(57)【要約】【課題】導波部の端部に到達する迷光を低減することができる射出瞳拡張素子、導波部材を提供する。【解決手段】射出瞳拡張素子１は、互いに平行な第１平面１０ｂ及び第２平面１０ｃを有する平板状に構成され光を導波する導波部１０ａと、導波部１０ａ上に配置、又は、導波部１０ａと一体に構成され、射出瞳を複数に分けて拡張して出射する拡張部と仕手の機能を有する出射部２２とを備え、導波部１０ａの端部の少なくとも一部に設けられ、端部に到達する光を、導波部１０ａの外へ出射させる、又は、吸収させる、の少なくとも一方の機能を有する迷光低減部２５とを備える。【選択図】図２
2020112614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに平行な第１平面及び第２平面を有する平板状に構成され光を導波する導波部と、
前記導波部上に配置、又は、前記導波部と一体に構成され、射出瞳を複数に分けて拡張して出射する拡張部と、
を備え、
前記導波部の端部の少なくとも一部に設けられ、前記端部に到達する光を、前記導波部の外へ出射させる、又は、吸収させる、の少なくとも一方の機能を有する迷光低減部と、
を備える射出瞳拡張素子。
【請求項２】
請求項１に記載の射出瞳拡張素子において、
前記迷光低減部は、前記導波部の前記第１平面及び前記第２平面の少なくとも一方に対して傾斜した斜面部を有すること、
を特徴とする射出瞳拡張素子。
【請求項３】
請求項２に記載の射出瞳拡張素子において、
前記第１平面と同じ側に設けられた前記斜面部を第１斜面部とし、
前記第２平面と同じ側に設けられ、前記第１斜面部と対向して設けられた前記斜面部を第２斜面部とし、
前記第１平面と前記第１斜面部とがなす角をδ１とし、
前記第２平面と前記第２斜面部とがなす角をδ２とし、
前記導波部を導波する光が前記第１平面の法線となす角をθとし、
前記導波部の屈折率をｎ１としたときに、
０°≦δ１＜９０°であり、０°≦δ２＜９０°であるものとし、
δ１＝０°の場合には、前記第１斜面部は、前記第１平面と同一平面であり、
δ２＝０°の場合には、前記第２斜面部は、前記第２平面と同一平面であり、
前記第１斜面部と前記第２斜面部との少なくとも一方を備えており、
δ１＜θ−ａｓｉｎ（１／ｎ１）
及び
δ２＜θ−ａｓｉｎ（１／ｎ１）
の双方を満たすこと、
を特徴とする射出瞳拡張素子。
【請求項４】
請求項２から請求項３までのいずれかに記載の射出瞳拡張素子において、
前記斜面部には、光吸収作用を有する光吸収層が設けられていること、
を特徴とする射出瞳拡張素子。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれかに記載の射出瞳拡張素子において、
入射した光が進む向きを偏向させて前記拡張部へ進め、前記拡張部が光を拡張する向きと交差する向きに射出瞳を拡張する第２拡張部をさらに備えること、
を特徴とする射出瞳拡張素子。
【請求項６】
互いに平行な第１平面及び第２平面を有する平板状に構成され光を導波する導波部と、
前記導波部の端部の少なくとも一部に設けられ、前記端部に到達する光を、前記導波部の外へ出射させる、又は、吸収させる、の少なくとも一方の機能を有する迷光低減部と、
を備える導波部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、射出瞳拡張素子、導波部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ヘッドマウントディスプレイのような近接ディスプレイでは、映像を表示する仕組みの一つとして射出瞳（出射瞳）の拡張が行われる。この射出瞳の拡張に用いられる射出瞳拡張素子では、導波部と２種又は３種の回折格子とを備えて構成され、入射部の回折格子により映像等の光を回折させて一次回折光を導波部に入射させる。導波部内では、光が全反射により伝播し、出射部の回折格子では、光が一次回折して出射するとともに、ゼロ次回折反射伝播して、出射部の回折格子で一次回折出射とゼロ次回折反射伝播を繰り返すことで射出瞳を拡張する。
【０００３】
また、射出瞳を二次元的に拡張するために、入射部から伝播された光を特定の角度で一次回折反射するとともにゼロ次回折反射伝播で伝播する機能を備える回折格子（以下、第２拡張部とも呼ぶ）を入射部の回折格子と出射部の回折格子との間に設ける場合もある。
