(57)【要約】  本発明は、外光による迷光の発生を防止し、利用者の視認性を向上させるとともに、光学系を小型化することが可能な画像表示装置を提供することを目的とする。  本発明の画像表示装置は、光を発する光源（１）と、光源からの光を受けて表示光を生成する表示素子（３）と、表示光を内部で伝搬する導光板（５）と、表示素子からの表示光を導光板内に入射する入射素子（４）と、導光板に設けられ、表示光を導光板の外部へ出射するための出射用動的回折素子（６）とを備え、出射用動的回折素子（６）は、電圧印加により光を回折する回折機能を無効化又は有効化される複数の分割動的回折素子を含み、複数の分割動的回折素子のうち、回折機能が有効化されている分割動的回折素子が一度に一つのみであるように、出射用動的回折素子を制御する制御部をさらに備える。
2014156167.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を発する光源と、
前記光源からの光を受けて表示光を生成する表示素子と、
前記表示光を内部で伝搬する導光板と、
前記表示素子からの前記表示光を前記導光板内に入射する入射素子と、
前記導光板に設けられ、前記表示光を前記導光板の外部へ出射するための出射用動的回折素子とを備え、
前記出射用動的回折素子は、電圧印加により光を回折する回折機能を無効化又は有効化される複数の分割動的回折素子を含み、
前記複数の分割動的回折素子のうち、回折機能が有効化されている分割動的回折素子が一度に一つのみであるように、前記出射用動的回折素子を制御する制御部をさらに備えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記分割動的回折素子の長さＬは、前記導光板の厚さをＴ、前記導光板内での前記表示光の反射角をθとした場合に、２×Ｔ×ｔａｎθよりも小さい値であることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
利用者の眼球位置を検出する瞳検出部をさらに備え、
前記制御部は、前記瞳検出部の検出結果に応じて、前記複数の分割動的回折素子の中から回折機能を有効化する分割動的回折素子を選択することを特徴とする請求項１又は２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
利用者の眼球の位置情報を入力される入力部をさらに備え、
前記制御部は、前記入力部から入力された位置情報に応じて、前記複数の分割動的回折素子の中から回折機能を有効化する分割動的回折素子を選択することを特徴とする請求項１又は２に記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記出射用動的回折素子の外光が入射される側に配置され、特定方向の偏光を有する光のみを透過する偏光板をさらに備え、
前記出射用動的回折素子は、前記特定方向の偏光を有する光を回折しないことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記表示素子は、計算機合成ホログラムを用いた表示素子を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記出射用動的回折素子は、
第１の偏光を回折する赤波長用の出射用動的回折素子と、
前記第１の偏光と異なる第２の偏光を回折する緑波長用の出射用動的回折素子と、
前記第１の偏光を回折する青波長用の出射用動的回折素子とを含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記導光板は、
前記表示光を第１の表示光と第２の表示光とに分割し、前記第１の表示光を内部で伝搬する第１の導光板と、
前記第１の導光板から出射される前記第２の表示光を受け、前記第２の表示光を内部で伝搬する第２の導光板と、
前記第２の導光板に対して第１の導光板と同じ側に配置され、前記第２の導光板から出射される前記第２の表示光を受け、前記第２の表示光を内部で伝搬する第３の導光板とを含み、
前記出射用動的回折素子は、
前記第１の導光板に設けられ、前記第１の表示光を前記第１の導光板の外部へ出射するための第１の出射用動的回折素子と、
前記第３の導光板に設けられ、前記第２の表示光を前記第３の導光板の外部へ出射するための第２の出射用動的回折素子とを含み、
前記第１の出射用動的回折素子は、電圧印加により光を回折する回折機能を無効化又は有効化される複数の第１の分割動的回折素子を含み、
前記第２の出射用動的回折素子は、電圧印加により光を回折する回折機能を無効化又は有効化される複数の第２の分割動的回折素子を含み、
前記制御部は、前記複数の第１の分割動的回折素子のうち、回折機能が有効化されている第１の分割動的回折素子が一度に一つのみであるように、前記第１の出射用動的回折素子を制御するとともに、前記複数の第２の分割動的回折素子のうち、回折機能が有効化されている第２の分割動的回折素子が一度に一つのみであるように、前記第２の出射用動的回折素子を制御することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項９】
前記導光板は、
前記表示光を受け、前記表示光を内部で伝搬して前記表示光を第１の方向に拡大した第１の拡大表示光を出射する第１の導光板と、
前記第１の導光板から出射される前記第１の拡大表示光を受け、前記第１の拡大表示光を内部で伝搬して前記第１の拡大表示光を前記第１の方向と交わる第２の方向に拡大した第２の拡大表示光を出射する第２の導光板とを含み、
前記出射用動的回折素子は、前記第２の導光板に設けられ、前記第２の拡大表示光を前記第２の導光板の外部へ出射することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１０】
前記出射用動的回折素子の前記第２の方向の長さは、前記表示素子に近いほど長くなることを特徴とする請求項９に記載の画像表示装置。
【請求項１１】
前記第２の導光板に設けられ、前記第１の拡大表示光を前記出射用動的回折素子に導く入射用動的回折素子をさらに備え、
前記入射用動的回折素子は、電圧印加により光を回折する回折機能を無効化又は有効化される複数の入射用分割動的回折素子を含み、
前記制御部は、前記複数の入射用分割動的回折素子のうち、回折機能が有効化されている入射用分割動的回折素子が一度に一つのみであるように、前記入射用動的回折素子を制御し、
前記複数の入射用分割動的回折素子の各々の長さは、前記出射用動的回折素子から取り出せる前記第１の拡大表示光の最大入射幅より短く、かつ、前記入射用動的回折素子の全長は、前記最大入射幅より長いことを特徴とする請求項９又は１０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、導光板と回折素子とを組み合わせることにより、小型でありながら、大画面表示が可能な画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車などの車両を運転するドライバーは、運転中に、車外の状況の把握、車両の表示装置の情報の読み取り、及び運転操作等を、安全かつ迅速に行うことが要求される。そのため、運転中の車外の状況の把握に必要な範囲内で、車両の表示装置の情報が読み取れることが望ましい。したがって、例えば、車両のフロントガラスなどの透明板の一部に光を照射することなどにより、文字又は画像を表示する画像表示装置の実現が期待されている。【０００３】
このような透過型の画像表示装置として、自動車のフロントガラスに運転情報を表示するヘッドアップディスプレイ（Ｈｅａｄ  Ｕｐ  Ｄｉｓｐｌａｙ、以下、「ＨＵＤ」と記す）、眼鏡のレンズ部分に情報を表示するヘッドマウントディスプレイ（Ｈｅａｄ  Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｄｉｓｐｌａｙ、以下、「ＨＭＤ」と記す）などが挙げられる。このような透過型の画像表示装置を用いると、ドライバーは、外界を視認しながら、同時に運転に関する情報（例えば地図やスピードメータ）を見ることができるため、ドライバーがより安全に運転を行うことができると期待されている。【０００４】
上記の従来のＨＵＤとしては、フロントガラスに虚像を投影する画像表示装置がある（例えば、特許文献１）。図２５に、フロントガラスに画像を投影する従来のＨＵＤの例を示す。【０００５】
図２５の例では、車のダッシュボード内部にＨＵＤ筐体１００が格納されている。ＨＵＤ筐体１００内には、光源１０１、入射光学系１０２、表示素子１０３、及び反射ミラー１０４が配置されている。光源１０１は、レーザやＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）などの光源であり、入射光学系１０２を介して、表示素子１０３に対して照明を行う。【０００６】
表示素子１０３は、液晶パネルやＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）などの二次元表示素子であり、光源１０１からの光を受けて表示光を形成し、反射ミラー１０４に対して出射する。表示素子１０３からの表示光は、反射ミラー１０４によって偏向され、ＨＵＤ筐体１００に備えられた開口部１０５を経由して、フロントガラス１０６に入射する。【０００７】
一般的なＨＵＤにおいては、ドライバーが視認する画像を拡大するために、反射ミラー１０４は、凹面鏡など光学的な拡大作用を持つ素子が用いられることが多い。フロントガラス１０６で反射された表示光１０９は、ドライバー１０８の眼球に入射する。このとき、ドライバー１０８は、フロントガラス１０６よりも遠方に、虚像１０７を視認することができる。【０００８】
ここで、表示光１０９が届く範囲をアイボックス１１０と呼ぶ。ドライバー１０８の眼球がアイボックス１１０内にある場合に、ドライバー１０８は、虚像１０７を視認することができる。このような構成を用いることで、ドライバー１０８は、運転中であっても、視線を大きく動かすことなく、運転に必要な情報を視認することが可能になる。【０００９】
しかしながら、図２５に示すような構成のＨＵＤでは、ＨＵＤ筐体１００が大きいため、ダッシュボード内部の容積を圧迫するという問題がある。ＨＵＤ筐体１００が大きい場合、小型車などへの搭載が困難になる。また、開口部１０５が大きい場合、ダッシュボードの外観を損なう場合があり、なるべく筐体サイズが小型で、開口部の小さいＨＵＤが望まれている。この課題に対処するために、導光板と回折素子とを組み合わせた光学系などが提案されている（例えば、特許文献２、特許文献３）。【００１０】
図２６に、導光板と回折素子とを組み合わせた光学系によるＨＵＤの従来例を示す。図２６の例では、ダッシュボード内部にＨＵＤ筐体２００が格納されている。ＨＵＤ筐体２００には、光源２０１、入射光学系２０２、表示素子２０３、入射用回折素子２０４、及び導光板２０５の一部が格納されている。光源２０１、入射光学系２０２及び表示素子２０３は、図２５と同様であるため、説明を省略する。【００１１】
表示素子２０３からの表示光２０７は、導光板２０５に備えられた入射用回折素子２０４に入射する。導光板２０５は、表示光２０７を内部で全反射させることで導光する。また、導光板２０５は、ドライバー２１０の視界を妨げないために、外界からの光を透過するような材質で構成されており、例えば、ガラスやアクリル樹脂といった透明材料で構成されている。【００１２】
