JP6707934B2

JP6707934B2 - 光学素子および表示装置

Info

Publication number: JP6707934B2
Application number: JP2016058100A
Authority: JP
Inventors: 隼人松木; 横山　修; 修横山
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2020-06-10
Anticipated expiration: 2036-03-23
Also published as: US20170276957A1; JP2017173486A; US10254558B2

Description

本発明は、光の進行方向に複数の回折格子が配置された光学素子、および光学素子を備
えた表示装置に関するものである。

光の進行方向に複数の回折格子を配置した光学素子は、レーザプリンタ等の画像形成装
置の光束分割素子や、網膜走査型の表示装置の瞳拡大素子として用いられている。かかる
光学素子を構成するにあたって、回折格子が形成された２枚の透光性の基板を接着剤によ
って対向した状態に貼り合わせた構造が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００８−１９７１８２号公報の図２７

光学素子においては、回折格子の格子が所定の方向に延在するように高い精度で位置合
わせする必要があるとともに、回折格子同士の間隔を高い精度で合わせる必要がある。ま
た、回折格子同士を平行に配置する必要がある。しかしながら、特許文献１に記載の光学
素子のように、２枚の基板を接着剤によって対向した状態に貼り合わせた構造では、接着
剤の収縮等の影響で、回折格子同士の間隔の変動や、面外方向に対する傾き等が発生する
おそれがある。

以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、光の進行方向に沿って配置された複数の回折
格子の位置を適正に合わせることのできる光学素子、および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、本発明に係る光学素子の一態様は、第１面および前記第１
面とは反対側の面である第２面を備えた透光性の第１基板と、前記第２面に対向する第３
面および前記第３面とは反対側の面である第４面を備えた透光性の第２基板と、前記第１
面および前記第２面の少なくとも一方に設けられた第１回折格子と、前記第３面および前
記第４面の少なくとも一方に設けられた第２回折格子と、前記第２面と前記第３面との間
に介在する第１ギャップ材を含み、前記第２面と前記第３面とを接着する第１接着剤層と
、を有することを特徴とする。

本発明では、第１基板と第２基板との間隔を第１ギャップ材によって高い精度で制御す
ることができるとともに、第１ギャップ材によって第１基板と第２基板とを高い精度で平
行に配置することができる。従って、第１回折格子と第２回折格子との間隔を高い精度で
制御することができるとともに、第１回折格子と第２回折格子とを高い精度で平行に配置
することができる。また、第１基板に対する第２基板の面内方向の角度位置については、
第１接着剤層で固定する前に、第１基板の側から光を入射させ、第２基板から出射された
光を観察し、その観察結果に基づいて、第１基板に対する第２基板の面内方向の角度位置
を調整することができる。従って、第１回折格子と第２回折格子とを高い精度で適正な向
きに配置することができる。それ故、光の進行方向に沿って配置された複数の回折格子の
位置を適正に合わせることができる。

本発明の別態様（第１別態様）の光学素子は、前記第１回折格子は、前記第１面に設け
られ、前記第２回折格子は、前記第４面に設けられ、前記第１接着剤層は、光が通過する
有効領域の外側に設けられ、前記有効領域では、前記第２面と前記第３面との間に前記第
１基板および前記第２基板と屈折率が等しい第１充填材が充填されている構成を採用する
ことができる。かかる構成によれば、第１基板、第１充填材および第２基板が一体の透光
体として機能するため、第２面および第３面での屈折や反射等を抑制することができる。

本発明のさらに別態様（第２別態様）の光学素子は、前記第４面に対向する第５面およ
び前記第５面とは反対側の面である第６面を備えた透光性の第３基板と、前記第６面に対
向する第７面および前記第７面とは反対側の面である第８面を備えた透光性の第４基板と
、前記第５面に設けられた第３回折格子と、前記第８面に設けられた第４回折格子と、前
記第６面と前記第７面との間に介在する第２ギャップ材を含み、前記有効領域の外側で前
記第６面と前記第７面とを接着する第２接着剤層と、前記有効領域で前記第６面と前記第
７面との間に充填され、前記第３基板および前記第４基板と屈折率が等しい第２充填材と
、前記第４面と前記第５面との間に介在する第３ギャップ材を含み、前記有効領域の外側
で前記第４面と前記第５面とを接着する第３接着剤層と、前記有効領域で前記第４面と前
記第５面との間に充填され、空気または空気と屈折率が等しい媒質からなる第３充填材と
、を有する構成を採用することができる。かかる構成によれば、第３基板と第４基板との
間隔を第２ギャップ材によって高い精度で制御することができるとともに、第２ギャップ
材によって第３基板と第４基板とを高い精度で平行に配置することができる。従って、第
３回折格子と第４回折格子との間隔を高い精度で制御することができるとともに、第３回
折格子と第４回折格子とを高い精度で平行に配置することができる。また、第３基板に対
する第４基板の面内方向の角度位置については、第２接着剤層で固定する前に、第３基板
の側から光を入射させ、第４基板から出射された光を観察し、その観察結果に基づいて、
第３基板に対する第４基板の面内方向の角度位置を調整することができる。従って、第３
回折格子と第４回折格子とを高い精度で適正な向きに配置することができる。また、第３
基板、第２充填材および第４基板が一体の透光体として機能するため、第６面および第７
面での屈折や反射等を抑制することができる。また、第２基板と第３基板との間隔を第２
ギャップ材によって高い精度で制御することができるとともに、第２基板と第３基板とを
高い精度で平行に配置することができる。従って、第２回折格子と第３回折格子との間隔
を高い精度で制御することができるとともに、第２回折格子と第３回折格子とを高い精度
で平行に配置することができる。また、第１基板と第２基板を備えたユニットと、第３基
板と第４基板を備えたユニットとについては、第３接着剤層で固定する前に、例えば、第
１基板の側から光を入射させ、第４基板から出射された光を観察した際、光学素子を実際
に用いた場合と一致する観察結果を得ることができる。従って、観察結果に基づいて、ユ
ニット同士を高い精度で適正な向きに配置することができる。それ故、光の進行方向に沿
って配置された複数の回折格子の位置を適正に合わせることができる。また、第３充填材
は、空気または空気と屈折率が等しい媒質からなるため、第４面および第５面が大気に対
して開放状態にある場合と同様な光学特性を得ることができる。

本発明のさらに別態様（第３別態様）において、前記第１回折格子は、少なくとも前記
第２面に設けられ、前記第２回折格子は、少なくとも前記第３面に設けられ、前記第１接
着剤層は、光が通過する有効領域の外側に設けられ、前記有効領域では、前記第２面と前
記第３面との間に、空気または空気と屈折率が等しい媒質からなる充填材が充填されてい
る構成を採用することができる。かかる構成によれば、第２面および第３面が大気に対し
て開放状態にある場合と同様な光学特性を得ることができる。

本発明の第１別態様において、前記第１回折格子および前記第２回折格子は、各々が第
１方向に延在する複数の凹部または凸部が周期的に配列され、前記第１回折格子および前
記第２回折格子の各々の前記複数の凹部または凸部は、それぞれ互いの格子周期が同じ周
期となるように配置されている構成を採用することができる。かかる構成によれば、光学
素子を第１方向に交差する第２方向に光束を拡大する瞳拡大素子として用いることができ
る。

また、本発明の第１別態様において、前記第１基板、前記第１充填材および前記第２基
板の屈折率は、前記第１回折格子に入射した第１光線の＋１次回折光が、前記第１面およ
び前記第４面に対してそれぞれ臨界角以上の角度で入射し、かつ、前記第１回折格子に入
射する前記第１光線の−１次回折光が、前記第１面および前記第４面に対してそれぞれ臨
界角以上の角度で入射するような屈折率である態様を採用することができる。かかる構成
によれば、第１回折格子によって回折された第１光線の＋１次回折光および−１次回折光
は、第１基板、第１充填材および第２基板の内部を第１方向に対して交差する第２方向の
互いに反対の方向に伝播して第２回折格子から出射される。従って、光学素子を、第１基
板、第１充填材および第２基板の内部を第２方向の互いに反対の方向に光が伝播して瞳が
拡大される瞳拡大素子として用いることができる。また、第１光線の＋１次回折光および
−１次回折光は、第１基板、第１充填材および第２基板の内部を全反射の状態で第２方向
の互いに反対の方向に伝播するので、光の利用効率が高い。

本発明の第２別態様において、前記第１回折格子および前記第２回折格子は、各々が第
１方向に延在する複数の凹部または凸部が周期的に配列され、前記第３回折格子および前
記第４回折格子は、各々が前記第１方向、または前記第１方向と交差した第２方向に延在
する複数の凹部または凸部が周期的に配列され、前記第１回折格子および前記第２回折格
子の各々の前記複数の凹部または凸部は、それぞれ互いの格子周期が同じ周期となるよう
に配置され、前記第３回折格子および前記第４回折格子の各々の前記複数の凹部または凸
部は、それぞれ互いの格子周期が同じ周期となるように構成を採用することができる。か
かる構成によれば、光学素子を第１方向等に光束を拡大する瞳拡大素子として用いること
ができる。

本発明の第３別態様において、前記第３回折格子および前記第４回折格子の各々の前記
複数の凹部または凸部は、それぞれ前記第１方向に延在し、前記第１回折格子は、前記第
３回折格子と異なる格子周期であり、前記第１基板の屈折率は、前記第１回折格子に入射
した第１光線の＋１次回折光が、前記第１面および前記第４面に対してそれぞれ臨界角以
上の角度で入射し、かつ、前記第１回折格子に入射する前記第１光線の−１次回折光が、
前記第１面および前記第４面に対してそれぞれ臨界角以上の角度で入射するような屈折率
であり、前記第３基板の屈折率は、前記第１光線と波長が異なる第２光線が前記第３回折
格子に入射した際の前記第２光線の＋１次回折光が、前記第５面および前記第８面に対し
てそれぞれ臨界角以上の角度で入射し、かつ、前記第３回折格子に入射する前記第２光線
の−１次回折光が、前記第５面および前記第８面に対してそれぞれ臨界角以上の角度で入
射するような屈折率である態様を採用することができる。かかる構成によれば、第１回折
格子によって回折された第１光線の＋１次回折光および−１次回折光は、第１基板、第１
充填材および第２基板の内部を第２方向の互いに反対の方向に伝播して第２回折格子から
出射される。また、第３回折格子によって回折された第２光線の＋１次回折光および−１
次回折光は、第１基板、第１充填材および第２基板の内部を第２方向の互いに反対の方向
に伝播して第４回折格子から出射される。従って、光学素子を、第１光線が第１基板、第
１充填材および第２基板の内部を第２方向の互いに反対の方向に光が伝播して瞳が拡大さ
れるとともに、第２光線が第３基板、第２充填材および第４基板の内部を第２方向の互い
に反対の方向に光が伝播して瞳が拡大さる瞳拡大素子として用いることができる。また、
第１光線の＋１次回折光および−１次回折光は、第１基板、第１充填材および第２基板の
内部を全反射の状態で第２方向の互いに反対の方向に伝播し、第２光線の＋１次回折光お
よび−１次回折光は、第３基板、第２充填材および第４基板の内部を全反射の状態で第２
方向の互いに反対の方向に伝播するので、光の利用効率が高い。

