特許 7479945 光学素子および画像投影装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-26

(45)【発行日】2024-05-09

(54)【発明の名称】光学素子および画像投影装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20240430BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020100442

(22)【出願日】2020-06-09

(65)【公開番号】P2021196399

(43)【公開日】2021-12-27

【審査請求日】2023-04-21

(73)【特許権者】

【識別番号】000001133

【氏名又は名称】株式会社小糸製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001667

【氏名又は名称】弁理士法人プロウィン

(72)【発明者】

【氏名】尾形 洋一

(72)【発明者】

【氏名】コリチバ ニキタ

【審査官】横井 亜矢子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０９０５６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０８５４２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２３４４８５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１２／１４０８４５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／００３１１７１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２７／００－３０／６０

Ｇ０２Ｂ ５／１８

Ｇ０２Ｂ ６／００，６／０２，６／２４５－６／２５，６／４６－６／５４

Ｈ０４Ｎ ５／６４－５／６５５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の凸部および凹部が周期的に形成された回折格子部と、
前記回折格子部より小さい屈折率の材料からなり、前記回折格子部を覆って形成される導光板部とを備え、
前記導光板部は、一方に延伸された第１延伸部を有し、前記第１延伸部の端部近傍には平坦な第１光出射部が形成されており、
前記凸部は、主面に対して角度φだけ傾斜してスランテッドグレーティングを構成し、
前記第１延伸部は、前記凸部の傾斜方向と反対側に延伸されており、
前記回折格子部による回折光のうち少なくとも一方の一次回折光が、前記第１延伸部内を全反射して導波され、前記第１光出射部まで到達することを特徴とする光学素子。

【請求項2】

請求項１に記載の光学素子であって、
前記導光板部は、前記第１延伸部と反対側に延伸された第２延伸部を有し、前記第２延伸部の端部近傍には平坦な第２光出射部が形成されており、
前記回折格子部による回折光のうち他方の二次回折光が、前記第２延伸部内を全反射して導波され、前記第２光出射部まで到達することを特徴とする光学素子。

【請求項3】

請求項１または２に記載の光学素子であって、
前記第１光出射部は、前記第１延伸部の端面、表面または裏面の何れか一箇所に設けられていることを特徴とする光学素子。

【請求項4】

請求項１から３の何れか一つに記載の光学素子であって、
前記回折格子部による回折光のうち、０次回折光および他方の一次回折光は、前記導光板部の主面を透過して出射することを特徴とする光学素子。

【請求項5】

請求項１から４の何れか一つに記載の光学素子と、
前記回折格子部に対して光を照射する光源部を備え、
前記光源部は、前記凸部の傾斜方向と同じ方向に角度Θだけ傾斜した方向から前記回折格子部に光を照射することを特徴とする画像投影装置。

【請求項6】

請求項５に記載の画像投影装置であって、
前記導光板部と光学的に結合されて、内部で光を導波するライトガイド部とを備え、
前記ライトガイド部は、前記第１光出射部と対向する光入射部と、導波された光を出射する光出射部を備えることを特徴とする画像投影装置。

【請求項7】

請求項５または６に記載の画像投影装置であって、
前記光出射部には、回折格子が形成されていることを特徴とする画像投影装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光学素子および画像投影装置に関し、特に回折格子を用いた光学素子および画像投影装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、車両内に各種情報を表示する装置として、アイコンを点灯表示する計器盤が用いられている。また、表示する情報量の増加とともに、計器盤に画像表示装置を埋め込むことや、計器盤全体を画像表示装置で構成することも提案されている。

【0003】

しかし、計器盤は車両のフロントガラスより下方に位置しているため、計器盤に表示された情報を運転者が視認するには、運転中に視線を下方に移動させる必要があるため好ましくない。そこで、フロントガラスに画像を投影して、運転者が車両の前方を視認したときに情報を読み取れるようにするヘッドアップディスプレイ（以下ＨＵＤ：Ｈｅａｄ Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）も提案されている（例えば、特許文献１を参照）。このようなＨＵＤでは、フロントガラスの広い範囲に画像を投影するための光学装置が必要であり、光学装置の小型化および軽量化が望まれている。

【0004】

一方で、小型の光学装置を用いて光を投影する画像表示装置としては、メガネ形状をしたヘッドマウント型のＨＵＤが知られている（例えば、特許文献２を参照）。ヘッドマウント型のＨＵＤでは、光源から照射された光を視聴者の眼に直接照射して、視聴者の網膜に画像を投影している。このようなヘッドマウント型のＨＵＤでは、光源から視聴者に光を照射する際に回折格子を備えた光学素子を用いている。このような回折格子を備える光学素子を用いたＨＵＤでは、光源から所定の入射角度で回折格子に光を照射し、回折光が光学素子の内部を導波して光出射部から外部に投影される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１８－１１８６６９号公報

【文献】特表２０１８－５２８４４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、光学素子から光を投影するためには、回折格子やハーフミラーを光出射用の光学要素として、光学素子の導波板内部または外部に設ける必要があった。しかし、光学素子の内部に光出射用の光学要素を形成することは、製造工程が増加するうえに光学素子の小型化が困難になる。また、光学素子の外部に光出射用の光学要素を設けるためにも、光出射用の光学要素を配置できるサイズの導波板を用いる必要があるため、小型化が困難になる。また、微小サイズの光学要素を光出射用の光学要素として用いると、導波板での位置決め精度が必要であり組立工程が煩雑化し、製造歩留まりも低下する。

【0007】

そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、簡便な構造により回折格子での回折光を導波して外部に光を照射でき、小型化が容易な光学素子および画像投影装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明の光学素子は、複数の凸部および凹部が周期的に形成された回折格子部と、前記回折格子部より小さい屈折率の材料からなり、前記回折格子部を覆って形成される導光板部とを備え、前記導光板部は、一方に延伸された第１延伸部を有し、前記第１延伸部の端部近傍には平坦な第１光出射部が形成されており、前記凸部は、主面に対して角度φだけ傾斜してスランテッドグレーティングを構成し、前記第１延伸部は、前記凸部の傾斜方向と反対側に延伸されており、前記回折格子部による回折光のうち少なくとも一方の一次回折光が、前記第１延伸部内を全反射して導波され、前記第１光出射部まで到達することを特徴とする。

