JP2005331767A - 画像表示装置 - Google Patents

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】透過型ホログラフィック光学素子１０４を、眼鏡レンズ１０３の瞳側の面に被着する。反射型ホログラフィック光学素子１０５を、眼鏡レンズ１０３の瞳側とは反対側の面に被着する。画像表示素子１０１からの射出光を、光学素子１０２を介して光学素子１０４に入射させ、回折させる。回折光を、眼鏡レンズ１０３を通して、光学素子１０５に入射させ、回折及び反射させる。回折光（反射光）を、眼鏡レンズ１０３及び光学素子１０４を通して、ユーザの瞳１０６に入射させる。光学素子１０４，１０５に回折を分担させることができ、これら光学素子１０４，１０５の個々には大きな回折能力は要求されず、従って画角θを大きくでき、倍率を高くできる。ハーフミラーを使用しないので、光利用効率が高くできる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、例えば、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、眼鏡レンズの瞳側の面に透過型回折光学素子を設けると共に瞳側とは反対側の面に反射型回折光学素子を設け、画像表示素子からの射出光を、透過型回折光学素子、眼鏡レンズ、反射型回折光学素子、眼鏡レンズおよび透過型回折光学素子を順次介して瞳への射出光とすることによって、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、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９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１０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９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１０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、より大きな回折能力が必要となることから、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、眼鏡レンズと、この眼鏡レンズの瞳側の面である第１の面に設けられた透過型回折光学素子と、眼鏡レンズの第１の面とは反対側の面である第２の面に設けられた反射型回折光学素子とを備え、画像表示素子からの射出光は、透過型回折光学素子、眼鏡レンズ、反射型回折光学素子、眼鏡レンズおよび透過型回折光学素子を順次介されて、瞳への射出光とされるものである。

この発明において、眼鏡レンズの瞳側の面（第１の面）に、透過型回折光学素子が設けられている。また、眼鏡レンズの瞳側とは反対側の面（第２の面）に、反射型回折光学素子が設けられている。そして、画像表示素子からの射出光は、透過型回折光学素子、眼鏡レンズ、反射型回折光学素子、眼鏡レンズおよび透過型回折光学素子を順次介されて、瞳への射出光とされる。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。

例えば、画像表示素子からの射出光は、透過型回折光学素子に、回折される角度で入射され、この透過型回折光学素子で回折された後に、眼鏡レンズに第１の面から入射光として入射される。この入射光は、眼鏡レンズの第２の面から射出光として射出される。この射出光は、反射型回折光学素子で回折および反射された後に、眼鏡レンズに第２の面から入射光として入射される。この入射光は、眼鏡レンズの第１の面から射出光として射出される。この射出光は、透過型回折光学素子に、回折されない角度で入射され、この透過型回折光学素子を回折されずに透過し、この透過型回折光学素子から瞳への射出光として射出される。

また例えば、画像表示素子からの射出光は、透過型回折光学素子に、回折されない角度で入射され、この透過型回折光学素子を透過した後に、眼鏡レンズに第１の面から入射光として入射される。この入射光は、眼鏡レンズの第２の面から射出光として射出される。この射出光は、反射型回折光学素子で回折および反射された後に、眼鏡レンズに第２の面から入射光として入射される。この入射光は、眼鏡レンズの第１の面から射出光として射出される。この射出光は、透過型回折光学素子に、回折される角度で入射され、この透過型回折光学素子で回折され、この透過型回折光学素子から瞳への射出光として射出される。

このように、画像表示素子からの射出光が、透過型回折光学素子、眼鏡レンズおよび反射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、画像表示素子からの射出光が、透過型回折光学素子および反射型回折光学素子でそれぞれで回折された後に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および反射型回折光学素子の個々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。

