JP4518193B2 - 光学装置および虚像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、表示画像光を反射型体積ホログラムグレーティングを用いて虚像として観察者の瞳に導くための光学装置および虚像表示装置に関する。

特許文献１には、画像表示素子に表示された２次元画像を、反射型体積ホログラムグレーティングを用いた虚像光学系によって拡大虚像として観察者に観察させるようにした装置が提案されている。これは、例えば頭部装着型のＨＭＤ（Head Mounted Display）として利用可能な表示装置である。図１８は、その提案されている虚像表示装置８０の構成例を示している。

この虚像表示装置８０は、画像を表示する画像表示素子８１と、画像表示素子８１で表示された表示光を入射して、観察者の瞳１６へと導く虚像光学系とを備えている。画像表示素子８１は、例えば、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ、無機ＥＬディスプレイや、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：LiquidCrystal Display）などである。虚像光学系は、コリメート光学系８２と、ホログラム層８４を内部に有する導光板８３とを備えている。コリメート光学系８２は、画像表示素子８１の各画素から射出された光束を入射して、互いに画角の異なる平行光束群とする光学系である。コリメート光学系８２から射出された、互いに画角の異なる平行光束群は、それぞれ導光板８３に入射される。
なお、図１８では、平行光束群として、画像表示素子８１の中心部の画素から射出され、コリメート光学系８２によって画角ゼロ（導光板８３の入射面に対して垂直）の状態とされて導光板８３に入射する、中心画角の平行光束Ｌ１０のみを代表して示している。

導光板８３は、ホログラム層８４を透明基板８３Ａ，８３Ｂで挟み込んだ構造となっている。導光板８３は、光学面８３ａと、この光学面８３ａに対向する光学面８３ｂとを主面とする薄型の平行平板な導光板である。光学面８３ａは、コリメート光学系８２から射出された互いに画角の異なる平行光束群を入射する光入射口８３ａ１を一方の端部に有している。光学面８３ａはまた、他方の端部に、光を射出する光射出口８３ａ２を有している。導光板８３の光学面８３ａ，８３ｂには、当該光学面８３ａ，８３ｂをそれぞれ保護するための保護シート８５，８６が設けられている。また、光学面８３ｂに設けられた保護シート８６には、導光板８３の光入射口８３ａ１と同じ位置に、画像表示素子８１で表示されコリメート光学系８１で拡大された拡大像が導光板８３外への漏れ出て、光利用効率が低下するのを防止するための遮光板８７が設けられている。

ホログラム層８４は、光入射口８３ａ１に対応する位置に第１の反射型体積ホログラムグレーティング８４ａが形成され、光射出口８３ａ２に対応する位置に第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃが形成されている。それ以外の部分は、干渉縞が記録されていない干渉縞無記録領域８４ｂである。第１の反射型体積ホログラムグレーティング８４ａには、ホログラム表面のピッチが均等である干渉縞が記録されている。また、第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃは、位置によって回折効率が異なる構造とされた干渉縞が記録されている。第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃは、光入射口８３ａ１に近い側の位置の回折効率を低くすると共に、光入射口８３ａ１から遠い側の位置の回折効率を高くすることで、複数回回折反射をできるようにしている。

導光板８３の光入射口８３ａ１から入射した互いに画角の異なる平行光束群は、上述した第１の反射型体積ホログラムグレーティング８４ａに入射され、それぞれの平行光束が平行光束のまま回折反射される。回折反射された平行光束群は、導光板８３の光学面８３ａと光学面８３ｂとの間で全反射を繰り返しながら進行し、上述した第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃに入射することになる。導光板８３の長手方向の長さおよび光学面８３ａと光学面８３ｂとの間の厚みは、このときに内部を全反射しながら進行する互いに画角の異なる平行光束群が、各画角によって、第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃに到達するまでの全反射回数に違いがでるような光路長となるように、薄型化され、長手方向の長さも十分な長さとなるように設計されている。

具体的には、導光板８３に入射する平行光束群のうち、第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃ側へ傾きながら入射する平行光束、つまり入射角が大きな平行光束の反射回数は、それとは逆に、第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃ側へあまり傾かずに入射する平行光束、つまり入射角が小さな平行光束の反射回数と比較して少なくなっている。これは、導光板８３に入射した平行光束群は、それぞれ画角の異なる平行光束となって入射されるためである。つまり、第１の反射型体積ホログラムグレーティング８４ａへの入射角度も異なることから、それぞれ異なる回折角で射出されることで、各平行光束の全反射角も異なっているため、導光板８３を、薄型化し、長手方向の長さを十分確保することで、全反射する回数に違いが顕著に出ることになる。

第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃに入射した各画角の平行光束は、回折反射されることで全反射条件から外れ、導光板８３の光射出口８３ａ２から射出され、観察者の瞳１６に入射する。

