JP2005316304A

JP2005316304A - 画像表示装置

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Publication number: JP2005316304A
Application number: JP2004136393A
Authority: JP
Inventors: Masanori Iwasaki; 正則岩崎
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2024-04-30
Also published as: JP4631308B2

Abstract

【課題】光利用効率を高くでき、かつ画角を大きして倍率を高くできるようにする。
【解決手段】表示素子１０１からの射出光はｐ偏光であり、透過型ホログラフィック光学素子１０４，１０５は夫々このｐ偏光に対して回折効率を有する。表示素子１０１からの射出光を、結像光学素子１０２を介して光学素子１０４で回折し、プリズム１０３に入射し、所定回数だけ内部で反射させて、外部に射出させる。プリズム１０３の面１０３ｃで反射されて得られた射出光を、光学素子１０５でさらに回折し、ユーザの瞳１０６に入射させる。プリズム１０３の面１０３ｃと光学素子１０５とでプリズム１０３の面１０３ａで全反射条件を満たすための効果を分担しているので、光学素子１０５に大きな回折能力は要求されず、画角θを大きくできる。ハーフミラーを使用しないので、光利用効率が高くなる。２個の光学素子１０４，１０５を設けたことで、回折による色収差を相殺できる。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば、ビデオカメラのビューファインダや頭部装着型ディスプレイ等として使用して好適な画像表示装置に関する。詳しくは、この発明は、画像表示素子からの射出光をプリズムに入射光として入射させて所定回数だけ反射させて射出光として射出し、この射出光を透過型回折光学素子で回折させ、その回折光をユーザの瞳に向けて射出することによって、光利用効率を高くでき、かつ画角を大きして倍率を高くできるようにした画像表示装置に係るものである。

従来、例えば、ビデオカメラのビューファインダや頭部装着型ディスプレイ等として使用される画像表示装置が提案されている。この種の画像表示装置として、画像表示素子の表示画像を虚像として観察する虚像観察光学系を備えているものがある。

例えば、特許文献１には、図１１に示すような、画像表示装置２００が記載されている。この画像表示装置２００は、液晶表示器(LCD: Liquid Crystal Display)等からなる画像表示素子２０１と、ハーフミラー２０２と、凹面鏡２０３とで構成されている。画像表示素子２０１から射出された射出光はハーフミラー２０２に入射される。このハーフミラー２０２で反射される反射光は凹面鏡２０３に入射される。この凹面鏡２０３で反射される反射光は、再びハーフミラー２０２に入射される。そして、このハーフミラー２０２を透過した透過光が瞳２０４に入射される。

また例えば、特許文献２には、図１２に示すような、画像表示装置３００が記載されている。この画像表示装置３００は、発光ダイオード(LED: Light Emitting Diode)３０１と、レンズ３０２と、透過型の液晶表示器３０３と、プリズム３０４と、反射型ホログラフィック光学素子３０５とで構成されている。

発光ダイオード３０１が発した光は、レンズ３０２によって、ＬＣＤ３０３の全面に均一に照射される。ＬＣＤ３０３は、全面に照射された光を画素毎に変調し、画像を表示する。このＬＣＤ３０３から射出された射出光はプリズム３０４に入射され、当該プリズム３０４の内面で所定回数だけ反射された後に、反射型ホログラフィック光学素子３０５に入射されて回折される。この光学素子３０５からの回折光はプリズム３０４を透過して瞳３０６に入射される。

特開２０００−２２１８９９号公報（２頁、図７参照）特開２００１−３０５４７６号公報（４頁〜５頁、図２参照）

図１１に示す画像表示装置２００においては、画像表示素子２０１から射出される射出光はハーフミラー２０２を２回通過後に瞳２０４に入射されるため、その光利用効率が最大で２５％、実際上は２０％程度である。また、凹面鏡２０３をハーフミラーとすることで、シースルー構造となり、光学部品の向こう側を透過して見ることができるが、この場合の当該向こう側の光利用効率は最大で２５％である。またこの場合、上記した画像表示素子２０１から射出される射出光の光利用効率は、最大で１２．５％となる。

図１２に示す画像表示装置３００においては、プリズム３０４の内面で所定回数だけ反射された反射光が最終的に反射型ホログラフィック光学素子３０５に入射されて回折され、その回折光が瞳３０６に入射される。そのため、画角θが大きくなると、反射型ホログラフィック光学素子３０５による大きな回折能力が必要となり、これは回折効率を低下させてしまう原因になることから、画角θをあまり大きくできないという問題があった。

この発明の目的は、光利用効率を高くし、かつ画角を大きくして倍率を高くすることにある。

この発明に係る画像表示装置は、画像表示素子と、この画像表示素子からの射出光が入射光として入射され、この入射光を所定回数だけ複数の面で反射させた後に射出光として射出するプリズムと、このプリズムからの射出光を回折する第１の透過型回折光学素子とを備えるものである。

この発明においては、画像表示素子からの射出光がプリズムに入射光として入射される。この入射光はプリズムの内面で所定回数だけ反射された後に、射出光として射出される。そして、このプリズムからの射出光が第１の透過型回折光学素子で回折され、その回折光が例えばユーザの瞳に入射される。これにより、ユーザは、画像表示素子で表示される画像を虚像として見ることができる。

このように、画像表示素子からの射出光がプリズムおよび透過型回折光学素子を介してユーザの瞳に入射されるものであり、ハーフミラーを用いるものと比べて、光利用効率が高くなる。また、プリズムで最終的に反射されて射出された射出光が透過型回折光学素子でさらに回折され、その回折光がユーザの瞳に入射されるものであり、透過型回折光学素子に大きな回折能力は要求されず、従って画角を大きくでき、倍率を高くできる。

例えば、プリズムは、少なくとも第１の面、第２の面および第３の面を有するものとされる。そして、画像表示素子からの射出光は、このプリズムの第２の面、第１の面および第３の面で順次反射された後に、第１の面から射出される。この場合、例えば、第２の面および第３の面の少なくとも一方が曲面とされる。これにより、第２の面、第３の面にレンズ効果を付与でき、光線束の広がりを抑制でき、プリズムを薄く小さくでき、また結像光学素子の負担を軽減できる。

例えば、プリズムは、少なくとも第１の面、第２の面、第３の面および第４の面を有するものとされる。そして、画像表示素子からの射出光は、このプリズムの第２の面、第３の面および第４の面で順次反射された後に、第３の面から射出される。この場合、例えば、第４の面が曲面とされる。これにより、第４の面にレンズ効果を付与でき、光線束の広がりを抑制でき、プリズムを薄く小さくでき、また結像光学素子の負担を軽減できる。またこの場合、例えば、第２の面および第３の面が平行とされることで、プリズムの製造が容易となる。またこの場合、例えば、入射光が反射される、第２の面および第３の面の少なくとも一方に反射型回折光学素子が設けられることで、これら第２の面および第３の面にそれを曲面とすることなくレンズ効果を付与でき、光線束の広がりを抑制でき、プリズムを薄く小さくでき、また結像光学素子の負担を軽減できる。

例えば、プリズムは、少なくとも第１の面、第２の面および第３の面を有するものとされる。そして、画像表示素子からの射出光は、このプリズムの第２の面および第３の面で順次反射された後に、第２の面から射出される。この場合、例えば、第３の面が曲面とされる。これにより、第３の面にレンズ効果を付与でき、光線束の広がりを抑制でき、プリズムを薄く小さくできる。またこの場合、例えば、入射光が反射される、第２の面に反射型回折光学素子が設けられることで、これら第２の面にそれを曲面とすることなくレンズ効果を付与でき、光線束の広がりを抑制でき、プリズムを薄く小さくでき、また結像光学素子の負担を軽減できる。

なお、第１の透過型回折光学素子は、可視光領域における、赤色の波長帯域と、緑色の波長帯域と、青色の波長帯域とに対して、回折効率を有するものとされる。これにより、プリズムに入射される入射光を構成する赤色成分、緑色成分および青色成分をそれぞれ第１の透過型回折光学素子で回折でき、ユーザの瞳に各色成分を入射させることができ、ユーザにカラー画像を知覚させることができる。

例えば、第１の透過型回折光学素子は、赤色の波長帯域に対して回折効率を有する第１の層と、緑色の波長帯域に対して回折効率を有する第２の層と、青色の波長帯域に対して回折効率を有する第３の層とからなる。この場合、プリズム側から、第２の層、第１の層および第３の層の順、または第２の層、第３の層および第１の層の順に配置される。また例えば、第１の透過型回折光学素子は、赤色の波長帯域に対して回折効率を有する第１の層と、緑色から青色の波長帯域に対して回折効率を有する第２の層とからなる。この場合、例えば、プリズム側から、第２の層および第１の層の順に配置される。

