JP2021103198A - 光学部材、表示装置、頭部装着型表示装置、光学部材の製造方法 - Google Patents

光学部材、表示装置、頭部装着型表示装置、光学部材の製造方法 Download PDF

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Yukari Yada
ゆかり 矢田
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啓子 関根
恵範 林田
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恵範 林田
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Abstract

【課題】光学部材から出射する画像光の明るさを均一に近づける。【解決手段】光学部材１０は、第１回折光学素子２１を含む第１回折光学部材２０と、第１回折光学部材２０から第１方向ｄ１にずれた位置において第２回折光学素子３１を含む第２回折光学部材３０と、第２回折光学部材３０から第１方向ｄ１に非平行な第２方向ｄ２にずれた位置において第３回折光学素子４１を含む第３回折光学部材４０と、を備え、各回折光学素子の回折効率を所望の関係とする。【選択図】図２

Description

本発明は、光学部材、光学部材を有する表示装置、表示装置を有する頭部装着型表示装置、及び光学部材の製造方法に関する。
表示部からの画像光を光学部材によって観察者の眼前に表示する表示装置として、頭部に装着して用いられる頭部装着型表示装置（ヘッドマウントディスプレイ）が知られている。このような表示装置において、例えば特許文献１及び特許文献２に示すように、光学部材は、基材と、基材の内部に画像光を導光させるため及び基材の内部を導光している画像光を適切に出射させるための、画像光の入射部、拡張部及び出射部に設けられた回折光学素子と、を有している。
光学部材の入射部に入射した画像光は、各波長に対応して入射部に設けられた回折光学素子で波長ごとに回折される。入射部に設けられた回折光学素子で回折された画像光は、基材内を導光されて、拡張部に入射する。拡張部に入射した画像光は、各波長に対応して拡張部に設けられた別の回折光学素子で、拡張部の広い範囲に拡張されるように波長ごとに回折される。拡張部に設けられた回折光学素子で回折された画像光は、基材内をさらに導光されて、出射部に入射する。出射部に入射した画像光は、各波長に対応して出射部に設けられたさらに別の回折光学素子で、出射部の全体から出射するように拡張されて波長ごとに回折される。このようにして、各波長の画像光が光学部材から出射されて、観察者の眼前に画像を表示することができる。
特表２００９−１８６７９４号公報 特開２０１５−１０２６１３号公報
ところで、拡張部において回折される画像光は、入射部の近くでは多くなるが、入射部から離れるにつれて少なくなる。同様に、出射部において回折される画像光は、拡張部の近くでは多くなるが、拡張部から離れるにつれて少なくなる。このため、出射部の各位置によって、出射部から出射する画像光の強度が不均一になってしまう。画像光の強度は、その画像光の明るさとなる。すなわち、光学部材の出射部から出射して観察者に観察される画像の明るさが不均一になってしまう。明るさが不均一になると、画像の品質を低下させてしまう。
本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、光学部材から出射する画像光の明るさを均一に近づけることを目的とする。
本発明の光学部材は、
基材と、
前記基材に積層され、第１回折光学素子を含む第１回折光学部材と、
前記第１回折光学部材から第１方向にずれた位置において前記基材に積層され、第２回折光学素子を含む第２回折光学部材と、
前記第２回折光学部材から前記第１方向に非平行な第２方向にずれた位置において前記基材に積層され、第３回折光学素子を含む第３回折光学部材と、を備える光学部材であって、
前記第１回折光学素子は、当該光学部材に入射した第１波長域の光を前記第１方向に向かうように回折し、
前記第２回折光学素子は、前記第１方向から入射した前記第１波長域の光を前記第２方向に向かうように回折し、
前記第３回折光学素子は、前記第２方向から入射した前記第１波長域の光を当該光学部材から出射するように回折し、
前記第２回折光学素子の単位面積を有したある領域における回折効率は、当該領域より前記第１方向に沿って前記第１回折光学部材から離間した前記第２回折光学素子の単位面積を有したある別の領域における回折効率より低く、
前記第３回折光学素子の単位面積を有したある領域における回折効率は、当該領域より前記第２方向に沿って前記第２回折光学部材から離間した前記第３回折光学素子の単位面積を有したある別の領域における回折効率より低い。
本発明の光学部材において、
前記第２回折光学素子の単位面積を有した任意の領域における回折効率は、当該領域より前記第１方向に沿って前記第１回折光学部材から離間した前記第２回折光学素子の単位面積を有した任意の別の領域における回折効率より低く、
前記第３回折光学素子の単位面積を有した任意の領域における回折効率は、当該領域より前記第２方向に沿って前記第２回折光学部材から離間した前記第３回折光学素子の単位面積を有した任意の別の領域における回折効率より低くてもよい。
本発明の光学部材において、前記第２回折光学素子及び前記第３回折光学素子は、体積ホログラムであってもよい。
本発明の光学部材において、
前記第２回折光学素子は、前記第１波長域の光を回折させる第２回折格子が形成された第２回折部と、前記第２回折格子の非形成部である第２平坦部と、を含み、
前記第２回折光学素子の単位面積を有したある領域における前記第２回折部の割合は、当該領域より前記第１方向に沿って前記第１回折光学部材から離間した前記第２回折光学素子の単位面積を有したある別の領域における前記第２回折部の割合より低くてもよい。
本発明の光学部材において、
前記第３回折光学素子は、前記第１波長域の光を回折させる第３回折格子が形成された第３回折部と、前記第３回折格子の非形成部である第３平坦部と、を含み、
前記第３回折光学素子の単位面積を有したある領域における前記第３回折部の割合は、当該領域より前記第２方向に沿って前記第２回折光学部材から離間した前記第３回折光学素子の単位面積を有したある別の領域における前記第３回折部の割合より低くてもよい。
本発明の光学部材において、
前記第２回折光学素子において、前記第１波長域の光を回折させる第２回折格子を形成するように屈折率差があり、
前記第２回折光学素子の単位面積を有したある領域における前記第２回折格子を形成する屈折率差は、当該領域より前記第１方向に沿って前記第１回折光学部材から離間した前記第２回折光学素子の単位面積を有したある別の領域における前記第２回折格子を形成する屈折率差より低くてもよい。
本発明の光学部材において、
前記第３回折光学素子において、前記第１波長域の光を回折させる第３回折格子を形成するように屈折率差があり、
前記第３回折光学素子の単位面積を有したある領域における前記第３回折格子を形成する屈折率差は、当該領域より前記第２方向に沿って前記第２回折光学部材から離間した前記第３回折光学素子の単位面積を有したある別の領域における前記第３回折格子を形成する屈折率差より低くてもよい。
本発明の光学部材において、少なくとも一部の前記第２回折光学部材の前記第２方向に沿った長さは、前記第１回折光学部材から離間するにつれて長くなっていてもよい。
本発明の光学部材は、
前記第１回折光学部材から前記第２方向にずれた位置において前記基材に積層され、第４回折光学素子を含む第４回折光学部材をさらに備え、
前記第１回折光学部材は、第５回折光学素子をさらに含み、
前記第３回折光学部材は、第６回折光学素子をさらに含み、
前記第５回折光学素子は、当該光学部材に入射した前記第１波長域とは異なる第２波長域の光を前記第２方向に向かうように回折し、
前記第４回折光学素子は、前記第２方向から入射した前記第２波長域の光を前記第１方向に向かうように回折し、
前記第６回折光学素子は、前記第１方向から入射した前記第２波長域の光を当該光学部材から出射するように回折し、
前記第４回折光学素子の単位面積を有したある領域における回折効率は、当該領域より前記第２方向に沿って前記第１回折光学部材から離間した前記第４回折光学素子の単位面積を有したある別の領域における回折効率より低く、
前記第６回折光学素子の単位面積を有したある領域における回折効率は、当該領域より前記第１方向に沿って前記第２回折光学部材から離間した前記第６回折光学素子の単位面積を有したある別の領域における回折効率より低くてもよい。
本発明の表示装置は、
上述したいずれかの光学部材と、
前記光学部材の前記第１回折光学部材に対面して配置され、画像光を出射する表示部と、を備える。
本発明の頭部装着型表示装置は、上述した表示装置を備える。
本発明の第１の光学部材の製造方法は、
基材上にホログラム感材を設ける工程と、
前記ホログラム感材に対面してマスクを配置する工程と、
光を照射して前記マスクを介して前記ホログラム感材を露光して、前記ホログラム感材を不感化処理する工程と、
前記マスクを除去する工程と、
前記ホログラム感材を露光して、前記基材上にホログラムを形成する工程と、を備え、
前記マスクは、第１部分と、前記第１部分から第１方向にずれて位置する第２部分と、前記第２部分から前記第１方向に非平行な第２方向にずれて位置する第３部分と、を含み、
前記マスクは、前記第２部分及び前記第３部分において開口部を有し、
前記第２部分の単位面積を有したある領域における前記開口部の割合は、当該領域より前記第１方向に沿って前記第１部分から離間した前記第２部分の単位面積を有したある別の領域における前記開口部の割合より高く、
前記第３部分の単位面積を有したある領域における前記開口部の割合は、当該領域より前記第２方向に沿って前記第２部分から離間した前記第３部分の単位面積を有したある別の領域における前記開口部の割合より高い。
本発明の第２の光学部材の製造方法は、
基材上にホログラム感材を設ける工程と、
前記ホログラム感材に対面して減光フィルタを配置する工程と、
光を照射して前記減光フィルタを介して前記ホログラム感材を露光して、前記ホログラム感材を不感化処理する工程と、
前記減光フィルタを除去する工程と、
前記ホログラム感材を露光して、ホログラムを形成する工程と、を備え、
前記減光フィルタは、第１部分と、前記第１部分から第１方向にずれて位置する第２部分と、前記第２部分から前記第１方向に非平行な第２方向にずれて位置する第３部分と、を含み、
前記第２部分の単位面積を有したある領域における光の透過率は、当該領域より前記第１方向に沿って前記第１部分から離間した前記第２部分の単位面積を有したある別の領域における光の透過率より高く、
前記第３部分の単位面積を有したある領域における光の透過率は、当該領域より前記第２方向に沿って前記第２部分から離間した前記第３部分の単位面積を有したある別の領域における光の透過率より高い。
本発明によれば、光学部材から出射する画像光の明るさを均一に近づけることができる。
図１は、頭部装着型表示装置の一部であって、頭部に装着されることで眼前に配置された表示装置を示す斜視図である。 図２は、図１の表示装置が有する光学部材の正面図である。 図３は、図２の光学部材のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図４は、図２の光学部材のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 図５は、光学部材の製造方法の一例を説明するための平面図である。 図６は、光学部材の製造方法の一例を説明するための平面図である。 図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面の一部であって、光学部材の製造方法の一例を説明するための断面図である。 図８は、光学部材の製造方法の一例を説明するための断面図である。 図９は、光学部材の製造方法の一例を説明するための断面図である。 図１０は、図３に示した光学部材の断面図において、光学部材の作用を説明するための図である。 図１１は、光学部材における回折光学素子への光の入射を説明するための図である。 図１２は、回折光学素子への入射回数と回折効率との関係における導光される光の割合を示す表である。 図１３は、図２に対応する光学部材の回折光学素子の一変形例を説明するための光学部材の正面図である。 図１４は、図２に対応する光学部材の回折光学素子の他の変形例を説明するための正面図である。 図１５は、光学部材の回折光学素子の他の変形例の製造方法の一例を説明するための平面図である。 図１６は、図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿った断面の一部であって、光学部材の回折光学素子の他の変形例の製造方法の一例を説明するための断面図である。 図１７は、光学部材の回折光学素子の他の変形例の製造方法の一例を説明するための断面図である。 図１８は、光学部材の回折光学素子の他の変形例の製造方法の一例を説明するための断面図である。 図１９は、光学部材の回折光学素子の他の変形例において、屈折率差の比較方法の一例を説明するための回折光学素子の一部の拡大写真である。 図２０は、光学部材の回折光学素子の他の変形例において、屈折率差の比較方法の一例を説明するための回折光学素子の一部の拡大写真である。 図２１は、光学部材の回折光学素子の他の変形例において、屈折率差の比較方法の一例を説明するための回折光学素子の他の一部の拡大写真である。 図２２は、光学部材の回折光学素子の他の変形例において、屈折率差の比較方法の一例を説明するための回折光学素子の他の一部の拡大写真である。 図２３は、光学部材の回折光学部材のさらに他の変形例を説明するための図である。 図２４は、光学部材の回折光学部材のさらに他の変形例を説明するための図である。 図２５は、光学部材の一変形例を説明するための光学部材の断面図である。
