(57)【要約】【課題】装置の小型軽量化を図りながら、収差の発生を抑えてＬＣＤ１３を均一に照明するとともに、広い観察画角を実現する。【解決手段】光源１１からの光は、照明光学系１２を介して透過型のＬＣＤ１３に導かれる。ＬＣＤ１３は透過型であるので、観察光学系のレンズバックを短くして、観察光学系の光学パワーを大きくすることが可能となり、観察画角を広げることが可能となる。また、照明光学系１２の２枚の反射面（照明ミラー３１・３２）での２回反射により、光源１１からＬＣＤ１３に至る光路が折り曲げられるので、照明光学系１２をコンパクトに構成することができ、装置を小型軽量にすることができる。さらに、光源光の１枚目の反射面への入射角を小さくしつつ、照明光学系１２に光学パワーを持たせることが可能となり、収差の発生を抑え、ＬＣＤ１３を均一に照明することが可能となる。【選択図】図１
2010072151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
入射光を変調して映像を表示する表示素子と、
光源からの光を表示素子に導く照明光学系と、
表示素子からの映像光を光学瞳に導く観察光学系とを備えた映像表示装置であって、
上記表示素子は、透過型であり、
上記照明光学系は、光源からの光を２回反射させて表示素子に導く２枚の反射面を有し、かつ、正の光学パワーを有していることを特徴とする映像表示装置。
【請求項２】
上記照明光学系の２枚の反射面は、光源から１枚目の反射面に向かう光の光路と、１枚目および２枚目の反射面にて順次反射され、２枚目の反射面から表示素子に向かう光の光路とが交叉するようにそれぞれ配置されて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】
上記照明光学系は、中空であ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】
上記照明光学系の正の光学パワーは、反射によって発生す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】
上記観察光学系によって形成される光学瞳は、互いに直交する２方向のうち、一方向よりも他方向のほうが小さく形成され、
上記照明光学系は、入射光を２回反射して上記他方向に集光することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項６】
上記光源と上記光学瞳とは、上記他方向で共役に配置されており、
該映像表示装置は、上記光源からの光を上記一方向に拡散させる一方向拡散板をさらに有してい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】
上記光源は、赤、緑、青の各色の光を出射する発光ダイオードを一対備えており、
表示素子の表示領域の中心と光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とすると、
上記一対の各発光ダイオードは、上記一方向拡散板の拡散方向に並べて配置され、かつ、上記観察光学系の光軸を含む面に対して対称に配置されてい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】
上記照明光学系は、上記光源からの光を表面の凹凸によって拡散させる拡散板を有しており、
上記拡散板は、上記光源側から１枚目の反射面と２枚目の反射面との間の光路中に配置されており、
上記光源側から２枚目の反射面が、正の光学パワーを有していることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項９】
上記観察光学系は、体積位相型の反射型ホログラム光学素子を含んでおり、
表示素子の表示領域の中心と光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とすると、
上記ホログラム光学素子は、表示素子から斜めに入射する映像光を回折反射させて光学瞳に導き、
上記ホログラム光学素子の光軸入射面は、光学瞳の上記他方向と平行であ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１０】
上記ホログラム光学素子は、表示素子からの映像光と外界からの光とを同時に観察者の瞳に導くコンバイナであることを特徴とする請求項９に記載の映像表示装置。
【請求項１１】
上記光源は、発光ダイオードで構成されており、
ホログラム光学素子の回折効率のピーク波長と、発光ダイオードの強度ピーク波長とが略一致していることを特徴とする請求項９または１０に記載の映像表示装置。
【請求項１２】
上記観察光学系は、表示素子からの映像光を内部で全反射させて観察者の瞳に導く一方、外光を透過させて観察者の瞳に導く第１の透明基板を有していることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項１３】
上記観察光学系は、第１の透明基板での外光の屈折をキャンセルするための第２の透明基板を有していることを特徴とする請求項１２に記載の映像表示装置。
【請求項１４】
請求項１から１３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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示素子にて表示された映像を虚像として観察者に提供する映像表示装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも称する）とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、表示素子（例えばＬＣＤ）に表示された映像の虚像を観察者に観察させる表示装置として、例えば特許文献１および２に開示されたものがある。特許文献１の表示装置（ビューファインダ）は、光源から出射された光を、ミラーおよびレンズからなる照明光学系を介してＬＣＤに導き、ＬＣＤからの映像光を拡大レンズを介して観察者の瞳に導く構成としている。また、特許文献２の表示装置（観察光学系）は、光源からの光を照明プリズムにて２回反射させて反射型のＬＣＤに導き、ＬＣＤからの映像光を観察光学系（接眼プリズム）を介して観察者の瞳に導く構成としている。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−９５４９９号公報
【特許文献２】特開２００１−３３７２９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のように、照明光学系での反射がミラーによる１回のみであると、ＬＣＤに入射する光の光路を長く確保しながらコンパクトに折りたたむことができず、装置の小型軽量化に支障が生じる。また、ミラーによる反射が１回のみでは、収差が発生してＬＣＤの照明光に強度ムラが出やすいが、照明光学系のレンズは透過型の光学素子であるため、これに光学パワーを持たせても収差を良好に補正することが困難であり、ＬＣＤを均一に照明することができない。
【０００５】
また、特許文献２のように、反射型のＬＣＤを用い、かつ、そのＬＣＤと観察光学系との間に照明プリズムを配置する構成では、ＬＣＤは観察光学系に対して離れて配置されるため、観察光学系のレンズバックを大きく確保する必要がある。このため、観察光学系の光学パワーを大きくすることができず、光学瞳位置にて映像を観察する際の観察画角を広げることができなくなる。
【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、装置の小型軽量化を図りながら、収差の発生を抑えてＬＣＤを均一に照明することができ、しかも、広い観察画角を実現することができる映像表示装置と、その映像表示装置を用いたヘッドマウントディスプレイ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、光源と、入射光を変調して映像を表示する表示素子と、光源からの光を表示素子に導く照明光学系と、表示素子からの映像光を光学瞳に導く観察光学系とを備えた映像表示装置であって、上記表示素子は、透過型であり、上記照明光学系は、光源からの光を２回反射させて表示素子に導く２枚の反射面を有し、かつ、正の光学パワーを有していることを特徴としている。
