JP5315974B2 - 光路コンバイナ、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、ホログラム光学素子（以下、ＨＯＥとも称する）を有する光路コンバイナと、その光路コンバイナを備え、外界と重ね合わせてカラー映像を広い観察画角で観察可能な映像表示装置と、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。

透明基材上に形成された反射透過特性を有する膜を用い、表示素子からの映像光を観察者の瞳の方向に反射すると同時に外界光を透過させ、映像（虚像）と外界とを重ね合わせて視認させる装置として、ヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤとも称する）やＨＭＤと呼ばれる装置がよく知られている。このような映像と外界とを同時に観察可能なシースルーの装置を使用すれば、前方の外界から視線をそらせることなく、表示される必要な情報を追加で観察することが可能であり、様々なシーンで非常に有用である。

この反射透過特性を有する膜、すなわち、外界光と映像光とを重ね合わせる優れた光路コンバイナとして、例えばＨＯＥが用いられてきた（特許文献１参照）。ＨＯＥを用いることにより、高い外界光透過性を得ることができる。また、ＨＯＥが光学的パワーを有することにより、装置の小型・軽量化が可能となる。

特開２００４−６１７３１号公報

しかしながら、これまでＨＯＥが用いられてきたのは、観察画角が狭い場合のみであり、より広い観察画角で映像を観察する場合には、従来のＨＯＥではゴーストが発生する可能性があることが判明した。

例えば、特許文献１では、波長４７６ｎｍ、５３２ｎｍ、６４７ｎｍの３色のレーザでＨＯＥを作製している。そして、ＨＯＥ作製時にホログラム感光材料を露光するための参照光源の位置を、使用時の光学瞳中心よりもＨＯＥに近づく方向またはＨＯＥから遠ざかる方向にずらして配置し、ＨＯＥを作製している。このようにして作製されたＨＯＥを用いた場合、光学瞳内では光学瞳の中心、瞳端ともに、製造時の光線と観察時の光線との角度ズレは小さい（瞳位置の違いによる色ムラは小さい）。しかし、観察画面中心から画面端に向かう画角方向では、画面端ほど製造時の光線と観察時の光線との角度ズレが大きい（画角方向の色ムラが大きい）。

ＨＯＥは、波長選択性・角度選択性を有しているため、画角方向の角度ズレが大きくなると、各色について回折ピーク波長のシフト量も大きくなる。すなわち、各色について、光学瞳中心に入射する画角上端の光についての回折ピーク波長は例えば短波長側にシフトし、光学瞳中心に入射する画角下端の光についての回折ピーク波長は例えば長波長側にシフトする。表示映像の観察画角が広くなればなるほど、この影響は大きくなり、光学瞳に同時に入射する光の波長域が各色ともに広がる。このため、例えば、ＨＯＥで回折されて光学瞳に入射するＢ光の回折波長域とＧ光の回折波長域とが一部重なることが起こり得る。この場合、Ｇ光がＢ光を回折するＨＯＥで回折されてゴースト光として光学瞳に入射するため、高画質のカラー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あって、その目的は、外界と重ね合わせて映像を観察する際に、観察画角が広角となる場合でも、ゴースト光が光学瞳に入射するのを回避して高画質のカラー映像を観察することができる光路コンバイナと、その光路コンバイナを備えた映像表示装置と、その映像表示装置を備えたＨＭＤとを提供することにある。

本発明の光路コンバイナは、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ことにより、光学瞳の位置にて、表示映像の虚像と外界とを重ね合わせて観察させる、体積位相型で反射型のホログラム光学素子を有する光路コンバイナであって、上記光路コンバイナの中心における垂線と、上記光路コンバイナの中心と光学瞳の中心とを結ぶ直線とを含む面内において、上記光路コンバイナから射出されて光学瞳中心に入射する光線の最大角度差が１６度以上となるときに、上記光路コンバイナの中心から光学瞳の中心に入射する光線についての回折ピーク波長は離散的に複数存在し、かつ、複数の回折ピーク波長の互いの全ての組み合わせにおいて、一方の回折ピーク波長をλａとし、他方の回折ピーク波長をλｂとして、
３８０ｎｍ＜λａ＜λｂ＜７８０ｎｍ、かつ、λｂ／λａ＞１．１３
を満足することを特徴としている。

本発明の光路コンバイナにおいて、上記ホログラム光学素子は、平面形状であることが望ましい。

本発明の光路コンバイナは、
１．２＜λｂ／λａ＜１．５
を満足する構成であってもよい。

本発明の光路コンバイナは、
５００ｎｍ＜λａ＜５３５ｎｍ、かつ、６２０ｎｍ＜λｂ＜６８０ｎｍ、
または、
４４０ｎｍ＜λａ＜４９０ｎｍ、かつ、６２０ｎｍ＜λｂ＜６８０ｎｍ
を満足する構成であってもよい。

本発明の光路コンバイナにおいて、上記ホログラム光学素子は、発光波長が、５１０ｎｍ以上５３５ｎｍ以下のレーザと６３０ｎｍ以上６８０ｎｍ以下のレーザ、または、４４０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下のレーザと６３０ｎｍ以上６８０ｎｍ以下のレーザを用いて作製されていてもよい。

本発明の光路コンバイナにおいて、上記ホログラム光学素子は、発光波長が、４４０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下のレーザと、５２５ｎｍ以上５３５ｎｍ以下のレーザと、６３０ｎｍ以上６８０ｎｍ以下のレーザとを用いて作製されていてもよい。

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内部で全反射させる光学部材と、上記光学部材内部を導光された映像光を反射させて光学瞳に導く一方、外界光を透過させて光学瞳に導く光路コンバイナとを備え、上記光路コンバイナは、上述した本発明の光路コンバイナで構成されてい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、上記光路コンバイナのホログラム光学素子は、軸非対称な正の光学パワーを有しており、上記表示素子からの映像光を光学瞳に導く接眼光学系の少なくとも一部を構成していてもよい。

