JP6597197B2 - 光束径拡大素子および表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光束径を拡大するための光束径拡大素子、および光束径拡大素子を備えた表示装置に関するものである。
光変調された光束を利用者の眼に入射させる網膜走査型の表示装置では、光束径が小さいと、瞳孔の位置が変化した場合に光束が瞳孔に入射しないため、画像の欠け等が発生してしまう。そこで、網膜走査型の表示装置では光束径拡大素子（瞳拡大素子）が設けられている。光束径拡大素子としては、例えば、導光板の相対向する２面の各々に回折格子を設け、双方の格子周期を同一にして回折角を一致させたものが提案されている（特許文献１、２）。特許文献１では、２つの回折格子が対向しており、＋１次回折光および−１次回折光の双方を利用する。特許文献２では、２つの回折格子が導光板の延在方向で離間しており、＋１次回折光および−１次回折光の一方を利用する。
特開平７−７２４２２号公報 特開２００７−２１９１０６号公報
特許文献１に記載の光束径拡大素子では、入射側の回折格子で回折した光を直接、出射側の回折格子から出射する。このため、光束径は、回折格子の回折角に相当する分、拡大されるだけであるため、光束径を大きく拡大するのが困難である。一方、特許文献２に記載の光束径拡大素子では、入射側の回折格子で回折された回折光が、導光板の内部で反射しながら出射側の回折格子から出射されるため、光束径を大きく拡大することができる。しかしながら、特許文献２に記載の光束径拡大素子では、体積位相型ホログラフィック回折光学素子を用いているため、入射した光を特定の向きにのみ強く回折して利用するので、一方側にしか光束を拡大することができない。従って、出射側の回折格子の大きさに加えて入射側の回折格子の大きさが必要になることから、光束径拡大素子の大きさが大きくなるという問題点がある。
以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、光束径拡大素子の大きさが大きくなることを抑制しつつ、光束径を大きく拡大することができる光束径拡大素子、および光束径拡大素子を備えた表示装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明に係る光束径拡大素子の一態様は、第１面および前記第１面とは反対側の面である第２面を備えた第１導光板と、前記第１面に設けられた第１入射側回折格子と、前記第２面に設けられた第１出射側回折格子と、を有し、前記第１面は、前記第２面に平行となるように設けられ、前記第１入射側回折格子と前記第１出射側回折格子とは、格子方向が同じ方向、かつ、格子周期が同じ周期となるように設けられ、前記第１導光板の屈折率は、前記第１入射側回折格子に入射する第１光線の＋１次回折光の回折角および−１次回折光の回折角が、それぞれ臨界角以上の角度となるような屈折率であり、前記第１入射側回折格子の格子方向と交差する方向を第１方向としたとき、前記第１入射側回折格子によって回折された前記第１光線の＋１次回折光および−１次回折光は、前記第１導光板内を前記第１方向の互いに反対の方向に伝播して前記第１出射側回折格子から出射されることを特徴とする。
本発明では、第１入射側回折格子で回折した＋１次回折光および−１次回折光を導光板の第１方向の互いに逆方向に伝播させて第１出射側回折格子から出射するため、光束径は、十分に拡大された状態で第１出射側回折格子から出射される。従って、光束径拡大素子の大きさが大きくなることを抑制でき、光の利用効率が高い。また、第１光線の＋１次回折光の回折角および−１次回折光の回折角が、第１導光板の屈折率で規定される臨界角以上の角度であるため、導光板内を全反射の状態で伝播するので、光の利用効率が高い。
本発明に係る光束径拡大素子の一態様において、第３面が前記第１導光板の前記第２面と対向するように設けられ、前記第３面とは反対側に第４面を備えた第２導光板と、前記第３面に設けられた第２入射側回折格子と、前記第４面に設けられた第２出射側回折格子と、を有し、前記第３面は、前記第４面に平行となるように設けられ、前記第２入射側回折格子と前記第２出射側回折格子とは、格子方向が同じ方向、かつ、格子周期が同じ周期となるように設けられ、前記第２入射側回折格子の格子方向は、前記第１入射側回折格子の格子方向と同じ方向となるように設けられ、前記第２入射側回折格子の格子周期は、前記第１入射側回折格子の格子周期と異なる周期となるように設けられ、前記第２導光板の屈折率は、前記第１光線と波長が異なる第２光線が前記第２入射側回折格子に入射した際の前記第２光線の＋１次回折光の回折角および−１次回折光の回折角が、それぞれ臨界角以上の角度となるような屈折率であり、前記第２入射側回折格子によって回折された前記第２光線の＋１次回折光および−１次回折光は、前記第２導光板内を前記第１方向の互いに反対の方向に伝播して前記第２出射側回折格子から出射されることが好ましい。
本発明に係る光束径拡大素子の一態様において、第５面が前記第２導光板の前記第４面と対向するように設けられ、前記第５面とは反対側に第６面を備えた第３導光板と、前記第５面に設けられた第３入射側回折格子と、前記第６面に設けられた第３出射側回折格子と、を有し、前記第５面は、前記第６面に平行となるように設けられ、前記第３入射側回折格子と前記第３出射側回折格子とは、格子方向が同じ方向、かつ、格子周期が同じ周期となるように設けられ、前記第３入射側回折格子の格子方向は、前記第１入射側回折格子の格子方向と同じ方向となるように設けられ、前記第３入射側回折格子の格子周期は、前記第１入射側回折格子および前記第２入射側回折格子の格子周期と異なる周期となるように設けられ、前記第３導光板の屈折率は、前記第１光線および前記第２光線と波長が異なる第３光線が前記第３入射側回折格子に入射した際の前記第３光線の＋１次回折光の回折角および−１次回折光の回折角が、それぞれ臨界角以上の角度となるような屈折率であり、前記第３入射側回折格子によって回折された前記第３光線の＋１次回折光および−１次回折光は、前記第３導光板内を前記第１方向の互いに反対の方向に伝播して前記第３出射側回折格子から出射されることが好ましい。
本発明に係る光束径拡大素子の一態様において、前記第１入射側回折格子の格子周期をＰ１とし、前記第２入射側回折格子の格子周期をＰ２とし、前記第３入射側回折格子の格子周期をＰ３としたとき、前記格子周期Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は、以下の関係
Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３
を満たしていることが好ましい。かかる構成によれば、第１光線、第２光線および第３光線の波長が以下の関係
第１光線＜第２光線＜第３光線
を有する場合に、各光線の出射間隔を揃えることができ、出射光の光量や色の均一性を向上させることができる。
本発明に係る光束径拡大素子の他の態様において、前記第１入射側回折格子の格子高さをＨ１１とし、前記第２入射側回折格子の格子高さをＨ２１とし、前記第３入射側回折格子の格子高さをＨ３２としたとき、前記格子高さＨ１１、Ｈ２１、Ｈ３１は、以下の関係
Ｈ１１＜Ｈ２１＜Ｈ３１
を満たしていることが好ましい。かかる構成によれば、第１光線、第２光線および第３光線の波長が以下の関係
第１光線＜第２光線＜第３光線
を有する場合、各導光板が受け持つ光線の１次回折効率を高めることができ、明るい光束拡大素子を提供できるとともに、不要な回折光を抑制できる。