この場合、上記第２拡張部の回折格子では、伝播光は一次回折反射光とゼロ次回折反射伝播光に別れ、一次回折反射光は出射部の回折格子へ向かい、ゼロ次回折反射伝播光は、裏面で全反射して、再び第２拡張部の回折格子にて一次回折反射光とゼロ次回折反射伝播光に別れることを第２拡張部の回折格子で繰り返す（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このような射出瞳拡張素子では、導波部内を光が全反射を繰り返して進み出射部（拡張部）から出射するが、出射部から出射することなく導波部の端部にまで到達してしまう光（迷光）も存在する。そのような光が端部において反射する等して出射部に到達して出射してしまうと、本来の映像光とは異なる光路を進んだ光が本来の映像光とともに観察されてしまうこととなり、観察される映像の劣化が生じてしまうおそれがあった。
また、射出瞳拡張素子に限らず、導波部を備えて光を導波する導波部材において、端部に到達する不要な迷光を低減したい場合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００６−５１００５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、導波部の端部に到達する迷光を低減することができる射出瞳拡張素子、導波部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。
【０００８】
第１の発明は、互いに平行な第１平面（１０ｂ）及び第２平面（１０ｃ）を有する平板状に構成され光を導波する導波部（１０ａ）と、前記導波部（１０ａ）上に配置、又は、前記導波部（１０ａ）と一体に構成され、射出瞳を複数に分けて拡張して出射する拡張部（２２、２２Ｂ、２３）と、を備え、前記導波部（１０ａ）の端部の少なくとも一部に設けられ、前記端部に到達する光を、前記導波部（１０ａ）の外へ出射させる、又は、吸収させる、の少なくとも一方の機能を有する迷光低減部（２５、２２５）と、を備える射出瞳拡張素子（１、１Ｂ）である。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明に記載の射出瞳拡張素子（１、１Ｂ）において、前記迷光低減部（２５、２２５）は、前記導波部（１０ａ）の前記第１平面（１０ｂ）及び前記第２平面（１０ｃ）の少なくとも一方に対して傾斜した斜面部（２５ａ、２５ｂ）を有すること、を特徴とする射出瞳拡張素子（１、１Ｂ）である。
【００１０】
第３の発明は、第２の発明に記載の射出瞳拡張素子（１、１Ｂ）において、前記第１平面（１０ｂ）と同じ側に設けられた前記斜面部を第１斜面部（２５ａ）とし、前記第２平面（１０ｃ）と同じ側に設けられ、前記第１斜面部（２５ａ）と対向して設けられた前記斜面部を第２斜面部（２５ｂ）とし、前記第１平面（１０ｂ）と前記第１斜面部（２５ａ）とがなす角をδ１とし、前記第２平面（１０ｃ）と前記第２斜面部（２５ｂ）とがなす角をδ２とし、前記導波部（１０ａ）を導波する光が前記第１平面（１０ｂ）の法線となす角をθとし、前記導波部（１０ａ）の屈折率をｎ１としたときに、０°≦δ１＜９０°であり、０°≦δ２＜９０°であるものとし、δ１＝０°の場合には、前記第１斜面部（２５ａ）は、前記第１平面（１０ｂ）と同一平面であり、δ２＝０°の場合には、前記第２斜面部（２５ｂ）は、前記第２平面（１０ｃ）と同一平面であり、前記第１斜面部（２５ａ）と前記第２斜面部（２５ｂ）との少なくとも一方を備えており、δ１＜θ−ａｓｉｎ（１／ｎ１）及びδ２＜θ−ａｓｉｎ（１／ｎ１）の双方を満たすこと、を特徴とする射出瞳拡張素子（１、１Ｂ）である。
【００１１】
第４の発明は、第２の発明から第３の発明までのいずれかに記載の射出瞳拡張素子（１、１Ｂ）において、前記斜面部（２５ａ、２５ｂ）には、光吸収作用を有する光吸収層が設けられていること、を特徴とする射出瞳拡張素子（１、１Ｂ）である。
【００１２】
第５の発明は、第１の発明から第４の発明までのいずれかに記載の射出瞳拡張素子（１、１Ｂ）において、入射した光が進む向きを偏向させて前記拡張部（２２Ｂ）へ進め、前記拡張部（２２Ｂ）が光を拡張する向きと交差する向きに射出瞳を拡張する第２拡張部（２３）をさらに備えること、を特徴とする射出瞳拡張素子（１、１Ｂ）である。
