JP2021121826A - 表示モジュールおよび表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型の表示モジュールを提供する。【解決手段】本発明の表示モジュールは、画像光を生成する画像光生成装置と、第１面と第２面とを有し、画像光を回折させる第１回折素子と、画像光を反射させる第１反射部と、第３面を有し、画像光を回折させる第２回折素子と、を備え、第１回折素子は、画像光生成装置から第１面に入射する画像光を透過させて第２面から第１反射部に向けて射出させ、第１反射部は、第１回折素子から射出される画像光を第１回折素子の第２面に向けて反射させ、第１回折素子は、第１反射部から第２面に入射する画像光を回折させて第２面から第２回折素子に向けて射出させ、第２回折素子は、第１回折素子から第３面に入射する画像光を回折させて第３面から射出させ、射出瞳を形成する。【選択図】図２

Description

本発明は、表示モジュールおよび表示装置に関する。

複数の反射面を用いて画像光を反射させつつ観察者の眼に導く形態の頭部装着型表示装置が知られている。下記の特許文献１に、正のパワーを有する第１光学部と、第１回折素子を備え、正のパワーを有する第２光学部と、正のパワーを有する第３光学部と、第２回折素子を備え、正のパワーを有する第４光学部と、を備える頭部装着型の表示装置が開示されている。この表示装置において、第１光学部と第３光学部との間に画像光の第１中間像が形成され、第２光学部と第４光学部との間に瞳が形成され、第３光学部と第４光学部との間に画像光の第２中間像が形成され、第４光学部の第３光学部とは反対側に射出瞳が形成される。

特開２０１９−１３３１３２号公報

特許文献１の表示装置においては、２つの回折素子によって波長分散が補償されるように、各光学部材は、各光学部材間の位置関係が特定の条件を満たすように配置されている。そのため、各光学部材を配置するための多くの空間が必要となり、表示装置が大型化する場合がある。

上記の課題を解決するために、本発明の一つの態様の表示モジュールは、画像光を生成する画像光生成装置と、第１面と第２面とを有し、前記画像光を回折させる第１回折素子と、前記画像光を反射させる第１反射部と、第３面を有し、前記画像光を回折させる第２回折素子と、を備え、前記第１回折素子は、前記画像光生成装置から前記第１面に入射する前記画像光を透過させて前記第２面から前記第１反射部に向けて射出させ、前記第１反射部は、前記第１回折素子から射出される前記画像光を前記第１回折素子の前記第２面に向けて反射させ、前記第１回折素子は、前記第１反射部から前記第２面に入射する画像光を回折させて前記第２面から前記第２回折素子に向けて射出させ、前記第２回折素子は、前記第１回折素子から前記第３面に入射する画像光を回折させて前記第３面から射出させ、射出瞳を形成する。

本発明の一つの態様の表示装置は、本発明の一つの態様の表示モジュールと、前記表示モジュールを収容する筐体と、を備える。

第１実施形態の表示装置の斜視図である。 第１実施形態の表示モジュールの構成を示す平面図である。 第１実施形態の表示モジュールの構成を示す側面図である。 体積ホログラムの干渉縞の説明図である。 第１回折素子および第２回折素子の回折特性を示す図である。 第１回折素子において、屈折率差Δｎ＝０．０３５における透過率と波長との関係を示すグラフである。 第１回折素子において、屈折率差Δｎ＝０．０１９における透過率と波長との関係を示すグラフである。 第１回折素子において、屈折率差Δｎ＝０．０１０における透過率と波長との関係を示すグラフである。 第１回折素子において、屈折率差Δｎ＝０．００５における透過率と波長との関係を示すグラフである。 第２実施形態の表示モジュールの構成を示す平面図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図９を用いて説明する。
図１は、本実施形態の頭部装着型表示装置を示す斜視図である。図２は、頭部装着型表示装置における表示モジュールの概略構成を示す平面図である。図３は、表示モジュールの概略構成を示す側面図である。
以下の説明においては、頭部装着型表示装置を単に表示装置と称する。また、以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。

以下の各図面では、観察者が表示装置１００を頭部に装着した状態での前後方向、左右方向および上下方向を用いて、以下の方向を規定する。上下方向に沿う軸をＹ軸とし、下方から上方に向かう方向を＋Ｙ方向とし、上方から下方に向かう方向を−Ｙ方向とする。前後方向に沿う軸をＺ軸とし、後方から前方に向かう方向を＋Ｚ方向とし、前方から後方に向かう方向を−Ｚ方向とする。左右方向に沿う軸をＸ軸とし、右から左に向かう方向を＋Ｘ方向とし、左から右に向かう方向を−Ｘ方向とする。Ｙ軸、Ｚ軸およびＸ軸は、互いに直交する。

