JP7352862B2 - 光学部材及び表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学部材及び光学部材を有する表示装置に関する。

表示部からの画像光を光学部材によって観察者の眼前に表示する表示装置として、ヘッドマウントディスプレイが知られている。このような表示装置において、例えば特許文献１及び特許文献２に示すように、光学部材は、基材と、基材の内部に画像光を導光させるため及び基材の内部を導光している画像光を出射させるための、画像光の入射部及び出射部に設けられた回折光学素子と、を有している。

回折光学素子に入射した光を回折させる条件は、回折する光の波長に大きく依存する。すなわち、ある波長の光に対応して当該波長の光を回折させるよう設けられた回折光学素子は、その波長とは大きく異なる他の波長の光をほとんど回折させない。このため、光学部材の入射部及び出射部には、導光させる画像光の波長に対応した複数の種類の回折光学素子が設けられている。典型的には、赤色、緑色、青色のそれぞれの波長の光に対応した３種の回折光学素子が設けられる。

画像光の入射部にある波長の光を回折させるように設けられた回折光学素子で回折された光が、基材内を導光されて、画像光の出射部に当該波長の光を回折させるように設けられた別の回折光学素子で回折されることで、その波長の画像光を観察者の眼前に表示することができる。

特表２００９－１８６７９４号公報 特開２０１５－１０２６１３号公報

通常、１つの波長の光を回折させることが意図された回折光学素子は、別の波長の光を回折させることが意図された別の回折光学素子とは、異なる基材に積層される。したがって、３種の回折光学素子が設けられる場合、光学部材は、３つの基材を有する。

基材は高価であるため、光学部材に含まれる基材を１枚することが望まれている。ところが、ある波長の光に対応した回折光学素子は、その波長に近い波長の光も回折させ得る。このため、１枚の基材に赤色、緑色、青色のそれぞれの波長の光に対応した３種の回折光学素子を設けると、画像光の入射部に設けられたある波長の光に対応した回折光学素子で回折された光が、入射部から出射部に導光された後、画像光の出射部に設けられた当該波長とは異なる波長の光に対応した回折光学素子で回折されてしまうことがある。このような光は意図された方向に回折されないため、その光が意図された方向とは異なる方向に表示されることになる。言い換えると、表示すべき画像のうち一部の色がずれて表示される。このように、１枚の基材に３種の回折光学素子を設けると、異なる波長の光に対応した回折光学素子で光が回折されてしまい、表示装置に表示されるべき画像の品質が低下してしまう。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、基材を１枚にしながら、表示される画像の品質の低下を抑制することを目的とする。

本発明の第１の光学部材は、
基材と、
前記基材に積層され、第１回折光学素子及び第２回折光学素子を含む第１回折光学部材と、
前記第１回折光学部材から第１方向にずれた位置において前記基材に積層され、複数の第３回折光学素子及び複数の第４回折光学素子を含む第２回折光学部材と、
前記第２回折光学部材から前記第１方向とは非平行な第２方向にずれた位置において前記基材に積層され、複数の第５回折光学素子及び複数の第６回折光学素子を含む第３回折光学部材と、を備える光学部材であって、
前記第１回折光学素子は、前記基材へ入射する光のうち第１波長域の光を回折して、回折された前記第１波長域の光が、前記第１方向に前記基材内を導光されるようにし、
前記第２回折光学素子は、前記基材へ入射する光のうち前記第１波長域とは異なる第２波長域の光を回折して、回折された前記第２波長域の光が、前記第１方向に前記基材内を導光されるようにし、
前記第３回折光学素子は、前記第１波長域の光を回折して、回折された前記第１波長域の光が、前記第２方向に前記基材内を導光されるようにし、
前記第４回折光学素子は、前記第２波長域の光を回折して、回折された前記第２波長域の光が、前記第２方向に前記基材内を導光されるようにし、
前記第５回折光学素子は、前記第１波長域の光を回折して、回折された前記第１波長域の光が、前記基材から出射するようにし、
前記第６回折光学素子は、前記第２波長域の光を回折して、回折された前記第２波長域の光が、前記基材から出射するようにし、
平面視において、前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子は、前記第１方向に直交する方向にずれた位置に設けられており、
平面視において、前記第３回折光学素子及び前記第４回折光学素子は、前記第１方向に直交する方向にずれた位置に設けられている。

本発明の第１の光学部材において、
平面視において、前記第３回折光学素子及び前記第４回折光学素子は、前記第２方向に直交する方向にずれた位置に設けられており、
平面視において、前記第５回折光学素子及び前記第６回折光学素子は、前記第２方向に直交する方向にずれた位置に設けられていてもよい。

本発明の第２の光学部材は、
基材と、
前記基材に積層され、第１回折光学素子及び第２回折光学素子を含む第１回折光学部材と、
前記第１回折光学部材から第１方向にずれた位置において前記基材に積層され、複数の第３回折光学素子及び複数の第４回折光学素子を含む第２回折光学部材と、
前記第２回折光学部材から前記第１方向とは非平行な第２方向にずれた位置において前記基材に積層され、複数の第５回折光学素子及び複数の第６回折光学素子を含む第３回折光学部材と、を備える光学部材であって、
前記第１回折光学素子は、前記基材へ入射する光のうち第１波長域の光を回折して、回折された前記第１波長域の光が、前記第１方向に前記基材内を導光されるようにし、
前記第２回折光学素子は、前記基材へ入射する光のうち前記第１波長域とは異なる第２波長域の光を回折して、回折された前記第２波長域の光が、前記第１方向に前記基材内を導光されるようにし、
前記第３回折光学素子は、前記第１波長域の光を回折して、回折された前記第１波長域の光が、前記第２方向に前記基材内を導光されるようにし、
前記第４回折光学素子は、前記第２波長域の光を回折して、回折された前記第２波長域の光が、前記第２方向に前記基材内を導光されるようにし、
前記第５回折光学素子は、前記第１波長域の光を回折して、回折された前記第１波長域の光が、前記基材から出射するようにし、
前記第６回折光学素子は、前記第２波長域の光を回折して、回折された前記第２波長域の光が、前記基材から出射するようにし、
平面視において、前記第３回折光学素子及び前記第４回折光学素子は、前記第２方向に直交する方向にずれた位置に設けられており、
平面視において、前記第５回折光学素子及び前記第６回折光学素子は、前記第２方向に直交する方向にずれた位置に設けられている。

本発明の第３の光学部材は、
基材と、
前記基材に積層され、第１回折光学素子及び第２回折光学素子を含む第１回折光学部材と、
前記第１回折光学部材から第１方向にずれた位置において前記基材に積層され、複数の第３回折光学素子を含む第２回折光学部材と、
前記第１回折光学部材から前記第１方向とは非平行な第２方向にずれた位置において前記基材に積層され、第４回折光学素子を含む第４回折光学部材と、
前記第２回折光学部材から前記第２方向にずれた位置であって前記第４回折光学部材から前記第１方向にずれた位置において前記基材に積層され、複数の第５回折光学素子及び複数の第６回折光学素子を含む第３回折光学部材と、を備える光学部材であって、
前記第１回折光学素子は、前記基材へ入射する光のうち第１波長域の光を回折して、回折された前記第１波長域の光が、前記第１方向に前記基材内を導光されるようにし、
前記第２回折光学素子は、前記基材へ入射する光のうち前記第１波長域とは異なる第２波長域の光を回折して、回折された前記第２波長域の光が、前記第２方向に前記基材内を導光されるようにし、
前記第３回折光学素子は、前記第１波長域の光を回折して、回折された前記第１波長域の光が、前記第２方向に前記基材内を導光されるようにし、
前記第４回折光学素子は、前記第２波長域の光を回折して、回折された前記第２波長域の光が、前記第１方向に前記基材内を導光されるようにし、
前記第５回折光学素子は、前記第１波長域の光を回折して、回折された前記第１波長域の光が、前記基材から出射するようにし、
前記第６回折光学素子は、前記第２波長域の光を回折して、回折された前記第２波長域の光が、前記基材から出射するようにする。

本発明の第１乃至第３の光学部材において、複数の前記第３回折光学素子は、前記第１方向に互いに離間して配置されていてもよい。

本発明の第１乃至第３の光学部材において、前記第２方向に隣り合う２つの前記第５回折光学素子の間に、前記第３回折光学素子、前記第４回折光学素子及び前記第６回折光学素子の少なくとも１つが配置されていてもよい。

本発明の第１乃至第３の光学部材において、前記第１回折光学素子における前記第２波長域の光の透過率は、３０％以上であってもよい。

本発明の第１乃至第３の光学部材において、前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子は、体積ホログラムであってもよい。

本発明の第１乃至第３の光学部材において、前記第５回折光学素子及び前記第６回折光学素子は、表面レリーフ型のホログラムであってもよい。

本発明の第１乃至第３の光学部材において、前記第３回折光学素子及び前記第４回折光学素子は、表面レリーフ型のホログラムであってもよい。

本発明の第１乃至第３の光学部材において、前記第５回折光学素子及び前記第６回折光学素子の間に設けられた遮光部材をさらに備えてもよい。

本発明の第１乃至第３の光学部材において、
複数の開口部を形成する遮光部材をさらに備え、
前記第５回折光学素子及び前記第６回折光学素子は、前記開口部に配置されていてもよい。

本発明の第１乃至第３の光学部材において、前記第１回折光学素子、前記第２回折光学素子、前記第３回折光学素子、前記第４回折光学素子、前記第５回折光学素子及び前記第６回折光学素子の回折格子のパターンのうち少なくとも１つは、凹凸形状によって形成されていてもよい。

本発明の第１乃至第３の光学部材において、前記凹凸形状は、前記基材のシート面に対して傾斜した方向に延びていてもよい。

本発明の第１乃至第３の光学部材において、前記第１波長域は、６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下及び４００ｎｍ以上４９０ｎｍ以下であってもよい。

本発明の第１乃至第３の光学部材において、前記第１波長域は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であってもよい。

本発明の第１乃至第３の光学部材は、
前記第１回折光学部材を前記基材とは反対側から覆う保護層と、
前記基材と前記保護層との間に設けられた低屈折率層と、をさらに備えてもよい。

本発明の表示装置は、
上述したいずれかの光学部材と、
前記光学部材の前記第１回折光学部材に対面して配置され、画像光を出射する表示部と、を備える。

本発明の表示装置において、前記表示部は、前記第１波長域の光が前記第１回折光学素子にのみ入射し、前記第２波長域の光が前記第２回折光学素子にのみ入射するよう、画像光を出射してもよい。

本発明の表示装置において、
前記光学部材と前記表示部との間に配置されたレンズをさらに備え、
平面視における前記第１回折光学素子の最小寸法及び前記第２回折光学素子の最小寸法は、前記レンズの寸法の１／２以下であってもよい。

