JP7567813B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

本技術は、虚像を表示可能な画像表示装置に関する。

特許文献１には、虚像表示を行うヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）が記載されている。このＨＵＤでは、情報表示源から出射された光がコンバイナにより回折され、所定の位置にいる観察者に虚像として表示される。情報表示源から出射された光は、折り返しミラーを介してコンバイナに入射し、観察者に向けて反射回折される。コンバイナは、観察者と虚像とを結ぶ光軸（観察者の視線）に対して垂直に配置される。このため、観察者は、コンバイナを正面から見ることになり虚像表示の違和感が軽減される（特許文献１の明細書段落［００１４］［００２３］［００２４］図１等）。

特開平１０－４８５６２号公報

このように、観察者に対して虚像を表示することで、様々な情報提示や視聴体験を提供することが可能であり、装置サイズの小型化を図るとともに実在感のある虚像表示を実現することが可能な技術が求められている。

以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、装置サイズの小型化を図るとともに実在感のある虚像表示を実現することが可能な画像表示装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る画像表示装置は、第１のスクリーンと、第２のスクリーンとを具備する。
前記第１のスクリーンは、物体像を形成する像面を有し、前記物体像を前記像面から斜めに投射する。
前記第２のスクリーンは、前記像面と平行に配置され前記物体像の像光が入射する入射面を有し、前記入射面における前記像光の入射方向に対応する正反射方向とは異なる出射方向に沿って前記像光を回折し、前記物体像と平行な虚像を形成する。

この画像表示装置では、第１のスクリーンの像面に形成された物体像が斜めに投射される。第２のスクリーンは、像面と平行な入射面に入射した物体像の像光を回折し、物体像と平行な虚像を形成する。この時、像光は、入射方向に対応する正反射方向とは異なる出射方向に回折される。これにより、像光が正反射される方向とは異なる方向から第２のスクリーンと平行に表示された虚像を観察することが可能となり、装置サイズの小型化を図るとともに実在感のある虚像表示を実現することが可能となる。

本技術の第１の実施形態に係る画像表示装置の基本構成を示す模式図である。 図１Ａに示す画像表示装置の側面図を拡大した模式図である。 反射型ホログラムの構成例を示す模式図である。 虚像スクリーンによって表示される虚像位置と観察方向との関係を説明するための模式図である。 虚像スクリーンによって表示される虚像の一例を示す模式図である。 観察方向の仰角に応じた虚像の変化を表すグラフである。 観察方向の方位角に応じた虚像の変化を表すグラフである。 表示仰角範囲と出射角度との関係を説明するための模式図である。 スラント角度に応じた回折効率仰角範囲の一例を示す図である。 スラント角度に応じた回折効率仰角範囲の一例を示す図である。 出射角度による入射角度の二階微分の絶対値を示すグラフである。 画像表示装置の具体的な構成例を示す模式図である。 実像スクリーンの構成例を示す模式図である。 実像スクリーンの他の構成例を示す模式図である。 実像スクリーンの配置例を示す模式図である。 比較例として挙げるホログラムスクリーンでの虚像変動を示す図である。 比較例として挙げるホログラムスクリーンでの虚像変動を示す図である。 第２の実施形態に係る画像表示装置の構成例を示す模式図である。 第３の実施形態に係る画像表示装置の構成例を示す模式図である。 第４の実施形態に係る画像表示装置の構成例を示す模式図である。 他の実施形態に係る虚像スクリーンの構成例を示す模式図である。 虚像スクリーンにおける回折効率分布の一例を示すマップである。 回転配置の反射型ホログラムの一例を示す模式図である。 回転配置の反射型ホログラムを用いた画像表示装置の構成例を示す模式図である。 回転配置の反射型ホログラムを用いた画像表示装置の他の構成例を示す模式図である。

以下、本技術に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。

＜第１の実施形態＞
［画像表示装置の構成］
図１は、本技術の第１の実施形態に係る画像表示装置の基本構成を示す模式図である。図１Ａ及び図１Ｂは、画像表示装置１００の側面図及び上面図である。画像表示装置１００は、物体像１を構成する像光を回折して、物体像１の虚像２を表示する装置である。

画像表示装置１００は、実像スクリーン１０と、虚像スクリーン２０とを有し、実像スクリーン１０に形成された物体像１を、虚像スクリーン２０を介して虚像２として表示する。ここで、物体像１とは、表示対象となる対象画像の像であり、典型的には映像である。
実像スクリーン１０上の各点からは、物体像１の各画素を表示する拡散光（像光）が出射される。従って、物体像１は、実像スクリーン１０上に形成された実像であると言える。
この物体像１（実像）の像光が、虚像スクリーン２０により回折されることで、虚像２が形成される。これにより、ユーザ３は、虚像スクリーン２０越しに物体像１の虚像２を観察することが可能となる。

図１Ａでは、物体像１及び虚像２が、それぞれ黒色及び灰色の矢印を用いて模式的に図示されている。また図１Ｂでは、図１Ａに示す物体像１及び虚像２が、それぞれ黒色及び灰色のひし形を用いて模式的に図示されている。このうち、ユーザ３が観察するのは、灰色の矢印又は灰色のひし形で表された虚像２である。
図１Ａ及び図１Ｂに示す虚像２は、ユーザ３が標準観察軸４に沿って虚像スクリーン２０を観察している状態（以下、標準観察状態と記載する）で、ユーザ３が視認する像である。画像表示装置１００は、このような標準観察状態を想定して設計される。
なお標準観察軸４とは異なる方向から虚像スクリーン２０を観察する場合であっても、虚像２を視認することが可能である。この場合、標準観察状態と比べて虚像２の位置等が変化することが考えられる。本開示では、このような観察方向の違いによって生じる虚像２の位置等の変化（虚像変動）を抑制するように、画像表示装置１００が構成される。

実像スクリーン１０は、第１の面１１と第２の面１２とを有する。第１の面１１は、物体像１が形成される面であり、物体像１の像光５が出射する面である。第２の面１２は、第１の面１１とは反対側の面である。実像スクリーン１０は、第１の面１１を虚像スクリーン２０に向けて配置される。また実像スクリーン１０は、典型的には、平板形状であり、第１の面１１及び第２の面１２はともに平面である。本実施形態では、第１の面１１は、像面に相当する。
実像スクリーン１０は、物体像１を第１の面１１から斜めに投射する。第１の面１１から物体像を投射する投射方向は、例えば物体像１と虚像２とが重ならないように、虚像スクリーン２０の構成と合わせて設定される。
実像スクリーン１０としては、例えば投射された光を拡散して物体像１を形成するスクリーンや、物体像１を直接表示するディスプレイ等が用いられる（図１３及び図１４等参照）。
第１の面１１の各点からは、各点に対応する物体像１の画素を表示する拡散光（像光）が出射される。以下では、拡散光のうち、投射方向に沿って出射される光線を主光線と記載する。すなわち投射方向とは、拡散光の主光線が投射される方向である。拡散光の拡散分布は、例えば主光線の強度が最も高くなるように設定される。これにより、所望の方向に向けて明るい物体像１を投射することが可能となり、虚像２の明るさを向上することが可能となる。

図１に示すように、本実施形態では、虚像スクリーン２０のユーザ３に向けられる面（第３の面２１）側に実像スクリーン１０が配置される。具体的には、実像スクリーン１０は、物体像１の像光５が投射される第３の面２１上の領域に対して、斜め下方に配置される。これにより、画像表示装置１００の上側には虚像２を表示し、下側には実像スクリーン１０や他の光学系を収納するといった構成が可能となる。また実像スクリーン１０は、虚像２を表示する像光５の光路を避けて配置される。これにより、虚像２が実像スクリーン１０によって遮られるといった事態を回避することが可能となる。

本実施形態では、像光５の光源として、互いに異なる波長の光を出射する１以上の単一波長光源が用いられる。ここで像光５の光源とは、例えばプロジェクタの光源、あるいはディスプレイのバックライト等である。また単一波長光源とは、例えば波長幅が狭い単色の可視光を発光する光源である。
例えば、単色での画像表示を行う場合には、その色で発光する光源が用いられる。またカラーでの画像表示を行う場合には、ＲＧＢの各色光を発光する光源が用いられる。単一波長光源の波長等は限定されない。なお、虚像スクリーン２０は、これらの波長の光（像光５）を適正に回折することが可能となるように構成される。
このような光源としては、例えばＬＤ（Laser Diode）等を用いたレーザ光源が用いられる。レーザ光源を用いることで、虚像２の明るさを大幅に向上することが可能である。

また、像光５の光源として、互いに異なる波長の光を出射する１以上の狭帯域光源が用いられてもよい。狭帯域光源とは、例えば単色で狭帯域の波長幅の可視光を発光可能な光源である。狭帯域光源の波長幅は、レーザ光源等の単一波長光源よりも広いが、例えば蛍光体やカラーフィルタ等を介して生成された可視光よりも狭い。
狭帯域光源としては、例えばＳＬＤ（Super Luminescent Diode）や単色のＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の発光素子が用いられる。狭帯域光源が用いられる場合であっても、波長幅が狭いため、十分な回折効率が得られる。
この他、蛍光体を介して可視光を生成する光源や水銀ランプ等が用いられてもよい。

また例えば、狭帯域光源等の波長幅が比較的広い光源と、光の帯域を制限する狭帯域バンドパスフィルタとを組み合わせて用いてもよい。これにより、例えばＬＥＤ等を用いることも可能となり、装置コストを抑えることが可能となる。
このように帯域の狭い単一波長の光を用いることで、虚像スクリーン２０によって回折される像光５の進行方向（回折方向）を高精度に制御することが可能となる。これにより、波長分散によって生じる虚像２のボケ等を十分に防ぐことが可能となり、虚像表示の分解能を高めることが可能となる。

虚像スクリーン２０は、実像スクリーン１０により投射された物体像１の像光５を回折して物体像１の虚像２を形成する。
虚像スクリーン２０は、第３の面２１と第４の面２２とを有する。第３の面２１は、第１の面１１と平行に配置され物体像１の像光５が入射する面である。第４の面２２は、第３の面２１とは反対側の面である。虚像スクリーン２０は、第３の面２１をユーザ３に向けて配置される。本実施形態では、第３の面２１は、入射面に相当する。また虚像スクリーン２０は、平板形状であり、第３の面２１及び第４の面２２はともに平面である。
第３の面２１に入射した像光５は、虚像スクリーン２０により回折され、第３の面２１から出射される。すなわち、虚像スクリーン２０は、第３の面２１に入射した像光５を反射する、反射型のスクリーンである。
以下では、第３の面２１（虚像スクリーン２０）に平行な面をＸＹ面と記載する。このうち、第３の面２１の横方向をＸ方向と記載し、縦方向をＹ方向と記載する。また第３の面２１（ＸＹ面）に直交する方向をＺ方向と記載する。なお、図１Ａ及び図１Ｂに示す側面図及び上面図は、画像表示装置１００をＸ方向及びＹ方向に沿って見た模式図である。

図２は、図１Ａに示す画像表示装置１００の側面図を拡大した模式図である。図２には、虚像スクリーン２０（第３の面２１）に対する像光５の入射方向及び出射方向が白抜きの矢印を用いて模式的に図示されている。
ここで像光５の入射方向とは、例えば主光線が第３の面２１に入射する方向であり、実像スクリーン１０（第１の面１１）による像光５の投射方向と平行な方向である。また出射方向とは、例えば主光線が第３の面２１で反射（回折）されて出射する方向であり、虚像スクリーン２０による回折方向である。
例えば、出射方向に平行な方向が、標準観察軸４として設定される。あるいは、出射方向とは異なる方向を標準観察軸４として設定することも可能である。この点については後述する。
以下では、第３の面２１の法線６（図中の太い実線）と像光５の入射方向との間の角度を、第３の面２１に入射する像光５の入射角度θ_inとする。また、第３の面２１の法線６と像光５の出射方向との間の角度を、第３の面２１から出射する像光５の出射角度θ_outとする。