この虚像表示装置８０では、第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ａの回折効率を位置によって変化させると、瞳径、つまり観察者の虚像観察可能範囲を拡大することができる。具体的には、例えば、第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃの回折効率を光入射口８３ａ１に近い側の位置８４ｃ１で４０％とし、光入射口８３ａ１から遠い側の位置８４ｃ２で７０％とすると、第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃに１回目に入射する平行光束群は、位置８４ｃ１で４０％が回折反射され、６０％が透過することになる。透過した平行光束群は、導光板８３で内部全反射をして、第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃの位置８４ｃ２に入射することになる。

位置８４ｃ２の回折効率は、７０％であるため、１回目の第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃへの入射で、６０％の平行光束群が透過していることから０．６×０．７＝０．４２、つまり、位置８４ｃ２では、４２％の平行光束群が回折反射されることになる。このように、第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃの位置によって回折効率を適切に変化させることで、光射出口８３ａ２から射出される射出光の光量バランスを保つことができる。したがって、ホログラム層８４において、第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃの干渉縞を記録する領域を増加させれば容易に虚像観察可能範囲を拡大することができる。

国際公開第２００５／０９３４９３号パンフレット

しかしながら、この虚像表示装置８０では、上述したように、導光板８３に入射する平行光束群のうち、第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃ側へ傾きながら入射する平行光束、つまり入射角が大きな平行光束の第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃにおける回折反射回数は、それとは逆に第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃ側へあまり傾かずに入射する平行光束の第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃにおける回折反射回数と比較して少なくなっている。よってそれぞれの画角での第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃにおける回折反射回数が異なるため、各画角間の光量バランスを保つことができない。以下、図１９および図２０を参照して、この各画角間の光量バランスの問題について説明する。図１９および図２０には、図１８に示した虚像表示装置８０における第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃ側の構成と略等価な光学系を簡略化して示す。

図１９に示すように観察者の瞳位置Ｏから、第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃまでの距離をＳとし、基準の画角Ｖの光束が第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃにおける位置Ｘから回折反射するものとする。このとき、画角±θの光束が第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃから回折反射する位置Ｘ±θは、導光板８３の屈折率を近似的に無視した場合
Ｘ±θ＝Ｘ＋Ｓ・ｔａｎ（±θ）
で表される。ここで、画角は、導光板８３表面（第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃ表面）の法線１００に対する角度である。基準画角Ｖの光束は、導光板８３の入射面に対して垂直入射し、導光板８３の射出面に対して垂直射出する光束である。すなわち、基準画角Ｖ＝０度とする。

位置Ｘ₊θと位置Ｘ_-θとの距離（Ｘ₊θ−Ｘ_-θ）が、観察者の瞳位置Ｏにおいて必要な第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃの幅となる。また、表面ピッチｐの第１の反射型体積ホログラムグレーティング８４ａに入射角度φで入射する波長帯域λの平行光束の回折反射角度γは以下の式で表される。ここで、入射角度φおよび回折反射角度γは、第１の反射型体積ホログラムグレーティング８４ａ表面の法線に対する角度である。また、ｎは媒質の屈折率を表す。
γ＝ａｒｃｓｉｎ（λ／ｎｐ−ｓｉｎφ）

このように、波長帯域λの平行光束群は入射角度φが変わることで導光板８３内を内部全反射する角度も異なる。よって、図２０に示すように観察者の瞳に入射する画角＋θの平行光束が位置Ｘ₊θに到達するまでに第２の反射型体積ホログラムグレーティング８３ｃにおいて回折反射する回数Ｒ₊θと、基準画角Ｖの平行光束が位置Ｘに到達するまでに第２の反射型体積ホログラムグレーティング８３ｃにおいて回折反射する回数Ｒｖは、画角−θの光束の反射位置Ｘ_-θを始点にすると、
Ｒ₊θ＝（Ｘ₊θ−Ｘ_-θ）／（ｔ・ｔａｎ（ａｓｉｎ（λ／ｎｐ−ｓｉｎ（＋θｎ））））
Ｒｖ＝−（Ｘ_-θ）／（ｔ・ｔａｎ（ａｓｉｎ（λ／ｎｐ）））
で表される。ここで＋θｎは、画角＋θの光束が屈折率ｎの導光板媒質中に入射したときの角度である。

以上より、例えば、
第１および第２の反射型体積ホログラムグレーティングの表面ピッチｐ＝０．５５μｍ
導光板に入射する光束の波長帯域λ（ピーク波長）＝６３５ｎｍ
第２の反射型体積ホログラムグレーティングまでの距離Ｓ＝１５ｍｍ
導光板の厚さｔ＝１ｍｍ
導光板の屈折率ｎ＝１．５２
周辺の画角±θ＝±８度
基準画角Ｖ＝０度
としたときに、基準画角Ｖの光束の回折反射回数Ｒｖは観察位置Ｏにおいて２回であるが、＋８度の画角では４回の回折反射回数を必要とし、−８度の画角では１回の回折反射回数を必要とする。特許文献１では、図１８の第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃの回折効率を位置によって変えるようにしているが、例えば基準画角Ｖを基準に回折効率を位置によって４０％、７０％と変えた場合、＋８度の画角では２回以降の回折反射に１８％の光量しか残らず、そのほとんどが失われてしまう。すなわち、第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃにおける回折反射回数の多い画角ほど、光量が減少する。