入射用回折素子２０４は、入射された表示光２０７が導光板２０５で全反射を行うように、入射光の角度を変更する作用を有する。入射用回折素子２０４としては、体積ホログラムやレリーフホログラムといった回折素子を用いることができる。表示光２０７は、導光板２０５内部で全反射を繰り返しながら、導光板２０５に備えられた出射用回折素子２０６に入射する。【００１３】
出射用回折素子２０６は、特定の入射角で入射してきた光に対して作用する。図２６の例では、表示光２０７は、破線２１１ａ、２１１ｂ、２１１cで示した箇所において、出射用回折素子２０６が光を回折する角度で入射する。そのため、破線２１１ａ、２１１ｂ、２１１cの箇所で、表示光２０７は回折され、回折光２０８が発生する。【００１４】
また、出射用回折素子２０６は、導光板２０５から出射できるように、回折光２０８の進行方向を定めている。この例では、出射用回折素子２０６は、回折光２０８が導光板２０５で反射する角度が、導光板２０５の全反射角以下となるように設計されている。この作用によって、導光板２０５内部で全反射していた表示光２０７は、出射光として、導光板２０５から出射される。【００１５】
なお、図２６では、出射用回折素子２０６は、入射してきた光の一部を回折し、一部を透過するように設計されている。そのため、図２６の破線２１１ａで示した箇所で、表示光２０７が回折された後でも、一部の光は、再び導光板２０５内を全反射し、再び出射用回折素子２０６の回折条件を満たす場所（図２６では、破線２１１ｂ、２１１ｃで示した箇所）で回折される。【００１６】
このように、出射用回折素子２０６の回折効率を調整し、出射用回折素子２０６の複数の箇所から回折光を発生させることで、ドライバー２１０が回折光２０８を視認できる領域を増加させることができる。これによって、アイボックス２１２（ドライバー２１０が表示像を確認できる範囲）が増加する効果が得られる。【００１７】
上記のようにして、回折光２０８がドライバー２１０の眼球に入射することで、ドライバー２１０は、導光板２０５より遠方に虚像２０９を視認することが可能になる。【００１８】
図２６に示す例では、導光板２０５と出射用回折素子２０６とを組み合わせた光学系を用いることで、図２５に示す例で必要であった反射ミラーなどの容積を削減し、ＨＵＤ筐体２００の容積を小さくすることができる。また、ダッシュボード上に必要な開口部の大きさも、導光板２０５の厚みのみとなる。そのため、ダッシュボードに大きな穴を設ける必要がなくなり、車のデザインを損なうことの少ないＨＵＤを提供することが可能になる。【００１９】
しかしながら、上記した従来のＨＵＤでは、意図しない光（例えば、外光）の回折の影響に対する検討がされていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開昭５８−１８１００４号公報
【特許文献２】特開平２−２４１８４１号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１１／０１７６２１８号明細書
【発明の概要】
【００２１】
本発明は、上記の課題を解決するもので、外光による迷光の発生を防止し、利用者の視認性を向上させることができるとともに、光学系を小型化することが可能な画像表示装置を提供することを目的とする。
【００２２】
本発明の一局面に従う画像表示装置は、光を発する光源と、前記光源からの光を受けて表示光を生成する表示素子と、前記表示光を内部で伝搬する導光板と、前記表示素子からの前記表示光を前記導光板内に入射する入射素子と、前記導光板に設けられ、前記表示光を前記導光板の外部へ出射するための出射用動的回折素子とを備え、前記出射用動的回折素子は、電圧印加により光を回折する回折機能を無効化又は有効化される複数の分割動的回折素子を含み、前記複数の分割動的回折素子のうち、回折機能が有効化されている分割動的回折素子が一度に一つのみであるように、前記出射用動的回折素子を制御する制御部をさらに備える。
【００２３】
本発明の画像表示装置によれば、外光による迷光の発生を防止し、利用者の視認性を向上させることができるとともに、光学系を小型化することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態１のＨＵＤの構成を示す概略図
【図２】図１に示す導光板の構成例を示す図
【図３】本発明の実施の形態１における迷光発生の防止を説明するための模式図
【図４】本発明の実施の形態１における表示光の回折を説明するための模式図
【図５】本発明の実施の形態１における分割動的回折素子の長さ及び導光板の厚さを示す図
【図６】本発明の実施の形態２のＨＵＤに用いられる導光板及び偏光板の構成例を示す図
【図７】本発明の実施の形態２において外光による迷光の発生が防止されることを説明するための模式図
【図８】出射用回折素子としてＩＴＯ膜を備えた動的回折素子を用いた場合の散乱の影響を説明するための模式図
【図９】本発明の実施の形態３のＨＵＤに用いられる導光板の構成例を示す図
【図１０】本発明の実施の形態４のＨＵＤの構成を示す概略図
【図１１】図１０に示す水平方向用の導光板の構成例を示す図
【図１２】図１０に示す垂直方向用の導光板の構成例を示す図
【図１３】本発明の実施の形態４のＨＵＤに用いられる他の導光板の構成例を示す図
【図１４】図１３に示す垂直方向用の導光板により散乱の影響が抑制されることを説明するための模式図
【図１５】導光板への画像光の投影光学系の例を示す図
【図１６】本発明の実施の形態５のＨＵＤに用いられるＣＧＨ表示素子の構成例を示す図
【図１７】クロストークの発生を説明するための模式図
【図１８】本発明の実施の形態６のＨＵＤに用いられる導光板の構成例を示す図
【図１９】水平方向に光を拡大する水平方向用の導光板における垂直方向の光の広がりを示す図
【図２０】導光板への入射幅、回折角及び導光板の厚さの関係を示す図
【図２１】導光板への入射幅が小さい場合の課題を説明するための模式図
【図２２】導光板への入射幅が大きい場合の課題を説明するための模式図
【図２３】本発明の実施の形態７のＨＵＤに用いられる垂直方向の導光板の構成例を示す図
【図２４】図２３に示す垂直方向の導光板の回折機能の状態を示す図
【図２５】フロントガラスでの反射を用いた従来のＨＵＤの構成例を示す図
【図２６】導光板と回折素子とを用いた従来のＨＵＤの構成例を示す図
【図２７】回折素子における回折条件を説明するための模式図
【図２８】回折素子における別の回折条件を説明するための模式図
【図２９】導光板と回折素子とを用いた光学系における迷光の発生を説明するための模式図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（本発明の基礎となった知見）
上記のように、ＨＵＤの光学系において、回折素子を用いる場合、外光による迷光の発生が問題になる。ここで、外光とは、太陽や街灯、前方車両のテールランプなど車外の光源から、車内へと入射してくる光を指す。このような意図しない光（例えば、外光）であっても、回折素子は、回折条件を満たした場合には、回折作用を及ぼすことになる。
【００２６】
一般に、回折素子は、回折条件（素子が回折する光の入射角と波長とに関する条件）を満たす光を回折する。この例を、図２７を用いて示す。図２７の回折素子２６０１は、入射角θａで入射してきた光を回折し、出射角θｂで回折するように設計されている。しかしながら、一般に体積ホログラムなどの回折素子では、入射角がθｂの光に対しても、回折作用を及ぼす。この例を図２８に示す。
【００２７】
図２８の例では、回折素子２６０１は、入射角θｂで入射した光を、出射角θａで出射している。このように、回折素子２６０１は、特定の回折条件（Ｂｒａｇｇ条件など）を満たす光を回折する。そのため、図２６の例で示した表示光２０７に対する回折だけではなく、意図しない光（例えば、外光）であっても、回折素子２６０１は、回折条件を満たした場合には、回折作用を及ぼすことになる。このような意図しない光に対する回折の影響を、図２９を用いて示す。
【００２８】
図２９では、導光板２０５に対して外光３０１が入射している場合の例を示す。この例では、外光３０１が導光板２０５内の出射用回折素子２０６に対する入射角は、図２６の表示光２０７が出射用回折素子２０６から出射する角度（図２７及び図２８におけるθｂ）と一致する。そのため、外光３０１は、出射用回折素子２０６によって回折される。このとき、外光３０１が回折する角度は、図２６の表示光２０７が出射用回折素子２０６に入射する角度（図２７及び図２８におけるθａ）に一致する。
【００２９】
図２６で示したように、表示光２０７が出射用回折素子２０６に入射する角度は、表示光２０７が導光板２０５内を全反射する条件を満たす。そのため、出射用回折素子２０６で回折された外光３０１は、導光板２０５を全反射し、再度、出射用回折素子２０６に入射角θａで入射する。
【００３０】
このとき、外光３０１は、表示光２０７と同一の回折角θｂで回折される。回折角θｂで出射した光は、導光板２０５で全反射することなく、導光板２０５外へと出射する。そのため、外光３０１が回折された光３０２は、導光板２０５外に出射されることになり、これがドライバーの眼球に届くことで、ドライバーには迷光として視認されてしまう。一般に、太陽や街灯などの強い外光に起因する迷光は、ドライバーに不快感を与えるため、その発生を防止することが望まれる。
【００３１】
以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３２】
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、構成要素などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、全ての実施の形態において、各々の内容を組み合わせることもできる。
【００３３】
（実施の形態１）
本実施の形態では、ＨＵＤの光学系における迷光発生を抑制する方法について説明する。図１は、本発明の実施の形態１のＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）の構成を示す概略図である。図１に示すＨＵＤは、例えば、自動車に搭載され、ドライバーＤＲに運転情報等を表示するヘッドアップディスプレイであり、光源１、入射光学系２、表示素子３、入射用回折素子４、導光板５、出射用動的回折素子６、制御回路７、入力部８、瞳検出部９、カメラ１０、及びＨＵＤ筐体１１を備える。制御回路７は、光源１、表示素子３、及び出射用動的回折素子６の動作を制御する。
【００３４】
ＨＵＤ筐体１１は、車のダッシュボード内部に格納されている。ＨＵＤ筐体１１には、光源１、入射光学系２、表示素子３、入射用回折素子４、導光板５の一部及び制御回路７が格納されている。なお、図１では、入力部８、瞳検出部９及びカメラ１０をＨＵＤ筐体１１の外部に図示しているが、この例に特に限定されず、瞳検出部９等をＨＵＤ筐体１１の内部に配置してもよい。
【００３５】
光源１は、例えば、ＬＥＤ光源であり、表示素子３を照明する光を出射する。なおＬＥＤ光源は、単色であってもよいし、ＲＧＢの三色の光を発する３つの光源から構成されていてもよい。また、表示素子３の駆動方法に合わせて、ＲＧＢの三色を一度に出射する方法を用いてもよいし、ＲＧＢを逐次出力するように構成してもよい。
【００３６】
また、光源１として、レーザ光を出力するレーザ光源を用いてもよい。レーザ光源を用いる場合、光の波長範囲を小さくすることが可能になるため、出射用動的回折素子６が回折する必要のある波長範囲を小さく抑えることができる。そのため、外光の透過率を上げ、視認性の良いＨＵＤを実現することが可能になる。
【００３７】
