(57)【要約】【課題】簡易かつ安価な構成でありつつも光学系の射出瞳と使用者の眼の入射瞳とを精度良く一致させることができる映像表示装置を提供すること。【解決手段】画像を表示する表示素子と、表示素子に表示された画像が入射される導光板と、入射された画像を導光板内部で全反射させて使用者の瞳に向かって伝搬する伝搬手段と、導光板と空気との界面であって画像が全反射される該導光板上の箇所に選択的に貼り付けられる、形状又は屈折率の異なる複数種類の光学部材であって、該箇所を通過して入射される該画像を全反射させ、該画像が該導光板内部で再び全反射して使用者の瞳に向かって伝搬するように該画像を該導光板に再入射させる光学部材とから映像表示装置を構成する。【選択図】図３
2010243786.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を表示する表示素子と、
前記表示素子に表示された画像が入射される導光板と、
前記入射された画像を前記導光板内部で全反射させて使用者の瞳に向かって伝搬する伝搬手段と、
前記導光板と空気との界面であって前記画像が全反射される該導光板上の箇所に選択的に貼り付けられる、形状又は屈折率の異なる複数種類の光学部材であって、該箇所を通過して入射される該画像を全反射させ、該画像が該導光板内部で再び全反射して前記使用者の瞳に向かって伝搬するように該画像を該導光板に再入射させる光学部材と、
を有することを特徴とする映像表示装置。
【請求項２】
前記光学部材は、屈折率が前記導光板とほぼ同一であることを特徴とする、請求項１に記載の映像表示装置。
【請求項３】
前記導光板と前記光学部材は、前記画像の波長に対して透過性が高く、該導光板及び該光学部材と屈折率がほぼ同一の接着剤により接着されることを特徴とする、請求項２に記載の映像表示装置。
【請求項４】
前記複数種類の光学部材は、板厚又は板厚と直交する面方向の寸法がそれぞれ異なる複数種類の平行平板であることを特徴とする、請求項１から請求項３の何れかに記載の映像表示装置。
【請求項５】
前記導光板は、前記箇所に所定のマーキングが付されていることを特徴とする、請求項１から請求項４の何れかに記載の映像表示装置。
【請求項６】
前記伝搬手段は、
前記導光板に入射された画像を該導光板内部で全反射させて所定位置に伝搬されるように回折する第一のＨＯＥ（Holographic Optical Element）又は第一のＤＯＥ（Diffractive Optics Element）と、
前記所定位置に伝搬された画像を使用者の瞳に向かって回折する第二のＨＯＥ又は第二のＤＯＥと、
を有することを特徴とする、請求項１から請求項５の何れかに記載の映像表示装置。
【請求項７】
前記第二のＨＯＥ又は第二のＤＯＥは、使用者の左右の眼前に一対配置されており、
前記第一のＨＯＥ又は第一のＤＯＥは、前記導光部材に入射された画像を２つに分割するとともに、分割された各画像を前記一対の各々に入射させるように回折することを特徴とする、請求項６に記載の映像表示装置。
【請求項８】
前記伝搬手段により伝搬された画像を虚像として使用者に観察させるように、請求項１から請求項７の何れかに記載の映像表示装置を該使用者の眼前で支持する支持手段を有したことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、使用者の頭部に装着される映像表示機器であり、表示素子の画像をホログラフィック光学素子（Holographic Optical Element、以下、「ＨＯＥ」と記す。）を用いて使用者の瞳に導くヘッドマウントディスプレイ（Head Mounted Display、以下、「ＨＭＤ」と記す。）、および該ヘッドマウントディスプレイを構成する映像表示装置に関連し、詳しくは、使用者の眼幅に合わせた光学系の調節ができる映像表示装置、およびＨＭＤに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、使用者の頭部に装着される映像表示機器であるＨＭＤが一般に知られている。ＨＭＤは、表示素子上に表示された画像を光学的に拡大し、拡大された虚像として使用者に観察させるように構成されている。
【０００３】
ところで、この種のＨＭＤにおいては、使用者の瞳位置がＨＭＤの光学系の射出瞳の中心に対してずれたとき、そのズレ量に応じて色ズレが発生したりコントラストが低下したり、画像が歪む等の問題が指摘される。かかる問題の発生を防止して、表示素子の画像を使用者に良好に観察させるためには、光学系の射出瞳を使用者の眼の入射瞳と一致させる必要がある。しかし、人の眼幅（左右の眼の間隔）には個人差があり、凡そ５８〜７２ｍｍの範囲に分布しているといわれている。そのため、設計上採用された値と略同じ眼幅の使用者以外は、その入射瞳が光学系の射出瞳と一致しないため、表示素子の画像を両眼で良好に観察することができない。
【０００４】
