲のうち、例えば、波長５３５ｎｍに対応するピッチで形成される。干渉縞７５１Ｂは、４００ｎｍから５００ｎｍの波長範囲のうち、例えば、波長４６０ｎｍに対応するピッチで形成される。かかる構成は、各波長に対応する感度を有するホログラフィック感光層を形成した状態で、各波長の参照光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うことにより形成することができる。

また、各波長に対応する感度を有する感光材料をホログラフィック感光層に分散させておき、各波長の参照光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うことによって、図９に示すように、１つの層に干渉縞７５１Ｒ、７５１Ｇ、７５１Ｂを形成してもよい。

図８および図９に示すいずれの構成例においても、参照光ＬｒＲ、ＬｒＧ、ＬｒＢおよび物体光ＬｓＲ、ＬｓＧ、ＬｓＢとして球面波の光を用いることもある。

（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は、画像光投射装置３０から投射された画像光Ｌ０は、第２反射素子６０によって第１方向Ｚの他方側Ｚ２（後側）に向けて出射された後、第１回折素子５０に入射し、第１回折素子５０から第１方向Ｚの一方側Ｚ１（前側）に向けて出射され、第２反射素子６０を介して第２回折素子７０に入射する。従って、画像光投射装置３０から投射される画像光Ｌ０に、第２回折素子７０の干渉縞に対応する特定波長からずれた波長の光が含まれている場合でも、第２回折素子７０での回折角のずれを第１回折素子５０によって補償することができる。それ故、画像の解像度低下を抑制することができる。

また、第１回折素子５０から第２回折素子７０に向かう光路には、反射面４１が周辺部に対して中央部が凹んだ凹曲面である第１反射素子４０が配置されているため、第１反射素子４０と第２回折素子７０との間に中間像を形成することができる。従って、第１回折素子５０から第２回折素子７０に向かう光路に、中間像を形成するための中間レンズを設ける必要がないので、光学系１０を構成する部品の点数を削減することができる。それ故、表示装置１００の軽量化を図ることができるので、表示装置１００を頭部装着型として構成した場合、表示装置１００の装着感を向上することができる。また、中間レンズによって中間像を形成しないため、色収差が発生しにくいという利点もある。

また、画像光投射装置３０から第１回折素子５０に向かう光路には、反射面６１が周辺部に対して中央部が凹んだ凹曲面である第２反射素子６０が配置されているため、第２反射素子６０と第１回折素子５０との間に中間像を形成することができる。

また、画像光投射装置３０に対して第１方向Ｚの一方側Ｚ１に第２反射素子６０が配置されているため、質量の重い画像光投射装置３０を第１方向Ｚの他方側Ｚ２に配置することができる。本形態では、画像光投射装置３０が第１回折素子５０より第１方向Ｚの他方側Ｚ２に位置する。それ故、観察者の頭部に装着されるフレーム９０に対して、画像光投射装置３０、第２反射素子６０、第１回折素子５０、第１反射素子４０、および第２回折素子７０を搭載した場合、質量が比較的重い画像光投射装置３０が第１方向Ｚの他方側Ｚ２（後方寄り、画像光Ｌ０を観察者の眼Ｅに向けて偏向する第２回折素子７０から観察者の側に向けて離間した位置）に配置されるので、表示装置１００の重心が後方寄りに位置することになる。よって、表示装置１００を頭部に装着した際、フレーム９０が前側に傾きにくい等、表示装置１００の装着安定性を向上することができる。

また、画像光投射装置３０は、画像光Ｌ０を第１方向Ｚの一方側Ｚ１に向けて投射するため、画像光投射装置３０より第１方向Ｚの他方側Ｚ２に反射部材を設けなくても、画像光投射装置３０から投射された画像光Ｌ０を前方に投射して第２反射素子６０に入射させることができる。

［実施形態２］
図１０は、本発明の実施形態２に係る表示装置１００の光学系１０の一態様を示す説明図である。なお、本形態の基本的な構成は、実施形態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、それらの詳細な説明を省略する。

