(57)【要約】【課題】  ゴーストの発生を低減し、広画角化を実現する。【解決手段】  互いに進行方位の異なる平行光束群が入射し内部を全反射により伝播した後射出するよう構成された複数の導光板２２，２３が、導光板２２，２３よりも屈折率の低い媒質２４を介して積層されてなる光学装置であって、複数の導光板２２，２３は、それぞれ、平行光束群の入射領域にて平行光束群を平行光束群のまま前記導光板内で内部全反射条件を満たすよう回折反射する第１の反射型体積ホログラムグレーティング２５，２６と、平行光束群の射出領域にて平行光束群を平行光束群のまま導光板より射出するよう回折反射する第２の反射型体積ホログラムグレーティング２７，２８とを有し、複数の導光板２２，２３内の入射領域から射出領域にかけて全反射を繰り返しながら伝播する互いに進行方位の異なる平行光束群は、少なくともその一部が前記進行方位の違いによって全反射回数が互いに異なる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに進行方位の異なる平行光束群が入射し内部を全反射により伝播した後射出するよう構成された複数の導光板が、前記導光板よりも屈折率の低い媒質を介して積層されてなる光学装置であって、
前記複数の導光板は、それぞれ、前記平行光束群の入射領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板内で内部全反射条件を満たすよう回折反射する第１の反射型体積ホログラムグレーティングと、
前記平行光束群の射出領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板より射出するよう回折反射する第２の反射型体積ホログラムグレーティングとを有し、
前記複数の導光板の第１の反射型体積ホログラムグレーティング及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングのうち少なくとも第１の反射型体積ホログラムグレーティングは、全て同一光路上に存在するとともに、
前記複数の導光板の第１の反射型体積ホログラムグレーティングは、前記平行光群の一部を順次回折し、
前記複数の導光板内の入射領域から射出領域にかけて全反射を繰り返しながら伝播する互いに進行方位の異なる平行光束群は、少なくともその一部が前記進行方位の違いによって全反射回数が互いに異なることを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも一対は、略同一波長帯域を回折する干渉縞のホログラム表面の干渉縞ピッチが互いに等しいことを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項３】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングは、前記複数の導光板の全反射面と平行に配置されていることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項４】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも一対は、互いに等しい干渉縞を有し、かつ本干渉縞は、前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの中間に対称面を有することを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項５】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも１つは、前記複数の導光板内を伝播する前記平行光束群の一部を２回以上回折反射し、前記回折のたびに光量の一部を前記導光板から射出することを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項６】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも一対は、互いに入射角度が等しく波長帯域の異なる光束を略同一の回折角にてそれぞれ主に回折する複数のホログラム層を積層化してなることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項７】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも一対は、互いに入射角度が等しく波長帯域の異なる光束を略同一の回折角にてそれぞれ主に回折する複数の干渉縞を多重化してなることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項８】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも一対は、互いに波長が等しく入射角度の異なる光束をそれぞれ主に回折し、かつ同一波長同一入射角の光束を等しい回折角にてそれぞれ回折する複数のホログラム層を積層化してなることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項９】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも一対は、互いに波長が等しく入射角度の異なる光束をそれぞれ主に回折し、かつ同一波長同一入射角の光束を等しい回折角にてそれぞれ回折する複数の干渉縞を多重化してなることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項１０】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングのうち少なくとも１つは、対応する前記第１の反射型体積ホログラムグレーティングに近い側において媒質内の干渉縞とホログラム表面のなす角が小さな干渉縞が記録されており、第１の反射型体積ホログラムグレーティングに遠い側において媒質内の干渉縞とホログラム表面のなす角が大きな干渉縞が記録されていることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項１１】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも１つは、その中央領域に対応する前記第１の反射型体積ホログラムグレーティングに近い側のスラント角と対応する前記第１の反射型体積ホログラムグレーティングに遠い側のスラント角の間のスラント角を有する干渉縞が少なくとも１つ以上記録されていることを特徴とする請求項１０記載の光学装置。
【請求項１２】
前記複数の導光板のうち少なくとも１つは、複数の透明基板と前記透明基板に挟まれた少なくとも１層のホログラム層にて構成されることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項１３】
前記複数の導光板のうち少なくとも１つは、複数の透明基板と前記透明基板に挟まれた少なくとも１層のホログラム層と空気層にて構成されることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項１４】
前記媒質は、空気層であることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項１５】
前記複数の導光板の第１の反射型体積ホログラムグレーティングは、互いに異なる波長帯域の平行光束群を回折することを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項１６】
前記複数の導光板の第１の反射型体積ホログラムグレーティングは、互いに異なる画角の平行光束群を回折することを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項１７】
光源と、
前記光源から射出された光束を平行光とするコリメート光学系と、
前記平行光を走査する走査光学系と、
前記走査光学系にて互いに進行方位の異なる平行光束となされた平行光束群が入射し内部を全反射により伝播した後、観察者の瞳に向けて射出するよう構成された複数の導光板が、前記導光板よりも屈折率の低い媒質を介して積層されてなる光学装置とからなる画像表示装置であって、
前記複数の導光板は、それぞれ、前記平行光束群の入射領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板内で内部全反射条件を満たす角度で回折反射する第１の反射型体積ホログラムグレーティングと、
前記導光板内を内部全反射にて伝播する平行光束群の射出領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板より射出する角度で回折反射する第２の反射型体積ホログラムグレーティングとをそれぞれ前記導光板の全反射面と平行にその内部に有し、
前記複数の導光板の第１の反射型体積ホログラムグレーティング及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングのうち少なくとも第１の反射型体積ホログラムグレーティングは、全て同一光路上に存在するとともに、
前記複数の導光板の第１の反射型体積ホログラムグレーティングは、前記平行光群の一部を順次回折し、
前記複数の導光板内で全反射を繰り返しながら伝播する互いに進行方位の異なる平行光束群は、少なくともその一部が前記進行方位の違いによって全反射回数が互いに異なることを特徴とする虚像表示装置。
【請求項１８】
前記光源は、赤色、緑色及び青色の３つの光源を有し、更に前記３つの光源から射出する光束を合成する色合成手段を備えることを特徴とする請求項１７記載の虚像表示装置。
【請求項１９】
前記走査光学系は、少なくとも２次元に可動するミラーを有することを特徴とする請求項１７記載の虚像表示装置。
【請求項２０】
前記走査光学系は、少なくとも１次元に可動するミラーを２枚有することを特徴とする請求項１７記載の虚像表示装置。
【請求項２１】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも一対は、略同一波長帯域を回折する干渉縞のホログラム表面の干渉縞ピッチが互いに等しいことを特徴とする請求項１７記載の虚像表示装置。
【請求項２２】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも一対は、等しい干渉縞を有し、かつ本干渉縞は、前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの中間に対称面を有することを特徴とする請求項１７記載の虚像表示装置。
【請求項２３】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも１つは、前記導光板内を伝播する前記平行光束群の一部を２回以上回折反射し、前記回折のたびに光量の一部を前記導光板から射出することを特徴とする請求項１７記載の虚像表示装置。
【請求項２４】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも一対は、互いに入射角度が等しく波長帯域の異なる光束を略同一の回折角にてそれぞれ主に回折する複数のホログラム層を積層化してなることを特徴とする請求項１７記載の虚像表示装置。
【請求項２５】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも一対は、互いに入射角度が等しく波長帯域の異なる光束を略同一の回折角にてそれぞれ主に回折する複数の干渉縞を多重化してなることを特徴とする請求項１７記載の虚像表示装置。
【請求項２６】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも一対は、互いに波長が等しく異なる入射角度の光束をそれぞれ主に回折し、かつ同一波長同一入射角の光束を等しい回折角にてそれぞれ回折する複数のホログラム層を積層化してなることを特徴とする請求項１７記載の虚像表示装置。
【請求項２７】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも一対は、互いに波長が等しく異なる入射角度の光束をそれぞれ主に回折し、かつ同一波長同一入射角の光束を等しい回折角にてそれぞれ回折する複数の干渉縞を多重化してなることを特徴とする請求項１７記載の虚像表示装置。
【請求項２８】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも１つは、前記第１の反射型体積ホログラムグレーティングに近い側で入射角が大きな光束に対してより大きな回折効率を有するようにスラント角が小さな干渉縞が記録されており、第１の反射型体積ホログラムグレーティングに遠い側で入射角が小さな光束に対してより大きな回折効率を有するようにスラント角が大きな干渉縞が記録されていることを特徴とする請求項１７記載の虚像表示装置。
【請求項２９】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも１つは、その中央領域に対応する前記第１の反射型体積ホログラムグレーティングに近い側のスラント角と対応する前記第１の反射型体積ホログラムグレーティングに遠い側のスラント角の間のスラント角の干渉縞が記録されていることを特徴とする請求項２８記載の虚像表示装置。
【請求項３０】
前記複数の導光板のうち少なくとも一つは、複数の透明基板と前記透明基板に挟まれた少なくとも１層のホログラム層にて構成されることを特徴とする請求項１７記載の虚像表示装置。
【請求項３１】
前記複数の導光板のうち少なくとも一つは、複数の透明基板と前記透明基板に挟まれた少なくとも１層のホログラム層と空気層にて構成されることを特徴とする請求項１７記載の虚像表示装置。
【請求項３２】
前記媒質は、空気層であることを特徴とする請求項１７記載の虚像表示装置。
【請求項３３】
前記複数の導光板の第１の反射型体積ホログラムグレーティングは、互いに異なる波長帯域の平行光束群を回折することを特徴とする請求項１７記載の虚像表示装置。
【請求項３４】
前記複数の導光板の第１の反射型体積ホログラムグレーティングは、互いに異なる画角の平行光束群を回折することを特徴とする請求項１７記載の虚像表示装置。
【請求項３５】
画像表示素子と、
前記画像表示素子の各画素から射出された光束を互いに進行方位の異なる平行光束群にするコリメート光学系と、
前記平行光束群が入射し内部を全反射により伝播した後、観察者の瞳に向けて射出するよう構成された複数の導光板が、前記導光板よりも屈折率の低い媒質を介して積層されてなる光学装置とからなる画像表示装置であって、
前記複数の導光板は、それぞれ、前記平行光束群の入射領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板内で内部全反射条件を満たすよう回折反射する第１の反射型体積ホログラムグレーティングと、
前記平行光束群の射出領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板より射出するよう回折反射する第２の反射型体積ホログラムグレーティングとをそれぞれ前記導光板の全反射面と平行にその内部に有し、
前記複数の導光板の第１の反射型体積ホログラムグレーティング及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングのうち少なくとも第１の反射型体積ホログラムグレーティングは、全て同一光路上に存在するとともに、
前記複数の導光板の第１の反射型体積ホログラムグレーティングは、前記平行光群の一部を順次回折し、
前記複数の導光板内の入射領域から射出領域にかけて全反射を繰り返しながら伝播する互いに進行方位の異なる平行光束群は、少なくともその一部が前記進行方位の違いによって全反射回数が互いに異なることを特徴とする虚像表示装置。
【請求項３６】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも一対は、略同一波長帯域を回折する干渉縞のホログラム表面の干渉縞ピッチが互いに等しいことを特徴とする請求項３５記載の虚像表示装置。
【請求項３７】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも一対は、等しい干渉縞を有し、かつ本干渉縞は、前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの中間に対称面を有することを特徴とする請求項３５記載の虚像表示装置。
【請求項３８】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも１つは、前記導光板内を伝播する前記平行光束群の一部を２回以上回折反射し、前記回折のたびに光量の一部を前記導光板から射出することを特徴とする請求項３５記載の虚像表示装置。
【請求項３９】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも一対は、互いに入射角度が等しく波長帯域の異なる光束を略同一の回折角にてそれぞれ主に回折する複数のホログラム層を積層化してなることを特徴とする請求項３５記載の虚像表示装置。
【請求項４０】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも一対は、互いに入射角度が等しく波長帯域の異なる光束を略同一の回折角にてそれぞれ主に回折する複数の干渉縞を多重化してなることを特徴とする請求項３５記載の虚像表示装置。
【請求項４１】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも一対は、互いに波長が等しく異なる入射角度の光束をそれぞれ主に回折し、かつ同一波長同一入射角の光束を等しい回折角にてそれぞれ回折する複数のホログラム層を積層化してなることを特徴とする請求項３５記載の虚像表示装置。
【請求項４２】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも一対は、互いに波長が等しく異なる入射角度の光束をそれぞれ主に回折し、かつ同一波長同一入射角の光束を等しい回折角にてそれぞれ回折する複数の干渉縞を多重化してなることを特徴とする請求項３５記載の虚像表示装置。
【請求項４３】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも１つは、前記第１の反射型体積ホログラムグレーティングに近い側で入射角が大きな光束に対してより大きな回折効率を有するようにスラント角が小さな干渉縞が記録されており、第１の反射型体積ホログラムグレーティングに遠い側で入射角が小さな光束に対してより大きな回折効率を有するようにスラント角が大きな干渉縞が記録されていることを特徴とする請求項３５記載の虚像表示装置。
【請求項４４】
前記複数の導光板がそれぞれ有する前記第２の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも１つは、その中央領域に対応する前記第１の反射型体積ホログラムグレーティングに近い側のスラント角と対応する前記第１の反射型体積ホログラムグレーティングに遠い側のスラント角の間のスラント角の干渉縞が記録されていることを特徴とする請求項４３記載の虚像表示装置。
【請求項４５】
前記複数の導光板のうち少なくとも一つは、複数の透明基板と前記透明基板に挟まれた少なくとも１層のホログラム層にて構成されることを特徴とする請求項３５記載の虚像表示装置。
【請求項４６】
前記複数の導光板のうち少なくとも一つは、複数の透明基板と前記透明基板に挟まれた少なくとも１層のホログラム層と空気層にて構成されることを特徴とする請求項３５記載の虚像表示装置。
【請求項４７】
前記媒質は、空気層であることを特徴とする請求項３５記載の虚像表示装置。
【請求項４８】
前記複数の導光板の第１の反射型体積ホログラムグレーティングは、互いに異なる波長帯域の平行光束群を回折することを特徴とする請求項３５記載の虚像表示装置。
【請求項４９】
前記複数の導光板の第１の反射型体積ホログラムグレーティングは、互いに異なる画角の平行光束群を回折することを特徴とする請求項３５記載の虚像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示画像光を観察者の瞳へと導光する薄型の光学装置、及び、この光学装置を備え、２次元画像を虚像光学系により拡大虚像として観察者に観察させるべく表示する虚像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、平行平板に２つの回折光学素子を設けた虚像観察光学系が提案されている。例えば、米国特許第４７１１５１２号明細書では、高いシースルー特性を有しながら、非常に薄くコンパクトな虚像観察光学系を実現できる可能性が示唆されている。しかしながら、かかる虚像光学系において、カラー化の際発生するゴーストの問題や広画角化へのアプローチに関しては言及されていない。特に、回折光学素子に反射型素子を用いた本光学系に、カラー表示光を入射させ、一定以上、例えば、水平画角１６度以上の画角を表示させるとゴースト問題が発生する。（特許文献１参照）。
【０００３】
また、米国特許出願公開第２００４／０１７４３４８Ａ１号明細書において、平行平板を空気層を介して積層する方法が提案されているが、透過型ホログラムを採用しているため、１つのカラー画像表示素子から射出した光束の光路上に全ての入射側ホログラムを配置することができず、結果的に、画像表示素子の数が増えたり、光学系全体が大型化したりしてしまっている。（特許文献２参照）。
【０００４】
さらに、従来から、２次元画像を虚像光学系により拡大虚像として観察者に観察させるべく表示する虚像表示装置として、ホログラム光学素子の中でも、特に、反射型体積ホログラムグレーティングを用いた図２３に示すような虚像表示装置２００がある。