そこで、一般的なＨＭＤは、特許文献１や２に例示されるように、ＨＭＤの光学系の射出瞳位置を使用者の眼幅に合わせて変えられるようにデザインされている。具体的には、特許文献１や２に記載のＨＭＤは、左右一対の表示素子を、使用者が眼幅に合うと思われる適当な位置に直接取り付けられるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４０１８６７７号公報
【特許文献２】国際公開第０４／０１７１２２号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１や２に記載のＨＭＤにおいては、表示素子を位置決めするときに使用者の感覚に頼らざるを得ないため、精度の高い眼幅調整（つまり、ＨＭＤ１の光学系の射出瞳と使用者の眼の入射瞳とを精度良く一致させること）が実際上困難である。また、表示素子を眼鏡本体に固定する固定部品や表示素子等の各種部品の総重量に対して、眼鏡本体に対する接着面積が小さいため、各種部品を眼鏡本体に確実に固定するに足る十分な接着力が得られない虞がある。各種部品が確実に固定されていないがため、何らかの外的ストレスが固定部品等にかけられた（例えば使用者が頭部を動かした）ときに、表示素子が眼鏡本体に対して微少に振動して画像ブレが生じたり、表示素子が眼鏡本体から脱落したりする欠陥が指摘される。更に、特許文献１に記載のＨＭＤにおいては、突起体（表示素子を眼鏡本体に固定する中間部材と表示装置本体とを連結する軸体）が細径であるため、簡単に破損して表示素子が脱落する懸念もある。
【０００７】
使用者の眼幅に適したＨＭＤを提供する別の方法としては、例えば左右の光学系の射出瞳位置の間隔が異なる複数種類の光学ユニットを予め用意し、その中から当該間隔が使用者の眼幅に最も近い光学ユニットを選択してＨＭＤを組み立てる方法が考えられる。しかし、複数種類の光学ユニットを製造する必要があるため、例えば光学部品の金型費の増加や生産管理の複雑化等の問題が指摘される。光学系の射出瞳を使用者の眼の入射瞳に精度良く一致させるＨＭＤを提供するためには、眼幅が微少に異なる、より一層豊富なラインナップの光学ユニットを用意しなければならない不都合がある。光学ユニットの種類を抑えたい場合には、何れの眼幅に対応した光学ユニットを用意すべきかを需要との整合を鑑みて決定する必要があるため、市場調査等の企画面や営業面等の負荷が増大する弊害が生じる。また、これらの問題を解決する為に、今迄に多くの製造者が表示素子をメガネ部分の左右両側にそれぞれ配置し、左側から左目専用の、右側から右目専用の画像情報を提供する方法を採用している。しかし、この方法では、表示素子に関連する部品（例えば液晶板、バックライト、光学部品、液晶コントローラ等）を２組装備する必要がある為、高コスト、高重量となり、市場では、受け入れられ難いものとなっていた。
【０００８】
そこで、本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡易かつ安価な構成でありつつも光学系の射出瞳と使用者の眼の入射瞳とを精度良く一致させることができる映像表示装置、およびＨＭＤを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決する本発明の一形態に係る映像表示装置は、画像を表示する表示素子と、表示素子に表示された画像が入射される導光板と、入射された画像を導光板内部で全反射させて使用者の瞳に向かって伝搬する伝搬手段と、導光板と空気との界面であって画像が全反射される該導光板上の箇所に選択的に貼り付けられる、形状又は屈折率の異なる複数種類の光学部材であって、該箇所を通過して入射される該画像を全反射させ、該画像が該導光板内部で再び全反射して使用者の瞳に向かって伝搬するように該画像を該導光板に再入射させる光学部材とを有することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る映像表示装置によれば、光学部材の貼付によって画像の光路長が延びたことに起因して、導光板から使用者の眼に向かって射出される射出瞳位置が外側に変位する。射出瞳位置の変位量は、導光板に貼り付けられる光学部材の形状又は屈折率に依存する。そのため、使用者は、複数種類の光学部材の何れかを導光板に貼り付けて、自身の眼幅に合うように導光板からの射出瞳位置を調節することができる。眼幅を調節する際の分解能は、用意される光学部材の数や種類によって簡単に高められる。このように、当該映像表示装置においては、簡易かつ安価な構成で映像表示装置の光学系の射出瞳と使用者の眼の入射瞳とを精度良く一致させることができる。
【００１１】
ここで、光学部材は、導光板との界面における臨界角や色ズレの発生を考慮して、屈折率が導光板とほぼ同一であることが望ましい。更に、導光板と光学部材は、同様の理由により、導光板及び光学部材と屈折率がほぼ同一の接着剤により接着されるのが好適である。但し、接着剤による接着層の膜厚は、屈折率や導光板の厚みと比べて格段に薄いため、屈折率や導光板との屈折率の差が極端に大きくなければ色ズレ等に配慮する必要はない。説明を加えると、ここでは、画像の波長に対して透過性が高い接着剤が使用される。
