JP6958179B2

JP6958179B2 - 表示装置

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Description

本発明は、回折素子を利用して画像を表示する表示装置に関するものである。

ホログラフィック素子等の回折素子を用いた表示装置として、画像光投射装置から前方に向けて出射された画像光を回折素子によって観察者の眼に向けて偏向するものが提案されている（特許文献１参照）。回折素子では、特定波長で最適な回折角度と回折効率が得られるように干渉縞が最適化されている。

特開２０１６−１６１６６９号公報

特許文献１に記載の表示装置において、画像光は、回折素子の干渉縞に対応する特定波長を中心にして所定のスペクトル幅を有していることから、特定波長からずれた波長の光は、画像の解像度を低下させる原因となる。

そこで、本願発明者は、画像光投射装置から出射された画像光を反射型の第１回折素子によって、前方に配置された第２回折素子に向けて出射し、第１回折素子から出射された画像光を第２回折素子によって観察者の眼に向けて偏向する表示装置を検討している。かかる構成によれば、第１回折素子によって波長補償を行うことができ、特定波長からずれた波長の光に起因する画像の解像度の低下を抑制することができる。

しかしながら、上記構成の表示装置の場合、画像光投射装置が画像光を後方に向けて出射するため、画像光投射装置が前方寄りに配置されることになる。このため、頭部装着型の表示装置では、観察者の頭部に装着されるフレームに対して画像光投射装置、第１回折素子、および第２回折素子に搭載した際、質量が比較的重い画像光投射装置が前方寄りに配置されるので、表示装置の重心が前方寄りに位置することになる。その結果、表示装置を頭部に装着した際、フレームが前側に傾く等、表示装置の装着安定性が低下す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、画像光を観察者の眼に向けて偏向する回折素子から観察者の側に向けて離間した位置に画像光投射装置を設けることのできる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、本発明に係る表示装置の一態様は、画像光を投射する画像光投射装置と、前記画像光投射装置に対して第１方向の一方側に配置された第１反射素子を含み、前記画像光投射装置から投射された前記画像光を前記第１反射素子によって前記第１方向の他方側に向けて出射する第１導光系と、前記第１反射素子から出射された前記画像光を前記第１方向の一方側に向けて出射する反射型の第１回折素子と、前記第１回折素子から出射された前記画像光を前記第１方向の他方側に向けて出射する反射型の第２回折素子と、を有することを特徴とする。

本発明において、前記第１方向は、観察者の前後方向であり、前記第１方向の一方側は、前後方向の前側であり、前記第１方向の他方側は、前後方向の後側であり、前記画像光投射装置、前記導光系、前記第１回折素子、および前記第２回折素子を保持するフレームを有し、前記フレームを観察者の頭部に装着した際、前記第２回折素子が観察者の眼前に配置される態様を採用することができる。

本発明では、画像光投射装置から投射された画像光は、第１導光系の第１反射素子によって第１方向の他方側（後側）に向けて出射された後、第１回折素子に入射し、第１回折素子から第１方向の一方側（前側）に向けて出射される。そして、第１回折素子から出射された画像光は、第２回折素子に入射し、第２回折素子から第１方向の他方側に向けて出射される。その結果、画像光は、第２回折素子に対して第１方向の他方側に位置する観察者の眼に入射する。従って、画像光投射装置から投射される画像光に、第２回折素子の干渉縞に対応する特定波長からずれた波長の光が含まれている場合でも、第２回折素子での回折角のずれを第１回折素子によって補償することができる。それ故、画像の解像度低下を抑制することができる。また、第１反射素子が配置されているため、質量の重い画像光投射装置を第１方向の他方側（後側：画像光を観察者の眼に向けて偏向する回折素子から観察者の側に向けて離間した位置）に配置することができる。それ故、観察者の頭部に装着されるフレームに対して、画像光投射装置、第１回折素子、および第２回折素子を搭載した場合、質量が比較的重い画像光投射装置が後方寄りに配置されるので、表示装置の重心が後方寄りに位置することになる。よって、表示装置を頭部に装着した際、フレームが前側に傾きにくい等、表示装置の装着安定性を向上することができる。

本発明において、前記画像光投射装置は、前記画像光を前記第１方向の一方側に向けて投射する態様を採用することができる。かかる態様によれば、画像光投射装置より第１方向の他方側に反射部材を設けなくても、画像光投射装置から投射された画像光を第１反射素子に入射させることができる。

本発明において、前記第２回折素子は、前記第１回折素子より前記第１方向に交差する第２方向の一方側に配置されており、前記第１回折素子から前記第２回折素子に到る光路には、前記第１回折素子から出射された前記画像光を前記第２回折素子に向けて導く第２導光系が設けられている態様を採用することができる。

本発明において、前記第２導光系は、前記第１回折素子から出射された前記画像光が入射するレンズ系と、前記レンズ系から前記第１方向の一方側に出射された画像光を前記第２方向の一方側に出射する反射部材と、有する態様を採用することができる。かかる態様によれば、画像光投射装置に投射レンズ等を用いた場合でも、投射レンズ等によって発生した収差を第２導光系のレンズ系によって補正することができる。

本発明において、前記画像光投射装置は、前記第１回折素子より前記第１方向の他方側に配置されている態様を採用することができる。かかる態様によれば、質量が比較的重い画像光投射装置がより後方寄りに配置されるので、表示装置の重心が、より後方寄りに位置することになる。よって、表示装置を頭部に装着した際、フレームが前側に傾きにくい等、表示装置の装着安定性を向上することができる。

本発明において、前記第１反射素子の反射面は、周辺部に対して中央部が凹んだ凹曲面である態様を採用することができる。かかる態様によれば、第１反射素子が集光機能を有するため、画像光投射装置から投射された画像光を第１回折素子に効率よく入射させることができる。

