JP2001083455A

JP2001083455A - 虚像観察光学素子及び虚像観察光学装置

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Publication number: JP2001083455A
Application number: JP26268899A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Takegawa; 洋武川; Katsuyuki Akutsu; 克之阿久津
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 1999-09-16
Publication date: 2001-03-30
Anticipated expiration: 2019-09-16
Also published as: JP4325033B2

Abstract

(57)【要約】【課題】明瞭で歪みの少ない観察像を与える機能を持
つ虚像観察光学装置を提供し、また、明瞭で歪みの少な
い観察像を与えると同時に外界を明るく観察することが
できるシースルー機能をあわせ持つ虚像観察光学装置を
提供する。【解決手段】画像表示素子１と、屈折面３と反射型ホ
ログラフィック光学素子４により構成される反射面５と
光束分割面６とを有して屈折率が１より大きい媒質によ
り構成されたプリズム２とを備える。画像表示素子１か
ら射出された光束は、入射面３からプリズム２内に入射
し、少なくとも１回以上、反射面５に入射し、光束分割
面６より出射し、瞳７に至る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、虚像を肉眼により
観察するための虚像観察光学素子及びこの虚像観察光学
素子を有して構成された虚像観察光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば画像表示装置などにより表
示される映像を虚像として肉眼により観察するための虚
像観察光学系が提案されている。従来の虚像観察光学系
は、収差の増大を抑えるために、共軸系、すなわち、回
転対称系として構成されたものが多い。そのため、光学
素子のレイアウトが制限され、光学系全体の小型化が難
しかった。

【０００３】典型的な回転対称型の虚像観察光学系とし
ては、図１４に示すように、屈折レンズを２枚使用した
ものが提案されている。これらの屈折レンズ１０７，１
０８は、軽量化のため、プラスティック製非球面レンズ
が使われる場合が多い。この虚像観察光学系を備えて構
成された虚像観察光学装置においては、ビデオ信号１０
１が液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）駆動回路１０２に入力
される。液晶ディスプレイ駆動回路１０２からは、冷陰
極管電圧１０３及びＬＣＤ駆動信号１０４が出力され、
それぞれ、バックライト１０５と液晶ディスプレイ１０
６に入力される。

【０００４】バックライト１０５は、冷陰極管１０５ａ
を光源として構成されている。この冷陰極線管１０５ａ
の液晶ディスプレイ１０６側には、液晶ディスプレイへ
照射される光の輝度を均一にしつつ拡散角度を制御する
ために、拡散板１０５ｂが設けられている。画像表示素
子である液晶ディスプレイ１０６には、例えば０．５５
インチの透過型液晶ディスプレイを用いる。この液晶デ
ィスプレイ１０６では、電気信号である画像信号が実際
の画像に変換され、バックライト１０５から射出した光
束が変調される。このように変調されて液晶ディスプレ
イ１０６を透過した光束は、屈折レンズ１０７，１０８
を透過し、虚像結像のための光学的パワーを与えられ、
瞳１０９に導かれる。

【０００５】このような光学系においては、視野角と射
出瞳を大きくしようとすると収差補正が非常に難しくな
り、例えば画角２０°を超えると、画面周辺のコマ収差
の補正が困難になる。また、この光学系においては、光
学系が直線的に構成されているため、光学系全体の長さ
が長くなってしまうという欠点がある。

【０００６】また、回転対称型の虚像観察光学系として
は、図１５に示すように、凹面鏡１１３を使用して構成
したものも提案されている。この凹面鏡としては、軽量
化のため、プラスティック製の非球面基板１１３ａに反
射膜１１２を蒸着したものが使われる場合が多い。この
ような虚像観察光学系を備えて構成された虚像観察光学
装置においては、ビデオ信号１０１が液晶ディスプレイ
駆動回路１０２に入力される。液晶ディスプレイ駆動回
路１０２からは、冷陰極管電圧１０３と液晶ディスプレ
イ駆動信号１０４が出力され、それぞれバックライト１
０５及び液晶ディスプレイ１０６に入力される。バック
ライト１０５は、上述したように、冷陰極管１０５ａ及
び拡散板１０５ｂを有して構成されている。バックライ
ト１５から射出され液晶ディスプレイ１０６で変調され
た光束は、光束分割デバイスである偏光ビームスプリッ
タ１１０に入射する。

【０００７】この偏光ビームスプリッタ１１０では、入
射光束のうちの１部が透過し、残りは、偏光性光束分割
膜１０８において反射され、凹面鏡１１３に入射する。
凹面鏡１１３に入射した光束は、少なくとも一部が反射
されて再び偏光ビームスプリッタ１１０に入射し、さら
にその一部が偏光ビームスプリッタ１１０を透過して瞳
１０９に入射する。一方、反射膜１１２がハーフミラー
として形成されている場合においては、凹面鏡１１３の
外方側（図１５中の左側）より進行してくる外界（背
景）の光束は、その一部が凹面鏡１１３及び偏光ビーム
スプリッター１１０を透過して、瞳１０９に入射する。
このようにして、虚像観察光学系の向こう側の外界を観
察することができる機能をシースルー機能という。

