JP2017058388A - 虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回折素子を利用して映像光（画像光）を取り出すにあたって、輝度斑を低減させて高品質な映像を視認させることを可能にする虚像表示装置を提供すること。
【解決手段】照明装置３１を構成する発光装置ＲＲにおいて、映像光となるべき光として同系色の波長帯域内の光であって近接して波長の異なるものを複数の発光部Ｒ１〜Ｒ３からそれぞれ発することで、当該波長帯域の光としてトップハット型の波長分布を有するブロードな光を発生させ、第１及び第２ホログラム素子２１，２３での入射角度に対応して定まる選択波長帯域の全体での波長分布よりも広い帯域となるようにする。これにより、ホログラム素子２１，２３での作用において回折効率を入射角度（すなわち画角）に依らずほぼ均一にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば映像表示装置によって形成された映像を観察者に提示する虚像表示装置に関する。

観察者の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも言う）等の虚像表示装置として様々なものが提案されており、特にホログラムを利用して映像を提供するものがある（例えば、特許文献１等参照）。

このようなホログラムを利用する虚像表示装置の場合、光の回折及び干渉を利用するため、映像光となるべき光（照明光）の各入射角度（映像光の画角に相当する）に対して選択波長帯域が狭く、かつ、回折効率が最も高くなるピーク波長の値が入射角度によって異なるため、入射角度によって波長分布も異なっている、という特性を持つ。言い換えると、ホログラム素子は、一般に高い波長選択性及び角度選択性を有する。これによって生じ得る種々の問題の解決策と対して、例えば観察者の瞳がずれた場合に、ホログラムの特性に起因して映像が急激に暗くなることを抑制すべく、観察者の瞳の位置として想定される射出瞳を大きくしたり、射出瞳の位置を合わせやすくしたりするために、異なる波長帯域の光に対する作用を調整したホログラムを作製（露光）するものが知られている（特許文献１、２参照）。

しかしながら、上記特許文献１、２の場合、各波長帯域の光ごとに作用を変えて射出瞳での位置をわずかずつずらして拡げている。この場合、例えばカラー画像の形成において色斑を抑えつつ画角その他の画質を維持した所望のものとするためには、ホログラムの作製や露光時の光の波長と再生時の光の波長との関係の厳密性等について、多くの制限や困難性が生じ得ると考えられる。

また、一般に、照明光をホログラム素子により偏向させるにあたって、当該照明光を発生させるために適用する光源に固有の波長特性によっては、得られる光（再生光すなわち映像光）が強度について大きな効率分布を持つようになってしまい、輝度斑が発生してしまう可能性がある。特に画角を広くしようとすると、視認されるべき映像のうち周辺側が暗くなるおそれが高まる。

特開２００４−３３３７１４号公報 特開２００９−１５７０２６号公報

本発明は、例えばホログラム素子等を含む回折素子を利用して映像光（画像光）を取り出すにあたって、輝度斑を低減させて高品質な映像を視認させることを可能にする虚像表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る虚像表示装置は、映像光となるべき光を発光する発光装置と、発光装置からの光を偏向して取り出すための回折素子とを備え、発光装置は、互いに異なる波長帯域のうちの一の波長帯域内の光であって近接した異なる波長の光をそれぞれ発光する複数の発光部を含み、回折素子での入射角度に対する選択波長帯域全体の波長分布よりも広い帯域の光を発光する。

上記虚像表示装置では、発光装置において、映像光となるべき光（ホログラム素子に入射させる照明光）として、一の波長帯域内、すなわち同系色の波長帯域内において、近接しているが波長の異なる光をそれぞれ発する複数の発光部を有することにより、発光装置全体としては、一の波長帯域の光として、例えばトップハット型の波長分布を有するブロードな光を発生させることができる。この際に、上記虚像表示装置では、発光装置により発せられる光の波長分布に関して、回折素子での各入射角度に対応して定まる選択波長帯域の全体での波長分布よりも広い帯域となるようにすることで、ホログラム素子等で構成される回折素子での作用において、各入射角度の回折効率をほぼ均一になるようにし、映像として視認されるべき範囲（虚像としての画像面内に相当）の全体について輝度斑を確実に低減させることが可能になる。

本発明の具体的な側面では、発光装置において、互いに異なる波長帯域には、赤色、緑色及び青色の３つの波長帯域が含まれる。

本発明の別の側面では、回折素子は、ホログラム素子を含む。この場合、ホログラム素子を利用して視認させるべき映像光の取出しが可能となる。

本発明のさらに別の側面では、発光装置は、赤色、緑色及び青色の３つの波長帯域の全て波長帯域の光を発光する。この場合、カラーの映像光を視認させることができる。

本発明のさらに別の側面では、発光装置において、複数の発光部は、ＬＥＤ光源、有機ＥＬ光源、またはレーザー光源を発光素子として含む。この場合、各種光源を利用して、複数の発光部において、同系色の波長帯域として十分に広い波長帯域が含まれるようにできる。

本発明のさらに別の側面では、発光装置は、複数の発光部を構成する各発光素子として異なるピーク波長を発生させるマルチモードタイプのレーザー光源を含む。この場合、マルチモードタイプのレーザー光源を用いることで十分に広い波長帯域が確保される。

本発明のさらに別の側面では、発光装置は、青色光源と、蛍光体とを含む。この場合、青色光源と蛍光体とを組み合わせることで、カラーの光源の形成が可能となる。

本発明のさらに別の側面では、発光装置からの光を均一化する光結合部材をさらに備える。この場合、光結合部材により、例えば波長の異なる光を十分に均一化した状態にして射出させられる。

本発明のさらに別の側面では、光結合部材は、拡散素子、ロッドインテグレータ、または合波器である。この場合、拡散素子、ロッドインテグレータ、または合波器により、例えば光源の特性に応じて適した光の均一化を行うことができる。

本発明のさらに別の側面では、発光装置は、複数の発光部を構成する発光素子として、複数の領域に分割して設けられた各画素から異なる波長帯域の光をそれぞれ発生する有機ＥＬ光源を含む。この場合、有機ＥＬ光源を利用して複数の領域に分割した各画素から異なる波長帯域の光を発生させることで、同系色の波長帯域として十分に広い波長帯域が含まれるようにできる。

