(57)【要約】【課題】２つの回折素子によって適正に波長補償を行うことのできる表示装置を提供すること。【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、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、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、光路において、第１回折素子および第２回折素子は、少なくとも主回折面および主回折面に直交する副回折面に沿って画像光を回折させ、画像光の主回折面内における偏向力が副回折面内における偏向力よりも大きいことを特徴とする。【選択図】図８
2020071369.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、
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、
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、
前記光路において、前記第１回折素子および前記第２回折素子は、少なくとも主回折面および前記主回折面に直交する副回折面に沿って前記画像光を回折させ、
前記画像光の前記主回折面内における偏向力が前記副回折面内における偏向力よりも大きい
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、
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、
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、
前記光路において、前記第１回折素子および前記第２回折素子は、少なくとも主回折面および前記主回折面に直交する副回折面に沿って前記画像光を回折させ、
前記主回折面上に形成される前記画像光の中間像および瞳の数が、前記副回折面上に形成される前記画像光の中間像および瞳の数よりも多い
ことを特徴とする表示装置。
【請求項３】
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、
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、
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、
前記光路において、前記第１回折素子および前記第２回折素子は、少なくとも主回折面および前記主回折面に直交する副回折面に沿って前記画像光を回折させ、
前記第１光学部と前記第３光学部との間に前記画像光の第１中間像が形成され、
前記第３光学部と前記第４光学部との間に前記画像光の第２中間像が形成され、
前記主回折面上に形成される前記第１中間像および前記第２中間像間の第１の距離が、前記副回折面上に形成される前記第１中間像および前記第２中間像間の第２の距離よりも長い
ことを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折素子を利用して画像を表示する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画像光の波長補償を行う場合、レンズパワーが必要となるため、装置の製造や組み立て時における光学部品の公差が厳しくなるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の第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、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、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１回折素子および前記第２回折素子は、少なくとも主回折方向および前記主回折方向に直交する副回折方向に前記画像光を回折させ、前記光路において、前記画像光の前記主回折方向における偏向力が前記副回折方向における偏向力よりも大きいことを特徴とする。
【０００６】
本発明の第二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、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、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１回折素子および前記第２回折素子は、少なくとも主回折方向および前記主回折方向に直交する副回折方向に前記画像光を回折させ、前記光路における前記主回折方向に沿う第１面上に形成される前記画像光の中間像および瞳の数が、前記光路における前記副回折方向に沿う第２面上に形成される前記画像光の中間像および瞳の数よりも多いことを特徴とする。
【０００７】
本発明の第三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、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、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、前記光路において、前記第１回折素子および前記第２回折素子は、少なくとも主回折方向および前記主回折方向に直交する副回折方向に前記画像光を回折させ、前記第１光学部と前記第３光学部との間に前記画像光の第１中間像が形成され、前記第３光学部と前記第４光学部との間に前記画像光の第２中間像が形成され、前記光路における前記主回折方向に沿う第１面上に形成される前記第１中間像および前記第２中間像間の第１の距離が、前記光路における前記副回折方向に沿う第２面上に形成される前記第１中間像および前記第２中間像間の第２の距離よりも長いことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第一実施形態に係る表示装置の外観の一態様を示す外観図。
【図２】表示装置の光学系の一態様を示す説明図。
【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の形態の説明図。
【図４】第１回折素子および第２回折素子の回折特性を示す説明図。
【図５Ａ】第１回折素子と第２回折素子とが共役関係にある場合の説明図。
