(57)【要約】【課題】虚像表示に適した虚像表示装置を提供する。【解決手段】虚像表示装置としてのＨＵＤ装置は、投影部へ画像の表示光を投影することにより、画像を視認可能に虚像表示する。ＨＵＤ装置は、表示光を発光する表示器１０と、表示光に対して、回折作用を作用可能に形成されたホログラム素子２０と、ホログラム素子２０を挟んで表示器１０とは反対側に配置され、表示光を反射可能に形成された折り返しミラー３０と、を備える。ホログラム素子２０は、表示器１０から入射した第１偏光状態の表示光を、折り返しミラー３０へ向けて透過させる透過作用を及ぼす透過作用部と、折り返しミラー３０での反射によって折り返された表示光であって、第１偏光状態とは対極をなす第２偏光状態の表示光を、光路上の投影部側へ向けて回折反射させる回折反射作用を及ぼす回折反射作用部と、を有する。【選択図】図３
2020056881.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投影部（３ａ）へ画像の表示光を投影することにより、前記画像を視認可能に虚像表示する虚像表示装置であって、
前記表示光を発光する表示器（１０，２１０）と、
前記表示光に対して、回折作用を作用可能に形成された回折型光学素子（２０，２２０，３２０，４２０，５２０）と、
前記回折型光学素子を挟んで前記表示器とは反対側に配置され、前記表示光を反射可能に形成された折り返しミラー（３０，３３０）と、を備え、
前記回折型光学素子は、
前記表示器から入射した第１偏光状態の前記表示光を、前記折り返しミラーへ向けて透過させる透過作用を及ぼす透過作用部（２２，４２２，５２２）と、
前記折り返しミラーでの反射によって折り返された前記表示光であって、前記第１偏光状態とは対極をなす第２偏光状態の前記表示光を、光路上の前記投影部側へ向けて回折反射させる回折反射作用を及ぼす回折反射作用部（２３，２２３，３２３，４２３，５２３）と、を有する虚像表示装置。
【請求項２】
前記回折反射作用部は、回折反射に伴って、前記表示光に前記画像を拡大する拡大作用を及ぼす請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記第１偏光状態は、第１方向（Ｄ１）に偏光する直線偏光であり、
前記第２偏光状態は、前記第１方向とは直交する第２方向に偏光する直線偏光であり、
前記回折型光学素子は、複屈折性を有する媒質により形成された媒質層を有し、
前記透過作用部は、前記媒質層において前記第１方向を含む第１断面（ＣＳ１）での屈折率分布によって具現され、
前記回折反射作用部は、前記媒質層において前記第２方向を含む第２断面（ＣＳ２）での屈折率分布によって具現されている請求項１又は２に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記第１偏光状態は、第１方向に偏光する直線偏光であり、
前記第２偏光状態は、前記第１方向とは直交する第２方向に偏光する直線偏光であり、
前記回折型光学素子は、
前記第１方向を含む第１断面での屈折率分布によって、前記透過作用部を具現している第１媒質層（５２１ａ）と、
前記第１媒質層に対して積層された状態で配置され、前記第２方向を含む第２断面での屈折率分布によって、前記回折反射作用部を具現している第２媒質層（５２１ｂ）と、を有する請求項１又は２に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
前記第２断面での屈折率分布は、前記回折型光学素子よりも前記折り返しミラー側に位置する曲率中心（ＣＣ）に対する同心輪状の干渉縞（２３ａ）によって設けられている請求項３又は４に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記第１断面での屈折率分布は、屈折率が均一な分布である請求項３から５のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記第１断面での屈折率分布は、屈折率の変調方向（ＭＤ）を、前記回折型光学素子の厚み方向（ＴＤ）に対して４５度よりも小さな角度をなすように傾斜した方向とした干渉縞によって設けられている請求項３から５のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記透過作用部は、前記透過作用に伴って、前記第１偏光状態にて入射する前記表示器からの前記表示光の進行方向を、曲げるように回折させる回折作用を及ぼす請求項１から７のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【請求項９】
鉛直面に沿った断面上における角度として、
前記第１偏光状態にて入射する前記表示器からの前記表示光の前記回折型光学素子への入射角であって、前記回折型光学素子の法線に対して上側につくる角度としてθ１と、
前記回折型光学素子を前記折り返しミラーへ向けて透過する前記表示光の射出角をθ２と、を定義すると、
θ１＞θ２が成立する請求項７又は８に記載の虚像表示装置。
【請求項１０】
鉛直面に沿った断面上における角度として、
前記回折型光学素子により前記投影部側へ向けて回折反射される前記表示光の反射角をθ４とさらに定義すると、
θ１とθ４との和は、９０度以上である請求項９に記載の虚像表示装置。
【請求項１１】
鉛直面に沿った断面上における角度として、
前記第２偏光状態にて入射する前記折り返しミラーからの前記表示光の前記回折型光学素子への入射角をθ３と、
前記回折型光学素子により前記投影部側へ向けて回折反射される前記表示光の反射角をθ４と、を定義すると、
θ３＞θ４が成立する請求項１から１０のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【請求項１２】
前記回折型光学素子と前記折り返しミラーとの間に配置され、前記表示光を前記第１偏光状態から前記第２偏光状態へと変換する偏光状態変換素子（４０，２４０）を、さらに備える請求項１から１１のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【請求項１３】
前記偏光状態変換素子は、前記折り返しミラーの反射面（３１）に貼り付けられた状態で配置されている請求項１２に記載の虚像表示装置。
【請求項１４】
前記偏光状態変換素子は、前記回折型光学素子の前記折り返しミラー側の表面（２０ｂ）に貼り付けられた状態で配置されている請求項１２に記載の虚像表示装置。
【請求項１５】
前記折り返しミラーの反射面（３３１）は、凸面状に形成されている請求項１から１４のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【請求項１６】
