JP5321520B2 - 直視型の画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、表示すべき画像を表す画像光を観察者の眼球の瞳孔内に入射し、それにより、観察者に対して前記画像を表示する直視型の画像表示装置に関するものであり、特に、回折格子を利用して、その画像表示装置の射出瞳を拡大する技術の改良に関するものである。

画像光を観察者の網膜に直接投影し、その投影された画像光を前記網膜上において走査することにより、画像を表示する直視型の画像表示装置が既に知られている。この種の画像表示装置は、一般に、（ａ）画像信号に応じた強度の光を出射する光源と、（ｂ）その光源から出射した光を２次元方向に走査し、それにより、前記画像光を形成する光走査部と、（ｃ）その光走査部によって形成された画像光が当該画像表示装置から出射する出射部とを含むように構成される。

この種の画像表示装置を用いて観察者が表示画像を正常に観察し続けるためには、この画像表示装置の射出瞳を観察者の瞳に一致させ続けることが必要である。しかし、表示画像の観察中、観察者の眼は多少なりとも動いてしまい、その結果、瞳も移動してしまうのが通常である。そのため、画像表示装置の射出瞳が観察者の瞳より小さい場合には、射出瞳が観察者の瞳から外れてしまう可能性がある。

これに対し、特許文献１には、画像表示装置の射出瞳を拡大するために、その画像表示装置における光源と出射部との間における光路上に、それら光源と出射部との間に存在する中間像面と同一の位置に回折格子を設置する技術が開示されている。

また、本出願人の出願に係る特許文献２には、画像表示装置の射出瞳をさらに拡大するために、その画像表示装置における光源と出射部との間における光路上に、それら光源と出射部との間に存在する中間像面から外れた位置に回折格子を設置する技術が開示されている。

米国特許第５７０１１３２号明細書 特開２００６−９８５７０号公報

特許文献２は、直視型の画像表示装置の射出瞳を２次元的に拡大するために、２次元回折格子を利用することも開示している。ところで、２次元回折格子は、従来、１次元のバイナリー回折格子を２枚、互いに交差するように重ね合わせることによって構成するのが一般的であった。この一般的な構成によれば、１つの２次元回折格子が、光の進行方向において互いに離れた２枚の回折格子面を有することになる。

２次元回折格子を有する直視型の画像表示装置において、その２次元回折格子を、２枚の１次元バイナリー回折格子の組合せによって構成する場合、それら１次元バイナリー回折格子を、光の進行方向において数１０μｍ以上の間隔を隔てて配置すると、それら１次元バイナリー回折格子から出射した複数の次数の回折光のすべてが観察者の網膜上において１点に集まることができず、多重像が発生してしまう。その結果、表示画像の品質が劣化するという問題が発生してしまう。

以上説明した事情を背景にして、本発明は、表示すべき画像を表す画像光を観察者の眼球の瞳孔内に入射し、それにより、観察者に対して前記画像を表示する直視型の画像表示装置において、表示画像の品質の劣化を抑制しつつ、回折格子を利用して、射出瞳を拡大することを目的としてなされたものである。

その課題を解決するために、本発明の一側面によれば、表示すべき画像を表す画像光を 観察者の眼球の瞳孔内に入射し、それにより、観察者に対して前記画像を表示する直視型 の画像表示装置であって、画像信号に応じた強度の光を出射する光源と、その光源から出 射した光を２次元方向に走査し、それにより、前記画像光を形成する光走査部と、その光 走査部によって形成された画像光が当該画像表示装置から出射する出射部と、前記光源と 前記出射部との間における光路上に、それら光源と出射部との間に存在する中間像面と一 致するかまたはその中間像面から外れた所定位置に設置され、当該画像表示装置の射出瞳 を拡大する、溝深さが３以上の段階で離散的に変化するマルチステップ型の２次元回折格 子とを含み、その２次元回折格子は、その２次元回折格子の同じ面上において凸部と溝部 とが、他の凸部および溝部と交差しながら、交互に並ぶとともに、少なくとも、当該２次 元回折格子を全体として見たときに、前記同じ面上において前記溝部の深さが３以上の段 階で変化する構造を有する画像表示装置が提供される。
本発明によって下記の各態様が得られる。各態様は、項に区分し、各項には番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載するが、このように、各項を他の項の番号を引用する形式で記載することにより、各項に記載の技術的特徴をその性質に応じて適宜独立させることが可能となる。

（１） 表示すべき画像を表す画像光を観察者の眼球の瞳孔内に入射し、それにより、観察者に対して前記画像を表示する直視型の画像表示装置であって、
画像信号に応じた強度の光を出射する光源と、
その光源から出射した光を２次元方向に走査し、それにより、前記画像光を形成する光走査部と、
その光走査部によって形成された画像光が当該画像表示装置から出射する出射部と、
前記光源と前記出射部との間における光路上に、それら光源と出射部との間に存在する中間像面と一致するかまたはその中間像面から外れた所定位置に設置され、当該画像表示装置の射出瞳を拡大する、溝深さが３以上の段階で離散的に変化するマルチステップ型の２次元回折格子と
を含む画像表示装置。

ここに、「中間像面」および「所定位置」は、前記光走査部が複数の光学部品の組合せである場合に、それら光学部品間の空間に存在することが可能であり、また、同様に、前記出射部が複数の光学部品の組合せである場合に、それら光学部品間の空間に存在することが可能である。また、「２次元回折格子」は、光走査部を構成する部品に一体的に形成したり別体的に装着することも、出射部を構成する部品に一体的に形成したり別体的に装着することも、それら部品から分離して設置することも可能である。

（２） 前記画像光は、波長が互いに異なる複数の成分光が合成された合成光であり、その合成光は、前記２次元回折格子に入射し、
その２次元回折格子は、横方向と縦方向とにそれぞれ、凸部と溝部とが交互に回折格子ピッチで周期的に並ぶとともに、少なくとも当該２次元回折格子を全体として見たときに、前記溝部の深さが３以上の段階で変化する構造を有しており、
その２次元回折格子は、その２次元回折格子に入射した合成光を、各成分光ごとに、互いに異なる複数の回折方向に進行する複数の次数の回折光であって少なくとも０次回折光と＋１次回折光と−１次回折光とを有するものに分離して出射し、
その２次元回折格子は、前記複数の次数の回折光によって前記射出瞳を拡大し、その射出瞳上に、前記横方向と前記縦方向とに２次元的に並んだ複数の次数の回折光を出射し、
各次数の回折光は、前記横方向における１つの回折次数をｘ、前記縦方向における１つの回折次数をｙでそれぞれ表記した場合に、（ｘ，ｙ）次回折光として表記され、
各成分光ごとに、前記２次元回折格子全体への入射光の出力に対する、各（ｘ，ｙ）次回折光の出力の比が、各次（ｘ，ｙ）次回折光ごとに、回折効率ｅ（ｘ，ｙ）として定義され、その回折効率ｅ（ｘ，ｙ）は、任意の次数ａおよびｂを用いると、（ａ，ｂ）次回折光、（−ａ，ｂ）次回折光、（ａ，−ｂ）次回折光および（−ａ，−ｂ）次回折光の間において互いに共通する値を有するとともに、（ａ，ｂ）次回折光および（ｂ，ａ）次回折光の間において互いに共通する値を有する（１）項に記載の画像表示装置。