表示装置１００の構成要素を用いて上記の方向を定義すると、右眼用表示モジュール１０ａの第２回折素子７０ａの中心と左眼用表示モジュール１０ｂの第２回折素子７０ｂの中心とを結ぶ軸をＸ軸とし、第２回折素子７０ａから第２回折素子７０ｂに向かう方向を＋Ｘ方向とし、第２回折素子７０ｂから第２回折素子７０ａに向かう方向を−Ｘ方向とする。後述する表示モジュール１０において、射出瞳の光軸をＺ軸とし、射出瞳から第２回折素子７０ａまたは第２回折素子７０ｂに向かう方向を＋Ｚ方向とし、第２回折素子７０ａまたは第２回折素子７０ｂから射出瞳に向かう方向を−Ｚ方向とする。画像光生成装置２０の表示面の垂直方向に沿う軸をＹ軸とし、表示面の下方から上方に向かう方向を＋Ｙ方向とし、表示面の上方から下方に向かう方向を−Ｙ方向とする。

図１に示すように、表示装置１００は、画像光Ｌ０ａを観察者の右眼Ｅａに入射させる右眼用表示モジュール１０ａと、画像光Ｌ０ｂを観察者の左眼Ｅｂに入射させる左眼用表示モジュール１０ｂと、右眼用表示モジュール１０ａと左眼用表示モジュール１０ｂとを収容する筐体９０と、を備えている。表示装置１００は、例えば眼鏡のような形状を有する。表示装置１００は、筐体９０によって観察者の頭部に装着される。

筐体９０は、フレーム９１と、フレーム９１の右側に設けられ、観察者の右耳に係止されるテンプル９２ａと、フレーム９１の左側に設けられ、観察者の左耳に係止されるテンプル９２ｂと、を有する。フレーム９１は、両側部に収納空間９１ｓを有しており、収納空間９１ｓ内に、後述する表示モジュール１０を構成する種々の光学素子が収容されている。テンプル９２ａ，９２ｂは、ヒンジ９５によってフレーム９１に対して折り畳み可能に連結されている。

右眼用表示モジュール１０ａと左眼用表示モジュール１０ｂとは、各光学部材が左右対称に配置されている点で異なるが、基本構成は同一である。したがって、以下の説明では、右眼用表示モジュール１０ａと左眼用表示モジュール１０ｂとを区別せず、表示モジュール１０として構成を説明する。

図２および図３に示すように、本実施形態の表示モジュール１０は、画像光生成装置２０と、集光光学系２５と、第１回折素子５０と、第１反射部３０と、第２反射部６０と、第２回折素子７０と、を備える。

画像光生成装置２０は、画像光Ｌ０を生成する。集光光学系２５は、画像光生成装置２０により生成された画像光Ｌ０を投射する。第１回折素子５０は、第１面５０ａと第２面５０ｂとを有し、画像光Ｌ０を回折させる。第１反射部３０は、画像光Ｌ０を反射させる。第２反射部６０は、第１回折素子５０によって回折される画像光Ｌ０を第２回折素子７０に向けて反射させる。第２回折素子７０は、第３面７０ｃを有し、画像光Ｌ０を回折させて射出瞳Ｇを形成する。

画像光生成装置２０は、例えば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から構成されている。画像光生成装置２０は、観察者が表示装置１００を装着した状態において、眼Ｅの側方よりも後方に配置され、前方に向けて画像光Ｌ０を射出する。画像光生成装置２０は、画像光Ｌ０の光軸Ｌ０１がＺ軸と略平行になるように配置されている。

なお、画像光生成装置２０は、互いに異なる色に対応する複数の表示パネルと、複数の表示パネルから射出された各色の画像光を合成する合成光学系と、を有していてもよい。また、画像光生成装置２０は、照明光源と、照明光源から射出された照明光を変調する液晶表示素子等の表示パネルと、を有していてもよい。または、画像光生成装置２０は、レーザー光をマイクロミラーデバイスで変調する構成であってもよい。または、画像光生成装置２０は、マイクロＬＥＤ、ＭＥＭＳディスプレイ等で構成されていてもよい。

画像光Ｌ０の光軸Ｌ０１は、画像光生成装置２０の表示領域の中心から射出される画像光Ｌ０の中心主光線が通る軸である。換言すると、画像光Ｌ０の光軸Ｌ０１は、画像光生成装置２０の画像光の射出面２０ａの中心を通り、射出面２０ａの法線に沿う軸である。また、画像光生成装置２０がレーザー光源と、レーザー光源からの光を走査するミラーと、で構成されている場合には、レーザー光の走査によって像面が形成されるため、画像光Ｌ０の光軸は、像面の中心を通り、像面の法線と平行な軸である。

集光光学系２５は、画像光生成装置２０により生成された画像光Ｌ０を集束させる光学系であって、複数のレンズを有する。本実施形態では、集光光学系２５は、画像光Ｌ０の光軸Ｌ０１に沿って設けられた４つのレンズ２５１，２５２，２５３，２５４から構成されている。ただし、集光光学系２５を構成するレンズの数は、特に限定されない。さらに、レンズとして、複数枚のレンズが貼り合わされた構成、例えば貼り合わせ色消しレンズ等が用いられてもよい。また、レンズは、自由曲面レンズ等の非球面レンズであってもよいし、球面レンズであってもよい。

