(57)【要約】【課題】  画角による色むらや輝度むらを低減する。【解決手段】  互いに進行方位の異なる平行光束群が入射し、内部を全反射により伝播した後射出するよう構成された導光板２２を備え、この導光板２２は、平行光束群の入射領域にて平行光束群を平行光束群のまま導光板２２内で内部全反射条件を満たすよう回折反射する第１の反射型体積ホログラムグレーティング２３と、平行光束群の射出領域にて平行光束群を平行光束群のまま導光板２２より射出するよう回折反射する第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４とを備え、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２３，２４のホログラム表面の干渉縞ピッチは、均一で、少なくとも第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４は、干渉縞がホログラム表面となす角が入射主光線に対してブラッグ条件を満たすようホログラム内で連続的、あるいは段階的に変化している。【選択図】  図１
2006350129.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに進行方位の異なる平行光束群が入射し、内部を全反射により伝播した後射出するよう構成された導光板からなる光学装置において、
前記導光板は、前記平行光束群の入射領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板内で内部全反射条件を満たすよう回折反射する第１の反射型体積ホログラムグレーティングと、
前記平行光束群の射出領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板より射出するよう回折反射する第２の反射型体積ホログラムグレーティングとを備え、
前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングのホログラム表面の干渉縞ピッチは、均一で、
少なくとも前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングは、干渉縞がホログラム表面となす角が入射主光線に対してブラッグ条件を満たすようホログラム内で連続的、あるいは段階的に変化しており、
前記導光板内の入射領域から射出領域にかけて全反射を繰り返しながら伝播する互いに進行方位の異なる平行光束群は、少なくともその一部が前記進行方位の違いによって全反射回数が互いに異なることを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの略同一波長帯域を回折する干渉縞のホログラム表面の干渉縞ピッチは、互いに等しいことを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項３】
前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングは、前記導光板の全反射面と平行に配置されていることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項４】
前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングの干渉縞がその表面となす角は、前記第１の反射型体積ホログラムグレーティングに近接するに従って増加していることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項５】
前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングは、前記導光板内を伝播する前記平行光束群の一部を２回以上回折反射し、前記回折のたびに光量の一部を前記導光板から射出することを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項６】
前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも１つは、同一入射位置にて互いに入射角度が等しく異なる波長帯域の光束を略同一の回折角にてそれぞれ主に回折する複数のホログラム層を積層化してなることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項７】
前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも１つは、同一入射位置にて互いに入射角度が等しく異なる波長帯域の光束を略同一の回折角にてそれぞれ主に回折する複数の干渉縞を多重化してなることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項８】
前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも１つは、同一入射位置にて互いに波長が等しく異なる入射角度の光束をそれぞれ主に回折し、かつ同一波長同一入射角の光束を等しい回折角にてそれぞれ回折する複数のホログラム層を積層化してなることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項９】
前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも１つは、同一入射位置にて互いに波長が等しく異なる入射角度の光束をそれぞれ主に回折し、かつ同一波長同一入射角の光束を等しい回折角にてそれぞれ回折する複数の干渉縞を多重化してなることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項１０】
前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングは、互いに等しい干渉縞を有する複数のホログラム層を前記干渉縞と垂直な方向にずらして積層化してなることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項１１】
前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングは、互いに等しい複数の干渉縞を前記干渉縞と垂直な方向にずらして多重化してなることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項１２】
前記第１の反射型体積ホログラムグレーティングの干渉縞がその表面となす角は、前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングに近接するに従って減少していることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項１３】
前記第１の反射型体積ホログラムグレーティングは、その表面の干渉縞と垂直な方向に干渉縞の積層数又は多重化数が変化していることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項１４】
前記第１の反射型体積ホログラムグレーティングは、前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングに近接する方向に干渉縞の積層数又は多重化数が増加していることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項１５】
光源と、
前記光源から射出された光束を平行光とするコリメート光学系と、
前記平行光を走査する走査光学系と、
前記走査光学系にて互いに進行方位の異なる平行光束となされた平行光束群が入射し内部を全反射により伝播した後、観察者の瞳に向けて射出するよう構成された導光板とからなる虚像表示装置において、
前記導光板は、前記平行光束群の入射領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板内で内部全反射条件を満たす角度で回折反射する第１の反射型体積ホログラムグレーティングと、
前記導光板内を内部全反射にて伝播する平行光束群の射出領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板より射出する角度で回折反射する第２の反射型体積ホログラムグレーティングとを有し、
前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングのホログラム表面の干渉縞ピッチは、均一で、
少なくとも前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングは、干渉縞がホログラム表面となす角が入射主光線に対してブラッグ条件を満たすようホログラム内で連続的、あるいは段階的に変化しており、
前記導光板内で全反射を繰り返しながら伝播する互いに進行方位の異なる平行光束群は、少なくともその一部が前記進行方位の違いによって全反射回数が互いに異なることを特徴とする虚像表示装置。