【0009】

このような本発明の光学素子では、回折格子部による回折光のうち少なくとも一方の一次回折光が、第１延伸部内を全反射して導波され第１光出射部まで到達し、平坦な第１光出射部から光学素子の外部に光が取り出される。これにより、簡便な構造により回折格子での回折光を導波して外部に光を照射でき、小型化が容易な光学素子および画像投影装置を提供することができる。

【0010】

また、本発明の一態様では、前記導光板部は、前記第１延伸部と反対側に延伸された第２延伸部を有し、前記第２延伸部の端部近傍には平坦な第２光出射部が形成されており、前記回折格子部による回折光のうち他方の二次回折光が、前記第２延伸部内を全反射して導波され、前記第２光出射部まで到達する。

【0012】

また、本発明の一態様では、前記第１光出射部は、前記第１延伸部の端面、表面または裏面の何れか一箇所に設けられている。

【0013】

また、本発明の一態様では、前記回折格子部による回折光のうち、０次回折光および他方の一次回折光は、前記導光板部の主面を透過して出射する。

【0014】

また、本発明の画像表示装置は、上記何れか一つに記載の光学素子と、前記回折格子部に対して光を照射する光源部を備え、前記光源部は、前記凸部の傾斜方向と同じ方向に角度Θだけ傾斜した方向から前記回折格子部に光を照射することを特徴とする。
また、本発明の一態様では、前記導光板部と光学的に結合されて、内部で光を導波するライトガイド部とを備え、前記ライトガイド部は、前記第１光出射部と対向する光入射部と、導波された光を出射する光出射部を備える。

【0015】

また、本発明の一態様では、前記光出射部には、回折格子が形成されている。

【発明の効果】

【0017】

本発明では、簡便な構造により回折格子での回折光を導波して外部に光を照射でき、小型化が容易な光学素子および画像投影装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】第１実施形態における光学素子１０の構造を示す模式断面図である。

【図2】回折格子部１１の構造例を示す部分拡大断面図である。

【図3】第２実施形態における画像投影装置１００の構造を示す模式断面図である。

【図4】第２実施形態における画像投影装置１００の構造を示す模式斜視図である。

【図5】第３実施形態における光学素子１０とライトガイド部２０の配置例を示す模式図である。

【図6】光学素子１０の主面にライトガイド部２０の表面または裏面を対向させた場合の光取り出しを説明する模式図である。

【図7】光学素子１０の端面にライトガイド部２０の端面を対向させた場合の光取り出しを説明する模式図である。

【図8】第４実施形態において、回折格子部１１での光の回折と進行について説明する図であり、図８（ａ）は模式断面図であり、図８（ｂ）は模式斜視図であり、図８（ｃ）は赤色光を入射させた場合の電場Ｅｙ分布を示すグラフであり、図８（ｄ）は緑色光を入射させた場合の電場Ｅｙ分布を示すグラフである。

【図9】＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２を検出するための実験装置の概要を示す模式図である。

【図10】光学素子１０への入射光Ｌｉｎを角度Θで入射させた場合の＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２の出射を模式的に示す斜視図である。

【図11】光学素子１０の断面ＳＥＭ写真である。

【図12】図９に示した装置として赤色レーザを光源として用いて測定した、入射光Ｌｉｎの入射角度Θと光学素子１０からの出射光強度の関係を示したグラフである。

【図13】図９に示した装置での実験を示す写真であり、図１３（ａ）は照明を点灯した状態での赤色光の照射を示し、図１３（ｂ）は照明を消灯した状態での赤色光の照射を示し、図１３（ｃ）は照明を点灯した状態での緑色光の照射を示し、図１３（ｄ）は照明を消灯した状態での緑色光の照射を示している。

【図14】光学素子１０から出射される＋１次光Ｉ１による遠視野像を観測するための実験装置の概要を示す模式図である。

【図15】図１４に示した装置での実験を示す写真であり、図１５（ａ）～（ｃ）は赤色光を入射した場合を示し、図１５（ｄ）～（ｆ）は赤色光を入射した場合を示している。

【図16】図１４に示した装置での、テストターゲットを横方向に移動した場合の遠視野像の観測結果を示す図である。

【図17】投影距離による投影画像の変形について説明する図であり、図１７（ａ）は光学素子１０に入射光Ｌｉｎが集光して照射された場合の回折角度の分布について説明する模式図であり、図１７（ｂ）は遠視野像の変化を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図１は、本実施形態における光学素子１０の構造を示す模式断面図である。図１に示すように光学素子１０は、回折格子部１１と、回折格子部１１を覆って形成される導光板部１２を備えている。回折格子部１１は、複数の凸部および凹部が周期的に形成された光学要素である。導光板部１２は回折格子部１１とは異なる屈折率の材料からなる略平板状の部材である。なお図１は、光学素子１０の構造を模式的に示したものであり、図中の寸法や角度は光学素子１０における実寸を示すものではない。

【0020】

図２は、回折格子部１１の構造例を示す部分拡大断面図である。図２に示すように回折格子部１１は略平板状の板状部１５と、板状部１５の主面に形成された複数の凸部１６を備えている。板状部１５と凸部１６は、同一の材料で一体に形成されている。複数の凸部１６は周期的に並んで形成されており、隣り合う凸部１６の間には凹部が構成される。図１に示した例では、回折格子部１１の凸部１６と凹部は、それぞれ紙面の奥行方向にストライプ状に延伸して形成されている。凸部１６は、板状部１５の主面に対して所定の角度φだけ傾斜して形成されており、スランテッドグレーティングを構成している。

【0021】

図１に示したように、導光板部１２の一面には回折格子部１１の形状となる溝が形成されており、当該溝に回折格子部１１の材料が埋め込まれることで回折格子部１１が構成されている。したがって、導光板部１２は回折格子部を覆って形成されている。

【0022】

また導光板部１２には、回折格子部１１が形成された領域から一方に板状の第１延伸部１３ａが延伸して形成されており、第１延伸部１３ａの端部近傍には平坦な第１光出射部１４ａが設けられている。同様に、導光板部１２には、回折格子部１１が形成された領域から一方に板状の第２延伸部１３ｂが延伸して形成されており、第２延伸部１３ｂの端部近傍には平坦な第２光出射部１４ｂが設けられている。