【００１３】
第６の発明は、互いに平行な第１平面（１０ｂ）及び第２平面（１０ｃ）を有する平板状に構成され光を導波する導波部（１０ａ）と、前記導波部（１０ａ）の端部の少なくとも一部に設けられ、前記端部に到達する光を、前記導波部（１０ａ）の外へ出射させる、又は、吸収させる、の少なくとも一方の機能を有する迷光低減部（２５、２２５）と、を備える導波部材である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、導波部の端部に到達する迷光を低減することができる射出瞳拡張素子、導波部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明による射出瞳拡張素子１の第１実施形態を示す図である。
【図２】射出瞳拡張素子１を図１中の矢印Ａ−Ａの位置で切断した断面図である。
【図３】迷光低減部２５の部分を拡大した断面図である。
【図４】シミュレーションを行った比較例と実施例との形状を示す図である。
【図５】シミュレーションを行った条件と結果を示す図である。
【図６】本発明による射出瞳拡張素子１Ｂの第２実施形態を示す図である。
【図７】射出瞳拡張素子１Ｂを図１６中の矢印Ｂ−Ｂの位置で切断した断面図である。
【図８】射出瞳拡張素子１Ｂを図１６中の矢印Ｃ−Ｃの位置で切断した断面図である。
【図９】シミュレーション条件を説明する図である。
【図１０】シミュレーションにより得られた映像を迷光低減部２２５の有無で並べて比較する図である。
【図１１】図１０において矢印で示したライン上の輝度分布をグラフ化して示す図である。
【図１２】輝度を数値化して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面等を参照して説明する。
【００１７】
（第１実施形態）
図１は、本発明による射出瞳拡張素子１の第１実施形態を示す図である。
図２は、射出瞳拡張素子１を図１中の矢印Ａ−Ａの位置で切断した断面図である。
なお、図１を含め、以下に示す各図は、模式的に示した図であり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張して示している。
また、以下の説明では、具体的な数値、形状、材料等を示して説明を行うが、これらは、適宜変更することができる。
本明細書において、形状や幾何学的条件を特定する用語、例えば、平行や直交等の用語については、厳密に意味するところに加え、同様の光学的機能を奏し、平行や直交と見なせる程度の誤差を有する状態も含むものとする。
本明細書において、板、シート、フィルム等の言葉を使用しているが、これらは、一般的な使い方として、厚さの厚い順に、板、シート、フィルムの順で使用されており、本明細書中でもそれに倣って使用している。しかし、このような使い分けには、技術的な意味は無いので、これらの文言は、適宜置き換えることができるものとする。
本明細書中において、シート面とは、各シートにおいて、そのシート全体として見たときにおける、シートの平面方向となる面を示すものであるとする。
また、本発明において透明とは、少なくとも利用する波長の光を透過するものをいう。例えば、仮に可視光を透過しないものであっても、赤外線を透過するものであれば、赤外線用途に用いる場合においては、透明として取り扱うものとする。
なお、本明細書及び特許請求の範囲において規定する具体的な数値には、一般的な誤差範囲は含むものとして扱うべきものである。すなわち、±１０％程度の差異は、実質的には違いがないものであって、本件の数値範囲をわずかに超えた範囲に数値が設定されているものは、実質的には、本件発明の範囲内のものと解釈すべきである。
【００１８】
本実施形態の射出瞳拡張素子１は、ヘッドマウントディスプレイに用いられて射出瞳を複数に分けて拡張する光学的機能を備えたシート状の素子であり、基材層１０と、賦型層２０とが層状に重ねられた構成となっている。なお、射出瞳拡張素子１は、フィルム状、又は、板状に構成されていてもよい。
基材層１０は、射出瞳拡張素子１を製造するときにベースとして用いられ、また、光が導波する導波部の主要な部分を構成する層である。