【請求項１６】
前記光源と観察者の瞳との光路中に、特定の波長帯域のみ透過するカラーフィルターを有することを特徴とする請求項１５記載の虚像表示装置。
【請求項１７】
前記カラーフィルターは、前記観察者が観察可能な観察域を直径２ｍｍ以内となるよう、前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングに入射する波長帯域を制限することを特徴とする請求項１６記載の虚像表示装置。
【請求項１８】
前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの略同一波長帯域を回折する干渉縞のホログラム表面の干渉縞ピッチは、互いに等しいことを特徴とする請求項１５記載の虚像表示装置。
【請求項１９】
前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングは、前記導光板の全反射面と平行に配置されていることを特徴とする請求項１５記載の虚像表示装置。
【請求項２０】
前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングの干渉縞がその表面となす角は、前記第１の反射型体積ホログラムグレーティングに近接するに従って増加していることを特徴とする請求項１５記載の虚像表示装置。
【請求項２１】
前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングは、前記導光板内を伝播する前記平行光束群の一部を２回以上回折反射し、前記回折のたびに光量の一部を前記導光板から射出することを特徴とする請求項１５記載の虚像表示装置。
【請求項２２】
前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも１つは、同一入射位置にて互いに入射角度が等しく異なる波長帯域の光束を略同一の回折角にてそれぞれ主に回折する複数のホログラム層を積層化してなることを特徴とする請求項１５記載の虚像表示装置。
【請求項２３】
前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも１つは、同一入射位置にて互いに入射角度が等しく異なる波長帯域の光束を略同一の回折角にてそれぞれ主に回折する複数の干渉縞を多重化してなることを特徴とする請求項１５記載の虚像表示装置。
【請求項２４】
前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも１つは、同一入射位置にて互いに波長が等しく異なる入射角度の光束をそれぞれ主に回折し、かつ同一波長同一入射角の光束を等しい回折角にてそれぞれ回折する複数のホログラム層を積層化してなることを特徴とする請求項１５記載の虚像表示装置。
【請求項２５】
前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも１つは、同一入射位置にて互いに波長が等しく異なる入射角度の光束をそれぞれ主に回折し、かつ同一波長同一入射角の光束を等しい回折角にてそれぞれ回折する複数の干渉縞を多重化してなることを特徴とする請求項１５記載の虚像表示装置。
【請求項２６】
前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングは、互いに等しい干渉縞を有する複数のホログラム層を前記ホログラム表面の干渉縞と垂直な方向にずらして積層化してなることを特徴とする請求項１５記載の虚像表示装置。
【請求項２７】
前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングは、互いに等しい複数の干渉縞を前記ホログラム表面の干渉縞と垂直な方向にずらして多重化してなることを特徴とする請求項１５記載の虚像表示装置。
【請求項２８】
前記第１の反射型体積ホログラムグレーティングの干渉縞がその表面となす角は、前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングに近接するに従って減少していることを特徴とする請求項１５記載の虚像表示装置。
【請求項２９】
前記第１の反射型体積ホログラムグレーティングは、その表面の干渉縞と垂直な方向に干渉縞の積層数又は多重化数が変化していることを特徴とする請求項１５記載の虚像表示装置。
【請求項３０】
前記第１の反射型体積ホログラムグレーティングは、前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングに近接する方向に干渉縞の積層数又は多重化数が増加していることを特徴とする請求項１５記載の虚像表示装置。
【請求項３１】
画像表示素子と、
前記画像表示素子の各画素から射出された光束を互いに進行方位の異なる平行光束群にするコリメート光学系と、
前記平行光束群が入射し内部を全反射により伝播した後、観察者の瞳に向けて射出するよう構成された導光板とからなる虚像表示装置において、
前記導光板は、前記平行光束群の入射領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板内で内部全反射条件を満たすよう回折反射する第１の反射型体積ホログラムグレーティングと、
前記平行光束群の射出領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板より射出するよう回折反射する第２の反射型体積ホログラムグレーティングとを有し、
前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングのホログラム表面の干渉縞ピッチは、均一で、
少なくとも前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングは、干渉縞がホログラム表面となす角が入射主光線に対してブラッグ条件を満たすようホログラム内で連続的、あるいは段階的に変化しており、
前記導光板内の入射領域から射出領域にかけて全反射を繰り返しながら伝播する互いに進行方位の異なる平行光束群は、少なくともその一部が前記進行方位の違いによって全反射回数が互いに異なることを特徴とする虚像表示装置。
【請求項３２】
前記画像表示素子、あるいは前記画像表示素子を照明する照明光源と観察者の瞳との光路中に、特定の波長帯域のみ透過するカラーフィルターを有することを特徴とする請求項３１記載の虚像表示装置。
【請求項３３】
前記カラーフィルターは、前記観察者が観察可能な観察域を直径２ｍｍ以内となるよう、前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングに入射する波長帯域を制限することを特徴とする請求項３２記載の虚像表示装置。
【請求項３４】
前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの略同一波長帯域を回折する干渉縞のホログラム表面の干渉縞ピッチは、互いに等しいことを特徴とする請求項３１記載の虚像表示装置。
【請求項３５】
前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングは、前記導光板の全反射面と平行に配置されていることを特徴とする請求項３１記載の虚像表示装置。
【請求項３６】
前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングの干渉縞がその表面となす角は、前記第１の反射型体積ホログラムグレーティングに近接するに従って増加していることを特徴とする請求項３１記載の虚像表示装置。
【請求項３７】
前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングは、前記導光板内を伝播する前記平行光束群の一部を２回以上回折反射し、前記回折のたびに光量の一部を前記導光板から射出することを特徴とする請求項３１記載の虚像表示装置。
【請求項３８】
前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも１つは、同一入射位置にて互いに入射角度が等しく異なる波長帯域の光束を略同一の回折角にてそれぞれ主に回折する複数のホログラム層を積層化してなることを特徴とする請求項３１記載の虚像表示装置。
【請求項３９】
前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも１つは、同一入射位置にて互いに入射角度が等しく異なる波長帯域の光束を略同一の回折角にてそれぞれ主に回折する複数の干渉縞を多重化してなることを特徴とする請求項３１記載の虚像表示装置。
【請求項４０】
前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも１つは、同一入射位置にて互いに波長が等しく異なる入射角度の光束をそれぞれ主に回折し、かつ同一波長同一入射角の光束を等しい回折角にてそれぞれ回折する複数のホログラム層を積層化してなることを特徴とする請求項３１記載の虚像表示装置。
