(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像光を出射する画像光生成部と、
前記画像光生成部から出射された前記画像光が入射する導光板と、
前記導光板の光入射部に設けられた入射側回折光学素子と、
前記導光板の光出射部に設けられた出射側回折光学素子と、
を備え、
前記画像光生成部が動作していない状態において、前記入射側回折光学素子の格子周期は、前記出射側回折光学素子の格子周期よりも小さく、
前記入射側回折光学素子は、温度上昇に伴い格子周期が大きくなることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記画像光を成す光線が前記入射側回折光学素子に入射する入射角のうち前記入射側回折光学素子による回折角が最も小さくなる最小入射角をθｍｉｎ、前記画像光のスペクトルのピーク強度の半値となる波長のうち短い方の波長をλｍｉｎ、前記導光板の使用時最高温度における前記入射側回折光学素子の格子周期をＰとしたとき、
Ｐ≦λｍｉｎ／（１−ｓｉｎθｍｉｎ）
が成立す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】
前記画像光を成す光線が前記入射側回折光学素子に入射する入射角のうち前記入射側回折光学素子による回折角が最も小さくなる最小入射角をθｍｉｎ、前記画像光のスペクトルのピーク強度の半値となる波長のうち短い方の波長をλｍｉｎ、前記導光板の使用時最高温度より低い温度における前記入射側回折光学素子の格子周期をＰとしたとき、
Ｐ＜λｍｉｎ／（１−ｓｉｎθｍｉｎ）
が成立す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４】
前記画像光を成す光線が前記入射側回折光学素子に入射する入射角のうち前記入射側回折光学素子による回折角が最も小さくなる最小入射角をθｍｉｎ、前記画像光のスペクトルのピーク強度の半値となる波長のうち短い方の波長をλｍｉｎ、前記導光板の温度が常温である場合の前記入射側回折光学素子の格子周期をＰとしたとき、
Ｐ＜λｍｉｎ／（１−ｓｉｎθｍｉｎ）
が成立す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５】
前記導光板がプラスチック材料からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記入射側回折光学素子及び前記出射側回折光学素子が表面レリーフ型回折格子であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記入射側回折光学素子及び前記出射側回折光学素子が体積ホログラムであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の画像表示装置。
【請求項８】
光入射部と光出射部とを有し、前記光入射部から入射した光を全反射で伝播して前記光出射部から出射する導光板と、
前記光入射部に設けられた入射側回折光学素子と、
前記光出射部に設けられた出射側回折光学素子と、
を備え、
前記光が入射しない状態において、前記入射側回折光学素子の格子周期は、前記出射側回折光学素子の格子周期よりも小さく、
前記入射側回折光学素子は、温度上昇に伴い格子周期が大きくなることを特徴とする光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示装置及び光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤと称す）等の装着型の画像表示装置が注目されている。このようなＨＭＤとして、導光板の光入射部及び光出射部に形成された回折光学素子によって画像光を回折し、導光板内を全反射で伝播させる回折導光板型のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１３３９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ＨＭＤにおいて、軽量化、或いは衝撃による破損を防止するために、導光板として例えばプラスチック材料を用いることが考えられる。プラスチックはガラスに比べて線膨張率が大きいため、温度変化によって導光板が膨張或いは収縮し、それに伴って導光板表面の光入射側或いは光出射部に形成されている回折光学素子の格子周期も変化する。
【０００５】
