JP2021131522A - 光学部材、表示装置、頭部装着型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学部材において画像の一部が欠けて観察されることを抑制する。【解決手段】光学部材１０は、基材１１と、第１部分３０と、第２部分４０と、を備える。第１部分３０は、基材１１に隣接して配置され、第１光学素子３１を含む。第２部分４０は、第１部分３０からずれた位置において基材１１に隣接して配置され、第２光学素子４１を含む。第１光学素子３１は、当該光学部材１０に入射した光の少なくとも一部を基材１１の内部に導光させる。第２光学素子４１は、基材１１の内部を導光する光の少なくとも一部を当該光学部材１０から出射させる。基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均は、５．１×１０−５〔／ｎｍ〕以上である。【選択図】図２

Description

本発明は、光学部材、光学部材を有する表示装置及び表示装置を有する頭部装着型表示装置に関する。

光学部材によって表示部からの画像光を観察者の眼前に表示する表示装置を有する装置として、頭部に装着して用いられる頭部装着型表示装置（ヘッドマウントディスプレイ）が知られている。このような表示装置において、例えば特許文献１及び特許文献２に示すように、光学部材は、基材と、基材の内部に画像光を導光させるため及び基材の内部を導光している画像光を適切に出射させるための、画像光の入射部及び出射部に設けられた光学素子と、を有している。

光学部材の入射部に入射した画像光は、入射部に設けられた光学素子でその進行方向を変化される。入射部に設けられた光学素子で進行方向を変更された画像光は、基材内を導光されて、出射部に入射する。出射部に入射した画像光は、出射部に設けられた別の光学素子で、出射部の全体に拡張されながら進行方向を変更される。出射部に設けられた光学素子で進行方向を変更された画像光は、光学部材の出射部から出射する。このようにして、画像光が光学部材から出射されて、観察者の眼前に画像を表示することができる。

特表２００９−１８６７９４号公報 特開２０１５−１０２６１３号公報

このような光学部材において、基材にヒビ等の傷が生じた部分や光学部材の表面に異物が付着した部分があると、当該部分において画像光が妨げられて基材内を導光しなくなることがある。表示部から出射した画像光の一部が光学部材で導光しなくなると、観察者の眼前に表示される画像は、当該部分に対応した画像の一部が欠けてしまう。すなわち、画像が劣化して観察されてしまう。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、光学部材において画像の一部が欠けて観察されることを抑制することを目的とする。

本発明の第１の光学部材は、
基材と、
前記基材に隣接して配置され、第１光学素子を含む第１部分と、
前記第１部分からずれた位置において前記基材に隣接して配置され、第２光学素子を含む第２部分と、を備える光学部材であって、
前記第１光学素子は、当該光学部材に入射した光の少なくとも一部を前記基材の内部に導光させ、
前記第２光学素子は、前記基材の内部を導光する光の少なくとも一部を当該光学部材から出射させ、
前記基材の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均は、５．１×１０^−５〔／ｎｍ〕以上である。

本発明の第１の光学部材において、前記第１部分の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負は、前記基材の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負と同一であってもよい。

本発明の第２の光学部材は、
基材と、
前記基材に隣接して配置され、第１光学素子を含む第１部分と、
前記第１部分からずれた位置において前記基材に隣接して配置され、第２光学素子を含む第２部分と、を備える光学部材であって、
前記第１光学素子は、当該光学部材に入射した光の少なくとも一部を前記基材の内部に導光させ、
前記第２光学素子は、前記基材の内部を導光する光の少なくとも一部を当該光学部材から出射させ、
前記第１部分の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負は、前記基材の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負と同一である。

本発明の第１または第２の光学部材において、前記第１部分の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均は、前記基材の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均より大きくてもよい。

本発明の第１または第２の光学部材において、
前記基材の少なくとも一方の面の８０％以上は、波長分散層によって覆われており、
前記波長分散層の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負は、前記基材の可視光領域における屈折率の変化率の平均の正負と同一であってもよい。

本発明の第１または第２の光学部材において、前記波長分散層は、前記第１部分及び前記第２部分を含んでもよい。

本発明の第１または第２の光学部材において、前記第１光学素子及び前記第２光学素子は、回折光学素子であってもよい。

本発明の第１または第２の光学部材において、前記第１光学素子及び前記第２光学素子は、表面レリーフ型のホログラムであってもよい。

本発明の第１または第２の光学部材において、
前記第１光学素子及び前記第２光学素子は、体積ホログラムであり、
前記第１光学素子の厚さ及び前記第２光学素子の厚さは、２０μｍ以下であってもよい。

本発明の第１または第２の光学部材において、前記基材の厚さは、０．２ｍｍ以上であってもよい。

本発明の表示装置は、
上述したいずれかの光学部材と、
前記光学部材の前記第１部分に対面して配置され、画像光を出射する表示部と、を備える。

本発明の表示装置において、
前記表示部は、少なくとも１つの色の光を出射可能であり、
前記表示部が出射する色の光の波長は、１０ｎｍ以上の半値全幅を有してもよい。

本発明の頭部装着型表示装置は、上述したいずれかの表示装置を備える。

本発明によれば、光学部材において画像の一部が欠けて観察されることを抑制することができる。

図１は、頭部装着型表示装置の一部であって、頭部に装着されることで眼前に配置された表示装置を示す斜視図である。 図２は、図１の表示装置が有する光学部材の正面図である。 図３は、図２の光学部材のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図４は、図２の光学部材のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 図５は、図３に示した光学部材の断面図において、光学部材の作用を説明するための図である。 図６は、図５に示した光学部材の一部の拡大断面図であって、光学部材の作用を説明するための図である。 図７は、光学部材における光学素子への光の入射を説明するための図である。 図８は、光学素子への入射回数と回折効率との関係における導光される光の割合を示す表である。 図９は、光学部材の一変形例を説明するための光学部材の断面図である。 図１０は、光学部材の他の変形例を説明するための光学部材の正面図である。 図１１は、光学部材の他の変形例を説明するための図であって、図１０のＸＩ−ＸＩ線に沿った断面図である。 図１２は、従来の光学部材の作用を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

なお、「シート面」とは、対象となるシート状（板状、フィルム状）の部材を全体的かつ大局的に見た場合において対象となるシート状部材の平面方向と一致する面のことを指す。

さらに、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件ならびにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「直交」、「同一」等の用語や長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。

図１には、本実施の形態の一例として、頭部装着型表示装置１（ヘッドマウントディスプレイ）が示されている。頭部装着型表示装置１は、人の頭部に装着されて用いられ、眼前に画像を表示する。頭部装着型表示装置１は、頭部に装着された状態で眼前に画像を表示する表示装置３を有している。表示装置３は、画像光を出射する表示部５と、表示部５から出射された画像光を屈折させるレンズ７と、表示部５からの画像光が入射してその内部で導光させた後に観察者の眼前から出射する光学部材１０と、を有している。

表示部５は、画像光を出射する装置である。表示部５は、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、ＬＣＯＳ、ＤＬＰ等の任意の表示部を用いることができる。表示部５は、光学部材１０の後述する第１部分３０に対面する位置に配置され、第１部分３０に向けて画像光を出射する。

表示部５は、少なくとも１つの色の光を含む画像光を出射可能である。表示部５が出射する光の色は、例えば赤色、緑色、青色である。好ましくは、表示部５は、赤色、緑色、青色のそれぞれの色の光を組み合わせたフルカラーの画像光を出射可能である。また、表示部５が出射する各色の光の波長は、単一の波長でなく、ある程度の幅を有していることが好ましい。具体的には、表示部５が出射する各色の光の波長は、１０ｎｍ以上の半値全幅を有していることが好ましく、１５ｎｍ以上の半値全幅を有していることがより好ましく、２０ｎｍ以上の半値全幅を有していることがさらに好ましく、２５ｎｍ以上の半値全幅を有していることがさらにより好ましく、３０ｎｍ以上の半値全幅を有していることが最も好ましい。

レンズ７は、表示部５の各位置から出射された画像光を出射位置ごとに屈折させて略平行な方向に進む光にして、光学部材１０の第１部分３０に入射させる。レンズ７は、表示部５と光学部材１０との間であって、表示部５の画像光を出射する面に対面する位置に配置される。レンズ７は、例えば凸レンズであり、その焦点距離の位置に表示部５が配置されている。

