(57)【要約】【課題】製造上の困難性を解消しつつ、観察者の顔に対するフィッティング性と広い画角を得る。【解決手段】導光体２０の光入射面２０ａに第１回折光学素子３０ａを配置し、導光体２０の光出射面２０ｂに第２回折光学素子３０ｂを配置すると共に、導光体２０の第２回折光学素子３０ｂ側の端面に反射層４２を配置する。第１回折光学素子３０ａの回折格子の傾斜面は、第１回折光学素子３０ａの入射面上の位置よりも、第１回折光学素子３０ａの導光体２０との接触面上の位置の方が、導光体２０の中央部側にある向きに傾斜させる。第２回折光学素子３０ｂの回折格子の傾斜面は、第２回折光学素子３０ｂの導光体２０との接触面上の位置のよりも、第２回折光学素子３０ｂの出射面上の位置の方が、導光体２０の中央部側にある向きに傾斜させる。第１回折光学素子３０ａと第２回折光学素子３０ｂの回折格子の傾斜角は等しく、格子周期も等しい。【選択図】図２
2015049278.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導光体と、
前記導光体に光を入射させる第１回折光学素子と、
前記導光体から光を出射させる第２回折光学素子と、
前記導光体の前記第１回折光学素子又は前記第２回折光学素子が設けられた第１面と交差する面である第２面に設けられた反射層と、を有し、
前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子を構成する凸部は、それぞれ前記第１面の法線方向に対して同一の第１方向に傾斜している、
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、
前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子は、それぞれ一方の面に凹凸構造を備えた表面レリーフ型ホログラムである、
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項３】
請求項１または２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、それぞれ一方の面に鋸歯状の凸部を備えたブレーズ格子形状の回折光学素子であり、
前記鋸歯状の凸部の斜面は、それぞれ前記第１方向に傾斜している、
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項４】
導光体と、
前記導光体に光を入射させる第１回折光学素子と、
前記導光体から光を出射させる第２回折光学素子と、
前記導光体の前記第１回折光学素子又は前記第２回折光学素子が設けられた第１面と交差する面である第２面に設けられた反射層と、を有し、
前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子を構成する互いに屈折率の異なる第１部分及び第２部分は、それぞれ前記第１面の法線方向に対して同一の第１方向に傾斜している、
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、
前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子は、透過型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６】
請求項１乃至５の何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、透過型の回折光学素子であり、前記導光体の同一の面に設けられており、
前記第１方向は、前記導光体の前記第１回折光学素子と前記第２回折光学素子との両方を含む断面視において、前記第１面の法線方向に対して前記第２回折光学素子から前記第１回折光学素子へ向かう方向に傾斜した方向である、
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項７】
導光体と、
前記導光体に入射した光を回折させる第１回折光学素子と、
前記導光体を導光した光を回折させて出射する第２回折光学素子と、
前記導光体の前記第１回折光学素子又は前記第２回折光学素子が設けられた第１面と交差する面である第２面に設けられた反射層と、を有し、
前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子を構成する互いに屈折率の異なる第１部分及び第２部分は、それぞれ前記第１面の法線方向に対して同一の第１方向に傾斜している、
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項８】
請求項７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、反射型の回折光学素子であり、前記導光体の同一の面に設けられており、
前記第１方向は、前記導光体の前記第１回折光学素子と前記第２回折光学素子との両方を含む断面視において、前記第１面の法線方向に対して前記第２回折光学素子から前記第１回折光学素子へ向かう方向に傾斜した方向である、
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項９】
第１導光体と、
前記第１導光体に光を入射させる第１回折光学素子と、
前記第１導光体から光を出射させる第２回折光学素子と、
前記第１導光体の前記第１回折光学素子又は前記第２回折光学素子が設けられた第１面と交差する面である第２面に設けられた第１反射層と、
第２導光体と、
前記第２導光体に光を入射させる第３回折光学素子と、
前記第２導光体から光を出射させる第４回折光学素子と、
前記第２導光体の前記第２回折光学素子又は前記第３回折光学素子が設けられた第３面と交差する面である第４面に設けられた第２反射層と、を有し、
前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子を構成する凸部は、それぞれ前記第１面の法線方向に対して同一の第１方向に傾斜し、