【図５Ｂ】第１回折素子と第２回折素子とが共役関係にない場合の説明図。
【図５Ｃ】第１回折素子と第２回折素子とが共役関係にない場合の説明図。
【図６Ａ】第１回折素子と第２回折素子との共役関係からのずれの許容差を示す説明図。
【図６Ｂ】共役関係からのずれの許容差を示す別の形態の説明図。
【図７Ａ】光学系の主回折面における光線図。
【図７Ｂ】光学系の副回折面における光線図。
【図８】光学系において形成される画像光の中間像の状態を示す図。
【図９】光学系における瞳の関係を示す図。
【図１０】第二実施形態に係る光学系の副回折面内における光線図。
【図１１】第三実施形態に係る光学系の光線図。
【図１２】第四実施形態に係る表示装置の説明図。
【図１３】第四実施形態の変形例に係る表示装置の説明図。
【図１４】第五実施形態に係る光学系の概略構成を示す図。
【図１５】第五実施形態の第一変形例に係る光学系の説明図。
【図１６】第五実施形態の第二変形例に係る光学系の説明図。
【図１７】第五実施形態の第三変形例に係る光学系の説明図。
【図１８】第１回折素子と第２回折素子との略共役関係を示す図。
【図１９】図１８に示す略共役関係のときに第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。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（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。
【００１０】
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、図１および図２においては、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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
また、図１に示す表示装置１００では、画像光Ｌ０をＸ軸に沿う左右方向に進行させている。
【００１５】
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。
【００１６】
図２に示すように、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の進行方向に沿って、正のパワーを有する第１光学部Ｌ１０と、ミラー４０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。
【００１７】
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、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によって構成されている。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。
【００１８】
ミラー４０は、反射面４００が凹曲面になっており、正のパワーを有している。ミラー４０の反射面４００が正のパワーを有する場合、ミラー４０を投射光学系３２の構成要素に含めるようにしてもよい。すなわち、ミラー４０が正のパワーを有する場合、第１光学部Ｌ１０がミラー４０を含むようにしてもよい。なお、ミラー４０の反射面４００が、平面になっており、パワーを有しないように構成してもよい。
【００１９】
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は入射した画像光Ｌ０を第１回折素子５０に向けて反射し、第１回折素子５０は入射した画像光Ｌ０を導光系６０に向けて出射する。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。
【００２０】
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。
【００２１】
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、複数のレンズ３２１によって構成されている。図２では、投射光学系３２におけるレンズ３２１を３枚とした場合を例に挙げたが、レンズ３２１の枚数はこれに限定されることはなく、投射光学系３２が４枚以上のレンズ３２１を備えていてもよい。また、各レンズ３２１は貼り合わせて投射光学系３２を構成してもよい。また、レンズ３２１は自由曲面のレンズで構成されていてもよい。
【００２２】
導光系６０は、第１回折素子５０から出射された画像光Ｌ０が入射するレンズ系６１と、レンズ系６１から出射された画像光Ｌ０を斜めに傾いた方向に出射するミラー６２とを有している。レンズ系６１は、Ｚ軸に沿う前後方向に配置された複数のレンズ６１１からなる。ミラー６２は、前後方向に向けて斜めに傾いた反射面６２０を有している。本実施形態において、ミラー６２は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。
【００２３】
続いて、第１回折素子５０および第２回折素子７０の構成について説明する。
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は基本的な構成が同一である。以下では、第２回折素子７０の構成を例に挙げて説明する。
【００２４】
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フィック素子７５を備えており、反射型体積ホログラフィック素子７５は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。
【００２５】
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。
【００２６】
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ム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。
【００２７】
本実施形態では、画像光Ｌ０がカラー表示用である。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干渉露光を行うことにより形成することができる。
【００２８】
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。
【００２９】