この場合、前記第１回折格子の格子周期をＰ１とし、前記第３回折格子の格子周期をＰ
２としたとき、前記格子周期Ｐ１、Ｐ２は、以下の関係
Ｐ１＜Ｐ２
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光線および第２光線の波長が
以下の関係
第１光線＜第２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。

また、前記第１回折格子の格子高さをＨ１１とし、前記第３回折格子の格子高さをＨ２
１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が好ましい。かかる構成によれば、第１光線および第２光線が以下の
関係
第１光線＜第２光線
を有する場合、光線の１次回折効率を高めることができるので、光の利用効率が高いとと
もに、不要な回折光を抑制できる。

また、前記第２回折格子の格子高さをＨ１２とし、前記第４回折格子の格子高さをＨ２
２としたとき、前記格子高さＨ１１、Ｈ１２、Ｈ２１、Ｈ２２は、以下の関係
Ｈ１２＜Ｈ１１＜Ｈ２２＜Ｈ２１
を満たしてことが好ましい。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。

本発明の第３別態様において、前記第１回折格子は、第１方向に延在する複数の凹部ま
たは凸部が周期的に配列され、前記第２回折格子は、前記第１方向、または前記第１方向
と交差した第２方向に延在する複数の凹部または凸部が周期的に配列されている態様を採
用することができる。かかる構成によれば、光学素子を第１方向等に光束を拡大する瞳拡
大素子として用いることができる。

本発明の第１別態様および第３別態様において、前記第１回折格子および前記第２回折
格子は、各々が第１方向および前記第１方向と交差した第２方向に複数の凹部または凸部
が周期的に配列され、前記第１回折格子および前記第２回折格子の各々の前記複数の凹部
または凸部は、それぞれ互いの前記第１方向に沿った格子周期が同じ周期となるように配
置され、かつ、それぞれ互いの前記第２方向に沿った格子周期が同じ周期となるように配
置されている態様を採用することができる。かかる構成によれば、光学素子を第１方向お
よび第２方向に光束を拡大する瞳拡大素子として用いることができる。

本発明の第２別態様において、前記第１回折格子、前記第２回折格子、前記第３回折格
子および前記第４回折格子は、各々が第１方向および前記第１方向と交差した第２方向に
複数の凹部または凸部が周期的に配列され、前記第１回折格子、前記第２回折格子、前記
第３回折格子および前記第４回折格子の各々の前記複数の凹部または凸部は、それぞれ互
いの前記第１方向に沿った格子周期が同じ周期となるように配置され、かつ、それぞれ互
いの前記第２方向に沿った格子周期が同じ周期となるように配置されている構成を採用す
ることができる。かかる構成によれば、光学素子を第１方向および第２方向に光束を拡大
する瞳拡大素子として用いることができる。

本発明に係る光学素子を用いた表示装置は、光束を出射する光源と、前記光源から出射
された光束を走査して画像とする走査光学系と、前記走査光学系により走査された光束を
使用者の眼に入射させる導光系と、を備え、前記光学素子は、前記走査光学系から前記導
光系に到る光路、または前記導光系の光路に配置されていることを特徴とする。

本発明の実施の形態１に係る光学素子の一態様を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る光学素子を製造する際の角度調整工程で得られるスポットの説明図である。本発明の実施の形態１の変形例に係る光学素子を製造する際の角度調整工程で得られるスポットの説明図である。本発明の実施の形態２に係る光学素子の一態様を示す断面図である。本発明の実施の形態２の変形例２に係る光学素子の一態様を示す断面図である。本発明の実施の形態３に係る光学素子の一態様を示す断面図である。本発明を適用した表示装置の第１構成例における光学系の構成を説明図である。本発明を適用した表示装置の第１構成例の外観の一態様を示す説明図である。図７および図８に示す表示装置に用いた瞳拡大素子の構成例１の一態様を示す説明図である。図９に示す瞳拡大素子において光束を拡大する様子の説明図である。図７および図８に示す表示装置に用いた瞳拡大素子の構成例２の一態様を示す説明図である。図１１に示す瞳拡大素子の回折格子の説明図である。本発明を適用した表示装置の第２構成例の外観の一態様を示す説明図である。本発明を適用した表示装置の第２構成例における光学系の構成を説明図である。図１４に示す瞳拡大素子の説明図である。図１４に示す瞳拡大素子の光線図である。

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、光学素子１０００の面内方向における第１方向に
Ｄ１を付し、面内方向において第１方向Ｄ１に直角に交差する方向にＤ２を付し、第１方
向Ｄ１および第２方向Ｄ２に直角に交差する方向を第３方向Ｄ３として説明する。

［実施の形態１］
図１に示す光学素子１０００は、第１面１０１および第１面１０１とは反対側の面であ
る第２面１０２を備えた透光性の第１基板１００と、第２面１０２に対向する第３面２０
１および第３面２０１とは反対側の面である第４面２０２を備えた透光性の第２基板２０
０とを有している。第１基板１００では、第１面１０１と第２面１０２とが平行であり、
第２基板２００では、第３面２０１と第４面２０２とが平行である。

光学素子１０００は、第１面１０１および第２面１０２の少なくとも一方に設けられた
第１回折格子７１０と、第３面２０１および第４面２０２の少なくとも一方に設けられた
第２回折格子７２０とを有している。本形態において、第１回折格子７１０は第１面１０
１に設けられ、第２回折格子７２０は第４面２０２に設けられている。第１回折格子７１
０および第２回折格子７２０は表面レリーフ型回折格子である。

第１回折格子７１０および第２回折格子７２０は、図９を参照して後述するように、第
１方向Ｄ１に直線状に延在した凹部または凸部が第２方向Ｄ２に周期的に配列され、第１
回折格子７１０および第２回折格子７２０は、各々の凹部または凸部の格子周期が同じ周
期となるように配置されている。このため、光学素子１０００は、入射した光束を第２方
向Ｄ２に拡大する瞳拡大素子として構成されている。

このように構成した光学素子１０００において、光の通過領域として用いられる有効領
域１０００ａの外側では、第２面１０２と第３面２０１とが、球形または円柱状の第１ギ
ャップ材９１１を含む第１接着剤層９１０によって固定されている。第１ギャップ材９１
１は、第２面１０２と第３面２０１との間に介在し、第２面１０２と第３面２０１とに接
している。また、有効領域１０００ａでは、第２面１０２と第３面２０１との間に第１基
板１００および第２基板２００と屈折率が等しいオイル等の第１充填材９７１が充填され
ている。従って、第１基板１００と第２基板２００との間隔を第１ギャップ材９１１によ
って高い精度で制御することができるとともに、第１ギャップ材９１１によって第１基板
１００と第２基板２００とを高い精度で平行に配置することができる。また、第１充填材
９７１は、第１基板１００および第２基板２００と屈折率が等しいため、第１基板１００
、第１充填材９７１および第２基板２００が一体の透光体として機能する。従って、第２
面１０２および第３面２０１での屈折や反射等を抑制することができる。

なお、第１充填材９７１に用いることができる材料としては、シリコーンオイル、フロ
ロカーボン系液体、沃化メチレン系液体、アクリル系樹脂等を例示することができる。

ここで、第１接着剤層９１０は、延在方向において一部が途切れているため、光学素子
１０００を製造する際、第１基板１００と第２基板２００とを第１接着剤層９１０によっ
て貼り合わせた後、第１接着剤層９１０の途切れ部分から第１基板１００と第２基板２０
０と間に第１充填材９７１を減圧注入し、その後、第１接着剤層９１０の途切れ部分を封
止材によって塞ぐ。

このように本形態では、第１基板１００と第２基板２００とを第１ギャップ材９１１を
含む第１接着剤層９１０で固定した構造を有しているため、第１ギャップ材９１１によっ
て第１回折格子７１０と第２回折格子７２０との間隔を高い精度で制御することができる
とともに、第１ギャップ材９１１によって第１回折格子７１０と第２回折格子７２０とを
高い精度で平行に配置することができる。

また、第１基板１００に対する第２基板２００の面内方向の角度位置については、第１
基板１００と第２基板２００とを第１接着剤層９１０により固定する前に、第１基板１０
０の側から光を入射させて第２基板２００から出射された光を観察し、その観察結果に基
づいて、第１基板１００に対する第２基板２００の面内方向の角度位置を調整し、その後
、第１接着剤層９１０で固定する。従って、第１回折格子７１０と第２回折格子７２０と
を高い精度で適正な向きに配置することができる。より具体的には、第１基板１００と第
２基板２００とを平行に対向させた状態で、第１基板１００の側からレーザー光を入射し
、第２基板２００から出射された光からオートコリメータを用いてスポットを検出すると
、図２に示すように、０次回折光に伴うスポットＳ０、＋１次回折光に伴うスポットＳ１
、−１次回折光に伴うスポットＳ２が検出される。その際、第１基板１００に対する第２
基板２００の面内方向の角度位置が適正であれば、スポットＳ０、Ｓ１、Ｓ２は、第２方
向Ｄ２に沿って直線的に並ぶ。従って、第１基板１００と第２基板２００とを第１ギャッ
プ材９１１を含む第１接着剤層９１０で固定すれば、第１回折格子７１０および第３回折
格子７２０の面内方向おける角度位置を高い精度で合わせることができる。