（３） 前記構造は、前記複数の成分光についての（０，０）次回折光、（１，０）次回折光および（１，１）次回折光についてのすべての回折効率ｅ（ｘ，ｙ）がそれぞれ、予め定められた値に一致するかまたは予め定められた範囲内にあるように、設定されている（２）項に記載の画像表示装置。

（４） 前記構造は、前記複数の成分光についての（０，０）次回折光、（１，０）次回折光および（１，１）次回折光についてのすべての回折効率ｅ（ｘ，ｙ）間の分散度が実質的に最小となるように、設定されている（２）項に記載の画像表示装置。

（５） 前記２次元回折格子は、その２次元回折格子に入射した前記合成光を、各成分光ごとに、前記複数の次数の回折光に分離して出射し、入射した合成光のうちの各成分光の出力に対する、次数ｎの回折光の出力の比がｎ次光回折効率として定義され、
前記２次元回折格子は、前記構造を特定する設計変数として、デューティ比と溝深さまたは凸部高さとを有しており、
それらデューティ比および溝深さまたは凸部高さは、前記２次元回折格子に入射する合成光のうちの各成分光の波長が長いほど、前記２次元回折格子の０次光回折効率を含む低次光回折効率が増加するように、設定されている（２）項に記載の画像表示装置。

（６） 前記眼球の回転に伴う前記瞳孔の中心位置の、基準位置からの移動量が０であるときに当該画像表示装置から前記瞳孔に入射する光の輝度が基準輝度として予め設定されており、
前記回折格子ピッチは、前記移動量が許容範囲内にあるときには、当該画像表示装置から前記瞳孔に入射する光の輝度の前記基準輝度に対する比が設定値以下とならないように、設定されている（２）ないし（５）項のいずれかに記載の画像表示装置。

本発明によれば、射出瞳を拡大するために設置される２次元回折格子がマルチステップ型となり、その結果、物理的に独立した回折格子の数が１つとなり、２枚の回折格子によって２次元回折格子を構成する場合より、部品点数が削減される。

さらに、本発明によれば、２次元回折格子の回折格子面の数も１つとなるため、多重像の発生が抑制され、ひいては、表示画像の品質の劣化も抑制される。

一方、マルチステップ型の２次元回折格子の回折効率をチューニングするための設計変数として、１次元バイナリー回折格子と同様に、デューティ比（例えば、凸部または溝部が反復的に出現する１周期の長さが１つの凸部または１つの溝部の幅寸法によって占有される比率）が存在するが、このマルチステップ型の２次元回折格子には、追加的に、溝深さまたは凸部高さという新たな設計変数も存在する。溝深さと凸部高さとは、互いに補完する関係にあるから、相互に置換可能である。

このように、マルチステップ型の２次元回折格子によれば、１次元バイナリー回折格子より設計変数の数が増加するため、回折効率をチューニングする際の自由度も向上する。その結果、本発明によれば、回折による射出瞳の拡大と、表示画像の品質劣化の防止とを高次元で両立させることが容易となる。

図１は、本発明の第１実施形態に従う網膜走査型ディスプレイを示す系統図である。 図２は、図１に示す網膜走査型ディスプレイ内の光路を簡略的に示す光路図である。 図３は、図１および図２に示すマルチステップ型の２次元回折格子の回折作用による入射ビームの拡がりを説明するための光路図である。 図４は、図３に示す２次元回折格子の構造を示す斜視図である。 図５（ａ）は、図３に示す２次元回折格子を示す一断面図であり、図５（ｂ）は、別の断面図である。 図６は、図３に示す２次元回折格子から出射する複数の（ｘ，ｙ）次回折光の２次元配列を示す正面図である。 図７（ａ）は、図３に示す２次元回折格子が、それに入射した各成分光を、各成分光ごとに、複数の次数の回折光に２次元的に分離するとともに、各回折光の回折角が、各回折光の波長に応じて異なることを示す正面図であり、図７（ｂ）は、それら複数の次数の回折光の２次元配列に対し、観察者の瞳孔が相対的に移動する様子を示す正面図である。 図８は、図３に示す２次元回折格子の溝深さと凸部幅とのそれぞれの最適値を決定するために行ったシミュレーションによって取得された複数の標準偏差を表す表である。 図９（ａ）は、本発明の第２実施形態に従う網膜走査型ディスプレイにおけるマルチステップ型の２次元回折格子の回折格子ピッチの最適値を決定するために行ったシミュレーションの結果を示すグラフであり、図９（ｂ）は、前記２次元回折格子の溝深さと凸部幅とのそれぞれの最適値を決定するために行ったシミュレーションの結果を示すグラフである。 図１０は、図９（ｂ）に示すグラフを作成する際に用いられた低次回折光と高次回折光とについての回折効率の計算値を赤色光と緑色光と青色光とについてそれぞれ示す表である。

以下、本発明のさらに具体的な実施の形態のうちのいくつかを図面に基づいて詳細に説明する。

図１には、本発明の第１実施形態に従う網膜走査型ディスプレイが系統的に表されている。この網膜走査型ディスプレイ（以下、「ＲＳＤ」と略称する。）は、画像信号に応じた強度の光束としてのレーザビームを２次元的に走査し、その走査されたレーザビームを観察者の眼１０の瞳孔１２に入射させ、その眼１０の網膜１４上に画像を直接に投影表示する装置である。このＲＳＤは、前記（１）項における「直視型の画像表示装置」の一例を構成している。

光源ユニット２０は、３原色（ＲＧＢ）を有する３つのレーザビーム（すなわち、波長が互いに異なる３色の成分光）を１つのレーザビーム（合成光）に結合して任意色のレーザビームを生成するために、赤色のレーザビームを発するＲレーザ３０と、緑色のレーザビームを発するＧレーザ３２と、青色のレーザビームを発するＢレーザ３４とを備えている。赤色のレーザビームは、６３５ｎｍの波長を有し、緑色のレーザビームは、５３２ｎｍの波長を有し、そして、青色のレーザビームは、４６０ｎｍの波長を有する。

各レーザ３０，３２，３４は、本実施形態においては、レーザダイオードとして構成されている。本実施形態においては、それらレーザ３０，３２，３４がそれぞれ、前記（１）項における「光源」の一例を構成する。それらレーザ３０，３２，３４から出射した複数本のレーザビームはそれぞれ、コリメート光学系４０，４２，４４によって平行光化される。その後、各レーザビームは、波長依存性を有する各ダイクロイックミラー５０，５２，５４に入射させられ、それにより、各レーザビームが波長に関して選択的に反射・透過させられ、それら３つのダイクロイックミラー５０，５２，５４を代表する１つのダイクロイックミラー５０に最終的に入射して１本のレーザビームに結合される。

その後、その１本のレーザビームは、結合光学系５６によって集光され、光ファイバ８２に入射する。光ファイバ８２に入射したレーザビームは、光伝送媒体としての光ファイバ８２中を伝送され、その光ファイバ８２の後端から放射させられるレーザビームを平行光化するコリメート光学系８４を経て光走査部２４に入射する。

