(57)【要約】  映像生成部（１１）のレーザ光源（１２）から射出される光は、偏向装置（１３）の反射面（１３ａ）によって２次元に偏向走査され、拡散ユニット（１４）にて拡散された後、接眼光学系（４）のＨＯＥ（２３）で回折反射され、光学瞳（Ｅ）に導かれる。光学瞳（Ｅ）と偏向装置（１３）の反射面（１３ａ）とを光学的に共役な位置関係に設定することで、観察する映像の品位の低下を回避することができる。また、所定の条件式を満足して、拡散ユニット（１４）に正のパワーを持たせているので、光学瞳（Ｅ）と偏向装置（１３）の反射面（１３ａ）とを共役な位置関係に設定しても、反射面（１３ａ）と拡散ユニット（１４）との距離を短くすることができ、映像生成部（１１）が大型化するのを回避できる。
2010035607.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像生成部からの映像光を接眼光学系の光学瞳に導くことにより、上記光学瞳の位置にて上記映像の虚像を観察者に観察させる映像表示装置であって、
上記映像生成部は、
レーザ光源と、
上記レーザ光源から射出されるレーザ光を、反射面によって、互いに直交する２つの走査方向に偏向走査する偏向手段と、
上記接眼光学系の像面に配置され、上記偏向手段にて偏向されたレーザ光を拡散する拡散手段とを有しており、
上記接眼光学系は、上記映像生成部からの映像光を回折反射して上記光学瞳に導くと同時に、外光を透過させて上記光学瞳に導くコンバイナとしての体積位相型で反射型のホログラフィック光学素子を有しており、
上記光学瞳と上記偏向手段の反射面とは、光学的に共役な位置関係にあり、
上記偏向手段による走査範囲の走査中心を除く全ての走査位置で、以下の条件式（１）（２）を満足することを特徴とする映像表示装置；
θｓｘ＞θｄｘ          ・・・（１）
θｓｙ＞θｄｙ          ・・・（２）
ただし、上記２つの走査方向のうち、上記光学瞳にて観察される映像の水平方向に対応する走査方向を第１の走査方向とし、上記映像の垂直方向に対応する走査方向を第２の走査方向とし、上記偏向手段の反射面上の走査中心と上記光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸としたとき、
θｓｘ：拡散手段に入射するレーザ光の、光軸に対する第１の
走査方向の走査角度
θｓｙ：拡散手段に入射するレーザ光の、光軸に対する第２の
走査方向の走査角度
θｄｘ：拡散手段におけるθｓｘに対応する走査位置から射出
される拡散光の中心光線の、光軸に対する第１の走査
方向の射出角度
θｄｙ：拡散手段におけるθｓｙに対応する走査位置から射出
される拡散光の中心光線の、光軸に対する第２の走査
方向の射出角度
である。
【請求項２】
上記拡散手段は、拡散したレーザ光が上記ホログラフィック光学素子に入射したときに、上記ホログラフィック光学素子にて５０％以上の回折効率が得られるように、上記偏向手段にて偏向されたレーザ光を拡散す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】
上記拡散手段は、上記第１の走査方向と上記第２の走査方向とで、異なる拡散角でレーザ光を拡散させ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】
上記拡散手段は、単一の拡散板で構成されてい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】
上記拡散板は、体積位相型のホログラフィック光学素子で構成されていることを特徴とする請求項４に記載の映像表示装置。
【請求項６】
上記拡散板を構成するホログラフィック光学素子は、反射型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】
上記拡散手段は、レンズと拡散板とで構成されてい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８】
上記拡散手段は、フレネルレンズの表面に拡散面を形成して構成されてい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９】
上記拡散手段と上記偏向手段との間の光路中に設けられ、負のパワーを有する光学素子をさらに備えてい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】
以下の条件式（３）（４）（５）をさらに満足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；
θｓｘ_max＞１０°，θｓｙ_max＞１０°      ・・・（３）
１．０３＜cos（θｄｘ_max）／cos（θｓｘ_max）
＜１．１５・・・（４）
１．０３＜cos（θｄｙ_max）／cos（θｓｙ_max）
＜１．１５・・・（５）
ただし、
θｓｘ_max：θｓｘの最大値
θｓｙ_max：θｓｙの最大値
θｄｘ_max：θｄｘの最大値
θｄｙ_max：θｄｙの最大値
である。
【請求項１１】
映像生成部からの映像光を接眼光学系の光学瞳に導くことにより、上記光学瞳の位置にて上記映像の虚像を観察者に観察させる映像表示装置であって、
上記映像生成部は、
レーザ光源と、
上記レーザ光源から射出されるレーザ光を、反射面によって、互いに直交する２つの走査方向に偏向走査する偏向手段と、
上記接眼光学系の像面に配置され、上記偏向手段にて偏向されたレーザ光を拡散する拡散板とを有しており、
上記接眼光学系は、上記映像生成部からの映像光を回折反射して上記光学瞳に導くと同時に、外光を透過させて上記光学瞳に導くコンバイナとしての体積位相型で反射型のホログラフィック光学素子を有しており、
上記偏向手段の反射面上の走査中心と上記光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸としたとき、
当該映像表示装置は、
上記映像生成部を光軸に沿って移動させることにより、上記虚像の視度を調整する虚像視度調整手段と、
上記映像光の光路中に配置される補正レンズと、
上記補正レンズを光軸に沿って移動させる補正レンズ移動手段とを備えており、
上記補正レンズ移動手段は、上記虚像視度調整手段による上記映像生成部の移動に伴い、上記光学瞳と上記偏向手段の反射面とを光学的に共役な位置関係に保ったまま、上記補正レンズを移動させることを特徴とする映像表示装置。
【請求項１２】
上記補正レンズは、上記偏向手段と上記拡散板との間に配置されてい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】
映像生成部からの映像光を接眼光学系の光学瞳に導くことにより、上記光学瞳の位置にて上記映像の虚像を観察者に観察させる映像表示装置であって、
上記映像生成部は、
レーザ光源と、
上記レーザ光源から射出されるレーザ光を、反射面によって、互いに直交する２つの走査方向に偏向する偏向手段と、
上記接眼光学系の像面に配置され、上記偏向手段にて偏向されたレーザ光を拡散する拡散板とを有しており、
上記接眼光学系は、上記映像生成部からの映像光を回折反射して上記光学瞳に導くと同時に、外光を透過させて上記光学瞳に導くコンバイナとしての体積位相型で反射型のホログラフィック光学素子を有しており、
上記偏向手段の反射面上の走査中心と上記光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸としたとき、
当該映像表示装置は、
上記映像生成部を光軸に沿って移動させることにより、上記虚像の視度を調整する虚像視度調整手段と、
上記偏向手段と上記拡散板との間に配置される補正レンズとを備えており、
上記光学瞳と上記偏向手段の反射面とは、光学的に共役な位置関係にあり、
上記接眼光学系は、テレセントリック光学系であることを特徴とする映像表示装置。
【請求項１４】
上記拡散板は、拡散したレーザ光が上記ホログラフィック光学素子に入射したときに、上記ホログラフィック光学素子にて５０％以上の回折効率が得られるように、上記偏向手段にて偏向されたレーザ光を拡散することを特徴とする請求項１１から１３のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項１５】