本発明によれば、基材を１枚にしながら、表示される画像の品質の低下を抑制することができる。

図１は、眼前に配置された表示装置を示す斜視図である。 図２は、図１の表示装置が有する光学部材の正面図である。 図３は、図２の光学部材のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図４は、光学部材に含まれる光学素子の断面図である。 図５は、図３に示した光学部材の断面図において、光学部材の作用を説明するための図である。 図６は、光学部材における回折光学素子への光の入射を説明するための図である。 図７は、回折光学素子への入射回数と回折格子の回折格子との関係における導光される光の割合を示す表である。 図８は、光学部材の一変形例を示す正面図である。 図９は、光学部材の他の変形例を示す正面図である。 図１０は、光学部材の一変形例を説明するための光学部材の断面図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

なお、「シート面（板面、フィルム面）」とは、対象となるシート状（板状、フィルム状）の部材を全体的かつ大局的に見た場合において対象となるシート状部材（板状部材、フィルム状部材）の平面方向と一致する面のことを指す。

また、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件ならびにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「直交」、「同一」等の用語や長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。

図１には、本実施の形態の表示装置の一例として、ヘッドマウントディスプレイとして眼前に画像を表示する表示装置１が示されている。表示装置１は、画像光を出射する表示部５と、表示部５の各位置から出射された画像光を屈折させるレンズ７と、入射した表示部５からの画像光をその内部で導光させて観察者の眼前から出射する光学部材１０と、を有している。

表示部５は、画像光を出射する装置である。表示部５は、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、ＬＣＯＳ、ＤＬＰ等の任意の表示部を用いることができる。表示部５は、光学部材１０の後述する第１回折光学部材２０に対面する位置に配置され、第１回折光学部材２０に向けて画像光を出射する。

レンズ７は、表示部５の各位置から出射された画像光を出射位置ごとに屈折させることで進行方向を変化させて、光学部材１０の第１回折光学部材２０に入射させる。レンズ７は、典型的には、画像光を平行光にするコリメータである。レンズ７は、表示部５と光学部材１０との間であって、表示部５の画像光を出射する面に対面する位置に配置される。レンズ７は、例えば凸レンズである。

光学部材１０は、画像光をその内部で導光して、観察者の眼前から出射させる。光学部材１０に入射する画像光が略平行な方向に進む光であると、光学部材１０から出射する画像光を、略平行な方向に進む光とすることができる。光学部材１０に入射する光及び光学部材１０から出射する光が、図１に実線矢印で示されており、光学部材１０の内部を導光する光が、図１に点線矢印で示されている。図１に示されているように、光学部材１０の表示部５に対面する位置に入射した光が、光学部材１０の画像を表示する位置まで進行方向を変更されながら導光され、観察者の眼前の画像を表示する位置から出射される。

光学部材１０は、基材１１と、第１回折光学部材２０と、第２回折光学部材３０と、第３回折光学部材４０と、遮光部材７０と、を有している。第１回折光学部材２０、第２回折光学部材３０及び第３回折光学部材４０は、基材１１のそれぞれ別の位置に積層されている。より詳しくは、第２回折光学部材３０は、第１回折光学部材２０から第１方向ｄ１にずれた位置において基材１１に積層されている。第３回折光学部材４０は、第２回折光学部材３０から第２方向ｄ２にずれた位置において基材１１に積層されている。第２方向ｄ２は、第１方向ｄ１とは非平行な方向であり、図示された例では、第１方向ｄ１と直交する方向である。

以下、図２乃至図４を参照しながら、光学部材１０の各構成要素について説明する。図２は、光学部材１０の正面図である。図３は、図２におけるＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った光学部材１０の断面図である。図４は、光学部材１０に含まれる後述する回折光学素子の断面図の一例である。

基材１１は、光学部材１０において、光を導光させる導光体として機能する。可視光を導光させるために、基材１１は透明になっている。また、基材１１は、板状の部材である。光は、板状の基材１１の一対の主面や基材１１上に設けられた回折光学部材等において反射、とりわけ全反射されることで、基材１１の内部を導光される。基材１１の主面において全反射しやすいよう、基材１１の屈折率は、光学部材１０の外部の空気等の屈折率より十分に大きくなっていることが好ましい。具体的には、基材１１の屈折率は、１．５０以上であることが好ましく、１．５５以上であることがより好ましく、１．６以上であることがさらに好ましく、１．７以上であることがさらにより好ましく、１．８以上であることが最も好ましい。

なお、本明細書において、屈折率とは、波長が５８７．６ｎｍの光に対する屈折率のことを意味する。

基材１１は、その内部において光を導光させるための形状を維持するために、変形しにくい材料、すなわち剛性の高い材料からなる。また、基材１１は、基材１１上に積層された第１回折光学部材２０、第２回折光学部材３０及び第３回折光学部材４０を適切に支持している。基材１１としては、可視光透過性、剛性、第１回折光学部材２０、第２回折光学部材３０及び第３回折光学部材４０の支持性等を考慮すると、例えば、ポリカーボネート、シクロオレフィンポリマー、アクリル等の樹脂材料や、ガラスであることが好ましい。特に、樹脂材料は、重量や脆性の観点から好適である。また、基材１１は、可視光透過性、剛性や、第１回折光学部材２０、第２回折光学部材３０及び第３回折光学部材４０の支持性等を考慮すると、０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、好ましくは０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であり、さらに好ましくは０．３ｍｍ以上０．７ｍｍ以下の厚みである。さらに、基材１１の主面において光を全反射によって導光させるために、基材１１の主面は平坦性が高いことが好ましい。具体的には、基材１１のうち平面視における任意の１ｍｍ角の領域において、最も厚い部分の厚さと最も薄い部分の厚さの差が５μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以下であることがより好ましく、１μｍ以下であることがさらに好ましく、０．５μｍ以下であることがさらにより好ましい。

なお、透明とは、分光光度計（（株）島津製作所製「ＵＶ－３１００ＰＣ」、ＪＩＳ Ｋ ０１１５準拠品）を用いて測定波長３８０ｎｍ～７８０ｎｍの範囲内で測定したときの、各波長における透過率の平均値として特定される可視光透過率が、８０％以上であることを意味する。

第１回折光学部材２０は、光学部材１０に入射した光を回折させる。第１回折光学部材２０は、光学部材１０の入射部に設けられている。第１回折光学部材２０は、表示部５と対面している。第１回折光学部材２０は、第１回折光学素子２１、第２回折光学素子２２及び第７回折光学素子２３を含んでいる。

第１回折光学素子２１は、基材１１へ入射する光のうち第１波長域の光を回折する。言い換えると、第１回折光学素子２１は、基材１１のシート面の法線方向から入射した第１波長域の光を回折させるように設けられている。第１回折光学素子２１は、第１波長域の光を回折させる回折格子を含んでいる。第１回折光学素子２１で回折された第１波長域の光は、基材１１内を第１方向ｄ１に導光される。なお、基材１１内で導光される方向は、基材１１の平面視において、基材１１内における光の進行方向のことを意味している。したがって、基材１１内における厚み方向への移動を無視している。

なお、第１波長域の光を回折させるように設けられているとは、第１波長域に含まれる任意の波長の光に対する回折効率が、１０％以上であることを意味している。回折効率は、分光光度計（（株）島津製作所製「ＵＶ－２４５０」）を用いて、透過率の差分から測定する。

第１回折光学素子２１に含まれる回折格子の回折効率は、適切な範囲にあることが好ましい。具体的には、第１回折光学素子２１に含まれる回折格子の回折効率は、５０％以下であることが好ましく、１０％以上４０％以下であることがより好ましく、１０％以上３０％以下であることがさらに好ましく、１５％以上２５％以下であることが最も好ましい。第１回折光学素子２１に含まれる回折格子の回折効率を適切に設定することで、より多くの第１波長域の光を第１方向ｄ１に導光させることができる。

第２回折光学素子２２は、基材１１へ入射する光のうち第２波長域の光を回折する。言い換えると、第２回折光学素子２２は、基材１１のシート面の法線方向から入射した第２波長域の光を回折させるように設けられている。第２回折光学素子２２は、第２波長域の光を回折させる回折格子を含んでいる。第２波長域は、第１波長域とは異なる波長域である。好ましくは、第２波長域は、第１波長域とは重複していない波長域である。第２回折光学素子２２で回折された第２波長域の光は、基材１１内を第１方向ｄ１へ導光される。

第２回折光学素子２２に含まれる回折格子の回折効率は、適切な範囲にあることが好ましい。具体的には、第２回折光学素子２２に含まれる回折格子の回折効率は、５０％以下であることが好ましく、１０％以上４０％以下であることがより好ましく、１０％以上３０％以下であることがさらに好ましく、１５％以上２５％以下であることが最も好ましい。第２回折光学素子２２に含まれる回折格子の回折効率を適切に設定することで、より多くの第２波長域の光を第１方向ｄ１に導光させることができる。

第７回折光学素子２３は、基材１１へ入射する光のうち第３波長域の光を回折する。言い換えると、第７回折光学素子２３は、基材１１のシート面の法線方向から入射した第３波長域の光を回折させるように設けられている。第７回折光学素子２３は、第３波長域の光を回折させる回折格子を含んでいる。第３波長域は、第１波長域及び第２波長域とは異なる波長域である。好ましくは、第３波長域は、第１波長域及び第２波長域とは重複していない波長域である。第７回折光学素子２３で回折された第３波長域の光は、基材１１内を第１方向ｄ１へ導光される。

第７回折光学素子２３に含まれる回折格子の回折効率は、適切な範囲にあることが好ましい。具体的には、第７回折光学素子２３に含まれる回折格子の回折効率は、５０％以下であることが好ましく、１０％以上４０％以下であることがより好ましく、１０％以上３０％以下であることがさらに好ましく、１５％以上２５％以下であることが最も好ましい。第７回折光学素子２３に含まれる回折格子の回折効率を適切に設定することで、より多くの第３波長域の光を第１方向ｄ１に導光させることができる。

第１波長域は、例えば青色の光の波長域であり、第２波長域は、緑色の光の波長域であり、第３波長域は、赤色の光の波長域である。すなわち、第１波長域は、４００ｎｍ以上４９０ｎｍ以下であり、第２波長域は、５００ｎｍ以上５８０ｎｍ以下であり、第３波長域は、６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下である。

なお、特に青色の光の波長域と緑色の光の波長域とは近い波長であるため、青色の光の波長域を含む第１波長域の光を回折させるように意図された回折光学素子において、すなわち第１回折光学素子２１において、緑色の光の波長域を含む第２波長域の光を回折させることがあり得る。同様に、緑色の光の波長域を含む第２波長域の光を回折させるように意図された回折光学素子において、すなわち第２回折光学素子２２において、青色の光の波長域を含む第１波長域の光を回折させることがあり得る。