前記第３回折光学素子及び前記第４回折光学素子を構成する凸部は、それぞれ前記第３面の法線方向に対して同一の第２方向に傾斜している、
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項１０】
第１導光体と、
前記第１導光体に光を入射させる第１回折光学素子と、
前記第１導光体から光を出射させる第２回折光学素子と、
前記第１導光体の前記第１回折光学素子又は前記第２回折光学素子が設けられた第１面と交差する面である第２面に設けられた第１反射層と、
第２導光体と、
前記第２導光体に光を入射させる第３回折光学素子と、
前記第２導光体から光を出射させる第４回折光学素子と、
前記第２導光体の前記第２回折光学素子又は前記第３回折光学素子が設けられた第３面と交差する面である第４面に設けられた第２反射層と、を有し、
前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子を構成する互いに屈折率の異なる第１部分及び第２部分は、それぞれ前記第１面の法線方向に対して同一の第１方向に傾斜し、
前記第３回折光学素子及び前記第４回折光学素子を構成する互いに屈折率の異なる第３部分及び第４部分は、それぞれ前記第３面の法線方向に対して同一の第２方向に傾斜している、
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項１１】
第１導光体と、
前記第１導光体に入射した光を回折させる第１回折光学素子と、
前記第１導光体を導光した光を回折させて出射する第２回折光学素子と、
前記第１導光体の前記第１回折光学素子又は前記第２回折光学素子が設けられた第１面と交差する面である第２面に設けられた第１反射層と、
第２導光体と、
前記第２導光体に入射した光を回折させる第３回折光学素子と、
前記第２導光体を導光した光を回折させて出射する第４回折光学素子と、
前記第２導光体の前記第２回折光学素子又は前記第３回折光学素子が設けられた第３面と交差する面である第４面に設けられた第２反射層と、を有し、
前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子を構成する互いに屈折率の異なる第１部分及び第２部分は、それぞれ前記第１面の法線方向に対して同一の第１方向に傾斜し、
前記第３回折光学素子及び前記第４回折光学素子を構成する互いに屈折率の異なる第３部分及び第４部分は、それぞれ前記第３面の法線方向に対して同一の第２方向に傾斜している、
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項１２】
請求項１乃至１１に記載の光学デバイスと画像光を発する画像形成部と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、導光体と、前記導光体に光を入射させる第１回折光学素子と、前記導光体から光を出射させる第２回折光学素子と、前記導光体の前記第１回折光学素子又は前記第２回折光学素子が設けられた第１面と交差する面である第２面に設けられた反射層と、を有し、前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子を構成する凸部は、それぞれ前記第１面の法線方向に対して同一の第１方向に傾斜していることを特徴とする。
【００１０】
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、第１面に、第１回折光学素子を配置し、画像光を導光体内に入射させるとともに、第１面と交差する面である第２面に設けられた反射層により、導光体の出射側の面に画像光を反射させる。そして、第１面に、第２回折光学素子を配置し、反射光を導光体外へ回折させる。また、第１回折光学素子と第２回折光学素子を構成する凸部は、それぞれ第１面の法線方向に対して同一の第１方向に傾斜している。したがって、回折効率を高めることが可能となる。また、入射光の光軸と出射光の光軸が平行となるので、左右の導光体及び光源の位置関係と、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。
【００１１】
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、前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子は、それぞれ一方の面に凹凸構造を備えた表面レリーフ型ホログラムとしてもよい。第１回折光学素子及び第２回折光学素子を、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とすることにより、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。
【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、前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子は、それぞれ一方の面に鋸歯状の凸部を備えたブレーズ格子形状の回折光学素子であり、前記鋸歯状の凸部の斜面は、それぞれ前記第１方向に傾斜しているようにしてもよい。第１回折光学素子及び第２回折光学素子を、いずれも表面にブレーズ格子を備えた回折素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。
【００１３】
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２の態様は、導光体と、前記導光体に光を入射させる第１回折光学素子と、前記導光体から光を出射させる第２回折光学素子と、前記導光体の前記第１回折光学素子又は前記第２回折光学素子が設けられた第１面と交差する面である第２面に設けられた反射層と、を有し、前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子を構成する互いに屈折率の異なる第１部分及び第２部分は、それぞれ前記第１面の法線方向に対して同一の第１方向に傾斜していることを特徴とする。
