JP4706737B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像形成装置等によって形成された２次元画像を観察者に観察させるために使用される画像表示装置に関する。

画像形成装置によって形成された２次元画像を虚像光学系により拡大虚像として観察者に観察させるための虚像表示装置（画像表示装置）が、例えば、特表２００５−５２１０９９や特開２００６−１６２７６７から周知である。

概念図を図１に示すように、この画像表示装置７００（便宜上、第１形式の画像表示装置７００と呼び、図１では、参照番号１００で示す）は、２次元マトリクス状に配列された複数の画素を備えた画像形成装置７１１（図１では、参照番号１１１で示す）、画像形成装置７１１の画素から出射された光を平行光とするコリメート光学系７１２（図１では、参照番号１１２で示す）、及び、コリメート光学系７１２にて平行光とされた光が入射され、導光され、出射される光学装置７２０（図１では、参照番号１２０で示す）を備えている。光学装置７２０は、入射された光が内部を全反射により伝播した後、出射される導光板７２１（図１では、参照番号１２１で示す）、導光板７２１に入射された光が導光板７２１の内部で全反射されるように、導光板７２１に入射された光を反射させる第１光学部材７３０（例えば、１層の光反射膜から成り、図１では、参照番号１３０で示す）、及び、導光板７２１の内部を全反射により伝播した光を導光板７２１から出射させる第２光学部材７４０（例えば、多層積層構造を有する光反射多層膜から成り、図１では、参照番号１４０で示す）から構成されている。そして、このような画像表示装置７００によって、例えば、ＨＭＤ（Head Mounted Display）を構成すれば、装置の軽量化、小型化を図ることができる。

あるいは又、画像形成装置によって形成された２次元画像を虚像光学系により拡大虚像として観察者に観察させるために、ホログラム回折格子を用いた虚像表示装置（画像表示装置）が、例えば、特開２００７−９４１７５から周知である。

概念図を図４に示すように、この画像表示装置８００（便宜上、第２形式の画像表示装置８００と呼び、図４では、参照番号３００で示す）は、基本的には、画像を表示する画像形成装置８１１（図４では、参照番号１１１で示す）と、コリメート光学系８１２（図４では、参照番号１１２で示す）と、画像形成装置８１１に表示された光が入射され、観察者の瞳１０へと導く虚像光学系（光学装置８２０であり、図４では、参照番号３２０で示す）とを備えている。ここで、光学装置８２０は、導光板８２１（図４では、参照番号３２１で示す）と、導光板８２１に設けられた反射型体積ホログラム回折格子から成る第１回折格子部材８３０（図４では、参照番号３３０で示す）及び第２回折格子部材８４０（図４では、参照番号３４０で示す）を備えている。そして、コリメート光学系８１２には画像形成装置８１１の各画素から出射された光が入射され、コリメート光学系８１２によって平行光が生成され、導光板８２１に入射される。導光板８２１の第１面８２２（図４では、参照番号３２２で示す）から、平行光が入射され、出射される。一方、導光板８２１の第１面８２２と平行である導光板８２１の第２面８２３（図４では、参照番号３２３で示す）に、第１回折格子部材８３０及び第２回折格子部材８４０が取り付けられている。

特表２００５−５２１０９９ 特開２００６−１６２７６７ 特開２００７−９４１７５

ところで、第１形式の画像表示装置７００にあっては、図１３に示すように、観察者の瞳１０が領域「Ａ」に位置する場合には、コリメート光学系７１２から出射される光は瞳１０に到達する。然るに、瞳１０が、領域「Ａ」と領域「Ａ」とによって挟まれた領域「Ｂ」に位置する場合には、コリメート光学系７１２から光が出射されず、瞳１０に到達しないか、たとえ出射されたとしても、光量の低下が著しい。尚、領域「Ａ」を明示するために、図１３において、係る領域に斜線を付した。従って、このような第１形式の画像表示装置７００にあっては、観察者の瞳位置により表示画像に輝度むら、色むらが発生してしまう。

また、第２形式の画像表示装置８００にあっては、導光板８２１の厚さを増やすことなく広い画角表示を可能とするため、また、観察者が画像を観察できる範囲（アイボックス）を広くするために、第２回折格子部材８４０においては、複数回に亙り反射回折をしながら、徐々に導光板８２１内の光を導光板８２１から出射させている。ここで、図１４に示すように、第２形式の画像表示装置８００にあっても、観察者の瞳１０が領域「Ａ」あるいは領域「Ｃ」に位置する場合には、コリメート光学系８１２から出射される平行光は瞳１０に到達する。然るに、瞳１０が領域「Ｂ」に位置する場合には、コリメート光学系８１２から光が出射されず、瞳１０に到達しないか、たとえ出射されたとしても、光量の低下が著しい。従って、このような第２形式の画像表示装置８００にあっても、観察者の瞳位置により表示画像に輝度むら、色むらが発生してしまう。

従って、本発明の目的は、観察者の瞳位置が移動した場合でも、画像形成装置等によって形成された２次元画像を観察するときに輝度むら、色むらが生じ難い構成、構造を有する画像表示装置を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の第１の態様あるいは第３の態様に係る画像表示装置は、
（Ａ）２次元マトリクス状に配列された複数の画素を有する画像形成装置、
（Ｂ）画像形成装置の各画素から出射された光を平行光とするコリメート光学系、及び、
（Ｃ）コリメート光学系にて平行光とされた光束が入射され、導光され、出射される光学装置、
を備えた画像表示装置であって、
光学装置は、
（ａ）入射された光が内部を全反射により伝播した後、出射される導光板、
（ｂ）導光板に入射された光が導光板の内部で全反射されるように、導光板に入射された光を偏向させる第１偏向手段、及び、
（ｃ）導光板の内部を全反射により伝播した光を導光板から出射させるために、導光板の内部を全反射により伝播した光を複数回に亙り偏向させる第２偏向手段、
を備えている。尚、「全反射」という用語は、内部全反射、あるいは、導光板内部における全反射を意味する。以下においても同様である。

そして、本発明の第１の態様に係る画像表示装置にあっては、
第１偏向手段及び第２偏向手段は導光板の内部に配設されており、
導光板の軸線方向をＹ方向、導光板の法線方向をＸ方向とし、導光板に入射する光束のＹ方向に沿った幅をＷ_Y（単位：ｍｍ）、導光板の厚さをｔ（単位：ｍｍ）、導光板の内部で全反射される光の導光板内面への入射角をθとしたとき、少なくとも１つの画素から出射された１つの波長を有する光において、
２ｔ・ｓｉｎ（θ）−２≦Ｗ_Y≦２ｔ・ｓｉｎ（θ）＋２ （１）
好ましくは、
２ｔ・ｓｉｎ（θ）−１≦Ｗ_Y≦２ｔ・ｓｉｎ（θ）＋１
より好ましくは、
Ｗ_Y＝２ｔ・ｓｉｎ（θ）
を満足する。

また、本発明の第３の態様に係る画像表示装置にあっては、
第１偏向手段及び第２偏向手段は導光板の表面に配設されており、
導光板の軸線方向をＹ方向、導光板の法線方向をＸ方向とし、導光板に入射する光束のＹ方向に沿った幅をＷ_Y（単位：ｍｍ）、導光板の厚さをｔ（単位：ｍｍ）、導光板の内部で全反射される光の導光板内面への入射角をθとしたとき、
２ｔ・ｔａｎ（θ）−２≦Ｗ_Y≦２ｔ・ｔａｎ（θ）＋２ （２）
好ましくは、
２ｔ・ｔａｎ（θ）−１≦Ｗ_Y≦２ｔ・ｔａｎ（θ）＋１
より好ましくは、
Ｗ_Y＝２ｔ・ｔａｎ（θ）
を満足する。

上記の目的を達成するための本発明の第２の態様あるいは第４の態様に係る画像表示装置は、
（Ａ）光源、
（Ｂ）光源から出射された光を平行光とするコリメート光学系、
（Ｃ）コリメート光学系から出射された平行光を走査する走査手段、
（Ｄ）走査手段によって走査された平行光をリレーするリレー光学系、及び、
（Ｅ）リレー光学系にて平行光とされた光束が入射され、導光され、出射される光学装置、
を備えた画像表示装置であって、
光学装置は、
（ａ）入射された光が内部を全反射により伝播した後、出射される導光板、
（ｂ）導光板に入射された光が導光板の内部で全反射されるように、導光板に入射された光を偏向させる第１偏向手段、及び、
（ｃ）導光板の内部を全反射により伝播した光を導光板から出射させるために、導光板の内部を全反射により伝播した光を複数回に亙り偏向させる第２偏向手段、
を備えている。