【0023】

回折格子部１１を構成する材料は限定されないが、導光板部１２との屈折率差が大きな材料を用いることが好ましく、例えばＴｉＯ_２を主成分とする屈折率２．５程度の誘電体を用いることが好ましい。回折格子部１１は公知の方法で形成することができ、例えばフォトリソグラフィ技術やナノインプリント技術、ＥＢＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）技術等を用いることができる。また、導光板部１２を傾斜させた状態で保持し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法等を用いることで、凸部１６を角度φだけ傾斜して形成することができる。

【0024】

回折格子部１１のサイズは特に限定されないが、面内方向にも光を導波できる厚さを有することが好ましく、例えば全厚ｈが７８８±１２ｎｍ程度、凸部１６の高さｄが２１０±１０．５ｎｍ程度、凸部１６の幅ｗが２３０ｎｍ程度、凸部１６の周期Λが６９６ｎｍ程度である。また、導光板部１２のサイズは限定されないが、例えば幅ｄ＝１５ｍｍ、厚さｔ＝０．５～２０ｍｍ程度の大きさが挙げられる。導光板部１２を構成する材料は限定されないが、例えばＳｉＯ_２を主成分とするガラスやポリマーを用いることが好ましい。

【0025】

凸部１６の傾斜角度φは、－４５度以上４５度以下の範囲であることが好ましい。傾斜角度φが上記範囲外の場合には、凸部１６の形成が困難になるうえに、凸部１６が凹部の上方にオーバーハングする領域が大きくなりすぎ、回折格子部１１の面内における周期的な屈折率差が小さくなり、回折格子の機能が低下する。傾斜角度φが小さすぎる場合には、凸部１６が回折格子部１１の主面に垂直なピラードグレーティングに近くなり、スランテッドグレーティングによる利点が生じ難くなる。ここで、スランテッドグレーティングを構成する凸部１６と凹部の形状としては、凸部１６の側面が平行に傾斜している場合だけではなく、凸部１６の両側面の傾斜が異なっている場合も含める。このとき、凸部１６の傾斜角度φとは、凸部１６の上端と下端における中央を結んだ線が、回折格子部１１の主面との間でなす角度である。

【0026】

次に図１を用いて、光学素子１０における光路について説明する。なお図１は、矢印を用いて光学素子１０における光の進行を模式的に示したものであり、正確な光の入射位置や進行経路、出射位置を反映したものではない。

【0027】

図示しない光源部からは、光学素子１０に向けてレーザ光が照射される。ここでレーザ光は位相が揃ったコヒーレントな光であり、コリメートレンズ等によってコリメート光として照射される。光源部から照射された入射光Ｌｉｎは、回折格子部１１の界面に傾斜角度Θで入射し、その一部が界面で反射光Ｒとして反射され、その他の光は回折格子部１１内に入射する。ここで、入射光Ｌｉｎの傾斜角度Θと、回折格子部１１における凸部１６の傾斜方向φとは同じ方向である。また、入射光Ｌｉｎの偏光方向は、凸部１６のストライプとは平行な方向とされている。

【0028】

回折格子部１１内に入射した光は、周期的な凸部１６と導光板部１２との屈折率差により一部が回折光として所定角度で導光板部１２内に到達し、一部は伝搬光として回折格子部１１の板状部１５の面内を漏れ伝搬光として伝搬する。

【0029】

図１に示した例では、回折格子部１１により回折された光のうち、０次光Ｔ１は導光板部１２を透過して導光板部１２の外部に照射される。また、凸部１６が傾斜した方向に回折された一次光（－１次光Ｔ２）も、導光板部１２を透過して導光板部１２の外部に照射される。これは、０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２は、回折格子部１１および導光板部１２の主面に対して垂直に近い角度で回折されるため、導光板部１２と空気層との界面における全反射条件を満たさないためである。

【0030】

また、凸部１６の傾斜と反対方向に回折された一次光（＋１次光Ｉ１）は、導光板部１２と空気層の界面により全反射して第１延伸部１３ａ内を伝搬し、第１延伸部１３ａの端部における平坦な第１光出射部１４ａに到達し、導光板部１２の外部に照射される。同様に、凸部１６の傾斜した方向に回折された二次光（－２次光Ｉ２）も、導光板部１２と空気層の界面により全反射して第２延伸部１３ｂ内を伝搬し、第２延伸部１３ｂの端部における平坦な第２光出射部１４ｂに到達し、導光板部１２の外部に照射される。

【0031】

導光板部１２と空気層の界面での全反射条件は、導光板部１２を構成する材料の屈折率で決まる。したがって、回折格子部１１で回折される＋１次光Ｉ１と－２次光Ｉ２の回折角が、当該全反射条件を満たすように回折格子部１１を設計する。また、光源部からの入射光の傾斜角Θも回折条件と全反射条件を満たすように設定することで、図１に示したように＋１次光Ｉ１と－２次光Ｉ２を導光板部１２内で全反射させ、第１光出射部１４ａおよび第２光出射部１４ｂまで到達させることができる。

【0032】

ここで、第１光出射部１４ａおよび第２光出射部１４ｂは平坦な面として形成されており、全反射条件を満たしてしまうと光の取り出しができないため、空気層との屈折率差を小さくするための反射防止膜や屈折率調整膜を形成する等により光取り出しを行う。また、後述するように、他の導光部材を第１光出射部１４ａおよび第２光出射部１４ｂに近接して配置することで、他の導光部材に光を伝搬させるとしてもよい。

【0033】

なお、導光板部１２から照射される０次光Ｔ１、－１次光Ｔ２、＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２は、実際には導光板部１２と外部との屈折率差によって屈折して角度が変化するが、図１では簡便のために直線状の矢印で表現している。

【0034】

上述したように、本実施形態の光学素子１０では、回折格子部１１による回折光のうち凸部１６の傾斜と反対側に回折される一次回折光（＋１次光Ｉ１）が、第１延伸部１３ａ内を全反射して導波され、第１光出射部１４ａまで到達し、平坦な第１光出射部１４ａから光学素子の外部に光が取り出される。これにより、簡便な構造により回折格子部１１での回折光を導波して外部に光を照射でき、小型化が容易となる。