【請求項４１】
前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも１つは、同一入射位置にて互いに波長が等しく異なる入射角度の光束をそれぞれ主に回折し、かつ同一波長同一入射角の光束を等しい回折角にてそれぞれ回折する複数の干渉縞を多重化してなることを特徴とする請求項３１記載の虚像表示装置。
【請求項４２】
前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングは、互いに等しい干渉縞を有する複数のホログラム層を前記ホログラム表面の干渉縞と垂直な方向にずらして積層化してなることを特徴とする請求項３１記載の虚像表示装置。
【請求項４３】
前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングは、互いに等しい複数の干渉縞を前記ホログラム表面の干渉縞と垂直な方向にずらして多重化してなることを特徴とする請求項３１記載の虚像表示装置。
【請求項４４】
前記第１の反射型体積ホログラムグレーティングの干渉縞がその表面となす角は、前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングに近接するに従って減少していることを特徴とする請求項３１記載の虚像表示装置。
【請求項４５】
前記第１の反射型体積ホログラムグレーティングは、その表面の干渉縞と垂直な方向に干渉縞の積層数又は多重化数が変化していることを特徴とする請求項３１記載の虚像表示装置。
【請求項４６】
前記第１の反射型体積ホログラムグレーティングは、前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングに近接する方向に干渉縞の積層数又は多重化数が増加していることを特徴とする請求項３１記載の虚像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示画像光を観察者の瞳へと導光する薄型の光学装置、及び、この光学装置を備え、２次元画像を虚像光学系により拡大虚像として観察者に観察させるべく表示する虚像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、２次元画像を虚像光学系により拡大虚像として観察者に観察させるべく表示する虚像表示装置として、ホログラム光学素子の中でも、特に、反射型体積ホログラムグレーティングを用いた図１１に示すような虚像表示装置１００がある。
【０００３】
虚像光学装置１００は、図１１に示すように、画像を表示する画像表示素子１１１と、画像表示素子１１１で表示された表示光を入射して、観察者の瞳１１６へと導く虚像光学系とを備えている。
【０００４】
画像表示素子１１１は、例えば、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ、無機ＥＬディスプレイや、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）などである。
【０００５】
虚像光学系は、コリメート光学系１２１と、導光板１２２と、導光板１２２に設けられた第１の反射型体積ホログラムグレーティング１２３と、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２４とを備える。
【０００６】
コリメート光学系１２１は、画像表示素子１１１の各画素から射出された光束を入射して、互いに画角の異なる平行光束群とする光学系である。コリメート光学系１２１から射出された、互いに画角の異なる平行光束群は、それぞれ導光板１２２に入射される。
【０００７】
導光板１２２は、コリメート光学系１２１から射出された互いに画角の異なる平行光束群を入射する光入射口１２２ａを一方端部に有し、他方端部に光を射出する光射出口１２２ｂを有する光学面１２２ｃと、この光学面１２２ｃに対向する光学面１２２ｄとを主面とする薄型の平行平板な導光板である。
【０００８】
導光板１２２の光学面１２２ｄには、光学面１２２ｃの光入射口１２２ａと対向する位置に第１の反射型体積ホログラムグレーティング１２３が設けられ、光学面１２２ｃの光射出口１２２ｂと対向する位置に第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２４が設けられている。
【０００９】
図１２に、干渉縞が記録された第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２４の断面図を示す。図１２に示すように、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２４には、干渉縞の傾きであるスラント角が異なる３種類の干渉縞が、ホログラム表面１２４Ｓにおいて、それぞれ同一ピッチとなるように多重化して記録されている。第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２４は、スラント角がそれぞれ異なる３種類の干渉縞を記録することで、回折受容角を広げている。第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２４には、干渉縞１２４ａ，１２４ｂ，１２４ｃがスラント角θａ，θｂ，θｃで、それぞれ同一ピッチ、つまり位置にかかわらず、均等なピッチで複数記録されている。第１の反射型体積ホログラムグレーティング１２３は、この第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２４と、光学面に直交する面に対して対称形状とされている。さらに、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２３，１２４は、それぞれ干渉縞が光学面１２２ｄと垂直な平面に対して対称となるように、導光板１２２の光学面１２２ｄ上に配置されている。
【００１０】
導光板１２２の光入射口１２２ａから入射した互いに画角の異なる平行光束群は、上述した第１の反射型体積ホログラムグレーティング１２３に入射され、それぞれの平行光束群が平行光束群のまま回折反射される。回折反射された平行光束群は、導光板１２２の光学面１２２ｃ，１２２ｄとの間で全反射を繰り返しながら進行し、上述した第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２４に入射することになる。
【００１１】
導光板１２２の長手方向の長さ及び光学面１２２ｃと光学面１２２ｄと間の厚みは、このときに内部を全反射しながら進行する互いに画角の異なる平行光束群が、各画角によって、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２４に到達するまでの全反射回数に違いがでるような光路長となるように、薄型化され、長手方向の長さも十分な長さとなるように設計されている。
【００１２】
具体的には、導光板１２２に入射する平行光束群のうち、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２４側へ傾きながら入射する平行光束、つまり入射角が大きな平行光束の反射回数は、それとは、逆に第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２４側へあまり傾かずに入射する平行光束、つまり入射角が小さな平行光束の反射回数と比較して少なくなる。これは、導光板１２２に入射した平行光束群は、それぞれ画角の異なる平行光束となって入射されるためである。つまり、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１２３への入射角度も異なることから、それぞれ異なる回折角で射出されることで、各平行光束の全反射角も異なっているため、導光板１２２を、薄型化し、長手方向の長さを十分確保することで、全反射する回数に違いが顕著にでることになる。
【００１３】
第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２４に入射した各画角の平行光束群は、回折反射されることで全反射条件からはずれ、導光板１２２の光射出口１２２ａから射出され、観察者の瞳１１６に入射する。
【００１４】
このように、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２４は、記録された干渉縞が、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１２３の干渉縞と光学面に直交する面に対して対称な形状となるように、導光板１２２の光学面１２２ｄ上に設置されている。したがって、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２４で反射される平行光束群は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１２３への入射角と等しい角度で反射されることになるため、表示画像がぼけることなく高い解像度で瞳１１６へ表示されることになる。
