(57)【要約】      （修正有）【課題】広い視野範囲に亘って回折効率を高くすることができ、大きなサイズの虚像の観察を可能とする電子機器を提供する。【解決手段】ガラスあるいは光透過性の樹脂材料等により形成された導光板２００の光入射面に、ＳｉＮ等で形成された表面リレーフ型の回折格子である第１回折光学素子１０２を設け、第１回折光学素子１０２の屈折率を、導光板２００の屈折率よりも高くする。画像形成装置５００によりＴＥ偏光の画像光１０を第１回折光学素子１０２に入射させる。【選択図】図２Ａ
2015105990.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導光体と、
前記導光体の一方の面に沿った第１方向に延在する複数の凸部が、前記第１方向と交差する第２方向に沿って互いに離間して配列された第１回折光学素子と、を有し、
前記第１回折光学素子の複数の凸部の各々の屈折率は、前記導光体の屈折率よりも高い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回折光学素子は、前記導光体の光入射部に対応して設けられていることを特徴とする光学デバイス。
【請求項３】
請求項１に記載の光学デバイスにおいて、
前記第１回折光学素子は、前記導光体の光出射部に対応して設けられていることを特徴とする光学デバイス。
【請求項４】
請求項１に記載の光学デバイスにおいて、
前記導光体の一方の面に沿った第３方向に延在する複数の凸部が、前記第３方向と交差する第４方向に沿って互いに離間して配列された第２回折光学素子を有し、
前記第１回折光学素子は、前記導光体の光入射部に対応して設けられ、
前記第２回折光学素子は、前記導光体の光出射部に対応して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１乃至４の何れかに記載の光学デバイスにおいて、
前記導光体と前記第１回折光学素子との間に下地層を有し、
前記第１回折光学素子の複数の凸部の各々の屈折率は、前記導光体及び前記下地層の屈折率よりも高い
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、
前記下地層の屈折率は、前記導光体と同じ屈折率である
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れかに記載の光学デバイスにおいて、
前記第１回折光学素子は表面レリーフ型回折格子である、
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れかに記載の光学デバイスと、画像光を発する画像形成装置を備えたことを特徴とする電子機器。
【請求項９】
請求項８に記載の電子機器において、
前記画像光はＴＥ偏光であることを特徴する電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導光板と回折光学素子とを備えた光学デバイス、および当該光学デバイスを備える電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘッド・マウント・ディスプレイを薄型化する光学系では、一例として、導光板と、導光板への光の入力および導光板からの光の出力を行う回折光学素子とが用いられる（例えば、特許文献１及び特許文献２）。
【０００３】
特許文献１および特許文献２では、広い視野に亘って虚像を観察するために、導光板の屈折率、回折格子のピッチ、虚像表示に用いる波長範囲についての検討が行われている。
【０００４】
しかしながら、特許文献１および特許文献２では、広い視野に亘って回折効率を高く維持する構成については検討が行われておらず、記載もされていない。
【０００５】
一方、画像表示装置ではないが、特許文献３には、基板の屈折率より回折格子の屈折率を高くする構成について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００８−５３５０３２号公報
【特許文献２】米国特許第６７５７１０５号公報
