JP2021156995A - 表示装置及び光学ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】光学部材を追加の追加によって光学系が大型化することを防止する。【解決手段】表示装置１００は、画像光生成装置１１と、画像光生成装置１１から射出された画像光ＩＬが入射する導光部材１３と、導光部材１３の入射側に設けられ、正のパワーを有する第１回折素子１４と、導光部材１３の射出側に設けられ、正のパワーを有する第２回折素子１５と、導光部材１３の入射側の端部に設けられて正のパワーを有するミラー１７と、を備え、第１回折素子１４を経た画像光ＩＬは、ミラー１７で反射されて導光部材１３内を伝搬し、第２回折素子１５に入射した画像光ＩＬは、第２回折素子１５により偏向されて射出瞳を形成する。【選択図】図２

Description

本発明は、導光部材の入射側と射出側とに回折素子を設けた表示装置及び光学ユニットに関する。

ヘッドマウントディスプレイ等の表示装置として、導光部材の入射側と射出側とに回折素子を設けるとともに、導光部材の一端又は両端に平面ミラーを設けて回折素子への画像光の入射角や回折素子からの画像光の射出角を調整し、画像光の入射方向や射出方向の傾きの設定の自由度を高めているものが公知となっている（特許文献１）。

特開２０１４−１４２３８６号公報

表示装置において、画像の輝度ムラ等を抑制するために正のパワーを有するミラーその他の光学部材を追加することが望ましいが、このような光学部材の追加によって光学系が大型化してしまう可能性がある。

本発明の一側面における表示装置は、画像光生成装置と、画像光生成装置から射出された画像光が入射する導光部材と、導光部材の入射側に設けられ、正のパワーを有する第１回折素子と、導光部材の射出側に設けられ、正のパワーを有する第２回折素子と、導光部材の入射側の端部に設けられて正のパワーを有するミラーと、を備え、第１回折素子を経た画像光は、ミラーで反射されて導光部材内を伝搬し、第２回折素子に入射した画像光は、第２回折素子により偏向されて射出瞳を形成する。

実施形態の表示装置の外観を示す斜視図である。 表示装置の光学系を示す概念的な平面断面図及び背面図である。 光学系の作用を説明するための光線図である。 第１回折素子の断面図及び背面図を示し、第２回折素子の断面図及び背面図を示す。 変形例の表示装置を説明する平面断面図である。 変形例の表示装置を説明する平面断面図である。

図１は、本発明の一実施形態である表示装置を含むヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも称する。）２００の外観を示す斜視図であり、図２は、図１に示す表示装置１００の光学系を示す概念的な平面断面図及び背面図である。図１等において、Ｘ、Ｙ、及びＺは、直交座標系であり、＋Ｘ方向は、表示装置１００を装着した観察者又は装着者の両眼ＥＹの並ぶ横方向に対応し、＋Ｙ方向は、観察者にとっての両眼ＥＹの並ぶ横方向に直交する上方向に相当し、＋Ｚ方向は、観察者にとっての前方向又は正面方向に相当する。

図１に示すＨＭＤ２００は、画像光ＩＬａを右眼に入射させる第１表示装置１００Ａと、画像光ＩＬｂを左眼に入射させる第２表示装置１００Ｂとを有している。ＨＭＤ２００は、例えば眼鏡のような形状に構成されている。具体的に、ＨＭＤ２００は、右眼用の第１表示装置１００Ａと左眼用の第２表示装置１００Ｂとを保持するフレーム９０をさらに備えている。ＨＭＤ２００は、フレーム９０によって観察者の頭部に装着される。

ＨＭＤ２００は、フレーム９０として、本体９１と、本体９１の右側に設けられ、観察者の右耳に支持されるテンプル９２ａと、本体９１の左側に設けられ、観察者の左耳に支持されるテンプル９２ｂとを備えている。本体９１は、両側部にケース状の収納部９１ｓを有しており、収納部９１ｓ内に、後述する光学系や、かかる光学系に表示動作行わせる電子部品その他の各種部品が収容されている。

