(57)【要約】【課題】２つの回折素子によって適正に波長補償できる表示装置、光学素子及び光学素子の製造方法を提供すること。【解決手段】本発明の表示装置は、画像光生成装置から出射された画像光の光路に沿って、正のパワーを有する第１光学部と、反射型の第１回折素子を含み、正のパワーを有する第２光学部と、正のパワーを有する第３光学部と、反射型の第２回折素子を含み、正のパワーを有する第４光学部と、を備え、第２光学部は、第１回折素子の第１面に設けられて光学パワーを有する第１透光部材と、第１回折素子の第２面に設けられた遮光部材と、を含むことを特徴とする。【選択図】図２
2020160130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像光生成装置から出射された画像光の光路に沿って、
正のパワーを有する第１光学部と、
反射型の第１回折素子を含み、正のパワーを有する第２光学部と、
正のパワーを有する第３光学部と、
反射型の第２回折素子を含み、正のパワーを有する第４光学部と、を備え、
前記第２光学部は、前記第１回折素子の第１面に設けられて光学パワーを有する第１透光部材と、前記第１回折素子の第２面に設けられた遮光部材と、を含む
ことを特徴とする表示装置。
【請求項２】
画像光生成装置から出射された画像光の光路に沿って、
正のパワーを有する第１光学部と、
反射型の第１回折素子を含み、正のパワーを有する第２光学部と、
正のパワーを有する第３光学部と、
反射型の第２回折素子を含み、正のパワーを有する第４光学部と、を備え、
前記第２光学部は、前記第１回折素子の第１面に設けられて光学パワーを有する第１透光部材と、前記第１回折素子の第２面に設けられた第２透光部材と、を含む
ことを特徴とする表示装置。
【請求項３】
前記第２透光部材における前記第１回折素子と反対側の第３面は、前記第１回折素子の前記第２面と異なる形状を有する
ことを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
【請求項４】
前記第２透光部材における前記第１回折素子と反対側の第３面は、前記第１回折素子の前記第２面と同じ形状を有している
ことを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
【請求項５】
前記第１透光部材は複数の光学部材で構成される
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項６】
前記第１透光部材は、前記複数の光学部材同士を接合させる接合材をさらに含み、
前記接合材の屈折率と前記複数の透光部材の屈折率とは等しい
ことを特徴とする請求項５に記載の表示装置。
【請求項７】
前記第１回折素子における前記画像光の第１回折角と前記第２回折素子における前記画像光の第２回折角とが異なっている
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項８】
前記第２回折角は、前記第１回折角より大きい
ことを特徴とする請求項７に記載の表示装置。
【請求項９】
前記第１透光部材はプリズムで構成される
ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ホログラフィック素子等の回折素子を用いた表示装置として、画像光生成装置から出射された画像光を回折素子によって観察者の眼に向けて偏向するものが提案されている。回折素子では、特定波長で最適な回折角度と回折効率が得られるように干渉縞が最適化されている。しかしながら、画像光は、特定波長を中心にして所定のスペクトル幅を有していることから、特定波長からずれた周辺波長の光は、画像の解像度を低下させる原因となる。そこで、画像光生成装置から出射された画像光を反射型の第１回折素子によって、前方に配置された第２回折素子に向けて出射し、第１回折素子から出射された画像光を第２回折素子によって観察者の眼に向けて偏向する表示装置が提案されている。かかる構成によれば、第１回折素子によって周辺波長の光を補償して色収差をキャンセルすることができ、特定波長からずれた周辺波長の光に起因する画像の解像度の低下を抑制することができる（例えば、下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１６７１８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に開示されるように２枚の回折素子を用いて波長補償を行う場合に、２つの回折素子に光学的な共役関係を持たせることが考えられる。２つの回折素子が共役関係を持つ場合、２つの回折素子の回折角を同じにする必要があるが、２つの回折素子の回折角を同じにすると表示装置自体が大型化してしまう。
【０００５】
そこで、第１回折素子にレンズ部材を設け、レンズ部材による屈折力と第１回折素子の回折力とによって２つの回折素子の回折角度を異ならせつつ波長補償を行うことが考えられる。例えば、第１回折素子の回折角を第２回折素子の回折角よりも小さくした場合、第１回折素子から出射された０次光及び１次光の進行方向の差が小さくなる。そのため、０次光が表示装置内の光学系を伝播してゴーストもしくは多重像として観察者の眼に入射するという問題が生じる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る表示装置は、画像光生成装置から出射された画像光の光路に沿って、正のパワーを有する第１光学部と、反射型の第１回折素子を含み、正のパワーを有する第２光学部と、正のパワーを有する第３光学部と、反射型の第２回折素子を含み、正のパワーを有する第４光学部と、を備え、前記第２光学部は、前記第１回折素子の第１面に設けられて光学パワーを有する第１透光部材と、前記第１回折素子の第２面に設けられた遮光部材と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
上記態様に係る表示装置では、画像光生成装置から出射された画像光の光路に沿って、正のパワーを有する第１光学部と、反射型の第１回折素子を含み、正のパワーを有する第２光学部と、正のパワーを有する第３光学部と、反射型の第２回折素子を含み、正のパワーを有する第４光学部と、を備え、前記第２光学部は、前記第１回折素子の第１面に設けられて光学パワーを有する第１透光部材と、前記第１回折素子の第２面に設けられた第２透光部材と、をさらに含むことが好ましい。
【０００８】
上記態様に係る表示装置では、前記第２透光部材における前記第１回折素子と反対側の第３面は、前記第１回折素子の前記第２面と異なる形状を有することが好ましい。
【０００９】
上記態様に係る表示装置では、前記第２透光部材における前記第１回折素子と反対側の第３面は、前記第１回折素子の前記第２面と同じ形状を有していることが好ましい。
【００１０】
上記態様に係る表示装置では、前記第１透光部材は複数の光学部材で構成されることが好ましい。
【００１１】
上記態様に係る表示装置では、前記第１透光部材は、前記複数の光学部材同士を接合させる接合材をさらに含み、前記接合材の屈折率と前記複数の透光部材の屈折率とは等しいことが好ましい。
【００１２】
上記態様に係る表示装置では、前記第１回折素子における前記画像光の第１回折角と前記第２回折素子における前記画像光の第２回折角とが異なっていることが好ましい。
【００１３】
上記態様に係る表示装置では、前記第２回折角は、前記第１回折角より大きいことが好ましい。
【００１４】
上記態様に係る表示装置では、前記第１透光部材はプリズムで構成されることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第一実施形態の表示装置の外観図。
【図２】表示装置の光学系の説明図。
【図３Ａ】回折素子の干渉縞の説明図。