そして、本発明の第２の態様に係る画像表示装置にあっては、
第１偏向手段及び第２偏向手段は導光板の内部に配設されており、
導光板の軸線方向をＹ方向、導光板の法線方向をＸ方向とし、導光板に入射する光束のＹ方向に沿った幅をＷ_Y（単位：ｍｍ）、導光板の厚さをｔ（単位：ｍｍ）、導光板の内部で全反射される光の導光板内面への入射角をθとしたとき、少なくとも１つの画素から出射された１つの波長を有する光において、
２ｔ・ｓｉｎ（θ）−２≦Ｗ_Y≦２ｔ・ｓｉｎ（θ）＋２ （１）
好ましくは、
２ｔ・ｓｉｎ（θ）−１≦Ｗ_Y≦２ｔ・ｓｉｎ（θ）＋１
より好ましくは、
Ｗ_Y＝２ｔ・ｓｉｎ（θ）
を満足する。

また、本発明の第４の態様に係る画像表示装置にあっては、
第１偏向手段及び第２偏向手段は導光板の表面に配設されており、
導光板の軸線方向をＹ方向、導光板の法線方向をＸ方向とし、導光板に入射する光束のＹ方向に沿った幅をＷ_Y（単位：ｍｍ）、導光板の厚さをｔ（単位：ｍｍ）、導光板の内部で全反射される光の導光板内面への入射角をθとしたとき、
２ｔ・ｔａｎ（θ）−２≦Ｗ_Y≦２ｔ・ｔａｎ（θ）＋２ （２）
好ましくは、
２ｔ・ｔａｎ（θ）−１≦Ｗ_Y≦２ｔ・ｔａｎ（θ）＋１
より好ましくは、
Ｗ_Y＝２ｔ・ｔａｎ（θ）
を満足する。

本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る画像表示装置にあっては、第１偏向手段は、導光板に入射された光を反射し；第２偏向手段は、導光板の内部を全反射により伝播した光を、複数回に亙り、透過、反射する構成とすることができ、この場合、第１偏向手段は反射鏡として機能し、第２偏向手段は半透過鏡として機能する構成とすることができる。

本発明の第３の態様あるいは第４の態様に係る画像表示装置にあっては、第１偏向手段は、導光板に入射された光を回折し；第２偏向手段は、導光板の内部を全反射により伝播した光を、複数回に亙り、回折する構成とすることができ、この場合、第１偏向手段及び第２偏向手段は回折格子素子から成る形態とすることができ、更には、回折格子素子は、反射型回折格子素子から成り、あるいは又、透過型回折格子素子から成り、あるいは又、一方の回折格子素子は反射型回折格子素子から成り、他方の回折格子素子は透過型回折格子素子から成る構成とすることができる。また、これらの場合、Ｙ方向に沿った第１偏向手段の有効長をＬ_H-1（単位：ｍｍ）としたとき、
２ｔ・ｔａｎ（θ）−２≦Ｌ_H-1≦２ｔ・ｔａｎ（θ）＋２
を満足する構成とすることができる。

本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る画像表示装置にあっては、
２ｔ・ｓｉｎ（θ）−２≦Ｗ_Y≦２ｔ・ｓｉｎ（θ）＋２
を満足し、本発明の第３の態様あるいは第４の態様に係る画像表示装置にあっては、
２ｔ・ｔａｎ（θ）−２≦Ｗ_Y≦２ｔ・ｔａｎ（θ）＋２
を満足している。それ故、観察者の瞳位置が移動した場合でも、画像形成装置等によって形成された２次元画像を観察するときに輝度むら、色むらが生じ難い。

以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明するが、それに先立ち、本発明の第１の態様〜第４の態様に係る画像表示装置についての、より詳しい説明を行う。

本発明の第１の態様あるいは第３の態様に係る画像表示装置における画像形成装置として、例えば、反射型空間光変調装置及び光源から構成された画像形成装置；透過型空間光変調装置及び光源から構成された画像形成装置；有機ＥＬ（Electro Luminescence）、無機ＥＬ、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子から構成された画像形成装置を挙げることができるが、中でも、反射型空間光変調装置及び光源から構成された画像形成装置とすることが好ましい。ここで、空間光変調装置として、ライト・バルブ、例えば、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）等の透過型あるいは反射型の液晶表示装置、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を挙げることができ、光源として発光素子を挙げることができる。更には、反射型空間光変調装置は、液晶表示装置、及び、光源からの光の一部を反射して液晶表示装置へと導き、且つ、液晶表示装置によって反射された光の一部を通過させてコリメート光学系へと導く偏光ビームスプリッターから成る構成とすることができる。光源を構成する発光素子として、赤色発光素子、緑色発光素子、青色発光素子、白色発光素子を挙げることができる。また、発光素子として、例えば、半導体レーザ素子やＬＥＤを例示することができる。画素の数は、画像表示装置に要求される仕様に基づき決定すればよく、画素の数の具体的な値として、３２０×２４０、４３２×２４０、６４０×４８０、１０２４×７６８、１９２０×１０８０を例示することができる。

本発明の第２の態様あるいは第４の態様に係る画像表示装置における光源として発光素子を挙げることができ、具体的には、赤色発光素子、緑色発光素子、青色発光素子、白色発光素子を挙げることができる。また、発光素子として、例えば、半導体レーザ素子やＬＥＤを例示することができる。本発明の第２の態様あるいは第４の態様に係る画像表示装置における画素（仮想の画素）の数は、画像表示装置に要求される仕様に基づき決定すればよく、画素（仮想の画素）の数の具体的な値として、３２０×２４０、４３２×２４０、６４０×４８０、１０２４×７６８、１９２０×１０８０を例示することができる。また、光源を赤色発光素子、緑色発光素子、青色発光素子から構成する場合、例えば、クロスプリズムを用いて色合成を行うことが好ましい。走査手段として、光源から出射された光を水平走査及び垂直走査する、例えば、二次元方向に回転可能なマイクロミラーを有するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）やガルバノ・ミラーを挙げることができる。リレー光学系は、周知のリレー光学系から構成すればよい。

例えば、発光素子とライト・バルブとから構成された画像形成装置あるいは光源として、全体として白色光を発光するバックライトと、赤色発光画素、緑色発光画素、及び、青色発光画素を有する液晶表示装置との組合せ以外にも、以下の構成を例示することができる。

［画像形成装置−Ａ］
画像形成装置−Ａは、
（α）青色を発光する第１発光素子が２次元マトリクス状に配列された第１発光パネルから成る第１画像形成装置、
（β）緑色を発光する第２発光素子が２次元マトリクス状に配列された第２発光パネルから成る第２画像形成装置、及び、
（γ）赤色を発光する第３発光素子が２次元マトリクス状に配列された第３発光パネルから成る第３画像形成装置、並びに、
（δ）第１画像形成装置、第２画像形成装置及び第３画像形成装置から出射された光を１本の光路に纏めるための手段（例えば、ダイクロイック・プリズムであり、以下の説明においても同様である）、
を備えており、
第１発光素子、第２発光素子及び第３発光素子のそれぞれの発光／非発光状態を制御する。

［画像形成装置−Ｂ］
画像形成装置−Ｂは、
（α）青色を発光する第１発光素子、及び、青色を発光する第１発光素子から出射された出射光の通過／非通過を制御するための第１光通過制御装置［一種のライト・バルブであり、例えば、液晶表示装置やデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、ＬＣＯＳから構成され、以下の説明においても同様である］から成る第１画像形成装置、
（β）緑色を発光する第２発光素子、及び、緑色を発光する第２発光素子から出射された出射光の通過／非通過を制御するための第２光通過制御装置（ライト・バルブ）から成る第２画像形成装置、及び、
（γ）赤色を発光する第３発光素子、及び、赤色を発光する第３発光素子から出射された出射光の通過／非通過を制御するための第３光通過制御装置（ライト・バルブ）から成る第３画像形成装置、並びに、
（δ）第１光通過制御装置、第２光通過制御装置及び第３光通過制御装置を通過した光を１本の光路に纏めるための手段、
を備えており、
光通過制御装置によってこれらの発光素子から出射された出射光の通過／非通過を制御することで画像を表示する。第１発光素子、第２発光素子、第３発光素子から出射された出射光を光通過制御装置へと案内するための手段（光案内部材）として、導光部材、マイクロレンズアレイ、ミラーや反射板、集光レンズを例示することができる。