上記２つの走査方向のうち、上記光学瞳にて観察される映像の水平方向に対応する走査方向を第１の走査方向とし、上記映像の垂直方向に対応する走査方向を第２の走査方向としたとき、
上記拡散板は、上記第１の走査方向と上記第２の走査方向とで、異なる拡散角でレーザ光を拡散させることを特徴とする請求項１１から１４のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項１６】
上記拡散板におけるレーザ光の拡散角は、上記第２の走査方向よりも上記第１の走査方向のほうが大きいことを特徴とする請求項１５に記載の映像表示装置。
【請求項１７】
上記虚像視度調整手段による視度調整とは独立して、観察映像の画角を変化させる画角調整手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１１から１６のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項１８】
上記コンバイナとしてのホログラフィック光学素子は、正のパワーを有していることを特徴とする請求項１から１７のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項１９】
上記コンバイナとしてのホログラフィック光学素子の入射光の光軸と反射光の光軸とを含む入射面内で、上記ホログラフィック光学素子における入射角と回折角とは異なっていることを特徴とする請求項１から１８のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項２０】
請求項１から１９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２１】
請求項１から１９のいずれかに記載の映像表示装置を備え、上記映像表示装置のコンバイナとしてのホログラフィック光学素子がウィンドシールドに保持されるヘッドアップディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、映像生成部からの映像光を接眼光学系の光学瞳に導くことにより、光学瞳の位置にて上記映像の虚像を観察者に観察させる映像表示装置と、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）およびヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤとも称する）とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光を偏向手段の反射面で反射させて２次元に偏向走査し、接眼光学系を介して観察者に映像（虚像）を観察させる映像表示装置では、観察者は、走査される各光線を網膜に入射させることで映像を認識する（いわゆるマクスウェル視）。したがって、接眼光学系によって形成される光学瞳の位置から観察者の瞳位置が上下左右に外れると、映像光線が網膜に入射しなくなり、観察者は映像を観察することができなくなる。【０００３】
この点に関して、例えば特許文献１では、レーザ走査光学系を用いた構成において、光路中に拡散板を配置して光学瞳を広げている。この場合、観察者の瞳位置が光学瞳の面内で上下左右にずれても、映像光線を網膜に導くことができ、観察者は映像を観察することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１３２０７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１では、光学瞳と走査系表面（偏向手段の反射面）との光学的な位置関係については何ら言及されておらず、観察する映像の品位が低下する場合がある。例えば、光学瞳が偏向手段の反射面と共役な位置からずれた位置にあると、光の利用効率が低下して観察する映像が暗くなったり、映像光の一部が観察者の瞳に入射しないことによって、映像の一部が欠ける場合がある。また、光路中に通常の拡散板を配置する構成では、偏向手段の反射面と拡散板との距離を長く確保しなければ、光学瞳と偏向手段の反射面との位置関係を光学的に共役にすることができず、その結果、レーザ光源、偏向手段および拡散板を有する映像生成部が大型化する。【０００６】
また、映像表示装置では、レーザ走査光学系および拡散板を有する映像生成部を、接眼光学系に近づく方向または接眼光学系から遠ざかる方向に移動させることにより、虚像の視度、すなわち光学瞳からの虚像の表示距離を調整することが可能である。このように虚像の視度を調整することにより、観察者に様々な効果を与えることができる。例えばヘッドアップディスプレイでは、『注意』の文字を虚像として表示し、これを観察者に観察させる場合に、視度調整によって『注意』の文字を次第に近くにすることで、虚像の視認性を高めることができ、この例では注意を喚起する効果を高めることができる。【０００７】
ところが、特許文献１では、光学瞳と走査系表面（偏向手段の反射面）との光学的な位置関係については何ら言及されていないので、虚像の視度を調整すべく、映像生成部を移動させたときに、観察する映像の品位が低下する場合がある。つまり、例えば、虚像の視度調整により、光学瞳が偏向手段の反射面と共役な位置からずれた位置にあると、光の利用効率が低下して観察する映像が暗くなったり、映像生成部の移動時に、拡散板から接眼光学系のホログラムコンバイナに向かう光束の状態が変わり、ホログラムコンバイナで回折されて各像高から射出される光線（特にエネルギー強度の最も高い主光線）が光学瞳面内の同じ点を通過せず、結果的に、観察者の瞳位置が少しずれただけで、映像の一部が欠けたり、画面内に輝度ムラが生じる。【０００８】
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、光学瞳と偏向手段の反射面との位置関係を適切に設定することにより、映像品位の低下を回避することができ、しかも、映像生成部を大型化することなくその効果を得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およびＨＵＤとを提供することにある。【０００９】
また、本発明の他の目的は、虚像の視度調整時に、光学瞳と偏向手段の反射面との光学的な位置関係を適切に保つことにより、虚像の視度に関係なく、観察映像の品位低下を回避す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およびＨＵＤとを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の映像表示装置は、映像生成部からの映像光を接眼光学系の光学瞳に導くことにより、上記光学瞳の位置にて上記映像の虚像を観察者に観察させる映像表示装置であって、上記映像生成部は、レーザ光源と、上記レーザ光源から射出されるレーザ光を、反射面によって、互いに直交する２つの走査方向に偏向走査する偏向手段と、上記接眼光学系の像面に配置され、上記偏向手段にて偏向されたレーザ光を拡散する拡散手段とを有しており、上記接眼光学系は、上記映像生成部からの映像光を回折反射して上記光学瞳に導くと同時に、外光を透過させて上記光学瞳に導くコンバイナとしての体積位相型で反射型のホログラフィック光学素子を有しており、上記光学瞳と上記偏向手段の反射面とは、光学的に共役な位置関係にあり、上記偏向手段による走査範囲の走査中心を除く全ての走査位置で、以下の条件式（１）（２）を満足することを特徴としている。すなわち、
θｓｘ＞θｄｘ          ・・・（１）
θｓｙ＞θｄｙ          ・・・（２）
ただし、上記２つの走査方向のうち、上記光学瞳にて観察される映像の水平方向に対応する走査方向を第１の走査方向とし、上記映像の垂直方向に対応する走査方向を第２の走査方向とし、上記偏向手段の反射面上の走査中心と上記光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸としたとき、
θｓｘ：拡散手段に入射するレーザ光の、光軸に対する第１の走査方
向の走査角度
θｓｙ：拡散手段に入射するレーザ光の、光軸に対する第２の走査方
向の走査角度
θｄｘ：拡散手段におけるθｓｘに対応する走査位置から射出される
拡散光の中心光線の、光軸に対する第１の走査方向の射出角
度
θｄｙ：拡散手段におけるθｓｙに対応する走査位置から射出される