【０００５】
虚像光学装置２００は、図２３に示すように、画像を表示する画像表示素子２１１と、画像表示素子２１１で表示された表示光を入射して、観察者の瞳２１６へと導く虚像光学系とを備えている。
【０００６】
虚像光学系は、コリメート光学系２２１と、導光板２２２と、導光板２２２に設けられた第１の反射型体積ホログラムグレーティング２２３と、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２２４とを備える。
【０００７】
コリメート光学系２２１は、画像表示素子２１１の各画素から射出された光束を入射して、互いに画角の異なる平行光束群とする光学系である。コリメート光学系２２１から射出された、互いに画角の異なる平行光束群は、それぞれ導光板２２２に入射される。
【０００８】
導光板２２２は、コリメート光学系２２１から射出された互いに画角の異なる平行光束群を入射する光入射口２２２ａを一方端部に有し、他方端部に光を射出する光射出口２２２ｂを有する光学面２２２ｃと、この光学面２２２ｃに対向する光学面２２２ｄとを主面とする薄型の平行平板な導光板である。
【０００９】
導光板２２２の光学面２２２ｄには、光学面２２２ｃの光入射口２２２ａと対向する位置に第１の反射型体積ホログラムグレーティング２２３が設けられ、光学面２２２ｃの光射出口２２２ｂと対向する位置に第２の反射型体積ホログラムグレーティング２２４が設けられている。
【００１０】
導光板２２２の光入射口２２２ａから入射した互いに画角の異なる平行光束群は、上述した第１の反射型体積ホログラムグレーティング２２３に入射され、それぞれの平行光束群が平行光束群のまま回折反射される。回折反射された平行光束群は、導光板２２２の光学面２２２ｃ，２２２ｄとの間で全反射を繰り返しながら進行し、上述した第２の反射型体積ホログラムグレーティング２２４に入射することになる。
【００１１】
第２の反射型体積ホログラムグレーティング２２４に入射した各画角の平行光束群は、回折反射されることで全反射条件からはずれ、導光板２２２の光射出口２２２ａから射出され、観察者の瞳２１６に入射する。
【００１２】
このように、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２２４は、記録された干渉縞が、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２２３の干渉縞と光学面に直交する面に対して対称な形状となるように、導光板２２２の光学面２２２ｄ上に設置されている。したがって、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２２４で反射される平行光束群は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２２３への入射角と等しい角度で反射されることになるため、表示画像がぼけることなく高い解像度で瞳２１６へ表示されることになる。
【００１３】
しかしながら、虚像表示装置２００は、図２３に示すように、画像表示素子２１１からコリメートされた全ての平行光束が第２の反射型体積ホログラムグレーティング２２４により回折反射されて内部全反射平行光束として導光板内を伝播するための条件は、導光板媒質の屈折率をｎとした場合、回折反射後の各平行光束の光学面２２２ｃ，２２２ｄへの入射角度の範囲がＡＳＩＮ（１／ｎ）度以上９０度未満となることである。この光学面２２２ｃ，２２２ｄへの入射角度（以下、内部全反射角度）の範囲は、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２２４により回折反射された平行光束が観察者の瞳２１６に入射する角度範囲を決めるものであり、すなわち観察者が観察する虚像の画角を決めるものである。よって、この虚像光学装置２００では、虚像の画角が導光板媒質の屈折率ｎによって制約されるという問題がある。
【００１４】
さらに図２３において、導光板２２２内の媒質屈折率ｎを例えば１．５としたとき、平行光束の内部全反射角度の範囲は４１．２度以上９０度未満となる。これは、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２２４により回折反射されて観察者に観察される虚像の画角が最大で±１４度程度になるということを示している。ここで現実的な内部全反射の条件を鑑みて、例えば虚像が±１０度程度になるように赤、緑、青の各色の干渉縞を記録した反射型体積ホログラムグレーティングを積層もしくは多重したものを第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２２３，２２４としてそれぞれ使用したとする。この場合、平行光束の内部全反射角度範囲は約４５度以上７０度以下となる。
【００１５】
このとき、図２４乃至図２６に各色の干渉縞を記録した第２の反射型体積ホログラムグレーティングの媒質内入射角度と波長による回折効率の関係を示す。これを見ると第１の反射型体積ホログラムグレーティング２２３により導光板２２２内に回折反射されたそれぞれ赤色、緑色、青色の略同一波長帯域の平行光束の一部が、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２２４の内部の、本来対応する干渉縞とは異なる干渉縞、すなわち、本来の干渉縞とは異なるピッチを有する干渉縞にて回折効率を有していることがわかる。尚、ここで、この赤色、緑色、青色の略同一波長帯域の平行光束は、ＬＥＤ光源を想定している。
【００１６】
すなわち、図２４では、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２２４の青色に対応した第１の干渉縞２２４Ｂによる媒質内入射角度と波長とによる回折効率の分布を示す図である。すなわち、図２４中において、領域ＡＢＨは、高い回折効率を有する範囲を示し、領域ＡＢＬは、ほとんど回折効率を有さない範囲を示し、領域ＡＢＭは、中間の回折効率であり影響を及ぼさない程度の回折効率を有する範囲を示すものである。また、領域ＢＢは、青色の波長帯域を示し、領域ＢＧは、緑色の波長帯域を示し、領域ＢＲは、赤色の波長帯域を示すものである。
【００１７】
図２４において、領域ＢＢのほとんどの部分が領域ＡＢＨに含まれており、この第１の干渉縞２２４Ｂが青色の波長帯域を有する光束に対し、高い回折効率を有していることを示している。一方で、図２４において、領域ＢＧと領域ＡＢＨとの重なる領域ＢＧＨが存在してしまい、この領域ＢＧＨでは、この第１の干渉縞２２４Ｂが緑色の波長帯域を有する光束を回折してしまうことになる。すなわち、第１の干渉縞２２４Ｂは、緑色の波長帯域を有する光束が約−４５〜約−６０度の範囲で入射されたときに、回折反射してしまうことになる。
【００１８】
また、図２５では、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２２４の緑色に対応した第２の干渉縞２２４Ｇによる媒質内入射角度と波長とによる回折効率の分布を示す図である。すなわち、図２５中において、領域ＡＧＨは、高い回折効率を有する範囲を示し、領域ＡＧＬは、ほとんど回折効率を有さない範囲を示し、領域ＡＧＭは、中間の回折効率であり影響を及ぼさない程度の回折効率を有する範囲を示すものである。また、領域ＢＢは、青色の波長帯域を示し、領域ＢＧは、緑色の波長帯域を示し、領域ＢＲは、赤色の波長帯域を示すものである。
【００１９】
図２５において、領域ＢＧのほとんどの部分が領域ＡＧＨに含まれており、この第２の干渉縞２２４Ｇが緑色の波長帯域を有する光束に対し、高い回折効率を有していることを示している。一方で、図２５において、領域ＢＢと領域ＡＧＨとの重なる領域ＢＢＨが存在してしまい、この領域ＢＢＨでは、この第２の干渉縞２２４Ｇが青色の波長帯域を有する光束を回折してしまうことになる。すなわち、第２の干渉縞２２４Ｇは、青色の波長帯域を有する光束が約−５８〜約−７０度の範囲で入射されたときに、回折反射してしまうことになる。
【００２０】
また、図２６では、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２２４の赤色に対応した第３の干渉縞２２４Ｒによる媒質内入射角度と波長とによる回折効率の分布を示す図である。すなわち、図２６中において、領域ＡＲＨは、高い回折効率を有する範囲を示し、領域ＡＲＬは、ほとんど回折効率を有さない範囲を示し、領域ＡＲＭは、中間の回折効率であり影響を及ぼさない程度の回折効率を有する範囲を示すものである。また、領域ＢＢは、青色の波長帯域を示し、領域ＢＧは、緑色の波長帯域を示し、領域ＢＲは、赤色の波長帯域を示すものである。
【００２１】
図２６において、領域ＢＲのほとんどの部分が領域ＡＲＨに含まれており、この第３の干渉縞２２４Ｒが赤色の波長帯域を有する光束に対し、高い回折効率を有していることを示している。一方で、図２６において、領域ＢＧと領域ＡＲＨとの重なる領域ＢＧＨが存在してしまい、この領域ＢＧＨでは、この第３の干渉縞２２４Ｒが緑色の波長帯域を有する光束を回折してしまうことになる。すなわち、第３の干渉縞２２４Ｒは、緑色の波長帯域を有する光束が約−６３〜約−７０度の範囲で入射されたときに、回折反射してしまうことになる。さらに、図２６において、領域ＢＢと領域ＡＲＨとの重なる領域ＢＢＨが存在してしまい、この領域ＢＢＨでは、この第３の干渉縞２２４Ｒが青色の波長帯域を有する光束を回折してしまうことになる。すなわち、第３の干渉縞２２４Ｒは、青色の波長帯域を有する光束が約−６８〜約−７０度の範囲で入射されたときに、回折反射してしまうことになる。
【００２２】
これは、例えば、導光板２２２内を内部全反射する平行光束の一部が、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２２３と異なるグレーティングピッチをもつ第２の反射型体積ホログラムグレーティング２２４により回折反射されることを示している。
【００２３】
これは、図２７に主要光線のみで示すように、本来Ｌ１のように青色用の第２の反射型体積ホログラムグレーティングの干渉縞２２４Ｂによって回折反射される平行光束の一部が、Ｌ２のように緑色用の第２の反射型体積ホログラムグレーティングの干渉縞２２４Ｇによって回折反射され、光束の一部が所望の入射角度から外れた角度で観察者の瞳に入射し、ゴーストが発生することを示している。
【００２４】
また、光源を単色に制限した場合であっても、前述のように導光板を１枚しか用いない場合には、表示できる最大画角は±１４程度に制約され、これ以上の広画角化は不可能である。
【００２５】
このように、虚像表示装置２００では、赤色、緑色、青色の各色の干渉縞が記録された第２の反射型体積ホログラムグレーティング２２４が、それぞれ対応する平行光束とは異なる他色の平行光束を回折反射してゴーストを発生させてしまうという問題がある。この問題を回避するためには、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２２４に記録されたが各色の干渉縞が他色の平行光束を回折反射しない程度まで導光板２２２内の内部全反射角度の範囲を狭めなくてはならず、結果的に観察者が観察する虚像の画角を狭めなければならないことを意味している。よって本手法で広画角を実現するのは困難であった。
【００２６】
【特許文献１】米国特許第４７１１５１２号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００４／０１７４３４８Ａ１号明細書
【特許文献３】特表平８−５０７８７９号公報
【特許文献４】特開２００２−１６２５９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
本発明の目的は、ゴーストの発生を低減し、広画角化を実現する光学装置及び虚像表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
上述の目的を達成するために、本発明に係る光学装置は、互いに進行方位の異なる平行光束群が入射し内部を全反射により伝播した後射出するよう構成された複数の導光板が、前記導光板よりも屈折率の低い媒質を介して積層されてなる光学装置であって、前記複数の導光板は、それぞれ、前記平行光束群の入射領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板内で内部全反射条件を満たすよう回折反射する第１の反射型体積ホログラムグレーティングと、前記平行光束群の射出領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板より射出するよう回折反射する第２の反射型体積ホログラムグレーティングとを有し、前記複数の導光板の第１の反射型体積ホログラムグレーティング及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングのうち少なくとも第１の反射型体積ホログラムグレーティングは、全て同一光路上に存在するとともに、前記複数の導光板の第１の反射型体積ホログラムグレーティングは、前記平行光群の一部を順次回折し、前記複数の導光板内の入射領域から射出領域にかけて全反射を繰り返しながら伝播する互いに進行方位の異なる平行光束群は、少なくともその一部が前記進行方位の違いによって全反射回数が互いに異なる。
【００２９】
また、上述の目的を達成するために、本発明に係る虚像表示装置は、光源と、前記光源から射出された光束を平行光とするコリメート光学系と、前記平行光を走査する走査光学系と、前記走査光学系にて互いに進行方位の異なる平行光束となされた平行光束群が入射し内部を全反射により伝播した後、観察者の瞳に向けて射出するよう構成された複数の導光板が、前記導光板よりも屈折率の低い媒質を介して積層されてなる光学装置とからなる画像表示装置であって、前記複数の導光板は、それぞれ、前記平行光束群の入射領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板内で内部全反射条件を満たす角度で回折反射する第１の反射型体積ホログラムグレーティングと、前記導光板内を内部全反射にて伝播する平行光束群の射出領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板より射出する角度で回折反射する第２の反射型体積ホログラムグレーティングとをそれぞれ前記導光板の全反射面と平行にその内部に有し、前記複数の導光板の第１の反射型体積ホログラムグレーティング及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングのうち少なくとも第１の反射型体積ホログラムグレーティングは、全て同一光路上に存在するとともに、前記複数の導光板の第１の反射型体積ホログラムグレーティングは、前記平行光群の一部を順次回折し、前記複数の導光板内で全反射を繰り返しながら伝播する互いに進行方位の異なる平行光束群は、少なくともその一部が前記進行方位の違いによって全反射回数が互いに異なる。
【００３０】
また、上述の目的を達成するために、本発明に係る虚像表示装置は、画像表示素子と、前記画像表示素子の各画素から射出された光束を互いに進行方位の異なる平行光束群にするコリメート光学系と、前記平行光束群が入射し内部を全反射により伝播した後、観察者の瞳に向けて射出するよう構成された複数の導光板が、前記導光板よりも屈折率の低い媒質を介して積層されてなる光学装置とからなる画像表示装置であって、前記複数の導光板は、それぞれ、前記平行光束群の入射領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板内で内部全反射条件を満たすよう回折反射する第１の反射型体積ホログラムグレーティングと、前記平行光束群の射出領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板より射出するよう回折反射する第２の反射型体積ホログラムグレーティングとをそれぞれ前記導光板の全反射面と平行にその内部に有し、前記複数の導光板の第１の反射型体積ホログラムグレーティング及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングのうち少なくとも第１の反射型体積ホログラムグレーティングは、全て同一光路上に存在するとともに、前記複数の導光板の第１の反射型体積ホログラムグレーティングは、前記平行光群の一部を順次回折し、前記複数の導光板内の入射領域から射出領域にかけて全反射を繰り返しながら伝播する互いに進行方位の異なる平行光束群は、少なくともその一部が前記進行方位の違いによって全反射回数が互いに異なる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明に係る光学装置及び虚像表示装置は、それぞれ第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングが配置された複数の導光板を、これらの導光板よりも屈折率の低い媒質を介して積層することにより、第１の反射型体積ホログラムグレーティングへの入射角度及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングからの回折反射角度の幅を広げ、広画角化を実現する。
【００３２】
また、本発明に係る光学装置及び虚像表示装置は、それぞれの第１の反射型体積ホログラムグレーティングにより回折反射され各導光板内を内部全反射により伝播する複数の略同一波長帯域の平行光束が、それぞれの第２の反射型体積ホログラムグレーティングの対応しない部分で回折反射されることを防止することができ、虚像をカラーで観察するときのゴーストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明を適用した光学装置及び虚像表示装置について、図面を参照して説明する。
【００３４】
｛第１の実施の形態｝
図１に、第１の実施の形態として示す虚像表示装置１０を示す。虚像表示装置１０は、各画素から光束を出射して画像を表示する画像表示素子１１と、画像表示素子１１から出射された光束である表示光を入射して、観察者の瞳１６へと導く虚像光学系とを備えている。
【００３５】
画像表示素子１１は、例えば、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ、無機ＥＬディスプレイや、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）などである。この画像表示素子１１は、後述するコリメータ光学系２１により平行とされる平行光を走査する走査光学系として機能する。
【００３６】
尚、ここでは、画像表示素子１１の各画素から表示光を出射するように構成したが、これに限られるものではなく、例えば、照明光を出射する照明光源と、この照明光源から出射された照明光を空間変調する透過型の液晶ディスプレイ等の空間変調素子とを設け、この空間変調素子が入射された照明光を画素毎に空間変調することで、後述する虚像光学系の導光板の入射面の面内において、平行光を走査する走査光学系として機能させるように構成してもよい。
【００３７】
虚像光学系は、コリメート光学系２１と、第１の導光板２２と、第２の導光板２３と、第１の導光板２２に設けられた第１の反射型体積ホログラムグレーティング２５及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２６と、第２の導光板２３に設けられた第３の反射型体積ホログラムグレーティング２７及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング２８とを備える。
【００３８】
コリメート光学系２１は、画像表示素子１１の各画素から射出された光束が入射されて、互いに画角の異なる平行光束群を出射させる光学系である。コリメート光学系２１から射出された、互いに画角の異なる平行光束群は、それぞれ第１の導光板２２に入射される。
【００３９】
第１及び第２の導光板２２，２３は、この第１及び第２の導光板２２，２３よりも屈折率の低い媒質として空気層２４を介して積層されてなり、画像表示素子１１及びコリメート光学系２１により、互いに進行方位の異なる平行光束となされた平行光束群が入射され、内部を全反射により伝播した後、観察者の瞳に向けて射出するように構成されている。尚、ここでは、第１及び第２の導光板２２，２３よりも屈折率の低い媒質として空気層２４を用いたが、これに限られるものではない。また、第１及び第２の導光板２２，２３は、その全反射面が略平行となるように配置されている。
【００４０】
第１の導光板２２は、コリメート光学系２１から射出された平行光束群を入射する光入射口２２ａを一方端部に有し、他方端部に光を射出する光射出口２２ｂを有する第１の光学面２２ｃと、この第１の光学面２２ｃに対向する第２の光学面２２ｄとを主面とする薄型の平行平板な導光板である。
【００４１】
第１の導光板２２の第２の光学面２２ｄには、第１の光学面２２ｃの光入射口２２ａと対向する位置に第１の反射型体積ホログラムグレーティング２５が設けられ、第１の光学面２２ｃの光射出口２２ｂと対向する位置に第２の反射型体積ホログラムグレーティング２６が設けられている。
【００４２】
この第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２５，２６は、第１の導光板２２の全反射面と平行に配置されている。第１の反射型体積ホログラムグレーティング２５は、平行光束群の入射領域にて平行光束群を平行光束群のまま第１の導光板２２内で内部全反射条件を満たす角度で回折反射させる。第２の反射型体積ホログラムグレーティング２６は、第１の導光板２２内を内部全反射にて伝播する平行光束群の射出領域にて平行光束群を平行光束群のまま第１の導光板２２より射出させる角度で回折反射させる。