【０００８】
上記の構成によれば、光源からの光は、照明光学系を介して表示素子に導かれる。そして、表示素子に入射した光はそこで変調されて映像光として出射され、観察光学系を介して光学瞳に導かれる。したがって、光学瞳の位置では、観察者は、表示素子に表示された映像の虚像を観察することができる。
【０００９】
ここで、表示素子は透過型であるので、観察光学系のレンズバックを短くして、観察光学系の近傍（表示素子からの映像光が入射する面の近傍）に表示素子を配置する構成を採用することができる。これにより、観察光学系の光学パワーを大きくすることができ、観察画角を広げることが可能となる。
【００１０】
また、光源からの光は照明光学系の２枚の反射面での２回反射によって表示素子に導かれる。これにより、光源から表示素子に至る光路を長く確保しながら上記光路をコンパクトに折りたたむことができ、照明光学系をコンパクトに構成して装置を小型軽量にすることができる。さらに、照明光学系の反射面が１枚の場合に比べて、光源光の１枚目の反射面への入射角を小さくしつつ、照明光学系に光学パワーを持たせることが可能となる。その結果、収差の発生を抑え、表示素子を均一に照明することが可能となる。
【００１１】
また、照明光学系は全体として正の光学パワーを有しているので、光源からの光を集光して表示素子を照明することができ、明るい映像を観察者に観察させることが可能となる。
【００１２】
本発明の映像表示装置において、上記照明光学系の２枚の反射面は、光源から１枚目の反射面に向かう光の光路と、１枚目および２枚目の反射面にて順次反射され、２枚目の反射面から表示素子に向かう光の光路とが交叉するようにそれぞれ配置されていることが望ましい。
【００１３】
この場合、照明光学系を確実にコンパクトに構成することができる。また、光源光の１枚目の反射面への入射角を確実に小さくしつつ、照明光学系に光学パワーを持たせることができ、収差の発生を抑え、表示素子を均一に照明できる効果を確実に得ることができる。
【００１４】
本発明の映像表示装置において、上記照明光学系は、中空であることが望ましい。この場合、照明光学系が例えばプリズムを有する構成に比べて軽量となる。また、プリズムで生じるような内面反射がないので、不要光が発生せず、フレアも生じない。
【００１５】
本発明の映像表示装置において、上記照明光学系の正の光学パワーは、反射によって発生する構成であってもよい。反射では色収差が発生しないので、照明光学系に大きな正の光学パワーを持たせて良好な光学性能を得ることが可能となる（明るく均一に表示素子を照明することが可能となる）。
【００１６】
本発明の映像表示装置において、上記観察光学系によって形成される光学瞳は、互いに直交する２方向のうち、一方向よりも他方向のほうが小さく形成され、上記照明光学系は、入射光を２回反射して上記他方向に集光する構成であってもよい。
【００１７】
この構成では、光学瞳は、一方向よりも他方向のほうが小さく形成され、光学瞳に入射する光束（幅）は、上記一方向よりも上記他方向で小さい。照明光学系は、入射光を２回反射して上記他方向、すなわち、光束（幅）の小さい方向に集光するので、さらに装置をコンパクトに構成して明るい映像を観察者に観察させることができる。
【００１８】
本発明の映像表示装置において、上記光源と上記光学瞳とは、上記他方向で共役に配置されており、該映像表示装置は、上記光源からの光を上記一方向に拡散させる一方向拡散板をさらに有している構成であってもよい。
【００１９】
光源と光学瞳とは、光学瞳がより小さい他方向で共役に配置されているので、上記他方向で光源からの光利用効率が高く、明るい映像を観察者に観察させることができる。しかも、光源からの光は、一方向拡散板によって一方向に拡散されるので、光学瞳が大きい一方向において観察者は映像を観察し易くなる。
【００２０】
本発明の映像表示装置において、上記光源は、赤、緑、青の各色の光を出射する発光ダイオードを一対備えており、表示素子の表示領域の中心と光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とすると、上記一対の各発光ダイオードは、上記一方向拡散板の拡散方向に並べて配置され、かつ、上記観察光学系の光軸を含む面に対して対称に配置されている構成であってもよい。
【００２１】
ＲＧＢの各ＬＥＤは、一方向拡散板の拡散方向（光学瞳の上記一方向）に並べて配置されるので、光学瞳の大きい上記一方向に各色を混ぜて色ムラが観察されるのを抑えることができる。また、ＲＧＢの一対のＬＥＤは、観察光学系の光軸を含む面に対して対称に配置されるので、各色の光強度の重心が上記対称面上で一致する。これにより、光学瞳の中心で色ムラの少ない映像を、収差の少ない高画質な映像として観察者に提供することができる。
【００２２】
本発明の映像表示装置において、上記照明光学系は、上記光源からの光を表面の凹凸によって拡散させる拡散板を有しており、上記拡散板は、上記光源側から１枚目の反射面と２枚目の反射面との間の光路中に配置されており、上記光源側から２枚目の反射面が、正の光学パワーを有している構成であってもよい。
【００２３】
拡散板が１枚目の反射面と２枚目の反射面との間の光路中に配置されることにより、光源および表示素子の双方から遠い位置に拡散板が配置されることになる。光源から遠い位置に拡散板が配置されることにより、輝度ムラを低減した均一な光で表示素子を照明することができる。また、光源が例えばＲＧＢの各色光を出射するＬＥＤで構成されている場合には、拡散板での混色が良好となり、色ムラを低減することが可能となる。一方、表示素子から遠い位置に拡散板が配置され、２枚目の反射面に光学パワーを持たせていることにより、拡散板の凹凸によって発生する虚像が映像の虚像と同時に観察されにくくなり、高画質な映像を観察させることが可能となる。
【００２４】
本発明の映像表示装置において、上記観察光学系は、体積位相型の反射型ホログラム光学素子を含んでおり、表示素子の表示領域の中心と光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とすると、上記ホログラム光学素子は、表示素子から斜めに入射する映像光を回折反射させて光学瞳に導き、上記ホログラム光学素子の光軸入射面は、光学瞳の上記他方向と平行である構成であってもよい。
【００２５】
ホログラム光学素子の光軸入射面とは、ホログラム光学素子に対する入射光の光軸と出射光の光軸とを含む面を指す。光軸入射面に平行な方向ではホログラム光学素子の波長選択性が大きく（入射角のずれによる回折波長のずれが大きく）、色ムラが出やすい。しかし、光軸入射面を光学瞳が小さい他方向（光束幅が小さい方向）と平行にすることにより、その方向での回折波長の変化の範囲を狭くすることができ、その方向での色ムラを低減することができる。
【００２６】
本発明の映像表示装置において、上記ホログラム光学素子は、表示素子からの映像光と外界からの光とを同時に観察者の瞳に導くコンバイナであってもよい。
【００２７】
この場合、観察者は、ホログラム光学素子を介して、表示素子の表示映像と外界像とを同時に観察することができる。また、体積位相型の反射型ホログラム光学素子は、回折効率の半値波長幅が狭いので、外光の透過率が高く、明るい外界像を観察できるとともに、その外界に重ねても、明るく、色純度が高く、視認性の高い映像を観察することができる。
【００２８】
本発明の映像表示装置において、上記光源は、発光ダイオードで構成されており、ホログラム光学素子の回折効率のピーク波長と、発光ダイオードの強度ピーク波長とが略一致していることが望ましい。この場合、ＬＥＤからの光をホログラム光学素子にて効率よく回折させることができ、さらに明るく、外界像に重ねても見やすい映像を観察者に観察させることができる。