【特許文献３】特開２００９−２３７３５１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３の構成では、回折格子構造の底部には、回折格子と同じ屈折率の導光部が配置される構成となっており、この構成では、導光板と同じ屈折率の回折格子が配置されている場合と等価であり、導光板に効率良く回折光を入力させることはできない。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した事情を考慮して、広い視野範囲に亘って回折効率を高くすることができ、大きなサイズの虚像を観察できる光学デバイスおよび電子機器を提供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一態様は、導光体と、前記導光体の一方の面に沿った第１方向に延在する複数の凸部が、前記第１方向と交差する第２方向に沿って互いに離間して配列された第１回折光学素子とを有し、前記第１回折光学素子の複数の凸部の各々の屈折率は、前記導光体の屈折率よりも高いことを特徴とする。
【００１０】
上述した本発明に係る光学デバイスの一態様によれば、第１回折光学素子が入射側にある場合には、第１回折光学素子に入射した光は、第１回折光学素子によって回折されて、導光体に導入される。この際、第１回折光学素子の複数の凸部の各々の屈折率は、導光体の屈折率よりも高いので、回折光は導光板に効率よく導入されることになる。また、第１回折光学素子が出射側にある場合には、導光体に効率良く導入された回折光を、第１回折光学素子により効率良く取り出すことができる。
【００１１】
上述した本発明に係る光学デバイスの一態様において、前記第１回折光学素子は、前記導光体の光入射部に対応して設けられていてもよい。この場合には、第１回折光学素子に入射した光は、第１回折光学素子によって回折されて、導光体に導入される。この際、第１回折光学素子の複数の凸部の各々の屈折率は、導光体の屈折率よりも高いので、回折光は導光板に効率よく導入されることになる。
【００１２】
上述した本発明に係る光学デバイスの一態様において、前記第１回折光学素子は、前記導光体の光出射部に対応して設けられていてもよい。この場合には、導光体に効率良く導入された回折光を、第１回折光学素子により効率良く取り出すことができる。
【００１３】
上述した本発明に係る光学デバイスの一態様において、前記導光体の一方の面に沿った第３方向に延在する複数の凸部が、前記第３方向と交差する第４方向に沿って互いに離間して配列された第２回折光学素子を有し、前記第１回折光学素子は、前記導光体の光入射部に対応して設けられ、前記第２回折光学素子は、前記導光体の光出射部に対応して設けられていてもよい。この場合には、第１回折光学素子に入射した光は、第１回折光学素子によって回折されて、導光体に導入される。この際、第１回折光学素子の複数の凸部の各々の屈折率は、導光体の屈折率よりも高いので、回折光は導光板に効率よく導入されることになる。そして、導光体に効率良く導入された回折光を、第２回折光学素子により効率良く取り出すことができる。
【００１４】
上述した本発明に係る光学デバイスの一態様において、前記導光体の前記第１回折光学素子との間に下地層を備え、前記第１回折光学素子の複数の凸部の各々の屈折率は、前記導光体及び前記下地層の屈折率よりも高いことが好ましい。この場合には、第１回折光学素子の複数の凸部をエッチングにより作成する場合でも、下地層があるために、導光体までエッチングされる現象を防止し、凸部の深さを所望の深さに制御することができる。
【００１５】
上述した本発明に係る光学デバイスの一態様において、前記下地層の屈折率は、前記導光体と同じ屈折率としてもよい。この場合には、導光体と下地層とを一体の部材として考えることができ、回折光は下地層を介して導光板に効率よく導入されることになる。
【００１６】
上述した本発明に係る光学デバイスの一態様において、前記第１回折光学素子は表面レリーフ型回折格子であることが好ましい。この場合には、導光板の屈折率よりも高い屈折率の凸部を有する回折光学素子を容易に作成することができる。
