JP2010169916A - 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】広画角で、かつ、参照光源の位置が光学瞳とはずれて作製したＨＯＥ２３を用いる構成において、画面中心を注視したときには画面周辺を明るく観察でき、臨場感のある映像を観察可能とし、画面周辺を注視したときには注視点を明るく観察可能とする。
【解決手段】映像の観察画角が１５°以上となる広画角の構成において、表示素子の表示面の中心から射出された所定波長領域の光線のうち光学瞳Ｐの中心を通る光線Ｍ₁における回折効率最大の波長をλ₀とし、表示素子の表示面の周辺部から射出された上記所定波長領域の光線のうち光学瞳Ｐの中心を通る光線Ｍ₂における回折効率最大の波長をλｙとし、観察画角の半画角をθとしたとき、０．０８＜｜（（λｙ／λ₀）−１）／ｓｉｎθ｜＜０．２を満足するＨＯＥ２３を用いる。上記の条件式を満足する場合、露光時の参照光源Ｒは、映像観察時の回旋中心Ｃと虹彩Ｉとの間の所定範囲に位置することになる。
【選択図】図６

Description

本発明は、画面周辺の観察時に観察者の眼球の回旋が生じるような、観察画角が広画角の映像表示装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも称する）とに関するものである。

表示素子からの映像光と外界光とを同時に光学瞳に導くコンバイナとして、反射型ホログラム光学素子（以下、ＨＯＥとも称する）を用いたシースルー型の映像表示装置が従来から提案されている。例えば、特許文献１では、上下方向の観察画角が１０度（±５度）と狭い映像表示装置において、観察者の瞳（虹彩）が接眼光学系の光学瞳面内で移動しても、良好な映像を観察することが可能な構成が提案されている。

より具体的には、反射型ＨＯＥは、２光束（参照光、物体光）でホログラム感光材料を露光し、干渉縞を記録することによって作製されるが、そのときに光学瞳側の光源（参照光源）を光学瞳位置に対して例えばホログラム感光材料とは反対側に配置してホログラム感光材料を露光し、ＨＯＥを作製する。このようにして作製されたＨＯＥをコンバイナとして用いた場合、映像観察時に観察者の瞳（虹彩）の位置が光学瞳面内でずれたとしても、観察方向によっては、露光時のホログラム感光材料への露光光線の入射方向に近づくもの、または上記入射方向と同一方向のものも存在するため、瞳位置のずれによる輝度ムラを低減することができる。

特開２００４−６１７３１号公報

ところが、特許文献１の構成では、観察者の瞳（虹彩）が光学瞳の中心に位置したベストな状態であっても、画面周辺から光学瞳中心に向かう光の回折効率が低くなるために、画面中心から画面周辺に向かうにつれて映像が暗くなっていく。特許文献１の構成では観察画角が狭いので、画面周辺が暗くなることによる画面全体の映像品位の低下は仮に小さいとは言えても、映像の観察画角が例えば１５°以上と広画角になると、画面周辺が急激に暗くなるため、画面全体の映像品位の低下が大きくなる。

また、一般に、映像の観察画角が広い場合には、画面周辺を観察するときに、観察者は眼球を回旋させ、注視点を移動させて観察することになる。このとき、露光時の参照光源の位置を適切に設定しないと（ＨＯＥの回折特性を適切に設定しないと）、画面中心を注視したときには臨場感のある映像を観察できなくなり、眼球を回旋させて画面周辺を注視したときには、注視点（画面周辺）の映像を明るく観察することができなくなる。以下、この問題について図面を用いてさらに説明する。

図１２（ａ）（ｂ）は、露光時の参照光源Ｒの位置を、映像観察時の観察者の瞳（虹彩Ｉ）の位置と一致させて作製したＨＯＥ１０１を用いて映像を観察する際に、観察者の瞳に入射する光束を模式的に示す説明図である。なお、虹彩Ｉの位置は、接眼光学系の光学瞳Ｐの位置と一致している。また、図中のａ₁、ａ₂、ａ₃は、表示素子からＨＯＥ１０１を介して光学瞳Ｐの中心に向かう光線のうちでＨＯＥ１０１での回折効率が最大となる光線であって、それぞれ、画面上端の光線、画面中心の光線、画面下端の光線を示す。さらに、図中のｂ₁、ｂ₂、ｂ₃は、最大回折効率の光線ａ₁、ａ₂、ａ₃を中心とした比較的強度の高い光の分布範囲（光束）をそれぞれ示している。なお、図中のＣは、映像観察時の観察者の眼球の回旋中心を示す。

露光時の参照光源Ｒの位置を映像観察時の虹彩Ｉの位置と一致させて作製したＨＯＥ１０１を用いて映像を観察する場合、同図（ａ）のように眼球を回旋させずに画面中心を注視しているときには、画面中心のみならず画面周辺まで明るく観察することが可能となる。このことは、光束ｂ₁、ｂ₂、ｂ₃が虹彩Ｉでケラレずに瞳（瞳孔）に入射していることから容易に理解できる。しかし、同図（ｂ）に示すように、観察者が眼球を回旋させて例えば画面上端を注視したときには、ＨＯＥ１０１で効率よく回折された光（例えば光束ｂ₁に含まれる最大回折効率の光線ａ₁）が虹彩Ｉでケラレるため、画面上端付近が急激に暗くなる。

一方、図１３（ａ）（ｂ）は、露光時の参照光源Ｒの位置を、映像観察時の回旋中心Ｃと一致させて作製したＨＯＥ１０２を用いて映像を観察する際に、観察者の瞳に入射する光束を模式的に示す説明図である。ＨＯＥ１０２を用いて映像を観察する場合、同図（ａ）のように観察者が眼球を回旋させて例えば画面上端を注視したときには、注視点（画面上端）近傍を明るく観察することができる。このことは、光束ｂ₁が虹彩Ｉでケラレずに瞳に入射していることから容易に理解できる。しかし、同図（ｂ）に示すように、観察者が画面中心を注視したときには、画面周辺への観察方向（例えば実線ｃ₁の方向）と参照光の露光方向（光線ａ₁の方向）との角度差が大きいので、画面周辺が暗くなり、注視点（画面中心）近傍しか明るく観察することができなくなる。

観察者に臨場感や没入感のある映像を観察させるためには、注視点近辺のみならず、その周辺の映像光もある程度は観察者の瞳に入射させる必要がある（このときに周辺の映像の解像までは要求されない）。したがって、上記のように画面中心を注視したときに画面周辺が暗いと、観察者は臨場感のある映像を観察することができなくなる。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、画面周辺の観察時に眼球の回旋を伴うような広画角で、かつ、参照光源の位置が光学瞳とはずれて作製したＨＯＥを用いる構成において、画面中心を注視したときには画面周辺を明るく観察でき、これによって臨場感のある映像を観察できるとともに画面全体の映像品位の低下を回避できる一方、画面周辺を注視したときには注視点の映像を明るく観察できる映像表示装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイとを提供することにある。

本発明の映像表示装置は、映像を表示する表示素子と、上記表示素子からの映像光を光学瞳に導く接眼光学系とを備え、上記接眼光学系が、上記表示素子からの映像光を光学瞳方向に回折反射させる一方、外界光を透過させて光学瞳に導く体積位相型で反射型のホログラム光学素子を有し、光学瞳の位置に観察者の瞳を位置させることにより、上記映像と同時に外界を観察させる、上記映像の観察画角が１５°以上の映像表示装置であって、上記表示素子の表示面の中心から射出された所定波長領域の光線のうち光学瞳中心を通る光線における回折効率最大の波長をλ₀とし、上記表示素子の表示面の周辺部から射出された上記所定波長領域の光線のうち光学瞳中心を通る光線における回折効率最大の波長をλｙとし、観察画角の半画角をθとしたとき、
０．０８＜｜（（λｙ／λ₀）−１）／ｓｉｎθ｜＜０．２
を満足することを特徴としている。

