WO2022054362A1 - 画像表示素子及びそれを用いた画像表示装置 - Google Patents

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WO2022054362A1
WO2022054362A1 PCT/JP2021/023126 JP2021023126W WO2022054362A1 WO 2022054362 A1 WO2022054362 A1 WO 2022054362A1 JP 2021023126 W JP2021023126 W JP 2021023126W WO 2022054362 A1 WO2022054362 A1 WO 2022054362A1
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WO
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image display
light guide
display element
guide plate
light
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PCT/JP2021/023126
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大輔 冨田
浩行 峯邑
由美子 安齋
秀夫 末永
行伸 多田
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株式会社日立エルジーデータストレージ
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Publication date
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
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    • G—PHYSICS
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    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G02B2027/0174—Head mounted characterised by optical features holographic

Definitions

  • the present invention relates to an image display element having a light guide plate and an image display device using the same.
  • the user can see not only the projected image but also the surroundings at the same time, and the projected image is displayed overlapping with the real world perceived by the user.
  • Applications of these image display devices include video games and wearable devices such as eyeglasses.
  • the user wears glasses or goggle-shaped HMD that integrates a translucent light guide plate and a projection optical system to project on top of the real world. It is possible to visually recognize the image supplied from the optical system.
  • Patent Document 1 is a prior art document in this technical field.
  • the light guide plate is composed of a plurality of uneven diffraction gratings formed on a glass substrate.
  • the light rays emitted from the projection optical system are coupled to the light guide plate by the diffraction grating for incident and propagate inside the light guide plate while being totally reflected.
  • the light beam is totally reflected and propagated in the light guide plate while being converted into a plurality of light rays duplicated by yet another diffraction grating, and finally emitted from the light guide plate.
  • a part of the emitted light beam is imaged on the retina through the user's pupil and recognized as an augmented reality image superimposed on the image in the real world.
  • plastic for the light guide plate since the plastic light guide plate has a smaller mechanical strength (Young's modulus) than the conventional glass light guide plate, there is a problem that the deformation due to the environmental temperature and the atmospheric pressure becomes large.
  • An object of the present invention is to provide an image display element having a configuration in consideration of resistance to environmental changes while using plastic for the light guide plate, and an image display device using the same.
  • the present invention is, for example, an image display element having a light guide plate, in which an incident diffraction grating that diffracts incident light and light diffracted by the incident diffraction grating propagate through the light guide plate and propagate.
  • the incident diffraction grating and the exit diffraction grating are formed by an uneven pattern formed on the surface of the light guide plate, and the light guide plate and the cover glass that protects the uneven pattern, or two or more.
  • the light guide plate is joined by a holding member via an air layer.
  • the light guide plate and the cover glass are made of a plastic material, and the holding member has an air port through which the air in the air layer communicates with the outside air. do.
  • an image display element having a configuration in consideration of resistance to environmental changes and an image display device using the same while using plastic for the light guide plate.
  • This embodiment describes an image display element in which the material of the light guide plate is a plastic material and an image display device using the light guide plate, which is not easily affected by changes in the environment.
  • the terms "resin” and “plastic” are used interchangeably.
  • Plastic means a material made of a polymer compound, and is a concept that does not contain glass but includes resin, polycarbonate, acrylic resin, and photocurable resin.
  • the image display element 10 is composed of a light guide plate 100, an incident diffraction grating 101, an exit diffraction grating 102, a cover glass 200, and a holding member 500.
  • the incident diffraction grating 101 is a linear surface uneven type diffraction element.
  • a blazed grating having high diffracted light efficiency is exemplified, but the type is not particularly limited.
  • the incident diffraction grating 101 is a reflection type diffraction grating formed on the second surface if the surface of the light guide plate 100 on the projection optical system 300 side is the first surface and the opposite side is the second surface. ..
  • a reflection type diffraction grating it is possible to reduce the aspect ratio, which is the height / pitch, by utilizing the reflection having a large deflection effect on the refraction, but the present invention is not limited to this.
  • a diffraction grating may be provided on the first surface and a transmission type may be used. Further, although not shown, it is desirable to add an optical thin film such as a multilayer film having dichroic characteristics such as a dielectric multilayer film to the incident diffraction grating 101 in order to improve the diffraction efficiency. Since the film formed on the incident diffraction grating 101 is optimized according to the specifications of each light guide plate, it is not necessarily limited to the film formed of the dielectric multilayer film, and depending on the design specifications, an aluminum film or the like may be used. It may be a metal film.
  • the light having the image information emitted from the projection optical system 300 is incident on the light guide plate 100 and is incident on the reflection type incident diffraction grating 101.
  • the incident diffraction grating is a diffraction grating having a wave vector component in the Y direction, and the light diffracted by the incident diffraction grating 101 propagates while being totally reflected inside the light guide plate.
  • the refractive index of the light guide plate 100 is used. The larger the difference in the refractive index of the outside world, the better, and it is desirable that the periphery of the light guide plate is air.
  • the light propagating in the light guide plate by total reflection is guided to the exit diffraction grating 102.
  • the details of the configuration of the emission diffraction grating 102 will be described later, but it is a diffraction element having diffraction components in the X and Y directions and having the same pattern period as the incident diffraction grating 101.
  • the emission diffraction grating 102 is described on the same plane as the incident diffraction grating 101 in this embodiment, the present invention is not limited to this, and the exit diffraction grating 102 may be arranged on a different surface from the incident diffraction grating 101.
  • a part of the light diffracted by the emission diffraction grating 102 is emitted from the light guide plate 100, passes through the cover glass 200, and is emitted in the direction of the user's pupil 400.
  • the cover glass 200 is referred to as a cover glass in this embodiment, but the material is a plastic material.
  • the emitted light is not always incident on the user's pupil 400 depending on the position of the user's pupil 400, and in the case of FIG. 1, the position of the user's pupil 400 is different from the emission position, so that the emitted light is not visible to the user. ..
  • the optical path that is not visible to this user is 301. If the user's pupil 400 is approximated to a circle, the emission position in the light guide plate visually recognized by the user according to the pixel position is also a circle. Hereinafter, this will be referred to as an emission circle 303.
  • the diffracted light other than the optical path of the optical path 301 and the non-diffraction component are totally reflected in the light guide plate again, and when they are incident on the emission diffraction grating 102 again, they pass through the cover glass 200 as the light of the optical path 302 and are transmitted by the user. It is emitted in the direction of the pupil 400 of.
  • the position emitted from the light guide plate 100 gradually translates, and the diffracted light of the emission diffraction grating 102 located in the emission circle 303 becomes an optical path 302 and reaches the user's pupil 400. It will be incident and visible to the user.