本発明に係る光束径拡大素子の他の態様において、前記第１出射側回折格子の格子高さをＨ１２とし、前記第２出射側回折格子の格子高さをＨ２２とし、前記第３出射側回折格子の格子高さをＨ３２としたとき、前記格子高さＨ１１、Ｈ１２、Ｈ２１、Ｈ２２、Ｈ３１、Ｈ３２は、以下の関係
Ｈ１２＜Ｈ１１＜Ｈ２２＜Ｈ２１＜Ｈ３２＜Ｈ３１
を満たしていることが好ましい。かかる構成によれば、出射側の回折格子から光が分散して出射されるため、出射光における光量分布を適正化することができる。
本発明に係る光束径拡大素子のさらに他の態様において、前記第１入射側回折格子および前記第１出射側回折格子の格子周期をＰとし、前記第１光線のスペクトルの半値幅における最短波長をλｃとし、前記第１光線の前記第１入射側回折格子に対する最大入射角をθｍａｘとしたとき、格子周期Ｐ、最短波長λｃおよび最大入射角θｍａｘは、以下の関係
Ｐ≦λｃ／［ｓｉｎ（θｍａｘ）＋１］
を満たしていることが好ましい。
本発明を適用した光束径拡大素子を備えた表示装置の一態様は、画像生成装置およびコリメーターレンズを備え、前記画像生成装置で生成された画像光を前記コリメーターレンズを介して前記光束径拡大素子に入射させる画像光投射装置と、前記光束径拡大素子から出射された画像光を前記第１方向と交差する第２方向に導く導光光学系と、を有することを特徴とする。
本発明に係る表示装置の一態様において、前記画像光投射装置における射出瞳が前記光束径拡大素子の入射面と出射面との間に位置することが好ましい。
本発明に係る表示装置の一態様において、前記射出瞳が前記光束径拡大素子の入射面と出射面との中間に位置することが好ましい。
本発明に係る表示装置の他の態様において、前記光束径拡大素子の前記第１方向におけるサイズが、前記導光光学系の第１方向におけるサイズより小さいことが好ましい。かかる構成によれば、表示装置の小型化を図ることができる。
本発明に係る表示装置のさらに他の態様において、前記第１方向は、前記表示装置における縦方向であり、前記第２方向は、前記表示装置における横方向である構成を採用することができる。
本発明に係る表示装置のさらに他の態様において、前記第１方向は、前記表示装置における横方向であり、前記第２方向は、前記表示装置における縦方向である構成を採用してもよい。
本発明の実施の形態１に係る光束径拡大素子の一態様を示す説明図である。 図１に示す光束径拡大素子に画像光が入射した場合の説明図である。 本発明の実施の形態１に係る光束径拡大素子の具体的構成例を示す説明図である。 本発明の実施の形態２に係る光束径拡大素子の一態様を示す説明図である。 図４に示す光束径拡大素子に用いた青色用の導光板に青色光が入射した場合の説明図である 図４に示す光束径拡大素子に用いた緑色用の導光板に緑色光が入射した場合の説明図である。 図４に示す光束径拡大素子に用いた赤色用の導光板に赤色光Ｌが入射した場合の説明図である。 本発明の実施の形態３に係る光束径拡大素子の一態様を示す説明図である。 本発明を適用した光束径拡大素子を備えた表示装置の構成例を示す説明図である。 図９に示す表示装置の光学系を示す説明図である。 図１０に示す光学系の射出瞳の説明図である。 本発明を適用した光束径拡大素子を備えた表示装置の別の構成例を示す説明図である。
以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の説明で参照する図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならしめてある。また、以下の説明では、回折格子の格子が延在している方向をｘ方向とし、ｘ方向に直角に交差する方向をｙ方向とし、ｘ方向およびｙ方向に直角に交差する方向をｚ方向として説明する。このため、本発明における「第１方向」はｘ方向に相当し、回折格子による回折方向（「第２方向」）はｙ方向に相当する。
［実施の形態１］
（基本構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光束径拡大素子の一態様を示す説明図である。図２は、図１に示す光束径拡大素子に画像光が入射した場合の説明図である。なお、図１および図２において、図面に向かって左側には、波長λｃの光が入射角＋θｍａｘで入射した場合Ｃ１１を示し、図面に向かって右側には、波長λｃの光が入射角−θｍａｘで入射した場合Ｃ１２を示してある。
図１に示すように、本形態の光束径拡大素子１０は、１枚の導光板１を有している。光束径拡大素子１０において、導光板１は、本発明の「第１導光板」に相当する。導光板１は、屈折率がｎのガラスあるいは光学樹脂の平行平板であり、その一方の面１ａ（第１面）には入射側回折格子１１（第１入射側回折格子）が形成され、面１ａに平行に対向する面１ｂ（第２面）には出射側回折格子１２（第１出射側回折格子）が形成されている。入射側回折格子１１では、紙面に向かって垂直方向なｘ方向に延在する格子１１ａがｙ方向に複数、等間隔に形成されている。出射側回折格子１２では、紙面に向かって垂直方向なｘ方向に延在する格子１２ａがｙ方向に複数、等間隔に形成されている。
かかる光束径拡大素子１０において、入射側回折格子１１と出射側回折格子１２とは光軸Ｌ方向で重なる領域に形成されている。但し、出射側回折格子１２は、入射側回折格子１１より広い領域に形成されており、出射側回折格子１２は、入射側回折格子１１が形成されている領域より、ｙ方向の互いに逆方向に向けて広い領域にわたって形成されている。従って、光束径拡大素子１０は、入射側回折格子１１から入射した光線Ｌ１０（第１光線）を回折して導光板１内をｙ方向の互いに逆方向に伝播させ、出射側回折格子１２から出射することができる。従って、光束径拡大素子１０は、光線Ｌ１０からなる画像光のｙ方向の瞳拡大を行うことができる。ここでいう瞳拡大とは、入射光の入射角と同一角度で異なる位置から出射される複数の出射光を得ることであり、角度を保存した光線の複製である。
本形態において、入射側回折格子１１および出射側回折格子１２は表面レリーフ型回折格子であり、入射側回折格子１１と出射側回折格子１２とにおいて、格子方向および格子周期は同一である。入射側回折格子１１と出射側回折格子１２とにおいて、格子周期Ｐを同一とすることにより、入射角と同一角度で出射する回折光を得ることができる。
ここで、画面の大きさを規定する最大画角が半角でθｍａｘとすると、入射側回折格子１１に入射する画像の入射光の入射角は−θｍａｘから＋θｍａｘの範囲にある。また、本形態では、回折光のうち、回折効率を高くできる＋１次回折光Ｌ＋１および−１次回折光Ｌ−１に注目する。なお、０次回折光Ｌ０も生じるが、瞳拡大に寄与しないので、０次回折効率は低くすることが好ましい。
本形態の光束径拡大素子１０は、入射角と同一角度で出射する複数の光を両方向で生成する。そのために、＋ｙ方向に伝播する＋１次回折光Ｌ＋１と、−ｙ方向に伝播する−１次回折光Ｌ−１の両方が導光板１内を全反射で伝播する必要がある。
導光板１内を全反射で伝播するには、＋１次回折光Ｌ＋１と−次回折光Ｌ−１の回折角がいずれも導光板１の屈折率ｎで決まる臨界角より大きくなければならない。場合Ｃ１１で示すように、＋θｍａｘの入射角で入射する光線Ｌ１０において回折角が小さくなるのは、−１次回折光Ｌ−１の方である。従って、−１次回折光Ｌ−１の回折角θ−１の絶対値が臨界角θｃより大きければ、＋１次回折光Ｌ＋１の回折角θ＋１は、臨界角θｃより必ず大きくなる。
また、格子周期Ｐを一定とした場合、回折角は入射する光の波長に依存し、波長が短い程、回折角は小さい。従って、導光板１を伝播させる画像光のスペクトルにおいて、画像表示に有効に寄与する一番短い波長λｃに対する−１次回折光Ｌ−１の回折角θ−１の絶対値が臨界角θｃより大きければ、画像光のスペクトルの全域にわたって、＋ｙ方向および−ｙ方向の両方向に光を伝播させることができる。