本発明の映像表示装置において、上記表示素子からの映像光は、少なくとも１つの強度ピーク波長λpeakを有しており、上記強度ピーク波長λpeakを含む、強度ピークの半値波長全幅をFWHMとしたとき、少なくとも１つの強度ピーク波長λpeakに対応した波長領域の全てにおいて、
｜λpeak−λ₀｜／FWHM＜０．４
を満足することが望ましい。

本発明の映像表示装置は、５００ｎｍ＜λ₀＜６００ｎｍの波長領域において、
｜λpeak−λ₀｜／FWHM＜０．２
を満足することがさらに望ましい。

本発明の映像表示装置は、観察画角が２０°以上であり、上記表示素子の表示面における半画角１０°に対応する位置から射出された所定波長領域の光線のうち光学瞳中心を通る光線における回折効率最大の波長をλ₁₀としたとき、少なくとも１つの強度ピーク波長λpeakに対応した波長領域の全てにおいて、
｜λ₁₀−λ₀｜／FWHM＜０．９
を満足することが望ましい。

本発明の映像表示装置は、５００ｎｍ＜λ₀＜６００ｎｍの波長領域において、
｜λ₁₀−λ₀｜／FWHM＜０．４
を満足することがさらに望ましい。

本発明の映像表示装置は、上記表示素子を照明する光源をさらに備え、上記光源は、上記光学瞳と略共役に配置されている構成であってもよい。

本発明のヘッドマウントディスプレイは、上述した本発明の映像表示装置と、上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを有していることを特徴としている。

本発明のヘッドマウントディスプレイにおいて、上記支持手段は、上記映像表示装置の接眼光学系と観察者の瞳との距離を調整する調整機構を備えている構成であってもよい。

本発明のヘッドマウントディスプレイにおいて、上記映像表示装置の表示素子は、上記調整機構による距離調整時に、光学瞳の位置調整用の指標を表示することが望ましい。

観察画角が１５°以上の広画角の映像表示装置では、画面周辺を観察するときに観察者の眼球の回旋を伴う。このような広画角の構成において、所定の条件式を満足する、つまり、露光時の参照光源を映像観察時の回旋中心と虹彩位置との間の所定範囲に位置させて作製したＨＯＥを用いることにより、画面中心を注視したときには画面中心のみならず画面周辺も明るく観察することができる。これにより、臨場感のある映像を観察することができるとともに、画面全体の映像品位の低下を回避することができる。また、所定の条件式を満足することにより、眼球を回旋させて画面周辺を注視したときでも、注視点（画面周辺）の映像を明るく高品位な映像として観察することができる。

本発明の映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。 上記映像表示装置の光源の分光強度特性を示す説明図である。 上記映像表示装置のＨＯＥを製造する光学系の主要部を拡大して示す説明図である。 本発明の他の映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。 上記映像表示装置のＨＯＥを製造する光学系の主要部を拡大して示す説明図である。 各映像表示装置のＨＯＥを作製するための露光時の参照光源の位置を示す説明図である。 （ａ）は、ＨＯＥを作製するためのホログラム感光材料の露光時の製造光学系の主光線の光路を示す説明図であり、（ｂ）は、再生時の主光線の光路を示す説明図である。 （ａ）は、参照光源が回旋中心に位置するときの、虹彩断面での虹彩と映像光束との位置関係を示す説明図であり、（ｂ）は、参照光源が虹彩と回旋中心との間に位置するときの、虹彩断面での虹彩と映像光束との位置関係を示す説明図である。 （ａ）は、参照光源の位置が光学瞳と一致している場合において、１０°の画角の映像光束と虹彩との虹彩断面での位置関係を示す説明図であり、（ｂ）は、参照光源が虹彩と回旋中心との間に位置するときの、虹彩断面での上記映像光束と虹彩との位置関係を示す説明図である。 映像表示装置が適用されるＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。 上記映像表示装置の表示素子の表示画面例を示す説明図である。 （ａ）は、露光時の参照光源の位置を映像観察時の観察者の瞳の位置と一致させて作製したＨＯＥを用いた場合に、画面中心を注視しているときに観察者の瞳に入射する光束を模式的に示す説明図であり、（ｂ）は、眼球を回旋させて画面上端を注視しているときに観察者の瞳に入射する光束を模式的に示す説明図である。 （ａ）は、露光時の参照光源の位置を映像観察時の回旋中心と一致させて作製したＨＯＥを用いた場合に、眼球を回旋させて画面上端を注視しているときに観察者の瞳に入射する光束を模式的に示す説明図であり、（ｂ）は、画面中心を注視しているときに観察者の瞳に入射する光束を模式的に示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。

〔第１の映像表示装置について〕
図１は、本発明の実施の一形態に係る第１の映像表示装置１ａの概略の構成を示す断面図である。映像表示装置１ａにおける映像の観察画角は、例えば、水平方向２６．３°、上下方向１５°、対角方向３０．１°であり、いずれの方向にも１５°以上の広画角となっている。したがって、画面周辺の観察時には、回旋中心Ｃを中心として観察者の眼球Ｅの回旋が自然に生じることになる。この映像表示装置１ａは、光源１１と、照明光学系１２と、表示素子１３と、接眼光学系１４とを有している。

光源１１は、表示素子１３を照明するものであり、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色に対応する波長の光を発光する３つの発光部を有するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。

ここで、図２は、光源１１の分光強度特性、すなわち、出射光の波長λ１と光強度（発光強度）との関係を示す説明図である。光源１１から出射されるＢＧＲの光の中心波長（強度ピーク波長、使用波長）をそれぞれλ１_B、λ１_G、λ１_Rとすると、例えば、λ１_B＝４５７ｎｍ、λ１_G＝５１６ｎｍ、λ１_R＝６３６ｎｍである。また、光源１１からの出射光の強度ピークの半値波長全幅をFWHM（Full Width at Half Maximum）とすると、ＢＧＲの各FWHMは、例えば、２８．６ｎｍ（±１４．３ｎｍ）、４４．６ｎｍ（±２２．３ｎｍ）、２１．０ｎｍ（±１０．５ｎｍ）である。なお、図２の縦軸の光強度は、Ｒ光の最大光強度に対するＢ光およびＧ光の光強度の相対値を示している。なお、光源１１は、ＢＧＲの少なくともいずれかの光を発光する構成であればよく、例えば単色のＧ光のみを発光する構成であってもよい。

上記の光源１１（発光面）は、接眼光学系１４によって形成される光学瞳Ｐと略共役となるように配置されている。これにより、光源１１からの光が効率よく光学瞳Ｐに導かれるので、光学瞳Ｐの位置に観察者の瞳を位置させたときに（例えば光学瞳Ｐの中心と虹彩Ｉの中心とを一致させたときに）、観察者は明るい映像を観察することができる。なお、光源１１の発光面積が共役な光学瞳位置（虹彩位置）で小さすぎる場合は、発光面に拡散板を挿入し、擬似的に発光面積を大きくしてもよい。

照明光学系１２は、光源１１から射出された光を集光して表示素子１３に導くものであり、例えば凹面反射面を有する１枚のミラーで構成されている。表示素子１３は、光源からの光を画像データに応じて変調して映像を表示するものであり、例えば透過型のＬＣＤで構成されている。表示素子１３は、矩形の表示画面の長辺方向が水平方向（図１の紙面に垂直な方向）となり、短辺方向がそれに垂直な方向となるように配置されている。

接眼光学系１４は、表示素子１３からの映像光を光学瞳Ｐ（または光学瞳Ｐの位置にある観察者の瞳）に導く光学系であり、接眼プリズム２１と、偏向プリズム２２と、ＨＯＥ２３とを有して構成されている。

接眼プリズム２１は、表示素子１３からの映像光を内部で全反射させてＨＯＥ２３を介して光学瞳Ｐに導く一方、外界光を透過させて光学瞳Ｐに導くものであり、偏向プリズム２２とともに、例えばアクリル系樹脂で構成されている。この接眼プリズム２１は、平行平板の下端部を楔状にした形状で構成されている。接眼プリズム２１の上端面は、映像光の入射面としての面２１ａとなっており、前後方向に位置する２面は、互いに平行な面２１ｂ・２１ｃとなっている。

