(57)【要約】【課題】外界像の視認範囲を広く確保しつつ、装置の設計自由度やデザインの自由度を増大させる。導光部材が薄型の構成で、横方向に広画角の映像を観察させる。【解決手段】表示素子１３からの映像光の光路は、プリズム２１の全反射面２１ｂ・２１ｃにより、Ｘ方向からＹ方向、Ｙ方向から光学瞳方向の２段階に折り曲げられるので、表示素子１３を互いに直交するＸ方向およびＹ方向の対角方向に配置することができるとともに、Ｘ方向およびＹ方向における映像光の導光の仕方にバリエーションを持たせることができる。また、表示映像の観察画角がＸ方向（眼幅方向）のほうがＹ方向（垂直方向）よりも大きい構成において、全反射面２１ｃによってプリズム２１内をＹ方向に進行する映像光の光路を最終的に光学瞳方向に折り曲げることにより、射出面２１ｄに対して短辺方向が傾くように全反射面２１ｃを配置することができる。【選択図】図１
2010122478.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像を表示する表示素子と、
上記表示素子からの映像光を光学瞳に導く接眼光学系とを備え、上記光学瞳の位置にて観察者に表示映像を観察させるとともに、互いに直交する第１の方向と第２の方向とで表示映像の観察画角が異なる映像表示装置であって、
上記第１の方向は、観察者の眼幅方向であり、
表示映像の観察画角は、上記第２の方向よりも上記第１の方向のほうが大きく、
上記接眼光学系は、
上記映像光の入射面および射出面を有し、上記映像光を内部で導光する導光部材と、
上記映像光の光路を折り曲げる第１および第２の光路折り曲げ手段とを含んでおり、
上記入射面は、上記第１の方向と交差する一方、上記射出面は、上記光学瞳と対向しており、
上記表示素子からの映像光は、上記入射面を介して上記導光部材の内部を上記第１の方向における一方側から他方側に向かって進行し、上記第１の光路折り曲げ手段にて光路を折り曲げられて上記第２の方向における一方側から他方側に向かって進行し、上記第２の光路折り曲げ手段にて再度光路を折り曲げられて上記射出面を介して上記光学瞳に導かれることを特徴とする映像表示装置。
【請求項２】
上記導光部材の入射面から上記第１の光路折り曲げ手段までの映像光の光路を第１の光路とすると、
光学瞳位置での外界像の観察方向は、上記第１の光路と交差する方向を含んでい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】
上記第１の光路折り曲げ手段から上記第２の光路折り曲げ手段までの映像光の光路を第２の光路とすると、
光学瞳位置での外界像の観察方向は、上記第２の光路と交差する方向を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の映像表示装置。
【請求項４】
上記第２の光路折り曲げ手段は、ハーフミラーであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項５】
上記第２の光路折り曲げ手段は、軸非対称な正の光学的パワーを有する反射面であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項６】
上記第２の光路折り曲げ手段は、凹面反射面であることを特徴とする請求項５に記載の映像表示装置。
【請求項７】
上記第２の光路折り曲げ手段は、体積位相型で反射型のホログラム光学素子であることを特徴とする請求項１、２、３または５に記載の映像表示装置。
【請求項８】
上記接眼光学系は、上記導光部材での外界像の光の屈折をキャンセルするための補正部材をさらに含んでいることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項９】
上記表示素子からの映像光は、上記導光部材の内部を上記第１の方向における一方側から他方側に向かって進行する際に、上記導光部材の厚さ方向の対向面で全反射を繰り返しながら進行することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項１０】
上記表示素子からの映像光は、上記第１の光路折り曲げ手段にて光路を折り曲げられて上記第２の方向における一方側から他方側に向かって進行する際に、上記導光部材の厚さ方向の対向面で全反射を繰り返しながら進行することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項１１】
上記接眼光学系は、上記表示素子の表示映像の中間像を生成するリレー光学系をさらに含んでいることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項１２】
上記リレー光学系は、上記第１の光路折り曲げ手段と上記第２の光路折り曲げ手段との間の光路中に上記中間像を生成することを特徴とする請求項１１に記載の映像表示装置。
【請求項１３】
上記第１の光路折り曲げ手段は、上記導光部材の内部に埋め込まれていることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項１４】
請求項１から１２のいずれかに記載の映像表示装置と、
上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを有していることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
【請求項１５】
上記支持手段は、上記映像表示装置を支持して観察者の鼻と当接する鼻当て部と、上記映像表示装置を支持して観察者の側頭部と当接するテンプル部とを含んでいることを特徴とする請求項１４に記載の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、表示素子からの映像光を接眼光学系を介して光学瞳に導くことにより、光学瞳の位置にて観察者に表示映像を観察させる映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも称する）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