【図３Ｂ】回折素子の干渉縞の別形態の説明図。
【図４】第２光学部の要部構成を示す断面図。
【図５】体積ホログラムにおける回折特性の説明図。
【図６】回折角度が同じ場合に第２回折素子から出射される光の説明図。
【図７Ａ】第１および第２回折素子の回折角を小さい角度で揃えた場合の説明図。
【図７Ｂ】第１および第２回折素子の回折角を大きい角度で揃えた場合の説明図。
【図８】第１回折素子および第２回折素子の回折角度の関係を示した図。
【図９】回折角度を異ならせた場合に第２回折素子から出射される光の説明図。
【図１０Ａ】補正光学系における第１の機能を示す図。
【図１０Ｂ】補正光学系における第２の機能を示す図。
【図１０Ｃ】補正光学系における第３の機能を示す図。
【図１１】補正光学系の拡大図。
【図１２】０次光及び１次光における結像位置を示した図。
【図１３】観察者が視認する画像を示した図。
【図１４】光学系の光線図を模式的に示した図。
【図１５】第二実施形態における第２光学部の要部構成を示す断面図。
【図１６】第三実施形態における第２光学部の要部構成を示す断面図。
【図１７】第四実施形態における第２光学部の要部構成を示す断面図。
【図１８】第五実施形態の光学系における第１および第２回折素子との間の光線図。
【図１９】第２回折素子から出射される光の説明図。
【図２０】図１９に示す光が眼に入射する様子を示す説明図。
【図２１】変形例に係る表示装置の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（第一実施形態）
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度や角度を実際とは異ならせしめている。
【００１７】
図１は、本実施形態の表示装置１００の外観の一態様を示す外観図である。図２は、図１に示す表示装置１００の光学系１０の一態様を示す説明図である。なお、以下の説明に用いる図面において必要に応じて、表示装置を装着した観察者に対する前後方向をＺ軸に沿う方向とし、前後方向の一方側として表示装置を装着した観察者の前方を前側Ｚ１とし、前後方向の他方側として表示装置を装着した観察者の後方を後側Ｚ２としてある。また、表示装置を装着した観察者に対する左右方向をＸ軸に沿う方向とし、左右方向の一方側として表示装置を装着した観察者の右方を右側Ｘ１とし、左右方向の他方側として表示装置を装着した観察者の左方を左側Ｘ２としてある。また、表示装置を装着した観察者に対する上下方向をＹ軸方向に沿う方向とし、上下方向の一方側として表示装置を装着した観察者の上方を上側Ｙ１とし、上下方向の他方側として表示装置を装着した観察者の下方を下側Ｙ２としてある。
【００１８】
図１に示す表示装置１００は、頭部装着型の表示装置であり、画像光Ｌ０ａを右眼Ｅａに入射させる右眼用光学系１０ａと、画像光Ｌ０ｂを左眼Ｅｂに入射させる左眼用光学系１０ｂとを有している。表示装置１００は、例えば、眼鏡のような形状に形成される。具体的に、表示装置１００は、右眼用光学系１０ａと左眼用光学系１０ｂとを保持する筐体９０をさらに備えている。表示装置１００は、筐体９０によって観察者の頭部に装着される。
【００１９】
表示装置１００は、筐体９０として、フレーム９１と、フレーム９１の右側に設けられ、観察者の右耳に係止されるテンプル９２ａと、フレーム９１の左側に設けられ、観察者の左耳に係止されるテンプル９２ｂと、を備えている。フレーム９１は、両側部に収納空間９１ｓを有しており、収納空間９１ｓ内に、後述する光学系１０を構成する画像光投射装置等の各部品が収容されている。テンプル９２ａ，９２ｂは、ヒンジ９５によってフレーム９１に対して折り畳み可能に連結されている。
【００２０】
右眼用光学系１０ａと左眼用光学系１０ｂとは基本的な構成が同一である。従って、以下の説明では、右眼用光学系１０ａと左眼用光学系１０ｂとを区別せずに光学系１０として説明する。
【００２１】
続いて、図２を参照して表示装置１００の光学系１０の基本的な構成を説明する。
図２に示すように、本実施形態の光学系１０では、画像光生成装置３１から出射された画像光Ｌ０の光路に沿って、正のパワーを有する第１光学部Ｌ１０と、正のパワーを有する第２光学部Ｌ２０と、正のパワーを有する第３光学部Ｌ３０と、正のパワーを有する第４光学部Ｌ４０とが配置されている。
【００２２】
本実施形態において、正のパワーを有する第１光学部Ｌ１０は、ミラー４０および投射光学系３２によって構成されている。正のパワーを有する第２光学部Ｌ２０は、反射型の第１回折素子５０と補正光学系４５とを含む。正のパワーを有する第３光学部Ｌ３０は、導光系６０によって構成されている。正のパワーを有する第４光学部Ｌ４０は、反射型の第２回折素子７０によって構成されている。本実施形態において、第１回折素子５０および第２回折素子７０は、反射型の回折素子である。
【００２３】
かかる光学系１０において、画像光Ｌ０の進行方向に着目すると、画像光生成装置３１は、投射光学系３２に向けて画像光Ｌ０を出射し、投射光学系３２は入射した画像光Ｌ０をミラー４０に向けて出射する。ミラー４０は反射面４０ａを有し、画像光Ｌ０を第１回折素子５０に向けて反射する。ミラー４０の反射面４０ａで反射された画像光Ｌ０は補正光学系４５を透過して第１回折素子５０に入射する。第１回折素子５０で回折された画像光Ｌ０は導光系６０に向けて出射される。導光系６０は、入射した画像光Ｌ０を第２回折素子７０に出射し、第２回折素子７０は、入射した画像光Ｌ０を観察者の眼Ｅに向けて出射する。
【００２４】
本実施形態において、画像光生成装置３１は画像光Ｌ０を生成する。
画像光生成装置３１は、有機エレクトロルミネッセンス表示素子等の表示パネル３１０を備えている態様を採用することができる。かかる態様によれば、小型で高画質な画像表示が可能な表示装置１００を提供することができる。また、画像光生成装置３１は、照明光源（図示せず）と、照明光源から出射された照明光を変調する液晶表示素子等の表示パネル３１０とを備えている態様を採用してもよい。かかる態様によれば、照明光源の選択が可能なため、画像光Ｌ０の波長特性の自由度が広がるという利点がある。ここで、画像光生成装置３１は、カラー表示可能な１枚の表示パネル３１０を有する態様を採用することができる。また、画像光生成装置３１は、各色に対応する複数の表示パネル３１０と、複数の表示パネル３１０から出射された各色の画像光を合成する合成光学系とを有する態様を採用してもよい。さらに、画像光生成装置３１は、レーザー光をマイクロミラーデバイスで変調する態様を採用してもよい。この場合、マイクロミラーデバイスを駆動することでレーザー光を走査することにより、画像光を生成する。
【００２５】
投射光学系３２は画像光生成装置３１が生成した画像光Ｌ０を投射する光学系であって、第１レンズ３０１、第２レンズ３０２、第３レンズ３０３および第４レンズ３０４によって構成されている。第１レンズ３０１、第２レンズ３０２、第３レンズ３０３および第４レンズ３０４は自由曲面レンズや回転対称のレンズで構成される。また、投射光学系３２は偏心光学系であってもよい。図２では、投射光学系３２におけるレンズの数を４枚とした場合を例に挙げたが、レンズの枚数はこれに限定されることはなく、投射光学系３２が５枚以上のレンズを備えていてもよい。また、各レンズは貼り合わせて投射光学系３２を構成してもよい。
【００２６】
導光系６０は、周辺部より中央が凹んだ反射面６２ａを有するミラー６２で構成されており、正のパワーを有している。ミラー６２は、前後方向に向けて斜めに傾いた反射面６２ａを有している。なお、反射面６２ａは球面、非球面、または自由曲面からなる。本実施形態において、ミラー６２は自由曲面からなる反射面６２ａを有した全反射ミラーである。但し、ミラー６２をハーフミラーとしてもよく、この場合、外光を視認できる範囲を広くすることができる。
【００２７】