【０００８】このように凹面鏡を使用して構成した光学
系においては、コマ収差や倍率の色収差の発生が、図１
４に示した屈折レンズを用いて構成した光学系に比べて
少ないので、画角を広くとることが可能となる。しか
し、外界からの光束は、凹面鏡１１３及び偏光ビームス
プリッタ１１０を透過して瞳１０９に達するので、光量
のロスが大きい。また、観察画角が３０°程度を超える
と、非球面基板１１３ａを透過することにより発生する
像面湾曲の補正が難しくなる。さらに、偏光ビームスプ
リッタ１１０を光軸に対して４５°の傾斜を有して配置
するため、広画角化に伴って光学系全体が大型化すると
いう問題がある。

【０００９】このように、従来の回転対称型の虚像観察
光学系では、広画角を確保しながら、光学系全体の小型
化を実現することは困難であった。

【００１０】そして、レイアウトの自由度の増大を図る
ことができる偏心系の虚像観察光学系においても、光学
素子の偏心に伴って発生する偏心収差の低減のために、
複数のトーリック面、アナモルフイック面などが使用さ
れ、結果的に光学系全体の小型化が阻害されていた。

【００１１】このような偏芯系の虚像観察光学系として
は、図１６に示すように、偏心して配置された凹面ハー
フミラー１１４を用いて構成されたものが提案されてい
る。画像表示素子である液晶ディスプレイ１０６により
画像が表示されるまでの動作は、図１４及び図１５によ
り前述したものと同様である。この虚像観察光学系は、
液晶ディスプレイ１０６から出射された光束の一部が偏
心して配置された凹面ハーフミラー１１４で反射され、
瞳１０９に導かれるという光路を形成しているため、光
学素子の点数も少なく、小型軽量化に適している。さら
に、この虚像観察光学系においては、凹面ハーフミラー
１１４の外方側より進行してくる背景の光束の一部が該
凹面ハーフミラー１１４を通過して瞳１０９に入射し、
シースルー機能が実現されている。

【００１２】しかしながら、このような偏芯した凹面ハ
ーフミラー１１４を用いて構成された虚像観察光学系
は、凹面ハーフミラー２が偏心して配置されているため
にこの凹面ハーフミラー２により光束が反射されるとき
に膨大な偏心収差が発生し、観察される虚像は良質のも
のではなく、使用に耐えられるものではない。

【００１３】そして、虚像観察光学素子として自由曲面
プリズムを用いた偏心収差光学系においては、形状が複
雑となり、そのままではシースルー機能、すなわち、虚
像観察光学系を透して背景（外界）を観察する機能が実
現できないという欠点がある。

【００１４】このような、偏心自由曲面プリズムを用い
た虚像観察光学系は、図１７に示すように、画像表示素
子である液晶ディスプレイ１０６と、接眼光学系である
内部屈折率が１より大なる偏心自由曲面プリズム１１５
とから構成される。偏心自由曲面プリズム１１５は、少
なくとも１面の反射作用を有する反射面１１５ａを備え
ている。反射面１１５ａの少なくとも一面は、その面内
及び面外ともに回転対称軸を有しない形状で、しかも、
対称面をひとつのみ有する面対称自由曲面からなる。そ
して、この偏心自由曲面プリズム１１５は、反射面１１
５ａの他、入射面となる屈折面１１５ｂ及び光束分割面
１１５ｃを有している。

【００１５】この虚像観察光学系においては、液晶ディ
スプレイ１０６から発した光束は、屈折面１１５ｂで屈
折して偏心自由曲面プリズム１１５内に入射し、光束分
割面１１５ｃで内部反射し、反射面１１５ｂで反射され
て再び光束分割面１１５ｃに入射して屈折されて、観察
者の瞳１０９に入射する。

【００１６】このような偏心自由曲面プリズム１１５を
備えて構成された虚像観察光学系は、広い画角において
も、明瞭で歪みの少ない観察像を与えることができる。
しかしながら、自由曲面の形状の作成には、特別な技術
が要求される。また、シースルー機能を実現するときに
は、偏心自由曲面プリズム１１５の反射面１１５ａをハ
ーフミラーに変えただけでは成り立たない。すなわち、
外界からの光線は、偏心自由曲面プリズム１１５を透過
して瞳に入射してくるため、この偏心自由曲面プリズム
１１５によるプリズム作用が生じ、瞳の光軸から外れた
外界の光線が瞳に入射してしまうからである。また、偏
心自由曲面プリズム１１５が光学的パワーを有している
ため、外界像の視度が大きく狂い、かつ、膨大な収差が
発生してしまうからである。

【００１７】このような問題を解決するために、図１８
に示すように、補正用自由曲線プリズム１１６を偏心自
由曲面プリズム１１５に接合して、接合自由曲面プリズ
ム１１７を形成した虚像観察光学系が提案されている。
このように自由曲面プリズム１１５においてシースルー
機能を付加させるためには、シースルー（透過）光学系
を形成するための補正を行う補正用自由曲面プリズム１
１６が必要となる。しかし、このように補正用自由曲面
プリズム１１６との組み合わせによりハーフミラーを用
いたシースルー機能を実現した場合においては、表示画
像と背景との明るさにトレードオフの関係があり、効率
の高いシースルー機能の実現は難しい。また、重量が重
くなるといった点やコストにおいても望ましくない。