【００１５】
この虚像表示装置１００は、レンズ効果のない第１の反射型体積ホログラムグレーティング１２３及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２４を備えることで、単色偏心収差、回折色収差を排除低減することができる。
【００１６】
しかしながら、この虚像光学装置１００は、各光束の画角による色むら、輝度むらが大きかった。すなわち、この虚像光学装置１００の第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２３，１２４の干渉縞のスラント角は、多重化や積層化していたものの、１つのホログラム面内において一定であった。
【００１７】
この場合には、図1３に示すように、各画角によってホログラムに入射する光線の入射角が異なるため、ホログラム上のそれぞれの位置でブラッグ条件を満たす回折波長が異なるため、それぞれの位置で反射された光線Ｂ９１，Ｂ９２，Ｂ９３の回折効率がそれぞれ異なってしまうことになる。
【００１８】
このことは、図１４のようにホログラムに入射する光源波長スペクトルが一定の帯域を持っている場合、画角によって最も高い効率で回折する波長が異なり、表示画面の場所によって色合いが異なってしまうことがあった。すなわち、図１４中において、Ｓ９１，Ｓ９２，Ｓ９３で示される波長は、それぞれ、図１３中のＢ９１，Ｂ９２，Ｂ９３の位置で最も高い効率で回折される波長である。よって、光源波長スペクトルが一定の帯域を持っている場合、表示画面の場所によって色合いが異なってしまうおそれがある。また、ホログラムに入射する光が単波長の場合、画角によって回折効率が異なり輝度むらが発生するおそれがあった。
【００１９】
【特許文献１】特表平８−５０７８７９号公報
【特許文献２】特開２００２−１６２５９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明の目的は、画角による色むらや輝度むらを低減できる光学装置及び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】
【００２１】
上述の目的を達成するために、本発明に係る光学装置は、互いに進行方位の異なる平行光束群が入射し、内部を全反射により伝播した後射出するよう構成された導光板からなる光学装置において、前記導光板は、前記平行光束群の入射領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板内で内部全反射条件を満たすよう回折反射する第１の反射型体積ホログラムグレーティングと、前記平行光束群の射出領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板より射出するよう回折反射する第２の反射型体積ホログラムグレーティングとを備え、前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングのホログラム表面の干渉縞ピッチは、均一で、少なくとも前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングは、干渉縞がホログラム表面となす角が入射主光線に対してブラッグ条件を満たすようホログラム内で連続的、あるいは段階的に変化しており、前記導光板内の入射領域から射出領域にかけて全反射を繰り返しながら伝播する互いに進行方位の異なる平行光束群は、少なくともその一部が前記進行方位の違いによって全反射回数が互いに異なる。
【００２２】
また、上述の目的を達成するために、本発明に係る虚像表示装置は、光源と、前記光源から射出された光束を平行光とするコリメート光学系と、前記平行光を走査する走査光学系と、前記走査光学系にて互いに進行方位の異なる平行光束となされた平行光束群が入射し内部を全反射により伝播した後、観察者の瞳に向けて射出するよう構成された導光板とからなる虚像表示装置において、前記導光板は、前記平行光束群の入射領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板内で内部全反射条件を満たす角度で回折反射する第１の反射型体積ホログラムグレーティングと、前記導光板内を内部全反射にて伝播する平行光束群の射出領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板より射出する角度で回折反射する第２の反射型体積ホログラムグレーティングとを有し、前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングのホログラム表面の干渉縞ピッチは、均一で、少なくとも前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングは、干渉縞がホログラム表面となす角が入射主光線に対してブラッグ条件を満たすようホログラム内で連続的、あるいは段階的に変化しており、前記導光板内で全反射を繰り返しながら伝播する互いに進行方位の異なる平行光束群は、少なくともその一部が前記進行方位の違いによって全反射回数が互いに異なる。
【００２３】
また、上述の目的を達成するために、本発明に係る虚像表示装置は、画像表示素子と、前記画像表示素子の各画素から射出された光束を互いに進行方位の異なる平行光束群にするコリメート光学系と、前記平行光束群が入射し内部を全反射により伝播した後、観察者の瞳に向けて射出するよう構成された導光板とからなる虚像表示装置において、前記導光板は、前記平行光束群の入射領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板内で内部全反射条件を満たすよう回折反射する第１の反射型体積ホログラムグレーティングと、前記平行光束群の射出領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板より射出するよう回折反射する第２の反射型体積ホログラムグレーティングとを有し、前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングのホログラム表面の干渉縞ピッチは、均一で、少なくとも前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングは、干渉縞がホログラム表面となす角が入射主光線に対してブラッグ条件を満たすようホログラム内で連続的、あるいは段階的に変化しており、前記導光板内の入射領域から射出領域にかけて全反射を繰り返しながら伝播する互いに進行方位の異なる平行光束群は、少なくともその一部が前記進行方位の違いによって全反射回数が互いに異なる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る光学装置及び虚像表示装置は、少なくとも射出側の第２の反射型体積ホログラムグレーティングの干渉縞がホログラム表面となす角が入射主光線に対してブラッグ条件を満たすようにすることにより、画角による色むらや輝度むらを低減することを可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を適用した光学装置及び虚像表示装置について、図面を参照して説明する。
【００２６】
この虚像表示装置１０は、図１に示すように、照明光を出射する照明光源１１と、画像表示素子として、照明光源１１から出射された照明光を空間変調する空間変調素子１２と、空間変調素子１２で空間変調された照明光を入射して、観察者の瞳１６へと導く虚像光学系とを備えている。
【００２７】
また、照明光源１１と空間変調素子１２との間には、照明光源１１から出射された照明光を伝送するライトパイプ１３と、特定の波長帯域の照明光のみを透過するカラーフィルタ１４とが設けられる。
【００２８】
空間変調素子１２は、例えば、透過型の液晶ディスプレイなどであり、入射された照明光を画素毎に空間変調することになる。この空間変調された照明光は、虚像光学系へ入射される。すなわち、空間変調素子１２は、空間変調することで、導光板の入射面の面内において、平行光を走査することができる走査光学系として機能する。
【００２９】
尚、ここでは、照明光源１１と、空間変調素子１２を設けるように構成したが、例えば、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ、無機ＥＬディスプレイや、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）等の画像を表示する画像表示素子を設けるように構成しても良い。
【００３０】
カラーフィルタ１４は、観察者が観察可能な観察域を直径２ｍｍ以内となるように、第２の反射型体積ホログラムグレーティングに入射する波長帯域を制限している。ここで、カラーフィルタ１４は、例えば、波長帯域を１０ｎｍ程度とされている。
【００３１】