拡散光の中心光線の、光軸に対する第２の走査方向の射出角
度
である。【００１１】
本発明の映像表示装置において、上記拡散手段は、拡散したレーザ光が上記ホログラフィック光学素子に入射したときに、上記ホログラフィック光学素子にて５０％以上の回折効率が得られるように、上記偏向手段にて偏向されたレーザ光を拡散することが望ましい。【００１２】
本発明の映像表示装置において、上記拡散手段は、上記第１の走査方向と上記第２の走査方向とで、異なる拡散角でレーザ光を拡散させてもよい。【００１３】
本発明の映像表示装置において、上記拡散手段は、単一の拡散板で構成されていてもよい。【００１４】
本発明の映像表示装置において、上記拡散板は、体積位相型のホログラフィック光学素子で構成されていることが望ましい。【００１５】
本発明の映像表示装置において、上記拡散板を構成するホログラフィック光学素子は、反射型であることが望ましい。【００１６】
本発明の映像表示装置において、上記拡散手段は、レンズと拡散板とで構成されていてもよい。【００１７】
本発明の映像表示装置において、上記拡散手段は、フレネルレンズの表面に拡散面を形成して構成されていてもよい。【００１８】
本発明の映像表示装置は、上記拡散手段と上記偏向手段との間の光路中に設けられ、負のパワーを有する光学素子をさらに備えている構成であってもよい。【００１９】
本発明の映像表示装置は、以下の条件式（３）（４）（５）をさらに満足する構成であってもよい。すなわち、
θｓｘ_max＞１０°，θｓｙ_max＞１０°            ・・・（３）
１．０３＜cos（θｄｘ_max）／cos（θｓｘ_max）
＜１．１５  ・・・（４）
１．０３＜cos（θｄｙ_max）／cos（θｓｙ_max）
＜１．１５  ・・・（５）
ただし、
θｓｘ_max：θｓｘの最大値
θｓｙ_max：θｓｙの最大値
θｄｘ_max：θｄｘの最大値
θｄｙ_max：θｄｙの最大値
である。【００２０】
本発明の映像表示装置は、映像生成部からの映像光を接眼光学系の光学瞳に導くことにより、上記光学瞳の位置にて上記映像の虚像を観察者に観察させる映像表示装置であって、上記映像生成部は、レーザ光源と、上記レーザ光源から射出されるレーザ光を、反射面によって、互いに直交する２つの走査方向に偏向走査する偏向手段と、上記接眼光学系の像面に配置され、上記偏向手段にて偏向されたレーザ光を拡散する拡散板とを有しており、上記接眼光学系は、上記映像生成部からの映像光を回折反射して上記光学瞳に導くと同時に、外光を透過させて上記光学瞳に導くコンバイナとしての体積位相型で反射型のホログラフィック光学素子を有しており、上記偏向手段の反射面上の走査中心と上記光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸としたとき、当該映像表示装置は、上記映像生成部を光軸に沿って移動させることにより、上記虚像の視度を調整する虚像視度調整手段と、上記映像光の光路中に配置される補正レンズと、上記補正レンズを光軸に沿って移動させる補正レンズ移動手段とを備えており、上記補正レンズ移動手段は、上記虚像視度調整手段による上記映像生成部の移動に伴い、上記光学瞳と上記偏向手段の反射面とを光学的に共役な位置関係に保ったまま、上記補正レンズを移動させることを特徴としている。【００２１】
本発明の映像表示装置において、上記補正レンズは、上記偏向手段と上記拡散板との間に配置されていることが望ましい。【００２２】
本発明の映像表示装置は、映像生成部からの映像光を接眼光学系の光学瞳に導くことにより、上記光学瞳の位置にて上記映像の虚像を観察者に観察させる映像表示装置であって、上記映像生成部は、レーザ光源と、上記レーザ光源から射出されるレーザ光を、反射面によって、互いに直交する２つの走査方向に偏向する偏向手段と、上記接眼光学系の像面に配置され、上記偏向手段にて偏向されたレーザ光を拡散する拡散板とを有しており、上記接眼光学系は、上記映像生成部からの映像光を回折反射して上記光学瞳に導くと同時に、外光を透過させて上記光学瞳に導くコンバイナとしての体積位相型で反射型のホログラフィック光学素子を有しており、上記偏向手段の反射面上の走査中心と上記光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸としたとき、当該映像表示装置は、上記映像生成部を光軸に沿って移動させることにより、上記虚像の視度を調整する虚像視度調整手段と、上記偏向手段と上記拡散板との間に配置される補正レンズとを備えており、上記光学瞳と上記偏向手段の反射面とは、光学的に共役な位置関係にあり、上記接眼光学系は、テレセントリック光学系であることを特徴としている。【００２３】
本発明の映像表示装置において、上記拡散板は、拡散したレーザ光が上記ホログラフィック光学素子に入射したときに、上記ホログラフィック光学素子にて５０％以上の回折効率が得られるように、上記偏向手段にて偏向されたレーザ光を拡散することが望ましい。【００２４】
本発明の映像表示装置において、上記２つの走査方向のうち、上記光学瞳にて観察される映像の水平方向に対応する走査方向を第１の走査方向とし、上記映像の垂直方向に対応する走査方向を第２の走査方向としたとき、上記拡散板は、上記第１の走査方向と上記第２の走査方向とで、異なる拡散角でレーザ光を拡散させてもよい。【００２５】
本発明の映像表示装置において、上記拡散板におけるレーザ光の拡散角は、上記第２の走査方向よりも上記第１の走査方向のほうが大きくてもよい。【００２６】
本発明の映像表示装置は、上記虚像視度調整手段による視度調整とは独立して、観察映像の画角を変化させる画角調整手段をさらに備えている構成であってもよい。【００２７】
本発明の映像表示装置において、上記コンバイナとしてのホログラフィック光学素子は、正のパワーを有していることが望ましい。【００２８】
本発明の映像表示装置において、上記コンバイナとしてのホログラフィック光学素子の入射光の光軸と反射光の光軸とを含む入射面内で、上記ホログラフィック光学素子における入射角と回折角とは異なっていることが望ましい。【００２９】
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構成であってもよい。【００３０】
本発明のヘッドアップディスプレイは、上述した本発明の映像表示装置を備え、上記映像表示装置のコンバイナとしてのホログラフィック光学素子がウィンドシールドに保持されている構成であってもよい。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、映像生成部のレーザ光源から射出された光は、偏向手段（例えばＭＥＭＳミラー）の反射面によって２つの走査方向に偏向された後、接眼光学系のホログラフィック光学素子（以下、ＨＯＥとも称する）で回折反射されて光学瞳に導かれる。偏向手段での２次元の偏向走査により、光学瞳の位置に観察者の瞳を位置させたときには、偏向された光線の１本１本が網膜に導かれることにより、観察者は２次元の映像を虚像として観察することができる。また、外光はＨＯＥを透過して光学瞳に導かれるので、観察者は上記映像と外界像とを同時に観察することができる。【００３２】
ここで、映像生成部では、偏向手段での偏向後の光が拡散手段で拡散されるので、上記光学瞳が広げられ、観察者の瞳位置が光学瞳の面内で上下左右にずれても、観察者は映像を観察することができる。【００３３】
また、光学瞳と偏向手段の反射面とは、光学的に共役な位置関係にあるので、観察する映像の品位の低下を回避することができる。つまり、上記共役関係により、映像生成部から供給される光の利用効率を向上させることができ、観察者は光学瞳の位置で明るい映像を観察することができる。さらに、上記共役関係により、光学瞳の面内で観察者の瞳がずれても、観察者の瞳に全ての画面領域からの映像光を入射させることができ、光学瞳の面内であればどの位置でも、観察者は映像全体を良好に（部分的に欠けることなく）観察することができる。特に、体積位相型で反射型のＨＯＥは、所定の入射角範囲で入射した光しか回折反射せず、明るい映像が得にくいので、上記共役関係を満足して光の利用効率を向上させることは、本発明のようにコンバイナとして上記ＨＯＥを用いる構成において非常に有効となる。【００３４】