例えば、ＨＭＤの使用態様によっては、導光板における光入射部と光出射部とで温度差が生じ、光入射部及び光出射部に設けられた回折光学素子の格子周期にずれが生じるおそれがある。格子周期が大きくなると回折角が小さくなるため、回折角が導光板の臨界角より小さくなると導光板内を全反射で伝播できなくなり、光出射部から出射される光（画像光）に欠けが生じてしまう。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、導光板の光入射部側と光出射部側とで生じる温度差によらず欠けの無い画像光を出射できる画像表示装置を提供することを目的の一つとする。また、導光板の光入射部側と光出射部側とで生じる温度差によらず欠けの無い光を出射できる光学素子を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１態様に従えば、画像光を出射する画像光生成部と、前記画像光生成部から出射された前記画像光が入射する導光板と、前記導光板の光入射部に設けられた入射側回折光学素子と、前記導光板の光出射部に設けられた出射側回折光学素子と、を備え、前記画像光生成部が動作していない状態において、前記入射側回折光学素子の格子周期と前記出射側回折光学素子の格子周期とが異なる画像表示装置が提供される。
【０００８】
第１態様に係る画像表示装置によれば、導光板の温度変化により生じる入射側回折光学素子の格子周期と出射側回折光学素子の格子周期との差を補償するように各格子周期を設定しておくことで、光入射部に入射した画像光のスペクトルが幅を持つ場合や複数の波長を含むカラー光である場合に、画像のボケやゴーストの発生を抑制できる。
【０００９】
上記第１態様において、前記画像光を成す光線が前記入射側回折光学素子に入射する入射角のうち前記入射側回折光学素子による回折角が最も小さくなる最小入射角をθｍｉｎ、前記画像光のスペクトルのピーク強度の半値となる波長のうち短い方の波長をλｍｉｎ、前記導光板の使用時最高温度における前記入射側回折光学素子の格子周期をＰとしたとき、Ｐ≦λｍｉｎ／（１−ｓｉｎθｍｉｎ）が成立するのが好ましい。
この構成によれば、装置使用時に導光板の光入射部の温度が使用時最高温度まで上昇した場合でも、画像の欠け、ボケやゴーストを抑制することができる。
【００１０】
上記第１態様において、前記画像光を成す光線が前記入射側回折光学素子に入射する入射角のうち前記入射側回折光学素子による回折角が最も小さくなる最小入射角をθｍｉｎ、前記画像光のスペクトルのピーク強度の半値となる波長のうち短い方の波長をλｍｉｎ、前記導光板の使用時最高温度より低い温度における前記入射側回折光学素子の格子周期をＰとしたとき、Ｐ＜λｍｉｎ／（１−ｓｉｎθｍｉｎ）が成立するのが好ましい。
この構成によれば、装置使用時に導光板の光入射部の温度が使用時最高温度よりも低い温度程度まで上昇した場合でも、画像の欠け、ボケやゴーストを抑制することができる。
【００１１】
上記第１態様において、前記画像光を成す光線が前記入射側回折光学素子に入射する入射角のうち前記入射側回折光学素子による回折角が最も小さくなる最小入射角をθｍｉｎ、前記画像光のスペクトルのピーク強度の半値となる波長のうち短い方の波長をλｍｉｎ、前記導光板の温度が常温である場合の前記入射側回折光学素子の格子周期をＰとしたとき、Ｐ＜λｍｉｎ／（１−ｓｉｎθｍｉｎ）が成立するのが好ましい。
この構成によれば、装置使用時に導光板の光入射部の温度が常温より僅かに上昇した場合でも、画像の欠け、ボケやゴーストを抑制することができる。
【００１２】
上記第１態様において、前記導光板がプラスチック材料からなるのが好ましい。
この構成によれば、導光板が温度変化によって変形し易くなるため、上述した効果をより顕著に得ることができる。
【００１３】
上記第１態様において、前記入射側回折光学素子及び前記出射側回折光学素子が表面レリーフ型回折格子であるのが好ましい。
この構成によれば、広い角度範囲に渡って高い回折効率を維持することができる。
【００１４】
上記第１態様において、前記入射側回折光学素子及び前記出射側回折光学素子が体積ホログラムであるのが好ましい。
この構成によれば、高い回折効率を得ることができる。
【００１５】
本発明の第２態様に従えば、光入射部と光出射部とを有し、前記光入射部から入射した光を全反射で伝播して前記光出射部から出射する導光板と、前記光入射部に設けられた入射側回折光学素子と、前記光出射部に設けられた出射側回折光学素子と、を備え、前記光が入射しない状態において、前記入射側回折光学素子の格子周期と前記出射側回折光学素子の格子周期とが異なる光学素子が提供される。
【００１６】
第２態様に係る光学素子によれば、導光板の温度変化により生じる入射側回折光学素子の格子周期と出射側回折光学素子の格子周期との差を補償するように各格子周期を設定しておくことで、光入射部に入射した光のスペクトルが幅を持つ場合や複数の波長を含む場合に、出射光のボケやゴーストの発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】使用者が本実施形態のＨＭＤを装着した状態を示す図。
【図２】本実施形態のＨＭＤの斜視図。