以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。
なお、「シート面（板面、フィルム面）」とは、対象となるシート状（板状、フィルム状）の部材を全体的かつ大局的に見た場合において対象となるシート状部材（板状部材、フィルム状部材）の平面方向と一致する面のことを指す。
また、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件ならびにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「直交」、「同一」等の用語や長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。
図１には、本実施の形態の一例として、頭部装着型表示装置１（ヘッドマウントディスプレイ）が示されている。頭部装着型表示装置１は、人の頭部に装着されて用いられ、眼前に画像を表示する。頭部装着型表示装置１は、頭部に装着された状態で眼前に画像を表示する表示装置３を有している。表示装置３は、画像光を出射する表示部５と、表示部５から出射された画像光を屈折させるレンズ７と、表示部５からの画像光が入射してその内部で導光させた後に観察者の眼前から出射する光学部材１０と、を有している。
表示部５は、画像光を出射する装置である。表示部５は、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、ＬＣＯＳ、ＤＬＰ等の任意の表示部を用いることができる。表示部５は、光学部材１０の後述する第１回折光学部材２０に対面する位置に配置され、第１回折光学部材２０に向けて画像光を出射する。
レンズ７は、表示部５の各位置から出射された画像光を出射位置ごとに屈折させて略平行な方向に進む光にして、光学部材１０の第１回折光学部材２０に入射させる。レンズ７は、表示部５と光学部材１０との間であって、表示部５の画像光を出射する面に対面する位置に配置される。レンズ７は、例えば凸レンズであり、その焦点距離の位置に表示部５が配置されている。
光学部材１０は、一方の側から入射した画像光をその内部で導光して、観察者の眼前に出射させる。光学部材１０に入射する画像光が略平行な方向に進む光であると、光学部材１０から出射する画像光を、略平行な方向に進む光とすることができる。光学部材１０に入射する光及び光学部材１０から出射する光が、図１に実線矢印で示されており、光学部材１０の内部を導光する光が、図１に点線矢印で示されている。図１に示されているように、光学部材１０の表示部５に対面する位置に入射した光が、光学部材１０の画像を表示する位置まで進行方向を変更されながら導光され、観察者の眼前の画像を表示する位置から出射される。
光学部材１０は、基材１１と、第１回折光学部材２０と、第２回折光学部材３０と、第３回折光学部材４０と、第４回折光学部材５０と、を有している。第１回折光学部材２０、第２回折光学部材３０、第３回折光学部材４０及び第４回折光学部材５０は、基材１１のそれぞれ別の位置に積層されている。より詳しくは、第２回折光学部材３０は、第１回折光学部材２０から第１方向ｄ１にずれた位置において基材１１に積層されている。第３回折光学部材４０は、第２回折光学部材３０から第２方向ｄ２にずれた位置において基材１１に積層されている。第４回折光学部材５０は、第１回折光学部材２０から第２方向ｄ２にずれた位置であって第３回折光学部材４０から第１方向ｄ１にずれた位置において基材１１に積層されている。第２方向ｄ２は、第１方向ｄ１とは非平行な方向である。図示された例では、第１方向ｄ１と第２方向ｄ２とは、互いに直交している。
以下、図２乃至図４を参照しながら、光学部材１０の各構成要素について説明する。図２は、光学部材１０の正面図である。図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った光学部材１０の断面図であり、図４は、図２におけるＩＶ−ＩＶ線に沿った光学部材１０の断面図である。
基材１１は、光学部材１０において、内部で光を導光させる導光体として機能する。可視光を導光させるために、基材１１は透明になっている。また、基材１１は、板状の部材である。光は、板状の基材１１の一対の主面や基材１１上に設けられた各回折光学部材等において反射、とりわけ全反射されることで、基材１１の内部を導光される。基材１１の主面において全反射しやすいよう、基材１１の屈折率は、光学部材１０の外部の空気等の屈折率より十分に大きくなっていることが好ましい。具体的には、基材１１の屈折率は、１．５０以上であることが好ましく、１．５５以上であることがより好ましく、１．６以上であることがさらにより好ましく、１．７以上であることがさらにより好ましく、１．８以上であることが最も好ましい。
なお、本明細書において、屈折率とは、波長が５８７．６ｎｍの光に対する屈折率のことを意味する。
また、透明とは、分光光度計（（株）島津製作所製「ＵＶ−３１００ＰＣ」、ＪＩＳ Ｋ ０１１５準拠品）を用いて測定波長３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの範囲内で測定したときの、各波長における透過率の平均値として特定される可視光透過率が、６０％以上であることを意味する。
基材１１は、その内部において光を導光させるための形状を維持するために、変形しにくい材料、すなわち剛性の高い材料からなる。また、基材１１は、基材１１上に積層された第１回折光学部材２０、第２回折光学部材３０、第３回折光学部材４０及び第４回折光学部材５０を適切に支持している。基材１１としては、可視光透過性、剛性、第１回折光学部材２０、第２回折光学部材３０、第３回折光学部材４０及び第４回折光学部材５０の支持性等を考慮すると、例えば、ポリカーボネート、シクロオレフィンポリマー、アクリル等の樹脂材料や、ガラスであることが好ましい。特に、樹脂材料は、重量や脆性の観点から好適である。また、基材１１は、可視光透過性、剛性や、第１回折光学部材２０、第２回折光学部材３０、第３回折光学部材４０及び第４回折光学部材５０の支持性等を考慮すると、０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、好ましくは０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であり、さらに好ましくは０．３ｍｍ以上０．７ｍｍ以下の厚みである。さらに、基材１１の主面において光を全反射によって導光させるために、基材１１の主面は平坦性が高いことが好ましい。具体的には、基材１１のうち平面視における任意の１ｍｍ角の領域において、最も厚い部分の厚さと最も薄い部分の厚さの差が５μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以下であることがより好ましく、１μｍ以下であることがさらに好ましく、０．５μｍ以下であることがさらにより好ましい。
第１回折光学部材２０は、光学部材１０に入射した光を回折させる。第１回折光学部材２０は、表示部５からの画像光を入射させる光学部材１０の入射部に設けられている。第１回折光学部材２０は、表示部５と対面している。図３及び図４によく示されているように、第１回折光学部材２０は、第１回折光学素子２１及び第５回折光学素子２２を含んでいる。
第１回折光学素子２１は、光学部材１０の入射部に入射する光のうち第１波長域の光を回折する。言い換えると、第１回折光学素子２１は、基材１１のシート面の法線方向から入射した第１波長域の光を回折する回折特性を有している。第１回折光学素子２１は、第１波長域の光を回折させる第１回折格子を含んでいる。第１回折格子は、第１回折光学素子２１において材料の屈折率差によって形成されている。すなわち、第１回折光学素子２１において、第１回折格子を形成するように屈折率差がある。第１回折光学素子２１は、第１回折格子によって、第１回折光学部材２０に入射した第１波長域の光を第１方向ｄ１に向かうように回折させる。第１方向ｄ１に向かう第１波長域の光は、基材１１内を導光される。なお、基材１１内で導光される方向は、光学部材１０の平面視において、基材１１内における光の進行方向のことを意味している。したがって、基材１１内における厚み方向への移動を無視している。
なお、ある波長域の光を回折させるように設けられているとは、当該波長域に含まれる任意の波長の光に対する回折効率が、１０％以上であることを意味している。回折効率は、例えば分光光度計（（株）島津製作所製「ＵＶ−２４５０」）を用いて、透過率の差分から測定することができる。
第１回折光学素子２１の厚さは、厚くなっていることが好ましい。第１回折光学素子２１の厚さが厚くなっていることで、第１回折光学素子２１の回折効率を向上させることができる。すなわち、第１回折光学素子２１に入射した第１波長域の光が第１回折光学素子２１で回折される割合を高くすることができる。具体的には、第１回折光学素子２１の厚さは、例えば３μｍ以上、好ましくは５μｍ以上、より好ましくは１０μｍ以上、さらに好ましくは１５μｍ以上となっている。
一方、第１回折光学素子２１の回折効率は、適切な範囲にあることが好ましい。具体的には、第１回折光学素子２１の回折効率は、５０％以下であることが好ましく、１０％以上４０％以下であることがより好ましく、１０％以上３０％以下であることがさらに好ましく、１５％以上２５％以下であることが最も好ましい。第１回折光学素子２１の回折効率を適切に設定することで、より多くの第１波長域の光を第１回折光学部材２０から第２回折光学部材３０に導光させることができる。
第５回折光学素子２２は、光学部材１０の入射部に入射する光のうち第２波長域の光を回折する。言い換えると、第５回折光学素子２２は、基材１１のシート面の法線方向から入射した第２波長域の光を回折する回折特性を有している。第５回折光学素子２２は、第２波長域の光を回折させる第５回折格子を含んでいる。第５回折格子は、第５回折光学素子２２において材料の屈折率差によって形成されている。すなわち、第５回折光学素子２２において、第５回折格子を形成するように屈折率差がある。第５回折光学素子２２は、第５回折格子によって、第１回折光学部材２０に入射した第２波長域の光を第２方向ｄ２に向かうように回折させる。第２方向ｄ２に向かう第２波長域の光は、基材１１内を導光される。
第５回折光学素子２２の厚さは、厚くなっていることが好ましい。第５回折光学素子２２の厚さが厚くなっていることで、第５回折光学素子２２の回折効率を向上させることができる。すなわち、第５回折光学素子２２に入射した第２波長域の光が第５回折光学素子２２で回折される割合を高くすることができる。具体的には、第５回折光学素子２２の厚さは、例えば３μｍ以上、好ましくは５μｍ以上、より好ましくは１０μｍ以上、さらに好ましくは１５μｍ以上となっている。
一方、第５回折光学素子２２の回折効率は、適切な範囲にあることが好ましい。具体的には、第５回折光学素子２２の回折効率は、５０％以下であることが好ましく、１０％以上４０％以下であることがより好ましく、１０％以上３０％以下であることがさらに好ましく、１５％以上２５％以下であることが最も好ましい。第５回折光学素子２２の回折効率を適切に設定することで、より多くの第２波長域の光を第１回折光学部材２０から第４回折光学部材５０に導光させることができる。
ここで、第１波長域は、赤色、緑色、青色の光のうち、２つの色の光の波長域を含んでいる。例えば、第１波長域は、６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下及び４００ｎｍ以上４９０ｎｍ以下である。すなわち、第１波長域は、赤色の光の波長域と青色の光の波長域とを含んでいる。この場合、第２波長域は、５００ｎｍ以上５８０ｎｍ以下である。すなわち、第２波長域は、緑色の光の波長域を含んでいる。あるいは、他の例として、第１波長域は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下である。すなわち、第１波長域は、緑色の光の波長域と青色の光の波長域とを含んでいる。この場合、第２波長域５５０ｎｍ以上７００ｎｍ以下である。すなわち、第２波長域は、赤色の光の波長域を含んでいる。
第１回折光学部材２０における第１波長域の光の導光方向である第１方向ｄ１と第２波長域の光の導光方向である第２方向ｄ２とがなす角度は、直角に近いことが好ましい。具体的には、第１方向ｄ１と第２方向ｄ２とがなす角度は、７０°以上１１０°以下であることが好ましく、８０°以上１００°以下であることがより好ましく、８５°以上９５°以下であることがさらに好ましく、８９°以上９１°以下であることがさらにより好ましく、９０°であることが最も好ましい。