第１回折素子５０は、反射型の体積ホログラムを有する。第１回折素子５０は、集光光学系２５に対向する第１面５０ａと、第１反射部３０に対向する第２面５０ｂと、を有する。第１回折素子５０は、第１反射部３０から画像光Ｌ０が入射する第２面５０ｂが凹んだ凹曲面になっている。換言すると、第２面５０ｂは、第１反射部３０からの画像光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を有する。これにより、第１回折素子５０は、正のパワーを有し、画像光Ｌ０を第２反射部６０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５０は、反射型の回折素子であるが、干渉縞を構成する低屈折率部および高屈折率部のそれぞれの屈折率が適切に設定されたことにより、０次回折光が第１面５０ａから第２面５０ｂに透過するように構成されている。第１回折素子５０は、画像光生成装置２０から射出される画像光Ｌ０を０次回折光として第１面５０ａから第２面５０ｂに向けて透過させ、第１反射部３０から射出される画像光Ｌ０を１次回折光として第２面５０ｂから第２回折素子７０に向けて射出させる。干渉縞については、後で詳しく説明する。

なお、第１回折素子５０は、反射型であり、かつ、０次回折光が透過可能な回折素子であれば、体積ホログラムに限らず、例えば表面レリーフ型回折素子、表面レリーフホログラフィック素子等で構成されていてもよい。第１回折素子５０は、いずれの構成を有していても、第２面５０ｂの法線方向から画像光Ｌ０が入射したときに、特定の方向に回折効率が最も高い回折光を射出する特性を有する。

図４は、第１回折素子５０を構成する体積ホログラムの干渉縞の説明図である。
図４に示すように、第１回折素子５０を構成する体積ホログラムには、特定の波長に対応するピッチを有する干渉縞５０２が設けられている。干渉縞５０２は、相対的に低い屈折率を有する低屈折率部５０５と、相対的に高い屈折率を有する高屈折率部５０６と、が交互に設けられた構成を有する。したがって、干渉縞５０２は、ホログラムを構成する材料の屈折率差としてホログラム感光層に記録される。

干渉縞５０２は、特定の入射角に対応するように、第１回折素子５０の第２面５０ｂに対して一方向に傾いている。これにより、第１回折素子５０は、画像光Ｌ０を第２面５０ｂの法線方向に対して所定の角度をなすように所定の方向に回折させる。特定の波長および特定の入射角は、画像光Ｌ０の波長と入射角とに対応する。干渉縞５０２は、参照光Ｌｒおよび物体光Ｌｓを用いてホログラム感光層に干渉露光を行うことで形成することができる。

画像光Ｌ０は、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢを含むカラー表示用の光である。このため、第１回折素子５０においては、特定の波長に対応するピッチで干渉縞５０２が形成されている。例えば、赤色光用の干渉縞５０２Ｒは、赤色域の波長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ている。緑色光用の干渉縞５０２Ｇは、緑色域の波長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ている。青色光用の干渉縞５０２Ｂは、青色域の波長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ている。

なお、図４においては、干渉縞５０２を直線的に描いているが、第１回折素子５０に入射する画像光Ｌ０が球面波である場合、干渉露光時に例えば物体光Ｌｓとして球面波を用いる。その場合、ホログラム感光層に複数の干渉縞５０２がそれぞれ湾曲した状態で形成される。したがって、干渉縞５０２は、湾曲した状態で第１回折素子５０の第２面５０ｂに対して一方向に傾いている。これにより、第１回折素子５０は、第２面５０ｂの法線方向から単一波長の球面波からなる画像光Ｌ０が入射された際に、法線方向から傾いた特定の方向に回折効率が最も高い回折光Ｌ１を射出する。干渉縞５０２が湾曲している場合、干渉縞５０２の傾き方向は、例えば干渉縞５０２の両端を結ぶ直線の傾きとして定義される。

図２および図３に示すように、第１反射部３０は、全反射ミラーから構成されている。具体的には、第１反射部３０は、基材と、基材の一面に形成された誘電体多層膜、金属膜等からなる反射層と、を有する。第１反射部３０は、反射面３０ａの法線Ｖ１とＺ軸とが略平行になるように配置されている。反射面３０ａは、自由曲面で構成されており、第１反射部３０は正のパワーを有する。

第２反射部６０は、全反射ミラーから構成されている。具体的には、第２反射部６０は、基材と、基材の一面に形成された誘電体多層膜、金属膜等からなる反射層と、を有する。第２反射部６０は、反射面６０ａの法線Ｖ２とＺ軸とのなす角度が略４５°となる方向に傾いて配置されている。反射面６０ａは、曲面で構成されており、第２反射部６０は正のパワーを有する。

