JP6341270B2 - 導光素子および映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板上に形成された回折部の回折作用により偏向されて前記基板内に出射される光を所定の光路に導く導光素子またはそのような導光素子を備えた映像表示装置に関する。

ホログラム素子や回折光学素子を用いたヘッドマウントディスプレイ装置（以下、ＨＭＤという）の技術が知られている。ＨＭＤでは、上述したような導光素子を用いて液晶装置などから出射される画像光を所定の光路に導くことによって、使用者に画像光が観察されるようにしている。

例えば、特許文献１には、反射体積型ホログラム素子を用いたＨＭＤの例が記載されている。また、特許文献２には、表示素子上に表示された画像を光学的に拡大し、拡大された虚像として使用者に観察されるように構成されたＨＭＤの例が記載されている。また、特許文献２には、使用者に観察される画像の虚像画像に対する視野角を大きくするために、該画像の波長に対して屈折率１．６以上を有する硝材により導光部材を構成した例が示されている。

また、本発明に関連する技術として、特許文献３〜５には回折角度の温度依存性を低減する技術が記載されている。

日本国特開２０１３−２００４６７号公報 日本国特開２０１０−２４３７８７号公報 日本国特開２００２−１１６３１４号公報 日本国特許第５１５１４４３号公報 日本国特許第４２３８６００号公報

一般に、回折現象を用いる光学素子は、ピッチの変化や屈折率が変化すると、回折角度が変化する。製品完成後にこのような回折角度の変化が生じると、光学系において光軸や入射角にずれが生じ、画像を伝達する装置の場合には画像の劣化となりうる。特に、ＨＭＤのような、基板内で全反射を利用しながら光を伝搬する導光素子を備える装置の場合には、わずかな回折角度の変化であっても光路がずれることによって、画像の劣化が生じやすい。

回折角度に影響を及ぼすピッチの変化や屈折率の変化の原因としては温度変化が考えられるが、特許文献１および特許文献２には、そのような温度変化による回折角度の変化については何ら考慮されていない。

また、特許文献３〜５には、回折角度が温度変化によって変化することが示されているが、特許文献３および特許文献４に記載されている技術は、環境温度変化に伴うレーザ光波長変動による回折角度変動を、回折光学素子の熱膨張による回折角度変動によって相殺しようというものであって、回折光学素子の熱膨張による回折角度変動を低減しようというものではない。例えば、特許文献３および特許文献４に記載されている光走査装置は、回折光学素子の材料に、ガラスに比べて線膨張係数が高い樹脂を用いることによって、わざと回折光学素子の熱膨張による回折角度変動を発現させている。このような方法では、回折光学素子単体で温度変化に伴う画質劣化を低減させることはできず、また、レーザの性能に依存した回折光学素子の設計となり、使用先が限定されてしまう。

なお、特許文献３には回折光学素子を熱歪みの少ない無機材料で作成すれば、熱変形による回折格子面の格子ピッチ変動を無視できるとの記載があるが、それ以上の記載はなく、どのような線膨張係数であれば導光素子において無視できる範囲かといったことや、回折光学素子の熱歪みだけでなく、回折光学素子からの回折光が出射される導光用基板の熱歪みや屈折率の変化等については、何ら考慮されていない。

また、特許文献５に記載されている技術も、温度変化に伴って熱伸縮する回折格子のピッチ変化による波長分離特性変動を、プリズム部の屈折率変化により補償しようというものであって、プリズム部のない平行平板を用いた回折格子には適用されない。なお、特許文献５には、集光スポット移動量を、回折格子基板の熱伸縮による移動量で相殺する方法が記載されているが、集光スポット移動率と回折格子基板の熱伸縮による移動率とがほぼ同等となるように回折格子の中心（光ファイバからの主光線が当たる位置）と溝部の位置との距離を定め、かつ温度変化によるスポット移動方向とは逆方向に回折格子基板が移動するように回折格子基板を固定枠に固定するという方法は、実現が困難である。すなわち、様々な温度において常に相殺できるとは限らず、またそのような位置決めを精度良く行うのは非常に困難である。

このように、導光素子における温度変化に伴う変化としては、回折光学素子の熱歪みによるピッチや屈折率の変化だけでなく、例えば、回折光学素子からの回折光が出射される導光用基板の熱歪みによる出射位置の変化や屈折率の変化も挙げられる。しかし、特許文献１〜５に記載されている技術は、このような変化を総合的に勘案して、温度変化による光軸のずれが許容範囲内に収まる条件を見出そうというものではない。

そこで、本発明は、簡易な構成で温度変化による品質劣化を抑制できる導光素子および映像表示装置を提供することを目的とする。

本発明による導光素子は、導光用基板と、前記導光用基板の面上に形成される回折部とを備え、前記回折部は、回折作用を発現させる光学層を含み、前記導光用基板から前記光学層の表面までの距離が、前記導光用基板の厚みに対して１０％以下であり、前記回折部によって回折され、前記導光用基板内を伝搬する光線の前記導光用基板の法線方向とのなす角度をθ、温度をＴ（℃）、温度Ｔにおける前記回折部の中心と前記光線の前記導光用基板からの出射位置として予め定められている位置との間の前記導光用基板に水平な方向での距離をＤ［ｍｍ］、前記導光用基板の使用波長における屈折率をｎ、前記導光用基板の線膨張係数をα［１／℃］、前記導光用基板の屈折率の温度係数をβ［１／℃］、温度変化をΔＴ、温度変化ΔＴによるＤの変化量をΔＤとしたとき、｜ΔＤ｜＝｜ＤΔＴ／ｃｏｓ^２θ×（α＋β／ｎ）｜≦０．１５ｍｍを満たすことを特徴とする。

または、｜ΔＤ｜≦０．１ｍｍを満たすよう構成されていてもよい。または、｜ΔＤ｜≦０．０５ｍｍを満たすよう構成されていてもよい。

また、本発明の導光素子は、導光用基板と、前記導光用基板の面上に形成される回折部とを備え、前記回折部は、回折作用を発現させる光学層を含み、前記導光用基板から前記光学層の表面までの距離が前記導光用基板の厚みに対して１０％以下であり、前記導光用基板はガラス基板であり、前記導光用基板の使用波長における屈折率をｎ、前記導光用基板の線膨張係数をα［１／℃］、前記導光用基板の屈折率の温度係数をβ［１／℃］としたとき、｜α＋β／ｎ｜≦９×１０^−６を満たすよう構成されていてもよい。

また、導光素子はさらにα≦０．７×１０^−６を満たすよう構成されていてもよい。

また、導光素子は｜α＋β／ｎ｜≦８×１０^−６を満たすよう構成されていてもよい。

また、導光素子はさらに１．５≦ｎ≦２．０を満たすよう構成されていてもよい。

また、本発明による導光素子は、導光用基板と、前記導光用基板の面上に形成される回折部とを備え、前記回折部は、回折作用を発現させる光学層を含み、前記導光用基板から前記光学層の表面までの距離が前記導光用基板の厚みに対して１０％以下であり、前記導光用基板はガラス基板であり、使用環境下における平均温度での前記導光用基板のｄ線の屈折率をｎ_ｄとし、使用環境下における平均温度での前記導光用基板のｄ線のアッベ数をν_ｄとするとき、以下の（Ａ）群として示した条件のいずれか、または以下の（Ｂ）群として示した条件のいずれかを満たすよう構成されていてもよい。
（Ａ）群：
１．６５≦ｎ_ｄ≦１．７５ （ただし、５５≦ν_ｄ≦６０）、
−０．００５ν_ｄ＋１．９２５≦ｎ_ｄ≦１．７５ （ただし、５０≦ν_ｄ≦５５）、
１．７５≦ｎ_ｄ≦１．８０ （ただし、３０≦ν_ｄ≦３５）、
−０．００５ν_ｄ＋１．９２５≦ｎ_ｄ≦１．８０ （ただし、３５≦ν_ｄ≦４０）、
−０．００５ν_ｄ＋１．９２５≦ｎ_ｄ≦−０．００５ν_ｄ＋２．００ （ただし、４０≦ν_ｄ≦５０）、
ν_ｄ≦３０、
１．６０≦ｎ_ｄ≦１．６５ （ただし、６２≦ν_ｄ≦７０）、
１．６０≦ｎ_ｄ≦１．６５ （ただし、５５≦ν_ｄ≦６２）、
１．６０≦ｎ_ｄ≦−０．００５ν_ｄ＋１．９２５ （ただし、５０≦ν_ｄ≦５５）、
１．５４≦ｎ_ｄ≦１．６０ （ただし、ν_ｄ≦５０）
（Ｂ）群：
−０．００５ν_ｄ＋２．００≦ｎ_ｄ （ただし、４０≦ν_ｄ≦５０）、
ｎ_ｄ≧１．８０ （ただし、３０≦ν_ｄ≦４０）、
ｎ_ｄ≧１．９５ （ただし、２６≦ν_ｄ≦３０）、
１．６５≦ｎ_ｄ≦１．９１ （ただし、２４≦ν_ｄ≦４０）、
１．７５≦ｎ_ｄ≦−０．００５ν_ｄ＋１．９２５ （ただし、３６≦ν_ｄ≦５０）、
−０．０１３３３ν_ｄ＋２．１３≦ｎ_ｄ≦−０．００５ν_ｄ＋１．９２５ （ただし、３５≦ν_ｄ≦３６）、
−０．０１３３３ν_ｄ＋２．１３≦ｎ_ｄ≦１．７５ （ただし、３０≦ν_ｄ≦３５）

