JP7091674B2

JP7091674B2 - 表示装置および導光装置

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Publication number: JP7091674B2
Application number: JP2018011305A
Authority: JP
Inventors: 俊幸野口; 昌史坂口
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2018-01-26
Filing date: 2018-01-26
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2038-01-26
Also published as: US10871651B2; JP2019128519A; US20190235249A1

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、および導光装置に関するもの
である。

ホログラフィック素子等の回折素子を用いた装置としては、ホログラム記録再生装置や
、画像光を回折素子によって利用者の瞳に入射させる表示装置等を例示することができる
。ホログラフィック素子では、特定波長で最も高い回折効率が得られるように干渉縞のピ
ッチを最適化してある。しかしながら、図１０に示すように、光源の種類等によっては、
赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、および青色光（Ｂ）の各々の帯域λＲ、λＧ、λＧにおい
て、ある程度のスペクトル幅が存在しており、特定波長からずれた波長の光は、解像度を
低下させる原因となる。

一方、光源から出射された光を偏向する反射型体積ホログラムを設けるともに、光源か
ら反射型体積ホログラムに到る光路上に透過型体積ホログラムを配置した観察光学系が提
案されている（特許文献１参照）。

特開２００２－１３９６９５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の光学系のように透過型体積ホログラムおよび反射型
体積ホログラムを配置した場合、特定波長からずれた波長の光が到達目標地点から大きく
外れた位置に到達してしまい、解像度を逆に低下させるという問題点がある。また、装置
の小型化や各種収差の補正のために、透過型体積ホログラムから反射型体積ホログラムに
到る光路にミラーやレンズ等の光学部品を配置した場合も、特許文献１に記載の光学系の
ように透過型体積ホログラムおよび反射型体積ホログラムを配置した場合、特定波長から
ずれた波長の光が到達目標地点から大きく外れた位置に到達してしまい、解像度を逆に低
下させ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、光源から出射された光に波長変動が発生した
ときでも、解像度の低下等を抑制することのできる表示装置および導光装置を提供するこ
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、画像光を出射する画像
光生成装置と、第１入射面に入射した前記画像光を観察者の眼に向かうように偏向する反
射型の第１回折素子と、前記画像光生成装置と前記第１回折素子との光路上に配置され、
第２入射面に入射した前記画像光を前記第１回折素子に向かうように偏向する透過型の第
２回折素子と、を有し、前記第１回折素子および前記第２回折素子は、前記第２回折素子
から前記第１回折素子までの間での光の反射回数と中間像の生成回数との和が偶数である
場合には、前記第１入射面の法線方向と前記第２入射面の法線方向とを含む仮想面の法線
方向から見て、前記第１入射面に入射した光を最も高い回折効率で回折する方向が前記第
２入射面に入射した光を最も高い回折効率で回折する方向とが互いに同一であり、前記第
２回折素子から前記第１回折素子までの間での光の反射回数と中間像の生成回数との和が
奇数である場合には、前記仮想面の法線方向から見て、前記第１入射面に入射した光を最
も高い回折効率で回折する方向が前記第２入射面に入射した光を最も高い回折効率で回折
する方向とが互いに異なるように配置されていることを特徴とする。本発明における「前
記第２回折素子から前記第１回折素子までの間での光の反射回数と中間像の生成回数との
和が偶数である場合」とは、光の反射回数、および中間像の生成回数のいずれもが０回の
場合を含む意味である。

本発明に係る導光装置の一態様は、第１入射面に入射した光源からの光を偏向する反射
型の第１回折素子と、前記光源と前記第１回折素子との光路上に配置され、第２入射面に
入射した前記光を前記第１回折素子に向かうように偏向する透過型の第２回折素子と、を
有し、前記第１回折素子および前記第２回折素子は、前記第２回折素子から前記第１回折
素子までの間での光の反射回数と中間像の生成回数との和が偶数である場合には、前記第
１入射面の法線方向と前記第２入射面の法線方向とを含む仮想面の法線方向から見て、前
記第１入射面に入射した光を最も高い回折効率で回折する方向が前記第２入射面に入射し
た光を最も高い回折効率で回折する方向が互いに同一であり、前記第２回折素子から前記
第１回折素子までの間での光の反射回数と中間像の生成回数との和が奇数である場合には
、前記仮想面の法線方向から見て、前記第１入射面に入射した光を最も高い回折効率で回
折する方向が前記第２入射面に入射した光を最も高い回折効率で回折する方向とが互いに
異なるように配置されていることを特徴とする。