【図３】画像表示部の構成を示す図。
【図４】画像表示素子の画素から放射される光のスペクトルの例を示す図。
【図５】参考例の導光ユニットの構成を示す図。
【図６】参考例の導光ユニットの光入射部における光の回折の説明図。
【図７】温度上昇時における参考例の導光ユニットの光回折状態を示す図。
【図８】常温時における参考例の導光ユニットの状態を示す図。
【図９】温度上昇時に参考例の導光ユニットから出射される画像光を示す図。
【図１０】常温時における本実施形態の導光ユニットの状態を示す図。
【図１１】温度上昇時に本実施形態の導光ユニットから出射される画像光を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１９】
本実施形態の画像表示装置は、使用者が頭に装着して使用するヘッドマウントディスプレイの一例である。以下の説明では、ヘッドマウントディスプレイ（Ｈｅａｄ  Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｄｉｓｐｌａｙ）を、ＨＭＤと略記する。
【００２０】
図１は、使用者が本実施形態のＨＭＤを装着した状態を示す図である。図２は、本実施形態のＨＭＤの斜視図である。
図１に示すように、本実施形態のＨＭＤ３００は、使用者が眼鏡を掛ける感覚で頭部に装着して使用するものである。本実施形態のＨＭＤ３００は、シースルー型（透過型）のＨＭＤである。本実施形態のＨＭＤ３００によれば、使用者は画像表示部により生成された画像を視認でき、かつ、ＨＭＤ３００の外部の景色等の外界の像も視認できる。
【００２１】
図２に示すように、ＨＭＤ３００は、眼鏡に類似した形状を有する表示装置１００と、使用者が手で持つことが可能な程度の大きさを有する制御装置（コントローラー）１６０と、を備えている。表示装置１００と制御装置１６０とは、有線または無線で通信可能に接続される。本実施形態では、表示装置１００を構成する左眼用画像表示部１１０Ａおよび右眼用画像表示部１１０Ｂの各々と制御装置１６０とは、ケーブル１５０を介して有線で通信可能に接続され、画像信号や制御信号を通信する。
【００２２】
表示装置１００は、メインフレーム（装置本体）１２０と、左眼用画像表示部１１０Ａと、右眼用画像表示部１１０Ｂと、を備えている。制御装置１６０は、表示部１７０と、操作ボタン部１８０と、を備えている。
【００２３】
表示部１７０は、例えば使用者に与える各種の情報や指示等を表示する。メインフレーム１２０は、使用者が耳に掛けるための一対のテンプル部１２２Ａ，１２２Ｂを備えている。メインフレーム１２０は、左眼用画像表示部１１０Ａと、右眼用画像表示部１１０Ｂと、を支持する部材である。
【００２４】
右眼用画像表示部１１０Ｂと左眼用画像表示部１１０Ａとは、同様の構成を有しており、双方の画像表示部内の各構成要素は左右対称に配置されている。そのため、以下では、左眼用画像表示部１１０Ａを単に画像表示部１１０として詳細に説明し、右眼用画像表示部１１０Ｂの説明を省略する。
【００２５】
図３は、画像表示部１１０の構成を示す断面図である。
図３に示すように、画像表示部１１０は、画像光生成部１９と、導光ユニット２０とを備えている。画像光生成部１９は、画像情報を含む画像光Ｇを射出する。
画像光生成部１９は、画像表示素子１９ａと、バックライト１９ｂと、コリメーターレンズ１９ｃと、を備えている。
【００２６】
画像表示素子１９ａとしては、例えば、液晶パネルを用いることができる。バックライト１９ｂは、液晶パネルから構成された画像表示素子１９ａを照明するものであり、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）からなる。なお、画像表示素子１９ａとして有機ＥＬパネルを用いても良く、この場合、バックライトは不要となる。
【００２７】
画像表示素子１９ａは、複数の画素を含む。コリメーターレンズ１９ｃは、画像表示素子１９ａで生成された画像光Ｇを平行化する。具体的に画像表示素子１９ａを構成する液晶パネルの各画素から出た光（画像光Ｇ）は、コリメーターレンズ１９ｃによって画素の位置に対応する出射角度を持つ平行光に変換され、導光ユニット２０に入射する。そのため、画像光Ｇは導光ユニット２０に対して所定の角度範囲（画角）で入射する。画像光ＧはＲＧＢ各色を含むカラー光であっても良いし、単色光であってもよい。
【００２８】
導光ユニット２０は、導光板２１と、光入射部２２と、光出射部２３とを含む。
本実施形態において、導光板２１は、透明な光学プラスチックであり、環状ポリオレフィンポリマー樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネートなどを用いることができる。
【００２９】
