JP2015099238A

JP2015099238A - 光学デバイス及び電子機器

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Publication number: JP2015099238A
Application number: JP2013238558A
Authority: JP
Inventors: 横山　修; Osamu Yokoyama; 修横山
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2015-05-28
Anticipated expiration: 2033-11-19
Also published as: JP6287095B2

Abstract

【課題】導光板から射出される光が複数の回折光学素子を通過する場合でも、透過光の減少と不要回折光の発生を抑制すること。【解決手段】第１の導光板１０１の光入射面に第２回折光学素子１０２を設け、光出射面に第１回折光学素子１０３を設ける。第２導光板２０１の光入射面に第３回折光学素子２０２を設け、光出射面に第４回折光学素子２０３を設ける。第４回折光学素子２０３と第１回折光学素子１０３との間に、２分の１波長板４０１を設ける。ＴＥ波の画像光１０及び画像光２０を第２回折光学素子１０２及び第３回折光学素子２０２にそれぞれ入射し、第１の導光板１０１及び第２の導光板２０１によりＴＥ波の伝播光１１及び伝播光２１を伝播させる。２分の１波長板４０１により、ＴＥ波の出射光２２をＴＭ波の出射光２３に変換する。【選択図】図３

Description

本発明は、導光板と回折光学素子とを備えた光学デバイス、及び当該光学デバイスを備える電子機器に関する。

ヘッドマウントディスプレイを薄型化する光学系では、一例として、導光板と、導光板への光の入力及び導光板からの光の出力を行う回折光学素子とが用いられる（例えば、特許文献１及び特許文献２）。

特許文献１及び特許文献２では、回折効率の波長依存性による色ごとの効率差を低減させるために、複数の導光板を用意し、それぞれの導光板を伝播させる色（波長成分）を限定している。

しかしながら、複数の導光板を用いる場合、一つの導光板に形成された出力ホログラムから射出された光が異なる導光板に形成された出力ホログラムに入射すると、再度回折を受ける。この時、観察者が見たい表示画像となる透過光（透過０次回折光）は減少し、表示画像の邪魔になる透過１次回折光などの回折光が発生する。

このような問題を回避するため、導光板に形成されたホログラムから射出された光が再度そのホログラムを通過する際の回折を抑制する構成が特許文献３に開示されている。特許文献３では、ホログラムから射出された光の偏光方向を、スキャンミラーと４分の１波長板の組み合わせで９０度回転させ、ホログラムで回折されないようにしている。

特表２００８−５２３４３４号公報特表２００８−５３５０３２号公報特開２００７−３３３８１２号公報

しかしながら、特許文献３の構成では、導光板から射出される光が、導光板に形成された出力ホログラムを通過する際に発生する回折光を抑制することはできない。したがって、特許文献３の構成でも、観察者が見たい表示画像となる透過光（透過０次回折光）が減少してしまう。

そこで、本発明は、上述した事情を考慮して、導光板から射出される光が複数の回折光学素子を通過する場合でも、透過光の減少と不要回折光の発生を抑制できる光学デバイス及び電子機器を提供することを解決課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る光学デバイスの一態様は、第１光出射部を有する第１導光体と、第２光出射部を有する第２導光体と、前記第１導光体の前記第１光出射部に設けられた第１回折光学素子と、前記第２光出射部と前記第１導光体との間に設けられた第１偏光素子とを有し、前記第１導光体の内部を導光する光と前記第２導光体の内部を導光する光は、それぞれ異なる分光分布の光であり、前記第１導光体の内部を導光する光の少なくとも一部は、前記第１回折光学素子で回折されて前記第１導光体の外部に出射し、前記第２導光体の内部を導光する光の少なくとも一部は、前記第１偏光素子を透過することで所定の方向に偏光した後、前記第１回折光学素子に入射し、前記第１偏光素子は、前記第１偏光素子を透過した光の前記第１回折光学素子での回折効率が、前記所定の方向に直交する方向に偏光した光を前記第１回折光学素子で回折させた場合の回折効率よりも低い回折効率となるように偏光させる素子であることを特徴とする。

上述した本発明に係る光学デバイスの一態様によれば、第１導光体により導光された光の少なくとも一部は、第１回折光学素子により回折され、第１光出射部から出射される。また、第２導光体により、第１導光体とは異なる分光分布の光が導光され、第２光出射部から出射される。第２光出射部から出射された光は、第１偏光素子に入射し、第１偏光素子を通過することで所定の方向に偏光され、第１回折光学素子に入射する。第１偏光素子は、第１偏光素子を透過して第１回折光学素子により回折される効率が、所定の方向に直交する方向に偏光した光が第１回折光学素子により回折される効率よりも低くなるように偏光させる。その結果、第１回折光学素子を透過する光の光量を減少させず、かつ、不要な回折光の発生を抑える。