【００１４】
上述した本発明に係る光学デバイスの第２の態様によれば、第１面に、第１回折光学素子を配置し、画像光を導光体内に入射させるとともに、第１面と交差する面である第２面に設けられた反射層により、導光体の出射側の面に画像光を反射させる。そして、第１面に、第２回折光学素子を配置し、反射光を導光体外へ回折させる。また、第１回折光学素子と第２回折光学素子を構成する互いに屈折率の異なる第１部分及び第２部分は、それぞれ第１面の法線方向に対して同一の第１方向に傾斜している。したがって、回折効率を高めることが可能となる。また、入射光の光軸と出射光の光軸が平行となるので、左右の導光体及び光源の位置関係と、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。
【００１５】
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、前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子を、透過型体積ホログラムとしてもよい。前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子を透過型体積ホログラムとすることにより、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。
【００１６】
上述した本発明に係る光学デバイスの第１の態様または第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、透過型の回折光学素子であり、前記導光体の同一の面に設けられており、前記第１方向は、前記導光体の前記第１回折光学素子と前記第２回折光学素子との両方を含む断面視において、前記第１面の法線方向に対して前記第２回折光学素子から前記第１回折光学素子へ向かう方向に傾斜した方向であることが好ましい。この場合には、回折効率を高めることが可能となる。また、入射光の光軸と出射光の光軸が平行となるので、左右の導光体及び光源の位置関係と、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。
【００１７】
本発明に係る光学デバイスの第３の態様は、導光体と、前記導光体に入射した光を回折させる第１回折光学素子と、前記導光体を導光した光を回折させて出射する第２回折光学素子と、前記導光体の前記第１回折光学素子又は前記第２回折光学素子が設けられた第１面と交差する面である第２面に設けられた反射層と、を有し、前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子を構成する互いに屈折率の異なる第１部分及び第２部分は、それぞれ前記第１面の法線方向に対して同一の第１方向に傾斜していることを特徴とする。
【００１８】
上述した本発明に係る光学デバイスの第３の態様によれば、第１面に、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導光体内に回折させるとともに、第１面と交差する面である第２面に設けられた反射層により、導光体の出射側の面に画像光を反射させる。そして、第１面に、第２回折光学素子を配置し、反射光を導光体外へ回折させる。また、第１回折光学素子と第２回折光学素子を構成する互いに屈折率の異なる第１部分及び第２部分は、それぞれ第１面の法線方向に対して同一の第１方向に傾斜している。したがって、回折効率を高めることが可能となる。また、入射光の光軸と出射光の光軸が平行となるので、左右の導光体及び光源の位置関係と、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。
【００１９】
上述した本発明に係る光学デバイスの第３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、反射型の回折光学素子であり、前記導光体の同一の面に設けられており、前記第１方向は、前記導光体の前記第１回折光学素子と前記第２回折光学素子との両方を含む断面視において、前記第１面の法線方向に対して前記第２回折光学素子から前記第１回折光学素子へ向かう方向に傾斜した方向であることが好ましい。この場合には、回折効率を高めることが可能となる。また、入射光の光軸と出射光の光軸が平行となるので、左右の導光体及び光源の位置関係と、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。
【００２０】
本発明に係る光学デバイスの第４の態様は、第１導光体と、前記第１導光体に光を入射させる第１回折光学素子と、前記第１導光体から光を出射させる第２回折光学素子と、
前記第１導光体の前記第１回折光学素子又は前記第２回折光学素子が設けられた第１面と交差する面である第２面に設けられた第１反射層と、第２導光体と、前記第２導光体に光を入射させる第３回折光学素子と、前記第２導光体から光を出射させる第４回折光学素子と、前記第２導光体の前記第２回折光学素子又は前記第３回折光学素子が設けられた第３面と交差する面である第４面に設けられた第２反射層と、を有し、前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子を構成する互いに屈折率の異なる第１部分及び第２部分は、それぞれ前記第１面の法線方向に対して同一の第１方向に傾斜し、前記第３回折光学素子及び前記第４回折光学素子を構成する互いに屈折率の異なる第３部分及び第４部分は、それぞれ前記第３面の法線方向に対して同一の第２方向に傾斜していることを特徴とする。
【００２１】