また例えば、画像表示素子と透過型回折光学素子との間に結像光学素子が配置されており、画像表示素子からの射出光は、結像光学素子により、中間結像点で集光された後に発散して、透過型回折光学素子に入射される。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、中間結像点で結像された像に存在する、透過型回折光学素子、眼鏡レンズ、反射型回折光学素子で発生した各種光学収差を補正し、画像表示素子の表示面上に結像するように、結像光学素子を設計すればよくなる。この場合、実際には、結像光学素子により、中間結像点に、透過型回折光学素子、眼鏡レンズ、反射型回折光学素子で発生する各種光学収差を補正する収差を持った状態で像が結像される。

例えば、眼鏡レンズの第１の面および第２の面の少なくとも一方の面は曲面とされる。これにより、第１の面、第２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、結像光学素子の大型化を軽減できる。例えば、曲面を、垂直方向または水平方向の軸を持つ円筒形状の曲面とすれば、光線束の水平方向または垂直方向への広がりを抑制でき、またこの眼鏡レンズの第１の面、第２の面への透過型回折光学素子、反射型回折光学素子の被着も容易となる。

例えば、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、反射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、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、色分散した光線が例えば中間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、透過型回折光学素子、反射型回折光学素子は、複数の波長帯域に対して回折効率を有する単一の回折層により構成される。また例えば、透過型回折光学素子および反射型回折光学素子は、複数の回折層により構成され、この複数の回折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ものとされる。

例えば、透過型回折光学素子、反射型回折光学素子は、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、画像表示素子からの射出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透過型回折光学素子および反射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、透過型回折光学素子、反射型回折光学素子は、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。また例えば、透過型回折光学素子、反射型回折光学素子は、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。これにより、透過型回折光学素子、反射型回折光学素子として、各色の波長帯域に対して最適化されたものを得ることができる。

例えば、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、任意の波長帯域に対して回折効率を有する複数のホログラム層により構成される。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。

また例えば、反射型回折光学素子は、反射型ホログラフィック光学素子である。この場合、例えば、反射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、反射型ホログラフィック光学素子は、任意の波長帯域に対して回折効率を有する複数のホログラム層により構成される。

この発明によれば、眼鏡レンズの瞳側の面に透過型回折光学素子を設けると共に瞳側とは反対側の面に反射型回折光学素子を設け、画像表示素子からの射出光を、透過型回折光学素子、眼鏡レンズ、反射型回折光学素子、眼鏡レンズおよび透過型回折光学素子を順次介して瞳への射出光とするものであり、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。

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、眼鏡レンズ１０３と、偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子１０４と、反射型ホログラフィック光学素子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)が用いられている。

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、また透過型ホログラフィック光学素子１０４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、また透過型ホログラフィック光学素子１０４をｓ偏光に対して回折効率を有するものとしてもよい。

偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子１０４は、透過型回折光学素子を構成している。この透過型ホログラフィック光学素子１０４は、眼鏡レンズ１０３の瞳側の面（第１の面）に設けられている。この場合、透過型ホログラフィック光学素子１０４は、眼鏡レンズ１０３の第１の面に被着されている。

反射型ホログラフィック光学素子１０５は、反射型回折光学素子を構成している。この反射型ホログラフィック光学素子１０５は、眼鏡レンズ１０３の瞳側の面（第１の面）とは反対側の面（第２の面）に設けられている。この場合、反射型ホログラフィック光学素子１０５は、眼鏡レンズ１０３の第２の面に被着されている。

結像光学素子１０２は、結像光学素子１０２ａ〜１０２ｃで構成されている。この結像光学素子１０２は、画像表示素子１０１と透過型ホログラフィック光学素子１０４との間に配置されている。この場合、画像表示素子１０１からの射出光が、当該結像光学素子１０２により、中間結像点Ｐで集光された後に発散して、透過型ホログラフィック光学素子１０４に入射される。

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。この逆光線追跡を考えた場合、結像光学素子１０２は、中間結像点Ｐで結像された像に存在する、透過型ホログラフィック光学素子１０４、眼鏡レンズ１０３、反射型ホログラフィック光学素子１０５で発生した各種光学収差を補正し、画像表示素子１０１の表示面上に結像するように、設計される。この場合、実際には、結像光学素子１０２により、中間結像点Ｐに、透過型ホログラフィック光学素子１０４、眼鏡レンズ１０３、反射型ホログラフィック光学素子１０５で発生する各種光学収差を補正する収差を持った状態で像が結像される。