［画像形成装置−Ｃ］
画像形成装置−Ｃは、
（α）青色を発光する第１発光素子が２次元マトリクス状に配列された第１発光パネル、及び、第１発光パネルから出射された出射光の通過／非通過を制御するための青色光通過制御装置（ライト・バルブ）から成る第１画像形成装置、
（β）緑色を発光する第２発光素子が２次元マトリクス状に配列された第２発光パネル、及び、第２発光パネルから出射された出射光の通過／非通過を制御するための緑色光通過制御装置（ライト・バルブ）から成る第２画像形成装置、
（γ）赤色を発光する第３発光素子が２次元マトリクス状に配列された第３発光パネル、及び、第３発光パネルから出射された出射光の通過／非通過を制御するための赤色光通過制御装置（ライト・バルブ）から成る第３画像形成装置、並びに、
（δ）青色光通過制御装置、緑色光通過制御装置及び赤色光通過制御装置を通過した光を１本の光路に纏めるための手段を備えており、
光通過制御装置（ライト・バルブ）によってこれらの第１発光パネル、第２発光パネル及び第３発光パネルから出射された出射光の通過／非通過を制御することで画像を表示する。

［画像形成装置−Ｄ］
画像形成装置−Ｄは、フィールドシーケンシャル方式のカラー表示の画像形成装置であり、
（α）青色を発光する第１発光素子を備えた第１画像形成装置、
（β）緑色を発光する第２発光素子を備えた第２画像形成装置、及び、
（γ）赤色を発光する第３発光素子を備えた第３画像形成装置、並びに、
（δ）第１画像形成装置、第２画像形成装置及び第３画像形成装置から出射された光を１本の光路に纏めるための手段、更には、
（ε）１本の光路に纏めるための手段から出射された光の通過／非通過を制御するための光通過制御装置（ライト・バルブ）、
を備えており、
光通過制御装置によってこれらの発光素子から出射された出射光の通過／非通過を制御することで画像を表示する。

［画像形成装置−Ｅ］
画像形成装置−Ｅも、フィールドシーケンシャル方式のカラー表示の画像形成装置であり、
（α）青色を発光する第１発光素子が２次元マトリクス状に配列された第１発光パネルから成る第１画像形成装置、
（β）緑色を発光する第２発光素子が２次元マトリクス状に配列された第２発光パネルから成る第２画像形成装置、及び、
（γ）赤色を発光する第３発光素子が２次元マトリクス状に配列された第３発光パネルから成る第３画像形成装置、並びに、
（δ）第１画像形成装置、第２画像形成装置及び第３画像形成装置のそれぞれから出射された光を１本の光路に纏めるための手段、更には、
（ε）１本の光路に纏めるための手段から出射された光の通過／非通過を制御するための光通過制御装置（ライト・バルブ）、
を備えており、
光通過制御装置によってこれらの発光パネルから出射された出射光の通過／非通過を制御することで画像を表示する。

［画像形成装置−Ｆ］
画像形成装置−Ｆは、第１発光素子、第２発光素子及び第３発光素子のそれぞれの発光／非発光状態を制御することで画像を表示する、パッシブマトリックスタイプあるいはアクティブマトリックスタイプのカラー表示の画像形成装置である。

［画像形成装置−Ｇ］
画像形成装置−Ｇは、２次元マトリクス状に配列された発光素子ユニットからの出射光の通過／非通過を制御するための光通過制御装置（ライト・バルブ）を備えており、発光素子ユニットにおける第１発光素子、第２発光素子及び第３発光素子のそれぞれの発光／非発光状態を時分割制御し、更に、光通過制御装置によって第１発光素子、第２発光素子及び第３発光素子から出射された出射光の通過／非通過を制御することで画像を表示する、フィールドシーケンシャル方式のカラー表示の画像形成装置である。

本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る画像表示装置における好ましい形態にあっては、上述したとおり、第１偏向手段は反射鏡として機能し、第２偏向手段は半透過鏡として機能する。このような形態にあっては、第１偏向手段は、例えば、合金を含む金属から構成され、導光板に入射された光を反射させる光反射膜（一種のミラー）や、導光板に入射された光を回折させる回折格子（例えば、ホログラム回折格子膜）から構成することができる。また、第２偏向手段は、誘電体積層膜が多数積層された多層積層構造体や、ハーフミラー、偏光ビームスプリッター、ホログラム回折格子膜から構成することができる。

本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る画像表示装置にあっては、第１偏向手段や第２偏向手段は、導光板の内部に配設されている（導光板の内部に組み込まれている）が、第１偏向手段においては、導光板に入射された平行光が導光板の内部で全反射されるように、導光板に入射された平行光が反射又は回折される。一方、第２偏向手段においては、導光板の内部を全反射により伝播した平行光が複数回に亙り反射又は回折され、導光板から平行光の状態で出射される。

本発明の第３の態様あるいは第４の態様に係る画像表示装置における好ましい形態にあっては、上述したとおり、第１偏向手段及び第２偏向手段は、好ましい形態にあっては、反射型回折格子素子、具体的には、例えば、反射型体積ホログラム回折格子から成る。尚、反射型体積ホログラム回折格子から成る第１偏向手段を、便宜上、『第１回折格子部材』と呼び、反射型体積ホログラム回折格子から成る第２偏向手段を、便宜上、『第２回折格子部材』と呼ぶ場合がある。

ここで、第１回折格子部材あるいは第２回折格子部材を、異なるＰ種類（例えば、Ｐ＝３であり、赤色、緑色、青色の３種類）の波長帯域（あるいは、波長）を有するＰ種類の光の回折反射に対応させるために、反射型体積ホログラム回折格子から成るＰ層の回折格子層が積層されて成る構成とすることができる。尚、各回折格子層には１種類の波長帯域（あるいは、波長）に対応する干渉縞が形成されている。あるいは又、異なるＰ種類の波長帯域（あるいは、波長）を有するＰ種類の光の回折反射に対応するために、１層の回折格子層から成る第１回折格子部材あるいは第２回折格子部材にＰ種類の干渉縞が形成されている構成とすることもできる。あるいは又、画角を例えば三等分して、第１回折格子部材あるいは第２回折格子部材を、各画角に対応する回折格子層が積層されて成る構成とすることができる。そして、これらの構成を採用することで、各波長帯域（あるいは、波長）を有する光が第１回折格子部材あるいは第２回折格子部材において回折反射されるときの回折効率の増加、回折受容角の増加、回折角の最適化を図ることができる。

第１回折格子部材及び第２回折格子部材を構成する材料として、フォトポリマー材料を挙げることができる。反射型体積ホログラム回折格子から成る第１回折格子部材及び第２回折格子部材の構成材料や基本的な構造は、従来の反射型体積ホログラム回折格子の構成材料や構造と同じとすればよい。ここで、反射型体積ホログラム回折格子とは、＋１次の回折光のみを回折反射するホログラム回折格子を意味する。回折格子部材には、その内部から表面に亙り干渉縞が形成されているが、係る干渉縞それ自体の形成方法は、従来の形成方法と同じとすればよい。具体的には、例えば、回折格子部材を構成する部材（例えば、フォトポリマー材料）に対して一方の側の第１の所定の方向から物体光を照射し、同時に、回折格子部材を構成する部材に対して他方の側の第２の所定の方向から参照光を照射し、物体光と参照光とによって形成される干渉縞を回折格子部材を構成する部材の内部に記録すればよい。第１の所定の方向、第２の所定の方向、物体光及び参照光の波長を適切に選択することで、回折格子部材の表面における干渉縞の所望のピッチ、干渉縞の所望の傾斜角（スラント角）を得ることができる。ここで、干渉縞の傾斜角とは、回折格子部材（あるいは回折格子層）の表面と干渉縞の成す角度を意味する。第１回折格子部材及び第２回折格子部材を、反射型体積ホログラム回折格子から成るＰ層の回折格子層の積層構造から構成する場合、このような回折格子層の積層は、Ｐ層の回折格子層をそれぞれ別個に作製した後、Ｐ層の回折格子層を、例えば、紫外線硬化型接着剤を使用して積層（接着）すればよい。また、粘着性を有するフォトポリマー材料を用いて１層の回折格子層を作製した後、その上に順次粘着性を有するフォトポリマー材料を貼り付けて回折格子層を作製することで、Ｐ層の回折格子層を作製してもよい。