【００４３】
第２の導光板２３は、コリメート光学系２１から射出された平行光束群を入射する光入射口２３ａを一方端部に有し、他方端部に光を射出する光射出口２３ｂを有する第１の光学面２３ｃと、この第３の光学面２３ｃに対向する第４の光学面２３ｄとを主面とする薄型の平行平板な導光板である。
【００４４】
第２の導光板２３の第４の光学面２３ｄには、第３の光学面２３ｃの光入射口２３ａと対向する位置に第３の反射型体積ホログラムグレーティング２７が設けられ、第３の光学面２３ｃの光射出口２３ｂと対向する位置に第４の反射型体積ホログラムグレーティング２８が設けられている。
【００４５】
この第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング２７，２８は、第２の導光板２３の全反射面と平行に配置されている。第３の反射型体積ホログラムグレーティング２７は、平行光束群の入射領域にて平行光束群を平行光束群のまま第２の導光板２３内で内部全反射条件を満たす角度で回折反射させる。第４の反射型体積ホログラムグレーティング２８は、第２の導光板２３内を内部全反射にて伝播する平行光束群の射出領域にて平行光束群を平行光束群のまま第２の導光板２３より射出させる角度で回折反射させる。
【００４６】
第１及び第２の導光板２２，２３の第１乃至第４の反射型体積ホログラムグレーティング２５，２６，２７，２８のうち少なくとも第１及び第３の反射型体積ホログラムグレーティング２５，２７は、コリメート光学系２１から出射される光束の同一光路上に存在するように配置されている。尚、ここでは、第２及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング２６，２８も、瞳１６に入射する光束の同一光路上に存在するように配置されている。
【００４７】
ここで、図２及び図３に、干渉縞が記録された第１の反射型体積ホログラムグレーティング２５、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２６の断面図をそれぞれ示す。
【００４８】
図２及び図３に示すように、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２５，２６には、干渉縞の傾きであるスラント角が異なる３種類の干渉縞が、ホログラム表面２５Ｓ，２６Ｓにおいて、それぞれ同一ピッチとなるように多重して記録されている。第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２５，２６は、回折受容波長帯域が２０ｎｍ程度の単色用のホログラムグレーティングであり、上述したスラント角がそれぞれ異なる３種類の干渉縞を記録することで、回折受容角を広げている。
【００４９】
図２に示すように第１の反射型体積ホログラムグレーティング２５には、干渉縞２５ａ，２５ｂ，２５ｃがスラント角θａ，θｂ，θｃで、それぞれ同一ピッチ、つまり位置に関わらず均等なピッチで複数記録されている。図３に示す第２の反射型体積ホログラムグレーティング２６も同様に、干渉縞２６ａ，２６ｂ，２６ｃがスラント角θａ，θｂ，θｃでそれぞれ同一ピッチにて複数記録されている。したがって、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２５，２６は、それぞれの干渉縞が第２の光学面２２ｄと垂直な平面に対して対称となるように、第１の導光板２２の第２の光学面２２ｄ上に配置されていることになる。
【００５０】
第１の導光板２２の光入射口２２ａから入射した互いに画角の異なる平行光束群は、上述した第１の反射型体積ホログラムグレーティング２５に入射され、それぞれの平行光束群が平行光束群のまま回折反射される。回折反射された平行光束群は、第１の導光板２２の第１及び第２の光学面２２ｃ，２２ｄの間で全反射を繰り返しながら進行し、上述した第２の反射型体積ホログラムグレーティング２６に入射することになる。
【００５１】
また、第１の導光板２２の第１の反射型体積ホログラムグレーティング２５は、第１の導光板２２に入射した平行光束のうち瞳１６側とは逆側に傾斜した入射角度で入射する平行光束を平行光のまま回折反射させるとともに、第１の導光板２２に入射した平行光束のうち瞳１６側に傾斜した入射角度で入射する平行光束に対しては小さな回折効率しか有さず、空気層２４及び第２の導光板２３側に透過させる。
【００５２】
第１の導光板２２の第２の反射型体積ホログラムグレーティング２６は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２６で回折反射され第１の導光板２２の内部で第１の光学面２２ｃと第２の光学面２２ｄとの間で全反射を繰り返して入射した平行光束を回折反射により全反射条件からはずして光射出口２２ｂから観察者の瞳１６側に射出するとともに、第２の導光板２３の第４の反射型体積ホログラムグレーティング２８により回折反射されて光射出口２３ｂから射出された平行光束に対して小さな回折効率しか有さず、光射出口２２ｂから観察者の瞳１６側に射出する。
【００５３】
第１の導光板２２の長手方向の長さ及び第１の光学面２２ｃと第２の光学面２２ｄとの間の厚みは、このときに内部を全反射しながら進行する互いに画角の異なる平行光束群が、各画角によって、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２６に到達するまでの全反射回数に違いがでるような光路長となるように、薄型化され、長手方向の長さも十分な長さとなるように設計されている。
【００５４】
具体的には、第１の導光板２２に入射する平行光束群のうち、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２６側へ傾きながら入射する平行光束、つまり入射角が大きな平行光束の反射回数は、それとは、逆に第２の反射型体積ホログラムグレーティング２６側へあまり傾かずに入射する平行光束、つまり入射角が小さな平行光束の反射回数と比較して少なくなる。これは、第１の導光板２２に入射した平行光束群は、それぞれ画角の異なる平行光束となって入射されるためである。つまり、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２５への入射角度も異なることから、それぞれ異なる回折角で射出されることで、各平行光束の全反射角も異なっているため、第１の導光板２２を、薄型化し、長手方向の長さを十分確保することで、全反射する回数に違いが顕著にでることになる。
【００５５】
第２の反射型体積ホログラムグレーティング２６に入射した各画角の平行光束群は、回折反射されることで全反射条件からはずれ、第１の導光板２２の光射出口２２ｂから射出され、観察者の瞳１６に入射する。
【００５６】
このように、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２６は、記録された干渉縞が、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２５の干渉縞を第１の導光板２２の第１及び第２の光学面２２ｃ，２２ｄに直交する面に対して対称形状となるように、第１の導光板２２の第２の光学面２２ｄ上に設置されている。すなわち、第１及び第２の体積ホログラムグレーティング２５，２６は、その中間に対称面を有している。
【００５７】
したがって、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２６で反射される平行光束群は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２５への入射角と等しい角度で反射されることになるため、表示画像がぼけることなく高い解像度で瞳１６へ表示されることになる。
【００５８】
次に、図２及び図３を用いた第２の導光板２３の第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング２７，２８について説明する。
【００５９】
図２及び図３に示すように、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング２７，２８には、干渉縞の傾きであるスラント角が異なる３種類の干渉縞が、ホログラム表面２７Ｓ，２８Ｓにおいて、それぞれ同一ピッチとなるように多重して記録されている。第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング２７，２８は、回折受容波長帯域が２０ｎｍ程度の単色用のホログラムグレーティングであり、上述したスラント角がそれぞれ異なる３種類の干渉縞を記録することで、回折受容角を広げている。
【００６０】
図２に示すように第３の反射型体積ホログラムグレーティング２７には、干渉縞２７ａ，２７ｂ，２７ｃがスラント角θａ，θｂ，θｃで、それぞれ同一ピッチ、つまり位置に関わらず均等なピッチで複数記録されている。図３に示す第４の反射型体積ホログラムグレーティング２８も同様に、干渉縞２８ａ，２８ｂ，２８ｃがスラント角θａ，θｂ，θｃでそれぞれ同一ピッチにて複数記録されている。したがって、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング２７，２８は、それぞれの干渉縞が第４の光学面２３ｄと垂直な平面に対して対称となるように、第２の導光板２３の第４の光学面２３ｄ上に配置されていることになる。
【００６１】
第２の導光板２３の光入射口２３ａから入射した互いに画角の異なる平行光束群は、上述した第３の反射型体積ホログラムグレーティング２７に入射され、それぞれの平行光束群が平行光束群のまま回折反射される。回折反射された平行光束群は、第２の導光板２３の第３及び第４の光学面２３ｃ，２３ｄとの間で全反射を繰り返しながら進行し、上述した第４の反射型体積ホログラムグレーティング２８に入射することになる。
【００６２】
また、第２の導光板２３の第３の反射型体積ホログラムグレーティング２７は、第１の導光板２２の第１の反射型体積ホログラムグレーティング２５を透過された瞳１６側に傾斜した入射角度で入射した平行光束を、平行光のまま回折反射する。
【００６３】
第２の導光板２３の第４の反射型体積ホログラムグレーティング２８は、第３の反射型体積ホログラムグレーティング２７で回折反射され第２の導光板２３の内部で第３の光学面２３ｃと第４の光学面２３ｄとの間で全反射を繰り返して入射した平行光束を回折反射により全反射条件からはずして光射出口２３ｂから第１の導光板２２の第２の反射型体積ホログラムグレーティング２６側に射出する。
【００６４】
第２の導光板２３の長手方向の長さ及び第３の光学面２３ｃと第４の光学面２３ｄとの間の厚みは、このときに内部を全反射しながら進行する互いに画角の異なる平行光束群が、各画角によって、第４の反射型体積ホログラムグレーティング２８に到達するまでの全反射回数に違いがでるような光路長となるように、薄型化され、長手方向の長さも十分な長さとなるように設計されている。
【００６５】
具体的には、第２の導光板２３に入射する平行光束群のうち、第４の反射型体積ホログラムグレーティング２８側へ傾きながら入射する平行光束、つまり入射角が大きな平行光束の反射回数は、それとは、逆に第４の反射型体積ホログラムグレーティング２８側へあまり傾かずに入射する平行光束、つまり入射角が小さな平行光束の反射回数と比較して少なくなる。これは、第２の導光板２３に入射した平行光束群は、それぞれ画角の異なる平行光束となって入射されるためである。つまり、第３の反射型体積ホログラムグレーティング２７への入射角度も異なることから、それぞれ異なる回折角で射出されることで、各平行光束の全反射角も異なっているため、第２の導光板２３を、薄型化し、長手方向の長さを十分確保することで、全反射する回数に違いが顕著にでることになる。
【００６６】
第４の反射型体積ホログラムグレーティング２８に入射した各画角の平行光束群は、回折反射されることで全反射条件からはずれ、第２の導光板２３の光射出口２３ｂから射出され、第１の導光板２２に入射する。
【００６７】
このように、第４の反射型体積ホログラムグレーティング２８は、記録された干渉縞が、第３の反射型体積ホログラムグレーティング２７の干渉縞を第２の導光板２３の第３及び第４の光学面２３ｃ，２３ｄに直交する面に対して対称形状となるように、第２の導光板２３の第４の光学面２３ｄ上に設置されている。すなわち、第３及び第４の体積ホログラムグレーティング２７，２８は、その中間に対称面を有している。
【００６８】
したがって、第４の反射型体積ホログラムグレーティング２８で反射される平行光束群は、第３の反射型体積ホログラムグレーティング２７への入射角と等しい角度で反射されることになるため、表示画像がぼけることなく高い解像度で瞳１６へ表示されることになる。
【００６９】
この虚像表示装置１０は、レンズ効果のない第１乃至第４の反射型体積ホログラムグレーティング２５，２６，２７，２８を備えることで、単色偏心収差、回折色収差を排除低減することができる。
【００７０】
以上のように構成された虚像表示装置１０において、画像表示素子１１から出射された光束の光路について説明する。
【００７１】
図１に示すように、画像表示素子１１から出射された単色の表示光は、コリメート光学系２１を通して画角の異なる平行光とされた後、光入射口２２ａから第１の導光板２２に入射する。
【００７２】
第１の導光板２２に入射した平行光束のうち瞳１６側とは逆側に傾斜した入射角度で入射する平行光束は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２５に入射し、平行光のまま回折反射され、第１の導光板２２の内部で第１の光学面２２ｃと第２の光学面２２ｄとの間で全反射を繰り返しながら、第１の導光板２２の他端側に設けられた第２の反射型体積ホログラムグレーティング２６に向けて進行する。
【００７３】
第２の反射型体積ホログラムグレーティング２６に入射した平行光は、回折反射により全反射条件からはずれて、第１の導光板２２の光射出口２２ｂから射出され、観察者の瞳１６に入射する。
【００７４】
一方、第１の導光板２２に入射した平行光束のうち瞳１６側に傾斜した入射角度で入射する平行光束は、第１の導光板２２を経て、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２５では小さな回折効率しか有さず、その大部分が第１の反射型体積ホログラムグレーティング２５を透過し、第２の光学面２２ｄ側から射出され、空気層２４を通過して、光入射口２３ａから第２の導光板２３に入射する。
【００７５】
第２の導光板２３に入射した平行光束は、第３の反射型体積ホログラムグレーティング２７に入射し、平行光のまま回折反射され、第２の導光板２３内部で第３の光学面２３ｃと第４の光学面２３ｄとの間で全反射を繰り返しながら、第２の導光板２３の他端側に設けられた第４の反射型体積ホログラムグレーティング２８に向けて進行する。
【００７６】
第４の反射型体積ホログラムグレーティング２８に入射した平行光は、回折反射により全反射条件からはずれて、第２の導光板２３の光射出口２３ｂから射出され、空気層２４を通過して第１の導光板２２の第２の反射型体積ホログラムグレーティング２６に入射する。
【００７７】
ここで、この第２の反射型体積ホログラムグレーティング２６に入射した入射光は、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２６に対して小さな回折効率しか有さず、その大部分が第２の反射型体積ホログラムグレーティング２６を透過し、第１の導光板２２を透過して、光射出口２２ｂから射出され、観察者の瞳１６に入射する。
【００７８】
本発明を適用した虚像表示装置１０は、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２５，２６を第１の導光板２２に配置し、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング２７，２８を第２の導光板２３に配置して、第１及び第２の導光板２２，２３をこれらの導光板２２，２３よりも屈折率の低い空気層２４を介して積層したことにより、導光板の屈折率に依存する内部全反射条件により制約されていた平行光束の第１の反射型体積ホログラムグレーティングへの入射角度及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングからの回折反射角度の範囲を拡大し、広画角化を実現する。
【００７９】
尚、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２５と、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２６とは、第１の導光板２２の第２の光学面２２ｄに対して各ホログラム面２５Ｓ，２６Ｓが平行となるように配置されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ホログラム面２５Ｓ，２６Ｓが、それぞれ第２の光学面２２ｄに対して所定の角度を持つように配置させることもできる。
【００８０】
尚、ここでは、第１及び第２の導光板２２，２３に設けられた第１乃至第４の体積ホログラムグレーティング２５，２６，２７，２８は、略同一波長帯域を回折する干渉縞のホログラム表面の干渉縞ピッチが互いに等しくされているが、これに限られるものではなく、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２５，２６、並びに、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング２７，２８の少なくとも一対が、略同一波長帯域を回折する干渉縞のホログラム表面の干渉縞ピッチが互いに等しく構成されていればよい。
【００８１】
また、ここでは、第１及び第２の導光板２２，２３に設けられた第１乃至第４の体積ホログラムグレーティング２５，２６，２７，２８が互いに等しい干渉縞を有しており、第１及び第２の体積ホログラムグレーティング２５，２６がその中間に対称面を有しており、第３及び第４の体積ホログラムグレーティング２７，２８がその中間に対称面を有しているように構成したが、これに限られるものではなく、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２５，２６、並びに、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング２７，２８の少なくとも一対が、互いに等しい干渉縞を有し、かつ本干渉縞が、これらの反射型体積ホログラムグレーティングの中間に対称面を有するよう構成されていればよい。
【００８２】
また、ここでは、第１乃至第４の反射型体積ホログラムグレーティング２５，２６，２７，２８がスラント角の異なる複数の干渉縞を多重化して構成したが、これに限られるものではなく、平行光束群を平行光束群のまま導光板内で内部全反射条件を満たすよう回折反射する入射側に設けられる第１及び第３の反射型体積ホログラムグレーティングと、平行光束群の射出領域にてこの平行光束群を平行光束群のまま導光板より射出するよう回折反射する射出側に設けられる第２及び第４の反射型体積ホログラムグレーティングとを備えればよく、例えば、この第１乃至第４の反射型体積ホログラムグレーティングをスラント角の等しい干渉縞を形成するように構成しても良い。
【００８３】
また、ここでは、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２５，２６、並びに、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング２７，２８のいずれもが、互いに波長が等しく入射角度の異なる光束をそれぞれ主に回折し、かつ、同一波長同一入射角の光束を等しい回折各にそれぞれ回折する複数の干渉縞を多重化してなるように構成したが、これに限られるものではなく、上述した、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング、並びに、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも一対が、互いに波長が等しく入射角度の異なる光束をそれぞれ主に回折し、かつ同一波長同一入射角の光束を等しい回折角にてそれぞれ回折する複数の干渉縞を多重化してなるよう構成されていてもよい。
【００８４】
また、第１乃至第４の反射型体積ホログラムグレーティング２５，２６，２７，２８は、上述の構成に限られるものではなく、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング、並びに、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも一対が、互いに入射角度が等しく波長帯域の異なる光束を略同一の回折角にてそれぞれ主に回折する複数の干渉縞を多重化してなるよう構成されていればよい。
【００８５】
ここで、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング、並びに、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティングが、それぞれ、互いに入射角度が等しく波長帯域の異なる光束を略同一の回折角にてそれぞれ主に回折する複数の干渉縞を多重化して構成される例について図４及び図５を用いて説明する。
【００８６】
図４及び図５に示すように、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング４５，４６は、上述の第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２５，２６と同様に、第１の導光板２２の全反射面と平行に配置される。