眼鏡レンズ１０３の第１の面および第２の面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。これにより、光線束の広がりを抑制でき、結像光学素子１０２の大型化等を防止できる。例えば、曲面は、垂直方向または水平方向の軸を持つ円筒形状の曲面とされる。この場合、光線束の水平方向または垂直方向への広がりを抑制でき、またこの眼鏡レンズ１０３の第１の面、第２の面への透過型ホログラフィック光学素子１０４、反射型ホログラフィック光学素子１０５の被着も容易となる。

図２に示すように、画像表示素子１０１からの射出光は結像光学素子１０２（図２には図示せず）を介して透過型ホログラフィック光学素子１０４に入射されるが、その入射角が、当該透過型ホログラフィック光学素子１０４で回折される角度となるように、当該透過型ホログラフィック光学素子１０４の位置、角度等が設定されている。

また、図２に示すように、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、眼鏡レンズ１０３を介して反射型ホログラフィック光学素子１０５に入射されて回折および反射され、その回折光（反射光）は眼鏡レンズ１０３を介して再び透過型ホログラフィック光学素子１０４に入射されるが、その入射角が、当該透過型ホログラフィック光学素子１０４で回折されない角度となるように、反射型ホログラフィック光学素子１０５における回折光（反射光）の角度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、反射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における回折によって発生され、色分散した光線が中間結像位置に集光されるように、透過型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。

なお、眼鏡レンズ１０３が薄いため、透過型ホログラフィック光学素子１０４の位置における、反射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の広がりは小さい。そのため、透過型ホログラフィック光学素子１０４における回折によって、色分散した光線が結像位置に集光されるような波長分散を必ずしも発生させる必要はなく、透過型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せる波長分散は、反射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の、透過型ホログラフィック光学素子１０４の位置における広がりを、そのまま維持するものであってもよい。

また、上述した逆光線追跡を考えた場合、反射型ホログラフィック光学素子１０５で回折および反射されて透過型ホログラフィック光学素子１０４に入射される光線束が、全画角において略平行となるように、反射型ホログラフィック光学素子１０５の各部の干渉縞のピッチを段階的に異ならせる等して、当該反射型ホログラフィック光学素子１０５で得られるレンズ効果が最適化されている。これにより、透過型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、透過型ホログラフィック光学素子１０４および反射型ホログラフィック光学素子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。これにより、画像表示素子１０１からの射出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、透過型ホログラフィック光学素子１０４および反射型ホログラフィック光学素子１０５で回折でき、ユーザの瞳１０６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可能となる。

本実施の形態において、ホログラフィック光学素子１０４，１０５は、それぞれ、赤色光回折用ホログラフィック光学素子１１０Ｒ，１２０Ｒ、緑色光回折用ホログラフィック光学素子１１０Ｇ，１２０Ｇおよび青色光回折用ホログラフィック光学素子１１０Ｂ，１２０Ｂが積層された３層構造とされている。ここで、ホログラフィック光学素子１１０Ｒ，１２０Ｒは、可視領域における、赤色の波長帯域（例えば６２０ｎｍ〜６４０ｎｍ）に対して、回折効率を有している。ホログラフィック光学素子１１０Ｇ，１２０Ｇは、可視領域における、緑色の波長帯域（例えば５２０ｎｍ〜５４０ｎｍ）に対して、回折効率を有している。ホログラフィック光学素子１１０Ｂ，１２０Ｂは、可視領域における、青色の波長帯域（例えば４５０ｎｍ〜５００ｎｍ）に対して、回折効率を有している。

