(57)【要約】【課題】像ボケを低減した虚像表示装置を提供すること。【解決手段】虚像表示装置は、レーザー光源１１と、レーザー光源１１からの光を走査することにより中間像を描画する走査部３０と、走査部３０により形成された中間像の位置に配置される拡散素子４０と、拡散素子４０を通過した光を射出瞳の位置に入射させる射出瞳形成部とを備え、拡散素子４０は、走査部からの光を、基本となる第１射出光Ｌ１０と、拡散素子４０からの光の射出位置において第１射出光Ｌ１０に対して所定の瞳半径ＰＲに向けての光の傾きに対応する取込角度ρより大きな分離角θをなす第２射出光Ｌ１２，Ｌ１２，Ｌ１３，Ｌ１４とに分離して射出する。【選択図】図１
2019184752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光源と、
前記レーザー光源からの光を走査することにより中間像を形成する走査部と、
前記走査部により形成された前記中間像の位置に配置される拡散素子と、
前記拡散素子を通過した光を射出瞳の位置に入射させる射出瞳形成部とを備え、
前記拡散素子は、前記走査部からの光を、基本となる第１射出光と、前記拡散素子からの光の射出位置において第１射出光に対して所定の瞳半径に向けての光の傾きに対応する取込角度より大きな分離角をなす第２射出光とに分離して射出する、虚像表示装置。
【請求項２】
前記拡散素子は、前記中間像の位置に沿って延び前記第１射出光を形成する第１面と、前記第１面に対して所定以上傾斜し前記第２射出光を形成する第２面とが繰り返される周期構造を有する、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記拡散素子は、前記第１射出光を０次光として射出するとともに前記第２射出光を１次光として射出する回折格子である、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記第１射出光に対する前記第２射出光の前記分離角をθとし、瞳径をＤとし、前記射出瞳形成部の焦点距離をＦとして、以下の関係
０．６Ｄ＜Ｆｔａｎθ＜１．２Ｄ
を満たす、請求項１〜３のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
前記拡散素子は、前記第１射出光を０次光として射出するとともに前記第２射出光を１次光として射出する回折格子であり、
前記回折格子の単位長あたりのスリット本数をＮ、前記レーザー光源からの光の波長をλとして、以下の関係
０．６Ｄ＜ＦＮλ／√（１−（Ｎλ）２）＜１．２Ｄ
を満たす、請求項４に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記拡散素子でのビームの径をＷとし、前記拡散素子の周期構造のピッチをＰとして、以下の関係
Ｐ＜０．５Ｗ
を満たす、請求項２に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、ヘッドマウントディスプレイその他の網膜走査型の虚像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
網膜走査型の虚像表示装置として、走査光学系による中間像面から外した位置に回折素子を配置するものが存在する。この虚像表示装置では、射出瞳を拡大する目的で、回折素子によって元のビームを３つのビームに分離するとともに、回折素子の配置の調整によって３つ射出瞳が近接して重畳する状態として、３つのビームを瞳孔に入射させている（特許文献１の図６、８等）。
【０００３】
