JP6566025B2 - 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、表示素子にて表示された映像を虚像として観察者に観察させる映像表示装置と、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（以下、ＨＭＤとも称する）とに関するものである。

従来から、体積位相型ホログラム（ＨＯＥ；Holographic Optical Element）を用いて観察者に映像（虚像）を観察させる映像表示装置が種々提案されている。例えば、特許文献１では、表示素子から出射された映像光を、接眼プリズムの対向する２平面で全反射させた後、平面状のＨＯＥで回折反射させて観察者の瞳に導くようにしている。接眼プリズムにおいて、ＨＯＥが貼り付けられる面（貼付面）は、上記２平面に対して傾斜して設けられている。ＨＯＥにて、貼付面での正反射方向とは異なる角度で映像光を回折反射させることにより、上記２平面に対する貼付面の傾斜角度を小さくして接眼プリズムの厚さを薄くし、これによって装置の小型化を図っている。

特開２００１−２６４６８２号公報（請求項１、段落〔００２６〕〜〔００２９〕、〔００７４〕、〔００８８〕、図１、図２、図８等参照）

ところが、ＨＯＥを平らな形状のままで貼付面の傾斜角度を変更した場合、画像中心にあたる画角において、貼付面で正反射する角度に回折角度を設定した場合と比べて、表示素子からＨＯＥまでの光路長が画像（表示面）上の位置によって異なり、しかもその光路長の画像上の位置による差が、貼付面の傾斜角度が小さくなるほど増大する。ＨＯＥを用いた場合、貼付面の形状とは関係なく回折方向を決めることが可能ではあるが、上記のように、表示素子からＨＯＥまでの光路長が画像上の位置によって異なる場合、画角中心に対応する主光線近傍で像面湾曲の補正条件を満足するようにＨＯＥを設計しても、画角中心から外れた位置では理想的な状態では必ずしもなくなる。また、上記光路長が画像上の位置によって異なる場合、ＨＯＥは、表示素子からの光路長が長い側（例えば画角下端に対応）でより弱いパワーを持ち、短い側（例えば画角上端に対応）でより強いパワーを持つことになり、その結果、コマ収差が発生する。したがって、貼付面の傾斜角度を小さくして接眼プリズムを薄型化するにあたっては、画面全体にわたって像面湾曲を補正しつつ、コマ収差を低減することが望まれる。

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、接眼プリズムの薄型の構成で、画面全体にわたって像面湾曲を補正しつつ、コマ収差を低減することが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。

本発明の一側面に係る映像表示装置は、映像を表示する表示素子と、前記表示素子からの映像光を観察者の瞳に導くための接眼光学系とを有する映像表示装置であって、前記接眼光学系は、前記映像光を内部で導光する接眼プリズムと、前記接眼プリズムの内部で導光された前記映像光を回折反射する体積位相型のホログラム光学素子とを有しており、前記接眼プリズムは、互いに平行な２つの平面と、前記２つの平面を連結し、前記ホログラム光学素子が貼り付けられる貼付面とを有しており、前記映像光は、前記２つの平面で少なくとも１回ずつ全反射した後に前記ホログラム光学素子に入射し、前記貼付面は、一方向においてのみ曲率を有する形状であって、前記表示素子の法線と前記２つの平行な平面の法線とを含み、かつ、前記表示素子の表示面の中心を含む断面内で曲率を有しており、前記断面内において、前記表示面の中心および中心以外の少なくとも１点から射出された各光が、前記ホログラム光学素子にて回折反射されるときの各回折方向は、前記各光の前記貼付面での正反射の方向に対して、同じ側にゼロ以外の角度差が生じる方向である。

本発明の他の側面に係るヘッドマウントディスプレイは、上述した映像表示装置と、前記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持部材とを有している。

上記の構成によれば、接眼プリズムの貼付面を、一方向においてのみ曲率を有する形状とし、貼付面が曲率を有する断面内で、表示面の中心を含む各点から射出された各光の回折方向を、正反射方向に対して同じ側に角度差が生じるように設定することにより、接眼プリズムの薄型の構成で、画面全体にわたって像面湾曲を補正しつつ、コマ収差を低減することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。 上記映像表示装置において、映像光のＨＯＥでの回折方向と、貼付面での正反射方向との関係を示す説明図である。 光学瞳に向かう映像光を逆トレースしたときの貼付面での正反射方向を示す説明図である。 ＨＯＥを空気に置き換えたときに、映像光が貼付面を透過する様子を模式的に示す説明図である。 上記映像表示装置を備えたＨＭＤの上面図である。 上記ＨＭＤの正面図である。 上記ＨＭＤの下面図である。 上記ＨＭＤの正面側からの斜視図である。 実施例の映像表示装置における像面湾曲を示すグラフである。 比較例の映像表示装置における像面湾曲を示すグラフである。 実施例および比較例の各映像表示装置におけるコマ収差をそれぞれ示すグラフである。