【００１８】また、図１９に示すように、リップマン体
積ホログラム素子１１８を使った非共軸系虚像観察光学
系が提案されている。リップマン体積ホログラム素子１
１８は、凹面状のリップマン体積ホログラム基板１１９
上に形成されている。この虚像観察光学系は、偏心した
光学系内部の反射面に反射型回折光学素子であるリップ
マン体積ホログラム素子１１８を設け、このリップマン
体積ホログラム素子１１８により、光学系の主光線に対
する偏心にともなって発生する光学的収差を補正するも
のである。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】上述のようにリップマ
ン体積ホログラム素子を用いて構成された虚像観察光学
装置は、複数のトーリック面やアナモルフィック面、回
転対称非球面の光学的パワーをリップマン体積ホログラ
ムによる反射型回折光学素子に位相情報として付加する
ことにより、偏心収差の低減及び虚像観察光学系の小型
化を可能にしている。

【００２０】しかしながら、図１９に示したような、反
射型のリップマン体積ホログラム素子を用いた光学系で
は、収差低減に限界があり、例えば偏心自由曲面プリズ
ムによる虚像観察光学系から得られるような、広画角に
おいても明瞭で歪みの少ない観察像を得ることは困難で
ある。

【００２１】そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提
案されるものであって、明瞭で歪みの少ない観察像を与
える機能を持つ虚像観察光学装置及びこのような虚像観
察光学装置の構成を可能とする虚像観察光学素子を提供
し、また、明瞭で歪みの少ない観察像を与えると同時に
外界を明るく観察することができるシースルー機能をあ
わせ持つ虚像観察光学装置及びこのような虚像観察光学
装置の構成を可能とする虚像観察光学素子を提供しよう
とするものである。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明に係る虚像観察光学素子及び虚像観察光学装
置は、入射面となる屈折面と反射型ホログラフィック光
学素子により構成される反射面と光束分割面とを有して
屈折率が１より大きい媒質により構成された屈折光学素
子からなり、屈折面から入射した光束を、少なくとも１
回以上反射面に入射させ、光束分割面より出射させるこ
とを特徴とする。

【００２３】反射型ホログラフィック光学素子は、虚像
を形成するため、あるいは、収差補正のため、もしく
は、その両者のために、位相付加機能を有している。さ
らに、屈折光学素子を屈折率が１より高い媒質で構成す
ることにより、媒質が空気である場合に比べて、焦点距
離、すなわち、〔物点から虚像結像のための屈折力を発
生する面との間の距離〕／〔屈折率〕を短くでき、広画
角化が可能になる。逆に、同一の画角であれば、焦点距
離を長くできるため、収差を少なく抑えることができ
る。

【００２４】また、本発明に係る虚像観察光学素子は、
入射面となる屈折面と反射型ホログラフィック光学素子
により構成される反射面と光束分割面とを有して屈折率
が１より大きい媒質により構成され該屈折面から入射し
た光束を少なくとも１回以上該反射面に入射させ該光束
分割面より出射させる屈折光学素子と、この屈折光学素
子の反射面に接合され該屈折光学素子に一体的となされ
た補正板とからなり、この補正板は、屈折光学素子と共
働して、外界から該補正板に入射してこの補正板を透過
し、さらに、該屈折光学素子を透過して上記光束分割面
より射出する光束に対する光学的パワーを零とすること
を特徴とするものである。

【００２５】そして、本発明に係る鏡像観察光学装置
は、画像表示素子と、入射面となる屈折面と反射型ホロ
グラフィック光学素子により構成される反射面と光束分
割面とを有して屈折率が１より大きい媒質により構成さ
れた屈折光学素子とを備え、画像表示素子から射出され
た光束は、入射面から屈折光学素子内に入射し、少なく
とも１回以上、上記反射面に入射し、上記光束分割面よ
り出射することを特徴とするものである。

【００２６】さらに、本発明に係る鏡像観察光学装置
は、画像表示素子と、入射面となる屈折面と反射型ホロ
グラフィック光学素子により構成される反射面と光束分
割面とを有して屈折率が１より大きい媒質により構成さ
れ画像表示素子から射出され該屈折面から入射した光束
を少なくとも１回以上該反射面に入射させ該光束分割面
より出射させる屈折光学素子と、この屈折光学素子の反
射面に接合され該屈折光学素子に一体的となされた補正
板とからなり、補正板は、屈折光学素子と共働して、外
界から該補正板に入射してこの補正板を透過し、さら
に、該屈折光学素子を透過して光束分割面より射出する
光束に対する光学的パワーを零とすることを特徴とする
ものである。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら説明する。

【００２８】本発明に係る虚像観察光学素子を備えて構
成された本発明に係る虚像観察光学装置は、図１に示す
ように、画像表示素子１を備えている。この画像表示素
子１は、例えば液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などであ
り、駆動回路によって駆動されて、ビデオ信号等に応じ
た画像を表示する。すなわち、この虚像観察光学系を備
えて構成された虚像観察光学装置において、画像表示素
子１が液晶ディスプレイである場合においては、ビデオ
信号Ｖが液晶ディスプレイ駆動回路１０に入力される。
液晶ディスプレイ駆動回路１０からは、ＬＥＤ（light
emitting diode：発光素子）点灯電流１１及び液晶ディ
スプレイを駆動するドライブ信号１２が出力され、それ
ぞれ、バックライト１３と液晶ディスプレイに入力され
る。