偏向プリズム２２は、平面視で略Ｕ字型の平行平板で構成されており（図１０参照）、接眼プリズム２１の下端部および両側面部（左右の各端面）と貼り合わされたときに、接眼プリズム２１と一体となって略平行平板となるものである。偏向プリズム２２は、ＨＯＥ２３を挟むように接眼プリズム２１と隣接または接着して設けられている。これにより、観察者が接眼プリズム２１を介して観察する外界像に歪みが生じるのを防止することができる。

つまり、例えば、偏向プリズム２２を設けない場合、外界光は接眼プリズム２１の楔状の下端部を透過するときに屈折するので、接眼プリズム２１を介して観察される外界像に歪みが生じる。しかし、接眼プリズム２１に偏向プリズム２２を接合して一体的な略平行平板を形成することで、外界光が接眼プリズム２１の楔状の下端部を透過するときの屈折を偏向プリズム２２でキャンセルすることができる。その結果、シースルーで観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。

ＨＯＥ２３は、表示素子１３からの映像光（ＢＧＲの各光）を光学瞳Ｐの方向に回折反射させる一方、外界光を透過させて光学瞳Ｐに導く体積位相型の反射型ホログラム光学素子であり、接眼プリズム２１において偏向プリズム２２との接合面に設けられている。ＨＯＥ２３は、軸非対称な正の光学的パワーを有しており、正の光学的パワーを持つ非球面凹面ミラーと同様の機能を持っている。これにより、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めて装置を容易に小型化することができるとともに、良好に収差補正された映像を観察者に提供することができる。

上記構成の映像表示装置１ａにおいて、光源１１から射出された光は、照明光学系１２にてほぼコリメート光に変換されて表示素子１３に入射し、そこで変調されて映像光として出射される。表示素子１３からの映像光は、接眼光学系１４の接眼プリズム２１の内部に面２１ａから入射し、続いて面２１ｂ・２１ｃで少なくとも１回ずつ全反射されてＨＯＥ２３に入射する。ＨＯＥ２３は、光源１１のＲＧＢそれぞれの発光ピーク波長を含む前後の波長域に対して凹面ミラーと等価な光学機能を有し、それ以外の波長域に対しては、そのような光学機能を有しないコンバイナとして作用する。したがって、ＨＯＥ２３に入射した光は、そこで回折反射されて光学瞳Ｐに達し、同時に、外界光もＨＯＥ２３を透過して、光学瞳Ｐに向かう。よって、光学瞳Ｐの位置に観察者の瞳（虹彩Ｉ）を位置させることにより、観察者は、表示素子１１に表示された映像（拡大虚像）と同時に外界をシースルーで観察することができる。

次に、上記したＨＯＥ２３の製造方法について説明する。図３は、ＨＯＥ２３の製造光学系の主要部を拡大して示す説明図である。反射型のカラーホログラムであるＨＯＥ２３は、ＢＧＲのそれぞれについて、２光束を用いて基板（接眼プリズム２１）上のホログラム感光材料２３ａを露光し、２光束の干渉による干渉縞を記録することによって作製される。このとき、一方の光束は、ホログラム感光材料２３ａに対して基板とは反対側から照射されるが、この光束を物体光と呼ぶことにする。また、他方の光束は、ホログラム感光材料２３ａに対して基板側から照射されるが、この光束を参照光と呼ぶことにする。なお、ＢＧＲの露光波長（参照光、物体光の波長）をそれぞれλ２_B、λ２_G、λ２_Rとすると、図２に示すように、例えば、λ２_B＝４７６．５ｎｍ、λ２_G＝５３２ｎｍ、λ２_R＝６４７ｎｍである。

物体光生成側の光学系において、点光源３１からのＲＧＢの発散光は、光学的なパワーを有する反射面である自由曲面ミラー３２によって所定の波面に整形され、平面反射ミラー３３で反射された後、色補正プリズム３４を介してホログラム感光材料２３ａに照射される。なお、色補正プリズム３４における物体光の入射面である面３４ａは、再生時（映像観察時）に用いられる接眼光学系１４の接眼プリズム２１の面２１ａでの映像光の屈折に起因して発生する色収差を打ち消すように、その角度が決定されている。このとき、色補正プリズム３４は、表面反射によるゴーストを防止するためにホログラム感光材料２３ａに対して密着して配置されるか、エマルジョンオイルなどを介して配置されることが望ましい。

一方、参照光生成側の光学系において、参照光源であるＲＧＢの各点光源４１Ｒ・４１Ｇ・４１Ｂからの発散光（例えば球面波）は、参照光としてホログラム感光材料２３ａに接眼プリズム２１側から照射される。本実施形態では、各点光源４１Ｒ・４１Ｇ・４１Ｂは、再生時の光学瞳Ｐの位置よりも接眼プリズム２１から遠ざかった位置、つまり、光学瞳Ｐに対してホログラム光学素子２３とは反対側の位置であって、光学瞳面にほぼ平行な面上で同一位置にある。なお、露光時の参照光源は、映像観察時の観察者の眼球Ｅの回旋中心Ｃと、光学瞳Ｐに配置される観察者の瞳（虹彩Ｉ）との間の所定範囲に位置しているが、その詳細については後述する。

上記のように、ＲＧＢのそれぞれについて物体光および参照光の２光束でホログラム感光材料２３ａを露光することにより、その２光束の干渉によってホログラム感光材料２３ａに干渉縞が形成され、ＨＯＥ２３が作製される。このとき、２光束による露光は、ＲＧＢについて同時に行ってもよいし、順次に行ってもよい。

なお、本実施形態では、製造光学系を設計するにあたり、製造光学系の片側（物体光生成側）の波面生成光学系をＲＧＢの３色で共通とするために、一つの色（例えばＲＧＢのうちで波長が真ん中に位置するＧ）についてＨＯＥ２３の位相関数を最適化し、設定している。ここで、位相関数とは、入射光と回折光とにおける波面の位相ずれを表す関数であり、ＨＯＥ２３を光学的に定義する手法の一つである。

〔第２の映像表示装置について〕
図４は、本発明の他の実施の形態に係る第２の映像表示装置１ｂの概略の構成を示す断面図である。映像表示装置１ｂにおける映像の観察画角は、例えば、水平方向４１．５°、上下方向３３°、対角方向５０°であり、いずれの方向にも２０°以上の広画角となっている。したがって、第２の映像表示装置１ｂにおいても、第１の映像表示装置１ａの場合と同様に、画面周辺の観察時には、回旋中心Ｃを中心として観察者の眼球Ｅの回旋が自然に生じることになる。この映像表示装置１ｂは、映像表示装置１ａとは照明光学系１２の構成が大きく異なっている。

照明光学系１２は、光源１１側から、正のパワーを有する第１群１２Ａと、正のパワーを有する第２群１２Ｂとを有している。第１群１２Ａは、光源１１側から、コリメータレンズ５１、第１のフレネルレンズ５２および反射ミラー５３を有している。一方、第２群１２Ｂは、第２のフレネルレンズ５４を有している。

照明光学系１２を正、正の２群構成とすることにより、照明光学系１２を１個の光学素子で構成する場合に比べて、光が進行する方向において照明光学系１２の長さを短くしながら、大きなＮＡを確保することが可能となる。しかも、第１群１２Ａが少なくとも１面の反射面（反射ミラー５３）を有していることにより、照明光学系１２の光路を折りたたんで、照明光学系１２が前後に飛び出さないようにすることができる。つまり、小型、コンパクトで、高ＮＡの照明光学系１２を実現することができる。したがって、表示素子１３としてサイズの大きなものを用いた場合でも、上記照明光学系１２を用いて、小型、コンパクトで、広画角の映像表示装置１ｂを実現することができる。