しかしながら、特許文献１の虚像表示装置では、瞳孔に入射する３つのビームによってビーム断面が広がってマックスウェル視が不完全なものとなり、観察者の眼の異常の有無に関わらず像ボケを低減できるという網膜走査の利点が失われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−９８５７０号公報
【発明の概要】
【０００５】
本発明に係る虚像表示装置は、レーザー光源と、レーザー光源からの光を走査することにより中間像を形成する走査部と、走査部により形成された中間像の位置に配置される拡散素子と、拡散素子を通過した光を射出瞳の位置に入射させる射出瞳形成部とを備え、拡散素子は、走査部からの光を、基本となる第１射出光と、拡散素子からの光の射出位置において第１射出光に対して所定の瞳半径に向けての光の傾きに対応する取込角度より大きな分離角をなす第２射出光とに分離して射出する。ここで、所定の瞳半径は、標準的な眼の瞳を想定したものであり、具体的には、標準的な輝度の画像を観察することを前提として例えば１．５ｍｍとされる。
【０００６】
上記虚像表示装置によれば、拡散素子が、走査部からの光を基本となる第１射出光と、拡散素子からの光の射出位置において第１射出光に対して所定の瞳半径に向けての光の傾きに対応する取込角度より大きな分離角をなす第２射出光とに分離して射出するので、第１射出光と第２射出光とが瞳孔にともに入射することを回避しつつ、眼の向きが元入射していた射出光が瞳孔外となる程度に大きく変化したときであっても、第１射出光と第２射出光とのいずれか一方が瞳孔に入射することを確保し易くなる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態に係る虚像表示装置を示す概念的な断面図である。
【図２Ａ】拡散素子の部分的な拡大断面図である。
【図２Ｂ】拡散素子を第２面側から見た斜視図である。
【図２Ｃ】拡散素子を第１面側から見た斜視図である。
【図３】拡散素子の機能について説明する上下方向から見た断面図である。
【図４Ａ】第２実施形態に係る虚像表示装置の拡散素子の部分的な拡大断面図である。
【図４Ｂ】拡散素子を第２面側から見た斜視図である。
【図４Ｃ】拡散素子を第１面側から見た斜視図である。
【図５】第３実施形態に係る虚像表示装置の概念的な断面図である。
【図６Ａ】変形例の拡散素子を説明する部分拡大正面図である。
【図６Ｂ】別の変形例の拡散素子を説明する部分拡大正面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係る虚像表示装置１００の構造を模式的に示す図である。虚像表示装置１００は、光源部１０と、走査部３０と、拡散素子４０と、結像光学系６０と、制御部８０とを備える。
【０００９】
光源部１０は、ＬＤ（Laser Diode；半導体レーザー）その他のレーザー光源１１と、レーザー光源１１から射出された光を平行光に近いビームＬ１に変換するビーム形成レンズ１２と、レーザー光源１１を動作させる光源駆動部１３とを含む。光源部１０は、単一のレーザー光源１１を含むものに限らず、例えばＲＧＢの３色に対応する３つのＬＤを含むものとでき、この場合、例えば各色のＬＤごとにビーム形成レンズを設け、各色のＬＤからの光を略平行化したビームＬ１を後述するスキャンミラー３１に入射させる。レーザー光源１１は、光源駆動部１３の制御下で動作し、画像データに基づいて変調した光を射出する。
【００１０】