右眼用の表示装置１００Ａと左眼用の表示装置１００Ｂとは、光学的に左右を反転させたものであり、以後では、右眼用の表示装置１００Ａを代表の表示装置１００として説明する。本明細書において、一対の表示装置１００Ａ，１００Ｂを組み合わせたＨＭＤ２００を表示装置と呼ぶ場合もある。

図２を参照して、表示装置１００の光学系の基本的な構成を説明する。図２において、第１領域ＡＲ１は、表示装置１００の光学系を説明する概念的な平面断面図であり、第２領域ＡＲ２は、表示装置１００の光学系を説明する背面図である。表示装置１００は、画像光生成装置１１と、投射光学系１２と、導光部材１３と、第１回折素子１４と、第２回折素子１５と、ミラー１７とを備えている。これらのうち、画像光生成装置１１を除いた部分である、投射光学系１２と導光部材１３と第１回折素子１４と第２回折素子１５とミラー１７とは、画像光生成装置１１の表示動作に応じて虚像を表示する光学ユニット２を構成する。光学ユニット２において、第１回折素子１４は、導光部材１３の入射側に設けられ、第２回折素子１５は、導光部材１３の射出側に設けられている。ミラー１７は、導光部材１３の入射側の端部である第１端ＥＧ１側に設けられている。

画像光生成装置１１は、自発光型の表示デバイスであり、例えば有機ＥＬ（有機エレクトロルミネッセンス、Organic Electro-Luminescence）であり、２次元の表示面１１ａにカラーの静止画又は動画を形成する。画像光生成装置１１は、不図示の表示制御回路に駆動されて表示動作を行う。画像光生成装置１１を有機ＥＬで構成することにより、小型で高画質な画像表示が可能な表示装置１００を実現できる。また、画像光生成装置１１は、図示を省略するが、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備えた構成を採用してもよい。

画像光生成装置１１は、本実施形態の場合、単色の表示パネルを有し、単色の表示を行う。画像光生成装置１１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を採用してもよい。

投射光学系１２は、画像光生成装置１１と導光部材１３との間における画像光ＩＬの光路に設けられ、正のパワーを有する。投射光学系１２は、画像光生成装置１１から射出された画像光ＩＬを導光部材１３に導く。投射光学系１２は、球面レンズ、自由曲面レンズ等、種々のレンズを含むものとすることができる。なお、図２では、投射光学系１２が１つのレンズを有する例を挙げたが、投射光学系１２を構成するレンズの数はこれに限定されることはなく、投射光学系１２が２つ以上のレンズを備えていてもよい。また、複数のレンズを貼り合わせて一体化し、一体化されたレンズによって投射光学系１２を構成してもよい。なお、投射光学系１２は、レンズ以外に例えばプリズム等の光学素子で構成されていてもよい。

画像光生成装置１１や投射光学系１２は、導光部材１３の観察者側に配置されている。この場合、画像光生成装置１１等が外観に影響しにくい配置となり、表示装置１００のデザイン性が損なわれることを防止しやすくなる。

導光部材１３は、投射光学系１２から射出された画像光ＩＬを全反射させつつ導光させた後、観察者の眼ＥＹに向けて射出させる。導光部材１３は、板状の部材であって、観察者及び画像光生成装置１１に対向する第１面１３ａと、外界に対向する第２面１３ｂとを有する。第１面１３ａと第２面１３ｂとは、平面であり、互いに平行に延びる。導光部材１３を平板状とすることにより、平板ガラスや平板樹脂で導光部材１３を形成することができ、導光部材１３の作製や光学ユニット２の作製が容易になる。

第１面１３ａのうち、画像光生成装置１１又は投射光学系１２に対向する領域は、画像光生成装置１１から射出された画像光ＩＬが入射する入射面１３１ａとなっている。入射面１３１ａは、平面の光学面である。この実施形態では、入射面１３１ａは、全反射面１３１ｔとして機能し、ＡＲコートを形成しないことが望ましい場合もある。また、観察者の眼ＥＹに対向する領域は、眼ＥＹに向けて画像光ＩＬを射出させる射出面１３１ｂとなっている。射出面１３１ｂも、入射面１３１ａと同様に平面の光学面である。この実施形態では、射出面１３１ｂは、全反射面１３１ｔとして機能しておらず、所望の特性のＡＲコートを比較的自由に形成することができる。入射面１３１ａと射出面１３１ｂとの間は、全反射面１３１ｔとして機能する。