第１回折光学素子２１は、第２波長域の光及び第３波長域の光を透過させることができる。具体的には、第１回折光学素子２１における第２波長域の光及び第３波長域の光の透過率は、３０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがより好ましく、７０％以上であることがさらに好ましく、９０％以上であることがさらにより好ましい。同様に、第２回折光学素子２２は、第１波長域の光及び第３波長域の光を透過させることができる。具体的には、第２回折光学素子２２における第１波長域の光及び第３波長域の光の透過率は、３０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがより好ましく、７０％以上であることがさらに好ましく、９０％以上であることがさらにより好ましい。さらに、第７回折光学素子２３は、第１波長域の光及び第２波長域の光を透過させることができる。具体的には、第２回折光学素子２２における第１波長域の光及び第２波長域の光の透過率は、３０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがより好ましく、７０％以上であることがさらに好ましく、９０％以上であることがさらにより好ましい。

レンズ７を透過した画像光を第１回折光学素子２１、第２回折光学素子２２及び第７回折光学素子２３に適切に入射させるために、第１回折光学素子２１、第２回折光学素子２２及び第７回折光学素子２３は、レンズ７より小さくなっていることが好ましい。具体的には、平面視における第１回折光学素子２１の最小寸法、第２回折光学素子２２の最小寸法及び第７回折光学素子２３の最小寸法は、レンズ７の寸法の１／２以下であることが好ましく、１／１０以下であることがより好ましく、１／５０以下であることがさらに好ましく、１／１００以下であることがさらにより好ましい。ここで、レンズの寸法とは、レンズの直径のことを意味する。また、平面視における第１回折光学素子２１の最小寸法、第２回折光学素子２２の最小寸法及び第７回折光学素子２３の最小寸法は、好ましくは１μｍ以上であり、より好ましくは１０μｍ以上であり、さらに好ましくは５０μｍ以上であり、さらにより好ましくは１００μｍ以上である。

図２に示されているように、平面視において、第１回折光学素子２１、第２回折光学素子２２及び第７回折光学素子２３は、それぞれ第１方向ｄ１に直交する方向にずれた位置に設けられている。言い換えると、第１回折光学素子２１、第２回折光学素子２２及び第７回折光学素子２３は、第１方向ｄ１に沿って並んでいない。

第２回折光学部材３０は、第１回折光学部材２０で回折された光を回折させる。第２回折光学部材３０は、第１方向ｄ１に延びている。第２回折光学部材３０は、複数の第３回折光学素子３１、複数の第４回折光学素子３２及び複数の第８回折光学素子３３を含んでいる。

第３回折光学素子３１は、第１回折光学素子２１で回折された光を回折する。すなわち、第３回折光学素子３１は、第１方向ｄ１に基材１１内を進む第１波長域の光を回折する回折特性を有している。第３回折光学素子３１は、第１波長域の光を回折させる回折格子を含んでいる。第３回折光学素子３１で回折された第１波長域の光は、第２方向ｄ２に基材１１内を導光される。

第４回折光学素子３２は、第２回折光学素子２２で回折された光を回折する。すなわち、第４回折光学素子３２は、第１方向ｄ１に基材１１内を進む第２波長域の光を回折する回折特性を有している。第４回折光学素子３２は、第２波長域の光を回折させる回折格子を含んでいる。第４回折光学素子３２で回折された第２波長域の光は、第２方向ｄ２に基材１１内を導光される。

第８回折光学素子３３は、第７回折光学素子２３で回折された光を回折する。すなわち、第８回折光学素子３３は、第１方向ｄ１に基材１１内を進む第３波長域の光を回折する回折特性を有している。第８回折光学素子３３は、第３波長域の光を回折させる回折格子を含んでいる。第８回折光学素子３３で回折された第３波長域の光は、第２方向ｄ２に基材１１内を導光される。

第３回折光学素子３１の回折効率、第４回折光学素子３２の回折効率及び第８回折光学素子３３の回折効率は、第１回折光学素子２１の回折効率、第２回折光学素子２２の回折効率や第７回折光学素子２３の回折効率よりも低くなっている。したがって、例えば或る第３回折光学素子３１に入射した第１波長域の光の一部のみが回折されて、基材１１内を第２方向ｄ２に導光されるようになる。ただし、第２回折光学部材３０は第１方向ｄ１に長手方向を有している。複数の第３回折光学素子３１は、第２回折光学部材３０の長手方向である第１方向ｄ１に互いに離間して配置されている。このため、或る第３回折光学素子３１で回折されなかった光は、その後、第３回折光学素子３１及び基材１１の表面で反射（好ましくは全反射）し、再び別の第３回折光学素子３１に入射する。同様に、第２回折光学部材３０の複数の第４回折光学素子３２は、長手方向である第１方向ｄ１に互いに離間して配置されている。或る第４回折光学素子３２で回折されなかった光は、その後、第４回折光学素子３２及び基材１１の表面で反射（好ましくは全反射）し、再び別の第４回折光学素子３２に入射する。さらに、第２回折光学部材３０の複数の第８回折光学素子３３は、長手方向である第１方向ｄ１に互いに離間して配置されている。或る第８回折光学素子３３で回折されなかった光は、その後、第８回折光学素子３３及び基材１１の表面で反射（好ましくは全反射）し、再び別の第８回折光学素子３３に入射する。

第３回折光学素子３１の回折効率、第４回折光学素子３２の回折効率及び第８回折光学素子３３の回折効率は、好ましくは、第１方向ｄ１に進む光が第２回折光学部材３０が設けられた位置を通過する前に、第３回折光学素子３１、第４回折光学素子３２及び第８回折光学素子３３のそれぞれで回折されるよう設定されている。また、第３回折光学素子３１の回折効率、第４回折光学素子３２の回折効率及び第８回折光学素子３３の回折効率は、好ましくは、第１方向ｄ１に沿った各位置において第３回折光学素子３１、第４回折光学素子３２及び第８回折光学素子３３で回折される光の強度が均一となるように調節されている。第３回折光学素子３１第４回折光学素子３２及び第８回折光学素子３３で回折された光は、その後、第３回折光学部材４０の後述する第５回折光学素子４１、第６回折光学素子４２及び第９回折光学素子４３でさらに回折されることで、画像光として光学部材１０から出射する。第３回折光学素子３１、第４回折光学素子３２及び第８回折光学素子３３での回折により、基材１１内を進む光の第１方向ｄ１に沿った強度分布を均一化しておくことで、第３回折光学部材４０に入射する光の第１方向ｄ１に沿った強度分布を均一化することができる。

第３回折光学素子３１の回折効率、第４回折光学素子３２の回折効率及び第８回折光学素子３３の回折効率は、具体的には、基材１１の厚みや、第２回折光学部材３０の第１方向ｄ１に沿った長さ等を考慮して決定される。また、第３回折光学素子３１、第４回折光学素子３２及び第８回折光学素子３３での回折光の第１方向ｄ１に沿った強度分布を均一化する観点から、第３回折光学素子３１の回折効率、第４回折光学素子３２の回折効率及び第８回折光学素子３３の回折効率は、第１回折光学部材２０に近接する側で低く、入射光の強度が低下する第１回折光学部材２０から離間する側で高くなっていることが好ましい。すなわち、第３回折光学素子３１の回折効率、第４回折光学素子３２の回折効率及び第８回折光学素子３３の回折効率は、第１方向ｄ１に沿って第１回折光学部材２０から離間するにつれて高くなっていることが好ましい。

図２に示されているように、平面視において、第３回折光学素子３１、第４回折光学素子３２及び第８回折光学素子３３は、第１方向ｄ１に直交する方向にずれた位置に設けられている。言い換えると、第３回折光学素子３１、第４回折光学素子３２及び第８回折光学素子３３は、第１方向ｄ１に沿って並んでいない。さらに、第３回折光学素子３１第４回折光学素子３２及び第８回折光学素子３３は、第２方向ｄ２に直交する方向にずれた位置に設けられている。言い換えると、第３回折光学素子３１、第４回折光学素子３２及び第８回折光学素子３３は、第２方向ｄ２に沿って並んでいない。

また、第１回折光学部材２０の第１回折光学素子２１、第２回折光学素子２２及び第７回折光学素子２３は、第１方向ｄ１に導光させるよう光を回折させ、第２回折光学部材３０の第３回折光学素子３１、第４回折光学素子３２及び第８回折光学素子３３は、第２方向ｄ２に導光させるよう光を回折させる。すなわち、第１回折光学部材２０の第１回折光学素子２１、第２回折光学素子２２及び第７回折光学素子２３で回折された光は、第１回折光学部材２０に対して第２回折光学部材３０が設けられた方向に進み、第２回折光学部材３０の第３回折光学素子３１、第４回折光学素子３２及び第８回折光学素子３３で回折された光は、第２回折光学部材３０に対して第３回折光学部材４０が設けられた方向に進む。言い換えると、第１回折光学素子２１、第２回折光学素子２２及び第７回折光学素子２３は、第１回折光学部材２０に対して第２回折光学部材３０が設けられた方向に光を回折させるように設けられており、第３回折光学素子３１、第４回折光学素子３２及び第８回折光学素子３３は、第２回折光学部材３０に対して第３回折光学部材４０が設けられた方向に光を回折させるように設けられている。

第３回折光学部材４０は、第２回折光学部材３０で回折された光を回折して、基材１１から出射させる。第３回折光学部材４０は、光学部材１０の出射部に設けられている。第３回折光学部材４０は、光学部材１０の観察者の眼前に位置する。第３回折光学部材４０は、第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２に延びている。第３回折光学部材４０は、複数の第５回折光学素子４１、複数の第６回折光学素子４２及び複数の第９回折光学素子４３を含んでいる。

第５回折光学素子４１は、第３回折光学素子３１で回折された光を回折する。すなわち、第５回折光学素子４１は、第２方向ｄ２に基材１１内を進む第１波長域の光を回折する回折特性を有している。第５回折光学素子４１は、第１波長域の光を回折させる回折格子を含んでいる。第５回折光学素子４１で回折された第１波長域の光は、基材１１から出射する。

第６回折光学素子４２は、第４回折光学素子３２で回折された光を回折する。すなわち、第６回折光学素子４２は、第２方向ｄ２に基材１１内を進む第２波長域の光を回折する回折特性を有している。第６回折光学素子４２は、第２波長域の光を回折させる回折格子を含んでいる。第６回折光学素子４２で回折された第２波長域の光は、基材１１から出射する。