また、レーザ光源には、半導体レーザ（レーザダイオード）を用いてもよいし、半導体レーザ以外のレーザを用いてもよい。半導体レーザを用いる場合、光源のコストを抑制することが可能になる。また、レーザ光源は、半導体レーザと他の光源との組合せでもよいし、赤外線の半導体レーザと、赤外線を緑色に変換するＳＨＧ（第２次高調波発生）素子との組合せでもよい。この場合、より光源の波長範囲を小さくすることが可能になる。
【００３８】
光源１は、入射光学系２を介して、表示素子１０３に対して照明を行う。入射光学系２は、種々の光学部品から構成され、例えば、光源１の後に、コリメートレンズなどからなる入射光学系２を配置することにより、光源１からの光を効率よく表示素子３に入射させることが可能になる。なお、入射光学系２は、必要に応じて配置され、省略してもよい。
【００３９】
表示素子３は、光源１からの光を受けて表示光ＤＬを生成し、利用者であるドライバーＤＲに対する表示像を形成する。表示素子３は、特定の種類に限定する必要はないが、本実施の形態では、例えば、液晶素子を用いている。表示素子３は、光源１からの光を透過する透過型の素子として表現されているが、反射型の素子を用いてもよい。例えば、反射型液晶（ＬＣＯＳ：Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎなど）や、ミラー型表示素子（ＤＭＤなど）を用いてもよい。反射型の素子を用いる場合、光の利用効率を向上させることができ、光源１の消費電力を抑制することが可能になる。また、輝度の高い表示を行うことが可能になる。
【００４０】
また、表示素子３は、ＲＧＢの画素を逐次表示するフィールドシーケンシャル表示を行なってもよい。この場合、表示素子３には、カラーフィルタが不要となるため、光の利用効率を上げることが可能になる。また、ＲＧＢの画素を並べる必要がなくなるため、表示素子３のサイズを小型化することが可能になる。
【００４１】
また、表示素子３は、スキャン型のＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーによって構成されていてもよい。ＭＥＭＳミラーは、光源からの光を二次元走査することで表示像を形成する。このため、表示素子３を小型化することが可能になる。また、ＭＥＭＳミラーによって形成される像を結像させるための中間スクリーンを備えていてもよい。この場合、中間スクリーンに光の拡散角を制御する特性を持たせることで、光源１からの光の利用効率を向上させ、輝度の高い表示を行うことが可能になる。
【００４２】
また、表示素子３は、レンズ系を備えていても良い。例えば、表示素子３からの光をコリメートするコリメートレンズを備えることで、導光板５内で効率よく光を反射させることが可能になる。また、表示素子３の表示像を拡大するためのレンズ系を備えていてもよい。この場合、ドライバーＤＲが視認する虚像ＶＩを拡大することが可能になる。
【００４３】
本実施の形態では、表示素子３は、コリメートレンズを備え、表示素子３からの表示光ＤＬは、コリメート光（平行光）として、導光板５に備えられた入射用回折素子４に対して入射する。
【００４４】
入射用回折素子４は、入射された表示光ＤＬの進行方向を変更し、更に導光板５内へと入射させる。導光板５を用いたＨＵＤでは、表示光ＤＬが導光板５内で全反射を行うように、入射用回折素子４の回折性能が設定される。本実施の形態では、表示光ＤＬは、入射用回折素子４に対して垂直に（入射角０で）入射する。また、表示光ＤＬは、導光板５の全反射角（臨界角）よりも大きい角度で入射用回折素子４から出射する。なお、入射用回折素子４は、表示光ＤＬが導光板５内で全反射できれば、他の入射素子を用いてもよい。
【００４５】
本実施の形態において、入射用回折素子４は、体積ホログラムを用いる。体積ホログラムは、回折効率が高く、また、高次回折光の発生を抑制することができるため、輝度が高く、ノイズの少ない表示を実現することが可能になる。また、入射用回折素子４は、光源１の波長と同じ波長の光を回折するように設定される。また、本実施の形態では、光源１が複数の波長（例えば、ＲＧＢの三種類の波長）を有する場合には、体積ホログラムに複数の波長に対する干渉縞を記録する方法（多重露光）を用いる。
【００４６】
なお、体積ホログラムに多重露光を行わない場合には、ＲＧＢの各波長に対応した入射用回折素子を三枚積層する方法を用いてもよい。この場合、それぞれの入射用回折素子が回折する波長を小さくすることで、クロストークの発生などを抑制することが可能になる。ここで、クロストークとは、ある波長用に設定された回折素子で別の波長の光を回折してしまう現象を指す。例えば、緑の波長を回折するように設定された回折素子で、赤色の光を回折してしまうと、色にじみや像ボケなどが表示像に発生してしまう。
【００４７】
また、入射用回折素子４として、回折機能を電気的にオン又はオフできる動的回折素子を用いて、上述のクロストークの発生を抑制してもよい。動的回折素子は、液晶の中に干渉縞を記録し、素子に電圧を印加することにより、記録された干渉縞の機能を有効化又は無効化できる素子である。例えば、ＤｉｇｉＬｅｎｓ（登録商標、米国ＳＢＧ  Ｌａｂｓ社製）などの素子を用いることができる。この場合、光源１は、ＲＧＢの光を逐次点灯し、各波長に対応した動的回折素子の回折機能を、光源１の点灯タイミングに合わせて有効化することにより、クロストークを発生させることなく、光を導光板５内に入射させることが可能になる。
【００４８】
また、入射用回折素子４として、体積ホログラム以外の素子を用いてもよい。例えば、レリーフ型のホログラム素子などを用いてもよい。この場合、素子の製造が容易になる。
【００４９】
また、本実施の形態では、入射用回折素子４として、透過型の回折素子を用いているが、反射型の回折素子を用いてもよい。この場合、回折効率を向上させることができるため、より輝度の高い表示を行うことが可能になる。なお、本実施の形態では、入射用回折素子４を導光板５の外部に配置しているが、導光板５の内部に入射用回折素子４を配置する構成をとってもよい。
【００５０】
導光板５は、入射用回折素子４を介して入射された表示光ＤＬを内部で伝搬する。導光板５は、ドライバーＤＲの視界を妨げないために、外界からの光を透過するような材質で構成されており、例えば、ガラスやアクリル樹脂といった透明材料で構成されている。
【００５１】
導光板５に入射した光は、導光板５内で全反射を行いながら、出射用動的回折素子６に入射する。本実施の形態における出射用動的回折素子６を備える導光板５を図２に示す。出射用動的回折素子６は、導光板５に設けられ、複数の分割動的回折素子６ａ〜６ｆで構成されている。なお、本実施の形態では、分割動的回折素子の数が６つの例を示しているが、これは一例であり、他の数で構成してもよい。
【００５２】
各分割動的回折素子６ａ〜６ｆは、前述の動的回折素子であり、制御回路７が素子に印加する電圧を制御することにより、素子の回折機能を有効化又は無効化することができる。本実施の形態では、各分割動的回折素子６ａ〜６ｆは、逐次的に回折機能を有効化する。
【００５３】
図２に示す例では、実線で示す分割動的回折素子６ｅのみが回折機能を有効化されており、破線で示す他の分割動的回折素子６ａ〜６ｄ、６ｆは、回折機能を無効化されている。一定時間後、分割動的回折素子６ｅの回折機能は無効化され、次は、分割動的回折素子６ｄの回折機能が有効化される。つまり、制御回路７は、複数の分割動的回折素子６ａ〜６ｆの内、ある瞬間に回折機能を有する素子を一つに限定するように出射用動的回折素子６を制御する。
【００５４】
なお、回折機能が有効な分割動的回折素子を切り替えるタイミングは、特に限定する必要はないが、例えば、表示素子３で画像１フレームが表示される時間をｔ秒、分割動的回折素子の総数をＮ個とした場合に、一つの分割動的回折素子の回折機能が有効化されている時間Ｘは、（ｔ／Ｎ）秒以下となるように設定してもよい。この場合、どの分割動的回折素子からの回折光がドライバーの目に入っても、ドライバーは、表示素子３が表示する画像を、コマ落ちすることなく視認することが可能になる。
【００５５】
分割動的回折素子６ａ〜６ｆによる制御を行うことで、外光による迷光の発生を抑制することが可能になることを、図３を用いて説明する。図３では、複数の分割動的回折素子の内、分割動的回折素子６ｅのみが回折機能を有効化されており、他の分割動的回折素子６ａ〜６ｄ、６ｆは、回折機能を無効化されている。
【００５６】
そのため、外光ＯＬは、分割動的回折素子６ｅでのみ回折され、導光板５内部を全反射する。しかしながら、従来では、再度回折されていた箇所Ｐ１、Ｐ２において、分割動的回折素子６ｃ、６ａの回折機能が無効化されているために、導光板５外部への回折光（図中に破線の矢印で示す光）が発生しない。
【００５７】
一方、表示光ＤＬに対する回折の例を図４に示す。図４では、表示光ＤＬは、回折機能が有効化されている分割動的回折素子６ｅによって回折され、導光板５から出射される。ドライバーＤＲは、出射された回折光Ｌ１によって、虚像を視認することが可能になる。また、分割動的回折素子６ｃ、６ａが順次回折機能を有効化していくことにより、回折光Ｌ２、Ｌ３といった表示光（図２の従来の出射用回折素子２０６で取り出すことができていた光）も、導光板５から取り出すことが可能になり、広いアイボックスＩＢを維持することができる。
【００５８】
また、本実施の形態に用いられる各分割動的回折素子６ａ〜６ｆの大きさについて、図５を用いて説明する。上記の例で示したように、回折機能が有効化された分割動的回折素子で外光が回折され、導光板５内部で全反射した場合でも、再度、回折機能が無効化された分割動的回折素子で回折されない場合には、迷光にはならない。そのため、分割動的回折素子６ｅの長さＬは、導光板５内での表示光又は外光ＯＬの反射角をθ、導光板５の厚さをＴとした場合に、下記の式（１）で示されるＬｍａｘで示される値より小さければよい。
【００５９】
Ｌ＜Ｌｍａｘ＝２×Ｔ×ｔａｎθ  …  （１）
【００６０】
したがって、各分割動的回折素子６ａ〜６ｆの長さＬがＬｍａｘより小さければ、ある分割動的回折素子で回折された光が、同じ分割動的回折素子で再度回折されることがないため、迷光の発生を抑制することが可能になる。なお、分割動的回折素子の数は、特に制限するものではないが、分割動的回折素子の数を抑制することにより、各分割動的回折素子の制御に必要な処理コストを抑制することが可能になり、制御回路７の構成を簡略化することができる。
【００６１】
また、分割動的回折素子６ａ〜６ｆは、ＲＧＢの各波長に対応する干渉縞を多重露光する方法で実現されていてもよいし、各波長に対応する素子が三層重ね合わされている構成でもよい。後者の場合、ある分割動的回折素子の回折機能が有効化されている時間内に、更にＲＧＢの各波長に対応する分割動的回折素子の回折機能を、光源１の点灯タイミングに合わせて有効化する処理を行う。
【００６２】
上述のように、分割動的回折素子６ａ〜６ｆによって出射用動的回折素子６を構成することにより、外光による迷光の発生を抑制しながら、広いアイボックスＩＢを維持することが可能になる。
【００６３】