本発明に係る光学デバイスの第５の態様は、第１導光体と、前記第１導光体に入射した光を回折させる第１回折光学素子と、前記第１導光体を導光した光を回折させて出射する第２回折光学素子と、前記第１導光体の前記第１回折光学素子又は前記第２回折光学素子が設けられた第１面と交差する面である第２面に設けられた第１反射層と、第２導光体と、前記第２導光体に入射した光を回折させる第３回折光学素子と、前記第２導光体を導光した光を回折させて出射する第４回折光学素子と、前記第２導光体の前記第２回折光学素子又は前記第３回折光学素子が設けられた第３面と交差する面である第４面に設けられた第２反射層と、を有し、前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子を構成する互いに屈折率の異なる第１部分及び第２部分は、それぞれ前記第１面の法線方向に対して同一の第１方向に傾斜し、前記第３回折光学素子及び前記第４回折光学素子を構成する互いに屈折率の異なる第３部分及び第４部分は、それぞれ前記第３面の法線方向に対して同一の第２方向に傾斜していることを特徴とする。
【００２２】
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と画像光を発する画像形成部とを備える。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。 
【００２３】
なお、上記本発明に係る画像表示装置において「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。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの全体像の一例を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの右眼用光学系の内部構造及び導波路の一例を示す要部断面図である。
【図３】第１実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの左眼用光学系の内部構造及び導波路の一例を示す要部断面図である。
【図４】第１回折光学素子における回折格子の傾斜を説明する要部断面図である。
【図５】第２回折光学素子における回折格子の傾斜を説明する要部断面図である。
【図６】反射前に第２回折光学素子に入射する光と、反射後に第２回折光学素子に入射する光を説明する説明図である。
【図７】反射前に第２回折光学素子に入射する光と、反射後に第２回折光学素子に入射する光の入射角と回折効率の関係の一例を示すグラフである。
【図８】反射前に第２回折光学素子に入射する光と、反射後に第２回折光学素子に入射する光の回折効率の違いを説明する説明図である。
【図９】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の一例を示す説明図である。
【図１０】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る。
【図１１】第２実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの左眼用光学系の内部構造及び導波路の一例を示す要部断面図である。
【図１２】薄いホログラム及び厚いホログラムにおける干渉縞の生成方法を説明するための説明図である。
【図１３】振幅ホログラムの干渉縞を説明するための説明図である。
【図１４】位相ホログラムの干渉縞を説明するための説明図である。
【図１５】他の位相ホログラムの干渉縞を説明するための説明図である。
【図１６】透過型体積ホログラムに入射される光軸傾斜０°の入射光に対して最適化された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る。
【図１７】透過型体積ホログラムに入射される光軸傾斜−２０°の入射光に対して最適化された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る。
【図１８】透過型体積ホログラムに入射される光軸傾斜が−２０°の画像光を用いた場合の導光体内の導波路、及び画像表示装置の位置の一例を示す説明図である。
【図１９】透過型体積ホログラムに入射される光軸傾斜が０°の画像光を用いた場合の導光体内の導波路、及び画像表示装置の位置の一例を示す説明図である。
【図２０】第３実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの左眼用光学系の内部構造及び導波路の一例を示す要部断面図である。
【図２１】傾斜なしの矩形形状の表面レリーフホログラムにおける＋１次光と−１次光の関係を示す説明図である。
【図２２】傾斜表面レリーフホログラムにおける＋１次光と−１次光の関係を示す説明図である。
【図２３】第４実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの左眼用光学系の内部構造及び導波路の一例を示す要部断面図である。
【図２４】第５実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの左眼用光学系の内部構造及び導波路の一例を示す要部断面図である。
【図２５】変形例に係るヘッドマウントディスプレイの左眼用光学系の内部構造及び導波路の一例を示す要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
＜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の一例である。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。
【００２７】
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。
【００２８】
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は、本実施形態に係る右眼用光学系の内部構造及び導光体の一例を示す要部断面図であり、図３は、左眼用光学系の内部構造及び導光体の一例を示す要部断面図である。図２及び図３に示すように、第１表示装置１００Ａ及び第２表示装置１００Ｂは、画像形成部１０と、導光体２０とを備える。
【００２９】
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、画像表示装置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。