画像光の入射角が−θｍａｘとなった場合Ｃ１２において、入射角を＋θｍａｘから−θｍａｘに変化させると、−１次回折光Ｌ−１の回折角θ−１は、負の方向に次第に大きくなり、全反射による−ｙ方向への伝播が維持される。これに対して、＋１次回折光Ｌ＋１の回折角θ＋１は徐々に小さくなるが、導光板１と回折格子の配置が光軸Ｌに対して対称であるため、場合Ｃ１１を上下反転させれば分かるように、入射角が−θｍａｘになっても、回折角θ＋１は、臨界角θｃより大きい。従って、全反射による＋ｙ方向への伝播が維持される。
以下に、＋ｙ方向と−ｙ方向の両方向に全反射で伝播できる条件を式で説明する。まず、入射光（光線Ｌ１０）の波長をλｃとし、入射角をθｍａｘとし、導光板１の屈折率をｎとし、導光板１内での−１次回折光Ｌ−１の回折角をθ−１としたとき、回折角θ−１が臨界角θｃと一致する格子周期Ｐは、以下の式で表される。
Ｐ＝λｃ／［ｓｉｎ（θｍａｘ）＋１］・・式（１）
ここで、格子周期Ｐが式（１）で表される値より小さければ、−１次回折光Ｌ−１の回折角θ−１は、臨界角θｃより大きくなる。従って、入射側回折格子１１に入射する画像光（光線Ｌ１０）を＋ｙ方向および−ｙ方向の両方に全反射で伝播させるためには、以下の条件式を満たせばよい。
Ｐ≦λｃ／［ｓｉｎ（θｍａｘ）＋１］・・式（２）
一方、格子周期Ｐが決まっているとき、入射側回折格子１１による回折角θｍ（ｍは回折次数）は、入射波長をλとし、入射角をθｉとすると、回折角θｍは、以下の式で求められる。
θｍ＝ｓｉｎ−１｛［ｓｉｎ（θｉ）＋ｍ（λ／Ｐ）］／Ｎ｝・・式（３）
図１では、画像光を線（光線Ｌ）で表したが、実際には、図２に示すように、画像光Ｌ１は、空間的な広がりをもつ光束である。従って、入射側回折格子１１が形成されている領域の大きさは、画像光Ｌ１の光束の大きさとすることが好ましい。
（具体的構成例）
図３は、本発明の実施の形態１に係る光束径拡大素子１０の具体的構成例を示す説明図である。なお、図３において、図面に向かって左側には、最短の波長λｃ（０．４６ｎｍ）の光が入射した場合Ｃ２１を示し、図面に向かって右側には、波長λＲ（０．６１ｎｍ）の赤色光Ｌ（Ｒ）、波長λＧ（０．５３ｎｍ）の緑色光Ｌ（Ｇ）、波長λＢ（０．４７４７ｎｍ）の青色光Ｌ（Ｂ）が入射した場合Ｃ２２を示してある。
まず、図３の場合２１に基づいて、入射側回折格子１１および出射側回折格子１２の格子周期を決定する。画像光のスペクトルにおいて画像表示に必要な最短の波長λｃを０．４６μｍとし、最大画角の半角＋θｍａｘを７°とする。導光板１の屈折率ｎを１．６４とすると、臨界角θｃは３７．６°となる。ここで、導光板１の屈折率ｎの波長依存性は極めて小さいとする。
−１次回折光Ｌ−１の回折角θ−１が臨界角θｃとなるように、入射側回折格子１１および出射側回折格子１２の格子周期Ｐを求めると、式（１）から、Ｐ＝０．４１０μｍとなる。かかる入射側回折格子１１および出射側回折格子１２を備えた導光板１に、波長λＲ、λＧ、λＢの光が入射した場合Ｃ２２、入射側回折格子１１によって波長λＲの赤色光Ｌ（Ｒ）、波長λＧの緑色光Ｌ（Ｇ）、波長λＢの青色光Ｌ（Ｂ）の入射光の各々において回折光が生じ、かかる回折光は、導光板１内を＋ｙ方向および−ｙ方向に伝播し、出射側回折格子１２から、７°の出射角で出射される。その際の＋１次回折光Ｌ＋１の回折角θ＋１（＋１次回折角）および−１次回折光Ｌ−１の回折角θ−１（−１次回折角）を表１に示す。
Figure 0006597197
表１に示すように、いずれの波長λＲ、λＧ、λＢの光においても、回折角の絶対値が臨界角３７．６を超えるので、入射光（第１光線）を導光板１の＋ｙ方向および−ｙ方向の両方に向けて全反射で伝播させ、出射側回折格子１２から出射することができる。
（本形態の主な効果）
このように、本形態の光束径拡大素子１０では、入射側回折格子１１で回折した光線Ｌ１０の＋１次回折光Ｌ＋１および−１次回折光Ｌ−１を導光板１のｙ方向（第１方向）の互いに逆方向に伝播させて出射側回折格子１２から出射するため、光束径は、十分に拡大された状態で出射側回折格子１２から出射される。また、入射側回折格子１１と出射側回折格子１２とは光軸Ｌ方向で重なる領域に形成されているので、光束径拡大素子の大きさが大きくなることを抑制できる。また、光線Ｌ１０の＋１次回折光Ｌ＋１の回折角θ＋１および−１次回折光Ｌ−１の回折角θ−１が、導光板１の屈折率で規定される臨界角θｃ以上の角度である。このため、＋１次回折光Ｌ＋１および−１次回折光Ｌ−１が導光板１内を全反射の状態で伝播して出射側回折格子１２から出射されるので、光の利用効率が高い。
［実施の形態２］
（光束径拡大素子１０の構成）
図４は、本発明の実施の形態２に係る光束径拡大素子１０の一態様を示す説明図である。なお、図４において、図面に向かって左側には、青色光Ｌ（Ｂ）の光束径が拡大される様子Ｃ３１を示し、図面に向かって右側には、赤色光Ｌ（Ｒ）の光束径が拡大される様子Ｃ３３を示し、図面に向かって中央には、緑色光Ｌ（Ｇ）の光束径が拡大される様子Ｃ３２を示してある。図５は、図４に示す光束径拡大素子１０に用いた青色用の導光板１（Ｂ）に青色光Ｌ（Ｂ）が入射した場合の説明図である。図６は、図４に示す光束径拡大素子１０に用いた緑色用の導光板１（Ｇ）に緑色光Ｌ（Ｇ）が入射した場合の説明図である。図７は、図４に示す光束径拡大素子１０に用いた赤色用の導光板１（Ｒ）に赤色光Ｌ（Ｒ）が入射した場合の説明図である。なお、図５、図６および図７において、図面に向かって左側には、各スペクトルの最短の波長の光が入射した場合Ｃ４１（Ｒ）、Ｃ４１（Ｇ）、Ｃ４１（Ｂ）を示し、図面に向かって中央には、各スペクトルの最長の波長の光が入射した場合Ｃ４２（Ｒ）、Ｃ４２（Ｇ）、Ｃ４２（Ｂ）を示し、図面に向かって右側には、各スペクトルの最短の波長の光と最長の波長の光とが入射した場合Ｃ４３（Ｒ）、Ｃ４３（Ｇ）、Ｃ４３（Ｂ）を示してある。
図４に示すように、本形態の光束径拡大素子１０では、画像光の入射側から出射側に向かって、青色用の導光板１（Ｂ）、緑色用の導光板１（Ｇ）、および赤色用の導光板１（Ｒ）が光軸Ｌに沿って順に配置されている。すなわち、各導光板１（Ｒ）、１（Ｇ）、１（Ｂ）は、対応する光の波長が短いものから長いものの順に配置されている。本形態において、青色用の導光板１（Ｂ）、緑色用の導光板１（Ｇ）、および赤色用の導光板１（Ｒ）は各々、図１〜図３を参照して説明した導光板と略同様な構成を有している。また、導光板１（Ｂ）、１（Ｇ）、１（Ｒ）は厚さが同一である。
かかる構成の光束径拡大素子１０では、画像光に含まれる青色光Ｌ（Ｂ）、緑色光Ｌ（Ｇ）、および赤色光Ｌ（Ｒ）は、青色用の導光板１（Ｂ）、緑色用の導光板１（Ｇ）、および赤色用の導光板１（Ｒ）に順に透過して出射される。
本形態の光束径拡大素子１０において、導光板１（Ｂ）は、一方の面１ａ（Ｂ）と、面１ａ（Ｂ）に平行に対向する他方の面１ｂ（Ｂ）とを備えている。面１ａ（Ｂ）には、ｘ方向に格子１１ａ（Ｂ）が延在する入射側回折格子１１（Ｂ）が設けられ、面１ｂ（Ｂ）には、ｘ方向に格子１２ａ（Ｂ）が延在する出射側回折格子１２（Ｂ）が設けられている。入射側回折格子１１（Ｂ）と出射側回折格子１２（Ｂ）とは、格子方向および格子周期が同一である。