また、瞳検出部９は、ドライバーＤＲの眼球位置に関する情報を、車内のカメラ１０などから取得し、ドライバーＤＲ（利用者）の眼球位置を検出する。制御回路７は、瞳検出部９の検出結果に応じて、複数の分割動的回折素子６ａ〜６ｆの中から回折機能を有効化する分割動的回折素子６を選択する。例えば、制御回路７は、ドライバーＤＲの眼球位置から、ドライバーＤＲの眼球に入射する回折光を出射している分割動的回折素子を選択し、選択した分割動的回折素子が有効化する。また、制御回路７は、選択した分割動的回折素子が有効化される回数を増加させること等により、選択した分割動的回折素子の回折機能を優先的に有効化するように制御を行うようにしてもよい。これらの場合、表示光をドライバーＤＲの眼球に集中させることが可能になるため、ドライバーＤＲが視認する虚像ＶＩの輝度を向上させることが可能になる。なお、上記の制御を行わない場合は、瞳検出部９及びカメラ１０を省略してもよい。
【００６４】
また、入力部８は、ドライバーＤＲからの種々の入力を受け付けるユーザインターフェース（ＵＩ）部である。ドライバーＤＲが、入力部８を用いて、自身の眼球の位置情報（ドライバーＤＲが視認しやすい位置の情報）を入力した場合、制御回路７は、入力部８から入力された位置情報に応じて、複数の分割動的回折素子６ａ〜６ｆの中から回折機能を有効化する分割動的回折素子６を選択する。例えば、制御回路７は、入力部８から入力された位置情報からドライバーＤＲの眼球に入射する回折光を出射している分割動的回折素子を選択する。また、制御回路７は、選択した分割動的回折素子が有効化される回数を増加させること等により、選択した分割動的回折素子の回折機能を優先的に有効化するように制御を行うようにしてもよい。これらの場合、ドライバーＤＲが自分の見やすい位置の分割動的回折素子からの光を優先的に使用するようにし、表示輝度をあげるなどの処理を行うことが可能になる。なお、上記の制御を行わない場合は、入力部８を省略してもよい。
【００６５】
上記のように、本実施の形態では、複数の分割動的回折素子６ａ〜６ｆのうち、回折機能が有効化されている分割動的回折素子が一度に一つのみであるように、出射用動的回折素子６が制御されているので、回折機能が有効化されている分割動的回折素子で回折された外光が、他の動的回折素子で再度回折されることを防止することができ、迷光の発生を抑制することが可能になる。この結果、外光による迷光の発生を防止し、利用者の視認性を向上させることができるとともに、光学系を小型化することが可能になる。
【００６６】
（実施の形態２）
本実施の形態では、導光板を用いたＨＵＤ光学系において、迷光発生を抑制する方法について説明する。図６は、本発明の実施の形態２に用いられる導光板及び偏光板の構成例を示す図である。なお、本実施の形態におけるＨＵＤの構成は、図１に示す入射用回折素子４及び導光板５が入射用回折素子４ａ及び導光板５ａに変更され、入射用回折素子４ａが設けられた導光板５ａの外光が入射される側に偏光板２１が配置され、表示光ＤＳとしてＳ偏光が用いられる点以外は、図１とほぼ同様の構成をとるため、実施の形態１と同様の構成要素については、図示及び説明を省略する。
【００６７】
図６に示すように、本実施の形態では、導光板５ａの前面（車外側）に偏光板２１が配置される。ここで、偏光板２１は、特定方向の偏光を有する光のみを透過する作用を有する。本実施の形態では、図の紙面垂直な方向に振動している光をＰ偏光、紙面平行に振動している光をＳ偏光として扱う。本実施の形態では、導光板５の前面に置かれた偏光板２１は、例えば、Ｐ偏光のみを透過するように設定されている。
【００６８】
また、本実施の形態では、表示素子３（図１参照）から出射され、導光板５ａに入射する表示光ＤＳは、Ｓ偏光に設定されている。これは、光源１（図１参照）がＳ偏光を出射するようにしてもよいし、表示素子３からの光がＳ偏光になるように波長板などで設定を行ってもよい。また、他の方法を用いて偏光状態の調整を行なってもよい。
【００６９】
Ｓ偏光に調整された表示光ＤＳは、入射用回折素子４ａに入射する。ここで、入射用回折素子４ａは、Ｓ偏光の光を回折する偏光依存性を持つように設定されている。
【００７０】
同様に、本実施の形態では、出射用動的回折素子２６は、図１に示す出射用動的回折素子６と同様に構成され、さらに、Ｓ偏光の光のみを回折する偏光依存性を持つように設定されている。すなわち、各分割動的回折素子２６ａ〜２６ｆは、Ｓ偏光の光のみを回折する偏光依存性を持つように設定されている。そのため、Ｐ偏光の光が、出射用動的回折素子２６に入射した場合には、角度及び波長に関する回折条件を満たしている場合でも、回折は行われない。
【００７１】
なお、特定の直線偏光だけを回折するような出射用動的回折素子２６については、特定の種類に限定する必要はないが、例えば、フォトポリマーなどを露光して生成される体積ホログラムなどを用いてもよい。この場合、Ｓ偏光成分の光だけを回折するような回折素子を実現することができる。また、液晶材料中に干渉縞を記録する方法で作製された回折素子などを用いてもよい。
【００７２】
また、本実施の形態でも、制御回路７（図１参照）は、実施の形態１と同様に、複数の分割動的回折素子２６ａ〜２６ｆのうち、回折機能が有効化されている分割動的回折素子が一度に一つのみであるように、出射用動的回折素子２６を制御しているが、この例に特に限定されず、他の制御方法を用いてもよい。また、出射用動的回折素子２６に代えて、Ｓ偏光の光のみを回折する偏光依存性を持つように設定されている出射用回折素子を用いてもよい。
【００７３】
次に、本実施の形態において、外光による迷光の発生が防止されることを、図７を用いて説明する。一般に、外光は、様々な偏光成分の混じったランダム偏光として扱われる。そのため、外光ＯＬが偏光板２１を通過すると、Ｐ偏光成分のみが透過され、Ｐ偏光の光ＬＰに変換される。前述のように、出射用動的回折素子２６では、Ｓ偏光成分のみが回折されるため、外光ＯＬが破線部Ｐ２１で出射用動的回折素子２６に入射した場合であっても、回折は行われない。そのため、外光ＯＬによる迷光が発生することなく、ドライバーは、不快感を覚えることなく、虚像を視認することが可能になる。
【００７４】
なお、本実施の形態では、出射用動的回折素子２６がＳ偏光を回折する例を用いたが、偏光板２１でＰ偏光を遮蔽し、出射用動的回折素子２６でＰ偏光を回折するようにしてもよい。また、ドライバーが偏光サングラスなどを使用する場合には、偏光サングラスで遮蔽されない方向の直線偏光を、出射用動的回折素子２６で回折するように設定を行なってもよい。この場合も、サングラスをかけたドライバーが、虚像が見えなくなることを防止することが可能になる。
【００７５】
（実施の形態３）
本実施の形態では、回折素子が動的回折素子である場合に生じる散乱への対応について説明する。前述のように、動的回折素子は、液晶などの材料に干渉縞を記録し、電圧印加によって干渉縞による回折機能を有効化又は無効化することが可能な素子である。この動的回折素子に対して電圧印加を行うために、一般には、動的回折素子に透明電極を取り付けて電圧印加を行う。この透明電極を用いることにより、ＨＵＤのように、外界を視認するシースルーディスプレイ用途であっても、動的回折素子を、導光板内の出射用回折素子として用いることができる。また、透明電極としては、可視光の透過率が高く、導電性の高いＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）膜が使用されることが多い。
【００７６】
しかしながら、導光板を用いる光学系において、出射用回折素子にＩＴＯ膜を有する動的回折素子を用いる場合、ＩＴＯ膜による光の散乱が問題になる。この例を、図８を用いて説明する。
【００７７】
図８では、導光板３０５から表示光ＤＬを取り出すための出射用回折素子として、ＩＴＯ膜を備えた動的回折素子３０６が用いられている。図８の例では、入射用回折素子３０４によって導光板３０５に入射した表示光ＤＬは、動的回折素子３０６によって回折され、導光板３０５は、回折光Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃを出射している。このとき、各回折光Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃは、動的回折素子３０６を通過する回数に応じて、ＩＴＯ膜の散乱の影響を受ける。
【００７８】
例えば、回折光Ｌａは、動的回折素子３０６を１回通過し、回折光Ｌｂは、動的回折素子３０６を３回通過し、回折光Ｌｃは、動的回折素子３０６を５回通過する。そのため、ＩＴＯ膜（動的回折素子３０６）を通過する回数が多いほど、ＩＴＯ膜による光の散乱が発生し、ドライバーがその光を視認した時に、表示像の画質が劣化する。
【００７９】
上記のように、図８では、導光板３０５の上方から出射する回折光ほど、動的回折素子３０６を通過する回数が多い。そのため、ドライバーの眼球の位置がアイボックス上方にある場合にドライバーが視認する虚像は、ドライバーの眼球の位置がアイボックス下方にある場合の虚像よりも、ボケてしまう。この結果、アイボックス内でのドライバーの眼球の位置によって、表示画質が大きく変わるという現象が発生する。 
【００８０】
この問題に対処するための本実施の形態における導光板の構成を図９に示す。なお本実施の形態におけるＨＵＤの構成は、導光板以外の構成要素は、図１とほぼ同様の構成をとるため、実施の形態１と同様の構成要素については、図示及び説明を省略する。
【００８１】
図９に示すように、本実施の形態では、導光板３６は、迂回用導光板３１、下側導光板３２、及び上側導光板３３から構成される。下側導光板３２は、表示光ＤＬを第１の表示光と第２の表示光とに分割し、第１の表示光を内部で伝搬する。迂回用導光板３１は、下側導光板３２から出射される第２の表示光を受け、第２の表示光を内部で伝搬する。上側導光板３３は、迂回用導光板３１に対して下側導光板３２と同じ側に配置され、迂回用導光板３１から出射される第２の表示光を受け、第２の表示光を内部で伝搬する。
【００８２】
下側用動的回折素子４１は、下側導光板３２に設けられ、第１の表示光を下側導光板３２の外部へ出射し、上側用動的回折素子４２は、上側導光板３３に設けられ、第２の表示光を上側導光板３３の外部へ出射する。
【００８３】
上記のように、表示素子３（図１参照）からの表示光ＤＬの一部（第１の表示光）は、下側導光板３２に備えられた入射用回折素子３７によって、下側導光板３２内で全反射を行うように回折される。下側導光板３２で全反射した光は、下側用動的回折素子４１によって回折され、下側導光板３２から下側回折光ＬＢとして出射される。
【００８４】
具体的には、下側用動的回折素子４１は、電圧印加により光を回折する回折機能を無効化又は有効化される複数の分割動的回折素子、例えば、２個の分割動的回折素子４１ａ、４１ｂから構成されている。図９に示す例では、制御回路７（図１参照）は、複数の分割動的回折素子４１ａ、４１ｂの内、ある瞬間に回折機能を有する素子を一つに限定する制御を行うことにより、実線で示す分割動的回折素子４１ｂのみが回折機能を有効化されており、破線で示す他の分割動的回折素子４１ａは、回折機能を無効化されている。したがって、下側導光板３２で全反射した光は、分割動的回折素子４１ｂによって回折され、下側導光板３２から下側回折光ＬＢとして出射される。なお、分割動的回折素子４１ａ、４１ｂの数は、上記の例に特に限定されず、種々の変更が可能である。
【００８５】
また、本実施の形態では、入射用回折素子３７の回折効率は５０％以下に抑えられており、表示光ＤＬの内、一部、例えば、半分の表示光（第２の表示光）は、入射用回折素子３７で回折されずに、下側導光板３２を透過する。その後、下側導光板３２を透過した光は、迂回用導光板３１に備えられた入射用回折素子３８によって回折され、迂回用導光板３１内部を全反射する。迂回用導光板３１を全反射する光は、出射用回折素子３９によって回折され、迂回用導光板３１から出射される。
【００８６】
