(57)【要約】【課題】無駄になっている非回折光を有効に活用して、導光体への光の入射効率を向上させる。【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１回折光学素子３０ａに対向する面に反射膜４０を配置する。第１回折光学素子３０ａと反射膜４０は、第１回折光学素子３０ａに入射した後に第１回折光学素子３０ａによって回折されずに反射膜４０によって反射された光が、第１回折光学素子３０ａによって反射回折される位置に設けられている。【選択図】図２
2015053163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１光入射部と第１光出射部とを備えた第１導光体と、
前記第１導光体の前記第１光入射部に設けられ、入射光の一部を回折させて前記第１導光体の内部を反射により導光させる第１回折光学素子と、
前記第１導光体の前記第１光入射部と反対側の面に設けられた反射部材と、を有し、
前記反射部材は、前記入射光のうち前記第１回折光学素子で回折されない光の少なくとも一部が、前記反射部材で反射した後前記第１回折光学素子で回折し、前記第１導光体の内部を反射により導光するように配置されていることを特徴とする光学デバイス。
【請求項２】
第１光入射部と第１光出射部とを備えた第１導光体と、
第２光入射部と第２光出射部とを備えた第２導光体と、
前記第１導光体の前記第１光入射部に設けられ、入射光の一部を回折させて前記第１導光体の内部を反射により導光させる第１回折光学素子と、
前記第２導光体の前記第２光入射部に設けられ、前記入射光のうち前記第１回折光学素子で回折されない光の少なくとも一部を回折させて前記第２導光体の内部を反射により導光させる第２回折光学素子と、
前記第２導光体の前記第２光入射部と反対側の面に設けられた反射部材と、を有し、
前記第１導光体の内部を反射により導光する光は、前記第２導光体の内部を反射により導光する光と異なる分光分布を備え、
前記反射部材は、前記入射光のうち前記第２回折光学素子で回折されない光の少なくとも一部が、前記反射部材で反射した後前記第２回折光学素子で回折し、前記第２導光体の内部を反射により導光するように配置さ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２に記載の光学デバイスにおいて、
前記第１導光体と前記第２導光体との間にダイクロイックミラーを有することを特徴とする光学デバイス。
【請求項４】
請求項２または３に記載の光学デバイスにおいて、
前記第２導光体の前記第２光出射部に設けられ、前記第２導光体の内部を反射により導光した光の少なくとも一部を回折させて前記第２導光体の外部に取り出す第３回折光学素子を有す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、
前記第１導光体の前記第１光出射部に設けられ、前記第１導光体の内部を反射により導光した光の少なくとも一部を回折させて前記第１導光体の外部に取り出す第４回折光学素子を有す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、
前記反射部材は、前記光入射部の法線方向から見て、前記第１回折光学素子よりも大きい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、
回折させる第５回折光学素子を有す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において、
前記第１回折光学素子は、表面レリーフ型の回折格子である、ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れかに記載の光学デバイスにおいて、
前記反射部材は、前記導光体の面に蒸着またはスパッタにより形成される反射膜である、
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項１０】
請求項１乃至９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、あるいはヘッドアップディスプレイ等が商品化され、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（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特許文献１に開示された画像表示装置は、車載用に用いられるヘッドアップディスプレイであり、入射側と出射側に回折光学素子が用いられている。この装置よれば、入射側の回折光学素子を介して導光体に入射された画像光が、導光体内で反射されて出射側の回折光学素子から取り出される。そして、導光体が透過性を有する部材で構成されているため、ドライバーは、フロントガラス越しの視界を遮られることなく、回折光学素子から取り出される画像を認識することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第４７１１５１２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された装置に用いられたような従来の回折光学素子により回折されて導光体内に入射されるのは、＋１次回折光とよばれる回折光だけであり、
他の方向に回折される−１次回折光や、回折しないで導光体をそのまま透過してしまう非回折光等、＋１次回折光以外の方向にエネルギーを分配してしまう。
【０００６】
特に、最もエネルギーが多いのは、回折しないで導光体をそのまま透過してしまう非回折光であり、導光体への光の入射効率を低下させる最大の原因となっていた。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した事情を考慮して、無駄になっている非回折光を有効に活用して、導光体への光の入射効率を向上させることのできる光学デバイス、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】