以上、光源ユニット２０のうち光学的な部分を説明したが、以下、電気的な部分を説明する。光源ユニット２０は、コンピュータ（図示しない）を主体とする信号処理回路６０を備えている。信号処理回路６０は、外部から供給された映像信号（前記（１）項における「画像信号」の一例である）に基づき、各レーザ３０，３２，３４を駆動するための信号処理と、レーザビームの走査を行うための信号処理とを行うように設計されている。

各レーザ３０，３２，３４を駆動するため、信号処理回路６０は、外部から供給された映像信号に基づき、網膜１４上に投影すべき画像上の各画素ごとに、レーザビームにとって必要な色と強度とを実現するために必要な駆動信号（前記映像信号を反映する信号）を、各レーザドライバ７０，７２，７４を介して各レーザ３０，３２，３４に供給する。

光走査部２４は、ＨＳスキャナ（高速スキャナ、主スキャナの一例）１００とＬＳスキャナ（低速スキャナ、副スキャナの一例）１０２とを備えている。ＨＳスキャナ１００は、表示すべき画像の１フレームごとに、レーザビームを主走査方向に相対的に高速で走査する光学系である。これに対し、ＬＳスキャナ１０２は、表示すべき画像の１フレームごとに、レーザビームを、主走査方向とは直交する副走査方向に相対的に低速で走査する光学系である。

具体的に説明するに、ＨＳスキャナ１００は、本実施形態においては、機械的偏向を行うミラー１２０を備えた弾性体１２４のねじり共振によってそのミラー１２０を揺動させ、それにより、入射したレーザビームを主走査方向に走査する。このＨＳスキャナ１００は、駆動回路１２６を有しており、この駆動回路１２６は、信号処理回路６０から供給されるＨＳ駆動信号により、ミラー１２０を駆動する。

図１に示すように、ＨＳスキャナ１００によって走査されたレーザビームは、第１リレー光学系１３０によってＬＳスキャナ１０２に伝送される。第１リレー光学系１３０は、前段の光学系であるレンズ１３２と、後段の光学系であるレンズ１３４とを備えている。

ＬＳスキャナ１０２は、機械的偏向を行う揺動ミラーとしてのガルバノミラー１４０を非共振モードで強制的に電磁駆動し、それにより、入射したレーザビームを副走査方向に走査する。ガルバノミラー１４０には、ＨＳスキャナ１００から走査されて出射したレーザビームがリレー光学系１３０によって集光されて入射するようになっている。ＬＳスキャナ１０２は、駆動回路１４２を有しており、その駆動回路１４２は、信号処理回路６０から供給されるＬＳ駆動信号（または同期信号）により、ガルバノミラー１４０を駆動する。

以上説明したＨＳスキャナ１００とＬＳスキャナ１０２との共同により、レーザビームが２次元的に走査される。その走査されたレーザビームによって表現される画像光は、第２リレー光学系１５０を経て、かつ、このＲＳＤのハウジング（図示しない）に透光部として形成された出射部１４８（図２参照）から出射して、観察者の眼１０に照射される。第２リレー光学系１５０は、前段の光学系であるレンズ１５２と、後段の光学系であるレンズ１５４とを備えている。本実施形態においては、それらＨＳスキャナ１００とＬＳスキャナ１０２とは、互いに共同して、前記（１）項における「光走査部」の一例を構成している。

図２には、図１に示すＲＳＤにおける光路が簡略化されて示されている。この光路上には、２つの中間像面ＩＰ１およびＩＰ２が存在する。

具体的に説明するに、主走査系であるＨＳスキャナ１００と副走査系であるＬＳスキャナ１０２との間に第１リレー光学系１３０が存在する。この第１リレー光学系１３０においては、レンズ１３２とレンズ１３４とが同一光軸上において並んでいる。それらレンズ１３２と１３４との間に中間像面ＩＰ１が存在する。

ＬＳスキャナ１０２と眼１０との間に第２リレー光学系１５０が存在する。この第２リレー光学系１５０においては、レンズ１５２とレンズ１５４とが同一光軸上において並んでいる。それらレンズ１５２と１５４との間に中間像面ＩＰ２が存在する。

なお付言するに、本明細書における「中間像面」は、最終的な像面である網膜１４上の像面と光源３０，３２，３４との間に位置する像面であることに着目し、その「最終的な像面」という用語から表現上区別するために採用された用語であり、必ずしも光源３０，３２，３４と出射部１４８とのちょうど中央に位置する像面であることを意味しない。

図１および図２に示すように、本実施形態においては、マルチステップ型の２次元回折格子１６０が第１リレー光学系１１０に設置されている。具体的には、中間像面ＩＰ１と同一の位置に２次元回折格子１６０が設置されている。さらに具体的には、図３に示すように、第１リレー光学系１１０内のレンズ１３２から出射して２次元回折格子１６０に垂直に入射する入射ビームが、それのビームウエストにおいて、２次元回折格子１６０に入射するように、設置されている。すなわち、２次元回折格子１６０は、レーザビームの集光位置と同じ位置に設置されているのである。

本実施形態によれば、図２および図３に示すように、２次元回折格子１６０への入射ビームが、２次元回折格子１６０の回折作用によって拡大され、それにより、このＲＳＤの射出瞳が拡大される。その結果、本実施形態によれば、観察者の瞳孔１２の中心が射出瞳の中心から多少移動しても、その瞳孔１２から射出瞳の領域が完全に外れてしまう可能性が軽減され、よって、安定した画像表示が実現される。

なお付言するに、本実施形態においては、中間像面ＩＰ１と同一の位置に２次元回折格子１６０が設置されているが、前記特開２００６−９８５７０号公報に開示されているように、２次元回折格子１６０が、第１リレー光学系１１０の領域内において、中間像面ＩＰ１から外れた所定位置に設置される態様で本発明を実施することが可能である。

さらに付言するに、本実施形態においては、２次元回折格子１６０が透過型であるが、２次元回折格子１６０が反射型である態様で本発明を実施することが可能である。

さらに付言するに、本実施形態においては、２次元回折格子１６０が、中間像面ＩＰ１と同じ位置に設置されているが、これに代えて、中間像面ＩＰ２に設置することが可能である。２次元回折格子１６０が中間像面ＩＰ１に設置される場合には、拡大された射出瞳がＬＳスキャナ１０２上に形成されるため、ＬＳスキャナ１０２の大きさを、その拡大された射出瞳より大きいミラーサイズを有するようにすることが必要である。これに対し、２次元回折格子１６０が中間像面ＩＰ２に設置される場合には、そのような必要がなく、例えば、ＬＳスキャナ１０２として、ＭＥＭＳスキャナのような小型のスキャナを使用することが可能となる。

図４には、図３に示す２次元回折格子１６０の構造（周期構造）が斜視図で示されている。まず、概略的に説明するに、この２次元回折格子１６０においては、平坦な表面上に複数本の溝（または突条）が２次元的に延びるとともに、それら溝（または突条）が深さ方向（高さ方向）に部分的に互いに重畳するように配列されている。各溝は、矩形を基本形状とする断面を有する矩形状溝であるが、これに限定されず、例えば、鋸波状溝としても、正弦波状溝としてもよい。また、各溝は、それの長さ方向において、溝深さが３以上の段階（本実施形態においては、３段階）で段階的に変化する複数のステップ面を有するマルチステップ構造を有している。