  • the optical path 301 and the optical path 302 have the same angle of light, they are visually recognized as the same image information when they are incident on the user's pupil 400.
  • the light guided into the light guide plate by the incident diffraction grating 101 is propagated in the Y direction and the X direction (not shown) while repeating total reflection and diffraction by the exit diffraction grating 102, and is emitted from the light guide plate 100. Since the optical path 301 having the same image information can be generated in a wide range, the position of the emission circle 303 corresponding to the position of the user's pupil 400 changes to become the optical path 302 even when the position of the user's pupil 400 changes. Image information can be visually recognized.
  • the incident diffraction grating 101 and the emission diffraction grating 102 have a fine uneven structure, and are diffracted when oil or water of a human hand enters or when some kind of stress is applied. It is likely to impair its function and requires a cover glass 200 to protect these gratings.
  • the image display element 10 is located at a position where the light guide plate 100 and the cover glass 200 do not overlap with the incident diffraction grating 101 and the exit diffraction grating 102 from the viewpoint of preventing dust from entering the air layer 600 between the light guide plate 100 and the cover glass 200. It has a structure in which a certain periphery is sealed with a holding member 500 such as an adhesive.
  • the configuration of the light guide plate 100 and the cover glass 200 is described, but the configuration is not limited to this, and the configuration of the light guide plate is changed according to the required specifications of the light guide plate. As a result, a configuration using a plurality of light guide plates can be considered. Further, there is no problem even if the cover glass is attached to both sides in the same manner.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining that the emission diffraction grating 102 needs to have a diffraction action in the x direction.
  • the projection optical system 300 which is a light source for forming an image
  • the user's pupil 400 are arranged on opposite sides of the light guide plate 100.
  • the arrow in FIG. 2 represents a light ray in the xz plane.
  • the incident diffraction grating 101 does not have a wave vector component in the x direction.
  • the ray 304 in the center of the display image which corresponds to the center of the visual field, travels straight in the xz plane and is delivered to the user's pupil 400, as shown in the figure.
  • the diffraction in the y direction which is the action of the light guide plate 100, is not explicitly expressed, it is diffracted at least once by the incident diffraction grating 101 and the exit diffraction grating 102.
  • the ray 305 around the display image corresponding to the periphery of the visual field travels in the right direction in the figure when there is no diffraction in the x direction.
  • the ray of the same angle it is necessary for the ray of the same angle to reach the user's pupil 400 through the path shown as the ray 306 visually recognized in the figure.
  • the emission circle 303 is a virtual circle on the emission diffraction grating 102, in which the user's pupil 400 is translated in the direction of the light beam to be visually recognized.
  • the emission diffraction grating 102 needs to have a diffraction action in the x direction.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an image display element having two light guide plates.
  • the image display element 10 is composed of two light guide plates 100a and 100b and a cover glass 200, and incident diffraction gratings 101a and 101b and emission diffraction gratings 102a and 102b are formed on the respective light guide plates 100a and 100b. Will be done.
  • the incident diffraction gratings 101a and 101b are linear surface uneven type diffraction gratings similar to the incident diffraction grating 101 in FIG. 1, but the types thereof are particularly limited as in the incident diffraction grating 101 in FIG. is not it.
  • the emission diffraction gratings 102a and 102b have the same pattern period as the incident diffraction gratings 101a and 101b, respectively.
  • a coating layer (not shown) may be formed on the surfaces of the emission diffraction gratings 102a and 102b, respectively.
  • the light guide plates 100a and 100b have different pattern periods P1 and P2, respectively, and the corresponding wavelength ranges are different.
  • P1 ⁇ P2 the light guide plate 100a mainly functions for displaying the short wavelength side of the wavelength range of the color image
  • the light guide plate 100b mainly functions for displaying the long wavelength side.
  • P1 is, for example, 360 nm
  • P2 is, for example, 460 nm.
  • the number of light guide plates is arbitrary, and may be one or a plurality of three or more depending on the wavelength of the light to be handled. It is desirable to change the pattern period of each light guide plate according to the wavelength to be handled.
  • the incident diffraction gratings 101a and 101b are arranged on the surface of the light guide plates 100a and 100b opposite to the incident surface of the image light.
  • the exit diffraction gratings 102a and 102b are formed on the same surface as the incident diffraction gratings 101a and 101b, but the incident diffraction gratings 101a and 101 and the emission diffraction gratings 102a and 102b are formed on opposite surfaces, respectively. It is also possible.
  • the outgoing diffraction gratings 102a and 102b may have the same linear stripe shape as the incident diffraction gratings 101a and 101b, or may have a mesh shape.
  • the emission diffraction gratings 102a and 102b are basically formed on only one surface of the light guide plates 100a and 100b. That is, in the example of FIG. 3, the surfaces of the light guide plates 100a and 100b on the opposite sides of the emission diffraction gratings 102a and 102 are basically flat without a pattern.
  • the surface opposite to the exit diffraction gratings 102a and 102 is substantially not diffracted and the light rays are ideally totally reflected. If one emission diffraction grating is dispersedly arranged on both surfaces of the light guide plates 100a and 100b, the positional deviation of both diffraction gratings may occur due to thermal expansion of the light guide plate or the like.
  • the light rays including the image information emitted from the projection optical system 300 can be visually recognized by the user's pupil 400.
  • the light from the projection optical system 300 is incident on the image display element 10 from the side opposite to the user's pupil 400.
  • the projection optical system 300 it is not necessary for the projection optical system 300 to be physically arranged on the opposite side of the user's pupil 400, and the light rays from the projection optical system 300 arranged at an arbitrary position can be arbitrarily directed by a mirror or the like on the light guide plates 100a and 100b. It suffices to make it incident from the surface of.
  • FIG. 4 is a simulation result of the range of the display image for each light guide plate of the light guide plate described with reference to FIG. 3, and shows a screen image.
  • FIG. 3 a case of a light guide plate composed of two light guide plates 100a (for short wavelength) and 100b (for long wavelength) is shown.
  • the pitch of the input / output diffraction grating is 360 nm for the light guide plate 100a (for short wavelength), 460 nm for the light guide plate 100b (for long wavelength), the diagonal viewing angle of the display image is 35 degrees, and the aspect ratio is 16: 9.
  • the display range indicated by the white part in the figure
  • the light guide plate 100a is a part of the B image (blue display image) and the G image (green display image).
  • the light guide plate 100b contributes to the display of a part of the G image (green display image) and the R image (red display image).
