WO2023188720A1 - 光学系及びそれを備えたヘッドアップディスプレイシステム - Google Patents

光学系及びそれを備えたヘッドアップディスプレイシステム Download PDF

Info

Publication number
WO2023188720A1
WO2023188720A1 PCT/JP2023/001538 JP2023001538W WO2023188720A1 WO 2023188720 A1 WO2023188720 A1 WO 2023188720A1 JP 2023001538 W JP2023001538 W JP 2023001538W WO 2023188720 A1 WO2023188720 A1 WO 2023188720A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
region
expansion
light
optical system
amount
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/001538
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
享 橋谷
聡 葛原
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by パナソニックＩｐマネジメント株式会社 filed Critical パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Publication of WO2023188720A1 publication Critical patent/WO2023188720A1/ja

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60J—WINDOWS, WINDSCREENS, NON-FIXED ROOFS, DOORS, OR SIMILAR DEVICES FOR VEHICLES; REMOVABLE EXTERNAL PROTECTIVE COVERINGS SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLES
    • B60J1/00—Windows; Windscreens; Accessories therefor
    • B60J1/02—Windows; Windscreens; Accessories therefor arranged at the vehicle front, e.g. structure of the glazing, mounting of the glazing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K35/00—Instruments specially adapted for vehicles; Arrangement of instruments in or on vehicles
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/02—Viewing or reading apparatus
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings

Definitions

  • the present disclosure relates to an optical system used for displaying images and a head-up display system equipped with the same.
  • a vehicle information projection system that performs augmented reality (AR) display using a head-up display device has been disclosed.
  • a head-up display device projects light representing a virtual image onto the windshield of a vehicle, thereby allowing the driver to view the virtual image along with the actual scene outside the vehicle.
  • Patent Document 1 describes an optical system including a waveguide (light guide) for expanding an exit pupil in two directions.
  • the optical system can expand the exit pupil using a diffractive optical element.
  • Document 2 describes a head-mounted display in which the amount of light diffracted from the diffraction grating is kept constant by modulating the height and duty ratio of the diffraction grating.
  • the present disclosure provides an optical system and a head-up display system that prevent image chipping and improve luminous flux utilization efficiency.
  • the optical system of the present disclosure is an optical system that allows an observer to visually recognize an image, and divides and reproduces a light beam traveling in a first direction into a light beam traveling in a second direction intersecting the first direction.
  • the first extension region has a center region including the center of the first extension region, and an end region on at least one of the end sides of the first extension region, in which the amount of diffracted light is smaller than half of the amount of diffracted light in the center region.
  • a head-up display system of the present disclosure includes the above-mentioned optical system, a display unit that emits a luminous flux before being expanded to the optical system, and a transparent member that reflects the luminous flux emitted from the optical system, An image is displayed as a virtual image superimposed on a real scene that is visible through a transparent member.
  • optical system and head-up display system of the present disclosure it is possible to provide an optical system and a head-up display system that prevent image chipping and improve the efficiency of using light flux.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the light guide 13.
  • a so-called pupil expansion type light guide 13 is used.
  • the pupil-expanding light guide 13 includes a coupling region 21 that receives image light from the display unit 11 and changes the traveling direction, a first expansion region 23 that expands in a first direction, and a first expansion region 23 that expands in a second direction. and a second expansion area 25 that expands.
  • the first direction and the second direction may intersect with each other, for example, may be perpendicular to each other.
  • the coupling region 21, the first extension region 23, and the second extension region 25 each have a diffraction power to diffract image light, and a diffraction structure element such as an embossed hologram or a volume hologram is formed therein.
  • the embossed hologram is, for example, a diffraction grating.
  • a volume hologram is, for example, a periodic refractive index distribution within a dielectric film.
  • the coupling region 21 changes the traveling direction of the image light incident from the outside so that it goes toward the first extension region 23 using diffraction power.
  • a diffraction structure element is disposed in the first expansion area 23, and the incident image light is divided into image light that travels in the first direction and image light that travels to the second expansion area 25 by diffraction power.
  • the image light is duplicated.
  • the diffraction structure elements are arranged at four points 23p lined up in the direction in which the image light travels through repeated total reflection.
  • the diffraction structure element splits the image light at each point 23p, and causes the split image light to proceed to the second expansion region 25.
  • the incident image light beam is expanded by being duplicated into four image light beams in the first direction.
  • the second extension region 25 is provided with, for example, a diffraction structure element, and converts the incident image light into image light that travels in the second direction due to diffraction power and image light that exits from the second extension region 25 to the outside. Duplicate the image light by dividing it into For example, in FIG. 1, three points 25p are arranged in each row in the direction in which the image light travels through repeated total reflection in the second expansion region 25, and a total of 12 points 25p in four rows each have a diffraction structure. elements are arranged. The image light is divided at each point 25p, and the divided image light is emitted to the outside. As a result, the image light beams incident in four rows are each expanded by being duplicated into three image light beams in the second direction.
  • the light guide 13 can replicate 12 image light beams from one incident image light beam, and duplicate the light beams in the first direction and the second direction.
  • the viewing area can be expanded by The observer can visually recognize each of the 12 image light beams as a virtual image, and the viewing area in which the observer can visually recognize the image light can be widened.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing incident light and outgoing light of the HMD.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing incident light and outgoing light of the HUD.
  • the light guide 13 in the HMD is approximately directly facing the viewing area Ac where the viewer can view the virtual image.
  • the image light vertically incident from the display section 11 is divided within the light guide 13, and the divided image light is vertically emitted from the output surface 27 of the light guide 13 toward the viewing area Ac.
  • the image light emitted from the light guide 13 is reflected by the windshield 5 and enters the viewing area Ac, so the divided image light is guided.
  • the light is emitted from the light emitting surface 27 of the light body 13 in an oblique direction.
  • the optical system for the HUD will be described below.
  • FIG. 4 is a diagram showing a cross section of a vehicle 3 equipped with a HUD system 1 according to the present disclosure.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing the optical path of the light beam emitted from the display section.
  • a HUD system 1 mounted on a vehicle 3 will be described as an example.
  • the Z1-axis direction is a direction in which the observer visually recognizes the virtual image Iv from the viewing area Ac where the observer can visually recognize the virtual image Iv.
  • the X1-axis direction is a horizontal direction orthogonal to the Z1-axis.
  • the Y1-axis direction is a direction perpendicular to the X1Z1 plane formed by the X1-axis and the Z1-axis. Therefore, the X1-axis direction corresponds to the horizontal direction of the vehicle 3, the Y1-axis direction corresponds to the substantially vertical direction of the vehicle 3, and the Z1-axis direction corresponds to the substantially forward direction of the vehicle 3.
  • a display section 11 and a light guide 13 are arranged inside a dashboard (not shown) below the windshield 5 of the vehicle 3.
  • An observer D sitting in the driver's seat of the vehicle 3 recognizes the image projected from the HUD system 1 as a virtual image Iv.
  • the HUD system 1 displays the virtual image Iv superimposed on the real scene visible through the windshield 5. Since the plurality of duplicated images are projected onto the viewing area Ac, the virtual image Iv can be viewed even if the eye position of the observer D shifts in the Y-axis direction and the X-axis direction within the viewing area Ac. I can do it.
  • the observer D is a passenger riding in a moving object like the vehicle 3, and is, for example, a driver or a passenger sitting in a passenger seat.
  • the HUD system 1 includes a display section 11, a light guide 13, a control section 15, and a windshield 5.
  • the display unit 11 emits a light beam L1 that forms an image that is visually recognized by an observer as a virtual image Iv.
  • the light guide 13 divides and duplicates the light beam L1 emitted from the display section 11 and guides the duplicated light beam L4 to the windshield 5.
  • the luminous flux L4 reflected by the windshield 5 is displayed as a virtual image Iv, superimposed on the real scene visible through the windshield 5.
  • the display unit 11 emits a luminous flux before being expanded to the light guide 13, and displays an image under the control of, for example, an external control unit.
  • a liquid crystal display with a backlight an organic light-emitting diode display, a plasma display, or the like can be used.
  • an image may be generated using a screen that diffuses or reflects light, a projector, or a scanning laser.
  • the display unit 11 can display image content including various information such as a road progress guide display, the distance to the vehicle in front, the remaining battery level of the car, and the current vehicle speed. In this way, the display unit 11 emits the light beam L1 containing the image content that is visually recognized by the observer D as the virtual image Iv.
  • the control unit 15 can be realized by a circuit composed of semiconductor elements or the like.
  • the control unit 15 can be configured with, for example, a microcomputer, CPU, MPU, GPU, DSP, FPGA, or ASIC.
  • the control unit 15 implements predetermined functions by reading data and programs stored in the built-in storage device 17 and performing various arithmetic operations.
  • the storage device 17 is a storage medium that stores programs and data necessary to implement the functions of the control unit 15.
  • the storage device 17 can be realized by, for example, a hard disk (HDD), SSD, RAM, DRAM, ferroelectric memory, flash memory, magnetic disk, or a combination thereof.
  • the storage device 17 further stores a plurality of image data representing the virtual image Iv.
  • the control unit 15 determines the virtual image Iv to be displayed based on vehicle-related information acquired from the outside.
  • the control unit 15 reads out the image data of the determined virtual image Iv from the storage unit and outputs it to the display unit 11.
  • FIG. 6 is a transparent perspective view showing the configuration of the light guide 13.
  • the normal direction to the surface of the light guide 13 at the center or center of gravity of the first expansion region 23 is the Z-axis direction
  • the tangential plane is the XY plane.
  • the traveling direction of the central ray of light entering the first expansion region from the coupling region is the X-axis direction
  • the direction perpendicular to the X-axis direction is the Y-axis direction.
  • the light guide 13 has a first main surface 13a and a second main surface 13b, which are surfaces.
  • the first main surface 13a and the second main surface 13b face each other.
  • the light guide 13 has an entrance surface 20 , a coupling region 21 , a first extension region 23 , a second extension region 25 , and an exit surface 27 .
  • the entrance surface 20, the coupling region 21, the first extension region 23, and the second extension region 25 are included in the second main surface 13b, and the output surface 27 is included in the first main surface 13a. Therefore, the first expansion area 23 and the second expansion area 25 are arranged on the same plane.
  • the output surface 27 faces the second expansion region 25.
  • the coupling region 21, the first expansion region 23, and the second expansion region 25 may exist between the first main surface 13a and the second main surface 13b.
  • the first main surface 13a faces the windshield 5.
  • the incident surface 20 is included in the coupling region 21, but it may be a surface facing the coupling region 21 and included in the first main surface 13a.
  • the output surface 27 may be included in the second expansion region 25.
  • the coupling region 21, the first extension region 23, and the second extension region 25 have different diffraction powers, and each has a diffraction structure element formed therein.
  • the coupling region 21, the first extension region 23, and the second extension region 25 each have a different diffraction angle of image light.
  • the light guide 13 is configured such that the incident light beam is totally reflected inside. In this way, the light guide 13 partially includes a diffraction structure element, such as a volume hologram, that diffracts light.
  • the combined region 21, the first expansion region 23, and the second expansion region 25 become three-dimensional regions when they include a volume hologram.
  • the coupling region 21 is a region where the light beam L1 emitted from the display section 11 enters from the entrance surface 20 and changes the traveling direction of the light beam L1.
  • the coupling region 21 has diffraction power, changes the propagation direction of the incident light beam L1 to the direction of the first extension region 23, and emits it as a light beam L2.
  • coupling is a state in which light propagates within the light guide 13 under total internal reflection conditions.
  • the first expansion region 23 extends the light beam L2 in a first direction corresponding to the horizontal direction of the virtual image Iv, and is located in a second direction ( ⁇ Y-axis direction) that intersects the first direction (X-axis direction). The light is emitted to the second expansion area.
  • the length in the first direction is larger than the length in the second direction.
  • the light guide 13 is arranged so that the first direction is the horizontal direction (the direction of the X1 axis), but the first direction is not limited to the horizontal direction. It doesn't have to match.
  • the light beam L2 propagated from the coupling region 21 is propagated in the first direction while repeating total reflection on the first main surface 13a and the second main surface 13b, and then reaches the first expansion region 23 formed on the second main surface 13b.
  • the light beam L2 is duplicated by the diffraction structure and output to the second extension region 25.
  • the second expansion region 25 expands the light beam L3 in a second direction corresponding to the vertical direction of the virtual image Iv, and outputs the expanded light beam L4 from the exit surface 27.
  • the second direction is, for example, perpendicular to the first direction.
  • the second direction of the light guide 13 is arranged in the Z1 axis direction.
  • the light beam L3 propagated from the first expansion region 23 is propagated in the second direction while repeating total reflection on the first main surface 13a and the second main surface 13b.
  • the diffraction structure of the expansion region 25 duplicates the light beam L3 and outputs it to the outside of the light guide 13 via the output surface 27.
  • the light guide 13 directs the light beam L1 whose traveling direction has been changed by entering the incident surface 20 in the horizontal direction (direction of the X1 axis) of the virtual image Iv that the observer D visually recognizes.
  • the light beam L4 is emitted from the output surface 27.
  • replicating an image in the horizontal direction is not limited to replicating only in a complete horizontal direction, but also includes replicating in a substantially horizontal direction.
  • copying an image in the vertical direction is not limited to copying only in a complete vertical direction, but also includes copying in a substantially vertical direction.
  • FIG. 7A is an explanatory diagram showing the optical path at the center of the luminous flux emitted from the display section.
  • FIG. 7(b) is an explanatory diagram showing the wave number vector given to the light beam by the diffraction grating in each region in FIG. 7(a).
  • the light beam L1 of the image light incident on the light guide 13 changes its propagation direction to the first expansion region 23, which expands the pupil in the horizontal direction (X-axis direction). change. Therefore, after the light beam L1 obliquely enters the coupling region 21, it is propagated in the direction of the first expansion region 23 as a light flux L2 under the action of the wave number vector k1 shown in FIG.
  • the light beam L2 that propagates to the first expansion region 23 extending in the first direction is duplicated with the light beam L2 propagating in the first direction by the diffraction structure formed in the first expansion region 23 while repeating total reflection.
  • the light beam L3 is divided into a light beam L3 whose propagation direction is changed to the second expansion region 25. At this time, the duplicated light beam L3 propagates in the direction of the second expansion region 25 under the action of the wave number vector k2 shown in FIG.
  • the light beam L3 whose propagation direction has been changed to the second extension region 25 extending along the negative direction of the Z1 axis as the second direction is propagated in the second direction by the diffraction structure formed in the second extension region 25. and a light beam L4 that is duplicated and exits from the second expansion region 25 to the outside of the light guide 13 via the exit surface 27.
  • the duplicated light beam L4 is propagated toward the exit surface 27 (see FIG. 6) under the action of the wave number vector k3 shown in FIG.
  • the first expansion region 23 includes a first end region 23a, a center region 23b, and a second end region 23c.
  • the first end region 23a and the second end region 23c are regions that do not overlap with the second expansion region 25 when viewed from the second direction. Therefore, the second expansion area 25 exists in the second direction of the center area 23b, and the area without the second expansion area 25 exists in the second direction of the first end area 23a and the second end area 23c. .
  • the size of the second expansion area 25 is determined in accordance with the size of the visible area Ac.
  • the luminous flux L1 that enters the coupling area 21 has an incident angle other than 0 degrees (normal incidence) and an inclination angle. This includes the incident light flux. If this luminous flux L1 with an incident angle other than 0 degrees is not guided to the second extension area 25, a portion of the virtual image Iv will be chipped in the viewing area Ac. Therefore, by making the length Lga of the first expansion region 23 in the first direction longer than the length Lgb of the second expansion region 25 in the first direction, it is possible to prevent the virtual image Iv from being chipped.
  • the center region 23b of the first expansion region 23 includes the center of the first expansion region 23 in the first direction, and is located between the first end region 23a and the second end region 23c.
  • the first end region 23a is the end region closer to the bonding region 21, and the second end region 23c is the end region farther from the bonding region 21.
  • the length of the first expansion region 23 in the first direction is Lga
  • the length of the first end region 23a in the first direction is Lgaa
  • the length of the center region 23b in the first direction is Lgab.
  • the length of the second end region 23c in the first direction is Lgac.
  • the first end region 23a is a region having a length of less than 1/4 from the end of the first expansion region 23 on the coupling region 21 side in the first direction
  • the second end region 23c is This is a region having a length less than 1/4 from the end of the first expansion region 23 on the opposite side to the coupling region 21 in the direction of .
  • expanding the luminous flux means increasing the number of luminous fluxes by dividing and duplicating the luminous flux and expanding the visible area Ac.
  • the first expansion area 23 expands the visibility area Ac in the horizontal direction
  • the second expansion area 25 expands the visibility area Ac in the vertical direction.
  • the light beam L2 traveling in the first direction from the coupling region 21 through the first extension region 23 includes a light beam L2a, a light beam L2b, and a light beam L2c.
  • the light beam L3 traveling in the second direction from the first expansion region 23 includes a light beam L3aa, a light beam L3ab, a light beam L3ac, a light beam L3ba, a light beam L3bb, a light beam L3bc, a light beam L3ca, and a light beam L3cb. , and a luminous flux L3cc.
  • a light beam L2a whose traveling direction has been changed from the component of the light beam L1 that is perpendicularly incident on the coupling region 21 travels in the first direction through the first extension region 23, and is divided and diffracted at the first end region 23a.
  • the light beam L3ab, the light beam L3aa divided and diffracted by the central region 23b, and the light beam L3ac divided and diffracted by the second end region 23c each travel in the second direction.
  • the light beam L3aa can travel into the second expansion region 25, the light beams L3ab and L3ac cannot travel into the second expansion region 25, resulting in a loss of light quantity.
  • the light beam L2b whose traveling direction has been changed from the component of the light beam L1 that is incident on the coupling region 21 at a positive angle, travels through the first expansion region 23 in the first direction, and travels through the first end region 23a.
  • a light beam L3bb that is divided and diffracted by the center region 23b, a light beam L3ba that is divided and diffracted by the second end region 23c, and a light beam L3bc that is divided and diffracted by the second end region 23c each proceed in the second direction. do.
  • the light beam L3bc travels into the second expansion region 25 to prevent the virtual image Iv from being chipped, but part of the light beam L3ba and the light beam L3bb cannot travel into the second expansion region 25, so the amount of light decreases. loss occurs.
  • the light beam L2c whose traveling direction has been changed from the component of the light beam L1 that is incident on the coupling region 21 at a negative angle, travels through the first extension region 23 in the first direction, and travels through the first end region 23a.
  • a luminous flux L3cb that is divided and diffracted at the central region 23b, a luminous flux L3ca that is divided and diffracted at the central region 23b, and a luminous flux L3cc that is divided and diffracted at the second end region 23c each proceed in the second direction. do.
  • the light beam L3cb travels into the second expansion region 25 to prevent the virtual image Iv from being chipped, but part of the light beam L3ca and the light beam L3cc cannot travel into the second expansion region 25, so the amount of light decreases. loss occurs.
  • the light beams L3bc and L3cb have a smaller number of diffractions within the second extension region 25 than the light beam L3aa, repeat total reflection within the light guide 13, and propagate with less loss of light quantity. Therefore, the luminous flux L3bc and the luminous flux L3cb have a larger light quantity than the luminous flux L3aa, which propagates while being divided by diffraction within the second extension region 25, and cause uneven brightness of the image light emitted from the second extension region 25.
  • the transition in the first direction of the amount of light diffracted from the first extension region 23 loss of the amount of light and uneven brightness are reduced while preventing image chipping. Specifically, the diffraction efficiency of the first end region 23a and the second end region 23c is modulated so that the amount of light beams L3ab, L3bb, L3ac, and L3cc becomes smaller.
  • the light flux emitted from the second expansion area 25 within the length Lgb of the second expansion area 25 in the first direction shown in FIG. 8(a) is visually recognized as shown in FIG. 8(b).
  • the horizontal viewing angle ⁇ is incident on the area Ac in the range of ⁇ .
  • the light beam L3aa is diffracted to generate a light beam L4aa
  • the light beam L3cb is diffracted to generate a light beam L4cb
  • the light beam L3bc is diffracted to generate a light beam L4bc.
  • These light beams L4aa, L4cb, and L4bc reach the viewing area Ac.
  • the light beams diffracted from the light beams L3ab, L3bb, L3ac, L3cc, L3ba, and L3ca that do not emit within the length Lgb of the second expansion region 25 in the first direction do not reach the viewing area Ac.
  • the windshield 5 is omitted for ease of understanding.
  • the second expansion region 25 extends in a region 41 and a region 41 extending in the positive direction (X-axis positive direction) and the negative direction (X-axis negative direction) of the first direction, respectively. 43 may be formed.
  • the HUD system 1 may include a light guide 13F in which an expansion area 45 having a second expansion area 25, areas 41, and 43 is arranged in a second direction of the first expansion area 23.
  • the light beams L4aa, L4cb, and L4bc reach the viewing area Ac.
  • the light diffracted from the light beams L3ab, L3bb, L3ac, and L3cc which are not emitted within the length Lgb in the first direction of the second extension region 25 of the light guide 13F, leaves the light guide 13F in the visible area. Ac is not reached.
  • the light beam L3ab is diffracted to generate a light beam L4ab
  • the light beam L3bb is diffracted to generate a light beam L4bb
  • the light beam L3ac is diffracted to generate a light beam L4ac
  • the light beam L3cc is diffracted to generate a light beam L4cc is generated.
  • the second expansion region 25 is an expansion region within a length Lgb that is incident within the viewing angle ⁇ in the range ⁇ .
  • FIG. 10 is a graph showing changes in the proportion of the amount of light to be diffracted when modulation of diffraction efficiency is not performed in the comparative example.
  • FIG. 11 is a graph showing modulation of the diffraction efficiency so that the change in the proportion of the amount of light diffracted in the comparative example becomes constant.
  • FIG. 12 is a graph showing changes in the modulation of diffraction efficiency and the ratio of the amount of diffracted light in the embodiment.
  • the ratio of the amount of light to be diffracted Lr1 is smaller at the first end where the number of diffractions is smaller. It is highest in the region 23a and decreases as the number of diffraction increases in the first direction. Therefore, this causes uneven brightness of the virtual image Iv.
  • the diffraction efficiency De2 is modulated in the first direction and gradually increased, so that the ratio Lr2 of the amount of light to be diffracted is adjusted to the number of diffraction times. It can be kept constant regardless of the However, in the present embodiment, since the length Lga of the first expansion region 23 in the first direction is longer than the length Lgb of the second expansion region 25 in the first direction, light amount loss and brightness may be reduced due to the above-mentioned reason. Unevenness occurs.
  • the diffraction efficiency is modulated as shown in FIG. 12.
