WO2017077965A1

WO2017077965A1 - 映像表示装置

Info

Publication number: WO2017077965A1
Application number: PCT/JP2016/082207
Authority: WO
Inventors: 寛子大森
Original assignee: コニカミノルタ株式会社
Priority date: 2015-11-04
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2017-05-11

Abstract

映像表示装置は、画像を表示する表示部と、照明を複数の光路で行う照明部と、複数の光路について得られた画像光を観察者眼に導くための観察光学系と、を有する。観察光学系は、画像光を回折反射させることにより、表示画像を複数の虚像としてそれぞれ結像させる複数のホログラフィック光学素子と、画像光を複数のホログラフィック光学素子に導光するプリズムと、を有する。複数のホログラフィック光学素子は、間隔をあけて同じ方向に傾いて配置され、いずれか１つのホログラフィック光学素子を透過した光がその他の少なくとも１つのホログラフィック光学素子で回折反射されるように、互いに異なる所定の入射角度の光のみをそれぞれ選択的に回折反射させる角度依存性を有し、それぞれ独立した光学系として表示画像の拡大投影された虚像を形成するとともに各虚像の視野を合成することにより視野角を広くして、各虚像を観察者眼に観察させる。

Description

映像表示装置

　本発明は映像表示装置に関するものであり、例えば、液晶表示素子(ＬＣＤ：liquid crystal display)の表示画像をホログラフィック光学素子(ＨＯＥ：holographic optical element)で拡大して広視野角な虚像として観察させる映像表示装置に関するものである。

　画像を外界視野（外景）に重ねてシースルー表示する眼鏡型の映像表示装置では、ハンズフリーでの使用が一般的であるため、使用者に最適な状況で情報を表示することが重要になる。一方、表示画像だけでなく外界視野も良好に見たいという要望にも応える必要がある。特に表示画面の広さは重要であり、使用者が外界観察のために視線をずらした場合でも、表示画面を見ることができるように、表示画面は大きいことが好ましい。また、観察者眼と表示素子との相対位置がずれた場合でも、継続して表示画面を見ることができるようにすることが好ましい。表示素子の位置がずれても使用者が表示画面を見ることができる範囲はアイボックスと呼ばれており、そのアイボックスを広くすることが好ましい。さらに、装着の快適性も重要であり、そのためには映像表示装置を軽量小型化することが必要になる。

　表示画像の虚像を観察させるための観察光学系として、反射面を使ったものが従来より多数提案されている。しかし、その多くは光学系全体の体積を小さくすることを主な目的としているため、広い視野角（視野角は、観察光学系における画像表示面を撮像光学系における像面と考えた場合の画角に相当する。）が得られる構成にはなっていない。表示画面を大きくするために広い視野角を確保しようとすると、視野角の広がり方向だけでなく観察者眼の光軸方向にも大きな反射面を用いなければならなくなる。このため、眼鏡レンズ程度の厚みの光学部材を使った場合には、反射面の傾き方向に１０°程度の視野角しか確保することができず、視野角を広くしようとすれば光学部材の厚みは５ｍｍ以上になってしまう。

　コンパクトな構成で広い視野角を得るには、ホログラフィック光学素子の使用が有効である。例えば特許文献１に、観察者眼の光軸に対して垂直方向に２枚のホログラフィック光学素子を並べることにより視野角を広くした映像表示装置が提案されている。

特開２００６－９１０４１号公報

　特許文献１に記載の映像表示装置では、ホログラフィック光学素子の波長選択性を利用して、２つのホログラフィック光学素子が光路の少なくとも一部と空間を共有する構成になっている。２つのホログラフィック光学素子は、反射特性の互いに異なる波長で鋭い反射ピークを持っているため、互いの光学特性に影響を与えることはないが、観察者眼にはほぼ同じ色の表示画像が観察される。しかし、各表示素子の画面の色が完全に同一というわけではない。そのため、２つのホログラフィック光学素子をほぼ同じ色に見える異なった反射特性の組み合わせにしようとしても、使用可能な光源の種類が限られてしまうため製造は困難である。例えば、レーザー光源は種類が少ないため、所望の反射特性の組み合わせに必要なものを入手することは困難である。

　本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、製造容易で軽量小型でありながら視野角の広い映像表示が可能な映像表示装置を提供することにある。