光入射部２２は画像光Ｇを導光板２１に回折させて導入する。導光板２１は、後述のように内部に導入した画像光Ｇを全反射で伝播させる。光出射部２３は、導光板２１内を全反射で伝播してきた画像光Ｇを取り出して観察者Ｍの眼ＭＥに出射する。
【００３０】
光入射部２２には入射側回折光学素子２２ａが設けられている。光出射部２３には出射側回折光学素子２３ａが設けられている。入射側回折光学素子２２ａ及び出射側回折光学素子２３ａは、要求される性能に応じて、表面レリーフ型回折格子或いは体積ホログラムから適宜選択可能である。表面レリーフ型回折格子には広い角度範囲に渡って高い回折効率を維持できるという利点がある。また、体積ホログラムには高い回折効率を得ることができるという利点がある。
【００３１】
光出射部２３から出射された画像光Ｇが観察者Ｍの眼ＭＥに入ることで、観察者Ｍは虚像を視認することができる。虚像の大きさは導光ユニット２０に入射する画像光Ｇの画角により決まる。
【００３２】
本実施形態の画像表示部１１０において、画像表示素子１９ａを構成する液晶パネルの両端に位置する画素からの光は入射角θ１、θ２として入射側回折光学素子２２ａに入射する。すなわち、図３に示すように、入射角θ１と入射角θ２で張られる角度が画面サイズを決定する画角となる。
【００３３】
図３においては、説明を単純にするために、画像光生成部１９の光出射部と導光ユニット２０の光入射部とが平行となるように配置されているものとする。なお、導光ユニット２０の光入射部に対して、画像光生成部１９の光出射部が傾斜するように配置されていてもよい。
【００３４】
ここで、入射角θ１は、入射側回折光学素子２２ａに入射する画像光Ｇにおいて、入射側回折光学素子２２ａの法線２２Ｈに対して出射側回折光学素子２３ａより離れる向きに入射する光線の入射角のうちで絶対値が最も大きいものである。入射角θ２は、入射側回折光学素子２２ａに入射する画像光Ｇにおいて、入射側回折光学素子２２ａの法線２２Ｈに対して出射側回折光学素子２３ａに近づく向きに入射する光線の入射角のうちで最も絶対値が大きいものである。
【００３５】
図３において、入射角θ１及び入射角θ２は入射側回折光学素子２２ａの法線２２Ｈに対して時計回りの方向を正とする。そのため、入射角θ１及び入射角θ２は絶対値が同じであって、法線２２Ｈに対して反時計回りの方向である入射角θ１は負の値となり、法線２２Ｈに対して時計回りの方向である入射角θ２は正の値となる。
以下では、便宜上、入射角θ１を最小入射角θｍｉｎと称し、入射角θ２を最大入射角θｍａｘと称すこともある。
【００３６】
図４は画像表示素子１９ａの画素から放射される光のスペクトルの例を示す図である。なお、説明を簡単にするため、画像光Ｇを緑色の単色光とする。図４において、横軸は画像光Ｇの波長であり、縦軸は画像光Ｇのスペクトルの強度であり、導光板２１内を伝播する画像光Ｇのスペクトルのピーク強度の半値となる波長のうち短い方の波長をλｍｉｎ、長い方の波長をλｍａｘとする。
【００３７】
強度がかなり低くなる波長を選択すると虚像の明るさムラの補償が困難になるため、本実施形態では上述のように強度がピークの半値となる波長として上記λｍｉｎ、λｍａｘを用いた。具体的な例として、最短波長λｍｉｎを５００ｎｍ、最長波長λｍａｘを５４０ｎｍとする。
【００３８】
ここで、画像（虚像）を観察者Ｍに良好に視認させるには、導光板２１内に導入した画像光Ｇを良好に伝播させることが必要となる。この場合、導光板２１内を伝播する画像光Ｇの伝播角、すなわち、入射側回折光学素子２２ａによって導光板２１内に回折された回折角の最小角を導光板２１の臨界角とし、全反射で伝播可能な伝播角範囲を最大限利用するようにすればよい。回折角の最小角は、入射側回折光学素子２２ａの格子周期と画像光Ｇの最短波長で決まる。
詳細については後述するが、本実施形態において、入射側回折光学素子２２ａの格子周期と出射側回折光学素子２３ａの格子周期とは異なった状態に設定されている。
【００３９】
続いて、導光ユニット２０における光の伝播について説明する。
以下では、参考例として、本実施形態の導光ユニット２０のような回折光学素子を入出力素子とする導光光学系を説明に用いる。この導光光学系は、本実施形態の導光ユニット２０と異なり、入射側回折光学素子の格子周期と出射側回折光学素子の格子周期とが同一に設定されている。
【００４０】
図５は参考例として、一般的な導光板光学系である導光ユニット２００の構成を示す図である。
図５に示すように、導光ユニット２００は、導光板２２１と、光入射部２２２と、光出射部２２３とを含む。導光板２２１は上記導光板２１と同一構成を有する。
【００４１】
光入射部２２２は上記光入射部２２と同一構成を有し、表面レリーフ型回折格子或いは体積ホログラムからなる入射側回折光学素子２２２ａが設けられている光出射部２２３は上記光出射部２３と同一構成を有し、表面レリーフ型回折格子或いは体積ホログラムからなる出射側回折光学素子２２３ａが設けられている。導光ユニット２００において、画像光生成部１９からの画像光Ｇが最小入射角θｍｉｎ〜最大入射角θｍａｘで光入射部２２２に入射するものとする。