前記回折型光学素子は、ホログラム素子である請求項１から１５のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この明細書による開示は、画像を視認可能に虚像表示する虚像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、投影部へ画像の表示光を投影することにより、画像を視認可能に虚像表示する虚像表示装置が知られている。特許文献１に開示の虚像表示装置は、プロジェクタ、凹面鏡、及び反射ミラーを有している。凹面鏡の一部には、ハーフミラーからなるハーフミラー領域が設けられている。反射ミラーは、凹面鏡を挟んでプロジェクタとは反対側に配置され、表示光を反射可能に形成されている。
【０００３】
プロジェクタからの表示光は、ハーフミラー領域に入射して、一部が反射ミラーへ向けて透過する。反射ミラーによって反射された光は、再び凹面鏡に入射し、投影部へ向けて反射される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１５８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、虚像の一部を構成する表示光は、ハーフミラー領域を１回透過し、さらに１回反射されることとなるため、透過及び反射の度に表示光が例えば半分程度に減衰してしまう。すなわち表示光が４分の１以下に減衰してしまう程、利用効率が悪いため、虚像表示に十分に適した構成とはいえなかった。
【０００６】
開示されるひとつの目的は、虚像表示に適した虚像表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ここに開示された態様は、投影部（３ａ）へ画像の表示光を投影することにより、画像を視認可能に虚像表示する虚像表示装置であって、
表示光を発光する表示器（１０，２１０）と、
表示光に対して、回折作用を作用可能に形成された回折型光学素子（２０，２２０，３２０，４２０，５２０）と、
回折型光学素子を挟んで表示器とは反対側に配置され、表示光を反射可能に形成された折り返しミラー（３０，３３０）と、を備え、
回折型光学素子は、
表示器から入射した第１偏光状態の表示光を、折り返しミラーへ向けて透過させる透過作用を及ぼす透過作用部（２２，４２２，５２２）と、
折り返しミラーでの反射によって折り返された表示光であって、第１偏光状態とは対極をなす第２偏光状態の表示光を、光路上の投影部側へ向けて回折反射させる回折反射作用を及ぼす回折反射作用部（２３，２２３，４２３，５２３）と、を有する。
【０００８】
このような態様によると、表示器から発光された表示光は、まず、第１偏光状態にて回折型光学素子に入射する。回折型光学素子において、この第１偏光状態の表示光に対しては、透過作用部の透過作用によって、当該表示光が折り返しミラーへ向けて透過させられる。そして、本態様では、折り返しミラーによって折り返された表示光は、第１偏光状態とは対極をなす第２偏光状態にて、再び回折型光学素子へ入射する構成となっている。回折型光学素子において、この第２偏光状態の表示光に対しては、回折反射作用部の回折反射作用によって、当該表示光が投影部側へ向けて回折反射させられる。このように表示光の折り返し光路が形成されることにより、虚像表示装置の体格に対して光路長を長く構成することができる。
【０００９】
また、こうした回折型光学素子を用いた本態様では、表示光の異なる偏光状態の２回の回折型光学素子の入射に対して、適切な透過率及び反射率をそれぞれ設定可能となるため、光路長を稼ぐために透過と反射とを組み合わせても、光量の損失を抑制できる。故に、表示光の利用効率を高めることができるので、虚像表示に適した虚像表示装置を提供することができる。
【００１０】
なお、括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態のＨＵＤ装置の車両への搭載状態を示す図である。
【図２】第１実施形態の表示器の構成を示す図である。
【図３】第１実施形態のＨＵＤ装置による光学系の概略構成を示す図である。
【図４】第１実施形態のホログラム素子の第１断面における屈折率分布を説明するための模式的な断面図である。
【図５】第１実施形態のホログラム素子の第２断面における屈折率分布を説明するための模式的な断面図であって、色の濃淡によって干渉縞の屈折率の変調を表した図である。
【図６】図５について、色の濃淡の代わりに、破線で干渉縞の屈折率の変調を表した図である。
【図７】図５，６の屈折率分布において、変調方向上の位置と屈折率との関係を表すグラフである。
【図８】第２実施形態の表示器の構成を示す図である。
【図９】第２実施形態のＨＵＤ装置による光学系の概略構成を示す図である。
【図１０】第２実施形態のホログラム素子の第２断面における屈折率分布を説明するための模式的な断面図であって、色の濃淡によって干渉縞の屈折率の変調を表した図である。
【図１１】図１０について、色の濃淡の代わりに、破線で干渉縞の屈折率の変調を表した図である。
【図１２】第３実施形態のＨＵＤ装置による光学系の概略構成を示す図である。
【図１３】第４実施形態のＨＵＤ装置による光学系の概略構成を示す図である。
【図１４】第４実施形態のホログラム素子の第１断面における屈折率分布を説明するための模式的な断面図であって、色の濃淡によって干渉縞の屈折率の変調を表した図である。
【図１５】図１４について、色の濃淡の代わりに、破線で干渉縞の屈折率の変調を表した図である。
【図１６】第４実施形態のホログラム素子の第２断面における屈折率分布を説明するための模式的な断面図であって、色の濃淡によって干渉縞の屈折率の変調を表した図である。
【図１７】図１６について、色の濃淡の代わりに、破線で干渉縞の屈折率の変調を表した図である。
【図１８】第５実施形態のホログラム素子の屈折率分布を説明するための模式的な図であって、色の濃淡によって干渉縞の屈折率の変調を表した図である。
【図１９】図１８について、色の濃淡の代わりに、破線で干渉縞の屈折率の変調を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合せることができる。
【００１３】
（第１実施形態）
図１に示すように、本開示の第１実施形態による虚像表示装置は、車両１に用いられ、当該車両１のインストルメントパネル２内に収容されているヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置）１００となっている。ＨＵＤ装置１００は、車両１のウインドシールド３に設定された投影部３ａへ向けて画像の表示光を投影する。これにより、ＨＵＤ装置１００は、画像を、視認者としての車両１の乗員により視認可能に虚像表示する。すなわち、投影部３ａにて反射される表示光が、車両１の室内に設定された視認領域ＥＢに到達することにより、視認領域ＥＢにアイポイントＥＰが位置する乗員が当該表示光を虚像ＶＲＩとして知覚する。そして、乗員は、虚像ＶＲＩとして表示される各種情報を認識することができる。虚像表示される各種情報としては、例えば車速、燃料残量等の車両１の状態を表す情報、又は視界補助情報、道路情報等のナビゲーション情報等が挙げられる。
【００１４】
以下において、特に断り書きが無い限り、前方、後方、前後方向、上方、下方、上下方向、左方、右方、及び左右方向は、水平面上の車両１を基準として表記される。
