(57)【要約】【課題】表示画像の画角を確保しながら投影光学系を小さくする。【解決手段】画像表示装置は、任意の画像に対応する画像光を無限遠に投影する投影光学系１１と、投影光学系１１から射出された画像光を、回折させる第１の回折素子２６と、互いに平行且つ対向する第１の平面Ｓ１および第２の平面Ｓ２を有する板状に形成され、第１の平面Ｓ１および第２の平面Ｓ２の間で、第１の回折素子２６で偏向された画像光を、反射を繰返しながら第１の方向に伝播させる第１の導光部２５と、第１の導光部２５を伝播する画像光の一部を第１の平面Ｓ１に実質的に垂直な方向に、反射または屈折により偏向させる第１の三角プリズムアレイ２７とを備える第１の伝播光学系２２とを備える。【選択図】図４
2015191032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
任意の画像に対応する画像光を無限遠に投影する投影光学系と、
前記投影光学系から射出された画像光を、回折させる第１の入力偏向部と、互いに平行且つ対向する第１の平面および第２の平面を有する板状に形成され、前記第１の平面および前記第２の平面の間で、前記第１の入力偏向部で偏向された前記画像光を、反射を繰返しながら第１の方向に伝播させる第１の導光部と、前記第１の導光部を伝播する画像光の一部を前記第１の平面に実質的に垂直な方向に、反射または屈折により偏向させる第１の出力偏向部とを備える第１の伝播光学系と
を備える画像表示装置。
【請求項２】
前記投影光学系は、前記画像光が前記第１の入力偏向部へ入射する入射角と、該画像光が前記導光部を伝播して前記第１の出力偏向部から射出する射出角との非線形性に基づいて、補正された画像光を投影することを特長とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記第１の出力偏向部により偏向され、前記第１の伝播光学系から射出された前記画像光を回折させる第２の入力偏向部と、互いに平行且つ対向する第３の平面および第４の平面を有する板状に形成され、前記第３の平面および前記第４の平面の間で、前記第２の入力偏向部で偏向された前記画像光を、反射を繰返しながら前記第１の方向に実質的に直交する第２の方向に伝播させる第２の導光部と、前記第２の導光部を伝播する前記画像光の一部を前記第３の平面に実質的に垂直な方向に、反射または屈折により偏向させる第２の出力偏向部とを備える第２の伝播光学系を備える請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記投影光学系は、前記画像光が前記第１の入力偏向部へ入射する入射角と、該画像光が前記導光部を伝播して前記第２の出力偏向部から射出する射出角との非線形性に基づいて、補正された画像光を投影することを特長とする請求項３に記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記第１の入力偏向部は、前記第１の方向に周期的に配列された回折格子パターンを有することを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、射出瞳を拡大して画像を投影する表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
２次元画像を観察者の視野内に投影する装置として、無限遠に表示画像の虚像を投影する投影光学系から射出される画像光を、導光板に入射させ当該導光板内で反射を繰り返させながら画像光を伝播させつつ、導光板の一方の面から一部の画像光を観察者側に向けて偏向させ出射させることにより射出瞳を拡大する、種々の画像表示装置が知られている。（例えば、特許文献１参照）。特許文献１によれば、導光板に入射する光束幅を、導光層の厚みおよび伝播角度で規定することにより、瞳位置が移動した場合でも輝度ムラが生じにくい構成としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−０４４３２６公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の画像表示装置では、画像表示装置が再生する画像の画角は、投影光学系の投影する画角に等しくなる。このため、表示画角を大きくするためには、投影光学系を大きくしなければならず、その結果、画像表示装置全体も大きくなるという問題点があった。
【０００５】
したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、表示画像の画角の大きさを確保しつつ投影光学系を小さくすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成する画像表示装置の発明は、
任意の画像に対応する画像光を無限遠に投影する投影光学系と、