第２回折素子７０と基本的な構成が同一である第１回折素子５０は、反射型体積ホログラフィック素子５５を備えている。第１回折素子５０は、画像光Ｌ０が入射する入射面５１が、凹んだ凹曲面になっている。換言すれば、入射面５１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。そのため、画像光Ｌ０を導光系６０に向けて効率良く偏向させることができる。
【００３０】
図４は、図２に示す第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折特性を示す説明図である。図４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４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。
【００３１】
図４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、長波長の光線程、大きく回折し、短波長の光線程、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。また、干渉縞の本数によって回折角が異なるので、干渉縞を考慮する必要がある。
【００３２】
ところで、第１回折素子５０および第２回折素子７０は図３Ａおよび図３Ｂに示したように２光束干渉露光で形成されたホログラフィック素子で構成される。このように２光束干渉露光で形成されたホログラフィック素子は、干渉縞が形成された面内における回折力が強く、光を曲げる偏向力が強い。なお、干渉縞が形成された面とは、図３Ａおよび図３Ｂの紙面に沿う面に相当する。以下の説明において、干渉縞が形成された面を主回折面と呼ぶことにする。図２に示した光学系１０では、ＸＺ面に平行な面に沿って画像光Ｌ０を大きく偏向させることで観察者の眼Ｅに導いている。本実施形態の光学系１０において、主回折面は図２に示すＸＺ面と平行な面で規定される。
【００３３】
一方、２光束干渉露光で形成されたホログラフィック素子において、主回折面に垂直な面内における回折力が弱く、光を曲げる偏向力が弱い。ここで、主回折面に垂直な面とは、図３Ａおよび図３Ｂの紙面に垂直な面に相当し、以下の説明において、この面を副回折面と呼ぶことにする。本実施形態の光学系１０において、副回折面とは図２に示すＸＺ面に直交する面、すなわち図２の紙面に垂直な面である。
【００３４】
すなわち、２光束干渉露光で形成された第１回折素子５０および第２回折素子７０では、主回折面内の回折角度に比べて、副回折面内の回折角度が小さい。図４を用いて説明したように、回折角度が小さくなるほど、周辺波長における特定波長からの回折角度のずれが小さくてすむ。なお、主回折面と副回折面との間に存在する面内においても光の回折は生じているが、本明細書では最大の回折角度を生じる主回折面と最低の回折角度を生じる副回折面とについて考える。
【００３５】
ここで、第１回折素子５０および第２回折素子７０について、主回折面および副回折面間で生じる回折角度差を考慮しないで設計する場合について考える。この場合、第１光学部Ｌ１０、第２光学部Ｌ２０、第３光学部Ｌ３０および第４光学部Ｌ４０は主回折面および副回折面の両方とも同様のパワーを有するように設計される。
【００３６】
上述したように副回折面内で生じる周辺波長の回折角度差は小さいことから、主回折面内で生じる回折角度差を補償するために必要となる各光学部のパワーは、副回折面内で生じる回折角度差を補償するために必要となる各光学部のパワーより高くなる。
従って、主回折面および副回折面間で生じる回折角度差を考慮しないで各光学部を設計した場合、各光学部において副回折面内におけるパワーは余剰となってしまう。そのため、組立公差が必要以上に厳しくなるという問題が生じる。
【００３７】
本発明者は、副回折面内で生じる周辺波長の回折角度差は小さいため、回折角度差に起因する画像光の角度ずれはレンズで生じる分散で概ね補正可能と考えた。そして、本実施形態の光学系１０の構成を見出した。
【００３８】
本実施形態の光学系１０では、画像光Ｌ０の光路において、画像光Ｌ０の主回折面内における偏向力が副回折面内における偏向力よりも大きくしている。画像光Ｌ０の偏向力は第１光学部Ｌ１０、第２光学部Ｌ２０、第３光学部Ｌ３０および第４光学部Ｌ４０のパワーに依存する。すなわち、本実施形態の光学系１０では、第１光学部Ｌ１０、第２光学部Ｌ２０、第３光学部Ｌ３０および第４光学部Ｌ４０において、主回折面内におけるパワーよりも副回折面内におけるパワーを小さくした。
【００３９】
図２に示す光学系１０では、少なくとも図２に示した主回折面としてのＸＺ面において、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。そのため、少なくとも主回折面に沿う面内において、画像光の波長補償、すなわち色収差をキャンセル可能である。
【００４０】
具体的に、第１回折素子５０に入射した画像光Ｌ０は、図２に示すように、主回折面内において、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、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は、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。
【００４１】
第１回折素子５０を出射した画像光Ｌ０は、導光系６０を介して第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。
【００４２】
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２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に入射するので、波長毎の網膜Ｅ０での結像位置ずれが抑制される。従って、図２に示した主回折面内において、第２回折素子７０で発生する画像光Ｌ０の色収差をキャンセルできる。
【００４３】
続いて、第１回折素子５０と第２回折素子７０との共役関係について説明する。本実施形態の光学系１０において、第１回折素子５０および第２回折素子７０は、少なくとも図２に示した主回折面内において後述する共役関係が成立している。
【００４４】
