JPWO2006001254A1 - イメージコンバイナ及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ＰＢＳの使用により光量損失を抑えながら、広画角の確保と基板の薄化との双方を図ることの容易なイメージコンバイナ及び画像表示装置を提供することを目的とする。本発明のイメージコンバイナ（１，１’）は、可視光に対し透明な基板（１）と、前記基板内に形成され、画像表示素子からその基板内に導入された表示光束を反射してその基板外の所定領域に入射させる偏光ビームスプリッタ（６）とを備え、前記画像表示素子の表示面の中心から射出した前記表示光束の主光線が前記基板の表面から前記領域の中心に向けて射出するときの射出角度θ0は、３°≦θ0の式を満たすことを特徴とする。

Description

本発明は、観察者の前方からの光束（外界光束）による像と、所定の画像表示素子からの光束（表示光束）による像との双方を、観察者に対し重畳して呈示するイメージコンバイナ及びこれを用いた画像表示装置に関する。

近年、観察者が外界の様子を観察しながら画像表示素子の画像を観察することのできる、所謂シースルー型の頭部装着式画像表示装置が実用化された（特許文献１など）。
特許文献１に記載の画像表示装置は、画像表示素子からの表示光束を偏光させ、その表示光束を反射するコンバイナとして偏光ビームスプリッタ（以下、「ＰＢＳ」という。）を用いるので、光量損失が少ない。この利点を得るために、この画像表示装置のＰＢＳの姿勢は、光路に対し４５°傾斜している。よって、ＰＢＳの姿勢は、基板の表面に対しても４５°傾斜している。
米国特許５８８６８２２号明細書

しかし、このような構成の画像表示装置が広画角の確保と基板の薄化の両方を図ることは難しい。
なぜなら、広画角を確保するためには、観察眼から見たＰＢＳの面積を大きく確保しなければならず、そのためには基板を厚くせざるを得ないからである。
例えば、画像表示装置の対角のＦＯＶ（視野角）を１５．６°だけ確保しようとすると、基板の厚さｄは、５．５ｍｍと厚くなる。

そこで本発明は、ＰＢＳの使用により光量損失を抑えながら、広画角の確保と基板の薄化との双方を図ることの容易なイメージコンバイナ及び画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明をする当たり、本発明者は、以下の２点を検討した。
（光量損失について）
ＰＢＳ、つまり光学薄膜からなる偏光分離膜は、ガラスの反射面で生じる入射光のＰ偏光成分とＳ偏光成分の反射率の差を拡大させる作用がある。特に、入射光の入射角度がブリュースター角に一致したときにＰ偏光成分に対する反射率はゼロになるので、そのときのＳ偏光成分に対する反射率を光学薄膜の設計により向上させれば、消光比が高まる。つまり、光量損失を抑えるには、入射角度がブリュースター角に近いほど有利である。

（基板の厚さについて）
イメージコンバイナの基板の薄化のためには、ＰＢＳと基板との角度を４５°よりも小さく、しかもなるべく小さいことが望ましい。
そこで本発明者は、観察眼の視線を傾斜させて、基板の法線に対して角度をつけることを考えた。

本発明のイメージコンバイナは、可視光に対し透明な基板と、前記基板内に形成され、画像表示素子からその基板内に導入された表示光束を反射してその基板外の所定領域に入射させる偏光ビームスプリッタとを備え、前記画像表示素子の表示面の中心から射出した前記表示光束の主光線が前記基板の表面から前記所定領域の中心に向けて射出するときの射出角度θ₀は、３°≦θ₀の式を満たすことを特徴とする。

なお、前記偏光ビームスプリッタの前記基板の表面に対する配置角度θ₂は、３０°＜θ₂＜４２°の式を満たしてもよい。さらに、前記角度θ₂は、３５°＜θ₂＜４２°の式を満たしてもよい。
また、前記基板には、前記基板内を少なくとも１回全反射して伝搬する前記表示光束を反射し、その表示光束を前記偏光ビームスプリッタに入射させる反射部材が設けられ、前記反射部材は、前記角度θ₀及び前記角度θ₂が前記式を満たせるように設計されていてもよい。