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。なお、本明細書において、数値範囲をａ〜ｂと表記した場合、その数値範囲に下限ａおよび上限ｂの値は含まれるものとする。また、本発明は、以下の内容に限定されるものではない。

（映像表示装置について）
図１は、本実施形態の映像表示装置１の概略の構成を示す断面図である。映像表示装置１は、照明光学系２と、偏光板３と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４と、表示素子５と、接眼光学系６とを有している。

なお、説明の便宜上、方向を以下のように定義しておく。接眼光学系６によって形成される光学瞳Ｐの中心と表示素子５の表示面の中心とを光学的に結ぶ軸およびその軸の延長線を中心軸とする。そして、中心軸と一致する光線がＨＯＥ２３に入射するときの、入射光線と反射光線とを含む平面を、中心軸平面と呼ぶ。そして、接眼光学系６のＨＯＥ２３の中心軸平面に垂直な方向をＸ方向とする。また、各光学部材の中心軸との交点における、面法線と垂直な面内で、Ｘ方向に垂直な方向をＹ方向とする。そして、Ｘ方向およびＹ方向に垂直な方向をＺ方向とする。このような定義を用いると、例えば、表示素子５の法線と接眼光学系６の後述する２つの平行な面２１ｂ・２１ｃの法線とを含み、かつ、表示素子５の表示面の中心を含む断面は、ＹＺ断面となる。

照明光学系２は、表示素子５を照明するものであり、光源１１と、照明ミラー１２と、拡散板１３とを有している。

光源１１は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色に対応する光を出射するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。複数の発光点（ＲＧＢの各発光点）は、水平方向（Ｘ方向）に略直線状に並んでいる。光源１１から出射される光の波長は、例えば、光強度のピーク波長および光強度半値の波長幅で、４６２±１２ｎｍ（Ｂ光）、５２５±１７ｎｍ（Ｇ光）、６３５±１１ｎｍ（Ｒ光）である。なお、光源１１は、レーザ光源であってもよい。

本実施形態では、光源１１は、ＲＧＢ一体型のＬＥＤを２対備えている。そして、ＲＧＢのそれぞれについて、ＨＯＥ２３の中心軸平面に対して各発光点が対称に位置するように、各発光点が略直線状に並んでいる（例えばＢＧＲＲＧＢの順に発光点がＸ方向に並んでいる）。これにより、ＲＧＢの光強度の分布をＸ方向で対称にすることができる。

照明ミラー１２は、光源１１から出射された光（照明光）を拡散板１３に向けて反射させるとともに、Ｙ方向に関して、光学瞳Ｐと光源１１とが略共役となるように、照明光を曲げる光学素子である。

拡散板１３は、光源１１の複数の発光点が並ぶＸ方向に入射光を例えば４０°拡散し、Ｙ方向には入射光を拡散しない一方向拡散板である。拡散板１３は、偏光板３の表面に保持されている。

偏光板３は、拡散板１３を介して入射する光のうち、所定の偏光方向の光を透過させてＰＢＳ４に導く。

ＰＢＳ４は、偏光板３を透過した光を反射型の表示素子５の方向に反射させる一方、表示素子５にて反射された光のうち、画像信号オンに対応する光（偏光板３を透過した光とは偏光方向が直交する光）を透過させる平板状の偏光分離素子であり、接眼光学系６の後述する接眼プリズム２１の光入射面（面２１ａ）の近傍に設けられている。

表示素子５は、照明光学系２からの光を変調して映像を表示する表示素子であり、本実施形態では、反射型の液晶表示素子で構成されている。表示素子５はカラーフィルタを有する構成であってもよいし、光源１１のＲＧＢごとの時分割発光に同期して、発光色に対応するＲＧＢの画像が表示されるように、時分割で駆動される構成であってもよい。

表示素子５は、ＰＢＳ４からほぼ垂直に入射する光がほぼ垂直に反射されてＰＢＳ４に向かうように配置されている。これにより、反射型の表示素子に対して大きな入射角で光を入射させる構成に比べて、解像度を増大させるような光学設計が容易となる。表示素子５の表示面は長方形となっており、表示面の長手方向がＸ方向となり、短手方向がＹ方向となるように配置されている。

また、表示素子５は、照明ミラー１２からＰＢＳ４に向かう光路に対して光源１１と同じ側に配置されている。これにより、照明光学系２から表示素子５までの光学系全体をコンパクトに構成することができる。