  • the incident diffraction grating 101a provided on the light guide plate 100a in FIG. 3 reflects and diffracts the B wavelength (blue wavelength) with a large diffraction efficiency, and reflects and diffracts the G wavelength (green wavelength) with a smaller diffraction efficiency. It can be seen that it is desirable to almost transmit the wavelength (red wavelength). This means that strong wavelength dependence is required for diffraction efficiency.
  • a dichroic film is known as an optical element that reflects such a short wavelength ray and transmits a long wavelength ray, and can be realized by a dielectric multilayer thin film formed on a transparent substrate.
  • FIG. 5 is a schematic configuration diagram of an image display element when the arrangement of the incident diffraction grating 101b and the emission diffraction grating 102b of the light guide plate 100b is arranged on the projection optical system 300 side with respect to the light guide plate described with reference to FIG. ..
  • the incident diffraction grating 101b and the emission diffraction grating 102b of the light guide plate 100b are arranged on the projection optical system 300 side.
  • the uneven pattern of the incident diffraction grating 101b and the emission diffraction grating 102b can be arranged in the image display element 10.
  • the configuration is such that the cover glass for protecting the uneven pattern is removed to avoid direct interference from the outside.
  • the incident diffraction grating 101 is a reflection type diffraction grating, but even with this configuration, it is possible to function as a light guide plate as in FIG.
  • the resolution of the human eye is generally defined as visual acuity, and with a visual acuity of 1.0, a visual angle of 1/60 degree can be visually recognized. For this reason, the light emitted from the light guide plate 100 needs to be emitted with an error of 1/60 degree or less as a guideline for retaining the image information. Since total reflection is repeatedly propagated in the light guide plate, the relative angle of the surface must be 1/120 degrees or less if the amount of inclination of the surface required for the light guide plate is 1/60 degrees. With a light guide plate made of plastic, which has a lower mechanical strength (Young's modulus) than that of conventional glass, surface distortion due to temperature changes caused by changes in the environment becomes a problem.
  • the plastic light guide plate which has a lower mechanical strength (Young's modulus) than the conventional glass, is prone to distortion due to changes in the environmental temperature. Further, since the air in the air layer 600 between the light guide plate 100 and the cover glass 200 expands and contracts due to a change in the environmental temperature, the air pressure between the air layer and the outside air when the conventional sealing configuration is adopted. There is a problem that a difference occurs and the light guide plate 100 is distorted.
  • FIG. 6 shows the user's pupil when the light guide plate 100 and the cover glass 200 are distorted due to the air expansion of the air layer 600 between the light guide plate 100 and the cover glass 200 in the image display element having the configuration shown in FIG. It is explanatory drawing which illustrated the optical path visually recognized by 400.
  • FIG. 6 due to the distortion of the light guide plate 100, light having different angles of optical paths is mixed, and the visually recognized image information is deteriorated. Therefore, it is necessary to make the light guide plate that can be used in any environment from a plastic material to withstand expansion and contraction due to environmental changes.
  • FIG. 7 is a schematic configuration diagram of an image display element in the present embodiment in which a plastic material is used for the light guide plate and the configuration is such that it can withstand changes in the environmental temperature.
  • the air in the air layer 600 communicates with the outside air through a part of the holding member 500 of the light guide plate 100 and the cover glass 200, and the air can come and go.
  • Air port 501 is provided. By connecting the air layer 600 and the outside air, the air port 501 can reduce the atmospheric pressure difference between the air layer 600 and the outside air due to the change in the environmental temperature and suppress the distortion of the light guide plate 100 due to the temperature change.
  • the air port 501 it is desirable to have one air port 501 because it is necessary to minimize the intrusion of dust and moisture. By doing so, the traffic of air can be limited to those due to the difference in atmospheric pressure. Further, regarding the formation position of the air port 501, it is more effective to position the air port 501 inside the cover of the device than to project outside the image display device which is easily touched by humans in order to prevent the intrusion of water and dust from the outside world. , It is desirable to form it at the end around the incident diffraction grating 101. By configuring the air port 501 in this way, it is possible to construct a plastic light guide plate capable of reducing distortion with respect to the environmental temperature.
  • FIG. 8 is a schematic configuration diagram of an image display element to which the air vent described in FIG. 7 is added.
  • (a) is an exploded view
  • (b) is a view after joining (a).
  • a holding member 500 is provided between the light guide plate 100 and the cover glass 200, and the light guide plate 100 and the cover glass 200 are fixed around by the holding member 500.
  • the holding member 500 has an adhesive on a film, and an air port 501 is formed by spatially opening a part of the adhesive. As a result, the atmospheric pressure difference between the outside air and the air layer can be reduced.
  • FIG. 8 (c) and 8 (d) are structural views of an image display element having two light guide plates described with reference to FIG. 3, where (c) is an exploded view and (d) is (c). It is a figure after joining.
  • the air port 501 is formed by spatially opening a part of the holding member 500 in the same manner as in (a) and (b), and one for one joint. By providing an air port, the pressure difference between the outside air and the air layer can be reduced.
  • FIG. 9 is a schematic configuration diagram of an image display element that changes the shape of the light guide plate to form an air port.
  • (a) is an exploded view
  • (b) is a view after joining (a).
  • a step is provided around the light guide plate 100, and when the light guide plate 100 is bonded as shown in (b), an air port is provided by the height of the peripheral step added to the light guide plate 100.
  • the light guide plate and the holding member are integrally molded of plastic, and a portion having no notched step is formed in a part of the step portion, so that the air port 501 can be formed at the time of pasting. Even with this configuration, the pressure difference between the outside air and the air layer can be reduced.
  • FIG. 9 (c) and 9 (d) are configuration diagrams of an image display element having two light guide plates described in FIG. 3, where (c) is an exploded view and (d) is (c). It is a figure after joining.
  • a step is provided around the light guide plate 100 in the same manner as in (a) and (b), and a portion where a step is not provided in a notch shape is formed in a part of the step portion.
  • FIG. 10 is a schematic configuration diagram of an image display element in which a filter 700 is added so that minute dust and moisture do not enter the air vents 501 shown in FIGS. 8 and 9.
  • a filter 700 By adding the filter 700, it is possible to prevent the intrusion of dust due to the traffic of air generated when the pressure difference with the outside air is generated.
  • FIG. 11 is a schematic partial configuration diagram of an image display device including an image display element for explaining the installation position of the air port.
  • 11A and 11B are a perspective view of the image display device
  • FIG. 11B is a side view of the image display device.
  • the image display element 10 is held by the frame 800 together with the projection optical system 300 and used in the image display device. It is desirable that the air port 501 is inside the frame 800 because it is necessary that fine dust and moisture do not enter.
  • FIG. 12 is a schematic configuration diagram of the image display device in this embodiment.
