JP5299391B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、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ように表示する虚像表示装置に関し、詳しくは、ホログラム光学素子、特に、反射型体積ホログラムグレーティングを用いた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た虚像表示装置に関する。

本出願は、日本国において２００４年３月２９日に出願された日本特許出願番号２００４−０９７２２２を基礎として優先権を主張するものであり、この出願は参照することにより、本出願に援用される。

従来、観察者に拡大虚像を観察させるために、図１に示すような虚像観察光学系が提案されている。

図１に示す虚像観察光学系は、まず、画像表示装置３０１に表示された画像光を導光板３０２に入射し、この画像光を導光板３０２内部に設けられた透過型ホログラムレンズ３０３にて平行光としながら、導光板３０２内で内部全反射されるような角度に偏向する。

この画像光は、導光板３０２内を全反射しながら伝搬した後、導光板３０２内部に、上述した透過型ホログラムレンズ３０３から所定の距離を隔てて、同じ直線上に設けられた透過型ホログラムグレーティング３０４に入射し、再び回折されて平行光のまま、導光板３０２外へ射出され、観察者の瞳に導かれる。

また、観察者に拡大虚像を観察させるために、図２に示すような虚像観察光学系も提案されている。

図２に示す虚像観察光学系は、画像表示装置４０１に表示された画像光を、自由曲面プリズム４０２を介して、導光板４０３に入射させる。図３に示すように、導光板４０３は、その入射側の入射領域Ｚ１に、第１のＨＯＥ（Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ：ホログラフィック光学素子）４０４と、第２のＨＯＥ４０５とを有し、その射出側の射出領域Ｚ２に、第３のＨＯＥ４０５と、第４のＨＯＥ４０６とを有する。導光板４０３に入射された画像光は、導光板４０３の光線入射側と、対向する面に設けられた第１のＨＯＥ４０４と、光線入射側に設けられた第２のＨＯＥ４０５とに、続けて回折反射され、導光板４０３内で、内部全反射するための臨界角以上とされる。すなわち、導光板４０３に入射された入射画像光Ｌ１は、第１のＨＯＥ４０４の第１の入射側反射回折部Ｄ１で回折反射され、第２のＨＯＥ４０５の第２の入射側反射回折部Ｄ２で回折反射されることで臨界角以上の角度α２とされる。なお、第１の反射回折部Ｄ１で回折反射されたときは、臨界角以下の角度α１とされている。

この導光板４０３内で、臨界角以上とれた画像光Ｌ２は、導光板４０３内を全反射しながら伝搬した後、第４のＨＯＥ４０７の第１の射出側反射回折部Ｄ３と、第３のＨＯＥ４０６の第２の射出側反射回折部Ｄ４とに、続けて回折反射されることで、臨界角以下の角度α３とされ、導光板４０３外の観察者の光学瞳へ向けて射出される。

上述した、図１に示す虚像観察光学系には、以下のような問題点がある。

まず、図１に示す虚像観察光学系では、画像表示素子３０１から射出された拡散光を、直接、導光板３０２内の透過型ホログラムレンズ３０３に入射するため、光学系の倍率を大きくとろうとして画像表示素子３０１と、透過型ホログラムレンズ３０３との距離、すなわち、透過型ホログラムレンズ３０３の焦点距離を短くすると、後で説明するように透過型ホログラムレンズ３０３の回折受容角が比較的小さいことから、瞳径３０５を大きくとることができない。

そして、透過型ホログラムレンズ３０３の干渉縞は、非球面位相成分を有する複雑な構造であることから、回折受容角を広くするために、干渉縞を多重化又は積層化することが困難であり、同一波長、同一入射角において、等しい回折角度を有しながら、異なる回折効率を発生させる構成とすることができない。

また、図１に示す虚像観察光学系では、導光板３０２に設けられた透過型ホログラムレンズ３０３が、画像表示素子３０１から射出された画像光を、平行光としながら、すなわち、光学的パワーを発生させながら同時に偏向させるため、大きな単色偏心収差を発生してしまうことになる。これは、瞳に表示される表示画像の解像力を低下させてしまうといった問題を発生させてしまう。

さらに、この虚像観察光学系は、透過型ホログラムレンズ３０３にて発生する色収差を、透過型ホログラムグレーティング３０４で補正するように構成されているが、透過型ホログラムグレーティング３０４の入射光線偏向方向は、図１の紙面内に限られるため、少なくとも紙面に垂直方向に発生する収差については打ち消すことができない。この回折による色収差は、導光板３０２に設けられた２つの透過型ホログラム（透過型ホログラムレンズ３０３、透過型ホログラムグレーティング３０４）がそれぞれ異なっているために発生する問題であり、狭い波長帯域を有する光源しか実質上使えないといった大きな制約条件となっている。

実際、図１に示す虚像観察光学系に対して、瞳からの逆光線追跡によるシミュレーションを行うと、２つの透過型ホログラムで色収差を補正した場合でも、±２ｎｍの波長シフト時に画像表示素子上３０１で±３０μｍの変位となっていることが分かる。

仮に、２つの透過型ホログラムが光学的パワーを持たない全く等しい透過型体積ホログラムグレーティングであったとしても、以下に説明するような別の問題が発生することになる。

一般に、一定の入射角度において、透過型体積ホログラムの回折受容波長帯域は、反射型体積ホログラムと比較すると広くなることが分かっている。したがって、光源の波長帯域が広い場合、若しくは、光の３原色であるＲＧＢ（Ｒ：赤色光、Ｇ：緑色光、Ｂ：青色光）の各光源波長間隔が狭い場合（各色光の波長帯域がブロードである場合）、膨大な回折による色分散、つまり回折色分散が発生することになる。

例えば、緑色（中心波長５５０ｎｍ）用に作成された透過型体積ホログラムであっても、４００〜６３０ｎｍ程度の波長帯域にて、１０％程度の回折効率を有し、青色ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）（発光波長帯域４１０〜４９０ｎｍ）や、赤色ＬＥＤ（発光波長帯域６００〜６６０ｎｍ）の一部の光を回折してしまうことになる。

この回折色分散による色収差は、２つの等しい格子ピッチを有するホログラムを用いることで打ち消すことができるが、一つ目のホログラムで発生する色分散が大きい場合、導光板内を伝搬する光束の広がりが大きくなるため、以下に示すような問題が発生する。一つ目のホログラムで回折され、導光板内を伝搬した広がりが大きくなった光束は、二つ目のホログラムで回折されることで導光板より射出されると、波長によって大きく伝搬方向に広がってしまい、観察者の瞳に表示される虚像の色の均一性を低下させてしまう。

一方、反射型体積ホログラムは、一つの干渉縞の持つ回折受容波長帯域が狭い。したがって、カラー化した場合には、ＲＧＢごとにホログラム層を積層化又はＲＧＢ毎の干渉縞を多重化することで、各色の回折角（導光板内部の全反射角）をほぼ等しくすることができる。

また、逆に、一定の入射波長において、透過型体積ホログラムの回折受容角は、反射型体積ホログラムの回折受容角と比較すると小さく、瞳径３０５又は画角を大きくとることが困難となってしまう。

また、図２及び図３に示す虚像観察光学系では、導光板４０３内部で、画像表示素子４０１の像が中間結像されるため、第１のＨＯＥ４０４，第２のＨＯＥ４０５，第３のＨＯＥ４０６，第４のＨＯＥ４０７が、偏心レイアウト中で光学的パワーを持つ必要がある。したがって、この虚像観察光学系においても、図１に示す虚像観察光学系と同様に、偏心収差を発生してしまうことになる。

そして、図２及び図３に示す虚像観察光学系では、この偏心収差を緩和するために自由曲面プリズム４０２や、第１のＨＯＥ４０４，第２のＨＯＥ４０５，第３のＨＯＥ４０６，第４のＨＯＥ４０７を非軸対称面としている。しかし、各ＨＯＥの回折効率は、実質的に、７０〜８０％程度が上限であるため、４枚のＨＯＥの回折効率をトータルすると、７０〜８０％の４乗となり大幅に、回折効率が低下してしまうことになる。

上述したように、複雑な干渉縞を備えたホログラムでは、回折受容角を広げるために、ホログラムを積層化するか、干渉縞の多重化を行うことが困難である。したがって、瞳径を大きくとることはできない。

また、導光板４０３内部は、収束光（中間結像まで）、又は拡散光（中間結像以降）が伝搬するため、第１の反射回折によって回折されずに導光板４０３の平面にて再度全反射した光束は、もはや画像表示光として用いることはできない。したがって、光利用効率も上げられず、観察可能範囲を拡大することもできないといった問題がある。

そこで、本発明は、上述したような従来に技術が有する問題点を解決するために提案されたものであり、単色偏心収差と回折色収差の排除低減による高解像力化、ホログラム素子の枚数低減による高効率化、表示画像の色均一化と、広瞳径化を実現する光学装置及び虚像観察光学系を提供することを目的する。

本発明に係る光学装置は、当該導光板の内部全反射条件を満たす平行光束群を内部全反射して導光する導光板と、導光板に外部から入射された互いに進行方位の異なる平行光束群を、平行光束群のまま導光板の内部全反射条件を満たすように回折反射する第１の反射型体積ホログラムグレーティングと、導光板で内部全反射して導光される平行光束群を、導光板の内部全反射条件から外れるように回折反射して、平行光束群のまま導光板から射出させる第２の反射型体積ホログラムグレーティングとを備え、導光板を内部全反射して導光される平行光束群の一部の平行光束を、導光板に外部から入射し、導光板から射出されるまでの期間における全反射回数を互いに異なるようにしたものである。

また、本発明に係る虚像表示装置は、画像表示素子と、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、当該導光板の内部全反射条件を満たす平行光束群を内部全反射して導光する導光板と、導光板にコリメート光学系から入射された互いに進行方位の異なる平行光束群を、平行光束群のまま導光板の内部全反射条件を満たすように回折反射する第１の反射型体積ホログラムグレーティングと、導光板で内部全反射して導光される平行光束群を、導光板の内部全反射条件から外れるように回折反射して、平行光束群のまま導光板から射出させる第２の反射型体積ホログラムグレーティングとを備え、導光板を内部全反射して導光される平行光束群の一部の平行光束を、導光板に外部から入射し、導光板から射出されるまでの期間における全反射回数を互いに異なるようにしたものである。

本発明に係る他の虚像表示装置は、光束を射出する光源と、光源から射出された光束を平行光束とするコリメート光学系と、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、当該導光板の内部全反射条件を満たす平行光束群を内部全反射して導光する導光板と、導光板に走査光学系から入射された互いに進行方位の異なる平行光束群を、平行光束群のまま導光板の内部全反射条件を満たすように回折反射する第１の反射型体積ホログラムグレーティングと、導光板で内部全反射して導光される平行光束群を、導光板の内部全反射条件から外れるように回折反射して、平行光束群のまま導光板から射出させる第２の反射型体積ホログラムグレーティングとを備え、導光板を内部全反射して導光される平行光束群の一部の平行光束を、導光板に外部から入射し、導光板から射出されるまでの期間における全反射回数を互いに異なるようにしたものである。

本発明は、第１の反射型体積ホログラムグレーティングで、導光板に外部から入射された互いに進行方位の異なる平行光束群を、平行光束群のまま導光板の内部全反射条件を満たすように回折反射し、第２の反射型体積ホログラムグレーティングで導光板で内部全反射して導光される平行光束群を、導光板の内部全反射条件から外れるように回折反射して、平行光束群のまま導光板から射出させる。