第９回折光学素子４３は、第８回折光学素子３３で回折された光を回折する。すなわち、第９回折光学素子４３は、第２方向ｄ２に基材１１内を進む第３波長域の光を回折する回折特性を有している。第９回折光学素子４３は、第３波長域の光を回折させる回折格子を含んでいる。第９回折光学素子４３で回折された第３波長域の光は、基材１１から出射する。

第５回折光学素子４１の回折効率、第６回折光学素子４２の回折効率及び第９回折光学素子４３の回折効率は、第１回折光学素子２１の回折効率、第２回折光学素子２２の回折効率や第７回折光学素子２３の回折効率よりも低くなっている。したがって、例えば第５回折光学素子４１の或る位置に入射した第１波長域の光の一部のみが回折されて、基材１１から出射されるようになる。ただし、第３回折光学部材４０は、第２方向ｄ２に延びている。このため、第５回折光学素子４１の或る位置で回折されなかった光は、その後、第５回折光学素子４１及び基材１１の表面で反射（好ましくは全反射）し、再び第５回折光学素子４１に入射する。同様に、第６回折光学素子４２の或る位置で回折されなかった光は、その後、第６回折光学素子４２及び基材１１の表面で反射（好ましくは全反射）し、再び第６回折光学素子４２に入射する。さらに、第９回折光学素子４３の或る位置で回折されなかった光は、その後、第９回折光学素子４３及び基材１１の表面で反射（好ましくは全反射）し、再び第９回折光学素子４３に入射する。

第５回折光学素子４１の回折効率、第６回折光学素子４２の回折効率及び第９回折光学素子４３の回折効率は、好ましくは、第２方向ｄ２に進む光が第３回折光学部材４０が設けられた位置を通過する前に、第５回折光学素子４１、第６回折光学素子４２及び第９回折光学素子４３で回折されるよう設定されている。また、第５回折光学素子４１の回折効率、第６回折光学素子４２の回折効率及び第９回折光学素子４３の回折効率は、好ましくは、第２方向ｄ２に沿った各位置において第５回折光学素子４１、第６回折光学素子４２及び第９回折光学素子４３で回折される光の強度が均一となるように調節されている。第５回折光学素子４１、第６回折光学素子４２及び第９回折光学素子４３で回折された光は、画像光として光学部材１０から出射する。第５回折光学素子４１、第６回折光学素子４２及び第９回折光学素子４３での回折により、光学部材１０から出射する画像光の第２方向ｄ２に沿った強度分布を均一化することができる。

第５回折光学素子４１の回折効率、第６回折光学素子４２の回折効率及び第９回折光学素子４３の回折効率は、具体的には、基材１１の厚みや、第３回折光学部材４０の第２方向ｄ２に沿った長さ等を考慮して決定される。また、第５回折光学素子４１、第６回折光学素子４２及び第９回折光学素子４３での回折光の第２方向ｄ２に沿った強度分布を均一化する観点から、第５回折光学素子４１の回折効率、第６回折光学素子４２の回折効率及び第９回折光学素子４３の回折効率は、第２回折光学部材３０に近接する側で低く、入射光の強度が低下する第２回折光学部材３０から離間する側で高くなっていることが好ましい。すなわち、第５回折光学素子４１の回折効率、第６回折光学素子４２の回折効率及び第９回折光学素子４３の回折効率は、第２方向ｄ２に沿って第２回折光学部材３０から離間するにつれて高くなっていることが好ましい。

図２に示されているように、平面視において、第５回折光学素子４１、第６回折光学素子４２及び第９回折光学素子４３は、第２方向ｄ２に直交する方向にずれた位置に設けられている。言い換えると、第５回折光学素子４１、第６回折光学素子４２及び第９回折光学素子４３は、第２方向ｄ２に沿って並んでいない。

第１回折光学素子２１、第２回折光学素子２２、第３回折光学素子３１、第４回折光学素子３２、第５回折光学素子４１、第６回折光学素子４２、第７回折光学素子２３、第８回折光学素子３３及び第９回折光学素子４３は、典型的には、ホログラムとすることができる。第１～第９回折光学素子の回折格子のパターンのうち少なくとも１つは、図４に示すように、凹凸形状によって形成されている表面レリーフ型のホログラムである。この凹凸形状の回折格子のパターンに光が入射することで、光が回折される。このような回折格子パターンは、例えば凹凸形状の凹凸の深さや幅を調節することで、容易に回折効率を調節することができる。また、凹凸形状の回折格子のパターンは、高い回折効率とすることができる。さらに、凹凸形状の回折格子のパターンは、回折させる光の波長域を狭い範囲にすることができる。とりわけ、図４に示された凹凸形状は、基材１１のシート面に対して傾斜した方向に延びている。凹凸形状を傾斜させることで、回折光学素子によって回折された光の進行方向を一方向に偏らせることができる。凹凸形状の凹凸の深さや幅、傾斜角度は、回折させる光の回折方向や回折効率に応じて適宜に設定することができる。

表面レリーフ型のホログラムは、例えばそれぞれ基材１１の一方の面に凹凸形状を型押しすることで形成することができる。

なお、第１～第９回折光学素子は、図４に示された例に限らず、位相型のホログラムであってもよいし、振幅型のホログラムであってもよい。また、第１～第９回折光学素子は、反射型のホログラムであってもよいし、透過型のホログラムであってもよい。さらに、第１～第９回折光学素子は、体積ホログラムであってもよいし、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ：Computer Generated Hologram）であってもよい。

とりわけ、第１回折光学素子２１、第２回折光学素子２２及び第７回折光学素子２３は、体積ホログラムであることが好ましい。一方、第３回折光学素子３１、第４回折光学素子３２，第８回折光学素子３３、第５回折光学素子４１、第６回折光学素子４２及び第９回折光学素子４３は、表面レリーフ型のホログラムであることが好ましい。体積ホログラムは、表面レリーフ型のホログラムより回折格子の回折効率を高くしやすい。一方、表面レリーフ型のホログラムは、体積ホログラムより広い角度範囲の光を回折させることができる。したがって、このような第１、第２、第７回折光学素子は、第３～第６、第８、第９回折光学素子より回折格子の回折効率を高くなっており、第３～第６、第８、第９回折光学素子は、第１、第２、第７回折光学素子より広い角度範囲の光を回折させるようになっている。

また、図３に示された例のように、第１回折光学部材２０、第２回折光学部材３０及び第３回折光学部材４０が光学部材１０の表面に形成されている場合、第１～第３回折光学部材は、基材１１とともに光を導光させる。第１～第３回折光学部材の表面において光を全反射させるために、第１回折光学部材２０、第２回折光学部材３０及び第３回折光学部材４０の屈折率は、光学部材１０の外部の空気等の屈折率より十分に大きくなっていることが好ましい。具体的には、第１回折光学部材２０、第２回折光学部材３０及び第３回折光学部材４０の屈折率は、１．５０以上であることが好ましく、１．５５以上であることがより好ましく、１．６以上であることがさらに好ましく、１．７以上であることがさらにより好ましく、１．８以上であることが最も好ましい。

図３に示された例では、第１回折光学部材２０、第２回折光学部材３０及び第３回折光学部材４０は、基材１１の同じ側に設けられている。しかしながら、これらは基材１１の一方の側と他方の側に設けられていてもよい。あるいは、例えば第１回折光学部材２０が、基材１１の一方の側と他方の側の両方に設けられていてもよい。基材１１の一方の側に設けられる回折光学素子は、反射型のホログラムとなり、基材１１の他方の側に設けられる回折光学素子は、透過型のホログラムとなる。

遮光部材７０は、第３回折光学部材４０の第５回折光学素子４１、第６回折光学素子４２及び第９回折光学素子４３のそれぞれの間に設けられている。遮光部材７０は、第３回折光学部材４０において、特定の波長の光が意図された回折光学素子とは異なる回折光学素子に入射することを抑制する。具体的な例として、第１波長域の光は、第５回折光学素子４１に入射することが意図されているが、この第１波長域の光が少しずれてしまい、第６回折光学素子４２や第９回折光学素子４３へ向かうことがある。言い換えると、第５回折光学素子４１との境界付近の第６回折光学素子４２や第９回折光学素子４３に第１波長域の光が入射し得る。第５回折光学素子４１と第６回折光学素子４２及び第９回折光学素子４３のそれぞれの間に遮光部材７０が設けられていることで、第６回折光学素子４２及び第９回折光学素子４３に第１波長域の光が遮光部材７０に入射することになる。このため、遮光部材７０によって、第６回折光学素子４２及び第９回折光学素子４３に第１波長域の光が入射してしまうことが抑制される。

図２に示された例では、遮光部材７０によって、複数の開口部７１が形成されている。この開口部７１に、第５回折光学素子４１、第６回折光学素子４２及び第９回折光学素子４３が配置されている。言い換えると、遮光部材７０は、第５回折光学素子４１、第６回折光学素子４２及び第９回折光学素子４３を区画している。

次に、表示装置１及び光学部材１０の作用について、図５を参照しながら説明する。図５は、図３に示した光学部材１０の断面図において、表示部５から入射した光のうち第１波長域の光が観察者の眼前に表示される状態を示している。

まず、表示部５が、拡散光となっている画像光を出射する。出射される画像光は、第１波長域の光、第２波長域の光及び第３波長域の光を含んでいる。典型的には、画像光は、青色の波長域の光と、緑色の波長域の光と、赤色の波長域の光と、を含んでいる。

表示部５から出射した画像光は、レンズ７に入射する。図５に示すように、レンズ７によって、画像光は、拡散光から略平行な方向に進む光となる。略平行な光となった画像光が、光学部材１０の第１回折光学部材２０に入射する。

第１回折光学部材２０に入射した画像光のうち、図５に示されたように、第１波長域の光は、第１回折光学素子２１によって回折される。一方、図示されていない第２波長域の光は、第２回折光学素子２２によって回折され、第３波長域の光は、第７回折光学素子２３によって回折される。第１回折光学素子２１によって回折された光、第２回折光学素子２２によって回折された光及び第７回折光学素子２３によって回折された光は、基材１１の一対の主面や基材１１上に設けられた回折光学部材等で全反射されることで、第１方向ｄ１に基材１１内を導光される。

図５に示すように、第１回折光学部材２０の第１回折光学素子２１で回折された第１波長域の光は、第２回折光学部材３０に入射する。第２回折光学部材３０に入射した第１波長域の光は、第３回折光学素子３１によって回折される。第３回折光学素子３１によって回折された光は、第２方向ｄ２に基材１１内を導光される。第３回折光学素子３１の回折効率は、第１回折光学素子２１の回折効率よりも低くなっているため、或る第３回折光学素子３１に入射した第１波長域の光の一部のみが回折されて、第２方向ｄ２に基材１１内を導光される。或る第３回折光学素子３１で回折されなかった光は、その後、第３回折光学素子３１及び基材１１の表面で反射し、再び別の第３回折光学素子３１に入射する。