【００１７】
次に、本発明に係る電子機器は、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。そのような電子機器は、液晶ディスプレイ等の画像形成部やコリメーター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。
【００１８】
また、上述した電子機器において、前記画像光はＴＥ偏光であることが好ましい。この場合には、ＴＥ偏光された画像光が、回折光学素子より効率良く導光体に導入される。
【００１９】
なお、上記本発明に係る電子機器において「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】
【００２０】
【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２Ａ】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２Ｂ】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を示す平面図である。
【図３】第１回折光学素子と導光板の拡大断面図である。
【図４】回折格子の屈折率と導光板の屈折率が１．６２であり、入射角θａが−１０°である場合の波数ベクトルダイアグラムである。
【図５】回折格子の屈折率と導光板の屈折率が１．６２であり、入射角θａ＝４．１°である場合の波数ベクトルダイアグラム
【図６】回折格子の屈折率が２．０５、導光板の屈折率が１．６２であり、入射角θａが−１０°である場合の波数ベクトルダイアグラムである。
【図７】回折格子の屈折率が２．０５、導光板の屈折率が１．６２であり、入射角θａ＝１０．１°である場合の波数ベクトルダイアグラム
【図８】回折格子の屈折率と導光板の屈折率が２．０５であり、入射角θａが−１０°である場合の波数ベクトルダイアグラムである。
【図９】回折格子の屈折率と導光板の屈折率が２．０５であり、入射角θａ＝１０．１°である場合の波数ベクトルダイアグラムである。
【図１０】回折格子の屈折率、導光板の屈折率、及び回折格子の深さの種々の組み合わせにおける入射角と１次回折効率との関係を示すグラフである。
【図１１】回折光学素子と下地が導光板よりも高い屈折率の材料で形成された光学デバイスの要部断面図である。
【図１２】回折光学素子が導光板よりも高い屈折率の材料で形成された光学デバイスの要部断面図である。
【図１３】第２実施形態における第１回折光学素子と導光板の拡大断面図である。
【図１４】導光板上に回折光学素子用膜を製膜した後にエッチングを行った状態を示す要部断面図である。
【図１５】導光板上に下地層を設け、下地層上の回折光学素子用膜を製膜した後にエッチングを行った状態を示す要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
＜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実施形態に係る電子機器の一例としてのヘッド・マウント・ディスプレイ１００の全体像の一例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。
【００２３】
具体的にヘッド・マウント・ディスプレイ１００は、導光板２００と、導光板２００を支持する左右一対のテンプル１３１，１３２と、テンプル１３１，１３２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、導光板２００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、導光板２００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。
【００２４】