以上に説明した好ましい形態、構成を含む本発明の第１の態様〜第４の態様に係る画像表示装置（以下、これらを総称して、単に、『本発明の画像表示装置』と呼ぶ場合がある）においては、コリメート光学系にて複数の平行光とされた光を導光板に入射させるが、このような、平行光であることの要請は、これらの光が導光板へ入射したときの光波面情報が、第１偏向手段と第２偏向手段を介して導光板から出射された後も保存される必要があることに基づく。尚、複数の平行光を生成させるためには、具体的には、コリメート光学系における焦点距離の所（位置）に、例えば、画像形成装置を位置させればよい。ここで、コリメート光学系は、画素の位置情報を光学装置の光学系における角度情報に変換する機能を有する。

本発明の画像表示装置において、導光板は、導光板の軸線（Ｙ方向）と平行に延びる２つの平行面（第１面及び第２面）を有している。ここで、光が入射する導光板の面を導光板入射面、光が出射する導光板の面を導光板出射面としたとき、第１面によって導光板入射面及び導光板出射面が構成されていてもよいし、第１面によって導光板入射面が構成され、第２面によって導光板出射面が構成されていてもよい。

導光板を構成する材料として、石英ガラスやＢＫ７等の光学ガラスを含むガラスや、プラスチック材料（例えば、ＰＭＭＡ、ポリカーボネート樹脂、アクリル系樹脂、非晶性のポリプロピレン系樹脂、ＡＳ樹脂を含むスチレン系樹脂）を挙げることができる。導光板の形状は、平板に限定するものではなく、湾曲した形状を有していてもよい。

本発明の画像表示装置を構成するコリメート光学系として、凸レンズ、凹レンズ、自由曲面プリズム、ホログラムレンズを、単独、若しくは、組み合わせた、全体として正の光学的パワーを持つ光学系を例示することができる。

本発明の画像表示装置によって、例えば、ＨＭＤを構成することができ、装置の軽量化、小型化を図ることができ、装置装着時の不快感を大幅に軽減させることが可能となるし、更には、製造コストダウンを図ることも可能となる。

実施例１は、本発明の第１の態様に係る画像表示装置に関する。実施例１あるいは後述する実施例３の画像表示装置１００，３００は、図１に概念図を示すように、
（Ａ）２次元マトリクス状に配列された複数の画素を有する画像形成装置１１１、
（Ｂ）画像形成装置１１１の各画素から出射された光を平行光とするコリメート光学系１１２、及び、
（Ｃ）コリメート光学系１１２にて平行光とされた光束が入射され、導光され、出射される光学装置１２０，３２０、
を備えている。

そして、実施例１において、光学装置１２０は、
（ａ）入射された光が内部を全反射により伝播した後、出射される導光板１２１、
（ｂ）導光板１２１に入射された光が導光板１２１の内部で全反射されるように、導光板１２１に入射された光を偏向させる第１偏向手段１３０、及び、
（ｃ）導光板１２１の内部を全反射により伝播した光を導光板１２１から出射させるために、導光板１２１の内部を全反射により伝播した光を複数回に亙り偏向させる第２偏向手段１４０、
を備えている。

ここで、第１偏向手段１３０及び第２偏向手段１４０は導光板１２１の内部に配設されている。そして、第１偏向手段１３０は、導光板１２１に入射された光を反射し、第２偏向手段１４０は、導光板１２１の内部を全反射により伝播した光を、複数回に亙り、透過、反射する。即ち、第１偏向手段１３０は反射鏡として機能し、第２偏向手段１４０は半透過鏡として機能する。より具体的には、導光板１２１の内部に設けられた第１偏向手段１３０は、アルミニウムから成り、導光板１２１に入射された光を反射させる光反射膜（一種のミラー）から構成されている。一方、導光板１２１の内部に設けられた第２偏向手段１４０は、誘電体積層膜が多数積層された多層積層構造体から構成されている。誘電体積層膜は、例えば、高誘電率材料としてのＴｉＯ₂膜、及び、低誘電率材料としてのＳｉＯ₂膜から構成されている。誘電体積層膜が多数積層された多層積層構造体に関しては、特表２００５−５２１０９９に開示されている。図面においては６層の誘電体積層膜を図示しているが、これに限定するものではない。誘電体積層膜と誘電体積層膜との間には、導光板１２１を構成する材料と同じ材料から成る薄片が挟まれている。尚、第１偏向手段１３０においては、導光板１２１に入射された平行光が導光板１２１の内部で全反射されるように、導光板１２１に入射された平行光が反射（又は回折）される。一方、第２偏向手段１４０においては、導光板１２１の内部を全反射により伝播した平行光が複数回に亙り反射（又は回折）され、導光板１２１から平行光の状態で出射される。

第１偏向手段１３０は、導光板１２１の第１偏向手段１３０を設ける部分１２４を切り出すことで、導光板１２１に第１偏向手段１３０を形成すべき斜面を設け、係る斜面に光反射膜を真空蒸着した後、導光板１２１の切り出した部分１２４を第１偏向手段１３０に接着すればよい。また、第２偏向手段１４０は、導光板１２１を構成する材料と同じ材料（例えば、ガラス）と誘電体積層膜（例えば、真空蒸着法にて成膜することができる）とが多数積層された多層積層構造体を作製し、導光板１２１の第２偏向手段１４０を設ける部分１２５を切り出して斜面を形成し、係る斜面に多層積層構造体を接着し、研磨等を行って、外形を整えればよい。こうして、導光板１２１の内部に第１偏向手段１３０及び第２偏向手段１４０が設けられた光学装置１２０を得ることができる。

実施例１あるいは後述する実施例３において、画像形成装置１１１は、反射型空間光変調装置１５０、及び、白色光を出射する発光ダイオードから成る光源１５３から構成されている。より具体的には、反射型空間光変調装置１５０は、ライト・バルブとしてのＬＣＯＳから成る液晶表示装置（ＬＣＤ）１５１、及び、光源１５３からの光の一部を反射して液晶表示装置１５１へと導き、且つ、液晶表示装置１５１によって反射された光の一部を通過させてコリメート光学系１１２へと導く偏光ビームスプリッター１５２から構成されている。液晶表示装置１５１は、２次元マトリクス状に配列された複数（例えば、３２０×２４０個）の画素（液晶セル）を備えている。偏光ビームスプリッター１５２は、周知の構成、構造を有する。光源１５３から出射された無偏光の光は、偏光ビームスプリッター１５２に衝突する。偏光ビームスプリッター１５２において、Ｐ偏光成分は通過し、系外に出射される。一方、Ｓ偏光成分は、偏光ビームスプリッター１５２において反射され、液晶表示装置１５１に入射し、液晶表示装置１５１の内部で反射され、液晶表示装置１５１から出射される。ここで、液晶表示装置１５１から出射した光の内、「白」を表示する画素から出射した光にはＰ偏光成分が多く含まれ、「黒」を表示する画素から出射した光にはＳ偏光成分が多く含まれる。従って、液晶表示装置１５１から出射され、偏光ビームスプリッター１５２に衝突する光の内、Ｐ偏光成分は、偏光ビームスプリッター１５２を通過し、コリメート光学系１１２へと導かれる。一方、Ｓ偏光成分は、偏光ビームスプリッター１５２において反射され、光源１５３に戻される。液晶表示装置１５１は、例えば、２次元マトリクス状に配列された複数（例えば、３２０×２４０個）の画素（液晶セルの数は画素数の３倍）を備えている。コリメート光学系１１２は、例えば、凸レンズから構成され、平行光を生成させるために、コリメート光学系１１２における焦点距離の所（位置）に画像形成装置１１１（より具体的には、液晶表示装置１５１）が配置されている。また、１画素は、赤色を出射する赤色発光副画素、緑色を出射する緑色発光副画素、及び、青色を出射する青色発光副画素から構成されている。