また、映像表示装置１ｂにおいて、表示素子１３からの映像光は、接眼光学系１４の接眼プリズム２１の内部に面２１ａから入射し、続いて面２１ｂ・２１ｃで１回ずつ全反射されてＨＯＥ２３に入射する。つまり、接眼プリズム２１内部での映像光の全反射回数は、映像表示装置１ａよりも１回少ない。これは、光学系の厚みも考慮して全体の大きさをコンパクトにするために、反射回数を最適化したことによる。

図５は、映像表示装置１ｂのＨＯＥ２３の製造光学系の主要部を拡大して示す説明図であるが、基本的には、図３で示した製造光学系と同様である。ただし、参照光源としてのＲＧＢの各点光源４１Ｒ・４１Ｇ・４１Ｂは、使用状態における光源１１の強度ピーク波長（使用波長）λ１の光のＨＯＥ２３での回折角がＢＧＲで一致するように、使用波長λ１と露光波長λ２とのずれに応じて、光学瞳面にほぼ平行な面上で位置をずらして配置されている。これにより、使用波長λ１と露光波長λ２とのずれに起因して、再生時にＨＯＥ２３を介して観察される映像に色ムラが生じるのを抑えることができる。なお、ホログラム感光材料２３ａの露光方法については、図３の場合と同様であるため、ここではその説明を省略する。

〔条件式について〕
次に、各種の条件式について説明する。図６は、映像表示装置１ａ・１ｂのＨＯＥ２３を作製するための露光時の参照光源Ｒの位置を示す説明図である。上述した映像表示装置１ａ・１ｂは、映像の観察画角が１５°以上の構成において、表示素子１３の表示面の中心から射出された所定波長領域の光線のうち光学瞳Ｐの中心を通る光線Ｍ₁における回折効率最大の波長をλ₀（ｎｍ）とし、表示素子１３の表示面の周辺部から射出された上記所定波長領域の光線のうち光学瞳Ｐの中心を通る光線Ｍ₂（Ｍ₃）における回折効率最大の波長をλｙ（ｎｍ）とし、観察画角の半画角をθ（°）としたとき、
０．０８＜｜（（λｙ／λ₀）−１）／ｓｉｎθ｜＜０．２ ・・・（１）
を満足している。

観察画角が１５°以上の広画角の映像表示装置１ａ・１ｂでは、上述したように、画面周辺を観察するときに観察者の眼球Ｅの回旋を伴う。条件式（１）は、映像観察時の回旋中心Ｃと虹彩Ｉとの間における、露光時の所定波長領域の参照光源Ｒの位置の適切な範囲（ＨＯＥ２３の回折特性）を規定している。なお、所定波長領域とは、例えばＲＧＢの少なくともいずれかの波長領域を考えることができる。

条件式（１）の値が下限値以下の場合、露光時の参照光源Ｒの位置が映像観察時の虹彩Ｉの位置に近づきすぎる。この場合、その露光によって作製されたＨＯＥ２３を用いて映像を観察すると、画面中心を注視しているときには、画面中心のみならず画面周辺まで明るく観察可能となるが、眼球Ｅを回旋させて画面周辺を注視したときには、ＨＯＥ２３で効率よく回折された光が虹彩Ｉでケラレるため、画面周辺が急激に暗くなる（図１２（ａ）（ｂ）参照）。

一方、条件式（１）の値が上限値以上の場合、露光時の参照光源Ｒの位置が映像観察時の回旋中心Ｃに近づきすぎる。この場合、その露光によって作製されたＨＯＥ２３を用いて映像を観察すると、眼球Ｅを回旋させて画面周辺を注視したときには、注視点（画面周辺）近傍を明るく観察することはできるが、画面中心を注視したときには、画面周辺への観察方向と参照光の露光方向との角度差が大きいので、画面周辺が暗くなる（図１３（ａ）（ｂ）参照）。

したがって、観察画角が１５°以上の広画角の構成において、条件式（１）を満足することにより、つまり、露光時の参照光源Ｒを映像観察時の回旋中心Ｃと虹彩Ｉとの間の所定範囲に位置させて作製したＨＯＥ２３を用いた構成とすることにより、画面中心を注視したときには画面中心のみならず画面周辺も明るく観察することができ、これによって臨場感のある映像を観察することができる。また、眼球Ｅを回旋させて画面周辺を注視したときでも、注視点（画面周辺）の映像を明るく高品位な映像として観察することができる。

なお、画面中心を注視したときに画面周辺も明るく観察できることは、図６において、太い破線で示す露光方向（最大回折効率の光線の方向）と波長λｙの光線Ｍ₂（Ｍ₃）の方向との角度差が小さいことからも容易に理解できる。また、画面周辺を注視したときに注視点の映像を明るく観察できることは、図６において、太い破線または太い実線で示した最大回折効率の光線が、眼球が回旋したときの虹彩Ｉ_U・Ｉ_Dでケラレずに瞳（瞳孔）に入射していることからも容易に理解できる。なお、同図におけるＮ₁、Ｎ₂、Ｎ₃は、画面中心を注視したときに観察者の瞳に入射する光束をそれぞれ示している。

また、条件式（１）が成立するためには、少なくとも、λｙ≠λ₀となる必要がある。このことからも、露光時の参照光源Ｒの位置は、映像観察時の虹彩Ｉの位置（光学瞳Ｐの位置）とはずれている（一致していない）ことがわかる。したがって、条件式（１）を満足することにより、画面中心を注視したときに画面周辺を明るく観察できる上記の効果を、露光時の参照光源Ｒの位置が映像観察時の虹彩Ｉの位置（光学瞳Ｐの位置）とはずれて作製したＨＯＥ２３を用いる構成で、かつ、広画角の構成で得ることができると言える。よって、そのような構成において、画面中心を注視したときに画面周辺が暗くなることによる画面全体の映像品位の低下を回避することができる。

また、広画角の構成で光学瞳Ｐを大きく形成することなく上述の効果を得ることができるので、接眼光学系１４の大型化を回避することができ、特に、ＨＭＤのように映像表示装置を頭部に装着して使用する構成において、使用者への負担が増大するのを回避することができる。

ところで、表示素子１３からの映像光が、少なくとも１つの強度ピーク波長λpeak（ｎｍ）を有している場合、上記強度ピーク波長λpeakを含む、強度ピークの半値波長全幅をFWHM（ｎｍ）としたとき、少なくとも１つの強度ピーク波長λpeakに対応した波長領域の全てにおいて、
｜λpeak−λ₀｜／FWHM＜０．４ ・・・（２）
を満足することが望ましい。

条件式（２）は、少なくとも１つの波長領域（例えばＲＧＢの波長領域）の全てにおいて、映像光の強度ピーク波長λpeakと画面中心主光線の回折効率最大波長λ₀とのズレ量の適切な範囲を規定している。全ての波長領域において、条件式（２）を満足することにより、λpeakとλ₀とのズレ量が小さくなるので、映像光を効率よくＨＯＥ２３にて回折させることができ、画面中心を注視したときに明るい映像を観察することが可能となる。また、上述のように光源１１で表示素子１３を照明して映像を表示する構成であれば、λpeakは光源１１の強度ピーク波長（λ１_R、λ１_G、λ１_B）に対応し、強度ピーク波長とλ₀とのズレ量が小さくなるので、照明光を効率的に利用した省電力の映像表示装置１ａ・１ｂを実現することができる。

このとき、５００ｎｍ＜λ₀＜６００ｎｍの波長領域においては、
｜λpeak−λ₀｜／FWHM＜０．２ ・・・（２’）
を満足することがさらに望ましい。条件式（２’）を満足することにより、Ｇの波長領域でλpeakとλ₀とのズレ量が非常に小さいので、被視感度の高いＧの波長領域でより効果的に上述の効果を得ることができる。つまり、観察者は画面中心を注視したときに映像をより明るく認識することができる。

また、映像表示装置１ｂのように、観察画角が２０°以上の構成においては、表示素子１３の表示面における半画角１０°に対応する位置から射出された所定波長領域の光線のうち光学瞳Ｐの中心を通る光線における回折効率最大の波長をλ₁₀（ｎｍ）としたとき、少なくとも１つの強度ピーク波長λpeakに対応した波長領域の全てにおいて、
｜λ₁₀−λ₀｜／FWHM＜０．９ ・・・（３）
を満足することが望ましい。