次に、具体的に説明するに、この２次元回折格子１６０は、横方向（ｘ方向）と縦方向（ｙ方向）とにそれぞれ、凸部１７０と溝部１７２（「凹部」ともいう。）とが交互に回折格子ピッチｐで周期的に並ぶように構成されている。この２次元回折格子１６０は、基準平面１８０を有する基板１８２上に３次元的に構成されている。さらに、この２次元回折格子１６０は、少なくとも、２次元回折格子１６０を全体として見たとき（ｘ方向に単独で見たとき、ｙ方向に単独で見たとき、またはｘ方向とｙ方向とに一緒に見たとき）に、溝深さ（ｚ方向寸法）が３以上の段階で変化する構造（周期構造）を有しいる。

本実施形態においては、２次元回折格子１６０が唯一の基準平面１８０のみを有し、この基準平面１８０が、この２次元回折格子１６０の唯一の回折格子面であると考えることが可能である。本実施形態においては、その回折格子面がちょうど、前記中間像面ＩＰ１と同じ位置に位置するように、２次元回折格子１６０がこのＲＳＤに設置されている。

本実施形態においては、２次元回折格子１６０の周期構造は、同じ断面について、高い凸部１７０と低い凸部１７０（これは、高い凸部１７０から見れば、溝部１７２に見える）とが交互に並んでいる構造であると考えることも、深い溝部１７２と浅い溝部１７２（これは、深い溝部１７２から見れば、凸部１７０に見える）とが交互に並んでいる構造であると考えることも可能である。凸部１７０と溝部１７２とは、幾何学的に互いに補完する関係にあり、相互に置換可能であるからである。

したがって、この２次元回折格子１６０の周期構造を表現するという観点からすれば、凸部高さと溝深さとは、互いに補完する関係にあり、相互に置換可能である。ただし、当該分野においては、「凸部高さ」という用語より、「溝深さ」という用語の方が一般的であるため、本明細書においては、「溝深さ」という用語を使用する。とはいえ、説明の便宜上、２次元回折格子１６０の周期構造を、同じ断面について、高い凸部１７０と低い凸部１７０とが交互に並んでいる構造であると解釈したうえで、高い凸部１７０であるか低い凸部１７０であるかを問わず、「溝深さｄ」という用語を、基準平面１８０からの垂直方向距離（凸部高さ）を意味する用語として使用する。本実施形態においては、溝深さｄは、０と、最大深さＤと、最大深さ半値Ｄ／２という３つの値のうちのいずれかを取る。

図５を参照してさらに具体的に説明するに、この２次元回折格子１６０は、２種類の縦断面形状を有している。図５（ａ）は、第１の縦断面形状を示しており、ここにおいては、溝深さｄが最大深さ半値Ｄ／２に等しい凸部１７０と、溝深さｄが０である溝部１７２とが、交互に並んでいる。これに対し、図５（ｂ）は、第２の縦断面形状を示しており、ここにおいては、溝深さｄが最大深さＤに等しい凸部１７０と、溝深さｄが最大深さ半値Ｄ／２に等しい溝部１７２とが、交互に並んでいる。したがって、本実施形態においては、この２次元回折格子１６０は、この２次元回折格子１６０を全体として見たとき、すなわち、ｘ方向とｙ方向とに一緒に見たときにはじめて、溝深さｄが３段階で離散的に変化するマルチステップ構造を有していることが分かる。

ただし、ｘ方向に単独に見たとき、またはｙ方向に単独に見たときに、溝深さｄが３以上の段階で離散的に変化するマルチステップ構造を有する態様で２次元回折格子１６０を構成することによって本発明を実施することが可能である。

さらに、図５における各種記号の意味を説明する。
ｐ：凸部１７０または溝部１７２が周期的に出現する間隔である回折格子ピッチ（例えば、１０．５μｍ）
ｗ：各凸部１７０の頂面（トップ）の幅寸法である凸部幅（例えば、２．８５μｍ）
Ｄ：溝深さｄの最大値である最大深さ
ψ：各凸部１７０の側面のテーパ角（その側面と基準平面１８０との成す角度であり、例えば、９０度）

回折格子ピッチｐ（溝周期）と凸部幅ｗとが決まれば、溝幅（溝部１７２の幅寸法）が決まり、ひいては、溝周期に対する溝幅の比率であるデューティ比γが決まる。よって、回折格子ピッチｐが最初に特定された後に、凸部幅ｗが特定されることは、デューティ比γが特定されることを意味する。

それら物理量は、２次元回折格子１６０の構造を定義するための複数の設計変数である。それら設計変数のうち、特に、回折格子ピッチｐは、すべての回折光の全体につき、回折角の大きさ（回折光の拡がり）を最適化するために重要な設計変数である。これに対し、溝深さｄおよびデューティ比γは、回折光の各波長および各次数についての回折効率を最適化するために重要な設計変数である。

２次元回折格子１６０は、この２次元回折格子１６０に入射した合成光を、各成分光ごとに（赤色光、緑色光および青色光ごとに）、図３に示すように、互いに異なる複数の回折方向に進行する複数の次数の回折光であって少なくとも０次回折光と＋１次回折光と−１次回折光とを有するものに分離して出射する。

この２次元回折格子１６０は、前記複数の次数の回折光によって前記射出瞳を拡大し、図６に示すように、その射出瞳上に、ｘ方向とｙ方向とに２次元的に並んだ複数の次数の回折光を出射する。各次数の回折光は、ｘ方向における１つの回折次数をｘ、ｙ方向における１つの回折次数をｙでそれぞれ表記した場合に、（ｘ，ｙ）次回折光として表記される。図６においては、複数の（ｘ，ｙ）次回折光の２次元配列が示されているとともに、瞬間的なレーザビームである各（ｘ，ｙ）次回折光が円形断面で示されている。各（ｘ，ｙ）次回折光の直径は、例えば、１ｍｍである。

本実施形態においては、各成分光ごとに、２次元回折格子１６０全体への入射光の出力（［Ｗ］）すなわちエネルギーに対する、各（ｘ，ｙ）次回折光の出力（［Ｗ］）すなわちエネルギーの比が、各次（ｘ，ｙ）次回折光ごとに、回折効率ｅ（ｘ，ｙ）として定義されている。その回折効率ｅ（ｘ，ｙ）は、任意の次数ａおよびｂを用いると、（ａ，ｂ）次回折光、（−ａ，ｂ）次回折光、（ａ，−ｂ）次回折光および（−ａ，−ｂ）次回折光の間において互いに共通する値を有するとともに、（ａ，ｂ）次回折光および（ｂ，ａ）次回折光の間において互いに共通する値を有している。なぜなら、２次元回折格子１６０の構造は、ｘ軸に関して幾何学的鏡像関係を示すと同時に、ｙ軸に関して幾何学的鏡像関係を示すからである。