前記投影光学系から射出された画像光を、回折させる第１の入力偏向部と、互いに平行且つ対向する第１の平面および第２の平面を有する板状に形成され、前記第１の平面および前記第２の平面の間で、前記第１の入力偏向部で偏向された前記画像光を、反射を繰返しながら第１の方向に伝播させる第１の導光部と、前記第１の導光部を伝播する画像光の一部を前記第１の平面に実質的に垂直な方向に、反射または屈折により偏向させる第１の出力偏向部とを備える第１の伝播光学系と
を備えることを特徴とするものである。
【０００７】
前記投影光学系は、前記画像光が前記第１の入力偏向部へ入射する入射角と該画像光が前記第１の導光部を伝播して前記第１の出力偏向部から射出する射出角との非線形性に基づいて、補正された画像光を投影することが好ましい。
【０００８】
さらに、好ましくは、前記第１の出力偏向部により偏向され、前記第１の伝播光学系から射出された前記画像光を回折させる第２の入力偏向部と、互いに平行且つ対向する第３の平面および第４の平面を有する板状に形成され、前記第３の平面および前記第４の平面の間で、前記第２の入力偏向部で偏向された前記画像光を、反射を繰返しながら前記第１の方向に実質的に直交する第２の方向に伝播させる第２の導光部と、前記第２の導光部を伝播する前記画像光の一部を前記第３の平面に実質的に垂直な方向に、反射または屈折により偏向させる第２の出力偏向部とを備える第２の伝播光学系を備える。
【０００９】
前記投影光学系は、前記画像光が前記第１の入力偏向部へ入射する入射角と、該画像光が前記導光部を伝播して前記第２の出力偏向部から射出する射出角との非線形性に基づいて、補正された画像光を投影することが好ましい。
【００１０】
また、前記第１の入力偏向部は、前記第１の方向に周期的に配列された回折格子パターンを有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、投影光学系から射出された画像光を、回折させる第１の入力偏向部と、第１の導光部を伝播する画像光の一部を第１の平面に実質的に垂直な方向に、反射または屈折により偏向させる第１の出力偏向部とを備えるので、表示画像の画角の大きさを確保しつつ投影光学系を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施の形態に係る画像表示装置の斜視図である。
【図２】図１の投影光学系の構成を概略的に示す図である。
【図３】図１の瞳拡大光学系の各構成要素を離間して表示した斜視図である。
【図４】第１の伝播光学系の入射側部分を画像光の経路とともに示す上面図である。
【図５】図５（ａ）は、本願の投影光学系の概略構成を、入射角度および射出角度とともに示す図である。図５（ｂ）は、従来例の投影光学系を、入射角度および射出角度とともに示す図である。
【図６】図６（ａ）は、図１の瞳拡大光学系の画像光の伝播を説明する図であり、図６（ｂ）は、従来例の瞳拡大光学系の画像光の伝播を説明する図である。
【図７】投影光学系の変形例の概略構成を画像光の偏向角度および射出角度とともに示す図である。
【図８】第２実施の形態に係る画像投影装置の概略構成を示す図であり、図８（ａ）は正面図、図８（ｂ）は上面図である。
【図９】図８（ａ）の伝播光学系の入射部分を画像光の経路とともに示す上面図である。
【図１０】伝播光学系の変形例を示す図である。
【図１１】伝播光学系の他の変形例を示す図である。
【図１２】伝播光学系の更なる変形例を示す図である。
【図１３】第３実施の形態に係る瞳拡大光学系の断面を画像光の光路と共に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１４】
（第１実施の形態）
図１は、第１実施の形態に係る画像表示装置の斜視図である。
【００１５】
図１に示すように、画像表示装置１０は、投影光学系１１および瞳拡大光学系１２を含んで構成される。本実施形態において、投影光学系１１の光軸に沿った方向をｚ方向、ｚ方向に垂直且つ互いに垂直な２方向をｘ方向（第１の方向）およびｙ方向（第２の方向）とする。図１においては、上方向をｘ方向とする。また、図１において、瞳拡大光学系１２近傍においては、右斜め下方をｙ方向、左斜め下方をｚ方向とする。
【００１６】
投影光学系１１は、任意の画像に対応する画像光を無限遠に投影する。瞳拡大光学系１２は、投影光学系１１が投影する画像光を受光し、射出瞳を拡大して射出する。拡大された射出瞳の投影領域ＰＡ内の何れかの位置に目を合わせることにより、観察者は画像を観察可能である。
【００１７】