同様に、図示されていない第１回折光学部材２０の第２回折光学素子２２で回折された第２波長域の光及び第７回折光学素子２３で回折された第３波長域の光は、第２回折光学部材３０に入射する。第２回折光学部材３０に入射した第２波長域の光は、第４回折光学素子３２によって回折され、第３波長域の光は、第８回折光学素子３３によって回折される。第４回折光学素子３２の回折効率及び第８回折光学素子３３の回折効率は、第２回折光学素子２２の回折効率や第７回折光学素子２３の回折効率よりも低くなっているため、或る第４回折光学素子３２に入射した第２波長域の光の一部のみが回折されて、第２方向ｄ２に基材１１内を導光され、或る第８回折光学素子３３に入射した第３波長域の光の一部のみが回折されて、第２方向ｄ２に基材１１内を導光される。第４回折光学素子３２の或る位置で回折されなかった光は、その後、第４回折光学素子３２及び基材１１の表面で反射し、再び別の第４回折光学素子３２に入射する。第８回折光学素子３３の或る位置で回折されなかった光は、その後、第８回折光学素子３３及び基材１１の表面で反射し、再び別の第８回折光学素子３３に入射する。

第３回折光学素子３１の回折効率、第４回折光学素子３２の回折効率及び第８回折光学素子３３の回折効率は、第１方向ｄ１に沿った各位置において、第３回折光学素子３１で回折される光の強度、第４回折光学素子３２で回折される光の強度及び第８回折光学素子３３で回折される光の強度が均一となるように調節されている。本実施の形態では、第３回折光学素子３１の回折効率、第４回折光学素子３２の回折効率及び第８回折光学素子３３の回折効率は、第１方向ｄ１に沿って第１回折光学部材２０から離間するにつれて高くなっている。したがって、第３回折光学素子３１で回折された光の第１方向ｄ１に沿った強度分布、第４回折光学素子３２での回折された光の第１方向ｄ１に沿った強度分布及び第８回折光学素子３３で回折された光の第１方向ｄ１に沿った強度分布は、均一化されて、第３回折光学部材４０に入射する。

第２回折光学部材３０の第３回折光学素子３１で回折された第１波長域の光、第４回折光学素子３２で回折された第２波長域の光及び第８回折光学素子３３で回折された第３波長域の光は、第３回折光学部材４０に入射する。各波長域の光は、第２方向ｄ２に沿って第３回折光学部材４０に入射する。

図５に示すように、第３回折光学部材４０に入射した第１波長域の光は、第５回折光学素子４１によって回折される。第５回折光学素子４１によって回折された光は、基材１１から出射する。一方、図示されていない第３回折光学部材４０に入射した第２波長域の光は、第６回折光学素子４２によって回折され、第３波長域の光は、第９回折光学素子４３によって回折される。第６回折光学素子４２及び第９回折光学素子４３によって回折された光は、基材１１から出射する。第５回折光学素子４１の回折効率、第６回折光学素子４２の回折効率及び第９回折光学素子４３の回折効率は、第１回折光学素子２１の回折効率、第２回折光学素子２２の回折効率や第７回折光学素子２３の回折効率よりも低くなっているため、第５回折光学素子４１、第６回折光学素子４２及び第９回折光学素子４３の或る位置に入射した光の一部のみが回折されて、基材１１から出射する。第５回折光学素子４１、第６回折光学素子４２及び第９回折光学素子４３の或る位置で回折されなかった光は、その後、第５回折光学素子４１、第６回折光学素子４２及び第９回折光学素子４３の表面で反射し、再び第５回折光学素子４１、第６回折光学素子４２及び第９回折光学素子４３に入射する。

第５回折光学素子４１の回折効率は、第２方向ｄ２に沿った各位置において第５回折光学素子４１で回折される光の強度が均一となるように調節されている。本実施の形態では、第５回折光学素子４１の回折効率は、第２方向ｄ２に沿って第２回折光学部材３０から離間するにつれて高くなっている。したがって、第５回折光学素子４１で回折されて出射した光の第２方向ｄ２に沿った強度分布が均一化されて、基材１１から出射する。

同様に、第６回折光学素子４２の回折効率及び第９回折光学素子４３の回折効率は、第２方向ｄ２に沿った各位置において第６回折光学素子４２で回折される光の強度及び第９回折光学素子４３で回折される光の強度が均一となるように調節されている。本実施の形態では、第６回折光学素子４２の回折効率及び第９回折光学素子４３の回折効率は、第２方向ｄ２に沿って第２回折光学部材３０から離間するにつれて高くなっている。したがって、第６回折光学素子４２及び第９回折光学素子４３で回折されて出射した光の第２方向ｄ２に沿った強度分布が均一化されて、基材１１から出射する。

基材１１から出射した光を観察者が観察することで、画像を視認することができる。観察者の眼前に対面する第３回折光学部材４０において出射される第１波長域の光、第２波長域の光及び第３波長域の光が第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２において均一な強度となっている略平行な光であるため、観察者の位置がずれたとしても、画像を均一な明るさで観察することができる。

従来の光学部材では、赤色、緑色、青色に対応した各回折光学素子に対応して、３つの基材を有している。そこで、基材を１枚にするために、赤色、緑色、青色のそれぞれの波長の光に対応した３種の回折光学素子を基材に積層することが考えられた。例えば表示部に対面する部分に３つの回折光学素子が積層される。しかしながら、上述したように、画像光の入射部に設けられたある波長の光に対応する回折光学素子で回折された光が、画像光の出射部に設けられた当該波長とは異なる波長の光に対応する回折光学素子で回折されてしまうことがある。このような光は意図された方向に回折されないため、表示装置に表示されるべき画像の品質を低下させてしまう。とりわけ、このような現象は、近い波長に対応する回折光学素子の間で起こりやすい。具体的には、青色の波長の光に対応した回折光学素子は、青色の波長に近い波長の緑色の波長の光をも回折させてしまい得る。このように、表示される画像の品質の低下させることなく、基材を１枚にすることは困難であった。

一方、本実施の形態の光学部材１０では、平面視において、第１回折光学素子２１及び第２回折光学素子２２は、第１方向ｄ１に直交する方向にずれた位置に設けられている。また、平面視において、第３回折光学素子３１及び第４回折光学素子３２は、第１方向ｄ１に直交する方向にずれた位置に設けられている。そして、第１回折光学素子２１及び第２回折光学素子２２で回折された光は、第１方向ｄ１に導光される。このため、第１回折光学素子２１で回折された第１波長域の光は、第２波長域の光を回折させるように意図された第４回折光学素子３２に入射することなく、第３回折光学素子３１に入射することができる。同様に、第２回折光学素子２２で回折された第２波長域の光は、第１波長域の光を回折させるように意図された第３回折光学素子３１に入射することなく、第４回折光学素子３２に入射することができる。すなわち、第１波長域の光と第２波長域の光とが同じ基材１１内を導光しても、第１回折光学部材２０と第２回折光学部材３０との間では、意図されない回折が起こりにくい。したがって、基材１１を１枚にしながら、表示される画像の品質の低下を抑制することができる。

さらに、平面視において、第３回折光学素子３１及び第４回折光学素子３２は、第２方向ｄ２に直交する方向にずれた位置に設けられている。また、平面視において、第５回折光学素子４１及び第６回折光学素子４２は、第２方向ｄ２に直交する方向にずれた位置に設けられている。そして、第３回折光学素子３１及び第４回折光学素子３２で回折された光は、第２方向ｄ２に導光される。このため、第３回折光学素子３１で回折された第１波長域の光は、第２波長域の光を回折させるように意図された第６回折光学素子４２に入射することなく、第５回折光学素子４１に入射することができる。同様に、第４回折光学素子３２で回折された第２波長域の光は、第１波長域の光を回折させるように意図された第５回折光学素子４１に入射することなく、第６回折光学素子４２に入射することができる。すなわち、第１波長域の光と第２波長域の光とが同じ基材１１内を導光しても、第２回折光学部材３０と第３回折光学部材４０との間でも、意図されない回折が起こりにくい。したがって、基材１１を１枚にしながら、表示される画像の品質の低下を抑制することができる。

加えて、平面視において、各回折光学素子が基材１１上のずれた位置に設けられているため、各回折光学素子は、基材１１のシート面の法線方向に積層されていない。したがって、回折光学素子同士の界面は形成されていない。このため、回折光学素子が積層されている場合に比べて、反射等の界面における光学的作用を減らすことができる。基材１１内を導光する光が意図しない光学的作用を受けにくくなるため、光を効率よく利用することができる。

また、複数の第３回折光学素子３１は、第１方向ｄ１に互いに離間して配置されている。このため、複数の第３回折光学素子３１が、複数の第４回折光学素子３２と第１方向ｄ１にも第２方向ｄ２にも重ならずに、第２回折光学部材３０において第１方向ｄ１の全体に亘って配置することができる。すなわち、第２回折光学部材３０の全体から、第１波長域の光を回折して第３回折光学部材４０に導光させることができる。

さらに、第１回折光学素子２１における第２波長域の光の透過率は、３０％以上である。言い換えると、第１回折光学素子２１で回折されない波長の光は、第１回折光学素子２１を透過可能になっている。回折させることが意図されていない波長の光を透過させることで、当該回折光学素子において、意図されない波長の光の回折が生じにくくなる。このため、表示される画像の品質の低下を抑制することができる。このため、表示される画像の品質の低下を抑制することができる。

また、光学部材１０は、第５回折光学素子４１及び第６回折光学素子４２の間に設けられた遮光部材７０をさらに備える。とりわけ、第５回折光学素子４１及び第６回折光学素子４２は、遮光部材７０によって形成された開口部７１に配置されている。遮光部材７０によって、第３回折光学部材４０において、基材１１内を導光されている間に少し方向がずれた第１波長域の光が第６回折光学素子４２に入射することを抑制することができ、基材１１内を導光されている間に少し方向がずれた第２波長域の光が第５回折光学素子４１に入射することを抑制することができる。すなわち、第３回折光学部材４０において、意図されない回折が起こりにくい。したがって、表示される画像の品質の低下を抑制することができる。