また、条件式を満足することにより、拡散手段に正のパワーを持たせたことになるので、光学瞳と偏向手段の反射面とを共役な位置関係に設定しても、上記反射面と拡散手段との距離を短くすることができる。したがって、映像生成部を大型化することなく、上記共役関係を実現して上述した効果を得ることができる。【００３５】
また、虚像視度調整手段によって虚像の視度（光学瞳からの虚像の表示距離）を調整すべく、映像生成部を光軸に沿って移動させても、補正レンズ移動手段による補正レンズの移動により、光学瞳と偏向手段の反射面との光学的な共役関係が保たれるので、虚像の視度に関係なく、観察映像の品位低下を回避することができる。【００３６】
つまり、上記共役関係により、映像生成部から供給される光の利用効率を向上させることができるので、虚像の視度に関係なく、観察者は光学瞳の位置で明るい映像を観察することができる。特に、体積位相型で反射型のＨＯＥは、所定の入射角範囲で入射した光しか回折反射せず、明るい映像が得にくいので、上記共役関係を満足して光の利用効率を向上させることは、本発明のようにコンバイナとして上記ＨＯＥを用いる構成において非常に有効となる。さらに、上記共役関係により、ＨＯＥにて回折され、各像高から射出される主光線は、虚像の視度に関係なく、光学瞳面内のどこかの１点（同じ点）を通過する。したがって、光学瞳の面内で観察者の瞳がずれても、観察者の瞳に全ての画面領域からの映像光を入射させることができ、観察者は映像全体を良好に（部分的に欠けたり、輝度ムラが生じることなく）観察することができる。【００３７】
上記の効果は、光学瞳と偏向手段の反射面とが光学的に共役な位置関係にあり、かつ、接眼光学系がテレセントリック光学系である場合でも得ることができる。つまり、接眼光学系がテレセントリック光学系であれば、虚像視度調整手段による虚像の視度調整時に、補正レンズを光軸に沿って移動させなくても、光学瞳と偏向手段の反射面との光学的な共役関係を保つことができる。これにより、虚像の視度に関係なく、観察映像の品位低下を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の一形態のＨＭＤに適用される映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。
【図２】上記ＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。
【図３】上記映像表示装置のコンバイナとしてのＨＯＥを拡大して示す断面図である。
【図４】（ａ）は、上記映像表示装置の偏向装置にて偏向されたレーザ光を拡散させる拡散手段として、一般的な拡散板を用いたときの光路を示す説明図である。（ｂ）は、上記拡散手段として拡散ユニットを用いたときの光路を示す説明図である。
【図５】（ａ）は、上記拡散ユニットでの拡散後の中心光線が発散する場合の光路を示す説明図である。（ｂ）は、上記拡散ユニットでの拡散後の中心光線が平行となる場合の光路を示す説明図である。
【図６】上記拡散ユニットでの拡散後の中心光線が集光する場合の光路を示す説明図である。
【図７】上記拡散ユニットを構成する拡散板を作製する製造光学系の構成を模式的に示す説明図である。
【図８】上記コンバイナとしてのＨＯＥの回折効率の角度特性を示すグラフである。
【図９】上記映像表示装置の他の構成を示すものであって、上記拡散ユニットの他の構成を示す断面図である。
【図１０】上記拡散ユニットのさらに他の構成を示す断面図である。
【図１１】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断面図である。
【図１２】上記映像表示装置のレーザ光源の詳細な構成を示す説明図である。
【図１３】上記映像表示装置の拡散ユニットを拡大して示す断面図である。
【図１４】上記拡散ユニットを構成する拡散板にて拡散される光を模式的に示す斜視図である。
【図１５】上記拡散板を製造するための製造光学系を模式的に示す説明図である。
【図１６】本発明のさらに他の実施の形態のＨＵＤの概略の構成を示す説明図である。
【図１７】上記ＨＵＤの他の構成を示す説明図である。
【図１８】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断面図である。
【図１９】本発明のさらに他の実施の形態のＨＵＤおよび映像表示装置の概略の構成を示す説明図である。
【図２０】上記映像表示装置の主要部の概略の構成を示すブロック図である。
【図２１】上記映像表示装置において、虚像距離が無限大のとき、および有限のときの、映像光の光路を模式的に示す説明図である。
【図２２】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断面図である。
【図２３】上記映像表示装置の拡散板にて拡散される光を模式的に示す斜視図である。
【図２４】上記映像表示装置の主要部の概略の構成を示すブロック図である。
【図２５】上記映像表示装置において、虚像距離が無限大のとき、および有限のときの、映像光の光路を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
〔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。
【００４０】
（１．ＨＭＤの構成）
図２は、本実施形態に係るＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。ＨＭＤは、映像表示装置１と、支持部材２とで構成されている。
【００４１】
映像表示装置１は、映像を生成してそれを観察者に虚像として提供するとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させるものである。この映像表示装置１は、後述する映像生成部１１（図１参照）を収容する筐体３に接眼光学系４を一体化させて構成されている。映像生成部１１の各部（例えば図１に示すレーザ光源１２や偏向装置１３）を制御するための信号や駆動電力は、筐体３を貫通するケーブル５を介して各部に供給される。接眼光学系４は、全体として眼鏡の一方のレンズ（図２では右眼用レンズ）のような形状をなしている。なお、眼鏡の左眼用レンズに相当するレンズ６は、ダミーレンズである。
【００４２】
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、例えば眼鏡のフレーム、テンプルに相当する部材の集合で構成されている。この支持部材２を観察者の頭部に固定することにより、映像表示装置１は観察者の眼前の位置で正確に保持され、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長時間安定して観察することができる。なお、本実施形態では、支持部材２は、観察者の右眼に対応して１個の映像表示装置１を支持しているが、観察者の両眼に対応して２個の映像表示装置１を支持してもよい。
【００４３】
また、支持部材２は、固定機構７を有している。固定機構７は、接眼光学系４によって形成される光学瞳（射出瞳）の位置を観察者の瞳（瞳孔、虹彩）の位置に合わせる位置調整を行った後に、観察者の頭部に対する接眼光学系４の相対位置を固定する固定手段であり、観察者の鼻と当接して移動可能な右鼻当て７Ｒおよび左鼻当て７Ｌと、これらをロックするロック部とを有して構成されている。支持手段２が固定機構７を有していることにより、光学瞳の位置調整後、観察者は、光学瞳の位置にて、良好な映像を長時間にわたって確実にかつ安定して観察することができる。
【００４４】
（２．映像表示装置の構成）
次に、映像表示装置１の詳細について説明する。図１は、映像表示装置１の概略の構成を示す断面図である。同図に示すように、映像表示装置１は、映像生成部１１と、上述した接眼光学系４とを有して構成されており、映像生成部１１からの映像光を接眼光学系４を介して光学瞳Ｅに導くことにより、光学瞳Ｅの位置にて上記映像の虚像を観察者に観察させる。以下、具体的に説明する。なお、図１の映像表示装置１は、便宜上、映像表示装置１ａと称する場合もある。
【００４５】
映像生成部１１は、観察者に観察させる映像を生成するものであり、レーザ光源１２と、偏向装置１３と、拡散ユニット１４とを有して構成されている。レーザ光源１２は、例えば単色のレーザ光を射出する。
【００４６】