第２回折素子７０は、反射型の体積ホログラムを有する。第２回折素子７０は、観察者の眼Ｅと対向する第３面７０ｃと、第３面とは異なる第４面７０ｄと、を有する。第２回折素子７０は、画像光Ｌ０が入射する第３面７０ｃが凹んだ凹曲面になっている。換言すると、第３面７０ｃ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。これにより、第２回折素子７０は、正のパワーを有し、画像光Ｌ０を射出瞳Ｇに向けて効率良く偏向させることができる。第２回折素子７０は、観察者の鼻に近い側の端部７０ｅが鼻から遠い側の端部７０ｆに対して−Ｚ方向に位置するように、傾いて配置されている。

第２回折素子７０を構成する体積ホログラムの基本構成は、第１回折素子５０を構成する体積ホログラムの基本構成と同一であるため、体積ホログラムの詳細な説明を省略する。ただし、第２回折素子７０を構成する体積ホログラムは、入射する光の一部を反射させ、他の一部を透過させる部分反射型回折光学素子で構成される。そのため、第２回折素子７０は、部分透過反射性のコンバイナーとして機能する。これにより、外光が第２回折素子７０を介して観察者の眼Ｅに入射するため、観察者は、画像光生成装置２０が形成した画像と背景とが重畳された画像を視認することができる。

なお、第２回折素子７０は、反射型の回折素子であれば、体積ホログラムに限らず、例えば表面レリーフ型回折素子、表面レリーフホログラフィック素子等であってもよい。第２回折素子７０は、いずれの構成を有していても、第３面７０ｃの法線方向から画像光Ｌ０が入射したときに、特定の方向に回折効率が最も高い回折光を射出する特性を有する。

図５は、第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折特性を示す図である。
図５は、体積ホログラム上の１点に光線が入射したときの特定波長と周辺波長の回折角の差を示している。図５においては、特定波長を５３１ｎｍとしたとき、波長が５２６ｎｍの周辺波長の光の回折角度のずれを実線Ｌ５２６で示し、波長が５３６ｎｍの周辺波長の光の回折角度のずれを破線Ｌ５３６で示している。

図５に示すように、体積ホログラムに記録された同じ干渉縞に光線が入射した場合であっても、光線の波長が長い程、大きい角度で回折し、光線の波長が短い程、小さい角度で回折する。そのため、第１回折素子５０および第２回折素子７０からなる２つの回折素子を用いた場合、特定波長に対して長波長の光および短波長の光の入射角度を考慮して入射させないと、収差を適切に補償することができない。また、干渉縞の本数によって回折角が異なるため、干渉縞の構成を考慮する必要がある。図２に示す本実施形態の表示モジュール１０においては、第１回折素子５０と第２回折素子７０との間における中間像の形成回数と反射回数の和が奇数であるか偶数であるかに対応して、画像光Ｌ０に対する第１回折素子５０および第２回折素子７０の向き等が適正化されているため、収差の補償が可能である。

ここで、第１回折素子５０の第２面５０ｂの法線Ｖ３と第２回折素子７０の第３面７０ｃの法線Ｖ４とを含む仮想面を想定する。本実施形態の場合、仮想面は、図２の紙面であって、ＸＺ平面である。

本実施形態では、第１回折素子５０から第２回折素子７０までの間における画像光Ｌ０の反射回数と中間像の生成回数との和が偶数である。このため、仮想面の法線方向から見たとき、第１回折素子５０と第２回折素子７０とは、第２面５０ｂまたは第３面７０ｃの法線方向から光線が入射した場合に、最も高い回折効率で回折光が射出される方向が、第２面５０ｂまたは第３面７０ｃの法線方向を基準として同じ側に設定されている。

より具体的には、本実施形態では、第１回折素子５０と第２回折素子７０との間の画像光Ｌ０の光路上に第２反射部６０が設けられているため、第１回折素子５０と第２回折素子７０との間において、画像光Ｌ０は１回反射する。また、第１回折素子５０、第１反射部３０および第２反射部６０がそれぞれ正のパワーを有しており、第２反射部６０と第２回折素子７０との間で１つの中間像Ｚ１が生成される。したがって、第１回折素子５０から第２回折素子７０までの間での画像光Ｌ０の反射回数と中間像の生成回数の和は、２回、すなわち偶数である。

したがって、第２面５０ｂの法線方向から画像光Ｌ０を入射した際に最も高い回折効率で画像光Ｌ０が射出される方向を第１方向とし、第３面７０ｃの法線方向から画像光Ｌ０を入射した際に最も高い回折効率で画像光Ｌ０が射出される方向を第２方向とし、仮想面の法線方向から見たとき、第１回折素子５０と第２回折素子７０とは、第２面５０ｂの法線方向に対する第１方向と第３面７０ｃの法線方向に対する第２方向とが同じ側に位置するように、配置されている。