導光板１（Ｇ）は、導光板１（Ｂ）の面１ｂ（Ｂ）に導光板１（Ｂ）とは反対側で平行に対向する面１ａ（Ｇ）と、面１ａ（Ｇ）に導光板１（Ｂ）とは反対側で平行に対向する面１ｂ（Ｇ）とを備えている。面１ａ（Ｇ）には、ｘ方向に格子１１ａ（Ｇ）が延在する入射側回折格子１１（Ｇ）が設けられ、面１ｂ（Ｇ）には、ｘ方向に格子１２ａ（Ｇ）が延在する出射側回折格子１２（Ｇ）が設けられている。入射側回折格子１１（Ｇ）と出射側回折格子１２（Ｇ）とは、格子方向および格子周期が同一である。但し、入射側回折格子１１（Ｇ）および出射側回折格子１２（Ｇ）は、入射側回折格子１１（Ｂ）および出射側回折格子１２（Ｂ）と格子方向が同一であるが、格子周期は相違している。
導光板１（Ｒ）は、導光板１（Ｇ）の面１ｂ（Ｇ）に導光板１（Ｂ）とは反対側で平行に対向する面１ａ（Ｒ）と、面１ａ（Ｒ）に導光板１（Ｂ）とは反対側で平行に対向する面１ｂ（Ｒ）とを備えている。面１ａ（Ｒ）には、ｘ方向に格子１１ａ（Ｒ）が延在する入射側回折格子１１（Ｒ）が設けられ、面１ｂ（Ｒ）には、ｘ方向に格子１２ａ（Ｒ）が延在する出射側回折格子１２（Ｒ）が設けられている。入射側回折格子１１（Ｒ）と出射側回折格子１２（Ｒ）とは、格子方向および格子周期が同一である。但し、入射側回折格子１１（Ｒ）および出射側回折格子１２（Ｒ）は、入射側回折格子１１（Ｂ）および出射側回折格子１２（Ｂ）と格子方向が同一であるが、入射側回折格子１１（Ｂ）、出射側回折格子１２（Ｂ）、入射側回折格子１１（Ｇ）および出射側回折格子１２（Ｇ）と格子周期が相違している。
このように構成した光束径拡大素子１０において、上記の構成要素は、本発明における構成要素と以下の関係を有している。
導光板１（Ｂ）＝第１導光板
面１ａ（Ｂ）＝第１面
面１ｂ（Ｂ）＝第２面
入射側回折格子１１（Ｂ）＝第１入射側回折格子
出射側回折格子１２（Ｂ）＝第１出射側回折格子
導光板１（Ｇ）＝第２導光板
面１ａ（Ｇ）＝第３面
面１ｂ（Ｇ）＝第４面
入射側回折格子１１（Ｇ）＝第２入射側回折格子
出射側回折格子１２（Ｇ）＝第２出射側回折格子
導光板１（Ｒ）＝第３導光板
面１ａ（Ｒ）＝第５面
面１ｂ（Ｒ）＝第６面
入射側回折格子１１（Ｒ）＝第３入射側回折格子
出射側回折格子１２（Ｒ）＝第３出射側回折格子
青色光Ｌ（Ｂ）＝第１光線
緑色光Ｌ（Ｇ）＝第２光線
赤色光Ｌ（Ｒ）＝第３光線
本形態の光束径拡大素子１０において、導光板１（Ｂ）、１（Ｇ）、１（Ｒ）に対する入射角、入射する光の色、格子周期、対応する色光の最短波長、対応する色光の最長波長、＋１次回折角、および−１次回折角は、表２に示す通りである。
Figure 0006597197
本形態では、表２から分かるように、入射側回折格子１１（Ｂ）および出射側回折格子１２（Ｂ）の格子周期Ｐ１と、入射側回折格子１１（Ｇ）および出射側回折格子１２（Ｇ）の格子周期Ｐ２と、入射側回折格子１１（Ｒ）および出射側回折格子１２（Ｒ）の格子周期Ｐ３は、
以下の関係を満たしている。
Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３
また、後述するように、入射側回折格子１１（Ｂ）の格子高さＨ１１、出射側回折格子１２（Ｂ）の格子高さＨ１２、入射側回折格子１１（Ｇ）の格子高さＨ２１、出射側回折格子１２（Ｇ）の格子高さＨ２２、入射側回折格子１１（Ｒ）の格子高さＨ３１、出射側回折格子１２（Ｒ）の格子高さＨ３２は、以下の関係を満たしている。
Ｈ１１＜Ｈ２１＜Ｈ３１
Ｈ１２＜Ｈ１１
Ｈ２２＜Ｈ２１
Ｈ３２＜Ｈ３１
Ｈ１２＜Ｈ１１＜Ｈ２２＜Ｈ２１＜Ｈ３２＜Ｈ３１
本形態の光束径拡大素子１０において、図４および図５に示すように、青色用の導光板１（Ｂ）は、入射角が±７°の範囲の青色の波長帯域の光（青色光（Ｌ（Ｂ））に対する＋１次回折光Ｌ＋１および−１次回折光Ｌ−１のいずれもが導光板１（Ｂ）の臨界角より大きな角度で回折され、入射位置から＋ｙ方向および−ｙ方向の両方向に回折光が導光板１（Ｂ）内を伝播するように、回折格子の格子周期Ｐ１が設定されている。
より具体的には、青色用の導光板１（Ｂ）の入射側回折格子１１（Ｂ）および出射側回折格子１２（Ｂ）の格子周期Ｐ１は、青色光Ｌ（Ｂ）の波長帯域における最短波長（λｃ＝０．４５μｍ）の１次回折角が導光板１（Ｂ）（屈折率＝１．６４）の臨界角（３７．６°）に等しくなるように、０．４０１μｍに設定されている。図５には、青色光Ｌ（Ｂ）の波長帯域における最短波長（λｃｂ＝０．４５μｍ）が青色用の導光板に入射した場合Ｃ４１（Ｂ）の光線と、青色光Ｌ（Ｂ）の波長帯域における最長波長（０．４７μｍ）が青色用の導光板１（Ｂ）に入射した場合Ｃ４２（Ｂ）の光線とを示してある。また、図５には、青色光Ｌ（Ｂ）の波長帯域における最短波長（λｃｂ＝０．４５μｍ）が青色用の導光板１（Ｂ）に入射した場合Ｃ４１の光線と、青色光Ｌ（Ｂ）の波長帯域における最長波長（０．４７μｍ）が青色用の導光板１（Ｂ）に入射した場合Ｃ４２の光線とを重ねた場合Ｃ４３（Ｂ）の様子を示してある。図５に示すように、青色光Ｌ（Ｂ）の波長帯域における最短波長と最長波長との間には０．０２μｍの差しかないため、両者の回折角の差が小さい。それ故、両者の光の出射位置の差は小さい。
また、図５に示すように、青色用の導光板１（Ｂ）の入射側回折格子１１（Ｂ）の格子高さＨ１１は、青色光Ｌ（Ｂ）の波長帯域における最短波長（λｃｂ＝０．４５μｍ）から最長波長（０．４７μｍ）の範囲で１次回折効率が高くなるように設定されている。また、入射側回折格子１１（Ｂ）の格子高さＨ１１は、垂直に入射する波長０．４６μｍの青色光Ｌ（Ｂ）に対して１次回折効率が高くなり、垂直に入射する緑色光Ｌ（Ｇ）や赤色光Ｌ（Ｒ）に対する回折効率が低くなる高さとしてある。本形態において、入射側回折格子１１（Ｂ）の格子高さＨ１１は、例えば、約０．５７μｍである。また、出射側回折格子１２（Ｂ）では、導光板１（Ｂ）を伝播してきた光を複数回に分けて出射させる。このため、出射側回折格子１２（Ｂ）において１次回折効率が高いと、１回目の出射で多くの光が取り出され、次回以降、光量が大きく減衰してしまう。従って、出射側回折格子１２（Ｂ）の１次回折効率は、入射側回折格子１１（Ｂ）の１次回折効率より低いことが好ましい。それ故、本形態において、出射側回折格子１２の格子高さＨ１２は、約０．５７μｍより低い。よって、出射側回折格子１２（Ｂ）から出射される光量分布を適正化することができる。
このように構成した青色用の導光板１（Ｂ）において、入射側回折格子１１（Ｂ）と出射側回折格子１２（Ｂ）とは、格子周期Ｐ１が等しいので、導光板１（Ｂ）内を全反射で伝播して出射側回折格子１２（Ｂ）に到達した光線は、入射角と同一角度で出射される。すなわち、入射角と同一角度で出射される光が複製される。なお、青色用の導光板１（Ｂ）には、青色光Ｌ（Ｂ）と同一角度で緑色光Ｌ（Ｇ）および赤色光Ｌ（Ｒ）も入射するが、緑色光Ｌ（Ｇ）および赤色光Ｌ（Ｒ）は、青色光Ｌ（Ｂ）より波長が長いので、青色光Ｌ（Ｂ）より大きな角度で回折される。
図４および図６において、青色用の導光板１から出射された青色光Ｌ（Ｂ）、緑色光Ｌ（Ｇ）および赤色光Ｌ（Ｒ）は、青色用の導光板１（Ｂ）に対する入射角と同一入射角で、緑色用の導光板１（Ｇ）の入射側回折格子１１（Ｇ）に入射する。緑色用の導光板１（Ｇ）は、入射角が±７°の範囲の緑色の波長帯域の光に対する＋１次回折光および−１次回折光のいずれもが導光板１（Ｇ）の臨界角より大きな角度で回折され、入射位置から＋ｙ方向および−ｙ方向の両方向に回折光が導光板１（Ｇ）内を伝播するように、回折格子の格子周期Ｐ２が設定されている。