上述した本発明に係る光学デバイスの一態様において、前記第１導光体の第１光導入部に設けられた第２回折光学素子と、前記第２導光体の第２光導入部に設けられた第３回折光学素子と、前記第２導光体の前記第２光出射部に設けられた第４回折光学素子とを有し、前記第１光導入部に向かう光は、一部が前記第２回折光学素子で回折されて前記第１導光体の内部を導光し、他の一部が前記第２回折光学素子を透過して前記第３回折光学素子で回折された後前記第２導光体の内部を導光し、前記第２導光体の内部を導光した光の少なくとも一部は、前記第４回折光学素子で回折されて前記第１偏光素子に入射し、前記第２回折光学素子は、前記第２回折光学素子に入射した光のうち第１波長の光を最も多く回折する素子であり、前記第３回折光学素子は、前記第３回折光学素子に入射した光のうち前記第１波長とは異なる波長である第２波長の光を最も多く回折する素子であるようにしてもよい。この場合には、第１波長の入射光は、第２回折光学素子により高い回折効率で回折され、十分な光量の光が第１導光体に導入されることになる。その結果、第１波長を有する十分な光量の光が第１回折光学素子により回折されて第１導光体から出射される。また、第２波長を有し、第２回折光学素子を透過した透過光は、第３回折光学素子により高い回折効率で回折され、第２波長を有する十分な光量の光が第２導光体に導入されることになる。その結果、十分な光量の光が第４回折光学素子により回折されて第２導光体から出射される。第２導光体から出射された光は、第１偏光素子に入射し、第１偏光素子により、第１偏光素子を透過する光が第１回折光学素子を透過する効率よりも、当該透過する光が第１回折光学素子により回折される効率が低くなるように偏光される。その結果、第１回折光学素子を透過する第２波長を有する光の光量を減少させず、かつ、不要な回折光の発生を抑える。

上述した本発明に係る光学デバイスの一態様において、第３光出射部と第３光導入部を有する第３導光体と、前記第３導光体の前記第３光導入部に設けられた第５回折光学素子と、前記第３導光体の前記第３光出射部に設けられた第６回折光学素子と、前記第３光出射部と前記第２導光体との間に設けられた第２偏光素子とを有し、前記第１光導入部に向かう光のうち、一部の光は前記第３回折光学素子を透過して前記第５回折光学素子で回折された後前記第３導光体の内部を導光し、前記第３導光体の内部を導光した光の少なくとも一部は、前記第６回折光学素子で回折されて前記第２偏光素子に入射し、前記第５回折光学素子は、前記第５回折光学素子に入射した光のうち前記第１波長及び前記第２波長とは異なる波長である第３波長の光を最も多く回折する素子であるようにしてもよい。この場合には、上述したように、第１波長を有する光は第１導光体により伝播されて第１回折光学素子から十分な光量で出射される。また、第２波長を有する光は、第２導光体により伝播されて第４回折光学素子から出射され、第１偏光素子により偏光されるので、第１回折光学素子を透過しても第２波長を有する光の光量は減少せず、かつ、不要な回折光の発生が抑えられる。そして、第３波長を有し、第３回折光学素子を透過した透過光は、第５回折光学素子により高い回折効率により回折され、第３波長を有する十分な光量の光が第３導光体に導入されることになる。その結果、十分な光量の光が第６回折光学素子により回折されて第３導光体から出射される。第３導光体から出射された光は、第２偏光素子に入射し、第２偏光素子により、第２偏光素子を透過する光が第４回折光学素子を透過する効率よりも、当該透過する光が第４回折光学素子により回折される効率が低くなるように偏光される。その結果、第４回折光学素子を透過する第３の波長を有する光の光量を減少させず、かつ、不要な回折光の発生を抑える。

上述した本発明に係る光学デバイスの一態様において、前記第１光導入部に向かう光、前記第１導光体の内部を導光する光及び前記第２導光体の内部を導光する光は、それぞれ第１偏光方向に偏光した光であることが好ましい。この場合には、第２導光体から出射された第１偏光方向に偏光した光は、第１偏光素子により第１偏光方向に直交する方向に偏光され、この光は第１回折光学素子における回折効率が、第１偏光方向に偏光した光よりも低くなる。したがって不要な回折光の発生が抑えられる。

上述した本発明に係る光学デバイスの一態様において、前記第１偏光素子は２分の１波長板であることが好ましい。この場合には、２分の１波長板により、２分の１波長板を透過する光が回折光学素子を透過する効率よりも、透過する光が回折光学素子により回折される効率が低くなるように偏光方向が変換されるので、回折光学素子を透過する光の光量を減少させず、かつ、不要な回折光の発生を抑える。

上述した本発明に係る光学デバイスの一態様において、前記第１回折光学素子、前記第２回折光学素子、前記第３回折光学素子及び前記第４回折光学素子は、少なくとも１つが表面レリーフ型回折格子であり、前記第１偏光方向は、光がＴＥ波となる偏光方向であることが好ましい。この場合には、ＴＥ波が第２回折光学素子に入射することにより、高い回折効率で十分な光量の光が第１導光体に導入し、第１回折光学素子により十分な光量の光が出射される。また、ＴＥ波が第３回折光学素子に入射することにより、高い回折効率で十分な光量の光が第２導光体に導入し、第４回折光学素子により十分な光量の光が出射される。ＴＥ波が第１偏光素子に入射することにより、ＴＭ波に変換され第１回折光学素子に入射する。第１回折光学素子ではＴＭ波が回折する効率は低く、ＴＭ波が透過する効率が高いので、第１回折光学素子を透過する光の光量を減少させず、かつ、不要な回折光の発生を抑える。