迂回用導光板３１から出射された光は、上側導光板３３に備えられた入射用回折素子４０によって回折され、上側導光板３３内を全反射しながら進む。上側導光板３３を全反射する光は、上側用動的回折素子４２によって回折され、上側回折光ＬＵとして出射される。
【００８７】
具体的には、上側用動的回折素子４２は、電圧印加により光を回折する回折機能を無効化又は有効化される複数の分割動的回折素子、例えば、２個の分割動的回折素子４２ａ、４２ｂから構成されている。図９に示す例では、制御回路７（図１参照）は、複数の分割動的回折素子４２ａ、４２ｂの内、ある瞬間に回折機能を有する素子を一つに限定する制御を行うことにより、実線で示す分割動的回折素子４２ａのみが回折機能を有効化されており、破線で示す他の分割動的回折素子４２ｂは、回折機能を無効化されている。したがって、上側導光板３３で全反射した光は、分割動的回折素子４２ａによって回折され、上側導光板３３から上側回折光ＬＵとして出射される。
【００８８】
なお、分割動的回折素子４２ａ、４２ｂの数は、上記の例に特に限定されず、種々の変更が可能である。また、回折機能を有効化される分割動的回折素子の組み合わせも、上記の例に特に限定されず、種々の変更が可能である。
【００８９】
上記のように、本実施の形態において、ＩＴＯ膜を有する動的回折素子は、下側用動的回折素子４１と、上側用動的回折素子４２との２つのみであり、動的回折素子を上下に分割しているので、下側用動的回折素子４１における光の通過回数と、上側用動的回折素子４２における光の通過回数とに大きな差は発生しないため、ＩＴＯ膜による光の散乱を最小限にかつ均一にすることができる。すなわち、下側回折光ＬＢは、下側用動的回折素子４１を１回通過し、上側回折光ＬＵも、上側用動的回折素子４２を１回通過し、下側回折光ＬＢと、上側回折光ＬＵとがＩＴＯ膜を通過する回数は同数であるため、アイボックス内でのドライバーの眼球の位置によって、虚像の画質が大きく異なることを防止することが可能になる。
【００９０】
（実施の形態４）
本実施の形態では、導光板を二枚使用したＨＵＤの構成について述べる。図１に示す実施の形態１などで示した導光板を用いたＨＵＤの構成は、導光板を一枚のみ使用している。この構成により、垂直方向のアイボックスを大きく拡大することが可能になる。一方、アイボックスを水平方向にも拡大する場合には、導光板を二枚組み合わせる構成が用いられる。本実施の形態では、この例を、図１０〜図１２を用いて説明する。なお、光源、入射光学系、制御回路、ＨＵＤ筐体などは、実施の形態１と同様であるため、図示及び説明を省略する。
【００９１】
図１０では、ＨＵＤの導光板は、水平方向（Ｘ軸）のアイボックスを拡大する水平方向用の導光板１２０１と、垂直方向（Ｙ軸）のアイボックスを拡大する垂直方向用の導光板１２０４とから構成されている。また、奥行き方向（Ｚ軸）に沿って、表示素子３、水平方向用の導光板１２０１、垂直方向用の導光板１２０４、ドライバーＤＲの位置関係となるように、各部品が配置されている。
【００９２】
次に、水平方向用の導光板１２０１の構成を、図１１に示す。水平方向用の導光板１２０１は、入射用回折素子１２０２及び出射用回折素子１２０３を備え、表示光ＤＬを受け、表示光ＤＬを内部で伝搬して表示光ＤＬを水平方向に拡大した回折光ＨＬを出射する。
【００９３】
具体的には、表示素子３からの表示光ＤＬは、入射用回折素子１２０２によって回折され、水平方向用の導光板１２０１内を全反射しながら進む。水平方向用の導光板１２０１内を全反射する光は、出射用回折素子１２０３によって回折され、回折光ＨＬとして導光板１２０１から出射される。
【００９４】
次に、垂直方向用の導光板１２０４の構成を、図１２に示す。垂直方向用の導光板１２０４は、入射用回折素子１２０５及び出射用動的回折素子１２０６を備え、水平方向用の導光板１２０１から出射される回折光ＨＬを受け、回折光ＨＬを内部で伝搬して回折光ＨＬを垂直方向に拡大した回折光ＶＬを出射する。出射用動的回折素子１２０６は、垂直方向用の導光板１２０４に設けられ、回折光ＶＬを前記第２の導光板の外部へ出射する。
【００９５】
具体的には、出射用動的回折素子１２０６は、実施の形態１と同様に、垂直方向に配列された複数の分割動的回折素子から構成され、制御回路７が複数の分割動的回折素子に印加する電圧を制御することにより、各分割動的回折素子の回折機能を有効化又は無効化することができる。例えば、制御回路７は、複数の分割動的回折素子の内、ある瞬間に回折機能を有する素子を一つに限定するように出射用動的回折素子１２０６を制御しているが、この例に特に限定されず、他の制御方法を用いてもよい。
【００９６】
上記の構成により、水平方向用の導光板１２０１から出射された回折光ＨＬは、入射用回折素子１２０５によって垂直方向に回折され、垂直方向用の導光板１２０４内部を全反射しながら進む。垂直方向用の導光板１２０４を全反射する光は、出射用動的回折素子１２０６によって回折され、回折光ＶＬとして垂直方向用の導光板１２０４から出射される。
【００９７】
この結果、ドライバーＤＲの眼球に回折光ＶＬが届くので、ドライバーＤＲは、虚像を視認することが可能になる。回折光ＶＬが垂直方向用の導光板１２０４から出射される範囲は、二つの導光板１２０１、１２０４内の回折素子（出射用回折素子１２０３及び出射用動的回折素子１２０６）によって水平方向及び垂直方向ともに大きく拡大されているため、ドライバーＤＲに対して広いアイボックスを提供することが可能になる。
【００９８】
しかしながら、回折素子がＩＴＯ膜を備える場合、実施の形態３と同様に回折素子を通過する回数によって表示される虚像の画質がばらつくという問題が発生する。
【００９９】
この問題を解決するために、本実施の形態のＨＵＤに用いられる他の導光板の例では、垂直方向用の出射用動的回折素子の形状を変更する。この例を図１３に示す。図１３では、垂直方向用の導光板１２０４ａに格納されている出射用動的回折素子１５０１の形状が三角形状となっており、出射用動的回折素子１５０１の垂直方向（Ｙ軸）の長さは、表示素子３に近いほど長くなる。
【０１００】
具体的には、水平方向（Ｘ軸）において、表示素子３に近い領域ほど、出射用動的回折素子１５０１の大きさが大きくなる（ｙ軸方向の高さが高くなる）ように、出射用動的回折素子１５０１の形状が設定される。また、出射用動的回折素子１５０１も、実施の形態１と同様に、垂直方向に配列された複数の分割動的回折素子から構成され、制御回路７が素子に印加する電圧を制御することにより、素子の回折機能を有効化又は無効化することができる。例えば、制御回路７は、複数の分割動的回折素子の内、ある瞬間に回折機能を有する素子を一つに限定するように出射用動的回折素子１５０１を制御しているが、この例に特に限定されず、他の制御方法を用いてもよい。
【０１０１】
ここで、表示素子３に近い領域ほど、出射用動的回折素子１５０１に入射する回折光は、水平方向の導光板１２０１に設けられた出射用回折素子１２０３を通過する回数が少ない。そのため、表示素子３に近い領域ほど、出射用動的回折素子１５０１の面積を大きくし、回折光が出射用動的回折素子１５０１内部を通過する回数を大きくする。
【０１０２】
この例を図１４に示す。図１４に示す例では、出射用動的回折素子１５０１を水平方向に分割し、表示素子３に近い方から第１の領域Ａ１、第２の領域Ａ２、第３の領域Ａ３とすると、表示素子３に最も近い第１の領域Ａ１ほど面積が大きく、第２の領域Ａ２、第３の領域Ａ３の順で面積が小さくなる。このとき、出射用動的回折素子１５０１を複数回通過した回折光が発生し、第１の領域Ａ１、第２の領域Ａ２、第３の領域Ａ３の順で、回折光の通過回数が少なくなる。
【０１０３】
上記の構成により、本例では、出射用回折素子１２０３及び出射用動的回折素子１５０１にＩＴＯ膜を有する回折素子を用いた場合でも、導光板１２０４ａから出射される各回折光が水平方向の導光板１２０１に設けられた出射用回折素子１２０３と垂直方向の導光板１２０４ａに設けられた出射用動的回折素子１５０１とを通過する回数を均一化し、アイボックス内の位置によって虚像の画質に差が生じることを抑制することが可能になる。
【０１０４】
なお、本例では、出射用動的回折素子１５０１の形状が三角形状である例を示したが、この例に特に限定されず、導光板１２０４ａから出射される各回折光が出射用回折素子１２０３と出射用動的回折素子１５０１とを通過する回数を均一化することができれば、他の形状を用いてもよい。また、導光板１２０４ａの形状も、出射用動的回折素子１５０１に合わせて三角形状などにしてもよい。この場合、導光板サイズを小さくすることができるため、ＨＵＤの搭載に必要な車内の容積を削減することが可能になる。
【０１０５】
（実施の形態５）
本実施の形態では、導光板に対して表示光を投影する投影光学系を小型化する構成について示す。
【０１０６】
図１５は、通常の導光板を用いたＨＵＤにおける投影光学系の例を示す図である。なお、図１５では、画面中央画素の光を実線で示し、画面下側画素の光を破線で示し、画面上側画素の光を一点鎖線で示している。
【０１０７】
図１５の例では、光源２０１からの光は、コリメートレンズ１７０１によって略平行光として表示素子２０３に入射する。表示素子２０３は、透過型液晶パネルであり、光源２０１からの光を受けて表示光を投影レンズ系１７０２へと出射する。表示素子２０３からの光を効率よく導光板２０５内に入射するためには、投影レンズ系１７０２の瞳が入射用回折素子２０４上に形成されることが望ましい。
【０１０８】
これを実現するためには、図１５に示すように、表示素子２０３及び入射用回折素子２０４よりも大きな直径を持つ投影レンズ系１７０２を使用する。この構成を用いることで、図１５に例示されるように、表示素子２０３の端（図１５では画面の上側及び下側）の光も入射用回折素子２０４上に集めることが可能になる。しかしながら、この構成では、投影光学系の大型化を招いてしまう課題がある。
【０１０９】
一方、表示素子からの光を効率よく導光板内に入射し、かつ投影レンズ系のサイズを抑制する方法として、計算機合成ホログラム（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  Ｈｏｌｏｇｒａｍ、以下、「ＣＧＨ」という）を用いることができる。本実施の形態では、表示素子として、ＣＧＨ表示素子を用いており、この場合の構成例を図１６に示す。
【０１１０】
なお、制御回路、ＨＵＤ筐体などは、実施の形態１と同様であるため、図示及び説明を省略する。また、本実施の形態でも、出射用動的回折素子６は、実施の形態１の出射用動的回折素子と同様に構成され、制御回路７（図１参照）は、実施の形態１と同様に、出射用動的回折素子６を構成する複数の分割動的回折素子のうち、回折機能が有効化されている分割動的回折素子が一度に一つのみであるように、出射用動的回折素子６を制御しているが、この例に特に限定されず、他の制御方法を用いてもよい。
【０１１１】
図１６に示すＨＵＤは、光源１、入射光学系の一例であるコリメートレンズ１７０１、ＣＧＨ表示素子１８０１、入射用回折素子４、導光板５ｂ、出射用動的回折素子６を備える。入射用回折素子４及び出射用動的回折素子６は、導光板５ｂに設けられ、ＣＧＨ表示素子１８０１は、導光板５ｂの外光が入射される側（光源１及びコリメートレンズ１７０１と反対側）に、入射用回折素子４と対向するように配置される。
【０１１２】
図１６では、光源１からの光がコリメートレンズ１７０１により略平行光とされた後、導光板５ｂを透過し、ＣＧＨ表示素子１８０１に入射する。本実施の形態では、ＣＧＨ表示素子１８０１は、位相変調が可能な表示素子であり、例えば、液晶パネルなどを用いることができる。また、ＣＧＨ表示素子１８０１として、位相制御可能なＭＥＭＳミラーを使用した表示素子を用いることができる。