虚像スクリーン２０は、第３の面２１における像光５の入射方向（投射方向）に対応する正反射方向７とは異なる出射方向に沿って像光５を回折する。例えば入射角度θ_inで第３の面２１に入射した像光５は、その像光５が正反射される方向（正反射方向７）とは異なる方向に向けて出射される。
ここで、正反射方向７とは、例えばミラー等の鏡面において光が反射される方向であり、入射角度と出射角度とが等しい反射方向である。図２では、入射角度θ_inで第３の面２１に入射した像光５の正反射方向７が、点線を用いて模式的に図示されている。なお、正反射が生じる場合、正反射方向７には、物体像１の正反射像が表示される。

図２に示すように、虚像スクリーン２０は、第３の面２１に対する像光５の入射角度θ_inと出射角度θ_outとが互いに異なる値となるように、像光５を回折する。従って、虚像スクリーン２０による回折では、θ_in≠θ_outとなる。
このように像光５を回折することで、正反射方向７以外の方向に像光５を出射することが可能となり、所望の方向に向けて虚像２を表示することが可能となる。また虚像スクリーン２０は、物体像１の正反射像と、物体像１の虚像２とが重ならないように構成されるとも言える。これにより、正反射等の映り込みを回避することが可能となる。

また虚像スクリーン２０は、出射方向に沿って像光５を回折して、物体像１と平行な虚像２を形成する。
例えば図２に示すように、実像スクリーン１０（第１の面１１）上の点Ｐから出射され第３の面２１に入射した像光５（拡散光）は、虚像スクリーン２０により回折され、第３の面２１における入射位置Ｑと第４の面２２側の点Ｐ'（虚像焦点）とをつなぐ光路に沿って第３の面２１から出射される。
これにより、第３の面２１に向けられたユーザ３の瞳に入射する像光５は、第４の面２２側の点Ｐ'から出射されたように観察される。また他の点から出射された像光５も同様の回折を受けて第３の面２１から出射される。この結果、第４の面２２側に形成される虚像２は、物体像１と平行な像となる。

このように、虚像スクリーン２０に対して虚像２が平行に表示されるため、スクリーンに対して虚像２が傾斜している場合等にユーザが感じる違和感を軽減することが可能であり、虚像表示の実在感を高めることが可能である。
また図１及び図２に示すように、画像表示装置１００では、物体像１（実像スクリーン１０）と、虚像スクリーン２０と、虚像２とが、互いに平行に配置される。このように各スクリーンを平行に配置可能であるため、コンパクトな装置構成を実現することが可能である。
また像光５の出射方向（虚像２が表示される方向）は、正反射方向７とは異なる方向に任意に設定可能である。これにより、例えばユーザ３の視線に対して虚像スクリーン２０を斜めに配置するといった構成を避けることが可能である。この結果、装置のフォームファクタが向上し、装置サイズの小型化を図ることが可能である。
なお、本開示において、「平行」な状態とは、実質的に平行である状態、すなわち略平行な状態を含む。例えば、完全に平行な状態からのずれ量（角度）が所定の角度範囲（例えば±１０°程度）に含まれる状態は、「平行」な状態である。

本実施形態では、像光５の出射方向は、第３の面２１と直交する方向に設定される。すなわち、出射方向は、第３の面２１の法線６と平行な方向（Ｚ方向）に設定され、虚像スクリーン２０で回折された像光５の出射角度θ_outは、０°となる。
これにより、虚像スクリーン２０を正面から見るユーザ３に対して、虚像スクリーン２０と平行な虚像２を表示することが可能となり、違和感のない虚像表示を実現することが可能となる。

また本実施形態では、実像スクリーン１０及び虚像スクリーン２０は、鉛直方向に沿って配置され、出射方向は、水平方向に設定される。例えば、図１及び図２に示す例では、Ｙ方向が鉛直方向となる。またＸＺ面が水平面となる。このように、本実施形態では、実像スクリーン１０及び虚像スクリーン２０が鉛直に設置され、物体像１及び虚像２も鉛直に表示される。これにより虚像スクリーン２０を水平方向から見るユーザ３に対して、鉛直に形成された虚像２を表示することが可能となる。
なお、出射方向の向きは限定されない。例えばユーザ３が斜め上方から装置を観察するような場合には、ユーザ３の観察方向に合わせて出射方向を斜め上方に設定するといったことも可能である。この他、出射方向は、装置の用途等に応じて適宜設定されてよい。

［虚像スクリーンの構成］
虚像スクリーン２０は、反射型ホログラム２４を用いて構成される。
反射型ホログラム２４は、反射型のホログラフィック光学素子（ＨＯＥ：Holographic Optical Element）である。ＨＯＥは、ホログラム技術を用いた光学素子であり、予め記録された干渉縞により光を回折することで、光の進行方向の制御（光路制御）を実現する。
反射型ホログラム２４は、第３の面２１から入射した像光５を回折して第３の面２１から出射するように構成される。また反射型ホログラム２４では、出射方向が制御可能である。本実施形態では、反射型ホログラム２４は、反射型の回折光学素子に相当する。

反射型ホログラムは、例えばフィルム状のホログラム材料（フォトポリマー等）を用いて構成される。この場合、ガラスやプラスチックなどの透明基材上に、反射型ホログラム２４を貼り付けることで、保持性や耐久性を備えた虚像スクリーン２０を構成することが可能である。なお図１及び図２では、透明基材の図示が省略されている。
このように、反射型ホログラム２４を貼り付ける構成では、ユーザ３側に透明基材の層が入ることを避けたい場合は表に貼ればよい。これにより透明基材表面での正反射等を回避することが可能となる。また反射型ホログラム２４に直接触れることを防ぎたい場合は、裏に貼ればよい。
また反射型ホログラム２４に接着性が無い場合や、より高い耐久性を考慮した場合等には、透明基板の間に反射型ホログラム２４を挟むような構成が用いられてもよい。

反射型ホログラム２４は、特定の角度範囲で入射した光を回折して反射し、その他の角度範囲の光を透過するように構成される。
例えば、第３の面２１に対して特定の角度範囲で入射した光は、その入射角度に応じた出射角度で第３の面２１から出射される。第３の面２１に対する像光５の入射角度θ_in（投射方向）は、この角度範囲に含まれるように設定される。あるいは、θ_inが含まれるように角度範囲が設定される。
また特定の角度範囲以外の入射角度で入射した光は、干渉縞による回折をほとんど受けることなく、反射型ホログラム２４を透過する。このため、例えば第４の面２２側から水平方向に沿って入射した背景の光をそのまま通過させることが可能である。
このように、反射型ホログラム２４は、透明スクリーンとして機能する。これにより、現実の空間に虚像２を重畳して表示することが可能となり、優れた視覚効果を発揮することが可能となる。

本実施形態では、反射型ホログラム２４として、体積位相型ホログラム（体積型ＨＯＥ）が用いられる。体積位相型ホログラムは、素子を構成するホログラム材料（フォトポリマー等）の内部に干渉縞が記録された１次の回折次数のみを持つＨＯＥである。従って、反射型ホログラム２４では、２次以上の回折は無視することが可能である。
また反射型ホログラム２４は、屈折力（パワー）を持たない反射型ミラーホログラムとして構成される。この場合、反射型ホログラム２４は、正反射とは異なる方向に光を反射する平面ミラーと見做すことが可能である。
例えば、図２に示すように、第１の面１１の点Ｐから出射され第３の面２１の点Ｑに入射した像光５が回折されて、第４の面２２側の点Ｐ'に点Ｐの虚像２が形成されるとする。この場合、線分ＰＱの長さは、線分Ｐ'Ｑの長さと等しくなり（ＰＱ＝Ｐ'Ｑ）、三角形ＰＱＰ'は、二等辺三角形となる。

図３は、反射型ホログラム２４の構成例を示す模式図である。図３（ａ）は、反射型ホログラム２４の厚さ方向の断面を示す模式図である。図３（ｂ）は、反射型ホログラム２４の第３の面２１を示す模式図である。

反射型ホログラム２４は、一方向に周期を持つ干渉縞８が露光されたＨＯＥである。具体的には、第３の面２１（第４の面２２）に沿って、互いに平行な複数の帯状の干渉縞８が形成される。例えば互いに平行に形成された各干渉縞８と直交する方向が、干渉縞８が周期を持つ方向（周期方向）となる。
この干渉縞８は、一次元回折格子として機能する。すなわち反射型ホログラム２４は、一次元回折格子を有する。図３では、反射型ホログラム２４に形成された干渉縞８が縞状のパターンにより模式的に図示されている。
このような一方向に周期を持つ干渉縞８（一次元回折格子）のパターンは、例えばレーザ光をスキャンして干渉縞を生成するスキャン露光等の手法を用いて形成される。

図３（ａ）に示すように、反射型ホログラム２４の内部には、スラント角度φの干渉縞８が一定の間隔で形成される。ここでスラント角度φは、干渉縞８と、反射型ホログラム２４の表面（第３の面２１及び第４の面２２）との間の角度である。例えば反射型ホログラム２４に入射した光は、その入射角度とスラント角度φとに応じた角度で反射される。スラント角度φは、干渉縞８を露光する際のレーザ光の入射角度等を調整することで、所望の角度に設定することが可能である。
上記したように、反射型ホログラム２４では干渉縞８により一次元回折格子が構成される。図３（ａ）には、干渉縞８のグレーティングベクトル２５が太線の矢印により模式的に図示されている。グレーティングベクトル２５は、各干渉縞８に直交するベクトルである。このグレーティングベクトル２５の方向が、干渉縞８の周期方向となる。

本実施形態では、第３の面２１における干渉縞８の周期方向は、入射方向（投射方向）を第３の面２１に対して正射影した方向である。
例えば図２に示すように、投射方向を第３の面２１に対して正射影した方向は、第３の面２１の上下方向（Ｙ方向）となる。従って、図３（ｂ）に示すように、第３の面２１における干渉縞８の周期方向（第３の面２１におけるグレーティングベクトル２５の方向）は、Ｙ方向となる。
これにより、例えば像光５の回折効率を左右対称にすることが可能である。

反射型ホログラム２４には、出射方向（出射角度θ_out）に物体像１を回折するグレーティングベクトル２５（スラント角度φ）を持った干渉縞８が露光される。
以下では、反射型ホログラム２４内の干渉縞８の周期をグレーティングピッチＰと記載し、反射型ホログラム２４の表面における干渉縞８の周期を境界ピッチΛと記載する。グレーティングピッチＰは、干渉縞８を露光する際のレーザ光の波長と露光角度によって決まるピッチである。
例えば、第３の面２１における像光５の入射角度θ_in及び出射角度θ_outの関係は、境界ピッチΛを用いて、以下の式で表すことが可能である。
Ｓｉｎθ_in±ｍλ／Λ＝Ｓｉｎθ_out （１）
ここで、λは、再生光源となる像光５の主波長であり、ｍは１以上の整数である。
この（１）式に従って、境界ピッチΛやスラント角度φを設定することが可能である。なお（１）式は、ブラッグ条件を表す式である。

［虚像と観察方向との関係］
図４は、虚像スクリーン２０によって表示される虚像位置と観察方向との関係を説明するための模式図である。図５は、虚像スクリーン２０によって表示される虚像２の一例を示す模式図である。以下では、反射型ホログラム２４を用いて虚像スクリーン２０の一般的な性質について説明する。なお図４及び図５では、虚像や虚像位置の変化が強調して図示されている。