賦型層２０は、基材層１０の表面側に積層されている。賦型層２０は、その表面に入射部２１及び出射部２２を備えている。
【００１９】
基材層１０及び賦型層２０は、入射部２１から入射された映像光等の光を出射部２２側に向けて導波させるための導波部（コア）１０ａを構成する。したがって、基材層１０及び賦型層２０は、導波する光に対する屈折率が実質的に同一、又は、屈折率が非常に近い材料により構成される。また、入射部２１と出射部２２が構成されている部分も含めて、光を導波（伝播）する領域を導波部１０ａと呼ぶこととする。この導波部１０ａは、互いに平行な２つの平面（第１平面１０ｂ及び第２平面１０ｃ）を有し、平板状に構成されており、内部において反射を繰り返して光を導波する。
基材層１０を構成する材料としては、例えば、光学ガラス、ＰＥＴ、ポリカーボネート、アクリル系樹脂等が挙げられる。また、賦型層２０を構成する材料としては、例えば、アクリル系紫外線硬化樹脂等の紫外線硬化性樹脂材料等が挙げられる。基材層１０を構成する材料及び賦型層２０を構成する材料は、いずれも、導波する光に対して透明である。
【００２０】
本実施形態において、基材層１０及び賦型層２０がコア（導波部１０ａ）を構成し、その周囲に位置する空気（大気）がクラッドを構成することで、基材層１０及び賦型層２０を導波部１０ａとして光を導波することができる。したがって、基材層１０及び賦型層２０を構成する材料としては、クラッドを構成する空気（大気）よりも屈折率の大きい材料が用いられる。これにより、基材層１０及び賦型層２０により構成されるコアと空気（大気）により構成されるクラッドとの界面で反射しながら光を効率的に導波させることができる。
【００２１】
本実施形態では、入射部２１は、３レベルの回折格子により構成されている。入射部２１の回折格子は、一定のピッチＰで繰り返し配列され、かつ、その配列の方向（図１から図３中の左右方向）と直交する一方向（図１中の上下方向、図２及び図３中の紙面奥行き方向）に延在する高屈折率部２１１を備えている。
また、入射部２１の回折格子は、高屈折率部２１１の間に形成され、高屈折率部２１１よりも屈折率が低い低屈折率部２１２を有する。本実施形態では、上述したように、低屈折率部２１２は、空気により構成されているが、屈折率が高屈折率部２１１よりも十分に低い材料でこの領域を埋める構成としてもよい。
【００２２】
射出瞳拡張素子１のシート面に対して垂直に進み入射部２１へ入射する光は、入射部２１の回折格子によって回折した回折光が基材層１０（導波部１０ａ）内に進む。そして、この回折光の回折角θが導波部１０ａの全反射条件を満たすように回折格子のピッチＰが設定されている。具体的には、入射部２１の回折格子のピッチＰは、導波する光の波長λよりも短く構成されている。
【００２３】
導波部１０ａで光が伝播する条件は、全反射条件を満たす必要があるので、コア：導波部１０ａ（基材層１０及び賦型層２０）の屈折率をｎ１、クラッド（空気部分）の屈折率をｎ２とし、全反射臨界角をθとすると、ｓｉｎ（θ）＝ｎ２／ｎ１であり、全反射をする条件としては、以下の式を満たす必要がある。
θ＞ａｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）
ｓｉｎ（θ）＞ｎ２／ｎ１・・・式（１）
一方、入射部２１に入射した光の回折角をθとすると、回折格子の公式から、波長λとピッチＰと回折角θとの関係を以下の式により表すことができる。
ｎ１×ｓｉｎ（θ）＝λ／Ｐ
ｓｉｎ（θ）＝λ／（Ｐ×ｎ１）・・・式（２）
この式（２）を上記式（１）の全反射条件に代入すると、以下の関係式が得られる。
λ／（Ｐ×ｎ１）＞ｎ２／ｎ１
λ＞Ｐ×ｎ２
ここで、ｎ２＝１（空気の屈折率）であるので、Ｐ＜λとなり、入射部２１の回折格子のピッチＰを、導波する光の波長λよりも短くすることにより、入射部２１に垂直に入射する光は、導波部１０ａ内を全反射しながら導波することが可能となる。
【００２４】
導波部１０ａ内を導波した光は、出射部２２に到達する。ここで、図２に示すように、出射部２２にも回折格子が構成されており、この出射部２２の回折格子により、導波部１０ａ内を導波してきた光は出射部２２から出射する。