この場合、透過型ホログラフィック光学素子１０４は、図３に示すように、眼鏡レンズ１０３側から、光学素子１１０Ｒ、光学素子１１０Ｂおよび光学素子１１０Ｇの順に配置される。なお、眼鏡レンズ１０３側から、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てもよい。

一方、反射型ホログラフィック光学素子１０５は、図３に示すように、眼鏡レンズ１０３側から、光学素子１２０Ｇ、光学素子１２０Ｂおよび光学素子１２０Ｒの順に配置される。なお、眼鏡レンズ１０３側から、光学素子１２０Ｇ、光学素子１２０Ｒおよび光学素子１２０Ｂ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１０４，１０５において、回折すべき光線束が入射される側に、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が配置されることで、回折すべき光線束は最初に光学素子１１０Ｇ，１２０Ｇに入射され、緑色の光線束は、他の光学素子の影響を受けることなく、当該光学素子１１０Ｇ，１２０Ｇ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。

ここで、図４、図５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。この透過型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。

この透過型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（あるいはフィルム）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、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４参照）。

次に、図５に示すように、透過型ホログラフィック光学素子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、透過型ホログラフィック光学素子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、透過型ホログラフィック光学素子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。

なお、上述したホログラフィック光学素子１２０Ｒ，１２０Ｇ，１２０Ｂをそれぞれ構成する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。

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、透過型ホログラフィック光学素子１０４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により、中間結像点Ｐで集光された後に発散して、透過型ホログラフィック光学素子１０４に回折される角度で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、眼鏡レンズ１０３に、第１の面（瞳１０６側の面）から入射光として入射される。この入射光は、当該眼鏡レンズ１０３を透過して、第２の面（瞳１０６側とは反対側の面）から射出光として射出される。そして、この射出光は、反射型ホログラフィック光学素子１０５に入射され、回折および反射される。

この反射型ホログラフィック光学素子１０５からの回折光（反射光）は、眼鏡レンズ１０３に、第２の面から入射光として入射される。この入射光は、当該眼鏡レンズ１０３を透過して、第１の面から射出光として射出される。この射出光は、透過型ホログラフィック光学素子１０４に回折されない角度で入射され、そのまま透過し、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θを持った光線束（ｐ偏光）が射出光として射出されたとする。この射出光は、透過型ホログラフィック光学素子１０４に回折されない角度で入射され、そのまま透過し、眼鏡レンズ１０３に、第１の面から入射光として入射される。この入射光は、当該眼鏡レンズ１０３を透過して、第２の面から射出光として射出される。そして、この射出光は、反射型ホログラフィック光学素子１０５に入射され、回折および反射される。この反射型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。

この反射型ホログラフィック光学素子１０５からの回折光（反射光）は、眼鏡レンズ１０３に、第２の面から入射光として入射される。この入射光は、当該眼鏡レンズ１０３を透過して、第１の面から射出光として射出される。このｐ偏向成分の射出光は、透過型ホログラフィック光学素子１０４に回折される角度で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、この透過型ホログラフィック光学素子１０４からの回折光は、中間結像点Ｐで集光され、その後に結像光学素子１０２を介して、画像表示素子１０１の表示面上に再び集光される。これにより、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、眼鏡レンズ１０３およびホログラフィック光学素子１０４，１０５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、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、ホログラフィック光学素子１０４，１０５の回折効率、眼鏡レンズ１０３、結像光学素子１０２および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での回折効率は９０％以上、また反射型ホログラフィック光学素子１０５での回折効率が９５％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、ユーザの瞳１０６の前方に存在する眼鏡レンズ１０３の向こう側からの光は、眼鏡レンズ１０３およびホログラフィック光学素子１０４，１０５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、明るい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、画像表示素子１０１からの射出光が、透過型ホログラフィック光学素子１０４および反射型ホログラフィック光学素子１０５でそれぞれで回折された後にユーザの瞳１０６に入射されるものであり、ホログラフィック光学素子１０４，１０５に回折を分担させることができ、これらホログラフィック光学素子１０４，１０５の個々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のみ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、透過型ホログラフィック光学素子１０４および反射型ホログラフィック光学素子１０５を備えるものであり、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場合、反射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における回折によって発生され、色分散した光線が中間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。