接眼光学系６は、表示素子５からの映像光を観察者の瞳（光学瞳Ｐ）に導くための光学系であり、非軸対称（非回転対称）な正の光学パワーを有している。この接眼光学系６は、接眼プリズム２１と、偏向プリズム２２と、ＨＯＥ２３とを有している。

接眼プリズム２１は、表示素子５からＰＢＳ４を介して入射する映像光を内部で導光する一方、外界像の光（外光）を透過させるものであり、平行平板の上端部を上端に向かうほど厚くし、下端部を下端に向かうほど薄くした形状で構成されている。

接眼プリズム２１は、面２１ａ〜面２１ｄを有している。面２１ａは、表示素子５からＰＢＳ４を介して映像光が入射する光入射面である。面２１ｂ・２１ｃは、光学瞳Ｐとほぼ平行に位置し、互いに対向する２つの平行な平面であり、映像光を全反射させて導光する全反射面となっている。そのうち、光学瞳Ｐ側の面２１ｂは、ＨＯＥ２３で回折反射される映像光の出射面を兼ねている。面２１ｄは、面２１ｂ・２１ｃを連結し、ＨＯＥ２３が貼り付けられる貼付面である。面２１ｄは、面２１ｂ・２１ｃを連結しているため、面２１ｂ・２１ｃと平行とはなっていない（面２１ｂ・２１ｃに対して傾いている）。

接眼プリズム２１は、その下端部に配置されるＨＯＥ２３を挟むように偏向プリズム２２と接着剤で接合されている。本実施形態では、接眼プリズム２１を構成する面のうち、ＨＯＥ２３が貼り付けられる面２１ｄ以外で映像光が透過する面（光入射面２１ａ、面２１ｂ・２１ｄ）は、平面となっている。また、接眼プリズム２１において、ＨＯＥ２３が貼り付けられる面２１ｄは、Ｙ方向においてのみ曲率を有する曲面となっており、ＹＺ断面内でのみ曲率を有している。

偏向プリズム２２は、接眼プリズム２１とＨＯＥ２３を介して貼り合わされて略平行平板を形成している。偏向プリズム２２を接眼プリズム２１と貼り合わせることで、外光が接眼プリズム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、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、接眼プリズム２１に接して設けられ、接眼プリズム２１内部で導光された映像光を回折反射する体積位相型で反射型のホログラム光学素子である。ＨＯＥ２３は、回折効率のピーク波長および回折効率半値の波長幅で、例えば４６５±５ｎｍ（Ｂ光）、５２１±５ｎｍ（Ｇ光）、６３４±５ｎｍ（Ｒ光）の３つの波長域の光を回折（反射）させる。すなわち、ＨＯＥ２３のＲＧＢの回折波長は、ＲＧＢの映像光の波長（光源１１の発光波長）とほぼ対応している。

上記の構成において、照明光学系２の光源１１から出射された光は、照明ミラー１２で反射され、拡散板１３にてＸ方向にのみ拡散された後、所定の偏光方向の光のみが偏光板３を透過する。そして、偏光板３を透過した光は、ＰＢＳ４で反射され、表示素子５に入射する。

表示素子５では、入射光が画像信号に応じて変調される。このとき、画像信号オンに対応する映像光は、表示素子５にて入射光とは偏光方向が直交する光に変換されて出射されるため、ＰＢＳ４を透過して接眼プリズム２１の内部に面２１ａから入射する。一方、画像信号オフに対応する映像光は、表示素子５にて偏光方向が変換されずに出射されるため、ＰＢＳ４で遮断され、接眼プリズム２１の内部に入射しない。

接眼プリズム２１では、入射した映像光が接眼プリズム２１の対向する２つの面２１ｃ・２１ｂで少なくとも１回ずつ全反射された後、ＨＯＥ２３に入射し、そこで回折反射されて面２１ｂから出射され、光学瞳Ｐに達する。したがって、この光学瞳Ｐの位置では、観察者は、表示素子５に表示された映像を虚像として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、観察者は外界像をシースルーで観察することができる。したがって、表示素子５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。

（貼付面の形状およびＨＯＥの設計について）
図２は、ＹＺ断面内において、表示素子５からの映像光がＨＯＥ２３で回折反射されるときの回折方向と、上記映像光の面２１ｄでの正反射方向との関係を示している。なお、同図では、表示素子５からの映像光のうち、表示面の中心（画角中心に対応する位置）、表示面の画角上端に対応する位置、および表示面の画角下端に対応する位置からそれぞれ射出された映像光の主光線（光束の中心光線）の光路を示している。表示面の中心、表示面の画角上端に対応する位置、表示面の画角下端に対応する位置からそれぞれ射出される映像光およびその回折光を、実線Ａ１、Ａ２、Ａ３で示し、上記各映像光の面２１ｄでの正反射方向を、それぞれ破線Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３で示す。