次に、投影光学系１１の構成について説明する。図２に示すように、投影光学系１１は、ＬＣＤ１３、少数のレンズより構成されるコリメータ１４を含んで構成される。また、ＬＣＤ１３は、画像制御部１６に接続される。ＬＣＤ１３は画像制御部１６からの信号に基づいて、表示画像を表示する。なお、ＬＣＤ１３に代えて、有機ＥＬ素子など他の表示素子を用いても良い。コリメータ１４は、ＬＣＤ１３の各画素から射出される拡散光を、平行光にする。コリメータ１４がつくる射出瞳１５は、瞳拡大光学系１２の入射面に一致するように配置される。また、図１の画像制御部１６は、後述するように、瞳拡大光学系１２の第１の伝播光学系２２及び第２の伝播光学系２４が生じさせる画像の歪みを補正するように予め処理した画像信号をＬＣＤ１３に出力する。
【００１８】
次に、瞳拡大光学系１２の構成について、図３を用いて説明する。瞳拡大光学系１２は、偏光子２１、第１の伝播光学系２２、１／２波長板２３、および第２の伝播光学系２４を含んで構成される。図３においては、説明のために、偏光子２１、第１の伝播光学系２２、１／２波長板２３、および第２の伝播光学系２４を大きく離間させた状態で表示されるが、実際には、図１に示すように、近接して配置される。
【００１９】
偏光子２１は、投影光学系１１の射出瞳１５および投影光学系１１の間に配置され、投影光学系１１から出射される画像光を受光して、Ｓ偏光を出射する。第１の伝播光学系２２は、後述する第１の導光部２５の第１の平面Ｓ１（図４参照）の入射領域と投影光学系１１の射出瞳１５が合わさるように配置され、偏光子２１によりＳ偏光として投影される射出瞳をｘ方向に拡大して出射する（符号“Ｅｘ”参照）。１／２波長板２３は、ｘ方向に拡大された画像光の偏光面を９０°回転させる。偏光面を９０°回転させることにより、第２の伝播光学系２４にＳ偏光で画像光を入射させることが可能である。第２の伝播光学系２４は、１／２波長板２３により偏光面が回転した画像光をｙ方向に拡大して出射する（符号“Ｅｙ”参照）。
【００２０】
次に、第１の伝播光学系２２による射出瞳の拡大機能について、第１の伝播光学系２２の構成とともに説明する。図４に示すように、第１の伝播光学系２２は、第１の導光部２５、第１の回折素子２６（第１の入力偏向部）、第１の三角プリズムアレイ２７（第１の出力偏向部）、第１の偏光ビームスプリット膜２８を含んで構成される。なお、第１の偏光ビームスプリット膜２８は、後述するように、第１の導光部２５に蒸着されており、互いに分離できない。
【００２１】
第１の導光部２５は、互いに平行且つ対向する第１の平面Ｓ１および第２の平面Ｓ２を有し、透過性を有する平板である。第１の回折素子２６は、第１の導光部２５の第２の平面Ｓ２の画像光の入射側端部に透明接着剤により接合されている。また、第１の導光部２５の第２の平面Ｓ２の第１の回折素子２６が接合されていない残りの部分には、第１の三角プリズムアレイ２７が、第１の偏光ビームスプリット膜を挟んで透明接着剤により接合される。投影光学系１１からの画像光は、第１の平面Ｓ１の第１の回折素子２６に対向する領域に入射するので、この領域を入射領域と呼び、第１の平面Ｓ１の第１の三角プリズムアレイ２７と対向する領域は、第１の導光部２５を伝播する画像光が射出される領域であり、射出領域と呼ぶ。
【００２２】
第１の偏光ビームスプリット膜２８は、実質的に垂直な方向から入射する光を透過し、斜方から入射する光の大部分を反射するように設計された多層膜である。このような特性を、ローパス型またはバンドパス型の分光反射特性を有する薄膜は有し得る。
【００２３】
また、第１の偏光ビームスプリット膜２８は、ｘ方向に沿った位置に応じて変動する、斜入射光に対する透過率を有する。例えば、第１の偏光ビームスプリット膜２８の、入射領域側の一端からの距離に応じて等比級数的に透過率が増加するように、第１の偏光ビームスプリット膜２８が形成される。蒸着によってこのような膜を形成するには、例えば蒸着源からの距離が入射領域からの平面状の距離に応じて変化するように配置し、その距離の差（製膜される膜厚の差）によるそれぞれの位置において所望の反射特性をもつように予め設計することにより、成膜可能である。
【００２４】
第１の導光部２５は、ｘ方向に長く（例えば６０ｍｍ）ｙ方向に短い（例えば２０ｍｍ）矩形の板状部材であり、数ｍｍ（例えば３ｍｍ）の厚み、すなわちｚ方向の長さを有する部材であり、材質としては石英（透明媒質）が用いられる。第１の導光部２５に石英を用いることにより、第１の偏光ビームスプリット膜２８を蒸着させるときの加熱に対して耐熱性を有し、硬質であるため膜応力に対して反りにくくなる利点を有する。また、第１の導光部２５の第１の平面Ｓ１には、ＡＲ膜（図示せず）が形成される。ＡＲ膜は垂直な方向から入射する画像光の反射を抑制する。
【００２５】