本発明のさらに別の側面では、回折素子が設けられ、発光装置からの光を回折素子に導光する導光部材をさらに備える。この場合、導光部材により光の導光を行うことができる。

本発明のさらに別の側面では、発光装置からの光を反射して被照射領域に向けて照射するＭＥＭＳミラーをさらに備える。この場合、ＭＥＭＳミラーにより光の導光を行うことができる。

本発明のさらに別の側面では、発光装置において、複数の発光部は、近接した異なる波長の光について隣接するピーク波長の差を、１０ｎｍ以上３０ｎｍ以内としている。この場合、合成した時にトップハット形状を維持し、かつ、近接した異なる波長の光が、同系色の波長帯域として十分に広い波長帯域のものとなる。

本発明のさらに別の側面では、発光装置における発光状態を制御してホワイトバランスを調整するための画像処理を行う画像処理部をさらに備える。この場合、例えば映画鑑賞といった特に質の高い良好な画像の提供に対応可能になる。

本発明のさらに別の側面では、発光装置を構成する複数の発光部のうち、回折素子の特性に対して最も輝度の高くなる発光素子のみを用いるモードに変更するモード変更部をさらに備える。この場合、十分な輝度の画像の提供が可能になる。

第１実施形態に係る虚像表示装置を示す平面図である。 虚像表示装置のうち発光装置を含む映像素子の構成を概念的に示す斜視図である。 発光装置の発光特性について説明するためのグラフである。 （Ａ）〜（Ｃ）は、ホログラム素子における入射角度ごとの選択波長分布の特性と発光装置の発光特性との関係を説明するためのグラフである。 （Ａ）及び（Ｂ）は、比較例の発光装置の発光特性について示すグラフである。 発光装置を含む映像素子の一変形例の構成を概念的に示す斜視図である。 （Ａ）は、第２実施形態に係る虚像表示装置を構成する発光装置について説明するための図であり、（Ｂ）は、一変形例を示す図である。 第３実施形態に係る虚像表示装置について説明するための図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、発光装置の発光特性について説明するためのグラフである。 照明装置（発光装置）の他の一例について示す図である。 虚像表示装置の他の一例について示す平面図である。 虚像表示装置の別の他の一例について概念的に示す平面図である。

〔第１実施形態〕
以下、図１等を参照して、本発明の第１実施形態に係る本実施形態に係る虚像表示装置１００について説明する。

虚像表示装置１００は、観察者に虚像による映像光（画像光）を認識させるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させるものであり、映像表示装置（映像素子）１０と、投射光学系である投射レンズ４０と、導光装置２０とを一組として備え、また、制御部８０を備える。これらのうち、映像表示装置１０、投射レンズ４０及び導光装置２０は、通常観察者の右眼および左眼に対応して一組ずつ設けられるが、右眼用と左眼用とでは左右対称であるので、ここでは左眼用のみを示し、右眼用については図示を省略している。なお、虚像表示装置１００は、全体としては、例えば一般の眼鏡のような外観（不図示）を有するものとなっている。

映像表示装置１０は、２次元的な照明光を射出する照明装置３１（バックライト光源）と、透過型の空間光変調装置である液晶表示デバイス３２とを有する。照明装置３１は、映像光となるべき光を発光する発光装置ＲＲと、照明装置３１からの光を拡散させることで均一化する板状の光結合部材である拡散素子（光拡散板）ＤＰとを有する。ここでは特に、発光装置ＲＲは、複数の発光部Ｒ１〜Ｒ３を備えるものとなっている。発光部Ｒ１〜Ｒ３は、ＬＥＤ光源で構成される発光素子であり、互いに近接しているが異なる波長帯域の光をそれぞれ発光する。見方を変えると、発光装置ＲＲは、ＬＥＤ光源による複数の発光素子で構成されていることになる。拡散素子ＤＰは、各発光部Ｒ１〜Ｒ３から射出された各成分を均一化して（よく混ぜ合わせて）液晶表示デバイス３２を照射するバックライトとなる照明光を形成し、液晶表示デバイス３２に向けて射出する。液晶表示デバイス３２は、照明装置３１からの照明光を空間的に変調して動画像等の表示対象となるべき映像光ＧＬを形成する。

投射レンズ４０は、映像表示装置１０の液晶表示デバイス３２上の射出面３２ａの各点から射出された映像光ＧＬを平行状態の光束にするコリメートレンズである。

導光装置２０は、映像光ＧＬを取り込んで導くとともに観察者に射出させるための部材であり、全体として一方に延びる平板状の外形を有している。導光装置２０は、光束全体としての映像光ＧＬを平板の延びるＺ方向に導く。ここでは、このＺ方向を導光方向と呼ぶものとする。導光装置２０は、本体部分である導光部材としての光透過性の板状部材ＰＬと、板状部材ＰＬの面上に貼り付けることで構成されるシート状の第１ホログラム素子２１及び第２ホログラム素子２３とを有して形成されるものである。

第１ホログラム素子２１及び第２ホログラム素子２３は、例えば、フォトポリマー材料等で作製されるフィルム状の部材であり、回折及び干渉の作用により入射した光のうち特定成分について偏向させて視認させるべき映像光ＧＬの成分を導光装置２０から取り出すための偏向素子である。また、その機能的側面から、第１ホログラム素子２１及び第２ホログラム素子２３は、回折素子、さらには干渉型の素子でもあると言える。図示のように、第１ホログラム素子２１は、光入射側に設けられる一方、第２ホログラム素子２３は、光射出側に設けられているが、第１ホログラム素子２１及び第２ホログラム素子２３は、一対の部材であり両者での回折作用等が協働することで光路の調整を行い、映像表示装置１０から導光装置２０に入射した光を観察者に視認可能な虚像として取り出す作用を示すものとなっている。