続いて、第１回折素子５０を含む第２光学部Ｌ２０と、第２回折素子７０を含む第４光学部Ｌ４０の構成について説明する。
まず、第４光学部Ｌ４０の構成について説明する。以下では、第４光学部Ｌ４０を構成する第２回折素子７０の構成を主体に説明する。
図３Ａは、図２に示す第２回折素子７０の干渉縞７５１の説明図である。図３Ａに示すように、第２回折素子７０は、反射型体積ホログラム素子で構成された部分反射型回折光学素子である。このため、第２回折素子７０は、部分透過反射性のコンバイナーを構成している。従って、外光も第２回折素子７０を介して眼Ｅに入射するため、観察者は、画像光生成装置３１で形成した画像光Ｌ０と外光（背景）とが重畳した画像を認識することができる。
【００２８】
第２回折素子７０は、観察者の眼Ｅと対向しており、画像光Ｌ０が入射する第２回折素子７０の入射面７１は、眼Ｅから離れる方向に凹んだ凹曲面になっている。換言すれば、入射面７１は、画像光Ｌ０の入射方向において、周辺部に対して中央部が凹んで湾曲した形状となっている。このため、画像光Ｌ０を観察者の眼Ｅに向けて効率良く集光させることができる。
【００２９】
第２回折素子７０は、特定波長に対応するピッチを有した干渉縞７５１を有している。干渉縞７５１は屈折率等の差としてホログラフィック感光層に記録されており、干渉縞７５１は特定の入射角度に対応するように、第２回折素子７０の入射面７１に対して一方方向に傾いている。従って、第２回折素子７０は、画像光Ｌ０を所定の方向に回折して偏向する。特定波長および特定の入射角度とは、画像光Ｌ０の波長と入射角度に対応する。かかる構成の干渉縞７５１は、参照光Ｌｒおよび物体光Ｌｓを用いてホログラフィック感光層に干渉露光を行うことにより形成することができる。
【００３０】
本実施形態では、画像光Ｌ０がカラー表示用であるため、後述する赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢを含む。このため、第２回折素子７０は、特定波長に対応するピッチで形成された干渉縞７５１Ｒ、７５１Ｇ、７５１Ｂを有している。例えば、干渉縞７５１Ｒは、５８０ｎｍから７００ｎｍの波長範囲のうち、例えば、波長６１５ｎｍの赤色光ＬＲに対応するピッチで形成される。干渉縞７５１Ｇは、５００ｎｍから５８０ｎｍの波長範囲のうち、例えば、波長５３５ｎｍの緑色光ＬＧに対応するピッチで形成される。干渉縞７５１Ｂは、４００ｎｍから５００ｎｍの波長範囲のうち、例えば、波長４６０ｎｍの青色光ＬＢに対応するピッチで形成される。かかる構成は、各波長に対応する感度を有するホログラフィック感光層を形成した状態で、各波長の参照光ＬｒＲ、ＬｒＧ、ＬｒＢ、および物体光ＬｓＲ、ＬｓＧ、ＬｓＢを用いてホログラフィック感光層に二光束干渉露光を行うことにより形成することができる。
【００３１】
なお、各波長に対応する感度を有する感光材料をホログラフィック感光層に分散させておき、各波長の参照光ＬｒＲ、ＬｒＧ、ＬｒＢおよび物体光ＬｓＲ、ＬｓＧ、ＬｓＢを用いてホログラフィック感光層に干渉露光を行うことによって、図３Ｂに示すように１つの層に干渉縞７５１Ｒ、７５１Ｇ、７５１Ｂを重畳した干渉縞７５１を形成してもよい。また、参照光ＬｒＲ、ＬｒＧ、ＬｒＢおよび物体光ＬｓＲ、ＬｓＧ、ＬｓＢとして球面波の光を用いてもよい。
【００３２】
続いて、第２光学部Ｌ２０の構成について説明する。
図４は第２光学部Ｌ２０の要部構成を示す断面図である。図４に示すように、第２光学部Ｌ２０は、第１回折素子５０と、補正光学系４５と、遮光部材４９と、を含む。第１回折素子５０は、第２回折素子７０と基本構成が同一の反射型体積ホログラム素子で構成される。そのため、第１回折素子５０には、特定波長に対応するピッチを有する干渉縞５０ａが設けられている。
【００３３】
本実施形態において、第１回折素子５０は、第一透光部材としての補正光学系４５と一体に設けられている。本実施形態において、補正光学系４５はプラスチックやガラス等の透光性材料からなるプリズムで構成され、画像光Ｌ０を偏向する光学パワーを有する。補正光学系４５は第１透光部材に相当する。補正光学系４５は、第１回折素子５０の入射面（第１面）５１に設けられる。
【００３４】
第１回折素子５０は、補正光学系４５の裏面４５ｂに貼り付けられている。
補正光学系４５の表面４５ａは光入射出射面として機能する。表面４５ａは正の光学パワーを有する面で構成される。ここで、正の光学パワーを有する面とは、球面、非球面、シリンドリカル面、自由曲面等のレンズ形状を意味する。なお、表面４５ａは正の光学パワーを有していれば平面で構成されていてもよい。
【００３５】
遮光部材４９は、第１回折素子５０の裏面（第２面）５２に設けられる。遮光部材４９は光吸収性を有する黒色塗の塗装膜で構成されている。なお、光吸収性を有するプラスチック部材を裏面５２に貼りつけて遮光部材４９を構成してもよい。
【００３６】
図５は、第１回折素子５０および第２回折素子７０を構成する体積ホログラムにおける回折特性を説明した図である。図５は、体積ホログラム上の１点に光線が入射したときの、特定波長と周辺波長の回折角の差を示したものである。図５には、特定波長を５３１ｎｍとしたとき、波長が５２６ｎｍの周辺波長の光の回折角度のずれを実線Ｌ５２６で示し、波長が５３６ｎｍの周辺波長の光の回折角度のずれを点線Ｌ５３６で示してある。図５に示すように、ホログラムに記録された同じ干渉縞に光線が入射した場合でも、長波長の光線ほど大きく回折し、短波長の光線ほど回折しにくい。そのため、本実施形態のように２つの回折素子、すなわち第１回折素子５０および第２回折素子７０を用いた際、特定波長に対する長波長の光および短波長の光における光線角度をそれぞれ考慮して入射させないと適正に波長補償できない。すなわち第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセルできなくなる。
【００３７】
図２に示す光学系１０では、特開２０１７−１６７１８１号公報に記載されているように、第１回折素子５０と第２回折素子７０との間での中間像の形成回数と、ミラー６２での反射回数の和が奇数か偶数かに対応して、第２回折素子７０への入射方向等を適正化してあるため、波長補償、すなわち色収差をキャンセル可能である。
【００３８】
ここで、第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度が同じ場合について考える。すなわち、第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度が同じ回折素子で構成されている場合について考える。図６は第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度が同じ場合に第２回折素子７０から出射される光の説明図である。なお、図６では、画像光Ｌ０の特定波長の光Ｌ１（実線）に加えて、長波長側の光Ｌ２（一点鎖線）、および特定波長に対して短波長側の光Ｌ３（点線）も図示してある。
【００３９】
図６に示すように、第１回折素子５０に入射した画像光Ｌ０は、第１回折素子５０によって回折されることで偏向する。このとき、図６に示したように体積ホログラムからなる第１回折素子５０では、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２の回折角度θ２が特定波長の光Ｌ１の回折角度θ１より大きくなる。また、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３の回折角度θ３が特定波長の光Ｌ１の回折角度θ１より小さくなる。従って、第１回折素子５０を出射した画像光Ｌ０は、波長毎に偏向されて分散することとなる。
【００４０】
