JP7205166B2

JP7205166B2 - 表示装置

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Inventors: 光隆井出; 政敏米窪
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Filing date: 2018-11-01
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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、画像光生成装置から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。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。しかしながら、画像光は、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周辺波長の光は、画像の解像度を低下させる原因となる。そこで、画像光生成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が提案されている。かかる構成によれば、第１回折素子によって周辺波長の光を補償して色収差をキャンセルすることができ、特定波長からずれた周辺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（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２０１７－１６７１８１号公報

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る表示装置は、画像光生成装置から出射された画像光の光路に沿って、正のパワーを有する第１光学部と、第１回折素子を有し、正のパワーを有する第２光学部と、正のパワーを有する第３光学部と、第２回折素子を有し、正のパワーを有する第４光学部と、を備え、前記第１回折素子が前記画像光を回折させる第１回折角は、前記第２回折素子が前記画像光を回折させる第２回折角とは異なり、前記光路において、前記第１光学部と前記第４光学部との間に、前記第２回折素子に対する前記画像光の入射角度を補正する補正光学系が設けられることを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る表示装置は、第１光と、前記第１光よ
りも長波長である第２光と、を含む画像光を出射する画像光生成装置と、前記画像光生成
装置から出射された前記画像光の光路に沿って、正のパワーを有する第１光学部と、前記
第１光を前記第２光よりも小さく回折させる第１回折素子を有し、正のパワーを有する第
２光学部と、正のパワーを有する第３光学部と、前記第１光を前記第２光よりも小さく回
折させる第２回折素子を有し、正のパワーを有する第４光学部と、を備え、前記第１回折
素子が前記画像光を回折させる第１回折角は、前記第２回折素子が前記画像光を回折させ
る第２回折角よりも小さく、前記第２光学部は、前記第２回折素子に近い側の厚みが前記
画像光生成装置に近い側の厚みよりも厚い形状のプリズムを有し、前記プリズムは、前記
第１光を前記第２光よりも大きく屈折させることを特徴とする。

上記態様に係る表示装置では、前記第２回折角は、前記第１回折角より大きいのが好ましい。

上記態様に係る表示装置では、前記補正光学系は、前記光路上において前記第２光学部の前記第３光学部側に位置するのが好ましい。

上記態様に係る表示装置では、前記補正光学系は、前記第１回折素子により分散された前記画像光を偏向するのが好ましい。

上記態様に係る表示装置では、前記補正光学系は、前記光路上において前記第２光学部の前記第１光学部側に位置するのが好ましい。

上記態様に係る表示装置では、前記補正光学系は、前記第１回折素子に対する前記画像光の入射角度を変化させるのが好ましい。

上記態様に係る表示装置では、前記補正光学系は、前記第１回折素子に対する前記画像光の入射位置を変化させるのが好ましい。

上記態様に係る表示装置では、前記補正光学系はプリズムで構成されるのが好ましい。

第一実施形態の表示装置の外観図。表示装置の光学系の説明図。回折素子の干渉縞の説明図。回折素子の干渉縞の別形態の説明図。体積ホログラムにおける回折特性の説明図。回折角度が同じ場合に第２回折素子から出射される光の説明図。第１および第２回折素子の回折角を小さい角度で揃えた場合の説明図。第１および第２回折素子の回折角を大きい角度で揃えた場合の説明図。第１回折素子および第２回折素子の回折角度の関係を示した図。回折角度を異ならせた場合に第２回折素子から出射される光の説明図。第１の補正光学系の説明図。第２の補正光学系の説明図。第３の補正光学系の説明図。プリズムの拡大図。光学系の光線図を模式的に示した図。第二実施形態の光学系における第１および第２回折素子との間の光線図。第２回折素子から出射される光の説明図。図１３に示す光が眼に入射する様子を示す説明図。変形例に係る表示装置の構成図。

（第一実施形態）
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。

図１は、本実施形態の表示装置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、以下の説明に用いる図面において必要に応じて、表示装置を装着した観察者に対する前後方向をＺ軸に沿う方向とし、前後方向の一方側として表示装置を装着した観察者の前方を前側Ｚ１とし、前後方向の他方側として表示装置を装着した観察者の後方を後側Ｚ２としてある。また、表示装置を装着した観察者に対する左右方向をＸ軸に沿う方向とし、左右方向の一方側として表示装置を装着した観察者の右方を右側Ｘ１とし、左右方向の他方側として表示装置を装着した観察者の左方を左側Ｘ２としてある。また、表示装置を装着した観察者に対する上下方向をＹ軸方向に沿う方向とし、上下方向の一方側として表示装置を装着した観察者の上方を上側Ｙ１とし、上下方向の他方側として表示装置を装着した観察者の下方を下側Ｙ２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、表示装置１００は、右眼用光学系１０ａと左眼用光学系１０ｂとを保持する筐体９０をさらに備えている。表示装置１００は、筐体９０によって観察者の頭部に装着される。