以下、導光装置２０の構造について光学部材としての機能的側面から説明する。導光装置２０は、光学的な機能を有する部分として、光入射部Ｄ１と、導光部Ｄ２と、光射出部Ｄ３とを備える。光入射部Ｄ１は、光入射面ＩＦと第１ホログラム素子２１とを有し、映像表示装置１０からの映像光ＧＬを光入射面ＩＦから取り込むとともに、取り込んだ映像光ＧＬを導光部Ｄ２に向けて折り曲げるように第１ホログラム素子２１を作用させる。導光部Ｄ２は、板状部材ＰＬの主要部である全反射面形成部２２を有し、光入射部Ｄ１で取り込まれた映像光ＧＬを光射出部Ｄ３に向けて伝播させる。より具体的には、全反射面形成部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて全反射を繰り返させることで、導光部Ｄ２が光束全体として導く方向である導光方向（Ｚ方向）について高効率に映像光ＧＬの導光を行う。光射出部Ｄ３は、画像取出部（あるいは角度変換部）である第２ホログラム素子２３と光射出面ＯＦとを有し、導光部Ｄ２で導光方向に伝播された映像光ＧＬの角度変換を第２ホログラム素子２３での作用により行い光射出面ＯＦから映像光ＧＬを射出させる。見方を変えると、導光部材である板状部材ＰＬは、回折素子である第１及び第２ホログラム素子２１，２３が貼り付けられることで、第１及び第２ホログラム素子２１，２３と協働して照明装置３１からの光を導光している。

ここで、以上のように第１及び第２ホログラム素子２１，２３での回折及び干渉を利用して画像の取出しを行う場合、ホログラム素子の波長選択性及び角度選択性を考慮する必要がある。一般に、ホログラム素子は、高い波長選択性及び角度選択性を示し、例えば上記の構成では、映像光の画角に相当するホログラム素子への光の入射角度に対する選択波長帯域は狭く、かつ、入射角度によって回折効率がピークになる波長が異なる（すなわち回折効率の波長分布が異なる）という性質がある。このため、画像位置によって回折効率が下がり暗くなってしまうところが存在してしまうというおそれがある。また、このような差異についての度合いは、例えば光源の種類による製造誤差や、ホログラム素子作製（露光）時に用いる装置の精度、また、ホログラムの設計上において要求される精度等の違いによって様々にことなってくる。これに対して、本実施形態では、近接して異なる波長帯域の光をそれぞれ発光する複数の発光部Ｒ１〜Ｒ３を備えることで、十分に広いピーク範囲を有する光を形成し、例えば入射角度によって回折効率のピークが異なる、さらにはこれらの間についても製造誤差が生じることがあるといったことへの対応を可能としている。

制御部８０は、例えばＣＰＵや記憶装置、あるいは回路基板等により構成され、上記光学系による画像形成を行うために映像表示装置１０の駆動に関する各種処理（画像信号の変換処理やパネルの調光や光の強度調整等）を行う。ここでは一例として、制御部８０は、例えば、ガンマ補正等を含む表示画像に関する各種画像処理（信号の変換処理等）を行う画像処理部８１や、液晶表示デバイス３２を駆動させるためのパネル駆動部８２、照明装置３１を駆動させるための光源駆動部８３、さらには、視認させるべき画像のデータを格納する画像データ記憶部８４等を備える。制御部８０は、パネル駆動部８２や光源駆動部８３により映像表示装置１０の映像光ＧＬを生じさせるための各種動作を行う。また、その前提として、映像表示装置１０の光源特性に応じた画像処理を画像処理部８１において行っている。

以下、図２を参照して、映像表示装置１０の構造のうち、主に発光装置ＲＲについて詳細に説明する。既述のように、また、図２に示すように、本実施形態の発光装置ＲＲは、複数の発光部Ｒ１〜Ｒ３を有している。また、複数の発光部Ｒ１〜Ｒ３は、ＬＥＤ光源でそれぞれ構成される複数の発光素子である。したがって、複数の発光部Ｒ１〜Ｒ３を複数の発光素子Ｓ１〜Ｓ３とみることもできる。ここでは説明を簡単にするために、一例として、複数の発光部Ｒ１〜Ｒ３（あるいは複数の発光素子Ｓ１〜Ｓ３）を、赤色、緑色及び青色の３つの波長帯域のうちの赤色の波長帯域内の光であって近接した異なる波長の光をそれぞれ発光するものとする。より具体的には、第１発光部Ｒ１（Ｓ１）は、６１３ｎｍをピーク波長とするＬＥＤ光源であり、第２発光部Ｒ２（Ｓ２）は、６３０ｎｍをピーク波長とするＬＥＤ光源であり、第３発光部Ｒ３（Ｓ３）は、６４７ｎｍをピーク波長とするＬＥＤ光源であるものとする。これらは、略同一の強度の光を発するように（例えば制御部８０により）調整されているものとする。

図３は、上記した各発光部Ｒ１〜Ｒ３（発光素子Ｓ１〜Ｓ３）で発生する光について波長分布を概念的に示すグラフ、すなわち発光装置ＲＲの発光特性について示すグラフである。なお、グラフの横軸は、波長（単位：ｎｍ）を示し、縦軸は光の強度を示している。図３において、曲線Ｒｐ１は、第１発光部Ｒ１から発生する光の発光特性を示し、曲線Ｒｐ２は、第２発光部Ｒ２から発生する光の発光特性を示し、曲線Ｒｐ３は、第３発光部Ｒ３から発生する光の発光特性を示している。これらＬＥＤ光源で構成される各発光部Ｒ１〜Ｒ３からの光は、ある程度の波長帯域に亘ったブロードな光であるが、そのピーク範囲はそれほど広くなく、いわゆるトップハット型とはなっていない。これに対して、本実施形態では、上記した照明装置３１において、発光装置ＲＲを構成する第１〜第３発光部Ｒ１〜Ｒ３からそれぞれ発光された光が、拡散素子ＤＰにおいて均一化される。結果的に照明装置３１からは、発光部Ｒ１〜Ｒ３からの光が混ざり合って合成され、結果的に比較的広い帯域の光を発光する赤色光が射出されるものとなる。具体的には、図３において曲線Ｒｐｔに示すトップハット型の波長分布を有するブロードな光すなわちピーク範囲の広い光を発生させるものとなる。