【０１１３】
ここで、ＣＧＨ表示素子１８０１は、任意の位置に表示された表示像からの干渉縞を位相ホログラムとして表示する。光源１からの光は、ＣＧＨ表示素子１８０１によって回折されることにより、任意位置に表示された表示像からの表示光に変換される。ＣＧＨ表示素子１８０１からの表示光は、入射用回折素子４に入射する。
【０１１４】
本構成を用いることによって、投影レンズ系を省略することが可能になり、ＨＵＤを小型化することが可能になる。
【０１１５】
なお、本構成では、ＣＧＨ表示素子１８０１として、反射型表示素子（ＬＣＯＳや、ＤＭＤ）を用いたが、透過型の素子を用いてもよい。反射型表示素子は、一般に駆動速度が早く、光利用効率が高いため、表示画質を向上させることが可能になる。
【０１１６】
また、ＣＧＨ表示素子１８０１で表示する位相ホログラムを計算する方法については、本発明の本質ではないため、詳細な説明は省略するが、任意の方法を用いてもよい。
【０１１７】
例えば、ＣＧＨ表示素子１８０１から一定距離にある画像の各画素を点光源として捉える点光源法による計算を行なってもよい。この方法では、各画素を点光源として、点光源からの光がＣＧＨ表示素子１８０１上で重なった状態を計算して、ホログラムとして表示する。そのため、任意距離の画像をＣＧＨ表示素子１８０１で再生することが可能になる。
【０１１８】
また、表示したい画像を二次元フーリエ変換する手法などでホログラムを計算する方法を用いてもよい。この場合、ホログラムの計算コストを抑制することが可能になる。また、一般に、ＣＧＨ表示素子は、波長依存性を有するため、表示したい画像のＲＧＢの画素ごとにホログラムを計算し、ＲＧＢ光源の点灯タイミングに合わせて、各波長に対応するホログラムを表示する方法を用いてもよい。
【０１１９】
（実施の形態６）
本実施の形態では、導光板と回折素子とを用いた光学系において、クロストークの発生を抑制する方法について説明する。前述のように、クロストークとは、ある波長用に設定された回折素子で別の波長の光を回折してしまう現象を指す。
【０１２０】
図１７に、クロストークが発生する場合のＨＵＤの導光板の例を示す。図１７の例は、フルカラー表示を行う際の導光板の構成例であり、導光板２０５は、出射用回折素子として、ＲＧＢの各波長に対応した出射用回折素子１９０１、１９０２、１９０３を備えている。また、同様に、入射用回折素子２０４も、ＲＧＢの各波長に対応する入射用回折素子１９０４、１９０５、１９０６で構成されている。
【０１２１】
ここで、表示光ＤＬに含まれる赤色波長の光（以下、「Ｒ成分」という）を用いて、クロストークの発生について説明する。表示光ＤＬに含まれるＲ成分は、赤波長に対応する入射用回折素子１９０４により回折されて、導光板２０５内に入射する。導光板２０５に入射したＲ成分は、導光板２０５内を全反射した後に、赤波長に対応する出射用回折素子１９０１によって回折され、回折光ＬＲとして導光板２０５外へと出射する。
【０１２２】
しかしながら、各回折素子の波長選択性（回折素子が回折する波長の範囲）が広い場合、回折素子が、対応する波長と近い波長の光を回折してしまう場合がある。一般に、画像表示装置に使用される光源の波長は、赤波長は６３０ｎｍ付近、緑波長５３０ｎｍ付近、青波長４４０ｎｍ付近の波長が多い。そのため、赤波長と緑波長、及び緑波長と青波長は、波長が比較的近いことになる。したがって、赤波長用の回折素子で、緑波長の表示光が回折されたり、緑波長用の回折素子で、赤波長の表示光が回折されたり、また、緑波長用の回折素子で、青波長の表示光が回折されたり、青波長用の回折素子で、緑波長の表示光が回折されるクロストークが発生する場合がある。
【０１２３】
図１７では、表示光ＤＬのＲ成分が緑波長に対応する出射用回折素子１９０２によって回折されてしまい、不要光ＧＲを発生させている。このような不要光がドライバーの眼球に入ると、表示像の色にじみや像ボケなどとして認識されてしまう。
【０１２４】
このクロストークを防止するための光学系の構成例を図１８に示す。なお、導光板に表示光が入射するまでの部分（光源や表示素子等）及び制御回路等は、他の実施の形態と同様であるため、図示及び説明を省略している。また、本実施の形態でも、各出射用動的回折素子２００１、２００２、２００３は、実施の形態１の出射用動的回折素子と同様に構成され、制御回路７（図１参照）は、実施の形態１と同様に、各出射用動的回折素子２００１、２００２、２００３を構成する複数の分割動的回折素子のうち、回折機能が有効化されている分割動的回折素子が一度に一つのみであるように、各出射用動的回折素子２００１、２００２、２００３を制御しているが、この例に特に限定されず、他の制御方法を用いてもよい。
【０１２５】
図１８では、導光板５ｃ内にＲＧＢの各波長に対応する出射用動的回折素子２００１、２００２、２００３が配置されている。本実施の形態では、各出射用動的回折素子２００１、２００２、２００３は、偏光依存性を有する。また、赤波長用の出射用動的回折素子２００１と青波長用の出射用動的回折素子２００３は、同じ偏光依存性を有する。一方、緑波長用の出射用動的回折素子２００２は、他の出射用動的回折素子２００１、２００３と異なる偏光依存性を有するように設定されている。
【０１２６】
ここで、図の紙面垂直な方向に振動する直線偏光をＰ偏光、紙面平行な方向に振動する直線偏光をＳ偏光とする。例えば、緑波長用の出射用動的回折素子２００２がＰ偏光を回折する偏光依存性を保つ場合、他の出射用動的回折素子２００１、２００３は、Ｓ偏光を回折する偏光依存性を持つ。逆に、緑波長用の出射用動的回折素子２００２がＳ偏光を回折する場合、他の出射用動的回折素子２００１、２００３は、Ｐ偏光を回折する偏光依存性を有する。
【０１２７】
同様に、入射用回折素子４ｂも、ＲＧＢの各波長に対応する回折素子２００４、２００５、２００６から構成され、各回折素子２００４、２００５、２００６は、偏光依存性を有する。また、赤波長用の回折素子２００４と青波長用の回折素子２００６は、同じ偏光依存性を有する。一方、緑波長用の回折素子２００５は、他の回折素子２００４、２００６とは異なる偏光依存性を有する。
【０１２８】
また、各回折素子２００４、２００５、２００６は、同じ波長に対応する出射用動的回折素子２００１、２００２、２００３と同じ偏光依存性を有する。例えば、緑波長用の出射用動的回折素子２００２がＰ偏光を回折する偏光依存性を保つ場合、緑波長に対応する回折素子２００５も、Ｐ偏光を回折する偏光依存性を持つように設定されている。
【０１２９】
また、本実施の形態において、表示素子３（図１参照）からの表示光の内、赤波長の光（Ｒ成分）と青波長の光（Ｂ成分）は、同一の直線偏光成分を持つ。また、表示光の内、緑波長の光（Ｇ成分）は、Ｒ成分及びＢ成分とは異なる直線偏光成分を持つ。例えば、Ｇ成分がＰ偏光の場合、Ｒ成分及びＢ成分は、Ｓ偏光となるように設定されている。また、表示光の各波長は、対応する出射用動的回折素子２００１、２００２、２００３の偏光依存性と一致する偏光を持つ。例えば、緑波長用の出射用動的回折素子２００２がＰ偏光を回折する偏光依存性を保つ場合、表示光のＧ成分は、Ｐ偏光になるように設定されている。
【０１３０】
次に、表示光のＲ成分ＩＲ及びＧ成分ＩＧを用いて、クロストークの発生抑制を説明する。ここで、Ｒ成分ＩＲはＳ偏光、Ｇ成分ＩＧはＰ偏光とする。Ｒ成分ＩＲは、Ｓ偏光を回折する偏光依存性を有する赤波長用の回折素子２００４によって回折され、導光板５ａ内に入射する。
【０１３１】
一方、赤波長用の回折素子２００４と波長域の近い緑波長用の回折素子２００５は、Ｐ偏光を回折する偏光依存性を持つため、Ｓ偏光であるＲ成分ＩＲを回折することはなく、クロストークは発生しない。同様に、出射用動的回折素子においても、Ｒ成分ＩＲは、Ｓ偏光を回折する赤波長用の出射用動的回折素子２００１によって回折され、回折光ＬＲとして導光板５ｃ外に出射する。しかしながら、緑波長用の出射用動的回折素子２００２は、Ｐ偏光を回折するため、Ｓ偏光であるＲ成分ＩＲを回折しない。そのため、クロストークが発生することがなく、不要光も発生しない。
【０１３２】
Ｒ成分ＩＲと同様にＧ成分ＩＧも、同一の偏光依存性を有する緑波長用の回折素子２００５及び緑波長用の出射用動的回折素子２００２によってのみ回折される。そのため、波長域の近い赤波長及び緑波長に対応する回折素子によるクロストークの発生を抑制することができる。同様に、Ｂ成分も、同一の偏光依存性を有する青波長用の回折素子２００６及び青波長用の出射用動的回折素子２００３によってのみ回折されるので、波長域の近い緑波長及び青波長に対応する回折素子によるクロストークの発生も抑制することができる。
【０１３３】
なお、本実施の形態では、Ｒ成分及びＢ成分がＳ偏光、Ｇ成分がＰ偏光としたが、逆の設定であっても構わない。また、表示光の各波長の偏光を設定する方法については、特定の方法に限定する必要はなく、任意の方法を用いて構わない。例えば、光源１（図１参照）がＲＧＢの波長の光を出力する際に、赤波長と青波長とを同一の直線偏光とし、緑波長は他の波長と逆の直線偏光となるように設定しておいてもよい。また、光源１には、直線偏光を出射するレーザ光源を使用してもよい。この場合、光源の光利用効率を向上させることが可能になる。また、光源１にＬＥＤを使用し、偏光板を通過させることにより、偏光状態を調整する方法を用いてもよい。この場合、光源のコストを抑制することが可能になる。
【０１３４】
また、表示素子３からの表示光の偏光状態を動的に変更する動的波長板を用いてもよい。この場合、光源１は、ＲＧＢの光を逐次出力し、表示素子３は、光源１の点灯タイミングに合わせて、表示像としてＲＧＢの各画素を表示するフィールドシーケンシャル表示を行う。動的波長板は、例えば、表示光のＲ成分及びＢ成分に関しては偏光を変化させずに透過させる。また、Ｇ成分が表示されている間は、偏光を変化させるように動作を行う。このような動作を行うことで、Ｒ成分及びＢ成分と、Ｇ成分との偏光状態を変えることが可能になる。なお、動的波長板は、特定の方法に限定する必要はなく、任意の方法を用いてよい。例えば、液晶素子などを使用してもよい。また、Ｒ成分及びＢ成分に関して、偏光を変化させる構成としてもよい。
【０１３５】
また、回折素子の偏光依存性を設定する方法は、特定の方法に限定する必要はなく、任意の方法を用いてもよい。フォトポリマーなどを用いた体積ホログラムで回折素子を実現し、露光方法によって偏光依存性を調節してもよい。また、フォトポリマーや、液晶材料など体積ホログラムに使用する材料を変更することにより、偏光依存性を調整してもよい。
【０１３６】
（実施の形態７）
本実施の形態においては、導光板を２枚用いてアイボックスを拡大する構成における光量ロスへの対策について説明する。導光板を２枚用いる構成については、図１０〜図１４を用いて説明済みであるため、詳細な説明は省略する。
【０１３７】
まず、図１０に示す水平方向用の導光板１２０１から垂直方向用の導光板１２０４に光が入射する際の光の損失について、図１９〜図２２を用いて説明する。
【０１３８】
図１９は、水平方向に光を拡大する水平方向用の導光板１２０１における垂直方向の光の広がりを示す図である。なお、図１９では、画面中央画素の光を実線で示し、画面上側画素の光を破線で示し、画面下側画素の光を一点鎖線で示している。
【０１３９】