  • the diffracted light amount ratio Lr3 gradually increases along the first direction, and the flat portion Lr3a has a light amount ratio Lr3 within a certain range Rc within a specific range of the number of diffraction times. has.
  • the certain range Rc in the flat portion Lr3a is within ⁇ 10% of the designed value Va of the proportion of the amount of light diffracted in the central region 23b.
  • the design value Va is a specific value designed based on the number of diffraction within the central region 23b. In this embodiment, the design value Va is approximately 13%.
  • the ratio Lr3 of the amount of light diffracted in the first end region 23a with a small number of diffraction times and the second end region 23c with a large number of diffraction times is changed from the light amount ratio Lr3 that is diffracted in the central region 23b.
  • the light amount ratio is set lower than Lr3.
  • the diffraction efficiency De3 in the first extension region 23 is increased as the number of diffraction increases, and when the number of diffraction exceeds a specific number, the diffraction efficiency De3 is decreased.
  • the diffraction efficiency De3 increases along the first direction from the first end region 23a to the center region 23b, and decreases along the first direction in the second end region 23c.
  • the amount Le of diffracted light within the first end region 23a and the second end region 23c of the first extension region 23 is smaller than half the amount Lc of diffracted light within the center region 23b of the first extension region 23. Therefore, the following conditional expression (4) holds true. Le ⁇ Lc/2...Equation (4)
  • the light amount of the light beam L3aa can be increased by the reduced light amount.
  • the loss of the amount of light at high viewing angles such as the light beam L3bb and the light beam L3cc
  • the amount of light of the light beam L3bc and the light beam L3cb and propagating them to the second expansion area 25C the occurrence of image chipping can be prevented. In addition to preventing this, it is possible to improve the brightness unevenness of the virtual image Iv.
  • FIG. 13 is a longitudinal cross-sectional view of the diffraction grating 31 arranged in the first expansion region 23. As shown in FIG. 13
  • a diffraction grating 31 that diffracts the incident light beam is arranged in the first expansion region 23 .
  • the diffraction grating 31 is, for example, a transparent resin layer, and is formed by nanoimprinting.
  • the diffraction grating 31 may be formed by stacking SiO 2 on the glass substrate 35 and performing dry etching. Note that a diffraction grating 31 is similarly arranged in the second expansion region 25 as well.
  • the diffraction grating 31 is periodically formed with a pitch P.
  • the diffraction grating 31 has structural characteristics determined by a height h from the surface, a width W, and a duty ratio Dr defined by width W/pitch P. Note that the diffraction grating 37 may have a slant angle.
  • the height h1 of the grating 31a in the first end region 23a and the second end region 23c of the first expansion region 23 is lower than the height h2 of the grating 31a in the central region 23b.
  • the absolute value of the difference between the duty ratio Dr1 of the diffraction gratings of the first end region 23a and the second end region 23c of the first expansion region 23 and 0.5 is the same as that of the central region 23b. It is larger than the absolute value of the difference between the duty ratio Dr2 of the diffraction grating and 0.5. Therefore, the following conditional expression (5) holds true.
  • the duty ratio Dr2 of the diffraction grating in the central region 23b is closer to 0.5 than the duty ratio Dr1 of the diffraction gratings in the first end region 23a and the second end region 23c.
  • the duty ratio Dr2 of the diffraction grating in the central region 23b is closer to 0.5 than the duty ratio Dr1 of the diffraction gratings in the first end region 23a and the second end region 23c.
  • the amount of light diffracted at the first end region 23a and the second end region 23c can be made smaller than the amount of light diffracted at the center region 23b. good.
  • FIG. 15A is an explanatory diagram showing the optical path of a light beam traveling through the first expansion area 23A and the second expansion area 25A of the light guide 13A in Modification 1 of the embodiment.
  • FIG. 15(b) is an explanatory diagram showing wave number vectors given to the light beam by the diffraction gratings of the coupling region 21 and each extension region 23A, 25A in FIG. 15(a).
  • the second expansion region 25A has a first end region 23Aa and a center region 23Ab.
  • the diffraction gratings of the first expansion region 23A and the second expansion region 25A are designed so that the wave number vector k5 due to the diffraction grating of the second expansion region 25A is slightly oblique. .
  • the sum of the wave number vector k1 of the coupling region 21, the wave number vector k4 of the first extension region 23A, and the wave number vector k5 of the second extension region 25A can be made zero.
  • the center of the second expansion region 25A in the first direction is aligned with the center of the first expansion region 23A in the first direction, as shown in FIG. 15(a).
  • the sizes of the first end region 23Aa and the center region 23Ab in the first expansion region 23A are larger than the sizes of the first end region 23a and the center region 23b of the first embodiment, and are expanded in the first direction. ing.
  • the second expansion region 25A By arranging the second expansion region 25A on the opposite side of the first expansion region 23A from the joint region 21 so as to overlap the first expansion region 23A when viewed from the second direction, the second expansion region 25A can be The edge space on the first direction side can be reduced.
  • FIG. 16 is a graph showing the modulation of the diffraction efficiency of the first extension region 23A and the change in the ratio of the amount of diffracted light in Modification 1 of the embodiment.
  • the light amount ratio Lr3A diffracted in the first end region 23Aa with a small number of diffraction times is set lower than the light amount ratio Lr3A diffracted in the center region 23Ab.
  • the diffraction efficiency De3A is increased as the number of diffraction increases.
  • the diffraction efficiency De3A is increased along the first direction from the first end region 23Aa to the center region 23Ab.
  • the amount of diffracted light Le within the first end region 23Aa of the first extension region 23A is smaller than half the amount of diffracted light Lc within the center region 23Ab of the first extension region 23.
  • FIG. 17A is an explanatory diagram showing the optical path of a light flux traveling through the first extension region 23B and the second extension region 25B of the light guide 13B in Modification 2 of the embodiment.
  • FIG. 17(b) is an explanatory diagram showing wave number vectors given to the light beam by the diffraction gratings of the coupling region 21 and each extension region 23B, 25B in FIG. 17(a).
  • the second expansion region 25B has a center region 23Bb and a second end region 23Bc.
  • the diffraction gratings of the first expansion region 23B and the second expansion region 25B are designed so that the wave number vector k7 of the diffraction grating of the second expansion region 25B is oblique.
  • the sum of the wave number vector k1 of the coupling region 21, the wave number vector k6 of the first extension region 23B, and the wave number vector k7 of the second extension region 25B can be made zero.
  • the center of the second expansion region 25B in the first direction is aligned with the center of the first expansion region 23B in the first direction, as shown in FIG. 17(a). Instead of being placed together, they can be placed on the bonding area 21 side.
  • the size of the center region 23Bb and the second end region 23Bc is larger than the size of the center region 23b and the second end region 23c of the first embodiment, and each Expanded.
  • the first expansion area 25B of the second expansion area 25B can be The space on the opposite edge can be reduced.
  • FIG. 18 is a graph showing the modulation of the diffraction efficiency of the first extension region 23B and the change in the ratio of the amount of light to be diffracted in Modification 2 of the embodiment.
  • the ratio Lr3B of the amount of light diffracted in the second end region 23Bc which has a large number of diffraction times, is made lower than the ratio Lr3B of the amount of light diffracted in the center region 23Bb.
  • the diffraction efficiency De3B is increased as the number of diffraction increases, and when a specific number of diffraction is exceeded, the diffraction efficiency De3B is decreased.
  • the diffraction efficiency De3B is increased along the first direction in the central region 23Bb and decreased along the first direction in the second end region 23Bc.
  • the amount Le of diffracted light within the second end region 23Bc of the first extension region 23B is smaller than half the amount Lc of diffracted light within the center region 23Bb of the first extension region 23B.
  • FIG. 19A is an explanatory diagram showing the optical path of a light beam traveling through the first extension region 23C and the second extension region 25C of the light guide 13C in Modification 3 of the embodiment.
  • FIG. 19(b) is an explanatory diagram showing wave number vectors given to the light beam by the diffraction gratings of the coupling region 21C and each extension region 23C, 25C in FIG. 19(a).
  • the first direction of the first expansion region 23C is the negative direction of the Y-axis
  • the second direction of the second expansion region 25C is the direction of the X-axis.
  • the light beam incident on the coupling region 21C is propagated in the direction in which the first extension region 23C is arranged under the action of the wave number vector k1 by the diffraction grating of the coupling region 21C.
  • the light flux propagating to the first extension region 23C is duplicated with the light flux propagating in the first direction due to the diffraction structure formed in the first extension region 23 while repeating total reflection, and is directed toward the second extension region 25C.
  • the beam is split into a light beam that changes its propagation direction.
  • the duplicated light flux is propagated in the direction in which the second expansion region 25C is arranged under the action of the wave number vector k9.
  • the light flux whose propagation direction has been changed toward the second extension region 25C is duplicated with the light flux propagating in the second direction due to the diffraction structure formed in the second extension region 25 and is guided from the second extension region 25C.
  • the light beam is divided into a light beam emitted to the outside of the light body 13C.
  • the duplicated light flux is emitted to the outside of the light guide 13C under the action of the wave number vector k10 by the diffraction grating of the second extension region 25C.
  • the light amount ratio Lr3C diffracted in the first end region 23Ca with a small number of diffraction times and the second end region 23Cc with a large number of diffraction times is calculated from the light amount ratio Lr3C diffracted in the central region 23b. also lower.
  • the diffraction efficiency De3C is increased as the number of diffraction increases, and when a specific number of diffraction is exceeded, the diffraction efficiency De3C is decreased. As shown in FIG.
  • the diffraction efficiency De3C increases along the first direction from the first end region 23Ca to the center region 23Cb, and decreases along the first direction in the second end region 23Cc.
  • the amount Le of diffracted light in the first end region 23Ca and the second end region 23Cc of the first extension region 23C is smaller than half the amount Lc of diffracted light in the center region 23Cb of the first extension region 23.
  • FIG. 21A is an explanatory diagram showing the optical path of a light beam traveling through the first extension region 23D and the second extension region 25D of the light guide 13D in Modification 4 of the embodiment.
  • FIG. 21(b) is an explanatory diagram showing wave number vectors given to the light beam by the diffraction gratings of the coupling region 21D and each extension region 23D, 25D in FIG. 21(a).
  • Modification 4 of the embodiment is an example in which Modification 1 and Modification 3 are combined.
  • the diffraction gratings in each of the first expansion area 23D and the second expansion area 25D are designed so that the wave number vector k12 due to the diffraction grating in the second expansion area 25D is oblique.
  • the sum of the wave number vector k8 of the coupling region 21D, the wave number vector k11 of the first extension region 23D, and the wave number vector k12 of the second extension region 25D can be made zero.
  • the center of the second expansion region 25D in the first direction is aligned with the center of the first expansion region 23D in the first direction, as shown in FIG. 21(a).
  • the sizes of the first end region 23Da and the center region 23Db in the first expansion region 23D are larger than the sizes of the first end region 23Ca and the center region 23Cb of Modification 3, and are expanded in the first direction. ing.
  • the second expansion region 25D By arranging the second expansion region 25D on the opposite side of the first expansion region 23D from the joint region 21D so as to overlap the first expansion region 23D when viewed from the second direction, the second expansion region 25D The edge space on the first direction side can be reduced.
  • FIG. 22 is a graph showing the modulation of the diffraction efficiency of the first extension region 23D and the change in the ratio of the amount of diffracted light in Modification 4 of the embodiment.
  • the ratio Lr3D of the amount of light diffracted in the first end region 23Da, where the number of diffractions is small, is set lower than the ratio Lr3D of the amount of light diffracted in the center region 23Db.
  • the diffraction efficiency De3D is increased as the number of diffraction increases.
  • the diffraction efficiency De3D is increased along the first direction from the first end region 23Da to the center region 23Db.
  • the amount Le of diffracted light within the first end region 23Da of the first extension region 23D is smaller than half the amount Lc of diffracted light within the center region 23Db of the first extension region 23.
  • FIG. 23A is an explanatory diagram showing the optical path of a light beam traveling through the first expansion area 23E and the second expansion area 25E of the light guide 13E in the fifth modification of the embodiment.
  • FIG. 23(b) is an explanatory diagram showing wave number vectors given to the light beam by the diffraction gratings of the coupling region 21E and each extension region 23E, 25E in FIG. 23(a).
  • Modification 5 of the embodiment is an example in which Modification 2 and Modification 3 are combined.
  • the diffraction gratings in each of the first expansion region 23E and the second expansion region 25E are designed so that the wave number vector k14 due to the diffraction grating in the second expansion region 25E is oblique.
  • the sum of the wave number vector k8 of the coupling region 21E, the wave number vector k13 of the first extension region 23E, and the wave number vector k14 of the second extension region 25E can be made zero.
  • the wave number vector k14 oblique instead of aligning the center of the second expansion region 25E in the first direction with the center of the first expansion region 23E in the first direction, It can be placed on the 21 side.
  • the size of the center region 23Eb and the second end region 23Ec is larger than the size of the center region 23b and the second end region 23c of the first embodiment, and the sizes thereof are opposite to the first direction. Expanded.
  • the first expansion region 25E By arranging the second expansion region 25E on the joint region 21 side with respect to the first expansion region 23E so as to overlap the first expansion region 23E when viewed from the second direction, the first expansion region 25E can be The space on the opposite edge can be reduced.
  • FIG. 24 is a graph showing the modulation of the diffraction efficiency of the first extended region 23E and the change in the ratio of the amount of light to be diffracted in Modification 5 of the embodiment.
  • the ratio Lr3E of the amount of light diffracted in the second end region 23Ec which has a large number of diffraction times, is made lower than the ratio Lr3E of the amount of light diffracted in the center region 23Eb.
  • the diffraction efficiency De3E is increased as the number of diffraction increases, and when a specific number of diffraction is exceeded, the diffraction efficiency De3E is decreased.
  • the diffraction efficiency De3E is increased along the first direction in the central region 23Eb and decreased along the first direction in the second end region 23Ec.
  • the amount Le of diffracted light within the second end region 23Ec of the first extended region 23E is smaller than half the amount Lc of diffracted light within the center region 23Eb of the first extended region 23E.
  • the light guide 13 as an optical system of the present disclosure is an optical system that allows the observer D to visually recognize the virtual image Iv.
  • the light guide 13 expands by dividing and duplicating the light beam L2 traveling in the first direction into a light beam L3 traveling in the second direction intersecting the first direction to increase the number of light beams.
  • the second expansion area 25 corresponds to the visible area Ac of the virtual image Iv.
  • the first expansion region 23 has a center region 23b including the center of the first expansion region 23 and at least one of the end sides of the first expansion region 23. It has at least one of an end region 23a and a second end region 23c.
  • the amount of diffracted light Le in the first end region 23a or the second end region 23c is smaller than half the amount of diffracted light Lc in the center region 23b of the first extension region 23, the first end region 23a or the second end region
  • the amount of light diffracted by the region 23c can be reduced, and the loss of the amount of light can be reduced.
  • the light beam diffracted by the first end region 23a or the second end region 23c and reaching the second extension region 25 has high brightness due to a small number of diffraction times, but the amount of light of this light beam can be reduced. Therefore, uneven brightness can be reduced.
  • the second expansion region 25 exists in the second direction of the center region 23b, and a region without the second expansion region 25 exists in the second direction of the first end region 23a and the second end region 23c. .
  • the area without the second expansion area 25 can reduce the transmission of light flux to the viewer D outside the viewing area Ac.
  • the light beams from the first end region 23a and the second end region 23c are diffracted in this extension region.
  • this diffraction is reduced, The amount of light that reaches the visible area Ac can be increased.
  • the length Lga of the first expansion region 23 in the first direction is longer than the length Lgb of the second expansion region 25 in the first direction. Therefore, it is possible to prevent the image from being chipped due to the light beam diffracted by the first end region 23a or the second end region 23c and reaching the second extension region 25.
  • the divided and duplicated light beam L2 is reflected by the windshield 5 to make the virtual image Iv visible to the observer D, but the present invention is not limited to this.
  • a combiner may be used instead of the windshield 5, and the divided and duplicated luminous flux L2 may be reflected by the combiner to allow the observer D to visually recognize the virtual image Iv.
  • the HUD system 1 is applied to a vehicle 3 such as an automobile.
  • the object to which the HUD system 1 is applied is not limited to the vehicle 3.
  • the object to which the HUD system 1 is applied may be, for example, a train, motorcycle, ship, or aircraft, or may be an amusement machine that does not involve movement.
  • the light beam from the display section 11 is reflected by a transparent curved plate serving as a light-transmitting member that reflects the light beam emitted from the display section 11 instead of the windshield 5.
  • the actual scene that can be viewed by the user through the transparent curved board may be an image displayed from another image display device.
  • the virtual image produced by the HUD system 1 may be displayed superimposed on a video displayed from another video display device.
  • any one of the windshield 5, the combiner, and the transparent curved plate may be employed as the light-transmitting member in the present disclosure.
  • the light guide 13 is used in the HUD system 1 that displays the virtual image Iv, but the invention is not limited thereto.
  • the light guide 13 may be used for HMD.
  • the light guide 13 is used in the HUD system 1 that displays the virtual image Iv, but the invention is not limited thereto.
  • the light guide 13 may be used in an image display system in which, for example, an observer directly observes the light beam emitted from the output surface 27 instead of viewing a virtual image through a light-transmitting member.
  • the observer is a person who directly views the image formed by the emitted light flux, and is therefore not limited to the passenger of the moving body.
  • the optical system of the present disclosure is an optical system that allows an observer to visually recognize an image, and divides and reproduces a light beam traveling in a first direction into a light beam traveling in a second direction intersecting the first direction.
  • the first expansion area has an amount of diffracted light that is less than half of the amount of diffracted light in the central area in at least one of the central area including the center of the first expansion area and the end side of the first expansion area. and a small end area.
  • the amount of diffracted light in at least one end region is smaller than half of the amount of diffracted light in the central region of the first extended region, the amount of light diffracted in the end region can be reduced, and loss in light amount can be reduced. I can do it. Furthermore, the light flux that is diffracted at the end region and reaches the second extension region has high brightness due to a small number of diffraction times, but since the amount of light of this light flux can be reduced, it is possible to reduce uneven brightness. can.
  • the second extension region exists in the second direction of the central region, and the region without the second extension region exists in the second direction of the end region.
  • the area without the second expansion area can reduce the transmission of light flux to the viewer outside the viewing area, and the area other than the second expansion area where the light flux from the end area does not reach the viewing area. It is possible to reduce the amount of light that reaches the visible area and increase the amount of light that reaches the visible area.
  • the length of the first extension region in the first direction is longer than the length of the second extension region in the first direction. Therefore, it is possible to prevent the image from being chipped due to the light beam diffracted at the end region and reaching the second extension region.
  • the second expansion area In any one of the optical systems (1) to (3), in the transition of the ratio of the amount of diffracted light along the first direction in the first expansion area, the second expansion area
  • any one of the optical systems (1) to (4) within the end region of the first expansion region, from the end opposite to the center region side in the end region to the center of the first expansion region.
  • the amount of diffracted light increases toward the area.
  • the amount of diffracted light increases toward the center region within the end region of the first expansion region, so the amount of light diffracted at the end within the end region can be reduced, reducing loss of light amount. be able to.
  • the central area of the first expansion area is an area with a length of 1/4 or more and 3/4 or less from the end in the first direction.
  • the end region is a region having a length less than 1/4 from the end in the first direction.
  • the optical system of any one of (1) to (5) includes a coupling region that changes the traveling direction of the incident light beam toward the first expansion region, and the end region of the first expansion region is This is the area closer to the bond area.
  • the optical system of any one of (1) to (6) includes a coupling region that changes the traveling direction of the incident light beam toward the first expansion region, and the end region of the first expansion region is This is the area farthest from the bond area.
  • the first extension region has a diffraction grating, and the height of the diffraction grating in the end region of the first extension region is higher than that of the center region. lower than the height of the diffraction grating. Thereby, the diffraction efficiency of the first extension region can be modulated to a desired transition.
  • the first extension region has a diffraction grating, and the duty ratio of the diffraction grating in the end region of the first extension region is equal to or less than 0. 5 is larger than the difference between the duty ratio value of the diffraction grating in the central region and 0.5. Thereby, the diffraction efficiency of the first extension region can be modulated to a desired transition.
  • the first extension region has a diffraction grating, and the duty ratio of the diffraction grating in the end region of the first extension region is equal to or less than 0. 5 is different from the difference between the duty ratio value of the diffraction grating in the central region and 0.5, and the difference between the height of the diffraction grating in the end region of the first expansion region and the height of the diffraction grating in the central region is different from the difference between the duty ratio value of the diffraction grating in the central region and 0.5. different.
  • the diffraction efficiency of the first extension region can be modulated to a desired transition.
  • the head-up display system of the present disclosure includes any one of the optical systems (1) to (11), a display unit that emits a luminous flux before being expanded to the optical system, and a luminous flux emitted from the optical system. and a transparent member that reflects the image, and displays the image as a virtual image superimposed on a real scene that is visible through the transparent member.
  • the light-transmitting member is a windshield of a moving body.
  • the present disclosure is applicable to optical systems and head-up display systems that reproduce and display images.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Instrument Panels (AREA)