虚像光学系は、コリメート光学系２１と、導光板２２と、導光板２２に設けられた第１の反射型体積ホログラムグレーティング２３と、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４とを備える。
【００３２】
コリメート光学系２１は、空間変調素子１２で空間変調された照明光が入射されて、互いに画角の異なる平行光束群を出射させる光学系である。コリメート光学系２１から射出された、互いに画角の異なる平行光束群は、それぞれ導光板２２に入射される。
【００３３】
導光板２２は、コリメート光学系２１から射出された平行光束群を入射する光入射口２２ａを一方端部に有し、他方端部に光を射出する光射出口２２ｂを有する第１の光学面２２ｃと、この第１の光学面２２ｃに対向する第２の光学面２２ｄとを主面とする薄型の平行平板な導光板である。
【００３４】
導光板２２の第２の光学面２２ｄには、第１の光学面２２ｃの光入射口２２ａと対向する位置に第１の反射型体積ホログラムグレーティング２３が設けられ、第１の光学面２２ｃの光射出口２２ｂと対向する位置に第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４が設けられている。
【００３５】
この第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２３，２４は、導光板２２の全反射面と平行に配置されている。第１の反射型体積ホログラムグレーティング２３は、平行光束群の入射領域にて平行光束群を平行光束群のまま導光板２２内で内部全反射条件を満たす角度で回折反射させる。第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４は、導光板２２内を内部全反射にて伝播する平行光束群の射出領域にて平行光束群を平行光束群のまま導光板２２より射出させる角度で回折反射させる。
【００３６】
ここで、図２及び図３に、干渉縞が記録された第１の反射型体積ホログラムグレーティング２３、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４の断面図をそれぞれ示す。図２及び図３に示すように、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２３，２４は、ホログラム表面の干渉縞ピッチは均一とされている。すなわち、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２３，２４の略同一波長帯域を回折する干渉縞のホログラム表面の干渉縞ピッチＰ１，Ｐ２は、それぞれ互いに等しく形成されている。
【００３７】
第１の反射型体積ホログラムグレーティング２３には、図２に示すように、干渉縞の傾き、すなわち、干渉縞Ｆ１１，Ｆ１２，Ｆ１３，・・，Ｆ１ｎがホログラム表面となす角である、スラント角θ１１，θ１２，θ１３，・・・，θ１ｎが、ブラッグ条件を満たすようにホログラム内で連続的に変化されて形成されている。
【００３８】
第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４は、図３に示すように、同一入射位置において互いに入射角度が等しく、且つ、異なる波長帯域の光束を略同一の回折角にてそれぞれ主に回折する複数のホログラム層２４ａ，２４ｂが積層化されている。すなわち、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４は、互いに等しい干渉縞を有する複数のホログラム層２４ａ，２４ｂをホログラム表面の干渉縞と垂直な方向にずらして積層化して構成されている。
【００３９】
そして、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４の各ホログラム層２４ａ，２４ｂには、それぞれ、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２３と同様に、干渉縞の傾き、すなわち、干渉縞Ｆ２１，Ｆ２２，Ｆ２３，・・，Ｆ２ｎがホログラム表面となす角である、スラント角θ２１，θ２２，θ２３，・・・，θ２ｎが、ブラッグ条件を満たすようにホログラム内で連続的に変化されて形成されている。
【００４０】
すなわち、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２３，２４は、ホログラム面内の干渉縞Ｆ１１，Ｆ１２，Ｆ１３，・・・，Ｆ１ｎ，Ｆ２１，Ｆ２２，Ｆ２３，・・・，Ｆ２ｎの傾きが位置に応じて変化されて形成されている。
【００４１】
また、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４の各ホログラム層２４ａ，２４ｂは、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２３と、導光板２２の第１及び第２の光学面２２ｃ，２２ｄに直交する面に対して、対称形状とされている。
【００４２】
また、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２３のスラント角θ１１，θ１２，θ１３，・・・，θ１ｎは、θ１１＜θ１２＜θ１３＜・・・＜θ１ｎで示されるように、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４に近接するに従って増加して形成されている。
【００４３】
さらに、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４のスラント角θ２１，θ２２，θ２３，・・・，θ２ｎは、θ２１＜θ２２＜θ２３＜・・・＜θ２ｎで示されるように、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２３に近接するに従って増加して形成されている。
【００４４】
第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２３，２４は、干渉縞のスラント角θ１１，θ１２，θ１３，・・・，θ１ｎ，θ２１，θ２２，θ２３，・・・，θ２ｎが、ブラッグ条件を満たすように変化されて形成されているので、画角に応じた回折効率を均一化でき、輝度むらを解消することができる。
【００４５】
尚、ここでは、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２３，２４の干渉縞のスラント角を、ブラッグ条件を満たすようにホログラム内で連続的に変化されて形成されているが、これに限られるものではなく、段階的に変化されていてもよい。
【００４６】
また、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２３，２４の両方の干渉縞のスラント角が連続的に変化されるように形成されているが、少なくとも第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４の干渉縞のスラント角が連続的又は段階的に変化されるように構成されていればよい。
【００４７】
ここで、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２３，２４の干渉縞のスラント角を変化させることで、画角に応じた回折効率を均一化でき、輝度むらを解消することができることについて図４を用いて説明する。
【００４８】
図４（ａ）は、上述した第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４の一方のホログラム層２４ａを示す。ここで、他方のホログラム層２４ｂは、ホログラム層２４ａと同様であり、また、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２３は、導光板２２の第１及び第２の光学面２２ｃ，２２ｄに直交する面に対して対称であることを除いて同様であるので説明は省略する。図４（ｂ）は、本発明と比較するための比較例に係る反射型体積ホログラムグレーティング１２４を示す。図４（ｂ）に示す、反射型体積ホログラムグレーティング１２４は、その干渉縞が同一ピッチであり、干渉縞の各スラント角が一定とされている。
【００４９】
図４（ａ）に示すように、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４のホログラム層２４ａでは、干渉縞のスラント角が連続的に変化されて形成されていることから、画角θ３１，θ３２，θ３３によらず、各光束Ｂ３１，Ｂ３２，Ｂ３３の回折効率を均一にできる。尚、図４（ａ）中、画角θ３２は、０°である。
【００５０】
一方、図４（ｂ）に示す、比較例の反射型体積ホログラムグレーティング１２４では、干渉縞のスラント角が一定とされていることから、画角θ４１，θ４２，θ４３に応じて、各光束Ｂ４１，Ｂ４２，Ｂ４３の回折効率が異なってしまい、色むら、輝度むらを発生させる原因となってしまう。尚、図４（ｂ）中、画角θ４２は、０°である。
【００５１】