表示装置１００は、筐体９０として、フレーム９１と、フレーム９１の右側に設けられ、観察者の右耳に係止されるテンプル９２ａと、フレーム９１の左側に設けられ、観察者の左耳に係止されるテンプル９２ｂと、を備えている。フレーム９１は、両側部に収納空間９１ｓを有しており、収納空間９１ｓ内に、後述する光学系１０を構成する画像光投射装置等の各部品が収容されている。テンプル９２ａ，９２ｂは、ヒンジ９５によってフレーム９１に対して折り畳み可能に連結されている。

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。

続いて、図２を参照して表示装置１００の光学系１０の基本的な構成を説明する。
図２に示すように、本実施形態の光学系１０では、画像光生成装置３１から出射された画像光Ｌ０の光路に沿って、正のパワーを有する第１光学部Ｌ１０と、正のパワーを有する第２光学部Ｌ２０と、正のパワーを有する第３光学部Ｌ３０と、正のパワーを有する第４光学部Ｌ４０とが配置されている。

本実施形態において、正のパワーを有する第１光学部Ｌ１０は、ミラー４０および投射光学系３２によって構成されている。正のパワーを有する第２光学部Ｌ２０は、反射型の第１回折素子５０によって構成されている。正のパワーを有する第３光学部Ｌ３０は、導光系６０によって構成されている。正のパワーを有する第４光学部Ｌ４０は、反射型の第２回折素子７０によって構成されている。本実施形態において、第１回折素子５０および第２回折素子７０は、反射型の回折素子である。

かかる光学系１０において、画像光Ｌ０の進行方向に着目すると、画像光生成装置３１は、投射光学系３２に向けて画像光Ｌ０を出射し、投射光学系３２は入射した画像光Ｌ０をミラー４０に向けて出射する。ミラー４０は反射面４０ａを有し、画像光Ｌ０を第１回折素子５０に向けて反射する。ミラー４０の反射面４０ａで反射された画像光Ｌ０は補正光学系４５を透過して第１回折素子５０に入射する。第１回折素子５０で回折された画像光Ｌ０は導光系６０に向けて出射される。導光系６０は、入射した画像光Ｌ０を第２回折素子７０に出射し、第２回折素子７０は、入射した画像光Ｌ０を観察者の眼Ｅに向けて出射する。

本実施形態において、画像光生成装置３１は画像光Ｌ０を生成する。
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、画像光生成装置３１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。この場合、マイクロミラーデバイスを駆動することでレーザー光を走査することにより、画像光を生成する。

投射光学系３２は画像光生成装置３１が生成した画像光Ｌ０を投射する光学系であって、第１レンズ３０１、第２レンズ３０２、第３レンズ３０３および第４レンズ３０４によって構成されている。第１レンズ３０１、第２レンズ３０２、第３レンズ３０３および第４レンズ３０４は自由曲面レンズや回転対称のレンズで構成される。また、投射光学系３２は偏心光学系であってもよい。図２では、投射光学系３２におけるレンズの数を４枚とした場合を例に挙げたが、レンズの枚数はこれに限定されることはなく、投射光学系３２が５枚以上のレンズを備えていてもよい。また、各レンズは貼り合わせて投射光学系３２を構成してもよい。

導光系６０は、周辺部より中央が凹んだ反射面６２ａを有するミラー６２で構成されており、正のパワーを有している。ミラー６２は、前後方向に向けて斜めに傾いた反射面６２ａを有している。なお、反射面６２ａは球面、非球面、または自由曲面からなる。本実施形態において、ミラー６２は自由曲面からなる反射面６２ａを有した全反射ミラーである。但し、ミラー６２をハーフミラーとしてもよく、この場合、外光を視認できる範囲を広くすることができる。

続いて、第１回折素子５０および第２回折素子７０の構成について説明する。
本実施形態において、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。以下では、第２回折素子７０の構成を例に挙げて説明する。