また、図１に示す画像表示装置１００においては、眼鏡レンズ１０３の中で複数回の反射をさせる必要がないので、眼鏡レンズ１０３を製造可能なまでに薄くすることができる。

なお、図１に示す画像表示装置１００では、透過型ホログラフィック光学素子１０４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、この透過型ホログラフィック光学素子１０４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。また、図１に示す画像表示装置１００では、反射型ホログラフィック光学素子１０５をホログラフィック光学素子１２０Ｒ，１２０Ｇ，１２０Ｂの３層構造としたものであるが、この反射型ホログラフィック光学素子１０５を、赤色光回折用ホログラフィック光学素子１２０Ｒおよび緑・青色光回折用ホログラフィック光学素子１２０ＧＢ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，１２０Ｒ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，１２０ＧＢ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、透過型ホログラフィック光学素子１０４は、図６に示すように、眼鏡レンズ１０３側から、光学素子１１０Ｒおよび光学素子１１０ＧＢの順に配置される。一方、反射型ホログラフィック光学素子１０５は、図８に示すように、眼鏡レンズ１０３側から、光学素子１２０ＧＢおよび光学素子１２０Ｒの順に配置される。

これにより、ホログラフィック光学素子１０４，１０５において、回折すべき光線束が入射される側に、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１１０ＧＢ，１２０ＧＢが配置されることで、回折すべき光線束は最初に光学素子１１０ＧＢ，１２０ＧＢに入射され、緑色の光線束は、他の光学素子の影響を受けることなく、当該光学素子１１０ＧＢ，１２０ＧＢ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。

また、ホログラフィック光学素子１０４，１０５を、図示せずも、それぞれ、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、赤・緑・青色光回折用ホログラフィック光学素子の１層構造とすることもできる。

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、画像表示素子１０１と、結像光学素子１０２と、眼鏡レンズ１０３と、偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子１０４と、反射型ホログラフィック光学素子１０５とで構成されている。

透過型ホログラフィック光学素子１０４は、透過型回折光学素子を構成している。このホログラフィック光学素子１０４は、眼鏡レンズ１０３の瞳側の面（第１の面）に設けられている。この場合、透過型ホログラフィック光学素子１０４は、眼鏡レンズ１０３の第１の面に被着されている。

反射型ホログラフィック光学素子１０５は、反射型回折光学素子を構成している。この反射型ホログラフィック光学素子１０５は、眼鏡レンズ１０３の瞳側の面（第１の面）とは反対側の面（第２の面）に設けられている。この場合、反射型ホログラフィック光学素子１０５は、眼鏡レンズ１０３の第２の面に被着されている。

結像光学素子１０２は、結像光学素子１０２ｄ，１０２ｅで構成されている。この結像光学素子１０２は、画像表示素子１０１と透過型ホログラフィック光学素子１０４との間に配置されている。この場合、画像表示素子１０１からの射出光が、当該結像光学素子１０２により、中間結像点Ｐで集光された後に発散して、透過型ホログラフィック光学素子１０４に入射される。

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。この逆光線追跡を考えた場合、結像光学素子１０２は、中間結像点Ｐで結像された像に存在する、透過型ホログラフィック光学素子１０４、眼鏡レンズ１０３、反射型ホログラフィック光学素子１０５で発生した各種光学収差を補正し、画像表示素子１０１の表示面上に結像するように、設計される。この場合、実際には、結像光学素子１０２により、中間結像点Ｐに、透過型ホログラフィック光学素子１０４、眼鏡レンズ１０３、反射型ホログラフィック光学素子１０５で発生する各種光学収差を補正する収差を持った状態で像が結像される。

図８に示すように、画像表示素子１０１からの射出光は結像光学素子１０２（図８には図示せず）を介して透過型ホログラフィック光学素子１０４に入射されるが、その入射角が、当該透過型ホログラフィック光学素子１０４で回折されない角度となるように、当該透過型ホログラフィック光学素子１０４の位置、角度等が設定されている。