偏向装置１３は、レーザ光源１２から射出されるレーザ光を、反射面１３ａによって、互いに直交する２つの走査方向に偏向走査する偏向手段であり、本実施形態では、例えば入射光を２次元に偏向走査するＭＥＭＳ（Micro  Electro  Mechanical  Systems）ミラーで構成されている。ＭＥＭＳミラーでは、互いに直交する２つの軸を中心に反射面１３ａを微小角度回転させることで入射光を２次元に偏向走査するが、このとき、入射光は反射面１３ａ上の１点で反射される（入射光は反射面１３ａの回転中心で反射される）。
【００４７】
なお、偏向装置１３は、互いに直交する２つの走査方向のそれぞれについて、入射するレーザ光を別々のミラー（反射面）で反射させることにより、２次元に偏向走査する構成であってもよい。この場合、仮想的には、全ての走査光線は１点で反射されているかのように反射される。なお、この仮想的な１点（反射の仮想点）は、後述する光軸上に位置する。
【００４８】
また、偏向装置１３の反射面１３ａ（特に反射面１３ａにおいて反射された光が射出される点）は、光学瞳Ｅと光学的に共役な位置関係にある（例えば図１の実線の光路参照）。なお、光学的に共役とは、偏向手段の１点で反射された各主光線（各走査角度におけるエネルギー強度が最も高い光線）が光学瞳面の１点（同じ点）を通過する状態を言う。すなわち、反射面１３ａ上の１点から射出される各主光線は、拡散ユニット１４で拡散されても、光学瞳Ｅの面内のどこかの１点（同じ点）を通過する。
【００４９】
なお、偏向装置１３は、レーザ光を偏向走査しているので、上記各主光線は異なる時間に光学瞳面の１点に到達し、同時に１点に集光するわけではないが、説明の便宜上、同時に１点に集光しているかのように見える状態を、本明細書では集光と表現する場合もある。
【００５０】
拡散ユニット１４は、接眼光学系４の像面に配置され、偏向装置１３にて偏向されたレーザ光を拡散する拡散手段であり、本実施形態では、単一の拡散板１４ａで構成されている。なお、拡散ユニット１４（ここでは拡散板１４ａ）は、正のパワーを持っているが、この点については後述する。
【００５１】
接眼光学系４は、映像生成部１１からの映像光を光学瞳Ｅに導くとともに、外界像の光（外光）を光学瞳Ｅに導く光学系であり、接眼プリズム２１と、偏向プリズム２２と、ＨＯＥ２３とを有して構成されている。
【００５２】
なお、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、偏向装置１３の反射面１３ａ上の走査中心と、光学瞳Ｅの中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とし、光軸方向をＺ方向とする。そして、ＨＯＥ２３の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、ＨＯＥ２３の入射面とは、ＨＯＥ２３に対す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。なお、ここでは、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向の正負は問わないものとする。なお、走査中心の光線束の中心光線は、上記光軸上を進行する。
【００５３】
また、偏向装置１３がレーザ光を偏向走査するときの互いに直交する２つの走査方向のうち、光学瞳Ｅにて観察される映像の水平方向に対応する走査方向を第１の走査方向とし、上記映像の垂直方向に対応する走査方向を第２の走査方向とすると、第１の走査方向はＸ方向に対応し、第２の走査方向はＹ方向に対応している。
【００５４】
接眼プリズム２１は、映像生成部１１からの映像光を内部で全反射させてＨＯＥ２３に導く導光部材であり、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、平行平板の上端部を厚くし、下端部を楔状にした形状で構成されている。接眼プリズム２１の上端面は、映像光の入射面としての面２１ａとなっており、前後方向に位置する２面は、互いに平行な面２１ｂ・２１ｃとなっている。
【００５５】
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（図２参照）、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ものである。偏向プリズム２２は、ＨＯＥ２３を挟むように接眼プリズム２１と接着して設けられている。これにより、観察者が接眼プリズム２１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。
【００５６】
つまり、例えば、偏向プリズム２２を設けない場合、外光は接眼プリズム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を接合して一体的な略平行平板を形成することで、外光が接眼プリズム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。
【００５７】
ＨＯＥ２３は、映像生成部１１からの映像光を回折反射して光学瞳Ｅに導くと同時に、外光を透過させて光学瞳Ｅに導くコンバイナとしての体積位相型で反射型ホログラフィック光学素子であり、接眼プリズム２１における偏向プリズム２２との接合面に設けられている。このＨＯＥ２３は、軸非対称な正のパワーを有しており、正のパワーを持つ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。
【００５８】
また、図３は、ＨＯＥ２３を拡大して示す断面図である。ＨＯＥ２３の入射面内（ＹＺ面内）では、ＨＯＥ２３における映像光の入射角ａと回折角ｂとは異なっている。例えば、上記入射面内で入射角２５度でＨＯＥ２３に入射した映像光は、回折角３０度で回折反射される。このように入射角ａと回折角ｂとが異なることにより、ＨＯＥ２３で正反射する０次光と正規の回折光とを分離することができ、光学瞳Ｅの位置で０次光がゴースト像となって観察されるのを回避することができる。
【００５９】
次に、上記構成の映像表示装置１の動作について、図１に基づいて説明する。
映像生成部１１のレーザ光源１２から射出されたレーザ光（コリメートされている）は、偏向装置１３の反射面１３ａによって２次元に偏向走査される。このとき、図示しない制御部により、映像データに応じてレーザ光の強度を変調しながら、その強度変調と同期して偏向装置１３にてレーザ光を偏向走査することにより、接眼光学系４の像面に配置された拡散ユニット１４（拡散板１４ａ）上に映像（１次像）を投影することができる。
【００６０】
投影された映像の光は、拡散ユニット１４によって所定の拡散角を有する発散光に拡散された後、接眼光学系４の接眼プリズム２１の内部に面２１ａを介して入射する。接眼プリズム２１内に入射した映像光は、接眼プリズム２１の観察者側の面２１ｂで全反射された後、それに対向する面２１ｃで再度全反射され、再び面２１ｂで全反射され、ＨＯＥ２３に到達する。ＨＯＥ２３は、レーザ光源１２からのレーザ光の波長およびそのごく近傍の波長の光のみを回折するように作製されており、それ以外の波長の光は、ＨＯＥ２３を透過する。したがって、ＨＯＥ２３に到達した映像光は、ＨＯＥ２３で回折反射された後、接眼プリズム２１の面２１ｂを透過して光学瞳Ｅに到達する。
【００６１】
光学瞳Ｅの位置に観察者の瞳Ｐを位置させると、偏向装置１３にて偏向された光線の１本１本が観察者の網膜に導かれることにより、観察者は、映像生成部１１にて生成された２次元の映像の拡大虚像を前方に観察することができる。同時に、外光に含まれる、レーザ光とは異なる波長の光はＨＯＥ２３を透過するので、観察者は、上記の映像だけでなく、外界像も自然に観察することができる。
【００６２】
このように、本発明の映像表示装置１は、光源として、高輝度のレーザ光を射出するレーザ光源１２を用い、コンバイナとして、波長選択性の高い、体積位相型で反射型のＨＯＥ２３を用いていることにより、良好なシースルー性を有する、高コントラストの映像を観察者に観察させることができる。
【００６３】
また、映像生成部１１では、偏向装置１３での偏向後の光が拡散ユニット１４で拡散されるので、光学瞳ＥをＸ方向およびＹ方向の両方向に広げることができる。これにより、所定の面積を有する光学瞳Ｅが得られるので（観察可能な位置は一点ではないので）、観察者の瞳Ｐの位置が光学瞳Ｅの面内で上下左右にずれても、観察者は良好な映像を観察することが可能となる。
