(57)【要約】【課題】簡易な構成で高品位な映像を表示することが可能な光学デバイスを提供すること。【解決手段】光出射部２２を備える導光体２０と、導光体２０が導光する光の少なくとも一部を回折させることで、導光体２０の光出射部２２から導光体２０が導光する光の少なくとも一部を取り出す回折光学素子３０と、所定の波長の光を選択的に透過させる波長選択部４０と、を有し、導光体が導光する光は、第１の波長の光と第２の波長の光とを含み、回折光学素子３０は第１の波長に対応する回折特性を有する第１回折領域と第２の波長に対応する回折特性を有する第２回折領域とを備え、波長選択部４０は第１回折領域に対応する位置に設けられ第１の波長の光を選択的に透過させる第１波長選択領域と第２回折領域に対応する位置に設けられ第２の波長の光を選択的に透過させる第２波長選択領域とを備えることを特徴とする光学デバイス。【選択図】図２
2015102613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光出射部を備える導光体と、
前記導光体が導光する光の少なくとも一部を回折させることで、前記導光体の光出射部から前記導光体が導光する光の少なくとも一部を取り出す回折光学素子と、
所定の波長の光を選択して透過させる波長選択部と、
を有し、
前記導光体が導光する光は、
第１の波長の光と、
前記第１の波長とは異なる第２の波長の光と、
を含み、
前記回折光学素子は、
前記第１の波長の光の回折効率が前記第２の波長の光の回折効率よりも高い回折特性である第１回折領域と、
前記第２の波長の光の回折効率が前記第１の波長の光の回折効率よりも高い回折特性である第２回折領域と、
を備え、
前記波長選択部は、
前記導光体の前記光出射部に垂直な方向から見た平面視において、
前記第１回折領域に重なる位置に設けられ、前記第１の波長の光を選択して透過させる第１波長選択領域と、
前記第２回折領域に重なる位置に設けられ、前記第２の波長の光を選択して透過させる第２波長選択領域と、
を備える、
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、
前記導光体は、
幾何光学的手段により、光を前記導光体に入射させる光入射部を備える、
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は、
一つの前記導光体を備え、
前記一つの導光体が導光する光は、
前記第１の波長及び前記第２の波長とは異なる第３の波長の光を含み、
前記回折光学素子は、
前記第３の波長の光の回折効率が前記第１の波長の光の回折効率及び前記第２の波長の光の回折効率よりも高い回折特性である第３回折領域を備え、
前記波長選択部は、
前記導光体の前記光出射部に垂直な方向から見た平面視において、
前記第３回折領域に重なる位置に設けられ、前記第３の波長の光を選択して透過させる第３波長選択領域を備える、
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項４】
請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の光学デバイスにおいて、
前記回折光学素子は、
光透過型の回折光学素子である、
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のうちいずれか１項に記載の光学デバイスにおいて、
前記回折光学素子は、
一方の面に凹凸構造が設けられた表面レリーフ型の回折光学素子である、
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、
前記凹凸構造の凸部の高さは、
当該回折光学素子全体に亘って等しくなるように設けられている、
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項７】
請求項５に記載の光学デバイスにおいて、
前記第１回折領域に設けられる前記凹凸構造の凸部の高さは、
前記第１の波長に基づいて定められ、
前記第２回折領域に設けられる前記凹凸構造の凸部の高さは、
前記第２の波長に基づいて定められる、
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項８】
請求項５乃至７のうちいずれか１項に記載の光学デバイスにおいて、
前記第１回折領域に設けられる前記凹凸構造の凸部が延在する方向は、
前記第２回折領域に設けられる前記凹凸構造の凸部が延在する方向と同じ方向となるように設けられている、
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のうちいずれか１項に記載の光学デバイスにおいて、
前記波長選択部は、
前記回折光学素子と前記導光体の前記光出射部との間に設けられている、
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項１０】
請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の光学デバイスにおいて、
前記回折光学素子は、
前記導光体の表面に設けられ、
前記波長選択部は、
前記回折光学素子を挟んで前記導光体の前記光出射部の反対側に設けられている、
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のうちいずれか１項に記載の光学デバイスにおいて、
前記波長選択部は、
波長選択吸収型または波長選択反射型のカラーフィルターである、
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項１２】
請求項３に記載の光学デバイスにおいて、
前記第１回折領域、前記第２回折領域、及び、前記第３回折領域を含む複数の回折領域の有するピッチは、
前記回折光学素子により前記導光体から取り出された光の光路を制御する出射側光学系の瞳径を、前記導光体が導光する光の波長の種類の数で除算した長さ以下である、
