JP5018870B2 - 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。

この画像表示装置１０１０は、基本的には、図２５の（Ａ）に示すように、画像を表示する画像形成装置１０１１と、コリメート光学系１０１２と、画像形成装置１０１１に表示された光が入射され、観察者の瞳５０へと導く虚像光学系（光学装置２０）とを備えている。ここで、光学装置２０は、導光板２１と、導光板２１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３０及び第２回折格子部材４０を備えている。そして、コリメート光学系１０１２には画像形成装置１０１１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１０１２によって導光板２１へ入射する角度の異なる複数の平行光が生成され、導光板２１に入射される。導光板２１の一方の光学面（第１面）２２から、平行光が入射され、出射される。一方、導光板２１の第１面２２と平行である導光板２１の他方の光学面（第２面）２３に、第１回折格子部材３０及び第２回折格子部材４０が取り付けられている。

ここで、第１回折格子部材３０の中心を原点Ｏ_iとし、原点Ｏ_iを通る第１回折格子部材３０の法線であって、コリメート光学系側に向かう方向を正方向とする法線をＸ_i軸、原点Ｏ_iを通り、Ｘ_i軸と直交し、第２回折格子部材側に向かう方向を正方向とする導光板の軸線をＹ_i軸としたとき、コリメート光学系１０１２の光軸はＸ_i軸と一致しており、しかも、コリメート光学系１０１２の光軸は画像形成装置１０１１の中心を通過する。

導光板２１の第１面２２から入射した導光板２１へ入射した角度の異なる複数の平行光は、第１回折格子部材３０に入射され、それぞれの平行光は、平行光のまま、回折反射される。そして、回折反射された平行光は、導光板２１の第１面２２と第２面２３との間で全反射を繰り返しながら進行し、第２回折格子部材４０に入射する。第２回折格子部材４０に入射した平行光は、回折反射されることで全反射条件から外れ、導光板２１から出射され、観察者の瞳５０に導かれる。第２回折格子部材４０においては複数回に亙って回折反射されるが、各回折反射に基づき導光板２１から出射される光の光量は、回折反射の回数が多くなる程、減少する。

第２回折格子部材４０の内部に形成された干渉縞の形状と、第１回折格子部材３０の内部に形成された干渉縞の形状とは、導光板２１の軸線に垂直な仮想面に対して対称な関係にある。従って、第２回折格子部材４０で回折反射される平行光は、第１回折格子部材３０へ入射する角度と等しい角度で回折反射されるので、表示画像がぼけることなく、高い解像度で瞳５０において表示される。尚、第１回折格子部材３０は、第２回折格子部材４０と同じ諸元（例えば、厚さや最大回折効率）を有する。

特開２００７−９４１７５

ところで、この画像表示装置１０１０における第１回折格子部材３０及び第２回折格子部材４０の内部に形成された干渉縞は多重化されており、あるいは、回折格子が多層化されている。そして、例えば第１回折格子部材３０の拡大した模式的な一部断面図を図２５の（Ｂ）に示すように、干渉縞の傾斜角φ（第１回折格子部材３０及び第２回折格子部材４０の表面と干渉縞の成す角度）を一定としたとき、以下の問題が発生する。

即ち、画像形成装置１０１１からの出射位置に依存して、複数の平行光の第１回折格子部材３０へ入射する角度が異なるため、第１回折格子部材３０の種々の領域でブラッグ条件を満たす回折波長（ブラッグ波長）が異なる。また、第２回折格子部材４０へ入射する角度も異なるため、第２回折格子部材４０の種々の領域でブラッグ条件を満たす回折波長も異なる。そして、以上の結果として、第２回折格子部材４０にて回折反射され、導光板２１から出射される光によって形成される画像に色ムラが発生してしまう。

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余角を意味する。尚、干渉縞の傾斜角φとは、回折格子部材の表面と干渉縞の成す角度を意味する。干渉縞は、回折格子部材の内部から表面に亙り、形成されている。以下においても同様である。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）のとおりであり、図２５の（Ｂ）に図示する。

ｍ・λ＝２・ｄ・ｓｉｎ（Θ） （Ａ）
Θ＝９０°−（φ＋ψ） （Ｂ）

以下の説明において、第２回折格子部材４０の中心を第２の原点Ｏ_oとし、第２の原点Ｏ_oを通る第２回折格子部材４０の法線であって、光の出射方向を正方向とする法線をＸ_o軸、第２の原点Ｏ_oを通り、Ｘ_o軸と直交し、第１回折格子部材から離れる方向を正方向とする導光板２１の軸線をＹ_o軸とする。また、Ｘ_oＹ_o平面において、導光板２１から出射される光とＸ_o軸上の瞳５０との成す角度を画角θと呼び、第２の原点Ｏ_oより第１回折格子部材側の導光板２１から出射された光の画角θの値を正の値とする。尚、図２５の（Ａ）は、Ｘ_oＹ_o平面にて導光板２１を切断したときの模式的な断面図である。

図２１に、画角θを−６度から＋６度としたときの波長４８０ｎｍ乃至５６０ｎｍの光の回折効率分布を示す。図２１からも明らかなように、画角に対応して回折スペクトルが決まっている。例えば、画角θ＝＋６度の場合、回折スペクトルの中心波長（ブラッグ波長）は４９５ｎｍ付近に存在しているが（図２２の（Ａ）参照）、画角θ＝０度の場合、回折スペクトルの中心波長（ブラッグ波長）は５２２ｎｍ付近に存在し（図２２の（Ｂ）参照）、画角θ＝−６度の場合、回折スペクトルの中心波長（ブラッグ波長）は５４３ｎｍ付近に存在する（図２３参照）。即ち、ブラッグ波長は、４８ｎｍ程度変化する。ここで、シミュレーションの条件は、導光板２１の屈折率を１．５２７、波長５２２ｎｍの光が、第１回折格子部材３０の中心において回折反射され、導光板２１内を伝播していくときの全反射角を６８度、回折格子部材３０，４０の屈折率変調度Δｎを０．０４５、回折格子部材３０，４０の厚さを１５μｍとした。このような結果を、画角θの違いによる回折効率と回折スペクトルの中心波長との関係を描いたグラフを、図２４の（Ａ）に模式的に示す。

また、光源を例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）から構成する場合の発光スペクトル分布を、図２４の（Ａ）に模式的に示す。各画角における出射光は、光源の発光スペクトル分布と回折効率の積によって決まる。従って、各画角における出射光の色や輝度が異なることになる。それ故、得られた画像に色ムラが発生してしまう。

特開２００７−９４１７５においては、このような現象の発生を抑制するために、回折格子部材に形成された干渉縞の傾斜角を、回折格子部材の位置に応じて変化させている。このような対処方法は、色ムラの発生防止に極めて有効であるが、回折格子部材に形成された干渉縞の傾斜角を、回折格子部材の位置に応じて変化させるが故に、回折格子部材の製造が困難であるといった問題がある。