なお、前記反射部材は、凹面鏡であってもよい。また、前記反射部材及び前記偏光ビームスプリッタの少なくとも一方は、前記表示光束の波長を選択波長とした反射波長選択性を有していてもよい。また、前記反射部材は、凹面に形成された反射型ホログラフィック光学素子であってもよい。さらに、前記反射型ホログラフィック光学素子は、光学的パワーを持たない素子であってもよい。

また、本発明の画像表示装置は、表示光束を出射する画像表示素子と、本発明の何れかのイメージコンバイナとを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ＰＢＳの使用により光量損失を抑えながら、広画角の確保と基板の薄化との双方を図ることの容易なイメージコンバイナ及び画像表示装置が実現する。

第１実施形態の画像表示装置の全体を示す斜視図である。 第１実施形態の画像表示装置の光路図（ＹＺ平面で切断した断面図）である。 （ａ）は、観察眼の視線と透明基板１との関係を示す図（ＹＺ平面で切断した断面図）である。（ｂ）は、θ₀，θ₂と画角、及び光量損失の程度を説明する図である。 第１実施形態の第１設計例の横収差図である。 ＬＥＤの発光特性である。 第１実施形態の第１設計例のＰＢＳ６の波長特性である。 第１実施形態の第１設計例において観察される表示面の明るさ分布である。 （ａ）は、第１実施形態の変形例の全体を示す斜視図であり、（ｂ）は、観察眼の視線と透明基板１との関係を示す図（ＹＺ平面で切断した断面図）である。 （ａ）は、第１実施形態の別の変形例の全体を示す断面図（ＹＺ平面で切断した断面図）であり、（ｂ）は、観察眼の視線と透明基板１との関係を示す図（ＹＺ平面で切断した断面図）である。 第１実施形態の第２設計例のＰＢＳ６の波長特性である。 第１実施形態の第２設計例において観察される表示面の明るさ分布である。 第２実施形態の画像表示装置の光路図（ＹＺ平面で切断した断面図）である。 第２実施形態の第１設計例の横収差図である。 第２実施形態の第１設計例のＰＢＳ６の波長特性である。 第２実施形態の第１設計例において観察される表示面の明るさ分布である。 第２実施形態の第２設計例のＰＢＳ６の波長特性である。 第２実施形態の第２設計例において観察される表示面の明るさ分布である。 第１実施形態の第１設計例における各面の形状及び媒質の屈折率を示す図である。 第１実施形態の第１設計例における各面の座標及び姿勢を示す図である。 第２実施形態の第１設計例における各面の形状及び媒質の屈折率を示す図である。 第２実施形態の第１設計例における各面の座標及び姿勢を示す図である。

［第１実施形態］
以下、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、図９、図１０、図１１、図１８、図１９に基づき本発明の第１実施形態を説明する。
本実施形態は、本発明の画像表示装置の実施形態である。
先ず、画像表示装置の構成を説明する。

画像表示装置は、図１に示すように、可視光に対し透明な透明基板１と、表示ユニット１’とを備える。透明基板１及び表示ユニット１’は支持部材１”によって支持され、観察者の頭部に装着される。
支持部材１”は、例えば、眼鏡のフレームと同様の構成をしており、図１に示すようにテンプル、リム、ブリッジなどからなる。

この画像表示装置が観察者の頭部に装着されると、透明基板１は、観察眼（ここでは、観察者の左眼とする。）の正面に位置する。また、表示ユニット１’は、観察眼の視界を妨げない箇所（ここでは、観察者の額の観察眼側の正面とする。）に位置する。
本実施形態では、この状態で観察眼が正面の遠方を目視しているときの視軸（視線）の方向を＋Ｚ方向とし、観察者の左方を＋Ｘ方向とし、観察者の上方を＋Ｙ方向とした右手系のＸＹＺ直交座標で画像表示装置を表現する（図２、図３も同様。）。また、場合によって、観察者から見た方向（右、左、上、下など）で画像表示装置を表現する。