【００１５】
車両１のウインドシールド３は、例えばガラスないしは合成樹脂により透光性の板状に形成され、インストルメントパネル２よりも上方に配置されている。ウインドシールド３は、前方から後方へ向かう程、インストルメントパネル２に対して離間するように傾斜している。ウインドシールド３は、表示光が投影される投影部３ａを、滑らかな凹面状又は平面状に形成している。
【００１６】
視認領域ＥＢは、ＨＵＤ装置１００により表示される虚像ＶＲＩが所定の規格を満たすように（例えば虚像ＶＲＩ全体が所定の輝度以上となるように）視認可能となる空間領域であって、アイボックスとも称される。視認領域ＥＢは、典型的には、車両１に設定されたアイリプスと重なるように設定される。アイリプスは、乗員のアイポイントＥＰの空間分布を統計的に表したアイレンジに基づいて、楕円体状に設定されている。
【００１７】
このようなＨＵＤ装置１００の具体的構成を、以下に説明する。ＨＵＤ装置１００は、表示器１０、ホログラム素子２０、折り返しミラー３０、及び１／４波長板４０等により構成されている。これら構成要素は、例えば中空形状に形成された遮光性を有するハウジング５０の内部に、収容されている。ハウジング５０において上方には、光学的に開口する窓部５１が設けられている。窓部５１は、異物がハウジング５０の内部に浸入することを抑制すること等のために、透光性の防塵シートによって塞がれていてもよい。
【００１８】
表示器１０は、虚像ＶＲＩとして結像されることとなる画像を表示する。本実施形態の表示器１０は、図２に詳細を示すように、液晶表示器となっている。表示器１０は、バックライト１１及び液晶パネル１４を有し、例えば箱状のケーシング１０ａにこれらを収容して形成されている。バックライト１１は、例えば光源部１２及びレンズ部１３等により構成されている。
【００１９】
光源部１２は、例えば、発光素子１２ａを１方向又は２方向に配列して構成されている。本実施形態における発光素子１２ａは、光源用回路基板１２ｂ上に配置され、電源と接続されている発光ダイオード素子である。各発光素子１２ａは、通電により電流量に応じた発光量で光を発光する。詳細には、各発光素子１２ａは、例えば青色発光ダイオードを黄色蛍光体で覆うことにより、疑似白色での発光が実現されている。
【００２０】
レンズ部１３は、例えばコンデンサレンズ及びフィールドレンズを組み合わせて構成され、光源部１２から入射した光を集光して液晶パネル側へ射出する。なお、バックライト１１の構成としては、この構成以外にも、種々の構成を採用することができる。
【００２１】
本実施形態の液晶パネル１４は、薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor、ＴＦＴ）を用いた液晶パネルであって、例えば２方向に配列された複数の液晶画素から形成されたアクティブマトリクス型の液晶パネルである。液晶パネル１４では、一対の直線偏光板及び一対の直線偏光板に挟まれた液晶層等が積層されている。各直線偏光板は、透過軸に沿った方向の変更を透過させると共に、透過軸とは直交する吸収軸に沿った方向の偏向を遮光する性質を有している。一対の直線偏光板は、透過軸を互いに実質直交して配置されている。液晶層は、液晶画素毎の電圧印加により、印加電圧に応じて液晶層に入射する光の偏光方向を回転させることが可能となっている。
【００２２】
液晶パネル１４は、バックライト１１側からの光の入射により、液晶画素毎の当該光の透過率を制御して、表示画面１４ａから射出される表示光によって画像を形成することが可能となっている。隣り合う液晶画素には、互いに異なる色（例えば、赤、緑、及び青）のカラーフィルタが設けられており、これらの組み合わせにより様々な色が実現されるようになっている。ここで、表示光は、表示画面１４ａ側の直線偏光板の透過軸に沿った直線偏光として、表示画面１４ａから射出される。本実施形態の表示光は、３８０〜７８０ｎｍの範囲の波長の光を主体として構成されている。この表示画面１４ａは、画像の実像を表示する実像面にも該当する。
【００２３】
図３に示すように、液晶パネル１４の表示画面１４ａと対向する空間に、当該表示画面１４ａとは所定の角度をなして傾斜して配置される板状のホログラム素子２０が配置されている。当該ホログラム素子２０の表示器１０側の表面２０ａには、表示器１０からの表示光が、上述の直線偏光（これを第１偏光状態とする）にて入射する。そして、本実施形態では、表示画面１４ａ側の直線偏光板の透過軸に沿った方向を、第１方向Ｄ１とする。すなわち、本実施形態において第１偏光状態は、第１方向Ｄ１に偏光する直線偏光である。
【００２４】
ホログラム素子２０は、表示光に対して回折作用を作用可能に形成されている回折型光学素子の一種である。ホログラム素子２０は、より詳細には、その媒質中に周期的な屈折率分布をもっている。ホログラム素子２０としては、例えば回折効率、波長選択性等を考慮すると、体積型のホログラム素子が採用されることが好ましい。ホログラム素子２０は、屈折率分布を形成する媒質層として、例えばホログラム層２１を、一対の透光基板層（図示は省略）によって挟むことにより、特に平板状に形成されている。
【００２５】
一対の透光基板層は、例えば合成樹脂ないしはガラス等により透光性を有する薄板状に形成され、ホログラム素子２０の強度等を担保している。
【００２６】
ホログラム層２１は、予め、ホログラム材料に、物体光の振幅及び位相の情報を、参照光との干渉縞として記録した状態で形成されている。ここでいう干渉縞とは、上述の周期的な屈折率分布により具現された干渉縞である。ホログラム材料には、合成樹脂を主体とした材料、ゼラチン感光材料、又は銀塩感光材料等、屈折率の空間的な変調によって物体光の振幅及び位相の情報を記録可能な材料であって、複屈折性を有する材料が選択的に採用され得る。
【００２７】
ここで、ホログラム素子２０の特にホログラム層２１において、第１断面ＣＳ１及び第２断面ＣＳ２を定義する。第１断面ＣＳ１は、ホログラム素子２０の厚み方向ＴＤと、第１方向Ｄ１とを含む断面として定義される。第２断面ＣＳ２は、ホログラム素子２０の厚み方向ＴＤと、第１方向Ｄ１とは実質的に直交する第２方向Ｄ２とを含む断面として定義される。ホログラム素子２０の厚み方向ＴＤとは、当該ホログラム素子２０の表面２０ａ，２０ｂとは垂直な方向として定義される。
【００２８】
第１方向Ｄ１に偏光した表示器１０からの表示光は、第１断面ＣＳ１上の第１断面ＣＳ１に沿った方向の屈折率による屈折率分布に基づいた作用をホログラム層２１から受ける。図４に示すように、本実施形態のホログラム層２１において第１断面ＣＳ１上では、屈折率分布における屈折率の変調が実質的になく、均一な屈折率ｎｐとなっている。そうすると、表示器１０からの表示光は、ホログラム層２１内の屈折率に基づいて速度が遅くなる等の相互作用は受けるものの、反射又は実質的な方向転換（偏向ともいう）は殆どせずに、当該ホログラム層２１を透過する。
【００２９】