条件式（３）は、少なくとも１つの波長領域（例えばＲＧＢの波長領域）の全てにおいて、半画角１０°に対応する光線の回折効率最大波長λ₁₀と、画面中心主光線の回折効率最大波長λ₀とのズレ量の適切な範囲を規定している。なお、半画角１０°は、画面中心を注視したときに、注視点（画面中心）を中心として観察者が映像を解像できる画角の限界に相当する。条件式（３）を満足することにより、λ₁₀とλ₀とのズレ量が小さいので、画面中心を注視したときに観察者が解像可能な画面領域の明るさを確保することができ、映像の解像がしやすくなる。

このとき、５００ｎｍ＜λ₀＜６００ｎｍの波長領域においては、
｜λ₁₀−λ₀｜／FWHM＜０．４ ・・・（３’）
を満足することがさらに望ましい。条件式（３’）を満足することにより、Ｇの波長領域でλ₁₀とλ₀とのズレ量が非常に小さいので、被視感度の高いＧの波長領域でより効果的に上述の効果を得ることができる。つまり、画面中心を注視したときに観察者が解像可能な画面領域の明るさを良好に確保することができ、映像の解像がさらにしやすくなる。

〔実施例〕
以下、映像表示装置１ａ・１ｂの各実施例について、実施例１および２として、コンストラクションデータ等を挙げてさらに具体的に説明する。実施例１および２は、映像表示装置１ａ・１ｂにそれぞれ対応する数値実施例であり、映像表示装置１ａ・１ｂを表す光学構成図（図１、図４）は、対応する実施例１および２にもそのまま適用される。

なお、以下に示すコンストラクションデータにおいて、Ｓｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）は、光学瞳Ｐ側から数えてｉ番目の面（光学瞳Ｐを１番目の面とする）を示している。また、表示素子１３のカバーガラス（ＣＧ）において、接眼光学系１４側の面をＣＧ面とし、光源１１側の面を像面（表示面）としている。

各面Ｓｉの配置は、面頂点座標（ｘ，ｙ，ｚ）と回転角度（ＡＤＥ）の各面データでそれぞれ特定される。面Ｓｉの面頂点座標は、その面頂点をローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点として、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）におけるローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）で表されている（単位はｍｍ）。また、面Ｓｉの傾きは、その面頂点を中心とするＸ軸回りの回転角度（Ｘ回転）で表されている。なお、回転角度の単位は°であり、Ｘ軸の正方向から見て反時計回りの方向がＸ回転の回転角度の正方向とする。

また、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）は、光学瞳面（Ｓ１）のローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と一致した絶対座標系になっている。すなわち、各面Ｓｉの配置データは、光学瞳面中心を原点としたグローバル座標系で表現される。なお、光学瞳面（Ｓ１）では、光学瞳Ｐから接眼光学系１４に向かう方向が＋Ｚ方向であり、光学瞳Ｐに対して上方向が＋Ｙ方向であり、ＹＺ平面に垂直な方向であって、図１（図４）の紙面奥から手前に向かう方向（ＨＭＤを装着したときに左から右に向かう方向）が＋Ｘ方向である。

また、各実施例１・２で用いたＨＯＥ２３を作製する際の製造波長（ＨＷＬ；規格化波長）および使用波長はともに５３２ｎｍであり、回折光の使用次数は１次である。ＨＯＥ面については、作製に用いる２光束を定義することにより、ＨＯＥを一義的に定義する。２光束の定義は、各光束の光源位置と、各光源からの射出ビームが収束ビーム（ＶＩＡ）、発散ビーム（ＲＥＡ）のどちらであるかで行う。なお、第１の点光源（ＨＶ１）、第２の点光源（ＨＶ２）の座標を、それぞれ（ＨＸ１，ＨＹ１，ＨＺ１）、（ＨＸ２，ＨＹ２，ＨＺ２）とする。

また、各実施例１・２では、ＨＯＥによる複雑な波面再生を行うので、２光束の定義に加えて、位相関数φによってもＨＯＥを定義する。位相関数φは、以下の数１式に示すように、ＨＯＥの位置（Ｘ，Ｙ）による生成多項式であり、係数が１次〜１０次までの昇順の単項式で表される。コンストラクションデータにおいては、位相関数φの係数Ｃｊを示している。

なお、係数Ｃｊの番号ｊは、ｍ、ｎをＸ、Ｙの指数として以下の数２式で表される。

なお、ＨＯＥ面において、射出光線の法線ベクトルをそれぞれｐ’、ｑ’、ｒ’とし、入射光線の法線ベクトルをそれぞれｐ、ｑ、ｒとし、再生光束の波長をλ（ｎｍ）とし、ＨＯＥを作製する光束の波長をλ₀（ｎｍ）とすると、ｐ’、ｑ’、ｒ’は、以下の数３式で表される。

このように、各実施例１・２では、波長５３２ｎｍの光を射出する光源を使用してホログラム感光材料を露光し、波長５３２ｎｍに対応するＨＯＥの位相関数φを作成している。上記波長に対応する位相関数φを作成した後に、他の波長の光を射出する光源を使用してホログラム感光材料を多重露光することにより、接眼光学系１４をカラー表示に対応させることができる。また、ＲＧＢに対応するホログラムを同時に、多重露光することも可能である。

また、コンストラクションデータにおいて、回転対称非球面の面形状は、次の数４式によって表現される。ただし、Ｚは高さｈの位置でのＺ軸方向（光軸方向）のサグ量（ｍｍ）を示し、ｃは面頂点での曲率（１／ｍｍ）を示し、ｈは高さ、すなわちＺ軸（光軸）からの距離（ｍｍ）を示し、ｋはコーニック定数を示し、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇは、それぞれ４次、６次、８次、１０次、１２次、１４次、１６次の係数（非球面係数）を示す。なお、全てのデータに関して、表記の無い項の係数は全て０であり、Ｅ−ｎ＝×１０^-nとする。

さらに、アナモフィック非球面の面形状は、以下の数５式によって表される。ただし、ＺはＺ軸方向のサグ量（ｍｍ）を示し、ＣＵＸはＸ方向の曲率（１／ｍｍ）、すなわちＸ方向の曲率半径ＲＸの逆数を示し、ＣＵＹはＹ方向の曲率（１／ｍｍ）、すなわちＹ方向の曲率半径ＲＹの逆数を示す。また、ＫＸおよびＫＹは、それぞれＸ方向およびＹ方向のコーニック定数を示す。さらに、ＡＲ、ＢＲ、ＣＲ、ＤＲは、それぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数の回転対称成分を示し、ＡＰ、ＢＰ、ＣＰ、ＤＰは、それぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数の非回転対称成分を示す。

また、実施例２において、フレネルレンズ（第１のフレネルレンズ５２、第２のフレネルレンズ５４）の各ゾーンの最大サグ量は、０．１ｍｍとした。

（実施例１）
面番号 曲率半径
Ｓ１ 瞳面 INFINITY
Ｓ２ プリズム射出面 INFINITY
Ｓ３ ＨＯＥ面（球面） -298.9958
２光束の定義
HV1;REA HV2;VIR
HX1; 0.000000E+00 HY1;-5.881204E+00 HZ1;-1.668113E+01
HX2; 0.000000E+00 HY2; 2.485100E+08 HZ2;-6.062901E+09
HWL;532
位相係数
C2 ; 2.8590E-01 C3 ; 1.2283E-02 C5 ; 1.3066E-02
C7 ; -2.9177E-04 C9 ; -2.2883E-04 C10; -2.7068E-05
C12; -4.4477E-05 C14; -3.8149E-05 C16; 6.7067E-08
C18; -6.8171E-06 C20; -9.4960E-06 C21; 2.8217E-07
C23; -1.4597E-07 C25; 1.2215E-06 C27; 2.7292E-06
C29; -3.8156E-08 C31; 7.2240E-08 C33; 2.1242E-07
C35; 2.5148E-07 C36; -5.6472E-09 C38; 5.5861E-09
C40; 2.4856E-09 C42; -5.0000E-08 C44; -9.0279E-08
C46; 0.0000E+00 C48; 0.0000E+00 C50; 0.0000E+00
C52; 0.0000E+00 C54; 0.0000E+00 C55; 0.0000E+00
C57; 0.0000E+00 C59; 0.0000E+00 C61; 0.0000E+00
C63; 0.0000E+00 C65; 0.0000E+00
Ｓ４ 反射面 INFINITY
Ｓ５ 反射面 INFINITY
Ｓ６ 反射面 INFINITY
Ｓ７ プリズム入射面 -127.8262934
（非球面）
k; 0 A; 1.30052E-04 B; -5.79585E-06
C; 1.17700E-07 D; -7.88409E-10
Ｓ８ ＣＧ面 INFINITY
Ｓ９ 表示面 INFINITY