図２に示すように、表示ユニット１’には、光源３、照明系４、モノクロ又はカラーの画像表示素子２、波長板１０、レンズ１１が配置される。表示ユニット１’内のレンズ１１と透明基板１とが画像表示装置のイメージコンバイナとしての役割を果たす。
表示ユニット１’の光源３、照明系４、及び画像表示素子２としては、ＬＥＤ、放物面鏡、及びＬＣＤなどがそれぞれ用いられる。ＬＣＤとしては、透過型ＬＣＤや反射型ＬＣＤなどが適用可能である（図２では透過型ＬＣＤ）。また、画像表示素子２として自発光型のものを用いて光源３及び照明系４を省略することもできる。

透明基板１は、ガラスやプラスチックなどの光学材料からなる平行平板を原型としている。透明基板１の姿勢は、観察者側の面５ａと外界側の面５ｂとの法線がＺ軸と平行となる姿勢である。
透明基板１の内部には、ＰＢＳ６、１／４波長板７、凹面ミラー８が設けられている。
ＰＢＳ６の形成箇所は、観察眼に対向する位置の付近であり、その姿勢は、観察者の上方手前から下方奥へ向かって傾斜した姿勢である。

凹面ミラー８の形成箇所は、ＰＢＳ６よりも観察者から見て下方であり、その姿勢は、ＰＢＳ６の側に反射面を向けた姿勢である。１／４波長板７の形成箇所は、凹面ミラー８の反射面側である。
因みに、ＰＢＳ６の設けられた透明基板１の製造方法は、例えば次のとおりである。すなわち、透明基板１と同じ材料からなる小片の表面にＰＢＳ６を形成し、その小片を透明基板１を形成する型枠の中に配置し、透明基板１の材料を溶かした状態でその型枠の中に流し込み、固める。

次に、画像表示装置における光線の振る舞いを説明する。
画像表示素子２の表示面の各点から射出した各画角の表示光束は、波長板１０にて偏光方向をＰ偏光に変換され、レンズ１１を介して観察者からみて上端部の面５ｃから透明基板１の内部に導入される。
この表示光束は、透明基板１の面５ｂの領域Ｒ１に対し臨界角より大きい入射角で入射し、その領域Ｒ１にて全反射された後、ＰＢＳ６に入射する。

このとき、表示光束は、Ｐ偏光しているので、ＰＢＳ６を透過する。そして１／４波長板７を介して凹面ミラー８で反射され集光作用を受けて１／４波長板７を介してＰＢＳ６に再入射する。再入射した表示光束はＳ偏光に変換されているので、ＰＢＳ６を反射する。
ＰＢＳ６を反射した表示光束は、透明基板１の面５ａの領域Ｒ２から透明基板１の外部に射出し、観察眼の瞳近傍の領域Ｐに入射する。

各画角の表示光束は、透明基板１よりも外界側の所定距離（領域Ｐから１ｍ程度の距離）の位置に画像表示素子２の表示面の虚像を形成するような角度でそれぞれ領域Ｐに入射する。この領域Ｐが、画像表示装置の射出瞳である。射出瞳Ｐに観察眼の瞳が合わせられたときに、観察眼が表示面の虚像を観察することができる。
なお、本明細書では、画像表示装置の光軸を、表示面の中心Ａ０から射出した表示光束の主光線の経路と定義する。よって、この画像表示素子の光軸は、１本の直線ではなく折線となる。

次に、光源（ＬＥＤ）３、ＰＢＳ６の特性を説明する。
光源（ＬＥＤ）３の発光特性（波長−発光輝度の特性）は、画像表示素子２がモノクロの画像表示素子であるとき、特定の単一波長にピークを有する。画像表示素子２がカラー画像表示素子であるとき、特定の複数の波長（Ｒ色、Ｇ色、Ｂ色それぞれの波長）にピークを有する。よって、表示光束は、単一又は複数の離散的な特定の波長成分を持つ。

一方、ＰＢＳ６の反射特性（波長−反射率の特性）は、表示光束の持つ特定の波長成分にピークを有する（つまり、特定の波長成分を選択波長とした反射波長選択性を示す。）。
次に、本画像表示装置の特徴及び効果を説明する。
図３（ａ）に示すように、透明基板１から射出瞳Ｐに至る光軸が透明基板１の面５ａの法線と成す角度（射出角度）θ₀は、条件式（１）を満たす。