【００２９】
本発明の映像表示装置において、上記観察光学系は、表示素子からの映像光を内部で全反射させて観察者の瞳に導く一方、外光を透過させて観察者の瞳に導く第１の透明基板を有している構成であってもよい。
【００３０】
このような第１の透明基板を用いることにより、表示素子の表示映像を観察可能としながらも、外光の透過率が高くなるので、明るい外界像を広い視認範囲で観察することができる。また、第１の透明基板を薄くして、装置を小型軽量にすることもできる。
【００３１】
本発明の映像表示装置において、上記観察光学系は、第１の透明基板での外光の屈折をキャンセルするための第２の透明基板を有していることが望ましい。この場合、観察者が観察光学系を介して観察する外界像に歪みが生じるのを防止することができる。また、観察光学系を介して明るい外界像をさらに広い視認範囲で観察することが可能となる。
【００３２】
本発明のヘッドマウントディスプレイは、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。この構成では、映像表示装置が支持手段にて支持されるので、観察者は映像表示装置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、映像表示装置は小型軽量であるので、観察者はＨＭＤを快適に装着することができ、さらに、ＨＭＤを常時装着状態としても負担なく外界像をシースルーで観察することが可能となる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、透過型の表示素子を用いているので、観察光学系のレンズバックを短くしてその光学パワーを大きくすることができ、観察画角を広げることが可能となる。また、照明光学系は２枚の反射面によって光源から表示素子に至る光路を折り曲げるので、照明光学系をコンパクトに構成して装置を小型軽量にすることができるとともに、収差の発生を抑えて表示素子を均一に照明することができる。さらに、照明光学系は全体として正の光学パワーを有しているので、光源からの光を集光して表示素子を照明することができ、明るい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】
【００３４】
〔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。
【００３５】
（１．ＨＭＤの構成）
図２（ａ）は、本実施形態に係るＨＭＤの概略の構成を示す平面図であり、図２（ｂ）は、ＨＭＤの側面図であり、図２（ｃ）は、ＨＭＤの正面図である。ＨＭＤは、２個の映像表示装置１・１と、それらを支持する支持手段２とを有しており、全体として、一般の眼鏡のような外観となっている。
【００３６】
映像表示装置１・１は、観察者に外界像をシースルーで観察させるとともに、映像を表示してそれを観察者に虚像として提供するものであり、観察者の右眼および左眼に対応して設けられている。映像表示装置１・１において、眼鏡の右眼用レンズおよび左眼用レンズに相当する部分は、それぞれ後述する接眼プリズム２１および偏向プリズム２２（ともに図３参照）の貼り合わせによって構成されている。なお、映像表示装置１・１の詳細な構成については後述する。
【００３７】
支持手段２は、映像表示装置１・１を観察者の右眼および左眼の前でそれぞれ支持するものであり、ブリッジ３と、フレーム４と、テンプル５と、鼻当て６と、ケーブル７と、半透明板８とを有している。鼻当て６および半透明板８は、ブリッジ３に支持されている。フレーム４、テンプル５および鼻当て６は、左右一対設けられており、それぞれ、右フレーム４Ｒ、左フレーム４Ｌ、右テンプル５Ｒ、左テンプル５Ｌ、右鼻当て６Ｒ、左鼻当て６Ｌで構成されている。
【００３８】
ブリッジ３は、左右の映像表示装置１・１を連結している。右テンプル５Ｒは、右フレーム４Ｒに回動可能に支持されており、この右フレーム４Ｒを介して右眼用の映像表示装置１と（ブリッジ３との連結側とは反対側で）連結されている。同様に、左テンプル５Ｌは、左フレーム４Ｌに回動可能に支持されており、この左フレーム４Ｌを介して左眼用の映像表示装置１と（ブリッジ３との連結側とは反対側で）連結されている。
【００３９】
ケーブル７は、外部信号（例えば映像信号、制御信号）や電力を映像表示装置１・１に並列に供給するための配線であり、右テンプル５Ｒ、右フレーム４Ｒおよびブリッジ３に沿って設けられている。半透明板８は、外光（外界像の光）の透過率を制御する外光透過率制御手段であり、映像表示装置１・１よりも前方（観察者とは反対側）に位置している。なお、半透明板８は、必要に応じて設けられればよい。
【００４０】
観察者がＨＭＤを使用するときは、右テンプル５Ｒおよび左テンプル５Ｌを観察者の右側頭部および左側頭部に接触させるとともに、鼻当て６を観察者の鼻に当て、一般の眼鏡をかけるようにＨＭＤを観察者の頭部に装着する。この状態で、映像表示装置１・１にて映像を表示すると、観察者は、映像表示装置１・１の各表示映像を虚像として右眼および左眼でそれぞれ観察できるとともに、この映像表示装置１・１を介して外界像をシースルーで観察することができる。
【００４１】
このとき、半透明板８において、外光透過率を例えば５０％以下に低く設定しておけば、観察者は映像表示装置１・１の表示映像を観察しやすくなり、逆に、外光透過率を例えば５０％以上に高く設定しておけば、観察者は、外界像を観察しやすくなる。したがって、半透明板８の外光透過率は、映像表示装置１・１の表示映像および外界像の観察のしやすさやバランスを考慮して適宜設定されればよい。
【００４２】
なお、本実施形態では、ＨＭＤは、２個の映像表示装置１・１を有しているが、１個の映像表示装置１のみを有する構成としてもよい。この場合は、映像表示装置１を観察者の右眼または左眼の前に配置して表示映像を片眼視することになる。
【００４３】
（２．映像表示装置の構成）
次に、映像表示装置１・１の詳細な構成について説明する。なお、左右の映像表示装置１・１の構成は同じであるので、以下では、１個の映像表示装置１の構成について説明する。
【００４４】
図３は、映像表示装置１の概略の構成を示す断面図である。映像表示装置１は、光源１１と、照明光学系１２と、ＬＣＤ１３と、観察光学系１４とを有している。
【００４５】
ここで、以下での説明の便宜上、方向を以下のように定義しておく。まず、ＬＣＤ１３の表示領域（画面）の中心と、観察光学系１４によって形成される光学瞳Ｅの中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とする。そして、光源１１から光学瞳Ｅまでの光路を展開したときの光軸方向をＺ方向とする。また、観察光学系１４の後述するホログラム光学素子２３の光軸入射面に垂直な方向をＸ方向とし、ＺＸ平面に垂直な方向をＹ方向とする。なお、ホログラム光学素子２３の光軸入射面とは、ホログラム光学素子２３における入射光の光軸と反射光の光軸とを含む平面、すなわち、ＹＺ平面を指す。また、本実施形態の観察光学系１４は、上記光軸を含む面に対して対称に形成されており、上記したホログラム光学素子２３の光軸入射面は、観察光学系１４の対称面ともなっている。
【００４６】
また、図３で示したＸ、Ｙ、Ｚの各方向は、ＬＣＤ１３の表示面付近での方向を大まかに示しており、他の図面でも同様に図示するものとする。また、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向において、正負は問わないものとする。
【００４７】
光源１１は、波長の異なる複数の光を出射する複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）で構成されている。より具体的には、光源１１は、３原色に対応する光、すなわち、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色に対応する光を出射する。照明光学系１２は、光源１１から出射される光をＬＣＤ１３に導く光学系である。
【００４８】
