WO2024004289A1

WO2024004289A1 - 光学系、及び、画像表示装置

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Publication number: WO2024004289A1
Application number: PCT/JP2023/010426
Authority: WO
Inventors: 和博南; 聡葛原
Original assignee: パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date: 2022-06-29
Filing date: 2023-03-16
Publication date: 2024-01-04

Abstract

視野領域における画像光の瞳の充填率を向上でき、入射領域のサイズを小さくできる光学系、及び、画像表示装置を提供する。光学系（３）は、導光部材（５）を備える。導光部材（５）は、画像光（Ｌ１）を本体部（５０）内に入射させる入射領域（５１）と、画像光（Ｌ１Ｂ）を、複数の画像光（Ｌ２）に分割して本体部（５０）から出射させる回折構造を有する出射拡張領域（５３）とを備える。出射拡張領域（５３）は、画像光（Ｌ１Ｂ）を、第１～第３画像光（Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３）に分岐させる。第１画像光（Ｌ１１）及び第３画像光（Ｌ１３）は異なる角度で出射拡張領域（５３）から出射して本体部（５０）内を伝搬する。出射拡張領域（５３）は、第１画像光（Ｌ１１）と第３画像光（Ｌ１３）とが部分的に重なった状態で入射する重複部位（５３ａ）を含む。重複部位（５３ａ）に入射する第１画像光（Ｌ１１）と第３画像光（Ｌ１３）との光路長差は、画像光（Ｌ１）のコヒーレンス長より長い。

Description

光学系、及び、画像表示装置

　本開示は、光学系、及び、画像表示装置に関する。

　特許文献１は、出射瞳を２方向で拡張するための導波路（導光部材）を備える光学素子（光学系）を開示する。光学要素は、３つの回折光学素子（ＤＯＥ）を備える。第１のＤＯＥは、表示素子からの光を導波路の内部に結合させる。第２のＤＯＥは、出射瞳を第１方向に、第１座標軸に沿って拡張する。第３のＤＯＥは、出射瞳を第２方向に、第２座標軸に沿って拡張して、光を導波路の外部に射出させる。

米国特許第１０４２９６４５号明細書

　特許文献１に記載の光学要素は、例えば、ヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置に利用される。画像表示装置においては、ユーザの視野領域における画像を形成する画像光の瞳の充填率の低下は、画質の低下の一因になる。

　本開示は、視野領域における画像光の瞳の充填率を向上でき、入射領域のサイズを小さくできる光学系、及び、画像表示装置を提供する。

　本開示の一態様にかかる光学系は、表示素子から出力される画像を形成する画像光をユーザの視野領域に光学像として導く導光部材を備える。導光部材は、板状の本体部と、本体部に形成され、画像光が本体部内を伝搬するように画像光を本体部内に入射させる入射領域と、本体部に形成され、本体部の厚み方向に交差する第１伝搬方向に伝搬する画像光を、第１伝搬方向に交差する第２伝搬方向に伝搬する複数の画像光に、第１伝搬方向において分割して本体部から出射させる回折構造を有する出射拡張領域と、を備える。出射拡張領域は、出射拡張領域に入射した第１伝搬方向に伝搬する画像光を、第１伝搬方向及び第２伝搬方向を含む所定平面において、第１画像光と、第２画像光と、第３画像光とに分岐させる。第１画像光は、所定平面において入射領域から出射拡張領域に伝搬する画像光の伝搬角度に等しい第１角度で出射拡張領域から出射して本体部内を伝搬する。第２画像光は、第１角度と異なる第２角度で出射拡張領域から出射して本体部から出射する。第３画像光は、第１角度及び第２角度と異なる第３角度で出射拡張領域から出射して本体部内を伝搬する。出射拡張領域は、第１画像光と第３画像光とが所定平面において部分的に重なった状態で入射する重複部位を含む。重複部位に入射する第１画像光と第３画像光との光路長差は、画像光のコヒーレンス長より長い。

　本開示の一態様にかかる画像表示装置は、上記の光学系と、表示素子とを備える。

　本開示の態様は、視野領域における画像光の瞳の充填率を向上でき、入射領域のサイズを小さくできる。

一実施の形態の画像表示装置を備える移動体の構成例の概略図図１の画像表示装置の表示素子から出射される画像光の光路の説明図図１の画像表示装置の導光部材の構成例の斜視図図３の導光部材の概略平面図図３の導光部材の部分的な概略断面図画像光のコヒーレンス長の説明図図３の導光部材の出射拡張領域による画像光の回折のパターンの説明図図３の導光部材の出射拡張領域による画像光の回折の一例の説明図図３の導光部材の出射拡張領域による画像光の回折の一例の説明図参考例１の導光部材による画像光の回折の一例の説明図参考例２の導光部材による画像光の回折の一例の説明図参考例３の導光部材による画像光の回折の一例の説明図参考例４の導光部材による画像光の回折の一例の説明図

　以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者（ら）は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

　上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。以下の実施の形態において説明する各図は、模式的な図であり、各図中の各構成要素の大きさ及び厚さそれぞれの比が、必ずしも実際の寸法比を反映しているとは限らない。また、各要素の寸法比率は図面に図示された比率に限られるものではない。

　本開示において、光に関して「〇〇方向に向かわせる」及び「〇〇方向に伝搬させる」等の表現は、画像を形成する光が全体として〇〇方向に向かうことを意味し、画像を形成する光に含まれる光線は〇〇方向に対して傾いていてもよい。例えば、「〇〇方向に向かう光」は、この光の主光線が〇〇方向に向いていればよく、光の副光線は〇〇方向に対して傾いていてもよい。

　［１．実施の形態］
　［１．１　構成］
　図１は、本実施の形態の画像表示装置１を備える移動体１００の概略図である。図１の移動体１００は、自動車である。以下では、理解を促進するためだけに、移動体１００を自動車１００と表示する場合がある。図１の画像表示装置１は、自動車１００に用いられるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Head-Up Display）である。

　図１の画像表示装置１は、自動車１００のウインドシールド１０１に下方から画像を投影するように、自動車１００の車室内に設置されている。図１では、ウインドシールド１０１の下方のダッシュボード内に、画像表示装置１が配置されている。画像表示装置１からウインドシールド１０１に画像が投影されると、ウインドシールド１０１で反射された画像がユーザＤ（運転者、観察者）に視認される。ユーザＤは、画像表示装置１から投影される画像を虚像Ｉｖとして認識する。このようにして、画像表示装置１は、ウインドシールド１０１を介して視認可能な実景に虚像Ｉｖを重ねて表示する。

　図１の画像表示装置１は、表示素子２と、光学系３と、制御装置４とを備える。

　表示素子２は、画像（映像）を表示するために、画像を形成する画像光Ｌ１を出力する。図１等においては、簡単のために、画像光Ｌ１を、指向性を持った光として矢印で描画しているが、実際は視野角に相当する角度を持つ光として光学系３に入射する。表示素子２の光軸は、画像光Ｌ１の光軸である。画像光Ｌ１の光軸は、例えば、表示素子２の中心から出力される光（つまり、画像光Ｌ１の中心光線）の光軸である。

　表示素子２の例としては、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、走査型ＭＥＭＳミラー、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｏｎ　Ｓｉｌｉｃｏｎ）、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｍｉｒｒｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ）、マイクロＬＥＤ等の既知のディスプレイが挙げられる。画像光Ｌ１による画像は、例えば、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、現在の車速等の各種の情報を視覚的に表示する。

　光学系３は、表示素子２が出力する画像光Ｌ１を、ユーザの目に対して設定される視野領域Ａｃに導く。視野領域Ａｃでは、表示素子２が形成する画像をユーザが自身の目で途切れることなく視認できる。以下では、必要に応じて、光学系３から出射される画像光を、表示素子２が光学系３に向けて出力する画像光Ｌ１と区別するために、光学系３から出射される画像光には符号Ｌ２を付す場合がある。

　図２は、画像表示装置１の光学系３から出射される画像光Ｌ２の光路の説明図である。本実施の形態において、光学系３は、瞳拡張の作用により、視野領域Ａｃを広げる。つまり、光学系３は、画像光Ｌ１の瞳を複製することによって、視野領域Ａｃを広げる。本実施の形態において、視野領域Ａｃは、矩形状の平面で規定される。視野領域Ａｃの中であれば、ユーザＤの眼の位置が、図２の水平方向及び垂直方向にずれても画像光Ｌ１による画像を視認することができる。

　図１に示すように、光学系３は、導光部材５と、投射光学系６とを備える。

　導光部材５は、表示素子２から出力される画像を形成する画像光Ｌ１をユーザの視野領域Ａｃに光学像として導く。本実施の形態において、光学像は、虚像Ｉｖである。

　図３は、導光部材５の構成例の斜視図である。導光部材５の説明にあたっては、図３に記載のＸＹＺの３軸の直交座標を参照する。

　図３に示すように、導光部材５は、本体部５０と、入射領域５１と、補助拡張領域５２と、出射拡張領域５３と、を備える。

　本体部５０は、可視光領域において透明な材料で形成される。本体部５０は、板状である。本実施の形態では、本体部５０は、矩形の板状である。本体部５０は、本体部５０の厚み方向の第１面５０ａ及び第２面５０ｂを有する。本体部５０の厚み方向は、図３におけるＺ軸方向である。本体部５０は、第１面５０ａを表示素子２側に、第２面５０ｂを視野領域Ａｃ側に向けて配置される。この場合において、第１面５０ａは、画像光Ｌ１が本体部５０に入射する入射面であり、第２面５０ｂは、本体部５０から画像光Ｌ２が出射する出射面である。本実施の形態において、導光部材５は、本体部５０から出射した画像光Ｌ２を光透過性部材で反射させることで視野領域Ａｃに虚像Ｉｖとして導くように位置する。これによって、ユーザＤには、視野領域Ａｃから、光透過性部材を通して視認可能な実景に虚像Ｉｖが重ねて見せることができる。本実施の形態において、光透過性部材は、ウインドシールド１０１であるが、光透過性部材は、ウインドシールド１０１に限らず、コンバイナ等の、可視光領域において透明（ただし無色透明に限らない）な部材であってもよい。

　図４は、導光部材５の概略平面図である。特に、図４は、第２面５０ｂ側から見た導光部材５の平面図ある。図４に示すように、入射領域５１と、補助拡張領域５２と、出射拡張領域５３とは、導光部材５の本体部５０に形成される。

　入射領域５１は、画像光Ｌ１が本体部５０内を伝搬するように画像光Ｌ１を本体部５０内に入射させる。本実施の形態において、入射領域５１は、本体部５０の第１面５０ａに本体部５０の第１面５０ａの法線に対して傾斜した第１傾斜方向から入射する画像光Ｌ１を画像光Ｌ１が本体部５０内を伝搬するように本体部５０内に入射させる。本実施の形態において、第１傾斜方向は、図３において、Ｄ１で示す方向である。本実施の形態において、入射領域５１は、画像光Ｌ１が本体部５０内を、本体部５０の厚み方向に直交する面内（ＸＹ面内）の所定方向（Ｘ軸の正方向）に伝搬するように画像光Ｌ１を本体部５０内に入射させる。図４において、Ｘ軸の正方向に伝搬する画像光には符号Ｌ１Ａが付されている。本実施の形態では、入射領域５１は、表示素子２と導光部材５との結合（カップリング）に用いられる。入射領域５１は、画像光Ｌ１が全反射条件で本体部５０内を伝搬するように画像光Ｌ１を本体部５０内に入射させる。ここでいう「結合（カップリング）」とは、全反射条件で導光部材５の本体部５０内を伝搬する状態である。