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板について説明する。図２Ａ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板の一例を模式的に示す要部断面図である。図２Ｂは、図２Ａに対応する平面図である。なお、図示を省略するが、右眼用光学系の内部構造及び導光板については図２Ａを反転させて左右を入れ替えた構成となっている。図２Ａに示すように、第２表示装置１００Ｂは、画像形成部５００と、導光板２００とを備える。
【００２５】
画像形成部５００は、画像表示装置５０１と、投射光学系５０２とを有する。このうち、画像表示装置５０１は、本実施形態では、液晶パネルであり、液晶パネルからの出射光の電気ベクトルの振動方向が第１回折光学素子１０２のパターンに沿った方向（ｙ方向）となるように液晶パネルの出射側偏光板が配置されている。すなわち、導光板２００に入射させる光は、第１回折光学素子１０２に対してＴＥ波となるようにする。画像光１０は赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の波長成分を持っている。但し、本実施形態においては、緑色単色の光だけを用いているとして説明を行う。画像表示装置５０１としては、有機ＥＬパネルを用いることもできる。
【００２６】
投射光学系５０２は、画像表示装置５０１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、導光板２００に入射させるコリメーターレンズである。コリメーターレンズは、入射する偏光の偏光面が保存されるような材質、例えばガラスあるいは複屈折性が低い樹脂で構成される。
【００２７】
導光板２００は、ガラスあるいは光透過性の樹脂材料等により形成され、図中ＹＸ面に平行に延びる平板状の形状を有している。導光板２００の光入射面には、入射光を光出射面側の端面方向に回折させる第１回折光学素子１０２が設けられ、光出射面には、導光板２００を伝播してきた光を回折させて空気中に取り出す第２回折光学素子１０３が設けられている。これらの回折光学素子は、いずれも表面レリーフ型の回折格子である。
【００２８】
画像表示装置５０１の画素から射出された画像光１０は、投射光学系５０２によって平行光に変換され、画素の位置に応じた角度を持つ光として第１回折光学素子１０２に入射する。第１回折光学素子１０２は画像光１０を回折させて、画像光１０を導光板２００内に入射させる。導光板２００に入射した画像光１０は、導光板２００内で全反射を繰り返しながら伝播し、第２回折光学素子１０３に到達する。第２回折光学素子１０３に到達した画像光は、第２回折光学素子１０３の回折格子面に入射するたびに少しずつ外に取り出され、観察者の眼５０に到達する。
【００２９】
観察者が観察できる虚像の大きさを大きくするためには、画像表示装置５０１から導光板２００に入射させる画像光１０の視野角を大きくすることが必要となる。導光板２００を伝播した光は、第１回折光学素子１０２に入射した角度と同じ角度で第２回折光学素子１０３から出射されるので、第１回折光学素子１０２及び第２回折光学素子１０３は、広い視野角すなわち広い入射角範囲に亘って高い回折効率を維持できる構成とする必要がある。
【００３０】
（回折光学素子の屈折率）
本発明では、広い入射角範囲に亘って高い回折効率を実現するために、第１回折光学素子１０２と第２回折光学素子１０３を、屈折率が導光板２００よりも高い材料で構成している。以下、詳しく説明する。
【００３１】
図３に第１回折光学素子１０２と導光板２００の断面を拡大して示す。導光板２００の屈折率をｎｓ、第１回折光学素子１０２の屈折率をｎｇとする。第１回折光学素子１０２へ光が入射する側の媒質の屈折率をｎａとする。なお、本実施形態では、この媒質は空気なのでｎａ＝１とする。
【００３２】
第１回折光学素子１０２が形成されている領域を格子層と呼ぶこととし、格子層の実効屈折率をｎｇｅとする。格子層の実効屈折率は、入射する光の偏光方向によって異なるが、ここでは回折効率が高くなるＴＥ偏光に対する実効屈折率を考える。ＴＥ偏光は電界方向が第１回折光学素子１０２の格子パターンの方向に平行な偏光である。ＴＥ偏光に対する実効屈折率は、格子ピッチＰに対する凸部の比率をａとした時、