図５Ａは、第１回折素子５０と第２回折素子７０とが共役関係にある場合の説明図である。図５Ｂおよび図５Ｃは第１回折素子５０と第２回折素子７０とが共役関係にない場合の説明図である。図６Ａおよび図６Ｂは、図５Ｂおよび図５Ｃに示す第１回折素子５０と第２回折素子７０との共役関係からのずれの許容差を示す説明図である。図６Ａおよび図６Ｂ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。なお、図５Ａ〜Ｃおよび図６Ａおよび図６Ｂでは、光の進行が分かりやすいように、第１回折素子５０、第２回折素子７０および導光系６０を透過型として示し、第１回折素子５０、第２回折素子７０および導光系６０を矢印で示してある。
【００４５】
図５Ａに示すように、第１回折素子５０と第２回折素子７０とを共役の関係とした場合、第１回折素子５０のＡ点から出射した発散光は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Ｂ点に入射する。従って、Ｂ点で発生する回折による色収差をＡ点で補償することができる。
【００４６】
これに対して、図５Ｂおよび図５Ｃに示すように、第１回折素子５０と第２回折素子７０とが共役の関係にない場合、第１回折素子５０のＡ点から出射した発散光は、中央の正パワーを持つ導光系６０によって集光されるが、第２回折素子７０上のＢ点よりも遠い位置、あるいは近い位置で交わって入射する。このため、Ａ点とＢ点とが１対１の関係になっていない。ここで、領域内の干渉縞が一様の場合に補償効果が高まることから、第１回折素子５０と第２回折素子７０とが共役の関係にない場合、補償効果が弱くなる。一方、第１回折素子５０によって、第２回折素子７０の投影領域全体を補償することは困難である。それ故、図５Ｂおよび図５Ｃに示す態様の場合、十分な波長補償を行うことができないので、解像度の劣化が発生する。
【００４７】
なお、特定波長に対して±１０ｎｍの波長の光では、特定波長の光が到達するＢ点から±０．４ｍｍ程度の誤差が存在するが、解像度の低下は目立たない。かかる許容範囲を検討した結果、図６Ａに示すように、特定波長の光が到達する理想的な第２回折素子７０上のＢ点よりも手前で交わり±０．８ｍｍの範囲内に入射する場合には、解像度の低下は目立たない。また、図６Ｂに示すように、特定波長の光が到達する理想的な第２回折素子７０上のＢ点よりも後方で交わり±０．８ｍｍの範囲内に入射する場合には、解像度の低下は目立たない。従って、第１回折素子５０と第２回折素子７０とにおいては、完全な共役関係になくても、略共役関係にあって、理想的なＢ点から±０．８ｍｍの範囲内に到達する場合には、解像度の低下を許容することができる。すなわち、本実施形態において、第１回折素子５０と第２回折素子７０とが共役関係を有するとは、特定波長の光の入射位置が理想的な入射点から±０．８ｍｍの誤差範囲に収まることをいう。
【００４８】
図７Ａは光学系１０の主回折面における光線図である。図７Ｂは光学系１０の副回折面における光線図である。図７Ａ、図７Ｂおよび後で参照する図では、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。なお、光軸に沿って配置された各光学部を矢印ではなく太線のみで示す場合は光学部がパワーを有していないことを意味する。
また、画像光生成装置３１の１つの画素から出射した光線を実線Ｌａで示し、画像光生成装置３１の端部から出射される主光線を一点鎖線Ｌｂで示し、第１回折素子５０と共役関係となる位置を長い破線Ｌｃで示してある。ここで、「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。また、図７Ａおよび図７Ｂ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７Ａおよび図７Ｂ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。
【００４９】
図７Ａに示すように、光学系１０は、主回折面内において、第１光学部Ｌ１０の焦点距離ＦがＬ／２であり、第２光学部Ｌ２０、第３光学部Ｌ３０、および第４光学部Ｌ４０の焦点距離ＦがいずれもＬである。
【００５０】
一方、図７Ｂに示すように、光学系１０は、副回折面内において、第１光学部Ｌ１０の焦点距離ＦがＬであり、第２光学部Ｌ２０および第４光学部Ｌ４０の焦点距離Ｆがいずれも２Ｌである。光学系１０は、副回折面内において、太線で示された第３光学部Ｌ３０を有している。すなわち、副回折面内において、第３光学部Ｌ３０は主回折面と比べ中間像や瞳を形成するパワーを有していない。ここで、第３光学部Ｌ３０がパワーを有していないとは、第３光学部Ｌ３０を構成するレンズが副回折面内においてレンズ面を有さない板状であることを意味する。
【００５１】
また、本実施形態の光学系１０は、主回折面と副回折面とを比べた場合、副回折面内における第１光学部Ｌ１０、第２光学部Ｌ２０および第４光学部Ｌ４０の焦点距離Ｆが長くなっている。このように本実施形態の光学系１０では、副回折面内において、第３光学部Ｌ３０の焦点距離Fを長くし、パワーを無くすことで、主回折面内におけるパワーよりも副回折面内におけるパワーを小さくしている。このようにして本実施形態の光学系１０は、画像光の主回折面内における偏向力を副回折面内における偏向力よりも大きくしている。
【００５２】
図８は本実施形態の光学系１０において形成される画像光の中間像の状態を示す図である。図８は本実施形態の光学系１０に対応するモデルを用いたシミュレーションにより算出され、主回折面内に形成される中間像と副回折面内に形成される中間像とを示している。
【００５３】
図７Ａおよび図８に示すように、本実施形態の光学系１０は主回折面内において、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が形成される。すなわち、本実施形態の光学系１０では、主回折面上に形成される中間像の数が２つである。
【００５４】
一方、図７Ｂおよび図８に示すように、本実施形態の光学系１０は副回折面内において、第２光学部Ｌ２０と第４光学部Ｌ４０との間に画像光の中間像Ｐが形成される。すなわち、本実施形態の光学系１０では、主回折面上に形成される中間像の数が１つである。そのため、本実施形態の光学系１０では、主回折面上に形成される画像光の中間像の数が副回折面上に形成される画像光の中間像の数よりも多い。
【００５５】
また、第３光学部Ｌ３０は、画像光生成装置３１の１点からの画像光について、第１回折素子５０により偏向されて特定波長からずれた周辺波長の光を第２回折素子７０の所定の範囲に入射させる。すなわち、第１回折素子５０と第２回折素子７０は共役あるいは略共役の関係にある。ここで、第１回折素子５０の第３光学部Ｌ３０による第２回折素子７０上の射影の倍率の絶対値は０．５倍から１０倍までであり、かかる倍率の絶対値は１倍から５倍までであることが好ましい。