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のうちいずれか１項に記載の光学デバイスと、
画像光を発する画像形成部と、
を備える、
ことを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学デバイス、及び、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、導光板を有する光学デバイスを用いて、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。このような光学デバイスにおいては、導光板内に光を入射させ、または、導光板内を導光する光を出射させるための構成として回折光学素子を用いることが、従来から提案されている。
ところで、回折光学素子の回折特性には大きな波長依存性があるため、観察される虚像の色むらが大きくなることがある。そこで、導光板が導光する光に含まれる複数の色（例えば、赤、緑、青）の光のそれぞれに対応した回折特性を有する回折光学素子を、複数の色に対応して複数個設けることで、回折効率の波長依存性による色毎の効率差を低減させる等の対応が取られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００９−１８６７９４号公報
【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、特許文献１に記載の従来技術では、導光板内に光を入射させる構成、及び、導光板内から光を出射させるための構成のそれぞれについて、導光板内を導光する光に含まれる複数の色に対応して複数個の回折光学素子を設ける必要があるため、光学デバイスの構造が複雑となり、ひいては、画像投影装置の製造コストが増大する、等の問題が生じている。また、複数の色に対応して複数個の回折光学素子を設ける場合、一の色に対応する回折光学素子で回折した光が、他の色に対応する回折光学素子に入射することにより、出射光により表される映像の品質が低下する等の問題が生じることもあった。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、画像投影装置に用いられ、簡易な構成で高品位な映像を表示することが可能な光学デバイス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】
【０００６】
以上の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、光出射部を備える導光体と、前記導光体が導光する光の少なくとも一部を回折させることで、前記導光体の光出射部から前記導光体が導光する光の少なくとも一部を取り出す回折光学素子と、所定の波長の光を選択して透過させる波長選択部と、を有し、前記導光体が導光する光は、第１の波長の光と、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光と、を含み、前記回折光学素子は、前記第１の波長の光の回折効率が前記第２の波長の光の回折効率よりも高い回折特性である第１回折領域と、前記第２の波長の光の回折効率が前記第２の波長の光の回折効率よりも高い回折特性である第２回折領域と、を備え、前記波長選択部は、前記導光体の前記光出射部に垂直な方向から見た平面視において、前記第１回折領域に重なる位置に設けられ、前記第１の波長の光を選択して透過させる第１波長選択領域と、前記第２回折領域に重なる位置に設けられ、前記第２の波長の光を選択して透過させる第２波長選択領域と、を備える、ことを特徴とする。
【０００７】
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回折領域と第２回折領域とを有する単一の回折光学素子により、導光体が導光する第１の波長の光及び第２の波長の光の両方を取り出すことができる。このため、光学デバイスが、第１の波長の光に対応する回折特性を有する回折光学素子と、第２の波長の光に対応する回折特性を有する回折光学素子とを別個に備える場合に比べて、光学デバイスの構造を簡素化することが可能となる。
また、第１の波長の光に対応する回折特性を有する回折光学素子と、第２の波長の光に対応する回折特性を有する回折光学素子とを別個に設ける場合には、一方の回折光学素子により回折された光が、他方の回折光学素子により再度回折されることがあり、光の散乱等が生じるため、光学デバイスを用いる表示装置の表示品位が低下する惧れがある。これに対して、本発明に係る光学デバイスの第１の態様によれば、光出射部において単一の回折光学素子のみが設けられるため、光が複数の回折格子により複数回回折されることによる表示品位の低下を防止することができる。
更に、第１の波長の光に対応する回折特性を有する回折光学素子と、第２の波長の光に対応する回折特性を有する回折光学素子とを別個に設ける場合、第１の波長の光を導光する導光体と、第２の光を導光する導光体とを別個に設けることが必要になることがあり、光学デバイスの小型化及び軽量化が困難となる。これに対して、本発明に係る光学デバイスの第１の態様によれば、第１の波長の光と第２の波長の光とを、単一の導光体により導光することが可能であるため、光学デバイスの小型化及び軽量化が可能となる。
【０００８】
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、前記導光体は、幾何光学的手段により、光を前記導光体に入射させる光入射部を備える、ことを特徴とすることが好ましい。
この場合には、光を導光体に入射させる手段として幾何光学的手段を用いるため、光を導光体に入射させる手段として回折光学素子を用いる場合と比較して、光の利用効率を高くすることができる。なお、『幾何光学的手段』とは、例えば、プリズム、レンズ、ミラー等、光の屈折及び反射の少なくとも一方を利用して光の進行方向を変化させる手段であれば、どのようなものであってもよい。