出射部２２の回折格子は、入射部２１の回折格子と同様な３レベルの回折格子により構成されている。また、出射部２２の回折格子は、一定のピッチＰで繰り返し配列され、かつ、その配列の方向と直交する一方向（入射部２１の回折格子が延在する方向と同一方向）に延在する高屈折率部２２１を有している。さらに、出射部２２の回折格子は、導波部１０ａ内を導波してきた光を出射させるために、多段階の凹凸形状の向きが、入射部２１の回折格子とは反対向きに配置されている。
【００２５】
出射部２２の回折格子は、回折効率が１００％ではないので、出射部２２の回折格子に最初に到達する光のうちの一部だけが出射し、残る光は、さらに反射を続けて導波方向の下流側（入射部２１から遠ざかる方向であり、図２中の右側）へさらに進み、再び出射部２２の回折格子に到達する。この再び出射部２２の回折格子に到達する光も、一部だけが出射し、残る光は、さらに反射を続ける。これを繰り返すことにより、射出瞳が複数形成されて、射出瞳の拡張作用を得ることができる。このように、本実施形態では、出射部２２は、射出瞳を拡張する拡張部としての機能も兼ねている。射出瞳が拡張（複数に分割）されることにより、観察位置（目の位置）が移動しても、いずれかの射出瞳が観察可能となり、目の位置が特定の位置に限定されずに使い勝手を向上できる。なお、図２では、３つの射出瞳に分けられるように簡素化して示しているが、実際にはより多くの射出瞳に拡張（分割）される。
【００２６】
ここで、出射部２２の回折格子から出射する回折光の量は、光が到達した位置の回折格子の回折効率に応じた分量だけ出射し、出射できなかった光がさらに導波される。よって、光の導波方向の下流側になるほど回折格子に到達する光の光量は少なくなるが、出射部２２から出射できずに、導波部１０ａの端部に到達する光（迷光）が存在する。この迷光が、端部で反射して出射部２２へ向けて戻ると、本来の映像光とともに迷光が出射し、観察される映像のコントラストが低下する等、映像が劣化してしまうおそれがある。
【００２７】
この迷光を低減するために、本実施形態の射出瞳拡張素子１は、迷光低減部２５を備えている。
図３は、迷光低減部２５の部分を拡大した断面図である。
本実施形態の迷光低減部２５は、導波部１０ａの端部の全てに設けられている。迷光低減部２５は、導波部１０ａの第１平面１０ｂ及び第２平面１０ｃに対して傾斜した第１斜面部２５ａと第２斜面部２５ｂとの２つの斜面部を有した断面形状が楔形状に構成されている。迷光低減部２５では、迷光を図２５に示すように、一回斜面部で全反射させたのち、対向する斜面部から外部へ迷光を出射することにより、迷光が出射部２２へ戻ることを防止することにより、出射部２２から出射する迷光を低減する。この効果を有効に発揮するためには、迷光低減部２５は、以下の条件を満たすことが望ましい。
【００２８】
第１平面１０ｂと同じ側に設けられた斜面部を第１斜面部２５ａとし、第２平面１０ｃと同じ側に設けられ、第１斜面部２５ａと対向して設けられた斜面部を第２斜面部２５ｂとする。また、第１平面１０ｂと第１斜面部２５ａとがなす角をδ１とし、第２平面１０ｃと第２斜面部２５ｂとがなす角をδ２とし、導波部１０ａを導波する光が前記第１平面の法線となす角（すなわち、導波する光の反射角）をθとし、導波部１０ａの屈折率をｎ１とする。
ここで、０°≦δ１＜９０°であり、０°≦δ２＜９０°であるものとすると、δ１＝０°の場合には、第１斜面部２５ａは、第１平面１０ｂと同一平面であり、δ２＝０°の場合には、第２斜面部２５ｂは、第２平面１０ｃと同一平面である。迷光低減部２５は、第１斜面部２５ａと第２斜面部２５ｂとの少なくとも一方を備えているものとする。この条件において、迷光低減部２５は、
δ１＜θ−ａｓｉｎ（１／ｎ１）・・・式（３）
及び
δ２＜θ−ａｓｉｎ（１／ｎ１）・・・式（４）
の双方を満たせば、図３に例示するように迷光を適切に外部へ出射させることができる。
【００２９】
上記式（３）及び式（４）は、第１斜面部２５ａ及び第２斜面部２５ｂにおける全反射条件、
θ−δ１＞ａｓｉｎ（１／ｎ１）
及び
θ−δ２＞ａｓｉｎ（１／ｎ１）
から導かれるものである。
【００３０】
なお、第１斜面部２５ａ及び第２斜面部２５ｂの表面に屈折率ｎ２の膜（層）が設けられていても、上記式（３）及び式（４）を満たせば、同様な効果を得ることができる。