【0035】

また、回折格子部１１による回折光のうち凸部１６の傾斜と同じ側に回折される二次回折光（－２次光Ｉ２）が、第２延伸部１３ｂ内を全反射して導波され、第２光出射部１４ｂまで到達し、平坦な第１光出射部１４ｂから光学素子の外部に光が取り出される。これにより、一つの回折格子部１１に一つの光源部から入射光Ｌｉｎを照射するだけで、＋１次光Ｉ１とは反対方向にも－２次光Ｉ２を伝搬させることができる。

【0036】

また、回折格子部１１による回折光のうち０次回折光（０次光Ｔ１）と、凸部１６の傾斜と同じ側に回折される一次回折光（－１次光Ｔ２）は、回折格子部１１が形成されて領域から外部に取り出される。これにより、＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２の他に、さらに二方向に対して光を照射することができる。

【0037】

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図３、図４を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図３は、本実施形態における画像投影装置１００の構造を示す模式断面図である。図４は、本実施形態における画像投影装置１００の構造を示す模式斜視図である。図３，図４に示すように、画像投影装置１００は、第１実施形態で示した光学素子１０と、ライトガイド部２０と、プリズム部３０と、投影板部４０とを備えている。また、ライトガイド部２０は、光入射部２１と、導波部２２と、光出射部２３を備えている。

【0038】

ライトガイド部２０は、光学素子１０に隣接して設けられた光学部材であり、光学素子１０が出射する光に対して透明な材料で構成されている。ライトガイド部２０のうち、光学素子１０の第１光出射部１４ａ、第２光出射部１４ｂと対向する領域には光入射部２１が形成されており、光学素子１０内部を伝搬して第１光出射部１４ａ、第２光出射部１４ｂまで到達した光が、ライトガイド部２０内部に取り込まれる。また、ライトガイド部２０は光入射部２１と同じ材料で一体に形成された導波部２２を備えており、光入射部２１から取り込まれた光は、導波部２２の内部を全反射しながら伝搬して光出射部２３まで到達する。光出射部２３は、ライトガイド部２０から外部に光を取り出すための光学的な要素であり、例えば回折格子を用いることができる。

【0039】

図３では、光入射部２１として導波部２２の端面を傾斜させた形状を示しているが、光学素子１０の第１光出射部１４ａ、第２光出射部１４ｂに対向して設けられていれば形状は限定されない。また、光入射部２１と第１光出射部１４ａおよび第２光出射部１４ｂとの間は、間隙が設けられていても接触していてもよい。また図３では、導波部２２として平板状の形状を示しているが、内部を光が全反射して伝搬できれば曲面形状であってもよい。また、光出射部２３の回折格子は、導波部２２の一部に溝を形成することで構成してもよく、導波部２２とは別体で回折格子を形成して接着するとしてもよい。

【0040】

プリズム部３０は、光学素子１０の０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２が照射される光路上に配置された光学部材であり、０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２を屈折させて照射方向を変更する。図３では、プリズム部３０として二枚のプリズムを重ね合わせた構造を示しているが、さらに多数のプリズムを用いるとしてもよく、単一のプリズムを用いるとしてもよい。また、プリズム部３０の代わりにレンズ等を用いるとしてもよい。また、プリズム部３０はライトガイド部２０とは別体に形成するとしてもよく、一体に形成するとしてもよい。

【0041】

投影板部４０は、０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２の光路上に配置された部材であり、０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２の少なくとも一部を反射する部材で構成されている。０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２が投影板部４０に到達すると、光の一部が反射されるため視聴者は０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２により照射された光により画像を視認することができる。投影板部４０の具体的材料は限定されないが、紙や樹脂、ガラス等を用いることができる。また、車両のフロントガラスやヘルメットのウィンドシールド、スクリーンや壁面等を投影板部４０として用いることができる。

【0042】

図３、図４に示したように、光源部から照射された入射光Ｌｉｎは、光学素子１０の回折格子部１１に入射角Θで入射し、一部が反射光Ｒとして反射され、一部が回折格子部１１内に到達する。回折格子部１１内に到達した光は、回折条件を満たす方向に回折される。回折格子部１１による０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２は、導光板部１２を透過してプリズム部３０に入射し、画像投影装置１００の前方（図３における紙面上方）に照射される。回折格子部１１による＋１次光Ｉ１と－２次光Ｉ２は、第１光出射部１４ａおよび第２光出射部１４ｂから光入射部２１に到達し、導波部２２内を全反射して光出射部２３に到達し、画像投影装置１００の後方（図３における紙面下方）に照射される。

【0043】

光出射部２３から照射された０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２は、光径を拡大しながら視聴者の視点に到達する。これにより、視聴者にはライトガイド部２０よりも遠方に焦点を結んで進行してきた光と同じ光路となり、視聴者は空間上にエアリアルイメージＡ１，Ａ２を視認する。また、プリズム部３０を介して前方に照射された０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２は、投影板部４０の表面上に投影画像Ｖ１，Ｖ２を投影する。したがって視聴者は、空間上に結像されたエアリアルイメージＡ１，Ａ２と、投影板部４０表面に投影された投影画像Ｖ１，Ｖ２を同時に視認することができる。ここで、エアリアルイメージＡ１，Ａ２の結像位置が投影画像Ｖ１，Ｖ２と視点との間になるように設計する場合には、投影画像Ｖ１，Ｖ２とエアリアルイメージＡ１，Ａ２を重ね合わせて視認させることができる。

【0044】

上述したように本実施形態の画像投影装置１００では、光学素子１０に隣接してライトガイド部２０を配置することで、光学素子１０の内部を伝搬して第１光出射部１４ａおよび第２光出射部１４ｂまで到達した光を良好に導波して、光出射部２３で外部に対して光を照射することができる。光学素子１０として第１実施形態に示したものを用いることで、簡便な構造により回折格子部１１での回折光を導波して外部に光を照射でき、小型化が容易となる。

【0045】

また、光学素子１０は回折条件や全反射条件、入射光Ｌｉｎの入射角度φ等の制約が厳しく自由度が低いが、光学素子１０とは別体でライトガイド部２０を構成することで、導波部２２と光出射部２３の設計を変更するだけで光出射方向を調整することができるため、画像投影装置１００全体としての設計自由度は向上する。