　上記目的を達成するために、本発明の映像表示装置は、画像を表示する表示部と、その表示画像に対する照明を複数の光路で行う照明部と、前記照明により複数の光路について得られた画像光を観察者眼に導くための観察光学系と、を有する映像表示装置であって、
　前記観察光学系が、前記画像光を回折反射させることにより、前記表示画像を複数の虚像としてそれぞれ結像させる複数のホログラフィック光学素子と、前記画像光を前記複数のホログラフィック光学素子に導光するプリズムと、を有し、
　前記複数のホログラフィック光学素子が、間隔をあけて同じ方向に傾いて配置され、いずれか１つのホログラフィック光学素子を透過した光がその他の少なくとも１つのホログラフィック光学素子で回折反射されるように、互いに異なる所定の入射角度の光のみをそれぞれ選択的に回折反射させる角度依存性を有し、それぞれ独立した光学系として前記表示画像の拡大投影された虚像を形成するとともに各虚像の視野を合成することにより視野角を広くして、各虚像を観察者眼に観察させることを特徴とする。

　本発明によれば、製造容易で軽量小型でありながら視野角の広い映像表示が可能な映像表示装置を実現することができる。

映像表示装置の第１の実施の形態を模式的に示す概略断面図。映像表示装置の第２の実施の形態を模式的に示す概略断面図。映像表示装置の第３の実施の形態を模式的に示す概略断面図。ホログラフィック光学素子の回折効率の角度依存性を示すグラフ。入射角度φ１の光を選択的に回折反射させるホログラフィック光学素子の反射率及び透過率を示すグラフ。ホログラフィック光学素子と光路との関係を示す概略断面図。２つの光路を形成したときの瞳の重なりを示す光路図。照明部の時分割駆動を示すグラフ。照明部（２光源タイプ）と表示部の構成例を示す概略断面図。照明部（１光源タイプ）と表示部の構成例を示す概略斜視図。

　以下、本発明を実施した映像表示装置等を、図面を参照しつつ説明する。なお、各実施の形態等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。

　図１～図３に、第１～第３の実施の形態に係る映像表示装置Ｘ１～Ｘ３の概略断面構造を模式的に示す。映像表示装置Ｘ１～Ｘ３は、画像ＩＭ１，ＩＭ２又は画像ｉｍ１，ｉｍ２を表示する表示部ＤＰと、その表示画像ＩＭ１，ＩＭ２；ｉｍ１，ｉｍ２に対する照明を第１光路Ｐ１と第２光路Ｐ２で行う照明部ＩＬと、その照明により第１光路Ｐ１と第２光路Ｐ２について得られた画像光を観察者眼ＥＹに導くための観察光学系ＫＫと、を有している。

　映像表示装置Ｘ１の照明部ＩＬは、２つの発光素子ｉ１，ｉ２からなっている。発光素子ｉ１，ｉ２からの照明光は、互いに異なる角度で発せられて、それぞれ第１光路Ｐ１と第２光路Ｐ２を形成する。映像表示装置Ｘ２，Ｘ３の照明部ＩＬは、２つの発光素子ｉ１，ｉ２と、ハーフミラーＨＭと、からなっている。発光素子ｉ１からの照明光はハーフミラーＨＭを透過して第１光路Ｐ１を形成し、発光素子ｉ２からの照明光はハーフミラーＨＭで反射されて第２光路Ｐ２を形成する。そして、互いに異なる角度で照明部ＩＬから射出される。映像表示装置Ｘ２の照明部ＩＬでは、第１光路Ｐ１と第２光路Ｐ２とが同時に形成されるのに対し、映像表示装置Ｘ３の照明部ＩＬでは、第１光路Ｐ１と第２光路Ｐ２とを時分割で切り替えるように、発光素子ｉ１，ｉ２の発光が制御部ＣＬで制御される。

　映像表示装置Ｘ２，Ｘ３の照明部ＩＬにおいて発光素子ｉ１，ｉ２の配置を調整すれば、ハーフミラーＨＭを用いなくても同様の第１，第２光路Ｐ１，Ｐ２を形成することは可能である。しかし、映像表示装置Ｘ２，Ｘ３の照明部ＩＬのように、ハーフミラーＨＭを用いると、発光素子ｉ１，ｉ２の配置を変更することなく第１，第２光路Ｐ１，Ｐ２を簡単に変化させることが可能になる。その自由度が高い分、第１，第２光路Ｐ１，Ｐ２の位置調整が容易になる。なお、発光素子ｉ１，ｉ２の例としては、Ｒ（赤）・Ｇ（緑）・Ｂ（青）の各波長に対応したレーザー光源，ＬＥＤ(light emitting diode)光源等が挙げられるが、ここではＬＥＤ光源の使用を想定している。