光学部材１０は、一方の側から入射した画像光をその内部で導光させ、観察者の眼前に出射させる。光学部材１０に入射する画像光が略平行な方向に進む光であると、光学部材１０から出射する画像光を、略平行な方向に進む光とすることができる。図１において、光学部材１０に入射する光及び光学部材１０から出射する光が実線矢印で示されており、光学部材１０の内部を導光する光が点線矢印で示されている。図１に示されているように、光学部材１０の表示部５に対面する位置に入射した光が、光学部材１０の画像を表示する位置まで進行方向を変更されながら導光され、観察者の眼前の画像を表示する位置から出射される。

光学部材１０は、基材１１と、波長分散層２０と、を有している。波長分散層２０は、基材１１に隣接して配置されており、より詳しくは基材１１に積層されている。以下、図２乃至図４を参照しながら、光学部材１０の各構成要素について説明する。図２は、光学部材１０の正面図である。図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った光学部材１０の断面図であり、図４は、図２におけるＩＶ−ＩＶ線に沿った光学部材１０の断面図である。

基材１１は、光学部材１０において、内部で光を導光させる導光体として機能する。可視光を導光させるために、基材１１は透明になっている。また、基材１１は、一対の主面を有する板状の部材である。光は、板状の基材１１の一対の主面や基材１１上に設けられた波長分散層２０において反射、とりわけ全反射されることで、基材１１の内部を導光される。基材１１の主面において全反射しやすいよう、基材１１の屈折率は、光学部材１０の外部の空気等の屈折率より十分に大きくなっていることが好ましい。具体的には、基材１１の屈折率は、１．５０以上であることが好ましく、１．５５以上であることがより好ましく、１．６以上であることがさらにより好ましく、１．７以上であることがさらにより好ましく、１．８以上であることが最も好ましい。

なお、本明細書において、特に断りが無い限り、屈折率とは、波長が５８７．６ｎｍの光に対する屈折率のことを意味する。また、屈折率の値は、例えば多波長アッベ屈折率計（例えば株式会社アタゴ社製のＤＲ−Ｍ４）で測定することができる。

また、透明とは、分光光度計（（株）島津製作所製「ＵＶ−３１００ＰＣ」、ＪＩＳ Ｋ ０１１５準拠品）を用いて測定波長３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの範囲内で測定したときの、各波長における透過率の平均値として特定される可視光透過率が、６０％以上であることを意味する。

基材１１は、その内部において光を導光させるための形状を維持するために、変形しにくい材料、すなわち剛性の高い材料からなる。また、基材１１は、基材１１上に積層された波長分散層２０を適切に支持している。基材１１としては、可視光透過性、剛性、波長分散層２０の支持性等を考慮すると、例えば、ポリカーボネート、シクロオレフィンポリマー、アクリル等の樹脂材料や、ガラスであることが好ましい。特に、樹脂材料は、重量や脆性の観点から好適である。また、基材１１の剛性や、波長分散層２０の支持性、基材１１の主面において光が反射する位置の間隔を広げること等を考慮すると、基材１１の厚さは厚いことが好ましい。具体的には、基材１１の厚さは、０．２ｍｍ以上であることが好ましく、０．３ｍｍ以上であることがより好ましく、０．５ｍｍ以上であることがさらに好ましく、０．７ｍｍ以上であることがさらにより好ましい。一方、基材１１の可視光透過性や重量等を考慮すると、基材１１の厚さは、２．０ｍｍ以下であることが好ましく、１．０ｍｍ以下であることがより好ましく、０．７ｍｍ以下であることがさらに好ましい。さらに、基材１１の主面において光を全反射によって導光させるために、基材１１の主面は平坦性が高いことが好ましい。具体的には、基材１１のうち平面視における任意の１ｍｍ角の領域において、最も厚い部分の厚さと最も薄い部分の厚さの差が５μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以下であることがより好ましく、１μｍ以下であることがさらに好ましく、０．５μｍ以下であることがさらにより好ましい。

また、基材１１は、入射した光を波長ごとに異なる方向に屈折させて分散させる波長分散性を有している。すなわち、基材１１では波長ごとに屈折率が異なっている。とりわけ、基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさ（絶対値）は、大きくなっている。具体的には、基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均は、５．１×１０^−５〔／ｎｍ〕以上であり、好ましくは６．５×１０^−５〔／ｎｍ〕以上であり、より好ましくは８．８×１０^−５〔／ｎｍ〕以上であり、さらに好ましくは１．２×１０^−４〔／ｎｍ〕以上であり、さらにより好ましくは２．０×１０^−４〔／ｎｍ〕以上である。ここで、可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均とは、可視光領域の複数の波長間においてそれぞれ算出された屈折率の変化の大きさの平均のことを意味する。本実施の形態では、可視光領域の代表として、波長４８０ｎｍの光に対する屈折率と波長５４６．１ｎｍの光に対する屈折率との間における変化の大きさと、波長５４６．１ｎｍの光に対する屈折率と波長６４３．８ｎｍの光に対する屈折率との間における変化の大きさと、を算出し、その平均を可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均としている。また、基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさは、例えば基材１１がガラスの場合、材料にＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、ＷＯ_３等を添加することで、適宜に調節することができる。

波長分散層２０は、入射した可視光領域の光を波長ごとに異なる方向に屈折させて分散させる波長分散性を有している。波長分散層２０は、基材１１と同じ傾向で可視光領域の光を波長ごとに分散させる。すなわち、例えば基材１１の屈折率が波長の長い光より波長の短い光で大きい場合（より大きく当該光の進行方向を曲げる場合）、波長分散層２０の屈折率も波長の長い光より波長の短い光で大きくなっている（より大きく当該光の進行方向を曲げる場合）。あるいは、基材１１の屈折率が波長の短い光より波長の長い光で大きい場合、波長分散層２０の屈折率も波長の短い光より波長の長い光で大きくなっている。言い換えると、波長分散層２０の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負は、基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負と同一である。なお、波長の変化に対する屈折率の変化率の平均は、波長の短い光で屈折率が大きくなる場合、負であり、波長の長い光で屈折率が大きくなる場合、正である。

また、波長分散層２０の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均は、基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均より大きくなっている。具体的には、波長分散層２０の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均は、５．１×１０^−５〔／ｎｍ〕以上であり、好ましくは７．０×１０^−５〔／ｎｍ〕以上であり、より好ましくは１．０×１０^−４〔／ｎｍ〕以上であり、さらに好ましくは２．０×１０^−４〔／ｎｍ〕以上であり、さらにより好ましくは５．０×１０^−４〔／ｎｍ〕以上である。波長分散層２０の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさは、例えば波長分散層２０を形成する樹脂材料に含ませる硫黄、リン、ハロゲン、芳香環等の量により、調節することができる。硫黄を含む官能基としては、チオエーテル、スルホン、チオフェン、チアジアゾール、チアントレンを例示することができる。リンを含む官能基としては、ホスホネートやホスファゼンを例示することができる。あるいは、波長分散層２０が含むジルコニア、酸化チタン、アルミナ等の高屈折粒子の量を調節ことで、波長分散層２０の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさを調節することができる。

波長分散層２０は、その表面において可視光を全反射させることで、基材１１とともに可視光を導光させる。可視光を導光させるために、波長分散層２０は透明になっている。また、波長分散層２０の表面において可視光を全反射させるために、波長分散層２０の屈折率は、光学部材１０の外部の空気等の屈折率より十分に大きくなっていることが好ましい。具体的には、波長分散層２０の屈折率は、１．５０以上であることが好ましく、１．５５以上であることがより好ましく、１．６以上であることがさらにより好ましく、１．７以上であることがさらにより好ましく、１．８以上であることが最も好ましい。

基材１１の内部を導光する光を波長分散層２０によって波長ごとに分散させやすくするため、基材１１の少なくとも一方の表面の８０％以上、好ましくは９０％以上、さらに好ましくは基材１１の少なくとも一方の表面の全体は、波長分散層２０によって覆われている。図２乃至図４に示された例では、基材１１の一方の表面の全体が、波長分散層２０によって覆われている。しかしながら、図示された例に限らず、基材１１の他方の表面にも波長分散層２０が設けられていてもよい。

図２乃至図４に示された例において、波長分散層２０は、第１部分３０と、第２部分４０と、第３部分５０と、第４部分６０と、を含んでいる。ただし、波長分散層２０は、第１〜第４部分以外の部分を含んでいてもよい。第１部分３０、第２部分４０、第３部分５０及び第４部分６０は、基材１１のそれぞれ別の位置に隣接して配置されている。より詳しくは、第１部分３０は、基材１１のある位置において基材１１に積層されている。第２部分４０は、第１部分３０から第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２にずれた位置において、基材１１に積層されている。第３部分５０は、第１部分３０から第１方向ｄ１にずれた位置において基材１１に積層されている。第４部分６０は、第１部分３０から第２方向ｄ２にずれた位置において基材１１に積層されている。第２方向ｄ２は、第１方向ｄ１とは非平行な方向である。