第１回折素子５０を出射した画像光Ｌ０は、導光系６０を経由して第２回折素子７０に入射し、第２回折素子７０によって回折されることで偏向する。その際、第１回折素子５０から第２回折素子７０までの光路において、中間像の形成が１回行われるとともに、ミラー６２での反射が１回行われる。従って、画像光Ｌ０と第２回折素子７０の入射面法線との間の角度を入射角とすると、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２は、特定波長の光Ｌ１における入射角θ１１よりも大きな入射角θ１２となり、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３は、特定波長の光Ｌ１における入射角θ１１よりも小さな入射角θ１３となる。また、上述したように特定波長に対して長波長側の光Ｌ２の回折角度θ２は、特定波長の光Ｌ１の回折角度θ１よりも大きくなり、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３の回折角度θ３は、特定波長の光Ｌ１の回折角度θ１よりも小さくなる。
【００４１】
従って、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２は、特定波長の光Ｌ１よりも大きな入射角で第１回折素子５０に入射するが、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２の回折角度が、特定波長の光Ｌ１の回折角度よりも大きいため、結果として第２回折素子７０から出射するときには、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２と特定波長の光Ｌ１は略平行な光となる。これに対して、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３は、特定波長の光Ｌ１よりも小さな入射角で第１回折素子５０に入射するが、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３の回折角度が、特定波長の光Ｌ１の回折角度よりも小さいため、結果として第２回折素子７０から出射するときには、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３と特定波長の光Ｌ１は略平行な光となる。このようにして、図６に示すように、第２回折素子７０を出射した画像光Ｌ０は、略平行な光として観察者の眼Ｅに入射する。よって、波長毎の網膜Ｅ０での結像位置ずれが抑制されて、第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセルできる。
【００４２】
このように第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度を同じにすることで色収差をキャンセルする場合、第１回折素子５０と第２回折素子７０との間には共役関係が成立する。ここで、共役関係とは、第１回折素子５０の第１の位置から出射した光が正パワーを持つ導光系６０によって集光され、第２回折素子７０の第１の位置に対応する第２の位置に入射する関係をいう。
【００４３】
しかしながら、上述のように第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度を揃えることで共役関係を成立させる場合、以下の問題が生じる。
【００４４】
図７Ａは第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角を小さい角度で揃えた場合の説明図である。図７Ｂは第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角を大きい角度で揃えた場合の説明図である。なお、図７Ａおよび図７Ｂにおいて、光軸に沿って配置される各光学部を簡略化して太い矢印で示してある。
【００４５】
図７Ａでは、第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角を小さい角度αで揃えている。図７Ｂでは、第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角を角度αよりも大きい角度βで揃えている。
図７Ａに示されるように、第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角を小さい角度αで揃えると、観察者の顔における輪郭ＭＣに沿って各光学部材を配置することで表示装置の小型化を図ることが可能となる。しかしながら、図７Ａに示されるように、ミラー４０と導光系６０とが干渉し、画像光の一部が欠けるという問題が生じる。
【００４６】
一方、図７Ｂに示すように、第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角を大きい角度βで揃えると、ミラー４０と導光系６０との間隔が広がることで両者の干渉は回避できる。しかしながら、観察者の顔における輪郭ＭＣから離れた位置に各光学部材が配置されることになるため、結果的に表示装置の大型化という問題が生じる。
【００４７】
そこで、本実施形態の光学系１０では第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度を異ならせるようにしている。図８は本実施形態の光学系１０における第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度の関係を示した図である。
図８に示すように、本実施形態の光学系１０では、第１回折素子５０における画像光Ｌ０の第１回折角α１と第２回折素子７０における画像光Ｌ０の第２回折角β１とが異なっている。具体的に、第２回折角β１は第１回折角α１より大きい。本実施形態の光学系１０によれば、第２回折角β１を第１回折角α１より大きくすることで、観察者の眼Ｅに大きな画角で画像光Ｌ０を入射させるとともに、観察者の顔における輪郭ＭＣに沿って各光学部を配置することができる。従って、光学系１０を含む表示装置自体の小型化を実現できる。
【００４８】
しかしながら、上述のように第２回折角β１を第１回折角α１より大きくすることで表示装置を小型化できるが、後述する解像度の低下という新たな問題が生じてしまう。
【００４９】
図９は第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折角度を異ならせた場合に第２回折素子７０から出射される光の説明図である。なお、図９に示す光路上には補正光学系４５が配置されていないものとする。図９では、画像光Ｌ０の特定波長の光Ｌ１（実線）に加えて、長波長側の光Ｌ２（一点鎖線）、および特定波長に対して短波長側の光Ｌ３（点線）も図示してある。
【００５０】
図９に示すように、第１回折素子５０に入射した画像光Ｌ０は、第１回折素子５０によって回折されることで偏向する。このとき、図９に示すように第１回折素子５０を出射した画像光Ｌ０は、波長毎に偏向されて分散することとなる。
【００５１】
第１回折素子５０を出射した画像光Ｌ０は第２回折素子７０で回折されることで偏向する。このとき、第２回折素子７０の回折角度は第１回折素子５０の回折角度と異なるため、図９に示すように、特定波長の光Ｌ１に対して長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３は拡がった状態で出射される。このようにして、図９に示すように、第２回折素子７０を出射した画像光Ｌ０は波長毎に網膜Ｅ０での結像位置にずれが生じるので、色収差をキャンセルできず、画像光Ｌ０の解像度の低下という問題が生じてしまう。
【００５２】