３°≦θ₀ ・・・（１）
この条件式（１）によれば、透明基板１の姿勢を前述のとおり設定した場合（面５ａ，５ｂの法線がＺ軸と平行である場合）に、観察眼が表示面の虚像を観察するための視線方向は、Ｚ方向からずれる。本実施形態では、図３（ａ）に示すように、表示面の虚像を観察するための視線方向が観察者にとっての「上向き方向」ではなく、「うつむき方向」となるよう角度θ₀を設定した。

この条件式（１）を満たせば、下記の条件式（２），（３）を確実に満たすことができる。
条件式（２）は、次のとおりである。
３０°＜θ₂＜４２° ・・・（２）
但し、θ₂は、ＰＢＳ６の面５ａ（又は面５ｂ）に対する配置角度である。

この条件式（２）によれば、光量損失を抑えると共に、透明基板１の厚さが同じであったとしても従来より広画角の像を瞳に投影することが可能になる。
その理由を図を用いて説明する。
図３（ｂ）は、θ₀，θ₂と画角、及び光量損失の程度を説明する図である。観察者の瞳位置は空気中の点Ｐであるが、ここでは簡単のため、透明基板１と同じ屈折率の媒質中にあるとみなす。このときの瞳位置をＰ’、透明基板１と瞳との距離をｌ’，透明基板１の法線と視線との角度をθ₀’視線に垂直に換算した透明基板１の厚さをｄ’とする。このとき、厚さｄ’は、
ｄ’＝ｄ／ｃｏｓ［ａｒｃｔａｎ｛１／（２×ｔａｎθ₂）｝］×ｓｉｎ［９０°＋θ₀’−ａｒｃｔａｎ｛１／（２×ｔａｎθ₂）｝］
で与えられる。

そして、媒質中の半画角θ₃’は、
θ₃’＝ａｒｃｔａｎ｛１／２×（ｄ’／ｔａｎθ₁）／（ｄ’＋ｌ’）｝
で与えられる。但し、θ₁は、ＰＢＳ６の入射側及び反射側の光軸がＰＢＳ６の法線と成す角度である。
ここで、透明基板１を薄型計量のために眼鏡基板と同程度とし、ｄ＝３．５ｍｍ程度、空気中の透明基板１と瞳との距離ｌ＝１３ｍｍ、媒質の屈折率を１．６として、ｌ’＝２０．８ｍｍとして上式を計算する。

下限値はＰＢＳ６の性能の限界で決まる。θ₀が条件式（１）の下限３°をとり、θ₂が条件式（２）の下限３０°をとるとき、θ₁＝３１．９°となり、媒質中の半画角θ₃’＝６．８°が得られる。
θ₁＝３１．９°のときのＰＢＳ６の性能は、ｐ偏光成分の透過率Ｔｐ＞９０％、ｓ偏光成分の透過率Ｔｓ＜６０％程度であるので、光量損失は小さく抑えられる。

より好ましくは、θ₂の下限を３５°とする。この場合はθ₁＝３６．９°となり、媒質中の半画角θ₃’＝５．６°が得られる。
θ₁＝３６．９°のときのＰＢＳ６の性能は、ｐ偏光成分の透過率Ｔｐ＞９０％、ｓ偏光成分の透過率Ｔｓ＜５０％程度であるので、光量損失はさらに小さく抑えられる。
上限値は画角の値で決まる。θ₀が５°、θ₂が条件式（２）の上限４２°をとるとき、θ₁は４５．１°となってＰＢＳ６の性能は上がるが、媒質中の半画角θ₃’は４．２°が限界となる。これ以上画角を小さくすると観察しにくくなるため好ましくない。

以上の考察より、角度θ₂が条件式（３）を満たすと、光量損失がより小さく抑えられる。
３５°＜θ₂＜４２° ・・・（３）
すなわち、本画像表示装置は、条件式（１）により、観察眼が表示面の虚像を観察するための視線方向を、意図的に下向きに３°以上傾斜させた。それによって、広画角の像の投影と透明基板１の薄化を可能とする条件式（２），（３）を満たすことが可能になった。つまり、光量の損失を抑えつつ、広画角の確保と基板の薄化との双方が実現している。