本実施形態では、ＹＺ断面内において、表示面の中心から射出された光が、ＨＯＥ２３にて回折反射されるときの回折方向は、面２１ｄでの正反射方向に対して、ゼロ以外の角度差θ１が生じる方向である（実線Ａ１、破線Ｂ１参照）。また、表示面の中心以外の点から射出された光が、ＨＯＥ２３にて回折反射されるときの回折方向は、面２１ｄでの正反射方向に対して、ゼロ以外の角度差θ２・θ３が生じる方向である（実線Ａ２・Ａ３、破線Ｂ２・Ｂ３参照）。しかも、上記の各角度差θ１〜θ３は、それぞれの映像光の面２１ｄでの正反射方向に対して同じ側（ここではＨＯＥ２３への映像光の入射側）に生じている。言い換えれば、表示面の中心およびそれ以外の点から射出された各光のいずれについても、面２１ｄに入射する位置での正反射角（面法線に対する角度）よりも、ＨＯＥ２３に入射する位置での回折角（面法線に対する角度）のほうが小さい。そして、上記正反射角と上記回折角との差が、上記角度差θ１〜θ３となっている。なお、角度差θ１〜θ３の値は、互いに異なっている。

なお、図２にて図示されている映像光だけでなく、表示面上の全ての点から射出される映像光について、ＨＯＥ２３での回折方向は、面２１ｄでの正反射方向に対して、上記と同様にゼロ以外の角度差が生じる方向となっている。そして、上記角度差は、面２１ｄでの正反射方向に対して、他の映像光について角度差が生じる側と同じ側（ＨＯＥ２３への映像光の入射側）に生じている。

図３は、光学瞳Ｐに向かう映像光を光学瞳Ｐ側から逆トレースしたときの面２１ｄでの正反射方向を示したものである。なお、実線Ａ１〜Ａ３で示した各光を逆トレースしたときの面２１ｄでの正反射方向を、それぞれ破線Ｃ１〜Ｃ３で示す。面２１ｄは、上述したように、一方向においてのみ曲率を有する形状となっており、ＹＺ断面（中心軸平面）と平行な面内で曲率を有している。すなわち、面２１ｄとＸＺ平面と平行な任意の面との交線および面２１ｄとＸＹ平面と平行な任意の面との交線は、いずれも直線となる。光学瞳Ｐから逆トレースした各光は、基準となる光（例えば画角中心の光）に対して、画角に相当する角度差を持っているが、正反射の方向（破線Ｃ１〜Ｃ３参照）は互いに平行に近い状態となっており、面２１ｄの持つパワーの程度がわかる。

本実施形態のように、ＹＺ断面内において、表示面の中心から射出される光（画角中心の映像光）の回折方向を、正反射方向から角度差θ１だけずれる方向とし、かつ、表示面の中心以外の点から射出される光（画角中心以外の映像光）の回折方向を、正反射方向に対して、画角中心の映像光が回折される側と同じ側に角度差θ２・θ３だけずれる方向とすることにより、面２１ｄを２平面（面２１ｂ・２１ｃ）と平行に近づくように傾けて、接眼プリズム２１を薄型化することが可能となる。なお、このような接眼プリズム２１の薄型化の効果は、少なくとも、表示面の中心から射出された光と、表示面の中心以外の１点から射出された光とについて、正反射方向に対して同じ側に角度差が生じるように回折方向を設定することによって得ることができる。そして、表示面から射出される全ての光について上記角度差が生じるように回折方向を設定することにより、接眼プリズム２１の薄型化の効果を確実に得ることができる。

また、ＹＺ断面内でのみ面２１ｄに曲率を持たせ、かつ、画角中心の映像光の回折方向を正反射方向から（角度差θ１だけ）ずらしていることにより、ＨＯＥ貼付面を平面とした構成や、画角中心の映像光の回折方向と正反射方向とを一致させた構成に比べて、接眼プリズム２１を薄型化したときに、表示素子５からＨＯＥ２３までの光路長の、画像（表示面）上の位置による差が拡大するのを抑えることができる。これにより、画角中心のみならず、画角中心から外れた位置でも像面湾曲を補正できるような設計が可能となる。また、接眼プリズム２１の薄型化に伴って上記光路長の位置による差が拡大するのを抑えることができるため、ＨＯＥ２３において光路長の長い側と短い側とでパワーの差が拡大するのを抑えることができる。これにより、上記パワーの差に起因するコマ収差を低減することが可能となる。つまり、接眼プリズム２１が薄型の構成で、画面全体にわたって像面湾曲を補正しつつ、コマ収差を低減することが可能となる。

また、上述した角度差（例えばθ１〜θ３）は、面２１ｄでの正反射の方向に対して、ＨＯＥ２３への映像光の入射側に生じている。このように角度差を生じさせることにより、薄型の構成で像面湾曲とコマ収差とを補正する上述の効果を確実に得ることができる。