本発明において、反射型の第１回折素子は、画像光生成装置から出射された画像光を偏
向して観察者の眼に入射させ、透過型の第２回折素子は、画像光生成装置の光源から第１
回折素子までの間に配置されて波長変動を吸収する。ここで、第１回折素子および第２回
折素子はホログラフィック素子やブレーズ化回折素子であり、第１回折素子および第２回
折素子は、法線方向から光線が入射したときに、１つの方向に回折効率が最も高い回折光
を出射する。このため、第１回折素子と第２回折素子との向きが不適当であると、波長変
動を吸収できず、波長変動に起因する解像度の低下が大きくなる。しかるに本発明では、
第２回折素子から第１回折素子までの間での光の反射回数と中間像の生成回数との和が偶
数であるか奇数であるかに応じて、第１回折素子および第２回折素子を適正に配置してあ
る。このため、光源から出射される光に波変動が発生しても、かかる波長変動は、第１回
折素子と第２回折素子とにおいて相殺される。それ故、光源から出射された光に波長変動
が発生したときでも、解像度の低下等を抑制することできる。

本発明において、前記第１回折素子は、前記第１入射面の法線方向から光を入射した際
に、第１方向が最も高い回折効率となる素子であり、前記第２回折素子は、前記第２入射
面の法線方向から光を入射した際に、第２方向が最も高い回折効率となる素子であり、前
記第２回折素子から前記第１回折素子までの間での光の反射回数と中間像の生成回数との
和が偶数であって、前記第１入射面の法線方向と前記第２入射面の法線方向とを含む仮想
面の法線方向から見て、前記第１方向と前記第２方向が互いに異なる方向である場合、前
記第２入射面の法線方向と前記第２入射面への光の入射方向とが成す角度が前記第２回折
素子の出射面から最も高い回折効率で出射される方向とが成す角度より大きく、前記第２
回折素子から前記第１回折素子までの間での光の反射回数と中間像の生成回数との和が偶
数であって、前記第１入射面の法線方向と前記第２入射面の法線方向とを含む仮想面の法
線方向から見て、前記第１方向と前記第２方向が互いに同じ方向である場合、前記第２入
射面の法線方向と前記第２入射面への光の入射方向とが成す角度が前記出射面の法線方向
と前記出射面から最も高い回折効率で出射される方向とが成す角度より小さい態様を採用
することができる。

本発明において、前記第１回折素子は、前記第１入射面の法線方向から光を入射した際
に、第１方向が最も高い回折効率となる素子であり、前記第２回折素子は、前記第２入射
面の法線方向から光を入射した際に、第２方向が最も高い回折効率となる素子であり、前
記第２回折素子から前記第１回折素子までの間での光の反射回数と中間像の生成回数との
和が奇数であって、前記第１入射面の法線方向と前記第２入射面の法線方向とを含む仮想
面の法線方向から見て、前記第１方向と前記第２方向が互いに異なる方向である場合、前
記第２入射面の法線方向と前記第２入射面への光の入射方向とが成す角度が前記第２回折
素子の出射面から最も高い回折効率で出射される方向とが成す角度より小さく、前記第２
回折素子から前記第１回折素子までの間での光の反射回数と中間像の生成回数との和が奇
数であって、前記第１入射面の法線方向と前記第２入射面の法線方向とを含む仮想面の法
線方向から見て、前記第１方向と前記第２方向が互いに同じ方向である場合、前記第２入
射面の法線方向と前記第２入射面への光の入射方向とが成す角度が前記出射面の法線方向
と前記出射面から最も高い回折効率で出射される方向とが成す角度より大きい態様を採用
することができる。

本発明において、前記第１回折素子は、反射型体積ホログラフィック素子であり、前記
第２回折素子は、透過型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。

本発明において、前記第１回折素子および前記第２回折素子では、ピッチが異なる複数
種類の干渉縞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１回折素子は、周辺部に対して凹んだ湾曲形状を有する態様を
採用することができる。

本発明において、前記画像光生成装置は、有機エレクトロルミネッセンス表示装置を備
えている態様を採用することができる。

本発明において、前記画像光生成装置は、液晶装置と、照明光源とを備えている態様を
採用することができる。

本発明を適用した表示装置の外観の一態様を示す説明図。本発明を適用した表示装置の光学系の一態様を示す説明図。本発明を適用した表示装置で用いた第１回折素子および第２回折素子の説明図。図２に示す第１回折素子の具体的構成例１を示す断面図。図２に示す第１回折素子の具体的構成例２を示す断面図。図２に示す第２回折素子および第１回折素子での波長補償の説明図。本発明の比較例の説明図。本発明を適用した表示装置において反射回数と中間像の形成回数の和が偶数の場合の説明図。本発明を適用した表示装置において反射回数と中間像の形成回数の和が奇数の場合の説明図。光源光等のスペクラムを示す説明図。