本発明のＨＭＤ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備えていることを特徴としている。

本発明によれば、体積位相型で反射型のＨＯＥを有する光路コンバイナを用いることにより、外界と重ね合わせて映像（虚像）を観察することが可能となる。このとき、光学瞳中心に入射する光線の最大角度差が１６度以上となるような広い観察画角で映像を観察するときに、離散的に存在する回折ピーク波長の互いの全ての組み合わせについて上述した条件式を満たすことにより、互いの回折ピーク波長が十分に離れる。これにより、例えば、ＨＯＥで回折されて光学瞳に入射するＢ光の回折波長域とＧ光の回折波長域とが一部重なるのを回避することができ、Ｇ光がＢ光を回折するＨＯＥで回折されてゴースト光として光学瞳に入射するのを回避することができる。その結果、観察画角が広角となる場合でも、高画質のカラー映像を観察することが可能となる。

なお、上記ゴースト光は、例えば、ホログラム感光材料を露光する２光束のうち、光学瞳側の光束を平行光としてＨＯＥを作製し、光学瞳の中心に観察者の瞳を位置させて映像を広角で観察する場合に発生しやすいが、光学瞳側の光束を点光源からの発散光としてＨＯＥを作製し、点光源からの発散光の発散中心である点光源位置から観察者の瞳をずらした光学瞳位置で映像を広角で観察する場合でも同様に発生し得る。本発明によれば、上記いずれの場合でも、ゴースト光が観察者の瞳に入射するのを回避して、高画質のカラー映像を広角で観察することができる。

本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。

（映像表示装置について）
図１は、本発明の映像表示装置１の構成を模式的に示す説明図である。この映像表示装置１は、表示素子２と、光路コンバイナ３とを有している。表示素子２は、光源（図示せず）からの光を画像データに基づいて変調することにより映像を表示する光変調素子であり、例えば透過型の液晶表示素子で構成されている。

光路コンバイナ３は、表示素子２からの映像光を反射させて光学瞳Ｅに導くとともに、外界光を透過させて光学瞳Ｅに導く光学部材である。したがって、観察者は、光学瞳Ｅの位置にて、表示映像の虚像と外界とを重ね合わせて観察することができる。

光路コンバイナ３は、反射と透過の両方の機能を有していればよく、例えば、ハーフミラー、層状に干渉縞が記録された反射型ホログラム（ＨＯＥ）、多層膜等で構成することができる。中でも、反射型ＨＯＥは、その波長選択性により任意の波長領域のみ反射可能であり、かつ、光学的パワーを持たせることで接眼光学系の一部を兼ねることができるため望ましい。反射波長を映像光波長と一致させることで、映像光を明るく観察することができるとともに、反射波長以外の外界光を透過させることができるので、外界も明るく観察することができる。なお、ＨＯＥは波長選択性・角度選択性を有しているため、光路コンバイナ３上での反射角が異なると、映像光の反射波長も異なる。

反射波長域の狭い光路コンバイナ３は、特に、体積位相型で反射型のＨＯＥを用いることにより容易に作製することが可能である。体積位相型で反射型のＨＯＥは、可干渉性の光による干渉露光により作製されるが、用いる材料の屈折率差（Δｎｄ）や、作製条件（露光量、露光後処理（温度））等により、反射波長域を任意に制御することが可能である。このような用途に用いられるＨＯＥを作製するためのホログラム感光材料としては、フォトポリマー、銀塩材料、重クロム酸ゼラチンなどが挙げられるが、中でもドライプロセスで容易に製造可能なフォトポリマーが望ましい。以下では、光路コンバイナ３として、体積位相型で反射型のＨＯＥを用いたものとする。

（比較例）
次に、本発明の理解を容易にするため、本発明の実施例を説明する前に、まず比較例について説明する。

図２は、光路コンバイナ３（ＨＯＥ）の作製時の露光光線の光路と、使用時（再生時）の再生光線の光路とを模式的に示す説明図である。反射型のＨＯＥは、ホログラム感光材料３ａに対して互いに反対側から２光束（波長λａの露光光線１、２）を照射し、これらの干渉縞を記録することにより作製される。

ここで、反射型のＨＯＥは、波長選択性・角度選択性を有するため、入射角が異なると、最大回折効率を示す回折ピーク波長も異なる。この入射角と回折ピーク波長との関係は、以下のブラックの条件を満足する。すなわち、反射型のＨＯＥによる回折では、以下の２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。
（ｓｉｎθ₁−ｓｉｎθ₂）／λａ ＝ （ｓｉｎθ₃−ｓｉｎθ₄）／λｂ
（ｃｏｓθ₁−ｃｏｓθ₂）／λａ ＝ （ｃｏｓθ₃−ｃｏｓθ₄）／λｂ
ただし、
λａ（nm）：製造波長（露光波長）
θ₁ （°）：ＨＯＥに対する物体光（露光光線１）の入射角
（ＨＯＥの法線と露光光線１とのなす角度）
θ₂ （°）：ＨＯＥに対する参照光（露光光線２）の入射角
（ＨＯＥの法線と露光光線２とのなす角度）
λｂ（nm）：再生波長（使用波長、回折波長）
θ₃ （°）：ＨＯＥに対する再生光線の入射角の補角
（ＨＯＥの法線と再生入射光線３とのなす角度の補角）
θ₄ （°）：ＨＯＥからの再生光線の出射角
（ＨＯＥの法線と再生出射光線４とのなす角度）
である。

次に、反射型ＨＯＥコンバイナを用いたときのＨＯＥの波長選択性・角度選択性の影響について考える。ここでは、説明の理解をしやすくするため、図３に示すように、反射型ＨＯＥは、光路コンバイナ３から表示素子に向かう平行光線（露光光線１）と、光学瞳から光路コンバイナ３に向かう平行光線（露光光線２）との２光束によってホログラム感光材料３ａを露光することにより作製されているものとする。