第１部分３０は、光学部材１０に入射した光の進行方向を変更させる。より詳しくは、第１部分３０は、光を回折することで進行方向を変更させる。第１部分３０は、表示部５からの画像光を入射させる光学部材１０の入射部に設けられている。第１部分３０は、表示部５と対面している。図３及び図４によく示されているように、第１部分３０は、第１光学素子３１及び第５光学素子３２を含んでいる。

第１光学素子３１は、光学部材１０の入射部に入射する光のうち第１波長域の光を回折することで進行方向を変更する。言い換えると、第１光学素子３１は、基材１１のシート面の法線方向から入射した第１波長域の光を回折する回折特性を有する回折光学素子である。第１光学素子３１は、第１波長域の光を回折させる第１回折格子を含んでいる。第１光学素子３１は、第１回折格子によって、第１部分３０に入射した第１波長域の光を第１方向ｄ１に向かうように回折させる。第１方向ｄ１に向かう第１波長域の光は、基材１１内を導光される。なお、基材１１内で導光される方向は、光学部材１０の平面視において、基材１１内における光の進行方向のことを意味している。したがって、基材１１内における厚み方向への移動を無視している。

なお、ある波長域の光を回折させるように設けられているとは、当該波長域に含まれる任意の波長の光に対する回折効率が、１０％以上であることを意味している。回折効率は、例えば分光光度計（（株）島津製作所製「ＵＶ−２４５０」）を用いて、透過率の差分から測定することができる。

第５光学素子３２は、光学部材１０の入射部に入射する光のうち第２波長域の光を回折することで進行方向を変更する。言い換えると、第５光学素子３２は、基材１１のシート面の法線方向から入射した第２波長域の光を回折する回折特性を有する回折光学素子である。第５光学素子３２は、第２波長域の光を回折させる第５回折格子を含んでいる。第５光学素子３２は、第５回折格子によって、第１部分３０に入射した第２波長域の光を第２方向ｄ２に向かうように回折させる。第２方向ｄ２に向かう第２波長域の光は、基材１１内を導光される。

また、第１光学素子３１及び第５光学素子３２の回折効率は、適切な範囲にあることが好ましい。具体的には、第１光学素子３１及び第５光学素子３２の回折効率は、５０％以下であることが好ましく、１０％以上４０％以下であることがより好ましく、１０％以上３０％以下であることがさらに好ましく、１５％以上２５％以下であることが最も好ましい。第１光学素子３１の回折効率及び第５光学素子３２の回折効率を適切に設定することで、より多くの光を第１部分３０から導光させることができる。

ここで、第１波長域は、赤色、緑色、青色の光のうち、２つの色の光の波長域を含んでいる。例えば、第１波長域は、６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下及び４００ｎｍ以上４９０ｎｍ以下である。すなわち、第１波長域は、赤色の光の波長域と青色の光の波長域とを含んでいる。この場合、第２波長域は、５００ｎｍ以上５８０ｎｍ以下である。すなわち、第２波長域は、緑色の光の波長域を含んでいる。あるいは、他の例として、第１波長域は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下である。すなわち、第１波長域は、緑色の光の波長域と青色の光の波長域とを含んでいる。この場合、第２波長域は、５５０ｎｍ以上７００ｎｍ以下である。すなわち、第２波長域は、赤色の光の波長域を含んでいる。

第１部分３０における第１波長域の光の導光方向である第１方向ｄ１と第２波長域の光の導光方向である第２方向ｄ２とがなす角度は、直角に近いことが好ましい。具体的には、第１方向ｄ１と第２方向ｄ２とがなす角度は、７０°以上１１０°以下であることが好ましく、８０°以上１００°以下であることがより好ましく、８５°以上９５°以下であることがさらに好ましく、８９°以上９１°以下であることがさらにより好ましく、９０°であることが最も好ましい。

第１光学素子３１は、第２波長域の光を透過させることができる。具体的には、第１光学素子３１における第２波長域の光の透過率は、３０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがより好ましく、７０％以上であることがさらに好ましく、９０％以上であることがさらにより好ましい。同様に、第５光学素子３２は、第１波長域の光を透過させることができる。具体的には、第５光学素子３２における第１波長域の光の透過率は、３０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがより好ましく、７０％以上であることがさらに好ましく、９０％以上であることがさらにより好ましい。

第３部分５０は、第１部分３０で回折された光のうち、第１光学素子３１で回折された第１波長域の光を回折させる。第３部分５０は、画像光を第１方向ｄ１に拡張する光学部材１０の拡張部として設けられている。第３部分５０は第１方向ｄ１に長手方向を有している。第３部分５０は、第３光学素子５１を含んでいる。

第３光学素子５１は、第１光学素子３１で回折された第１波長域の光を回折する。言い換えると、第３光学素子５１は、基材１１内を第１方向ｄ１に進む第１波長域の光を回折する回折特性を有する回折光学素子である。第３光学素子５１は、第１波長域の光を回折させる第３回折格子を含んでいる。第３光学素子５１は、第３回折格子によって、第３部分５０に第１方向ｄ１から入射した第１波長域の光を第２方向ｄ２に向かうように回折させる。第２方向ｄ２に向かう第１波長域の光は、基材１１内を導光される。

第３光学素子５１の回折効率は、第１光学素子３１の回折効率よりも低くなっている。例えば第３光学素子５１の厚さが第１光学素子３１の厚さより薄くなっていることで、第３光学素子５１の回折効率を第１光学素子３１の回折効率よりも低くすることができる。したがって、例えば第３光学素子５１のある位置に入射した第１波長域の光の一部のみが回折されて、基材１１内を第２方向ｄ２に導光されるようになる。ただし、第３部分５０は第１方向ｄ１に長手方向を有している。このため、第３光学素子５１のある位置で回折されなかった第１波長域の光は、その後、第３部分５０及び基材１１の表面で反射（好ましくは全反射）し、再び第３光学素子５１の別の位置に入射する。

第３光学素子５１の回折効率は、第３部分５０が設けられた位置を第１方向ｄ１に進む第１波長域の光が通過する前に、第３光学素子５１で回折されるよう設定されている。また、第３光学素子５１の回折効率は、好ましくは、第１方向ｄ１に沿った各位置において第３光学素子５１で回折される光の強度が均一となるように調節されている。第３回折格子で回折された第１波長域の光は、その後、後述する第２部分４０の第２光学素子４１でさらに回折されることで、画像光として光学部材１０から出射する。第３光学素子５１での回折により、基材１１内を第２方向ｄ２に進む光の強度分布を均一化しておくことで、第２部分４０における第１波長域の画像光の第２方向ｄ２に沿った強度分布を均一化することができる。

第３光学素子５１の回折効率は、具体的には、基材１１の厚みや、第３部分５０の第１方向ｄ１に沿った長さ等を考慮して決定される。また、第３光学素子５１での回折光の第１方向ｄ１に沿った強度分布を均一化する観点から、第３光学素子５１の回折効率は、第１部分３０に近接する側で低く、入射光の強度が低下する第１部分３０から離間する側で高くなっていることが好ましい。すなわち、第３光学素子５１の回折効率は、第１方向ｄ１に沿って第１部分３０から離間するにつれて高くなっていることが好ましい。

第４部分６０は、第１部分３０で回折された光のうち、第５光学素子３２で回折された第２波長域の光を回折させる。第４部分６０は、第３部分５０とは別の拡張部であって画像光を第２方向ｄ２に拡張する光学部材１０の拡張部として設けられている。第４部分６０は、第２方向ｄ２に長手方向を有している。第４部分６０は、第４光学素子６１を含んでいる。

第４光学素子６１は、第５光学素子３２で回折された第２波長域の光を回折する。言い換えると、第４光学素子６１は、基材１１内を第２方向ｄ２に進む第２波長域の光を回折する回折特性を有する回折光学素子である。第４光学素子６１は、第２波長域の光を回折させる第４回折格子を含んでいる。第４光学素子６１は、第４回折格子によって、第４部分６０に第２方向ｄ２から入射した第２波長域の光を第１方向ｄ１に向かうように回折させる。第１方向ｄ１に向かう第２波長域の光は、基材１１内を導光される。