このとき、導光板を内部全反射して導光される平行光束群の一部の平行光束が、導光板に外部から入射され、導光板から射出されるまでの期間における全反射回数が互いに異なるため、導光板が非常に薄型化され、導光板の長手方向の長さも十分稼ぐことができる。
したがって、本発明を適用した虚像光学装置を軽量化、小型化することができ、さらには、コストダウンを計ることも可能となる。また、この虚像光学装置を頭部装着型のＨＭＤ（Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ）とした場合にも装着者の、装置装着時の不快感を大幅に軽減させることが可能となる。

また、本発明は、ホログラムとして、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２枚のみを使用しているため枚数低減による高効率化を実現する。さらに、透過型体積ホログラムグレーティングと比較して回折受容波長が狭く、回折受容角の大きい反射型体積ホログラムグレーティングを用いることで、表示画像の色を均一化させ、広瞳径化を可能とする。

さらに、本発明において、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はレンズ効果がないため、単色偏心収差が排除され、回折受容波長が狭いことから回折色収差を低減することができるため、高解像力の画像を、観察者の瞳に表示させることを可能とする。

さらにまた、本発明において、第１の反射型体積ホログラムグレーティングに記録されている干渉縞のホログラム表面における干渉縞ピッチと、第２の反射型体積ホログラムグレーティングに記録されている干渉縞のホログラム表面における干渉縞ピッチとが互いに等しくされていることにより、同一波長同一入射角で入射される平行光線が、異なる回折角で回折反射されることを防止し、高い解像力の虚像を観察者の瞳に表示させることを可能とする。

また、本発明において、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に記録する干渉縞が単純な単純回折格子であるため、容易に干渉縞の多重化、干渉縞を記録したホログラム層の積層化を行うことができるため、回折受容角を大きくし、回折色収差を発生させずに、色域も下げることなく複数の波長帯域の平行光束、例えば、光の３原色であるＲＧＢ（Ｒ：赤色光、Ｇ：緑色光、Ｂ：青色光）を回折反射することを可能とする。
ところで、本発明では、反射型光学素子と光学レンズとを組み合わせるように構成し、コンパクトながら像面湾曲量の非常に小さいコリメータを実現し、画像表示装置の解像力の向上、並びに装置全体の小型化、軽量化を実現することができる。
すなわち、本発明に係る画像表示装置では、光源と、前記光源から射出する光束を反射する反射型空間光変調素子と、前記反射型空間光変調素子の反射光を反射する反射型光学素子と、前記反射型光学素子の反射する反射光を屈折する光学レンズと、１／４波長板と、偏光ビームスプリッタと、導光光学系とを有する。前記光学レンズは、前記反射型空間光変調素子の反射面の任意の位置からの反射光を、前記反射型光学素子と前記光学レンズとの組合せによって平行光群として射出し、前記導光光学系は、前記平行光群を内部で全反射したのち平行光群のまま外部に射出し、前記光源、反射型空間光変調素子、反射型光学素子、光学レンズは、それぞれ前記偏光ビームスプリッタの４つの光学面近傍又は密着して配置され、前記反射型光学素子と前記偏光ビームスプリッタとの間には、１／４波長板が配置される。
また、本発明に係る画像表示装置は、画像表示素子と、前記画像表示素子からの射出光を反射する第１の反射型光学素子と、前記第１の反射型光学素子の反射する反射光を再び反射する第２の反射型光学素子と、前記第２の反射型光学素子の反射する反射光を屈折する光学レンズと、２つの１／４波長板と、偏光ビームスプリッタと、導光光学系とを有する。前記光学レンズは、前記画像表示素子の画像表示面の任意の位置からの射出光を、前記反射型光学素子と前記光学レンズとの組合せによって平行光群として射出し、前記導光光学系は、前記平行光群を内部で全反射したのち平行光群のまま外部に射出し、前記画像表示素子、第１の反射型光学素子、第２の反射型光学素子、光学レンズは、それぞれ前記偏光ビームスプリッタの４つの光学面近傍若しくは密着して配置され、前記第１の反射型光学素子、前記第２の反射型光学素子と前記偏光ビームスプリッタとの間には、それぞれ１／４波長板が配置される。
更に、本発明に係る画像表示装置は、画像表示素子と、前記画像表示素子からの射出光を反射する反射型光学素子と、前記反射型光学素子の反射する反射光を屈折する光学レンズと、１／４波長板と、偏光ビームスプリッタと、導光光学系とを有する。前記光学レンズは、前記画像表示素子の画像表示面の任意の位置からの射出光を、前記反射型光学素子と前記光学レンズとの組合せによって平行光群として射出し、前記導光光学系は、前記平行光群を内部で全反射したのち平行光群のまま外部に射出し、前記画像表示素子、反射型光学素子、光学レンズは、それぞれ前記偏光ビームスプリッタの３つの光学面近傍又は密着して配置され、前記反射型光学素子と前記偏光ビームスプリッタとの間には、１／４波長板が配置される。
更に、本発明に係る画像表示装置は、画像表示素子と、前記画像表示素子からの射出光をコリメートするコリメート光学系と、前記コリメート光学系からの平行光群を内部で全反射したのち平行光群のまま外部に射出する導光光学系とを有する。前記コリメート光学系は、全反射面と屈折面とを有するプリズムを有し、前記コリメート光学系は、前記画像表示素子の画像表示面の任意の位置からの射出光を、前記全反射面と前記屈折面との組合せによって平行光群として射出する。
更に、本発明に係る画像表示装置は、画像表示素子と、前記画像表示素子からの射出光をコリメートするコリメート光学系と、前記コリメート光学系からの平行光群を内部で全反射したのち平行光群のまま外部に射出する導光光学系とを有する。前記コリメート光学系は、反射面と屈折面とを有し、前記コリメート光学系は、前記画像表示素子の画像表示面の任意の位置からの射出光を、前記反射面と前記屈折面との組合せによって平行光群として射出する。

本発明のさらに他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下において図面を参照して説明される実施に形態から一層明らかにされるであろう。

図１は、従来提案されている虚像観察光学系を示す側面図である。 図２は、従来提案されている虚像観察光学系の他の例を示す側面図である。 図３は、図２に示す虚像観察光学系の導光板を示す側面図である。 図４は、透過型体積ホログラムグレーティングの回折効率分布を示した図である。 図５は、反射型体積ホログラムグレーティングの回折効率分布を示した図である。 図６は、透過型体積ホログラムグレーティング及び反射型体積ホログラムグレーティングの回折効率の入射角依存性を示した図である。 図７は、透過型体積ホログラムグレーティング及び反射型体積ホログラムグレーティングの回折効率の入射波長依存性を示した図である。 図８は、本発明の第１の実施の形態として示す虚像表示装置の側面図である。 図９は、像表示装置が備える第１の反射型体積ホログラムグレーティングを示す側面図である。 図１０は、虚像表示装置が備える第２の反射型体積ホログラムグレーティングを示す側面図である。 図１１は、本発明の第２の実施の形態として示す虚像表示装置の側面図である。 図１２は、虚像表示装置が備える第１の反射型体積ホログラムグレーティングを示す側面図である。 図１３は、虚像表示装置が備える第２の反射型体積ホログラムグレーティングを示す側面図である。 図１４は、本発明の第３の実施の形態として示す虚像表示装置の側面図である。 図１５は、虚像表示装置が備える第１の反射型体積ホログラムグレーティングを示す側面図である。 図１６は、虚像表示装置が備える第１の反射型体積ホログラムグレーティングを示す側面図である。 図１７は、本発明の第４の実施の形態として示す虚像表示装置の側面図である。 図１８は、虚像表示装置が備える第１の反射型体積ホログラムグレーティングを示す側面図である。 図１９は、虚像表示装置が備える第２の反射型体積ホログラムグレーティングを示す側面図である。 図２０は、虚像表示装置が備える第２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側面図である。 図２１は、本発明の第５の実施の形態として示す虚像表示装置の側面図である。 図２２は、本発明の第６の実施の形態として示す虚像表示装置の側面図である。 図２３は、虚像表示装置が備える第２の反射型体積ホログラムグレーティングでの回折反射の様子を示す側面図である。 図２４は、虚像表示装置が備える第２の反射型体積ホログラムグレーティングを示す側面図である。 図２５は、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うちの一つを示す側面図である。 図２６は、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側面図である。 図２７は、第２の反射型体積ホログラムグレーティングに記録する干渉縞のスラント角と、入射する平行光束の入射角との関係について説明するための図である。 図２８は、第２の反射型体積ホログラムグレーティングに入射する平行光束の入射角に対する回折効率を最大にする干渉縞のスラント角の変位を示す図である。 図２９は、本発明の第７の実施の形態として示す画像表示装置の側面図である。 図３０は、本発明の第８の実施の形態として示す画像表示装置の側面図である。 図３１は、本発明の第９の実施の形態として示す画像表示装置の側面図である。 図３２は、本発明の第１０の実施の形態として示す画像表示装置の側面図である。 図３３は、本発明の第１１の実施の形態として示す画像表示装置の側面図である。 図３４は、本発明の第１２の実施の形態として示す画像表示装置の側面図である。 図３５は、本発明の第１３の実施の形態として示す画像表示装置の側面図である。 図３６は、本発明の第１４の実施の形態として示す画像表示装置の側面図である。 図３７は、本発明の第１５の実施の形態として示す画像表示装置の側面図である。

以下、本発明に係る光学装置及び虚像表示装置の実施の形態を図面を参照にして詳細に説明をする。

本発明の実施の形態について説明する前に、各実施の形態で使用される反射型体積ホログラムグレーティングの特性について、従来の技術でも使用されていた透過型体積ホログラムグレーティングの特性と比較しながら説明をする。
従来の技術でも説明したように、反射型体積ホログラムグレーティングは、透過型体積ホログラムグレーティングと比較して、回折受容波長帯域が狭く、回折受容角が大きいといった特性を有している。

これについて、図４乃至図７を用いて具体的に説明をする。図４及び図５に、垂直に入射する波長５５０ｎｍの平行光を、屈折率１．５２の媒質中で、４５度に回折透過する透過型体積ホログラムグレーティングと、４５度に回折反射する反射型体積ホログラムグレーティングの回折効率分布（入射波長：４００〜７００ｎｍ、入射角：垂直入射に対して±５度）をそれぞれ示す。

図４及び図５中斜線を施した部分が回折効率の存在する入射波長、入射角度の領域を示している。それぞれのホログラムの屈折率変調度は、０．０５、ホログラム層の厚さは、それぞれのピーク回折効率が９９％以上になるような厚さを選んだ。

これにより、図５に示した反射型体積ホログラムグレーティングの回折効率分布の方が、図４に示した透過型体積ホログラムグレーティングの回折効率分布よりも、同じ入射角度範囲において、回折可能な波長変動が少ない、又は、同じ入射波長範囲において回折受容角が広いことが分かる。

図６及び図７に、図４及び図５に示す結果を別な形で示した。図６は、入射波長５５０ｎｍでの透過型体積ホログラムグレーティング、反射型体積ホログラムグレーティング、それぞれにおける回折効率の入射角依存性を示す。なお、図６中実線が透過型体積ホログラムグレーティングの回折効率の入射角依存性を示し、一点鎖線が反射型体積ホログラムグレーティングの回折効率の入射角依存性を示す。図６からも明らかなように、反射型体積ホログラムグレーティングの方が、透過型体積ホログラムグレーティングよりも回折受容角が広いことが分かる。