表示素子からの平行な再生光線が光路コンバイナ３に入射すると、露光光線と同じ波長の再生光線は、光路コンバイナ３にて瞳方向に平行に回折反射され、映像として観察される。再生光線は瞳方向に平行に反射されるので、観察者の瞳位置が上下に多少ずれても、観察者の瞳が光学瞳中心にあるときと同じ（色の変化のない）表示像を観察できる。

しかし、画角方向においては、観察画角の端に向かうに従って、光路コンバイナ３から瞳中心に入射する光線と露光光線２との角度差がα₁、α₂と大きくなり、その光線についての回折ピーク波長の、露光光線の波長λａからのシフト量が大きくなる。すなわち、図４に示すように、瞳中心に入射する画角上端の光（記録された干渉縞からの射出角が大きくなる方向の光）の回折ピーク波長は短波長シフト、瞳中心に入射する画角下端の光（記録された干渉縞からの射出角が小さくなる方向の光）の回折ピーク波長は長波長シフトすることとなる。表示映像の観察画角が広くなればなるほど、この波長シフトの影響が大きくなる。

次に、光学瞳の大きさを考慮して、実際の観察時に同時に光学瞳（観察者の瞳）に入射する光線について検討する。図５は、光路コンバイナ３にて回折反射されて光学瞳Ｅに入射する再生光線の光路を模式的に示す説明図である。上述したように、露光時の光線と再生時の光線との角度差が大きいほど波長シフト量が大きいので、瞳上端に入射する最大角度差α₁の光線（画角下端の光線）Ｌ１と、瞳下端に入射する最大角度差α₂の光線（画角上端の光線）Ｌ３についての回折ピーク波長をそれぞれ検討することで、瞳に同時に入射する光の波長域（ＨＯＥでの回折波長域）を算出することができる（少なくとも上記２つの回折ピーク波長間の波長域の光が瞳に入射する）。

ここで、以下の条件のもとで、瞳上端に入射する最大角度差の光線Ｌ１、瞳中心に入射する画角中心の光線Ｌ２、瞳下端に入射する最大角度差の光線Ｌ３のそれぞれについての回折ピーク波長を算出した。青色光、緑色光、赤色光を回折反射するＨＯＥを、それぞれ、Ｂ−ＨＯＥ、Ｇ−ＨＯＥ、Ｒ−ＨＯＥとし、上記したブラック回折の式を用いて回折ピーク波長を計算すると、図６のようになる。

＜計算モデル条件＞
・ＨＯＥコンバイナは平面で、垂直面に対して３０度傾けて配置されている。
・ＨＯＥコンバイナの垂線に対して３０度入射の平行光と、−３０度反射の平行光とを用いてホログラム感光材料を露光し、ＨＯＥコンバイナを作製した。
・ＨＯＥコンバイナ中心と光学瞳との距離を１５ｍｍとした。
・瞳サイズ（同時に瞳に入射する瞳径）を３ｍｍとした。
・ＨＯＥの作製レーザ波長は、Ａｒ⁺ ４７６．５ｎｍ、ＹＡＧ：Ｎｄ³⁺（２倍波） ５３２ｎｍ、Ｋｒ⁺ ６４７．１ｎｍである。
・ホログラム感光材料の収縮はないものとした。
・ＨＯＥの回折半値幅は考慮しない。
・映像の観察画角を２０度とした。
・単純化のため、ＨＯＥは光学的パワーを持たないものとした。

図６より、Ｂ−ＨＯＥでの回折反射によって、４４５〜４９８ｎｍの波長域の光が瞳に入射し、Ｇ−ＨＯＥでの回折反射によって、４９７〜５５６ｎｍの波長域の光が瞳に入射し、Ｒ−ＨＯＥでの回折反射によって、６０５〜６７７ｎｍの波長域の光が瞳に入射することがわかる。つまり、これらの波長域の光が同時に瞳に入射する。

ここで、Ｂ−ＨＯＥとＧ−ＨＯＥとで、必要とする回折波長域が一部重なっている。このため、例えば波長４９７ｎｍの光は、Ｂ−ＨＯＥとＧ−ＨＯＥとの両方で回折反射され、瞳に到達してしまう。したがって、どちらか一方の映像（例えばＧの映像）を表示しようとしても、Ｇ光がＢ−ＨＯＥでも回折反射されて瞳に届くので、これがゴーストとなって現れる。

なお、ここでは、単純化のため、ＨＯＥの回折効率の半値波長幅を考慮していないので、Ｂ−ＨＯＥとＧ−ＨＯＥとにおける回折波長域の重複領域は１ｎｍであるが、実際には半値波長幅分の光が瞳に届くので、さらに必要な回折波長域の重複領域が大きくなり、よりゴーストが発生することとなる。また、表示映像の観察画角が広くなればなるほど、瞳に同時に入射する光線の最大角度差α１、α２が大きくなり、回折ピーク波長のシフト量が多くなるので、ゴーストの影響は大きくなる。なお、ＨＯＥの半値波長幅（例えば２０ｎｍ）を考慮すると、観察画角が２０度よりも狭い場合（例えば画角１６度）でも、ゴーストが発生する。

（実施例１）
次に、本発明の一実施例について、実施例１として説明する。実施例１では、ＨＯＥの作製レーザ波長を、Ａｒ⁺ ４５７．９ｎｍ、ＹＡＧ：Ｎｄ³⁺（２倍波） ５３２ｎｍ、Ｈｅ−Ｎｅ ６３３ｎｍとした以外は、比較例の計算モデル条件と同じ条件でＨＯＥを作製した。図７は、上記光線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３についてのＨＯＥ（Ｂ−ＨＯＥ、Ｇ−ＨＯＥ、Ｒ−ＨＯＥ）における回折ピーク波長を示している。