映像表示装置を観察者の眼前に配置して映像を観察させるＨＭＤとして、例えば特許文献１〜３に開示されたものがある。特許文献１、２のＨＭＤは、いずれも、表示素子からの映像光をプリズム内で観察者の眼幅方向（水平方向）に伝播して光学瞳に導く構成である。一方、特許文献３のＨＭＤは、表示素子からの映像光をプリズム内で垂直方向に伝播して光学瞳に導く構成である。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３１７７９８号公報
【特許文献２】特開２００８−１６５０６３号公報
【特許文献３】特開２００４−６１７３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１、２の構成では、プリズムの左側または右側に表示素子が配置され、特許文献３の構成では、プリズムの上方に表示素子が配置されるため、いずれも、一方向（水平方向または垂直方向）における外界像の視認範囲が狭められる。また、いずれも、一方向の面内でのみ光路を折り曲げる構成のため、装置の設計自由度やデザインのバリエーションが制限される。
【０００５】
また、特許文献１、２の構成において、プリズム内で映像光を光学瞳方向に反射させる反射面は横長形状となっている。この反射面は、これを矩形の平面と仮定した場合に、光学瞳と対向するプリズムの射出面に対して長辺方向が傾くように配置されている。このため、反射面を傾けるほど、プリズムが前後方向に厚くなる。表示素子には、横と縦の比で４：３や１６：９などの横長の映像を表示させることが多いので、プリズムが薄型の構成で横方向に広画角の映像を観察できる構成が望まれる。
【０００６】
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あって、その目的は、外界像の視認範囲を水平方向および垂直方向の両方向に広く確保しつつ、装置の設計自由度やデザインの自由度を増大させることができるとともに、プリズムなどの導光部材が薄型の構成で、横方向に広画角の映像を観察させ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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の映像表示装置は、映像を表示する表示素子と、上記表示素子からの映像光を光学瞳に導く接眼光学系とを備え、上記光学瞳の位置にて観察者に表示映像を観察させるとともに、互いに直交する第１の方向と第２の方向とで表示映像の観察画角が異なる映像表示装置であって、上記第１の方向は、観察者の眼幅方向であり、表示映像の観察画角は、上記第２の方向よりも上記第１の方向のほうが大きく、上記接眼光学系は、上記映像光の入射面および射出面を有し、上記映像光を内部で導光する導光部材と、上記映像光の光路を折り曲げる第１および第２の光路折り曲げ手段とを含んでおり、上記入射面は、上記第１の方向と交差する一方、上記射出面は、上記光学瞳と対向しており、上記表示素子からの映像光は、上記入射面を介して上記導光部材の内部を上記第１の方向における一方側から他方側に向かって進行し、上記第１の光路折り曲げ手段にて光路を折り曲げられて上記第２の方向における一方側から他方側に向かって進行し、上記第２の光路折り曲げ手段にて再度光路を折り曲げられて上記射出面を介して上記光学瞳に導かれることを特徴としている。
【０００８】
なお、「映像光が第１の方向（眼幅方向、水平方向、横方向）における一方側から他方側に向かって進行する」とは、映像光が第１の方向と完全に平行に進行する場合のほか、第１の方向に対して斜めに進行する場合や、導光部材の厚さ方向の対向面で全反射を繰り返しながら第１の方向に進行する場合も含む。同様に、「映像光が第２の方向（垂直方向、縦方向）における一方側から他方側に向かって進行する」とは、映像光が第２の方向と完全に平行に進行する場合のほか、第２の方向に対して斜めに進行する場合や、導光部材の厚さ方向の対向面で全反射を繰り返しながら第２の方向に進行する場合も含む。
【０００９】
本発明の映像表示装置において、上記導光部材の入射面から上記第１の光路折り曲げ手段までの映像光の光路を第１の光路とすると、光学瞳位置での外界像の観察方向は、上記第１の光路と交差する方向を含んでいることが望ましい。
【００１０】
本発明の映像表示装置において、上記第１の光路折り曲げ手段から上記第２の光路折り曲げ手段までの映像光の光路を第２の光路とすると、光学瞳位置での外界像の観察方向は、上記第２の光路と交差する方向を含んでいることが望ましい。
【００１１】
本発明の映像表示装置において、上記第２の光路折り曲げ手段は、ハーフミラーであってもよい。
【００１２】
本発明の映像表示装置において、上記第２の光路折り曲げ手段は、軸非対称な正の光学的パワーを有する反射面であってもよい。
【００１３】
本発明の映像表示装置において、上記第２の光路折り曲げ手段は、凹面反射面であってもよい。
【００１４】
本発明の映像表示装置において、上記第２の光路折り曲げ手段は、体積位相型で反射型のホログラム光学素子であってもよい。
【００１５】
本発明の映像表示装置において、上記接眼光学系は、上記導光部材での外界像の光の屈折をキャンセルするための補正部材をさらに含んでいる構成であってもよい。
【００１６】
本発明の映像表示装置において、上記表示素子からの映像光は、上記導光部材の内部を上記第１の方向における一方側から他方側に向かって進行する際に、上記導光部材の厚さ方向の対向面で全反射を繰り返しながら進行してもよい。
【００１７】