図１０に示すように、本形態の表示装置１００の光学系１０も、実施形態１と同様、画像光投射装置３０から出射された画像光Ｌ０の進行方向に沿って、第２反射素子６０、第１回折素子５０、第１反射素子４０、および第２回折素子７０が配置されている。ここで、第１反射素子４０および第２反射素子６０は、実施形態１では別部材であったが、本形態では、図１０に示すように、第１反射素子４０および第２反射素子６０は一体の部材８０によって構成されている。本形態において、第１反射素子４０と第２反射素子６０とは、変曲点を介さずに互いに接続されている。かかる態様によれば、表示装置１００を組み立てる際、第１反射素子４０および第２反射素子６０を１つの部品（部材８０）として取り扱うことができる。それ故、表示装置１００を効率よく組み立てることができるとともに、第１反射素子４０と第２反射素子６０との位置精度を高めることができる。

［実施形態３］
実施形態１、２において、少なくとも、第１反射素子４０については部分透過性を有していることが好ましい。かかる構成によれば、第１反射素子４０を観察者の眼Ｅの斜め前方に配置した際、第１反射素子４０を介して外観を視認することができる。それ故、表示装置１００を頭部に装着した場合でも、広い視界を実現することができる。

［光学系１０での波長補償に関する他の構成］
図１１および図１２を参照して、上記実施形態、および本発明の変形例を説明しながら、波長補償を行う場合の条件を説明する。図１１は、図２および図４に示す光学系１０の第１回折素子５０から第２回折素子７０までの光路の説明図である。図１２は、本発明の変形例に係る光学系１０の第１回折素子５０から第２回折素子７０までの光路の説明図である。

図１１および図１２では、第１回折素子５０と第２回折素子７０との間の構成が分かりやすいように、第１回折素子５０、第１反射素子４０、および第２回折素子７０を平面で示し、第１反射素子４０による中間像の生成を、中間像生成レンズＭ０で示してある。図１１では、第１反射素子４０をミラーＭ１で示し、図１２では、第１回折素子５０から第１反射素子４０（ミラーＭ１）の間にミラーＭ２を配置した場合を示してある。

なお、図１１および図１２には、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２（一点鎖線）を図示してある。また、図１１および図１２では、第１回折素子５０の入射面５１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回折方向Ｄ１とし、第２回折素子７０の入射面７１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回折方向Ｄ２としてある。

図１１に示す光学系１０では、第２回折素子７０の入射面７１の法線方向に対する第２回折方向Ｄ２の向きはＣＷ方向であり、第１回折素子５０の入射面５１の法線方向に対する第１回折方向Ｄ１の向きもＣＷ方向となるように、第２回折素子７０と第１回折素子５０が配置されている。

図１２に示す光学系１０では、第２回折素子７０の入射面７１の法線方向に対する第２回折方向Ｄ２の向きはＣＷ方向で、第１回折素子５０の入射面５１の法線方向に対する第１回折方向Ｄ１の向きはＣＣＷ方向となるように、第２回折素子７０と第１回折素子５０が配置されている。

すなわち、第１回折素子５０から第２回折素子７０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回折素子５０および第２回折素子７０の配置が異なる。

具体的には、図１１に示す光学系１０のように、反射回数と中間像の生成回数の和が偶数である場合は、第２回折素子７０の入射面７１の法線と第１回折素子５０の入射面５１の法線とを含む仮想面の法線方向（図１１の平面視方向）から見て、第２回折素子７０の入射面７１の法線方向に対する第２回折方向Ｄ２の向きと第１回折素子５０の入射面５１の法線方向に対する第１回折方向Ｄ１の向きとが互いに同じ方向（ＣＷ方向）となるように、第１回折素子５０および第２回折素子７０が配置される。

これに対して、図１２に示す光学系１０のように、反射回数と中間像の生成回数の和が奇数である場合は、前述の仮想面の法線方向（図１２の平面視方向）から見て、第２回折方向Ｄ２の向きと第２回折方向Ｄ１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２回折素子７０が配置される。

これによって、スペクトル幅を有する画像光Ｌ０が、第１回折素子５０によって波長毎に偏向されて分散したのち、第２回折素子７０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。

なお、図１２に示す変形例では第２回折素子７０と第１回折素子５０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。その場合においても、第１回折素子５０から第２回折素子７０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７０の入射面７１の法線方向に対する第２回折方向Ｄ２の向きと第１回折素子５０の入射面５１の法線方向に対する第１回折方向Ｄ１の向きとが、前述した例と同様に構成されればよい。