Abstract

第１の方向に進行する光束を第１の方向と交差する第２の方向に進行する光束に分割複製して光束の数を増加することで拡張する第１拡張領域と、第２の方向に進行する光束を分割複製して光束の数を増加することで拡張し、像の視認領域に対応する第２拡張領域と、を備える光学系である。第１拡張領域は、第１拡張領域の中心を含む中心領域と、第１拡張領域の端側の少なくとも一方で、回折光量が中心領域内の回折光量の半分より小さい端部領域とを有する。

Description

光学系及びそれを備えたヘッドアップディスプレイシステム
　本開示は、像の表示に用いられる光学系及びそれを備えたヘッドアップディスプレイシステムに関する。
　従来、ヘッドアップディスプレイ装置を用いて、拡張現実（ＡＲ）表示を行う車両情報投影システムを開示している。ヘッドアップディスプレイ装置は、例えば、車両のウインドシールドに虚像を表す光を投影することで、運転者に、車両の外界の実景とともに虚像を視認させている。
　虚像を表示させる装置として、特許文献１には、出射瞳を２方向で拡張するための導波路（導光体）を備える光学系が記載されている。光学系は、回折光学素子を利用して、出射瞳を拡張することができる。また、文献２には、回折格子の高さやデューティ比を変調することで、回折格子から回折する光量を一定にするヘッドマウントディスプレイが記載されている。
米国特許第１０４２９６４５号明細書 米国特許出願公開第２００９／００９７１２２号明細書
　しかしながら、出射瞳を拡張する光学系に入射する光束に角度ばらつきがあると、光学系から出射される像に欠けが生じる。また、より輝度の高い像を表示することが求められている。
　本開示は、像の欠けを防止し、光束の利用効率を向上した光学系及びヘッドアップディスプレイシステムを提供する。
　本開示の光学系は、観察者に像を視認させる光学系であって、第１の方向に進行する光束を第１の方向と交差する第２の方向に進行する光束に分割複製して前記光束の数を増加することで拡張する第１拡張領域と、第２の方向に進行する光束を分割複製して前記光束の数を増加することで拡張し、前記像の視認領域に対応する第２拡張領域と、を備える。第１拡張領域は、第１拡張領域の中心を含む中心領域と、第１拡張領域の端側の少なくとも一方で、回折光量が中心領域内の回折光量の半分より小さい端部領域とを有する。
　また、本開示のヘッドアップディスプレイシステムは、上述の光学系と、光学系に拡張される前の光束を出射する表示部と、光学系から出射した光束が反射する透光部材と、を備え、透光部材を介して視認可能な実景に虚像として像を重ねて表示する。
　本開示の光学系及びヘッドアップディスプレイシステムによれば、像の欠けを防止し、光束の利用効率を向上した光学系及びヘッドアップディスプレイシステムを提供することができる。
導光体の構成を示す概略斜視図 ヘッドマウントディスプレイの導光体への入射光と出射光の方向を示す説明図 ヘッドアップディスプレイの導光体への入射光と出射光の方向を示す説明図 実施の形態のヘッドアップディスプレイシステムを搭載した車両のＹ１Ｚ１面断面図 表示部から出射される光束の光路を示す説明図 実施の形態における導光体の構成を示す透視斜視図 表示部から出射される光束の中心の光路を示す説明図 第１拡張領域及び第２拡張領域を進行する光束の光路を示す説明図 変形例における第１拡張領域及び第２拡張領域を進行する光束の光路を示す説明図 比較例における回折効率の変調を実施しないときの回折される光量の割合の推移を示すグラフ 比較例における回折される光量の割合の推移が一定になるように回折効率の変調を示すグラフ 実施の形態における第１拡張領域の回折効率の変調と回折される光量の割合の推移を示すグラフ 実施の形態における第１拡張領域に配置された回折格子の縦断面図 実施の形態における第１拡張領域に配置された回折格子の縦断面図 実施の形態の変形例１における導光体の第１拡張領域及び第２拡張領域を進行する光束の光路を示す説明図 実施の形態の変形例１における第１拡張領域の回折効率の変調と回折される光量の割合の推移を示すグラフ 実施の形態の変形例２における導光体の第１拡張領域及び第２拡張領域を進行する光束の光路を示す説明図 実施の形態の変形例２における第１拡張領域の回折効率の変調と回折される光量の割合の推移を示すグラフ 実施の形態の変形例３における導光体の第１拡張領域及び第２拡張領域を進行する光束の光路を示す説明図 実施の形態の変形例３における第１拡張領域の回折効率の変調と回折される光量の割合の推移を示すグラフ 実施の形態の変形例４における導光体の第１拡張領域及び第２拡張領域を進行する光束の光路を示す説明図 実施の形態の変形例４における第１拡張領域の回折効率の変調と回折される光量の割合の推移を示すグラフ 実施の形態の変形例５における導光体の第１拡張領域及び第２拡張領域を進行する光束の光路を示す説明図 実施の形態の変形例５における第１拡張領域の回折効率の変調と回折される光量の割合の推移を示すグラフ
（本開示の概要）
　図１を参照して、本開示の概要をまず説明する。図１は、導光体１３の構成を示す概略図である。ヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤと称する）などに用いられる光学系で、いわゆる瞳拡張型の導光体１３が用いられる。瞳拡張型の導光体１３は、表示部１１からの画像光を入射して進行方向を変更する結合領域２１と、第１の方向に拡張する第１拡張領域２３と、第２の方向に拡張する第２拡張領域２５とを備える。第１の方向と第２の方向とは互いに交差し、例えば、直交してもよい。
　結合領域２１、第１拡張領域２３及び第２拡張領域２５は、それぞれ、画像光を回折する回折パワーを有し、エンボス型ホログラム、または、体積型ホログラム等の回折構造素子が形成されている。エンボス型ホログラムは、例えば、回折格子である。体積型ホログラムは、例えば、誘電体膜内の周期的な屈折率分布である。結合領域２１は、外部から入射した画像光の進行方向を、回折パワーにより第１拡張領域２３へ向かうように変更する。
　第１拡張領域２３は、例えば、回折構造素子が配置されており、入射した画像光を、回折パワーにより第１の方向に進行する画像光と第２拡張領域２５へ進行する画像光とに分割することで画像光を複製する。例えば、図１では、第１拡張領域２３において、画像光が全反射を繰り返して進行する方向に並んだ４個のポイント２３ｐに回折構造素子が配置されている。それぞれのポイント２３ｐで回折構造素子が画像光を分割し、分割した画像光を第２拡張領域２５へ進行させている。これにより、入射した画像光の光束が、第１の方向に４つの画像光の光束に複製されることで拡張される。
　第２拡張領域２５は、例えば、回折構造素子が配置されており、入射した画像光を、回折パワーにより第２の方向に進行する画像光と第２拡張領域２５から外部へ出射する画像光とに分割することで画像光を複製する。例えば、図１では、第２拡張領域２５において画像光が全反射を繰り返して進行する方向に並んだポイント２５ｐが１列につき３つ配置され、４列で合計１２個のポイント２５ｐにそれぞれ回折構造素子が配置されている。それぞれのポイント２５ｐで画像光を分割し、分割した画像光を外部へ出射させている。これにより、４列で入射した画像光の光束がそれぞれ、第２の方向に３つの画像光の光束に複製されることで拡張される。このようにして、導光体１３は、入射した１つの画像光の光束から、１２個の画像光の光束を複製することができ、第１の方向及び第２の方向にそれぞれ光束を複製して視認領域を拡張することができる。観察者はこの１２個の画像光の光束からそれぞれの画像光の光束を虚像として視認することができ、観察者が画像光を視認可能な視認領域を広くすることができる。
　次に、図２及び図３を参照して瞳拡張型のＨＭＤとヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤと称する）の違いについて説明する。図２は、ＨＭＤの入射光と出射光を示す説明図である。図３は、ＨＵＤの入射光と出射光を示す説明図である。
　図２に示す様に、ＨＭＤにおける導光体１３は、観察者が虚像を視認可能な視認領域Ａｃに対してほぼ正対している。表示部１１から垂直に入射した画像光は導光体１３内で分割され、分割された画像光が導光体１３の出射面２７から垂直に視認領域Ａｃに向けて出射する。
　これに対して、図３に示す様に、ＨＵＤの場合、導光体１３から出射した画像光を例えば、ウインドシールド５に反射させて視認領域Ａｃに入射させるので、分割された映像光を導光体１３の出射面２７から斜め方向に出射させる。以下、ＨＵＤ用の光学系について説明する。
（実施の形態）
　以下、図４～図６を参照して、実施の形態を説明する。なお、上述した構成要素と共通の機能を有する構成要素に対して同じ符号を付している。また、図中におけるウインドシールドの傾斜角度は、それぞれ理解しやすいように示しているので、図によって異なる場合がある。
[１－１．構成]
[１－１－１．光学系及びヘッドアップディスプレイシステムの全体構成]
　本開示のヘッドアップディスプレイシステム１（以下、ＨＵＤシステム１と称する）の具体的な実施の形態を説明する。図４は、本開示に係るＨＵＤシステム１を搭載した車両３の断面を示す図である。図５は、表示部から出射される光束の光路を示す説明図である。実施の形態において、車両３に搭載されたＨＵＤシステム１を例として説明する。
　以下において、図４に示す、Ｘ１軸、Ｙ１軸、及びＺ１軸に基づいてＨＵＤシステム１に関する方向を説明する。Ｚ１軸方向は、観察者が虚像Ｉｖを視認可能な視認領域Ａｃから観察者が虚像Ｉｖを視認する方向である。Ｘ１軸方向は、Ｚ１軸と直交した水平方向である。Ｙ１軸方向は、Ｘ１軸及びＺ１軸で形成されるＸ１Ｚ１面と直交する方向である。したがって、Ｘ１軸方向は車両３の水平方向に対応し、Ｙ１軸方向は車両３の略鉛直方向に対応し、Ｚ１軸方向は車両３の略前進方向に対応する。
　図４に示すように、車両３のウインドシールド５の下方のダッシュボード（図示省略）の内部に、表示部１１及び導光体１３が配置されている。車両３の運転席に座った観察者Ｄは、ＨＵＤシステム１から投射される画像を虚像Ｉｖとして認識する。このようにして、ＨＵＤシステム１は、ウインドシールド５を介して視認可能な実景に虚像Ｉｖを重ねて表示する。複製された複数の画像が視認領域Ａｃに投射されるので、視認領域Ａｃの中であれば、観察者Ｄの眼の位置がＹ軸方向及びＸ軸方向にずれても虚像Ｉｖを視認することができる。なお、観察者Ｄは、車両３のように移動体内に搭乗する搭乗者であり、例えば、運転者または助手席に座る搭乗者である。
　図４を参照する。ＨＵＤシステム１は、表示部１１、導光体１３、制御部１５及びウインドシールド５を備える。表示部１１は、虚像Ｉｖとして観察者に視認される画像を形成する光束Ｌ１を出射する。導光体１３は、表示部１１から出射された光束Ｌ１を分割複製し、複製した光束Ｌ４をウインドシールド５へ導く。ウインドシールド５で反射した光束Ｌ４は虚像Ｉｖとして、ウインドシールド５を介して視認可能な実景に重ねて表示される。
　表示部１１は、導光体１３に拡張される前の光束を出射し、例えば、外部の制御部による制御に基づき、画像を表示する。表示部１１として、例えば、バックライト付きの液晶表示装置（Liquid Crystal Display）や有機発光ダイオード（Organic Light-Emitting Diode）ディスプレイ、プラズマディスプレイなどを用いることができる。また、表示部１１として、光を拡散または反射するスクリーンと、プロジェクタや走査型レーザを用いて画像を生成してもよい。表示部１１は、道路進行案内表示や、前方車両までの距離、車のバッテリー残量、現在の車速など、各種の情報を含む画像コンテンツを表示することができる。このように、表示部１１は虚像Ｉｖとして観察者Ｄに視認される画像コンテンツを含む光束Ｌ１を出射する。
　制御部１５は、半導体素子などで構成される回路で実現可能である。制御部１５は、例えば、マイコン、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＧＰＵ、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ、またはＡＳＩＣで構成することができる。制御部１５は、内蔵する記憶装置１７に格納されたデータやプログラムを読み出して種々の演算処理を行うことで、予め定められた機能を実現する。記憶装置１７は、制御部１５の機能を実現するために必要なプログラム及びデータを記憶する記憶媒体である。記憶装置１７は、例えば、ハードディスク（ＨＤＤ）、ＳＳＤ、ＲＡＭ、ＤＲＡＭ、強誘電体メモリ、フラッシュメモリ、磁気ディスク、またはこれらの組み合わせによって実現できる。記憶装置１７には、さらに、虚像Ｉｖを表す複数の画像データが格納されている。制御部１５は、外部から取得する車両関連情報に基づいて、表示する虚像Ｉｖを決定する。制御部１５は、決定した虚像Ｉｖの画像データを記憶部から読み出して、表示部１１に出力する。
[１－１－２．導光体]
　図６を参照して、導光体１３の構成を説明する。図６は導光体１３の構成を示す透視斜視図である。以下において図６に示す、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に基づいて導光体１３の拡張領域に関する方向を説明する。第１拡張領域２３の中心または重心における導光体１３の表面に対する法線方向をＺ軸方向、接平面をＸＹ平面とする。ＸＹ平面において、結合領域から第１拡張領域に入射する光束の中心の光線の進行方向をＸ軸方向、Ｘ軸方向に垂直の方向をＹ軸方向とする。
　導光体１３は、表面である第１主面１３ａ及び第２主面１３ｂと、を有する。第１主面１３ａと第２主面１３ｂとは対向する。導光体１３は、入射面２０、結合領域２１、第１拡張領域２３、第２拡張領域２５、及び出射面２７を有する。入射面２０、結合領域２１、第１拡張領域２３、及び第２拡張領域２５は第２主面１３ｂに含まれ、出射面２７は第１主面１３ａに含まれる。したがって、第１拡張領域２３、及び第２拡張領域２５は同一平面上に配置されている。