本発明の映像表示装置において、上記表示素子からの映像光は、上記第１の光路折り曲げ手段にて光路を折り曲げられて上記第２の方向における一方側から他方側に向かって進行する際に、上記導光部材の厚さ方向の対向面で全反射を繰り返しながら進行してもよい。
【００１８】
本発明の映像表示装置において、上記接眼光学系は、上記表示素子の表示映像の中間像を生成するリレー光学系をさらに含んでいてもよい。
【００１９】
本発明の映像表示装置において、上記リレー光学系は、上記第１の光路折り曲げ手段と上記第２の光路折り曲げ手段との間の光路中に上記中間像を生成することが望ましい。
【００２０】
本発明の映像表示装置において、上記第１の光路折り曲げ手段は、上記導光部材の内部に埋め込まれていることが望ましい。
【００２１】
本発明のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）は、上述した本発明の映像表示装置と、上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを有していることを特徴としている。
【００２２】
本発明のＨＭＤにおいて、上記支持手段は、上記映像表示装置を支持して観察者の鼻と当接する鼻当て部と、上記映像表示装置を支持して観察者の側頭部と当接するテンプル部とを含んでいてもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、表示素子からの映像光は、接眼光学系の第１および第２の光路折り曲げ手段によって光路を２段階に折り曲げられて光学瞳に導かれる。このように２段階で光路を折り曲げる構成とすることにより、表示素子を互いに直交する第１の方向および第２の方向の対角方向に配置する、つまり、観察者の視野の中心から極力遠い位置に配置することができる。その結果、観察者の外界像の視認範囲（シーアラウンド領域）を第１の方向および第２の方向の両方向に広く確保することができる。また、第１の方向および第２の方向における映像光の導光の仕方にバリエーションを持たせることが可能であり、それに合わせて例えば表示素子の配置位置を変えることも可能となるので、装置の設計自由度、デザインの自由度を増大させることができる。
【００２４】
また、表示映像の観察画角は、第２の方向よりも、眼幅方向である第１の方向のほうが大きいので、観察者は第１の方向に広画角な映像を観察することができる。さらに、本発明のように、第２の光路折り曲げ手段（例えば矩形の全反射面）によって、第１の方向ではなく第２の方向に進行する映像光の光路を最終的に折り曲げることにより、導光部材の射出面に対して短辺方向が傾くように第２の光路折り曲げ手段を配置することができる。これにより、導光部材の射出面に対して長辺方向が傾くように反射面を配置する構成に比べて、導光部材の厚さを薄くすることができる。つまり、本発明によれば、導光部材を薄型にしつつ、第１の方向に広画角の映像を観察者に観察させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
〔実施の形態１〕
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。
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ、本実施形態の映像表示装置１の概略の構成を示す平面図、正面図および側面図である。映像表示装置１は、光源１１と、集光レンズ１２と、表示素子１３と、接眼光学系１４とを備えている。なお、図１（ｃ）では、便宜上、接眼光学系１４の後述する入射面２１ａよりも前段の構成の図示を省略している。
【００２６】
ここで、接眼光学系１４によって形成される光学瞳Ｅの面内で互いに直交する方向をＸ方向（第１の方向）およびＹ方向（第２の方向）とし、ＸＹ平面に垂直な方向をＺ方向とする。Ｘ方向は、観察者の眼幅方向（水平方向、左右方向）であり、Ｙ方向は、垂直方向（上下方向）である。映像表示装置１においては、Ｘ方向とＹ方向とで表示映像の観察画角が異なっており、Ｙ方向よりもＸ方向のほうが表示映像の観察画角が大きくなっている。
【００２７】
光源１１は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色光を出射するものであり、例えばＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。なお、光源１１は、単色光や白色光を出射するものであっても構わない。集光レンズ１２は、光源１１からの光を集光して表示素子１３に供給する。表示素子１３は、入射光を画像データに応じて変調することにより、映像を表示するものであり、例えば、光が透過する領域となる各画素をマトリクス状に有する透過型の液晶表示素子で構成されている。
【００２８】
接眼光学系１４は、表示素子１３からの映像光を光学瞳Ｅに導く光学系であり、プリズム２１と、接眼レンズ２２と、補正レンズ２３とを有して構成されている。プリズム２１は、表示素子１３からの映像光を内部で導光する導光部材であり、映像光の入射面２１ａ、全反射面２１ｂ・２１ｃおよび射出面２１ｄを有している。なお、プリズム２１は、単一のプリズムで構成されてもよいし、複数プリズムの貼り合わせで構成されてもよい。
【００２９】
入射面２１ａは、Ｘ方向と垂直に交差するように設けられており、射出面２１ｄは、光学瞳Ｅと対向するように設けられている。全反射面２１ｂ・２１ｃは、例えば矩形形状（長方形形状）であり、映像光の光路を折り曲げる光路折り曲げ手段として機能している。具体的には、全反射面２１ｂは、入射面２１ａを介してプリズム内部に入射してＸ方向に進行する映像光をＹ方向に全反射させる第１の光路折り曲げ手段である。全反射面２１ｃは、全反射面２１ｂで全反射してＹ方向に進行する映像光を光学瞳Ｅの方向（Ｚ方向）に全反射させる第２の光路折り曲げ手段である。
【００３０】