【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、一つの前記導光体を備え、前記一つの導光体が導光する光は、前記第１の波長及び前記第２の波長とは異なる第３の波長の光を含み、前記回折光学素子は、前記第３の波長の光の回折効率が前記第１の波長の光の回折効率及び前記第２の波長の光の回折効率よりも高い回折特性である第３回折領域を備え、前記波長選択部は、前記導光体の前記光出射部に垂直な方向から見た平面視において、前記第３回折領域に重なる位置に設けられ、前記第３の波長の光を選択して透過させる第３波長選択領域を備える、ことを特徴とすることが好ましい。
この場合には、第１の波長の光、第２の波長の光、及び、第３の波長の光を、単一の導光体により導光するため、光学デバイスが複数の導光体を備える場合と比較して、光学デバイスの小型化及び軽量化が可能となる。また、この場合には、一つの導光体により導光される第１の波長の光、第２の波長の光、及び、第３の波長の光を、単一の回折光学素子により取り出すことができるため、複数個の回折光学素子を設ける場合と比較して、光学デバイスの構造を簡素化することができる。また、この場合には、光学デバイスは、単一の回折光学素子のみを設けるため、光が複数の回折光学素子により複数回回折される等、表示品位の低下の要因となる事象の発生を抑止することができる。
【００１０】
上述した本発明に係る光学デバイスの第１の態様において、前記回折光学素子は、光透過型の回折光学素子である、ことを特徴とすることが好ましい。
この場合には、反射型の回折光学素子を用いる場合と比較して、光学デバイスを具備する表示装置の観察者と回折光学素子との距離を短くすることができるため、回折光学素子により回折された光以外の光が観察者に視認される可能性を低くし、高品位な表示が可能となる。
【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、前記回折光学素子は、一方の面に凹凸構造が設けられた表面レリーフ型の回折光学素子である、ことを特徴とすることが好ましい。
この場合には、回折光学素子を導光体の表面にエッチングなどにより一体として形成することが可能であり、製造が容易となる。
【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、前記凹凸構造の凸部の高さは、当該回折光学素子全体に亘って等しくなるように設けられている、ことを特徴とすることが好ましい。
この場合には、回折光学素子の位置により凸部の高さを変更する必要が無いため、製造が容易となる。なお、『凸部の高さが等しくなるように設けられている』とは、高さが厳密に等しくなるように設けられている場合、及び、設計上は同一であるが製造誤差を含む場合、の双方を含む。
【００１３】
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回折領域に設けられる前記凹凸構造の凸部の高さは、前記第１の波長に基づいて定められ、前記第２回折領域に設けられる前記凹凸構造の凸部の高さは、前記第２の波長に基づいて定められる、ことを特徴とすることが好ましい。
この場合には、第１の波長を有する光の利用効率と、第２の波長の光の利用効率とを均一化することが可能となり、光学デバイスを用いる表示装置の表示品位を高めることが可能となる。
【００１４】
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回折領域に設けられる前記凹凸構造の凸部が延在する方向は、前記第２回折領域に設けられる前記凹凸構造の凸部が延在する方向と同じ方向となるように設けられている、ことを特徴とすることが好ましい。
この場合には、導光体から取り出した後における第１の波長の光の進行方向と第２の波長の光の進行方向とを略同じ方向とすることができるため、表示品位を高くすることができる。なお、この場合において、『同じ方向となるように設けられている』とは、方向が完全に同一となるように設けられている場合、及び、設計上は同一であるが製造誤差を含む場合、を含む概念である。
【００１５】
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、前記波長選択部は、前記回折光学素子と前記導光体の前記光出射部との間に設けられている、ことを特徴とすることが好ましい。
この場合には、回折光学素子の回折特性に対応する波長の光のみを当該回折光学素子に入射させることができるため、光の散乱等の事象の発生を抑止し、表示品位を高くすることができる。
【００１６】
上述した本発明に係る光学デバイスの第１の態様において、前記回折光学素子は、前記導光体の表面に設けられ、前記波長選択部は、前記回折光学素子を挟んで前記導光体の前記光出射部の反対側に設けられている、ことを特徴とすることが好ましい。
この場合には、回折光学素子を導光体の表面にエッチングなどにより一体として形成することができるため、製造が容易である。また、この場合には、回折光学素子が導光体の表面に形成することで、回折光学素子の平坦性が向上するため、表示品位を高くすることが可能となる。更に、この場合には、波長選択部が回折光学素子の保護カバーとして機能するため、回折光学素子の劣化の程度を小さくすることができる。
【００１７】
上述した本発明に係る光学デバイスの第１の態様において、前記波長選択部は、波長選択吸収型または波長選択反射型のカラーフィルターである、ことを特徴とすることが好ましい。
この場合には、回折光学素子の回折特性に対応する波長の光のみを当該回折光学素子に入射させることができるため、光学デバイスを用いる表示装置の表示品位を高くすることができる。
【００１８】
上述した本発明に係る光学デバイスの第１の態様において、前記第１回折領域、前記第２回折領域、及び、前記第３回折領域を含む複数の回折領域の有するピッチは、前記回折光学素子により前記導光体から取り出された光の光路を制御する出射側光学系の瞳径を、前記導光体が導光する光の波長の種類の数で除算した長さ以下である、ことを特徴とすることが好ましい。