実施例１では、瞳中心に入射する画角中心の光線Ｌ２、すなわち、光路コンバイナ３の中心から光学瞳Ｅの中心に入射する光線についての回折ピーク波長は、ＲＧＢのそれぞれの波長域で存在しており、離散的に複数存在している。しかも、複数の上記回折ピーク波長の互いの全ての組み合わせにおいて、一方の回折ピーク波長をλａ（ｎｍ）とし、他方の回折ピーク波長をλｂ（ｎｍ）として、
３８０ｎｍ＜λａ＜λｂ＜７８０ｎｍ ・・・（１）
λｂ／λａ＞１．１３ ・・・（２）
を同時に満足している。つまり、図７の例では、λａ＝４５８ｎｍ、λｂ＝５３２ｎｍとした場合は、λｂ／λａ＝１．１６２となり、λａ＝５３２ｎｍ、λｂ＝６３３ｎｍとした場合は、λｂ／λａ＝１．１９０となり、λａ＝４５８ｎｍ、λｂ＝６３３ｎｍとした場合は、λｂ／λａ＝１．３８２となり、いずれも条件式（１）（２）を同時に満足している。

図５に示した、ＨＯＥの波長選択性・角度選択性が大きい面内、すなわち、光路コンバイナ３の中心における垂線と、光路コンバイナ３の中心と光学瞳Ｅの中心とを結ぶ直線とを含む面内において、光路コンバイナ３から射出されて光学瞳Ｅの中心に入射する光線の最大角度差α（観察画角）が１６度以上となるときに、離散的に存在する上記回折ピーク波長の互いの全ての組み合わせについて条件式（１）（２）を満足することにより、互いの回折ピーク波長が十分に離れ、ＨＯＥで必要とする回折波長域が異なる色間で重なるのを回避することができる。つまり、図７の例では、Ｂ−ＨＯＥで必要とする回折波長域は４２８〜４７９ｎｍであり、Ｇ−ＨＯＥで必要とする回折波長域は４９７〜５５６ｎｍであり、Ｒ−ＨＯＥで必要とする回折波長域は５９２〜６６２ｎｍであり、これらは互いに重なってはいない。したがって、比較例のように、同じ波長の光が２種類のＨＯＥで回折されて光学瞳Ｅに同時に入射するのを回避することができる。その結果、１６度以上の広い観察画角でも、ゴーストの発生しない良好なカラー映像（ＲＧＢによる高画質のフルカラー映像）を観察することが可能となる。

このとき、光路コンバイナ３を構成するＨＯＥは、平面形状であることが望ましい（図１等参照）。ＨＯＥが平面形状であれば、例えば、未露光状態のフィルム状のホログラム感光材料を基板に貼り付けて光路コンバイナ３を製造したり、あるいはホログラム記録後のＨＯＥを基板に貼り付けて光路コンバイナ３を製造することが可能となり、光路コンバイナ３の製造が容易となる。

ところで、ＨＯＥを作製するレーザの発光波長は、上記の値（４５７．９ｎｍ、５３２ｎｍ、６３３ｎｍ）に限定されるわけではない。例えば、発光波長が４４０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下のレーザと、５２５ｎｍ以上５３５ｎｍ以下のレーザと、６３０ｎｍ以上６８０ｎｍ以下のレーザとを用いることにより、条件式（１）（２）を満足するＨＯＥ（光路コンバイナ３）を実現することができる。つまり、上記各レーザを用いて、ＢＧＲの３色の光を回折させる３色ＨＯＥを実現することにより、広い観察画角でも高画質の映像を観察できる本発明の効果を得ることができる。

また、実施例１では、瞳中心に向かう再生光線のＨＯＥに対する入射角および出射角は、２つの露光光線のＨＯＥ（ホログラム感光材料）に対する各入射角と同じであるため（ＨＯＥの収縮なしと仮定しているが、実際には２％程度収縮し、その分（２％）短波長シフトする）、瞳中心に向かう再生光線についての回折ピーク波長と、レーザの露光波長とは等しい。しかし、作製できるレーザ光の波長は離散的で限られているため、必要であれば、瞳中心に向かう再生光線と露光光線との角度をずらして（露光時の参照光の入射方向を瞳中心方向からずらして）ＨＯＥを作製することで、瞳中心に向かう再生光線の回折ピーク波長を任意に設定することが可能である。このとき、以下に示すレーザ群のいずれかを選択して、ＢＧＲで組み合わせて使用することで、上記波長域のレーザを実現することができる。
Ｂのレーザ群：Ｈｅ−Ｃｄ⁺ ４４１．６ｎｍ、
Ａｒ⁺ ４５７．９ｎｍ、４７６．５ｎｍ、４８８．０ｎｍ
Ｇのレーザ群：Ａｒ⁺ ５１４．５ｎｍ、
Ｋｒ⁺ ５３０．９ｎｍ、
ＹＡＧ：Ｎｄ³⁺（２倍波） ５３２ｎｍ
Ｒのレーザ群：Ｈｅ−Ｎｅ ６３３ｎｍ
Ｋｒ⁺ ６４７．１ｎｍ、６７６．４ｎｍ

（実施例２）
次に、本発明の他の実施例について、実施例２として説明する。実施例２では、光路コンバイナ３として、ＲＧＢのいずれか２色の光を回折させる２色ＨＯＥで構成している。例えば図８（ａ）は、ＧとＲの２色の光を回折させる２色ＨＯＥの回折特性を示し、図８（ｂ）は、ＢとＲの２色の光を回折させる２色ＨＯＥの回折特性を示している。これらの２色ＨＯＥは、例えば以下の発光波長のレーザを用いてホログラム感光材料を露光することによって作製することが可能である。
ＧとＲの２色：ＹＡＧ：Ｎｄ³⁺（２倍波） ５３２ｎｍ、Ｋｒ⁺ ６４７．１ｎｍ
ＢとＲの２色：Ａｒ⁺ ４７６．５ｎｍ、Ｋｒ⁺ ６４７．１ｎｍ