【００３０】
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。
【００３１】
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２０ａ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。
【００３２】
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、格子周期が同一で、格子の傾斜方向も同一方向となっている。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側の導波路端部に配置された反射層４２により全反射させて、観察者の眼前に導光する。詳述すると、第１回折光学素子３０ａで回折させた画像光は、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（観察者の鼻側）に設けた反射層４２に導かれる。そして、反射層４２において反射された画像光は、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。
【００３３】
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。
【００３４】
本実施形態においては、図４に示すように、第１回折光学素子３０ａの回折格子３０ｃは、第１回折光学素子３０ａの入射面３０ｅ上における回折格子３０ｃの位置Ｄ１よりも、第１回折光学素子３０ａの導光体２０との接触面３０ｇ上における回折格子３０ｃの位置Ｄ２の方が、導光体２０の中央部側となる向きに傾斜している。
【００３５】
また、図５に示すように、第２回折光学素子３０ｂの回折格子３０ｄは、第２回折光学素子３０ｂの導光体２０との接触面３０ｈ上における回折格子３０ｄの位置Ｄ３よりも、第２回折光学素子３０ｂの出射面３０ｆ上における回折格子３０ｄの位置Ｄ４の方が、導光体２０の中央部側となる向きに傾斜している。
【００３６】
このように、第１回折光学素子３０ａの回折格子３０ｃと、第２回折光学素子３０ｂの回折格子３０ｄとは、傾斜の方向が同じであり、かつ、傾斜の角度も等しくなっている。
【００３７】
第１回折光学素子３０ａと第２回折光学素子３０ｂをこのように構成した場合、図６に示すように、第２回折光学素子３０ｂに対して入射する画像光は、導光体２０の端面において反射層４２により反射された後の光Ｌ１と、反射層４２により反射される前の光Ｌ２の２種類が存在する。そして、これらの画像光Ｌ１，Ｌ２により、反射の前後で異なる光軸方向を持つ回折光Ｌ３，Ｌ４が発生する。
【００３８】
回折光Ｌ３，Ｌ４の回折効率を図７に示す。図７に示すように、反射層４２において反射され、その後に第２回折光学素子３０ｂで回折された回折光Ｌ３の方が、反射層４２に反射される前に第２回折光学素子３０ｂで回折された回折光Ｌ４よりも回折効率が高いことがわかる。
【００３９】
図８に示すように、本実施形態の第２回折光学素子３０ｂの回折格子３０ｄは、上述のような傾斜を有しているため、反射層４２により反射される前の光Ｌ２は、臨界角よりも小さい角度で回折格子３０ｄに入射し、屈折して回折光Ｌ４として取り出される。一方、反射層４２により反射された後の光Ｌ１は、臨界角以上の角度で回折格子３０ｄに入射し、ブラッグ反射により回折光Ｌ３として取り出される。このように、反射される前の光Ｌ２は、その一部が回折格子３０ｄにより遮蔽されることになるので、光強度が減衰する。しかし、反射された後の光Ｌ１は、ブラッグ反射により回折光Ｌ３となるため、光強度が減衰することがなく、回折光Ｌ４よりも回折効率が高くなる。
【００４０】
以上のように、第１回折光学素子３０ａの回折格子３０ｃを、第１回折光学素子３０ａの入射面３０ｅ上の位置よりも、導光体２０との接触面３０ｇ上の位置の方が導光体２０の中央部側となるように傾斜させると共に、第２回折光学素子３０ｂの回折格子３０ｄを、導光体２０との接触面３０ｈ上の位置よりも、第２回折光学素子３０ｂの出射面３０ｆ上の位置の方が導光体２０の中央部側となるように傾斜させ、かつ、第１回折光学素子３０ａの回折格子３０ｃの傾斜角と第２回折光学素子３０ｂの回折格子３０ｄの傾斜角とを等しくしたので、回折効率を高めることが可能となる。
【００４１】
また、本実施形態では、第１回折光学素子３０ａの回折格子３０ｃ及び第２回折光学素子３０ｂの回折格子３０ｄの格子周期を等しくし、かつ、回折格子３０ｃ，３０ｄの傾斜の方向を入射側、出射側で同一方向とすることにより、入射光の光軸と出射光の光軸が平行となる構成としている。つまり、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る。
【００４２】
その結果、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１０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、図９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。
【００４３】
さらに、本実施形態では、第１回折光学素子３０ａにおける回折格子３０ｃの配置間隔（格子周期）と、第２回折光学素子３０ｂにおける回折格子３０ｄの配置間隔（格子周期）を、等しくする構成になっている。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により、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。
【００４４】
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。
【００４５】