第１の回折素子２６は、第１の導光部２５の入射領域から入射した画像光を、ｘ方向に傾けて回折させる反射型の回折素子である。第１の回折素子２６は、画像光の波長に対して１次の回折方向に高い回折効率を有するように設計されている。第１の回折素子２６の例としては、鋸歯状の断面を有しy方向に延びる溝をｘ方向に配列したブレーズド回折格子等を用いることができる。第１の回折素子２６は、入射領域から入射して第１の回折素子２６で回折を受けて偏向された画像光が、第１の導光部２５内で第１の平面Ｓ１により全反射されるように、格子定数等のパラメータが設計される。すなわち、第１の導光部２５内を伝播する画像光の第１の平面Ｓ１に対する入射角度は、臨界角より大きい。例えば、第１の導光部２５を石英で形成した場合には、臨界角は４３．６°である。
【００２６】
第１の三角プリズムアレイ２７は、ｘｚ断面が三角形のｙ方向に長い三角プリズムを、ｘ方向に配列した形状となっている。各三角プリズムは、第２の平面Ｓ２に接する面、第２の平面Ｓ２にほぼ垂直な面、および、斜面Ｓｏにより構成される。三角プリズムは、透明な媒体、例えばアクリルより成り射出成型により形成する。また、各三角プリズムの斜面Ｓｏは、アルミが蒸着され、法線を入射領域側に向けて傾いている。斜面Ｓｏの傾きは、画像光のうち入射領域に垂直入射して、第１の回折素子２６で一次回折を受け、第１の導光部２５内を伝播して第１の偏向ビームスプリット膜２８を透過して、第１の三角プリズムアレイ２７に入射する光線が、第１の平面Ｓ１に向けて垂直に反射されるように決定される。
【００２７】
上述のように構成および配置した第１の伝播光学系２２において、図４に示すように、第１の平面Ｓ１の入射領域に垂直に入射した第１の光線ｂ１（図４において破線で示す）は、第２の平面Ｓ２に接合された第１の回折素子２６で一次回折を受けて反射し、第１の導光部２５内をｘｚ平面に平行かつ第１の平面Ｓ１に傾斜して第１の平面Ｓ１に向かう。第１の平面Ｓ１に向かった第１の光線ｂ１は、第１の平面Ｓ１に対して臨界角を越える角度で入射して全反射される。全反射された第１の光線ｂ１は、第２の平面Ｓ２へ向かい第２の平面Ｓ２上に形成された第１の偏光ビームスプリット膜２８に斜方から入射し、所定の割合の光量だけ透過し、残りの光量は反射する。第１の偏光ビームスプリット膜２８に反射された第１の光線ｂ１は、再び第１の平面Ｓ１に臨界角を超える角度で入射し、全反射される。以後、第１の光線ｂ１は、第１の偏光ビームスプリット膜２８における一部反射と、第１の平面Ｓ１における全反射とを繰返しながら、第１の導光部２５のｘ方向に伝播される。ただし、第１の偏光ビームスプリット膜２８に入射するたびに、所定の割合で透過し、第１の三角プリズムアレイ２７に出射する。
【００２８】
第１の三角プリズムアレイ２７に出射された第１の光線ｂ１は、第１の三角プリズムアレイ２７の斜面Ｓｏの反射膜により再び第１の導光部２５の第２の平面Ｓ２に垂直な方向に反射される。垂直な方向に反射された第１の光線ｂ１は、第１の導光部２５を通り第１の平面Ｓ１から外部に出射される。
【００２９】
１／２波長板２３（図３参照）は、第１の平面Ｓ１の出射領域と実質的に同じサイズの形状に形成される。１／２波長板２３は、第１の平面Ｓ１の出射領域と対向する位置において、空隙を設けて配置される。したがって、第１の導光部２５内で臨界角以上の入射角で第１の平面Ｓ１に入射する光束は、第１の平面Ｓ１を透過すること無く、全反射が保障される。前述のように、１／２波長板２３は、第１の伝播光学系２２から出射する光束の偏光面を９０°回転させる。
【００３０】
第２の伝播光学系２４のサイズおよび配置以外の構成は、第１の伝播光学系２２と同じである。図３に示すように、第２の伝播光学系２４は、第２の導光部３１、第２の偏光ビームスプリット膜（図示せず）、第２の回折素子３２（第２の入力偏向部）、および第２の三角プリズムアレイ３３（第２の出力偏向部）を含んで構成される。第１の伝播光学系２２と同様に、これらの構成部材は一体化された平板状であり、第２の伝播光学系２４および第２の導光部３１の幅方向（図３における“ｘ方向”）および長さ方向（図３における“ｙ方向”）の長さは、それぞれ、例えば５０ｍｍおよび１１０ｍｍである。また、第２の伝播光学系２４における第２の偏光ビームスプリット膜の長手方向（ｙ方向）の長さは、例えば１００ｍｍである。また、第２の回折素子３２のｙ方向の長さは、例えば１０ｍｍである。第２の導光部３１、第２の偏光ビームスプリット膜、第２の回折素子３２、および第２の三角プリズムアレイ３３の機能は、それぞれ第１の導光部２５、第１の偏光ビームスプリット膜２８、第１の回折素子２６、および第１の三角プリズムアレイ２７と同様である。
【００３１】
第２の伝播光学系２４は、第１の伝播光学系２２の第１の平面Ｓ１の出射領域と第２の伝播光学系２４の第３の平面Ｓ３の入射領域とが対向し、第２の伝播光学系２４を第１の伝播光学系２２に対してｚ方向に平行な直線を軸に９０°回転させた姿勢で、配置される（図３参照）。したがって、第２の伝播光学系２４は、第１の伝播光学系２２から出射する画像光をｙ方向に拡大して出射する。このようにして、射出瞳が拡大する。