さらに、第１回折光学素子２１、第２回折光学素子２２、第３回折光学素子３１、第４回折光学素子３２、第５回折光学素子４１及び第６回折光学素子４２の回折格子のパターンのうち少なくとも１つは、凹凸形状によって形成されている。凹凸形状によって形成された回折格子のパターンは、回折効率の調節が容易であり、また、高い回折効率とすることができる。具体的には、各回折光学素子における回折格子のパターンが設けられた領域と設けられていない領域との比率を調節することで、各回折光学素子の回折効率を調節することができる。各回折光学素子において、回折格子のパターンが設けられた領域の比率を増やすことで、回折効率を高くすることができ、回折格子のパターンが設けられていない領域の比率を増やすことで、回折効率を低くすることができる。各回折光学素子において、回折格子のパターンが設けられていない領域は、凹凸形状が設けられていない平坦な領域であってもよいし、他の回折格子のパターンを形成する凹凸形状が設けられた領域となっていてもよい。特に第１回折光学素子２１及び第２回折光学素子２２の回折効率を高くすることにより、表示部５からの画像光を効率よく回折させて、観察者の眼前に表示させることができる。また、特に第３回折光学素子３１、第４回折光学素子３２、第５回折光学素子４１及び第６回折光学素子４２の回折効率を調節することで、光学部材１０から出射する画像光の強度分布を均一化することができる。具体的には、第３回折光学素子３１及び第４回折光学素子３２では、第１回折光学部材２０に近いほど回折効率を低く、第１回折光学部材２０から離間するほど回折効率を高くすることで、第１方向ｄ１において光学部材１０から出射する画像光の強度分布を均一化することができる。また、第５回折光学素子４１及び第６回折光学素子４２では、第２回折光学部材３０に近いほど回折効率を低く、第２回折光学部材３０から離間するほど回折効率を高くすることで、第２方向ｄ２において光学部材１０から出射する画像光の強度分布を均一化することができる。さらには、このような光学部材１０の原版は、容易に作製することができる。

とりわけ、凹凸形状は、基材１１のシート面に対して傾斜した方向に延びている。この場合、回折光学素子によって回折された光の進行方向を一方向に偏らせることができる。すなわち、導光させる方向に光を回折させやすくすることができる。このため、光を効率よく利用することができる。さらに、凹凸形状によって回折される光の波長域を狭めることができる。このため、意図されない波長域の光を回折することが効果的に抑制される。意図されない回折が起こりにくくなることで、表示される画像の品質の低下を抑制することができる。

また、画像光は、レンズ７の全体に入射し、レンズ７において光学的な作用を受ける。言い換えると、レンズ７の全体から画像光が出射する。レンズ７の寸法に対して第１回折光学素子２１、第２回折光学素子２２及び第７回折光学素子２３が十分に小さければ、レンズ７を透過した画像光を第１回折光学素子２１、第２回折光学素子２２及び第７回折光学素子２３に適切に入射させることができる。具体的には、平面視における第１回折光学素子２１の最小寸法及び第２回折光学素子２２の最小寸法は、レンズ７の寸法の１／２以下であることで、好ましくは１／１０以下であることで、より好ましくは１／５０以下であることで、さらに好ましくは１／１００以下であることで、第１回折光学素子２１、第２回折光学素子２２及び第７回折光学素子２３に容易に入射させることができる。さらに、第１回折光学素子２１、第２回折光学素子２２及び第７回折光学素子２３の最小寸法がレンズに比べて十分に小さいことで第１回折光学素子２１、第２回折光学素子２２及び第７回折光学素子２３を第１回折光学部材２０に分散させて配置できるため、第１回折光学部材２０に入射する画像光を波長によってむらが生じることなく回折させることができる。このため、画像光を光学部材１０から波長によってむらが生じることなく出射させることができる。

なお、回折光学素子の最小寸法が小さすぎると、回折光学素子内の回折格子が少なくなって回折効率が低下し、さらに他の回折光学素子との境界が多くなるため、回折光学素子間の境界でのノイズが大きくなって回折効率が低下する。とりわけ、回折光学素子の最小寸法が１μｍ未満となると、回折光学素子の回折効率が著しく低下するため、好ましくない。したがって、回折光学素子の最小寸法は、１μｍ以上であることが好ましく、１０μｍ以上であることがより好ましく、５０μｍ以上であることがさらに好ましく、１００μｍ以上であることがさらにより好ましい。

また、光学部材１０の入射部に設けられた第１回折光学部材２０において、第１回折光学素子２１及び第２回折光学素子２２は、体積ホログラムとなっている。体積ホログラムでは、回折格子の回折効率を比較的高くすることができる。したがって、光学部材１０に入射した画像光を第１回折光学部材２０で効率よく回折して利用することができる。

一方、第１回折光学部材２０からの光を第３回折光学部材４０へ回折させる第２回折光学部材３０において、第３回折光学素子３１及び第４回折光学素子３２は、表面レリーフ型のホログラムとなっている。表面レリーフ型のホログラムは、回折格子において比較的広い角度範囲の光を回折させることができる。すなわち、回折光学素子に入射する光の角度が意図された方向とずれていても、回折されやすくなる。このため、第１回折光学部材２０からの光が意図された角度からずれて第２回折光学部材３０に入射しても、第２回折光学部材３０の第３回折光学素子３１及び第４回折光学素子３２で回折させることができる。とりわけ、第１回折光学素子２１及び第２回折光学素子２２が体積ホログラムである場合、その製造時等に回折光学素子が意図された形状から変形してしまうことがある。変形した回折光学素子における回折格子は、意図された方向に光を回折させにくくなる。第３回折光学素子３１及び第４回折光学素子３２が表面レリーフ型のホログラムとなっていることで、体積ホログラムが変形してしまっても、このような意図された方向からずれた光を回折して利用することができる。

また、光学部材１０の出射部に設けられた第３回折光学部材４０において、第５回折光学素子４１及び第６回折光学素子４２は、表面レリーフ型のホログラムとなっている。表面レリーフ型のホログラムは、回折格子において比較的広い角度範囲の光を回折させることができる。すなわち、回折光学素子に入射する光の角度が意図された方向とずれていても、回折されやすくなる。このため、第２回折光学部材３０からの光が意図された角度からずれて第３回折光学部材４０に入射しても、第３回折光学部材４０の第５回折光学素子４１及び第６回折光学素子４２で回折させて、光学部材１０から出射することができる。すなわち、画像光を効率よく出射して利用することができる。とりわけ、第１回折光学素子２１及び第２回折光学素子２２が体積ホログラムである場合、第２回折光学部材３０からの光は、意図された方向からずれやすくなっている。第５回折光学素子４１及び第６回折光学素子４２が表面レリーフ型のホログラムとなっていることで、このような意図された方向からずれた光を回折して利用することができる。

さらに、体積ホログラムの厚さは、表面レリーフ型のホログラムの厚さより十分に厚い。このため、第１回折光学素子２１及び第２回折光学素子２２が体積ホログラムであり、第３回折光学素子３１、第４回折光学素子３２、第５回折光学素子４１及び第６回折光学素子４２が表面レリーフ型のホログラムであると、第１回折光学素子２１及び第２回折光学素子２２は、基材１１に対して第３回折光学素子３１、第４回折光学素子３２、第５回折光学素子４１及び第６回折光学素子４２より突出することになる。このため、外部の部材は第３回折光学素子３１、第４回折光学素子３２、第５回折光学素子４１及び第６回折光学素子４２に当接しにくくなっている。体積ホログラムによって、表面レリーフ型のホログラムの微細な凹凸形状を、外部からの衝撃から保護することができる。すなわち、体積ホログラムによって、表面レリーフ型のホログラムが損なわれることを抑制することができる。

なお、第１回折光学素子２１に含まれる回折格子の回折効率及び第２回折光学素子２２に含まれる回折格子の回折効率は、適切な範囲にあることが好ましい。例えば、図６に示すように、第１回折光学素子２１において回折格子で回折された光は、基材１１の主面で全反射された後、再度第１回折光学素子２１に入射することがある。再度第１回折光学素子２１に入射した光は、再度第１回折光学素子２１の回折格子で回折され得る。再度回折格子で回折された光は、基材１１内には向かわず、光学部材１０から出射してしまう。このため、第１回折光学素子２１に含まれる回折格子の回折効率が高すぎる場合、複数回にわたって回折格子で回折されると、最終的に第１回折光学部材２０から第２回折光学部材３０に導光される光が少なくなってしまう。本件発明者らが確認したところ、表示部５から入射して第１回折光学素子２１において回折格子で回折された光は、基材１１の主面で全反射された後、１～５回程度、特には４回、再度第１回折光学素子２１に入射することが知見された。

図７は、回折格子の回折効率と一度回折格子で回折された後に再度回折光学素子に入射する回数との関係において、最終的に第１回折光学部材２０から第２回折光学部材３０に導光される光の割合を示している表である。すなわち、表示部５から入射する光を１００％とした場合の、第１回折光学部材２０から第２回折光学部材３０に導光される光の割合を示している。図７から理解されるように、一度回折格子で回折された後に再度回折光学素子に入射する回数が１回以上の場合、回折格子の回折効率は、５０％以下であることが好ましい。また、一度回折格子で回折された後に再度回折光学素子に入射する回数が３回以上の場合、回折格子の回折効率は、１０％以上４０％以下であることが好ましく、１０％以上３０％以下であることがより好ましい。さらに、一度回折格子で回折された後に再度回折光学素子に入射する回数が４回以上の場合、回折格子の回折効率は、１５％以上２５％以下であることが好ましい。

以上のように、本実施の形態の光学部材１０は、基材１１と、基材１１に積層され、第１回折光学素子２１及び第２回折光学素子２２を含む第１回折光学部材２０と、第１回折光学部材２０から第１方向ｄ１にずれた位置において基材１１に積層され、複数の第３回折光学素子３１及び複数の第４回折光学素子３２を含む第２回折光学部材３０と、第２回折光学部材３０から第１方向ｄ１とは非平行な第２方向ｄ２にずれた位置において基材１１に積層され、複数の第５回折光学素子４１及び複数の第６回折光学素子４２を含む第３回折光学部材４０と、を備える光学部材であって、第１回折光学素子２１は、基材１１へ入射する光のうち第１波長域の光を回折して、回折された第１波長域の光が、第１方向ｄ１に基材１１内を導光されるようにし、第２回折光学素子２２は、基材１１へ入射する光のうち第１波長域とは異なる第２波長域の光を回折して、回折された第２波長域の光が、第１方向ｄ１に基材１１内を導光されるようにし、第３回折光学素子３１は、第１波長域の光を回折して、回折された第１波長域の光が、第２方向ｄ２に基材１１内を導光されるようにし、第４回折光学素子３２は、第２波長域の光を回折して、回折された第２波長域の光が、第２方向ｄ２に基材内１１を導光されるようにし、第５回折光学素子４１は、第１波長域の光を回折して、回折された第１波長域の光が、基材１１から出射するようにし、第６回折光学素子４２は、第２波長域の光を回折して、回折された第２波長域の光が、基材１１から出射するようにし、平面視において、第１回折光学素子２１及び第２回折光学素子２２は、第１方向ｄ１に直交する方向にずれた位置に設けられており、平面視において、第３回折光学素子３１及び第４回折光学素子３２は、第１方向ｄ１に直交する方向にずれた位置に設けられている。このような光学部材１０によれば、第１波長域の光と第２波長域の光とが同じ基材１１内を導光しても、第１回折光学部材２０と第２回折光学部材３０との間では、意図されない回折が起こりにくい。したがって、基材１１を１枚にしながら、表示される画像の品質の低下を抑制することができる。