【０００８】
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、第１光入射部と第１光出射部とを備えた第１導光体と、前記第１導光体の前記第１光入射部に設けられ、入射光の一部を回折させて前記第１導光体の内部を反射により導光させる第１回折光学素子と、前記第１導光体の前記第１光入射部と反対側の面に設けられた反射部材と、を有し、前記反射部材は、前記入射光のうち前記第１回折光学素子で回折されない光の少なくとも一部が、前記反射部材で反射した後前記第１回折光学素子で回折し、前記第１導光体の内部を反射により導光するように配置されていることを特徴とする。
【０００９】
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、「反射部材」には、反射膜、あるいはダイクロイックミラー等を含む。「回折光学素子」には、表面レリーフ型の回折格子、ブレーズ型の回折格子、透過型の体積ホログラム等を含む。
【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光入射部に第１回折光学素子を配置し、第１回折光学素子に入射する画像光を第１回折光学素子により回折させて導光体内に入射させ、導光体により導光させる。第１回折光学素子により回折されなかった光は、反射部材によって反射させて再び第１回折光学素子により反射回折させて導光体内に入射させ、導光体により導光させる。回折光学素子により反射される光の角度は、格子周期と波長により決まるが、反射部材によって反射される光は、第１回折光学素子により回折された光と同じ波長なので、結局、第１回折光学素子により反射回折される光の角度は、第１回折光学素子により回折された光と同じ角度となり、光の入射効率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２の態様において、第１光入射部と第１光出射部とを備えた第１導光体と、第２光入射部と第２光出射部とを備えた第２導光体と、前記第１導光体の前記第１光入射部に設けられ、入射光の一部を回折させて前記第１導光体の内部を反射により導光させる第１回折光学素子と、前記第２導光体の前記第２光入射部に設けられ、前記入射光のうち前記第１回折光学素子で回折されない光の少なくとも一部を回折させて前記第２導光体の内部を反射により導光させる第２回折光学素子と、前記第２導光体の前記第２光入射部と反対側の面に設けられた反射部材と、を有し、前記第１導光体の内部を反射により導光する光は、前記第２導光体の内部を反射により導光する光と異なる分光分布を備え、前記反射部材は、前記入射光のうち前記第２回折光学素子で回折されない光の少なくとも一部が、前記反射部材で反射した後前記第２回折光学素子で回折し、前記第２導光体の内部を反射により導光するように配置されていることを特徴とする。
【００１２】
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光入射部に第１回折光学素子を配置し、第１回折光学素子に入射する画像光を第１回折光学素子により回折させて導光体内に入射させ、導光体により導光させる。第１回折光学素子により回折されなかった光は、反射部材によって反射させて再び第１回折光学素子により反射回折させて導光体内に入射させ、導光体により導光させる。また、入射光のうち第１回折光学素子で回折されない光の少なくとも一部は、第２回折光学素子に入射させ、第２回折光学素子により回折させて第２導光体の内部を反射により導光させる。入射光のうち第２回折光学素子で回折されない光の少なくとも一部は、反射部材により反射させ、第２回折光学素子で回折させて、第２導光体の内部を反射により導光させる。反射部材によって反射される光は、第１回折光学素子により回折された光と同じ波長なので、結局、第１回折光学素子により反射回折される光の角度は、第１回折光学素子により回折された光と同じ角度となり、光の入射効率を向上させることができる。また、第２導光体の内部を反射により導光する光は、第１導光体の内部を反射により導光する光と異なる分光分布を備えるが、反射部材によって反射される光は、第２回折光学素子により回折された光と同じ波長なので、結局、第２回折光学素子により反射回折される光の角度は、第２回折光学素子により回折された光と同じ角度となり、光の入射効率を向上させることができる。このように、異なる分光分布を備える光の入射効率を向上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２の態様において、前記第１導光体と前記第２導光体との間にダイクロイックミラーを有するようにしてもよい。この場合には、ダイクロイックミラーによって反射されて第１導光体に導光される光以外の光を第２導光体の第２回折光学素子に入射させることが無くなるので、光量の損失や波面の劣化を防ぐことができる。
【００１４】
上述した本発明に係る光学デバイスの第２の態様において、前記第２導光体の前記第２光出射部に設けられ、前記第２導光体の内部を反射により導光した光の少なくとも一部を回折させて前記第２導光体の外部に取り出す第３回折光学素子を有することが好ましい。この場合には、第２導光体によって導光される光を効率よく第２導光体の外部に取り出すことが可能となる。
【００１５】
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導光体の前記第１光出射部に設けられ、前記第１導光体の内部を反射により導光した光の少なくとも一部を回折させて前記第１導光体の外部に取り出す第４回折光学素子を有することが好ましい。この場合には、第１導光体によって導光される光を効率よく第１導光体の外部に取り出すことが可能となる。