接眼レンズ２２は、軸非対称な正のパワーを持ち、全反射面２１ｃで全反射した映像光を光学瞳面に集光するものであり、プリズム２１の射出面２１ｄに接合されてプリズム２１と一体化されている。補正レンズ２３は、接眼レンズ２２等によって発生する光学系の収差を補正するためのレンズであり、プリズム２１の入射面２１ａに接合されてプリズム２１と一体化されている。
【００３１】
上記の構成によれば、光源１１から出射された光は、集光レンズ１２で集光されて表示素子１３に入射し、そこで変調されて映像光として接眼光学系１４に入射する。接眼光学系１４では、上記映像光は、補正レンズ２３および入射面２１ａを介してプリズム２１の内部に入射した後、内部をＸ方向に沿って進行し、全反射面２１ｂで光路を折り曲げられてＹ方向に向きを変えて進行し、全反射面２１ｃにて再度光路を折り曲げられて射出面２１ｄおよび接眼レンズ２２を介して光学瞳Ｅに導かれる。これにより、光学瞳Ｅの位置では、観察者は表示素子１３にて表示された映像の拡大虚像を観察することができる。
【００３２】
一方、映像の観察範囲外の領域では、観察者は外界像を観察することができる。例えば、プリズム２１の入射面２１ａから全反射面２１ｂまでの映像光の光路を第１の光路Ｌ１とし、全反射面２１ｂから全反射面２１ｃまでの映像光の光路を第２の光路Ｌ２とすると、観察者は、光学瞳Ｅの位置にて、第１の光路Ｌ１と交差する方向および第２の光路Ｌ２と交差する方向に外界像を観察することができる。
【００３３】
以上のように、表示素子１３からの映像光は、接眼光学系１４の全反射面２１ｂ・２１ｃで光路を２段階に折り曲げられる、すなわち、Ｘ方向からＹ方向、Ｙ方向から光学瞳方向に２段階に折り曲げられるので、表示素子１３を互いに直交するＸ方向およびＹ方向の対角方向に配置することができる。これにより、表示素子１３を観察者の視野の中心から極力遠い位置に配置することができ、観察者の外界像の視認範囲（シーアラウンド領域）をＸ方向およびＹ方向の両方向で広く確保することができる。
【００３４】
特に、光学瞳Ｅの位置での外界像の観察方向は、第１の光路Ｌ１と交差する方向を含んでおり、第１の光路Ｌ１はＸ方向に沿うので、Ｘ方向に広いシーアラウンド領域を確実に確保することができる。同様に、光学瞳Ｅの位置での外界像の観察方向は、第２の光路Ｌ２と交差する方向も含んでおり、第２の光路Ｌ２はＹ方向に沿うので、Ｙ方向にも広いシーアラウンド領域を確実に確保することができる。
【００３５】
また、映像光の光路を２段階で折り曲げる構成とすることにより、後述する実施の形態２〜５のように、Ｘ方向およびＹ方向における映像光の導光の仕方にバリエーションを持たせることが可能となり、それに合わせて表示素子１３の配置位置を変えることも可能となる。その結果、装置の設計自由度、デザインの自由度を増大させることができる。
【００３６】
また、表示映像の観察画角は、Ｙ方向よりも、眼幅方向であるＸ方向のほうが大きいので、観察者はＸ方向に広画角な映像を観察することができる。さらに、全反射面２１ｃによって、Ｘ方向ではなくＹ方向に進行する映像光の光路を最終的に折り曲げる構成とすることにより、プリズム２１の射出面２１ｄに対して短辺方向が傾くように全反射面２１ｃを配置することができる（図１（ｂ）（ｃ）参照）。これにより、プリズム２１の射出面２１ｄに対して長辺方向が傾くように最終反射面を配置する構成に比べて、プリズム２１の厚さを薄くすることができる。つまり、プリズム２１を薄型にしつつ、Ｘ方向に広画角の映像を観察者に観察させることができる。
【００３７】
ところで、図２は、映像表示装置１の他の構成例を示す側面図である。なお、図２では、便宜上、プリズム２１の入射面２１ａよりも前段の構成の図示を省略している。同図のように、映像表示装置１の接眼光学系１４において、プリズム２１の全反射面２１ｃをハーフミラー２１ｅとしてもよい。この場合、表示素子１３からの映像光は最終的にハーフミラー２１ｅで反射されて光学瞳Ｅに入射する一方、外界像の光がハーフミラー２１ｅを透過して光学瞳Ｅに入射する。このように、ハーフミラー２１ｅは、映像光を反射させて光学瞳Ｅに導くとともに、外界像の光を透過させて光学瞳Ｅに導くコンバイナとなるので、観察者は、光学瞳Ｅの位置にて、表示映像と同時に外界像をシースルーで観察することができる。
【００３８】
また、第２の光路折り曲げ手段としてコンバイナを用いた場合、同図に示すように、接眼光学系１４は、さらに補正プリズム２４（補正部材）を備えることが望ましい。ハーフミラー２１ｅを挟んで補正プリズム２４をプリズム２１に貼り合わせ、全体として略平行平板を構成することにより、プリズム２１での外界像の光の屈折（特に楔部分での屈折）を補正プリズム２４によってキャンセルすることができるので、接眼光学系１４を介して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。ただし、図２の構成では、外界像の光も接眼レンズ２２を透過して光学瞳Ｅに入射するので、接眼レンズ２２を介して観察される外界像と、接眼レンズ２２を介さずに観察される外界像とで、倍率が若干異なることになる。
【００３９】
なお、本実施形態では、１個の映像表示装置１で映像を観察する場合について説明したが、観察者の両眼に対応して２個の映像表示装置１を設け、両眼で映像を観察するようにしてもよい。
【００４０】
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態１と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
【００４１】