【００４２】
図６は導光ユニット２００の入射側回折光学素子２２２ａにおける光の回折を説明するための図である。図６において、入射角、回折角は入射側回折光学素子２２２ａの法線２２２Ｈに対して時計回りの方向を正とする。
【００４３】
導光板２２１の屈折率をＮ、入射側回折光学素子２２２ａの格子周期をＰ、入射側回折光学素子２２２ａに入射する画像光Ｇの波長をλ、画像光Ｇの入射角をθｉとした時、回折角θｄは次式（１）で表される。
【００４４】
ｓｉｎθｄ＝（λ／Ｐ＋ｓｉｎθｉ）／Ｎ  …（１）
【００４５】
上記式（１）からは、入射角θｉと導光板２２１の屈折率Ｎとを固定した場合、波長λが短く、格子周期Ｐが大きくなれば、回折角θｄが小さくなることが分かる。
【００４６】
そのため、画像光Ｇのうち最短波長の光に対する回折角が一番小さくなる。また、図５に示したように、入射角がθｍｉｎからθｍａｘまでの角度範囲の画像光Ｇにおいて、回折角が一番小さくなるのは最小入射角θｍｉｎで入射する光となる。
【００４７】
したがって、最小入射角θｍｉｎで入射する最短波長λｍｉｎの光に対する回折角θｄ１が導光板２２１内で臨界角θｃと等しくなるように格子周期Ｐを決めれば、画像光Ｇを全反射により導光板２２１内にて伝播させることが可能となる。
【００４８】
上記式（１）において回折角θｄを臨界角θｃとして格子周期Ｐを波長と入射角で表すと下記式（２）が導かれる。
【００４９】
Ｐ＝λ／（１−ｓｉｎθｉ）  …（２）
【００５０】
ここで、最短波長λｍｉｎより長い波長の画像光Ｇ、例えば同じ最小入射角θｍｉｎで入射する最長波長λｍａｘの光は必ず臨界角より大きくなり、導光板２２１内を全反射で伝播する。さらに、最小入射角θｍｉｎより大きな入射角で入射する光に対する回折角は必ず臨界角より大きくなり、導光板２２１内を全反射で伝播できることになる。
【００５１】
最小入射角θｍｉｎを−１０度、最大入射角θｍａｘを＋１０度、導光板２２１の屈折率Ｎを１．５３とする。この場合において、最小入射角θｍｉｎ＝−１０度で入射する最短波長λｍｉｎ＝５００ｎｍの光が導光板２２１の臨界角θｃ＝４０．８１度となる格子周期Ｐを求めると、上記式（２）よりＰ＝４２６．０２ｎｍと求まる。
【００５２】
この格子周期Ｐを持つ入射側回折光学素子２２２ａにおいて、回折角が一番大きくなるのは最大入射角θｍａｘ＝＋１０度、最大波長λｍａｘ＝５４０ｎｍの場合であり、その回折角θｄ２（λｍａｘ）は上記式（１）より、７０．３８度となる。
【００５３】
上述のように出射側回折光学素子２２３ａの格子周期は、入射側回折光学素子２２２ａの格子周期Ｐ（４２６．０２ｎｍ）と同一に設定されている。なお、上記格子周期Ｐは導光板２２１の温度が常温（例えば、２０℃〜２５℃）の場合の格子周期に相当する。以下では、常温が２０℃の場合として説明する。本実施形態において、常温（２０℃）時とは、画像光生成部１９で画像光Ｇが生成されない状態、すなわち、画像光生成部１９の動作が停止している状態を意味する。
【００５４】
ところで、観察者Ｍが視認する虚像の明るさを確保するにはバックライト１９ｂから放射される光強度を十分大きくする必要がある。すなわち、ＬＥＤへの供給電流を大きくする、あるいはＬＥＤを複数用いることになる。その結果、バックライト１９ｂでの発熱量も大きくなり、画像光生成部１９の温度が上昇する。
【００５５】
図５に示したように、画像光生成部１９は導光ユニット２００の光入射部２２２の近傍に配置されるので、入射側回折光学素子２２２ａが形成されている領域の導光板２２１の温度も上昇する。その結果、導光板２２１の光入射部２２２がわずかではあるが膨張し、入射側回折光学素子２２２ａの格子周期が上記格子周期Ｐよりも大きくなる。
【００５６】
一方、観察者Ｍの眼ＭＥの前にある出射側回折光学素子２２３ａが形成されている領域の導光板２２１の温度は環境温度（常温：２０℃）のままであり、出射側回折光学素子２２３ａの格子周期は上記格子周期Ｐのまま変化しない。
【００５７】
上記式（１）で説明したように、同じ入射角、同じ波長の入射光に対して、格子周期が大きくなると回折角は小さくなる。この状況を導光板２２１に適用すると図７に示すようになる。図７は温度変化時における導光ユニット２００の光回折状態を示す図である。
【００５８】
参考例の導光ユニット２００では、導光板２２１の温度上昇による格子周期の変化を考慮せずに決定した格子周期Ｐを採用している。そのため、図７に示すように、導光板２２１が熱膨張によって格子周期Ｐ´（＞Ｐ）になると、回折角θｄ１´が臨界角θｃより小さくなってしまう。すると、入射側回折光学素子２２２ａが形成されている面と対向する面２２１ａで全反射されずに屈折によって外に取り出されてしまう。