以上のように、図４（ａ），図４（ｂ）に示すように、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２３，２４は、干渉縞のスラント角をブラッグ条件を満たすように変化されて形成することで、画角に応じた回折効率を均一化でき、輝度むらを解消することができる。
【００５２】
すなわち、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２３，２４が、各画角の光束の回折反射を受け持つホログラム面内の干渉縞の傾きを位置に応じて変えることで、画面内の色むらと輝度むらを解消する。
【００５３】
また、虚像表示装置１０において、上述したカラーフィルタ１４により、観察者の瞳１６に到達する波長帯域を狭くしていることから、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２３，２４の干渉縞のスラント角を変化されて形成されることによる弊害である射出瞳径内での色むらを防止することができる。
【００５４】
ここで、カラーフィルタ１４により波長帯域を狭くすることにより、射出瞳径内での色むらを防止することができることについて図５を用いて説明する。
【００５５】
図５（ａ）は、上述した反射型体積ホログラムグレーティング２４の一方のホログラム層２４ａに、到達する波長帯域を狭くした状態を示す。尚、ホログラム層２４ｂにおいても同様であり、また、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２３についても導光板２２の第１及び第２の光学面２２ｃ，２２ｄに直交する面に対して対称であることを除いて同様であるので、説明は省略する。図５（ｂ）は、本発明と比較するための比較例に係る虚像表示装置の反射型体積ホログラムグレーティング１３４を示す。図５（ｂ）に示す、反射型体積ホログラムグレーティング１３４の干渉縞及びそのスラント角は、ホログラム層２４ａと同様であり、この反射型体積ホログラムグレーティング１３４に到達する波長帯域を制限しないものである。
【００５６】
図５（ｂ）に示す比較例の虚像表示装置では、カラーフィルタを設けないので、到達する波長帯域に幅があり、反射型体積ホログラムグレーティング１３４の干渉縞のスラント角が変化されていることから、異なる波長の光束Ｂ６１，Ｂ６２，Ｂ６３の波長に応じて、回折効率が異なることから、射出瞳径内で場所によって色のむらが発生する。
【００５７】
一方で、図５（ａ）に示す本発明の虚像表示装置では、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４に入射する波長帯域をカラーフィルタ１４により制限して狭くしているため、ホログラム層２４ａの干渉縞のスラント角が連続的に変化されていても、異なる波長の光束Ｂ５１，Ｂ５２，Ｂ５３の波長に応じて、回折効率の差が小さいことから、射出瞳径内で場所によって色むらが発生するのを防止し、さらに上述のように、画角に応じた回折効率の均一化を達成する。
【００５８】
尚、ここでは、カラーフィルタ１４を設けることで瞳に入射する波長帯域を狭くしているが、発光スペクトルが十分に小さい照明光源を用いてもよい。
【００５９】
以上のように、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、虚像表示装置１０において、カラーフィルタ１４により、観察者の瞳１６に到達する波長帯域を狭くするとともに、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２３，２４の干渉縞のスラント角を変化されて形成されることにより、画角に応じた回折効率の均一化を達成するとともに、射出瞳径内での色むらを防止することができる。
【００６０】
また、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４は、同一入射位置において互いに入射角度が等しく、且つ、異なる波長帯域の光束を略同一の回折角にてそれぞれ主に回折する複数のホログラム層２４ａ，２４ｂが積層化されていることから、導光板２２内を伝播する平行光束群の一部を２回以上回折反射し、回折の度に光量の一部を導光板２２から射出するように構成されている。
【００６１】
すなわち、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４は、図１に示すように、導光板２２内を伝播した光束を導光板２２より２回射出させることができ、観察可能な領域１７ａ，１７ｂを２箇所形成することができる。
【００６２】
虚像表示装置１０において、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４は、観察可能な領域１７ａ，１７ｂを２箇所形成することができることから、この２つの観察可能領域１７ａ，１７ｂの間の距離を適度に調整することにより、観察領域が比較的広く、かつ通常常時片方の観察可能領域に集まる光線のみが瞳に入るようにすることができる。
【００６３】
例えば、この虚像表示装置１０において、この観察領域間の距離を２ｍｍ程度とすることにより、観察可能領域幅２ｍｍ以下のように小さければ、観察者の眼のレンズの調整機能が低かったり、収差があったりしても鮮明な画像を認識することができ、さらに、視機能が良好な観察者においても、眼のピント調整が不要となるため、虚像観察が楽に行え、疲労を軽減することができる。
【００６４】
以上のように構成された虚像表示装置１０において、導光板２２の光入射口２２ａから入射した互いに画角の異なる平行光束群は、上述した第１の反射型体積ホログラムグレーティング２３に入射され、それぞれの平行光束群が平行光束群のまま回折反射される。回折反射された平行光束群は、導光板２２の第１及び第２の光学面２２ｃ，２２ｄとの間で全反射を繰り返しながら進行して伝播し、上述した第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４に入射することになる。
【００６５】
導光板２２内の入射領域から射出領域にかけて全反射を繰り返しながら伝播する互いに進行方位の異なる平行光束群は、少なくともその一部が進行方位の違いによって全反射回数が互いに異なる。
【００６６】
すなわち、導光板２２の長手方向の長さ及び第１の光学面２２ｃと第２の光学面２２ｄとの間の厚みは、このときに内部を全反射しながら進行する互いに画角の異なる平行光束群が、各画角によって、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４に到達するまでの全反射回数に違いがでるような光路長となるように、薄型化され、長手方向の長さも十分な長さとなるように設計されている。
【００６７】
具体的には、導光板２２に入射する平行光束群のうち、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４側へ傾きながら入射する平行光束、つまり入射角が大きな平行光束の反射回数は、それとは、逆に第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４側へあまり傾かずに入射する平行光束、つまり入射角が小さな平行光束の反射回数と比較して少なくなる。これは、導光板２２に入射した平行光束群は、それぞれ画角の異なる平行光束となって入射されるためである。つまり、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２３への入射角度も異なることから、それぞれ異なる回折角で射出されることで、各平行光束の全反射角も異なっているため、導光板２２を、薄型化し、長手方向の長さを十分確保することで、全反射する回数に違いが顕著にでることになる。
【００６８】
第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４に入射した各画角の平行光束群は、回折反射されることで全反射条件からはずれ、導光板２２の光射出口２２ｄから射出され、観察者の瞳１６に入射する。
【００６９】
このように、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４は、記録された干渉縞が、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２３の干渉縞を導光板２２の第１及び第２の光学面２２ｃ，２２ｄに直交する面に対して対称に、導光板２２の第２の光学面２２ｄ上に設置されている。したがって、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４で反射される平行光束群は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２３への入射角と等しい角度で反射されることになるため、表示画像がぼけることなく高い解像度で瞳１６へ表示されることになる。
【００７０】