【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、前記反射部材は、前記光入射部の法線方向から見て、前記第１回折光学素子よりも大きいことが好ましい。この場合には、前記第１回折光学素子によって回折されずに前記反射鏡によって反射された光を、より確実に反射回折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１の態様または第２の態様において、回折させる第５回折光学素子を有するようにしてもよい。この場合には、前記反射鏡によって反射された光を、より確実に反射回折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回折光学素子は、表面レリーフ型の回折格子であることが好ましい。この場合には、所望の波長の光を効率良く回折し、かつ、効率良く反射回折することができる。
【００１９】
本発明に係る光学デバイスの第１の態様において、前記反射部材は、前記導光体の面に蒸着またはスパッタにより形成される反射膜であることが好ましい。この場合には、平面度が高く、精度良く製作される平板状の導光体の表面に反射膜を蒸着またはスパッタにより形成すればよいので、光学デバイスの製造が容易になる。
【００２０】
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。 
【００２１】
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、広い画角で明るい画像を得ることができる光学デバイスを得ることができる。
【００２２】
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】
【００２３】
【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左眼用光学系の内部構造及び導波体の一例を示す要部断面図である。
【図３】左眼用光学系の内部構造及び導波体の一例の平面図である。
【図４】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体の一例を示す要部断面図である。
【図５】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体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】
【００２４】
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。
【００２５】
＜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。
【００２６】
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。
【００２７】
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の一例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る。図示を省略するが、右眼用光学系の内部構造及び導光体についても、図２に示す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成となっている。
図３は、図２に示す矢印Ａから導光体を見た平面図である。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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３０ｂが設けられている。
【００３１】
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、一例として、表面レリーフ型の回折格子を用いており、格子周期は同一となっている。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導光体内で全反射させて、出射側における第２回折光学素子３０ａで回折させた画像光を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の出射側（観察者の鼻側）に導かれる。出射側に導かれた画像光は、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。
【００３２】
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。
【００３３】
本実施形態においては、導光体２０の光入射面２０ａに対向する面に、反射膜４０が蒸着されている。反射膜４０には、一例として、アルミニウムを主体とした成分で形成される。反射膜４０は、図３に示すように、第１回折光学素子３０ａを覆うように第１回折光学素子３０ａよりも大きな領域に形成されている。具体的には、図２および図３に示すように、反射膜４０は、反射膜４０の左側端部が導光体２０の左側端部に近い位置にあり、反射膜４０の右側端部が第１回折光学素子３０ａの右側端部よりも導光体２０の中央部側に位置するような大きさ有し、このように配置されている。図２に示すように、光源である画像形成部１０が左寄りに位置しているので、第１回折素子３０ａにより回折される光Ｌ２とは逆方向に回折される光Ｌ３や、第１回折素子３０ａにより回折されない光には、入射面の法線に対して右寄りに傾斜するものが存在する。また、入射光Ｌ１は角度分布を有しているため、図２の光Ｌ３よりもさらに右寄りに傾斜した光が存在する。その結果、第１回折素子３０ａの右端を通過した光は右寄りにはみ出すことになるが、本実施形態の反射膜４０は、上述したような大きさと配置になっているので、第１回折素子３０ａの右端を通過した光を確実に反射させ、第１回折光学素子３０ａによって回折されずに導光体２０の第２のパネル面２０２を透過しようとする光を、効率よく導光体２０の内部に反射させることができる。導光体２０の内部に取り込むことが可能となる。なお、本実施形態では、光源としての画像形成部１０は、図２に示すように左寄りに配置しているが、図２に示す位置よりも右寄りに配置して逆の斜め入射を行うことも可能である。この場合は、反射膜４０は、反射膜４０の左側端部が導光体２０の左側端部に近い位置となるような大きさ有し、このような位置関係となるように配置してもよい。