また、導光素子はν_ｄ＞３０を満たすよう構成されていてもよい。

また、本発明による映像表示装置は、上述した導光素子のいずれかを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成で温度変化による品質劣化を抑制できる。

第１の実施形態にかかる映像表示装置１０の模式図である。 導光素子１３の構成例（導光素子１３Ａ）を示す構成図である。 導光素子１３の構成例（導光素子１３Ｂ）を示す構成図である。 （ａ）および（ｂ）は、導光素子１３の他の例（導光素子１３Ｃ、導光素子１３Ｄ）を示す模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、回折角度θを説明するための説明図である。 （ａ）および（ｂ）は、現在製品化されているいくつかの光学ガラスの線膨張係数αと｜α＋β／ｎ｜の値の関係を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、水平方向の移動量（距離）Ｄおよび垂直方向の移動量Ｌを説明するための説明図である。 水平方向の変位量ΔＤ_１およびΔＤ_２の例を示す説明図である。 図６に示した光学ガラスの室温付近でのｄ線の屈折率ｎ_ｄおよびアッベ数ν_ｄの関係を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、映像表示装置１０の他の例（映像表示装置１０Ａ、映像表示装置１０Ｂ）を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態にかかる映像表示装置１０の模式図である。図１に示す映像表示装置１０は、画像光生成部１１と、レンズ１２と、導光素子１３とを備えている。また、導光素子１３は、導光用基板１４と、導光用基板１４上に形成される回折部１５および回折部１６とを含んでいる。なお、符号１７は観察者を表している。

図１に示す映像表示装置１０では、画像光生成部１１からの画像光をレンズ１２と導光素子１３とを用いて所定の光路すなわち観察者１７に観察される光路へと伝搬する。具体的には、画像光生成部１１から射出された画像光は、レンズ１２によって導光素子１３の回折部１５に入射する。回折部１５に入射した画像光は、回折部１５の回折作用により偏向されて導光用基板１４内に入射される。導光用基板１４内に入射された画像光は導光用基板１４の内部で全反射を繰り返して回折部１６に入射される。回折部１６に入射された画像光は回折部１６の回折作用により偏向された結果、観察者１７に観察されるようになる。以下、導光素子１３において光が入射される位置に配置される回折部（本例でいう回折部１５）を入射用回折部と呼び、導光素子１３において光が出射される位置に配置される回折部（本例でいう回折部１６）を出射用回折部と呼ぶ場合がある。

なお、図１では図示省略しているが、映像表示装置１０は、上記の他にも電子回路や電源などの部品を含んでいてもよい。

入射用回折部１５および出射用回折部１６は、光を偏向させる機能の他に、レンズ機能やレンズアレイの機能を有していてもよい。レンズ機能を持たせた場合には、画像光による像を光学的に拡大できる。また、レンズアレイの機能を持たせた場合には、画像光による像に奥行き情報を持たせたり、像の結合位置を調整できる。

入射用回折部１５および出射用回折部１６は、所望の回折作用を発現するよう構成されたものであれば具体的構成は特に限定されない。例えば、周期的な凹凸によって回折作用を生じさせる回折光学素子であってもよいし、屈折率の変調によって回折作用を生じさせる体積ホログラム素子であってもよい。

また、入射用回折部１５および出射用回折部１６が形成される面は、図１に示されるように導光用基板１４の第１の光学面（画像光が最初に当該導光用基板１４に入射する側の光学面）１４１上に限らず、導光用基板１４の第１の光学面１４１と反対の面である第２の光学面１４２上であってもよい。また、いずれか一方を第１の光学面１４１上に形成し、他方を第２の光学面１４２上に形成することも可能である。また、図１に示す例では、導光素子１３が入射用回折部１５および出射用回折部１６を各々１つ備える例が示されているが、回折部の数はこれに限らない。例えば、入射用回折部１５と出射用回折部１６のいずれか１つだけを備える構成や、入射用回折部１５を複数備える構成や、出射用回折部１６を複数備える構成であってもよい。また、入射用回折部１５または出射用回折部１６を複数備える場合に、これらが導光用基板１４の面上の同じ位置に積層されていてもよい。

また、図１に示す例では、第１の光学面１４１が、入射面だけでなく出射面も兼ねているが、入射面と出射面とは同一面上でなくてもよい。

また、図１に示す例では、入射用回折部１５および出射用回折部１６が透過型の回折部である例が示されているが、入射用回折部１５および出射用回折部１６は反射型であってもよい。

図２は、導光素子１３の構成例（導光素子１３Ａ）を示す構成図である。図２に示す導光素子１３Ａは、回折部の少なくとも１つを、回折作用を発現させる凹凸層２２を有する回折光学素子２０を用いて形成した場合の例である。図２に示すように、導光素子１３Ａは、導光用基板１４と、少なくとも１つの回折光学素子２０とを備えている。なお、図２に示す例では、入射用回折部１５として回折光学素子２０を備える例が示されているが、導光素子１３Ａは、例えば、導光用基板１４の第１の光学面１４１上の他の位置または第２の光学面１４２上の他の位置に、出射用回折部１６として他の回折光学素子（図示省略）をさらに備えていてもよい。なお、入射用回折部１５および出射用回折部１６は回折光学素子２０に限らず、後述する体積ホログラム素子３０であってもよい。

回折光学素子２０は、導光用基板１４の面上に形成される。凹凸層２２は、より具体的には、凹凸構造が形成された層である。凹凸層２２は、加工の容易性から樹脂を用いて形成されてもよいし、それ以外の材料を用いて形成されてもよい。換言すると、凹凸層２２は、一般に回折格子と呼ばれる構造体が形成されており、それによって回折作用を発現させられるものであれば特に限定されない。

また、図２には、導光用基板１４上に基材２１が形成され、その上に凹凸層２２が形成される例が示されているが、基材２１と凹凸層２２とは同一部材、すなわち凹凸層２２が基材２１の部材の一部であってもよい。また、導光用基板１４が基材２１を兼用するとして、基材２１を省略してもよい。凹凸層２２の熱膨張を導光用基板１４が支配しやすいという点で、基材２１は、薄いフィルム基板であるか、凹凸層２２と同一部材であるか、または省略されるのが好ましい。

また、回折光学素子２０は、導光用基板１４と当該回折光学素子２０の凹凸層２２の表面との間の距離、より具体的には、導光用基板１４の当該回折光学素子２０が形成されている面から当該回折光学素子２０の凹凸層２２における凸部の頂点部までの距離をｈとした場合に、距離ｈは導光用基板１４の厚さに対して１０％以下が好ましく、５％以下であればより好ましい。このようにすることで、凹凸層２２の熱膨張を導光用基板１４の熱膨張に合わせることができる。これは、導光用基板１４の厚さに対して距離ｈが十分小さければ、温度変化による導光用基板１４の熱膨張が、凹凸層２２の熱膨張に対して支配的な要因となると考えられるからである。また、一般に凹凸層２２の形状は必要な回折作用から計算などによって求めることができるが、その高さが小さいと回折作用が弱くなる場合があり、凹凸層２２の高さは５０ｎｍ以上が好ましく、１００ｎｍ以上がより好ましい。したがって、距離（高さ）ｈも、５０ｎｍ以上が好ましく、１００ｎｍ以上がより好ましい。