次に、本発明に係る電子機器は、上述した本発明に係る光学デバイスと画像光を発する画像形成部とを備える。そのような電子機器は、液晶ディスプレイ等の画像形成部やコリメート光学系を備えてもよく、ヘッドマウントディスプレイ等のように観察者の頭部に装着する形態に適合させることができる。

このように、本発明によれば、ヘッドマウントディスプレイ等のように観察者の頭部に装着する形態の電気機器においても、透過光を減少させず、不要な回折光の発生を抑制することができる。

なお、上記本発明に係る電子機器において「画像形成部」とは、例えば画像を表示する液晶ディスプレイやレーザー光を走査することにより観察者に画像として認識させるレーザー走査式ディスプレイなどの装置、及び画像表示から出射された画像光を集光及び変換する光学系を含む。

第１実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの全体像の一例を示す斜視図である。第１実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの左眼用光学系の内部構造及び導波路の一例を示す要部断面図である。図２の光学系において光線を簡略化して描いた要部断面図である。ＴＥ波とＴＭ波を説明するための説明図である。第２実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの左眼用光学系の内部構造及び導波路の一例を示す要部断面図である。

以下、添付の図面を参照しながら本発明に係る様々な実施の形態を説明する。なお、図面においては、各部の寸法の比率は実際のものとは適宜に異ならせてある。また、以下に説明する実施形態では、本発明の光学デバイスを、観察者の頭部に装着する形態の画像表示装置の一例であるヘッドマウントディスプレイに適用した場合を例に説明するが、かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内に任意に変更可能である。

＜第１実施形態＞
（ヘッドマウントディスプレイの全体構成）
図１は、第１実施形態に係る電子機器の一例としてのヘッドマウントディスプレイ１００の全体像の一例を示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ１００は、眼鏡のような外観を有するヘッドマウントディスプレイであり、このヘッドマウントディスプレイ１００を装着した観察者に対して虚像による画像光を認識させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させることができる。

具体的にヘッドマウントディスプレイ１００は、導光板２００と、導光板２００を支持する左右一対のテンプル１３１，１３２と、テンプル１３１，１３２に付加された一対の画像形成装置１１１，１１２とを備える。ここで、図面上において、導光板２００の左側と画像形成装置１１１とを組み合わせた第１表示装置１００Ａは、右眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも画像表示装置として機能する。また、図面上において、導光板２００で右側と画像形成装置１１２とを組み合わせた第２表示装置１００Ｂは、左眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも画像表示装置として機能する。

このようなヘッドマウントディスプレイ１００の内部構造及び導光板について説明する。図２は、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの内部構造及び導光板の一例を模式的に示す要部断面図である。図２は、本実施形態に係る左眼用光学系の内部構造及び導光板を示す要部断面図である。なお、図示を省略するが、右眼用光学系の内部構造及び導光板については図２を反転させて左右を入れ替えた構成となっている。図２に示すように、第１表示装置１００Ａ及び第２表示装置１００Ｂは、画像形成部５００と、導光板２００とを備える。

画像形成部５００は、画像表示装置５０１と、投射光学系５０２とを有する。このうち、画像表示装置５０１は、本実施形態では、液晶パネルであり、液晶パネルからの出射光の電気ベクトルの振動方向が第１回折光学素子１０２のパターンに沿った方向（ｙ方向）となるように液晶パネルの出射側偏光板が配置されている。すなわち、第１の導光板１０１に入射させる光は、第１回折光学素子１０２に対してＴＥ波となるようにする。画像光１０は赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の波長成分を持っている。画像表示装置５０１としては、有機ＥＬパネルを用いることもできる。

投射光学系５０２は、画像表示装置５０１上の各点から出射された画像光を平行状態の光束に変換して、導光板２００に入射させるコリメーターレンズである。コリメーターレンズは、入射する偏光の偏光面が保存されるような材質、例えばガラスあるいは複屈折性が低い樹脂で構成される。

導光板２００は、第１の導光板１０１と第２の導光板２０１から構成されている。第１の導光板１０１及び第２の導光板２０１の全体的な外観は、図中ＹＸ面に平行に延びる平板状の部材によって形成されている。第１の導光板１０１及び第２の導光板２０１は、ガラスあるいは光透過性の樹脂材料等により形成された板状の部材である。

第１の導光板１０１は、画像形成部５００に対向配置された第１のパネル面１０１ａ、及び第１のパネル面１０１ａと対向する第２のパネル面１０１ｂを有し、第１のパネル面１０１ａの一方の端部に形成された光入射面１０１ｃを通じて画像光が入射され、入射された画像光は、第１のパネル面１０１ａ及び第２のパネル面１０１ｂにより全反射され、観察者の眼前に形成された光出射面１０１ｄへ導光する。