【００５６】
図９は本実施形態の光学系１０における瞳の関係を示す図である。図９は本実施形態の光学系１０に対応するモデルを用いたシミュレーションにより算出され、主回折面内における瞳と副回折面内における瞳とを示している。
【００５７】
図７Ａおよび図９に示すように、本実施形態の光学系１０は主回折面内において、第１光学部Ｌ１０内に瞳Ｒ０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。瞳Ｒ１は、第２光学部Ｌ２と第４光学部Ｌ４０との間のうち、第３光学部Ｌ３０の近傍に形成される。第３光学部Ｌ３０の近傍とは、第２光学部Ｌ２０と第３光学部Ｌ３０の間のうち、第２光学部Ｌ２０より第３光学部Ｌ３０に近い位置、または第３光学部Ｌ３０と第４光学部Ｌ４０の間のうち、第４光学部Ｌ４０より第３光学部Ｌ３０に近い位置を意味する。すなわち、本実施形態の光学系１０では、主回折面内における瞳の数が２つである。
【００５８】
一方、図７Ｂおよび図９に示すように、本実施形態の光学系１０は副回折面内において、第１光学部Ｌ１０内に瞳Ｒ０が形成され、第４光学部Ｌ４０が画像光を平行光化することで射出瞳Ｒ２のみを形成する。すなわち、本実施形態の光学系１０は、副回折面内における瞳の数が１つである。そのため、本実施形態の光学系１０は、主回折面上に形成される瞳の数が副回折面上に形成される瞳の数よりも多い。
【００５９】
従って、本実施形態の光学系１０によれば、主回折面内において、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。
【００６０】
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。
【００６１】
本実施形態の光学系１０によれば、主回折面内において、以下に示す４つの条件（条件１、２、３、４）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：周辺波長を補償するように第１回折素子５０と第２回折素子７０とを適正に配置する。
条件４：第１回折素子５０と第２回折素子７０とが共役または略共役の関係にある。
【００６２】
より具体的には、図７Ａに示した一点鎖線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７Ａに示した実線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、周辺波長を補償するように第１回折素子５０と第２回折素子７０とを適正に配置するという条件３を満たすため、波長補償を行うことによって第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセル可能である。また、図７Ａに示した長い破線Ｌｃから分かるように、第１回折素子５０と第２回折素子７０とが共役または略共役の関係にあるという条件４を満たすため、第１回折素子５０と第２回折素子７０とでは、光線を干渉縞が同一な個所に入射させることが可能であり、波長補償を適正に行うことができる。よって、画像光の解像度の劣化を抑えることができる。
【００６３】
本実施形態の光学系１０では、副回折面内において、上述した４つの条件のうち、少なくとも第１条件および第２条件を満たしている。より具体的に、図７Ｂに示した一点鎖線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７Ｂに示した実線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。
【００６４】
一方、本実施形態の光学系１０では、画像光の主回折面内における偏向力より副回折面内における偏向力を小さくしたため、副回折面内において上述の条件３および条件４を満たさなくなる。
ここで、上述したように副回折面内で生じる周辺波長の回折角度差は小さい。そのため、副回折面内において条件３および条件４を満たさないとしても、第１回折素子５０により偏向された際に生じる特定波長の回折角度差が小さいので、回折角度差によってずれた光を光学部のレンズで生じる分散によって補正して第２回折素子７０の所定の範囲に入射させることができる。このため、干渉縞が異なる場所に入射するという問題が生じたとしても影響を最小限に抑えることができる。
【００６５】
従って、本実施形態の光学系１０では、副回折面内においても特定波長の周辺波長の光を特定波長の光の近傍に概ね入射可能となるので、条件３および条件４を満たさない場合でも、色収差の発生を概ねキャンセルできる。よって、本実施形態の光学系１０は、副回折面内においても解像度の劣化を抑えることができる。すなわち、本実施形態の光学系１０によれば、主回折面に比べて波長補償効果は弱いものの、開口率が小さい場合や観察者の眼に入射する光線径（射出瞳径）が小さい場合は一定の波長補償効果を得ることができる。
【００６６】
また、本実施形態の光学系１０では、画像光の光路において、画像光Ｌ０の主回折面内における偏向力が副回折面内における偏向力よりも大きくなっている。また、本実施形態の光学系１０では、主回折面上に形成される画像光の中間像および瞳の数が、副回折面上に形成される前記画像光の中間像および瞳の数よりも多くなっている。
すなわち、本実施形態の光学系１０は、第１回折素子５０および第２回折素子７０において主回折面および副回折面間で生じる回折角度差を考慮して各光学部のパワーを設計している。そのため、副回折面内における各光学部のパワーが必要以上に強くなることを低減することができる。
従って、本実施形態の光学系１０によれば、副回折面内において各光学部のパワーが抑えられるので、各光学部を構成するレンズなどの光学部品の組立公差を緩和することができる。
【００６７】
（第二実施形態）
続いて、第二実施形態に係る光学系の構成について説明する。
本実施形態の光学系は、主回折面内において第一実施形態の光学系１０と同じパワーを有するが、副回折面内におけるパワーが第一実施形態の光学系１０と異なっている。以下の説明では、第一実施形態と共通の構成については同じ符号を付し、その説明については省略する。
【００６８】
図１０は本実施形態の光学系の副回折面内における光線図である。なお、本実施形態の光学系の主回折面における光線図は図７Ａと共通であるため、省略する。
図１０に示すように、本実施形態の光学系１０Ａは、副回折面内において、第１光学部Ｌ１０の焦点距離ＦがＬであり、第２光学部Ｌ２０および第４光学部Ｌ４０の焦点距離ＦがいずれもＬであり、第３光学部Ｌ３０の焦点距離ＦがＬ／２である。