導光部材１３の外界側に形成されている第２面１３ｂのうち、導光部材１３の本体又は基材を挟んで入射面１３１ａに対向する外側面１３１ｄには、第１回折素子１４が設けられている。つまり、第１回折素子１４は、導光部材１３の外界側であって、第１端ＥＧ１又はその近くに配置されている。第２面１３ｂのうち、導光部材１３の本体又は基材を挟んで射出面１３１ｂに対向する外側面１３１ｅには、第２回折素子１５が設けられている。つまり、第２回折素子１５は、導光部材１３の外界側であって、第２端ＥＧ２又はその近くに配置されている。第１回折素子１４及び第２回折素子１５のそれぞれは、反射型体積ホログラムから構成されている。一対の外側面１３１ｄ，１３１ｅの間は、全反射面１３１ｕとして機能する。第１回折素子１４及び第２回折素子１５の構成については、後述する。

ミラー１７は、第１回折素子１４を経た画像光ＩＬを反射して導光部材１３内で伝搬させる。ミラー１７は、内面反射を行う凹面であり、正のパワーを有し、外観的には外側に凸の曲面で構成されている。ミラー１７の外側は、ミラー層１７ｍでコートされている。ミラー層１７ｍは、金属膜又は誘電体多層膜からなる。この場合、導光部材１３の基材上に、例えばＡｌ、Ａｇのような金属で形成された単層膜又は多層膜からなる反射膜を蒸着等によって成膜する。ミラー１７は、例えば導光部材１３とは別に同一屈折率の基材から作製したミラー部品を導光部材１３の第１端ＥＧ１に接合したものであるが、導光部材１３と一体の部材として、導光部材１３と同一の基材から作製することもできる。

本実施形態の表示装置１００は、結像に直接的に寄与する光学素子として、画像光ＩＬの光路に沿って順に配置された、正のパワーを有する投射光学系１２と、正のパワーを有する第１回折素子１４と、正のパワーを有するミラー１７と、正のパワーを有する第２回折素子１５とを備えている。表示装置１００の光学系において、画像光ＩＬの進行に着目すると、画像光生成装置１１は、投射光学系１２に向けて画像光ＩＬを射出する。投射光学系１２は、入射した画像光ＩＬを第１回折素子１４に向けて射出する。第１回折素子１４は、導光部材１３の入射面１３１ａから入射した画像光ＩＬを斜め方向になるミラー１７に向けて回折させる。ミラー１７は、入射した画像光ＩＬを全反射面１３１ｔのうち入射面１３１ａの内側に向けて反射する。全反射面１３１ｔのうち入射面１３１ａの内側で反射された画像光ＩＬは、反対側の全反射面１３１ｕ等で反射され、第２回折素子１５に入射する。第２回折素子１５は、斜め方向から入射した画像光ＩＬを導光部材１３の射出面１３１ｂから観察者の眼ＥＹに向けて射出する。

以上の光学系において、投射光学系１２と第１回折素子１４との間に画像光ＩＬの第１中間像Ｐ１が形成され、ミラー１７と第２回折素子１５との間に画像光ＩＬの第２中間像Ｐ２が形成され、第２回折素子１５によって射出瞳が形成される。

図３は、表示装置１００における光線図である。図３では、光軸に沿って配置された各光学素子を上下に延びる矢印で示している。また、画像光生成装置１１の１つの画素（図示の例では光軸上）から射出された光線を実線Ｌａで示し、画像光生成装置１１の端部領域から射出される主光線を点線Ｌｂで示している。図３においては、図面を簡略化するため、全ての光学部を透過型として図示している。