図３Ａ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３Ａに示すように、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は特定の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の入射角度とは、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。

本実施形態では、画像光Ｌ０がカラー表示用であるため、後述する赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢを含む。このため、第２回折素子７０は、特定波長に対応するピッチで形成された干渉縞７５１Ｒ、７５１Ｇ、７５１Ｂを有している。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の赤色光ＬＲ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の緑色光ＬＧ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の青色光ＬＢ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。

なお、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３Ｂに示すように１つの層に干渉縞７５１Ｒ、７５１Ｇ、７５１Ｂを重畳した干渉縞７５１を形成してもよい。また、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てもよい。

第２回折素子７０と基本的な構成が同一である第１回折素子５０は、反射型体積ホログラフィック素子５５を備えている。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を導光系６０に向けて効率良く偏向させることができる。

図４は、第１回折素子５０および第２回折素子７０を構成する体積ホログラムにおける回折特性を説明した図である。図４は、体積ホログラム上の１点に光線が入射したときの、特定波長と周辺波長の回折角の差を示したものである。図４には、特定波長を５３１ｎｍとしたとき、波長が５２６ｎｍの周辺波長の光の回折角度のずれを実線Ｌ５２６で示し、波長が５３６ｎｍの周辺波長の光の回折角度のずれを点線Ｌ５３６で示してある。図４に示すように、ホログラムに記録された同じ干渉縞に光線が入射した場合でも、長波長の光線ほど大きく回折し、短波長の光線ほど回折しにくい。そのため、本実施形態のように２つの回折素子、すなわち第１回折素子５０および第２回折素子７０を用いた際、特定波長に対する長波長の光および短波長の光における光線角度をそれぞれ考慮して入射させないと適正に波長補償できない。すなわち第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセルできなくなる。

図２に示す光学系１０では、特開２０１７－１６７１８１号公報に記載されているように、第１回折素子５０と第２回折素子７０との間での中間像の形成回数と、ミラー６２での反射回数の和が奇数か偶数かに対応して、第２回折素子７０への入射方向等を適正化してあるため、波長補償、すなわち色収差をキャンセル可能である。

ここで、第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度が同じ場合について考える。すなわち、第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度が同じ回折素子で構成されている場合について考える。図５は第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度が同じ場合に第２回折素子７０から出射される光の説明図である。なお、図５では、画像光Ｌ０の特定波長の光Ｌ１（実線）に加えて、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）も図示してある。

図５に示すように、第１回折素子５０に入射した画像光Ｌ０は、第１回折素子５０によって回折されることで偏向する。このとき、図４に示したように体積ホログラムからなる第１回折素子５０では、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２の回折角度θ_２が特定波長の光Ｌ１の回折角度θ_１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θ_３が特定波長の光Ｌ１の回折角度θ_１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、導光系６０を経由して第２回折素子７０に入射し、第２回折素子７０によって回折されることで偏向する。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、中間像の形成が１回行われるとともに、ミラー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における入射角θ_１１よりも大きな入射角θ_１２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における入射角θ_１１よりも小さな入射角θ_１３となる。また、上述したように特定波長に対して長波長側の光Ｌ２の回折角度θ_２は、特定波長の光Ｌ１の回折角度θ_１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θ_３は、特定波長の光Ｌ１の回折角度θ_１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。このようにして、図５に示すように、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。よって、波長毎の網膜Ｅ０での結像位置ずれが抑制されて、第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセルできる。

このように第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度を同じにすることで色収差をキャンセルする場合、第１回折素子５０と第２回折素子７０との間には共役関係が成立する。ここで、共役関係とは、第１回折素子５０の第１の位置から出射した光が正パワーを持つ導光系６０によって集光され、第２回折素子７０の第１の位置に対応する第２の位置に入射する関係をいう。

しかしながら、上述のように第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度を揃えることで共役関係を成立させる場合、以下の問題が生じる。

図６Ａは第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角を小さい角度で揃えた場合の説明図である。図６Ｂは第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角を大きい角度で揃えた場合の説明図である。なお、図６Ａおよび図６Ｂにおいて、光軸に沿って配置される各光学部を簡略化して太い矢印で示してある。

図６Ａでは、第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角を小さい角度αで揃えている。図６Ｂでは、第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角を角度αよりも大きい角度βで揃えている。
図６Ａに示されるように、第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角を小さい角度αで揃えると、観察者の顔における輪郭ＭＣに沿って各光学部材を配置することで表示装置の小型化を図ることが可能となる。しかしながら、図６Ａに示されるように、ミラー４０と導光系６０とが干渉し、画像光の一部が欠けるという問題が生じる。