  • the image display device includes an image display element 10, a projection optical system 300, and a display image control unit 350 that controls the projection optical system 300.
  • the image display element 10 is made compact by combining a light guide plate and a diffractive element, and plastic is used as the material of the light guide plate 100 in order to reduce the weight. Since the reflection type incident diffraction grating 101 reflects light inside the light guide plate 100, it is arranged on a surface (second surface) opposite to the incident surface (first surface) of the image light beam on the light guide plate 100. ..
  • a multilayer dielectric film is effective as a configuration example of the incident diffraction grating 101 because of its excellent wavelength selectivity.
  • a high diffraction efficiency can be obtained with a low aspect ratio by using a lattice-shaped diffraction grating.
  • the configuration of the image display element 10 is not limited to the above, and various configurations of the incident diffraction grating and the emission diffraction grating can be considered. Even in that case, the diffraction efficiency is improved and the brightness is improved by controlling the characteristics of the formed film according to the reflected diffraction efficiency and the transmitted diffraction efficiency required for the incident diffraction grating and the outgoing diffraction grating, respectively. Can be done.
  • the light having the image information emitted from the projection optical system 300 is delivered to the user's pupil 400 by the action of the light guide plate 100, and realizes augmented reality.
  • the pitch and depth of the formed diffraction grating are optimized according to each color.
  • image information is provided from information processing devices such as smartphones and personal computers (not shown).
  • the image display device may be, for example, an HMD.
  • an image forming apparatus composed of a reflective or transmissive spatial light modulator, a light source, and a lens, and an image using an organic and inorganic EL (Electro Luminescence) element array and a lens.
  • a widely known projector can be used, such as a forming device, an image forming device using a light emitting diode array and a lens, and an image forming device combining a light source and a semiconductor MEMS mirror array and a lens.
  • the spatial light modulator include a transmissive or reflective liquid crystal display device such as LCOS (Liquid Crystal On Silicon) and a digital micromirror device (DMD), and the light source is a white light source separated by RGB. It is also possible to use an LED or a laser corresponding to each color.
  • LCOS Liquid Crystal On Silicon
  • DMD digital micromirror device
  • the reflection type spatial light modulator reflects a part of the light from the liquid crystal display device and the light source and guides the light to the liquid crystal display device, and also receives a part of the light reflected by the liquid crystal display device.
  • It can be configured to consist of a polarizing beam splitter that passes through and leads to a collimating optical system using a lens.
  • the light emitting element constituting the light source include a red light emitting element, a green light emitting element, a blue light emitting element, and a white light emitting element.
  • the number of pixels may be determined based on the specifications required for the image display device, and as specific values of the number of pixels, in addition to the 1280x720 shown above, 320 ⁇ 240, 432 ⁇ 240, 640 ⁇ 480. 1024 ⁇ 768 and 1920 ⁇ 1080 can be exemplified.
