JP2017156389A - 光学素子、照明装置、画像表示装置及びプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】均一な面内強度分布の光を出射できる光学素子、照明装置、画像表示装置及びプロジェクターを提供する。【解決手段】第１方向に沿って光を拡大する第１導光光学系と、第１導光光学系の第１方向の両端に配置され、第２方向に沿って光を拡大する第２導光光学系と、を備え、第１導光光学系は、第１導光板と、第２導光光学系からの光を第１導光板に入射させる第１光入射部と、第１光入射部から入射された光を第１方向に沿って入射位置とは逆向きに第１導光板内に伝播させるとともに拡大して外部に出射する第１光出射部と、を含み、第２導光光学系は、第２導光板と、第２導光板における第２方向の両端に設けられ、外部から入射した光を第２導光板に入射させる第２光入射部と、第２光入射部から入射された光を第２方向に沿って入射位置とは逆向きに第２導光板内に伝播させるとともに拡大して第１光入射部に向けて出射する第２光出射部と、を含む。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、光学素子、照明装置、画像表示装置及びプロジェクターに関するものである。

近年、光源から射出した画像光を観察者の眼に導いて、観察者に画像（虚像）を観察させる表示装置として、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ：Head Mounted Display）等の装着型の画像表示装置が注目されている。このようなＨＭＤにおいては、観察者の目に画像光を導くための構成として画像光を入射方向とは異なる方向に回折によって偏向する光学素子を用いている。

ところで、このような光学素子は表示装置のみならず、面状発光の照明装置に用いられることがある。例えば、下記特許文献１に示す照明装置では、ガラス基板の表面に形成した光導波路層上に低屈折率薄膜層を介して形成された回折格子によって導波光を出し入れする導光体を２段設け、１段目の導光体で入射レーザー光を線状ビームに変換し、２段目の導光体で線状ビームを面状に変換している。

特開平０６−０１８７２７号公報

しかしながら、上記照明装置においては、レーザー光の入射位置から離れるに従って出射光量が減衰するため、２段目の導光体の対角方向において出射光量に分布が生じてしまう。このような面状照明装置を液晶ディスプレイのバックライトとして用いると、液晶ディスプレイに表示される画像に明るさムラが生じてしまう。そこで、均一な強度分布の光を出射できる新たな光学素子の提供が望まれている。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、均一な強度分布の光を出射できる光学素子、照明装置、画像表示装置及びプロジェクターを提供することを目的とする。

本発明の第１態様に従えば、入射した光を第１方向に拡大して第１光出射部から出射する第１導光光学系と、入射した光を前記第１方向と交差した第２方向に拡大して第２光出射部から出射する第２導光光学系と、を備え、前記第１導光光学系は、一方の端部に設けられた第１光入射部と、前記一方の端部とは反対側の端部である他方の端部に設けられた第２光入射部と、を備え、前記第２導光光学系は、前記第１導光光学系と光学的に接続し、前記第１導光光学系は、前記第１光入射部に入射した光と前記第２光入射部に入射した光との両方が、それぞれ拡大されて前記第１光出射部から出射する光学系であることを特徴とする光学素子が提供される。

第１態様に係る光学素子によれば、第１導光光学系は両端から入射した光を拡大することで均一な強度の光を出射可能である。よって、第１導光光学系を備えることで、均一な強度の光を出射することができる。

上記第１態様において、入射した光を前記第２方向に拡大して第３光出射部から出射する第３導光光学系を備え、前記第２導光光学系は、前記第２光出射部から出射した光が前記第１光入射部に入射するように配置され、前記第３導光光学系は、前記第３光出射部から出射した光が前記第２光入射部に入射するように配置されているのが好ましい。
この構成によれば、第２導光光学系及び第３導光光学系から出射した光を第１導光光学系により均一化して出射することができる。

さらに、前記第２導光光学系は、前記第２導光光学系の両方の端部からそれぞれ光が入射され、前記第３導光光学系は、前記第３導光光学系の両方の端部からそれぞれ光が入射されるのがより望ましい。
このようにすれば、第２、第３導光光学系は、それぞれ両端から入射した光を拡大することで均一な強度の光を出射可能となる。よって、第２、第３導光光学系を備えることで、より均一な強度の光を出射することができる。

上記第１態様において、前記第１光入射部、及び前記第１光出射部の各々は、それぞれ反射型体積ホログラフィック光学素子を備えるのが好ましい。
この構成によれば、回折効率が高い反射型体積ホログラフィック光学素子を備えるため、高い光利用効率を実現することができる。

上記第１態様において、前記第１光入射部の反射型体積ホログラフィック光学素子の干渉縞の周期は、前記第１光出射部の反射型体積ホログラフィック光学素子の干渉縞の周期と同じ周期となるように設けられているのが好ましい。
この構成によれば、入射角度と同じ角度で光を射出させることができる。

上記第１態様において、前記第１光入射部の反射型体積ホログラフィック光学素子の干渉縞の層内傾斜は、前記第１光出射部の反射型体積ホログラフィック光学素子の干渉縞の層内傾斜と鏡面対象の関係となるように設けられているのが好ましい。
この構成によれば、第１導光光学系において、第１光出射部により光学系内を伝播する光を垂直方向に射出させることができる。

本発明の第２態様に従えば、上記第１態様に係る光学素子と、前記第１光入射部と前記第２光入射部との各々に光を出射する光源と、を備え、前記第１導光光学系は、前記第１光出射部から出射した光が前記第２導光光学系に入射するように配置される照明装置が提供される。

第２態様に係る照明装置によれば、光源からの光を面状に均一な強度分布を有する照明光として照射することができる。

本発明の第３態様に従えば、上記第１態様に係る光学素子と、光学素子と、前記第２導光光学系と前記第３導光光学系との各々に光を出射する光源と、を備える照明装置が提供される。

第３態様に係る照明装置によれば、光源からの光を面状に均一な強度分布を有する照明光として照射することができる。

上記第２，３態様において、前記光源は、光を分岐する分岐光学系を備え、前記分岐光学系は、導光部材と、光を分岐して前記導光部材に入射させる分岐入射部と、前記分岐入射部から入射された分岐光を前記光学素子に向けて出射する分岐出射部と、を有するのが好ましい。
この構成によれば、１つの光を分岐して光学素子に入射させることができる。
さらに、前記導光部材は平面視で矩形状であり、前記分岐入射部は、前記分岐光が平面視で前記導光部材の対角四隅に向かうように光を分岐するのが望ましい。
このようにすれば、１つの光源からの光を分岐して光学素子の四隅に良好に入射させることができる。
本構成においては、前記光源から射出した光を反射して前記分岐光学系に導くミラーをさらに備えても良い。
このようにすれば、光の進行方向をミラーで変更できるので、光の進行方向に沿って直線状に分岐光学系を配置する必要がない。よって、分岐光学系の配置レイアウトの自由度が高まるので、照明装置のサイズを小さくすることができる。

本発明の第４態様に従えば、上記第２、第３態様に係る照明装置と、前記照明装置からの照明光を変調する光変調装置と、を備える画像表示装置が提供される。

第４態様に係る画像表示装置によれば、明るく均一な強度分布の照明光を変調するので、高品質な画像を表示することができる。

上記第４態様において、前記光変調装置により変調された画像光を観察者の眼に導く導光手段をさらに備えるのが好ましい。
この構成によれば、観察者の眼に明るい画像を直接導くヘッドマントディスプレイを提供することができる。
さらに、前記導光手段は、反射型体積ホログラフィック光学素子を含むのが望ましい。
この構成によれば、画像光とともに外光（シースルー光）を視認可能なヘッドマウントディスプレイを提供できる。

本発明の第５態様に従えば、上記第３，４態様に係る照明装置と、前記照明装置からの光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、前記画像光を投写する投写光学系と、を備えるプロジェクターが提供される。

第５態様に係るプロジェクターによれば、明るく均一な強度分布の照明光を変調するので、高品質な画像を投写することができる。

第１実施形態に係る照明装置をｚ方向から視た図。 第１実施形態に係る照明装置をｘ方向から視た図。 第１実施形態に係る照明装置をｙ方向から視た図。 導光板出力光の各出力光における光強度分布を示した図。 比較例に係る照明装置の構成をｚ方向から視た図。 比較例に係る照明装置の構成をｘ方向から視た図。 比較例に係る照明装置の構成をｙ方向から視た図。 第２実施形態に係る照明装置の構成を示す断面図。 光源装置の構成を示す図。 光源装置の構成を示す図。 変形例に係る光源装置の構成を示す図。 第３実施形態に係る照明装置の構成を示す断面図。 第４実施形態に係る液晶表示装置をｚ方向から視た図。 第４実施形態に係る液晶表示装置の断面図。 変形例に係る液晶表示装置の構成を示す図。 第５実施形態に係るＨＭＤの断面構成を示す図。 変形例に係るＨＭＤの断面構成を示す図。 第６実施形態に係るプロジェクターの概略構成図。 変形例に係るプロジェクターの概略構成図。 変形例に係るプロジェクターの概略構成図。