第１回折光学素子２１は、第２波長域の光を透過させることができる。具体的には、第１回折光学素子２１における第２波長域の光の透過率は、３０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがより好ましく、７０％以上であることがさらに好ましく、９０％以上であることがさらにより好ましい。同様に、第５回折光学素子２２は、第１波長域の光を透過させることができる。具体的には、第５回折光学素子２２における第１波長域の光の透過率は、３０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがより好ましく、７０％以上であることがさらに好ましく、９０％以上であることがさらにより好ましい。
第２回折光学部材３０は、第１回折光学部材２０で回折された光のうち、第１回折光学素子２１で回折された第１波長域の光を回折させる。第２回折光学部材３０は、画像光を第１方向ｄ１に拡張する光学部材１０の拡張部に設けられている。第２回折光学部材３０は第１方向ｄ１に長手方向を有している。第２回折光学部材３０は、第２回折光学素子３１を含んでいる。
第２回折光学素子３１は、第１回折光学素子２１で回折された第１波長域の光を回折する。言い換えると、第２回折光学素子３１は、基材１１内を第１方向ｄ１に進む第１波長域の光を回折する回折特性を有している。第２回折光学素子３１は、第１波長域の光を回折させる第２回折格子を含んでいる。第２回折格子は、第２回折光学素子３１において材料の屈折率差によって形成されている。すなわち、第２回折光学素子３１において、第２回折格子を形成するように屈折率差がある。第２回折光学素子３１は、第２回折格子によって、第２回折光学部材３０に第１方向ｄ１から入射した第１波長域の光を第２方向ｄ２に向かうように回折させる。第２方向ｄ２に向かう第１波長域の光は、基材１１内を導光される。
第２回折光学素子３１の回折効率は、第１回折光学素子２１の回折効率よりも低くなっている。したがって、例えば第２回折光学素子３１のある位置に入射した第１波長域の光の一部のみが回折されて、基材１１内を第２方向ｄ２に導光されるようになる。ただし、第２回折光学部材３０は第１方向ｄ１に長手方向を有している。このため、第２回折光学素子３１のある位置で回折されなかった第１波長域の光は、その後、第２回折光学素子３１及び基材１１の表面で反射（好ましくは全反射）し、再び第２回折光学素子３１の別の位置に入射する。
第２回折光学素子３１の厚さは、第１回折光学素子２１の厚さより薄くなっていることが好ましい。この場合、第２回折光学素子３１の回折効率は、第１回折光学素子２１の回折効率よりも低くすることができる。具体的には、第２回折光学素子３１の厚さは、１４μｍ以下であることが好ましく、８μｍ以下であることがより好ましく、４μｍ以下であることがさらに好ましく、２μｍ以下であることが最も好ましい。
第２回折光学素子３１の回折効率は、第２回折光学部材３０が設けられた位置を第１方向ｄ１に進む第１波長域の光が通過する前に、第２回折光学素子３１で回折されるよう設定されている。第２回折光学素子３１の回折効率は、具体的には、基材１１の厚みや、第２回折光学部材３０の第１方向ｄ１に沿った長さ等を考慮して決定される。また、第２回折光学素子３１の単位面積を有したある領域における回折効率は、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第１回折光学部材２０から離間した第２回折光学素子３１の単位面積を有したある別の領域における回折効率より低くなっている。すなわち、第２回折光学素子３１の単位面積を有したある一つの領域における回折効率は、第１回折光学部材２０と当該一つの領域との第１方向ｄ１に沿った距離よりも長い距離だけ第１回折光学部材２０から第１方向ｄ１に離間した第２回折光学素子３１の単位面積を有したある一つの別の領域における回折効率より低くなっている。より好ましくは、第２回折光学素子３１の単位面積を有した任意の領域における回折効率は、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第１回折光学部材２０から離間した第２回折光学素子３１の単位面積を有した任意の別の領域における回折効率より低くなっている。すなわち、第２回折光学素子３１の単位面積を有した任意の領域における回折効率は、第１回折光学部材２０と当該領域との第１方向ｄ１に沿った距離よりも長い距離だけ第１回折光学部材２０から第１方向ｄ１に離間した第２回折光学素子３１の単位面積を有した任意の別の領域における回折効率より低くなっている。さらに言い換えると第２回折光学素子３１の単位面積あたりの回折効率は、第１方向ｄ１に沿って第１回折光学部材２０から離間するにつれて高くなっている。
なお、単位面積の大きさは、回折光学部材における回折効率等の特性や構成の傾向が理解される程度の大きさであり、例えば、後述する回折光学素子の平坦部を複数含むような大きさである。具体的には、単位面積の大きさは、例えば０．０００１ｍｍ２以上２５ｍｍ２以下、好ましくは０．００１ｍｍ２以上９ｍｍ２以下、より好ましくは０．０１ｍｍ２以上４ｍｍ２以下、更に好ましくは０．１ｍｍ２以上１ｍｍ２以下とすることができる。また、単位面積を有した領域は、円形や正方形であることが好ましい。
例えば、第２回折光学素子３１は、図２に示すように、第２回折格子が形成された第２回折部３１ａと、第２回折格子の非形成部である第２平坦部３１ｂと、を含んでいる。すなわち、第２回折部３１ａは、第１方向ｄ１から入射した第１波長域の光を回折することができるが、第２平坦部３１ｂは、光を回折せずに、表面で反射（好ましくは全反射）する。そして、第２回折光学素子３１の単位面積を有したある領域、好ましくは任意の領域における第２回折部３１ａの割合は、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第１回折光学部材２０から離間した第２回折光学素子３１の単位面積を有したある別の領域、好ましくは任意の別の領域における第２回折部３１ａの割合より低くなっている。逆に言うと、第２回折光学素子３１の単位面積を有したある領域、好ましくは任意の領域における第２平坦部３１ｂの割合は、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第１回折光学部材２０から離間した第２回折光学素子３１の単位面積を有したある別の領域、好ましくは任意の別の領域における第２平坦部３１ｂの割合より高くなっている。例えばこのようにして、第２回折光学素子３１の上述した回折効率を実現することができる。
より具体的には、例えば図２に示すように、第２回折光学部材３０において、第２回折光学素子３１の第２回折部３１ａと第２平坦部３１ｂとは、第１方向ｄ１に交互に配置されている。第２平坦部３１ｂの第１方向ｄ１に沿った幅は、例えば１μｍ以上２ｍｍ以下である。第２平坦部３１ｂの第１方向ｄ１に沿った幅は一定であるが、第２回折部３１ａの第１方向ｄ１に沿った幅は第１方向ｄ１に沿って第１回折光学部材２０から離間するにつれて大きくなっている。このようにして、第２回折光学素子３１の単位面積を有したある領域における第２回折部３１ａの割合を、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第１回折光学部材２０から離間した第２回折光学素子３１の単位面積を有したある別の領域における第２回折部３１ａの割合より低くすることができる。
第４回折光学部材５０は、第１回折光学部材２０で回折された光のうち、第５回折光学素子２２で回折された第２波長域の光を回折させる。第４回折光学部材５０は、第２回折光学部材３０とは別の拡張部であって画像光を第２方向ｄ２に拡張する光学部材１０の拡張部に設けられている。第４回折光学部材５０は、第２方向ｄ２に長手方向を有している。第４回折光学部材５０は、第４回折光学素子５１を含んでいる。
第４回折光学素子５１は、第５回折光学素子２２で回折された第２波長域の光を回折する。言い換えると、第４回折光学素子５１は、基材１１内を第２方向ｄ２に進む第２波長域の光を回折する回折特性を有している。第４回折光学素子５１は、第２波長域の光を回折させる第４回折格子を含んでいる。第４回折格子は、第４回折光学素子５１において材料の屈折率差によって形成されている。すなわち、第４回折光学素子５１において、第４回折格子を形成するように屈折率差がある。第４回折光学素子５１は、第４回折格子によって、第４回折光学部材５０に第２方向ｄ２から入射した第２波長域の光を第１方向ｄ１に向かうように回折させる。第１方向ｄ１に向かう第２波長域の光は、基材１１内を導光される。
第４回折光学素子５１の回折効率は、第５回折光学素子２２の回折効率よりも低くなっている。したがって、例えば第４回折光学素子５１のある位置に入射した第２波長域の光の一部のみが回折されて、基材１１内を第１方向ｄ１に導光されるようになる。ただし、第２回折光学部材３０は第１方向ｄ１に長手方向を有している。このため、第４回折光学素子５１のある位置で回折されなかった第２波長域の光は、その後、第４回折光学素子５１及び基材１１の表面で反射（好ましくは全反射）し、再び第４回折光学素子５１の別の位置に入射する。
第４回折光学素子５１の厚さは、第５回折光学素子２２の厚さより薄くなっていることが好ましい。この場合、第４回折光学素子５１の回折効率は、第５回折光学素子２２の回折効率よりも低くすることができる。具体的には、第４回折光学素子５１の厚さは、１４μｍ以下であることが好ましく、８μｍ以下であることがより好ましく、４μｍ以下であることがさらに好ましく、２μｍ以下であることが最も好ましい。
第４回折光学素子５１の回折効率は、第４回折光学部材５０が設けられた位置を第２方向ｄ２に進む第２波長域の光が通過する前に、第４回折光学素子５１で回折されるよう設定されている。第４回折光学素子５１の回折効率は、具体的には、基材１１の厚みや、第４回折光学部材５０の第２方向ｄ２に沿った長さ等を考慮して決定される。また、第４回折光学素子５１の単位面積を有したある領域における回折効率は、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第１回折光学部材２０から離間した第４回折光学素子５１の単位面積を有したある別の領域における回折効率より低くなっている。すなわち、第４回折光学素子５１の単位面積を有したある一つの領域における回折効率は、第１回折光学部材２０と当該一つの領域との第２方向ｄ２に沿った距離よりも長い距離だけ第１回折光学部材２０から第２方向ｄ２に離間した第４回折光学素子５１の単位面積を有したある一つの別の領域における回折効率より低くなっている。より好ましくは、第４回折光学素子５１の単位面積を有した任意の領域における回折効率は、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第１回折光学部材２０から離間した第４回折光学素子５１の単位面積を有した任意の別の領域における回折効率より低くなっている。すなわち、第４回折光学素子５１の単位面積を有した任意の領域における回折効率は、第１回折光学部材２０と当該領域との第２方向ｄ２に沿った距離よりも長い距離だけ第１回折光学部材２０から第２方向ｄ２に離間した第４回折光学素子５１の単位面積を有した任意の別の領域における回折効率より低くなっている。さらに言い換えると、第４回折光学素子５１の単位面積あたりの回折効率は、第２方向ｄ２に沿って第１回折光学部材２０から離間するにつれて高くなっている。
例えば、第４回折光学素子５１は、図２に示すように、第４回折格子が形成された第４回折部５１ａと、第４回折格子の非形成部である第４平坦部５１ｂと、を含んでいる。すなわち、第４回折部５１ａは、第２方向ｄ２から入射した第２波長域の光を回折することができるが、第４平坦部５１ｂは、光を回折せずに、表面で反射（好ましくは全反射）する。そして、第４回折光学素子５１の単位面積を有したある領域、好ましくは任意の領域における第４回折部５１ａの割合は、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第１回折光学部材２０から離間した第４回折光学素子５１の単位面積を有したある別の領域、好ましくは任意の別の領域における第４回折部５１ａの割合より低くなっている。逆に言うと、第４回折光学素子５１の単位面積を有したある領域、好ましくは任意の領域における第４平坦部５１ｂの割合は、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第１回折光学部材２０から離間した第４回折光学素子５１の単位面積を有したある別の領域、好ましくは任意の別の領域における第４平坦部５１ｂの割合より高くなっている。例えばこのようにして、第４回折光学素子５１の上述した回折効率を実現することができる。