なお、導光用基板１４と回折光学素子２０の間、具体的には導光用基板１４と基材２１または導光用基板１４と凹凸層２２の間に、接着剤などの接着部材や波長板などの他の光学機能を有する光学素子が挿入されていてもよいが、このような場合にも距離ｈは上述した条件を満たすことが好ましい。

また、回折光学素子２０を入射用回折部１５として用いる場合、導光用基板１４内で全反射を利用するためには、当該回折光学素子２０は大きく光を偏向させる必要がある。このため、凹凸層２２におけるピッチすなわち凸部同士の間隔は、入射する光の波長以下が好ましい。また、回折光学素子２０を出射用回折部１６として用いる場合であっても、導光用基板１４内において全反射されてきた入射光を所定の光路に導くために大きく光を偏向させる必要がある場合には、出射用回折部１６としての回折光学素子２０の凹凸層２２のピッチについても、入射する光の波長以下が好ましい。

各回折光学素子２０は、発現させたい回折作用に応じて凹凸層２２の材料、厚さ、ピッチ等が調整される。なお、回折光学素子２０を複数備える場合、全ての回折光学素子２０において、距離ｈが導光用基板１４の厚さに対して１０％以下が好ましく、５％以下であればより好ましい。また、距離（高さｈ）は、５０ｎｍ以上が好ましく、１００ｎｍ以上がより好ましい。

また、図３は、導光素子１３の他の構成例（導光素子１３Ｂ）を示す構成図である。図３に示す導光素子１３Ｂは、回折部の少なくとも１つを、回折作用を発現する機能層３２を有する体積ホログラム素子３０を用いて形成した場合の例である。図３に示す導光素子１３Ｂは、導光用基板１４と、少なくとも１つの体積ホログラム素子３０とを備えている。なお、図３に示す例では、入射用回折部１５として体積ホログラム素子３０を備える例が示されているが、導光素子１３Ｂは、例えば、導光用基板１４の第１の光学面１４１上の他の位置または第２の光学面１４２上の他の位置に、出射用回折部１６として他の体積ホログラム素子（図示省略）をさらに備えていてもよい。

体積ホログラム素子３０は、導光用基板１４の面上に形成される。機能層３２は、一般にホログラムと呼ばれる層であって、より具体的には、参照光および信号光の干渉によって感光材料内部に生じた光の明暗の干渉縞が、屈折率の変調に基づく回折格子として記録された感光材料層である。なお、機能層３２は、参照光および信号光の干渉によって屈折率の変調が形成されており、それによって回折作用を発現させられるものであれば特に限定されない。

また、図３には、導光用基板１４上に基材３１が形成され、その上に機能層３２が形成される例が示されているが、基材３１と機能層３２とは同一部材、すなわち機能層３２が基材３１の部材の一部であってもよい。また、導光用基板１４が基材３１を兼用するとして、基材３１を省略してもよい。機能層３２の熱膨張を導光用基板１４が支配しやすいという点で、基材３１は薄いフィルム基板であるか、機能層３２と同一部材であるか、または省略されるのが好ましい。

回折部として体積ホログラム素子３０を用いる場合、上述した距離ｈは、導光用基板１４と当該体積ホログラム素子３０の機能層３２の表面との間の距離とする。距離ｈは、回折光学素子２０の場合と同様、導光用基板１４の厚さに対して１０％以下が好ましく、５％以下であればより好ましい。このようにすることで、機能層３２の熱膨張を導光用基板１４の熱膨張に合わせることができる。これは、導光用基板１４の厚さに対して距離ｈが十分小さければ、温度変化による導光用基板１４の熱膨張が、機能層３２の熱膨張に対して支配的な要因となると考えられるからである。また、一般に機能層３２の高さが小さいと回折作用が弱くなる場合があり、機能層３２の高さは５０ｎｍ以上が好ましく、１００ｎｍ以上がより好ましい。したがって、距離（高さ）ｈも、５０ｎｍ以上が好ましく、１００ｎｍ以上がより好ましい。

なお、導光用基板１４と体積ホログラム素子３０の間、具体的には導光用基板１４と基材３１または導光用基板１４と機能層３２の間に、接着剤などの接着部材や波長板などの他の光学機能を有する光学素子が挿入されていてもよいが、このような場合にも距離ｈは上述の条件を満たすことが好ましい。

また、体積ホログラム素子３０を入射用回折部１５として用いる場合、導光用基板１４内で全反射を利用するためには、当該体積ホログラム素子３０は大きく光を偏向させる必要がある。このため、機能層３２におけるピッチすなわち屈折率の変調において屈折率が高い部分同士の間隔は、入射する光の波長以下が好ましい。また、体積ホログラム素子３０が出射用回折部１６として用いられる場合であっても、導光用基板１４内において全反射されてきた入射光を所定の光路に導くために大きく光を偏向させる必要がある場合には、出射用回折部１６としての体積ホログラム素子３０の機能層３２のピッチについても、入射する光の波長以下が好ましい。

各体積ホログラム素子３０は、発現させたい回折作用に応じて機能層３２の材料、厚さ、ピッチ等が調整される。なお、体積ホログラム素子３０を複数備える場合、全ての体積ホログラム素子３０において、距離ｈが導光用基板１４の厚さに対して１０％以下が好ましく、５％以下であればより好ましい。また、距離（高さ）ｈは、５０ｎｍ以上が好ましく、１００ｎｍ以上がより好ましい。

また、導光用基板１４にガラス基板を用いる場合には、導光用基板１４の熱膨張をより支配的にするために、導光用基板１４と、回折光学素子２０または体積ホログラム素子３０もしくはこれらを接着するための接着部材の界面との間に、シランカップリング剤などによる表面処理を行ってもよい。また、その際にガラス基板である導光用基板１４の上にＳｉＯ_２などの成膜可能なバッファー層を成膜し、それに対してシランカップリング剤などによる表面処理を行ってもよい。バッファー層を設けることで、シランカップリング剤と結合するＯＨ基の状態を一定にすることができ、密着性を安定化できる。

ガラス基板を用いる場合には、両面が研磨されたガラス基板を用いることが好ましい。このように両面が研磨されたガラス基板を用いることで、基板の平行度を小さくでき、表面粗さも低減できる。また、基板の平行度を小さくすることで光線が通過する光路のひずみを小さくできる。平行度の値としては、５μｍ以下が好ましい。また、表面粗さを低減することで、ヘイズ値を低減できる。表面粗さは、Ｒａの値で１０ｎｍ以下が好ましく、１ｎｍ以下がより好ましい。なお、Ｒａは、ＪＩＳ−Ｂ０６０１：２０１３に基づく算術平均粗さをいう。

また、導光素子１３は、回折部の上に保護層を設けてもよいし、回折部を覆うようにカバーを設けてもよい。これにより、回折部、特に凹凸層２２および機能層３２を保護できる。

図４（ａ）は、回折部が有する凹凸層２２を覆うようにカバーを設けた導光素子１３の例（導光素子１３Ｃ）を示す説明図である。図４（ａ）に示す導光素子１３Ｃは、凹凸層２２が基材２１の部材の一部である例であって、さらにそのような凹凸層２２を覆うようにカバー４１を設けた導光素子１３の例である。なお、符号４２は空気層を示す。

図４（ａ）に示すように、凹凸層２２をカバー４１で覆うことにより、凹凸層２２における回折格子の凹部の媒質を空気としたまま、凹凸層２２を保護できる。回折格子の凹部の媒質を空気とすれば、屈折率差の大きな回折格子を作製でき、凹凸層２２を薄くできるので好ましい。なお、カバー４１を設けた場合であっても、距離ｈは、上述したように導光用基板１４の凹凸層２２が形成されている側の光学面から凹凸層２２における凸部の頂点部までの距離とする。