【００２９】バックライト１３は、光源として、発光中
心波長が４７０ｎｍ、５２５ｎｍ、６３０ｎｍのいわゆ
るチップサイズのＬＥＤを数個マウントしたＬＥＤアレ
イ１３ａを有している。このＬＥＤアレイ１３ａの液晶
ディスプレイ側には、ＬＥＤアレイ１３ａから液晶ディ
スプレイへ照射される光の輝度を均一にし、拡散角度を
制御するために、拡散板１３ｂが設けられている。拡散
板１３ｂからの拡散角は、半値角で約１０°となってい
る。

【００３０】画像表示素子１となる液晶ディスプレイと
しては、例えば、０．５５インチの透過型液晶ディスプ
レイを用いることができる。この液晶ディスプレイにお
いては、電気信号である画像信号が画像に変換され、こ
の液晶ディスプレイを透過するバックライト１３からの
射出光がが該画像に応じて変調される。

【００３１】このようにして画像表示素子１から射出し
た光束は、本発明に係る虚像観察光学素子を構成する虚
像観察光学素子であるプリズム２に入射する。プリズム
２は、入射面となる平面の屈折面３と、反射型ホログラ
フィック光学素子４が付設された平面の反射面５と、平
面の光束分割面６とを有して構成されている。このプリ
ズム２は、屈折率が１より大きい媒質により構成されて
いる。そして、このプリズム２は、画像表示素子１から
射出され屈折面３から入射した光束を、少なくとも１回
以上反射面５に入射させ、光束分割面６より出射させる
ものである。

【００３２】すなわち、画像表示素子１から射出した光
束は、屈折面３からプリズム２内に入射し、光束分割面
６で全反射された後、反射面５に付設された非軸対称位
相付加機能を有する反射型ホログラフィック光学素子４
に入射する。その後、この光束は、反射型ホログラフィ
ック光学素子４に形成されている反射型の回折格子によ
って回折され、光束分割面６を介してプリズム２から射
出され、瞳７に入射する。この虚像観察光学装置では、
虚像形成のための位相調整と収差補正のための位相調整
の両方を、反射型ホログラフィック光学素子４によって
行っている。

【００３３】そして、この虚像観察光学装置において、
いわゆるシースルー機能、すなわち、虚像観察光学素子
の向こう側の外界を観察することができる機能を実現す
る場合においては、反射面５と光束分割面６が平行であ
り、外界から瞳７に入射する光束に対してプリズム２が
光学的なパワーを持たないため、観察者は、補正プリズ
ムを用いることなく、明瞭な外界像を見ることができ
る。

【００３４】ここで、反射型ホログラフィック光学素子
として使用されるリップマン体積ホログラムの構造と機
能を説明する。リップマン体積ホログラムは、ホログラ
ム材料として、フォトポリマー、ダイクロメートゼラチ
ンなどにより形成される。このリップマン体積ホログラ
ムには、図２に示すように、干渉縞に対応した領域が積
層状に形成されている。この干渉縞に対応する領域にお
いては、屈折率が変調されている。典型的なフォトポリ
マーの場合、熱処理後の中心屈折率ｎと屈折率変調度Δ
ｎは、それぞれｎ＝１．５２、△ｎ＝０．０４である。
リップマン体積ホログラムの干渉縞に対応する領域は、
材料の厚さ方向に積層された状態で形成されている。こ
れのような干渉縞は、ホログラムの焼き付けを行う際、
２光束をホログラム面の裏表からそれぞれ入射させるこ
とによって実現できる。

【００３５】このリップマン体積ホログラムにおいて、
回折光がどのようなふるまいをするかを考察するには、
図３に示すように、干渉縞に対応した領域への入射角を
θ１とするとき、各干渉縞の層からの散乱光がどのよう
な反射角θ２で互いに最も強め合うかを考察すればよ
い。これには、２つの条件がある。１つは、図３に示す
ように、ある層上の異なる２点からの散乱成分が互いに
強め合うことが必要になる。その条件は、２点間の距離
をＬとすれば、以下の式の如くなる。

【００３６】Ｌsin〔θ１〕−Ｌsin〔θ２〕＝ｍλ これが任意のLについて成り立つためにはＬについての
恒等式になればよいので、以下の（式１）の条件とな
る。

【００３７】 ∴ θ１＝θ２・・・・・・（式１）次に、距離ｄを隔てた異なる２層からの散乱成分が互い
に強め合うためには、図４に示すように、以下の（式
２）の条件となる。

【００３８】ｄcos〔θ１〕＋〔θ２〕＝ｍλ・・・（式２）（式１）、（式２）より、以下のブラッグ（Bragg）回
折条件が導かれる。

【００３９】２ｄcos〔θ１〕＝ｍλ ｍ＝１、すなわち、１次光（first order）の場合に
は、以下の条件となる。

【００４０】２ｄcos〔θ１〕＝λ つまり、ブラッグ回折は、波長選択性、または、角度選
択性をもった鏡面反射であるということができる。この
干渉縞を非回転対称にホログラムに記録することによ
り、ホログラム上に入射したある波長の光線を任意の方
向に偏向して反射させることが可能となり、非回転対称
な位相差を付加することができる。