走査部３０は、光源部１０からのビームＬ１を２次元走査するスキャンミラー３１と、スキャンミラー３１の姿勢を調整するミラー駆動部３３とを備える。スキャンミラー３１は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を用いたものである。スキャンミラー３１が基準位置にあるとき、基準位置に対応する反射面３２ａで反射された基本のビームＬａは、光軸ＡＸに沿って射出され、スキャンミラー３１が傾いた位置にあるとき、傾いた反射面３２ｂ，３２ｃで反射されたビームＬｂ，Ｌｃは、所定の偏角で光軸ＡＸから外れた方向に射出される。スキャンミラー３１は、２次元走査タイプに限らず、１次元走査タイプのスキャンミラーを２つ組み合わせて２次元走査を実現するものであってもよい。走査部３０は、光源部１０から照射されたビームＬ１をスキャンミラー３１によって２次元走査とすることで、後述する拡散素子４０の位置又はその近傍に中間像ＩＡを形成する。
【００１１】
拡散素子４０は、平板状の部材であり、光源部１０及び走査部３０の光学系によって定まる中間像位置ＰＩ又はその近傍に配置される。拡散素子４０は、後に詳述する周期構造を有し、走査部３０からのビームＬ１を、基本となる第１射出光Ｌ１０と、第１射出光Ｌ１０に対して分離角θをなす一対の第２射出光Ｌ１１，Ｌ１２とに分離して射出する。ここで、分離角θは、拡散素子４０からの光の射出位置において第１射出光Ｌ１０に対して所定の瞳半径ＰＲに向けての光Ｌｐの傾きに対応する取込角度ρより大きくなっている。瞳半径ＰＲは、標準的な輝度の画像を観察することを前提として例えば１．５ｍｍとされる。瞳半径ＰＲについては、使用条件や用途等を考慮して適切に調整することができる。具体的には、瞳径が明るいときに３ｍｍ、暗いときに７ｍｍと変化することに対応させて、例えば１．５ｍｍ〜３．５ｍｍの範囲で調整することができる。なお、走査部３０から射出されたビームＬ１は、ビーム形成レンズ１２によって最も細く絞られた位置である中間像位置ＰＩに中間像ＩＡを形成する。仮に拡散素子４０が存在しないとすると、ビームＬ１は中間像位置ＰＩを透過した後、ビームＬ１の小さな収束角の開口数と同じ開口数で僅かに広がる。ビームＬ１の収束角は、第１射出光Ｌ１０の発散角に対応し、虚像表示装置１００の仕様にもよるが、例えば約３°である。
【００１２】
結像光学系６０は、正のパワーを有する凸レンズであり、拡散素子４０から焦点距離Ｆだけ離れて配置されている。結像光学系６０は、拡散素子４０を通過したビームＬ１を射出瞳ＥＰの位置ＰＰに入射させる射出瞳形成部又は表示光学系として機能している。結像光学系６０の結像側において、結像光学系６０から距離２Ｆだけ離れて射出瞳ＥＰの位置ＰＰが設定されている。この射出瞳位置ＰＰに観察者の眼ＥＹが配置されることで、虚像表示装置１００によって形成される虚像の観察が可能になる。射出瞳位置ＰＰにおいて、第２射出光Ｌ１１，Ｌ１２の間隔の半値δ又は第１射出光Ｌ１０と第２射出光Ｌ１１との間隔は、瞳ＵＰの瞳半径ＰＲよりもマージンをとって大きくなっている。換言すれば、第２射出光Ｌ１１，Ｌ１２の幅の半値δは、射出瞳ＥＰへの光Ｌｐの入射位置の光軸ＡＸからの距離よりもマージンをとって大きくなっている。これにより、第１射出光Ｌ１０と第２射出光Ｌ１１，Ｌ１２とが同時に瞳ＵＰに入射することを回避できるだけでなく、眼ＥＹが動いても第１射出光Ｌ１０及び第２射出光Ｌ１１，Ｌ１２のいずれかが眼ＥＹに入射して虚像を捉えることができる。なお、拡散素子４０は、スキャンミラー３１から光源側に焦点距離Ｆだけ離れて配置されている。拡散素子４０を射出瞳形成部である結像光学系６０の前側焦点位置に配置することで、拡散素子４０の第１周期構造４１で分割された射出光Ｌ１０，Ｌ１１，Ｌ１２を互いに平行なビームとして射出瞳位置ＰＰに入射させることができる。
【００１３】