一方、既述のように、第１及び第２ホログラム素子２１，２３による光の偏向に際しては、照明装置３１（発光装置ＲＲ）からの光が入射する際の入射角度（画角に相当）に対する依存性が大きい。図４（Ａ）は、ホログラム素子における赤色光の波長帯域における入射角度ごとの選択波長分布の特性を示すグラフである。なお、グラフの横軸は、波長（単位：ｎｍ）を示し、縦軸は回折効率の強さを示している。この図から、回折効率がピークとなる波長が入射角度によって異なっており、各範囲も狭いものであることが分かる（典型的な一例としては、各波長分布の半値幅が１０ｎｍ以下であることが想定される）。各回折効率の波長分布についてより具体的に説明すると、図中において、曲線ＤＣは、ホログラム素子に対して入射角度０°であるすなわち垂直入射する場合の回折効率の波長分布を示している。これに対して、曲線ＤＬ，ＤＲは、入射角度が±１０°である場合の回折効率の波長分布をそれぞれ示している。図示の場合、曲線ＤＬと曲線ＤＲにおいて回折効率が最も高くなるピーク波長が曲線ＤＣの場合に比べて互いに反対方向にシフトしていることが分かる。なお、図示を省略するが、入射角度が０°から±１０°までの範囲における回折効率の波長分布は、曲線ＤＬのピークから曲線ＤＲのピークまでの範囲内にピークを有するものとなっている。また、この入射角度±１０°の範囲が第２ホログラム素子２３において取り出され視認されるべき映像についての画角に相当（２．５ｍ先に４０インチの画像が見えることに相当）し、これだけの画角があれば、視認させるべき映像の範囲として十分なものとすることができる。しかしながら、最終的に得られる映像としての光の強度は光源側のピークと回折効率のピークとを掛け合わせたものとなる。このため、回折効率のピーク波長やその近辺の波長の成分について、仮に、供給側である光源での発生が弱いものであると、部分的に十分な強度の映像光が得られなくなり、その部分に相当する画像が暗くなってしまうことになる。これは、映像として考えた場合、光の入射角度すなわち映像における画角として反映され、例えば画像の中心側は明るいが周辺側は暗い、といった輝度斑となって現れてしまう。このような事態を回避すべく、本実施形態では、ホログラム素子についての上記特性に応じた光を発生させるように図３について示した状態で発光をするものとなっている。

以下、ホログラム素子における入射角度ごとの選択波長分布の特性と発光装置の発光特性との関係についてより詳細に説明する。まず、図４（Ａ）を参照して説明したホログラム素子の回折効率に関する入射角度依存性に対して、本実施形態の発光装置ＲＲを含む照明装置３１からの光の発光特性は、既述のように、図４（Ｂ）（図３に示すものに相当）に示す曲線Ｒｐｔに示すトップハット型の波長分布を有するブロードなものとなっている。従って、図４（Ｃ）に示すように、図４（Ａ）と図４（Ｂ）とを重ねあわせた場合に、曲線ＤＣ，ＤＬ，ＤＲの全てのピーク位置の波長が、曲線Ｒｐｔに示すトップハット型の波長分布の広いピーク範囲内に収まるようにできる。すなわち、発光装置ＲＲは、近接した異なる波長の光をそれぞれ発光する複数の発光部Ｒ１〜Ｒ３を含むことで、第１及び第２ホログラム素子２１，２３での入射角度に対する選択波長帯域全体の波長分布よりも広い帯域の光を発光するものとなっている。したがって、画角によって輝度斑が発生することを抑制でき、良好な画像の形成が可能となる。ここで、複数の発光部Ｒ１〜Ｒ３については、近接した異なる波長の光について隣接するピーク波長の差が、１０ｎｍ以上３０ｎｍ以内となっていることが望ましい。この場合、近接した異なる波長の光が、同系色（上記の場合赤色系）の波長帯域として、ホログラム素子の入射角度に対する選択波長帯域全体の波長分布に対応するものとして十分に広い波長帯域のものとしつつ、光源側の光の特性を曲線Ｒｐｔに示すようなトップハット型の形状に維持することができる。なお、上記の場合、最もピーク波長の短い第１発光部Ｒ１（ピーク波長：６１３ｎｍ）と最もピーク波長の長い第３発光部Ｒ３（ピーク波長：６４７ｎｍ）とでは、３４ｎｍの差があり、隣接するピーク波長の差が１７ｎｍずつある。

なお、以上の説明は、一例であり、ホログラムの特性の違い等によって種々の設計変更（数値変更等）が可能である。例えば、ホログラムの特性等によっては、図４（Ａ）に例示するホログラム素子の入射角度に対する選択波長帯域全体の幅（シフトレンジ）が、上記のような±１０度の画角（２．５ｍ先に４０インチの場合に相当）において、例えば３０〜４０ｎｍ程度と大きくなる（の幅で分離する）ような態様も生じ得る。これに対して、複数個の光源を合成した波長両端のピーク波長差である最も短いピーク波長から最も長いピーク波長までの差は、上記シフトレンジに対し＋１０ｎｍ程度あることがより好ましい。すなわち、シフトレンジが３０〜４０ｎｍ程度となるような場合には、５０ｎｍ以上の幅を有するトップハット型の光を光源側において形成させることが必要となる可能性がある。このような場合は、図３に示す場合と同様に、ピーク波長が互いに近接して異なる光源を３つ（あるいは３つ以上）用いれば、隣接するピーク波長の差が１０〜３０ｎｍの範囲にあるという条件を維持しつつ、所望の光を発生させることが可能である（例えば３つの光源として隣接するピーク波長の差が２５ｎｍ程度となるようなものを用意する）。