  • the light rays including the image information emitted from the projection optical system 300 are positioned so as to be irradiated to each incident diffraction grating of the light guide plate 100, and integrated with the image display element 10. Is formed.
  • a mesh type diffraction grating is used as an emission diffraction grating, and the material is integrally molded with a material having the same refractive index as the waveguide by an injection molding method or the like.
  • the image display device also includes a touch sensor, a temperature sensor, and an acceleration sensor for acquiring information on the user and the outside world. It may be provided with various sensors such as, and an eye tracking mechanism for measuring the movement of the user's eyes.
  • the change in the air pressure in the air layer between the light guide plates due to the change in the environment is reduced while using plastic for the light guide plate. It is possible to guide good image information to the user's eyes, and it is possible to reduce the processing cost and weight.

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  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Abstract

導光板にプラスチックを用いつつ、環境変化に対する耐性を考慮した構成の画像表示素子及びそれを用いた画像表示装置を提供することを目的とする。　上記目的を達成するために、導光板を有する画像表示素子であって、入射した光を回折する入射回折格子と、入射回折格子で回折された光が導光板内を伝搬し、伝搬した光が出射する出射回折格子を備え、入射回折格子と出射回折格子は、導光板の面に形成された凹凸パターンにより形成され、導光板と凹凸パターンを保護するカバーガラス、もしくは２つ以上の導光板を空気層を介して保持部材により接合したものであって、導光板とカバーガラスはプラスチック材で形成され、保持部材は、空気層内の空気が外気と連通する空気口を有する構成とする。

Description

画像表示素子及びそれを用いた画像表示装置
　本発明は、導光板を有する画像表示素子及びそれを用いた画像表示装置に関する。
　拡張現実を実現する画像表示装置では、ユーザは、投影されるイメージだけでなく周囲を見ることも同時に可能であり、投影されたイメージは、ユーザによって知覚される現実世界に重なって表示される。これらの画像表示装置の用途として、ビデオゲームや、眼鏡のようなウェアラブルデバイスなどが挙げられる。例えば、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ：Head Mounted Display）の場合は、ユーザは半透明な導光板と投射光学系が一体となった眼鏡もしくはゴーグル状のＨＭＤを装着することで、現実世界に重ねて投射光学系から供給される画像を視認することが可能である。
　本技術分野における先行技術文献として特許文献１がある。特許文献１では、導光板はガラス製の基板に形成された複数の凹凸形状の回折格子から構成されている。投射光学系から出射した光線は、入射用の回折格子によって導光板へと結合され全反射しながら導光板内部を伝搬する。光線はさらに別の回折格子によって複製された複数の光線に変換されながら導光板内を全反射伝搬し、最終的に導光板から出射する。出射した光線の一部はユーザの瞳を介して網膜に結像され、現実世界の画像に重なった拡張現実画像として認識される。
特表２０１７－５２８７３９号公報
　特許文献１では、導光板の基板材料に関し、ガラス材料を用いる技術を開示している。また、回折格子に関しては、導波路（＝ガラスプレート）表面をエッチングによって加工して形成する技術を開示している。ここで、特許文献１が開示するように導光板にガラスを用いる場合、加工のコストとユーザの装着時の重量に課題がある。
　そこで、導光板にプラスチックを用いることで、この課題を解決することが考えられる。しかしながら、従来のガラス製の導光板に比較してプラスチック製の導光板は機械強度（ヤング率）が小さいため、環境温度や気圧による変形が大きくなるという課題がある。
　本発明の目的は、導光板にプラスチックを用いつつ、環境変化に対する耐性を考慮した構成の画像表示素子及びそれを用いた画像表示装置を提供することである。
　本発明は、その一例を挙げるならば、導光板を有する画像表示素子であって、入射した光を回折する入射回折格子と、入射回折格子で回折された光が導光板内を伝搬し、伝搬した光が出射する出射回折格子を備え、入射回折格子と出射回折格子は、導光板の面に形成された凹凸パターンにより形成され、導光板と凹凸パターンを保護するカバーガラス、もしくは２つ以上の導光板を空気層を介して保持部材により接合したものであって、導光板とカバーガラスはプラスチック材で形成され、保持部材は、空気層内の空気が外気と連通する空気口を有する構成とする。
　本発明によれば、導光板にプラスチックを用いつつ、環境変化に対する耐性を考慮した構成の画像表示素子及びそれを用いた画像表示装置を提供することができる。
実施例における回折格子を用いた導光板を含んだ画像表示素子の構成模式図である。 実施例における出射回折格子において、ｘ方向に回折作用が必要とする説明図である。 実施例における導光板２枚とカバーガラス１枚で構成された画像表示素子の構成模式図である。 図３で説明した画像表示素子の表示像の範囲のシミュレーション結果である。 実施例における導光板２枚で構成された画像表示素子の構成模式図である。 実施例における環境温度が変化したときの導光板の歪みによる光路の状態を示した説明図である。 本実施例における空気口を備えた画像表示素子の構成模式図である。 本実施例における接着剤を利用し空気口を形成した画像表示素子の構成模式図である。 本実施例における導光板の周囲に段差を設け、一部に切り欠きを設けた構成として空気口を形成した画像表示素子の構成模式図である。 本実施例における空気口をフィルタで保護した構成の画像表示素子の構成模式図である。 本実施例におけるフレーム内に空気口が存在するように構成した画像表示素子を含んだ画像表示装置の部分構成模式図である。 本実施例における画像表示素子を含んだ画像表示装置の構成模式図である。
　以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