＜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、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る。図１１は、本実施形態における左眼用光学系の内部構造及び導光体の一例を示す要部断面図である。右眼用光学系の内部構造及び導光体については記載を省略するが、左眼用光学系の内部構造及び導光体の左右を反転させた構造になっている。
【００４６】
図１２に示すように、透過型体積ホログラムは、感光材料６１の表面（図１２において長辺として記載されている面）に対して記録光と参照光をそれぞれ異なる方向から照射し、記録光と参照光の干渉により形成される干渉縞を感光材料６１に記録することにより形成される。このような透過型体積ホログラムのうち、例えば銀塩乳剤を含む感光材料を露光し、その後に現像定着処理を行うことにより得られるのが振幅ホログラムである。振幅ホログラムは、図１３に示すように、干渉縞の明暗の強度分布が白黒の濃淡の変化として記録される。また、重クロム酸ゼラチンやフォトポリマを感光材料として用いて形成されるのが位相ホログラムである。位相ホログラムは、図１４に示すように、干渉縞は屈折率の変化として記録される。なお、位相ホログラムの中には、フォトレジスト、サーモプラスチックを感光材料として用いるものがある。フォトレジスト、サーモプラスチックを用いた場合には、図１５に示すように、干渉縞は表面の凹凸として記録される。
【００４７】
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として透過型体積ホログラムを用いるが、透過型体積ホログラムの中でも、一例として、感光材料としてフォトポリマを用い、干渉縞が屈折率変化として記録される位相ホログラムを用いている。図１１において、傾斜した線で描かれている部分が干渉縞、すなわち、回折格子である。
【００４８】
本実施形態においても、第１回折光学素子３０ａの回折格子を、第１回折光学素子３０ａの入射面上の位置よりも、導光体２０との接触面上の位置の方が導光体２０の中央部側となるように傾斜させると共に、第２回折光学素子３０ｂの回折格子を、導光体２０との接触面上の位置よりも、第２回折光学素子３０ｂの出射面上の位置の方が導光体２０の中央部側となるように傾斜させ、かつ、第１回折光学素子３０ａの回折格子の傾斜角と第２回折光学素子３０ｂの回折格子の傾斜角とを等しくしている。また、格子周期についても、第１回折光学素子３０ａと第２回折光学素子３０ｂとにおいて同一である。
【００４９】
また、図１１に示すように、本実施形態においても、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。
【００５０】
（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、透過型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１８及び図１９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。
【００５１】
図１６及び図１７に、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１９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、図１６に示すように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１８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、図１７に示すように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。
【００５２】
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る。さらに、回折格子の傾斜角度は、第１回折光学素子３０ａと第２回折光学素子３０ｂとにおいて同一とし、格子周期についても、第１回折光学素子３０ａと第２回折光学素子３０ｂとにおいて同一としたことにより、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１０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、図９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の傾斜角度及び格子周期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】
＜Ｃ：第３実施形態＞
【００５５】
次いで、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１回折光学素子及び第２回折光学素子として、表面レリーフホログラムを用いる。図２０は、本実施形態における左眼用光学系の内部構造及び導光体の一例を示す要部断面図である。右眼用光学系の内部構造及び導光体については記載を省略するが、左眼用光学系の内部構造及び導光体の左右を反転させた構造になっている。
【００５６】
図２０に示すように、本実施形態は、第１回折光学素子３４ａ及び第２回折光学素子３４ｂ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いる。第１回折光学素子３４ａの傾斜表面レリーフホログラムの傾斜面は、当該傾斜面の入射側先端の位置Ｄ５よりも、第１回折光学素子３４ａの導光体２０との接触面側の位置Ｄ６の方が、導光体２０の中央部側となる向きに傾斜している。また、第２回折光学素子３４ｂの表面レリーフ型ホログラムの傾斜面は、第２回折光学素子３４ｂの導光体２０との接触面側の位置Ｄ７よりも、当該傾斜面の出射側先端の位置Ｄ８の方が、導光体２０の中央部側となる向きに傾斜している。そして、第１回折光学素子３４ａの傾斜表面レリーフホログラムの傾斜面の傾斜角と、第２回折光学素子３４ｂの傾斜表面レリーフホログラムの傾斜面の傾斜角とは等しくなっている。さらに、第１回折光学素子３４ａの表面レリーフホログラムの格子周期と、第２回折光学素子３４ｂの表面レリーフホログラムの格子周期とは、等しくなっている。