【0046】

また、光学素子１０の前方にプリズム部３０を配置することで、光学素子１０から照射される０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２を適切な位置に投影して投影画像Ｖ１，Ｖ２を表示することが可能となる。

【0047】

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図５～図７を用いて説明する。第２実施形態と重複する内容は説明を省略する。本実施形態では、光学素子１０とライトガイド部２０の間で光学的な結合をするための他の構造例を説明する。図５は、本実施形態における光学素子１０とライトガイド部２０の配置例を示す模式図である。

【0048】

図５（ａ）に示す例では、光学素子１０の端面に光出射部１４（第１光出射部１４ａ、第２光出射部１４ｂ）が設けられており、ライトガイド部２０の端面に光入射部２１が設けられている。また、ライトガイド部２０の厚さ方向における略中央の位置で、光出射部１４と光入射部２１とが対向して配置されている。

【0049】

図５（ｂ）に示す例では、光学素子１０の端面に光出射部１４が設けられており、ライトガイド部２０の端面に光入射部２１が設けられている。また、ライトガイド部２０の表面または裏面に近い位置で、光出射部１４と光入射部２１とが対向して配置されている。

【0050】

図５（ｃ）に示す例では、光学素子１０の主面に光出射部１４が設けられており、ライトガイド部２０の表面または裏面に光入射部２１が設けられており、光出射部１４と光入射部２１が対向して配置されている。

【0051】

図６は、光学素子１０の主面にライトガイド部２０の表面または裏面を対向させた場合の光取り出しを説明する模式図である。図６（ａ）は、光学素子１０の主面全体を覆ってライトガイド部２０が配置された例を示し、図６（ｂ）は、回折格子部１１が設けられた領域を除いて延伸部１３（第１延伸部１３ａ、第２延伸部１３ｂ）にのみライトガイド部２０が配置された例を示している。また、図６（ａ）では光学素子１０の光出射部１４とライトガイド部２０の光入射部２１との間には間隙２４が設けられた例を示しており、図６（ｂ）では、間隙２４に屈折率調整層２５が形成された例を示している。

【0052】

ここで間隙２４としては、延伸部１３内を伝搬してきた光が、光出射部１４で全反射せずに導波部２２に伝搬するように、光学的に結合されうる距離とすることが好ましい。具体的には、例えば１００λμｍ以下の距離とすることが好ましい。また、屈折率調整層２５としては、延伸部１３および導波部２２を構成する材料と屈折率が近い材料を用いることが好ましく、例えば両者との屈折率差が０．２６以下であることが好ましい。屈折率調整層２５としては例えば屈折率１．５２の接触液を用いることができる。また、延伸部１３と導波部２２とが光学的に結合せず、延伸部１３と空気層との界面で光を全反射させる距離の間隙２４を設け、光出射部１４および光入射部２１との間にのみ屈折率調整層２５を設けるとしてもよい。

【0053】

図６（ａ）（ｂ）に示したように、回折格子部１１に照射された入射光Ｌｉｎは、回折格子部１１で回折されて０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２が出射し、＋１次光Ｉ１と－２次光Ｉ２が延伸部１３内を全反射して伝搬する。回折光の出射角度は、入射光Ｌｉｎの波長、入射位置、入射角度および回折格子部１１の光学設計によって決まるため、導光板部１２の厚さと延伸部１３の長さを適切に設定することで、光出射部１４の位置を決めることができる。

【0054】

光出射部１４まで到達した光は、間隙２４または屈折率調整層２５を介して対向配置された光入射部２１から導波部２２内に伝搬する。導波部２２内に入射した光は全反射しながらライトガイド部２０を伝搬して光出射部２３まで到達し、外部に照射される。ここで、光出射部１４から光入射部２１に入射する光は、前述したように入射光Ｌｉｎの波長、入射位置、入射角度および回折格子部１１の光学設計によって、光出射位置および光出射角度が決まる。したがって、ライトガイド部２０の厚さや形状、長さを適切に設定することで、光出射部２３に光を到達させることができる。

【0055】

図６では光学素子１０の主面のうち、回折格子部１１が設けられていない表面側に光出射部１４を設けた例を示したが、回折格子部が設けられた裏面側に光出射部１４を設けるとしてもよい。その場合には、ライトガイド部２０の表面側に光入射部２１を設け、光学素子１０をライトガイド部２０の表面側に対向して配置する。

【0056】

図７は、光学素子１０の端面にライトガイド部２０の端面を対向させた場合の光取り出しを説明する模式図である。図７（ａ）に示す例では、ライトガイド部２０の厚さ方向における略中央の位置で、光出射部１４と光入射部２１とが対向して配置されている。図７（ｂ）に示す例では、ライトガイド部２０の表面または裏面に近い位置で、光出射部１４と光入射部２１とが対向して配置されている。図７（ｃ）に示す例では、光学素子１０の端面とライトガイド部２０の端面における一部が傾斜して形成されており、それぞれの傾斜面が光出射部１４と光入射部２１として対向配置されている。図７（ａ）～図７（ｃ）では、光出射部１４と光入射部２１の間に屈折率調整層２５が設けられた例を示したが、両者の間に間隙２４を設けて空気層を介在させるとしてもよい。

【0057】

図７に示した例でも、回折光の出射角度は、入射光Ｌｉｎの波長、入射位置、入射角度および回折格子部１１の光学設計によって決まるため、導光板部１２の厚さと延伸部１３の長さを適切に設定することで、光出射部１４の位置を決めることができる。また、ライトガイド部２０の厚さや形状、長さを適切に設定することで、光出射部２３に光を到達させることができる。

【0058】

本実施形態の光学素子１０では、光出射部１４（第１光出射部１４ａ、第２光出射部１４ｂ）を平坦な面で構成しているため、ライトガイド部２０の光入射部２１を平坦な面で構成して対向させるだけで、内部を伝搬する光の結合を行うことができる。これにより光学素子１０では、簡便な構造により回折格子部１１での回折光を導波して外部に光を照射でき、小型化も容易となる。