【００３３】
（数１）
ｎｇｅ＝［ａ・ｎｇ２＋（１−ａ）・ｎａ２］１／２
で表される。
【００３４】
ここで、１次回折効率の大小を定性的に考えてみる。第１回折光学素子１０２に入射する光の波長をλ、空気中の波数をｋａ、格子層内（実効屈折率ｎｇｅの媒質内）での波数をｋｇｅ、導光板中での光の波数をｋｓとした時、各波数は以下の式で表される。
【００３５】
（数２）
ｋａ＝２π・ｎａ／λ
ｋｇｅ＝２π・ｎｇｅ／λ
ｋｓ＝２π・ｎｓ／λ
【００３６】
また、第１回折光学素子１０２の格子ベクトルＫは格子ピッチＰを用いて、以下の式で表される。
【００３７】
（数３）
Ｋ＝２π／Ｐ
【００３８】
第１回折光学素子１０２への入射角をθａ、格子層への屈折角をθｇｉ、格子層内で回折される際の回折角をθｇｏ、導光板２００への屈折角をθｓとし、これらのパラメータを用いて、格子層内での入射光と回折光の結合効率を考察する。
【００３９】
図４に、入射角θａが−１０°である場合の波数ベクトルダイアグラムを示す。図４では時計回り方向の角度を正の角度で表すこととする。また、波長λ＝０．５３μｍ、導光板屈折率ｎｓ＝１．６２、格子屈折率ｎｇ＝１．６２としている。格子の充填比ａを０．５とするとＴＥ偏光に対する格子層の実効屈折率ｎｇｅは、以下のようになる。
【００４０】
（数４）
ｎｇｅ＝１．３５
【００４１】
波数ｋａの入射光が入射角θａ＝−１０°で格子層に入射する。この入射光は格子層の実効屈折率ｎｇｅによって屈折し格子層に入射する。この時、格子層内での屈折角はθｇｉ＝−７．４°、波数はｋｇｅとなる。
【００４２】
格子層に入射した光が格子層内で回折されたのち導光板２００に屈折して入射するが、導光板２００内での角度θｓが導光板２００の臨界角（導光板２００の屈折率ｎｓ＝１．６２の場合は３８．１°）より若干大きい３９°になるようにするには、格子層内での回折角θｇｏを４９．２°とする必要がある。
【００４３】
格子層内に入射した屈折角θｇｉの光を回折角θｇｏの方向に回折させるための格子ベクトルＫは、以下の式で表される。
【００４４】
（数５）
Ｋ＝ｋｇｅ・［ｓｉｎ（θｇｏ）−ｓｉｎ（θｇｉ）］
【００４５】
この時、第１回折光学素子１０２の格子ピッチＰは０．４４４μｍとなる。格子ベクトルＫと回折光の波数ベクトルのｚ方向の差Δｋがブラッグ条件の位相不整合量を表している。Δｋ＝０の場合、すなわち、格子層内の屈折光と回折光の波数ベクトルと格子ベクトルが閉じられている場合はブラッグ条件として回折効率が最大となるが、Δｋが大きくなるほどブラッグ条件からのずれが大きくなり、回折効率は低下する。図４の場合は、Δｋ＝５．４μｍ−１となる。
【００４６】
このように決定された第１回折光学素子１０２（格子ピッチＰ＝０．４４４μｍ）に対して、例えば入射角θａ＝４．１°の光を入射した際の波数ベクトルダイアグラムを図５に示す。
【００４７】
格子層への屈折角θｇｉは３．１°、格子層内での回折角θｇｏは７０°、導光板２００内での屈折角θｓは５１．３°となる。この場合、位相不整合量Δｋは１０．５μｍ−１と大きくなり、回折効率が低くなることが予想される。入射角θａを４．１°より大きくすると、格子層内の回折角θｇｏは７０°より大きくなり、さらに位相不整合量Δｋが大きくなる。
【００４８】
一方、回折格子の屈折率ｎｇを、導光板の屈折率１．６２より大きい２．０５とした場合の回折効率を考察する。図６に、入射角θａが−１０°である場合の波数ベクトルダイアグラムを示す。格子の充填比ａを０．５とすると、ＴＥ偏光に対する格子層の実効屈折率ｎｇｅはｎｇｅ＝１．６１となり、格子の屈折率が１．６２の場合のｎｇｅは１．３５より大きくなる。格子層内の波数を表すｋｇｅの円が大きくなり、導光板中の波数ｋｓの円に近づく。
【００４９】
図４の場合と同様に、入射角θａ＝−１０°の光が導光板２００内で屈折角θｓ＝３９°となるように第１回折光学素子１０２の格子ピッチＰを求めると、図４の場合と同様にＰ＝０．４４４μｍとなり、格子ベクトルＫの大きさも図４の場合と同じになる。この時、格子層内の回折角θｇｏは３９．２°となり、位相不整合量Δｋは５．４μｍ−１よりも小さい４．２μｍ−１となり、回折効率が高くなることが予想される。