以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の説明においては、各部材等を認識
可能な程度の大きさにするため、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］
（全体構成）
図１は、本発明を適用した表示装置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、前後方向にＺを付し、前側にＺ１を付し、後側にＺ２を付してある。また、
横方向にＸを付し、上下方向にＹを付し、上側にＹ１を付し、下側にＹ２を付してある。
また、左眼用光学系１０ｂを示す図２では、左右方向にＸを付し、右側（鼻側）にＸ１を
付し、左側（耳側）にＸ２を付してある。また、図２は、第１回折素子７０の第１入射面
７１の法線方向と第２回折素子５０の第２入射面５１の法線方向とを含む仮想面の法線方
向から見た様子を示してある。

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１回折素子７０ａ、および左眼用光学系１０ｂの第
１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。

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を
偏向して観察者の眼Ｅに入射させる反射型の第１回折素子７０と、画像光投射装置３０か
ら第１回折素子７０に到る光路において、波長変動を吸収する透過型の第２回折素子５０
とを有しており、光学系１０では、第１回折素子７０と第２回折素子５０とを有する導光
装置１１が構成されている。第１回折素子７０および第２回折素子５０はホログラフィッ
ク素子やブレーズ化回折素子であり、第２回折素子５０および第１回折素子７０は、法線
方向から光線が入射したときに、１つの方向に回折効率が最も高い回折光を出射する。

かかる光学系１０において、画像光Ｌ０の前後方向Ｚでの進行方向に着目すると、画像
光投射装置３０は、前後方向Ｚの前側Ｚ１に向けて画像光Ｌ０を出射し、画像光Ｌ０は第
２回折素子５０に入射する。第２回折素子５０は、入射した画像光Ｌ０を前側Ｚ１に向け
て出射する。第１回折素子７０は、第２回折素子５０から出射された画像光Ｌ０を後側Ｚ
２に向けて出射する。第１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２回折素子５０から第１回折素子７０に向かう光路に導光系６０が配置
されている。従って、第２回折素子５０から前後方向Ｚの前側Ｚ１に向けて出射された画
像光Ｌ０は、導光系６０を介して第１回折素子７０に入射する。

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を前後方向Ｚの前側Ｚ１に向けて投射する投射光学系３２とを
有している。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装置（光源）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装置等の表示パネル
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、光源から出射されたレーザー光をマイ
クロミラーデバイスで変調する態様を採用してもよい。

導光系６０は、第２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から前後方向Ｚの前側Ｚ１に向けて出射された画像光Ｌ０を前後方向Ｚの
前側Ｚ１から左右方向Ｘの右側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、前後方向Ｚの後側Ｚ２から前側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、前後方向Ｚの後側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は、中間像の形成を１回行う。

（第１回折素子７０等の詳細構成）
図３は、図２に示す第１回折素子７０の干渉縞７５１の説明図である。図２において、
第１回折素子７０は、反射型体積ホログラフィック素子７５であり、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１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１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１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１回折素
子７０の第１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、第１回折素子７０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。

図３に示すように、第１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７
５１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１回折素子７０の第１入射面７１
に対して一方方向に傾いている。従って、第１回折素子７０は、一点鎖線Ｌ７０で示すよ
うに、第１入射面７１に入射した画像光Ｌ０を所定の方向に回折して第１入射面７１から
出射する。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。

第２回折素子５０は、透過型体積ホログラフィック素子５５であり、第１回折素子７０
と同様、干渉縞５５１を有している。かかる第２回折素子５０は、二点鎖線Ｌ５０で示す
ように、第２入射面５１から出射した光を回折して出射面５２から出射する。

ここで、第２回折素子５０、および第１回折素子７０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。例えば、第２回折素子５０および第１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２回折素子５０と第１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１回折素子７０から出射された画像光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。例えば、第
１回折素子７０では、中心部と端部とでは、観察者の眼に入射するように画像光Ｌ０を回
折させるときの角度が異なるため、それに応じて干渉縞７５１のピッチを相違させてもよ
い。この場合でも、第１回折素子７０の干渉縞７５１のピッチは、第２回折素子５０の干
渉縞５５の１／２倍から２倍までの範囲であることが好ましい。

（回折方向等の定義）
図３には、反射型の第１回折素子７０において、第１入射面７１の法線方向から入射し
た光Ｌ０が最も高い回折効率で第１入射面７１から出射される方向を「第１方向Ｐ１」と
し、第１方向Ｐ１が時計周りＣＷか反時計周りＣＣＷのいずれであるかを示してある。よ
り具体的には、第１入射面７１の法線方向から入射した光Ｌ０が回折せずに、第１入射面
７１で鏡面反射する方向を基準としたとき、最も高い回折効率で第１入射面７１から出射
される方向が基準から時計周りＣＷか反時計周りＣＣＷのいずれであるかを示してある。
図３には、第１回折素子７０において、第１入射面７１の法線方向から入射した光Ｌ０が
最も高い回折効率で第１入射面７１から出射される方向（第１方向Ｐ１）を一点鎖線Ｌ７
０で示してあり、図３に示す態様において、第１方向Ｐ１は時計周りＣＷの方向である。