よって、導光板２２１内において光を出射側回折光学素子２２３ａの方へ伝播することができなくなり、画像光Ｇの一部（導光板２２１から抜け出た入射角に対応する画角部分）に欠けが生じてしまう。
【００５９】
このように、常温（例えば、２０℃）に合わせて各回折光学素子（入射側回折光学素子２２２ａ及び出射側回折光学素子２２３ａ）の格子周期Ｐを設定すると、温度上昇によって画像の一部が欠けるといった問題が起こる。特に、線膨張率の大きなプラスチック材料からなる導光板２２１を用いた場合、画像の欠けがより大きくなってしまう。
【００６０】
例えば、温度上昇によって導光板２２１の温度が２０℃から４５℃に変化したとする。
この場合、導光板２２１の線膨張率αが７×１０−５／℃であるとすると、２０℃から４５℃への温度上昇ΔＴ＝２５℃によって格子周期Ｐ´は４２６．７７ｎｍとなる。なお、格子周期Ｐ´＝Ｐ（１＋αΔＴ）とする。
【００６１】
このように大きな格子周期Ｐ´になった入射側回折光学素子２２２ａに、最小入射角θｍｉｎが−１０度、最短波長λｍｉｎが５００ｎｍの画像光Ｇが入射すると、その回折角θｄ１´は４０．７１度となって臨界角θｃ＝４０．８１度より小さくなってしまう。
【００６２】
よって、図７に示したように導光板２２１の裏面（入射側回折光学素子２２２ａが形成されていない方の面）で屈折して導光板２２１の外に取り出され、導光板２２１内を全反射で伝播することができなくなる。すなわち、この入射角に対応する画像光Ｇは出射側回折光学素子２２３ａに到達できず、観察者Ｍが視認することができなくなる。
【００６３】
温度上昇によって大きくなった格子周期Ｐ´に対して、最短波長λｍｉｎに対する回折角が臨界角となる入射角を求めると、上記式（２）よりθｍｉｎ＝−９．８８度となる。つまり、本来は｜θｍｉｎ｜＝１０度の画角を持つ画像光Ｇのうち、１０度から９．８８度を引いた約０．１度の部分の画像光Ｇ１が観察者Ｍの眼ＭＥに欠けた状態で視認されたことと等価である。
【００６４】
上述のように画角は最小入射角θｍｉｎから最大入射角θｍａｘまでの２０度であるから、０．２度／２０度＝０．０１、すなわち虚像の水平方向における１％程度の範囲に欠けが生じることになる。導光板２２１の温度上昇幅に応じて虚像に生じる欠けの大きさは更に増加する。
【００６５】
続いて、画像光Ｇがカラー画像であった場合について説明する。
図８は常温（２０℃）時における導光ユニット２００の状態を示す図である。図９はＨＭＤ３００の動作（４５℃）時に導光ユニット２００から出射される画像光を示す図である。図８、９においては、画像光Ｇが赤色光Ｇｒ、緑色光Ｇｇ及び青色光Ｇｂを含むものとし、各光の主光線のみを図示する。また、画像光生成部１９の光出射部が導光ユニット２００の光入射部２２２に対して傾斜するように配置されているものとする。
【００６６】
図８に示す状態では、導光板２２１が常温Ｔｓであるため、入射側回折光学素子２２２ａ及び出射側回折光学素子２２３ａがいずれも上記格子周期Ｐとなっている。そのため、入射側回折光学素子２２２ａに入射角θｉで入射する画像光Ｇは色（赤色光Ｇｒ、緑色光Ｇｇ及び青色光Ｇｂ）に依らず出射側回折光学素子２２３ａから入射角θｉと同じ角度の出射角θｏで出射される。
【００６７】
つまり、色による出射角の差はなく、画像表示素子１９ａの各画素から出た各色光（赤色光Ｇｒ、緑色光Ｇｇ及び青色光Ｇｂ）は同じ角度で観察者Ｍの眼ＭＥに入り、一つの画素として認識される。
【００６８】
一方、図９に示すＨＭＤ３００の動作時の温度Ｔｏｐでは、入射側回折光学素子２２２ａの格子周期Ｐ´が出射側回折光学素子２２３ａの格子周期Ｐよりも大きくなる。そのため、入射角θｉで入射側回折光学素子２２２ａに入射した赤色光Ｇｒ、緑色光Ｇｇ及び青色光Ｇｂは、出射側回折光学素子２２３ａでの出射角がそれぞれ異なることになる。
【００６９】
すなわち、画像表示素子１９ａの各画素から出た各色光（赤色光Ｇｒ、緑色光Ｇｇ及び青色光Ｇｂ）はそれぞれ違った角度で観察者Ｍの眼ＭＥに入ることになり、色によって画素の位置が異なって見えるようになって画像のボケやゴーストが生じてしまう。
【００７０】
本実施形態の導光ユニット２０は、動作温度時に入射側回折光学素子２２ａと出射側回折光学素子２３ａの格子周期が同一になるように設計している。
【００７１】
図１０は常温（２０℃）時における本実施形態の導光ユニット２０の状態を示す図である。図１１は温度上昇（４５℃）時に本実施形態の導光ユニット２０から出射される画像光を示す図である。図１０、１１においても、画像光Ｇが赤色光Ｇｒ、緑色光Ｇｇ及び青色光Ｇｂを含むものとし、各色光の主光線のみを図示する。また、画像光生成部１９の光出射部が導光ユニット２０の光入射部に対して傾斜するように配置されているものとする。