この問題を解消すべく、本実施形態の光学系１０は、図２に示したように、画像光Ｌ０の光路において第１光学部Ｌ１０と第４光学部Ｌ４０との間に、第２回折素子７０に対する画像光Ｌ０の入射角度を補正する補正光学系４５を設けている。具体的に、補正光学系４５は、第２光学部Ｌ２０を構成する第１回折素子５０の光入射側および光射出側に一体に設けられている。補正光学系４５の表面４５ａは、画像光Ｌ０が入射あるいは出射される光入射出射面として機能する。
【００５３】
補正光学系４５は、観察者の眼Ｅに近い側の厚みが厚く、観察者の眼Ｅから遠い側の厚みが薄くなる形状を有する。また、補正光学系４５は、第１回折素子５０に対して左側Ｘ２に位置する第２回折素子７０に近い側の厚みが厚く、第１回折素子５０に対して右側Ｘ１に位置する画像光生成装置３１に近い側の厚みが薄い形状を有していると換言できる。
【００５４】
表面４５ａは、観察者の眼Ｅに近づくにつれて前側Ｚ１に突出するように傾斜する面で構成されている。また、表面４５ａは、第２回折素子７０に近づくにつれて前側Ｚ１に突出するように傾斜する面で構成されると換言することもできる。
【００５５】
ここで、補正光学系４５の機能について図面を参照しながら説明する。
図１０Ａは補正光学系４５における第１の機能を示す図であり、図１０Ｂは補正光学系４５における第２の機能を示す図であり、図１０Ｃは補正光学系４５における第３の機能を示す図である。なお、図１０Ａ、図１０Ｂおよび図１０Ｃでは、第２回折素子７０の第２回折角β１が第１回折素子５０の第１回折角α１より大きいものとする。
また、図１１は補正光学系４５の拡大図である。また、図１１では、画像光Ｌ０の特定波長の光Ｌ１（実線）に加えて、長波長側の光Ｌ２（一点鎖線）、および特定波長に対して短波長側の光Ｌ３（点線）も図示してある。
【００５６】
図１０Ａに示すように、補正光学系４５は、画像光Ｌ０の光路において、第１回折素子５０の光入射側に設けられる。そのため、画像光Ｌ０は、図１１に示すように表面４５ａから補正光学系４５内に入射する。このとき、光の分散によって補正光学系４５の入射時に、短波長側の光Ｌ３が最も大きく屈折し、長波長側の光Ｌ２が最も小さく屈折し、特定波長の光Ｌ１は短波長側の光Ｌ３および長波長側の光Ｌ２の間の大きさで屈折する。そして、特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３は補正光学系４５内を透過して第１回折素子５０に入射する。
【００５７】
特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３は補正光学系４５で分散されることによって第１回折素子５０の異なる場所に入射する。また、特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３における第１回折素子５０に対する入射角度はそれぞれ異なる。
【００５８】
このように補正光学系４５は、画像光Ｌ０を分散させることで第１回折素子５０に対する特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３の入射位置と角度をそれぞれ変化させる。
【００５９】
ここで、第１回折素子５０を構成する体積ホログラムの回折角は場所ごとで異なっている。補正光学系４５は、例えば、画像光Ｌ０における特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３における第１回折素子５０に対する入射位置をそれぞれ適切な位置に補正する。このように補正光学系４５によれば、第２回折素子７０から出射される際に図１０Ａに示したように特定波長の光およびその周辺波長の光が略平行となるように、第１回折素子５０から出射された画像光Ｌ０の第２回折素子７０に対する入射角を補正可能となる。すなわち、補正光学系４５は、図１０Ａに示すように「第１回折素子５０に入射する画像光Ｌ０の入射位置を波長毎に変えるように補正する」という第１の機能を有する。
【００６０】
また、補正光学系４５は、図１０Ｂに示すように、第１回折素子５０に対する画像光Ｌ０の入射角度を波長毎、すなわち、特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３毎にそれぞれ補正する。これにより、画像光Ｌ０は、図１１に示すように、例えば、画像光Ｌ０における長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３に対して予め角度をつけることで第１回折素子５０に対する入射角が補正される。このように補正光学系４５によれば、第２回折素子７０から出射される際に図９に示したように特定波長の光およびその周辺波長の光が略平行となるように、画像光Ｌ０を第１回折素子５０に入射させることが可能となる。すなわち、補正光学系４５は、図１０Ｂに示した「第１回折素子５０に対する画像光Ｌ０の入射角度を波長毎に補正する」という第２の機能を有する。
【００６１】
また、補正光学系４５は、図１０Ｃに示すように、画像光Ｌ０の光路において、第１回折素子５０と第２回折素子７０との間に設けられる。そのため、第１回折素子５０から出射された画像光Ｌ０は、波長毎に分散した状態で補正光学系４５に入射する。
図１１に示すように、第１回折素子５０は場所によって回折角が異なることから、特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３をそれぞれ異なる角度で回折させる。第１回折素子５０で回折された特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３は、再び補正光学系４５内を透過して表面４５ａから射出される。特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３は、補正光学系４５からそれぞれ異なる方向に射出される。このように補正光学系４５は、画像光Ｌ０を波長ごとに異なる方向に偏向することで、特定波長の光Ｌ１、長波長側の光Ｌ２および短波長側の光Ｌ３における第２回折素子７０に対する入射角度をそれぞれ調整することができる。
【００６２】
すなわち、補正光学系４５は、第１回折素子５０における画像光Ｌ０の回折角の不足分を補うことで、波長毎に分散した画像光Ｌ０における第２回折素子７０に対する入射角が補正される。このように補正光学系４５によれば、第２回折素子７０から出射される際に図９に示したように特定波長の光およびその周辺波長の光が略平行となるように、波長毎に分散した画像光Ｌ０の出射角を補正することが可能となる。すなわち、補正光学系４５は、図１０Ｃに示した「第１回折素子５０における画像光Ｌ０の回折角の不足分を補うように補正する」という第３の機能を有する。
【００６３】
このように補正光学系４５によれば、図１０Ａ、図１０Ｂおよび図１０Ｃに示した効果を奏することができるので、第２回折素子７０を出射した画像光Ｌ０を略平行な光として観察者の眼Ｅに入射させることができる。よって、波長毎の網膜Ｅ０での結像位置ずれが抑制されて、第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセルできる。したがって、補正光学系４５を有した第２光学部Ｌ２０を備えることで、第１回折素子５０および第２回折素子７０における回折角を異ならせた構造を採用しつつ、第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセルすることで高い画質を得ることができる。つまり、２つの回折素子によって適正に波長補償を行いつつ、回折角を異ならせることで表示装置１００の小型化を図ることができる。
【００６４】
以上のように、本実施形態の光学系１０によれば、補正光学系４５を備えることで、図１０Ａ、図１０Ｂおよび図１０Ｃに示した機能を得ることができる。よって、本実施形態の光学系１０によれば、補正光学系４５を用いることで、第２回折素子７０に対する画像光Ｌ０の入射角度を精度良く補正可能である。
【００６５】