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。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態に係る照明装置について説明する。
図１Ａ〜１Ｃは照明装置の構成を示す図である。なお、図１Ａ〜１Ｃでは照明装置を３方向から視た構成を示すものである。以下の説明に用いる図面において、必要に応じてｘｙｚ座標系を用いる。Ｚ方向は光学素子からの光射出方向に相当し、ｘ方向は光学素子を構成する導光板の表面と平行な平面を規定する一方向に相当し、ｙ方向はｘ方向及びｚ方向に直交する方向に相当する。

図１Ａ〜１Ｃに示すように、本実施形態の照明装置１００は、光源１０と、面状展開光学系２０とを備えている。光源１０は、面状展開光学系２０に対してレーザー光からなる入射光を照射する。本実施形態において、光源１０は入射光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を射出する４つの光源部１０ａを有する。なお、本実施形態において、光源部１０ａは、入射光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４として波長が緑領域にあるレーザー光を射出する半導体レーザーから構成される。光源１０は、各光源部１０ａから射出した入射光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を平行な光に変換するコリメーターレンズ１０ｂをさらに備える。

面状展開光学系２０は、本発明の光学素子の一態様により構成されるものである。
面状展開光学系２０は、光源１０（外部）から入射される入射光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を拡大することで面状に配置された複数の光を含む照明光を生成する。

本実施形態において、面状展開光学系２０は、第１導光光学系２１と、第２導光光学系２２と、第３導光光学系２３と、を備える。なお、第２導光光学系２２及び第３導光光学系２３は、第１導光光学系２１と光学的に接続される。ここで、光学的に接続されるとは、一方から出射した光が他方に入射する関係をいう。つまり、第２導光光学系２２及び第３導光光学系２３から出射した光が第１導光光学系２１に入射する場合と、第１導光光学系２１から出射した光が第２導光光学系２２及び第３導光光学系２３の少なくとも一方に入射する場合を含む。本実施形態では、後述のように第２導光光学系２２及び第３導光光学系２３から出射した光が第１導光光学系２１に入射する場合を例に挙げて説明する。

第１導光光学系２１は、光源１０からの入射光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４が入射されるようになっている。第１導光光学系２１は、第１導光板１１と、光入射部１２と、第１光出射部１３とを含む。
第１導光板１１は、例えばガラスあるいは光学樹脂から構成され、ｘ方向に長辺を有するとともにｙ方向に短辺を有した平面形状が矩形の平行平板である。本実施形態において、第１導光板１１は、例えばガラス基板から構成されている。

光入射部１２は、第２導光光学系２２及び第３導光光学系２３からの光を第１導光板１１に入射させる。光入射部１２は、該光入射部１２に入射する光を＋ｘ方向に回折する機能を有している。

光入射部１２は、第１光入射部１２Ａ及び第２光入射部１２Ｂを含む。
第１第１光入射部１２Ａは、第１導光板１１の−ｘ側の端部において、該第１導光板１１の下面１１ａ（−ｚ方向側の面）に設けられている。第１光入射部１２Ａには後述のように第２導光光学系２２からの光が入射されるようになっている。

第２光入射部１２Ｂは、第１導光板１１の＋ｘ側の端部において、該第１導光板１１の下面１１ａに設けられている。第２光入射部１２Ｂには後述のように第３導光光学系２３からの光が入射されるようになっている。
本実施形態において、第１光入射部１２Ａ，１２Ｂは、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ；Holographic Optical Element)から構成されている。本実施形態では、ＨＯＥの中でも１次回折効率を高くできる反射型体積ＨＯＥを用いている。

本実施形態において、第１光出射部１３は反射型体積ＨＯＥから構成されている。第１光出射部１３は、該第１光出射部１３に入射する光を＋ｚ方向に回折する機能を有している。

第１光出射部１３は、光入射部１２から入射された光を、ｘ方向（第１方向）に沿って第１導光板１１内に伝播させるとともに拡大して外部に出射する。
第１光出射部１３は、第１導光板１１の下面１１ａのうち、第１光入射部１２Ａ及び第２光入射部１２Ｂに挟まれた領域に設けられている。

第１光出射部１３は、第１ＨＯＥ層１３Ａと第２ＨＯＥ層１３Ｂとを積層した構造を有する。第１ＨＯＥ層１３Ａは、第２導光光学系２２により第１導光板１１内に入射された光を回折して外部に出射する。第２ＨＯＥ層１３Ｂは、第３導光光学系２３により第１導光板１１内に入射された光を回折して外部に出射する。

第２導光光学系２２は、第１導光光学系２１の−ｘ方向側（第１方向の一方側）の上面２１ａ（第１面）側に配置され、ｙ方向（第１方向と直交する第２方向）に沿って入射角と同じ角度で光を拡大させる。なお、光を拡大させる原理については後述する。

第２導光光学系２２は、第２導光板１４と、光入射部１５と、第２光出射部１６とを含む。第２導光板１４はｙ方向に長辺を有するとともにｘ方向に短辺を有した平面形状が細長い矩形の平行平板から構成される。本実施形態において、第２導光板１４は、例えばガラス基板から構成されている。

光入射部１５は、第２導光板１４におけるｙ方向の両端に設けられ、光源１０から入射した光を第２導光板１４に入射させる。光入射部１５は、該光入射部１５に入射する光をｙ方向に回折する機能を有している。

光入射部１５は、光入射部１５Ａ及び光入射部１５Ｂを含む。
光入射部１５Ａは、第２導光板１４の＋ｙ側の端部において、該第２導光板１４の上面１４ａ（＋ｚ方向側の面）に設けられている。
光入射部１５Ｂは、第２導光板１４の−ｙ側の端部において、該第２導光板１４の上面１４ａに設けられている。

第２光出射部１６は、光入射部１５から入射された光をｙ方向に沿って入射位置とは逆向きに第２導光板１４内に伝播させるとともに拡大して第１導光光学系２１の第１光入射部１２Ａに出射する。
第２光出射部１６は、第２導光板１４の上面１４ａのうち、光入射部１５Ａ，１５Ｂに挟まれた領域に設けられている。第２光出射部１６は、ｚ方向から平面視した場合において、少なくとも第１光入射部１２Ａと重なる大きさに設定されている。第２光出射部１６は、該第２光出射部１６に入射する光を−ｚ方向に回折する機能を有している。

本実施形態において、光入射部１５及び第２光出射部１６は反射型体積ＨＯＥから構成されている。

第２光出射部１６は、第１ＨＯＥ層１６Ａと第２ＨＯＥ層１６Ｂとを積層した構造を有する。第１ＨＯＥ層１６Ａは、光入射部１５Ａにより第２導光板１４内に入射された光を回折して第１導光板１１に向けて出射する。第２ＨＯＥ層１６Ｂは、光入射部１５Ｂにより第２導光板１４内に入射された光を回折して第１導光板１１に向けて出射する。

第３導光光学系２３は、第１導光光学系２１の＋ｘ方向側（第１方向の他方側）の上面２１ａ側に配置され、ｙ方向に沿って入射角と同じ角度で光を拡大させる。なお、光を拡大する原理については後述する。

第３導光光学系２３は、第３導光板１７と、光入射部１８と、第３光出射部１９とを含む。第３導光板１７は、ｙ方向に長辺を有する平行平板から構成される。本実施形態において、第３導光板１７は、例えばガラス基板から構成されている。

光入射部１８は、第３導光板１７におけるｙ方向の両端に設けられ、光源１０から入射した光を第３導光板１７に入射させる。光入射部１８は、光入射部１８Ａ及び光入射部１８Ｂを含む。

光入射部１８Ａは、第３導光板１７の＋ｙ側の端部において、該第３導光板１７の上面１７ａ（＋ｚ方向側の面）に設けられている。
光入射部１８Ｂは、第３導光板１７の−ｙ側の端部において、該第３導光板１７の上面１７ａに設けられている。

第３光出射部１９は、光入射部１８から入射された光をｙ方向に沿って入射位置とは逆向きに第３導光板１７内に伝播させるとともに拡大して第１導光光学系２１の第２光入射部１２Ｂに出射する。
第３光出射部１９は、第３導光板１７の上面１７ａのうち、光入射部１８Ａ，１８Ｂに挟まれた領域に設けられている。第３光出射部１９は、ｚ方向から平面視した場合において、少なくとも第２光入射部１２Ｂと重なる大きさに設定されている。

本実施形態において、光入射部１８及び第３光出射部１９は反射型体積ＨＯＥから構成されている。

第３光出射部１９は、第１ＨＯＥ層１９Ａと第２ＨＯＥ層１９Ｂとを積層した構造を有する。第１ＨＯＥ層１９Ａは、光入射部１８Ａにより第３導光板１７内に入射された光を回折して第１導光板１１に向けて出射する。第２ＨＯＥ層１９Ｂは、光入射部１８Ｂにより第３導光板１７内に入射された光を回折して第１導光板１１に向けて出射する。

本実施形態において、光源１０から射出された入射光Ｌ１，Ｌ２は、第２導光光学系２２の光入射部１５に入射される。具体的に、入射光Ｌ１は光入射部１５Ａに入射され、入射光Ｌ２は光入射部１５Ｂに入射される。