また、図４（ｂ）は、回折部が有する機能層３２の上に保護層を設けた導光素子１３の例（導光素子１３Ｄ）を示す説明図である。図４（ｂ）に示す導光素子１３Ｄは、導光用基板１４と第２の保護層である基板４４との間に、第１の保護層である中間膜４３とともにホログラム（機能層３２）を封入した構成の導光素子１３の例である。本例では、導光用基板１４と基板４４とが合わせガラスを構成している。

中間膜４３は、例えばポリビニルブチラール（ＰＶＢ）等によって形成される。これにより、ホログラムの特性が影響を受けないような保護層となっている。このように、合わせガラスと中間膜とを用いて機能層３２を保護してもよい。なお、中間膜４３や基板４４といった保護層を設けた構成であっても、距離ｈは、上述したように導光用基板１４の機能層３２が形成されている側の光学面から機能層３２の表面までの距離とする。

次に、温度変化による回折方向の変化について説明する。ある温度Ｔにおける入射光は入射用回折部１５によって回折され、導光用基板１４内を斜め方向に伝搬する。このとき、入射用回折部１５に対して入射光が垂直に入射する場合を考え、回折光が１次回折光である場合を考えると、入射用回折部１５によって回折される光の導光用基板１４内の回折角度θは以下の式（１）を満たす。なお、式（１）において、λは導光素子１３へ入射する光の波長、Ｐは入射用回折部１５の回折格子のピッチ（具体的には、凹凸層２２のピッチや機能層３２のピッチ）、ｎは導光用基板１４の波長λにおける屈折率である。なお、ピッチＰは一般に位置により異なる、すなわち位置の関数である。

ｓｉｎθ＝λ／（ｎＰ） ・・・（１）

図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、本発明では、回折角度θを、導光用基板１４の法線方向５０２に対して、導光用基板１４内に出射される回折光がなす角度であって、かつ当該回折光の進む方向すなわち対応する出射用回折部１６がある方向をプラス方向とする角度と定義する。図中の符号５０１は導光素子１３への入射光を表し、符号５０３は入射用回折部１５から出射された回折光の当該導光素子１３からの出射位置とされる出射用回折部１６の中心位置を表している。

次に、温度がＴ＋ΔＴに変化する場合を考える。温度変化によって、導光用基板１４の屈折率ｎが変化するとともに、導光用基板１４が熱膨張することによってピッチＰが変化する。このときの導光用基板１４の屈折率の変化量をΔｎ、ピッチの変化量をΔＰ、回折角度の変化量をΔθ（単位：［ｒａｄ］）とすると、式（１）より、Δθは以下の式（２）のように表される。また、２次の量を無視すると、式（２）から以下の式（３）を導き出せる。

ｓｉｎ（θ＋Δθ）＝λ／｛（ｎ＋Δｎ）（Ｐ＋ΔＰ）｝ ・・・（２）

Δθ＝−ｔａｎθ×（α＋β／ｎ）ΔＴ ・・・（３）

ここで、β（単位：［１／℃］）は導光用基板１４における屈折率の温度係数であって、β＝ｄｎ／ｄＴで表される数である。また、α（単位：［１／℃］）は導光用基板１４の線膨張係数である。式（３）を導出する過程でΔＰ＝ＰαΔＴを用いた。これは、上述したように本実施形態で用いる導光素子１３は距離ｈが十分小さいことから、温度変化による凹凸層２２や機能層３２の熱膨張は導光用基板１４による熱膨張が支配的な要因となると考えられるからである。

式（３）より、温度変化による回折角度方向の変化を小さくするためには、｜α＋β／ｎ｜を小さくすればよい。

図６（ａ）および図６（ｂ）は、現在製品化されているいくつかの光学ガラスの線膨張係数αと｜α＋β／ｎ｜の値の関係をグラフ化したものである。なお、光学ガラスのデータは、株式会社オハラが配布している光学ガラスカタログに記載されている光学ガラスのガラスデータから引用した。なお、図６（ａ）および図６（ｂ）のグラフでは、光学ガラスの組成に基づいて、ラベルを分類している。

図６（ａ）および図６（ｂ）に示すグラフによれば、光学ガラスの｜α＋β／ｎ｜の値は７×１０^−６〜１１×１０^−６の範囲に分布していることがわかる。

なお、参考までに代表的な樹脂の｜α＋β／ｎ｜の値を示すと、ポリカーボネートの場合、屈折率ｎ＝１．５９、屈折率の温度係数β＝−１１．５×１０^−５、線膨張係数α＝６．７×１０^−５より、｜α＋β／ｎ｜＝５．７×１０^−６である。また、ポリスチレンの場合、屈折率ｎ＝１．６０、屈折率の温度係数β＝−１３×１０^−５、線膨張係数α＝７×１０^−５より、｜α＋β／ｎ｜＝１１．３×１０^−６である。また、ポリメタクリル酸メチルの場合、屈折率ｎ＝１．４９、屈折率の温度係数β＝−９．７５×１０^−５、線膨張係数α＝４．３×１０^−５より、｜α＋β／ｎ｜＝２２．１×１０^−６である。

回折角度方向の変化を小さくするためには、｜α＋β／ｎ｜の値は小さい方が好ましいことから、導光用基板１４としてガラスを用いる場合には、｜α＋β／ｎ｜の値が９×１０^−６以下となる光学ガラスが好ましい。なお、｜α＋β／ｎ｜の値が８×１０^−６以下の光学ガラスであればより好ましい。

次に、導光用基板１４の熱膨張の影響について説明する。温度変化によって導光用基板１４に熱膨張が生じると、出射用回折部１６の位置も変化する。ここで、回折角度θが一定である場合に、入射用回折部１５から出射されて出射用回折部１６の中心５０３に照射される光線を考えると、導光用基板１４の熱膨張によって出射用回折部１６に変位が生じると、当該光線の出射用回折部１６への照射位置も中心５０３からずれることになる。特に、出射用回折部１６がレンズ機能を有しているような場合、このようなずれは光軸のずれとなって、収差を発生させる。すると、画質の劣化や歪みが生じることになる。したがって、温度変化に伴う特性変化を考える際には、入射用回折部１５のピッチの変化および導光用基板１４の屈折率の変化だけでなく出射用回折部１６の変位も含めて、総合的な光線のずれ量を求める必要がある。

以下、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、温度Ｔにおいて、光線が導光素子１３内において導光用基板１４と平行な方向（図中のＸ軸方向）に伝搬する量、つまり移動量（距離）をＤとし、導光用基板１４と垂直な方向（図中のＺ軸方向）に伝搬する量、つまり移動量をＬとする。なお、Ｄは、温度Ｔ時における入射用回折部１５の中心から出射用回折部１６の中心までの距離もしくは、入射用回折部１５の中心から、入射用回折部１５から出射された回折光の導光用基板１４からの出射位置として予め定めて置いた位置までの水平方向距離と言ってもよい。なお、図７（ａ）および図７（ｂ）には、点線によって導光用基板１４と出射用回折部１６の鏡像が示されている。図７（ａ）および図７（ｂ）に示されるように、ＤとＬとθは、Ｄ＝Ｌｔａｎθの関係を満たす。

また、図８は、水平方向の変位量ΔＤ_１およびΔＤ_２の例を示す説明図である。ΔＤ_１は、温度変化に伴う水平方向の変化量のうち、回折方向が変化したことによる光線の出射用回折部１６に照射される位置のずれ量を表しており、Ｄが増える方向をプラスと定義する。これは、Δθがマイナスに変化したときにマイナスとなるよう記号の正負を合わせたことによる。なお、図８には、マイナスのΔＤ_１の例が示されている。また、ΔＤ_２は、温度変化に伴う水平方向の変化量のうち、出射用回折部１６の位置が変化したことによる光線の出射用回折部１６に照射される位置のずれ量を表しており、Ｄが増える方向をプラスと定義する。これは、ΔＴがプラスに変化したときにプラスとなるよう記号の正負を合わせたことによる。なお、図８には、プラスのΔＤ_２の例が示されている。なお、図示省略しているが、ΔＬは、Ｚ軸方向のプラス方向をプラスとする。なお、図８において、符号５０４は温度Ｔのときの回折光の光路を表している。また、符号に付されたダッシュ記号は、温度がΔＴ変化したときの変化後を意味する。

温度変化によってピッチと導光用基板１４の屈折率が変化すると、回折方向が変化し、入射用回折部１５からの回折光５０４’が照射される位置は、入射位置を基準にして以下の式（４）により表される。