これに対して、第１基板１００に対する第２基板２００の面内方向の角度位置がずれて
いれば、スポットＳ０、Ｓ１、Ｓ２は、矢印Ｄ０で示すように、第２方向Ｄ２に対して傾
いた方向に直線的に並ぶことになる。この場合、第１基板１００に対する第２基板２００
の面内方向の角度位置を調整した後、再度、第１基板１００の側からレーザー光等を入射
させ、第２基板２００から出射されたスポットＳ０、Ｓ１、Ｓ２を観察する。その観察結
果において、スポットＳ１、Ｓ２、Ｓ３が第２方向Ｄ２に沿って直線的に並んでいれば、
第１基板１００と第２基板２００とを第ギャップ材９１１を含む第１接着剤層９１０で固
定する。それ故、第１回折格子７１０および第３回折格子７２０の面内方向おける角度位
置を高い精度で合わせることができる。これに対して、一般的なフォトリソグラフィやイ
ンプリント装置のアライメントマークの位置合わせ精度が５μｍ程度であり、有効径Φ１
０ｍｍにて円周上の点を最短直線で５μｍずれた場合、回転角度が０．０５７２９°(=時
計の３．４分=時計２０６秒)となる。おれに対して、一般的なオートコリメータの分解能
が時計の１秒程度でるため、出射するスポットＳ０とスポットＳ１の角度を時計の５．３
秒以内に合わせると、回転角度のずれが時計５秒以内に収まる等、高い精度を得ることが
できる。

また、本形態の光学素子１０００では、製造し終えた状態で、第１ギャップ材９１１に
よって第１回折格子７１０と第２回折格子７２０との間隔が高い精度で制御され、第１回
折格子７１０と第２回折格子７２０とを高い精度で平行に配置されている。このため、図
２に示すスポットＳ０、Ｓ１、Ｓ２では、スポットＳ０とスポットＳ１との間隔ｄ１、お
よびスポットＳ０とスポットＳ２との間隔ｄ２が等しく、かつ、間隔ｄ１、ｄ２が適正な
値となる。例えば、第１基板１００と第２基板２００とを接着剤層のみで貼り合わせた場
合は２μｍ程度の誤差が生じる、その場合。瞳拡大をするサイズをΦ１０ｍｍと仮定する
と、Φ１０ｍｍに対して２μｍのズレなので０．０１１°（＝時計の０．６９分＝時計の
４１秒）のズレとなる。これに対して、ギャップ材（第１ギャップ材１１）の精度は３％
程度なので、例えば、５μｍのギャップ材を使用した場合１５０ｎｍのズレとなるので、
１０ｍｍに対して１５０ｎｍなので、０．０００８６°（＝時計の０．０５分＝時計の３
秒）まで精度が向上する。

なお、本形では、第１充填材９７１が第１基板１００および第２基板２００と屈折率が
等しかったが、第１充填材９７１が第１基板１００および第２基板２００と屈折率が異な
る態様であってもよい。この場合、第１基板１００と第２基板２００との基板間隔を調整
した場合と同様な効果を得ることができ、図２に示すビーム間距離の調整を行うことがで
きる。

［実施の形態１の変形例］
図２は、本発明の実施の形態１の変形例に係る光学素子１０００を製造する際の角度調
整工程で得られるスポットの説明図である。実施の形態１において、第１回折格子７１０
および第２回折格子７２０は、第１方向Ｄ１に直線状に延在した凹部または凸部が周期的
に配列されていたが、第１回折格子７１０および第２回折格子７２０では、図１２等を参
照して後述するように、第１方向Ｄ１および第２方向Ｄ２に凹部または凸部が周期的に配
列されている構成を採用してもよい。この場合、第１回折格子７１０および第２回折格子
７２０は、各々の凹部または凸部の第１方向に沿った格子周期が同じ周期となるように配
置され、かつ、各々の凹部または凸部の第２方向Ｄ２に沿った格子周期が同じ周期となる
ように配置される。かかる構成によれば、光学素子１０００を第１方向Ｄ１および第２方
向Ｄ２に光束を拡大する瞳拡大素子として構成することができる。

この場合、第１基板１００と第２基板２００との角度位置の調整工程において、第１基
板１００の側からレーザー光等を入射させると、第２基板２００から出射された光は、図
３に示すように、第２方向Ｄ２に並ぶスポットＳ０、Ｓ１、Ｓ２と、第１方向Ｄ１に並ぶ
スポットＳ０、Ｓ３、Ｓ４とを形成する。従って、スポットＳ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ
４の観察結果に基づいて、第１基板１００と第２基板２００との角度を調整することがで
きる。それ故、光学素子１０００では、製造し終えた状態で、スポットＳ０、Ｓ１、Ｓ２
は第２方向Ｄ２に沿って直線状に並び、スポットＳ０、Ｓ３、Ｓ４は第２方向Ｄ２に沿っ
て直線状に並ぶことになる。また、スポットＳ０とスポットＳ１との間隔ｄ１、およびス
ポットＳ０とスポットＳ２との間隔ｄ２が等しく、かつ、間隔ｄ１、ｄ２が適正な値とな
る。また、スポットＳ０とスポットＳ３との間隔ｄ３、およびスポットＳ０とスポットＳ
４との間隔ｄ４が等しく、かつ、間隔ｄ３、ｄ４が適正な値となる。

［実施の形態２］
図４は、本発明の実施の形態２に係る光学素子１０００の一態様を示す断面図である。
図４に示す光学素子１０００は、実施の形態１と同様、第１面１０１および第１面１０１
とは反対側の面である第２面１０２を備えた透光性の第１基板１００と、第２面１０２に
対向する第３面２０１および第３面２０１とは反対側の面である第４面２０２を備えた透
光性の第２基板２００とを有している。本形態でも、実施の形態１と同様、第１基板１０
０では、第１面１０１に第１回折格子７１０が設けられ、第４面２０２に第２回折格子７
２０が設けられている。第１回折格子７１０および第２回折格子７２０は、第１方向Ｄ１
に直線状に延在した凹部または凸部が第２方向Ｄ２周期的に配列され、第１回折格子７１
０および第２回折格子７２０は、各々の凹部または凸部の格子周期が同じ周期となるよう
に配置されている。

本形態において、光学素子１０００は、第４面２０２と対向する第５面３０１および第
５面３０１とは反対側の面である第６面３０２を備えた透光性の第３基板３００と、第６
面３０２に対向する第７面４０１および第７面４０１とは反対側の面である第８面４０２
を備えた透光性の第４基板４００とを有している。第３基板３００では、第５面３０１と
第６面３０２とが平行であり、第４基板４００では、第７面４０１と第８面４０２とが平
行である。

光学素子１０００は、第５面３０１および第６面３０２の少なくとも一方に設けられた
第３回折格子７３０と、第７面４０１および第８面４０２の少なくとも一方に設けられた
第４回折格子７４０とを有している。本形態において、第３回折格子７３０は第５面３０
１に設けられ、第４回折格子７４０は第８面４０２に設けられている。第３回折格子７３
０および第４回折格子７４０は、第１方向Ｄ１に直線状に延在した凹部または凸部が第２
方向Ｄ２に周期的に配列され、第３回折格子７３０および第４回折格子７４０は、各々の
凹部または凸部の格子周期が同じ周期となるように配置されている。本形態において、第
１回折格子７１０、第２回折格子７２０、第３回折格子７３０および第４回折格子７４０
は、各々の凹部または凸部の格子周期が同じ周期となるように配置されている。このため
、光学素子１０００は、入射した光束を第１回折格子７１０および第２回折格子７２０に
よって第２方向Ｄ２に拡大した後、第３回折格子７３０および第４回折格子７４０によっ
てさらに第２方向Ｄ２に拡大する瞳拡大素子として構成されている。第１回折格子７１０
、第２回折格子７２０、第３回折格子７３０および第４回折格子７４０は表面レリーフ型
回折格子である。

なお、第１回折格子７１０と第２回折格子７２０とは格子周期が等しく、第３回折格子
７３０と第４回折格子７４０とでは、格子周期が等しいが、第１回折格子７１０および第
３回折格子７３０において格子周期が異なるように構成する場合がある。また、第１回折
格子７１０と第２回折格子７２０とでは格子の延在方向が同じで、第３回折格子７３０と
第４回折格子７４０とでは格子の延在方向が同じであるが、第１回折格子７１０では格子
が第１方向Ｄ１に延在し、第３回折格子７３０では格子が第２方向Ｄ２に延在しているよ
うに構成する場合もある。

このように構成した光学素子１０００において、第２面１０２と第３面２０１とは、実
施の形態１と同様、有効領域１０００ａの外側で第１ギャップ材９１１を含む第１接着剤
層９１０によって固定され、有効領域１０００ａでは、第２面１０２と第３面２０１との
間に第１基板１００および第２基板２００と屈折率が等しい第１充填材９７１が充填され
ている。従って、第１基板１００と第２基板２００との間隔を第１ギャップ材９１１によ
って高い精度で制御することができるとともに、第１基板１００と第２基板２００とを高
い精度で平行に配置することができる。また、第２面１０２および第３面２０１での屈折
や反射等を抑制することができる。

また、第６面３０２と第７面４０１とは、有効領域１０００ａの外側で球形または円柱
状の第２ギャップ材９２１を含む第２接着剤層９２０によって固定され、有効領域１００
０ａでは、第６面３０２と第７面４０１との間に第３基板３００および第４基板４００と
屈折率が等しいオイル等の第２充填材９７２が充填されている。第２ギャップ材９２１は
、第６面３０２と第７面４０１との間に介在し、第６面３０２と第７面４０１とに接して
いる。従って、第３基板３００と第４基板４００との間隔を第２ギャップ材９２１によっ
て高い精度で制御することができるとともに、第３基板３００と第４基板４００とを高い
精度で平行に配置することができる。また、第２充填材９７２は、第３基板３００および
第４基板４００と屈折率が等しいため、第３基板３００、第２充填材９７２および第４基
板４００が一体の透光体として機能する。従って、第６面３０２および第７面４０１での
屈折や反射等を抑制することができる。なお、第２接着剤層９２０は、第１接着剤層９１
０と同様、延在方向において一部が途切れている。このため、光学素子１００を製造する
際、第３基板３００と第４基板４００とを第２接着剤層９２０によって貼り合わせた後、
第２接着剤層９２０の途切れ部分から第３基板３００と第４基板４００と間に第２充填材
９７２を減圧注入し、その後、第２接着剤層９２０の途切れ部分を封止材によって塞ぐ。