また、図８に示すように、この透過型ホログラフィック光学素子１０４を回折されずに透過した光は、眼鏡レンズ１０３を介して反射型ホログラフィック光学素子１０５に入射されて回折および反射され、その回折光（反射光）は眼鏡レンズ１０３を介して再び透過型ホログラフィック光学素子１０４に入射されるが、その入射角が、当該透過型ホログラフィック光学素子１０４で回折される角度となるように、反射型ホログラフィック光学素子１０５における回折光の角度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、反射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における回折によって発生され、色分散した光線が中間結像位置に集光されるように、透過型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。

この画像表示装置１００Ａのその他は、図１に示す画像表示装置１００と同様に構成される。

この画像表示装置１００Ａ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により、中間結像点Ｐで集光された後に発散して、透過型ホログラフィック光学素子１０４に回折されない角度で入射され、そのまま透過し、眼鏡レンズ１０３に、第１の面（瞳１０６側の面）から入射光として入射される。この入射光は、当該眼鏡レンズ１０３を透過して、第２の面（瞳１０６側とは反対側の面）から射出光として射出される。そして、この射出光は、反射型ホログラフィック光学素子１０５に入射され、回折および反射される。

この反射型ホログラフィック光学素子１０５からの回折光（反射光）は、眼鏡レンズ１０３に、第２の面から入射光として入射される。この入射光は、当該眼鏡レンズ１０３を透過して、第１の面から射出光として射出される。この射出光は、透過型ホログラフィック光学素子１０４に回折される角度で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、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（ｐ偏光）が射出光として射出されたとする。この射出光は、透過型ホログラフィック光学素子１０４に回折される角度で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。

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、眼鏡レンズ１０３に、第１の面から入射光として入射される。この入射光は、当該眼鏡レンズ１０３を透過して、第２の面から射出光として射出される。そして、この射出光は、反射型ホログラフィック光学素子１０５に入射され、回折および反射される。この反射型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。

この反射型ホログラフィック光学素子１０５からの回折光（反射光）は、眼鏡レンズ１０３に、第２の面から入射光として入射される。この入射光は、当該眼鏡レンズ１０３を透過して、第１の面から射出光として射出される。この射出光は、透過型ホログラフィック光学素子１０４に回折されない角度で入射され、そのまま透過する。

そして、このホログラフィック光学素子１０４からの射出光は、中間結像点Ｐで集光され、その後に結像光学素子１０２を介して、画像表示素子１０１の表示面上に再び集光される。これにより、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、画像表示素子１０１からの射出光が反射型ホログラフィック光学素子１０５で回折および反射された後さらに透過型ホログラフィック光学素子１０４で回折されてユーザの瞳１０６に入射される点で、画像表示素子１０１からの射出光が透過型ホログラフィック光学素子１０４で回折された後さらに反射型ホログラフィック光学素子１０５で回折されてユーザの瞳１０６に入射される図１に示す画像表示装置１００とは構成が異なるものの、その他は同様に構成されており、同様の作用効果を得ることができる。

この発明は、光利用効率を高くでき、シースルーが可能であり、眼鏡レンズを薄く作ることが可能であり、また画角を大きして倍率を高くできるものであり、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。 透過型ホログラフィック光学素子および反射型ホログラフィック光学素子における回折を説明するための図である。 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）および反射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。 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）および反射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。 透過型ホログラフィック光学素子および反射型ホログラフィック光学素子における回折を説明するための図である。 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・・・画像表示装置、１０１・・・画像表示素子、１０２・・・結像光学素子、１０３・・・眼鏡レンズ、１０４・・・偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子、１０５・・・反射型ホログラフィック光学素子、１０６・・・ユーザの瞳、１１０・・・偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子

Claims (21)