　入射領域５１は、画像光Ｌ１に対する回折作用を有する回折構造（周期構造体）により構成される。入射領域５１の回折構造は、例えば、体積ホログラム素子（ホログラフィック回折格子）である。体積ホログラム素子は、屈折率の周期変調で回折作用を発生させる。体積ホログラム素子の回折ピッチ（回折周期）は、体積ホログラム素子の屈折率の変化の周期を示す。体積ホログラム素子の回折周期は、例えば、体積ホログラム素子の最大屈折率間又は最小屈折率間の距離で定義され得る。入射領域５１は、例えば、本体部５０の内部に形成される。

　入射領域５１は、回折作用によって、画像光Ｌ１を、本体部５０内に、第１面５０ａ及び第２面５０ｂに対して全反射する条件で入射させる。入射領域５１によって、画像光Ｌ１は、本体部５０内を、第１面５０ａ及び第２面５０ｂで全反射されることで、Ｘ軸の正方向に進む。

　入射領域５１の大きさは、投射光学系６を経た表示素子２からの画像光Ｌ１の一部又は全部が入射領域５１に入射するように設定される。本実施の形態において、図４に示すように、入射領域５１は、四角形状である。

　補助拡張領域５２は、所定方向（Ｘ軸の正方向）において、入射領域５１と並ぶように配置される。補助拡張領域５２は、画像光Ｌ１Ａに対する回折作用を有する回折構造（周期構造体）により構成される。補助拡張領域５２の回折構造は、例えば、体積ホログラム素子（ホログラフィック回折格子）である。補助拡張領域５２は、例えば、本体部５０の内部に形成される。

　補助拡張領域５２は、画像光Ｌ１Ａの進行方向を第１伝搬方向に変更するとともに複数に分割する。第１伝搬方向は、本体部５０の厚み方向に直交する面内（ＸＹ面内）において、所定方向に交差する方向である。例えば、第１伝搬方向は、Ｙ軸の正方向である。図４において、Ｙ軸の正方向に伝搬する画像光には符号Ｌ１Ｂが付されている。このように、補助拡張領域５２は、所定方向に伝搬する画像光Ｌ１Ａを、第１伝搬方向に伝搬する複数の画像光Ｌ１Ｂに、所定方向において分割するように構成される。補助拡張領域５２は、導光部材５の本体部５０内を伝搬する画像光Ｌ１Ａを分割することによって所定方向（Ｘ軸の正方向）に並ぶ複数の画像光Ｌ１Ｂを出射拡張領域５３に向かわせる。このようにして、補助拡張領域５２は、所定方向（Ｘ軸の正方向）において画像光Ｌ１の瞳の拡張を行う。つまり、図４に示すように、補助拡張領域５２は、画像光Ｌ１Ａを出射拡張領域５３に向かう略平行な複数の画像光Ｌ１Ｂに分割することで、投射光学系６が投射した画像光Ｌ１の瞳を、所定方向（Ｘ軸の正方向）において複製して拡張する。

　補助拡張領域５２の大きさは、入射領域５１からの画像光Ｌ１Ａが補助拡張領域５２に入射するように設定される。一例として、補助拡張領域５２における入射領域５１側の端（図４における右端）のＹ軸の方向の寸法は、入射領域５１によって回折された画像光Ｌ１Ａが漏れなく補助拡張領域５２に入射するように設定される。本実施の形態において、図４に示すように、補助拡張領域５２は、四角形状である。

　出射拡張領域５３は、第１伝搬方向（Ｙ軸の正方向）において、補助拡張領域５２と並ぶように配置される。出射拡張領域５３は、画像光Ｌ１Ｂに対する回折作用を有する回折構造（周期構造体）により構成される。出射拡張領域５３の回折構造は、例えば、体積ホログラム素子（ホログラフィック回折格子）である。出射拡張領域５３は、例えば、本体部５０の内部に形成される。

　出射拡張領域５３は、画像光Ｌ１Ｂの進行方向を第２伝搬方向に変更するとともに複数に分割する。第２伝搬方向は、本体部５０から視野領域Ａｃに向かう方向である。図３において、第２伝搬方向に伝搬する画像光には符号Ｌ１２が付されている。出射拡張領域５３は、第２伝搬方向に伝搬する複数の画像光Ｌ１Ｃを本体部５０の第２面５０ｂから本体部５０の第２面５０ｂの法線に対して傾斜した第２傾斜方向に出射させる。図３において、第２傾斜方向に伝搬する画像光には符号Ｌ２が付されている。本実施の形態において、第２傾斜方向は、図３において、Ｄ１で示す方向である。よって、第１傾斜方向と第２傾斜方向とは互いに平行である。このように、出射拡張領域５３は、第１伝搬方向に伝搬する画像光Ｌ１Ｂを、第２伝搬方向に伝搬して本体部５０の第２面５０ｂから第２傾斜方向に出射する複数の画像光Ｌ２に、第１伝搬方向において分割するように構成される。出射拡張領域５３は、導光部材５の本体部５０内を伝搬する画像光Ｌ１Ｂを分割することによって第１伝搬方向（Ｙ軸の正方向）に並ぶ複数の画像光Ｌ２を視野領域Ａｃに向かわせる。このようにして、出射拡張領域５３は、第１伝搬方向（Ｙ軸の正方向）において画像光Ｌ１の瞳の拡張を行う。つまり、図３に示すように、出射拡張領域５３は、画像光Ｌ１Ｂを視野領域Ａｃに向かう略平行な複数の画像光Ｌ２に分割することで、投射光学系６が投射した画像光Ｌ１の瞳を、第１伝搬方向（Ｙ軸の正方向）において複製して拡張する。

　このように、補助拡張領域５２及び出射拡張領域５３は、入射領域５１から導光部材５の本体部５０内に入射した画像光Ｌ１を、所定方向（Ｘ軸の正方向）及び第１伝搬方向（Ｙ軸の正方向）において分割することで、画像光Ｌ１の瞳を複製して拡張する。本実施の形態において、所定方向は、視野領域Ａｃの水平方向に対応し、第１伝搬方向は、視野領域Ａｃの垂直方向に対応する。本実施の形態において、補助拡張領域５２及び出射拡張領域５３は、入射領域５１から導光部材５の本体部５０内に入射した画像光Ｌ１を、複数の画像光Ｌ２に分割して視野領域Ａｃに出射することで、画像光Ｌ１の瞳を複製して拡張する。本実施の形態では、複数の画像光Ｌ２は、互いに平行である。「複数の画像光Ｌ２は、互いに平行である」ことは、厳密な意味で複数の画像光Ｌ２が互いに平行であることに限らず、複数の画像光Ｌ２が互いに略平行であることを含む。複数の画像光Ｌ２は、厳密な意味で互いに平行でなくても、光学設計上、複数の画像光Ｌ２が平行であると考えられる程度に複数の画像光Ｌ２の向きが揃っていればよい。複数の画像光Ｌ２が互いに平行であることで、視野領域Ａｃにおいて画像光の瞳の配置の均一性の向上が可能となり、これによって、視野領域Ａｃにおける画像光の瞳の充填率が向上する。瞳の充填率が低くなればなるほど、視野領域ＡＣから見た光学像（虚像Ｉｖ）において明暗が増加し、これは画質の低下の一因となる。視野領域Ａｃにおける画像光の瞳の充填率が向上することによって、光学像（虚像Ｉｖ）の画質を向上できる。

　本実施の形態においては、図２に示すように、複数の画像光Ｌ２は、ウインドシールド１０１により反射されて視野領域Ａｃに向かう。導光部材５は、ウインドシールド１０１により反射されて視野領域Ａｃに向かう複数の画像光Ｌ２が互いに平行となるように構成されるとよい。図２のようにウインドシールド１０１が曲面である場合には、ウインドシールド１０１に向かう方向が同じであっても、ウインドシールド１０１の面内の場所によって画像光Ｌ２の入射角及び反射角が異なる。そのため、導光部材５は、複数の画像光Ｌ２が導光部材５から出射されてウインドシールド１０１に入射されるまでは必ずしも互いに平行ではなく、ウインドシールド１０１で反射されることで互いに平行となるように、構成される。一方、ウインドシールド１０１が平面である場合には、ウインドシールド１０１に向かう方向が同じであればウインドシールド１０１の面内の場所によらず画像光Ｌ２の入射角及び反射角は等しい。そのため、導光部材５は、互いに平行な複数の画像光Ｌ２が導光部材５から出射されるように構成されてよい。

　特に、本実施の形態において、図３に示すように、出射拡張領域５３は、出射拡張領域５３に入射した第１伝搬方向に伝搬する画像光Ｌ１Ｂを、第１伝搬方向及び第２伝搬方向を含む所定平面Ｐ１において、第１画像光Ｌ１１と、第２画像光Ｌ１２と、第３画像光Ｌ１３とに分岐させる。所定平面Ｐ１は、図３のＹＺ平面に対応する。

　出射拡張領域５３において画像光Ｌ１Ｂを第１画像光Ｌ１１と第２画像光Ｌ１２と第３画像光Ｌ１３とに分岐させる部位は、出射拡張領域５３の任意の部分であってよいが、入射領域５１から出射拡張領域５３への画像光Ｌ１の光路上において出射拡張領域５３の入射領域５１側の端部に含まれているとよい。本実施の形態において、入射領域５１から出射拡張領域５３への画像光Ｌ１の光路は、補助拡張領域５２を経由する。よって、「入射領域５１から出射拡張領域５３への画像光Ｌ１の光路上において出射拡張領域５３の入射領域５１側の端部」は、例えば、図４においては、出射拡張領域５３のＸ軸の負方向側の端部ではなく、Ｙ軸の負方向側の端部である。ここで、出射拡張領域５３の入射領域５１側の端部は、出射拡張領域５３の入射領域５１側の端５３１から第１伝搬方向において出射拡張領域５３の１／４を占める領域であってよい。入射領域５１から出射拡張領域５３への画像光Ｌ１の光路上において出射拡張領域５３の入射領域５１側の端部は、出射拡張領域５３において画像光が入射する側の端部であるから、出射拡張領域５３においては、出射拡張領域５３に入射する画像光Ｌ１Ｂの光量が多い部分である。したがって、出射拡張領域５３に入射する画像光Ｌ１Ｂの光量が多い部分で、第３画像光Ｌ１３を発生させることで、効率的に、画像光Ｌ１の瞳の充填率を向上させることができる。特に、出射拡張領域５３は、少なくとも入射領域５１から出射拡張領域５３に最初に入射した画像光Ｌ１Ｂを、第１画像光Ｌ１１と第２画像光Ｌ１２と第３画像光Ｌ１３とに分岐させるとよい。もちろん、導光部材５は、複数の部位において、画像光Ｌ１Ｂを第１画像光Ｌ１１と第２画像光Ｌ１２と第３画像光Ｌ１３とに分岐させてよい。

　図５は、導光部材５の部分的な概略断面図である。特に、図５は、導光部材５の本体部５０において出射拡張領域５３を含む部位の、所定平面Ｐ１における概略的な断面図である。図５において、画像光Ｌ１Ｂが、本体部５０の第１面５０ａ側から出射拡張領域５３に入射する。