［他の実施形態］
上記実施形態では、第２反射素子６０によって、第２反射素子６０と第１回折素子５０との間に中間像を形成したが、第２反射素子６０の反射面が平面である等、第２反射素子６０と第１回折素子５０との間に中間像を形成しない態様を採用してもよい。また、中間像が画像光投射装置３０と第２反射素子６０との間に形成される態様を採用してもよい。また、第２反射素子６０が設けられない表示装置１００に本発明を適用してもよい。

上記実施形態では、画像光投射装置３０、第２反射素子６０、および第１回折素子５０が観察者の側頭部に配置されているため、第１反射素子４０が画像光Ｌ０を左右方向（第２方向Ｘ）に出射して第２回折素子７０に入射させる。但し、画像光投射装置３０、第２反射素子６０、および第１回折素子５０が観察者の頭頂部に配置し、第１反射素子４０が画像光Ｌ０を上下方向（第３方向Ｙ）に出射して第２回折素子７０に入射させる態様を採用してもよい。

１０…光学系、１０ａ…右眼用光学系、１０ｂ…左眼用光学系、３０…画像光投射装置、３１…画像光生成装置、３２…投射光学系、４０…第１反射素子、４１、６１…反射面、５０…第１回折素子、５５、７５…反射型体積ホログラフィック素子、６０…第２反射素子、７０…第２回折素子、９０…フレーム、９１…前部分、９２ａ、９２ｂ…テンプル、１００…表示装置、３１０…表示パネル、Ｘ…第２方向、Ｚ…第１方向、Ｅ…眼。

Claims (12)

1. 画像光投射装置から出射された画像光の進行方向に沿って、
   前記画像光投射装置から出射された画像光が入射する第１回折素子、前記第１回折素子から出射された前記画像光が入射する第１反射素子、および前記第１反射素子から出射された前記画像光を観察者の眼に向けて出射する第２回折素子が配置され、
   前記第１反射素子の反射面は、周辺部に対して中央部が凹んだ凹曲面であり、
   前記第１反射素子と前記第２回折素子との間に中間像が形成され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、
   前記第１反射素子の反射面は、自由曲面であ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回折素子および前記第２回折素子は各々、反射型であ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、
   前記第１回折素子および前記第２回折素子は各々、反射型の体積ホログラフィック素子であることを特徴とする表示装置。
5. 請求項３または４に記載の表示装置において、
   前記第１回折素子の入射面および前記第２回折素子の入射面は各々、周辺部に対して中央部が凹んだ凹曲面であることを特徴とする表示装置。
6. 請求項１から５までのいずれか一項に記載の表示装置において、
   前記第１反射素子は、部分透過性を有していることを特徴とする表示装置。
7. 請求項１から６までのいずれか一項に記載の表示装置において、
   前記画像光投射装置から前記第１回折素子に到る光路に、前記画像光投射装置から出射された前記画像光を前記第１回折素子に向けて出射する第２反射素子が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２反射素子の反射面は、周辺部に対して中央部が凹んだ凹曲面であり、
   前記第２反射素子と前記第１回折素子との間に中間像が形成されることを特徴とする表示装置。
9. 請求項８に記載の表示装置において、
   前記第２反射素子の反射面は、自由曲面であることを特徴とする表示装置。
10. 請求項７から９までのいずれか一項に記載の表示装置において、
    前記第１反射素子と前記第２反射素子とは一体になっていることを特徴とする表示装置。
11. 請求項７から１０までのいずれか一項に記載の表示装置において、
    前記画像光投射装置、前記第２反射素子、前記第１回折素子、前記第１反射素子、および前記第２回折素子を保持するフレームを有し、
    前記フレームを観察者の頭部に装着した際、前記第２回折素子が観察者の眼前に配置され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、
    前記画像光投射装置は、前方に向けて前記画像光を出射し、
    前記第２反射素子は、後方に向けて前記画像光を出射し、
    前記第１回折素子は、前方に向けて前記画像光を出射し、
    前記第１反射素子は、左右方向または下方向に向けて前記画像光を出射し、
    前記第２回折素子は、後方に向けて前記画像光を出射することを特徴とする表示装置。