表示装置１００において、第１回折素子１４を経た画像光ＩＬは、ミラー１７で反射されて導光部材１３内を伝搬し、第２回折素子１５に入射した画像光ＩＬは、第２回折素子１５により偏向されて射出瞳ＰＥを形成する。ここで、投射光学系１２と第１回折素子１４との間に画像光ＩＬの第１中間像Ｐ１が形成され、第１回折素子１４と第２回折素子１５との間であって、の近傍に開口又は瞳ＰＡが形成され、ミラー１７と第２回折素子１５との間に画像光ＩＬの第２中間像Ｐ２が形成され、第２回折素子１５によって射出瞳ＰＥが形成される。詳細な説明を省略するが、第１回折素子１４と第２回折素子１５とは、共役な位置に配置されている。以上において、第１回折素子１４と第２回折素子１５との間に第２中間像Ｐ２と瞳ＰＡとが形成されており、両回折素子１４，１５において光線が入射する位置を制御して波長補償を適正にすることができ、また、光線が広がって導光板が厚くなったり第２回折素子Ｐ２が大きくなりすぎたりすることを防止できる。

表示装置１００の光学系によれば、以下に示す３つの条件を満たしている。第１の条件は、画像光生成装置１１の１つの点から射出された光線は、網膜Ｅ０に１つの点として結像されることである。第２の条件は、表示装置１００の光学系の入射瞳と眼球の瞳の配置を前提とする射出瞳ＰＥとが共役であることである。第３の条件は、第１回折素子１４と第２回折素子１５とが共役の関係にあることである。

より具体的には、図３に示す実線Ｌａから分かるように、画像光生成装置１１の１つの点から射出された光線は、網膜Ｅ０に１つの点として結像されるという第１の条件を満たしていることで、観察者は１つの画素を視認することができる。また、図３に示す点線Ｌｂから分かるように、表示装置１００の光学系の入射瞳と眼ＥＹの配置に対応する射出瞳ＰＥとが共役（瞳の共役）の配置関係にあるという第２の条件を満たしていることで、画像光生成装置１１で生成された画像の全域を視認することができる。

また、ミラー１７の配置やパワーを調整すること等によって、第１回折素子１４と第２回折素子１５とが共役関係にあるという第３の条件を満たすようにできるため、第１回折素子１４と第２回折素子１５とでは、光線を後述する干渉縞に関して対応する個所に入射させることができ、波長分散について波長補償を適正に行うことができる。よって、画像光ＩＬの解像度の劣化を少なく抑えることができる。

以下、図４を参照して、第１回折素子１４と第２回折素子１５との構成について説明し、波長補償について説明する。図４において、第１領域ＢＲ１は、第１回折素子１４の断面図であり、第２領域ＢＲ２は、第１回折素子１４の観察者側からの背面図であり、第３領域ＢＲ３は、第２回折素子１５の断面図であり、第４領域ＢＲ４は、第２回折素子１２の観察者側からの背面図である。

第１領域ＢＲ１及び第２領域ＢＲ２に示す第１回折素子１４は、反射型の第１体積ホログラムで構成された回折光学素子である。第１回折素子１４は、特定波長に対応するピッチを有する干渉縞１６を有している。干渉縞１６は、互いに屈折率が異なる領域が縞状に形成されたものとしてホログラフィック感光層に記録されている。干渉縞１６は、特定の射出角度に対応するように、導光部材１３の第２面１３ｂに対して一方向に傾いている。本実施形態の場合、干渉縞１６は、図４の第１領域ＢＲ１の紙面の左下から右上に向かう方向に傾いている。これにより、第１回折素子１１は、画像光ＩＬを所定の方向に回折して偏向させ、ミラー１７に導くことができる。特定波長及び特定の射出角度とは、画像光ＩＬの波長と射出角度とに対応する。干渉縞１６は、例えば平面波である参照光と球面波である物体光と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、干渉縞１６は、理解しやすくするため拡大し間隔を間引いて表示している。