【００６４】
また、光学瞳Ｅと偏向装置１３の反射面１３ａとは、見かけ上（拡散ユニット１４を配置しても）光学的に共役な位置関係にあるので、観察する映像の品位が低下するのを回避することができる。つまり、上記共役関係により、映像生成部１１から供給される光の利用効率を向上させることができ、観察者は光学瞳Ｅの位置で明るい映像を観察することができる。また、上記共役関係が崩れると、映像光の一部が観察者の瞳Ｐに入射しないことによって、映像の一部が欠けたり、画面内で輝度ムラが生じたりする場合がある。しかし、上記共役関係が成立していることにより、光学瞳Ｅの面内で観察者の瞳Ｐがずれても、観察者の瞳Ｐに全ての画面領域からの映像光を入射させることができ、観察者は映像全体を良好に観察することができる。特に、体積位相型で反射型のＨＯＥ２３は、所定の入射角範囲で入射した光しか回折反射せず、明るい映像が得にくいので、上記共役関係を満足して光の利用効率を向上させることは、本発明のようにコンバイナとしてＨＯＥ２３を用いる構成において非常に有効となる。
【００６５】
（３．拡散ユニットについて）
（３−１．拡散ユニットの機能）
次に、拡散ユニット１４の詳細について説明する。なお、以下での説明において、拡散光または光線束の中心光線とは、拡散光または光線束におけるエネルギー強度が最も高い光線（主光線）を指すものとする（以下でも同じ定義とする）。また、拡散角とは、１点から射出される光（光線束）が広がる角度を指すものとする。
【００６６】
図４（ａ）は、偏向装置１３にて偏向されたレーザ光を拡散させる拡散手段として、一般的な拡散板１０１を用いたときの光路を示している。一般的な拡散板１０１は、拡散板１０１に入射した光線を所定の拡散角ψで拡散して射出するが、拡散板１０１の各走査位置から射出される拡散光の中心光線は、入射角とほぼ同じ角度で射出される。
【００６７】
これに対して、図４（ｂ）は、上記拡散手段として本実施形態の拡散ユニット１４を用いたときの光路を示している。本実施形態では、拡散ユニット１４は、偏向装置１３による走査範囲の走査中心を除く全ての走査位置について、以下の条件式（１）（２）を満足するように、偏向装置１３にて偏向されたレーザ光を拡散する。すなわち、
θｓｘ＞θｄｘ          ・・・（１）
θｓｙ＞θｄｙ          ・・・（２）
ただし、
θｓｘ：拡散手段に入射するレーザ光の、光軸Ｚに対するＸ方向の走
査角度（°）
θｓｙ：拡散手段に入射するレーザ光の、光軸Ｚに対するＹ方向の走
査角度（°）
θｄｘ：拡散手段におけるθｓｘに対応する走査位置から射出される
拡散光の中心光線の、光軸Ｚに対するＸ方向の
射出角度（°）
θｄｙ：拡散手段におけるθｓｙに対応する走査位置から射出される
拡散光の中心光線の、光軸Ｚに対するＹ方向の
射出角度（°）
である。
【００６８】
なお、同図（ａ）（ｂ）におけるＺ軸は光軸を示す。また、同図（ａ）（ｂ）におけるθｓは、θｓｘおよびθｓｙの総称であるが、光路図がＺＸ平面でのものを示す場合はθｓｘを示し、光路図がＹＺ平面でのものを示す場合はθｓｙを示す。同様に、同図（ａ）（ｂ）におけるθｄは、θｄｘおよびθｄｙの総称であるが、光路図がＺＸ平面でのものを示す場合はθｄｘを示し、光路図がＹＺ平面でのものを示す場合はθｄｙを示す。なお、走査中心の光線束の中心光線（Ｚ軸上の光線）については、θｓ＝θｄ＝０（°）である。
【００６９】
上記の条件式（１）（２）を満足することにより、拡散ユニット１４での拡散後の光線束の中心光線は、拡散ユニット１４のどの走査位置から射出される光線束についても、入射角と異なる所望の角度に偏向されて射出される。つまり、拡散ユニット１４におけるそれぞれの走査位置から射出される光線束の中心光線は、設計時に定められた接眼光学系４の光学瞳Ｅに向かうように拡散ユニット１４にて偏向される。このとき、拡散ユニット１４は、図５（ａ）（ｂ）や図６に示す光路となるように、偏向装置１３からのレーザ光を偏向してもよい。
【００７０】
図５（ａ）および図５（ｂ）は、拡散ユニット１４での拡散後の中心光線が発散する場合、および平行となる場合の光路図をそれぞれ示している。また、図６は、上記中心光線が集光する場合の光路図を示している。図５（ａ）に示すように、拡散ユニット１４は、偏向装置１３にて偏向されて各走査位置から射出される光線束の中心光線が略一点Ｐから発散する光線となるように、偏向装置１３からのレーザ光を偏向してもよい。なお、上記光線束の中心光線が平行のときは、図５（ｂ）のように、発散点は無限遠の位置と考えることができる。また、図６に示すように、拡散ユニット１４は、偏向装置１３にて偏向されて各走査位置から射出される光線束の中心光線が略一点Ｑに集光するように、偏向装置１３からのレーザ光を偏向してもよい。
【００７１】
このように、条件式（１）（２）を満足する拡散ユニット１４を構成することにより、拡散ユニット１４に正のパワーを持たせたことになるので、光学瞳Ｅと偏向装置１３の反射面１３ａとを共役な位置関係にしても、反射面１３ａと拡散ユニット１４との距離を短くすることができる。したがって、映像生成部１１を大型化することなく、上記共役関係を実現して、観察映像の品位の低下を回避できる。
【００７２】
（３−２．拡散ユニットの作製方法）
上述した拡散ユニット１４は、図１に示したように、単一の拡散板１４ａで構成することができる。この拡散板１４ａは、例えば体積位相型で透過型のＨＯＥからなっている。透過型のＨＯＥは、ホログラム感光材料を塗布（または貼合）した基板に対して参照光と物体光とを同方向から入射させてこれらを干渉させ、その干渉縞を屈折率変調としてホログラム感光材料に記録することにより作製することができる。上記のホログラム感光材料としては、例えば、フォトポリマー、銀塩乳剤、重クロム酸ゼラチン、バクテリオロドプシンを用いることができるが、中でも、ＨＯＥ２３を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。以下、透過型ＨＯＥからなる拡散板１４ａの作製方法について具体的に説明する。
【００７３】
図７は、透過型ＨＯＥからなる拡散板１４ａを作製する製造光学系の構成を模式的に示している。まず、基板上にホログラム感光材料を形成したホログラム基板５１を光路中に配置する。そして、参照光を一度集光レンズ６１で集光して発散角θａ（°）で発散する発散光とし、その発散光をプリズムコンバイナ６２で反射させてホログラム基板５１に照射する。なお、拡散板１４ａに入射するレーザ光の光軸に対する走査角度の最大値をθｓ_max（°）とすると、発散角θａは、２×θｓ_maxに対応する。
【００７４】
一方、物体光を拡散板６３およびリレーレンズ６４を介してプリズムコンバイナ６２に入射させてそこを透過させ、ホログラム基板５１に照射する。このとき、拡散板６３の各位置から射出される拡散光の拡散角はψ（°）であり、各位置からの拡散光の中心光線は、それぞれリレーレンズ６４の中心を通る。なお、拡散板６３の各位置からの拡散光の中心光線のうちで最も外側の中心光線と、リレーレンズ６４の光軸とのなす角の２倍の角度をθｂ（°）とし、拡散板１４ａから射出されるレーザ光の中心光線の、光軸に対する射出角度の最大値をθｄ_max（°）とすると、角度θｂは、２×θｄ_maxに対応する。
【００７５】
上記のようにして、ホログラム基板５１に対して参照光および物体光を照射し、これらを干渉させて干渉縞をホログラム感光材料に記録することにより、透過型のＨＯＥからなる拡散板１４ａを得ることができる。
【００７６】
このようにして作製される拡散板１４ａで拡散ユニット１４を構成する、つまり、１つの拡散板１４ａで拡散手段を構成することにより、映像生成部１１の構成を簡素化することができる。また、後述するように、レンズと拡散板との２部材で拡散手段を構成することも可能であるが、このような構成に比べて、他の部材との干渉を避ける目的で上記レンズの配置が制約されることがなく、設計自由度を増大させることができる。
【００７７】
（３−３．拡散角の設定について）
次に、拡散ユニット１４における拡散角ψの設定について説明する。拡散ユニット１４の拡散角ψは、コンバイナであるＨＯＥ２３の回折効率の角度特性を考慮して設定されている。ここで、図８は、体積位相型で反射型のＨＯＥ２３の回折効率の角度特性を示すグラフである。なお、ここでは、レーザ光が入射角２５度でＨＯＥ２３に入射したときに回折効率が最大となり、回折反射されるレーザ光が射出角３０度で射出されるようにＨＯＥ２３が作製されているものとする。また、ホログラム感光材料（ＨＯＥ２３）の屈折率は１．５であり、膜厚は２０μｍとする。