以上のように、特許文献１に記載の虚像表示装置では一つの画角（基準画角Ｖ）に注目すれば光量バランスを保ちながら虚像観察可能範囲を拡大できる。しかしながら、観察者の瞳範囲において、複数の画角をなす全ての平行光束群を虚像観察可能にしようとすると、それぞれの画角での第２の反射型体積ホログラムグレーティング８３ｃにおける回折反射回数が異なるため、各画角間の光量バランスを保つことができない。よって観察虚像に明るさのむらが生じてしまう。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、各画角間の光量バランスを良好に保ち、明るさむらの少ない観察を実現することができる光学装置および虚像表示装置を提供することにある。

本発明の光学装置は、Ｎ種類（Ｎは１以上の整数）の波長帯域における各波長帯について、所定の画角範囲内の複数の画角に対応する入射角で複数の平行光束が入射され、その入射された複数の平行光束を平行光束のまま内部全反射により導光する導光板と、Ｎ種類の波長帯域に対応したＮ種類の干渉縞を含む回折構造を有し、導光板に入射された複数の平行光束を、導光板の内部で全反射されるように平行光束のまま回折反射する第１の反射型体積ホログラムグレーティングと、Ｎ種類の波長帯域に対応したＮ種類の干渉縞を含む回折構造を有し、導光板の内部を全反射により伝播した複数の平行光束を回折反射し、導光板から平行光束のまま射出させる第２の反射型体積ホログラムグレーティングとを備え、Ｎ種類の波長帯域における各波長帯域において、所定の画角範囲内の中心画角に対応した平行光束に対する第１および第２の反射型体積ホログラムグレーティングの回折中心波長をともにＬとし、導光板に入射する複数の平行光束のピーク波長をＰとしたとき、
Ｐ＞Ｌ
を満足するように構成したものである。

また、本発明の虚像表示装置は、Ｎ種類（Ｎは１以上の整数）の波長帯域の光を用いて画像を表示する画像形成部と、画像形成部から射出されたＮ種類の波長帯域についての光束を平行光束とするコリメート光学系と、Ｎ種類の波長帯域における各波長帯について、所定の画角範囲内の複数の画角に対応する入射角で複数の平行光束がコリメート光学系を介して入射され、その入射された複数の平行光束を平行光束のまま内部全反射により導光する導光板と、Ｎ種類の波長帯域に対応したＮ種類の干渉縞を含む回折構造を有し、導光板に入射された複数の平行光束を、導光板の内部で全反射されるように平行光束のまま回折反射する第１の反射型体積ホログラムグレーティングと、Ｎ種類の波長帯域に対応したＮ種類の干渉縞を含む回折構造を有し、導光板の内部を全反射により伝播した複数の平行光束を回折反射し、導光板から平行光束のまま射出させる第２の反射型体積ホログラムグレーティングとを備え、Ｎ種類の波長帯域における各波長帯域において、所定の画角範囲内の中心画角に対応した平行光束に対する第１および第２の反射型体積ホログラムグレーティングの回折中心波長をともにＬとし、導光板に入射する複数の平行光束のピーク波長をＰとしたとき、
Ｐ＞Ｌ
を満足するように構成したものである。

本発明の光学装置または虚像表示装置では、進行方位の異なる複数の平行光束からなる平行光束群が、Ｎ種類の波長帯域について平行光束のまま導光板に入射する。導光板に入射した各波長帯域についての平行光束群は、第１および第２の反射型体積ホログラムグレーティングで平行光束のまま回折反射されて、導光板から平行光束のまま射出される。このとき、Ｎ種類の波長帯域における各波長帯域において、導光板に入射する複数の平行光束のピーク波長Ｐと、所定の画角範囲内の中心画角に対応した平行光束に対する第１および第２の反射型体積ホログラムグレーティングの回折中心波長Ｌとに関して、
Ｐ＞Ｌ
を満足する構成とされていることで、各波長帯域について、複数の平行光束のピーク波長Ｐが、第２の反射型体積ホログラムグレーティングにおける内部反射回数の多い画角での回折中心波長に近づくことになる。これにより、第２の反射型体積ホログラムグレーティングにおける回折反射回数の多い画角での光量低下が補償され、各画角間での光量バランスが良好に保たれる。

本発明の光学装置によれば、第２の反射型体積ホログラムグレーティングにおける回折反射回数の多い画角での光量低下が補償されるように、第１および第２の反射型体積ホログラムグレーティングにおける回折中心波長Ｌと、導光板に入射する複数の平行光束のピーク波長Ｐとが所定の関係を満たす構成にしたので、各画角間の光量バランスを良好に保ち、虚像表示装置として利用したときに、明るさむらの少ない虚像観察を実現することができる。