【００１２】
複数種類の光学部材は、様々な眼幅に対応できるように、例えば板厚又は板厚と直交する面（長さ、幅）方向の寸法がそれぞれ異なる複数種類の平行平板としてもよい。
【００１３】
導光板は、使用者が光学部材を適切な位置に簡単に貼り付けられるように、導光板と空気との界面であって画像が全反射される該導光板上の箇所に所定のマーキングが付されてもよい。
【００１４】
伝搬手段は、例えば導光板に入射された画像を該導光板内部で全反射させて所定位置に伝搬されるように回折する第一のＨＯＥ又は第一のＤＯＥ（Diffractive Optics Element）と、所定位置に伝搬された画像を使用者の瞳に向かって回折する第二のＨＯＥ又は第二のＤＯＥとを有する構成としてもよい。更に、第二のＨＯＥ又は第二のＤＯＥは、例えば使用者の左右の眼前に一対配置されており、第一のＨＯＥ又は第一のＤＯＥは、導光部材に入射された画像を２つに分割するとともに、分割された各画像を一対の各々に入射させるように回折する構成としてもよい。
【００１５】
上記の課題を解決する本発明の一形態に係るＨＭＤは、伝搬手段により伝搬された画像を虚像として使用者に観察させるように、上記の何れかに記載の映像表示装置を該使用者の眼前で支持する支持手段を有したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る映像表示装置およびＨＭＤによれば、簡易かつ安価な構成でありつつも光学系の射出瞳と使用者の眼の入射瞳とを精度良く一致させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態のＨＭＤの構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態のＨＭＤの構成を模式的に示す側面図である。
【図３】本発明の実施形態のＨＭＤの構成を模式的に示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００１９】
図１（ａ）、図１（ｂ）はそれぞれ、本実施形態のＨＭＤ１の構成を示す正面側斜視図、背面側斜視図である。図１（ａ）および図１（ｂ）に示されるように、使用者の頭部に装着される眼鏡型フレーム２の正面部には、眼鏡レンズ３が取り付けられる。眼鏡型フレーム２の取付部２ａには、画像を照明するためのバックライト４が取り付けられる。眼鏡型フレーム２のツル部分には、画像を映し出すための信号処理機器５、及び音声を再生するスピーカー６が設けられている。導光板１０は、光学部材（例えばＥＦＤ１５やＳＦ１１、ＳＦ１５など）からなり、信号処理機器５の回路から引き出された配線を構成するＦＰＣ（Flexible Printed Circuits）７が、眼鏡型フレーム２に沿って配線される。表示素子ユニット（例えば液晶表示素子）２０は、ＦＰＣ７によって使用者の両眼中央位置まで配線され、かつバックライト４の光軸線上に表示素子ユニット２０の略中心部が配置するように保持される。表示素子ユニット２０は、導光板１０の略中央部に位置するように、導光板１０に対して相対的に固定される。使用者の眼前に位置する箇所にはＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌが、それぞれ接着等により導光板１０の第一面１０ａ上に密着固定されている。導光板１０を挟んで表示素子ユニット２０と対向する位置には、ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌが導光板１０の第二面１０ｂ上に積層されている。平行平板６０は、後述する眼幅調整（つまり、ＨＭＤ１の光学系の射出瞳と使用者の眼の入射瞳とを精度良く一致させること）を行うため、接着等により第一面１０ａ（又は第二面１０ｂ）に選択的に貼り付けられる。なお、本説明では、平行平板６０を使用者が違和感を持たない様、使用者の瞳の位置に対し反対側に貼り付けたが勿論、使用者側に貼ることも可能である。
【００２０】
図２は、本実施形態のＨＭＤ１の構成を模式的に示す側面図である。なお、図２においては、図面を明瞭化するため、発明の主要部のみが示されており、眼鏡型フレーム２等は図示省略されている。図２に示されるように、ＨＭＤ１は、表示素子２４と導光板１０の中心を結ぶ中心線Ｘを挟み略左右対称構造を有している。また、表示素子２４から導光板１０に入射された各波長の光は、後述するように二分割されて使用者の右眼、左眼のそれぞれに導光される。各眼に導光される各波長の光の光路も中心線Ｘを挟み左右対称である。
【００２１】