また、本形態では、第４面２０２と第５面３０１とは、有効領域１０００ａの外側で球
形または円柱状の第３ギャップ材９３１を含む第３接着剤層９３０によって固定されてい
る。第３ギャップ材９３１は、第４面２０２と第５面３０１との間に介在し、第４面２０
２と第５面３０１とに接している。従って、第２基板２００と第３基板３００との間隔を
第３ギャップ材９３１によって高い精度で制御することができるとともに、第２基板２０
０と第３基板３００とを高い精度で平行に配置することができる。また、有効領域１００
０ａでは、第４面２０２と第５面３０１との間に、空気または空気と屈折率が等しい媒質
からなる第３充填材９７３が充填されている。従って、第４面２０２および第５面３０１
が大気に対して開放状態にある場合と同様な光学特性を得ることができる。

このように本形態では、第１基板１００と第２基板２００との間隔を第１ギャップ材９
１１によって高い精度で制御することができるとともに、第１ギャップ材９１１によって
第１基板１００と第２基板２００とを高い精度で平行に配置することができる。また、第
３基板３００と第４基板４００との間隔を第２ギャップ材９２１によって高い精度で制御
することができるとともに、第２ギャップ材９２１によって第３基板３００と第４基板４
００とを高い精度で平行に配置することができる。さらに、第２基板２００と第３基板３
００との間隔を第３ギャップ材９３１によって高い精度で制御することができるとともに
、第３ギャップ材９３１によって第２基板２００と第３基板３００とを高い精度で平行に
配置することができる。それ故、第１回折格子７１０、第２回折格子７２０、第３回折格
子７３０および第４回折格子７４０の各間隔を高い精度で制御することができるとともに
、各回折格子を高い精度で平行に配置することができる。また、第１基板１００に対する
第２基板２００の面内方向の角度位置については、図２を参照して説明した方法で調整す
ることができ、第３基板３００に対する第４基板４００の面内方向の角度位置については
、図２を参照して説明した方法で調整することができる。さらに、第１基板１００および
第２基板２００を有する第１ユニット、第３基板３００および第４基板４００を有する第
２ユニットについても、図２を参照して説明した方法で調整することができる。それ故、
第１回折格子７１０、第３回折格子７２０、第３回折格子７３０、および第４回折格子７
４０の面内方向おける角度位置を高い精度で合わせることができる。

［実施の形態２の変形例１］
第１回折格子７１０、第３回折格子７２０、第３回折格子７３０および第４回折格子７
４０では、第１方向Ｄ１および第２方向Ｄ２に凹部または凸部が周期的に配列されている
構成を採用してもよい。この場合、第１回折格子７１０、第３回折格子７２０、第３回折
格子７３０、および第４回折格子７４０は、各々の凹部または凸部の第１方向Ｄ１に沿っ
た格子周期が同じ周期となるように配置され、かつ、各々の凹部または凸部の第２方向Ｄ
２に沿った格子周期が同じ周期となるように配置される。かかる構成によれば、光学素子
１０００を第１方向Ｄ１および第２方向Ｄ２に光束を拡大する瞳拡大素子として構成する
ことができる。

［実施の形態２の変形例２］
図５は、本発明の実施の形態２の変形例２に係る光学素子１０００の一態様を示す断面
図である。図４に示す光学素子１０００は、実施の形態２で説明した構成に加えて、第８
面４０２と対向する第９面５０１および第９面５０１とは反対側の面である第１０面５０
２を備えた第５基板５００と、第１０面５０２に対向する第１１面６０１および第１１面
６０１とは反対側の面である第１２面６０２を備えた第６基板６００とを有している。ま
た、光学素子１０００は、第９面５０１に設けられた第５回折格子７５０と、第１２面６
０２に設けられた第６回折格子７６０とを有している。第５回折格子７５０および第６回
折格子７６０は、第１回折格子７１０、第２回折格子７２０、第３回折格子７３０および
第４回折格子７４０と同様、第１方向Ｄ１に直線状に延在した凹部または凸部が周期的に
配列され、第５回折格子７５０および第６回折格子７６０は、各々の凹部または凸部の格
子周期が同じ周期となるように配置されている。

本形態において、第１回折格子７１０、第２回折格子７２０、第３回折格子７３０、第
４回折格子７４０、第５回折格子７５０および第６回折格子７６０は、各々の凹部または
凸部の格子周期が同じ周期となるように配置されている。このため、光学素子１０００は
、入射した光束を第１回折格子７１０および第２回折格子７２０によって第２方向Ｄ２に
拡大した後、第３回折格子７３０および第４回折格子７４０によって第２方向Ｄ２に拡大
し、さらに、第５回折格子７５０および第６回折格子７６０によって第２方向Ｄ２に拡大
する瞳拡大素子として構成されている。

また、第１回折格子７１０と第２回折格子７２０とでは格子周期が等しく、第３回折格
子７３０と第４回折格子７４０とでは格子周期が等しく、第５回折格子７５０と第６回折
格子７６０とでは格子周期が等しいが、第１回折格子７１０と第３回折格子７３０と第５
回折格子７５０とでは格子周期が異なるように構成する場合がある。

また、第１回折格子７１０、第３回折格子７２０、第３回折格子７３０、第４回折格子
７４０、第５回折格子７５０および第６回折格子７６０では、第１方向Ｄ１および第２方
向Ｄ２に凹部または凸部が周期的に配列されている構成を採用してもよく、この場合、各
回折格子は、各々の凹部または凸部の第１方向Ｄ１に沿った格子周期が同じ周期となるよ
うに配置され、かつ、各々の凹部または凸部の第２方向Ｄ２に沿った格子周期が同じ周期
となるように配置される。

このように構成した光学素子１０００において、第１０面５０２と第１１面６０１とは
、有効領域１０００ａの外側で、球形または円柱状の第４ギャップ材９４１を含む第４接
着剤層９４０によって固定され、有効領域１０００ａでは、第１０面５０２と第１１面６
０１との間に、第５基板５００および第６基板６００と屈折率が等しいオイル等の第４充
填材９７４が充填されている。

また、第８面４０２と第９面５０１とは、有効領域１０００ａの外側で、球形または円
柱状の第５ギャップ材９５１を含む第５接着剤層９５０によって固定され、有効領域１０
００ａでは、第８面４０２と第９面５０１との間に、空気または空気と屈折率が等しい媒
質からなる第５充填材９７５が充填されている。

このように構成した光学素子１０００でも、実施の形態１、２等で説明した理由と同様
な理由から、第１回折格子７１０、第２回折格子７２０、第３回折格子７３０、第４回折
格子７４０、第５回折格子７５０および第６回折格子７６０を高い精度で適正な位置に配
置することができる等の効果を奏する。

［実施の形態３］
図６は、本発明の実施の形態３に係る光学素子１０００の一態様を示す断面図である。
図１に示す光学素子１０００は、実施の形態１と同様、第１面１０１および第１面１０１
とは反対側の面である第２面１０２を備えた第１基板１００と、第２面１０２に対向する
第３面２０１および第３面２０１とは反対側の面である第４面２０２を備えた第２基板２
００とを有している。また、光学素子１０００は、第１面１０１および第２面１０２の少
なくとも一方に設けられた第１回折格子７１０と、第３面２０１および第４面２０２の少
なくとも一方に設けられた第２回折格子７２０とを有している。

本形態において、第１基板１００には、入射側の第１回折格子７１１が第１面１０１に
設けられ、出射側の第１回折格子７１２が第２面１０２に設けられている。第２基板２０
０には、入射側の第２回折格子７２１が第３面２０１に設けられ、出射側の第２回折格子
７２２が第４面２０２に設けられている。第１回折格子７１１、７１２および第２回折格
子７２１、７２２は表面レリーフ型回折格子である。

第１回折格子７１１、７１２および第２回折格子７２１、７２２は、第１方向Ｄ１に直
線状に延在した凹部または凸部が周期的に配列されている。第１回折格子７１１、７１２
は、各々の凹部または凸部の格子周期が同じ周期となるように配置されている。第２回折
格子７２１、７２２は、各々の凹部または凸部の格子周期が同じ周期となるように配置さ
れている。本形態において、第１回折格子７１１、７１２および第２回折格子７２１、７
２２は、各々の凹部または凸部の格子周期が同じ周期となるように配置されている。この
ため、光学素子１０００は、後述するように、入射した光束を第２方向Ｄ２に拡大する瞳
拡大素子として構成されている。

なお、第１回折格子７１１、７１２と、第２回折格子７２１、７２２とにおいて、格子
周期が異なるように構成する場合がある。また、第１回折格子７１１、７１２と、第２回
折格子７２１、７２２とにおいて、格子の延在方向が異なるように構成する場合がある。
このように構成した光学素子１０００において、第２面１０２と第３面２０１とは、有
効領域１０００ａの外側で、円形または円柱状のギャップ材９６１（第１ギャップ材）を
含む接着剤層９６０（第１接着剤層）によって固定されている。ギャップ材９６１は、第
２面１０２と第３面２０１との間に介在し、第２面１０２と第３面２０１とに接している
。従って、第１基板１００と第２基板２００との間隔をギャップ材９６１によって高い精
度で制御することができるとともに、第１基板１００と第２基板２００とを高い精度で平
行に配置することができる。また、有効領域１０００ａでは、第２面１０２と第３面２０
１との間に、空気または空気と屈折率が等しい媒質からなる充填材９７６が充填されてい
る。