第２の導光板２０１は、第１の導光板１０１に対向配置された第１のパネル面２０１ａ、及び第１のパネル面２０１ａと対向する第２のパネル面２０１ｂを有し、第１のパネル面２０１ａの一方の端部に形成された光入射面２０１ｃを通じて画像光が入射され、入射された画像光は、第１のパネル面２０１ａ及び第２のパネル面２０１ｂにより全反射され、第１のパネル面２０１ａの他方の端部に形成された光出射面２０１ｄへ導光する。

なお、第１の導光板１０１の第１及び第２のパネル面１０１ａ，１０１ｂ、及び第２の導光板２０１の第１及び第２のパネル面２０１ａ，２０１ｂには反射コートを施さず、前記パネル面１０１ａ，１０１ｂ，２０１ａ，２０１ｂに対して外界側から入射する外界光が、高い透過率で第１の導光板１０１及び第２の導光板２０１を通過するようにしてもよい。これにより、第１の導光板１０１及び第２の導光板２０１を、外界像の透視が可能なシースルータイプとすることができる。

第１の導光板１０１の光入射面１０１ｃには、入射光を光出射面１０１ｄ側の端面方向に回折させる第１回折光学素子１０２が設けられ、光出射面１０１ｄには、光出射面１０１ｄから外部に向けて画像光を回折させ、虚像光として観察者の眼５０３に投射する第２回折光学素子１０３が設けられている。

第２の導光板２０１の光入射面２０１ｃには、入射光を光出射面２０１ｄ側の端面方向に回折させる第３回折光学素子２０２が設けられ、光出射面２０１ｄには、光出射面２０１ｄから外部に向けて画像光を回折させ、第１の導光板１０１を介して虚像光として観察者の眼５０３に投射する第４回折光学素子２０３が設けられている。

本実施形態においては、第１回折光学素子１０２、第２回折光学素子１０３、第３回折光学素子２０２、及び第４回折光学素子２０３は、一例として、いずれも格子パターンがｙ方向に延びた表面レリーフ型の回折格子である。

第４回折光学素子２０３と第１の導光板１０１との間には、２分の１波長板４０１が設けられている。２分の１波長板４０１は、第２の導光板２０１の出射光をＴＥ波からＴＭ波に変換し、ＴＭ波として第１の導光板１０１の第２回折光学素子１０３に入射する。

（第１の導光板）
第１回折光学素子１０２に入射した光は、第１回折光学素子１０２によって回折されて第１の導光板１０１に導入される。回折光学素子による回折角度は波長によって異なり、波長が短いほど回折角度が小さい。従って、第１回折光学素子１０２によって第１の導光板１０１に導入される角度は赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）によって異なり、図１に示すように青色伝播光１１Ｂ、緑色伝播光１１Ｇ、赤色伝播光１１Ｒはそれぞれ伝播する角度が異なる。

第１回折光学素子１０２の格子周期は、青色伝播光１１Ｂが広い入射角度範囲に渡って第１の導光板１０１内を全反射で伝播できるように決められている。第１回折光学素子１０２の格子周期をこのように決めると、赤色伝播光１１Ｒに対する回折角は大きくなり、赤色伝播光１１Ｒの回折効率は大きく低下する。従って、第１の導光板１０１は実質的に青色伝播光１１Ｂと緑色伝播光１１Ｇが伝播される。

第１の導光板１０１内で全反射を繰り返しながら伝播した光は第２回折光学素子１０３に到達し、第２回折光学素子１０３の回折格子面に入射するたびに少しずつ外に取り出されて観察者の眼５０３に到達する。なお、画像光１０と同じ角度で第２回折光学素子１０３から出射させる必要があるので、第１回折光学素子１０２と第２回折光学素子１０３の格子周期は同一とする必要がある。

（第２の導光板）
第１の導光板１０１の第１回折光学素子１０２で回折されずに透過した画像光２０は、第２の導光板２０１の第３回折光学素子２０２に入射する。第３回折光学素子２０２に入射した光は、第３回折光学素子２０２によって回折されて第２の導光板２０１に導入される。

第３回折光学素子２０２の格子周期は、緑色光２１Ｇが広い入射角度範囲に渡って第２の導光板２０１内を全反射で伝播できるように決められている。従って、入射角によっては青色光に対する回折角が小さくなり、第２の導光板２０１と空気の界面で全反射されずに第２の導光板２０１を透過してしまう。このように、第２の導光板２０１では実質的に緑色伝播光２１Ｇと赤色伝播光２１Ｒが伝播される。

第２の導光板２０１内で全反射を繰り返しながら伝播した光は第４回折光学素子２０３に到達し、第４回折光学素子２０３の回折格子面に入射するたびに少しずつ外に取り出される。画像光２０と同じ角度で第４回折光学素子２０３から出射させる必要があるので、第３回折光学素子２０２と第４回折光学素子２０３の格子周期は同一とする必要がある。第４回折光学素子２０３を出た光は、２分の１波長板４０１、第１の導光板１０１とその表面に形成されている第２回折光学素子１０３を通過して観察者の眼５０３に到達する。