また、条件式（１）により視線方向が３°以上下向きに傾斜するので、外界を見るときと表示面を見るときの視線方向は、観察者が意識できる程度にずれる。よって、観察者は、視線を変化させるだけで、観察対象を外界と表示面との間で自在にスイッチングすることができる。
また、ここでは、スイッチングするための視線の変化の方向が「正面−下方」の方向なので、観察者の眼の疲労は少ない。

（第１実施形態のイメージコンバイナの第１設計例）
次に、本実施形態のイメージコンバイナの第１設計例を説明する。
なお、設計に際し、設計プログラムとして、当該技術分野において著名な米国のOptical Research Associates製のcode V（商品名）を用いた。また、画像表示素子２としてカラー画像表示素子、光源３としてＬＥＤを用いることを想定した（後述する設計例も同様）。

本設計例の光路図は、図２に示したとおりである。
本設計例の仕様は、以下のとおりである。
射出瞳Ｐの径：３ｍｍ，
Ｙ方向の視野角度：０°〜−９°，
Ｘ方向の視野角度：＋６°〜−６°，
Ｙ方向の表示面サイズ：３．６ｍｍ，
Ｘ方向の表示面サイズ：４．８ｍｍ，
透明基板１の厚さｄ：３．６ｍｍ，
使用波長：約４３０ｎｍ〜約６４０ｎｍ，
透明基板１のｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対する屈折率ｎｄ：１．５８３，
透明基板１のｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するアッベ数νｄ：２９．９
本設計例の光線追跡のための諸量は、図１８、図１９のとおりである。なお、図１８、図１９において光学面の順序（面番号の順序）は、射出瞳Ｐから画像表示素子２への順である（後述する図２０も同様。）。また、図１８中の括弧内の符号は、図２において各光学面に対応する要素に付した符号である。

本設計例における各光学面の位置と姿勢は、図１９のとおりである。なお、図１９において各位置は、ＸＹＺ直交座標系の原点を第１面（面番号＝１，図２の符号Ｐ）の中心においたときの絶対位置座標、各姿勢は、Ｘ軸周りの回転量（反時計回りを正とした。）で示した。
本設計例のイメージコンバイナの横収差図は、図４のとおりである。図４においてＸ−ＦＡＮは、Ｘ方向の横収差、Ｙ−ＦＡＮは、Ｙ方向の横収差である。図４の上から順に、画角（Ｘ，Ｙ）＝（６．００°，−９．００°）における横収差、画角（Ｘ，Ｙ）＝（３．００°，−６．２５°）における横収差、画角（Ｘ，Ｙ）＝（０．００°，−４．５０°）における横収差、画角（Ｘ，Ｙ）＝（−３．００°，−２．２５°）における横収差，画角（Ｘ，Ｙ）＝（−６．００°，０．００°）における横収差である。

本設計例のＬＥＤの発光特性（波長−発光輝度の特性；発光スペクトル）は、図５のとおりである。横軸が波長、縦軸がスペクトル強度を示す。
図５に示すように、このＬＥＤの各波長域におけるスペクトル強度の半値全幅は、Ｒｅｄ：２３ｎｍ，Ｇｒｅｅｎ：６０．８ｎｍ，Ｂｌｕｅ：２９ｎｍである。
本設計例のＰＢＳ６の波長特性（波長−反射率の特性）は、図６に示すとおりである。

図６において、破線は、＋Ｙ方向の最大画角の表示光束のデータ、太線は、中心画角の表示光束のデータ、細線は、−Ｙ方向の最大画角の表示光束のデータである。図６の縦軸は、信号効率であり、ＰＢＳ６を透過し、１／４波長板７を往復し、かつＰＢＳ６で反射された表示光束の効率を意味する。同図には、ＬＥＤの発光スペクトルも重ね描きしてある。実際に観察眼に届く光量は、この２種類のグラフの積にさらに幾何学的な周辺減光を考慮した値になる。