本実施形態において、入射光Ｌ１は光入射部１５Ａに対して垂直に入射する。入射光Ｌ１は光入射部１５Ａによって第２導光板１４の臨界角より大きな角度で反射され、第２導光板１４内を全反射によって伝播する。
同様に、入射光Ｌ２は光入射部１５Ｂに対して垂直に入射し、光入射部１５Ｂによって第２導光板１４の臨界角より大きな角度で反射され、第２導光板１４内を全反射によって伝播する。

本実施形態では、光入射部１５を反射型体積ＨＯＥで構成することで、ミラーを用いた構成に比べて光学系全体の薄型化を図るとともに、入射光Ｌ１，Ｌ２を高い効率で第２導光板１４内に導入している。本実施形態では、ＨＯＥの中でも１次回折効率を高くできる反射型体積ＨＯＥを用いて光入射部１５を構成している。

反射型体積ＨＯＥは、回折効率の角度依存性、波長依存性が著しく大きい。本実施形態では、入射光Ｌ１，Ｌ２を特定の波長（緑色光）および特定の入射角（０度）で用いるため、ブラッグ回折条件を満たすことができ、非常に高い回折効率を得ることができる。

以下、入射光Ｌ１が第２導光板１４内を全反射により伝播する伝播光を全反射伝播光Ｌ１Ａと称し、入射光Ｌ２が第２導光板１４内を全反射により伝播する伝播光を全反射伝播光Ｌ２Ａと称す。

第２導光板１４内を全反射によって伝播する全反射伝播光Ｌ１Ａ，Ｌ２Ａは、第２光出射部１６に入射する。本実施形態においては、第２光出射部１６を上記反射型体積ＨＯＥにより構成することで出射光を高い効率で第１導光板１１内に導入している。

第２光出射部１６の厚さを薄くすることにより、１次回折効率を抑えることができる。これにより、第２光出射部１６に入射した全反射伝播光Ｌ１Ａのうち一部だけが回折されて第２導光板１４から出射光Ｌ１ｂが出射される。同様に、第２光出射部１６に入射した全反射伝播光Ｌ２Ａのうち一部だけが回折されて第２導光板１４から出射光Ｌ２ｂが出射される。

回折されなかった全反射伝播光Ｌ１Ａ，Ｌ２Ａは、再び第２導光板１４内を全反射で伝播し、再度、第２光出射部１６に入射する。この過程を繰返すことにより、全反射伝播光Ｌ１Ａ，Ｌ２Ａが少しずつ第２導光板１４から取り出され、ｙ軸方向に沿って等間隔に複数の出射光Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂが配置された導光板出射光Ｌ１Ｂ，Ｌ２Ｂを生成する。

本実施形態において、光入射部１５及び第２光出射部１６の格子周期（導光板表面に沿った格子周期）を同一にしている。これにより、導光板出射光Ｌ１Ｂ，Ｌ２Ｂの出射角を入射光Ｌ１，Ｌ２の入射角と同一とすることができる。本実施形態では、入射光Ｌ１，Ｌ２の入射角が光入射部１５の法線に対して０度、すなわち垂直入射であるため、出射光の出射角も０度、すなわち垂直出射となる。

本実施形態において、第２光出射部１６の層内に記録されている干渉縞の層内傾斜は、光入射部１５（光入射部１５Ａ，１５Ｂ）の干渉縞の層内傾斜に対して鏡面対称となっている（図１Ａ〜１Ｃに示すハッチング参照）。

第２光出射部１６は、光入射部１５Ａの干渉縞の層内傾斜に対して鏡面対称となる層内傾斜を有する第１ＨＯＥ層１６Ａと、光入射部１５Ｂの干渉縞の層内傾斜に対して鏡面対称となる層内傾斜を有する第２ＨＯＥ層１６Ｂとを積層した構成からなる。なお、第２光出射部１６は積層構造のみに限定されず、光入射部１５Ａ、１５Ｂに対応した干渉縞を多重記録した１層の反射型体積ＨＯＥを用いても良い。

第１ＨＯＥ層１６Ａ及び第２ＨＯＥ層１６Ｂの干渉縞の層内傾斜は鏡面対称となっている（図１Ａ〜１Ｃに示すハッチング参照）。
反射型体積ＨＯＥの回折効率の入射角依存性は著しく大きいため、第１ＨＯＥ層１６Ａは全反射伝播光Ｌ２Ａに対する回折効率はほぼゼロであり、第２ＨＯＥ層１６Ｂは全反射伝播光Ｌ１Ａに対する回折効率はほぼゼロであり、実質的に回折しない。

よって、全反射伝播光Ｌ１Ａは第１ＨＯＥ層１６Ａのみで回折され、全反射伝播光Ｌ２Ａは第２ＨＯＥ層１６Ｂのみで回折される。このように反射型体積ＨＯＥを用いることで、導光板内を伝播して来る伝播光の方向によって選択的に回折或いは出射させることが可能となる。

第２光出射部１６は、第２導光板１４内を伝播する全反射伝播光Ｌ１Ａ，Ｌ２Ａを回折して垂直方向に出射させることができる。よって、第２光出射部１６は、導光板出射光Ｌ１Ｂ，Ｌ２Ｂの各出射光Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂを、第２導光板１４の−ｚ側に折り返して第１導光板１１に入射させることができる。

ところで、導光板出射光Ｌ１Ｂ，Ｌ２Ｂの各出射光Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂは、実際にはガウス分布で表される光強度分布を有している。図２は導光板出射光Ｌ１Ｂ，Ｌ２Ｂの各出射光Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂにおける光強度分布を示した図である。

図２に示すように、各出射光Ｌ１ｂは第２導光板１４に対する入射位置から遠ざかるにつれて光強度がそれぞれ小さくなる。同様に、各出射光Ｌ２ｂは第２導光板１４に対する入射位置から遠ざかるにつれて光強度がそれぞれ小さくなる。具体的に、出射光Ｌ１ｂは光出射位置が−ｙ方向に移動するにつれて光強度が小さくなり、光Ｌ２ｂは光出射位置が＋ｙ方向に移動するにつれて光強度が小さくなる。

本実施形態によれば、各出射光Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂは第２光出射部１６で回折されることで外部に出射される、各出射光Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂにおける第２導光板１４からの出射位置を一致させることができる。

よって、第２導光板１４の各出射位置において、出射光Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂはそれぞれ合成される。出射光Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂにおける光強度はｙ方向において反対側の関係となるため、出射光Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂを合成した光Ｌ１ｃの光強度は出射位置によらず略同一となる。

よって、第２導光光学系２２は、均一な光強度の光Ｌ１ｃをｙ方向に複数配置した導光板出射光Ｌ１Ｃを生成する。導光板出射光Ｌ１Ｃは、第１導光板１１に入射する。
このように第２導光光学系２２によれば、第２導光板１４の両端から入射した入力光Ｌ１，Ｌ２をそれぞれ拡大することで、均一な強度分布の導光板出射光Ｌ１Ｃを生成することができる。

図１に戻り、第１導光板１１に入射した導光板出射光Ｌ１Ｃの各光Ｌ１ｃは光入射部１２（第１光入射部１２Ａ）に入射する。
導光板出射光Ｌ１Ｃの各光Ｌ１ｃは第１光入射部１２Ａに対して垂直に入射する。各光Ｌ１ｃは第１光入射部１２Ａによって第１導光板１１の臨界角より大きな角度で反射され、第１導光板１１内を全反射によって伝播する。

以下、光Ｌ１ｃが第１導光板１１内を全反射により伝播する伝播光を全反射伝播光Ｌ１Ｄと称す。
第１導光板１１内を全反射によって伝播する全反射伝播光Ｌ１Ｄは、第１光出射部１３に入射する。第１光出射部１３の厚さを薄くすることにより、１次回折効率を抑えることができる。これにより、第１光出射部１３に入射した全反射伝播光Ｌ１Ｄのうち一部だけが回折されて第１導光板１１から出射光Ｌ１ｅが出射される。

回折されなかった全反射伝播光Ｌ１Ｄは、再び第１導光板１１内を全反射で伝播し、再度、第１光出射部１３に入射する。この過程を繰返すことにより、全反射伝播光Ｌ１Ｄが少しずつ第１導光板１１から取り出され、ｘ方向に沿って等間隔に複数の出射光Ｌ１ｅが配置された導光板出射光Ｌ１Ｅを生成する。

本実施形態において、光入射部１２及び第１光出射部１３の格子周期（導光板表面に沿った格子周期）を同一にしている。これにより、導光板出射光Ｌ１Ｅの出射角を導光板出射光Ｌ１Ｃ（光Ｌ１ｃ）の入射角と同一とすることができる。すなわち、光Ｌ１ｃは光入射部１２に対して垂直入射するため、出射光である導光板出射光Ｌ１Ｅの各出射光Ｌ１ｅも第１光出射部１３から垂直で出射される。

本実施形態において、第１光出射部１３の層内に記録されている干渉縞の層内傾斜は、光入射部１２の干渉縞の層内傾斜に対して鏡面対称となっている（図１Ａ〜１Ｃのハッチング参照）。