　図５の第１画像光Ｌ１１は、第１角度θ_ｏ１で出射拡張領域５３から出射する。第１角度θ_ｏ１は、本体部５０内を全反射して伝播する条件を満たしており、図５の第１画像光Ｌ１１は、全反射条件で本体部５０内を第１伝搬方向（Ｙ軸の正方向）に伝搬する。第１角度θ_ｏ１は、所定平面Ｐ１において入射領域５１から出射拡張領域５３に伝搬する画像光Ｌ１の伝搬角度θ_ｉに等しい。本実施の形態において、画像光Ｌ１の光路上において、入射領域５１と出射拡張領域５３との間に補助拡張領域５２があるため、伝搬角度θ_ｉは、補助拡張領域５２から出射拡張領域５３に伝搬する画像光Ｌ１Ｂの伝搬角度に等しい。図５の第１画像光Ｌ１１は、画像光Ｌ１Ｂに対して０次の回折光に相当する。

　図５の第２画像光Ｌ１２は、第２角度θ_ｏ２で出射拡張領域５３から出射する。第２角度θ_ｏ２は、第１角度θ_ｏ１と異なる。第２度θ_ｏ２は、本体部５０内を全反射して伝播する条件を満たしておらず、図５の第２画像光Ｌ１２は、本体部５０から出射する。本実施の形態において、第２画像光Ｌ１２は、本体部５０の第２面５０ｂから出射する際に屈折され、画像光Ｌ２０として出射される。図５の第２画像光Ｌ１２は、画像光Ｌ１Ｂに対して１次の回折光に相当する。

　図５の第３画像光Ｌ１３は、第３角度θ_ｐで出射拡張領域５３から出射する。第３角度θ_ｐは、第１角度θ_ｏ１及び第２角度θ_ｏ２と異なる。第３角度θ_ｐは、本体部５０内を全反射して伝播する条件を満たしており、図５の第３画像光Ｌ１３は、全反射条件で本体部５０内を第１伝搬方向（Ｙ軸の正方向）に伝搬する。図５の第３画像光Ｌ１３は、画像光Ｌ１Ｂに対して－１次の回折光に相当する。

　出射拡張領域５３において、第２画像光Ｌ１２は、本体部５０から出射され、画像光Ｌ２０として最終的に視野領域Ａｃに到達する。一方で、第１画像光Ｌ１１及び第３画像光Ｌ１３は、全反射条件で本体部５０内を第１伝搬方向（Ｙ軸の正方向）に伝搬する。そのため、第１画像光Ｌ１１及び第３画像光Ｌ１３は、出射拡張領域５３の回折構造によって回折され得る。つまり、第１画像光Ｌ１１及び第３画像光Ｌ１３は、さらに新たな第１画像光Ｌ１１、第２画像光Ｌ１２及び第３画像光Ｌ１３に分岐され得る。

　図５において、第１画像光Ｌ１１に着目する。第１画像光Ｌ１１は、出射拡張領域５３から出射した後、本体部５０の第２面５０ｂで全反射され、出射拡張領域５３を通って、本体部５０の第１面５０ａで全反射され、本体部５０の第１面５０ａ側から出射拡張領域５３に入射する。第１画像光Ｌ１１は、出射拡張領域５３により、第１画像光と、第２画像光と、第３画像光とに分岐される。第１画像光Ｌ１１が第１画像光に分岐されるとは、第１画像光Ｌ１１が出射拡張領域５３をそのまま直進することを意味する。つまり、第１画像光Ｌ１１の一部分はそのまま直進し、第１画像光Ｌ１１の別の部分は向きを変えて第２画像光Ｌ１２ａとなり、第１画像光Ｌ１１のさらに別の部分は向きを変えて第３画像光（図５では図示を省略している）となる。第２画像光Ｌ１２ａは、本体部５０の第２面５０ｂから出射する際に屈折され、画像光Ｌ２ａとして出射される。

　更に、出射拡張領域５３をそのまま直進した第１画像光Ｌ１１は、本体部５０の第２面５０ｂで全反射され、出射拡張領域５３を通って、本体部５０の第１面５０ａで全反射され、本体部５０の第１面５０ａ側から再び出射拡張領域５３に入射する。第１画像光Ｌ１１は、出射拡張領域５３により、第１画像光と、第２画像光と、第３画像光とに分岐される。つまり、第１画像光Ｌ１１の一部分はそのまま直進し、第１画像光Ｌ１１の別の部分は向きを変えて第２画像光Ｌ１２ｂなり、第１画像光Ｌ１１のさらに別の部分は向きを変えて第３画像光（図５では図示を省略している）となる。第２画像光Ｌ１２ｂは、本体部５０の第２面５０ｂから出射する際に屈折され、画像光Ｌ２ｂとして出射される。

　図５において、第３画像光Ｌ１３に着目する。第３画像光Ｌ１３は、出射拡張領域５３から出射した後、本体部５０の第２面５０ｂで全反射され、出射拡張領域５３を通って、本体部５０の第１面５０ａで全反射され、本体部５０の第１面５０ａ側から出射拡張領域５３に入射する。第３画像光Ｌ１３は、出射拡張領域５３により、第１画像光と、第２画像光と、第３画像光とに分岐される。第３画像光Ｌ１３が第３画像光に分岐されるとは、第３画像光Ｌ１３が出射拡張領域５３をそのまま直進することを意味する。つまり、第３画像光Ｌ１３の一部分はそのまま直進し、第３画像光Ｌ１３の別の部分は向きを変えて第２画像光Ｌ１２ｃとなり、第３画像光Ｌ１３のさらに別の部分は向きを変えて第１画像光（図５では図示を省略している）となる。第２画像光Ｌ１２ｃは、本体部５０の第２面５０ｂから出射する際に屈折され、画像光Ｌ２ｃとして出射される。第３画像光Ｌ１３に対して、第１画像光は１次の回折光に相当し、第２画像光は２次の回折光に相当する。

　図５においては、画像光Ｌ１Ｂ，Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１２ａ，Ｌ１２ｂ，Ｌ１２ｃ，Ｌ１３，Ｌ２０，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ，Ｌ２ｂの中心光線を矢印で示している。上述したように、画像光Ｌ１は、実際は視野角に相当する角度を持つ光であり、図５においては、画像光Ｌ１１，Ｌ１３の一部、及び、画像光Ｌ１２ｂ，Ｌ１２ｃ，Ｌ２０，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃについては、中心光線に加えて、その範囲Ｆ１１，Ｆ１３，Ｆ１２ｂ，Ｆ１２ｃ，Ｆ２，Ｆ２ａ，Ｆ２ｂ，Ｆ２ｃを図示している。

　図５では、出射拡張領域５３によって、本体部５０の第２面５０ｂから、複数の画像光Ｌ２０，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃが出射される。複数の画像光Ｌ２０，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂの間隔は等しく、複数の画像光Ｌ２０，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂのうちの隣り合う画像光の範囲間の隙間Ｇ１は等しい。隙間Ｇ１が狭くなることで、視野領域Ａｃにおける画像光Ｌ１の瞳の充填率の向上が可能となる。

　図５の出射拡張領域５３は、第１画像光Ｌ１１と第３画像光Ｌ１３とが所定平面Ｐ１において部分的に重なった状態で入射する重複部位５３ａを含む。そのため、重複部位５３ａにおいて第１画像光Ｌ１１から分岐した第２画像光Ｌ１２ｂと、重複部位５３ａにおいて第３画像光Ｌ１３から分岐した第２画像光Ｌ１２ｃとも部分的に重なった状態となり、画像光Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃとして本体部５０の第２面５０ｂから外部に出射される。したがって、画像光Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃも部分的に重なった状態となる。図５では、画像光Ｌ２ｃは画像光Ｌ２ｂより画像光Ｌ２ａに近く、画像光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂの範囲Ｆ２ａ，Ｆ２ｂ間の隙間Ｇ１よりも、画像光Ｌ２ａ，Ｌ２ｃの範囲Ｆ２ａ，Ｆ２ｃ間の隙間Ｇ２のほうが狭い。複数の画像光Ｌ２０，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃはいずれも画像光Ｌ２である。そのため、実質的に画像光Ｌ２の間隔が狭くなり、視野領域Ａｃにおける画像光Ｌ１の瞳の充填率の向上が可能となる。隙間Ｇ１と隙間Ｇ２との差Ｇ３は、重複部位５３ａにおける第１画像光Ｌ１１と第３画像光Ｌ１３の入射位置間の距離に等しい。

　重複部位５３ａでは、画像光Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃが部分的に重なった状態となっているため、画像光Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃが干渉する可能性がある。画像光Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃの干渉が発生すると、虚像Ｉｖの画質が低下する可能性がある。そこで、出射拡張領域５３は、重複部位５３ａに入射する第１画像光Ｌ１１と第３画像光Ｌ１３との光路長差が、画像光Ｌ１のコヒーレンス長より長くなるように設定されている。これによって、画像光Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃの干渉が発生する可能性が低減され、虚像Ｉｖの画質の低下を低減できる。

　図６は、画像光Ｌ１のコヒーレンス長の説明図である。図６において、λは、画像光Ｌ１の中心波長［μｍ］であり、Δλは、画像光Ｌ１の線幅［μｍ］である。本実施の形態において、線幅は、画像光Ｌ１のスペクトルの半値全幅である。つまり、画像光Ｌ１の強度が、最大値Ａｐの半分であるＡｐ／２になるときのスペクトルの幅である。真空中において、コヒーレンス長は、λ^２／Δλで与えられる。導光部材５の本体部５０の屈折率をｎとすると、本体部５０内における画像光Ｌ１のコヒーレンス長は、（λ／ｎ）^２／（Δλ／ｎ）である。

　図５においては、一つの重複部位５３ａが図示されているが、出射拡張領域５３は、２以上の重複部位５３ａを含み得る。

　図７は、導光部材５の出射拡張領域５３による画像光の回折のパターンの説明図である。図７では、上述の所定平面Ｐ１におけるパターンＡ～Ｄが図示されている。パターンＡ～Ｄにおいて、位置Ｐ０は、画像光Ｌ１Ｂが出射拡張領域５３に最初に入射する位置である。位置Ｐ０において、画像光Ｌ１Ｂｂは、第１画像光Ｌ１１、第２画像光Ｌ１２及び第３画像光Ｌ１３に分岐される。

　図７のパターンＡは、第１画像光Ｌ１１が本体部５０内を伝搬していく様子を示す。パターンＡでは、第１画像光Ｌ１１は、出射拡張領域５３から出射した後、本体部５０の第１面５０ａ及び第２面５０ｂ間で全反射され、本体部５０を第１伝搬方向に伝搬する。第１画像光Ｌ１１は、位置Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４，Ｐ１５の各々において、本体部５０の第１面５０ａ側から出射拡張領域５３に入射し、第１画像光Ｌ１１と、第２画像光Ｌ１２と、第３画像光（図示せず）とに分岐される。パターンＡにおいて、位置Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４，Ｐ１５からの第２画像光Ｌ１２が、画像光Ｌ２として、本体部５０の第２面５０ｂから外部に取り出される。

　図７のパターンＢ～Ｄは、第３画像光Ｌ１３が本体部５０内を伝搬していく様子を示す。パターンＢ～Ｄでは、第３画像光Ｌ１３は、出射拡張領域５３から出射した後、本体部５０の第１面５０ａ及び第２面５０ｂ間で全反射され、本体部５０を第１伝搬方向に伝搬する。

　パターンＢ～Ｄでは、第３画像光Ｌ１３は、位置Ｐ３１において、本体部５０の第１面５０ａ側から出射拡張領域５３に入射し、第１画像光Ｌ１１と、第２画像光Ｌ１２と、第３画像光Ｌ１２とに分岐される。