図３は、本実施形態の映像表示装置１の概略の構成を示す正面図であり、図４は、映像表示装置１の主要部の模式的な斜視図である。本実施形態では、映像表示装置１は、観察者の両眼に対応して２つ設けられている。なお、２つの映像表示装置１を区別するときは、観察者の右眼の前に配置される映像表示装置１を映像表示装置１Ｒとし、観察者の左眼の前に配置される映像表示装置１を映像表示装置１Ｌとする。映像表示装置１Ｒ・１Ｌの各構成要素は、眼幅方向に対称に配置されている。また、図５（ａ）は、映像表示装置１Ｒの平面図であり、図５（ｂ）は、映像表示装置１Ｒの側面図である。なお、図５（ｂ）では、便宜上、接眼光学系１４の後述するプリズム３１の入射面３１ａよりも前段の構成の図示を省略している。
【００４２】
本実施形態の映像表示装置１（１Ｒ・１Ｌ）は、接眼光学系１４のプリズム２１および補正プリズム２４を、平行平板のプリズム３１に置き換えた以外は、実施の形態１の図２と同様の構成である。ただし、接眼レンズ２２および補正レンズ２３は、プリズム３１とは別体で構成されている。プリズム３１は、表示素子１３からの映像光を内部で導光するものであり、入射面３１ａと、反射面３１ｂと、ハーフミラー３１ｃと、射出面３１ｄとを有している。
【００４３】
入射面３１ａは、Ｘ方向と垂直に交差するように設けられており、射出面３１ｄは、光学瞳Ｅと対向するように設けられている。反射面３１ｂおよびハーフミラー３１ｃは、いずれも平面形状（矩形形状）であり、映像光の光路を折り曲げる光路折り曲げ手段として機能している。具体的には、反射面３１ｂは、入射面３１ａを介してプリズム内部に入射してＸ方向に進行する映像光をＹ方向に反射させる第１の光路折り曲げ手段である。ハーフミラー３１ｃは、反射面３１ｂで反射してＹ方向に進行する映像光を光学瞳Ｅの方向に反射させる第２の光路折り曲げ手段であり、また、映像光と外界像の光とを同時に光学瞳Ｅに導くコンバイナでもある。
【００４４】
本実施形態では、反射面３１ｂおよびハーフミラー３１ｃは、プリズム３１の内部に埋め込まれている。このような埋め込みを実現するために、プリズム３１は、正面視で略四角形状に形成されている。なお、プリズム３１の製法については後述する。
【００４５】
上記構成によれば、補正レンズ２３および入射面３１ａを介してプリズム３１の内部に入射した表示素子１３からの映像光は、プリズム３１の内部をＸ方向に沿って進行し、反射面３１ｂで光路を折り曲げられてＹ方向に向きを変えて進行し、ハーフミラー３１ｃにて再度光路を折り曲げられて射出面３１ｄおよび接眼レンズ２２を介して光学瞳Ｅに導かれる。一方、外界像の光は、ハーフミラー３１ｃを透過して光学瞳Ｅに導かれる。これにより、光学瞳Ｅの位置では、観察者は表示素子１３にて表示された映像の拡大虚像を観察することができると同時に、外界像をシースルーで観察することができる。なお、本実施形態のプリズム３１は平行平板であるため、観察者はプリズム３１を介して外界像を歪みなく観察することができる。
【００４６】
本実施形態の映像表示装置１においては、反射面３１ｂがプリズム３１の内部に埋め込まれているので、プリズム３１を実施の形態１のプリズム２１よりも大きく構成することができ、これによって、外界像を観察可能な視野内で、プリズム３１を介して外界像が観察される領域（以下、第１の領域と称する）を、プリズム３１を介さずに外界像が直接観察される領域（以下、第２の領域と称する）よりも大幅に大きくすることができる。外界像の光がプリズム３１を透過する際には屈折が生じるので、第１の領域と第２の領域とでは、外界像の見え方は異なり、これらの領域が混在すると違和感が生じて外界像の視認性が低下する。しかし、反射面３１ｂをプリズム３１の内部に埋め込むことで、第１の領域を第２の領域よりも大幅に大きくし、外界像の見え方を統一する方向にもっていくことができるので、外界像の視認性を向上させることができる。
【００４７】
次に、プリズム３１の製法について説明する。図６は、プリズム３１の製法の一例を示す説明図である。プリズム３１は、３つの素片４１・４２・４３で構成されている。素片４１は、素片４２が嵌る凹部４１ａを有している。素片４２には、反射面３１ｂおよびハーフミラー３１ｃが形成されている。素片４３は、プリズム３１の角部を切り落とした形状となっている。素片４１の凹部４１ａに素片４２を嵌めた後、素片４３で蓋をして接着することにより、反射面３１ｂおよびハーフミラー３１ｃを内部に埋め込んだプリズム３１を得ることができる。
【００４８】
また、図７は、プリズム３１の製法の他の例を示す説明図である。プリズム３１は、２つの素片５１・５２で構成されていてもよい。素片５１は、素片５２が嵌る孔部５１ａを有している。素片５２には、反射面３１ｂおよびハーフミラー３１ｃが形成されている。素片５１の孔部５１ａに素片５２を嵌め込んでこれらを接着することにより、反射面３１ｂおよびハーフミラー３１ｃを内部に埋め込んだプリズム３１を得ることができる。
【００４９】
ところで、本実施形態では、プリズム３１内で映像光がＸ方向と完全に平行に進行する場合について説明したが、映像光の進行方向は、Ｘ方向に平行でなくてもよい。図８は、映像表示装置１の他の構成を示す正面図である。同図に示すように、プリズム３１は、入射面３１ａがＸ方向およびＹ方向の両方向に対して傾く形状であってもよい。この構成では、表示素子１３からの映像光は、入射面３１ａを介してプリズム３１の内部に入射し、Ｘ方向に対して斜めに進行した後、反射面３１ｂで反射されて光路が鋭角に折り曲げられ、Ｙ方向に進行する。そして、上記映像光は、ハーフミラー３１ｃで光学瞳Ｅの方向に反射される。この場合でも、表示素子１３からの映像光は、プリズム３１内では、Ｘ方向における一方側から他方側に向かって進行することに変わりはない。
【００５０】
また、図９（ａ）は、映像表示装置１のさらに他の構成を示す正面図であり、図９（ｂ）は、この映像表示装置１の側面図である。なお、図９（ｂ）では、便宜上、プリズム３１の入射面３１ａよりも前段の構成の図示を省略している。同図に示すように、プリズム３１に対して接眼プリズム２２とは反対側に補正レンズ２５を配置してもよい。この補正レンズ２５は、接眼レンズ２２を介して観察される外界像と、接眼レンズ２２を介さずに観察される外界像とで倍率が等しくなるように、外界像の光を屈折させて接眼レンズ２２に導くものである。このような補正レンズ２５を配置することにより、観察者はプリズム３１を介して観察される視野全体にわたって均一な倍率で外界像を良好に観察することが可能となり、シースルー性能を向上させることができる。