本発明において、前記第１導光系は、前記画像光投射装置から出射された画像光を前記第１反射素子に向かわせる第２反射素子を備えている態様を採用することができる。かかる態様によれば、画像光投射装置から第１反射素子に到る光路を頭部装着用の表示装置に適した態様とすることができる。

本発明において、前記第２反射素子の反射面は、周辺部に対して中央部が凹んだ凹曲面である態様を採用することができる。かかる態様によれば、第２反射素子が集光機能を有するため、画像光投射装置から投射された画像光を第１反射素子に効率よく入射させることができる。

本発明において、前記第１回折素子および前記第１反射素子は、透光性の導光部材の複数の面のいずれかに固定されている態様を採用することができる。かかる態様によれば、第１回折素子および第１反射素子をフレームに対して効率よく搭載することができる。

本発明において、前記第１回折素子の入射面および前記第２回折素子の入射面は各々、周辺部に対して中央部が凹んだ凹曲面である態様を採用することができる。かかる態様によれば、第１回折素子および第２回折素子が集光機能を有するため、画像光を観察者の眼に向けて集光させる機能が増強される。従って、画角が大きく、かつ高画質な画像を表示することができる。

本発明において、前記第１回折素子および前記第２回折素子は各々、反射型の体積ホログラフィック素子である態様を採用することができる。かかる態様によれば、画像光を構成する波長を選択的に回折できるため、高い透過性が得られる。従って、表示装置は、外光（背景）と画像を同時に視認することができる。

本発明において、前記画像光投射装置は、前記画像光を生成する画像光生成装置と、前記画像光生成装置が生成した画像光を投射する投射光学系と、を有する態様を採用することができる。

この場合、前記画像光生成装置は、有機エレクトロルミネッセンス表示素子を備えている態様を採用することができる。かかる態様によれば、小型で高画質な画像表示が可能な表示装置を提供することができる。

本発明において、前記画像光生成装置は、照明光源と、前記照明光源から出射された照明光を変調する液晶表示素子とを備えている態様を採用してもよい。かかる態様によれば、照明光源の選択が可能なため、画像光の波長特性の自由度が広がるという利点がある。

本発明の実施形態１に係る表示装置の外観の一態様を示す外観図。図１に示す表示装置の光学系の一態様を示す説明図。図２に示す第２回折素子の干渉縞の説明図。図２に示す第１回折素子および第２回折素子での波長補償の説明図。図２に示す第２回折素子の具体的構成例１を示す断面図。図２に示す第２回折素子の具体的構成例２を示す断面図。本発明の実施形態２に係る表示装置の光学系の一態様を示す説明図。本発明の実施形態３に係る表示装置の光学系の一態様を示す説明図。本発明の実施形態４に係る表示装置の光学系の一態様を示す説明図。本発明の実施形態５に係る表示装置の光学系の一態様を示す説明図。図２および図４に光学系の第１回折素子から第２回折素子までの光路の説明図。本発明の変形例に係る光学系の第１回折素子から第２回折素子までの光路の説明図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度や角度を実際とは異ならせしめている。

［実施形態１］
（全体構成）
図１は、本発明の実施形態１に係る表示装置１００の外観の一態様を示す外観図である。図２は、図１に示す表示装置１００の光学系１０の一態様を示す説明図である。なお、図１および図２では、前後方向を第１方向Ｚとし、前側を第１方向Ｚの一方側Ｚ１とし、後側を第１方向Ｚの他方側Ｚ２とし、横方向を第２方向Ｘとし、上下方向を第３方向Ｙとしてある。また、左眼用光学系１０ｂを示す図２では、右側（鼻側）を第２方向Ｘの一方側Ｘ１とし、左側（耳側）を第２方向Ｘの他方側Ｘ２としてある。

図１に示す表示装置１００は、頭部装着型の表示装置であり、画像光Ｌ０ａを右眼Ｅａに入射させる右眼用光学系１０ａと、画像光Ｌ０ｂを左眼Ｅｂに入射させる左眼用光学系１０ｂとを有している。表示装置１００は、例えば、眼鏡のような形状に形成される。具体的には、表示装置１００は、右眼用光学系１０ａ、および左眼用光学系１０ｂを保持するフレーム９０を有しており、フレーム９０は観察者の頭部に装着される。フレーム９０は、後述する右眼用光学系１０ａの第２回折素子７０ａ、および左眼用光学系１０ｂの第２回折素子７０ｂを各々、保持する前部分９１を有しており、フレーム９０の右側のテンプル９２ａ、および左側のテンプル９２ｂの各々に、後述する右眼用光学系１０ａの画像光投射装置、および左眼用光学系１０ｂの画像光投射装置等が保持されている。

右眼用光学系１０ａと左眼用光学系１０ｂとは基本的な構成が同一である。従って、以下の説明では、右眼用光学系１０ａと左眼用光学系１０ｂとを区別せずに光学系１０として説明する。また、図２には、光学系１０として、左眼用光学系１０ｂのみを示し、右眼用光学系１０ａの説明を省略する。また、図２では、画像光の中央と両端の画角の光線を記載している。但し、第１回折素子５０以降の光線は、図の簡略化の為に各画角の中心光線のみを記載し、他の光線を省略してある。