より具体的には、図２に示すように、第１回折素子５０の第２面５０ｂに対して法線方向Ｋ１０から光が入射した際、回折効率が最も高い回折光が射出される第１方向Ｋ１１は、第２面５０ｂの法線方向Ｋ１０を基準としたときに時計周り方向ＣＷに回転した位置にある。また、第２回折素子７０の第３面７０ｃに対して法線方向Ｋ２０から光が入射した際、回折効率が最も高い回折光が射出される第２方向Ｋ２２は、第３面７０ｃの法線方向Ｋ２０を基準としたときに時計周り方向ＣＷに回転した位置にある。

すなわち、第１回折素子５０において回折効率が最も高い回折光が射出される第１方向Ｋ１１と、第２回折素子７０において回折効率が最も高い回折光が射出される第２方向Ｋ２２とは、第２面５０ｂの法線方向Ｋ１０または第３面７０ｃの法線方向Ｋ２０を基準としたときに同じ側に位置する。この構成は、第１回折素子５０の干渉縞の傾き方向と第２回折素子７０の干渉縞の傾き方向とを対応させることによって実現される。

この構成によれば、第１回折素子５０の第２面５０ｂの法線方向Ｋ１０から最適な波長の光線が入射した場合を基準とすると、最適な波長よりも長い波長の光線が入射した際の回折光は、時計周りに回転した方向に傾く。したがって、最適な波長よりも長い波長の光線の回折光は、第２反射部６０を経由して第２回折素子７０の第３面７０ｃに入射する際、最適な波長の光線よりも時計周りに回転した方向から入射する。このため、最適な波長の光線と最適な波長よりも長い波長の光線とは、第２回折素子７０から同一方向に向けて射出される。これにより、解像度の低下が発生しにくくなる。そのため、本実施形態によれば、波長補償が実現でき、画像光Ｌ０の波長が変動した場合の画像のずれを小さく抑制することができる。

本実施形態の表示モジュール１０における画像光Ｌ０の進行経路は、以下の通りである。
画像光生成装置２０から射出された画像光Ｌ０は、集光光学系２５を経て第１回折素子５０の第１面５０ａに入射する。このとき、第１回折素子５０の第１面５０ａに入射した画像光Ｌ０の一部は、回折することなく、第１回折素子５０を０次回折光として透過し、第２面５０ｂから射出される。第１回折素子５０の第２面５０ｂから射出された画像光Ｌ０は、第１反射部３０で反射された後、第１回折素子５０の第２面５０ｂに入射される。第１回折素子５０の第２面５０ｂに入射した画像光Ｌ０は、干渉縞によって所定の方向に回折され、第１回折素子５０の第２面５０ｂから射出される。第１回折素子５０の第２面５０ｂから射出された画像光Ｌ０は、第２反射部６０で反射された後、第２回折素子７０の第３面７０ｃに入射される。第２回折素子７０の第３面７０ｃに入射した画像光Ｌ０は、干渉縞によって所定の方向に回折されて第２回折素子７０の第３面７０ｃから射出され、射出瞳Ｇが形成される。

換言すると、第１回折素子５０は、画像光生成装置２０から集光光学系２５を経て第１面５０ａに入射する画像光Ｌ０を０次回折光として透過させ、第２面５０ｂから第１反射部３０に向けて射出させる。第１反射部３０は、第１回折素子５０の第２面５０ｂから射出される画像光Ｌ０を第１回折素子５０の第２面５０ｂに向けて反射させる。第１回折素子５０は、第１反射部３０から第２面５０ｂに入射する画像光Ｌ０を回折させて、第２面５０ｂから第２回折素子７０に向けて射出させる。第２反射部６０は、第１回折素子５０によって回折された画像光Ｌ０を第２回折素子７０に向けて反射させる。第２回折素子７０は、第１回折素子５０から第３面７０ｃに入射する画像光Ｌ０を回折させて第３面７０ｃから射出させ、射出瞳Ｇを形成する。

したがって、仮想面の法線方向から見て、画像光生成装置２０から射出されて第１回折素子５０を透過する画像光Ｌ０の光路の一部と、第１反射部３０で反射されて第１回折素子５０に戻る画像光Ｌ０の光路の一部と、第１回折素子５０で回折されて第２反射部６０に向かって進む画像光Ｌ０の光路の一部とは、互いに重なる。

一般に、回折素子は、０次回折光が極力少なく、１次以上の回折光が多くなる条件で用いる場合が多い。これに対し、本実施形態の表示モジュール１０においては、画像光Ｌ０として第１回折素子５０を透過する０次回折光を利用するため、０次回折光が極力多くなる条件で用いる必要がある。ここで、本発明者らは、０次回折光を確保するための条件として、第１回折素子５０が有する干渉縞５０２を構成する低屈折率部５０５の屈折率と高屈折率部５０６の屈折率との差Δｎを比較的小さくすればよいことに想到した。