前述のように、２次元回折格子１６０の凸部幅ｗおよび溝深さｄをチューニングすれば、各（ｘ，ｙ）次回折光についての回折効率ｅ（ｘ，ｙ）を最適化することができる。一方、複数の入射波長についての複数の（ｘ，ｙ）次回折光についての複数の回折効率ｅ（ｘ，ｙ）は、互いに完全に一致するわけではない。そのため、回折を利用して射出瞳の拡大を行う場合には、その射出瞳上のほぼ同じ位置に照射されて互いに合成される複数波長の回折光間の輝度バランス、ひいては、表示画像の色バランスが、射出瞳上の位置の如何によって変動してしまう可能性がある。

図７（ａ）には、複数の（ｘ，ｙ）次回折光の２次元配列が示されており、また、図７（ｂ）には、その２次元配列と瞳孔１２との相対的位置関係が示されている。瞳孔１２は、例えば３ｍｍの直径を有しており、観察者の顔に対して瞳孔１２がちょうど正面位置にあるとき（瞳孔１２の中心位置が、ｘ軸とｙ軸との交点である原点に一致するとき）、瞳孔１２と同じ領域内に、いずれの成分光についても、（０，０）次回折光と、（１，０）次回折光およびそれと等価な回折光と、（１，１）次回折光およびそれと等価な回折光とが存在する。図６には、複数の（ｘ，ｙ）次回折光のうち、瞳孔１２と同じ領域内に存在するものが、それぞれ、白い丸印で示されており、それら以外の回折光が、ハッチングされた丸印で示されている。

図７（ａ）は、２次元回折格子１６０が、それに入射した各成分光を、各成分光ごとに、複数の（ｘ，ｙ）次回折光に２次元的に分離するとともに、各回折光の回折角が、各回折光の波長に応じて異なることを示している。図７（ａ）は、成分光の波長が長いほど、かつ、回折次数が高くなるほど、回折光の回折角が増加し、他の波長の回折光との位置ずれが増加することを示している。

また、図７（ｂ）は、それら複数の（ｘ，ｙ）次回折光の２次元配列に対し、観察者の瞳孔１２が相対的に移動する様子が示されている。

本実施形態においては、瞳孔１２が正面位置にある状態で、その瞳孔１２と同じ領域内に存在する複数の（ｘ，ｙ）次回折光が、回折効率ｅ（ｘ，ｙ）に関して互いにできる限り共通化するように、２次元回折格子１６０の凸部幅ｗおよび溝深さｄがチューニングされる。

本実施形態においては、２次元回折格子１６０の構造を定義するための設計変数として、回折格子ピッチｐと、テーパ角ψと、凸部幅ｗと、最大深さＤとが存在する。

本実施形態においては、まず、回折格子ピッチｐは、１０．５μｍに、テーパ角ψは、９０度に設定された。なお、回折格子ピッチｐの設定手法の一例は、後に、本発明の第２実施形態について説明する。

２次元回折格子１６０は、例えば、ドライエッチングという手法によって製作された。したがって、２次元回折格子１６０をウエットエッチングによって製作する場合に製品形状が依存すべき結晶面の向きも、２次元回折格子１６０を型成形する場合の型抜き勾配も考慮せずに、２次元回折格子１６０を製作することが可能であり、よって、９０度のテーパ角ψが実現された。

現時点で未決の設計変数は、凸部幅ｗと最大深さ寸法Ｄとであるが、それら設計変数は、２次元回折格子１６０の回折効率をチューニングするために重要である。本実施形態においては、後に詳述するが、すべての成分光についての、複数の（ｘ，ｙ）次回折光のうち、瞳孔１２と同じ領域内に存在するもの、すなわち、（０，０）次回折光、（１，０）次回折光および（１，１）次回折光のすべて（それらと等価である他の次数の回折光を含む。以下同じとする。）についての回折効率ｅ（ｘ，ｙ）の標準偏差（「分散度」の一例である）が最小となるように、設定された。すべての成分光についてのすべての（ｘ，ｙ）次回折光についてのすべての回折効率ｅ（ｘ，ｙ）についての標準偏差が最小となるように、それら設計変数を設定することは、それらすべての回折効率ｅ（ｘ，ｙ）間の分散度が実質的に最小となるように、それら設計変数を設定することの一例である。

図８は、２次元回折格子１６０の凸部幅ｗと最大深さＤとのそれぞれの最適値を決定するために行ったシミュレーションによって取得された複数の標準偏差を表す表である。

図８に示すように、最大深さＤについては３つの候補値、すなわち、１．００μｍ、１．０２μｍおよび１．０４μｍを選定し、一方、凸部幅ｗについては５つの候補値、すなわち、２．７５μｍ、２．８μｍ、２．８５μｍ、２．９μｍおよび２．９５μｍを選定し、全部で、１５組の候補値対を選定した。

いずれの組の候補値対についても、２次元回折格子１６０に入射する３色の成分光の波長のもとで、（０，０）次回折光の回折効率ｅ（０，０）と、（１，０）次回折光の回折効率ｅ（１，０）と、（１，１）次回折光の回折効率ｅ（１，１）とが、回折格子について一般的に用いられる式を用いて、計算された。各組の候補値対については、全部で、９つの回折効率ｅの計算値が存在する。

さらに、１５組の候補値対のすべてにつき、それら９つの回折効率ｅの標準偏差（正確には、それら９つの回折効率ｅについての９つの標準偏差の計算値を代表する１つの値であって、それら９つの計算値のうち、最大であるもの）が計算された。その結果が、図８に示されている。さらに、１５組の候補値対のうち、標準偏差の計算値（代表値）が最小のものを有する組が選択された。それは、最大深さＤが１０．２μｍであって、凸部幅ｗが２．８５μｍである組であった。

この結果を踏まえて、本実施形態においては、２次元回折格子１６０の構造が、最大深さＤは１０．２μｍであり、また、凸部幅ｗは２．８５μｍであるように設定された。したがって、本実施形態によれば、このＲＳＤでの画像観察中に、射出瞳に対して瞳孔１２が多少移動しても、それに伴って表示画像の色バランスが変動してしまうことが抑制される。

なお付言するに、本実施形態においては、２次元回折格子１６０の構造が、３色の成分光についての（０，０）次回折光、（１，０）次回折光および（１，１）次回折光についてのすべての回折効率ｅ（ｘ，ｙ）間の分散度が最小となるように、設定されているが、それら回折効率ｅ（ｘ，ｙ）がそれぞれ、瞳孔１２の移動に起因した表示画像の色バランスの変動が抑制されるように予め定められた値に一致するかまたは予め定められた範囲内にあるように、２次元回折格子１６０の構造が設定される態様で本発明を実施することが可能である。

以上の説明から明らかなように、本実施形態においては、２次元回折格子１６０が唯一の回折格子面のみ有し、その回折格子面がちょうど、中間像面ＩＰ１（またはＩＰ２）と同じ位置に位置するように、２次元回折格子１６０がこのＲＳＤに設置されている。したがって、本実施形態によれば、２次元回折格子１６０が、２枚の１次元バイナリー回折格子を必要な間隔を隔てて重ね合わせることによって構成される場合とは異なり、２次元回折格子１６０から出射したすべての回折光が網膜１４上の一点に集光して結像することとなり、回折による射出瞳の拡大を行いつつ、多重像の発生を防止し、ひいては、表示画像の品質劣化を防止することができる。