このように本形態では、第１基板１００と第２基板２００との間隔をギャップ材９６１
によって高い精度で制御することができるとともに、ギャップ材９６１によって第１基板
１００と第２基板２００とを高い精度で平行に配置することができる。従って、第１回折
格子７１２と第２回折格子７２１との間隔を高い精度で制御することができるとともに、
第１回折格子７１１と第２回折格子７２１とを高い精度で平行に配置することができる。
また、図２を参照した方法で調整することにより、第１回折格子７１１、５１２および第
２回折格子７２１、５２２の面内方向おける角度位置を高い精度で合わせることができる
。また、充填材９７６が空気または空気と屈折率が等しい媒質からなるため、第２面１０
２および第３面２０１が大気に対して開放状態にある場合と同様な光学特性を得ることが
できる。

［実施の形態３の変形例］
実施の形態３において、第１回折格子７１１、７１２および第２回折格子７２１、７２
２は、直線状に延在した凹部または凸部が周期的に配列されていたが、第１回折格子７１
１、７１２および第２回折格子７２１、７２１では、第１方向Ｄ１および第２方向Ｄ２に
凹部または凸部が周期的に配列されている構成を採用してもよい。この場合、第１回折格
子７１１、７１２および第２回折格子７２１、７２２は、各々の凹部または凸部の第１方
向に沿った格子周期が同じ周期となるように配置され、かつ、各々の凹部または凸部の第
２方向Ｄ２に沿った格子周期が同じ周期となるように配置される。かかる構成によれば、
光学素子１０００を第１方向Ｄ１および第２方向Ｄ２に光束を拡大する瞳拡大素子として
構成することができる。

［表示装置１００００の第１構成例］
図７は、本発明を適用した表示装置１００００の第１構成例における光学系の構成を説
明図である。図８は、本発明を適用した表示装置１００００の第１構成例の外観の一態様
を示す説明図である。

図７において、表示装置１００００は、画像を表示するための光束を出射する光源部５
１と、光源部５１から出射された光束を走査して画像とする走査ミラー２４を備えた走査
光学系２０と、走査光学系２０により走査された光束Ｌａを使用者の眼Ｅに入射させる導
光系５２とを有しており、本形態において、導光系５２は、走査光学系２０からの出射側
にリレーレンズ系５４と、投射レンズ系５５と、反射部材５３とを有している。リレーレ
ンズ系５４は、例えば、２つのレンズ５４１、５４２によって構成されている。本形態に
おいて、リレーレンズ系５４はアフォーカル光学系からなる。

光源部５１は、光変調前の光源光、または光変調した変調光を出射する。本形態におい
て、光源部５１は、光変調した変調光を出射する変調光出射部として構成されている。よ
り具体的には、光源部５１は、光源として、赤色光（Ｒ）を出射する赤色用レーザー素子
５１１（Ｒ）、緑色光（Ｇ）を出射する緑色用レーザー素子５１１（Ｇ）、および青色光
（Ｂ）を出射する青色用レーザー素子５１１（Ｂ）を有しているとともに、これらのレー
ザー素子の光路を合成する２つのハーフミラー５１２、５１３を有している。赤色用レー
ザー素子５１１（Ｒ）、緑色用レーザー素子５１１（Ｇ）および青色用レーザー素子５１
１（Ｂ）は、制御部５９による制御の下、表示すべき画像の各ドットに対応する光強度に
変調した光束を出射する。

走査光学系２０は、入射光を第１走査方向Ａ１、および第１走査方向Ａ１に交差する第
２走査方向Ａ２に走査し、走査された光束Ｌａは、リレーレンズ系５４および投射レンズ
系５５を介して反射部材５３に投射される。かかる走査光学系２０の動作も、制御部５９
による制御の下、実施される。走査光学系２０は、例えば、シリコン基板等を用いてＭＥ
ＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術によ
り形成したマイクロミラーデバイスによって実現することができる。

本形態において、表示装置１００００は、網膜走査方式の投射型表示装置として構成さ
れている。このため、反射部材５３は、投射された光束Ｌａを反射して使用者の眼Ｅに光
束Ｌａとして入射させる凹曲面状の反射面５３０を備えている。かかる表示装置１０００
０では、走査光学系２０によって、第１走査方向Ａ１、および第１走査方向Ａ１に対して
交差する第２走査方向Ａ２に走査された光束Ｌａが反射部材５３の反射面５３０で、第１
走査方向Ａ１に対応する第１入射方向Ｃ１、および第２走査方向Ａ２に対応する第２入射
方向Ｃ２に反射されて瞳孔Ｅ１を介して網膜Ｅ２に到達する。従って、利用者に画像を認
識させることができる。本形態において、反射部材５３は、部分透過反射性のコンバイナ
ーである。このため、外光も反射部材５３（コンバイナー）を介して眼に入射するため、
利用者は、表示装置１００００で形成した画像と外光（背景）とが重畳した画像を認識す
ることができる。

本形態の表示装置１００００において、走査光学系２０から反射部材５３に到る光路（
走査光学系２０から導光系５２に到る光路、または導光系５２の光路）には、後述する瞳
拡大素子１０ａが配置されている。瞳拡大素子１０ａは、走査光学系２０から出射された
光束を第１走査方向Ａ１（第１入射方向Ｃ１）に対応する第１拡大方向Ｂ１、および第２
走査方向Ａ２（第２入射方向Ｃ２）に対応する第２拡大方向Ｂ２のうちの少なくとも一方
に拡大する。本形態において、瞳拡大素子１０ａは、走査光学系２０から出射された光束
を第１走査方向Ａ１（第１入射方向Ｃ１）に対応する第１拡大方向Ｂ１、および第２走査
方向Ａ２（第２入射方向Ｃ２）に対応する第２拡大方向Ｂ２の双方を拡大する。

本形態において、瞳拡大素子１０ａは、走査光学系２０から導光系５２に到る光路、ま
たは導光系５２の光路のいずれに配置してもよいが、本形態では、導光系５２の光路に配
置されている。より具体的には、導光系５２の光路のうち、リレーレンズ系５４の出射側
のレンズ５４２と投射レンズ系５５との間に配置されている。また、瞳拡大素子１０ａお
よびリレーレンズ系５４からなる光学系５７の入射瞳の位置に走査光学系２０の走査ミラ
ー２４が配置され、光学系５７の出射瞳の位置に瞳拡大素子１０ａの最終出射面が配置さ
れている。

このように構成した表示装置１００００において、走査ミラー２４で走査された光束Ｌ
ａ（レーザービーム）は、リレーレンズ系５４を介して瞳拡大素子１０ａに入射し、瞳拡
大素子１０ａで光束径が拡大された光束Ｌａ１が投射レンズ系５５に入射する。ここで、
リレーレンズ系５４は、平行光である光束を平行光のまま出射させるために、アフォーカ
ル光学系となっている。従って、瞳拡大素子１０ａで光束径が拡大された光束Ｌａ１は、
瞳拡大素子１０ａの出射面と光軸が交わる点を中心として走査されると見なすことができ
るので、瞳拡大素子１０ａおよび投射レンズ系５５を小型化することができる。

本形態の表示装置１００００を、シースルー型のヘッドマウントディスプレイ（アイグ
ラスディスプレイ）として構成する場合、図８に示すように、表示装置１００００は、眼
鏡のような形状に形成される。また、観察者の左右の眼Ｅの各々に変調光を入射させる場
合、表示装置１００００は、左眼用の反射部材５３および左眼用の反射部材５３を前部分
６１で支持するフレーム６０を有しており、フレーム６０の左右のテンプル６２の各々に
、図７を参照して説明した光学部品を含む光学ユニット５６が設けられる。ここで、光学
ユニット５６には、光源部５１、走査光学系２０、リレーレンズ系５４、瞳拡大素子１０
ａ、および投射レンズ系５５の全てが設けられることがある他、光学ユニット５６には、
走査光学系２０、リレーレンズ系５４、瞳拡大素子１０ａ、および投射レンズ系５５のみ
を設け、光学ユニット５６と光源部５１とを光ケーブル等で接続してもよい。

本形態の表示装置１００００において、利用者が認識する画像では、反射部材５３から
の光束Ｌａの第２入射方向Ｃ２が両眼が並ぶ横方向に対応し、それ故、走査光学系２０で
の第２走査方向Ａ２、および瞳拡大素子１０ａでの第２拡大方向Ｂ２は、画像の横方向に
対応する。また、反射部材５３からの光束Ｌａの第１入射方向Ｃ１は、両眼が並ぶ横方向
に対して交差する縦に対応し、それ故、走査光学系２０での第１走査方向Ａ１、および瞳
拡大素子１０ａでの第１拡大方向Ｂ１は、画像の縦方向に対応する。

（瞳拡大素子１０ａの構成例１）
図９は、図７および図８に示す表示装置１００００に用いた瞳拡大素子１０ａの構成例
１の一態様を示す説明図である。図１０は、図９に示す瞳拡大素子１０ａにおいて光束を
拡大する様子の説明図である。なお、図１０は、瞳拡大素子１０ａから平行光として出射
される光線のみを図示してある。また、以下の説明では、回折格子が形成された面内にお
いて、Ｚ方向に延在する光軸に交差する面内において、互いに直交する２つの方向をＸ方
向およびＹ方向として説明する。ここで、Ｘ方向は、例えば、図７および図８に示す第１
拡大方向Ｂ１（縦方向）に対応し、Ｙ方向は、図１に示す第２拡大方向Ｂ２（横方向）に
対応する。

図９に示すように、瞳拡大素子１０ａは、光軸Ｌに沿って平行に配置された４つの透光
部材１、２、３、４の各面に回折格子１１〜１８が形成された構成を有している。より具
体的には、瞳拡大素子１０ａは、透光部材１の一方面１ａにおいてＸ方向に直線状に延在
する凸部からなる格子１１１を備えた回折格子１１と、透光部材１の他方面１ｂにおいて
Ｘ方向に直線状に延在する凸部からなる格子１２１を備えた回折格子１２とを有している
。また、瞳拡大素子１０ａは、透光部材１の他方面１ｂに対向する透光部材２の一方面２
ａにおいてＸ方向に直線状に延在する凸部からなる格子１３１を備えた回折格子１３と、
透光部材２の他方面２ｂにおいてＸ方向に直線状に延在する凸部からなる格子１４１を備
えた回折格子１４とを備えている。格子１１１、１２１は格子周期が同一であり、回折格
子１１、１２の回折角を一致させてある。また、格子１３１、１４１は格子周期が同一で
あり、回折格子１１、１２の回折角を一致させてある。本形態において、格子１１１、１
２１、１３１、１４１は、格子周期Ｐ１が同一であり、回折格子１１、１２、１３、１４
の回折角を一致させてある。