【0059】

また、延伸部１３（第１延伸部１３ａ、第２延伸部１３ｂ）の表面、裏面または端面に光出射部１４を設けることで、特別な加工を必要とせず導光板部１２を略平板状の部材をそのまま用いることができる。また、延伸部１３の端面を傾斜面として、傾斜面に光出射部１４を設けることで、延伸部１３内を全反射して伝搬してきた光が、光出射部１４において全反射条件を満たさず、良好に光入射部２１に対して光を伝搬することができる。

【0060】

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図８～図１３を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図８は、本実施形態において、回折格子部１１での光の回折と進行について説明する図であり、図８（ａ）は模式断面図であり、図８（ｂ）は模式斜視図であり、図８（ｃ）は赤色光を入射させた場合の電場Ｅｙ分布を示すグラフであり、図８（ｄ）は緑色光を入射させた場合の電場Ｅｙ分布を示すグラフである。図８（ａ）において紙面に垂直な方向をｘ軸とし、紙面右方向をｙ軸とし、紙面上方向をｚ軸としている。図８（ｂ）中に示したｘ軸ｙ軸ｚ軸は図８（ａ）と同じ方向を示している。

【0061】

図８（ａ）（ｂ）に示したように、回折格子部１１は全体の厚さｈのＴｉＯ_２からなり、主面に対して斜め方向に凹部を形成することでスランテッドグレーティングが形成されている。回折格子部１１上には凸部１６および凹部を覆ってＳｉＯ_２からなる導光板部１２が形成されている（図示省略）。凸部１６は高さがｄ、幅がＷ、ピッチがΛであり、－ｙ方向に角度φだけ傾斜して形成されている。入射光Ｌｉｎは、ｘ軸方向に偏光しており、回折格子部１１の裏面に対して垂直から－ｙ方向に角度Θだけ傾斜した方向から入射される。

【0062】

図８（ｃ）（ｄ）は、それぞれ入射光Ｌｉｎの波長を赤色の６３２．８ｎｍと、緑色の５３２ｎｍとして、有限差分時間領域ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法を用いて電場Ｅｙ分布をシミュレーションした結果を示している。図中横軸は凸部１６と凹部が周期的に並ぶｙ軸方向の位置を示し、図中に示した縦に伸びる破線は入射光Ｌｉｎの光径の外周位置を示している。図中縦軸は高さ方向であるｚ軸方向の位置を示し、原点は回折格子部１１の裏面を示している。また、図中に白抜きでグレーティング形状を示しており、図中の濃淡は電場分布を示している。

【0063】

シミュレーション条件としては回折格子部１１の屈折率を２．５２とし、導光板部１２の屈折率を１．５４とし、空気の屈折率を１．００とした。また、凸部１６と凹部のピッチΛは７０４ｎｍとし、凸部１６の幅Ｗを２３０ｎｍとし、凸部１６の高さｄを２１０ｎｍとし、回折格子部１１全体の厚さｈを１．０μｍとした。また、入射光Ｌｉｎを直径１０μｍの発散角６．１２度とした。スランテッドグレーティングの傾斜角度φは５５度に設定した。また、入射光Ｌｉｎの回折格子部１１裏面への入射角度Θは２３度とした。

【0064】

図８（ｃ）（ｄ）の上段に示したグラフは、入射光Ｌｉｎの入射位置よりも左側を示しており、入射光Ｌｉｎの入射位置よりも－ｙ方向に進行する光を示している。図８（ｃ）（ｄ）の下段に示したグラフは、入射光Ｌｉｎの入射位置よりも右側を示しており、入射光Ｌｉｎの入射位置よりも＋ｙ方向に進行する光を示している。図中に示した矢印は、光学素子１０の内部における光の伝搬ベクトルである。

【0065】

図８（ｃ）（ｄ）に示すように、回折格子部１１の内部では、入射光Ｌｉｎの入射位置よりも後方に対して進行する光と、前方に対して漏れ伝搬光として進行する光が存在する。また、スランテッドグレーティングで回折された光は導光板部１２内で０次光Ｔ１、－１次光Ｔ２、＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２として進行する。

【0066】

次に、上述した回折格子部１１を備える光学素子１０を用意し、入射光Ｌｉｎを照射して＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２の検出する実験を行った。図９は、＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２を検出するための実験装置の概要を示す模式図である。光源として、緑色レーザ（波長５３２ｎｍの連続光）、波長可変レーザ（波長８５２．３±１５ｎｍの連続光）、赤色レーザ（波長６３２．８ｎｍの連続光）を用意した。

【0067】

３つの光源の光路上に、それぞれミラーＭ１、フリップミラーＦＭ１，ＦＭ２を配置し、同一光路でミラーＭ２に光を到達させる。ミラーＭ２で反射された光は、半波長板ＨＷＰ、偏光子Ｐ、アパチャーＡＰ、レンズを経てミラーＭ３に到達する。ミラーＭ３は回転ステージ上に配置されており、回転ステージの回転に伴って光路に対する角度を可変とされている。また、光学素子１０は二重回転ステージ上に配置されており、二重回転ステージは移動ステージ上に配置されている。ミラーＭ３に到達した光は、反射されて光学素子１０の回折格子部１１に入射し、導光板部１２内を全反射されて第１光出射部１４ａと第２光出射部１４ｂから、それぞれ＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２が出射される。

【0068】

回転ステージを回転させてミラーＭ３への光の入射角度を変化させると、ミラーＭ３での反射光が到達する位置は変化するが、移動ステージ上の二重回転ステージを図中上下方向に移動させることで、回折格子部１１に反射光を入射させることができる。また、二重回転ステージを回転させることで、ミラーＭ３からの反射光が回折格子部１１に入射する角度Θを変更することができる。したがって、＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２の出射方向に受光装置を配置することで、回折格子部１１への入射光Ｌｉｎの入射角度Θと、＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２の出射光強度の関係を測定することができる。

【0069】

図１０は、光学素子１０への入射光Ｌｉｎを角度Θで入射させた場合の＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２の出射を模式的に示す斜視図である。入射光Ｌｉｎが入射した回折格子部１１には発光が生じ、第１延伸部１３ａおよび第２延伸部１３ｂには内部全反射（ＴＩＲ：Ｔｏｔａｌ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）の輝点が生じる。第１延伸部１３ａおよび第２延伸部１３ｂの端部に設けられた第１光出射部１４ａおよび第２光出射部１４ｂからは、＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２が外部に照射される。また、回折格子部１１が設けられた領域では、光学素子１０の主面から０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２が照射される。