結像光学系６０は、図示のように一枚のレンズで構成されるものに限らず、例えば複数のレンズを組み合わせたものとすることができる。
【００１４】
制御部８０は、光源部１０の光源駆動部１３と、走査部３０のミラー駆動部３３とに通信可能に接続され、光源部１０や走査部３０の動作を管理しており、虚像表示装置１００による虚像の表示動作を可能にする。
【００１５】
図２Ａに示すように、拡散素子４０の射出側である第２面Ｓ２側には、第１周期構造４１が形成されている。第１周期構造４１は、平坦部４１ａと傾斜部４１ｂとを含む。平坦部４１ａは、光軸ＡＸに略平行に延びる平面４１ｄを有し、後述する平坦部１４１ａを経たビームＬ１を直進させて第１射出光Ｌ１０を形成する。平面４１ｄは、第１周期構造４１において中間像位置ＰＩに沿って延び、第１射出光Ｌ１０を形成する第１面として機能する。傾斜部４１ｂは、光軸ＡＸに対して所定の傾斜角εをなす一対の斜面４１ｆ，４１ｇを有し、後述する平坦部１４１ａを経たビームＬ１をｘ方向に屈折させて±ｘ方向に分割された離散的な一対の第２射出光Ｌ１１，Ｌ１２を形成し、射出瞳ＥＰの位置においてもその状態が維持される。斜面４１ｆ，４１ｇは、第１面である平面４１ｄに対して所定以上傾斜し第２射出光Ｌ１１，Ｌ１２を形成する第２面として機能する。第２射出光Ｌ１１，Ｌ１２の分離角θについては、拡散素子４０の屈折率をｎとすると、ｓｉｎ（θ＋ε）＝ｎ×ｓｉｎ（ε）の関係が成り立つので、値ｎ，εを適宜調整することにより、分離角θを所望の値に設定することができる。
【００１６】
第１射出光Ｌ１０に対する第２射出光Ｌ１１，Ｌ１２の分離角θについては、瞳ＰＵの瞳径をＤとし、射出瞳形成部である結像光学系６０の焦点距離をＦとして、以下の関係
０．６Ｄ＜Ｆｔａｎθ＜１．２Ｄ    …    （１）
を満たす。ここで、瞳径Ｄは、標準的な眼ＥＹの瞳ＰＵ又は瞳孔の直径に相当し、例えば３ｍｍに設定される。Ｆｔａｎθ＝ＰＲ、つまりＦｔａｎθ＝０．５Ｄの場合、第２射出光Ｌ１１，Ｌ１２は、瞳ＰＵの端に入射する。Ｆｔａｎθを０．６Ｄに近づけることにより、観察者が眼ＥＹを中央から左右に逸らす途中で、例えば第１射出光Ｌ１０と第２射出光Ｌ１１とが瞳ＰＵに入らなる可能性を低減でき、画像が途切れることを防止できる。一方で、Ｆｔａｎθを１．２Ｄに近づけることにより、第１射出光Ｌ１０が瞳ＰＵの中心に入射しているときに、第２射出光Ｌ１１，Ｌ１２が瞳ＰＵの端に入射することを、余裕を持って回避できる。
【００１７】
図２Ｂは、拡散素子４０の第２面Ｓ２の状態を説明する概念図である。第１周期構造４１は、平坦部４１ａと傾斜部４１ｂとを交互に形成したものであり、平坦部４１ａと傾斜部４１ｂとは、縦のｙ方向に延び、横のｘ方向に周期的に配列されている。
【００１８】
図２Ａに戻って、平坦部４１ａの横幅はｄ１であり、傾斜部４１ｂの横幅はｄ２であり、第１周期構造４１のピッチをＰとすると、Ｐ＝ｄ１＋ｄ２となっている。第１周期構造４１のピッチＰは、拡散素子４０に入射するビームＬ１の径、つまりビームＬ１のｘ方向の横幅をＷとして、以下の関係
Ｐ＜０．５Ｗ    …    （２）
を満たしている。これにより、平坦部４１ａと傾斜部４１ｂとを２つ以上含む領域にビームＬ１を入射させることができ、第１射出光Ｌ１０と第２射出光Ｌ１１，Ｌ１２との光量バランスの変動を抑制することができる。
【００１９】