図２に示されるように、バックライト４は、レーザ光源２１、拡散光学系２２、およびマイクロレンズアレイ２３を有する。表示素子ユニット２０は、表示素子２４を有する画像生成ユニットであり、例えばフィールドシーケンシャル（Field Sequential）方式で駆動する。レーザ光源２１は、Ｒ（ＨｅＮｅレーザ）、Ｇ（Ｈｄ：ＹＡＧレーザ）、Ｂ（Ｈｅ−Ｃｄレーザ）の各波長に対応したレーザ光源を有し、各波長の光を高速（例えば１８０Ｈｚ）で順次照射する。各波長の光は、拡散光学系２２、マイクロレンズアレイ２３に入射され、光量ムラのない均一な光束に変換されて、表示素子２４の表示パネル面に垂直に入射される。
【００２２】
表示素子２４は、例えばフィールドシーケンシャル方式で駆動する透過型液晶（LCD T-LCOS）パネルである。表示素子２４は、各波長の光に、信号処理機器５の画像エンジン（不図示）が生成する画像信号に応じた変調をかける。表示素子２４の有効領域の画素で変調された各波長の光は、所定の光束断面（該有効領域と略同じ形状）をもって導光板１０に入射される。なお、表示素子２４は、例えばＤＭＤ（Digital Mirror Device）や反射型液晶（LCOS）パネル、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、有機ＥＬ（Electro-Luminescence）、無機ＥＬ等の他の形態の表示素子に置換することも可能である。
【００２３】
なお、表示素子ユニット２０は、フィールドシーケンシャル方式の表示素子に限らず、同時式の表示素子（射出面前面に所定の配列のＲＧＢカラーフィルタを有する表示素子）の画像生成ユニットとしてもよい。この場合、光源には、例えば白色光源が使用される。
【００２４】
図２に示されるように、表示素子２４により変調された各波長の光は、第一面１０ａから導光板１０内部に順次入射される。導光板１０の第二面１０ｂ上には、ＨＯＥ５２Ｒと５２Ｌが積層されている。ＨＯＥ５２Ｒおよび５２Ｌは、例えば矩形状を有する反射型の体積位相型ＨＯＥであって、Ｒ、Ｇ、Ｂの各波長の光に対応する干渉縞が各々に記録されたフォトポリマーを三枚積層した構成を有する。すなわち、ＨＯＥ５２Ｒおよび５２Ｌは、Ｒ、Ｇ、Ｂの各波長の光を回折しそれ以外の波長の光を透過する波長選択機能を有するように構成されている。
【００２５】
また、ＨＯＥ５２Ｒおよび５２Ｌは、Ｒ、Ｇ、Ｂの各波長の光に対応する干渉縞が記録された一層のフォトポリマーとしてもよい。説明を加えると、使用波長がｎ（ｎは自然数）種類ある場合には、ＨＯＥ５２Ｒおよび５２Ｌの層構造は、各波長の光に対応する干渉縞が各々に記録されたフォトポリマーをｎ枚積層したもの、或いは、各波長の光に対応する干渉縞が記録された一層のフォトポリマーとなる。
【００２６】
また、二層のフォトポリマーによりＨＯＥ５２Ｒおよび５２Ｌを構成し、Ｒ、Ｇ、Ｂの各波長の光に対応する波長選択機能を付与することも可能である。例として、Ｒ、Ｇの各波長の光に対応する干渉縞が記録された一層のフォトポリマーと、Ｂの波長の光に対応する干渉縞が記録された一層のフォトポリマーの計二層によりＨＯＥ５２Ｒおよび５２Ｌを構成することが考えられる。なお、ＨＯＥ３２Ｒおよび３２Ｌも反射型の体積位相型ＨＯＥであり、ＨＯＥ３２Ｒおよび３２Ｌと同一の層構造を有する。ＨＯＥ３２Ｒおよび３２Ｌと５２Ｒおよび５２Ｌは、例えば干渉縞パターンのピッチが略同一であってもよい。
【００２７】
ＨＯＥ５２Ｒと５２Ｌは、互いの中心が一致し、かつ干渉縞パターンが１８０（ｄｅｇ）反転された状態で積層されている。そして、積層された状態でその中心が中心線Ｘと一致するように導光板１０の第二面１０ｂ上に接着等により密着固定されている。ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌには、表示素子２４により変調された各波長の光が導光板１０を介して順次入射される。
【００２８】
ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌはそれぞれ、順次入射される各波長の光を右眼、左眼に導くため所定の角度を付与して回折する。ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌにより回折された各波長の光はそれぞれ、導光板１０と空気との界面で全反射を繰り返して導光板１０内部を伝搬し、中心線Ｘから距離ＬＲ、ＬＬ離れたＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌに入射される。なお、図２中、使用者の右眼、左眼の中心を通るＨＯＥ３２Ｒ、ＨＯＥ３２Ｌの各法線に符号「ＸＲ」、「ＸＬ」を付す。図２においては、法線ＸＲ、ＸＬがそれぞれ中心線Ｘから距離ＬＲ、ＬＬ離れており、表示素子２４の表示画像の中心と使用者の眼の入射瞳の中心とが一致（別の表現によれば、ＨＭＤ１の光学系の射出瞳と使用者の眼の入射瞳とが一致）している様子を現している。
【００２９】