人間の眼は緑色の光に最も感度がよく、赤色がこれに次ぎ青色が最も低い。上述したように、プリズム側に、緑色の波長帯域に対して回折効率を有する層が配置されることで、プリズムから射出された射出光は最初に当該緑色の波長帯域に対して回折効率を有する層に入射されるため、緑色の光線束は、他の層の影響を受けることなく、当該緑色の波長帯域に対して回折効率を有する層で回折される。したがって、視感度の高い緑色の光線束を精度よく回折でき、ユーザは解像度のよい画像を知覚可能となる。

例えば、第１の透過型回折光学素子は、透過型ホログラフィック光学素子である。この場合、例えば、透過型ホログラフィック光学素子は、複数の波長帯域に対して回折効率を有する単一のホログラム層により構成される、またこの場合、例えば、透過型ホログラフィック光学素子は、複数のホログラム層により構成される。この複数のホログラム層はそれぞれ異なる波長帯域に対して回折効率を有する。ここで、透過型ホログラフィック光学素子に偏光選択性を持たせることで、例えばｐ偏光またはｓ偏光のいずれかを選択的に回折させることができる。

なお、例えば、画像表示素子から射出される射出光を回折する第２の透過型回折光学素子がさらに備えられる。この第２の透過型回折光学素子および上述した第１の透過型回折光学素子は、同一の波長帯域に対して回折効率を有するものとされる。この場合、瞳位置における光線、例えば平行光線を逆光線追跡したとき画像表示素子の表示面上に結像される光学系で構成されるものとした場合、第１の透過型回折光学素子における回折によって生じる波長分散と逆の波長分散が、第２の透過型回折光学素子によって発生されることで、色分散した光線が結像位置に集光される。これにより、回折によって発生する色収差が相殺される。

例えば、第１、第２の透過型回折光学素子は、それぞれ、赤色の波長帯域に対して回折効率を有する第１の層と、緑色の波長帯域に対して回折効率を有する第２の層と、青色の波長帯域に対して回折効率を有する第３の層とからなる。この場合、少なくとも、第２の透過型回折光学素子は、プリズム側から、第３の層、第１の層および第２の層の順、または第１の層、第３の層および第２の層の順に配置される。また例えば、第１、第２の透過型回折光学素子は、それぞれ、赤色の波長帯域に対して回折効率を有する第１の層と、緑色から青色の波長帯域に対して回折効率を有する第２の層とからなる。この場合、例えば、プリズム側から、第１の層および第２の層の順に配置される。

人間の眼は緑色の光に最も感度がよく、赤色がこれに次ぎ青色が最も低い。上述したように、第２の透過型回折光学素子において、プリズム側とは逆側に、緑色の波長帯域に対して回折効率を有する層が配置されることで、当該第２の透過型回折光学素子で回折すべき画像表示素子からの射出光は最初に当該緑色の波長帯域に対して回折効率を有する層に入射されるため、緑色の光線束は、他の層の影響を受けることなく、当該緑色の波長帯域に対して回折効率を有する層で回折される。したがって、視感度の高い緑色の光線束を精度よく回折でき、ユーザは解像度のよい画像を知覚可能となる。

また、例えば、画像表示素子からの射出光は第１の偏光面を持つ第１の直線偏光とされる。そして、この第１の偏光面とは直交する第２の偏光面を持つ第２の直線偏光に対して回折効率を有する、第２の透過型回折光学素子が備えられる。この場合、画像表示素子からの射出光はプリズムを透過するようにされる。そして、この透過された射出光は、第２の透過型回折光学素子、１／４波長板、反射手段および１／４波長板を介して第２の透過型回折光学素子に入射されて回折され、その回折光がプリズムに入射光として入射される。

この場合、画像表示素子からの射出光はプリズムを透過した後に、第２の透過型回折光学素子で回折されてプリズムに入射されるため、画像表示素子をプリズムに近接して配置でき、装置の小型化を図ることが可能となる。

またこの場合、第１の透過型回折光学素子における回折によって生じる波長分散と逆の波長分散が、第２の透過型回折光学素子によって発生され、色分散した光線が結像位置に集光される。これにより、回折によって発生する色収差が相殺される。

この発明によれば、画像表示素子からの射出光をプリズムに入射光として入射させて所定回数だけ反射させて射出光として射出し、この射出光を透過型回折光学素子で回折させ、その回折光をユーザの瞳に向けて射出するものであり、光利用効率を高くでき、かつ画角を大きくして倍率を高くできる。

この発明の第１の実施の形態について説明する。図１は、第１の実施の形態としての画像表示装置１００の構成を示している。この画像表示装置１００は、例えば液晶表示器(LCD: Liquid Crystal Display)等からなる画像表示素子１０１と、結像光学素子１０２と、プリズム１０３と、偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子１０４，１０５とで構成されている。画像表示素子１０１が液晶表示器からなる場合、光源としては、例えば発光ダイオード(LED: Liquid Crystal Display)が用いられる。

プリズム１０３は、断面三角形状とされており、３つの面１０３ａ〜１０３ｃを有している。結像光学素子１０２は、画像表示素子１０１とプリズム１０３の面１０３ａとの間に配置されている。プリズム１０３の面１０３ａのうち、画像表示素子１０１からの射出光が入射される部位に、ホログラフィック光学素子１０４が被着されている。このホログラフィック光学素子１０４は、第２の透過型回折光学素子を構成している。プリズム１０３の面１０３ａのうち、プリズム１０３からの射出光が射出される部位に、ホログラフィック光学素子１０５が被着されている。このホログラフィック光学素子１０５は、第１の透過型回折光学素子を構成している。

プリズム１０３の面１０３ｂは、当該プリズム１０３の面１０３ａから入射光として入射される画像表示素子１０１からの射出光を反射する反射面を構成している。この面１０３ｂの面１０３ａに対する傾斜角は、当該面１０３ｂへの上述の入射光の入射角度が全反射の条件を満たし、かつこの面１０３ｂからの反射光の面１０３ａへの入射角度が全反射の条件を満たすように、設定されている。また、プリズム１０３の面１０３ｃの面１０３ａに対する傾斜角は、面１０３ａからの反射光の面１０３ｃへの入射角度が全反射の条件を満たすように、設定されている。

プリズム１０３の面１０３ｂおよび面１０３ｃの少なくとも一方は曲面とされ、レンズ効果を持つようにされている。画像表示装置１００は、ユーザの瞳１０６の位置における光線、例えば平行光線を逆光線追跡したとき、画像表示素子１０１の表示面上に結像される光学系で構成されている。上述したようにプリズム１０３の面１０３ｂおよび面１０３ｃの少なくとも一方を曲面として、レンズ効果を持たせることで、光線束の広がりを抑制でき、プリズム１０３を薄く小さくでき、また結像光学素子１０２の負担を軽減できる。

本実施の形態において、画像表示素子１０１からの射出光は直線偏光であるｐ偏光とされており、またホログラフィック光学素子１０４，１０５はこのｐ偏光に対して回折効率を有するものとされている。なお、画像表示素子１０１からの射出光をｐ偏光と直交した偏光面を持つ直線偏光であるｓ偏光とし、またホログラフィック光学素子１０４，１０５をｓ偏光に対して回折効率を有するものとしてもよい。

また、上述した逆光線追跡を考えた場合、ホログラフィック光学素子１０５における回折によって生じる波長分散と逆の波長分散が、ホログラフィック光学素子１０４における回折によって発生され、色分散した光線が結像位置に集光されるように、ホログラフィック光学素子１０４の回折パワー等が設定されている。

また、上述した逆光線追跡を考えた場合、プリズム１０３から射出されてホログラフィック光学素子１０４に入射される射出光が全画角において略平行となるように、プリズム１０３の面１０３ｂ，１０３ｃの曲面形状などが最適化されている。これにより、ホログラフィック光学素子１０４の回折効率の向上が図られている。

また、ホログラフィック光学素子１０４，１０５は、それぞれ、可視領域における、赤色の波長帯域と、緑色の波長帯域と、青色の波長帯域とに対して、回折効率を有するものとされている。また、ホログラフィック光学素子１０４，１０５は、それぞれ、異なる効果を備えている。

本実施の形態においては、これらホログラフィック光学素子１０４，１０５は、赤色光回折用ホログラフィック光学素子１１０Ｒ、緑色光回折用ホログラフィック光学素子１１０Ｇおよび青色光回折用ホログラフィック光学素子１１０Ｂが積層された３層構造とされる。ホログラフィック光学素子１１０Ｒ，１１０Ｇおよび１１０Ｂは、それぞれ、可視領域における、赤色の波長帯域（例えば６２０ｎｍ〜６４０ｎｍ）、緑色の波長帯域（例えば５２０ｎｍ〜５４０ｎｍ）および青色の波長帯域（例えば４５０ｎｍ〜５００ｎｍ）に対して、回折効率を有する。