　映像表示装置Ｘ１の表示部ＤＰは、２つの表示素子ｄ１，ｄ２からなっており、画像ＩＭ１，ＩＭ２をそれぞれ第１光路Ｐ１と第２光路Ｐ２上で表示する。映像表示装置Ｘ２，Ｘ３の表示部ＤＰは、１つの表示素子ｄ０からなっている。映像表示装置Ｘ２の表示部ＤＰでは、第１光路Ｐ１と第２光路Ｐ２上で画像ＩＭ１，ＩＭ２をそれぞれ表示する２つの領域が１つの表示画面に設定されている。それに対し、映像表示装置Ｘ３の表示部ＤＰでは、１つの表示画面において表示画像自体を画像ｉｍ１と画像ｉｍ２とに時分割で切り替えるように、表示素子ｄ０の表示が制御部ＣＬで制御される。

　映像表示装置Ｘ１～Ｘ３では、表示部ＤＰに表示される画像ＩＭ１と画像ＩＭ２とで１つの表示画面が形成される。例えば、画像ＩＭ１で表示画面の上半分が形成され、画像ＩＭ２で表示画面の下半分が形成される。映像表示装置Ｘ１，Ｘ２の場合、画像ＩＭ１，ＩＭ２が空間的に分離して表示されるのに対し、映像表示装置Ｘ３の場合、画像ＩＭ１，ＩＭ２が時間的に分離して表示されることになる。なお、表示素子ｄ０，ｄ１，ｄ２の例としては、反射型又は透過型のＬＣＤ(liquid crystal display)，デジタル・マイクロミラー・デバイス（digital micromirror device）等の非発光型表示素子が挙げられるが、ここでは透過型のＬＣＤ等の使用を想定している。

　観察光学系ＫＫは、２つのホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２と、それらが内部に配置されたプリズムＰＲと、からなっている。プリズムＰＲは、表示部ＤＰからの画像光をホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２に導光し、ホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２は、その画像光を回折反射させることにより、表示画像ＩＭ１，ＩＭ２を２つの虚像としてそれぞれ結像させる。したがって表示画像ＩＭ１，ＩＭ２は、外界視野に重なるように虚像として観察者眼ＥＹにシースルーで投影表示される。なお、表示画像のカラー化は、発光素子ｉ１，ｉ２がＲ・Ｇ・Ｂの各色に対応した光で表示部ＤＰを照明し、各色の発光が時間的に順次切り替えられることに連動して、表示部ＤＰがＲ・Ｇ・Ｂの各色に対応した画像ＩＭ１，ＩＭ２；ｉｍ１，ｉｍ２を表示することにより行われる。

　２つのホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２は、間隔をあけて同じ方向に傾いて配置されており、ホログラフィック光学素子Ｈ１を透過した光がホログラフィック光学素子Ｈ２で回折反射されるように、互いに異なる所定の入射角度の光のみをそれぞれ選択的に回折反射させる角度依存性を有している。そして、それぞれ独立した光学系として表示画像ＩＭ１，ＩＭ２；ｉｍ１，ｉｍ２の拡大投影された虚像を形成するとともに各虚像の視野を合成することにより視野角を広くして、各虚像を観察者眼ＥＹに観察させる構成になっている。

　ホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２は、その一般的な特長として、高い波長選択性，高い角度選択性，高い光透過性（実効視感度透過率は８０％以上ある）を有しているため、高いシースルー性を確保することができる。そして、ホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２の間隔をあけることにより、虚像の視野合成で視野角を広くして、表示画面を大きくすることができ、その際、ホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２の射出瞳を重ねることも容易である。また、ホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２を斜めに配置することにより、プリズムＰＲが厚くなるのを抑えて、装置全体の大型化を抑えることができる。

　プリズムＰＲを導光板として用い、表示部ＤＰからホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２までの１回～数回の反射により光路を折り曲げると、表示部ＤＰからホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２までの距離を長くすることができ、さらに、プリズムＰＲ自体の透明性を利用して外界と虚像とを同時に観察するシースルー表示が可能となる。光路を折り曲げるための光学部材としてプリズムＰＲ等の透明な光学部材を用いた場合、反射コーティング等が施されている部分以外は他の光束を透過させることが可能となるので、例えば、シースルー性のあるウェアラブルディスプレイ等を構成する際に有利である。また全反射を使って光路を折り曲げれば、反射コーティング等が不要であるため、全ての面に対して他の光束を透過させることも可能である。