ここで、ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌは、各波長の光に同一の回折角を付与する。そのため、導光板１０に対する入射位置が略同一の（あるいは別の表現によれば、表示素子２４の有効領域内の略同一座標から射出された）全ての波長の光は、導光板１０内部の略同一の光路を伝搬して、ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌ上の略同位置に入射する。別の観点によれば、ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌは、表示素子２４の有効領域に表示された画像の該有効領域内における画素位置関係がＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌ上で忠実に再現されるようにＲＧＢの各波長の光を回折する。
【００３０】
このように本実施形態においてＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌはそれぞれ、表示素子２４の有効領域内の略同一座標から射出された全ての波長の光をＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌ上の略同位置に入射させるように回折する。一方、別の実施形態においては、ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌは、表示素子２４の有効領域内で相対的にずらされた本来同一画素をなす全ての波長の光をＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌ上の略同位置に入射させるように回折するように構成されてもよい。
【００３１】
ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌ上に入射された各波長の光は、ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌにより回折されて導光板１０の第二面１０ｂから外部に略垂直に順次射出される。このように略平行光として射出された各波長の光はそれぞれ、表示素子２４により生成された画像の虚像として使用者の右眼網膜、左眼網膜に結像する。また、使用者に拡大画像の虚像を観察させるために、ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌは、ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌ上での画素位置関係が表示素子２４の有効領域に表示された画像の該有効領域内における画素位置関係に対して拡大された相似形状をなすようにＲＧＢの各波長の光を回折するようにしてもよい。また、使用者が拡大画像の虚像を観察できるように、ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌにコンデンサ作用を付与してもよい。すなわち、ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌの周辺領域に入射された光ほど瞳の中心に寄るように角度をもって射出されて、ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌを介して該角度をもったまま使用者の網膜に結像するようにしてもよい。
【００３２】
ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌ、５２Ｒ、５２Ｌの少なくとも１つのＨＯＥは、ＤＯＥに置き換え可能である。例えば全てのＨＯＥをＤＯＥに置き換えてもよく、又はＨＯＥ３２Ｒと３２Ｌを共に、或いはＨＯＥ５２Ｒと５２Ｌを共にＤＯＥに置き換えてもよく、若しくはＨＯＥ３２Ｒ又は３２Ｌの何れか一方、又はＨＯＥ５２Ｒ又は５２Ｌの何れか一方をＤＯＥに置き換えてもよい。すなわち、ＨＯＥとＤＯＥとの置き換えには様々なパターンが想定される。なお、ＨＯＥとＤＯＥは図１又は図２中同一の図で示されるため、ここでは、ＤＯＥを有するＨＭＤ１の構成図面は省略する。
【００３３】
各波長の光は使用者の網膜上に高速で順次結像されるため、使用者は、表示素子２４による生成画像をカラー画像として認識することとなる。なお、使用者の眼と表示素子２４との実際の距離は数十ｍｍ程度に過ぎない。しかし、各波長の光は略平行光として眼球に入射されるため、使用者は、無限遠視したときに表示素子２４による生成画像を明瞭に視認することができる。また、体積位相型の反射型ＨＯＥであるＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌは回折効率の半値幅が狭く外界像の光の透過率が高い。そのため、使用者は、外界像を表示素子２４の表示画像と共に明瞭に観察することができる。
【００３４】