画像表示装置１００を観察しているユーザ３の顔が移動すると、視点９の位置が移動する。このとき、ユーザ３が虚像スクリーン２０を観察する観察方向（視線の方向）が変化する。
例えばユーザ３の顔が上下に移動すると、虚像スクリーン２０に対する観察方向の仰角が変化する。また例えばユーザ３の顔が左右に移動すると、虚像スクリーン２０に対する観察方向の方位角が変化する。
ここで、仰角とは、例えば対象となる方向（観察方向等）を表すベクトルが、ＸＺ面（水平面）となす角度である。また方位角とは、例えばＸＺ面に射影されたベクトルのＸＺ面内での方位を示す角度である。

図４には、互いに仰角が異なる３か所の視点９ａ～９ｃに向けて表示される虚像２ａ～２ｃの位置が図示されている。虚像２ａ～２ｃは、同一の物体像１（物体像１上の同一点）を表示する虚像２である。
また図５（ａ）～（ｃ）には、視点９ａ～９ｃで観察される虚像２の一例が模式的に図示されている。ここでは、実空間上の物体であるステージ３０を基準として虚像２が表示されるものとする。

視点９ａは、Ｚ方向（標準観察軸４）に沿って虚像スクリーン２０を観察する視点である。例えば視点９ａで観察される虚像２ａは、物体像１及び虚像スクリーン２０と平行な像となり、虚像２ａの位置は、設計上の表示位置となる。例えば図５（ａ）に示すように、視点９ａでは、ステージ３０の上方に所定の間隔を空けて配置されたキャラクターの虚像２ａが観察される。この虚像２ａは、設計上の表示位置及び表示姿勢で表示された像である。

視点９ｂは、視点９ａよりも上方から虚像スクリーン２０を観察する視点である。視点９ｂでは、視点９ａに比べて観察方向の仰角が大きい。この場合、図４に示すように、虚像２ｂの表示位置は、視点９ａでの表示位置に比べて、ユーザ３から見て上方及び後方（ユーザ３から離れる方向）にシフトする。この結果、図５（ｂ）に示すように、虚像２ｂは、ステージ３０に対して上方に移動し、そのサイズは、虚像２ａに比べて小さくなる。また虚像２ｂは、ユーザ３側に倒れるように傾斜して表示姿勢が変化する（図１６参照）。このため虚像２ｂは、虚像２ａに比べて歪んだ像となる。
視点９ｃは、視点９ｂよりも上方から虚像スクリーン２０を観察する視点であり、視点９ｂに比べて観察方向の仰角が大きい。この場合、虚像２ｃの表示位置は、虚像２ｂよりもさらに上方及び後方にシフトする。この結果、虚像２ｃは、虚像２ｂよりも上方に表示され、サイズが小さく、歪みの大きい像となる。
また、視点９ｂ及び９ｃのように、標準観察軸４とは異なる角度で虚像スクリーン２０を観察する場合、反射型ホログラム２４での回折効率が低下することで、虚像２の表示輝度が低下する。図５に示す例では、虚像２ａが最も明るい像となり、虚像２ｃが最も暗い像となる。
なお、ユーザ３が左右方向に顔を移動して、観察方向の方位角が変化する場合にも、虚像２の表示位置、表示姿勢、及び表示輝度等が変化する（図１７等参照）。

このように、ユーザ３が顔を仰角方向（上下方向）や方位角方向（左右方向）へ動かした場合、虚像２が移動してしまい、虚像２の実在感が失われる場合がある。例えば、一人のユーザ３が顔を移動させた場合に虚像変動が生じることで、実空間に対して虚像２が定位しているように知覚させることが難しくなる可能性がある。また複数のユーザ３に虚像２を表示する場合には、各ユーザ３から見える虚像２の位置が異なってしまうといった事態や、虚像２が倒れて見え難くなるといった事態が起こり得る。また、観察方向によっては、虚像スクリーン２０で表示可能な角度範囲を超えてしまい、虚像表示ができなくなる恐れがある。

ここで発明者は、反射型ホログラム２４を用いて表示される虚像２について考察した。そして、観察方向の変化に対して虚像２の表示位置等の変化が小さくなるような反射型ホログラム２４の干渉縞８に関する条件を見出した。以下、具体的に説明する。

［境界ピッチの設定］
本実施形態では、干渉縞８の境界ピッチΛは、物体像１及び出射方向に向けて表示される虚像２を結ぶ線の二等分線３１と反射型ホログラム２４とのなす交差角度αが１６．３°以下となるように設定される
図２を参照して説明したように、本実施形態では屈折力のない平面ミラー型の反射型ホログラム２４が用いられる。この場合、物体像１の位置Ｐと、像光５の入射位置Ｑと、虚像の位置Ｐ'とは、二等辺三角形を形成し、線分ＰＰ'の二等分線３１は、入射位置Ｑを通る線となる。この二等分線３１と第３の面２１とのなす角度が交差角度αである。

例えば図２に示す二等辺三角形の角度関係のもとで、上記した（１）式を変形すると、境界ピッチΛは、波長λと、出射角度θ_out（あるいは入射角度θ_out）と、交差角度αとを用いて表すことが可能である。従って、例えば使用する波長λ及び出射角度θ_outが設定されている場合、交差角度αを設定することで、境界ピッチΛを定めることが可能である。
また、あるαに対して、上記した角度関係を満たす入射角度θ_in及び出射角度θ_outのペア（入射方向及び出射方向のペア）を任意に選択可能である。このうち、入射角度θ_in及び出射角度θ_outは、例えば物体像１と虚像２とが重ならない範囲で設定される。
このように設定された出射角度θ_out（入射角度θ_in）において、交差角度αが０°＜α≦１６．３°となるような境界ピッチΛが設定される。
交差角度αを基準にして境界ピッチΛを設定することで、以下のグラフに示す通り、顔移動に対する虚像変動を少なく抑えることが可能となる。

図６は、観察方向の仰角に応じた虚像２の変化を表すグラフである。
図６には、観察方向の仰角（視点仰角）を変化させて虚像２の高さ移動量（図６Ａ）、奥行移動量（図６Ｂ）、傾きの変化量（図６Ｃ）を計算したシミュレーション結果のグラフが示されている。各グラフの横軸は、水平方向を０°とする観察方向の仰角である。また各グラフの縦軸は、水平方向から観察したときの虚像２の状態を基準に設定されている。
また図６Ａ～図６Ｃに示す各グラフには、交差角度αが、２５°、１６．３°、１３．１°、及び９．５°に設定された場合のデータ３５ａ～３５ｄがプロットされている。このうち、データ３５ｂ、データ３５ｃ、及びデータ３５ｄが、交差角度αが１６．３°以下となる境界ピッチΛが設定された反射型ホログラム２４についてのデータとなる。

図６Ａに示すように、交差角度α＝２５°の場合（データ３５ａ）、虚像２の鉛直方向の移動量は、観察する仰角の変化に伴い急激に増加する。この結果、α＝２５°では、観察方向の仰角が１０°になった時点で、１８ｍｍ程度の高さ移動が生じる。すなわち、ユーザ３が虚像スクリーン２０を見る仰角が１０°変化しただけで、虚像２の位置が上方に１８ｍｍ変化する。また図６Ｂ及び図６Ｃに示すように、α＝２５°の場合、観察方向の仰角が１０°の状態で、奥行方向への移動量は－２０ｍｍ以上であり、像の傾斜は－３０°近くになる。このようにα＝２５°となるような境界ピッチΛが設定された構成では、虚像２の移動や傾斜によって、実在感が大きく損なわれる可能性がある。

これに対し、交差角度α＝１６．３°の場合（データ３５ｂ）、虚像変動が十分に小さく抑えられる。例えば図６Ａに示すように、α＝１６．３°では、観察方向の仰角が１０°である状態での虚像２の高さ移動は５ｍｍ程度に抑えられる。またα＝１３．１°及び９．５°である場合（データ３５ｃ及び２５ｄ）では、虚像２の高さ移動は、さらに小さい量となる。
また図６Ｂ及び図６Ｃに示すように、αが１６．３°以下である場合、奥行方向への移動量は－１０ｍｍ以下であり、像の傾斜は－１０°以下となる。
このようにα≦１６．３°となるような境界ピッチΛが設定された構成では、観察方向の仰角の変化に伴う虚像２の移動や傾斜が十分に抑制される。この場合、例えば一定の仰角範囲（例えば仰角が０°から１０°までの範囲等）で観察方向が変化しても、虚像２の位置や姿勢はほとんど変化しない。これにより、虚像２があたかもその位置に存在しているような実在感のある表示を実現することが可能となる。

図７は、観察方向の方位角に応じた虚像２の変化を表すグラフである。
図７には、観察方向の方位角（視点方位角）を変化させて虚像２の高さ移動量（図７Ａ）、奥行移動量（図７Ｂ）、傾きの変化量（図７Ｃ）を計算したシミュレーション結果のグラフが示されている。図７に示す各グラフでは、観察方向の仰角が１０°に設定されている。
各グラフの横軸は、虚像スクリーン２０に直交する方向（Ｚ方向）を０°とする観察方向の方位角である。また各グラフの縦軸は、仰角１０°及び方位角０°観察したときの虚像２の状態を基準に設定されている。
また図７Ａ～図７Ｃに示す各グラフには、交差角度αが、２５°、１６．３°、１３．１°、及び９．５°に設定された場合のデータ３５ａ～２５ｄがプロットされている。このうち、データ３５ｂ、データ３５ｃ、及びデータ３５ｄが、交差角度αが１６．３°以下となる境界ピッチΛが設定された反射型ホログラム２４についてのデータとなる。
なおデータ３５ｅは、交差角度α＝１６．３°でユーザ側凸状に湾曲した反射型ホログラムでのデータであり、データ３５ｆは、交差角度α＝１６．３°で干渉縞の周期方向をＺ方向を軸に回転させた反射型ホログラムでのデータである。データ３５ｅ及び３５ｆについては後述する。

図７Ａに示すように、虚像２の高さ移動は、交差角度α＝２５°の場合（データ３５ａ）に最も大きい。例えば方位角２０°での観察では、８ｍｍ以上の高さ移動が生じる。
交差角度α≦１６．３°である場合（データ３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ）には、方位角変化に伴う高さ移動は十分に抑制されている。例えば方位角２０°での観察では、高さ移動は３ｍｍ以下となる。
図７Ｂに示すように、虚像２の奥行移動も、交差角度α＝２５°の場合に最も大きく、例えば方位角２０°での観察では、－３０ｍｍ以上となる。
交差角度α≦１６．３°である場合には、方位角変化に伴う奥行移動も十分に抑制されており、例えば方位角２０°での観察では、奥行移動は－１０ｍｍ以下である。
図７Ｃに示すように、交差角度α＝２５°の場合、仰角１０°の観察方向からは、方位角０°の時点で－３０°近い角度で虚像２が傾斜する。
交差角度α≦１６．３°である場合には、虚像２の傾斜は、－１０°以下である。またこの場合、虚像２の傾斜角度は、方位角が変化してもほとんど変わらない。
このようにα≦１６．３°となるような境界ピッチΛが設定された構成では、観察方向の方位角の変化に伴う虚像２の移動や傾斜が十分に抑制される。これにより、例えばユーザ３が左右に移動した場合であっても、虚像２の位置や姿勢がほとんど変化しないため、実在感のある表示を実現することが可能となる。