一方、図６Ｂに示すように、第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角を大きい角度βで揃えると、ミラー４０と導光系６０との間隔が広がることで両者の干渉は回避できる。しかしながら、観察者の顔における輪郭ＭＣから離れた位置に各光学部材が配置されることになるため、結果的に表示装置の大型化という問題が生じる。

そこで、本実施形態の光学系１０では第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度を異ならせるようにした。図７は本実施形態の光学系１０における第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度の関係を示した図である。
図７に示すように、本実施形態の光学系１０では、第１回折素子５０における画像光Ｌ０の第１回折角α１と第２回折素子７０における画像光Ｌ０の第２回折角β１とが異なっている。具体的に、第２回折角β１は第１回折角α１より大きい。本実施形態の光学系１０によれば、第２回折角β１を第１回折角α１より大きくすることで、観察者の眼Ｅに大きな画角で画像光Ｌ０を入射させるとともに、観察者の顔における輪郭ＭＣに沿って各光学部を配置することができる。従って、光学系１０を含む表示装置自体の小型化を実現できる。

ところで、上述のように第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度α１，β１をそれぞれ異ならせることで表示装置を小型化できるが、後述のように新たな問題が生じる。

図８は第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度を異ならせた場合に第２回折素子７０から出射される光の説明図である。なお、図８に示す光路上には後述する補正光学系４５が配置されていないものとする。図８では、画像光Ｌ０の特定波長の光Ｌ１（実線）に加えて、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）も図示してある。

図８に示すように、第１回折素子５０に入射した画像光Ｌ０は、第１回折素子５０によって回折されることで偏向する。このとき、図８に示すように第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回折素子７０で回折されることで偏向する。このとき、第２回折素子７０の回折角度は第１回折素子５０の回折角度と異なるため、図８に示すように、特定波長の光Ｌ１に対して長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３は拡がった状態で出射される。このようにして、図８に示すように、第２回折素子７０を出射した画像光Ｌ０は波長毎に網膜Ｅ０での結像位置にずれが生じるので、色収差をキャンセルできず、画像光Ｌ０の解像度の低下という問題が生じる。

この問題を解消すべく、本実施形態の光学系１０は、図２に示したように、画像光Ｌ０の光路において第１光学部Ｌ１０と第４光学部Ｌ４０との間に、第２回折素子７０に対する画像光Ｌ０の入射角度を補正する補正光学系４５を設けている。

続いて、補正光学系４５として考えられる３つの構成例について図面を参照しながら説明する。
図９Ａは第１の補正光学系４５Ａの説明図であり、図９Ｂは第２の補正光学系４５Ｂの説明図であり、図９Ｃは第３の補正光学系４５Ｃの説明図である。
なお、図９Ａ、図９Ｂおよび図９Ｃでは、第２回折素子７０の第２回折角β１が第１回折素子５０の第１回折角α１より大きいものとする。

図９Ａに示される第１の補正光学系４５Ａは、画像光Ｌ０の光路において、第１回折素子５０と第２回折素子７０との間に設けられる。第１回折素子５０から出射された画像光Ｌ０は、波長毎に分散した状態で補正光学系４５に入射する。第１の補正光学系４５Ａは波長毎に分散した画像光Ｌ０における第２回折素子７０に対する入射角を補正する。具体的に、第１の補正光学系４５は、第１回折素子５０における画像光Ｌ０の回折角の不足分を補うように補正する。このように第１の補正光学系４５Ａによれば、第２回折素子７０から出射される際に図５に示したように特定波長の光およびその周辺波長の光が略平行となるように、波長毎に分散した画像光Ｌ０の出射角を補正可能となる。

図９Ｂに示される第２の補正光学系４５Ｂは、画像光Ｌ０の光路において、第１回折素子５０の光入射側、すなわち第１光学部Ｌ１０側に設けられる。この場合、第２の補正光学系４５Ｂは、第１光学部Ｌ１０と第２光学部Ｌ２０との間に設けられることになる（図２参照）。図９Ｂに示すように、第２の補正光学系４５Ｂは、第１回折素子５０に対する画像光Ｌ０の入射角度を波長毎、すなわち、特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３毎にそれぞれ補正する。第２の補正光学系４５Ｂは、例えば、画像光Ｌ０における長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３に対して予め角度をつけることで第１回折素子５０の回折角を補正する。このように第２の補正光学系４５Ｂによれば、第２回折素子７０から出射される際に図５に示したように特定波長の光およびその周辺波長の光が略平行となるように、画像光Ｌ０を第１回折素子５０に入射させることが可能となる。