【００８７】
第１の反射型体積ホログラムグレーティング４５は、第１の導光板２２の第２の光学面２２ｄの光入射口２２ａと対向する位置に配置され、平行光束群の入射領域にて平行光束群を平行光束群のまま第１の導光板２２内で内部全反射条件を満たす角度で回折反射させる。
【００８８】
第２の反射型体積ホログラムグレーティング４６は、第１の導光板２２の第２の光学面２２ｄの光射出口２２ｂと対向する位置に配置され、第１の導光板２２内を内部全反射にて伝播する平行光束群の射出領域にて平行光束群を平行光束群のまま第１の導光板２２より射出させる角度で回折反射させる。
【００８９】
また、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング４７，４８は、上述の第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング２７，２８と同様に、第２の導光板２３の全反射面と平行に配置されている。
【００９０】
第３の反射型体積ホログラムグレーティング４７は、第２の導光板２３の第４の光学面２３ｄの光入射口２３ａと対向する位置に配置され、平行光束群の入射領域にて平行光束群を平行光束群のまま第２の導光板２３内で内部全反射条件を満たす角度で回折反射させる。
【００９１】
第４の反射型体積ホログラムグレーティング４８は、第２の導光板２３の第４の光学面２３ｄの光射出口２３ｂと対向する位置に配置され、第２の導光板２３内を内部全反射にて伝播する平行光束群の射出領域にて平行光束群を平行光束群のまま第２の導光板２３より射出させる角度で回折反射させる。
【００９２】
図４及び図５に示すように、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング４５，４６には、赤色光、緑色光、青色光を主に回折反射する３種類の干渉縞（赤色光用干渉縞４５Ｒ，４６Ｒ、緑色光用干渉縞４５Ｇ，４６Ｇ、青色光用干渉縞４５Ｂ，４６Ｂ）が、多重化して記録されている。この３種類の干渉縞は、ホログラム表面４５Ｓ，４６Ｓにおけるグレーティングピッチが、それぞれ種類別に均等なピッチとなり、相互には異なるピッチとなるように記録されている。
【００９３】
なお、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング４５，４６は、図４及び図５に示すように、３種類の干渉縞が１層のホログラム層に多重化するように記録されていてもよいが、図示しないが、種類毎に、つまり、赤色光用干渉縞４５Ｒ，４６Ｒ、緑色光用干渉縞４５Ｇ，４６Ｇ、青色光用干渉縞４５Ｂ，４６Ｂをそれぞれ１層のホログラム層に記録し、干渉縞が記録された３層のホログラム層を積層するように構成することもできる。
【００９４】
図４に示すように第１の反射型体積ホログラムグレーティング４５には、干渉縞４５Ｒ，４５Ｇ，４５Ｂが同一のスラント角で、それぞれ同一ピッチ、つまり位置に関わらず均等なピッチで複数記録されている。図５に示す第２の反射型体積ホログラムグレーティング４６も同様に、干渉縞４６Ｒ，４６Ｇ，４６Ｂが同一のスラント角で、それぞれ同一ピッチにて複数記録されている。したがって、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング４５，４６は、それぞれの干渉縞が第２の光学面２２ｄと垂直な平面に対して対称となるように、第１の導光板２２の第２の光学面２２ｄ上に配置されていることになる。
【００９５】
第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング４７，４８には、図４及び図５に示すように、赤色光、緑色光、青色光を主に回折反射する３種類の干渉縞（赤色光用干渉縞４７Ｒ，４８Ｒ、緑色光用干渉縞４７Ｇ，４８Ｇ、青色光用干渉縞４７Ｂ，４８Ｂ）が、多重化して記録されている。この３種類の干渉縞は、ホログラム表面４７Ｓ，４８Ｓにおけるグレーティングピッチが、それぞれ種類別に均等なピッチとなり、相互には異なるピッチとなるように記録されている。
【００９６】
なお、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング４７，４８は、図４及び図５に示すように、３種類の干渉縞が１層のホログラム層に多重化するように記録されていてもよいが、図示しないが、種類毎に、つまり、赤色光用干渉縞４７Ｒ，４８Ｒ、緑色光用干渉縞４７Ｇ，４８Ｇ、青色光用干渉縞４７Ｂ，４８Ｂをそれぞれ１層のホログラム層に記録し、干渉縞が記録された３層のホログラム層を積層するように構成することもできる。
【００９７】
図４に示すように第３の反射型体積ホログラムグレーティング４７には、干渉縞４７Ｒ，４７Ｇ，４７Ｂが同一のスラント角で、それぞれ同一ピッチ、つまり位置に関わらず均等なピッチで複数記録されている。図５に示す第４の反射型体積ホログラムグレーティング４８も同様に、干渉縞４８Ｒ，４８Ｇ，４８Ｂが同一のスラント角で、それぞれ同一ピッチにて複数記録されている。したがって、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング４７，４８は、それぞれの干渉縞が第４の光学面２３ｄと垂直な平面に対して対称となるように、第２の導光板２３の第４の光学面２３ｄ上に配置されていることになる。
【００９８】
以上のような、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング４５，４６を第１の導光板２２に配置して、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング４７，４８を第２の導光板２３に配置して、この第１及び第２の導光板２２，２３をこれらの導光板よりも屈折率の低い空気層２４を介して積層してなる虚像表示装置は、上述の虚像表示装置１０と同様に、導光板の屈折率に依存する内部全反射条件により制約されていた平行光束の第１の反射型体積ホログラムグレーティングへの入射角度及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングからの回折反射角度の範囲を拡大し、広画角化を実現する。
【００９９】
また、第１乃至第４の反射型体積ホログラムグレーティングは、上述の構成に限られるものではなく、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング、並びに、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも一対が、互いに入射角度が等しく波長帯域の異なる光束を略同一の回折角にてそれぞれ主に回折する複数のホログラム層を積層化してなるよう構成されていればよい。
【０１００】
ここで、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング、並びに、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティングが、それぞれ、互いに入射角度が等しく波長帯域の異なる光束を略同一の回折角にてそれぞれ主に回折する複数のホログラム層を積層化して構成される例について図６及び図７を用いて説明する。
【０１０１】
図６及び図７に示すように、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング５５，５６は、上述の第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２５，２６と同様に、第１の導光板２２の全反射面と平行に配置される。
【０１０２】
第１の反射型体積ホログラムグレーティング５５は、第１の導光板２２の第２の光学面２２ｄの光入射口２２ａと対向する位置に配置され、平行光束群の入射領域にて平行光束群を平行光束群のまま第１の導光板２２内で内部全反射条件を満たす角度で回折反射させる。
【０１０３】
第２の反射型体積ホログラムグレーティング５６は、第１の導光板２２の第２の光学面２２ｄの光射出口２２ｂと対向する位置に配置され、第１の導光板２２内を内部全反射にて伝播する平行光束群の射出領域にて平行光束群を平行光束群のまま第１の導光板２２より射出させる角度で回折反射させる。
【０１０４】
また、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング５７，５８は、上述の第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング２７，２８と同様に、第２の導光板２３の全反射面と平行に配置されている。
【０１０５】
第３の反射型体積ホログラムグレーティング５７は、第２の導光板２３の第４の光学面２３ｄの光入射口２３ａと対向する位置に配置され、平行光束群の入射領域にて平行光束群を平行光束群のまま第２の導光板２３内で内部全反射条件を満たす角度で回折反射させる。
【０１０６】
第４の反射型体積ホログラムグレーティング５８は、第２の導光板２３の第４の光学面２３ｄの光射出口２３ｂと対向する位置に配置され、第２の導光板２３内を内部全反射にて伝播する平行光束群の射出領域にて平行光束群を平行光束群のまま第２の導光板２３より射出させる角度で回折反射させる。
【０１０７】
図６及び図７に示すように、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング５５，５６には、それぞれ３層のホログラム層５５Ａ，５５Ｂ，５５Ｃ、ホログラム層５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃが積層されて形成されている。この第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング５５，５６を形成する各ホログラム層は、それぞれ主に赤色光、緑色光、青色光を回折反射する干渉縞を記録している。例えば、第１の反射型体積ホログラムグレーティング５５のホログラム層５５Ａには、主に赤色光を回折反射する干渉縞が記録され、ホログラム層５５Ｂには、主に緑色光を回折反射する干渉縞が記録され、ホログラム層５５Ｃには、主に青色光を回折反射する干渉縞が記録されている。第２の反射型体積ホログラムグレーティング５６も同様である。
【０１０８】
また、各ホログラム層に記録された干渉縞は、上述した第１及び第２の反射型ホログラムグレーティング２５，２６に記録された干渉縞のように、各ホログラム層が回折反射を担う波長帯域の平行光束に対して、回折受容角が広くなるようにするため、スラント角が異なる３種類の干渉縞を、ホログラム表面において、それぞれ同一ピッチとなるように多重化して記録している。したがって、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング５５，５６は、それぞれの干渉縞が第２の光学面２２ｄと垂直な平面に対して対称となるように、第１の導光板２２の第２の光学面２２ｄ上に配置されていることになる。
【０１０９】
第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング５７，５８には、図６及び図７に示すように、それぞれ３層のホログラム層５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃ、ホログラム層５８Ａ，５８Ｂ，５８Ｃが積層されて形成されている。この第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング５７，５８を形成する各ホログラム層は、それぞれ主に赤色光、緑色光、青色光を回折反射する干渉縞を記録している。例えば、第１の反射型体積ホログラムグレーティング５７のホログラム層５７Ａには、主に赤色光を回折反射する干渉縞が記録され、ホログラム層５７Ｂには、主に緑色光を回折反射する干渉縞が記録され、ホログラム層５７Ｃには、主に青色光を回折反射する干渉縞が記録されている。第２の反射型体積ホログラムグレーティング５８も同様である。
【０１１０】
また、各ホログラム層に記録された干渉縞は、上述した第３及び第４の反射型ホログラムグレーティング２７，２８に記録された干渉縞のように、各ホログラム層が回折反射を担う波長帯域の平行光束に対して、回折受容角が広くなるようにするため、スラント角が異なる３種類の干渉縞を、ホログラム表面において、それぞれ同一ピッチとなるように多重化して記録している。したがって、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング５７，５８は、それぞれの干渉縞が第４の光学面２３ｄと垂直な平面に対して対称となるように、第２の導光板２３の第２の光学面２３ｄ上に配置されていることになる。
【０１１１】
以上のような、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング５５，５６を第１の導光板２２に配置して、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング５７，５８を第２の導光板２３に配置して、この第１及び第２の導光板２２，２３をこれらの導光板よりも屈折率の低い空気層２４を介して積層してなる虚像表示装置は、上述の虚像表示装置１０と同様に、導光板の屈折率に依存する内部全反射条件により制約されていた平行光束の第１の反射型体積ホログラムグレーティングへの入射角度及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングからの回折反射角度の範囲を拡大し、広画角化を実現する。
【０１１２】
また、第１乃至第４の反射型体積ホログラムグレーティングは、上述の構成に限られるものではなく、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング、並びに、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティングの少なくとも一対が、互いに波長が等しく入射角度の異なる光束をそれぞれ主に回折し、かつ同一波長同一入射角の光束を等しい回折角にてそれぞれ回折する複数のホログラム層を積層化してなるよう構成されていてもよい。
【０１１３】
ここで、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング、並びに、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティングが、それぞれ、互いに波長が等しく入射角度の異なる光束をそれぞれ回折する複数のホログラム層を積層化して構成される例について図８及び図９を用いて説明する。
【０１１４】
図８及び図９に示すように、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング６５，６６は、上述の第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２５，２６と同様に、第１の導光板２２の全反射面と平行に配置される。
【０１１５】
第１の反射型体積ホログラムグレーティング６５は、第１の導光板２２の第２の光学面２２ｄの光入射口２２ａと対向する位置に配置され、平行光束群の入射領域にて平行光束群を平行光束群のまま第１の導光板２２内で内部全反射条件を満たす角度で回折反射させる。
【０１１６】
第２の反射型体積ホログラムグレーティング６６は、第１の導光板２２の第２の光学面２２ｄの光射出口２２ｂと対向する位置に配置され、第１の導光板２２内を内部全反射にて伝播する平行光束群の射出領域にて平行光束群を平行光束群のまま第１の導光板２２より射出させる角度で回折反射させる。
【０１１７】
また、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング６７，６８は、上述の第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング２７，２８と同様に、第２の導光板２３の全反射面と平行に配置されている。
【０１１８】
第３の反射型体積ホログラムグレーティング６７は、第２の導光板２３の第４の光学面２３ｄの光入射口２３ａと対向する位置に配置され、平行光束群の入射領域にて平行光束群を平行光束群のまま第２の導光板２３内で内部全反射条件を満たす角度で回折反射させる。
【０１１９】
第４の反射型体積ホログラムグレーティング６８は、第２の導光板２３の第４の光学面２３ｄの光射出口２３ｂと対向する位置に配置され、第２の導光板２３内を内部全反射にて伝播する平行光束群の射出領域にて平行光束群を平行光束群のまま第２の導光板２３より射出させる角度で回折反射させる。
【０１２０】
図８及び図９に示すように、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング６５，６６には、それぞれ３層のホログラム層６５Ｄ，６５Ｅ，６５Ｆ、ホログラム層６６Ｄ，６６Ｅ，６６Ｆが積層されて形成されている。この第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング６５，６６を形成する各ホログラム層は、それぞれ回折受容波長範囲を広くするために、波長帯域の異なる光を回折反射する３種類の干渉縞が多重化して記録されている。この３種類の干渉縞は、ホログラム表面におけるグレーティングピッチが、それぞれ種類別には、均等なピッチとなり、相互には異なるピッチとなるように記録されている。
【０１２１】
すなわち、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング６５，６６の各ホログラム層には、それぞれ図４及び図５に示す上述した第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング４５，４６と同様な干渉縞が記録されている。
【０１２２】
また、各ホログラム層６５Ｄ，６５Ｅ，６５Ｆ，６６Ｄ，６６Ｅ，６６Ｆに記録された干渉縞のスラント角θｄ，θｅ、θｆは、ホログラム層内では全く同一であるが、回折受容角を広げるために、ホログラム層間では、互いに異なる角度となっている。
【０１２３】
したがって、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング６５，６６は、それぞれの干渉縞が第２の光学面２２ｄと垂直な平面に対して対称となるように、第１の導光板２２の第２の光学面２２ｄ上に配置されていることになる。
【０１２４】
第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング６７，６８には、図８及び図９に示すように、それぞれ３層のホログラム層６７Ｄ，６７Ｅ，６７Ｆ、ホログラム層６８Ｄ，６８Ｅ，６８Ｆが積層されて形成されている。この第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング６７，６８を形成する各ホログラム層は、それぞれ回折受容波長範囲を広くするために、波長帯域の異なる光を回折反射する３種類の干渉縞が多重化して記録されている。この３種類の干渉縞は、ホログラム表面におけるグレーティングピッチが、それぞれ種類別には、均等なピッチとなり、相互には異なるピッチとなるように記録されている。
【０１２５】
すなわち、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング６７，６８の各ホログラム層には、それぞれ図４及び図５に示す上述した第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング４７，４８と同様な干渉縞が記録されている。
【０１２６】
また、各ホログラム層６７Ｄ，６７Ｅ，６７Ｆ，６８Ｄ，６８Ｅ，６８Ｆに記録された干渉縞のスラント角θｄ，θｅ、θｆは、ホログラム層内では全く同一であるが、回折受容角を広げるために、ホログラム層間では、互いに異なる角度となっている。
【０１２７】
したがって、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング６７，６８は、それぞれの干渉縞が第４の光学面２３ｄと垂直な平面に対して対称となるように、第２の導光板２３の第４の光学面２３ｄ上に配置されていることになる。
【０１２８】
以上のような、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング６５，６６を第１の導光板２２に配置して、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング６７，６８を第２の導光板２３に配置して、この第１及び第２の導光板２２，２３をこれらの導光板よりも屈折率の低い空気層２４を介して積層してなる虚像表示装置は、上述の虚像表示装置１０と同様に、導光板の屈折率に依存する内部全反射条件により制約されていた平行光束の第１の反射型体積ホログラムグレーティングへの入射角度及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングからの回折反射角度の範囲を拡大し、広画角化を実現する。
【０１２９】
また、第１乃至第４の反射型体積ホログラムグレーティングは、上述の構成に限られるものではなく、第１及び第２の導光板２２，２３に設けられた、第２及び第４の反射型体積ホログラムグレーティングのうち少なくとも１つが対応する第１及び第３の反射型体積ホログラムグレーティングに近接する側（近い側）において媒質内の干渉縞とホログラム表面のなす角が小さな干渉縞が記録されており、第１及び第３の反射型体積ホログラムグレーティングに離間する側（遠い側）において媒質内の干渉縞とホログラム表面のなす角が大きな干渉縞が記録されているように構成してもよい。