また、図７は、入射角０度での透過型体積ホログラムグレーティング、反射型体積ホログラムグレーティング、それぞれにおける回折効率の入射波長依存性を示す。なお、図７中実線が透過型体積ホログラムグレーティングの回折効率の入射波長依存性を示し、一点鎖線が反射型体積ホログラムグレーティングの回折効率の入射波長依存性を示す。図７からも明らかなように、反射型体積ホログラムグレーティングの方が、透過型体積ホログラムグレーティングよりも回折受容波長が狭いことが分かる。

以上のような、反射型体積ホログラムグレーティングの一般的特性を踏まえて、以下に、本発明を実施するための最良の形態として示す第１乃至第６の実施の形態について説明をする。

｛第１の実施の形態｝
図８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、画像を表示する画像表示素子１１と、画像表示素子１１で表示された表示光を入射して、観察者の瞳１６へと導く虚像光学系とを備えている。

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。

虚像光学系は、コリメート光学系１２と、導光板１３と、導光板１３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１４と、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５とを備える。

コリメート光学系１２は、画像表示素子１１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１２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１３に入射される。

導光板１３は、コリメート光学系１２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１３ａ１を一方端部に有し、他方端部に光を射出する光射出口１３ａ２を有する光学面１３ａと、この光学面１３ａに対向する光学面１３ｂとを主面とする薄型の平行平板な導光板である。

導光板１３の光学面１３ｂには、光学面１３ａの光入射口１３ａ１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１４が設けられ、光学面１３ａの光射出口１３ａ２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１５が設けられている。

図９及び図１０に、干渉縞が記録された反射型体積ホログラムグレーティング１４、反射型体積ホログラムグレーティング１５の様子をそれぞれ示す。図９及び図１０に示すように、反射型体積ホログラムグレーティング１４，１５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１４Ｓ，１５Ｓ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。反射型体積ホログラムグレーティング１４，１５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。

図９に示すように反射型体積ホログラムグレーティング１４には、干渉縞１４ａ，１４ｂ，１４ｃ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１０に示す反射型体積ホログラムグレーティング１５も同様に、干渉縞１５ａ，１５ｂ，１５ｃ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、反射型体積ホログラムグレーティング１４，１５は、それぞれの干渉縞が光学面１３ｂと垂直な平面に対して対称となるように、導光板１３の光学面１３ｂ上に配置されていることになる。

導光板１３の光入射口１３ａ１から入射した互いに画角の異なる平行光束群は、上述した反射型体積ホログラムグレーティング１４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１３の光学面１３ａ，１３ｂとの間で全反射を繰り返しながら進行し、上述した反射型体積ホログラムグレーティング１５に入射することになる。

導光板１３の長手方向の長さ及び光学面１３ａ−光学面１３ｂ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１５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。

具体的には、導光板１３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１５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１５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、導光板１３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１４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、導光板１３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。

第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５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１３の光射出口１３ａ２から射出され、観察者の瞳１６に入射する。

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１５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１４の干渉縞をホログラム面内で１８０度回転させた形状と同じになるように、導光板１３の光学面１３ｂ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１５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１４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。

この虚像表示装置１０は、レンズ効果のない第１の反射型体積ホログラムグレーティング１４，第２の反射型体積ホログラムグレーティング２５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。

なお、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１４と、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１５とは、導光板１３の光学面１３ｂに対して各ホログラム面１４Ｓ，１５Ｓ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１４Ｓ，１５Ｓが、それぞれ光学面１３ｂ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。

｛第２の実施の形態｝
図１１に、第２実施の形態として示す虚像表示装置２０を示す。第２の実施の形態として示す虚像表示装置２０は、カラー画像の虚像を表示する。なお、図１１に示す本実施の形態では、図面の見やすさを優先させるために中心画角光線のみを図示している。

虚像表示装置２０は、光源を構成する照明光学系３０と、照明光学系３０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。

照明光学系３０は、赤色光を射出するＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）光源３１Ｒと、緑色光を射出するＬＥＤ光源３１Ｇと、青色光を射出するＬＥＤ光源３１Ｂと、色合成プリズム３２とを備えている。

ＬＥＤ光源３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂ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３２によって白色光へと混色され、虚像光学系へ射出される。

虚像光学系は、照明光学系３０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２２と、コリメート光学系２２から射出された平行光束を空間変調する回転ミラー２１Ａ，２１Ｂと、回転ミラー２１Ａ，２１Ｂで空間変調された照明光を入射する導光板２３と、導光板２３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２４と、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２５とを備える。

コリメート光学系２２は、この照明光を平行光束とし、後段の空間変調器として機能する回転ミラー２１Ａに射出する。

回転ミラー２１Ａ，２１Ｂは、コリメート光学系２２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１１に示すように、回転ミラー２１Ａ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２１Ｂ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２１Ａ，２１Ｂ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。

コリメート光学系２２から回転ミラー２１Ａに射出された平行光束は、回転ミラー２１Ａ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２１Ｂに向けて反射される。回転ミラー２１Ｂに入射した平行光束は、回転ミラー２１Ｂ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導光板２３に向けて反射される。

なお、回転ミラー２１Ａ，２１Ｂは、具体的には、コリメート光学系２２から射出された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を構成する。

導光板２３は、回転ミラー２１Ｂで反射され射出された平行光束群を入射する光入射口２３ａ１を一方端部に有し、他方端部に光を射出する光射出口２３ａ２を有する光学面２３ａと、この光学面２３ａに対向する光学面２３ｂとを主面とする薄型の平行平板な導光板である。

導光板２３の光学面２３ｂには、光学面２３ａの光入射口２３ａ１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２４が設けられ、光学面２３ａの光射出口２３ａ２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２５が設けられている。

また、導光板２３は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２４、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２５を設置した側に、透明基板２６が設けられている。導光板２３の光学面２３ｂは、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２４、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２５とが設置されていない個所では、透明基板２６との間に空気層Ａｉｒを介することになる。

この透明基板２６を設けることで、全反射面である光学面２３ｂ、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２４、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２５を保護することができる。

図１２及び図１３に、干渉縞が記録された反射型体積ホログラムグレーティング２４、反射型体積ホログラムグレーティング２５の様子をそれぞれ示す。

図１２及び図１３に示すように、反射型体積ホログラムグレーティング２４，２５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、すなわち、赤色光用干渉縞２４Ｒ，緑色光用干渉縞２４Ｇ，青色光用干渉縞２４Ｂ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２４Ｓ，２５Ｓ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。

なお、反射型体積ホログラムグレーティング２４，２５は、図１２及び図１３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２４Ｒ、緑色光用干渉縞２４Ｇ、青色光用干渉縞２４Ｂ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。

図１２に示すように反射型体積ホログラムグレーティング２４には、干渉縞２４Ｒ，２４Ｇ，２４Ｂ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１３に示す反射型体積ホログラムグレーティング２５も同様に、干渉縞２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂ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、反射型体積ホログラムグレーティング２４，２５は、それぞれの干渉縞が光学面２３ｂと垂直な平面に対して対称となるように、導光板２３の光学面２３ｂ上に配置されていることになる。

導光板２３の光入射口２３ａ１から入射した平行光束群は、上述した反射型体積ホログラムグレーティング２４に入射され、それぞれの平行光束が平行光束のまま、各色光とも、ほぼ同一角度で回折反射される。回折反射された平行光束群は、導光板２３の光学面２３ａ，２３ｂとの間で全反射を繰り返しながら進行し、上述した反射型体積ホログラムグレーティング２５に入射することになる。

導光板２３の長手方向の長さ及び光学面２３ａ−光学面２３ｂ間の厚みは、このときに内部を全反射しながら進行する平行光束群が、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２５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。

具体的には、導光板２３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２５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２５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っている。これは、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１の反射型体積ホログラムグレーティング２４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、導光板１３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。

第２の反射型体積ホログラムグレーティング２５に入射した各画角の平行光束は、回折反射されることで全反射条件からはずれ、導光板２３の光射出口２３ａ２から射出され、観察者の瞳１６に入射する。

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２５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２４の干渉縞をホログラム面内で１８０度回転させた形状と同じになるように、導光板２３の光学面２３ｂ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２５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２４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。

この虚像表示装置２０は、レンズ効果のない第１の反射型体積ホログラムグレーティング２４，第２の反射型体積ホログラムグレーティング２５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。

なお、第１の反射型体積ホログラムグレーティング２４と、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２５とは、導光板２３の光学面２３ｂに対して各ホログラム面２４Ｓ，２５Ｓ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２４Ｓ，２５Ｓが、それぞれ光学面２３ｂ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。

｛第３の実施の形態｝
図１４に、第３実施の形態として示す虚像表示装置４０を示す。第３の実施の形態として示す虚像表示装置４０は、第２の実施の形態として示す虚像表示装置２０と同様にカラー画像の虚像を表示する。なお、図１４に示す本実施の形態では、図面の見やすさを優先させるために中心画角光線のみを図示している。

虚像表示装置４０は、第２の実施の形態でも用いた照明光学系３０と、照明光学系３０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。

虚像光学系は、コリメート光学系２２と、コリメート光学系２２から射出された平行光束を反射する反射ミラー４５と、反射ミラー４５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４１と、ＭＥＭＳミラー４１で空間変調された照明光を入射する導光板４３と、導光板４３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４４と、第２の反射型体積ホログラムグレーティング４５とを備える。なお、照明光学系３０、コリメート光学系２２については、既に説明をしたので詳細な説明を省略する。

ここで、ＭＥＭＳミラー４１は、具体的に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。

照明光学系３０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２２へ射出され、平行光束とされて反射ミラー４５に射出される。

反射ミラー４５は、固定的に設置されており、コリメート光学系２２から射出された平行光束を、ＭＥＭＳミラー４１に射出する。

ＭＥＭＳミラー４１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４１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４１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。

ＭＥＭＳミラー４１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導光板４３に向けて反射される。

導光板４３は、ＭＥＭＳミラー４１で反射され射出された平行光束群を入射する光入射口４３ｂ１を一方端部に有する光学面４３ｂと、この光学面４３ｂに対向する面であり、光学面４３ｂが有する光入射口４３ｂ１と逆側の端部に光を射出する光射出口４３ａ１を有する光学面４３ａとを主面とする薄型の平行平板な導光板である。

導光板４３の光学面４３ａには、光学面４３ｂの光入射口４３ｂ１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４４が設けられ、光学面４３ｂには、光学面４３ａの光射出口４３ａ１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４５が設けられている。

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４４、第２の反射型体積ホログラムグレーティング４５の様子をそれぞれ示す。この第１の反射型体積ホログラムグレーティング４４、第２の反射型体積ホログラムグレーティング４５は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング４４の導光板４３への設置位置が異なるだけで、図１２及び図１３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２４、第２の反射型体積ホログラムグレーティング２５と全く同じ構成である。

図１５及び図１６に示すように、反射型体積ホログラムグレーティング４４，４５には、赤色光、緑色光、青色光を主に回折反射する３種類の干渉縞である赤色光用干渉縞４４Ｒ，緑色光用干渉縞４４Ｇ，青色光用干渉縞４４Ｂ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。

