JP5266525B2 - 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、表示素子からの映像光を接眼光学系を介して光学瞳に導く映像表示装置と、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。

従来から、光源からの光を照明光学系を介して表示素子に導き、その表示素子からの映像光を接眼光学系を介して光学瞳（または光学瞳に位置する観察者の瞳）に導く構成のＨＭＤが種々提案されている。照明光学系を用いて表示素子を照明することにより、光源からの光の利用効率を高めて、明るい映像（虚像）を観察者に観察させることが可能となる。

上記の照明光学系は、透過型または反射型の光学素子を含んで構成することが可能である。例えば特許文献１のＨＭＤでは、透過型の光学素子としてのレンズを含んで照明光学系を構成し、その照明光学系を介して透過型の表示素子を照明している。一方、特許文献２のＨＭＤでは、反射型の光学素子としての放物面鏡で照明光学系を構成し、この照明光学系を介して透過型の表示素子を照明している。

特開２００６−１４５７２８号公報 特開２００４−６１７３１号公報

ところで、近年では、小型、コンパクトに加えて、ＨＭＤの広画角化の要求が高まっている。ＨＭＤを広画角にするためには、例えばサイズの大きい表示素子を用いる手法が考えられる。サイズの大きい表示素子を用いる場合、光源からの光を効率よく表示素子に導くために、表示素子を照明する照明光学系のＮＡ（開口数）を大きくする必要がある。

しかし、特許文献１および２の照明光学系においては、光学パワーを有する光学素子は、ともに１つであるため、照明光学系のＮＡを大きくするためには、その光学素子を大きく形成せざるを得ず、照明光学系を小型、コンパクトに構成することが困難となる。この結果、小型、コンパクトで、広画角のＨＭＤを実現することが困難となる。

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あって、その目的は、小型、コンパクトで高ＮＡの照明光学系を実現することができ、これによって、小型、コンパクトな構成で広画角を実現できる映像表示装置と、その映像表示装置を備えたＨＭＤとを提供することにある。

本発明の映像表示装置は、光源と、入射光を変調して映像を表示する透過型の表示素子と、光源から射出される光を表示素子に導く照明光学系と、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た映像表示装置であって、上記照明光学系は、光源側から順に、少なくとも１面の反射面を有し、かつ、正のパワーを有する第１群と、少なくとも１つの光学部材を有し、かつ、正のパワーを有する第２群とを有しており、以下の条件式を満足することを特徴としている。すなわち、
１．５＜ｆ２／ｆ１＜８．５
ただし、
ｆ１：反射面を除いた第１群の焦点距離
ｆ２：第２群の焦点距離
である。

上記の構成によれば、光源から射出される光は、照明光学系を介して透過型の表示素子に入射し、そこで変調された後、映像光となって接眼光学系を介して光学瞳に導かれる。したがって、光学瞳の位置では、観察者は、表示素子に表示された映像の虚像を観察することが可能となる。

ここで、照明光学系は、正のパワーを有する第１群と、正のパワーを有する第２群とを有している。このように、照明光学系を正、正の少なくとも２群構成とすることにより、照明光学系を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群が少なくとも１面の反射面を有していることにより、照明光学系の光路を折りたたんで、照明光学系が前後に飛び出さないようにすることができる。つまり、本発明によれば、小型、コンパクトで、高ＮＡの照明光学系を実現することができる。したがって、サイズの大きな表示素子を用いた場合でも、上記照明光学系を用いて、小型、コンパクトで、広画角の映像表示装置を実現することができる。

また、条件式の下限を下回ると、照明光学系の第２群のパワーが大きくなりすぎて、上記の反射面を挿入するスペースを確保することが困難となる。逆に、条件式の上限を上回ると、照明光学系では第１群がほとんどのパワーを負担することになるため、反射面のサイズが大きくなり、照明光学系全体が大きくなる。

したがって、条件式を満足することにより、上記の反射面を挿入するスペースを確保しながら、照明光学系をコンパクトに構成することが可能となり、反射面を用いた照明光学系の構成において、上述の効果を得ることが可能となる。

本発明の映像表示装置において、上記照明光学系の第２群は、上記光学部材としてフレネルレンズを有している構成であってもよい。

フレネルレンズは通常のレンズよりも薄いので、照明光学系の第２群にフレネルレンズを用いることにより、通常のレンズを用いる場合に比べて照明光学系を小型化、軽量化することができる。特に、第２群は表示素子との距離が近く、第１群と比較してレンズの有効半径が大きいため、第２群に薄いフレネルレンズを用いることにより、第２群を表示素子の近くに配置する構成を容易に採用することが可能となる。

本発明の映像表示装置は、入射光を拡散する拡散部材をさらに備え、上記拡散部材は、照明光学系の第２群と表示素子との間の光路中に配置されている構成であってもよい。拡散部材を用いることにより、光源の強度ムラ（強度分布のムラ）を低減して、表示素子全体を均一に照明することが可能となる。