【０１３０】
さらに、第１及び第２の導光板２２，２３に設けられた第２及び第４の反射型体積ホログラムグレーティングのうち少なくとも１つが、その中央領域に対応する第１の反射型体積ホログラムグレーティングに近い側のスラント角と対応する第１の反射型体積ホログラムグレーティングに遠い側のスラント角の間のスラント角を有する干渉縞が少なくとも１つ以上記録されているように構成してもよい。
【０１３１】
ここで、第１の導光板に設けられた第２の反射型体積ホログラムグレーティングが対応する第１の反射型体積ホログラムグレーティングに近接する側において媒質内の干渉縞とホログラム表面のなす角が小さな干渉縞が記録されており、第１の反射型体積ホログラムグレーティングに離間する側において媒質内の干渉縞とホログラム表面のなす角が大きな干渉縞が記録されているように構成される例について図１０乃至図１３を用いて説明する。
【０１３２】
図６、図７、図１０及び図１１に示すように、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング７５，７６は、上述の第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２５，２６と同様に、第１の導光板２２の全反射面と平行に配置される。
【０１３３】
第１の反射型体積ホログラムグレーティング７５は、第１の導光板２２の第２の光学面２２ｄの光入射口２２ａと対向する位置に配置され、平行光束群の入射領域にて平行光束群を平行光束群のまま第１の導光板２２内で内部全反射条件を満たす角度で回折反射させる。
【０１３４】
第２の反射型体積ホログラムグレーティング７６は、第１の導光板２２の第２の光学面２２ｄの光射出口２２ｂと対向する位置に配置され、第１の導光板２２内を内部全反射にて伝播する平行光束群の射出領域にて平行光束群を平行光束群のまま第１の導光板２２より射出させる角度で回折反射させる。
【０１３５】
また、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング７７，７８は、上述の第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング２７，２８と同様に、第２の導光板２３の全反射面と平行に配置されている。
【０１３６】
第３の反射型体積ホログラムグレーティング７７は、第２の導光板２３の第４の光学面２３ｄの光入射口２３ａと対向する位置に配置され、平行光束群の入射領域にて平行光束群を平行光束群のまま第２の導光板２３内で内部全反射条件を満たす角度で回折反射させる。
【０１３７】
第４の反射型体積ホログラムグレーティング７８は、第２の導光板２３の第４の光学面２３ｄの光射出口２３ｂと対向する位置に配置され、第２の導光板２３内を内部全反射にて伝播する平行光束群の射出領域にて平行光束群を平行光束群のまま第２の導光板２３より射出させる角度で回折反射させる。
【０１３８】
ここで、第１の反射型体積ホログラムグレーティング７５は、図示しないが、上述した図６を用いて説明した第１の反射型体積ホログラムグレーティング５５と全く同じ構成とされている。したがって、第１の反射型体積ホログラムグレーティング７５は、広画角化のために、互いにスラント角は異なるが、ホログラム表面では、均等な干渉縞ピッチを有する３つの干渉縞を多重化したホログラム層を、赤色光、緑色光、青色光を回折反射するために干渉縞のピッチを変えて、３層に積層してなる。
【０１３９】
これにより、第１の反射型体積ホログラムグレーティング７５は、画像表示素子１１から射出され、コリメート光学系２１でコリメートされた水平画角±１０度程度の平行光束を、第１の導光板２２の全反射条件を満たすように回折反射することができる。
【０１４０】
第１の反射型体積ホログラム７５で回折反射された平行光束群は、それぞれ異なる全反射角度で第１の導光板２２内を導光することになる。その結果、上述したように、第２の反射型体積ホログラムグレーティング７６に入射する平行光束の入射角は、それぞれ異なることになる。
【０１４１】
図１０に、第１の反射型体積ホログラムグレーティング７５で回折反射され、第１の導光板２２内を内部全反射し、第２の反射型体積ホログラムグレーティング７６に入射された平行光束群の様子を示す。第２の反射型体積ホログラムグレーティング７６に入射される各平行光束は、図１０に示すように、入射位置によって異なる入射角となっている。
【０１４２】
具体的には、第２の反射型体積ホログラムグレーティング７６において、第１の反射型体積ホログラムグレーティング７５に近い側の位置には、大きな全反射角で内部全反射をして導光された平行光束ＬＬである内部全反射回数が少ない画角の平行光束と、小さな全反射角で内部全反射して導光された平行光束ＬＳである内部反射回数が多い画角の平行光束とが共に入射している。
【０１４３】
尚、図１０中破線で示す平行光束は、大きな全反射角で内部全反射をして導光された平行光束ＬＬと小さな全反射角で内部全反射して導光された平行光束ＬＳとの中間の全反射角で内部全反射して導光された平行光束ＬＭを示す。
【０１４４】
一方、第２の反射型体積ホログラムグレーティング７６において、第１の反射型体積ホログラムグレーティング７５から遠い側の位置には、小さな全反射角で内部全反射をして導光された平行光束が主に入射している。
【０１４５】
つまり、第２の反射型体積ホログラムグレーティング７６は、平行光束の入射位置毎に入射される平行光束の入射角がある程度決まることになる。例えば、第２の反射型体積ホログラムグレーティング７６において、第１の反射型ホログラムグレーティング７５のように、ある程度の角度範囲を持って入射される平行光束を、どの位置でも均等に回折反射するような干渉縞を記録した構成とすると、瞳径を拡大する場合には有効であるが、ある程度の大きさの瞳径で固定させた場合には、観察者の瞳１６に入射される光量が少なくなり、非常に暗い表示画像が観察者に提供されてしまうといった問題がある。
【０１４６】
そこで、第２の反射型体積ホログラムグレーティング７６は、平光光束の入射位置に応じて入射される平行光束の入射角が異なることを利用して、入射位置に対応する入射角で入射された平行光束の回折効率が最も高くなるような干渉縞を記録する構成としている。
【０１４７】
例えば、第２の反射型体積ホログラムグレーティング７６は、図１１に示すような干渉縞がそれぞれ記録された、３層のホログラム層７６Ａ，７６Ｂ，７６Ｃを積層して構成されている。この３層のホログラム層７６Ａ，７６Ｂ，７６Ｃは、それぞれ主に赤色光、緑色光、青色光のいずれかを回折反射するように、干渉縞のグレーティングピッチが異なる干渉縞が記録されている。
【０１４８】
続いて、図１２を用いて、図１１で示した第２の反射型体積ホログラムグレーティング７６のホログラム層７６Ｃに記録された干渉縞について詳細に説明をする。なお、ホログラム層７６Ａ，７６Ｂに記録された干渉縞は、ホログラム層７７Ｃに記録された干渉縞と、グレーティングピッチが異なっているだけなので、説明を省略する。図１２に示すホログラム層７６Ｃでは、第１の導光板２２に設置した際に、第１の反射型体積ホログラムグレーティング７５に近くなる側をＲ側とし、逆側をＬ側とする。
【０１４９】
ホログラム層７６ＣのＲ側は、入射角が大きな平行光束に対して、回折効率が大きくなるように、スラント角θＲが小さい干渉縞７６ＲがＲ領域まで記録されている。また、Ｌ側は、入射角が小さな平行光束に対して、回折効率が大きくなるように、スラント角θＬが大きい干渉縞７６ＬがＬ領域まで記録されている。また、Ｒ側と、Ｌ側の間であるＭ領域には、スラント角θＲと、スラント角θＬとの中間の角度のスラント角θＭである干渉縞７６Ｍが記録されている。
【０１５０】
干渉縞７６Ｒ，７６Ｌ，７６Ｍは、それぞれスラント角が異なっているが、ホログラム表面７６ＣＳのグレーティングピッチを必ず全て等しくする。このように、全ての干渉縞のグレーティングピッチを揃えないと、同一波長同一入射角で入射される平行光線は、異なる回折角で回折反射されることになり、このような平行光線が観察者の瞳１６に到達した場合、解像力の劣化した、ぼやけた映像となってしまう。
【０１５１】
ホログラム層７６Ａ，７６Ｂにそれぞれ記録された干渉縞も、ホログラム層７６Ｃに記録された干渉縞と同じように、スラント角の異なる３種類の干渉縞が記録されており、グレーティングピッチだけが、ホログラム層７６Ｃで主に回折反射をする波長帯域とは、異なる波長帯域の平行光束を回折反射するために変更されている。
【０１５２】
図１２に示したホログラム層７６Ｃは、１つのホログラム層に３種類の干渉縞が多重化されて記録されていたが、図１３に示すように、干渉縞７６Ｒ，７６Ｌ，７６Ｍをそれぞれ単独のホログラム層に記録し、それを積層化するようにしても全く同じ効果を得ることができる。
【０１５３】
図１３に示すホログラム層７６Ｃは、ホログラム層７６ＣＲ，７６ＣＬ，７６ＣＭに、それぞれ干渉縞７６Ｒ，７６Ｌ，７６Ｍが単独で記録されており、左右に並べられたホログラム層７６ＣＲと、ホログラム層７６ＣＬの中間位置にホログラム層７６ＣＭが積層されている。
【０１５４】
上述したように、第２の反射型体積ホログラムグレーティング７６を構成する各ホログラム層の領域Ｒ、領域Ｌ、領域Ｍにそれぞれ記録する干渉縞のスラント角を変えることで、入射される平行光束の入射角に応じて回折効率を最大にすることができる。
【０１５５】
また、ここでは、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング７７，７８は、上述した図６及び図７を用いて説明した第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング５７，５８と全く同じ構成とするものとし、詳細な説明は省略する。
【０１５６】
以上のような、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング７５，７６を第１の導光板２２に配置して、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング７７，７８を第２の導光板２３に配置して、この第１及び第２の導光板２２，２３をこれらの導光板よりも屈折率の低い空気層２４を介して積層してなる虚像表示装置は、上述の虚像表示装置１０と同様に、導光板の屈折率に依存する内部全反射条件により制約されていた平行光束の第１の反射型体積ホログラムグレーティングへの入射角度及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングからの回折反射角度の範囲を拡大し、広画角化を実現する。
【０１５７】
尚、上述した第１及び第２の導光板２２，２３のうち少なくとも１つは、複数の透明基板とこの透明基板に挟まれた少なくとも１層のホログラム層にて形成されるように構成してもよい。
【０１５８】
また、上述した第１及び第２の導光板２２，２３のうち少なくとも１つは、複数の透明基板とこの透明基板に挟まれた少なくとも１層のホログラム層と空気層にて形成されるように構成してもよい。
【０１５９】
｛第２の実施の形態｝
図１４に、第２実施の形態として示す虚像表示装置８０を示す。第２の実施の形態として示す虚像表示装置８０は、カラー画像の虚像を表示する。
【０１６０】
虚像表示装置８０は、各画素からそれぞれ赤色、緑色、青色の略同一波長帯域を有する
光束を出射して画像を表示する画像表示素子８１と、画像表示素子８１から出射された光束である表示光を入射して、観察者の瞳１６へと導く虚像光学系とを備えている。
【０１６１】
虚像光学系は、コリメート光学系９１と、第１の導光板９２と、第２の導光板９３と、第１の導光板９２に設けられた第１の反射型体積ホログラムグレーティング９５及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング９６と、第２の導光板９３に設けられた第３の反射型体積ホログラムグレーティング９７及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング９８とを備える。
【０１６２】
コリメート光学系９１は、画像表示素子８１の各画素から射出された光束が入射されて、互いに画角の異なる平行光束群を出射させる光学系である。コリメート光学系９１から射出された、互いに画角の異なる平行光束群は、それぞれ第１の導光板９２に入射される。
【０１６３】
第１及び第２の導光板９２，９３は、この第１及び第２の導光板９２，９３よりも屈折率の低い媒質として空気層９４を介して積層されてなり、画像表示素子８１及びコリメート光学系９１により互いに進行方位の異なる平行光束となされた平行光束群が入射され、内部を全反射により伝播した後、観察者の瞳に向けて射出するように構成されている。また、第１及び第２の導光板９２，９３は、その全反射面が略平行となるように配置されている。
【０１６４】
第１の導光板９２は、コリメート光学系９１から射出された平行光束群を入射する光入射口９２ａを一方端部に有し、他方端部に光を射出する光射出口９２ｂを有する第１の光学面９２ｃと、この第１の光学面９２ｃに対向する第２の光学面９２ｄとを主面とする薄型の平行平板な導光板である。
【０１６５】
第１の導光板９２の第２の光学面９２ｄには、第１の光学面９２ｃの光入射口９２ａと対向する位置に第１の反射型体積ホログラムグレーティング９５が設けられ、第１の光学面９２ｃの光射出口９２ｂと対向する位置に第２の反射型体積ホログラムグレーティング９６が設けられている。
【０１６６】
この第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング９５，９６は、第１の導光板９２の全反射面と平行に配置されている。第１の反射型体積ホログラムグレーティング９５は、平行光束群の入射領域にて平行光束群を平行光束群のまま第１の導光板９２内で内部全反射条件を満たす角度で回折反射させる。第２の反射型体積ホログラムグレーティング９６は、第１の導光板９２内を内部全反射にて伝播する平行光束群の射出領域にて平行光束群を平行光束群のまま第１の導光板９２より射出させる角度で回折反射させる。
【０１６７】
第２の導光板９３は、コリメート光学系９１から射出された平行光束群を入射する光入射口９３ａを一方端部に有し、他方端部に光を射出する光射出口９３ｂを有する第１の光学面９３ｃと、この第３の光学面９３ｃに対向する第４の光学面９３ｄとを主面とする薄型の平行平板な導光板である。
【０１６８】
第２の導光板９３の第４の光学面９３ｄには、第３の光学面９３ｃの光入射口９３ａと対向する位置に第３の反射型体積ホログラムグレーティング９７が設けられ、第３の光学面９３ｃの光射出口９３ｂと対向する位置に第４の反射型体積ホログラムグレーティング９８が設けられている。
【０１６９】
この第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング９７，９８は、第２の導光板９３の全反射面と平行に配置されている。第３の反射型体積ホログラムグレーティング９７は、平行光束群の入射領域にて平行光束群を平行光束群のまま第２の導光板９３内で内部全反射条件を満たす角度で回折反射させる。第４の反射型体積ホログラムグレーティング９８は、第２の導光板９３内を内部全反射にて伝播する平行光束群の射出領域にて平行光束群を平行光束群のまま第２の導光板９３より射出させる角度で回折反射させる。
【０１７０】
第１及び第２の導光板９２，９３の第１乃至第４の反射型体積ホログラムグレーティング９５，９６，９７，９８のうち少なくとも、第１及び第３の反射型体積ホログラムグレーティング９５，９７は、コリメート光学系９１から出射される光束の同一光路上に存在するように配置されている。尚、ここでは、第２及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング９６，９８も、瞳１６に入射する光束の同一光路上に存在するように配置されている。
【０１７１】
ここで、図１５及び図１６に、干渉縞が記録された第１の反射型体積ホログラムグレーティング９５、第２の反射型体積ホログラムグレーティング９６の断面図をそれぞれ示す。
【０１７２】
図１５及び図１６に示すように、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング９５，９６には、それぞれ２層のホログラム層９５Ａ，９５Ｂ、ホログラム層９６Ａ，９６Ｂが積層されて形成されている。この第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング９５，９６を形成する各ホログラム層は、それぞれ主に赤色光、緑色光を回折反射する干渉縞を記録している。例えば、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９５のホログラム層９５Ａには、主に赤色光を回折反射する干渉縞が記録され、ホログラム層９５Ｂには、主に緑色光を回折反射する干渉縞が記録されている。第２の反射型体積ホログラムグレーティング９６も同様である。
【０１７３】
また、各ホログラム層に記録された干渉縞は、上述した第１及び第２の反射型ホログラムグレーティング２５，２６に記録された干渉縞のように、各ホログラム層が回折反射を担う波長帯域の平行光束に対して、回折受容角が広くなるようにするため、スラント角が異なる３種類の干渉縞を、ホログラム表面において、それぞれ同一ピッチとなるように多重化して記録している。
【０１７４】
したがって、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング９５，９６は、それぞれの干渉縞が第２の光学面９２ｄと垂直な平面に対して対称となるように、第１の導光板９２の第２の光学面９２ｄ上に配置されていることになる。
【０１７５】
第１の導光板９２の光入射口９２ａから入射した互いに画角の異なる平行光束群は、上述した第１の反射型体積ホログラムグレーティング９５に入射され、それぞれの平行光束群が平行光束群のまま回折反射される。回折反射された平行光束群は、第１の導光板９２の第１及び第２の光学面９２ｃ，９２ｄの間で全反射を繰り返しながら進行し、上述した第２の反射型体積ホログラムグレーティング９６に入射することになる。
【０１７６】
また、第１の導光板９２の第１の反射型体積ホログラムグレーティング９５は、第１の導光板９２に入射した平行光束のうち赤色及び緑色の波長帯域を有する平行光束を平行光のまま回折反射させるとともに、第１の導光板９２に入射した平行光束のうち、青色の波長帯域を有する平行光束を空気層９４及び第２の導光板９３側に透過させる。
【０１７７】
第１の導光板９２の第２の反射型体積ホログラムグレーティング９６は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９６で回折反射され第１の導光板９２の内部で第１の光学面９２ｃと第２の光学面９２ｄとの間で全反射を繰り返して入射した、赤色及び緑色の波長帯域を有する平行光束を回折反射により全反射条件からはずして光射出口９２ｂから観察者の瞳１６側に射出するとともに、第２の導光板９３の第４の反射型体積ホログラムグレーティング９８により回折反射されて光射出口９３ｂから射出された青色の波長帯域を有する平行光束を透過させて、光射出口９２ｂから観察者の瞳１６側に射出する。
【０１７８】
第１の導光板９２の長手方向の長さ及び第１の光学面９２ｃと第２の光学面９２ｄとの間の厚みは、このときに内部を全反射しながら進行する互いに画角の異なる平行光束群が、各画角によって、第２の反射型体積ホログラムグレーティング９６に到達するまでの全反射回数に違いがでるような光路長となるように、薄型化され、長手方向の長さも十分な長さとなるように設計されている。
【０１７９】
具体的には、第１の導光板９２に入射する平行光束群のうち、第２の反射型体積ホログラムグレーティング９６側へ傾きながら入射する平行光束、つまり入射角が大きな平行光束の反射回数は、それとは、逆に第２の反射型体積ホログラムグレーティング９６側へあまり傾かずに入射する平行光束、つまり入射角が小さな平行光束の反射回数と比較して少なくなる。これは、第１の導光板９２に入射した平行光束群は、それぞれ画角の異なる平行光束となって入射されるためである。つまり、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９５への入射角度も異なることから、それぞれ異なる回折角で射出されることで、各平行光束の全反射角も異なっているため、第１の導光板９２を、薄型化し、長手方向の長さを十分確保することで、全反射する回数に違いが顕著にでることになる。
【０１８０】
第２の反射型体積ホログラムグレーティング９６に入射した各画角の平行光束群は、回折反射されることで全反射条件からはずれ、第１の導光板９２の光射出口９２ｂから射出され、観察者の瞳１６に入射する。
【０１８１】
このように、第２の反射型体積ホログラムグレーティング９６は、記録された干渉縞が、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９５の干渉縞を第１の導光板９２の第１及び第２の光学面９２ｃ，９２ｄに直交する面に対して対称形状となるように、第１の導光板９２の第２の光学面９２ｄ上に設置されている。すなわち、第１及び第２の体積ホログラムグレーティング９５，９６は、その中間に対称面を有している。
【０１８２】
したがって、第２の反射型体積ホログラムグレーティング９６で反射される平行光束群は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９５への入射角と等しい角度で反射されることになるため、表示画像がぼけることなく高い解像度で瞳１６へ表示されることになる。
【０１８３】
次に、図１７及び図１８に、干渉縞が記録された第３の反射型体積ホログラムグレーティング９７、第４の反射型体積ホログラムグレーティング９８の断面図をそれぞれ示す。
