WO2022181346A1 - 画像投影装置 - Google Patents

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WO2022181346A1
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image projection
projection device
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PCT/JP2022/005196
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洋一 尾形
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株式会社小糸製作所
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    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]

Definitions

  • the present disclosure relates to an image projection device, and more particularly to an image projection device using a diffraction grating.
  • instrument panels that light up icons have been used as devices for displaying various types of information in vehicles.
  • image display device it has been proposed to embed an image display device in the instrument panel or to configure the entire instrument panel with an image display device.
  • HUD Head Up Display
  • a wearable HUD that allows light to enter from one end of a light guide plate and extracts light from the other end in the direction of the viewpoint is known (for example, patent See Reference 2).
  • a wearable HUD projects an image onto the viewer's retina by directly irradiating the viewer's eye with light emitted from a light source.
  • Such a wearable HUD uses a diffraction grating or a half mirror to irradiate the viewer with light from the light source.
  • Wearable HUDs project images from the user's point of view when worn on the head, so they can be used in highly immersive virtual reality (VR) and augmented reality (AR). Used.
  • VR virtual reality
  • AR augmented reality
  • an object of the present disclosure is to project a plurality of images at positions with different distances from the viewpoint, and to provide a smaller and lighter image projection device.
  • a further object of the present disclosure is to provide a compact and lightweight image projection apparatus by simplifying optical members required for image projection using light of multiple wavelengths.
  • the image projection device of the present disclosure is a first image irradiation unit that emits the first light; a first light incident portion into which the first light is incident; an optical waveguide portion that guides a portion of the first light as guided light while totally reflecting the portion; and a portion of the guided light that is emitted in a viewing direction.
  • a light guide plate portion having a first light emitting portion; and a diffraction grating section provided in the first light incidence section
  • the first light emitting section includes a beam splitter provided inside the optical waveguide, and a retroreflective section provided at an end of the optical waveguide.
  • the beam splitter splits the first light to project an image on the screen, and the retroreflecting part retroreflects the first light at the end of the optical waveguide, and can be projected to form an aerial image. This makes it possible to project a plurality of images at positions at different distances from the viewpoint, and to reduce the size and weight of the image projection device.
  • the image projection device of the present disclosure is a third image irradiation unit that emits the first light; a fourth image irradiation unit that emits the second light; a third light incident portion into which the first light and the second light are incident; and a portion of the first light and a portion of the second light that are guided as first guided light and second guided light, respectively.
  • a light guide plate portion having an optical waveguide portion and a third light emitting portion for emitting the first guided light and the second guided light;
  • a first diffraction grating section provided in the third light entrance section, the angles of incidence of the first light and the second light with respect to the first diffraction grating section are different;
  • a portion of the first light and a portion of the second light diffracted by the first diffraction grating satisfy the total reflection condition of the optical waveguide.
  • the first light and the second light are incident on the first diffraction grating section at different angles of incidence, the first light and the second light are totally reflected by the optical waveguide section, and the third light is generated. Since the light is guided up to the emitting part, it is possible to simplify the optical member and achieve reduction in size and weight.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the diffraction grating section 10 in the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure of the image projection device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an enlarged first light emitting portion of the image projection device according to the first embodiment.
  • FIG. 4A is a photograph of an image EX projected on the external screen 30 and an aerial image A1 formed in the air by installing a camera at the position of the viewpoint 60.
  • the photograph is a photograph in which the camera is focused on the external screen 30.
  • FIG. 4B is a photograph of an image EX projected onto the external screen 30 and an aerial image A1 formed in the air by a camera installed at the position of the viewpoint 60.
  • FIG. 6A is a photograph of an image EX and an image V1 projected on the external screen 30 and an aerial image A1 formed in the air by installing a camera at the position of the viewpoint 60.
  • the focus of the camera on the external screen 30 is shown in FIG.
  • FIG. 6B is a photograph of an image EX and an image V1 projected onto the external screen 30 and an aerial image A1 formed in the air by installing a camera at the position of the viewpoint 60.
  • the imaging position of the aerial image A1 is shown in FIG.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the structure of an image projection device according to the third embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an enlarged first light emitting portion of the image projection device according to the third embodiment.
  • FIG. 9A is a photograph of an image EX and an image V1 projected onto the external screen 30 by installing a camera at the position of the viewpoint 60, and aerial images A1 and A2 formed in the air. It is a photograph in which the camera is focused on the image position.
  • FIG. 9B is a photograph of an image EX and an image V1 projected on the external screen 30 and aerial images A1 and A2 formed in the air by installing a camera at the position of the viewpoint 60, and the result of the aerial image A2.
  • FIG. 10A is a diagram showing beam profiles of aerial images A1 and A2, and is a photograph focused from the viewpoint 60 position.
  • FIG. 10B is a diagram showing the beam profiles of the aerial images A1 and A2, showing the three-dimensional brightness profile at the imaging position.
  • FIG. 10C is a diagram showing the beam profiles of the aerial images A1 and A2, showing the three-dimensional brightness profile at the imaging position.
  • FIG. 10D is a diagram showing beam profiles of aerial images A1 and A2, which are luminance profiles in the x direction.
  • FIG. 10E is a diagram showing beam profiles of aerial images A1 and A2, which are luminance profiles in the y direction.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing the structure of the image projection device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing the structure of an image projection device according to a modification of the fourth embodiment.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing the structure of the image projection device according to the fifth embodiment.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing the structure of an image projection device according to a modification of the fifth embodiment.
  • FIG. 15A is a schematic diagram showing a structural example of the retroreflective portion 24 in the sixth embodiment.
  • FIG. 15B is a schematic diagram showing a structural example of the retroreflective portion 24 in the sixth embodiment.
  • FIG. 15C is a schematic diagram showing a structural example of the retroreflective portion 24 in the sixth embodiment.
  • FIG. 16 is a schematic diagram showing the structure of the image projection device according to the ninth embodiment.
  • FIG. 17 is a schematic perspective view showing an enlarged light incident portion 22 of the image projection device according to the ninth embodiment.
  • FIG. 18A is a photograph showing the path of light when laser light is incident on the light guide plate portion 20, and shows the path of red light.
  • FIG. 18B is a photograph showing the path of light when laser light is incident on the light guide plate portion 20, and shows the path of green light.
  • FIG. 18C is a photograph showing the path of light when laser light is incident on the light guide plate portion 20, and shows the path when red light and green light are simultaneously incident.
  • FIG. 19 is a schematic diagram showing the structure of the image projection device according to the tenth embodiment.
  • FIG. 20 is a schematic diagram showing the structure of an image projection device according to a modification of the tenth embodiment.
  • FIG. 21 is a schematic diagram showing the structure of the image projection device according to the eleventh embodiment.
  • FIG. 22 is a schematic diagram showing the structure of the image projection device according to the twelfth embodiment.
  • FIG. 23 is a schematic perspective view showing an enlarged light emitting section 123 of the image projection device according to the twelfth embodiment.
  • FIG. 24 is a schematic diagram showing the structure of an image projection device according to the thirteenth embodiment.
  • FIG. 25 is a schematic diagram showing the structure of an image projection device according to a modification of the thirteenth embodiment.
  • FIG. 26A is a schematic perspective view showing the arrangement of the diffraction grating section 10 and the diffraction grating section 80 in the fourteenth embodiment, showing the diffraction grating section 10.
  • FIG. 26B is a schematic perspective view showing the arrangement of the diffraction grating section 10 and the diffraction grating section 80 in the fourteenth embodiment, showing the diffraction grating section 80.
  • FIG. FIG. 27 is a schematic diagram showing a structural example of the image irradiation unit 40 of the image projection device according to the fourteenth embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the diffraction grating section 10 in this embodiment.
  • the diffraction grating section 10 includes a plate-like portion 11, a plurality of convex portions 12 and a plurality of concave portions 13.
  • the flat plate-like portion 11 constitutes a light incident surface.
  • the convex portions 12 and the concave portions 13 form periodic repetitions of the refractive index in the in-plane direction in the diffraction grating portion 10 and correspond to the uneven portion in the present disclosure.
  • the plate-like portion 11 and the convex portion 12 are integrally formed of the same material. 1 schematically shows the structure of the diffraction grating section 10, and the dimensions and angles in the drawing do not represent the actual dimensions of the diffraction grating section 10.
  • the convex portions 12 and the concave portions 13 of the diffraction grating portion 10 are each formed to extend in a stripe shape in the depth direction of the paper surface.
  • the convex portion 12 is formed to be inclined by a predetermined angle ⁇ with respect to the main surface of the flat plate portion 11, and constitutes a slant grating.
  • the convex portion 12 and the concave portion 13 are covered with a covering portion made of a material having a different refractive index from that of the flat plate portion 11 .
  • the material forming the diffraction grating section 10 is not limited, an example of the material forming the plate-shaped section 11 and the convex section 12 is a dielectric having a refractive index of about 2.5 and containing TiO 2 as a main component. Glass or polymer containing SiO 2 as a main component can be used as the covering portion that covers the convex portion 12 and the concave portion 13 .
  • the uneven portions of the diffraction grating section 10 can be formed by, for example, photolithography technology, nanoimprint technology, EBL (Electron Beam Lithography) technology, or the like. Further, by holding the covering portion in a tilted state and using a reactive ion etching (RIE) method or the like, the projections 12 and the recesses 13 can be formed by tilting at an angle ⁇ . At this time, the inclination angle ⁇ of the protrusions 12 and the recesses 13 is the angle formed between the main surface of the diffraction grating section 10 and the line connecting the center of the upper end and the lower end of the protrusions 12 .
  • FIG. 1 shows a slant grating in which the convex portions 12 and the concave portions 13 are inclined as the uneven portion of the diffraction grating portion 10, it may be a pillar grating perpendicular to the main surface.
  • FIG. 1 schematically shows the progress of light in the diffraction grating section 10 using arrows, it does not reflect the exact incident position, travel path, and exit position of the light.
  • a laser beam is irradiated toward the diffraction grating section 10 from a light source section (not shown).
  • the laser light is coherent light with the same phase, and is irradiated as collimated light by a collimating lens or the like.
  • Incident light emitted from the light source portion enters the flat portion 11 at a predetermined inclination angle from the interface of the diffraction grating portion 10 .
  • FIG. 1 shows an example in which the inclination angle of incident light and the inclination direction ⁇ of the convex portions 12 and the concave portions 13 in the diffraction grating section 10 are the same direction, but they may be opposite directions.
  • a portion of the light incident on the diffraction grating portion 10 travels outward as diffracted light at a predetermined angle due to the periodic refractive index difference between the convex portions 12 and the concave portions 13, and a portion of the light propagates through the plate-like portion as propagating light. 11 as leak propagation light. Leakage light propagating in the flat plate portion 11 is reflected at the interface with the air, reaches the uneven portion again, and is diffracted by the convex portions 12 and the concave portions 13 .
  • the 0th order light T1 is transmitted through the covering section and irradiated to the outside.
  • the first-order light (-1st-order light T2) diffracted in the direction in which the convex portion 12 is inclined also passes through the covering portion and is irradiated to the outside. This is because the 0th-order light T1 and the -1st-order light T2 are diffracted at an angle nearly perpendicular to the main surface of the diffraction grating section 10, and therefore do not satisfy the conditions for total reflection at the interface between the covering section and the air layer. is.
  • the first-order light (+1st-order light I1) diffracted in the direction opposite to the inclination of the convex portion 12 is totally reflected by the interface between the covering portion and the air layer and propagates through the covering portion.
  • the secondary light (-2nd order light I2) diffracted in the direction in which the convex portion 12 is inclined is also totally reflected by the interface between the covering portion and the air layer and propagates through the covering portion.
  • the conditions for total reflection at the interface between the covering portion and the air layer are determined by the refractive index of the material forming the covering portion.
  • the +1st-order light I1 and the ⁇ 2nd-order light I2 that have propagated through total reflection within the covering portion are irradiated to the outside from the ends of the covering portion.
  • the 0th-order light T1, ⁇ 1st-order light T2, +1st-order light I1, and ⁇ 2nd-order light I2 are light beams diffracted by the convex portion 12 and the concave portion 13, and therefore travel while the light diameter is slightly expanded. .
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure of the image projection device according to this embodiment.
  • the image projection apparatus includes a diffraction grating section 10, a light guide plate section 20, an external screen 30, and image irradiation sections 40 and 50.
  • FIG. 1 A viewer wearing the image projection device views the direction of the light guide plate 20 and the external screen 30 from the position of the viewpoint 60 .
  • the diffraction grating section 10 is an optical element including a flat plate portion 11, convex portions 12, concave portions 13, and a covering portion, and is formed separately from the light guide plate portion 20.
  • the light guide plate portion 20 is a plate-like member made of a translucent material, and includes an optical waveguide portion 21 , a light incidence portion 22 , a beam splitter 23 and a retroreflection portion 24 .
  • the optical waveguide part 21 is a plate-like member made of a translucent material, and light is guided from one end side to the other end side by repeating total reflection of light at the interface with the air. Since light is transmitted from one surface side to the other surface side of the optical waveguide portion 21 , the viewer can visually recognize the direction of the external screen 30 from the viewpoint 60 through the optical waveguide portion 21 .
  • the optical waveguide portion 21 has a flat plate shape, but it may have a curved surface shape as long as the light can be propagated by total internal reflection.
  • the light incident portion 22 is an inclined surface formed at one end of the optical waveguide portion 21, is arranged adjacent to the diffraction grating portion 10, and corresponds to the first light incident portion in the present disclosure.
  • the light entrance section 22 may be provided with an antireflection film or a refractive index adjustment section in order to increase the optical coupling ratio with the diffraction grating section 10 .
  • the beam splitter 23 is an optical element that reflects part of the light incident from one surface and transmits the rest. In the example shown in FIG. is formed as A specific configuration of the beam splitter 23 is not limited, and a normal structure and design method can be used.
  • the retroreflector 24 is an optical member that reflects incident light while maintaining convergence in the direction of incidence. may have. When the light propagated through the optical waveguide portion 21 is incident on the retroreflecting portion 24, the light is reflected in the direction in which the light is incident. reflected as
  • the area between the position where the beam splitter 23 is provided and the end portion where the retroreflecting section 24 is provided in the optical waveguide section 21 is a region where the light propagating in the optical waveguide section 21 is irradiated to the outside. and configures the first light emitting portion in the present disclosure.
  • the external screen 30 displays an image by projecting the light emitted from the light guide plate portion 20 as will be described later.
  • the material constituting the external screen 30 is not limited, and a translucent material that transmits light may be used, or a white material that blocks and reflects light may be used. When a translucent material is used, images can be superimposed and projected using the external environment of the image projection apparatus as a background.
  • the external screen 30 and the arm portion are integrally formed, and the arm portion is fixed to the light guide plate portion 20, thereby maintaining the relative positional relationship between the external screen 30 and the light guide plate portion 20.
  • the external screen 30 may be provided separately from the image projection device.
  • the image irradiation unit 40 is a device that irradiates the diffraction grating unit 10 with the first light for projecting the first image, and corresponds to the first image irradiation unit in the present disclosure.
  • the image irradiation unit 40 irradiates the diffraction grating unit 10 with light through mirrors 45 , 46 , 47 and a bandpass filter 48 .
  • the light source unit 41 preferably uses a laser light source, and irradiates an image forming unit (not shown) with laser light emitted from the light source unit 41 to include the first image in the first light.
  • a liquid crystal display element, a digital mirror device, or the like can be used as the image forming section, and it may be provided inside the image irradiation section 40 or may be arranged on the optical path to the diffraction grating section 10 .
  • the image irradiation unit 40 By providing the image irradiation unit 40 with a liquid crystal display element or a digital mirror device, which is an image forming unit, it is possible to change the content of the first image included in the first light over time and project a moving image. .
  • the image irradiation unit 50 is a device that irradiates the diffraction grating unit 10 with the second light for projecting the second image, and corresponds to the second image irradiation unit in the present disclosure.
  • the image irradiation section 50 is provided separately from the image irradiation section 40 , and the incident angle of the second light with respect to the diffraction grating section 10 is different from the incident angle of the first light irradiated by the image irradiation section 40 .
  • the specific configuration of the image irradiation unit 50 is not limited, and the same configuration as that of the image irradiation unit 40 can be used, but the wavelengths of the first light and the second light are different.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an enlarged first light emitting portion of the image projection device according to the present embodiment. Solid-line arrows and dashed-line arrows shown in the figure schematically indicate paths of light.
  • the first light emitted from the image irradiation unit 40 is reflected by mirrors 45 , 46 and 47 and reaches the diffraction grating unit 10 via the bandpass filter 48 .
  • 0th-order light T 1 and +1st-order light I 1 are extracted as diffracted light according to the incident angle of the first light, and enter the light incident section 22 .
  • the first light incident on the light incident portion 22 from the diffraction grating portion 10 is totally reflected in the optical waveguide portion 21 and propagates as guided light.
  • the incident angle of the first light incident on the light incident portion 22 from the diffraction grating section 10 to the light incident portion 22 is determined by diffraction conditions.
  • the light incident portion 22 is inclined so that any one of the 0th order light T1, the ⁇ 1st order light T2, the +1st order light I1 and the ⁇ 2nd order light I2 satisfies the total reflection condition on both surfaces of the optical waveguide portion 21 . angle is set.
  • Part of the first light propagated as guided light while being totally reflected in the optical waveguide section 21 is reflected by one surface of the beam splitter 23 and the rest is transmitted through the beam splitter 23 .
  • the guided light reflected by the beam splitter 23 is taken out in the direction of the external screen 30 as the irradiation light LE, and the image EX is projected onto the external screen 30 .
  • the reflectance of one surface of the beam splitter 23 to be low, it is possible to suppress the intensity of the irradiation light LE and make the image EX invisible.
  • the guided light transmitted through the beam splitter 23 is totally reflected again by the optical waveguide section 21, reaches the retroreflective section 24, and is retroreflected.
  • the guided light retroreflected by the retroreflection portion 24 travels in the opposite direction in the optical waveguide portion 21, is totally reflected, reaches the beam splitter 23, is reflected, and is reflected as the imaging light L1 in the direction of the viewpoint 60. taken out.
  • the guided light propagated through the optical waveguide section 21 has an enlarged light diameter, but the guided light reflected by the retroreflective section 24 travels with a reduced light diameter.
  • the light diameter reaches the beam splitter 23 while being further reduced.
  • the imaging light L1 that is reflected by the beam splitter 23 and travels in the direction of the viewpoint 60 is focused at a predetermined position, and an aerial image A1 is formed in the air.
  • the retroreflection portion 24 is formed with a flat surface, the optical path length from the diffraction grating portion 10 to the retroreflection portion 24 is the same as the optical path length from the retroreflection portion 24 to the aerial image A1.
  • the imaging light L1 is incident on the viewpoint 60 while its light diameter is expanding.
  • the viewer can view the aerial image A1 formed in the air and the image EX projected on the external screen 30 at the same time by viewing the optical waveguide 21 and the external screen 30 from the viewpoint 60. .
  • the other end of the optical waveguide portion 21 is formed in a convex shape and the retroreflective portion 24 is formed in a concave shape, but the other end is formed in a flat plate shape or a concave shape.
  • the retroreflective portion 24 may be flat or convex.
  • the guided light propagating in the optical waveguide section 21 needs to be totally reflected at the interface with air at least once before reaching the retroreflective section 24 from the beam splitter 23 .
  • the irradiation light LV is taken out as irradiation light LV.
  • the region of the optical waveguide section 21 from which the irradiation light LV is extracted corresponds to the second light emitting section in the present disclosure.
  • the irradiation light LV extracted from the second light emitting portion reaches the external screen 30 and projects an image V1 (not shown).
  • the viewpoint direction, which is the traveling direction of the imaging light L1 and the external screen direction, which is the traveling direction of the illumination light LV are substantially parallel. Accordingly, even if the distance between the external screen 30 and the optical waveguide section 21 is changed, the projected position of the image V1 on the external screen 30 does not change. Therefore, when the viewer views the direction of the external screen 30 from the viewpoint 60, the position where the aerial image A1 is formed and the position where the image V1 is projected do not overlap, and the aerial image A1 and the image V1 are projected within the same visual field. It becomes possible to visually recognize V1 side by side.
  • the direction of the viewpoint and the direction of the external screen are parallel is shown, but they may be in a direction in which the two intersect at a predetermined angle.
  • the projection position of the image V1 on the external screen 30 can be adjusted. Visual recognition at the viewpoint 60 becomes possible.
  • Part of the light diffracted by the diffraction grating 10 of the second light emitted from the image irradiation unit 50 also satisfies the condition of total reflection in the optical waveguide 21, so that the image EX is projected similarly to the first light. and aerial image A1 can be formed.
  • the second light diffracted by the diffraction grating section 10 that does not satisfy the condition of total reflection in the optical waveguide section 21 can be used to project the image V1.
  • the second light diffracted by the diffraction grating section 10 may not satisfy the total reflection condition at the optical waveguide section 21, and only the image V1 may be projected onto the external screen 30 with the second light. .
  • the area through which the irradiation light LV for projecting the image V1 is transmitted corresponds to the second light emitting portion of the optical waveguide portion 21 .
  • FIG. 4A, 4B, 4C, and 4D are photographs of an image EX projected onto the external screen 30 and an aerial image A1 formed in the air by installing a camera at the viewpoint 60 position.
  • FIG. 4A is a photograph in which the camera is focused on the external screen 30, and
  • FIG. 4B is a photograph in which the camera is focused on the imaging position of the aerial image A1.