また、瞳拡大素子１０ａは、透光部材２の他方面２ｂに対向する透光部材３の一方面３
ａにおいてＹ方向に直線状に延在する凸部からなる格子１５１を備えた回折格子１５と、
透光部材３の他方面３ｂにおいてＹ方向に直線状に延在する凸部からなる格子１６１を備
えた回折格子１６を有している。また、瞳拡大素子１０ａは、透光部材３の他方面３ｂに
対向する透光部材４の一方面４ａにおいてＹ方向に直線状に延在する凸部からなる格子１
７１を備えた回折格子１７と、透光部材４の他方面４ｂにおいてＹ方向に直線状に延在す
る凸部からなる格子１８１を備えた回折格子１８とを備えている。格子１５１、１６１は
格子周期が同一であり、回折格子１５、１６の回折角を一致させてある。また、格子１７
１、１８１は格子周期が同一であり、回折格子１７、１８の回折角を一致させてある。本
形態において、格子１５１、１６１、１７１、１８１は、格子周期Ｐ２が同一であり、回
折格子１５、１６、１７、１８の回折角を一致させてある。

このように構成した瞳拡大素子１０ａでは、図１０に示すように、光束Ｌａが回折格子
１１に入射すると、０次回折光Ｌａ、＋１次回折光Ｌｂ、および−１次回折Ｌｃが生成さ
れ、かかる回折光は、回折格子１２に入射する。従って、回折格子１２では、０次回折光
Ｌａから０次回折光Ｌａａ、＋１次回折光（図示せず）、および−１次回折光（図示せず
）が生成され、＋１次回折光Ｌｂから０次回折光（図示せず）、＋１次回折光（図示せず
）、および−１次回折光Ｌｂｃが生成され、−１次回折光Ｌｃから０次回折光（図示せず
）、＋１次回折光Ｌｃｂ、および−１次回折光（図示せず）が生成され、かかる回折光は
、回折格子１３に入射する。従って、回折格子１３では、０次回折光Ｌａａから０次回折
光Ｌａａａ、＋１次回折光Ｌａａｂ、および−１次回折光Ｌａａｃが生成され、−１次回
折光Ｌｂｃから０次回折光Ｌｂｃａ、＋１次回折光Ｌｂｃｂ、および−１次回折光Ｌｂｃ
ｃが生成され、＋１次回折光Ｌｃｂから０次回折光Ｌｃｂａ、＋１次回折光Ｌｃｂｂ、お
よび−１次回折光Ｌｃｂｃが生成され、かかる回折光は、回折格子１４に入射する。

その結果、回折格子１４からは、＋１次回折光Ｌｂｃｂから生成された−１次回折光Ｌ
ｂｃｂｃが出射される。また、回折格子１４からは、０次回折光Ｌｂｃａから生成された
０次回折光Ｌｂｃａａと、＋１次回折光Ｌａａｂから生成された−１次回折光Ｌａａｂｃ
とが重なって出射される。また、回折格子１４からは、−次回折光Ｌｂｃｃから生成され
た＋１次回折光Ｌｂｃｃｂと、０次回折光Ｌａａａから生成された０次回折光Ｌａａａａ
と、＋次回折光Ｌｃｂｂから生成された−１次回折光Ｌｃｂｂｃとが重なって出射される
。また、回折格子１４からは、−次回折光Ｌａａｃから生成された＋１次回折光Ｌａａｃ
ｂと、０次回折光Ｌｃｂａから生成された０次回折光Ｌｃｂａａとが重なって出射される
。また、回折格子１４からは、−１次回折光Ｌｃｂｃから生成された＋１次回折光Ｌｃｂ
ｃｂが出射される。

ここで、−１次回折光Ｌｂｃｂｃ、＋１次回折光Ｌｂｃａａ（−１次回折光Ｌａａｂｃ
）、＋１次回折光Ｌｂｃｃｂ（０次回折光Ｌａａａａ、−１次回折光Ｌｃｂｂｃ）、＋１
次回折光Ｌａａｃｂ（０次回折光Ｌｃｂａａ）、および＋１次回折光Ｌｃｂｃｂは、Ｙ方
向で離間する６個所から互いに平行に進行する光であり、光束Ｌａは、Ｙ方向で径が拡大
した光束Ｌａ１として出射される。例えば、各回折光はＹ方向で１．５ｍｍ離間する６個
所から互いに平行に進行する光であり、光束Ｌａは、Ｙ方向で６ｍｍに径が拡大した光束
Ｌａ１として出射される。従って、図７に示す瞳孔Ｅ１がＹ方向に移動しても画像を見る
ことができる。また、回折格子１５、１６、１７、１８によって、光束Ｌａは、Ｘ方向で
径が拡大した光束Ｌａ１として出射される。従って、図７に示す瞳孔Ｅ１がＸ方向に移動
しても画像を見ることができる。

（瞳拡大素子１０ａの構成例２）
図１１は、図７および図８に示す表示装置１００００に用いた瞳拡大素子１０ａの構成
例２の一態様を示す説明図である。図１２は、図１１に示す瞳拡大素子の回折格子の説明
図である。

図１１に示すように、本形態の瞳拡大素子１０ａも、図９示す構成例と同様、光軸Ｌに
沿って平行に配置された複数の透光部材の各面に回折格子が形成されている。但し、本形
態では、光軸Ｌに沿って平行に配置された２つの透光部材１、２の４つの面の各々に回折
格子１１、１２、１３、１４が形成されており、瞳拡大素子１０ａは、４つの回折格子１
１、１２、１３、１４によって、光束ＬａをＸ方向およびＹ方向に拡大する。

より具体的には、図１２に示すように、透光部材１の一方面１ａ、透光部材１の他方面
１ｂ、透光部材２の一方面２ａ、および透光部材２の他方面２ｂの各々において、回折格
子１１、１２、１３、１４は、Ｘ方向において等間隔（同一周期）、かつ、Ｙ方向におい
て等間隔（同一周期）な複数の位置に形成された凸部９ａからなる。なお、図示を省略す
るが、Ｘ方向において等間隔（同一周期）、かつ、Ｙ方向において等間隔（同一周期）な
複数の位置に形成された凹部によって、回折格子１１、１２、１３、１４を構成してもよ
い。

（瞳拡大素子１０ａに対する本発明の適用例）
本発明では、瞳拡大素子１０ａを構成するにあたって、図１〜図６を参照して説明した
光学素子１０００を用いることができる。
例えば、図９、図１０、図１１および図１２を参照して説明した瞳拡大素子１０ａの回
折格子１１、１２を構成するにあたって、図１を参照して説明した実施の形態１の光学素
子１０００を用いることができる。この場合、回折格子１１は、第１回折格子７１０に相
当し、回折格子１２は、第２回折格子７２０に相当する。透光部材１は、第１基板１００
、第１充填材９７１、および第２基板２００に相当する。他の回折格子、１３、１４、１
５、１６、１７、１８を構成する場合も同様である。

また、図９、図１０、図１１および図１２を参照して説明した瞳拡大素子１０ａの回折
格子１１、１２、１３、１４を構成するにあたって、図４を参照して説明した実施の形態
２の光学素子１０００を用いることができる。この場合、回折格子１１は、第１回折格子
７１０に相当し、回折格子１２は、第２回折格子７２０に相当する。透光部材１は、第１
基板１００、第１充填材９７１および第２基板２００に相当する。また、回折格子１３は
、第３回折格子７３０に相当し、回折格子１４は、第４回折格子７４０に相当する。透光
部材２は、第３基板３００、第２充填材９７２および第４基板４００に相当する。他の回
折格子１５、１６、１７、１８を構成する場合も同様である。

また、図９、図１０、図１１および図１２を参照して説明した瞳拡大素子１０ａの回折
格子１１、１２、１３、１４を構成するにあたって、図６を参照して説明した実施の形態
２の光学素子１０００を用いることができる。この場合、回折格子１１は、入射側の第１
回折格子７１１に相当し、回折格子１２は、出射側の第１回折格子７１２に相当し、回折
格子１３は、入射側の第２回折格子７２１に相当し、回折格子１４は、出射側の第２回折
格子７２２に相当する。透光部材１は、第１基板１００、第１充填材９７１および第２基
板２００に相当する。他の回折格子１５、１６、１７、１８を構成する場合も同様である
。

［表示装置の第２構成例］
図１３は、本発明を適用した表示装置１００００の第２構成例の外観の一態様を示す説
明図である。図１４は、本発明を適用した表示装置１００００の第２構成例における光学
系の構成を説明図である。図１５は、図１４に示す瞳拡大素子１０ｂの説明図である。図
１６は、図１４に示す瞳拡大素子１０ｂの光線図である。以下の説明において、青色光が
第１光線に相当し、緑色光が第２光線に相当し、赤色光が第３光線に相当する。

図１３に示す表示装置１００００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１００００は、表示装置１００００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１００００は、観察者の眼前を覆う光学パネ
ル１９０と、光学パネル１９０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１９０は
、第１パネル部分１４１と第２パネル部分１４２とを有しており、第１パネル部分１４１
と第２パネル部分１４２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１４１と第１駆動部１３１とを組み合わせた第１表示装
置１００００Ａ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１４２と第２駆動部１３２とを組み合わせた第２表
示装置１００００Ｂ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。第
２表示装置１００００Ｂは、第１表示装置１００００Ａ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１００００Ａを中心に説明し、第
２表示装置１００００Ｂの詳細な説明は省略する。

図１４に示すように、第１表示装置１００００Ａは、画像光投射装置６５および導光光
学装置２８（導光系）を備えている。画像光投射装置６５は、図１３における第１駆動部
１３１に相当し、導光光学装置２８は、図１３における第１パネル部分１４１に相当する
。画像光投射装置６５は、画像形成装置６６と投射光学系６７とを有している。画像形成
装置６６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を形成する。

本形態において、投射光学系６７は、画像形成装置６６（液晶表示デバイス）上の各点
から出射された光束Ｌａの光線を集光するパワーを有するコリメーターレンズ６８を備え
ている。なお、画像形成装置６６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を用いてもよい。また、画像形成装置６６と
しては、図７等を参照して説明したように、光源部５１から出射された光束を走査して画
像とする走査光学系２０によって構成してもよい。