図９Ｃに示される第３の補正光学系４５Ｃは、画像光Ｌ０の光路において、第１回折素子５０の光入射側に設けられる。この場合、第３の補正光学系４５Ｃは、第１光学部Ｌ１０と第２光学部Ｌ２０との間に設けられることになる（図２参照）。図９Ｃに示すように、第３の補正光学系４５Ｃは、第１回折素子５０に入射する画像光Ｌ０の入射位置と角度をそれぞれ適切に補正する。第１回折素子５０を構成する体積ホログラムの回折角は場所ごとで異なっている。第３の補正光学系４５Ｃは、例えば、画像光Ｌ０における特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３における第１回折素子５０に対する入射位置をそれぞれ適切な位置に補正する。このように第３の補正光学系４５Ｃによれば、第２回折素子７０から出射される際に図５に示したように特定波長の光およびその周辺波長の光が略平行となるように、第１回折素子５０から出射された画像光Ｌ０の第２回折素子７０に対する入射角を補正可能となる。

このような図９Ａ、図９Ｂおよび図９Ｃに示した各補正光学系４５Ａ～４５Ｃのいずれかを用いれば第２回折素子７０を出射した画像光Ｌ０を略平行な光として観察者の眼Ｅに入射させることができる。よって、波長毎の網膜Ｅ０での結像位置ずれが抑制されて、第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセルできる。したがって、上述の各補正光学系４５Ａ～４５Ｃのいずれを本実施形態の補正光学系４５として採用すれば、第１回折素子５０および第２回折素子７０における回折角を異ならせた構造を採用しつつ、第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセルすることで高い画質を得ることができる。つまり、２つの回折素子によって適正に波長補償を行いつつ、回折角を異ならせることで表示装置１００の小型化を図ることができる。

上述した補正光学系４５Ａ～４５Ｃとしては、図９Ａ、図９Ｂおよび図９Ｃに示したように画像光Ｌ０を偏向可能なパワーを有するものであればよく、例えば、自由曲面を有したミラーやレンズあるいはプリズム等を用いることができる。特にプリズムを用いれば光の分散を利用することで画像光Ｌ０における第２回折素子７０に対する入射角度を補正し易くなる。なお、プリズムはウエッジを有したウエッジプリズムでもよい。

具体的に本実施形態の光学系１０では、補正光学系４５としてプリズム４５ａを用いた。プリズム４５ａは、後述するように図９Ａから図９Ｃで示した各補正光学系４５Ａ～４５Ｃの機能を全て有している。

本実施形態において、プリズム４５ａは第２光学部Ｌ２０を構成する第１回折素子５０と一体に設けられている。プリズム４５ａは第１回折素子５０を支持する支持部材としての機能を持つ。本実施形態において、プリズム４５ａは、プリズム４５ａは画像光Ｌ０が入射あるいは出射される光入射出射面４５ａ１を有する。プリズム４５ａは、観察者の眼Ｅに近い側の厚みが厚く、観察者の眼Ｅから遠い側の厚みが薄い形状を有している。また、プリズム４５ａは、第１回折素子５０に対して左側Ｘ２に位置する第２回折素子７０に近い側の厚みが厚く、第１回折素子５０に対して右側Ｘ１に位置する画像光生成装置３１に近い側の厚みが薄い形状を有していると換言することもできる。
光入射出射面４５ａ１は、観察者の眼Ｅに近づくにつれて前側Ｚ１に突出するように傾斜する面で構成されている。また、光入射出射面４５ａ１は、第２回折素子７０に近づくにつれて前側Ｚ１に突出するように傾斜する面で構成されると換言することもできる。

図１０はプリズム４５ａの拡大図である。図１０では、画像光Ｌ０の特定波長の光Ｌ１（実線）に加えて、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）も図示してある。