  • the photographs on the left show how it looks in a bright state with the room light turned on, and the photographs on the right show how it looks in a dark state with the room light turned off.
  • the image EX and the aerial image A1 are shown at positions indicated by white-lined ellipses in the photograph. As shown in FIG.
  • the image EX is difficult to see in a bright environment and visible in a dark environment. Also, as shown in FIG. 4B, the aerial image A1 is visible in both bright and dark environments. In addition, the aerial image A1 and the image EX can be viewed closely in the same field of view, and the viewer can select an object to be viewed simply by adjusting the visual focal length.
  • the first light is split by the beam splitter 23 to project the image EX on the external screen 30, and the retroreflection section 24 at the end of the optical waveguide section 21 projects the first light.
  • the first light is retroreflected, and the beam splitter 23 reflects the first light in the direction of the viewpoint to form an aerial image A1.
  • the diffraction grating section 10 is provided in the light incident section 22 of the light guide plate section 20, and the beam splitter 23 and the retroreflecting section 24 are provided to form the first light emitting section, complicated optical design and an increase in the number of parts are required. It is unnecessary, and it becomes possible to achieve miniaturization and weight reduction.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an enlarged first light emitting portion of the image projection device according to the present embodiment.
  • the solid-line arrows and broken-line arrows shown in FIG. 5 schematically show paths of light.
  • the area hatched with oblique lines in FIG. 5 indicates the area irradiated with the irradiation light LV.
  • the image projection apparatus of this embodiment differs from that of the first embodiment only in the projection position of the image V1, and the rest of the configuration is the same as that of the first embodiment described with reference to FIG.
  • the second light emitted from the image irradiation unit 50 is used as the irradiation light LV, and the external screen direction, which is the traveling direction of the irradiation light LV, intersects the viewpoint direction, and the image EX and the image V1 are formed in the same area. is projected onto
  • the light that propagates after being totally reflected inside the optical waveguide section 21 is split by the beam splitter 23 to project the image EX onto the external screen 30 as the irradiation light LE. Further, the light transmitted through the beam splitter 23 is totally reflected again by the optical waveguide section 21 and reaches the retroreflection section 24. After being retroreflected, the light is reflected by the beam splitter 23 to form an aerial image A1 as the imaging light L1. image.
  • the traveling direction of the irradiation light LV projected onto the external screen 30 from the second light emitting portion is a direction that intersects with the viewpoint direction, which is the traveling direction of the imaging light L1.
  • the second light emitted from the image irradiation unit 50 does not enter the diffraction grating unit 10 and is directly irradiated as the irradiation light LV onto the external screen 30 via the optical waveguide unit 21.
  • An image V1 is projected onto the external screen 30 .
  • 6A and 6B are photographs of an image EX and an image V1 projected on the external screen 30 and an aerial image A1 formed in the air by installing a camera at the viewpoint 60 position.
  • 6A shows the camera focused on the external screen 30, and
  • FIG. 6B shows the camera focused on the imaging position of the aerial image A1.
  • the image EX and the aerial image A1 are captured at the positions indicated by white-lined ellipses in the photograph, and the image V1 is captured in a larger range than the image EX.
  • the image EX is superimposed on the image V1 and displayed, and both can be visually recognized at the same time. Also, the viewer can select an object to visually recognize only by adjusting the focal length of vision.
  • the image V1 is projected over a wide range of the external screen 30 using the second light as the irradiation light LV, so it is possible to perform image projection in which the image V1 is used as a background image and superimposed on the aerial image A1.
  • the projection positions of the image V1, which is the background image, and the image EX have the same distance from the viewpoint 60, so that the viewer can view two different images V1 and A1 at the same time.
  • the image EX can be visually recognized.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the structure of the image projection device according to this embodiment.
  • the image projection device includes a diffraction grating section 10, a light guide plate section 20, an external screen 30, and image irradiation sections 40 and 50.
  • a viewer wearing the image projection device views the direction of the light guide plate 20 and the external screen 30 from the position of the viewpoint 60 .
  • the diffraction grating section 10 is an optical element including a flat plate portion 11, convex portions 12, concave portions 13, and a covering portion, and is formed separately from the light guide plate portion 20.
  • the light guide plate portion 20 is a plate-like member made of a translucent material, and includes an optical waveguide portion 21 , a light incident portion 22 , a beam splitter 23 , a retroreflection portion 24 , and a partial reflection portion 25 . I have.
  • the partial reflection section 25 is an optical element that reflects part of the light with a predetermined reflectance and transmits the rest of the light, and is provided on the optical path between the beam splitter 23 and the retroreflection section 24 .
  • a partial reflection portion 25 is formed between the end portion of the optical waveguide portion 21 and the retroreflection portion 24 .
  • 7 shows an example in which the end portion of the optical waveguide portion 21, the retroreflecting portion 24, and the partial reflecting portion 25 are formed in a flat shape. and a convex mirror. Alternatively, a combination of three-dimensional parabolic concave-convex shapes may be used.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an enlarged first light emitting portion of the image projection device according to this embodiment.
  • Solid-line arrows and broken-line arrows shown in FIG. 8 schematically indicate paths of light.
  • the area hatched with oblique lines in FIG. 8 indicates the area irradiated with the irradiation light LV.
  • the first light emitted from the image irradiation section 40 or the second light emitted from the image irradiation section 50 enters the optical waveguide section 21 from the light incident section 22 and is guided as guided light. The light is guided while being totally reflected by the wave portion 21 .
  • the guided light reflected by the beam splitter 23 is taken out as irradiation light LE to the external screen 30 and projects an image EX on the external screen 30 .
  • the guided light that has passed through the beam splitter 23 is reflected by the partial reflection portion 25 and the retroreflection portion 24, then re-enters the beam splitter 23 and is reflected, and is taken out in the direction of the viewpoint 60 as the imaging light beams L1 and L2.
  • the light reflected by the partial reflection portion 25 is specular reflection
  • the guided light propagated while expanding the light diameter in the optical waveguide portion 21 is reflected by the beam splitter 23 and reaches the viewpoint 60. It progresses while the light diameter expands.
  • the aerial image A2 appears to be formed in the space between the optical waveguide section 21 and the external screen 30.
  • the light transmitted through the partial reflection portion 25 is incident on the retroreflection portion 24, where the guided light is retroreflected and reflected by the beam splitter 23 until it reaches the viewpoint 60 while the light diameter is reduced. proceed.
  • the aerial image A1 is visually recognized as if it were formed in the space between the optical waveguide section 21 and the viewpoint 60.
  • the traveling direction of the irradiation light LV projected onto the external screen 30 from the second light emitting portion is a direction that intersects with the viewing direction, which is the traveling direction of the imaging lights L1 and L2. projected on top.
  • 9A, 9B, and 9C are photographs of an image EX and an image V1 projected on the external screen 30 and aerial images A1 and A2 formed in the air by installing a camera at the position of the viewpoint 60.
  • 9A focuses the camera on the imaging position of the aerial image A1
  • FIG. 9B focuses the camera on the imaging position of the aerial image A2
  • FIG. 9C focuses the camera on the external screen 30.
  • Aerial images A1 and A2 and image EX are shown at positions indicated by white-lined ellipses in the photograph, and image V1 is shown in a larger range than image EX.
  • the aerial image A1 can be clearly captured.
  • FIG. 9B by focusing between the optical waveguide section 21 and the external screen 30, the aerial image A2 can be clearly captured.
  • the image EX and the image V1 can be clearly captured.
  • the aerial images A1 and A2 the image EX and the image V1 can be closely viewed in the same field of view, and the viewer can select an object to be viewed simply by adjusting the visual focal length.
  • FIGS. 10A, 10B, 10C, 10D, and 10E are diagrams showing beam profiles of aerial images A1 and A2.
  • FIG. 10A is a photograph focused from the viewpoint 60 position.
  • 10B and 10C show three-dimensional luminance profiles at imaging positions.
  • FIG. 10D is the luminance profile in the x direction.
  • FIG. 10E is the luminance profile in the y direction.
  • FIGS. 10A and 10B show enlarged regions surrounded by white lines in FIGS. 9A and 9B, respectively.
  • FIGS. 10C to 10E show the measurement results of brightness at the imaging positions of the aerial images A1 and A2, respectively.
  • "x direction” and "y direction” shown in FIGS. 10A, 10B, 10C, 10D, and 10E indicate the x-axis direction and y-axis direction shown in FIG. 9C.
  • the aerial image A1 is formed as an elliptical shape elongated in the x-axis direction
  • the aerial image A2 is formed as an elliptical shape elongated in the y-axis direction.
  • the half-value width in the x-axis direction of the aerial image A1 was about 31 pixels
  • the half-value width in the y-axis direction was about 10 pixels.
  • the half-value width in the x-axis direction of the aerial image A2 was about 20 pixels
  • the half-value width in the y-axis direction was about 25 pixels. Therefore, the aerial images A1 and A2 are formed into different shapes, and the shape visually recognized when the viewer changes the visual focal length changes between the aerial images A1 and A2.
  • guided light specularly reflected by the partial reflection portion 25 at the end of the optical waveguide portion 21 forms an aerial image A2, and is retroreflected by the retroreflection portion 24 to form the aerial image A2.
  • An aerial image A1 is formed by wave light.
  • the image EX and the image V1 are projected onto the external screen 30 . This makes it possible to project and visually recognize a plurality of images at positions at different distances from the viewpoint.
  • the diffraction grating section 10 is provided in the light entrance section 22 of the light guide plate section 20, and the beam splitter 23, the partial reflection section 25, and the retroreflection section 24 are provided to constitute the first light emission section, complicated optical design and There is no need to increase the number of parts, and it is possible to reduce the size and weight.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing the structure of the image projection device according to this embodiment.
  • two light guide plate portions 20 are provided, and a common diffraction grating portion 10 is arranged to face the light incident portion 22 provided in each light guide plate portion 20 .
  • the image projection device includes one diffraction grating section 10, two light guide plate sections 20, an external screen 30, and image irradiation sections 40 and 50.
  • a viewer wearing the image projection device views the direction of the light guide plate 20 and the external screen 30 with both eyes from two viewpoints 60 .
  • the diffraction grating section 10 is an optical element including a flat plate portion 11, convex portions 12, concave portions 13, and a covering portion, and is formed separately from the light guide plate portion 20.
  • the light guide plate portion 20 is a plate-like member made of a translucent material, and includes an optical waveguide portion 21, a light incident portion 22, a beam splitter 23, and a retroreflection portion 24, respectively.
  • the two light guide plate portions 20 are arranged so that the light incident portions 22 are adjacent to each other, and the common diffraction grating portion 10 is arranged across the two light incident portions 22 so as to face each other. Further, the first light is incident on the diffraction grating section 10 from one image irradiation section 40 , and the first light diffracted by the diffraction grating section 10 is transmitted from the light incident section 22 of each light guide plate section 20 into the optical waveguide section 21 . incident on Each of the two light guide plate portions 20 has a flat plate shape and is arranged in a V shape.
  • the first light is diffracted by the concave and convex portions formed by the convex portions 12 and the concave portions 13, and the 0th order light T1 and the +1st order light I1 travel rightward in the drawing.
  • the -1st order light T2 and the -2nd order light I2 travel leftward in the drawing. Therefore, the 0th-order light T1 and the +1st-order light I1 are incident on the optical waveguide section 21 arranged to face the right half of the diffraction grating section 10, and the optical waveguide section 21 arranged to face the left half of the diffraction grating section 10.
  • the -1st order light T2 and the -2nd order light I2 are incident on the wave portion 21 .
  • the first light (guided light) guided through the two light guide plate portions 20 is reflected by the beam splitter 23 and the retroreflecting portion 24 provided on the other end side, respectively, and is taken out in the direction of the viewpoint 60 to be aerial light.
  • Image A1 is formed.
  • an aerial image A2 can also be formed.
  • the image irradiation unit 50 can directly irradiate the external screen 30 with the irradiation light LV via the light guide plate unit 20, and project the image V1 over a wide area on the external screen 30.
  • FIG. 11 shows a state in which the irradiation light LV emitted from the image irradiation unit 50 is projected on the left half of the external screen 30, but by using an optical member such as a separate lens, the entire external screen 30 can be irradiated. It is also possible to illuminate the light LV and project the image V1 over the entire external screen 30 so as to cover the entire field of view.
  • the image projection apparatus of the present embodiment by providing the diffraction grating unit 10 common to the two light guide plate units 20, the formation of the aerial images A1 and A2 is visually recognized by both eyes of the viewer. be able to. Further, by projecting the image V1, which is a background image, onto the external screen 30 with the irradiation light LV emitted by the image irradiation unit 50, the aerial images A1 and A2 can be superimposed and projected on the image V1. Also, the image projection apparatus of this embodiment does not require complicated optical design or an increase in the number of parts, and can be reduced in size and weight.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing the structure of an image projection device according to a modification of the fourth embodiment. This modified example differs from the fourth embodiment in that the light guide plate portion 20 has a curved shape.
  • the inclination angle of the light incident portion 22 and the shape of the optical waveguide portion 21 so that the zero-order light T1 satisfies the total reflection condition of the optical waveguide portion 21 arranged on the right side, The zero-order light T1 is guided as guided light.
  • the inclination angle of the light incident part 22 and the shape of the optical waveguide part 21 so that the -1st order light T2 satisfies the total reflection condition of the optical waveguide part 21 arranged on the left side, the -1st order light T2 is guided as guided light.
  • the aerial images A1 and A2 formed in the air from two viewpoints 60 and the image V1 projected on the external screen 30 can be viewed.
  • the two light guide plate portions 20 have a curved surface shape along the direction of the viewpoint 60, but the incident angle of the first light from the diffraction grating portion 10 to the light incident portion 22 is Since it is determined by the diffraction conditions, it is possible to design the light guide plate section 20 so as to repeat total reflection along the curved surface.
  • the left and right light guide plate portions 20 are drawn in a line-symmetrical shape. 22 may be different on the left and right.
  • the optical waveguide part 21 has a curved surface shape, the degree of freedom in designing the image projection device is improved, and it is possible to improve the design and the comfort when wearing it.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing the structure of the image projection device according to this embodiment.
  • the image projection device includes a diffraction grating section 10, a light guide plate section 20, an external screen 30, and image irradiation sections 40 and 50.
  • FIG. A viewer wearing the image projection device views the direction of the light guide plate 20 and the external screen 30 from the position of the viewpoint 60 .
  • the diffraction grating section 10 is an optical element that includes a flat plate portion 11, convex portions 12, concave portions 13, and a covering portion, and is formed separately from the light guide plate portion 20.
  • the light guide plate portion 20 is a plate-shaped member made of a translucent material, and includes an optical waveguide portion 21 , a light incident portion 22 , a beam splitter 23 , a retroreflection portion 24 , and a partial reflection portion 25 . , with an optical filter 26 .
  • a second light emitting portion from which the second light emitted from the image irradiating portion 50 is extracted is provided with an optical filter 61, an optical shutter portion 62, and a projection lens 63. As shown in FIG.
  • the optical filters 26 and 61 are optical members that transmit light in a predetermined wavelength range and block light in other wavelengths.
  • the optical filter 26 a bandpass filter that blocks the wavelength of the second light and transmits the wavelength of the first light, or an optical filter equivalent thereto is used.
  • the optical filter 61 a band-pass filter that blocks the wavelength of the first light and transmits the wavelength of the second light, or an optical filter corresponding thereto is used.
  • the first light emitted by the image irradiation unit 40 is red light
  • the second light emitted by the image irradiation unit 50 is green light. Therefore, the optical filter 26 may use a long-pass filter and the optical filter 61 may use a short-pass filter.
  • the optical shutter section 62 is an optical member driven and controlled by a control section (not shown) to switch between transmission and blocking of light.
  • a specific configuration of the optical shutter unit 62 is not limited, and a liquid crystal shutter or the like can be used.
  • the projection lens 63 is an optical member that enlarges the light diameter of the irradiation light LV extracted from the second light emitting portion and projects it onto the external screen 30 . Although one lens is shown as the projection lens 63 in FIG. 13, the projection lens 63 may be configured by combining a plurality of lenses.
  • the first light emitted from the image irradiation unit 40 part of the light diffracted by the diffraction grating unit 10 enters from the light incidence unit 22, is totally reflected in the optical waveguide unit 21, and is guided as guided light. be.
  • the guided light of the first light reaches the beam splitter 23 while being totally reflected, and is partially reflected to project the image EX on the external screen 30 .
  • the light that has passed through the beam splitter 23 is totally reflected again and reaches the end of the optical waveguide section 21 .
  • the guided light of the first light that has reached the end of the optical waveguide section 21 passes through the optical filter 26 and enters the partial reflection section 25 . to reach The guided light is retroreflected by the retroreflector 24 .
  • the first light retroreflected by the retroreflector 24 forms an aerial image A1 in the air between the viewpoint 60 and the optical waveguide 21 as described in the first embodiment.
  • the light specularly reflected by the partial reflection portion 25 forms an aerial image A2 in the air between the optical waveguide portion 21 and the external screen 30 .
  • Light that does not satisfy the condition of total reflection in the optical waveguide section 21 in the first light is extracted from the second light emitting section toward the external screen 30 , and the second light emitting section is provided with an optical filter 61 . Therefore, the first light is blocked by the optical filter 61 and is not projected onto the external screen 30 .
  • the incident angle of the second light with respect to the diffraction grating section 10 is made different from the incident angle of the first light, and by selecting the incident angle that satisfies the appropriate diffraction conditions, the first light and the second light are guided.
  • the angles of incidence on wave section 21 can be set to be the same. Further, if the incident positions of the first light and the second light to the diffraction grating section 10 are the same, the paths of the first light and the second light guided by total reflection in the optical waveguide section 21 should be the same. can be done.
  • the guided light of the second light also reaches the beam splitter 23 while being totally reflected, and is partially reflected to project the image EX on the external screen 30 .
  • the light that has passed through the beam splitter 23 is totally reflected again and reaches the end of the optical waveguide section 21 .
  • the guided light of the second light that has reached the end of the optical waveguide portion 21 is blocked by the optical filter 26 and does not reach the partial reflection portion 25 and the retroreflection portion 24 . Therefore, the second light reflected back to the beam splitter 23 disappears, and the aerial images A1 and A2 are not formed by the second light.
  • the light that does not satisfy the condition of total reflection in the optical waveguide section 21 is extracted from the second light emitting section toward the external screen 30, and when the optical shutter section 62 is in the transmission state, the projection lens 63 is used.
  • the external screen 30 is irradiated with the irradiation light LV through the projection screen 30, and the image V1 is projected.
  • the light shutter section 62 is in the blocking state, the irradiation light LV of the second light is blocked and the image V1 is not projected.
  • the optical filter 26 is provided between the beam splitter 23 and the retroreflector 24, so that the aerial images A1 and A2 can be formed using only the first light. Further, by providing the optical filter 61 in the second light emitting portion, it is possible to project the image V1 on the external screen 30 only with the second light. Therefore, the contents of the aerial images A1 and A2 formed by the first light emitted from the image irradiation section 40 and the contents of the image V1 projected by the second light emitted from the image irradiation section 50 can be made different. It is possible to realize various image projections.
  • the imaging efficiency of the aerial images A1 and A2 can be improved by including a lens optical unit with a variable focal length in the image irradiation unit 40 and adjusting the divergence angle of the first light incident on the diffraction grating unit 10. It can also be changed.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing the structure of an image projection device according to a modification of the fifth embodiment.
  • the image projection device includes a diffraction grating section 10, a light guide plate section 20, an external screen 30, and image irradiation sections 40a, 40b and 50.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing the structure of an image projection device according to a modification of the fifth embodiment.
  • the image projection device includes a diffraction grating section 10, a light guide plate section 20, an external screen 30, and image irradiation sections 40a, 40b and 50.
  • the image irradiation unit 40a irradiates the first light of the first wavelength containing the first image
  • the image irradiation unit 40b irradiates the second light of the second wavelength containing the second image.
  • the image irradiation unit 50 irradiates the third light of the third wavelength containing the third image.
  • the first wavelength is red light
  • the second wavelength is blue light
  • the third wavelength is green light.
  • a notch filter that blocks the third wavelength and transmits the first and second wavelengths is used as the optical filter 26
  • a band filter that blocks the first and second wavelengths and transmits the third wavelength is used as the optical filter 61.
  • a dichroic mirror selective reflection section that reflects the first wavelength and transmits the second wavelength is used as the partial reflection section 25 .
  • the incident angles of the first light, the second light, and the third light irradiated onto the diffraction grating section 10 from the image irradiation sections 40a, 40b, and 50 are selected so as to satisfy appropriate diffraction conditions, and the diffraction grating section 10
  • the light incident on the optical waveguide portion 21 from the optical waveguide portion 21 is totally reflected along the same path and propagates through the optical waveguide portion 21 .
  • Part of the light diffracted by the diffraction grating section 10 enters from the light incident section 22 and is totally reflected inside the optical waveguide section 21 of the first light and the second light emitted from the image irradiating sections 40a and 40b. Waveguided as guided light.
  • the guided light of the first light and the second light reaches the beam splitter 23 while being totally reflected, and is partially reflected to project the image EX on the external screen 30 .
  • the light that has passed through the beam splitter 23 is totally reflected again and reaches the end of the optical waveguide section 21 .
  • the guided light of the first light that has reached the end of the optical waveguide portion 21 is transmitted through the optical filter 26, enters the partial reflection portion 25, and is specularly reflected.