第１光出射部１３は、第１光入射部１２Ａの干渉縞の層内傾斜に対して鏡面対称となる層内傾斜を有する第１ＨＯＥ層１３Ａと、第２光入射部１２Ｂの干渉縞の層内傾斜に対して鏡面対称となる層内傾斜を有する第２ＨＯＥ層１３Ｂとを積層した構成からなる。なお、第１光出射部１３は積層構造のみに限定されず、第１光入射部１２Ａ、１２Ｂに対応した干渉縞を多重記録した１層の反射型体積ＨＯＥを用いても良い。

第１ＨＯＥ層１３Ａ及び第２ＨＯＥ層１３Ｂの干渉縞の層内傾斜は鏡面対称となっている。反射型体積ＨＯＥの回折効率の入射角依存性は著しく大きいため、第１ＨＯＥ層１３Ａは第２光入射部１２Ｂから入射された伝播光に対する回折効率はほぼゼロであり、第２ＨＯＥ層１６Ｂは第１光入射部１２Ａから入射された全反射伝播光Ｌ１Ｄに対する回折効率はほぼゼロであり、実質的に回折しない。

よって、全反射伝播光Ｌ１Ｄは第１ＨＯＥ層１６Ａのみで回折され、第２光入射部１２Ｂから入射された伝播光は第２ＨＯＥ層１６Ｂのみで回折される。このように反射型体積ＨＯＥを用いることで、導光板内を伝播して来る伝播光の方向によって選択的に回折或いは出射させることが可能となる。

第１光出射部１３は、第１導光板１１内を伝播する全反射伝播光Ｌ１Ｄを垂直方向に出射させることができる。よって、第１光出射部１３は、導光板出射光Ｌ１Ｅの各光Ｌ１ｅを、第１導光板１１の＋ｚ側に折り返して外部に射出することができる。

光源１０から射出された入射光Ｌ３，Ｌ４は、第３導光光学系２３の光入射部１８に入射される。具体的に、入射光Ｌ３は光入射部１８Ａに入射され、入射光Ｌ４は光入射部１８Ｂに入射される。

第３導光光学系２３は第２導光光学系２２と同一構成を有するため、第３導光光学系２３においては第２導光光学系２２と同様に光の拡大が行われる。そのため、第３導光光学系２３における光の拡大については説明を簡略化する。

以下、入射光Ｌ３が第３導光板１７内を全反射により伝播する伝播光を全反射伝播光Ｌ３Ａと称し、入射光Ｌ４が第３導光板１７内を全反射により伝播する伝播光を全反射伝播光Ｌ４Ａと称す。

第３導光光学系２３において、全反射伝播光Ｌ３Ａ，Ｌ４Ａが少しずつ第３導光板１７から取り出される。第３導光光学系２３は、第２導光光学系２２と同様、均一な光強度の光をｙ方向に複数配置した導光板出射光Ｌ１Ｆを生成する。導光板出射光Ｌ１Ｆの各光Ｌ１ｆは第２光入射部１２Ｂに対して垂直に入射する。各光Ｌ１ｆは第２光入射部１２Ｂによって第１導光板１１の臨界角より大きな角度で反射され、第１導光板１１内を−ｘ方向に全反射によって伝播する。これにより、Ｘ方向に沿って等間隔に複数の出射光Ｌ１ｇが配置された導光板出射光Ｌ１Ｇを生成する。
このように、第３導光光学系２３によれば、第３導光板１７の両端から入射した入力光Ｌ３，Ｌ４をそれぞれ拡大することで、均一な強度分布の導光板出射光Ｌ１Ｇを生成することができる。

ここで、導光板出射光Ｌ１Ｅ，Ｌ１Ｇの各出射光Ｌ１e，Ｌ１ｇもガウス分布で表される光強度分布を有している。出射光Ｌ１ｅは光出射位置が＋ｘ方向に移動するにつれて光強度が小さくなり、出射光Ｌ１ｇは光出射位置が−ｘ方向に移動するにつれて光強度が小さくなる。

本実施形態によれば、各出射光Ｌ１ｅ，Ｌ１ｇは第１光出射部１３で回折されることで外部に出射され、各出射光Ｌ１ｅ，Ｌ１ｇにおける第１導光板１１からの出射位置を一致させることができる。よって、第１導光板１１の各出射位置において、出射光Ｌ１ｅ，Ｌ１ｇはそれぞれ合成される。出射光Ｌ１ｅ，Ｌ１ｇにおける光強度はｘ方向において反対側の関係となるため、出射光Ｌ１ｅ，Ｌ１ｇを合成した光Ｌ１ｈの光強度は出射位置によらず略同一となる。

ここで、照明光Ｌ１Ｈを構成する各光Ｌ１ｈの出射間隔がガウス分布で規定されるビームサイズより大きいと照明光Ｌ１Ｈは離散的になり、照明光Ｌ１Ｈの面内における強度分布が不均一となる。

本実施形態においては、照明光Ｌ１Ｈを構成する各光Ｌ１ｈの出射間隔がガウス分布で規定されるビームサイズより小さくなるように、第１導光板１１、第２導光板１４及び第３導光板１７の出射光の間隔を最適化している。なお、出射光の間隔は、入射光の波長、ＨＯＥの格子周期、導光板の屈折率および厚さで適宜調整可能である。

ここで、本実施形態の照明装置１００の効果を明確にするため、比較例について説明する。
比較例では、１本の入射光を面状に展開して照明光を生成する場合について説明する。
図３Ａ〜３Ｃは比較例に係る照明装置２００の構成を示す図である。図３Ａ〜３Ｃは照明装置２００を３方向（ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向）から視た図である。

図３Ａ〜３Ｃに示すように、照明装置２００は、光源２１０と、面状展開光学系２２０とを備えている。光源２１０は、面状展開光学系２２０に対してレーザー光からなる１つの入射光ＬＬを照射する。

面状展開光学系２２０は、２つの導光光学系２２１、２２２を備える。なお、導光光学系２２１は、光入射部が一端側（−ｘ方向側）のみに設けられる以外、第１導光光学系２１と同一の構成を有する。また、導光光学系２２２は、光入射部が一端側（−Ｙ方向側）のみに設けられる以外、第２導光光学系２２と同一の構成を有する。

本比較例の構成において、導光光学系２２２から導光光学系２２１への出射光ＬＬ１の光強度（ガウス分布）は、光出射位置が＋Ｙ方向に移動するにつれて小さくなって行く。
同様に、導光光学系２２１からの出射光ＬＬ２の光強度（ガウス分布）は、光出射位置が＋ｘ方向に移動するにつれて小さくなって行く。

つまり、比較例の構成においては、光源２１０における光入射位置から距離に応じて、面状展開光学系２２０の対角方向に出射光の強度分布Ｔが生じる。そのため、照明光に明るさムラが生じてしまう。

これに対し、本実施形態の照明装置１００によれば、第１導光光学系２１、第２導光光学系２２及び第３導光光学系２３のいずれについても導光板の両端から光を入射させるようにした。そのため、各導光光学系２１，２２，２３からそれぞれ均一な光が射出されるため、これら光が合成されることで均一な光強度の光Ｌ１ｈをｘ方向及びＹ方向に面状に配置した照明光Ｌ１Ｈを生成できる。

また、光源１０の光を面状に展開する面状展開光学系２０の厚さは、ほぼ導光板２枚分の厚さで済むため、非常に薄型の照明装置１００を実現することができる。

また、本実施形態では反射型体積ＨＯＥ層への入射角及び出射角を垂直入射及び垂直出射で固定し、入射光Ｌとしてレーザー用いることで単一波長に決まるので、反射型体積ＨＯＥ層を回折効率が高くなる条件で用いることができる。よって、光源部１０ａからの入射光Ｌを効率良く照明光Ｌ１Ｈに変換することができる。従って、光源部１０ａの個数が少なくても明るい照明光Ｌ１Ｈを得ることができる。

本実施形態では、第１導光光学系２１（第１導光板１１）の両端に第２導光光学系２２及び第３導光光学系２３の出射光を入射させる場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。
例えば、第１導光光学系２１及び第２導光光学系２２のみを用いる構成であっても良い。すなわち、第２導光光学系２２の光を第１導光板１１の一端側に入射させ、他端側に第３導光光学系２３の代わりに別の光源からの光を入射させるようにしてもよい。この構成においても、第１導光光学系２１は、両端から入射した光を導光させることで均一な強度の光を生成できる。また、少なくとも第２導光光学系２２により第1導光光学系２１の一端側に均一な光を入射させることができる。

同様に、第１導光光学系２１及び第３導光光学系２３のみを用いる構成であっても良い。すなわち、第３導光光学系２３の光を第１導光板１１の他端端側に入射させ、他端側に第２導光光学系２２の代わりに別の光源からの光を入射させるようにしてもよい。この構成においても、第１導光光学系２１は、両端から入射した光を導光させることで均一な強度の光を生成できる。また、少なくとも第３導光光学系２３により第1導光光学系２１の他端側に均一な光を入射させることができる。