【００５０】
このように決定された第１回折光学素子１０２（格子ピッチＰ＝０．４４４μｍ）に対して、例えば入射角θａ＝１０．１°の光を入射した場合の波数ベクトルダイアグラムを図７に示す。
【００５１】
格子層への屈折角θｇｉは６．２°、格子層内での回折角θｇｏは５８°、導光板２００内での屈折角θｓは５７．８°となる。この場合、位相不整合量Δｋは８．９μｍ−１となる。
【００５２】
図４の場合（導光板屈折率ｎｓ＝１．６２、格子屈折率ｎｇ＝１．６２の場合）、入射角θａが４．１°の場合に既に位相不整合量Δｋが１０．５μｍ−１となったが、図７の場合（導光板屈折率ｎｓ＝１．６２、格子屈折率２．０５の場合）は、入射角θａが１０．１°となっても位相不整合量Δｋは８．９μｍ−１程度にとどまっており、入射角θａが１０．１°でも回折効率が高く維持されていることが予想される。
【００５３】
導光板屈折率ｎａ＝１．６２、格子屈折率ｎｇ＝１．６２、回折格子の深さｄ＝０．２００μｍの場合と、導光板屈折率ｎｓ＝１．６２、格子屈折率２．０５、回折格子の深さｄ＝０．１７５μｍの場合について１次回折効率を計算で求めた結果の例を図１０に示す。
【００５４】
図１０からもわかるように、格子屈折率ｎｇが導光板屈折率ｎｓ＝１．６２と同じ１．６２の場合は、入射角が１０°に近づくにつれて１次回折効率が大きく低下する。一方、格子屈折率ｎｇが導光板屈折率ｎｓ＝１．６２より大きい２．０５の場合は、入射角が１０°になっても回折効率が維持されている。すなわち、入射角が広い範囲に亘って回折効率が維持されており、大きなサイズの虚像表示を行っても画面の左右で明るさの差が少ない表示を行うことができることがわかる。
【００５５】
また、上述の説明では、第１回折光学素子１０２によって光を導光板２００内に導入する場合の回折効率を示したが、導光板２００から光を取り出す第２回折光学素子１０３はこの逆の過程として考えることができるので、屈折率が高い回折格子を用いることで、広い角度範囲の光を導光板２００から取り出して観察者の眼に届けることができる。すなわち、屈折率が高い回折格子を第１回折光学素子及び第２回折光学素子として用いることにより、広い入射角範囲に亘って高い回折効率が維持され、大きなサイズの虚像表示を行っても両面の左右での明るさの差が少ない表示を行うことができる。
【００５６】
例えば、図４及び図５に示すように、導光板屈折率ｎｓ＝１．６２、格子屈折率ｎｇ＝１．６２の場合、入射角度として−１０°から＋４°の範囲に対応する虚像画面サイズは、画面の縦横比を１６：９とすると、２．５ｍ先で対角２８インチとなる。図１０から分るように、この角度範囲で回折効率が大きく変化しているため、画面内の明るさに大きな分布が生じることが予想される。
【００５７】
しかしながら、図６及び図７に示すように、導光板屈折率ｎｓ＝１．６２、格子屈折率２．０５の場合には、回折光学素子の屈折率を高くすることによって−１０°から＋１０°の入射角範囲で高い回折効率が維持できる。この入射角度範囲に対応する虚像画面サイズは、画面の縦横比を１６：９とすると、２．５ｍ先で対角４０インチとなり、虚像画面サイズを大きくできる。特に導光板屈折率ｎｓ＝１．６２、格子屈折率２．０５の場合は、この入射角範囲における回折効率の変化が少ないため、画面内の明るさの均一性が高くなる。
【００５８】
なお、回折光学素子は、導光板として屈折率が１．６２程度のガラス基板を用い、このガラス基板上にＳｉＮ（窒化ケイ素）を製膜し、このＳｉＮ膜をエッチングして作成することができる。また、リフトオフ法を用いて作成することもできる。
【００５９】
本実施形態では、回折光学格子に用いる高屈折率材料としてＳｉＮを挙げていたが、この他にも屈折率が高い光学薄膜として、酸化ハフニウムＨｆＯ２（屈折率１．９５）、二酸化ジルコニウムＺｒＯ２（屈折率２．０５）、酸化インジウムスズＩＴＯ（屈折率２．０５）、五酸化タンタルＴａ２Ｏ５（屈折率２．１）、二酸化チタンＴｉＯ２（屈折率２．４）などを用いることができる。