本発明者らは、０次回折光の量を確保するために最適な屈折率差Δｎを求めるため、屈折率差Δｎを種々の値に変えたときの透過率に関するシミュレーションを行った。

図６〜図９は、第１回折素子５０において、特定の屈折率差Δｎにおける光利用効率と波長との関係を示すグラフである。図６は、屈折率差Δｎ＝０．０３５のときのグラフである。図７は、屈折率差Δｎ＝０．０１９のときのグラフである。図８は、屈折率差Δｎ＝０．０１０のときのグラフである。図９は、屈折率差Δｎ＝０．００５のときのグラフである。

図６〜図９において、横軸は第１回折素子に入射する光の波長（ｎｍ）を示す。今回のシミュレーションでは、第１回折素子に入射させる光として、波長が５３２ｎｍの緑色光を想定した。また、縦軸は、光利用効率（％）を示している。なお、図６〜図９における光利用効率は、第１回折素子に入射する光の量に対する第１回折素子から第２反射部に向けて射出する光の量の割合を示しており、第１回折素子５０の第１面５０ａに入射する光の量に対する０次回折光の透過率と、第１回折素子５０の第２面５０ｂに入射する光の量に対する回折光の反射率と、の積で表される。したがって、例えば０次回折光の透過率が５０％であり、回折光の反射率が５０％であったとすると、図６〜図９における光利用効率は２５％である。

図６に示すように、屈折率差Δｎ＝０．０３５の場合、入射光の波長が設計値である５３２ｎｍからずれると、光利用効率は上昇する傾向にある。具体的には、入射光の波長が５３２ｎｍから±４ｎｍ程度ずれると、５％程度の光利用効率が得られる。ただし、入射光の波長が設計値である５３２ｎｍであったとすると、光利用効率は略０％である。そのため、屈折率差Δｎ＝０．０３５を採用することはできない。

これに対して、図７に示すように、屈折率差Δｎ＝０．０１９の場合、屈折率差Δｎ＝０．０３５の場合と同様、入射光の波長が設計値である５３２ｎｍからずれると、光利用効率は上昇する傾向にある。ただし、屈折率差Δｎ＝０．０１９の場合の光利用効率は、屈折率差Δｎ＝０．０３５の場合の光利用効率に比べて全体的に高くなっている。入射光の波長が設計値である５３２ｎｍであった場合、光利用効率は略５％である。したがって、屈折率差Δｎ＝０．０１９を採用することができる。

また、図８に示すように、屈折率差Δｎ＝０．０１０の場合、入射光の波長が設計値である５３２ｎｍからずれると、光利用効率は変動するが、その変動幅は、屈折率差Δｎ＝０．０３５、０．０１９の場合に比べて小さくなる。また、屈折率差Δｎ＝０．０１０の場合の光利用効率は、屈折率差Δｎ＝０．０１９の場合の光利用効率に比べてさらに高くなる。入射光の波長が設計値である５３２ｎｍであった場合、光利用効率は略８％である。したがって、屈折率差Δｎ＝０．０１０を採用することが好ましい。

また、図９に示すように、屈折率差Δｎ＝０．００５の場合、波長の変動に伴う光利用効率の変動幅は、屈折率差Δｎ＝０．０１０の場合に比べてさらに小さくなる。入射光の波長が設計値の５３２ｎｍであったときの光利用効率は略５％である。したがって、屈折率差Δｎ＝０．００５を採用することができる。

以上のシミュレーション結果から、第１回折素子５０における所定の光利用効率を確保するためには、低屈折率部５０５と高屈折率部５０６との屈折率差Δｎは、０．０２０未満、かつ、０．００５以上であることが望ましいことが判った。屈折率差Δｎが０．０１０であると、さらに望ましい。屈折率差Δｎを上記のように設定することによって、設計中心波長における画像光Ｌ０の利用効率を最適化することができる。なお、今回のシミュレーションにおいて、本発明者らは、第１回折素子５０に入射する光として、波長が５３２ｎｍの緑色光を想定したが、第１回折素子５０に入射する光が他の色光であっても、略同様の結果が得られる、と推察している。

特許文献１の表示装置においては、画像光生成装置から第１回折素子に向かって進行する画像光と、第１回折素子からミラーに向かって進行する画像光とは、互いに重なっていない。そのため、画像光生成装置を観察者の顔から離れた位置に配置しなければならず、装置の横幅が大きくなり、装置が大型化する場合がある。

これに対して、本実施形態の表示モジュール１０によれば、仮想面の法線方向から見て、第１回折素子５０から第２反射部６０までに至る画像光Ｌ０の光路が２回折り返され、光路同士が互いに重なる。これにより、本実施形態の表示モジュール１０によれば、特許文献１の表示装置に比べて、光学系の小型化を図ることができる。

また、本実施形態の表示モジュール１０においては、画像光Ｌ０の入射方向に対して第１回折素子５０および第２回折素子７０の向きが適切に配置されているため、第１回折素子５０および第２回折素子７０によって生じる色収差を補償することができる。その結果、波長が変動した場合の画像のずれを抑制し、解像度を高めることができる。