【０１８４】
図１７及び図１８に示すように、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング９７，９８には、それぞれホログラム層９７Ｃ、ホログラム層９８Ｃが形成されている。この第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング９７，９８を形成する各ホログラム層は、主に青色光を回折反射する干渉縞を記録している。例えば、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９７のホログラム層９７Ｃには、主に青色光を回折反射する干渉縞が記録されている。第２の反射型体積ホログラムグレーティング９８も同様である。
【０１８５】
また、各ホログラム層に記録された干渉縞は、上述した第３及び第４の反射型ホログラムグレーティング９７，９８に記録された干渉縞のように、各ホログラム層が回折反射を担う波長帯域の平行光束に対して、回折受容角が広くなるようにするため、スラント角が異なる３種類の干渉縞を、ホログラム表面において、それぞれ同一ピッチとなるように多重化して記録している。
【０１８６】
したがって、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング９７，９８は、それぞれの干渉縞が第４の光学面９３ｄと垂直な平面に対して対称となるように、第２の導光板９３の第４の光学面９３ｄ上に配置されていることになる。
【０１８７】
第２の導光板９３の光入射口９３ａから入射した互いに画角の異なる平行光束群は、上述した第３の反射型体積ホログラムグレーティング９７に入射され、それぞれの平行光束群が平行光束群のまま回折反射される。回折反射された平行光束群は、第２の導光板９３の第３及び第４の光学面９３ｃ，９３ｄとの間で全反射を繰り返しながら進行し、上述した第４の反射型体積ホログラムグレーティング９８に入射することになる。
【０１８８】
また、第２の導光板９３の第３の反射型体積ホログラムグレーティング９７は、第１の導光板９２の第１の反射型体積ホログラムグレーティング９５を透過された、青色の波長帯域を有する平行光束を、平行光のまま回折反射する。
【０１８９】
第２の導光板９３の第４の反射型体積ホログラムグレーティング９８は、第３の反射型体積ホログラムグレーティング９８で回折反射され第２の導光板９３の内部で第３の光学面９３ｃと第４の光学面９３ｄとの間で全反射を繰り返して入射した、青色の波長帯域を有する平行光束を回折反射により全反射条件からはずして光射出口９３ｂから第１の導光板９２の第２の反射型体積ホログラムグレーティング９６側に射出する。
【０１９０】
第２の導光板９３の長手方向の長さ及び第３の光学面９３ｃと第４の光学面９３ｄとの間の厚みは、このときに内部を全反射しながら進行する互いに画角の異なる平行光束群が、各画角によって、第４の反射型体積ホログラムグレーティング９８に到達するまでの全反射回数に違いがでるような光路長となるように、薄型化され、長手方向の長さも十分な長さとなるように設計されている。
【０１９１】
具体的には、第２の導光板９３に入射する平行光束群のうち、第４の反射型体積ホログラムグレーティング９８側へ傾きながら入射する平行光束、つまり入射角が大きな平行光束の反射回数は、それとは、逆に第４の反射型体積ホログラムグレーティング９８側へあまり傾かずに入射する平行光束、つまり入射角が小さな平行光束の反射回数と比較して少なくなる。これは、第２の導光板９３に入射した平行光束群は、それぞれ画角の異なる平行光束となって入射されるためである。つまり、第３の反射型体積ホログラムグレーティング９７への入射角度も異なることから、それぞれ異なる回折角で射出されることで、各平行光束の全反射角も異なっているため、第２の導光板９３を、薄型化し、長手方向の長さを十分確保することで、全反射する回数に違いが顕著にでることになる。
【０１９２】
第４の反射型体積ホログラムグレーティング９８に入射した各画角の平行光束群は、回折反射されることで全反射条件からはずれ、第２の導光板９３の光射出口９３ｂから射出され、第１の導光板９２に入射する。
【０１９３】
このように、第４の反射型体積ホログラムグレーティング９８は、記録された干渉縞が、第３の反射型体積ホログラムグレーティング９７の干渉縞を第２の導光板９３の第３及び第４の光学面９３ｃ，９３ｄに直交する面に対して対称形状となるように、第２の導光板９３の第４の光学面９３ｄ上に設置されている。すなわち、第３及び第４の体積ホログラムグレーティング９７，９８は、その中間に対称面を有している。したがって、第４の反射型体積ホログラムグレーティング９８で反射される平行光束群は、第３の反射型体積ホログラムグレーティング９７への入射角と等しい角度で反射されることになるため、表示画像がぼけることなく高い解像度で瞳１６へ表示されることになる。
【０１９４】
この虚像表示装置８０は、レンズ効果のない第１乃至第４の反射型体積ホログラムグレーティング９５，９６，９７，９８を備えることで、単色偏心収差、回折色収差を排除低減することができる。
【０１９５】
以上のように構成された虚像表示装置８０において、画像表示素子８１から出射された光束の光路について説明する。
【０１９６】
図１４に示すように、カラーの画像表示素子８１から出射された、それぞれ赤色、緑色、青色の略同一波長帯域を有する表示光は、コリメート光学系９１を通して画角の異なる平行光とされた後、光入射口９２ａから第１の導光板９２に入射する。
【０１９７】
第１の導光板９２に入射した平行光束のうち赤色と緑色との波長帯域を有する平行光束は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９５に入射し、平行光のまま回折反射され、第１の導光板９２の内部で第１の光学面９２ｃと第２の光学面９２ｄとの間で全反射を繰り返しながら、第１の導光板９２の他端側に設けられた第２の反射型体積ホログラムグレーティング９６に向けて進行する。
【０１９８】
第２の反射型体積ホログラムグレーティング９６に入射した赤色と緑色との波長帯域とを有する平行光は、回折反射により全反射条件からはずれて、第１の導光板９２の光射出口９２ｂから射出され、観察者の瞳１６に入射する。
【０１９９】
一方、第１の導光板９２に入射した平行光束のうち青色の波長帯域を有する平行光束は、第１の導光板９２を経て、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９５では回折反射されずに透過して、第２の光学面９２ｄ側から射出され、空気層９４を通過して、光入射口９３ａから第２の導光板９３に入射する。
【０２００】
第２の導光板９３に入射した平行光束は、第３の反射型体積ホログラムグレーティング９７に入射し、平行光のまま回折反射され、第２の導光板９３内部で第３の光学面９３ｃと第４の光学面９３ｄとの間で全反射を繰り返しながら、第２の導光板９３の他端側に設けられた第４の反射型体積ホログラムグレーティング９８に向けて進行する。
【０２０１】
第４の反射型体積ホログラムグレーティング９８に入射した青色の波長帯域を有する平行光は、回折反射により全反射条件からはずれて、第２の導光板９３の光射出口９３ｂから射出され、空気層９４を通過して第１の導光板９２の第２の反射型体積ホログラムグレーティング９６に入射する。
【０２０２】
ここで、この第２の反射型体積ホログラムグレーティング９６に入射した入射光は、第２の反射型体積ホログラムグレーティング９６では回折反射されずに透過して、第１の導光板９２を透過して、光射出口９２ｂから射出され、観察者の瞳１６に入射する。
【０２０３】
本発明を適用した虚像表示装置８０は、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング９５，９６を第１の導光板９２に配置し、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング９７，９８を第２の導光板９３に配置して、第１及び第２の導光板９２，９３をこれらの導光板９２，９３よりも屈折率の低い空気層９４を介して積層したことにより、導光板の屈折率に依存する内部全反射条件により制約されていた平行光束の第１の反射型体積ホログラムグレーティングへの入射角度及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングからの回折反射角度の範囲を拡大し、広画角化を実現する。
【０２０４】
また、本発明を適用した虚像表示装置８０は、第１及び第３の反射型体積ホログラムグレーティング９５，９７により回折反射され、第１及び第２の導光板９２，９３の内部を内部全反射により伝播する、赤色、緑色、青色の略同一波長帯域の平行光束が、それぞれ第１及び第３の反射型体積ホログラムグレーティング９５，９７とはグレーティングピッチの異なる第２及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング９６，９８により、すなわち、第２及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング９６，９８の対応しない部分の干渉縞により、回折反射されることを防ぐことができ、従って、虚像をカラーで観察するときのゴーストを低減すると共に、さらなる広画角化を実現することができる。
【０２０５】
尚、ここでは、第１乃至第４の反射型体積ホログラムグレーティングとして、図１５乃至図１８に示す上述の第１乃至第４の反射型体積ホログラムグレーティング９５，９６，９７，９８を用いたが、これに限られず、上述にて説明した、図２乃至図９、及び、図１１を用いて説明したいずれの反射型体積ホログラムグレーティングを用いても良い。
【０２０６】
｛第３の実施の形態｝
図１９に、第３実施の形態として示す虚像表示装置１１０を示す。第３の実施の形態として示す虚像表示装置１１０は、カラー画像の虚像を表示する。
【０２０７】
虚像表示装置１１０は、各画素からそれぞれ赤色、緑色、青色の略同一波長帯域を有する光束を出射して画像を表示する画像表示素子８１と、画像表示素子８１から出射された光束である表示光を入射して、観察者の瞳１６へと導く虚像光学系とを備えている。
【０２０８】
虚像光学系は、コリメート光学系１２１と、第１の導光板１２２と、第２の導光板１２３と、第１の導光板１２２に設けられた第１の反射型体積ホログラムグレーティング１２５及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２６と、第２の導光板１２３に設けられた第３の反射型体積ホログラムグレーティング１２７及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２８とを備える。
【０２０９】
コリメート光学系１２１は、画像表示素子８１の各画素から射出された光束が入射されて、互いに画角の異なる平行光束群を出射させる光学系である。コリメート光学系１２１から射出された、互いに画角の異なる平行光束群は、それぞれ第１の導光板１２２に入射される。
【０２１０】
第１及び第２の導光板１２２，１２３は、この第１及び第２の導光板１２２，１２３よりも屈折率の低い媒質として空気層１２４を介して積層されてなり、画像表示素子８１及びコリメート光学系１２１により互いに進行方位の異なる平行光束となされた平行光束群が入射され、内部を全反射により伝播した後、観察者の瞳に向けて射出するように構成されている。また、第１及び第２の導光板１２２，１２３は、その全反射面が略平行となるように配置されている。
【０２１１】
第１の導光板１２２は、コリメート光学系１２１から射出された平行光束群を入射する光入射口１２２ａを一方端部に有し、他方端部に光を射出する光射出口１２２ｂを有する第１の光学面１２２ｃと、この第１の光学面１２２ｃに対向する第２の光学面１２２ｄとを主面とする薄型の平行平板な導光板である。
【０２１２】
第１の導光板１２２の第２の光学面１２２ｄには、第１の光学面１２２ｃの光入射口１２２ａと対向する位置に第１の反射型体積ホログラムグレーティング１２５が設けられ、第１の光学面１２２ｃの光射出口１２２ｂと対向する位置に第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２６が設けられている。
【０２１３】
この第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２５，１２６は、第１の導光板１２２の全反射面と平行に配置されている。第１の反射型体積ホログラムグレーティング１２５は、平行光束群の入射領域にて平行光束群を平行光束群のまま第１の導光板１２２内で内部全反射条件を満たす角度で回折反射させる。第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２６は、第１の導光板１２２内を内部全反射にて伝播する平行光束群の射出領域にて平行光束群を平行光束群のまま第１の導光板１２２より射出させる角度で回折反射させる。
【０２１４】
第２の導光板１２３は、コリメート光学系１２１から射出された平行光束群を入射する光入射口１２３ａを一方端部に有し、他方端部に光を射出する光射出口１２３ｂを有する第１の光学面１２３ｃと、この第３の光学面１２３ｃに対向する第４の光学面１２３ｄとを主面とする薄型の平行平板な導光板である。
【０２１５】
第２の導光板１２３の第４の光学面１２３ｄには、第３の光学面１２３ｃの光入射口１２３ａと対向する位置に第３の反射型体積ホログラムグレーティング１２７が設けられ、第３の光学面１２３ｃの光射出口１２３ｂと対向する位置に第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２８が設けられている。
【０２１６】
この第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２７，１２８は、第２の導光板１２３の全反射面と平行に配置されている。第３の反射型体積ホログラムグレーティング１２７は、平行光束群の入射領域にて平行光束群を平行光束群のまま第２の導光板１２３内で内部全反射条件を満たす角度で回折反射させる。第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２８は、第２の導光板１２３内を内部全反射にて伝播する平行光束群の射出領域にて平行光束群を平行光束群のまま第２の導光板１２３より射出させる角度で回折反射させる。
【０２１７】
また、第１及び第２の導光板１２２，１２３は、その厚みが、瞳１６に近い側に配置される第１の導光板１２２の厚みｔ１が、瞳１６から遠い側に配置される第２の導光板１２３の厚みｔ２より大きくされている。また、それぞれの厚みの関係がｔ１＞ｔ２となるようにされた２つの積層された第１及び第２の導光板１２２，１２３において、同一全反射回数とするため、それぞれに設けられた第２及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２６，１２８の位置をそれぞれの第２及び第４の光学面１２２ｄ，１２３ｄと平行な面内においてずらすように配置されている。すなわち、第１及び第２の導光板１２２，１２３は、第２及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２６，１２８によって回折反射あれる平行光束を、互いに画角を平行としたまま、その位置を変えることができ、観察者１６の虚像観察範囲を広く確保することが可能となる。
【０２１８】
尚、ここで用いられる、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２５，１２６は、それぞれ上述の図４及び図５で説明した第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング４５，４６と同様の構成としたので、詳細な説明は省略する。
【０２１９】
第１の導光板１２２の光入射口１２２ａから入射した互いに画角の異なる平行光束群は、上述した第１の反射型体積ホログラムグレーティング１２５に入射され、それぞれの平行光束群が平行光束群のまま回折反射される。回折反射された平行光束群は、第１の導光板１２２の第１及び第２の光学面１２２ｃ，１２２ｄの間で全反射を繰り返しながら進行し、上述した第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２６に入射することになる。
【０２２０】
また、第１の導光板１２２の第１の反射型体積ホログラムグレーティング１２５は、第１の導光板１２２に入射した平行光束のうち、５０％程度の平行光束を平行光のまま回折反射させるとともに、第１の導光板１２２に入射した平行光束のうち残りの５０％程度の平行光束を空気層１２４及び第２の導光板１２３側に透過させる。
【０２２１】
第１の導光板１２２の第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２６は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１２６で回折反射され第１の導光板１２２の内部で第１の光学面１２２ｃと第２の光学面１２２ｄとの間で全反射を繰り返して入射した平行光束を回折反射により全反射条件からはずして光射出口１２２ｂから観察者の瞳１６側に射出するとともに、第２の導光板１２３の第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２８により回折反射されて光射出口１２３ｂから射出された平行光束を透過させて、光射出口１２２ｂから観察者の瞳１６近傍の第１の領域１１７ａに向けて射出する。
【０２２２】
第１の導光板１２２の長手方向の長さ及び第１の光学面１２２ｃと第２の光学面１２２ｄとの間の厚みは、このときに内部を全反射しながら進行する互いに画角の異なる平行光束群が、各画角によって、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２６に到達するまでの全反射回数に違いがでるような光路長となるように、薄型化され、長手方向の長さも十分な長さとなるように設計されている。
【０２２３】
具体的には、第１の導光板１２２に入射する平行光束群のうち、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２６側へ傾きながら入射する平行光束、つまり入射角が大きな平行光束の反射回数は、それとは、逆に第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２６側へあまり傾かずに入射する平行光束、つまり入射角が小さな平行光束の反射回数と比較して少なくなる。これは、第１の導光板１２２に入射した平行光束群は、それぞれ画角の異なる平行光束となって入射されるためである。つまり、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１２５への入射角度も異なることから、それぞれ異なる回折角で射出されることで、各平行光束の全反射角も異なっているため、第１の導光板１２２を、薄型化し、長手方向の長さを十分確保することで、全反射する回数に違いが顕著にでることになる。
【０２２４】
第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２６に入射した各画角の平行光束群は、回折反射されることで全反射条件からはずれ、第１の導光板１２２の光射出口１２２ｂから射出され、観察者の瞳１６に入射する。
【０２２５】
このように、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２６は、記録された干渉縞が、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１２５の干渉縞を第１の導光板１２２の第１及び第２の光学面１２２ｃ，１２２ｄに直交する面に対して対称形状となるように、第１の導光板１２２の第２の光学面１２２ｄ上に設置されている。すなわち、第１及び第２の体積ホログラムグレーティング１２５，１２６は、その中間に対称面を有している。
【０２２６】
したがって、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２６で反射される平行光束群は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１２５への入射角と等しい角度で反射されることになるため、表示画像がぼけることなく高い解像度で瞳１６へ表示されることになる。
【０２２７】
また、ここで用いられる、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２７，１２８は、それぞれ上述の図４及び図５で説明した第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング４７，４８と同様の構成としたので、詳細な説明は省略する。
【０２２８】
第２の導光板１２３の光入射口１２３ａから入射した互いに画角の異なる平行光束群は、上述した第３の反射型体積ホログラムグレーティング１２７に入射され、それぞれの平行光束群が平行光束群のまま回折反射される。回折反射された平行光束群は、第２の導光板１２３の第３及び第４の光学面１２３ｃ，１２３ｄとの間で全反射を繰り返しながら進行し、上述した第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２８に入射することになる。
【０２２９】
また、第２の導光板１２３の第３の反射型体積ホログラムグレーティング１２７は、第１の導光板１２２の第１の反射型体積ホログラムグレーティング１２５を透過された残りの５０％程度の平行光束を、平行光のまま回折反射する。
【０２３０】