したがって、第１偏光状態にて入射する表示器１０からの表示光は、第１断面ＣＳ１の屈折率分布により具現される透過作用部２２によって及ぼされる透過作用を受けて、ホログラム層２１を透過する。また、透光基板層も表示光を透過させる機能を有するので、表示器１０からの表示光の多くはホログラム素子２０を透過することとなる。
【００３０】
なお、本実施形態では、表示器１０からホログラム素子２０に入射する表示光は、ホログラム素子２０に対してＰ偏光となっている。
【００３１】
図３に示すように、ホログラム素子２０を挟んで表示器１０とは反対側には、折り返しミラー３０が配置されている。したがって、ホログラム素子２０を透過した表示光は、折り返しミラー３０へ向かうことになる。
【００３２】
折り返しミラー３０は、例えば合成樹脂ないしはガラス等からなる基材の表面に、反射面３１としてアルミニウム等の金属を蒸着させること等により金属膜を形成した反射鏡となっている。本実施形態において反射面３１は、平坦な平面状に形成されている。
【００３３】
折り返しミラー３０は、表示器１０からホログラム素子２０を透過した表示光を、再びホログラム素子２０へ向けて反射することで、表示光の光路を折り返している。
【００３４】
ここで、ホログラム素子２０と折り返しミラー３０との間には、１／４波長板４０が配置されている。より詳細に、本実施形態の１／４波長板４０は、折り返しミラー３０の反射面３１に貼り付けられた状態で配置されている。
【００３５】
１／４波長板４０は、進相軸に沿った偏光と遅相軸に沿った偏光との間に、実質１／４波長分の位相差を生じさせる光学素子である。本実施形態の１／４波長板４０は、表示器１０からの表示光のいずれかの波長（３８０〜７８０ｎｍ）に対応して設定されており、１／４波長分の位相差とは、距離換算で９５〜１９５ｎｍの範囲に含まれる位相差である。１／４波長板４０は、例えば複屈折材料により板状又はフィルム状に形成されている。１／４波長板４０の進相軸及び遅相軸は、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２に対して、実質的に４５度の角度をなすように配置されている。
【００３６】
したがって、ホログラム素子２０と折り返しミラー３０との間を往復する表示光は、往路と復路とで１回ずつ、合計２回１／４波長板４０を透過することとなる。具体的に、往路での１／４波長板４０の作用により、表示光は、第１方向Ｄ１に偏光した直線偏光から、右回り円偏光ないしは左回り円偏光に変換される。そして、折り返しミラー３０により反射される前後で、表示光は、逆回りの円偏光となる。復路での１／４波長板４０の作用により、表示光は、この逆回りの円偏光から、第２方向Ｄ２に偏光した直線偏光に変換される。
【００３７】
本実施形態では、第２方向Ｄ２に偏光した直線偏光を、第１偏光状態とは対極をなす偏光状態として、第２偏光状態と定義する。ここで、「対極をなす偏光状態」とは、ポアンカレ球上において、当該ポアンカレ球の中心を挟んだ反対側となる位置での偏光状態を意味する。したがって、所定方向に偏光する直線偏光と、所定方向とは直交する方向に偏光する直線偏光との関係を、対極をなすということとし、他の例では、右回り円偏光と、左回り円偏光との関係も、対極をなすということとする。
【００３８】
なお、第１偏光状態と第２偏光状態とは、互いにポアンカレ球の中心を挟んだ真反対の地点に位置している必要はなく、少しずれた地点に位置していてもよい。
【００３９】
以上により、１／４波長板４０は、表示光を第１偏光状態から第２偏光状態へと変換する偏光状態変換素子として機能しているといえる。したがって、ホログラム素子２０の折り返しミラー３０側の表面２０ｂには、折り返しミラー３０に折り返された表示光が、第２方向Ｄ２に偏光した直線偏光（すなわち第２偏光状態）にて入射することとなる。
【００４０】
第２方向Ｄ２に偏光した折り返しミラー３０からの表示光は、第２断面ＣＳ２上の第２断面ＣＳ２に沿った方向の屈折率による屈折率分布に基づいた作用をホログラム層２１から受ける。図５，６に示すように、本実施形態のホログラム層２１において第２断面ＣＳ２上では、周期的な屈折率分布が存在している。具体的に本実施形態では、ホログラム素子２０よりも折り返しミラー３０側に設定された仮想的な曲率中心ＣＣに対して同心輪状の干渉縞２３ａを構成し、当該干渉縞２３ａを当該曲率中心ＣＣを基準とした径方向に配列したような屈折率分布が、第２断面ＣＳ２上に展開されている。すなわち、上述の仮想的な曲率中心ＣＣに対する径方向が、屈折率分布の変調方向ＭＤとなっている。
【００４１】
この干渉縞２３ａは、屈折率の周期において屈折率が中央値ｎｓよりも大となる帯状領域２３ｂ及び屈折率の周期において屈折率が中央値ｎｓよりも小となる帯状領域２３ｃが周期的かつ交互に繰り返されることにより形成されている。各帯状領域２３ｂ，２３ｃは、湾曲しつつも、基本的には、ホログラム素子２０の表面２０ａ，２０ｂに沿って延伸している。例えば、各帯状領域２３ｂ，２３ｃの延伸方向ＥＤをベクトルで示すと、当該ベクトルは、第２断面ＣＳ２上の実質全ての領域において、厚み方向ＴＤの成分よりも厚み方向ＴＤに垂直な表面方向の成分が大きくなっている。
【００４２】
図７に示すように、径方向にて屈折率は、所定の周期Ｐにて、例えばサインカーブに沿うように、ｎｓ±Δｎ／２の範囲で変調する。ここで、折り返しミラー３０からホログラム素子２０への表示光の入射角がθであるとすると、ｓｉｎθ２＝ｓｉｎθ／ｎｓ及び２・ｎｓ・Ｐ・ｃｏｓθ２＝λの関係が成立する。このため、周期Ｐ＝λ／（２・ｎｓ・ｃｏｓθ２）で表される。したがって、入射角θが０〜５５度の範囲に設定される場合、周期Ｐは、λ／２．５〜λ／３の範囲となる。λが１２６〜３１２ｎｍの範囲であり、θ＝３０度の場合には、周期Ｐは、１３４〜２７６ｎｍの範囲に設定される。屈折率の中央値ｎｓは、第１断面ＣＳ１上での屈折率ｎｐと同じでもよいが、異なっていてもよい。振幅Δｎ／２は、採用するホログラム材料に依存するが、例えば０．０１〜０．１の範囲に設定されている。
【００４３】
なお、本実施形態における同心輪状とは、１つの曲率中心に対する完全な同心輪だけでなく、帯状領域２３ｂ，２３ｃの曲率が変調するような同心輪に近い形状も含まれる。曲率を変調させることによって、ウインドシールド３の形状に対応した収差の補正を実施することができる。またなお、図５，６では、干渉縞２３ａが模式的に図示されており、周期の図示は正確でない。またなお、表示光の進み方を示す実線の矢印も、透過又は反射の様子を模式的に示しており、その方向の図示は正確でない。図１０，１１，１４〜１９も同様である。
【００４４】
こうして表示光に対してブラッグ回折を生じさせる屈折率分布が第２断面ＣＳ２上に形成される。屈折率分布は、３８０〜７８０ｎｍの範囲のうち多くの波長（好ましくは全ての波長）に対して、各波長毎に回折角（反射角と呼んでもよい）を少しだけ変えながらも、ブラッグ回折を生じさせる。結果、折り返しミラー３０からの表示光は、ホログラム素子２０により、回折反射されることとなる。なお、この回折反射には、回折効率が高次と比較して高い１次回折光が利用される。