【００６９】
一方、本実施形態の光学系１０Ａでは、主回折面内において、第１光学部Ｌ１０の焦点距離ＦがＬ／２であり、第２光学部Ｌ２０、第３光学部Ｌ３０、および第４光学部Ｌ４０の焦点距離ＦがいずれもＬである（図７Ａ参照）。
【００７０】
本実施形態の光学系１０Ａでは、主回折面と副回折面とを比べた場合、副回折面内において第１光学部Ｌ１０の焦点距離Ｆを長くしている。すなわち、本実施形態の光学系１０Ａは、第１光学部Ｌ１０における副回折面内でのパワーを抑えた構成を採用している。
【００７１】
このように本実施形態の光学系１０Ａでは、副回折面内において、第１光学部Ｌ１０のパワーを抑えて焦点距離Ｆを長くすることで、主回折面内におけるパワーよりも副回折面内におけるパワーを小さくしている。このようにして本実施形態の光学系１０Ａでは、画像光の主回折面内における偏向力を副回折面内における偏向力よりも大きくしている。
【００７２】
本実施形態の光学系１０Ａでは、図７Ａに示したように主回折面内において、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が形成される。より具体的に、第１中間像Ｐ１は、第１光学部Ｌ１０と第２光学部Ｌ２０との間に形成される。よって、第１中間像Ｐ１と第２中間像Ｐ２との距離は図７Ａに示す符号Ｈ１で規定される。
【００７３】
一方、本実施形態の光学系１０Ａでは、図８に示したように副回折面内において、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が形成される。より具体的に、第１中間像Ｐ１は、第２光学部Ｌ２０と第２光学部Ｌ２０との間に形成される。よって、第１中間像Ｐ１と第２中間像Ｐ２との距離は図８に示す符号Ｈ２で規定される。
【００７４】
従って、本実施形態の光学系１０Ａでは、主回折面の光線図と副回折面の光線図とを比べた場合、主回折面上に形成される第１中間像Ｐ１および第２中間像Ｐ２間の第１の距離Ｈ１が、副回折面上に形成される第１中間像Ｐ１および第２中間像Ｐ２間の第２の距離Ｈ２よりも長くなっている。
【００７５】
本実施形態の光学系１０Ａでは、第１の距離Ｈ１を第２の距離Ｈ２よりも長くしたことで、画像光の主回折面内における偏向力より副回折面内における偏向力を小さくする構成を採用している。
本実施形態の光学系１０Ａでは、第一実施形態の光学系１０と同様、第１回折素子５０および第２回折素子７０において主回折面および副回折面間で生じる回折角度差を考慮して各光学部のパワーを設計している。そのため、副回折面内における各光学部のパワーが必要以上に強くなることを低減することができる。従って、本実施形態の光学系１０Ａにおいても、回折面内において各光学部のパワーが抑えられるので、各光学部を構成するレンズなどの光学部品の組立公差を緩和することができる。
【００７６】
本実施形態の光学系１０Ａにおいても、第一実施形態の構成と同様、主回折面内において、４つの条件を満たすため、第１回折素子５０と第２回折素子７０とでは、光線を干渉縞が同一な個所に入射させることが可能であり、波長補償を適正に行うことで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。
また、副回折面内においては上述の条件３および条件４を満たさなくなるが、副回折面内で生じる周辺波長の回折角度差は小さいことから、本実施形態の光学系１０Ａにおいても副回折面内にて特定波長の周辺波長の光を特定波長の光の近傍に概ね入射させることで色収差の発生を概ねキャンセル可能となる。
【００７７】
（第三実施形態）
続いて、第三実施形態に係る光学系の構成について説明する。本実施形態の光学系は、画像光生成装置の構成が第一実施形態と異なっている。以下の説明では、第一実施形態と共通の構成については同じ符号を付し、その説明については省略する。
【００７８】
図１１は、第三実施形態に係る光学系１０Ｂの光線図である。なお、図１１は主回折面での光学系の構成を示している。図１１に示すように、本実施形態の光学系１０Ｂでは、第一実施形態の構成と同様、正のパワーを有する第１光学部Ｌ１０と、第１回折素子５０を含み、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、反射型の第２回折素子７０を含み、正のパワーを有する第４光学部Ｌ４０とが設けられている。
【００７９】
本実施形態の画像光生成装置３１は、レーザー光源３１６と、コリメートレンズ３１７と、マイクロミラーデバイス３１８とを有しており、マイクロミラーデバイス３１８を駆動することによりレーザー光源３１６を走査することにより、画像を生成する。従って、本実施形態においては、画像光生成装置３１自身が画角の光を形成する。
【００８０】
本実施形態の光学系１０Ｂを搭載した表示装置によれば、観察者の装着に、体温や表示装置自身の熱によって温度変化が発生してレーザー光のスペクトラム幅等が変動した場合でも、波長補償によって品位の高い画像を表示することができる。
【００８１】
（第四実施形態）
続いて、第四実施形態について説明する。本実施形態は表示装置の別の形態に関するものである。なお、以下の説明では、第一実施形態と共通の構成については同じ符号を付し、その説明については省略する。
【００８２】
図１２は第四実施形態に係る表示装置の説明図である。図１２は主回折面での光学系の構成を示しており、図１２におけるＸＹＺで示す方向は図１および図２における方向に一致する。
図１２に示すように、本実施形態の表示装置１０１は、画像光を上側Ｙ１から下側Ｙ２に進行させて観察者の眼Ｅに出射させる。
【００８３】
本実施形態の表示装置１０１における光学系１１は、図１２に示すように、Ｙ軸に沿う上下方向に光学系１１が配置されており、頭頂部に配置された画像光生成装置３１から眼Ｅの前の第２回折素子７０までの間に投射光学系３２、第１回折素子５０、および導光系６０が配置されている。本実施形態の光学系１２では、ＹＺ面に平行な面に沿って画像光を大きく偏向させることで観察者の眼Ｅに導いている。したがって、本実施形態の光学系１２において、主回折面は図１２に示すＹＺ面と平行な面で規定される。
【００８４】
本実施形態において、導光系６０は、周辺部より中央が凹んだ反射面６２０を有するミラー６２によって構成されており、正のパワーを有している。反射面６２０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、反射面６２０は自由曲面からなる。第１回折素子５０は、透過型体積ホログラフィック素子とレンズとが一体化されており、正のパワーを有している。なお、第１回折素子５０自身が正のパワーを有するように構成されてもよい。