第４光学素子６１の回折効率は、第５光学素子３２の回折効率よりも低くなっている。例えば第４光学素子６１の厚さが第５光学素子３２の厚さより薄くなっていることで、第４光学素子６１の回折効率を第５光学素子３２の回折効率よりも低くすることができる。したがって、例えば第４光学素子６１のある位置に入射した第２波長域の光の一部のみが回折されて、基材１１内を第１方向ｄ１に導光されるようになる。ただし、第４部分６０は第１方向ｄ１に長手方向を有している。このため、第４光学素子６１のある位置で回折されなかった第２波長域の光は、その後、第４部分６０及び基材１１の表面で反射（好ましくは全反射）し、再び第４光学素子６１の別の位置に入射する。

第４光学素子６１の回折効率は、第４部分６０が設けられた位置を第２方向ｄ２に進む第２波長域の光が通過する前に、第４光学素子６１で回折されるよう設定されている。また、第４光学素子６１の回折効率は、好ましくは、第２方向ｄ２に沿った各位置において第４光学素子６１で回折される光の強度が均一となるように調節されている。第４回折格子で回折された第２波長域の光は、その後、後述する第２部分４０の第６光学素子４２でさらに回折されることで、画像光として光学部材１０から出射する。第４光学素子６１での回折により、基材１１内を第１方向ｄ１に進む光の強度分布を均一化しておくことで、第２部分４０における第２波長域の画像光の第１方向ｄ１に沿った強度分布を均一化することができる。

第４光学素子６１の回折効率は、具体的には、基材１１の厚みや、第４部分６０の第２方向ｄ２に沿った長さ等を考慮して決定される。また、第４光学素子６１での回折光の第２方向ｄ２に沿った強度分布を均一化する観点から、第４光学素子６１の回折効率は、第１部分３０に近接する側で低く、入射光の強度が低下する第１部分３０から離間する側で高くなっていることが好ましい。すなわち、第３光学素子５１の回折効率は、第２方向ｄ２に沿って第１部分３０から離間するにつれて高くなっていることが好ましい。

第２部分４０は、第３部分５０で回折された第１波長域の光及び第４部分６０で回折された第２波長域の光を回折して、光学部材１０から出射させる。第２部分４０は、画像光を出射させる光学部材１０の出射部に設けられている。第２部分４０は、光学部材１０の観察者の眼前に位置する。第２部分４０は、第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２に延びている。図３及び図４によく示されているように、第２部分４０は、第２光学素子４１及び第６光学素子４２を含んでいる。

第２光学素子４１は、第３光学素子５１で回折された第１波長域の光を回折する。言い換えると、第２光学素子４１は、基材１１内を第２方向ｄ２に進む第１波長域の光を回折する回折特性を有する回折光学素子である。第２光学素子４１は、第１波長域の光を回折させる第２回折格子を含んでいる。第２光学素子４１は、第２回折格子によって、第２部分４０に第２方向ｄ２から入射した第１波長域の光を光学部材１０から出射するように回折させる。

第２光学素子４１の回折効率は、第１光学素子３１の回折効率よりも低くなっている。例えば第２光学素子４１の厚さが第１光学素子３１の厚さより薄くなっていることで、第２光学素子４１の回折効率を第１光学素子３１の回折効率よりも低くすることができる。したがって、例えば第２光学素子４１のある位置に入射した第１波長域の光の一部のみが回折されて、光学部材１０から出射されるようになる。ただし、第２部分４０は第２方向ｄ２に延びている。このため、第２光学素子４１のある位置で回折されなかった第１波長域の光は、その後、第２部分４０及び基材１１の表面で反射（好ましくは全反射）し、再び第２光学素子４１の別の位置に入射する。

第２光学素子４１の回折効率は、第２部分４０が設けられた位置を第２方向ｄ２に進む第１波長域の光が通過する前に、第２光学素子４１で回折されるよう設定されている。また、第２光学素子４１の回折効率は、好ましくは、第２方向ｄ２に沿った各位置において第２光学素子４１で回折される光の強度が均一となるように調節されている。第２回折格子で回折された第１波長域の光は、画像光として光学部材１０から出射する。第２光学素子４１での回折により、基材１１内を第２方向ｄ２に進む光の強度分布を均一化しておくことで、第２部分４０における第１波長域の画像光の第２方向ｄ２に沿った強度分布を均一化することができる。

第２光学素子４１の回折効率は、具体的には、基材１１の厚みや、第２部分４０の第２方向ｄ２に沿った長さ等を考慮して決定される。また、第２光学素子４１での回折光の第２方向ｄ２に沿った強度分布を均一化する観点から、第２光学素子４１の回折効率は、第３部分５０に近接する側で低く、入射光の強度が低下する第３部分５０から離間する側で高くなっていることが好ましい。すなわち、第２光学素子４１の回折効率は、第２方向ｄ２に沿って第３部分５０から離間するにつれて高くなっていることが好ましい。

第６光学素子４２は、第４光学素子６１で回折された第２波長域の光を回折する。言い換えると、第６光学素子４２は、基材１１内を第１方向ｄ１に進む第２波長域の光を回折する回折特性を有する回折光学素子である。第６光学素子４２は、第２波長域の光を回折させる第６回折格子を含んでいる。第６光学素子４２は、第６回折格子によって、第２部分４０に第１方向ｄ１から入射した第２波長域の光を光学部材１０から出射するように回折する。

第６光学素子４２の回折効率は、第５光学素子３２の回折効率よりも低くなっている。例えば第６光学素子４２の厚さが第５光学素子３２の厚さより薄くなっていることで、第６光学素子４２の回折効率を第５光学素子３２の回折効率よりも低くすることができる。したがって、例えば第６光学素子４２のある位置に入射した第２波長域の光の一部のみが回折されて、光学部材１０から出射されるようになる。ただし、第２部分４０は第１方向ｄ１に延びている。このため、第６光学素子４２のある位置で回折されなかった第２波長域の光は、その後、第２部分４０及び基材１１の表面で反射（好ましくは全反射）し、再び第６光学素子４２の別の位置に入射する。

第６光学素子４２の回折効率は、第２部分４０が設けられた位置を第１方向ｄ１に進む第２波長域の光が通過する前に、第６光学素子４２で回折されるよう設定されている。また、第６光学素子４２の回折効率は、好ましくは、第１方向ｄ１に沿った各位置において第６光学素子４２で回折される光の強度が均一となるように調節されている。第６回折格子で回折された第２波長域の光は、画像光として光学部材１０から出射する。第６光学素子４２での回折により、基材１１内を第１方向ｄ１に進む光の強度分布を均一化しておくことで、第２部分４０における第２波長域の画像光の第１方向ｄ１に沿った強度分布を均一化することができる。

第６光学素子４２の回折効率は、具体的には、基材１１の厚みや、第２部分４０の第１方向ｄ１に沿った長さ等を考慮して決定される。また、第６光学素子４２での回折光の第１方向ｄ１に沿った強度分布を均一化する観点から、第６光学素子４２の回折効率は、第４部分６０に近接する側で低く、入射光の強度が低下する第４部分６０から離間する側で高くなっていることが好ましい。すなわち、第６光学素子４２の回折効率は、第１方向ｄ１に沿って第４部分６０から離間するにつれて高くなっていることが好ましい。

第１光学素子３１、第２光学素子４１、第３光学素子５１、第４光学素子６１、第５光学素子３２及び第６光学素子４２は、典型的には、ホログラムとすることができる。第１〜第６光学素子は、位相型のホログラムであってもよいし、振幅型のホログラムであってもよい。また、第１〜第６光学素子は、反射型のホログラムであってもよいし、透過型のホログラムであってもよい。とりわけ、第１〜第６光学素子は、表面レリーフ型のホログラムであることが好ましい。第１〜第６光学素子が表面レリーフ型のホログラムである場合、各光学素子の回折格子で回折可能な波長域を広げることができる。あるいは、第１〜第６光学素子は、体積ホログラムであってもよい。第１〜第６光学素子が体積ホログラムである場合、第１〜第６光学素子の厚さは、薄くなっていることが好ましい。具体的には、体積ホログラムである第１〜第６光学素子の厚さは、２０μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることがより好ましく、７μｍ以下であることがさらに好ましく、５μｍ以下であることがさらにより好ましく、３μｍ以下であることが最も好ましい。体積ホログラムである第１〜第６光学素子の厚さが十分に薄くなっていることで、各光学素子の回折格子で回折可能な波長域を広げることができる。

なお、図示された例では、第１光学素子３１及び第５光学素子３２は積層された別個の層として示されているが、これに限らず、第１光学素子３１及び第５光学素子３２は、同一の層に形成されていてもよい。同様に、第２光学素子４１及び第６光学素子４２も、同一の層に形成されていてもよい。とりわけ、第１〜第６光学素子が体積ホログラムである場合、各光学素子は、波長の異なる複数のレーザーで同時に露光することや、各波長のレーザーで逐次露光することにより、同一の層に複数の干渉縞として形成することができる。