【００３２】
次に、図４を参照して、第１の伝播光学系２２の入射領域に、入射角θｉで入射した第２の光線ｂ２の光路について説明する。第２の光線ｂ２は、第１の回折素子２６により射出領域方向へ偏向され、第１の導光部２５内を第１の平面Ｓ１に臨界角以上の角度で入射して全反射される。第１の平面Ｓ１で全反射された第２の光線ｂ２は、第２の平面Ｓ２に入射し、一部の光量が第１の偏光ビームスプリット膜２８を透過して、第１の三角プリズムアレイ２７の斜面Ｓｏで反射される。斜面Ｓｏで反射された第２の光線ｂ２は、第２の平面Ｓ２上の第１の偏光ビームスプリット膜２８を透過して、第１の導光部２５を通り、第１の平面Ｓ１から出射する。ここで、第２の光線ｂ２は入射角θｉに応じて傾斜した射出角θｏで、第１の平面Ｓ１から出射する。
【００３３】
例えば、回折次数（ｍ）を−１、画像光の波長を（λ）を５３２ｎｍ、第１の三角プリズムアレイ２７の屈折率（ｎ）を１．５１、回折格子周期（ｄ）を４５０ｎｍとした場合、入射角θｉと射出角θｏとの関係は、表１のようになる。
【００３４】
【表１】
2015191032.tif 000003
【００３５】
表１から明らかなように、入射領域における画像光の偏向に第１の回折格子素子２６を用いたことによって、入射角θｉよりも射出角θｏの方が大きくなる。このような、射出角の拡大効果は、第１および第２の導光部２５，３１への入射領域および射出領域における画像光の偏向のために、双方ともにミラーやハーフミラーを用いた場合には見られない。入射領域および射出領域の双方にミラーを用いた場合は、入射角θｉと射出角θｏとが等しくなる。また、入射領域および射出領域の双方に回折素子を用いた場合も、入射角θｉと射出角θｏとは等しくなる。このように、射出角θｏを拡大できることによって、入射角θｉを相対的に小さくすることができる。すなわち、投影光学系１１から入射する画像光の画角を小さくすることができる。
【００３６】
図５（ａ）は、本実施の形態の投影光学系１１の概略構成を示す図であり、その構成は図２を用いて説明したとおりである。ここで、θ１はＬＣＤ１３から射出された画像光の広がりを示し、θ２はコリメータ１４を透過後の射出瞳へ投影される画像光の画角を示す。画像表示装置が表示可能な画像の画角は、射出瞳での投影光学系１１の無限遠虚像を投影する画角であるθ２と関連する。通常、画像表示装置１０の表示画角と投影光学系１１の画角は同じであるから、従来の画像表示装置１０では図５（ｂ）で示すように、投影光学系１１の画角θ４を広げるために、コリメータ３６を、収差を抑えるための多数の光学要素を配置して構成している。これに対して、本発明の画像表示装置１０は、瞳拡大光学系１２の第１の伝播光学系２２および第２の伝播光学系２４が、射出角を広げる効果、すなわち射出瞳の画角を広げ、入射した画像光よりも大きな視野角の画像を表示することが可能になる。よって、図５（ａ）のようにレンズ枚数の削減、あるいは、焦点距離の縮小による小型化が可能になる。
【００３７】
また、図６（ａ）は、図１の瞳拡大光学系１２の画像光の伝播を説明する図であり、図６（ｂ）は、従来例の瞳拡大光学系１２ａの画像光の伝播を説明する図である。これらの図は、瞳拡大光学系１２、１２ａをｚ方向に見た図となっている。また、図６（ｂ）において、第１実施の形態と同様の機能を有する構成要素には、第１実施の形態と同一の符号に「ａ」を付して示している。
【００３８】
従来の瞳拡大光学系１２ａでは、投影光学系からの画像光の画角が大きいために、第１の伝播光学系２２ａを伝播する画像光の光束は、図６（ｂ）の最も＋ｙ方向へシフトする光束ｐ４、最も−ｙ方向にシフトする光束ｐ５で示すように、ｙ方向に大きくシフトする成分を有している。このため、光線のケラレや画像のムラを生じさせないために、第１の伝播光学系２２ａの画像光入射領域Ａ３（すなわち、第１の導光部２５ａの入射領域）をｙ方向に広く取り、＋ｙ方向および−ｙ方向の画像光が重なる範囲でｙ方向の幅を限定して、第１の伝播光学系２２ａの射出領域Ａ４（すなわち、第１の導光部２５ａの射出領域）を設定する必要があった。その結果、投影光学系１１から入射した画像光の多くを、第１の伝播光学系２２で失っていた。
【００３９】
これに対して、本実施の形態の瞳拡大光学系１２では、投影光学系１１からの画像光の画角が狭く、第１の導光部２５を伝播するｙ方向の画角は投影光学系１１からの画像光の画角に等しいため（第１の伝播光学系２２において射出角の拡大効果はｘ方向のみであるため）、図６（ａ）に示すように、第１の伝播光学系２２を伝播する画像光の光束は、最も＋ｙ方向にシフトする光束ｐ１および最も−ｙ方向にシフトする光束ｐ２ともに、ｙ方向にシフトする量は、図６（ｂ）に比べ相対的に小さい。このため、第１の伝播光学系２２の画像光入射領域Ａ１（すなわち、第１の導光部２５の入射領域）を、小さくすることができる。その結果、第１の伝播光学系２２を小型に構成することが可能になる。さらに、投影光学系１１から入射した画像光を、第１の伝播光学系２２で失うことなく、高い効率で第２伝播光学系２４に光束ｐ３として伝播させることができる。さらに、瞳拡大光学系１２の入射瞳が小さくても良いので、投影光学系１１をさらに小型に構成することができる。