この場合には、導光体が導光する互いに異なる波長の光のうち、一部の光が観察者に視認されないという事象の発生を防止することができる。
【００１９】
次に、本発明に係る表示装置は、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。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】
【００２０】
【図１】本発明の第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及び光学デバイスの一例を示す要部断面図である。
【図３】第１実施形態に係る波長選択部を示す平面図である。
【図４】第１実施形態に係る回折光学素子の構造を説明するための説明図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの光学デバイスの一例を示す要部断面図である。
【図６】本発明の第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及び光学デバイスの一例を示す要部断面図である。
【図７】本発明の変形例１に係る回折光学素子を示す平面図である。
【図８】本発明の変形例２に係るヘッドマウントディスプレイの左眼用光学系及び光学デバイスの一例を示す要部断面図である。
【図９】本発明の変形例３に係る回折光学素子の構造を説明するための説明図である。
【図１０】本発明の変形例４に係る回折光学素子の構造を説明するための説明図である。
【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】
＜Ａ．第１実施形態＞
以下、図１及び図４を参照しつつ、第１実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ１００について説明する。
【００２３】
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。
【００２４】
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とを組み合わせた表示装置１００Ａ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。また、図面上において、導光体２０で右側と画像形成装置１１２とを組み合わせた表示装置１００Ｂ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。
【００２５】
次に、ヘッドマウントディスプレイ１００の内部構造について説明する。
図２は、ヘッドマウントディスプレイ１００が備える表示装置１００Ａの内部構造の一例を模式的に示す要部断面図である。図２に示すように、表示装置１００Ａは、画像形成部１０と、導光体２０と、回折光学素子３０と、波長選択部４０と、を備える。以下では、これらの構成要素のうち、導光体２０、回折光学素子３０、及び、波長選択部４０を、「光学デバイス１」と称する場合がある。
なお、図示を省略するが、表示装置１００Ｂの内部構造については図２に示す表示装置１００Ａを左右反転させた構成となっている。
【００２６】
図２に示すように、画像形成部１０は、画像形成装置１１１（及び、画像形成装置１１２）の要部であって、画像表示装置１１と、投射光学系１２と、を備える。
画像表示装置１１は、例えば、液晶パネルと、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、及び、青色光ＬＢの３色の光をそれぞれ出射してこれら３色の光で液晶パネルを照明する光源と、を含んで構成される。
【００２７】
画像表示装置１１に設けられる液晶パネルは、表示装置１００Ａ（１００Ｂ）が表示すべき画像を構成する複数の画素と１対１に対応する複数の液晶素子を備える。各液晶素子は、表示装置１００Ａ（１００Ｂ）が表示する画像を構成する各画素が表示すべき階調に応じた透過率にとなるように制御される。これにより、画像形成部１０は、表示装置１００Ａ（１００Ｂ）が表示する画像の各画素の階調に応じた光量の光を、投射光学系１２に向けて出射する。
【００２８】
但し、本発明はこのような態様に限定されるものではなく、画像形成部１０は、例えば、以下のようにして３色の光を照射するものであってもよい。
具体的には、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）レーザースキャンミラーを用いてその角度によって画面の位置を指定し、３色のレーザ光の変調により階調を表現するものであっても良い。この場合であっても、本実施形態に係る表示装置１００Ａ（１００Ｂ）は、後述する波長選択部４０により、表示すべき色に対応する波長のみが透過されるため、表示すべき色のみを表示することができる。
【００２９】
投射光学系１２は、画像表示装置１１から出射された３色の光の進行方向を平行状態となるように変換して導光体２０に入射させるコリメートレンズである。
【００３０】
なお、赤色光ＬＲの有する波長は「第１の波長」の一例であり、緑色光ＬＧの有する波長は「第２の波長」の一例であり、青色光ＬＢの有する波長は「第３の波長」の一例である。すなわち、以下では、「第１の波長の光」として赤色光ＬＲを例示し、「第２の波長の光」として緑色光ＬＧを例示し、「第３の波長の光」として青色光ＬＢを例示して説明する。
但し、本発明はこのような態様に限定されるものではなく、第１の波長、第２の波長、及び、第３の波長は、互いに異なる波長であって、可視光線の波長域に含まれる波長であれば、どのような波長であってもよい。
【００３１】
導光体２０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た板状の部材である１枚の導光板から構成されている。