（２分の１波長板の機能）
次に、図３を参照して２分の１波長板４０１の機能について説明する。なお、図３においては、理解を容易にするために、図２における左眼用光学系の内部構造及び導光板を、光線を簡略化して描いている。画像光１０はＴＥ波であり、第１の導光板１０１の第１回折光学素子１０２で回折されて第１の導光板１０１を伝播する伝播光１１となる。本実施形態のように、回折光学素子として表面レリーフ型回折格子を用いた場合には、格子周期が波長程度以下になると構造複屈折性が現れ、入射光の偏光方向によって回折効率が変わる。

図４に示すように、本実施形態では、回折光学素子の溝方向と電場ベクトルの振動方向が平行である成分をＴＥ波とし、回折光学素子の溝方向と電場ベクトルの振動方向が垂直である成分をＴＭ波とする。構造複屈折性とは、表面レリーフ型回折格子の格子周期が波長程度以下の場合に、ＴＥ波とＴＭ波とで屈折率が異なり、複屈折作用が生じることをいう。複屈折作用の一つとして、ＴＥ波とＴＭ波とで回折効率が変わり、ＴＥ波の方が、ＴＭ波に比べて回折された光の１次回折効率が高くなり、かつ、透過０次回折効率が低くなることが知られている。逆に、ＴＭ波はＴＥ波に比べて１次回折効率が低くなり、かつ、透過０次回折効率が高くなる。

本実施形態においては、第１回折光学素子１０２の格子周期は、青色光の波長程度以下となるように設定されている。その結果、赤色光、青色光及び緑色光を含むＴＥ波の画像光１０が第１回折光学素子１０２に入射すると、当該ＴＥ波の画像光１０のうちの青色光に対する１次回折効率が、ＴＭ波が入射された場合によりも高くなる。また、青色光に対する透過０次回折効率が低くなる。その結果、第１回折光学素子１０２で回折されて第１の導光板１０１を伝播するＴＥ波の青色光の伝播光１１の光量を多くすることができる。

また、前記ＴＥ波の画像光１０のうち、緑色光に対する前記第１回折光学素子１０２における１次回折効率は、前記青色光に対する１次回折効率ほどには高くなく、また、緑色光に対する前記第１回折光学素子１０２における透過０次回折効率は、前記青色光に対する透過０次回折効率ほどには低くはない。その結果、前記ＴＥ波の画像光１０のうち、緑色光の一部は、第１回折光学素子１０２で回折されて第１の導光板１０１を伝播するＴＥ波の緑色光の伝播光１１となり、前記緑色光の他の一部は、第１回折光学素子１０２を透過する画像光２０として、第２の導光板２０１の第３回折光学素子２０２に入射することになる。

しかしながら、前記第１回折光学素子１０２の格子周期は、青色光の波長程度以下となるように設定されているため、前記ＴＥ波の画像光１０のうちの赤色光の波長に対して、非常に小さな周期となる。したがって、前記ＴＥ波の画像光１０のうち、赤色光に対する前記第１回折光学素子１０２における１次回折効率は非常に低くなり、赤色光に対する前記第１回折光学素子１０２における透過０次回折効率は非常に高くなる。その結果、前記ＴＥ波の画像光１０のうち、赤色光は、第１回折光学素子１０２によって殆ど回折されず、、第１回折光学素子１０２を透過する画像光２０として、第２の導光板２０１の第３回折光学素子２０２に入射することになる。

以上のようにして第１の導光板１０１を伝播する青色光及び緑色光を含む伝播光１１が、第２回折光学素子１０３に到達すると、第２回折光学素子１０３によって回折されて青色光及び緑色光の出射光１２となり観察者の方向へ取り出される。この出射光１２もＴＥ波である。

一方、第１の導光板１０１の第１回折光学素子１０２で回折されずに透過した緑色光及び赤色光を含むＴＥ波の画像光２０が、第２の導光板２０１の第３回折光学素子２０２に入射すると、緑色光及び赤色光を含むＴＥ波の画像光２０は第３回折光学素子２０２で回折される。

本実施形態においては、第３回折光学素子２０２の格子周期は、緑色光の波長程度以下となるように設定されている。その結果、赤色光及び緑色光を含むＴＥ波の画像光２０が第２回折光学素子２０２に入射すると、当該ＴＥ波の画像光２０のうちの緑色光に対する１次回折効率が、ＴＭ波が入射された場合によりも高くなる。また、緑色光に対する透過０次回折効率が低くなる。その結果、第２回折光学素子２０２で回折されて第２の導光板２０１を伝播するＴＥ波の緑色光の伝播光２１の光量を多くすることができる。

また、前記ＴＥ波の画像光２０のうち、赤色光に対する前記第２回折光学素子２０２における１次回折効率は、前記緑色光に対する１次回折効率ほどには高くないが、前記ＴＥ波の画像光２０のうちの赤色光は、第２回折光学素子２０２で回折されて第２の導光板２０１を伝播するＴＥ波の赤色光のＴＥ波の伝播光２１となり、第２の導光板２０１を伝播する。