より具体的には、例えば図２に示すように、第４回折光学部材５０において、第４回折光学素子５１の第４回折部５１ａと第４平坦部５１ｂとは、第２方向ｄ２に交互に配置されている。第４平坦部５１ｂの第２方向ｄ２に沿った幅は、例えば１μｍ以上２ｍｍ以下である。第２方向ｄ２に沿った第４回折部５１ａの幅と第４平坦部５１ｂの幅との合計は一定であるが、第４回折部５１ａの第２方向ｄ２の沿った幅は第２方向ｄ２に沿って第１回折光学部材２０から離間するにつれて大きくなっている。このようにして、第４回折光学素子５１の単位面積を有したある領域における第４回折部５１ａの割合を、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第１回折光学部材２０から離間した第４回折光学素子５１の単位面積を有したある別の領域における第４回折部５１ａの割合より低くすることができる。
第３回折光学部材４０は、第２回折光学部材３０で回折された第１波長域の光及び第４回折光学部材５０で回折された第２波長域の光を回折して、光学部材１０から出射させる。第３回折光学部材４０は、画像光を出射させる光学部材１０の出射部に設けられている。第３回折光学部材４０は、光学部材１０の観察者の眼前に位置する。第３回折光学部材４０は、第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２に延びている。図３及び図４によく示されているように、第３回折光学部材４０は、第３回折光学素子４１及び第６回折光学素子４２を含んでいる。
第３回折光学素子４１は、第２回折光学素子３１で回折された第１波長域の光を回折する。言い換えると、第３回折光学素子４１は、基材１１内を第２方向ｄ２に進む第１波長域の光を回折する回折特性を有している。第３回折光学素子４１は、第１波長域の光を回折させる第３回折格子を含んでいる。第３回折格子は、第３回折光学素子４１において材料の屈折率差によって形成されている。すなわち、第３回折光学素子４１において、第３回折格子を形成するように屈折率差がある。第３回折光学素子４１は、第３回折格子によって、第３回折光学部材４０に第２方向ｄ２から入射した第１波長域の光を光学部材１０から出射するように回折させる。
第３回折光学素子４１の回折効率は、第１回折光学素子２１の回折効率よりも低くなっている。したがって、例えば第３回折光学素子４１のある位置に入射した第１波長域の光の一部のみが回折されて、光学部材１０から出射されるようになる。ただし、第３回折光学部材４０は第２方向ｄ２に延びている。このため、第３回折光学素子４１のある位置で回折されなかった第１波長域の光は、その後、第３回折光学素子４１及び基材１１の表面で反射（好ましくは全反射）し、再び第３回折光学素子４１の別の位置に入射する。
第３回折光学素子４１の厚さは、第１回折光学素子２１の厚さより薄くなっていることが好ましい。この場合、第３回折光学素子４１の回折効率は、第１回折光学素子２１の回折効率よりも低くすることができる。具体的には、第３回折光学素子４１の厚さは、１４μｍ以下であることが好ましく、８μｍ以下であることがより好ましく、４μｍ以下であることがさらに好ましく、２μｍ以下であることが最も好ましい。
第３回折光学素子４１の回折効率は、第３回折光学部材４０が設けられた位置を第２方向ｄ２に進む第１波長域の光が通過する前に、第３回折光学素子４１で回折されるよう設定されている。第３回折光学素子４１の回折効率は、具体的には、基材１１の厚みや、第３回折光学部材４０の第２方向ｄ２に沿った長さ等を考慮して決定される。また、第３回折光学素子４１の単位面積を有したある領域における回折効率は、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第２回折光学部材３０から離間した第３回折光学素子４１の単位面積を有したある別の領域における回折効率より低くなっている。すなわち、第３回折光学素子４１の単位面積を有したある一つの領域における回折効率は、第２回折光学部材３０と当該一つの領域との第２方向ｄ２に沿った距離よりも長い距離だけ第２回折光学部材３０から第２方向ｄ２に離間した第３回折光学素子４１の単位面積を有したある一つの別の領域における回折効率より低くなっている。より好ましくは、第３回折光学素子４１の単位面積を有した任意の領域における回折効率は、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第２回折光学部材３０から離間した第３回折光学素子４１の単位面積を有した任意の別の領域における回折効率より低くなっている。すなわち、第３回折光学素子４１の単位面積を有した任意の領域における回折効率は、第２回折光学部材３０と当該領域との第２方向ｄ２に沿った距離よりも長い距離だけ第２回折光学部材３０から第２方向ｄ２に離間した第３回折光学素子４１の単位面積を有した任意の一つの別の領域における回折効率より低くなっている。さらに言い換えると、第３回折光学素子４１の単位面積あたりの回折効率は、第２方向ｄ２に沿って第２回折光学部材３０から離間するにつれて高くなっている。
例えば、第３回折光学素子４１は、図２に示すように、第３回折格子が形成された第３回折部４１ａと、第３回折格子の非形成部である第３平坦部４１ｂと、を含んでいる。すなわち、第３回折部４１ａは、第２方向ｄ２から入射した第１波長域の光を回折することができるが、第３平坦部４１ｂは、光を回折せずに、表面で反射（好ましくは全反射）する。そして、第３回折光学素子４１の単位面積を有したある領域、好ましくは任意の領域における第３回折部４１ａの割合は、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第２回折光学部材３０から離間した第３回折光学素子４１の単位面積を有したある別の領域、好ましくは任意の別の領域における第３回折部４１ａの割合より低くなっている。逆に言うと、第３回折光学素子４１の単位面積を有したある領域、好ましくは任意の領域における第３平坦部４１ｂの割合は、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第２回折光学部材３０から離間した第３回折光学素子４１の単位面積を有したある別の領域、好ましくは任意の別の領域における第３平坦部４１ｂの割合より高くなっている。例えばこのようにして、第３回折光学素子４１の上述した回折効率を実現することができる。
より具体的には、例えば図２に示すように、第３回折光学部材４０において、第３回折光学素子４１の第３回折部４１ａと第３平坦部４１ｂとは、第２方向ｄ２に交互に配置されている。第３平坦部４１ｂの第２方向ｄ２に沿った幅は、例えば１μｍ以上２ｍｍ以下である。第２方向ｄ２に沿った第３回折部４１ａの幅と第３平坦部４１ｂの幅との合計は一定であるが、第３回折部４１ａの第２方向ｄ２の沿った幅は第２方向ｄ２に沿って第２回折光学部材３０から離間するにつれて大きくなっている。このようにして、第３回折光学素子４１の単位面積を有したある領域における第３回折部４１ａの割合を、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第２回折光学部材３０から離間した第３回折光学素子４１の単位面積を有したある別の領域における第３回折部４１ａの割合より低くすることができる。
第６回折光学素子４２は、第４回折光学素子５１で回折された第２波長域の光を回折する。言い換えると、第６回折光学素子４２は、基材１１内を第１方向ｄ１に進む第２波長域の光を回折する回折特性を有している。第６回折光学素子４２は、第２波長域の光を回折させる第６回折格子を含んでいる。第６回折格子は、第６回折光学素子４２において材料の屈折率差によって形成されている。すなわち、第６回折光学素子４２において、第６回折格子を形成するように屈折率差がある。第６回折光学素子４２は、第６回折格子によって、第３回折光学部材４０に第１方向ｄ１から入射した第２波長域の光を光学部材１０から出射するように回折する。
第６回折光学素子４２の回折効率は、第５回折光学素子２２の回折効率よりも低くなっている。したがって、例えば第６回折光学素子４２のある位置に入射した第２波長域の光の一部のみが回折されて、光学部材１０から出射されるようになる。ただし、第３回折光学部材４０は第１方向ｄ１に延びている。このため、第６回折光学素子４２のある位置で回折されなかった第２波長域の光は、その後、第６回折光学素子４２及び基材１１の表面で反射（好ましくは全反射）し、再び第６回折光学素子４２の別の位置に入射する。
第６回折光学素子４２の厚さは、第５回折光学素子２２の厚さより薄くなっていることが好ましい。この場合、第６回折光学素子４２の回折効率は、第５回折光学素子２２の回折効率よりも低くすることができる。具体的には、第６回折光学素子４２の厚さは、１４μｍ以下であることが好ましく、８μｍ以下であることがより好ましく、４μｍ以下であることがさらに好ましく、２μｍ以下であることが最も好ましい。
第６回折光学素子４２の回折効率は、第３回折光学部材４０が設けられた位置を第１方向ｄ１に進む第２波長域の光が通過する前に、第６回折光学素子４２で回折されるよう設定されている。第６回折光学素子４２の回折効率は、具体的には、基材１１の厚みや、第３回折光学部材４０の第１方向ｄ１に沿った長さ等を考慮して決定される。また、第６回折光学素子４２の単位面積を有したある領域における回折効率は、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第４回折光学部材５０から離間した第６回折光学素子４２の単位面積を有したある別の領域における回折効率より低くなっている。すなわち、第６回折光学素子４２の単位面積を有したある一つの領域における回折効率は、第４回折光学部材５０と当該一つの領域との第１方向ｄ１に沿った距離よりも長い距離だけ第４回折光学部材５０から第１方向ｄ１に離間した第６回折光学素子４２の単位面積を有したある一つの別の領域における回折効率より低くなっている。より好ましくは、第６回折光学素子４２の単位面積を有した任意の領域における回折効率は、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第４回折光学部材５０から離間した第６回折光学素子４２の単位面積を有した任意の別の領域における回折効率より低くなっている。すなわち、第６回折光学素子４２の単位面積を有した任意の領域における回折効率は、第４回折光学部材５０と当該領域との第１方向ｄ１に沿った距離よりも長い距離だけ第４回折光学部材５０から第１方向ｄ１に離間した第６回折光学素子４２の単位面積を有した任意の一つの別の領域における回折効率より低くなっている。さらに言い換えると、第６回折光学素子４２の単位面積あたりの回折効率は、第１方向ｄ１に沿って第４回折光学部材５０から離間するにつれて高くなっている。
例えば、第６回折光学素子４２は、図２に示すように、第６回折格子が形成された第６回折部４２ａと、第６回折格子の非形成部である第６平坦部４２ｂと、を含んでいる。すなわち、第６回折部４２ａは、第１方向ｄ１から入射した第２波長域の光を回折することができるが、第６平坦部４２ｂは、光を回折せずに、表面で反射（好ましくは全反射）する。そして、第６回折光学素子４２の単位面積を有したある領域、好ましくは任意の領域における第６回折部４２ａの割合は、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第４回折光学部材５０から離間した第６回折光学素子４２の単位面積を有したある別の領域、好ましくは任意の別の領域における第６回折部４２ａの割合より低くなっている。逆に言うと、第６回折光学素子４２の単位面積を有したある領域、好ましくは任意の領域における第６平坦部４２ｂの割合は、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第４回折光学部材５０から離間した第６回折光学素子４２の単位面積を有したある別の領域、好ましくは任意の別の領域における第６平坦部４２ｂの割合より高くなっている。例えばこのようにして、第６回折光学素子４２の上述した回折効率を実現することができる。
より具体的には、例えば図２に示すように、第３回折光学部材４０において、第６回折光学素子４２の第６回折部４２ａと第６平坦部４２ｂとは、第１方向ｄ１に交互に配置されている。第６平坦部４２ｂの第１方向ｄ１に沿った幅は、例えば１μｍ以上２ｍｍ以下である。第６平坦部４２ｂの第１方向ｄ１に沿った幅は一定であるが、第６回折部４２ａの第１方向ｄ１に沿った幅は第１方向ｄ１に沿って第４回折光学部材５０から離間するにつれて大きくなっている。このようにして、第６回折光学素子４２の単位面積を有したある領域における第６回折部４２ａの割合を、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第４回折光学部材５０から離間した第６回折光学素子４２の単位面積を有したある別の領域における第６回折部４２ａの割合より低くすることができる。