また、本発明は、少なくとも両端から光が入射される第１導光光学系２１を備えていればよく、第２導光光学系或いは第３導光光学系としては入射した光を一方向（ｙ方向）に拡大して出射する構成のものであればよい。すなわち、第２導光光学系或いは第３導光光学系として、第２導光板１４或いは第３導光板１７の一端側から光を入射させることで光を一方向に拡大するものを用いても良い。

また、第１導光光学系２１の第１光入射部１２Ａ及び第２光入射部１２Ｂの各々に光を射出する光源を配置することで、第１光出射部１３から出射した光を第２導光光学系２２或いは第３導光光学系２３に入射させるようにしてもよい。
この構成によれば、第１導光光学系２１は両端から入射された光をそれぞれ拡大することで均一な光を出射することができる。よって、第２導光光学系２２或いは第３導光光学系２３に均一な光を入射させることができる。

（第２実施形態）
続いて、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態と第１実施形態との違いは、照明装置の構造である。以下では第１実施形態と同一の構成及び部材については同じ符号を付し、詳細な説明については省略する。

第１実施形態の照明装置１００は、レーザー光を第２導光光学系２２の対角四隅に入射していた。この場合、光源が４つ必要となるため、光源１０及び該光源１０を備えた照明装置１００の小型化が難しかった。本実施形態では、光源を小型化することで照明装置自体の小型化を図った。

図４は本実施形態の照明装置の構成を示す断面図である。
図４に示すように、本実施形態の照明装置１００Ａは、光源１０Ａと、面状展開光学系２０とを備えている。

図５Ａは本実施形態の光源１０Ａをｚ方向から視た図であり、図５Ｂは光源１０ＡのＡ−Ａ線矢視による断面構成図である。

図５Ａ，５Ｂに示すように、光源１０Ａは、光源部３０と、コリメーターレンズ３１と、分岐光学系３５とを備える。分岐光学系３５は、第４導光板３２と、分岐入射部３３と、分岐出射部３４とを含み、光源部３０からの光を４つの光に分岐して面状展開光学系２０の対角四隅に入射させる。

光源部３０は、入射光Ｌとして波長が緑領域にあるレーザー光を射出する半導体レーザーから構成される。
コリメーターレンズ３１は、光源部３０から射出された発散光である入射光Ｌを略平行な光に変換するものである。
第４導光板３２は、例えばガラスあるいは光学樹脂から構成され、平面で略矩形状の平行平板からなる。本実施形態において、第４導光板３２は、例えばガラス基板から構成されている。

分岐入射部３３は、光源部３０からの入射光Ｌを分岐して第４導光板３２に入射させる。分岐入射部３３は、第４導光板３２の上面３２ａの中央部に形成される。

分岐出射部３４は、分岐入射部３３から入射された分岐光を図４に示す面状展開光学系２０に向けて出射する。分岐出射部３４は、第４導光板３２の下面３２ｂに形成される。分岐出射部３４は、第１分岐出射部３４Ａ、第２分岐出射部３４Ｂ、第３分岐出射部３４Ｃ及び第４分岐出射部３４Ｄを含む。各分岐出射部３４Ａ〜３４Ｄは第４導光板３２の下面３２ｂの四隅にそれぞれ形成されている。

本実施形態において、分岐入射部３３、第１分岐出射部３４Ａ、第２分岐出射部３４Ｂ、第３分岐出射部３４Ｃ及び第４分岐出射部３４Ｄは、反射型体積ＨＯＥから構成されている。分岐入射部３３は、該分岐入射部３３に入射する光を各分岐出射部３４Ａ〜３４Ｄが設けられた４方向に向けてそれぞれ回折する機能を有している。

分岐出射部３４（第１分岐出射部３４Ａ、第２分岐出射部３４Ｂ、第３分岐出射部３４Ｃ及び第４分岐出射部３４Ｄ）の干渉縞は、分岐入射部３３の中心と各分岐出射部３４Ａ〜３４Ｄの中心とを結ぶ線（分岐方向）に対して垂直方向に延在している。分岐入射部３３及び各分岐出射部３４Ａ〜３４Ｄの格子周期は同一である。

本実施形態において、分岐入射部３３は１層の反射型体積ＨＯＥから構成され、４つの分岐方向に垂直に延在する干渉縞が４つ多重記録されている。４つの干渉縞のそれぞれの干渉縞の層内傾斜は、それぞれが対応する四隅の各分岐出射部３４Ａ〜３４Ｄの層内傾斜と鏡面対称である。

このように４重記録された分岐入射部３３に垂直入射した入射光Ｌは、対角四隅の各分岐出射部３４Ａ〜３４Ｄに向かう方向に回折され、４つの分岐光ＬＣとなる。４つの分岐光ＬＣは第４導光板３２内に臨界角以上の角度で回折され、該第４導光板３２内を全反射で伝播し、各分岐出射部３４Ａ〜３４Ｄに到達し、ＨＯＥ面に対して垂直方向に回折されることで第４導光板３２から出射される。

なお、各分岐出射部３４Ａ〜３４Ｄからの光の出射位置を調整するには、ＨＯＥの格子周期、分岐導光板の屈折率、厚さを調整すれば良い。

分岐入射部３３としては、２つの方向を受け持つＨＯＥを多重記録したＨＯＥ層を２層積層する構成を採用しても良いし、１つの方向を記録したＨＯＥ層を４層積層する構成を採用しても良い。

図４に戻り、分岐出射部３４Ａ〜３４Ｄから射出された４本の分岐光ＬＣは面状展開光学系２０の対角四隅に入射される。
本実施形態の照明装置１００Ａによれば、光源部３０が１つで済み、かつ、面状展開光学系２０及び分岐光学系３５が導光板で構成されるので、奥行き方向において薄型化を図ることができる。
以上のように、本実施形態によれば、１個の光源部３０から面状に発光する薄型かつ発光強度の均一性に優れた照明装置１００Ａを提供することができる。

なお、本実施形態では、光源部３０からの入射光Ｌを分岐光学系３５に対して垂直に入射させる場合を例に挙げたが、これに限定されない。
例えば、図６に示すように、光源部３０からの入射光Ｌをミラー３６で反射させて分岐光学系３５に導くようにしても良い。この構成によれば、照明装置１００Ａの奥行を更に薄くすることができる。

（第３実施形態）
続いて、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態と上記第１、第２実施形態との違いは、照明装置の構造である。以下では上記実施形態と同一の構成及び部材については同じ符号を付し、詳細な説明については省略する。
上記実施形態では、単色光を用いた照明装置について説明したが、本実施例では赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色のレーザー光を用いた照明装置について説明する。

図７は本実施形態の照明装置の構成を示す断面図である。
図７に示すように、本実施形態の照明装置１００Ｂは、光源１０Ｂと、面状展開光学系２０Ｂとを備えている。

本実施形態の光源１０Ｂは、光源部１３０と、コリメーターレンズ３１と、分岐光学系１３５とを備える。光源部１３０は、赤色波長帯のレーザー光ＬＲを射出する半導体レーザー１３０Ｒ、緑色波長帯のレーザー光ＬＧを射出する半導体レーザー１３０Ｇ及び青色波長帯のレーザー光ＬＢを射出する半導体レーザー１３０Ｇを含み、全体として白色の入射光ＬＡを射出する。

本実施形態の分岐光学系１３５の基本構成及び原理は、図６に示した分岐光学系３５と同一である。
分岐光学系１３５は、導光板１３２と、分岐入射部１３３と、分岐出射部１３４とを含み、光源部１３０からの光を４つの光に分岐して面状展開光学系２０Ｂの対角四隅に入射させる。導光板１３２は、例えばガラス基板から構成され、平面形状が略矩形状の平行平板からなる。分岐入射部１３３は、光源部１３０からの入射光ＬＡを分岐して導光板１３２に入射させる。分岐入射部１３３は、導光板１３２の上面１３２ａの中央部に形成される。

分岐出射部１３４は、分岐入射部１３３からの分岐光を面状展開光学系２０に向けて出射する。分岐出射部１３４は、導光板１３２の下面１３２ｂに形成される。分岐出射部１３４は、第１分岐出射部１３４Ａ、第２分岐出射部１３４Ｂ、第３分岐出射部１３４Ｃ及び第４分岐出射部１３４Ｄを含む。各分岐出射部１３４Ａ〜１３４Ｄは導光板１３２の下面１３２ｂの四隅にそれぞれ形成されている。

本実施形態において、分岐入射部１３３は反射型体積ＨＯＥから構成される。具体的に、分岐入射部１３３は、入射光ＬＡのうち赤色波長帯のレーザー光ＬＲに対応する赤色入射用ＨＯＥ層１３３Ｒと、入射光ＬＡのうち緑色波長帯のレーザー光ＬＧに対応する緑色入射用ＨＯＥ層１３３Ｇと、入射光ＬＡのうち青色波長帯のレーザー光ＬＢに対応する青色入射用ＨＯＥ層１３３Ｂとが上から順に積層された構造からなる。