なお、反射型体積ホログラムグレーティング４４，４５は、図１５及び図１６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、種類毎に、つまり、赤色光用干渉縞４４Ｒ、緑色光用干渉縞４４Ｇ、青色光用干渉縞４４Ｂ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。

図１５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４４には、干渉縞４４Ｒ，４４Ｇ，４４Ｂ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１６に示す第２の反射型体積ホログラムグレーティング４５も同様に、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にて複数記録されている。

導光板４３の光入射口４３ｂ１から入射した平行光束群は、上述した第１の反射型体積ホログラムグレーティング４４に入射され、それぞれの平行光束が平行光束のまま、各色光とも、ほぼ同一角度で回折反射される。回折反射された平行光束群は、導光板４３の光学面４３ａ，４３ｂ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４５に入射することになる。

導光板４３の長手方向の長さ及び光学面４３ａ−光学面４３ｂ間の厚みは、このときに内部を全反射しながら進行する平行光束群が、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４５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。

具体的には、導光板４３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４５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４５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っている。これは、導光板４３に入射する平行光束群は、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４４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、導光板１３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。

第２の反射型体積ホログラムグレーティング４５に入射した各画角の平行光束は、回折反射されることで全反射条件からはずれ、導光板４３の光射出口４３ａ１から射出され、観察者の瞳１６に入射する。

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４５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４４の干渉縞をホログラム面内で３６０度回転させた形状と同じになるように、導光板４３の光学面４３ｂ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４５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４４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。

この虚像表示装置４０は、レンズ効果のない第１の反射型体積ホログラムグレーティング４４，第２の反射型体積ホログラムグレーティング４５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。

なお、第１の反射型体積ホログラムグレーティング４４と、第２の反射型体積ホログラムグレーティング４５とは、導光板４３の光学面４３ａ，４３ｂに対して各ホログラム面４４Ｓ，４５Ｓがそれぞれ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４４Ｓ，４５Ｓが、それぞれ光学面４３ａ，４３ｂ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。

｛第４の実施の形態｝
図１７に、第４の実施の形態として示す虚像表示装置６０を示す。第４の実施の形態として示す虚像表示装置６０は、カラー画像の虚像を表示する。なお、図１７に示す本実施の形態では、図面の見やすさを優先させるために中心画角光線のみを図示している。

虚像表示装置６０は、照明光学系７０と、照明光学系７０からの照明光を空間変調する空間変調素子６１と、空間変調素子６１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。

照明光学系７０は、赤色光を射出するレーザ光源７１Ｒと、緑色光を射出するレーザ光源７１Ｇと、青色光を射出するレーザ光源７１Ｂと、色合成プリズム７２と、カップリング光学系７３と、スペックル低減手段７４と、光ファイバ７５と、コンデンサレンズ７６とを備えている。

レーザ光源７１Ｒ，７１Ｇ，７１Ｂ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３２によって白色光へと混色され、スペックル低減手段７４を介し、カップリング光学系７３によって光ファイバ７５内に取り込まれる。光ファイバ７５内を伝送され射出された白色光は、コンデンサレンズ７６を介して、空間変調素子６１を照明する。

空間変調素子６１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。

虚像光学系は、コリメート光学系６２と、導光板６３と、導光板６３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６４と、第２の反射型体積ホログラムグレーティング６５とを備える。

コリメート光学系６２は、空間変調素子６１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６２から射出された平行光束群は、それぞれ導光板６３に入射される。

導光板６３は、コリメート光学系６２から射出された平行光束群を入射する光入射口６３ａ１を一方端部に有し、他方端部に光を射出する光射出口６３ａ２を有する光学面６３ａと、この光学面６３ａに対向する光学面６３ｂとを主面とする薄型の平行平板な導光板である。

導光板６３の光学面６３ｂには、光学面６３ａの光入射口６３ａ１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６４が設けられ、光学面６３ａの光射出口６３ａ２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６５が設けられている。

図１８及び図１９に、干渉縞が記録された反射型体積ホログラムグレーティング６４、反射型体積ホログラムグレーティング６５の様子をそれぞれ示す。

図１８及び図１９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６４、第２の反射型体積ホログラムグレーティング６５は、それぞれ３層のホログラム層６４Ａ，６４Ｂ，６４Ｃ、ホログラム層６５Ａ，６５Ｂ，６５Ｃが積層されて形成されている。この反射型体積ホログラムグレーティング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６４のホログラム層６４Ａ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６４Ｂ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６４Ｃ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６５も同様である。

また、各ホログラム層に記録された干渉縞は、第１の実施の形態で示した第１の反射型ホログラムグレーティング１４、第２の反射型ホログラムグレーティング１５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。

また、第１の反射型体積ホログラムグレーティング６４、第２の反射型体積ホログラムグレーティング６５は、以下に示すような構成であってもよい。これを、図２０に示す第２の反射型体積ホログラムグレーティング６５を用いて説明をする。なお、第１の反射型体積ホログラムグレーティング６４については図示しないが全く同様の構成となる。

図２０に示す、第２の反射型体積ホログラムグレーティング６５は、３層のホログラム層６５Ｄ，６５Ｅ，６５Ｆが積層されて形成されている。この第２の反射型体積ホログラムグレーティング６５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。つまり、第２の反射型体積ホログラムグレーティング６５の各ホログラム層には、上述した第２の実施の形態で用いられている第１の反射型体積ホログラムグレーティング２４，２５と同様な干渉縞が記録されている。

また、ホログラム層６５Ｄ，６５Ｅ，６５Ｆ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。

導光板６３の光入射口６３ａ１から入射した平行光束群は、上述した第１の反射型体積ホログラムグレーティング６４に入射され、回折反射される。回折反射された平行光束群は、導光板６３の光学面６３ａ，６３ｂ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６５に入射することになる。

導光板６３の長手方向の長さ及び光学面６３ａ−光学面６３ｂ間の厚みは、このときに内部を全反射しながら進行する平行光束が、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６５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。

具体的には、導光板６３に入射する平行光束のうち、第２の反射型体積ホログラムグレーティング６５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６５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っている。これは、導光板６３に入射した平行光束は、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６４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、導光板６３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。

第２の反射型体積ホログラムグレーティング６５に入射した各画角の平行光束は、回折反射されることで全反射条件からはずれ、導光板６３の光射出口６３ａ２から射出され、観察者の瞳１６に入射する。

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６５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６４の干渉縞をホログラム面内で１８０度回転させた形状と同じになるように、導光板６３の光学面６３ｂ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６５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６４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。
この虚像表示装置６０は、レンズ効果のない第１の反射型体積ホログラムグレーティング６４，第２の反射型体積ホログラムグレーティング６５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。

なお、第１の反射型体積ホログラムグレーティング６４と、第２の反射型体積ホログラムグレーティング６５とは、導光板６３の光学面６３ｂに対して各ホログラム面６４Ｓ，６５Ｓがそれぞれ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６４Ｓ，６５Ｓが、それぞれ光学面４３ｂ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。

｛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８０を示す。虚像表示装置８０は、画像を表示する画像表示素子８１と、画像表示素子８１で表示された表示光を入射して、観察者の瞳１６へと導く虚像光学系とを備えている。

画像表示素子８１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。

虚像光学系は、コリメート光学系８２と、ホログラム層８４を内部に有する導光板８３とを備える。

コリメート光学系８２は、画像表示素子８１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８２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８３に入射される。

導光板８３は、ホログラム層８４を透明基板８３Ａ、８３Ｂで挟み込んだ構造となっている。導光板８３は、コリメート光学系８２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８３ａ１を一方端部に有し、他方端部に光を射出する光射出口８３ａ２を有する光学面８３ａと、この光学面８３ａに対向する光学面８３ｂとを主面とする薄型の平行平板な導光板である。

導光板８３の光学面８３ａ，８３ｂには、当該光学面８３ａ，８３ｂをそれぞれ保護するための保護シート８５，８６が設けられている。また、光学面８３ｂに設けられた保護シート８６には、導光板８３の光入射口８３ａ１と同じ位置に、画像表示素子８１で表示されコリメート光学系８１で拡大された拡大像が導光板８３外への漏れ出て、光利用効率が低下するのを防止するための遮光板８７が設けられている。

ホログラム層８４は、光入射口８３ａ１に対応する位置に第１の反射型体積ホログラムグレーティング８４ａが形成され、光射出口８３ａ２に対応する位置に第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃが形成されている。それ以外の部分は、干渉縞が記録されていない干渉縞無記録領域８４ｂである。

第１の反射型体積ホログラムグレーティング８４ａ、第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃには、ホログラム表面のピッチが均等である干渉縞が記録されている。また、第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃは、位置によって回折効率が異なっている。第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃは、光入射口８３ａ１に近い側の位置の回折効率を低くし、光入射口８３ａ２から遠い側の位置の回折効率を高くし、複数回回折反射をできるようにしている。

導光板８３の光入射口８３ａ１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８４ａに入射され、それぞれの平行光束が平行光束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８３の光学面８３ａ，８３ｂ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８４ｃに入射することになる。

導光板８３の長手方向の長さ及び光学面８３ａ−光学面８３ｂ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８４ｃ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。

具体的には、導光板８３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８４ｃ側へ傾きながら入射する平行光束群、つまり入射角が大きな平行光束群の反射回数は、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８４ｃ側へあまり傾かずに入射する平行光束群、つまり入射角が小さな平行光束群の反射回数と比較して少なくなっている。これは、導光板８３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群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８４ａ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、各平行光束群の全反射角も異なっているため、導光板８３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。

第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃに入射した各画角の平行光束は、回折反射されることで全反射条件からはずれ、導光板８３の光射出口８３ａ２から射出され、観察者の瞳１６に入射する。

本実施の形態に示すように、第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ａの回折効率を位置によって変化させると、瞳径、つまり観察者の虚像観察可能範囲を拡大することができる。

具体的には、例えば、第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃの回折効率を光入射口８３ａ１に近い側の位置８４ｃ１で４０％とし、光入射口８３ａ２に遠い側の位置８４ｃ２で７０％とすると、第２の反射型体積ホログラムグレーティングに１回目に入射する平行光束群は、位置８４ｃ１で４０％が回折反射され、６０％が透過することになる。透過した平行光束群は、導光板８３で内部全反射をして、第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃの位置８４ｃ２に入射することになる。

位置８４ｃ２の回折効率は、７０％であるため、１回目の第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃへの入射で、６０％の平行光束群が透過していることから０．６×０．７＝０．４２、つまり、位置８４ｃ２では、４２％の平行光束群が回折反射されることになる。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８４ｃの位置によって回折効率を適切に変化させることで、光射出口８３ａ２から射出される射出光の光量バランスを保つことができる。したがって、ホログラム層８４において、第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃの干渉縞を記録する領域を増加させれば容易に虚像観察可能範囲を拡大することができる。

また、この虚像表示装置８０は、レンズ効果のない第１の反射型体積ホログラムグレーティング８４ａ，第２の反射型体積ホログラムグレーティング８４ｃ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。

｛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９０を示す。虚像表示装置９０は、画像を表示する画像表示素子９１と、画像表示素子９１で表示された表示光を入射して、観察者の瞳１６へと導く虚像光学系とを備えている。

画像表示素子９１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。

虚像光学系は、コリメート光学系９２と、導光板９３と、導光板９３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９４と、第２の反射型体積ホログラムグレーティング９５とを備える。

コリメート光学系９２は、画像表示素子９１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９２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９３に入射される。