なお、図示された例に限らず、第２回折光学部材３０において、第２回折部３１ａの幅と第２平坦部３１ｂの幅との合計は一定であるが、第２回折部３１ａの第１方向ｄ１の沿った幅が第１方向ｄ１に沿って第１回折光学部材２０から離間するにつれて大きくなっていてもよい。また、第３回折光学部材４０において、第６回折部４２ａの幅と第６平坦部４２ｂの幅との合計は一定であるが、第６回折部４２ａの第１方向ｄ１の沿った幅が第１方向ｄ１に沿って第４回折光学部材５０から離間するにつれて大きくなっていてもよい。同様に、第４回折光学部材５０において、第４平坦部５１ｂの第２方向ｄ２に沿った幅は一定であるが、第４回折部５１ａの第２方向ｄ２に沿った幅が第２方向ｄ２に沿って第１回折光学部材２０から離間するにつれて大きくなっていてもよい。また、第３回折光学部材４０において、第３平坦部４１ｂの第２方向ｄ２に沿った幅は一定であるが、第３回折部４１ａの第２方向ｄ２に沿った幅が第２方向ｄ２に沿って第２回折光学部材３０から離間するにつれて大きくなっていてもよい。あるいは、各回折光学素子の単位面積を有した領域における回折部の割合は、他の態様によって変化していてもよい。
第１回折光学素子２１、第２回折光学素子３１、第３回折光学素子４１、第４回折光学素子５１、第５回折光学素子２２及び第６回折光学素子４２は、典型的には、ホログラムとすることができる。第１〜第６回折光学素子は、位相型のホログラムであってもよいし、振幅型のホログラムであってもよい。また、第１〜第６回折光学素子は、反射型のホログラムであってもよいし、透過型のホログラムであってもよい。さらに、第１〜第６回折光学素子は、体積ホログラムであってもよいし、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ：Computer Generated Hologram）であってもよい。とりわけ、第２回折光学素子３１、第３回折光学素子４１、第４回折光学素子５１及び第６回折光学素子４２は、体積ホログラムであることが好ましい。図３及び図４に示された例において、第１回折光学素子２１、第２回折光学素子３１、第３回折光学素子４１、第４回折光学素子５１、第５回折光学素子２２及び第６回折光学素子４２は、反射型の体積ホログラムとなっている。
図３及び図４に示された例では、第１回折光学部材２０、第２回折光学部材３０、第３回折光学部材４０及び第４回折光学部材５０は、基材１１の同じ側に設けられている。しかしながら、これらは基材１１の一方の側と他方の側の任意の側にそれぞれ設けられていてもよい。あるいは、例えば第１回折光学部材２０が、基材１１の一方の側と他方の側の両方に設けられていてもよい。画像光が入射する側である基材１１の一方の側に設けられる回折光学素子は、反射型のホログラムとなり、基材１１の他方の側に設けられる回折光学素子は、透過型のホログラムとなる。
また、図示された例のように、第１回折光学部材２０、第２回折光学部材３０、第３回折光学部材４０及び第４回折光学部材５０が光学部材１０の表面に形成されている場合、第１〜第４回折光学部材は、基材１１とともに光を導光させる。第１〜第４回折光学部材の表面において光を全反射させるために、第１回折光学部材２０、第２回折光学部材３０、第３回折光学部材４０及び第４回折光学部材５０の屈折率は、光学部材１０の外部の空気等の屈折率より十分に大きくなっていることが好ましい。具体的には、第１回折光学部材２０、第２回折光学部材３０、第３回折光学部材４０及び第４回折光学部材５０の屈折率は、１．５０以上であることが好ましく、１．５５以上であることがより好ましく、１．６以上であることがさらに好ましく、１．７以上であることがさらにより好ましく、１．８以上であることが最も好ましい。
次に、光学部材１０の製造方法の一例について、図５乃至図９を参照しながら説明する。
まず、図５に示すように、基材１１上にホログラムとして回折光学素子を形成するようになるホログラム感材８０を設ける。図示された例では、基材１１上の一方の側にホログラム感材が設けられている。ホログラム感材８０としては、例えば、銀塩乳剤や重クロム酸ゼラチン等の種々の公知の複製用ホログラム感材を用いることができる。ホログラム感材８０は、露光されることで露光光による干渉縞を記録することができる。
次に、図６に示すように、基材１１上のホログラム感材８０に対面してマスク６０を配置する。マスク６０は、作製される光学部材１０の各回折光学部材に対応した部分を有している。すなわち、マスク６０は、第１部分６２と、第１部分６２から第１方向ｄ１にずれて位置する第２部分６３と、第２部分６３から第２方向ｄ２にずれて位置する第３部分６４と、第１部分６２から第２方向ｄ２にずれて位置する第４部分６５と、を含んでいる。マスク６０は、第２部分６３、第３部分６４及び第４部分６５において開口部６１を有している。マスク６０は、開口部６１が設けられていない部分では光を遮光するが、開口部６１において光を透過させる。
この開口部６１は、作製される光学部材１０の各回折光学素子における平坦部に対応して設けられている。すなわち、第２部分６３の単位面積を有したある領域、好ましくは任意の領域における開口部６１の割合は、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第１部分６２から離間した第２部分６３の単位面積を有したある別の領域、好ましくは任意の別の領域における開口部６１の割合より高くなっている。第３部分６４の単位面積を有したある領域、好ましくは任意の領域における開口部６１の割合は、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第２部分６３から離間した第３部分６４の単位面積を有したある別の領域における開口部６１の割合より高くなっており、且つ当該領域より第１方向ｄ１に沿って第４部分６５から離間した第３部分６４の単位面積を有したある別の領域における開口部６１の割合より高くなっている。第４部分６５の単位面積を有したある領域、好ましくは任意の領域における開口部６１の割合は、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第１部分６２から離間した第４部分６５の単位面積を有したある別の領域における開口部６１の割合より高くなっている。第２部分６３における開口部６１の第１方向ｄ１に沿った幅、第３部分６４において第１方向ｄ１に沿って配列された開口部６１の第１方向ｄ１に沿った幅、第３部分６４において第２方向ｄ２に沿って配列された開口部６１の第２方向ｄ２に沿った幅、及び第４部分６５における第２方向ｄ２に沿った開口部６１の幅は、例えば１μｍ以上２ｍｍ以下である。
次に、図７に示すように、マスク６０を介して光Ｌ７を照射して、ホログラム感材８０を露光する。図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面の一部である。すなわち、マスク６０の開口部６１が設けられていない部分に対面する位置において、ホログラム感材８０は露光される。ここで光Ｌ７が照射されたホログラム感材８０は、後にホログラムを形成するための光を照射してもホログラムが形成されなくなる。すなわち、ホログラム感材８０が不感化処理される。ホログラム感材８０に照射する光Ｌ７は、短時間で確実に不感化処理するために、紫外線であることが好ましい。不感化処理されたホログラム感材８０は、図８に示すように、各回折光学素子の平坦部となる。
その後、マスク６０を除去し、次に図９に示すように基材１１のホログラム感材８０が設けられた側とは逆側にホログラム原版８５を配置し、光、特に平行光束を照射してホログラム感材８０を露光する。照射される光Ｌ９１が参照光として、またホログラム感材８０をいったん透過してホログラム原版８５で回折された回折光Ｌ９２が物体光として、ホログラム感材８０に入射する。光Ｌ９１と回折光Ｌ９２とが干渉することにより、ホログラム感材８０内に明暗パターンである干渉縞が生成される。そして、この干渉縞が、感光性を有したホログラム感材８０に記録される。このようにして、ホログラム感材８０に干渉縞を記録することにより、回折格子が形成される。回折格子が形成された部分が、各回折光学素子の回折部となる。このようにして、基材１１上にホログラムとしての回折光学素子が形成されて、光学部材１０が製造される。
次に、頭部装着型表示装置１及び光学部材１０の作用について、図１０を参照しながら説明する。図１０は、図３に示した光学部材１０の断面図において、表示部５から入射した第１波長域の光が観察者の眼前に表示される状態を示している。
まず、表示部５が、拡散光となっている画像光を出射する。出射される画像光は、第１波長域の光と第２波長域の光とを含んでいる。典型的には、画像光は、赤色の波長域の光と、緑色の波長域の光と、青色の波長域の光と、を含んでいる。第１波長域は、青色の光の波長域と、赤色の波長域または緑色の波長域を含んでいる。第２波長域は、赤色の波長域または緑色の波長域のうち、第１波長域に含まれない波長域を含んでいる。
表示部５から出射した画像光は、レンズ７に入射する。図１０に示すように、レンズ７によって、表示部５の各位置から出射された画像光は、出射位置ごとに拡散光から略平行な方向に進む光となる。図１０に示された例では、表示部５の中心付近から出射された画像光と、表示部５の周縁付近から出射された画像光とは、レンズ７によって、それぞれ異なる角度で光学部材１０に入射する略平行な方向に進む光となっている。略平行となった画像光が、光学部材１０の第１回折光学部材２０に入射する。
第１回折光学部材２０に入射した画像光のうち、図１０に示されたように、第１波長域の光は、第１回折光学素子２１によって回折される。一方、図示されていない第２波長域の光は、第５回折光学素子２２によって回折される。第１回折光学素子２１によって回折された第１波長域の光は、基材１１内を第１方向ｄ１に進んで第２回折光学部材３０に向かう。第５回折光学素子２２で回折された第２波長域の光は、基材１１内を第２方向ｄ２に進んで第４回折光学部材５０に向かう。基材１１内を進む光は、基材１１の一対の主面や基材１１上に設けられた回折光学部材等で全反射されることで、基材１１内を導光される。
図１０に示すように、第１回折光学部材２０の第１回折光学素子２１で回折された第１波長域の光は、第２回折光学部材３０に入射する。第２回折光学部材３０に入射した第１波長域の光は、第２回折光学素子３１によって回折される。第２回折光学素子３１によって回折された光は、基材１１内を第２方向ｄ２に導光されて第３回折光学部材４０に向かう。第２回折光学素子３１の回折効率は、第１回折光学素子２１の回折効率よりも低くなっているため、第２回折光学素子３１のある位置に入射した第１波長域の光の一部のみが回折されて、第２方向ｄ２に基材１１内を導光される。第２回折光学素子３１のある位置で回折されなかった光は、その後、第２回折光学素子３１及び基材１１の表面で反射し、再び第２回折光学素子３１の別の位置に入射する。
図示されていない第１回折光学部材２０の第５回折光学素子２２で回折された第２波長域の光は、第４回折光学部材５０に入射する。第４回折光学部材５０に入射した第２波長域の光は、第４回折光学素子５１によって回折される。第４回折光学素子５１によって回折された光は、基材１１内を第１方向ｄ１に導光された第３回折光学部材４０に向かう。第４回折光学素子５１の回折効率は、第５回折光学素子２２の回折効率よりも低くなっているため、第４回折光学素子５１のある位置に入射した第２波長域の光の一部のみが回折されて、第１方向ｄ１に基材１１内を導光される。第４回折光学素子５１のある位置で回折されなかった光は、その後、第４回折光学素子５１及び基材１１の表面で反射し、再び第４回折光学素子５１の別の位置に入射する。
図１０に示すように、第３回折光学部材４０に入射した第１波長域の光は、第３回折光学素子４１によって回折される。第３回折光学素子４１によって回折された光は、光学部材１０から出射する。一方、第３回折光学部材４０に入射した図示されていない第２波長域の光は、第６回折光学素子４２によって回折される。第６回折光学素子４２によって回折された光は、光学部材１０から出射する。第３回折光学素子４１の回折効率は、第１回折光学素子２１の回折効率よりも低くなっており、第６回折光学素子４２の回折効率は、第５回折光学素子２２の回折効率よりも低くなっている。このため、第３回折光学素子４１や第６回折光学素子４２のある位置に入射した光の一部のみが回折されて、光学部材１０から出射する。第３回折光学素子４１及び第６回折光学素子４２のある位置で回折されなかった光は、その後、第３回折光学素子４１及び第６回折光学素子４２の表面で反射し、再び第３回折光学素子４１及び第６回折光学素子４２に入射する。
光学部材１０から出射した光は、観察者によって観察されることができる。すなわち、表示装置３に表示される画像を、観察者は視認することができる。とりわけ、頭部装着型表示装置１において、表示装置３の光学部材１０は、観察者の眼前に配置されている。このため、観察者は表示される画像を眼前において視認することができる。
ところで、従来の光学部材では、入射部と同様に、拡張部や出射部における各回折光学素子の回折効率は、略一定となっている。拡張部において一部の画像光が回折されると、その画像光が回折された位置より入射部から離間した位置では回折された分だけ画像光が少なくなる。すなわち、拡張部において入射部から離間するほど、画像光の強度は小さくなる。同様に、出射部において一部の画像光が回折されると、その画像光が回折された位置より拡張部から離間した位置では回折された分だけ画像光が少なくなる。すなわち、出射部において拡張部から離間するほど、画像光の強度は小さくなる。このように、出射部の位置によって、出射する画像光の強度が不均一になってしまう。画像光の強度が強いほど、画像は明るく視認される。すなわち、光学部材の出射部から出射して観察者に観察される画像の明るさが不均一になってしまう。明るさが不均一になると、光学部材から出射する画像光による画像の品質を低下させてしまう。