第２の導光板１２３の第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２８は、第３の反射型体積ホログラムグレーティング１２８で回折反射され第２の導光板１２３の内部で第３の光学面１２３ｃと第４の光学面１２３ｄとの間で全反射を繰り返して入射した平行光束を回折反射により全反射条件からはずして光射出口１２３ｂから第１の導光板１２２の第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２６側に射出する。尚、光射出口１２３ｂから第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２６に射出された平行光束は、第１の導光板１２２を透過して、光射出口１２２ｂから観察者の瞳１６近傍の第２の領域１１７ｂに向けて射出される。
【０２３１】
第２の導光板１２３の長手方向の長さ及び第３の光学面１２３ｃと第４の光学面１２３ｄとの間の厚みは、このときに内部を全反射しながら進行する互いに画角の異なる平行光束群が、各画角によって、第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２８に到達するまでの全反射回数に違いがでるような光路長となるように、薄型化され、長手方向の長さも十分な長さとなるように設計されている。
【０２３２】
具体的には、第２の導光板１２３に入射する平行光束群のうち、第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２８側へ傾きながら入射する平行光束、つまり入射角が大きな平行光束の反射回数は、それとは、逆に第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２８側へあまり傾かずに入射する平行光束、つまり入射角が小さな平行光束の反射回数と比較して少なくなる。これは、第２の導光板１２３に入射した平行光束群は、それぞれ画角の異なる平行光束となって入射されるためである。つまり、第３の反射型体積ホログラムグレーティング１２７への入射角度も異なることから、それぞれ異なる回折角で射出されることで、各平行光束の全反射角も異なっているため、第２の導光板１２３を、薄型化し、長手方向の長さを十分確保することで、全反射する回数に違いが顕著にでることになる。
【０２３３】
第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２８に入射した各画角の平行光束群は、回折反射されることで全反射条件からはずれ、第２の導光板１２３の光射出口１２３ｂから射出され、第１の導光板１２２に入射する。
【０２３４】
このように、第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２８は、記録された干渉縞が、第３の反射型体積ホログラムグレーティング１２７の干渉縞を第２の導光板１２３の第３及び第４の光学面１２３ｃ，１２３ｄに直交する面に対して対称形状となるように、第２の導光板１２３の第４の光学面１２３ｄ上に設置されている。すなわち、第３及び第４の体積ホログラムグレーティング１２７，１２８は、その中間に対称面を有している。したがって、第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２８で反射される平行光束群は、第３の反射型体積ホログラムグレーティング１２７への入射角と等しい角度で反射されることになるため、表示画像がぼけることなく高い解像度で瞳１６へ表示されることになる。
【０２３５】
この虚像表示装置１１０は、レンズ効果のない第１乃至第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２５，１２６，１２７，１２８を備えることで、単色偏心収差、回折色収差を排除低減することができる。
【０２３６】
以上のように構成された虚像表示装置１１０において、画像表示素子８１から出射された光束の光路について説明する。
【０２３７】
図１９に示すように、画像表示素子８１から出射された表示光は、コリメート光学系１２１を通して画角の異なる平行光とされた後、光入射口１２２ａから第１の導光板１２２に入射する。
【０２３８】
第１の導光板１２２に入射した平行光束のうち５０％程度の平行光束は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１２５で平行光のまま回折反射され、第１の導光板１２２の内部で第１の光学面１２２ｃと第２の光学面１２２ｄとの間で全反射を繰り返しながら、第１の導光板１２２の他端側に設けられた第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２６に向けて進行する。
【０２３９】
第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２６に入射した平行光は、回折反射により全反射条件からはずれて、第１の導光板１２２の光射出口１２２ｂから射出され、観察者の瞳１６近傍の第１の領域１１７ａに到達する。
【０２４０】
一方、第１の導光板１２２に入射した平行光束のうち残りの５０％程度の平行光束は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１２５を透過し、第２の光学面１２２ｄ側から射出され、空気層１２４を通過して、光入射口１２３ａから第２の導光板１２３に入射する。
【０２４１】
第２の導光板１２３に入射した平行光束は、第３の反射型体積ホログラムグレーティング１２７に入射し、平行光のままその大部分が回折反射され、第２の導光板１２３内部で第３の光学面１２３ｃと第４の光学面１２３ｄとの間で全反射を繰り返しながら、第２の導光板１２３の他端側に設けられた第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２８に向けて進行する。
【０２４２】
第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２８に入射した平行光束は、回折反射により全反射条件からはずれて、第２の導光板１２３の光射出口１２３ｂから射出され、空気層１２４を通過して第１の導光板１２２の第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２６に回折反射されることなく透過し、第１の導光板１２２を透過して、光射出口１２２ｂから射出され、観察者の瞳１６近傍の第２の領域１１７ｂに到達する。
【０２４３】
このとき、本実施の形態の場合、２つの積層された第１及び第２の導光板１２２，１２３の厚みｔ１，ｔ２をｔ１＞ｔ２とすること、すなわち、瞳に近い側に配置される第１の導光板２２の厚みｔ１が第２の導光板２３の厚みより大きくすることで、同一全反射回数とするため、それぞれに設けられた第２及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２６，１２８の位置をそれぞれの光学面と平行な面内において、ずらすように配置していることから、第２及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２６，１２８によって回折反射された平行光束は、互いに対応する画角が平行であるが、その位置が異ならせることができ、従って、観察者の虚像観察範囲を第１の領域１１７ａから第２の領域１１７ｂまで広く確保することができる。
【０２４４】
本発明を適用した虚像表示装置１１０は、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング１２５，１２６を第１の導光板１２２に配置し、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２７，１２８を第２の導光板１２３に配置して、第１及び第２の導光板１２２，１２３をこれらの導光板１２２，１２３よりも屈折率の低い空気層１２４を介して積層したことにより、導光板の屈折率に依存する内部全反射条件により制約されていた平行光束の第１の反射型体積ホログラムグレーティングへの入射角度及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングからの回折反射角度の範囲を拡大し、広画角化を実現する。
【０２４５】
また、本発明を適用した虚像表示装置１１０は、第１及び第３の反射型体積ホログラムグレーティング１２５，１２７により回折反射され、第１及び第２の導光板１２２，１２３の内部を内部全反射により伝播する、赤色、緑色、青色の略同一波長帯域の平行光束が、それぞれ第１及び第３の反射型体積ホログラムグレーティング１２５，１２７とはグレーティングピッチの異なる第２及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２６，１２８により、すなわち、第２及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２６，１２８の対応しない部分の干渉縞により、回折反射されることを防ぐことができ、従って、虚像をカラーで観察するときのゴーストを低減すると共に、さらなる広画角化を実現することができる。
【０２４６】
尚、ここでは、第１乃至第４の反射型体積ホログラムグレーティングとして、上述の第１乃至第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２５，１２６，１２７，１２８を用いたが、これに限られず、上述にて説明した、図２乃至図９、及び、図１１を用いて説明したいずれの反射型体積ホログラムグレーティングを用いても良い。
【０２４７】
｛第４の実施の形態｝
図２０に、第４の実施の形態として示す虚像表示装置１４０を示す。第４の実施の形態として示す虚像表示装置１４０は、カラー画像の虚像を表示する。なお、図２０に示す本実施の形態では、中心画角光線のみを図示している。
【０２４８】
虚像表示装置１４０は、照明光学系１５０と、照明光学系１５０からの照明光を空間変調する空間変調素子１４１と、空間変調素子１４１で空間変調された照明光を入射して、観察者の瞳１６へと導く虚像光学系とを備えている。
【０２４９】
照明光学系１５０は、赤色光である光束を射出するレーザ光源１５１Ｒと、緑色光である光束を射出するレーザ光源１５１Ｇと、青色光である光束を射出するレーザ光源１５１Ｂと、３つのレーザ光源１５１Ｒ，１５１Ｇ，１５１Ｂから射出する光束を合成する色合成手段として色合成プリズム１５２と、カップリング光学系１５３と、スペックル低減手段１５４と、光ファイバ１５５と、コンデンサレンズ１５６とを備えている。
【０２５０】
レーザ光源１５１Ｒ，１５１Ｇ，１５１Ｂから射出された赤色光、緑色光、青色光は、クロスプリズムである色合成プリズム１５２によって白色光へと混色され、スペックル低減手段１５４を介し、カップリング光学系１５３によって光ファイバ１５５内に取り込まれる。光ファイバ１５５内を伝送され射出された白色光は、コンデンサレンズ１５６を介して、空間変調素子１４１を照明する。
【０２５１】
空間変調素子１４１は、例えば、透過型の液晶ディスプレイなどであり、入射された照明光を画素毎に空間変調することになる。この空間変調された照明光は、虚像光学系へ入射される。
【０２５２】
空間変調素子１４１は、入射された照明光を画素毎に変調することで、後述する虚像光学系の導光板の入射面の面内において、平行光を走査する走査光学系として機能する。
【０２５３】
虚像光学系は、コリメート光学系１６１と、第１の導光板１６２と、第２の導光板１６３と、第１の導光板１６２に設けられた第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６５及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング１６６と、第２の導光板１６３に設けられた第３の反射型体積ホログラムグレーティング１６７及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング１６８とを備える。
【０２５４】
コリメート光学系１６１は、空間変調素子１４１で空間変調された照明光を入射して、互いに画角の異なる平行光束群とする光学系である。コリメート光学系１６１から射出された平行光束群は、それぞれ第１の導光板１６２に入射される。
【０２５５】
第１及び第２の導光板１６２，１６３は、この第１及び第２の導光板１６２，１６３よりも屈折率の低い媒質として空気層１６４を介して積層されてなり、空間変調素子１４１及びコリメート光学系１６１により互いに進行方位の異なる平行光束となされた平行光束群が入射され、内部を全反射により伝播した後、観察者の瞳に向けて射出するように構成されている。また、第１及び第２の導光板１６２，１６３は、その全反射面が略平行となるように配置されている。
【０２５６】
第１の導光板１６２は、コリメート光学系１６１から射出された平行光束群を入射する光入射口１６２ａを一方端部に有し、他方端部に光を射出する光射出口１６２ｂを有する第１の光学面１６２ｃと、この第１の光学面１６２ｃに対向する第２の光学面１６２ｄとを主面とする薄型の平行平板な導光板である。
【０２５７】
第１の導光板１６２の第２の光学面１６２ｄには、第１の光学面１６２ｃの光入射口１６２ａと対向する位置に第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６５が設けられ、第１の光学面１６２ｃの光射出口１６２ｂと対向する位置に第２の反射型体積ホログラムグレーティング１６６が設けられている。
【０２５８】
この第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング１６５，１６６は、第１の導光板１６２の全反射面と平行に配置されている。第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６５は、平行光束群の入射領域にて平行光束群を平行光束群のまま第１の導光板１６２内で内部全反射条件を満たす角度で回折反射させる。第２の反射型体積ホログラムグレーティング１６６は、第１の導光板１６２内を内部全反射にて伝播する平行光束群の射出領域にて平行光束群を平行光束群のまま第１の導光板１６２より射出させる角度で回折反射させる。
【０２５９】
第２の導光板１６３は、コリメート光学系１６１から射出された平行光束群を入射する光入射口１６３ａを一方端部に有し、他方端部に光を射出する光射出口１６３ｂを有する第３の光学面１６３ｃと、この第３の光学面１６３ｃに対向する第４の光学面１６３ｄとを主面とする薄型の平行平板な導光板である。
【０２６０】
第２の導光板１６３の第４の光学面１６３ｄには、第３の光学面１６３ｃの光入射口１６３ａと対向する位置に第３の反射型体積ホログラムグレーティング１６７が設けられ、第３の光学面１６３ｃの光射出口１６３ｂと対向する位置に第４の反射型体積ホログラムグレーティング１６８が設けられている。
【０２６１】
この第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング１６７，１６８は、第２の導光板１６３の全反射面と平行に配置されている。第３の反射型体積ホログラムグレーティング１６７は、平行光束群の入射領域にて平行光束群を平行光束群のまま第２の導光板１６３内で内部全反射条件を満たす角度で回折反射させる。第４の反射型体積ホログラムグレーティング１６８は、第２の導光板１６３内を内部全反射にて伝播する平行光束群の射出領域にて平行光束群を平行光束群のまま第２の導光板１６３より射出させる角度で回折反射させる。
【０２６２】
尚、ここで用いられる、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング１６５，１６６は、それぞれ上述の図６及び図７で説明した第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング５５，５６と同様の構成としたので、詳細な説明は省略する。
【０２６３】
第１の導光板１６２の光入射口１６２ａから入射した互いに画角の異なる平行光束群は、上述した第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６５に入射され、それぞれの平行光束群が平行光束群のまま回折反射される。回折反射された平行光束群は、第１の導光板１６２の第１及び第２の光学面１６２ｃ，１６２ｄの間で全反射を繰り返しながら進行し、上述した第２の反射型体積ホログラムグレーティング１６６に入射することになる。
【０２６４】
また、第１の導光板１６２の第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６５は、第１の導光板１６２に入射した平行光束のうち５０％程度の平行光束を平行光のまま回折反射させるとともに、第１の導光板１６２に入射した平行光束のうち残りの５０％程度の平行光束を空気層１６４及び第２の導光板１６３側に透過させる。
【０２６５】
第１の導光板１６２の第２の反射型体積ホログラムグレーティング１６６は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６６で回折反射され第１の導光板１６２の内部で第１の光学面１６２ｃと第２の光学面１６２ｄとの間で全反射を繰り返して入射した平行光束を回折反射により全反射条件からはずして光射出口１６２ｂから観察者の瞳１６側に射出するとともに、第２の導光板１６３の第４の反射型体積ホログラムグレーティング１６８により回折反射されて光射出口１６３ｂから射出された平行光束を透過させて、光射出口１６２ｂから観察者の瞳１６に向けて射出する。
【０２６６】
第１の導光板１６２の長手方向の長さ及び第１の光学面１６２ｃと第２の光学面１６２ｄとの間の厚みは、このときに内部を全反射しながら進行する互いに画角の異なる平行光束群が、各画角によって、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１６６に到達するまでの全反射回数に違いがでるような光路長となるように、薄型化され、長手方向の長さも十分な長さとなるように設計されている。
【０２６７】
具体的には、第１の導光板１６２に入射する平行光束群のうち、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１６６側へ傾きながら入射する平行光束、つまり入射角が大きな平行光束の反射回数は、それとは、逆に第２の反射型体積ホログラムグレーティング１６６側へあまり傾かずに入射する平行光束、つまり入射角が小さな平行光束の反射回数と比較して少なくなる。これは、第１の導光板１６２に入射した平行光束群は、それぞれ画角の異なる平行光束となって入射されるためである。つまり、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６５への入射角度も異なることから、それぞれ異なる回折角で射出されることで、各平行光束の全反射角も異なっているため、第１の導光板１６２を、薄型化し、長手方向の長さを十分確保することで、全反射する回数に違いが顕著にでることになる。
【０２６８】
第２の反射型体積ホログラムグレーティング１６６に入射した各画角の平行光束群は、回折反射されることで全反射条件からはずれ、第１の導光板１６２の光射出口１６２ｂから射出され、観察者の瞳１６に入射する。
【０２６９】
このように、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１６６は、記録された干渉縞が、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６５の干渉縞を第１の導光板１６２の第１及び第２の光学面１６２ｃ，１６２ｄに直交する面に対して対称形状となるように、第１の導光板１６２の第２の光学面１６２ｄ上に設置されている。すなわち、第１及び第２の体積ホログラムグレーティング１６５，１６６は、その中間に対称面を有している。
【０２７０】
したがって、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１６６で反射される平行光束群は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６５への入射角と等しい角度で反射されることになるため、表示画像がぼけることなく高い解像度で瞳１６へ表示されることになる。
【０２７１】
また、ここで用いられる、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング１６７，１６８は、それぞれ上述の図６及び図７で説明した第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング５７，５８と同様の構成としたので、詳細な説明は省略する。
【０２７２】
第２の導光板１６３の光入射口１６３ａから入射した互いに画角の異なる平行光束群は、上述した第３の反射型体積ホログラムグレーティング１６７に入射され、それぞれの平行光束群が平行光束群のまま回折反射される。回折反射された平行光束群は、第２の導光板１６３の第３及び第４の光学面１６３ｃ，１６３ｄとの間で全反射を繰り返しながら進行し、上述した第４の反射型体積ホログラムグレーティング１６８に入射することになる。
【０２７３】
また、第２の導光板１６３の第３の反射型体積ホログラムグレーティング１６７は、第１の導光板１６２の第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６５を透過された残りの５０％程度の平行光束を、平行光のまま回折反射する。
【０２７４】