　出射面２７は、第２拡張領域２５と対向する。なお、結合領域２１、第１拡張領域２３、及び第２拡張領域２５は第１主面１３ａと第２主面１３ｂの間に存在してもよい。第１主面１３ａは、ウインドシールド５と対向する。本実施の形態では、入射面２０は結合領域２１に含まれるが、結合領域２１と対向する面であって第１主面１３ａに含まれてもよい。また、出射面２７は第２拡張領域２５に含まれてもよい。
　結合領域２１、第１拡張領域２３、及び第２拡張領域２５は、それぞれ異なる回折パワーを有し、それぞれ、回折構造素子が形成されている。結合領域２１、第１拡張領域２３及び第２拡張領域２５は、それぞれ、画像光の回折角度が異なる。また、導光体１３は、入射した光束が内部で全反射する構成である。このように、導光体１３は、一部に光を回折する、例えば、体積型ホログラムなどの回折構造素子を含む。結合領域２１、第１拡張領域２３、及び第２拡張領域２５は、体積型ホログラムを含む場合、立体領域となる。
　結合領域２１は、表示部１１を出射した光束Ｌ１を入射面２０から入射し、光束Ｌ１の進行方向を変更する領域である。結合領域２１は回折パワーを有し、入射した光束Ｌ１の伝播する方向を第１拡張領域２３の方向へ変更し、光束Ｌ２として出射する。本実施の形態において、結合とは、全反射条件で導光体１３内を伝播する状態である。
　第１拡張領域２３は、虚像Ｉｖの水平方向に対応した第１の方向に光束Ｌ２を拡張して第１の方向（Ｘ軸方向）と交差する第２の方向（－Ｙ軸方向）にある第２拡張領域に出射する。第１の方向に光束Ｌ２を拡張する第１拡張領域２３において、第１の方向の長さは第２の方向の長さよりも大きい。なお、実施の形態において、導光体１３は、第１の方向が水平方向（Ｘ１軸の方向）となるように配置されているがこれに限らず、第１の方向が水平方向と完全に一致しなくてもよい。結合領域２１から伝播した光束Ｌ２は、第１主面１３ａ及び第２主面１３ｂで全反射を繰り返しながら第１の方向に伝播しつつ、第２主面１３ｂに形成された第１拡張領域２３の回折構造により光束Ｌ２を複製して第２拡張領域２５に出射する。
　第２拡張領域２５は、虚像Ｉｖの垂直方向に対応した第２の方向に光束Ｌ３を拡張して出射面２７から拡張された光束Ｌ４を出射する。第２の方向は、例えば、第１の方向と垂直である。なお、導光体１３は、第２の方向がＺ１軸方向に配置されている。第１拡張領域２３から伝播した光束Ｌ３は、第１主面１３ａ及び第２主面１３ｂで全反射を繰り返しながら、第２の方向に伝播しつつ、第２主面１３ｂに形成された第２拡張領域２５の回折構造により光束Ｌ３を複製して出射面２７を介して導光体１３の外部へ出射する。
　したがって、観察者Ｄの視点からすると、導光体１３は、入射面２０に入射して進行方向が変更された光束Ｌ１を、観察者Ｄの視認する虚像Ｉｖの水平方向（Ｘ１軸の方向）に拡張した後に、さらに、虚像Ｉｖの垂直方向（Ｙ１軸の方向）に拡張して出射面２７から光束Ｌ４を出射する。ここで、像の水平方向に複製とは、完全な水平方向だけに複製することに限らず、略水平方向に複製することも含まれる。また、像の垂直方向に複製とは、完全な垂直方向だけに複製することに限らず、略垂直方向に複製することも含まれる。
[１－１－３．瞳拡張の順番]
　上述した配置の導光体１３において、ＨＵＤシステム１では、画像光の光束Ｌ１の瞳拡張の順番によって、第１拡張領域２３と第２拡張領域２５の波数ベクトルの大きさが異なる。実施の形態の瞳拡張の順番について図７を参照して説明する。図７（ａ）は、表示部から出射される光束の中心の光路を示す説明図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）における各領域の回折格子が光束に与える波数ベクトルを示す説明図である。
　導光体１３に入射した画像光の光束Ｌ１は、結合領域２１に形成された回折構造により、第１の方向として水平方向（Ｘ軸方向）に瞳拡張する第１拡張領域２３へ伝播方向を変更する。したがって、光束Ｌ１は、結合領域２１に斜めに入射した後、図７に示す波数ベクトルｋ１の作用を受けて光束Ｌ２として第１拡張領域２３の方向へ伝播する。
　第１の方向に延びる第１拡張領域２３へ伝播する光束Ｌ２は、全反射を繰り返しながら第１拡張領域２３に形成された回折構造により、第１の方向へ伝播する光束Ｌ２と、複製されて第２拡張領域２５へ伝播方向を変更する光束Ｌ３とに分割される。このとき、複製された光束Ｌ３は、図７に示す波数ベクトルｋ２の作用を受けて第２拡張領域２５の方向へ伝播する。
　第２の方向としてＺ１軸の負の方向に沿って延びる第２拡張領域２５へ伝播方向を変更された光束Ｌ３は、第２拡張領域２５に形成された回折構造により、第２の方向へ伝播する光束Ｌ３と、複製されて第２拡張領域２５から出射面２７を介して導光体１３の外部へ出射する光束Ｌ４とに分割される。このとき、複製された光束Ｌ４は、図７に示す波数ベクトルｋ３の作用を受けて出射面２７（図６参照）の方向へ伝播する。
[１－１－４．第１拡張領域・第２拡張領域]
　第１拡張領域２３は、第１端部領域２３ａと、中心領域２３ｂと、第２端部領域２３ｃとを備える。第１端部領域２３ａと第２端部領域２３ｃとは、第２の方向から見て第２拡張領域２５と重なっていない領域である。したがって、中心領域２３ｂの第２の方向に第２拡張領域２５が存在し、第１端部領域２３ａ及び第２端部領域２３ｃの第２の方向に第２拡張領域２５のない領域が存在する。
　第２拡張領域２５のサイズは、視認領域Ａｃのサイズに対応して決められる。表示部１１が光束Ｌ１を出射する出射領域のサイズが結合領域２１のサイズよりも大きい場合、結合領域２１に入射する光束Ｌ１は、入射角が０度（垂直入射）以外に傾斜角を有して入射する光束が含まれる。この入射角が０度以外の光束Ｌ１も第２拡張領域２５まで導光しないと、視認領域Ａｃにおいて虚像Ｉｖの一部に欠けが発生する。そこで、第１拡張領域２３の第１の方向の長さＬｇａを第２拡張領域２５の第１の方向の長さＬｇｂよりも長くすることで、この虚像Ｉｖの欠けを防止することができる。
　第１拡張領域２３の中心領域２３ｂは、第１の方向において、第１拡張領域２３の中心部を含み、第１端部領域２３ａと第２端部領域２３ｃとの間に位置している。第１端部領域２３ａは結合領域２１に近い方の端部領域であり、第２端部領域２３ｃは結合領域２１から遠い方の端部領域である。
　第１拡張領域２３の第１の方向の長さはＬｇａであり、第１端部領域２３ａの第１の方向の長さはＬｇａａであり、中心領域２３ｂの第１の方向の長さはＬｇａｂであり、第２端部領域２３ｃの第１の方向の長さはＬｇａｃである。これらの長さの関係は以下の（１）～（３）式を満たす。
　　　Ｌｇａａ＜Ｌｇａ／４　・・・（１）式
　　　Ｌｇａ／４≦Ｌｇａｂ≦（３×Ｌｇａ）／４　・・・（２）式
　　　Ｌｇａｃ＜Ｌｇａ／４　・・・（３）式
　したがって、第１端部領域２３ａは、第１の方向において第１拡張領域２３の結合領域２１側の端から１／４未満の長さの領域であり、第２端部領域２３ｃは、第１の方向において結合領域２１と反対側の第１拡張領域２３の端から１／４未満の長さの領域である。
　このような第１拡張領域２３を用いると、図８（ａ）に示すような光束の拡張を得ることができる。ここで、光束の拡張とは、光束を分割複製することで光束の数を増やし、視認領域Ａｃを拡張することをいう。第１拡張領域２３により、視認領域Ａｃが水平方向に拡張され、第２拡張領域２５により視認領域Ａｃが垂直方向に拡張される。結合領域２１から第１拡張領域２３を第１の方向へ進行する光束Ｌ２は、光束Ｌ２ａと、光束Ｌ２ｂと、光束Ｌ２ｃとを含む。また、第１拡張領域２３から第２の方向へ進行する光束Ｌ３は、光束Ｌ３ａａと、光束Ｌ３ａｂと、光束Ｌ３ａｃと、光束Ｌ３ｂａと、光束Ｌ３ｂｂと、光束Ｌ３ｂｃと、光束Ｌ３ｃａと、光束Ｌ３ｃｂと、光束Ｌ３ｃｃと、を含む。
　結合領域２１に垂直に入射する光束Ｌ１の成分から進行方向が変更された光束Ｌ２ａは、第１拡張領域２３を第１の方向へ進行し、第１端部領域２３ａで分割されて回折された光束Ｌ３ａｂ、中心領域２３ｂで分割されて回折された光束Ｌ３ａａ、及び、第２端部領域２３ｃで分割されて回折された光束Ｌ３ａｃが、それぞれ、第２の方向に進行する。光束Ｌ３ａａは第２拡張領域２５内に進行することができるが、光束Ｌ３ａｂ及びＬ３ａｃは第２拡張領域２５内に進行することができないので、光量のロスが発生する。
　また、結合領域２１にプラスの角度に傾斜して入射する光束Ｌ１の成分から進行方向が変更された光束Ｌ２ｂは、第１拡張領域２３を第１の方向へ進行し、第１端部領域２３ａで分割されて回折された光束Ｌ３ｂｂ、中心領域２３ｂで分割されて回折された光束Ｌ３ｂａ、及び、第２端部領域２３ｃで分割されて回折された光束Ｌ３ｂｃが、それぞれ、第２の方向に進行する。光束Ｌ３ｂｃは第２拡張領域２５内に進行して虚像Ｉｖの欠けが発生するのを防止するが、光束Ｌ３ｂａの一部及び光束Ｌ３ｂｂは第２拡張領域２５内に進行することができないので、光量のロスが発生する。
　また、結合領域２１にマイナスの角度に傾斜して入射する光束Ｌ１の成分から進行方向が変更された光束Ｌ２ｃは、第１拡張領域２３を第１の方向へ進行し、第１端部領域２３ａで分割されて回折された光束Ｌ３ｃｂ、中心領域２３ｂで分割されて回折された光束Ｌ３ｃａ、及び、第２端部領域２３ｃで分割されて回折された光束Ｌ３ｃｃが、それぞれ、第２の方向に進行する。光束Ｌ３ｃｂは第２拡張領域２５内に進行して虚像Ｉｖの欠けが発生するのを防止するが、光束Ｌ３ｃａの一部及び光束Ｌ３ｃｃは第２拡張領域２５内に進行することができないので、光量のロスが発生する。
　このように、虚像Ｉｖの欠けの発生を防止することができるが、それに伴って光量のロスが発生する。また、光束Ｌ３ｂｃ及び光束Ｌ３ｃｂは、光束Ｌ３ａａと比べて第２拡張領域２５内での回折回数が少なく、導光体１３内で全反射を繰り返して光量のロスが少ない状態で伝播する。したがって、光束Ｌ３ｂｃ及び光束Ｌ３ｃｂは、第２拡張領域２５内で回折により分割しながら伝播する光束Ｌ３ａａよりも光量が大きく、第２拡張領域２５から出射する画像光の輝度ムラの原因となる。
　そこで、本実施の形態では、第１拡張領域２３から回折される光量の第１の方向における推移を変調することで、像の欠けを防止しつつ、光量のロスと輝度ムラとを低減する。具体的には、光束Ｌ３ａｂ、Ｌ３ｂｂ、Ｌ３ａｃ、Ｌ３ｃｃの光量を小さくなるように、第１端部領域２３ａ及び第２端部領域２３ｃの回折効率を変調する。
　なお、図８（ａ）に示す第２拡張領域２５の第１の方向の長さＬｇｂの範囲内で第２拡張領域２５から出射される光束は、図８（ｂ）に示すように、視認領域Ａｃに水平方向の視野角θが－α≦θ≦αの範囲に入射する。第２拡張領域２５において、光束Ｌ３ａａが回折されて光束Ｌ４ａａが生成され、光束Ｌ３ｃｂが回折されて光束Ｌ４ｃｂが生成され、光束Ｌ３ｂｃが回折されて光束Ｌ４ｂｃが生成される。これらの光束Ｌ４ａａ、Ｌ４ｃｂ、Ｌ４ｂｃは、視認領域Ａｃに到達する。第２拡張領域２５の第１の方向の長さＬｇｂの範囲内で出射しない、光束Ｌ３ａｂ、Ｌ３ｂｂ、Ｌ３ａｃ、Ｌ３ｃｃ、Ｌ３ｂａ、Ｌ３ｃａから回折した光束は視認領域Ａｃに到達しない。図８（ｂ）では、理解しやすくするためにウインドシールド５を省略して示している。
　また、図９（ａ）に示すように、第２拡張領域２５が第１の方向の正の方向（Ｘ軸正の方向）及び負の方向（Ｘ軸負の方向）にそれぞれ延びる領域４１及び４３が形成されてもよい。ＨＵＤイシステム１は、第２拡張領域２５、領域４１、及び４３を有する拡張領域４５が第１拡張領域２３の第２の方向に配置されている導光体１３Ｆを備えていてもよい。図８（ａ）、（ｂ）と同様に、光束Ｌ４ａａ、Ｌ４ｃｂ、Ｌ４ｂｃは、視認領域Ａｃに到達する。
　それに対して、導光体１３Ｆの第２拡張領域２５の第１の方向の長さＬｇｂの範囲内で出射しない、光束Ｌ３ａｂ、Ｌ３ｂｂ、Ｌ３ａｃ、Ｌ３ｃｃから回折した光は導光体１３Ｆから視認領域Ａｃに到達しない。第２拡張領域２５において、光束Ｌ３ａｂが回折されて光束Ｌ４ａｂが生成され、光束Ｌ３ｂｂが回折されて光束Ｌ４ｂｂが生成され、光束Ｌ３ａｃが回折されて光束Ｌ４ａｃが生成され、光束Ｌ３ｃｃが回折されて光束Ｌ４ｃｃが生成される。図９（ｂ）に示すように、これらの光束Ｌ４ａｂ、Ｌ４ｂｂ、Ｌ４ａｃ、Ｌ４ｃｃは、視認領域Ａｃに到達しない。なお、図９（ｂ）では、理解しやすくするためにウインドシールド５を省略して示している。拡張領域４５において、－α≦θ≦αの範囲の視野角θ内に入射する長さＬｇｂの範囲内の拡張領域が第２拡張領域２５である。
　次に、図１０～図１２を参照して、第１拡張領域２３において、第１の方向において回折される光量の割合の変調について説明する。図１０は、比較例において回折効率の変調を実施しないときの、回折される光量の割合の推移を示すグラフである。図１１は、比較例において回折される光量の割合の推移が一定になるように、回折効率の変調を示すグラフである。図１２は、実施の形態における回折効率の変調と回折される光量の割合の推移を示すグラフである。
　図１０に示す比較例のように、第１拡張領域２３において、第１の方向に回折効率Ｄｅ１は変調が無く一定である場合、回折される光量割合Ｌｒ１は、回折回数の少ない第１端部領域２３ａで最も高く、第１の方向に回折回数が増えるにつれて低下する。したがって、虚像Ｉｖの輝度ムラの原因となる。
　次に、図１１に示す比較例のように、第１拡張領域２３において、第１の方向に回折効率Ｄｅ２を変調させて徐々に増加させることで、回折される光量割合Ｌｒ２を、回折回数によらず一定にすることができる。しかしながら、本実施の形態において、第１拡張領域２３の第１の方向の長さＬｇａが第２拡張領域２５の第１の方向の長さＬｇｂよりも長いので、上述した理由により光量ロスや輝度ムラが発生する。