本発明の虚像表示装置によれば、第２の反射型体積ホログラムグレーティングにおける回折反射回数の多い画角での光量低下が補償されるように、第１および第２の反射型体積ホログラムグレーティングにおける回折中心波長Ｌと、導光板に入射する複数の平行光束のピーク波長Ｐとが所定の関係を満たす構成にしたので、各画角間の光量バランスを良好に保ち、明るさむらの少ない虚像観察を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る虚像表示装置１０の構成例を示している。
この虚像表示装置１０は、画像を表示する画像形成部としての画像表示素子１１と、画像表示素子１１で表示された表示光を入射して、観察者の瞳１６へと導く虚像光学系とを備えている。画像表示素子１１は、例えば、有機ＥＬディスプレイ、無機ＥＬディスプレイや、液晶ディスプレイなどである。画像表示素子１１は、Ｎ種類（Ｎは１以上の整数）の波長帯域の光を用いて画像を表示するようになっている。例えばカラー表示を行う場合、赤色波長帯域の光（赤色光）と、緑色波長帯域の光（緑色光）と、青色波長帯域の光（青色光）とを用いて画像を表示するようになっている。

虚像光学系は、コリメート光学系１２と、導光板１３と、導光板１３に設けられた第１の反射型体積ホログラムグレーティング１４と、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５とを備えている。

コリメート光学系１２は、画像表示素子１１の各画素から射出されたＮ種類の波長帯域の各々についての光束を入射して、各波長帯域について、互いに画角の異なる複数の平行光束とする光学系である。コリメート光学系１２から射出された、互いに画角の異なる複数の平行光束は、それぞれ導光板１３に入射されるようになっている。

なお、図１では、平行光束群として、３つの異なる画角の平行光束Ｌ１０，Ｌ１１，Ｌ１２を示している。また、図１では、導光板１３内部での光線通過の状態を見やすくするため、内部での反射回数を少なく、簡略化して示している。平行光束Ｌ１０は、画像表示素子１１の中心部の画素から射出され、コリメート光学系１２によって画角ゼロ（導光板１３の入射面に対して垂直）の状態とされて導光板１３に入射する、中心画角の光束であり、図１９および図２０に示した基準画角Ｖ＝０°となる光束に対応する。平行光束Ｌ１１は、画像表示素子１１の周辺部の画素から射出され、コリメート光学系１２によって所定画角（導光板１３表面の法線に対して所定画角）の状態とされて導光板１３に入射する、周辺画角の光束であり、図１９および図２０に示した画角＋θとなる光束に対応する。平行光束Ｌ１２は、画像表示素子１１の他の周辺部の画素から射出され、コリメート光学系１２によって他の所定画角（導光板１３表面の法線に対して所定画角）の状態とされて導光板１３に入射する、他の周辺画角の光束であり、図１９および図２０に示した画角−θとなる光束に対応する。

導光板１３は、コリメート光学系１２を介して、進行方位の異なる複数の平行光束からなる平行光束群がＮ種類の波長帯域について入射され、その入射された各波長帯域の平行光束群を内部全反射により導光するものである。この導光板１３は、光学面１３ａと、この光学面１３ａに対向する光学面１３ｂとを主面とする薄型の平行平板な導光板である。光学面１３ａは、コリメート光学系１２から射出された互いに画角の異なる複数の平行光束からなる平行光束群を入射する光入射口１３ａ１を一方の端部に有している。光学面１３ａはまた、他方の端部に、光を射出する光射出口１３ａ２を有している。光学面１３ｂには、光学面１３ａの光入射口１３ａ１と対向する位置に第１の反射型体積ホログラムグレーティング１４が設けられ、光学面１３ａの光射出口１３ａ２と対向する位置に第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５が設けられている。

第１の反射型体積ホログラムグレーティング１４は、導光板１３に入射された各波長帯域の平行光束群が導光板１３の内部で全反射されるように、各波長帯域の平行光束群を回折反射するものである。第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５は、導光板１３の内部を全反射により伝播した各波長帯域の平行光束群を回折反射し、導光板１３から平行光束群のまま射出させるものである。第１および第２の反射型体積ホログラムグレーティング１４，１５は、Ｎ種類の波長帯域に対応した少なくともＮ種類の干渉縞を含む回折構造を有し、Ｎ種類の波長帯域についてそれぞれ、ホログラム表面のピッチｐが均等である干渉縞が記録されている。

図２および図３は、第１および第２の反射型体積ホログラムグレーティング１４，１５として、例えば赤、青、緑の３種類（Ｎ＝３）の波長帯域に対応した回折構造を有する構成例を示している。第１の反射型体積ホログラムグレーティング１４は、図２に示したように、例えば３層のホログラム層１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃが積層されて形成されている。例えば、ホログラム層１４Ａには主に赤色光を回折反射する干渉縞が記録され、ホログラム層１４Ｂには主に青色光を回折反射する干渉縞が記録され、ホログラム層１４Ｃには主に緑色光を回折反射する干渉縞が記録されている。各ホログラム層１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃには、例えば同一のスラント角（干渉縞の傾き）ηの干渉縞が記録されている。干渉縞は、各ホログラム層１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ間では、異なるピッチとなるように記録されている。また、各ホログラム層１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃには、同一の層内では位置によらず同一のピッチで干渉縞が記録されている。すなわち、ホログラム層１４Ａに記録された干渉縞のピッチがｐであるものとすると、他のホログラム層１４Ｂ，１４Ｃは、ｐとは異なるピッチで干渉縞が記録されている。