図５は、比較例の発光装置の発光特性についての一例を示すグラフである。図５（Ａ）は、比較例として、トップハット型ではなく通常のＬＥＤ光源における波長分布を示すものである。すなわち、図中の曲線Ｒｐは、通常の１つのＬＥＤ光源から発生する光の発光特性を示すものであり、ある程度の波長帯域に亘ったブロードな光であるが、そのピーク範囲はそれほど広くなく、いわゆるトップハット型とはなっていない。この場合、例えば図４（Ａ）に示したものと同様の特性を有するホログラム素子を適用すると、図５（Ｂ）に示すように、曲線Ｒｐのピークの範囲の影響を受けて、曲線Ｒｐにおいて強い強度の波長成分となっている曲線ＤＣについては十分な回折効率が得られる一方、低い強度の波長成分となっている曲線ＤＬや曲線ＤＲ十分な回折効率が得られないことになる。これは、画像で言えば中心側は明るいが、周辺側は暗くなり、輝度斑が発生していることを示している。これに対して、本実施形態では、上記のように第１及び第２ホログラム素子２１，２３での入射角度に関する角度依存性に対応して、十分に広いピーク範囲を有するトップハット型の発光特性を有する光を形成させている。これにより、対象となる画角範囲の全体に亘って十分な回折効率でホログラム素子における偏向を行って輝度斑を抑制している。

図６は、発光装置ＲＲを含む映像表示装置１０の一変形例の構成を概念的に示す斜視図であり、図２に対応する図である。上記の説明では、説明の簡略化のために、赤色光波長帯域の成分についての発光のみで説明していたが、赤色、緑色及び青色の３つの波長帯域の全て波長帯域の光を発光するものとしてもよい。具体的には、例えば図６に示すように、照明装置３１において、発光装置として、赤色光の発光用の発光装置ＲＲのほか、緑色光の発光用の発光装置ＧＧ及び青色光の発光用の発光装置ＢＢを有し、発光装置ＧＧ及び発光装置ＢＢが、各色の同系色の波長帯域内において、ＬＥＤ光源で構成され互いに近接して異なる波長帯域の光をそれぞれ発光する複数の発光部Ｇ１〜Ｇ３，Ｂ１〜Ｂ３で構成されていてもよい。各発光装置ＲＲ，ＧＧ，ＢＢから射出された光は、拡散素子ＤＰにおいて均一化されて照明光が形成される。なお、液晶表示デバイス３２は、赤色、緑色及び青色のうち一の色の波長帯域の光を取り出すとともに他の波長帯域の成分をカットして各色の画素をマトリクス状に形成させるためのカラーフィルターを有している。この場合、カラーの映像光を視認させることができる。なお、図２に示した場合のように、赤色光のみとすることも可能である。同様に、緑色光のみや青色光のみとすることも可能である。また、図２や図６の例では、各色光について互いに異なる波長帯域の光を発生させるＬＥＤ光源として３つの光源をそれぞれ示しているが、光源の個数も３つに限らず、例えば２つとする、あるいは３つよりも多くする等、種々のものとすることができる。また、図６のように、複数色の光源とする場合、ある色（１つまたは２つ）については、単数のＬＥＤ光源で構成し、他の色（２つまたは１つ）についてのみ互いに異なる波長帯域の光を発生させる複数の発光部を使用する、という態様とすることもできる。

以下、図１等に戻って、制御部８０による各種制御のうち、上記した特性を有する照明装置からの照明光との関係での制御について説明する。特に、上述したようなカラー画像を形成可能な構成とする場合、各色内において、トップハット型の特性が維持されるように、一の波長帯域内における各発光部間での光の強度のバランス調整がなされているとともに、各色間での色バランスの制御が必要となる。このため、制御部８０の画像処理部８１において、ガンマ補正その他の画像処理を施し、その際に、照明装置３１すなわち発光装置ＲＲ等における発光状態を制御して、ホワイトバランスの調整を行うものとすることができる。この場合、例えば映画鑑賞といった特に質の高い良好な画像の提供に対応可能になる。

以上のように、本実施形態に係る虚像表示装置１００では、照明装置３１を構成する発光装置ＲＲ等の発光装置において、映像光となるべき光（ホログラム素子に入射させる照明光）として、一の波長帯域内、すなわち同系色の波長帯域内において、近接しているが波長の異なる光をそれぞれ発する複数の発光部Ｒ１〜Ｒ３等を有することにより、発光装置全体としては、一の波長帯域の光としてトップハット型の波長分布を有するブロードな光を発生させることができる。この際に、照明装置３１により発せられる光の波長分布が、第１及び第２ホログラム素子２１，２３での入射角度に対応して定まる選択波長帯域の全体での波長分布よりも広い帯域となっている。従って、ホログラム素子での作用において回折効率をほぼ均一になるようにし、映像として視認されるべき範囲、すなわち虚像としての画像面内に相当する範囲の全体について輝度が落ちる箇所が発生することを抑制し、輝度斑を確実に低減させることが可能になる。また、トップハット型の波長分布を有するブロードな光を形成するにあたって、種々の製造誤差まで含めてこれよりも広いものとすることで、多少の製造誤差が生じるものであっても確実に画像の輝度斑を抑制でき、製造の歩留まりを向上させることができる。

〔第２実施形態〕
以下、図７を参照して、第１実施形態を変形した第２実施形態について説明する。本実施形態に係る虚像表示装置は、照明装置において、発光装置適用する光源として自発光型の素子である有機ＥＬ光源（あるいはＯＬＥＤ）を用いている。なお、虚像表示装置のうち照明装置に関する構造以外の構造については、図１等に示す虚像表示装置１００と同様の構造を有するため、各要素については説明等を省略する。

図７（Ａ）は、本実施形態における虚像表示装置に組み込まれる照明装置２３１について、発光装置の構造を説明するための図である。本実施形態では、照明装置２３１として、自発光型の素子である多数の有機ＥＬ光源素子を含む多数の画素ＰＸをマトリクス状に配置して構成される画素マトリクスによってパネル面を形成している。ここでは、一例として、図示のように１つの画素ＰＸを９つの発光素子Ｓ１〜Ｓ９で形成している。より具体的に説明すると、画素ＰＸのうち、発光素子Ｓ１〜Ｓ３は、同系色としての赤色光の波長帯域内において互いに近接して異なる波長帯域の光をそれぞれ発光する複数の発光部Ｒ１〜Ｒ３として機能し、発光素子Ｓ４〜Ｓ６は、同系色としての緑色光の波長帯域内において互いに近接して異なる波長帯域の光をそれぞれ発光する複数の発光部Ｇ１〜Ｇ３として機能し、発光素子Ｓ７〜Ｓ９は、同系色としての青色光の波長帯域内において互いに近接して異なる波長帯域の光をそれぞれ発光する複数の発光部Ｂ１〜Ｂ３として機能する。以上により、各画素から射出される各色の成分について、十分に広いピーク範囲を有するトップハット型の発光特性を有する（図３等参照）ものとなるようにできる。