図２に示すように、導光体２０は、画像形成部１０から出射された３色の光（ＬＲ、ＬＧ、ＬＢ）を導光体２０に入射させる光入射部２１、観察者の眼前に位置する光出射部２２、及び、光入射部２１及び光出射部２２の間の部分である導光部２３とに区分される。
また、導光体２０は、導光体２０の画像形成部１０側（図２において＋Ｚ側）であって、光入射部２１、導光部２３、及び、光出射部２２に亘って設けられるパネル面２０１と、導光体２０の画像形成部１０とは反対側（図２において−Ｚ側）であって、光入射部２１に設けられた傾斜面２１１（「幾何光学的手段」の一例）と、導光体２０の画像形成部１０とは反対側（図２において−Ｚ側）であって、導光部２３及び光出射部２２に設けられたパネル面２０２と、を備える。
【００３２】
画像形成部１０から出射された３色の光は、傾斜面２１１により所定の方向に反射される。そして、傾斜面２１１により反射された３色の光は、導光部２３において、パネル面２０１及びパネル面２０２により全反射され、光出射部２２へと導光される。
なお、導光部２３において、パネル面２０１及びパネル面２０２には金属膜等による反射コートが設けられていてもよい。また、本実施形態では、幾何光学的手段として傾斜面２１１を採用しているが、これは幾何光学的手段の一例に過ぎなず、光の屈折、反射等の作用を利用して光の進行方法を変えることができるもの、例えば、プリズム、レンズ、ミラー等を適宜採用すればよい。
【００３３】
図２に示すように、光出射部２２には、パネル面２０１上に、導光体２０が導光する３色の光（ＬＲ、ＬＧ、ＬＢ）に対応する３種類の波長の光を選択的に透過する波長選択部４０が設けられている。
波長選択部４０は、波長選択吸収型または波長選択反射型のカラーフィルターであり、赤色光ＬＲを選択的に透過させる複数の波長選択領域４０Ｒ（「第１波長選択領域」の一例）と、緑色光ＬＧを選択的に透過させる複数の波長選択領域４０Ｇ（「第２波長選択領域」の一例）と、緑色光ＬＧを選択的に透過させる複数の波長選択領域４０Ｂ（「第３波長選択領域」の一例）と、を備える（図２では、図示の都合上、ぞれぞれ１個ずつ記載している）。
【００３４】
図３は、光出射部２２のパネル面２０１上に設けられた波長選択部４０を、＋Ｚ方向から見た平面図である。この図に示すように、波長選択部４０は、Ｘ方向に複数行であってＹ方向に複数列にマトリクス状に配列（ベイヤー配列）された複数の波長選択領域４０Ｒ、４０Ｇ、及び、４０Ｂからなる。より具体的には、本実施形態に係る波長選択部４０は、＋Ｘ方向に向かって波長選択領域４０Ｒ、４０Ｇ、及び、４０Ｂが繰り返し配置され、＋Ｙ方向に向かって波長選択領域４０Ｒ、４０Ｇ、及び、４０Ｂが繰り返し配置されることで形成されている。
【００３５】
説明を図２に戻す。図２に示すように、波長選択部４０の＋Ｚ側には、回折光学素子３０が設けられている。回折光学素子３０は、光透過性の材料からなる表面レリーフ型の透過型回折格子であり、波長選択部４０上に例えばフォトエッチング等により設けられる。
この回折光学素子３０は、導光部２３により導光された後に波長選択領域４０Ｒを透過した赤色光ＬＲを＋Ｚ方向に回折させて観察者の眼Ｅｙに投射する複数の回折領域３０Ｒ（「第１回折領域」の一例）と、導光部２３により導光された後に波長選択領域４０Ｇを透過した緑色光ＬＧを＋Ｚ方向に回折させて観察者の眼Ｅｙに投射する複数の回折領域３０Ｇ（「第２回折領域」の一例）と、導光部２３により導光された後に波長選択領域４０Ｂを透過した青色光ＬＢを＋Ｚ方向に回折させて観察者の眼Ｅｙに投射する複数の回折領域３０Ｂ（「第３回折領域」の一例）と、に区分される。
図３に示すように、各回折領域３０Ｒは、各波長選択領域４０Ｒの＋Ｚ側（紙面手前側）に設けられ、各回折領域３０Ｇは、各波長選択領域４０Ｇの＋Ｚ側に設けられ、各回折領域３０Ｂは、各波長選択領域４０Ｂの＋Ｚ側に設けられる。すなわち、波長選択部４０を透過した光が回折光学素子３０に入射する。このため、回折領域３０Ｒには波長選択領域４０Ｒを透過した赤色光ＬＲのみが入射し、回折領域３０Ｇには波長選択領域４０Ｇを透過した緑色光ＬＧのみが入射し、回折領域３０Ｂには波長選択領域４０Ｂを透過した青色光ＬＢのみが入射する。
【００３６】
なお、本実施形態では、回折領域３０Ｒ、３０Ｇ、及び、３０Ｂ（または、波長選択領域４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂ）は、等間隔のピッチで配列される。つまり、各波長選択領域４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂ、及び、各回折領域３０Ｒ、３０Ｇ、３０ＢのＸ方向の幅ｄＰｘは各色毎に等しく、また、Ｙ方向の幅ｄＰｙは各色毎に等しい。また、本実施形態において、回折光学素子３０は、互いに等しい個数の回折領域３０Ｒ、３０Ｇ、３０Ｂを備え、波長選択部４０は、互いに等しい個数の波長選択領域４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂを備える。このため、本実施形態では、回折光学素子３０のうち、赤色光ＬＲ回折光学素子３０が備える回折領域３０Ｒ、３０Ｇ、３０Ｂの面積比は、１：１：１となる。
【００３７】
一般的に、人間の瞳孔径ｄＥは、周囲の明るさにより２ｍｍ〜７ｍｍの範囲で変化する。回折光学素子３０から投射される光が直接観察者の眼Ｅｙに投射される場合のように、出射側光学系が人間の眼であるとき、瞳孔内には少なくとも１色１つの回折領域が入らないと全ての色を感知できない。したがって画像形成部１０が出射する光が３色の場合、ヘッドマウントディスプレイ１００が、例えば、人間の瞳孔径ｄＥが３ｍｍとなるような明るさの環境下で利用されることが想定される場合には、幅ｄＰｘ及び幅ｄＰｙは１ｍｍ以下にしなければならない。なお、この場合において、色むらの発生を抑制するためには０．７５ｍｍ程度とすることが良い。なお、幅ｄＰｘ及び幅ｄＰｙをあまりに小さな幅とすると、その周期による回折や散乱が発生して解像度を低下させ、例えば０．２ｍｍよりも小さい幅では表示品位の劣化が多く好ましくないため、幅ｄＰｘ及び幅ｄＰｙは０．２ｍｍ以上であることが好ましい。