第１回折素子１４は、第１体積ホログラムの断面視において、第２回折素子１５の一端から他端に向けて干渉縞１６のピッチと傾きとが連続的に変化している。より具体的には、干渉縞１６のピッチは、ミラー１７に近い側の第１端部Ｅ１１で相対的に大きく、ミラー１７から遠い側の第２端部Ｅ１２で相対的に小さく、第１端部Ｅ１１から第２端部Ｅ１２に向かって順次小さくなっている。換言すると、干渉縞１６の密度は、第１端部Ｅ１１から第２端部Ｅ１２に向けて粗から密に変化している。この結果、第１回折素子１４に所望の正のパワーを持たせつつ画像光ＩＬの入射方向に対して画像光ＩＬの射出方向を傾けることができる。なお、第１体積ホログラム又は第１回折素子１４の断面視とは、ＸＺ平面、すなわち、観察者が表示装置１００を装着した状態における水平面に沿って第１体積ホログラムを切断したときの断面を見ていることを意味する。

また、第２面１３ｂに対する干渉縞１６の傾きは、ミラー１７に近い側の第１端部Ｅ１１で相対的に小さく、ミラー１７から遠い側の第２端部Ｅ１２で相対的に大きく、第１端部Ｅ１１から第２端部Ｅ１２に向かって順次大きくなっている。

第１回折素子１４の第１体積ホログラムの背面視において、干渉縞１６は、第１回折素子１４の外側に中心を有する略同心円状に形成されている。第１回折素子１４の背後から見える干渉縞１６の模様は、円弧状となっている。また、第１回折素子１４は、第１体積ホログラムの背面視において、第１回折素子１４の一端から他端に向けて干渉縞１６の曲率半径が連続的に変化している。より具体的には、干渉縞１６の曲率半径は、第１端部Ｅ１１から第２端部Ｅ１２に向けて順次大きくなっている。このため、投射光学系１２から光軸を中心として、±Ｙ方向に拡がる光線についても、傾斜したミラー１７の方向に少ないムラで効率よく射出させることができる。なお、第１体積ホログラム又は第１回折素子１４の背面視とは、Ｚ軸に沿う方向、すなわち、観察者が表示装置１００を装着した状態における観察者の眼ＥＹの方向から第１体積ホログラムを見ていることを意味する。

第３領域ＢＲ３及び第４領域ＢＲ４に示す第２回折素子１５は、反射型の第２体積ホログラムで構成された部分反射型の回折光学素子である。したがって、画像光ＩＬに加えて、外光が第２回折素子１５を介して眼ＥＹに入射するため、観察者は、画像光生成装置１１で形成した画像光ＩＬ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１５は、特定波長に対応するピッチを有する干渉縞１１６を有している。干渉縞１１６は、互いに屈折率が異なる領域が縞状に形成されたものとしてホログラフィック感光層に記録されている。干渉縞１１６は、特定の入射角度に対応するように、導光部材１３の第２面１３ｂに対して一方向に傾いている。本実施形態の場合、干渉縞１１６は、図４の第３領域ＢＲ３の紙面において、左下から右上に向かう方向に傾いている。これにより、第２回折素子１５は、画像光ＩＬを所定の方向に回折して偏向させ、観察者の眼ＥＹに導くことができる。特定波長及び特定の入射角度とは、画像光ＩＬの波長と入射角度とに対応する。干渉縞１１６は、例えば平面波である参照光と球面波である物体光と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。

第２回折素子１５は、第２体積ホログラムの断面視において、第２回折素子１５の一端から他端に向けて干渉縞１１６のピッチと傾きとが連続的に変化している。より具体的には、干渉縞１１６のピッチは、画像光ＩＬの入射側、すなわち、第１回折素子１４又はミラー１７に近い側の第１端部Ｅ２１で相対的に大きく、第１回折素子１４から遠い側の第２端部Ｅ２２で相対的に小さく、第１端部Ｅ２１から第２端部Ｅ２２に向かって順次小さくなっている。換言すると、干渉縞１１６の密度は、第１端部Ｅ２１から第２端部Ｅ２２に向けて粗から密に変化している。この結果、第２回折素子１５に所望の正のパワーを持たせつつ画像光ＩＬの入射方向に対して画像光ＩＬの射出方向を傾けることができる。