【００８５】
図示を省略するものの、本実施形態の光学系１２においても、上述した実施形態と同様、主回折面内におけるパワーよりも副回折面内におけるパワーを小さくしたり、主回折面上に形成される画像光の中間像および瞳の数が、副回折面上に形成される前記画像光の中間像および瞳の数よりも多くなるようにしたり、あるいは、第１の距離Ｈ１を第２の距離Ｈ２よりも長くしている。
これにより、画像光の主回折面内における偏向力を副回折面内における偏向力よりも大きくしている。
【００８６】
本実施形態の光学系１１では、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（投射光学系３２）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（導光系６０のミラー６２）と、反射型の第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。従って、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３光学部Ｌ３０近傍に瞳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。
【００８７】
ここで、第３光学部Ｌ３０は、正のパワーを有するミラー６２によって構成されている。従って、第２光学部Ｌ２０で回折した発散光は、ミラー６２によって集光される。また、集光された光は、第４光学部Ｌ４０（第２回折素子７０）の特定波長の光が入射する点および近傍に入射する。
【００８８】
本実施形態の光学系１１によれば、回折面内において各光学部のパワーが抑えられるので、各光学部を構成するレンズなどの光学部品の組立公差を緩和することができる。
また、本実施形態の光学系１１においても、第一実施形態の構成と同様、主回折面内において、４つの条件を満たすため、第１回折素子５０と第２回折素子７０とでは、光線を干渉縞が同一な個所に入射させることが可能であり、波長補償を適正に行うことで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。なお、副回折面内においては上述の条件３および条件４を満たさなくなるが、上述のように副回折面内において周辺波長の光が特定波長の光の近傍に概ね入射することで色収差の発生を概ねキャンセルできる。
【００８９】
（第四実施形態の変形例）
続いて、第四実施形態に係る表示装置の変形例について説明する。
図１３は、第四実施形態の変形例に係る表示装置の説明図である。なお、図１３は主回折面での構成を示している。図１３に示した光学系１２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）とが別体であったが、本変形例の光学系１２は、図１４に示すように、第１光学部Ｌ１０（投射光学系）と第２光学部Ｌ２０（第１回折素子５０）とが一体である。より具体的には、第１光学部Ｌ１０（投射光学系３２）は、複数の反射面８５１、８５２を備えたプリズム８５によって構成されており、プリズム８５の出射面８５３に第２光学部Ｌ２０（透過型の第１回折素子５０）が構成されている。
【００９０】
その他の構成は、図１３に示した構成と共通である。従って、図１３に示す態様と同様の効果を奏することができる。さらに、プリズム８５を用いることにより、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）とを一体化したため、組立公差の低減や頭部前後方向の小型化等を図ることができる。
【００９１】
（第五実施形態）
続いて、第五実施形態に係る光学系の構成について説明する。以下の説明では、第一実施形態と共通の構成については同じ符号を付し、その説明については省略する。
【００９２】
図１４は、第五実施形態に係る光学系の概略構成を示す図である。なお、図１４は主回折面での光学系の構成を示している。図１４に示す本実施形態の光学系１３は、第一実施形態と同様、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を含み、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、反射型の第２回折素子７０を含み、正のパワーを有する第４光学部Ｌ４０とが設けられている。なお、図１４は光学系１３における主回折面内における光線図を示すものである。
【００９３】
本実施形態において、導光系６０は、周辺部より中央が凹んだ反射面６２０を有するミラー６２によって構成され、正のパワーを有している。反射面６２０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、反射面６２０は自由曲面からなる。投射光学系３２から第１回折素子５０に到る光路の途中位置にミラー４０が配置されている。ミラー４０は、反射面４００が凹曲面になっており、正のパワーを有している。
【００９４】
本実施形態の投射光学系３２は、回転対称のレンズ３２６と、自由曲面のレンズ３２７とを有している。
本実施形態の光学系１３では、主回折面内において、第１光学部Ｌ１０におけるレンズ３２６，３２７間に瞳Ｒ０が形成され、第３光学部Ｌ３０近傍に瞳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が形成される。そして、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。このように本実施形態の光学系１３では、第１中間像Ｐ１が第１光学部Ｌ１０（投射光学系３２）の中に形成される。
【００９５】
図示を省略するものの、本実施形態の光学系１３においても、上述した実施形態と同様、主回折面内におけるパワーよりも副回折面内におけるパワーを小さくしたり、主回折面上に形成される画像光の中間像および瞳の数が、副回折面上に形成される前記画像光の中間像および瞳の数よりも多くなるようにしたり、あるいは、第１の距離Ｈ１を第２の距離Ｈ２よりも長くしている。
これにより、画像光の主回折面内における偏向力を副回折面内における偏向力よりも大きくしている。
【００９６】
本実施形態の光学系１３によれば、回折面内において各光学部のパワーが抑えられるので、各光学部を構成するレンズなどの光学部品の組立公差を緩和することができる。