導光板９３は、コリメート光学系９２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９３ａ１を一方端部に有し、他方端部に光を射出する光射出口９３ａ２を有する光学面９３ａと、この光学面９３ａに対向する光学面９３ｂとを主面とする薄型の平行平板な導光板である。

導光板９３の光学面９３ｂには、光学面９３ａの光入射口９３ａ１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９４が設けられ、光学面９３ａの光射出口９３ａ２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９５が設けられている。

第１の反射型体積ホログラムグレーティング９４、第２の反射型体積ホログラムグレーティング９５については、後で詳細に説明をする。

導光板９３の光入射口９３ａ１から入射した互いに画角の異なる平行光束群は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９４に入射され、それぞれの平行光束が平行光束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９３の光学面９３ａ，９３ｂ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９５に入射することになる。

導光板９３の長手方向の長さ及び光学面９３ａ−光学面９３ｂ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９５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されている。

具体的には、導光板９３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９５側へ傾きながら入射する平行光束群、つまり入射角が大きな平行光束群の反射回数は、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９５側へあまり傾かずに入射する平行光束群、つまり入射角が小さな平行光束群の反射回数と比較して少なくなっている。これは、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群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９４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、各平行光束群の全反射角も異なっているため、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。

第２の反射型体積ホログラムグレーティング９５に入射した各画角の平行光束は、回折反射されることで全反射条件からはずれ、導光板９３の光射出口９３ａ２から射出され、観察者の瞳１６に入射する。

続いて、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９４、第２の反射型体積ホログラムグレーティング９５について説明をする。

第１の反射型体積ホログラムグレーティング９４は、図示しないが、上述した第４の実施の形態において、図１８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６４と全く同じ構成となっている。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９４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。

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９４は、画像表示素子９１から射出され、コリメート光学系９２でコリメートされた水平画角±１０度程度の平行光束を、導光板９３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。

第１の反射型体積ホログラム９４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導光板９３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９５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。

図２３に、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９４で回折反射され、導光板９３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９５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９５に入射される各平行光束は、図２３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。

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９５において、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９４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。

なお、図２３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。

一方、第２の反射型体積ホログラムグレーティング９５において、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９４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ＬＳが主に入射している。

つまり、第２の反射型体積ホログラムグレーティング９５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９５において、第１の反射型ホログラムグレーティング９４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。

そこで、第２の反射型体積ホログラムグレーティング９５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。

例えば、第２の反射型体積ホログラムグレーティング９５は、図２４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９５Ａ，９５Ｂ，９５Ｃを積層して構成されている。この３層のホログラム層９５Ａ，９５Ｂ，９５Ｃ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。

続いて、図２５を用いて、図２４で示した第２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９５Ｃ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９５Ａ，９５Ｂに記録された干渉縞は、ホログラム層９５Ｃ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２５に示すホログラム層９５Ｃでは、導光板９３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９４に近くなる側をＲ側とし、逆側をＬ側とする。

ホログラム層９５Ｃ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９５Ｒ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９５Ｌ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９５Ｍが記録されている。

干渉縞９５Ｒ，９５Ｌ，９５Ｍ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９５ＣＳ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。

ホログラム層９５Ａ，９５Ｂにそれぞれ記録された干渉縞も、ホログラム層９５Ｃ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９５Ｃ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。

図２５に示したホログラム層９５Ｃ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２６に示すように、干渉縞９５Ｒ，９５Ｌ，９５Ｍ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。

図２６に示すホログラム層９５Ｃは、ホログラム層９５ＣＲ，９５ＣＬ，９５ＣＭに、それぞれ干渉縞９５Ｒ，９５Ｌ，９５Ｍ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９５ＣＲと、ホログラム層９５ＣＬの中間位置にホログラム層９５ＣＭが積層されている。

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９５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。そこで、平行光束の入射角に応じて、回折効率を最大とする干渉縞のスラント角について、図２７に示すような反射型体積ホログラムグレーティング９６を一例として示し、詳細に説明をする。

なお、説明にあたっては、図２７に示す反射型体積ホログラムグレーティング９６を、図２５に示す虚像表示装置９０の第２の反射型体積ホログラムグレーティング９５に代えて設置し、反射型体積ホログラムグレーティングが可逆の性質を有することを利用して、観察者の瞳１６側から光線追跡をしたとして説明を行う。つまり、仮想的に設けた画像表示素子から射出され表示光を、コリメート光学系によって水平画角±１０度程度の平行光束にコリメートし、図２７に示す反射型体積ホログラムグレーティング９６に入射させたとして説明を行う。この場合、反射型体積ホログラムグレーティング９６の入射光が、第２の反射型体積ホログラムグレーティング９５の回折反射光に相当し、反射型体積ホログラムグレーティング９６の回折反射光が、第２の反射型体積ホログラムグレーティング９５の入射光に相当する。

このように、水平画角±１０度程度の平行光束が、反射型体積ホログラムグレーティング９６に入射された場合において、入射された全ての平行光束を導光板９３の内部全反射条件を満たすように回折反射させるためには、入射角が０度である中心画角の平行光束Ｌｐを入射させた場合に、回折反射角が５５〜６０度となる必要がある。

つまり、入射角が０度の平行光束Ｌｐが入射された場合の回折反射角を５５〜６０度以外とすると、±１０度程度の範囲内で０度以外の角度で入射された一部の平光光束は、導光板９３の全反射条件を満たさないような角度で回折反射されてしまうことになる。

図２７に示す、反射型体積ホログラムグレーティング９６のホログラム領域９６Ｍには、このように入射角が０度である平行光束Ｌｐが入射された場合に、回折反射角θｋが５５〜６０度となるような回折反射を行う干渉縞が記録されているとする。なお、回折反射角θｋは、図２７に示すように、座標定義上、射出回折角θｓとして表され、１２０〜１２５度となる。

このような干渉縞が記録されているホログラム領域９６Ｍの入射角θｒと、射出回折角θｓとは、入射される平行光束の波長をλ、干渉縞のホログラム表面におけるグレーティングピッチをΛｐとした場合に、（１）式のように表すことができる。

ｓｉｎθｓ＝ｓｉｎθｒ＋λ／Λｐ・・・（１）
また、記録された干渉縞のグレーティングピッチΛｐが、（１）式を満たす場合に、平行光束が入射角θｒで入射され、射出回折角θｓで回折反射されるときの回折効率を最大とするような干渉縞のスラント角φ０は、ブラッグ条件から、（２）式のように表すことができる。

φ０＝（θｓ＋θｒ）／２・・・（２）
入射角θで入射されて、射出回折角θｓで回折反射された平光光束の回折効率が最大となるのは、干渉縞で鏡面反射された場合であるので、スラント角φ０は、（２）式に示すようになる。

ところで、図６に示したように、一般に反射型体積ホログラムグレーティングの回折効率を最大に保つ入射角許容範囲は、０±３度程度である。したがって、それ以上、又はそれ以下の入射角で入射される平行光束に対しても、最大の回折効率で回折反射させるためには、異なるスラント角を有する干渉縞を新たに記録させる必要がある。

このとき、新たに記録させる干渉縞のグレーティングピッチは、あらかじめ記録されている干渉縞のグレーティングピッチと同じにする必要がある。それぞれの干渉縞でグレーティングピッチを変えてしまうと、同一入射角、同一波長の平行光束が入射された場合に、それぞれの干渉縞で射出回折角が異なり、解像度を低下させてしまうことになる。

ここで、反射型体積ホログラムグレーティング９６に、ホログラム領域９６Ｍに記録されている干渉縞以外の干渉縞を記録させる場合を考える。具体的には、入射角θｃ（±１０度程度の範囲内）で、波長λの平行光束が入射された場合に、射出回折角θｃ’とするような干渉縞を新たに記録させるとする。新たに記録させる干渉縞のグレーティングピッチは、上述したようにあらかじめホログラム領域９６Ｍに記録されている干渉縞のグレーティングピッチΛｐに合わせる必要がある。

このとき、射出回折角θｃ’は、上述した（１）式より、ｓｉｎθｃ’＝ｓｉｎθｃ＋λ／Λｐ：（λ／Λｐ＝Ｃ）となり、（３）式のように表すことができる。

θｃ’＝ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎθｃ＋Ｃ）・・・（３）
このとき、回折効率を最大にするスラント角φｃは、（２）式より、φｃ＝（θｃ’＋θｃ）／２となるため、（３）式を用いて、（４）式のように表すことができる。

φｃ＝｛ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎθｃ＋Ｃ）＋θｃ｝／２・・・（４）
但し、Ｃ＝λ／Λｐ
図２８に、（４）式を用いて、入射角θｃを±１０度の角度範囲で変化させた際に、回折効率を最大とするスラント角φｃの値をプロットした図を示す。グレーティングピッチΛｐは、（１）式から求めることができる。図２８に示す点線Ａは、入射角θｒ＝０度、射出回折角θｓ＝１２５度としてグレーティングピッチΛｐを決めた際の、入射角θｃに対する回折効率を最大にするスラント角φｃの様子を示している。また、図２８に示す実線Ｂは、入射角θｒ＝０度、射出回折角θｓ＝１２０度としてグレーティングピッチΛｐを決めた際の、入射角θｃに対する回折効率を最大にするスラント角φｃの様子を示している。

図２８に示すように、回折効率を最大にするスラント角φｃは、マイナス方向の画角で入射された平行光束では大きくなり、プラス方向の画角で入射された平行光束では小さくなっていることが分かる。

例えば、図２７に示すように、反射型体積ホログラムグレーティング９６のホログラム領域９６Ｒに、ホログラム領域９６Ｍに記録させた干渉縞よりもスラント角φｃを小さくした干渉縞を、グレーティングピッチΛｐで記録させると、プラス方向の画角で入射された平行光束の回折効率を最大にすることができる。

また、反射型体積ホログラムグレーティング９６のホログラム領域９６Ｌに、ホログラム領域９６Ｍに記録させた干渉縞よりもスラント角φｃを大きくした干渉縞を、グレーティングピッチΛｐで記録させると、マイナス方向の画角で入射された平行光束の回折効率を最大にすることができる。

したがって、図２４に示す虚像表示装置９０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９５は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９４に近い側の干渉縞のスラント角を小さくし、遠い側の干渉縞のスラント角を大きくすることで、非常に高い回折効率で回折反射をさせることができるため、所定の瞳径に対して虚像として提供される画像の光量を大幅に増加させることができる。

この虚像表示装置９０は、レンズ効果のない第１の反射型体積ホログラムグレーティング９４，第２の反射型体積ホログラムグレーティング９５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。

なお、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９４と、第２の反射型体積ホログラムグレーティング９５とは、導光板９３の光学面９３ｂに対して各ホログラム面がそれぞれ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、ホログラム面が、それぞれ光学面９３ｂ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。

このように、第１乃至第６の実施の形態として示した各虚像表示装置は、それぞれが有する導光板を薄型化することができるため、頭部装着型のＨＭＤ（Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ）とした場合にも装着者の、装置装着時の不快感を大幅に軽減させることができる。

なお、上述した第１乃至第６の実施の形態においては、導光板１３，２３，４３，６３，８３，９３を全て薄型の平行平板として説明をしたが、本発明は、このような導光板の形状に限定されるものではなく、導光板を緩やかな曲面形状とした場合でも、平行平板と同等の効果を得ることができる。