　パターンＢ，Ｄでは、位置Ｐ３１において第３画像光Ｌ１３から分岐された第１画像光Ｌ１１が、出射拡張領域５３から出射した後、本体部５０の第１面５０ａ及び第２面５０ｂ間で全反射され、本体部５０を第１伝搬方向に伝搬する。この後、第１画像光Ｌ１１は、位置Ｐ１６において、本体部５０の第１面５０ａ側から出射拡張領域５３に入射し、第１画像光Ｌ１１と、第２画像光Ｌ１２と、第３画像光Ｌ１３とに分岐される。

　パターンＢでは、位置Ｐ１６において第３画像光Ｌ１３から分岐された第１画像光Ｌ１１が、出射拡張領域５３から出射した後、本体部５０の第１面５０ａ及び第２面５０ｂ間で全反射され、本体部５０を第１伝搬方向に伝搬する。第１画像光Ｌ１１は、位置Ｐ１７，Ｐ１８の各々において、本体部５０の第１面５０ａ側から出射拡張領域５３に入射し、第１画像光Ｌ１１と、第２画像光Ｌ１２と、第３画像光（図示せず）とに分岐される。パターンＢにおいて、位置Ｐ３１，Ｐ１６，Ｐ１７，Ｐ１８からの第２画像光Ｌ１２が、画像光Ｌ２として、本体部５０の第２面５０ｂから外部に取り出される。

　パターンＤでは、位置Ｐ１６において第３画像光Ｌ１３が、出射拡張領域５３から出射した後、本体部５０の第１面５０ａ及び第２面５０ｂ間で全反射され、本体部５０を第１伝搬方向に伝搬する。第３画像光Ｌ１３は、位置Ｐ１９において、本体部５０の第１面５０ａ側から出射拡張領域５３に入射し、第１画像光（図示せず）と、第２画像光Ｌ１２と、第３画像光Ｌ１３とに分岐される。パターンＤにおいて、位置Ｐ３１，Ｐ１６，Ｐ１９からの第２画像光Ｌ１２が、画像光Ｌ２として、本体部５０の第２面５０ｂから外部に取り出される。

　パターンＣでは、位置Ｐ３１において第３画像光Ｌ１３が、出射拡張領域５３から出射した後、本体部５０の第１面５０ａ及び第２面５０ｂ間で全反射され、本体部５０を第１伝搬方向に伝搬する。この後、第３画像光Ｌ１３は、位置Ｐ３２において、本体部５０の第１面５０ａ側から出射拡張領域５３に入射し、第１画像光Ｌ１１と、第２画像光Ｌ１２と、第３画像光（図示せず）とに分岐される。図７パターンＣでは、位置Ｐ３２において第３画像光Ｌ１３から分岐された第１画像光Ｌ１１が、出射拡張領域５３から出射した後、本体部５０の第１面５０ａ及び第２面５０ｂ間で全反射され、本体部５０を第１伝搬方向に伝搬する。第１画像光Ｌ１１は、位置Ｐ１９において、本体部５０の第１面５０ａ側から出射拡張領域５３に入射し、第１画像光Ｌ１１と、第２画像光Ｌ１２と、第３画像光（図示せず）とに分岐される。パターンＣにおいて、位置Ｐ３１，Ｐ３２，Ｐ１９からの第２画像光Ｌ１２が、画像光Ｌ２として、本体部５０の第２面５０ｂから外部に取り出される。

　図７においては、位置Ｐ１２に入射する第１画像光Ｌ１１と位置Ｐ３１に入射する第３画像光Ｌ１３とが所定平面Ｐ１において部分的に重なった状態となる可能性がある。つまり、位置Ｐ１２，Ｐ３１を含むは範囲に重複部位５３ａが存在し得る。図７においては、位置Ｐ１４に入射する第１画像光Ｌ１１と位置Ｐ３２に入射する第３画像光Ｌ１３とが所定平面Ｐ１において部分的に重なった状態となる可能性がある。つまり、位置Ｐ１４，Ｐ３２を含む範囲に重複部位５３ａが存在し得る。図７においては、位置Ｐ１５に入射する第１画像光Ｌ１１と位置Ｐ１９に入射する第３画像光Ｌ１３とが所定平面Ｐ１において部分的に重なった状態となる可能性がある。つまり、位置Ｐ１５，Ｐ１９を含む範囲に重複部位５３ａが存在し得る。

　図７においては、位置Ｐ１３に入射する第１画像光Ｌ１１と位置Ｐ１６に入射する第１画像光Ｌ１１とが所定平面Ｐ１において部分的に重なった状態となる可能性がある。図７においては、位置Ｐ１４に入射する第１画像光Ｌ１１と位置Ｐ１７に入射する第１画像光Ｌ１１とが所定平面Ｐ１において部分的に重なった状態となる可能性がある。図７においては、位置Ｐ１５に入射する第１画像光Ｌ１１と位置Ｐ１８又は位置Ｐ１９に入射する第１画像光Ｌ１１とが所定平面Ｐ１において部分的に重なった状態となる可能性がある。つまり、出射拡張領域５３は、第１画像光Ｌ１１と第３画像光Ｌ１３とが所定平面Ｐ１において部分的に重なった状態で入射し得る重複部位５３ａに加えて、第１画像光Ｌ１１と、第３画像光Ｌ１３から分岐した第１画像光Ｌ１１とが所定平面Ｐ１において部分的に重なった状態で入射し得る重複部位も含み得る。つまり、出射拡張領域５３は、第１画像光Ｌ１１から分岐した第１又は第３画像光と第３画像光Ｌ１３から分岐した第１又は第３画像光とが所定平面Ｐ１において部分的に重なった状態で入射し得る重複部位を有し得る。これによって、実質的に画像光Ｌ２の間隔が狭くなり、視野領域Ａｃにおける画像光Ｌ１の瞳の充填率の向上が可能となり画質が向上する。

　図８は、導光部材５の出射拡張領域５３による画像光の回折の一例の説明図である。本実施の形態において、出射拡張領域５３は、少なくとも入射領域５１から出射拡張領域５３に最初に入射した画像光Ｌ１Ｂを、第１画像光Ｌ１１と第２画像光Ｌ１２と第３画像光Ｌ１３とに分岐させる（位置Ｐ０参照）。出射拡張領域５３は、出射拡張領域５３内で任意の回数往復した第１画像光Ｌ１１を、第１画像光Ｌ１１と第２画像光Ｌ１２と第３画像光Ｌ１３とに分岐させる（位置Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４，Ｐ１５参照）。位置Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４，Ｐ１５での第１画像光Ｌ１１の往復回数ｍ_１はそれぞれ１，２，３，４，５である。出射拡張領域５３は、出射拡張領域５３内で任意の回数往復した第３画像光Ｌ１３を、第１画像光Ｌ１１と第２画像光Ｌ１２と第３画像光Ｌ１３とに分岐させる（位置Ｐ３１，Ｐ３２参照）。位置Ｐ３１，Ｐ３２での第１画像光Ｌ１１の往復回数ｍ_２はそれぞれ１，２である。往復回数とは、第１画像光又は第３画像光が出射拡張領域５３から出射して、本体部５０の第１面５０ａ及び第２面５０ｂで反射した後に出射拡張領域５３に戻ってきた回数である。つまり、画像光Ｌ１Ｂが位置Ｐ０で出射拡張領域５３に入射し、第１画像光の往復回数は位置Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３…で１、２、３…回となり、第３画像光の往復回数は位置Ｐ３１、Ｐ３２…で１、２…回となる。

　以上述べた導光部材５は、次式（１）、次式（２）及び次式（３）を満たすように構成される。

　式（１）に関し、θ_ｉは、伝搬角度［°］である。θ_ｏは、第２画像光Ｌ１２が本体部５０から出射する角度［°］である。ｎは、本体部５０の屈折率である。

　式（２）に関し、θ_ｐは、第３角度［°］である。Ｔは、本体部５０の厚み［μｍ］である。ｍ_１は、重複部位５３ａに入射したときの出射拡張領域５３内での第１画像光Ｌ１１の往復回数である。ｍ_２は、重複部位５３ａに入射したときの出射拡張領域５３内での第３画像光Ｌ１３の往復回数である。ｍ_１及びｍ_２はいずれも正の整数である。

　式（３）に関し、θ_ｉ０は、観察者（ユーザＤ）が視認する映像（虚像Ｉｖ）の中心光線の伝搬角度［°］である。つまり、θ_ｉ０は、画像光Ｌ１の中心光線の伝搬角度である。θ_ｆ１及びθ_ｆ２はいずれも正の値［°］である。特に、θ_ｆ１は、伝搬角度θ_ｉの範囲の上限を規定する値［°］であり、伝搬角度θ_ｉの範囲の上限はθ_ｉ０＋θ_ｆ１で表される。θ_ｆ２は、伝搬角度θ_ｉの範囲の下限を規定する値［°］であり、伝搬角度θ_ｉの範囲の下限はθ_ｉ０－θ_ｆ２で表される。つまり、伝搬角度θ_ｉの範囲はθ_ｉ０－θ_ｆ２以上θ_ｉ０＋θ_ｆ１以下である。ｄは、出射拡張領域５３の回折構造の回折ピッチ［μｍ］である。

　まず、図５を参照して、式（１）について説明する。導光部材５が上式（１）を満たすことで、出射拡張領域５３は、出射拡張領域５３に入射した第１伝搬方向に伝搬する画像光Ｌ１Ｂを、第１伝搬方向及び第２伝搬方向を含む所定平面Ｐ１において、第１画像光Ｌ１１と、第２画像光Ｌ１２と、第３画像光Ｌ１３とに分岐させることができる。そして、第１画像光Ｌ１１及び第３画像光Ｌ１３が、本体部５０内を第１伝搬方向に伝搬し得り、第２画像光Ｌ１２が本体部５０から外部に出射され得る。

　第１画像光Ｌ１１の第１角度θ_ｏ１は本体部５０内を全反射して伝播する条件を満たす。上述したように、画像光Ｌ１Ｂに対して０次の回折光に相当する。つまり、第１角度θ_ｏ１は、所定平面Ｐ１において入射領域５１から出射拡張領域５３に伝搬する画像光Ｌ１の伝搬角度θ_ｉに等しい。よって、スネルの法則の全反射条件から、伝搬角度θ_ｉは次式（４）を満たすように設定される。

　上述したように、第２画像光Ｌ１２は、画像光Ｌ１Ｂに対して１次の回折光に相当し、第３画像光Ｌ１３は、画像光Ｌ１Ｂに対して－１次の回折光に相当する。出射拡張領域５３による回折は、次式（５）で表される。

　式（５）において、ｍは回折次数である。θ_ｍは、所定平面Ｐ１における出射拡張領域５３から出射する画像光の出射角度である。ｎ＿ｉｎは、出射拡張領域５３に対して入射側の媒質の屈折率である。ｎ＿ｏｕｔは、出射拡張領域５３に対して出射側の媒質の屈折率である。本実施の形態において、出射拡張領域５３に対して入射側の媒質及び出射拡張領域５３に対して出射側の媒質はいずれも導光部材５の本体部５０である。よって、ｎ＿ｉｎとｎ＿ｏｕｔとは、本体部５０の屈折率ｎに等しい。したがって、上式（５）から次式（６）が得られる。

　第２画像光Ｌ１２は、画像光Ｌ１Ｂに対して１次の回折光であり、第２画像光Ｌ１２においてｍ＝１である。また、第２画像光Ｌ１２について、出射角度θ_ｍは第２角度θ_ｏ２である。よって、第２画像光Ｌ１２については次式（７）が成立する。

