(57)【要約】【課題】簡易な構成でありつつも画像の高輝度化、高コントラスト化、大画面化を同時に達成す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部材と、導光部材に入射された画像を該導光部材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を有した映像表示装置であって、使用者の瞳を所定のアイポイントに位置させたときに該使用者に観察される画像の虚像画像に対する視野角が所定の視野角以上となるように、該画像の波長に対して屈折率１．６以上を有する硝材により導光部材を構成した。【選択図】図２
2010243787.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部材と、
前記入射された画像を前記導光部材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、
を有し、
前記使用者の瞳を所定のアイポイントに位置させたときに該使用者に観察される前記画像の虚像画像に対する視野角が所定の視野角以上となるように、該画像の波長に対して屈折率１．６以上を有する硝材により前記導光部材を構成したことを特徴とする映像表示装置。
【請求項２】
前記表示素子の表示パネル面の法線方向に指向性を持つ光を照射するバックライトを更に有し、
前記表示素子は、透過型又は反射型液晶パネルであって、前記バックライトからの光を変調して画像を生成し、生成された画像を前記導光部材に入射させ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】
前記伝搬手段は、
前記導光部材に入射された画像を該導光部材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）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と、
を有することを特徴とする、請求項１または請求項２の何れかに記載の映像表示装置。
【請求項４】
前記第二のＨＯＥは、使用者の左右の眼前に配置された一対のＨＯＥであり、
前記第一のＨＯＥ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ＨＯＥ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３に記載の映像表示装置。
【請求項５】
前記所定の視野角は、±１０．０（単位：ｄｅｇ）〜±１６（ｄｅｇ）の範囲であ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５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、表示素子の画像の高輝度化、高コントラスト化、大画面化を同時に達成する映像表示装置、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。この種のＨＭＤには、例えば特許文献１に開示されるように、表示素子として液晶表示素子が採用される。
【０００３】
液晶表示素子は（透過型又は反射型の何れも）、一般に、画像情報の濃淡に基づいて液晶の配向を制御し、所定方向から各画素に入射された光（液晶表示素子に垂直に入射された光）を画像情報に対して忠実に変調させる一方、それ以外の方向から各画素に入射された光（液晶表示素子に斜入射された光）を画像情報に対して忠実に変調させることができない。具体的には、各画素に斜入射された光（液晶素子の光学軸に対して角度を持って入射された光）は、常光線成分と異常光線成分とに分離されて位相差が生じて楕円偏光となるため、液晶層の後段の偏光版で完全には遮断されない。そのため、暗部であるべき画素における光の遮断が不十分となり、画像のコントラストが低下する。そこで、この種の液晶表示素子を搭載した映像表示機器は、一般に、画像のコントラストの低下を抑制すべく、指向性（平行度）の高い光を液晶表示素子に垂直に入射させ、入射された光を画像情報に対して忠実に変調させるように構成されている。これを照明系のＦナンバーと呼び、一般的にＦナンバーは、２．４以上が望ましい。
【０００４】
更に、特許文献１に記載のＨＭＤは、表示画像を大画面化させて使用者が臨場感のある画像を観察できるように、使用者の瞳の前側上方、前側下方、前方の各位置に配置された液晶表示素子又はミラー等からなる光学系により、液晶表示素子による生成画像を拡大させている。
【０００５】
また、表示画像を大画面化させる構成のＨＭＤは、例えば特許文献２にも開示されている。特許文献２に記載のＨＭＤは、低倍率望遠鏡を搭載している。当該ＨＭＤは、低倍率望遠鏡の光学作用によって見かけ視界を広げることにより、表示画像の虚像を大画面画像として使用者に観察させるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１４０４１６号公報