【００５７】
回折光を入射光の中心軸に近い方から０次、±１次...と順序づけていくと、図２１に示すように傾斜なしの矩形形状の表面レリーフホログラムの場合は、＋１次の回折光と−１次の回折光はほぼ同じ強度となる。
【００５８】
しかし、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の場合には、傾斜表面レリーフホログラムの表面の傾斜と入射光の方向が図２２に示すような関係にあると、格子表面上でのブラッグ反射により回折光が発生するため、＋１次の回折光の強度が、−１次の回折光の強度よりも高くなる。
【００５９】
ホログラムの特性は、波長をλ、ホログラムの厚みをＴ、ホログラムの屈折率をｎ、格子周期をｄとすると、次のようなパラメータＱにより表すことができる。
Ｑ＝２πλＴ／ｎｄ２
このパラメータＱがＱ＜１の時にはホログラムは「薄いホログラム」と呼ばれ、Ｑ＞１０の時にはホログラムは「厚いホログラム」と呼ばれる。
【００６０】
図１２に示す厚いホログラム６１，６２の場合には、何層ものブラッグ格子の作用を受けるため、ブラッグ条件が厳しくなり、＋１次の回折光のみが発生するが、本実施形態の傾斜表面レリーフホログラムの場合は、図１２に示す厚いホログラム６１，６２と薄いホログラム６０の境界領域の特性を有している。その結果、＋１次の回折光以外にも、弱い−１次の回折光も発生するようになっている。
【００６１】
このように、本実施形態においては、表面レリーフホログラムを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。さらに、本実施形態においては、第１回折光学素子３４ａの表面レリーフホログラムだけでなく、第２回折光学素子３４ｂの表面レリーフホログラムの表面も傾斜させ、しかも、第１回折光学素子３４ａと第２回折光学素子３４ｂとで、表面レリーフホログラムの表面の傾斜を同じ角度にしたため、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１０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、図９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。
【００６２】
また、本実施形態では、第１回折光学素子３４ａと第２回折光学素子３４ｂ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。
【００６３】
さらに、本実施形態における表面レリーフホログラムは、第１回折光学素子３４ａと第２回折光学素子３４ｂとで同じ方向に傾斜しているため、型抜きの際に同時に形成することが可能であり、量産性を高め、製造コストを低減させることができるという利点もある。
【００６４】
＜Ｄ：第４実施形態＞
次いで、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態では、第１回折光学素子及び第２回折光学素子として、ブレーズ格子を用いる。図２３は、本実施形態における左眼用光学系の内部構造及び導光体の一例を示す要部断面図である。右眼用光学系の内部構造及び導光体については記載を省略するが、左眼用光学系の内部構造及び導光体の左右を反転させた構造になっている。
【００６５】
図２３に示すように、本実施形態は、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いる。第１回折光学素子３５ａのブレーズ格子の傾斜面は、当該傾斜面の入射側先端の位置Ｄ９よりも、第１回折光学素子３５ａの導光体２０との接触面側の位置Ｄ１０の方が、導光体２０の中央部側となる向きに傾斜している。また、第２回折光学素子のブレーズ格子の傾斜面は、第２回折光学素子３５ｂの導光体２０との接触面側の位置Ｄ１１よりも、当該傾斜面の出射側先端の位置Ｄ１２の方が、導光体２０の中央部側となる向きに傾斜している。そして、第１回折光学素子３５ａのブレーズ格子の傾斜面の傾斜角と、第２回折光学素子３５ｂのブレーズ格子の傾斜面の傾斜角は等しくなっている。さらに、第１回折光学素子３５ａのブレーズ格子の格子周期と、第２回折光学素子３５ｂのブレーズ格子の格子周期とは、等しくなっている。
【００６６】
ブレーズ格子を用いた場合にも、ブレーズ格子の斜面の傾斜と入射光の方向が図２３に示すような関係にあると、格子表面上でのブラッグ反射により回折光が発生するため、＋１次の回折光の強度が、−１次の回折光の強度よりも高くなる。
【００６７】
このように、本実施形態においては、ブレーズ格子を用いることにより、＋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。さらに、本実施形態においては、第１回折光学素子３５ａのブレーズ格子だけでなく、第２回折光学素子３５ｂにもブレーズ格子を用い、しかも、第１回折光学素子３５ａと第２回折光学素子３５ｂとで、ブレーズ格子の斜面の傾斜を同じ角度にしたため、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１０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、図９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。
【００６８】
また、本実施形態では、第１回折光学素子３５ａと第２回折光学素子３５ｂ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。
【００６９】
さらに、本実施形態におけるブレーズ格子の斜面は、第１回折光学素子３５ａと第２回折光学素子３５ｂとで同じ方向に傾斜しているため、型抜きの際に同時に形成することが可能であり、量産性を高め、製造コストを低減させることができるという利点もある。
【００７０】
＜Ｅ：第５実施形態＞