一方、本実施の形態の光学部材１０では、第２回折光学素子３１は、拡張部に設けられた第２回折光学部材３０に含まれており、第２回折光学素子３１の単位面積を有したある領域における回折効率は、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第１回折光学部材２０から離間した第２回折光学素子３１の単位面積を有したある別の領域における回折効率より低くなっている。したがって、第２回折光学素子３１のある領域において回折される画像光の強度を、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第１回折光学部材２０から離間した第２回折光学素子３１のある別の領域において回折される画像光の強度に近づけることができる。また、第３回折光学素子４１は、出射部に設けられた第３回折光学部材４０に含まれており、第３回折光学素子４１の単位面積を有したある領域における回折効率は、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第２回折光学部材３０から離間した第３回折光学素子４１の単位面積を有したある別の領域における回折効率より低くなっている。したがって、第３回折光学素子４１のある領域において回折される画像光の強度を、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第２回折光学部材３０から離間した第３回折光学素子４１のある別の領域において回折される画像光の強度に近づけることができる。すなわち、第３回折光学素子４１から出射する画像光の強度を均一に近づけることができる。このため、光学部材１０から出射する画像光の明るさを均一に近づけることができる。
同様に、第４回折光学素子５１は、拡張部に設けられた第４回折光学部材５０に含まれており、第４回折光学素子５１の単位面積を有したある領域における回折効率は、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第１回折光学部材２０から離間した第４回折光学素子５１の単位面積を有したある別の領域における回折効率より低くなっている。したがって、第４回折光学素子５１のある領域において回折される画像光の強度を、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第１回折光学部材２０から離間した第４回折光学素子５１のある別の領域において回折される画像光の強度に近づけることができる。また、第６回折光学素子４２は、出射部に設けられた第３回折光学部材４０に含まれており、第６回折光学素子４２の単位面積を有したある領域における回折効率は、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第４回折光学部材５０から離間した第６回折光学素子４２の単位面積を有したある別の領域における回折効率より低くなっている。したがって、第６回折光学素子４２のある領域において回折される画像光の強度を、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第４回折光学部材５０から離間した第６回折光学素子４２のある別の領域において回折される画像光の強度に近づけることができる。すなわち、第６回折光学素子４２から出射する画像光の強度を均一に近づけることができる。このため、光学部材１０から出射する画像光の明るさを均一に近づけることができる。
また、第２回折光学素子３１の単位面積を有した任意の領域における回折効率は、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第１回折光学部材２０から離間した第２回折光学素子３１の単位面積を有した任意の別の領域における回折効率より低くなっている。したがって、第２回折光学素子３１の任意の領域において回折される画像光の強度を、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第１回折光学部材２０から離間した第２回折光学素子３１の任意の別の領域において回折される画像光の強度に近づけることができる。また、第３回折光学素子４１の単位面積を有した任意の領域における回折効率は、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第２回折光学部材３０から離間した第３回折光学素子４１の単位面積を有した任意の別の領域における回折効率より低くなっている。したがって、第３回折光学素子４１の任意の領域において回折される画像光の強度を、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第２回折光学部材３０から離間した第３回折光学素子４１の任意の別の領域において回折される画像光の強度に近づけることができる。すなわち、第３回折光学素子４１の任意の領域から出射する画像光の強度を均一に近づけることができる。このため、光学部材１０の出射部の全体から出射する画像光の明るさを均一に近づけることができる。
第１回折光学素子２１の回折効率及び第５回折光学素子２２の回折効率は、適切な範囲にあることが好ましい。例えば、図１１に示すように、第１回折光学素子２１で回折された光は、基材１１の主面で全反射された後、再度第１回折光学素子２１に入射することがある。再度第１回折光学素子２１に入射した光は、再度第１回折光学素子２１で回折され得る。再度第１回折光学素子２１で回折された光は、基材１１内には向かわず、第１回折光学部材２０から出射してしまう。このため、第１回折光学素子２１の回折効率が高すぎる場合、複数回にわたって第１回折光学素子２１で回折されやすくなり、最終的に第１回折光学部材２０から第２回折光学部材３０に導光される光が少なくなってしまう。本件発明者らが確認したところ、表示部５から入射して第１回折光学素子２１で回折された光は、基材１１の主面で全反射された後、１〜５回程度、特には４回、再度第１回折光学素子２１に入射することが知見された。
図１２は、回折光学素子の回折効率と一度回折光学素子で回折された後に再度回折光学素子に入射する回数との関係において、最終的に第１回折光学部材２０から第２回折光学部材３０に導光される光の割合を示している表である。すなわち、表示部５から入射する光を１００％とした場合の、第１回折光学部材２０から第２回折光学部材３０に導光される光の割合を示している。図１２から理解されるように、一度回折光学素子で回折された後に再度回折光学素子に入射する回数が１回以上の場合、回折光学素子の回折効率は、５０％以下であることが好ましい。また、一度回折光学素子で回折された後に再度回折光学素子に入射する回数が３回以上の場合、回折光学素子の回折効率は、１０％以上４０％以下であることが好ましく、１０％以上３０％以下であることがより好ましい。さらに、一度回折光学素子で回折された後に再度回折光学素子に入射する回数が４回以上の場合、回折光学素子の回折効率は、１５％以上２５％以下であることが好ましい。
以上のように、本実施の形態の光学部材１０は、基材１１と、基材１１に積層され、第１回折光学素子２１を含む第１回折光学部材２０と、第１回折光学部材２０から第１方向ｄ１にずれた位置において基材１１に積層され、第２回折光学素子３１を含む第２回折光学部材３０と、第２回折光学部材３０から第１方向ｄ１に非平行な第２方向ｄ２にずれた位置において基材１１に積層され、第３回折光学素子４１を含む第３回折光学部材４０と、を備える光学部材であって、第１回折光学素子２１は、当該光学部材に入射した第１波長域の光を第１方向ｄ１に向かうように回折し、第２回折光学素子３１は、第１方向ｄ１から入射した第１波長域の光を第２方向ｄ２に向かうように回折し、第３回折光学素子４１は、第２方向ｄ２から入射した第１波長域の光を当該光学部材から出射するように回折し、第２回折光学素子３１の単位面積を有したある領域における回折効率は、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第１回折光学部材２０から離間した第２回折光学素子３１の単位面積を有したある別の領域における回折効率より低く、第３回折光学素子４１の単位面積を有したある領域における回折効率は、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第２回折光学部材３０から離間した第３回折光学素子４１の単位面積を有したある別の領域における回折効率より低い。このような光学部材１０によれば、第２回折光学素子３１のある領域において回折される画像光の強度を、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第１回折光学部材２０から離間した第２回折光学素子３１のある別の領域において回折される画像光の強度に近づけることができ、第３回折光学素子４１のある領域において回折される画像光の強度を、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第２回折光学部材３０から離間した第３回折光学素子４１のある別の領域において回折される画像光の強度に近づけることができる。すなわち、第３回折光学素子４１から出射する画像光の強度を均一に近づけることができる。このため、光学部材１０から出射する画像光の明るさを均一に近づけることができる。
なお、上述した実施の形態に対して様々な変更を加えることが可能である。
上述の実施の形態では、表示装置３は、頭部装着型表示装置１に適用されているが、これに限らず、別の部材に適用されてもよい。
また、上述した実施の形態では、図２に示すように、第２回折光学部材３０において、第２回折部３１ａ及び第２平坦部３１ｂは、第２方向ｄ２において第２回折光学素子３１の全体に延びている。しかしながら、例えば、図１３に示すように、第２回折部３１ａ及び第２平坦部３１ｂは、第２方向ｄ２において第２回折光学素子３１に部分的に延びていてもよい。さらに、第２回折光学部材３０において、第２回折光学素子３１は、第２方向ｄ２におけるずれた位置に、第１方向ｄ１に交互に配置された別の第２回折部３１ａ及び第２平坦部３１ｂを含んでいてもよい。
同様に、上述した実施の形態では、図２に示すように、第４回折光学部材５０において、第４回折部５１ａ及び第４平坦部５１ｂは、第１方向ｄ１において第４回折光学素子５１の全体に延びている。しかしながら、例えば図１３に示すように、第４回折部５１ａ及び第４平坦部５１ｂは、第１方向ｄ１において第４回折光学素子５１に部分的に延びていてもよい。さらに、第４回折光学部材５０において、第４回折光学素子５１は、第１方向ｄ１におけるずれた位置に、第２方向ｄ２に交互に配置された別の第４回折部５１ａ及び第４平坦部５１ｂを含んでいてもよい。
また、上述した実施の形態では、回折部と平坦部との割合を変化させることによって、第２回折光学素子３１の回折効率、第３回折光学素子４１の回折効率、第４回折光学素子５１の回折効率及び第６回折光学素子４２の回折効率を変化させている。しかしながら、他の方法によって、回折光学素子の回折効率を変化させていてもよい。図１４に示す例では、第２回折光学素子３１の単位面積を有したある領域、好ましくは任意の領域における第２回折格子を形成する屈折率差は、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第１回折光学部材２０から離間した第２回折光学素子３１の単位面積を有したある別の領域、好ましくは任意の別の領域における第２回折格子を形成する屈折率差より低くなっている。図１４では、屈折率差の大きい部分を濃く、屈折率差の小さい部分を薄く示している。回折格子を形成する屈折率差が大きくなるほど、当該回折格子で光が回折されやすくなる。したがって、このような場合でも、上述した実施の形態と同様に、第２回折光学素子３１の単位面積を有したある領域、好ましくは任意の領域における回折効率を、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第１回折光学部材２０から離間した第２回折光学素子３１の単位面積を有したある別の領域、好ましくは任意の別の領域における回折効率より低くすることができる。
同様に、第３回折光学素子４１の単位面積を有したある領域、好ましくは任意の領域における第３回折格子を形成する屈折率差は、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第２回折光学部材３０から離間した第３回折光学素子４１の単位面積を有したある別の領域、好ましくは任意の別の領域における第３回折格子を形成する屈折率差より低くなっている。このような場合でも、上述した実施の形態と同様に、第３回折光学素子４１の単位面積を有したある領域、好ましくは任意の領域における回折効率を、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第２回折光学部材３０から離間した第３回折光学素子４１の単位面積を有したある別の領域、好ましくは任意の別の領域における回折効率より低くすることができる。