「より広い観察画角に対応する」、「ＨＯＥの半値波長幅が広い（映像明るい）場合に対応する」という観点からは、互いの回折ピーク波長の差を大きくするほうが望ましい。ＢＧＲの３色ではなく、ＧとＲまたはＢとＲの２色の光を回折する２色ＨＯＥを作製することにより、互いの回折ピーク波長の差を容易に大きくすることが可能となり、例えば１．２＜λｂ／λａ＜１．５を実現することができる。したがって、２色ＨＯＥを作製することにより、より広角で映像を観察する場合でも、ＨＯＥの半値波長幅が広い場合でも、ゴースト光が瞳に入射するのを回避して、高画質のカラー映像を観察することができる。

ちなみに、上記したＧとＲの２色ＨＯＥでは、λａ＝５３２ｎｍ、λｂ＝６４７．１ｎｍとすれば、λｂ／λａ＝１．２１６となり、ＢとＲの２色ＨＯＥでは、λａ＝４７６．５ｎｍ、λｂ＝６４７．１ｎｍとすれば、λｂ／λａ＝１．３５８となり、いずれも、１．２＜λｂ／λａ＜１．５を満足している。つまり、上記のＧとＲまたはＢとＲの２色ＨＯＥでは、λｂ／λａの値が実施例１よりもさらに大きくなり（互いの回折ピーク波長の差がさらに大きくなり）、より広角で映像を観察する場合や、ＨＯＥの半値波長幅が広い場合にも容易に対応することが可能となる。

以上のことから、光路コンバイナ３は、以下の条件式（３）を満足すれば、より広角で映像を観察する場合や、ＨＯＥの半値波長幅が広い場合でも、ゴースト光が瞳に入射するのを回避して、高画質のカラー映像を観察することができると言える。すなわち、
１．２＜λｂ／λａ＜１．５ ・・・（３）
である。

ところで、２色ＨＯＥを作製するレーザの発光波長は、上記の値に限定されるわけではない。例えば、５１０ｎｍ以上５３５ｎｍ以下のレーザと６３０ｎｍ以上６８０ｎｍ以下のレーザ、または、４４０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下のレーザと６３０ｎｍ以上６８０ｎｍ以下のレーザを用いることが可能である。このような発光波長のレーザを用いてＧとＲまたはＢとＲの２色ＨＯＥを作製することにより、２色ＨＯＥを用いることによる上述の効果を得ることができる。

また、このような組み合わせのレーザを用いると、瞳中心に向かう再生光線と露光光線との角度をずらしてＨＯＥを作製する等により、以下の式を満足する２色ＨＯＥを実現することが可能となる。すなわち、
５００ｎｍ＜λａ＜５３５ｎｍ、かつ、６２０ｎｍ＜λｂ＜６８０ｎｍ、
または、
４４０ｎｍ＜λａ＜４９０ｎｍ、かつ、６２０ｎｍ＜λｂ＜６８０ｎｍ
である。

このようなＧとＲまたはＢとＲの２色ＨＯＥを実現することにより、回折ピーク波長の差を大きくできる以外にも、さらに以下の効果を得ることができる。すなわち、２色ＨＯＥを用いることにより、２色とその中間色を表現できる。つまり、フルカラーではないが、単色およびそれとは異なる色のマルチカラーの映像を観察することが可能となる。また、ＨＯＥ１層で２色を表現する場合（ＨＯＥが２色の光を回折する干渉縞を有する場合）は、ＨＯＥ１層で３色を表現する場合に比べて、各色の回折効率を高めることができ、映像を明るくすることができる。さらに、２色ＨＯＥの場合、例えば表示素子を照明する光源として、発光部が２色のものを使用できるが、光源の消費電力を同じとした場合、発光部が３色よりも２色のほうが、１色あたりの照明光の強度を高くでき、映像を明るくすることができる。同じ照明光源であれば、観察画角が広いほど観察像の面積が大きくなるため暗く観察されるので、広画角であればあるほど、少しでも映像を明るく観察可能にすることは重要である。

（実施例３）
次に、本発明のさらに他の実施例について、実施例３として説明する。図９は、光路コンバイナ３を構成するＨＯＥを作製するときの露光光線と、ＨＯＥを使用するときの再生光線の各光路を示す説明図である。実施例３では、ＨＯＥ作製時の参照光源（露光光線２の点光源）の位置を、使用時の光学瞳Ｅの中心よりもＨＯＥから遠ざけて配置し、ＨＯＥを作製している。実施例３では、参照光（露光光線２）が平行光の実施例１および２よりは、画角方向の波長ズレの程度は小さいが、依然として波長ズレが存在するため、観察画角が広くなるとゴーストが発生しやすくなる。実施例３では、以下の計算モデル条件でゴーストについて考察した。図１０は、その計算モデル条件のもとで得られる回折ピーク波長を示している。

＜計算モデル条件＞
・ＨＯＥコンバイナは、垂直面に対して３０度傾けて配置されている。
・ＨＯＥコンバイナの垂線に対して３０度入射の平行光と、コンバイナ中心において上記垂線から−３０度の方向で、かつ、コンバイナ中心から距離３０ｍｍの位置からの発散光とで、ＨＯＥコンバイナを作製した。
・ＨＯＥコンバイナ中心と光学瞳との距離を１５ｍｍとした。
・瞳サイズ（同時に瞳に入射する瞳径）を３ｍｍとした。
・ＨＯＥの作製レーザ波長は、Ａｒ⁺ ４５７．９ｎｍまたはＡｒ⁺ ４７６．５ｎｍ、ＹＡＧ：Ｎｄ３＋（２倍波） ５３２ｎｍ、Ｋｒ ６４７．１ｎｍである。
・ホログラム感光材料の収縮はないものとした。
・ＨＯＥの回折半値幅は考慮しない。
・映像の観察画角を３０度とした。