第２の導光板２０１を伝播する緑色光と赤色光の伝播光２１は、第４回折光学素子２０３に到達し、第４回折光学素子２０３によって回折されて空気中に取り出され、緑色光と赤色光の出射光２２となる。この緑色光と赤色光の出射光２２もＴＥ波である。

第２の導光板２０１を出射した緑色光と赤色光の出射光２２は、観察者の眼５０３に届くまでに、第１の導光板１０１に形成されている第２回折光学素子１０３で再び回折され、本来見たい画像である透過光（透過０次回折光）２４の他に、透過１次回折光などの回折光２５が生じる。透過光（透過０次回折光）２４以外の回折光２５は、回折角度にも依るが本来見たい画像に重畳されて観察者の眼５０３に入る場合があり、できるだけ抑制する必要がある。

本実施形態においては、第２の導光板２０１の第４回折光学素子２０３を出射した出射光２２はＴＥ波であり、２分の１波長板４０１がない場合には直接第１の導光板１０１の第２回折光学素子１０３に入射することになる。出射光２２が第２回折光学素子１０３にＴＥ波のまま入射する場合には、不要な１次回折効率が大きくなり、画像として必要な透過光（透過０次回折光）が減少してしまう。

しかし、本実施形態においては、第２の導光板２０１と第１の導光板１０１の間に２分の１波長板４０１を配置している。その結果、第２の導光板２０１から出射される緑色光と赤色光の出射光２２は、２分の１波長板４０１によってＴＥ波からＴＭ波の出射光２３に変換され、ＴＭ波の緑色光と赤色光の出射光２３は第１の導光板１０１の第２回折光学素子１０３に入射する。

第２回折光学素子１０３は、格子周期が青色光の波長程度以下に設定されている。したがって、第２回折光学素子１０３にＴＭ波の緑色光と赤色光の出射光２３が入射すると、構造複屈折性が現れ、ＴＭ波の１次回折効率がＴＥ波に比べて低くなり、かつ、ＴＭ波の透過０次回折効率が高くなる。

その結果、ＴＭ波の緑色光と赤色光の出射光２３が第２回折光学素子１０３に入射すると、第２回折光学素子１０３では、ＴＭ波の緑色光と赤色光の出射光２３に対する１次回折効率が低くなり、かつ透過０次回折効率を高くできるので、本来見たい画像である緑色光と赤色光の透過光（透過０次回折光）２４の光量を増加させることができるとともに、画像表示の邪魔になる緑色光と赤色光の回折光２５を抑制することができる。

なお、本実施形態では表示パネルとして液晶パネルを用いる構成を説明したが、有機ＥＬパネルの表面に偏光板を配置したモジュール、あるいは、表示パネルを用いずにレーザー光を走査して画像を生成するモジュールを用いても良い。また、導光板に画像光を入力する光学素子として回折光学素子を用いる構成を説明したが、プリズムあるいはミラーを用いて導光板に画像光を入力させる構成を適用しても良い。

＜第２実施形態＞
次いで、本発明の第２実施形態について図５を参照して説明する。第１実施形態では、２枚の導光板を用いた例について説明したが、本実施形態では、３枚の導光板を用いるところが第１実施形態と異なる。

図５に示すように、本実施形態の画像表示装置１００Ａは、第１の導光板１０１、第２の導光板２０１及び第３の導光板３０１の３枚の導光板を備えている。第３の導光板３０１には、第５回折光学素子３０２と第６回折光学素子３０３が形成されている。また、第２の導光板２０１の第４回折光学素子２０３と第３の導光板３０１の第６回折光学素子３０３の間には２分の１波長板４０２が配置されている。

詳細は図示していないが、例えば、ＭＥＭＳスキャナ等によりＲＧＢのレーザー光をそれぞれスキャンして画像を生成し、第１の導光板１０１には青色レーザーによる青色画像光１０Ｂ、第２の導光板２０１には緑色レーザーによる緑色画像光２０Ｇ、第３の導光板３０１には赤色レーザーによる赤色画像光３０Ｒが入力され、それぞれ伝播光１１Ｂ、２１Ｇ、３１Ｒとして導光板を伝播する。ここで、それぞれの画像光１０Ｂ、２０Ｇ、３０Ｒと、伝播光１１Ｂ、２１Ｇ、３１ＲはＴＥ波である。

第１の導光板１０１の第１回折光学素子１０２に入射するＴＥ波の青色画像光１０Ｂは、第１回折光学素子１０２により高い１次回折効率で回折されてＴＥ波の青色伝播光１１Ｂとなり、ＴＭ波に比べて多くの光量の青色伝播光１１Ｂが第１の導光板１０１を伝播することになる。そして、第１の導光板１０１を伝播したＴＥ波の青色伝播光１１Ｂは第２回折光学素子１０３で回折されてＴＥ波の出射光１２となり、観察者の眼５０３に到達する。