また、図３には、透過型の第２回折素子５０において、第２入射面５１の法線方向から
入射した光Ｌ０が最も高い回折効率で出射面５２から出射される方向を「第２方向Ｐ２」
とし、第２方向Ｐ２が時計周りＣＷか反時計周りＣＣＷのいずれであるかを示してある。
より具体的には、第２入射面５１の法線方向から入射した光Ｌ０が回折せずに、直線的に
透過する方向を基準としたとき、最も高い回折効率で出射面５２から出射される方向が基
準から時計周りＣＷか反時計周りＣＣＷのいずれであるかを示してある。図３には、第２
回折素子５０において、第２入射面５１の法線方向から入射した光Ｌ０が最も高い回折効
率で出射面５２から出射される方向（第２方向Ｐ２）を一点鎖線Ｌ５０で示してあり、図
３に示す態様において、第２方向Ｐ２は反時計周りＣＣＷの方向である。

（第２回折素子５０および第１回折素子７０の具体的構成例）
図４は、図２に示す第１回折素子７０の具体的構成例１を示す断面図である。図５は、
図２に示す第１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２回折素子５０および第１回
折素子７０は、図４または図５に示すように構成される。なお、第１回折素子７０と第２
回折素子５０とは基本的な構成が同様であるため、図４および図５には、第１回折素子７
０のみを示し、第２回折素子５０の図示を省略してある

図４に示す構成例において、第１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、７
５Ｇ、７５Ｂの各々には、特定波長に対応するピッチで干渉縞７５１Ｒ、７５１Ｇ、７５
１Ｂ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、Ｌ
ｒＢ、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５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４および図５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。この場合、湾曲
した複数の干渉縞７５１が並列した状態に形成される。また、球面波の場合における「入
射方向および出射方向」については、波源から遠ざかった位置では、球面が平面に近づく
ので、波源から平面に直交する方向に延在する方向で定義することができる。なお、第１
回折素子６１は、横断面が鋸歯状をなす溝が形成されている表面レリーフ型回折素子（ブ
レーズドグレーティング）や、ホログラフィック素子と表面レリーフ型回折素子とを組み
合わせた表面レリーフホログラフィック素子（ブレーズドホログラフィックグレーティン
グ）等であってもよく、いずれの場合も、法線方向から光線が入射したときに、１つの方
向に回折効率が最も高い回折光を出射する。

（波長補償）
図６は、図２に示す第２回折素子５０および第１回折素子７０での波長補償の説明図で
ある。なお、図６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６では、画像光Ｌ０の特定波長の光Ｌ
１（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５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６に示す光学系では、第２回折素子５０に入射した画像光Ｌ０は、第２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２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。

ここで、第２回折素子５０から第１回折素子７０までの光路において、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。すなわち、第２回折素子５０から第
１回折素子７０までの光路において、中間像の形成回数と反射回数の和は２回であり、偶
数である。

また、第１回折素子７０は、第１入射面７１の法線方向から光を入射した際に、最も高
い回折効率となる第１方向Ｐ１が時計周りＣＷの方向である。これに対して、第２回折素
子５０は、第２入射面５１に対して干渉縞５５１が傾いている方向が、第１回折素子７０
において第１入射面７１に対して干渉縞７５１が傾いている方向と同じであり、第２入射
面５１の法線方向から光を入射した際に、最も高い回折効率となる第２方向Ｐ２が反時計
回りＣＣＷである。従って、第１方向Ｐ１と第２方向Ｐ２が互いに異なる方向である。

また、第２回折素子５０では、第２入射面５１の法線方向と第２入射面５１への光の入
射方向とが成す角度（入射角）が約６０°程度であり、第２回折素子５０の出射面５２の
法線方向と出射面５２から最も高い回折効率で出射される方向と成す角度が約０°である
。このため、第１入射面７１に入射した光を最も高い回折効率で回折する方向が時計周り
ＣＷであり、第２入射面５１に入射した光を最も高い回折効率で回折する方向も時計周り
ＣＷであり、第１入射面７１に入射した光を最も高い回折効率で回折する方向（時計周り
ＣＷ）と、第２入射面５１に入射した光を最も高い回折効率で回折する方向（時計周りＣ
Ｗ）と同じ方向である。

従って、画像光Ｌ０が第１回折素子７０の第１入射面７１に入射する際、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、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い
。

それ故、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７０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１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７０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１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１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。従って、図１０に示すよ
うに、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、および青色光（Ｂ）の各々の帯域λＲ、λＧ、λＧ
において、ある程度のスペクトル幅が存在している場合でも、解像度の高いカラー画像を
表示することができる。

（比較例）
図７は、本発明の比較例の説明図であり、図６に示す態様とは、第２回折素子７０およ
び画像光投射装置３０のレイアウトが相違し、その他の構成は、図６に示す態様と同様で
ある。