因みに、本設計例において表示面の明るさ分布（観察者が観察する表示面の虚像の明るさ分布）は、図７に示すとおりになる。図７において、横軸は、Ｙ方向の画角、縦軸は、中心画角の光量により規格化した規格化光量である。
本設計例によると、イメージコンバイナの各部の角度は、以下のとおり設定される。
θ₀＝４．５°，
θ₁＝４２°，
θ₂＝３９°
これらのθ₀，θ₁，θ₂は、条件式（１），（２），（３）の全てを満たす。

次に、本設計例の効果を説明する。
結像性能は、図４に示すとおり、画角全体に亘り色収差が少なく、優れている。
光量損失は、図６に示す２種類のグラフの積から分かるとおり、十分に低く抑えられている。
視野角ＦＯＶは、１５°であり、十分に広い。

透明基板１の厚さｄは、３．６ｍｍであり、眼鏡レンズと同等に薄化されている。
表示面の虚像を観察するための視線の角度θ₀は、４．５°である。観察者は、視線を正面に向ければ外界を、視線を４．５°だけ下向きに傾斜させれば表示面の虚像を、それぞれ観察することができる。
（その他）
なお、本実施形態では、表示ユニット１’が観察者の額の側に配置される画像表示装置（図１参照）を説明したが、図８（ａ）に示すように、表示ユニット１’が観察者の側頭部（耳の側）に配置される画像表示装置を同様に構成することもできる。

このとき、画像表示装置を表したＸＹＺ直交座標の＋Ｙ方向は、観察者の左方、＋Ｘ方向は観察者の下方向となる。この場合、図８（ｂ）に示すように、観察眼が表示面の虚像を観察するための視線方向は、内向き（観察眼が左眼であれば右方向、観察眼が右眼であれば左方向）になる。よって、観察対象をスイッチングするときの視線の変化の方向は、「正面−内側」の方向になる。但し、視線の変化の方向がこの方向であると、観察者の眼の疲労が生じることもある。

疲労を防ぐためには、図９（ａ）に示すように、透明基板１が観察者の顔面に対し傾斜するよう画像表示装置を構成すればよい。この場合、図９（ｂ）に示すように、観察者が表示面の虚像を観察するための視線方向は、正面になる。よって、視線を正面に向けたまま外界と表示面の虚像との双方を観察することができる。しかも、この場合、透明基板１の配置が顔面の湾曲に沿った配置になるので、画像表示装置をゴーグルのように顔面にフィットさせることができる。

（第１実施形態のイメージコンバイナの第２設計例）
次に、本実施形態のイメージコンバイナの第２設計例を説明する。
第１設計例との相違点は、ＰＢＳ６の波長特性が広帯域な点にある。
本設計例のＰＢＳ６の波長特性（波長−反射率の特性）は、図１０に示すとおりである。なお、図１０の表記方法は、図６のそれと同じである。

因みに、広帯域なこのＰＢＳ６によると、表示面の明るさ分布（観察者が観察する表示面の虚像の明るさ分布）は、図１１に示すとおりになる。なお、図１１の表記方法は、図７のそれと同じである。
このような本設計例によっても、光量損失は抑えられる。
［第２実施形態］
以下、図１２、図１３、図１４、図１５、図１６、図１７、図２０、図２１に基づき本発明の第２実施形態を説明する。

本実施形態も、画像表示装置の実施形態である。ここでは、第１実施形態との相違点のみ説明する。
図１２は、本画像表示装置のイメージコンバイナの光路図（画像表示素子２の表示面から射出瞳Ｐまでの光路図）である。なお、図１２において図２に示すものと同様の作用をする要素には同じ符号を付した。

主な相違点は、透明基板１内の表示光束の内面反射の回数にある。
画像表示素子２の表示面から射出した表示光束は、透明基板１の面５ｂの領域Ｒ１、面５ａの領域Ｒ２、面５ｂの領域Ｒ３にてそれぞれ反射する。
（第２実施形態のイメージコンバイナの第１設計例）
次に、本実施形態のイメージコンバイナの第１設計例を説明する。