【００７８】
反射型であるＨＯＥ２３は、接眼プリズム２１にホログラム感光材料（例えばフォトポリマー）を形成した後、ホログラム感光材料に対して２光束を接眼プリズム２１側およびその反対側から照射し、これら２光束による干渉縞をホログラム感光材料に記録することにより作製される。用いるホログラム感光材料の種類や露光条件等により、屈折率変調δｎは、０．０１〜０．１３程度の値をとる。図８は、代表的な屈折率変調δｎを有する反射型ＨＯＥ２３の回折効率の角度特性を示している。
【００７９】
同図より、ＨＯＥ２３の屈折率変調δｎが、それぞれ、０．０１、０．０４、０．１、０．１３のとき、ＨＯＥ２３に対する入射角が、それぞれ、２５±０．６度、２５±２．５度、２５±６度、２５±７．５度の範囲内であれば、ＨＯＥ２３にて回折効率５０％以上を実現することができると言える。したがって、本実施形態では、このような入射角範囲が得られるように、拡散ユニット１４の拡散角ψを設定している。
【００８０】
このような拡散角ψの設定により、ＨＯＥ２３にて回折効率５０％以上を実現できるので、ＨＯＥ２３における光の利用効率を向上させることができる。つまり、ＨＯＥにて５０％以上の高い回折効率を得て、観察者に明るい映像を観察させることができる。また、回折効率の低い角度でレーザ光をＨＯＥ２３に入射させると、回折されない光（０次光）がゴースト光となり、映像品位が低下するが、ＨＯＥ２３にて５０％以上の高い回折効率を実現できるので、ゴースト光に起因する映像品位の低下を回避することができる。
【００８１】
以上のことから、拡散ユニット１４は、拡散したレーザ光がＨＯＥ２３に入射したときに、ＨＯＥ２３にて５０％以上の回折効率が得られるように、偏向装置１３にて偏向されたレーザ光を拡散すると言うことができる。
【００８２】
（３−４．拡散ユニットの他の構成について）
以上では、拡散ユニット１４を単一の拡散板１４ａで構成した例について説明したが、以下の構成とすることも可能である。
【００８３】
図９は、映像表示装置１の他の構成を示すものであって、拡散ユニット１４の他の構成を示す断面図である。なお、図９の映像表示装置１は、便宜上、映像表示装置１ｂと称する場合もある。この映像表示装置１ｂでは、拡散ユニット１４は、拡散板１４ｂと、フィールドレンズ１４ｃとで構成されている。拡散板１４ｂは、拡散板１４ａとは異なり、正のパワーを持たない一般的な拡散板である。一方、フィールドレンズ１４ｃは、正のパワーを持っている。このように一般的な拡散板１４ｂと、フィールドレンズ１４ｃとを組み合わせて拡散ユニット１４を構成することにより、拡散手段を容易に実現することができる。
【００８４】
また、図１０は、拡散ユニット１４のさらに他の構成を示す断面図である。本実施形態のように、レーザ光源１２として単色光源を用いる場合、拡散ユニット１４は、フレネルレンズ１４ｄ（ブレーズ型偏向回折素子）の表面に拡散面１４ｅを形成した光学素子で構成されてもよい。拡散面１４ｅは、例えば凹凸面で構成することが可能である。このように拡散ユニット１４を上記の光学素子で構成することにより、成型により拡散手段を安価に製造することができる。また、図９の構成に比べて、拡散ユニット１４を薄型化することができる。なお、拡散面１４ｅは、光を拡散させる機能を持つ光学薄膜であってもよい。
【００８５】
（４．その他）
例えば、偏向装置１３からの走査中心の光線束の中心光線が拡散ユニット１４に対して垂直に入射する構成では、拡散ユニット１４の拡散板１４ａを構成するＨＯＥの屈折率変調δｎが小さく、０次光のエネルギーが大きい場合に、０次光のゴースト光が観察者眼に到達する場合がある。そこで、０次光のゴースト光が観察者眼に到達しないようにするために、例えば、走査中心の光線束の中心光線が拡散ユニット１４に対して斜めに入射するように各構成部材を配置してもよい。このような構成においても、走査中心を除く全ての走査位置について、上述した条件式（１）（２）を満足することができる。
【００８６】
コンバイナとしてのＨＯＥ２３を製造する製造光学系において、ホログラム感光材料を露光する２光束（参照光、物体光）のうち、接眼プリズム２１側（光学瞳側）から入射する光束を生成する点光源の位置は、光学瞳位置か、光学瞳位置に対してホログラム感光材料とは反対側の光軸上の位置に配置されることが望ましい。上記点光源を光学瞳位置に配置してＨＯＥ２３を製造した場合、映像観察時に観察者の瞳を光学瞳の中心に配置すれば、観察者は輝度ムラ、色ムラのない良好な映像（虚像）を観察することができる。一方、上記点光源を光学瞳位置に対してホログラム感光材料とは反対側の位置に配置してＨＯＥ２３を製造した場合、映像観察時に光学瞳の面内で中心からずれた位置に観察者の瞳が位置していても、観察者は映像を観察することができる。
【００８７】
本実施形態では、光源としてレーザ光源１２を用いているが、レーザ光の干渉で起こる、いわゆるレーザスペックルを低減するために、拡散ユニット１４を面内で数μｍ以下の振幅で高速（例えば５０ヘルツ以上）で振動させることが望ましい。
【００８８】
〔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、以下での説明の便宜上、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。
【００８９】
（全体構成について）
図１１は、本実施形態の映像表示装置１の概略の構成を示す断面図である。この映像表示装置１は、実施の形態１の映像生成部１１を映像生成部１１’に置き換えた以外は、実施の形態１と同様の構成である。映像生成部１１’は、レーザ光源１２’と、偏向装置１３と、反射ミラー１５と、拡散ユニット１４’とを有している。なお、光学瞳Ｅと偏向装置１３の反射面１３ａとが光学的に共役な位置関係となっている点は、実施の形態１と同様である。なお、図１１の映像表示装置１は、便宜上、映像表示装置１ｃと称する場合もある。
【００９０】
レーザ光源１２’は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色のレーザ光を射出するカラーレーザ光源ユニットである。ここで、図１２は、レーザ光源１２’の詳細な構成を示している。レーザ光源１２’は、ＲＧＢの各レーザ光を射出する光源１２Ｒ・１２Ｇ・１２Ｂと、ダイクロイックプリズム７１・７２とを有している。
【００９１】
レーザ光源１２’において、光源１２ＧからのＧ光と光源１２ＢからのＢ光とは、ダイクロイックプリズム７１で光路合成される。また、光源１２ＲからのＲ光は、ダイクロイックプリズム７２にて、ダイクロイックプリズム７１からのＧ光およびＢ光と光路合成される。その結果、レーザ光源１２’からは、３色のレーザ光がコリメートされた状態で１本の光路で順次射出される。
【００９２】
なお、レーザ光源１２’から射出されるＲＧＢの各レーザ光の波長（使用波長、再生波長）は、それぞれ、例えば６５０ｎｍ、５３２ｎｍ、４７６ｎｍである。ちなみに、コンバイナとしてのＨＯＥ２３のＲＧＢの露光波長（製造波長）は、それぞれ、例えば６４７．５ｎｍ、５３２ｎｍ、４７６ｎｍである。つまり、レーザ光源１２’の使用波長とＨＯＥ２３の露光波長とは、一致しているか近接（略一致）している。また、本実施形態では、カラー表示に対応するため、ＨＯＥ２３は、ＲＧＢの３色に感度を有する１層のホログラム感光材料に対してＲＧＢのレーザ光で多重露光するか、それぞれの波長に対応したホログラム感光材料を３層重ね合わせて各レーザ光で露光することにより作製されているものとする。
【００９３】
反射ミラー１５は、レーザ光源１２’から偏向装置１３を介して入射するレーザ光を反射させて拡散ユニット１４’に導くものである。反射ミラー１５は、例えば平面ミラーで構成されるが、これにパワーを持たせてもよい。つまり、後述するように、拡散ユニット１４’は正のパワーを持っているが、このパワーの一部を反射ミラー１５に持たせることも可能である。
【００９４】