ところで、２次元回折格子１６０を、２枚の１次元バイナリー回折格子の重ね合せによって実現する場合、多重像の発生を抑制すべく、それら１次元バイナリー回折格子をできる限り互いに接近させて配置するという対策を講ずることが考えられる。しかし、この対策を単に講じたのでは、干渉縞が発生し易くなるという新たな問題が発生してしまう。

そのような干渉縞の発生を抑制するために、それら１次元バイナリー回折格子の表面にＡＲ（反射防止）コーティングを行うという対策を講ずることが考えられる。しかし、この対策を単に講じると、ＡＲコーティング中に発生したゴミが回折格子表面に付着し、表示画像上において黒点として観察者に視認されてしまうという新たな問題や、ＡＲコーティングの抜け領域が表示画像上において輝点として観察者に視認されてしまうという新たな問題がある。いずれにしても、この対策を講ずると、ＡＲコーティングという追加の作業工程が必要になるうえに、その作業を非常に慎重に行わざるを得なくなるため、２次元回折格子１６０の製作時間が長くなり、その結果、製造歩留まりが悪化してしまう。

これに対し、本実施形態によれば、２次元回折格子１６０をＲＳＤに追加したことに起因する多重像の発生という問題が発生せずに済み、同時に、ＡＲコーティングという作業工程の追加が不可欠ではなくなる。

ところで、２次元回折格子１６０をレンズアレイとして構成するという技術を採用することも可能である。しかし、この場合には、レンズアレイに入射する光の複数の波長の各々に対するレンズアレイの回折効率の、それら複数の入射波長の間におけるバランスを調整する作業が技術的に困難であるという問題が発生してしまう。

これに対し、本実施形態によれば、２次元回折格子１６０がマルチステップ型であるため、それの回折効率をチューニングするための設計変数として、デューティ比γのみならず、溝深さｄも存在する。したがって、本実施形態によれば、２次元回折格子１６０の回折効率をチューニングする際の自由度が、バイナリー回折格子に比較して向上する。よって、本実施形態によれば、２次元回折格子１６０の回折効率の、複数の入射波長の間におけるバランスを調整する作業が、バイナリー回折格子より技術的に容易となる。

さらに、本実施形態によれば、このことに関連し、瞳孔１２と同じ領域内において、３つの成分光間における回折効率ｅ（ｘ，ｙ）ができる限り一致し、それにより、射出瞳を構成する３色の回折光のそれぞれの輝度すなわち強度がそれら３色の回折光間においてできる限り均等化するように、凸部幅ｗ（前述のデューティ比γに反映される）と最大深さＤとが設定され、ひいては、２次元回折格子１６０の構造が設定された。したがって、本実施形態によれば、このＲＳＤでの画像観察中に、射出瞳に対して瞳孔１２が多少移動しても、それに伴って表示画像の色が予定外に変化してしまうことが抑制される。

次に、本発明の第２実施形態に従う網膜走査型ディスプレイ（以下、「ＲＳＤ」と略称する。）を説明する。ただし、本実施形態は、第１実施形態に対し、２次元回折格子１６０の設計変数を設定する仕方およびその設計変数の値のみが異なり、他の要素については共通であるため、異なる要素についてのみ詳細に説明し、共通する要素については重複した説明を省略する。

概略的に説明するに、前述のように、２次元回折格子１６０の回折格子ピッチｐをチューニングすれば、回折角を拡大して、このＲＳＤの射出瞳を拡大することが可能である。しかし、射出瞳を拡大し過ぎると、瞳孔１２を通過して網膜１４に照射される合成光の輝度が低下し、表示画像が暗くなってしまう。このように、射出瞳の直径と表示画像の明るさとはトレードオフの関係にあるのである。よって、回折格子ピッチｐのチューニングは、射出瞳の拡大と、瞳孔１２を通過して網膜１４に照射される合成光の輝度すなわち強度の最適化との両立を達成するために重要である。

また、射出瞳の直径と表示画像の色バランスもトレードオフの関係にある。射出瞳を拡大するほど、瞳孔１２の中心位置が、射出瞳の中心位置からずれる結果、より高次の回折光が瞳孔１２に入射するが、回折光の次数が高いほど、かつ、それの波長が長いほど、回折角が大きくなり、ひいては、赤色回折光の、緑色回折光および青色回折光からの分離が顕著になる。すなわち、射出瞳を拡大するほど、赤色回折光が、他の色の回折光と合成されることなく単独で観察される傾向が増加し、表示画像の色バランス（３色間の輝度差）が増加してしまうのである。これに対し、赤色回折光につき、低次回折光についての回折効率を増加させ、それにより、高次回折光についての回折効率を減少させれば、瞳孔１２の移動に起因した表示画像の色バランスの変動を抑制することができる。

そして、２次元回折格子１６０の凸部幅ｗおよび溝深さｄをチューニングすれば、赤色回折光につき、低次回折光についての回折効率を増加させ、それにより、高次回折光についての回折効率を減少させることが可能である。

次に、２次元回折格子１６０の回折格子ピッチｐのチューニングについて詳細に説明するに、本実施形態においては、このＲＳＤでの画像観察中、眼１０の眼球の回転に伴う瞳孔１２の中心位置の、基準位置（正面位置）からの移動量（以下、「瞳孔中心移動量」という。）が０であるときにこのＲＳＤから瞳孔１２に入射する光の輝度が基準輝度として予め設定されている。ここに、「瞳孔１２に入射する光」は、３色の成分光である赤色光と緑色光と青色光との合成光である。また、瞳孔１２の直径は３ｍｍであると仮定されているため、「瞳孔１２に入射する光の輝度」は、このＲＳＤから出射する合成光のうち、直径が３ｍｍである瞳孔１２を通過して網膜１４に照射される部分の輝度を意味することになる。

さらに、本実施形態においては、２次元回折格子１６０の回折格子ピッチｐが、前記瞳孔中心移動量が予め定められた許容範囲内にあるときには、このＲＳＤから瞳孔１２に入射して網膜１４に照射される合成光の輝度の前記基準輝度に対する比が設定値以下とならないように、予め設定されている。ここに、「比」は、瞳孔１２に入射して網膜１４に照射される合成光の輝度の、前記基準輝度に対する相対的な輝度を意味する。

図９（ａ）は、このＲＳＤにおける２次元回折格子１６０の回折格子ピッチｐの最適値を評価するために行ったシミュレーションの結果を実線で示すグラフである。この実線グラフは、回折格子ピッチｐは１０．５μｍであり、また、テーパ角ψは９０度であり、また、レンズ１３４の焦点距離は１７ｍｍである場合に取得された。

この実線グラフから明らかなように、テーパ角ψは９０度であり、また、レンズ１３４の焦点距離は１７ｍｍである場合に、回折格子ピッチｐを１０．５μｍに選定すれば、瞳孔中心移動量が２ｍｍを超えない限り、網膜１４に照射される合成光の輝度（相対値）が、約０．４を下回ることが防止される。すなわち、瞳孔中心移動量が２ｍｍを超えない限り、網膜１４上に照射される合成光の輝度が、前記基準輝度に対して、６０％より高い比率で低下してしまうことが防止されるのである。したがって、回折格子ピッチｐを１０．５μｍに選定すれば、このＲＳＤでの画像観察中に、射出瞳に対して瞳孔１２が多少移動しても、それに伴って表示画像の明るさが予定外に変化してしまうことが抑制される、