図２Ｃは、拡散素子４０の入射側である第１面Ｓ１の状態を説明する概念図である。拡散素子４０の第１面Ｓ１側には、第２周期構造４２が形成されている。第２周期構造４２は、平坦部１４１ａと傾斜部１４１ｂとを含む。平坦部１４１ａは、図２Ａに示す平坦部４１ａと同様の形状を有し、ビームＬ１を直進させ、第１周期構造４１においても平坦部４１ａを直進させることで、第１射出光Ｌ１０を形成する。傾斜部１４１ｂは、図２Ａに示す傾斜部４１ｂと同様の形状を有するが、形状の配置方向が異なり、ビームＬ１を±ｙ方向に屈折させる。傾斜部１４１ｂは、第１周期構造４１において平坦部４１ａを直進させる場合、縦のｙ方向に分割された離散的な一対の第２射出光Ｌ１３，Ｌ１４を形成し、射出瞳ＥＰの位置においてもその状態が維持される。第２周期構造４２のピッチＰも、拡散素子４０に入射するビームＬ１の径（つまりｙ方向の縦幅）をＷとして、以下の関係
Ｐ＜０．５Ｗ    …    （２）
を満たしている。
【００２０】
以上では、ビームＬ１が第１周期構造４１の傾斜部４１ｂと第２周期構造４２の傾斜部１４１ｂとをともに通過する場合について説明してなかったが、この場合、元のビームＬ１から、＋ｘかつ＋ｙ又は−ｘかつ−ｙの斜め方向に分割された一対の第２射出光（不図示）と、＋ｘかつ−ｙ又は−ｘかつ＋ｙの斜め方向に分割された一対の第２射出光（不図示）とが形成される。
【００２１】
図２Ａでは、ビームＬ１のうち光軸ＡＸ周辺に入射するビームＬａを説明しているが、光軸ＡＸから離れて拡散素子４０の周辺部に入射するビームＬｂ，Ｌｃも、元のビームＬｂ，Ｌｃに平行な第１射出光と、元のビームＬｂ，Ｌｃに対してｘ方向やｙ方向に分離角θをなす２対以上の第２射出光とに分割される。
【００２２】
以下、図３を参照して、拡散素子４０の役割と機能とについて具体的に説明する。
【００２３】
図３の左側半分は、観察者の眼ＥＹが光軸ＡＸに平行な正面のｚ方向を向いている場合を示す。この場合、眼ＥＹの瞳ＰＵには、光軸ＡＸに沿った中央方向、つまり図１の拡散素子４０の中央からのビームＬａに起因する第１射出光Ｌ１０と、左方向、つまり図１の拡散素子４０の左端からの傾いたビームＬｂに起因する右寄りの第２射出光Ｌ１２と、右方向、つまり図１の拡散素子４０の右端からの傾いたビームＬｃに起因する右寄りの第２射出光Ｌ１１とが入射する。これらのビームＬａに起因する第１射出光Ｌ１０と、ビームＬｂに起因する第２射出光Ｌ１２と、ビームＬｃに起因する第２射出光Ｌ１１とは、マックスウェル視を可能にする瞳径Ｄに比較して十分細いビームであり、観察者が眼ＥＹに異常（具体的には、近視、遠視、乱視、円錐角膜等）を有していても、高品質の画像を提示できる。なお、ビームＬａに起因する第２射出光Ｌ１１，Ｌ１２と、ビームＬｂに起因する第１射出光Ｌ１０及び第２射出光Ｌ１１と、ビームＬｃに起因する第１射出光Ｌ１０及び第２射出光Ｌ１２とは、瞳ＰＵに入射するビームに対して所定以上離間した離散的ビームであり、瞳ＰＵ外に入射して観察されない。
【００２４】
図３の右側半分は、観察者の眼ＥＹが右寄り（＋ｘ側）を向いている場合を示す。この場合、眼ＥＹの瞳ＰＵには、光軸ＡＸに沿った中央方向、つまり図１の拡散素子４０の中央からのビームＬａに起因する右寄りの第２射出光Ｌ１２と、左方向、つまり図１の拡散素子４０の左端からの傾いたビームＬｂに起因する右寄りの第２射出光Ｌ１２と、右方向、つまり図１の拡散素子４０の右端からの傾いたビームＬｃに起因する第１射出光Ｌ１０とが入射する。これらのビームＬａに起因する第２射出光Ｌ１２と、ビームＬｂに起因する第２射出光Ｌ１２と、ビームＬｃに起因する第１射出光Ｌ１０とは、マックスウェル視を可能にする瞳径Ｄに比較して十分細いビームであり、観察者が眼ＥＹに異常を有していても、高品質の画像を提示できる。なお、ビームＬａに起因する射出光Ｌ１０，Ｌ１１と、ビームＬｂに起因する射出光Ｌ１０，Ｌ１１と、ビームＬｃに起因する射出光Ｌ１１，Ｌ１２とは、瞳ＰＵに入射するビームに対して所定以上離間した離散的ビームであり、瞳ＰＵ外に入射して観察されない。