図７においても、第２回折素子５０に入射した画像光Ｌ０は、第２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２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。

ここで、第２回折素子５０から第１回折素子７０までの光路において、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。すなわち、図６に示す光学系と同様
、２回折素子５０から第１回折素子７０までの光路において、中間像の形成回数と反射回
数の和は２回であり、偶数である。

また、図６に示す光学系と同様、第１回折素子７０は、第１入射面７１の法線方向から
光を入射した際に、最も高い回折効率となる第１方向が時計周りＣＷの方向である。これ
に対して、第２回折素子５０は、第２入射面５１に対して干渉縞５５１が傾いている方向
が、第１回折素子７０において第１入射面７１に対して干渉縞７５１が傾いている方向と
同じであり、第２入射面５１の法線方向から光を入射した際に、最も高い回折効率となる
第２方向が反時計周りＣＣＷの方向であり、第１方向Ｐ１と第２方向Ｐ２が互いに異なる
方向である。

但し、図６に示す光学系と違って、第２回折素子５０では、第２入射面５１の法線方向
と第２入射面５１への光の入射方向とが成す角度（入射角）が約０°程度であるのに対し
て、第２回折素子５０の出射面５２の法線方向と出射面５２から最も高い回折効率で出射
される方向と成す角度が約６０°である。このため、第１入射面７１に入射した光を最も
高い回折効率で回折する方向が時計周りＣＷであるのに対して、第２入射面５１に入射し
た光を最も高い回折効率で回折する方向は反時計周りＣＣＷであり、第１入射面７１に入
射した光を最も高い回折効率で回折する方向（時計周りＣＣＷ）と、第２入射面５１に入
射した光を最も高い回折効率で回折する方向（時計周りＣＷ）と異なる方向である。

従って、図６に示す態様とは逆に、第１回折素子７０の第１入射面７１では、特定波長
に対して長波長側の光Ｌ２は、特定波長の光Ｌ１よりも小さな入射角となり、特定波長に
対して短波長側の光Ｌ３は、特定波長の光Ｌ１よりも大きな入射角となる。ここで、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
りも小さい。このため、結果として第１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と、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３とは
、異なる方向に出射されるため、波長毎の網膜での結像位置がずれてしまう。

（他の実施形態）
図８は、本発明を適用した表示装置１００において反射回数と中間像の形成回数の和が
偶数の場合の説明図である。図９は、本発明を適用した表示装置１００において反射回数
と中間像の形成回数の和が奇数の場合の説明図である。なお、図８および図９には、実施
例および比較例を纏めて示してある。また、図８および図９では、第１回折素子７０を平
板状に表してある。また、図８および図９では、第１回折素子５０および第２回折素子７
０の干渉縞ピッチに最適な波長の光を実線Ｌ１で示し、最適な波長より長波長側に波長変
動した光線については点線Ｌ２で示し、干渉縞７５１、５５１の傾き方向を模式的に斜線
で示してある。また、図８および図９には、以下の組み合わせを示してある。
反射回数と中間像の形成回数の和＝偶数（図８）
Ｐ１≠Ｐ２第２回折素子５０の入射角＞出射角・・実施例１
Ｐ１＝Ｐ２第２回折素子５０の入射角＜出射角・・実施例２
反射回数と中間像の形成回数の和＝奇数（図９）
Ｐ１≠Ｐ２第２回折素子５０の入射角＜出射角・・実施例３
Ｐ１＝Ｐ２第２回折素子５０の入射角＞出射角・・実施例４

図８では、第２回折素子５０から第１回折素子７０までの間での光の反射回数と中間像
の生成回数との和が偶数である。より具体的には、第２回折素子５０から第１回折素子７
０までの間には、２つのミラーＭ１、Ｍ２が配置されている様子を例示してある。

実施例１および比較例１では、第２回折素子５０において第２入射面５１に対して干渉
縞５５１が傾いている方向が、第１回折素子７０において第１入射面７１に対して干渉縞
７５１が傾いている方向と同じである。このため、第１入射面７１の法線方向から光を入
射した際に、最も高い回折効率となる第１方向Ｐ１（時計周りＣＷ）と、第２入射面５１
の法線方向から光を入射した際に、最も高い回折効率となる第２方向Ｐ２（反時計周りＣ
ＣＷ）とが互いに異なる方向である。

ここで、実施例１では、第２入射面５１の法線方向と第２入射面５１への光の入射方向
とが成す角度（入射角）が約６０°程度であるのに対して、第２回折素子５０の出射面５
２の法線方向と出射面５２から最も高い回折効率で出射される方向と成す角度が約０°で
あり、入射角は出射角より大きい。このため、第１入射面７１に入射した光を最も高い回
折効率で回折する方向（時計周りＣＷ）と、第２入射面５１に入射した光を最も高い回折
効率で回折する方向（時計周りＣＷ）とは同じ方向である。従って、画像光Ｌ０が第１回
折素子７０の第１入射面７１に入射する際、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る。それ故、波長補償を適正に行うことができるの
で、波長毎の網膜での結像位置ずれが抑制される。