本発明の映像表示装置は、入射光を拡散する拡散部材をさらに備え、上記拡散部材は、照明光学系の第２群と表示素子との間の光路中に配置されており、表示素子の画面長辺方向における拡散度が、表示素子の画面短辺方向における拡散度よりも大きい構成であってもよい。

表示素子の表示画面は、通常、矩形の領域であることから、表示画面の長辺方向において使う照明光学系のＮＡは、表示画面の短辺方向において使う照明光学系のＮＡよりも大きくなる。一方、照明光学系の第２群にフレネルレンズを用いる構成においては、フレネルレンズのピッチ（幅）は、画面長辺方向の端部に向かうほど細かくなる（狭くなる）。このため、画面長辺方向では、フレネルレンズのピッチ（エッジ）に起因するムラが顕著に現れる。照明光学系の第２群と表示素子との間に拡散部材を配置し、しかも、拡散部材の拡散特性を上記のように設定することにより、光源の強度ムラを低減するとともに、フレネルレンズに起因する画面長辺方向のムラを低減することができる。

本発明の映像表示装置は、上記照明光学系の第１群の反射面により、照明光学系の光路が表示素子の画面短辺方向に平行でかつ画面長辺方向に垂直な断面内で折り曲げられている構成であることが望ましい。このように、第１群の反射面によって照明光学系の光路を上記断面内で折り曲げることにより、他の断面内で光路を折り曲げる構成に比べて、照明光学系の前後方向の厚さを薄くすることができる。

本発明の映像表示装置において、上記断面内で、光源と光学瞳との位置関係は共役であることが望ましい。この場合、上記断面内において、光源から射出される光を効率よく光学瞳に伝播することができる。

本発明の映像表示装置において、上記接眼光学系は、体積位相型の反射型ホログラム光学素子を有しており、表示素子からの映像光を上記ホログラム光学素子にて回折反射させて光学瞳に導くと同時に、上記ホログラム光学素子を透過した外界像の光を光学瞳に導く構成であってもよい。このように、波長選択性を有するホログラム光学素子（以下、ＨＯＥとも称する）を２種の光のコンバイナとして用いることにより、観察者は、表示素子に表示された映像の虚像を外界像に重ね合わせてシースルーで観察することができる。

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。この構成では、映像表示装置が支持手段にて支持されるので、観察者は映像表示装置から提供される映像をハンズフリーで観察することができる。また、本発明の映像表示装置をＨＭＤに適用することにより、照明光学系がコンパクトで、使用時の観察者への負担が少ない、広画角のＨＭＤを実現することができる。

本発明によれば、小型、コンパクトで、高ＮＡの照明光学系を実現することができる。これにより、サイズの大きな表示素子を用いた場合でも、上記照明光学系を用いて、小型、コンパクトで、広画角の映像表示装置を実現することができる。また、所定の条件式を満足することにより、照明光学系の第１群の反射面を挿入するスペースを確保しながら、照明光学系をコンパクトに構成することが可能となり、反射面を用いた照明光学系の構成において、上述の効果を得ることができる。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。

（１．ＨＭＤについて）
図１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、観察者に外界像をシースルーで観察させるとともに、映像を表示して観察者にそれを虚像として提供するものである。この映像表示装置１としては、後述する実施の形態１〜４で示すものを適用することができる。映像表示装置１は、表示素子１４（図２参照）などを収容する筐体３に接眼光学系２０を一体化させて構成されている。接眼光学系２０は、全体として眼鏡の一方のレンズ（図１では右眼用レンズ）のような形状をなしている。支持手段２は、映像表示装置１を観察者の眼前で支持するものであり、例えば眼鏡のフレームやテンプルに相当する。以下、映像表示装置１の詳細について説明する。

（２．映像表示装置について）
図２〜図５は、それぞれ、実施の形態１〜４に係る映像表示装置１の概略の構成を示す断面図である。映像表示装置１は、光源１１と、照明光学系１２と、拡散板１３（拡散部材）と、表示素子１４と、接眼光学系２０とを有している。なお、便宜上、図３〜図５では、拡散板１３の図示を省略している。

また、説明の便宜上、方向を以下のように定義しておく。まず、表示素子１４の表示領域の中心と、接眼光学系２０によって形成される光学瞳（射出瞳）Ｅの中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とする。そして、光源１１から光学瞳Ｅまでの光路を展開したときの光軸方向をＺ方向とする。また、接眼光学系２０の後述するＨＯＥ２３の光軸入射面に垂直な方向をＸ方向とし、ＺＸ平面に垂直な方向をＹ方向とする。なお、ＨＯＥ２３の光軸入射面とは、ＨＯＥ２３における入射光の光軸と反射光の光軸とを含む平面、すなわち、ＹＺ平面を指す。

光源１１は、例えば、ＲＧＢの３原色に対応する波長の光を出射するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。この光源１１は、光学瞳Ｅと共役な位置関係となっている。特に、拡散板１３の拡散特性が例えば１次元であり、拡散板１３が入射光を例えばＸ方向に拡散する場合、ＹＺ面内において光源１１は光学瞳Ｅと共役となる。これにより、上記断面内においては、光源１１から射出される光を効率よく光学瞳Ｅに伝播することが可能となる。照明光学系１２は、光源から射出される光を集光して表示素子１４に導くものであるが、その詳細については後述する。