この場合、ホログラフィック光学素子１０４，１０５は、図２に示すように、プリズム１０３側から、ホログラフィック光学素子１１０Ｒ、ホログラフィック光学素子１１０Ｂおよびホログラフィック光学素子１１０Ｇの順に配置されている。なお、プリズム１０３側から、ホログラフィック光学素子１１０Ｂ、ホログラフィック光学素子１１０Ｒおよびホログラフィック光学素子１１０Ｇの順に配置されていてもよい。

人間の眼は緑色の光に最も感度がよく、赤色がこれに次ぎ青色が最も低い。上述したように、ホログラフィック光学素子１０４において、プリズム１０３側とは逆側に、緑色の波長帯域に対して回折効率を有するホログラフィック光学素子１１０Ｇが配置される。そのため、ホログラフィック光学素子１０４で回折すべき画像表示素子１０１からの射出光は最初にホログラフィック光学素子１１０Ｇに入射され、緑色の光線束は、他のホログラフィック光学素子１１０Ｂ，１１０Ｒの影響を受けることなく、当該ホログラフィック光学素子１１０Ｇで回折される。したがって、ホログラフィック光学素子１０４で、視感度の高い緑色の光線束を精度よく回折でき、ユーザは解像度のよい画像を知覚できるようなる。

本実施の形態においては、ホログラフィック光学素子１０４，１０５をそれぞれ構成するホログラフィック光学素子１１０Ｇ，１１０Ｂ，１１０Ｒは物理的に連続したものとして構成され、後述する製造プロセスにおける露光条件を変化させてそれぞれの部位で異なるパワーを備えるようにされる。そのため、ホログラフィック光学素子１０５においても、プリズム１０３側から、ホログラフィック光学素子１１０Ｒ、ホログラフィック光学素子１１０Ｂおよびホログラフィック光学素子１１０Ｇの順に配置された状態となっている。

しかし、このホログラフィック光学素子１０５においては、本来、プリズム１０３側から、ホログラフィック光学素子１１０Ｇ、ホログラフィック光学素子１１０Ｂおよびホログラフィック光学素子１１０Ｒの順、またはホログラフィック光学素子１１０Ｇ、ホログラフィック光学素子１１０Ｒおよびホログラフィック光学素子１１０Ｂの順に配置することが好ましい。このように、プリズム１０３側に、ホログラフィック光学素子１１０Ｇが配置されることで、プリズム１０３から射出された射出光は最初に当該ホログラフィック光学素子１１０Ｇに入射されるため、緑色の光線束は、他のホログラフィック光学素子１１０Ｂ，１１０Ｒの影響を受けることなく、当該ホログラフィック光学素子１１０Ｇで回折される。そのため、ホログラフィック光学素子１０５で、視感度の高い緑色の光線束を精度よく回折でき、ユーザは解像度のよい画像を知覚できるようになる。

ここで、図３、図４を参照して、上述したホログラフィック光学素子１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂをそれぞれ構成する偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子１１０の構造および製造プロセスを説明する。このホログラフィック光学素子１１０は、例えば特開２００２−２２１７１０号公報に記載されている。

このホログラフィック光学素子１１０は、高分子分散液晶（以下、「ＰＤＬＣ」という）を材料とした液晶パネルに、レーザ光線による干渉縞を露光して、ホログラムを形成したものである。

すなわち、まず、光重合を起こす前の高分子（以下、「プレポリマ」という）、ネマチック液晶、開始剤、色素などが混合されたＰＤＬＣ１を、それぞれに透明電極２が形成された一対のガラス基板３，３間に挟み込み、ＰＤＬＣパネルを形成する。このとき、ネマチック液晶の重量割合は全体の３０％程度とする。また、このＰＤＬＣ１の層厚（以下、「セルギャップ」という）は、２μｍ乃至１５μｍ程度の範囲で、偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子の仕様、例えば回折効率を持たせる波長帯域などに合わせて最適値が選ばれる。

次に、このＰＤＬＣパネルに干渉縞を記録するため、図示しないレーザ光源からの物体光４および参照光５を当該ＰＤＬＣパネルに照射し、これらの干渉による光の強弱（Ａ）を発生させる。このとき、干渉縞の明るいところ、つまり光子のエネルギーが大きい場所では、そのエネルギーにより、ＰＤＬＣ中のプレポリマが光重合を起こし、ポリマ化する。このため、プレポリマが周辺部から次々に供給され、結果的に、ポリマ化したプレポリマが密な領域と疎の領域とに分かれる。プレポリマが疎の領域では、ネマチック液晶の濃度が高くなる。これにより、高分子領域６と液晶領域７の２つの領域が形成される。

ところで、上述のＰＤＬＣパネルの高分子領域６は、屈折率に関し等方的で、その値は、例えば１．５となされている。一方、ＰＤＬＣパネルの液晶領域７では、ネマチック液晶分子８がその光軸を高分子領域６との境界面に対して略垂直として並んでいる。そのため、この液晶領域７では、屈折率が、入射偏光方位依存性を有しており、この場合常光線となるのは、ＰＤＬＣパネルの光線入射面９に入射する入射光について考えた場合、ｓ偏光成分である。

そして、この液晶領域７の常光線屈折率ｎloを高分子領域６の屈折率ｎpに略等しい状態、例えば、屈折率差が０．０１未満である状態とすれば、入射ｓ偏光成分に対する屈折率の変調は極めて小さく、回折効率をほとんど有しない。一般に、ネマチック液晶の常光線屈折率ｎloと異常光線屈折率ｎleとの差Δｎは、０．１乃至０．２程度であるため、ｓ偏光成分と入射方向が等しいｐ偏光成分の場合は、高分子領域６と液晶領域７との間に屈折率差を生じ、位相変調型ホログラムとして機能し、回折効率を有する。これが、ＰＤＬＣパネルを用いた偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子（Ｈ−ＰＤＬＣパネル）１１０の透明電極２，２間に電圧を印加しない場合の動作原理である（図３参照）。

次に、図４に示すように、このＨ−ＰＤＬＣパネル１１０の透明電極２，２間に電圧を印加した場合の動作について説明する。透明電極２，２間には、スイッチ１０を介して、電源１１が接続されている。スイッチ１０を閉成することにより、透明電極２，２間には、電源１１による電圧が印加される。これにより、Ｈ−ＰＤＬＣパネル１１０の内部の材料に電界が加わると、誘電率異方性を有する液晶分子８は、その電圧に応じた角度だけ、光軸を電界方向に揃えるように方向が変えられる。そして、入射光の偏光方向に関わらず、回折を起こさないように制御することが可能となる。

上述のような原理により、ホログラフィック光学素子（Ｈ−ＰＤＬＣパネル）１１０は、入射光のうちのｐ偏光成分のみを回折する状態および入射光の全方向の偏光成分を回折しない状態の、２つの状態に切り替える動作が可能となる。

画像表示素子１０１は、例えば赤色画像、緑色画像および青色画像を所定の周期、例えば１／１８０秒の周期をもって順次表示する。そして、この画像表示素子１０１からは、赤色画像、緑色画像および青色画像が表示されているとき、それぞれ赤色光、緑色光および青色光が射出される。図示しない制御部は、ホログラフィック光学素子１０４，１０５を構成する光学素子１１０Ｒ，１１０Ｇおよび１１０Ｂを、それぞれ、画像表示素子１０１に赤色画像、緑色画像および青色画像が表示されているときｐ偏光成分のみを回折する状態とし、その他のとき全方向の偏光成分を回折しない状態とする。

この画像表示装置１００において、画像表示素子１０１から射出される射出光（ｐ偏光）は、結像光学素子１０２を透過して透過型ホログラフィック光学素子１０４に入射されて回折される。この透過型ホログラフィック光学素子１０４からの回折光は、プリズム１０３に、面１０３ａから入射光として入射される。

プリズム１０３に入射された入射光は、面１０３ｂで全反射され、また面１０３ａで全反射され、さらに面１０３ｃで全反射されて、プリズム１０３の面１０３ａから射出される。このプリズム１０３からの射出光は、透過型ホログラフィック光学素子１０５に入射されて回折される。そして、この透過型ホログラフィック光学素子１０５からの回折光は、ユーザの瞳１０６に入射される。これにより、ユーザは、画像表示素子１０１に表示される画像を虚像として認識できるようになる。

ここで、実際の光線の進行方向とは逆向きの光線追跡を考える。
瞳１０６から所定の画角を持った光線束が射出光として射出されたとする。この射出光は、ホログラフィック光学素子１０５に入射される。このホログラフィック光学素子１０５では、可視領域の、赤色の波長帯域、緑色の波長帯域および青色の波長帯域のｐ偏光成分が、任意のパワーをもって回折される。