また、この画像表示装置１０１０にあっては、第２回折格子部材４０において、複数回に亙って、各画角の平行光を回折反射し、導光板２１から出射する。そして、このような構成を採用することによって、導光板２１の板厚を薄く保ちながら、Ｙ_o軸方向の瞳径を大きく取ることが可能となる。しかしながら、このような構成にあっては、Ｙ_o軸方向の瞳位置によって表示画像の明るさが著しく変化してしまうという問題がある。

従って、本発明の目的は、簡素な構成であるにも拘わらず、色ムラの発生、瞳位置に依存した表示画像の明るさの変化を効果的に防止し得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、第３の態様、あるいは、第５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備えた画像形成装置、
（Ｂ）画像形成装置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、及び、
（Ｃ）コリメート光学系にて進行方位の異なる複数の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、
を備えており、
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回折反射する、反射型体積ホログラム回折格子から成り、導光板に配設された第１回折格子部材、及び、
（ｃ）導光板の内部を全反射により伝播した光を回折反射し、導光板から出射する、反射型体積ホログラム回折格子から成り、導光板に配設された第２回折格子部材、
を備えている。

また、上記の目的を達成するための本発明の第２の態様、第４の態様、あるいは、第６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走査して、２次元マトリクス状に配列された仮想の画素を形成する走査光学系、及び、
（Ｃ）走査光学系からの平行光が入射され、導光され、出射される光学装置、
を備えており、
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回折反射する、反射型体積ホログラム回折格子から成り、導光板に配設された第１回折格子部材、及び、
（ｃ）導光板の内部を全反射により伝播した光を回折反射し、導光板から出射する、反射型体積ホログラム回折格子から成り、導光板に配設された第２回折格子部材、
を備えている。

尚、走査光学系から光学装置へと入射する光は上記のとおり平行光であるが、
（１）光源から出射された光が平行光とされており、そのままの状態で走査光学系を通過して光学装置に入射する形態、
（２）光源から出射された光が、走査光学系の手前で平行光とされ、そのままの状態で走査光学系を通過して光学装置に入射する形態、及び、
（３）光源から出射され、走査光学系を通過した光が、光学装置の手前でコリメート光学系にて平行光とされ、光学装置に入射する形態、
の３つの形態が包含される。

ここで、本発明の第１の態様〜第６の態様に係る画像表示装置において、第１回折格子部材の中心を原点とし、原点を通る第１回折格子部材の法線であって、コリメート光学系側あるいは走査光学系側に向かう方向を正方向とする法線をＸ_i軸、原点を通り、Ｘ_i軸と直交し、第２回折格子部材側に向かう方向を正方向とする導光板の軸線をＹ_i軸とする。また、第２回折格子部材の中心を第２の原点とし、第２の原点を通る第２回折格子部材の法線であって、光の出射方向を正方向とする法線をＸ_o軸、第２の原点を通り、Ｘ_o軸と直交し、第１回折格子部材から離れる方向を正方向とする導光板の軸線をＹ_o軸とする。更には、Ｘ_oＹ_o平面において、導光板から出射される光と観察者の瞳との成す角度を画角θと呼び、第２の原点Ｏ_oより第１回折格子部材側に向かって導光板から出射された光の画角θの値を正の値とする。また、後述する中心光が導光板に入射する直前の導光板の法線との成す角度を中心光・入射角θ_i-Cと呼び、係る中心光に相当する光が導光板から出射した直後の導光板の法線との成す角度を中心光・出射角θ_o-Cと呼ぶ。更には、係る中心光に相当する光が導光板から出射し、観察者の瞳に入射するときの画角を画角０度とする。

そして、本発明の第１の態様に係る画像表示装置においては、画像形成装置の中心の画素から出射され、コリメート光学系の中心を通過する中心光は、Ｘ_iＹ_i平面に対して光学的に平行であり、且つ、Ｘ_iＺ_i平面に対して鋭角にて交わっていることを特徴とする。また、本発明の第２の態様に係る画像表示装置においては、光源の中心から出射され、走査光学系の中心の仮想の画素を通過する中心光は、Ｘ_iＹ_i平面に対して光学的に平行であり、且つ、Ｘ_iＺ_i平面に対して鋭角にて交わっていることを特徴とする。云い替えれば、中心光・入射角θ_i-Cは、Ｘ_iＹ_iＺ_i座標系において９０度未満の正の値を有する。即ち、中心光は、第２回折格子部材に近い側から角度をもって導光板に入射する。

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、Ｙ_i軸は、第１回折格子部材に形成された干渉縞と光学的に直交する構成とすることが好ましい。尚、本発明の第３の態様〜第６の態様に係る画像表示装置にあっても同様とすることが望ましい。

上記の好ましい構成を含む本発明の第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、コリメート光学系の光軸あるいは走査光学系の中心軸は、Ｘ_iＹ_i平面に対して平行であり、且つ、Ｘ_iＺ_i平面に対して鋭角にて交わっている構成とすることが好ましい。尚、このような構成の画像表示装置を、便宜上、『第１／２−Ａの構成の画像表示装置』と呼ぶ。そして、この第１／２−Ａの構成の画像表示装置にあっては、コリメート光学系の光軸あるいは走査光学系の中心軸は、光学的に、画像形成装置あるいは光源の中心を通過する形態とすることが望ましい。この第１／２−Ａの構成の画像表示装置にあっては、より具体的には、中心光が導光板に入射する直前における係る中心光とＹ_i軸との成す角度は正の値（９０゜−θ_i-C）を有する。尚、コリメート光学系の光軸あるいは走査光学系の中心軸の延長線上に、画像形成装置あるいは光源の中心が位置する場合もあるし、コリメート光学系の光軸あるいは走査光学系の中心軸の延長線上に、画像形成装置あるいは光源の中心が位置しない場合もあるが、後者の場合にあっても、種々の光学系を介して、コリメート光学系の光軸あるいは走査光学系の中心軸は、画像形成装置あるいは光源の中心を通過する形態とすることができる。従って、「光学的に」、画像形成装置あるいは光源の中心を通過すると表現した。以下においても同様である。

本発明の第２の態様に係る画像表示装置にあっては、走査光学系から出射された光を平行光とするコリメート光学系を更に備えており、係る本発明の第２の態様に係る画像表示装置にあっては、あるいは、上記の好ましい構成を含む本発明の第１の態様に係る画像表示装置にあっては、
コリメート光学系の光軸あるいは走査光学系の中心軸は、Ｘ_i軸と平行であり、
コリメート光学系の光軸は、光学的に、画像形成装置の中心から外れた位置を通過し、また、走査光学系の中心軸は、Ｘ_i軸と一致していない構成とすることが好ましい。尚、このような構成の画像表示装置を、便宜上、『第１／２−Ｂの構成の画像表示装置』と呼ぶ。この第１／２−Ｂの構成の画像表示装置にあっても、より具体的には、中心光が導光板に入射する直前における係る中心光とＹ_i軸との成す角度は正の値（９０゜−θ_i-C）を有する。