赤色入射用ＨＯＥ層１３３Ｒは、光源部１３０より垂直入射する赤色波長帯のレーザー光ＬＲに対してブラッグ回折条件を満たして導光板１３２内に臨界角以上の角度で回折させる。
緑色入射用ＨＯＥ層１３３Ｇは、光源部１３０より垂直入射する緑色波長帯のレーザー光ＬＧに対してブラッグ回折条件を満たして導光板１３２内に臨界角以上の角度で回折させる。
青色入射用ＨＯＥ層１３３Ｂは、光源部１３０より垂直入射する青色波長帯のレーザー光ＬＢに対してブラッグ回折条件を満たして導光板１３２内に臨界角以上の角度で回折させる。

各入射用ＨＯＥ層１３３Ｒ、１３３Ｇ、１３３Ｂは、それぞれのレーザー光ＬＲ，ＬＧ，ＬＢを同じ角度で回折させるように、各ＨＯＥの格子周期が設定されている。各ＨＯＥは、それぞれが対応する波長に対してブラッグ回折条件を満たすので、色が違うほどに離れた波長の光に対しては回折効率がほぼゼロであり、回折光を生じない。例えば、レーザー光ＬＢは赤色入射用ＨＯＥ層１３３Ｒ及び緑色入射用ＨＯＥ層１３３Ｇでは回折されずに赤色入射用ＨＯＥ層１３３Ｒに到達し、そこで回折される。

導光板１３２内を全反射で伝播する光は、各分岐出射部１３４Ａ〜１３４Ｄで回折されて導光板１３２の外に取り出される。各分岐出射部１３４Ａ〜１３４Ｄについても、赤色出射用ＨＯＥ層、緑色出射用ＨＯＥ層、青色出射用ＨＯＥ層が積層されている。いずれの出射用ＨＯＥ層も反射型体積ＨＯＥからなる。

第１分岐出射部１３４Ａ、第２分岐出射部１３４Ｂ、第３分岐出射部１３４Ｃ及び第４分岐出射部１３４Ｄは、それぞれ赤色出射用ＨＯＥ層、緑色出射用ＨＯＥ層、青色出射用ＨＯＥ層が上から順に積層された構造を有する。

以下、第１分岐出射部１３４Ａ、第２分岐出射部１３４Ｂ、第３分岐出射部１３４Ｃ及び第４分岐出射部１３４Ｄの各赤色出射用ＨＯＥ層を総称して赤色出射用ＨＯＥ層１３４ＲＲと呼び、緑色出射用ＨＯＥ層を総称して緑色出射用ＨＯＥ層１３４ＧＧと呼び、青色出射用ＨＯＥ層を総称して青色出射用ＨＯＥ層１３４ＢＢと呼ぶことにする。

導光板１３２を伝播して来たレーザー光ＬＲ，ＬＧ，ＬＢはそれぞれ赤色出射用ＨＯＥ層１３４ＲＲ、緑色出射用ＨＯＥ層１３４ＧＧ、青色出射用ＨＯＥ層１３４ＢＢで回折される。

赤色入射用ＨＯＥ層１３３Ｒと赤色出射用ＨＯＥ層１３４ＲＲの格子周期は同一であり、ＨＯＥ層内に記録されている干渉縞の層内傾斜は入射用ＨＯＥと出射用ＨＯＥとで鏡面対称となっている。
また、緑色入射用ＨＯＥ層１３３Ｇと緑色出射用ＨＯＥ層１３４ＧＧの格子周期は同一であり、ＨＯＥ層内に記録されている干渉縞の層内傾斜は入射用ＨＯＥと出射用ＨＯＥとで鏡面対称となっている。
同様に、青色入射用ＨＯＥ層１３３Ｂと青色出射用ＨＯＥ層１３４ＢＢの格子周期は同一であり、ＨＯＥ層内に記録されている干渉縞の層内傾斜は入射用ＨＯＥと出射用ＨＯＥとで鏡面対称となっている。

従って、各レーザー光ＬＲ、ＬＧ，ＬＢは、分岐入射部１３３に入射する入射角と同じ角度で分岐出射部１３４から出射され、かつ高い回折効率で導光板１３２から分岐光ＬＡ’として取り出される。

また、各レーザー光ＬＲ、ＬＧ，ＬＢは同じ角度で導光板１３２内を伝播するので、分岐出射部１３４で回折されて取り出される位置も同一となり、色による出射位置のずれ、すなわち色ムラの発生を抑制することができる。

各分岐出射部１３４Ａ〜１３４Ｄから射出された４本の光は、平面視で面状展開光学系２０Ｂの対角四隅に入射される。本実施形態の面状展開光学系２０Ｂと上記実施形態の面状展開光学系２０との違いは、レーザー光ＬＲ，ＬＧ，ＬＢに対応するＨＯＥ層を積層することで第１導光光学系２１Ｂ、第２導光光学系２２Ｂ及び第３導光光学系２３Ｂの各光入射部及び各光出射部が構成される点である。

面状展開光学系２０Ｂにおける第１導光光学系２１Ｂ、第２導光光学系２２Ｂ及び第３導光光学系２３Ｂの各光入射部及び各光出射部でのレーザー光ＬＲ，ＬＧ，ＬＢの振る舞い（回折および全反射による伝播）は分岐光学系１３５と同様であることから説明を省略する。

なお、各光出射部（第１光出射部１３、第２光出射部１６及び第３光出射部１９）においては、ＲＧＢ３色のレーザー光を回折する必要があるので、各色で２層のＨＯＥ層が必要となると合計で６層のＨＯＥ層が必要になってしまう。従って、１層のＨＯＥ層に２方向から来る全反射伝播光を回折できるように２つの干渉縞を多重記録しておくようにすれば、ＨＯＥ層が３層で済むようになる。

本実施形態の照明装置１００Ｂによれば、波長帯の異なるレーザー光ＬＲ，ＬＧ，ＬＢを含んだ入射光をｘ方向及びｙ方向に面状に展開して、均一な強度分布を有する白色の照明光を生成することができる。

本実施形態の分岐光学系１３５は、１枚の導光板１３２にＲＧＢ各色の光に対応するＨＯＥ層を積層する構成を示したが、１枚の導光板１３２に１色に対応するＨＯＥ層を形成したものをＲＧＢ各色それぞれ用意し、３枚の導光板１３２を重ねて使用する態様も可能である。

あるいは、１枚の導光板１３２に２色に対応するＨＯＥ層を２層積層し、もう１枚の導光板１３２に残りの１色に対応するＨＯＥ層を形成し、これら２枚の導光板１３２を重ねて使用する態様も可能である。
なお、第１導光光学系２１Ｂ、第２導光光学系２２Ｂ及び第３導光光学系２３Ｂの各光入射部及び各光出射部のＨＯＥ層についても同様である。

また、本実施形態においては、光源部１３０からの入射光Ｌを分岐光学系１３５に対して垂直に入射させる場合を例に挙げたが、これに限定されない。例えば、光源部１３０からの入射光Ｌをミラーで反射させて分岐光学系１３５に導くようにしても良い（図６参照）。
この構成によれば、照明装置１００Ａの奥行を更に薄くすることができる。

（第４実施形態）
続いて、本発明の第４実施形態として、画像表示装置の一態様について説明する。
本実施形態の画像表示装置は、上記実施形態で説明した照明装置１００、１００Ａ，１００Ｂを備えたものである。本実施形態では、画像表示装置として液晶表示装置を例に挙げて説明する。

図８Ａは液晶表示装置をｚ方向から視た図であり、図８Ｂは液晶表示装置のｘｚ平面と平行な面における断面図である。
図８Ａ，８Ｂに示すように、液晶表示装置５０は、バックライト装置５１と、液晶パネル（光変調装置）５２とを備える。

液晶パネル５２は、一対の基板５３，５４と、該基板５３，５４に設けられた一対の電極５５，５６と、前記一対の基板５３，５４間に挟持される液晶層５７とを備えた、透過型のパネルである。また、一対の基板５３，５４の液晶層５７と反対側の面にはそれぞれ一対の偏光板が配置されている。

このような構成に基づき、液晶パネル５２は、一対の電極５５，５６間に印加する電圧を調整することでバックライト装置５１からの光を変調し、所望の画像を表示することが可能となっている。

バックライト装置５１は、上記実施形態で説明した照明装置１００、１００Ａ，１００Ｂのいずれを用いて構成してもよいが、照明装置１００Ｂを用いることでカラー画像を表示することが可能となる。なお、カラー画像を表示する場合、液晶パネル５２は各画素にカラーフィルターを備える。
照明装置１００Ｂは、各色の半導体レーザー１３０Ｒ，１３０Ｇ，１３０Ｂ（図７参照）を順次点灯させることにより、時間順次でカラー表示を行うことも可能である。

本実施形態の液晶表示装置５０によれば、上記のような照明装置１００、１００Ａ，１００からなるバックライト装置５１で液晶パネル５２を照明するので、明るい画像表示を行うことができる。

ところで、照明装置１００Ｂからなるバックライト装置５１から出射されたレーザー光はほぼ平行光となるため、そのまま液晶パネル５２を照明した場合、真正面からしか画像を見ることが出来ず、液晶パネル５２を斜めから見た時には、鑑賞者の眼に光（レーザー光）が入射せず、画像を視認することができなくなる。つまり、十分な視野角特性が得られないおそれがある。