【特許文献２】特開平１−１３３０１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載のＨＭＤは、指向性の高い光源を使用するため、液晶表示素子により生成される画像光も指向性が高い。そのため、画像のコントラストは、使用者が該画像を観察する方向によって大きな偏りがある（つまり有効視野角（画像が正常に見える範囲の正面からの角度）が狭い）。画像のコントラストは、ＨＭＤの光学系の光軸方向をピークとして、光軸方向から外れると急激に落ち込む角度分布を持つ。コントラストの高い画像を使用者に観察させるためには、使用者が画像を観察するときにその視線がＨＭＤの光学系の光軸方向に必然的に向くようにＨＭＤを高精度に製造する必要がある。具体的には、光学系を構成する各種光学部品を高い精度で加工して筐体に高精度に配置すると共に、使用者の瞳が理想的な位置にくるように眼鏡フレームを使用者毎に緻密に調整する必要がある。しかし、このように、製品製造上の許容誤差や使用上の制約をあまりにも厳格化し過ぎてしまうと、高い水準のコントラスト比を満足するＨＭＤの量産やその実用が非常に困難である。
【０００８】
そこで、別の解決手段として、例えば液晶表示素子により生成された画像光を拡散させる拡散光学系を液晶表示素子の後段に別途配置して有効視野角を拡大し、高輝度とコントラストの高い画像を使用者に安定的に観察させる構成が想定される。しかし、この場合は、部品点数の増加による大型化やコストアップ、重量増加等の問題を存する。特に、この場合の重量増加は、眼鏡フレームに掛かる耳や鼻を支点とした前廻りのモーメントを増加させるため、使用者に身体的疲労を与えやすくなり望ましくない。
【０００９】
更に、特許文献１に記載のＨＭＤは、大画面画像を使用者に観察させる面からも、上記と同じく、光学系を構成する各種光学部品を高い精度で加工して筐体に高精度に配置する構成が必須であり、加工コストや組立コスト等のコスト面の増加が問題視される。
【００１０】
一方、特許文献２に記載のＨＭＤは、確かに大画面化を実現するものの、一般的なＨＭＤに低倍率望遠鏡を追加するといった安易な考えでなされた構成であるが故、大型化やコストアップ、重量増加等の問題が避けられない。
【００１１】
特許文献１や２とは別に、表示画像を大画面化させる典型的な解決手段としては、表示素子自体の大型化が想起される。しかし、この場合は、半導体基板の大型化に起因する歩留まりの低下やＨＭＤの大型化、重量増加等の問題が指摘される。
【００１２】
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、簡易な構成でありつつも画像の高輝度化、高コントラスト化、大画面化を同時に達成する映像表示装置、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】
【００１３】
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部材と、導光部材に入射された画像を該導光部材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を有する。当該映像表示装置は、使用者の瞳を所定のアイポイントに位置させたときに該使用者に観察される画像の虚像画像に対する視野角が所定の視野角以上となるように、該画像の波長に対して屈折率１．６以上を有する硝材により導光部材が構成されている。なお、本明細書中、「有効視野角」と「視野角」は明確に区別して記載する。ここでの「視野角」は「見かけ視界」と同義である。
【００１４】
このように、導光部材を高屈折率を有する硝材（別の側面によれば高分散材料）で構成したとき、表示素子の射出面から使用者の瞳に至るまでの空気換算距離が屈折率に依存して短くなり、見かけ視界が広角化することによって画像が大画面化すると同時に、導光部材の分散特性に依存して所定の光線（各主光線が属する同族光線（同族光束）をなす該主光線とベクトルが微少に異なる無数の光線）がより一層多く発生して、画像が高輝度化し、更にコントラストが向上する。本発明によれば、光学部品の追加等をするまでも無く簡易な構成で画像の高輝度化、高コントラスト化、大画面化が同時に達成される。
【００１５】
本発明に係る映像表示装置は、表示素子の表示パネル面の法線方向に指向性を持つ光を照射するバックライトを更に有する構成としてもよい。このとき表示素子は、例えば透過型又は反射型液晶パネルであって、バックライトからの光を変調して画像を生成し、生成された画像を導光部材に入射させるように構成される。
【００１６】
上記伝搬手段は、導光部材に入射された画像を該導光部材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とを有する構成としてもよい。
【００１７】
ここで、第二のＨＯＥは、例えば使用者の左右の眼前に配置された一対のＨＯＥであり、第一のＨＯＥ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ＨＯＥの各々に入射させるように回折する構成としてもよい。
【００１８】
使用者の瞳を所定のアイポイントに位置させたときに該使用者に観察される画像の虚像画像に対する所定の視野角は、±１０．０（単位：ｄｅｇ）〜±１６（ｄｅｇ）の範囲であってもよい。
【００１９】
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】
【００２０】