【００４１】さらに、シースルー機能においては、リッ
プマン体積ホログラム素子が、画像表示素子から発せら
れる光束波長以外の波長に対して回折効果をほとんど持
たないことがメリットとなる。例えば、選択波長をそれ
ぞれ４７０ｎｍ、５２５ｎｍ、６３５ｎｍで作成したフ
ォトポリマーを使ったリップマン体積ホログラム光学素
子を三層重ねたときの透過率は、ハロゲンランプを用い
た時に７０％以上である。シースルー機能付加のために
ハーフミラーを用いる従来型虚像観察光学系の場合、透
過率と反射率との合計が１以上にならないことから、外
界像と虚像の明るさとはトレードオフの関係がある。し
かしながら、反射型ホログラフィック光学素子の場合、
例えば、画像表示素子の光源にスペクトルの半値全幅が
３０ｎｍ乃至４０ｎｍのＬＥＤを用いれば、前述のフォ
トポリマーにおいて、反射率は約４０％、外光の透過率
は、約８０％となり、明るい外界像と明瞭な虚像とを両
立することが可能となる。このように、外界から瞳に入
射する光束をハーフミラーを用いて制御するよりも、反
射型ホログラフィック光学素子により制御する方が、は
るかに明るい外界像と明瞭な虚像との両立を図ることが
できる。

【００４２】そして、本発明に係る虚像観察光学素子
は、図５に示すように、収差低減のためにホログラフィ
ック光学素子４及び反射面５を２次元の曲率を持つ曲面
とすることにより、広画角化と歪みの少ない虚像の観察
を実現することができる。

【００４３】この虚像観察光学素子を用いて構成された
虚像観察光学装置においては、画像表示素子１から射出
した光束は、自由曲面である屈折面３を介してプリズム
２内に入射し、自由曲面である光束分割面６で全反射さ
れた後、２次元の曲率を持つ反射面５を介して非軸対称
付加機能を有する反射型ホログラフィック光学素子４に
入射する。その後、この光束は、反射型ホログラフィッ
ク光学素子４に形成されている反射型の回折格子によっ
て回折され、光束分割面６を介してプリズム２を射出
し、瞳７に入射する。この虚像観察光学装置において
は、虚像形成の為の主な屈折力を反射型ホログラフィッ
ク光学素子４において発生させ、また、収差補正のため
に反射型ホログラフィック光学素子４、自由曲面である
光束分割面６及び自由曲面である屈折面３を用いてい
る。

【００４４】さらに、本発明に係る虚像観察光学素子に
おいては、図６に示すように、図５に示したプリズム２
に補正板となるシースルー補正用プリズム８を加えるこ
とにより、歪みのない外界像を観察できるようにするこ
とができる。シースルー補正用プリズム８は、プリズム
２と共働して、外界からシースルー補正用プリズム８に
入射してこのシースルー補正用プリズム８及びプリズム
２を透過して光束分割面６より射出する光束に対する光
学的パワーを零とするものである。

【００４５】このとき、反射型ホログラフィック光学素
子４は、回折現象を起こす波長がそれぞれ異なる複数の
ホログラム層により構成され、カラー表示を行う画像表
示素子１から射出する光束の構成波長である３原色
（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の中心波長をそれぞれのホログラム層が
選択的に回折するように形成されている。

【００４６】また、本発明に係る虚像観察光学素子は、
図７に示すように、反射型ホログラフィック光学素子４
をプリズム２と一体的に構成し、さらに、フィルム状の
ホログラム感光材料付設の容易の確保性及び収差低減の
ために、ホログラム面を１次元の曲率を持つ曲面として
構成することができる。この虚像観察光学素子において
は、屈折面３から入射する光束は光束分割面６に対して
４５°の入射角で入射し、反射されることにより９０°
偏向して、反射型ホログラフィック光学素子４に向か
う。そして、この虚像観察光学素子は、光束分割面６
に、４５°の傾斜面を有する接眼プリズム９が接合され
ており、全体として略々立方体形状に形成されている。

【００４７】この虚像観察光学素子を用いて構成された
虚像観察光学装置においては、画像表示素子１から射出
した光束は、屈折面３を介してプリズム２内に入射す
る。この光束は、プリズム２の光束分割面６により一部
が反射され、プリズム２と一体的に構成されている反射
面５及びホログラフィック光学素子４に入射する。この
ホログラフィック光学素子４に入射した光束は、虚像結
像のための屈折力を与えられて反射される。ホログラフ
ィック光学素子４に反射された光束は、プリズム２内を
通り光束分割面６に入射し、一部がこの光束分割面６を
透過して接眼プリズム９を経て瞳７に入射する。このよ
うにして、広画角で歪みの少ない虚像を観察することが
できる。

【００４８】上述の図７に示した虚像観察光学装置にお
いては、反射型ホログラフィック光学素子４の背面側よ
り入射してくる外界の光束は、その一部が反射型ホログ
ラフィック光学素子４、プリズム２及び接眼プリズム９
を通って瞳７に入射する。しかし、プリズム２の反射面
５が外界の光束に対して屈折力を持つため、観察者が外
界像を正常に見るためには補正用プリズムが必要とな
る。そこで、図８に示すように、ホログラフィック光学
素子４の背面側に補正板となるシースルー補正用プリズ
ム８を追加することにより、歪みのない外界像が観察で
きるようになる。すなわち、シースルー補正用プリズム
８は、プリズム２及び接眼プリズム９と共働して、外界
からシースルー補正用プリズム８に入射してこのシース
ルー補正用プリズム８を透過し、さらに、プリズム２及
び接眼プリズム９を透過して瞳７に至る光束に対する光
学的パワーを零とするものである。