  • the first light specularly reflected by the partial reflection portion 25 forms an aerial image A2 in the air between the optical waveguide portion 21 and the external screen 30 .
  • the guided light of the second light that has reached the end of the optical waveguide section 21 passes through the optical filter 26 and the partial reflection section 25, enters the retroreflection section 24, and is retroreflected.
  • the second light retroreflected by the retroreflector 24 forms an aerial image A1 in the air between the viewpoint 60 and the optical waveguide 21 as described in the first embodiment.
  • the light that does not satisfy the condition of total reflection in the optical waveguide section 21 is extracted from the second light emitting section toward the external screen 30, and the second light emitting section includes an optical filter 61. Therefore, the first light and the second light are blocked by the optical filter 61 and are not projected onto the external screen 30 .
  • the guided light of the third light also reaches the beam splitter 23 while being totally reflected, and is partially reflected to project the image EX on the external screen 30 .
  • the light that has passed through the beam splitter 23 is totally reflected again and reaches the end of the optical waveguide section 21 .
  • the guided light of the third light that has reached the end of the optical waveguide section 21 is blocked by the optical filter 26 and does not reach the partial reflection section 25 and the retroreflection section 24 . Therefore, there is no third light reflected back to the beam splitter 23, and the aerial images A1 and A2 are not formed by the third light.
  • the light that does not satisfy the condition of total reflection in the optical waveguide section 21 is extracted from the second light emitting section toward the external screen 30, and when the optical shutter section 62 is in the transmission state, the projection lens 63
  • the external screen 30 is irradiated with the irradiation light LV through the projection screen 30, and the image V1 is projected.
  • the light shutter section 62 is in the blocking state, the irradiation light LV of the second light is blocked and the image V1 is not projected.
  • the optical filter 26 between the beam splitter 23 and the retroreflector 24, it is possible to form the aerial images A1 and A2 with the first light and the second light, respectively. can. Further, by providing the optical filter 61 in the second light emitting portion, it is possible to project the image V1 on the external screen 30 only with the third light. Therefore, the contents of the aerial images A1 and A2 formed by the first light and the second light emitted from the image irradiation section 40 and the contents of the image V1 projected by the third light emitted from the image irradiation section 50 By changing , various image projections can be realized.
  • FIGS. 15A, 15B, and 15C are schematic diagrams showing structural examples of the retroreflective portion 24 in this embodiment. As shown in FIGS. 15A, 15B, and 15C, the retroreflective portion 24 has microbeads selectively formed on a sheet portion 24a. A regular reflection region 24c in which is exposed is mixedly formed.
  • the sheet portion 24a is a thin plate-like member whose surface is formed as a reflective surface. It is preferable that the sheet portion 24a has flexibility.
  • the sheet portion 24a is flexible, so that it can be formed into the flat plate shape shown in FIG. 15A, the concave mirror shown in FIG. 15B, or the convex mirror shown in FIG. 15C. can take the form of
  • the retroreflective area 24b is an area in which microbeads are formed on the surface of the sheet portion 24a.
  • the light incident on the retroreflective area 24b is retroreflected in the incident direction by being reflected within the microbeads.
  • Microbeads are not formed in the specular reflection region 24c, and the reflective surface of the sheet portion 24a is exposed. Therefore, light incident on the specular reflection region 24c is specularly reflected by the reflecting surface of the sheet portion 24a.
  • the retroreflective portion 24 of this embodiment is formed by forming a mask on the specular reflection region 24c of the sheet portion 24a using a photolithography technique, and depositing microbeads on the region where the mask is not formed to form the retroreflective region 24b.
  • part of the light incident on the retroreflective portion 24 while increasing in light diameter is retroreflected as imaging light L1 in the retroreflective region 24b, and the light diameter is reduced. and reflected.
  • the light is retroreflected as the imaging light L2, and the light diameter is enlarged and reflected.
  • the retroreflector 24 is a flat plate, a concave mirror, or a convex mirror, the light diameters of the imaging lights L1 and L2 are enlarged or reduced. can be adjusted.
  • the retroreflective portion 24 of the present embodiment By using the retroreflective portion 24 of the present embodiment, the guided light that has reached the end portion of the optical waveguide portion 21 is partially re-reflected and the rest is specularly reflected, as shown in FIG. 8 in the third embodiment.
  • Aerial images A1 and A2 can be formed in the same manner as the object.
  • the sheet portion 24a is a thin plate-like member and has flexibility as described above.
  • the retroreflection efficiency can be designed by adjusting the arrangement and purity of the microbeads on the surface of the sheet portion 24a.
  • the sheet portion 24a by depositing a metal thin film on the surface of the sheet portion 24a, it is possible to construct a reflective retroreflective element or a retroreflective optical filter in which reflection and retroreflection are mixed. By using these structures for the seat portion 24a, it is possible to improve the degree of freedom in optical design and the design.
  • the wavelength of the first light emitted from the image irradiation unit 40 is used as it is for the projection of the image EX and the image V1 and the formation of the aerial images A1 and A2.
  • the image EX and the image V1 can be projected in a color different from that of the light emitted from the image irradiation unit 40. and aerial images A1 and A2 may be formed.
  • the concave-convex portion of the diffraction grating section 10 does not need to have a periodic structure, and may have a holographic grating structure as long as it can diffract light in at least two directions.
  • the diffraction grating section 10 may be formed inside the optical waveguide section 21 or on the surface of the light incident section 22 .
  • FIG. 16 is a schematic diagram showing the structure of the image projection device according to this embodiment.
  • the image projection device includes a diffraction grating section 10, a light guide plate section 20, and image irradiation sections 40a, 40b, and 40c.
  • the light guide plate section 20 includes an optical waveguide section 21 , a light entrance section 22 , a light exit section 123 , an optical filter 31 and an optical shutter section 32 .
  • the diffraction grating section 10 corresponds to the first diffraction grating section in the present disclosure.
  • the light incident portion 22 is an inclined surface formed at one end of the optical waveguide portion 21, is arranged adjacent to the diffraction grating portion 10, and corresponds to the third light incident portion in the present disclosure.
  • the light entrance section 22 may be provided with an antireflection film or a refractive index adjustment section in order to increase the optical coupling ratio with the diffraction grating section 10 .
  • the light emitting portion 123 is an inclined surface formed at the other end of the optical waveguide portion 21 (the end portion opposite to the light incident portion 22), and corresponds to the third light emitting portion in the present disclosure.
  • the inclined surface of the light emitting portion 123 is set at an angle such that the light propagating through the optical waveguide portion 21 is not totally reflected at the light emitting portion 123 .
  • the surface of the light emitting section 123 may be provided with an antireflection film or an antireflection structure.
  • the optical filter 31 is an optical member that transmits light in a predetermined wavelength range and blocks light in other wavelengths.
  • a band-pass filter is used that blocks light of a predetermined wavelength and transmits light of other wavelengths.
  • the optical shutter section 32 is an optical member driven and controlled by a control section (not shown) to switch between transmission and blocking of light.
  • a specific configuration of the optical shutter unit 32 is not limited, and a liquid crystal shutter or the like can be used.
  • the image irradiation units 40a, 40b, and 40c are devices for irradiating the diffraction grating unit 10 with the first light, the second light, and the third light for projecting the first image, the second image, and the third image, respectively. be.
  • the image irradiation units 40a and 40b respectively correspond to a third image irradiation unit and a fourth image irradiation unit in the present disclosure.
  • the image irradiation units 40a, 40b, and 40c are provided as separate structures, and the incident angles of the first light, the second light, and the third light with respect to the diffraction grating unit 10 are different.
  • the wavelengths of the first light, the second light, and the third light are different. For example, the first light is red light, the second light is green light, and the third light is blue light.
  • the image irradiation units 40a, 40b, and 40c irradiate the diffraction grating unit 10 with light through mirrors, bandpass filters, and the like.
  • the light source unit preferably uses a laser light source, and an image forming unit (not shown) is irradiated with laser light emitted from the light source unit to form the first image, the second image, and the third image into the first light, the second light, and the third image. Include in the third light.
  • a liquid crystal display element, a digital mirror device, or the like can be used as the image forming section, and it may be provided inside the image irradiation sections 40 a , 40 b , and 40 c , or may be arranged on the optical path to the diffraction grating section 10 .
  • FIG. 17 is a schematic perspective view showing an enlarged light incident portion 22 of the image projection device according to this embodiment.
  • a dashed arrow shown in FIG. 17 indicates the path of the first light LR, a two-dot chain line indicates the path of the second light LG, and a one-dot chain line indicates the path of the third light LB.
  • the first light LR, the second light LG, and the third light LB emitted from the image irradiation units 40a, 40b, and 40c reach the diffraction grating unit 10 at different incident angles.
  • 0th-order light T1, ⁇ 1st-order light T2, +1st-order light I1, and ⁇ 2nd-order light I2 are taken out as diffracted light according to the incident angles of the first light, the second light, and the third light. , enter the light entrance portion 22 .
  • the incident angle of the diffracted light incident on the light incident portion 22 from the diffraction grating portion 10 to the light incident portion 22 is determined by the diffraction conditions, the 0th order light T1, ⁇ 1st order light T2, +1st order light I1 and The inclination angle of the light incident portion 22 is set so that any one of the -secondary light I2 satisfies the total reflection condition on both surfaces of the optical waveguide portion 21 .
  • the first light LR and the second light LG are arranged so that the +1st order light I1 of each of the first light LR, the second light LG and the third light LB is incident on the light incident portion 22 at the same angle.
  • the incident angle of the third light LB to the diffraction grating section 10 is set.
  • the diffracted lights of the first light LR, the second light LG, and the third light LB diffracted by the diffraction grating section 10 those that satisfy the total reflection condition of the optical waveguide section 21 are totally reflected within the optical waveguide section 21 . propagates as guided light.
  • the first guided light, the second guided light, and the third guided light enter the optical waveguide section 21 from the same position of the light incident section 22, travel at the same angle, and travel at the same position. Since the total reflection is repeated at the position, the light reaches the same position of the light emitting section 123 along the same path.
  • the incident position of the first guided light at the light incident portion 22, the incident position of the second guided light at the light incident portion 22, and the incident position of the third guided light at the light incident portion 22 are substantially the same.
  • the reflection position in the optical waveguide section 21 of the first guided light, the reflection position in the optical waveguide section 21 of the second guided light, and the reflection position in the optical waveguide section 21 of the third guided light are substantially the same.
  • the output position of the first guided light in the light output section 123, the output position of the second guided light in the light output section 123, and the output position of the third guided light in the light output section 123 are substantially the same.
  • the first guided light, the second guided light, and the third guided light that have reached the light emitting portion 123 are irradiated from the light emitting portion 123 to the outside, and project the first image, the second image, and the third image, respectively.
  • the first guided light, the second guided light, and the third guided light reach the light emitting section 123 along the same path and angle in the optical waveguide section 21, and the first image and the third guided light are obtained.
  • the second image and the third image are irradiated from the light emitting section 123 at the same angle. Therefore, the first image, the second image, and the third image are superimposed and projected on the same position on the screen, and a color image using red light, green light, and blue light can be projected.
  • the image of the display content indicating a warning is projected in red
  • the image of the display content to give a calm atmosphere or a refreshing feeling is projected in blue or green. It is also possible to obtain a color psychology effect, such as by projecting with
  • the diffracted light that does not satisfy the total reflection condition in the optical waveguide section 21 is emitted from the fourth light emitting section of the optical waveguide section 21.
  • the fourth light emitting portion is provided with the optical filter 31
  • only the light of the wavelength selected from the first light LR, the second light LG, and the third light LB is transmitted through the optical filter 31. is removed to the outside.
  • the optical shutter section 32 is in the transmission state, the light transmitted through the optical filter 31 is irradiated to the outside and an image is projected.
  • the optical shutter section 32 is in the blocked state, the light transmitted through the optical filter 31 is blocked by the optical shutter section 32 and no image is projected.
  • the fourth light emitting portion is provided with the optical filter 31 and the optical shutter portion 32 to select the light emitted from the fourth light emitting portion to the outside. All of the first light LR, the second light LG, and the third light LB may be emitted to the outside from the fourth light emitting section without providing the shutter section 32 .
  • FIG. 16 shows an example in which the light emitting portion 123 has a flat surface, the light emitting portion 123 is formed in a concave shape or a convex shape to function as a lens so that the first light LR, the second light LG, The spread angle of the third light LB may be adjusted.
  • FIGS. 18A and 18B are photographs showing paths of light when laser light is incident on the light guide plate portion 20.
  • FIG. FIG. 18A shows the path of red light.
  • FIG. 18B shows the path of green light.
  • FIG. 18C shows paths when red light and green light are incident simultaneously.
  • the bright lines in FIGS. 18A and 18B indicate the path of the light, and the laser light reaches from the light entrance portion 22 to the light exit portion 123 by repeating total reflection at the interface of the optical waveguide portion 21 .
  • the incident positions and incident angles of the red light and the green light in the light incident portion 22 are the same, and the paths in the optical waveguide portion 21 are also overlapped.
  • the first light LR, the second light LG, and the third light LB are made incident on the diffraction grating section 10 at different angles of incidence, and the first light LR and the second light LG Since the third light LB is totally reflected by the optical waveguide section 21 and guided to the light emitting section 123, the optical members can be simplified, and the size and weight can be reduced. In addition, since the light emitted from the light emitting portion 123 is emitted from the same position and at the same angle, it is not necessary to align the optical axes of the optical members even when light beams of a plurality of wavelengths are superimposed.
  • the emission position of each light in the light emission section 123 may shift.
  • the optical path of each light may be adjusted according to the shape and size of the light guide plate section 20 . Also, the optical paths may be adjusted in consideration of the possibility that the lights may optically interfere with each other. Further, it is also possible to irradiate the light that does not satisfy the total reflection condition in the optical waveguide section 21 to the outside from the fourth light emitting section to perform various image projections.
  • FIG. 19 is a schematic diagram showing the structure of the image projection device according to this embodiment.
  • the solid-line arrows and broken-line arrows shown in FIG. 19 schematically show paths of light.
  • the area hatched with oblique lines in FIG. 19 indicates the area irradiated with the irradiation light LW.
  • two light guide plate portions 20 are provided, and a common diffraction grating portion 10 is arranged to face the light incident portion 22 provided in each light guide plate portion 20 .
  • the image projection device includes one diffraction grating section 10, two light guide plate sections 20, an image irradiation section 40, and an external screen 160.
  • a viewer wearing the image projection device views the direction of the light guide plate 20 and the external screen 160 with both eyes from two viewpoints 70 .
  • the diffraction grating section 10 is an optical element including a flat plate portion 11, convex portions 12, concave portions 13, and a covering portion, and is formed separately from the light guide plate portion 20.
  • the light guide plate portion 20 is a plate-like member made of a translucent material, and includes an optical waveguide portion 21, a light incident portion 22, and a light emitting portion 123, respectively.
  • the external screen 160 displays an image by projecting the light emitted from the light guide plate section 20 .
  • the material constituting the external screen 160 is not limited, and a translucent material that transmits light may be used, or a white material that blocks and reflects light may be used. When a translucent material is used, images can be superimposed and projected using the external environment of the image projection apparatus as a background.
  • FIG. 19 shows an example in which the external screen 160 is provided separately from the image projection device. By fixing, the relative positional relationship between the external screen 160 and the light guide plate section 20 may be maintained.
  • the two light guide plate portions 20 are arranged so that the light incident portions 22 are adjacent to each other, and the common diffraction grating portion 10 is arranged across the two light incident portions 22 so as to face each other. Also, the two light guide plate portions 20 are flat plates and arranged in a V shape.
  • the image irradiation units 40a, 40b, and 40c of the ninth embodiment are collectively shown as the image irradiation unit 40.
  • the diffraction grating section 10 is irradiated at an angle.
  • the plurality of image irradiation units included in the image irradiation unit 40 respectively correspond to the third image irradiation unit and the fourth image irradiation unit in the present disclosure.
  • the first light LR, the second light LG, and the third light LB are incident on the diffraction grating section 10 from the image irradiation section 40, and the first light LR, the third light, and The diffracted lights of the second light LG and the third light LB enter the optical waveguide section 21 from the light incident section 22 of each light guide plate section 20 .
  • the first light is diffracted by the concave and convex portions formed by the convex portions 12 and the concave portions 13, and the 0th order light T1 and the +1st order light I1 travel rightward in the figure.
  • the -1st order light T2 and the -2nd order light I2 travel leftward in the drawing. Therefore, the 0th-order light T1 and the +1st-order light I1 are incident on the optical waveguide section 21 arranged to face the right half of the diffraction grating section 10, and the optical waveguide section 21 arranged to face the left half of the diffraction grating section 10.
  • the -1st order light T2 and the -2nd order light I2 are incident on the wave portion 21 .
  • the inclination angle of the light incident portion 22 and the shape of the optical waveguide portion 21 so that the zero-order light T1 satisfies the total reflection condition of the optical waveguide portion 21 arranged on the right side, The zero-order light T1 is guided as guided light.
  • the inclination angle of the light incident part 22 and the shape of the optical waveguide part 21 so that the -1st order light T2 satisfies the total reflection condition of the optical waveguide part 21 arranged on the left side, the -1st order light T2 is guided as guided light.
  • the first guided light, the second guided light, and the third guided light guided in the two light guide plate portions 20 are irradiated as the irradiation light LW from the respective light emitting portions 123, and the first image, the second image, and the A projection image is displayed by superimposing the third image on the external screen 160 .
  • the projection image can be visually recognized with both eyes of the viewer. Further, in the image projection apparatus of this embodiment as well, it is possible to simplify the optical members and reduce the size and weight.
  • FIG. 20 is a schematic diagram showing the structure of an image projection device according to a modification of the tenth embodiment.
  • the solid-line arrows and broken-line arrows shown in FIG. 20 schematically indicate paths of light.
  • This modification differs from the tenth embodiment in that two light guide plate portions 20 have curved surfaces.
  • the two light guide plate portions 20 have curved surfaces along the direction of the viewpoint 70, but the incident angle of the first light from the diffraction grating portion 10 to the light incident portion 22 is the diffraction condition , it is possible to design the light guide plate portion 20 so as to repeat total reflection along the curved surface.
  • the left and right light guide plate portions 20 are drawn in a shape close to line symmetry. Depending on whether the diffracted light is guided light or not, the inclination angle of the light incident part 22 may be different between the left and right sides.
  • FIG. 21 is a schematic diagram showing the structure of the image projection device according to this embodiment. Solid-line arrows and broken-line arrows shown in FIG. 21 schematically indicate paths of light.
  • the image projection apparatus of this embodiment includes a diffraction grating section 10, a light guide plate section 20, an image irradiation section 40, a digital mirror device 71, and a reflection mirror section 72.
  • FIG. A viewer wearing the image projection device visually recognizes the direction of the reflecting mirror section 72 from the viewpoint position.
  • the image projection device of this embodiment is a wearable HUD in the shape of eyeglasses, and uses the light guide plate section 20 as a temple of the eyeglasses and the reflecting mirror section 72 as a lens. Although only the left half is shown in FIG. 21, images can be projected to both eyes by providing a similar structure symmetrically.
  • the digital mirror device 71 has a plurality of micromirrors, and each micromirror can individually change the angle of reflection. It is a member that reflects light.
  • the reflecting mirror section 72 is a member that guides the light including the image reflected by the digital mirror device 71 and reflects the light in the viewing direction.
  • FIG. 21 shows a part of the spectacle lens as the reflecting mirror section 72, but the shape and position are not limited as long as the light from the digital mirror device 71 can be reflected toward the viewpoint.
  • the image irradiation unit 40 includes a laser light source that irradiates the first light LR, the second light LG, and the third light LB, and makes each light incident on the diffraction grating unit 10 at different incident angles.
  • a digital mirror device 71 which is an image forming unit, is provided separately from the image irradiation unit 40, and an image is included in the light emitted from the light guide plate unit 20.
  • An image forming unit may be provided.
  • the plurality of laser light sources included in the image irradiation section 40 respectively correspond to the third image irradiation section and the fourth image irradiation section in the present disclosure.
  • the first light LR, the second light LG, and the third light LB emitted from the image irradiation unit 40 are incident on the diffraction grating unit 10 at different incident angles, and part of the diffracted light is incident on the diffraction grating unit 10. They enter the optical waveguide section 21 at the same angle from the same position on the section 22 . Moreover, the diffracted lights of the first light LR, the second light LG, and the third light LB satisfy the total reflection condition of the optical waveguide section 21 , and are repeatedly totally reflected within the optical waveguide section 21 to reach the light emitting section 123 . reach.
  • the guided light reaching the light emitting portion 123 is emitted from the light guide plate portion 20 and reflected by the digital mirror device 71 .
  • the minute mirrors included in the digital mirror device 71 have their reflection angles controlled based on the image information, and the light reflected by the digital mirror device 71 includes an image.
  • the light reflected by the digital mirror device 71 is re-reflected in the direction of the viewpoint by the reflecting mirror section 72, and an image is projected onto the viewpoint.
  • the first light LR, the second light LG, and the third light LB are totally reflected in the light guide plate portion 20 at the same position and angle, and thus emitted from the light emitting portion 123.
  • the irradiation light is reflected by the digital mirror device 71 and the reflection mirror section 72 and reaches the viewpoint along the same path. Therefore, the first image, the second image, and the third image included in the first light LR, the second light LG, and the third light LB are superimposed and incident on the viewpoint, and a color image can be visually recognized.
  • time-division driving for image display by the digital mirror device 71
  • the timing of light irradiation and image formation of each color is synchronized, and the contents of the first image, the second image, and the third image are made different. be able to.