より具体的には、緑色用の導光板１（Ｇ）の入射側回折格子１１（Ｇ）および出射側回折格子１２（Ｇ）の格子周期Ｐ２は、緑色光Ｌ（Ｇ）の波長帯域における最短波長（λｃｇ＝０．５２μｍ）の１次回折角が導光板（屈折率＝１．６４）の臨界角（３７．６°）に等しくなるように、０．４６４μｍに設定されている。図６には、緑色光Ｌ（Ｇ）の波長帯域における最短波長（λｃｇ＝０．５２μｍ）が緑色用の導光板１（Ｇ）に入射した場合Ｃ４１（Ｇ）の光線と、緑色光Ｌ（Ｇ）の波長帯域における最長波長（０．５４μｍ）が緑色用の導光板１（Ｇ）に入射した場合Ｃ４２（Ｇ）の光線とを示してある。また、図６には、緑色光Ｌ（Ｇ）の波長帯域における最短波長（λｃｇ＝０．５２μｍ）が緑色用の導光板１（Ｇ）に入射した場合Ｃ４１（Ｇ）の光線と、緑色光の波長帯域における最長波長（０．５４μｍ）が緑色用の導光板に入射した場合Ｃ４２（Ｇ）の光線とを重ねた場合Ｃ４３（Ｇ）の様子を示してある。図６に示すように、緑色光Ｌ（Ｇ）の波長帯域における最短波長と最長波長との間には０．０２μｍの差しかないため、両者の回折角の差が小さい。それ故、両者の光の出射位置の差は小さい。
また、図６に示すように、緑色用の導光板１（Ｇ）の入射側回折格子１１（Ｇ）の格子高さＨ２１は、緑色光Ｌ（Ｇ）の波長帯域における最短波長（λｃｇ＝０．５２μｍ）から最長波長（０．５４μｍ）の範囲で１次回折効率が高くなるように設定されている。本形態において、入射側回折格子１１（Ｇ）の格子高さＨ２１は、垂直に入射する波長０．５２μｍの緑色光Ｌ（Ｇ）に対して１次回折効率が高くなり、垂直に入射する青色光Ｌ（Ｂ）や赤色光Ｌ（Ｒ）に対する回折効率が低くなる高さとしてある。本形態において、入射側回折格子１１（Ｇ）の格子高さＨ２１は、例えば、約０．６０μｍである。また、出射側回折格子の１次回折効率は、入射側回折格子の１次回折効率より低いことが好ましいことから、出射側回折格子１２（Ｒ）の格子高さＨ２２は、約０．６０μｍより低い。よって、出射側回折格子１２（Ｇ）から出射される光量分布を適正化することができる。
このように構成した緑色用の導光板１（Ｇ）において、入射側回折格子１１（Ｇ）と出射側回折格子１２（Ｇ）とは、格子周期Ｐ２が等しいので、導光板１（Ｇ）内を全反射で伝播して出射側回折格子１２（Ｇ）に到達した光線は、入射角と同一角度で出射される。従って、入射角と同一角度で出射される光が複製される。
図４および図７において、緑色用の導光板１（Ｂ）から出射された青色光Ｌ（Ｂ）、緑色光Ｌ（Ｇ）および赤色光Ｌ（Ｒ）は、青色用の導光板１（Ｂ）に対する入射角と同一入射角で、赤色用の導光板１（Ｒ）の入射側回折格子１１（Ｒ）に入射する。赤色用の導光板１（Ｒ）は、入射角が±７°の範囲の赤色の波長帯域の光に対する＋１次回折光および−１次回折光のいずれもが導光板１（Ｒ）の臨界角より大きな角度で回折され、入射位置から＋ｙ方向および−ｙ方向の両方向に回折光が導光板１（Ｒ）内を伝播するように、回折格子の格子周期が設定されている。
より具体的には、赤色用の導光板１（Ｒ）の入射側回折格子１１（Ｒ）および出射側回折格子１２（Ｒ）の格子周期Ｐ３は、赤色光Ｌ（Ｒ）の波長帯域における最短波長（λｃｒ＝０．６０μｍ）の１次回折角が導光板１（Ｒ）（屈折率＝１．６４）の臨界角（３７．６°）に等しくなるように、０．５３５μｍに設定されている。図７には、赤色光Ｌ（Ｒ）の波長帯域における最短波長（λｃｒ＝０．６０μｍ）が赤色用の導光板１（Ｒ）に入射した場合Ｃ４１（Ｒ）の光線と、赤色光Ｌ（Ｒ）の波長帯域における最長波長（０．６２μｍ）が赤色用の導光板１（Ｒ）に入射した場合Ｃ４２（Ｒ）の光線とを示してある。また、図７には、赤色光Ｌ（Ｒ）の波長帯域における最短波長（λｃｒ＝０．６０μｍ）が赤色用の導光板１（Ｒ）に入射した場合Ｃ４１（Ｒ）の光線と、赤色光Ｌ（Ｒ）の波長帯域における最長波長（０．６２μｍ）が赤色用の導光板１（Ｒ）に入射した場合Ｃ４２（Ｒ）の光線とを重ねた場合Ｃ４３（Ｒ）の様子を示してある。図６に示すように、赤色光Ｌ（Ｒ）の波長帯域における最短波長と最長波長との間には０．０２μｍの差しかないため、両者の回折角の差が小さい。それ故、両者の光の出射位置の差は小さい。
また、赤色用の導光板１（Ｒ）の入射側回折格子１１（Ｒ）の格子高さＨ３１は、赤色光Ｌ（Ｒ）の波長帯域における最短波長（λｃｒ＝０．６０μｍ）から最長波長（０．６２μｍ）の範囲で１次回折効率が高くなるように設定されている。本形態において、入射側回折格子１１（Ｒ）の格子高さＨ３１は、垂直に入射する波長０．６０μｍの赤色光に対して１次回折効率が高くなり、垂直に入射する青色光や緑色光に対する回折効率が低くなる高さとしてある。本形態において、入射側回折格子１１（Ｒ）の格子高さＨ３１は、約０．７０μｍである。また、出射側回折格子１２（Ｒ）の１次回折効率は、入射側回折格子１１（Ｒ）の１次回折効率より低いことが好ましいことから、出射側回折格子１２（Ｒ）の格子高さＨ３２は、約０．７０μｍより低い。よって、出射側回折格子１２（Ｒ）から出射される光量分布を適正化することができる。
このように構成した赤色用の導光板１（Ｒ）において、入射側回折格子１１（Ｒ）と出射側回折格子１２（Ｒ）とは、格子周期Ｐ３が等しいので、導光板１（Ｒ）内を全反射で伝播して出射側回折格子１２（Ｒ）に到達した光線は、入射角と同一角度で出射される。従って、入射角と同一角度で出射される光が複製される。その際、赤色用の導光板１（Ｒ）の回折格子は、赤色光Ｌ（Ｒ）の波長で回折効率が高くなるように格子高さが設定されているので、青色光Ｌ（Ｂ）および緑色光（ＬＧ）に対する回折効率が低い。それ故、不要な回折光の影響を抑制することができる。
本形態の光束径拡大素子１０において、青色用の導光板１（Ｂ）から出射した青色光Ｌ（Ｂ）、緑色光Ｌ（Ｇ）および赤色光Ｌ（Ｒ）は、緑色用の導光板１（Ｇ）および赤色用の導光板１（Ｒ）に順次、入射し、これらの導光板に設けられた回折格子によって回折される。また、緑色用の導光板１（Ｇ）から出射した青色光Ｌ（Ｂ）、緑色光Ｌ（Ｇ）および赤色光Ｌ（Ｒ）は、赤色用の導光板１（Ｒ）および赤色用の導光板１（Ｒ）に入射し、これらの導光板に設けられた回折格子によって回折される。その際、緑色用の導光板１（Ｇ）および赤色用の導光板１（Ｒ）では、必要な角度以外の不要な回折光を出射することになる。このような場合でも、不要な回折光の回折角が７°より十分に大きい場合、後段で遮蔽あるいは吸収することが可能である。
（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態の光束径拡大素子１０では、導光板１（Ｂ）、１（Ｇ）、１（Ｒ）が各々、実施の形態１で説明した構成を有しているため、光束径が、十分に拡大された状態で出射される。従って、光束径拡大素子の大きさが大きくなることを抑制でき、光の利用効率が高い。また、青色用の導光板１（Ｂ）、緑色用の導光板１（Ｇ）、および赤色用の導光板１（Ｒ）において、格子周期を上記のように設定したため、各導光板１（Ｂ）、１（Ｇ）、１（Ｒ）において導光板内を伝播する光線の角度を同一に設定することができる。従って、導光板１（Ｂ）、１（Ｇ）、１（Ｒの厚さが同一であれば、光束径拡大素子から出射される青色光Ｌ（Ｂ）、緑色光Ｌ（Ｇ）、および赤色光Ｌ（Ｒ）における各光線の間隔を同一にできるので、各色の出射光の光量分布を揃えることができる。従って、出射光束内における色ムラの発生を抑制することができる。また、各導光板１（Ｒ）、１（Ｇ）、１（Ｂ）が、対応する光の波長が短いものから長いものの順に配置されているため、不要な回折光の発生を抑制することができる。
なお、青色光、緑色光および赤色光において、０．０２μｍのスペクトル範囲は、例えば。後述する液晶装置と光源であるＬＥＤとの間にバンドパスフィルターを挿入することによって実現することができる。また、有機エレクトロルミネッセンス装置を用いた場合、上記のスペクトル範囲は、有機エレクトロルミネッセンス素子に微少光共振器構造を設けることによって実現することができる。