ホログラフィック光学素子１０５からの回折光は、プリズム１０３に、その面１０３ａから入射光として入射される。この入射光は、面１０３ｃで全反射された後、面１０３ａに入射されて全反射される。ここで、面１０３ｃで反射された反射光が入射される面１０３ａにはホログラフィック光学素子１０４，１０５が被着されており、反射光はホログラフィック光学素子１０４，１０５に入射される。

しかしこの場合、面１０３ｃで反射された反射光は、図５に示すように、当該ホログラフィック光学素子１０４，１０５に大きな入射角をもって入射されるので、当該ホログラフィック光学素子１０４，１０５で回折効果は発生せず、面１０３ｃで反射された反射光は全反射される。なお、図５は、ホログラフィック光学素子１０５の部分のみを示している。

面１０３ａで反射された反射光は、面１０３ｂに入射されて全反射される。そして、面１０３ｂで反射された反射光は面１０３ａから射出される。このプリズム１０３からの射出光はホログラフィック光学素子１０４に入射される。このホログラフィック光学素子１０４では、可視領域の、赤色の波長帯域、緑色の波長帯域および青色の波長帯域のｐ偏光成分が、任意のパワーをもって回折される。そして、このホログラフィック光学素子１０４からの回折光は、結像光学素子１０２により、画像表示素子１０１の表示面上に集光される。この場合、瞳１０６の位置における光線、例えば平行光線は、画像表示素子１０１の表示面上に結像される。

図１に示す画像表示装置１００においては、画像表示素子１０１からの射出光がプリズム１０３および透過型ホログラフィック光学素子１０５を介してユーザの瞳１０６に入射されるものであり、従来のようにハーフミラーを用いるものと比べて、光利用効率を高くでき、ユーザは明るい像を見ることができる。換言すれば、光利用効率を高くできることから、ユーザに明るい像を知覚させるための消費電力を低く抑えることができる。

すなわち、図１に示す画像表示装置１００においては、プリズム１０３に入射された入射光が反射される面１０３ｂ、面１０３ａおよび面１０３ｃが全反射条件を満たすようにされている。そのため、画像表示素子１０１からの射出光の光量の劣化または減衰は、偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子１０４，１０５の回折効率、プリズム１０３の内部および結像光学素子１０２の内部および透過型ホログラフィック光学素子１０４，１０５の内部での吸収、および各光学部品における表面反射でのみ発生する。しかも、偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子１０４，１０５の回折効率は９０％以上と高い。したがって、画像表示素子１０１からの射出光の光量の劣化または減衰は少なく、ユーザの瞳１０６で観察される光量が多くなる。

また、図１に示す画像表示装置１００においては、面１０３ｃにカウンタープリズムを設けることでユーザの瞳１０６の前方に存在するプリズム１０３の向こう側からの光は、プリズム１０３および透過型ホログラフィック光学素子１０５を介して、ユーザの瞳１０６に入射される。すなわち、図１に示す画像表示装置１００においては、従来のように向こう側からの光がハーフミラーを介してユーザの瞳１０６に入射されるものではなく、明るく歪みのない像のシースルー構造を提供できる。

また、図１に示す画像表示装置１００においては、プリズム１０３の面１０３ｃで最終的に反射されて射出された射出光が透過型ホログラフィック光学素子１０５でさらに回折され、その回折光がユーザの瞳１０６に入射されるものである。プリズム１０３の面１０３ｃと透過型ホログラフィック光学素子１０５とでプリズム１０３の面１０３ａでの全反射条件を満たすための効果を分担しており、透過型ホログラフィック光学素子１０５に大きな回折能力は要求されない。したがって、この図１に示す画像表示装置１００によれば、従来の反射型ホログラフィック光学素子を用いるものと比べて、画角θを大きくでき、倍率を高くできる。

また、図１に示す画像表示装置１００においては、プリズム１０３からの射出光を回折する透過型ホログラフィック光学素子１０５の他に、画像表示素子１０１からの射出光を回折する透過型ホログラフィック光学素子１０４が備えられ、瞳１０６の位置における光線、例えば平行光線を逆光線追跡したとき画像表示素子１０１の表示面上に結像される光学系で構成されるものとした場合、透過型ホログラフィック光学素子１０５における回折によって生じる波長分散と逆の波長分散が、透過型ホログラフィック光学素子１０４における回折よって発生され、色分散した光線が結像位置に集光される。したがって、図１に示す画像表示装置１００によれば、回折によって発生する色収差を相殺でき、画質の向上を図ることができる。この効果は、特に、画像表示素子１０１の光源として、３原色の各色光の波長帯域に広がりがある、発光ダイオードを用いている場合に、有効となる。

なお、図１に示す画像表示装置１００では、ホログラフィック光学素子１０４，１０５を、ホログラフィック光学素子１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂの３層構造としたものであるが、これらホログラフィック光学素子１０４，１０５を、赤色光回折用ホログラフィック光学素子１１０Ｒおよび緑・青色光回折用ホログラフィック光学素子１１０ＧＢが積層された２層構造とすることもできる。この場合、ホログラフィック光学素子１１０Ｒは、可視領域における赤色の波長帯域に対して回折効率を有するものとされるが、ホログラフィック光学素子１１０ＧＢは、可視領域における緑色から青色の波長帯域に対して回折効率を有するものとされる。

この場合、ホログラフィック光学素子１０４，１０５は、図６に示すように、プリズム１０３側から、ホログラフィック光学素子１１０Ｒおよびホログラフィック光学素子１１０ＧＢの順に配置されている。これにより、ホログラフィック光学素子１０４において、プリズム１０３側とは逆側に、緑色から青色の波長帯域に対して回折効率を有するホログラフィック光学素子１１０ＧＢが配置される。

そのため、ホログラフィック光学素子１０４で回折すべき画像表示素子１０１からの射出光は最初にホログラフィック光学素子１１０ＧＢに入射され、緑色の光線束は、他のホログラフィック光学素子１１０Ｒの影響を受けることなく、当該ホログラフィック光学素子１１０ＧＢで回折される。したがって、ホログラフィック光学素子１０４で、視感度の高い緑色の光線束を精度よく回折でき、ユーザは解像度のよい画像を知覚できるようなる。

この場合、ホログラフィック光学素子１０４，１０５をそれぞれ構成するホログラフィック光学素子１１０ＧＢ，１１０Ｒは物理的に連続したものとして構成され、後述する製造プロセスにおける露光条件を変化させてそれぞれの部位で異なるパワーを備えるようにされる。そのため、ホログラフィック光学素子１０５においても、プリズム１０３側から、ホログラフィック光学素子１１０Ｒおよびホログラフィック光学素子１１０ＧＢの順に配置された状態となっている。

しかし、このホログラフィック光学素子１０５においては、本来、プリズム１０３側から、ホログラフィック光学素子１１０ＧＢおよびホログラフィック光学素子１１０Ｒの順に配置することが好ましい。このように、プリズム１０３側に、ホログラフィック光学素子１１０ＧＢが配置されることで、プリズム１０３から射出された射出光は最初に当該ホログラフィック光学素子１１０ＧＢに入射されるため、緑色の光線束は、他のホログラフィック光学素子１１０Ｒの影響を受けることなく、当該ホログラフィック光学素子１１０ＧＢで回折される。そのため、ホログラフィック光学素子１０５で、視感度の高い緑色の光線束を精度よく回折でき、ユーザは解像度のよい画像を知覚できるようになる。

また、ホログラフィック光学素子１０４，１０５を、図示せずも、赤・緑・青色光回折用ホログラフィック光学素子１１０ＲＧＢの１層構造とすることもできる。この場合、ホログラフィック光学素子１１０ＲＧＢは、可視領域における赤色から青色の波長帯域に対して回折効率を有するものとされる。

次に、この発明の第２の実施の形態について説明する。図７は、第２の実施の形態としての画像表示装置１００Ａの構成を示している。この図７において、図１と対応する部分には同一符号を付し、適宜その説明を省略する。

この画像表示装置１００Ａは、例えば液晶表示器等からなる画像表示素子１０１と、結像光学素子１０２と、プリズム１０３Ａと、偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子１０４，１０５とで構成されている。

プリズム１０３Ａは、断面平行四辺形状とされており、４つの面１０３Ａａ〜１０３Ａｄを有している。結像光学素子１０２は、画像表示素子１０１とプリズム１０３Ａの面１０３Ａａとの間に配置されている。プリズム１０３Ａの面１０３Ａａに、ホログラフィック光学素子１０４が被着されている。プリズム１０３Ａの面１０３Ａｃに、ホログラフィック光学素子１０５が被着されている。