そこで、第１斜面部２５ａ及び第２斜面部２５ｂの表面に光吸収層を設けてもよい。この光吸収層を設けることにより、第１斜面部２５ａ及び第２斜面部２５ｂから出射する光を吸収でき、外部から観察したときに端部が光って見えることを抑えることが可能である。
【００３１】
ここで、迷光低減部２５の効果を検証するシミュレーションを行った。このシミュレーションは、ビーム伝播法（「回折光学素子の数値解析とその応用」丸善出版、小舘香椎子監修）により行った。
図４は、シミュレーションを行った比較例と実施例との形状を示す図である。
図５は、シミュレーションを行った条件と結果を示す図である。
図５において、戻り率（％）は、導波部１０ａの端部へ向けて進んだ光が逆方向へ戻る割合を示している。
比較例１では、迷光低減部２５を構成していないことから、戻り率は、３．７９％と高い値を示していた。
比較例２では、迷光低減部２５の形状を備えているが、迷光低減部２５の寸法が、式（３）及び式（４）を満たしていないことから、戻り率は、１．３２％であった。この結果は、比較例よりは良好な結果を示しているものの、映像光の劣化を防ぐためには、戻り率１．０％未満とすることが望ましい。
実施例１及び実施例２では、式（３）及び式（４）を満たしており、戻り率は、それぞれ、０．４６％及び０．４７％という、非常に良好な結果を得られている。また、実施例１及び実施例２の結果に実質的に差がないことからも、式（３）及び式（４）を満たしていれば、迷光が効果的に外部に出射されることが確認できる。よって、迷光低減部２５の形状を必要以上に長くする必要がない。
【００３２】
以上説明したように、第１実施形態によれば、射出瞳拡張素子１は、迷光低減部２５を備えることにより、出射部２２へ戻る迷光を効果的に低減することができる。
【００３３】
（第２実施形態）
図６は、本発明による射出瞳拡張素子１Ｂの第２実施形態を示す図である。
図７は、射出瞳拡張素子１Ｂを図１６中の矢印Ｂ−Ｂの位置で切断した断面図である。
図８は、射出瞳拡張素子１Ｂを図１６中の矢印Ｃ−Ｃの位置で切断した断面図である。
なお、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
また、図６から図８中には、方向が明確になるように、Ｘ，Ｙ，Ｚの直交座標軸を示した。
【００３４】
先に説明した第１実施形態の射出瞳拡張素子１では、一方向（１次元方向：図１中の左右方向）についてのみ射出瞳を拡張する形態の素子であった。これに対して、第２実施形態の射出瞳拡張素子１Ｂは、直交する２方向（２次元方向）で射出瞳を拡張する構成となっている。
第２実施形態の射出瞳拡張素子１Ｂは、基本的な構成が同様な３枚の射出瞳拡張素子１Ｂ−１、射出瞳拡張素子１Ｂ−２、射出瞳拡張素子１Ｂ−３を間に空気層を挟んで組み合わせた構成となっている。３枚の射出瞳拡張素子１Ｂ−１、射出瞳拡張素子１Ｂ−２、射出瞳拡張素子１Ｂ−３を保持する構成は、フレームで支えてもよいし、部分的に接着してもよいし、これらの他にさらに保護板等を積層してもよい。
【００３５】
射出瞳拡張素子１Ｂ−１と、射出瞳拡張素子１Ｂ−２と、射出瞳拡張素子１Ｂ−３とでは、回折して導波及び瞳拡張する対象の光の波長がそれぞれ異なっており、そのために、回折格子のピッチがそれぞれ異なっている。回折格子は、波長選択性が高く、対象とする波長以外の光には、回折作用を及ぼさない。よって、それぞれの射出瞳拡張素子１Ｂ−１、射出瞳拡張素子１Ｂ−２、射出瞳拡張素子１Ｂ−３が、赤、青、緑の３原色の波長の回折を行うように構成されることにより、カラー画像の射出瞳拡張を行うことが可能である。
なお、ピッチ以外の点については、射出瞳拡張素子１Ｂ−１、射出瞳拡張素子１Ｂ−２、射出瞳拡張素子１Ｂ−３は、いずれも同様な構成となっているので、以下の説明では、特にこれら３枚を区別することなく、射出瞳拡張素子１Ｂとして説明する。
【００３６】
第２実施形態の射出瞳拡張素子１Ｂは、第１実施形態の射出瞳拡張素子１と同様に、基材層１０と、賦型層２０とを備えている。
第２実施形態の賦型層２０は、その表面に入射部２１と、第２拡張部２３と、出射部２２Ｂを備えている。
【００３７】
入射部２１は、第１実施形態の入射部２１と同様である。