Ｄ＋ΔＤ_１＝（Ｌ＋ΔＬ）ｔａｎ（θ＋Δθ） ・・・（４）

したがって、温度変化による回折方向の変化による光線の位置のずれ量ΔＤ_１は、以下の式（５）のように計算できる。なお、計算の際に、Ｌ＝αＬΔＴを用いた。

ΔＤ_１＝−Ｄ／ｃｏｓ^２θ×｛（ｓｉｎ^２θ）α＋β／ｎ｝ΔＴ ・・・（５）

その一方で、導光用基板１４自身の熱膨張によって出射用回折部１６はＤ＋ΔＤ_１＝Ｄ＋ＤαΔＴのように変位する（符号１６’参照）。

したがって、温度変化による光軸のずれ量の総和（変位量）ΔＤは、以下の式（６）のように表される。

ΔＤ＝ΔＤ_２−ΔＤ_１
＝ＤΔＴ／ｃｏｓ^２θ×（α＋β／ｎ） ・・・（６）

ΔＴが＋３０℃であった場合に、｜ΔＤ｜が０．１５ｍｍ以下であれば、温度変化による光軸のずれの影響を抑制できるといえる。なお、｜ΔＤ｜が０．１ｍｍ以下であればより好ましい。以上より、導光用基板１４の材料には、｜ΔＤ｜＝｜ＤΔＴ／ｃｏｓ^２θ×（α＋β／ｎ）｜≦０．１５ｍｍを満たすような屈折率ｎ、線膨張係数αおよび屈折率の温度係数βを有する材料を用いるのが好ましい。なお、｜ΔＤ｜≦０．１ｍｍを満たせばより好ましく、｜ΔＤ｜≦０．０５ｍｍを満たせばさらに好ましい。

入射用回折部１５および出射用回折部１６に回折光学素子２０を用いる場合、例えば導光用基板１４上にエッチングやインプリントなどの加工方法を用いて凹凸層２２を形成してもよい。このとき、基材２１および凹凸層２２の材料として樹脂や樹脂と無機微粒子のハイブリッド材料を用いてもよい。樹脂と無機微粒子のハイブリッド材料は屈折率の調整範囲が広く、熱膨張を樹脂材料単体に比べて低減できるので好ましい。無機微粒子としては酸化ジルコニウムなどを使用できる。なお、ハイブリッド材料を用いる場合、散乱が生じやすくなるため、無機微粒子の粒径が小さいことが好ましく、無機微粒子の平均粒子径は２５μｍ以下が好ましい。また、樹脂と無機微粒子の屈折率差が大きいと散乱が生じやすくなるので、屈折率が１．６以上の樹脂を用いることが好ましい。なお、平均粒子径とは、マイクロトラック法（レーザー回折・散乱法）によって測定されたＤ５０の値を指す。

また、導光用基板１４としてガラス基板を用いると、線膨張係数が小さいため温度変化による等方的な膨張以外に意図しない熱変形を低減できるので好ましい。このとき、上述した｜α＋β／ｎ｜に関する条件に加えて、線膨張係数はα≦１×１０^−５であると好ましく、α≦０．７×１０^−５であるとより好ましい。線膨張係数αを小さくすれば、出射位置の変動を小さくできる。

また、温度Ｔにおける導光用基板１４の屈折率として１．４≦ｎ≦２．２の範囲のものを用いてもよい。導光用基板１４の屈折率が高いと視野角が大きくなる点で好ましいが、一般に屈折率の高い材料は透過率の低下が起こる。このため、導光用基板１４の屈折率ｎは、１．５≦ｎ≦２．０であれば好ましく、１．６≦ｎ≦１．９であればより好ましい。また、アッベ数νが３０以上であると好ましい。なお、温度Ｔは映像表示装置の使用環境下での平均温度（例えば、室温付近とされる１０℃前後〜２０℃前後）を想定しているが、この限りではない。また、ΔＴも＋３０℃に限らない。ＴおよびΔＴは製品の使用環境に応じて設定すればよい。なお、例えば家庭用であれば、Ｔ＋ΔＴが０〜４０℃の範囲を含むことが好ましい。また、例えば自動車用であれば、Ｔ＋ΔＴが−１０〜５０℃の範囲を含むことが好ましい。

次に、図６（ａ）および図６（ｂ）に示した光学ガラスを次の４つの群に分けて考える。

すなわち、
（Ａ）｜α＋β／ｎ｜≦８×１０^−６となる光学ガラスを含む群
（Ｂ）８×１０^−６＜｜α＋β／ｎ｜≦９×１０^−６であり、α≦０．７×１０^−５となる光学ガラスを含む群
（Ｃ）８×１０^−６＜｜α＋β／ｎ｜≦９×１０^−６であり、α＞０．７×１０^−５となる光学ガラスを含む群
（Ｄ）上記以外

導光用基板１４の材料は、上記分類において（Ａ）〜（Ｃ）群に属するガラスが好ましい。なお、（Ｃ）群よりも（Ｂ）群に属するガラスがより好ましく、（Ｂ）群よりも（Ａ）群に属するガラスがより好ましい。なお、樹脂材料の中には、｜α＋β／ｎ｜の値が８×１０^−６以下のものもあるが、線膨張係数αが大きく、そのため出射用回折部１６の位置の変化量も大きくなる。出射位置の変動は少ない方が好ましいことから、線膨張係数αが樹脂に比べて小さいガラスを用いるのが好ましい。

（Ａ）群に属するガラスの例として、Ｓ−ＬＡＬ、Ｓ−ＬＡＭ、Ｓ−ＮＰＨ、Ｓ−ＰＨＭ、Ｓ−ＢＳＭ、Ｓ−ＢＡＬ（いずれもオハラ株式会社製の光学ガラスの製品名）がある。また、（Ｂ）群に属するガラスの例として、Ｓ−ＬＡＨ、Ｓ−ＮＢＭ、Ｓ−ＢＡＨ（いずれもオハラ株式会社製の光学ガラスの製品名）がある。（Ｃ）群に属するガラスの例として、Ｓ−ＦＳＬ、Ｓ−ＦＰＭ、Ｓ−ＢＳＬ（いずれもオハラ株式会社製の光学ガラスの製品名）がある。図９は、オハラ株式会社のガラスカタログに記載されている光学ガラスのうち図６に示した光学ガラスの室温付近でのｄ線の屈折率ｎ_ｄおよびアッベ数ν_ｄの関係図（ｎ_ｄ−ν_ｄグラフ）である。また、以下の表１は、図９のグラフにおいて破線、１点鎖線および点線で囲んだ上記（Ａ）〜（Ｃ）群に属するガラスのｎ_ｄ−ν_ｄグラフ上の分布範囲をまとめたものである。

なお、表１に示される製品に限らず、表１に示されるｎ_ｄおよびν_ｄの条件を満たすガラスであってもよい。また、（Ａ）〜（Ｃ）群に属するガラスの組成として次のような特徴を有していてもよい。

すなわち、（Ａ）群に属するガラスであって、特にｎ_ｄ＝１．６５〜１．７５、ν_ｄ＝３５〜６０のガラス（以下、Ａ１群ガラスという）としては、下記、酸化物基準の質量％（以下、質量％を単に％と略す）表示で、
Ｂ_２Ｏ_３：１５〜４０％、
Ｌａ_２Ｏ_３：１０〜３０％、
を含有することが挙げられる。

Ａ１群ガラスにおいて、Ｂ_２Ｏ_３はガラス骨格を形成し、ガラスの安定性を高めるとともに、アッべ数を大きくできる成分である。Ｂ_２Ｏ_３を１５％以上含有することで所望の高いアッべ数ν_ｄを得られる。また、Ｂ_２Ｏ_３含有量を４０％以下にすることで屈折率が下がり過ぎることがなく、ガラスの分相の発生も防止できる。

また、Ａ１群ガラスにおいて、Ｌａ_２Ｏ_３は屈折率を高めながらもアッべ数を大きくできるため、高屈折率低分散なガラスを得るために有用な成分である。Ｌａ_２Ｏ_３を１０％以上含有させることで、所望の高い屈折率、アッべ数を得られる。一方、Ｌａ_２Ｏ_３を３０％以下にすることで液相温度が上がり過ぎることを防ぎ、失透し難くできる。