図２に示すように、光学系１０では、画像光投射装置３０から出射された画像光Ｌ０の進行方向に沿って、反射素子４１（第１反射素子）を備えた第１導光系４０、反射性の第１回折素子５０、および反射性の第２回折素子７０が配置されている。かかる光学系１０において、画像光Ｌ０の第１方向Ｚでの進行方向に着目すると、画像光投射装置３０は、第１方向Ｚの一方側Ｚ１に向けて画像光Ｌ０を出射する。第１導光系４０の反射素子４１では、画像光投射装置３０から出射された画像光Ｌ０が第１方向Ｚの他方側Ｚ２から入射し、入射した画像光Ｌ０を第１方向Ｚの他方側Ｚ２に向けて出射する。第１回折素子５０は、反射素子４１から出射された画像光Ｌ０が第１方向Ｚの一方側Ｚ１から入射し、入射した画像光Ｌ０を第１方向Ｚの一方側Ｚ１に向けて出射する。第２回折素子７０は、第１回折素子５０から出射された画像光Ｌ０が第１方向Ｚの他方側Ｚ２から入射し、入射した画像光Ｌ０を第１方向Ｚの他方側Ｚ２に向けて出射する。第２回折素子７０から出射された画像光Ｌ０は、観察者の眼Ｅに入射する。

本形態では、第１回折素子５０から第２回折素子７０に向かう光路に第２導光系６０が配置されている。従って、第１回折素子５０から第１方向Ｚの一方側Ｚ１に向けて出射された画像光Ｌ０は、第２導光系６０を介して第２回折素子７０に入射する。

（光学系１０の詳細構成）
本形態において、画像光投射装置３０は、画像光Ｌ０を生成する画像光生成装置３１と、画像光生成装置３１が生成した画像光Ｌ０を第１方向Ｚの一方側Ｚ１に向けて投射する投射光学系３２とを有している。本形態において、画像光生成装置３１、および画像光生成装置３１は各々、画像光Ｌ０を第１方向Ｚの一方側Ｚ１から第２方向Ｘの一方側Ｘ１に斜めに傾いた方向に出射する。

投射光学系３２は複数のレンズ３２１によって構成されている。画像光生成装置３１は、有機エレクトロルミネッセンス表示素子等の表示パネル３１０を備えている態様を採用することができる。かかる態様によれば、小型で高画質な画像表示が可能な表示装置１００を提供することができる。また、画像光生成装置３１は、照明光源（図示せず）と、照明光源から出射された照明光を変調する液晶表示素子等の表示パネル３１０とを備えている態様を採用してもよい。かかる態様によれば、照明光源の選択が可能なため、画像光Ｌ０の波長特性の自由度が広がるという利点がある。ここで、画像光生成装置３１は、カラー表示可能な１枚の表示パネル３１０を有する態様を採用することができる。また、画像光生成装置３１は、各色に対応する複数の表示パネル３１０と、複数の表示パネル３１０から出射された各色の画像光を合成する合成光学系とを有する態様を採用してもよい。さらに、画像光投射装置３０は、レーザー光をマイクロミラーデバイスで変調する態様を採用してもよい。

第１導光系４０は、画像光投射装置３０に対して第１方向Ｚの一方側Ｚ１に配置された反射素子４１（第１反射素子）を含む。本形態において、第１導光系４０は、反射素子４１のみによって構成されている。反射素子４１は、第１方向Ｚの他方側Ｚ２に反射面４１０を向けて配置されており、画像光投射装置３０から投射された画像光Ｌ０を第１方向Ｚの他方側Ｚ２に出射する。本形態において、反射素子４１は、画像光投射装置３０から投射された画像光Ｌ０を第１方向Ｚの他方側Ｚ２から第２方向Ｘの一方側Ｘ１に斜めに傾いた方向に出射する。

第１回折素子５０は、反射性の回折素子であり、反射素子４１から出射された画像光Ｌ０を第１方向Ｚの一方側Ｚ１に向けて出射する。本形態において、第１回折素子５０は、反射素子４１に対して第１方向Ｚの他方側Ｚ２で離間する位置において、第１方向Ｚの一方側Ｚ１から第２方向Ｘの他方側Ｘ２に斜めに傾いた方向に入射面５１を向けて配置されている。従って、第１回折素子５０は、第１方向Ｚの一方側Ｚ１から第２方向Ｘの他方側Ｘ２に斜めに傾いた方向から入射した画像光Ｌ０を第１方向Ｚの一方側Ｚ１に向けて出射する。

第２回折素子７０は、第１回折素子５０に対して第１方向Ｚの一方側Ｚ１で対向する位置から第２方向Ｘの一方側Ｘ１に中心がずれた位置において入射面７１を第１方向Ｚの他方側Ｚ２に向けて配置されている。第２導光系６０は、第１回折素子５０から出射された画像光Ｌ０が入射するレンズ系６１と、レンズ系６１から第１方向Ｚの一方側Ｚ１に向けて出射された画像光Ｌ０を第１方向Ｚの一方側Ｚ１から第２方向の一方側Ｘ１に斜めに傾いた方向に出射する反射部材６２とを有している。レンズ系６１は、第１方向Ｚの他方側Ｚ２から一方側Ｚ１に向けて配置された複数のレンズ６１１からなる。反射部材６２は、第２方向Ｘの一方側Ｘ１に対して第１方向Ｚの他方側Ｚ２に向けて斜めに傾いた反射面６２０を有している。本形態において、レンズ系６１では、中間像の形成が行われない。

（第１回折素子５０および第２回折素子７０の詳細構成）
図３は、図２に示す第２回折素子７０の干渉縞７５１の説明図である。図２において、第２回折素子７０は、反射型体積ホログラフィック素子７５を備えており、反射型体積ホログラフィック素子７５は部分反射型回折光学素子である。このため、第２回折素子７０は、部分透過反射性のコンバイナーを構成している。従って、外光も第２回折素子７０を介して眼Ｅに入射するため、観察者は、画像光生成装置３１で形成した画像光Ｌ０と外光（背景）とが重畳した画像を認識することができる。