ＬＣＤ１３は、複数の画素をマトリクス状に有し、光源１１から照明光学系１２を介して入射する光を画像データに応じて各画素ごとに変調し、映像を表示する透過型の表示素子であり、本実施形態では各画素に対応してＲＧＢのカラーフィルタ（波長制限フィルタ）を有している。
【００４９】
観察光学系１４は、ＬＣＤ１３から出射される映像光を光学瞳Ｅに導く接眼光学系であり、軸非対称（回転非対称、非軸対称）な正の光学パワーを有している。この観察光学系１４は、接眼プリズム２１と、偏向プリズム２２と、ホログラム光学素子２３とを有して構成されている。
【００５０】
接眼プリズム２１は、入射光すなわちＬＣＤ１３からの映像光を内部で全反射させてホログラム光学素子２３の方向に進行させ、ホログラム光学素子２３を介して観察者の瞳に導く一方、外光を透過させて観察者の瞳に導く第１の透明基板であり、偏向プリズム２２とともに、例えばアクリル系樹脂で構成されている。この接眼プリズム２１は、平行平板の下端部を薄くして楔状にし、その上端部を厚くした形状で構成されている。また、接眼プリズム２１は、その下端部に配置されるホログラム光学素子２３を挟むように偏向プリズム２２と接着剤で接合されている。
【００５１】
偏向プリズム２２は、平面視で略Ｕ字型の平行平板で構成されており、接眼プリズム２１の下端部および両側面部（左右の各端面）と貼り合わされたときに、接眼プリズム２１と一体となって略平行平板となる第２の透明基板である。この偏向プリズム２２を接眼プリズム２１に接合することにより、観察者が観察光学系１４を介して観察する外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
【００５２】
つまり、例えば、接眼プリズム２１に偏向プリズム２２を接合させない場合、外界像の光は接眼プリズム２１の楔状の下端部を透過するときに屈折するので、接眼プリズム２１を介して観察される外界像に歪みが生じる。しかし、接眼プリズム２１に偏向プリズム２２を接合させて一体的な略平行平板を形成することで、外界像の光が接眼プリズム２１の楔状の下端部を透過するときの屈折を偏向プリズム２２でキャンセルすることができる。その結果、シースルーで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。
【００５３】
ホログラム光学素子２３は、ＬＣＤ１３から斜めに入射する映像光（３原色に対応した波長の光）を回折反射させて光学瞳Ｅに導く体積位相型の反射型ホログラムである。ホログラム光学素子２３は、光学的に軸非対称な正の光学パワーを持ち、非球面凹面ミラーと同様の機能を持っている。これにより、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めて装置を容易に小型化することができるとともに、良好に収差補正された映像を観察者に提供することができる。
【００５４】
次に、映像表示装置１の動作について説明する。
光源１１から出射されるＲＧＢの各色光は、照明光学系１２を介してＬＣＤ１３に入射し、そこで画像データに応じて各画素ごとに変調され、映像光として出射される。この映像光は、観察光学系１４の接眼プリズム２１に面２１ａを介して内部に入射する。入射した映像光は、接眼プリズム２１の対向する２つの平面（面２１ｂ・２１ｃ）で複数回全反射され、接眼プリズム２１の下端に配置されたホログラム光学素子２３まで導かれ、そこで反射されて光学瞳Ｅに導かれる。したがって、光学瞳Ｅの位置では、観察者は、ＬＣＤ１３に表示されたカラー映像の拡大虚像を観察することができる。
【００５５】
一方、接眼プリズム２１、偏向プリズム２２およびホログラム光学素子２３は、外界からの光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界像をシースルーで観察することができる。ＬＣＤ１３に表示された映像の虚像は、外界像の一部に重なって観察されることになる。
【００５６】
このように、本実施形態の映像表示装置１では、観察光学系１４のホログラム光学素子２３は、ＬＣＤからの映像光と外光とを同時に観察者の瞳に導くコンバイナとして用いられているので、観察者は、ホログラム光学素子２３を介して、ＬＣＤから提供される映像と外界像とを同時に観察することができる。
【００５７】
また、映像光を接眼プリズム２１内で反射して眼に導く構成としたので、通常の眼鏡レンズと同程度に接眼プリズム２１を薄く（例えば３ｍｍ程度に）構成することができ、小型軽量となる。また、接眼プリズム２１内での反射を全反射としたので、観察者は接眼プリズム２１の面２１ｂ・２１ｃを通して、外光の透過率を落とすことなく外界像を観察することができる。
【００５８】
また、偏向プリズム２２は、接眼プリズム２１の楔部分での外光の屈折をキャンセルするので、観察者は接眼プリズム２１、偏向プリズム２２およびホログラム光学素子２３を通して、外界光を歪むことなく観察することができる。
【００５９】
また、用いるＬＣＤ１３は透過型であるので、観察光学系１４のレンズバックを短くして、観察光学系１４の近傍、すなわち、ＬＣＤ１３からの映像光が入射する面２１ａの近傍にＬＣＤ１３を配置することができる。これにより、観察光学系１４の光学パワーを大きくすることができ、観察画角を広げることが可能となる。
【００６０】
なお、本実施形態では、接眼プリズム２１および偏向プリズム２２において、互いに対向し、外光が透過する２面が平行な平面となっているが、これらの２面に曲率を持たせて観察光学系１４に矯正眼鏡レンズとしての機能を持たせることも可能である。
【００６１】
（３．光源およびホログラム光学素子の特性について）
次に、上記した光源１１およびホログラム光学素子２３の特性について説明する。
図４は、映像表示装置１における光路を展開して示す説明図である。同図に示すように、光源１１は、光源群１１Ｐ・１１Ｑで構成されている。光源群１１Ｐ・１１Ｑは、それぞれ、ＲＧＢの各色に対応する光を出射する発光部１１Ｒ1・１１Ｇ1・１１Ｂ1および発光部１１Ｒ2・１１Ｇ2・１１Ｂ2を有するＲＧＢ一体型のＬＥＤ（日亜化学製）で構成されている。発光部１１Ｒ1・１１Ｇ1・１１Ｂ1および発光部１１Ｒ2・１１Ｇ2・１１Ｂ2は、Ｘ方向にほぼ沿って配置されている。なお、光源１１は、光源群１１Ｐ・１１Ｑを１パッケージで構成したものであってもよい。
【００６２】
ここで、図５は、光源１１の分光強度特性、すなわち、出射光の波長と光強度との関係を示す説明図である。光源１１は、例えば、中心波長および光強度半値波長幅で、４６２±１２ｎｍ、５２５±１７ｎｍ、６３５±１０ｎｍとなる３つの波長帯域の光を発する。なお、図５の縦軸の光強度は、Ｂ光の最大光強度を１００としたときの相対値で示している。光源１１のＲＧＢの光強度は、ホログラム光学素子２３の回折効率や、ＬＣＤ１３の光透過率を考慮して調整され、これによって白色表示を行うことが可能となる。
【００６３】
一方、図６は、ホログラム光学素子２３における回折効率の波長依存性を示す説明図である。同図に示すように、ホログラム光学素子２３は、例えば、回折効率のピーク波長および回折効率半値の波長幅で４６５±５ｎｍ（Ｂ光）、５２１±５ｎｍ（Ｇ光）、６３４±５ｎｍ（Ｒ光）の３つの波長域の光を回折（反射）させるように作製されている。ここで、回折効率のピーク波長とは、回折効率がピークとなるときの波長のことであり、回折効率半値の波長幅とは、回折効率が回折効率ピークの半値となるときの波長幅のことである。なお、図６の回折効率は、Ｂ光の最大回折効率を１００としたときの相対値で示している。
【００６４】
このように、ホログラム光学素子２３は特定入射角の特定波長の光のみを回折するように作製されているので、外光の透過にはほとんど影響しない。したがって、観察者は、上述したように、接眼プリズム２１、ホログラム光学素子２３および偏向プリズム２２を介して外界像を通常通り見ることができる。
【００６５】
また、体積位相型の反射型のホログラム光学素子２３は、回折効率の半値波長幅が狭いので、外光の透過率が高く、明るい外界像を観察できるとともに、その外界に重ねても、明るく、色純度が高く、視認性の高い映像を観察することができる。