図３及び図４に示された例では、第１部分３０、第２部分４０、第３部分５０及び第４部分６０は、基材１１の同じ側に設けられている。しかしながら、これらは基材１１の一方の側と他方の側の任意の側にそれぞれ設けられていてもよい。あるいは、例えば第１部分３０が、基材１１の一方の側と他方の側の両方に設けられていてもよい。画像光が入射する側である基材１１の一方の側に設けられる光学素子は、反射型のホログラムとなり、基材１１の他方の側に設けられる光学素子は、透過型のホログラムとなる。

また、第１部分３０、第２部分４０、第３部分５０及び第４部分６０は、入射した可視光領域の光を波長ごとに異なる方向に分散させる波長分散性を有している。第１〜第４部分は、基材１１と同じ傾向で可視光領域の光を波長ごとに分散させる。すなわち、例えば基材１１の屈折率が波長の長い光より波長の短い光で大きい場合（より大きく当該光の進行方向を曲げる場合）、第１〜第４部分の屈折率も波長の長い光より波長の短い光で大きくなっている（より大きく当該光の進行方向を曲げる場合）。あるいは、基材１１の屈折率が波長の短い光より波長の長い光で大きい場合、第１〜第４部分の屈折率も波長の短い光より波長の長い光で大きくなっている。言い換えると、第１〜第４部分の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負は、基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負と同一である。

さらに、第１部分３０、第２部分４０、第３部分５０及び第４部分６０の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均は、基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均より大きくなっている。具体的には、第１〜第４部分の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均は、５．１×１０^−５〔／ｎｍ〕以上であり、好ましくは７．０×１０^−５〔／ｎｍ〕以上であり、より好ましくは１．０×１０⁻⁴〔／ｎｍ〕以上であり、さらに好ましくは２．０×１０^−４〔／ｎｍ〕以上であり、さらにより好ましくは５．０×１０^−４〔／ｎｍ〕以上である。

次に、頭部装着型表示装置１及び光学部材１０の作用について、図５及び図６を参照しながら説明する。図５は、図３に示した光学部材１０の断面図において、表示部５から入射した第１波長域の光が観察者の眼前に表示される状態を示している。図６は、図５の一部を拡大した図であり、第１部分３０で回折された第１波長域の光を示している。

まず、表示部５が、拡散光となっている画像光を出射する。出射される画像光は、第１波長域の光と第２波長域の光とを含んでいる。典型的には、画像光は、赤色の波長域の光と、緑色の波長域の光と、青色の波長域の光と、を含んでいる。第１波長域は、青色の光の波長域と、赤色の波長域または緑色の波長域を含んでいる。第２波長域は、赤色の波長域または緑色の波長域のうち、第１波長域に含まれない波長域を含んでいる。

表示部５から出射した画像光は、レンズ７に入射する。図５に示すように、レンズ７によって、表示部５の各位置から出射された画像光は、出射位置ごとに拡散光から略平行な方向に進む光となる。略平行となった画像光が、光学部材１０の第１部分３０に入射する。

第１部分３０に入射した画像光のうち、図５に示されたように、第１波長域の光は、第１光学素子３１によって回折されて進行方向を変更される。一方、図示されていない第２波長域の光は、第５光学素子３２によって回折されて進行方向を変更される。第１光学素子３１によって回折された第１波長域の光は、基材１１内を第１方向ｄ１に進んで第３部分５０に向かう。第５光学素子３２で回折された第２波長域の光は、基材１１内を第２方向ｄ２に進んで第４部分６０に向かう。基材１１内を進む光は、基材１１の一対の主面や基材１１上に設けられた波長分散層２０で全反射されることで、基材１１内を導光される。

より詳しくは、図６に示すように、第１光学素子３１によって回折された第１波長域の光は、第１波長域に含まれる波長ごとに異なる角度で回折する。同様に、第５光学素子３２によって回折された第２波長域の光も、第２波長域に含まれる波長ごとに異なる角度で回折する。また、光が第１部分３０から基材１１に入射すると、第１部分３０の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化及び基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化により、第１部分３０と基材１１との界面において光は波長ごとに異なる角度で屈折する。これにより、近似する波長の光がそれぞれ微小にずれた光路をとる。とりわけ、第１部分３０の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負が基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負と同一であるため、第１部分３０と基材１１とは、同じ傾向で可視光領域の光を波長ごとに分散させる。すなわち、第１部分３０及び基材１１によって、各波長の光は、より大きな角度に広がるように分散して、近似する波長の光がそれぞれよりずれた光路をとる。

図５に示すように、第１部分３０の第１光学素子３１で回折された第１波長域の光は、第３部分５０に入射する。第３部分５０に入射した第１波長域の光は、第３光学素子５１によって回折されて進行方向を変更される。第３光学素子５１によって回折された光は、基材１１内を第２方向ｄ２に導光されて第２部分４０に向かう。第３光学素子５１の回折効率は、第１光学素子３１の回折効率よりも低くなっているため、第３光学素子５１のある位置に入射した第１波長域の光の一部のみが回折されて、第２方向ｄ２に基材１１内を導光される。第３光学素子５１のある位置で回折されなかった光は、その後、第３部分５０及び基材１１の表面で反射し、再び第３光学素子５１の別の位置に入射する。

図示されていない第１部分３０の第５光学素子３２で回折された第２波長域の光は、第４部分６０に入射する。第４部分６０に入射した第２波長域の光は、第４光学素子６１によって回折されて進行方向を変更される。第４光学素子６１によって回折された光は、基材１１内を第１方向ｄ１に導光された第２部分４０に向かう。第４光学素子６１の回折効率は、第５光学素子３２の回折効率よりも低くなっているため、第４光学素子６１のある位置に入射した第２波長域の光の一部のみが回折されて、第１方向ｄ１に基材１１内を導光される。第４光学素子６１のある位置で回折されなかった光は、その後、第４部分６０及び基材１１の表面で反射し、再び第４光学素子６１の別の位置に入射する。

より詳しくは、第３光学素子５１によって回折された第１波長域の光は、第１波長域に含まれる波長ごとに異なる角度で回折する。同様に、第４光学素子６１によって回折された第２波長域の光も、第２波長域に含まれる波長ごとに異なる角度で回折する。また、光が第３部分５０や第４部分６０から基材１１に入射すると、第３部分５０や第４部分６０の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化及び基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化により、第３部分５０や第４部分６０と基材１１との界面において光は波長ごとに異なる角度で屈折する。これにより、近似する波長の光がそれぞれ微小にずれた光路をとる。とりわけ、第３部分５０や第４部分６０の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負が基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負と同一であるため、第３部分５０、第４部分６０と基材１１とは、同じ傾向で可視光領域の光を波長ごとに分散させる。すなわち、第３部分５０、第４部分６０及び基材１１によって、各波長の光は、より大きな角度に広がるように分散して、近似する波長の光がそれぞれよりずれた光路をとる。

図５に示すように、第２部分４０に入射した第１波長域の光は、第２光学素子４１によって回折されて進行方向を変更される。第２光学素子４１によって回折された光は、光学部材１０から出射する。一方、第２部分４０に入射した図示されていない第２波長域の光は、第６光学素子４２によって回折されて進行方向を変更される。第６光学素子４２によって回折された光は、光学部材１０から出射する。第２光学素子４１の回折効率は、第１光学素子３１の回折効率よりも低くなっており、第６光学素子４２の回折効率は、第５光学素子３２の回折効率よりも低くなっている。このため、第２光学素子４１や第６光学素子４２のある位置に入射した光の一部のみが回折されて、光学部材１０から出射する。第２光学素子４１及び第６光学素子４２のある位置で回折されなかった光は、その後、第２部分４０の表面で反射し、再び第２光学素子４１及び第６光学素子４２に入射する。

第２部分４０の第２光学素子４１及び第６光学素子４２で回折されなかった光が第２部分４０から基材１１に再び入射すると、第２部分４０の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化及び基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化により、第２部分４０と基材１１との界面において光は波長ごとに異なる角度で屈折する。これにより、近似する波長の光がそれぞれ微小にずれた光路をとる。とりわけ、第２部分４０の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負が基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負と同一であるため、第２部分４０と基材１１とは、同じ傾向で可視光領域の光を波長ごとに分散させる。すなわち、第２部分４０及び基材１１によって、各波長の光は、より大きな角度に広がるように分散して、近似する波長の光がそれぞれよりずれた光路をとる。