【００４５】
したがって、第２偏光状態にて入射する折り返しミラー３０からの表示光は、第２断面ＣＳ２の屈折率分布により具現される回折反射作用部２３によって及ぼされる回折反射作用を受けて、光路上の投影部３ａ側へ向けて回折反射される。
【００４６】
本実施形態では、帯状領域２３ｂ，２３ｃが湾曲していることにより、ホログラム素子２０上の表示光が入射する位置によって、ブラッグ回折の回折角が変わる。より詳細に、折り返しミラー３０に対して、帯状領域２３ｂ，２３ｃが表示器１０側に凹むように湾曲しているので、回折反射作用部２３によって回折反射された表示光は、集光される。すなわち、回折反射作用部２３には、正の光学パワーが与えられているので、表示光の回折反射に伴って、表示光には、虚像表示される画像を拡大する拡大作用が及ぼされる。
【００４７】
なお、本実施形態では、折り返しミラー３０からホログラム素子２０に入射する表示光は、ホログラム素子２０に対してＳ偏光となっている。
【００４８】
ここで図３に示すように、表示器１０の表示画面１４ａから折り返しミラー３０の反射面３１までの距離をＬ１と定義し、ホログラム素子２０から折り返しミラー３０の反射面３１までの距離をＬ２とする。そうすると、表示画面１４ａからの表示光がホログラム素子２０により拡大されるまでの光路が実質的にＬ１＋Ｌ２であるから、ＨＵＤ装置１００の体格に対して、折り返しミラー３０による復路としてＬ２分だけ、光路を長くすることができる。
【００４９】
（作用効果）
以上説明した第１実施形態の作用効果を以下に改めて説明する。
【００５０】
第１実施形態によると、表示器１０から発光された表示光は、まず、第１偏光状態にて回折型光学素子としてのホログラム素子２０に入射する。ホログラム素子２０において、この第１偏光状態の表示光に対しては、透過作用部２２の透過作用によって、当該表示光が折り返しミラー３０へ向けて透過させられる。そして、本実施形態では、折り返しミラー３０によって折り返された表示光は、第１偏光状態とは対極をなす第２偏光状態にて、再びホログラム素子２０へ入射する構成となっている。ホログラム素子２０において、この第２偏光状態の表示光に対しては、回折反射作用部２３の回折反射作用によって、当該表示光が投影部３ａ側へ向けて回折反射させられる。このように表示光の折り返し光路が形成されることにより、虚像表示装置としてのＨＵＤ装置１００の体格に対して光路長を長く構成することができる。
【００５１】
また、こうしたホログラム素子２０を用いた本実施形態では、表示光の異なる偏光状態の２回のホログラム素子２０の入射に対して、適切な透過率及び反射率をそれぞれ設定可能となるため、光路長を稼ぐために透過と反射とを組み合わせても、光量の損失を抑制できる。故に、表示光の利用効率を高めることができるので、虚像表示に適したＨＵＤ装置１００を提供することができる。
【００５２】
そして、回折反射作用部２３による回折反射では、正反射とは異なり、回折構造によって反射角を制御できるため、ホログラム素子２０の配置を、例えば透過の際にホログラム素子２０の表面２０ａ，２０ｂでの表面反射が生じ難い角度に設定することもできる。
【００５３】
また、第１実施形態によると、回折反射作用部２３は、回折反射に伴って、表示光に画像を拡大する拡大作用を及ぼす。こうした拡大作用が、通常の正反射における反射曲面形状の制約を受けずに、ＨＵＤ装置１００の配置スペースに適した回折構造によって実現される。故に、ＨＵＤ装置１００の体格に比して大きな虚像ＶＲＩを表示することができるので、虚像表示に適したＨＵＤ装置１００を提供することができる。
【００５４】
また、第１実施形態のホログラム素子２０において、複屈折性を有する媒質により形成された媒質層（例えばホログラム層２１）を採用すると、第１方向Ｄ１を含む第１断面ＣＳ１での屈折率分布と、第２方向Ｄ２を含む第２断面ＣＳ２での屈折率分布とを、全く異なるものにすることができる。こうした媒質層において、第１偏光状態として第１方向Ｄ１に偏光する直線偏光と相互作用可能な第１断面ＣＳ１での屈折率分布によって、透過作用部２２を具現させ、第２偏光状態として第２方向Ｄ２に偏光する直線偏光と相互作用可能な第２断面ＣＳ２での屈折率分布によって、回折反射作用部２３を具現させる。このようにすると、透過作用部２２と回折反射作用部２３とを、１つの媒質層で高性能に両立させることができるため、虚像表示に適したＨＵＤ装置１００を提供することができる。
【００５５】
また、第１実施形態によると、第２断面ＣＳ２での屈折率分布は、ホログラム素子２０よりも折り返しミラー３０側に位置する曲率中心ＣＣに対する同心輪状の干渉縞２３ａによって設けられている。このようにすると、ブラッグ反射の回折角が、ホログラム素子２０への表示光の入射位置によって変わる。同心輪状の干渉縞２３ａは、ホログラム素子２０よりも折り返しミラー３０側に焦点をつくるように、表示光を集光しつつ回折反射する。こうした集光により、虚像ＶＲＩのサイズを拡大させることができるので、ＨＵＤ装置１００の体格に比して大きな虚像ＶＲＩを表示することができる。故に、虚像表示に適したＨＵＤ装置１００を提供することができる。
【００５６】
また、第１実施形態によると、第１断面ＣＳ１での屈折率分布は、屈折率が実質的に均一な分布である。このようにすると、表示器１０からの表示光は、屈折率の変調により反射、拡散等の影響を受け難くなるので、透過作用部２２において高い透過率を実現することができる。したがって、表示光の利用効率を高めることができる。
【００５７】
また、第１実施形態によると、ホログラム素子２０と折り返しミラー３０との間に配置され、表示光を第１偏光状態から第２偏光状態へと変換する偏光状態変換素子としての１／４波長板４０を、さらに備える。これにより、ホログラム素子２０を透過した表示光が折り返しミラー３０に折り返されて再びホログラム素子２０に入射するまでの間に、偏光状態が変換されるので、変換後の第２偏光状態の表示光を、高い反射率にて回折反射することができる。したがって、光の利用効率を高めることができる。
【００５８】
また、第１実施形態によると、１／４波長板４０は、折り返しミラー３０の反射面３１に貼り付けられた状態で配置されている。１／４波長板４０と折り返しミラー３０とが一体化されることによって、部品の位置合わせが容易となり、虚像表示のための光学系の位置精度が高まるので、虚像ＶＲＩの高い表示品位を安定的に実現することができる。
【００５９】
また、第１実施形態によると、回折型光学素子は、ホログラム素子２０である。こうしたホログラム素子２０によれば、透過作用部２２と回折反射作用部２３とを、露光を用いて容易に形成することができる。
【００６０】
（第２実施形態）
図８〜１１に示すように、第２実施形態は第１実施形態の変形例である。第２実施形態について、第１実施形態とは異なる点を中心に説明する。
【００６１】
第２実施形態の表示器２１０には、図８に示すレーザスキャナが採用されている。表示器２１０は、レーザ投射部２１１、走査部２１２、及びスクリーン２１３を有している。
【００６２】