【００５１】
また、図１０（ａ）は、映像表示装置１のさらに他の構成を示す正面図であり、図１０（ｂ）は、この映像表示装置１の側面図である。なお、図１０（ｂ）では、便宜上、接眼光学系１４の補正レンズ２３よりも前段の構成の図示を省略している。同図に示すように、補正レンズ２３は、プリズム３１と一体化されていてもよい。
【００５２】
また、図１１（ａ）は、映像表示装置１のさらに他の構成を示す正面図であり、図１１（ｂ）は、この映像表示装置１の側面図である。なお、図１１（ｂ）では、便宜上、プリズム３１の入射面３１ａよりも前段の構成の図示を省略している。同図に示すように、接眼レンズ２２および補正レンズ２５は、プリズム３１と一体化されていてもよい。
【００５３】
また、図１２（ａ）は、映像表示装置１のさらに他の構成を示す正面図であり、図１２（ｂ）は、この映像表示装置１の側面図である。なお、図１２（ｂ）では、便宜上、接眼光学系１４の補正レンズ２３よりも前段の構成の図示を省略している。同図に示すように、補正レンズ２３、接眼レンズ２２および補正レンズ２５は、プリズム３１と一体化されていてもよい。
【００５４】
上記したいずれの場合も、プリズム３１との一体成型により、コストダウンを図ることができる。
【００５５】
また、図１３（ａ）は、映像表示装置１のさらに他の構成を示す正面図であり、図１３（ｂ）は、この映像表示装置１の側面図である。なお、図１３（ｂ）では、便宜上、接眼光学系１４の補正レンズ２３よりも前段の構成の図示を省略している。この映像表示装置１は、プリズム３１のＸ方向の長さ（幅）を図１２（ａ）（ｂ）のプリズム３１よりも長くしたものである。この構成では、表示素子１３をＸ方向にさらに遠ざけて配置することができるので、Ｘ方向にさらに広いシーアラウンド領域を確保することができる。
【００５６】
〔実施の形態３〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態１または２と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
【００５７】
図１４（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ、本実施形態の映像表示装置１の概略の構成を示す平面図、正面図および側面図である。なお、これらの図では、便宜上、光源１１および集光レンズ１２の図示を省略している。本実施形態の映像表示装置１は、プリズム３１の入射面３１ａを曲面とし、表示素子１３をＸ方向およびＺ方向に対して傾けて配置するとともに、平面のハーフミラー３１ｃを反射面３１ｅ（第２の光路折り曲げ手段）に置き換え、補正レンズ２３、接眼レンズ２２および補正レンズ２５を取り除いた以外は、実施の形態２と同様の構成である。反射面３１ｅは、軸非対称な正の光学的パワーを有する凹面反射面であり、例えば非球面や自由曲面からなるハーフミラーで構成されている。
【００５８】
上記構成によれば、表示素子１３からの映像光は、入射面３１ａを介してプリズム３１の内部に斜め方向から入射し、プリズム３１の厚さ方向（ＸＹ平面に垂直なＺ方向）の２つの対向面（射出面３１ｄとその対向面である面３１ｆ）で全反射を繰り返しながら進行する。そして、上記映像光は、反射面３１ｂで光路を折り曲げられてＹ方向に向きを変え、同様にプリズム３１の厚さ方向の２つの対向面で全反射を繰り返しながら進行し、反射面３１ｅにて再度光路を折り曲げられて射出面３１ｄを介して光学瞳Ｅに導かれる。一方、外界像の光は、反射面３１ｅを透過して光学瞳Ｅに導かれる。これにより、光学瞳Ｅの位置では、観察者は表示素子１３にて表示された映像の拡大虚像を観察することができると同時に、外界像をシースルーで観察することができる。
【００５９】
本実施形態の映像表示装置１においては、プリズム３１の入射面３１ａが曲面であるので、補正レンズ２３の機能、すなわち、光学系の収差補正機能を入射面３１ａに持たせることができる。これにより、補正レンズ２３を不要として構成を簡素化することができる。
【００６０】
また、反射面３１ｅは、軸非対称な正の光学的パワーを有しているので、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めて接眼光学系１４を小型にできるとともに、良好に収差補正された映像を観察者に観察させることができる。また、反射面３１ｅは、凹面反射面であるので、軸非対称な正の光学的パワーを有する第２の光路折り曲げ手段を容易に構成することができる。
【００６１】
また、表示素子１３からの映像光は、プリズム３１の内部をＸ方向における一方側から他方側に向かって進行する際に、プリズム３１の厚さ方向の対向面で全反射を繰り返しながら進行し、反射面３１ｂにて光路を折り曲げられてＹ方向における一方側から他方側に向かって進行する際も、プリズム３１の厚さ方向の対向面で全反射を繰り返しながら進行する。このように、Ｘ方向およびＹ方向の各光路が全反射によってＺ方向に折り曲げられるので、例えば、接眼光学系１４の焦点距離が長いときに、プリズム３１が大型化しすぎるのを回避できる。なお、この効果は、Ｘ方向およびＹ方向の一方の光路を全反射によって折り曲げることで得ることができるが、両方向の光路を折り曲げることでその効果を最大限に得ることができる。また、特にＹ方向の光路を全反射によって折り曲げることにより、反射面３１ｅに対して、その法線により近い方向から映像光を入射させることも可能となり、収差補正の点で有利となる。
【００６２】