また、面２１ｄが例えばＸ方向およびＹ方向の２方向において曲率を持っていると、面２１ｄに、シート状のホログラム感光材料を貼り付けることが困難となり、そのシート状のホログラム感光材料を用いてＨＯＥ２３を作製することが困難となる。これに対して、本実施形態では、面２１ｄが中心軸平面に平行な断面内でのみ（Ｙ方向の一方向にのみ）曲率を有しているので、シート状のホログラム感光材料を面２１ｄに貼り付けることが容易であり、貼り付けたホログラム感光材料を露光して、ＨＯＥ２３を作製することが容易となる。

また、接眼光学系６のＨＯＥ２３は、波長選択性を有しており、所定の波長域の光しか回折反射しない。このため、表示素子５として、例えば有機ＥＬ（Electro-Luminescence）表示装置のようなブロードな発光特性を有する自発光型のものを用いると、ＨＯＥ２３にて回折反射されない映像光が生じ、光利用効率が低下する。この点、本実施形態では、表示素子５は、照明光学系２からの光を変調して映像を表示するＬＣＤのような表示素子で構成されているため、ＬＥＤやレーザ光源などの光源、つまり、半値波長幅が狭く、ＨＯＥ２３の回折波長域とほぼ一致する波長域の光を出射する光源を照明光学系２に用いて装置を構成することができる。これにより、表示素子５からの映像光をＨＯＥ２３にて効率よく回折させることができ、光利用効率の向上を図ることができる。

（露光時の全反射条件を考慮した貼付面の傾きおよび形状の設定について）
図４は、ＨＯＥ２３を空気に置き換えたときに、表示素子５からの映像光が面２１ｄを透過する様子を模式的に示している。なお、同図では、画角中心の映像光の主光線と、画角上端および画角下端に対応する映像光の主光線のみを示している。いずれの映像光の主光線についても、面２１ｄを透過する光路が存在しており、全反射条件は満たしていないことがわかる。本実施形態では、図示した光線だけでなく、ＹＺ面内の画角全域の光線について、全反射条件を満たすことがないように、面２１ｄの傾斜角度と曲率（湾曲量）とを設定している。その理由は、以下の通りである。

反射型のＨＯＥ２３を作製する際、ホログラム感光材料の両面から２光束を照射してこれらを干渉させることが必要である。このとき、２光束のいずれか一方は、映像観察時の光路において、ＨＯＥ２３を透過した延長線上から反対向きに照射する必要がある。例えば、一方の光束を光学瞳Ｐ側から接眼プリズム２１を介してホログラム感光材料に照射する場合、他方の光束を、ＨＯＥ２３に対して映像光の入射側とは反対側からホログラム感光材料に照射する必要がある。

ここで、ホログラム感光材料の一方の面を接眼プリズム２１に貼り付け、他方の面を開放した状態で（空気と接した状態で）ＨＯＥ２３を作製することを想定した場合、接眼プリズム２１の面２１ｄにおいて、映像光が全反射条件を満たしてしまうと、接眼プリズム２１とホログラム感光材料とは近い屈折率を持つように選択されているために、ホログラム感光材料の射出面においてもやはり全反射が起こり、上述の延長線（映像光がＨＯＥ２３を透過する光路）が存在しなくなる。つまり、この場合、映像光の入射側とは反対側からホログラム感光材料を露光して、ＨＯＥ２３を作製することができなくなる。

したがって、一方の光束を映像光の光路と一致させ、他方の光束を、ＨＯＥ２３に対して回折光が生じる側とは反対側の延長線上からホログラム感光材料に照射して、ＨＯＥ２３を作製することが必要となる。しかし、この場合でも、映像光が全反射条件を満たしてしまうと、映像光と光路を一致させた側の光がホログラム感光材料の射出面で全反射し、自身と干渉してホログラムを作ってしまう。このホログラムは、本来作製したいホログラムとは異なる光学特性を持ち、強いゴーストを発生させてしまう。

これに対して、ホログラム感光材料を接眼プリズム２１と他のプリズムとで両面から挟み込んだ状態でホログラム感光材料を露光すれば、上述の全反射条件を考慮することなく、ＨＯＥ２３を作製することができる。しかし、本実施形態のように、接眼プリズム２１においてＨＯＥ２３が貼り付けられる面２１ｄがＹＺ断面内で湾曲していると、ホログラム感光材料に対して接眼プリズム２１とは反対側に位置するプリズムの面も、面２１ｄに沿うように精度よく湾曲させる必要があり、上記プリズムを隙間なくホログラム感光材料に密着させることが困難となる。なお、エマルジョンオイルを介して上記プリズムをホログラム感光材料に密着させる手法もあるが、ＨＯＥ２３の作製後にエマルジョンオイルをきれいに拭き取る必要があり、手間がかかるため、望ましくはない。