また、本実施形態の光学系１３においても、上述の実施形態の構成と同様、主回折面内において、４つの条件を満たすため、第１回折素子５０と第２回折素子７０とでは、光線を干渉縞が同一な個所に入射させることが可能であり、波長補償を適正に行うことで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。なお、副回折面内においては上述の条件３および条件４を満たさなくなるが、上述のように副回折面内において周辺波長の光が特定波長の光の近傍に概ね入射することで色収差の発生を概ねキャンセルできる。
【００９７】
また、図１４に示す部材のうち、透光性部材を構成するプラスチック、ガラス等には、高分散と低分散を組合せた光学部材を使用している。また、第３光学部Ｌ３０にミラー６２を用いているため、第１光学部Ｌ１０で色消し状態としている。このため、光学系１３の重心位置が後側Ｚ２に移るため、使用者の鼻への負担を軽減できる等の利点がある。また、ミラー６２については、透明樹脂もしくはガラスなどの透明部材にスパッター法等により半透過型ミラー層や角度選択性のミラー層を形成すれば、ミラー６２を介して外界を視認することができる。
【００９８】
（第五実施形態の第一変形例）
続いて、第五実施形態の第一変形例に係る光学系に関するものである。
図１５は、第五実施形態の第一変形例に係る光学系の説明図である。なお、図１５は主回折面での光学系の構成を示している。図１５に示す光学系１４は、図１５を参照して説明した第五実施形態と同様、側頭部に配置された画像光生成装置３１から眼Ｅの前の第２回折素子７０（第４光学部Ｌ４０）までの間に投射光学系３２（第１光学部Ｌ１０）、ミラー４０、第１回折素子５０（第２光学部Ｌ２０）、および導光系６０のミラー６２（第３光学部Ｌ３０）が配置されている。
【００９９】
本変形例では、ミラー４０とミラー６２とが、共通の部材８１の異なる面に構成されている。その他の構成は、第五実施形態と共通である。従って、本変形例の構成によれば、第五実施形態の光学系１３と同様の効果に加え、ミラー４０とミラー６２とが共通の部材８１に構成されているため、組立公差の低減等を図ることができるという効果を奏することができる。また、ミラーを製造する金型の種類を減らすことができるので、コストの削減を図ることができる。
【０１００】
（第五実施形態の第二変形例）
続いて、第五実施形態の第二変形例に係る光学系に関するものである。
図１６は、第五実施形態の第二変形例に係る光学系の説明図である。なお、図１６は主回折面での光学系の構成を示している。図１６に示す光学系１５は、第五実施形態と同様、側頭部に配置された画像光生成装置３１から眼Ｅの前の第２回折素子７０（第４光学部Ｌ４０）までの間に投射光学系３２（第１光学部Ｌ１０）、ミラー４０、第１回折素子５０（第２光学部Ｌ２０）、および導光系６０のミラー６２（第３光学部Ｌ３０）が配置されている。
【０１０１】
本変形例では、ミラー６２と第２回折素子７０とが、共通の部材８２の異なる面に構成されている。その他の構成は、第五実施形態と共通である。従って、本変形例の構成によれば、第五実施形態の光学系１３と同様の効果に加え、ミラー６２と第２回折素子７０とが共通の部材８２に構成されているため、組立公差の低減等を図ることができるという効果を奏することができる。また、ミラーを製造する金型の種類を減らすことができるので、コストの削減を図ることができる。
【０１０２】
（第五実施形態の第三変形例）
続いて、第五実施形態の第三変形例に係る光学系に関するものである。
図１７は、第五実施形態の第三変形例に係る光学系の説明図である。なお、図１７は主回折面での光学系の構成を示している。
図１７に示す光学系１６は、第五実施形態と同様、側頭部に配置された画像光生成装置３１から眼Ｅの前の第２回折素子７０（第４光学部Ｌ４０）までの間に投射光学系３２（第１光学部Ｌ１０）、ミラー４０、第１回折素子５０（第２光学部Ｌ２０）、および導光系６０のミラー６２（第３光学部Ｌ３０）が配置されている。
【０１０３】
本変形例では、ミラー４０、ミラー６２、および第２回折素子７０が、共通の部材８３の異なる面に構成されている。その他の構成は、第五実施形態と共通である。従って、本変形例の構成によれば、第五実施形態の光学系１３と同様の効果に加え、ミラー４０、ミラー６２、および第２回折素子７０が共通の部材８３に構成されているため、組立公差の低減等を図ることができるという効果を奏することができる。また、ミラーを製造する金型の種類を減らすことができるので、コストの削減を図ることができる。
【０１０４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、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、上記実施形態において、主回折面内において、第１回折素子５０と第２回折素子７０とを完全な共役関係とする場合を中心に説明したが、主回折面内において第１回折素子５０と第２回折素子７０とを略共役関係となるようにパワーを設定してもよい。
【０１０５】
図１８は第１回折素子５０と第２回折素子７０とを略共役関係とした場合の説明図である。図１９は、図１８に示す略共役関係のときに第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。
【０１０６】
本変形例の光学系１７は、第１回折素子５０と第２回折素子７０とを略共役の関係とした場合、図１８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。
【０１０７】
この場合、波長によって光線位置がずれるため、図１９に示すように、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。
【０１０８】
［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】
【０１０９】
３１…画像光生成装置、５０…第１回折素子、７０…第２回折素子、１００，１０１…表示装置、Ｅ１，Ｒ１…瞳、Ｈ１…第１の距離、Ｈ２…第２の距離、Ｌ０…画像光、Ｌ２０…第２光学部、Ｌ１０…第１光学部、Ｌ３０…第３光学部、Ｌ４０…第４光学部、Ｐ…中間像、Ｐ１…第１中間像、Ｐ２…第２中間像。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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