　第３画像光Ｌ１３は、画像光Ｌ１Ｂに対して－１次の回折光であり、第３画像光Ｌ１３においてｍ＝－１である。また、第３画像光Ｌ１３について、出射角度θ_ｍは第３角度θ_ｐである。よって、第３画像光Ｌ１３については次式（８）が成立する。

　第３画像光Ｌ１３が存在する条件は、θ_ｐが存在することと同義である。以上から、第３画像光Ｌ１３が存在する条件は、次式（９）で与えられる。

　式（８）及び式（９）から、次式（１０）が得られる。

　式（７）及び式（１０）から、次式（１１）が得られる。

　第２画像光Ｌ１２が出射拡張領域５３から出射する第２角度θ_ｏ２と、第２画像光Ｌ１２が本体部５０から出射する角度θ_ｏとの間には、次式（１２）が成立する。

　式（１１）及び式（１２）から、次式（１３）が得られる。

　式（４）及び式（１３）から、上式（１）が得られる。

　次に、図６及び図８を参照して、式（２）について説明する。式（２）は、重複部位５３ａに入射する第１画像光Ｌ１１と第３画像光Ｌ１３との光路長差が、画像光Ｌ１のコヒーレンス長より長くなる条件を表す。つまり、式（２）を満たすことによって、画像光Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃの干渉が低減され、虚像Ｉｖの画質の低下を低減できる。

　式（２）の右辺は、上記に図６を参照して説明したように、画像光Ｌ１のコヒーレンス長を表す。

　重複部位５３ａに入射する第１画像光Ｌ１１の光路長は、次式（１４）で表される。

　重複部位５３ａに入射する第３画像光Ｌ１３の光路長は、次式（１５）で表される。

　したがって、重複部位５３ａに入射する第１画像光Ｌ１１と第３画像光Ｌ１３との光路長差が、画像光Ｌ１のコヒーレンス長より長くなる条件は、上式（２）のとおりである。

　次に、図９を参照して、式（３）について説明する。式（３）については、伝搬角度θ_ｉの範囲がθ_ｉ０－θ_ｆ２以上θ_ｉ０＋θ_ｆ１以下であるとする。一例として、本実施の形態において、θ_ｉｏは、画像光Ｌ１の中心光線の伝搬角度であり、θ_ｆ１、θ_ｆ２は、正の値である。特に、θ_ｉ０－θ_ｆ２は、画像光Ｌ１の画角の上側、つまり、視野領域Ａｃの上端に対応する光線の伝搬角度である。一例として、本実施の形態において、θ_ｉ０＋θ_ｆ１は、画像光Ｌ１の画角の下側、つまり、視野領域Ａｃの下端に対応する光線の伝搬角度である。

　図９において、画像光Ｌ１１１は、伝搬角度θ_ｉ０の画像光であり、画像光Ｌ１１２は、伝搬角度θ_ｉ０－θ_ｆ２の画像光であり、画像光Ｌ１１３は、伝搬角度θ_ｉ０＋θ_ｆ１の画像光である。図９において、画像光Ｌ１２１は、画像光Ｌ１１１に対する第２画像光であり、画像光Ｌ１２２は、画像光Ｌ１１２に対する第２画像光であり、画像光Ｌ１２３は、画像光Ｌ１１３に対する第２画像光である。

　図９において、画像光Ｌ１１２と画像光Ｌ１２３とが重なる場合には、画像光Ｌ１１２については第１伝搬方向に本体部５０内を伝搬せずに本体部５０から外部に取り出される、または画像光Ｌ１２３については本体部５０から外部に取り出されずに第１伝搬方向に本体部５０内を伝搬してしまう。よって、伝搬角度θ_ｉの範囲内において画像光Ｌ１が正しく伝搬されず、画像光Ｌ１の所定の画角が維持できず、虚像Ｉｖの画質が低下し得る。

　図９から理解されるように、ある伝搬角度θ_ｉについての第２画像光Ｌ１２と別の伝搬角度θ_ｉについての第１画像光Ｌ１１とが重ならない条件は、画像光Ｌ１２３の第２角度θ_ｏ２が、画像光Ｌ１１２の伝搬角度θ_ｉ０－θ_ｆ２未満であることである。

　ここで、便宜上、回折ピッチｄを正の値とするために、上式（６）の代わりに、次式（１６）を使用する。

　上式（１６）から、画像光Ｌ１２３の第２角度θ_ｏ２は、次式（１７）で表される。

　画像光Ｌ１２３の第２角度θ_ｏ２が、画像光Ｌ１１２の伝搬角度θ_ｉ０－θ_ｆ２未満である場合には、次式（１８）が成立する。

　式（１７）及び式（１８）から、次式（１９）が得られる。

　式（１９）を、回折ピッチｄについて整理すると、次式（２０）が得られる。

　上式（１６）から、伝搬角度θ_ｉが、画像光Ｌ１の中心光線の伝搬角度θ_ｉ０である場合に、－１次の回折光が存在する条件は、次式（２１）で表される。

　式（２１）を、回折ピッチｄについて整理すると、次式（２２）が得られる。

　式（２０）及び式（２２）から、上式（３）が得られる。

　以上述べたように、導光部材５では、出射拡張領域５３が、第１画像光Ｌ１１と第３画像光Ｌ１３とが所定平面Ｐ１において部分的に重なった状態で入射する重複部位５３ａを含む。そのため、画像光Ｌ２の間隔が狭くなり、視野領域Ａｃにおける画像光Ｌ１の瞳の充填率の向上が可能となる。

　以下、図１０～図１３の参考例１～参考例４を参照して、従来の、視野領域Ａｃにおける画像光Ｌ１の瞳の充填率の向上のための手法について簡単に説明する。なお、参考例１～４において、参考例１は、画像光Ｌ１の瞳の充填率の向上のための手法がとられていないために、画像光Ｌ１の瞳の充填率が低い例を示す。

　図１０は、参考例１の導光部材５０１による画像光の回折の一例の説明図である。図１０の導光部材５０１は、本体部５０、入射領域５１、補助拡張領域５２及び出射拡張領域５３０を備える。ただし、図１０では、図示を簡略化するために、補助拡張領域５２を省略している。図１０の出射拡張領域５３０は、第１伝搬方向に伝搬する画像光Ｌ１Ｂを、第２伝搬方向に伝搬して本体部５０の第２面５０ｂから第２傾斜方向に出射する複数の画像光Ｌ２に、第１伝搬方向において分割するように構成される。図１０では、画像光Ｌ２の間に隙間があり、画像光Ｌ１の瞳の充填率が低い。

　図１１は、参考例２の導光部材５０２による画像光の回折の一例の説明図である。図１１の導光部材５０２は、図１０の導光部材５０１よりも入射領域５１のサイズが大きい。より詳細には、図１１の入射領域５１では、第１伝搬方向における入射領域５１の寸法Ｄ５１が、図１０の入射領域５１よりも大きい。これによって、画像光Ｌ１の瞳自体を大きくできる。よって、図１１の導光部材５０２は、図１０の導光部材５０１に比べて、画像光Ｌ２の間隔が狭くなり、画像光Ｌ１の瞳の充填率の向上が可能である。しかしながら、図１１のように入射領域５１のサイズが大きくなると、入射領域５１のためのスペースを確保する必要があることから、本体部５０のサイズも大きくする必要が生じる。また、広い画像光を出射する必要があるために表示素子２も大きくなる。結果として、光学系３のサイズ、ひいては画像表示装置１のサイズ自体も大きくなり、画像表示装置１のレイアウトが制限されるおそれもある。

　図１２は、参考例３の導光部材５０３による画像光の回折の一例の説明図である。図１２の導光部材５０３は、図１０の導光部材５０１よりも本体部５０の厚みＴが薄い。これによって、画像光Ｌ１Ｂが本体部５０の第１面５０ａ及び第２面５０ｂ間を往復する距離が短くなり、第１伝搬方向において画像光Ｌ１Ｂが本体部５０から取り出される間隔が狭くなる。よって、図１２の導光部材５０３は、図１０の導光部材５０１に比べて、画像光Ｌ２の間隔が狭くなり、画像光Ｌ１の瞳の充填率の向上が可能である。しかしながら、図１２のように本体部５０の厚みＴを薄くすると、導光部材５０３の材料加工の難易度の増加、導光部材５０３の強度の低下、導光部材５０３の振動に対する影響度の増加等、種々の課題が生じ得る。

　図１３は、参考例４の導光部材５０４による画像光の回折の一例の説明図である。図１３の導光部材５０４は、図１０の導光部材５０１よりも本体部５０の屈折率ｎが高い。これによって、画像光Ｌ１Ｂの伝搬角度が小さくなり、第１伝搬方向において画像光Ｌ１Ｂが本体部５０から取り出される間隔が狭くなる。よって、図１３の導光部材５０４は、図１０の導光部材５０１に比べて、画像光Ｌ２の間隔が狭くなり、画像光Ｌ１の瞳の充填率の向上が可能である。しかしながら、本体部５０に利用できる材料の屈折率は限られており、屈折率による充填率の向上には限界がある。

　本実施の形態において、導光部材５では、入射領域５１のサイズの変更、導光部材５の本体部５０の厚みＴの変更、導光部材５の本体部５０の屈折率ｎの変更といった従来の手法を採用しなくても、画像光Ｌ２の間隔が狭くでき、視野領域Ａｃにおける画像光Ｌ１の瞳の抜けの低減が可能となる。特に、入射領域５１のサイズの増加は、光学系３及び画像表示装置１の大型化につながる。導光部材５では、視野領域Ａｃにおける画像光Ｌ１の瞳の抜けの低減のために入射領域５１のサイズを大きくする必要がなく、入射領域５１のサイズを小さくできる。また、重複部位５３ａでは、画像光Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃが部分的に重なった状態となっているが、重複部位５３ａに入射する第１画像光Ｌ１１と第３画像光Ｌ１３との光路長差が、画像光Ｌ１のコヒーレンス長より長いため、画像光Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃの干渉が起こらず、虚像Ｉｖの画質の低下を低減できる。

　投射光学系６は、表示素子２から出力される画像を形成する画像光Ｌ１を投射する。これによって、投射光学系６は、表示素子２からの画像光Ｌ１を導光部材５に入射させる。図１に示すように、投射光学系６は、表示素子２と導光部材５との間にある。投射光学系６は、例えば、表示素子２からの画像光Ｌ１をコリメートして入射領域５１に入射させる。投射光学系６は、画像光Ｌ１を略コリメート光として入射領域５１に入射させる。投射光学系６は、例えば、両凸レンズである。

　上述したように、画像光Ｌ１は、実際は視野角に相当する角度を持つ光として光学系３に入射する。図３では、入射領域５１における画像光Ｌ１の照射領域Ａ１０は、第１寸法ａ１と、第２寸法ａ２とを有する。第１寸法ａ１は、第１伝搬方向（Ｙ軸の正方向）における照射領域Ａ１０の寸法である。第２寸法ａ２は、本体部５０の厚み方向と及び第１伝搬方向とにそれぞれ直交する方向（Ｘ軸の方向）における照射領域Ａ１０の寸法である。本実施の形態において、第１寸法ａ１は、第２寸法ａ１よりも小さい。つまり、画像光Ｌ１は、本体部５０の厚み方向及び第１伝搬方向に直交する方向（Ｘ軸の方向）に対応する方向（例えば、視野領域Ａｃの水平方向）よりも、第１伝搬方向に対応する方向（例えば、視野領域Ａｃの垂直方向）において、画角が小さい。これによって、第１寸法ａ１が第２寸法ａ２よりも大きい場合よりも、第１伝搬方向において画像光Ｌ１の瞳間の距離を小さくできる。そのため、視野領域Ａｃにおける画像光Ｌ１の瞳の抜けの低減を可能にしながら、入射領域５１のサイズを小さくできる。図３において、照射領域Ａ１０は、楕円形状であり、第１寸法ａ１は短径に対応し、第２寸法ａ２は長径に対応する。照射領域Ａ１０は楕円形状に限定されることはなく、第１寸法ａ１が、第２寸法ａ２より小さい矩形形状であってもよい。