【００３４】
図２に示すように、第１回折光学素子３０ａに対して入射する画像光Ｌ１は、第１回折光学素子３０ａによって導光体２０の内部側に回折される＋１次回折光Ｌ２と、＋１次回折光とは逆方向に回折される−１次回折光、あるいは、回折されない非回折光などの光Ｌ３とに分けられる。
【００３５】
−１次回折光や非回折光などの光Ｌ３は、導光体２０の光入射面２０ａに対向する面側に進むが、この光入射面２０ａに対向する面には、反射膜４０が設けられているため、反射膜４０によって反射され、再び第１回折光学素子３０ａに入射する光Ｌ４となる。
【００３６】
回折光学素子によって反射回折される角度は、回折格子の格子周期と入射光の波長で定められる。したがって、反射膜４０によって反射される光は、＋１次回折光Ｌ２と同じ波長なので、第１回折光学素子３０ａによって反射回折される反射回折光Ｌ５は、＋１次回折光Ｌ２と同じ角度で導光体２０の内部に導光されることになる。
【００３７】
以上のように、本実施形態によれば、導光体２０の光入射面２０ａに対向する面に、反射膜４０を形成したことにより、第１回折光学素子３０ａにより回折される＋１次回折光の他に、反射膜４０によって反射された後に第１回折光学素子３０ａにより反射回折される＋１次反射回折光を導光体２０の内部に入射させ、出射側に導光させることができるので、従来は無駄になっていた非回折光等を有効に活用して、導光体への光の入射効率を向上させることができる。その結果、再生映像を従来よりも明るくすることができる。また、明るさを従来と同じに設定した場合には、省電力化が可能である。
【００３８】
また、本実施形態に用いたような平行板型の導光体は、表面や裏面の平行度が高く、平坦性も良好に製作される。したがって、このような精度良く製作される導光体の面に反射膜を蒸着やスパッタ等により作成するだけで本発明の効果が得られるため、本発明の光学デバイスは製作が容易である。
【００３９】
＜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、導光体を積層する構成となっているところが第１実施形態と異なる。図４は、本実施形態に係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。
【００４０】
本実施形態においては、導光体２０の他に、導光体２０とほぼ平行に配置された導光体２１を備えている。導光体２１は、導光体２０と同様に、図中ＹＺ面に平行に延び、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板状の部材である。
【００４１】
導光体２１の光入射面２１ａには、入射光を光出射面２１ｂ側に回折させる第３回折光学素子３０ｃが設けられ、光出射面２１ｂには、光出射面２１ｂ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、導光体２０を介して虚像光として観察者の眼ＥＹに投射する第４回折光学素子３０ｄが設けられている。
【００４２】
本実施形態においては、第１回折光学素子３０ａ、第２回折光学素子３０ｂ、第３回折光学素子３０ｃ、及び第４回折光学素子３０ｄは、一例として、いずれも表面レリーフ型の回折格子である。
【００４３】
第１回折光学素子３０ａ及び第２回折光学素子３０ｂは、短い波長の光、つまり、青色光及び緑色光を回折するように設定されており、第３回折光学素子３０ｃ及び第４回折光学素子３０ｄは、長い波長の光、つまり、緑色光及び赤色光を回折するように設定されている。
【００４４】
導光体２１の光入射面２１ａに対向する面には、反射膜４０が蒸着されている。反射膜４０は、第１実施形態と同様に、アルミニウム等により形成されている。但し、本実施形態においては、導光体２０には反射膜は設けられていない。
【００４５】
図４に示すように、第１回折光学素子３０ａに対して入射する波長の短い画像光Ｌ１は、第１回折光学素子３０ａによって導光体２０の内部側に回折される＋１次回折光Ｌ２と、＋１次回折光とは逆方向に回折される−１次回折光、あるいは、回折されない非回折光などの光Ｌ３とに分けられる。
【００４６】
−１次回折光や非回折光などの光Ｌ３は、導光体２０の光入射面２０ａに対向する面側に進み、導光体２０を通過して、導光体２１の光入射面２１ａに設けられた第３回折光学素子３０ｃに入射する。光入射面２１ａに設けられた第３回折光学素子３０ｃは、波長の長い画像光を回折するように設定されているため、第３回折光学素子３０ｃに入射した光Ｌ３は、第３回折光学素子３０ｃではほとんど回折されずに光入射面２１ａに対向する面側に進む。この光入射面２１ａに対向する面には、反射膜４０が設けられているため、光Ｌ３は反射膜４０によって反射されて反射光Ｌ４となり、再び第３回折光学素子３０ｃに入射し、第３回折光学素子３０ｃではほとんど回折されずに再び導光体２０に入射して光入射面２１ａに進む。回折光学素子によって反射回折される角度は、回折格子の格子周期と入射光の波長で定められる。したがって、反射膜４０によって反射される光Ｌ４は、＋１次回折光Ｌ２と同じ波長なので、第１回折光学素子３０ａによって反射回折される反射回折光Ｌ５は、＋１次回折光Ｌ２と同じ角度で導光体２０の内部に導光されることになる。
