(57)【要約】      （修正有）【課題】製造上の困難性を解消しつつ、より小型化、高画角化、高効率化を進め易い光学デバイス並びにそのデバイスを備えた画像表示装置を提供する。【解決手段】画像形成部１０に対向配置された第１パネル面２０１及び第１パネル面２０１と対向する第２パネル面２０２を有し、第１パネル面２０１端部に形成された光入射面２０ａを通じて画像光が入射され、第１パネル面２０１及び第２パネル面２０２により観察者の眼前に形成された光出射面２０ｂへ導光する導光体２０と、光入射面２０ａに設けられ光入射面２０ａに入射される画像光を所定の方向へ回折させ導光体内へ透過させる第１回折光学素子３０ａと、光出射面２０ｂに設けられ光出射面２０ｂから出射される画像光を所定の方向へ回折させ観察者の眼前に透過させる第２回折光学素子３０ｂと、第１回折光学素子３０ａにより回折された画像光の導波路中に配置される単一又は複数の反射面４１，４２とを備える。【選択図】図２
2014142386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像光を発する画像形成部と、
光入射面と光出射面とを備える導光体と、
前記導光体の前記光入射面と前記画像形成部との間に位置する第１回折光学素子と、
前記導光体の前記光入射面と異なる部分で接する反射層と、を有し、
前記画像光は、前記第１回折光学素子で少なくとも一部が回折されて回折画像光となり
、
前記回折画像光は、少なくとも一部が前記導光体の前記光入射面から前記導光体の内部
に入射し、
前記反射層は、前記導光体の内部に入射した前記回折画像光の少なくとも一部が照射す
る位置に設けられていることを特徴とする光学デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の光学デバイスにおいて、
さらに、前記導光体の前記光出射面に接する第２回折光学素子と、を有し、
前記反射層は、前記導光体の前記光出射面と異なる部分で接していることを特徴とする
光学デバイス。
【請求項３】
請求項２に記載の光学デバイスにおいて、
前記導光体は、
前記光入射面と前記光入射面に対向する面との間の部分である入射部と、
前記光出射面と前記光出射面に対向する面との間の部分である出射部と、
前記入射部と前記出射部との間の部分である導光部と、を備え、
前記反射層は、前記導光体の前記出射部よりも前記導光部と逆側の部分にある面に接し
ていることを特徴とする光学デバイス。
【請求項４】
画像光を発する画像形成部と、
光入射面と光出射面とを備える導光体と、
前記導光体の前記光入射面に対向する面に接する第１回折光学素子と、
前記導光体の前記光入射面と異なる部分で接する反射層と、を有し、
前記画像光は、少なくとも一部が前記導光体の前記光入射面から入射光として前記導光
体の内部に入射し、
前記入射光は、前記第１回折光学素子で少なくとも一部が回折されて回折画像光となり
、
前記反射層は、前記回折画像光の少なくとも一部が照射する位置に設けられていること
を特徴とする光学デバイス。
【請求項５】
請求項４に記載の光学デバイスにおいて、
さらに、前記導光体の前記光出射面に対向する面に接する第２回折光学素子と、を有し
、
前記反射層は、前記導光体の前記光出射面と異なる部分で接していることを特徴とする
光学デバイス。
【請求項６】
請求項５に記載の光学デバイスにおいて、
前記導光体は、
前記光入射面と前記光入射面に対向する面との間の部分である入射部と、
前記光出射面と前記光出射面に対向する面との間の部分である出射部と、
前記入射部と前記出射部との間の部分である導光部と、を備え、
前記反射層は、前記導光体の前記入射部よりも前記導光部と逆側の部分にある面に接し
ていることを特徴とする光学デバイス。
【請求項７】
請求項２、３、５または６のいずれかに記載の光学デバイスにおいて、
前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子は、いずれも体積ホログラムであるこ
とを特徴とする光学デバイス。
【請求項８】
請求項２、３、５または６のいずれかに記載の光学デバイスにおいて、
前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子は、いずれも表面に凹凸を備えた表面
レリーフ型のホログラムであることを特徴とする光学デバイス。
【請求項９】
請求項２、３、５または６のいずれかに記載の光学デバイスにおいて、
前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子は、いずれも表面に対して傾斜した凹
凸を備えた傾斜表面レリーフ型のホログラムであることを特徴とする光学デバイス。
【請求項１０】
請求項２、３、５または６のいずれかに記載の光学デバイスにおいて、
前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子は、いずれも表面にブレーズ格子を備
えた回折素子であることを特徴とする光学デバイス。
【請求項１１】
請求項２または３のいずれか、または５乃至１０のいずれかに記載の光学デバイスにお
いて、
前記第１回折光学素子の格子周期及び前記第２回折光学素子の格子周期は、同一の格子
周期であることを特徴とする光学デバイス。
【請求項１２】
画像光を発する画像形成部と、
第１光入射面と第１光出射面とを備える第１導光体と、
前記第１導光体の前記第１光入射面と前記画像形成部との間に位置する第１回折光学素
子と、
前記第１導光体の前記第１光出射面に接する第２回折光学素子と、
前記第１導光体の前記第１光入射面及び前記第１光出射面とは異なる部分で接する第１
反射層と、
第２光入射面と第２光出射面とを備える第２導光体と、