図１０において、Ａｒ⁺ ４５７．９ｎｍのレーザを用いて作製したＨＯＥを、Ｂ−ＨＯＥ（１）とし、Ａｒ⁺ ４７６．５ｎｍのレーザを用いて作製したＨＯＥを、Ｂ−ＨＯＥ（２）とする。４７６．５ｎｍ、５３２ｎｍ、６４７．１ｎｍの３色のレーザでＨＯＥを作製した場合、Ｂ−ＨＯＥ（２）とＧ−ＨＯＥの必要な回折波長域は、Ｂ−ＨＯＥ（２）では４４７〜４９２ｎｍ、Ｇ−ＨＯＥでは５００〜５５０ｎｍと非常に近接している。この計算ではＨＯＥの回折効率の半値波長幅を考慮していないが、実際には、半値波長幅を例えば２０ｎｍとすると、互いの必要な回折波長域が重なることになり、ゴーストが発生する。

そこで、回折ピーク波長４７６ｎｍのＢ−ＨＯＥ（２）の代わりに、回折ピーク波長４５８ｎｍのＢ−ＨＯＥ（１）を作製することが望ましい。この場合、Ｂ−ＨＯＥ（１）の必要な回折波長域は４３０〜４７４ｎｍとなり、Ｇ−ＨＯＥの必要な回折波長域と十分に離れるので、ゴーストの発生を確実に回避することが可能となり、高解像度の映像観察が可能となる。ちなみに、λａ＝４５８ｎｍ、λｂ＝５３２ｎｍとすると、λｂ／λａ＝１．１６となり、条件式（１）（２）を満足する。

（光路コンバイナの配置について）
次に、上述した光路コンバイナ３の配置について説明する。図１１（ａ）は、映像光の縦入れ構成、すなわち、光学瞳Ｅと対向する垂直面Ｐに対して光路コンバイナ３の下端が上端よりも光学瞳Ｅ側に近くなるように、角度φ₁だけ光路コンバイナ３を傾けて配置した状態を示している。この構成では、図示しない表示素子からの映像光は、光路コンバイナ３に対して上方向から入射し、光路コンバイナ３で瞳方向に反射される。この場合、上下方向の観察画角に対して、上述した画角方向の波長ズレが発生する。

一方、図１１（ｂ）は、映像光の横入れ構成、すなわち、光学瞳Ｅと対向する垂直面Ｐに対して光路コンバイナ３の左端が右端よりも光学瞳Ｅ側に近くなるように、角度φ₂だけ光路コンバイナ３を傾けて配置した状態を示している。この構成では、図示しない表示素子からの映像光は、光路コンバイナ３に対して右方向から入射し、光路コンバイナ３で瞳方向に反射される。この場合、左右方向の観察画角に対して、上述した画角方向の波長ズレが発生する。

上述した実施例１〜３の構成によれば、光路コンバイナ３を構成するＨＯＥの波長選択性・角度選択性が大きい面、すなわち、光路コンバイナ３の中心における垂線と、光路コンバイナ３の中心と光学瞳Ｅの中心とを結ぶ直線とを含む面と平行な方向の観察画角が広角となる場合に、ゴースト光の発生を回避して高画質のカラー映像を観察することができる。したがって、図１１（ａ）に示すように光路コンバイナ３を配置したときは、上下方向の観察画角が広角となったときに上述した本発明の効果を得ることができる。一方、図１１（ｂ）に示すように光路コンバイナ３を配置したときは、左右方向の観察画角が広角となったときに上述した本発明の効果を得ることができる。

（ＨＭＤに適用した具体例ついて）
次に、上述した映像表示装置１をＨＭＤに適用したときの具体的な構成について説明する。

図１２は、ＨＭＤに適用される映像表示装置１１の概略の構成を示す断面図である。映像表示装置１１は、観察者に外界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り、上述した映像表示装置１（図１等参照）に対応している。この映像表示装置１１は、映像表示部２１と、接眼光学系３１とを有して構成されている。映像表示部２１は、光源２２と、一方向拡散板２３と、集光レンズ２４と、ＬＣＤ２５とを有している。

光源２２は、中心波長が例えば４６５ｎｍ、５２０ｎｍ、６３５ｎｍとなる３つの波長帯域の光を発するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。光源２２のＲＧＢの各発光部は、水平方向に並んで配置されている。一方向拡散板２３は、光源２２からの照明光を拡散させるものであるが、その拡散度は方向によって異なっている。より詳細には、一方向拡散板２３は、図１２の紙面に垂直な方向（水平方向）には入射光を約４０゜拡散させ、紙面に平行な方向（上記水平方向に垂直な方向）には入射光を約０．２゜拡散させる。

集光レンズ２４は、一方向拡散板２３にて拡散された光を集光する照明光学系である。集光レンズ２４は、上記拡散光が効率よく光学瞳Ｅを形成するように配置されている。ＬＣＤ２５は、映像信号に基づいて光源２２からの光を各画素ごとに変調することにより、映像を表示する表示素子であり、例えば透過型の液晶表示素子で構成されている。ＬＣＤ２５は、上述した表示素子２（図１等参照）に対応している。

一方、接眼光学系３１は、ＬＣＤ２５からの映像光を光学瞳Ｅに導く一方、外界光を透過させて光学瞳Ｅに導くことで、光学瞳Ｅの位置にて、表示映像の虚像とともに外界をシースルーで観察させる。この接眼光学系３１は、接合プリズム（接合光学部材）で構成され、テレセントリックな光学系を構成している。具体的には、接眼光学系３１は、光学部材である接眼プリズム３２と偏向プリズム３３とを、光路コンバイナ３４を挟んで接合してなっている。

接眼プリズム３２と偏向プリズム３３とは、接着剤で接合されている。接眼プリズム３２は、平行平板の下端部を楔状にし、その上端部を厚くした形状で構成されており、ＬＣＤ２５からの映像光を内部で全反射させて導光する。この接眼プリズム３２は、面３２ａ・３２ｂ・３２ｃを有している。面３２ａは、映像表示部２１からの映像光が入射する入射面であり、面３２ｂ・３２ｃは互いに対向する面である。このうち、面３２ｂは、全反射面兼射出面となっている。