また、第４回折光学素子５１の単位面積を有したある領域、好ましくは任意の領域における第４回折格子を形成する屈折率差は、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第１回折光学部材２０から離間した第４回折光学素子５１の単位面積を有したある別の領域、好ましくは任意の別の領域における第４回折格子を形成する屈折率差より低くなっている。このような場合でも、上述した実施の形態と同様に、第４回折光学素子５１の単位面積を有したある領域、好ましくは任意の領域における回折効率を、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第１回折光学部材２０から離間した第４回折光学素子５１の単位面積を有したある別の領域、好ましくは任意の別の領域における回折効率より低くすることができる。
さらに、第６回折光学素子４２の単位面積を有したある領域、好ましくは任意の領域における第６回折格子を形成する屈折率差は、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第４回折光学部材５０から離間した第６回折光学素子４２の単位面積を有したある別の領域、好ましくは任意の別の領域における第６回折格子を形成する屈折率差より低くなっている。このような場合でも、上述した実施の形態と同様に、第６回折光学素子４２の単位面積を有したある領域、好ましくは任意の領域における回折効率を、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第４回折光学部材５０から離間した第６回折光学素子４２の単位面積を有したある別の領域、好ましくは任意の別の領域における回折効率より低くすることができる。
このような各回折光学素子を有する光学部材１０は、例えば以下のようにして製造することができる。まず、上述した実施の形態の光学部材１０の製造工程と同様に、基材１１上にホログラムとして回折光学素子を形成するようになるホログラム感材８０を設ける。次に、図１５に示すように、基材１１上のホログラム感材８０に対面して減光フィルタ７０を配置する。減光フィルタ７０は、作製される光学部材１０の各回折光学部材に対応した部分を有している。すなわち、減光フィルタ７０は、第１部分７２と、第１部分７２から第１方向ｄ１にずれて位置する第２部分７３と、第２部分７３から第２方向ｄ２にずれて位置する第３部分７４と、第１部分７２から第２方向ｄ２にずれて位置する第４部分７５と、を含んでいる。
減光フィルタ７０は、入射した光の一部を透過させ、他の一部を吸収または反射する。すなわち、減光フィルタ７０は、透過しようとする光の強度を減衰させる。減光フィルタ７０における光の透過率は、適宜に設定することができる。図１５に示す減光フィルタ７０は、図１４に示す光学部材１０の各回折光学素子を作製するように光の透過率が設定されている。図１５では、透過率の低い部分を濃く、透過率の高い部分を薄く示している。すなわち、第２部分７３の単位面積を有したある領域、好ましくは任意の領域における光の透過率は、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第１部分７２から離間した第２部分７３の単位面積を有したある別の領域、好ましくは任意の別の領域における光の透過率より高くなっている。第３部分７４の単位面積を有したある領域、好ましくは任意の領域における光の透過率は、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第２部分７３から離間した第３部分７４の単位面積を有したある別の領域、好ましくは任意の別の領域における光の透過率より高くなっており、且つ当該領域より第１方向ｄ１に沿って第４部分７５から離間した第３部分７４の単位面積を有したある別の領域、好ましくは任意の別の領域における光の透過率より高くなっている。第４部分７５の単位面積を有したある領域、好ましくは任意の領域における光の透過率は、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第１部分７２から離間した第４部分７５の単位面積を有したある別の領域、好ましくは任意の別の領域における光の透過率より高くなっている。
次に、図１６に示すように、減光フィルタ７０を介して光Ｌ１６を照射して、ホログラム感材８０を露光する。図１６は、図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿った断面の一部である。すなわち、減光フィルタ７０の透過率に応じて、ホログラム感材８０が露光される。減光フィルタ７０の透過率が高いほど、ホログラム感材８０が光Ｌ１６によって強く露光される。ここで、光Ｌ１６が照射された光の強度に応じて、ホログラム感材８０が不感化処理される。ホログラム感材８０に照射する光Ｌ１６は、短時間で確実に不感化処理するために、紫外線であることが好ましい。図１７では、強く不感化処理されたホログラム感材８０を濃く、弱く不感化処理されたホログラム感材８０を薄く示している。ホログラム感材８０は、図１７に示すように、減光フィルタ７０の透過率が高いほどホログラム感材８０に含まれる屈折率差を形成する材料（モノマー）が反応して強く不感化処理され、透過率が低いほどホログラム感材８０に含まれる屈折率差を形成する材料（モノマー）があまり反応せずに弱く不感化処理される。
その後、減光フィルタ７０を除去し、次に図１８に示すように基材１１のホログラム感材８０が設けられた側とは逆側にホログラム原版８５を配置し、光、特に平行光束を照射してホログラム感材８０を露光する。照射される光Ｌ１８１が参照光として、またホログラム感材８０をいったん透過してホログラム原版８５で回折された回折光Ｌ１８２が物体光として、ホログラム感材８０に入射する。光Ｌ１８１と回折光Ｌ１８２とが干渉することにより、ホログラム感材８０内に明暗パターンである干渉縞が生成される。そして、この干渉縞が、感光性を有したホログラム感材８０に記録される。このようにして、ホログラム感材８０に干渉縞を記録することにより、回折格子が形成される。このようにして、基材１１上にホログラムとしての回折光学素子が形成されて、上述した変形例の光学部材１０が製造される。
ここで、ホログラム感材８０が強く不感化処理されるほど、当該位置でのホログラム感材８０に含まれる屈折率差を形成する材料（モノマー）が反応して不感化処理される。言い換えると、光Ｌ１８１が照射された際に回折格子として屈折率差を形成する未反応の材料（モノマー）が少なくなる。光Ｌ１８１が照射されて回折格子が形成される際に回折格子として屈折率差を形成する未反応の材料の量が多いほど、屈折率差が大きな回折格子が形成される。したがって、不感化処理されたホログラム感材８０が強いほど、形成される回折格子の屈折率差が小さくなる。
回折光学素子における各部分での回折格子の屈折率差の大小は、例えば次の方法で評価することができる。まず、図１９乃至図２２に示すように、各回折光学素子の屈折率差が小さいことで回折効率が低くなる部分と屈折率差が大きいことで回折効率が高くなる部分との拡大画像を撮像する。各回折光学素子の拡大画像は、例えば透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）や走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって撮像することができる。図１９及び図２０は、回折光学素子における屈折率差が小さいことで回折効率が低くなる同一の部分をＴＥＭによって撮像した画像であり、図２１及び図２２は、回折光学素子における屈折率差が大きいことで回折効率が大きくなる同一の部分をＴＥＭによって撮像した画像である。図１９及び図２０に示された部分での回折効率は３２％であり、図２１及び図２２に示された部分での回折効率は１６％であった。
撮像された画像において、回折格子として高屈折率部分及び低屈折率部分のうちの一方の部分は明部となり、当該明部を形成する際に材料が偏在した結果、高屈折率部分及び低屈折率部分のうちの他方の部分は暗部となる。すなわち、暗部と明部の輝度比が大きいほど、回折格子の屈折率差が大きい。
次に、暗部と明部の輝度比を求めるために、撮像された画像において、一方向に延びる暗部と、当該暗部に隣り合って一方向に延びる明部と、をそれぞれ３つ定める。代表として、図１９及び図２１には、一方向に延びる１つの暗部が点線に沿って示されており、図２０及び図２２には、図１９及び図２１で定めた暗部に隣り合って延びる１つの明部が点線に沿って示されている。３つの暗部及び明部の輝度を画像から読み込み、それぞれの暗部と明部の輝度の平均を算出する。
暗部の輝度の平均に対する明部の輝度の平均の比から、暗部と明部の輝度比を算出する。暗部と明部との屈折率差が大きいほど、この輝度比の値は、大きくなる。すなわち、輝度比の値を比較することにより、各部分での回折格子の屈折率差を比較することができる。具体的な例として、図１９及び図２０に示した回折光学素子における屈折率差が小さい部分での輝度比は、１．３１であり、図２１及び図２２に示した回折光学素子における屈折率差が大きい部分での輝度比は、１．９２である。
なお、本変形例の各回折光学素子の構成は、上述した実施の形態の各回折光学素子の構成と組み合わされてもよい。すなわち、例えば、第２回折光学素子３１の単位面積を有したある領域における第２回折部３１ａの割合が、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第１回折光学部材２０から離間した第２回折光学素子３１の単位面積を有したある別の領域における第２回折部３１ａの割合より低くなっており、且つ、第２回折光学素子３１の単位面積を有したある領域における第２回折格子を形成する屈折率差が、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第１回折光学部材２０から離間した第２回折光学素子３１の単位面積を有したある別の領域における第２回折格子を形成する屈折率差より低くなっていてもよい。
また、図２３に示すように、第２回折光学部材３０が平面視において矩形である場合、第２回折光学素子３１で回折された第１波長域の光が、さらに第２回折光学素子３１で回折されることがある。第２回折光学素子３１で複数回回折されると、第２回折光学素子３１の単位面積を有したある領域において回折される画像光の強度を、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第１回折光学部材２０から離間した第２回折光学素子３１の単位面積を有したある別の領域において回折される画像光の強度に近づけることが困難になる。すなわち、第３回折光学素子４１から出射する画像光の強度を均一に近づけにくくなる。
そこで、図２４に示す変形例では、少なくとも一部の第２回折光学部材の第２方向ｄ２に沿った長さが、第１方向ｄ１に沿って第１回折光学部材２０から離間するにつれて長くなっている。言い換えると、少なくとも一部の第２回折光学部材３０の第１回折光学部材２０に近い側は、第１回折光学部材２０に遠い側より細くなっている。この場合、特に第１回折光学部材２０に近い側において第２回折光学素子３１が細くなっているため、第１波長域の光が第２回折光学素子３１で複数回回折されることを容易に回避することができる。また、この場合、第１方向ｄ１に沿って第１回折光学部材２０から離間するにつれて第２回折光学素子３１が配置されている面積が大きくなる。したがって、第２回折光学素子３１の単位面積を有したある領域において回折される画像光の強度を、当該領域より第１方向ｄ１に沿って第１回折光学部材２０から離間した第２回折光学素子３１の単位面積を有したある別の領域において回折される画像光の強度に近づけることができる。すなわち、第３回折光学素子４１から出射する画像光の強度を均一に近づけることができる。
なお、「第１回折光学部材２０から離間するにつれて長くなっている」とは、第１回折光学部材２０からの距離に応じて連続的に変化し続けることのみを意味している訳ではなく、第１回折光学部材２０から離間するにともなって長くなる部分を含み且つ第１回折光学部材２０から離間するにともなって短くなる部分を含まないことを意味している。ただし、第１回折光学部材２０からの距離に応じて連続的に長くなっていることが好ましい。
図２４に示した第２回折光学部材３０と同様に、少なくとも一部の第４回折光学部材５０の第２方向ｄ２に沿った長さが、第２方向ｄ２に沿って第１回折光学部材２０から離間するにつれて長くなっていることで、特に第１回折光学部材２０に近い側において、第２波長域の光が第４回折光学素子５１で複数回回折されることを容易に回避することができる。また、この場合、第２方向ｄ２に沿って第１回折光学部材２０から離間するにつれて第４回折光学素子５１が配置されている面積が大きくなる。したがって、第４回折光学素子５１の単位面積を有したある領域において回折される画像光の強度を、当該領域より第２方向ｄ２に沿って第１回折光学部材２０から離間した第４回折光学素子５１の単位面積を有したある別の領域において回折される画像光の強度に近づけることができる。すなわち、第３回折光学素子４１から出射する画像光の強度を均一に近づけることができる。