これに対して、比較例１では、第２入射面５１の法線方向と第２入射面５１への光の入
射方向とが成す角度（入射角）が約０°程度であるのに対して、第２回折素子５０の出射
面５２の法線方向と出射面５２から最も高い回折効率で出射される方向と成す角度が約６
０°であり、入射角は出射角より小さい。このため、第１入射面７１に入射した光を最も
高い回折効率で回折する方向（時計周りＣＷ）と、第２入射面５１に入射した光を最も高
い回折効率で回折する方向（反時計周りＣＣＷ）とは異なる方向である。従って、画像光
Ｌ０が第１回折素子７０の第１入射面７１に入射する際、特定波長に対して長波長側の光
Ｌ２は、特定波長の光Ｌ１よりも小さな入射角となる。それ故、波長補償を行うことが困
難である。

実施例２および比較例２では、第２回折素子５０において第２入射面５１に対して干渉
縞５５１が傾いている方向が、第１回折素子７０において第１入射面７１に対して干渉縞
７５１が傾いている方向と異なっている。このため、第１入射面７１の法線方向から光を
入射した際に、最も高い回折効率となる第１方向Ｐ１（時計周りＣＷ）と、第２入射面５
１の法線方向から光を入射した際に、最も高い回折効率となる第２方向Ｐ２（時計周りＣ
Ｗ）とが同じ方向である。

ここで、実施例２では、第２入射面５１の法線方向と第２入射面５１への光の入射方向
とが成す角度（入射角）が約０°程度であるのに対して、第２回折素子５０の出射面５２
の法線方向と出射面５２から最も高い回折効率で出射される方向と成す角度が約６０°で
あり、入射角は出射角より小さい。このため、第１入射面７１に入射した光を最も高い回
折効率で回折する方向（時計周りＣＷ）と、第２入射面５１に入射した光を最も高い回折
効率で回折する方向（時計周りＣＷ）とは同じ方向である。従って、画像光Ｌ０が第１回
折素子７０の第１入射面７１に入射する際、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る。それ故、波長補償を適正に行うことができるの
で、波長毎の網膜での結像位置ずれが抑制される。

これに対して、比較例２では、第２入射面５１の法線方向と第２入射面５１への光の入
射方向とが成す角度（入射角）が約６０°程度であるのに対して、第２回折素子５０の出
射面５２の法線方向と出射面５２から最も高い回折効率で出射される方向と成す角度が約
０°であり、入射角は出射角より大きい。このため、第１入射面７１に入射した光を最も
高い回折効率で回折する方向（時計周りＣＷ）と、第２入射面５１に入射した光を最も高
い回折効率で回折する方向（反時計周りＣＣＷ）とは異なる方向である。従って、画像光
Ｌ０が第１回折素子７０の第１入射面７１に入射する際、特定波長に対して長波長側の光
Ｌ２は、特定波長の光Ｌ１よりも小さな入射角となる。それ故、波長補償を行うのが困難
である。

このように、第２回折素子７０から第１回折素子５０までの間での光の反射回数と中間
像の生成回数との和が偶数である場合には、第１入射面７１に入射した光を最も高い回折
効率で回折する方向が第２入射面５１に入射した光を最も高い回折効率で回折する方向と
が互いに同一であれば、波長補償を適正に行うことができる。例えば、実施例１のように
、第２回折素子７０から第１回折素子５０までの間での光の反射回数と中間像の生成回数
との和が偶数であって、第１方向Ｐ１と第２方向Ｐ２が互いに異なる方向である場合、第
２入射面５１への入射角が出射面５２からの出射角より大きければ、波長補償を適正に行
うことができる。また、実施例２のように、第２回折素子７０から第１回折素子５０まで
の間での光の反射回数と中間像の生成回数との和が偶数であって、第１方向Ｐ１と第２方
向Ｐ２が互いに同じ方向である場合、第２入射面５１への入射角が出射面５２からの出射
角より小さければ、波長補償を適正に行うことができる。なお、図８には、第２回折素子
５０から第１回折素子７０までの間での光の反射回数と中間像の生成回数との和が偶数で
ある場合として、和が２回の場合を示してあるが、和が０回、４回、６回等であってもよ
い。

図９では、第２回折素子５０から第１回折素子７０までの間での光の反射回数と中間像
の生成回数との和が奇数である。より具体的には、第２回折素子５０から第１回折素子７
０までの間には、１つのミラーＭ１が配置されている様子を例示してある。