【００７２】
図１０に示すように、導光板２１が常温状態において、本実施形態の導光ユニット２０では、出射側回折光学素子２３ａの格子周期を常温時の格子周期Ｐとし、入射側回折光学素子２２ａの格子周期を常温時の格子周期Ｐより小さい温度補償格子周期Ｐｃとするように設計している。本実施形態の導光ユニット２０は、画像光生成部１９が動作していない状態において、入射側回折光学素子２２ａの格子周期（温度補償格子周期Ｐｃ）と出射側回折光学素子２３ａの格子周期Ｐとが異なったものとなっている。
【００７３】
図１１に示すように、画像を表示する為に画像光生成部１９のバックライト１９ｂを点灯すると、光入射部２２の温度が上昇し、動作時温度Ｔｏｐが常温Ｔｓより高くなる（Ｔｏｐ＞Ｔｓ）。温度上昇に伴い入射側回折光学素子２２ａの格子周期が大きくなる。本実施形態では、温度補償格子周期Ｐｃが温度上昇によって大きくなった際、常温時の格子周期Ｐにほぼ等しくなることで、入射側回折光学素子２２ａと出射側回折光学素子２３ａとの間に生じる格子周期の差を補償するように該温度補償格子周期Ｐｃを設定している。
【００７４】
すなわち、導光板２１の線膨張率をαとすると、温度補償格子周期Ｐｃと常温時の格子周期Ｐとは下式（３）で表される。
【００７５】
Ｐ＝Ｐｃ×［１＋α（Ｔｏｐ−Ｔｓ）］  …式（３）
【００７６】
このように本実施形態の導光ユニット２０は、常温（２０℃）における入射側回折光学素子２２ａの格子周期（温度補償格子周期Ｐｃ）を出射側回折光学素子２３ａの格子周期Ｐよりも小さくしておくことで、画像光生成部１９の温度上昇による画像のボケやゴーストを抑制することができる。
【００７７】
本実施形態において、導光ユニット２０は、ＨＭＤ３００の使用時に想定される導光板２１の最高温度にて、最小入射角θｍｉｎ及び最短波長λｍｉｎの入射光の回折角が導光板２１の臨界角と等しいかそれ以上の角度となるように入射側回折光学素子２２ａの格子周期（温度補償格子周期Ｐｃ）を設定するのが望ましい。
【００７８】
ここで、導光板２１の最高温度は、使用される導光板２１や画像光生成部１９の種類によって適宜選択される。なお、画像光Ｇがカラー画像である場合、青から赤までの波長範囲を含む画像光Ｇに対しては最短波長λｍｉｎを青色光Ｇｂに基づいて設定すればよい。
【００７９】
ＨＭＤ３００の使用時の導光板２１の使用時最高温度における入射側回折光学素子２２ａの格子周期Ｐは、画像光Ｇのうち最小入射角θｍｉｎかつ最短波長λｍｉｎで入射側回折光学素子２２ａに入射する光に対する回折角がその波長での導光板２１の屈折率から計算される臨界角と一致或いは大きくなる。入射側回折光学素子２２ａの格子周期Ｐは、下式（４）で表すことができる。
【００８０】
Ｐ≦λｍｉｎ／（１−ｓｉｎθｍｉｎ）  ・・・（４）
【００８１】
上記式（４）を満たす入射側回折光学素子２２ａを備えた導光ユニット２０によれば、ＨＭＤ３００の使用時に導光板２１の光入射部２２が最高温度に到達した場合でも、画像のボケやゴーストを抑制することができる。
【００８２】
あるいは、導光ユニット２０は、ＨＭＤ３００の使用時に想定される導光板２１の最高温度よりも低い温度（例えば、常温以上最高温度未満の温度）において、最小入射角θｍｉｎ及び最短波長λｍｉｎの入射光の回折角が導光板２１の臨界角以上の角度となるように入射側回折光学素子２２ａの格子周期（温度補償格子周期Ｐｃ）を設定してもよい。
【００８３】
導光板２１の最高温度よりも低い温度における入射側回折光学素子２２ａの格子周期Ｐは、画像光Ｇのうち最小入射角θｍｉｎかつ最短波長λｍｉｎで入射側回折光学素子２２ａに入射する光に対する回折角がその波長での導光板２１の屈折率から計算される臨界角より大きくなる。入射側回折光学素子２２ａの格子周期Ｐは、下式（５）で表すことができる。
【００８４】
Ｐ＜λｍｉｎ／（１−ｓｉｎθｍｉｎ）  ・・・（５）
【００８５】
上記式（５）を満たす入射側回折光学素子２２ａを備えた導光ユニット２０によれば、ＨＭＤ３００の使用によって導光板２１の光入射部２２の温度が最高温度よりも低い温度まで上昇した場合でも、画像のボケやゴーストを抑制することができる。
【００８６】
少なくとも導光ユニット２０は、導光板２１の常温（例えば、２０℃）時において、最小入射角θｍｉｎ及び最短波長λｍｉｎの入射光の回折角が導光板２１の臨界角以上の角度となるように入射側回折光学素子２２ａの格子周期（温度補償格子周期Ｐｃ）を設定してもよい。
【００８７】
導光板２１の常温における入射側回折光学素子２２ａの格子周期Ｐは、画像光Ｇのうち最小入射角θｍｉｎかつ最短波長λｍｉｎで入射側回折光学素子２２ａに入射する光に対する回折角がその波長での導光板２１の屈折率から計算される臨界角より大きくなる。入射側回折光学素子２２ａの格子周期Ｐは、下式（６）で表すことができる。
【００８８】