　ここで、ホログラムの回折効率の角度依存性について説明する。体積型ホログラムの場合、ホログラム内部の干渉縞の角度と、ホログラムに対する光の入射角度と、の相対関係に基づいて、回折効率が最大になる入射角度を変化させることができる。図４に、ホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２の回折効率に関する角度依存性の一例を、ＲＧＢの３波長について示す（丸は波長４１３．１ｎｍ、三角は波長５３２．０ｎｍ、四角は波長６４７．１ｎｍをそれぞれ表している。）。図４に示すように、入射角度φ（°）が変わると回折効率が変化するので、ホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２に対する光の入射角度φを選択することにより、回折と透過との切り替えが可能である。

　回折と透過との切り替えに必要な角度差は、映像光の波長幅にも依存するが、波長幅が狭い場合（例えばレーザー光源を用いた場合）には約１０度以下、波長幅が広い場合（例えばＬＥＤ光源を用いた場合）には１０～２０度程度である。第１～第３の実施の形態の場合、ホログラフィック光学素子Ｈ１に対する光の入射角度φを、第１光路Ｐ１と第２光路Ｐ２についてそれぞれφ１，φ２とすると、その反射率Ｒ１（実線，％，回折効率に対応）と透過率Ｔ１（破線，％）は図５に示すようになる。図５から分かるように、ホログラフィック光学素子Ｈ１で、第１光路Ｐ１の光を回折反射させるとともに第２光路Ｐ２の光を透過させることができる。そして、ホログラフィック光学素子Ｈ１を透過した第２光路Ｐ２の光をホログラフィック光学素子Ｈ２で回折反射させることができる。

　図６に、ホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２と第１，第２光路Ｐ１，Ｐ２との関係を示す。プリズムＰＲ内には、ホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２が、プリズム表面Ｓ１（射出側平面）に対して角度θ１，θ２をなすようにそれぞれ配置されている。第１光路Ｐ１と第２光路Ｐ２とで同じ波長の組み合わせに設定されたＲＧＢの３波長の光が、プリズムＰＲに入射すると、第１光路Ｐ１の光は入射角度φ１でホログラフィック光学素子Ｈ１に入射して回折反射され、第２光路Ｐ２の光は入射角度φ２でホログラフィック光学素子Ｈ１に入射して透過する。ホログラフィック光学素子Ｈ１を透過した第２光路Ｐ２の光は、入射角度φ３でホログラフィック光学素子Ｈ２に入射して回折反射される。例えば、第１，第２光路Ｐ１，Ｐ２（画面中心から出射した主光線の光路）の設定角度の一例としては、θ１＝３１°，θ２＝４０°，φ１＝２６°，φ２＝３６°，φ３＝２７°が挙げられる。

　映像表示装置Ｘ１において、発光素子ｉ１が表示素子ｄ１を照明し、表示素子ｄ１が表示画像ＩＭ１の画像光を発生させる第１光路Ｐ１は、プリズムＰＲ内においてプリズム表面Ｓ１での全反射後、ホログラフィック光学素子Ｈ１により観察者眼ＥＹに向けて折り曲げられる。一方、発光素子ｉ２が表示素子ｄ２を照明し、表示素子ｄ２が表示画像ＩＭ２の画像光を発生させる第２光路Ｐ２は、プリズムＰＲ内においてプリズム表面Ｓ２とプリズム表面Ｓ１での全反射後、ホログラフィック光学素子Ｈ１を透過して、ホログラフィック光学素子Ｈ２により観察者眼ＥＹに向けて折り曲げられる。

　映像表示装置Ｘ２，Ｘ３において、発光素子ｉ１が表示素子ｄ０を照明し、表示素子ｄ０が表示画像ＩＭ１，ｉｍ１の画像光を発生させる第１光路Ｐ１は、プリズムＰＲ内においてプリズム表面Ｓ１での全反射後、ホログラフィック光学素子Ｈ１により観察者眼ＥＹに向けて折り曲げられる。一方、発光素子ｉ２が表示素子ｄ０を照明し、表示素子ｄ０が表示画像ＩＭ２，ｉｍ２の画像光を発生させる第２光路Ｐ２は、プリズムＰＲ内においてプリズム表面Ｓ１での全反射後、ホログラフィック光学素子Ｈ１を透過して、ホログラフィック光学素子Ｈ２により観察者眼ＥＹに向けて折り曲げられる。