レーザ投射部２１１は、複数のレーザ発振器２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ、複数の集光レンズ２１１ｄ，２１１ｅ，２１１ｆ、折り返しミラー２１１ｇ、及び複数のダイクロイックミラー２１１ｈ，２１１ｉを有している。本実施形態では、レーザ発振器２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ及び集光レンズ２１１ｄ，２１１ｅ，２１１ｆは３つずつ設けられており、ダイクロイックミラー２１１ｈ，２１１ｉは２つ設けられている。
【００６３】
３つのレーザ発振器２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃは、例えばダイオードレーザであり、波長が互いに異なるレーザ光束を発振する狭帯域光源である。具体的に、レーザ発振器２１１ａは、例えばピーク波長が５００〜５６０ｎｍの範囲、好ましくは５４０ｎｍである緑色波長のレーザ光束を発振するようになっている。レーザ発振器２１１ｂは、例えばピーク波長が４３０〜４７０ｎｍの範囲、好ましくは４５０ｎｍである青色波長のレーザ光束を発振するようになっている。レーザ発振器２１１ｃは、例えばピーク波長が６００〜６５０ｎｍの範囲、好ましくは６４０ｎｍである赤色波長のレーザ光束を発振するようになっている。
【００６４】
各レーザ発振器２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃから発振された各レーザ光束は、各レーザ発振器２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃに個別に対応した集光レンズ２１１ｄ，２１１ｅ，２１１ｆによって集光された後、折り返しミラー２１１ｇ及びダイクロイックミラー２１１ｈ，２１１ｉによって、互いに重ね合される。
【００６５】
また、各レーザ発振器２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃは、コントローラ２１４と電気的に接続されており、コントローラ２１４からの電気信号に従って、レーザ光束を発振する。そして、各レーザ発振器２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃから発振される３色のレーザ光束を加色混合することで、種々の色の再現が可能となる。
【００６６】
走査部２１２は、走査ミラー２１２ａを有している。走査ミラー２１２ａは、電気微小機械システム（Micro Electro Mechanical Systems；ＭＥＭＳ）を用い、レーザ光束を時間的に走査可能に構成されたＭＥＭＳミラーである。走査ミラー２１２ａに形成された反射面２１２ｂは、電気的に接続されたコントローラ２１４の走査信号を受けて、互いに実質直交する２つの回転軸Ａｘ，Ａｙまわりに回動可能となっている。
【００６７】
反射面２１２ｂには、重ね合されたレーザ光束が入射される。そして、走査ミラー２１２ａがコントローラ２１４により制御されることで、レーザ投射部２１１と連動して、レーザ光束の反射面２１２ｂへの入射箇所である偏向点ＴＰを起点として、時間的にレーザ光束の投射方向を偏向走査することが可能となっている。こうしてレーザ光束は、スクリーン２１３に向けて走査される。
【００６８】
スクリーン２１３は、レーザ光束が走査されることで虚像表示されることとなる画像が描画される部材である。スクリーン２１３には、反射型のスクリーンとしてマイクロミラーアレイ、透過型のスクリーンとしてマイクロレンズアレイ等が採用され得る。こうした光学素子をアレイ状に形成したスクリーン２１３では、描画された画像の表示光が、ホログラム素子２２０へ向けて射出されると共に、画像の画素に対応するレーザ光束の拡がり角が拡大される。このスクリーン２１３の内部又は近傍に、画像の実像を表示する実像面が形成される。
【００６９】
図９に示すように、第２実施形態の１／４波長板２４０は、ホログラム素子２２０において折り返しミラー３０側の表面２０ｂに貼り付けられた状態で配置されている。したがって、第１実施形態と同様に、ホログラム素子２２０と折り返しミラー３０との間を往復する表示光は、往路と復路とで１回ずつ、合計２回１／４波長板２４０を透過することとなる。
【００７０】
さらに、この１／４波長板２４０の配置では、表示光は、ホログラム素子２２０により回折反射された後、投影部３ａへ向かう光路においても、１／４波長板２４０を１回透過することとなる。この透過において表示光は、第２方向Ｄ２に偏光した直線偏光から、実質的に円偏光に変換されることとなる。このため、投影部３ａにより反射されて視認領域ＥＢに到達する表示光も、直線偏光ではないので、視認者である乗員が偏光サングラスを装用していたとしても、虚像ＶＲＩを良好に知覚することができる。
【００７１】
また図１０，１１に示すように、第２実施形態におけるホログラム層２２１の第２断面ＣＳ２上の屈折率分布では、干渉縞２２３ａの各帯状領域２２３ｂ，２２３ｃは、ホログラム素子２２０の表面２０ａ，２０ｂに対して４５度より小さな角度をなすように傾斜して、直線状に延伸している。厚み方向ＴＤに対して４５度未満の角度をなす方向（特に本実施形態では厚み方向ＴＤと一致した方向）が、屈折率分布の変調方向ＭＤとなっている。
【００７２】
干渉縞２２３ａが湾曲しないように直線状に形成されると、ホログラム素子２２０上の表示光が入射する位置に依らず、ブラッグ回折の回折角は実質的に同じになる。したがって、回折反射作用部２２３は、光学パワーをもたない。
【００７３】
回折反射作用部２２３に光学パワーが与えられていないことにより、ホログラム素子２２０により回折反射された後の１／４波長板２４０の透過において、１／４波長板２４０を通過する光路長において、反射位置によるばらつきが抑制されるので、投影部３ａに入射する表示光の偏光状態も、比較的均一なものとなる。したがって、虚像表示される画像の輝度ムラが抑制される。
【００７４】
以上説明した第２実施形態によると、偏光状態変換素子としての１／４波長板２４０は、回折型光学素子としてのホログラム素子２２０の折り返しミラー３０側の表面２０ｂに貼り付けられた状態で配置されている。１／４波長板２４０とホログラム素子２２０とが一体化されることによって、部品の位置合わせが容易となり、虚像表示のための光学系の位置精度が高まるので、虚像ＶＲＩの高い表示品位を安定的に実現することができる。
【００７５】
（第３実施形態）
図１２に示すように、第３実施形態は第１実施形態の変形例である。第３実施形態について、第１実施形態とは異なる点を中心に説明する。
【００７６】
第３実施形態の表示器２１０には、第２実施形態と同様のレーザスキャナが採用されている。
【００７７】
第３実施形態の折り返しミラー３３０において、反射面３３１は、ホログラム素子２０に向かって突出するように、凸状に湾曲する滑らかな曲面状に形成されている。したがって、折り返しミラー３３０は、負の光学パワーをもっている。
【００７８】