［スラント角度の設定］
画像表示装置１００には、虚像２を表示する角度範囲（表示角度範囲）が設定される。表示角度範囲とは、虚像２を適正に表示することが可能な仰角及び方位角の角度範囲である。例えば、画像表示装置１００は、表示角度範囲に含まれる観察方向から観察される虚像２の高さ位置、奥行位置、及び像の傾斜等が、所定の許容範囲に収まるように構成される。
表示角度範囲は、例えば図６及び図７等を参照して説明した、観察方向に対する虚像の位置及び姿勢の変化の特性に基づいて設定される。あるいは、表示角度範囲は、反射型ホログラム２４による像光５の回折効率等に基づいて、一定値以上の回折効率が得られる回折効率角度範囲として設定される。あるいは、画像表示装置１００の用途等に応じて表示角度範囲が設定されてもよい。

本実施形態では、表示角度範囲として設定された仰角の範囲（表示仰角範囲）における回折効率の分布が、所望の分布となるように、反射型ホログラム２４の干渉縞８のスラント角度φが設定される。
反射型ホログラム２４では、入射方向（入射角度θ_in）から入射した像光５を出射方向（出射角度θ_out）に対して回折する場合に、ブラッグ条件が満たされ、像光５の回折効率が最大となる。すなわち、出射角度θ_outは、ブラッグ角であるといえる。
スラント角度φは、ブラッグ条件から、例えばθ_in及びθ_outの関数として表すことが可能である。従って、例えば入射方向（像光５の投射方向）が設定されている場合、スラント角度φを設定することで、出射方向（出射角度θ_out）を定めることが可能である。
このように、スラント角度φを設定することで、回折効率が最大となる方向が定まり、表示仰角範囲における回折効率の角度分布を設定することが可能となる。

図８は、表示仰角範囲と出射角度θ_outとの関係を説明するための模式図である。図８には、画像表示装置１００に設定された表示仰角範囲４０（斜線の範囲）と、反射型ホログラム２４の回折効率仰角範囲４１（グレーの範囲）とが模式的に図示されている。
ここで、回折効率仰角範囲４１とは、例えば虚像２を表示することが可能な回折効率（回折効率ピークの３０％以上等）で像光５を回折可能な出射仰角の範囲である。また回折効率仰角範囲４１における回折効率は、出射角度θ_outでピークとなる。

スラント角度φは、例えば、表示仰角範囲４０に出射角度θ_outが含まれるように設定される。この場合、表示仰角範囲４０内の仰角で出射される像光５には、オンブラッグの条件で回折された像光５及びオフブラッグの条件で回折された像光５が含まれる。
オンブラッグの条件とは、ブラッグ条件を満たす像光５の入出射の角度の条件である。オンブラッグの条件で回折された像光５は、入射角度θ_inで反射型ホログラム２４に入射し、出射角度θ_outで出射する像光５である。この場合、像光５の回折効率は最大となる。
オフブラッグの条件とは、例えばブラッグ条件をあえて外した入出射の角度の条件である。ここでは、回折効率が第１の閾値以上であり、かつ回折効率が最大とはならない状態での像光５の回折を、オフブラッグの条件の回折とする。第１の閾値は、例えば回折効率ピークの５０％等である。これに限定されず、第１の閾値は適宜設定可能である。本実施形態では、第１の閾値は、第１の値に相当する。

このように、干渉縞８のスラント角度φは、虚像２を表示するための表示仰角範囲にブラッグ条件で回折された像光５が含まれるような角度に設定される。言い換えれば、スラント角度φは、表示仰角範囲に回折される像光５に対する回折効率が、第１の閾値以上となる角度に設定される。
これにより、表示仰角範囲に対して、最大の回折効率を含む第１の閾値以上の効率で像光５を回折することが可能となり、明るい虚像２を表示することが可能となる。この結果、虚像２の視認性を向上することが可能である。

図８に示す例では、表示仰角範囲４０は、水平方向を中心に対称な仰角の範囲として設定される。またスラント角度φは、出射角度θ_out（ブラッグ角）が表示仰角範囲４０のセンター（仰角０°）となるように設定される。なお図８では、表示仰角範囲４０は、回折効率仰角範囲４１に含まれるような角度幅に設定される。
この場合、水平方向にはオンブラッグの条件で回折された像光５が出射される。このため、水平方向から反射型ホログラム２４を観察した場合に、虚像２が最も明るく表示される。また、水平方向から上下にずれた方向には、オフブラッグの条件で回折された像光５が出射される。これにより、水平方向を中心として、ユーザ３の視点が下方又は斜め上方に移動した場合であっても、虚像２を十分な明るさで表示することが可能である。
なお、スラント角度φは、必ずしも使用する表示仰角範囲４０のセンターがブラッグ角となるように設定される必要はなく、所望の虚像表示が可能となるように適宜設定されてよい。

図９及び図１０は、スラント角度φに応じた回折効率仰角範囲４１の一例を示す図である。図９Ａ及び図１０Ａは、反射型ホログラム２４における回折効率の角度分布の一例を示すマップである。マップの縦軸は、反射型ホログラムＡから出射される像光５の出射方向の仰角であり、マップの横軸は、出射方向の方位角である。また各点の色は、出射方向の仰角及び方位角に応じた回折効率を表している。
図９Ｂ及び図１０Ｂは、図９Ａ及び図１０Ａに示す反射型ホログラム２４における回折効率仰角範囲４１を示す模式図である。

図９Ａでは、回折効率仰角範囲４１に水平方向（仰角０°）が含まれる角度範囲で、出射角度θ_outが水平方向よりも上側の角度となるようにスラント角度φが設定される。この場合、図９Ｂに示すように、一定以上の回折効率が得られる仰角範囲を水平方向から上方に偏らせることが可能となる。この構成は、例えば図８に示す構成から、ブラッグ角を上方にシフトした構成であると言える。
例えば、画像表示装置１００を観察する際に、ユーザ３の視点が上方に移動することが想定される場合等には、図９に示すように、回折効率仰角範囲４１を斜め上方に傾ける構成が採用される。これにより、視点の移動量が大きい場合であっても、明るい虚像２を表示することが可能となる。

図１０Ａでは、回折効率仰角範囲４１から水平方向が外れる角度範囲で、出射角度θ_outが水平方向よりも上側の角度となるようにスラント角度φが設定される。この場合、図１０Ｂに示すように、反射型ホログラム２４を斜め上方から観察する視点に向けて明るい虚像２が表示される。また、反射型ホログラム２４を水平方向から観察しても、虚像２を視認することはできない。
例えば、画像表示装置１００がユーザ３の視点よりも下方に配置され、観察方向がほぼ斜め上方となるような場合には、図１０に示すような構成が採用される。

またスラント角度φは、例えば、表示仰角範囲４０に出射角度θ_outが含まれないように設定されてもよい。すなわち表示仰角範囲からブラッグ角を外すことも可能である。この場合、表示仰角範囲４０の仰角で出射される像光５には、オフブラッグの条件で回折された像光５のみが含まれる。
従って表示仰角範囲４０における回折効率は、第１の閾値以上でありかつ第２の閾値以下となる。第２の閾値は、例えば虚像２を適正に表示可能な範囲で適宜設定されてよい。本実施形態では、第２の閾値は、第２の値に相当する。

このように、干渉縞８のスラント角度φは、表示仰角範囲４０にブラッグ条件をあえて外した条件（オフブラッグの条件）で回折された像光５のみが含まれるような角度に設定されてもよい。言い換えれば、スラント角度φは、虚像２を表示する表示角度範囲として設定された仰角の範囲（表示仰角範囲４０）に回折される像光５に対する回折効率が、第１の閾値以上かつ第２の閾値以下となる角度に設定されてもよい。
この場合であっても、表示仰角範囲４０に対して適正に虚像２を表示することが可能である。例えば、必要な表示仰角範囲４０を狭めたいときには、このようにオフブラッグで使用する。

このように、本実施形態では、反射型ホログラム２４のスラント角度φが、オンブラッグとオフブラッグの両条件を含むか、またはオフブラッグ条件のみとなるように設定される。これにより、表示仰角範囲４０にのみ高い回折効率を設定し、明るい虚像２を表示させることが可能となる。また、表示仰角範囲４０から外れた範囲（つまりユーザ３に見せたくない仰角範囲）では、回折効率を意図的に低く設定し、虚像２の変動を見せないようにするといったことが可能である。これにより、虚像変動が視認されることが防止され、虚像２の実在感を損ねる事態を回避することが可能となる。

図１１は、出射角度θ_outによる入射角度θ_inの二階微分の絶対値を示すグラフである。例えば、反射型ホログラム２４に入射角度θ_in（入射仰角）で入射した像光５は、その入射角度θ_inと反射型ホログラム２４に設定された交差角度αとに応じた出射角度θ_out（観察方向の仰角）で回折される。図１１に示す各グラフは、交差角度αごとに入射角度θ_inを出射角度θ_outで二階微分した値の絶対値をプロットしたものであり、各交差角度αにおける出射角度θ_outに対する入射角度θ_inの変化量を示すグラフであると言える。このような入射角度θ_inの変化量を基準として、反射型ホログラム２４が設計されてもよい。

反射型ホログラム２４の設計パラメータ（境界ピッチΛやスラント角度φ）は、例えば、観察方向として想定される仰角（出射角度θ_out）において、出射角度θ_outによる入射角度θ_inの二階微分の絶対値が所定の閾値以下となるように設定される。例えば図１１に示すように、０°～１０°の出射角度θ_outの範囲において、入射角度θ_inの二階微分がおよそ０．０３以下となるように設計された反射型ホログラム２４は、αが１６．３°以下に設定された反射型ホログラム２４と同等の挙動をしめす。これにより観察方向の仰角の変化に対する虚像変動を十分に抑制することが可能である。

図１２は、画像表示装置１００の具体的な構成例を示す模式図である。図１２に示す例では、実像スクリーン１０として、拡散スクリーンが用いられる。また画像表示装置１００は、拡散スクリーンに物体像１の像光５を投射するプロジェクタ１５を有する。本実施形態では、プロジェクタ１５は、投射部に相当する。

画像表示装置１００の設計値について説明する。なお、以下で説明する数値はあくまで一例であり、各設計値は適宜選択することが可能である。
視認距離Ｌは、虚像スクリーン２０の第３の面２１から、ユーザ３の視点９までの距離であり、例えば２００ｍｍ≦Ｌ≦２０００ｍｍの範囲に設定される。
視点９の仰角移動の角度範囲ω１は、上記した表示仰角範囲に相当する。画像表示装置１００は、表示仰角範囲ω１に対して、適正に虚像２を表示するように構成される。表示仰角範囲ω１は、例えば０°≦ω１≦１０°の範囲に設定される。
視点９の方位角移動の角度範囲ω２は、上記した表示角度範囲として設定された方位角の範囲（表示方位角範囲）に相当する。画像表示装置１００は、表示方位角範囲ω２に対して、適正に虚像２を表示するように構成される。表示仰角範囲ω２は、例えば－１５°≦ω２≦１５°の範囲に設定される。
虚像表示距離ａは、虚像スクリーン２０の第３の面２１から、虚像２が表示される位置までの水平距離であり、例えばａ＝５０ｍｍ程度に設定される。
スクリーン間距離ｂは、虚像スクリーン２０の第３の面２１と、実像スクリーン１０の第１の面１１（物体像１）との水平距離であり、例えばｂ＝４５ｍｍ程度に設定される。