　本実施例は、導光板の材料がプラスチック材料である画像表示素子及びそれを用いた画像表示装置において、環境の変化に対し影響を受けにくい導光板について説明する。なお、本実施例では「樹脂」と「プラスチック」の語は同義で用いる。プラスチックは高分子化合物からなる材料を意味し、ガラスを含まず、レジン、ポリカーボネート、アクリル樹脂、光硬化樹脂を含む概念である。
　導光板を含む画像表示素子の一例を図１にて説明する。図１において、画像表示素子１０は、導光板１００と入射回折格子１０１と出射回折格子１０２とカバーガラス２００と保持部材５００で構成される。
　入射回折格子１０１は、直線状の表面凹凸型の回折素子である。入射回折格子１０１としては回折光効率が高いブレーズ型回折光（blazed grating）を例示しているが、種類を特に限定するものではない。また、図１では入射回折格子１０１を投射光学系３００側の導光板１００の面を第１面、反対側を第２面とするならば第２面に形成された反射型の回折格子である。反射型回折格子とすることにより、屈折に対し偏向作用の大きな反射を利用することにより、高さ/ピッチであるアスペクト比の低減化を図ることが可能であるが、これに限定するものではなく第１面に回折格子を備え透過型としてもかまわない。また、図示してはいないが、入射回折格子１０１には、誘電体多層膜などのダイクロイック特性を持った多層膜などの光学薄膜を追加した構成が回折効率を向上させるうえで望ましい。なお入射回折格子１０１に形成する膜については、各導光板の仕様により最適化されるため、必ずしも誘電体多層膜で形成されているものとは限るものではなく、設計仕様によってはアルミ膜などの金属膜でも構わない。
　投射光学系３００から出射された画像情報を持った光は、導光板１００に入射し、反射型の入射回折格子１０１に入射される。入射回折格子は、Ｙ方向に波数ベクトル成分を持った回折格子であり、入射回折格子１０１で回折された光は、導光板内部を全反射しながら伝搬する。この時、導光板内部を全反射させる為には、スネルの法則に従った全反射条件を満たす必要があり、より大きな範囲の角度成分を全反射させる為には、導光板１００の屈折率と外界の屈折率の差が大きいほどよく、導光板の周囲は空気であることが望ましい。
　全反射にて導光板内を伝搬した光は、出射回折格子１０２へと導かれる。出射回折格子１０２の構成についての詳細は後述するが、Ｘ及びＹ方向に回折成分をもち、それぞれのパターン周期が入射回折格子１０１と同じとなる回折素子である。なお、出射回折格子１０２は、本実施例において入射回折格子１０１と同一平面上に記載しているが、それに限定するものではなく、入射回折格子１０１と別の面に配置してもよい。
　出射回折格子１０２で回折した光の一部は、導光板１００より出射しカバーガラス２００を透過し、ユーザの瞳４００の方向に出射される。カバーガラス２００は、本実施例ではカバーガラスと称しているが材料はプラスチック材である。
　出射された光は、ユーザの瞳４００の位置により、必ずしもユーザの瞳４００に入射するとは限らず、図１の場合にはユーザの瞳４００の位置が出射位置と異なる為、ユーザには視認されない。このユーザには視認されない光路を３０１とする。ここでユーザの瞳４００を円形に近似すると、ピクセル位置に応じてユーザに視認される導光板内の出射位置も円形となる。以下、これを出射円３０３と呼ぶことにする。出射回折格子にて光路３０１の光路以外の回折光および回折しない成分は導光板内を再び全反射し、再度出射回折格子１０２に入射することで光路３０２の光としてカバーガラス２００を透過し、ユーザの瞳４００の方向に出射される。このように全反射と回折を繰り返すことにより、導光板１００より出射される位置は徐々に平行移動し、出射円３０３内に位置した出射回折格子１０２の回折光が光路３０２となりユーザの瞳４００に入射し、ユーザに視認されることとなる。
　光路３０１と光路３０２は光の角度は同一のものとなることから、ユーザの瞳４００内に入射した時には、同じ画像情報として視認される。このように入射回折格子１０１にて導光板内に導かれた光は、全反射と出射回折格子１０２による回折を繰り返しながらＹ方向と、図示しないがＸ方向に伝搬し導光板１００から出射することで同一の画像情報をもつ光路３０１を広範囲に生成することができることから、ユーザの瞳４００の位置が変わった場合においてもユーザの瞳４００の位置に対応した出射円３０３の位置が変わり光路３０２となり画像情報を視認できる。
　また、一般的に、入射回折格子１０１および出射回折格子１０２は、微細な凹凸構造であり、人の手の油や、水が入った場合や、何らかの応力などが加わった場合などには、回折機能を阻害する可能性が高く、これらの回折格子の保護の為にカバーガラス２００を必要とする。
　画像表示素子１０は、導光板１００とカバーガラス２００の間の空気層６００にゴミの侵入を防ぐ観点から、導光板１００とカバーガラス２００の入射回折格子１０１および出射回折格子１０２と重ならない位置である周囲を、接着剤などの保持部材５００で封止する構造を有する。
　なお、本実施例では、説明簡略化の為、導光板１００とカバーガラス２００各１枚の構成にて説明したが、これに限ることではなく、導光板の要求仕様により導光板の構成が変更された結果、複数枚の導光板を用いた構成が考えられる。また、カバーガラスにおいても同様に両面につけても問題はない。
　図２は、出射回折格子１０２がｘ方向に回折作用が必要であることを説明する図である。ここでは画像を形成するための光源である投射光学系３００とユーザの瞳４００が、導光板１００に対して反対側に配置される場合を示している。入射回折格子１０１の波数ベクトルがｙ方向を向くとして、図２中の矢印はｘ－ｚ面内の光線を表す。ここでは入射回折格子１０１がｘ方向の波数ベクトル成分を持たないとする。
　ユーザに視認される映像光線のうち、視野の中央に対応する、表示像の中央の光線３０４は図に示すように、ｘ－ｚ面内を直進してユーザの瞳４００に届けられる。導光板１００の作用であるｙ方向への回折は明示的には表現されていないが、入射回折格子１０１と出射回折格子１０２で少なくとも各１回は回折されている。
　一方、ユーザに視認される映像光線のうち、視野周辺に対応する、表示像の周辺の光線３０５はｘ方向の回折がない場合には図中、右側の方向に進行する。一方で、ユーザがこの光線を投影像として認識するためには、図中、視認される光線３０６として示した経路を通って、同じ角度の光線がユーザの瞳４００に届く必要がある。出射円３０３は、出射回折格子１０２上にあって、視認される光線の方向にユーザの瞳４００を平行移動した仮想的な円である。出射回折格子１０２上の出射円３０３から出射した光線３０６のみがユーザに投影像として認識され、それ以外の光線は認識されない。このように、出射回折格子１０２にはｘ方向の回折作用が必要である。
　図３は、導光板を２枚構成とした画像表示素子の構成模式図である。ここでは画像表示素子１０は２枚の導光板１００ａ、１００ｂ、およびカバーガラス２００から構成されており、それぞれの導光板１００ａ、１００ｂには入射回折格子１０１ａ、１０１ｂ、出射回折格子１０２ａ、１０２ｂが形成される。
　入射回折格子１０１ａ、１０１ｂは、図１での入射回折格子１０１と同様で直線状の表面凹凸型の回折格子であるが、図１での入射回折格子１０１と同様にその種類は特に限定するものではない。
　出射回折格子１０２ａ、１０２ｂは、それぞれパターン周期が入射回折格子１０１ａ、１０１ｂと同じである。出射回折格子１０２ａ、１０２ｂの表面には、図示しないがそれぞれコーティング層が形成されてもよい。
　導光板１００ａ、１００ｂはそれぞれ異なるパターン周期Ｐ１、Ｐ２をもち、対応する波長範囲が異なっている。Ｐ１＜Ｐ２とした場合、導光板１００ａはカラー画像の波長範囲のうち短波長側の表示に主に機能し、導光板１００ｂは長波長側の表示に主に機能する。Ｐ１は例えば３６０ｎｍであり、Ｐ２は例えば４６０ｎｍである。導光板の数は任意であり、取り扱う光の波長に応じて一つあるいは３以上の複数でもよい。各導光板のパターン周期は、取り扱う波長に応じて変えることが望ましい。
　前述の理由により、入射回折格子１０１ａ、１０１ｂは導光板１００ａ、１００ｂの映像光の入射面と反対側の面に配置されている。本実施例において、出射回折格子１０２ａ、１０２ｂは入射回折格子１０１ａ、１０１ｂと同じ面に形成されているが、入射回折格子１０１ａ、１０１と出射回折格子１０２ａ、１０２ｂをそれぞれ反対側の面に形成することも可能である。