本発明の態様は、上述した個々の実施の形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

例えば、第１回折光学素子２１、第３回折光学素子３１及び第５回折光学素子４１が、青色の波長域の光だけでなく、赤色の波長域の光をも回折するようにしてもよい。言い換えると、第１波長域が、青色の波長域だけでなく赤色の波長域をも含んでいてもよい。すなわち、第１波長域は、６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下及び４００ｎｍ以上４９０ｎｍ以下であってもよい。この場合、第７回折光学素子２３、第８回折光学素子３３及び第９回折光学素子４３は、設けられていなくてもよい。

青色の波長域と赤色の波長域とは、十分に離れているため、同一の回折光学素子で回折しても、回折光学素子内においてそれぞれの波長域に対応した回折格子で回折されるため、意図されない方向に回折されにくい。したがって、第１波長域がこのような２つの色の波長域を含んでいても、表示装置に表示されるべき画像の品質が低下しにくい。

あるいは、第１回折光学素子２１、第３回折光学素子３１及び第５回折光学素子４１が、青色の波長域の光だけでなく、緑色の波長域の光をも回折するようにしてもよい。言い換えると、第１波長域が、青色の波長域だけでなく緑色の波長域をも含んでいてもよい。すなわち、第１波長域は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であってもよい。この場合、第２回折光学素子２２、第４回折光学素子３２及び第６回折光学素子４２が回折する第２波長域の光が赤色であり、第７回折光学素子２３、第８回折光学素子３３及び第９回折光学素子４３は、設けられていなくてもよい。

青色の波長域と緑色の波長域とは近いため、回折光学素子内において１つの波長域として回折格子を対応させることができる。このような回折格子で回折させることで、同一の波長に対応した回折格子で２つの色の波長域の光を回折させることができる。同一の回折格子で回折されるため、意図されない方向に回折されにくい。したがって、第１波長域がこのような２つの色の波長域を含んでいても、表示装置に表示されるべき画像の品質が低下しにくい。

また、表示部５は、第１波長域の光が第１回折光学素子２１にのみ入射し、第２波長域の光が第２回折光学素子２２にのみ入射し、第３波長域の光が第７回折光学素子２３にのみ入射するよう、画像光を出射してもよい。この場合、表示部５から出射する画像光を第１回折光学素子２１、第２回折光学素子２２及び第７回折光学素子２３に効率よく入射させることができる。すなわち、表示部５からの光を効率よく利用することができる。

また、図８に示すように、光学部材１０は、第１回折光学部材２０から第２方向ｄ２にずれた位置において基材１１に積層された第４回折光学部材５０をさらに有していてもよい。この場合、第２回折光学部材３０は、複数の第３回折光学素子３１及び複数の第８回折光学素子３３を含んでいるが、第４回折光学素子３２を含んでいない。一方、第４回折光学部材５０が、第４回折光学素子５１を含んでいる。

図８に示された例では、第２回折光学素子２２で回折された第２波長域の光は、第２方向ｄ２に基材１１内を導光され、第４回折光学部材５０に入射する。第４回折光学部材５０に入射した第２波長域の光は、第４回折光学素子５１によって回折される。第４回折光学素子５１の回折効率は、第１回折光学素子２１の回折効率、第２回折光学素子２２の回折効率や第７回折光学素子２３の回折効率よりも低くなっているため、第４回折光学素子５１の或る位置に入射した第２波長域の光の一部のみが回折されて、第１方向ｄ１に基材１１内を導光される。第４回折光学素子５１の或る位置で回折されなかった光は、その後、第４回折光学素子５１及び基材１１の表面で反射し、再び第４回折光学素子５１に入射する。

図８の例においても、第４回折光学素子５１の回折効率は、第２方向ｄ２に沿った各位置において、第４回折光学素子５１で回折される光の強度が均一となるように調節されている。第４回折光学素子３２の回折効率は、第２方向ｄ２に沿って第１回折光学部材２０から離間するにつれて高くなっている。したがって、第４回折光学素子５１での回折された光の第２方向ｄ２に沿った強度分布は、均一化されて、第３回折光学部材４０に入射する。

第４回折光学素子５１で回折された第２波長域の光は、第１方向ｄ１に沿って第３回折光学部材４０に入射する。一方、第１波長域の光は、上述した実施の形態と同様に、第２方向ｄ２に沿って第３回折光学部材４０に入射する。第３回折光学部材４０において第２波長域の光は、第６回折光学素子４２によって回折されて、基材１１から出射する。

回折光学素子に入射した光を回折させる条件には、回折する光の波長のほかに、回折光学素子に入射する光の角度もある。すなわち、意図された方向から回折光学素子に入射する光は回折されやすく、意図された方向から大きく異なる方向から回折光学素子に入射する光はほとんど回折されない。具体的には、回折光学素子が上述した表面レリーフ型のホログラムである場合、進行方向が凹凸形状の延びる方向に対して大きな角度をなす光は回折されやすく、小さな角度をなす光は回折されにくい。例えば、意図された方向と直交する方向から回折光学素子に入射する光、すなわち進行方向が凹凸形状の延びる方向に対して平行な光は、ほとんど回折されない。

この変形例では、第１波長域の光は、第３回折光学部材４０に第２方向ｄ２に沿って入射し、第２波長域の光は、第３回折光学部材４０に第１方向ｄ１に沿って入射する。そして、第５回折光学素子４１は、第２方向ｄ２に導光されている第１波長域の光を回折するよう設けられており、第６回折光学素子４２は、第１方向ｄ１に導光されている第２波長域の光を回折するよう設けられている。例えば各回折光学素子が上述した表面レリーフ型のホログラムである場合、第５回折光学素子４１の凹凸形状は、第２方向ｄ２に交差する方向に延びており、第６回折光学素子４２の凹凸形状は、第１方向ｄ１に交差する方向に延びている。したがって、第５回折光学素子４１では、第１向ｄ１導光されている第２波長域の光はほとんど回折されず、第６回折光学素子４２では、第２向ｄ２導光されている第１波長域の光はほとんど回折されない。第５回折光学素子４１の凹凸形状が延びる方向と第６回折光学素子４２の凹凸形状が延びる方向とが、６０°以上異なることで、意図されない回折が起こりにくくなり、７５°以上異なることで、意図されない回折がより起こりにくくなり、８５°以上異なることで、意図されない回折がさらに起こりにくくなる。意図されない回折が起こりにくくなることで、表示装置に表示されるべき画像の品質の低下を抑制することができる。

なお、図８に示されているように、この変形例では、第１回折光学部材２０において、第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２に沿って第１回折光学素子２１、第２回折光学素子２２及び第７回折光学素子２３が交互に並べられていてもよい。この場合、第１回折光学部材２０に入射する画像光が、第１回折光学部材２０の全域において各回折光学素子に対応する各波長域の光を回折させることができる。また、第２回折光学部材３０において、第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２に沿って第３回折光学素子３１及び第４回折光学素子３２が交互に並べられていてもよい。この場合、例えば第１回折光学部材２０で回折された第１波長域の光が第１方向ｄ１からずれて導光されたとしても、第２方向ｄ２にずれた位置の第３回折光学素子３１で第１波長域の光を回折することができる。さらに、第３回折光学部材４０において、第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２に沿って第５回折光学素子４１、第６回折光学素子４２及び第９回折光学素子４３が交互に並べられていてもよい。この場合、例えば第２回折光学部材３０で回折された第１波長域の光が第２方向ｄ２からずれて導光されたとしても、第１方向ｄ１にずれた位置の第５回折光学素子４１で第１波長域の光を回折することができる。

また、図８に示されているように、この変形例では、第５回折光学素子４１、第６回折光学素子４２及び第９回折光学素子４３は、格子状の遮光部材７０によって形成された開口部７１に配置されている。これにより、第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２から意図しない波長域の光が入射することが抑制され、意図されない回折が起こりにくくすることができ、表示装置に表示されるべき画像の品質の低下を抑制することができる。

また、第２方向ｄ２に隣り合う２つの第５回折光学素子４１の間に、第３回折光学素子３１、第４回折光学素子３２及び第６回折光学素子４２の少なくとも１つが配置されていてもよい。図９に示された例では、第２方向ｄ２に隣り合う２つの第５回折光学素子４１の間に、第３回折光学素子３１が配置されている。同様に、２つの第６回折光学素子４２の間に、第３回折光学素子３１、第４回折光学素子３２及び第５回折光学素子４１の少なくとも１つが配置されていてもよい。図９に示された例では、２つの第６回折光学素子４２の間に、第４回折光学素子３２が配置されている。

表示部５からの画像光の第１回折光学素子２１への入射角度によっては、第１回折光学素子２１で回折される第１波長域の光は、第１方向ｄ１に沿った方向からずれた方向に導光されることがある。このため、第１回折光学素子２１で回折された第１波長域の光は、第１方向ｄ１に沿った方向からずれた方向に導光されたとしても、第３回折光学素子３１に入射することができる。第２方向ｄ２にずれた方向に配置された第３回折光学素子３１で回折された第１波長域の光は、第２方向ｄ２に沿った方向に回折されるよう、設けられている。

このように、第１回折光学素子２１で回折されて第１方向ｄ１に沿った方向からずれた方向に導光された光を第３回折光学素子３１に入射させることで、第１波長域の光を効率よく利用することができる。また、第３回折光学素子３１の間に第５回折光学素子４１が配置されているため、その第５回折光学素子４１で回折された第１波長域の光は、基材１１から出射する。このため、光学部材１０において、画像光が出射する出射部を広げることができる。

図９に示された例では、２つの第５回折光学素子４１の間に、第３回折光学素子３１が配置されている。このため、第２回折光学素子２２で回折された第２波長域の光及び第７回折光学素子２３で回折された第３波長域の光も、第１方向ｄ１に沿った方向からずれた方向に導光されたとしても、第４回折光学素子３２及び第８回折光学素子３３に入射することができる。したがって、第２波長域の光及び第３波長域の光も、効率よく利用することができる。また、第４回折光学素子３２の間に第６回折光学素子４２が配置されており、第８回折光学素子３３の間に第９回折光学素子４３が配置されているため、光学部材１０において、画像光が出射する出射部を広げることができる。