前記第２導光体の前記第２光入射面と前記第１導光体との間に位置する第３回折光学素
子と、
前記第２導光体の前記第２光出射面と前記第１導光体との間に位置する第４回折光学素
子と、
前記第２導光体の前記第２光入射面及び前記第２光出射面とは異なる部分で接する第２
反射層と、を有し、
前記画像光は、前記第１回折光学素子で一部が回折されて第１回折画像光となり、
前記第１回折画像光は、少なくとも一部が前記第１導光体の内部を導光し、
前記第１反射層は、前記第１導光体の内部を導光する前記第１回折画像光の少なくとも
一部が照射する位置に設けられ、
前記画像光は、前記第１回折光学素子で回折されない光のうち、少なくとも一部が第３
回折光学素子で回折されて第２回折画像光となり、
前記第２回折画像光は、少なくとも一部が前記第２導光体の前記第２光入射面から前記
第２導光体の内部に入射し、
前記第２反射層は、前記第２導光体の内部に入射した前記第２回折画像光の少なくとも
一部が照射する位置に設けられ、
前記第１回折光学素子の格子周期及び前記第３回折光学素子の格子周期が異なる格子周
期であり、
前記第２回折光学素子の格子周期及び前記第４回折光学素子の格子周期が異なる格子周
期であることを特徴とする光学デバイス。
【請求項１３】
請求項１乃至１２に記載の光学デバイスを備えたことを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導光体と回折光学素子とを用いた光学デバイス、並びにその光学デバイスを
備えた画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、画像投影装置の１つとして画像表示装置からの画像を、導光体を用いて、観察者
の眼前まで導光して表示させるヘッドマウントディスプレイが商品化され、さらなる小型
化、広画角化、高効率化に関する開発が行われている。その中で、導光体内への入射、出
射を行うための素子の１つとして回折光学素子が注目されている。この回折光学素子は、
回折現象を利用して光の進行方向を制御することが可能であるため、反射や屈折を利用す
るよりも小型で光の操作自由度も高いという特性が得られる。
【０００３】
回折光学素子の中で、特に体積ホログラムは、比較的高い効率で回折させることができ
る。ところが、この体積ホログラムは、ブラッグ条件に従い回折光の波長、角度などが決
まることから、入射角度に対して回折光の角度及び波長が大きく影響される。このため、
ヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置に用いる場合には、表示画像の画角（大き
さ）、色むらに与える影響が大きくなる場合がある。そこで、従来より、体積ホログラム
の入射角度を調整する画像表示装置が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献
２）。
【０００４】
特許文献１に開示された画像表示装置は、干渉縞の傾斜角度を部分的に変化させること
によってブラッグ条件に起因する入射角度変化に対する回折光の波長変化を抑え、表示画
像に色むらが発生するのを低減している。
【０００５】
一方、特許文献２に開示された画像表示装置では、回折光学素子に入射させる光軸を傾
けることによりブラッグ条件起因の波長選択性を緩和させ、回折可能な波長範囲を制御し
色むら等の問題を改善している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−９４１７５号公報
【特許文献２】特開２００９−１３３９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された画像表示装置のように、干渉縞の傾斜角度を部
分的に変化させることは、製造上困難であり、実用性に欠けるという問題がある。一方、
特許文献２に開示された画像表示装置のように波長選択性を緩和させる方向に入射角度を
傾けた場合、導光体に対する入射光及び出射光の角度が拡開する方向となるため、観察者
の頭部に装着するというヘッドマウントディスプレイの使用態様の下では、左右の導光体
及び画像形成装置の位置関係と、観察者の顔の形状とが一致せず、観察者の顔に対するフ
ィッティング性が低下し使用時に違和感を抱く形態となってしまう問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した事情を考慮して、製造上の困難性を解消しつつ、より小型
化、高画角化、高効率化を進めやすい光学デバイス、並びにその光学デバイスを備えた画
像表示装置を提案することを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係る光学デバイスの第1の態様は、画像光を発す
る画像形成部と、光入射面と光出射面とを備える導光体と、前記導光体の前記光入射面と
前記画像形成部との間に位置する第１回折光学素子と、前記導光体の前記光入射面と異な
る部分で接する反射層と、を有し、前記画像光は、前記第１回折光学素子で少なくとも一
部が回折されて回折画像光となり、前記回折画像光は、少なくとも一部が前記導光体の前
記光入射面から前記導光体の内部に入射し、前記反射層は、前記導光体の内部に入射した
前記回折画像光の少なくとも一部が照射する位置に設けられていることを特徴とする。
【００１０】
なお、上記本発明に係る光学デバイスの第1の態様において「画像形成部」とは、例え
ば画像を表示する液晶ディスプレイやレーザー光を走査することにより観察者に画像とし
て認識させるレーザー走査式ディスプレイなどの画像表示装置、及び画像表示から出射さ
れた画像光を集光及び変換する光学系を含む。また、本発明において、「反射面」は、例