第１実施形態のイメージコンバイナの第１設計例、第２設計例との主な相違点は、内面反射の回数と、角度θ₁（ＰＢＳ６の入射側及び反射側の光軸がＰＢＳ６の法線と成す角度θ₁）とにある。
本設計例の仕様は、下記のとおりである。
射出瞳Ｐの径：３ｍｍ，
Ｙ方向の視野角度：０°〜−１０°，
Ｘ方向の視野角度：＋６．６７°〜−６．６７°，
Ｙ方向の表示面サイズ：３．６ｍｍ，
Ｘ方向の表示面サイズ：４．８ｍｍ，
透明基板１の厚さｄ：３．６ｍｍ，
使用波長：約４３０ｎｍ〜約６４０ｎｍ，
透明基板１のｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対する屈折率ｎｄ：１．５８３，
透明基板１のｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するアッベ数νｄ：２９．９
本設計例の光線追跡のための諸量は、図２０、図２１のとおりである。なお、図２０、図２１の表記方法は、図１８、図１９のそれと同じである。また、図２０、図２１において括弧内の符号は、図１２において各光学面に対応する要素に付した符号である。

本設計例における各光学面の位置と姿勢は、図２１のとおりである。なお、図２１において各位置は、ＸＹＺ直交座標系の原点を第１面（面番号＝１，図１２の符号Ｐ）の中心においたときの絶対位置座標、各姿勢は、Ｘ軸周りの回転量（反時計回りを正とした。）で示した。
本設計例のイメージコンバイナの横収差図は、図１３のとおりである。図１３においてＸ−ＦＡＮは、Ｘ方向の横収差、Ｙ−ＦＡＮは、Ｙ方向の横収差である。図１３の上から順に、画角（Ｘ，Ｙ）＝（６．６７°，−１０．０°）における横収差、画角（Ｘ，Ｙ）＝（３．３３°，−７．５０°）における横収差、画角（Ｘ，Ｙ）＝（０．００°，−５．００°）における横収差、画角（Ｘ，Ｙ）＝（−３．３３°，−２．５０°）における横収差，画角（Ｘ，Ｙ）＝（−６．６７°，０．００°）における横収差である。

本設計例のＬＥＤの発光特性（波長−発光輝度の特性；発光スペクトル）は、図５のとおりである。
本設計例のＰＢＳ６の波長特性（波長−反射率の特性）は、図１４に示すとおりである。なお、図１４の表記方法は、図６のそれと同じである。
因みに、本設計例において観察される表示面の明るさ分布は、図１５に示すとおりになる。なお、図１５の表記方法は、図７のそれと同じである。

本設計例によると、イメージコンバイナの各部の角度は、以下のとおり設定される。
θ₀＝５°，
θ₁＝３８°，
θ₂＝３５°
これらのθ₀，θ₁，θ₂は、条件式（１），（２），（３）の全てを満たす。

次に、本設計例の効果を説明する。
結像性能は、図１３に示すとおり、画角全体に亘り色収差が少なく、優れている。
光量損失は、図１４に示す２種類のグラフの積から分かるとおり、十分に低く抑えられている。
視野角ＦＯＶは、１５．６°であり、十分に広い。

透明基板１の厚さｄは、３．６ｍｍであり、眼鏡レンズと同等に薄化されている。
表示面の虚像を観察するための視線の角度θ₀は、５°である。観察者は、視線を正面に向ければ外界を、視線を５°だけ下向きに傾斜させれば表示面の虚像を、それぞれ観察することができる。
（第２実施形態のイメージコンバイナの第２設計例）
次に、本実施形態のイメージコンバイナの第２設計例を説明する。

第１設計例との相違点は、ＰＢＳ６の波長特性が広帯域な点にある。
本設計例のＰＢＳ６の波長特性（波長−反射率の特性）は、図１６に示すとおりである。なお、図１６の表記方法は、図６のそれと同じである。
因みに、本設計例において観察される表示面の明るさ分布は、図１７に示すとおりになる。なお、図１７の表記方法は、図７のそれと同じである。