　上記第１，第２光路Ｐ１，Ｐ２の組み合わせで視野が合成されることにより、広視野角化が達成される。そして、ホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２を同じ方向に傾けて配置するとともに、第１光路Ｐ１と第２光路Ｐ２との分離に、ホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２の入射光に対する角度依存性を利用することにより、観察光学系ＫＫが占める体積がコンパクト化される。したがって、観察光学系ＫＫは観察者眼ＥＹの光軸方向に薄いにもかかわらず広視野角な虚像観察を可能としている。しかも、同じ波長の組み合わせに設定された発光素子ｉ１，ｉ２を用いて、第１，第２光路Ｐ１，Ｐ２での画面の色を完全に同一にすることができる（つまり、第１光路Ｐ１と第２光路Ｐ２との分離に波長は影響しない）ので、映像表示装置Ｘ１～Ｘ３は製造容易で軽量小型でありながら視野角の広い映像表示を可能としている。

　上記の効果は、２つの光路Ｐ１，Ｐ２と２つのホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２とを組み合わせた場合に限らず、３つ以上の光路と３つ以上のホログラフィック光学素子とを組み合わせた場合でも同様である。つまり、複数の光路と複数の回折作用とを組み合わせた場合でも同様の効果を得ることができる。その場合、複数のホログラフィック光学素子は、互いに異なる所定の入射角度の光のみをそれぞれ選択的に回折反射させる角度依存性を有し、いずれか１つのホログラフィック光学素子を透過した光がその他の少なくとも１つのホログラフィック光学素子で回折反射されるようにする。そして、それぞれ独立した光学系として表示画像の拡大投影された虚像を形成するとともに、各虚像の視野を合成することにより視野角を広くして、各虚像を観察者眼ＥＹに観察させる。

　映像表示装置Ｘ１における表示部ＤＰのように、画像表示を複数の表示素子ｄ１，ｄ２に分担させると、観察光学系ＫＫの自由度が向上するため光学性能を向上させることが可能になり、また、多様な広視野角化も可能になる。例えば、２つの表示画面を平行又は非平行にずらして配置することが可能になる。これにより、２つの表示画面が連続的な視野で観察されるように視野を合成するだけでなく、虚像の形成位置を前後又は上下左右にずらして、２つの表示画面が不連続的な視野で観察されるように視野を合成することも可能になる。また、表示素子ｄ１と表示素子ｄ２とで種類の異なった画像（例えば、映像と字幕等）を混在させることもできるので、広視野角化とともに映像表現の多様化も可能となる。また、映像表示装置Ｘ２，Ｘ３における表示部ＤＰのように、画像表示を１つの表示素子ｄ０で行うようにすると、表示部ＤＰの小型化が可能になる。

　映像表示装置Ｘ１～Ｘ３のように、ホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２は、互いに平行な表面を持つ位置から回折反射が正反射に近くなる位置へと、互いに非平行に傾いて配置されていることが好ましい。ホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２での回折反射を正反射に近い角度で行うことにより、回折効率を向上させることができる。つまり、平板形状のホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２を互いに平行にすると、第２光路Ｐ２の光がホログラフィック光学素子Ｈ２で回折反射するときに回折効率が低くなるが、平板形状のホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２を互いに非平行にすれば、瞳位置が適正に設定されるように第１，第２光路Ｐ１，Ｐ２を最適化するとともに、高い回折効率を得ることが可能となる。

　図７（Ａ）に、第１，第２光路Ｐ１，Ｐ２について瞳ＥＰが一部重なった状態を示し、図７（Ｂ）に、第１，第２光路Ｐ１，Ｐ２について瞳ＥＰが完全に重なった状態を示す。このように複数のホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２からの回折反射光による瞳ＥＰが、少なくとも一部重なるように形成されることが好ましく、完全に重なるように形成されることが更に好ましい。瞳ＥＰが少なくとも一部重なるように形成されることにより、観察者眼ＥＹの向きを変えても第１，第２光路Ｐ１，Ｐ２について連続した画像を見ることができる。