【００４９】なお、以上に挙げた各実施の形態では、画
像表示素子の光源のスペクトルは、回折波長（ブラッグ
波長）にするのが望ましい。例えば、カラー表示をする
場合にあっては、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３波
長である。つまり、リップマン体積ホログラムは、回折
波長選択機能があり、限られたスペクトル幅しか回折光
として利用されないため、光利用効率を上げるために
は、光源のスペクトルとホログラムの回折波長とをおお
よそ一致させることが重要だからである。また、すべて
の実施の形態において、画像表示素子として液晶ディス
プレイを例示しているが、これ以外にも、自発光画像表
示素子であるエレクトロ・ルミネッセンス画像表示素子
や、フィールド・エミッション画像表示素子などを用い
ることができる。

【００５０】

【実施例】前述の図５において示した虚像観察光学素子
は、図９に示す設計例により実現することができる。ま
た、この設計例における横収差図を図１０、図１１及び
図１２に示す。これら図１０、図１１及び図１２に示し
たデータは、図１３に示すように、画像表示素子の表示
画面上の各測定位置No.１乃至No.１５に対応するもので
ある。

【００５１】また、以下の〔表１〕に上述の設計例の構
成パラメータを示す。長さの単位はｍｍである。

【００５２】

【表１】

【００５３】そして、反射型ホログラフィック面１は、
以下のパラメータにより定義されている。

【００５４】ＨＴＨ：体積ＨＯＥの厚さＨＩＮ：体積ＨＯＥの基本屈折率ＨＤＩ：体積ＨＯＥの屈折率変調度ＨＳＷ：乾燥後の体積膨張率ＨＤＮ：乾燥後の体積屈折率変化ＨＷＬ：体積ＨＯＥ製造波長ＨＸ１、ＨＹ１、ＨＺ１：物点光源の座標ＨＸ２、ＨＹ２、ＨＺ２：参照点光源の座標これらパラメータの値は、以下の〔表２〕に示す通りで
ある。

【００５５】

【表２】

【００５６】以下の〔表３〕に示す係数は、使用してい
る反射型ホログラフィック面の、物点と参照光源の純粋
な２点光源製造構成のホログラムからの非球面の位相ず
れをあらわすための係数で、基盤面上のＸ，Ｙ多項式で
あらわされる。

【００５７】

【表３】

【００５８】また、係数の番号は、以下の式より導かれ
る。

【００５９】ｊ＝｛（ｍ＋ｎ）²＋ｍ＋３ｎ｝／２ここで、ｍ、ｎはＸ，Ｙの指数である。

【００６０】また、第１の非球面である第三面の非球面
のパラメーターを以下に示す。

【００６１】多項式は、以下の〔数１〕によりあらわさ
れる。

【００６２】

【数１】

【００６３】ここで、Ｋは、コーニック定数、Ａは、４
次の係数、Ｂは、６次の係数、Ｃは、８次の係数、Ｄ
は、１０次の係数である。それぞれの値は、以下の〔表
４〕に示す通りである。

【００６４】

【表４】

【００６５】

【発明の効果】上述のように、本発明に係る虚像観察光
学素子及び虚像観察光学装置においては、反射型ホログ
ラフィック光学素子と、画像表示素子と、虚像結像のた
めの屈折力を発生する反射面との間に屈折率が１より高
い媒質で形成された屈折光学素子を配置することによっ
て、広画角、低収差の虚像表示を実現することができ
る。

【００６６】さらに、原理的に回折波長選択性を有する
リップマン体積ホログラムを反射型ホログラフィック光
学素子として反射鏡に利用することにより、従来の半透
鏡を用いてシースルー機能を付加している虚像観察光学
系に比較して明るい虚像と明るい外界像とを両立させる
ことができるシースルー機能を実現することが可能とな
る。

【００６７】すなわち、本発明は、明瞭で歪みの少ない
観察像を与える機能を持つ虚像観察光学装置及びこのよ
うな虚像観察光学装置の構成を可能とする虚像観察光学
素子を提供し、また、明瞭で歪みの少ない観察像を与え
ると同時に外界を明るく観察することができるシースル
ー機能をあわせ持つ虚像観察光学装置及びこのような虚
像観察光学装置の構成を可能とする虚像観察光学素子を
提供することができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る虚像観察光学素子を用いて構成さ
れた本発明に係る虚像観察光学装置の構成を示す側面図
である。