また、（Ａ）群に属するガラスであって、特にｎ_ｄ＝１．５４〜１．７５、ν_ｄ＝４０〜６５のガラス（以下、Ａ２群ガラスという）としては、下記、酸化物基準の質量％表示で、
Ｂ_２Ｏ_３：５〜３０％、
ＳｉＯ_２：２０〜５０％、
ＢａＯ：０．１〜５５％、
を含有することが挙げられる。

Ａ２群ガラスにおいて、Ｂ_２Ｏ_３はガラス骨格を形成し、ガラスの安定性を高めるとともに、アッべ数を大きくできる成分である。Ｂ_２Ｏ_３を５％以上含有することで所望の高いアッべ数ν_ｄを得られる。また、Ｂ_２Ｏ_３含有量を３０％以下にすることで屈折率が下がり過ぎることがなく、ガラスの分相の発生も防止できる。

また、Ａ２群ガラスにおいて、ＳｉＯ_２はＢ_２Ｏ_３と同様にガラス骨格を形成し、ガラスの安定性を高め耐失透性を上げるとともに、アッべ数を大きくできる成分である。ＳｉＯ_２を５０％以下にすることで屈折率の低下を抑制できる。一方、液相温度を下げて失透し難くすることや、化学的耐久性を向上させるためにはＳｉＯ_２を２０％以上含有していることが好ましい。

また、Ａ２群ガラスにおいて、ＢａＯはガラスの屈折率を高めるとともにガラスの安定化及び化学的耐久性を高める効果がある。ＢａＯ含有量が少なすぎると化学的耐久性が不充分となるおそれがあるので、０．１％以上が好ましい。一方、ＢａＯ含有量が多すぎると分散性が大きくなり低分散化の達成が難しくなるので、ＢａＯ含有量は５５％以下が好ましい。

また、（Ｂ）群に属するガラスであって、特にｎ_ｄ＝１．６５〜１．９１、ν_ｄ＝３０〜５０のガラス（以下、Ｂ１群ガラスという）としては、下記、酸化物基準の質量％表示で、
Ｂ_２Ｏ_３：１０〜２５％、
Ｌａ_２Ｏ_３：２０〜４０％、
ＺｎＯ：３〜２４％
を含有することが挙げられる。

Ｂ１群ガラスにおいて、Ｂ_２Ｏ_３はガラス骨格を形成し、ガラスの安定性を高めるとともに、アッべ数を大きくできる成分である。Ｂ_２Ｏ_３を１０％以上含有することで所望の高いアッべ数ν_ｄを得られる。また、Ｂ_２Ｏ_３含有量を２５％以下にすることで屈折率が下がり過ぎることがなく、ガラスの分相の発生も防止できる。

また、Ｂ１群ガラスにおいて、Ｌａ_２Ｏ_３は屈折率を高めながらもアッべ数を大きくできるため、高屈折率低分散なガラスを得るために有用な成分である。Ｌａ_２Ｏ_３を２０％以上含有することで、所望の高い屈折率、アッべ数を得られる。一方、Ｌａ_２Ｏ_３を４０％以下にすることで液相温度が上がり過ぎることを防ぎ、失透し難くできる。

また、Ｂ１群ガラスにおいて、ＺｎＯはガラスの溶解温度、成形温度を低くできる成分であり、ＺｎＯを３％以上含有させることで、溶解温度、成形温度が高くなりすぎるのを抑制できる。一方、ＺｎＯを２４％以下にすることで屈折率の低下、アッベ数の低下を抑制できる。

また、（Ｃ）群に属するガラスであって、特にｎ_ｄ＝１．５３〜１．６、ν_ｄ＝６２〜７５のガラス（以下、Ｃ１群ガラスという）としては、下記、酸化物基準の質量％表示で、
Ｐ_２Ｏ_５：２０〜５０％、
ＢａＯ：１０〜５５％、
を含有することが挙げられる。

Ｃ１群ガラスにおいて、Ｐ_２Ｏ_５はガラスを形成する主成分（ガラス形成酸化物）であるとともに、ガラスの粘性を高める成分である。Ｐ_２Ｏ_５含有量が少なすぎると、ガラスが不安定になるとともに粘性が低くなるおそれがあるため、Ｐ_２Ｏ_５含有量は２０％以上が好ましい。一方、Ｐ_２Ｏ_５含有量が多すぎると屈折率が下がってしまうため、Ｐ_２Ｏ_５含有量は、５０％以下が好ましい。

また、Ｃ１群ガラスにおいて、ＢａＯはガラスの屈折率を高めるとともにガラスの安定化及び化学的耐久性を高める効果がある。ＢａＯ含有量が少なすぎると化学的耐久性が不充分となるおそれがあるので、１０％以上が好ましい。ＢａＯ含有量が多すぎると分散性が大きくなり低分散化の達成が難しくなるので、ＢａＯ含有量は５５％以下が好ましい。

また、（Ｃ）群に属するガラスであって、特にｎ_ｄ＝１．４９〜１．５４、ν_ｄ＝６２〜７５のガラス（以下、Ｃ２群ガラスという）としては、下記、酸化物基準の質量％表示で、
Ｂ_２Ｏ_３：１０〜２０％、
ＳｉＯ_２：５０〜７０％、
Ｋ_２Ｏ：５〜２５％、
を含有することが挙げられる。

Ｃ２群ガラスにおいて、Ｂ_２Ｏ_３はガラス骨格を形成し、ガラスの安定性を高めるとともに、アッべ数を大きくできる成分である。Ｂ_２Ｏ_３を１０％以上含有することで所望の高いアッべ数ν_ｄを得られる。また、Ｂ_２Ｏ_３含有量を２０％以下にすることで屈折率が下がり過ぎることがなく、ガラスの分相の発生も防止できる。

また、Ｃ２群ガラスにおいて、ＳｉＯ_２はＢ_２Ｏ_３と同様にガラス骨格を形成し、ガラスの安定性を高め耐失透性を上げるとともに、アッべ数を大きくできる成分である。ＳｉＯ_２を７０％以下にすることで屈折率の低下を抑制できる。一方、液相温度を下げて失透し難くすることや、化学的耐久性を向上させるためにはＳｉＯ_２を５０％以上含有していることが好ましい。

また、Ｃ２群ガラスにおいて、Ｋ_２Ｏは軟化点付近の失透性を悪化させることなく、液相温度を低下させ、Ｔｉイオン、Ｎｂイオンの還元に起因したガラスの着色を抑制するのに効果的な成分であり、重要な必須の成分である。前記効果のためには、Ｋ_２Ｏ含有量は５％以上が好ましい。一方、Ｋ_２Ｏ含有量が過剰になると屈折率が下がってしまうため、Ｋ_２Ｏ含有量は２５％以下が好ましい。

また、各回折部の基材（基材２１または基材３１）または回折格子を形成している層（凹凸層２２または機能層３２）と導光用基板１４の屈折率差は、０．５以下が好ましい。このようにすると、内部反射が低減されて、二重像などを抑制できる。

また、導光用基板１４の材料としてガラスを用いる場合には、化学強化などの強化処理をしてもよい。

また、映像表示装置１０は、その一部に波長板などの位相子を有していてもよい。位相子はたとえば入射用回折部１５の手前や導光素子１３内、出射用回折部１６の後ろの光学系に配置できる。位相子を備えることにより、画像光のＲＧＢごとに偏光を変えるなどして、ＲＧＢ間の入射用回折部１５などによる干渉を低減できる。また、逆に光の偏光を円偏光などにして、偏光に依存する反射率の変化による明るさのムラなどを低減できる。位相子としては、水晶などの結晶や延伸フィルムなどを用いてもよいが、高分子液晶を用いると膜厚を薄くできるので好ましい。

図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、このような位相子を備える映像表示装置１０の例を示す模式図である。図１０（ａ）に示す映像表示装置１０Ａは、回折部５３を有する導光素子１３Ｅと、１／４波長版として機能する位相子５２と、画像光生成部５１とを備えている。

回折部５３は、偏光依存性を有する入射用回折部である。本例では、回折部５３は、紙面に平行な方向（図中のＸ軸方向）の偏光に対しては回折作用を発現せず、紙面に垂直な方向（図中のＹ軸方向）の偏光に対して回折作用を発現するよう構成される。