［実施の形態３］
図８は、本発明の実施の形態３に係る光束径拡大素子１０の一態様を示す説明図である。なお、図８において、図面に向かって左側には、赤色光Ｌ（Ｒ）の光束径が拡大される様子Ｃ５１を示し、図面に向かって右側には、青色光Ｌ（Ｂ）の光束径が拡大される様子Ｃ５３を示し、図面に向かって中央には、緑色光Ｌ（Ｇ）の光束径が拡大される様子Ｃ５２を示してある。また、本形態の基本的な構成は、実施の形態２と同様であるため、共通する部分には同一の符号を付してそれらの説明を省略する。
上記実施の形態２に係る光束径拡大素子１０では、画像光の入射側から出射側に向かって、青色用の導光板１（Ｂ）、緑色用の導光板１（Ｇ）、および赤色用の導光板１（Ｒ）が光軸Ｌに沿って順に配置されていた。これに対して、本形態の光束径拡大素子１０では、図８に示すように、画像光の入射側から出射側に向かって、赤色用の導光板１（Ｒ）、緑色用の導光板１（Ｇ）、および青色用の導光板１（Ｂ）が光軸Ｌに沿って順に配置されている。すなわち、各導光板１（Ｒ）、１（Ｇ）、１（Ｂ）が、対応する光の波長が長いものから短いものの順に配置されている。
従って、本形態の光束径拡大素子１０の各構成要素は、本発明における構成要素と以下の関係を有している。
導光板１（Ｒ）＝第１導光板
面１ａ（Ｒ）＝第１面
面１ｂ（Ｒ）＝第２面
入射側回折格子１１（Ｒ）＝第１入射側回折格子
出射側回折格子１２（Ｒ）＝第１出射側回折格子
導光板１（Ｇ）＝第２導光板
面１ａ（Ｇ）＝第３面
面１ｂ（Ｇ）＝第４面
入射側回折格子１１（Ｇ）＝第２入射側回折格子
出射側回折格子１２（Ｇ）＝第２出射側回折格子
導光板１（Ｂ）＝第３導光板
面１ａ（Ｂ）＝第５面
面１ｂ（Ｂ）＝第６面
入射側回折格子１１（Ｂ）＝第３入射側回折格子
出射側回折格子１２（Ｂ）＝第３出射側回折格子
赤色光Ｌ（Ｒ）＝第１光線
緑色光Ｌ（Ｇ）＝第２光線
青色光Ｌ（Ｂ）＝第３光線
その他の構成は、図３を参照して説明した導光板と同様な構成を有しているため、説明を省略する。かかる光束径拡大素子１０でも、実施の形態２に係る光束径拡大素子１０と同様、各色の出射光の光量分布を揃えることができる等、実施の形態２と同様な効果を奏する。
［実施の形態４］
図９は、本発明を適用した光束径拡大素子１０を備えた表示装置の構成例を示す説明図である。図１０は、図９に示す表示装置の光学系を示す説明図である。図１１は、図１０に示す光学系の射出瞳の説明図である。
図９に示す表示装置１００は、眼鏡のような外観を有するヘッドマウントディスプレイ（頭部装着型表示装置）である。表示装置１００は、表示装置１００を装着した観察者に対して画像光を認識させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させることができる。表示装置１００は、観察者の眼前を覆う光学パネル１１０と、光学パネル１１０を支持するフレーム１２１と、フレーム１２１の側枠に設けられた第１駆動部１３１および第２駆動部１３２とを備えている。光学パネル１１０は、第１パネル部分１１１と第２パネル部分１１２とを有しており、第１パネル部分１１１と第２パネル部分１１２とは、中央で一体的に連結された板状の部品となっている。図面に向かって左側の第１パネル部分１１１と第１駆動部１３１とを組み合わせた第１表示装置１００Ａは、左眼用の部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。また、図面に向かって右側の第２パネル部分１１２と第２駆動部１３２とを組み合わせた第２表示装置１００Ｂは、右眼用の部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。
ここで、第２表示装置１００Ｂは、第１表示装置１００Ａと同様の構造を有し、左右を反転させた構成であるので、以下の説明では、第１表示装置１００Ａを中心に説明し、第２表示装置１００Ｂの詳細な説明は省略する。
図１０に示すように、第１表示装置１００Ａは、画像光投射装置１５および導光光学装置２０を備えている。画像光投射装置１５は、図３における第１駆動部１３１に相当し、導光光学装置２０は、図９における第１パネル部分１１１に相当する。なお、図９に示す第２表示装置１００Ｂにおいて、画像光投射装置１５は第２駆動部１３２に相当し、導光光学装置２０は第２パネル部分１１２に相当する。
画像光投射装置１５は、画像形成装置１６と投射光学系１７とを有している。画像形成装置１６は、図示を省略するが、２次元的な照明光を出射する照明装置と、透過型の液晶表示デバイスと、照明装置および液晶表示デバイスの動作を制御する駆動制御部とを有する。照明装置は、赤色、緑色、青色の３色を含む光を発生し、液晶表示デバイスは、照明装置からの照明光を空間的に変調して動画像等の表示対象となるべき画像光Ｌ１を形成する。
本形態において、投射光学系１７は、画像形成装置１６（液晶表示デバイス）上の各点から出射された画像光Ｌ１の光線を集光するパワーを有するコリメーターレンズ１８を備えている。なお、画像形成装置１６としては、光源からの光をＭＥＭＳ等のミラーで反射させて画像を形成させる反射型の空間光変調器や、有機エレクトロルミネッセンス表示素子を用いてもよい。
導光光学装置２０は、画像光Ｌ１が照射される被照射領域２１と、被照射領域２１から入射して進行してきた光を表示光Ｌ２として出射する表示光出射領域２３とを備えている。
本形態において、導光光学装置２０は、光束径拡大素子１０と、光束径拡大素子１０から出射された画像光Ｌ１をｙ方向（第１方向）と交差するｘ方向（第２方向）に導く導光光学系２５とを有している。光束径拡大素子１０は、本発明が適用された光束径拡大素子であり、例えば、実施の形態２を参照して説明した構成を有している。導光光学系２５は、ｘ方向に延在する導光板３０を有している。導光板３０は、ｘ方向の一方側の端部において光束径拡大素子１０と対向する入射側回折格子３１と、ｘ方向の他方側の端部において眼Ｅと対向する出射側回折格子３２とを有しており、出射側回折格子３２によって表示光出射領域２３が構成されている。
ここで、光束径拡大素子１０のｙ方向におけるサイズは、導光光学系２５（導光板３０）のｙ方向におけるサイズより小さい。このため、光束径拡大素子１０は、導光光学系２５（導光板３０）からｙ方向に張り出していない。
本形態において、ｙ方向（第１方向）は縦方向に相当し、光束径拡大素子１０では、３枚の導光板（青色用の導光板１（Ｂ）、緑色用の導光板１（Ｇ）、および赤色用の導光板１（Ｒ））が各々、縦方向（ｙ方向）に延在している。また、３枚の導光板（青色用の導光板１（Ｂ）、緑色用の導光板１（Ｇ）、および赤色用の導光板１（Ｒ））は各々、ｘ方向に格子が延在する入射側回折格子１１（Ｂ）、１１（Ｇ）、１１（Ｒ）と、ｘ方向に格子が延在する出射側回折格子１２（Ｂ）、１２（Ｇ）、１２（Ｒ）とが設けられている。
従って、画像光投射装置１５から出射された画像光Ｌ１は、光束径拡大素子１０に入射し、光束径拡大素子１０によって、縦方向（ｙ方向）に光束径が拡大された後、導光板３０の入射側回折格子３１に出射される。そして、導光板３０の入射側回折格子３１から入射した光は、導光板３０内をｘ方向（第２方向）に伝播し、導光板３０の出射側回折格子３２から眼Ｅに向けて出射される間に横方向（ｘ方向）に瞳拡大される。