拡散板１３は、入射光を拡散する拡散部材であり、照明光学系１２の後述する第２群Ｇ２と表示素子１４との間の光路中に配置されている。これにより、光源１１のＲＧＢの強度ムラを低減して、表示素子１４全体を均一に照明することが可能となる。

また、拡散板１３の拡散特性が例えば１次元である場合、拡散板１３と表示素子１４との距離は、接眼光学系２０による互いの虚像の視度の差が２ディオプタ（Ｄｐ）以上となる距離であることが望ましい。ここで、上記のディオプタとは、光学系（例えばレンズ）の焦点距離をメートルで表した値の逆数（−１／ｍ）で表され、視度、すなわち光学系の度数（屈折力）を示す単位として一般的に用いられているものである。このように拡散板１３と表示素子１４との位置関係を設定することにより、表示素子１４の表示映像の接眼光学系２０による虚像に、拡散板１３の接眼光学系２０による虚像（拡散板１３の凹凸によって生じる像）が重なって視認されるのを低減することができる。

表示素子１４は、光源１１から照明光学系１２を介して入射する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１４は、矩形の表示画面の長辺方向がＸ方向となり、短辺方向がＹ方向となるように配置されている。なお、図２〜図５では、表示素子１４における対向電極側のガラス基板であるカバーガラスのみを図示している。

なお、表示素子１４は、液晶層の光入射側および光射出側に互いに偏光方向が直交する偏光板をそれぞれ有しているものとする。この場合、拡散板１３と液晶層との間に偏光板が配置されているので、照明光学系１２（後述するレンズや反射面を含む）および拡散板１３によって偏光状態が変化しても、所定の直線偏光のみを液晶層に入射させることができ、偏光状態の変化によるコントラストの低下を回避することができる。

接眼光学系２０は、表示素子１４からの映像光を光学瞳Ｅに導く画像表示光学系であり、接眼プリズム２１と、偏向プリズム２２（図１参照）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１４からの映像光を内部で全反射させる一方、外界像の光（外光）を透過させるものであり、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下端に近くなるほど薄くして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１参照）、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の楔状の部分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。

ＨＯＥ２３は、表示素子１４からの映像光（３原色に対応した波長の光）を回折反射させて光学瞳Ｅに導くことにより、表示素子１４にて表示された映像を拡大して観察者の瞳に虚像として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。なお、接眼プリズム２１において、ＨＯＥ２３が設けられている面を、以下ではＨＯＥ面と称することとする。

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１において、光源１１から射出された光は、照明光学系１２および拡散板１３を介して表示素子１４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１４からの映像光は、接眼光学系２０の接眼プリズム２１の内部に面２１ａから入射し、続いて面２１ｃ（図３〜５では面２１ｂ）に臨界角以上の角度で入射する。そして、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に入射した光は、そこで回折反射されて光学瞳Ｅに達する。光学瞳Ｅの位置では、観察者は、表示素子１４に表示された映像の拡大虚像を観察することができる。

一方、接眼プリズム２１、偏向プリズム２２およびＨＯＥ２３は、外光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界像を観察することができる。したがって、表示素子１４に表示された映像の虚像は、外界像の一部に重なって観察されることになる。

以上のように、接眼光学系２０では、表示素子１４からの映像光を接眼プリズム２１内で導光し、ＨＯＥ２３を介して光学瞳Ｅに導くと同時に、ＨＯＥ２３を透過した外光を光学瞳Ｅに導く。体積位相型の反射型ホログラフィック光学素子で構成されるＨＯＥ２３は、回折波長幅が狭く、特定の波長には作用するが、その他の波長には作用しない特性を持つ。このようなＨＯＥ２３を、表示映像と外界像とを同時に観察するいわゆるシースルー機能のためのコンバイナとして用いた場合、ＨＯＥ２３は外光の一部の波長にしか作用しないため、外光はほとんどＨＯＥ２３の影響を受けず、外界像をシースルーで明るく良好に観察することが可能となる。また、異なる波長に作用するＨＯＥ２３を重畳することにより、カラー映像を観察することが可能である。

また、表示素子１４の表示画面の短辺方向と平行で画面中心を通る断面上で、ＨＯＥ面によって、光軸上を進行する光線（画面中心主光線）が光学瞳Ｅの方向に折り曲げられている。このように、ＨＯＥ面を、画面短辺方向と平行で画面中心を通る断面内で傾けることにより、接眼光学系２０の厚さをより薄く（コンパクトに）することができる。

（３．照明光学系について）
次に、照明光学系１２の詳細について説明する。各実施の形態１〜４における照明光学系１２は、光源１１側から順に、第１群Ｇ１と、第２群Ｇ２とを有している。第１群Ｇ１は、少なくとも１面の反射面を有し、かつ、正のパワーを有している。一方、第２群Ｇ２は、少なくとも１つの光学部材を有し、かつ、正のパワーを有している。