【００２５】
観察者の眼ＥＹが左寄りすなわち−ｘ側となる場合については、説明を省略するが、図３の右側部分に示す射出光の入射状態を左右反転したものとなる。つまり、ビームＬａ，Ｌｂ，Ｌｃを分割した３つの射出光のうち１つのビームが眼ＥＹの瞳ＰＵに入射する。
【００２６】
以上の説明では、観察者の眼ＥＹが横方向に動く場合を説明したが、眼ＥＹが縦方向に動いても上記と同様に、ビームＬ１を縦方向に離散的に分割した３つの射出光のうち１つのビームを眼ＥＹの向きに関わらず瞳ＰＵに入射させることができる。
【００２７】
以上で説明した第１実施形態の虚像表示装置１００では、拡散素子が、走査部３０からの光を基本となる第１射出光Ｌ１０と、拡散素子４０からの光の射出位置において第１射出光Ｌ１０に対して所定の瞳半径ＰＲに向けての光の傾きに対応する取込角度ρより大きな分離角θをなす第２射出光Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３，Ｌ１４とに分離して射出するので、第１射出光Ｌ１０と第２射出光Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３，Ｌ１４とが瞳ＰＵの瞳孔にともに入射することを回避しつつ、眼ＥＹの向きが元入射していた射出光が瞳孔外となる程度に大きく変化したときであっても、第１射出光Ｌ１０と第２射出光Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３，Ｌ１４とのいずれか一方が瞳ＰＵの瞳孔に入射することを確保し易くなる。
【００２８】
〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態の虚像表示装置ついて説明する。本実施形態に係る虚像表示装置は、第１実施形態の虚像表示装置を変形したものであり、第１実施形態と共通する部分については説明を省略する。
【００２９】
図４Ａは、第２実施形態の虚像表示装置１００の要部を説明する図である。第２実施形態の虚像表示装置１００では、図２Ａ等に示す屈折型の拡散素子４０に代えて回折型の拡散素子２４０を用いている。拡散素子２４０は、第２面Ｓ２側に第１周期構造２４１を有し、第１周期構造２４１は、横のｘ方向に関して所定のピッチＰで繰り返される多数のスリットである多数の回折溝２４１ａを有する。第１周期構造２４１は、第１面Ｓ１を経たビームＬ１をｘ方向に回折させてｘ方向に分割された離散的な一対の第２射出光Ｌ１１，Ｌ１２を形成する。第１射出光Ｌ１０は、０次光であり、一対の第２射出光Ｌ１１，Ｌ１２は、１次光又は１次回折光である。なお、回折溝２４１ａは、図示のＵ字断面の溝に限らず、各種形状の断面とでき、例えばブレーズドタイプとすることもできる。
【００３０】
図４Ｂは、拡散素子２４０の第２面Ｓ２の状態を説明する概念図である。第１周期構造２４１を構成する多数のスリットである多数の回折溝２４１ａは、縦のｙ方向に延び、横のｘ方向に周期的に配列されている。第１射出光Ｌ１０を基準とする第２射出光Ｌ１１，Ｌ１２の分離角θについては、回折溝２４１ａ又はスリットの１ｍｍあたりの密度又はスリット本数をＮ（１／ｍｍ）とし、ビームＬ１の波長をλ（ｍｍ）とすると、
ｓｉｎ（θ）＝Ｎλ
の関係が成り立つので、値Ｎ，λを適宜調整することにより、第２射出光Ｌ１１，Ｌ１２の分離角θを所望の値に設定することができる。以下の表１は、回折型の拡散素子２４０によって達成される分離角θをまとめたものである。
［表１］