第２拡張部２３は、２レベルの回折格子により構成されており、入射部２１から導波された光が進む向きに対して、４５°傾いた向きに高屈折率部２３１が延在して配置されている。第２拡張部２３は、入射部２１から入射した光が進む向きを９０°偏向させて出射部２２Ｂへ進め、出射部２２（第１拡張部）が光を拡張する向きと９０°交差する向き、すなわち図中のＸ軸方向に射出瞳を拡張する（図６参照）。なお、図６では、射出瞳が３本に拡張されるように描いているが、実際は、第２拡張部２３において反射を繰り返す数に応じた本数に射出瞳が分割されて拡張される。また、図６では、入射部２１から入射した光が、４５傾いた第２拡張部２３により９０°偏向させて出射部２２Ｂに光が進むとしているが、角度や配置は、これに限ったものではない。
【００３８】
出射部２２Ｂは、配置位置が異なる点と、高屈折率部２２１Ｂの配列方向が異なる点とが、第１実施形態の出射部２２と異なっている。出射部２２Ｂには、第２拡張部２３によって偏向及び拡張された光が到達し、第１実施形態の出射部２２と同様に、光を順次出射しながら射出瞳を分割して拡張する（図８参照）。出射部２２Ｂが射出瞳を拡張する方向は、第２拡張部２３が射出瞳を拡張する方向と直交する方向、具体的には、図中のＹ軸方向に射出瞳を拡張する。
【００３９】
また、第２実施形態の射出瞳拡張素子１Ｂは、第１実施形態と同様に導波部１０ａの端部に、迷光低減部２２５を備えている。迷光低減部２２５の構成は、第１実施形態の迷光低減部２５と同様である。
【００４０】
第２実施形態の射出瞳拡張素子１Ｂの構成について、画像の見え方をシミュレーションして、その効果を確認したので、以下に説明する。このシミュレーションは光線追跡法（「回折光学素子の数値解析とその応用」丸善出版、小舘香椎子監修）により行った。
図９は、シミュレーション条件を説明する図である。
シミュレーションは、射出瞳拡張素子１Ｂの他、光源ＬＳと、パターンＰＴと、レンズＬ１と、レンズＬ２と、スクリーンＳとを配置する構成について行った。
射出瞳拡張素子１Ｂは、入射部２１が０．５ｍｍ×０．５ｍｍ、第２拡張部２３が１ｍｍ×２ｍｍ、出射部２２Ｂが２ｍｍ×２ｍｍの大きさであり、入射部２１と第２拡張部２３との中心間距離が５ｍｍ、第２拡張部２３と出射部２２Ｂとの中心間距離が４ｍｍである。また、射出瞳拡張素子１Ｂは、基材層１０が厚さ０．３ｍｍで、１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさとした。
射出瞳拡張素子１Ｂは、迷光低減部２２５を備える本実施形態と、迷光低減部２２５を備えず平坦な端面とした比較例とを用意した。迷光低減部２２５を備える形態では、その形状は、第１実施形態の図４（ｃ）と同様な形状とした。
【００４１】
入射光学系として、光源ＬＳには、ＬＥＤ光源を想定し、波長５３０ｎｍの単波長光を、透過性の白黒チェック柄のパターンＰＴを透過させる。光源ＬＳとパターンＰＴとの距離は０．１ｍｍである。この光路下流側に、レンズＬ１を配置した。レンズＬ１は、焦点距離が４ｍｍとし、パターンＰＴとレンズＬ１との距離は、４ｍｍである。また、レンズＬ１と入射部２１との距離は、１ｍｍである。
出射光学系として、レンズＬ２は、焦点距離が８ｍｍであり、出射部２２ＢとレンズＬ２との距離は、２ｍｍである。レンズＬ２を透過した光は、スクリーンＳに投影される。スクリーンＳは、レンズＬ２から８ｍｍの位置に配置した。
【００４２】
図１０は、シミュレーションにより得られた映像を迷光低減部２２５の有無で並べて比較する図である。
迷光低減部２２５を備えた結果の図１０（ｂ）の画像の方が、迷光低減部２２５を備えない結果の図１０（ａ）の画像よりも明らかにコントラストが向上して観察された。ただし、図１０の印刷画像では、その違いがわかりにくいので、図１０中に矢印で示した位置のデータを抽出して、より詳細に数値化して説明する。
【００４３】
図１１は、図１０において矢印で示したライン上の輝度分布をグラフ化して示す図である。
図１２は、輝度を数値化して示す図である。
図１１中において矢印で示した範囲ａの輝度の積算値をＡとし、範囲ｂの輝度の積算値をＢとし、範囲ｃの輝度の積算値をＣとして図１２に示した。また、図１２には、（（Ａ＋Ｃ）／２）／Ｂを演算した結果についても示した。