【００６６】
また、上述の数値関係から、ホログラム光学素子２３の回折効率のピーク波長と、光源１１から出射される光強度のピーク波長（中心波長）とは略一致していると言える。このような設定では、光源１１から出射される光のうちで光強度がピークとなる波長付近の光が、ホログラム光学素子２３にて効率よく回折されるので、外界像に重畳しても明るく、見やすい映像を観察者に提供することができる。
【００６７】
（４．照明光学系の詳細について）
次に、照明光学系１２の詳細について説明する。図１は、照明光学系１２の詳細な構成を示す断面図である。照明光学系１２は、照明ミラー３１・３２と、一方向拡散板３３とを有している。
【００６８】
照明ミラー３１は、凹面形状の反射面を有する球面ミラーで構成されており、正の光学パワーを有している。照明ミラー３１は、観察光学系１４と協働して、光源１１と光学瞳Ｅとが共役になるように配置されている。また、照明ミラー３１は、光源１１からの光を集光した後、一方向拡散板３３によって拡散される光が効率よく光学瞳Ｅを形成するように配置されている。これにより、光学瞳Ｅの位置にて明るい映像を観察することが可能である。なお、照明ミラー３１の反射面は、照明光学系１２に入射する光源１１からの光が照明光学系１２の中で最初に反射される１枚目の反射面を構成している。
【００６９】
照明ミラー３２は、平面の反射面を有する平面ミラーで構成されている。照明ミラー３２の反射面は、照明光学系１２において、照明ミラー３１にて反射された光が次に入射して反射される２枚目の反射面を構成している。
【００７０】
一方向拡散板３３は、照明ミラー３２の前面に配置されており、表面の凹凸によって入射光をＸ方向には４０度拡散させ、Ｙ方向には０．２度拡散させる。なお、ここでは、一方向拡散板３３は、入射光を透過する際に拡散させるが、例えば照明ミラー３２の表面に凹凸を設けて入射光を拡散させるようにしてもよい。
【００７１】
このような照明光学系１２の構成により、光源１１からの光は、照明光学系１２の照明ミラー３１で反射され、一方向拡散板３３を介して照明ミラー３２に入射してそこで反射される。そして、この反射光は、再び一方向拡散板３３に入射してそこで拡散された後、ＬＣＤ１３に入射する。つまり、光源１１からの光は、照明光学系１２の２枚の反射面での２回反射によってＬＣＤ１３に導かれる。このとき、光源１１から照明ミラー３１に向かう光の光路と、照明ミラー３１および照明ミラー３２にて順次反射されて照明ミラー３２からＬＣＤ１３に向かう光の光路とは交叉している。
【００７２】
このように、光源１１からＬＣＤ１３に至る光路が照明光学系１２で折り曲げられるので、長い光路を確保しながら照明光学系１２をコンパクトに構成することができ、映像表示装置１を小型軽量にすることができる。
【００７３】
また、照明ミラー３１は球面形状であるが、光路（例えば光軸上の光（主光線）の光路）に対して傾斜しているため、ＹＺ面内では照明ミラー３１に対して軸非対称な光学パワーが与えられ、これによって軸非対称な収差が発生する。しかし、照明光学系１２に反射面を２枚設けることにより、光源１１からの光の照明ミラー３１への入射角を小さくしつつ（照明ミラー３１における軸非対称性を緩和しつつ）、照明光学系１２に光学パワーを持たせることができる。したがって、軸非対称な収差の発生を抑えて、ＬＣＤ１３を均一に照明することができる。さらに、照明光学系１２は全体として正の光学パワーを有しているので、光源１１からの光を集光してＬＣＤ１３を照明することができ、明るい映像を観察者に観察させることが可能となる。
【００７４】
また、光源１１から照明ミラー３１に向かう光の光路と、照明ミラー３２からＬＣＤ１３に向かう光の光路とが交叉するように、照明ミラー３１・３２が配置されているので、照明光学系１２における光路を確実にコンパクトに折りたたむことができる。これにより、上述した本発明の効果、すなわち、映像表示装置１を小型軽量できる効果、および収差の発生を抑えてＬＣＤ１３を均一に照明できる効果を確実に得ることができる。
【００７５】
また、照明光学系１２は、例えばプリズムのような光学素子を有しておらず、中空である。これにより、照明光学系１２ひいては映像表示装置１を、上述した光路の折りたたみによる小型軽量化に加えてさらに小型軽量にすることができる。また、プリズム内面での反射などの不要光の反射がなく、フレアのない高画質な映像を観察することができる。
【００７６】
また、照明光学系１２の正の光学パワーは、反射型光学素子（ここでは照明ミラー３１）での反射によって発生している。透過の場合とは異なり、反射では色収差が発生しないので、照明光学系１２に大きな正の光学パワーを持たせても良好な光学性能を得ることが可能となり、明るく、均一にＬＣＤ１３を照明することが可能となる。特に、照明ミラー３１を凹面形状の球面ミラーで構成することにより、色収差を発生させずにより大きな光学パワーを与えることができ、明るく、色ムラや輝度ムラの少ない照明を実現することができる。
【００７７】
なお、照明ミラー３１の反射面としては、凹面形状の球面以外にも、例えば非球面、自由曲面、シリンドリカル面を使用することもでき、さらに収差の少ない均質な照明を実現できる面とすることも可能である。
【００７８】
また、一方向拡散板３３は、照明ミラー３１と照明ミラー３２との間の光路中に配置されており、光源１１およびＬＣＤ１３の双方から遠い位置に配置されている。光源１１から遠い位置に一方向拡散板３３が配置されることにより、輝度ムラを低減した均一な光でＬＣＤ１３を照明することができる。また、本実施形態のように、光源１１がＲＧＢの各色光を出射するＬＥＤで構成されている場合には、一方向拡散板３３での混色が良好となり、色ムラを低減することが可能となる。
【００７９】
一方、ＬＣＤ１３から遠い位置に一方向拡散板３３が配置されることにより、ＬＣＤ１３の表示映像の虚像と同時に一方向拡散板１１４の虚像が観察されることがなく、高画質な映像を観察させることができる。なお、一方向拡散板３３の虚像とは、一方向拡散板３３の表面の凹凸に起因して発生する影を含む像のことである。上記の影は、一方向拡散板３３に光を入射させたときに、光射出面（凹凸面）での全反射によって光が射出されない部分に対応して現れる。
【００８０】
また、本実施形態では、照明ミラー３１・３２は、光源１１からの光を、ＹＺ面内で光路が折り曲がるように反射して、Ｙ方向に集光している。後述するように、Ｘ方向に比べてＹ方向には光学瞳Ｅは小さく形成されるので、Ｙ方向で光束幅が小さくなる。これにより、照明ミラー３１・３２を小さくすることができ、照明光学系１２ひいては映像表示装置１をより小型軽量にすることができる。
【００８１】
また、上述したように、光源１１の発光部１１Ｒ1・１１Ｇ1・１１Ｂ1および発光部１１Ｒ2・１１Ｇ2・１１Ｂ2は、Ｘ方向にほぼ沿って配置されていることから、複数のＬＥＤは一方向拡散板３３の拡散方向にほぼ沿うように配置されているとも言える。これにより、各ＬＥＤから出射される光を一方向拡散板３３の拡散方向に混ぜて、色ムラのない良好なカラー映像を観察者に提供することができる。
【００８２】
（５．光学瞳について）
本実施形態では、上述したように、光源１１と光学瞳Ｅとは、位置関係がほぼ共役となっている。光学瞳Ｅは、Ｙ方向には、光源１１の発光部の発光面積（例えば０．３ｍｍ角）が、一方向拡散板３３での０．２度の拡散と、ＬＣＤ１３の各画素での２度程度の拡散とにより、共役関係の像倍率で形成される瞳よりも少し大きく形成される。その結果、光学瞳Ｅは、強度半値でＸ方向に１０ｍｍ、Ｙ方向に２ｍｍの大きさとなっている。
【００８３】
このように、光学瞳Ｅは、一方向（Ｘ方向）には人間の瞳（３ｍｍ程度）よりも大きい１０ｍｍの大きさなので、観察者は映像を観察しやすい。一方、光学瞳Ｅは、他の方向（Ｙ方向）には人間の瞳よりも小さい２ｍｍの大きさなので、光源１１からの光は上記方向においては光学瞳Ｅに無駄なく集光する。これにより、観察者は、明るい映像を観察することができる。
【００８４】