第２回折素子７０は、観察者の眼Ｅと対向しており、画像光Ｌ０が入射する第２回折素子７０の入射面７１は、眼Ｅから離れる方向に凹んだ凹曲面になっている。換言すれば、入射面７１は、画像光Ｌ０の入射方向において、周辺部に対して中央部が凹んで湾曲した形状となっている。このため、画像光Ｌ０を観察者の眼Ｅに向けて効率良く集光させることができる。

第１回折素子５０は、反射型体積ホログラフィック素子５５を備えており、反射型体積ホログラフィック素子５５は部分反射型回折光学素子である。第１回折素子５０は、画像光Ｌ０が入射する入射面５１が、凹んだ凹曲面になっている。換言すれば、入射面５１は、画像光Ｌ０の入射方向において、周辺部に対して中央部が凹んで湾曲した形状となっている。そのため、画像光Ｌ０を第２導光系６０に向けて効率良く偏向させることができる。また、第１回折素子５０は、画像光Ｌ０の中間像を１回形成する。

図３に示すように、第２回折素子７０は、特定波長に対応するピッチを有した干渉縞７５１を有している。干渉縞７５１は屈折率等の差としてホログラム感光層に記録されており、干渉縞７５１は特定入射角度に対応するように、第２回折素子７０の入射面７１に対して一方方向に傾いている。従って、第２回折素子７０は、画像光Ｌ０を所定の方向に回折して偏向する。特定波長および特定入射角度とは、画像光Ｌ０の波長と入射角度に対応する。かかる構成の干渉縞７５１は、参照光Ｌｒおよび物体光Ｌｓを用いてホログラフィック感光層に干渉露光を行うことにより形成することができる。

なお、第１回折素子５０および第２回折素子７０は基本的な構成が同一であるため、第１回折素子５０については、図３に第１回折素子５０の干渉縞５５１等の符号をかっこ内に示し、それらの説明を省略する。

（波長補償）
図４は、図２に示す第１回折素子５０および第２回折素子７０での波長補償の説明図である。なお、図４では、画角の中央の光線における波長補償のみを示してあるが、画角の他の光線においても同様の波長補償が行われる。図４では、画像光Ｌ０の特定波長の光Ｌ１（実線）を図示しており、例えば画像光Ｌ０の強度ピークとなる波長の光とする。また、図４では、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２（一点鎖線）、および特定波長に対して短波長側の光Ｌ３（点線）を図示してある。

図４において、第１回折素子５０に入射した画像光Ｌ０は、第１回折素子５０によって回折し、偏向される。このとき、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２の回折角度は、特定波長の光Ｌ１の回折角度より大きくなる。また、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３の回折角度は、特定波長の光Ｌ１の回折角度より小さくなる。従って、第１回折素子５０を出射した画像光Ｌ０は、波長毎に偏向されて分散することとなる。

第１回折素子５０を出射した画像光Ｌ０は、第２導光系６０を介して第２回折素子７０に入射し、第２回折素子７０によって回折し偏向される。その際、第１回折素子５０から第２回折素子７０までの光路において、第１回折素子５０によって中間像の形成が１回行われ、反射部材６２での反射が１回行われる。従って、画像光Ｌ０と第２回折素子７０の入射面法線との間の角度を入射角とすると、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２は、特定波長の光Ｌ１よりも大きな入射角となり、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３は、特定波長の光Ｌ１よりも小さな入射角となる。また、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２の回折角度は、特定波長の光Ｌ１の回折角度よりも大きくなり、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３の回折角度は、特定波長の光Ｌ１の回折角度よりも小さくなる。

従って、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２は、特定波長の光Ｌ１よりも大きな入射角で第１回折素子５０に入射するが、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２の回折角度が、特定波長の光Ｌ１の回折角度よりも大きいため、結果として第２回折素子７０から出射するときには、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２と特定波長の光Ｌ１は略平行な光となる。これに対して、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３は、特定波長の光Ｌ１よりも小さな入射角で第１回折素子５０に入射するが、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３の回折角度が、特定波長の光Ｌ１の回折角度よりも小さいため、結果として第２回折素子７０から出射するときには、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３と特定波長の光Ｌ１は略平行な光となる。それ故、第２回折素子７０を出射した画像光Ｌ０は、略平行な光として観察者の眼Ｅに入射するので、波長毎の網膜での結像位置ずれが抑制される。

ここで、第１回折素子５０、および第２回折素子７０およびは、波長による回折角度のずれが相殺するように作られていることが好ましい。例えば、第１回折素子５０および第２回折素子７０を、図３に示す干渉縞５５１、７５１のピッチおよび傾きが面内方向で等しくなるようにすると波長による回折角度のずれを相殺できる。但し、第１回折素子５０と第２回折素子７０との間に配置される光学部品による影響を考慮すると、干渉縞５５１、７５１のピッチおよび傾きが面内方向で異なる態様を採用する方が好ましい場合もある。その場合においては、第２回折素子７０を出射した画像光Ｌ０が集光するように、光学部品による影響を考慮して干渉縞５５１、７５１のピッチおよび傾きをいずれかに異ならせる。いずれの場合においても、第１回折素子５０に入射する画像光Ｌ０は、投射光学系３２を介することで生成された位置に応じた角度を有する平行状態の光束に調整されているので、第１回折素子５０の面内方向の位置に応じて、それぞれが波長による回折角度のずれを相殺するように干渉縞５５１のピッチおよび傾きを好適な構成とすることができる。

（第１回折素子５０および第２回折素子７０の具体的構成例）
図５は、図２に示す第２回折素子７０の具体的構成例１を示す断面図である。図６は、図２に示す第２回折素子７０の具体的構成例２を示す断面図である。図１および図２に示す表示装置において、画像光Ｌ０がカラー表示用の場合、第１回折素子５０および第２回折素子７０は、図５または図６に示すように構成される。なお、図５および図６には、第２回折素子７０のみを示し、第１回折素子５０の図示を省略してある。