面番号 x y z ADE Nd νd
Ｓ１ 0 0 0 0 瞳径3mm
Ｓ２ 0 -2.000 17.000 0.000 1.4914 59.93
Ｓ３ 0 -2.000 19.350 -31.000 1.4914 59.93
Ｓ４ 0 1.500 17.000 0 1.4914 59.93
Ｓ５ 0 9.000 21.700 0 1.4914 59.93
Ｓ６ 0 17.000 17.000 0 1.4914 59.93
Ｓ７ 0 21.916 22.000 73.275
Ｓ８ 0 28.729 26.765 44.970 1.5168 65.26
Ｓ９ 0 29.294 27.331 44.970

（実施例２）
面番号 曲率半径
Ｓ１ 瞳面 INFINITY
Ｓ２ プリズム射出面 INFINITY
Ｓ３ ＨＯＥ面 RX;-120
（シリンドリカル面）
２光束の定義
HV1;REA HV2;VIR
HX1; 0.000000E+00 HY1;-1.000000E+01 HZ1;-2.000000E+01
HX2; 0.000000E+00 HY2; 1.000000E+05 HZ2; 1.000000E+07
HWL;532
位相係数
C2 ; 3.1811E-01 C3 ; -3.3433E-03 C5 ; 1.0001E-01
C7 ; -3.3369E-03 C9 ; 4.5312E-03 C10; 1.1062E-04
C12; -1.9324E-04 C14; 9.3845E-05 C16; 1.9016E-05
C18; -3.9148E-06 C20; -4.6293E-07 C21; 6.3647E-07
C23; 9.2264E-07 C25; 1.2446E-08 C27; -7.1215E-08
C29; 2.9856E-08 C31; 1.8793E-08 C33; 1.3940E-09
C35; -1.4538E-09 C36; -1.0259E-10 C38; 3.9337E-10
C40; 2.1328E-10 C42; -1.6236E-11 C44; -1.0251E-11
C46; 1.1740E-10 C48; -1.9255E-11 C50; 3.9689E-12
C52; -1.2523E-12 C54; 1.0166E-14 C55; 4.1204E-12
C57; 2.1960E-12 C59; -4.6175E-13 C61; 5.6801E-14
C63; -1.4087E-14 C65; 2.6281E-16
Ｓ４ 反射面 INFINITY
Ｓ５ 反射面 INFINITY
Ｓ６ プリズム入射面 292.0530513
（非球面）
k; 0 A; -1.55846E-04 B; 3.10103E-06
C; -3.32367E-08 D; 1.22114E-10 E; 0.00000E+00
F; 0.00000E+00 G; 0.00000E+00
Ｓ７ ＣＧ面 INFINITY
Ｓ８ 表示面 INFINITY

面番号 x y z ADE Nd νd
Ｓ１ 0 0 0 0 瞳径3mm
Ｓ２ 0 0 21.5 0 1.4914 59.93
Ｓ３ 0 18.0125 41.5525 -29.7994 1.4914 59.93
Ｓ４ 0 1.5 21.5 0 1.4914 59.93
Ｓ５ 0 6.5 31 0 1.4914 59.93
Ｓ６ 0 15.1485 25.1107 -51.5372
Ｓ７ 0 22.4032 25.601 -35.7442 1.5168 65.26
Ｓ８ 0 22.8705 24.9517 -35.7442

また、上述した条件式（１）〜（３）の値は、以下の表１〜表３の通りである。これらの表より、実施例１・２の映像表示装置１ａ・１ｂは、条件式（１）〜（３）を全て満足していることがわかる。また、表２および表３より、Ｇの波長領域においては、条件式（２’）（３’）をさらに満足していることがわかる。

〔λｙ・λ₁₀の算出方法について〕
上述した条件式（１）のλｙおよび条件式（３）のλ₁₀は、ブラッグの回折条件に基づいて算出することができる。以下、この点について説明する。

図７（ａ）は、ホログラム感光材料２３ａの露光時の製造光学系の主光線の光路を示す説明図であり、図７（ｂ）は、再生時（使用状態）の主光線の光路を示す説明図である。なお、製造光学系の主光線とは、同図（ｂ）に示す使用状態の主光線がＨＯＥ２３と交わる点と、参照光の点光源、物体光の点光源とをそれぞれ結ぶ光線とする。一方、使用状態の主光線とは、使用状態において表示素子１３（図１参照）の表示面の中心から射出されて光学瞳Ｐの中心に向かう光線とする。

製造光学系の主光線、つまり、ＲＧＢの参照光の主光線の入射角は、使用状態において、回折効率がピークとなる波長におけるＨＯＥ２３での回折角度（方向）がＲＧＢで一致するように、予めブラッグの条件を満たすように異なっている。反射型のＨＯＥ２３による回折は、ブラッグの条件、すなわち、下記の２つの式が同時に成立する方向に回折する光の回折強度が最大となる。
（ｓｉｎθ_O−ｓｉｎθ_R）／λ_R ＝ （ｓｉｎθ_I−ｓｉｎθ_C）／λ_C
（ｃｏｓθ_O−ｃｏｓθ_R）／λ_R ＝ （ｃｏｓθ_I−ｃｏｓθ_C）／λ_C
ここで、
λ_R（nm）：製造波長（露光波長）
θ_O（°）：物体光入射角（物体光角度）
θ_R（°）：参照光入射角（参照光角度）
λ_C（nm）：使用波長（回折波長）
θ_I（°）：映像主光線入射角度（映像光角度）
θ_C（°）：映像主光線射出角度（視線角度）
である。なお、θ_O、θ_R、θ_I、θ_Cは、全てプリズム媒質中での角度である。

表４〜表６は、視線角度θ_Cを３０°±Δθに設定したときに、ブラッグの条件を満足する回折波長λ_Cのシミュレーション結果であり、それぞれ、半画角が実施例１の７．５°、実施例２の１６．５°、および１０°のときの算出結果である。なお、Δθは、観察画角の半画角に対応している。すなわち、Δθ＝１．２°は半画角７．５°に対応しており、Δθ＝４．８°は半画角１６．５°に対応しており、Δθ＝２．９６°は半画角１０°に対応している。

表４〜表６では、ＨＯＥ製造時のホログラム感光材料の収縮を考慮していないが、実際は、そのような収縮を考慮して設計し、露光を行う必要がある。実施例１・２では、ホログラム感光材料の収縮（２％）を考慮し、さらに、実施例２では、画面中心主光線の回折効率ピーク波長を光源の強度ピーク波長に一致させて設計している。この結果、ＢＧＲの露光波長をそれぞれ４７６．５ｎｍ、５３２．０ｎｍ、６４７．０ｎｍとしたとき、表１〜表３に示すように、ＢＧＲのλ₀は、実施例１では、それぞれ４６７．０ｎｍ、５２１．４ｎｍ、６３４．１ｎｍとなっており、実施例２では、それぞれ４５７．０ｎｍ、５１６．０ｎｍ、６３６．０ｎｍとなっている。