図１０に示すように、画像光Ｌ０は光入射出射面４５ａ１からプリズム４５ａ内に入射する。このとき、光の分散によってプリズム４５ａの入射時に、短波長側の光Ｌ３が最も大きく屈折し、長波長側の光Ｌ２の屈折率が最も小さく屈折し、特定波長の光Ｌ１は短波長側の光Ｌ３および長波長側の光Ｌ２の間の大きさで屈折する。そして、特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３はプリズム４５ａ内を透過して第１回折素子５０に入射する。特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３はプリズム４５ａで分散されることによって第１回折素子５０の異なる場所に入射する。また、特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３における第１回折素子５０に対する入射角度はそれぞれ異なる。

このようにプリズム４５ａは、画像光Ｌ０を分散させることで第１回折素子５０に対する特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３の入射位置を変化させることができる。プリズム４５ａは、画像光Ｌ０の光路上において第１回折素子５０（第２光学部Ｌ２０）の第１光学部Ｌ１０側に位置する（図２参照）。すなわち、プリズム４５ａは、図９Ｃに示した第３の補正光学系４５Ｃにおける「第１回折素子５０に入射する画像光Ｌ０の入射位置を波長毎に変えるように補正する」という機能を有すると言える。

上述のようにプリズム４５ａは、画像光Ｌ０を分散させることで第１回折素子５０に対する特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３の入射角度を変化させることができる。プリズム４５ａは、画像光Ｌ０の光路上において第１回折素子５０（第２光学部Ｌ２０）の第１光学部Ｌ１０側に位置する（図２参照）。すなわち、プリズム４５ａは、図９Ｂに示した第２の補正光学系４５Ｂにおける「第１回折素子５０に対する画像光Ｌ０の入射角度を波長毎に補正する」という機能を有すると言える。

図１０に示すように、第１回折素子５０は場所によって回折角が異なることから、特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３をそれぞれ異なる角度で回折させる。第１回折素子５０で回折された特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３は、再びプリズム４５ａ内を透過して光入射出射面４５ａ１から射出される。特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３は、プリズム４５ａからそれぞれ異なる方向に射出される。

このようにプリズム４５ａは、画像光Ｌ０を波長ごとに異なる方向に偏向することで、特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３における第２回折素子７０に対する入射角度をそれぞれ調整することができる。プリズム４５ａは、画像光Ｌ０の光路上において第１回折素子５０（第２光学部Ｌ２０）の第３光学部Ｌ３０側に位置する（図２参照）。すなわち、プリズム４５ａは、図９Ａに示した第１の補正光学系４５Ａにおける「第１回折素子５０における画像光Ｌ０の回折角の不足分を補うように補正する」という機能を有すると言える。

以上のように、本実施形態の光学系１０によれば、補正光学系４５としてプリズム４５ａを用いることで、図９Ａ、図９Ｂおよび図９Ｃに示した各補正光学系４５Ａ～４５Ｃを全て組み合わせた機能を得ることができる。よって、本実施形態の光学系１０によれば、プリズム４５ａを用いることで、第２回折素子７０に対する画像光Ｌ０の入射角度を精度良く補正可能である。

従って、本実施形態の光学系１０によれば、互いに回折角の異なる第１回折素子５０および第２回折素子７０を用いる場合であっても、補正光学系４５によって第２回折素子７０を出射した画像光Ｌ０を略平行な光として観察者の眼Ｅに入射させることができる。よって、波長毎の網膜Ｅ０での結像位置ずれが抑制されて、第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセルできる。よって、画像光の解像度の劣化を抑えることができる。

すなわち、本実施形態の光学系１０によれば、第１回折素子５０および第２回折素子７０における回折角を異ならせた構造を採用しつつ、第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセルして高い画質を得ることができる。つまり、本実施形態の光学系１０によれば、２つの回折素子によって適正に波長補償を行いつつ、回折角を異ならせることで表示装置１００の小型化を図ることができる。

図１１は本実施形態の光学系１０の光線図を模式的に示した図である。図１１において、光軸に沿って配置された各光学部を太い矢印で示してある。また、図１１では、画像光生成装置３１の中心から出射される画像光の光線を実線Ｌａで示し、画像光生成装置３１の端部から出射される画像光の主光線を一点鎖線Ｌｂで示している。また、図１１は、画像光生成装置３１から出射された光の進行を示すものである。なお、図１１においては、図を簡略化するため、すべての光学部を透過型として図示している。以下の説明において、「中間像」とは、１画素から出射された光線（実線Ｌａ）が集まる個所であり、「瞳」とは、各画角の主光線（一点鎖線Ｌｂ）が集まる個所である。