図１２に示す例では、虚像スクリーン２０は、反射型ホログラム２４と透明基材２６とを用いて構成される。反射型ホログラム２４は透明基材２６のユーザ３側に貼合される。なお図２を参照して説明したように、反射型ホログラム２４は透明基材２６の虚像２側に貼合されてもよいし、透明基材２６と一体型として形成されてもよい。又２つの透明基材２６で反射型ホログラム２４を挟むような構成が採用されてもよい。
反射型ホログラム２４の境界ピッチΛは、例えば１２００ｎｍに設定され、スラント角度φは８１．４°に設定される。この時、出射角度θ_outは０°に設定され、Ｚ方向と平行に虚像スクリーン２０を観察する観察方向に対してブラッグ条件が満たされており、オンブラッグとなっている。図１２には、ブラッグ条件を満たす入射方向及び出射方向が黒色の太い矢印を用いて模式的に図示されている。またＺ方向と交差する観察方向に対しては、オフブラッグとなっている。
ブラッグ条件をみたすスラント角度φの選択は，使用する表示仰角範囲ω１に対して自由に選択可能である。いずれにしろ、ユーザ３の顔が移動するため、画像表示装置１００はオンブラッグの条件とオフブラッグの条件は共存するか、オフブラッグの条件での使用となる。

プロジェクタ１５は、所定の放射角（画角）で物体像１となる対象画像を構成する像光５を出射する。図１２に示すように、プロジェクタ１５は、所定の投射角度（投射方向）で像光５を投射するように配置される。この投射角度は、放射角の中心角度となる。このように像光５を斜めに投射することで、実像スクリーン１０から出射される像光５の輝度を向上することが可能である。

プロジェクタ１５としては、レーザ光源（ＬＤ：Laser Diode）を用いたレーザプロジェクタ等が用いられる。本実施形態では、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を用いた走査型プロジェクタによりレーザ光をスキャンして画像を投射するスキャン型のレーザプロジェクタが用いられる。なお液晶ライトバルブ等を用いた投影型のレーザプロジェクタが用いられてもよい。

レーザ光源を用いることで、狭帯域のＲＧＢ光を用いて対象画像を投射することが可能となり、像光５の帯域を狭めることが可能である。これにより、高い回折性能を発揮することが可能となる。なお、光源として、ＬＥＤ光源やランプ光源等を用いたプロジェクタ１５が用いられてもよい。この場合、光の帯域を狭くする狭帯域フィルタ等を組み合わせることで、帯域の狭い像光５を投射することが可能である。

図１３は、実像スクリーン１０の構成例を示す模式図である。図１３Ａ及び図１３Ｂには、透過型及び反射型の拡散スクリーンとして構成された実像スクリーン１０ａ及び１０ｂと、各スクリーンに像光５を投射するプロジェクタ１５とが模式的に図示されている。

図１３Ａに示すように、実像スクリーン１０ａは、第１の面１１ａ及び第２の面１２ａを有する。実像スクリーン１０ａは、第２の面１２ａから入射した光を透過して、第２の面１２ａの反対側の第１の面１１ａから拡散して出射する。
従って、第２の面１２ａは、プロジェクタ１５から物体像１の像光５が投射される投射面として機能する。また、第１の面１１ａは、像光５を拡散して出射する拡散面として機能する。これにより、第１の面１１ａには、プロジェクタ１５から出射された像光５により構成される対象画像の物体像１が形成される。
図１３Ａでは、実像スクリーン１０ａ（第１の面１１ａ）に形成される物体像１と、物体像１を構成する像光５（拡散光）が模式的に図示されている。なお図１２に示す構成では、透過型の実像スクリーン１０ａが用いられている。
透過型の実像スクリーン１０ａが用いることで、例えばプロジェクタ１５の配置の自由度が向上し、様々な投射角度や投射距離に対応することが可能となる。

図１３Ｂに示すように、実像スクリーン１０ｂは、第１の面１１ｂ及び第２の面１２ｂを有する。実像スクリーン１０ｂは、第１の面１１ｂから入射した光を反射して、第１の面１１ｂから拡散して出射する。
従って、第１の面１１ｂは、プロジェクタ１５から物体像１の像光５が投射される投射面であるとともに、像光５を拡散して出射する拡散面として機能する。これにより、第１の面１１ａには、プロジェクタ１５から出射された像光５により構成される対象画像の物体像１が形成される。
反射型の実像スクリーン１０ｂを用いることで、例えばプロジェクタ１５を実像スクリーン１０よりも装置の内側に配置するといったことが可能となり装置サイズを小さくすることが可能となる。

拡散スクリーン（実像スクリーン１０ａ及び１０ｂ）としては、例えば拡散特性のある透過型のＨＯＥや反射型のＨＯＥが用いられる。あるいは、拡散特性を持ったＨＯＥ以外のスクリーンが用いられてもよい。また例えば所定の投射方向に向けて拡散光を出射するように構成された異方性拡散スクリーン等が用いられてもよい。この他、拡散スクリーンの具体的な構成は限定されない。

図１４は、実像スクリーン１０の他の構成例を示す模式図である。図１４に示す実像スクリーン１０ｃは、物体像１を表示可能なディスプレイである。本開示においてディスプレイとは、像光５を投射することなく表示面に対象画像（物体像１）を表示する表示装置である。
実像スクリーン１０ｃとしては、例えば有機ＥＬディスプレイやプラズマディスプレイ等の画素ごとに発光して画像を表示する自発光パネルを備えたディスプレイが用いられる。あるいは、液晶ディスプレイ等の画素ごとに光を変調して画像を表示するバックライト式パネルを備えたディスプレイが用いられてもよい。

図１４に示すように、実像スクリーン１０ｃは、第１の面１１ｃを有する。第１の面１１ｃは、物体像１を表示する表示面として機能し、第１の面１１ｃの各点からは、物体像１の各画素を表示する拡散光（像光５）が出射される。
いずれのディスプレイが用いられる場合でも、光を出射する方向（投射方向）や光の拡散角を制御することで、所定の投射方向に物体像１投射することが可能である。
このように、自発光パネルやバックライト式パネルを備えたディスプレイを用いた実像スクリーン１０ｃは、像光５を投射するための投射光学系（投影系）が不要である。これにより、装置サイズの増大を回避することが可能となり、コンパクトな画像表示装置１００を実現することが可能となる。

図１５は、実像スクリーンの配置例を示す模式図である。図１５Ａに示すように、上記では、虚像スクリーン２０の第３の面２１の斜め下方に実像スクリーン１０が配置される例について説明した。この構成では、画像表示装置１００（虚像スクリーン２０）の上方に、背景に重畳して虚像２を表示するシースルー面を設けることが可能である。これにより、例えば机や床面等に設置して使用する画像表示装置１００を容易に構成することが可能である。

図１５Ｂに示す画像表示装置１００では、虚像スクリーン２０の斜め上方に実像スクリーン１０が配置される。具体的には、実像スクリーン１０は、物体像１の像光５が投射される第３の面２１上の領域に対して、斜め上方に配置される。この場合、例えば実像スクリーン１０による物体像１の投射方向等に応じて、虚像スクリーン２０である反射型ホログラム２４の各パラメータ（境界ピッチやスラント角度等）を適宜設定することで、所望の方向に虚像２を表示することが可能である。
このように、デザイン性や、使用する角度範囲（表示仰角範囲等）等を考えて、画像表示装置１００（虚像スクリーン２０）の下方にシースルー面を持ってくる構成が採用されてもよい。これにより、例えば天井等に設置して使用する画像表示装置１００を容易に構成することが可能である。

以上、本実施形態に係る画像表示装置では、実像スクリーン１０の第１の面１１に形成された物体像１が斜めに投射される。虚像スクリーン２０は、第１の面１１と平行な第３の面２１に入射した物体像１の像光５を回折し、物体像１と平行な虚像２を形成する。この時、像光５は、入射方向に対応する正反射方向とは異なる出射方向に回折される。これにより、像光５が正反射される方向とは異なる方向から虚像スクリーン２０と平行に表示された虚像２を観察することが可能となり、装置サイズの小型化を図るとともに実在感のある虚像表示を実現することが可能となる。

虚像を表示する方法として、物体像の像光を正反射方向に出射する構成が考えられる。例えば鉛直に配置された虚像用のスクリーンにより正反射方向に虚像が表示されるとする。この場合、水平方向に虚像を表示しようとすると、水平方向から像光を入射する必要があり、虚像と物体像とが重なってしまう。またスクリーンに対して斜めに光を入射する場合には、正反射の制限（入射角度＝出射角度）があるため、観察方向を傾ける必要がある。この結果、視線に対してスクリーンが傾くことになり、観察者は虚像表示に対して違和感を覚える可能性がある。
また例えば、観察者による虚像の観察位置が固定されている構成があり得る。この場合、観察者にとって見やすいようにスクリーンを配置するといったことが可能であるが、移動しながらの観察は難しくなる。また、観察者が虚像を見下ろすような構成では、スクリーンを視線に合わせて傾斜させると、フォームファクタが悪化しデバイスサイズが増大する恐れがある。

また、観察位置を移動可能な構成とした場合、ホログラムの構成によっては、虚像位置が大きくずれてしまい、実在感を損ねる可能性がある。
図１６及び図１７は、比較例として挙げるホログラムスクリーンでの虚像変動を示す図である。図１６及び１３には、交差角度α＝２５°となる境界ピッチΛが設定された反射型のホログラムスクリーン３６によって表示される虚像２の位置を表すグラフが示されている。図１６のグラフは、観察方向の仰角を変化させた場合の虚像２の移動を示すグラフである。図１７のグラフは、観察方向の方位角を変化させた場合の虚像２の移動を示すグラフである。なお図１７では、仰角が５°の状態で方位角を変化せている。各グラフの横軸及び縦軸は、虚像２の奥行位置及び高さ位置である。
図１６に示すように、ホログラムスクリーン３６では、観察方向の仰角が０°から２５°に変化した場合には、虚像２の位置は、高さ方向に１００ｍｍ程度移動し、奥行方向に１００ｍｍ以上移動する。また虚像２は、鉛直な状態から水平に近い状態にまでユーザ３側に傾く。また図１７に示すように、観察方向の方位角が０°から２５°に変化した場合には、高さ方向に２０ｍｍ程度移動し、奥行方向に－５０ｍｍ程度移動し、ユーザ３側に傾く。

本実施形態では、実像スクリーン１０から投射方向に沿って斜めに投射された物体像１の像光５が、虚像スクリーン２０により投射方向の正反射方向とは異なる出射方向に出射され、物体像１と平行な像が形成される。このように、虚像スクリーン２０による像光の回折方向は、正反射の制限を受けない。このため、例えば水平方向に虚像２を表示する場合であっても、虚像２と物体像１とが重ならない構成を容易に実現可能である。

また物体像１（実像スクリーン１０）と、虚像スクリーン２０と、虚像２とがそれぞれ平行に配置（垂直に立てて配置）される。このため、スクリーン等を斜めに配置する必要がなくなり、画像表示装置１００のフォームファクタを改善することが可能である。この結果、装置サイズの小型化を図ることが可能である。

また画像表示装置１００は、一定の表示角度範囲に向けて虚像２を表示可能なように構成される。これにより、ユーザ３が移動しながら虚像２を観察する移動観察が可能となる。
さらに、画像表示装置１００では、像光の入射角度θ_inと出射角度θ_out（回折角度）とが、θ_in≠θ_outとなるように設定され、物体像１と虚像２の二等分線と虚像スクリーン２０（第３の面２１）とのなす交差角度αが、α≦１６．３°に設定される。これにより、観察方向や視認位置の移動に対する虚像変動が抑制され、虚像表示の実在感を大幅に向上する。

このように、画像表示装置１００では、フォームファクタ等を考えて虚像スクリーン２０を垂直に配置した場合であっても、顔移動をしても虚像移動が少なく、虚像２の実体感が失われにくい。また、虚像２を観察するための視認位置は固定されていない。従って画像表示装置１００は、複数のユーザ３が同時に同じ位置に虚像２を見ることが可能なデバイスであると言える。これにより、複数のユーザ３で同じ視聴体験を共有することが可能となり、優れたアミューズメント性を発揮することが可能となる。