　そこで、本実施の形態において、図１２に示すような回折効率の変調を実施する。第１拡張領域２３において、回折される光量割合Ｌｒ３は、第１の方向にそって徐々に増加し、回折回数の特定の範囲において光量割合Ｌｒ３が一定の範囲Ｒｃ内に収まっている平坦部Ｌｒ３ａを有する。平坦部Ｌｒ３ａにおける一定の範囲Ｒｃは、中心領域２３ｂで回折される光量割合の設計値Ｖａの±１０％以内の範囲である。なお、設計値Ｖａは、中心領域２３ｂ内の回折回数によって設計される特定の値である。本実施形態において、設計値Ｖａは、約１３％である。
　このように、第１拡張領域２３において、回折回数の少ない第１端部領域２３ａと、回折回数の多い第２端部領域２３ｃとにおいて回折される光量割合Ｌｒ３を、中心領域２３ｂにおいて回折される光量割合Ｌｒ３よりも低くする。この光量割合Ｌｒ３の推移を実現するために、第１拡張領域２３における回折効率Ｄｅ３を回折回数が増えると共に増加させ、特定の回折回数を超えると回折効率Ｄｅ３を減少させる。回折効率Ｄｅ３は、第１端部領域２３ａから中心領域２３ｂへ第１の方向に沿って増加させ、第２端部領域２３ｃにおいて第１の方向に沿って減少させる。第１拡張領域２３の第１端部領域２３ａ及び第２端部領域２３ｃ内の回折光量Ｌｅが第１拡張領域２３の中心領域２３ｂ内の回折光量Ｌｃの半分より小さい。したがって、以下の（４）式の条件式が成立する。
　　Ｌｅ＜Ｌｃ／２　　　・・・（４）式
　これにより、光束Ｌ３ａｂ、Ｌ３ａｃの光量の光量のロスを低減することで、低減させた光量の分だけ光束Ｌ３ａａの光量を増加させることができる。また、光束Ｌ３ｂｂ及び光束Ｌ３ｃｃ等の高視野角の光量のロスを低減させ、光束Ｌ３ｂｃ及び光束Ｌ３ｃｂの光量を低減させて第２拡張領域２５Ｃに伝播させることで、像の欠けが発生するのを防止するとともに、虚像Ｉｖの輝度ムラを改善することができる。
[１－１－５．回折格子]
　次に、図１３を参照して、第１拡張領域２３の回折構造について説明する。図１３は、第１拡張領域２３に配置された回折格子３１の縦断面図である。
　第１拡張領域２３には、入射する光束を回折する回折格子３１が配置されている。回折格子３１は、例えば、透明な樹脂層であり、ナノインプリントにより形成される。また、ナノインプリント以外にも、例えば、ガラス基板の基板３５上にＳｉＯ2を積層してドライエッチングにより回折格子３１を形成してもよい。なお、第２拡張領域２５にも同様に回折格子３１が配置されている。
　回折格子３１は、ピッチＰで周期的に形成されている。回折格子３１は、表面からの高さｈと、幅Ｗと、幅Ｗ／ピッチＰで定義されるデューティ比Ｄｒとで決められる構造的特徴を有する。なお、回折格子３７はスラント角を有していてもよい。
　回折格子３１の高さが高いほど、回折効率が高くなる。第１拡張領域２３の第１端部領域２３ａ及び第２端部領域２３ｃの格子３１ａの高さｈ１は、中心領域２３ｂの格子３１ａの高さｈ２よりも低い。このように、格子３１ａの高さを変調することで、第１端部領域２３ａ及び第２端部領域２３ｃで回折する光量を中心領域２３ｂで回折する光量よりも小さくすることができる。
　また、図１４に示すように第１拡張領域２３の第１端部領域２３ａ及び第２端部領域２３ｃの回折格子のデューティ比Ｄｒ１と０．５との差の絶対値は、中心領域２３ｂの回折格子のデューティ比Ｄｒ２と０．５との差の絶対値よりも大きい。したがって、以下の（５）式の条件式が成立する。
　　｜Ｄｒ１―０．５｜＞｜Ｄｒ２―０．５｜・・・（５）式
　すなわち、第１端部領域２３ａ及び第２端部領域２３ｃの回折格子のデューティ比Ｄｒ１よりも中心領域２３ｂの回折格子のデューティ比Ｄｒ２の方が０．５に近い。このようにデューティ比を変調することで、第１端部領域２３ａ及び第２端部領域２３ｃで回折する光量を中心領域２３ｂで回折する光量よりも小さくすることができる。
　また、回折格子の高さの変調とデューティ比の変調を組み合わせることで、第１端部領域２３ａ及び第２端部領域２３ｃで回折する光量を中心領域２３ｂで回折する光量よりも小さくしてもよい。
　次に、実施の形態の変形例１を図１５を参照して説明する。図１５（ａ）は、実施の形態の変形例１における導光体１３Ａの第１拡張領域２３Ａ及び第２拡張領域２５Ａを進行する光束の光路を示す説明図である。図１５（ｂ）は、図１５（ａ）における結合領域２１及び各拡張領域２３Ａ、２５Ａの回折格子が光束に与える波数ベクトルを示す説明図である。第２拡張領域２５Ａは、第１端部領域２３Ａａ及び中心領域２３Ａｂを有する。
　図１５（ｂ）に示すように、第２拡張領域２５Ａの回折格子による波数ベクトルｋ５が僅かに斜めになるように、第１拡張領域２３Ａ及び第２拡張領域２５Ａのそれぞれの回折格子を設計する。これにより、結合領域２１の波数ベクトルｋ１と第１拡張領域２３Ａの波数ベクトルｋ４と第２拡張領域２５Ａの波数ベクトルｋ５の和をゼロにすることができる。波数ベクトルｋ５が斜めになるようにすることで、図１５（ａ）に示すように、第１の方向における第２拡張領域２５Ａの中心を、第１の方向における第１拡張領域２３Ａの中心に合わせて配置する代わりに、第１拡張領域２３Ａの第１の方向側に配置することができる。第１拡張領域２３Ａにおける、第１端部領域２３Ａａ及び中心領域２３Ａｂのサイズは、実施形態１の第１端部領域２３ａ及び中心領域２３ｂのサイズよりも大きく、それぞれ第１の方向側に拡張されている。
　第２拡張領域２５Ａを、第１拡張領域２３Ａに対して結合領域２１とは反対側に第２の方向から見て第１拡張領域２３Ａと重なるように配置することで、第２拡張領域２５Ａの第１の方向側の縁のスペースを削減することができる。
　図１６を参照して、実施の形態の変形例１の第１拡張領域２３Ａにおいて回折される光量の割合の推移を説明する。図１６は、実施の形態の変形例１における第１拡張領域２３Ａの回折効率の変調と回折される光量の割合の推移を示すグラフである。
　第１拡張領域２３Ａにおいて、回折回数の少ない第１端部領域２３Ａａにおいて回折される光量割合Ｌｒ３Ａを、中心領域２３Ａｂにおいて回折される光量割合Ｌｒ３Ａよりも低くする。この光量割合Ｌｒ３Ａの推移を実現するために、回折効率Ｄｅ３Ａを回折回数が増えると共に増加させる。回折効率Ｄｅ３Ａは、第１端部領域２３Ａａから中心領域２３Ａｂへ第１の方向に沿って増加させる。第１拡張領域２３Ａの第１端部領域２３Ａａ内の回折光量Ｌｅが第１拡張領域２３の中心領域２３Ａｂ内の回折光量Ｌｃの半分より小さい。
　これにより、光束Ｌ３Ａａｂの光量のロスを低減させ、低減させた分だけ光束Ｌ３Ａａａの光量を増加することができる。また、高視野角の光量のロスを低減させ、光束Ｌ３Ａｃｂの光量を低減させて第２拡張領域２５Ａに伝播させるので虚像Ｉｖの輝度ムラを改善することができる。
　次に、実施の形態の変形例２を図１７を参照して説明する。図１７（ａ）は、実施の形態の変形例２における導光体１３Ｂの第１拡張領域２３Ｂ及び第２拡張領域２５Ｂを進行する光束の光路を示す説明図である。図１７（ｂ）は、図１７（ａ）における結合領域２１及び各拡張領域２３Ｂ、２５Ｂの回折格子が光束に与える波数ベクトルを示す説明図である。第２拡張領域２５Ｂは、中心領域２３Ｂｂ及び第２端部領域２３Ｂｃを有する。
　図１７（ｂ）に示すように、第２拡張領域２５Ｂの回折格子による波数ベクトルｋ７が斜めになるように、第１拡張領域２３Ｂ及び第２拡張領域２５Ｂのそれぞれの回折格子を設計する。これにより、結合領域２１の波数ベクトルｋ１と第１拡張領域２３Ｂの波数ベクトルｋ６と第２拡張領域２５Ｂの波数ベクトルｋ７の和をゼロにすることができる。波数ベクトルｋ７が斜めになるようにすることで、図１７（ａ）に示すように、第１の方向における第２拡張領域２５Ｂの中心を、第１の方向における第１拡張領域２３Ｂの中心に合わせて配置する代わりに、結合領域２１側に配置することができる。第１拡張領域２３Ｂにおける、中心領域２３Ｂｂ及び第２端部領域２３Ｂｃのサイズは、実施形態１の中心領域２３ｂ及び第２端部領域２３ｃのサイズよりも大きく、それぞれ第１の方向と反対側に拡張されている。
　第２拡張領域２５Ｂを、第１拡張領域２３Ｂに対して結合領域２１側に第２の方向から見て第１拡張領域２３Ｂと重なるように配置することで、第２拡張領域２５Ｂの第１の方向と反対側の縁のスペースを削減することができる。
　図１８を参照して、実施の形態の変形例２の第１拡張領域２３Ａにおいて回折される光量の割合の推移を説明する。図１８は、実施の形態の変形例２における第１拡張領域２３Ｂの回折効率の変調と回折される光量の割合の推移を示すグラフである。
　第１拡張領域２３Ｂにおいて、回折回数の多い第２端部領域２３Ｂｃにおいて回折される光量割合Ｌｒ３Ｂを、中心領域２３Ｂｂにおいて回折される光量割合Ｌｒ３Ｂよりも低くする。この光量割合Ｌｒ３Ｂの推移を実現するために、回折効率Ｄｅ３Ｂを回折回数が増えると共に増加させ、特定の回折回数を超えると回折効率Ｄｅ３Ｂを減少させる。回折効率Ｄｅ３Ｂは、中心領域２３Ｂｂにおいて第１の方向に沿って増加させ、第２端部領域２３Ｂｃにおいて第１の方向に沿って減少させる。第１拡張領域２３Ｂの第２端部領域２３Ｂｃ内の回折光量Ｌｅが第１拡張領域２３Ｂの中心領域２３Ｂｂ内の回折光量Ｌｃの半分より小さい。
　これにより、光束Ｌ３Ｂａｃの光量のロスを低減させ、低減させた分だけ光束Ｌ３Ｂａａの光量を増加することができる。また、高視野角の光量のロスを低減させ、光束Ｌ３Ｂｂｃの光量を低減させて第２拡張領域２５Ｂに伝播させるので虚像Ｉｖの輝度ムラを改善することができる。
　次に、実施の形態の変形例３を図１９を参照して説明する。図１９（ａ）は、実施の形態の変形例３における導光体１３Ｃの第１拡張領域２３Ｃ及び第２拡張領域２５Ｃを進行する光束の光路を示す説明図である。図１９（ｂ）は、図１９（ａ）における結合領域２１Ｃ及び各拡張領域２３Ｃ、２５Ｃの回折格子が光束に与える波数ベクトルを示す説明図である。実施の形態の変形例３は、第１拡張領域２３Cの第１の方向がY軸の負の方向であり、第２拡張領域２５Cの第２の方向がX軸の方向である。
　結合領域２１Ｃに入射した光束は、結合領域２１Ｃの回折格子による波数ベクトルｋ１の作用を受けて第１拡張領域２３Ｃが配置されている方向へ伝播する。第１拡張領域２３Ｃへ伝播する光束は、全反射を繰り返しながら第１拡張領域２３に形成された回折構造により、第１の方向へ伝播する光束と、複製されて第２拡張領域２５Ｃに向けて伝播方向を変更する光束とに分割される。このとき、複製された光束は、波数ベクトルｋ９の作用を受けて第２拡張領域２５Ｃが配置されている方向へ伝播する。第２拡張領域２５Ｃに向けて伝播方向を変更された光束は、第２拡張領域２５に形成された回折構造により、第２の方向へ伝播する光束と、複製されて第２拡張領域２５Ｃから導光体１３Ｃの外部へ出射する光束とに分割される。このとき、複製された光束は、第２拡張領域２５Ｃの回折格子による波数ベクトルｋ１０の作用を受けて導光体１３Ｃの外部へ出射する。
　第１拡張領域２３Ｃにおいて、回折回数の少ない第１端部領域２３Ｃａと、回折回数の多い第２端部領域２３Ｃｃとにおいて回折される光量割合Ｌｒ３Ｃを、中心領域２３ｂにおいて回折される光量割合Ｌｒ３Ｃよりも低くする。この光量割合Ｌｒ３Ｃの推移を実現するために、回折効率Ｄｅ３Ｃを回折回数が増えると共に増加させ、特定の回折回数を超えると回折効率Ｄｅ３Ｃを減少させる。図２０に示すように、回折効率Ｄｅ３Ｃは、第１端部領域２３Ｃａから中心領域２３Ｃｂへ第１の方向に沿って増加させ、第２端部領域２３Ｃｃにおいて第１の方向に沿って減少させる。第１拡張領域２３Ｃの第１端部領域２３Ｃａ及び第２端部領域２３Ｃｃ内の回折光量Ｌｅが第１拡張領域２３の中心領域２３Ｃｂ内の回折光量Ｌｃの半分より小さい。
　これにより、光束Ｌ３Ｃａｂ、Ｌ３Ｃａｃの光量の光量のロスを低減することで、低減させた光量の分だけ光束Ｌ３Ｃａａの光量を増加させることができる。また、高視野角の光量のロスを低減させ、光束Ｌ３Ｃｂｃ及び光束Ｌ３Ｃｃｂの光量を低減させて第２拡張領域２５Ｃに伝播させることで、像の欠けが発生するのを防止するとともに、虚像Ｉｖの輝度ムラを改善することができる。また、第１拡張領域２３Ｃによる第１拡張の方向をＹ軸方向に沿った方向とすることで、導光体１３CのＹ軸方向のサイズを短くすることができる。
　次に、実施の形態の変形例４を図２１を参照して説明する。図２１（ａ）は、実施の形態の変形例４における導光体１３Ｄの第１拡張領域２３Ｄ及び第２拡張領域２５Ｄを進行する光束の光路を示す説明図である。図２１（ｂ）は、図２１（ａ）における結合領域２１Ｄ及び各拡張領域２３Ｄ、２５Ｄの回折格子が光束に与える波数ベクトルを示す説明図である。実施の形態の変形例４は、変形例１と変形例３とを組み合わせた例である。第２拡張領域２５Ｄの回折格子による波数ベクトルｋ１２が斜めになるように、第１拡張領域２３Ｄ及び第２拡張領域２５Ｄのそれぞれの回折格子を設計する。これにより、結合領域２１Ｄの波数ベクトルｋ８と第１拡張領域２３Ｄの波数ベクトルｋ１１と第２拡張領域２５Ｄの波数ベクトルｋ１２の和をゼロにすることができる。波数ベクトルｋ１２が斜めになるようにすることで、図２１（ａ）に示すように、第１の方向における第２拡張領域２５Ｄの中心を、第１の方向における第１拡張領域２３Ｄの中心に合わせて配置する代わりに、第１拡張領域２３Ｄの第１の方向側に配置することができる。第１拡張領域２３Ｄにおける、第１端部領域２３Ｄａ及び中心領域２３Ｄｂのサイズは、変形例３の第１端部領域２３Ｃａ及び中心領域２３Ｃｂのサイズよりも大きく、それぞれ第１の方向側に拡張されている。
　第２拡張領域２５Ｄを、第１拡張領域２３Ｄに対して結合領域２１Ｄとは反対側に第２の方向から見て第１拡張領域２３Ｄと重なるように配置することで、第２拡張領域２５Ｄの第１の方向側の縁のスペースを削減することができる。
　図２２を参照して、実施の形態の変形例４の第１拡張領域２３Ｄにおいて回折される光量の割合の推移を説明する。図２２は、実施の形態の変形例４における第１拡張領域２３Ｄの回折効率の変調と回折される光量の割合の推移を示すグラフである。