したがって、ＨＯＥ２３を空気に置き換えたときに、表示素子５からの映像光が、接眼プリズム２１の面２１ｄにおいて全反射せずに空気側に透過するように、面２１ｄの傾斜角度と曲率とを設定することにより、ＨＯＥ２３の作製時に、ホログラム感光材料の片側（接眼プリズム２１とは反対側）を空気にした状態で、つまり、他のプリズムをホログラム感光材料に密着させることなく、かつ、ゴーストとなるホログラムを生じさせることなく、ＨＯＥ２３を作製することができ、ＨＯＥ２３の作製が容易となる。また、他のプリズムを用いなくて済むので、他のプリズムをホログラム感光材料に密着配置するためのエマルジョンオイルも不要となり、その拭き取り工程も勿論不要となる。

なお、本実施形態では、ＨＯＥ２３を空気に置き換えたときに、表示素子５からの映像光の全てが、接眼プリズム２１の面２１ｄにおいて全反射せずに空気側に透過する構成となっているが、少なくとも、ＨＯＥ２３の有効領域、つまり、映像光を光学瞳Ｐの方向に回折させる領域において、映像光が全反射せずに透過する構成であればよい。このことから、ＨＯＥ２３を空気に置き換えたときに、表示素子５からの映像光の少なくとも一部が面２１ｄにおいて全反射せずに空気側に透過する構成であれば、上述の効果を得ることができると言える。

なお、ホログラム感光材料の片側の空気中に、映像光の色補正のための光学部材（例えば色補正プリズム）をホログラム感光材料とは非接触で配置し、上記光学部材を介してホログラム感光材料を露光してもよい。

（ＨＭＤについて）
次に、本実施形態の映像表示装置の応用例であるＨＭＤについて説明する。図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃは、本実施形態のＨＭＤ４０の上面図、正面図、下面図であり、図６は、ＨＭＤ４０の正面側からの斜視図である。ＨＭＤ４０は、上述した映像表示装置１と、フレーム４２と、レンズ４３と、鼻当て４４と、位置調整機構４５とを有している。

映像表示装置１は、筐体１ａ内に、上述した照明光学系２、偏光板３、ＰＢＳ４および表示素子５を有しており、接眼光学系６の上端部も筐体１ａ内に位置している。接眼光学系６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、右眼用レンズ４３Ｒの前方（観察者とは反対側の外界側）に位置している。筐体１ａ内の光源１１および表示素子５は、筐体１ａを貫通して設けられるケーブル（図示せず）を介して、図示しない回路基板と接続されており、回路基板から光源１１および表示素子５に駆動電力や映像信号が供給される。

なお、映像表示装置１は、静止画や動画を撮影する撮像装置、マイク、スピーカー、イヤホンなどをさらに備え、外部のサーバーや端末とインターネット等の通信回線を介して、撮像画像および表示画像の情報や音声情報をやりとり（送受信）する構成であってもよい。

フレーム４２は、観察者の頭部に装着され、映像表示装置１を観察者の眼前で支持する支持部材である。このフレーム４２は、観察者の左右の側頭部に当接するテンプルを含んでいる。

レンズ４３は、観察者の右眼および左眼の眼前に配置される右眼用レンズ４３Ｒおよび左眼用レンズ４３Ｌを含んでいる。右眼用レンズ４３Ｒおよび左眼用レンズ４３Ｌは、右連結部４６Ｒおよび左連結部４６Ｌを介して、位置調整機構４５と連結されている。右眼用レンズ４３Ｒおよび左眼用レンズ４３Ｌは、視力矯正用のレンズであってもよいし、視力矯正を行わない単なるダミーレンズであってもよい。

鼻当て４４は、観察者の鼻と当接する右鼻当て４４Ｒおよび左鼻当て４４Ｌを含んでいる。右鼻当て４４Ｒおよび左鼻当て４４Ｌは、右連結部４７Ｒおよび左連結部４７Ｌを介して、位置調整機構４５と連結されている。

位置調整機構４５は、フレーム４２に対して鼻当て４４を観察者の眼幅方向に垂直な上下方向に相対的に移動させることにより、フレーム４２で支持された映像表示装置１の上下方向の位置を調整する機構である。なお、位置調整機構４５を設けることなく、レンズ４３および鼻当て４４をフレーム４２に直接固定した構成としてもよい。

ＨＭＤ４０を観察者の頭部に装着し、表示素子５に映像を表示すると、その映像光が接眼光学系６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６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が支持部材としてのフレーム４２で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、図５Ａ等では、映像表示装置１の接眼光学系６と、レンズ４３とを別体で構成しているが、接眼光学系６をレンズ４３と一体化した構成とすることも可能である。また、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。