〔実施の形態４〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態１〜３と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
【００６３】
図１５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ、本実施形態の映像表示装置１の概略の構成を示す平面図、正面図および側面図である。なお、これらの図では、便宜上、光源１１および集光レンズ１２の図示を省略している。本実施形態の映像表示装置１は、プリズム３１の反射面３１ｅをホログラム光学素子３１ｇ（第２の光路折り曲げ手段）に置き換えた以外は、実施の形態３と同様の構成である。ホログラム光学素子３１ｇは、体積位相型で反射型のホログラム光学素子であり、軸非対称な正の光学的パワーを有している。
【００６４】
ホログラム光学素子３１ｇもハーフミラーと同様に、表示素子１３からの映像光を反射（この場合は回折反射）させて光学瞳Ｅに導くとともに、外界像の光を透過させて光学瞳Ｅに導くコンバイナとして機能する。よって、観察者は、光学瞳Ｅの位置にて、表示映像と外界像とを同時に観察することができる。特に、体積位相型で反射型のホログラム光学素子は、反射波長域が狭く、外界像の光の透過率が高いので、観察者は外界像を明瞭に観察することができる。
【００６５】
なお、映像光をホログラム光学素子３１ｇにて回折反射させるためには、回折効率がピークとなる波長と、映像光の強度がピークとなる波長とが近接していることが必要であるが、ホログラム光学素子３１ｇを用いる本実施形態において、光源１１と表示素子１３との組み合わせとしては、ＬＥＤとＬＣＤであることが望ましい。これは、通常、ＬＥＤの強度半値の波長幅は、ホログラム光学素子３１ｇの回折効率のピーク波長を確実に含んでおり、例えば光源１１の特性の変動（例えば温度変化による変動）によって発光波長が若干変動しても、ホログラム光学素子３１ｇにて映像光を高い回折効率で回折反射させることができるからである。このとき、光源１１の強度ピーク波長およびホログラム光学素子３１ｇの回折効率のピーク波長は、ＲＧＢの全てについて存在していてもよいし、ＲＧＢのいずれかについて存在していてもよい。
【００６６】
なお、ホログラム光学素子３１ｇは、ホログラム感光材料を２光束で露光し、その干渉縞を記録することにより作製される。このようなホログラム感光材料としては、フォトポリマー、銀塩材料、重クロム酸ゼラチンなどを用いることができるが、中でもドライプロセスで容易に製造可能なフォトポリマーを用いることが望ましい。
【００６７】
〔実施の形態５〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態１〜４と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
【００６８】
図１６（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ、本実施形態の映像表示装置１の概略の構成を示す平面図、正面図および側面図である。なお、これらの図では、便宜上、光源１１および集光レンズ１２の図示を省略している。本実施形態の映像表示装置１は、接眼光学系１４が、リレー光学系３２を有している以外は、実施の形態４と同様の構成である。リレー光学系３２は、表示素子１３の表示映像の中間像Ｍを生成するものであり、本実施形態では、プリズム３１の入射面３１ａと、レンズ２６とで構成されている。レンズ２６は、表示素子１３と入射面３１ａとの間に配置されている。中間像Ｍは、例えば入射面３１ａと反射面３１ｂとの間の光路中に形成されている。
【００６９】
リレー光学系３２によって中間像Ｍを生成することにより、映像光の光路長を長くとれるので、シーアラウンド領域をさらに広く確保することができる。また、小さな表示素子１３を用いても大きな中間像Ｍを生成して観察者に観察させることが可能となるので、小型の装置で大きな観察画角を得ることが容易となり、装置の設計自由度やデザインの自由度も増す。
【００７０】
また、図１７（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ、本実施形態の映像表示装置１の他の構成を示す平面図、正面図および側面図である。なお、これらの図では、便宜上、光源１１および集光レンズ１２の図示を省略している。リレー光学系３２は、反射面３１ｂの近くに中間像Ｍを生成することが、反射面３１ｂを小型化できる点で望ましい。特に、図１７（ｂ）のように、リレー光学系３２が、反射面３１ｂ（第１の光路折り曲げ手段）とホログラム光学素子３１ｇ（第２の光路折り曲げ手段）との間の光路中に中間像Ｍを生成することにより、図１６（ｂ）の場合よりも、中間像Ｍがホログラム光学素子３１ｇに近づくので、接眼光学系１４の焦点距離を短くして、より広画角の映像を観察者に観察させることが可能となる。
【００７１】
〔実施の形態６〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態１〜５と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
【００７２】
図１８は、本実施形態のＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。このＨＭＤは、例えば実施の形態５の映像表示装置１と、支持部材２とで構成されている。支持部材２は、映像表示装置１を観察者の眼前で支持する支持手段であり、鼻当て部３と、テンプル部４と、ブリッジ５とを有している。鼻当て部３は、映像表示装置１を支持して観察者の鼻と当接する部分であり、右鼻当て部３Ｒと左鼻当て部３Ｌとで構成されている。テンプル部４は、映像表示装置１を支持して観察者の側頭部と当接する部分であり、右テンプル部４Ｒと左テンプル部４Ｌとで構成されている。ブリッジ５は、映像表示装置１Ｒ・１Ｌを中央で連結している。なお、映像表示装置１は、ケーブルを介して制御部６と接続されており、光源１１や表示素子１３を駆動するための電力や信号（例えば映像信号、制御信号）が制御部６から映像表示装置１に供給される。