　制御装置４は、半導体素子等で実現可能である。制御装置４は、例えば、マイコン、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＧＰＵ、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ、又はＡＳＩＣで構成することができる。制御装置４は、記憶装置４ａ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４ａは、制御装置４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４ａ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４ａには、虚像Ｉｖを表す複数の画像データが格納されている。制御装置４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。制御装置４は、決定した虚像Ｉｖの画像データを記憶装置４ａから読み出して、表示素子２に出力する。

　［１．２　実施例及び比較例］
　以下、導光部材５の実施例及び比較例について説明する。下記の実施例は、あくまでも導光部材５の実現可能な実施例の一部に過ぎない。

　下表１は、実施例１～６のパラメータを示す。下表２は、比較例１～６のパラメータを示す。表１及び表２のパラメータは、入射角（伝搬角度）θ_ｉ［°］、取り出し角（第２画像光Ｌ１２が本体部５０から出射する角度）θ_ｏ［°］、－１次伝搬角（第３角度）θ_ｐ［°］、出射拡張領域５３の回折構造の回折ピッチｄ［μｍ］、導光部材５の厚み（本体部５０の厚み）Ｔ［μｍ］、導光部材５の屈折率（本体部５０の屈折率）ｎ、画像光Ｌ１の中心波長λ［μｍ］、画像光Ｌ１の線幅Δλ［μｍ］、重複部位５３ａに入射したときの出射拡張領域５３内での第１画像光Ｌ１１の往復回数ｍ_１、重複部位５３ａに入射したときの出射拡張領域５３内での第３画像光Ｌ１３の往復回数ｍ_２である。

　下表３は、実施例１～６における画像光Ｌ１のコヒーレンス長Ｌｃ［μｍ］、及び、重複部位５３ａに入射する第１画像光Ｌ１１と第３画像光Ｌ１３との光路長差Ｌｄを示す。下表４は、比較例１～６における画像光Ｌ１のコヒーレンス長Ｌｃ［μｍ］、及び、重複部位５３ａに入射する第１画像光Ｌ１１と第３画像光Ｌ１３との光路長差Ｌｄを示す。

　以上述べたように、表３から、実施例１～６は、式（２）を満たしている。一方で、表４から、比較例１～６は、式（２）を満たしていない。そのため、比較例１～６では、実施例１～６に比べて、虚像Ｉｖの画質が低下し得る。

　実施例１と比較例１とを比較すると、線幅Δλが比較例１の０．０００１［μｍ］から実施例１の０．００３［μｍ］に変更されている。一例として、表示素子２で使用する光源を０．１ｎｍのシングルモードレーザから３．０ｎｍのマルチモードレーザに変更している。実施例２と比較例２とを比較すると、厚みＴが比較例２の５００［μｍ］から実施例２の１０００［μｍ］に変更されている。実施例３と比較例３とを比較すると、回折ピッチｄが比較例３の２．３３７［μｍ］から実施例３の１．８１７［μｍ］に、屈折率が比較例３の１．４から実施例３の１．８にそれぞれ変更されている。実施例３では、伝搬角度θ_ｉを維持しながら、式（２）を満たすことが可能となる。実施例４と比較例４とを比較すると、中心波長λが比較例４の０．７５［μｍ］から実施例４の０．６６［μｍ］に変更されている。実施例４では、画像光Ｌ１の色が変わるものの、干渉による画質の低下を低減できる。実施例５と比較例５とを比較すると、往復回数ｍ_１が比較例５の２から実施例５の３に変更されている。実施例５では、重複部位５３ａでの第１画像光Ｌ１１の往復回数を調整することによって、式（２）を満たし、干渉による画質の低下を低減できる。実施例６と比較例６とを比較すると、厚みＴが比較例６の１００［μｍ］から実施例６の１０００［μｍ］に変更されている。実施例６では、比較例６よりも本体部５０の厚みＴを１０倍にでき、導光部材５の材料加工の難易度の増加、導光部材５の強度の低下、導光部材５の振動に対する影響度の増加等、種々の課題が解決できる。

　［１．３　効果等］
　以上述べた光学系３は、表示素子２から出力される画像を形成する画像光Ｌ１をユーザＤの視野領域Ａｃに光学像（虚像Ｉｖ）として導く導光部材５を備える。導光部材５は、板状の本体部５０と、本体部５０に形成され、画像光Ｌ１が本体部５０内を伝搬するように画像光Ｌ１を本体部５０内に入射させる入射領域５１と、本体部５０に形成され、本体部５０の厚み方向に交差する第１伝搬方向に伝搬する画像光Ｌ１Ｂを、第１伝搬方向に交差する第２伝搬方向に伝搬する複数の画像光Ｌ２に、第１伝搬方向において分割して本体部５０から出射させる回折構造を有する出射拡張領域５３と、を備える。出射拡張領域５３は、出射拡張領域５３に入射した第１伝搬方向に伝搬する画像光Ｌ１Ｂ，Ｌ１１，Ｌ１３を、第１伝搬方向及び第２伝搬方向を含む所定平面Ｐ１において、第１画像光Ｌ１１と、第２画像光Ｌ１２と、第３画像光Ｌ１３とに分岐させる。第１画像光Ｌ１１は、所定平面Ｐ１において入射領域５１から出射拡張領域５３に伝搬する画像光Ｌ１Ｂの伝搬角度に等しい第１角度で出射拡張領域５３から出射して本体部５０内を伝搬する。第２画像光Ｌ１２は、第１角度と異なる第２角度で出射拡張領域５３から出射して本体部５０から出射する。第３画像光Ｌ１３は、第１角度及び第２角度と異なる第３角度で出射拡張領域５３から出射して本体部５０内を伝搬する。出射拡張領域５３は、第１画像光Ｌ１１と第３画像光Ｌ１３とが所定平面Ｐ１において部分的に重なった状態で入射する重複部位５３ａを含む。重複部位５３ａに入射する第１画像光Ｌ１１と第３画像光Ｌ１３との光路長差は、画像光Ｌ１のコヒーレンス長より長い。この構成は、視野領域Ａｃにおける画像光Ｌ１の瞳の抜けの低減を可能にしながら、入射領域５１のサイズを小さくできる。

　光学系３において、式（１）及び（２）を満たす。

　θ_ｉは、伝搬角度［°］であり、θ_ｏは、第２画像光Ｌ１２が本体部５０から出射する角度［°］であり、θ_ｐは、第３角度であり、ｎは、本体部５０の屈折率であり、Ｔは、本体部５０の厚み［μｍ］であり、ｍ_１は、重複部位５３ａに入射したときの出射拡張領域５３内での第１画像光Ｌ１１の往復回数であり、ｍ_２は、重複部位５３ａに入射したときの出射拡張領域５３内での第３画像光Ｌ１３の往復回数であり、λは、画像光Ｌ１の中心波長［μｍ］であり、Δλは、画像光Ｌ１の線幅［μｍ］である。この構成は、視野領域Ａｃにおける画像光Ｌ１の瞳の抜けの低減を可能にしながら、入射領域５１のサイズを小さくできる。

　光学系３において、伝搬角度の範囲がθ_ｉ０－θ_ｆ２以上θ_ｉ０＋θ_ｆ１以下である場合に、式（３）を満たす。

　ｄは、出射拡張領域５３の回折構造の回折ピッチ［μｍ］であり、ｎは、本体部５０の屈折率であり、λは、画像光Ｌ１の中心波長［μｍ］である。θ_ｉｏは、画像光Ｌ１の中心光線の伝搬角度［°］である。θ_ｆ１、θ_ｆ２は、正の値［°］である。この構成は、視野領域Ａｃにおける画像光Ｌ１の瞳の抜けの低減を可能にしながら、入射領域５１のサイズを小さくできる。

　光学系３において、出射拡張領域５３において画像光Ｌ１Ｂを第１画像光Ｌ１１と第２画像光Ｌ１２と第３画像光Ｌ１３とに分岐させる部位は、入射領域５１から出射拡張領域５３への画像光Ｌ１の光路上において出射拡張領域５３の入射領域５１側の端部に含まれる。この構成は、視野領域Ａｃにおける画像光Ｌ１の瞳の抜けの低減を可能にしながら、入射領域５１のサイズを小さくできる。

　光学系３において、出射拡張領域５３は、出射拡張領域５３内で任意の回数往復した第３画像光Ｌ１３を、第１画像光Ｌ１１と第２画像光Ｌ１２と第３画像光Ｌ１３とに分岐させる。この構成は、視野領域Ａｃにおける画像光Ｌ１の瞳の抜けの低減を可能にしながら、入射領域５１のサイズを小さくできる。

　光学系３において、入射領域５１における画像光Ｌ１の照射領域Ａ１０は、第１伝搬方向における第１寸法ａ１と、本体部５０の厚み方向と第１伝搬方向とにそれぞれ直交する方向における第２寸法ａ２とを有し、第１寸法ａ１は、第２寸法ａ２よりも小さい。この構成は、視野領域Ａｃにおける画像光Ｌ１の瞳の抜けの低減を可能にしながら、入射領域５１のサイズを小さくできる。

　光学系３において、導光部材５は、本体部５０に形成され、入射領域５１によって本体部５０内を所定方向に伝搬する画像光Ｌ１Ａを、第１伝搬方向に伝搬する複数の画像光Ｌ１Ｂに、所定方向において分割して出射拡張領域５３に向かわせる回折構造を有する補助拡張領域５２を、更に備える。この構成は、複数の異なる方向への瞳の拡張を可能にする。

　光学系３において、所定方向は、視野領域Ａｃの水平方向に対応し、第１伝搬方向は、視野領域Ａｃの垂直方向に対応する。この構成は、視野領域Ａｃの水平方向及び垂直方向への瞳の拡張を可能にする。

　光学系３において、導光部材５は、本体部５０から出射した画像光Ｌ２を光透過性部材（ウインドシールド１０１）で反射させることで視野領域Ａｃに光学像（虚像Ｉｖ）として導くように位置する。この構成は、ヘッドアップディスプレイとして利用できるようになる。

　光学系３において、本体部５０は、厚み方向の第１面５０ａ及び第２面５０ｂを有する。入射領域５１は、本体部５０の第１面５０ａに本体部５０の第１面５０ａの法線に対して傾斜した第１傾斜方向から入射する画像光Ｌ１を画像光Ｌ１が本体部５０内を伝搬するように本体部５０内に入射させる。出射拡張領域５３は、第２伝搬方向に伝搬する複数の画像光Ｌ１Ｃを本体部５０の第２面５０ｂから本体部５０の第２面５０ｂの法線に対して傾斜した第２傾斜方向に出射させる。この構成は、視野領域Ａｃにおける画像光Ｌ１の瞳の抜けの低減を可能にしながら、入射領域５１のサイズを小さくできる。

　光学系３において、第１傾斜方向と第２傾斜方向とは互いに平行である。この構成は、視野領域Ａｃにおける画像光Ｌ１の瞳の抜けの低減を可能にしながら、入射領域５１のサイズを小さくできる。