第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１４とは対称的な構造とされている。第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５は、図３に示したように、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１４と同様、例えば３層のホログラム層１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃが積層されて形成されている。例えば、ホログラム層１５Ａには主に赤色光を回折反射する干渉縞が記録され、ホログラム層１５Ｂには主に青色光を回折反射する干渉縞が記録され、ホログラム層１５Ｃには主に緑色光を回折反射する干渉縞が記録されている。各ホログラム層１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃには、例えば同一のスラント角ηの干渉縞が記録されている。干渉縞は、各ホログラム層１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ間では、異なるピッチとなるように記録されている。また、各ホログラム層１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃには、同一の層内では位置によらず同一のピッチで干渉縞が記録されている。

また、第１および第２の反射型体積ホログラムグレーティング１４，１５は、各波長帯域について（各色の干渉縞について）の中心画角（基準画角Ｖ）での回折中心波長をＬとし、導光板１３に入射する各波長帯域の平行光束群のピーク波長をＰとしたとき、各波長帯域について、
Ｐ＞Ｌ
となる条件を満足する構成とされている。この条件を満足することの作用・効果については、後に詳述する。

図４および図５は、図２および図３に示した構成とは異なる他の構成例での回折構造を示している。この構成例は、Ｎ種類の波長帯域に対応した干渉縞を、同一の層内に多重化して記録したものである。図４に示した第１の反射型体積ホログラムグレーティング２４は、赤色光、緑色光、青色光を主に回折反射する３種類の干渉縞、すなわち、赤色光用干渉縞２４Ｒ、緑色光用干渉縞２４Ｇ、および青色光用干渉縞２４Ｂが、同一の層内に多重化して記録されている。この３種類の干渉縞は、ホログラム表面２４Ｓにおけるグレーティングピッチが、それぞれ種類別に均等なピッチとなり、相互には異なるピッチとなるように記録されている。すなわち、赤色光用干渉縞２４Ｒのピッチがｐであるものとすると、他の緑色光用干渉縞２４Ｇおよび青色光用干渉縞２４Ｂは、ｐとは異なるピッチで形成されている。また、３種類の干渉縞は、例えば同一のスラント角ηで記録されている。

図５に示した第２の反射型体積ホログラムグレーティング２５は、図４に示した第１の反射型体積ホログラムグレーティング２４とは対称的な構造とされている。第２の反射型体積ホログラムグレーティング２５は、図５に示したように、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２４と同様、３種類の干渉縞、すなわち、赤色光用干渉縞２５Ｒ、緑色光用干渉縞２５Ｇ、および青色光用干渉縞２５Ｂが、同一の層内に多重化して記録されている。この３種類の干渉縞は、ホログラム表面２５Ｓにおけるグレーティングピッチが、それぞれ種類別に均等なピッチとなり、相互には異なるピッチとなるように記録されている。すなわち、赤色光用干渉縞２５Ｒのピッチがｐであるものとすると、他の緑色光用干渉縞２５Ｇおよび青色光用干渉縞２５Ｂは、ｐとは異なるピッチで形成されている。また、３種類の干渉縞は、例えば同一のスラント角ηで記録されている。

次に、以上のように構成された虚像表示装置１０の動作を説明する。

この虚像表示装置１０では、コリメート光学系１２を介して導光板１３の光入射口１３ａｌから入射した互いに画角の異なる平行光束群が、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１４に入射され、それぞれの平行光束が平行光束のまま回折反射される。回折反射された平行光束群は、導光板１３の光学面１３ａと光学面１３ｂとの間で全反射を繰り返しながら進行し、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５に入射する。導光板１３の長手方向の長さおよび光学面１３ａと光学面１３ｂとの間の厚みは、このときに内部を全反射しながら進行する互いに画角の異なる平行光束群が、各画角によって、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５に到達するまでの全反射回数に違いがでるような光路長となるように、薄型化され、長手方向の長さも十分な長さとなるように設計されている。具体的には、導光板１３に入射する平行光束群のうち、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５側へ傾きながら＋θの画角で入射する平行光束Ｌ１１、つまり入射角が大きな平行光束の反射回数は、それとは逆方向の−θの画角で入射する平行光束Ｌ１２の反射回数と比較して少なくなる。

第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５に入射した各画角の平行光束は、回折反射されることで全反射条件から外れ、導光板１３の光射出口１３ａ２から射出され、観察者の瞳１６に入射する。

この虚像表示装置１０では、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５と第１の反射型体積ホログラムグレーティング１４とが、互いに記録された干渉縞がホログラム面内で１８０度回転させた対称的な形状となるように、導光板１３の光学面１３ｂ上に設置されている。したがって、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５で反射される平行光束群は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１４への入射角と等しい角度で反射されることになるため、表示画像がぼけることなく高い解像度で瞳１６へ表示される。