第１の導光板１０１を透過し、第２の導光板２０１の第２回折光学素子２０２に入射するＴＥ波の緑色画像光２０Ｇは、第２回折光学素子２０２により高い１次回折効率で回折されてＴＥ波の緑色伝播光２１Ｇとなり、ＴＭ波に比べて多くの光量の緑色伝播光２１Ｇが第２の導光板２０１を伝播することになる。そして、第２の導光板２０１を伝播したＴＥ波の緑色伝播光２１Ｇは、第３回折光学素子２０３で回折されてＴＥ波の出射光２２となる。ＴＥ波の出射光２２は、２分の１波長板４０１でＴＭ波の出射光２３に変換され、第１の導光板１０１の第２回折光学素子１０３に入射する。

本実施形態の回折光学素子は、表面レリーフ型回折格子であり、格子周期が波長程度以下に設定されている。したがって、本実施形態の回折光学素子に光が入射すると、構造複屈折性が現れ、ＴＥ波よりもＴＭ波の１次回折効率が低くなり、かつ、透過０次回折効率が高くなる。

その結果、ＴＭ波の出射光２３が第２回折光学素子１０３に入射すると、第２回折光学素子１０３では、ＴＭ波の出射光２３に対する１次回折効率が低くなり、かつ透過０次回折効率を高くできるので、本来見たい画像である透過光（透過０次回折光）２４の光量を増加させることができるとともに、画像表示の邪魔になる回折光２５を抑制することができる。

第１の導光板１０１及び第２の導光板２０１を透過し、第３の導光板３０１の第３回折光学素子３０２に入射するＴＥ波の赤色画像光３０Ｒは、第５回折光学素子３０２により高い１次回折効率で回折されてＴＥ波の赤色伝播光３１Ｒとなり、ＴＭ波に比べて多くの光量の赤色伝播光３１Ｒが第３の導光板３０１を伝播することになる。そして、第３の導光板３０１を伝播したＴＥ波の赤色伝播光３１Ｒは、第６回折光学素子３０３で回折されてＴＥ波の出射光３２となる。ＴＥ波の出射光３２は、２分の１波長板４０２でＴＭ波の出射光３３に変換され、第２の導光板２０１の第４回折光学素子２０３に入射する。

上述したように、本実施形態の回折光学素子では、ＴＥ波よりもＴＭ波の１次回折効率が低くなり、かつ、透過０次回折効率が高くなる。その結果、ＴＭ波の出射光３３が第４回折光学素子２０３に入射すると、第４回折光学素子２０３では、ＴＭ波の出射光３３に対する１次回折効率が低くなり、かつ透過０次回折効率を高くできるので、本来見たい画像である透過光（透過０次回折光）３４の光量を増加させることができるとともに、画像表示の邪魔になる回折光３５を抑制することができる。

ＴＭ波の透過光３４は、２分の１波長板４０１でＴＥ波の透過光３６に変換され、第１の導光板１０１の第２回折光学素子１０３に入射する。第２回折光学素子１０３ではＴＥ波に対する１次回折効率が高いため、ＴＥ波の透過光３６は第２回折光学素子１０３により回折されることになる。しかし、青色光回折用に設計された第２回折光学素子１０３の格子周期は、青色光の波長程度以下に設定されているので青色のＴＥ波に対する１次回折効率が高くなるのであって、青色光よりも長波長である赤色光の波長に対しては、非常に小さい周期となる。その結果、ＴＥ波の赤色透過光３６に対する１次回折効率は第２回折光学素子１０３では低くなり、画像表示の邪魔になるＴＥ波の回折光３８が抑制され、本来見たい画像であるＴＥ波の透過光（透過０次回折光）３７の光量を増加させることができる。

以上のように、本実施形態によれば、３枚の導光板と２枚の２分の１波長板を用いる構成により、本来見たい画像である青色光、緑色光、及び赤色光の透過光（透過０次回折光）の光量を増加させ、かつ、画像表示の邪魔になる青色光、緑色光、及び赤色光の回折光を抑制することができる。

なお、本実施形態においては、緑色画像光２０Ｇは第１回折光学素子１０２に入射せず、赤色画像光３０Ｒは第３回折光学素子２０２に入射しない例について説明したが、本発明はこのような例に限定されるものではない。緑色画像光２０Ｇを第１回折光学素子１０２に入射させ、赤色画像光３０Ｒを第３回折光学素子２０２に入射させるようにしてもよい。

＜変形例＞
上述した第１実施形態及び第２実施形態では、入射側の回折光学素子である第１回折光学素子１０２，第３回折光学素子２０２として、表面レリーフ型の回折格子を用いたが、これに限定されるものではなく、体積ホログラム、ミラー、あるいはプリズム等の光学素子を用いることも可能である。また、第１実施形態及び第２実施形態では、第１回折光学素子１０２，第３回折光学素子２０２，第４回折光学素子２０３、第５回折光学素子３０２、及び第６回折光学素子３０３として、矩形断面の表面レリーフ回折格子を用いる例について説明した。しかし、本発明はこのような例に限定される訳ではなく、表面レリーフ型回折格子の断面構造としては、矩形断面の他にも傾斜断面を持つ回折格子やブレーズ化回折格子を適用することもできる。また、表面レリーフ型回折格子以外にも、回折効率に偏光依存性を有する回折格子あるいはホログラム光学素子を用いることができる。