【００４０】
ここで、再び表１を参照すると、入射角θｉと射出角θｏとの関係は非線形性を有している。このことは、ＬＣＤ１３に表示される画像が、本願の第１の伝播光学系２２および第２の伝播光学系２４を伝播することによって、歪みを生じることを意味する。そこで、図１の画像制御部１６は、ＬＣＤ１３に表示する画像の画像信号として、これら第１の伝播光学系２２および第２の伝播光学系２４により生じる歪みを補正するように、予め反対の歪みを与えた画像信号を出力する。このようにすることによって、歪みのない画像表示が可能となる。なお、歪みを補正する方法はこれに限られず、例えば、画像制御部１６を設けることに代えて、第１の伝播光学系２２および第２の伝播光学系２４により生じる歪みに応じて、ＬＣＤの画素を非線形に配列することによって、歪みを補正することもできる。
【００４１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、第１の伝播光学系２２および第２の伝播光学系２４において、入射側の偏向を回折により行い、射出側の偏向を反射によりおこなうようにしたので、画像表示装置１０の表示画角の大きさを確保しながら、投影光学系１１の部品点数を削減し小型化することができる。
【００４２】
なお、上記第１実施の形態では、投影光学系１１でＬＣＤ１３の画像を投影していたが、投影光学系１１はＭＥＭＳミラーを採用した構成も可能である。この場合の投影光学系の構成、作用、効果を、図７を用いて説明する。投影光学系以外の構成は、第１実施の形態と同様である。
【００４３】
図７の投影光学系は、光源３７、ＭＥＭＳミラー３８、ビームエキスパンダ３９を含んで構成される。光源３７は、レーザ光源であり高速にＯＮ／ＯＦＦを切替えることができる。ＭＥＭＳミラー３８は高周波数で繰返し２次元走査を行うミラー素子である。光源３７は、ＭＥＭＳミラー３８のミラー面に合わせてビーム径を拡大して、ＭＥＭＳミラー３８に照射する。ビームエキスパンダ３９は、ＭＥＭＳミラー３８と瞳拡大光学系１２との間に配置され、ＭＥＭＳミラー３８で反射された光線を拡大して、瞳拡大光学系１２の入射瞳、すなわち、第１の導光部２５の入射領域に伝達する。ＭＥＭＳミラー３８と、第１の導光部２５の入射領域とは、光学的に共役関係にある。
【００４４】
光源３７は、図示しない制御装置によって制御され、ＭＥＭＳミラー３８の傾動に応じて、表示すべき画像に対応した発光タイミングで発光を行う。ビームエキスパンダ３９は、第１の導光部２５の入射領域に対応して、ＭＥＭＳミラー３８で反射されるビーム径を拡大する。第１の導光部２５の入射領域に入射した画像光は、第１実施の形態で説明したように、瞳拡大光学系１２によって射出瞳が拡大され、観察者に向けて射出される。
【００４５】
ここで、図７の投影光学系を用いた場合、ビームエキスパンダ３９でビーム径を拡大すると、入射角θ５に対してビームエキスパンダからの画像光の射出角θ６が縮小する。このため、従来の画像表示装置であれば、画像表示装置１０で大きな画角を得るためには、ＭＥＭＳミラー３８を大型化する必要があった。しかし、ＭＥＭＳミラー３８のミラー面積を大きくすると、一般に、ミラー走査の周波数やミラーの振れ角を大きくすることができない。
【００４６】
一方、本発明では、瞳拡大光学系１２に入射する画像光の入射画角が、第１および第２の伝播光学系２２、２４で拡大され射出されるので、投影光学系で大きな面積のＭＥＭＳミラーを用いたり、ＭＥＭＳミラーの振れ角を大きくしたりする必要が無い。したがって、投影光学系を小型に構成することが可能になる。さらに、高周波数でＭＥＭＳミラーを走査することができるので、フレームレートが高い画像を表示することが可能になる。
【００４７】
（第２実施の形態）
図８は、第２実施の形態に係る画像表示装置の概略構成を示す図であり、図８（ａ）は正面図、図８（ｂ）は上面図である。第２の実施形態に係る画像表示装置は、第１の実施とは異なり、伝播光学系４２（第１の伝播光学系）によりｘ方向のみに射出瞳を拡大する。
【００４８】