【００６０】
（比較例）
次に、特許文献３に記載されているような構造、すなわち図１１に示すように、回折光学素子３０１とその下地層３０２が、導光板４００よりも高い屈折率の材料で形成され、回折光学素子３０１とその下地層３０２が導光板４００に設けられた構造の光学デバイスについて考察する。
【００６１】
特許文献３では、回折光学素子とその下地層は屈折率が１．９の材料で形成されているとして説明が行われているが、ここでは、本実施形態の光学デバイスとの比較を行うために、回折光学素子３０１とその下地層３０２は屈折率が２．０５の材料で形成されとして説明を行う。回折光学素子３０１の屈折率ｎｇと導光層となる下地層３０２の屈折率ｎｓが共に２．０５であるとする。図８に、入射角θａが−１０°である場合の波数ベクトルダイアグラムを示す。
【００６２】
格子の充填比ａを０．５とするとＴＥ偏光に対する格子層の実効屈折率ｎｇｅは１．６１となり、格子層での波数ベクトルの大きさｋｇｅを表す円は、図６及び図７に示す本実施形態の光学デバイスにおけるｋｇｅの円と同じになる。一方、下地層３０２の屈折率ｎｓは２．０５であり、格子層の実効屈折率ｎｇｅより大きいので、下地層３０２内の波数ベクトルの大きさｋｓを表す円は実効屈折率の円より大きくなる。
【００６３】
図４あるいは図６に示す本実施形態の光学デバイスの場合と同様に、入射角θａ＝−１０°の光が下地層３０２内で屈折角θｓ＝３０°となるように回折光学素子３０１の格子ピッチＰを求める。下地層３０２の屈折率ｎｓが２．０５なので臨界角は２９．２°となり、この臨界角より若干大きい３０°をこの場合の屈折角θｓとした。入射角θａ＝−１０°の光を下地層３０２内の屈折角θｓ＝３０°に回折するための回折光学素子３０１の格子ピッチＰは０．４４２μｍとなり、格子ベクトルＫの大きさが決まる。この時、格子層内の回折角θｇｏは３９．５°となり、位相不整合量Δｋは４．２μｍ−１となる。この値は、図６に示す本実施形態の光学デバイスの場合（ｎｇ＝２．０５の場合）の位相不整合量と同じであり、回折効率が高くなることが予測される。
【００６４】
このように決定された回折光学素子３０１（格子ピッチＰ＝０．４４２μｍ）に対して、例えば入射角θａ＝１０．１°の光が入射するとする。この場合の波数ベクトルダイアグラムを図９に示す。図９に示すように、格子層への屈折角θｇｉは６．３°、格子層内での回折角θｇｏは５８．４°、下地層３０２内での屈折角θｓは４２．１°となる。この場合、位相不整合量Δｋは９．０μｍ−１となり、図６に示す本実施形態の光学デバイスの場合（導光板屈折率ｎｓ＝１．６２、格子屈折率ｎｇ＝２．０５の場合）と同等であり、入射角θａが１０．１°でも回折効率が高く維持されることが予想される。この構成における１次回折効率を計算した結果を図１０に示す。
【００６５】
次に、導光板の屈折率について考察する。図２Ａに示すように、導光板２００は、顔の横に配置される画像表示装置５０１からの画像光１０を観察者の眼５０に伝達させる機能を有する。従って、導光板２００の長さは１００ｍｍ程度、幅は３０ｍｍ程度、厚みは１．５ｍｍ程度になる。導光板２００の材料としてガラスを用いる場合、ガラスの屈折率の上限は２程度であり、屈折率が高いガラスの密度は、一般的に光学ガラスとして用いられる屈折率１．５程度のガラスの密度の１．７倍程度大きくなる。
【００６６】
ヘッド・マウント・ディスプレイなどの電子機器として本発明の光学系を用いる場合は、光学系の軽量化が望まれ、そのためには密度が小さい、すなわち、屈折率が低いガラスを用いることが好ましい。
【００６７】
図１１に示す比較例においても、導光板４００は、低い屈折率（例えば１．５２）のガラスから形成されている。比較例では、この導光板４００の表面に、この屈折率より高い屈折率ｎｇ（例えば２．０５）の材料で回折光学素子３０１とその下地３０２が形成されている。
【００６８】
この比較例の構造では、回折光学素子３０１が高い屈折率材料で形成されているので、空気側から回折光学素子３０１に入射した光は、図８、図９で説明したように高い回折効率で高屈折率層である下地３０２に光が導入される。