また、Ｘ方向においては、一方向拡散板３３によって入射光が大きく拡散されるため、光源１１と光学瞳Ｅとの光学的な共役関係は成立しなくなるが、共役配置である、つまり、位置関係が共役であることにより、光源１１からの光の利用効率が高くなり、明るい映像を観察することが可能である。
【００８５】
（６．光学瞳の設定による色ムラの低減効果について）
光学瞳Ｅは、上述したように、強度半値でＸ方向に１０ｍｍ、Ｙ方向に２ｍｍの大きさとなるように設定されている。つまり、光学瞳Ｅは、Ｙ方向、すなわち、ホログラム光学素子２３の光軸入射面（ＹＺ平面）に平行な方向よりも、Ｘ方向、すなわち、光軸入射面に垂直な方向に大きい。このように光学瞳Ｅの大きさを設定することにより、ホログラム光学素子２３の波長特性（波長選択性）の影響をあまり受けずに、観察者は色ムラの少ない高画質の映像を観察することができる。その理由は以下の通りである。
【００８６】
まず、ホログラム光学素子２３における入射角と波長選択性との関係について説明する。０度より大きい入射角を持つ光を回折させる干渉縞を持つホログラム光学素子２３では、光軸入射面に平行な方向よりも光軸入射面に垂直な方向において、波長選択性が小さい（入射角のずれによる回折波長のずれが小さい）。言い換えると、光軸入射面に平行な方向よりも光軸入射面に垂直な方向のほうが、干渉縞への入射角のずれに対する角度選択性が低い。これは、ホログラム光学素子２３の干渉縞に光が入射角を有して入射する場合、光軸入射面内での入射角の角度ずれは、そのまま入射角の角度ずれとなるため、回折波長に対する影響が大きいが、光軸入射面に垂直な方向の角度ずれは、入射角のずれとしては小さく、回折波長に対する影響は小さいからである。
【００８７】
したがって、ホログラム光学素子２３の干渉縞に所定の入射角からずれた角度の光が入射すると、同じ角度ずれでも、光軸入射面に平行なＹ方向での角度ずれのほうが、光軸入射面に垂直なＸ方向の角度ずれよりも、大きく回折波長がずれる（すなわち、光軸入射面に平行なＹ方向は、波長選択性が大きい）。
【００８８】
したがって、回折波長の変化が大きいＹ方向に光学瞳Ｅを小さく形成することにより、回折波長の変化の範囲が狭くなるので、光学瞳Ｅ上での色ムラを低減することができる。つまり、ホログラム光学素子２３の光軸入射面と、光学瞳Ｅが小さいＹ方向とが平行であることにより、そのＹ方向での色ムラを低減することができる。また、光軸入射面に垂直なＸ方向に光学瞳Ｅを大きく形成しても、色純度の高い映像を観察者に提供することができる。なお、光軸入射面外の光は入射面が光軸入射面と若干平行ではないが、前述の通り、光軸入射面に垂直な方向の角度ずれは回折波長に対する影響が小さいので、光軸入射面を基準にしても色ムラが大きくなることはない。
【００８９】
また、ホログラム光学素子２３は、上述したように、回折効率ピークおよびその半値波長幅で４６５±５ｎｍ、５２１±５ｎｍ、６３４±５ｎｍの各波長の映像光を回折するように作製されている。このように各色で回折効率の半値波長幅が同じなので、波長の長い光ほど角度選択性が大きい（波長の変化に対する入射角のずれ方が小さい）。したがって、光源１１からの出射光のＲＧＢの波長幅が同じ場合には、ホログラム光学素子２３によって回折されてできる光学瞳の大きさは、波長が長い光ほど小さい。なお、光学瞳Ｅは、各色の光学瞳の範囲を全て含むものとする。
【００９０】
一方、光源１１のＬＥＤ（各発光部）からの出射光の強度は、一般的に中心付近ほど強く、周囲ほど弱い。また、各発光部は、Ｙ方向においては、光学瞳と略共役となるように配置されているが、Ｘ方向では、一方向拡散板３３によって入射光が拡散されるので、光学瞳とは共役ではない。しかし、光学瞳において最も強度の強い位置は、一方向拡散板３３がないとした場合の各発光部と共役な位置にほぼ同じである。
【００９１】
したがって、光学瞳が小さい長波長（Ｒ光）の瞳中心を光学瞳Ｅの中心側に位置させ、光学瞳が大きい短波長（Ｂ光）の瞳中心を光学瞳Ｅの中心よりも外側に位置させることで、光学瞳Ｅ内での瞳位置による強度差を各色について小さくすることができる。これにより、光学瞳Ｅの全体（瞳中心および瞳周辺）で色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。
【００９２】
（７．光源の各発光部の配置による色ムラの低減効果について）
図４に示したように、光源１１を構成する光源群１１Ｐ・１１Ｑの各発光部は、ホログラム光学素子２３の光軸入射面に垂直なＸ方向にほぼ沿って配置されている。上述の通り、光軸入射面に垂直なＸ方向は、光軸入射面に平行なＹ方向よりもホログラム光学素子２３の波長選択性が低いので、この方向にほぼ沿って各発光部を配置することにより、色ムラのない高画質の映像を観察者に観察させることができる。
【００９３】
しかも、本実施形態では、各発光部は、上記光軸入射面に対して略対称に、つまり、同じ色の光を発光する２つの発光部が光軸入射面から互いに反対方向にほぼ同じ距離に位置するように配置されている。より具体的には、光源群１１Ｐにおいては、光軸入射面側からＸ方向外側に向かうにつれて、発光部１１Ｒ1・１１Ｇ1・１１Ｂ1の順に配置されている。また、光源群１１Ｑにおいても、光軸入射面側からＸ方向外側に向かうにつれて、発光部１１Ｒ2・１１Ｇ2・１１Ｂ2の順に配置されている。
【００９４】
ここで、図７は、光学瞳ＥにおけるＸ方向の瞳位置と光強度との関係を示す説明図である。なお、光強度は、同じ色については相対値で示されている。また、同図中の１１Ｒ1・１１Ｒ2・１１Ｇ1・１１Ｇ2・１１Ｂ1・１１Ｂ2で示される曲線は、それぞれ発光部１１Ｒ1・１１Ｒ2・１１Ｇ1・１１Ｇ2・１１Ｂ1・１１Ｂ2から出射される光に対応している。
【００９５】
このように、各発光部を各色ごとに光軸入射面に対して略対称に配置することにより、同じ色についての２つの発光部（例えば１１Ｒ1と１１Ｒ2）からの出射光の光強度を足し合わせたトータルの光強度の重心を、ＲＧＢの各色ともに対称面内（光軸入射面内）に位置させることができる。つまり、ＲＧＢの各色ともにその強度分布を、対称面を中心にしてＸ方向に対称にすることができる。これにより、光学瞳Ｅの中心において色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。
【００９６】
特に、各発光部は、一方向拡散板３３での拡散が大きい波長順（波長が短いほど拡散する）にＸ方向に配置されているので、光学瞳Ｅ上での各色の強度差がさらに小さくなり、色ムラをさらに低減することができる。つまり、色純度の高い映像を観察者に提供することができる。
【００９７】
また、ホログラム光学素子２３の角度選択性により、波長が長い光ほど光学瞳は小さいので、同図に示すように、波長が長い光ほど瞳位置による強度差が大きくなっている（光学瞳Ｅの中心と端部とにおける強度差が大きくなっている）。したがって、光軸入射面側からＸ方向外側に向かうにつれて出射光の波長が短くなるような順序で各発光部を配置し、波長が長い光ほど光強度の高い位置を光学瞳Ｅの中心に近づけることで、その光の光学瞳Ｅでの利用効率を高くすることができる。
【００９８】
一方、波長が短い光ほど光学瞳は大きいので、波長が短い光ほど瞳位置による強度差が小さくなっている。つまり、波長が短い光ほど光強度の高い位置が光学瞳Ｅの中心から遠ざかり、ピーク強度と周辺強度との強度差が小さくなる。したがって、光の利用効率が著しく低下することはない。その結果、各色の光学瞳Ｅ内での強度差が小さくなり、輝度ムラ（色ムラ）が小さくなる。
【００９９】
なお、本実施形態では、一方向拡散板３３として、Ｙ方向に０．２度拡散させるものを用いているが、Ｙ方向に例えば３度程度拡散させるものを用いても、明るく、高画質な映像を観察することが可能である。
【０１００】
なお、本実施形態では、各発光部がＸ方向に一列に並んだＬＥＤ（光源１１）を用いているが、一方向に完全には整列せず、例えば０．５ｍｍだけ垂直方向（Ｙ方向）に各発光部がずれて配置されているようなＬＥＤを用いても、一方向拡散板３３による拡散効果を得ることができる。このとき、より多くの発光部が直線的に並ぶ方向がＸ方向となるようにＬＥＤを配置すればよい。