図１９に示すように、表示素子３（図１０参照）からの表示光は、入射用回折素子１２０２によって水平方向用の導光板１２０１内を伝搬する。このとき、表示光は、水平方向に伝搬する間に垂直方向に広がる。これは、表示光の垂直方向の画角に相当する分の広がりになる。そのため、出射用回折素子１２０３に入射する表示光の垂直方向幅は、入射用回折素子１２０２に近いほど小さく、離れるほど大きくなる。つまり、出射用回折素子１２０３から出射する光は、水平方向位置によって、垂直方向の幅が異なることになる。このことが、垂直方向用の導光板１２０４での光のロスの原因となる。
【０１４０】
図２０を用いて、回折光ＶＬを、効率よく垂直方向用の導光板１２０４から出射するための条件について述べる。垂直方向用の導光板１２０４に設けられた入射用回折素子１２０５の回折角をθ、垂直方向用の導光板１２０４の厚さをＴ、入射用回折素子１２０５に入射する回折光ＨＬの入射幅をＷとした場合、θ、Ｔ、Ｗは、下記の式（２）の関係を満たすものとする。
【０１４１】
Ｔ＝Ｗ／（２×ｔａｎθ）  …  （２）
【０１４２】
このとき、回折光ＨＬの左端の光ＬＬは、入射用回折素子１２０５で回折され、垂直方向用の導光板１２０４内で反射した後に、回折光ＨＬの右端の光ＲＬと重なって入射用回折素子１２０５から出射することになる。この場合、回折光ＨＬは、損失を生じることなく、全て入射用回折素子１２０５から出射される。また、出射用動的回折素子１２０６に対して、切れ目なく光が入射することになるため、垂直方向用の導光板１２０４からの出射光となる回折光ＶＬも、切れ目を生じることなく出射される。
【０１４３】
したがって、入射用回折素子１２０５に入射する回折光ＨＬの入射幅Ｗは、出射用動的回折素子１２０６から最適に取り出せる回折光ＨＬの入射幅であり、コリメートレンズ径である。すなわち、図２０に示す入射幅Ｗ（＝２×Ｔ×ｔａｎθ）は、出射用動的回折素子１２０６から取り出せる回折光ＨＬの最大入射幅である。
【０１４４】
しかしながら、前述のように、水平方向用の導光板１２０１からの回折光ＨＬは、縦方向（垂直方向）に広がりを持つため、入射用回折素子１２０５に入射する際の入射幅は、回折光ＨＬの水平位置によって異なることになる。
【０１４５】
入射用回折素子１２０５の回折角θを、上記の式（２）で定められる関係式で決定した場合に、回折光ＨＬが最大入射幅Ｗより小さな入射幅Ｗ１で入射した場合の例を、図２１に示す。この例では、回折光ＨＬの左端の光ＬＬと、右端の光ＲＬとは、重ならない状態で、垂直方向用の導光板１２０４内を伝播している。そのため、出射用動的回折素子１２０６には、光が入射しない領域が生まれるため、導光板１２０４から回折光が出射しない領域ＮＡが発生する。この領域ＮＡにドライバーの眼球が位置した場合には、ドライバーは、表示像を視認することができない。
【０１４６】
また、回折光ＨＬが最大入射幅Ｗより大きな入射幅Ｗ２で入射した場合の例を、図２２に示す。この例では、入射用回折素子１２０５の幅も、入射幅Ｗ２に合わせて大きくされている。この場合、回折光ＨＬの左端の光ＬＬは、入射用回折素子１２０５で一度回折された後、再度、入射用回折素子１２０５に対して回折条件を満たす形で入射してしまう。したがって、回折光ＨＬの左端の光ＬＬは、回折光ＯＴとして、導光板１２０４の外部に出射してしまうため、ドライバーのアイボックスには届かない。
【０１４７】
ここで、出射用動的回折素子１２０６に入射する回折光は、回折光ＨＬの右端の光ＲＬから最大入射幅Ｗの範囲にある光ＭＬまでの光であり、左端の光ＬＬから光ＭＬまでの光は、入射用回折素子１２０５によって垂直方向用の導光板１２０４の外に出射されてしまうため、光の損失になってしまう。この結果、回折光ＨＬの左端の光ＬＬほど、損失が大きくなるため、ドライバーに表示される画像に輝度ムラが発生するという課題も生じる。
【０１４８】
なお、入射用回折素子１２０５の幅が入射幅Ｗ２よりも小さい場合には、そもそも回折光ＨＬの内、入射用回折素子１２０５によって回折されない領域が発生するため、光の損失が発生する。
【０１４９】
上記の課題を解決するための方法として、本実施の形態では、垂直方向用の導光板の入射用回折素子を二つの領域に分割し、かつ動的回折素子を用いている。この例を、図２３及び図２４を用いて説明する。
【０１５０】
なお、垂直方向用の導光板１２０４ａ以外の構成は、実施の形態４と同様であるため、図示及び説明を省略する。また、本実施の形態でも、出射用動的回折素子１２０６は、実施の形態４の出射用動的回折素子と同様に構成され、制御回路７（図１参照）は、実施の形態４と同様に、出射用動的回折素子１２０６を構成する複数の分割動的回折素子のうち、回折機能が有効化されている分割動的回折素子が一度に一つのみであるように、出射用動的回折素子１２０６を制御しているが、この例に特に限定されず、他の制御方法を用いてもよい。
【０１５１】
図２３において、入射用動的回折素子２５００は、垂直方向用の導光板１２０４ａに設けられ、回折光Ｌ１から回折光Ｌ３までの入射幅Ｗ２の光を出射用動的回折素子１２０６に導く。また、入射用動的回折素子２５００は、下側領域の下側動的回折素子２５０１と、上側領域の上側動的回折素子２５０２とに分割されている。また、下側動的回折素子２５０１及び上側動的回折素子２５０２は共に電圧印加により光を回折する回折機能を無効化又は有効化される動的回折素子であり、入射してきた光を回折角θで回折する。
【０１５２】
図２３に示す状態では、制御回路７（図１参照）により、下側動的回折素子２５０１の回折機能が有効化されており、上側動的回折素子２５０２の回折機能が無効化されている。このとき、垂直方向用の導光板１２０４ａに入射する回折光は、下側領域の光（回折光Ｌ１から回折光Ｌ２までの入射幅Ｗ３の光）のみ回折される。
【０１５３】
ここで、回折光Ｌ１から回折光Ｌ２までの入射幅Ｗ３は、最大入射幅Ｗより小さくなるように設定されおり、下側動的回折素子２５０１の長さＷ３は、出射用動的回折素子１２０６から取り出せる回折光ＨＬの最大入射幅Ｗより短い。そのため、回折光Ｌ１から回折光Ｌ２までの範囲の光は、入射用動的回折素子２５００によって垂直方向用の導光板１２０４ａ外に出射されることはない。但し、出射用動的回折素子１２０６の全面には、光が入射しないため、垂直方向用の導光板１２０４ａから光が発生しない領域ＮＡが発生する。
【０１５４】
次に、図２４に示す状態では、制御回路７（図１参照）により、上側動的回折素子２５０２の回折機能が有効化されており、下側動的回折素子２５０１の回折機能が無効化されている。このとき、垂直方向用の導光板１２０４ａに入射する回折光は、上側領域の光（回折光Ｌ２から回折光Ｌ３までの入射幅Ｗ４の光）のみ回折される。
【０１５５】
ここで、回折光Ｌ２から回折光Ｌ３までの入射幅Ｗ４は、最大入射幅Ｗより小さくなるように設定されており、上側動的回折素子２５０２の長さＷ４は、出射用動的回折素子１２０６から取り出せる回折光ＨＬの最大入射幅Ｗより短い。そのため、回折光Ｌ２から回折光Ｌ３までの範囲の光は、入射用動的回折素子２５００によって垂直方向用の導光板１２０４ａ外に出射されることはない。但し、出射用動的回折素子１２０６の全面には、光が入射しないため、垂直方向用の導光板１２０４ａから光が発生しない領域ＮＡが発生する。
【０１５６】
本実施の形態では、入射幅Ｗ３と入射幅Ｗ４との和が最大入射幅Ｗを上回るように、下側動的回折素子２５０１及び上側動的回折素子２５０２の長さが設定しており、下側動的回折素子２５０１の長さＷ３と、上側動的回折素子２５０２の長さＷ４との和（入射用動的回折素子２５００の全長）は、出射用動的回折素子１２０６から取り出せる回折光ＨＬの最大入射幅Ｗより長い。したがって、制御回路７が、下側動的回折素子２５０１と上側動的回折素子２５０２との回折機能を順番に有効化することにより、すなわち、図２３に示す状態と、図２４に示す状態とを切り替えることにより、二つの状態を重ねあわせた場合には、光が出射しない領域ＮＡをなくしている。
【０１５７】
上記のように、本実施の形態では、入射用動的回折素子２５００によって垂直方向用の導光板１２０４ａの外部に出射されてしまう光が存在しないため、表示画像に輝度ムラなどが発生することを防止することが可能なる。また、本実施の形態では、最大入射幅Ｗを、回折光の最も垂直方向の幅が小さい幅（図１９に示す幅Ｗｍｉｎ）に設定しているので、垂直方向用の導光板１２０４ａの入射用動的回折素子２５００によって、光が不要に回折され、輝度ムラが発生することを抑制することが可能になる。
【０１５８】
なお、これまでに説明した実施の形態は一例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、さまざまな形態を採りうる。例えば、実施の形態１、実施の形態２、及び３を組み合わせて実施してもよい。
【０１５９】
また、これまでに説明した実施の形態は、車に用いられるＨＵＤを例示したが、他の形態に適用してもよい。例えば、導光板部分を眼鏡に搭載したＨＭＤとして実現してもよい。また、カード型の透過型表示装置として実現してもよい。
【０１６０】
上記の各実施の形態から本発明の各態様について説明すると、以下のようになる。すなわち、本発明の一態様に係る画像表示装置は、光を発する光源と、前記光源からの光を受けて表示光を生成する表示素子と、前記表示光を内部で伝搬する導光板と、前記表示素子からの前記表示光を前記導光板内に入射する入射素子と、前記導光板に設けられ、前記表示光を前記導光板の外部へ出射するための出射用動的回折素子とを備え、前記出射用動的回折素子は、電圧印加により光を回折する回折機能を無効化又は有効化される複数の分割動的回折素子を含み、前記複数の分割動的回折素子のうち、回折機能が有効化されている分割動的回折素子が一度に一つのみであるように、前記出射用動的回折素子を制御する制御部をさらに備える。
【０１６１】
この画像表示装置によれば、複数の分割動的回折素子のうち、回折機能が有効化されている分割動的回折素子が一度に一つのみであるように、出射用動的回折素子が制御されているので、回折機能が有効化されている分割動的回折素子で回折された外光が、他の動的回折素子で再度回折されることを防止することができ、迷光の発生を抑制することが可能になる。この結果、外光による迷光の発生を防止し、利用者の視認性を向上させることができるとともに、光学系を小型化することが可能になる。
【０１６２】
前記分割動的回折素子の長さＬは、前記導光板の厚さをＴ、前記導光板内での前記表示光の反射角をθとした場合に、２×Ｔ×ｔａｎθよりも小さい値であることが好ましい。
【０１６３】
この場合、回折機能が有効化されている分割動的回折素子で回折された外光が、同じ分割動的回折素子内で再度回折されることを防止することができ、迷光の発生を抑制することが可能になる。
【０１６４】
利用者の眼球位置を検出する瞳検出部をさらに備え、前記制御部は、前記瞳検出部の検出結果に応じて、前記複数の分割動的回折素子の中から回折機能を有効化する分割動的回折素子を選択することが好ましい。
【０１６５】
この場合、表示光を利用者の眼球に集中させることが可能になるため、輝度の高い表示を行うことが可能になる。
【０１６６】
利用者の眼球の位置情報を入力される入力部をさらに備え、前記制御部は、前記入力部から入力された位置情報に応じて、前記複数の分割動的回折素子の中から回折機能を有効化する分割動的回折素子を選択することが好ましい。
【０１６７】
この場合、利用者が自身の眼球の位置に適した箇所に表示光を集中させることが可能になるため、輝度の高い表示を行うことが可能になる。
【０１６８】