また、第２面１３ｂに対する干渉縞１１６の傾きは、第１回折素子１４又はミラー１７に近い側の第１端部Ｅ２１で相対的に小さく、第１回折素子１４から遠い側の第２端部Ｅ２２で相対的に大きく、第１端部Ｅ２１から第２端部Ｅ２２に向かって順次大きくなっている。

第２回折素子１５の第２体積ホログラムの背面視において、干渉縞１１６は、第２回折素子１５の外側に中心を有する略同心円状に形成されている。第２回折素子１５の背後から見える干渉縞１１６の模様は、円弧状となっている。また、第２回折素子１５は、第２体積ホログラムの背面視において、第２回折素子１５の一端から他端に向けて干渉縞１１６の曲率半径が連続的に変化している。より具体的には、干渉縞１１６の曲率半径は、第１端部Ｅ２１から第２端部Ｅ２２に向けて順次大きくなっている。このため、±Ｙ方向に拡がる画角を形成する光線についても、小さく絞られた射出瞳が形成され、画像の輝度ムラが生じにくい構成となっている。

以上のように、本実施形態の表示装置１００において、第１回折素子１４と第２回折素子１５とは、同様の体積ホログラムから構成されている。

第１回折素子１４からは、導光部材１３に入射した光線がミラー１７に向けて大きな射出角をもって斜めに射出する。同様に、第２回折素子１５には、導光部材１３で伝搬された光線が大きな入射角をもって斜めに入射する。そのため、第１回折素子１４では、ミラー１７から遠い第２端部Ｅ１２側の干渉縞１６からの光線は、第１端部Ｅ１２側に隣接する干渉縞１６を透過する。また、第２回折素子１５では、第１回折素子１４から遠い第２端部Ｅ２２側の干渉縞１１６には、第１端部Ｅ２１側に隣接する干渉縞１１６を透過した光線が入射する。この場合、第１回折素子１４や第２回折素子１５が、干渉縞のピッチが一定の従来の回折素子で構成されていたとすると、第１回折素子１４や第２回折素子１５に入射した光線は、第１端部Ｅ１１，Ｅ２１側で反射する光量が多く、第２端部Ｅ１２，Ｅ２２側で反射する光量が少なくなる結果、画像の輝度ムラが発生しやすい。

これに対して、本実施形態の表示装置１００において、第１回折素子１４や第２回折素子１５は、画角を形成する全ての光線に対してできるだけブラッグの法則に則る干渉縞１６，１１６を有するものとなっており、第１回折素子１４や第２回折素子１５は、干渉縞１６，１１６のピッチと傾きの双方が一端から他端に向けて連続的に変化する構成となる。さらに、干渉縞１６，１１６のピッチは、第１端部Ｅ１１，Ｅ２１から第２端部Ｅ１２，Ｅ２２に向かって順次小さくなっているため、従来の回折素子を用いた場合に比べて、第１端部Ｅ１１，Ｅ２１側で反射する光量と第２端部Ｅ１２，Ｅ２２側で反射する光量とが均等になりやすい。結果的に、上述のような第１回折素子１４や第２回折素子１５を用いることで、画像の輝度ムラが発生しにくくなる。

以上で説明した実施形態の表示装置１００では、光路上において第１回折素子１４と第２回折素子１５との間に配置されるミラー１７に画像光ＩＬを補正する機能を持たせることができる。このミラー１７が導光部材１３の入射側の端部に設けられていることから、導光部材１３の厚みの増加を抑制することができ、導光部材１３を平板状のものとしやすくなる。

〔変形例その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

第１回折素子１４や第２回折素子１５は、単色の表示用に形成されたものに限らず、複数色の表示用に形成されたものとすることができる。この場合、例えば、ＲＧＢの３色に対応する３層の回折素子を積層した構造とすることができる。また１層の回折素子の中にＲＧＢそれぞれの回折に対応した３種類の干渉縞を形成することができる。この場合、画像光生成装置１１は、カラー表示が可能な１枚の表示パネルを有するものとでき、或いはＲＧＢの３つの単色パネルからの画像光を合成プリズムで合成して出力するものであってもよい。