偏向プリズム３３は、平行平板の上端部を接眼プリズム３２の下端部に沿った形状とすることによって、接眼プリズム３２と一体となって略平行平板となるように構成されている。接眼プリズム３２に偏向プリズム３３を接合させない場合、外界光が接眼プリズム３２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３２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３２に偏向プリズム３３を接合させ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３２の楔状の下端部を透過するときの屈折を偏向プリズム３３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。

光路コンバイナ３４は、接眼プリズム３２内部で導光されたＬＣＤ２５からの映像光を反射させて光学瞳Ｅに導くとともに、外界光を透過させて光学瞳Ｅに導く反射光学素子であり、例えば体積位相型で反射型のＨＯＥで構成されている。光路コンバイナ３４は、上述した光路コンバイナ３（図１等参照）に対応しており、上述した条件式（１）（２）等を満足するように、各色の回折ピーク波長が設定されている。光路コンバイナ３４を構成するＨＯＥは、ＬＣＤ２５にて表示された映像を拡大する、軸非対称な正の光学パワーを有している。

光路コンバイナ３４は、接眼プリズム３２の下端部の傾斜面に貼り付けられており、この結果、接眼プリズム３２と偏向プリズム３３とで挟まれている。２つの透明部材（接眼プリズム３２、偏向プリズム３３）の間にＨＯＥを形成することにより、ＨＯＥが外気に触れることがないので、光学性能を安定に保つことが可能となる。

上記の構成において、映像表示部２１の光源２２から出射された光は、一方向拡散板２３にて拡散され、集光レンズ２４にて集光されてＬＣＤ２５に入射する。ＬＣＤ２５に入射した光は、映像信号に基づいて各画素ごとに変調され、映像光として出射される。このとき、ＬＣＤ２５には、カラー映像が表示される。

ＬＣＤ２５からの映像光は、接眼光学系３１の接眼プリズム３２の内部にその上端面（面３２ａ）から入射し、対向する２つの面３２ｂ・３２ｃで複数回全反射されて、光路コンバイナ３４に入射する。光路コンバイナ３４に入射した光はそこで回折反射され、面３２ｂを介して射出され、光学瞳Ｅに達する。したがって、光学瞳Ｅの位置では、観察者は、ＬＣＤ２５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３２、偏向プリズム３３および光路コンバイナ３４は、外界光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界を観察することができる。したがって、ＬＣＤ２５に表示された映像の虚像は、外界の一部に重なって観察されることになる。以上のことから、光路コンバイナ３４は、映像光と外界光とを同時に観察者の眼に導くコンバイナであると言える。

以上のように、接眼光学系３１は、体積位相型で反射型のＨＯＥからなる光路コンバイナ３４を含んで構成されている。体積位相型で反射型のＨＯＥは、回折効率が高く、しかも、回折効率ピークの半値波長幅が狭い。したがって、このようなＨＯＥを用い、ＬＣＤ２５からの映像光をＨＯＥにて回折反射させて光学瞳Ｅに導く構成とすることにより、明るい映像を観察させることができる。また、外界光の透過率も高くなるので、明るい外界を観察させることができる。

また、接眼プリズム３２内での全反射を用いて映像光を導光する構成なので、通常の眼鏡レンズと同程度に厚さを薄く（例えば３ｍｍ程度に）することができ、接眼プリズム３２を小型軽量にできるとともに、外界光の透過率が高くなり、外界を良好に観察することができる。また、ＬＣＤ２５を接眼光学系３１の一端部側に配置する、つまり、視野の周辺に配置することが可能となり、広い外界視野角を確保することができる。

また、ＨＯＥは、軸非対称な正の光学パワーを有しており、接眼光学系３１の少なくとも一部を構成しているので、接眼光学系３１を小型に構成しながら、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めて、装置を小型軽量にできるとともに、良好に収差補正された映像を観察することが可能となる。

また、光路コンバイナ３４は、特定入射角の特定波長の光のみを回折させる体積位相型で反射型のＨＯＥで構成されているので、ＬＣＤ２５からの映像光が、接眼プリズム３２、偏向プリズム３３および光路コンバイナ３４を透過する外界光に影響を与えることがない。それゆえ、観察者は、光路コンバイナ３４を介してＬＣＤ２５の表示映像の虚像を観察しながら、接眼プリズム３２、偏向プリズム３３および光路コンバイナ３４を介して外界を通常通りかつ明瞭に観察することができる。

次に、上記の映像表示装置１１が適用されるＨＭＤについて説明する。図１３（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ、上記ＨＭＤの概略の構成を示す平面図、正面図および側面図である。ＨＭＤは、上述した映像表示装置１１と、それを支持する支持手段１２とを有しており、全体として、一般の眼鏡から一方（例えば左眼用）のレンズを取り除いたような外観となっている。映像表示装置１１において、眼鏡の右眼用レンズに相当する部分は、接眼プリズム３２と偏向プリズム３３との貼り合わせによって構成されている。

支持手段１２は、映像表示装置１１を観察者の眼前（例えば右眼の前）で支持するものであり、ブリッジ１３と、フレーム１４と、テンプル１５と、鼻当て１６と、ケーブル１７とを有している。なお、フレーム１４、テンプル１５および鼻当て１６は、左右一対設けられているが、これらを左右で区別する場合は、右フレーム１４Ｒ、左フレーム１４Ｌ、右テンプル１５Ｒ、左テンプル１５Ｌ、右鼻当て１６Ｒ、左鼻当て１６Ｌのように表現するものとする。

映像表示装置１１の一端は、ブリッジ１３に支持されている。このブリッジ１３は、映像表示装置１１のほかにも、左フレーム１４Ｌおよび鼻当て１６を支持している。左フレーム１４Ｌは、左テンプル１５Ｌを回動可能に支持している。一方、映像表示装置１１の他端は、右フレーム１４Ｒに支持されている。右フレーム１４Ｒにおいて映像表示装置１１の支持側とは反対側端部は、右テンプル１５Ｒを回動可能に支持している。ケーブル１７は、外部信号（例えば映像信号、制御信号）や電力を映像表示装置１１に供給するための配線であり、右フレーム１４Ｒおよび右テンプル１５Ｒに沿って設けられている。