このような本設計例によっても、光量損失は抑えられる。
（その他）
なお、本実施形態の画像表示装置も、図８又は図９に示すように変形することができる。
［その他の実施形態］
なお、以上の各実施形態では、画像表示素子２が透明基板１の近傍の位置に配置されているが、画像表示素子２を透明基板１から離れた位置に配置すると共に、リレー光学系によってその位置に表示面を投影してもよい。また、スキャン光学系を用いてこの位置に空中画像を形成してもよい。

また、図１，図１２に示した画像表示装置は、観察者の一方の眼にのみ画像を呈示する片眼用の画像表示装置であるが、両眼用に変形することもできる。その場合、呈示する画像をステレオ画像にすることもできる。
また、図１に示した支持部材１”以外の構成の支持部材を用いてもよい。
なお、各実施形態では、設計の自由度を確保しつつ透明基板１内を全反射条件で表示光束を伝搬させる条件と前述のθ₀，θ₂の条件を満たすために、ＰＢＳ６の入射側に凹面ミラー８を配置したが、凹面ミラー８に代えて他の反射部材、例えば、凹面以外のミラーや回折光学素子を用いてもよい。

例えば、凹面以外のミラーや回折光学素子、反射型ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）などを用いてもよい。特に、これらの反射部材に、表示光束の波長を選択波長とした波長選択性を持たせることで、反射部材の存在が使用者などから認識されにくくなり、見栄えが良くなる。また、使用者の視界を妨げることも防げる。特に、反射型ホログラフィック光学素子は、このような特性を与えることが容易である。なお、反射型ホログラフィック光学素子を用いた場合、光学的パワーをほぼゼロにすることで、波長幅のある光源を用いながら色収差の発生しない良好な画像を提供することができる。

Claims (9)

1. 可視光に対し透明な基板と、
   前記基板内に形成され、画像表示素子からその基板内に導入された表示光束を反射してその基板外の所定領域に入射させる偏光ビームスプリッタとを備え、
   前記画像表示素子の表示面の中心から射出した前記表示光束の主光線が前記基板の表面から前記所定領域の中心に向けて射出するときの射出角度θ₀は、
   ３°≦θ₀
   の式を満たすことを特徴とするイメージコンバイナ。
2. 請求項１に記載のイメージコンバイナにおいて、
   前記偏光ビームスプリッタの前記基板の表面に対する配置角度θ₂は、
   ３０°＜θ₂＜４２°
   の式を満たすことを特徴とするイメージコンバイナ。
3. 請求項２に記載のイメージコンバイナにおいて、
   前記角度θ₂は、
   ３５°＜θ₂＜４２°
   の式を満たすことを特徴とするイメージコンバイナ。
4. 請求項２又は請求項３に記載のイメージコンバイナにおいて、
   前記基板には、
   前記基板内を少なくとも１回全反射して伝搬する前記表示光束を反射し、その表示光束を前記偏光ビームスプリッタに入射させる反射部材が設けられ、
   前記反射部材は、
   前記角度θ₀及び前記角度θ₂が前記式を満たせるように設計されている
   ことを特徴とするイメージコンバイナ。
5. 請求項４に記載のイメージコンバイナにおいて、
   前記反射部材は、凹面鏡である
   ことを特徴とするイメージコンバイナ。
6. 請求項４に記載のイメージコンバイナにおいて、
   前記反射部材と前記偏光ビームスプリッタとの少なくとも一方は、前記表示光束の波長を選択波長とした反射波長選択性を有する
   ことを特徴とするイメージコンバイナ。
7. 請求項４に記載のイメージコンバイナにおいて、
   前記反射部材は、凹面に形成された反射型ホログラフィック光学素子である
   ことを特徴とするイメージコンバイナ。
8. 請求項７に記載のイメージコンバイナにおいて、
   前記反射型ホログラフィック光学素子は、光学的パワーを持たない素子である
   ことを特徴とするイメージコンバイナ。
9. 表示光束を出射する画像表示素子と、
   請求項１〜請求項８の何れか一項に記載のイメージコンバイナと
   を備えたことを特徴とする画像表示装置。
   

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