以上に説明した各種の好ましい構成、形態を含む本発明の第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、中心光に相当する導光板から出射された光は、Ｘ_oＹ_o平面に対して光学的に平行であり、且つ、Ｘ_oＺ_o平面に対して鈍角にて交わっている構成とすることが望ましい。即ち、中心光・出射角θ_o-Cの値は、Ｘ_oＹ_oＺ_o座標系において９０度を超える値であることが望ましい。尚、中心光・入射角θ_i-Cの絶対値と中心光・出射角θ_o-Cの絶対値とは等しいことが一層好ましい。

更には、以上に説明した各種の好ましい構成、形態を含む本発明の第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、中心光に相当する導光板から出射された光は、観察者の２つの瞳中心を結ぶ直線に直交する構成とすることが好ましい。

中心光・入射角θ_i-Cを０度とした従来の画像表示装置に備えられた第１回折格子部材における干渉縞にて回折反射され、導光板内を伝播していく光が導光板の内面と衝突するときの角度（導光板の法線と成す角度であり、中心光・全反射角と呼ぶ）をθ_Refとする。以上に説明した各種の好ましい構成、形態を含む本発明の第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回折格子部材には干渉縞が形成されており、係る干渉縞によって第１回折格子部材に入射した光が回折反射される。ここで、限定するものではないが、導光板内を伝播していく中心光が導光板の内面と衝突するときの角度がθ_Refとなるように、第１回折格子部材における干渉縞を設計することが好ましく、第２回折格子部材においても、同種の干渉縞を設けることが好ましい。

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いては、第２回折格子部材の厚さは、第１回折格子部材の厚さよりも薄いことを特徴とする。

そして、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２回折格子部材の厚さは５μｍ未満であり、第１回折格子部材の厚さは５μｍ以上である構成とすることが好ましい。

尚、上記の好ましい構成を含む本発明の第３の態様あるいは第４の態様に係る画像表示装置を、以上に説明した各種の好ましい構成、形態を含む本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る画像表示装置に適用することができる。

本発明の第５の態様あるいは第６の態様に係る画像表示装置においては、第２回折格子部材の最大回折効率の値は、第１回折格子部材の最大回折効率の値よりも小さいことを特徴とする。

そして、本発明の第５の態様あるいは第６の態様に係る画像表示装置にあっては、第２回折格子部材の最大回折効率は５０％未満、より好ましくは、２５％±１０％であり、第１回折格子部材の最大回折効率は５０％以上、より好ましくは、９０％±１０％である構成とすることが好ましい。尚、例えば、第１回折格子部材や第２回折格子部材における干渉縞を形成する際の屈折率変調度Δｎを変化させることで、異なる最大回折効率の値を有する回折格子部材を得ることができるし、第１回折格子部材や第２回折格子部材の厚さを変化させることで、異なる最大回折効率の値を有する回折格子部材を得ることができる。

尚、上記の好ましい構成を含む本発明の第５の態様あるいは第６の態様に係る画像表示装置を、以上に説明した各種の好ましい構成、形態を含む本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る画像表示装置に適用することができる。

あるいは又、本発明の第３の態様、第４の態様、第５の態様あるいは第６の態様に係る画像形成装置にあっては、コリメート光学系の光軸あるいは走査光学系の中心軸は、光学的に、Ｘ_i軸と一致しており、しかも、コリメート光学系の光軸あるいは走査光学系の中心軸は、光学的に、画像形成装置の中心あるいは光源の中心を通過する構成、構造とすることができる。即ち、中心光・入射角θ_i-Cを０度とする構成とすることができる。尚、コリメート光学系の光軸あるいは走査光学系の中心軸の延長線上に、Ｘ_i軸が存在し、あるいは又、画像形成装置あるいは光源の中心が位置する場合もあるし、コリメート光学系の光軸あるいは走査光学系の中心軸の延長線上に、Ｘ_i軸が存在せず、画像形成装置あるいは光源の中心が位置しない場合もあるが、後者の場合にあっても、種々の光学系を介して、コリメート光学系の光軸あるいは走査光学系の中心軸は、光学的に、Ｘ_i軸と一致し、あるいは又、画像形成装置あるいは光源の中心を通過する形態とすることができる。

本発明の第２の態様、第４の態様、第６の態様に係る画像表示装置において、光源には、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（光源コリメート光学系と呼ぶ）が備えられていてもよい。また、光源を、フィールドシーケンシャル方式に基づき作動させる形態とすることができる。

本発明の第１の態様〜第６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、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。

尚、以下の説明における画角θとは、より厳密には、光学系の物体範囲を光学系の像空間から見たときの視角であると定義される。また、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。更には、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。

本発明の画像表示装置においては、コリメート光学系にて進行方位の異なる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回折格子部材と第２回折格子部材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、具体的には、進行方位の異なる複数の平行光を生成させるためには、コリメート光学系における焦点距離の所（位置）に、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、画像形成装置から出射された平行光の画像形成装置における画素の位置情報を、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。また、コリメート光学系にて進行方位の異なる複数の平行光とされるので、導光板においては、進行方位の異なる複数の平行光が入射され、内部を全反射により伝播した後、出射される。第１回折格子部材においては、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回折反射される。更には、第２回折格子部材においては、導光板の内部を全反射により伝播した平行光が回折反射され、導光板から平行光の状態で出射される。

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_i軸，Ｙ_o軸方向）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。前者の場合、第２面に第１回折格子部材及び第２回折格子部材が配置されている。一方、後者の場合、第２面に第１回折格子部材が配置され、第１面に第２回折格子部材が配置されている。

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を得ることができる。

第１回折格子部材及び第２回折格子部材を、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。

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。前者の場合、Ｙ_i軸とＹ_o軸とは一致し、あるいは平行となるが、後者の場合、Ｙ_i軸とＹ_o軸とは一致することがないし、平行となることもない。

本発明の第１の態様、第３の態様あるいは第５の態様に係る画像表示装置を構成する画像形成装置として、例えば、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；発光素子とライト・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）］との組合せから成る画像形成装置を挙げることができる。また、本発明の第２の態様、第４の態様あるいは第６の態様に係る画像表示装置における走査光学系として、光源から出射された光を水平走査及び垂直走査する走査光学系［例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、ガルバノ・ミラー］を挙げることができ、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、青色発光素子を挙げることができる。ここで、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（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。

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（Head Mounted Display）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。

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、中心光は、Ｘ_iＹ_i平面に対して光学的に平行であり、且つ、Ｘ_iＺ_i平面に対して鋭角にて交わっている。それ故、導光板に入射し、第１回折格子部材内に形成された干渉縞と衝突する光にあっては、干渉縞への単位入射角当たりのブラッグ波長の変化量を小さくすることができる結果、色ムラの発生を効果的に防止することができ、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。

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２回折格子部材の厚さは、第１回折格子部材の厚さよりも薄い。また、本発明の第５の態様あるいは第６の態様に係る画像表示装置にあっては、第２回折格子部材の最大回折効率の値は、第１回折格子部材の最大回折効率の値よりも小さい。それ故、導光板の軸線方向の瞳径を大きくとることができ、しかも、導光板の軸線方向の瞳位置によって表示画像の明るさが著しく変化してしまうという課題を解決することができ、光利用効率を著しく低下させることなく、輝度の均一性の高い画像表示装置を提供することができる。