【００３８】
図４は、波長選択部４０上に設けられた回折光学素子３０の構造を説明するための説明図である。
このうち、図４（Ａ）は、図３に示す領域Ａｒに表された３個の波長選択領域４０Ｒ、４０Ｇ、及び、４０Ｂと、これら波長選択領域の＋Ｚ側に設けられた３個の回折領域３０Ｒ、３０Ｇ、及び、３０Ｂとを表した平面図である。また、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）におけるＥ−ｅ線において、回折光学素子３０及び波長選択部４０を破断した部分断面図である。
【００３９】
図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、回折領域３０Ｒには、Ｙ方向に延在する凸部３１Ｒが間隔ｄｘＲで繰り返し配置される凹凸構造が設けられ、回折領域３０Ｇには、Ｙ方向に延在する凸部３１Ｇが間隔ｄｘＧで繰り返し配置される凹凸構造が設けられ、回折領域３０Ｂには、Ｙ方向に延在する凸部３１Ｂが間隔ｄｘＢで繰り返し配置される凹凸構造が設けられる。
ここで、間隔ｄｘＲは、導光部２３により導光された後に波長選択領域４０Ｒを透過した赤色光ＬＲを、眼Ｅｙに向けて＋Ｚ方向に反射させる場合において、当該反射角と赤色光ＬＲの波長とがブラッグの条件を満たすような長さに定められている。同様に、間隔ｄｘＧ及び間隔ｄｘＢは、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢが眼Ｅｙに向けて＋Ｚ方向に反射されるような長さに定められている。すなわち、回折光学素子３０は、赤色光ＬＲの回折効率が緑色光ＬＧまたは青色光ＬＢの回折効率よりも高い回折特性を有する回折領域３０Ｒと、緑色光ＬＧの回折効率が赤色光ＬＲまたは青色光ＬＢの回折効率よりも高い回折特性を有する回折領域３０Ｇと、青色光ＬＢの回折効率が赤色光ＬＲまたは緑色光ＬＧの回折効率よりも高い回折特性を有する回折領域３０Ｂという、互いに回折特性が異なる、３種類の回折領域３０Ｒ、３０Ｇ、及び、３０Ｂを有する。
なお、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、及び、青色光ＬＢの間には、「赤色光ＬＲの波長＞緑色光ＬＧの波長＞青色光ＬＢの波長」という関係が成立するため、「ｄｘＲ＞ｄｘＧ＞ｄｘＢ」となる関係が成立する。また、回折光学素子３０の凹凸構造における凸部３１Ｒ、３１Ｇ、３１ＢのＺ方向の深さは、いずれも所定の深さｄＺに定められている。
【００４０】
以上のように、本実施形態では、導光体２０から複数色の光（赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、及び、青色光ＬＢ）を取り出すために、回折特性が互いに異なる回折領域３０Ｒ、３０Ｇ、及び、３０Ｂを有する単一の回折光学素子３０を利用する。
従来、導光体から複数色の光を取り出す場合、複数色の光に応じた複数個の回折光学素子を用いる必要があった。例えば、導光体から、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、及び、青色光ＬＢを取り出す場合、赤色光ＬＲに対応する回折特性を有する回折光学素子、緑色光ＬＧに対応する回折特性を有する回折光学素子、及び、青色光ＬＢに対応する回折特性を有する回折光学素子といった、３個の回折光学素子を用いる必要があった。
これに対して、本実施形態では、赤色光ＬＲに対応する回折特性を有する回折領域３０Ｒと、緑色光ＬＧに対応する回折特性を有する回折領域３０Ｇと、青色光ＬＢに対応する回折特性を有する回折領域３０Ｂとを備える、単一の回折光学素子３０を用いることで、導光体から複数色の光を取り出すことができる。このため、本実施形態では、従来のように複数個の回折光学素子を用いる場合と比較して、ヘッドマウントディスプレイ１００の構造を簡素化し、製造コストを低減することができる。
【００４１】
また、従来のように、導光体からの複数色の光の取出しに複数個の回折光学素子を用いる場合には、光学デバイスにおいて、これら複数個の回折光学素子に対応するように複数個の導光体を設けることが、画像の色ムラの低減または輝度ムラの低減といった観点から必要であった。
これに対して本実施形態では、導光体２０が導光する複数色の光を、単一の回折光学素子３０により取り出すことができるため、光学デバイス１においては、単一の導光体２０を具備すればよく、複数の導光体を具備する必要は無い。このため、本実施形態では、光学デバイスが複数の導光体を備える場合と比較して、光学デバイス１の小型化及び軽量化、ひいては、ヘッドマウントディスプレイ１００の小型化及び軽量化が可能となる。
【００４２】
また、従来のように、導光板が導光する複数色の光の取出しに複数個の回折光学素子を用いる場合、一の回折光学素子で回折した光が他の回折光学素子に再度入射することにより再度回折されて光の散乱等が生じるため、画質の低下等の問題が生じていた。
これに対して、本実施形態では、導光体２０からの光の取出しに単一の回折光学素子３０のみを用いるため、回折光学素子３０により回折された光が、回折光学素子３０により再度回折されるという事象は生じ難く、光の散乱等による画質の低下が生じる可能性も低い。このため、本実施形態に係る表示装置１００Ａ（１００Ｂ）では、高品位な画像の表示が可能となる。
【００４３】
また、本実施形態に係る光学デバイス１では、回折光学素子３０と導光体２０との間に波長選択部４０が設けられている。すなわち、回折光学素子３０のうち、回折領域３０Ｒには、波長選択領域４０Ｒを透過した赤色光ＬＲのみが入射し、回折領域３０Ｇには、波長選択領域４０Ｇを透過した緑色光ＬＧのみが入射し、回折領域３０Ｂには、波長選択領域４０Ｂを透過した青色光ＬＢのみが入射する。