【０１０１】
（８．照明光学系のバリエーションについて）
ところで、照明光学系１２は、図１の構成に限定されるわけではない。図８は、照明光学系１２の他の構成例を模式的に示す断面図である。この照明光学系１２は、照明ミラー３１の代わりに正の光学パワーを有する平凸レンズ３４を配置した以外は、図１と同様の構成である。平凸レンズ３４の凸側の面は球面であり、裏面（平面側の面）は反射面（平面ミラー）となっている。
【０１０２】
光源１１からの光は、平凸レンズ３４の凸面で屈折され、その反射面で反射された後、再び凸面を介して出射されて照明ミラー３２に向かう。照明ミラー３２にて反射された光は、一方向拡散板３３にて拡散された後、光源１１から平凸レンズ３４に向かう光の光路を横切ってＬＣＤ１３に入射する。
【０１０３】
この構成では、光源１１からの光は平凸レンズ３４の凸面を２回通過するので、収差の発生を少なくしながら、照明光学系１２に光学パワーを与えることができ、均一で明るい照明光を得ることができる。したがって、そのような照明光でＬＣＤ１３を照明して、均一で明るい映像を観察者に観察させることができる。なお、上記の平凸レンズ３４は、シリンダレンズであってもよい。
【０１０４】
図９は、照明光学系１２のさらに他の構成例を示す断面図である。この照明光学系１２は、１枚目の反射面として、照明ミラー３１の代わりに照明ミラー３２を配置し、２枚目の反射面として、自由曲面ミラー３５を配置した以外は、図１と同様の構成である。なお、一方向拡散板３３は、照明ミラー３２の前面に配置されている。自由曲面ミラー３５は、正の光学パワーを有する凹面ミラーである。
【０１０５】
光源１１からの光は、一方向拡散板３３を介して照明ミラー３２に入射してそこで反射され、再び一方向拡散板３３に入射して拡散された後、自由曲面ミラー３５に向かう。自由曲面ミラー３５にて反射された光は、光源１１から照明ミラー３２に向かう光の光路を横切ってＬＣＤ１３に入射する。
【０１０６】
この構成では、一方向拡散板３３にて拡散された光は、自由曲面ミラー３５の正の光学パワーによって集光してＬＣＤ１３に入射するので、一方向拡散板３３の虚像がＬＣＤ１３の映像とともに観察されにくくなる。したがって、一方向拡散板３３の拡散度を小さくして映像を明るくすることが可能となる。また、照明ミラー３２および自由曲面ミラー３５での２回反射により照明光の光路が長く、ＬＣＤ１３から一方向拡散板３３までの距離が長いので、ＲＧＢの照明光は一方向拡散板３３にて十分混色され、輝度ムラや色ムラが抑制される。
【０１０７】
図１０は、照明光学系１２のさらに他の構成例を示す断面図である。この照明光学系１２は、１枚目の反射面として、照明ミラー３１の代わりに照明ミラー３２を配置し、２枚目の反射面として、シリンダミラー３６を配置した以外は、図１と同様の構成である。なお、一方向拡散板３３は、シリンダミラー３６の前面に配置されている。
【０１０８】
シリンダミラー３６は、入射光をＹ方向にのみ集光する、正の光学パワーを有する凹面ミラーである。シリンダミラー３６はＸ方向には光学パワーを有していないので、Ｘ方向において、光源１１と光学瞳Ｅとは共役でない。
【０１０９】
光源１１からの光は、照明ミラー３２に入射してそこで反射され、一方向拡散板３３を介してシリンダミラー３６に入射する。シリンダミラー３６で反射された光は、再度一方向拡散板３３に入射してそこで拡散された後、光源１１から照明ミラー３２に向かう光の光路を横切らずにＬＣＤ１３に入射する。
【０１１０】
この構成では、光源１１から照明ミラー３２に向かう光の光路と、シリンダミラー３６からＬＣＤ１３に向かう光の光路とは交叉していないが、照明光学系１２にて光路を折りたたんでいる点では上述した他の照明光学系１２と同じであるので、照明光学系１２をコンパクトに構成することができる。
【０１１１】
図１１は、照明光学系１２のさらに他の構成例を示す断面図である。この照明光学系１２は、１枚目の反射面として凹面ミラー３７を配置し、２枚目の反射面として凸面ミラー３８を配置し、ＬＣＤ１３の光入射側に一方向拡散板３３を配置して構成されている。ただし、照明光学系１２全体の光学パワーは正である。
【０１１２】
光源１１からの光は、凹面ミラー３７に入射してそこで反射され、凸面ミラー３８に入射する。凸面ミラー３８で反射された光は、光源１１から凹面ミラー３７に向かう光の光路を横切って一方向拡散板３３に入射し、そこで拡散された後、ＬＣＤ１３に入射する。
【０１１３】
この構成では、凸面ミラー３８の負の光学パワーによって光束を小さくするので、凹面ミラー３７の正の光学パワーを大きくすることができ、光源１１から出射される光の利用放射角を大きくすることができる（光源１１から放射される光の利用効率を上げることができる）。その結果、明るい光でＬＣＤ１３を照明して、ＬＣＤ１３の表示映像を明るく観察することができる。したがって、一方向拡散板３３に代えて、入射光を例えば３０度全方向に拡散する拡散板を用いても、明るい映像を観察することが可能となる。このとき、Ｙ方向の光学瞳Ｅは、Ｘ方向と同じく大きな瞳（例えば約８ｍｍ）となり、映像を観察しやすくなる。
【０１１４】
図１２は、照明光学系１２のさらに他の構成例を示す断面図である。この照明光学系１２は、プリズム４１と、拡散板４２とを有して構成されている。プリズム４１は、入射面４１ａと、１枚目の反射面としての凹面反射面４１ｂと、２枚目の反射面としての平面反射面４１ｃと、射出面４１ｄとを有している。拡散板４２は、入射光を３０度全方位に拡散する拡散板であり、プリズム４１の射出面４１ｄとＬＣＤ１３との間に配置されている。凹面反射面４１ｂが正の光学パワーを有しているため、照明光学系１２全体の光学パワーは正である。
【０１１５】
光源１１からの光は、プリズム４１の入射面４１ａを介して内部に入射し、凹面反射面４１ｂおよび平面反射面４１ｃにて順次反射された後、入射面４１ａから凹面反射面４１ｂに向かう光の光路を横切って射出面４１ｄに達する。射出面４１ｄから射出される光は、拡散板４２にて拡散された後、ＬＣＤ１３に入射する。
【０１１６】
この構成では、プリズム４１内で、入射面４１ａから凹面反射面４１ｂに向かう光の光路と、平面反射面４１ｃから射出面４１ｄに向かう光の光路とが交叉するので、軸非対称性を緩和して均一な照明としながら、照明光学系１２をコンパクトに構成することができる。また、プリズム媒質中では光束が小さいので、反射による収差を抑制することができる。
【０１１７】
なお、拡散板４２は、一方向拡散板３３に置き換え可能である。ただし、一方向拡散板３３を用いた場合は、一方向拡散板３３の凹凸による影が少し虚像として観察されやすくなる。
【０１１８】
図１３は、照明光学系１２のさらに他の構成例を示す断面図である。この照明光学系１２は、拡散板４２と、プリズム４３とを有して構成されている。プリズム４３は、入射面４３ａと、１枚目の反射面としての平面反射面兼射出面４３ｂと、２枚目の反射面としての凹面反射面４３ｃとを有している。拡散板４２は、プリズム４３の平面反射面兼射出面４３ｂとＬＣＤ１３との間に配置されている。凹面反射面４３ｃが正の光学パワーを有しているため、照明光学系１２全体の光学パワーは正である。
【０１１９】
光源１１からの光は、プリズム４３の入射面４３ａを介して内部に入射し、平面反射面兼射出面４３ｂおよび凹面反射面４３ｃにて順次反射され、平面反射面兼射出面４３ｂに達する。平面反射面兼射出面４３ｂから射出される光は、拡散板４２にて拡散された後、ＬＣＤ１３に入射する。
【０１２０】
この構成では、プリズム４３内で、入射面４３ａから平面反射面兼射出面４３ｂに入射する光線と、該光線と同じ光路上を進行する光線であって、凹面反射面４３ｃから平面反射面兼射出面４３ｂに入射する光線とは、交叉しないが、光路を折りたたんでいることには変わりはなく、照明光学系１２をコンパクトに構成することができる。また、プリズム媒質中では光束が小さいので、反射による収差を抑制することができる。