えば、導光体の光入射側の内側面や、光出射側の内側面のいずれか一方の面、或いは両面
に配置することができる他、光板内の導波路中であれば、いずれの位置、角度、及び数を
配置することができる。
【００１１】
上述した本発明に係る光学デバイスの第1の態様によれば、光入射面に、画像光を所定
方向へ回折させる第1回折光学素子を配置し、導光体に対して入射する画像光を所定の方
向に回折させるとともに、導光体内における導波路中に配置された反射層により、導光体
内で所要の方向へ画像光を反射させる。これにより、画像形成部から導光体へ入射される
画像光の入射角度を任意に設定することが可能となる。この結果、本発明に係る光学デバ
イスの一態様によれば、広い画角を得るために画像形成部からの入射光を、光軸に対して
傾斜させる場合であっても、左右の導光体及び画像形成装置の位置関係と、観察者の顔の
形状や両眼の位置とを一致させることができる。さらには、本発明に係る光学デバイスの
一態様を、観察者の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイに適用した場合、観察者
の顔に対するフィッティング性を向上させることができる。
【００１２】
上述した本発明に係る光学デバイスの第1の態様において、前記導光体の前記光出射面
に接する第２回折光学素子と、を有し、前記反射層は、前記導光体の前記光出射面と異な
る部分で接していること好ましい。この場合には、光入射面における第１回折光学素子で
回折させた画像光を、光出射面の第２回折光学素子で更に回折させるので、左右の導光体
及び画像形成装置の位置関係と、観察者の顔の形状や両眼の位置とを、より適正に一致さ
せることができる。
【００１３】
上述した本発明に係る光学デバイスの第1の態様において、前記導光体は、前記光入射
面と前記光入射面に対向する面との間の部分である入射部と、前記光出射面と前記光出射
面に対向する面との間の部分である出射部と、前記入射部と前記出射部との間の部分であ
る導光部と、を備え、前記反射層は、前記導光体の前記出射部よりも前記導光部と逆側の
部分にある面に接していることが好ましい。
【００１４】
本発明に係る光学デバイスの第２の態様は、画像光を発する画像形成部と、光入射面と
光出射面とを備える導光体と、前記導光体の前記光入射面に対向する面に接する第１回折
光学素子と、前記導光体の前記光入射面と異なる部分で接する反射層と、を有し、前記画
像光は、少なくとも一部が前記導光体の前記光入射面から入射光として前記導光体の内部
に入射し、前記入射光は、前記第１回折光学素子で少なくとも一部が回折されて回折画像
光となり、前記反射層は、前記回折画像光の少なくとも一部が照射する位置に設けられて
いることを特徴とする。
【００１５】
なお、本発明に係る光学デバイスの第２の態様においても、「画像形成部」とは、画像
を表示する液晶ディスプレイなどの画像表示装置、及び画像表示から出射された画像光を
集光及び変換する光学系を含む。また、本発明においても「反射面」は、例えば、導光体
の光入射側の内側面や、光出射側の内側面のいずれか一方の面、或いは両面に配置するこ
とができる他、光板内の導波路中であれば、いずれの位置、角度、及び数を配置すること
ができる。
【００１６】
本発明に係る光学デバイスの第２の態様によれば、光入射面に対向する面に、画像光を
所定方向へ回折させる第1回折光学素子を配置し、導光体に対して入射する画像光を所定
の方向に回折させるとともに、その回折画像光が反射層により反射させる。これにより、
本発明に係る光学デバイスの他の態様によれば、画像形成部から導光体へ入射される画像
光の入射角度、若しくは導光体から観察者の眼への出射角度を任意に設定することが可能
となり、左右の導光体及び画像形成装置の位置関係と、観察者の顔の形状や両眼の位置と
を一致させることができる。さらには、本発明に係る光学デバイスの他の態様を、観察者
の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイに適用した場合、観察者の顔に対するフィ
ッティング性を向上させることができる。
【００１７】
上述した本発明に係る光学デバイスの第２の態様において、前記導光体の前記光出射面
に対向する面に接する第２回折光学素子と、を有し、前記反射層は、前記導光体の前記光
出射面と異なる部分で接していることが好ましい。この場合、第１回折光学素子で回折さ
せた画像光を、光出射面に対向する面に接する第２回折光学素子で更に回折させるので、
左右の導光体及び画像形成装置の位置関係と、観察者の顔の形状や両眼の位置とを、より
適正に一致させることができる。
【００１８】
上述した本発明に係る光学デバイスの第２の態様において、前記導光体は、前記光入射
面と前記光入射面に対向する面との間の部分である入射部と、前記光出射面と前記光出射
面に対向する面との間の部分である出射部と、前記入射部と前記出射部との間の部分であ
る導光部と、を備え、前記反射層は、前記導光体の前記入射部よりも前記導光部と逆側の
部分にある面に接していることが好ましい。
【００１９】
また、上述した本発明に係る光学デバイスの第１の及び第2の態様において、第１回折
光学素子及び第２回折光学素子が体積ホログラムで形成されることが好ましい。この場合
には、広い入射角度範囲で高い回折効率を得ることができる。
【００２０】
上述した本発明に係る光学デバイスの第１の及び第2の態様において、前記第１回折光
学素子及び前記第２回折光学素子は、いずれも表面に凹凸を備えた表面レリーフ型のホロ
グラムであることが好ましい。この場合には、第１及び第２回折光学素子を、表面レリー
フ型のホログラムで形成することにより、量産性をより向上させることができる。
【００２１】
上述した本発明に係る光学デバイスの一態様及び他の態様において、前記第１回折光学