【図２】上記虚像観察光学装置において使用されるリッ
プマン体積ホログラムの構成を示す断面図である。

【図３】上記リップマン体積ホログラムにおける２点か
らの反射光同士の干渉を示す断面図である。

【図４】上記リップマン体積ホログラムにおける２層か
らの反射光同士の干渉を示す断面図である。

【図５】上記虚像観察光学素子及び虚像観察光学装置の
構成の他の形態を示す側面図である。

【図６】上記図５に示した虚像観察光学素子及び虚像観
察光学装置において、シースルー機能を追加した構成を
示す側面図である。

【図７】上記虚像観察光学素子及び虚像観察光学装置の
構成のさらに他の形態を示す側面図である。

【図８】上記図７に示した虚像観察光学素子及び虚像観
察光学装置において、シースルー機能を追加した構成を
示す側面図である。

【図９】上記図５に示した虚像観察光学素子の設計例に
おける形状を示す側面図である。

【図１０】上記図９に示した虚像観察光学素子の設計例
における横方向の画角０°における横収差を示すグラフ
である。

【図１１】上記図９に示した虚像観察光学素子の設計例
における横方向の画角−８．５°における横収差を示す
グラフである。

【図１２】上記図９に示した虚像観察光学素子の設計例
における横方向の画角−１７°における横収差を示すグ
ラフである。

【図１３】上記図１０乃至図１２に示した横収差のデー
タの測定位置を示す正面図である。

【図１４】従来の虚像観察光学装置の構成を示す側面図
である。

【図１５】従来の虚像観察光学装置の構成の他の例を示
す側面図である。

【図１６】従来の偏芯系の虚像観察光学装置の構成を示
す側面図である。

【図１７】従来の偏芯系の虚像観察光学装置の構成の他
の例を示す側面図である。

【図１８】上記図１７に示した従来の虚像観察光学装置
において、シースルー機能を追加した構成を示す側面図
である。

【図１９】従来の偏芯系の虚像観察光学装置であってリ
ップマン体積ホログラムを用いた構成を示す側面図であ
る。

【符号の説明】

１画像表示素子、２プリズム、３屈折面、４ホ
ログラフィック光学素子、５反射面、６光束分割
面、７瞳、８シースルー補正用プリズム

フロントページの続きＦターム(参考） 2H087 KA00 RA41 RA46 2K008 AA00 CC03 DD12 EE04 FF03 FF17 HH01 HH13 HH18 HH20 HH23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射面となる屈折面と、反射型ホログラ
フィック光学素子により構成される反射面と、光束分割
面とを有して、屈折率が１より大きい媒質により構成さ
れた屈折光学素子からなり、上記屈折面から入射した光束を、少なくとも１回以上、
上記反射面に入射させ、上記光束分割面より出射させる
ことを特徴とする虚像観察光学素子。
【請求項２】光束分割面は、内部反射面となっている
ことを特徴とする請求項１記載の虚像観察光学素子。
【請求項３】光束分割面は、ハーフミラー面となって
いることを特徴とする請求項１記載の虚像観察光学素
子。
【請求項４】光束分割面は、偏光ビームスプリッタ面
となっていることを特徴とする請求項１記載の虚像観察
光学素子。
【請求項５】反射面は、１次元の曲率を持った面とな
っていることを特徴とする請求項１記載の虚像観察光学
素子。
【請求項６】反射型ホログラフィック光学素子は、リ
ップマン体積ホログラム素子であることを特徴とする請
求項１記載の虚像観察光学素子。
【請求項７】反射型ホログラフィック光学素子のホロ
グラム層は、回折現象を起こす波長がそれぞれ異なる複
数のホログラム層により構成されていることを特徴とす
る請求項１記載の虚像観察光学素子。
【請求項８】反射型ホログラフィック光学素子のホロ
グラム感光材料は、フォトポリマーであることを特徴と
する請求項１記載の虚像観察光学素子。
【請求項９】反射型ホログラフィック光学素子は、入
射波面に対して非軸対称な位相差を付与して入射光束を
回折させることを特徴とする請求項１記載の虚像観察光
学素子。
【請求項１０】入射面となる屈折面と、反射型ホログ
ラフィック光学素子により構成される反射面と、光束分
割面とを有して、屈折率が１より大きい媒質により構成
され、該屈折面から入射した光束を少なくとも１回以上
該反射面に入射させ該光束分割面より出射させる屈折光
学素子と、上記屈折光学素子の反射面に接合され、該屈折光学素子
に一体的となされた補正板とからなり、上記補正板は、上記屈折光学素子と共働して、外界から
該補正板に入射してこの補正板を透過し、さらに、該屈
折光学素子を透過して上記光束分割面より射出する光束
に対する光学的パワーを零とすることを特徴とする虚像
観察光学素子。
【請求項１１】光束分割面は、内部反射面となってい
ることを特徴とする請求項１０記載の虚像観察光学素
子。
【請求項１２】光束分割面は、ハーフミラー面となっ
ていることを特徴とする請求項１０記載の虚像観察光学
素子。
【請求項１３】光束分割面は、偏光ビームスプリッタ
面となっていることを特徴とする請求項１０記載の虚像
観察光学素子。
【請求項１４】反射面は、１次元の曲率を持った面と
なっていることを特徴とする請求項１０記載の虚像観察
光学素子。
【請求項１５】反射型ホログラフィック光学素子は、
リップマン体積ホログラム素子であることを特徴とする
請求項１０記載の虚像観察光学素子。