＜第２の実施形態＞
本技術に係る第２の実施形態の画像表示装置について説明する。これ以降の説明では、上記の実施形態で説明した画像表示装置１００における構成及び作用と同様な部分については、その説明を省略又は簡略化する。

図１８は、第２の実施形態に係る画像表示装置の構成例を示す模式図である。図１８に示すように、画像表示装置２００は、互いに平行に配置された実像スクリーン２１０と、虚像スクリーン２２０とを有する。本実施形態では、境界ピッチが互いに異なる反射型ホログラムを２枚用いて、全体として透過型の虚像スクリーン２２０が構成される。

実像スクリーン２１０は、物体像１を形成する第１の面２１１とその反対側の第２の面２１２とを有する。実像スクリーン２１０は、平板形状であり、第１の面２１１をユーザ３側に向けて、虚像２と重ならないように配置される。また、実像スクリーン２１０は、虚像スクリーン２２０を挟んでユーザ３とは反対側に配置される。
虚像スクリーン２２０は、第１の反射型ホログラム２２１と、第２の反射型ホログラム２２２と、透明基材２３０とを有する。第１及び第２の反射型ホログラム２２２及び２２３は、平板形状の透明基材２３０の両面に配置される。第１の反射型ホログラム２２１は、透明基材２３０のユーザ３とは反対側に向けられる面に配置され、第２の反射型ホログラム２２２は、透明基材２３０のユーザ３に向けられる面に配置される。透明基材２３０としては、例えばガラス基板やアクリル等のプラスチック基板が用いられる。なお各ホログラムに十分な剛性がある場合等には、透明基材２３０を用いることなく空気層を挟んで各ホログラムが配置されてもよい。

第１の反射型ホログラム２２１は、第３の面２２３と、第３の面２２３とは反対側の第４の面２２４とを有する。第３の面２２３は、第２の反射型ホログラム２２２（第５の面２２５）に向けられる面であり、第４の面２２４は、実像スクリーン２１０に向けられる面である。
第１の反射型ホログラム２２１は、物体像１の像光５を回折して、出射方向に沿って出射する。より詳しくは、透明基材２３０を介して第１の面２１１から所定の角度で入射する光を回折して第１の面２１１から出射する。なお、所定の角度は、例えば透明媒質（透明基材２３０）を介した入射角度である。本実施形態では、第１の反射型ホログラム２２１は、回折光学素子に相当する。

第２の反射型ホログラム２２２は、第５の面２２５と、第５の面２２５とは反対側の第６の面２２６とを有する。第５の面２２５は、第１の反射型ホログラム２２１（第１の面２１１）に向けられる面であり、第６の面２２６は、ユーザ３に向けられる面である。このように、本実施形態では、第２の反射型ホログラム２２２が、第１の反射型ホログラム２２１を挟んで実像スクリーン２１０とは反対側に配置される。
第２の反射型ホログラム２２２は、第１の反射型ホログラム２２１を通過した像光５を回折して、第１の反射型ホログラム２２１に向けて出射する。また第２の反射型ホログラム２２２には、第１の反射型ホログラム２２１が回折する角度範囲に対して像光５を回折するような干渉縞（グレーティングベクトル）が形成される。本実施形態では、第２の反射型ホログラム２２２は、他の回折光学素子に相当する。

例えば、物体像１を表示する実像スクリーン２１０を、ユーザ３に対して装置の奥側に配置したい場合には、第１及び第２の反射型ホログラム２２２及び２２３を２枚使用して、全体として透過型となる虚像スクリーン２２０を構成することが可能である。
すなわち、第４の面２２４及び第３の面２２３（第１の反射型ホログラム２２１）を通過して、第５の面２２５に入射した像光５は、第２の反射型ホログラム２２２の回折により第５の面２２５から出射され、第３の面２２３に入射する。この像光５は、第３の面２２３における入射方向に対応する正反射方向とは異なる出射方向（図では水平方向）に出射する。この結果、ユーザ３は虚像スクリーン２２０越しに虚像２を観察することが可能となる。

ここで、例えば第１の面２１１に対して、物体像１（実像スクリーン２１０）の位置Ｐと対象な位置を物体像１の仮想位置（Ｐ''）とし、虚像２の位置を虚像位置Ｐ'とする。また仮想位置Ｐ''と、虚像位置Ｐ'との２等分線が第１の面２１１となす角度を交差角度αとする。この交差角度αを基準として、上記の実施形態で説明した条件を満たすように、各反射型ホログラムが構成される。
例えば交差角度αが１６．３°以下となるように、第１の反射型ホログラム２２１の境界ピッチΛが設定される。また例えば、表示仰角範囲における回折効率が所望の分布となるように、第１の反射型ホログラム２２１のスラント角度が適宜設定される。
これにより、反射型ホログラムを２枚組み合わせた構成であっても、装置サイズを小型化するとともに、観察方向の変化に伴う虚像変動を抑制して、実在感のある虚像表示を実現することが可能である。

＜第３の実施形態＞
図１９は、第３の実施形態に係る画像表示装置の構成例を示す模式図である。図１９Ａは、画像表示装置３００をＸ方向から見た側面図であり、図１９Ｂは、画像表示装置３００をＹ方向から見た上面図である。画像表示装置３００は、平面形状の実像スクリーン３１０と、湾曲した虚像スクリーン３２０とを有する。この構成は、例えば図１等を参照して説明した画像表示装置１００の虚像スクリーン２０を視認者であるユーザ３側に凸状に湾曲させた構成であるともいえる。

虚像スクリーン３２０は、反射型ホログラム３２１と、透明基材３３０とを有する。虚像スクリーン３２０は、Ｙ方向を軸としてユーザ３側に凸となるように湾曲した透明基材３３０に反射型ホログラム３２１を貼り合せて構成される。
図１９に示す例では、透明基材３３０の凸状の湾曲面に反射型ホログラム３２１が配置される。これに限定されず、例えば透明基材３３０の内側の凹面（ユーザ３とは反対側に向けられる面）に反射型ホログラム３２１が配置されてもよい。
例えば平面で作製(露光)した反射型ホログラム３２１を曲面に変形して用いることが可能である。例えば、反射型ホログラム３２１がフィルムであれば、透明な曲面を備えた透明基材３３０(プラスチック成型品等)の表面に張り付けて使用可能である。
いずれにしろ、画像表示装置３００では、物体像１の像光５が入射する第３の面３２３が外側に配置され、虚像スクリーン３２０は、視認者（ユーザ３）側に凸となる湾曲形状である。すなわち虚像スクリーン３２０では、ユーザ３側に向けられる第３の面２３２が外周面となる。

虚像スクリーン３２０の曲率を適宜設定することで、水平方向に視点が移動して観察方向の方位角が変化した場合に生じる虚像変動を抑制することが可能である。例えば、上記した図７に示すデータ３５ｅは、α＝１６．３°の境界ピッチΛに設定された反射型ホログラムを、曲率半径Ｒ＝２００ｍｍで湾曲させた場合のデータである。例えば平面形状の虚像スクリーンで生じる方位角変化に伴う虚像変動（データ３５ｂ）に比べ、湾曲した虚像スクリーン３２０による虚像変動（データ３５ｅ）が小さくなる。
従って、例えば水平方向の顔移動に対して虚像移動等を抑制したい場合は、平面で作製した虚像スクリーン３２０をユーザ３側に凸になる水平方向に曲率を持たせることが有効である。なお、虚像スクリーン３２０を湾曲させることで生じる虚像２の歪みは、実像スクリーン３１０に形成される物体像１を予め補正することで、解消することが可能である。
このように、視認者側に凸の曲面スクリーンにすることで、水平方向の視認位置移動をさらに改善させることが可能である。

この他、虚像スクリーン３２０上のホログラム面（第３の面３２３及び第４の面３２４）を、デザイン性等の観点から任意の曲面形状にすることも可能である。この場合も、虚像２の歪みは、実像スクリーン３１０側の映像（物体像１）を逆に歪ませて補正可能である。

＜第４の実施形態＞
図２０は、第４の実施形態に係る画像表示装置の構成例を示す模式図である。画像表示装置４００は、実像スクリーン４１０及び虚像スクリーン４２０のペア４３０を、それぞれが表示する虚像２が互いに重なるように複数配置して構成される。例えば鉛直方向（Ｙ方向）に沿った虚像２の中心軸が、所定の基準軸Ｏと一致するように実像スクリーン４１０及び虚像スクリーン４２０のペア４３０が配置される。このスクリーンのペア４３０について、基準軸Ｏを中心として回転した位置に、他のペア４３０が配置される。各スクリーンのペア４３０は、例えば図１等を参照して説明した画像表示装置１００と同様に構成される。
このように、画像表示装置４００は、虚像スクリーン４１０（実像スクリーン４２０）を複数枚合わせて筒状に配置したデバイスである。これにより、画像表示装置４００を中心とする様々な方位に向けて虚像表示を行うことが可能となる。

各スクリーンのペア４３０では、虚像スクリーン４１０として用いられる反射型ホログラムの境界ピッチΛやスラント角度φが、虚像変動を抑制可能なように適宜設定される。
このため、例えば画像表示装置４００を観察するユーザ３の視点が、基準軸Ｏの周りに移動して観察方向の方位角が変化したとしても、面と面の切り替わり位置での虚像変動差を抑えることが可能である。すなわち、虚像スクリーン４１０の切り替わり位置で、虚像２の表示位置が不連続に変化するといった事態を回避することが可能となる。この結果、虚像２の実体感が失われにくくなる。

＜その他の実施形態＞
本技術は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。

上記の実施形態では、主に反射型ホログラムとして、１次の回折次数のみを持つ体積ホログラムについて説明した。これは、感光性のあるフォトポリマーを用いたフォトポリマー位相変調型回折格子の一例である。これに限定されず、任意の位相変調型回折格子が用いられてよい。例えば液晶によって屈折率を変化させる液晶位相変調型の素子等が用いられてもよい。またインプリントによって回折パターンを形成する位相型ホログラム等の回折格子を用いることも可能である。インプリントを用いることで、装置コストを抑えることが可能である。
この他、ホログラムの具体的な構成は限定されない。例えばスラントにおける屈折率差の大小に応じて、フォトポリマー等の材料が選択される。この場合、例えば必要な回折効率や回折効率角度範囲が得られるような屈折率差を実現する材料が選択される。また、ホログラムの種類は、製造性やコストに応じて適宜選択されてよい。

実像スクリーンは、多視点映像源として構成されてもよい。多視点映像源とは、例えば見る方向に応じて異なる視点画像を表示可能な映像源である。視点画像は、例えば所定の表示対象を様々な方向から撮影した画像である。例えば視点画像を各方向に表示することで、表示対象の立体像を表示することが可能である。この場合、虚像スクリーンは、多視点映像源により表示された立体像を虚像として表示する。

多視点映像源としては、例えば複数のプロジェクタから投射角度を変えて画像を投射することで複数の視点画像を表示するマルチプロジェクタ型の映像源が用いられる。また例えば、複数の視点画像を表示する裸眼立体表示ディスプレイ等が用いられてもよい。このようなディスプレイとしては、レンチキュラレンズ方式、レンズアレイ方式、及び視差バリア方式等のディスプレイが挙げられる。この他、多視点映像源の具体的な構成は限定されず、装置の用途等に応じて任意の映像源が用いられてよい。

図２１は、他の実施形態に係る虚像スクリーンの構成例を示す模式図である。上記では、主に単色での虚像表示について説明したが、本技術はカラー表示にも適用可能である。図２１には、カラー表示に対応した虚像スクリーン５２０の断面図が模式的に図示されている。カラー表示を行う場合には、例えば物体像（像光）の光源として、ＲＧＢ等のカラー表示に必要な波長の光（例えば赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）等）を出射する光源が設けられる。従って、物体像の像光には、互いに波長の異なる複数の色光が含まれる。これらの各色光を回折可能なように虚像スクリーン５２０が構成される。