図７（Ｂ）は、上述した照明装置２３１の一変形例である。図７（Ａ）では９つの発光素子Ｓ１〜Ｓ９を利用するものとしているが、例えば、１つの発光素子ＳＳについて９つの領域に塗り分けたカラーフィルターによって、複数の発光部Ｒ１〜Ｒ３，Ｇ１〜Ｇ３，Ｂ１〜Ｂ３を分割して形成するものとしてもよい。すなわち、発光装置が、複数の発光部Ｒ１〜Ｒ３，Ｇ１〜Ｇ３，Ｂ１〜Ｂ３を構成する発光素子ＳＳとして、複数の領域に分割して設けられた各画素から異なる波長帯域の光をそれぞれ発生するものとしてもよい。この際、例えば塗り分けた領域ごとにおけるカラーフィルターの透過波長帯域や透過率を調整することで、所望のトップハット型の発光特性とすることができる。

なお、図７に示す１つの画素内の発光素子の配置は一例であり、１画素内における発光素子の配置については、種々のものが可能であり、例えば上記の場合以外の配置の一例として、各色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）のそれぞれの領域を正方形の形状とすることで、垂直、水平方向のそれぞれから出射される光の輝度を均一化して視野角特性を改善するようにしてもよい。

〔第３実施形態〕
以下、図８等を参照して、第３実施形態について説明する。本実施形態では、発光装置の光源としてマルチモードタイプのレーザー光源とＭＥＭＳミラーとを用いて、発光装置からの光を偏向して取り出すための回折素子としてのホログラム素子３２３を照射している。

以下、本実施形態に係る虚像表示装置３００の構成について説明する。虚像表示装置３００は、観察者に虚像による映像光（画像光）を認識させるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させるものであり、照明光を形成する照明装置３３１と、投射レンズ３４０と、ＭＥＭＳミラーＭＥと、回折素子であるホログラム素子３２３とを一組として備え、また、制御部３８０を備える。これらのうち、制御部３８０以外の上記各部は、通常観察者の右眼および左眼に対応して一組ずつ設けられるが、右眼用と左眼用とでは左右対称であるので、ここでは一方の眼用のみを示し、もう一方の眼用については図示を省略している。なお、図示において照明装置３３１が観察者の鼻側（中央側）に設置されるものである場合は、本図は左眼用を示すものとなり、照明装置３３１が観察者の耳側（側面側）に設置されるものである場合は、本図は右眼用を示すものとなる。

照明装置３３１は、レーザー光源で構成される発光素子である複数の発光部Ｒ１〜Ｒ３を有する発光装置ＲＲと、発光装置ＲＲからの光を合成して均一化する光結合部材である合波器ＣＯとを備える。発光装置ＲＲは、制御部３８０による制御下で所定のタイミングでパルス状のレーザー光を射出する。また、発光装置ＲＲを構成する複数の発光部Ｒ１〜Ｒ３は、同系色（例えば赤色）であって互いに近接しているが異なる波長帯域の光をそれぞれ発光する多波長レーザアレイである。合波器ＣＯは、例えば光合成ファイバーによって形成され、各発光部Ｒ１〜Ｒ３から射出される各成分を例えば時系列に繋いで合成することで均一化し照明光ＩＬを形成するとともに、均一化された照明光ＩＬを投射レンズ３４０に向けて射出する。

投射レンズ３４０は、照明装置３３１からの照明光ＩＬを平行状態の光束にするコリメートレンズであり、コリメート化した照明光ＩＬをＭＥＭＳミラーＭＥに向けて照射する。

ＭＥＭＳミラーＭＥは、制御部３８０による制御下でパルス状のレーザー光の射出タイミングに同期させたタイミングで、入射した照明光ＩＬをホログラム素子３２３に向けて反射し、その際、ホログラム素子３２３上の面内を２次元的に走査するように照射する。

ホログラム素子３２３は、ＭＥＭＳミラーＭＥによって照射された照明光ＩＬに対して回折及び干渉の作用をして偏向（反射）するとともに所期の画像を視認させるべき映像光ＧＬを観察者の眼ＥＹに向けて射出する。

ここで、上記のようなレーザー光源を用いた場合、一般に波長帯域の幅が狭くなるが、マルチモードタイプのレーザー光源を用いた場合、複数の発光部Ｒ１〜Ｒ３は、図９（Ａ）に示すように、１〜２ｎｍの波長帯域の幅に光が分布特性を持つものとすることができる。さらに、上記の例では、複数の発光部Ｒ１〜Ｒ３として、同様のマルチモードタイプのレーザー光源であって近接して異なる波長帯域の光をそれぞれ発光する複数のレーザー光源を適用し、これらを上述のように合波器ＣＯによって時間的に重なり合せることができる。このようなものとすれば、照明装置３３１は、図９（Ｂ）に示すように、広い波長帯域に広がった分布特性を有してよりフラット化された照明光を射出することができる。この光の特性（分布）について外装した曲線Ｒｐｔとして捉えれば、当該照明光は、十分に広いピーク範囲を有するトップハット型の発光特性を有するものと言える。すなわち、上記のような発光装置ＲＲを適用することで、レーザー光源を利用する場合においても第１実施形態等の場合と同様に、ホログラム素子３２３での作用において回折効率をほぼ均一になるようにでき、輝度斑を低減できる。

なお、上記の説明では、説明の簡略化のために、赤色光波長帯域の成分についての発光のみで説明していたが、第１実施形態の場合と同様に、赤色、緑色及び青色の３つの波長帯域の全て波長帯域の光を発光するものとしてもよい。