また、この虚像表示装置１０では、レンズ効果のない第１の反射型体積ホログラムグレーティング１４と第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５とを備えることで、単色偏心収差、回折色収差を排除低減することができる。なお、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１４と第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５とは、導光板１３の光学面１３ｂに対して各ホログラム面１４Ｓ、１５Ｓが平行となるように配置されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ホログラム面１４Ｓ、１５Ｓが、それぞれ光学面１３ｂに対して所定の角度を持つように配置させることもできる。

次に、上述の回折中心波長Ｌと平行光束群のピーク波長Ｐとが所定の関係を満足することによる作用・効果を説明する。なお、以下では単一の波長帯域、特に赤色波長帯域を例に説明するが、他の波長帯域（青色波長帯域、緑色波長帯域等）を含めて複数の波長帯域の光を用いる場合には、複数の波長帯域のそれぞれについて、対応する回折中心波長Ｌとピーク波長Ｐとが同様の関係を満足することで、同様の作用・効果が得られる。

図６は、第１または第２の反射型体積ホログラムグレーティング１４，１５における入射または出射画角と回折中心波長との関係を示している。図６に示した数値例は、以下の仕様での数値である。なお、図６に示した数値において、画角θがマイナスであることは、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５を例にすると、図１９および図２０に示した−θの画角であることに対応している。
・仕様
第１または第２の反射型体積ホログラムグレーティングの表面ピッチｐ＝０．５３５μｍ
干渉縞の傾き（スラント角）η＝６４．５度
導光板に入射する光束の波長帯域λ（ピーク波長）＝６３５ｎｍ
導光板の屈折率ｎ＝１．５２
周辺の画角±θ＝±８度

上記仕様の第１または第２の反射型体積ホログラムグレーティング１４，１５の回折中心波長は、入射する平行光束群の角度によりブラッグ（Ｂｒａｇｇ）条件が変わるため、図６に示したように、画角によって連続的にシフトする。すなわち、画角が大きくなるにつれて回折中心波長が大きくなり、
＋θ画角の回折中心波長は６６０ｎｍ
中心画角Ｖ（＝０度）の回折中心波長は６３５ｎｍ
−θ画角の回折中心波長は６０５ｎｍ
であることがわかる。

ここで、既に図２０を参照して説明したように、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５内部での全反射回数が多い画角ほど、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５による複数回の回折反射回数が増えて観察者が観察するときに暗くなる。例えば、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５の回折効率を３０％とし、１回目に第２の反射型体積ホログラムグレーティングに入射する光量を１００％とすると、１回目の回折反射における射出光量は３０％、２回目の回折反射における射出光量は１回目で回折反射されない７０％の光量に対して３０％回折するため２１％、同様に３回目の回折反射における射出光量は１４．７％、４回目の回折反射における射出光量１０．２９％となる。このように１回目の回折反射で観察できる画角の光量に比べて４回目の回折反射により観察可能な画角の光量は約１／３になる。この光量の低下は、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５の回折効率を変えたとしても同様に生ずる。

さらに、図７に示したように、回折効率を１０％から４０％まで変化させても、回折反射回数が増えるにつれてその画角の光量は原理的に低くなっていくことがわかる。なお、図７は、回折効率を変化させた場合の第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５における内部回折反射回数と射出光量との関係を示している。

一方、画像表示素子１１の光源として例えば図８に示すように６５０ｎｍ近辺にピークを持つスペクトル分布の赤色のＬＥＤを用いた場合、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５から回折反射される各画角のスペクトル分布は、ＬＥＤのスペクトル分布とブラッグの条件により回折中心波長がシフトした第１，２の反射型体積ホログラムグレーティング１４，１５の回折効率分布の積で表される。

そこで、本実施の形態では、上記した光量低下の問題を解決するために、図９に示すようにＬＥＤのピーク波長を回折反射回数が多い、例えば反射回数が３〜４回目となる画角の回折中心波長に近づける。そうすることで、回折反射回数が多い画角での光量低下が補償され、その画角での光量を上げて、各画角間の光量のバランスをとることができる。これはすなわち、第１および第２の反射型体積ホログラムグレーティング１４，１５が回折反射する波長帯域の中心波長（画角０度の回折中心波長）６３５ｎｍをＬとし、その波長帯域内で導光板１３に入射するＬＥＤのスペクトル分布を持つ平行光束群のピーク波長６４８ｎｍをＰとしたとき、両者の関係が
Ｐ＞Ｌ
となることを意味している。

次に、本実施の形態に係る虚像表示装置１０の具体的な実施例を示す。
図１０は、この実施例での虚像表示装置１０の構成を示す。この実施例では、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１４の厚さを７μｍ、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５の厚さを５μｍとし、第１および第２の反射型体積ホログラムグレーティング１４，１５の表面ピッチｐを０．５３１μｍ、干渉縞の傾斜角ηを６４．５度、Δｎを０．０５としたものを作成した。ここで、Δｎは、媒質内屈折率の周期的変調により回折反射をする反射型体積ホログラムグレーティング１４，１５の屈折率の変調幅を示す。これら第１および第２の反射型体積ホログラムグレーティング１４，１５を厚さ１ｍｍの導光板１３に図１０に示したように間隔３０ｍｍで配置し、コリメータ光学系１２において画角±８度にコリメートされた画像表示素子１１からの平行光束群を第１の反射型体積ホログラムグレーティング１４に入射させ、観察瞳位置ＯにてＣＣＤカメラ１７により虚像を観察した。