  • PWM Pulth Width Modulation
  • the first light LR, the second light LG, and the third light LB are made incident on the diffraction grating section 10 at different angles of incidence, and the first light LR, the second light LG, Since the third light LB is totally reflected by the optical waveguide section 21 and guided to the light emitting section 123, it is possible to simplify the optical members and reduce the size and weight.
  • the light emitted from the light emitting portion 123 is emitted from the same position and at the same angle, it is not necessary to align the optical axes of the optical members even when light beams of a plurality of wavelengths are superimposed.
  • FIG. 22 is a schematic diagram showing the structure of the image projection device according to this embodiment.
  • the image projection device includes a diffraction grating section 10, a light guide plate section 20, image irradiation sections 40a and 40b, an image irradiation section 50, an external screen 160, and a diffraction grating section 80.
  • a viewer wearing the image projection device visually recognizes the direction of the light guide plate 20 and the external screen 160 from the position of the viewpoint.
  • the diffraction grating section 80 corresponds to the second diffraction grating section in the present disclosure.
  • the diffraction grating sections 10 and 80 are optical elements having a plate-like portion 11, convex portions 12, concave portions 13, and covering portions, and are formed separately from the light guide plate portion 20.
  • the light guide plate portion 20 is a plate-like member made of a translucent material, and includes an optical waveguide portion 21, a light incident portion 22, a light emitting portion 123, an optical filter 31, and an optical shutter portion 32. , a projection lens 33 .
  • the image irradiation unit 50 is a device that irradiates the diffraction grating unit 10 with light for projecting an image, and is provided as a separate structure from the image irradiation units 40a and 40b.
  • the wavelengths of the first light and second light emitted by the image irradiation units 40a and 40b and the third light emitted by the image irradiation unit 50 are different.
  • the first light is red light and the second light is blue light.
  • the light, the third light is green light.
  • the diffracted light diffracted by the diffraction grating section 10 of the third light emitted by the image irradiation section 50 does not satisfy the total reflection condition of the light guide plate section 20 .
  • Part of the light diffracted by the diffraction grating section 10 among the first light and the second light emitted by the image irradiation sections 40 a and 40 b satisfies the total reflection condition of the light guide plate section 20
  • the third light irradiated from the image irradiation unit 50 is diffracted by the diffraction grating unit 10, passes through the optical waveguide unit 21, is irradiated onto the external screen 160 as irradiation light LV, and projects a projected image onto the external screen 160.
  • the projection lens 33 is an optical member for enlarging the light diameter of the irradiation light LV extracted from the second light emitting section and projecting it onto the external screen 160 . Although one lens is shown as the projection lens 33 in FIG. 22, the projection lens 33 may be configured by combining a plurality of lenses.
  • the 22 shows a state in which the irradiation light LV emitted from the image irradiation unit 50 is projected on the left half of the external screen 160, but by using an optical member such as a separate lens, the light can be projected onto the entire external screen 160. It is also possible to illuminate the illumination light LV and project the image across the external screen 160 so as to cover the entire field of view.
  • FIG. 23 is a schematic perspective view showing an enlarged light emitting section 123 of the image projection device according to this embodiment.
  • the diffraction grating section 80 is arranged in the light emitting section 123, and is an optical member that opens the waveguided light emitted from the light emitting section 123 and extracts it to the outside.
  • the convex portions 12 and concave portions 13 of the diffraction grating portion 80 have the same shape as that of the diffraction grating portion 10, and the uneven portions of the diffraction grating portion 10 and the diffraction grating portion 80 are parallel to each other.
  • the projections 12 and the recesses 13 are placed in In the diffraction grating section 10, the projections 12 and the recesses 13 are arranged so as to face the light entrance section 22, but in the diffraction grating section 80, the flat plate portion 11 is arranged so as to face the light exit section 123. .
  • the first light and the second light that have entered the optical waveguide section 21 are totally reflected at the same position in the optical waveguide section 21 at the same angle and reach the light emitting section 123 .
  • a diffraction grating section 80 is provided in the light emitting section 123, and the first light and the second light are diffracted by the diffraction grating section 80 to form third and fourth output diffracted lights at different diffraction angles. taken out in the viewing direction.
  • the guided light that has propagated through the optical waveguide section 21 is diffracted by the diffraction grating section 80 and is taken out as imaging light in the direction of the viewpoint while the light diameter increases.
  • the diffracted lights of the first light and the second light diffracted by the diffraction grating section 80 travel with their light diameters increasing until they reach the viewpoint.
  • the aerial images A1 and A2 appear to be formed in the space between the diffraction grating section 80 and the external screen 160 .
  • the planes forming the aerial images A1 and A2 are tilted and non-parallel to each other according to the angles of the first and second outgoing diffracted lights, as shown in FIG.
  • the aerial images A1 and A2 are formed circumferentially around the diffraction grating section 80, and a plurality of aerial images A1 and A2 can be arranged and displayed in a dome shape.
  • the image V1 projected on the external screen 160 by the irradiation light LV from the second light emitting section and the image formed by the imaging lights L1 and L2 are formed.
  • the aerial images A1 and A2 can be visually recognized at the same time.
  • the structures of the diffraction grating section 10 and the diffraction grating section 80 are the same.
  • the imaging direction and imaging position may be set to appropriate positions.
  • part of the first light and part of the second light are respectively diffracted by the diffraction grating section 80 provided in the light emitting section 123 to produce third and fourth emitted diffracted light and fourth emitted diffracted light.
  • the light is irradiated in the viewing direction at different emission angles.
  • the aerial images A1 and A2 can be formed at different angles and positions with the third and fourth emitted diffracted lights.
  • the third light from the image irradiation section 50 can be projected from the fourth light emission section onto the external screen 160, and the image V1 and the aerial images A1 and A2 can be superimposed and visually recognized.
  • the first light and the second light are made incident on the diffraction grating section 10 at different angles of incidence, and the first light and the second light are totally reflected by the optical waveguide section 21. Since the light is guided up to the light emitting portion 123, it is possible to simplify the optical member and reduce the size and weight.
  • FIG. 24 is a schematic diagram showing the structure of the image projection device according to this embodiment. Solid-line arrows and broken-line arrows shown in FIG. 24 schematically indicate paths of light. In addition, the area hatched with oblique lines in FIG. 24 indicates the area irradiated with the irradiation light LV.
  • two curved light guide plate portions 20 are provided, and a common diffraction grating portion 10 is arranged facing the light incident portion 22 provided in each of the light guide plate portions 20 .
  • the image projection device includes one diffraction grating section 10, two light guide plate sections 20, an image irradiation section 40, an image irradiation section 50, an external screen 160, and a diffraction grating section 80. ing. A viewer wearing the image projection device views the direction of the light guide plate 20 and the external screen 160 with both eyes from two viewpoints 70 .
  • the inclination angle of the light incident portion 22 and the shape of the optical waveguide portion 21 so that the +1st-order light I1 satisfies the total reflection condition of the optical waveguide portion 21 arranged on the right side, The +1st order light I1 is guided as guided light.
  • the inclination angle of the light incident part 22 and the shape of the optical waveguide part 21 so that the -2nd order light I2 satisfies the total reflection condition of the optical waveguide part 21 arranged on the left side, the -2nd order light I2 is guided as guided light.
  • the first light and the second light guided in the two light guide plate portions 20 are diffracted by the diffraction grating portions 80 provided in the respective light emitting portions 123, and the third emitted diffracted light and the fourth emitted diffracted light , and form aerial images A1 and A2.
  • the third light emitted from the image irradiation unit 50 is emitted to the external screen 160 as irradiation light LV to project an image.
  • the two light guide plate portions 20 are provided with the common diffraction grating portion 10, and the light exit portion 123 is provided with the diffraction grating portion 80.
  • the aerial images A1 and A2 can be visually recognized by pressing. Further, in the image projection apparatus of this embodiment as well, it is possible to simplify the optical members and reduce the size and weight.
  • FIG. 25 is a schematic diagram showing the structure of an image projection device according to a modification of the thirteenth embodiment.
  • the solid-line arrows and broken-line arrows shown in FIG. 25 schematically show paths of light.
  • the hatched area in FIG. 25 indicates the area irradiated with the irradiation light LV.
  • two flat plate-shaped light guide plate portions 20 are provided, and a common diffraction grating portion 10 is arranged so as to face the light incident portion 22 provided in each of the light guide plate portions 20 .
  • the image projection device includes one diffraction grating section 10, two light guide plate sections 20, an image irradiation section 40, an image irradiation section 50, an external screen 160, and a diffraction grating section 80. ing. A viewer wearing the image projection device views the direction of the light guide plate 20 and the external screen 160 with both eyes from two viewpoints 70 .
  • the inclination angle of the light incident portion 22 and the shape of the optical waveguide portion 21 so that the zero-order light T1 satisfies the total reflection condition of the optical waveguide portion 21 arranged on the right side, The zero-order light T1 is guided as guided light.
  • the inclination angle of the light incident part 22 and the shape of the optical waveguide part 21 so that the -1st order light T2 satisfies the total reflection condition of the optical waveguide part 21 arranged on the left side, the -1st order light T2 is guided as guided light.