ここで、実施例１、あるいは、後述する実施例２〜実施例４において、光学ガラスやプラスチック材料から成る導光板１２１，３２１は、導光板１２１，３２１の軸線と平行に延びる２つの平行面（第１面１２２，３２２及び第２面１２３，３２３）を有している。第１面１２２，３２２と第２面１２３，３２３とは対向している。そして、光入射面に相当する第１面１２２，３２２から平行光が入射され、内部を全反射により伝播した後、光出射面に相当する第１面１２２，３２２から出射される。但し、これに限定するものではなく、第２面１２３，３２３によって光入射面が構成され、第１面１２２，３２２によって光出射面が構成されていてもよい。

実施例１、あるいは、後述する実施例２〜実施例４において、導光板１２１，３２１の軸線方向をＹ方向、導光板１２１，３２１の法線方向をＸ方向とし、導光板１２１，３２１に入射する光束のＹ方向に沿った幅（即ち、実施例１、実施例３にあっては、コリメート光学系の出射瞳径であり、実施例２、実施例４にあっては、リレー光学系の出射瞳径である）をＷ_Y（単位：ｍｍ）、導光板１２１，３２１の厚さをｔ（単位：ｍｍ）、導光板１２１，３２１の内部で全反射される光の導光板内面への入射角をθとする。

そして、実施例１にあっては、少なくとも１つの画素から出射された１つの波長を有する光において、
２ｔ・ｓｉｎ（θ）−２≦Ｗ_Y≦２ｔ・ｓｉｎ（θ）＋２ （１）
を満足する。

図２に概念図を示すように、導光板１２１に入射したＹ方向に幅Ｗ_Yを有する光束は、第１偏向手段（光反射膜）１３０で反射され、導光板１２１内を全反射して伝播していく。このとき、導光板１２１内を全反射により伝播する光束が、導光板１２１内で重なることが無く、且つ、隙間なく、導光板１２１を満たすといった要請を満足するように、導光板に入射する光束のＹ方向に沿った幅Ｗ_Y、導光板の厚さｔ、導光板の内部で全反射される光の導光板内面への入射角θといったパラメータを設定すれば、図１３にて説明したような現象は生じない。

Ｙ方向に幅Ｗ_Yを有する光束が導光板１２１内で全反射を繰り返すときの光束の幅には変化が無く、Ｗ_Yである。ここで、光が、例えば、導光板１２１の第１面１２２の内面で全反射され、次いで、第２面１２３の内面で全反射され、更に、再び、第１面１２２の内面で全反射されるまでに、進行する距離をＤｓ（単位：ｍｍ）とする。このとき、図２に概念図を示すように、Ｗ_YとＤｓとの間で以下の式（３）の関係を満足すれば、上記の要請を満たすことになる。また、ｔとθとＤｓの間には、以下の式（４）の関係がある。そして、式（３）及び式（４）から式（５）が導かれる。

Ｄｓ＝Ｗ_Y／ｃｏｓ（θ） （３）
Ｄｓ＝２ｔ・ｔａｎ（θ） （４）
Ｗ_Y ＝２ｔ・ｓｉｎ（θ） （５）

従って、式（５）を満足すれば、導光板１２１内を全反射により伝播する光束が、導光板１２１内で重なることが無く、且つ、隙間なく、導光板１２１を満たすので、観察者の瞳１０がＹ方向に移動しても、図１３にて説明したような現象が生ぜず、画像の急激な明るさ（輝度）の変化が発生しない。云い換えれば、観察者の瞳１０がどの領域に位置しても、コリメート光学系１１２から出射される光は、最終的に、瞳１０に到達し、画像表示装置１００において、観察者の瞳位置により表示画像に輝度むら、色むらが発生し難い。それ故、高い表示品質を有する画像表示装置を提供することができる。

尚、人間の目が感じる光の明るさは、照度「Ａ」の対数［ｌｏｇ（Ａ）］に比例しており、ディスプレイ等の明るいものを観察している場合、特に輝度変化に対して鈍感であることが知られている。また、人間の瞳径は、ディスプレイ等の明るいものを観察している場合、通常、４ｍｍ程度となっているため、導光板から出射される光に、Ｙ方向に沿って２ｍｍ程度の隙間が生じていても、あるいは又、２ｍｍ程度の重複が生じていても、これまでの実験から視覚的に大きな輝度変化を感じないことが判っている。従って、式（５）における等号を、式（１）の範囲まで拡大することができる。

実際に式（１）の上限、下限を満足する光学装置を備えた画像表示装置を試作し、画像を観察したが、観察者の瞳位置により表示画像に輝度むら、色むらが発生しているとは認められなかった。

実施例２は、本発明の第２の態様に係る画像表示装置に関する。実施例２、あるいは、後述する実施例４の画像表示装置２００，４００は、図３に概念図を示すように、
（Ａ）光源２５１、
（Ｂ）光源２５１から出射された光を平行光とするコリメート光学系２５２、
（Ｃ）コリメート光学系２５２から出射された平行光を走査する走査手段２５３、
（Ｄ）走査手段２５３によって走査された平行光をリレーするリレー光学系２５４、及び、
（Ｅ）リレー光学系２５４にて平行光とされた光束が入射され、導光され、出射される光学装置１２０、
を備えた画像表示装置である。

ここで、光学装置１２０は、実施例１にて説明した光学装置１２０と同じ構成、構造を有し、また、光学装置１２０に入射した光の挙動は、実施例１にて説明したと同様であり、式（１）を満足しているので、詳細な説明は省略する。

光源２５１は、赤色を発光する赤色発光素子２５１Ｒ、緑色を発光する緑色発光素子２５１Ｇ、青色を発光する青色発光素子２５１Ｂから構成されており、各発光素子は半導体レーザ素子から成る。光源２５１から出射された３原色の光は、クロスプリズム２５５を通過することで色合成が行われ、光路が一本化され、全体として正の光学的パワーを持つコリメート光学系２５２に入射し、平行光として出射される。そして、この平行光は、全反射ミラー２５６で反射され、マイクロミラーを二次元方向に回転自在とし、入射した平行光を２次元的に走査することができるＭＥＭＳから成る走査手段２５３によって水平走査及び垂直走査が行われ、一種の２次元画像化され、仮想の画素が生成される。そして、仮想の画素からの光は、周知のリレー光学系から構成されたリレー光学系２５４を通過し、平行光とされた光束が光学装置１２０に入射する。

実施例２にあっても、実際に式（１）の上限、下限を満足する光学装置を備えた画像表示装置を試作し、画像を観察したが、観察者の瞳位置により表示画像に輝度むら、色むらが発生しているとは認められなかった。

実施例３は、本発明の第３の態様に係る画像表示装置に関する。図４の（Ａ）に概念図を示すように、実施例３の画像表示装置３００における画像形成装置１１１及びコリメート光学系１１２は、実施例１において説明した画像形成装置１１１及びコリメート光学系１１２と同じ構成、構造を有する。また、光学装置３２０も、第１偏向手段及び第２偏向手段の構成、構造が異なる点を除き、基本的な構成、構造、即ち、
（ａ）入射された光が内部を全反射により伝播した後、出射される導光板３２１、
（ｂ）導光板３２１に入射された光が導光板３２１の内部で全反射されるように、導光板３２１に入射された光を偏向させる第１偏向手段、及び、
（ｃ）導光板３２１の内部を全反射により伝播した光を導光板３２１から出射させるために、導光板３２１の内部を全反射により伝播した光を複数回に亙り偏向させる第２偏向手段、
を備えている点は、実施例１の光学装置１２０と同じである。

実施例３にあっては、第１偏向手段及び第２偏向手段は導光板３２１の表面（具体的には、導光板３２１の第２面３２３）に配設されている。そして、第１偏向手段は、導光板３２１に入射された光を回折し、第２偏向手段は、導光板３２１の内部を全反射により伝播した光を、複数回に亙り、回折する。ここで、第１偏向手段及び第２偏向手段は、回折格子素子、具体的には反射型回折格子素子、より具体的には反射型体積ホログラム回折格子から成る。以下の説明において、反射型体積ホログラム回折格子から成る第１偏向手段を、便宜上、『第１回折格子部材３３０』と呼び、反射型体積ホログラム回折格子から成る第２偏向手段を、便宜上、『第２回折格子部材３４０』と呼ぶ。