位相子５２は、１／４波長版として機能する位相子であればよい。

本例の映像表示装置１０Ａでは、導光素子１３Ｅへの入射光５０１として、紙面に平行な方向の光である第１直線偏光光を入射する。当該第１直線偏光光は、回折部５３では回折されずに透過する。回折部５３を透過した第１直線偏光光は位相子５２に入射し、円偏光となって出射される。位相子５２から出射された円偏光の光は、画像光生成部５１に入射する。画像光生成部５１では、入射された円偏光の光に画像光を重畳させて再び入射面から出射する。画像光生成部５１から出射された円偏光の画像光は、再び位相子５２に入射し、今度は紙面に垂直な方向の光である第２直線偏光光となって出射される。位相子５２から出射された第２直線偏光の画像光は、回折部５３によって回折されて、回折光５０４となって導光用基板１４内に出射される。

このように回折部と位相子とを組み合わせることによって、画像光生成部の配置の自由度を向上できる。なお、図１０（ａ）には、回折部５３と位相子５２と画像光生成部５１とが互いに距離を空けて配置される例が示されているが、回折部５３と位相子５２との間および位相子５２と画像光生成部５１との間の距離はゼロであってもよい。すなわち、各素子は接着されていてもよい。

また、図１０（ａ）では偏光方向がわかるよう、回折部５３から画像光生成部５１へと向かう主光線の光路と、画像光生成部５１から回折部５３へと向かう主光線の光路とをずらして表示しているが、回折部５３に対して入射光が垂直に入射するのであればこれらは通常一致する。

また、図１０（ｂ）に示す映像表示装置１０Ｂは、回折部５３および回折部５４を有する導光素子１３Ｆと、位相子５５とを備えている。

回折部５３は、偏光依存性を有する第１の入射用回折部であって、本例においても、紙面に平行な方向（図中のＸ軸方向）の偏光に対しては回折作用を発現せず、紙面に垂直な方向（図中のＹ軸方向）の偏光に対して回折作用を発現するよう構成される。

回折部５４は、偏光依存性を有する第２の入射用回折部であって、本例では、紙面に平行な方向（図中のＸ軸方向）の偏光に対して回折作用を発現し、紙面に垂直な方向（図中のＹ軸方向）の偏光に対しては回折作用を発現しないよう構成される。

位相子５５は、波長選択型の１／２波長板として機能する位相子であって、本例では、第１の波長の入射光５０１（例えば、波長λ１の光）に対しては偏光を回転させ、その他の波長の入射光５０１（例えば、波長λ２の光）に対しては偏光を回転させないよう構成される。

本例の映像表示装置１０Ｂでは、導光素子１３Ｆへの入射光５０１として２以上の波長が用いられる。第１波長の光は、紙面に平行な方向の第１直線偏光光としてまず位相子５５に入射される。第１波長の光は、位相子５５に入射されると、偏光方向が紙面に垂直な方向の第２直線偏光に回転させられ、入射光５０１（λ１）として回折部５３に入射される。入射光５０１（λ１）は、第２直線偏光光であるので回折部５３によって回折されて、回折光５０４（λ１）となって回折部５４に入射する。回折部５４に入射された回折光５０４（λ１）は、第２直線偏光光であるので回折部５４では回折されずにそのまま直進透過して導光用基板１４内に出射される。

第２波長の光も、第１波長の光と同様、紙面に平行な方向の第１直線偏光光としてまず位相子５５に入射される。第２波長の光は、位相子５５に入射されると、偏光方向が回転されずにそのまま位相子５５を透過し、入射光５０１（λ２）として回折部５３に入射される。入射光５０１（λ２）は、第１直線偏光光であるので回折部５３では回折されずにそのまま回折部５３を透過して回折部５４に入射する。回折部５４に入射した入射光５０１（λ２）は、第１直線偏光光であるので回折部５４によって回折されて、回折光５０４（λ２）となって導光用基板１４内に出射される。なお、図１０（ｂ）では、第１波長の光に対して回折部５３が生じさせる回折角度をθ_１、第２波長の光に対して回折部５３が生じさせる回折角度をθ_２として示している。なお、θ_１とθ_２は同じ値であっても異なる値であってもよい。

このような配置とすることで異なる波長間で意図しない回折光の発生を抑制できる。なお、図１０（ｂ）には、位相子５５と回折部５３と回折部５４とが、互いに距離を空けて配置される例が示されているが、位相子５５と回折部５３との間および回折部５３と回折部５４との間の距離はゼロであってもよい。すなわち、各素子は接着されていてもよい。

なお、図１０（ｂ）においても偏光方向がわかるよう、位相子５５へ入射する光の主光線の位置をずらして表示しているが、これらは通常一致する。

また、映像表示装置１０が備える位相子は、単一の高分子液晶に限らず複数の高分子液晶層が積層されたものであってもよい。このようにすることで、波長選択性を有する位相子とすることができる。また、ＴＮ液晶やコレステリック液晶などの液晶を用いてもよい。

また、上記で示した映像表示装置１０、１０Ａ、１０Ｂの構成は、ＨＭＤのほか、自動車などに備え付けられるヘッドアップディスプレイ装置や通常のディスプレイ装置にも適用できる。また、立体像を表示する３次元ディスプレイ装置にも適用できる。

以下、具体的な数値等を用いて導光素子１３の例を紹介する。

（例１）
本例は、図１に示す導光素子１３の実施例であって、かつ入射用回折部１５および出射用回折部１６を体積ホログラム素子３０を用いて実装した例である。

まず、光学ガラスのＳ−ＬＡＬ５４（株式会社オハラ製）を研磨、切断し、５０ｍｍ×３０ｍｍ×１ｍｍのガラス基板を作製し、本例の導光用基板１４とする。Ｓ−ＬＡＬ５４は、上記（Ａ）群に属する光学ガラス（より具体的には、Ａ１群ガラス）であり、１０℃付近でのｄ線における屈折率ｎ_ｄが１．６５、屈折率の温度係数βが１．１×１０^−６、線膨張係数αが７．１×１０^−６である。これらから、｜α＋β／ｎ｜を計算すると０．７７７×１０^−５となる。

本例の導光用基板１４上に、厚さ２５μｍの体積ホログラムを入射用回折部１５および出射用回折部１６の機能層３２として成膜する。なお、本例では導光用基板１４が入射用回折部１５および出射用回折部１６の基材３１を兼ねている。したがって、入射用回折部１５，出射用回折部１６ともに、距離ｈは機能層３２の厚さである２５μｍとなる。

入射用回折部１５の機能層３２には、入射角０°で入射する光を導光用基板１４内で＋７０°方向に偏向するようなホログラムを記録する。また、出射用回折部１６の機能層３２には、導光用基板１４の法線方向に対して−７０°方向から入射してきた光を導光用基板１４に垂直な０°で所定の面から出射されるよう偏向する機能、本例の場合、光を、入射用回折部１５での当該光の回折角度におけるプラス方向に７０°偏向する機能と、レンズ機能とを有するホログラムを記録する。

温度Ｔ＝１０℃として、１０℃における出射用回折部１６の機能層３２におけるレンズ機能の光軸を通る光線が導光用基板１４内を伝搬してＤ＝３０ｍｍとなるように、出射用回折部１６の中心を配置する。

本例によれば、温度が＋３０℃変化した場合の光線の変位量ΔＤ＝６０μｍであり、十分小さく、簡易な構成で温度変化に伴う特性変化による品質劣化を抑制できることがわかる。

（例２）
本例は、図１に示す導光素子１３の実施例であって、かつ入射用回折部１５および出射用回折部１６を体積ホログラム素子３０を用いて実装した他の例である。

まず、光学ガラスのＳ−ＢＡＬ３５（株式会社オハラ製）を研磨、切断し、５０ｍｍ×３０ｍｍ×１ｍｍのガラス基板を作製し、本例の導光用基板１４とする。Ｓ−ＢＡＬ３５は、上記（Ａ）群に属する光学ガラス（より具体的には、Ａ２群ガラス）であり、１０℃付近でのｄ線における屈折率ｎ_ｄが１．５９、屈折率の温度係数βが３．６×１０^−６、線膨張係数αが５．７×１０^−６である。これらから、｜α＋β／ｎ｜を計算すると０．７９７×１０^−５となる。