光学部材１０から出射した光は、観察者によって観察されることができる。すなわち、表示装置３に表示される画像を、観察者は視認することができる。とりわけ、頭部装着型表示装置１において、表示装置３の光学部材１０は、観察者の眼前に配置されている。このため、観察者は表示される画像を眼前において視認することができる。

ところで、従来の光学部材において、基材にヒビ等の傷が生じた部分や光学部材の表面に異物が付着した部分があると、当該部分において光が妨げられて基材内を導光しなくなる不具合が生じ得る。図１２に示す従来の光学部材１１０では、一例として、光学部材１１０の表面に異物Ｄが付着している。このような場合、異物Ｄによって光学部材の表面における光の全反射が妨げられてしまい、図１２に点線で示すように、基材の内部を導光しなくなる。表示部から出射した画像光の一部が光学部材で導光しなくなると、観察者の眼前に表示される画像は、当該部分に対応した画像の一部が欠けてしまう。すなわち、画像が劣化して観察されてしまう。

一方、本実施の形態の光学部材１０では、基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均が、５．１×１０^−５〔／ｎｍ〕以上となっている。このため、第１〜第４部分（波長分散層２０）から基材１１に入射した光は、第１〜第４部分と基材１１との界面において、波長ごとに十分に異なる角度で屈折する。これにより、近似する波長の光がそれぞれ微小にずれた光路をとる。このため、図６に示すように、例えば光学部材１０の表面に異物Ｄが付着していても、近似する波長の光の一部が異物によって妨げられるのみで、近似する波長の他の光は、光路がずれているため、異物によって妨げられることなく、基材１１の内部を導光しやすい。したがって、画像の一部が欠けて観察されにくい。

また、本実施の形態の光学部材１０では、第１部分３０の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負は、基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負と同一である。すなわち、第１部分３０及び基材１１によって、各波長の光は、より大きな角度に広がるように分散して、近似する波長の光がそれぞれよりずれた光路をとる。このため、図６に示すように、例えば光学部材１０の表面に異物Ｄが付着していても、近似する波長の光の一部が異物によって妨げられるのみで、近似する波長の他の光は、光路がずれているため、異物によって妨げられることなく、基材１１の内部を導光しやすい。したがって、画像の一部が欠けて観察されにくい。

本実施の形態の光学部材１０において、第１部分３０の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均は、基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均より大きくなっている。このような屈折率の違いにより、基材１１内を進む光が、基材１１と第１部分３０との間の界面で反射することがある。このような光は、基材１１と第1部分３０との間の界面で反射せずに第１部分３０で反射される光とずれた光路をとる。このため、例えば光学部材１０の表面に異物Ｄが付着していても、近似する波長の光の一部が異物によって妨げられるのみで、近似する波長の他の光は、光路がずれているため、異物によって妨げられることなく、基材１１の内部を導光しやすい。したがって、画像の一部が欠けて観察されにくい。

さらに、本実施の形態の光学部材１０において、基材１１の少なくとも一方の面の８０％以上は、波長分散層２０によって覆われている。基材１１の波長分散層２０に覆われている部分では、基材１１内を導光している光が基材１１から波長分散層２０に入射し得る。波長分散層２０に入射した光は、波長分散層２０の表面で全反射した後、波長分散層２０から再度基材１１に入射する。このとき、基材１１と波長分散層２０との界面において、光が波長ごとに異なる角度で屈折して、近似する波長の光がそれぞれ微小にずれた光路をとる。基材１１の表面のうち波長分散層２０によって覆われている部分が大きいほど、近似する波長の光がそれぞれ微小にずれた光路をとりやすくなる。近似する波長の光がそれぞれ微小にずれた光路をとることで、例えば光学部材１０の表面に異物Ｄが付着していても、近似する波長の光の一部が異物によって妨げられるのみで、近似する波長の他の光は、光路がずれているため、異物によって妨げられることなく、基材１１の内部を導光しやすい。したがって、画像の一部が欠けて観察されにくい。

また、本実施の形態の光学部材１０において、第１光学素子３１及び第２光学素子４１は、回折光学素子である。この場合、第１光学素子及び第２光学素子において、光は波長ごとに異なる角度で回折する。これにより、近似する波長の光がそれぞれ微小にずれた光路をとる。このため、例えば光学部材１０の表面に異物Ｄが付着していても、近似する波長の光の一部が異物によって妨げられるのみで、近似する波長の他の光は、光路がずれているため、異物によって妨げられることなく、基材１１の内部を導光しやすい。したがって、画像の一部が欠けて観察されにくい。

とりわけ、本実施の形態の光学部材１０において、第１光学素子３１及び第２光学素子４１は、表面レリーフ型のホログラムである。あるいは、第１光学素子３１及び第２光学素子４１は、体積ホログラムであり、第１光学素子３１の厚さ及び第２光学素子４１の厚さは、２０μｍ以下である。このような第１光学素子３１及び第２光学素子４１は、回折可能な波長域が広くなっている。回折可能な波長域が広いと、各光学素子で回折される当該波長域のうちの長い波長と短い波長との間で角度に差がつきやすくなる。すなわち、近似する波長の光がそれぞれ微小にずれた光路をとりやすくなる。このため、例えば光学部材１０の表面に異物Ｄが付着していても、近似する波長の光の一部が異物によって妨げられるのみで、近似する波長の他の光は、光路がずれているため、異物によって妨げられることなく、基材１１の内部を導光しやすい。したがって、画像の一部が欠けて観察されにくい。

また、本実施の形態の光学部材１０において、基材１１の厚さは、０．２ｍｍ以上である。基材１１が十分な厚さであることで、基材１１の主面や基材１１の表面に設けられた波長分散層２０において光が反射する位置の間隔を広げることができる。本実施の形態のように基材１１を導光する光が波長ごとにずれた光路をとっている場合、波長ごとに基材１１の主面や基材１１の表面に設けられた波長分散層２０において光が反射する位置が異なるようになる。このため、例えば光学部材１０の表面に異物Ｄが付着していても、近似する波長の光の一部が異物によって妨げられるのみで、近似する波長の他の光は、基材１１の主面や基材１１の表面に設けられた波長分散層２０において光が反射する位置が異なるため、異物によって妨げられることなく、基材１１の内部を導光しやすい。したがって、画像の一部が欠けて観察されにくい。

さらに、本実施の形態の表示装置３において、表示部５が出射する色の光の波長は、１０ｎｍ以上、より好ましくは１５ｎｍ以上、さらに好ましくは２０ｎｍ以上、さらにより好ましくは２５ｎｍ以上、最も好ましくは３０ｎｍ以上の半値全幅を有する。すなわち、表示部５は、各色の波長だけでなく各色の波長に近似する波長の光をも多く出射している。このため、上述したそれぞれ微小にずれた光路をとる近似する波長の光が生じやすくなる。

なお、第１光学素子３１の回折効率及び第５光学素子３２の回折効率は、適切な範囲にあることが好ましい。例えば、図７に示すように、第１光学素子３１で回折された光は、基材１１の主面で全反射された後、再度第１光学素子３１に入射することがある。再度第１光学素子３１に入射した光は、再度第１光学素子３１で回折され得る。再度回折された光は、基材１１内には向かわず、光学部材１０から出射してしまう。このため、第１光学素子３１の回折効率が高すぎる場合、複数回にわたって回折されると、最終的に第１部分３０から第３部分５０に導光される光が少なくなってしまう。本件発明者らが確認したところ、表示部５から入射して第１光学素子３１において回折された光は、基材１１の主面で全反射された後、１〜５回程度、特には４回、再度第１光学素子３１に入射することが知見された。

図８は、光学素子の回折効率と一度回折された後に再度光学素子に入射する回数との関係において、最終的に第１部分３０から第３部分５０に導光される光の割合を示している表である。すなわち、表示部５から入射する光を１００％とした場合の、第１部分３０から第３部分５０に導光される光の割合を示している。図８から理解されるように、一度回折された後に再度光学素子に入射する回数が１回以上の場合、光学素子の回折効率は、５０％以下であることが好ましい。また、一度回折された後に再度光学素子に入射する回数が３回以上の場合、光学素子の回折効率は、１０％以上４０％以下であることが好ましく、１０％以上３０％以下であることがより好ましい。さらに、一度回折された後に再度光学素子に入射する回数が４回以上の場合、光学素子の回折効率は、１５％以上２５％以下であることが好ましい。