素子及び前記第２回折光学素子は、いずれも表面に対して傾斜した凹凸を備えた傾斜表面
レリーフ型のホログラムであることことが好ましい。この場合には、一方の格子形状を導
光の光軸に対して傾斜させることにより、例えば、+1次回折光をより強くすることができ
、伝播中におけるノイズ光の発生をより低減させる効果が得られる。
【００２２】
上述した本発明に係る光学デバイスの第１の及び第2の態様において、前記第１回折光
学素子及び前記第２回折光学素子は、いずれも表面にブレーズ格子を備えた回折素子であ
ることが好ましい。この場合には、第１回折光学素子及び第２回折光学素子を、ブレーズ
格子とすることにより、１次回折効率を高くすることが可能となり、導光体への伝播効率
を向上させることができる。
【００２３】
上述した本発明に係る光学デバイスの第１の及び第2の態様において、前記第１回折光
学素子の格子周期及び前記第２回折光学素子の格子周期は、同一の格子周期であることが
好ましい。この場合、入射光及び出射光の光軸を平行とすることができる。
【００２４】
本発明に係る光学デバイスの第３の態様は、画像光を発する画像形成部と、第１光入射
面と第１光出射面とを備える第１導光体と、前記第１導光体の前記第１光入射面と前記画
像形成部との間に位置する第１回折光学素子と、前記第１導光体の前記第１光出射面に接
する第２回折光学素子と、前記第１導光体の前記第１光入射面及び前記第１光出射面とは
異なる部分で接する第１反射層と、第２光入射面と第２光出射面とを備える第２導光体と
、  前記第２導光体の前記第２光入射面と前記第１導光体との間に位置する第３回折光学
素子と、前記第２導光体の前記第２光出射面と前記第１導光体との間に位置する第４回折
光学素子と、前記第２導光体の前記第２光入射面及び前記第２光出射面とは異なる部分で
接する第２反射層と、を有し、前記画像光は、前記第１回折光学素子で一部が回折されて
第１回折画像光となり、前記第１回折画像光は、少なくとも一部が前記第１導光体の内部
を導光し、前記第１反射層は、前記第１導光体の内部を導光する前記第１回折画像光の少
なくとも一部が照射する位置に設けられ、前記画像光は、前記第１回折光学素子で回折さ
れない光のうち、少なくとも一部が第３回折光学素子で回折されて第２回折画像光となり
、前記第２回折画像光は、少なくとも一部が前記第２導光体の前記第２光入射面から前記
第２導光体の内部に入射し、前記第２反射層は、前記第２導光体の内部に入射した前記第
２回折画像光の少なくとも一部が照射する位置に設けられ、前記第１回折光学素子の格子
周期及び前記第３回折光学素子の格子周期が異なる格子周期であり、前記第２回折光学素
子の格子周期及び前記第４回折光学素子の格子周期が異なる格子周期である。
この発明によれば、第1導光体と第２導光体とを積層し、各導光体に格子周期が異なる
回折光学素子を用いることにより、導光体毎に異なる波長を伝播させることが可能となり
、複数波長に対する回折効率を高めることができる。
【００２５】
次に、本発明に係る画像表示装置は、上述した本発明に係る光学デバイスを備える。そ
のような画像表示装置は、液晶ディスプレイ等の画像形成部やコリメート光学系を備えて
もよく、ヘッドマウントディスプレイ等のように観察者の頭部に装着する形態に適合させ
ることができる。 
【００２６】
このように、本発明によれば、ヘッドマウントディスプレイ等のように観察者の頭部に
装着する形態の画像表示装置においても、製造上の困難性を解消して製造コストの低廉化
を図りつつ、観察者の顔に対するフィッティング性を向上させるとともに、広い画角を得
ることができる光学デバイスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの全体像を示す斜視図である。
【図２】第１本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの内部構造及び導波路を示す要部断面図である。
【図３】透過型体積ホログラムに入射される入射光の光軸傾斜に応じた、ＲＧＢ各波長の入射角変化に対する回折効率を示すグラフであり、同図（ａ）は、光軸傾斜０°の光に対して最適化された回折光学素子の回折効率を示すグラフであり、同図（ｂ）は、光軸傾斜が−２０°傾斜された光に対して最適化された回折光学素子の回折効率を示すグラフである。
【図４】透過型体積ホログラムに入射される入射光の光軸傾斜に応じた導光体内の導波路、及び画像表示装置の位置を示す説明図であり、図（ａ）は、光軸傾斜０°の画像光を用いた場合を示す説明図であり、同図（ｂ）は、光軸傾斜が−２０°傾斜された画像光を用いた場合を示す説明図である。
【図５】従来のヘッドマウントディスプレイにおける、導波路及び各装置の位置を示す説明図である。
【図６】（ａ）は、従来のヘッドマウントディスプレイ装着時における各装置の位置を示す説明図であり、同図（ｂ）は、第１実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ装着時における各装置の位置を示す説明図である。
【図７】（ａ）は、第２実施形態に係る左眼用光学系の内部構造及び導波路を示す要部断面図であり、同図（ｂ）は、右眼用光学系の内部構造及び導波路を示す要部断面図である。
【図８】投射光学系のサイズが大きいヘッドマウントディスプレイを装着した場合における各装置の位置を示す説明図である。
【図９】第３実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの内部構造及び導波路を示す要部断面図である。
【図１０】第１変更例に係るヘッドマウントディスプレイの内部構造及び導波路を示す要部断面図である。