そして、実施例３、あるいは、後述する実施例４にあっては、第１回折格子部材３３０及び第２回折格子部材３４０を、異なるＰ種類（具体的には、Ｐ＝３であり、赤色、緑色、青色の３種類）の波長帯域（あるいは、波長）を有するＰ種類の光の回折反射に対応させるために、反射型体積ホログラム回折格子から成るＰ層の回折格子層が積層されて成る構成としている。尚、フォトポリマー材料から成る各回折格子層には、１種類の波長帯域（あるいは、波長）に対応する干渉縞が形成されており、従来の方法で作製されている。より具体的には、赤色の光を回折反射する回折格子層と、緑色の光を回折反射する回折格子層と、青色の光を回折反射する回折格子層とが積層された構造を、第１回折格子部材３３０及び第２回折格子部材３４０は有する。回折格子層（回折光学素子）に形成された干渉縞のピッチは一定であり、干渉縞は直線状であり、Ｚ軸方向に平行である。尚、図４の（Ａ）及び図７においては、第１回折格子部材３３０及び第２回折格子部材３４０を１層で示した。このような構成を採用することで、各波長帯域（あるいは、波長）を有する光が第１回折格子部材３３０及び第２回折格子部材３４０において回折反射されるときの回折効率の増加、回折受容角の増加、回折角の最適化を図ることができる。

図４の（Ｂ）に反射型体積ホログラム回折格子の拡大した模式的な一部断面図を示す。反射型体積ホログラム回折格子には、傾斜角φを有する干渉縞が形成されている。ここで、傾斜角φとは、反射型体積ホログラム回折格子の表面と干渉縞の成す角度を指す。干渉縞は、反射型体積ホログラム回折格子の内部から表面に亙り、形成されている。干渉縞は、ブラッグ条件を満たしている。ここで、ブラッグ条件とは、以下の式（Ａ）を満足する条件を指す。式（Ａ）中、ｍは正の整数、λは波長、ｄは格子面のピッチ（干渉縞を含む仮想平面の法線方向の間隔）、Θは干渉縞へ入射する角度の補角を意味する。また、入射角ψにて回折格子部材に光が侵入した場合の、Θ、傾斜角φ、入射角ψの関係は、式（Ｂ）のとおりである。

ｍ・λ＝２・ｄ・ｓｉｎ（Θ） （Ａ）
Θ＝９０°−（φ＋ψ） （Ｂ）

第１回折格子部材３３０は、上述したとおり、導光板３２１の第２面３２３に配設（接着）されており、第１面３２２から導光板３２１に入射されたこの平行光が導光板３２１の内部で全反射されるように、導光板３２１に入射されたこの平行光を回折反射する。更には、第２回折格子部材３４０は、上述したとおり、導光板３２１の第２面３２３に配設（接着）されており、導光板３２１の内部を全反射により伝播したこの平行光を、複数回、回折反射し、導光板３２１から平行光のまま第１面３２２から出射する。但し、これに限定するものではなく、第２面３２３によって導光板入射面が構成され、第１面３２２によって導光板出射面が構成されていてもよい。

そして、導光板３２１にあっても、赤色、緑色及び青色の３色の平行光が内部を全反射により伝播した後、出射される。このとき、導光板３２１が薄く導光板３２１の内部を進行する光路が長いため、各画角によって第２回折格子部材３４０に至るまでの全反射回数は異なっている。より詳細に述べれば、導光板３２１に入射する平行光のうち、第２回折格子部材３４０に近づく方向の角度をもって入射する平行光の反射回数は、第２回折格子部材３４０から離れる方向の角度をもって導光板３２１に入射する平行光の反射回数よりも少ない。これは、第１回折格子部材３３０において回折反射される平行光であって、第２回折格子部材３４０に近づく方向の角度をもって導光板３２１に入射する平行光の方が、これと逆方向の角度をもって導光板３２１に入射する平行光よりも、導光板３２１の内部を伝播していく光が導光板３２１の内面と衝突するときの導光板３２１の法線と成す角度が小さくなるからである。また、第２回折格子部材３４０の内部に形成された干渉縞の形状と、第１回折格子部材３３０の内部に形成された干渉縞の形状とは、導光板３２１の軸線に垂直な仮想面に対して対称な関係にある。

後述する実施例４における導光板３２１も、基本的には、以上に説明した導光板３２１の構成、構造と同じ構成、構造を有する。

そして、実施例３の画像表示装置にあっては、
２ｔ・ｔａｎ（θ）−２≦Ｗ_Y≦２ｔ・ｔａｎ（θ）＋２ （２）
を満足する。

図５に概念図を示すように、導光板３２１に入射したＹ方向に幅Ｗ_Yを有する光束は、第１回折格子部材３３０で回折反射され、導光板３２１内を全反射して伝播していく。このとき、導光板３２１内を全反射により伝播する光束が、導光板３２１内で重なることが無く、且つ、隙間なく、導光板３２１を満たすといった要請を満足するように、導光板に入射する光束のＹ方向に沿った幅Ｗ_Y、導光板の厚さｔ、導光板の内部で全反射される光の導光板内面への入射角θといったパラメータを設定すれば、図１４にて説明したような現象は生じない。

即ち、第１回折格子部材３３０で、一度、回折反射され、導光板３２１で全反射された光が、導光板３２１で全反射されるまでに進行する距離をＤｓ’（単位：ｍｍ）とする。このとき、図５に概念図を示すように、Ｗ_YとＤｓ’との間で以下の式（６）の関係を満足すれば、上記の要請を満たすことになる。

Ｄｓ’＝２ｔ・ｔａｎ（θ） （６）

従って、式（６）を満足すれば、導光板３２１内を全反射により伝播する光束が、導光板３２１内で重なることが無く、且つ、隙間なく、導光板３２１を満たすので、観察者の瞳１０がＹ方向に移動しても、図１４にて説明したような現象が生ぜず、画像の急激な明るさ（輝度）の変化が発生しない。云い換えれば、観察者の瞳１０がどの領域に位置しても、コリメート光学系３１２から出射される光は、最終的に、瞳１０に到達し、画像表示装置３００において、観察者の瞳位置により表示画像に輝度むら、色むらが発生し難い。それ故、高い表示品質を有する画像表示装置を提供することができる。

前述したとおり、導光板から出射される光に、Ｙ方向に沿って２ｍｍ程度の隙間が生じていても、あるいは又、２ｍｍ程度の重複が生じていても、これまでの実験から視覚的に大きな輝度変化を感じないことが判っている。従って、式（６）における等号を、式（２）の範囲まで拡大することができる。同様の理由に基づき、後述する式（７）における等号を、式（８）の範囲まで拡大することができる。

実際に式（２）の上限、下限を満足する光学装置を備えた画像表示装置を試作し、画像を観察したが、観察者の瞳位置により表示画像に輝度むら、色むらが発生しているとは認められなかった。尚、実施例３の画像表示装置を２組、観察者が装着した状態を示す概念図を図６に示す。

尚、第１回折格子部材３３０で、一度、回折反射され、導光板３２１で全反射された光が、再び第１回折格子部材３３０に入射しないことが、導光板３２１内を全反射により伝播する光束が導光板３２１内で重なることが無く、且つ、隙間なく、導光板３２１を満たすといった条件を満足する上で、一層好ましい。即ち、Ｙ方向に沿った第１偏向手段３３０の有効長をＬ_H-1（単位：ｍｍ）としたとき、
Ｌ_H-1＝２ｔ・ｔａｎ（θ） （７）
を満足することが一層好ましい。尚、式（７）は、上述したとおり、以下の式（８）の範囲まで拡大することができる。
２ｔ・ｔａｎ（θ）−２≦Ｌ_H-1≦２ｔ・ｔａｎ（θ）＋２ （８）

実施例４は、本発明の第４の態様に係る画像表示装置に関する。

実施例４の画像表示装置の概念図を図７に示すが、実施例４の画像表示装置における光源２５１、コリメート光学系２５２、走査手段２５３、リレー光学系２５４等は、実施例２と同じ構成、構造を有する。また、実施例４における光学装置３２０は、実施例３における光学装置３２０と同じ構成、構造を有し、光学装置３２０に入射する光の挙動は、実施例３にて説明したと同様である。

実施例４にあっても、実際に式（２）の上限、下限を満足する光学装置を備えた画像表示装置を試作し、画像を観察したが、観察者の瞳位置により表示画像に輝度むら、色むらが発生しているとは認められなかった。