従って、本実施形態の光学系１０によれば、互いに回折角の異なる第１回折素子５０および第２回折素子７０を用いる場合であっても、補正光学系４５によって第２回折素子７０を出射した画像光Ｌ０を略平行な光として観察者の眼Ｅに入射させることができる。よって、波長毎の網膜Ｅ０での結像位置ずれが抑制されて、第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセルできる。よって、画像光の解像度の劣化を抑えることができる。
【００６６】
すなわち、本実施形態の光学系１０によれば、第１回折素子５０および第２回折素子７０における回折角を異ならせた構造を採用しつつ、第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセルして高い画質を得ることができる。つまり、本実施形態の光学系１０によれば、２つの回折素子によって適正に波長補償を行いつつ、回折角を異ならせることで表示装置１００の小型化を図ることが可能である。
【００６７】
ところで、第１回折素子５０から出射される画像光Ｌ０には０次光および１次以上の回折光が含まれる。ここで、０次光とは第１回折素子５０で回折されることなく反射された光を意味する。なお、画像光Ｌ０に含まれる２次以上の回折光の割合は非常に低いため、以下では０次光及び１次光のみを考える。
【００６８】
上記では０次光を考慮しない理想的な状態について説明したが、以下では、画像光Ｌに含まれた０次光によって生じる課題及びこの課題を解消する具体的な手段について説明する。
【００６９】
通常、０次光及び１次光は互いの回折角度差が大きいため、０次光は光学系内を伝播して観察者の眼に入射することがない。しかしながら、本実施形態の光学系１０では上述のように第１回折素子５０の回折角を第２回折素子７０の回折角よりも小さくしている。そのため、第１回折素子５０から出射された画像光Ｌ０に含まれる０次光及び１次光の出射方向の差が小さくなるので、後述のように０次光は光学系内を伝播することで観察者の眼に入射するという問題が発生する。
【００７０】
図１２は０次光及び１次光における結像位置を示した図である。図１２は本実施形態の光学系１０と同等の光学モデルを用いたシミュレーション結果であり、第１回折素子５０から出射された０次光及び１次光における観察者の眼Ｅの網膜Ｅ０上での結像位置を示している。本シミュレーションに用いた光学モデルにおいて、画像光Ｌ０の進行方向に沿ってみると、画像光Ｌ０は第１光学部Ｌ１０内においてミラー４０に到達するまで略一定の高さで進み、ミラー４０によって光路が上下方向に折り曲げられた後、ミラー４０に入射する前よりも上下方向において異なる高さで進み、第２光学部Ｌ２０、第３光学部Ｌ３０及び第４光学部Ｌ４０に到達する。また、本シミュレーションに用いた光学モデルは、光学系１０の構成から後述の遮光部材４９を省略した構成を有している。
【００７１】
図１２では、画像光生成装置３１から出射されて第１回折素子５０に入射するまでの画像光Ｌ０を実線で示し、第１回折素子５０から出射された画像光Ｌ０に含まれる０次光ＬＤ０を１点鎖線で示し、第１回折素子５０から出射された画像光Ｌ０に含まれる１次光ＬＤ１を破線で示している。
【００７２】
図１３は図１２に示すシミュレーション結果に応じて観察者に視認される画像を示した図である。
図１２に示したように、０次光ＬＤ０は観察者の眼Ｅに対して鼻側から入射するのに対し、１次光ＬＤ１は観察者の眼Ｅに対して耳側から入射する。
この場合において、観察者が画像光Ｌ０を視たとき、図１３に示すように、１次光ＬＤ１による画像Ｇ１に加え、ハッチングＧＧで示される位置に画像Ｇ１の右側の像がぼけて視認されることとなる。ハッチングＧＧで示される位置に現れる像は０次光ＬＤ０に起因したものである。すなわち、０次光ＬＤ０は観察者が視認する画像Ｇ１上でゴーストとして視認されるため、画質を低下させる要因となる。なお、０次光ＬＤ０は、第１回折素子５０の表面、すなわち、入射面５１或いは裏面５２で回折されることなく反射された光によって構成される。図１３において、画像Ｇ１の横幅をＤａ、０次光ＬＤ０に起因する像の横幅をＤｃ、０次光ＬＤ０に起因する像と画像Ｇ１との重なり幅をＤｂとした場合、例えば、Ｄｂ／Ｄａ＝５．６％、（Ｄｃ＋Ｄｂ）／Ｄａ＝３３．１％の割合でゴーストが発生する。
【００７３】
本実施形態の光学系１０は、上述のゴーストを防止するため、第１回折素子５０の裏面５２に設けられた遮光部材４９を有している。本実施形態の光学系１０によれば、図４に示したように、第１回折素子５０の裏面５２に設けられた遮光部材４９によって、第１回折素子５０の裏面５２に到達した画像光Ｌ０（０次光ＬＤ０）を吸収することで、該裏面５２による０次光ＬＤ０の表面反射を低減することができる。すなわち、図１１に示したように、画像光Ｌ０の一部が第１回折素子５０の表面（裏面５２）で反射されることで０次光ＬＤ０として観察者の眼に入射することを低減できる。
【００７４】
したがって、本実施形態の光学系１０によれば、第１回折素子５０の裏面５２に設けられた遮光部材４９を備えるので、観察者の眼Ｅに入射する０次光ＬＤ０を低減させることで、観察者に対してゴーストの少ない高品質の画像を視認させることができる。
【００７５】
図１４は本実施形態の光学系１０の光線図を模式的に示した図である。図１４において、光軸に沿って配置された各光学部を太い矢印で示してある。また、図１４では、画像光生成装置３１の中心から出射される画像光の光線を実線Ｌａで示し、画像光生成装置３１の端部から出射される画像光の主光線を一点鎖線Ｌｂで示している。また、図１４は、画像光生成装置３１から出射された光の進行を示すものである。なお、図１４においては、図を簡略化するため、すべての光学部を透過型として図示している。以下の説明において、「中間像」とは、１画素から出射された光線（実線Ｌａ）が集まる個所であり、「瞳」とは、各画角の主光線（一点鎖線Ｌｂ）が集まる個所である。
【００７６】
図１４に示されるように、本実施形態の光学系１０は、画像光生成装置３１から出射された画像光の光路に沿って、正のパワーを有する第１光学部Ｌ１０と、第１回折素子５０を備え、正のパワーを有する第２光学部Ｌ２０と、正のパワーを有する第３光学部Ｌ３０と、第２回折素子７０を備え、正のパワーを有する第４光学部Ｌ４０とが設けられている。
【００７７】
本実施形態の光学系１０では、第１光学部Ｌ１０と第３光学部Ｌ３０との間に画像光の第１中間像Ｐ１が形成され、第２光学部Ｌ２０と第４光学部Ｌ４０との間に瞳Ｒ１が形成され、第３光学部Ｌ３０と第４光学部Ｌ４０との間に画像光の第２中間像Ｐ２が形成され、第４光学部Ｌ４０は、画像光を平行光化して射出瞳Ｒ２を形成する。その際、第３光学部Ｌ３０は、第２光学部Ｌ２０から射出された画像光の画角の主光線を発散光として第４光学部Ｌ４０に入射させる。
【００７８】
本実施形態の光学系１０において、瞳Ｒ１は、第２光学部Ｌ２と第４光学部Ｌ４０との間のうち、第２光学部Ｌ２０と第３光学部Ｌ３０との間に形成される。
【００７９】
従って、本実施形態の光学系１０によれば、投射光学系３２と導光系６０との間に画像光の第１中間像Ｐ１が形成され、導光系６０の近傍に瞳Ｒ１が形成され、導光系６０と第２回折素子７０との間に画像光の第２中間像Ｐ２が形成され、第２回折素子７０は、画像光を平行光化して射出瞳Ｒ２を形成する。
【００８０】
本実施形態の光学系１０において、第１中間像Ｐ１は、第１光学部Ｌ１０（投射光学系３２）と第２光学部Ｌ２０（第１回折素子５０）との間に形成される。
【００８１】
本実施形態の光学系１０によれば、以下に示す３つの条件（条件１、２、３）を満たしている。
条件１：画像光生成装置３１の１つの点から出射した光線は、網膜Ｅ０に１つの点として結像される。
条件２：光学系の入射瞳と眼球の瞳が共役である。
条件３：第１回折素子５０と第２回折素子７０との間で周辺波長を補償する。