一方、λｙ／λ₀の値は、回折ピーク波長が露光波長からシフトしても、観察画角（半画角）に応じた一定の値をとる。例えば、ホログラム感光材料の収縮を考慮していない表４（実施例１）のＢにおいて、視線角度３０°のときの回折波長をλ₀（４７６．５ｎｍ）とすると、Δθ＝１．２°（視線角度２８．８°）が半画角７．５°に対応するので、視線角度２８．８°のときの回折波長（４８２．２ｎｍ）がλｙとなり、λｙ／λ₀の値は１．０１２となる。したがって、ホログラム感光材料の収縮を考慮したときのλｙは、４６７．０×１．０１２＝４７２．６ｎｍとなる。他の色（ＧやＲ）および実施例２のλｙについても上記と同様に求めることが可能である。

また、λ₁₀についても同様に、ホログラム感光材料の収縮を考慮していない表６に基づいて求めることが可能である。すなわち、表６（実施例２）の例えばＢにおいて、視線角度３０°のときの回折波長をλ₀（４７６．５ｎｍ）とすると、Δθ＝２．９６°（視線角度２７．０４°）が半画角１０°に対応するので、視線角度２７．０４°のときの回折波長（４９０．１ｎｍ）がλ₁₀となり、λ₁₀／λ₀の値は１．０２８５となる。したがって、ホログラム感光材料の収縮を考慮したときのλｙは、４５７．０×１．０２８５＝４７０．０ｎｍとなる。他の色（ＧやＲ）についても上記と同様に求めることが可能である。

〔θとＬの関係について〕
ところで、観察画角の半画角をθ（°）とし、参照光源Ｒの光学瞳Ｐ（虹彩Ｉ）からの距離（ずれ量）をＬ（ｍｍ）としたとき、上述した各種の条件式のパラメータは、以下の関係式を満足する範囲内において、ブラッグの回折条件に基づいて算出される。
７．５≦θ＜１２．８のとき、２．５＜Ｌ≦１１
θ≧１２．８のとき、 ２．５＜Ｌ＜２．５／ｔａｎθ

ここで、７．５≦θ＜１２．８のときのＬの上限値（１１ｍｍ）は、人間の眼球の回旋中心Ｃと虹彩Ｉとの平均的な距離に相当する。一方、θ≧１２．８のときのＬの上限値（２．５／ｔａｎθ）は、画面中心を注視したときに注視点の周辺光束が虹彩Ｉ（瞳孔）に入射するための条件に基づいて設定したものである。さらに、Ｌの下限値（２．５ｍｍ）は、眼球の回旋を伴う半画角１０°以上においても注視点周辺を明るく観察可能となる条件に基づいて設定したものである。以下、Ｌの上限値（２．５／ｔａｎθ）および下限値（２．５ｍｍ）の設定方法について説明する。

（Ｌの上限値について）
図８（ａ）は、参照光源Ｒが回旋中心Ｃに位置するときの、虹彩断面（光学瞳断面）での虹彩Ｉと映像光束（回折効率を考慮したときの光学瞳）Ａ₁〜Ａ₃との位置関係を示す説明図である。同図（ａ）より、画面中心を注視したときに、θ＞１２．８°の映像光束Ａ₃は、虹彩断面において虹彩Ｉとの重なりがないため、瞳（瞳孔）には入射せず、その映像を観察できないことがわかる。ちなみに、映像光束Ａ₁およびＡ₂は、画面中心を注視したときに、それぞれ、θ＝１２．８°、θ＝−１２．８°となり、虹彩断面での虹彩Ｉとの重なり量Δ（ｍｍ）がともにΔ≒０となる光束である。したがって、参照光源Ｒが回旋中心Ｃに位置する場合、｜θ｜≦１２．８°の範囲内の映像を観察できることになる。

これに対して、図８（ｂ）は、参照光源Ｒが虹彩Ｉ（光学瞳Ｐ）と回旋中心Ｃとの間で虹彩Ｉから距離Ｌだけ離れて位置するときの、虹彩断面での虹彩Ｉと映像光束との位置関係を示す説明図である。参照光源Ｒが虹彩Ｉから距離Ｌだけ離れて位置するときは、映像光束Ａ₃についての回折効率が最大となる方向が同図（ａ）の状態から光学瞳Ｐ方向に平行にシフトすることになる。この場合、虹彩断面での映像光束Ａ₃と虹彩Ｉとの重なりは、回折効率が最大となる方向が映像光束Ａ₃と等しい映像光束Ａ₁と虹彩Ｉとの重なりとして考えることができる（映像光束Ａ₃の断面を回折効率最大の方向に沿って虹彩断面までシフトさせて考えることができる）。したがって、画面中心を注視したときに、映像光束Ａ₃の一部が虹彩Ｉと重なるため、画面周辺の映像（光束Ａ₃が表す映像）を観察できることになる。

ここで、人間の虹彩Ｉの径は、平均的に３ｍｍ程度と言われている。虹彩Ｉとの重なり方向における映像光束Ａ₁〜Ａ₃の径（光学瞳Ｐの径）を例えば２ｍｍとすれば、同図（ｂ）より、Ｌは以下の演算で求めることができる。
Ｌ＝｛（虹彩Ｉの径の半分）＋（映像光束の径の半分）｝／ｔａｎθ
＝（１＋１．５）／ｔａｎθ
＝２．５／ｔａｎθ

したがって、θ＞１２．８°の映像光束Ａ₃の一部が瞳孔に入射する、つまり、Δ＞０となるためには、Ｌ＜２．５／ｔａｎθであればよいということになる。よって、θ＞１２．８°の場合、Ｌの上限値は、２．５／ｔａｎθとなる。

（Ｌの下限値について）
図９（ａ）は、参照光源Ｒの位置が光学瞳Ｐと一致している場合において、観察者の眼球が１０°回旋したときの、１０°の画角の映像光束Ｂ₁（回折効率を考慮したときの光学瞳）と虹彩Ｉとの虹彩断面（光学瞳断面）での位置関係を示す説明図である。一方、図９（ｂ）は、参照光源Ｒが虹彩Ｉ（光学瞳Ｐ）と回旋中心Ｃとの間で虹彩Ｉから距離Ｌだけ離れて位置するときの、虹彩断面での映像光束Ｂ₁と虹彩Ｉとの位置関係を示す説明図である。

同図（ａ）の状態において、眼球が１０°回旋したとき、１０°の画角の映像光束Ｂ₁と虹彩Ｉとの虹彩断面での重なり量Δが、例えば０．４ｍｍであったとする。同図（ｂ）のように参照光源Ｒの位置を光学瞳Ｐから距離Ｌだけずらした場合、映像光束Ｂ₁における回折効率が最大となる方向（図中の破線の方向）も回旋中心Ｃの方向に平行にシフトするので、虹彩断面においては、１０°の画角の映像光束Ｂ₁と虹彩Ｉとの重なりは、同図（ａ）の場合よりも増加することになる（映像光束Ｂ₁の断面を回折効率最大の方向に沿って虹彩断面までシフトさせて考えればよい）。

ここで、例えば、Ｌ＝２．５ｍｍであれば、１０°の画角の映像光束Ｂ₁と虹彩Ｉとの虹彩断面での重なり量Δが１．０ｍｍとなり、注視点の周辺を明るく観察することができる。したがって、半画角１０°以上では、Ｌの下限値を２．５ｍｍに設定しておけば、眼球の回旋を伴っても注視点周辺を明るく観察することができると言える。

また、眼球の回旋は、観察画角が１５°以上、つまり、半画角で７．５°以上で生ずるが、Ｌの下限値を２．５ｍｍに設定しておけば、眼球が回旋したときの画角方向の映像光束と虹彩Ｉとの重なり量Δを１．０ｍｍ以上確保することができ、注視点周辺をさらに明るく観察することができる。以上のことから、θ≧７．５°の場合のＬの下限値を、２．５ｍｍに設定している。

なお、上記したＬは、θにのみ依存して決まるものではなく、虹彩断面における映像光束と虹彩Ｉとの重なり量Δをどの程度確保するかによって上記した範囲内で変動するものである。