実施例３および比較例３では、第２回折素子５０において第２入射面５１に対して干渉
縞５５１が傾いている方向が、第１回折素子７０において第１入射面７１に対して干渉縞
７５１が傾いている方向と同じである。このため、第１入射面７１の法線方向から光を入
射した際に、最も高い回折効率となる第１方向Ｐ１（時計周りＣＷ）と、第２入射面５１
の法線方向から光を入射した際に、最も高い回折効率となる第２方向Ｐ２（反時計周りＣ
ＣＷ）とが互いに異なる方向である。

ここで、実施例３では、第２入射面５１の法線方向と第２入射面５１への光の入射方向
とが成す角度（入射角）が約０°程度であるのに対して、第２回折素子５０の出射面５２
の法線方向と出射面５２から最も高い回折効率で出射される方向と成す角度が約６０°で
あり、入射角は出射角より小さい。このため、第１入射面７１に入射した光を最も高い回
折効率で回折する方向（時計周りＣＷ）と、第２入射面５１に入射した光を最も高い回折
効率で回折する方向（反時計周りＣＣＷ）とは異なる方向である。従って、画像光Ｌ０が
第１回折素子７０の第１第１入射面７１に入射する際、特定波長に対して長波長側の光Ｌ
２は、特定波長の光Ｌ１よりも大きな入射角となる。それ故、波長補償を適正に行うこと
ができるので、波長毎の網膜での結像位置ずれが抑制される。

これに対して、比較例３では、第２入射面５１の法線方向と第２入射面５１への光の入
射方向とが成す角度（入射角）が約６０°程度であるのに対して、第２回折素子５０の出
射面５２の法線方向と出射面５２から最も高い回折効率で出射される方向と成す角度が約
０°であり、入射角は出射角より大きい。このため、第１入射面７１に入射した光を最も
高い回折効率で回折する方向（時計周りＣＷ）と、第２入射面５１に入射した光を最も高
い回折効率で回折する方向（時計周りＣＷ）とは同じ方向である。従って、画像光Ｌ０が
第１回折素子７０の第１入射面７１に入射する際、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２は
、特定波長の光Ｌ１よりも小さな入射角となる。それ故、波長補償を行うことが困難であ
る。

実施例４および比較例４では、第２回折素子５０において第２入射面５１に対して干渉
縞５５１が傾いている方向が、第１回折素子７０において第１入射面７１に対して干渉縞
７５１が傾いている方向と異なっている。このため、第１入射面７１の法線方向から光を
入射した際に、最も高い回折効率となる第１方向Ｐ１（時計周りＣＷ）と、第２入射面５
１の法線方向から光を入射した際に、最も高い回折効率となる第２方向Ｐ２（時計周りＣ
Ｗ）とが同じ方向である。

ここで、実施例４では、第２入射面５１の法線方向と第２入射面５１への光の入射方向
とが成す角度（入射角）が約６０°程度であるのに対して、第２回折素子５０の出射面５
２の法線方向と出射面５２から最も高い回折効率で出射される方向と成す角度が約０°で
あり、入射角は出射角より大きい。このため、第１入射面７１に入射した光を最も高い回
折効率で回折する方向（時計周りＣＷ）と、第２入射面５１に入射した光を最も高い回折
効率で回折する方向（反時計周りＣＣＷ）とは異なる方向である。従って、画像光Ｌ０が
第１回折素子７０の第１入射面７１に入射する際、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る。それ故、波長補償を適正に行うことがで
きるので、波長毎の網膜での結像位置ずれが抑制される。

これに対して、比較例４では、第２入射面５１の法線方向と第２入射面５１への光の入
射方向とが成す角度（入射角）が約０°程度であるのに対して、第２回折素子５０の出射
面５２の法線方向と出射面５２から最も高い回折効率で出射される方向と成す角度が約６
０°であり、入射角は出射角より小さい。このため、第１入射面７１に入射した光を最も
高い回折効率で回折する方向（時計周りＣＷ）と、第２入射面５１に入射した光を最も高
い回折効率で回折する方向（時計周りＣＷ）とは同じ方向である。従って、画像光Ｌ０が
第１回折素子７０の第１入射面７１に入射する際、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２は
、特定波長の光Ｌ１よりも小さな入射角となる。それ故、波長補償を行うのが困難である
。