【図１１】第１変形例に係るヘッドマウントディスプレイの内部構造及び導波路を示す要部断面図である。
【図１２】第１変形例に係るヘッドマウントディスプレイの内部構造及び導光体を示す要部断面図である。
【図１３】第２変更例に係るヘッドマウントディスプレイの内部構造及び導光体を示す要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、添付の図面を参照しながら本発明に係る様々な実施の形態を説明する。なお、図
面においては、各部の寸法の比率は実際のものとは適宜に異ならせてある。また、以下に
説明する実施形態では、本発明の光学デバイスを、観察者の頭部に装着する形態の画像表
示装置の一例であるヘッドマウントディスプレイに適用した場合を例に説明するが、かか
る実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、
本発明の技術的思想の範囲内に任意に変更可能である。
【００２９】
＜Ａ：第１実施形態＞
（ヘッドマウントディスプレイの全体構成）
図１は、第１実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ１００の全体像を示す斜視図
である。図１に示すように、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ１００は、眼
鏡のような外観を有するヘッドマウントディスプレイであり、このヘッドマウントディス
プレイ１００を装着した観察者に対して虚像による画像光を認識させることができるとと
もに、観察者に外界像をシースルーで観察させることができる。
【００３０】
具体的にヘッドマウントディスプレイ１００は、導光体２０と、導光体２０を支持する
左右一対のテンプル１０１，１０２と、テンプル１０１，１０２に付加された一対の画像
形成装置１１１，１１２とを備える。ここで、図面上において、導光体２０の左側と画像
形成装置１１１とを組み合わせた第１表示装置１００Ａは、右眼用の虚像を形成する部分
であり、単独でも画像表示装置として機能する。また、図面上において、導光体２０で右
側と画像形成装置１１２とを組み合わせた第２表示装置１００Ｂは、左眼用の虚像を形成
する部分であり、単独でも画像表示装置として機能する。
【００３１】
このようなヘッドマウントディスプレイ１００の内部構造及び導光体について説明する
。図２は、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの内部構造及び導光体を模式的
に示す要部断面図である。図２に示すように、第１表示装置１００Bは、画像形成部１０
と、導光体２０とを備える。
【００３２】
画像形成部１０は、画像表示装置１１と、投射光学系１２とを有する。このうち、画像
表示装置１１は、本実施形態では、液晶表示デバイスであり、光源から赤、緑、青の３色
を含む光を発生させ、光源からの光を拡散させて矩形断面の光束にして、投射光学系１２
に向けて出射する。一方、投射光学系１２は、液晶ディスプレイ１１上の各点から出射さ
れた画像光を平行状態の光束に変換して、導光体２０に入射させるコリメートレンズであ
る。特に、本実施形態において、画像形成部１０は、広い画角を得るために、パネルに対
して垂直な法線方向に対して傾斜されて配置されている。
【００３３】
導光体２０の全体的な外観は、図中ＹＺ面に平行に延びる平板状の部材によって形成さ
れている。この導光体２０は、光透過性の樹脂材料等により形成された板状の部材であり
、画像形成部１０に対向配置された第１のパネル面２０１、及び第１のパネル面２０１と
対向する第２のパネル面２０２を有し、第１のパネル面２０１端部に形成された光入射面
２０ａを通じて画像光が入射され、第１のパネル面２０１及び第２のパネル面２０２によ
り、観察者の眼前に形成された光出射面２０ｂへ導光する。
【００３４】
詳述すると導光体２０は、ＹＺ面に平行で画像形成部１０に対向する裏側又は観察側の
平面上に、画像形成部１０からの画像光を取り込む光入射部である光入射面２０ａと、画
像光を観察者の眼ＥＹに向けて出射させる光出射面２０ｂとを有している。光入射面２０
ａには、入射光を入射位置に近い、テンプル１０２側の端面方向に回折させる第１回折光
学素子３０ａが設けられ、光出射面２０ｂには、光出射面２０ｂから外部に向けて出射さ
れた画像光を回折させて透過させ、虚像光として観察者の眼ＥＹに投射する第２回折光学
素子が設けられている。すなわち、導光体２０は、光入射面２０ａと光入射面２０ａに対
向する面との間の部分である入射部２０ｘと、光出射面２０ｂと光出射面２０ｂに対向す
る面との間の部分である出射部２０ｙと、入射部２０ｘと出射部２０ｙとの間の部分であ
る導光部２０ｚとを備える。
【００３５】
本実施形態において、第１回折光学素子３０ａと第２回折光学素子３０ｂは、透過型体
積ホログラムが用いられており、第１回折光学素子３０ａと第２回折光学素子３０ｂの格
子周期は同一となっている。また、第１回折光学素子３０ａ及び第２回折光学素子３０ｂ
の格子パターンは正反対となっており、光入射面２０ａから導光体２０内に入射された画
像光は、回折されて導光体２０端面側（テンプル側）へ導光された後、反射層４１で反射
されて、導光体２０内を観察者の眼の方向へ導光される。そして、光出射面２０ｂ側にお
いて、導波路端部（観察者の鼻側）の反射層４２において反射された後、光出射面２０ｂ
の第２回折光学素子３０ｂで回折された後、眼ＥＹに向けて出射される。すなわち、導光
体２０の光入射面２０ａ側（テンプル側）の内側面に反射層４１を有し、光出射面２０ｂ
側（鼻側）に反射層４２を有し、反射層４１及び反射層４２は対向配置されている。ここ
で、反射層４１及び反射層４２は、導光体２０の内部に入射した回折画像光の少なくとも