第１回折素子１４や第２回折素子１５は、反射型のホログラムで形成されるものに限らず、透過型のホログラムで形成されるものであってもよい。

上記実施形態の表示装置１００では、ミラー１７から第２回折素子１５に向かう画像光ＩＬを導光部材１３の一対の内面すなわち全反射面１３１ｔ，１３１ｕによって複数回反射させているが、図５に示すように、ミラー１７から第２回折素子１５に向かう画像光ＩＬを導光部材１３の内面で一回だけ反射させてもよい。

上記実施形態の表示装置１００では、導光部材１３の第１面１３ａ及び第２面１３ｂにおいて画像光ＩＬを屈折率を利用した全反射によって導光しているが、第１面１３ａ及び第２面１３ｂを金属ミラーのような反射面とすることができる。

導光部材１３は、平行平板に限らず、図６に示すように、若干の湾曲が許容される。この場合、レンズ状に湾曲した導光部材１３によって観察者の眼ＥＹを覆う形状とすることができる。

上記実施形態の表示装置１００では、画像光生成装置１１として有機ＥＬ素子等の自発光型の表示デバイスやＬＣＤその他の光変調素子を用いているが、これに代えて、レーザー光源とポリゴンミラー等であるスキャナーとを組みあわせたレーザスキャナーを用いた構成も可能である。つまり、レーザー網膜投影型のヘッドマウントディスプレイに対して本発明を適用することも可能である。

第２回折素子１５の外界側には、第２回折素子１５の透過光を制限することで調光を行う調光デバイスを取り付けることができる。調光デバイスは、例えば電動で透過率を調整する。調光デバイスとして、ミラー液晶、電子シェード、エレクトロクロミック素子等を用いることができる。調光デバイスは、外光照度に応じて透過率を調整するものであってもよい。調光デバイスによって外界光を遮断する場合、外界像の作用を受けていない虚像のみを観察することができる。また、本願発明の表示装置は、外光を遮断し画像光のみを視認させるいわゆるクローズ型の頭部搭載型表示装置（ＨＭＤ）に適用できる。この場合、表示装置と撮像装置とで構成されるいわゆるビデオシースルーの製品に対応させたりするものとしてもよい。

上記実施形態では、表示装置１００をＨＭＤ２００に組み込んでいるが、表示装置１００をヘッドアップディスプレイに組み込むことができる。

具体的な態様における表示装置は、画像光生成装置と、画像光生成装置から射出された画像光が入射する導光部材と、導光部材の入射側に設けられ、正のパワーを有する第１回折素子と、導光部材の射出側に設けられ、正のパワーを有する第２回折素子と、導光部材の入射側の端部に設けられて正のパワーを有するミラーと、を備え、第１回折素子を経た画像光は、ミラーで反射されて導光部材内を伝搬し、第２回折素子に入射した画像光は、第２回折素子により偏向されて射出瞳を形成する。

上記表示装置では、光路上において第１回折素子と第２回折素子との間に配置されるミラーに画像光を補正する機能を持たせることができる。このミラーが導光部材の入射側の端部に設けられていることから、導光部材の厚みの増加を抑制することができ、導光部材を平板状のものとしやすくなる。

具体的な側面において、第１回折素子は、導光部材の外界側に配置され、第２回折素子は、導光部材の外界側に配置されている。

具体的な側面において、画像光生成装置は、導光部材の観察者側に配置される。この場合、画像光生成装置が外観に影響しにくい配置となり、表示装置のデザイン性が損なわれることを防止できる。

具体的な側面において、第１回折素子は、球面波で露光され、干渉縞のピッチ及び傾斜角度が連続的に変化する第１体積ホログラムであり、第２回折素子は、球面波で露光され、干渉縞のピッチ及び傾斜角度が連続的に変化する第２体積ホログラムである。この場合、回折素子に所望のパワーを持たせつつ入射方向に対して射出方向を傾けることができる。