（実施例）
以下、図１で示した映像表示装置１の数値実施例について、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。

表１に、実施例の映像表示装置１のコンストラクションデータ等を示す。表１に示す面データ中、Ｓｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）は、光源１１から光学瞳Ｐに至る光路中で、光学瞳Ｐ側から数えてｉ番目の面を示しており、面データは面Ｓｉの配置データを示している。

実施例では、Ｓ１は接眼プリズム２１の映像光出射面、Ｓ２は接眼プリズム２１の面２１ｄ（ＨＯＥ貼付面）、Ｓ３は面２１ｂ（全反射面（Ｓ１と同一平面））、Ｓ４は面２１ｃ（全反射面）、Ｓ５は面２１ａ（接眼プリズム２１への映像光の入射面）、Ｓ６はＰＢＳ４の出射面、Ｓ７はＰＢＳ４の入射面、Ｓ８は表示素子５のカバーガラス表面、Ｓ９は表示素子５の液晶面、Ｓ１０は表示素子５のカバーガラス表面、Ｓ１１はＰＢＳ４の反射面、Ｓ１２は偏光板３の出射面、Ｓ１３は偏光板３と拡散板１３との境界面、Ｓ１４は拡散板１３の入射面、Ｓ１５は照明ミラー１２の反射面、Ｓ１６は光源１１のＬＥＤ発光面、である。

各面Ｓｉの配置は、面データ中の基準点座標（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の基準点座標は、その基準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）で表されており（単位：ｍｍ）、その基準点を中心とするＸ軸回りの回転角度ＡＤＥで面Ｓｉの傾きが表されている（単位：°；Ｘ軸の正方向に対して反時計回りがＸ回転の回転角度の正方向である。）。ただし、座標系はすべて右手系で定義されており、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）は出射面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。したがって、Ｘ方向，Ｙ方向は、面Ｓｉの基準点を原点とし、かつ、基準点での法線をＺ軸とする直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）における座標軸方向である。図１において、Ｘ方向は紙面に垂直方向（画角の左右方向）、Ｙ方向は紙面の上下方向（画角の上下方向）である。

ＨＯＥの基準波長、つまりＨＯＥを作製する際の製造波長（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の回折構造を有する面Ｓｉ（ＨＯＥ面）は、その基準点を原点とするローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を用いた以下の式（ＤＳ）で定義される。式（ＤＳ）に示すように、位相関数φはＨＯＥの位置（Ｘ，Ｙ）による生成多項式（二元多項式）であり、表２に示す回折面データは、その位相係数Ａ（ｊ，ｋ）をＸの次数とＹの次数とに対応させて示している（１行目：Ｘの次数、１列目：Ｙの次数）。なお、回折面データにおいて表記の無い項の係数は０であり、すべてのデータに関してＥ−ｎ＝×１０^-nである。
φ＝ΣΣ｛Ａ（ｊ，ｋ）・Ｘ^j・Ｙ^k｝ ・・・（ＤＳ）
ただし、
φ：位相関数、
Ａ（ｊ，ｋ）：Ｘのｊ次、Ｙのｋ次の位相係数（ＨＯＥ係数）、
である。

表３および表４に示す自由曲面データに関し、自由曲面（ＸＹ多項式面）からなる面Ｓｉは、その基準点を原点とするローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を用いた以下の式（ＦＳ）で定義される（球面項を示す部分は存在していない。）。表３および表４に示す自由曲面データは、その自由曲面係数Ｂ（ｊ，ｋ）をＸの次数とＹの次数とに対応させて示している（１行目：Ｘの次数、１列目：Ｙの次数）。なお、自由曲面データにおいて表記の無い項の係数は０であり、すべてのデータに関してＥ−ｎ＝×１０^-nである。
Ｚ＝ΣΣ｛Ｂ（ｊ，ｋ）・Ｘ^j・Ｙ^k｝ ・・・（ＦＳ）
ただし、
Ｚ：座標（Ｘ，Ｙ）の位置でのＺ方向（中心軸方向）のサグ量（ｍｍ）、
Ｂ（ｊ，ｋ）：Ｘのｊ次、Ｙのｋ次の多項式自由曲面係数、
である。

実施例との比較のため、ＨＯＥ２３が貼り付けられる面２１ｄ（ＨＯＥ貼付面）について、傾斜はそのままで（実施例と同じとし）、湾曲（曲率）だけをゼロとしたものを比較例とした。図７は、実施例の映像表示装置における像面湾曲を示し、図８は、比較例の映像表示装置における像面湾曲を示している。図７および図８において、縦軸がデフォーカス量（ディオプター）であり、横軸が画角（°）である。また、図９は、実施例および比較例の各映像表示装置におけるコマ収差をそれぞれ示している。図９において、縦軸が横収差量（μｍ）であり、横軸が上下方向の画角（°）である。