なお、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２３と、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４とは、導光板２２の第１及び第２の光学面２２ｃ，２２ｄに対して各ホログラム面が平行となるように配置されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ホログラム面が、それぞれ第１及び第２の光学面２２ｃ，２２ｄに対して所定の角度を持つように配置させることもできる。
【００７１】
本発明を適用した虚像表示装置１０は、少なくとも第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４の干渉縞の傾き角が、各画角の主光線と中心波長に対してブラッグ条件となるように構成されていることから、画角による色むらや輝度むらを低減することが可能となる。
【００７２】
また、本発明を適用した虚像表示装置１０は、カラーフィルタ１４により波長帯域を狭くしているので、干渉縞の傾き角が、変化していることによる色むらを防止することができる。
【００７３】
さらに、本発明を適用した虚像表示装置１０は、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２３，２４の少なくとも１つが、同一入射位置にて互いに入射角度が等しく異なる波長帯域の光束を略同一の回折角にてそれぞれ主に回折する複数のホログラム層を積層化して構成したので、導光板２２内を伝播した光束を導光板２２より２回射出させ、観察可能な領域１７ａ、１７ｂを２箇所形成することができ、この領域１７ａ，１７ｂ間の距離を適度に調整することにより、観察領域が比較的広く、且つ常時片方の観察可能領域に集まる光線のみが瞳に入るようにすることができる。すなわち、本発明を適用した虚像表示装置１０は、観察者の眼のレンズ調整機能が低かったり、収差があったりしても鮮明な画像を認識することができ、さらに、視機能が良好な観察者においても、虚像観察が楽に行え、疲労を軽減することができる。
【００７４】
尚、上述の第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２３，２４では、干渉縞のスラント角がホログラム内で連続的に変化されて形成されるように構成したが、これに限られるものではなく、例えば、図６に示すように、領域内で同一スラント角を有する複数の領域により構成してもよい。
【００７５】
すなわち、図６に示す第２の反射型体積ホログラムグレーティング３４は、長さ方向に５分割された第１乃至第５の領域３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ，３４ｅからなり、全領域におけるホログラム面上の表面ピッチは等しくされ、各領域におけるスラント角θ５１，θ５２，θ５３，θ５４，θ５５が等しくされ、且つ、θ５１＜θ５２＜θ５３＜θ５４＜θ５５で示されるように、第１の反射型体積ホログラムグレーティング側に近接する領域にしたがって、スラント角が増加されるように構成される。また、このスラント角θ５１，θ５２，θ５３，θ５４，θ５５は、ブラッグ条件を満たすように決定されている。
【００７６】
図６に示す反射型体積ホログラムグレーティング３４は、上述した第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２３，２４と同様に、画角に応じた回折効率を均一化でき、輝度むらを解消することができる。ここで、第２の反射型体積ホログラムグレーティング３４の例として説明したが、第１の反射型体積ホログラムグレーティングにおいても、導光板２２の第１及び第２の光学面２２ｃ，２２ｄに直交する面に対称形状に形成されることを除いて同様である。
【００７７】
また、上述では、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４を複数のホログラム層２４ａ，２４ｂ積層化して形成するように構成したが、これに限られるものではなく、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２３，２４の少なくとも１つを同一入射位置にて互いに入射角度が等しく異なる波長帯域の光束を略同一の回折角にてそれぞれ主に回折する複数のホログラム層を積層化して構成すればよい。
【００７８】
また、上述では、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４を複数のホログラム層２４ａ，２４ｂを積層化して形成するように構成したが、これに限られるものではなく、例えば、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２３，２４の少なくとも１つを、同一入射位置にて互いに入射角度が等しく異なる波長帯域の光束を略同一の回折角にてそれぞれ主に回折する複数の干渉縞を多重化して形成するように構成しても良い。
【００７９】
例えば、図７に示すような、第２の反射型体積ホログラムグレーティング４４を用いても良い。すなわち、第２の反射型体積ホログラムグレーティング４４は、それぞれ干渉縞ピッチが均一とされ、同一波長帯域を回折する第１の干渉縞群４４ａ、第２の干渉縞群４４ｂ、第３の干渉縞群４４ｃを有する。第２の反射型体積ホログラムグレーティング４４において、互いに等しい複数の干渉縞である第１乃至第３の干渉縞４４ａ，４４ｂ，４４ｃをホログラム表面の干渉縞と垂直な方向にずらして多重化して形成されている。
【００８０】
また、この各干渉縞４４ａ，４４ｂ，４４ｃにおいて、上述の第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４のホログラム層２４ａに設けた干渉縞と同様に、干渉縞のスラント角が、ブラッグ条件を満たすようにホログラム内で連続的に変化されて形成されている。
【００８１】
図７に示す第２の反射型体積ホログラムグレーティング４４は、上述した第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２３，２４と同様に、画角に応じた回折効率を均一化でき、輝度むらを解消することができる。ここで、第２の反射型体積ホログラムグレーティング４４の例として説明したが、第１の反射型体積ホログラムグレーティングにおいても、導光板２２の第１及び第２の光学面２２ｃ，２２ｄに直交する面に対称形状に形成されることを除いて同様である。
【００８２】
また、これに限られるものではなく、例えば、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２３，２４の少なくとも１つを、同一入射位置にて互いに波長が等しく異なる入射角度の光束をそれぞれ主に回折し、且つ、同一波長同一入射角の光束を等しい回折角にてそれぞれ回折する複数のホログラム層を積層化してなるように構成してもよい。
【００８３】
さらに、これに限られるものではなく、例えば、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２３，２４の少なくとも１つを、同一入射位置にて互いに波長が等しく異なる入射角度の光束をそれぞれ主に回折し、且つ、同一波長同一入射角の光束を等しい回折角にてそれぞれ回折する複数の干渉縞を多重化してなるように構成しても良い。
【００８４】
また、入射側に設けられる第１の反射型体積ホログラムグレーティングは、図８に示すように、その表面の干渉縞と垂直な方向に干渉縞の積層数又は多重化数が変化されて形成されていてもよい。
【００８５】
図８に示す、第１の反射型体積ホログラムグレーティング５３は、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４に近接する方向に向かって、干渉縞の積層数が増加して形成されている。この第１の反射型体積ホログラムグレーティング５３は、ホログラム上の同一位置において、コリメータ光学系から射出した複数の入射角度を有する平行光束を所望の回折波長で回折することを実現する。第１の反射型体積ホログラムグレーティング５３の干渉縞は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２３の干渉縞と同様に、スラント角が、ブラッグ条件を満たすようにホログラム内で連続的に変化されて形成されている。
【００８６】
このとき、ホログラム上の回折すべき入射角の分布は、図９に示すように、ホログラム上の位置によって異なっている。尚、図９において、横軸は、ホログラム上の位置を示し、縦軸は、そのホログラム上の位置において回折すべき光束の入射角の分布を示すものである。このため、図８では、入射側ホログラムをその表面の干渉縞と垂直な方向に沿って矩形に領域分割し、この領域ごとに干渉縞の積層数を変えるとともに、積層する干渉縞のスラント角も変えている。例えば、表面の干渉縞と垂直な方向に沿って、領域５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄに４分割し、領域５３ａでは、領域５３ａ１，５３ａ２を積層し、領域５３ｂでは、領域５３ｂ１，５３ｂ２，５３ｂ３，５３ｂ４を積層し、領域５３ｃでは、領域５３ｃ１，５３ｃ２，５３ｃ３，５３ｃ４，５３ｃ５を積層し、領域５３ｄでは、領域５３ｄ１，５３ｄ２，５３ｄ３，５３ｄ４，５３ｄ５を積層し、各領域における干渉縞のスラント角を変えている。ここで、ホログラム表面の干渉縞ピッチは同一波長帯域用については全て等しくされている。この場合、干渉縞のスラント角は、瞳に近い側でより小さくされている。