より詳しくは、実施の形態１および３の照明光学系１２では、図２および図４に示すように、第１群Ｇ１は、光源１１側から順に、レンズ１５と、フレネルレンズ１６と、反射ミラー１７とを有しており、第２群Ｇ２は、フレネルレンズ１８を有して構成されている。レンズ１５、フレネルレンズ１６・１８は、それぞれ正のパワーを有している。また、反射ミラー１７の反射面は、実施の形態１では平面であり、実施の形態３では球面となっている。

また、実施の形態２および４の照明光学系１２では、図３および図５に示すように、第１群Ｇ１は、光源１１側から順に、レンズ１５と、反射ミラー１７とを有しており、第２群Ｇ２は、フレネルレンズ１８を有して構成されている。レンズ１５およびフレネルレンズ１８は、それぞれ正のパワーを有している。また、反射ミラー１７の反射面は、実施の形態２および４ともに球面となっている。

つまり、実施の形態１および３の照明光学系１２では、光源１１からの光は、第１群Ｇ１のレンズ１５およびフレネルレンズ１６を順に透過した後、反射ミラー１７で反射されてその光路が折り曲げられ、第２群Ｇ２のフレネルレンズ１８を透過し、拡散部材１３に入射する。一方、実施の形態２および４の照明光学系１２では、光源１１からの光は、第１群Ｇ１のレンズ１５を透過した後、反射ミラー１７で反射されてその光路が折り曲げられ、第２群Ｇ２のフレネルレンズ１８を透過し、拡散部材１３に入射する。

このように、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、光の進行方向における照明光学系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Ｇ１が反射ミラー１７（反射面）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を前後に飛び出さないように構成とすることが可能となる。

したがって、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、サイズの大きな表示素子１４を用いた場合でも、高ＮＡの照明光学系１２を用いて、小型、コンパクトで、広画角の映像表示装置１を実現することが可能となる。また、高ＮＡを維持しつつ、照明光学系１２を小型、コンパクトに構成できるので、光源１１と照明光学系１２とを１つの系と考えたときの照明系の重心位置と、接眼光学系１５の重心位置とを近づけることができ、使用時の安定性を向上させることもできる。

このとき、各実施の形態１〜４の映像表示装置１は、以下の条件式を満足することが望ましい。すなわち、
１．５＜ｆ２／ｆ１＜８．５
ただし、
ｆ１：反射面を除いた第１群Ｇ１の焦点距離（ｍｍ）
ｆ２：第２群Ｇ２の焦点距離（ｍｍ）
である。

条件式の下限を下回ると、照明光学系１２の第２群Ｇ２のパワーが大きくなりすぎて、反射ミラー１７を挿入するスペースを確保することが困難となる。逆に、条件式の上限を上回ると、照明光学系１２では第１群Ｇ１がほとんどのパワーを負担することになるため、反射ミラー１７のサイズが大きくなり、照明光学系１２が全体として大きくなる。

したがって、条件式を満足することにより、反射ミラー１７を挿入するスペースを確保しながら、照明光学系１２をコンパクトに構成することが可能となり、反射ミラー１７を有する照明光学系１２を用いて、小型、コンパクトで、広画角の映像表示装置１を実現することが可能となる。

なお、各実施の形態１〜４の映像表示装置１は、以下の条件式を満足することがより望ましい。すなわち、
２．０＜ｆ２／ｆ１＜５．０
である。

また、各実施の形態１〜４では、反射ミラー１７により、照明光学系１２の光路がＹＺ平面内、すなわち、表示素子１４の画面短辺方向に平行でかつ画面長辺方向に垂直な断面内で折り曲げられている。これにより、他の断面内で光路を折り曲げる構成に比べて、照明光学系１２の前後方向の厚さを薄くすることができ、確実に照明光学系１２を前後に飛び出さないように構成とすることが可能となる。

また、照明光学系１２の第２群Ｇ２にフレネルレンズ１８を用いることにより、通常のレンズを用いる場合に比べて照明光学系１２を小型化、軽量化することができる。さらに、第２群Ｇ２は、表示素子１４との距離が近く、第１群Ｇ１と比較してレンズの有効半径が大きいので、第２群Ｇ２にフレネルレンズ１８を用いることによる効果は大きくなる。すなわち、第２群Ｇ２を表示素子１４の近くに配置することが容易となり、また、照明光学系１２の軽量化によって観察者の使用負担も軽減することができる。

ところで、照明光学系１２の第２群Ｇ２にフレネルレンズ１８を用いる構成においては、拡散板１３の拡散特性を以下のように設定することが望ましい。つまり、拡散板１３における表示素子１４の画面長辺方向の拡散度（例えば４０度）を、表示素子１４の画面短辺方向の拡散度（例えば０．５度）よりも大きくなるように設定することが望ましい。これは、以下の理由による。