図２１（ａ）では、虚像スクリーン５２０の回折光学素子として、複数の色光の各々に応じて干渉縞８の境界ピッチΛ及び干渉縞８のスラント角度φがそれぞれ設定された互いに積層された複数の反射型ホログラム５２４ａ～５２４ｃが用いられる。すなわち、図２１（ａ）に示す回折光学素子は、使用カラー波長であるＲＧＢ用に設計された境界ピッチΛとスラント角度φを備えた複数のＨＯＥを積層して構成される。
反射型ホログラム５２４ａ、５２４ｂ、５２４ｃの各境界ピッチ及びスラント角度φは、それぞれ赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、及び青色光（Ｂ）を所定の出射方向に向けて回折するように設定される。
このような反射型ホログラム５２４ａ、５２４ｂ、５２４ｃは、例えば、赤色、緑色、及び青色の波長の光で干渉縞８を露光することで生成される。なお、必ずしも回折の対象となる色光の波長と、干渉縞８を露光する際の露光波長とが一致している必要はない。例えば、赤色光（Ｒ）を回折する反射型ホログラム５２４ａが、緑色の波長で露光されることもある。このように、露光波長としては、使用する色光と同様の波長の光が用いられる場合もあれば、他の波長の光が用いられる場合もある。
また、図２１（ａ）に示す例では、反射型ホログラム５２４ａ、５２４ｂ、５２４ｃがこの順番で積層される。なお、各反射型ホログラム５２４ａ～５２４ｃを積層する順番は限定されない。
このように、複数の反射型ホログラム５２４を積層して用いる場合、各反射型ホログラム５２４ごとに、図６及び図７等を参照して説明した方法に従って境界ピッチΛやスラント角度φが設定される。これにより、観察方向の移動に伴う虚像変動が十分に抑制されたカラーの虚像等を表示することが可能となる。

図２１（ｂ）では、虚像スクリーン５２０の回折光学素子として、複数の色光の各々に応じた境界ピッチΛ及びスラント角度φで干渉縞８が多重露光された単一の反射型ホログラム５２４ｄが用いられる。
反射型ホログラム５２４ｄには、干渉縞８の多重露光（同時露光）が可能なフォトポリマー等が用いられ、例えば各色光に応じた露光条件で複数種類の干渉縞８が露光される。これらの干渉縞８の境界ピッチΛとスラント角度φは、ＲＧＢの各色光の光を適正に回折するように設計される。
これにより、カラー表示に対応した単層の反射型ホログラム５２４ｄを構成することが可能であり、例えば複数のホログラムを積層する工程が不要となり、装置コストを抑えることが可能である。

図２２は、虚像スクリーンにおける回折効率分布の一例を示すマップである。ここでは、反射型ホログラムにおいて、回折効率が一定値以上となる出射方向の角度範囲（回折効率角度範囲）を広げる方法について説明する。この回折効率角度範囲は、上記した表示角度範囲の一例である。

図２２Ａは、単一のスラント角度φが設定された反射型ホログラムＡにおける回折効率の角度分布の一例を示すマップである。マップの縦軸は、反射型ホログラムＡから出射される像光５の出射方向の仰角であり、マップの横軸は、出射方向の方位角である。また各点の色は、出射方向の仰角及び方位角に応じた回折効率を表している。
反射型ホログラムＡは、緑色光Ｇを回折するホログラムであり、その境界ピッチΛは１２００ｎｍに設定され、スラント角度φは７８．３°に設定されている。
以下では、回折効率がピーク値の８０％以上となる仰角及び方位角の範囲を、回折効率仰角範囲及び回折効率方位角範囲と記載する。
図２２Ａに示すように、反射型ホログラムＡのみを用いた虚像スクリーンでは、方位角＝０°における回折効率仰角範囲が１０°程度である。また仰角＝２°における回折効率方位角範囲は、±２０°程度である。

図２２Ｂは、反射型ホログラムＡに、反射型ホログラムＢを積層して構成された虚像スクリーンにおける回折効率の角度分布の一例を示すマップである。
反射型ホログラムＢは、緑色光Ｇを回折するホログラムであり、その境界ピッチΛは１２００ｎｍに設定され、スラント角度φは７７．９５°に設定されている。すなわち、反射型ホログラムＢは、反射型ホログラムＡと境界ピッチΛを共通にしてスラント角度φを変えて干渉縞が露光されたホログラムである。
このように、図２２Ｂでは、虚像スクリーンの回折光学素子として、干渉縞８の境界ピッチΛが等しく干渉縞８のスラント角度φが異なる互いに積層された複数の反射型ホログラムＡ及びＢが用いられる。

境界ピッチΛを共通にすることで、反射型ホログラムＢは、反射型ホログラムＡと同一波長の光（ここでは緑色光Ｇ）を回折可能なホログラムとなる。またスラント角度φを変更することで、反射型ホログラムＢは、反射型ホログラムＡとは異なる回折効率の角度分布を持ったホログラムとなる。
この結果、図２２Ｂに示すように、反射型ホログラムＡ及びＢを積層した虚像スクリーンでは、方位角＝０°における回折効率仰角範囲は、１５°以上に拡大される。また仰角＝２°における回折効率方位角範囲は、±２８°程度に拡大される。

また、虚像スクリーンの回折光学素子として、干渉縞８の境界ピッチΛが等しく干渉縞８のスラント角度φが異なるように干渉縞８が多重露光された単一の反射型ホログラムＣが用いられてもよい。
反射型ホログラムＣには、例えば反射型ホログラムＡと同様のスラント角度φ＝７８．３°の干渉縞８と、反射型ホログラムＢと同様のスラント角度φ＝７７．９５°の干渉縞とが露光される。これにより、回折効率角度範囲を拡大することが可能である。

このように、境界ピッチΛを一定にして、複数のスラント角度φが設定された反射型ホログラムを積層するか、複数のスラント角度φでの干渉縞８を同時露光することで、回折効率を持つ角度範囲を広げることが可能である。これにより、ユーザ３が虚像２を視認可能な視認角度範囲を広げることが可能である。
なお、図２２では、単色の光を回折する場合について説明したが、カラー表示を行う場合には、ＲＧＢの波長ごとに、上記した方法を用いることで、回折効率角度範囲を拡大することが可能である。

上記の実施形態では、反射型ホログラムの第３の面（入射面）における干渉縞８の周期方向が、像光５の入射方向を第３の面に正射影した方向と平行となる構成について説明した（図３等参照）。これに限定されず、第３の面における干渉縞８の周期方向は、入射方向を第３の面に対して正射影した方向と交差する方向に設定されてもよい。
これは、例えば図３に示す反射型ホログラム２４を、Ｚ方向を軸に所定の角度だけ回転させた構成である。この場合、第３の面２１における干渉縞８の方向は、水平方向に対して回転角度と同じ角度で傾いた方向となる。
以下では、図３（ｂ）に示す反射型ホログラム２４における干渉縞８の配置を水平配置と記載する。また水平配置からＺ方向を軸として干渉縞８が回転された反射型ホログラムの配置を回転配置と記載する。

図２３は、回転配置の反射型ホログラムの一例を示す模式図である。図２３には、干渉縞８の方向が水平方向に対して傾くように構成された反射型ホログラム２７が模式的に図示されている。なお、図２３の左側及び右側に示す反射型ホログラム２７ａ及び２７ｂでは、干渉縞８の傾斜方向が異なる。
ここでは、ユーザ３は、仰角０°以上の角度で斜め上方から反射型ホログラムを観察するものとする。

図２３の左側に示す反射型ホログラム２７ａは、ユーザ３から見て、水平配置から時計回りに回転された回転配置を有し、干渉縞８の方向は左上から右下にかけて傾いた方向となる。この干渉縞８に直交する方向（左下から右上にかけて傾いた方向）が周期方向となる。
例えばユーザ３が回転配置の反射型ホログラム２７ａの中心位置を見ながら、反射型ホログラム２７ａの右側から左側に移動する状況を考える。
これは、水平配置の反射型ホログラム２４（図３Ｂ参照）において、その中心位置を右斜め上から見ているユーザ３が、左下方向に視点を移動させる状況に対応する。この場合、水平配置の反射型ホログラム２４の中心位置から見た観察方向の仰角は、視点が左下方向に移動するにつれて小さくなる。
回転配置の反射型ホログラム２７ａにおいても、その干渉縞８を基準とした観察方向の仰角（例えば干渉縞８と直交する面における仰角）が、ユーザ３の移動に伴い小さくなる。この結果、ユーザ３が反射型ホログラム２７ａの右側から左側に移動する間に虚像変動は小さくなる。

言い換えれば、反射型ホログラム２７ａを右側から見ている状態は、観察方向の仰角にオフセットが付加された状態である。この仰角のオフセットは、ユーザ３が左側に移動するにつれて減少するため、虚像変動が小さくなる。なお虚像変動が最小となった後は、再び仰角のオフセットが増加するため、虚像変動も増加する。
この結果、回転配置では、虚像変動が抑えられる方向において、虚像変動を抑制可能な角度範囲が水平配置の角度範囲よりも広くなる。すなわち、干渉縞８を回転配置に設定することで、虚像変動が抑制された観察範囲を広げることが可能である。
例えば、図７に示すデータ３５ｆは、α＝１６．３°の境界ピッチΛに設定された反射型ホログラム２４を、水平配置の状態からＺ方向を軸に１０°回転させた場合のデータである。例えば水平配置の反射型ホログラム２４で生じる方位角変化に伴う虚像変動（データ３５ｂ）に比べ、回転配置の反射型ホログラム２７ａによる虚像変動（データ３５ｅ）が広い角度範囲にわたって小さくなる。

図２３の右側に示す反射型ホログラム２７ｂは、ユーザ３から見て、水平配置から反時計回りに回転された回転配置を有し、干渉縞８の方向は左下から右上にかけて傾いた方向となる。この干渉縞８に直交する方向（左上から右下にかけて傾いた方向）が周期方向となる。
反射型ホログラム２７ｂでは、例えばユーザ３が反射型ホログラム２７ｂの左側から右側に向かう方向で、虚像変動が抑制される。

図２４は、回転配置の反射型ホログラム２７を用いた画像表示装置の構成例を示す模式図である。図２４に示す画像表示装置６００では、観察方向から見て時計回り及び反時計周りに干渉縞８が回転された反射型ホログラム２７ａ及び２７ｂが用いられる。
画像表示装置６００は、平面状の実像スクリーン６１０と、平面状の虚像スクリーン６２０とを有する。実像スクリーン６１０は、虚像スクリーン６２０の中心に向けて斜め下方から物体像１を投射する。虚像スクリーン６２０には、回転配置の反射型ホログラム２７ａ及び２７ｂが、ユーザ３から見て左側及び右側に互いに隣接して配置される。これら反射型ホログラム２７ａ及び２７ｂの境界線が、虚像スクリーン６２０の中心線となる。

例えばユーザ３が中心線から左側に移動する場合には、反射型ホログラム２７ａにより、虚像２の変動が抑制された表示が可能となる。逆にユーザ３が中心線から右側に移動する場合には、反射型ホログラム２７ｂにより虚像２の変動が抑制される。このように、時計回り及び反時計回りに干渉縞８が回転された反射型ホログラム２７ａ及び２７ｂを用いることで、虚像２の位置ずれや傾斜の少ない方位角範囲を拡大することが可能である。