また、本実施形態の表示装置１００は、上記の効果を有する表示モジュール１０を備えているため、小型で表示品質に優れる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図１０を用いて説明する。
第２実施形態の表示モジュールの基本構成は第１実施形態と同様であり、第１回折素子と集光光学系との構成が第１実施形態と異なる。そのため、表示モジュール全体の説明は省略する。
図１０は、第２実施形態の表示モジュールの概略構成を示す平面図である。
図１０において、第１実施形態で用いた図２と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

図１０に示すように、本実施形態の表示モジュール１２は、画像光生成装置２０と、集光光学系２７と、第１回折素子５５と、第１反射部３０と、第２反射部６０と、第２回折素子７０と、を備える。

本実施形態の場合、第１回折素子５５は、集光光学系２７に対向する第１面５５ａと、第１反射部３０に対向する第２面５５ｂと、を有する。また、第１回折素子５５は、画像光生成装置２０から射出される画像光Ｌ０を透過させる光透過部５５ｈを有する。光透過部５５ｈは、例えば第１回折素子５５に設けられた孔で構成することができる。または、第１回折素子５５の一部に干渉縞が設けられておらず、透明部材のみが存在する領域を形成し、この領域を光透過部としてもよい。

集光光学系２７は、画像光生成装置２０から射出される画像光Ｌ０を第１回折素子５５の光透過部５５ｈに集束させる。これにより、画像光生成装置２０から射出される画像光Ｌ０の各画角に対応する光線の略全てが第１回折素子５５の光透過部５５ｈを透過する。集光光学系２７は、１つのレンズ２７１から構成されている。ただし、集光光学系２７を構成するレンズ２７１の数は、特に限定されない。

本実施形態の表示モジュール１２において、第１回折素子５５は、光透過部５５ｈを通して画像光生成装置２０から射出される画像光Ｌ０を第１面５５ａから第２面５５ｂに向けて透過させ、第１反射部３０から射出される画像光Ｌ０を光透過部５５ｈ以外の部分において第２面５５ｂから第２反射部６０を介して第２回折素子７０に向けて射出させる。
表示モジュール１２のその他の構成は、第１実施形態の表示モジュール１０の構成と同様である。

本実施形態においても、小型で表示品質に優れた表示モジュールおよび表示装置を提供できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上述したように、第１回折素子は、体積ホログラムに限らず、例えば表面レリーフ型回折素子等で構成されていてもよい。ただし、第１回折素子が表面レリーフ型回折素子で構成される場合、０次回折光の量を確保するためには、ホログラム材料の表面に形成する凹凸の深さを一般的な表面レリーフ型回折素子よりも浅くすることが望ましい。

また、上記実施形態では、第１回折素子から第２回折素子までの間の画像光の反射回数と中間像の生成回数との和が偶数である構成を示したが、第１回折素子から第２回折素子までの間の画像光の反射回数と中間像の生成回数との和が奇数であってもよい。例えば第２反射部と第２回折素子との間に第３反射部が設けられ、上記の和が３回になってもよい。その場合、仮想面の法線方向から見て、第１入射面の法線方向に対する第１方向と第２入射面の法線方向に対する第２方向とが互いに異なる側に位置すればよい。したがって、例えば第１入射面の法線方向に対する第１方向および第２入射面の法線方向に対する第２方向のうち、一方が時計回り方向に位置し、他方が反時計回り方向に位置していればよい。

具体的には、上記実施形態では、第１回折素子から第２回折素子までの間の画像光の反射回数と中間像の生成回数との和が２回または３回の例を示したが、２以外の偶数であってもよい。また、上記の和は０回であってもよく、０回は偶数に含まれる。また、上記の和は３以外の奇数であってもよい。

その他、表示モジュールおよび表示装置の各構成要素の形状、数、配置、材料等の具体的な記載については、上記実施形態に限らず、適宜変更が可能である。

本発明の一つの態様の表示モジュールは、以下の構成を有していてもよい。
（１）本発明の一つの態様の表示モジュールは、前記第１回折素子によって回折される前記画像光を前記第２回折素子に向けて反射させる第２反射部をさらに備えていてもよい。

（２）本発明の一つの態様の表示モジュールにおいて、前記第１回折素子は、前記画像光生成装置から射出される前記画像光を０次回折光として前記第１面から前記第２面に向けて透過させ、前記第１反射部から射出される画像光を１次回折光として前記第２面から前記第２回折素子に向けて射出させてもよい。

（３）本発明の一つの態様の表示モジュールにおいて、前記第１回折素子は、相対的に低い屈折率を有する低屈折率部と相対的に高い屈折率を有する高屈折率部とが交互に設けられた干渉縞を有する体積ホログラムから構成され、前記低屈折率部の屈折率と前記高屈折率部の屈折率との差は、０．０２０未満、かつ、０．００５以上であってもよい。