この実施例による第１および第２の反射型体積ホログラムグレーティング１４，１５が回折反射する波長帯域は、±８度の画角範囲では図１１、図１２に示すように５８５ｎｍ〜６７０ｎｍとなり、その中心波長は０度中心画角の回折波長６３０ｎｍとほぼ等しくなっている。なお、図１１は第１の反射型体積ホログラムグレーティング１４の回折反射スペクトルを示し、図１２は第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５の回折反射スペクトルを示す。

図１３は、この実施例で使用した画像表示素子１１を照明する光源（赤色ＬＥＤ）のスペクトル分布を示す。第１および第２の反射型体積ホログラムグレーティング１４，１５の各画角での回折効率分布は図１１、図１２に示した通りであり、図１３に示した光源を用いた場合、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５によって回折反射される光の画角±８度と中心画角でのＬＥＤスペクトルは、図１４に示すようになる。

ＣＣＤカメラ１７により、この実施例の観察瞳位置Ｏで観察される虚像画面の水平方向の光量分布を測定した結果を図１５に示す。このときの、赤色ＬＥＤのピーク波長は６４５ｎｍであり、これは複数回の回折反射による＋８度の画角の光量低下を補償するようになっている。そして第１および第２の反射型体積ホログラムグレーティング１４，１５が回折反射する光の波長帯域の中心波長Ｌ（６３０ｎｍ）と、その波長帯域内で導光板１３に入射する、この実施例での赤色ＬＥＤによる平行光束群のピーク波長Ｐ＝６４５ｎｍとの関係は
Ｐ＞Ｌ
を満足している。

次に、比較例として、図１６に示すスペクトル分布を持つ赤色ＬＥＤを、画像表示素子１１を照明する光源として用いた場合の測定を行った。このときの、観察瞳位置Ｏで観察される虚像画面の水平方向の光量分布の測定結果を図１７に示す。この比較例の場合、赤色ＬＥＤによるピーク波長は６３０ｎｍとなっており、第１および第２の反射型体積ホログラムグレーティング１４，１５が回折反射する光の波長帯域の中心波長Ｌ＝６３５ｎｍと、その波長帯域内で導光板１３に入射する赤色ＬＥＤによる平行光束群のピーク波長Ｐ＝６３０ｎｍとの関係は上式を満足していない。

図１５および図１７の光量分布の測定結果を比較してみればわかるように、関係Ｐ＞Ｌを満たしていない図１７の比較例の場合、反射回数の少ない画角の光量が高く、反射回数の多い画角の光量が低くなってしまい、観察画像として適切ではない。一方、上式を満たしている図１５の実施例の場合、観察される虚像画面は中心光量が最も高く、左右の周辺画角に行くに従って滑らかに低下している。これは観察画像として自然な形態をなしており、各画角間における光量バランスを保つことを可能にしている。

なお、以上の実施例では画像表示素子１１の光源のスペクトル分布を変えることで、Ｐ＞Ｌの条件を満足させた場合を例にしたが、第１および第２の反射型体積ホログラムグレーティング１４，１５の回折構造を変えることでＰ＞Ｌの条件を満足させるようにしても良い。

以上説明したように、本実施の形態に係る虚像表示装置１０によれば、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５における回折反射回数の多い画角での光量低下が補償されるように、第１および第２の反射型体積ホログラムグレーティング１４，１５における回折中心波長Ｌと、導光板１３に入射する平行光束群のピーク波長Ｐとが所定の関係を満たすようにしたので、各画角間の光量バランスを良好に保ち、明るさむらの少ない虚像観察を実現することができる。
［その他の実施の形態］

本発明は、上記実施の形態に限定されず、その他の変形実施が可能である。
例えば、図１８に示した虚像表示装置８０の構成例においても図１の構成例と同様に、本発明を適用することが可能である。すなわち、虚像表示装置８０における第１および第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ａ，８４ｃについて、中心画角での回折中心波長Ｌが、導光板８３に入射する平行光束群のピーク波長Ｐに対して、
Ｐ＞Ｌ
の関係を満足するように構成されていれば良い。その他、反射型体積ホログラムグレーティングを用いて、図１や図１８に示した虚像表示装置と実質的に同様の原理で拡大虚像を表示するような装置全般に本発明は適用可能である。