具体的な側面において、第１回折素子と第２回折素子とは、共役な位置に配置される。この場合、光線を第１回折素子と第２回折格とにおいて干渉縞に関して対応する箇所に入射させることができ、波長補償を適正に行うことができ、輝度ムラや解像度の劣化を少なく抑えることができる。

具体的な側面において、第１回折素子と第２回折素子との間に中間像と瞳が形成される。この場合、回折素子の光線があたる位置を制御して波長補償を適正にすることができ、光線が広がって導光板が厚くなったり第２回折素子が大きくなりすぎたりすることを防止できる。

具体的な態様における光学ユニットは、画像光が入射する導光部材と、導光部材の入射側に設けられ、正のパワーを有する第１回折素子と、導光部材の射出側に設けられ、正のパワーを有する第２回折素子と、導光部材の入射側の端部に設けられて正のパワーを有するミラーと、を備え、第１回折素子を経た画像光は、ミラーで反射されて導光部材内を伝搬し、第２回折素子に入射した画像光は、第２回折素子により偏向されて射出瞳を形成する。

上記表示装置では、光路上において第１回折素子と第２回折素子との間に配置されるミラーに画像光を補正する機能を持たせることができる。このミラーが導光部材の入射側の端部に設けられていることから、導光部材の厚みの増加を抑制することができ、導光部材を平板状のものとしやすくなる。

２…光学ユニット、１１…画像光生成装置、１１ａ…表示面、１２…投射光学系、１３…導光部材、１６，１１６…干渉縞、１７…ミラー、１７ｍ…ミラー層、９０…フレーム、９１…本体、９１ｓ…収納部、９２ａ，９２ｂ…テンプル、１００…表示装置、１００Ａ，１００Ｂ…表示装置、１３１ａ…入射面、１３１ｂ…射出面、１３１ｄ，１３１ｅ…外側面、１３１ｔ，１３１ｕ…全反射面、Ｅ０…網膜、ＥＹ…眼、ＩＬ…画像光、ＩＬａ，ＩＬｂ…画像光、Ｌａ…点線、Ｌｂ…一点鎖線、ＰＡ…瞳、ＰＥ…射出瞳

Claims (7)

1. 画像光生成装置と、
   前記画像光生成装置から射出された画像光が入射する導光部材と、
   前記導光部材の入射側に設けられ、正のパワーを有する第１回折素子と、
   前記導光部材の射出側に設けられ、正のパワーを有する第２回折素子と、
   前記導光部材の入射側の端部に設けられて正のパワーを有するミラーと、を備え、
   前記第１回折素子を経た前記画像光は、前記ミラーで反射されて前記導光部材内を伝搬し、
   前記第２回折素子に入射した前記画像光は、前記第２回折素子により偏向されて射出瞳を形成する表示装置。
2. 前記第１回折素子は、前記導光部材の外界側に配置され、前記第２回折素子は、前記導光部材の外界側に配置されている、請求項１に記載の表示装置。
3. 前記画像光生成装置は、前記導光部材の観察者側に配置される、請求項１及び２のいずれか一項に記載の表示装置。
4. 前記第１回折素子は、球面波で露光され、干渉縞のピッチ及び傾斜角度が連続的に変化する第１体積ホログラムであり、前記第２回折素子は、球面波で露光され、干渉縞のピッチ及び傾斜角度が連続的に変化する第２体積ホログラムである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の表示装置。
5. 前記第１回折素子と前記第２回折素子とは、共役な位置に配置される、請求項４に記載の表示装置。
6. 前記第１回折素子と前記第２回折素子との間に中間像と瞳が形成される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の表示装置。
7. 画像光が入射する導光部材と、
   前記導光部材の入射側に設けられ、正のパワーを有する第１回折素子と、
   前記導光部材の射出側に設けられ、正のパワーを有する第２回折素子と、
   前記導光部材の入射側の端部に設けられて正のパワーを有するミラーと、を備え、
   前記第１回折素子を経た前記画像光は、前記ミラーで反射されて前記導光部材内を伝搬し、
   前記第２回折素子に入射した前記画像光は、前記第２回折素子により偏向されて射出瞳を形成する光学ユニット。

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