観察者がＨＭＤを使用するときは、右テンプル１５Ｒおよび左テンプル１５Ｌを観察者の右側頭部および左側頭部に接触させるとともに、鼻当て１６を観察者の鼻に当て、一般の眼鏡をかけるようにＨＭＤを観察者の頭部に装着する。この状態で映像表示装置１１にて映像を表示すると、観察者は、映像表示装置１１の映像を虚像として観察することができるとともに、この映像表示装置１１を介して外界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１１が支持手段１２で支持されているので、観察者は映像表示装置１１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、観察者の観察方向が一方向に定まるので、観察者は暗環境でも表示映像を探しやすいという利点もある。

なお、ＨＭＤは、観察者の両眼の眼前に２個の映像表示装置１１を配置した構成であってもよい。

なお、本実施形態で説明した構成を適宜組み合わせて、光路コンバイナ、映像表示装置ひいてはＨＭＤを構成することも勿論可能である。

なお、本実施形態で説明した光路コンバイナや映像表示装置は、例えばＨＵＤに適用することも可能である。

本発明は、ＨＭＤやＨＵＤに利用可能である。

本発明の映像表示装置の構成を模式的に示す説明図である。 上記映像表示装置の光路コンバイナの作製時の露光光線の光路と、使用時（再生時）の再生光線の光路とを模式的に示す説明図である。 光路コンバイナを平行な２光束を用いて作製する際の露光光線の光路と、その光路コンバイナで回折されて光学瞳の中心に入射する再生光線の光路とを模式的に示す説明図である。 上記光路コンバイナにおいて、画角に応じて回折ピーク波長がシフトする様子を示す説明図である。 上記光路コンバイナで回折反射されて、一定の大きさを持つ光学瞳に同時に入射する再生光線の光路を模式的に示す説明図である。 比較例において、光学瞳に入射する各光線についてのＨＯＥにおける回折ピーク波長を示す説明図である。 実施例１において、光学瞳に入射する各光線についてのＨＯＥにおける回折ピーク波長を示す説明図である。 （ａ）は、ＧとＲの２色の光を回折させる２色ＨＯＥの回折特性を示す説明図であり、（ｂ）は、ＢとＲの２色の光を回折させる２色ＨＯＥの回折特性を示す説明図である。 他の光路コンバイナを作製するときの露光光線の光路と、使用時の再生光線の光路とを示す説明図である。 実施例３において、光学瞳に入射する各光線についてのＨＯＥにおける回折ピーク波長を示す説明図である。 （ａ）は、映像光の縦入れ構成を示す説明図であり、（ｂ）は、映像光の横入れ構成を示す説明図である。 ＨＭＤに適用される映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ、上記ＨＭＤの概略の構成を示す平面図、正面図および側面図である。

符号の説明

１ 映像表示装置
２ 表示素子
３ 光路コンバイナ
１１ 映像表示装置
１２ 支持手段
２５ ＬＣＤ（表示素子）
３１ 接眼光学系
３２ 接眼プリズム（光学部材）
３４ 光路コンバイナ（ホログラム光学素子）
Ｅ 光学瞳

Claims (9)

1. 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ことにより、光学瞳の位置にて、表示映像の虚像と外界とを重ね合わせて観察させる、体積位相型で反射型のホログラム光学素子を有する光路コンバイナであって、
   上記光路コンバイナの中心における垂線と、上記光路コンバイナの中心と光学瞳の中心とを結ぶ直線とを含む面内において、上記光路コンバイナから射出されて光学瞳中心に入射する光線の最大角度差が１６度以上となるときに、上記光路コンバイナの中心から光学瞳の中心に入射する光線についての回折ピーク波長は離散的に複数存在し、かつ、複数の回折ピーク波長の互いの全ての組み合わせにおいて、一方の回折ピーク波長をλａとし、他方の回折ピーク波長をλｂとして、
   ３８０ｎｍ＜λａ＜λｂ＜７８０ｎｍ、かつ、λｂ／λａ＞１．１３
   を満足することを特徴とする光路コンバイナ。
2. 上記ホログラム光学素子は、平面形状であることを特徴とする請求項１に記載の光路コンバイナ。
3. １．２＜λｂ／λａ＜１．５
   を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の光路コンバイナ。
4. ５００ｎｍ＜λａ＜５３５ｎｍ、かつ、６２０ｎｍ＜λｂ＜６８０ｎｍ、
   または、
   ４４０ｎｍ＜λａ＜４９０ｎｍ、かつ、６２０ｎｍ＜λｂ＜６８０ｎｍ
   を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光路コンバイナ。
5. 上記ホログラム光学素子は、発光波長が、５１０ｎｍ以上５３５ｎｍ以下のレーザと６３０ｎｍ以上６８０ｎｍ以下のレーザ、または、４４０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下のレーザと６３０ｎｍ以上６８０ｎｍ以下のレーザを用いて作製さ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光路コンバイナ。
6. 上記ホログラム光学素子は、発光波長が、４４０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下のレーザと、５２５ｎｍ以上５３５ｎｍ以下のレーザと、６３０ｎｍ以上６８０ｎｍ以下のレーザとを用いて作製されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光路コンバイナ。
7. 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内部で全反射させる光学部材と、
   上記光学部材内部を導光された映像光を反射させて光学瞳に導く一方、外界光を透過させて光学瞳に導く光路コンバイナとを備え、
   上記光路コンバイナは、請求項１から６のいずれかに記載の光路コンバイナで構成されていることを特徴とする映像表示装置。
8. 上記光路コンバイナのホログラム光学素子は、軸非対称な正の光学パワーを有しており、上記表示素子からの映像光を光学瞳に導く接眼光学系の少なくとも一部を構成していることを特徴とする請求項７に記載の映像表示装置。
9. 請求項７または８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備え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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