なお、本実施形態においては、右眼用、左眼用の表示素子を別個に備えること無く単板の表示素子２４を備える構成が採用されている。このため、製造コストダウン等の効果が得られる。また、共通の物点からの光（すなわち単板の表示素子２４の画像）を左右で同じ光路長を経て使用者の各眼に導光している。このため、使用者の各眼に対して同期した画像を入射させることができる。
【００３５】
ところで、ＨＭＤ１の光学系の左右それぞれの射出瞳中心と中心線Ｘとの距離ＬＲ、ＬＬ（単位：ｍｍ）は共に、導光板１０の板厚をｔ（単位：ｍｍ）と定義し、導光板１０内部を伝搬する光の回折角度（より正確には、ＨＯＥにより反射、回折されて導光板１０に入射された光の屈折角）をθ１（単位：ｄｅｇ）と定義し、導光板１０内部を各眼に向かって伝搬される表示素子２４の画像光の反射回数をＮ（Ｎは自然数であり、図２の場合は右眼、左眼の何れについても３回）と定義した場合に、次の式（１）により表される。
ＬＲ＝ＬＬ＝Ｎｔ×ｔａｎθ１・・・（１）
使用者の眼幅が間隔Ｌ（図２中法線ＸＲとＸＬとの間隔であって、距離ＬＲとＬＬとの合計値）であるときには、各眼に対するＨＭＤ１の光学系の射出瞳と各眼の入射瞳とが一致する。この場合、使用者は、表示素子２４の表示画像を良好に観察することができる。
【００３６】
ＨＭＤ１は、間隔Ｌが眼幅の狭い（例えば５０ｍｍ強）使用者を想定して設計されている。そのため、眼幅が間隔Ｌより広い使用者は、各眼に対するＨＭＤ１の光学系の射出瞳と各眼の入射瞳とが一致しないため、表示素子２４の表示画像を良好に双眼観察することができない。このような使用者が表示素子２４の表示画像を良好に双眼観察するためには、ＨＭＤ１の眼幅を変更する必要がある。ここで、ＨＭＤの眼幅を変更する上でコスト面や精度面等の問題が従来あったことは既に説明した通りである。そこで、本実施形態のＨＭＤ１は、次に説明される簡易かつ安価な構成でありつつも、各眼に対するＨＭＤ１の光学系の射出瞳と各眼の入射瞳とが精度良く一致するように構成されており、従来指摘されていた問題点が解消されている。
【００３７】
図３は、図２と同じく本実施形態のＨＭＤ１の構成を模式的に示す側面図であり、ＨＭＤ１の眼幅の変更について説明するため、表示素子２４から使用者の左眼に至るまでの光路を拡大して示している。
【００３８】
ＨＭＤ１の眼幅を変えるため、図３に示されるように、平行平板６０が、表示素子２４の画像光が反射される第一面１０ａ上の反射ポイントに接着等によって貼り付けられる。図３中、破線は、平行平板６０を貼り付けた場合の画像光の光路を示す。画像光は、導光板１０から平行平板６０に入射されて面６０ａで全反射された後、導光板１０に再入射されて使用者の瞳に向かう。平行平板６０は、ＨＭＤ１の眼幅を変えるため、第一面１０ａ上の別の反射ポイント（図３中には示されていないが、導光板１０内部における画像光の反射回数がより多い構成であれば第一面１０ａ上に別の反射ポイントが存在する。）や第二面１０ｂ上の反射ポイントの何れに貼り付けられてもよい。
【００３９】
平行平板６０は、例えば導光板１０と同一又はほぼ同一の屈折率をもつ材料で構成された広く流通する安価なガラス板である。平行平板６０は、その入手容易性から豊富な板厚を簡単に取り揃えることができ、本実施形態においても板厚ｔ’（単位：ｍｍ）の異なる複数種類が用意されている。この平行平板６０を貼り付けたときの中心線Ｘと光学系の射出瞳中心との間隔Ｌ’Ｌ（単位：ｍｍ）は、次の式（２）により表される。
Ｌ’Ｌ＝ＬＬ＋（２×ｔ’×ｔａｎθ１）＝（Ｎｔ＋２ｔ’）×ｔａｎθ１・・・（２）
式（２）に示されるように、間隔Ｌ’Ｌは、反射ポイントに貼り付けられる平行平板６０の板厚ｔ’に応じて変わる。なお、導光板１０と平行平板６０との間の接着層は、膜厚が導光板１０や平行平板６０の板厚と比べて格段に薄く無視できる程度であるため、式（２）では考慮されていない。但し、ここで使用される接着剤としては、可視光域の光に対して透過性が高いのは勿論、各界面における臨界角や色ズレの発生を考慮して、導光板１０及び平行平板６０と屈折率の差が極端に大きくないものが選択される。接着剤の屈折率は、導光板１０及び平行平板６０と屈折率がほぼ同一であることが望ましい。
【００４０】
このように、本実施形態のＨＭＤ１によれば、例えば導光板１０及び各種ＨＯＥで構成される光学ユニットを複数種類用意すること無く、平行平板６０を導光板１０に貼り付けるだけという簡易かつ安価な構成でＨＭＤ１の眼幅が変えられる。また、板厚が微少に異なる複数種類の平行平板６０を用意することによって眼幅を調整する際の分解能が高まるため、ＨＭＤ１の光学系の射出瞳と使用者の眼の入射瞳との高精度な一致が容易に達成される。
【００４１】