1. 画像表示素子と、
   眼鏡レンズと、
   上記眼鏡レンズの瞳側の面である第１の面に設けられた透過型回折光学素子と、
   上記眼鏡レンズの上記第１の面とは反対側の面である第２の面に設けられた反射型回折光学素子とを備え、
   上記画像表示素子からの射出光は、上記透過型回折光学素子、上記眼鏡レンズ、上記反射型回折光学素子、上記眼鏡レンズおよび上記透過型回折光学素子を順次介されて、上記瞳への射出光とされる
   ことを特徴とする画像表示装置。
2. 上記画像表示素子からの射出光は、上記透過型回折光学素子に、回折される角度で入射され、該透過型回折光学素子で回折された後に、上記眼鏡レンズに上記第１の面から入射光として入射され、
   上記眼鏡レンズに上記第１の面から入射された入射光は、上記眼鏡レンズの上記第２の面から射出光として射出され、
   上記眼鏡レンズの第２の面から射出された射出光は、上記反射型回折光学素子で回折および反射された後に、上記眼鏡レンズに上記第２の面から入射光として入射され、
   上記眼鏡レンズに上記第２の面から入射された入射光は、上記眼鏡レンズの上記第１の面から射出光として射出され、
   上記眼鏡レンズの第１の面から射出された射出光は、上記透過型回折光学素子に、回折されない角度で入射され、該透過型回折光学素子を回折されずに透過し、該透過型回折光学素子から上記瞳への射出光として射出される
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 上記画像表示素子からの射出光は、上記透過型回折光学素子に、回折されない角度で入射され、該透過型回折光学素子を透過した後に、上記眼鏡レンズに上記第１の面から入射光として入射され、
   上記眼鏡レンズに上記第１の面から入射された入射光は、上記眼鏡レンズの上記第２の面から射出光として射出され、
   上記眼鏡レンズの第２の面から射出された射出光は、上記反射型回折光学素子で回折および反射された後に、上記眼鏡レンズに上記第２の面から入射光として入射され、
   上記眼鏡レンズに上記第２の面から入射された入射光は、上記眼鏡レンズの上記第１の面から射出光として射出され、
   上記眼鏡レンズの第１の面から射出された射出光は、上記透過型回折光学素子に、回折される角度で入射され、該透過型回折光学素子で回折され、該透過型回折光学素子から上記瞳への射出光として射出される
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
4. 上記画像表示素子と上記透過型回折光学素子との間に配置される結像光学素子をさらに備え、
   上記画像表示素子からの射出光は、上記結像光学素子により、中間結像点で集光された後に発散して、上記透過型回折光学素子に入射される
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
5. 上記眼鏡レンズの上記第１の面および上記第２の面の少なくとも一方の面は曲面とされている
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
6. 上記曲面は、垂直方向または水平方向の軸を持つ円筒形状の曲面である
   ことを特徴とする請求項５に記載の画像表示装置。
7. 上記瞳の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、
   上記反射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、上記透過型回折光学素子によって発生させ、上記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。
8. 上記瞳の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、上記反射型回折光学素子によって発生させ、上記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。
9. 上記透過型回折光学素子は、複数の波長帯域に対して回折効率を有する単一の回折層により構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
10. 上記透過型回折光学素子は、複数の回折層により構成され、該複数の回折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１に記載の画像表示装置。
11. 上記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。
12. 上記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。
13. 上記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。
14. 上記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。
15. 上記透過型ホログラフィック光学素子は、偏向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１４に記載の画像表示装置。
16. 上記反射型回折光学素子は、複数の波長帯域に対して回折効率を有する単一の回折層により構成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
17. 上記反射型回折光学素子は、複数の回折層により構成され、該複数の回折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１に記載の画像表示装置。
18. 上記反射型回折光学素子は、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。
19. 上記反射型回折光学素子は、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１８に記載の画像表示装置。
20. 上記反射型回折光学素子は、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の層とから構成されている
    ことを特徴とする請求項１８に記載の画像表示装置。
21. 上記反射型回折光学素子は、反射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。
    

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