ここで、画像光投射装置１５では、図１１に示すように、画像形成装置１６から出射された画像光は、投射光学系１７のコリメーターレンズ１８よって平行光に変換される。ここで、投射光学系１７の射出瞳１７０は、光軸方向において、光束径拡大素子１０の入射面（青色用の導光板１（Ｂ）の面１ａ（Ｂ））と光束径拡大素子１０の出射面（赤色用の導光板１（Ｒ）の面１ｂ（Ｒ）との間に位置する。本形態において、投射光学系１７の射出瞳１７０は、緑色用の導光板１（Ｇ）の面１ａ（Ｇ）に位置する。このため、画像光Ｌ１の全ての画角の光を光束径拡大素子１０に用いた青色用の導光板１（Ｂ）、緑色用の導光板１（Ｇ）、および赤色用の導光板１（Ｒ）の入射側回折格子１１（Ｂ）、（Ｇ）、（Ｒ）に入射させることができる。従って、画面全体にわたって、青色光Ｌ（Ｂ）、緑色光Ｌ（Ｇ）および赤色光Ｌ（Ｒ）の全ての色の画像を表示することができる。なお、投射光学系１７の射出瞳１７０を、光軸方向において、光束径拡大素子１０の入射面（青色用の導光板１（Ｂ）の面１ａ（Ｂ））と光束径拡大素子１０の出射面（赤色用の導光板１（Ｒ）の面１ｂ（Ｒ）との中間に配置することが好ましい。かかる構成によれば、画像光Ｌ１の全ての画角の光を光束径拡大素子１０に用いた青色用の導光板１（Ｂ）、緑色用の導光板１（Ｇ）、および赤色用の導光板１（Ｒ）の入射側回折格子１１（Ｂ）、（Ｇ）、（Ｒ）により確実に入射させることができる。従って、画面全体にわたって、青色光Ｌ（Ｂ）、緑色光Ｌ（Ｇ）および赤色光Ｌ（Ｒ）の全ての色の画像をより確実に表示することができる。
［実施の形態５］
図１２は、本発明を適用した光束径拡大素子１０を備えた表示装置の別の構成例を示す説明図である。なお、本形態の基本的な構成は、実施の形態４と同様であるため、共通する部分には同一の符号を付してそれらの詳細な説明を省略する。
図１２に示すように、本形態の第１表示装置１００Ａも、実施の形態４と同様、画像光投射装置１５は、画像形成装置１６と投射光学系１７とを有している。導光光学装置２０は、光束径拡大素子１０と、光束径拡大素子１０から出射された画像光Ｌ１をｙ方向（第１方向）と交差するｘ方向（第２方向）に導く導光光学系２５とを有している。光束径拡大素子１０は、本発明が適用された光束径拡大素子であり、例えば、実施の形態２を参照して説明した構成を有している。導光光学系２５は、ｘ方向に延在する導光板３０を有している。ここで、光束径拡大素子１０のｙ方向におけるサイズは、導光光学系２５（導光板３０）のｙ方向におけるサイズより小さい。このため、光束径拡大素子１０は、導光光学系２５（導光板３０）からｙ方向に張り出していない。
本形態において、ｙ方向（第１方向）は横方向に相当し、光束径拡大素子１０では、３枚の導光板（青色用の導光板１（Ｂ）、緑色用の導光板１（Ｇ）、および赤色用の導光板１（Ｒ））が各々、横方向（ｙ方向）に延在している。また、ｘ方向（第２方向）は縦方向に相当し、導光板３０は、縦方向（ｘ方向）に延在している。
このように構成した第１表示装置１００Ａにおいても、実施の形態４と同様、画像光投射装置１５から出射された画像光Ｌ１は、光束径拡大素子１０に入射し、光束径拡大素子１０によって、縦方向（ｙ方向）に光束径が拡大された後、導光板３０の入射側回折格子３１に出射される。そして、導光板３０の入射側回折格子３１から入射した光は、導光板３０内をｘ方向（第２方向）に伝播し、導光板３０の出射側回折格子３２から眼Ｅに向けて出射される間に横方向（ｘ方向）に瞳拡大される。
［他の実施の形態］
実施の形態２、３、４、５において、光束径拡大素子１０が３枚の導光板を有していたが、２枚の導光板を有する構成を採用してもよい。この場合、例えば、２枚の導光板のうちの１枚が青色光Ｌ（Ｂ）と緑色光Ｌ（Ｇ）の光束径の拡大を行い、他の１枚が赤色光Ｌ（Ｒ）の光束径の拡大を行う。
１、１（Ｂ）、１（Ｇ）、１（Ｒ）…導光板、１ａ、１ａ（Ｂ）、１ａ（Ｇ）、１ａ（Ｒ）…面、１ｂ、１ｂ（Ｂ）、１ｂ（Ｇ）、１ｂ（Ｒ）…面、１０…光束径拡大素子、１１、１１（Ｂ）、１１（Ｇ）、１１（Ｒ）…入射側回折格子、１１ａ、１１ａ（Ｂ）、１１ａ（Ｇ）、１１ａ（Ｒ）…格子、１２、１２（Ｂ）、１２（Ｇ）、１２（Ｒ）…出射側回折格子、１２ａ、１２ａ（Ｂ）、１２ａ（Ｇ）、１２ａ（Ｒ）…格子、１５…画像光投射装置、１６…画像形成装置、１７…投射光学系、１８…コリメーターレンズ、２０…導光光学装置、２１…被照射領域、２３…表示光出射領域、２５…導光光学系、３０…導光板、３１…入射側回折格子、３２…出射側回折格子、１００…表示装置、１００Ａ…第１表示装置、１００Ｂ…第２表示装置、１１０…光学パネル、１１１…第１パネル部分、１１２…第２パネル部分、１２１…フレーム、１３１…第１駆動部、１３２…第２駆動部、１７０…射出瞳、Ｅ…眼、Ｌ…光軸、Ｌ０…０次回折光、Ｌ＋１…＋１次回折光、Ｌ−１…−１次回折光、Ｌ１…画像光、Ｌ２…表示光、Ｌ１０…光線Ｌ（Ｂ）…青色光、Ｌ（Ｇ）…緑色光、Ｌ（Ｒ）…赤色光、Ｐ…格子周期、Ｐ１…格子周期、Ｐ２…格子周期、Ｐ３…格子周期

Claims (10)

  1. 第１面および前記第１面とは反対側の面である第２面を備えた第１導光板と、
    前記第１面に設けられた第１入射側回折格子と、
    前記第２面に設けられた第１出射側回折格子と、
    第３面が前記第１導光板の前記第２面と対向するように設けられ、前記第３面とは反対側に第４面を備えた第２導光板と、
    前記第３面に設けられた第２入射側回折格子と、
    前記第４面に設けられた第２出射側回折格子と、
    第５面が前記第２導光板の前記第４面と対向するように設けられ、前記第５面とは反対側に第６面を備えた第３導光板と、
    前記第５面に設けられた第３入射側回折格子と、
    前記第６面に設けられた第３出射側回折格子と、
    を有し、
    前記第１面は、前記第２面に平行となるように設けられ、
    前記第１入射側回折格子と前記第１出射側回折格子とは、格子方向が同じ方向、かつ、格子周期が同じ周期となるように設けられ、
    前記第１導光板の屈折率は、前記第１入射側回折格子に入射する第１光線の＋１次回折光の回折角および−１次回折光の回折角が、それぞれ臨界角以上の角度となるような屈折率であり、
    前記第１入射側回折格子の格子方向と交差する方向を第１方向としたとき、
    前記第１入射側回折格子によって回折された前記第１光線の＋１次回折光および−１次回折光は、前記第１導光板内を前記第１方向の互いに反対の方向に伝播して前記第１出射側回折格子から出射され、
    前記第３面は、前記第４面に平行となるように設けられ、
    前記第２入射側回折格子と前記第２出射側回折格子とは、格子方向が同じ方向、かつ、格子周期が同じ周期となるように設けられ、
    前記第２入射側回折格子の格子方向は、前記第１入射側回折格子の格子方向と同じ方向となるように設けられ、
    前記第２入射側回折格子の格子周期は、前記第１入射側回折格子の格子周期と異なる周期となるように設けられ、
    前記第２導光板の屈折率は、前記第１光線と波長が異なる第２光線が前記第２入射側回折格子に入射した際の前記第２光線の＋１次回折光の回折角および−１次回折光の回折角が、それぞれ臨界角以上の角度となるような屈折率であり、
    前記第２入射側回折格子によって回折された前記第２光線の＋１次回折光および−１次回折光は、前記第２導光板内を前記第１方向の互いに反対の方向に伝播して前記第２出射側回折格子から出射され、
    前記第５面は、前記第６面に平行となるように設けられ、
    前記第３入射側回折格子と前記第３出射側回折格子とは、格子方向が同じ方向、かつ、格子周期が同じ周期となるように設けられ、
    前記第３入射側回折格子の格子方向は、前記第１入射側回折格子の格子方向と同じ方向となるように設けられ、