　映像表示装置Ｘ３の観察光学系ＫＫは、１つの表示素子ｄ０に表示される普通サイズの表示画像を観察するための光学系であり、その虚像の表示角度が観察者から見て広くなるように、ホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２が配置されている。ホログラフィック光学素子Ｈ１により観察者眼ＥＹに向けて折り曲げられる第１光路Ｐ１と、ホログラフィック光学素子Ｈ２により観察者眼ＥＹに向けて折り曲げられる第２光路Ｐ２と、は時分割で切り替えが行われる。その切り替えは、制御部ＣＬが照明部ＩＬ及び表示部ＤＰを時分割駆動させる制御により行われる。

　照明部ＩＬの時分割駆動は、２つの発光素子ｉ１，ｉ２を交互に発光させることにより行われる。その照明部ＩＬの時分割駆動の一例を、発光素子ｉ１，ｉ２の発光強度の経時変化により図８に示す（実線：発光素子ｉ１，破線：発光素子ｉ２）。照明部ＩＬの時分割駆動の結果、照明部ＩＬによる照明の光路Ｐ１，Ｐ２が時分割で切り替えられることにより、ホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２によりそれぞれ形成される光路Ｐ１，Ｐ２が時分割で切り替わる。そして、照明部ＩＬによる照明の光路Ｐ１，Ｐ２の切り替えに連動して、表示部ＤＰに形成される表示画像ｉｍ１，ｉｍ２が時分割で切り替わることになる。第１，第２光路Ｐ１，Ｐ２の切り替えを照明部ＩＬ及び表示部ＤＰの時分割駆動で行うことにより、照明部ＩＬ及び表示部ＤＰの部品数を減らして、１つの表示素子ｄ０で表示部ＤＰを構成することが可能になり、省スペース化も可能になる。

　映像表示装置Ｘ１～Ｘ３のように、ホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２で互いに異なった入射角度の画像光を回折反射させるには、表示部ＤＰで発生させる映像光を第１，第２光路Ｐ１，Ｐ２で異なった方向に射出すること、つまり、観察光学系ＫＫに適した第１，第２光路Ｐ１，Ｐ２を照明部ＩＬ及び表示部ＤＰで形成することが必要になる。図９及び図１０に、第１，第２光路Ｐ１，Ｐ２を形成する照明部ＩＬと表示部ＤＰの構成例を示す。図９（Ａ）～（Ｃ）は照明部ＩＬが２つの発光素子ｉ１，ｉ２を有する２光源タイプの構成例であり、図１０は照明部ＩＬが１つの発光素子ｉ０を有する１光源タイプの構成例である。

　図９（Ａ）の構成例は、映像表示装置Ｘ１に搭載されている照明部ＩＬ及び表示部ＤＰに相当し、図９（Ｂ）の構成例は、映像表示装置Ｘ２，Ｘ３に搭載されている照明部ＩＬ及び表示部ＤＰに相当する。図９（Ｃ）の構成例では、照明部ＩＬが、２つの発光素子ｉ１，ｉ２（白色光源）と、２つの色切替フィルターｆ１，ｆ２と、を有しており、表示部ＤＰは、図９（Ｂ）と同様、１つの表示素子ｄ０からなっている。したがって、図９（Ｃ）の構成例は、映像表示装置Ｘ２，Ｘ３に用いることができる。

　図９（Ｃ）中の色切替フィルターｆ１，ｆ２は、Ｒ・Ｇ・Ｂの色光を透過させる３種類のカラーフィルターで構成されており、例えばカラーホイールに相当するものである。色切替フィルターｆ１，ｆ２には、発光素子ｉ１，ｉ２からの白色光が入射する。色切替フィルターｆ１，ｆ２を回転又は移動させることにより、透過させる色光を時間的に順次切り替えると、各色に対応した光で表示部ＤＰを照明することができる。したがって、図９（Ａ），（Ｂ）の構成例において発光素子ｉ１，ｉ２のＲ・Ｇ・Ｂの発光を時間的に順次切り替える場合と同様、表示画像をカラー化するための照明を行うことができる。そして、色切替フィルターｆ１，ｆ２から互いに異なる角度で射出した照明光により、それぞれ第１光路Ｐ１と第２光路Ｐ２が形成される。