【0070】

図１１は、光学素子１０の断面ＳＥＭ写真である。図中下方の領域は空気層であり、ＴｉＯ_２で構成された回折格子部１１と、回折格子部１１を覆って形成されたＳｉＯ_２からなる導光板部１２が積層されている。図中に示したように、紙面に垂直方向がｘ軸方向であり、図中右方向がｙ軸方向であり、図中上方向がｚ軸方向である。空気層中に描かれた矢印は入射光Ｌｉｎの入射位置と反射光Ｒを模式的に示している。回折格子部１１内に示された実線の矢印は、スランテッドグレーティングで回折される入射光Ｌｉｎの光路を示しており、破線で示された矢印は漏れ伝搬光を模式的に示している。導光板部１２内に示された矢印はそれぞれ、回折格子部１１で回折された０次光Ｔ１、－１次光Ｔ２、＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２の進行方向を示している。

【0071】

図１１に示したように、入射光Ｌｉｎの入射角度Θ＝２３度の場合には、０次光Ｔ１は３１度方向に回折され、－１次光Ｔ２は－１２度方向に回折され、＋１次光Ｉ１は５６度方向に回折され、－２次光Ｉ２は－５６度方向に回折される。導光板部１２と空気層との屈折率から、導光板部１２での全反射条件は４２．７度であり、＋１次光Ｉ１と－２次光Ｉ２は全反射条件を満たしている。

【0072】

図１２は、図９に示した装置として赤色レーザを光源として用いて測定した、入射光Ｌｉｎの入射角度Θと光学素子１０からの出射光強度の関係を示したグラフである。丸印でプロットした線は、＋１次光Ｉ１の出射光強度を示している。三角印でプロットした線は、－２次光Ｉ２の出射光強度を示している。大きい四角印でプロットした線は、０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２の合計の出射光強度を示している。小さい四角印でプロットした線は、反射光Ｒの出射光強度を示している。

【0073】

図１２に示したように、２２度≦Θ≦２７度の範囲で＋１次光Ｉ１が観測され、２３度≦Θ≦２５度の範囲で最大の出射光強度が得られた。また、２３度≦Θ≦２５度および３５度≦Θ≦３７．５度の範囲で－２次光Ｉ２が観測され、２３度≦Θ≦２５度の範囲で最大の出射光強度が得られた。したがって、光源部が照射する光が赤色の場合には、入射光Ｌｉｎの入射角度Θを２０度以上３０度以下の範囲とすることで、第１光出射部１４ａから＋１次光Ｉ１を出射することができる。また、入射角度Θを２３度以上２５度以下の範囲とすることで、第１光出射部１４ａからの＋１次光Ｉ１と、第２光出射部１４ｂからの－２次光Ｉ２を同時に出射することができる。また、入射角度Θを３５度以上３７．５度以下の範囲とすることで、第２光出射部１４ｂからだけ－２次光Ｉ２を選択的に出射することができる。

【0074】

光源部が照射する光が緑色の場合には、入射光Ｌｉｎの入射角度Θは、１５．０度以上３０．０度以下の範囲であることが好ましく、より好ましくは１７．０度以上１８．０度以下の範囲である。

【0075】

光源部が照射する光が青色の場合には、入射光Ｌｉｎの入射角度Θは、０度以上１１．０度以下の範囲であることが好ましく、より好ましくは５．０度以上６．０度以下の範囲である。

【0076】

図１３は、図９に示した装置での実験を示す写真であり、図１３（ａ）は照明を点灯した状態での赤色光の照射を示し、図１３（ｂ）は照明を消灯した状態での赤色光の照射を示し、図１３（ｃ）は照明を点灯した状態での緑色光の照射を示し、図１３（ｄ）は照明を消灯した状態での緑色光の照射を示している。

【0077】

図１３（ａ）（ｂ）に示したように、赤色光をΘ＝２３度から照射した際には＋１次光Ｉ１と－２次光Ｉ２が同時に出射され、出射方向は光学素子１０の主面に垂直な方向から２５度から３７度の方向である。また、入射光Ｌｉｎの光強度を１００％とすると、＋１次光Ｉ１の光強度は２３．０％であり、－２次光Ｉ２の光強度は１９．０％であった。

【0078】

図１３（ｃ）（ｄ）に示したように、緑色光をΘ＝１７．５度から照射した際には＋１次光Ｉ１と－２次光Ｉ２が同時に出射され、出射方向は光学素子１０の主面に垂直な方向から２０度から３８度の方向であった。また、入射光Ｌｉｎの光強度を１００％とすると、＋１次光Ｉ１の光強度は１０．０％であり、－２次光Ｉ２の光強度は２０．０％であった。ここで、図１３（ｃ）（ｄ）に示した実験例では、－２次光Ｉ２の出射方向が光学素子１０の光入射面側となっている。しかし、第２延伸部１３ｂの長さを適切に設定して全反射の回数を＋１次光Ｉ１と同じにすることで、＋１次光Ｉ１と同じ面側に出射させることができる。

【0079】

同様に青色光をΘ＝５．５度から照射した際には、＋１次光Ｉ１と－２次光Ｉ２が同時に出射される。また、入射光Ｌｉｎの光強度を１００％とすると、＋１次光Ｉ１と－２次光Ｉ２の光強度は赤色光および緑色光と同様の値となる。

【0080】

上述したように、本実施形態の光学素子１０でも、簡便な構造により回折格子部１１での回折光を導波して外部に光を照射でき、小型化が容易となる。また、入射光Ｌｉｎの入射角度Θを適切な範囲に設定することで、第１光出射部１４ａからの＋１次光Ｉ１の出射と、第２光出射部１４ｂからの－２次光Ｉ２の出射を選択することができる。

【0081】

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図１４～図１７を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図１４は、光学素子１０から出射される＋１次光Ｉ１による遠視野像を観測するための実験装置の概要を示す模式図である。