また、上述した第１乃至第６の実施の形態において、装置の小型化、軽量化を実現するためにコリメータ光学系を、例えば、反射型光学素子と光学レンズとを組み合わせるように構成してもよい。以下に、コンパクトながら像面湾曲量の非常に小さいコリメータを実現し、画像表示装置の解像力の向上、並びに装置全体の小型化、軽量化を実現する第７乃至第１５の実施の形態について説明する。

｛第７の実施の形態｝
図２９に、第７の実施の形態として示す画像表示装置１００を示す。
画像表示装置１００は、照明光源１０１と、照明光源１０１から出射された照明光を反射するとともに空間変調する反射型空間光変調素子１０４と、反射型空間光変調素子１０４で空間変調された照明光を入射して、観察者の瞳１６へ導く虚像光学系とを備えている。

反射型空間光変調素子１０４は、例えば、反射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。この空間変調された照明光は、虚像光学系へ入射される。

虚像光学系は、コリメート光学系と、導光板１２０と、導光板１２０に設けられた第１の反射型ホログラム素子１２３と、第２の反射型ホログラム素子１２４とを備える。

第１及び第２の反射型ホログラム素子１２３，１２４は、例えば、上述した図５，図６及び図７に示す、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング１４，１５と同様の構成とされている。

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１２３，１２４は、上述した図８，図９及び図１０に示す、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング２４，２５と同様の構成としてもよく、また、上述した図１１，図１２及び図１３に示す、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング４４，４５と同様の構成としてもよく、さらに、上述した図１４，図１５及び図１６に示す、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング６４，６５と同様の構成としてもよく、また、上述した図２０，図２１及び図２４に示す、第１及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング９４，９５，９６と同様の構成としてもよい。

コリメート光学系は、反射型空間光変調素子１０４の反射光を反射する反射型光学素子として非球面凹面鏡１０７と、非球面凹面鏡１０７の反射する反射光を屈折する光学レンズとして非球面光学レンズ１０８と、反射型空間光変調素子１０４と非球面凹面鏡１０７との間に配置される偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１０と、偏光ビームスプリッタ１１０と非球面凹面鏡１０７との間に配置される１／４波長板１０５とを備え、反射型空間光変調素子１０４の反射面の任意の位置からの反射光を、平行光束群として光学レンズ１０８から射出する光学系である。

偏光ビームスプリッタ１１０は、例えば、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する偏光選択手段として高分子フィルムからなる偏光選択性反射面１０３を有する。

照明光源１０１、反射型空間光変調素子１０４、非球面凹面鏡１０７及び非球面光学レンズ１０８は、それぞれ偏光ビームスプリッタ１１０の４つの光学面近傍又は密着して配置される。照明光源１０１と偏光ビームスプリッタ１１０との間には、偏光板１０２が設けられる。

照明光源１０１から射出した照明光は、偏光板１０２によって偏光ビームスプリッタ１１０の偏光選択性反射面１０３に対してＳ偏光となるように検波され、偏光選択性反射面１０３によってそのほとんどが反射される。反射された照明光は、反射型空間光変調素子１０４を照明し、ここで入射偏光方向がそのまま保存されて反射されるか、又は９０度回転されて反射される。

偏光方向が保存されて反射された場合には、この光束は再び偏光選択性反射面１０３によって反射され、照明光源１０１に向けて戻る。一方、偏光方向が９０度回転され、偏光選択性反射面１０３にとってＰ偏光となった光束は、偏光選択性反射面１０３を透過し、非球面凹面鏡１０７によって反射される。

このとき、非球面凹面鏡１０７と偏光ビームスプリッタ１１０との間には１／４波長板１０５が設けられており、非球面凹面鏡１０７によって反射された光束の偏光方向は９０度回転され、Ｓ偏光となって再び偏光選択性反射面１０３に入射するため、この偏光選択性反射面１０３にて反射される。この光束は、偏光ビームスプリッタ１１０を射出して非球面光学レンズ１０８を通して、導光板１２０に入射する。

導光板１２０に入射した光束は、第１の反射型ホログラム素子１２３にて導光板１２０内で全反射となるように回折反射され、導光板１２０内を全反射しながら伝播していく。そして、他端に設けられた第２の反射型ホログラム素子１２４によって、全反射条件からはずれるように回折反射され導光板１２０から射出し、観察者の瞳１６に入射する。

このとき、反射型空間光変調素子１０４から射出した発散光は、非球面凹面鏡１０７と非球面光学レンズ１０８との組合せによって、像面湾曲の非常に少ない平行光束群となされている。

本発明を適用した画像表示装置１００は、反射型空間光変調素子１０４と、反射型空間光変調素子１０４で反射された光束を平行光束群に変換するコリメータ光学系と、コリメータ光学系から射出した平行光束群を内部で全反射することにより瞳まで導光する導光光学系とを有し、このコリメータ光学系を反射型光学素子として非球面凹面鏡１０７と光学レンズとして非球面光学レンズ１０８とを組み合わせて構成することにより、コンパクトながら像面湾曲量の非常に小さいコリメータを実現し、虚像表示装置の表示画像の解像力の向上、ならびに装置全体の小型化、軽量化を実現する。

｛第８の実施の形態｝
図３０に、第８の実施の形態として示す画像表示装置１３０を示す。

画像表示装置１３０は、照明光源１０１と、照明光源１０１から出射された照明光を画素毎に空間変調して画像を表示する画像表素子として透過型液晶画像表示素子１３４と、透過型液晶画像表示素子１３４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。

透過型液晶画像表示素子１３４は、例えば、透過型の液晶ディスクプレイなどであり、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。

虚像光学系は、コリメート光学系と、導光板１２０と、導光板１２０に設けられた第１の反射型ホログラム素子１２３と、第２の反射型ホログラム素子１２４とを備える。

コリメート光学系は、透過型液晶画像表示素子１３４からの射出光を反射する第１の反射型光学素子として平面ミラー１３９と、平面ミラー１３９の反射する反射光を再び反射する第２の反射型光学素子として非球面凹面鏡１０７と、非球面凹面鏡１０７の反射する反射光を屈折する光学レンズとして非球面光学レンズ１０８と、平面ミラー１３９と非球面凹面鏡１０７と間に設けられる偏光ビームスプリッタ１１０と、平面ミラー１３９と偏光ビームスプリッタ１１０との間に設けられる第１の１／４波長板１３５と、偏光ビームスプリッタ１１０と非球面凹面鏡１０７との間に設けられる第２の１／４波長板１３６とを備え、透過型液晶画像表示素子１３４の画像表示面の任意の位置からの射出光を、平行光束群として光学レンズ１０８から射出する光学系である。

透過型液晶画像表示素子１３４、平面ミラー１３９、非球面凹面鏡１０７及び非球面光学レンズ１０８は、それぞれ偏光ビームスプリッタ１１０の４つの光学面近傍又は密着して配置される。透過型液晶画像表示素子１３４と偏光ビームスプリッタ１１０との間には、偏光板１０２が設けられる。

照明光源１０１から射出した照明光は、透過型液晶画像表示素子１３４を照明し、この透過型液晶画像表示素子１３４から射出した光束は、偏光板１０２によって偏光ビームスプリッタ１１０の偏光選択性反射面１０３に対してＳ偏光となるように検波され、偏光選択性反射面１０３によってそのほとんどが反射される。

反射された照明光は、第１の１／４波長板１３５が密着された平面ミラー１３９によって反射され再び偏光選択性反射面１０３に入射する。このとき、第１の１／４波長板１３５によってＰ偏光に変換されているため、このときには偏光選択性反射面１０３を透過し、非球面凹面鏡１０７によって反射される。

このとき、非球面凹面鏡１０７と偏光ビームスプリッタ１１０との間には第２の１／４波長板１３６が設けられており、非球面凹面鏡１０７によって反射された光束の偏光方向は９０度回転され、Ｓ偏光となって再び偏光選択性反射面１０３に入射するため、偏光選択性反射面１０３にて反射される。この光束は、偏光ビームスプリッタ１１０を射出して非球面光学レンズ１０８を通して、導光板１２０に入射する。

導光板１２０に入射した光束は、第１の反射型ホログラム素子１２３にて導光板１２０内で全反射となるように回折反射され、導光板１２０内を全反射しながら伝播していく。そして、他端に設けられた第２の反射型ホログラム素子１２４によって、全反射条件からはずれるように回折反射され導光板１２０から射出し、観察者の瞳１６に入射する。

このとき、透過型液晶画像表示素子１３４から射出した発散光は、非球面凹面鏡１０７と非球面光学レンズ１０８との組合せによって、像面湾曲の非常に少ない平行光束群となされている。

本発明を適用した画像表示装置１３０は、画像表示素子として透過型液晶画像表示素子１３４と、透過型液晶画像表示素子１３４から射出した光束を平行光束群に変換するコリメータ光学系と、コリメータ光学系から射出した平行光束群を内部で全反射することにより瞳まで導光する導光光学系とを有し、このコリメータ光学系を反射型光学素子として非球面凹面鏡１０７と光学レンズとして非球面光学レンズ１０８とを組み合わせて構成することにより、コンパクトながら像面湾曲量の非常に小さいコリメータを実現し、虚像表示装置の表示画像の解像力の向上、ならびに装置全体の小型化、軽量化を実現する。

｛第９の実施の形態｝
図３１に、第９の実施の形態として示す画像表示装置１４０を示す。

画像表示装置１４０は、画像を表示する画像表示素子１４４と、画像表示素子１４４で表示された表示光を入射して、観察者の瞳１６へと導く虚像光学系とを備えている。

画像表示素子１４４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。

虚像光学系は、コリメート光学系と、導光光学系とを備える。導光光学系は、導光板１５０と、導光板１５０の一端側に設けられた反射ミラー１５３と、他端側に設けられた複数の互いに平行な半透過ミラー群１５４とを備え、入射された平行光束群を内部で全反射したのち平行光束群のまま外部に射出する。

コリメート光学系は、画像表示素子１４４からの射出光を反射する反射型光学素子として非球面凹面鏡１０７と、非球面凹面鏡１０７の反射する反射光を屈折する光学レンズとして非球面光学レンズ１０８と、画像表示素子１４４と非球面凹面鏡１０７との間に配置される偏光ビームスプリッタ１１０と、偏光ビームスプリッタ１１０と非球面凹面鏡１０７との間に配置される１／４波長板１０５とを備え、画像表示素子１４４の画像表示面の任意の位置からの射出光を、平行光束群として光学レンズ１０８から射出する光学系である。

画像表示素子１４４、非球面凹面鏡１０７、非球面光学レンズ１０８は、それぞれ偏光ビームスプリッタ１１０の３つの光学面近傍又は密着して配置される。画像表示素子１４４と偏光ビームスプリッタ１１０との間には、偏光板１０２が設けられる。

画像表示素子１４４から射出した光束は、偏光板１０２によって偏光ビームスプリッタ１１０の偏光選択性反射面１０３に対してＰ偏光となるように検波され、偏光選択性反射面１０３によってそのほとんどが透過される。この透過光は、１／４波長板１０５が密着された非球面凹面鏡１０７によって反射され再び偏光選択性反射面１０３に入射する。このとき、１／４波長板１０５によってＳ偏光に変換されているため、このときには偏光選択性反射面１０３を反射する。本光束は、偏光ビームスプリッタ１１０を射出して非球面光学レンズ１０８を通して、導光板１５０に入射する。