実施例のようにＨＯＥ貼付面を湾曲させても、比較例のようにＨＯＥ貼付面を湾曲させなくても、像面湾曲については同程度まで補正できているが、コマ収差については、実施例のほうが低減されており、ＨＯＥ貼付面を湾曲させたことによる効果が顕著に現れていることがわかる。

以上で説明した本実施形態の映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイは、以下の構成であってもよいと言える。

本実施形態の映像表示装置は、映像を表示する表示素子と、前記表示素子からの映像光を観察者の瞳に導くための接眼光学系とを有する映像表示装置であって、前記接眼光学系は、前記映像光を内部で導光する接眼プリズムと、前記接眼プリズムの内部で導光された前記映像光を回折反射する体積位相型のホログラム光学素子とを有しており、前記接眼プリズムは、互いに平行な２つの平面と、前記２つの平面を連結し、前記ホログラム光学素子が貼り付けられる貼付面とを有しており、前記映像光は、前記２つの平面で少なくとも１回ずつ全反射した後に前記ホログラム光学素子に入射し、前記貼付面は、一方向においてのみ曲率を有する形状であって、前記表示素子の法線と前記２つの平行な平面の法線とを含み、かつ、前記表示素子の表示面の中心を含む断面内で曲率を有しており、前記断面内において、前記表示面の中心および中心以外の少なくとも１点から射出された各光が、前記ホログラム光学素子にて回折反射されるときの各回折方向は、前記各光の前記貼付面での正反射の方向に対して、同じ側にゼロ以外の角度差が生じる方向である。

前記断面内で前記各光について生じる前記各角度差は、前記各光の前記貼付面での正反射の方向に対して、前記各光の前記ホログラム光学素子への入射側にそれぞれ生じてもよい。

前記表示素子は、照明光学系からの光を変調して映像を表示してもよい。

前記ホログラム光学素子を空気に置き換えたとき、前記表示素子からの映像光が、前記接眼プリズムの前記貼付面において全反射せずに、その少なくとも一部が前記空気側に透過することが望ましい。

本実施形態のヘッドマウントディスプレイは、上述した映像表示装置と、前記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持部材とを有している。

本発明の映像表示装置は、例えばＨＭＤに利用可能である。

１ 映像表示装置
２ 照明光学系
５ 表示素子
６ 接眼光学系
２１ 接眼プリズム
２１ｂ 面
２１ｃ 面
２１ｄ 面（貼付面）
２３ ＨＯＥ（ホログラム光学素子）
４０ ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）
４２ フレーム（支持部材）

Claims (5)

1. 映像を表示する表示素子と、
   前記表示素子からの映像光を観察者の瞳に導くための接眼光学系とを有する映像表示装置であって、
   前記接眼光学系は、
   前記映像光を内部で導光する接眼プリズムと、
   前記接眼プリズムの内部で導光された前記映像光を回折反射する体積位相型のホログラム光学素子とを有しており、
   前記接眼プリズムは、
   互いに平行な２つの平面と、
   前記２つの平面を連結し、前記ホログラム光学素子が貼り付けられる貼付面とを有しており、
   前記映像光は、前記２つの平面で少なくとも１回ずつ全反射した後に前記ホログラム光学素子に入射し、
   前記貼付面は、一方向においてのみ曲率を有する形状であって、前記表示素子の法線と前記２つの平行な平面の法線とを含み、かつ、前記表示素子の表示面の中心を含む断面内で曲率を有しており、
   前記断面内において、
   前記表示面の中心および中心以外の少なくとも１点から射出された各光が、前記ホログラム光学素子にて回折反射されるときの各回折方向は、前記各光の前記貼付面での正反射の方向に対して、同じ側にゼロ以外の角度差が生じる方向である、映像表示装置。
2. 前記断面内で前記各光について生じる前記各角度差は、前記各光の前記貼付面での正反射の方向に対して、前記各光の前記ホログラム光学素子への入射側にそれぞれ生じる、請求項１に記載の映像表示装置。
3. 前記表示素子は、照明光学系からの光を変調して映像を表示する、請求項１または２に記載の映像表示装置。
4. 前記ホログラム光学素子を空気に置き換えたとき、
   前記表示素子からの映像光が、前記接眼プリズムの前記貼付面において全反射せずに、その少なくとも一部が前記空気側に透過する、請求項１から３のいずれかに記載の映像表示装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の映像表示装置と、
   前記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持部材とを有している、ヘッドマウントディスプレイ。

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