以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこれらの実施例に限定するものではない。実施例において説明した画像表示装置の構成、構造は例示であり、適宜変更することができる。例えば、実施例３あるいは実施例４の光学装置にあっては、導光板３２１の第１面３２２に透過型ホログラムから成る第１偏向手段を配設し、第２面３２２に反射型ホログラムから成る第２偏向手段を配設するといった構成とすることもできる。このような構成にあっては、第１偏向手段に入射した光は、回折され、導光板内で全反射条件を満たし、第２偏向手段まで伝播される。そして、第２偏向手段において回折反射され、導光板から出射される。また、実施例３あるいは実施例４の光学装置にあっては、回折格子素子を透過型回折格子素子から構成することもできるし、あるいは又、第１偏向手段及び第２偏向手段の内のいずれか一方を反射型回折格子素子から構成し、他方を透過型回折格子素子から構成する形態とすることもできる。あるいは又、回折格子素子を、反射型ブレーズド回折格子素子や表面レリーフ型ホログラムとすることもできる。

実施例１あるいは実施例３での使用に適した画像形成装置の変形例として、例えば、図８に概念図を示すような、半導体発光素子から成る発光素子５０１が２次元マトリクス状に配列された発光パネルから成り、発光素子５０１のそれぞれの発光／非発光状態を制御することで、発光素子５０１の発光状態を直接的に視認させることで画像を表示する、アクティブマトリックスタイプの画像形成装置とすることもできる。この画像形成装置から出射された光は、コリメート光学系１１２を介して導光板１２１，３２１に入射される。

あるいは又、図９に概念図を示すように、
（α）赤色を発光する赤色発光素子５０１Ｒが２次元マトリクス状に配列された赤色発光パネル５１１Ｒ、
（β）緑色を発光する緑色発光素子５０１Ｇが２次元マトリクス状に配列された緑色発光パネル５１１Ｇ、及び、
（γ）青色を発光する青色発光素子５０１Ｂが２次元マトリクス状に配列された青色発光パネル５１１Ｂ、並びに、
（δ）赤色発光パネル５１１Ｒ、緑色発光パネル５１１Ｇ及び青色発光パネル５１１Ｂから出射された光を１本の光路に纏めるための手段（例えば、ダイクロイック・プリズム５０３）、
を備えており、
赤色発光素子５０１Ｒ、緑色発光素子５０１Ｇ及び青色発光素子５０１Ｂのそれぞれの発光／非発光状態を制御するカラー表示の画像形成装置とすることもできる。この画像形成装置から出射された光も、コリメート光学系１１２を介して導光板１２１，３２１に入射される。尚、参照番号５１２は、発光素子から出射された光を集光するためのマイクロレンズである。

あるいは又、発光素子５０１Ｒ，５０１Ｇ，５０１Ｂが２次元マトリクス状に配列された発光パネル５１１Ｒ，５１１Ｇ，５１１Ｂ等から成る画像形成装置の概念図を図１０に示すが、発光パネル５１１Ｒ，５１１Ｇ，５１１Ｂから出射された光は、光通過制御装置５０４Ｒ，５０４Ｇ，５０４Ｂによって通過／非通過が制御され、ダイクロイック・プリズム５０３に入射し、これらの光の光路は１本の光路に纏められ、コリメート光学系１１２を介して導光板１２１，３２１に入射される。

あるいは又、発光素子５０１Ｒ，５０１Ｇ，５０１Ｂが２次元マトリクス状に配列された発光パネル５１１Ｒ，５１１Ｇ，５１１Ｂ等から成る画像形成装置の概念図を図１１に示すが、発光パネル５１１Ｒ，５１１Ｇ，５１１Ｂから出射された光は、ダイクロイック・プリズム５０３に入射し、これらの光の光路は１本の光路に纏められ、ダイクロイック・プリズム５０３から出射したこれらの光は光通過制御装置５０４によって通過／非通過が制御され、コリメート光学系１１２を介して導光板１２１，３２１に入射される。

あるいは又、図１２に示すように、赤色を発光する発光素子５０１Ｒ、及び、赤色を発光する発光素子５０１Ｒから出射された出射光の通過／非通過を制御するための一種のライト・バルブである光通過制御装置（例えば、液晶表示装置５０４Ｒ）、緑色を発光する発光素子５０１Ｇ、及び、緑色を発光する発光素子５０１Ｇから出射された出射光の通過／非通過を制御するための一種のライト・バルブである光通過制御装置（例えば、液晶表示装置５０４Ｇ）、青色を発光する発光素子５０１Ｂ、及び、青色を発光する発光素子５０１Ｂから出射された出射光の通過／非通過を制御するための一種のライト・バルブである光通過制御装置（例えば、液晶表示装置５０４Ｂ）、並びに、これらのＧａＮ系半導体から成る発光素子５０１Ｒ，５０１Ｇ，５０１Ｂから出射された光を案内する光案内部材５０２、及び、１本の光路に纏めるための手段（例えば、ダイクロイック・プリズム５０３）を備えた画像形成装置とすることもできる。

図１は、実施例１の画像表示装置の概念図である。 図２は、実施例１あるいは実施例２の画像表示装置において導光板を伝播する光の状態を示す概念図である。 図３は、実施例２の画像表示装置の概念図である。 図４の（Ａ）は、実施例３の画像表示装置の概念図であり、図４の（Ｂ）は、反射型体積ホログラム回折格子の一部を拡大して示す模式的な断面図である。 図５は、実施例３あるいは実施例４の画像表示装置において導光板に入射する平行光の状態を示す概念図である。 図６は、実施例３の画像表示装置を２組、観察者が装着した状態を示す概念図である。 図７は、実施例４の画像表示装置の概念図である。 図８は、実施例１あるいは実施例３での使用に適した画像形成装置の変形例の概念図である。 図９は、実施例１あるいは実施例３での使用に適した画像形成装置の別の変形例を示す概念図である。 図１０は、実施例１あるいは実施例３での使用に適した画像形成装置の更に別の変形例を示す概念図である。 図１１は、実施例１あるいは実施例３での使用に適した画像形成装置の更に別の変形例を示す概念図である。 図１２は、実施例１あるいは実施例３での使用に適した画像形成装置の更に別の変形例を示す概念図である。 図１３は、従来の第１形式の画像表示装置における問題点を説明するための概念図である。 図１４は、従来の第２形式の画像表示装置における問題点を説明するための概念図である。

符号の説明

１０・・・観察者の瞳、１００，２００，３００，４００・・・画像表示装置、１１１・・・画像形成装置、１１２・・・コリメート光学系、１２０，３２０・・・光学装置、１２１，３２１・・・導光板、１２２，３２２・・・導光板の第１面、１２３，３２３・・・導光板の第２面、１２４，１２５・・・導光板の一部分、１３０・・・第１偏向手段、１４０・・・第２偏向手段、３３０・・・第１偏向手段（第１回折格子部材）、３４０・・・第２偏向手段（第２回折格子部材）、１５０・・・反射型空間光変調装置、１５１・・・液晶表示装置（ＬＣＤ）、１５２・・・偏光ビームスプリッター、１５３・・・光源、２５１・・・光源、２５２・・・コリメート光学系、２５３・・・走査手段、２５４・・・リレー光学系、２５５・・・クロスプリズム、２５６・・・全反射ミラー、５０１，５０１Ｒ，５０１Ｇ，５０１Ｂ・・・発光素子、５０２・・・光案内部材、５０３・・・ダイクロイック・プリズム、５０４，５０４Ｒ，５０４Ｇ，５０４Ｂ・・・光通過制御装置、５１１Ｒ，５１１Ｇ，５１１Ｂ・・・発光パネル、５１２・・・マイクロレンズ

Claims (20)