視野角特性を向上させ、斜めから液晶パネル５２を見ても画像が見えるようにするには、平行光であるレーザー光を、角度分布を持つ光に変換する必要がある。
そこで、バックライト装置５１と液晶パネル５２との間に光拡散シートを挿入することで、バックライト装置５１（照明装置１００Ｂ）から出る光の拡散性を調整するようにしても良い。

また、図９に示すように、バックライト装置５１と液晶パネル５２との間にレンズアレイＲＡを配置することで光の拡散性を調整することもできる。レンズアレイＲＡは、マトリクス状に配置された小レンズＲＡ１を有する。レンズアレイＲＡは、バックライト装置５１からの各出射ビームに各小レンズＲＡ１が対応する。
この構成によれば、各出射ビームが角度を持った状態に変換されるため、液晶パネル５２を透過した光は拡散光として出射されるようになる。よって、液晶パネル５２における視野角特性が向上する。

また、可干渉性が高いレーザー光を用いることによって生じるスペックルノイズを低減すべく、光拡散シートを微小振幅で振動させるようにしても良い。あるいはバックライト装置５１の導光板に入射するレーザー光の入射角を微小に変化させるようにしても良い。

（第５実施形態）
続いて、本発明の第５実施形態として、画像表示装置の別態様について説明する。
本実施形態の画像表示装置は、上記実施形態で説明した照明装置１００、１００Ａ，１００Ｂを備えたものである。本実施形態の画像表示装置は、使用者が頭に装着して使用するヘッドマウントディスプレイの一例である。
以下の説明では、ヘッドマウントディスプレイ（Head Mounted Display）を、ＨＭＤと略記する。

本実施形態のＨＭＤは、シースルー型（透過型）のＨＭＤである。本実施形態のＨＭＤによれば、使用者は画像表示部により生成された画像を視認でき、かつ、ＨＭＤの外部の景色等の外界の像も視認できる。

図１０はＨＭＤの断面構成を示す図である。
図１０に示すように、ＨＭＤ６０は、表示モジュール６１と、投写レンズ６２と、導光板６３と、画像光入射部６４と、画像光出射部６５とを備える。本実施形態において、導光板６３、画像光入射部６４、画像光出射部６５は、特許請求の範囲の「導光手段」に相当する。

表示モジュール６１は、例えば、第４実施形態の液晶表示装置５０から構成される。なお、表示モジュール６１は上記照明装置１００、１００Ａ、１００Ｂを照明装置として備えたものであれば透過型の液晶表示装置に限定されることなく、反射型の液晶表示装置等を備えた構成であってもよい。

投写レンズ６２は、表示モジュール６１からの画像光Ｇ１を導光板６３に形成された画像光入射部６４に導く。導光板６３は、例えばガラス基板から構成されている。画像光入射部６４は、表示モジュール６１からの画像光Ｇ１を、導光板６３の臨界角以上の角度で伝播する光として回折させる。

本実施形態において、画像光入射部６４及び画像光出射部６５は回折光学素子、例えば、反射型体積ＨＯＥ層から構成される。

導光板６３を伝播した画像光Ｇ１は画像光出射部６５に複数回入射し、入射する度に画像光入射部６４への入射角と同じ角度で回折されて観察者Ｍの眼ＭＥに届き、画像（虚像）として観察できる。

反射型体積ＨＯＥからなる画像光出射部６５は、ブラッグ回折条件を満たす波長近傍の光を強く回折し、その他の波長の光は回折せずに透過させるので、観察者Ｍは、眼ＭＥの前にある画像光出射部６５を通して外界を見ることができる。本実施形態において、画像光出射部６５はコンバイナーとして機能する。

本実施形態によれば、上記のような照明装置１００、１００Ａ，１００Ｂを備えることで明るい画像表示を行う液晶表示装置５０を表示モジュール６１に採用するため、明るい画像（虚像）を見ることができるとともに、高いシースルー性を有したＨＭＤを提供できる。

本実施形態では、導光板６３、画像光入射部６４、画像光出射部６５を用いて表示モジュール６１の画像を観察者Ｍの眼ＭＥに導く場合を例に挙げたが、図１１に示すように、観察者Ｍの眼ＭＥの前に光学コンバイナー７０を配置するようにしても良い。
光学コンバイナー７０は、反射型体積ホログラフィック光学素子（反射型体積ＨＯＥ）からなる。

本実施形態の構成によれば、観察者Ｍの眼ＭＥの前にある接眼光学系が薄い光学コンバイナー７０だけなのでＨＭＤを小型化及び軽量化することができる。
また、光学コンバイナー７０として反射型体積ＨＯＥを用いるため、画像光Ｇ１を生成する波長帯の光だけを高効率で回折し、画像光Ｇ１以外の波長帯の外光Ｇ２をほぼ透過するので、明るい外界に明るい画像を重畳させて表示できるシースルー型のＨＭＤを提供できる。

なお、本実施形態では、片眼用のヘッドマウントディスプレイについて説明したが、両眼用のヘッドマウントディスプレイにも適用可能である。

（第６実施形態）
続いて、本発明の第６実施形態としてプロジェクターの一態様について説明する。
図１２は本実施形態のプロジェクターにおける概略構成図である。
図１２に示すように、本実施形態のプロジェクター１は、スクリーンＳＣＲ上にカラー画像を表示する投写型画像表示装置である。

プロジェクター１は、照明装置２と、色分離光学系３と、赤色光用光変調装置４Ｒと、緑色光用光変調装置４Ｇと、青色光用光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投写光学系６と、を備えている。
照明装置２は、白色の照明光ＷＬを色分離光学系３に向けて射出する。照明装置２には、上記第３実施形態に係る照明装置１００Ｂが用いられる。

色分離光学系３は、照明装置２から射出された照明光ＷＬを赤色光Ｒと緑色光Ｇと青色光Ｂとに分離する。色分離光学系３は、第１のダイクロイックミラー７ａと、第２のダイクロイックミラー７ｂと、第１の反射ミラー８ａと、第２の反射ミラー８ｂと、第３の反射ミラー８ｃと、第１のリレーレンズ９ａと、第２のリレーレンズ９ｂと、を備えている。

第１のダイクロイックミラー７ａは、照明装置２から射出された照明光ＷＬを赤色光Ｒと、緑色光Ｇおよび青色光Ｂと、に分離する機能を有する。第１のダイクロイックミラー７ａは、赤色光Ｒを透過し、緑色光Ｇおよび青色光Ｂを反射する。第２のダイクロイックミラー７ｂは、第１のダイクロイックミラー７ａで反射した光を緑色光Ｇと青色光Ｂとに分離する機能を有する。第２のダイクロイックミラー７ｂは、緑色光Ｇを反射し、青色光Ｂを透過する。

第１の反射ミラー８ａは、赤色光Ｒの光路中に配置されている。第１の反射ミラー８ａは、第１のダイクロイックミラー７ａを透過した赤色光Ｒを赤色光用光変調装置４Ｒに向けて反射する。第２の反射ミラー８ｂと第３の反射ミラー８ｃとは、青色光Ｂの光路中に配置されている。第２の反射ミラー８ｂと第３の反射ミラー８ｃとは、第２のダイクロイックミラー７ｂを透過した青色光Ｂを青色光用光変調装置４Ｂに向けて反射させる。緑色光Ｇは、第２のダイクロイックミラー７ｂで反射し、緑色光用光変調装置４Ｇに向けて進む。

第１のリレーレンズ９ａと第２のリレーレンズ９ｂとは、青色光Ｂの光路中における第２のダイクロイックミラー７ｂの光射出側に配置されている。第１のリレーレンズ９ａと第２のリレーレンズ９ｂとは、青色光Ｂの光路長が赤色光Ｒや緑色光Ｇの光路長よりも長くなることに起因した青色光Ｂの光損失を補償する機能を有している。

赤色光用光変調装置４Ｒは、赤色光Ｒを画像情報に応じて変調し、赤色光Ｒに対応した画像光を形成する。緑色光用光変調装置４Ｇは、緑色光Ｇを画像情報に応じて変調し、緑色光Ｇに対応した画像光を形成する。青色光用光変調装置４Ｂは、青色光Ｂを画像情報に応じて変調し、青色光Ｂに対応した画像光を形成する。

赤色光用光変調装置４Ｒ、緑色光用光変調装置４Ｇ、および青色光用光変調装置４Ｂには、例えば透過型の液晶パネルが用いられる。また、液晶パネルの入射側および射出側には、図示しない一対の偏光板が配置されている。偏光板は、特定の方向の直線偏光光を透過させる。

赤色光用光変調装置４Ｒの入射側には、フィールドレンズ１１０Ｒが配置されている。緑色光用光変調装置４Ｇの入射側には、フィールドレンズ１１０Ｇが配置されている。青色光用光変調装置４Ｂの入射側には、フィールドレンズ１１０Ｂが配置されている。フィールドレンズ１１０Ｒは、赤色光用光変調装置４Ｒに入射する赤色光Ｒを平行化する。フィールドレンズ１１０Ｇは、緑色光用光変調装置４Ｇに入射する緑色光Ｇを平行化する。フィールドレンズ１１０Ｂは、青色光用光変調装置４Ｂに入射する青色光Ｂを平行化する。