平行平板６０は、例えば接着剤が塗布された状態の複数種類がＨＭＤ１本体に同梱されて販売される。平行平板６０の貼り付け位置は、平行平板６０が表示素子２４の有効領域に対応する画像光を漏れ無く全反射させて導光板１０に再入射させることができれば足り、高い精度が要求されない。そのため、使用者は、平行平板６０を導光板１０に自ら貼り付けて、ＨＭＤ１の眼幅を自身に最適な眼幅に簡単に変えることができる。平行平板６０を導光板１０に貼り付ける作業の一助として、導光板１０の反射ポイントに対応する位置に所定のマーキングを付すようにしてもよい。なお、平行平板６０が隣り合う反射ポイントの一部に跨って接着されたときには、表示素子２４の有効領域に対応する画像光の一部が使用者の瞳に正常に導かれない。回折角度θ１を大きめに設定して反射ポイントが現れる位置のピッチを広げることにより、接着時に平行平板６０が隣り合う反射ポイントの一部に跨り難くなるように設計してもよい。
【００４２】
本実施形態のように、光路長の変化に起因した射出瞳位置のシフトを利用してＨＭＤの眼幅を変える試みは、例えば板厚の異なる複数種類の導光板を用意し、その中から使用者の眼幅に合う導光板を選択してＨＭＤを組み立てることでも達成される。しかし、この場合、板厚の異なる導光板を成形するために金型が複数種類必要になるという従来と同質の問題が生じることを言い添えておく。
【００４３】
平行平板６０は、導光板１０と異なる屈折率をもつ材料で構成されてもよい。かかる平行平板６０を貼り付けたときの間隔Ｌ’Ｌ（単位：ｍｍ）は、導光板１０の屈折率をｎ１と定義し、平行平板６０の屈折率をｎ２と定義し、平行平板６０に入射された光の屈折角をθ２（単位：ｄｅｇ）と定義した場合に、次の式（３）により表される。
【数１】
2010243786.tif 000003
ｎ１＞ｎ２であるとき、式（３）の（ｎ１ｃｏｓθ１／ｎ２ｃｏｓθ２）は１より大きい。この場合の間隔Ｌ’Ｌは、式（２）との比較から明らかなように、導光板１０と平行平板６０の屈折率が同一である場合よりも長くなる。別の側面によれば、ｎ２＞ｎ１であるときには式（３）の（ｎ１ｃｏｓθ１／ｎ２ｃｏｓθ２）は１より小さくなるため、間隔Ｌ’Ｌは式（２）の場合と比べて短くなる。このように、間隔Ｌ’Ｌは、平行平板６０の板厚だけでなく屈折率によっても変えることができる。なお、かかる場合の平行平板６０の材料（屈折率）も接着剤と同じく、各界面における臨界角や色ズレの発生を考慮した上で選定される。
【００４４】
以上説明されたように、間隔Ｌ’Ｌは、平行平板６０の板厚が厚いほど、又は導光板１０の屈折率に対して平行平板６０の屈折率が小さいほど長くなる。ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌは、間隔Ｌ’Ｌが長く延びた場合にも画像光を使用者の瞳に向けて漏れ無く回折できるように予め大きめに設計されている。但し、ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌのサイズを無闇に大きく設計した場合には、本来回折したい反射ポイントの画像光だけでなく、それに隣接する反射ポイントの画像光もＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌによって回折されて、二重像になる虞がある。すなわち、ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌは、眼幅の広い使用者に対応しつつも、次の反射ポイントが現れる位置に配慮してそのサイズが規定される。
【００４５】
次に、これまで説明されたＨＭＤ１の具体的数値実施例を説明する。本実施例のＨＭＤ１の数値構成（設計値）は次の通りである。
λＢ            ：４５７
λＧ            ：５３２
λＲ            ：６３３
ｎＢ            ：１．７２７５０
ｎＧ            ：１．７０４４２
ｎＲ            ：１．６９４２６
ＬＲ            ：２６．６
ＬＬ            ：２６．６
ｔ              ：３．０
θ’ＩＢ        ：０
θ’ＩＧ        ：０
θ’ＩＲ        ：０
θ’ＤＢ、θ”ＩＢ：７７．０
θ’ＤＧ、θ”ＩＧ：７７．０
θ’ＤＲ、θ”ＩＲ：７７．０
θ”ＤＢ        ：０
θ”ＤＧ        ：０
θ”ＤＲ        ：０
「λＢ」、「λＧ」、「λＲ」はレーザ光源２１から発光されて使用者の眼に導光されるＢ、Ｇ、Ｒの各光の波長（単位：ｎｍ）、「ｎＢ」、「ｎＧ」、「ｎＲ」はＢ、Ｇ、Ｒの各波長の光に対する導光板１０の屈折率、さらに、「θ’ＩＢ」、「θ’ＩＧ」、「θ’ＩＲ」はＨＯＥ５２Ｒ、５２ＬへのＢ、Ｇ、Ｒの各波長の光の入射角（単位：ｄｅｇ）、「θ’ＤＢ」、「θ’ＤＧ」、「θ’ＤＲ」はＨＯＥ５２Ｒ、５２ＬによるＢ、Ｇ、Ｒの各波長の光の回折角（単位：ｄｅｇ）、「θ”ＩＢ」、「θ”ＩＧ」、「θ”ＩＲ」はＨＯＥ３２Ｒ、３２ＬへのＢ、Ｇ、Ｒの各波長の光の入射角（単位：ｄｅｇ）、「θ”ＤＢ」、「θ”ＤＧ」、「θ”ＤＲ」はＨＯＥ３２Ｒ、３２ＬによるＢ、Ｇ、Ｒの各波長の光の回折角（単位：ｄｅｇ）を、それぞれ示す。本実施例におけるＨＭＤ１の眼幅Ｌ’は、平行平板６０を貼り付けない状態ではＬＲとＬＬの合計値、つまり５３．２ｍｍである。