１０…画像光、１０Ｂ…青色画像光、１１…伝播光、１１Ｂ…青色伝播光、１１Ｇ…緑色伝播光、１１Ｒ…赤色伝播光、１２…出射光、２０…画像光、２０Ｇ…緑色画像光、２１…伝播光、２１Ｇ…緑色伝播光、２１Ｒ…赤色伝播光、２２…出射光、２３…出射光、２４…透過光、２５…回折光、３０Ｒ…赤色画像光、３１Ｒ…赤色伝播光、３２…出射光、３３…出射光、３４…透過光、３５…回折光、３６…透過光、３８…回折光、１００…ヘッドマウントディスプレイ、１００Ａ…画像表示装置、１００Ｂ…画像表示装置、１０１…導光板、１０１ａ，１０１ｂ…パネル面、１０１ｃ…光入射面、１０１ｄ…光出射面、１０２…回折光学素子、１０３…回折光学素子、１１１，１１２…画像形成装置、１３１，１３２…テンプル、２００…導光板、２０１…導光板、２０１ａ，２０１ｂ…パネル面、２０１ｃ…光入射面、２０１ｄ…光出射面、２０２…回折光学素子、２０３…回折光学素子、３０１…導光板、３０２…回折光学素子、３０３…回折光学素子、４０１…２分の１波長板、４０２…２分の１波長板、５００…画像形成部、５０１…画像表示装置、５０２…投射光学系、５０３…眼。

Claims

第１光出射部を有する第１導光体と、
第２光出射部を有する第２導光体と、
前記第１導光体の前記第１光出射部に設けられた第１回折光学素子と、
前記第２光出射部と前記第１導光体との間に設けられた第１偏光素子と、を有し、
前記第１導光体の内部を導光する光と前記第２導光体の内部を導光する光は、それぞれ異なる分光分布の光であり、
前記第１導光体の内部を導光する光の少なくとも一部は、前記第１回折光学素子で回折されて前記第１導光体の外部に出射し、
前記第２導光体の内部を導光する光の少なくとも一部は、前記第１偏光素子を透過することで所定の方向に偏光した後、前記第１回折光学素子に入射し、
前記第１偏光素子は、前記第１偏光素子を透過した光の前記第１回折光学素子での回折効率が、前記所定の方向に直交する方向に偏光した光を前記第１回折光学素子で回折させた場合の回折効率よりも低い回折効率となるように偏光させる素子であることを特徴とする光学デバイス。
請求項１に記載の光学デバイスにおいて、
前記第１導光体の第１光導入部に設けられた第２回折光学素子と、
前記第２導光体の第２光導入部に設けられた第３回折光学素子と、
前記第２導光体の前記第２光出射部に設けられた第４回折光学素子と、を有し、
前記第１光導入部に向かう光は、
一部が前記第２回折光学素子で回折されて前記第１導光体の内部を導光し、
他の一部が前記第２回折光学素子を透過して前記第３回折光学素子で回折された後前記第２導光体の内部を導光し、
前記第２導光体の内部を導光した光の少なくとも一部は、前記第４回折光学素子で回折されて前記第１偏光素子に入射し、
前記第２回折光学素子は、前記第２回折光学素子に入射した光のうち第１波長の光を最も多く回折する素子であり、
前記第３回折光学素子は、前記第３回折光学素子に入射した光のうち前記第１波長とは異なる波長である第２波長の光を最も多く回折する素子である
ことを特徴とする光学デバイス。
請求項２に記載の光学デバイスにおいて、
第３光出射部と第３光導入部を有する第３導光体と、
前記第３導光体の前記第３光導入部に設けられた第５回折光学素子と、
前記第３導光体の前記第３光出射部に設けられた第６回折光学素子と、
前記第３光出射部と前記第２導光体との間に設けられた第２偏光素子と、を有し、
前記第１光導入部に向かう光のうち、一部の光は前記第３回折光学素子を透過して前記第５回折光学素子で回折された後前記第３導光体の内部を導光し、
前記第３導光体の内部を導光した光の少なくとも一部は、前記第６回折光学素子で回折されて前記第２偏光素子に入射し、
前記第５回折光学素子は、前記第５回折光学素子に入射した光のうち前記第１波長及び前記第２波長とは異なる波長である第３波長の光を最も多く回折する素子である
ことを特徴とする光学デバイス。
請求項２または３に記載の光学デバイスにおいて、
前記第１光導入部に向かう光、前記第１導光体の内部を導光する光及び前記第２導光体の内部を導光する光は、それぞれ第１偏光方向に偏光した光であることを特徴とする光学デバイス。
請求項１または２に記載の光学デバイスにおいて、
前記第１偏光素子は、２分の１波長板である、
ことを特徴とする光学デバイス。
請求項４に記載の光学デバイスにおいて、
前記第１回折光学素子、前記第２回折光学素子、前記第３回折光学素子及び前記第４回折光学素子は、少なくとも１つが表面レリーフ型回折格子であり、
前記第１偏光方向は、光がＴＥ波となる偏光方向である、
ことを特徴とする光学デバイス。
請求項１乃至６の何れかに記載の光学デバイスと画像光を発する画像形成部とを備えたことを特徴とする電子機器。