次いで、本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態では、第１回折光学素子及び第２回折光学素子として、反射型の体積ホログラムを用いる。図２４は、本実施形態における左眼用光学系の内部構造及び導光体の一例を示す要部断面図である。右眼用光学系の内部構造及び導光体については記載を省略するが、左眼用光学系の内部構造及び導光体の左右を反転させた構造になっている。
【００７１】
図１２に示される厚いホログラム６１が、透過型の体積ホログラムで、厚いホログラム６２が、反射型の体積ホログラムである。図１２に示すように、透過型の体積ホログラムの場合には、感光材料の表面（図１２に長辺で示される部分）に対して記録光と参照光をそれぞれ違う方向から照射することにより干渉縞を形成している。しかし、厚いホログラム６２として示される反射型の体積ホログラムの場合には、感光材料の上面（図１２に長辺で示される部分のうち、ｘ軸方向の上方の部分）に記録光を照射し、感光材料の下面（図１２に長辺で示される部分のうち、ｘ軸方向の下方の部分）に参照光を照射することにより、干渉縞を形成する。
【００７２】
図１２において、厚いホログラム６１として示される透過型の体積ホログラムを左に９０°回転させ、透過型の体積ホログラムの表面（図１２に長辺で示され、記録光と参照光が照射される部分）がｘ軸方向の下方にくるようにすると、透過型の体積ホログラムと反射型の体積ホログラムとでは、干渉縞の傾き、すなわち回折格子の傾きが逆になっていることがわかる。つまり、透過型の体積ホログラムを左に９０°回転させた状態では、回折格子を図１２のｘｙ座標上における線分とすると、当該線分は正の傾きをもつ線分となる。しかし、反射型の体積ホログラムの回折格子を図１２のｘｙ座標上における線分とすると、当該線分は負の傾きをもつ線分となる。
【００７３】
また、反射型の体積ホログラムの回折格子の傾きは、透過型の体積ホログラムの回折格子の傾きよりも小さく、場合によっては、反射型の体積ホログラムの上面または下面とほぼ平行な状態になることもある。本実施形態においては、図２４に示すような反射型の体積ホログラムを第１回折光学素子３１ａと第２回折光学素子３１ｂに用いている。
【００７４】
第１回折光学素子３１ａは、図２４に示すように、第２のパネル面２０２側の光入射面２０ａ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。また、第２回折光学素子３１ｂは、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。
【００７５】
第１回折光学素子３１ａの回折格子の傾斜面は、第１回折光学素子３１ａの導光体２０との接触面側の位置Ｄ１３の方が、当該接触面と対向する面側の位置Ｄ１４よりも、導光体２０の中央部側となる向きに傾斜している。また、第２回折光学素子３１ｂの回折格子の傾斜面は、第２回折光学素子３１ｂの導光体２０との接触面側の位置Ｄ１５よりも、当該接触面と対向する面側の位置Ｄ１６の方が、導光体２０の中央部側となる向きに傾斜している。そして、第１回折光学素子３１ａの回折格子の傾斜角と、第２回折光学素子３１ｂの回折格子の傾斜角は等しくなっている。さらに、第１回折光学素子３１ａの回折格子の格子周期と、第２回折光学素子３１ｂの回折格子の格子周期とは、等しくなっている。
【００７６】
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。
【００７７】
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の各体積ホログラムの回折格子の傾斜の向きを等しくし、格子周期を等しくしたので、反射層４１を第１回折光学素子３１ａ側の導波路端部にのみ配置する構成でも、入射光の光軸と、出射光の光軸とを平行にすることができる。
【００７８】
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１０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、図９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。
【００７９】
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。
【００８０】
＜Ｆ：変形例＞
（変形例１）
上述した第１実施形態〜第５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、図２５に示すように、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。
【００８１】
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。
【００８２】
（変形例２）
上述した第１実施形態〜第５実施形態、及び変形例１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。
【符号の説明】
【００８３】
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，３７ａ…第１回折光学素子、３０ｂ，３１ｂ，３３ｂ，３４ｂ，３５ｂ，３６ｂ，３７ｂ…第２回折光学素子、３０ｃ，３１ｄ…回折格子、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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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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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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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