本発明に係る映像表示装置およびＨＭＤによれば、簡易な構成でありつつも画像の高輝度化、高コントラスト化、大画面化が同時に達成される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【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。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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を挟み略左右対称である。
【００２５】
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高指向性の平行光束に変換されて、表示素子２４の表示パネル面に垂直に入射される。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌに入射される。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。
【００３３】
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。
【００３４】
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Ｉとして使用者の右眼網膜、左眼網膜に結像する。また、使用者が拡大画像の虚像Ｉを観察できるように、ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌにコンデンサ作用を付与してもよい。すなわち、ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌ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使用者の網膜に結像するようにしてもよい。あるいは、使用者に拡大画像の虚像Ｉ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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
本実施形態の導光板１０には、使用波長に対する屈折率が１．６以上の高屈折率材料（例えばＥＦＤ１５やＥＦＤ２、ＳＦ１１、ＳＦ１５など）が用いられている。そのため、ＨＭＤの導光板材料として一般的に使用される硝材（例えばＢＫ７や石英など）を導光板１０に適用した場合と比べて、表示素子２４の射出面から使用者の瞳に至るまでの空気換算距離が屈折率の差に依存して短くなる。これによって見かけ視界が広がるため、表示素子２４による生成画像は、より一層拡大された大画面画像の虚像Ｉとして使用者の網膜に結像することとなる。このように、本実施形態のＨＭＤ１においては、大画面化のための光学部品の追加や表示素子の大型化を伴うこと無く、導光板材料として高屈折率材料を採用するといった簡易な構成で表示画像の大画面化が達成される。
【００３８】
別の表現によれば、使用者がＨＭＤ１を装着してアイポイントに瞳を位置させたときの表示素子２４の虚像画像Ｉに対する視野角θＶが±１０．０（単位：ｄｅｇ）以上であるようにするため、使用波長に対する屈折率が１．６以上の高屈折材料が導光板１０の材料として選択されている。表示素子２４の虚像画像Ｉに対する視野角θＶが±１０．０（ｄｅｇ）以上であることは、表示画像が大画面であることと等価である。導光板１０の材料が屈折率１．６を下回る材料である場合、表示素子２４の虚像画像Ｉに対する視野角θＶが±１０．０（ｄｅｇ）以上にならないため、使用者は、大画面の画像を観察することができない。
【００３９】
別の側面によれば、使用波長に対する屈折率が１．６以上の高屈折材料を導光板１０の材料として選択することにより、例えば導光板１０の厚みを薄型化させた場合であっても、ＢＫ７等の硝材で導光板１０を構成した場合と比べて、表示素子２４の虚像画像Ｉに対する視野角θＶを広角にし、或いは同程度の角度に維持することができる。
【００４０】
人間が像を明瞭に観察できる視野の範囲は、眼球の中心を軸とした±１６（ｄｅｇ）程度の範囲と考えられる。±１６（ｄｅｇ）の範囲を越えた周辺部を観察するためには、眼球を動かして注視点（眼球の中心軸すなわち視線を向けて見ている対象の位置）を変える必要がある。つまり、表示素子２４の虚像画像Ｉに対する視野角θＶが±１６（ｄｅｇ）の範囲を超える広角視野であるときには、表示画像の全体は、眼球を動かさない限り視界に収まり切らない。この場合、使用者は、視界に収まり切らない画像の全体を把握するために終始眼球を動かす必要があり、眼精疲労や視力低下を引き起こす問題が指摘される。従って、本実施形態においては、表示素子２４の虚像画像Ｉに対する視野角θＶが±１０．０（ｄｅｇ）〜±１６（ｄｅｇ）の範囲に収まるように、導光板１０の材料（ここでは屈折率）を選択することがより一層好適である。
【００４１】
ところで、硝材は、一般に、屈折率と分散が比例関係にある。本実施形態の導光板１０は、屈折率が１．６以上の硝材であることから、別の側面によれば高分散材料（例えばアッベ数４０以下）で構成されているともいえる。ここで、表示素子２４の射出面から射出された光軸に平行な各主光線は、導光板１０に入射後、主に弾性散乱されてその前方散乱光が使用者の瞳に向かって導光板１０内部を伝搬する。各主光線は、弾性散乱されて導光板１０内部を伝搬される間、導光板１０のアッベ数に依存して互いのベクトルが微少に異なる無数の光線を発する。この光線は、当該主光線が属する同族光線（同族光束）をなす光線であり、媒体のアッベ数が低いほど当該主光線と微少に異なるベクトルを持ってより多く発生する。なお、同族光線（同族光束）は、物体側の一点より発し像側で像点に集結すべき光線の集まり、すなわち共通波面を形成する光線群として定義される。