図５に示す構成例において、第２回折素子７０では、反射型体積ホログラフィック素子７５Ｒ、７５Ｇ、７５Ｂが積層されており、反射型体積ホログラフィック素子７５Ｒ、７５Ｇ、７５Ｂの各々には、特定波長に対応するピッチで干渉縞７５１Ｒ、７５１Ｇ、７５１Ｂが形成されている。例えば、干渉縞７５１Ｒは、５８０ｎｍから７００ｎｍの波長範囲のうち、例えば、波長６１５ｎｍに対応するピッチで形成される。干渉縞７５１Ｇは、５００ｎｍから５８０ｎｍの波長範囲のうち、例えば、波長５３５ｎｍに対応するピッチで形成される。干渉縞７５１Ｂは、４００ｎｍから５００ｎｍの波長範囲のうち、例えば、波長４６０ｎｍに対応するピッチで形成される。かかる構成は、各波長に対応する感度を有するホログラフィック感光層を形成した状態で、各波長の参照光ＬｒＲ、ＬｒＧ、ＬｒＢ、および物体光ＬｓＲ、ＬｓＧ、ＬｓＢを用いてホログラフィック感光層に干渉露光を行うことにより形成することができる。

また、各波長に対応する感度を有する感光材料をホログラフィック感光層に分散させておき、各波長の参照光ＬｒＲ、ＬｒＧ、ＬｒＢおよび物体光ＬｓＲ、ＬｓＧ、ＬｓＢを用いてホログラフィック感光層に干渉露光を行うことによって、図６に示すように、１つの層に干渉縞７５１Ｒ、７５１Ｇ、７５１Ｂを形成してもよい。図５および図６に示すいずれの構成例においても、参照光ＬｒＲ、ＬｒＧ、ＬｒＢおよび物体光ＬｓＲ、ＬｓＧ、ＬｓＢとして球面波の光を用いることもある。

（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態の表示装置１００は、画像光投射装置３０から投射された画像光Ｌ０は、第１導光系４０の反射素子４１（第１反射素子）によって第１方向Ｚの他方側Ｚ２（後側）に向けて出射された後、第１回折素子５０に入射し、第１回折素子５０から第１方向Ｚの一方側Ｚ１（前側）に向けて出射され、第２回折素子７０に入射する。従って、画像光投射装置３０から投射される画像光Ｌ０に、第２回折素子７０の干渉縞に対応する特定波長からずれた波長の光が含まれている場合でも、第２回折素子７０での回折角のずれを第１回折素子５０によって補償することができる。それ故、画像の解像度低下を抑制することができる。

また、画像光投射装置３０に対して第１方向Ｚの一方側Ｚ１に反射素子４１が配置されているため、質量の重い画像光投射装置３０を第１方向Ｚの他方側Ｚ２に配置することができる。本形態では、画像光投射装置３０の第１方向Ｚの他方側Ｚ２の端部が第１回折素子５０より第１方向Ｚの他方側Ｚ２に位置する。それ故、観察者の頭部に装着されるフレーム９０に対して、画像光投射装置３０、第１回折素子５０、および第２回折素子７０を搭載した場合、質量が比較的重い画像光投射装置３０が第１方向Ｚの他方側Ｚ２（後方寄り、画像光Ｌ０を観察者の眼Ｅに向けて偏向する第２回折素子７０から観察者の側に向けて離間した位置）に配置されるので、表示装置１００の重心が後方寄りに位置することになる。よって、表示装置１００を頭部に装着した際、フレーム９０が前側に傾きにくい等、表示装置１００の装着安定性を向上することができる。

また、画像光投射装置３０は、画像光Ｌ０を第１方向Ｚの一方側Ｚ１に向けて投射するため、画像光投射装置３０より第１方向Ｚの他方側Ｚ２に反射部材を設けなくても、画像光投射装置３０から投射された画像光Ｌ０を反射素子４１に入射させることができる。

また、第２回折素子７０は、第１回折素子５０より第２方向Ｘの一方側Ｘ１に配置されており、第１回折素子５０から第２回折素子７１０に到る光路には、レンズ系６１を含む第２導光系６０を有しているため、画像光投射装置３０に投射レンズ等を用いた場合でも、投射レンズ等によって発生した収差を第２導光系６０のレンズ系６１によって補正することができる。

［実施形態２］
図７は、本発明の実施形態２に係る表示装置１００の光学系１０の一態様を示す説明図である。なお、本形態および後述する実施形態３、４、５の基本的な構成は、実施形態１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図示し、それらの詳細な説明を省略する。

図７に示すように、本形態の表示装置１００の光学系１０も、実施形態１と同様、画像光投射装置３０は、第１方向Ｚの一方側Ｚ１に向けて画像光Ｌ０を出射する。第１導光系４０の反射素子４１（第１反射素子）では、画像光投射装置３０から出射された画像光Ｌ０が第１方向Ｚの他方側Ｚ２から入射し、入射した画像光Ｌ０を第１方向Ｚの他方側Ｚ２に向けて出射する。第１回折素子５０は、反射素子４１から出射された画像光Ｌ０が第１方向Ｚの一方側Ｚ１から入射し、入射した画像光Ｌ０を第１方向Ｚの一方側Ｚ１に向けて出射する。第２回折素子７０は、第１回折素子５０から出射された画像光Ｌ０が第１方向Ｚの他方側Ｚ２から入射し、入射した画像光Ｌ０を第１方向Ｚの他方側Ｚ２に向けて出射する。第２回折素子７０から出射された画像光Ｌ０は、観察者の眼Ｅに入射する。また、第１回折素子５０から第２回折素子７０に向かう光路に第２導光系６０が配置されている。従って、第１回折素子５０から第１方向Ｚの一方側Ｚ１に向けて出射された画像光Ｌ０は、第２導光系６０を介して第２回折素子７０に入射する。