投影光学系４１は、光源４５とＭＥＭＳミラー４６とビームエキスパンダ４７とを備える。この構成は、図７の投影光学系と同様なので説明を省略する。伝播光学系４２は、導光部４８、回折素子４９、三角プリズムアレイ５０、偏光ビームスプリット膜５１により構成される。導光部４８は、第１実施の形態の第１の導光部２５と同様の平板状の部材である。また、回折素子４９も、第１実施の形態の第１の回折素子２６と同様に、導光部４８の画像光の入射領域に対向する面（第２の平面Ｓ２）の入射側端部に設けられ、同様の機能を有している。さらに、偏光ビームスプリット膜５１と三角プリズムアレイ５０は、第１実施の形態の第１の偏光ビームスプリット膜２８および第１の三角プリズムアレイ２７と同様の形状、特性を有しているが、第１実施の形態とは異なり導光部４８の画像光の入射側の面（第１の平面Ｓ１）の入射領域以外の部分に設けられている。なお、投影光学系４１から伝播光学系４２に入射する画像光はＳ偏光である。投影光学系４１と伝播光学系４２との間には、図示しない偏光子が配置しても良い。
【００４９】
以上のような構成によって、投影光学系４１から射出された画像光は、導光部４８の第の平面Ｓ１から導光部４８に入射し、第２の平面Ｓ２に接合された回折素子４９の回折面で回折を受け、導光部４８内をｘ方向に伝播される。導光部４８内で第１の平面に向けて回折された画像光は、一部の光量が第１の平面Ｓ１上の偏光ビームスプリット膜５１を透過して、三角プリズムアレイ５０で第１の平面Ｓ１に垂直な方向に反射され、導光部４８内を通り第２の平面Ｓ２より射出される。また、偏光ビームスプリット膜５１で反射された画像光は、導光部４８内をｘ方向に対して傾斜して進み、第２の平面Ｓ２で再び全反射され第１の平面方向へ進み、以下これを繰り返す。
【００５０】
これによって、導光部４８の第２の平面Ｓ２から、ｘ方向に射出瞳が拡大された画像光が射出される。このように、一方向に画像光を伝播する伝播光学系４２を用いた場合でも、画像光の伝播方向に瞳を拡大する効果がある。さらに、導光部４８の入射側の画像光の偏向に回折素子を用い、射出側の偏向にミラー面として機能する三角プリズムアレイ５０を用いたので、第１実施の形態と同様に入射光の画角を拡大して射出する効果がある。
【００５１】
図９は、図８（ａ）の伝播光学系の入射部分を画像光の経路とともに示す上面図である。第１の光線ｂ１は、導光部４８に垂直に入射する画像光を示し、第２の光線ｂ２は入射角θｉで入射する画像光を示している。第２の光線ｂ２が導光部４８から射出される際の射出角をθｏとするとき、入射角θｉと射出角θｏとの関係は、表１のようになる。
【００５２】
【表２】
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ここで、第１実施の形態と同様に、回折次数（ｍ）を−１、画像光の波長（λ）を５３２ｎｍ、第１の三角プリズムアレイ２７の屈折率（ｎ）を１．５１、回折格子周期（ｄ）を４５０ｎｍとしている。
【００５３】
表２から解るように、導光部４８の入射側の面と射出側の面とが異なる場合でも、射出角θｏは、入射角θｉよりも大きくなっている。したがって、入射角θｉを相対的に小さい角度にすることができ、投影光学系４１を小型化することができる。また、ＭＥＭＳミラー４６は小型で良いので、高周波数で走査させることが可能になる。
【００５４】
なお、このような一次元方向に瞳を拡大する伝播光学系としては、種々の態様のものが存在する。以下にその態様の例を説明する。
【００５５】
図１０は、伝播光学系の変形例を示している。この伝播光学系の構成では、導光部５２への画像光の入射側の第１の平面Ｓ１に透過型の回折素子５３を接続している。さらに、導光部５２の画像光の入射側の第１の平面Ｓ１に偏光ビームスプリット膜５５と三角プリズムアレイ５４とを設けている。これにより、画像光は第１の平面Ｓ１に入射し、第２の平面Ｓ２から射出される。
【００５６】
図１１は、伝播光学系の他の変形例を示す図である。この伝播光学系の構成によれば、導光部５６の画像光の入射側の第１の平面Ｓ１に対向する第２の平面Ｓ２に、画像光の入射領域に対向して反射型の回折素子５７が設けられる。また、第２の平面Ｓ２には偏光ビームスプリット膜５９が蒸着され、さらにその上に研磨面により構成された三角プリズムアレイ５８が配列される。この三角プリズムアレイ５８の斜面は、第１、第２実施の形態の三角プリズムアレイとは異なり、アルミ蒸着されず画像光を透過させるように構成されている。導光部の第２の平面Ｓ２に入射して偏光ビームスプリット膜５９を透過した一部の画像光は、三角プリズムの斜面による屈折を受けて偏向され、第２の平面と略垂直方向に射出される。
【００５７】
図１２は、伝播光学系の更なる変形例を示す図である。この伝播光学系の構成によれば、導光部６０の画像光の入射側の第１の平面Ｓ１の入射領域を斜めに切り欠き、法線をｘ方向に傾けるように傾斜させた斜面とし、該斜面上に透過型の回折素子６１が設けられる。また、第１の平面Ｓ１の他の部分には偏光ビームスプリット膜６３が蒸着され、さらにその上に三角プリズムアレイ６２が接続される。この伝播光学系に入射する画像光は、斜面に形成された回折素子６１による回折を受けて偏向され、第２実施の形態と同様に導光部６０内を伝播しつつ、第２の平面Ｓ２から第２の平面Ｓ２に略垂直方向に射出される。