プリズム１０３Ａの面１０３Ａｂは、当該プリズム１０３Ａの面１０３Ａａから入射光として入射される、画像表示素子１０１からの射出光を反射する反射面を構成している。この面１０３Ａｂの面１０３Ａａに対する傾斜角は、当該面１０３Ａｂへの上述の入射光の入射角度が全反射の条件を満たし、かつこの面１０３Ａｂからの反射光の、面１０３Ａｃへの入射角度が全反射の条件を満たすように、設定されている。また、プリズム１０３Ａの面１０３Ａｄの面１０３Ａｃに対する傾斜角は、面１０３Ａｃからの反射光の面１０３Ａｄへの入射角度が全反射の条件を満たすように、設定されている。

プリズム１０３Ａの面１０３Ａｄは曲面とされ、レンズ効果を持つようにされている。画像表示装置１００Ａは、ユーザの瞳１０６の位置における光線、例えば平行光線を逆光線追跡したとき、画像表示素子１０１の表示面上に結像される光学系で構成されている。上述したようにプリズム１０３Ａの面１０３Ａｄを曲面として、レンズ効果を持たせることで、光線束の広がりを抑制でき、プリズム１０３Ａを薄く小さくでき、また結像光学素子１０２の負担を軽減できる。また、プリズム１０３Ａの面１０３Ａｂおよび面１０３Ａｃは、互いに平行とされている。このように、プリズム１０３Ａが互いに平行な面１０３Ａｂ，１０３Ａｃを有する構成とすることで、当該プリズム１０３Ａの製造が容易となる。

また、上述した逆光線追跡を考えた場合、プリズム１０３Ａから射出されてホログラフィック光学素子１０４に入射される射出光が全画角において略平行となるように、プリズム１０３Ａの面１０３Ａｄの曲面形状などが最適化されている。これにより、ホログラフィック光学素子１０４の回折効率の向上が図られている。

この画像表示装置１００Ａにおいて、画像表示素子１０１からの射出光は、直線偏光であるｐ偏光とされている。ホログラフィック光学素子１０４，１０５は、このｐ偏光に対して回折効率を有するものとされる。また、ホログラフィック光学素子１０４，１０５は、それぞれ、可視領域における、赤色の波長帯域と、緑色の波長帯域と、青色の波長帯域とに対して、回折効率を有するものとされる。

これらホログラフィック光学素子１０４，１０５は、例えば、赤色光回折用ホログラフィック光学素子１１０Ｒ、緑色光回折用ホログラフィック光学素子１１０Ｇおよび青色光回折用ホログラフィック光学素子１１０Ｂが積層された３層構造とされる。この場合、ホログラフィック光学素子１０４は、プリズム１０３Ａ側から、光学素子１１０Ｒ、光学素子１１０Ｂおよび光学素子１１０Ｇの順、または光学素子１１０Ｂ、光学素子１１０Ｒおよび光学素子１１０Ｇの順に配置されている。また、ホログラフィック光学素子１０５は、プリズム１０３Ａ側から、光学素子１１０Ｇ、光学素子１１０Ｂおよび光学素子１１０Ｒの順、または光学素子１１０Ｇ、光学素子１１０Ｒおよび光学素子１１０Ｂの順に配置されている。

これにより、ホログラフィック光学素子１０４，１０５において、入射される光線束は最初にホログラフィック光学素子１１０Ｇに入力され、そのため緑色の光線束は、他のホログラフィック光学素子１１０Ｂ，１１０Ｒの影響を受けることなく、当該ホログラフィック光学素子１１０Ｇで回折される。したがって、ホログラフィック光学素子１０４，１０５で、視感度の高い緑色の光線束を精度よく回折でき、ユーザは解像度のよい画像を知覚できるようなる。

画像表示素子１０１から射出される射出光（ｐ偏光）は、結像光学素子１０２を透過して透過型ホログラフィック光学素子１０４に入射されて回折される。この透過型ホログラフィック光学素子１０４からの回折光は、プリズム１０３Ａに、面１０３Ａａから入射光として入射される。

プリズム１０３Ａに入射された入射光は、面１０３Ａｂで全反射され、また面１０３Ａｃで全反射され、さらに面１０３Ａｄで全反射されて、プリズム１０３Ａの面１０３Ａｃから射出される。このプリズム１０３Ａからの射出光は、透過型ホログラフィック光学素子１０５に入射されて回折される。そして、この透過型ホログラフィック光学素子１０５からの回折光は、ユーザの瞳１０６に入射される。これにより、ユーザは、画像表示素子１０１に表示される画像を、虚像として認識できる。

ホログラフィック光学素子１０５からの回折光は、プリズム１０３Ａに、その面１０３Ａｃから入射光として入射される。この入射光は、面１０３Ａｄで全反射された後、面１０３Ａｃに入射されて全反射される。この面１０３Ａｃで反射された反射光は、面１０３Ａｂに入射されて全反射される。そして、面１０３Ａｂで反射された反射光は面１０３Ａａから射出される。

このプリズム１０３Ａからの射出光はホログラフィック光学素子１０４に入射される。このホログラフィック光学素子１０４では、可視領域の、赤色の波長帯域、緑色の波長帯域および青色の波長帯域のｐ偏光成分が、任意のパワーをもって回折される。そして、このホログラフィック光学素子１０４からの回折光は、結像光学素子１０２により、画像表示素子１０１の表示面上に集光される。この場合、瞳１０６の位置における光線、例えば平行光線は、画像表示素子１０１の表示面上に結像される。

図７に示す画像表示装置１００Ａにおいては、図１に示す画像表示装置１００と同様に、画像表示素子１０１からの射出光がプリズム１０３Ａおよび透過型ホログラフィック光学素子１０５を介してユーザの瞳１０６に入射されるものであり、従来のようにハーフミラーを用いるものと比べて、光利用効率を高くでき、ユーザは明るい像を見ることができる。換言すれば、光利用効率を高くできることから、ユーザに明るい像を知覚させるための消費電力を低く抑えることができる。

また、図７に示す画像表示装置１００Ａにおいては、面１０３Ａｄにカウンタープリズムを設けることで、図１に示す画像表示装置１００と同様に、ユーザの瞳１０６の前方に存在するプリズム１０３Ａの向こう側からの光は、プリズム１０３Ａおよび透過型ホログラフィック光学素子１０５を介して、ユーザの瞳１０６に入射され、従来のように向こう側からの光がハーフミラーを介してユーザの瞳１０６に入射されるものではなく、明るく歪みのない像のいシースルー構造を提供できる。

また、図７に示す画像表示装置１００Ａにおいては、図１に示す画像表示装置１００と同様に、プリズム１０３Ａの面１０３Ａｄで最終的に反射されて射出された射出光が透過型ホログラフィック光学素子１０５でさらに回折され、その回折光がユーザの瞳１０６に入射されるものである。プリズム１０３Ａの面１０３Ａｄと透過型ホログラフィック光学素子１０５とでプリズム１０３Ａの面１０３Ａｃでの全反射条件を満たすための効果を分担しており、透過型ホログラフィック光学素子１０５に大きな回折能力は要求されない。したがって、この図７に示す画像表示装置１００Ａによれば、従来の反射型ホログラフィック光学素子を用いるものと比べて、画角θ（図１参照）を大きくでき、倍率を高くできる。

また、図７に示す画像表示装置１００Ａにおいては、図１に示す画像表示装置１００と同様に、プリズム１０３Ａからの射出光を回折する透過型ホログラフィック光学素子１０５の他に、画像表示素子１０１からの射出光を回折する透過型ホログラフィック光学素子１０４を備えるものであり、回折によって発生する色収差を相殺でき、画質の向上を図ることができる。

なお、図７に示す画像表示装置１００Ａでは、ホログラフィック光学素子１０４，１０５を、ホログラフィック光学素子１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂの３層構造としたものであるが、図１に示す画像表示装置１００と同様に、２層構造あるいは１層構造とすることもできる。

また、図７に示す画像表示装置１００Ａにおいて、プリズム１０３Ａに入射された入射光を反射する、面１０３Ａｂおよび面１０３Ａｃの少なくとも一方に、反射型回折光学素子としての反射型ホログラフィック光学素子を設けてもよい。この反射型ホログラフィック光学素子はフォトポリマーをホログラム感光剤としている。

上述したように、プリズム１０３Ａの面１０３Ａｂ，１０３Ａｃに反射型ホログラフィック光学素子を設けることで、これらの面１０３Ａｂ，１０３Ａｃに、それを曲面とすることなく、レンズ効果を付与でき、光線束の広がりを抑制でき、プリズム１０３Ａを薄く小さくでき、また結像光学素子１０２の負担を軽減できる。

次に、この発明の第３の実施の形態について説明する。図８は、第３の実施の形態としての画像表示装置１００Ｂの構成を示している。この図８において、図１と対応する部分には同一符号を付し、適宜その説明を省略する。