本形態において、反射素子４１の反射面４１０は、画像光Ｌ０の入射方向において、周辺部に対して中央部が凹んで湾曲した形状となっている。このため、反射素子４１が集光機能を有するため、画像光投射装置３０から投射された画像光Ｌ０を第１回折素子５０に効率よく入射させることができる。それ故、画像光投射装置３０の投射光学系３２に用いたレンズ３２１の枚数を実施形態１より減らしても、画像光Ｌ０を観察者の眼Ｅに向けて効率良く集光させることができる。その他の構成は、実施形態１と同様である。

このように構成した表示装置１００でも、実施形態１と同様、画像光投射装置３０に対して第１方向Ｚの一方側Ｚ１に反射素子４１が配置されているため、質量の重い画像光投射装置３０を第１方向Ｚの他方側Ｚ２に配置することができる。本形態では、画像光投射装置３０の第１方向Ｚの他方側Ｚ２の端部が第１回折素子５０より第１方向Ｚの他方側Ｚ２に位置する。それ故、質量が比較的重い画像光投射装置３０が第１方向Ｚの他方側Ｚ２（後方寄り）に配置されるので、表示装置１００の重心が後方寄りに位置することになる。よって、表示装置１００を頭部に装着した際、フレーム９０が前側に傾きにくい等、表示装置１００の装着安定性を向上することができる。

［実施形態３］
図８は、本発明の実施形態３に係る表示装置１００の光学系１０の一態様を示す説明図である。図８に示すように、本形態の表示装置１００の光学系１０も、実施形態１と同様、画像光投射装置３０は、第１方向Ｚの一方側Ｚ１に向けて画像光Ｌ０を出射する。第１導光系４０の反射素子４１（第１反射素子）では、画像光投射装置３０から出射された画像光Ｌ０が第１方向Ｚの他方側Ｚ２から入射し、入射した画像光Ｌ０を第１方向Ｚの他方側Ｚ２に向けて出射する。第１回折素子５０は、反射素子４１から出射された画像光Ｌ０が第１方向Ｚの一方側Ｚ１から入射し、入射した画像光Ｌ０を第１方向Ｚの一方側Ｚ１に向けて出射する。第２回折素子７０は、第１回折素子５０から出射された画像光Ｌ０が第１方向Ｚの他方側Ｚ２から入射し、入射した画像光Ｌ０を第１方向Ｚの他方側Ｚ２に向けて出射する。第２回折素子７０から出射された画像光Ｌ０は、観察者の眼Ｅに入射する。また、第１回折素子５０から第２回折素子７０に向かう光路に第２導光系６０が配置されている。従って、第１回折素子５０から第１方向Ｚの一方側Ｚ１に向けて出射された画像光Ｌ０は、第２導光系６０を介して第２回折素子７０に入射する。

本形態において、第１導光系４０は、画像光投射装置３０から出射された画像光Ｌ０を反射素子４１（第１反射素子）に入射させる反射素子４２（第２反射素子）を備えている。さらに、第１導光系４０は、画像光投射装置３０から出射された画像光Ｌ０を反射素子４２（第２反射素子）に入射させる反射素子４３（第３反射素子）を備えている。

ここで、画像光投射装置３０は、画像光Ｌ０を第１方向Ｚの一方側Ｚ１から第２方向Ｘの一方側Ｘ１に斜めに傾いた方向に出射する。かかる構成に対応して、反射素子４３（第３反射素子）は、画像光投射装置３０に対して第２方向Ｘの一方側Ｘ１で対向する位置で反射面４３０を第２方向Ｘの他方側Ｘ２に向けている。また、反射素子４２（第２反射素子）は、反射素子４３から第１方向Ｚの一方側Ｚ１かつ第２方向Ｘの他方側Ｘ２に向かって離間する位置で、反射面４３０を第２方向Ｘの一方側Ｘ１に向けている。従って、画像光投射装置３０から出射された画像光Ｌ０は、反射素子４３によって第１方向Ｚの一方側Ｚ１かつ第２方向Ｘの他方側Ｘ２に向かって反射された後、反射素子４２によって第１方向Ｚの一方側Ｚ１かつ第２方向Ｘの一方側Ｘ１に向かって反射され、反射素子４１に入射する。

従って、画像光投射装置３０は、実施形態１と同様、第１回折素子５０から第１方向Ｚの他方側Ｚ２に離間した位置に配置されている。このため、質量が比較的重い画像光投射装置３０が第１方向Ｚの他方側Ｚ２（後方寄り）に配置されるので、表示装置１００の重心が後方寄りに位置することになる。よって、表示装置１００を頭部に装着した際、フレーム９０が前側に傾きにくい等、表示装置１００の装着安定性を向上することができる。

また、反射素子４１、４２、４３の反射面４１０、４２０、４３０は各々、画像光Ｌ０の入射方向において、周辺部に対して中央部が凹んで湾曲した形状となっている。このため、反射素子４１、４２、４３は各々、集光機能を有している。従って、反射素子４３は、画像光投射装置３０から投射された画像光Ｌ０を反射素子４２に効率よく入射させることができ、反射素子４２は、反射素子４３から出射された画像光Ｌ０を反射素子４１に効率よく入射させることができ、反射素子４１は、反射素子４２から出射された画像光Ｌ０を第１回折素子５０効率よく入射させることができる。それ故、画像光投射装置３０の投射光学系３２に用いたレンズ３２１の枚数を実施形態２より減らしても、画像光Ｌ０を観察者の眼Ｅに向けて効率良く集光させることができる。