導光板１５０に入射した光束は、反射ミラー１５３にて導光板１５０内で全反射となるように反射され、導光板１５０内を全反射しながら伝播していく。そして、他端に設けられた複数の互いに平行な半透過ミラー群１５４によって、全反射条件からはずれるように反射され導光板１５０から射出し、観察者の瞳１６に入射する。

このとき、画像表示素子４から射出した発散光は、非球面凹面鏡１０７と非球面光学レンズ１０８との組合せによって、像面湾曲の非常に少ない平行光束群となされている。
本発明を適用した画像表示装置１４０は、画像表示素子１４４と、画像表示素子１４４から射出した光束を平行光束群に変換するコリメータ光学系と、コリメータ光学系から射出した平行光束群を内部で全反射することにより瞳まで導光する導光光学系とを有し、このコリメータ光学系を反射型光学素子として非球面凹面鏡１０７と光学レンズとして非球面光学レンズ１０８とを組み合わせて構成することにより、コンパクトながら像面湾曲量の非常に小さいコリメータを実現し、虚像表示装置の表示画像の解像力の向上、ならびに装置全体の小型化、軽量化を実現する。

｛第１０の実施の形態｝
図３２に、第１０の実施の形態として示す画像表示装置１６０を示す。

画像表示装置１６０は、画像を表示する画像表示素子１４４と、画像表示素子１４４で表示された表示光を入射して、観察者の瞳１６へと導く虚像光学系とを備えている。
虚像光学系は、コリメート光学系と、導光光学系とを備える。導光光学系は、導光板１２０と、導光板１２０に設けられた第１の反射型ホログラム素子１２３と、第２の反射型ホログラム素子１２４とを備える。

コリメート光学系は、画像表示素子１４４からの射出光を反射する反射型光学素子として非球面凹面鏡１０７と、非球面凹面鏡１０７の反射する反射光を屈折する光学レンズとして非球面光学レンズ１０８と、画像表示素子１４４と非球面凹面鏡１０７との間に配置される偏光ビームスプリッタ１１０と、偏光ビームスプリッタ１１０と非球面凹面鏡１０７との間に配置される１／４波長板１０５とを備え、画像表示素子１４４の画像表示面の任意の位置からの射出光を、平行光束群として光学レンズ１０８から射出する光学系である。

画像表示素子１４４、非球面凹面鏡１０７、非球面光学レンズ１０８は、それぞれ偏光ビームスプリッタ１１０の３つの光学面近傍又は密着して配置される。画像表示素子１４４と偏光ビームスプリッタ１１０との間には、偏光板１０２が設けられる。

画像表示素子１４４から射出した光束は、偏光板１０２によって偏光ビームスプリッタ１１０の偏光選択性反射面１０３に対してＰ偏光となるように検波され、偏光選択性反射面１０３によってそのほとんどが透過される。この透過光は、１／４波長板１０５が密着された非球面凹面鏡１０７によって反射され再び偏光選択性反射面１０３に入射する。このとき、１／４波長板１０５によってＳ偏光に変換されているため、このときには偏光選択性反射面１０３を反射する。本光束は、非球面光学レンズ１０８を通して導光板１２０に入射する。

導光板１２０に入射した光束は、第１の反射型ホログラム素子１２３にて導光板１２０内で全反射となるように反射され、導光板１２０内を全反射しながら伝播していく。そして、他端に設けられた第２の反射型ホログラム素子１２４によって、全反射条件からはずれるように反射され導光板１２０から射出し、観察者の瞳１６に入射する。

このとき、反射型空間光変調素子１０４から射出した発散光は、非球面凹面鏡１０７と非球面光学レンズ１０８との組合せによって、像面湾曲の非常に少ない平行光束群となされている。

本発明を適用した画像表示装置１６０は、画像表示素子１４４と、画像表示素子１４４から射出した光束を平行光束群に変換するコリメータ光学系と、コリメータ光学系から射出した平行光束群を内部で全反射することにより瞳まで導光する導光光学系とを有し、このコリメータ光学系を反射型光学素子として非球面凹面鏡１０７と光学レンズとして非球面光学レンズ１０８とを組み合わせて構成することにより、コンパクトながら像面湾曲量の非常に小さいコリメータを実現し、虚像表示装置の表示画像の解像力の向上、ならびに装置全体の小型化、軽量化を実現する。

｛第１１の実施の形態｝
図３３に、第１１の実施の形態として示す画像表示装置１７０を示す。

画像表示装置１７０は、画像を表示する画像表示素子１４４と、画像表示素子１４４で表示された表示光を入射して、観察者の瞳１６へと導く虚像光学系とを備えている。

虚像光学系は、コリメート光学系と、導光光学系とを備える。導光光学系は、導光板１５０と、導光板１５０の一端側に設けられた反射ミラー１５３と、他端側に設けられた複数の互いに平行な半透過ミラー群１５４とを備え、入射された平行光束群を内部で全反射したのち平行光束群のまま外部に射出する。

コリメート光学系は、少なくとも１つの全反射面を有するプリズム１８０からなり、画像表示素子１４４の画像表示面の任意の位置からの射出光を、平行光束群として射出する光学系である。

プリズム１８０は、画像表示素子１４４からの表示光を入射する入射側に設けられ、回転対称軸を有しない第１の光学面１８１と、出射側に設けられ、内部全反射作用と屈折作用を同一面で行う第２の光学面１８２と、全反射する第３の光学面としてアルミ反射面１８３とを有する。

画像表示素子１４４から射出した光束は、各光学面が回転対称軸を持たない光学面にて構成されるプリズム１８０に第１の光学面１８１から入射する。プリズム１８０内に入射した光束は、第２の光学面１８２にて内部全反射され、続いてアルミ反射面１８３にて反射された後、再び第２の光学面１８２に入射する。このとき入射光束は内部全反射条件を満たさないため屈折透過し導光板１２０に入射する。

導光板１５０に入射した光束は、反射ミラー１５３にて導光板１５０内で全反射となるように反射され、導光板１５０内を全反射しながら伝播していく。そして、他端に設けられた複数の互いに平行な半透過ミラー群１５４によって、全反射条件からはずれるように反射され導光板１５０から射出し、観察者の瞳１６に入射する。

このとき、画像表示素子１４４から射出した発散光は、反射面としての第２の光学面１８２及びアルミ反射面１８３と、屈折面としての第１及び第２の光学面１８１，１８２との組合せによって、像面湾曲の非常に少ない平行光束群となされている。

本発明を適用した画像表示装置１７０は、画像表示素子１４４と、画像表示素子１４４から射出した光束を平行光束群に変換するコリメータ光学系と、コリメータ光学系から射出した平行光束群を内部で全反射することにより瞳まで導光する導光光学系とを有し、このコリメータ光学系を反射型光学素子として機能するアルミ反射面１８３と光学レンズとして機能する第１及び第２の光学面１８１、１８２とを組み合わせて構成することにより、コンパクトながら像面湾曲量の非常に小さいコリメータを実現し、虚像表示装置の表示画像の解像力の向上、ならびに装置全体の小型化、軽量化を実現する。

また、本発明を適用した画像表示装置１７０は、コリメータ光学系内に少なくとも１つの全反射面を有するプリズム１８０を設けることにより、コリメータ光学系の長さを短く、コンパクトにでき、装置全体のさらなる小型化を実現する。

｛第１２の実施の形態｝
図３４に、第１２の実施の形態として示す画像表示装置１９０を示す。

画像表示装置１９０は、画像を表示する画像表示素子１４４と、画像表示素子１４４で表示された表示光を入射して、観察者の瞳１６へと導く虚像光学系とを備えている。

虚像光学系は、コリメート光学系と、導光光学系とを備える。導光光学系は、導光板１２０と、導光板１２０に設けられた第１の反射型ホログラム素子１２３と、第２の反射型ホログラム素子１２４とを備える。

コリメート光学系は、少なくとも１つの全反射面を有するプリズム２００と、光学レンズ１９１とからなり、画像表示素子１４４の画像表示面の任意の位置からの射出光を、平行光束群として射出する光学系である。

光学レンズ１９１は、プリズム２００側に設けられる第１の光学面１９２と、導光板１２０側に設けられる第２の光学面１９３とを有する。

プリズム２００は、画像表示素子１４４からの表示光を入射する入射側に設けられ、回転対称軸を有しない第１の光学面２０１と、出射側に設けられ、回転対称軸を有しない第２の光学面２０２と、全反射する第３の光学面としてアルミ反射面２０３とを有する。

画像表示素子１４４から射出した光束は、各光学面が回転対称軸を持たない光学面にて構成されるプリズム２００に第１の光学面２０１から入射する。プリズム２００内に入射した光束は、アルミ反射面２０３にて反射された後、第２の光学面２０２を屈折透過し、光学レンズ１９１の第１及び第２の光学面１９２，１９３を経て導光板１２０に入射する。

導光板１２０に入射した光束は、第１の反射型ホログラム素子１２３にて導光板１２０内で全反射となるように反射され、導光板１２０内を全反射しながら伝播していく。そして、他端に設けられた第２の反射型ホログラム素子１２４によって、全反射条件からはずれるように反射され導光板１２０から射出し、観察者の瞳１６に入射する。

このとき、画像表示素子１４４から射出した発散光は、反射面としてのアルミ反射面２０３と、屈折面としての第１及び第２の光学面２０１、２０２、光学レンズ１９１の第１及び第２の光学面１９２、１９３との組合せによって、像面湾曲の非常に少ない平行光束群となされている。

本発明を適用した画像表示装置１９０は、画像表示素子１４４と、画像表示素子１４４から射出した光束を平行光束群に変換するコリメータ光学系と、コリメータ光学系から射出した平行光束群を内部で全反射することにより瞳まで導光する導光光学系とを有し、このコリメータ光学系を反射型光学素子として機能するアルミ反射面２０３と光学レンズとして機能する第１及び第２の光学面２０１、２０２及び光学レンズ１９１とを組み合わせて構成することにより、コンパクトながら像面湾曲量の非常に小さいコリメータを実現し、虚像表示装置の表示画像の解像力の向上、ならびに装置全体の小型化、軽量化を実現する。

また、本発明を適用した画像表示装置１９０は、コリメータ光学系内に少なくとも１つの全反射面を有するプリズム２００を設けることにより、コリメータ光学系の長さを短く、コンパクトにでき、装置全体のさらなる小型化を実現する。

｛第１３の実施の形態｝
図３５に、第１３の実施の形態として示す画像表示装置２１０を示す。

画像表示装置２１０は、画像を表示する画像表示素子１４４と、画像表示素子１４４で表示された表示光を入射して、観察者の瞳１６へと導く虚像光学系とを備えている。

虚像光学系は、コリメート光学系と、導光光学系とを備える。

導光光学系は、導光板１２０と、導光板１２０に設けられた第１の反射型ホログラム素子１２３と、第２の反射型ホログラム素子１２４とを備える。

コリメート光学系は、少なくとも１つの全反射面を有する三角プリズム２２０と、画像表示素子１４４と三角プリズム２２０との間に配置される第１の光学レンズ２１１と、三角プリズム２２０と導光板１２０との間に配置される第２の光学レンズ２１２とからなり、画像表示素子１４４の画像表示面の任意の位置からの射出光を、平行光束群として射出する光学系である。

三角プリズム２２０は、画像表示素子１４４からの表示光を入射する入射側に設けられる第１の光学面２２１と、光束を全反射する第２の光学面として反射面２２２と、出射側に設けられる第３の光学面２２３とを有する。