この画像表示装置１００Ｂは、例えば液晶表示器等からなる画像表示素子１０１と、結像光学素子１０２と、プリズム１０３Ｂと、偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子１０４，１０５とで構成されている。

プリズム１０３Ｂは、断面台形状とされており、４つの面１０３Ｂａ〜１０３Ｂｄを有している。結像光学素子１０２は、画像表示素子１０１とプリズム１０３Ｂの面１０３Ｂａとの間に配置されている。プリズム１０３Ｂの面１０３Ｂａに、ホログラフィック光学素子１０４が被着されている。プリズム１０３Ｂの面１０３Ｂｂに、ホログラフィック光学素子１０５が被着されている。

プリズム１０３Ｂの面１０３Ｂｂは、当該プリズム１０３Ｂの面１０３Ｂａから入射光として入射される、画像表示素子１０１からの射出光を反射する反射面を構成している。この面１０３Ｂｂの面１０３Ｂａに対する傾斜角は、当該面１０３Ｂｂへの上述の入射光の入射角度が全反射の条件を満たし、かつこの面１０３Ｂｂからの反射光の、面１０３Ｂｃへの入射角度が全反射の条件を満たすように、設定されている。

プリズム１０３Ｂの面１０３Ｂｃは曲面とされ、レンズ効果を持つようにされている。画像表示装置１００Ｂは、ユーザの瞳１０６の位置における光線、例えば平行光線を逆光線追跡したとき、画像表示素子１０１の表示面上に結像される光学系で構成されている。上述したようにプリズム１０３Ｂの面１０３Ｂｃを曲面として、レンズ効果を持たせることで、光線束の広がりを抑制でき、プリズム１０３Ｂを薄く小さくでき、また結像光学素子１０２の負担を軽減できる。また、プリズム１０３Ｂの面１０３Ｂｂおよび面１０３Ｂｄは、互いに平行とされている。このように、プリズム１０３Ｂが互いに平行な面１０３Ｂｂ，１０３Ｂｄを有する構成とすることで、当該プリズム１０３Ｂの製造が容易となる。

また、上述した逆光線追跡を考えた場合、プリズム１０３Ｂから射出されてホログラフィック光学素子１０４に入射される射出光が全画角において略平行となるように、プリズム１０３Ｂの面１０３Ｂｃの曲面形状などが最適化されている。これにより、ホログラフィック光学素子１０４の回折効率の向上が図られている。

この画像表示装置１００Ｂにおいて、画像表示素子１０１からの射出光は、直線偏光であるｐ偏光とされている。ホログラフィック光学素子１０４，１０５は、このｐ偏光に対して回折効率を有するものとされる。また、ホログラフィック光学素子１０４，１０５は、それぞれ、可視領域における、赤色の波長帯域と、緑色の波長帯域と、青色の波長帯域とに対して、回折効率を有するものとされる。

これらホログラフィック光学素子１０４，１０５は、例えば、赤色光回折用ホログラフィック光学素子１１０Ｒ、緑色光回折用ホログラフィック光学素子１１０Ｇおよび青色光回折用ホログラフィック光学素子１１０Ｂが積層された３層構造とされる。この場合、ホログラフィック光学素子１０４は、プリズム１０３Ｂ側から、光学素子１１０Ｒ、光学素子１１０Ｂおよび光学素子１１０Ｇの順、または光学素子１１０Ｂ、光学素子１１０Ｒおよび光学素子１１０Ｇの順に配置されている。また、ホログラフィック光学素子１０５は、プリズム１０３Ｂ側から、光学素子１１０Ｇ、光学素子１１０Ｂおよび光学素子１１０Ｒの順、または光学素子１１０Ｇ、光学素子１１０Ｒおよび光学素子１１０Ｂの順に配置されている。

画像表示素子１０１から射出される射出光（ｐ偏光）は、結像光学素子１０２を透過して透過型ホログラフィック光学素子１０４に入射されて回折される。この透過型ホログラフィック光学素子１０４からの回折光は、プリズム１０３Ｂに、面１０３Ｂａから入射光として入射される。

プリズム１０３Ｂに入射された入射光は、面１０３Ｂｂで全反射され、また面１０３Ｂｃで全反射されて、プリズム１０３Ｂの面１０３Ｂｂから射出される。このプリズム１０３Ｂからの射出光は、透過型ホログラフィック光学素子１０５に入射されて回折される。そして、この透過型ホログラフィック光学素子１０５からの回折光は、ユーザの瞳１０６に入射される。これにより、ユーザは、画像表示素子１０１に表示される画像を、虚像として認識できる。

ホログラフィック光学素子１０５からの回折光は、プリズム１０３Ｂに、その面１０３Ｂｂから入射光として入射される。この入射光は、面１０３Ｂｃで全反射された後、面１０３Ｂｂに入射されて全反射される。この面１０３Ｂｂで反射された反射光は、面１０３Ｂａから射出される。

このプリズム１０３Ｂからの射出光はホログラフィック光学素子１０４に入射される。このホログラフィック光学素子１０４では、可視領域の、赤色の波長帯域、緑色の波長帯域および青色の波長帯域のｐ偏光成分が、任意のパワーをもって回折される。そして、このホログラフィック光学素子１０４からの回折光は、結像光学素子１０２により、画像表示素子１０１の表示面上に集光される。この場合、瞳１０６の位置における光線、例えば平行光線は、画像表示素子１０１の表示面上に結像される。

図８に示す画像表示装置１００Ｂにおいては、図１に示す画像表示装置１００と同様に、画像表示素子１０１からの射出光がプリズム１０３Ｂおよび透過型ホログラフィック光学素子１０５を介してユーザの瞳１０６に入射されるものであり、従来のようにハーフミラーを用いるものと比べて、光利用効率を高くでき、ユーザは明るい像を見ることができる。換言すれば、光利用効率を高くできることから、ユーザに明るい像を知覚させるための消費電力を低く抑えることができる。

また、図８に示す画像表示装置１００Ｂにおいては、面１０３Ｂｃにカウンタープリズムを設けることで、図１に示す画像表示装置１００と同様に、ユーザの瞳１０６の前方に存在するプリズム１０３Ｂの向こう側からの光は、プリズム１０３Ｂおよび透過型ホログラフィック光学素子１０５を介して、ユーザの瞳１０６に入射され、従来のように向こう側からの光がハーフミラーを介してユーザの瞳１０６に入射されるものではなく、明るく歪みのない像のシースルー構造を提供できる。

また、図８に示す画像表示装置１００Ｂにおいては、図１に示す画像表示装置１００と同様に、プリズム１０３Ｂの面１０３Ｂｃで最終的に反射されて射出された射出光が透過型ホログラフィック光学素子１０５でさらに回折され、その回折光がユーザの瞳１０６に入射されるものである。プリズム１０３Ｂの面１０３Ｂｃと透過型ホログラフィック光学素子１０５とでプリズム１０３Ｂの面１０３Ｂｂでの全反射条件を満たすための効果を分担しており、透過型ホログラフィック光学素子１０５に大きな回折能力は要求されない。したがって、この図８に示す画像表示装置１００Ｂによれば、従来の反射型ホログラフィック光学素子を用いるものと比べて、画角θ（図１参照）を大きくでき、倍率を高くできる。

また、図８に示す画像表示装置１００Ｂにおいては、図１に示す画像表示装置１００と同様に、プリズム１０３Ｂからの射出光を回折する透過型ホログラフィック光学素子１０５の他に、画像表示素子１０１からの射出光を回折する透過型ホログラフィック光学素子１０４を備えるものであり、回折によって発生する色収差を相殺でき、画質の向上を図ることができる。

なお、図８に示す画像表示装置１００Ｂでは、ホログラフィック光学素子１０４，１０５を、ホログラフィック光学素子１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂの３層構造としたものであるが、図１に示す画像表示装置１００と同様に、２層構造あるいは１層構造とすることもできる。

また、図８に示す画像表示装置１００Ｂにおいて、プリズム１０３Ｂに入射された入射光を反射する、面１０３Ｂｂに、反射型回折光学素子としての反射型ホログラフィック光学素子を設けてもよい。これにより、この面１０３Ｂｂに、それを曲面とすることなく、レンズ効果を付与でき、光線束の広がりを抑制でき、プリズム１０３Ｂを薄く小さくでき、また結像光学素子１０２の負担を軽減できる。

次に、この発明の第４の実施の形態について説明する。図９は、第４の実施の形態としての画像表示装置１００Ｃの構成を示している。この図９において、図７と対応する部分には同一符号を付し、適宜その説明を省略する。