一部が照射する位置に設けられており、導光体２０の光入射面２０ｂと異なる部分で接し
ている。さらに、反射層４１は、導光体２０の出射部２０ｙよりも導光部２０ｚと逆側の
部分にある面に接している。
【００３６】
また、導光体２０は、互いに対向しＹＺ面に対して平行に延びる第１及び第２のパネル
面２０１，２０２を有しており、入射側の反射層４１で反射された画像光をそれぞれ全反
射させて、観察者の眼前に導光する。詳述すると、反射層４１で反射された画像光は、先
ず、第２のパネル面２０２に入射して全反射され、次いで、第１のパネル面２０１に入射
して全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、導光体２０の他端に
設けた反射層４２に導かれる。なお、第１及び第２のパネル面２０１，２０２には反射コ
ートを施さず、両パネル面２０１，２０２に対して外界側から入射する外界光が、高い透
過率で導光体２０を通過するようにしてもよい。これにより、導光体２０を、外界像の透
視が可能なシースルータイプとすることができる。
【００３７】
そして、導光体２０の他方の端部に設けられた反射層４２は、画像光を導光体２０の光
出射面２０ｂに向けて反射させ、第２回折光学素子３０ｂを、所定角度に回折させつつ透
過させて、外部へ出射するようになっている。この第２光学回折素子から外部に出射され
た画像光は、虚像光として観察者の眼ＥＹに入射する。当該虚像光が観察者の網膜におい
て結像することで、観察者は虚像による映像光等の画像光を認識することができる。
【００３８】
なお、本実施形態においては、第１回折光学素子３０ａを介して導光体２０内に入射さ
れる画像光が、反射層４１で反射され、導光体２０内において適切に全反射により伝播す
るために、第１回折光学素子３０ａによる回折角は臨界角以上になるように記録されてい
る。
【００３９】
（入射角度の設定）
次いで、回折光学素子に対する入射角度について説明する。本実施形態では、回折光学
素子として、体積ホログラムを用いているため、光束の入射角により回折効率は大きく変
化し、特定の入射角（ブラッグ角）時に回折効率は最大になる。したがって、回折効率を
向上させるため、図４に示すように、画像形成部１０から出射される画像光の入射角度を
所定の角度に設定する。
【００４０】
図３（ａ）及び（ｂ）に、薄い透過型体積ホログラムにおける、入射光の光軸を傾斜さ
せた場合のＲＧＢ各波長の入射角と回折効率の計算例を示す。図４（ａ）に示すように、
画像形成部１０から出射される画像光の入射角度を光軸傾斜０°（垂直入射用に最適化さ
れた回折光学素子）とした場合には、回折効率の最大値が低く、所定値以上の回折効率の
分布範囲も狭いのに対し、図４（ｂ）に示すように、画像形成部１０から出射される画像
光の入射角度を光軸傾斜−２０°（−２０°傾斜した画像光入射用に最適化された回折光
学素子）とした場合には、回折効率の最大値が高く、所定値以上の回折効率の分布が広範
囲にわたっている。この結果、回折光学素子に対する入射角度を大きくし、光軸傾斜を採
った方が、広い入射角度範囲で高い回折効率が得られ、画角を拡げられることが分かる。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態によれば、先ず、回折光学素子に対する入射角度につ
いて、光軸傾斜を大きくすることで、広い入射角度範囲で高い回折効率を得ることができ
、画角を広く設定することができる。そして、導光体２０端面において反射させた画像光
を伝播させる回折光学素子、導光体２０構成にすることにより、広い画角を得るために入
射画像光の光軸傾斜角を大きくした場合でも、観察者の顔へのフィッティング性を低下さ
せることなく、装着しやすく、使用しやすいヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装
置を得ることが可能となる。
【００４２】
すなわち、図５に示すように、従来の構成の導光体で、画像形成部１０からの入射角度
について、光軸傾斜角を大きく採った場合には、図６（ａ）に示すように、導光体２０に
対する画像形成部１０の角度、及び観察者の視線に対する画像形成部１０の角度が拡大し
てしまい、画像形成部１０と導光体２０との位置関係が、観察者の顔の形状と一致せず、
ヘッドマウントディスプレイの形状が、顔とのフィッティングとは逆の方向になり、使用
時に違和感が生じることとなる。
【００４３】
これに対し、本実施形態のヘッドマウントディスプレイによれば、図６（ｂ）に示すよ
うに、ヘッドマウントディスプレイの形状を、観察者の顔にフィットする方向に傾けられ
ることとなり、装置をコンパクトにできるとともに、装着しやすく、使用しやすい形状と
することができる。
【００４４】
＜Ｂ：第２実施形態＞
次いで、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、入射される画像光
と、出射される画像光とが平行の光軸となるように設定することを要旨とする。図７（ａ
）は、第２実施形態に係る左眼用光学系の内部構造及び導光体を示す要部断面図であり、
同図（ｂ）は、右眼用光学系の内部構造及び導光体を示す要部断面図である。
【００４５】
図７に示すように、第２実施形態では、上述した第１実施形態における、透過型の回折
光学素子を用いた導光体２０において、反射層４２のみが、導光体２０内における第２回
折光学素子３０ｂ側の導波路端部に配置され、出射側のみ導光体２０の端面反射を行い、
もう一方は端面反射をさせない構成としている。なお、本実施形態においても、第１回折
光学素子３０ａ及び第２回折光学素子３０ｂとして透過型体積ホログラムを用いている。