【００４２】
すなわち、導光板１０に入射された平行光束は、指向性を維持しつつも導光板１０の分散特性に依存して、実質的にやや発散傾向を持った光束となり、導光板１０内部を伝搬して使用者の瞳に向かう。従って、画像のコントラストは、ＨＯＥ３２Ｒ又は３２Ｌの中心（画像の中心）を通る法線ＸＲ又はＸＬ方向を中心としてある程度広がりを持った角度分布を有する。また、コントラスト分布は、広がりを持ちつつも伝搬光の指向性が失われていないため、広い角度範囲に亘って高い強度を持つ。そのため、使用者は、明るさとコントラストの高い画像を観察できるようになる。
【００４３】
このように、本実施形態のＨＭＤ１においては、製造困難性や光学部品の追加等を伴うこと無く、導光板材料として高分散材料を採用するといった簡易な構成で表示画像の高輝度化と高コントラスト化が達成される。特に、眼前の光学ユニットが外界光を透過して外界視界に画像を重畳して表示するように構成された透過型ＨＭＤにおいては、外界光の影響により表示画像のコントラストが低下する問題があった。しかし、本実施形態のＨＭＤ１によれば、表示画像のコントラストが高いため、かかる問題が好適に改善される。
【００４４】
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、「ＬＲ」はＨＯＥ３２Ｒの中心を通る法線ＸＲと中心線Ｘとの距離（単位：ｍｍ）、「ＬＬ」はＨＯＥ３２Ｌの中心を通る法線ＸＬと中心線Ｘとの距離（単位：ｍｍ）、をそれぞれ示す。さらに、「ｔ」は導光板１０の厚み（単位：ｍｍ）、「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。また、ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌは５．５ｍｍ幅、ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌは５．２ｍｍ幅を有する。なお、各ＨＯＥの奥行き寸法（上記の幅（図２の紙面）に直交する方向の寸法）は、表示素子２４の有効領域や表示される画面サイズ等に応じて適宜決められる。
【００４５】
このように、本実施例においては、使用者がＨＭＤ１を装着してアイポイントに瞳を位置させたときの表示素子２４の虚像画像Ｉに対する視野角θＶが、導光板１０を高屈折率材で構成したため、広角化されている。例えばＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌ（又はＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌ）にコンデンサ作用を付与した場合には、±１３．４〜±１６．０（ｄｅｇ）の高視野角を容易に得ることができる。何れのＨＯＥにコンデンサ作用を付与しない場合にも、±１０．６（ｄｅｇ）の高視野角が得られる。そのため、使用者は、臨場感のある大画面画像を観察することができる。また、当該視野角θＶは±１６（ｄｅｇ）以下に抑えられている。従って、使用者は、眼球を動かして視野の範囲を変えること無く画像の全体を観察できるので、眼精疲労等が効果的に抑えられる。更に、画像の明るさ、コントラストは、導光板１０の分散特性に依存して、広い角度範囲に亘って高い強度を持つ。そのため、使用者は、高輝度かつ高コントラストな画像を観察することができる。
【００４６】
上記具体的数値実施例に対応する比較例を説明する。比較例のＨＭＤは、導光板が石英で構成されている点以外は全て、具体的数値実施例のＨＭＤと同一の構成を有している。以下は、比較例のＨＭＤの数値構成（設計値）である。以下では、具体的数値実施例のＨＭＤと数値が異なるパラメータだけ示している。
ｎＢ            ：１．４６５
ｎＧ            ：１．４６１
ｎＲ            ：１．４５７
ＬＲ            ：３０．４
ＬＬ            ：３０．４
【００４７】
比較例では、表示素子２４の射出面から使用者の瞳に至るまでの空気換算距離が屈折率に依存して長くなり、これによって見かけ視界が狭くなる。例えば何れのＨＯＥにもコンデンサ作用を付与しない場合には、±９．０（ｄｅｇ）の視野角しか得られない。そのため、使用者は、大画面画像を観察することができない。また、使用者は、導光板１０の分散特性に依存して画像の明るさ、コントラストが低下するため、高輝度又は高コントラストな画像を観察することができない。
【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ＬＲとＬＬの合計距離が使用者の眼幅に高精度に一致するように各実施形態の具体的数値構成を適宜選択する。これにより、使用者の眼幅に最適な位置から各波長の光が射出されるようにＨＭＤ１を構成することができる。
【００４９】
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。
【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
【図１】
2010243787.tif 000003
【図２】
2010243787.tif 000004