  • the first light and the second light guided in the two light guide plate portions 20 are diffracted by the diffraction grating portions 80 provided in the respective light emitting portions 123, and the first emitted diffracted light and the second emitted diffracted light , and form aerial images A1 and A2.
  • the third light emitted from the image irradiation unit 50 is emitted to the external screen 160 as irradiation light LV to project an image.
  • the two light guide plate portions 20 are provided with a common diffraction grating portion 10, and the light exit portion 123 is provided with a diffraction grating portion 80, so that both eyes of the viewer can
  • the aerial images A1 and A2 can be visually recognized by pressing.
  • FIGS. 26A and 26B are schematic perspective views showing the arrangement of the diffraction grating section 10 and the diffraction grating section 80 in the embodiment.
  • FIG. 26A shows the diffraction grating section 10.
  • FIG. 26B shows the diffraction grating section 80.
  • FIG. FIG. 27 is a schematic diagram showing a structural example of the image irradiation unit 40 of the image projection device according to this embodiment.
  • the uneven portions of the diffraction grating portion 10 are along the x-axis direction (the vertical direction in the drawing), and the uneven portions of the diffraction grating portion 80 are along the y-axis direction (the horizontal direction in the drawing). , and are arranged such that the uneven portions are orthogonal to each other.
  • the first light LR and the second light LB incident on the diffraction grating section 10 have different angles with respect to the z-axis in the yz plane, and are incident on the diffraction grating section 10 at different incident angles.
  • the diffracted lights of the first light LR and the second light LB in the diffraction grating section 10 are diffracted in the same direction, and the first light LR and the second light LB are diffracted in the optical waveguide section 21.
  • LB propagates through total internal reflection on the same path.
  • the guided lights of the first light LR and the second light LB that have propagated through the optical waveguide section 21 are incident on the same position of the diffraction grating section 80 provided in the light emitting section 123 at the same angle. Since the response portion of the diffraction grating section 80 extends along the y-axis direction, the first light LR and the second light LB diffracted by the diffraction grating section 80 are separated in the xz plane and travel in the viewing direction. Aerial images A1 and A2 are separately formed in the vertical direction.
  • the image irradiation unit 40 includes a light source unit 41, a second beam splitter 142, polarizers 43a and 43b, a chopper 144, lenses 145 and 147, an aperture 146, mirrors M1 and M2. , M3. It is preferable that the light source unit 41 uses a laser light source.
  • the laser light emitted from the light source unit 41 is split by the second beam splitter 142, one enters the polarizer 43a, the other is reflected by the mirror M1 and enters the polarizer 43b, and the changing directions are orthogonal to each other. adjusted to The laser light incident on the polarizers 43 a and 43 b passes through the chopper 144 .
  • the chopper 144 By passing the laser light through the chopper 144, when one laser light passes, the other laser light is blocked, and the light is switched on/off complementarily. That is, the polarization direction of each laser beam is maintained even after passing through the chopper 144 .
  • the two laser beams are coaxially overlapped in the multiplexing section, the beam diameter and the spread angle are adjusted through the lens 145, the aperture 146, and the lens 147, and the beam is reflected by the mirror M3 and emitted to the outside. .
  • the aerial images A1 and A2 are vertically divided and formed. be able to.

Abstract

第１光を照射する第１画像照射部（４０）と、第１光が入射される第１光入射部（２２）と、第１光の一部を全反射しながら導波光として導波する光導波部（２１）と、導波光の一部を視点方向に出射する第１光出射部を有する導光板部（２０）と、第１光入射部（２２）に設けられた回折格子部（１０）と、を備え、第１光出射部は、光導波部（２１）内に設けられたビームスプリッター（２３）と、光導波部（２１）の端部に設けられた再帰反射部（２４）を備える画像投影装置。

Description

画像投影装置
　本開示は、画像投影装置に関し、特に回折格子を用いた画像投影装置に関する。
　従来から、車両内に各種情報を表示する装置として、アイコンを点灯表示する計器盤が用いられている。また、表示する情報量の増加とともに、計器盤に画像表示装置を埋め込むことや、計器盤全体を画像表示装置で構成することも提案されている。
　計器盤は車両のフロントガラスより下方に位置しているため、計器盤に表示された情報を運転者が視認するには、運転中に視線を下方に移動させる必要があるため好ましくない。そこで、フロントガラスに画像を投影して、運転者が車両の前方を視認したときに情報を読み取れるようにするヘッドアップディスプレイ（以下ＨＵＤ：Ｈｅａｄ　Ｕｐ　Ｄｉｓｐｌａｙ）も提案されている（例えば、特許文献１を参照）。このようなＨＵＤでは、フロントガラスの広い範囲に画像を投影するための光学装置が必要であり、光学装置の小型化および軽量化が望まれている。
　小型の光学装置を用いて光を投影する画像表示装置としては、導光板の一端から光を入射させて他端側で視点方向に光を取り出すウェアラブル型のＨＵＤが知られている（例えば、特許文献２を参照）。ウェアラブル型のＨＵＤでは、光源から照射された光を視聴者の眼に直接照射して、視聴者の網膜に画像を投影している。このようなウェアラブル型のＨＵＤでは、光源から視聴者に光を照射する際に回折格子やハーフミラーを用いている。ウェアラブル型のＨＵＤは、頭部に装着することで利用者個人の視点に対して画像を投影するため、没入感の高い仮想現実（ＶＲ：Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｒｅａｌｉｔｙ）や拡張現実（ＡＲ：　Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ　Ｒｅａｌｉｔｙ）等に用いられる。
日本国特開２０１９－１１９２６２号公報 日本国特開２０２０－１４４１９０号公報
　従来のウェアラブル型のＨＵＤでは、回折格子やハーフミラーで導光板から画像を視点方向に投影するため、視点からの距離が同じである平面内に全ての画像が表示される。そのため、複数の画像を異なる視点からの距離に表示して重ね合わせることが困難であった。視点からの距離が異なる位置に複数の画像を投影するには、投影位置に対応した画像投影部と光学系部材を設計して個別に配置する必要があるため、部品点数が増加して装置の小型化と軽量化が困難になるという問題があった。
　また、従来のウェアラブル型のＨＵＤでは、複数波長の光を照射して、色彩豊かな画像投影を行うためには、複数の光源とそれぞれの波長に適した光学部材を用いる必要があり、光学部材の部品点数が増加するという問題があった。複数波長の光を重ね合わせて画像投影をする場合には、光学部材における光軸調整が困難であるという問題があった。
　そこで本開示は、視点からの距離が異なる位置に複数の画像を投影し、さらに小型で軽量な画像投影装置を提供することを目的とする。
　さらに本開示は、複数波長の光を用いた画像投影を行うために必要な光学部材を簡素化し、小型で軽量な画像投影装置を提供することを目的とする。
　本開示の画像投影装置は、
　第１光を照射する第１画像照射部と、
　前記第１光が入射される第１光入射部と、前記第１光の一部を全反射しながら導波光として導波する光導波部と、前記導波光の一部を視点方向に出射する第１光出射部を有する導光板部と、
　前記第１光入射部に設けられた回折格子部と、を備え、
　前記第１光出射部は、前記光導波部内に設けられたビームスプリッターと、前記光導波部の端部に設けられた再帰反射部を備える。
　このような画像投影装置では、ビームスプリッターで第１光を分岐してスクリーンに画像を投影するとともに、光導波部の端部で再帰反射部によって第１光を再帰反射し、ビームスプリッターで視点方向に投影してエアリアルイメージを結像することができる。これにより、視点からの距離が異なる位置に複数の画像を投影し、さらに画像投影装置の小型化と軽量化を図ることが可能となる。
　また、本開示の画像投影装置は、
　第１光を照射する第３画像照射部と、
　第２光を照射する第４画像照射部と、
　前記第１光および前記第２光が入射される第３光入射部と、前記第１光の一部および前記第２光の一部をそれぞれ第１導波光および第２導波光として導波する光導波部と、前記第１導波光および前記第２導波光を出射する第３光出射部を有する導光板部と、
　前記第３光入射部に設けられた第１回折格子部を備え、
　前記第１回折格子部に対する前記第１光と前記第２光の入射角度が異なっており、
　前記第１回折格子部で回折された前記第１光の一部および前記第２光の一部が前記光導波部の全反射条件を満たす。
　このような画像投影装置では、第１回折格子部に対して第１光と第２光を異なる入射角度で入射させ、第１光と第２光を光導波部で全反射させて第３光出射部まで導波させるため、光学部材を簡素化し小型化と軽量化を図ることが可能となる。
　本開示では、視点からの距離が異なる位置に複数の画像を投影し、さらに小型で軽量な画像投影装置を提供することができる。
　さらに本開示では、複数波長の光を用いた画像投影を行うために必要な光学部材を簡素化し、小型で軽量な画像投影装置を提供することができる。
図１は、第１実施形態における回折格子部１０の構造を示す模式断面図である。 図２は、第１実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。 図３は、第１実施形態に係る画像投影装置の第１光出射部を拡大して示す模式断面図である。 図４Ａは、視点６０位置にカメラを設置して、外部スクリーン３０上に投影した画像ＥＸと空中に結像したエアリアルイメージＡ１を撮像した写真であり、外部スクリーン３０にカメラの焦点をあてた写真である。 図４Ｂは、視点６０位置にカメラを設置して、外部スクリーン３０上に投影した画像ＥＸと空中に結像したエアリアルイメージＡ１を撮像した写真であり、エアリアルイメージＡ１の結像位置にカメラの焦点をあてた写真である。 図５は、第２実施形態に係る画像投影装置の第１光出射部を拡大して示す模式断面図である。 図６Ａは、視点６０位置にカメラを設置して、外部スクリーン３０上に投影した画像ＥＸおよび画像Ｖ１と、空中に結像したエアリアルイメージＡ１を撮像した写真であり、外部スクリーン３０にカメラの焦点をあてた写真である。 図６Ｂは、視点６０位置にカメラを設置して、外部スクリーン３０上に投影した画像ＥＸおよび画像Ｖ１と、空中に結像したエアリアルイメージＡ１を撮像した写真であり、エアリアルイメージＡ１の結像位置にカメラの焦点をあてた写真である。 図７は、第３実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。 図８は、第３実施形態に係る画像投影装置の第１光出射部を拡大して示す模式断面図である。 図９Ａは、視点６０位置にカメラを設置して、外部スクリーン３０上に投影した画像ＥＸおよび画像Ｖ１と、空中に結像したエアリアルイメージＡ１、Ａ２を撮像した写真であり、エアリアルイメージＡ１の結像位置にカメラの焦点をあてた写真である。 図９Ｂは、視点６０位置にカメラを設置して、外部スクリーン３０上に投影した画像ＥＸおよび画像Ｖ１と、空中に結像したエアリアルイメージＡ１、Ａ２を撮像した写真であり、エアリアルイメージＡ２の結像位置にカメラの焦点をあてた写真である。 図９Ｃは、視点６０位置にカメラを設置して、外部スクリーン３０上に投影した画像ＥＸおよび画像Ｖ１と、空中に結像したエアリアルイメージＡ１、Ａ２を撮像した写真であり、外部スクリーン３０にカメラの焦点をあてた写真である。 図１０Ａは、エアリアルイメージＡ１，Ａ２のビームプロファイルを示す図であり、視点６０位置から焦点を合わせた写真である。 図１０Ｂは、エアリアルイメージＡ１，Ａ２のビームプロファイルを示す図であり、結像位置での三次元輝度プロファイルを示す。 図１０Ｃは、エアリアルイメージＡ１，Ａ２のビームプロファイルを示す図であり、結像位置での三次元輝度プロファイルを示す。 図１０Ｄは、エアリアルイメージＡ１，Ａ２のビームプロファイルを示す図であり、ｘ方向での輝度プロファイルである。 図１０Ｅは、エアリアルイメージＡ１，Ａ２のビームプロファイルを示す図であり、ｙ方向での輝度プロファイルである。 図１１は、第４実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。 図１２は、第４実施形態の変形例に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。 図１３は、第５実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。 図１４は、第５実施形態の変形例に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。 図１５Ａは、第６実施形態における再帰反射部２４の構造例を示す模式図である。 図１５Ｂは、第６実施形態における再帰反射部２４の構造例を示す模式図である。 図１５Ｃは、第６実施形態における再帰反射部２４の構造例を示す模式図である。 図１６は、第９実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。 図１７は、第９実施形態に係る画像投影装置の光入射部２２を拡大して示す模式斜視図である。 図１８Ａは、導光板部２０にレーザ光を入射させた場合の光の経路を示す写真であり、赤色光の経路を示している。 図１８Ｂは、導光板部２０にレーザ光を入射させた場合の光の経路を示す写真であり、緑色光の経路を示している。 図１８Ｃは、導光板部２０にレーザ光を入射させた場合の光の経路を示す写真であり、赤色光と緑色光を同時に入射した場合の経路を示している。 図１９は、第１０実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。 図２０は、第１０実施形態の変形例に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。 図２１は、第１１実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。 図２２は、第１２実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。 図２３は、第１２実施形態に係る画像投影装置の光出射部１２３を拡大して示す模式斜視図である。 図２４は、第１３実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。 図２５は、第１３実施形態の変形例に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。 図２６Ａは、第１４実施形態における回折格子部１０と回折格子部８０の配置を示す模式斜視図であり、回折格子部１０を示している。 図２６Ｂは、第１４実施形態における回折格子部１０と回折格子部８０の配置を示す模式斜視図であり、回折格子部８０を示している。 図２７は、第１４実施形態に係る画像投影装置の画像照射部４０の構造例を示す模式図である。
　（第１実施形態）
　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図１は、本実施形態における回折格子部１０の構造を示す模式断面図である。図１に示すように回折格子部１０は、平板状部分１１と、複数の凸部１２と複数の凹部１３を備えている。平板状部分１１は、光入射面を構成する。凸部１２および凹部１３は、回折格子部１０において面内方向において周期的な屈折率の繰り返しを構成し、本開示における凹凸部分に相当している。平板状部分１１と凸部１２は同一の材料で一体に形成されている。なお図１は、回折格子部１０の構造を模式的に示したものであり、図中の寸法や角度は回折格子部１０における実寸を示すものではない。
　図１に示した例では、回折格子部１０の凸部１２と凹部１３は、それぞれ紙面の奥行方向にストライプ状に延伸して形成されている。凸部１２は、平板状部分１１の主面に対して所定の角度φだけ傾斜して形成されており、スランテッドグレーティングを構成している。また、凸部１２および凹部１３上は、平板状部分１１とは屈折率が異なる材料で構成される被覆部により覆われている。回折格子部１０を構成する材料は限定されないが、一例としては、平板状部分１１および凸部１２を構成する材料としてＴｉＯ２を主成分とする屈折率２．５程度の誘電体が挙げられる。凸部１２および凹部１３を覆う被覆部としてＳｉＯ２を主成分とするガラスやポリマーが挙げられる。
　回折格子部１０の凹凸部分は、例えばフォトリソグラフィー技術やナノインプリント技術、ＥＢＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｂｅａｍ　Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）技術等で形成することができる。また、被覆部を傾斜させた状態で保持し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）法等を用いることで、角度φだけ傾斜して凸部１２および凹部１３を形成することができる。このとき、凸部１２および凹部１３の傾斜角度φとは、凸部１２の上端と下端における中央を結んだ線が、回折格子部１０の主面との間でなす角度である。図１では回折格子部１０の凹凸部分として、凸部１２および凹部１３が傾斜したスランテッドグレーティングを示したが、主面に垂直なピラードグレーティングであってもよい。
　次に図１を用いて、回折格子部１０における光路について説明する。なお図１は、矢印を用いて回折格子部１０における光の進行を模式的に示しているが、正確な光の入射位置や進行経路、出射位置を反映したものではない。図示しない光源部からは、回折格子部１０に向けてレーザ光が照射される。ここでレーザ光は位相が揃ったコヒーレントな光であり、コリメートレンズ等によってコリメート光として照射される。光源部から照射された入射光は、回折格子部１０の界面から所定の傾斜角度で平板状部分１１の内部に入射する。
　ここで、入射光の偏光方向は、凸部１２のストライプとは平行な方向とされている。図１では、入射光の傾斜角度と、回折格子部１０における凸部１２および凹部１３の傾斜方向φとが同じ方向である例を示しているが、逆方向であってもよい。回折格子部１０内に入射した光は、凸部１２と凹部１３との周期的な屈折率差により一部が回折光として所定角度で外部方向に進行し、一部は伝搬光として平板状部分１１の面内を漏れ伝搬光として伝搬する。平板状部分１１内を伝搬する漏れ伝搬光は、空気との界面において反射されて再度凹凸部分に到達し、凸部１２および凹部１３によって回折される。
　図１に示した例では、回折格子部１０により回折された光のうち、０次光Ｔ１は被覆部を透過して外部に照射される。凸部１２が傾斜した方向に回折された一次光（－１次光Ｔ２）も被覆部を透過して外部に照射される。これは、０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２は、回折格子部１０主面に対して垂直に近い角度で回折されるため、被覆部と空気層との界面における全反射条件を満たさないためである。
　凸部１２の傾斜と反対方向に回折された一次光（＋１次光Ｉ１）は、被覆部と空気層の界面により全反射して被覆部内を伝搬する。同様に、凸部１２の傾斜した方向に回折された二次光（－２次光Ｉ２）も、被覆部と空気層の界面により全反射して被覆部内を伝搬する。被覆部と空気層の界面での全反射条件は、被覆部を構成する材料の屈折率で決まる。被覆部内を全反射して伝搬した＋１次光Ｉ１と－２次光Ｉ２は、被覆部の端部から外部に照射される。このとき、０次光Ｔ１、－１次光Ｔ２、＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２は、凸部１２および凹部１３によって回折された光であるため、僅かに光径が拡がりながら進行する。
　図２は、本実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。図２に示すように画像投影装置は、回折格子部１０と、導光板部２０と、外部スクリーン３０と、画像照射部４０，５０とを備えている。画像投影装置を装着する視聴者は、視点６０の位置から導光板部２０および外部スクリーン３０方向を視認する。回折格子部１０は、図１に示したように平板状部分１１と、凸部１２と凹部１３と被覆部を備えた光学素子であり、導光板部２０とは別体に形成されている。導光板部２０は、透光性の材料で構成された板状の部材であり、光導波部２１と、光入射部２２と、ビームスプリッター２３と、再帰反射部２４を備えている。
　光導波部２１は、透光性材料からなる平板状の部材であり、空気との界面で光が全反射を繰り返すことで、一端側から他端側に光を導波する。光導波部２１では一方の面側から他方の面側に光が透過するため、視聴者は視点６０から光導波部２１を介して外部スクリーン３０方向を視認することが可能である。光導波部２１の一端側は主面に対して傾斜した面である光入射部２２が形成されており、回折格子部１０が配置されている。光導波部２１の他端側には、端面が形成されるとともに再帰反射部２４が設けられている。図２では光導波部２１として平板状のものを示しているが、内部で光を全反射により伝搬させることができれば曲面形状であってもよい。
　光入射部２２は、光導波部２１の一端に形成された傾斜面であり、回折格子部１０が隣接して配置され、本開示における第１光入射部に相当する。光入射部２２には、回折格子部１０との光結合率を高めるために、反射防止膜や屈折率調整部が設けられてもよい。