この画像表示装置１００Ｃは、画像表示素子１０１と、結像光学素子１０２と、プリズム１０３Ａと、偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子１０４，１０５と、１／４波長板１０７と、反射面１０８ａを持ち、反射手段を構成するプリズム１０８とで構成されている。

プリズム１０３Ａは、断面平行四辺形状とされており、４つの面１０３Ａａ〜１０３Ａｄを有している。結像光学素子１０２は、画像表示素子１０１とプリズム１０３Ａの面１０３Ａｂとの間に配置されている。プリズム１０３Ａの面１０３Ａａに、ホログラフィック光学素子１０４が被着されている。さらに、このホログラフィック光学素子１０４には、１／４波長板１０７およびプリズム１０８がこの順に被着されている。プリズム１０３Ａの面１０３Ａｃに、ホログラフィック光学素子１０５が被着されている。

画像表示素子１０１からの射出光は、第１の偏光面を有する直線偏光であるｓ偏光とされている。ホログラフィック光学素子１０４，１０５は、上述の第１の偏光面とは直交する第２の偏光面を有する直線偏光であるｐ偏光に対して回折効率を有するものとされる。

この画像表示装置１００Ｃのその他の構成は、図７に示す画像表示装置１００Ａと同様とされている。

この画像表示装置１００Ｃにおいて、画像表示素子１０１から射出される射出光（ｓ偏光）は、結像光学素子１０２、およびプリズム１０３Ａを透過して、透過型ホログラフィック光学素子１０４に入射される。この透過型ホログラフィック光学素子１０４はｐ偏光に対して回折効率を有していることから、入射された射出光（ｓ偏光）は回折されずにそのまま透過して、１／４波長板１０７に入射される。

この１／４波長板１０７からは、入射光（ｓ偏光）が円偏光とされて射出される。この１／４波長板１０７からの射出光（円偏光）はプリズム１０８に入射され、反射面１０８ａで反射された後、当該プリズム１０８から射出される。このプリズム１０８からの射出光（円偏光）は、再び１／４波長板１０７に入射される。

この１／４波長板１０７からは、入射光（円偏光）がｐ偏光とされて射出される。この１／４波長板１０７からの射出光（ｐ偏光）は、透過型ホログラフィック光学素子１０４に入射されて回折される。この透過型ホログラフィック光学素子１０４からの回折光は、プリズム１０３Ａに、面１０３Ａａから入射光として入射される。

このプリズム１０３Ａからの射出光はホログラフィック光学素子１０４に入射される。このホログラフィック光学素子１０４では、可視領域の、赤色の波長帯域、緑色の波長帯域および青色の波長帯域のｐ偏光成分が、任意のパワーをもって回折される。そして、このホログラフィック光学素子１０４からの回折光は、１／４波長板１０７に入射される。

この１／４波長板１０７からは、入射光（ｐ偏光）が円偏光とされて射出される。この１／４波長板１０７からの射出光（円偏光）はプリズム１０８に入射され、反射面１０８ａで反射された後、当該プリズム１０８から射出される。このプリズム１０８からの射出光（円偏光）は、再び１／４波長板１０７に入射される。

この１／４波長板１０７からは、入射光（円偏光）がｓ偏光とされて射出される。この１／４波長板１０７からの射出光（ｓ偏光）は、ホログラフィック光学素子１０４をそのまま回折されずに透過し、さらにプリズム１０３Ａを透過し、結像光学素子１０２により、画像表示素子１０１の表示面上に集光される。この場合、瞳１０６の位置における光線、例えば平行光線は、画像表示素子１０１の表示面上に結像される。

図９に示す画像表示装置１００Ｃにおいては、面１０３Ａｄにカウンタープリズムを設けることで、図７に示す画像表示装置１００Ａと同様の効果を得ることができる。また、この図９に示す画像表示装置１００Ｃにおいては、画像表示素子１０１からの射出光は、プリズム１０３Ａを透過した後に、プリズム１０８の反射面１０８ａで反射されて透過型ホログラフィック光学素子１０４で回折されてプリズム１０３Ａに入射されるため、画像表示素子１０１をプリズム１０３Ａに近接して配置でき、装置の小型化を図ることができる。

次に、この発明の第５の実施の形態について説明する。図１０は、第５の実施の形態としての画像表示装置１００Ｄの構成を示している。この図１０において、図８と対応する部分には同一符号を付し、適宜その説明を省略する。

この画像表示装置１００Ｄは、画像表示素子１０１と、結像光学素子１０２と、プリズム１０３Ｂと、偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子１０４，１０５と、１／４波長板１０７と、反射面１０８ａを持ち、反射手段を構成するプリズム１０８とで構成されている。

プリズム１０３Ｂは、断面台形状とされており、４つの面１０３Ｂａ〜１０３Ｂｄを有している。結像光学素子１０２は、画像表示素子１０１とプリズム１０３Ｂの面１０３Ｂｂとの間に配置されている。プリズム１０３Ｂの面１０３Ｂａに、ホログラフィック光学素子１０４が被着されている。さらに、このホログラフィック光学素子１０４には、１／４波長板１０７およびプリズム１０８がこの順に被着されている。プリズム１０３Ｂの面１０３Ｂｂに、ホログラフィック光学素子１０５が被着されている。

この画像表示装置１００Ｄのその他の構成は、図８に示す画像表示装置１００Ｂと同様とされている。

この画像表示装置１００Ｄにおいて、画像表示素子１０１から射出される射出光（ｓ偏光）は、結像光学素子１０２、およびプリズム１０３Ｂを透過して、透過型ホログラフィック光学素子１０４に入射される。この透過型ホログラフィック光学素子１０４はｐ偏光に対して回折効率を有していることから、入射光（ｓ偏光）は回折されずにそのまま透過して、１／４波長板１０７に入射される。

この１／４波長板１０７からは。入射光（円偏光）がｐ偏光とされて射出される。この１／４波長板１０７からの射出光（ｐ偏光）は、結像光学素子１０２を透過して透過型ホログラフィック光学素子１０４に入射されて回折される。この透過型ホログラフィック光学素子１０４からの回折光は、プリズム１０３Ｂに、面１０３Ｂａから入射光として入射される。

このプリズム１０３Ｂからの射出光はホログラフィック光学素子１０４に入射される。このホログラフィック光学素子１０４では、可視領域の、赤色の波長帯域、緑色の波長帯域および青色の波長帯域のｐ偏光成分が、任意のパワーをもって回折される。そして、このホログラフィック光学素子１０４からの回折光は、１／４波長板１０７に入射される。

この１／４波長板１０７からは、入射光（円偏光）がｓ偏光とされて射出される。この１／４波長板１０７からの射出光（ｓ偏光）は、ホログラフィック光学素子１０４をそのまま回折されずに透過し、さらにプリズム１０３Ｂを透過し、結像光学素子１０２により、画像表示素子１０１の表示面上に集光される。この場合、瞳１０６の位置における光線、例えば平行光線は、画像表示素子１０１の表示面上に結像される。

図１０に示す画像表示装置１００Ｄにおいては、面１０３Ｂｃにカウンタープリズムを設けることで、図８に示す画像表示装置１００Ｂと同様の効果を得ることができる。また、この図１０に示す画像表示装置１００Ｄにおいては、画像表示素子１０１からの射出光は、プリズム１０３Ｂを透過した後に、プリズム１０８の反射面１０８ａで反射されて透過型ホログラフィック光学素子１０４で回折されてプリズム１０３Ｂに入射されるため、画像表示素子１０１をプリズム１０３Ｂに近接して配置でき、装置の小型化を図ることができる。

なお、上述実施の形態においては、プリズム１０３，１０３Ａ，１０３Ｂからの射出光を回折する透過型ホログラフィック光学素子１０５の他に、画像表示素子１０１からの射出光を回折してプリズム１０３，１０３Ａ，１０３Ｂに入射する透過型ホログラフィック光学素子１０４を備えており、回折による色収差を相殺できるようにしている。しかし、画像表示素子１０１からの射出光（赤色光、緑色光、青色光）の波長帯域が比較的狭い場合には、色収差が問題とならなくなるため、透過型ホログラフィック光学素子１０４を備えない構成も考えることができる。

また、上述実施の形態においては、プリズム１０３，１０３Ａ，１０３Ｂに入射された入射光は、その内面で３回または２回だけ反射されて外部に射出されるものを示したが、プリズム内面で反射される回数はこれに限定されるものではない。要は、この発明は、プリズムで最終的に反射されて射出される射出光が透過型回折光学素子で回折されてユーザの瞳に入射される構成となっていればよい。

この発明は、光利用効率を高くでき、かつ画角を大きして倍率を高くできるものであり、ビデオカメラのビューファインダや頭部装着型ディスプレイ等として使用して好適である。