本例の導光用基板１４上に、厚さ２５μｍの体積ホログラムを入射用回折部１５および出射用回折部１６の機能層３２として成膜する。なお、本例でも導光用基板１４が入射用回折部１５および出射用回折部１６の基材３１を兼ねている。したがって、入射用回折部１５，出射用回折部１６ともに、距離ｈは機能層３２の厚さである２５μｍとなる。

入射用回折部１５の機能層３２には、入射角０°で入射する光を導光用基板１４内で＋６５°方向に偏向するようなホログラムを記録する。また、出射用回折部１６の機能層３２には、導光用基板１４の法線方向に対して−６５°方向から入射してきた光を導光用基板１４に垂直な０°で所定の面から出射されるよう偏向する機能、本例の場合、光を、入射用回折部１５での当該光の回折角度におけるプラス方向に６５°偏向する機能と、レンズ機能とを有するホログラムを記録する。

温度Ｔ＝１０℃として、１０℃における出射用回折部１６の機能層３２におけるレンズ機能の光軸を通る光線が導光用基板１４内を伝搬してＤ＝３０ｍｍとなるように、出射用回折部１６の中心を配置する。

本例によれば、温度が＋３０℃変化した場合の光線の変位量ΔＤ＝４０μｍであり、十分小さく、簡易な構成で温度変化による品質劣化を抑制できることがわかる。

本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは、当業者にとって明らかである。
本出願は、２０１４年２月２１日出願の日本特許出願２０１４−０３２２６０に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

本発明は、基板上に形成される回折部の回折作用により偏向されて前記基板内に出射される光の少なくとも一部を所定の光路に導く機能を含む光学素子およびそのような光学素子を備えた光学装置であれば、導光素子や映像表示装置に限らず、好適に適用可能である。

１０ 映像表示装置
１１、５１ 画像光生成部
１２ レンズ
１３、１３Ａ〜１３Ｆ 導光素子
１４ 導光用基板
１４１ 第１の光学面
１４２ 第２の光学面
１５、５３、５４ 回折部（入射用回折部）
１６ 回折部（出射用回折部）
１７ 観察者
２０ 回折光学素子
２１ 基材
２２ 凹凸層
３０ 体積ホログラム素子
３１ 基材
３２ 機能層
４１ カバー
４２ 空気層
４３ 第１の保護層（中間膜）
４４ 第２の保護層（基板）
５２、５５ 位相子

Claims (12)

1. 導光用基板と、前記導光用基板の面上に形成される回折部とを備え、
   前記回折部は、回折作用を発現させる光学層を含み、
   前記導光用基板から前記光学層の表面までの距離が、前記導光用基板の厚みに対して１０％以下であり、
   前記回折部によって回折され、前記導光用基板内を伝搬する光線の前記導光用基板の法線方向とのなす角度をθ、温度をＴ（℃）、温度Ｔにおける前記回折部の中心と前記光線の前記導光用基板からの出射位置として予め定められている位置との間の前記導光用基板に水平な方向での距離をＤ［ｍｍ］、前記導光用基板の使用波長における屈折率をｎ、前記導光用基板の線膨張係数をα［１／℃］、前記導光用基板の屈折率の温度係数をβ［１／℃］、温度変化をΔＴ、温度変化ΔＴによるＤの変化量をΔＤとしたとき、
   ｜ΔＤ｜＝｜ＤΔＴ／ｃｏｓ^２θ×（α＋β／ｎ）｜≦０．１５ｍｍを満たす
   ことを特徴とする導光素子。
2. ｜ΔＤ｜≦０．１ｍｍを満たす
   請求項１に記載の導光素子。
3. ｜ΔＤ｜≦０．０５ｍｍを満たす
   請求項１に記載の導光素子。
4. 導光用基板と、前記導光用基板の面上に形成される回折部とを備え、
   前記回折部は、回折作用を発現させる光学層を含み、
   前記導光用基板から前記光学層の表面までの距離が、前記導光用基板の厚みに対して１０％以下であり、
   前記導光用基板はガラス基板であり、
   前記導光用基板の使用波長における屈折率をｎ、前記導光用基板の線膨張係数をα［１／℃］、前記導光用基板の屈折率の温度係数をβ［１／℃］としたとき、
   ｜α＋β／ｎ｜≦９×１０^−６を満たす
   ことを特徴とする導光素子。
5. さらに、α≦０．７×１０^−６を満たす
   請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の導光素子。
6. ｜α＋β／ｎ｜≦８×１０^−６を満たす
   請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の導光素子。
7. さらに、１．５≦ｎ≦２．０を満たす
   請求項１から請求項６のうちのいずれか１項に記載の導光素子。
8. 導光用基板と、前記導光用基板の面上に形成される回折部とを備え、
   前記回折部は、回折作用を発現させる光学層を含み、
   前記導光用基板から前記光学層の表面までの距離が、前記導光用基板の厚みに対して１０％以下であり、
   前記導光用基板はガラス基板であり、
   使用環境下における平均温度での前記導光用基板のｄ線の屈折率をｎ_ｄとし、使用環境下における平均温度での前記導光用基板のｄ線のアッベ数をν_ｄとするとき、
   以下の（Ａ）群として示した条件のいずれか、または以下の（Ｂ）群として示した条件のいずれかを満たす
   ことを特徴とする導光素子。
   （Ａ）群：
   １．６５≦ｎ_ｄ≦１．７５ （ただし、５５≦ν_ｄ≦６０）、
   −０．００５ν_ｄ＋１．９２５≦ｎ_ｄ≦１．７５ （ただし、５０≦ν_ｄ≦５５）、
   １．７５≦ｎ_ｄ≦１．８０ （ただし、３０≦ν_ｄ≦３５）、
   −０．００５ν_ｄ＋１．９２５≦ｎ_ｄ≦１．８０ （ただし、３５≦ν_ｄ≦４０）、
   −０．００５ν_ｄ＋１．９２５≦ｎ_ｄ≦−０．００５ν_ｄ＋２．００ （ただし、４０≦ν_ｄ≦５０）、
   ν_ｄ≦３０、
   １．６０≦ｎ_ｄ≦１．６５ （ただし、６２≦ν_ｄ≦７０）、
   １．６０≦ｎ_ｄ≦１．６５ （ただし、５５≦ν_ｄ≦６２）、
   １．６０≦ｎ_ｄ≦−０．００５ν_ｄ＋１．９２５ （ただし、５０≦ν_ｄ≦５５）、
   １．５４≦ｎ_ｄ≦１．６０ （ただし、ν_ｄ≦５０）
   （Ｂ）群：
   −０．００５ν_ｄ＋２．００≦ｎ_ｄ （ただし、４０≦ν_ｄ≦５０）、
   ｎ_ｄ≧１．８０ （ただし、３０≦ν_ｄ≦４０）、
   ｎ_ｄ≧１．９５ （ただし、２６≦ν_ｄ≦３０）、
   １．６５≦ｎ_ｄ≦１．９１ （ただし、２４≦ν_ｄ≦４０）、
   １．７５≦ｎ_ｄ≦−０．００５ν_ｄ＋１．９２５ （ただし、３６≦ν_ｄ≦５０）、
   −０．０１３３３ν_ｄ＋２．１３≦ｎ_ｄ≦−０．００５ν_ｄ＋１．９２５ （ただし、３５≦ν_ｄ≦３６）、
   −０．０１３３３ν_ｄ＋２．１３≦ｎ_ｄ≦１．７５ （ただし、３０≦ν_ｄ≦３５）
9. さらに、ν_ｄ＞３０を満たす
   請求項８に記載の導光素子。
10. 前記回折部の光学層は偏光依存性を有し、
    前記回折部に入射する光の光路上または前記回折部から出射される光の光路上に、高分子液晶からなる位相子を備えた
    請求項１から請求項９のうちのいずれか１項に記載の導光素子。
11. 前記導光用基板から前記光学層の表面までの距離が５０ｎｍ以上である
    請求項１から請求項１０のうちのいずれか１項に記載の導光素子。
12. 請求項１から請求項１１のうちのいずれか１項に記載の導光素子を備えた
    ことを特徴とする映像表示装置。

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