　第１拡張領域２３Ｄにおいて、回折回数の少ない第１端部領域２３Ｄａにおいて回折される光量割合Ｌｒ３Ｄを、中心領域２３Ｄｂにおいて回折される光量割合Ｌｒ３Ｄよりも低くする。この光量割合Ｌｒ３Ｄの推移を実現するために、回折効率Ｄｅ３Ｄを回折回数が増えると共に増加させる。回折効率Ｄｅ３Ｄは、第１端部領域２３Ｄａから中心領域２３Ｄｂへ第１の方向に沿って増加させる。第１拡張領域２３Ｄの第１端部領域２３Ｄａ内の回折光量Ｌｅが第１拡張領域２３の中心領域２３Ｄｂ内の回折光量Ｌｃの半分より小さい。
　これにより、光束Ｌ３Ｄａｂの光量のロスを低減させ、低減させた分だけ光束Ｌ３Ｄａａの光量を増加することができる。また、高視野角の光量のロスを低減させ、光束Ｌ３Ｄｃｂの光量を低減させて第２拡張領域２５Ｄに伝播することで像の欠けが発生するのを防止することができ、虚像Ｉｖの輝度ムラを改善することができる。
　次に、実施の形態の変形例５を図２３を参照して説明する。図２３（ａ）は、実施の形態の変形例５における導光体１３Ｅの第１拡張領域２３Ｅ及び第２拡張領域２５Ｅを進行する光束の光路を示す説明図である。図２３（ｂ）は、図２３（ａ）における結合領域２１Ｅ及び各拡張領域２３Ｅ、２５Ｅの回折格子が光束に与える波数ベクトルを示す説明図である。実施の形態の変形例５は、変形例２と変形例３とを組み合わせた例である。
　第２拡張領域２５Ｅの回折格子による波数ベクトルｋ１４が斜めになるように、第１拡張領域２３Ｅ及び第２拡張領域２５Ｅのそれぞれの回折格子を設計する。これにより、結合領域２１Ｅの波数ベクトルｋ８と第１拡張領域２３Ｅの波数ベクトルｋ１３と第２拡張領域２５Ｅの波数ベクトルｋ１４の和をゼロにすることができる。波数ベクトルｋ１４が斜めになるようにすることで、第１の方向における第２拡張領域２５Ｅの中心を、第１の方向における第１拡張領域２３Ｅの中心に合わせて配置する代わりに、結合領域側２１側に配置することができる。第１拡張領域２３Ｅにおける、中心領域２３Ｅｂ及び第２端部領域２３Ｅｃのサイズは、実施形態１の中心領域２３ｂ及び第２端部領域２３ｃのサイズよりも大きく、それぞれ第１の方向と反対側に拡張されている。
　第２拡張領域２５Ｅを、第１拡張領域２３Ｅに対して結合領域２１側に第２の方向から見て第１拡張領域２３Ｅと重なるように配置することで、第２拡張領域２５Ｅの第１の方向と反対側の縁のスペースを削減することができる。
　図２４を参照して、実施の形態の変形例５の第１拡張領域２３Ｅにおいて回折される光量の割合の推移を説明する。図２４は、実施の形態の変形例５における第１拡張領域２３Ｅの回折効率の変調と回折される光量の割合の推移を示すグラフである。
　第１拡張領域２３Ｅにおいて、回折回数の多い第２端部領域２３Ｅｃにおいて回折される光量割合Ｌｒ３Ｅを、中心領域２３Ｅｂにおいて回折される光量割合Ｌｒ３Ｅよりも低くする。この光量割合Ｌｒ３Ｅの推移を実現するために、回折効率Ｄｅ３Ｅを回折回数が増えると共に増加させ、特定の回折回数を超えると回折効率Ｄｅ３Ｅを減少させる。回折効率Ｄｅ３Ｅは、中心領域２３Ｅｂにおいて第１の方向に沿って増加させ、第２端部領域２３Ｅｃにおいて第１の方向に沿って減少させる。第１拡張領域２３Ｅの第２端部領域２３Ｅｃ内の回折光量Ｌｅが第１拡張領域２３Ｅの中心領域２３Ｅｂ内の回折光量Ｌｃの半分より小さい。
　これにより、光束Ｌ３Ｅａｃの光量のロスを低減させ、低減させた分だけ光束Ｌ３Ｅａａの光量を増加することができる。また、高視野角の光量のロスを低減させ、光束Ｌ３Ｅｂｃの光量を低減させて第２拡張領域２５Ｅに伝播することで像の欠けが発生するのを防止することができ、虚像Ｉｖの輝度ムラを改善することができる。
[１－２．効果等]
　本開示の光学系としての導光体１３は、観察者Ｄに虚像Ｉｖを視認させる光学系である。導光体１３は、第１の方向に進行する光束Ｌ２を第１の方向と交差する第２の方向に進行する光束Ｌ３に分割複製して光束の数を増加することで拡張する第１拡張領域２３と、第２の方向に進行する光束を分割複製して光束の数を増加することで拡張し、虚像Ｉｖの視認領域Ａｃに対応する第２拡張領域２５と、を備える。第１拡張領域２３は、第１拡張領域２３の中心を含む中心領域２３ｂと、第１拡張領域２３の端側の少なくとも一方で、回折光量が中心領域２３ｂ内の回折光量の半分より小さい第１端部領域２３ａ及び第２端部領域２３ｃとの少なくとも１つを有する。
　第１端部領域２３ａまたは第２端部領域２３ｃ内の回折光量Ｌｅが第１拡張領域２３の中心領域２３ｂ内の回折光量Ｌｃの半分より小さいので、第１端部領域２３ａまたは第２端部領域２３ｃで回折する光束の光量を低減することができ、光量のロスを低減することができる。さらに、第１端部領域２３ａまたは第２端部領域２３ｃで回折して第２拡張領域２５に到達する光束は、少ない回折回数により輝度が高い光束であるが、この光束の光量を低減することができるので、輝度ムラを低減することができる。
　また、中心領域２３ｂの第２の方向に第２拡張領域２５が存在し、第１端部領域２３ａ及び第２端部領域２３ｃの第２の方向に第２拡張領域２５のない領域が存在する。第２拡張領域２５のない領域により、視認領域Ａｃ以外の観察者Ｄの方に光束が伝わるのを低減することができる。さらに、第２拡張領域２５以外に第１の方向において長さＬｇｂを超えた領域に拡張領域があると、第１端部領域２３ａ及び第２端部領域２３ｃからの光束がこの拡張領域で回折して視認領域Ａｃに到達しなくなるが、第１端部領域２３ａ及び第２端部領域２３ｃの第２の方向に第２拡張領域２５のない領域が存在することで、この回折を低減し、視認領域Ａｃに到達させる光量を増やすことができる。
　また、第１拡張領域２３における第１の方向の長さＬｇａは、第２拡張領域２５おける第１の方向の長さＬｇｂよりも長い。これにより、第１端部領域２３ａまたは第２端部領域２３ｃで回折して第２拡張領域２５に到達する光束により、像の欠けを防止することができる。
　また、車両３のウインドシールド５に光学系としての導光体１３からの出射光を投射することで、車両３を運転する観察者Ｄに適度な輝度で欠けの無い虚像Ｉｖを表示することができる。
（他の実施の形態）
　以上のように、本出願において開示する技術の例示として、上記実施の形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。そこで、以下、他の実施の形態を例示する。
　上記実施の形態では、分割複製した光束Ｌ２をウインドシールド５に反射させて観察者Ｄに虚像Ｉｖを視認させていたがこれに限らない。ウインドシールド５の代わりにコンバイナーを用いて、コンバイナーに分割複製した光束Ｌ２を反射させて観察者Ｄに虚像Ｉｖを視認させてもよい。
　上記実施の形態では、ＨＵＤシステム１を自動車などの車両３に適用した場合について説明した。しかしながら、ＨＵＤシステム１を適用する対象物は車両３に限らない。ＨＵＤシステム１を適用する対象物は、例えば、列車、オートバイ、船舶、または航空機であってもよいし、移動を伴わないアミューズメント機でもよい。アミューズメント機の場合、ウインドシールド５の代わりに表示部１１から出射された光束を反射する透光部材としての透明曲板に表示部１１からの光束が反射される。また、ユーザが透明曲板を介して視認可能な実景は、別の映像表示装置から表示される映像であってもよい。すなわち、別の映像表示装置から表示される映像にＨＵＤシステム１による虚像を重ねて表示してもよい。このように、本開示における透光部材として、ウインドシールド５、コンバイナー、及び透明曲板のいずれかを採用してもよい。
　上記実施の形態では、導光体１３は虚像Ｉｖを表示するＨＵＤシステム１に用いられていたがこれに限らない。導光体１３をＨＭＤ用に用いてもよい。
　上記実施の形態では、導光体１３は虚像Ｉｖを表示するＨＵＤシステム１に用いられていたがこれに限らない。導光体１３は、観察者が透光部材を介して虚像を見るのではなく、例えば、出射面２７から出射される光束を直接観察する画像表示システムに用いられてもよい。この場合、観察者は、出射される光束で形成される画像を直接視認する者となるので、移動体の搭乗者に限定されない。
（実施の形態の概要）
　（１）本開示の光学系は、観察者に像を視認させる光学系であって、第１の方向に進行する光束を第１の方向と交差する第２の方向に進行する光束に分割複製して光束の数を増加することで拡張する第１拡張領域と、第２の方向に進行する光束を分割複製して光束の数を増加することで拡張し、像の視認領域に対応する第２拡張領域と、を備え、第１拡張領域は、第１拡張領域の中心を含む中心領域と、第１拡張領域の端側の少なくとも一方で、回折光量が中心領域内の回折光量の半分より小さい端部領域と、を有する。
　少なくとも一方の端部領域の回折光量が第１拡張領域の中心領域内の回折光量の半分より小さいので、端部領域で回折する光束の光量を低減することができ、光量のロスを低減することができる。さらに、端部領域で回折して第２拡張領域に到達する光束は、少ない回折回数により輝度が高い光束であるが、この光束の光量を低減することができるので、輝度ムラを低減することができる。
　（２）（１）の光学系において、中心領域の第２の方向に第２拡張領域が存在し、端部領域の第２の方向に第２拡張領域のない領域が存在する。第２拡張領域のない領域により、視認領域以外の観察者の方に光束が伝わるのを低減することができると共に、端部領域からの光束を視認領域に到達しない第２拡張領域以外での領域での回折を低減し、視認領域に到達させる光量を増やすことができる。
　（３）（１）または（２）の光学系において、第１拡張領域における第１の方向の長さは、第２拡張領域おける第１の方向の長さよりも長い。これにより、端部領域で回折して第２拡張領域に到達する光束により、像の欠けを防止することができる。
　（４）（１）から（３）のいずれか１つの光学系において、第１拡張領域における第１の方向に沿った回折光量の割合の推移において、第２の方向から見て第２拡張領域と重なる、第１拡張領域の中心領域における回折光量の割合は、設計値の±１０％の範囲内である。これにより、第１拡張領域の中心領域から第２の方向へ回折する光量を一定にすることができ、輝度ムラを低減することができる。
　（５）（１）から（４）のいずれか１つの光学系において、第１拡張領域の端部領域内において、端部領域内の中心領域側と反対側の端から第１拡張領域の中心領域に向けて回折光量が増加する。これにより、第１拡張領域の端部領域内において、中心領域に向けて回折光量が増加するので、端部領域内の端部で回折する光量を低減することができ、光量のロスを低減することができる。
　（６）（１）から（５）のいずれか１つの光学系において、第１拡張領域の中心領域は、第１の方向において端から１／４以上３／４以下の長さの領域であり、端部領域は、第１の方向において端から１／４未満の長さの領域である。
　（７）（１）から（５）のいずれか１つの光学系において、入射する光束の進行方向を第１拡張領域の方へ変更する結合領域を備え、第１拡張領域の端部領域は、結合領域に近い方の領域である。
　（８）（１）から（６）のいずれか１つの光学系において、入射する光束の進行方向を第１拡張領域の方へ変更する結合領域を備え、第１拡張領域の端部領域は、結合領域から遠い方の領域である。
　（９）（１）から（８）のいずれか１つの光学系において、第１拡張領域は、回折格子を有し、第１拡張領域の端部領域の回折格子の高さは、中心領域の回折格子の高さよりも低い。これにより、第１拡張領域の回折効率を所望の推移に変調することができる。
　（１０）（１）から（８）のいずれか１つの光学系において、第１拡張領域は、回折格子を有し、第１拡張領域の端部領域の回折格子のデューティ比の値と０．５との差は、中心領域の回折格子のデューティ比の値と０．５との差よりも大きい。これにより、第１拡張領域の回折効率を所望の推移に変調することができる。
　（１１）（１）から（８）のいずれか１つの光学系において、第１拡張領域は、回折格子を有し、第１拡張領域の端部領域の回折格子のデューティ比の値と０．５との差は、中心領域の回折格子のデューティ比の値と０．５との差と異なり、第１拡張領域の端部領域の回折格子の高さと、中心領域の回折格子の高さとが異なる。これにより、第１拡張領域の回折効率を所望の推移に変調することができる。
　（１２）本開示のヘッドアップディスプレイシステムは、（１）から（１１）のいずれか１つの光学系と、光学系に拡張される前の光束を出射する表示部と、光学系から出射した光束が反射する透光部材と、を備え、透光部材を介して視認可能な実景に虚像として前記像を重ねて表示する。
　（１３）（１２）のヘッドアップディスプレイシステムにおいて、透光部材は、移動体のウインドシールドである。
　本開示は、像を複製して表示する光学系及びヘッドアップディスプレイシステムに適用可能である。
　　　１　　　ヘッドアップディスプレイシステム
　　　３　　　車両
　　　３ａ　　中心線
　　　５　　　ウインドシールド
　　１１　　　表示部
　　１３、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅ、１３Ｆ　導光体
　　１３ａ　　第１主面
　　１３ｂ　　第２主面
　　１５　　　制御部
　　１７　　　記憶装置
　　２０　　　入射面
　　２１　　　結合領域
　　２３　　　第１拡張領域
　　２３ａ　　第１端部領域
　　２３ｂ　　中心領域
　　２３ｃ　　第２端部領域
　　２５　　　第２拡張領域
　　２５ｐ　　ポイント
　　２７　　　出射面
　　３１　　　回折格子
　　３１ａ　　格子
　　　Ａｃ　　視認領域
　　　Ｄ　　　観察者
　　　Ｉｖ　　虚像
　　　ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４、ｋ５、ｋ６、ｋ７、ｋ８、ｋ９、ｋ１０、ｋ１１、ｋ１２、ｋ１３、ｋ１４　波数ベクトル
　　　Ｌ１、Ｌ１Ａ、Ｌ１Ｂ、Ｌ２、Ｌ２ａ、Ｌ２ｂ、Ｌ２ｃ、Ｌ３、Ｌ３ａａ、Ｌ３ｂａ、Ｌ３ｃａ、Ｌ３ａｂ、Ｌ３ｂｂ、Ｌ３ｃｂ、Ｌ３ａｃ、Ｌ３ｂｃ、Ｌ３ｃｃ、Ｌ４、Ｌ４ａａ、Ｌ４ｂｃ、Ｌ４ｃｂ、Ｌ４ａｂ、Ｌ４ｂｂ、Ｌ４ａｃ、Ｌ４ｃｃ　光束