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３は、実施例１の画像表示装置において、画角θを−６度から＋６度としたときの波長４８０ｎｍ乃至５６０ｎｍの光の回折効率分布を示すグラフである。 図４の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、実施例１の画像表示装置において、画角θ＝＋６度及び画角θ＝０度の場合の回折スペクトルを示すグラフである。 図５は、実施例１の画像表示装置において、画角θ＝−６度の場合の回折スペクトルを示すグラフである。 図６は、実施例２の画像表示装置の概念図である。 図７は、実施例３の画像表示装置を構成する光源及び走査光学系を示す概念図である。 図８は、実施例３の画像表示装置の一部分の概念図である。 図９は、実施例４の画像表示装置の一部分の概念図である。 図１０は、実施例５の画像表示装置の概念図である。 図１１は、実施例６の画像表示装置の一部分の概念図である。 図１２は、実施例５において、回折格子部材の厚さと回折格子部材の屈折率変調度Δｎの２つのパラメータの組合せを変えたとき、最大回折効率として３０％を得るための、回折格子部材の屈折率変調度Δｎと厚さとの関係を示すグラフである。 図１３は、実施例５において、回折格子部材の屈折率変調度Δｎを一定（０．０４５）とし、回折格子部材の厚さを変化させたときの回折効率の変化を示すグラフである。 図１４は、実施例５において、回折格子部材の厚さを一定（４μｍ）とし、回折格子部材の屈折率変調度Δｎを変化させたときの回折効率の変化を示すグラフである。 図１５の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、実施例５において、最大回折効率３０％を得るための回折格子部材の屈折率変調度Δｎと厚さとの関係、及び、最大回折効率３０％を得るための回折格子部材の回折スペクトルにおける半値幅（単位：ｎｍ）と回折格子部材の厚さとの関係を示すグラフである。 図１６は、実施例１、実施例２、実施例５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１７は、画像形成装置の別の変形例を示す概念図である。 図１８は、画像形成装置の更に別の変形例を示す概念図である。 図１９は、画像形成装置の更に別の変形例を示す概念図である。 図２０は、画像形成装置の更に別の変形例を示す概念図である。 図２１は、従来の画像表示装置において、画角θを−６度から＋６度としたときの波長４８０ｎｍ乃至５６０ｎｍの光の回折効率分布を示すグラフである。 図２２の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、従来の画像表示装置において、画角θ＝＋６度及び画角θ＝０度の場合の回折スペクトルを示すグラフである。 図２３は、従来の画像表示装置において、画角θ＝−６度の場合の回折スペクトルを示すグラフである。 図２４の（Ａ）及び（Ｂ）は、画角θの違いによる回折効率と回折スペクトルの中心波長との関係を描いたグラフ、及び、光源から出射される光の発光スペクトルを模式的に示すグラフである。 図２５の（Ａ）は、従来の画像表示装置の概念図であり、図２５の（Ｂ）は、第１回折格子部材の拡大した模式的な一部断面図である。

以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明する。

実施例１は、本発明の第１の態様に係る画像表示装置、より具体的には、第１−Ａの構成の画像表示装置に関する。実施例１の画像表示装置は、概念図を図１に示すように、
（Ａ）２次元マトリクス状に配列された複数の画素を備えた画像形成装置１１、
（Ｂ）画像形成装置１１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１２、及び、
（Ｃ）コリメート光学系１２にて進行方位の異なる複数の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２０、
を備えている。そして、光学装置２０は、
（ａ）入射された光（より具体的には、進行方位の異なる複数の平行光束から成る平行光束群）が内部を全反射により伝播した後、出射される導光板２１、
（ｂ）導光板２１に入射された光（平行光束群）が導光板２１の内部で全反射されるように、導光板２１に入射された光（平行光束群）を回折反射する、反射型体積ホログラム回折格子から成り、導光板２１に配設された第１回折格子部材３０、及び、
（ｃ）導光板２１の内部を全反射により伝播した光（平行光束群）を回折反射し、導光板２１から出射する（より具体的には、平行光束群のまま出射する）、反射型体積ホログラム回折格子から成り、導光板２１に配設された第２回折格子部材４０、
を備えている。尚、導光板２１から出射された光は、観察者（画像観察者）の瞳５０の位置（瞳位置）に入射する。

ここで、実施例１、あるいは、後述する実施例２〜実施例６にあっては、第１回折格子部材３０及び第２回折格子部材４０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３０及び第２回折格子部材４０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１においては、第１回折格子部材３０及び第２回折格子部材４０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３０及び第２回折格子部材４０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。

実施例１において、画像形成装置１１は、例えば、２次元マトリクス状に配列された複数（例えば、Ｙ_i軸方向に沿ってＪ個、Ｚ_i軸方向に沿ってＫ個、即ち、Ｊ×Ｋ＝３２０×２４０個）の画素（液晶セル）を備えた液晶表示装置（ＬＣＤ）から構成され、コリメート光学系１２は、例えば、凸レンズから構成され、進行方位の異なる複数の平行光を生成させるために、コリメート光学系１２における焦点距離の所（位置）に画像形成装置１１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。後述する実施例２、実施例５においても同様である。

ここで、導光板２１は、導光板２１の軸線と平行に延びる２つの平行面（第１面２２及び第２面２３）を有している。尚、Ｙ_i軸とＹ_o軸とは一致しており、Ｘ_i軸とＸ_o軸（これらを２点鎖線で図示する）とは平行であり、Ｚ_i軸とＺ_o軸とは平行である。尚、Ｘ_i軸は、第１回折格子部材３０の中心を原点Ｏ_iとし、原点Ｏ_iを通る第１回折格子部材３０の法線であって、コリメート光学系側に向かう方向を正方向とする法線であり、Ｘ_o軸は、第２回折格子部材４０の中心を第２の原点Ｏ_oとし、第２の原点Ｏ_oを通る第２回折格子部材４０の法線であって、光の出射方向を正方向とする法線である。ここで、第１面２２と第２面２３とは対向している。そして、第１面２２から平行光が入射され、内部を全反射により伝播した後、第１面２２から出射される。第１回折格子部材３０は、導光板２１の第２面２３に配設されており、第１面２２から導光板２１に入射されたこの平行光が導光板２１の内部で全反射されるように、導光板２１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４０は、導光板２１の第２面２３に配設されており、導光板２１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２１から平行光のまま第１面２２から出射する。但し、これに限定するものではなく、第２面２３によって導光板入射面が構成され、第１面２２によって導光板出射面が構成されていてもよい。