図１１に示されるように、本実施形態の光学系１０は、画像光生成装置３１から出射された画像光の光路に沿って、正のパワーを有する第１光学部Ｌ１０と、第１回折素子５０を備え、正のパワーを有する第２光学部Ｌ２０と、正のパワーを有する第３光学部Ｌ３０と、第２回折素子７０を備え、正のパワーを有する第４光学部Ｌ４０とが設けられている。

本実施形態の光学系１０では、第１光学部Ｌ１０と第３光学部Ｌ３０との間に画像光の第１中間像Ｐ１が形成され、第２光学部Ｌ２０と第４光学部Ｌ４０との間に瞳Ｒ１が形成され、第３光学部Ｌ３０と第４光学部Ｌ４０との間に画像光の第２中間像Ｐ２が形成され、第４光学部Ｌ４０は、画像光を平行光化して射出瞳Ｒ２を形成する。その際、第３光学部Ｌ３０は、第２光学部Ｌ２０から射出された画像光の画角の主光線を発散光として第４光学部Ｌ４０に入射させる。

本実施形態の光学系１０において、瞳Ｒ１は、第２光学部Ｌ２と第４光学部Ｌ４０との間のうち、第２光学部Ｌ２０と第３光学部Ｌ３０との間に形成される。

従って、本実施形態の光学系１０によれば、投射光学系３２と導光系６０との間に画像光の第１中間像Ｐ１が形成され、導光系６０の近傍に瞳Ｒ１が形成され、導光系６０と第２回折素子７０との間に画像光の第２中間像Ｐ２が形成され、第２回折素子７０は、画像光を平行光化して射出瞳Ｒ２を形成する。

本実施形態の光学系１０において、第１中間像Ｐ１は、第１光学部Ｌ１０（投射光学系３２）と第２光学部Ｌ２０（第１回折素子５０）との間に形成される。

本実施形態の光学系１０によれば、以下に示す３つの条件（条件１、２、３）を満たしている。
条件１：画像光生成装置３１の１つの点から出射した光線は、網膜Ｅ０に１つの点として結像される。
条件２：光学系の入射瞳と眼球の瞳が共役である。
条件３：第１回折素子５０と第２回折素子７０との間で周辺波長を補償する。

より具体的には、図１１に示す一点鎖線Ｌｂから分かるように、画像光生成装置３１の１つの点から出射した光線は、網膜Ｅ０に１つの点として結像されるという条件１を満たすので、観察者は１画素を視認することができる。また、図１１に示す実線Ｌａから分かるように、光学系１０の入射瞳と眼Ｅの瞳Ｅ１とが共役（瞳の共役）の関係にあるという条件２を満たすので、画像光生成装置３１で生成した画像の全域を視認することができる。また、上述したように補正光学系４５を設けることで、第１回折素子５０と第２回折素子７０との間で画像光Ｌ０の周辺波長を補償するという条件３を満たすため、第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセルすることができる。

（第二実施形態）
続いて、第二実施形態に係る表示装置について説明する。上記実施形態の光学系では、補正光学系によって特定波長の光、短波長側の光および長波長側の光が第２回折素子７０上の一点に入射するように画像光を補正する場合を説明したが、本実施形態は特定波長の光、短波長側の光および長波長側の光における入射位置が第２回折素子７０上でわずかに異なる場合について説明する。

図１２は、本実施形態の光学系１０Ａにおける第１回折素子５０と第２回折素子７０との間の光線図である。図１３は、第２回折素子７０から出射される光の説明図である。図１４は、図１３に示す光が眼Ｅに入射する様子を示す説明図である。なお、図１２には、特定波長の光を実線Ｌｅで示し、波長が特定波長－１０ｎｍの光を一点鎖線Ｌｆで示し、波長が特定波長＋１０ｎｍの光を二点鎖線Ｌｇで示してある。図１４には、図面に向かって最も左側に、波長が特定波長－１０ｎｍの光（図１３に一点鎖線Ｌｆで示す光）が眼Ｅに入射する様子を示し、図面に向かって最も右側に、波長が特定波長＋１０ｎｍの光（図１３に二点鎖線Ｌｇで示す光）が眼Ｅに入射する様子を示し、その間には、特定波長－１０ｎｍから特定波長＋１０ｎｍまで波長を変化させた光が眼Ｅに入射する様子を示してある。なお、図１４には、特定波長の光が眼Ｅに入射する様子を示していないが、特定波長の光が眼Ｅに入射する様子は、左から３番目に示す様子と左から４番目に示す様子との中間の様子となる。