【００８２】
より具体的には、図１４に示す一点鎖線Ｌｂから分かるように、画像光生成装置３１の１つの点から出射した光線は、網膜Ｅ０に１つの点として結像されるという条件１を満たすので、観察者は１画素を視認することができる。また、図１４に示す実線Ｌａから分かるように、光学系１０の入射瞳と眼Ｅの瞳Ｅ１とが共役（瞳の共役）の関係にあるという条件２を満たすので、画像光生成装置３１で生成した画像の全域を視認することができる。また、上述したように補正光学系４５を設けることで、第１回折素子５０と第２回折素子７０との間で画像光Ｌ０の周辺波長を補償するという条件３を満たすため、第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセルすることができる。また、上述したように遮光部材４９を設けることで、観察者の眼Ｅに入射する０次光ＬＤ０を低減させることで、観察者に対してゴーストの少ない高品質の画像を視認させることができる。
【００８３】
（第二実施形態）
続いて、第二実施形態に係る表示装置について説明する。本実施形態と第一実施形態との違いは光学系の構成である。具体的に、本実施形態と第一実施形態とは、第２光学部の構成が異なっており、以下では主に第２光学部の構成について説明する。なお、第一実施形態と共通の部材については同じ符号を付し、詳細な説明については省略する。
【００８４】
図１５は本実施形態における第２光学部の要部構成を示す断面図である。図１５に示すように、第２光学部Ｌ２１は、第１回折素子５０と、補正光学系４５と、透光部材５５と、を含む。透光部材５５は、第２透光部材に相当する。
【００８５】
透光部材５５は、第１回折素子５０の裏面（第２面）５２に設けられる。透光部材５５は、第１回折素子５０を構成するホログラム素子に近い屈折率１．３〜１．６を有するプラスチックやガラス等の材料で構成される。透光部材５５は、第１回折素子５０と反対側の裏面（第３面）５６を有する。裏面５６の形状は、第１回折素子５０の裏面５２と異なる形状を有する。すなわち、透光部材５５の裏面５６で反射された光の進行方向は、第１回折素子５０の裏面５２で反射された光の進行方向とは異なる。具体的に裏面５６は画像光Ｌ０を観察者の眼に入射させない光路上に向けて反射可能な形状を有するように平面や球面或いは非球面で形成されている。
なお、裏面５６の形状は、第１回折素子５０の裏面５２と同じ形状であってもよい。この場合、透光部材５５の肉厚を部分的に増やし、透光部材５５の肉厚が一定でない状態にすることで、透光部材５５の裏面５６で反射された光の進行方向と第１回折素子５０の裏面５２で反射された光の進行方向とを異ならせることができる。
また、透光部材５５の肉厚は一定でもよい。この場合において、透光部材５５の肉厚を厚くすることによって、透光部材５５の裏面５６で反射された光と第１回折素子５０の裏面５２で反射された光との補正光学系４５の表面４５ａに対するそれぞれの入射位置を異ならせることができる。
【００８６】
ここで、比較例として、透光部材５５を設けない場合について考える。この場合、画像光Ｌ０の一部が第１回折素子５０の裏面５２で反射されることで０次光ＬＤ０として観察者の眼に入射し、ゴーストとして視認されてしまう。
【００８７】
これに対し、本実施形態の第２光学部Ｌ２１は、第１回折素子５０の裏面５２に設けられた透光部材５５を有している。本実施形態の第２光学部Ｌ２１によれば、図１５に示したように、第１回折素子５０の裏面５２に入射した画像光Ｌ０が透光部材５５内に入射する。透光部材５５は上述したように第１回折素子５０に近い屈折率を有するため、画像光Ｌ０は第１回折素子５０及び透光部材５５の界面で反射されることなく、透光部材５５内に効率良く入射する。
【００８８】
透光部材５５内に入射した画像光Ｌ０は透光部材５５の裏面５６で表面反射される。画像光Ｌ０は、透光部材５５の裏面５６によって観察者の眼に入射しない光路上を進むように反射される。したがって、本実施形態の光学系によれば、透光部材５５を設けない場合に第１回折素子５０の表面（裏面５２）で反射されることで０次光ＬＤ０として観察者の眼に入射してしまう成分の光を透光部材５５の裏面５６で反射することで、観察者の眼に入射させないようにすることができる。よって、本実施形態の第２光学部Ｌ２１を有する光学系においても、観察者の眼Ｅに入射する０次光ＬＤ０を低減させることで、観察者に対してゴーストの少ない高品質の画像を視認させることができる。
【００８９】
（第三実施形態）
続いて、第三実施形態に係る表示装置について説明する。本実施形態と第一実施形態との違いは光学系の構成である。具体的に、本実施形態は、第一実施形態の光学系に対して補正光学系の構成のみが異なっている。以下では補正光学系の構成を主として説明する。なお、第一実施形態と共通の部材については同じ符号を付し、詳細な説明については省略する。
【００９０】
図１６は本実施形態における第２光学部の要部構成を示す断面図である。図１６に示すように、第２光学部Ｌ２２は、第１回折素子５０と、補正光学系１４５と、遮光部材４９と、を含む。
【００９１】
本実施形態の補正光学系１４５は、複数の光学部材を組み合わせて構成される。補正光学系１４５は、第１部材１４６と、第２部材１４７と、スペーサー部材１４８と、接合材１４９とを含み、全体として画像光Ｌ０を偏向可能なパワーを有するプリズムと同様の機能を有する。第１部材１４６及び第２部材１４７はプラスチックやガラスやフィルム等の透光性を有する光学部材で構成される。本実施形態において、第２部材１４７は、例えばフィルムで構成される。すなわち、第１部材１４６及び第２部材１４７は複数の光学部材に相当する。
【００９２】
第１部材１４６の表面１４６ａは第２光学部Ｌ２２における光入射出射面として機能する。表面１４６ａは正の光学パワーを有する面で構成される。
第１回折素子５０は第２部材１４７の裏面１４７ｂに設けられている。第１部材１４６は、スペーサー部材１４８を介して第２部材１４７の表面１４７ａ側に設けられている。スペーサー部材１４８は、第１部材１４６及び第２部材１４７間を所定の間隔に保持する。すなわち、スペーサー部材１４８は、第１部材１４６及び第２部材１４７における位置を規定する位置決め部材として機能する。これにより、第１部材１４６の表面１４６ａと第２部材１４７の裏面１４７ｂに設けられた第１回折素子５０とを精度良く位置合わせすることができる。
【００９３】
なお、スペーサー部材１４８は第１部材１４６の裏面１４６ｂ或いは第２部材１４７の表面１４７ａと一体に形成されていてもよい。スペーサー部材１４８を第１部材１４６又は第２部材１４７と一体に形成することで部品点数を削減することができる。
【００９４】
接合材１４９は、第１部材１４６及び第２部材１４７間の隙間に設けられることで第１部材１４６及び第２部材１４７を接合する。接合材１４９は透光性を有する接着剤で構成される。より具体的に接合材１４９は、第１部材１４６及び第２部材１４７の屈折率と等しい屈折率を有する接着剤で構成される。これにより、第１部材１４６又は第２部材１４７と接合材１４９との界面で生じる屈折率差が低減されている。よって、画像光Ｌ０は第１部材１４６又は第２部材１４７と接合材１４９との界面で反射されることなく、補正光学系１４５内を透過する。
【００９５】
本実施形態の第２光学部Ｌ２２は、第１回折素子５０を形成した第２部材１４７に対し、スペーサー部材１４８を介して配置した第１部材１４６を接合材１４９で接合することで構成される。
【００９６】
本実施形態の第２光学部Ｌ２２を有する光学系によれば、第一実施形態の光学系１０と同様、遮光部材４９によって観察者の眼Ｅに入射する０次光ＬＤ０を低減させて高品質の画像を視認させることができる。
【００９７】
（第四実施形態）