【００５８】
（第３実施の形態）
第２実施の形態に示した、画像光の入射面と射出面とが異なる透過型の伝播光学系を２つ組み合わせるようにして、第１実施の形態のようなｘ方向およびｙ方向に瞳を拡大する瞳拡大光学系を構成することも可能である。図１３はこのようにして構成した、第３実施の形態の瞳拡大光学系の断面を画像光の光路とともに示す図である。図１３の構成は、第１実施の形態の瞳拡大光学系１２の構成と類似するので、同様の構成要素には同一の符号を付している。同一の符号を付した構成要素は、特に説明しない限り第１実施の形態と同様の構成となっている。
【００５９】
本実施の形態では、第１の伝播光学系２２および第２の伝播光学系２４は、図９に示した伝播光学系４８と同様の入射面と射出面とが異なる透過型の伝播光学系である。第１の伝播光学系２２と第２の伝播光学系２４との間には、１／２波長板２３が設けられる。第１の伝播光学系２２の第１の導光部２５は、第２実施の形態の図９の導光部４８とは、第１の偏光ビームスプリット膜２８が、第１の導光部２５の画像光の入射側の面より内側に形成されている点においてのみ異なっている。このような第１の導光部２５は、２枚の透明な板状の部材の一方の部材の一面に偏光ビームスプリット膜を蒸着し、この偏向ビームスプリット面が形成された面に他方の部材を透明接着材などで接合することにより形成できる。
【００６０】
第１の導光部２５に入射した画像光は、第１の回折格子２６で回折され、第１の偏光ビームスプリット膜２８で一部の光量が透過し、残りの光量が反射され、第２の平面Ｓ２では全反射される。そして、第１の偏向ビームスプリット膜２８と第２の平面Ｓ２との間を、反射を繰り返しながらｘ方向に伝播される。よって、本実施の形態では、第１の偏光ビームスプリット膜２８が形成された平面が、第１の平面Ｓ１に相当する。第１の偏向ビームスプリット膜２８を透過した画像光は、第１の三角プリズムアレイ２７で反射され、第１の導光部２５内を通過して第２の平面Ｓ２から、第２の平面に略垂直方向に射出される。
【００６１】
第２の平面Ｓ２から射出された画像光は、１／２波長板２３で偏光方向を９０度回転され、Ｓ偏光として第２の伝播光学系２４に入射する。第２の伝播光学系２４も、大きさ及び向きを除き本実施の形態の第１の伝播光学系２２と同様に構成される。これにより、第２の伝播光学系２４に入射し第２の回折素子３２で回折された画像光は、第２の導光部３１内で反射を繰り返しながら、ｙ方向に画像光を伝播しながら、入射側の面に対向する第４の平面Ｓ４から射出される。
【００６２】
以上説明したように、本実施の形態によれば、第１実施の形態と同様に、ｘ方向およびｙ方向に射出瞳を拡大した、画像表示装置を提供することができる。そして、第１の伝播光学系２２および第２の伝播光学系２４において、入射側の偏向を回折により行い、射出側の偏向を反射により行うようにしたので、画像表示装置の表示画角を確保しながら投影光学系の部品点数を削減したり、小型化したりすることができる。
【００６３】
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各実施形態に記載された各構成要素の寸法、形状、配置等は例示であって、本発明の範囲内で種々の寸法、形状、配置等をとることができる。第１および第２の伝播光学系は、例示のものに限られず、入射側の偏向に回折素子を用い射出側の偏向に反射や屈折素子を用いたものであれば本発明の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６４】
１０    画像表示装置
１１    投影光学系
１２    瞳拡大光学系
１３    ＬＣＤ
１４    コリメータ
１５    射出瞳
１６    画像制御部
２１    偏光子
２２    第１の伝播光学系
２３    １／２波長板
２４    第２の伝播光学系
２５    第１の導光部
２６    第１の回折素子
２７    第１の三角プリズムアレイ
２８    第１の偏光ビームスプリット膜
３１    第２の導光部
３２    第２の回折素子
３３    第２の三角プリズムアレイ
３６    コリメータ
３７、４５    光源
３８、４６    ＭＥＭＳミラー
３９、４７    ビームエキスパンダ
４１    投影光学系
４２    伝播光学系
４８，５２，５６，６０    導光部
４９，５３，５７，６１    回折素子
５０，５４，５８，６２，    三角プリズムアレイ
５１，５５，５９，６３    偏光ビームスプリット膜
【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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