前記出射用動的回折素子の外光が入射される側に配置され、特定方向の偏光を有する光のみを透過する偏光板をさらに備え、前記出射用動的回折素子は、前記特定方向の偏光を有する光を回折しないことが好ましい。
【０１６９】
この場合、出射用動的回折素子は、偏光板を通過した光を偏光しないため、外光による迷光の発生を防止することができる。
【０１７０】
前記表示素子は、計算機合成ホログラムを用いた表示素子を含むことが好ましい。
【０１７１】
この場合、投影レンズ系を省略することが可能になり、画像表示装置を小型化することが可能になる。
【０１７２】
前記出射用動的回折素子は、第１の偏光を回折する赤波長用の出射用動的回折素子と、前記第１の偏光と異なる第２の偏光を回折する緑波長用の出射用動的回折素子と、前記第１の偏光を回折する青波長用の出射用動的回折素子とを含むことが好ましい。
【０１７３】
この場合、波長域の近い赤波長用の出射用動的回折素子及び緑波長用の出射用動的回折素子によるクロストークの発生を抑制することができるとともに、波長域の近い緑波長用の出射用動的回折素子及び青波長用の出射用動的回折素子によるクロストークの発生を抑制することができる。
【０１７４】
前記導光板は、前記表示光を第１の表示光と第２の表示光とに分割し、前記第１の表示光を内部で伝搬する第１の導光板と、前記第１の導光板から出射される前記第２の表示光を受け、前記第２の表示光を内部で伝搬する第２の導光板と、前記第２の導光板に対して第１の導光板と同じ側に配置され、前記第２の導光板から出射される前記第２の表示光を受け、前記第２の表示光を内部で伝搬する第３の導光板とを含み、前記出射用動的回折素子は、前記第１の導光板に設けられ、前記第１の表示光を前記第１の導光板の外部へ出射するための第１の出射用動的回折素子と、前記第３の導光板に設けられ、前記第２の表示光を前記第３の導光板の外部へ出射するための第２の出射用動的回折素子とを含み、前記第１の出射用動的回折素子は、電圧印加により光を回折する回折機能を無効化又は有効化される複数の第１の分割動的回折素子を含み、前記第２の出射用動的回折素子は、電圧印加により光を回折する回折機能を無効化又は有効化される複数の第２の分割動的回折素子を含み、前記制御部は、前記複数の第１の分割動的回折素子のうち、回折機能が有効化されている第１の分割動的回折素子が一度に一つのみであるように、前記第１の出射用動的回折素子を制御するとともに、前記複数の第２の分割動的回折素子のうち、回折機能が有効化されている第２の分割動的回折素子が一度に一つのみであるように、前記第２の出射用動的回折素子を制御することが好ましい。
【０１７５】
この場合、第１及び第２の出射用回折素子にＩＴＯ膜を有する動的回折素子を用いても、動的回折素子を第１及び第２の出射用動的回折素子に分割しているので、第１の出射用動的回折素子における光の通過回数と、第２の出射用動的回折素子における光の通過回数と均一にできるので、ＩＴＯ膜による光の散乱を最小限にかつ均一にすることができる。
【０１７６】
前記導光板は、前記表示光を受け、前記表示光を内部で伝搬して前記表示光を第１の方向に拡大した第１の拡大表示光を出射する第１の導光板と、前記第１の導光板から出射される前記第１の拡大表示光を受け、前記第１の拡大表示光を内部で伝搬して前記第１の拡大表示光を前記第１の方向と交わる第２の方向に拡大した第２の拡大表示光を出射する第２の導光板とを含み、前記出射用動的回折素子は、前記第２の導光板に設けられ、前記第２の拡大表示光を前記第２の導光板の外部へ出射することが好ましい。
【０１７７】
この場合、第２の導光板から出射される光の範囲は、第１及び第２導光板によって第１の方向及び第２の方向ともに大きく拡大されるので、利用者に対して広いアイボックスを提供することが可能になる。
【０１７８】
前記出射用動的回折素子の前記第２の方向の長さは、前記表示素子に近いほど長くなることが好ましい。
【０１７９】
この場合、第１及び第２の導光板にＩＴＯ膜を有する回折素子を用いても、光が第１及び第２の導光板を通過する回数を均一化することができるので、虚像の画質に差が生じることを抑制することが可能になる。
【０１８０】
前記第２の導光板に設けられ、前記第１の拡大表示光を前記出射用動的回折素子に導く入射用動的回折素子をさらに備え、前記入射用動的回折素子は、電圧印加により光を回折する回折機能を無効化又は有効化される複数の入射用分割動的回折素子を含み、前記制御部は、前記複数の入射用分割動的回折素子のうち、回折機能が有効化されている入射用分割動的回折素子が一度に一つのみであるように、前記入射用動的回折素子を制御し、前記複数の入射用分割動的回折素子の各々の長さは、前記出射用動的回折素子から取り出せる前記第１の拡大表示光の最大入射幅より短く、かつ、前記入射用動的回折素子の全長は、前記最大入射幅より長いことが好ましい。
【０１８１】
この場合、入射用動的回折素子によって第２の導光板の外部に出射されてしまう光が存在しないため、表示画像に輝度ムラなどが発生することを防止することが可能なる。
【０１８２】
本発明の他の態様に係る画像表示装置は、光を発する光源と、前記光源からの光を受けて表示光を生成する表示素子と、前記表示光を内部で伝搬する導光板と、前記表示素子からの前記表示光を前記導光板内に入射する入射素子と、前記導光板に設けられ、前記表示光を前記導光板の外部へ出射するための出射用動的回折素子とを備え、前記出射用動的回折素子は、電圧印加により光を回折する回折機能を無効化又は有効化される複数の分割動的回折素子を含み、前記出射用動的回折素子の外光が入射される側に配置され、特定方向の偏光を有する光のみを透過する偏光板をさらに備え、前記出射用動的回折素子は、前記特定方向の偏光を有する光を回折しない。
【０１８３】
この画像表示装置によれば、出射用動的回折素子は、偏光板を通過した光を偏光しないため、外光による迷光の発生を防止することができる。
【０１８４】
本発明の他の態様に係る画像表示装置は、光を発する光源と、前記光源からの光を受けて表示光を生成する表示素子と、前記表示光を内部で伝搬する導光板と、前記表示素子からの前記表示光を前記導光板内に入射する入射素子と、前記導光板に設けられ、前記表示光を前記導光板の外部へ出射するための出射用動的回折素子とを備え、前記出射用動的回折素子は、電圧印加により光を回折する回折機能を無効化又は有効化される複数の分割動的回折素子を含み、前記表示素子は、計算機合成ホログラムを用いた表示素子を含む。
【０１８５】
この画像表示装置によれば、投影レンズ系を省略することが可能になり、画像表示装置を小型化することが可能になる。
【０１８６】
本発明の他の態様に係る画像表示装置は、光を発する光源と、前記光源からの光を受けて表示光を生成する表示素子と、前記表示光を内部で伝搬する導光板と、前記表示素子からの前記表示光を前記導光板内に入射する入射素子と、前記導光板に設けられ、前記表示光を前記導光板の外部へ出射するための出射用動的回折素子とを備え、前記出射用動的回折素子は、電圧印加により光を回折する回折機能を無効化又は有効化される複数の分割動的回折素子を含み、前記出射用動的回折素子は、第１の偏光を回折する赤波長用の出射用動的回折素子と、前記第１の偏光と異なる第２の偏光を回折する緑波長用の出射用動的回折素子と、前記第１の偏光を回折する青波長用の出射用動的回折素子とを含む。
【０１８７】
この画像表示装置によれば、波長域の近い赤波長用の出射用動的回折素子及び緑波長用の出射用動的回折素子によるクロストークの発生を抑制することができるとともに、波長域の近い緑波長用の出射用動的回折素子及び青波長用の出射用動的回折素子によるクロストークの発生を抑制することができる。
【０１８８】
本発明の他の態様に係る画像表示装置は、光を発する光源と、前記光源からの光を受けて表示光を生成する表示素子と、前記表示光を内部で伝搬する導光板と、前記表示素子からの前記表示光を前記導光板内に入射する入射素子と、前記導光板に設けられ、前記表示光を前記導光板の外部へ出射するための出射用動的回折素子とを備え、前記出射用動的回折素子は、電圧印加により光を回折する回折機能を無効化又は有効化される複数の分割動的回折素子を含み、前記導光板は、前記表示光を第１の表示光と第２の表示光とに分割し、前記第１の表示光を内部で伝搬する第１の導光板と、前記第１の導光板から出射される前記第２の表示光を受け、前記第２の表示光を内部で伝搬する第２の導光板と、前記第２の導光板に対して第１の導光板と同じ側に配置され、前記第２の導光板から出射される前記第２の表示光を受け、前記第２の表示光を内部で伝搬する第３の導光板とを含み、前記出射用動的回折素子は、前記第１の導光板に設けられ、前記第１の表示光を前記第１の導光板の外部へ出射するための第１の出射用動的回折素子と、前記第３の導光板に設けられ、前記第２の表示光を前記第３の導光板の外部へ出射するための第２の出射用動的回折素子とを含み、前記第１の出射用動的回折素子は、電圧印加により光を回折する回折機能を無効化又は有効化される複数の第１の分割動的回折素子を含み、前記第２の出射用動的回折素子は、電圧印加により光を回折する回折機能を無効化又は有効化される複数の第２の分割動的回折素子を含む。
【０１８９】
この画像表示装置によれば、第１及び第２の出射用回折素子にＩＴＯ膜を有する動的回折素子を用いても、動的回折素子を第１及び第２の出射用動的回折素子に分割しているので、第１の出射用動的回折素子における光の通過回数と、第２の出射用動的回折素子における光の通過回数と均一にできるので、ＩＴＯ膜による光の散乱を最小限にかつ均一にすることができる。
【０１９０】
本発明の他の態様に係る画像表示装置は、光を発する光源と、前記光源からの光を受けて表示光を生成する表示素子と、前記表示光を内部で伝搬する導光板と、前記表示素子からの前記表示光を前記導光板内に入射する入射素子と、前記導光板に設けられ、前記表示光を前記導光板の外部へ出射するための出射用動的回折素子とを備え、前記出射用動的回折素子は、電圧印加により光を回折する回折機能を無効化又は有効化される複数の分割動的回折素子を含み、前記導光板は、前記表示光を受け、前記表示光を内部で伝搬して前記表示光を第１の方向に拡大した第１の拡大表示光を出射する第１の導光板と、前記第１の導光板から出射される前記第１の拡大表示光を受け、前記第１の拡大表示光を内部で伝搬して前記第１の拡大表示光を前記第１の方向と交わる第２の方向に拡大した第２の拡大表示光を出射する第２の導光板とを含み、前記出射用動的回折素子は、前記第２の導光板に設けられ、前記第２の拡大表示光を前記第２の導光板の外部へ出射する。
【０１９１】
この画像表示装置によれば、第２の導光板から出射される光の範囲は、第１及び第２導光板によって第１の方向及び第２の方向ともに大きく拡大されているため、利用者に対して広いアイボックスを提供することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【０１９２】
本発明にかかる画像表示装置は、導光板と回折素子とを組み合わせることにより、小型の光学系を実現し、ＨＵＤ、ＨＭＤ等の画像表示装置として有用である。また、表示システム、表示方法、表示装置設計方法、等の用途にも応用できる。
【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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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【国際調査報告】
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