続いて、第四実施形態に係る表示装置について説明する。本実施形態と第三実施形態との違いは光学系の構成である。以下では補正光学系の構成を主として説明する。なお、第三実施形態と共通の部材については同じ符号を付し、詳細な説明については省略する。
【００９８】
図１７は本実施形態における第２光学部の要部構成を示す断面図である。図１７に示すように、第２光学部Ｌ２３は、第１回折素子５０と、補正光学系１４５と、透光部材５５と、を含む。すなわち、本実施形態の第２光学部Ｌ２０は、第三実施形態の遮光部材４９を透光部材５５に置き換えた点で異なっている。透光部材５５は、第１回折素子５０の裏面５２に設けられる。
【００９９】
本実施形態の第２光学部Ｌ２３を含む光学系によれば、０次光ＬＤ０として観察者の眼に入射する成分の光を透光部材５５の裏面５６で反射することで観察者に高品質の画像を視認させることができる。
【０１００】
（第五実施形態）
続いて、第五実施形態に係る表示装置について説明する。上記実施形態の光学系では、補正光学系によって特定波長の光、短波長側の光および長波長側の光が第２回折素子７０上の一点に入射するように画像光を補正する場合を説明したが、本実施形態は特定波長の光、短波長側の光および長波長側の光における入射位置が第２回折素子７０上でわずかに異なる場合について説明する。
【０１０１】
図１８は、本実施形態の光学系１０Ａにおける第１回折素子５０と第２回折素子７０との間の光線図である。図１９は、第２回折素子７０から出射される光の説明図である。図２０は、図１９に示す光が眼Ｅに入射する様子を示す説明図である。なお、図１８には、特定波長の光を実線Ｌｅで示し、波長が特定波長−１０ｎｍの光を一点鎖線Ｌｆで示し、波長が特定波長＋１０ｎｍの光を二点鎖線Ｌｇで示してある。図２０には、図面に向かって最も左側に、波長が特定波長−１０ｎｍの光（図１９に一点鎖線Ｌｆで示す光）が眼Ｅに入射する様子を示し、図面に向かって最も右側に、波長が特定波長＋１０ｎｍの光（図１９に二点鎖線Ｌｇで示す光）が眼Ｅに入射する様子を示し、その間には、特定波長−１０ｎｍから特定波長＋１０ｎｍまで波長を変化させた光が眼Ｅに入射する様子を示してある。なお、図２０には、特定波長の光が眼Ｅに入射する様子を示していないが、特定波長の光が眼Ｅに入射する様子は、左から３番目に示す様子と左から４番目に示す様子との中間の様子となる。
【０１０２】
図１９に示すように、特定波長からずれた周辺波長の光では、第２回折素子７０に入射する状態が異なる。ここで、第２回折素子７０では、光軸に近づくほど干渉縞数が少なくなり、光を曲げる力が弱い。このため、長波長側の光を光軸側に入射させ、短波長側の光を端の方に入射させれば、特定波長の光、および周辺波長の光は平行光化されるため、波長補償と同様な効果を得ることができる。
【０１０３】
この場合、図１９に示すように波長によって光線位置がずれるため、瞳に入射する光線径が径φａから径φｂへと大きくなる。その時の瞳孔に入射する光線強度の様子を示したのが図２０である。図２０から分かるように、特定波長近傍では瞳孔を満たす事ができないが、周辺波長の光は、特定波長の光とずれた位置に入射するため、瞳孔径を満たすことができる。その結果、観察者は画像を見やすくなる等の利点を得ることができる。
また、本実施形態の光学系１０Ａにおいても、観察者の眼Ｅに入射する０次光ＬＤ０を低減させることで、観察者に対してゴーストの少ない高品質の画像を視認させることができる。
【０１０４】
以上、本発明の表示装置に係る一実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されることはなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態では、第２回折素子７０における画像光Ｌ０の第２回折角が第１回折素子５０における画像光Ｌ０の第１回折角よりも大きい場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明において、第２回折素子７０における第２回折角と第１回折素子５０における第１回折角とは互いに異なっていればよく、第１回折角が第２回折角よりも大きくてもよい。このように第１回折角を第２回折角よりも大きくする場合においても、補正光学系を設けることで、２つの回折素子によって適正に波長補償を行いつつ、表示装置の小型化を図ることが可能となる。
【０１０５】
また、上記実施形態の補正光学系４５は、図１０Ａから図１０Ｃで示した全ての機能を有する場合を例に挙げたが、本発明の補正光学系はこれらの機能の少なくともいずれかを有していてもよい。
【０１０６】
（変形例）
図２１は変形例に係る表示装置１０１の構成図である。本変形例の表示装置１０１は、図２１に示すように、画像光Ｌ０ａを右眼Ｅａに入射させる右眼用光学系１０ａと、画像光Ｌ０ｂを左眼Ｅｂに入射させる左眼用光学系１０ｂと、右眼用光学系１０ａおよび左眼用光学系１０ｂを保持する筐体９０と、を備えている。
【０１０７】
本変形例の表示装置１０１は、右眼用光学系１０ａおよび左眼用光学系１０ｂにおいて、画像光Ｌ０を上側Ｙ１から下側Ｙ２に進行させることで観察者の眼Ｅに出射させる構成を有している。
【０１０８】
本変形例の表示装置１０１においても上述の光学系１０を有している。そのため、本変形例の表示装置１０１においても、２つの回折素子によって適正に波長補償を行いつつ、装置の小型化を図ることができる。
【０１０９】
［他の表示装置への適用］
上記実施形態では、頭部装着型の表示装置１００を例示したが、ヘッドアップディスプレイやハンドヘルドディスプレイやプロジェクター用光学系等に対して本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【０１１０】
３１…画像光生成装置、４５…補正光学系（第一透光部材）、４９…遮光部材、５０…第１回折素子、５１…入射面（第１面）、５２…裏面（第２面）、５５…透光部材（第二透光部材）、５６…裏面（第３面）、７０…第２回折素子、１００，１０１…表示装置、１４９…接合材、Ｌ０…画像光、Ｌ１０…第１光学部、Ｌ２０，Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３…第２光学部、Ｌ３０…第３光学部、Ｌ４０…第４光学部、α１…第１回折角、β１…第２回折角。
【図１】
2020160130.tif 000003
【図２】
2020160130.tif 000004
【図３Ａ】
2020160130.tif 000005
【図３Ｂ】
2020160130.tif 000006
【図４】
2020160130.tif 000007
【図５】
2020160130.tif 000008
【図６】
2020160130.tif 000009
【図７Ａ】
2020160130.tif 000010
【図７Ｂ】
2020160130.tif 000011
【図８】
2020160130.tif 000012
【図９】
2020160130.tif 000013
【図１０Ａ】
2020160130.tif 000014
【図１０Ｂ】
2020160130.tif 000015
【図１０Ｃ】
2020160130.tif 000016
【図１１】
2020160130.tif 000017
【図１２】
2020160130.tif 000018
【図１３】
2020160130.tif 000019
【図１４】
2020160130.tif 000020
【図１５】
2020160130.tif 000021
【図１６】
2020160130.tif 000022
【図１７】
2020160130.tif 000023
【図１８】
2020160130.tif 000024
【図１９】
2020160130.tif 000025
【図２０】
2020160130.tif 000026
【図２１】
2020160130.tif 000027