Claims (13)

  1. 　観察者に像を視認させる光学系であって、
    　第１の方向に進行する光束を前記第１の方向と交差する第２の方向に進行する光束に分割複製して前記光束の数を増加することで拡張する第１拡張領域と、
    　前記第２の方向に進行する光束を分割複製して前記光束の数を増加することで拡張し、前記像の視認領域に対応する第２拡張領域と、を備え、
    　前記第１拡張領域は、前記第１拡張領域の中心を含む中心領域と、前記第１拡張領域の端側の少なくとも一方で、回折光量が前記中心領域内の回折光量の半分より小さい端部領域とを有する、
    　光学系。
  2. 　前記中心領域の前記第２の方向に前記第２拡張領域が存在し、
    　前記端部領域の前記第２の方向に前記第２拡張領域のない領域が存在する、
    　請求項１に記載の光学系。
  3. 　前記第１拡張領域における前記第１の方向の長さは、前記第２拡張領域おける前記第１の方向の長さよりも長い、
    　請求項１または２に記載の光学系。
  4. 　前記第１拡張領域における前記第１の方向に沿った回折光量の割合の推移において、
    　前記第２の方向から見て前記第２拡張領域と重なる、前記第１拡張領域の中心領域における回折光量の割合は、設計値の±１０％の範囲内である、
    　請求項１から３のいずれか１つに記載の光学系。
  5. 　前記第１拡張領域の前記端部領域内において、前記端部領域内の前記中心領域側と反対側の端から前記第１拡張領域の中心領域に向けて回折光量が増加する、
    　請求項１から４のいずれか１つに記載の光学系。
  6. 　前記第１拡張領域の中心領域は、前記第１の方向において端から１／４以上３／４以下の長さの領域であり、前記端部領域は、前記第１の方向において端から１／４未満の長さの領域である、
    　請求項１から５のいずれか１つに記載の光学系。
  7. 　入射する光束の進行方向を第１拡張領域の方へ変更する結合領域を備え、
    　前記第１拡張領域の端部領域は、前記結合領域に近い方の領域である、
    　請求項１から６のいずれか１つに記載の光学系。
  8. 　入射する光束の進行方向を第１拡張領域の方へ変更する結合領域を備え、
    　前記第１拡張領域の端部領域は、前記結合領域から遠い方の領域である、
    　請求項１から６のいずれか１つに記載の光学系。
  9. 　前記第１拡張領域は、回折格子を有し、
    　前記第１拡張領域の端部領域の回折格子の高さは、前記中心領域の回折格子の高さよりも低い、
    　請求項１から８のいずれか１つに記載の光学系。
  10. 　前記第１拡張領域は、複数の回折格子を有し、
    　前記第１拡張領域の端部領域の回折格子のデューティ比Ｄｒ１、前記中心領域の回折格子のデューティ比Ｄｒ２は以下の条件式の関係である、
    　　｜Ｄｒ１―０．５｜＞｜Ｄｒ２―０．５｜
    　請求項１から８のいずれか１つに記載の光学系。
  11. 　前記第１拡張領域は、複数の回折格子を有し、
    　前記第１拡張領域の端部領域の回折格子のデューティ比の値と０．５との差の絶対値は、前記中心領域の回折格子のデューティ比の値と０．５との差の絶対値と異なり、
    　前記第１拡張領域の端部領域の回折格子の高さと、前記中心領域の回折格子の高さとが異なる、
    　請求項１から８のいずれか１つに記載の光学系。
  12. 　請求項１から１１のいずれか１つの前記光学系と、
    　前記光学系に拡張される前の光束を出射する表示部と、
    　前記光学系から出射した光束が反射する透光部材と、を備え、
    　前記透光部材を介して視認可能な実景に虚像として前記像を重ねて表示する、
    　ヘッドアップディスプレイシステム。
  13. 　前記透光部材は、移動体のウインドシールドである、
    　請求項１２に記載のヘッドアップディスプレイシステム。
PCT/JP2023/001538 2022-03-31 2023-01-19 光学系及びそれを備えたヘッドアップディスプレイシステム WO2023188720A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022-060576 2022-03-31
JP2022060576 2022-03-31

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023188720A1 true WO2023188720A1 (ja) 2023-10-05

Family

ID=88200730

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2023/001538 WO2023188720A1 (ja) 2022-03-31 2023-01-19 光学系及びそれを備えたヘッドアップディスプレイシステム

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023188720A1 (ja)

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100177388A1 (en) * 2006-08-23 2010-07-15 Mirage Innovations Ltd. Diffractive optical relay device with improved color uniformity
JP2015049376A (ja) * 2013-09-02 2015-03-16 セイコーエプソン株式会社 光学デバイス及び画像表示装置
US20170363871A1 (en) * 2016-06-20 2017-12-21 Tuomas Vallius Extended field of view in near-eye display using optically stitched imaging
CN109407313A (zh) * 2018-10-29 2019-03-01 北京枭龙科技有限公司 一种衍射波导显示装置
WO2019189852A1 (ja) * 2018-03-29 2019-10-03 富士フイルム株式会社 光学素子、導光素子および画像表示装置
WO2019209527A1 (en) * 2018-04-23 2019-10-31 Facebook Technologies, Llc Gratings with variable depths for waveguide displays
CN112346251A (zh) * 2020-10-30 2021-02-09 深圳七泽技术合伙企业(有限合伙) 一种大eyebox的AR-HUD
US10962787B1 (en) * 2019-11-25 2021-03-30 Shanghai North Ocean Photonics Co., Ltd. Waveguide display device
JP2021512357A (ja) * 2018-02-06 2021-05-13 ディスペリックス オサケ ユキチュア 格子ミラーを有する回折ディスプレイ要素
EP3958030A1 (en) * 2019-10-07 2022-02-23 Lg Chem, Ltd. Holographic light guide plate

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100177388A1 (en) * 2006-08-23 2010-07-15 Mirage Innovations Ltd. Diffractive optical relay device with improved color uniformity
JP2015049376A (ja) * 2013-09-02 2015-03-16 セイコーエプソン株式会社 光学デバイス及び画像表示装置
US20170363871A1 (en) * 2016-06-20 2017-12-21 Tuomas Vallius Extended field of view in near-eye display using optically stitched imaging
JP2021512357A (ja) * 2018-02-06 2021-05-13 ディスペリックス オサケ ユキチュア 格子ミラーを有する回折ディスプレイ要素
WO2019189852A1 (ja) * 2018-03-29 2019-10-03 富士フイルム株式会社 光学素子、導光素子および画像表示装置
WO2019209527A1 (en) * 2018-04-23 2019-10-31 Facebook Technologies, Llc Gratings with variable depths for waveguide displays
CN109407313A (zh) * 2018-10-29 2019-03-01 北京枭龙科技有限公司 一种衍射波导显示装置
EP3958030A1 (en) * 2019-10-07 2022-02-23 Lg Chem, Ltd. Holographic light guide plate
US10962787B1 (en) * 2019-11-25 2021-03-30 Shanghai North Ocean Photonics Co., Ltd. Waveguide display device
CN112346251A (zh) * 2020-10-30 2021-02-09 深圳七泽技术合伙企业(有限合伙) 一种大eyebox的AR-HUD

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3443402B1 (en) Waveguides with extended field of view
US10795156B2 (en) Waveguide structure
CN112817153B (zh) 一种大视场角的光学扩瞳装置、显示装置及方法
CN113777707A (zh) 光学结构和光学装置
CN113495319A (zh) 光学结构和光学装置
CN214474235U (zh) 近眼显示设备
US20230213770A1 (en) Image light guide with zoned diffractive optic
US20230393395A1 (en) Head-up display system
CN215641931U (zh) 光学结构和光学装置
CN212647164U (zh) 一种近眼显示设备
WO2023188720A1 (ja) 光学系及びそれを備えたヘッドアップディスプレイシステム
US20220276489A1 (en) Optical system and mixed reality device
WO2023007862A1 (ja) 光学系及びそれを備えたヘッドアップディスプレイシステム
WO2023007863A1 (ja) 光学系及びそれを備えたヘッドアップディスプレイシステム
JP2024503684A (ja) 複合インカップリング回折光学素子を有する画像光ガイド
WO2024004289A1 (ja) 光学系、及び、画像表示装置
WO2022180933A1 (ja) ヘッドアップディスプレイシステム
WO2024004288A1 (ja) 光学系、及び、画像表示装置
WO2024004287A1 (ja) 画像表示装置、及び光学系
US20240111152A1 (en) Image display device and headup display system
CN115079334A (zh) 衍射光波导装置及其方法
JP2023070440A (ja) 回折素子及びそれを備えた光学系、ヘッドアップディスプレイシステム
US20230161162A1 (en) Waveguide for an augmented reality or virtual reality display
CN112612138B (zh) 一种波导显示系统
WO2023011199A1 (zh) 一种显示设备模组、显示设备以及图像显示方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23778759

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1