表示素子１４の表示画面は、通常、矩形の領域（本実施形態ではＸ方向には長く、Ｙ方向には短い領域）であることから、表示画面の長辺方向（Ｘ方向）において使う照明光学系１２のＮＡは、表示画面の短辺方向（Ｙ方向）において使う照明光学系１２のＮＡよりも大きくなる。つまり、図６に示すように、光源１１から射出される２光線（発散光）が張る角度であって、照明光学系１２を介して表示素子１４の表示画面の長辺方向の両端に入射する２光線が照明光学系１２の光入射側で張る角度を第１の角度α（°）とし、照明光学系１２を介して表示素子１４の表示画面の短辺方向の両端に入射する２光線が照明光学系１２の光入射側で張る角度を第２の角度β（°）とすると、第１の角度αは第２の角度βよりも大きくなる。

一方、図７は、フレネルレンズ１８の断面図を示している。照明光学系１２の第２群Ｇ２にフレネルレンズ１８を用いる構成においては、同図に示すように、フレネルレンズ１８のピッチ（幅）は、中心から端部に向かうほど細かくなる（狭くなる）。このため、使用する照明光学系１２のＮＡが大きくなる画面長辺方向では、画面短辺方向に比べて、フレネルレンズ１８のピッチ（エッジ）に起因するムラが顕著に現れる。

そこで、照明光学系１２の第２群Ｇ２と表示素子１４との間に拡散板１３を配置し、しかも、拡散板１３の拡散特性を上記のように設定することにより、光源１１の強度ムラを低減しながら、フレネルレンズ１８に起因する画面長辺方向のムラを低減することができる。

また、体積位相型の反射型のＨＯＥ２３をレーザ光の２光束干渉によって作製した場合、作製されたＨＯＥ２３の光軸入射面に平行な断面（ＹＺ面）内では、ＨＯＥ２３の角度選択性が高い。すなわち、ＨＯＥ２３における画面短辺方向（Ｙ方向）の回折効率は、ＨＯＥ２３への入射光束（映像光）の入射角度に大きく依存し、わずかに入射角度が変化しただけでも、回折効率が大幅に低下する。したがって、画面短辺方向に入射光束の角度分布が大きいと、入射光束を光学瞳Ｅに効率よく伝播することができない。よって、この点からも、拡散板１３における画面短辺方向の拡散度は小さいことが好ましいと言える。一方、ＨＯＥ２３の画面長辺方向（Ｘ方向）の回折効率は、光束の入射角度への依存が少ないため、画面長辺方向に入射光束の角度分布が大きい場合であっても、光束を光学瞳Ｅに効率よく導くことができる。

（４．実施例について）
以下、各実施の形態１〜４の映像表示装置１の各実施例について、実施例１〜４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１〜４は、各実施の形態１〜４にそれぞれ対応する数値実施例であり、各実施の形態１〜４を表す光学構成図（図２〜図５）は、対応する実施例１〜４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Ｅ側から数えてｉ番目の面（光学瞳Ｅを１番目の面とする）を示している。また、表示素子１４のカバーガラス（ＣＧ）において、接眼光学系２０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Ｅから接眼光学系２０に向かう方向が＋Ｚ方向であり、光学瞳Ｅ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２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、各実施例で用いたＨＯＥを作製する際の製造波長（ＨＷＬ；規格化波長）および再生波長はともに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、実施例１〜６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２０をカラー表示に対応させることができる。

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、各実施例１〜４において、フレネルレンズ１６・１８の各ゾーンの最大サグ量（図６のｚ）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 RX;-141.533 RY; INFINITY
２光束の定義
HV1;REA HV2;VIR
HX1; 0 HY1; -10 HZ1; -20
HX2; 0 HY2; 100000 HZ2; 10000000
HWL;532
位相係数
C2 ; 0.64051758 C3 ;-0.018479333 C5 ; 0.105533963
C7 ;-0.005171525 C9 ; 0.004487547 C10; 0.000121039
C12;-0.000264254 C14; 9.26493E-05 C16; 1.82316E-05
C18;-4.75592E-06 C20;-4.23183E-07 C21;-7.75581E-10
C23; 9.53777E-07 C25; -5.3112E-09 C27;-7.08537E-08
C29; 1.32123E-09 C31; 2.14066E-08 C33; 5.77851E-10
C35; -1.445E-09 C36; 6.29843E-11 C38; 3.40788E-11
C40; 1.75889E-10 C42; 2.40048E-12 C44;-9.82606E-12
C46; 0 C48; 0 C50; 0
C52; 0 C54; 0 C55; 0
C57; 0 C59; 0 C61; 0
C63; 0 C65; 0
Ｓ４ 反射面 INFINITY
Ｓ５ 反射面 INFINITY
Ｓ６ プリズム入射面 292.053051
（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
Ｓ９ フレネルレンズ射出面 -30
Ｓ１０ フレネルレンズ入射面 INFINITY
Ｓ１１ 反射面 INFINITY
Ｓ１２ フレネルレンズ射出面 15
Ｓ１３ フレネルレンズ入射面 INFINITY
Ｓ１４ レンズ射出面 4.6721
Ｓ１５ レンズ入射面 INFINITY
Ｓ１６ 光源面 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 14.8636 41.6148 -29 1.4914 59.93
Ｓ４ 0 1.5 21.5 0 1.4914 59.93
Ｓ５ 0 6.5 33 0 1.4914 59.93
Ｓ６ 0 2.5278 26.7626 -6.6701
Ｓ７ 0 19.3043 24.6445 -35.7007 1.5168 65.26
Ｓ８ 0 19.7712 23.9948 -35.7007
Ｓ９ 0 21.1682 22.0507 -35.7007 1.5305 55.72
Ｓ１０ 0 21.7517 21.2387 -35.7007
Ｓ１１ 0 24.9811 16.7446 0
Ｓ１２ 0 34.9015 30.5499 35.7007 1.5305 55.72
Ｓ１３ 0 35.485 31.362 35.7007
Ｓ１４ 0 39.1767 33.0721 35.7007 1.5168 65.26
Ｓ１５ 0 41.6128 36.4622 35.7007
Ｓ１６ 0 42.1106 37.1549 35.7007
画角
X方向;-20.7°〜20.7°
Y方向;-28.5°〜-4.5°