また、図１に示すフレーム９０に画像光投射装置３０、および反射素子４１、４２、４３を搭載する際、画像光投射装置３０、および反射素子４１、４２、４３をテンプル９２ｂに沿って配置できる。従って、フレーム９０を含めた表示装置１００全体の重量バランスを向上することができるので、表示装置１００の装着安定性を向上することができる。その他の構成は、実施形態１と同様である。

［実施形態４］
図９は、本発明の実施形態４に係る表示装置１００の光学系１０の一態様を示す説明図である。図９では、透光性の導光部材８０をグレーの領域として示してある。図９に示すように、本形態の光学系１０では、実施形態１の光学系１０において、第１回折素子５０および反射素子４１（第１反射素子）が、透光性の導光部材８０の複数の面のいずれかに固定されている。本形態において、導光部材８０は、画像光投射装置３０から画像光Ｌ０が入射する入射面８１と、第２導光系６０に対して画像光Ｌ０を出射する出射面８２と、反射素子４１の反射面４１０が接合された平面８３と、第１回折素子５０の入射面５１が接合された曲面８４とを備えている。

従って、反射素子４１、および第１回折素子５０は導光部材８０を介して一体化されている。それ故、図１を参照して説明したフレーム９０に反射素子４１、および第１回折素子５０を搭載する際、反射素子４１、および第１回折素子５０を、導光部材８０を介して一体化した状態で取り扱うことができるので、表示装置１００を効率よく組み立てることができるとともに、反射素子４１と第１回折素子５０との位置関係に高い精度を得ることができる。

［実施形態５］
図１０は、本発明の実施形態５に係る表示装置１００の光学系１０の一態様を示す説明図である。図１０では、透光性の導光部材８０をグレーの領域として示してある。図１０に示すように、本形態の光学系１０では、実施形態３の光学系１０において、第１回折素子５０および反射素子４１（第１反射素子）が、透光性の導光部材８０の複数の面のいずれかに固定されている。従って、導光部材８０は、画像光投射装置３０から画像光Ｌ０が入射する入射面８１と、第２導光系６０に対して画像光Ｌ０を出射する出射面８２と、反射素子４１の反射面４１０が接合された曲面８６と、第１回折素子５０の入射面５１が接合された曲面８４とを備えている。

また、本形態では、反射素子４２（第２反射素子）および反射素子４３（第３反射素子）が導光部材８０の別の面に固定されている。従って、導光部材８０は、さらに、反射素子４２の反射面４２０が接合された曲面８７と、反射素子４３の反射面４３０が接合された曲面８８とを備えている。

従って、反射素子４１、４２、４３および第１回折素子５０は導光部材８０を介して一体化されている。それ故、図１を参照して説明したフレーム９０に反射素子４１、４２、４３、および第１回折素子５０を搭載する際、反射素子４１、４２、４３、および第１回折素子５０を、導光部材８０を介して一体化した状態で取り扱うことができるので、表示装置１００を効率よく組み立てることができるとともに、反射素子４１、４２、４３、および第１回折素子５０の位置関係に高い精度を得ることができる。

［光学系１０での波長補償に関する他の構成］
図１１および図１２を参照して、上記実施形態、および本発明の変形例を説明しながら、波長補償を行う場合の条件を説明する。図１１は、図２および図４に光学系１０の第１回折素子５０から第２回折素子７０までの光路の説明図である。図１２は、本発明の変形例に係る光学系１０の第１回折素子５０から第２回折素子７０までの光路の説明図である。

図１１および図１２では、第１回折素子５０と第２回折素子７０との間の構成が分かりやすいように、第２導光系６０のレンズ系６１の図示を省略し、第１回折素子５０および第２回折素子５０を平面で示してある。また、第１回折素子５０等による中間像の生成を、中間像生成レンズＭ０で示し、第２導光系６０で用いる反射部材をミラーＭ１で示している。従って、図１１には、反射部材６２がミラーＭ１で示され、図１２には、ミラーＭ１に加えて、ミラーＭ２が追加されている。

なお、図１１および図１２には、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２（一点鎖線）を図示してある。また、図１１および図１２では、第１回折素子５０の入射面５１の法線方向から光を入射した際に最も回折効率が高くなる方向を第１回折方向Ｄ１とし、第２回折素子７０の入射面７１の法線方向から光を入射した際に最も回折効率が高くなる方向を第２回折方向Ｄ２としてある。

図１１に示す光学系１０では、第２回折素子７０の入射面７１の法線方向に対する第２回折方向Ｄ２の向きはＣＷ方向であり、第１回折素子５０の入射面５１の法線方向に対する第１回折方向Ｄ１の向きもＣＷ方向となるように、第２回折素子７０と第１回折素子５０が配置されている。

図１２に示す光学系１０では、第２回折素子７０の入射面７１の法線方向に対する第２回折方向Ｄ２の向きはＣＷ方向で、第１回折素子５０の入射面５１の法線方向に対する第１回折方向Ｄ１の向きはＣＣＷ方向となるように、第２回折素子７０と第１回折素子５０が配置されている。

すなわち、第１回折素子５０から第２回折素子７０までの間での反射回数と中間像の生成回数の和が偶数であるか奇数であるかによって、第１回折素子５０および第２回折素子７０の配置が異なる。

具体的には、図１１に示す光学系１０のように、反射回数と中間像の生成回数の和が偶数である場合は、第２回折素子７０の入射面７１の法線と第１回折素子５０の入射面５１の法線とを含む仮想面の法線方向（図１１の平面視方向）から見て、第２回折素子７０の入射面７１の法線方向に対する第２回折方向Ｄ２の向きと第１回折素子５０の入射面５１の法線方向に対する第１回折方向Ｄ１の向きとが互いに同じ方向（ＣＷ方向）となるように、第１回折素子５０および第２回折素子７０が配置される。