導光光学装置２８は、光束Ｌａ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。
導光光学装置２８は、瞳拡大素子１０ｂと、瞳拡大素子１０ｂから出射された画像光Ｌ１
をｙ方向と交差するｘ方向に導く導光光学系２５とを有している。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
瞳拡大素子１０ｂと対向する回折格子３１と、ｘ方向の他方側の端部において眼Ｅと対向
する回折格子３２とを有しており、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。

本形態において、瞳拡大素子１０ｂでは、３枚の導光板（青色用の透光部材１（Ｂ）、
緑色用の透光部材１（Ｇ）、および赤色用の透光部材１（Ｒ））が各々、縦方向（ｙ方向
）に延在している。また、瞳拡大素子１０ｂでは、画像光の入射側から出射側に向かって
、青色用の透光部材１（Ｂ）、緑色用の透光部材１（Ｇ）、および赤色用の透光部材１（
Ｒ）が光軸Ｌに沿って順に配置されている。透光部材１（Ｂ）、１（Ｇ）、１（Ｒ）は厚
さが同一である。

図１５に示すように、透光部材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１１
ａ（Ｂ）が延在する回折格子１１（Ｂ）が設けられ、面１ｂ（Ｂ）には、ｘ方向に格子１
２ａ（Ｂ）が延在する回折格子１２（Ｂ）が設けられている。回折格子１１（Ｂ）と回折
格子１２（Ｂ）とは、格子方向および格子周期が同一である。

透光部材１（Ｇ）は、透光部材１（Ｂ）の面１ｂ（Ｂ）に透光部材１（Ｂ）とは反対側
で平行に対向する面１ａ（Ｇ）と、面１ａ（Ｇ）に透光部材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）
が延在する回折格子１２（Ｇ）が設けられている。回折格子１１（Ｇ）と回折格子１２（
Ｇ）とは、格子方向および格子周期が同一である。但し、回折格子１１（Ｇ）および回折
格子１２（Ｇ）は、回折格子１１（Ｂ）および回折格子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。

透光部材１（Ｒ）は、透光部材１（Ｇ）の面１ｂ（Ｇ）に透光部材１（Ｂ）とは反対側
で平行に対向する面１ａ（Ｒ）と、面１ａ（Ｒ）に透光部材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）
が延在する回折格子１２（Ｒ）が設けられている。回折格子１１（Ｒ）と回折格子１２（
Ｒ）とは、格子方向および格子周期が同一である。但し、回折格子１１（Ｒ）および回折
格子１２（Ｒ）は、回折格子１１（Ｂ）および回折格子１２（Ｂ）と格子方向が同一であ
るが、回折格子１１（Ｂ）、回折格子１２（Ｂ）、回折格子１１（Ｇ）および回折格子１
２（Ｇ）と格子周期が相違している。

従って、画像光投射装置６５から出射された光束Ｌａは、瞳拡大素子１０ｂに入射し、
瞳拡大素子１０ｂによって、ｙ方向に光束径が拡大された後、導光板３０の回折格子３１
に出射される。そして、導光板３０の回折格子３１から入射した光は、導光板３０内をｘ
方向に伝播し、導光板３０の回折格子３２から眼Ｅに向けて出射される間にｘ方向に瞳拡
大される。その際、０次回折光Ｌ_０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。

また、図１６に示すように、本形態の瞳拡大素子１０ｂでは、例えば、透光部材１（Ｇ
）での光線を示すように、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の両方が透光部材１（Ｂ）、１（Ｇ）、１（Ｒ）内を全反射で伝播する必要がある
。それには、＋１次回折光Ｌ_＋１と−次回折光Ｌ_−１の回折角がいずれも透光部材１（Ｂ
）、１（Ｇ）、１（Ｒ）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。その際
、図１６に場合１１で示すように、透光部材１（Ｂ）、１（Ｇ）、１（Ｒ）のいずれにお
いても、＋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、透光部材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。

これに対して、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、透光部材１（Ｂ）、１（Ｇ）、
１（Ｒ）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、透光部材１（Ｂ）、
１（Ｇ）、１（Ｒ）の屈折率をｎとし、透光部材１（Ｂ）、１（Ｇ）、１（Ｒ）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、回折格子１１（Ｂ）、１１（Ｇ）、
１１（Ｒ）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、回折格子１１（Ｂ）、１１（Ｇ）、１１（Ｒ）
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）

本形態では、回折格子１１（Ｂ）および回折格子１２（Ｂ）の格子周期Ｐ１と、回折格
子１１（Ｇ）および回折格子１２（Ｇ）の格子周期Ｐ２と、回折格子１１（Ｒ）および回
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、回折格子１１（Ｂ）の格子高さＨ１１、回折格子１２（Ｂ）の格子高さＨ１２、
回折格子１１（Ｇ）の格子高さＨ２１、回折格子１２（Ｇ）の格子高さＨ２２、回折格子
１１（Ｒ）の格子高さＨ３１、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

本形態の瞳拡大素子１０ｂにおいて、青色用の透光部材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のいずれもが透光部材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透光部材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、青色用の透光部材１（Ｂ）の回折格子１１（Ｂ）および回折格子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＝０．４５
μｍ）の１次回折角が透光部材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。

また、青色用の透光部材１（Ｂ）の回折格子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（０．４７μ
ｍ）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、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、回折格子１１（Ｂ）の格子高さＨ１１は、例
えば、約０．５７μｍである。また、回折格子１２（Ｂ）では、透光部材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、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、回折格子１２（Ｂ）の１次回折効率は、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、回折格子１２の格子高さＨ１
２は、約０．５７μｍより低い。よって、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透光部材１（Ｂ）において、回折格子１１（Ｂ）と回折格
子１２（Ｂ）とは、格子周期Ｐ１が等しいので、透光部材１（Ｂ）内を全反射で伝播して
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、青色用の透光部材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。

青色用の透光部材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、青色用の透光部材１（Ｂ）に対する入射角と同一入射角で、緑色用の透光
部材１（Ｇ）の回折格子１１（Ｇ）に入射する。緑色用の透光部材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
が透光部材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透光部材１（Ｇ）内を伝播するように、回折格子の格子周期Ｐ
２が設定されている。

より具体的には、緑色用の透光部材１（Ｇ）の回折格子１１（Ｇ）および回折格子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＝０．５
２μｍ）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。

また、緑色用の透光部材１（Ｇ）の回折格子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（０．５４μ
ｍ）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、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、回折格子１１（Ｇ）の格子高さＨ
２１は、例えば、約０．６０μｍである。また、回折格子の１次回折効率は、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、回折格子１２（Ｒ）の格子高さＨ２２は
、約０．６０μｍより低い。よって、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透光部材１（Ｇ）において、回折格子１１（Ｇ）と回折格
子１２（Ｇ）とは、格子周期Ｐ２が等しいので、透光部材１（Ｇ）内を全反射で伝播して
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。

緑色用の透光部材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、青色用の透光部材１（Ｂ）に対する入射角と同一入射角で、赤色用の透光
部材１（Ｒ）の回折格子１１（Ｒ）に入射する。赤色用の透光部材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
が透光部材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透光部材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、赤色用の透光部材１（Ｒ）の回折格子１１（Ｒ）および回折格子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＝０．６
０μｍ）の１次回折角が透光部材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。

また、赤色用の透光部材１（Ｒ）の回折格子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（０．６２μ
ｍ）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、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、回折格子１１（Ｒ）の格子高さＨ３１は、約０．７０μｍで
ある。また、回折格子１２（Ｒ）の１次回折効率は、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、回折格子１２（Ｒ）の格子高さＨ３２は、約０．７０
μｍより低い。よって、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透光部材１（Ｒ）において、回折格子１１（Ｒ）と回折格
子１２（Ｒ）とは、格子周期Ｐ３が等しいので、透光部材１（Ｒ）内を全反射で伝播して
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、赤色用の透光部材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。

本形態の瞳拡大素子１０ｂにおいて、青色用の透光部材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、緑色用の透光部材１（Ｇ）および赤色
用の透光部材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、緑色用の透光部材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、赤色用の透光部材１（Ｒ）および赤色用の透光部材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
透光部材１（Ｇ）および赤色用の透光部材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。

（瞳拡大素子１０ｂに対する本発明の適用例）
本発明では、瞳拡大素子１０ｂを構成するにあたって、図１〜図６を参照して説明した
光学素子１０００を用いることができる。例えば、回折格子１１（Ｂ）、１２（Ｂ）を構
成するにあたって、図１を参照して説明した実施の形態１の光学素子１０００を用いるこ
とができる。この場合、回折格子１１（ｂ）は、第１回折格子７１０に相当し、回折格子
１２（ｂ）は、第２回折格子７２０に相当する。透光部材１（Ｂ）は、第１基板１００、
第１充填材９７１、および第２基板２００に相当する。他の回折格子１１（Ｇ）、１２（
Ｇ）、他の回折格子１１（Ｒ）、１２（Ｒ）を構成する場合も同様である。

また、瞳拡大素子１０ｂを構成するにあたって、図４を参照して説明した実施の形態２
の光学素子１０００を用いることができる。この場合、例えば、回折格子１１（Ｂ）は、
第１回折格子７１０に相当し、回折格子１２（Ｂ）は、第２回折格子７２０に相当する。
透光部材１（Ｂ）は、第１基板１００、第１充填材９７１および第２基板２００に相当す
る。また、回折格子１１（Ｇ）は、第３回折格子７３０に相当し、回折格子１２（Ｇ）は
、第４回折格子７４０に相当する。透光部材１（Ｇ）は、第３基板３００、第２充填材９
７２および第４基板４００に相当する。