2019184752.tif 000003
【００３１】
第１射出光Ｌ１０に対する第２射出光Ｌ１１，Ｌ１２の分離角θについては、第１実施形態の式（１）において、Ｆｔａｎθ＝ＦＮλ／√（１−（Ｎλ）２）となり、以下の関係
０．６Ｄ＜ＦＮλ／√（１−（Ｎλ）２）＜１．２Ｄ    …    （１）'
を満たす。以下の表２は、第２実施形態の虚像表示装置１００の具体例に関して、上記関係に対応する数値をまとめたものである。結像光学系６０の焦点距離Ｆ、回折溝２４１ａの密度Ｎ、ビームＬ１の波長λ、及び瞳径Ｄを変数として、値０．６Ｄ、ＦＮλ／√（１−（Ｎλ）２）、１．２Ｄを評価した。
［表２］
2019184752.tif 000004
表２から明らかなように、関係（１）'を満たすような虚像表示装置１００が実現されている。
【００３２】
図４Ｃは、拡散素子２４０の第１面Ｓ１の状態を説明する概念図である。拡散素子２４０の第１面Ｓ１側には、第２周期構造２４２が形成されている。第２周期構造２４２は、図４Ａに示す第１周期構造２４１と同様の構造を有し、縦のｙ方向に関して所定のピッチＰで繰り返される多数のスリットである多数の回折溝２４２ａを有する。第２周期構造２４２は、ビームＬ１をｙ方向に回折させてｙ方向に分割された離散的な一対の第２射出光Ｌ１３，Ｌ１４を形成する。この場合も、第１射出光Ｌ１０を基準とする第２射出光Ｌ１３，Ｌ１４の分離角θについては、回折溝２４１ａ又はスリットの１ｍｍあたりの密度又はスリット本数をＮ（１／ｍｍ）とし、ビームＬ１の波長をλ（ｍｍ）とすると、
ｓｉｎ（θ）＝Ｎλ
の関係が成り立つので、値Ｎ，λを適宜調整することにより、第２射出光Ｌ１３，Ｌ１４の分離角θを所望の値に設定することができる。
【００３３】
第２実施形態の虚像表示装置１００においても、ビームＬａ〜Ｌｃに関して、これを分割した第１射出光Ｌ１０と第２射出光Ｌ１２，Ｌ１２，Ｌ１３，Ｌ１４が得られ、第１実施形態において、図３を参照して説明したように、観察者の眼ＥＹが例えば左右を向いても、ビームＬａ，Ｌｂ，Ｌｃを分割した離散的な３つの射出光のうち１つのビームが眼ＥＹの瞳ＰＵに入射する。
【００３４】
〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態の虚像表示装置ついて説明する。本実施形態に係る虚像表示装置は、第１実施形態の虚像表示装置を変形したものであり、第１実施形態と共通する部分については説明を省略する。
【００３５】
図５は、第３実施形態の虚像表示装置１００を説明する図である。この場合、射出瞳形成部として機能する結像光学系３６０は、レンズでなく軸外しミラーを有し、拡散素子３４０として、湾曲した板状の曲面拡散板が用いられている。結像光学系３６０は、例えば軸外し楕円ミラーであり、拡散素子３４０は、例えば自由曲面、非球面等で有する湾曲板状体である。拡散素子３４０の基材表面、つまり第１面Ｓ１及び第２面Ｓ２には、光を離散的に分割する構造フィルムが貼り付けられている。構造フィルムは、ナノインプリント等の技術を用いて、図２Ａ等に示す屈折型の周期構造４１，４２や図４Ａ等に示す回折型の周期構造２４１，１４２をフィルムの表層に立体的に形成したものである。
【００３６】
結像光学系３６０については、半透過ミラーとすることもでき、この場合、シースルーでの外界像の観察が可能になる。
【００３７】
〔変形例その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３８】