第１の実施の形態としての画像表示装置の構成を示す側面図である。赤、緑、青の色光に対する透過型ホログラフィック光学素子の構成例（３層構造）を説明するための図である。偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子の構成（電圧非印加状態）を示す縦断面図である。偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子の構成（電圧印加状態）を示す縦断面図である。偏光選択性ホログラフィック光学素子の要部を示す図である。赤、緑、青の色光に対する透過型ホログラフィック光学素子の構成例（２層構造）を説明するための図である。第２の実施の形態としての画像表示装置の構成を示す側面図である。第３の実施の形態としての画像表示装置の構成を示す側面図である。第４の実施の形態としての画像表示装置の構成を示す側面図である。第５の実施の形態としての画像表示装置の構成を示す側面図である。従来の画像表示装置の一例の構成を示す側面図である。従来の画像表示装置の他の例の構成を示す側面図である。

符号の説明

１００，１００Ａ〜１００Ｄ・・・画像表示装置、１０１・・・画像表示素子、１０２・・・結像光学素子、１０３，１０３Ａ，１０３Ｂ・・・プリズム、１０４，１０５・・・偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子、１０６・・・ユーザの瞳、１０７・・・１／４波長板、１０８・・・プリズム、１１０・・・偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子

Claims

画像表示素子と、
上記画像表示素子からの射出光が入射光として入射され、該入射光を所定回数だけ複数の面で反射させた後に射出光として射出するプリズムと、
上記プリズムからの射出光を回折する第１の透過型回折光学素子と
を備えることを特徴とする画像表示装置。
上記プリズムは、少なくとも第１の面、第２の面および第３の面を有し、
上記画像表示素子からの射出光は上記プリズムに上記第１の面から入射光として入射され、該入射光は、上記第２の面、上記第１の面および上記第３の面で順次反射された後に、上記第１の面から射出される
ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
上記第２の面および上記第３の面の少なくとも一方は曲面とされている
ことを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
上記プリズムは、少なくとも第１の面、第２の面、第３の面および第４の面を有し、
上記画像表示素子からの射出光は上記プリズムに上記第１の面から入射光として入射され、該入射光は、上記第２の面、第３の面および上記第４の面で順次反射された後に、上記第３の面から射出される
ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
上記第４の面は曲面とされている
ことを特徴とする請求項４に記載の画像表示装置。
上記第２の面および上記第３の面は平行とされている
ことを特徴とする請求項４に記載の画像表示装置。
上記入射光が反射される、上記プリズムの上記第２の面および上記第３の面の少なくとも一方に、反射型回折光学素子を設ける
ことを特徴とする請求項４に記載の画像表示装置。
上記プリズムは、少なくとも第１の面、第２の面および第３の面を有し、
上記画像表示素子からの射出光は上記プリズムに上記第１の面から入射光として入力され、該入射光は、上記第２の面および第３の面で順次反射された後に、上記第２の面から射出される
ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
上記第３の面は曲面とされている
ことを特徴とする請求項８に記載の画像表示装置。
上記入射光が反射される、上記プリズムの上記第２の面に反射型回折光学素子を設ける
ことを特徴とする請求項８に記載の画像表示装置。
上記第１の透過型回折光学素子は、可視光領域における、赤色の波長帯域と、緑色の波長帯域と、青色の波長帯域とに対して、回折効率を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
上記第１の透過型回折光学素子は、上記赤色の波長帯域に対して回折効率を有する第１の層と、上記緑色の波長帯域に対して回折効率を有する第２の層と、上記青色の波長帯域に対して回折効率を有する第３の層とから構成されている
ことを特徴とする請求項１１に記載の画像表示装置。
上記第１の透過型回折光学素子の上記第１の層、上記第２の層および上記第３の層は、上記プリズム側から、上記第２の層、上記第１の層および上記第３の層の順、または上記第２の層、上記第３の層および上記第１の層の順に配置されている
ことを特徴とする請求項１２に記載の画像表示装置。
上記第１の透過型回折光学素子は、上記赤色の波長帯域に対して回折効率を有する第１の層と、上記緑色から上記青色の波長帯域に対して回折効率を有する第２の層とからなる
ことを特徴とする請求項１１に記載の画像表示装置。
上記第１の透過型回折光学素子の上記第１の層および上記第２の層は、上記プリズム側から、上記第２の層および上記第１の層の順に配置されている
ことを特徴とする請求項１４に記載の画像表示装置。
上記第１の透過型回折光学素子は、透過型ホログラフィック光学素子である
ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
上記透過型ホログラフィック光学素子は、複数の波長帯域に対して回折効率を有する単一のホログラム層により構成される
ことを特徴とする請求項１６に記載の画像表示装置。
上記透過型ホログラフィック光学素子は、複数のホログラム層により構成され、該複数のホログラム層はそれぞれ異なる波長帯域に対して回折効率を有する
ことを特徴とする請求項１６に記載の画像表示装置。
上記透過型ホログラフィック光学素子は、偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子である
ことを特徴とする請求項１６に記載の画像表示装置。
上記画像表示素子からの射出光を回折する第２の透過型回折光学素子をさらに備え、
瞳位置における光線を逆光線追跡したとき上記画像表示素子の表示面上に結像される光学系で構成され、
上記第１の透過型回折光学素子および上記第２の透過型回折光学素子は、同一の波長帯域に対して回折効率を有し、
上記第１の透過型回折光学素子における回折によって生じる波長分散と逆の波長分散を、上記第２の透過型回折光学素子における回折によって発生させることで、色分散した光線を結像位置に集光させる
ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
上記瞳位置における光線を逆光線追跡したとき、上記プリズムから射出される射出光の、上記第２の透過型回折光学素子への入射角が、全画角でほぼ平行とされる
ことを特徴とする請求項２０に記載の画像表示装置。
上記第１の透過型回折光学素子および上記第２の透過型回折光学素子は、それぞれ、可視光領域における赤色の波長帯域に対して回折効率を有する第１の層と、可視光領域における緑色の波長帯域に対して回折効率を有する第２の層と、可視光領域における青色の波長帯域に対して回折効率を有する第３の層とからなり、
少なくとも、上記第２の透過型回折光学素子の上記第１の層、上記第２の層および上記第３の層は、上記プリズム側から、上記第３の層、上記第１の層および上記第２の層の順、または上記第１の層、上記第３の層および上記第２の層の順に配置されている
ことを特徴とする請求項２０に記載の画像表示装置。
上記第１の透過型回折光学素子および上記第２の透過型回折光学素子は、それぞれ、可視光領域における赤色の波長帯域に対して回折効率を有する第１の層と、可視光領域における緑色から青色の波長帯域に対して回折効率を有する第２の層とからなり、
少なくとも、上記第２の透過型回折光学素子の上記第１の層および上記第２の層は、上記プリズム側から、上記第１の層および上記第２の層の順に配置されている
ことを特徴とする請求項２０に記載の画像表示装置。
第２の透過型回折光学素子と、１／４波長板と、反射手段とをさらに備え、
上記画像表示素子からの射出光は第１の偏光面を持つ第１の直線偏光であり、
上記第２の透過型回折光学素子は、上記第１の偏光面とは直交する第２の偏光面を持つ第２の直線偏光に対して回折効率を有し、
上記画像表示素子からの射出光は上記プリズムを透過するようにされ、
該透過された射出光は上記第２の透過型回折光学素子、上記１／４波長板、上記反射手段および上記１／４波長板を介して上記第２の透過型回折光学素子に入力されて回折され、
該第２の透過型回折光学素子からの回折光が上記プリズムに上記入射光として入射される
ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
上記プリズムは、第１の面、第２の面、第３の面および第４の面を有し、
上記画像表示素子からの射出光は、上記プリズムを、上記第２の面および上記第１の面を介して透過するようにされ、
該透過された射出光は、上記第２の透過型回折光学素子、上記１／４波長板、上記反射手段および上記１／４波長板を介して上記第２の透過型回折光学素子に入射されて回折され、
該第２の透過型回折光学素子からの回折光は上記プリズムに第１の面から入射光として入射され、該入射光は、上記第２の面、上記第３の面および上記第４の面で順次反射された後に、上記第３の面から射出される
ことを特徴とする請求項２４に記載の画像表示装置。
上記プリズムは、第１の面、第２の面および第３の面を有し、
上記画像表示素子からの射出光は、上記プリズムを、上記第２の面および第１の面を介して透過するようにされ、
該透過された射出光は、上記第２の透過型回折光学素子、上記１／４波長板、上記反射手段および上記１／４波長板を介して上記第２の透過型回折光学素子に入射されて回折され、
該第２の透過型回折光学素子からの回折光は上記プリズムに上記第１の面から入射光として入射され、該入射光は、上記第２の面および上記第３の面で順次反射された後、上記第２の面から射出される
ことを特徴とする請求項２４に記載の画像表示装置。