【0082】

図１４（ａ）に示したように、光源として緑色レーザ、波長可変レーザ、赤色レーザを用意した。３つの光源の光路上に、それぞれミラーＭ１、フリップミラーＦＭ１，ＦＭ２を配置し、同一光路で複数枚のレンズおよびテストターゲットを経て、ミラーＭ２に光を到達させる。ミラーＭ２で反射された光は、半波長板ＨＷＰ、偏光子Ｐ、アパチャーＡＰを経てミラーＭ３に到達する。ミラーＭ３に到達した光は、反射されてレンズを介して光学素子１０の回折格子部１１に入射し、導光板部１２内を全反射されて第１光出射部１４ａから＋１次光Ｉ１が出射される。＋１次光Ｉ１の光路上にスクリーンを置き、第１光出射部１４ａからの距離１００ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍの位置での遠視野像を観察した。

【0083】

図１４（ｂ）はレンズとミラーＭ２の間に配置したテストターゲットの構造を示している。テストターゲットは、透明板に光を遮るための黒色のパターンが形成された部材であり、照射された光のうちパターンが形成された領域は遮られ、パターンが形成されていない領域では光が透過する。図１４（ｂ）中に描いた円形が、光源部から照射された光の光径を示しており、円内に配置されたパターンで光が遮られるため、光学素子１０に入射される光の形状は、円の中央に四角い非照射領域が設けられたものとなる。

【0084】

図１５は、図１４に示した装置での実験を示す写真であり、図１５（ａ）～（ｃ）は赤色光を入射した場合を示し、図１５（ｄ）～（ｆ）は緑色光を入射した場合を示している。図１５（ａ）（ｄ）は１００ｍｍ位置での観測であり、図１５（ｂ）（ｅ）は１５０ｍｍ位置での観測であり、図１５（ｃ）（ｆ）は２００ｍｍ位置での観測である。また、図１５（ａ）（ｄ）内に示した拡大図は、図１４におけるミラーＭ３とレンズの間の位置での入射光Ｌｉｎの形状を示している。

【0085】

図中に破線で示した矢印は、入射光Ｌｉｎと＋１次光Ｉ１の光路を表しており、矢印の先に置いたスクリーン上に遠視野像が観測されている。図１５（ａ）～（ｆ）の何れにおいても、光が照射された領域の略中央に矩形上の非照射領域が形成されている。したがって、本実施形態の光学素子１０では、入射光Ｌｉｎでの形状が反映された遠視野像を形成することが確認できる。

【0086】

図１６は、図１４に示した装置での、テストターゲットを横方向に移動した場合の遠視野像の観測結果を示す図である。図１６（ａ）は、テストターゲット（Ｔ．Ｔ．）の移動方向と遠視野像の観測を示す模式図である。スクリーン位置は１００ｍｍとしている。テストターゲットは図１４（ｂ）に示したものを用いている。

【0087】

図１６（ｂ）～（ｇ）は、スクリーン上で観測された遠視野像を示す写真であり、図１６（ｂ）～（ｄ）は赤色光を入射した場合を示し、図１６（ｅ）～（ｇ）は緑色光を入射した場合を示している。また、テストターゲットの移動量は、図１６（ｂ）（ｅ）では＋１０ｍｍであり、図１６（ｃ）（ｆ）では０ｍｍであり、図１６（ｄ）（ｇ）では－１０ｍｍである。図中に示した破線の矢印は、テストターゲットでの矩形パターンの一辺の位置を示している。図１６（ｂ）～（ｇ）に示したように、テストターゲットを横方向に移動するに伴い、スクリーン上に投影された遠視野像も移動することが確認できる。

【0088】

図１６（ｈ）（ｉ）は、遠視野像における光強度分布を示すグラフであり、図１６（ｈ）は赤色の場合を示し、図１６（ｉ）は緑色の場合を示している。グラフ中で最も濃い線が＋１０ｍｍ移動を示し、最も薄い線が０ｍｍ移動を示し、中程度の濃さの線が－１０ｍｍ移動を示している。横軸はスクリーン上での横方向の位置を示しており、５ｍｍ近傍におけるグラフの落ち込みは矩形状のパターンによって光が遮られた非照射領域に対応している。図１６（ｈ）（ｉ）に示したように、テストパターンの移動に伴って非照射領域が移動していることが確認できる。

【0089】

図１７は、投影距離による投影画像の変形について説明する図であり、図１７（ａ）は光学素子１０に入射光Ｌｉｎが集光して照射された場合の回折角度の分布について説明する模式図であり、図１７（ｂ）は遠視野像の変化を示す模式図である。

【0090】

図１７（ａ）に示すように、レンズによって集光された入射光Ｌｉｎは、回折格子部１１に到達する際の入射角度が照射領域によって異なる。したがって、回折格子部１１のスランテッドグレーティングによる回折光の進行方向は、回折格子部１１の面内位置によって異なり、導光板部１２内を全反射（ＴＩＲ）で伝搬する経路も異なる。これにより＋１次光Ｉ１と－２次光Ｉ２は、図１７（ｂ）に示したように、投影距離が１００ｍｍのとき、一軸方向に拡大されたものとなる。投影距離が長くなることによってイメージは更に一軸方向に拡大されている。したがって、投影距離に応じて予め画像の形状を一軸方向に圧縮したものを用いることや、光の出射側に一軸方向の拡大を補正するレンズを配置することで、投影距離による拡大変形を抑制して縦横比が同じ画像を投影することができる。

【0091】

上述したように、本実施形態の光学素子１０では、入射光Ｌｉｎの画像形状が反映された投影画像を遠視野像として投影可能である。また、画像の移動に伴って遠視野像の投影位置を変化させることもできる。また、投影距離に応じて投影画像が一軸方向に拡大されるため、距離に応じて画像を一軸方向に圧縮することで、投影画像の縦横比を一定に保つことができる。

【0092】

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0093】

１００…画像投影装置
１０…光学素子
２０…ライトガイド部
３０…プリズム部
４０…投影板部
１１…回折格子部
１２…導光板部
１３…延伸部
１３ａ…第１延伸部
１３ｂ…第２延伸部
１４…光出射部
１４ａ…第１光出射部
１４ｂ…第２光出射部
１５…板状部
１６…凸部
２１…光入射部
２２…導波部
２３…光出射部
２４…間隙
２５…屈折率調整層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】