以上のように、本実施の形態の光学部材１０は、基材１１と、基材１１に隣接して配置され、第１光学素子３１を含む第１部分３０と、第１部分３０からずれた位置において基材１１に隣接して配置され、第２光学素子４１を含む第２部分４０と、を備える光学部材１０であって、第１光学素子３１は、当該光学部材１０に入射した光の少なくとも一部を基材１１の内部に導光させ、第２光学素子４１は、基材１１の内部を導光する光の少なくとも一部を当該光学部材１０から出射させ、基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均は、５．１×１０^−５〔／ｎｍ〕以上である。すなわち、この光学部材１０において、第１光学素子３１は、光学部材１０に入射する光の少なくとも一部の進行方向を、当該一部の光が基材１１（図示された例では、基材１１及び波長分散層２０の積層体）の内部を導光するようになる方向へ、変化させる。また、第２光学素子４１は、基材１１（図示された例では、基材１１及び波長分散層２０の積層体）の内部を導光している光の少なくとも一部の進行方向を、導光を解除されて光学部材１０から出射するようになる方向へ、変化させる。このような光学部材１０によれば、基材１１内において、近似する波長の光がそれぞれ微小にずれた光路をとる。このため、基材にヒビ等の傷が生じたり光学部材の表面に異物が付着したりしていても、近似する波長の光の一部が妨げられるのみで、近似する波長の他の光は、光路がずれているため、妨げられることなく、基材１１の内部を導光しやすい。したがって、光学部材１０において画像の一部が欠けて観察されることを抑制することができる。

また、本実施の形態の光学部材１０は、基材１１と、基材１１に隣接して配置され、第１光学素子３１を含む第１部分３０と、第１部分３０からずれた位置において基材１１に隣接して配置され、第２光学素子４１を含む第２部分４０と、を備える光学部材１０であって、第１光学素子３１は、当該光学部材１０に入射した光の少なくとも一部を基材１１の内部に導光させ、第２光学素子４１は、基材１１の内部を導光する光の少なくとも一部を当該光学部材１０から出射させ、第１部分３０の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負は、基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負と同一である。このような光学部材１０によれば、基材１１内において、近似する波長の光がそれぞれ微小にずれた光路をとりやすくなる。このため、基材にヒビ等の傷が生じたり光学部材の表面に異物が付着したりしていても、近似する波長の光の一部が妨げられるのみで、近似する波長の他の光は、光路がずれているため、妨げられることなく、基材１１の内部を導光しやすい。したがって、光学部材１０において画像の一部が欠けて観察されることを抑制することができる。

なお、上述した実施の形態に対して様々な変更を加えることが可能である。

上述の実施の形態では、表示装置３は、頭部装着型表示装置１に適用されているが、これに限らず、別の部材に適用されてもよい。

図９に示された例のように、光学部材１０は、波長分散層２０を基材１１とは反対側から覆う保護層１７を有していてもよい。このような保護層１７は、波長分散層２０が有する各部分の光学素子を保護して、光学素子が傷つくことを防止することができる。保護層１７は、光学素子を保護する十分な強度を有している。保護層１７は、例えばポリカーボネート、アクリル樹脂、シクロオレフィンポリマー、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等からなり、とりわけ複屈折率の小さな材料であるポリカーボネート、アクリル樹脂、シクロオレフィンポリマー等からなることが好ましい。また、保護層１７が薄すぎると、保護層１７の剛性が低くなるため、光学部材１０に外部からの力が加わると、保護層１７が変形してしまうことがある。一方、保護層１７が厚すぎると、光学部材１０に熱が加わると、保護層１７が大きく反るように変形してしまう。このような保護層１７の変形を抑制するため、保護層１７の厚さは、適切な範囲にあることが好ましい。具体的には、保護層１７の厚さは、例えば０．２ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましく、０．４ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることがより好ましい。さらに、光学部材１０の表面強度を向上させるために、保護層１７は、ハードコート処理されていることが好ましい。

このような保護層１７が波長分散層２０に接していると、基材内を導光している光が波長分散層２０から保護層１７に入射することがある。保護層１７に入射した光を適切に導光させるためには、保護層１７を平坦にすることが求められる。しかしながら、十分な平坦性を有する保護層は、製造することが困難であり、また製造するとしてもコストがかかる。平坦性の低い保護層１７に基材内を導光している光が入射すると、光は適切に保護層１７内を導光されず、表示装置に表示される画像が劣化してしまう。そこで、保護層を波長分散層から離間した位置に設けて、波長分散層と保護層との間に空気層を設けることが考えられた。しかしながら、波長分散層と保護層との間に空気層を設けると、光学部材全体が厚くなってしまう。また、空気層を適切に設けることも困難である。

そこで、図９に示す例では、基材１１と保護層１７との間に、低屈折率層１８が設けられている。すなわち、光学部材１０は、保護層１７に加え、低屈折率層１８をさらに有している。低屈折率層１８は、基材１１より屈折率が低い材料からなる。低屈折率層１８と基材１１との屈折率の差は、０．１以上であることが好ましく、０．２以上であることがより好ましく、０．３以上であることがより好ましい。低屈折率層１８の屈折率は、例えば１．４以下であり、好ましくは１．３以下であり、より好ましくは１．２以下である。また、低屈折率層１８の厚さは、例えば０．０１μｍ以上１０μｍ以下、好ましくは０．１μｍ以上５μｍ以下である。このような低屈折率層１８は、例えばフッ素樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、中空シリカ、及びこれらの混合物のいずれかを基材１１及び光学部材上にコーティングすることで、容易に作製することができる。とりわけ、低屈折率層１８の材料としては、特に屈折率の低いフッ素樹脂、中空シリカからなることが好ましい。また、このように低屈折率層１８を作製することで、波長分散層２０に圧力がかかりにくく、したがって低屈折率層１８によって波長分散層２０に歪みを生じさせにくくできる。

また、上述した実施の形態では、基材１１に積層された波長分散層２０が、第１部分３０、第２部分４０、第３部分５０及び第４部分６０を含んでいる。そして、波長分散層２０の各部分が、回折光学素子である光学素子を含んでいる。しかしながら、図１０及び図１１に示す変形例では、波長分散層２０は、基材１１に積層されているが、第１部分３０、第２部分４０及び第３部分５０とは別の部材となっている。ここで、図１０は、変形例における光学部材１０の正面図であり、図１１は、図１０のＸＩ−ＸＩ線に沿った変形例における光学部材１０の断面図である。第１部分３０、第２部分４０及び第３部分５０は、基材１１に隣接して配置されている。より詳しくは、第１部分３０は、第２方向ｄ２に基材１１と隣接して配置されており、第３部分５０は、第１部分３０から第１方向ｄ１にずれた位置において、第１方向ｄ１に基材１１と隣接して配置されており、第２部分４０は、第２部分４０から第２方向ｄ２にずれた位置において、第２方向ｄ２に基材１１と隣接して配置されている。また、第１部分３０が含んでいる第１光学素子３１は、例えばミラーやプリズムであり、第１部分３０に入射した光を第１光学素子３１で反射または屈折することで進行方向を変更する。第２部分４０が含んでいる第２光学素子４１及び第３部分５０が含んでいる第３光学素子５１は、例えばハーフミラーであり、第２部分４０に入射した光の一部を第２光学素子４１で反射することで、及び第３部分５０に入射した光の一部を第３光学素子５１で反射することで、進行方向を変更する。さらに、この変形例では、第１部分３０は、第１光学素子３１を内部に包含する第１基部３５を含んでいる。同様に、第２部分４０は、第２光学素子４１を内部に包含する第２基部４５を含んでおり、第３部分５０は、第３光学素子５１を内部に包含する第３基部５５を含んでいる。第１基部３５、第２基部４５及び第３基部５５は、例えばポリカーボネート、アクリル樹脂、シクロオレフィンポリマー、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等からなり、とりわけ複屈折率の小さな材料であるポリカーボネート、アクリル樹脂、シクロオレフィンポリマー等からなることが好ましい。第１部分３０から基材１１へ、基材１１から第３部分５０へ、第３部分５０から基材１１へ、及び基材１１から第２部分４０へ、光を適切に導光させるために、第１基部３５、第２基部４５及び第３基部５５は、基材１１と同一の厚さであることが好ましい。

この変形例においても、上述した実施の形態と同様に、基材１１は、入射した光を波長ごとに異なる方向に屈折させて分散させる。このため、基材１１では波長ごとに屈折率が異なっている。すなわち、基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさは、大きくなっている。具体的には、基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均は、５．１×１０^−５〔／ｎｍ〕以上であり、好ましくは６．５×１０^−５〔／ｎｍ〕以上であり、より好ましくは８．８×１０^−５〔／ｎｍ〕以上であり、さらに好ましくは１．２×１０^−４〔／ｎｍ〕以上であり、さらにより好ましくは２．０×１０^−４〔／ｎｍ〕以上である。