Ｐ＜λｍｉｎ／（１−ｓｉｎθｍｉｎ）  ・・・（６）
【００８９】
上記式（６）を満たす入射側回折光学素子２２ａを備えた導光ユニット２０によれば、ＨＭＤ３００の使用によって導光板２１の光入射部２２の温度が常温より僅かに上昇した場合でも、画像のボケやゴーストを抑制することができる。
【００９０】
入射側回折光学素子２２ａによる回折光の回折角度が導光板２１の臨界角より大きくなると、所定の画角の画像光Ｇが導光板２１内を全反射で伝播して出射側回折光学素子２３ａまで到達するようになる。
【００９１】
なお、ＨＭＤ３００の使用態様によっては、光出射部２３の温度は必ずしも常温であるとは限らず、製品の使用温度範囲内の温度であれば良い。
この場合においても画像光生成部１９の温度上昇によって光入射部２２の温度の方が光出射部２３の温度より高くなるので、常温において光入射部２２に設けられた入射側回折光学素子２２ａの格子周期を光出射部２３に設けられた出射側回折光学素子２３ａの格子周期より小さくしておくことで、画像のボケやゴーストの発生を僅かながら抑制することができる。
【００９２】
以上述べたように、導光ユニット２０は、入射側回折光学素子２２ａにおいて上記式（４）〜（６）のいずれかが成立していれば、画像光生成部１９の温度上昇によって格子周期が大きくなった場合でも、入射側回折光学素子２２ａ及び出射側回折光学素子２３ａの両方が常温の格子周期に設定された場合よりも画像のボケやゴーストを抑制できる。
【００９３】
また、画像光生成部１９の温度上昇による格子周期のずれが抑制されるので、図７で説明したような画像光Ｇが観察者Ｍの眼ＭＥに欠けた状態で視認されるといった不具合の発生を抑制することができる。
【００９４】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００９５】
例えば、上記実施形態では、入射側回折光学素子２２ａの格子周期と出射側回折光学素子２３ａの格子周期とを異ならせる態様として、導光板２１が常温の状態において、入射側回折光学素子２２ａの格子周期が出射側回折光学素子２３ａの格子周期よりも小さい場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。
【００９６】
本発明においては、導光板２１が常温の状態において、入射側回折光学素子２２ａの格子周期が出射側回折光学素子２３ａの格子周期よりも大きくてもよい。この構成によれば、例えば、ＨＭＤの使用時に光出射部２３側が光入射部２２側に比べて相対的に温度が上昇することで出射側回折光学素子２３ａの格子周期が大きくなるような環境下においても、画像のボケやゴーストの発生を僅かながら抑制することができる。
【００９７】
また、上記実施形態では、導光板２１において、ＨＭＤ３００の使用時に光入射部２２のみが温度上昇により膨張し、光出射部２３は常温のまま温度変化しない場合を考慮して入射側回折光学素子２２ａの格子周期を設定する場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、使用環境によっては光出射部２３が常温より冷却されることで収縮することも想定される。そのため、導光板２１に収縮（格子周期が小さくなること）が生じた場合の、画像のボケやゴーストの発生の抑制するように、入射側回折光学素子２２ａ及び出射側回折光学素子２３ａの格子周期を異ならせるように設計しても良い。
【００９８】
上記実施形態では、画像光Ｇとしてカラー光を用いる場合において、導光ユニット２０が１枚の導光板２１から構成される場合を例に挙げたが、青領域のスペクトルを持つ画像光（青色光Ｇｂ）を伝播させる導光板と、緑領域のスペクトルを持つ画像光（緑色光Ｇｇ）を伝播させる導光板と、赤領域のスペクトルを持つ画像光（赤色光Ｇｒ）を伝播させる導光板をそれぞれ独立して作製し、それらを重ねることでカラー表示可能な回折導光板型の導光ユニットを構成しても良い。
【００９９】
また、上記実施形態では、導光板２１の材料としては、線膨張率が大きいプラスチックを用いているが、線膨張率が小さいガラスにおいても本発明は適用することができる。
【０１００】
また、上記実施形態では、画像光Ｇとして赤色光Ｇｒ、緑色光Ｇｇ及び青色光Ｇｂを含む例を示したが、本発明はこれに限定されず、スペクトルに広い波長範囲の波長を含む単色の画像光であっても良い。
【符号の説明】
【０１０１】
１９…画像光生成部、２１…導光板、２２…光入射部、２２ａ…入射側回折光学素子、２３…光出射部、２３ａ…出射側回折光学素子、３００…ＨＭＤ（画像表示装置）、Ｇ…画像光、Ｐ…格子周期。
【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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