【００６９】
しかしながら、比較例の構造では、高屈折率層である下地３０２と導光板４００の界面で屈折率の差があるために、界面反射光が生じる。この界面反射光は回折光学素子３０１と界面の間で反射を繰返しながら回折光学素子３０１によって空気側へ射出される。すなわち、回折光学素子３０１で回折された光のうち導光板４００に入射して出射側の回折光学素子の方向へ伝播して行く光量が低下する。
【００７０】
したがって、図１２に示す本実施形態の光学デバイスのように、高屈折率層である下地を介することなく、高い屈折率の回折光学素子１０２が、回折光学素子１０２の屈折率より低い屈折率の導光板２００の表面に形成されていることが好ましい。
【００７１】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について図１３ないし図１５を参照して説明する。回折光学素子１０２をエッチングで作成する場合には、図１４に示すように導光板２００上に回折光学素子の膜１０２Ａを製膜し、さらに膜１０２Ａ上にレジスト３００を形成した上で、点線で示すようにエッチングを行う。この際、膜１０２Ａだけでなく、導光板２００にもエッチングされた領域３０３が出来てしまい、回折光学素子１０２の深さを制御することができなくなり、所望の回折効率が得られなくなる可能性がある。
【００７２】
そこで、本実施形態では、図１５に示すように、導光板２００上に下地膜２０１を製膜した上で、同様のエッチングを行う。下地膜２０１は、回折光学素子１０２の膜１０２Ａの材質と比べてエッチングされにくい材質が用いられており、上述と同様のエッチングを行った場合でも、エッチングされた領域３０３の深さは、上述の場合に比べて浅くなる。したがって、回折光学素子１０２の深さを制御することができ、所望の回折効率を得ることができる。
【００７３】
図１３に本実施形態におけるエッチング後の光学デバイスの要部断面を示す。下地膜２０１の屈折率ｎｔは、導光板２００の屈折率ｎｓと同程度であり、かつ、回折光学素子１０２の屈折率ｎｇより小さいことが必要となる。また、下地膜２０１は回折光学素子１０２の材質と比べてエッチングされにくい必要がある。このような下地膜として屈折率が１．６３程度であるＡｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）を用いることができる（導光板屈折率１．６２、格子屈折率２．０５）。
【００７４】
＜変形例＞
本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に述べる各種の変形が可能である。また、各実施形態及び各変形例を適宜組み合わせてもよいことは勿論である。
【００７５】
（１）導光板の屈折率と格子の屈折率、あるいは下地膜の屈折率は適宜変更できる。また、導光板としてガラスではなく、プラスチックを用いることも可能であるが、本発明は回折格子に対する偏光がＴＥ偏光の場合について成り立つので、導光板伝播中に偏光解消が生じない必要がある。
（２）上述した第１実施形態および第２実施形態では、入射側の回折光学素子である第１回折光学素子１０２，第２回折光学素子１０３として、表面レリーフ型の回折格子を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、傾斜型の表面レリーフ回折格子やブレーズ型回折格子を適用することもできる。
【符号の説明】
【００７６】
１０…画像光、５０…観察者の眼、１００…ヘッド・マウント・ディスプレイ、１００Ａ…画像表示装置、１００Ｂ…画像表示装置、１０２…第１回折光学素子、１０３…第２回折光学素子、１１１，１１２…画像形成装置、１３１，１３２…テンプル、２００…導光板、２０１…下地膜、３００…レジスト、５００…画像形成装置、５０１…画像表示装置、５０２…投射光学系。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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