この場合、図１３に示すように、特定波長からずれた周辺波長の光では、第２回折素子７０に入射する状態が異なる。ここで、第２回折素子７０では、光軸に近づくほど干渉縞数が少なくなり、光を曲げる力が弱い。このため、長波長側の光を光軸側に入射させ、短波長側の光を端の方に入射させれば、特定波長の光、および周辺波長の光は平行光化されるため、波長補償と同様な効果を得ることができる。

この場合、図１３に示すように波長によって光線位置がずれるため、瞳に入射する光線径が径φａから径φｂへと大きくなる。その時の瞳孔に入射する光線強度の様子を示したのが図１４である。図１４から分かるように、特定波長近傍では瞳孔を満たす事ができないが、周辺波長の光は、特定波長の光とずれた位置に入射するため、瞳孔径を満たすことができる。その結果、観察者は画像を見やすくなる等の利点を得ることができる。

（変形例）
図１５は変形例に係る表示装置１０１の構成図である。本変形例の表示装置１０１は、図１５に示すように、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、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と、を備えている。

本変形例の表示装置１０１は、右眼用光学系１０ａおよび左眼用光学系１０ｂにおいて、画像光Ｌ０を上側Ｙ１から下側Ｙ２に進行させることで観察者の眼Ｅに出射させる構成を有している。

本変形例の表示装置１０１においても上述の光学系１０を有している。そのため、本変形例の表示装置１０１においても、２つの回折素子によって適正に波長補償を行いつつ、装置の小型化を図ることができる。

以上、本発明の表示装置に係る一実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されることはなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態では、第２回折素子７０における画像光Ｌ０の第２回折角が第１回折素子５０における画像光Ｌ０の第１回折角よりも大きい場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明において、第２回折素子７０における第２回折角と第１回折素子５０における第１回折角とは互いに異なっていればよく、第１回折角が第２回折角よりも大きくてもよい。このように第１回折角を第２回折角よりも大きくする場合においても、補正光学系を設けることで、２つの回折素子によって適正に波長補償を行いつつ、表示装置の小型化を図ることが可能となる。

また、上記実施形態では、補正光学系４５を第２光学部Ｌ２０の第１回折素子５０と一体に設ける場合を例に挙げたが、補正光学系４５を設ける場所はこれに限られない。例えば、補正光学系４５を投射光学系３２を構成する複数のレンズの一部に設けてもよい。

また、上記実施形態の補正光学系４５を構成するプリズム４５ａは、図９Ａから図９Ｃで示した各補正光学系４５Ａ～４５Ｃの機能を全て有する場合を例に挙げたが、本発明の補正光学系はこれに限定されず、上記補正光学系４５Ａ～４５Ｃの機能の少なくとも１つを有していればよい。

［他の表示装置への適用］
上記実施形態では、頭部装着型の表示装置１００を例示したが、ヘッドアップディスプレイやハンドヘルドディスプレイやプロジェクター用光学系等に対して本発明を適用してもよい。

１０，１０Ａ…光学系、３１…画像光生成装置、４５，４５Ａ…補正光学系、４５ａ…プリズム、５０…第１回折素子、７０，７０ａ，７０ｂ…第２回折素子、１００，１０１…表示装置、Ｌ０，Ｌ０ａ，Ｌ０ｂ…画像光、Ｌ１０…第１光学部、Ｌ２０…第２光学部、Ｌ３０…第３光学部、Ｌ４０…第４光学部、α１…第１回折角、β１…第２回折角。

Claims

第１光と、前記第１光よりも長波長である第２光と、を含む画像光を出射する画像光生
成装置と、
前記画像光生成装置から出射された前記画像光の光路に沿って、
正のパワーを有する第１光学部と、
前記第１光を前記第２光よりも小さく回折させる第１回折素子を有し、正のパワーを有
する第２光学部と、
正のパワーを有する第３光学部と、
前記第１光を前記第２光よりも小さく回折させる第２回折素子を有し、正のパワーを有
する第４光学部と、を備え、
前記第１回折素子が前記画像光を回折させる第１回折角は、前記第２回折素子が前記画
像光を回折させる第２回折角よりも小さく、
前記第２光学部は、前記第２回折素子に近い側の厚みが前記画像光生成装置に近い側の
厚みよりも厚い形状のプリズムを有し、
前記プリズムは、前記第１光を前記第２光よりも大きく屈折させる
ことを特徴とする表示装置。