（４）本発明の一つの態様の表示モジュールにおいて、前記第１回折素子は、前記画像光生成装置から射出される前記画像光を透過させる光透過部を有し、前記光透過部を通して前記画像光生成装置から射出される前記画像光を前記第１面から前記第２面に向けて透過させ、前記第１反射部から射出される画像光を前記光透過部以外の部分において前記第２面から前記第２回折素子に向けて射出させてもよい。

（５）本発明の一つの態様の表示モジュールは、前記画像光生成装置から射出される前記画像光を前記光透過部に集束させる集光光学系をさらに備えていてもよい。

（６）本発明の一つの態様の表示モジュールにおいて、前記第１回折素子は、前記第１入射面の法線方向から前記画像光を入射した場合に第１方向に最も高い回折効率で前記画像光を回折し、前記第２回折素子は、前記第２入射面の法線方向から前記画像光を入射した場合に第２方向に最も高い回折効率で前記画像光を回折し、前記第１回折素子および前記第２回折素子は、前記第１回折素子から前記第２回折素子までの間の前記画像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、前記和が奇数である場合には、前記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てもよい。

１０，１２…表示モジュール、１０ａ…右眼用表示モジュール、１０ｂ…左眼用表示モジュール、２０…画像光生成装置、３０…第１反射部、５０，５５…第１回折素子、５０ａ，５５ａ…第１面、５０ｂ，５５ｂ…第２面、５５ｈ…光透過部、６０…第２反射部、７０，７０ａ，７０ｂ…第２回折素子、７０ｃ…第３面、９０…筐体、１００…表示装置、５０２，５０２Ｂ，５０２Ｇ，５０２Ｒ…干渉縞、５０５…低屈折率部、５０６…高屈折率部、Ｌ０，Ｌ０ａ，Ｌ０ｂ…画像光、Ｇ…射出瞳、Ｋ１０，Ｋ２０…法線方向、Ｋ１１…第１方向、Ｋ２２…第２方向。

Claims (8)

1. 画像光を生成する画像光生成装置と、
   第１面と第２面とを有し、前記画像光を回折させる第１回折素子と、
   前記画像光を反射させる第１反射部と、
   第３面を有し、前記画像光を回折させる第２回折素子と、
   を備え、
   前記第１回折素子は、前記画像光生成装置から前記第１面に入射する前記画像光を透過させて前記第２面から前記第１反射部に向けて射出させ、
   前記第１反射部は、前記第１回折素子から射出される前記画像光を前記第１回折素子の前記第２面に向けて反射させ、
   前記第１回折素子は、前記第１反射部から前記第２面に入射する画像光を回折させて前記第２面から前記第２回折素子に向けて射出させ、
   前記第２回折素子は、前記第１回折素子から前記第３面に入射する画像光を回折させて前記第３面から射出させ、射出瞳を形成する、表示モジュール。
2. 前記第１回折素子によって回折される前記画像光を前記第２回折素子に向けて反射させる第２反射部をさらに備える、請求項１に記載の表示モジュール。
3. 前記第１回折素子は、前記画像光生成装置から射出される前記画像光を０次回折光として前記第１面から前記第２面に向けて透過させ、前記第１反射部から射出される画像光を１次回折光として前記第２面から前記第２回折素子に向けて射出させる、請求項１または請求項２に記載の表示モジュール。
4. 前記第１回折素子は、相対的に低い屈折率を有する低屈折率部と相対的に高い屈折率を有する高屈折率部とが交互に設けられた干渉縞を有する体積ホログラムから構成され、
   前記低屈折率部の屈折率と前記高屈折率部の屈折率との差は、０．０２０未満、かつ、０．００５以上である、請求項３に記載の表示モジュール。
5. 前記第１回折素子は、前記画像光生成装置から射出される前記画像光を透過させる光透過部を有し、前記光透過部を通して前記画像光生成装置から射出される前記画像光を前記第１面から前記第２面に向けて透過させ、前記第１反射部から射出される画像光を前記光透過部以外の部分において前記第２面から前記第２回折素子に向けて射出させる、請求項１または請求項２に記載の表示モジュール。
6. 前記画像光生成装置から射出される前記画像光を前記光透過部に集束させる集光光学系をさらに備える、請求項５に記載の表示モジュール。
7. 前記第１回折素子は、前記第２面の法線方向から前記画像光を入射した場合に第１方向に最も高い回折効率で前記画像光を回折し、
   前記第２回折素子は、前記第３面の法線方向から前記画像光を入射した場合に第２方向に最も高い回折効率で前記画像光を回折し、
   前記第１回折素子および前記第２回折素子は、
   前記第１回折素子から前記第２回折素子までの間の前記画像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２面の法線と前記第３面の法線とを含む仮想面の法線方向から見て、前記第２面の法線方向に対する前記第１方向の向きと前記第３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、
   前記和が奇数である場合には、前記仮想面の法線方向から見て、前記第２面の法線方向に対する前記第１方向の向きと前記第３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、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の表示モジュール。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の表示モジュールと、
   前記表示モジュールを収容する筐体と、を備える、表示装置。

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