　光学系３において、出射拡張領域５３の回折構造は、本体部５０の内部に位置する体積ホログラム素子である。この構成は、出射拡張領域５３のサイズを容易に大きくできる。

　光学系３において、光学系３は、画像光Ｌ１を略コリメート光として導光部材５の入射領域５１に入射させる投射光学系６を、更に備える。この構成は、表示素子２からの画像光Ｌ１の利用効率を更に向上できる。

　以上述べた画像表示装置１は、光学系３と、表示素子２と、を備える。この構成は、視野領域Ａｃにおける画像光Ｌ１の瞳の抜けの低減を可能にしながら、入射領域５１のサイズを小さくできる。

　［２．変形例］
　本開示の実施の形態は、上記実施の形態に限定されない。上記実施の形態は、本開示の課題を達成できれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。以下に、上記実施の形態の変形例を列挙する。以下に説明する変形例は、適宜組み合わせて適用可能である。

　一変形例において、出射拡張領域５３の回折構造は、体積ホログラム素子（ホログラフィック回折格子）に限定されず、表面レリーフ型の回折格子であってもよい。表面レリーフ型の回折格子は、反射型であってよい。表面レリーフ型の回折格子は、導光部材５と同一材料に限定されず、異なる材料で形成されてもよい。例えば、導光部材５の材料はガラス、表面レリーフ型の回折格子の材料は、紫外線硬化樹脂であってよい。この場合、表面レリーフ型の回折格子をナノインプリント技術により形成できる。なお、出射拡張領域５３の屈折率は、出射拡張領域５３の回折構造が表面レリーフ型の回折格子である場合には、表面レリーフ型の回折格子を形成する材料の屈折率である。

　一変形例において、入射領域５１及び補助拡張領域５２の回折構造は、体積ホログラム素子（ホログラフィック回折格子）に限定されず、表面レリーフ型の回折格子であってよい。一変形例において、入射領域５１及び補助拡張領域５２は、ハーフミラーを有してよい。

　一変形例において、伝搬角度θ_ｉは、４２°以上、５０°以下である。第２画像光Ｌ１２が本体部５０から出射する角度θ_ｏは、２５°以上、６０°以下である。出射拡張領域５３の回折構造の回折ピッチｄは、３．０２×λ／ｎ以上、７．７１×λ／ｎ以下である。λは、画像光Ｌ１の中心波長である。ｎは、本体部５０の屈折率である。この構成は、視野領域Ａｃにおける画像光Ｌ１の瞳の抜けの低減を可能にしながら、入射領域５１のサイズを小さくできる。特に、ヘッドアップディスプレイとして利用する場合に、表示素子２からの画像光Ｌ１の利用効率を向上できる。

　一変形例において、導光部材５は、必ずしも、本体部５０から出射した画像光Ｌ２を光透過性部材（ウインドシールド１０１）で反射させることで視野領域Ａｃに光学像（虚像Ｉｖ）として導くように位置していなくてもよい。例えば、導光部材５は、視野領域Ａｃと一直線上に並ぶように位置してよい。つまり、導光部材５から視野領域Ａｃへの光学的な経路は、直線であってよい。

　一変形例において、投射光学系６は、単一の光学素子ではなく、複数の光学素子として、第１光学素子及び第２光学素子を備えてよい。第１光学素子は、例えば、負メニスカスレンズと両凸レンズを組み合わせた接合レンズであり、第２光学素子は、正メニスカスレンズと負メニスカスレンズを組み合わせた接合レンズである。なお、光学系３は、投射光学系６を備えていなくてもよい。

　一変形例において、投射光学系６と入射領域５１とは必ずしも一直線上に並んでいる必要はない。つまり、投射光学系６から入射領域５１への画像光Ｌ１の光路は、必ずしも直線であるとは限らない。例えば、投射光学系６からの画像光Ｌ１を反射板で反射させて入射領域５１に入射させてよい。この場合、投射光学系６から入射領域５１への画像光Ｌ１の光路は直線状ではなく、例えば、Ｌ字状となる。

　一変形例において、画像表示装置１は、画像光Ｌ１に含まれる光の波長にそれぞれ対応する複数の導光部材５を備えてよい。これによって、ユーザにカラー画像を提供することができる。

　一変形例において、画像表示装置１は、自動車に用いられるヘッドアップディスプレイに限らず、例えば、二輪車、電車、航空機、建設機械、及び船舶等、自動車以外の移動体にも適用可能である。さらに、画像表示装置１は、移動体に限らず、例えば、アミューズメント施設で用いられてもよいし、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ：Head Mounted Display）等のウェアラブル端末、医療設備、又は据置型の装置として用いられてもよい。

　また、上記の各実施形態では、光学像の一例として虚像Ｉｖを視認させる表示素子２及び光学系３を説明した。本実施形態において、表示素子２が視認させる光学像は虚像Ｉｖに限らず、例えば実像であってもよい。例えば、表示素子２は、上述と同様の瞳拡張型の光学系３により実像が、ウインドシールド１０１等の光透過性部材とユーザＤとの間に結像されるように構成されてもよい。このような実像の表示は、例えばアミューズメント用途において有用である。こうした実像を光学像として視認させる場合においても、上述した虚像Ｉｖの場合と同様に輝度ムラについて導光部材５中の偏光の影響が考えられる。本開示の表示素子２及び光学系３によると、上記各実施形態と同様に偏光状態の制御によって輝度ムラを抑制することにより、実像の画質の変動を抑制することができる。

　［３．態様］
　上記実施の形態及び変形例から明らかなように、本開示は、下記の態様を含む。以下では、実施の形態との対応関係を明示するためだけに、符号を括弧付きで付している。

　第１の態様は、光学系（３）であって、表示素子（２）から出力される画像を形成する画像光（Ｌ１）をユーザ（Ｄ）の視野領域（Ａｃ）に光学像（虚像Ｉｖ）として導く導光部材（５）を備える。前記導光部材（５）は、板状の本体部（５０）と、前記本体部（５０）に形成され、前記画像光（Ｌ１）が前記本体部（５０）内を伝搬するように前記画像光（Ｌ１）を前記本体部（５０）内に入射させる入射領域（５１）と、前記本体部（５０）に形成され、前記本体部（５０）の厚み方向に交差する第１伝搬方向に伝搬する画像光（Ｌ１Ｂ）を、前記第１伝搬方向に交差する第２伝搬方向に伝搬する複数の画像光（Ｌ２）に、前記第１伝搬方向において分割して前記本体部（５０）から出射させる回折構造を有する出射拡張領域（５３）と、を備える。前記出射拡張領域（５３）は、前記出射拡張領域（５３）に入射した前記第１伝搬方向に伝搬する画像光（Ｌ１Ｂ，Ｌ１１，Ｌ１３）を、前記第１伝搬方向及び前記第２伝搬方向を含む所定平面（Ｐ１）において、第１画像光（Ｌ１１）と、第２画像光（Ｌ１２）と、第３画像光（Ｌ１３）とに分岐させる。前記第１画像光（Ｌ１１）は、前記所定平面（Ｐ１）において前記入射領域（５１）から前記出射拡張領域（５３）に伝搬する画像光（Ｌ１Ｂ）の伝搬角度に等しい第１角度で前記出射拡張領域（５３）から出射して前記本体部（５０）内を伝搬する。前記第２画像光（Ｌ１２）は、前記第１角度と異なる第２角度で前記出射拡張領域（５３）から出射して前記本体部（５０）から出射する。前記第３画像光（Ｌ１３）は、前記第１角度及び前記第２角度と異なる第３角度で前記出射拡張領域（５３）から出射して前記本体部（５０）内を伝搬する。前記出射拡張領域（５３）は、前記第１画像光（Ｌ１１）と前記第３画像光（Ｌ１３）とが前記所定平面（Ｐ１）において部分的に重なった状態で入射する重複部位（５３ａ）を含む。前記重複部位（５３ａ）に入射する前記第１画像光（Ｌ１１）と前記第３画像光（Ｌ１３）との光路長差は、前記画像光（Ｌ１）のコヒーレンス長より長い。この態様は、視野領域（Ａｃ）における画像光（Ｌ１）の瞳の充填率を向上でき、入射領域（５１）のサイズを小さくできる。

　第２の態様は、第１の態様に基づく光学系（３）である。この態様において、式（１）及び（２）を満たす。

　θ_ｉは、前記伝搬角度［°］であり、θ_ｏは、前記第２画像光（Ｌ１２）が前記本体部（５０）から出射する角度［°］であり、θ_ｐは、前記第３角度であり、ｎは、前記本体部（５０）の屈折率であり、Ｔは、前記本体部（５０）の厚み［μｍ］であり、ｍ_１は、前記重複部位（５３ａ）に入射したときの前記出射拡張領域（５３）内での前記第１画像光（Ｌ１１）の往復回数であり、ｍ_２は、前記重複部位（５３ａ）に入射したときの前記出射拡張領域（５３）内での前記第３画像光（Ｌ１３）の往復回数であり、λは、前記画像光（Ｌ１）の中心波長［μｍ］であり、Δλは、前記画像光（Ｌ１）の線幅［μｍ］である。この態様は、視野領域（Ａｃ）における画像光（Ｌ１）の瞳の充填率を向上でき、入射領域（５１）のサイズを小さくできる。

　第３の態様は、第１又は第２の態様に基づく光学系（３）である。この態様において、前記伝搬角度の範囲がθ_ｉ０－θ_ｆ２以上θ_ｉ０＋θ_ｆ１以下である場合に、式（３）を満たす。

　ｄは、前記出射拡張領域（５３）の前記回折構造の回折ピッチ［μｍ］であり、ｎは、前記本体部（５０）の屈折率であり、λは、前記画像光（Ｌ１）の中心波長［μｍ］である。θ_ｉｏは、前記画像光（Ｌ１）の中心光線の伝搬角度［°］である。θ_ｆ１、θ_ｆ２は、正の値［°］である。この態様は、視野領域（Ａｃ）における画像光（Ｌ１）の瞳の充填率を向上でき、入射領域（５１）のサイズを小さくできる。

　第４の態様は、第１～第３の態様のいずれか一つに基づく光学系（３）である。この態様において、前記出射拡張領域（５３）において前記第１画像光（Ｌ１１）と前記第２画像光（Ｌ１２）と前記第３画像光（Ｌ１３）とに分岐させる部位は、前記入射領域（５１）から前記出射拡張領域（５３）への前記画像光（Ｌ１）の光路上において前記出射拡張領域（５３）の前記入射領域（５１）側の端部に含まれる。この態様は、視野領域（Ａｃ）における画像光（Ｌ１）の瞳の充填率を向上でき、入射領域（５１）のサイズを小さくできる。

　第５の態様は、第４の態様に基づく光学系（３）である。この態様において、前記出射拡張領域（５３）は、前記出射拡張領域（５３）内で任意の回数往復した前記第３画像光（Ｌ１３）を、前記第１画像光（Ｌ１１）と前記第２画像光（Ｌ１２）と前記第３画像光（Ｌ１３）とに分岐させる。この態様は、視野領域（Ａｃ）における画像光（Ｌ１）の瞳の充填率を向上でき、入射領域（５１）のサイズを小さくできる。

　第６の態様は、第１～第５の態様のいずれか一つに基づく光学系（３）である。この態様において、前記入射領域（５１）における前記画像光（Ｌ１）の照射領域（Ａ１０）は、前記第１伝搬方向における第１寸法（ａ１）と、前記本体部（５０）の厚み方向と前記第１伝搬方向とにそれぞれ直交する方向における第２寸法（ａ２）とを有し、前記第１寸法（ａ１）は、前記第２寸法（ａ２）よりも小さい。この態様は、視野領域（Ａｃ）における画像光（Ｌ１）の瞳の充填率を向上でき、入射領域（５１）のサイズを小さくできる。