【００４６】
なお、ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌを構成する材料の屈折率ｎは例えば１．５２（ＢＫ７相当）である。次の式
ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２
の右辺に、使用波長の略中心に相当する波長λＧの値を代入すると、導光板１０内部を実際に伝搬する光の回折角（既述のθ１）は凡そ６０．６ｄｅｇである。ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌによる各波長の光の回折角が大きいため、例えば導光板１０を薄型化（別の側面によれば軽量化）させた場合であっても、導光板１０の第一面１０ａ又は第二面１０ｂ上で反射される表示素子２４の画像光の反射ポイントが重ならない設計が実現される。また、導光板１０内部を伝搬される表示素子２４の画像光の反射回数が削減されて（例えば本実施例では右眼、左眼の何れについても５回）、導光板１０内部を伝搬される画像光の光路が短くなるため、内部拡散による光量損失が抑制される。
【００４７】
本実施例のＨＭＤ１において導光板１０と同一屈折率で例えば板厚０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍの平行平板６０を図３のように貼り付けたとき、間隔Ｌ’Ｌはそれぞれ、凡そ２８．４０ｍｍ、３０．１７ｍｍ、３３．７２ｍｍに変わる。導光部材１０の右側にも平行平板６０を同様に貼り付けたとき、ＨＭＤ１の眼幅Ｌ’は、凡そ５６．７９ｍｍ、６０．３４ｍｍ、６７．４４ｍｍである。これらの数値データから示されるように、板厚差がより一層微少な複数種類の平行平板６０を用いた場合に、ＨＭＤ１の眼幅を様々な使用者の眼幅に合わせて微調整できるのは明白である。なお、平行平板６０は、何れか１つの反射ポイントに貼り付けさえすればＨＭＤ１の眼幅が延びるため、左右それぞれの光路に対応した反射ポイントに必ずしも貼り付けなくてよい。
【００４８】
以上が本発明の実施形態の説明である。本発明は、各実施形態の構成および具体的数値構成等に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。例えばＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌ、５２Ｒ、５２Ｌは、例えば透過型ＨＯＥであってもよい。かかる場合、ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌは、例えば表示素子ユニット２０に対向する導光板１０の第一面１０ａ上に積層された状態で密着固定され、表示素子ユニット２０からの各波長の光を導光板１０内部で全反射させてＨＯＥ３２Ｒ又は３２Ｌに伝搬されるように回折する。ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌは、例えば使用者の瞳に対向する導光板１０の第二面１０上に密着固定され、導光板１０内部を伝搬された各波長の光を使用者の瞳に向かって回折する。
【００４９】
平行平板６０は、板厚だけでなく、板厚と直交する面（長さ、幅）方向の寸法がそれぞれ異なる複数種類用意されてもよい。面方向の寸法が本実施形態の平行平板６０と比べて大きく、例えば二箇所の反射ポイント全体を漏れ無く覆うように導光板１０に貼り付けられる平行平板６０を例に考える。この場合の平行平板６０は、表示素子２４の有効領域に対応する画像光を二回、漏れ無く全反射させて導光板１０に再入射させることができる。平行平板６０の貼付による画像の光路長の延び量が画像光を一回全反射させる場合と比べて二倍になる。そのため、例えば平行平板６０が薄型であっても本実施形態と比べて画像の光路長をより一層延ばして、画像光の射出瞳位置をより一層外側に変位させることができるようになる。平行平板６０の薄型化により、部分的かつ極端な突出形状（つまり平行平板６０の形状）が目立たなくなるため、デザイン性を重視した製品が提供できるようになる。
【００５０】
また、表示素子ユニット２０が有する光源２１は、例えばＲ、Ｇ、Ｂの各波長の光を高速で順次照射するＬＥＤ又はＬＤ（半導体レーザ）バックライトとしてもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１  ＨＭＤ
２  眼鏡型フレーム
４  バックライト
１０  導光板
２０  表示素子ユニット
３２Ｒ、３２Ｌ、５２Ｒ、５２Ｌ  ＨＯＥ
６０  平行平板
【図１】
2010243786.tif 000004
【図２】
2010243786.tif 000005
【図３】
2010243786.tif 000006