そして、本実施形態では、第１回折光学素子３０ａ及び第２回折光学素子３０ｂの各体積
ホログラムの格子周期を等しくし、干渉縞の方向を入射側、出射側で同一方向とすること
により、入射、出射で平行の光軸となる構成としている。
【００４６】
このような本実施形態によれば、光入射側における第１回折光学素子３０ａで回折させ
た画像光を、第２回折光学素子３０ｂ側の導波路端部で反射させることで、導光体２０か
らの出射直前で、導光体２０内における導光方向とは逆方向に転換させることができ、光
入射面２０ａに対する入射光と、光出射面２０ｂからの出射光とを平行にすることができ
、左右の導光体及び画像形成装置の位置関係と、観察者の顔の形状や両眼の位置とを、よ
り適正に一致させることができる。すなわち、図８（ａ）に示すように、投射光学系の大
きさによっては、観察者の顔に画像形成部１０が接触して邪魔になる可能性があるが、本
実施形態によれば、同図（ｂ）に示すように、観察者の顔に接触する方向から避けること
ができるため、顔へのフィッティング性がさらに増した外形とすることができる。
【００４７】
また、本実施形態では、第１回折光学素子３０ａと第２回折光学素子３０ｂの格子周期
を等しくしたことから、入射側と出射側とによる２回の回折間における光の干渉や、光量
の損失を低減することができ、画像の明度が低下したり、部分的に色ムラが生じるのを防
ぐことができる。さらに、本実施形態では、第１回折光学素子３０ａ及び第２回折光学素
子３０ｂが体積ホログラムで形成され、各体積ホログラムの格子パターンが同一であるこ
とから、入射光及び出射光の光軸を平行とすることができるとともに、広い入射角度範囲
で高い回折効率を得ることができる。
【００４８】
＜Ｃ：第３実施形態＞
次いで、本発明の第３実施形態について説明する。上述した第１実施形態及び第２実施
形態では、透過型の光学回折素子を用いたが、本実施形態では、反射型の光学回折素子を
用いることを要旨とする。図９は、第３実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの内
部構造及び導光体を示す要部断面図である。
【００４９】
図９に示すように、第１回折光学素子３１ａが、第２のパネル面２０２側の光入射面２
０ａに対向する位置に設けられ、この第１回折光学素子３１ａによって光入射面２０ａか
ら入射された光を所定の方向へ回折させて導光体２０内へ反射させるようにするとともに
、第２回折光学素子３１ｂが、第２のパネル面２０２側の光出射面２０ｂに対向する位置
に設けられ、この第２回折光学素子３１ｂによって、導光体２０内を導光された画像光を
、光出射面２０ｂに向けて回折させつつ反射させ、光出射面２０ｂから導光体２０外へ出
射させる。
【００５０】
そして、導光体２０内には、画像光の導波路中に反射層４１が配置されている。この反
射層４１は、本実施形態では、導光体２０内における第１回折光学素子３１ａ側の導波路
端部に配置されており、反射型の回折光学素子３１ａ及び３１ｂを用いた導光体２０にお
いて、入射側のみ導光体２０の端面反射を行い、もう一方では端面反射をさせない構成と
なっている。なお、この反射層としては、単一又は複数を設けることができ、上述した第
１実施形態のように、導光体２０の両端に２つの反射層を設けるようにしてもよい。
【００５１】
なお、本実施形態においては、第１回折光学素子３１ａ及び第２回折光学素子３１ｂと
して例えば、反射型体積ホログラムを用いる。そして、本実施形態においても、第１回折
光学素子３１ａ及び第２回折光学素子３１ｂの各体積ホログラムの格子周期を等しくし、
干渉縞の方向を入射側、出射側で同一方向とすることにより、入射、出射で平行の光軸と
なる構成としている。
【００５２】
このような本実施形態によれば、導光体２０へ入射された画像光を、第１回折光学素子
３１ａで、導光体２０内における導光方向とは逆方向に反射・回折させた直後に、さらに
、反射層４１により導光方向へ転換させる。そして、第２回折光学素子３１ｂで反射・回
折させて、光出射面２０ｂから観察者の眼ＥＹに向けて出射させる。これにより、光入射
面２０ａに対する入射光と、光出射面２０ｂからの出射光とを平行にすることができ、左
右の導光体２０及び画像形成部１０の位置関係と、観察者の顔の形状や両眼の位置とを、
より適正に一致させることができる。すなわち、図８（ａ）に示すように、投射光学系の
大きさによっては、観察者の顔に画像形成部１０が接触して邪魔になる可能性があるが、
本実施形態によれば、同図（ｂ）に示すように、観察者の顔に接触する方向から避けるこ
とができるため、顔へのフィッティング性がさらに増した外形とすることができる。
【００５３】
また、本実施形態では、第１回折光学素子３１ａと第２回折光学素子３１ｂの格子周期
を等しくしたことから、入射側と出射側とによる２回の回折間における光の干渉や、光量
の損失を低減することができ、画像の明度が低下したり、部分的に色ムラが生じるのを防
ぐことができる。さらに、本実施形態では、第１回折光学素子３１ａ及び第２回折光学素
子３１ｂが体積ホログラムで形成され、各体積ホログラムの格子パターンが同一であるこ
とから、入射光及び出射光の光軸を平行とすることができるとともに、広い入射角度範囲
で高い回折効率を得ることができる。
【００５４】
＜Ｄ：第１変形例＞
上述した第１実施形態〜第３実施形態では、回折光学素子として、体積ホログラムを用
いたが、本発明は、これに限定するものではなく、種々の回折光学素子を用いることがで
きる。以下に、他の回折光学素子を用いた変更例について説明する。
【００５５】
例えば、図１０に示すように、第１回折光学素子３３ａ及び第２回折光学素子３３ｂと
して、表面レリーフホログラムを用いてもよい。この場合には、表面レリーフホログラム