また、上記では、マルチモードタイプのレーザー光源を適用しているが、例えば、近接して異なる波長帯域の光を発生する複数のシングルモードタイプのレーザー光源を適用するものとしても良い。

上記態様では、ＭＥＭＳミラーＭＥによって直接回折素子であるホログラム素子３２３に光を照射する、すなわち回折素子の有効領域を被照射領域として照射するものとしているが、これに限らず種々の態様が可能である。上記態様の一変形例として、例えば、ＭＥＭＳミラーと回折素子との間に導光のための部材としてのミラーを設けた構成としてもよい。すなわち、ＭＥＭＳミラーは、当該ミラーの反射面を被照射領域として当該ミラーに向けて照射し、最終的に回折素子に光が照射されるものとしてもよい。また、ＭＥＭＳミラーで反射する前、または反射した後に画像取出しの際の回折素子での収差を補正するための回折素子（例えばホログラム素子３２３と同様の特性を有する回折素子）を設けてもよい。

〔その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。上記では、回折素子として、ホログラム素子を用いているが、ホログラム以外の回折素子を適用することも可能である。また、ホログラム素子の例として反射型のものを適用しているが、透過型のホログラム素子を適用することも可能である。

上記の説明では、例えば第１実施形態においてバックライトの光源としてＬＥＤを適用しているが、所期の発光特性を有する光を形成できれば、他の光源を利用してもよく、例えばＯＬＥＤ（有機ＥＬ）なども適用可能である。さらに、ＯＬＥＤ（有機ＥＬ）を適用する場合において、第２実施形態の図７（Ａ）において１画素の構成として示した複数色のそれぞれについて、同系色の波長帯域内の光であって近接した異なる波長の光をそれぞれ発光する素子を適用してもよく図７（Ｂ）に示したようにカラーフィルターを適用することも考えられる。また、この他、例えば照明装置（発光装置）として、青色光源と蛍光体とを含むものを適用することも可能である。より具体的には、例えば図１０に示すように、近接して異なるＬＥＤ光源で構成される発光素子Ｓ１〜Ｓ３として、青色光の波長帯域内において互いに近接して異なる波長帯域の光をそれぞれ発光する複数の発光部ＢＬ１〜ＢＬ３を複数の蛍光体（黄色蛍光体）ＹＰとともに拡散素子ＤＰに埋め込むことで白色光を形成する照明装置３１（発光装置）を構成するものとしてもよい。また、青色光源と蛍光体とを含むものとしては、青色光源として青色レーザー光源と当該青色レーザー光源の成分の一部を黄色蛍光体に照射することで３色の光を含む照明装置（発光装置）を構成するものとしてもよい。

また、図１１に示すように、例えば赤色、緑色及び青色の３つの波長帯域の全て波長帯域の光を発光する照明装置３１を備えた場合において、制御部８０は、入力手段（例えば観察者が操作する各種ＵＩ（図示略）に設けられたボタン等）としてのモード変更部ＭＣから送信されるモード変更信号を受け付けるモード変更受付部ＣＡをさらに有し、送信されたモード変更信号に応じて画像表示を行うものとしてもよい。モード変更の種類については、種々のものが考えられるが、例えば複数の発光部Ｒ１等のうち第１及び第２ホログラム素子２１，２３の特性に対して最も輝度の高くなる発光素子のみを用いるモードに変更することができるようにすることが考えられる。この場合、より効率的に十分な輝度の（輝度斑の少ない）画像の提供が可能になる。上記のようなモード変更については、例えば表示するコンテンツに応じておこなうものとしてもよい。具体的には、映画を見る場合は、赤色、緑色及び青色の３つの近接した異なる波長の光を用いて色斑を極力抑えられるモードとし、文書等文字を見る場合は、最も輝度の高い発光素子のみを用いるモードとし、効率的に十分な輝度を得るように切り替え可能とすることが考えられる。

上記の説明では、例えば第１実施形態において、異なる波長の光を均一化する光結合部材として拡散素子（光拡散板）ＰＤを適用しているが、照明光の均一化のための光結合部材としては、適用する光源等に応じで種々のものが適用可能であり、例えばロッドインテグレータや、フライアイレンズ、光ファイバー（あるいはライトパイプ）といったものが考えられる。

上記の説明では、映像表示素子として、透過型の液晶表示デバイス３２を用いているが、画像表示素子としては、透過型の液晶デバイスに限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶パネルを用いた構成も可能であり、液晶表示デバイス３２に代えてデジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。また、上記第３実施形態の変形例として、レーザー光源と例えばポリゴンミラーとを組みあわせたレーザースキャナーを用いた構成も可能である。

上記の説明では、回折素子として、光入射側と光射出側とにそれぞれ１枚ずつホログラム素子（１枚の第１ホログラム素子２１及び１枚の第２ホログラム素子２３）を設けた構成としているが、回折素子の構成としてはそれ以外にも種々の態様が可能であり、例えば図１２に一例を概念的に示すように、光入射側に第１ホログラム素子２１として２枚のホログラム２１ｔ（透過型ホログラム）及びホログラム２１ｒ（反射型ホログラム）を設けて画像を入射させる構成も考えられる。

上記の説明では、虚像表示装置１００は、右眼及び左眼の双方に対応して、一組ずつ映像表示装置１０及び導光装置２０を備えるとしているが、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ映像表示装置１０と導光装置２０とを設け画像を片眼視する構成にしてもよい。

上記の説明では、実施形態の導光装置２０は、虚像表示装置１００がヘッドマウントディスプレイであるとして具体的な説明を行ったが、実施形態の虚像表示装置１００をヘッドアップディスプレイとし、これに適用することもできる。

また、上記では、観察者に虚像による映像光（画像光）を認識させるとともに、観察者に外界像を透過させることで視認させるシースルータイプの虚像表示装置としているが、これに限らず、例えばビデオシースルーのようなカメラで現実世界を撮影したものを外界像とし、その外界像に対して映像光を合成し、合成画像を表示するようなものにおいて適用することもできる。この際、ビデオシースルーのタイプとしてヘッドマウント（頭部搭載型）のようなものに限らず、例えば双眼鏡のような手持ち型のものに適用することも可能である。