    前記第３入射側回折格子の格子周期は、前記第１入射側回折格子および前記第２入射側回折格子の格子周期と異なる周期となるように設けられ、
    前記第３導光板の屈折率は、前記第１光線および前記第２光線と波長が異なる第３光線が前記第３入射側回折格子に入射した際の前記第３光線の＋１次回折光の回折角および−１次回折光の回折角が、それぞれ臨界角以上の角度となるような屈折率であり、
    前記第３入射側回折格子によって回折された前記第３光線の＋１次回折光および−１次回折光は、前記第３導光板内を前記第１方向の互いに反対の方向に伝播して前記第３出射側回折格子から出射され、
    前記第１入射側回折格子の格子高さをＨ１１とし、
    前記第２入射側回折格子の格子高さをＨ２１とし、
    前記第３入射側回折格子の格子高さをＨ３１としたとき、
    前記格子高さＨ１１、Ｈ２１、Ｈ３１は、以下の関係
    Ｈ１１＜Ｈ２１＜Ｈ３１
    を満たしていることを特徴とする光束径拡大素子。
  2. 請求項１に記載の光束径拡大素子において、
    前記第１入射側回折格子の格子周期をＰ１とし、
    前記第２入射側回折格子の格子周期をＰ２とし、
    前記第３入射側回折格子の格子周期をＰ３としたとき、
    前記格子周期Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は、以下の関係
    Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３
    を満たしていることを特徴とする光束径拡大素子。
  3. 請求項１または２に記載の光束径拡大素子において、
    前記第１出射側回折格子の格子高さをＨ１２とし、
    前記第２出射側回折格子の格子高さをＨ２２とし、
    前記第３出射側回折格子の格子高さをＨ３２としたとき、
    前記格子高さＨ１１、Ｈ１２、Ｈ２１、Ｈ２２、Ｈ３１、Ｈ３２は、以下の関係
    Ｈ１２＜Ｈ１１＜Ｈ２２＜Ｈ２１＜Ｈ３２＜Ｈ３１
    を満たしていることを特徴とする光束径拡大素子。
  4. 第１面および前記第１面とは反対側の面である第２面を備えた第１導光板と、
    前記第１面に設けられた第１入射側回折格子と、
    前記第２面に設けられた第１出射側回折格子と、
    第３面が前記第１導光板の前記第２面と対向するように設けられ、前記第３面とは反対側に第４面を備えた第２導光板と、
    前記第３面に設けられた第２入射側回折格子と、
    前記第４面に設けられた第２出射側回折格子と、
    を有し、
    前記第１面は、前記第２面に平行となるように設けられ、
    前記第１入射側回折格子と前記第１出射側回折格子とは、格子方向が同じ方向、かつ、格子周期が同じ周期となるように設けられ、
    前記第１導光板の屈折率は、前記第１入射側回折格子に入射する第１光線の＋１次回折光の回折角および−１次回折光の回折角が、それぞれ臨界角以上の角度となるような屈折率であり、
    前記第１入射側回折格子の格子方向と交差する方向を第１方向としたとき、
    前記第１入射側回折格子によって回折された前記第１光線の＋１次回折光および−１次回折光は、前記第１導光板内を前記第１方向の互いに反対の方向に伝播して前記第１出射側回折格子から出射され、
    前記第３面は、前記第４面に平行となるように設けられ、
    前記第２入射側回折格子と前記第２出射側回折格子とは、格子方向が同じ方向、かつ、格子周期が同じ周期となるように設けられ、
    前記第２入射側回折格子の格子方向は、前記第１入射側回折格子の格子方向と同じ方向となるように設けられ、
    前記第２入射側回折格子の格子周期は、前記第１入射側回折格子の格子周期と異なる周期となるように設けられ、
    前記第２導光板の屈折率は、前記第１光線と波長が異なる第２光線が前記第２入射側回折格子に入射した際の前記第２光線の＋１次回折光の回折角および−１次回折光の回折角が、それぞれ臨界角以上の角度となるような屈折率であり、
    前記第２入射側回折格子によって回折された前記第２光線の＋１次回折光および−１次回折光は、前記第２導光板内を前記第１方向の互いに反対の方向に伝播して前記第２出射側回折格子から出射され、
    前記第１入射側回折格子の格子高さをＨ１１とし、
    前記第２入射側回折格子の格子高さをＨ２１としたとき、
    前記格子高さＨ１１、Ｈ２１は、以下の関係
    Ｈ１１＜Ｈ２１
    を満たしていることを特徴とする光束径拡大素子。
  5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の光束径拡大素子において、
    前記第１入射側回折格子および前記第１出射側回折格子の格子周期をＰとし、
    前記第１光線のスペクトルの半値幅における最短波長をλｃとし、
    前記第１光線の前記第１入射側回折格子に対する最大入射角をθｍａｘとしたとき、
    格子周期Ｐ、最短波長λｃおよび最大入射角θｍａｘは、以下の関係
    Ｐ≦λｃ／［ｓｉｎ（θｍａｘ）＋１］
    を満たしていることを特徴とする光束径拡大素子。
  6. 第１面および前記第１面とは反対側の面である第２面を備えた第１導光板と、
    前記第１面に設けられた第１入射側回折格子と、
    前記第２面に設けられた第１出射側回折格子と、
    画像生成装置およびコリメーターレンズを備え、前記画像生成装置で生成された画像光を前記コリメーターレンズを介して前記光束径拡大素子に入射させる画像光投射装置と、
    前記光束径拡大素子から出射された画像光を前記第１方向と交差する第２方向に導く導光光学系と、
    を有し、
    前記第１面は、前記第２面に平行となるように設けられ、
    前記第１入射側回折格子と前記第１出射側回折格子とは、格子方向が同じ方向、かつ、格子周期が同じ周期となるように設けられ、
    前記第１導光板の屈折率は、前記第１入射側回折格子に入射する第１光線の＋１次回折光の回折角および−１次回折光の回折角が、それぞれ臨界角以上の角度となるような屈折率であり、
    前記第１入射側回折格子の格子方向と交差する方向を第１方向としたとき、
    前記第１入射側回折格子によって回折された前記第１光線の＋１次回折光および−１次回折光は、前記第１導光板内を前記第１方向の互いに反対の方向に伝播して前記第１出射側回折格子から出射され、
    前記画像光投射装置における射出瞳が前記光束径拡大素子の入射面と出射面との間に位置することを特徴とする表示装置。
  7. 請求項６に記載の表示装置において、
    前記射出瞳が前記光束径拡大素子の入射面と出射面との中間に位置することを特徴とする表示装置。
  8. 請求項６または７に記載の表示装置において、
    前記光束径拡大素子の前記第１方向におけるサイズが、前記導光光学系の第１方向におけるサイズより小さいことを特徴とする表示装置。
  9. 請求項６乃至８の何れか一項に記載の表示装置において、
    前記第１方向は、前記画像光を観察する観察者から見て縦となる方向であり、
    前記第２方向は、前記画像光を観察する観察者から見て横となる方向であることを特徴とする表示装置。
  10. 請求項６乃至８の何れか一項に記載の表示装置において、
    前記第１方向は、前記画像光を観察する観察者から見て横となる方向であり、
    前記第２方向は、前記画像光を観察する観察者から見て縦となる方向であることを特徴とする表示装置。
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