なお付言するに、図９（ａ）には、このＲＳＤから２次元回折格子１６０を取り外した比較例についてのシミュレーションの結果が破線グラフで表されている。この比較例によれば、瞳孔中心移動量が約１．５ｍｍを超えると、網膜１４上に照射される合成光の輝度が、前記基準輝度に対して、６０％より高い比率で低下してしまう。

次に、２次元回折格子１６０の凸部幅ｗおよび溝深さｄのチューニングを詳細に説明するに、本実施形態においては、２次元回折格子１６０が、その２次元回折格子１６０に入射した合成光を、各成分光ごとに、互いに分離した複数の次数の回折光に変換して出射する。この２次元回折格子１６０に入射した合成光のうちの各成分光の出力に対する、次数ｎの回折光の出力の比がｎ次光回折効率として定義されている。

本実施形態においては、凸部幅ｗおよび溝深さｄの最大深さＤが、２次元回折格子１６０に入射する合成光のうちの各成分光の波長が長いほど、２次元回折格子１６０の０次光回折効率を含む低次光回折効率が増加するように、設定されている。

図９（ｂ）は、２次元回折格子１６０の最大深さＤと凸部幅ｗとのそれぞれの最適値を決定するために行ったシミュレーションの結果を示すグラフである。図１０は、図９（ｂ）に示すグラフを作成する際に用いられた低次回折光と高次回折光とについての回折効率の計算値を赤色光と緑色光と青色光とについてそれぞれ示す表である。

図１０には、回折格子ピッチｐが１０．５μｍである場合に、最大深さＤは０．８８μｍ、凸部幅ｗは２．６０μｍにそれぞれ選定したときに、赤色光と緑色光と青色光とのそれぞれにつき、複数の（ｘ，ｙ）次回折光のうち、図７（ｂ）に示すように、瞳孔１２の中心位置が前記基準位置から２ｍｍの範囲内に移動するときに瞳孔１２を通過して網膜１４に照射されることになるもの、すなわち、（０，０）次回折光と、（１，０）次回折光と、（１，１）次回折光と、（２，０）次回折光と、（１，２）次回折光と、（２，２）次回折光とのそれぞれについての回折効率ｅ（ｘ，ｙ）の計算値が示されている。

図１０に示すように、他の色の回折光である緑色光および青色光より長い波長を有する赤色光については、低次回折光の一つである（０，０）次回折光についての回折効率ｅ（０，０）は、１３．２２％であるが、高次回折光の一つである（２，２）次回折光についての回折効率ｅ（２，２）は、０．６５％というように、回折効率ｅが低次回折光において高次回折光より増加させられている。この増加の程度は、図１０に示すように、赤色光より波長が短い他の色の回折光である緑色光および青色光より大きい。

本実施形態においては、最大深さＤの最適値は０．８８μｍ、凸部幅ｗの最適値は２．６０μｍにそれぞれ選定されているため、最大深さＤおよび凸部幅ｗ（ひいてはデューティ比γ）は、２次元回折格子１６０に入射する合成光のうちの各成分光の波長が長いほど、２次元回折格子１６０の０次光回折効率を含む低次光回折効率が増加するように設定されていることになる。

図１０に示す複数の回折効率の計算値をもとに、図９（ｂ）のグラフは、前記瞳孔中心移動量の増加につれて表示画像の色バランスが変動する様子を示している。２次元回折格子１６０が１本の入射ビーム（合成光）を３色の回折光（成分光）に分離する際に、入射ビームの出力がそれら回折光（成分光）の出力に分離される。図９（ｂ）のグラフの縦軸には、２次元回折格子１６０からの出射光のうち、瞳孔１２を通過して網膜１４に照射される部分の成分光ごとの輝度比率の相対的変化率である分離比変化率ＣＲが取られている。

分離比変化率ＣＲは、赤色回折光と、緑色回折光と、青色回折光とのそれぞれについて存在する。図９（ｂ）のグラフにおいては、赤色回折光についての分離比変化率ＣＲは「Ｒ／Ｇ」、緑色回折光について分離比変化率ＣＲは「Ｇ／Ｇ」、青色回折光についての分離比変化率ＣＲは「Ｂ／Ｇ」としてそれぞれ表記されている。

瞳孔中心移動量が０であるときにこのＲＳＤから瞳孔１２に入射する各成分光の輝度比率を、「基準分離比」とする。また、その「基準分離比」を、基準回折光（本実施形態においては、中間の波長を有する緑色回折光）に対する相対値として定義すると、瞳孔中心移動量が０であるときにおける赤色回折光が瞳孔１２に入射する輝度ＫＲ０を、瞳孔中心移動量が０であるときにおける緑色回折光が瞳孔１２に入射する輝度ＫＧ０で割算した地（＝ＫＲ０／ＫＧ０）が、赤色回折光の「基準分離比」となる。

各色回折光についての「分離比変化率ＣＲ」は、瞳孔中心移動量が０であるときに対する「基準分離比」の変化率であるから、瞳孔中心移動量の各値ｉにつき、赤色回折光が瞳孔１２に入射する輝度ＫＲｉを、瞳孔中心移動量が同じ値ｉであるときにおける緑色回折光が瞳孔１２に入射する輝度ＫＧｉで割算した値（＝ＫＲｉ／ＫＧｉ）の、「基準分離比（＝ＫＲ０／ＫＧ０）」に対する相対的な変化量を求めるべく、ＫＲｉ／ＫＧｉをＫＲ０／ＫＧ０で割算することにより、分離比変化率ＣＲ（＝（ＫＲｉ／ＫＧｉ）／（ＫＲ０／ＫＧ０））が計算される。

したがって、赤色回折光についての分離比変化率ＣＲを計算するために、（ａ）瞳孔中心移動量の各値ｉについての、赤色回折光についての輝度ＫＲｉと、（ｂ）瞳孔中心移動量が０であるときにおける赤色回折光についての輝度ＫＲ０と、（ｃ）瞳孔中心移動量が同じ値ｉであるときにおける緑色回折光についての輝度ＫＧｉと、（ｄ）瞳孔中心移動量が０であるときにおける緑色回折光についての輝度ＫＧ０とが用いられる。

ここに、輝度ＫＲｉは、複数の（ｘ，ｙ）次回折光のうち、瞳孔中心移動量の各値のもとに、瞳孔１２を通過して網膜１４に照射される複数の赤色回折光についての回折効率ｅの合計値として計算される。また、輝度ＫＲ０は、複数の（ｘ，ｙ）次回折光のうち、瞳孔中心移動量が０であるときに、瞳孔１２を通過して網膜１４に照射される複数の赤色回折光についての回折効率ｅの合計値として計算される。