〔ＨＭＤについて〕
上述した構成の映像表示装置１ａ・１ｂは、ＨＭＤに適用することができる。以下、ＨＭＤについて説明する。

図１０は、ＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。ＨＭＤは、映像表示装置１と、支持手段２とで構成されている。映像表示装置１は、上述した映像表示装置１ａ・１ｂに対応するものである。

映像表示装置１は、少なくとも光源１１および表示素子１３（ともに図１参照）を内包する筐体３を有している。この筐体３は、接眼光学系１４の一部を保持している。接眼光学系１４は、接眼プリズム２１および偏向プリズム２２の貼り合わせによって構成されており、全体として眼鏡の一方のレンズ（図１０では右眼用レンズ）のような形状をしている。また、映像表示装置１は、筐体３を貫通して設けられるケーブル４を介して、光源１１および表示素子１３に少なくとも駆動電力および映像信号を供給するための回路基板（図示せず）を有している。

支持手段２は、眼鏡のフレーム（ブリッジ、テンプルを含む）に相当するものであり、映像表示装置１を観察者の眼前（例えば右眼の前）で支持している。また、支持手段２は、観察者の鼻と当接する鼻当て５（右鼻当て５Ｒ・左鼻当て５Ｌ）と、その鼻当て５を所定の位置で固定する鼻当てロックユニット６とを含んでいる。

観察者がＨＭＤを頭部に装着し、表示素子１３に映像を表示すると、その映像光が接眼光学系１４を介して光学瞳に導かれる。したがって、光学瞳の位置に観察者の瞳（虹彩）を合わせることにより、観察者は、映像表示装置１の表示映像の拡大虚像を観察することができる。また、これと同時に、観察者は、接眼光学系１４を介して、外界像をシースルーで観察することができる。

このように、映像表示装置１が支持手段２にて支持されることにより、観察者は映像表示装置１から提供される映像をハンズフリーで長時間安定して観察することができる。なお、映像表示装置１を２つ用いて両眼で映像を観察できるようにしてもよい。この場合は、両方の接眼光学系の間の距離（眼幅距離）を調整するための調整機構（図示せず）を設けることが必要である。

また、上記した鼻当て５を自由自在に動かすことにより、観察者に対して映像表示装置１の位置を相対的に前後、左右、上下の各方向に調整することができ、これによって、接眼光学系１４の光学瞳の位置を、観察者の虹彩の位置に配置することができる。位置調整後は、鼻当てロックユニット６によって鼻当て５の位置を固定することにより、観察者の瞳を良好な位置に固定することができる。したがって、鼻当て５および鼻当てロックユニット６は、少なくとも、映像表示装置１の接眼光学系１４（光学瞳）と観察者の瞳との距離を調整する調整機構（第１の調整機構）を構成していると言える。

このように、第１の調整機構によって接眼光学系１４と観察者の瞳との距離を調整することにより、光学瞳の位置に観察者の瞳を位置させたときには、必然的に、露光時の参照光源の位置が、映像観察時の回旋中心と虹彩との間の所定範囲に位置することになる。すなわち、上記の調整によって、上述した本発明の効果が得られるようなＨＯＥの配置を実現することができる。

なお、上記した第１の調整機構が、映像表示装置１の上下、左右方向の位置を調整するための第２の調整機構と独立して構成されていてもよい。この場合は、各々の位置調整がさらに容易となる。

また、図１１は、映像表示装置１の表示素子１３の表示画面例を示している。同図に示すように、表示素子１３は、第１の調整機構による距離調整時に、光学瞳の位置調整用の指標６１を表示するようにしてもよい。指標６１は、画面中央に１つ、その周囲に４つ、さらにその外側の画面上下端に１つずつの計７つのマークにより構成されている。ただし、画面上下端のマークを除く他のマークは円形であり、画面上下端のマークは半円状となっている。なお、指標６１を構成するマークの形状、数、位置は、上記に限定されるわけではない。

接眼光学系１４と観察者の瞳との距離調整時に、表示素子１３が位置調整用の指標６１を表示することにより、観察者は指標６１を見ながら、第１の調整機構を操作して光学瞳の位置と観察者の瞳位置とを合わせることができる。また、通常は映像を表示する表示素子１３を、指標６１を表示する位置調整用としても用いるので、位置調整用の指標を投影する専用の光学系を別途設ける必要がなく、小型、軽量となり、ＨＭＤに有効となる。

なお、以上では、映像表示装置をＨＭＤに適用した例について説明したが、本発明の映像表示装置は、例えばヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）などの他の装置にも適用することが可能である。

本発明の映像表示装置は、例えばＨＭＤやＨＵＤに利用可能である。

１ 映像表示装置
１ａ 映像表示装置
１ｂ 映像表示装置
２ 支持手段
５ 鼻当て（調整機構）
５Ｒ 鼻当て（調整機構）
５Ｌ 鼻当て（調整機構）
６ 鼻当てロックユニット（調整機構）
１１ 光源
１３ 表示素子
１４ 接眼光学系
２３ ＨＯＥ（ホログラム光学素子）
６１ 指標
Ｃ 回旋中心
Ｅ 眼球
Ｉ 虹彩
Ｍ₁ 光線
Ｍ₂ 光線
Ｍ₃ 光線
Ｐ 光学瞳

Claims (9)

1. 映像を表示する表示素子と、
   上記表示素子からの映像光を光学瞳に導く接眼光学系とを備え、
   上記接眼光学系が、上記表示素子からの映像光を光学瞳方向に回折反射させる一方、外界光を透過させて光学瞳に導く体積位相型で反射型のホログラム光学素子を有し、
   光学瞳の位置に観察者の瞳を位置させることにより、上記映像と同時に外界を観察させる、上記映像の観察画角が１５°以上の映像表示装置であって、
   上記表示素子の表示面の中心から射出された所定波長領域の光線のうち光学瞳中心を通る光線における回折効率最大の波長をλ₀とし、上記表示素子の表示面の周辺部から射出された上記所定波長領域の光線のうち光学瞳中心を通る光線における回折効率最大の波長をλｙとし、観察画角の半画角をθとしたとき、
   ０．０８＜｜（（λｙ／λ₀）−１）／ｓｉｎθ｜＜０．２
   を満足することを特徴とする映像表示装置。
2. 上記表示素子からの映像光は、少なくとも１つの強度ピーク波長λpeakを有しており、
   上記強度ピーク波長λpeakを含む、強度ピークの半値波長全幅をFWHMとしたとき、少なくとも１つの強度ピーク波長λpeakに対応した波長領域の全てにおいて、
   ｜λpeak−λ₀｜／FWHM＜０．４
   を満足することを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
3. ５００ｎｍ＜λ₀＜６００ｎｍの波長領域において、
   ｜λpeak−λ₀｜／FWHM＜０．２
   を満足することを特徴とする請求項２に記載の映像表示装置。
4. 観察画角が２０°以上であり、
   上記表示素子の表示面における半画角１０°に対応する位置から射出された所定波長領域の光線のうち光学瞳中心を通る光線における回折効率最大の波長をλ₁₀としたとき、少なくとも１つの強度ピーク波長λpeakに対応した波長領域の全てにおいて、
   ｜λ₁₀−λ₀｜／FWHM＜０．９
   を満足することを特徴とする請求項２または３に記載の映像表示装置。
5. ５００ｎｍ＜λ₀＜６００ｎｍの波長領域において、
   ｜λ₁₀−λ₀｜／FWHM＜０．４
   を満足することを特徴とする請求項４に記載の映像表示装置。
6. 上記表示素子を照明する光源をさらに備え、
   上記光源は、上記光学瞳と略共役に配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の映像表示装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の映像表示装置と、
   上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを有していることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
8. 上記支持手段は、上記映像表示装置の接眼光学系と観察者の瞳との距離を調整する調整機構を備えていることを特徴とする請求項７に記載のヘッドマウントディスプレイ。
9. 上記映像表示装置の表示素子は、上記調整機構による距離調整時に、光学瞳の位置調整用の指標を表示することを特徴とする請求項８に記載のヘッドマウントディスプレイ。

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