さらに、光学部材１０は、第１回折光学部材２０を基材１１とは反対側から覆う保護層１７を有していてもよい。図２５に示された例のように、保護層１７は、第１回折光学部材２０だけでなく、第２回折光学部材３０、第３回折光学部材４０及び第４回折光学部材５０も基材１１とは反対側から覆うことが好ましい。このような保護層１７は、覆っている各回折光学部材が有する回折光学素子を保護して回折光学素子が傷つくことを防止することができる。保護層１７は、回折光学素子を保護する十分な強度を有している。保護層１７は、例えばポリカーボネート、アクリル樹脂、シクロオレフィンポリマー、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等からなり、とりわけ複屈折率の小さな材料であるポリカーボネート、アクリル樹脂、シクロオレフィンポリマー等からなることが好ましい。また、保護層１７が薄すぎると、保護層１７の剛性が低くなるため、光学部材１０に外部からの力が加わると、保護層１７が変形してしまうことがある。一方、保護層１７が厚すぎると、光学部材１０に熱が加わると、保護層１７が大きく反るように変形してしまう。このような保護層１７の変形を抑制するため、保護層１７の厚さは、適切な範囲にあることが好ましい。具体的には、保護層１７の厚さは、例えば０．２ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましく、０．４ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることがより好ましい。さらに、光学部材１０の表面強度を向上させるために、保護層１７は、ハードコート処理されていることが好ましい。
このような保護層１７が回折光学部材に接していると、基材内を導光している光が回折光学部材から保護層１７に入射することがある。保護層１７に入射した光を適切に導光させるためには、保護層１７を平坦にすることが求められる。しかしながら、十分な平坦性を有する保護層は、製造することが困難であり、また製造するとしてもコストがかかる。平坦性の低い保護層１７に基材内を導光している光が入射すると、光は適切に保護層１７内を導光されず、表示装置に表示される画像が劣化してしまう。そこで、保護層を回折光学部材から離間した位置に設けて、回折光学部材と保護層との間に空気層を設けることが考えられた。しかしながら、回折光学部材と保護層との間に空気層を設けると、光学部材全体が厚くなってしまう。また、空気層を適切に設けることも困難である。
そこで、図２５に示す例では、基材１１と保護層１７との間に、低屈折率層１８を設けられている。すなわち、光学部材１０は、保護層１７に加え、低屈折率層１８をさらに有している。低屈折率層１８は、基材１１より屈折率が低い材料からなる。低屈折率層１８と基材１１との屈折率の差は、０．１以上であることが好ましく、０．２以上であることがより好ましく、０．３以上であることがより好ましい。低屈折率層１８の屈折率は、例えば１．４以下であり、好ましくは１．３以下であり、より好ましくは１．２以下である。また、低屈折率層１８の厚さは、例えば０．０１μｍ以上１０μｍ以下、好ましくは０．１μｍ以上５μｍ以下である。このような低屈折率層１８は、例えばフッ素樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、中空シリカ、及びこれらの混合物のいずれかを基材１１及び回折光学部材上にコーティングすることで、容易に作製することができる。とりわけ、低屈折率層１８の材料としては、特に屈折率の低いフッ素樹脂、中空シリカからなることが好ましい。また、このように低屈折率層１８を作製することで、回折光学部材に圧力がかかりにくく、したがって低屈折率層１８によって回折光学部材に歪みを生じさせにくくできる。
１ 頭部装着型表示装置
３ 表示装置
５ 表示部
７ レンズ
１０ 光学部材
１１ 基材
１７ 保護層
１８ 低屈折率層
２０ 第１回折光学部材
２１ 第１回折光学素子
２２ 第５回折光学素子
３０ 第２回折光学部材
３１ 第２回折光学素子
３１ａ 第２回折部
３１ｂ 第２平坦部
４０ 第３回折光学部材
４１ 第３回折光学素子
４１ａ 第３回折部
４１ｂ 第３平坦部
４２ 第６回折光学素子
４２ａ 第６回折部
４２ｂ 第６平坦部
５０ 第４回折光学部材
５１ 第４回折光学素子
５１ａ 第４回折部
５１ｂ 第４平坦部
６０ マスク
６１ 開口部
６２ 第１部分
６３ 第２部分
６４ 第３部分
６５ 第４部分
７０ 減光フィルタ
７２ 第１部分
７３ 第２部分
７４ 第３部分
７５ 第４部分
８０ ホログラム感材

Claims (13)

  1. 基材と、
    前記基材に積層され、第１回折光学素子を含む第１回折光学部材と、
    前記第１回折光学部材から第１方向にずれた位置において前記基材に積層され、第２回折光学素子を含む第２回折光学部材と、
    前記第２回折光学部材から前記第１方向に非平行な第２方向にずれた位置において前記基材に積層され、第３回折光学素子を含む第３回折光学部材と、を備える光学部材であって、
    前記第１回折光学素子は、当該光学部材に入射した第１波長域の光を前記第１方向に向かうように回折し、
    前記第２回折光学素子は、前記第１方向から入射した前記第１波長域の光を前記第２方向に向かうように回折し、
    前記第３回折光学素子は、前記第２方向から入射した前記第１波長域の光を当該光学部材から出射するように回折し、
    前記第２回折光学素子の単位面積を有したある領域における回折効率は、当該領域より前記第１方向に沿って前記第１回折光学部材から離間した前記第２回折光学素子の単位面積を有したある別の領域における回折効率より低く、
    前記第３回折光学素子の単位面積を有したある領域における回折効率は、当該領域より前記第２方向に沿って前記第２回折光学部材から離間した前記第３回折光学素子の単位面積を有したある別の領域における回折効率より低い、光学部材。
  2. 前記第２回折光学素子の単位面積を有した任意の領域における回折効率は、当該領域より前記第１方向に沿って前記第１回折光学部材から離間した前記第２回折光学素子の単位面積を有したある別の領域における回折効率より低く、
    前記第３回折光学素子の単位面積を有した任意の領域における回折効率は、当該領域より前記第２方向に沿って前記第２回折光学部材から離間した前記第３回折光学素子の単位面積を有したある別の領域における回折効率より低い、請求項１に記載の光学部材。
  3. 前記第２回折光学素子及び前記第３回折光学素子は、体積ホログラムである、請求項１または２に記載の光学部材。
  4. 前記第２回折光学素子は、前記第１波長域の光を回折させる第２回折格子が形成された第２回折部と、前記第２回折格子の非形成部である第２平坦部と、を含み、
    前記第２回折光学素子の単位面積を有したある領域における前記第２回折部の割合は、当該領域より前記第１方向に沿って前記第１回折光学部材から離間した前記第２回折光学素子の単位面積を有したある別の領域における前記第２回折部の割合より低い、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学部材。
  5. 前記第３回折光学素子は、前記第１波長域の光を回折させる第３回折格子が形成された第３回折部と、前記第３回折格子の非形成部である第３平坦部と、を含み、
    前記第３回折光学素子の単位面積を有したある領域における前記第３回折部の割合は、当該領域より前記第２方向に沿って前記第２回折光学部材から離間した前記第３回折光学素子の単位面積を有したある別の領域における前記第３回折部の割合より低い、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学部材。
  6. 前記第２回折光学素子において、前記第１波長域の光を回折させる第２回折格子を形成するように屈折率差があり、
    前記第２回折光学素子の単位面積を有したある領域における前記第２回折格子を形成する屈折率差は、当該領域より前記第１方向に沿って前記第１回折光学部材から離間した前記第２回折光学素子の単位面積を有したある別の領域における前記第２回折格子を形成する屈折率差より低い、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学部材。
  7. 前記第３回折光学素子において、前記第１波長域の光を回折させる第３回折格子を形成するように屈折率差があり、
    前記第３回折光学素子の単位面積を有したある領域における前記第３回折格子を形成する屈折率差は、当該領域より前記第２方向に沿って前記第２回折光学部材から離間した前記第３回折光学素子の単位面積を有したある別の領域における前記第３回折格子を形成する屈折率差より低い、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光学部材。
  8. 少なくとも一部の前記第２回折光学部材の前記第２方向に沿った長さは、前記第１回折光学部材から離間するにつれて長くなっている、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光学部材。
  9. 前記第１回折光学部材から前記第２方向にずれた位置において前記基材に積層され、第４回折光学素子を含む第４回折光学部材をさらに備え、
    前記第１回折光学部材は、第５回折光学素子をさらに含み、
    前記第３回折光学部材は、第６回折光学素子をさらに含み、
    前記第５回折光学素子は、当該光学部材に入射した前記第１波長域とは異なる第２波長域の光を前記第２方向に向かうように回折し、
    前記第４回折光学素子は、前記第２方向から入射した前記第２波長域の光を前記第１方向に向かうように回折し、
    前記第６回折光学素子は、前記第１方向から入射した前記第２波長域の光を当該光学部材から出射するように回折し、
    前記第４回折光学素子の単位面積を有したある領域における回折効率は、当該領域より前記第２方向に沿って前記第１回折光学部材から離間した前記第４回折光学素子の単位面積を有したある別の領域における回折効率より低く、
    前記第６回折光学素子の単位面積を有したある領域における回折効率は、当該領域より前記第１方向に沿って前記第２回折光学部材から離間した前記第６回折光学素子の単位面積を有したある別の領域における回折効率より低い、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光学部材。
  10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光学部材と、
    前記光学部材の前記第１回折光学部材に対面して配置され、画像光を出射する表示部と、を備える、表示装置。
  11. 請求項１０に記載の表示装置を備える、頭部装着型表示装置。
  12. 基材上にホログラム感材を設ける工程と、
    前記ホログラム感材に対面してマスクを配置する工程と、
    光を照射して前記マスクを介して前記ホログラム感材を露光して、前記ホログラム感材を不感化処理する工程と、
    前記マスクを除去する工程と、
    前記ホログラム感材を露光して、前記基材上にホログラムを形成する工程と、を備え、
    前記マスクは、第１部分と、前記第１部分から第１方向にずれて位置する第２部分と、前記第２部分から前記第１方向に非平行な第２方向にずれて位置する第３部分と、を含み、
    前記マスクは、前記第２部分及び前記第３部分において開口部を有し、
    前記第２部分の単位面積を有したある領域における前記開口部の割合は、当該領域より前記第１方向に沿って前記第１部分から離間した前記第２部分の単位面積を有したある別の領域における前記開口部の割合より高く、
    前記第３部分の単位面積を有したある領域における前記開口部の割合は、当該領域より前記第２方向に沿って前記第２部分から離間した前記第３部分の単位面積を有したある別の領域における前記開口部の割合より高い、光学部材の製造方法。
  13. 基材上にホログラム感材を設ける工程と、
    前記ホログラム感材に対面して減光フィルタを配置する工程と、
    光を照射して前記減光フィルタを介して前記ホログラム感材を露光して、前記ホログラム感材を不感化処理する工程と、
    前記減光フィルタを除去する工程と、
    前記ホログラム感材を露光して、ホログラムを形成する工程と、を備え、
    前記減光フィルタは、第１部分と、前記第１部分から第１方向にずれて位置する第２部分と、前記第２部分から前記第１方向に非平行な第２方向にずれて位置する第３部分と、を含み、
    前記第２部分の単位面積を有したある領域における光の透過率は、当該領域より前記第１方向に沿って前記第１部分から離間した前記第２部分の単位面積を有したある別の領域における光の透過率より高く、
    前記第３部分の単位面積を有したある領域における光の透過率は、当該領域より前記第２方向に沿って前記第２部分から離間した前記第３部分の単位面積を有したある別の領域における光の透過率より高い、光学部材の製造方法。
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