第３実施形態の１／４波長板２４０は、第２実施形態と同様に、ホログラム素子２０において折り返しミラー３０側の表面２０ｂに貼り付けられている。したがって、第１実施形態と同様に、ホログラム素子２０と折り返しミラー３３０との間を往復する表示光は、往路と復路とで１回ずつ、合計２回１／４波長板２４０を透過することとなる。さらに、表示光は、ホログラム素子２０により回折反射された後、投影部３ａへ向かう光路においても、１／４波長板２４０を１回透過することとなる。
【００７９】
また、第３実施形態のホログラム素子３２０は、第１実施形態のホログラム素子２０と同様の構成であるが、折り返しミラー３３０の負の光学パワーに対応して、回折反射作用部３２３の正の光学パワーを、第１実施形態よりも大きくしている。折り返しミラー３３０の負の光学パワーと回折反射作用部３２３の正の光学パワーとの合計は、正となっている。
【００８０】
以上説明した第３実施形態によると、折り返しミラー３３０の反射面３３１は、凸面状に形成されている。この凸面状の反射面３３１に対応して回折反射作用部３２３のパワーを調整することによって、虚像ＶＲＩのサイズを確保しつつ、反射面３３１のサイズを小さくすることができる。
【００８１】
（第４実施形態）
図１３〜１７に示すように、第４実施形態は第１実施形態の変形例である。第４実施形態について、第１実施形態とは異なる点を中心に説明する。
【００８２】
図１３に示すように、第４実施形態の表示器２１０には、第２実施形態と同様のレーザスキャナが採用されている。
【００８３】
第４実施形態では、第１実施形態とはホログラム素子４２０の構成が異なっている。具体的に図１４，１５に示すように、第４実施形態におけるホログラム層４２１の第１断面ＣＳ１上では、干渉縞４２２ａによって周期的な屈折率分布が存在している。具体的に本実施形態では、各帯状領域４２２ｂ，４２２ｃは、ホログラム素子４２０の表面２０ａ，２０ｂに対して４５度より大きな角度をなすように傾斜して、直線状に延伸している。すなわち、厚み方向ＴＤに対して４５度より小さな角度をなして傾斜した方向が、屈折率分布の変調方向ＭＤとなっている。
【００８４】
このようにすると、第１偏光状態にて入射する表示器２１０からの表示光は、第１断面ＣＳ１の屈折率分布により具現される透過作用部４２２によって及ぼされる透過作用を受けるが、この透過作用は、回折作用も伴うものとなる。この回折作用は、直線的な透過に対して、例えば４５度未満に表示光の進行方向を曲げるように偏向させるものであり、この表示光の挙動は、実質的に屈折しているような挙動である。
【００８５】
一方、図１６，１７に示すようにホログラム層４２１の第２断面ＣＳ２上では、干渉縞４２３ａによって周期的な屈折率分布が存在している。具体的に本実施形態では、各帯状領域４２２ｂ，４２２ｃは、ホログラム素子４２０の表面２０ａ，２０ｂに対して４５度よりも小さな角度をなすように傾斜して、直線状に延伸している。すなわち、厚み方向ＴＤに対して４５度より大きな角度をなして傾斜した方向が、屈折率分布の変調方向ＭＤとなっている。
【００８６】
この屈折率分布により、本実施形態の回折反射作用部４２３が具現されている。折り返しミラー３０からの第２偏光状態の表示光に対しては、回折反射作用が作用する。但し、上述の屈折率分布の傾斜によって、ブラッグ反射による１次回折光の反射方向は、表面２０ｂでの正反射の方向、すなわち表面反射の方向とは異なる。反射角度等の条件について以下に詳細を説明する。
【００８７】
ここで図１３に示すように、車両１の前後方向に沿った鉛直面に沿った断面（本実施形態では、第１断面ＣＳ１に一致する）上において定義される各角度の関係を説明する。こうした断面上において、表示器２１０からの第１偏光状態の表示光がホログラム素子４２０に入射する入射角をθ１とする（ただし、θ１は、ホログラム素子４２０の表面２０ａの法線に対して上側につくる角度とする）。その後、表示光が透過作用及び回折作用を受けてホログラム素子４２０から射出する射出角をθ２とする。さらに、折り返しミラー３０からの第２偏光状態の表示光がホログラム素子４２０に入射する入射角をθ３とする。その後、表示光が回折反射作用を受けてホログラム素子４２０に回折反射される反射角をθ４とする。
【００８８】
そうすると、本実施形態では、θ１＞θ２の条件及びθ３＞θ４の条件が成立する。さらには、θ１とθ４との和が９０度以上に設定されている。なお、本実施形態では、折り返しミラー３０が同じ方向に表示光を折り返すため、実質的にθ２＝θ３となっている。
【００８９】
以上説明した第４実施形態によると、第１断面ＣＳ１での屈折率分布は、屈折率の変調方向ＭＤを、ホログラム素子４２０の厚み方向ＴＤに対して４５度よりも小さな角度をなすように傾斜した方向とした干渉縞２２ａによって設けられている。このようにすると、第１偏光状態として第１方向Ｄ１に偏光した直線偏光の表示光がホログラム素子４２０を折り返しミラー３０側へ透過する際に、表示光に回折作用を加えることが可能となるので、この回折作用によって虚像ＶＲＩの表示品位を高めることができる。
【００９０】
また、第４実施形態によると、透過作用部４２２は、透過作用に伴って、第１偏光状態にて入射する表示器２１０からの表示光の進行方向を、曲げるように回折させる回折作用を及ぼす。ホログラム素子４２０の透過と同時に、表示光の進行方向を曲げることが可能となったので、この曲がり作用に応じた位置に、表示器２１０を配置することが可能となる。故に、表示器２１０の配置の自由度を高めることができる。
【００９１】
また、第４実施形態によると、θ３＞θ４が成立する。この不等式が成立することにより、ホログラム素子４２０を寝かすように配置することができ、ＨＵＤ装置１００の体格における高さを縮小することができる。これと共に、回折反射前にホログラム素子４２０に入射する表示光の光路幅を、回折反射後にホログラム素子４２０から射出される表示光の光路幅よりも小さく設定することが可能となる。これによれば、視認領域ＥＢのサイズに対して折り返しミラー３０の反射面３１のサイズを小さくすることができる。
【００９２】
また、第４実施形態によると、θ１＞θ２が成立する。この不等式が成立することにより、透過前にホログラム素子４２０に表示器２１０から入射する表示光の光路幅を、透過後にホログラム素子４２０から折り返しミラー３０へ射出される表示光の光路幅よりも小さく設定することが可能となる。これによれば、視認領域ＥＢのサイズに対して表示器２１０のサイズを小さくすることができる。
【００９３】
また、第４実施形態によると、θ１とθ４の和は、９０度以上である。表示器２１０に表示される画像の実像面の法線がθ４の光線の進行方向に対して９０度以上となるので、視認領域ＥＢから虚像ＶＲＩを視認する視認者が、ホログラム素子４２０を透かして表示器２１０に表示される画像の実像面を観察できなくなる。折り返しミラー３０を経て表示される虚像ＶＲＩに意図しない表示像が重なることが抑制されるので、虚像ＶＲＩの表示品位を高めることができる。
【００９４】
（第５実施形態）