図１０において白色の領域と黒色の領域との輝度差が大きい程、コントラストの高い画像であるといえる。（（Ａ＋Ｃ）／２）／Ｂの演算値は、黒色範囲を基準とした場合の白色範囲の大きさを表すものであり、この値が大きい程、コントラストが高いと判断できる。図１２の結果を見ると、迷光低減部を設けた方が迷光低減部を設けていないものと比べて、コントラストが高いことが明らかであり、迷光の低減効果を確認できた。
【００４４】
以上説明したように、第２実施形態の射出瞳拡張素子１Ｂは、迷光低減部２２５を備えたことにより、第１実施形態と同様に、導波部の端部に到達する迷光を低減することができる。
また、第２実施形態の射出瞳拡張素子１Ｂは、出射部（第１拡張部）２２と、第２拡張部２３とを備えているので、直交する２方向に射出瞳を拡張することができ、映像等をより観やすい環境を提供可能である。
【００４５】
（変形形態）
以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の範囲内である。
【００４６】
（１）各実施形態において、３レベルの回折格子、及び、２レベルの回折格子を例示して説明した。これに限らず、例えば、４レベル以上の多段階の凹凸形状を備えた回折格子に本発明を適用してもよい。
【００４７】
（２）各実施形態において、射出瞳拡張素子は、ヘッドマウントディスプレイに用いられる例を挙げて説明したが、射出瞳拡張素子の用途は、ヘッドマウントディスプレイに限らず、どのような用途であってもよい。
【００４８】
（３）各実施形態において、射出瞳拡張素子に迷光低減部を設ける例を挙げて説明したが、これに限らず、例えば、射出瞳拡張効果を持たない導波部材の端部に迷光低減部を備えてもよい。
【００４９】
（４）各実施形態において、迷光低減部が全ての端部に設けられている例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、迷光低減部は、一部の端部に設ける形態としてもよい。
【００５０】
（５）各実施形態において、迷光低減部は、第１斜面部と第２斜面部との２つの対向する長さの等しい斜面を有し、断面形状が２等辺三角形形状に構成されている例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、第１斜面部と第２斜面部との長さが異なっていてもよいし、斜面部が一方のみに設けられている形状としてもよい。さらに、斜面部は、断面形状が直線に限らず、断面形状が曲線、すなわち、曲面で構成された斜面であってもよい。さらに、迷光低減部の形状は、３つ以上の斜面部を備えていてもよい。さらに、迷光低減部は、先端が尖っている必要はなく、Ｒ面取りやＣ面取りされていたりしてもよい。
【００５１】
なお、各実施形態及び変形形態は、適宜組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。また、本発明は以上説明した各実施形態によって限定されることはない。
【符号の説明】
【００５２】
１，１Ｂ      射出瞳拡張素子
１０      基材層
１０ａ    導波部
１０ｂ    第１平面
１０ｃ    第２平面
２０      賦型層
２１      入射部
２２，２２Ｂ  出射部
２３      第２拡張部
２５      迷光低減部
２５ａ    第１斜面部
２５ｂ    第２者面部
２１１，２２１，２２１Ｂ，２３１  高屈折率部
２１２，２２２，２２２Ｂ，２３２  低屈折率部
２２５    迷光低減部
【図１】
2020112614.tif 000003
【図２】
2020112614.tif 000004
【図３】
2020112614.tif 000005
【図４】
2020112614.tif 000006
【図５】
2020112614.tif 000007
【図６】
2020112614.tif 000008
【図７】
2020112614.tif 000009
【図８】
2020112614.tif 000010
【図９】
2020112614.tif 000011
【図１０】
2020112614.tif 000012
【図１１】
2020112614.tif 000013
【図１２】
2020112614.tif 000014