　第７の態様は、第１～第６の態様のいずれか一つに基づく光学系（３）である。この態様において、前記導光部材（５）は、前記本体部（５０）に形成され、前記入射領域（５１）によって前記本体部（５０）内を所定方向に伝搬する前記画像光（Ｌ１Ａ）を、前記第１伝搬方向に伝搬する複数の画像光（Ｌ１Ｂ）に、前記所定方向において分割して前記出射拡張領域（５３）に向かわせる回折構造を有する補助拡張領域（５２）を、更に備える。この態様は、複数の異なる方向への瞳の拡張を可能にする。

　第８の態様は、第７の態様に基づく光学系（３）である。この態様において、前記所定方向は、前記視野領域（Ａｃ）の水平方向に対応し、前記第１伝搬方向は、前記視野領域（Ａｃ）の垂直方向に対応する。この態様は、視野領域（Ａｃ）の水平方向及び垂直方向への瞳の拡張を可能にする。

　第９の態様は、第１～第８の態様のいずれか一つに基づく光学系（３）である。この態様において、前記導光部材（５）は、前記本体部（５０）から出射した前記画像光（Ｌ２）を光透過性部材（ウインドシールド１０１）で反射させることで前記視野領域（Ａｃ）に前記光学像（虚像Ｉｖ）として導くように位置する。この態様は、ヘッドアップディスプレイとして利用できるようになる。

　第１０の態様は、第９の態様に基づく光学系（３）である。この態様において、前記本体部（５０）は、厚み方向の第１面（５０ａ）及び第２面（５０ｂ）を有する。前記入射領域（５１）は、前記本体部（５０）の第１面（５０ａ）に前記本体部（５０）の第１面（５０ａ）の法線に対して傾斜した第１傾斜方向から入射する前記画像光（Ｌ１）を前記画像光（Ｌ１）が前記本体部（５０）内を伝搬するように前記本体部（５０）内に入射させる。前記出射拡張領域（５３）は、前記第２伝搬方向に伝搬する前記複数の画像光（Ｌ１Ｃ）を前記本体部（５０）の第２面（５０ｂ）から前記本体部（５０）の第２面（５０ｂ）の法線に対して傾斜した第２傾斜方向に出射させる。この態様は、視野領域（Ａｃ）における画像光（Ｌ１）の瞳の充填率を向上でき、入射領域（５１）のサイズを小さくできる。

　第１１の態様は、第１０の態様に基づく光学系（３）である。この態様において、前記第１傾斜方向と前記第２傾斜方向とは互いに平行である。この態様は、視野領域（Ａｃ）における画像光（Ｌ１）の瞳の充填率を向上でき、入射領域（５１）のサイズを小さくできる。

　第１２の態様は、第９～第１１の態様のいずれか一つに基づく光学系（３）である。この態様において、前記伝搬角度は、４２°以上、５０°以下である。前記第２画像光（Ｌ１２）が前記本体部（５０）から出射する角度は、２５°以上、６０°以下である。前記出射拡張領域（５３）の前記回折構造の回折ピッチは、３．０２×λ／ｎ以上、７．７１×λ／ｎ以下である。λは、前記画像光（Ｌ１）の中心波長である。ｎは、前記本体部（５０）の屈折率である。この態様は、視野領域（Ａｃ）における画像光（Ｌ１）の瞳の充填率を向上でき、入射領域（５１）のサイズを小さくできる。

　第１３の態様は、第１～第１２の態様のいずれか一つに基づく光学系（３）である。この態様において、前記出射拡張領域（５３）の前記回折構造は、前記本体部（５０）の内部に位置する体積ホログラム素子である。この態様は、出射拡張領域（５３）のサイズを容易に大きくできる。

　第１４の態様は、第１～第１３の態様のいずれか一つに基づく光学系（３）である。この態様において、前記光学系（３）は、前記画像光（Ｌ１）を略コリメート光として前記導光部材（５）の前記入射領域（５１）に入射させる投射光学系（６）を、更に備える。この態様は、表示素子（２）からの画像光（Ｌ１）の利用効率を更に向上できる。

　第１５の態様は、画像表示装置（１）であって、第１～第１４の態様のいずれか一つに基づく光学系（３）と、前記表示素子（２）と、を備える。この態様は、視野領域（Ａｃ）における画像光（Ｌ１）の瞳の充填率を向上でき、入射領域（５１）のサイズを小さくできる。

　上記の第２～第１４の態様は必須ではない。

　以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面及び詳細な説明を提供した。従って、添付図面及び詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略等を行うことができる。

　本開示は、光学系及び画像表示装置に適用可能である。具体的には、表示素子からの画像光をユーザの視野領域に光学像として導くための光学系、及び、この光学系を備える画像表示装置に、本開示は適用可能である。

　　１　画像表示装置
　　２　表示素子
　　３　光学系
　　５　導光部材
　　５０　本体部
　　５０ａ　第１面
　　５０ｂ　第２面
　　５１　入射領域
　　５２　補助拡張領域
　　５３　出射拡張領域
　　６　投射光学系
　　１００　移動体
　　１０１　ウインドシールド（光透過性部材）
　　Ａｃ　視野領域
　　Ｄ　ユーザ
　　Ｉｖ　虚像（光学像）
　　Ｌ１，Ｌ１Ａ，Ｌ１Ｂ，Ｌ１Ｃ，Ｌ２　画像光
　　Ｌ１１　第１画像光
　　Ｌ１２　第２画像光
　　Ｌ１３　第３画像光
　　Ｐ１　所定平面

Claims

　表示素子から出力される画像を形成する画像光をユーザの視野領域に光学像として導く導光部材を備え、
　前記導光部材は、
　　板状の本体部と、
　　前記本体部に形成され、前記画像光が前記本体部内を伝搬するように前記画像光を前記本体部内に入射させる入射領域と、
　前記本体部に形成され、前記本体部の厚み方向に交差する第１伝搬方向に伝搬する画像光を、前記第１伝搬方向に交差する第２伝搬方向に伝搬する複数の画像光に、前記第１伝搬方向において分割して前記本体部から出射させる回折構造を有する出射拡張領域と、
　を備え、
　前記出射拡張領域は、前記出射拡張領域に入射した前記第１伝搬方向に伝搬する画像光を、前記第１伝搬方向及び前記第２伝搬方向を含む所定平面において、第１画像光と、第２画像光と、第３画像光とに分岐させ、
　前記第１画像光は、前記所定平面において前記入射領域から前記出射拡張領域に伝搬する画像光の伝搬角度に等しい第１角度で前記出射拡張領域から出射して前記本体部内を伝搬し、
　前記第２画像光は、前記第１角度と異なる第２角度で前記出射拡張領域から出射して前記本体部から出射し、
　前記第３画像光は、前記第１角度及び前記第２角度と異なる第３角度で前記出射拡張領域から出射して前記本体部内を伝搬し、
　前記出射拡張領域は、前記第１画像光と前記第３画像光とが前記所定平面において部分的に重なった状態で入射する重複部位を含み、
　前記重複部位に入射する前記第１画像光と前記第３画像光との光路長差は、前記画像光のコヒーレンス長より長い、
　光学系。
　式（１）及び（２）を満たし、

　θ_ｉは、前記伝搬角度［°］であり、
　θ_ｏは、前記第２画像光が前記本体部から出射する角度［°］であり、
　θ_ｐは、前記第３角度であり、
　ｎは、前記本体部の屈折率であり、
　Ｔは、前記本体部の厚み［μｍ］であり、
　ｍ_１は、前記重複部位に入射したときの前記出射拡張領域内での前記第１画像光の往復回数であり、
　ｍ_２は、前記重複部位に入射したときの前記出射拡張領域内での前記第３画像光の往復回数であり、
　λは、前記画像光の中心波長［μｍ］であり、
　Δλは、前記画像光の線幅［μｍ］である、
　請求項１に記載の光学系。
　前記伝搬角度の範囲がθ_ｉ０－θ_ｆ２以上θ_ｉ０＋θ_ｆ１以下である場合に、式（３）を満たし、

　ｄは、前記出射拡張領域の前記回折構造の回折ピッチ［μｍ］であり、
　ｎは、前記本体部の屈折率であり、
　λは、前記画像光の中心波長［μｍ］であり、
　θ_ｉｏは、前記画像光の中心光線の伝搬角度［°］であり、
　θ_ｆ１及びθ_ｆ２は、正の値［°］である、
　請求項１又は２に記載の光学系。
　前記出射拡張領域において前記画像光を、前記第１画像光と前記第２画像光と前記第３画像光とに分岐させる部位は、少なくとも前記入射領域から前記出射拡張領域への前記画像光の光路上において前記出射拡張領域の前記入射領域側の端部に含まれる、
　請求項１又は２に記載の光学系。
　前記出射拡張領域は、前記出射拡張領域内で任意の回数往復した前記第３画像光を、前記第１画像光と前記第２画像光と前記第３画像光とに分岐させる、
　請求項４に記載の光学系。
　前記入射領域における前記画像光の照射領域は、
　　前記第１伝搬方向における第１寸法と、
　　前記本体部の厚み方向と前記第１伝搬方向とにそれぞれ直交する方向における第２寸法とを有し、
　前記第１寸法は、第２寸法よりも小さい、
　請求項１又は２に記載の光学系。
　前記本体部に形成され、前記入射領域によって前記本体部内を所定方向に伝搬する前記画像光を、前記第１伝搬方向に伝搬する複数の画像光に、前記所定方向において分割して前記出射拡張領域に向かわせる回折構造を有する補助拡張領域を、更に備える、
　請求項１又は２に記載の光学系。
　前記所定方向は、前記視野領域の水平方向に対応し、
　前記第１伝搬方向は、前記視野領域の垂直方向に対応する、
　請求項７に記載の光学系。
　前記導光部材は、前記本体部から出射した前記画像光を光透過性部材で反射させることで前記視野領域に前記光学像として導くように位置する、
　請求項１又は２に記載の光学系。
　前記本体部は、厚み方向の第１面及び第２面を有し、
　前記入射領域は、前記本体部の第１面に前記本体部の第１面の法線に対して傾斜した第１傾斜方向から入射する前記画像光を前記画像光が前記本体部内を伝搬するように前記本体部内に入射させ、
　前記出射拡張領域は、前記第２伝搬方向に伝搬する前記複数の画像光を前記本体部の第２面から前記本体部の第２面の法線に対して傾斜した第２傾斜方向に出射させる、
　請求項９に記載の光学系。
　前記第１傾斜方向と前記第２傾斜方向とは互いに平行である、
　請求項１０に記載の光学系。
　前記伝搬角度は、４２°以上、５０°以下であり、
　前記第２画像光が前記本体部から出射する角度は、２５°以上、６０°以下であり、
　前記出射拡張領域の前記回折構造の回折ピッチは、３．０２×λ／ｎ以上、７．７１×λ／ｎ以下であり、
　λは、前記画像光の中心波長であり、
　ｎは、前記本体部の屈折率である、
　請求項９に記載の光学系。
　前記出射拡張領域の前記回折構造は、前記本体部の内部に位置する体積ホログラム素子である、
　請求項１又は２に記載の光学系。
　前記画像光を略コリメート光として前記導光部材の前記入射領域に入射させる投射光学系を、更に備える、
　請求項１又は２に記載の光学系。
　請求項１又は２に記載の光学系と、
　前記表示素子と、
　を備える、
　画像表示装置。