このように、第２回折素子７０から第１回折素子５０までの間での光の反射回数と中間
像の生成回数との和が奇数である場合には、第１入射面７１に入射した光を最も高い回折
効率で回折する方向が第２入射面５１に入射した光を最も高い回折効率で回折する方向と
が互いに異なれば、波長補償を適正に行うことができる。例えば、実施例３のように、第
２回折素子７０から第１回折素子５０までの間での光の反射回数と中間像の生成回数との
和が奇数であって、第１方向Ｐ１と第２方向Ｐ２が互いに異なる方向である場合、第２入
射面５１への入射角が出射面５２からの出射角より小さければ、波長補償を適正に行うこ
とができる。また、実施例４のように、第２回折素子７０から第１回折素子５０までの間
での光の反射回数と中間像の生成回数との和が奇数であって、第１方向Ｐ１と第２方向Ｐ
２が互いに同じ方向である場合、第２入射面５１への入射角が出射面５２からの出射角よ
り大きければ、波長補償を適正に行うことができる。なお、図９には、第２回折素子５０
から第１回折素子７０までの間での光の反射回数と中間像の生成回数との和が奇数である
場合として、和が１回の場合を示してあるが、和が３回、５回、７回等であってもよい。

［他の実施の形態］
上記実施の形態では、画像光生成装置３１に液晶装置や有機エレクトロルミネッセンス
表示装置を用いたが、マイクロミラーデバイスを用いた画像生成装置によって画像光を生
成する表示装置に本発明を適用してもよい。

１０…光学系、１０ａ…右眼用光学系、１０ｂ…左眼用光学系、１１…導光装置、３０…
画像光投射装置、３１…画像光生成装置、３２…投射光学系、５０…第２回折素子、５１
…第２入射面、５２…出射面、５５…透過型体積ホログラフィック素子、６０…導光系、
６１…レンズ系、６２…反射部材、７０…第１回折素子、７１…第１入射面、７５…反射
型体積ホログラフィック素子、９０…フレーム、１００…表示装置、３１０…表示パネル
、６２０…反射面。

Claims

画像光を出射する画像光生成装置と、
第１入射面に入射した前記画像光を観察者の眼に向かうように偏向する反射型体積ホロ
グラフィック素子である第１回折素子と、
前記画像光生成装置と前記第１回折素子との光路上に配置され、第２入射面に入射した
前記画像光を前記第１回折素子に向かうように偏向して第２射出面から射出する透過型体
積ホログラフィック素子である第２回折素子と、
前記第１回折素子と前記第２回折素子との光路上に配置され、前記第２射出面から射出
された前記画像光が入射するレンズ系と、
前記レンズ系から射出された前記画像光を前記第１回折素子に向けて反射する反射部材
と、
を有し、
前記第１回折素子は、前記第１入射面の法線方向から光を入射した際に、第１方向が最
も高い回折効率となる素子であり、
前記第２回折素子は、前記第２入射面の法線方向から光を入射した際に、第２方向が最
も高い回折効率となる素子であり、
前記第２回折素子から前記第１回折素子までの間での光の反射回数と中間像の生成回数
との和が偶数であって、前記第１入射面の法線方向と前記第２入射面の法線方向とを含む
仮想面の法線方向から見て、前記第１方向と前記第２方向とが互いに異なる方向であり、
前記第２入射面の法線方向と前記第２入射面への光の入射方向とが成す角度が前記第２回
折素子の出射面から最も高い回折効率で出射される方向とが成す角度より大きいことを特
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回折素子および前記第２回折素子では、ピッチが異なる複数種類の干渉縞が設
けられていることを特徴とする表示装置。
請求項１および２の何れか一項に記載の表示装置において、
前記第１回折素子は、周辺部に対して凹んだ湾曲形状を有することを特徴とする表示装
置。
請求項１から３までの何れか一項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装置を備えていることを特
徴とする表示装置。
請求項１から４までの何れか一項に記載の表示装置において、
前記画像光生成装置は、液晶装置と、照明光源とを備えていることを特徴とする表示装
置。
第１入射面に入射した光源からの光を偏向する反射型体積ホログラフィック素子である
第１回折素子と、
前記光源と前記第１回折素子との光路上に配置され、第２入射面に入射した前記光を前
記第１回折素子に向かうように偏向して第２射出面から射出する透過型体積ホログラフィ
ック素子である第２回折素子と、
前記第１回折素子と前記第２回折素子との光路上に配置され、前記第２射出面から射出
された前記画像光が入射するレンズ系と、
前記レンズ系から射出された前記画像光を前記第１回折素子に向けて反射する反射部材
と、
を有し、
前記第１回折素子は、前記第１入射面の法線方向から光を入射した際に、第１方向が最
も高い回折効率となる素子であり、
前記第２回折素子は、前記第２入射面の法線方向から光を入射した際に、第２方向が最
も高い回折効率となる素子であり、
前記第２回折素子から前記第１回折素子までの間での光の反射回数と中間像の生成回数
との和が偶数であって、前記第１入射面の法線方向と前記第２入射面の法線方向とを含む
仮想面の法線方向から見て、前記第１方向と前記第２方向とが互いに異なる方向であり、
前記第２入射面の法線方向と前記第２入射面への光の入射方向とが成す角度が前記第２回
折素子の出射面から最も高い回折効率で出射される方向とが成す角度より大きいことを特
徴とする導光装置。