【０１２１】
なお、拡散板４２は、一方向拡散板３３に置き換え可能である。ただし、一方向拡散板３３を用いた場合は、一方向拡散板３３の凹凸による影が少し虚像として観察されやすくなる。また、プリズム４３の平面反射面兼射出面４３ｂでは全反射を利用してもよく、全反射しない部分にはミラーコートを施してもよい。
【０１２２】
（９．映像表示装置の他の構成について）
図１４は、映像表示装置１の他の構成を模式的に示す断面図である。この映像表示装置１は、光源１１の代わりに光源５１を用い、観察光学系１４の変わりに観察光学系５２を用いた以外は、図３で示した映像表示装置１と同様の構成である。
【０１２３】
ただし、図１４の映像表示装置１において、照明光学系１２は、照明ミラー３１・３２のみを有しており、一方向拡散板３３を有していない。これは、光源５１として、以下に示す白色光源を用いており、ＲＧＢの色を混ぜる必要がないからである。しかし、一方向拡散板３３を設けて、光学瞳ＥをＸ方向にさらに広げることも勿論可能である。
【０１２４】
光源５１は、青色光または紫外光で蛍光体を励起して白色を発光する白色光源（白色ＬＥＤ）である。ここで、図１５は、光源５１をＬＣＤ１３側から見たときの平面図である。光源５１は、ホログラム光学素子２３の光軸入射面に対して垂直な方向（Ｘ方向）を長辺方向とするスリット状の発光領域５１ａを有している。つまり、発光領域５１ａの外側の領域は、光の透過がマスクにより制限されている。発光領域５１ａの大きさは、Ｘ方向に例えば３ｍｍであり、Ｙ方向に例えば１ｍｍである。
【０１２５】
光源５１は、この発光領域５１ａからスリット状に白色（３原色に対応したＲＧＢの波長域の光を含む）を発光する。光源５１と光学瞳Ｅとはほぼ共役な関係となるように配置されているので、光学瞳Ｅは、光源５１の発光領域５１ａの大きさ（Ｘ方向３ｍｍ、Ｙ方向１ｍｍ）が光学系の像倍率３倍に拡大される結果、Ｘ方向に９ｍｍ、Ｙ方向に３ｍｍの大きさとなり、一方向に小さい瞳となっている。
【０１２６】
観察光学系５２は、軸非対称な正の光学パワーを有する自由曲面プリズム６１と、透明基板６２とを貼り合わせて構成されている。自由曲面プリズム６１は、ＬＣＤ１３からの光の入射面６１ａと、反射面６１ｂと、透過反射面６１ｃとを有している。透明基板６２は、自由曲面プリズム６１の透過反射面６１ｃに貼り合わされている。自由曲面プリズム６１および透明基板６２は、図３の接眼プリズム２１および偏向プリズム２２にそれぞれ対応しており、それぞれ第１の透明基板および第２の透明基板を構成している。
【０１２７】
光源１１から出射された光（白色光）は、照明光学系１２の照明ミラー３１・３２で順次反射された後、ＬＣＤ１３に入射し、そこで変調されて映像光として出射される。この映像光は、観察光学系５２の自由曲面プリズム６１の入射面６１ａを介して内部に入射し、反射面６１ｂで全反射された後、透過反射面６１ｃで反射され、光学瞳Ｅに導かれる。観察者は、光学瞳Ｅに到達する光を瞳に入射させることにより、ＬＣＤ１３の表示映像を自由曲面プリズム６１の各面の合成パワーにより虚像として観察することができる。
【０１２８】
この映像表示装置１においても、観察光学系１４を軸非対称な光学系としているので、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めて装置を容易に小型化することができるとともに、良好に収差補正された高画質の映像を観察者に提供することができる。また、透明基板６２は自由曲面プリズム６１の下端部を透過する外光の屈折をキャンセルするので、観察者は自由曲面プリズム６１および透明基板６２を通して、外界光を歪むことなく観察することができる。
【０１２９】
また、光源５１と光学瞳Ｅとは共役になるように、照明光学系１２の照明ミラー３１および観察光学系５２が設定されている。光源５１の発光領域５１ａは、図１５で示したように、照明ミラー３１の反射方向（Ｙ方向）に小さい形状であるので、照明ミラー３１・３２からなる照明光学系１２をより小型にすることができる。さらに、光源５１と光学瞳Ｅとは共役であるので、明るい映像を提供することができ、しかも、照明光学系１２での光路の折りたたみ方向（Ｙ方向）に光学瞳Ｅが小さく、光束が小さいので、よりコンパクトな装置とすることができる。
【０１３０】
なお、本実施形態では、空間変調素子としてカラーフィルタを備えた透過型のカラーＬＣＤを用いたが、ＲＧＢの各発光部を順次駆動して各色の光を時分割で順次出射させ、これと同期して各色に対応した変調を行う時分割タイプのＬＣＤ（例えば強誘電液晶表示素子）を用いてもよい。
【０１３１】
なお、本実施形態では、ＨＭＤに好適な映像表示装置１について種々説明したが、本実施形態の映像表示装置１は、例えばヘッドアップディスプレイなどの他の装置にも適用することが可能である。
【０１３２】
なお、本実施形態で説明した各種の構成を適宜組み合わせて映像表示装置１ひいてはＨＭＤを実現することも勿論可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
本発明の映像表示装置は、例えばヘッドマウントディスプレイやヘッドアップディスプレイに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１】本発明の実施の一形態に係る映像表示装置に適用される照明光学系の詳細な構成を示す断面図である。
【図２】（ａ）は、上記映像表示装置を有するＨＭＤの概略の構成を示す平面図であり、（ｂ）は、ＨＭＤの側面図であり、（ｃ）は、ＨＭＤの正面図である。
【図３】上記映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。
【図４】上記映像表示装置における光路を展開して示す説明図である。
【図５】上記映像表示装置の光源の分光強度特性を示す説明図である。
【図６】上記映像表示装置のホログラム光学素子における回折効率の波長依存性を示す説明図である。
【図７】上記映像表示装置の光学瞳におけるＸ方向の瞳位置と光強度との関係を示す説明図である。
【図８】上記照明光学系の他の構成例を模式的に示す断面図である。
【図９】上記照明光学系のさらに他の構成例を模式的に示す断面図である。
【図１０】上記照明光学系のさらに他の構成例を模式的に示す断面図である。
【図１１】上記照明光学系のさらに他の構成例を模式的に示す断面図である。
【図１２】上記照明光学系のさらに他の構成例を模式的に示す断面図である。
【図１３】上記照明光学系のさらに他の構成例を模式的に示す断面図である。
【図１４】上記映像表示装置の他の構成を模式的に示す断面図である。
【図１５】図１４の映像表示装置の光源をＬＣＤ側から見たときの平面図である。
【符号の説明】
【０１３５】
１    映像表示装置
２    支持手段
１１    光源
１１Ｒ1、１１Ｇ1、１１Ｂ1    発光部（発光ダイオード）
１１Ｒ2、１１Ｇ2、１１Ｂ2    発光部（発光ダイオード）
１２    照明光学系
１３    ＬＣＤ（透過型の表示素子）
１４    観察光学系
２１    接眼プリズム（第１の透明基板）
２２    偏向プリズム（第２の透明基板）
２３    ホログラム光学素子
３１    照明ミラー（反射面）
３２    照明ミラー（反射面）
３３    一方向拡散板
３４    平凸レンズ（反射面）
３５    自由曲面ミラー（反射面）
３６    シリンダミラー（反射面）
３７    凹面ミラー（反射面）
３８    凸面ミラー（反射面）
４１ｂ  凹面反射面（反射面）
４１ｃ  平面反射面（反射面）
４３ｂ  平面反射面兼射出面（反射面）
４３ｃ  凹面反射面（反射面）
５１    光源
５２    観察光学系
６１    自由曲面プリズム（第１の透明基板）
６２    透明基板（第２の透明基板）
Ｅ    光学瞳
【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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