　ビームスプリッター２３は、一方の面から入射した光の一部を反射し残りを透過する光学要素であり、図２に示した例では光導波部２１の内部において、主面に対して傾斜した平面として形成されている。ビームスプリッター２３の具体的な構成は限定されず、通常の構造と設計方法を用いることができる。
　再帰反射部２４は、入射した光を入射方向に対して集光性を保ったまま反射させる光学部材であり、反射膜の表面側に微小なガラスビーズを敷き詰めた構造やプリズムを用いた構造を有してもよい。再帰反射部２４では、光導波部２１内を伝搬してきた光が入射すると、光の入射してきた方向に光を反射するため、光径が拡大して進行する光は、光径が縮小する光として反射される。
　後述するように、光導波部２１においてビームスプリッター２３が設けられた位置から再帰反射部２４が設けられた端部までの間は、光導波部２１内を伝搬してきた光を外部に照射する領域とされており、本開示における第１光出射部を構成している。
　外部スクリーン３０は、後述するように導光板部２０から照射された光が投影されて画像を表示する。外部スクリーン３０を構成する材料は限定されず、光を透過する透光性材料を用いるとしてもよく、光を遮って反射する白色材料を用いるとしてもよい。透光性材料を用いた場合には、画像投影装置の外部環境を背景として画像の重ね合わせ投影をすることができる。図２に示した例では、外部スクリーン３０とアーム部分を一体に形成して、アーム部分を導光板部２０に固定することで、外部スクリーン３０と導光板部２０の相対的な位置関係を保つ例を示しているが、外部スクリーン３０を画像投影装置とは別体に設けるとしてもよい。
　画像照射部４０は、第１画像を投影するための第１光を回折格子部１０に対して照射する装置であり、本開示における第１画像照射部に相当している。画像照射部４０の具体的構成は限定されないが、図２に示した例では画像照射部４０は、光源部４１と、半波長板４２と、偏光子４３，４４を備えている。画像照射部４０はミラー４５，４６，４７、バンドパスフィルター４８を介して光を回折格子部１０に照射する。光源部４１はレーザ光源を用いることが好ましく、光源部４１から照射されるレーザ光を図示しない画像形成部に照射して、第１画像を第１光に含ませる。画像形成部は液晶表示素子やデジタルミラーデバイス等を用いることができ、画像照射部４０の内部に設けてもよく、回折格子部１０までの光路上に配置してもよい。画像照射部４０が画像形成部である液晶表示素子またはデジタルミラーデバイスを備えることで、第１光に含まれる第１画像の内容を経時的に変化させて、動画を投影することも可能である。
　画像照射部５０は、第２画像を投影するための第２光を回折格子部１０に対して照射する装置であり、本開示における第２画像照射部に相当している。画像照射部５０は画像照射部４０とは別に設けられており、回折格子部１０に対する第２光の入射角度は、画像照射部４０が照射する第１光の入射角度とは異なっている。画像照射部５０の具体的構成は限定されず、画像照射部４０と同様な構成を用いることができるが、第１光と第２光の波長は異なっている。
　次に図２および図３を用いて本実施形態の画像投影装置における画像投影について説明する。図３は、本実施形態に係る画像投影装置の第１光出射部を拡大して示す模式断面図である。図中に示した実線矢印および破線矢印は、光の経路を模式的に示すものである。
　画像照射部４０から照射された第１光は、ミラー４５，４６，４７で反射されてバンドパスフィルター４８を介して回折格子部１０に到達する。回折格子部１０では、第１光の入射角度に応じて０次光Ｔ１と＋１次光Ｉ１が回折光として取り出され、光入射部２２に入射する。回折格子部１０から光入射部２２に入射した第１光は、光導波部２１内を全反射して導波光として伝搬する。ここで、回折格子部１０から光入射部２２に入射する第１光の、光入射部２２への入射角度は、回折条件によって決まる。このため、０次光Ｔ１、－１次光Ｔ２、＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２の何れか一つが光導波部２１の両面での全反射条件を満たすように光入射部２２の傾斜角度が設定される。
　光導波部２１内を全反射しながら導波光として伝搬した第１光は、一部がビームスプリッター２３の一方の面で反射され、残りがビームスプリッター２３を透過する。ビームスプリッター２３で反射された導波光は照射光ＬＥとして外部スクリーン３０方向に取り出され、外部スクリーン３０上に画像ＥＸが投影される。ここで、ビームスプリッター２３の一方の面での反射率を低く設計することで、照射光ＬＥの強度を抑制して画像ＥＸを視認できないようにすることも可能である。
　また、ビームスプリッター２３を透過した導波光は、光導波部２１で再度全反射されて再帰反射部２４に到達して再帰反射される。再帰反射部２４で再帰反射された導波光は、光導波部２１内を逆方向に進行して、全反射された後にビームスプリッター２３に到達して反射され、結像光Ｌ１として視点６０方向に取り出される。このとき、光導波部２１を伝搬してきた導波光は光径が拡大しているが、再帰反射部２４で反射された導波光は光径が縮小して進行することになる。また、図２，３に示した例では再帰反射部２４の反射面を凹面形状としているため、光径はさらに縮小されながらビームスプリッター２３まで到達する。
　したがって、ビームスプリッター２３で反射されて視点６０方向に進行する結像光Ｌ１は、所定位置が焦点となり空中でエアリアルイメージＡ１が結像される。ここで再帰反射部２４を平坦面で形成した場合には、回折格子部１０から再帰反射部２４までの光路長と、再帰反射部２４からエアリアルイメージＡ１までの光路長は同じとなる。エアリアルイメージＡ１を結像した後に、結像光Ｌ１は光径が拡大しながら視点６０に入射する。これにより、視聴者は視点６０から光導波部２１および外部スクリーン３０方向を見ることで、空中に結像されたエアリアルイメージＡ１と外部スクリーン３０上に投影された画像ＥＸを同時に視認することができる。
　図２，図３では、光導波部２１の他端を凸形状に形成して、再帰反射部２４を凹面形状としたものを示しているが、他端を平板形状や凹形状に形成して再帰反射部２４を平板状や凸面形状としてもよい。再帰反射部２４の形状と曲率を適切に設計することで、再帰反射部２４で再帰反射された後の光径の縮小率を調整することができ、ビームスプリッター２３で反射されてエアリアルイメージＡ１が結像される位置を微調整することができる。
　また、光導波部２１内を伝搬する導波光が、ビームスプリッター２３から再帰反射部２４に到達するまでに、少なくとも一度は空気との界面で全反射することが必要である。光学設計に応じて、界面での全反射回数を偶数回か奇数回のどちらかに選択することが好ましい。ビームスプリッター２３と再帰反射部２４の間で光が全反射される程度に両者の距離を確保することで、視点６０からビームスプリッター２３を介して外部スクリーン３０方向を視認した際に、視界の中心近傍に再帰反射部２４が位置することを防止できる。加えて、再帰反射部２４は光を透過せず視認可能なため、視界の中心に再帰反射部２４が位置することは、エアリアルイメージＡ１の視認性が低下するため好ましくない。
　また、回折格子部１０で回折されて分岐された第１光のうち、光導波部２１の両面での全反射条件を満たさないものは、光導波部２１の外部スクリーン３０側の面から外部に照射光ＬＶとして取り出される。ここで、光導波部２１のうち照射光ＬＶが取り出される領域は、本開示における第２光出射部に相当している。第２光出射部から取り出された照射光ＬＶは外部スクリーン３０に到達して画像Ｖ１（図示省略）を投影する。
　図２に示した例では、結像光Ｌ１の進行方向である視点方向と、照射光ＬＶの進行方向である外部スクリーン方向が略平行とされている。これにより、外部スクリーン３０と光導波部２１との距離を変更しても、外部スクリーン３０上での画像Ｖ１の投影位置が変化しない。したがって、視聴者が視点６０から外部スクリーン３０方向を視認した際に、エアリアルイメージＡ１が結像される位置と画像Ｖ１が投影される位置が重ならず、同一の視界内でエアリアルイメージＡ１と画像Ｖ１を並べて視認することが可能となる。ここでは視点方向と外部スクリーン方向を平行とした例を示したが、両者が所定の角度で交差する方向であってもよい。外部スクリーン３０と光導波部２１の距離を適切に設定することで、外部スクリーン３０上での画像Ｖ１の投影位置を調整することができるため、エアリアルイメージＡ１と画像Ｖ１の位置関係を調整して視点６０で視認することが可能となる。
　画像照射部５０から照射された第２光も、回折格子部１０で回折された光の一部が光導波部２１での全反射条件を満たすことで、第１光と同様に画像ＥＸの投影とエアリアルイメージＡ１の結像を行うことができる。また、回折格子部１０で回折された第２光のうち光導波部２１での全反射条件を満たさないもので、画像Ｖ１の投影を行うこともできる。また、回折格子部１０で回折された第２光が全て光導波部２１での全反射条件を満たさないようにして、第２光では外部スクリーン３０への画像Ｖ１の投影のみを行うとしてもよい。また、画像照射部５０から照射された第２光を回折格子部１０に入射させず、光導波部２１の視点６０に対向する面から入射させて外部スクリーン３０に画像Ｖ１を直接投影するとしてもよい。この場合、画像Ｖ１を投影する照射光ＬＶが透過する領域が、光導波部２１における第２光出射部に相当する。
　図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、図４Ｄは、視点６０位置にカメラを設置して、外部スクリーン３０上に投影した画像ＥＸと空中に結像したエアリアルイメージＡ１を撮像した写真である。図４Ａは外部スクリーン３０にカメラの焦点をあて、図４ＢはエアリアルイメージＡ１の結像位置にカメラの焦点をあてた写真である。図４Ａ、図４Ｂにおいて、左側の写真は室内灯を点灯した明るい状態での見え方を示しており、右側の写真は室内灯を消灯した暗い状態での見え方を示している。写真中に白線の楕円で示した位置にそれぞれ画像ＥＸおよびエアリアルイメージＡ１が写っている。図４Ａに示したように、画像ＥＸは明るい環境では視認が困難であり暗い環境では視認可能となっている。また図４Ｂに示したように、エアリアルイメージＡ１は明るい環境でも暗い環境でも視認可能となっている。また、エアリアルイメージＡ１と画像ＥＸは同一視界において近接して視認可能であり、視聴者が視覚の焦点距離を調整するだけで視認する対象を選択することができる。
　上述したように、本実施形態の画像投影装置では、ビームスプリッター２３で第１光を分岐して外部スクリーン３０に画像ＥＸを投影するとともに、光導波部２１の端部で再帰反射部２４によって第１光を再帰反射し、ビームスプリッター２３で視点方向に第１光を反射してエアリアルイメージＡ１を結像することができる。これにより、視点からの距離が異なる位置に複数の画像を投影し、視認させることが可能となる。また、導光板部２０の光入射部２２に回折格子部１０を設け、ビームスプリッター２３と再帰反射部２４を設けて第１光出射部を構成するため、複雑な光学設計や部品点数の増加が不要であり、小型化と軽量化を図ることが可能となる。
　（第２実施形態）
　次に、本開示の第２実施形態について図５、図６を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図５は、本実施形態に係る画像投影装置の第１光出射部を拡大して示す模式断面図である。図５中に示した実線矢印および破線矢印は、光の経路を模式的に示すものである。また、図５中に斜線でハッチングを施した領域は照射光ＬＶが照射される領域を示している。本実施形態の画像投影装置は、画像Ｖ１の投影位置のみが第１実施形態と異なっており、他の構成は第１実施形態で図１を用いて説明したものと同様である。本実施形態では、画像照射部５０から照射される第２光を照射光ＬＶとして、照射光ＬＶの進行方向である外部スクリーン方向を視点方向と交差させて、画像ＥＸと画像Ｖ１とを同じ領域に投影するものである。
　図５に示すように、光導波部２１の内部を全反射して伝搬する光は、ビームスプリッター２３で分岐されて照射光ＬＥとして画像ＥＸを外部スクリーン３０上に投影する。また、ビームスプリッター２３を透過した光は光導波部２１で再度全反射されて再帰反射部２４に到達し、再帰反射された後にビームスプリッター２３で反射された結像光Ｌ１としてエアリアルイメージＡ１を結像する。
　また、第２光出射部から外部スクリーン３０に投影される照射光ＬＶの進行方向は、結像光Ｌ１の進行方向である視点方向とは交差する方向である。図５に示した例では、画像照射部５０から照射された第２光は、回折格子部１０に入射されず光導波部２１を介して外部スクリーン３０に照射光ＬＶとして直接照射されており、画像Ｖ１が外部スクリーン３０上に投影されている。
　図６Ａ、図６Ｂは、視点６０位置にカメラを設置して、外部スクリーン３０上に投影した画像ＥＸおよび画像Ｖ１と、空中に結像したエアリアルイメージＡ１を撮像した写真である。図６Ａは外部スクリーン３０にカメラの焦点をあて、図６ＢはエアリアルイメージＡ１の結像位置にカメラの焦点をあてたものである。写真中に白線の楕円で示した位置にそれぞれ画像ＥＸおよびエアリアルイメージＡ１が写っており、画像ＥＸよりも大きな範囲に画像Ｖ１が写っている。図６Ａに示したように、画像ＥＸは画像Ｖ１に重ね合わせて表示されており、同時に両者を視認することが可能である。また、視聴者は視覚の焦点距離を調整するだけで視認する対象を選択することができる。
　本実施形態では、第２光を照射光ＬＶとして外部スクリーン３０の広い範囲に画像Ｖ１を投影しているため、画像Ｖ１を背景画像としてエアリアルイメージＡ１と重ね合わせた画像投影を行うことができる。また、外部スクリーン３０上に画像ＥＸを投影することで、背景画像である画像Ｖ１と画像ＥＸの投影位置は視点６０からの距離が同じになり、視聴者は同時に異なる２つの画像Ｖ１，Ａ１と画像ＥＸを視認することができる。
　（第３実施形態）
　次に、本開示の第３実施形態について図７から図１０を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。本実施形態では、第１光出射部を構成するビームスプリッター２３と再帰反射部２４の間に、所定の反射率で導波光の一部を反射して残りを透過する部分反射部を設けた点が第１実施形態と異なっている。図７は、本実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。
　図７に示すように、画像投影装置は回折格子部１０と、導光板部２０と、外部スクリーン３０と、画像照射部４０，５０とを備えている。画像投影装置を装着する視聴者は、視点６０の位置から導光板部２０および外部スクリーン３０方向を視認する。回折格子部１０は、図１に示したように平板状部分１１と、凸部１２と凹部１３と被覆部を備えた光学素子であり、導光板部２０とは別体に形成されている。導光板部２０は、透光性の材料で構成された板状の部材であり、光導波部２１と、光入射部２２と、ビームスプリッター２３と、再帰反射部２４と、部分反射部２５を備えている。
　部分反射部２５は、光の一部を所定の反射率で反射するとともに残りの光を透過する光学要素であり、ビームスプリッター２３と再帰反射部２４の間の光路上に設けられている。図７に示した例では、光導波部２１の端部と再帰反射部２４の間に部分反射部２５を形成している。また図７では光導波部２１の端部と再帰反射部２４および部分反射部２５を平坦形状とした例を示しているが、第１実施形態と同様に凸形状と凹面鏡としてもよく、凹形状と凸面鏡としてもよい。また、３次元形状のパラボラ凹凸形状の組み合わせとしてもよい。
　図８は、本実施形態に係る画像投影装置の第１光出射部を拡大して示す模式断面図である。図８中に示した実線矢印および破線矢印は、光の経路を模式的に示すものである。また、図８中に斜線でハッチングを施した領域は照射光ＬＶが照射される領域を示している。第１実施形態と同様に、画像照射部４０から照射された第１光または画像照射部５０から照射された第２光は、光入射部２２から光導波部２１に入射して導波光として光導波部２１で全反射されながら導波される。ビームスプリッター２３で反射された導波光は、外部スクリーン３０に対して照射光ＬＥとして取り出され、外部スクリーン３０上に画像ＥＸを投影する。
　ビームスプリッター２３を透過した導波光は、部分反射部２５および再帰反射部２４で反射された後にビームスプリッター２３に再入射して反射され、結像光Ｌ１，Ｌ２として視点６０方向に取り出される。このとき、部分反射部２５で反射された光は正反射であるため、光導波部２１内で光径が拡大しながら伝搬してきた導波光は、ビームスプリッター２３で反射されて視点６０に到達するまで光径が拡大しながら進行する。これにより、視点６０では、光導波部２１と外部スクリーン３０との間の空間にエアリアルイメージＡ２が結像されているように視認される。
　また、部分反射部２５を透過した光は再帰反射部２４に入射し、再帰反射部２４では導波光が再帰反射され、ビームスプリッター２３で反射されて視点６０に到達するまで光径が縮小しながら進行する。これにより、視点６０では、光導波部２１と視点６０との間の空間にエアリアルイメージＡ１が結像されているように視認される。また、第２光出射部から外部スクリーン３０に投影される照射光ＬＶの進行方向は、結像光Ｌ１、Ｌ２の進行方向である視点方向とは交差する方向であり、画像Ｖ１が外部スクリーン３０上に投影されている。
　図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃは、視点６０位置にカメラを設置して、外部スクリーン３０上に投影した画像ＥＸおよび画像Ｖ１と、空中に結像したエアリアルイメージＡ１、Ａ２を撮像した写真である。図９ＡはエアリアルイメージＡ１の結像位置にカメラの焦点をあて、図９ＢはエアリアルイメージＡ２の結像位置にカメラの焦点をあて、図９Ｃは外部スクリーン３０にカメラの焦点をあてたものである。写真中に白線の楕円で示した位置にそれぞれエアリアルイメージＡ１、Ａ２および画像ＥＸが写っており、画像ＥＸよりも大きな範囲に画像Ｖ１が写っている。
　図９Ａに示すように、光導波部２１よりも視点６０側に焦点をあてることで、エアリアルイメージＡ１を鮮明に写すことができる。図９Ｂに示すように、光導波部２１と外部スクリーン３０の間に焦点をあてることで、エアリアルイメージＡ２を鮮明に写すことができる。図９Ｃに示すように、外部スクリーン３０に焦点をあてると、画像ＥＸおよび画像Ｖ１を鮮明に写すことができる。また、エアリアルイメージＡ１、Ａ２と画像ＥＸおよび画像Ｖ１は同一視界において近接して視認可能であり、視聴者が視覚の焦点距離を調整するだけで視認する対象を選択することができる。
　図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃ、図１０Ｄ、図１０Ｅは、エアリアルイメージＡ１，Ａ２のビームプロファイルを示す図である。図１０Ａは視点６０位置から焦点を合わせた写真である。図１０Ｂ、図１０Ｃは結像位置での三次元輝度プロファイルを示す。図１０Ｄはｘ方向での輝度プロファイルである。図１０Ｅはｙ方向での輝度プロファイルである。図１０Ａ、図１０Ｂは、それぞれ図９Ａ、図９Ｂにおいて白線で囲んだ領域を拡大して示している。図１０Ｃ～図１０Ｅは、それぞれエアリアルイメージＡ１，Ａ２の結像位置における輝度の測定結果を示している。図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃ、図１０Ｄ、図１０Ｅに示された「ｘ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ」と「ｙ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ」は、図９Ｃ中に示されたｘ軸方向とｙ軸方向を示している。
　図１０Ａ～図１０Ｃに示したように、エアリアルイメージＡ１はｘ軸方向に長い楕円形状として結像され、エアリアルイメージＡ２はｙ軸方向に長い楕円形状として結像されている。また、図１０Ｄ、図１０Ｅに示したように、エアリアルイメージＡ１のｘ軸方向での半値幅は３１ピクセル程度であり、ｙ軸方向での半値幅は１０ピクセル程度であった。また、エアリアルイメージＡ２のｘ軸方向での半値幅は２０ピクセル程度であり、ｙ軸方向での半値幅は２５ピクセル程度であった。したがって、エアリアルイメージＡ１とＡ２は異なる形状に結像されており、視聴者が視覚の焦点距離を変更した際に視認される形状は、エアリアルイメージＡ１とＡ２で変化することになる。
　上述したように、本実施形態の画像投影装置では、光導波部２１の端部において部分反射部２５で正反射した導波光でエアリアルイメージＡ２を結像し、再帰反射部２４によって再帰反射した導波光でエアリアルイメージＡ１を結像する。また、外部スクリーン３０上には画像ＥＸと画像Ｖ１を投影する。これにより、視点からの距離が異なる位置に複数の画像を投影し、視認させることが可能となる。また、導光板部２０の光入射部２２に回折格子部１０を設け、ビームスプリッター２３と部分反射部２５と再帰反射部２４を設けて第１光出射部を構成するため、複雑な光学設計や部品点数の増加が不要であり、小型化と軽量化を図ることが可能となる。
　（第４実施形態）
　次に、本開示の第４実施形態について図１１を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図１１は、本実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。本実施形態では、導光板部２０を二つ備えて、それぞれの導光板部２０に設けられた光入射部２２に対向して共通の回折格子部１０が配置されている。
　図１１に示すように、画像投影装置は一つの回折格子部１０と、二つの導光板部２０と、外部スクリーン３０と、画像照射部４０，５０とを備えている。画像投影装置を装着する視聴者は、二つの視点６０の位置から両眼で導光板部２０および外部スクリーン３０方向を視認する。回折格子部１０は、図１に示したように平板状部分１１と、凸部１２と凹部１３と被覆部を備えた光学素子であり、導光板部２０とは別体に形成されている。導光板部２０は、透光性の材料で構成された板状の部材であり、それぞれ光導波部２１と、光入射部２２と、ビームスプリッター２３と、再帰反射部２４を備えている。
　二つの導光板部２０は、互いの光入射部２２が隣接して配置されており、共通の回折格子部１０が二つの光入射部２２に跨って対向して配置されている。また、一つの画像照射部４０から回折格子部１０に第１光が入射され、回折格子部１０で回折された第１光がそれぞれの導光板部２０における光入射部２２から光導波部２１内に入射する。二つの導光板部２０はそれぞれ平板状であり、Ｖ字形状に配置されている。
　図１で示したように回折格子部１０では、凸部１２と凹部１３で構成された凹凸部によって第１光が回折され、０次光Ｔ１と＋１次光Ｉ１が図中右方向に進行し、－１次光Ｔ２と－２次光Ｉ２が図中左方向に進行する。したがって、回折格子部１０の右半分に対向して配置された光導波部２１には０次光Ｔ１と＋１次光Ｉ１が入射し、回折格子部１０の左半分に対向して配置された光導波部２１には－１次光Ｔ２と－２次光Ｉ２が入射する。
　図１１に示した例では、＋１次光Ｉ１が右側に配置された光導波部２１の全反射条件を満たすように光入射部２２の傾斜角度および光導波部２１の形状を設計することで、＋１次光Ｉ１が導波光として導波される。同様に、－２次光Ｉ２が左側に配置された光導波部２１の全反射条件を満たすように光入射部２２の傾斜角度および光導波部２１の形状を設計することで、－２次光Ｉ２が導波光として導波される。
　二つの導光板部２０内を導波された第１光（導波光）は、それぞれ他端側に設けられたビームスプリッター２３と再帰反射部２４で反射されて視点６０方向に取り出されて、エアリアルイメージＡ１を結像する。図１１では図示を省略したが、第３実施形態と同様に再帰反射部２４とビームスプリッター２３の間に部分反射部２５を設けた場合には、光導波部２１と外部スクリーン３０との間にエアリアルイメージＡ２を結像することもできる。
　画像照射部５０からは、導光板部２０を介して外部スクリーン３０に対して照射光ＬＶを直接照射し、外部スクリーン３０上の広い領域にわたって画像Ｖ１を投影することができる。図１１では画像照射部５０から照射される照射光ＬＶが外部スクリーン３０の左半分に投影された状態を示しているが、別途レンズ等の光学部材を用いることで、外部スクリーン３０の全域に照射光ＬＶを照射して、画像Ｖ１を外部スクリーン３０全域に視界全体を覆うように投影することもできる。
　上述したように本実施形態の画像投影装置では、二つの導光板部２０に共通の回折格子部１０を設けることで、視聴者の両眼に対してエアリアルイメージＡ１，Ａ２の結像を視認させることができる。また、画像照射部５０が照射する照射光ＬＶで外部スクリーン３０上に背景画像である画像Ｖ１を投影することで、画像Ｖ１にエアリアルイメージＡ１，Ａ２を重ね合わせて投影することができる。また、本実施形態の画像投影装置でも、複雑な光学設計や部品点数の増加が不要であり、小型化と軽量化を図ることが可能となる。
　（第４実施形態の変形例）
　次に、本開示の第４実施形態の変形例について図１２を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図１２は、第４実施形態の変形例に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。本変形例では、導光板部２０が曲面形状を有している点が第４実施形態と異なっている。
　図１２に示した例では、０次光Ｔ１が右側に配置された光導波部２１の全反射条件を満たすように光入射部２２の傾斜角度および光導波部２１の形状を設計することで、０次光Ｔ１が導波光として導波される。同様に、－１次光Ｔ２が左側に配置された光導波部２１の全反射条件を満たすように光入射部２２の傾斜角度および光導波部２１の形状を設計することで、－１次光Ｔ２が導波光として導波される。本変形例でも、第４実施形態と同様に、二つの視点６０位置から空中に結像されたエアリアルイメージＡ１，Ａ２と、外部スクリーン３０上に投影された画像Ｖ１を視認することができる。
　また、図１２に示した例では、二つの導光板部２０は視点６０方向に沿った曲面形状を有しているが、回折格子部１０から光入射部２２への第１光の入射角度は回折条件によって決まるため、曲面に沿って全反射を繰り返すように導光板部２０を設計することは可能である。また、図１２では左右の導光板部２０が線対象に近い形状で描かれているが、回折格子部１０で回折された第１光のうち、どの光を導波光とするかで光入射部２２の傾斜角度等を左右で異ならせるとしてもよい。
　本変形例では、光導波部２１が曲面形状を有していることで、画像投影装置の設計自由度が向上し、意匠性向上や装着時の快適性向上を図ることができる。
　（第５実施形態）