なお、第１波長域と第３波長域が十分に離れていると、第１波長域の光を回折させる回折光学素子で第３波長域の光はほとんど回折されず、第３波長域の光を回折させる回折光学素子で第１波長域の光はほとんど回折されない。したがって、第１波長域と第３波長域が十分に離れている場合、図９に示す例のように、第１波長域の光を回折させる第３回折光学素子３１と第３波長域の光を回折させる第８回折光学素子３３とは、第１方向ｄ１に沿って並んでいてもよい。

さらに、光学部材１０は、第１回折光学部材２０を基材１１とは反対側から覆う保護層１７を有していてもよい。図１０に示された例のように、保護層１７は、第１回折光学部材２０だけでなく、第２回折光学部材３０、第３回折光学部材４０も基材１１とは反対側から覆うことが好ましい。このような保護層１７は、覆っている各回折光学部材が有する回折光学素子を保護して回折光学素子が傷つくことを防止することができる。保護層１７は、回折光学素子を保護する十分な強度を有している。保護層１７は、例えばポリカーボネート、アクリル樹脂、シクロオレフィンポリマー、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等からなり、とりわけ複屈折率の小さな材料であるポリカーボネート、アクリル樹脂、シクロオレフィンポリマー等からなることが好ましい。また、保護層１７が薄すぎると、保護層１７の剛性が低くなるため、光学部材１０に外部からの力が加わると、保護層１７が変形してしまうことがある。一方、保護層１７が厚すぎると、光学部材１０に熱が加わると、保護層１７が大きく反るように変形してしまう。このような保護層１７の変形を抑制するため、保護層１７の厚さは、適切な範囲にあることが好ましい。具体的には、保護層１７の厚さは、例えば０．２ｍｍ以上３ｍｍ以下であるであることが好ましく、０．４ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることがより好ましい。さらに、光学部材１０の表面強度を向上させるために、保護層１７は、ハードコート処理されていることが好ましい。

このような保護層１７が回折光学部材に接していると、基材内を導光している光が回折光学部材から保護層１７に入射することがある。保護層１７に入射した光を適切に導光させるためには、保護層１７を平坦にすることが求められる。しかしながら、十分な平坦性を有する保護層は、製造することが困難であり、また製造するとしてもコストがかかる。平坦性の低い保護層１７に基材内を導光している光が入射すると、光は適切に保護層１７内を導光されず、表示装置に表示される画像が劣化してしまう。そこで、保護層を回折光学部材から離間した位置に設けて、回折光学部材と保護層との間に空気層を設けることが考えられた。しかしながら、回折光学部材と保護層との間に空気層を設けると、光学部材全体が厚くなってしまう。また、空気層を適切に設けることも困難である。

そこで、図１０に示すように、基材１１と保護層１７との間に、低屈折率層１８を設けることが考えられた。すなわち、光学部材１０は、保護層１７に加え、低屈折率層１８をさらに有している。低屈折率層１８は、基材１１より屈折率が低い材料からなる。低屈折率層１８と基材１１との屈折率の差は、０．１以上であることが好ましく、０．２以上であることがより好ましく、０．３以上であることがより好ましい。低屈折率層１８の屈折率は、例えば１．４以下であり、好ましくは１．３以下であり、より好ましくは１．２以下である。また、低屈折率層１８の厚さは、例えば０．０１μｍ以上１０μｍ以下、好ましくは０．１μｍ以上５μｍ以下である。このような低屈折率層１８は、例えばフッ素樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、中空シリカ、及びこれらの混合物のいずれかを基材１１及び回折光学部材上にコーティングすることで、容易に作製することができる。とりわけ、低屈折率層１８の材料としては、特に屈折率の低いフッ素樹脂、中空シリカからなることが好ましい。また、このように低屈折率層１８を作製することで、回折光学部材に圧力がかかりにくく、したがって低屈折率層１８によって回折光学部材に歪みを生じさせにくくできる。

１ 表示装置
５ 表示部
７ レンズ
１０ 光学部材
１１ 基材
１７ 保護層
１８ 低屈折率層
２０ 第１回折光学部材
２１ 第１回折光学素子
２２ 第２回折光学素子
３０ 第２回折光学部材
３１ 第３回折光学素子
３２ 第４回折光学素子
４０ 第３回折光学部材
４１ 第５回折光学素子
４２ 第６回折光学素子
７０ 遮光部材
７１ 開口部
ｄ１ 第１方向
ｄ２ 第２方向

Claims (19)

1. 基材と、
   前記基材に積層され、第１回折光学素子及び第２回折光学素子を含む第１回折光学部材と、
   前記第１回折光学部材から第１方向にずれた位置において前記基材に積層され、複数の第３回折光学素子及び複数の第４回折光学素子を含む第２回折光学部材と、
   前記第２回折光学部材から前記第１方向とは非平行な第２方向にずれた位置において前記基材に積層され、複数の第５回折光学素子及び複数の第６回折光学素子を含む第３回折光学部材と、を備える光学部材であって、
   前記第１回折光学素子は、前記基材へ入射する光のうち第１波長域の光を回折して、回折された前記第１波長域の光が、前記第１方向に前記基材内を導光されるようにし、
   前記第２回折光学素子は、前記基材へ入射する光のうち前記第１波長域とは異なる第２波長域の光を回折して、回折された前記第２波長域の光が、前記第１方向に前記基材内を導光されるようにし、
   前記第３回折光学素子は、前記第１波長域の光を回折して、回折された前記第１波長域の光が、前記第２方向に前記基材内を導光されるようにし、
   前記第４回折光学素子は、前記第２波長域の光を回折して、回折された前記第２波長域の光が、前記第２方向に前記基材内を導光されるようにし、
   前記第５回折光学素子は、前記第１波長域の光を回折して、回折された前記第１波長域の光が、前記基材から出射するようにし、
   前記第６回折光学素子は、前記第２波長域の光を回折して、回折された前記第２波長域の光が、前記基材から出射するようにし、
   平面視において、前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子は、前記第１方向に直交する方向にずれた位置に設けられており、
   平面視において、前記第３回折光学素子及び前記第４回折光学素子は、前記第１方向に直交する方向にずれた位置に設けられている、光学部材。
2. 平面視において、前記第３回折光学素子及び前記第４回折光学素子は、前記第２方向に直交する方向にずれた位置に設けられており、
   平面視において、前記第５回折光学素子及び前記第６回折光学素子は、前記第２方向に直交する方向にずれた位置に設けられている、請求項１に記載の光学部材。
3. 基材と、
   前記基材に積層され、第１回折光学素子及び第２回折光学素子を含む第１回折光学部材と、
   前記第１回折光学部材から第１方向にずれた位置において前記基材に積層され、複数の第３回折光学素子及び複数の第４回折光学素子を含む第２回折光学部材と、
   前記第２回折光学部材から前記第１方向とは非平行な第２方向にずれた位置において前記基材に積層され、複数の第５回折光学素子及び複数の第６回折光学素子を含む第３回折光学部材と、を備える光学部材であって、
   前記第１回折光学素子は、前記基材へ入射する光のうち第１波長域の光を回折して、回折された前記第１波長域の光が、前記第１方向に前記基材内を導光されるようにし、
   前記第２回折光学素子は、前記基材へ入射する光のうち前記第１波長域とは異なる第２波長域の光を回折して、回折された前記第２波長域の光が、前記第１方向に前記基材内を導光されるようにし、
   前記第３回折光学素子は、前記第１波長域の光を回折して、回折された前記第１波長域の光が、前記第２方向に前記基材内を導光されるようにし、
   前記第４回折光学素子は、前記第２波長域の光を回折して、回折された前記第２波長域の光が、前記第２方向に前記基材内を導光されるようにし、
   前記第５回折光学素子は、前記第１波長域の光を回折して、回折された前記第１波長域の光が、前記基材から出射するようにし、
   前記第６回折光学素子は、前記第２波長域の光を回折して、回折された前記第２波長域の光が、前記基材から出射するようにし、
   平面視において、前記第３回折光学素子及び前記第４回折光学素子は、前記第２方向に直交する方向にずれた位置に設けられており、
   平面視において、前記第５回折光学素子及び前記第６回折光学素子は、前記第２方向に直交する方向にずれた位置に設けられている、光学部材。
4. 複数の前記第３回折光学素子は、前記第１方向に互いに離間して配置されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学部材。
5. 前記第２方向に隣り合う２つの前記第５回折光学素子の間に、前記第３回折光学素子、前記第４回折光学素子及び前記第６回折光学素子の少なくとも１つが配置されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学部材。
6. 前記第１回折光学素子における前記第２波長域の光の透過率は、３０％以上である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学部材。
7. 前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子は、体積ホログラムである、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光学部材。
8. 前記第５回折光学素子及び前記第６回折光学素子は、表面レリーフ型のホログラムである、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光学部材。
9. 前記第３回折光学素子及び前記第４回折光学素子は、表面レリーフ型のホログラムである、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光学部材。
10. 前記第５回折光学素子及び前記第６回折光学素子の間に設けられた遮光部材をさらに備える、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光学部材。
11. 複数の開口部を形成する遮光部材をさらに備え、
    前記第５回折光学素子及び前記第６回折光学素子は、前記開口部に配置されている、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光学部材。
12. 前記第１回折光学素子、前記第２回折光学素子、前記第３回折光学素子、前記第４回折光学素子、前記第５回折光学素子及び前記第６回折光学素子の回折格子のパターンのうち少なくとも１つは、凹凸形状によって形成されている、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光学部材。
13. 前記凹凸形状は、前記基材のシート面に対して傾斜した方向に延びている、請求項１２に記載の光学部材。
14. 前記第１波長域は、６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下及び４００ｎｍ以上４９０ｎｍ以下である、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の光学部材。
15. 前記第１波長域は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下である、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の光学部材。
16. 前記第１回折光学部材を前記基材とは反対側から覆う保護層と、
    前記基材と前記保護層との間に設けられた低屈折率層と、をさらに備える、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の光学部材。
17. 請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の光学部材と、
    前記光学部材の前記第１回折光学部材に対面して配置され、画像光を出射する表示部と、を備える、表示装置。
18. 前記表示部は、前記第１波長域の光が前記第１回折光学素子にのみ入射し、前記第２波長域の光が前記第２回折光学素子にのみ入射するよう、画像光を出射する、請求項１７に記載の表示装置。
19. 前記光学部材と前記表示部との間に配置されたレンズをさらに備え、
    平面視における前記第１回折光学素子の最小寸法及び前記第２回折光学素子の最小寸法は、前記レンズの寸法の１／２以下である、請求項１７または１８に記載の表示装置。

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