また、瞳拡大素子１０ｂを構成するにあたって、図５を参照して説明した実施の形態２
の変形例２に係る光学素子１０００を用いることができる。この場合、回折格子１１（Ｂ
）は、第１回折格子７１０に相当し、回折格子１２（Ｂ）は、第２回折格子７２０に相当
する。透光部材１（Ｂ）は、第１基板１００、第１充填材９７１および第２基板２００に
相当する。また、回折格子１１（Ｇ）は、第３回折格子７３０に相当し、回折格子１２（
Ｇ）は、第４回折格子７４０に相当する。透光部材１（Ｇ）は、第３基板３００、第２充
填材９７２および第４基板４００に相当する。また、回折格子１１（Ｒ）は、第５回折格
子７５０に相当し、回折格子１２（Ｒ）は、第６回折格子７６０に相当する。透光部材１
（Ｒ）は、第５基板５００、第４充填材９７４および第６基板６００に相当する。

（瞳拡大素子１０ｂの変形例）
上記実施の形態に係る瞳拡大素子１０ｂでは、画像光の入射側から出射側に向かって、
青色用の透光部材１（Ｂ）、緑色用の透光部材１（Ｇ）、および赤色用の透光部材１（Ｒ
）が光軸Ｌに沿って順に配置されていた。但し、瞳拡大素子１０ｂでは、画像光の入射側
から出射側に向かって、赤色用の透光部材１（Ｒ）、緑色用の透光部材１（Ｇ）、および
青色用の透光部材１（Ｂ）が光軸Ｌに沿って順に配置されていてもよい。

また、上記実施の形態では、瞳拡大素子１０ｂが３枚の導光板（透光部材１（Ｂ）、１
（Ｇ）、１（Ｒ））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。かかる瞳拡大素子１０ｂ
は、例えば、図４を参照して説明した実施の形態２の光学素子１０００を用いることがで
きる。

１、２、３、４…透光部材、１０ａ、１０ｂ…瞳拡大素子、２８…導光光学装置、３０…
導光板、５２…導光系、５３…反射部材、５４…リレーレンズ系、５５…投射レンズ系、
５６…光学ユニット、５７…光学系、６５…画像光投射装置、６６…画像形成装置、６７
…投射光学系、１００…第１基板、１０１…第１面、１０２…第２面、２００…第２基板
、２０１…第３面、２０２…第４面、３００…第３基板、３０１…第５面、３０２…第６
面、４００…第４基板、４０１…第７面、４０２…第８面、５００…第５基板、５０１…
第９面、５０２…第１０面、６００…第６基板、６０１…第１１面、６０２…第１２面、
９１０…第１接着剤層、９１１…第１ギャップ材、９２０…第２接着剤層、９２１…第２
ギャップ材、９３０…第３接着剤層、９３１…第３ギャップ材、９４０…第４接着剤層、
９４１…第４ギャップ材、９５０…第５接着剤層、９５１…第５ギャップ材、９６０…接
着剤層、９６１…ギャップ材、９７１…第１充填材、９７２…第２充填材、９７３…第３
充填材、９７４…第４充填材、９７５…第５充填材、９７６…充填材、１０００ａ…有効
領域、１０００…光学素子、１００００…表示装置、Ｄ１…第１方向、Ｄ２…第２方向、
Ｄ３…第３方向。

Claims

第１面および前記第１面とは反対側の面である第２面を備えた透光性の第１基板と、
前記第２面に対向する第３面および前記第３面とは反対側の面である第４面を備えた透光性の第２基板と、
前記第１面および前記第２面の少なくとも一方に設けられた第１回折格子と、
前記第３面および前記第４面の少なくとも一方に設けられた第２回折格子と、
前記第２面と前記第３面との間に介在する第１ギャップ材を含み、前記第２面と前記第３面とを接着する第１接着剤層と、
を有し、
前記第１回折格子は、前記第１面に設けられ、
前記第２回折格子は、前記第４面に設けられ、
前記第１接着剤層は、光が通過する有効領域の外側に設けられ、
前記有効領域では、前記第２面と前記第３面との間に前記第１基板および前記第２基板と屈折率が等しい第１充填材が充填されていることを特徴とする光学素子。
請求項１に記載の光学素子において、
前記第４面に対向する第５面および前記第５面とは反対側の面である第６面を備えた透光性の第３基板と、
前記第６面に対向する第７面および前記第７面とは反対側の面である第８面を備えた透光性の第４基板と、
前記第５面に設けられた第３回折格子と、
前記第８面に設けられた第４回折格子と、
前記第６面と前記第７面との間に介在する第２ギャップ材を含み、前記有効領域の外側で前記第６面と前記第７面とを接着する第２接着剤層と、
前記有効領域で前記第６面と前記第７面との間に充填され、前記第３基板および前記第４基板と屈折率が等しい第２充填材と、
前記第４面と前記第５面との間に介在する第３ギャップ材を含み、前記有効領域の外側で前記第４面と前記第５面とを接着する第３接着剤層と、
前記有効領域で前記第４面と前記第５面との間に充填され、空気または空気と屈折率が等しい媒質からなる第３充填材と、
を有することを特徴とする光学素子。
請求項１に記載の光学素子において、
前記第１回折格子は、少なくとも前記第２面に設けられ、
前記第２回折格子は、少なくとも前記第３面に設けられ、
前記第１接着剤層は、光が通過する有効領域の外側に設けられ、
前記有効領域では、前記第２面と前記第３面との間に、空気または空気と屈折率が等しい媒質からなる充填材が充填されていることを特徴とする光学素子。
請求項１に記載の光学素子において、
前記第１回折格子および前記第２回折格子は、各々が第１方向に延在する複数の凹部または凸部が周期的に配列され、
前記第１回折格子および前記第２回折格子の各々の前記複数の凹部または凸部は、それぞれ互いの格子周期が同じ周期となるように配置されていることを特徴とする光学素子。
請求項４に記載の光学素子において、
前記第１基板、前記第１充填材および前記第２基板の屈折率は、前記第１回折格子に入射した第１光線の＋１次回折光が、前記第１面および前記第４面に対してそれぞれ臨界角以上の角度で入射し、かつ、前記第１回折格子に入射する前記第１光線の−１次回折光が、前記第１面および前記第４面に対してそれぞれ臨界角以上の角度で入射するような屈折率であることを特徴とする光学素子。
請求項２に記載の光学素子において、
前記第１回折格子および前記第２回折格子は、各々が第１方向に延在する複数の凹部または凸部が周期的に配列され、
前記第３回折格子および前記第４回折格子は、各々が前記第１方向、または前記第１方向と交差した第２方向に延在する複数の凹部または凸部が周期的に配列され、
前記第１回折格子および前記第２回折格子の各々の前記複数の凹部または凸部は、それぞれ互いの格子周期が同じ周期となるように配置され、
前記第３回折格子および前記第４回折格子の各々の前記複数の凹部または凸部は、それぞれ互いの格子周期が同じ周期となるように配置されていることを特徴とすることを特徴とする光学素子。
請求項６に記載の光学素子において、
前記第３回折格子および前記第４回折格子の各々の前記複数の凹部または凸部は、それぞれ前記第１方向に延在し、
前記第１回折格子は、前記第３回折格子と異なる格子周期であり、
前記第１基板の屈折率は、前記第１回折格子に入射した第１光線の＋１次回折光が、前記第１面および前記第４面に対してそれぞれ臨界角以上の角度で入射し、かつ、前記第１回折格子に入射する前記第１光線の−１次回折光が、前記第１面および前記第４面に対してそれぞれ臨界角以上の角度で入射するような屈折率であり、
前記第３基板の屈折率は、前記第１光線と波長が異なる第２光線が前記第３回折格子に入射した際の前記第２光線の＋１次回折光が、前記第５面および前記第８面に対してそれぞれ臨界角以上の角度で入射し、かつ、前記第３回折格子に入射する前記第２光線の−１次回折光が、前記第５面および前記第８面に対してそれぞれ臨界角以上の角度で入射するような屈折率であることを特徴とする光学素子。
請求項７に記載の光学素子において、
前記第１回折格子の格子周期をＰ１とし、
前記第３回折格子の格子周期をＰ２としたとき、
前記格子周期Ｐ１、Ｐ２は、以下の関係
Ｐ１＜Ｐ２
を満たしていることを特徴とする光学素子。
請求項８に記載の光学素子において、
前記第１回折格子の格子高さをＨ１１とし、
前記第３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学素子。
請求項９に記載の光学素子において、
前記第２回折格子の格子高さをＨ１２とし、
前記第４回折格子の格子高さをＨ２２としたとき、
前記格子高さＨ１１、Ｈ１２、Ｈ２１、Ｈ２２は、以下の関係
Ｈ１２＜Ｈ１１＜Ｈ２２＜Ｈ２１
を満たしていることを特徴とする光学素子。
請求項３に記載の光学素子において、
前記第１回折格子は、第１方向に延在する複数の凹部または凸部が周期的に配列され、
前記第２回折格子は、前記第１方向、または前記第１方向と交差した第２方向に延在する複数の凹部または凸部が周期的に配列されていることを特徴とする光学素子。
請求項１または３に記載の光学素子において、
前記第１回折格子および前記第２回折格子は、各々が第１方向および前記第１方向と交差した第２方向に複数の凹部または凸部が周期的に配列され、
前記第１回折格子および前記第２回折格子の各々の前記複数の凹部または凸部は、それぞれ互いの前記第１方向に沿った格子周期が同じ周期となるように配置され、かつ、それぞれ互いの前記第２方向に沿った格子周期が同じ周期となるように配置されていることを特徴とする光学素子。
請求項２に記載の光学素子において、
前記第１回折格子、前記第２回折格子、前記第３回折格子および前記第４回折格子は、各々が第１方向および前記第１方向と交差した第２方向に複数の凹部または凸部が周期的に配列され、
前記第１回折格子、前記第２回折格子、前記第３回折格子および前記第４回折格子の各々の前記複数の凹部または凸部は、それぞれ互いの前記第１方向に沿った格子周期が同じ周期となるように配置され、かつ、それぞれ互いの前記第２方向に沿った格子周期が同じ周期となるように配置されていることを特徴とする光学素子。
請求項１乃至１３の何れか一項に記載の光学素子を備えた表示装置であって、
光束を出射する光源と、
前記光源から出射された光束を走査して画像とする走査光学系と、
前記走査光学系により走査された光束を使用者の眼に入射させる導光系と、
を備え、
前記光学素子は、前記走査光学系から前記導光系に到る光路、または前記導光系の光路に配置されていることを特徴とする表示装置。