また、輝度ＫＧｉは、複数の（ｘ，ｙ）次回折光のうち、瞳孔中心移動量の各値ｉのもとに、瞳孔１２を通過して網膜１４に照射される複数の緑色回折光についての回折効率ｅの合計値として計算される。また、輝度ＫＧ０は、複数の（ｘ，ｙ）次回折光のうち、瞳孔中心移動量が０であるときに、瞳孔１２を通過して網膜１４に照射される複数の緑色回折光についての回折効率ｅの合計値として計算される。

以上の計算過程は、青色回折光についての分離比変化率ＣＲについても同様である。緑色回折光についての分離比変化率ＣＲについても同様であるが、その定義により、計算するまでもなく、瞳孔中心移動量の全域にわたり、１となる。

図９（ｂ）には、上述のように、回折格子ピッチｐは、瞳孔中心移動量が２ｍｍであるときにおける表示画像の輝度低下が６０％以内であるとの要求を満たすための最適値である１０．５μｍであり、かつ、最大深さＤおよび凸部幅ｗはそれぞれ、瞳孔１２の移動に起因した表示画像の色バランスの変動抑制という観点からの最適値である０．８８μｍおよび２．６０μｍである場合に、赤色回折光の分離比変化率Ｒ／Ｇと、緑色回折光の分離比変化率Ｇ／Ｇと、青色回折光の分離比変化率Ｂ／Ｇとがそれぞれ、瞳孔中心移動量と共に変化する様子がグラフで示されている。このグラフに示すように、瞳孔中心移動量が２ｍｍの範囲内である限り、赤色回折光の分離比変化率Ｒ／Ｇも、青色回折光の分離比変化率Ｂ／Ｇも、緑色回折光の分離比変化率Ｇ／Ｇに対する変動が、プラス側への変動とマイナス側への変動との双方を加味しても、トータルで１０％の幅内に抑制される。

したがって、本実施形態によれば、瞳孔中心移動量が２ｍｍを超えない限り、射出瞳に対して瞳孔１２が移動しても、表示画像の明るさが大きく変化することも、表示画像の色バランスが大きく変動することも抑制される。その結果、回折を利用して射出瞳を拡大するにもかかわらず、瞳孔１２の移動に起因した表示画像の品質の劣化が抑制される。

以上、本発明の実施の形態のいくつかを図面に基づいて詳細に説明したが、これらは例示であり、前記［発明の開示］の欄に記載の態様を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。

Claims (8)

1. 表示すべき画像を表す画像光を観察者の眼球の瞳孔内に入射し、それにより、観察者に対して前記画像を表示する直視型の画像表示装置であって、
   画像信号に応じた強度の光を出射する光源と、
   その光源から出射した光を２次元方向に走査し、それにより、前記画像光を形成する光走査部と、
   その光走査部によって形成された画像光が当該画像表示装置から出射する出射部と、
   前記光源と前記出射部との間における光路上に、それら光源と出射部との間に存在する中間像面と一致するかまたはその中間像面から外れた所定位置に設置され、当該画像表示装置の射出瞳を拡大する、溝深さが３以上の段階で離散的に変化するマルチステップ型の２次元回折格子と
   を含み、
   その２次元回折格子は、その２次元回折格子の同じ面上において凸部と溝部とが、他の 凸部および溝部と交差しながら、交互に並ぶとともに、少なくとも、当該２次元回折格子 を全体として見たときに、前記同じ面上において前記溝部の深さが３以上の段階で変化す る構造を有する画像表示装置。
2. 前記画像光は、波長が互いに異なる複数の成分光が合成された合成光であり、その合成光は、前記２次元回折格子に入射し、
   その２次元回折格子は、前記同じ面上において前記凸部と前記溝部とが交互に回折格子 ピッチで周期的に並ぶ構造を有しており、
   その２次元回折格子は、その２次元回折格子に入射した合成光を、各成分光ごとに、互いに異なる複数の回折方向に進行する複数の次数の回折光であって少なくとも０次回折光と＋１次回折光と−１次回折光とを有するものに分離して出射し、
   その２次元回折格子は、前記複数の次数の回折光によって前記射出瞳を拡大し、その射出瞳上に、前記横方向と前記縦方向とに２次元的に並んだ複数の次数の回折光を出射し、
   各次数の回折光は、前記横方向における１つの回折次数をｘ、前記縦方向における１つの回折次数をｙでそれぞれ表記した場合に、（ｘ，ｙ）次回折光として表記され、
   各成分光ごとに、前記２次元回折格子全体への入射光の出力に対する、各（ｘ，ｙ）次回折光の出力の比が、各次（ｘ，ｙ）次回折光ごとに、回折効率ｅ（ｘ，ｙ）として定義され、その回折効率ｅ（ｘ，ｙ）は、任意の次数ａおよびｂを用いると、（ａ，ｂ）次回折光、（−ａ，ｂ）次回折光、（ａ，−ｂ）次回折光および（−ａ，−ｂ）次回折光の間において互いに共通する値を有する請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記回折効率ｅ（ｘ，ｙ）は、（ａ，ｂ）次回折光および（ｂ，ａ）次回折光の間にお いて互いに共通する値を有する請求項２に記載の画像表示装置。
4. 前記構造は、前記複数の成分光についての（０，０）次回折光、（１，０）次回折光お よび（１，１）次回折光についてのすべての回折効率ｅ（ｘ，ｙ）がそれぞれ、予め定め られた値に一致するかまたは予め定められた範囲内にあるように、設定されている請求項 ２または３に記載の画像表示装置。
5. 前記構造は、前記複数の成分光についての（０，０）次回折光、（１，０）次回折光お よび（１，１）次回折光についてのすべての回折効率ｅ（ｘ，ｙ）間の分散度が実質的に 最小となるように、設定されている請求項２または３に記載の画像表示装置。
6. 前記２次元回折格子は、その２次元回折格子に入射した前記合成光を、各成分光ごとに 、前記複数の次数の回折光に分離して出射し、入射した合成光のうちの各成分光の出力に 対する、次数ｎの回折光の出力の比がｎ次光回折効率として定義され、
   前記２次元回折格子は、前記構造を特定する設計変数として、デューティ比と溝深さま たは凸部高さとを有しており、
   それらデューティ比および溝深さまたは凸部高さは、前記２次元回折格子に入射する合 成光のうちの各成分光の波長が長いほど、前記２次元回折格子の０次光回折効率を含む低 次光回折効率が増加するように、設定されている請求項２または３に記載の画像表示装置。
7. 前記眼球の回転に伴う前記瞳孔の中心位置の、基準位置からの移動量が０であるときに 当該画像表示装置から前記瞳孔に入射する光の輝度が基準輝度として予め設定されており 、
   前記回折格子ピッチは、前記移動量が許容範囲内にあるときには、当該画像表示装置か ら前記瞳孔に入射する光の輝度の前記基準輝度に対する比が設定値以下とならないように 、設定されている請求項２ないし６のいずれかに記載の画像表示装置。
8. 前記２次元回折格子は、前記同じ面に沿って延びる横方向に沿って前記凸部と前記溝部 とが交互に並ぶとともに、前記同じ面に沿って延びる縦方向であって前記横方向に対して 直角である方向に沿って前記凸部と前記溝部とが交互に並び、それにより、前記同じ面上 において複数本の凸部と複数本の溝部とが互いに直交する構造を有する請求項１ないし７ のいずれかに記載の画像表示装置。

Images