このため、各回折領域に本来入射すべき波長とは異なる波長の光が入射することを防止することができる（つまり、例えば、赤色を表示すべき画素に対応する回折領域には、赤色光ＬＲのみが入射する）ため、光の散乱等による画質の低下を防止することができる。
【００４４】
本実施形態では、導光体２０に光を入射させるための手段として、幾何光学的手段である傾斜面２１１を利用する。幾何光学的手段により光を反射させる場合に減少する光量は、一般的には２０％程度であるのに対して、回折光学素子により光を回折させる場合に減少する光量は、一般的には７０％程度である。このため、本実施形態では、入射手段として回折光学素子を用いる場合と比較して、光の利用効率を大きく高めることが可能となる。
【００４５】
＜Ｂ．第２実施形態＞  
上述した第１実施形態に係る光学デバイス１は、導光体２０のパネル面２０１と、回折光学素子３０との間に、波長選択部４０が設けられる。
これに対して、第２実施形態に係る光学デバイスは、導光体２０のパネル面２０１と、波長選択部４０との間に、回折光学素子３０が設けられる点で、第１実施形態に係る光学デバイス１と相違する。
なお、第２実施形態に係る光学デバイスは、回折光学素子３０及び波長選択部４０の配置位置が第１実施形態に係る光学デバイス１と異なる点を除き、第１実施形態に係る光学デバイス１と同様に構成されている。そのため、以下に例示する第２実施形態において作用や機能が第１実施形態と同等である要素については、以上の説明で参照した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する（以下で説明する実施形態及び変形例についても同様）。
【００４６】
図５は、第２実施形態に係るヘッドマウントディスプレイが備える光学デバイス１Ａの一例を模式的に示す要部断面図である。
この図に示すように、光学デバイス１Ａは、導光体２０と、回折光学素子３０と、波長選択部４０と、透明基板４０１と、を具備する。本実施形態において、回折光学素子３０は、導光体２０のパネル面２０１上に直接に、例えばフォトエッチング等により形成されている。また、本実施形態において、波長選択部４０は、回折光学素子３０と観察者の眼Ｅｙとの間に設けられた透明基板４０１上に形成されている。なお、本実施形態では、波長選択部４０は、波長選択吸収型のカラーフィルターであることが好ましい。
【００４７】
第２実施形態に係る光学デバイス１Ａにおいては、回折領域３０Ｒにおいて回折された光のうち赤色光ＬＲのみが眼Ｅｙに投射され、回折領域３０Ｒにおいて回折または透過した光のうち、赤色光ＬＲ以外の光（ＬＧ、ＬＢ）については、波長選択領域４０Ｒにより吸収される。同様に、回折領域３０Ｇにおいて回折または透過した光のうち、緑色光ＬＧのみが眼Ｅｙに投射され、回折領域３０Ｂにおいて回折または透過した光のうち、青色光ＬＢのみが眼Ｅｙに投射される。このため、各回折領域において、本来入射すべき波長とは異なる波長の光が入射して、当該光が回折または透過する場合であっても、当該光が観察者の眼Ｅｙに投射されることを防止することができるため、画質の低下を防止することができる。
また、第２実施形態に係る光学デバイス１Ａにおいては、透明基板４０１が保護カバーとしての機能を有するため、回折光学素子３０の劣化の程度を小さく抑えることができる。
更に、第２実施形態に係る光学デバイス１Ａにおいては、回折光学素子３０がパネル面２０１上に直接に形成されるため、回折光学素子３０の平坦性の向上による表示品位の向上が可能となる。
【００４８】
＜Ｃ．第３実施形態＞  
上述した第１実施形態及び第２実施形態では、画像形成部１０から赤色光ＬＲ、青色光ＬＢ、及び、緑色光ＬＧの３色の光が出射され、導光体２０はこれら３色の光を導光するものであった。
これに対して、第３実施形態では、画像形成部が、赤色光ＬＲに対応する波長、緑色光ＬＧに対応する波長、及び、青色光ＬＢに対応する波長を含む光、例えば、白色光ＬＷを出射し、導光体２０は、白色光ＬＷを導光する点において、上述した第１実施形態及び第２実施形態と相違する。
【００４９】
図６は、第３実施形態に係るヘッドマウントディスプレイが備える表示装置の内部構造の一例を模式的に示す要部断面図である。この図に示すように、第３実施形態に係る表示装置は、画像形成部１０の代わりに画像形成部１０Ｂを備える点を除き、第１実施形態に係る表示装置１００Ａ（または、１００Ｂ）と同様に構成されている。
画像形成部１０Ｂは、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、及び、青色光ＬＢの代わりに、白色光ＬＷを出射する点を除き、画像形成部１０と同様に構成されている。
【００５０】
画像形成部１０Ｂから出射された白色光ＬＷは、導光体２０により導光され、波長選択部４０の備える各波長選択領域４０Ｒ、４０Ｇ、及び、４０Ｂに入射する。
波長選択領域４０Ｒに入射する白色光ＬＷは、赤色光ＬＲに対応する波長以外の波長成分が波長選択領域４０Ｒにより吸収される。このため、波長選択領域４０Ｒからは、赤色光ＬＲのみが出射され、当該赤色光ＬＲが回折領域３０Ｒに入射する。回折領域３０Ｒに入射する赤色光ＬＲは、回折領域３０Ｒにより回折されて、眼Ｅｙに投射される。同様に、白色光ＬＷのうち、波長選択領域４０Ｇを透過した緑色光ＬＧが回折領域３０Ｇにより回折されて眼Ｅｙに投射され、波長選択領域４０Ｂを透過した青色光ＬＢが回折領域３０Ｂにより回折されて眼Ｅｙに投射される。
【００５１】
このように、本実施形態では、導光体２０により導光される光は白色光ＬＷであるが、波長選択部４０により、各画素に対応する波長成分の光のみが選択的に透過される。このため、各回折領域に対して、本来入射すべき波長とは異なる波長の光が入射することを防止することができ、高品位な画質の表示が可能となる。