（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 INFINITY
２光束の定義
HV1;REA HV2;VIR
HX1; 0.000000E+00 HY1;-9.612031E-01 HZ1;-2.276064E+01
HX2; 0.000000E+00 HY2; 2.485100E+08 HZ2;-6.062901E+09
HWL;532
位相係数
C2 ; 0.0000E+00 C3 ; 4.2143E-03 C5 ; 8.8088E-03
C7 ;-9.1463E-05 C9 ;-6.6452E-06 C10; 1.6760E-05
C12;-2.3919E-05 C14;-1.1551E-05 C16; 5.5568E-06
C18; 2.8278E-06 C20; 7.9737E-06 C21;-1.2670E-06
C23;-1.5327E-08 C25; 1.9599E-06 C27; 5.2011E-08
C29;-1.6845E-07 C31;-7.6240E-08 C33; 1.6301E-08
C35;-7.8468E-07 C36; 2.7256E-08 C38; 1.2420E-08
C40;-4.8431E-08 C42;-1.4511E-07 C44;-5.1027E-10
C46; 1.8489E-09 C48; 2.4235E-10 C50; 1.0094E-09
C52;-3.9123E-09 C54; 2.2671E-08 C55;-2.1871E-10
C57;-2.5511E-10 C59; 7.0871E-10 C61; 3.3103E-10
C63; 4.8653E-09 C65;-2.7381E-10
Ｓ４ 反射面 INFINITY
Ｓ５ 反射面 INFINITY
Ｓ６ 反射面 INFINITY
Ｓ７ プリズム入射面 INFINITY
Ｓ８ ＣＧ面 INFINITY
Ｓ９ 表示面 INFINITY
Ｓ１０ フレネルレンズ射出面 24.3207
Ｓ１１ フレネルレンズ入射面 INFINITY
Ｓ１２ 反射面 -40
Ｓ１３ レンズ射出面 -7
Ｓ１４ レンズ入射面 INFINITY
Ｓ１５ 光源面 INFINITY

面番号 x y z ADE Nd νd
Ｓ１ 0 0 0 7.5 瞳径3mm
Ｓ２ 0 -0.1555 14.1413 7.5 1.5168 65.26
Ｓ３ 0 0.1512 16.4708 -23.5 1.5168 65.26
Ｓ４ 0 3.3145 13.6844 7.5 1.5168 65.26
Ｓ５ 0 11.3637 17.3645 7.5 1.5168 65.26
Ｓ６ 0 18.6819 11.6613 7.5 1.5168 65.26
Ｓ７ 0 24.8182 13.8793 85.8
Ｓ８ 0 32.0346 19.6469 58.1886 1.5168 65.26
Ｓ９ 0 32.7144 20.0686 58.1886
Ｓ１０ 0 33.3943 20.4903 58.1886 1.5305 55.72
Ｓ１１ 0 34.244 21.0174 58.1886
Ｓ１２ 0 41.6911 24.1885 25.3426
Ｓ１３ 0 41.999 14.369 -15.7671 1.5168 65.26
Ｓ１４ 0 42.8237 11.448 -15.7671
Ｓ１５ 0 43.1878 10.1584 -15.7671
画角
X方向;-13.1°〜13.1°
Y方向; -7.5°〜 7.5°