　出射回折格子１０２ａ、１０２ｂ形状は、入射回折格子１０１ａ、１０１ｂと同様の直線ストライプ形状でもよいし、メッシュ形状でもよい。本実施例では、出射回折格子１０２ａ、１０２ｂは基本的に導光板１００ａ、１００ｂの一つの面にのみ形成されている。すなわち、図３の例では、導光板１００ａ、１００ｂの出射回折格子１０２ａ、１０２と反対側の面は、パターンがなく基本的に平坦である。出射回折格子１０２ａ、１０２と反対側の面は、実質的に回折が起こらず光線は理想的には全反射する。導光板１００ａ、１００ｂの両面に一つの出射回折格子を分散して配置すると、導光板の熱膨張等で両方の回折格子の位置ずれが生じる可能性がある。
　このような構成によって、投射光学系３００から出射した画像情報を含む光線はユーザの瞳４００により視認が可能である。投射光学系３００からの光は、画像表示素子１０に対してユーザの瞳４００と反対側から入射する。ただし、投射光学系３００が物理的にユーザの瞳４００と反対側に配置される必要はなく、任意の位置に配置した投射光学系３００からの光線を、ミラー等で導光板１００ａ、１００ｂの任意の面から入射させるようにすればよい。
　図４は図３で説明した導光板の導光板ごとの表示像の範囲のシミュレーション結果であり、画面イメージを示している。ここでは、図３に示したように２枚の導光板１００ａ（短波長用）、１００ｂ（長波長用）で構成された導光板の場合について示す。入出射回折格子のピッチは導光板１００ａ（短波長用）が３６０ｎｍ、導光板１００ｂ（長波長用）が４６０ｎｍ、表示像の対角視野角は３５度、アスペクト比は１６：９である。図４に示すように、各導光板の画像の表示範囲（図中の白い部分で示される）が異なることが判る。
　こうした構成では、表示像の色を一般的にＲ(赤)Ｇ（緑）Ｂ（青）とすると、導光板１００ａはＢ像（青色表示像）とＧ像（緑色表示像）の一部の表示に寄与し、導光板１００ｂはＧ像（緑色表示像）の一部とＲ像（赤色表示像）の表示に寄与している。図３における導光板１００ａに設けられた入射回折格子１０１ａは、Ｂ波長（青色波長）を大きな回折効率で反射回折し、Ｇ波長（緑色波長）をそれよりも小さな回折効率で反射回折し、Ｒ波長（赤色波長）をほぼ透過することが望ましいことが判る。これは回折効率に強い波長依存性が求められることを意味する。
　一般に、このような短波長の光線を反射し、長波長の光線を透過する光学素子として、ダイクロイック・フィルムが知られており、透明基板上に形成された誘電体多層薄膜で実現できる。
　図５は、図３で説明した導光板に対し、導光板１００ｂの入射回折格子１０１ｂおよび出射回折格子１０２ｂの配置を、投射光学系３００側に配置したときの画像表示素子の構成模式図である。導光板１００ｂの入射回折格子１０１ｂおよび出射回折格子１０２ｂの配置を投射光学系３００側に配置することで、入射回折格子１０１ｂおよび出射回折格子１０２ｂの凹凸パターンを画像表示素子１０内に配置することで、外部からの直接的な干渉をさけ、凹凸パターンの保護用のカバーガラスを削除した構成である。図１でも説明したとおり、入射回折格子１０１は、反射型回折格子とする方が望ましいが、本構成であっても図３と同様に導光板として機能を果たすことは可能である。
　ここで人の目の解像度について説明する。人の目の解像度は一般的に視力として定義されており、視力１．０では１／６０度の視角を視認することができる。このことから、導光板１００より出射される光は、画像情報を保持する目安として、１／６０度以下の誤差で出射する必要がある。導光板内では、全反射を繰り返し伝搬する為、導光板に求められる面の傾き量は、１/６０度で出射するのであれば面の相対角度は１／１２０度以下にする必要があり、従来のガラス製に比較して機械強度（ヤング率）の小さいプラスチック製の導光板では環境の変化などで生じる温度変化による面の歪みが課題となる。
　続いて、導光板１００にプラスチック材を用いた時の課題について詳細に説明する。従来のガラス製に比較して機械強度（ヤング率）の小さいプラスチック製の導光板は環境温度が変化することで歪みが生じやすい。また、導光板１００とカバーガラス２００との間の空気層６００内の空気は、環境温度の変化により膨張収縮する為、従来のような封止構成をとった場合、空気層と外気との気圧差が生じ、導光板１００をゆがめてしまうという課題がある。
　図６は、図１に示した構成の画像表示素子において、導光板１００とカバーガラス２００との間の空気層６００の空気膨張により、導光板１００とカバーガラス２００が歪んだときのユーザの瞳４００に視認される光路を図示した説明図である。図６に示すように、導光板の１００の歪みにより、光路の角度が異なる光が混在するようになり視認される画像情報を劣化させる。よってどのような環境下においても使用可能とする導光板をプラスチック材にて構成するのは環境変化による膨張収縮に耐えうる必要がある。
　図７は、本実施例における、導光板にプラスチック材を用い環境温度の変化に耐えうる構成とした画像表示素子の構成模式図である。図７において、図１で説明した画像表示素子１０の構成に対し、導光板１００とカバーガラス２００との保持部材５００の一部に空気層６００内の空気が外気と連通し空気の行き来が可能な空気口５０１を設ける。空気口５０１は、空気層６００と外気とをつなぐことにより、環境温度の変化による空気層６００と外気との気圧差を低減し温度変化による導光板１００の歪みを抑制することが可能となる。また、空気口５０１については、ゴミや水分の侵入を最低限にする必要があることから空気口５０１は１つとすることが望ましい。このようにすることにより、空気の行き来は気圧差によるものだけに限定することができる。また、空気口５０１の形成位置については、人が触れやすい画像表示装置外に突出するよりも、装置のカバー内部に位置することが外界からの水やゴミの侵入から防ぐ上で効果的であり、入射回折格子１０１周辺の端部に形成することが望ましい。このように空気口５０１を構成することで環境温度に対し歪みを軽減することが可能なプラスチック製導光板を構成可能となる。
　次に図８は図７で説明した空気口を追加した画像表示素子の構成模式図である。なお、図８において、（ａ）は分解図、（ｂ）は（ａ）の接合後の図である。（ａ）、（ｂ）に示すように、導光板１００とカバーガラス２００との間に保持部材５００を有し、導光板１００とカバーガラス２００は保持部材５００によって周囲を固定される。このとき保持部材５００は接着剤をフィルム上にしたものであり、この接着剤の一部を空間的に空けることにより空気口５０１を形成する。これにより、外気と空気層との気圧差を低減できる。
　また、図８の（ｃ）および（ｄ）は、図３にて説明した導光板が２枚構成の画像表示素子の構成図であり、（ｃ）は分解図、（ｄ）は（ｃ）の接合後の図である。（ｃ）、（ｄ）に示すように、（ａ）、（ｂ）と同様に保持部材５００の一部を空間的に空けることにより空気口５０１を形成し、１つの接合部に対し１つの空気口を備えることで、外気と空気層との気圧差を低減できる。
　さらに図９は、導光板の形状を変更し空気口を形成する画像表示素子の構成模式図である。図９において、（ａ）は分解図、（ｂ）は（ａ）の接合後の図である。（ａ）に示すように、導光板１００の周囲に段差を設け、（ｂ）のように貼り合せた時に、導光板１００に追加した周囲の段差高さ分だけ空気口が設けられる構成となっている。このように、導光板と保持部材をプラスチックの一体成型で形成し、段差部の一部に切り欠き状に段差を設けない部位を形成することにより、貼付け時に空気口５０１を形成することができ、この構成であっても外気と空気層との気圧差を低減できる。
　また、図９の（ｃ）および（ｄ）は図３にて説明した導光板が２枚構成の画像表示素子の構成図であり、（ｃ）は分解図、（ｄ）は（ｃ）の接合後の図である。（ｃ）、（ｄ）に示すように、（ａ）、（ｂ）と同様に導光板１００の周囲に段差を設け、段差部の一部に切り欠き状に段差を設けない部位を形成し、１つの接合部に対し１つの空気口を備えることで、外気と空気層との気圧差を低減できる。