また、本実施形態では、画像形成部１０Ｂまたは光入射部２１において、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、及び、青色光ＬＢの３色の光に分離する必要が無く、単に白色光ＬＷを導光体２０に入射させればよいため、表示装置の構造や、表示装置の動作を簡素化することができる。
【００５２】
＜Ｃ．変形例＞  
以上の各形態は多様に変形され得る。具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２以上の態様は、相互に矛盾しない範囲内で適宜に併合され得る。
【００５３】
＜変形例１＞
上述した実施形態では、回折光学素子３０が備える回折領域３０Ｒ、３０Ｇ、３０Ｂの面積比（つまり、波長選択領域４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂの面積比）は、１：１：１であるが、本発明はこのような態様に限定されるものではなく、互いに異なる面積を有するものであってもよい。
また、上述した実施形態では、回折光学素子３０が備える回折領域３０Ｒ、３０Ｇ、３０Ｂの個数（つまり、波長選択領域４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂの個数）は互いに等しいが、それぞれ異なる個数であってもよい。例えば、図７に示すように、回折領域３０Ｒ、３０Ｇ、３０Ｂの個数が、１：２：１となるように回折光学素子３０を設けてもよい。
【００５４】
＜変形例２＞
上述した実施形態及び変形例において、導光体２０は、光入射部２１に設けられた幾何光学的手段により、光を当該導光体２０内部に取り込むものであるが、本発明はこのような態様に限定されるものではなく、例えば、回折光学素子により光を取り込むものであってもよい。
図８は、本変形例に係る光学デバイス１Ｃの一例を模式的に示す要部断面図である。この図に示すように、光学デバイス１Ｃは、導光体２０の代わりに導光体２０Ｃを備える点、及び、回折光学素子５０と波長選択部６０とを備える点を除き、第１実施形態に係る光学デバイス１と同様に構成されている。
導光体２０Ｃは、傾斜面２１１を有する光入射部２１の代わりに、パネル面２０２を有する光入射部２１Ｃを備える点を除き、導光体２０と同様に構成されている。回折光学素子５０は、回折領域３０Ｒ、３０Ｇ、３０Ｂと同様の構成を有する回折領域５０Ｒ、５０Ｇ、５０Ｂを備える（つまり、回折光学素子５０は、回折光学素子３０と同様の構成を有する）。波長選択部６０は、波長選択領域４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂと同様の構成を有する波長選択領域６０Ｒ、６０Ｇ、６０Ｂを備える（つまり、波長選択部６０は、波長選択部４０と同様の構成を有する）。
このような光学デバイス１Ｃによれば、画像形成部において光を赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、及び、青色光ＬＢに分離せずに、例えば画像形成部が白色光を出射する場合であっても、光入射部２１Ｃにおいて、光を赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、及び、青色光ＬＢに分離したうえで、導光体の内部に光を取り込むことができる。
【００５５】
＜変形例３＞
上述した実施形態及び変形例において、回折光学素子３０が備える、凸部３１Ｒ、３１Ｇ、３１Ｂの側面はいずれもＺ方向に水平になるように設けられている、本発明はこのような態様に限定されるものではなく、例えば、図９に示すように、Ｚ方向に対して傾斜を有するように設けられるものであってもよい。この場合、回折光学素子３０における光の回折効率を高くすることが可能となる。
【００５６】
＜変形例４＞
上述した実施形態及び変形例において、回折光学素子３０は、凸部３１Ｒ、３１Ｇ、３１Ｂはいずれも同一の深さｄＺを有するが、本発明はこのような態様に限定されるものではなく、図１０に示すように、対応する色毎に深さを異なるものとしてもよい。より具体的には、凸部３１Ｒの深さｄＺＲを赤色光ＬＲの波長に基づいて定め、凸部３１Ｇの深さｄＺＧを緑色光ＬＧの波長に基づいて定め、凸部３１Ｂの深さｄＺＢを青色光ＬＢの波長に基づいて定めてもよい。例えば、各色の光の回折効率が低い光程、深さｄＺを深くするように定めてもよいし、例えば、視認度の高い緑色光ＬＧについての光の利用効率を高めることで表示画像全体の明るさを向上させるように深さｄＺＧを他に比べて深くしてもよい。
【００５７】
＜変形例５＞
上述した実施形態及び変形例において、光学デバイスは、第１の波長の光、第２の波長の光、及び、第３の波長の光の３種類の光を導光するものであるが、本発明はこのような態様に限定されるものではなく、互いに波長の異なる２以上の種類の光を導光するものであればよい。
【００５８】
＜変形例６＞
上述した実施形態及び変形例において、回折光学素子は、表面レリーフ型であるが、ホログラム回折格子であってもよい。また、回折光学素子は、透過型であるが、反射型であってもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１……光学デバイス、１０……画像形成部、１１……画像表示装置、１２……投射光学系、２０……導光体、２１……光入射部、２２……光出射部、２３……導光部、２０１……パネル面、２０２……パネル面、２１１……傾斜面、３０……回折光学素子、３０Ｒ……回折領域、３０Ｇ……回折領域、３０Ｂ……回折領域、４０……波長選択部、４０Ｒ……波長選択領域、４０Ｇ……波長選択領域、４０Ｂ……波長選択領域、１００……ヘッドマウントディスプレイ、１００Ａ……表示装置、１００Ｂ……表示装置、１１１……画像形成装置、１１２……画像形成装置。
【図１】
2015102613.tif 000003
【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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