【００７３】
上記の構成によれば、映像表示装置１は、支持部材２によって観察者の眼前で支持されるので、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観察することができる。また、観察者だけが他人に知れずに映像を観察できるので、秘匿性を確保することができる。
【００７４】
さらに、映像表示装置１では、表示素子１３からの映像光がＸ方向に進行してプリズム３１に入射するので、表示素子１３はＸ方向においてプリズム３１の近傍に配置される構成となる。このような構成では、表示素子１３が例えばプリズム３１の上方に位置する構成に比べて、映像表示装置１の重心は低くなる。そして、装置の重心を、例えば鼻当て部３およびテンプル部４を結ぶ線上に位置させることができる。よって、鼻当て部３およびテンプル部４をそれぞれ観察者の鼻および側頭部に当接させてＨＭＤを装着したときに、その装着を安定させることができる。
【００７５】
なお、各実施の形態で述べた構成を適宜組み合わせて、映像表示装置１ひいてはＨＭＤを構成することも勿論可能である。
【００７６】
なお、実施の形態１〜５では、ＨＭＤに好適な映像表示装置１について種々説明したが、各映像表示装置１は、例えばヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）にも適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、ＨＭＤやＨＵＤに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ、本発明の実施の一形態の映像表示装置の概略の構成を示す平面図、正面図および側面図である。
【図２】上記映像表示装置の他の構成例を示す側面図である。
【図３】本発明の他の実施の形態の映像表示装置の概略の構成を示す正面図である。
【図４】上記映像表示装置の主要部の模式的な斜視図である。
【図５】（ａ）は、上記映像表示装置（右眼用）の平面図であり、（ｂ）は、上記映像表示装置の側面図である。
【図６】上記映像表示装置の接眼光学系のプリズムの製法の一例を示す説明図である。
【図７】上記プリズムの製法の他の例を示す説明図である。
【図８】上記映像表示装置の他の構成を示す正面図である。
【図９】（ａ）は、上記映像表示装置のさらに他の構成を示す正面図であり、（ｂ）は、上記映像表示装置の側面図である。
【図１０】（ａ）は、上記映像表示装置のさらに他の構成を示す正面図であり、（ｂ）は、上記映像表示装置の側面図である。
【図１１】（ａ）は、上記映像表示装置のさらに他の構成を示す正面図であり、（ｂ）は、上記映像表示装置の側面図である。
【図１２】（ａ）は、上記映像表示装置のさらに他の構成を示す正面図であり、（ｂ）は、上記映像表示装置の側面図である。
【図１３】（ａ）は、上記映像表示装置のさらに他の構成を示す正面図であり、（ｂ）は、上記映像表示装置の側面図である。
【図１４】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ、本発明のさらに他の実施の形態の映像表示装置の概略の構成を示す平面図、正面図および側面図である。
【図１５】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ、本発明のさらに他の実施の形態の映像表示装置の概略の構成を示す平面図、正面図および側面図である。
【図１６】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ、本発明のさらに他の実施の形態の映像表示装置の概略の構成を示す平面図、正面図および側面図である。
【図１７】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ、上記映像表示装置の他の構成を示す平面図、正面図および側面図である。
【図１８】本発明のさらに他の実施の形態のＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００７９】
１      映像表示装置
１Ｒ    映像表示装置
１Ｌ    映像表示装置
２      支持部材（支持手段）
３      鼻当て部
３Ｒ    右鼻当て部
３Ｌ    左鼻当て部
４      テンプル部
４Ｒ    右テンプル部
４Ｌ    左テンプル部
１３      表示素子
１４      接眼光学系
２１      プリズム（導光部材）
２１ａ    入射面
２１ｂ    全反射面（第１の光路折り曲げ手段）
２１ｃ    全反射面（第２の光路折り曲げ手段）
２１ｄ    射出面
２１ｅ    ハーフミラー（第２の光路折り曲げ手段）
２４      補正プリズム（補正部材）
２６      レンズ（リレー光学系）
３１      プリズム（導光部材）
３１ａ    入射面（リレー光学系）
３１ｂ    反射面（第１の光路折り曲げ手段）
３１ｃ    ハーフミラー（第２の光路折り曲げ手段）
３１ｄ    射出面（対向面）
３１ｅ    反射面（第２の光路折り曲げ手段、凹面反射面）
３１ｆ    面（対向面）
３１ｇ    ホログラム光学素子（第２の光路折り曲げ手段）
３２      リレー光学系
Ｅ      光学瞳
Ｍ      中間像
Ｌ１    第１の光路
Ｌ２    第２の光路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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