【００８７】
そして、図９に示す、回折すべき入射角の分布は、例えば、瞳から最も離間した領域５３ａの位置では、入射角が最大に近いθ７０ｍａｘの光線Ｂ７０を回折する必要があり、領域５３ｃの位置では、入射角θ７１，θ７２，θ７３の光線Ｂ７１，Ｂ７２，Ｂ７３を回折回折する必要がある。また、同じ領域５３ｃの位置では、例えば、θ７１＞θ７２＞θ７３のように入射角が大きい順で各光線Ｂ７１，Ｂ７２，Ｂ７３は、ホログラム表面から遠い領域５３ｃ５，５３ｃ３，５３ｃ１で回折される。
【００８８】
尚、ここでは、干渉縞の積層数を増加させる例について説明したが、干渉縞の多重化数が、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４に近接する方向に向かって増加して形成されるように構成しても良い。
【００８９】
この第１の反射型体積ホログラムグレーティング５３は、上述の第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２３，２４と同様に、画角に応じた回折効率を均一化でき、輝度むらを解消することができる。また、入射側の第１の反射型体積ホログラムグレーティング５３は、図８及び図９に示すように、領域に分けて、積層又は多重化数を変えることで、できる限り光線がホログラム媒質中を通る距離を短くできるので、再生光線がホログラム層を通過する際、わずかながら散乱や吸収の影響を受けるのを低減することができる。
【００９０】
このように入射側反射型体積ホログラムグレーティング５３を領域に分けて、積層又は多重化数を変えるのは、再生光線がホログラム層を通過する際、わずかながら散乱や吸収を伴うため、できる限り光線がホログラム媒質中を通る距離を短くしたいためである。
【００９１】
尚、上述の虚像表示装置１０において、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２３，５３と、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４，３４，４４を備え、互いに進行方位の異なる平行光束群が入射し、内部を全反射により伝播した後射出するように構成された導光板２２は、表示画像光を観察者の瞳へと導光する薄型の光学装置を構成する。
【００９２】
以上のように、本発明を適用した光学装置及び虚像表示装置は、特に射出側の第２の反射型体積ホログラムグレーティングの干渉縞の傾き角を、各画角の主光線と中心波長に対してブラッグ条件となるように構成することにより、画角による色むらや輝度むらの低減を実現する。
【００９３】
また、本発明を適用した光学装置及び虚像表示装置は、波長帯域を狭くすることで、干渉縞の傾き角が、連続的に変化していることによる色むらを防止することができる。
【００９４】
さらに、本発明を適用した光学装置及び虚像表示装置は、観察可能な領域を複数箇所形成することができ、観察領域が比較的広くでき、観察者の眼のレンズ調整機能が低かったり、収差があったりしても鮮明な画像を認識することができ、さらに、視機能が良好な観察者においても、虚像観察が楽に行え、疲労を軽減することができる。
【実施例】
【００９５】
以下に、本発明を適用した虚像表示装置１０の第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４のホログラム層２４ａについて、図１０及び表１に数値データを挙げて、更に具体的に説明する。尚、ホログラム層２４ｂについても同様であり、また、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２３においても、光学面に直交する面に対して対称形状であることを除いて同様である。
【００９６】
本実施例において、表示画角を±１０度とした場合の各画角の主光線入射位置の干渉縞の傾き角の分布（画角１度ごとに記載）は、表１のようになる。
【００９７】
【表１】
2006350129.tif 000003
【００９８】
本実施例において、導光板２２の材質をＰＭＭＡ（屈折率１．４９）とし、画角−８度で導光板に入射した光線の導光板２２内での全反射角が４３度となるようなグレーティングを基準とした。
【００９９】
尚、表１に示す「画角」は、図１０に示す画角α１，α２であり、プラス側をα１で示し、マイナス側をα２で示す。また、表２に示す「媒質内画角」は、図１０に示す媒質内画角α３で示すものであり、表２に示す「全反射角」は、図１０に示す全反射角α４で示すものある。さらに、表２に示す「媒質内干渉縞スラント角」は、図１０に示すスラント角α５で示すものである。また、表２に示す「ホログラム上の位置」は、図１０に示すホログラム上の中心線からの距離Ｘ１，Ｘ２で示される。
【０１００】
表１に示すように、干渉縞のスラント角を設定した本実施例に係るホログラム層２４ｂは、眼の前に配置される反射型ホログラム光学素子の干渉縞を、表面のグレーティング・ピッチは一定のまま、各画角において同一波長でブラッグ条件となるように連続的に変えることで、上述した図４（ａ）に示すように、回折効率を均一にでき、画角ごとに発生する色むら及び輝度むらを解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明を適用した虚像表示装置を示す断面図である。
【図２】本発明を適用した虚像表示装置及び光学装置を構成する第１の反射型体積ホログラムグレーティングを示す断面図である。
【図３】本発明を適用した虚像表示装置及び光学装置を構成する第２の反射型体積ホログラムグレーティングを示す断面図である。
【図４】反射型体積ホログラムグレーティングの干渉縞の傾きと回折効率との関係を説明する図であり、（ａ）は、本発明を適用した虚像表示装置を構成する反射型体積ホログラムグレーティングを示す断面図であり、（ｂ）は、本発明と比較する比較例の反射型体積ホログラムグレーティングを示す断面図である。
【図５】反射型体積ホログラムグレーティングに入射する光束の波長帯域を変化させたときの光束の回折効率を説明する図であり、（ａ）は、波長帯域をカラーフィルタ等により制限した場合の断面図であり、（ｂ）は、波長帯域を制限しない場合の断面図である。
【図６】本発明を適用した虚像表示装置の反射型体積ホログラムグレーティングの他の例を示す断面図である。
【図７】本発明を適用した虚像表示装置の反射型体積ホログラムグレーティングの更に他の例を示す断面図である。
【図８】反射型体積ホログラムグレーティングの領域に分けて、積層又は多重化数を変えた例を示す断面図である。
【図９】図８に示す反射型体積ホログラムグレーティングのホログラム上の光線入射分布を示す拡大断面図である。
【図１０】本実施例に係る虚像表示装置を示す断面図である。
【図１１】従来の虚像表示装置を示す断面図である。
【図１２】従来の虚像表示装置を構成する反射型体積ホログラムグレーティングを示す断面図である。
【図１３】従来の虚像表示装置を構成する反射型体積ホログラムグレーティングに異なる画角で光線が入射した状態を示す断面図である。
【図１４】虚像表示装置を構成する照射光源から出射される照明光の波長スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１０  虚像表示装置、  １１  照明光源、  １２  空間変調素子、  １３  ライトパイプ、  １４  カラーフィルタ、  ２１  コリメート光学系、  ２２  導光板、  ２２ａ  光入射口、  ２２ｂ  光射出口、  ２２ｃ  第１の光学面、  ２２ｄ  第２の光学面、  ２３  第１の反射型体積ホログラムグレーティング、  ２４  第２の反射型体積ホログラムグレーティング、  ２４ａ，２４ｂ  ホログラム層
【図１】
2006350129.tif 000004
【図２】
2006350129.tif 000005
【図３】
2006350129.tif 000006
【図４】
2006350129.tif 000007
【図５】
2006350129.tif 000008
【図６】
2006350129.tif 000009
【図７】
2006350129.tif 000010
【図８】
2006350129.tif 000011
【図９】
2006350129.tif 000012
【図１０】
2006350129.tif 000013
【図１１】
2006350129.tif 000014
【図１２】
2006350129.tif 000015
【図１３】
2006350129.tif 000016
【図１４】
2006350129.tif 000017