そして、実施例１において、導光板２１にあっては、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２１が薄く導光板２１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４０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２１に入射する平行光のうち、第２回折格子部材４０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４０から離れる方向の角度をもって導光板２１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３０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４０に近づく方向の角度をもって導光板２１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２１に入射する平行光よりも、導光板２１の内部を伝播していく光が導光板２１の内面と衝突するときの導光板２１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４０の内部に形成された干渉縞の形状と、第１回折格子部材３０の内部に形成された干渉縞の形状とは、導光板２１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２〜実施例６における導光板２１も、基本的には、以上に説明した導光板２１の構成、構造と同じ構成、構造を有する。

実施例１の画像表示装置にあっては、画像形成装置１１の中心の画素から出射され、コリメート光学系１２の中心を通過する中心光ＣＬは、Ｘ_iＹ_i平面に対して光学的に平行であり、且つ、Ｘ_iＺ_i平面に対して鋭角にて交わっている。即ち、実施例１にあっては、中心光・入射角θ_i-Cは、Ｘ_iＹ_iＺ_i座標系において９０度未満の正の値（より具体的には９０度−７０度＝２０度）を有する。また、中心光ＣＬは、導光板２１内で全反射され（中心光・全反射角：をθ_Ref）、第２回折格子部材４０において回折反射され、中心光・出射角θ_o-Cにて導光板２１から出射する。

このように、実施例１にあっては、コリメート光学系１２の光軸は、Ｘ_iＹ_i平面に対して平行であり（より具体的には、Ｘ_iＹ_i平面内に位置し）、且つ、Ｘ_iＺ_i平面に対して鋭角（具体的には、９０度−θ_i-C＝７０度）にて交わっている。そして、コリメート光学系１２の光軸は、光学的に、画像形成装置１１の中心を通過する。尚、実施例１にあっては、コリメート光学系１２の光軸の延長線上に、画像形成装置１１の中心が位置するが、これに限定するものではなく、種々の光学系を介して、コリメート光学系１２の光軸が、光学的に、画像形成装置１１の中心を通過する形態としてもよい。また、コリメート光学系１２の光軸上を伝播する光は、第１回折格子部材３０の中心である原点Ｏ_iに入射するが、係る光は、コリメート光学系１２から導光板２１に直接入射してもよいし、コリメート光学系１２から各種の光学系を介して導光板２１に入射してもよい。

更には、中心光ＣＬに相当する導光板２１から出射された光は、Ｘ_oＹ_o平面に対して光学的に平行であり、且つ、Ｘ_oＺ_o平面に対して鈍角にて交わっている。そして、上述したとおり、第２回折格子部材４０の内部に形成された干渉縞の形状と、第１回折格子部材３０の内部に形成された干渉縞の形状とは、導光板２１の軸線に垂直な仮想面に対して対称な関係にあるので、中心光・出射角θ_o-Cの値は、Ｘ_oＹ_oＺ_o座標系において９０度を超える値（具体的には、−２０度）であり、中心光・入射角θ_i-Cの絶対値と中心光・出射角θ_o-Cの絶対値とは等しい。後述する実施例２〜実施例６においても同様である。

Ｙ_i軸は、第１回折格子部材３０に形成された干渉縞と光学的に直交している。更には、Ｙ_o軸は、第２回折格子部材４０に形成された干渉縞と光学的に直交している。後述する実施例２〜実施例６においても同様である。

そして、図２に概念図を示すように、中心光ＣＬに相当する導光板２１から出射された光は、観察者の２つの瞳５０の中心を結ぶ直線に直交している。尚、微調整のため、例えば９０度±２度とする場合があり得るので、「直交している」という概念には、「９０度±２度」の範囲が包含される。後述する実施例２〜実施例４においても同様である。尚、図２においては、２組の画像表示装置を表示しており、一方の画像表示装置は右目用であり、他方の画像表示装置は左目用である。右目用の画像表示装置と左目用の画像表示装置とは、同じ画像を表示してもよいし、異なる画像（例えば、立体像を表示し得る画像）を表示してもよい。但し、片側の目にのみ装着してもよいことは勿論である。ここで、画像表示装置はＨＭＤとして機能する。

尚、実施例１においては、導光板２１内を伝播していく中心光ＣＬが導光板２１の内面と衝突するときの角度が、中心光・入射角θ_i-Cを０度とした従来の画像表示装置に備えられた第１回折格子部材における干渉縞にて回折反射され、導光板内を伝播していく光が導光板の内面と衝突するときの角度θ_Refと同じ角度となるように、第１回折格子部材３０における干渉縞を設計している。第２回折格子部材４０においても、同じ干渉縞が設けられている。後述する実施例２〜実施例６においても、特段の断りがない限り、同様である。

図３に、画角θを−６度から＋６度としたときの波長４８０ｎｍ乃至５６０ｎｍの光の回折効率分布を示す。ここで、シミュレーションの条件を、導光板２１の屈折率を１．５２７、中心光（波長５２２ｎｍ）が導光板２１内を伝播していくときの全反射角を６８度としている。図３からも明らかなように、画角に対応して回折スペクトルが決まっている。例えば、画角θ＝＋６度の場合、回折スペクトルの中心波長（ブラッグ波長）は５０２ｎｍ付近に存在しているが（図４の（Ａ）参照）、画角θ＝０度の場合、回折スペクトルの中心波長（ブラッグ波長）は５２２ｎｍ付近に存在し（図４の（Ｂ）参照）、画角θ＝−６度の場合、回折スペクトルの中心波長（ブラッグ波長）は５３６ｎｍ付近に存在する（図５参照）。即ち、ブラッグ波長は、３４ｎｍ程度変化する。この変化量は、従来の技術において説明した変化量（４８ｎｍ）よりも格段に小さな値である。そして、このように、干渉縞への単位入射角当たりのブラッグ波長の変化量を小さくすることができる結果、色ムラの発生を効果的に防止することができ、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。

実施例２は、実施例１の変形であり、具体的には、第１−Ｂの構成の画像表示装置２１０に関する。即ち、図６に概念図を示すように、実施例２にあっては、コリメート光学系２１２の光軸はＸ_i軸と平行である。そして、コリメート光学系２１２の光軸は、光学的に、画像形成装置２１１の中心から外れた位置を通過する。このような構成とすることで、中心光ＣＬは、Ｘ_iＹ_i平面に対して光学的に平行であり、且つ、Ｘ_iＺ_i平面に対して鋭角にて交わるようになる。具体的には、実施例２にあっても、中心光・入射角θ_i-Cは２０度である。

ここで、コリメート光学系２１２の焦点距離をｆとし、コリメート光学系２１２の焦点の所に画像形成装置２１１が位置しているとする。また、コリメート光学系２１２の光軸は、光学的に、画像形成装置２１１の中心から外れた位置を通過するが、コリメート光学系２１２の光軸から画像形成装置２１１の中心までの距離（実施例２にあっては、Ｙ_i軸に沿った距離）をＯｓとする。ここで、中心光・入射角θ_i-Cの光が導光板２１に入射したときの入射角をθ’_i-C（この角度は、図２５の（Ｂ）に図示した角度ψと等しい）、導光板２１の屈折率をｎとすると、以下の関係式が成立する。