　次に、本開示の第５実施形態について図１３、図１４を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図１３は、本実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。図１３に示すように、画像投影装置は回折格子部１０と、導光板部２０と、外部スクリーン３０と、画像照射部４０，５０とを備えている。画像投影装置を装着する視聴者は、視点６０の位置から導光板部２０および外部スクリーン３０方向を視認する。
　回折格子部１０は、図１に示したように平板状部分１１と、凸部１２と凹部１３と被覆部を備えた光学素子であり、導光板部２０とは別体に形成されている。導光板部２０は、透光性の材料で構成された板状の部材であり、光導波部２１と、光入射部２２と、ビームスプリッター２３と、再帰反射部２４と、部分反射部２５と、光フィルター２６を備えている。また、画像照射部５０からの第２光が取り出される第２光出射部には、光フィルター６１と光シャッター部６２と投影レンズ６３が設けられている。
　光フィルター２６、６１は、所定波長範囲の光を透過しその他の波長の光を遮る光学部材である。本実施形態では、光フィルター２６として第２光の波長を遮り第１光の波長を透過するバンドパスフィルターあるいはそれに相当する光フィルターを用いる。光フィルター６１として第１光の波長を遮り第２光の波長を透過するバンドパスフィルターあるいはそれに相当する光フィルターを用いる。一例としては、画像照射部４０が照射する第１光は赤色光であり、画像照射部５０が照射する第２光は緑色光である。したがって、光フィルター２６はロングパスフィルターを用い、光フィルター６１はショートパスフィルターを用いるとしてもよい。
　光シャッター部６２は、制御部（図示省略）によって駆動制御され、光の透過と遮断を切り替える光学部材である。光シャッター部６２の具体的構成は限定されず、液晶シャッター等を用いることができる。投影レンズ６３は第２光出射部から取り出された照射光ＬＶの光径を拡大して、外部スクリーン３０に対して投影する光学部材である。図１３では投影レンズ６３として一つのレンズを示しているが、複数のレンズを組み合わせて投影レンズ６３を構成してもよい。
　画像照射部４０から照射された第１光は、回折格子部１０で回折された光の一部が光入射部２２から入射し、光導波部２１内を全反射して導波光として導波される。第１光の導波光は全反射しながらビームスプリッター２３まで到達し、一部が反射されて外部スクリーン３０に画像ＥＸが投影される。第１光の導波光のうちビームスプリッター２３を透過した光は再度全反射されて光導波部２１の端部にまで到達する。
　光導波部２１の端部にまで到達した第１光の導波光は、光フィルター２６を透過して部分反射部２５に入射し、一部が正反射されて残りは透過して再帰反射部２４に到達する。再帰反射部２４では導波光が再帰反射される。再帰反射部２４で再帰反射された第１光は、第１実施形態で述べたように視点６０と光導波部２１の間の空中にエアリアルイメージＡ１として結像される。また、部分反射部２５で正反射された光は光導波部２１と外部スクリーン３０の間の空中にエアリアルイメージＡ２として結像される。
　第１光のうち光導波部２１での全反射条件を満たさない光は、第２光出射部から外部スクリーン３０方向に取り出されるが、第２光出射部には光フィルター６１が設けられているため、第１光は光フィルター６１で遮られて外部スクリーン３０には投影されない。
　画像照射部５０から照射された第２光は、回折格子部１０で回折された光の一部が光入射部２２から入射し、光導波部２１内を全反射して導波光として導波される。このとき、第２光の回折格子部１０に対する入射角度を第１光の入射角度とは異ならせて、適切な回折条件となる入射角度を選択することで、第１光と第２光の光導波部２１への入射角度を同じに設定することができる。また、第１光と第２光の回折格子部１０への入射位置も同じとすると、光導波部２１内を全反射して導波する第１光と第２光の経路を同じにすることができる。
　第２光の導波光も全反射しながらビームスプリッター２３まで到達し、一部が反射されて外部スクリーン３０に画像ＥＸが投影される。第２光の導波光のうちビームスプリッター２３を透過した光は再度全反射されて光導波部２１の端部にまで到達する。光導波部２１の端部にまで到達した第２光の導波光は、光フィルター２６によって遮られ、部分反射部２５および再帰反射部２４には到達しない。したがって、ビームスプリッター２３にまで反射して戻る第２光が無くなり、第２光によってはエアリアルイメージＡ１，Ａ２は結像されない。
　第２光のうち光導波部２１での全反射条件を満たさない光は、第２光出射部から外部スクリーン３０方向に取り出され、光シャッター部６２が透過状態の場合には、投影レンズ６３を介して外部スクリーン３０に照射光ＬＶが照射されて画像Ｖ１が投影される。光シャッター部６２が遮断状態の場合には、第２光の照射光ＬＶが遮られて画像Ｖ１は投影されない。
　上述したように本実施形態では、光フィルター２６をビームスプリッター２３と再帰反射部２４の間に設けていることで、第１光のみでエアリアルイメージＡ１，Ａ２を結像させることができる。また、光フィルター６１を第２光出射部に設けていることで、第２光のみで外部スクリーン３０に画像Ｖ１を投影することができる。したがって、画像照射部４０から照射された第１光で結像されるエアリアルイメージＡ１，Ａ２の内容と、画像照射部５０から照射された第２光で投影される画像Ｖ１の内容を異ならせることで、多彩な画像投影を実現することができる。
　また、画像照射部４０に焦点距離を可変としたレンズ光学部を含ませて、回折格子部１０に入射する第１光の拡がり角を調整することで、エアリアルイメージＡ１，Ａ２の結像効率を変化させることもできる。
　（第５実施形態の変形例）
　次に、本開示の第５実施形態の変形例について図１４を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図１４は、第５実施形態の変形例に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。図１４に示すように、画像投影装置は回折格子部１０と、導光板部２０と、外部スクリーン３０と、画像照射部４０ａ，４０ｂ，５０とを備えている。
　本変形例では、画像照射部４０ａからは第１画像を含んだ第１波長の第１光が照射され、画像照射部４０ｂからは第２画像を含んだ第２波長の第２光が照射され、画像照射部５０からは第３画像を含んだ第３波長の第３光が照射される。一例としては、第１波長は赤色光であり、第２波長は青色光であり、第３波長は緑色光である。また本変形例では、光フィルター２６として第３波長を遮り第１波長と第２波長を透過するノッチフィルターを用い、光フィルター６１として第１波長と第２波長を遮り第３波長を透過するバンドパスフィルターを用いる。また本変形例では、部分反射部２５として第１波長を反射し第２波長を透過するダイクロイックミラー（選択反射部）を用いる。
　画像照射部４０ａ，４０ｂ，５０から回折格子部１０に照射される第１光、第２光、第３光の入射角は、適切な回折条件を満たすように選択されており、回折格子部１０から光導波部２１に入射する光は同じ経路で全反射して光導波部２１内を伝搬する。
　画像照射部４０ａ，４０ｂから照射された第１光と第２光は、回折格子部１０で回折された光の一部が光入射部２２から入射し、光導波部２１内を全反射して導波光として導波される。第１光および第２光の導波光は、全反射しながらビームスプリッター２３まで到達し、一部が反射されて外部スクリーン３０に画像ＥＸが投影される。第１光および第２光の導波光のうちビームスプリッター２３を透過した光は、再度全反射されて光導波部２１の端部にまで到達する。
　光導波部２１の端部にまで到達した第１光の導波光は、光フィルター２６を透過して部分反射部２５に入射して正反射される。部分反射部２５で正反射された第１光は、光導波部２１と外部スクリーン３０の間の空中にエアリアルイメージＡ２として結像される。また、光導波部２１の端部にまで到達した第２光の導波光は、光フィルター２６と部分反射部２５を透過して再帰反射部２４に入射して再帰反射される。再帰反射部２４で再帰反射された第２光は、第１実施形態で述べたように視点６０と光導波部２１の間の空中にエアリアルイメージＡ１として結像される。
　第１光および第２光のうち光導波部２１での全反射条件を満たさない光は、第２光出射部から外部スクリーン３０方向に取り出されるが、第２光出射部には光フィルター６１が設けられているため、第１光および第２光は光フィルター６１で遮られて外部スクリーン３０には投影されない。
　画像照射部５０から照射された第３光は、回折格子部１０で回折された光の一部が光入射部２２から入射し、光導波部２１内を全反射して導波光として導波される。第３光の導波光も全反射しながらビームスプリッター２３まで到達し、一部が反射されて外部スクリーン３０に画像ＥＸが投影される。第３光の導波光のうちビームスプリッター２３を透過した光は再度全反射されて光導波部２１の端部にまで到達する。
　光導波部２１の端部にまで到達した第３光の導波光は、光フィルター２６によって遮られ、部分反射部２５および再帰反射部２４には到達しない。したがって、ビームスプリッター２３にまで反射して戻る第３光が無くなり、第３光によってはエアリアルイメージＡ１，Ａ２は結像されない。
　第３光のうち光導波部２１での全反射条件を満たさない光は、第２光出射部から外部スクリーン３０方向に取り出され、光シャッター部６２が透過状態の場合には、投影レンズ６３を介して外部スクリーン３０に照射光ＬＶが照射されて画像Ｖ１が投影される。光シャッター部６２が遮断状態の場合には、第２光の照射光ＬＶが遮られて画像Ｖ１は投影されない。
　上述したように本実施形態では、光フィルター２６をビームスプリッター２３と再帰反射部２４の間に設けていることで、第１光と第２光それぞれでエアリアルイメージＡ１，Ａ２を結像させることができる。また、光フィルター６１を第２光出射部に設けていることで、第３光のみで外部スクリーン３０に画像Ｖ１を投影することができる。したがって、画像照射部４０から照射された第１光と第２光で結像されるエアリアルイメージＡ１，Ａ２の内容と、画像照射部５０から照射された第３光で投影される画像Ｖ１の内容を異ならせることで、多彩な画像投影を実現することができる。
　（第６実施形態）
　次に、本開示の第６実施形態について図１５Ａ、図１５Ｂ、図１５Ｃを用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図１５Ａ、図１５Ｂ、図１５Ｃは、本実施形態における再帰反射部２４の構造例を示す模式図である。図１５Ａ、図１５Ｂ、図１５Ｃに示すように、再帰反射部２４は、シート部２４ａ上に選択的にマイクロビーズが形成されており、マイクロビーズが形成された再帰反射領域２４ｂと、シート部２４ａが露出した正反射領域２４ｃが混在して形成されている。
　シート部２４ａは、表面が反射面として形成された薄板状の部材である。シート部２４ａは可撓性を有していることが好ましい、シート部２４ａは、可撓性を有することで、図１５Ａに示した平板状や図１５Ｂに示した凹面鏡、図１５Ｃに示した凸面鏡の形状をとることができる。
　再帰反射領域２４ｂは、シート部２４ａ表面にマイクロビーズが形成された領域である。再帰反射領域２４ｂに入射した光はマイクロビーズ内で反射されることで入射してきた方向に再帰反射される。正反射領域２４ｃにはマイクロビーズが形成されておらず、シート部２４ａの反射面が露出している。このため、正反射領域２４ｃに入射した光はシート部２４ａの反射面で正反射される。
　本実施例の再帰反射部２４は、フォトリソグラフィー技術を用いてシート部２４ａの正反射領域２４ｃ上にマスクを形成し、マスクが形成されていない領域にマイクロビーズを堆積させることで再帰反射領域２４ｂを形成する方法等で形成することができる。マイクロビーズの堆積後にはマスク層を除去して正反射領域２４ｃでシート部２４ａの反射面を露出させる。
　図１５Ａ～図１５Ｃに示したように、光径が拡大しながら再帰反射部２４に入射した光の一部は、再帰反射領域２４ｂで光が結像光Ｌ１として再帰反射され、光径が縮小して反射される。また、正反射領域２４ｃでは光が結像光Ｌ２として再帰反射され、光径が拡大して反射される。ここで、図１５Ａ～図１５Ｃに示したように再帰反射部２４が平板状であるか、凹面鏡であるか、凸面鏡であるかによって、結像光Ｌ１，Ｌ２の光径の拡大率と縮小率を調整することが可能である。
　本実施形態の再帰反射部２４を用いることで、光導波部２１の端部にまで到達した導波光を部分的に再反射し残りを正反射して、第３実施形態において図８に示したものと同様にエアリアルイメージＡ１，Ａ２を結像することができる。第３実施形態との違いは、先に記載したようにシート部２４ａが薄板状の部材であり可撓性を有する点である。それに加えて、シート部２４ａ表面でのマイクロビーズの配列や純度などを調整することで、再帰反射効率を設計することもできる。また、シート部２４ａの表面に金属薄膜を蒸着することで、反射と再帰反射を混在させた反射再帰反射素子あるいは再帰反射型光フィルターを構成することもできる。シート部２４ａにこれらの構造を用いることで、光学設計の自由度向上や意匠性の向上を図ることができる。
　（第７実施形態）
　次に、本開示の第７実施形態について説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。第１実施形態から第６実施形態までは、画像照射部４０から照射された第１光をそのままの波長で画像ＥＸ、画像Ｖ１の投影およびエアリアルイメージＡ１，Ａ２の結像に用いていた。しかし、第１光出射部または第２光出射部に第１光の波長を変換する波長変換部を設けることで、画像照射部４０から照射された光と異なる色で画像ＥＸ、画像Ｖ１の投影およびエアリアルイメージＡ１，Ａ２の結像を行うとしてもよい。
　（第８実施形態）
　次に、本開示の第８実施形態について説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。第１実施形態から第７実施形態までは、回折格子部１０として周期的な凹凸部を備えたグレーティングを用いていた。しかし、回折格子部１０の凹凸部が周期構造である必要はなく、少なくとも二つの方向に光を回折することができれば、ホログラフィックグレーティング構造であってもよい。また、回折格子部１０を導光板部２０と別体に形成した例を示したが、光導波部２１内部や光入射部２２の表面に回折格子部１０を形成するとしてもよい。
　（第９実施形態）
　図１６は、本実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。図１６に示すように画像投影装置は、回折格子部１０と、導光板部２０と、画像照射部４０ａ，４０ｂ，４０ｃを備えている。導光板部２０は、光導波部２１と、光入射部２２と、光出射部１２３と、光フィルター３１と、光シャッター部３２を備えている。回折格子部１０は、本開示のおける第１回折格子部に相当する。
　光導波部２１は、光導波部２１では一方の面側から他方の面側に光が透過するため、視聴者は光導波部２１を介して外部スクリーン１６０方向を視認することが可能である。光導波部２１の一端側は主面に対して傾斜した面である光入射部２２が形成されており、回折格子部１０が配置されている。光導波部２１の他端側には、端面が形成されるとともに光出射部１２３が設けられている。
　光入射部２２は、光導波部２１の一端に形成された傾斜面であり、回折格子部１０が隣接して配置され、本開示における第３光入射部に相当する。光入射部２２には、回折格子部１０との光結合率を高めるために、反射防止膜や屈折率調整部を設けるとしてもよい。　　　
　光出射部１２３は、光導波部２１の他端（光入射部２２とは反対側の端部）に形成された傾斜面であり、本開示における第３光出射部に相当する。光出射部１２３の傾斜面は、光導波部２１を伝搬してきた光が光出射部１２３において全反射しない角度とされている。また、光出射部１２３から光の取り出し効率を向上させるために、光出射部１２３の表面に反射防止膜や反射防止構造を設けるとしてもよい。
　光フィルター３１は、所定波長範囲の光を透過しその他の波長の光を遮る光学部材である。本実施形態では、光フィルター３１として所定波長の光の波長を遮り、その他の波長を透過するバンドパスフィルターを用いる。
　光シャッター部３２は、制御部（図示省略）によって駆動制御され、光の透過と遮断を切り替える光学部材である。光シャッター部３２の具体的構成は限定されず、液晶シャッター等を用いることができる。
　画像照射部４０ａ，４０ｂ，４０ｃは、それぞれ第１画像、第２画像、第３画像を投影するための第１光、第２光、第３光を回折格子部１０に対して照射する装置である。画像照射部４０ａ，４０ｂは、それぞれ本開示における第３画像照射部および第４画像照射部に相当している。画像照射部４０ａ，４０ｂ，４０ｃは、それぞれが別構造として設けられており、回折格子部１０に対する第１光、第２光、第３光の入射角度はそれぞれ異なっている。また、第１光、第２光、第３光の波長は異なっており、例えば第１光は赤色光、第２光は緑色光、第３光は青色光である。
　画像照射部４０ａ，４０ｂ，４０ｃの具体的構成は限定されないが、図１６に示した例では画像照射部４０ａ，４０ｂ，４０ｃは、光源部と、半波長板と、偏光子を備えている。画像照射部４０ａ，４０ｂ，４０ｃはそれぞれミラー、バンドパスフィルター等を介して光を回折格子部１０に照射する。光源部はレーザ光源を用いることが好ましく、光源部から照射されるレーザ光を図示しない画像形成部に照射して、第１画像、第２画像、第３画像を第１光、第２光、第３光に含ませる。画像形成部は液晶表示素子やデジタルミラーデバイス等を用いることができ、画像照射部４０ａ，４０ｂ，４０ｃの内部に設けるとしてもよく、回折格子部１０までの光路上に配置するとしてもよい。
　次に図１６および図１７を用いて本実施形態の画像投影装置における画像投影について説明する。図１７は、本実施形態に係る画像投影装置の光入射部２２を拡大して示す模式斜視図である。図１７中に示した破線矢印は第１光ＬＲの経路を示し、二点鎖線は第２光ＬＧの経路を示し、一点鎖線は第３光ＬＢの経路を示している。
　画像照射部４０ａ，４０ｂ，４０ｃから照射された第１光ＬＲ、第２光ＬＧ、第３光ＬＢは、それぞれ異なる入射角度で回折格子部１０に到達する。回折格子部１０では、第１光、第２光、第３光の入射角度に応じて０次光Ｔ１、－１次光Ｔ２、＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２が回折光として取り出され、光入射部２２に入射する。
　ここで、回折格子部１０から光入射部２２に入射する回折光は、回折条件によって光入射部２２への入射角度が決まるため、０次光Ｔ１、－１次光Ｔ２、＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２の何れか一つが光導波部２１の両面での全反射条件を満たすように光入射部２２の傾斜角度を設定しておく。一例としては、第１光ＬＲ、第２光ＬＧ、第３光ＬＢのそれぞれの＋１次光Ｉ１が光入射部２２に対して同じ角度で入射するように、第１光ＬＲ、第２光ＬＧ、第３光ＬＢの回折格子部１０への入射角度を設定しておく。
　回折格子部１０で回折された第１光ＬＲ、第２光ＬＧ、第３光ＬＢの回折光のうち、光導波部２１の全反射条件を満たすものは、光導波部２１内を全反射しながら導波光として伝搬する。このとき図１６および図１７に示すように、第１導波光、第２導波光、第３導波光は光入射部２２の同じ位置から光導波部２１に入射し、同じ角度で進行して同じ位置で全反射が繰り返されるため、同じ経路をたどって光出射部１２３の同じ位置まで到達する。言い換えると、第１導波光の光入射部２２における入射位置と、第２導波光の光入射部２２における入射位置と、第３導波光の光入射部２２における入射位置はそれぞれ略同一である。第１導波光の光導波部２１における反射位置と、第２導波光の光導波部２１における反射位置と、第３導波光の光導波部２１における反射位置はそれぞれ略同一である。第１導波光の光出射部１２３における出射位置と、第２導波光の光出射部１２３における出射位置と、第３導波光の光出射部１２３における出射位置はそれぞれ略同一である。
　光出射部１２３まで到達した第１導波光、第２導波光、第３導波光は、光出射部１２３から外部に照射され、それぞれ第１画像、第２画像、第３画像を投影する。図１６および図１７に示したように、第１導波光、第２導波光、第３導波光は光導波部２１内を同じ経路と角度で光出射部１２３まで到達し、第１画像、第２画像、第３画像は同じ角度で光出射部１２３から照射される。したがって、第１画像、第２画像、第３画像はスクリーン上の同じ位置に重ね合わせて投影され、赤色光、緑色光、青色光を用いたカラー画像を投影することができる。本実施形態のように、複数波長の光で画像表示を行うことで、警告を示す表示内容の画像は赤色で投影し、落ち着いた雰囲気や爽快感を与えるための表示内容の画像は青色や緑色で投影するなど、色心理学的な効果を得ることもできる。
　回折格子部１０で回折された第１光ＬＲ、第２光ＬＧ、第３光ＬＢのうち光導波部２１での全反射条件を満たさない回折光は、光導波部２１の第４光出射部から外部に取り出される。ここで、第４光出射部には光フィルター３１が設けられているため、第１光ＬＲ、第２光ＬＧ、第３光ＬＢのうち選択された波長の光のみが光フィルター３１を透過して外部に取り出される。また、光シャッター部３２が透過状態の場合には、光フィルター３１を透過した光が外部に照射されて画像が投影される。光シャッター部３２が遮断状態の場合には、光フィルター３１を透過した光が光シャッター部３２で遮られて画像は投影されない。
　図１６に示した例では、第４光出射部に光フィルター３１と光シャッター部３２を設けて、第４光出射部から外部に照射される光を選択しているが、光フィルター３１と光シャッター部３２を設けず第１光ＬＲ、第２光ＬＧ、第３光ＬＢのすべてを第４光出射部から外部に照射するとしてもよい。また図１６では、光出射部１２３を平坦面とした例を示しているが、光出射部１２３を凹形状や凸形状で形成してレンズとして機能させ、第１光ＬＲ、第２光ＬＧ、第３光ＬＢの拡がり角を調整するとしてもよい。
　図１８Ａ、図１８Ｂ、図１８Ｃは、導光板部２０にレーザ光を入射させた場合の光の経路を示す写真である。図１８Ａは赤色光の経路を示している。図１８Ｂは緑色光の経路を示している。図１８Ｃは赤色光と緑色光を同時に入射した場合の経路を示している。図１８Ａ、図１８Ｂにおいて明るく示された線が光の経路を示しており、光導波部２１の界面で全反射を繰り返して、光入射部２２から光出射部１２３にまでレーザ光が到達している。また図１８Ｃに示されているように、光入射部２２での赤色光と緑色光の入射位置および入射角度が同じであり、光導波部２１内での経路も重なっている。
　上述したように、本実施形態の画像投影装置では、第１光ＬＲ、第２光ＬＧ、第３光ＬＢを回折格子部１０に異なる入射角度で入射させ、第１光ＬＲ、第２光ＬＧ、第３光ＬＢを光導波部２１で全反射させて光出射部１２３まで導波させるため、光学部材を簡素化し小型化と軽量化を図ることが可能となる。また、光出射部１２３から照射される光は同じ位置から同じ角度で照射されるため、複数波長の光を重ね合わせる場合にも光学部材の光軸合わせが不要である。しかし、光導波部２１内での導波距離が長くなる場合や、光導波部２１を自由曲面で構成する場合には、光出射部１２３における各光の出射位置がずれることも考えられるため、導光板部２０の形状やサイズによって各光の光路を調整するとしてもよい。また、各光が相互に光学的に干渉する可能性も考慮して光路の調整を行うとしてもよい。また、光導波部２１での全反射条件を満たさない光を第４光出射部から外部に照射して、多様な画像投影を行うこともできる。
　（第１０実施形態）
　次に、本開示の第１０実施形態について図１９を用いて説明する。第９実施形態と重複する内容は説明を省略する。図１９は、本実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。図１９中に示した実線矢印および破線矢印は、光の経路を模式的に示すものである。また、図１９中に斜線でハッチングを施した領域は照射光ＬＷが照射される領域を示している。本実施形態では、導光板部２０を二つ備えて、それぞれの導光板部２０に設けられた光入射部２２に対向して共通の回折格子部１０が配置されている。
　図１９に示すように、画像投影装置は一つの回折格子部１０と、二つの導光板部２０と、画像照射部４０と、外部スクリーン１６０を備えている。画像投影装置を装着する視聴者は、二つの視点７０の位置から両眼で導光板部２０および外部スクリーン１６０方向を視認する。回折格子部１０は、図１に示したように平板状部分１１と、凸部１２と凹部１３と被覆部を備えた光学素子であり、導光板部２０とは別体に形成されている。導光板部２０は、透光性の材料で構成された板状の部材であり、それぞれ光導波部２１と、光入射部２２と、光出射部１２３を備えている。
　外部スクリーン１６０は、導光板部２０から照射された光が投影されて画像を表示する。外部スクリーン１６０を構成する材料は限定されず、光を透過する透光性材料を用いるとしてもよく、光を遮って反射する白色材料を用いるとしてもよい。透光性材料を用いた場合には、画像投影装置の外部環境を背景として画像の重ね合わせ投影をすることができる。図１９に示した例では、外部スクリーン１６０を画像投影装置とは別体に設けた例を示しているが、外部スクリーン１６０をアーム部分と一体に形成して、アーム部分を導光板部２０に固定することで、外部スクリーン１６０と導光板部２０の相対的な位置関係を保つとしてもよい。
　二つの導光板部２０は、互いの光入射部２２が隣接して配置されており、共通の回折格子部１０が二つの光入射部２２に跨って対向して配置されている。また、二つの導光板部２０は平板状であり、Ｖ字形状に配置されている。図１９では、第９実施形態の画像照射部４０ａ，４０ｂ，４０ｃをまとめて画像照射部４０として示しているが、複数波長の第１光ＬＲ、第２光ＬＧ、第３光ＬＢを異なる入射角度で回折格子部１０に照射する。本実施形態では、画像照射部４０に含まれる複数の画像照射部が、それぞれ本開示における第３画像照射部および第４画像照射部に相当している。
　第９実施形態と同様に、画像照射部４０から回折格子部１０に第１光ＬＲ、第２光ＬＧ、第３光ＬＢが入射され、回折格子部１０で回折された第１光ＬＲ、第２光ＬＧ、第３光ＬＢの回折光がそれぞれの導光板部２０における光入射部２２から光導波部２１内に入射する。
　図１で示したように回折格子部１０では、凸部１２と凹部１３で構成された凹凸部によって第１光が回折され、０次光Ｔ１と＋１次光Ｉ１が図中右方向に進行し、－１次光Ｔ２と－２次光Ｉ２が図中左方向に進行する。したがって、回折格子部１０の右半分に対向して配置された光導波部２１には０次光Ｔ１と＋１次光Ｉ１が入射し、回折格子部１０の左半分に対向して配置された光導波部２１には－１次光Ｔ２と－２次光Ｉ２が入射する。
　図１９に示した例では、０次光Ｔ１が右側に配置された光導波部２１の全反射条件を満たすように光入射部２２の傾斜角度および光導波部２１の形状を設計することで、０次光Ｔ１が導波光として導波される。同様に、－１次光Ｔ２が左側に配置された光導波部２１の全反射条件を満たすように光入射部２２の傾斜角度および光導波部２１の形状を設計することで、－１次光Ｔ２が導波光として導波される。