また、第１部分３０（より詳しくは第１基部３５）、第２部分４０（より詳しくは第２基部４５）及び第３部分５０（より詳しくは第３基部５５）は、入射した可視光領域の光を波長ごとに異なる方向に分散させる。第１部分３０、第２部分４０及び第３部分５０は、基材１１と同じ傾向で可視光領域の光を波長ごとに分散させる。すなわち、例えば基材１１の屈折率が波長の長い光より波長の短い光で大きい場合、第１部分３０（第１基部３５）の屈折率、第２部分４０（第２基部４５）の屈折率及び第３部分５０（第３基部５５）の屈折率も波長の長い光より波長の短い光で大きくなっている。あるいは、基材１１の屈折率が波長の短い光より波長の長い光で大きい場合、第１部分３０（第１基部３５）の屈折率、第２部分４０（第２基部４５）の屈折率及び第３部分５０（第３基部５５）の屈折率も波長の短い光より波長の長い光で大きくなっている。言い換えると、第１部分３０、第２部分４０及び第３部分５０の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負は、基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負と同一である。

さらに、第１部分３０（第１基部３５）、第２部分４０（第２基部４５）及び第３部分５０（第３基部５５）の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均は、基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均より大きくなっている。具体的には、第１部分３０、第２部分４０及び第３部分５０の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均は、５．１×１０^−５〔／ｎｍ〕以上であり、好ましくは７．０×１０^−５〔／ｎｍ〕以上であり、より好ましくは１．０×１０^−４〔／ｎｍ〕以上であり、さらに好ましくは２．０×１０^−４〔／ｎｍ〕以上であり、さらにより好ましくは５．０×１０^−４〔／ｎｍ〕以上である。

また、この図１０及び図１１に示された変形例においても、上述した実施の形態と同様に、波長分散層２０の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均は、基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均より大きくなっている。なお、この変形例では、波長分散層２０は省略されていてもよい。

基材１１の少なくとも一方の表面の８０％以上、好ましくは９０％以上、さらに好ましくは基材１１の少なくとも一方の表面の全体は、波長分散層２０によって覆われている。図１０及び図１１に示された例では、基材１１の一方の表面の全体が、波長分散層２０によって覆われている。しかしながら、基材１１の他方の表面にも波長分散層２０が設けられていてもよい。

この変形例において表示部５から出射した画像光は、光学部材１０の第１部分３０に入射する。第１部分３０において、画像光は、第１基部３５を進みながら、第１光学素子３１で反射または屈折して、進行方向を変更される。第１光学素子３１で反射または屈折した画像光は、第１部分３０から基材１１に入射した後、基材１１内を進んで第３部分５０に入射する。基材１１内を進む光は、基材１１の一対の主面や基材１１上に設けられた波長分散層２０で全反射されることで、基材１１内を導光される。

第３部分５０に入射した画像光は、第３光学素子５１によって反射されて、進行方向を変更される。第３光学素子５１で反射した光は、第３部分５０から基材１１に入射した後、基材１１内を進んで第２部分４０に入射する。第３光学素子５１はハーフミラーであるため、第３光学素子５１に入射した光の一部のみが反射される。第３光学素子５１で反射されなかった光は、その後、第３部分５０の表面で反射し、再び別の第３光学素子５１に入射する。

第２部分４０に入射した画像光は、第２光学素子４１によって反射される。第２光学素子４１によって反射された光は、光学部材１０から出射する。第２光学素子４１はハーフミラーであるため、第２光学素子４１に入射した光の一部のみが反射されて、光学部材１０から出射する。第２光学素子４１で反射されなかった光は、その後、第２部分４０の表面で反射し、再び別の第２光学素子４１に入射する。

ここで、光が第１部分３０（第１基部３５）や第３部分５０（第３基部５５）から基材１１に入射すると、第１部分３０（第１基部３５）や第３部分５０（第３基部５５）の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化及び基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化により、第１部分３０と基材１１との界面や第３部分５０と基材１１との界面において光は波長ごとに異なる角度で屈折する。これにより、近似する波長の光がそれぞれ微小にずれた光路をとる。とりわけ、第１部分３０や第３部分５０の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負が基材の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負と同一であるため、第１部分３０と基材１１との界面及び第３部分５０と基材１１との界面によって、各波長の光は、より大きな角度に広がるように分散して、近似する波長の光がそれぞれよりずれた光路をとる。

また、光が基材１１から第２部分４０（第２基部４５）や第３部分５０（第３基部５５）に入射すると、第２部分４０（第２基部４５）や第３部分５０（第３基部５５）の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化及び基材１１の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化により、第２部分４０と基材１１との界面や第３部分５０と基材１１との界面において光は波長ごとに異なる角度で屈折する。これにより、近似する波長の光がそれぞれさらに微小にずれた光路をとる。とりわけ、第２部分４０や第３部分５０の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負が基材の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負と同一であるため、第２部分４０と基材１１との界面及び第３部分５０と基材１１との界面によって、各波長の光は、より大きな角度に広がるように分散して、近似する波長の光がそれぞれよりずれた光路をとる。

この変形例でも、例えば光学部材１０の表面に異物が付着していても、近似する波長の光の一部が異物によって妨げられるのみで、近似する波長の他の光は、光路がずれているため、異物によって妨げられることなく、基材１１の内部を導光しやすい。したがって、画像の一部が欠けて観察されにくい。

１ 頭部装着型表示装置
３ 表示装置
５ 表示部
７ レンズ
１０ 光学部材
１１ 基材
１７ 保護層
１８ 低屈折率層
２０ 波長分散層
３０ 第１部分
３１ 第１光学素子
３２ 第５光学素子
４０ 第２部分
４１ 第２光学素子
４２ 第６光学素子
５０ 第３部分
５１ 第３光学素子
６０ 第４部分
６１ 第４光学素子

Claims (13)

1. 基材と、
   前記基材に隣接して配置され、第１光学素子を含む第１部分と、
   前記第１部分からずれた位置において前記基材に隣接して配置され、第２光学素子を含む第２部分と、を備える光学部材であって、
   前記第１光学素子は、当該光学部材に入射した光の少なくとも一部を前記基材の内部に導光させ、
   前記第２光学素子は、前記基材の内部を導光する光の少なくとも一部を当該光学部材から出射させ、
   前記基材の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均は、５．１×１０^−５〔／ｎｍ〕以上である、光学部材。
2. 前記第１部分の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負は、前記基材の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負と同一である、請求項１に記載の光学部材。
3. 基材と、
   前記基材に隣接して配置され、第１光学素子を含む第１部分と、
   前記第１部分からずれた位置において前記基材に隣接して配置され、第２光学素子を含む第２部分と、を備える光学部材であって、
   前記第１光学素子は、当該光学部材に入射した光の少なくとも一部を前記基材の内部に導光させ、
   前記第２光学素子は、前記基材の内部を導光する光の少なくとも一部を当該光学部材から出射させ、
   前記第１部分の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負は、前記基材の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負と同一である、光学部材。
4. 前記第１部分の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均は、前記基材の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化の大きさの平均より大きい、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学部材。
5. 前記基材の少なくとも一方の面の８０％以上は、波長分散層によって覆われており、
   前記波長分散層の可視光領域における波長の変化に対する屈折率の変化率の平均の正負は、前記基材の可視光領域における屈折率の変化率の平均の正負と同一である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学部材。
6. 前記波長分散層は、前記第１部分及び前記第２部分を含む、請求項５に記載の光学部材。
7. 前記第１光学素子及び前記第２光学素子は、回折光学素子である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光学部材。
8. 前記第１光学素子及び前記第２光学素子は、表面レリーフ型のホログラムである、請求項７に記載の光学部材。
9. 前記第１光学素子及び前記第２光学素子は、体積ホログラムであり、
   前記第１光学素子の厚さ及び前記第２光学素子の厚さは、２０μｍ以下である、請求項７に記載の光学部材。
10. 前記基材の厚さは、０．２ｍｍ以上である、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光学部材。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光学部材と、
    前記光学部材の前記第１部分に対面して配置され、画像光を出射する表示部と、を備える、表示装置。
12. 前記表示部は、少なくとも１つの色の光を出射可能であり、
    前記表示部が出射する色の光の波長は、１０ｎｍ以上の半値全幅を有する、請求項１１に記載の表示装置。
13. 請求項１１または１２に記載の表示装置を備える、頭部装着型表示装置。

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