は、量産性に優れているため、製造コストを低減させることができる。
【００５６】
また、例えば、図１１に示すように、第１回折光学素子３４ａ及び第２回折光学素子３
４ｂとして、表面レリーフホログラムの表面を傾斜させた傾斜表面レリーフホログラムを
用いてもよい。このように、表面レリーフホログラムを傾斜させることにより、傾斜させ
ない表面レリーフホログラムは±１、２次光の±両方対称に回折光が発生するが、傾斜さ
せることにより、+1次回折光をより強くすることができ導光体２０への伝播効率向上、及
びノイズ光の低減に効果が得られる。なお、この場合には、第１回折光学素子３４ａ及び
第２回折光学素子３４ｂのうち少なくとも片方の格子が傾斜されていてもよい。
【００５７】
さらに、図１２に示すように、第１回折光学素子３５ａ及び第２回折光学素子３５ｂと
して、ブレーズ格子を用いてもよい。ブレーズ格子を用いることにより１次回折光効率を
高くすることが可能であるため導光体２０への伝播効率向上、及びノイズ光の低減に効果
が得られる。なお、この場合についても、第１回折光学素子３５ａ及び第２回折光学素子
３５ｂのうち少なくとも片方の格子がブレーズ格子であってもよい。
【００５８】
＜Ｅ：第２変形例＞
上述した第１実施形態〜第３実施形態では、単一層の導光体を用いるとともに、入射側
及び出射側にそれぞれ１つの回折光学素子を用いたが、本発明は、これに限定するもので
なく、画像光の波長に対応した回折光学素子を複数用いてもよい。すなわち、上述した各
実施形態において、導光体２０を、各パネル面２０１，２０２が平行となるように積層し
、積層型導光体２００を形成するとともに、各導光体２０，２０が備える第１回折光学素
子３６ａ，３７ａ…、及び第２回折光学素子３６ｂ，３７ｂ…の格子周期が、各導光体毎
に異なるようにする。
【００５９】
このような変形例によれば、複数の導光体２０を積層させ、各導光体２０に格子周期が
異なる回折光学素子を用いることにより、導光体毎に異なる波長を伝播させることが可能
となり、複数波長に対する回折効率を高めることができる。
【００６０】
なお、本変更例においては、第２実施形態で説明した透過型体積ホログラムを用い、出
射側にのみ反射層４２を設けた構成を用いたが、本発明は、これに限定するものではなく
、上述した第１実施形態及び第３実施形態の構成において、複数の導光体２０を積層させ
ることも可能である。
また、上述した実施形態からは、以下の発明が把握される。画像形成部で表示された画
像光を導いて観察者側に結像させる光学デバイスであって、前記画像形成部に対向配置さ
れた第１のパネル面、及び前記第１のパネル面と対向する第２のパネル面を有し、前記第
１のパネル面端部に形成された光入射面を通じて前記画像光が入射され、前記第１のパネ
ル面及び前記第２のパネル面により、前記観察者の眼前に形成された光出射面へ導光する
導光体と、前記光入射面に設けられ、前記光入射面に入射される前記画像光を所定の方向
へ回折させて前記導光体内へ透過させる第１回折光学素子と、前記光出射面に設けられ、
前記光出射面から出射される前記画像光を所定の方向へ回折させて前記観察者の眼前に透
過させる第２回折光学素子と、前記第１回折光学素子により回折された前記画像光の導光
体中に配置される単一又は複数の反射層とを備えることを特徴とする光学デバイス。
画像形成部で表示された画像光を導いて観察者側に結像させる光学デバイスであって、
前記画像形成部に対向配置された第１のパネル面、及び前記第１のパネル面と対向する
第２のパネル面を有し、前記第１のパネル面端部に形成された光入射面を通じて前記画像
光が入射され、前記第１のパネル面及び前記第２のパネル面により、前記観察者の眼前に
形成された光出射面へ導光する導光板と、前記第２のパネル面側の前記光入射面に対向す
る位置に設けられ、前記光入射面から入射された光を所定の方向へ回折させて前記導光板
内へ反射させる第１回折光学素子と、前記第２のパネル面側の前記光出射面に対向する位
置に設けられ、前記導光板内を導光された画像光を、所定の方向へ回折させて前記光出射
面へ向けて反射させる第２回折光学素子と、前記第１回折光学素子により回折された前記
画像光の導波路中に配置される単一又は複数の反射層とを備えることを特徴とする光学デ
バイス。
【符号の説明】
【００６１】
１０…画像形成部、１１…画像表示装置、１２…投射光学系、２０…導光体、２０ａ…
光入射面、２０ｂ…光出射面、３０ａ，３１ａ，３３ａ，３４ａ，３５ａ，３６ａ，３７
ａ…第１回折光学素子、３０ｂ，３１ｂ，３３ｂ，３４ｂ，３５ｂ，３６ｂ，３７ｂ…第
２回折光学素子、４１，４２…反射層、１００…ヘッドマウントディスプレイ、１００Ａ
…第１表示装置、１００Ｂ…第２表示装置、１０１，１０２…テンプル、１１１，１１２
…画像形成装置、２００…積層型導光体、２０１…第１のパネル面、２０２…第２のパネ
ル面 。
【図１】
2014142386.tif 000003
【図２】
2014142386.tif 000004
【図３】
2014142386.tif 000005
【図４】
2014142386.tif 000006
【図５】
2014142386.tif 000007
【図６】
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【図７】
2014142386.tif 000009
【図８】
2014142386.tif 000010
【図９】
2014142386.tif 000011
【図１０】
2014142386.tif 000012
【図１１】
2014142386.tif 000013
【図１２】
2014142386.tif 000014
【図１３】
2014142386.tif 000015