合成光学系５は、赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、および青色光Ｂのそれぞれに対応した画像光を合成し、合成された画像光を投写光学系６に向けて射出する。合成光学系５には、例えばクロスダイクロイックプリズムが用いられる。

投写光学系６は、複数の投写レンズを含む投写レンズ群から構成されている。投写光学系６は、合成光学系５により合成された画像光をスクリーンＳＣＲに向けて拡大投写する。これにより、スクリーンＳＣＲ上には、拡大されたカラー画像が表示される。

本実施形態のプロジェクター１によれば、上記の照明装置１００Ｂを備えることで明るい画像を投写することができる。

なお、第６実施形態では、３つの光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂを備えるプロジェクター１を例示したが、１つの光変調装置でカラー映像を表示するプロジェクターに適用することも可能である。さらに、光変調装置としては、上述した液晶パネルに限らず、例えばデジタルミラーデバイスなどを用いることもできる。

また、図１３に示すように、１枚の液晶パネル（光変調装置）５２を１つの照明装置１００，１００Ａ，１００Ｂで直接照明し、投写光学系６でスクリーンＳＣＲに画像を表示するプロジェクター１Ａを構成することもできる。なお、単色の光を照射する照明装置１００，１００Ａを用いる場合、液晶パネル５２の画素にカラーフィルターを設ける必要はないが、３色の光を照射する照明装置１００Ｂを用いる場合、液晶パネル５２の画素にカラーフィルターを設けることでカラー画像の表示が可能になる。

あるいは、図１４に示すように、ＲＧＢ各色の照明光をそれぞれ照射する照明装置３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂと、該照明装置３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂに個別に対応して設けられる液晶パネル５２Ｒ，５２Ｇ，５２Ｂと、合成光学系５と、投写光学系８１と、を備えたプロジェクター１Ｂを構成することもできる。照明装置３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂは、上述の照明装置１００，１００Ａと同一構成を有し、照射する光の波長帯のみが異なる。なお、液晶パネル５２Ｒ，５２Ｇ，５２Ｂの各画素にカラーフィルターは設けられていない。

プロジェクター１Ｂは、液晶パネル５２Ｒ，５２Ｇ，５２Ｂで変調した画像光Ｇｒ，Ｇｇ，Ｇｂを合成光学系５で合成してカラー画像ＫＧをスクリーンＳＣＲに投写する。
本変形例に係るプロジェクター１Ｂによれば、１枚の液晶パネルにカラーフィルターを設けてカラー画像を投射する場合より高解像の画像を投写することができ、かつ、レーザー光を用いることで明るい画像を投写することができる。

上記実施形態では本発明による照明装置をプロジェクターや液晶表示装置に搭載した例を示したが、これに限られない。本発明による照明装置は、照明器具や自動車のヘッドライト等にも適用することができる。

１，１Ａ，１Ｂ…プロジェクター、２…照明装置、４Ｂ…青色光用光変調装置、４Ｇ…緑色光用光変調装置、４Ｒ…赤色光用光変調装置、６…投写光学系、１０，１０Ａ，１０Ｂ…光源、１１…第１導光板、１１ａ…下面、１２…第１光入射部、１３…第１光出射部、１４…第２導光板、１４ａ…上面、１５…光入射部、１６…第２光出射部、１７…第３導光板、１７ａ…上面、１８…光入射部、１９…第３光出射部、２０，２０Ｂ…面状展開光学系、２１，２１Ｂ…第１導光光学系、２２，２２Ｂ…第２導光光学系、２３，２３Ｂ…第３導光光学系、３２…第４導光板（導光部材）、３３…分岐入射部、３４…分岐出射部、３５…分岐光学系、５０…液晶表示装置（画像表示装置）、５１…バックライト装置（照明装置）、５２，５２Ｒ，５２Ｇ，５２Ｂ…液晶パネル（光変調装置）、６０…ＨＭＤ（画像表示装置）、６３…導光板、７０…光学コンバイナー、８１…投写光学系、１００，１００Ａ，１００Ｂ…照明装置、１３０Ｇ…半導体レーザー、１３０Ｒ…半導体レーザー、１３２…導光板、１３３…分岐入射部、１３５…分岐光学系、２００…照明装置、２１０…光源、２２０…面状展開光学系、２２１，２２２…導光光学系、３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂ…照明装置、Ｇ１…画像光、Ｇｒ…画像光、ＫＧ…カラー画像、Ｌ１Ｈ…照明光、Ｌ１ｃ…光、Ｌ１ｅ…光、Ｌ１ｆ…光、Ｌ１ｈ…光、Ｌ２ｂ…光、ＬＢ…レーザー光、ＬＣ…分岐光、ＬＧ…レーザー光、ＬＬ１，ＬＬ２…出射光、ＬＬ…入射光、ＬＲ…レーザー光、Ｍ…観察者、ＭＥ…眼、Ｒ…赤色光、Ｇ…緑色光、Ｂ…青色光、ＳＣＲ…スクリーン、ＷＬ…照明光、Ｇ１…画像光。

Claims (15)

1. 入射した光を第１方向に拡大して第１光出射部から出射する第１導光光学系と、
   入射した光を前記第１方向と交差した第２方向に拡大して第２光出射部から出射する第２導光光学系と、を備え、
   前記第１導光光学系は、一方の端部に設けられた第１光入射部と、前記一方の端部とは反対側の端部である他方の端部に設けられた第２光入射部と、を備え、
   前記第２導光光学系は、前記第１導光光学系と光学的に接続し、
   前記第１導光光学系は、前記第１光入射部に入射した光と前記第２光入射部に入射した光との両方が、それぞれ拡大されて前記第１光出射部から出射する光学系であることを特徴とする光学素子。
2. 入射した光を前記第２方向に拡大して第３光出射部から出射する第３導光光学系を備え、
   前記第２導光光学系は、前記第２光出射部から出射した光が前記第１光入射部に入射するように配置され、
   前記第３導光光学系は、前記第３光出射部から出射した光が前記第２光入射部に入射するように配置されていることを特徴とする
   請求項１に記載の光学素子。
3. 前記第２導光光学系は、前記第２導光光学系の両方の端部からそれぞれ光が入射され、
   前記第３導光光学系は、前記第３導光光学系の両方の端部からそれぞれ光が入射されることを特徴とする
   請求項２に記載の光学素子。
4. 前記第１光入射部、及び前記第１光出射部の各々は、それぞれ反射型体積ホログラフィック光学素子を備えることを特徴とする
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学素子。
5. 前記第１光入射部の反射型体積ホログラフィック光学素子の干渉縞の周期は、前記第１光出射部の反射型体積ホログラフィック光学素子の干渉縞の周期と同じ周期となるように設けられていることを特徴とする
   請求項４に記載の光学素子。
6. 前記第１光入射部の反射型体積ホログラフィック光学素子の干渉縞の層内傾斜は、前記第１光出射部の反射型体積ホログラフィック光学素子の干渉縞の層内傾斜と鏡面対象の関係となるように設けられていることを特徴とする
   請求項４又は５に記載の光学素子。
7. 請求項１に記載の光学素子と、
   前記第１光入射部と前記第２光入射部との各々に光を出射する光源と、を備え、
   前記第１導光光学系は、前記第１光出射部から出射した光が前記第２導光光学系に入射するように配置されることを特徴とする照明装置。
8. 請求項２又は３に記載の光学素子と、
   前記第２導光光学系と前記第３導光光学系との各々に光を出射する光源と、
   を備えることを特徴とする
   照明装置。
9. 前記光源は、光を分岐する分岐光学系を備え、
   前記分岐光学系は、
   導光部材と、
   光を分岐して前記導光部材に入射させる分岐入射部と、
   前記分岐入射部から入射された分岐光を前記光学素子に向けて出射する分岐出射部と、
   を有することを特徴とする
   請求項７又は８に記載の照明装置。
10. 前記導光部材は平面視で矩形状であり、
    前記分岐入射部は、前記分岐光が平面視で前記導光部材の対角四隅に向かうように光を分岐することを特徴とする
    請求項９に記載の照明装置。
11. 光を反射して前記分岐光学系に導くミラーをさらに備えることを特徴とする
    請求項９又は１０に記載の照明装置。
12. 請求項７乃至１１のいずれか一項に記載の照明装置と、
    前記照明装置からの照明光を変調する光変調装置と、
    を備えることを特徴とする
    画像表示装置。
13. 前記光変調装置により変調された画像光を観察者の眼に導く導光手段をさらに備えることを特徴とする
    請求項１２に記載の画像表示装置。
14. 前記導光手段は、反射型体積ホログラフィック光学素子を含むことを特徴とする
    請求項１３に記載の画像表示装置。
15. 請求項７乃至１１のいずれか一項に記載の照明装置と、
    前記照明装置からの光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、
    前記画像光を投写する投写光学系と、を備えることを特徴とする
    プロジェクター。