上記の説明では、第１実施形態の導光部Ｄ２を構成する第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて、例えば表面上にミラーやハーフミラー等を施すことなく空気との界面により映像光を全反射させて導くものとすることが考えらえるが、本願発明における全反射については、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂ上の全体又は一部にミラーコートや、ハーフミラー膜が形成されてなされる反射も含むものとする。例えば、映像光の入射角が全反射条件を満たした上で、全反射面２２ａ，２２ｂの全体又は一部にミラーコート等が施され、実質的に全ての映像光を反射する場合も含まれる。また、十分な明るさの映像光を得られるのであれば、多少透過性のあるミラーによって全反射面２２ａ，２２ｂの全体又は一部がコートされていてもよい。

また、上記では、発光装置または発光部において、波長帯域として、赤色の波長帯域の光のほか、緑色や青色の波長帯域の光を発光するものとしているが、この他の可視光波長帯域の光として、例えば黄色等の中間色の光を利用する構成としてもよい。

また、上記では、板状部材ＰＬにより導光部材を構成しているが、導光部材は、板状のものに限らず、例えば、光射出部や導光部が互いに平行な曲面を有するもので構成されていてもよい。

また、回折素子の形成について、板状の導光部材に貼り付けて構成するもののほか、例えば導光板自体に直接回折素子を設ける構成としてもよい。より具体的には、エッチング等でレリーフ型回折素子を設ける構成が考えられる。

また、上記の通り、導光部材については、発光装置からの光を回折素子に導光するだけでなく、回折素子から出た光をさらに導光する場合も含むものであり、また一方で、回折素子も、導光部材と協働することで導光に寄与しており、このような態様となる種々の構成の導光部材及び回折素子が適用可能である。

ＣＡ…モード変更受付部、 ＣＯ…合波器（光結合部材）、 Ｄ１…光入射部、 Ｄ２…導光部、 Ｄ３…光射出部、 ＤＣ，ＤＬ，ＤＲ…曲線、 ＤＰ…拡散素子（光結合部材）、 ＥＹ…眼、 ＧＬ…映像光、 ＩＦ…光入射面、 ＩＬ…照明光、 ＭＣ…モード変更部、 ＭＥ…ＭＥＭＳミラー、 ＯＦ…光射出面、 ＰＬ…板状部材（導光部材）、 ＰＸ…画素、 Ｒ１-Ｒ３，Ｇ１-Ｇ３，Ｂ１-Ｂ３，ＢＬ１-ＢＬ３…発光部、 ＲＲ，ＧＧ，ＢＢ…発光装置、 Ｒｐ，Ｒｐ１，Ｒｐ２，Ｒｐ３，Ｒｐｔ…曲線、 Ｓ１-Ｓ９…発光素子、 ＳＳ…発光素子、 １０…映像表示装置、 ２０…導光装置、 ２１…第１ホログラム素子（回折素子）、 ２２…全反射面形成部、 ２２ａ，２２ｂ…全反射面、 ２３…第２ホログラム素子（回折素子）、 ３１…照明装置、 ３２…液晶表示デバイス、 ４０…投射レンズ、 ８０…制御部、 ８１…画像処理部、 ８２…パネル駆動部、 ８３…光源駆動部、 ８４…画像データ記憶部、 １００…虚像表示装置、 ２３１…照明装置、 ３００…虚像表示装置、 ３２３…ホログラム素子（回折素子）、 ３３１…照明装置、 ３４０…投射レンズ、 ３８０…制御部

Claims (15)

1. 映像光となるべき光を発光する発光装置と、
   前記発光装置からの光を偏向して取り出すための回折素子と
   を備え、
   前記発光装置は、互いに異なる波長帯域のうちの一の波長帯域内の光であって近接した異なる波長の光をそれぞれ発光する複数の発光部を含み、前記回折素子での入射角度に対する選択波長帯域全体の波長分布よりも広い帯域の光を発光する虚像表示装置。
2. 前記発光装置において、前記互いに異なる波長帯域には、赤色、緑色及び青色の３つの波長帯域が含まれる、請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記回折素子は、ホログラム素子を含む、請求項１及び２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
4. 前記発光装置は、赤色、緑色及び青色の３つの波長帯域の全て波長帯域の光を発光する、請求項１から３までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
5. 前記発光装置において、前記複数の発光部は、ＬＥＤ光源、有機ＥＬ光源、またはレーザー光源を発光素子として含む、請求項１から４までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
6. 前記発光装置は、前記複数の発光部を構成する各発光素子として異なるピーク波長を発生させるマルチモードタイプのレーザー光源を含む、請求項５に記載の虚像表示装置。
7. 前記発光装置は、青色光源と、蛍光体とを含む、請求項５に記載の虚像表示装置。
8. 前記発光装置からの光を均一化する光結合部材をさらに備える、請求項１から７までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
9. 前記光結合部材は、拡散素子、ロッドインテグレータ、または合波器である、請求項８に記載の虚像表示装置。
10. 前記発光装置は、前記複数の発光部を構成する発光素子として、複数の領域に分割して設けられた各画素から異なる波長帯域の光をそれぞれ発生する有機ＥＬ光源を含む、請求項５に記載の虚像表示装置。
11. 前記回折素子が設けられ、前記発光装置からの光を前記回折素子に導光する導光部材をさらに備える、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
12. 前記発光装置からの光を反射して被照射領域に向けて照射するＭＥＭＳミラーをさらに備える、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
13. 前記発光装置において、前記複数の発光部は、近接した異なる波長の光について隣接するピーク波長の差を、１０ｎｍ以上３０ｎｍ以内としている、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
14. 前記発光装置における発光状態を制御してホワイトバランスを調整するための画像処理を行う画像処理部をさらに備える、請求項１から１３までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
15. 前記発光装置を構成する複数の発光部のうち、前記回折素子の特性に対して最も輝度の高くなる発光素子のみを用いるモードに変更するモード変更部をさらに備える、請求項１から１４までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。

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