【００４７】
また、図４に示すように、第１回折光学素子３０ａに対して入射する波長の長い画像光Ｌ１０は、第１回折光学素子３０ａではほとんど回折されずに導光体２０を通過する光Ｌ１１となり、導光体２１の光入射面２１ａに設けられた第３回折光学素子３０ｃに入射する。第３回折光学素子３０ｃに入射する光Ｌ１１は、導光体２１の内部側に回折される＋１次回折光Ｌ１２と、＋１次回折光とは逆方向に回折される−１次回折光、あるいは、回折されない非回折光などの光Ｌ１３とに分けられる。
【００４８】
−１次回折光や非回折光などの光Ｌ１３は、導光体２１の光入射面２１ａに対向する面側に進み、光入射面２１ａに対向する面に設けられた反射膜４０によって反射されて反射光Ｌ１４となり、再び第３回折光学素子３０ｃに入射する。反射膜４０によって反射される光Ｌ１４は、＋１次回折光Ｌ１２と同じ波長なので、第３回折光学素子３０ｃによって反射回折される反射回折光Ｌ１５は、＋１次回折光Ｌ１２と同じ角度で導光体２１の内部に導光されることになる。
【００４９】
以上のように、本実施形態によれば、波長に応じて２つの導光体２０と導光体２１を備え、導光体２０には第１回折光学素子３０ａ、第１回折光学素子３０ｂを設け、導光体２１には第３回折光学素子３０ｃ、第４回折光学素子３０ｄを設けると共に、導光体２１の光入射面２１ａに対向する面に、反射膜４０を形成した。その結果、波長に応じて、回折光学素子によって回折される＋１次回折光の他に、反射膜４０によって反射された後に回折光学素子により反射回折される＋１次反射回折光を導光体２０及び導光体２１の内部に入射させ、出射側に導光させることができるので、従来は無駄になっていた非回折光等を有効に活用して、広い色域にわたって導光体への光の入射効率を向上させることができる。その結果、再生映像を従来よりも明るくすることができる。また、明るさを従来と同じに設定した場合には、省電力化が可能である。
【００５０】
なお、本実施形態においては、２つの導光体を用いる例について説明したが、本発明はこのような例に限定されるものではなく、３つの導光体あるいは４つの導光体等、導光体の数を適宜増やすようにしてもよい。
【００５１】
＜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。本実施形態では、第２実施形態で用いた導光体２０に短波長反射用のダイクロイックミラー４１を設け、導光体２１に長波長反射用のミラー４２を設けたところが、第２実施形態と異なる。図５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。
【００５２】
導光体２０の光入射面２０ａに対向する面に設けられた短波長反射用のダイクロイックミラー４１は、波長の短い光を反射させると共に、波長の長い光を透過させる性質を有している。また、導光体２１の光入射面２１ａに対向する面に設けられた長波長反射用のミラー４２は、波長の長い光を反射させる性質を有している。
【００５３】
このように構成することにより、波長の短い光が導光体２１側の第３回折光学素子３０ｃや導光体２１に入射することがなく、導光体２０内に導光されるので、各導光体における光量の損失や、波面の劣化がなく、より好ましい画像を形成することができる。
【００５４】
＜Ｄ：変形例＞
本発明は以上に説明した各実施形態に限定されるものではなく、適宜変形することが可能である。また、各実施形態を適宜組み合わせたり、各実施形態と各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
【００５５】
（変形例１）
上述した各実施形態においては、回折光学素子として、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、体積ホログラム、ブレーズ型の回折格子等を用いることも可能である。また、出射面においては回折光学素子を設けなくてもよく、あるいはプリズム等の光学素子を用いることも可能である。また、各実施形態においては、反射膜を用いる例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、反射型の体積ホログラム、あるいは、プリズム、コーナーキューブ等の再帰反射性の光学素子を用いることができる。
【００５６】
（変形例２）
上述した各実施形態では、光入射面に配置した第１回折光学素子３０ａまたは第３回折光学素子に光を入射すると共に、第１回折光学素子３０ａまたは第３回折光学素子により、反射膜またはダイクロイックミラー等で反射された光を反射回折させる例について説明した。しかし、本発明はこのような例に限定されるものではなく、反射回折用の回折光学素子を、入射用の回折光学素子と別体に設けるようにしてもよい。また、反射膜、ダイクロイックミラー、及びミラーは、導光体と一体に形成したが、導光体とは別体に設けるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１０…画像形成部、１１…画像表示装置、１２…投射光学系、２０，２１…導光体、２０ａ，２１ａ…光入射面、２０ｂ，２１ｂ…光出射面、３０ａ…第１回折光学素子、３０ｂ…第２回折光学素子、３０ｃ…第３回折光学素子、３０ｄ…第４回折光学素子、４０…反射膜、４１…ダイクロイックミラー、４２…ミラー、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。
【図１】
2015053163.tif 000003
【図２】
2015053163.tif 000004
【図３】
2015053163.tif 000005
【図４】
2015053163.tif 000006
【図５】
2015053163.tif 000007