第２の導光板１６３の第４の反射型体積ホログラムグレーティング１６８は、第３の反射型体積ホログラムグレーティング１６７で回折反射され第２の導光板１６３の内部で第３の光学面１６３ｃと第４の光学面１６３ｄとの間で全反射を繰り返して入射した平行光束を回折反射により全反射条件からはずして光射出口１６３ｂから第１の導光板１６２の第２の反射型体積ホログラムグレーティング１６６側に射出する。尚、光射出口１６３ｂから第２の反射型体積ホログラムグレーティング１６６に射出された平行光束は、第１の導光板１６２を透過して、光射出口１６２ｂから観察者の瞳１６に向けて射出される。
【０２７５】
第２の導光板１６３の長手方向の長さ及び第３の光学面１６３ｃと第４の光学面１６３ｄとの間の厚みは、このときに内部を全反射しながら進行する互いに画角の異なる平行光束群が、各画角によって、第４の反射型体積ホログラムグレーティング１６８に到達するまでの全反射回数に違いがでるような光路長となるように、薄型化され、長手方向の長さも十分な長さとなるように設計されている。
【０２７６】
具体的には、第２の導光板１６３に入射する平行光束群のうち、第４の反射型体積ホログラムグレーティング１６８側へ傾きながら入射する平行光束、つまり入射角が大きな平行光束の反射回数は、それとは、逆に第４の反射型体積ホログラムグレーティング１６８側へあまり傾かずに入射する平行光束、つまり入射角が小さな平行光束の反射回数と比較して少なくなる。これは、第２の導光板１６３に入射した平行光束群は、それぞれ画角の異なる平行光束となって入射されるためである。つまり、第３の反射型体積ホログラムグレーティング１６７への入射角度も異なることから、それぞれ異なる回折角で射出されることで、各平行光束の全反射角も異なっているため、第２の導光板１６３を、薄型化し、長手方向の長さを十分確保することで、全反射する回数に違いが顕著にでることになる。
【０２７７】
第４の反射型体積ホログラムグレーティング１６８に入射した各画角の平行光束群は、回折反射されることで全反射条件からはずれ、第２の導光板１６３の光射出口１６３ｂから射出され、第１の導光板１６２に入射する。
【０２７８】
このように、第４の反射型体積ホログラムグレーティング１６８は、記録された干渉縞が、第３の反射型体積ホログラムグレーティング１６７の干渉縞を第２の導光板１６３の第３及び第４の光学面１６３ｃ，１６３ｄに直交する面に対して対称形状となるように、第２の導光板１６３の第４の光学面１６３ｄ上に設置されている。すなわち、第３及び第４の体積ホログラムグレーティング１６７，１６８は、その中間に対称面を有している。したがって、第４の反射型体積ホログラムグレーティング１６８で反射される平行光束群は、第３の反射型体積ホログラムグレーティング１６７への入射角と等しい角度で反射されることになるため、表示画像がぼけることなく高い解像度で瞳１６へ表示されることになる。
【０２７９】
この虚像表示装置１１０は、レンズ効果のない第１乃至第４の反射型体積ホログラムグレーティング１２５，１２６，１２７，１２８を備えることで、単色偏心収差、回折色収差を排除低減することができる。
【０２８０】
以上のように構成された虚像表示装置１４０において、空間変調素子１４１から出射された光束の光路について説明する。
【０２８１】
図２０に示すように、空間変調素子１４１から出射された表示光は、コリメート光学系１６１を通して画角の異なる平行光とされた後、光入射口１６２ａから第１の導光板１６２に入射する。
【０２８２】
第１の導光板１６２に入射した平行光束のうち５０％程度の平行光束は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６５で平行光のまま回折反射され、第１の導光板１６２の内部で第１の光学面１６２ｃと第２の光学面１６２ｄとの間で全反射を繰り返しながら、第１の導光板１６２の他端側に設けられた第２の反射型体積ホログラムグレーティング１６６に向けて進行する。
【０２８３】
第２の反射型体積ホログラムグレーティング１６６に入射した平行光は、回折反射により全反射条件からはずれて、第１の導光板１６２の光射出口１６２ｂから射出され、観察者の瞳１６に入射する。
【０２８４】
一方、第１の導光板１６２に入射した平行光束のうち残りの５０％程度の平行光束は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６５を透過し、第２の光学面１６２ｄ側から射出され、空気層１６４を通過して、光入射口１６３ａから第２の導光板１６３に入射する。
【０２８５】
第２の導光板１６３に入射した平行光束は、第３の反射型体積ホログラムグレーティング１６７に入射し、平行光のままその大部分が回折反射され、第２の導光板１６３内部で第３の光学面１６３ｃと第４の光学面１６３ｄとの間で全反射を繰り返しながら、第２の導光板１６３の他端側に設けられた第４の反射型体積ホログラムグレーティング１６８に向けて進行する。
【０２８６】
第４の反射型体積ホログラムグレーティング１６８に入射した平行光束は、回折反射により全反射条件からはずれて、第２の導光板１６３の光射出口１６３ｂから射出され、空気層１６４を通過して第１の導光板１６２の第２の反射型体積ホログラムグレーティング１６６を回折反射されることなく透過し、第１の導光板１６２を透過して、光射出口１６２ｂから射出され、観察者の瞳１６に入射する。
【０２８７】
本発明を適用した虚像表示装置１４０は、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング１６５，１６７を第１の導光板１６２に配置し、第３及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング１６６，１６８を第２の導光板１６３に配置して、第１及び第２の導光板１６２，１６３をこれらの導光板１６２，１６３よりも屈折率の低い空気層１６４を介して積層したことにより、導光板の屈折率に依存する内部全反射条件により制約されていた平行光束の第１の反射型体積ホログラムグレーティングへの入射角度及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングからの回折反射角度の範囲を拡大し、広画角化を実現する。
【０２８８】
また、本発明を適用した虚像表示装置１４０は、第１及び第３の反射型体積ホログラムグレーティング１６５，１６７により回折反射され、第１及び第２の導光板１６２，１６３の内部を内部全反射により伝播する、赤色、緑色、青色の略同一波長帯域の平行光束が、それぞれ第１及び第３の反射型体積ホログラムグレーティング１６５，１６７とは、グレーティングピッチの異なる第２及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング１６６，１６８により、すなわち、第２及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング１６６，１６８の対応しない部分の干渉縞により、回折反射されることを防ぐことができ、従って、虚像をカラーで観察するときのゴーストを低減すると共に、さらなる広画角化を実現することができる。
【０２８９】
尚、ここでは、第１乃至第４の反射型体積ホログラムグレーティングとして、上述の第１乃至第４の反射型体積ホログラムグレーティング１６５，１６６，１６７，１６８を用いたが、これに限られず、上述にて説明した、図２乃至図９、及び、図１１を用いて説明したいずれの反射型体積ホログラムグレーティングを用いても良い。
【０２９０】
｛第５の実施の形態｝
図２１に、第５の実施の形態として示す虚像表示装置１７０を示す。第５の実施の形態として示す虚像表示装置１７０は、カラー画像の虚像を表示する。なお、図２１に示す本実施の形態では、中心画角光線のみを図示している。
また、本実施の形態の説明において、上述した第４の実施の形態の虚像表示装置１４０と共通する部分については、共通の符号を付して詳細な説明は省略する。
【０２９１】
虚像表示装置１７０は、照明光学系１８０と、照明光学系１８０から照明された照明光を入射して、観察者の瞳１６へと導く虚像光学系とを備えている。
【０２９２】
照明光学系１８０は、赤色光を射出するＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源１８１Ｒと、緑色光を射出するＬＥＤ光源１８１Ｇと、青色光を射出するＬＥＤ光源１８１Ｂと、色合成プリズム１８２とを備えている。
【０２９３】
ＬＥＤ光源１８１Ｒ，１８１Ｇ，１８１Ｂから射出された赤色光、緑色光、青色光は、クロスプリズムである色合成プリズム１８２によって白色光へと混色され、虚像光学系へ射出される。
【０２９４】
虚像表示装置１７０は、照明光学系１８０と、照明光学系１８０から照明された照明光を入射して観察者の瞳１６へと導く虚像光学系とを備えている。
【０２９５】
虚像光学系は、照明光学系１８０から照射された照明光を平行光束とするコリメート光学系１６１と、コリメート光学系１６１から射出された平行光束を反射する反射ミラー１７３と、反射ミラー１７３で反射された平行光束を空間変調するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラー１７１と、ＭＥＭＳミラー１７１で空間変調された照明光が入射される第１の導光板１６２と、第２の導光板１６３と、第１の導光板１６２に設けられた第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６５及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング１６６と、第２の導光板１６３に設けられた第３の反射型体積ホログラムグレーティング１６７及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング１６８とを備える。
【０２９６】
このＭＥＭＳミラー１７１は、平行光束を水平走査及び垂直走査することで、互いに進行方位の異なる平行光束群とする走査光学系として機能する。
【０２９７】
照明光学系１８０から射出された白色光は、虚像光学系への照明光としてコリメート光学系１６１へ射出され、平行光束とされて反射ミラー１７３に射出される。
【０２９８】
反射ミラー１７３は、固定的に設置されており、コリメート光学系１６１から射出された平行光束を、ＭＥＭＳミラー１７１に射出する。
【０２９９】
ＭＥＭＳミラー１７１は、半導体製造技術を用いて作成された機能素子であり、入射された平行光束を空間変調する空間変調素子である。ＭＥＭＳミラー１７１は、２次元方向に自在に可動し、紙面に垂直な方向、紙面に平行な方向へ平行光を走査するように入射された平行光束を反射することで空間変調を行い、画像を形成する。ＭＥＭＳミラー１７１は、図示しないマイクロコンピュータによって、表示させる画像に応じて駆動制御されることになる。
【０３００】
ＭＥＭＳミラー１７１に射出された平行光束は、平行光束のまま、紙面に垂直な方向、紙面に平行な方向に走査されながら、互いに進行方位の異なる平行光束群として第１の導光板１６２に向けて反射される。
【０３０１】
ここで、第１及び第２の導光板１６２、１６３の構成及び、この第１及び第２の導光板１６２，１６３に設けられる第１乃至第４の反射型体積ホログラムグレーティング１６５，１６６，１６７，１６８の構成は、上述の第４の実施の形態と同様であるので、詳細な説明を省略する。
【０３０２】
以上のように構成された虚像表示装置１７０におけるＭＥＭＳミラー１７１を出射した光束の光路については、上述した虚像表示装置１４０の空間変調素子１４１からコリメート光学系１６１を通過した後の光束の光路と同様であるので、詳細な説明を省略する。
【０３０３】
本発明を適用した虚像表示装置１７０は、虚像表示装置１４０と同様に、導光板の屈折率に依存する内部全反射条件により制約されていた平行光束の第１の反射型体積ホログラムグレーティングへの入射角度及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングからの回折反射角度の範囲を拡大し、広画角化を実現し、また、虚像をカラーで観察するときのゴーストを低減すると共に、さらなる広画角化を実現することができる。
【０３０４】
｛第６の実施の形態｝
図２２に、第６の実施の形態として示す虚像表示装置１９０を示す。第６の実施の形態として示す虚像表示装置１９０は、カラー画像の虚像を表示する。なお、図２２に示す本実施の形態では、中心画角光線のみを図示している。また、本実施の形態の説明において、上述した第４の実施の形態の虚像表示装置１４０及び第５の実施の形態の虚像表示装置１７０と共通する部分については、共通の符号を付して詳細な説明は省略する。
【０３０５】
虚像表示装置１９０は、照明光学系１８０と、照明光学系１８０から照射された照明光を入射して、観察者の瞳１６へと導く虚像光学系とを備えている。
【０３０６】
虚像光学系は、照明光学系１８０から照射された照明光を平行光束とするコリメート光学系１６１と、コリメート光学系１６１から射出された平行光束を空間変調する回転ミラー１９１Ａ，１９１Ｂと、回転ミラー１９１Ａ，１９１Ｂで空間変調された照明光が入射される第１の導光板１６２と、第２の導光板１６３と、第１の導光板１６２に設けられた第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６５及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング１６６と、第２の導光板１６３に設けられた第３の反射型体積ホログラムグレーティング１６７及び第４の反射型体積ホログラムグレーティング１６８とを備える。
【０３０７】
この回転ミラー１９１Ａ，１９１Ｂは、平行光束を水平走査及び垂直走査することで、互いに進行方位の異なる平行光束群とする走査光学系として機能する。
【０３０８】
照明光学系１８０から射出された白色光は、虚像光学系への照明光としてコリメート光学系１６１へ射出され、平行光束とされて回転ミラー１９１Ａに射出する。
【０３０９】
回転ミラー１９１Ａ，１９１Ｂは、コリメート光学系１６１から射出された平行光束を空間変調する空間変調器として機能する。図２２に示すように、回転ミラー１９１Ａは、紙面に平行な回転軸Ａを回転中心とする矢印Ａ１方向に回転する。また、回転ミラー１９１Ｂは、回転軸Ａに直交し、紙面に垂直な回転軸Ｂを回転中心とする矢印Ｂ１方向に回転する。回転ミラー１９１Ａ，１９１Ｂは、図示しないマイクロコンピュータによって、表示させる画像に応じて回転が制御されることになる。
【０３１０】
コリメート光学系１６１から回転ミラー１９１Ａに射出された平行光束は、回転ミラー１９１Ａによって、平行光のまま紙面に垂直な方向に走査されながら、回転ミラー１９１Ｂに向けて反射される。回転ミラー１９１Ｂに入射した平行光束は、回転ミラー１９１Ｂによって、平行光のまま紙面に平行な方向に走査されながら、互いに進行方位の異なる平行光束群として第１の導光板１６２に向けて反射される。
【０３１１】
ここで、第１及び第２の導光板１６２、１６３の構成及び、この第１及び第２の導光板１６２，１６３に設けられる第１乃至第４の反射型体積ホログラムグレーティング１６５，１６６，１６７，１６８の構成は、上述の第４の実施の形態と同様であるので、詳細な説明を省略する。
【０３１２】
以上のように構成された虚像表示装置１９０における回転ミラー１９１Ｂを出射した光束の光路については、上述した虚像表示装置１４０の空間変調素子１４１からコリメート光学系１６１を通過した後の光束の光路と同様であるので、詳細な説明を省略する。
【０３１３】
本発明を適用した虚像表示装置１９０は、虚像表示装置１４０と同様に、導光板の屈折率に依存する内部全反射条件により制約されていた平行光束の第１の反射型体積ホログラムグレーティングへの入射角度及び第２の反射型体積ホログラムグレーティングからの回折反射角度の範囲を拡大し、広画角化を実現し、また、虚像をカラーで観察するときのゴーストを低減すると共に、さらなる広画角化を実現することができる。
【０３１４】
尚、上述の虚像表示装置１０，８０，１１０，１４０，１７０，１９０において、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２５，４５，５５，７５，９５，１２５，１６５と、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２６，４６，５６，７６，９６，１２６，１６６とを有する第１の導光板と、第３の反射型体積ホログラムグレーティング２７，４７，５７，７７，９７，１２７，１６７と、第４の反射型体積ホログラムグレーティング２８，４８，５８，７８，９８，１２８，１６８とを有する第２の導光板とを、これらの導光板よりも屈折率の低い媒質を介して積層することにより、表示画像光を観察者の瞳へと導光する薄型の光学装置を構成する。
【０３１５】
以上のように構成された本発明を適用した光学装置及び虚像表示装置は、入射側に設けられた反射型体積ホログラムグレーティングへの入射角度及び射出側に設けられた反射型体積ホログラムグレーティングからの回折反射角度の幅を広げ、広画角化を実現し、また、虚像をカラーで観察するときのゴーストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０３１６】
【図１】本発明を適用した虚像表示装置を示す断面図である。
【図２】本発明を適用した虚像表示装置及び光学装置を構成する第１及び第３の反射型体積ホログラムグレーティングを示す断面図である。
【図３】本発明を適用した虚像表示装置及び光学装置を構成する第２及び第４の反射型体積ホログラムグレーティングを示す断面図である。
【図４】本発明を適用した虚像表示装置及び光学装置を構成する第１及び第３の反射型体積ホログラムグレーティングの他の例を示す断面図である。
【図５】本発明を適用した虚像表示装置及び光学装置を構成する第２及び第４の反射型体積ホログラムグレーティングの他の例を示す断面図である。
【図６】本発明を適用した虚像表示装置及び光学装置を構成する第１及び第３の反射型体積ホログラムグレーティングの更に他の例を示す断面図である。
【図７】本発明を適用した虚像表示装置及び光学装置を構成する第２及び第４の反射型体積ホログラムグレーティングの更に他の例を示す断面図である。
【図８】本発明を適用した虚像表示装置及び光学装置を構成する第１及び第３の反射型体積ホログラムグレーティングの更に他の例を示す断面図である。
【図９】本発明を適用した虚像表示装置及び光学装置を構成する第２及び第４の反射型体積ホログラムグレーティングの更に他の例を示す断面図である。
【図１０】本発明を適用した虚像表示装置及び光学装置を構成する第２の反射型体積ホログラムグレーティングの更に他の例において、回折反射の状態を示す断面図である。
【図１１】本発明を適用した虚像表示装置及び光学装置を構成する第２の反射型体積ホログラムグレーティングの更に他の例を示す断面図である。
【図１２】図１１に示す第２の反射型体積ホログラムグレーティングを構成するホログラム層の一つを示す断面図である。
【図１３】図１１に示す第２の反射型体積ホログラムグレーティングを構成するホログラム層の他の例を示す断面図である。
【図１４】本発明を適用した虚像表示装置の他の例を示す断面図である。
【図１５】図１４に示す虚像表示装置を構成する第１の反射型体積ホログラムグレーティングを示す断面図である。
【図１６】図１４に示す虚像表示装置を構成する第２の反射型体積ホログラムグレーティングを示す断面図である。
【図１７】図１４に示す虚像表示装置を構成する第３の反射型体積ホログラムグレーティングを示す断面図である。
【図１８】図１４に示す虚像表示装置を構成する第４の反射型体積ホログラムグレーティングを示す断面図である。
【図１９】本発明を適用した虚像表示装置の更に他の例を示す断面図である。
【図２０】第４の実施の形態の虚像表示装置を示す断面図である。
【図２１】第５の実施の形態の虚像表示装置を示す断面図である。
【図２２】第６の実施の形態の虚像表示装置を示す断面図である。
【図２３】従来の虚像表示装置を示す断面図である。
【図２４】従来の虚像表示装置を構成する青色用の反射型体積ホログラムグレーティングの干渉縞において、入射する光束の媒質内入射角度と、入射する光束の波長による回折効率の関係を示す図である。
【図２５】従来の虚像表示装置を構成する緑色用の反射型体積ホログラムグレーティングの干渉縞において、入射する光束の媒質内入射角度と、入射する光束の波長による回折効率の関係を示す図である。
【図２６】従来の虚像表示装置を構成する赤色用の反射型体積ホログラムグレーティングの干渉縞において、入射する光束の媒質内入射角度と、入射する光束の波長による回折効率の関係を示す図である。
【図２７】従来の虚像表示装置を構成する第２の反射型体積ホログラムグレーティングの青色及び緑色の干渉縞に、青色及び緑色の波長帯域の光束が入射した状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【０３１７】
１０  虚像表示装置、  １１  画像表示素子、  ２１  コリメート光学系、  ２２  第１の導光板、  ２２ａ  光入射口、  ２２ｂ  光射出口、  ２２ｃ  第１の光学面、  ２２ｄ  第２の光学面、  ２３  第２の導光板、  ２３ａ  光入射口、  ２３ｂ  光射出口、  ２３ｃ  第３の光学面、  ２３ｄ  第４の光学面、  ２４  空気層、  ２５  第１の反射型体積ホログラムグレーティング、  ２６  第２の反射型体積ホログラムグレーティング、  ２７  第３の反射型体積ホログラムグレーティング、  ２８  第４の反射型体積ホログラムグレーティング
【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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