ｓｉｎ（θ_i-C）＝ｎ・ｓｉｎ（θ’_i-C）
ｔａｎ（θ_i-C）＝Ｏｓ／ｆ

従って、
ａｒｃｔａｎ（Ｏｓ／ｆ）＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ・ｓｉｎ（θ’_i-C）） （１）
が成立する。それ故、所望のθ’_i-Cを得るためには、上記の式（１）を満足するように、Ｏｓ及びｆの値を設計すればよい。

以上の点を除き、実施例２の画像表示装置の構成、構造は、実施例１の画像表示装置の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。

実施例３は、本発明の第２の態様、より具体的には、第２−Ａの構成の画像表示装置に関する。実施例３の画像表示装置３１０は、光源及び走査光学系の部分を図７に示し、画像表示装置の一部分の概念図を図８に示すように、
（Ａ）光源３００、
（Ｂ）光源３００から出射された光を走査して、２次元マトリクス状に配列された仮想の画素を形成する走査光学系３０５、及び、
（Ｃ）走査光学系３０５からの光が入射され、導光され、出射される光学装置２０、
を備えている。

尚、光源３００及び走査光学系３０５の部分を除いた画像表示装置３１０の他の構成要素は、実質的に、実施例１において説明した画像表示装置１０と同様とすることができる。即ち、光学装置２０は、実施例１と同様に、
（ａ）入射された光（より具体的には、進行方位の異なる複数の平行光束から成る平行光束群）が内部を全反射により伝播した後、出射される導光板２１、
（ｂ）導光板２１に入射された光（平行光束群）が導光板２１の内部で全反射されるように、導光板２１に入射された光（平行光束群）を回折反射する、反射型体積ホログラム回折格子から成り、導光板２１に配設された第１回折格子部材３０、及び、
（ｃ）導光板２１の内部を全反射により伝播した光（平行光束群）を回折反射し、導光板２１から出射する（より具体的には、平行光束群のまま出射する）、反射型体積ホログラム回折格子から成り、導光板２１に配設された第２回折格子部材４０、
を備えている。尚、導光板２１から出射された光は、観察者の瞳５０の位置（瞳位置）に入射する。

光源３００は、フィールドシーケンシャル方式に基づき、作動させられる。具体的には、実施例３の光源３００は、図７に模式図を示すように、
（α）赤色を発光する赤色素子３０１Ｒ（例えば、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子やＧａＮ系半導体発光素子。以下においても同じ）、
（β）緑色を発光する緑色発光素子３０１Ｇ（ＧａＮ系半導体から成る。以下においても同じ）、及び、
（γ）青色を発光する青色発光素子３０１Ｂ（ＧａＮ系半導体から成る。以下においても同じ）、並びに、
（δ）赤色発光素子３０１Ｒ、緑色発光素子３０１Ｇ及び青色発光素子３０１Ｂ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（例えば、ダイクロイック・プリズム３０３）、更には、
（ε）１本の光路に纏めるための手段（ダイクロイック・プリズム３０３）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（液晶表示装置）３０４、
を備えている。発光素子３０１Ｒ，３０１Ｇ，３０１Ｂから出射された光は、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂といった透光性物質による導光部材やミラー等の反射体から成る光案内部材３０２によって案内され、光通過制御装置３０４に入射する。

そして、光通過制御装置３０４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、フィールドシーケンシャル方式のカラー表示を行うことができる。光通過制御装置３０４からは、１画素分の光が出射される。そして、この光は、図示しない光源コリメート光学系を通過し、例えば、Ｚ軸と平行な回転軸３０７（図面の紙面垂直方向に延びる）の周りを回転する水平走査用ガルバノ・ミラー３０６、及び、例えば、ＸＹ平面に含まれる回転軸３０９（図面の紙面と平行な方向に延びる）の周りを回転する垂直走査用ガルバノ・ミラー３０８から成る走査光学系３０５によって走査され、２次元マトリクス状に配列された仮想の画素が形成される。そして、走査光学系３０５から出射された光（平行光）は、導光板２１の第１面２２に入射する。

実施例３の画像表示装置にあっては、光源３００の中心から出射され、走査光学系３０５の中心の仮想の画素を通過する中心光は、Ｘ_iＹ_i平面に対して光学的に平行であり、且つ、Ｘ_iＺ_i平面に対して鋭角にて交わっている。即ち、実施例３にあっても、中心光・入射角θ_i-Cは、Ｘ_iＹ_iＺ_i座標系において９０度未満の正の値（より具体的には２０度）を有する。

ここで、実施例３にあっては、走査光学系３０５の中心軸は、Ｘ_iＹ_i平面に対して平行であり（より具体的には、Ｘ_iＹ_i平面内に位置し）、且つ、Ｘ_iＺ_i平面に対して鋭角（具体的には、７０度）にて交わっている。そして、中心光ＣＬが導光板２１に入射する直前における係る中心光ＣＬとＹ_i軸との成す角度は正の値（９０゜−θ_i-C）を有する。ここで、θ_i-Cの値は、上述したとおり、２０度である。尚、実施例３にあっては、走査光学系３０５の中心軸の延長線上に、光源３００の中心が位置している場合もあるし、走査光学系３０５の中心軸の延長線上に、光源３００の中心が位置しない場合もあるが、後者の場合にあっては、種々の光学系を介して、走査光学系３０５の中心軸が、光学的に、光源３００の中心を通過する形態とすればよい。

実施例３あるいは次に述べる実施例４の画像表示装置にあっても、実施例１と同様に、干渉縞への単位入射角当たりのブラッグ波長の変化量を小さくすることができる結果、色ムラの発生を効果的に防止することができ、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。

実施例４は、実施例３の変形であり、具体的には、第２−Ｂの構成の画像表示装置に関する。即ち、図９に画像表示装置の一部分の概念図を示すように、実施例４の画像表示装置４１０にあっては、走査光学系３０５から出射された光を平行光とするコリメート光学系４１２を更に備えており、走査光学系３０５の中心軸は、Ｘ_i軸と平行であるが、Ｘ_i軸と一致していない。このような構成とすることで、中心光ＣＬが導光板２１に入射する直前における係る中心光ＣＬとＹ_i軸との成す角度は正の値（９０゜−θ_i-C）を有するようになる。具体的には、実施例４にあっても、中心光・入射角θ_i-Cは２０度である。

以上の点を除き、実施例４の画像表示装置４１０の構成、構造は、実施例３の画像表示装置３１０の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。また、前述した式（１）を満足するように、更には、式（Ａ）及び式（Ｂ）を考慮して、実施例４の画像表示装置４１０を設計すればよい。