　図１０に示す照明部ＩＬは、１つの発光素子ｉ０と、１つの光路切替装置ＬＳと、からなっている。発光素子ｉ０の例としては、発光素子ｉ１，ｉ２と同様、Ｒ・Ｇ・Ｂの各波長に対応したレーザー光源，ＬＥＤ光源等が挙げられるが、ここではレーザー光源の使用を想定している。光路切替装置ＬＳは、電気光学的偏向により光の出射方向を第１光路Ｐ１と第２光路Ｐ２とに切り替えて（時分割駆動）照明を行うものである。つまり、光路切替装置ＬＳがスイッチＯＦＦ状態の場合、発光素子ｉ０で発生した光は光路切替装置ＬＳをそのまま透過して第１光路Ｐ１を形成し、光路切替装置ＬＳがスイッチＯＮ状態の場合、発光素子ｉ０で発生した光は光路切替装置ＬＳで回折作用を受けて第２光路Ｐ２を形成する。このように、照明部ＩＬが、電気光学的偏向により光の出射方向を切り替えて照明を複数の光路Ｐ１，Ｐ２で行う構成にすれば、部品数を減らすことが可能になり、省スペース化も可能になる。

　上述した映像表示装置Ｘ１～Ｘ３を搭載することにより、ホログラフィック光学素子Ｈ１，Ｈ２で画像ＩＭ１，ＩＭ２；ｉｍ１，ｉｍ２の虚像を外界視野に重ねて、観察者眼ＥＹにシースルーで投影表示する機能を備えた光学シースルーディスプレイを構成することができる。光学シースルーディスプレイとしては、ＨＭＤ(head mounted display)，ＨＵＤ(Head-Up Display)等が挙げられるが、映像表示装置Ｘ１～Ｘ３は軽量小型であるため眼鏡型のウェアラブルディスプレイに適している。

　Ｘ１～Ｘ３　　映像表示装置
　ＫＫ　　観察光学系
　Ｈ１，Ｈ２　　ホログラフィック光学素子
　Ｐ１　　第１光路
　Ｐ２　　第２光路
　ＩＬ　　照明部
　ｉ０，ｉ１，ｉ２　　発光素子
　ＨＭ　　ハーフミラー
　ＬＳ　　光路切替装置
　ｆ１，ｆ２　　色切替フィルター
　ＤＰ　　表示部
　ｄ０，ｄ１，ｄ２　　表示素子
　ＩＭ１，ＩＭ２　　画像
　ｉｍ１，ｉｍ２　　画像
　ＰＲ　　プリズム
　Ｓ１，Ｓ２　　プリズム表面
　ＥＹ　　観察者眼
　ＥＰ　　瞳

Claims

　画像を表示する表示部と、その表示画像に対する照明を複数の光路で行う照明部と、前記照明により複数の光路について得られた画像光を観察者眼に導くための観察光学系と、を有する映像表示装置であって、
　前記観察光学系が、前記画像光を回折反射させることにより、前記表示画像を複数の虚像としてそれぞれ結像させる複数のホログラフィック光学素子と、前記画像光を前記複数のホログラフィック光学素子に導光するプリズムと、を有し、
　前記複数のホログラフィック光学素子が、間隔をあけて同じ方向に傾いて配置され、いずれか１つのホログラフィック光学素子を透過した光がその他の少なくとも１つのホログラフィック光学素子で回折反射されるように、互いに異なる所定の入射角度の光のみをそれぞれ選択的に回折反射させる角度依存性を有し、それぞれ独立した光学系として前記表示画像の拡大投影された虚像を形成するとともに各虚像の視野を合成することにより視野角を広くして、各虚像を観察者眼に観察させることを特徴とする映像表示装置。
　前記複数のホログラフィック光学素子が、互いに平行な表面を持つ位置から前記回折反射が正反射に近くなる位置へと、互いに非平行に傾いて配置されていることを特徴とする請求項１記載の映像表示装置。
　前記複数のホログラフィック光学素子からの回折反射光による瞳が、少なくとも一部重なるように形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の映像表示装置。
　前記照明部による照明の光路を時分割で切り替えることにより、前記複数のホログラフィック光学素子によりそれぞれ形成される光路が時分割で切り替わることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の映像表示装置。
　前記照明部による照明の光路の切り替えに連動して、前記表示画像が時分割で切り替わることを特徴とする請求項４記載の映像表示装置。
　前記照明部が、電気光学的偏向により光の出射方向を切り替えて前記照明を複数の光路で行うことを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の映像表示装置。