【請求項１６】反射型ホログラフィック光学素子のホ
ログラム層は、回折現象を起こす波長がそれぞれ異なる
複数のホログラム層により構成されていることを特徴と
する請求項１０記載の虚像観察光学素子。
【請求項１７】反射型ホログラフィック光学素子のホ
ログラム感光材料は、フォトポリマーであることを特徴
とする請求項１０記載の虚像観察光学素子。
【請求項１８】反射型ホログラフィック光学素子は、
入射波面に対して非軸対称な位相差を付与して入射光束
を回折させることを特徴とする請求項１０記載の虚像観
察光学素子。
【請求項１９】画像表示素子と、入射面となる屈折面と、反射型ホログラフィック光学素
子により構成される反射面と、光束分割面とを有して、
屈折率が１より大きい媒質により構成された屈折光学素
子とを備え、上記画像表示素子から射出された光束は、上記入射面か
ら上記屈折光学素子内に入射し、少なくとも１回以上、
上記反射面に入射し、上記光束分割面より出射すること
を特徴とする虚像観察光学装置。
【請求項２０】光束分割面は、内部反射面となってい
ることを特徴とする請求項１９記載の虚像観察光学装
置。
【請求項２１】光束分割面は、ハーフミラー面となっ
ていることを特徴とする請求項１９記載の虚像観察光学
装置。
【請求項２２】光束分割面は、偏光ビームスプリッタ
面となっていることを特徴とする請求項１９記載の虚像
観察光学装置。
【請求項２３】反射面は、１次元の曲率を持った面と
なっていることを特徴とする請求項１９記載の虚像観察
光学装置。
【請求項２４】反射型ホログラフィック光学素子は、
リップマン体積ホログラム素子であることを特徴とする
請求項１９記載の虚像観察光学装置。
【請求項２５】反射型ホログラフィック光学素子のホ
ログラム層は、回折現象を起こす波長がそれぞれ異なる
複数のホログラム層により構成されていることを特徴と
する請求項１９記載の虚像観察光学装置。
【請求項２６】反射型ホログラフィック光学素子のホ
ログラム感光材料は、フォトポリマーであることを特徴
とする請求項１９記載の虚像観察光学装置。
【請求項２７】反射型ホログラフィック光学素子は、
入射波面に対して非軸対称な位相差を付与して入射光束
を回折させることを特徴とする請求項１９記載の虚像観
察光学装置。
【請求項２８】画像表示手段は、自発光画像表示素子
であることを特徴とする請求項１９記載の虚像観察光学
装置。
【請求項２９】画像表示手段は、空間光変調素子とこ
の空間光変調素子を照明する照明手段とを有して構成さ
れていることを特徴とする請求項１９記載の虚像観察光
学装置。
【請求項３０】照明手段は、光源として発光ダイオー
ドを備えて構成されていることを特徴とする請求項２９
の虚像観察光学装置。
【請求項３１】照明手段は、光源としてレーザ発振器
を備えて構成されていることを特徴とする請求項２９の
虚像観察光学装置。
【請求項３２】画像表示素子と、入射面となる屈折面と、反射型ホログラフィック光学素
子により構成される反射面と、光束分割面とを有して、
屈折率が１より大きい媒質により構成され、上記画像表
示素子から射出され該屈折面から入射した光束を少なく
とも１回以上該反射面に入射させ該光束分割面より出射
させる屈折光学素子と、上記屈折光学素子の反射面に接合され、該屈折光学素子
に一体的となされた補正板とからなり、上記補正板は、上記屈折光学素子と共働して、外界から
該補正板に入射してこの補正板を透過し、さらに、該屈
折光学素子を透過して上記光束分割面より射出する光束
に対する光学的パワーを零とすることを特徴とする虚像
観察光学装置。
【請求項３３】光束分割面は、内部反射面となってい
ることを特徴とする請求項３２記載の虚像観察光学装
置。
【請求項３４】光束分割面は、ハーフミラー面となっ
ていることを特徴とする請求項３２記載の虚像観察光学
装置。
【請求項３５】光束分割面は、偏光ビームスプリッタ
面となっていることを特徴とする請求項３２記載の虚像
観察光学装置。
【請求項３６】反射面は、１次元の曲率を持った面と
なっていることを特徴とする請求項３２記載の虚像観察
光学装置。
【請求項３７】反射型ホログラフィック光学素子は、
リップマン体積ホログラム素子であることを特徴とする
請求項３２記載の虚像観察光学装置。
【請求項３８】反射型ホログラフィック光学素子のホ
ログラム層は、回折現象を起こす波長がそれぞれ異なる
複数のホログラム層により構成されていることを特徴と
する請求項３２記載の虚像観察光学装置。
【請求項３９】反射型ホログラフィック光学素子のホ
ログラム感光材料は、フォトポリマーであることを特徴
とする請求項３２記載の虚像観察光学装置。
【請求項４０】反射型ホログラフィック光学素子は、
入射波面に対して非軸対称な位相差を付与して入射光束
を回折させることを特徴とする請求項３２記載の虚像観
察光学装置。
【請求項４１】画像表示手段は、自発光画像表示素子
であることを特徴とする請求項３２記載の虚像観察光学
装置。
【請求項４２】画像表示手段は、空間光変調素子とこ
の空間光変調素子を照明する照明手段とを有して構成さ
れていることを特徴とする請求項３２記載の虚像観察光
学装置。
【請求項４３】照明手段は、光源として発光ダイオー
ドを備えて構成されていることを特徴とする請求項４２
の虚像観察光学装置。
【請求項４４】照明手段は、光源としてレーザ発振器
を備えて構成されていることを特徴とする請求項４２の
虚像観察光学装置。