実施例５は、本発明の第３の態様及び第５の態様に係る画像表示装置に関する。図１０に概念図を示す実施例５の画像表示装置５１０の基本的な構成、構造は、実施例１において説明した画像表示装置１０の構成、構造と同様である。そして、実施例５の画像表示装置５１０において、第２回折格子部材５４０の厚さは、第１回折格子部材５３０の厚さよりも薄い。具体的には、第２回折格子部材５４０の厚さは５μｍ未満であり、第１回折格子部材５３０の厚さは５μｍ以上であり、より具体的には、第２回折格子部材５４０の厚さは１．７μｍであり、第１回折格子部材５３０の厚さは７μｍである。あるいは又、実施例５の画像表示装置において、第２回折格子部材５４０の最大回折効率の値は、第１回折格子部材５３０の最大回折効率の値よりも小さい。具体的には、第２回折格子部材５４０の最大回折効率は５０％未満であり、第１回折格子部材５３０の最大回折効率は５０％以上であり、より具体的には、第２回折格子部材５４０の最大回折効率は３０％であり、第１回折格子部材５３０の最大回折効率は９０％である。そして、より一層具体的には、第２回折格子部材５４０の屈折率変調度Δｎは０．０４であり、厚さは１．７μｍである。また、第１回折格子部材５３０の屈折率変調度Δｎは０．０４であり、厚さは７μｍである。

尚、後述する実施例６においても、第１回折格子部材５３０及び第２回折格子部材５４０の仕様は同様である。

ここで、実施例５の画像表示装置にあっては、実施例１の画像表示装置と異なり、コリメート光学系５１２の光軸は、光学的に、Ｘ_i軸と一致しており、しかも、コリメート光学系５１２の光軸は、画像形成装置５１１の中心を通過する。即ち、中心光・入射角θ_i-Cは０度である。尚、コリメート光学系５１２の光軸の延長線上に、Ｘ_i軸が存在し、画像形成装置５１１の中心が位置しているが、これに限定されず、コリメート光学系５１２の光軸の延長線上に、Ｘ_i軸が存在せず、画像形成装置５１１の中心が位置しない構成とすることもできる。尚、この場合には、種々の光学系を介して、コリメート光学系５１２の光軸が、光学的に、Ｘ_i軸と一致し、あるいは又、画像形成装置５１１の中心を通過する形態とすればよい。

実施例５の画像表示装置の特徴である第２回折格子部材５４０の厚さと第１回折格子部材５３０の厚さとの関係を、実施例１において説明した画像表示装置に適用することができるし、実施例２において説明した画像表示装置に適用することもできる。また、実施例５の画像表示装置の特徴である第２回折格子部材の最大回折効率の値と第１回折格子部材の最大回折効率の値との関係を、実施例１において説明した画像表示装置に適用することができるし、実施例２において説明した画像表示装置に適用することもできる。

ところで、画像表示装置においては、導光板の厚さを増やすことなく、Ｙ_i軸方向に沿った瞳径を大きくするため、同じ全反射角を有する平行光を、第２回折格子部材にて複数回に亙って回折反射し、導光板から出射している。このとき、第２回折格子部材を構成している各々の回折格子の回折効率が高いと、導光板内で全反射を繰り返しながら伝播してきた大分部の光は、第２回折格子部材への第１回目の入射において導光板から出射されてしまい、第２回折格子部材へ第２回目、第３回目に入射し、回折反射される光が著しく少なくなってしまう。これでは、実質的な瞳径の拡大はできない。例えば、第２回折格子部材の最大回折効率が９０％であると仮定すると、第１回目の回折反射で９０％の光が導光板から出射され、第２回目の回折反射では９％［＝（１−０．９）×０．９×１００］、第３回目の回折反射では０．９％［＝（１−０．９−０．０９）×０．９×１００］の光が出射され、画像は急激に暗くなっていく。

そこで、実施例５においては、第２回折格子部材５４０の最大回折効率を３０％とした。このようにすることで、導光板２１を伝播してきた光は、第２回折格子部材５４０における第１回目の回折反射で３０％の光が導光板から出射され、第２回目の回折反射では２１％［＝（１−０．３）×０．３×１００］、第３回目の回折反射では１４．７％［＝（１−０．３−０．２１）×０．３×１００］の光が出射される。従って、画像は穏やかに暗くなっていく。

逆に、第１回折格子部材５３０においては、各画角の光は１回の回折反射で導光板２１内を伝播していくので、最大回折効率は、一般的に高い方が、光利用効率の点で有利となる。従って、実施例５においては、第１回折格子部材５３０における最大回折効率を９０％に設定している。

決められた波長、入射角、回折角で定義された回折格子部材において、回折格子部材の厚さと回折格子部材の屈折率変調度Δｎの２つのパラメータの組合せを変えたとき、最大回折効率として３０％を得るための、回折格子部材の屈折率変調度Δｎと厚さとの関係を図１２に示す。シミュレーションの条件を、以下のとおりとした。尚、図１２、図１３、図１４において、括弧内の数字は、左側が回折格子部材の屈折率変調度Δｎを表し、右側が回折格子部材の厚さ（単位：μｍ）を表す。

波長 ：５２２ｎｍ
中心光・入射角θ_i-C ：０度
中心光・全反射角θ_Ref：６８度
導光板の屈折率 ：１．５２７

また、回折格子部材の屈折率変調度Δｎを一定（０．０４５）とし、回折格子部材の厚さを変化させたときの回折効率の変化を図１３に示し、回折格子部材の厚さを一定（４μｍ）とし、回折格子部材の屈折率変調度Δｎを変化させたときの回折効率の変化を図１４に示す。図１３から、回折格子部材の厚さが薄いほど、回折効率は低下することが判る。また、図１４から、回折格子部材の屈折率変調度Δｎが低いほど、回折効率は低下することが判る。

更には、最大回折効率３０％を得るための回折格子部材の屈折率変調度Δｎと厚さとの関係を図１５の（Ａ）に示し、最大回折効率３０％を得るための回折格子部材の回折スペクトルにおける半値幅（単位：ｎｍ）と回折格子部材の厚さとの関係を図１５の（Ｂ）に示す。回折格子部材の厚さと屈折率変調度Δｎとの組合せは、回折格子部材を構成する材料の特性で決まるΔｎの最大値以下であれば、任意に選ぶことが可能である。ところで、図１５の（Ａ）から、回折格子部材の厚さが薄くなるほど、回折格子部材の屈折率変調度Δｎの値は大きくなる。一方、図１５の（Ｂ）から、回折格子部材の厚さが薄くなるほど（即ち、屈折率変調度Δｎが大きくなるほど）、回折効率の回折スペクトル幅は広くなる。

以上の結果として、回折格子部材の厚さが薄くなるほど、また、屈折率変調度Δｎが大きくなるほど、回折効率は低下し、第２回折格子部材５４０において、第１回目、第２回目、第３回目・・・に回折反射され、導光板２１から出射される光の変化割合を小さくすることができ、画像は穏やかに暗くなっていく。それ故、導光板の軸線方向の瞳径を大きくとることができ、しかも、導光板の軸線方向の瞳位置によって表示画像の明るさが著しく変化してしまうという課題を解決することができ、光利用効率を著しく低下させることなく、輝度の均一性の高い画像表示装置を提供することができる。