画像表示素子１４４から射出した光束は、第１の光学レンズ２１１を経て、平面にて構成される三角プリズム２２０に第１の光学面２２１より入射する。三角プリズム２２０内に入射した光束は、アルミ反射面２２２にて反射された後、第３の光学面２２３を透過し、第２の光学レンズ２１２を経て、導光板１２０に入射する。

導光板１２０に入射した光束は、第１の反射型ホログラム素子１２３にて導光板１２０内で全反射となるように反射され、導光板１２０内を全反射しながら伝播していく。そして、他端に設けられた第２の反射型ホログラム素子１２４によって、全反射条件からはずれるように反射され導光板１２０から射出し、観察者の瞳１６に入射する。

本発明を適用した画像表示装置２１０は、画像表示素子１４４と、画像表示素子１４４から射出した光束を平行光束群に変換するコリメータ光学系と、コリメータ光学系から射出した平行光束群を内部で全反射することにより瞳まで導光する導光光学系とを有し、このコリメータ光学系を反射型光学素子として機能する反射面２２２と光学レンズとして機能する第１及び第３の光学面２２１，２２３並びに第１及び第２の光学レンズ２１１，２１２とを組み合わせて構成することにより、コンパクトながら像面湾曲量の非常に小さいコリメータを実現し、虚像表示装置の表示画像の解像力の向上、ならびに装置全体の小型化、軽量化を実現する。

また、本発明を適用した画像表示装置２１０は、コリメータ光学系内に少なくとも１つの全反射面を有する三角プリズム２２０を設けることにより、コリメータ光学系の長さを短く、コンパクトにでき、装置全体のさらなる小型化を実現する。

｛第１４の実施の形態｝
図３６に、第１４の実施の形態として示す画像表示装置２３０を示す。

画像表示装置２３０は、画像を表示する画像表示素子１４４と、画像表示素子１４４で表示された表示光を入射して、観察者の瞳１６へと導く虚像光学系とを備えている。
虚像光学系は、コリメート光学系と、導光光学系とを備える。導光光学系は、導光板１２０と、導光板１２０に設けられた第１の反射型ホログラム素子１２３と、第２の反射型ホログラム素子１２４とを備える。

コリメート光学系は、入射する光束を全反射する平面ミラー２３５と、画像表示素子１４４と平面ミラー２３５との間に配置される第１及び第２の光学レンズ２３１，２３２と、平面ミラー２３５と導光板１２０との間に配置される第３の光学レンズ２３３とを有する。
画像表示素子１４４から射出した光束は、第１及び第２の光学レンズ２３１，２３２を経て、平面ミラー２３５にて反射された後、第３の光学レンズ２３３を経て、導光板１２０に入射する。

導光板１２０に入射した光束は、第１の反射型ホログラム素子１２３にて導光板１２０内で全反射となるように反射され、導光板１２０内を全反射しながら伝播していく。そして、他端に設けられた第２の反射型ホログラム素子１２４によって、全反射条件からはずれるように反射され導光板１２０から射出し、観察者の瞳１６に入射する。

本発明を適用した画像表示装置２３０は、画像表示素子１４４と、画像表示素子１４４から射出した光束を平行光束群に変換するコリメータ光学系と、コリメータ光学系から射出した平行光束群を内部で全反射することにより瞳まで導光する導光光学系とを有し、このコリメータ光学系を反射型光学素子として平面ミラー２３５と第１乃至第３の光学レンズ２３１，２３２，２３３を組み合わせて構成することにより、コンパクトながら像面湾曲量の非常に小さいコリメータを実現し、虚像表示装置の表示画像の解像力の向上、ならびに装置全体の小型化、軽量化を実現する。

また、本発明を適用した画像表示装置２３０は、コリメータ光学系内に少なくとも１つの全反射面を有する平面ミラー２３５を設けることにより、コリメータ光学系の長さを短く、コンパクトにでき、装置全体のさらなる小型化を実現する。

｛第１５の実施の形態｝
図３７に、第１５の実施の形態として示す画像表示装置２４０を示す。

画像表示装置２４０は、画像を表示する画像表示素子１４４と、画像表示素子１４４で表示された表示光を入射して、観察者の瞳１６へと導く虚像光学系とを備えている。

虚像光学系は、コリメート光学系と、導光光学系とを備える。導光光学系は、導光板１２０と、導光板１２０に設けられた第１の反射型ホログラム素子１２３と、第２の反射型ホログラム素子１２４とを備える。

コリメート光学系は、少なくとも１つの全反射面を有する三角プリズム２５０と、画像表示素子１４４と三角プリズム２５０との間に配置される第１の光学レンズ２４１と、三角プリズム２５０と導光板１２０との間に配置される第２の光学レンズ２４２とからなり、画像表示素子１４４の画像表示面の任意の位置からの射出光を、平行光束群として射出する光学系である。

三角プリズム２５０は、画像表示素子１４４からの表示光を入射する入射側に設けられる第１の光学面２５１と、出射側に設けられ、内部全反射作用と屈折作用を同一面で行う第２の光学面２５２と、全反射する第３の光学面としてアルミコート反射面２５３とを有する。

画像表示素子１４４から射出した光束は、第１の光学レンズ２４１を経て、平面にて構成される３角プリズム２５０に光学面２５１より入射する。三角プリズム２５０内に入射した光束は、内部全反射面としての第２の光学面２５２にて反射された後、アルミコート反射面２５３にて再び反射される。この反射光は、再び第２の光学面２５２に入射するが今度は全反射条件を満たさないためこれを透過し、第２の光学レンズ２４２を経て、導光板１２０に入射する。

導光板１２０に入射した光束は、第１の反射型ホログラム素子１２３にて導光板１２０内で全反射となるように回折反射され、導光板１２０内を全反射しながら伝播していく。そして、他端に設けられた第２の反射型ホログラム素子１２４によって、全反射条件からはずれるように反射され導光板１２０から射出し、観察者の瞳１６に入射する。

本発明を適用した画像表示装置２４０は、画像表示素子１４４と、画像表示素子１４４から射出した光束を平行光束群に変換するコリメータ光学系と、コリメータ光学系から射出した平行光束群を内部で全反射することにより瞳まで導光する導光光学系とを有し、このコリメータ光学系を反射型光学素子として機能するアルミコート反射面２５３と光学レンズとして機能する第１及び第２の光学面２５１，２５２並びに第１及び第２の光学レンズ２４１，２４２とを組み合わせて構成することにより、コンパクトながら像面湾曲量の非常に小さいコリメータを実現し、虚像表示装置の表示画像の解像力の向上、ならびに装置全体の小型化、軽量化を実現する。

また、本発明を適用した画像表示装置２４０は、コリメータ光学系内に少なくとも１つの全反射面を有する三角プリズム２５０を設けることにより、コリメータ光学系の長さを短く、コンパクトにでき、装置全体のさらなる小型化を実現する。

なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施例に限定されるものではなく、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な変更、置換又はその同等のものを行うことができることは当業者にとって明らかである。

Claims (16)

1. 光源と、
   前記光源から射出する光束を反射する反射型空間光変調素子と、
   前記反射型空間光変調素子の反射光を反射する反射型光学素子と、
   前記反射型光学素子の反射する反射光を屈折する光学レンズと、
   １／４波長板と、
   偏光ビームスプリッタと、
   導光光学系とを有し、
   前記光学レンズは、前記反射型空間光変調素子の反射面の任意の位置からの反射光を、
   前記反射型光学素子と前記光学レンズとの組合せによって平行光群として射出し、
   前記導光光学系は、前記平行光群を内部で全反射したのち平行光群のまま外部に射出し
   、
   前記光源、反射型空間光変調素子、反射型光学素子、光学レンズは、それぞれ前記偏光
   ビームスプリッタの４つの光学面近傍又は密着して配置され、
   前記反射型光学素子と前記偏光ビームスプリッタとの間には、１／４波長板が配置され
   ることを特徴とする画像表示装置。
2. 前記反射型光学素子は、凹面鏡である請求項１記載の画像表示装置。
3. 前記偏光ビームスプリッタは、高分子フィルムを偏光選択手段として有する請求項１記
   載の画像表示装置。
4. 前記導光光学系は、ホログラム素子を有する請求項１記載の画像表示装置。
5. 前記導光光学系は、導光板の全反射面と平行でない複数の反射面を有する請求項１記載
   の画像表示装置。
6. 画像表示素子と、
   前記画像表示素子からの射出光を反射する第１の反射型光学素子と、
   前記第１の反射型光学素子の反射する反射光を再び反射する第２の反射型光学素子と、
   前記第２の反射型光学素子の反射する反射光を屈折する光学レンズと、
   ２つの１／４波長板と、
   偏光ビームスプリッタと、
   導光光学系とを有し、
   前記光学レンズは、前記画像表示素子の画像表示面の任意の位置からの射出光を、前記
   反射型光学素子と前記光学レンズとの組合せによって平行光群として射出し、
   前記導光光学系は、前記平行光群を内部で全反射したのち平行光群のまま外部に射出し
   、
   前記画像表示素子、第１の反射型光学素子、第２の反射型光学素子、光学レンズは、そ
   れぞれ前記偏光ビームスプリッタの４つの光学面近傍若しくは密着して配置され、
   前記第１の反射型光学素子、前記第２の反射型光学素子と前記偏光ビームスプリッタと
   の間には、それぞれ１／４波長板が配置されることを特徴とする画像表示装置。
7. 前記第１又は第２の反射型光学素子のうちどちらか１つは、平面鏡である請求項６記載
   の画像表示装置。
8. 前記第１又は第２の反射型光学素子のうちのいずれか一方は、凹面鏡である請求項６記
   載の画像表示装置。
9. 前記偏光ビームスプリッタは、高分子フィルムを偏光選択手段として有する請求項６
   記載の画像表示装置。
10. 前記導光光学系は、ホログラム素子を有する請求項６記載の画像表示装置。
11. 前記導光光学系は、導光板の全反射面と平行でない複数の反射面を有する請求項６記載
    の画像表示装置。
12. 画像表示素子と、
    前記画像表示素子からの射出光を反射する反射型光学素子と、
    前記反射型光学素子の反射する反射光を屈折する光学レンズと、
    １／４波長板と、
    偏光ビームスプリッタと、
    導光光学系とを有し、
    前記光学レンズは、前記画像表示素子の画像表示面の任意の位置からの射出光を、前記
    反射型光学素子と前記光学レンズとの組合せによって平行光群として射出し、
    前記導光光学系は、前記平行光群を内部で全反射したのち平行光群のまま外部に射出し
    、
    前記画像表示素子、反射型光学素子、光学レンズは、それぞれ前記偏光ビームスプリッ
    タの３つの光学面近傍又は密着して配置され、
    前記反射型光学素子と前記偏光ビームスプリッタとの間には、１／４波長板が配置され
    ることを特徴とする画像表示装置。
13. 前記反射型光学素子は、凹面鏡である請求項１２記載の画像表示装置。
14. 前記偏光ビームスプリッタは、高分子フィルムを偏光選択手段として有する請求項１２
    記載の画像表示装置。
15. 前記導光光学系は、ホログラム素子を有する請求項１２記載の画像表示装置。
16. 前記導光光学系は、導光板の全反射面と平行でない複数の反射面を有する請求項１２記
    載の画像表示装置。

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