　図１０は図８や図９で示した空気口５０１に極微小なゴミや水分が侵入しないようにフィルタ７００を追加した画像表示素子の構成模式図である。フィルタ７００を追加したことにより、外気との気圧差で生じたときに発生する空気の行き来による、ゴミの侵入を防ぐことができる。
　図１１は、空気口の設置位置について説明するための画像表示素子を含んだ画像表示装置の部分構成模式図である。図１１において、（ａ）は画像表示装置の斜視図、（ｂ）は画像表示装置の側面図である。図１１に示すように、画像表示素子１０は、投射光学系３００とともにフレーム８００にて保持されて画像表示装置に使用される。空気口５０１は微細なゴミや水分が入りこまない状況が必要である為、フレーム８００の内部にあること望ましい。
　図１２は、本実施例における画像表示装置の構成摸式図である。図１２において、画像表示装置は、画像表示素子１０、投射光学系３００、および投射光学系３００を制御する表示画像制御部３５０からなる。画像表示素子１０は、導光板と回折素子を組み合わせて小型とし、軽量化のために、プラスチックを導光板１００の材料として使用する。反射型の入射回折格子１０１は、導光板１００内部に光を反射するので、導光板１００への映像光線の入射面（第１面）とは反対側の面（第２面）に配置される。
　導光板１００を複数用いる場合、入射回折格子１０１の構成例としては、多層誘電体膜が波長選択性に優れ有効である。また、出射回折格子１０２の構成例としては、格子状の回折格子とすることで低アスペクト比で高い回折効率を得られる。
　なお、画像表示素子１０の構成は上記に限られず、入射回折格子と出射回折格子の構成も種々の形態が考えられる。その場合でも、入射回折格子と出射回折格子のそれぞれで必要とされる反射回折効率と透過回折効率に応じて、形成する膜の特性をコントロールすることで、回折効率を向上させ輝度を向上することができる。
　図１２において、投射光学系３００から出射した画像情報をもつ光は、導光板１００の作用によりユーザの瞳４００に届けられ、拡張現実を実現する。導光板１００では、形成される回折格子のピッチと深さは、各色に応じて最適化されたものである。
　また、図示しないスマホやパソコン等の情報処理装置から画像情報が提供される。画像表示装置は、例えば、ＨＭＤでもよい。
　投射光学系３００の画像形成の方法としては、例えば、反射型または透過型の空間光変調器と光源とレンズから構成された画像形成装置、有機および無機ＥＬ（Electro Luminescence）素子アレイとレンズによる画像形成装置、発光ダイオードアレイとレンズによる画像形成装置、光源と半導体ＭＥＭＳミラーアレイとレンズを組み合わせた画像形成装置等、広く公知のプロジェクタを用いることができる。また、ＬＥＤやレーザ光源と光ファイバの先端をＭＥＭＳ技術やＰＺＴ等により共振運動させたものを用いることもできる。
　これらの中で、最も一般的なものは、反射型または透過型の空間光変調器と光源とレンズから構成された画像形成装置である。ここで、空間光変調装置として、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）等の透過型あるいは反射型の液晶表示装置、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を挙げることができ、光源としては白色光源をＲＧＢ分離して用いることも、各色対応のＬＥＤやレーザを用いることもできる。
　更には、反射型の空間光変調装置は、液晶表示装置、及び、光源からの光の一部を反射して液晶表示装置へと導き、且つ、液晶表示装置によって反射された光の一部を通過させてレンズを用いたコリメート光学系へと導く偏光ビームスプリッターから成る構成とすることができる。光源を構成する発光素子として、赤色発光素子、緑色発光素子、青色発光素子、白色発光素子を挙げることができる。画素の数は、画像表示装置に要求される仕様に基づき決定すればよく、画素の数の具体的な値として、上で示した１２８０ｘ７２０のほかに、３２０×２４０、４３２×２４０、６４０×４８０、１０２４×７６８、１９２０×１０８０を例示することができる。
　本実施例の画像表示装置では、投射光学系３００から出射した画像情報を含む光線が、導光板１００の各入射回折格子に照射されるように、位置決めして、画像表示素子１０と一体化されて形成される。
　以上説明した実施例では、表面凹凸型の回折格子を有する画像表示素子において、例えば出射回折格子としてメッシュ型の回折格子を用い、射出成型法等により導波路と同じ屈折率の材料で一体成型することにより、導光板のプラスチック化を実現し、加工の低コスト化と軽量化を図った導光板を実現することができる。
　なお、本実施例では、画像表示装置としてユーザに画像情報を提供する場合について示したが、画像表示装置は、このほかにユーザや外界の情報を取得するためのタッチセンサ、温度センサ、加速度センサ等の各種センサや、ユーザの目の動きを計測するためのアイ・トラッキング機構を備えてもよい。
　以上のように本実施例によれば、導光板と回折素子を組み合わせた画像表示素子において、導光板にプラスチックを用いつつ、環境の変化による導光板の間にある空気層内の気圧の変化を低減でき良好な画像情報をユーザの瞳に導光可能であり、加工の低コスト化と軽量化を実現できる。
　以上実施例について説明したが、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した各実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明が、必ずしも説明した全ての構成要素を備えるものに限定されるものではない。
　１０：画像表示素子、１００、１００ａ、１００ｂ：導光板、１０１、１０１ａ、１０１ｂ：入射回折格子、１０２、１０２ａ、１０２ｂ：出射回折格子、２００：カバーガラス、３００：投射光学系、３０１：視認されない光路、３０２：視認される光路、３０３：出射円、３０４、３０５、３０６：光線、３５０：表示画像制御部、４００：ユーザの瞳、５００：保持部材、５０１：空気口、６００：空気層、７００：フィルタ、８００：フレーム

Claims (7)

  1. 　導光板を有する画像表示素子であって、
    　入射した光を回折する入射回折格子と、
    　前記入射回折格子で回折された光が前記導光板内を伝搬し、該伝搬した光が出射する出射回折格子を備え、
    　前記入射回折格子と前記出射回折格子は、前記導光板の面に形成された凹凸パターンにより形成され、
    　前記導光板と前記凹凸パターンを保護するカバーガラス、もしくは２つ以上の前記導光板を空気層を介して保持部材により接合したものであって、
    　前記導光板と前記カバーガラスはプラスチック材で形成され、
    　前記保持部材は、前記空気層内の空気が外気と連通する空気口を有することを特徴とする画像表示素子。
  2. 　請求項１に記載の画像表示素子であって、
    前記保持部材が接着剤で形成されたことを特徴とする画像表示素子。
  3. 　請求項１に記載の画像表示素子であって、
    　前記導光板と前記保持部材はプラスチックの一体成型で形成されたことを特徴とする画像表示素子。
  4. 　請求項１から３のいずれか１項に記載の画像表示素子であって、
    　前記保持部材の空気口にフィルタを備えたこと特徴とする画像表示素子。
  5. 　請求項１から３のいずれか１項に記載の画像表示素子であって、
    　前記保持部材の空気口は、１つの接合部に対し１つの空気口を備えたことを特徴とする画像表示素子。
  6. 　請求項１から３のいずれか１項に記載の画像表示素子であって、
    　該画像表示素子はフレームに保持されて画像表示装置に使用され、
    　前記保持部材の空気口は、前記フレームの内部に備えていること特徴する画像表示素子。
  7. 　請求項１から３のいずれか１項に記載の画像表示素子と、前記画像表示素子に画像情報を含む光を照射する投射光学系を備える画像表示装置であって、
    　前記画像情報を含む光が前記入射回折格子に入射されることを特徴とする画像表示装置。
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