（実施例３）
面番号 曲率半径
Ｓ１ 瞳面 INFINITY
Ｓ２ プリズム射出面 INFINITY
Ｓ３ ＨＯＥ面 INFINITY
２光束の定義
HV1;REA HV2;VIR
HX1; 0.000000E+00 HY1;-9.612031E-01 HZ1;-2.276064E+01
HX2; 0.000000E+00 HY2; 2.485100E+08 HZ2;-6.062901E+09
HWL;532
位相係数
C2 ; 0.0000E+00 C3 ; 4.2143E-03 C5 ; 8.8088E-03
C7 ;-9.1463E-05 C9 ;-6.6452E-06 C10; 1.6760E-05
C12;-2.3919E-05 C14;-1.1551E-05 C16; 5.5568E-06
C18; 2.8278E-06 C20; 7.9737E-06 C21;-1.2670E-06
C23;-1.5327E-08 C25; 1.9599E-06 C27; 5.2011E-08
C29;-1.6845E-07 C31;-7.6240E-08 C33; 1.6301E-08
C35;-7.8468E-07 C36; 2.7256E-08 C38; 1.2420E-08
C40;-4.8431E-08 C42;-1.4511E-07 C44;-5.1027E-10
C46; 1.8489E-09 C48; 2.4235E-10 C50; 1.0094E-09
C52;-3.9123E-09 C54; 2.2671E-08 C55;-2.1871E-10
C57;-2.5511E-10 C59; 7.0871E-10 C61; 3.3103E-10
C63; 4.8653E-09 C65;-2.7381E-10
Ｓ４ 反射面 INFINITY
Ｓ５ 反射面 INFINITY
Ｓ６ 反射面 INFINITY
Ｓ７ プリズム入射面 INFINITY
Ｓ８ ＣＧ面 INFINITY
Ｓ９ 表示面 INFINITY
Ｓ１０ フレネルレンズ射出面 15
Ｓ１１ フレネルレンズ入射面 INFINITY
Ｓ１２ 反射面 -50
Ｓ１３ フレネルレンズ射出面 -22.35
Ｓ１４ フレネルレンズ入射面 INFINITY
Ｓ１５ レンズ射出面 -8.5
Ｓ１６ レンズ入射面 INFINITY
Ｓ１７ 光源面 INFINITY

面番号 x y z ADE Nd νd
Ｓ１ 0 0 0 7.5 瞳径3mm
Ｓ２ 0 -0.1555 14.1413 7.5 1.5168 65.26
Ｓ３ 0 0.1512 16.4708 -23.5 1.5168 65.26
Ｓ４ 0 3.3145 13.6844 7.5 1.5168 65.26
Ｓ５ 0 11.3637 17.3645 7.5 1.5168 65.26
Ｓ６ 0 18.6819 11.6613 7.5 1.5168 65.26
Ｓ７ 0 24.8182 13.8793 85.8
Ｓ８ 0 32.0346 19.6469 58.1886 1.5168 65.26
Ｓ９ 0 32.7144 20.0686 58.1886
Ｓ１０ 0 33.3943 20.4903 58.1886 1.5305 55.72
Ｓ１１ 0 34.244 21.0174 58.1886
Ｓ１２ 0 41.2662 23.9249 22.1886
Ｓ１３ 0 41.4187 19.0028 -18.9211 1.5305 55.72
Ｓ１４ 0 41.7429 18.0569 -18.9211
Ｓ１５ 0 42.0672 17.1109 -18.9211 1.5168 65.26
Ｓ１６ 0 43.0514 14.2397 -18.9211
Ｓ１７ 0 43.4859 12.9721 -18.9211
画角
X方向;-13.1°〜13.1°
Y方向; -7.5°〜 7.5°

（実施例４）
面番号 曲率半径
Ｓ１ 瞳面 INFINITY
Ｓ２ プリズム射出面 INFINITY
Ｓ３ ＨＯＥ面 INFINITY
２光束の定義
HV1;REA HV2;VIR
HX1; 0.000000E+00 HY1;-9.612031E-01 HZ1;-2.276064E+01
HX2; 0.000000E+00 HY2; 2.485100E+08 HZ2;-6.062901E+09
HWL;532
位相係数
C2 ; 0.0000E+00 C3 ; 4.2143E-03 C5 ; 8.8088E-03
C7 ;-9.1463E-05 C9 ;-6.6452E-06 C10; 1.6760E-05
C12;-2.3919E-05 C14;-1.1551E-05 C16; 5.5568E-06
C18; 2.8278E-06 C20; 7.9737E-06 C21;-1.2670E-06
C23;-1.5327E-08 C25; 1.9599E-06 C27; 5.2011E-08
C29;-1.6845E-07 C31;-7.6240E-08 C33; 1.6301E-08
C35;-7.8468E-07 C36; 2.7256E-08 C38; 1.2420E-08
C40;-4.8431E-08 C42;-1.4511E-07 C44;-5.1027E-10
C46; 1.8489E-09 C48; 2.4235E-10 C50; 1.0094E-09
C52;-3.9123E-09 C54; 2.2671E-08 C55;-2.1871E-10
C57;-2.5511E-10 C59; 7.0871E-10 C61; 3.3103E-10
C63; 4.8653E-09 C65;-2.7381E-10
Ｓ４ 反射面 INFINITY
Ｓ５ 反射面 INFINITY
Ｓ６ 反射面 INFINITY
Ｓ７ プリズム入射面 INFINITY
Ｓ８ ＣＧ面 INFINITY
Ｓ９ 表示面 INFINITY
Ｓ１０ レンズ射出面 48
Ｓ１１ レンズ入射面 INFINITY
Ｓ１２ 反射面 -40
Ｓ１３ レンズ射出面 -6
Ｓ１４ レンズ入射面 INFINITY
Ｓ１５ 光源面 INFINITY