1. （Ａ）２次元マトリクス状に配列された複数の画素を有する画像形成装置、
   （Ｂ）前記画像形成装置の各画素から出射された光を平行光とするコリメート光学系、及び、
   （Ｃ）前記コリメート光学系にて平行光とされた光束が入射され、導光され、出射される光学装置、
   を備えた画像表示装置であって、
   前記光学装置は、
   （ａ）入射された光が内部を全反射により伝播した後、出射される導光板、
   （ｂ）前記導光板に入射された光が前記導光板の内部で全反射されるように、前記導光板に入射された光を偏向させる第１偏向手段、及び、
   （ｃ）前記導光板の内部を全反射により伝播した光を前記導光板から出射させるために、前記導光板の内部を全反射により伝播した光を複数回に亙り偏向させる第２偏向手段、
   を備えており、
   前記第１偏向手段及び前記第２偏向手段は前記導光板の内部に配設されており、
   前記導光板の軸線方向をＹ方向、前記導光板の法線方向をＸ方向とし、前記導光板に入射する光束のＹ方向に沿った幅をＷ_Y（単位：ｍｍ）、前記導光板の厚さをｔ（単位：ｍｍ）、前記導光板の内部で全反射される光の前記導光板内面への入射角をθとしたとき、少なくとも１つの画素から出射された１つの波長を有する光において、
   ２ｔ・ｓｉｎ（θ）−２≦Ｗ_Y≦２ｔ・ｓｉｎ（θ）＋２ （１）
   を満足する画像表示装置。
2. 前記第１偏向手段は、前記導光板に入射された光を反射し、
   前記第２偏向手段は、前記導光板の内部を全反射により伝播した光を、複数回に亙り、透過、反射する請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記第１偏向手段は、反射鏡として機能し、
   前記第２偏向手段は、半透過鏡として機能する請求項２に記載の画像表示装置。
4. （Ａ）光源、
   （Ｂ）前記光源から出射された光を平行光とするコリメート光学系、
   （Ｃ）前記コリメート光学系から出射された平行光を走査する走査手段、
   （Ｄ）前記走査手段によって走査された平行光をリレーするリレー光学系、及び、
   （Ｅ）前記リレー光学系にて平行光とされた光束が入射され、導光され、出射される光学装置、
   を備えた画像表示装置であって、
   前記光学装置は、
   （ａ）入射された光が内部を全反射により伝播した後、出射される導光板、
   （ｂ）前記導光板に入射された光が前記導光板の内部で全反射されるように、前記導光板に入射された光を偏向させる第１偏向手段、及び、
   （ｃ）前記導光板の内部を全反射により伝播した光を前記導光板から出射させるために、前記導光板の内部を全反射により伝播した光を複数回に亙り偏向させる第２偏向手段、
   を備えており、
   前記第１偏向手段及び前記第２偏向手段は前記導光板の内部に配設されており、
   前記導光板の軸線方向をＹ方向、前記導光板の法線方向をＸ方向とし、前記導光板に入射する光束のＹ方向に沿った幅をＷ_Y（単位：ｍｍ）、前記導光板の厚さをｔ（単位：ｍｍ）、前記導光板の内部で全反射される光の前記導光板内面への入射角をθとしたとき、少なくとも１つの画素から出射された１つの波長を有する光において、
   ２ｔ・ｓｉｎ（θ）−２≦Ｗ_Y≦２ｔ・ｓｉｎ（θ）＋２ （１）
   を満足する画像表示装置。
5. 前記第１偏向手段は、前記導光板に入射された光を反射し、
   前記第２偏向手段は、前記導光板の内部を全反射により伝播した光を、複数回に亙り、透過、反射する請求項４に記載の画像表示装置。
6. 前記第１偏向手段は、反射鏡として機能し、
   前記第２偏向手段は、半透過鏡として機能する請求項５に記載の画像表示装置。
7. （Ａ）２次元マトリクス状に配列された複数の画素を有する画像形成装置、
   （Ｂ）前記画像形成装置の各画素から出射された光を平行光とするコリメート光学系、及び、
   （Ｃ）前記コリメート光学系にて平行光とされた光束が入射され、導光され、出射される光学装置、
   を備えた画像表示装置であって、
   前記光学装置は、
   （ａ）入射された光が内部を全反射により伝播した後、出射される導光板、
   （ｂ）前記導光板に入射された光が前記導光板の内部で全反射されるように、前記導光板に入射された光を偏向させる第１偏向手段、及び、
   （ｃ）前記導光板の内部を全反射により伝播した光を前記導光板から出射させるために、前記導光板の内部を全反射により伝播した光を複数回に亙り偏向させる第２偏向手段、
   を備えており、
   前記第１偏向手段及び前記第２偏向手段は前記導光板の表面に配設されており、
   前記導光板の軸線方向をＹ方向、前記導光板の法線方向をＸ方向とし、前記導光板に入射する光束のＹ方向に沿った幅をＷ_Y（単位：ｍｍ）、前記導光板の厚さをｔ（単位：ｍｍ）、前記導光板の内部で全反射される光の前記導光板内面への入射角をθとしたとき、
   ２ｔ・ｔａｎ（θ）−２≦Ｗ_Y≦２ｔ・ｔａｎ（θ）＋２ （２）
   を満足する画像表示装置。
8. 前記第１偏向手段は、前記導光板に入射された光を回折し、
   前記第２偏向手段は、前記導光板の内部を全反射により伝播した光を、複数回に亙り、回折する請求項７に記載の画像表示装置。
9. 前記第１偏向手段及び前記第２偏向手段は、回折格子素子から成る請求項８に記載の画像表示装置。
10. 前記回折格子素子は反射型回折格子素子から成る請求項９に記載の画像表示装置。
11. 前記回折格子素子は透過型回折格子素子から成る請求項９に記載の画像表示装置。
12. 一方の前記回折格子素子は反射型回折格子素子から成り、他方の前記回折格子素子は透過型回折格子素子から成る請求項９に記載の画像表示装置。
13. Ｙ方向に沿った前記第１偏向手段の有効長をＬ_H-1（単位：ｍｍ）としたとき、
    ２ｔ・ｔａｎ（θ）−２≦Ｌ_H-1≦２ｔ・ｔａｎ（θ）＋２
    を満足する請求項９に記載の画像表示装置。
14. （Ａ）光源、
    （Ｂ）前記光源から出射された光を平行光とするコリメート光学系、
    （Ｃ）前記コリメート光学系から出射された平行光を走査する走査手段、
    （Ｄ）前記走査手段によって走査された平行光をリレーするリレー光学系、及び、
    （Ｅ）前記リレー光学系にて平行光とされた光束が入射され、導光され、出射される光学装置、
    を備えた画像表示装置であって、
    前記光学装置は、
    （ａ）入射された光が内部を全反射により伝播した後、出射される導光板、
    （ｂ）前記導光板に入射された光が前記導光板の内部で全反射されるように、前記導光板に入射された光を偏向させる第１偏向手段、及び、
    （ｃ）前記導光板の内部を全反射により伝播した光を前記導光板から出射させるために、前記導光板の内部を全反射により伝播した光を複数回に亙り偏向させる第２偏向手段、
    を備えており、
    前記第１偏向手段及び前記第２偏向手段は前記導光板の表面に配設されており、
    前記導光板の軸線方向をＹ方向、前記導光板の法線方向をＸ方向とし、前記導光板に入射する光束のＹ方向に沿った幅をＷ_Y（単位：ｍｍ）、前記導光板の厚さをｔ（単位：ｍｍ）、前記導光板の内部で全反射される光の前記導光板内面への入射角をθとしたとき、
    ２ｔ・ｔａｎ（θ）−２≦Ｗ_Y≦２ｔ・ｔａｎ（θ）＋２ （２）
    を満足する画像表示装置。
15. 前記第１偏向手段は、前記導光板に入射された光を回折し、
    前記第２偏向手段は、前記導光板の内部を全反射により伝播した光を、複数回に亙り、回折する請求項１４に記載の画像表示装置。
16. 前記第１偏向手段及び前記第２偏向手段は、回折格子素子から成る請求項１５に記載の画像表示装置。
17. 前記回折格子素子は反射型回折格子素子から成る請求項１６に記載の画像表示装置。
18. 前記回折格子素子は透過型回折格子素子から成る請求項１６に記載の画像表示装置。
19. 一方の前記回折格子素子は反射型回折格子素子から成り、他方の前記回折格子素子は透過型回折格子素子から成る請求項１６に記載の画像表示装置。
20. Ｙ方向に沿った前記第１偏向手段の有効長をＬ_H-1（単位：ｍｍ）としたとき、
    ２ｔ・ｔａｎ（θ）−２≦Ｌ_H-1≦２ｔ・ｔａｎ（θ）＋２
    を満足する請求項１６に記載の画像表示装置。

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