例えば、上記実施形態の虚像表示装置１００において、拡散素子４０の第２面Ｓ２側に第１周期構造４１を設け、第１面Ｓ１側に第２周期構造４２を設けているが、例えば図６Ａに示すように、拡散素子４０の第１面Ｓ１又は第２面Ｓ２に第１及び第２周期構造４１，４２の傾斜部４１ｂ，１４１ｂを一括して設けてもよい。また、例えば図６Ｂに示すように、第１面Ｓ１又は第２面Ｓ２に３種の周期構造４４１，４４２，４４３を設けてもよい。この場合、周期構造の配列方向が９０°単位でなく６０°単位で変化しており、瞳を斜め上方向に向けた場合の分離角θの設定が容易になっている。ここで、周期構造の配列方向６０°単位で変更するものに限らず、例えば４５°単位で変更してもよい。なお、以上の図では屈折型の拡散素子４０について説明したが、回折型の拡散素子２４０の場合も、第１面Ｓ１又は第２面Ｓ２に第１及び第２周期構造２４１，２４２の回折溝２４１ａ，２４２ａを一括して設けることができる。
【００３９】
上記実施形態では、拡散素子４０，２４０の第２面Ｓ２側に第１周期構造４１，２４１を設け、第１面Ｓ１側に第２周期構造４２，２４１を設けているが、これに代えて、一方の面に第１周期構造４１，２４１を設け他方の面を平面とした第１の拡散素子部材と、一方の面に第２周期構造４２，２４１を設け他方の面を平面とした第２の拡散素子部材とを重ねて配置した拡散素子を用いることもできる。さらに、上記のような片面タイプの第１及び第２の拡散素子部材の双方を用いないで、片面タイプの第１の拡散素子部材と片面タイプの第２の拡散素子部材のうち片方のみを拡散素子として設けることもできる。
【００４０】
結像光学系６０，３６０については、レンズとミラーとを組み合わせたもの、複数のミラーを組み合わせたものとすることができる。ミラーやレンズとしては、例えばフレネルミラーやフレネルレンズを用いることができる。さらに、結像光学系６０，３６０については、導光部材を用いた光学系とすることができ、この場合、導光体の表面や内部に屈折面や反射面を組み込むことができる。
【００４１】
以上の説明では、虚像表示装置１００として、右眼又は左眼の片側に装着するものを説明しているが、右眼及び左眼の双方に対応して一組ずつ図１等に示す表示装置を設けて両眼視の虚像表示装置とすることができる。
【００４２】
以上虚像表示装置１００は、ヘッドマウントディスプレイとして用いることを前提としているが、ヘッドアップディスプレイ、双眼鏡型のハンドヘルドディスプレイ等に適用することもできる。
【符号の説明】
【００４３】
１０…光源部、１１…レーザー光源、１２…ビーム形成レンズ、１３…光源駆動部、３０…走査部、３１…スキャンミラー、３３…ミラー駆動部、４０，２４０，３４０…拡散素子、４１，２４１…第１周期構造、４１ａ,１４１ａ…平坦部、４１ｂ，１４１ｂ…傾斜部、４１ｄ…平面（第１面）、４１ｆ，４１ｇ…斜面（第２面）、４２，２４２…第２周期構造、６０，３６０…結像光学系（射出瞳形成部）、８０…制御部、１００…虚像表示装置、２４１ａ，２４２ａ…回折溝、４４１，４４２，４４３…周期構造、ＡＸ…光軸、Ｄ…瞳径、ＥＰ…射出瞳、ＥＹ…眼、ＩＡ…中間像、Ｌ１…ビーム、Ｌ１０…第１射出光、Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３，Ｌ１４…第２射出光、Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ…ビーム、ＰＩ…中間像位置、ＰＰ…射出瞳位置、ＰＵ…瞳、Ｓ１…第１面、Ｓ２…第２面
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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