面番号 x y z ADE Nd νd
Ｓ１ 0 0 0 7.5 瞳径3mm
Ｓ２ 0 -0.1555 14.1413 7.5 1.5168 65.26
Ｓ３ 0 0.1512 16.4708 -23.5 1.5168 65.26
Ｓ４ 0 3.3145 13.6844 7.5 1.5168 65.26
Ｓ５ 0 11.3637 17.3645 7.5 1.5168 65.26
Ｓ６ 0 18.6819 11.6613 7.5 1.5168 65.26
Ｓ７ 0 24.8182 13.8793 85.8
Ｓ８ 0 32.0346 19.6469 58.1886 1.5168 65.26
Ｓ９ 0 32.7144 20.0686 58.1886
Ｓ１０ 0 33.3943 20.4903 58.1886 1.5168 65.26
Ｓ１１ 0 34.6689 21.281 58.1886
Ｓ１２ 0 42.116 24.452 25.3426
Ｓ１３ 0 42.4239 14.6325 -15.7671 1.5168 65.26
Ｓ１４ 0 43.2486 11.7115 -15.7671
Ｓ１５ 0 43.6127 10.422 -15.7671
画角
X方向;-13.1°〜13.1°
Y方向; -7.5°〜 7.5°

各実施例１〜４において、上述した条件式（１）の対象となるｆ２／ｆ１の値は、以下の表１の通りである。表１より、各実施例１〜４の映像表示装置１は、条件式（１）を満足していることがわかる。

実施例１では、Ｘ方向、Ｙ方向ともに最も広い画角を実現できており、しかも、照明光学系１２にフレネルレンズを２枚用いているため、小型化の効果が大きい。実施例２では、実施例１の光源１１側のフレネルレンズ１６のパワーを反射ミラー１７の反射面に持たせている。この実施例２では、実施例１よりも画角が少し狭くなっているが、依然、広画角であると言える。しかも、用いるフレネルレンズを１枚にして部品点数を減らしている点で、照明光学系１２をコンパクトにできる効果もある。実施例３では、実施例２と同程度に広画角となっており、しかも、用いるフレネルレンズが２枚であるので、実施例２よりも小型化の効果が高い。実施例４では、実施例２および３と同程度に広画角となっており、用いるフレネルレンズを１枚にして照明光学系１２をコンパクトにしている。

本発明は、表示映像の虚像を観察することが可能な眼鏡型のＨＭＤに利用可能である。

本発明のＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態４に係る映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。 各実施の形態の映像表示装置の表示素子に入射する光の光路を、表示画面の長辺方向および短辺方向で示す説明図である。 各実施の形態の映像表示装置の照明光学系に適用されるフレネルレンズの断面図である。

符号の説明

１ 映像表示装置
２ 支持手段
１１ 光源
１２ 照明光学系
１３ 拡散板（拡散部材）
１４ 表示素子
１７ 反射ミラー
１８ フレネルレンズ（光学部材）
２０ 接眼光学系
２３ ＨＯＥ
Ｅ 光学瞳
Ｇ１ 第１群
Ｇ２ 第２群

Claims (8)

1. 光源と、
   入射光を変調して映像を表示する透過型の表示素子と、
   光源から射出される光を表示素子に導く照明光学系と、
   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た映像表示装置であって、
   上記照明光学系は、光源側から順に、
   少なくとも１面の反射面を有し、かつ、正のパワーを有する第１群と、
   少なくとも１つの光学部材を有し、かつ、正のパワーを有する第２群とを有しており、
   以下の条件式を満足することを特徴とする映像表示装置；
   １．５＜ｆ２／ｆ１＜８．５
   ただし、
   ｆ１：反射面を除いた第１群の焦点距離
   ｆ２：第２群の焦点距離
   である。
2. 上記照明光学系の第２群は、上記光学部材としてフレネルレンズを有していることを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
3. 入射光を拡散する拡散部材をさらに備え、
   上記拡散部材は、照明光学系の第２群と表示素子との間の光路中に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
4. 入射光を拡散する拡散部材をさらに備え、
   上記拡散部材は、照明光学系の第２群と表示素子との間の光路中に配置されており、表示素子の画面長辺方向における拡散度が、表示素子の画面短辺方向における拡散度よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の映像表示装置。
5. 上記照明光学系の第１群の反射面により、照明光学系の光路が表示素子の画面短辺方向に平行でかつ画面長辺方向に垂直な断面内で折り曲げられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の映像表示装置。
6. 上記断面内で、光源と光学瞳との位置関係は共役であることを特徴とする請求項５に記載の映像表示装置。
7. 上記接眼光学系は、体積位相型の反射型ホログラム光学素子を有しており、表示素子からの映像光を上記ホログラム光学素子にて回折反射させて光学瞳に導くと同時に、上記ホログラム光学素子を透過した外界像の光を光学瞳に導くことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の映像表示装置。
8. 請求項１から７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。

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