　二つの導光板部２０内を導波された第１導波光、第２導波光、第３導波光は、それぞれの光出射部１２３から照射光ＬＷとして照射され、第１画像、第２画像、第３画像が外部スクリーン１６０に重ね合わせて投影画像が表示される。
　上述したように本実施形態の画像投影装置では、二つの導光板部２０に共通の回折格子部１０を設けることで、視聴者の両眼に対して投影画像を視認させることができる。また、本実施形態の画像投影装置でも、光学部材を簡素化し小型化と軽量化を図ることが可能となる。
　（第１０実施形態の変形例）
　次に、本開示の第１０実施形態の変形例について図２０を用いて説明する。第９実施形態と重複する内容は説明を省略する。図２０は、第１０実施形態の変形例に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。図２０中に示した実線矢印および破線矢印は、光の経路を模式的に示すものである。本変形例では、二つの導光板部２０が曲面形状を有している点が第１０実施形態と異なっている。
　図２０に示した例では、＋１次光Ｉ１が右側に配置された光導波部２１の全反射条件を満たすように光入射部２２の傾斜角度および光導波部２１の形状を設計することで、＋１次光Ｉ１が導波光として導波される。同様に、－２次光Ｉ２が左側に配置された光導波部２１の全反射条件を満たすように光入射部２２の傾斜角度および光導波部２１の形状を設計することで、－２次光Ｉ２が導波光として導波される。
　図２０に示した例では、二つの導光板部２０は視点７０方向に沿った曲面形状を有しているが、回折格子部１０から光入射部２２への第１光の入射角度は回折条件によって決まるため、曲面に沿って全反射を繰り返すように導光板部２０を設計することは可能である。また、図２０では左右の導光板部２０が線対象に近い形状で描かれているが、回折格子部１０で回折された第１光ＬＲ、第２光ＬＧ、第３光ＬＢのうち、どの回折光を導波光とするかで光入射部２２の傾斜角度等を左右で異ならせるとしてもよい。
　本変形例でも、第１０実施形態と同様に、二つの視点７０の位置から外部スクリーン１６０上に重ね合わせて表示された投影画像を視認することができる。
　（第１１実施形態）
　次に、本開示の第１１実施形態について図２１を用いて説明する。第９実施形態と重複する内容は説明を省略する。図２１は、本実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。図２１中に示した実線矢印および破線矢印は、光の経路を模式的に示すものである。図２１に示すように、本実施形態の画像投影装置は、回折格子部１０と、導光板部２０と、画像照射部４０と、デジタルミラーデバイス７１と、反射ミラー部７２を備えている。画像投影装置を装着する視聴者は、視点位置から反射ミラー部７２方向を視認する。本実施形態の画像投影装置は眼鏡形状のウェアラブル型ＨＵＤであり、導光板部２０を眼鏡のテンプルとして用い、反射ミラー部７２をレンズとしている。図２１では左半分のみを示しているが、左右対称に同様の構造を備えることで、両眼に対して画像を投影することができる。
　デジタルミラーデバイス７１は、微小なミラーを複数有しており、微小なミラーはそれぞれ個別に反射角度を変更可能とされ、画像情報に基づいて微小なミラーが制御されることで、画像を含んだ光を反射する部材である。反射ミラー部７２は、デジタルミラーデバイス７１で反射された画像を含んだ光を導波するとともに、視点方向に反射する部材である。図２１では反射ミラー部７２として眼鏡のレンズの一部を示しているが、デジタルミラーデバイス７１からの光を視点に対して反射できれば形状と位置は限定されない。
　画像照射部４０は、第１光ＬＲ、第２光ＬＧ、第３光ＬＢを照射するレーザ光源を備え、それぞれの光を異なる入射角度で回折格子部１０に入射させる。図２１に示した例では、画像照射部４０とは別に画像形成部であるデジタルミラーデバイス７１を設け、導光板部２０から出射した光に画像を含ませているが、画像照射部４０内に画像形成部を備えるとしてもよい。本実施形態では、画像照射部４０に含まれる複数のレーザ光源が、それぞれ本開示における第３画像照射部および第４画像照射部に相当している。
　本実施形態でも、画像照射部４０から照射された第１光ＬＲ、第２光ＬＧ、第３光ＬＢは、それぞれ異なる入射角度で回折格子部１０に入射し、回折光の一部が光入射部２２の同じ位置から同じ角度で光導波部２１に入射する。また、第１光ＬＲ、第２光ＬＧ、第３光ＬＢの回折光は、光導波部２１の全反射条件を満たしており、光導波部２１内で全反射を繰り返して光出射部１２３まで到達する。光出射部１２３に到達した導波光は、導光板部２０から出射されてデジタルミラーデバイス７１により反射される。このとき、デジタルミラーデバイス７１に含まれる微小なミラーは、画像情報に基づいて反射角度が制御されており、デジタルミラーデバイス７１で反射される光に画像が含まれることとなる。デジタルミラーデバイス７１で反射された光は、反射ミラー部７２で視点方向に再反射されて視点に対して画像が投影される。
　図１６および図１７に示したように、第１光ＬＲ、第２光ＬＧ、第３光ＬＢは、導光板部２０内を同じ位置および角度で全反射するため、光出射部１２３から出射した照射光は、デジタルミラーデバイス７１および反射ミラー部７２で反射されて視点まで到達する経路が同じとなる。したがって、視点には第１光ＬＲ、第２光ＬＧ、第３光ＬＢに含まれる第１画像、第２画像、第３画像が重ね合わせて入射し、カラー画像を視認することができる。ここで、デジタルミラーデバイス７１による画像表示として時分割駆動を用いることで、各色の光照射と画像形成のタイミングを同期して、第１画像、第２画像、第３画像の内容をそれぞれ異ならせることができる。また、デジタルミラーデバイス７１と画像照射部４０の駆動としてＰＷＭ（Ｐｕｌｔｈ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を用いることで、各色の光での階調表示をすることもできる。
　上述したように本実施形態の画像投影装置でも、第１光ＬＲ、第２光ＬＧ、第３光ＬＢを回折格子部１０に異なる入射角度で入射させ、第１光ＬＲ、第２光ＬＧ、第３光ＬＢを光導波部２１で全反射させて光出射部１２３まで導波させるため、光学部材を簡素化し小型化と軽量化を図ることが可能となる。また、光出射部１２３から照射される光は同じ位置から同じ角度で照射されるため、複数波長の光を重ね合わせる場合にも光学部材の光軸合わせが不要である。
　（第１２実施形態）
　次に、本開示の第１２実施形態について図２２，図２３を用いて説明する。第９実施形態と重複する内容は説明を省略する。図２２は、本実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。図２２に示すように画像投影装置は、回折格子部１０と、導光板部２０と、画像照射部４０ａ，４０ｂと、画像照射部５０と、外部スクリーン１６０と、回折格子部８０を備えている。画像投影装置を装着する視聴者は、視点の位置から導光板部２０および外部スクリーン１６０方向を視認する。回折格子部８０は、本開示における第２回折格子部に相当する。
　回折格子部１０，８０は、図１に示したように平板状部分１１と、凸部１２と凹部１３と被覆部を備えた光学素子であり、導光板部２０とは別体に形成されている。導光板部２０は、透光性の材料で構成された板状の部材であり、光導波部２１と、光入射部２２と、光出射部１２３と、光フィルター３１と、光シャッター部３２と、投影レンズ３３を備えている。
　画像照射部５０は、画像を投影するための光を回折格子部１０に対して照射する装置であり、画像照射部４０ａ，４０ｂとは、別構造として設けられている。また、画像照射部４０ａ，４０ｂが照射する第１光、第２光と、画像照射部５０が照射する第３光の波長は異なっており、例えば第１光は赤色光、第２光は青色光、第３光は緑色光である。また、画像照射部５０が照射する第３光は、回折格子部１０で回折された回折光が導光板部２０の全反射条件を満たしていない。画像照射部４０ａ，４０ｂが照射する第１光、第２光のうち、回折格子部１０で回折された光の一部は導光板部２０の全反射条件を満たしている。
　画像照射部５０から照射された第３光は、回折格子部１０で回折されて光導波部２１を透過し、外部スクリーン１６０に対して照射光ＬＶとして照射され、外部スクリーン１６０上に投影画像を投影する。投影レンズ３３は、第２光出射部から取り出された照射光ＬＶの光径を拡大して、外部スクリーン１６０に対して投影するための光学部材である。図２２では投影レンズ３３として一つのレンズを示しているが、複数のレンズを組み合わせて投影レンズ３３を構成するとしてもよい。図２２では、画像照射部５０から照射される照射光ＬＶが外部スクリーン１６０の左半分に投影された状態を示しているが、別途レンズ等の光学部材を用いることで、外部スクリーン１６０の全域に照射光ＬＶを照射して、画像を外部スクリーン１６０全域に視界全体を覆うように投影することもできる。
　図２３は、本実施形態に係る画像投影装置の光出射部１２３を拡大して示す模式斜視図である。回折格子部８０は、光出射部１２３に配置されており、光出射部１２３から照射される導波光を開設して外部に取り出す光学部材である。図２２，図２３に示した例では、回折格子部８０の凸部１２と凹部１３の形状を回折格子部１０と同じとし、回折格子部１０と回折格子部８０の凹凸部分が平行になるように配置している。また、回折格子部１０は凸部１２と凹部１３が光入射部２２に対向して配置されているが、回折格子部８０は平板状部分１１が光出射部１２３に対向して配置されている。
　光導波部２１に入射した第１光、第２光は、光導波部２１内の同じ位置で同じ角度で全反射されて光出射部１２３まで到達する。光出射部１２３には回折格子部８０が設けられており、第１光、第２光は回折格子部８０で回折されて、それぞれ異なる回折角度で第３出射回折光および第４出射回折光として視点方向に取り出される。このとき、光導波部２１内を伝搬してきた導波光は、回折格子部８０で回折されて光径が拡大しながら結像光として視点方向に取り出される。したがって、回折格子部８０で回折された第１光と第２光の回折光は、それぞれ視点に到達するまで光径が拡大しながら進行する。これにより視点では、回折格子部８０と外部スクリーン１６０との間の空間にエアリアルイメージＡ１，Ａ２が結像されているように視認される。ここでエアリアルイメージＡ１，Ａ２を構成する平面は、図２２に示したように第１出射回折光および第２出射回折光の角度に応じて互いに傾斜して非平行となっている。エアリアルイメージＡ１，Ａ２は、回折格子部８０を中心として円周状に結像されており、複数のエアリアルイメージＡ１，Ａ２をドーム状に配列して表示することができる。
　また、外部スクリーン１６０と回折格子部８０との距離を確保することで、第２光出射部から照射光ＬＶによって外部スクリーン１６０に投影される画像Ｖ１と、結像光Ｌ１、Ｌ２で結像されたエアリアルイメージＡ１，Ａ２を同時に視認することもできる。図２２，図２３に示した例では回折格子部１０と回折格子部８０の構造を同じとしたが、回折格子部８０の構造を回折格子部１０とは異ならせて、エアリアルイメージＡ１，Ａ２の結像方向および結像位置を適切な位置に設定するとしてもよい。
　本実施形態の画像投影装置では、光出射部１２３に設けられた回折格子部８０で第１光の一部および第２光の一部をそれぞれ回折して第３出射回折光および第４出射回折光として異なる出射角度で視点方向に照射する。これにより、第３出射回折光および第４出射回折光で、異なる角度と位置にエアリアルイメージＡ１，Ａ２を結像させることができる。また、画像照射部５０からの第３光を第４光出射部から外部スクリーン１６０に投影して、画像Ｖ１とエアリアルイメージＡ１，Ａ２を重ね合わせて視認させることもできる。
　上述したように本実施形態の画像投影装置でも、第１光、第２光を回折格子部１０に異なる入射角度で入射させ、第１光、第２光を光導波部２１で全反射させて光出射部１２３まで導波させるため、光学部材を簡素化し小型化と軽量化を図ることが可能となる。
　（第１３実施形態）
　次に、本開示の第１３実施形態について図２４を用いて説明する。第９実施形態と重複する内容は説明を省略する。図２４は、本実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。図２４中に示した実線矢印および破線矢印は、光の経路を模式的に示すものである。また、図２４中に斜線でハッチングを施した領域は照射光ＬＶが照射される領域を示している。本実施形態では、曲面形状の導光板部２０を二つ備えて、それぞれの導光板部２０に設けられた光入射部２２に対向して共通の回折格子部１０が配置されている。
　図２４に示すように、画像投影装置は一つの回折格子部１０と、二つの導光板部２０と、画像照射部４０と、画像照射部５０と、外部スクリーン１６０と、回折格子部８０を備えている。画像投影装置を装着する視聴者は、二つの視点７０の位置から両眼で導光板部２０および外部スクリーン１６０方向を視認する。
　図２４に示した例では、＋１次光Ｉ１が右側に配置された光導波部２１の全反射条件を満たすように光入射部２２の傾斜角度および光導波部２１の形状を設計することで、＋１次光Ｉ１が導波光として導波される。同様に、－２次光Ｉ２が左側に配置された光導波部２１の全反射条件を満たすように光入射部２２の傾斜角度および光導波部２１の形状を設計することで、－２次光Ｉ２が導波光として導波される。
　二つの導光板部２０内を導波された第１光、第２光は、それぞれの光出射部１２３に設けられた回折格子部８０で回折され、第３出射回折光および第４出射回折光として視点方向に照射されてエアリアルイメージＡ１，Ａ２を結像する。また、画像照射部５０から照射された第３光は、照射光ＬＶとして外部スクリーン１６０に照射され画像を投影する。
　上述したように本実施形態の画像投影装置では、二つの導光板部２０に共通の回折格子部１０を設け、光出射部１２３に回折格子部８０を設けることで、視聴者の両眼に対してエアリアルイメージＡ１，Ａ２を視認させることができる。また、本実施形態の画像投影装置でも、光学部材を簡素化し小型化と軽量化を図ることが可能となる。
　（第１３実施形態の変形例）
　次に、本開示の第１３実施形態の変形例について図２５を用いて説明する。第９実施形態と重複する内容は説明を省略する。図２５は、第１３実施形態の変形例に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。図２５中に示した実線矢印および破線矢印は、光の経路を模式的に示すものである。また、図２５中に斜線でハッチングを施した領域は照射光ＬＶが照射される領域を示している。本実施形態では、平板状の導光板部２０を二つ備えて、それぞれの導光板部２０に設けられた光入射部２２に対向して共通の回折格子部１０が配置されている。
　図２５に示すように、画像投影装置は一つの回折格子部１０と、二つの導光板部２０と、画像照射部４０と、画像照射部５０と、外部スクリーン１６０と、回折格子部８０を備えている。画像投影装置を装着する視聴者は、二つの視点７０の位置から両眼で導光板部２０および外部スクリーン１６０方向を視認する。
　図２５に示した例では、０次光Ｔ１が右側に配置された光導波部２１の全反射条件を満たすように光入射部２２の傾斜角度および光導波部２１の形状を設計することで、０次光Ｔ１が導波光として導波される。同様に、－１次光Ｔ２が左側に配置された光導波部２１の全反射条件を満たすように光入射部２２の傾斜角度および光導波部２１の形状を設計することで、－１次光Ｔ２が導波光として導波される。
　二つの導光板部２０内を導波された第１光、第２光は、それぞれの光出射部１２３に設けられた回折格子部８０で回折され、第１出射回折光および第２出射回折光として視点方向に照射されてエアリアルイメージＡ１，Ａ２を結像する。また、画像照射部５０から照射された第３光は、照射光ＬＶとして外部スクリーン１６０に照射され画像を投影する。
　本変形例でも、第１３実施形態と同様に、二つの導光板部２０に共通の回折格子部１０を設け、光出射部１２３に回折格子部８０を設けることで、視聴者の両眼に対してエアリアルイメージＡ１，Ａ２を視認させることができる。また、本実施形態の画像投影装置でも、光学部材を簡素化し小型化と軽量化を図ることが可能となる。
　（第１４実施形態）
　次に、本開示の第１４実施形態について図２６Ａ、図２６Ｂを用いて説明する。本実施形態は、回折格子部８０の配置が第１２実施形態と異なっており、第１２実施形態と重複する内容は説明を省略する。図２６Ａ、２６Ｂは、実施形態における回折格子部１０と回折格子部８０の配置を示す模式斜視図である。図２６Ａは回折格子部１０を示している。図２６Ｂは回折格子部８０を示している。図２７は、本実施形態に係る画像投影装置の画像照射部４０の構造例を示す模式図である。
　図２６Ａ、図２６Ｂに示したように、回折格子部１０の凹凸部分はｘ軸方向（図中上下方向）に沿っており、回折格子部８０の凹凸部分はｙ軸方向（図中左右方向）に沿っており、互いに凹凸部分が直交するように配置されている。
　また、回折格子部１０に入射する第１光ＬＲと第２光ＬＢは、ｙｚ平面内でｚ軸に対する角度が異なっており、回折格子部１０に異なる入射角度で入射する。第９実施形態で述べたように、回折格子部１０での第１光ＬＲと第２光ＬＢの回折光が同じ方向となっており、光導波部２１内では第１光ＬＲと第２光ＬＢは同じ経路で全反射して伝搬する。
　光導波部２１内を伝搬した第１光ＬＲと第２光ＬＢの導波光は、光出射部１２３に設けられた回折格子部８０の同じ位置に同じ角度で入射する。回折格子部８０の応答部分はｙ軸方向に沿って伸びているため、回折格子部８０で回折された第１光ＬＲと第２光ＬＢは、ｘｚ平面内で分離され、視点方向に進行してエアリアルイメージＡ１，Ａ２が上下方向に分離して結像される。
　図２７に示すように、画像照射部４０は、光源部４１と、第２ビームスプリッター１４２と、偏光子４３ａ，４３ｂと、チョッパー１４４と、レンズ１４５，１４７と、アパチャー１４６と、ミラーＭ１，Ｍ２，Ｍ３を備えている。光源部４１はレーザ光源を用いることが好ましい。
　光源部４１から照射されたレーザ光は、第２ビームスプリッター１４２で分岐され、一方が偏光子４３ａに入射し、他方がミラーＭ１で反射されて偏光子４３ｂに入射し、変更方向が互いに直交するように調整される。偏光子４３ａおよび偏光子４３ｂに入射したレーザ光は、チョッパー１４４を通る。レーザ光がチョッパー１４４を通ることで、一方のレーザ光が通過する際に他方のレーザ光が遮られ、相補的に光のオン／オフが切り替えられる。つまり、各々のレーザ光における偏光方向はチョッパー１４４を通過した後も維持される。その後に、合波部で２本のレーザ光は同軸状に重ねられ、レンズ１４５，アパチャー１４６、レンズ１４７を介して光径と拡がり角が調整され、ミラーＭ３で反射されて外部に照射される。
　上述したように、本実施形態の画像投影装置では、回折格子部１０と回折格子部８０の凹凸部分を直交して配置することで、エアリアルイメージＡ１，Ａ２を垂直方向に分割して結像することができる。
　（第１５実施形態）
　次に、本開示の第１５実施形態について説明する。第９実施形態と重複する内容は説明を省略する。第９実施形態から第１４実施形態では、回折格子部１０，８０を構成する材料としてＴｉＯ２とＳｉＯ２を挙げたが、非線形光学結晶を用いて第二次高調波発生素子（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）等の波長変換素子を構成するとしてもよい。非線形光学結晶の材料としては、例えばＫＴＰ結晶、ＬＢＯ結晶、ＣＬＢＯ結晶等が挙げられる。
　回折格子部１０，８０に非線形光学結晶を用いることで、レーザ光の入射角度や位相を調整して波長変換を行い、出射光の波長を可変とすることもできる。
　本開示は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本開示の技術的範囲に含まれる。
　本出願は、２０２１年２月２５日出願の日本出願第２０２１－０２８２１９号及び２０２１年２月２５日出願の日本出願第２０２１－０２８２２１号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。

Claims (24)

  1. 　第１光を照射する第１画像照射部と、
    　前記第１光が入射される第１光入射部と、前記第１光の一部を全反射しながら導波光として導波する光導波部と、前記導波光の一部を視点方向に出射する第１光出射部を有する導光板部と、
    　前記第１光入射部に設けられた回折格子部と、を備え、
    　前記第１光出射部は、前記光導波部内に設けられたビームスプリッターと、前記光導波部の端部に設けられた再帰反射部を備える画像投影装置。
  2. 　請求項１に記載の画像投影装置であって、
    　前記導光板部は、前記回折格子部で分岐された光の一つを透過して前記視点方向とは異なる外部スクリーン方向に出射する第２光出射部を備える画像投影装置。
  3. 　請求項２に記載の画像投影装置であって、
    　前記視点方向と前記外部スクリーン方向とは、略平行である画像投影装置。
  4. 　請求項２または３に記載の画像投影装置であって、
    　光の透過と遮断を切り替える光シャッター部が、前記第１光出射部または前記第２光出射部に設けられている画像投影装置。
  5. 　請求項２から４の何れか一項に記載の画像投影装置であって、
    　前記第１光の波長を変換する波長変換部が、前記第１光出射部または前記第２光出射部に設けられている画像投影装置。
  6. 　請求項１から５の何れか一項に記載の画像投影装置であって、
    　前記再帰反射部は、光を正反射する正反射領域と再帰反射する再帰反射領域が混在して形成されている画像投影装置。
  7. 　請求項１から５の何れか一項に記載の画像投影装置であって、
    　前記導波光の一部を反射して残りを透過する部分反射部が、前記ビームスプリッターと前記再帰反射部の間に設けられている画像投影装置。
  8. 　請求項１から７の何れか一項に記載の画像投影装置であって、
    　第２光を前記回折格子部に対して照射する第２画像照射部を備え、
    　前記回折格子部に対する前記第１光と前記第２光の入射角度が異なっており、
    　前記光導波部は、前記第２光の一部を全反射しながら導波光として導波する画像投影装置。
  9. 　請求項８に記載の画像投影装置であって、
    　前記第１光の波長を反射し前記第２光の波長を透過する選択反射部が、前記ビームスプリッターと前記再帰反射部の間に設けられている画像投影装置。
  10. 　請求項８または９に記載の画像投影装置であって、
    　前記第１光の波長または前記第２光の波長を選択的に遮断する光フィルターが、第２光出射部に設けられている画像投影装置。
  11. 　請求項１から１０の何れか一項に記載の画像投影装置であって、
    　二つの前記導光板部を備え、
    　前記導光板部のそれぞれの前記第１光入射部に、一つの前記回折格子部が共通に設けられている画像投影装置。
  12. 　請求項１から１１の何れか一項に記載の画像投影装置であって、
    　前記光導波部が曲面形状を有する画像投影装置。
  13. 　請求項１から１２の何れか一項に記載の画像投影装置であって、
    　前記第１画像照射部は、液晶表示素子またはデジタルミラーデバイスを備え、前記第１光に含まれる第１画像の内容を経時的に変化させる画像投影装置。
  14. 　請求項１から１３の何れか一項に記載の画像投影装置であって、
    　前記回折格子部は、光入射面を構成する平板状部分と、前記平板状部分と一体に構成された凹凸部分を備え、前記導光板部とは別体に形成されている画像投影装置。
  15. 　請求項１から１３の何れか一項に記載の画像投影装置であって、
    　前記回折格子部は、少なくとも二つの方向に光を回折するホログラフィックグレーティングを有する画像投影装置。
  16. 　第１光を照射する第３画像照射部と、
    　第２光を照射する第４画像照射部と、
    　前記第１光および前記第２光が入射される第３光入射部と、前記第１光の一部および前記第２光の一部をそれぞれ第１導波光および第２導波光として導波する光導波部と、前記第１導波光および前記第２導波光を出射する第３光出射部を有する導光板部と、
    　前記第３光入射部に設けられた第１回折格子部を備え、
    　前記第１回折格子部に対する前記第１光と前記第２光の入射角度が異なっており、
    　前記第１回折格子部で回折された前記第１光の一部および前記第２光の一部が前記光導波部の全反射条件を満たす画像投影装置。
  17. 　請求項１６に記載の画像投影装置であって、
    　前記第１導波光および前記第２導波光は、前記第３光入射部における入射位置、前記光導波部における反射位置および前記第３光出射部における出射位置がそれぞれ略同一である画像投影装置。
  18. 　請求項１６または１７に記載の画像投影装置であって、
    　前記導光板部は、前記第１回折格子部で分岐された光の一つを透過して外部スクリーン方向に出射する第４光出射部を備え、
    　前記第３光出射部は、前記外部スクリーン方向に対して前記第１導波光および前記第２導波光を出射する画像投影装置。
  19. 　請求項１６または１７に記載の画像投影装置であって、
    　画像情報に基づいて制御される微小なミラーを複数有するデジタルミラーデバイスを備え、
    　前記第３光出射部から出射された前記第１導波光および前記第２導波光は、前記デジタルミラーデバイスを介して視点方向に反射される画像投影装置。
  20. 　請求項１６または１７に記載の画像投影装置であって、
    　前記第３光出射部に設けられた第２回折格子部を備え、
    　前記第２回折格子部は、前記第１導波光の一部および前記第２導波光の一部をそれぞれ回折して第１出射回折光および第２出射回折光として異なる出射角度で視点方向に照射する画像投影装置。
  21. 　請求項２０に記載の画像投影装置であって、
    　前記第１回折格子部と前記第２回折格子部は互いに平行または直交して配置されている画像投影装置。
  22. 　請求項１６から２１の何れか一項に記載の画像投影装置であって、
    　二つの前記導光板部を備え、
    　前記導光板部のそれぞれの前記第３光入射部に、一つの前記第１回折格子部が共通に設けられている画像投影装置。
  23. 　請求項１６から２２の何れか一項に記載の画像投影装置であって、
    　前記第１回折格子部は、光入射面を構成する平板状部分と、前記平板状部分と一体に構成された凹凸部分を備え、前記導光板部とは別体に形成されている画像投影装置。
  24. 　請求項１６から２３の何れか一項に記載の画像投影装置であって、
    　前記第１回折格子部は、波長変換素子を構成する画像投影装置。 
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