本発明の一実施の形態に係る虚像表示装置の一構成例を示す側面図である。 本発明の一実施の形態に係る虚像表示装置における第１の反射型体積ホログラムグレーティングの一構成例を示す側面図である。 本発明の一実施の形態に係る虚像表示装置における第２の反射型体積ホログラムグレーティングの一構成例を示す側面図である。 本発明の一実施の形態に係る虚像表示装置における第１の反射型体積ホログラムグレーティングの他の構成例を示す側面図である。 本発明の一実施の形態に係る虚像表示装置における第２の反射型体積ホログラムグレーティングの他の構成例を示す側面図である。 第１および第２の反射型体積ホログラムグレーティングにおける入射画角と回折中心波長との関係を示す説明図である。 第２の反射型体積ホログラムグレーティングにおける回折反射回数と射出光量との関係を示す説明図である。 赤色のＬＥＤのスペクトル分布の一例を示す特性図である。 入射画角間の光量のバランスを取る方法についての説明図である。 光量分布の測定に用いた本発明の一実施例における虚像表示装置の構成を示す側面図である。 本発明の一実施例における第１の反射型体積ホログラムグレーティングの回折反射スペクトル分布を示す特性図である。 本発明の一実施例における第２の反射型体積ホログラムグレーティングの回折反射スペクトル分布を示す特性図である。 本発明の一実施例における赤色のＬＥＤのスペクトル分布を示す特性図である。 本発明の一実施例における第２の反射型体積ホログラムグレーティングによって回折反射される赤色波長帯域のスペクトル分布を示す特性図である。 本発明の一実施例における虚像観察位置での赤色波長帯域の光量分布を示す特性図である。 比較例における赤色のＬＥＤのスペクトル分布を示す特性図である。 比較例における虚像観察位置での赤色波長帯域の光量分布を示す特性図である。 従来の虚像表示装置の一構成例を示す側面図である。 従来の虚像表示装置の第２の反射型体積ホログラムグレーティングにおける回折反射位置についての説明図である。 従来の虚像表示装置の第２の反射型体積ホログラムグレーティングにおける回折反射位置および観察画角と回折反射回数との関係についての説明図である。

符号の説明

１０…虚像表示装置、１１…画像表示素子、１２…コリメート光学系、１３…導光板、１３ａ，１３ｂ…光学面、１３ａ１…光入射口、１３ａ２…光射出口、１４，２４…第１の反射型体積ホログラムグレーティング、１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ…ホログラム層、１５，２５…第２の反射型体積ホログラムグレーティング、１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ…ホログラム層、１４Ｓ，１５Ｓ，２４Ｓ，２５Ｓ…ホログラム表面、１６…観察者の瞳、１７…ＣＣＤカメラ。

Claims (2)

1. Ｎ種類（Ｎは１以上の整数）の波長帯域における各波長帯について、所定の画角範囲内の複数の画角に対応する入射角で複数の平行光束が入射され、その入射された複数の平行光束を平行光束のまま内部全反射により導光する導光板と、
   前記Ｎ種類の波長帯域に対応したＮ種類の干渉縞を含む回折構造を有し、前記導光板に入射された前記複数の平行光束を、前記導光板の内部で全反射されるように平行光束のまま回折反射する第１の反射型体積ホログラムグレーティングと、
   前記Ｎ種類の波長帯域に対応したＮ種類の干渉縞を含む回折構造を有し、前記導光板の内部を全反射により伝播した前記複数の平行光束を回折反射し、前記導光板から平行光束のまま射出させる第２の反射型体積ホログラムグレーティングと
   を備え、
   前記Ｎ種類の波長帯域における各波長帯域において、前記所定の画角範囲内の中心画角に対応した平行光束に対する前記第１および第２の反射型体積ホログラムグレーティングの回折中心波長をともにＬとし、前記導光板に入射する前記複数の平行光束のピーク波長をＰとしたとき、
   Ｐ＞Ｌ
   を満足するように構成されている光学装置。
2. Ｎ種類（Ｎは１以上の整数）の波長帯域の光を用いて画像を表示する画像形成部と、
   前記画像形成部から射出された前記Ｎ種類の波長帯域についての光束を平行光束とするコリメート光学系と、
   前記Ｎ種類の波長帯域における各波長帯について、所定の画角範囲内の複数の画角に対応する入射角で複数の平行光束が前記コリメート光学系を介して入射され、その入射された複数の平行光束を平行光束のまま内部全反射により導光する導光板と、
   前記Ｎ種類の波長帯域に対応したＮ種類の干渉縞を含む回折構造を有し、前記導光板に入射された前記複数の平行光束を、前記導光板の内部で全反射されるように平行光束のまま回折反射する第１の反射型体積ホログラムグレーティングと、
   前記Ｎ種類の波長帯域に対応したＮ種類の干渉縞を含む回折構造を有し、前記導光板の内部を全反射により伝播した前記複数の平行光束を回折反射し、前記導光板から平行光束のまま射出させる第２の反射型体積ホログラムグレーティングと
   を備え、
   前記Ｎ種類の波長帯域における各波長帯域において、前記所定の画角範囲内の中心画角に対応した平行光束に対する前記第１および第２の反射型体積ホログラムグレーティングの回折中心波長をともにＬとし、前記導光板に入射する前記複数の平行光束のピーク波長をＰとしたとき、
   Ｐ＞Ｌ
   を満足するように構成されている虚像表示装置。

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