図２５は、回転配置の反射型ホログラム２７を用いた画像表示装置の他の構成例を示す模式図である。図２５に示す画像表示装置７００では、観察方向から見て時計回りに干渉縞８が回転された反射型ホログラム２７ａが用いられる。
画像表示装置７００は、複数の実像スクリーン７１０と、複数の虚像スクリーン７２０とを有する。各虚像スクリーン７２０は、反射型ホログラム２７ａを用いて構成され、虚像２が表示される側を内側にして所定の角度で隣接して配置される。すなわち、複数の虚像スクリーン７２０により、多面スクリーンが構成される。複数の実像スクリーン７１０は、各反射型ホログラム２７ａの右端を中心として物体像１を投射するように、多面スクリーン（虚像スクリーン７２０）を囲んで配置される。
このように画像表示装置７００は、図２４に示す画像表示装置６００から反射型ホログラム２７ｂを除いたユニットを回転対称に配置して構成されるともいえる。
なお図２５では、２つの虚像スクリーン６２０を用いた２面スクリーンを構成した例である。これに限定されず、２面以上の多面スクリーンが構成されてもよい。また、反射型ホログラム２７ｂを含むユニットが回転対称に配置されて画像表示装置が構成されてもよい。

例えば図２５に示すように、ユーザ３が虚像スクリーン７２０の境界の左側に移動する場合、境界の左側に配置された反射型ホログラム２７ａにより、虚像２の変動が抑制される。またユーザ３が境界から右側に移動する場合、境界の右側に配置された次の反射型ホログラム２７ａにより虚像２が表示される。
この時、右側の反射型ホログラム２７ａを介して虚像２を観察する方位角の角度幅は、左側の反射型ホログラム２７ａにおける角度幅と同様となる。従って右側の反射型ホログラム２７ａにおいても、左側の反射型ホログラム２７ｂと同様に虚像２の変動が抑制される。
このように、画像表示装置７００では、虚像２を表示するパネルが切り替わるまで、虚像変動が十分に抑制された状態を維持することが可能である。これにより、虚像変動が十分に抑制された実在感のある全周画像等を表示することが可能となる。

以上説明した本技術に係る特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。すなわち各実施形態で説明した種々の特徴部分は、各実施形態の区別なく、任意に組み合わされてもよい。また上記で記載した種々の効果は、あくまで例示であって限定されるものではなく、また他の効果が発揮されてもよい。

本開示において、「同じ」「等しい」「直交」「平行」等は、「実質的に同じ」「実質的に等しい」「実質的に直交」「実質的に平行」等を含む概念とする。例えば「完全に同じ」「完全に等しい」「完全に直交」「完全に平行」等を基準とした所定の範囲（例えば±１０％の範囲）に含まれる状態も含まれる。

なお、本技術は以下のような構成も採ることができる。
（１）物体像を形成する像面を有し、前記物体像を前記像面から斜めに投射する第１のスクリーンと、
前記像面と平行に配置され前記物体像の像光が入射する入射面を有し、前記入射面における前記像光の入射方向に対応する正反射方向とは異なる出射方向に沿って前記像光を回折し、前記物体像と平行な虚像を形成する第２のスクリーンと
を具備する画像表示装置。
（２）（１）に記載の画像表示装置であって、
前記第２のスクリーンは、前記入射面から入射した前記像光を回折して前記入射面から出射する反射型の回折光学素子を含む
画像表示装置。
（３）（２）に記載の画像表示装置であって、
前記回折光学素子は、一方向に周期を持つ干渉縞が露光されたホログラフィック光学素子である
画像表示装置。
（４）（３）に記載の画像表示装置であって、
前記入射面における前記干渉縞の周期方向は、前記入射方向を前記入射面に対して正射影した方向である
画像表示装置。
（５）（３）又は（４）に記載の画像表示装置であって、
前記干渉縞の境界ピッチは、前記物体像及び前記出射方向に向けて表示される前記虚像を結ぶ線の二等分線と前記ホログラフィック光学素子とのなす角度が１６．３°以下となるように設定される
画像表示装置。
（６）（３）から（５）のうちいずれか１つに記載の画像表示装置であって、
前記干渉縞のスラント角度は、前記虚像を表示するための仰角範囲にブラッグ条件で回折された前記像光が含まれるような角度、又は前記仰角範囲にブラッグ条件をあえて外した条件で回折された前記像光のみが含まれるような角度のいずれか一方に設定される
画像表示装置。
（７）（３）から（６）のうちいずれか１つに記載の画像表示装置であって、
前記物体像の像光は、互いに波長の異なる複数の色光を含み、
前記回折光学素子は、前記複数の色光の各々に応じて前記干渉縞の境界ピッチ及び前記干渉縞のスラント角度がそれぞれ設定された互いに積層された複数のホログラフィック光学素子、又は、前記複数の色光の各々に応じた前記境界ピッチ及び前記スラント角度で前記干渉縞が多重露光された単一のホログラフィック光学素子のいずれか一方である
（８）（３）から（７）のうちいずれか１つに記載の画像表示装置であって、
前記回折光学素子は、前記干渉縞の境界ピッチが等しく前記干渉縞のスラント角度が異なる互いに積層された複数のホログラフィック光学素子、又は、前記干渉縞の境界ピッチが等しく前記干渉縞のスラント角度が異なるように前記干渉縞が多重露光された単一のホログラフィック光学素子のいずれか一方である
画像表示装置。
（９）（３）から（８）のうちいずれか１つに記載の画像表示装置であって、
前記第２のスクリーンは、前記回折光学素子を挟んで前記第１のスクリーンとは反対側に配置され、前記回折光学素子を通過した前記像光を回折して、前記回折光学素子に向けて出射する反射型の他の回折光学素子を有する
画像表示装置。
（１０）（３）から（９）のうちいずれか１つに記載の画像表示装置であって、
前記入射面における前記干渉縞の周期方向は、前記入射方向を前記入射面に対して正射影した方向と交差する方向である
画像表示装置。
（１１）（１）（１０）のうちいずれか１つに記載の画像表示装置であって、
前記出射方向は、前記入射面と直交する方向に設定される
画像表示装置。
（１２）（１１）に記載の画像表示装置であって、
前記第１及び前記第２のスクリーンは、鉛直方向に沿って配置され、
前記出射方向は、水平方向に設定される
画像表示装置。
（１３）（１）から（１２）のうちいずれか１つに記載の画像表示装置であって、
前記第１のスクリーンは、前記物体像の前記像光が投射される前記入射面上の領域に対して、斜め下方又は斜め上方のいずれか一方に配置される
画像表示装置。
（１４）（１）から（１３）のうちいずれか１つに記載の画像表示装置であって、
前記第２のスクリーンは、平板形状、又は視認者側に凸となる湾曲形状のいずれか一方である
画像表示装置。
（１５）（１）から（１４）のうちいずれか１つに記載の画像表示装置であって、
前記第１のスクリーンは、拡散スクリーンであり、
さらに、前記拡散スクリーンに前記物体像の像光を投射する投射部を具備する
画像表示装置。
（１６）（１）から（１４）のうちいずれか１つに記載の画像表示装置であって、
前記第１のスクリーンは、前記物体像を表示可能なディスプレイである
画像表示装置。
（１７）（１）から（１６）のうちいずれか１つに記載の画像表示装置であって、
前記像光の光源は、互いに異なる波長の光を出射する１以上の単一波長光源、又は互いに異なる波長の光を出射する１以上の狭帯域光源であるである
画像表示装置。

１…物体像
２、２ａ～２ｃ…虚像
３…ユーザ
５…像光
７…正反射方向
８…干渉縞
１０、１０ａ～１０ｃ、２１０、３１０、４１０、６１０、７１０…実像スクリーン
１１、１１ａ～１１ｃ、２１１…第１の面
１５…プロジェクタ
２０、２２０、３２０、４２０、５２０、６２０、７２０…虚像スクリーン
２１、２２３、３２３…第３の面
２４、２７、３２１…反射型ホログラム
１００、２００、３００、４００、６００、７００…画像表示装置

Claims (14)

1. 物体像を形成する像面を有し、前記物体像を前記像面から斜めに投射する第１のスクリーンと、
   前記像面と平行に配置され前記物体像の像光が入射する入射面を有し、前記入射面における前記像光の入射方向に対応する正反射方向とは異なる出射方向に沿って前記像光を回折し、前記物体像と平行な虚像を形成する第２のスクリーンと
   を具備し、
   前記第２のスクリーンは、一方向に周期を持つ干渉縞が露光され前記入射面から入射した前記像光を回折して前記入射面から出射する反射型のホログラフィック光学素子を含み、
   前記干渉縞の境界ピッチは、前記物体像及び前記出射方向に向けて表示される前記虚像を結ぶ線の二等分線と前記ホログラフィック光学素子とのなす角度が１６．３°以下となるように設定される
   画像表示装置。
2. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
   前記入射面における前記干渉縞の周期方向は、前記入射方向を前記入射面に対して正射影した方向である
   画像表示装置。
3. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
   前記干渉縞のスラント角度は、前記虚像を表示するための仰角範囲にブラッグ条件で回折された前記像光が含まれるような角度、又は前記仰角範囲にブラッグ条件をあえて外した条件で回折された前記像光のみが含まれるような角度のいずれか一方に設定される
   画像表示装置。
4. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
   前記物体像の像光は、互いに波長の異なる複数の色光を含み、
   前記ホログラフィック光学素子は、前記複数の色光の各々に応じて前記干渉縞の境界ピッチ及び前記干渉縞のスラント角度がそれぞれ設定された互いに積層された複数のホログラフィック光学素子、又は、前記複数の色光の各々に応じた前記境界ピッチ及び前記スラント角度で前記干渉縞が多重露光された単一のホログラフィック光学素子のいずれか一方である
   画像表示装置。
5. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
   前記ホログラフィック光学素子は、前記干渉縞の境界ピッチが等しく前記干渉縞のスラント角度が異なる互いに積層された複数のホログラフィック光学素子、又は、前記干渉縞の境界ピッチが等しく前記干渉縞のスラント角度が異なるように前記干渉縞が多重露光された単一のホログラフィック光学素子のいずれか一方である
   画像表示装置。
6. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
   前記第２のスクリーンは、前記ホログラフィック光学素子を挟んで前記第１のスクリーンとは反対側に配置され、前記ホログラフィック光学素子を通過した前記像光を回折して、前記ホログラフィック光学素子に向けて出射する反射型の他のホログラフィック光学素子を有する
   画像表示装置。
7. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
   前記入射面における前記干渉縞の周期方向は、前記入射方向を前記入射面に対して正射影した方向と交差する方向である
   画像表示装置。
8. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
   前記出射方向は、前記入射面と直交する方向に設定される
   画像表示装置。
9. 請求項８に記載の画像表示装置であって、
   前記第１及び前記第２のスクリーンは、鉛直方向に沿って配置され、
   前記出射方向は、水平方向に設定される
   画像表示装置。
10. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
    前記第１のスクリーンは、前記物体像の前記像光が投射される前記入射面上の領域に対して、斜め下方又は斜め上方のいずれか一方に配置される
    画像表示装置。
11. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
    前記第２のスクリーンは、平板形状、又は視認者側に凸となる湾曲形状のいずれか一方である
    画像表示装置。
12. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
    前記第１のスクリーンは、拡散スクリーンであり、
    さらに、前記拡散スクリーンに前記物体像の像光を投射する投射部を具備する
    画像表示装置。
13. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
    前記第１のスクリーンは、前記物体像を表示可能なディスプレイである
    画像表示装置。
14. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
    前記像光の光源は、互いに異なる波長の光を出射する１以上の単一波長光源、又は互いに異なる波長の光を出射する１以上の狭帯域光源である
    画像表示装置。

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