これに対して、図１２に示す光学系１０のように、反射回数と中間像の生成回数の和が奇数である場合は、前述の仮想面の法線方向（図１２の平面視方向）から見て、第２回折方向Ｄ２の向きと第２回折方向Ｄ１の向きとが互いに逆方向（ＣＷ方向およびＣＣＷ方向）となるように、第２回折素子３１および第２回折素子７０が配置される。

これによって、スペクトル幅を有する画像光Ｌ０が、第１回折素子５０によって波長毎に偏向されて分散したのち、第２回折素子７０によって波長毎に集光して、略平行な光として観察者の瞳へと入射される。

なお、図１２に示す変形例では第２回折素子７０と第１回折素子５０の間にミラーＭ２を追加した一様態を示したが、光学素子の追加あるいは削減はこれに限らない。例えば、レンズやミラーをさらに追加する場合およびミラーを削減する場合があげられる。その場合においても、第１回折素子５０から第２回折素子７０までの間での反射回数と中間像の生成回数の和が偶数であるか奇数であるかによって、第２回折素子７０の入射面７１の法線方向に対する第２回折方向Ｄ２の向きと第１回折素子５０の入射面５１の法線方向に対する第１回折方向Ｄ１の向きとが、前述した例と同様に構成されればよい。

１０…光学系、１０ａ…右眼用光学系、１０ｂ…左眼用光学系、３０…画像光投射装置、３１…画像光生成装置、３２…投射光学系、４０…第１導光系、４１…反射素子（第１反射素子）、４２…反射素子（第２反射素子）４３…反射素子（第３反射素子）、５０…第１回折素子、５５、７５…反射型体積ホログラフィック素子、６０…第２導光系、６１…レンズ系、６２…反射部材、７０…第２解説素子、８０…導光部材、９０…フレーム、９１…前部分、９２ａ、９２ｂ…テンプル、１００…表示装置、３１０…表示パネル、Ｘ…第２方向、Ｚ…第１方向、Ｅ…眼。

Claims

画像光を投射する画像光投射装置と、
前記画像光投射装置に対して第１方向の一方側に配置された第１反射素子を含み、前記
画像光投射装置から投射された前記画像光を前記第１反射素子によって前記第１方向の他
方側に向けて出射する第１導光系と、
前記第１反射素子から出射された前記画像光を前記第１方向の一方側に向けて出射する
反射型の第１回折素子と、
前記第１回折素子から出射された前記画像光を前記第１方向の他方側に向けて出射する
反射型の第２回折素子と、
を有し、
前記第２回折素子は、前記第１回折素子より前記第１方向に交差する第２方向の一方側
に配置されており、
前記第１回折素子から前記第２回折素子に到る光路には、前記第１回折素子から出射さ
れた前記画像光を前記第２回折素子に向けて導く第２導光系が設けられ、
前記第２導光系は、前記第１回折素子から出射された前記画像光が入射するレンズ系と
、前記レンズ系から前記第１方向の一方側に出射された画像光を前記第２方向の一方側に
出射する反射部材と、を有することを特徴とする表示装置。
請求項１に記載の表示装置において、
前記第１方向は、観察者の前後方向であり、
前記第１方向の一方側は、前後方向の前側であり、
前記第１方向の他方側は、前後方向の後側であり、
前記画像光投射装置、前記導光系、前記第１回折素子、および前記第２回折素子を保持
するフレームを有し、
前記フレームを観察者の頭部に装着した際、前記第２回折素子が観察者の眼前に配置さ
れることを特徴とする表示装置。
請求項１または２に記載の表示装置において、
前記画像光投射装置は、前記画像光を前記第１方向の一方側に向けて投射することを特
徴とする表示装置。
請求項１から３のいずれか一項に記載の表示装置において、
前記画像光投射装置は、前記第１回折素子より前記第１方向の他方側に配置されている
ことを特徴とする表示装置。
請求項１から４のいずれか一項に記載の表示装置において、
前記第１反射素子の反射面は、周辺部に対して中央部が凹んだ凹曲面であることを特徴
とする表示装置。
請求項１から５のいずれか一項に記載の表示装置において、
前記第１導光系は、前記画像光投射装置から出射された画像光を前記第１反射素子に向
かわせる第２反射素子を備えていることを特徴とする表示装置。
請求項６に記載の表示装置において、
前記第２反射素子の反射面は、周辺部に対して中央部が凹んだ凹曲面であることを特徴と
する表示装置。
請求項１から７までのいずれか一項に記載の表示装置において、
前記第１回折素子および前記第１反射素子は、透光性の導光部材の複数の面のいずれか
に固定されていることを特徴とする表示装置。
請求項１から８のいずれか一項に記載の表示装置において、
前記第１回折素子の入射面および前記第２回折素子の入射面は各々、周辺部に対して中
央部が凹んだ凹曲面であることを特徴とする表示装置。
請求項１から９のいずれか一項に記載の表示装置において、
前記第１回折素子および前記第２回折素子は各々、反射型の体積ホログラフィック素子
であることを特徴とする表示装置。
請求項１から１０のいずれか一項に記載の表示装置において、
前記画像光投射装置は、前記画像光を生成する画像光生成装置と、前記画像光生成装置
が生成した画像光を投射する投射光学系と、を有することを特徴とする表示装置。
請求項１１に記載の表示装置において、
前記画像光生成装置は、有機エレクトロルミネッセンス表示素子を備えていることを特
徴とする表示装置。
請求項１１に記載の表示装置において、
前記画像光生成装置は、照明光源と、前記照明光源から出射された照明光を変調する液
晶表示素子とを備えていることを特徴とする表示装置。