図２４の（Ａ）を参照して説明した問題を低減するための１つの有効な手段として、第２回折格子部材における回折効率の回折スペクトル幅を広げることを挙げることができる。図２４の（Ｂ）に示すように、回折効率の回折スペクトル幅を広げることにより、光源の発光スペクトル分布と回折効率の積によって決まる主波長の変化を低減することが可能となる。従って、実施例５の画像表示装置を採用することで、画角によるブラッグ波長の変化を低減し、表示画像の色ムラを低減することができる。

尚、以上の議論は、次に説明する実施例６の画像表示装置にも当てはまる。

実施例６は、本発明の第４の態様及び第６の態様に係る画像表示装置に関する。実施例６の画像表示装置の基本的な構成、構造は、実施例３において説明した画像表示装置の構成、構造と同様である。そして、実施例６の画像表示装置において、第２回折格子部材５４０の厚さは、第１回折格子部材５３０の厚さよりも薄い。また、実施例６の画像表示装置において、第２回折格子部材５４０の最大回折効率の値は、第１回折格子部材５３０の最大回折効率の値よりも小さい。

ここで、実施例６の画像表示装置にあっては、図１１に概念図を示すように、実施例３の画像表示装置と異なり、走査光学系の中心軸は、光学的に、Ｘ_i軸と一致している。即ち、中心光・入射角θ_i-Cは０度である。尚、走査光学系の中心軸の延長線上に、Ｘ_i軸が存在している場合もあるし、走査光学系の中心軸の延長線上に、Ｘ_i軸が存在しない場合もあるが、後者の場合には、種々の光学系を介して、走査光学系の中心軸が、光学的に、Ｘ_i軸と一致する形態とすればよい。

実施例６の画像表示装置の特徴である第２回折格子部材５４０の厚さと第１回折格子部材５３０の厚さとの関係、あるいは又、第２回折格子部材５４０の最大回折効率の値と第１回折格子部材５３０の最大回折効率の値との関係を、実施例３において説明した画像表示装置に適用することができるし、実施例４において説明した画像表示装置に適用することもできる。

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１〜実施例６において、第１回折格子部材３０，５３０や第２回折格子部材４０，５４０には、各平行光束を構成する異なる波長帯域（あるいは、波長）を有するＰ種類の光束の回折反射の角度を略同一とするために、Ｐ種類の干渉縞が形成されている構成とすることができる。導光板２１において、第１回折格子部材３０と第２回折格子部材４０の上方に空気層を挟んで透明基板（例えば、ガラス基板）を配設してもよく、これによって、導光板２１の第２面２３、第１回折格子部材３０，５３０及び第２回折格子部材４０，５４０を保護することができる。

実施例１、実施例２、実施例５での使用に適した画像形成装置として、例えば、図１６に概念図を示したような、半導体発光素子から成る発光素子３０１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３０１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３０１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１２，２１２，５１２を介して導光板２１に入射される。

あるいは又、図１７に概念図を示すように、
（α）赤色を発光する赤色発光素子３０１Ｒが２次元マトリクス状に配列された赤色発光パネル３１１Ｒ、
（β）緑色を発光する緑色発光素子３０１Ｇが２次元マトリクス状に配列された緑色発光パネル３１１Ｇ、及び、
（γ）青色を発光する青色発光素子３０１Ｂが２次元マトリクス状に配列された青色発光パネル３１１Ｂ、並びに、
（δ）赤色発光パネル３１１Ｒ、緑色発光パネル３１１Ｇ及び青色発光パネル３１１Ｂ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３０３）、
を備えており、
赤色発光素子３０１Ｒ、緑色発光素子３０１Ｇ及び青色発光素子３０１Ｂ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１２，２１２，５１２を介して導光板２１に入射される。尚、参照番号３１２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３０１Ｒ，３０１Ｇ，３０１Ｂが２次元マトリクス状に配列された発光パネル３１１Ｒ，３１１Ｇ，３１１Ｂ等から成る画像形成装置の概念図を図１８に示すが、発光パネル３１１Ｒ，３１１Ｇ，３１１Ｂから出射された光は、光通過制御装置３０４Ｒ，３０４Ｇ，３０４Ｂ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３０３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１２，２１２，５１２を介して導光板２１に入射される。

あるいは又、発光素子３０１Ｒ，３０１Ｇ，３０１Ｂが２次元マトリクス状に配列された発光パネル３１１Ｒ，３１１Ｇ，３１１Ｂ等から成る画像形成装置の概念図を図１９に示すが、発光パネル３１１Ｒ，３１１Ｇ，３１１Ｂから出射された光は、ダイクロイック・プリズム３０３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３０３から出射したこれらの光は光通過制御装置３０４によって通過／非通過が制御され、コリメート光学系１２，２１２，５１２を介して導光板２１に入射される。

あるいは又、図２０に示すように、赤色を発光する発光素子３０１Ｒ、及び、赤色を発光する発光素子３０１Ｒ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３０４Ｒ）、緑色を発光する発光素子３０１Ｇ、及び、緑色を発光する発光素子３０１Ｇ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３０４Ｇ）、青色を発光する発光素子３０１Ｂ、及び、青色を発光する発光素子３０１Ｂ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３０４Ｂ）、並びに、これらのＧａＮ系半導体から成る発光素子３０１Ｒ，３０１Ｇ，３０１Ｂから出射された光を案内する光案内部材３０２、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３０３）を備えた画像形成装置とすることもできる。

１０，２１０，３１０，４１０，５１０，６１０・・・画像表示装置、１１，２１１，５１１・・・画像形成装置、１２，２１２，４１２，５２０・・・コリメート光学系、２０，５２０・・・光学装置、２１・・・導光板、２２・・・導光板の第１面、２３・・・導光板の第２面、３０，５３０・・・第１回折格子部材、４０，５４０・・・第２回折格子部材、５０・・・瞳、３００・・・光源、３０１，３０１Ｒ，３０１Ｇ，３０１Ｂ・・・発光素子、３０２・・・光案内部材、３０３・・・ダイクロイック・プリズム、３０４，３０４Ｒ，３０４Ｇ，３０４Ｂ・・・光通過制御装置、３０５・・・走査光学系、３０６・・・水平走査用ガルバノ・ミラー、３０８・・・垂直走査用ガルバノ・ミラー、３０７，３０９・・・回転軸、３１１Ｒ，３１１Ｇ，３１１Ｂ・・・発光パネル、３１２・・・マイクロレンズ

Claims (1)

1. （Ａ）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、
   （Ｂ）画像形成装置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、及び、
   （Ｃ）コリメート光学系にて進行方位の異なる複数の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、
   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回折反射する、反射型体積ホログラム回折格子から成り、導光板に配設された第１回折格子部材、及び、
   （ｃ）導光板の内部を全反射により伝播した光を回折反射し、導光板から出射する、反射型体積ホログラム回折格子から成り、導光板に配設された第２回折格子部材、
   を備えており、
   第２回折格子部材の最大回折効率は５０％未満であり、第１回折格子部材の最大回折効率は５０％以上であることを特徴とする画像表示装置。