図１８，１９に示すように、第５実施形態は、第４実施形態の変形例である。第５実施形態について、第１実施形態とは異なる点を中心に説明する。
【００９５】
第５実施形態では、ホログラム素子５２０は、互いに積層された複数（具体的には２つ）のホログラム層５２１ａ，５２１ｂを有している。２つのホログラム層５２１ａ，５２１ｂのうち、表示器２１０側に配置された一方のホログラム層５２１ａの第１断面ＣＳ１上では、第４実施形態のホログラム層４２１の第１断面ＣＳ１上と同様の屈折率分布が存在している。これにより、ホログラム層４２１の第１断面ＣＳ１の屈折率分布により、回折作用を伴って表示光を透過させる透過作用部５２２が具現されている。なお、ホログラム層５２１ａにおいて第２断面ＣＳ２上では、屈折率分布における屈折率の変調が実質的になく、均一な屈折率となっていてもよく、任意の変調を有する屈折率分布が存在していてもよい。
【００９６】
２つのホログラム層５２１ａ，５２１ｂのうち、折り返しミラー３０側に配置された他方のホログラム層５２１ｂの第２断面ＣＳ２上では、第４実施形態のホログラム層５２１ａ，５２１ｂの第２断面ＣＳ２上と同様の屈折率分布が存在している。これにより、ホログラム層５２１ｂの第２断面ＣＳ２の屈折率分布により、回折反射作用部５２３が具現されている。なお、ホログラム層５２１ｂにおいて第１断面ＣＳ１上では、屈折率分布における屈折率の変調が実質的になく、均一な屈折率となっているが、θ１の角度で表面２０ａを介して入射する表示光に対する影響が小さければ、任意の屈折率分布が存在していてもよい。
【００９７】
以上説明した第５実施形態によると、回折型光学素子としてのホログラム素子５２０は、第１方向Ｄ１を含む第１断面ＣＳ１での屈折率分布によって、透過作用部５２２を具現している第１媒質層としてのホログラム層５２１ａと、ホログラム層５２１ａに対して積層された状態で配置され、第２方向Ｄ２を含む第２断面ＣＳ２での屈折率分布によって、回折反射作用部５２３を具現している第２媒質層としてのホログラム層５２１ｂと、を有する。このようにすると、別々の作用部５２２，５２３をもったホログラム層５２１ａ，５２１ｂを、別々に製造し、後で組み合わせることが可能となるので、各ホログラム層５２１ａ，５２１ｂの屈折率分布の精度を、高めることができる。この結果、虚像ＶＲＩの高い表示品位を安定的に実現することができる。
【００９８】
（他の実施形態）
以上、複数の実施形態について説明したが、本開示は、それらの実施形態に限定して解釈されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態及び組み合わせに適用することができる。
【００９９】
具体的に変形例１としては、第１偏光状態にて表示器１０からホログラム素子２０に入射する表示光は、ホログラム素子２０に対するＰ偏光でなくＳ偏光であってもよく、第２偏光状態にて折り返しミラー３０からホログラム素子２０に入射する表示光は、Ｓ偏光でなくＰ偏光であってもよい。また、第１偏光状態及び第２偏光状態は、入射面に対して斜めに交差する方向に偏光する直線偏光であってもよい。
【０１００】
第４実施形態に関する変形例２としては、１つのホログラム層４２１に、２つの干渉縞を多重記録することにより、一方の干渉縞によって回折反射作用部４２３が具現され、当該回折反射作用部２３でのブラッグ反射と干渉を避けるような変調方向ＭＤをもつ他方の干渉縞によって回折作用を伴った透過作用部４２２が具現されていてもよい。ただし、干渉縞を多重に記録すると、不要な回折によってゴーストが発生する場合があるため、ゴーストを抑制する観点では、１つのホログラム層に１つの干渉縞を形成した方が好適である。
【０１０１】
変形例３としては、ホログラム材料に特殊な材料を用いることによって、第１偏光状態を右回り円偏光又は左回り円偏光とし、第２偏光状態を第１偏光状態とは逆回りの円偏光としたホログラム素子２０が採用されていてもよい。
【０１０２】
変形例４としては、回折型光学素子は、感光によって作製されたホログラム素子２０でなくてもよい。例えば、感光以外の方法で、媒質中に屈折率分布をもたせた素子であってもよい。また例えば、異方性を有する機械的な格子構造によって、回折型光学素子が実現されていてもよい。
【０１０３】
変形例５としては、ホログラム素子２０自体が、表示光を第１偏光状態から第２偏光状態に変換する機能を有していることにより、別途偏光状態変換素子が設けられていなくてもよい。例えば、ホログラム層２１のうち折り返しミラー側の一部分に、表示光に位相差を与える機能が備わっていてもよい。
【０１０４】
変形例６としては、折り返しミラー３０は、表示光のうち、ホログラム層２１が回折反射する波長（近傍の波長を含む）を反射し、それ以外を透過するように構成されたダイクロイックミラーであってもよい。
【０１０５】
変形例７としては、投影部３ａは、ウインドシールド３に設けられていなくてもよい。車両１と別体となっているコンバイナをインストルメントパネル２の上面に設置して、投影部３ａが当該コンバイナに設けられていてもよい。コンバイナは、例えばガラスないしは合成樹脂により透光性の板状の基材の表面に、光学多層膜を形成することによって、特定の波長を反射し、他の波長を透過するように形成されていてもよい。ここで、特定の波長は、表示器１０が発する表示光のうち、ホログラム素子２０が回折作用を作用させる波長に設定されている。
【０１０６】
変形例８としては、虚像表示装置は、航空機、船舶、あるいは移動しない筐体（例えばゲーム筐体）等の各種の乗り物に適用することができる。
【符号の説明】
【０１０７】
１００  ＨＵＤ装置（虚像表示装置）、３ａ  投影部、１０，２１０  表示器、２０，２２０，３２０，４２０，５２０  ホログラム素子（回折型光学素子）、２２，４２２，５２２  透過作用部、２３，２２３，４２３，５２３  回折反射作用部、３０，３３０  折り返しミラー
【図１】
2020056881.tif 000003
【図２】
2020056881.tif 000004
【図３】
2020056881.tif 000005
【図４】
2020056881.tif 000006
【図５】
2020056881.tif 000007
【図６】
2020056881.tif 000008
【図７】
2020056881.tif 000009
【図８】
2020056881.tif 000010
【図９】
2020056881.tif 000011
【図１０】
2020056881.tif 000012
【図１１】
2020056881.tif 000013
【図１２】
2020056881.tif 000014
【図１３】
2020056881.tif 000015
【図１４】
2020056881.tif 000016
【図１５】
2020056881.tif 000017
【図１６】
2020056881.tif 000018
【図１７】
2020056881.tif 000019
【図１８】
2020056881.tif 000020
【図１９】
2020056881.tif 000021