拡散ユニット１４’は、実施の形態１の拡散ユニット１４を反射型で構成したものであり、接眼光学系４の像面に配置されている。この拡散ユニット１４’は、実施の形態１で説明した拡散ユニット１４の機能と同等の機能を有しており、本実施形態では、１枚の拡散板１４ｆで構成されている。なお、拡散ユニット１４’の詳細については後述する。
【００９５】
上記構成において、レーザ光源１２’からのレーザ光は、偏向装置１３にて２次元に偏向走査された後、反射ミラー１５で反射されて光路を折り曲げられ、拡散ユニット１４’に入射する。拡散ユニット１４’では、入射したレーザ光が反射されると同時に拡散され、接眼光学系４に入射する。以降は、実施の形態１と同様である。
【００９６】
本実施形態のように、反射ミラー１５と反射型の拡散ユニット１４’とを用いることにより、映像生成部１１’内のレーザ走査光学系の光路（レーザ光源１２’から反射ミラー１５までの光路）と、拡散ユニット１４’から接眼光学系４までの光路とを重ねることができる。これにより、レーザ光源１２’および偏向装置１３と、接眼光学系４とを近づけて配置することができ、映像生成部１１’を小型化することができる。
【００９７】
ただし、上記のように映像生成部１１’内で光路を折り曲げる構成では、レーザ走査による拡散ユニット１４’への投影が斜め投影となるので、拡散ユニット１４’（像面）上に投影された映像は、台形歪みを持つ。この場合、この台形歪みをキャンセルする台形歪みを元の映像データに持たせ、これに基づいてレーザ光を変調することにより、拡散ユニット１４’への斜め投影に起因する台形歪みを補正することができる。
【００９８】
（拡散ユニットについて）
次に、本実施形態の拡散ユニット１４’について説明する。図１３は、拡散ユニット１４’を拡大して示す断面図である。本実施形態では、拡散ユニット１４’を構成する拡散板１４ｆは、正のパワーを持つ拡散板であり、例えば体積位相型で反射型のＨＯＥで構成されている。拡散板１４ｆにおける各走査位置から射出される光線束の中心光線は集光されると同時に、所望の拡散角度で拡散されて接眼光学系４へ向かうが、本実施形態においても、実施の形態１で示した条件式（１）（２）を満足している。
【００９９】
ただし、本実施形態では、拡散板１４ｆの拡散角度（拡散特性）に異方性を持たせている。図１４は、拡散板１４ｆにて拡散される光を模式的に示す斜視図である。Ｘ方向の拡散角をψｘ（°）、Ｙ方向の拡散角をψｙ（°）とすると、本実施形態では、ψｘ＞ψｙとなっている。
【０１００】
このように、拡散ユニット１４’（拡散板１４ｆ）は、各走査位置から射出されるレーザ光を、Ｘ方向とＹ方向とで異なる拡散角で拡散させるので、光学瞳Ｅの大きさをＸ方向（左右方向）とＹ方向（上下方向）とで異ならせることができ、横長の光学瞳Ｅや縦長の光学瞳Ｅを得ることができる。光学瞳Ｅが横長の場合は、上下方向には光（レーザ光）が集光されるので、明るい映像を観察者に観察させることができ、左右方向には光学瞳Ｅが広いので、眼幅の異なる複数の観察者にも容易に対応することができる。また、光学瞳Ｅが縦長の場合は、例えば本実施形態の映像表示装置１をＨＵＤに適用した場合に、座高の異なる複数の観察者にも容易に対応することができる。
【０１０１】
上記した反射型の拡散板１４ｆは、以下のようにして製造することができる。図１５は、拡散板１４ｆを製造するための製造光学系を模式的に示している。体積位相型で反射型のＨＯＥからなる拡散板１４ｆは、基板にホログラム感光材料（例えばフォトポリマー）を形成してホログラム基板８１とした後、２光束（参照光、物体光）をホログラム基板８１に対して両側から照射し、これら２光束による干渉縞をホログラム感光材料に記録することにより作製される。
【０１０２】
つまり、図１５において、参照光である点光源からの発散光をホログラム基板８１の右側から入射させる一方、拡散板８２を介して物体光をホログラム基板８１の左側から入射させることで、２光束による干渉縞をホログラム感光材料に記録する。拡散板８２の拡散特性に異方性を持たせておくことにより、所望の方向に所望の拡散角で拡散する物体光を得ることができ、この物体光と参照光との干渉により、図１４で示した、異方性のある拡散特性を有するＨＯＥからなる拡散板１４ｆを得ることができる。
【０１０３】
なお、カラーに対応したレーザ光源１２’を用いる場合、上記したコンバイナとしてのＨＯＥ２３の作製と同様に、ＨＯＥからなる拡散板１４ｆは、ＲＧＢの３色に感度を有する１層のホログラム感光材料に対してＲＧＢのレーザ光で多重露光するか、それぞれの波長に対応したホログラム感光材料を３層重ね合わせて各レーザ光で露光することにより作製される。
【０１０４】
以上のように、本実施形態では、拡散ユニット１４’を構成する拡散板１４ｆは、体積位相型のＨＯＥで構成されている。ＨＯＥは、上記のように多重露光で作製することができるので、複数の波長に独立して作用する拡散板（拡散手段）を実現することができる。すなわち、レーザ光源として、本実施形態のように複数波長のレーザ光を射出するレーザ光源１２’を用いる場合でも、それぞれの波長のレーザ光を独立して拡散させることができる。
【０１０５】
また、拡散板１４ｆを構成するＨＯＥは、反射型であるので、映像生成部１１’内では、その拡散板１４ｆで光路を折りたたむ構成とすることができ、映像生成部１１’ひいては映像表示装置１を小型化することができる。
【０１０６】
〔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、以下での説明の便宜上、実施の形態１・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。
【０１０７】
図１６は、本実施形態のＨＵＤの概略の構成を示す説明図である。このＨＵＤは、映像表示装置１（１ｄ）を備えている。映像表示装置１ｄは、実施の形態１の映像表示装置１ａの映像生成部１１と、接眼光学系４’とを組み合わせて構成されている。接眼光学系４’は、実施の形態１のＨＯＥ２３をウィンドシールド２４に保持して構成されている。ウィンドシールド２４は、例えば車両、船舶、鉄道、航空機などの輸送手段における運転席前面のフロントガラスに相当する。なお、光学瞳Ｅと偏向装置１３の反射面１３ａとが光学的に共役な位置関係となっている点は、実施の形態１と同様である。
【０１０８】
また、図１７は、ＨＵＤの他の構成を示す説明図である。このＨＵＤは、映像表示装置１（１ｅ）を備えている。映像表示装置１ｅは、実施の形態２の映像表示装置１ｃの映像生成部１１’と、図１６の接眼光学系４’とを組み合わせて構成されている。ただし、ここでは、映像生成部１１’は、反射ミラー１５を備えておらず、偏向装置１３にて偏向走査されたレーザ光が直接拡散ユニット１４’に入射してそこで反射され、接眼光学系４’に導かれる構成となっている。なお、光学瞳Ｅと偏向装置１３の反射面１３ａとが光学的に共役な位置関係となっている点は、実施の形態２と同様である。
【０１０９】
上記した映像表示装置１ｄ・１ｅの構成によれば、映像生成部１１・１１’からの映像光は、接眼光学系４’のＨＯＥ２３で回折反射されて光学瞳Ｅに導かれる。したがって、観察者は、光学瞳Ｅの位置にて上記映像の虚像を観察することができる。また、ＨＯＥ２３は、外光を透過させて光学瞳Ｅに導くので、上記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。つまり、ＨＵＤにおいても、ＨＭＤと同様に映像と外界像とを重ね合わせて観察することができる。
【０１１０】
また、ＨＵＤでは、背景（外界像）が明るい場合でも、輝度の高い映像を提供する必要があるので、光源として、高輝度のレーザ光を射出するレーザ光源を用いる構成は非常に有効である。さらに、コンバイナとしてＨＯＥ２３を用いることにより、ＨＯＥ２３の波長選択性により、レーザ光のみ高い回折効率で回折し、それ以外の波長の光は透過するので、光源としてＬＥＤを用いた映像表示装置に比べて、観察者は背景、映像ともに明るく観察することができる。
【０１１１】
また、映像表示装置１ｄ・１ｅにおいても、光学瞳Ｅと偏向装置１３の反射面１３ａとの光学的に共役な位置関係により、観察者は光学瞳Ｅの位置で明るい映像を観察することができる。したがって、この点からも、本実施形態の映像表示装置１ｄ・１ｅは、背景が比較的明るい状況下で映像を観察させるＨＵＤに非常に好適と言える。
【０１１２】
また、ＨＵＤの場合、観察者眼と接眼光学系４’との相対位置をＨＭＤのように固定することができないため、拡散ユニット１４・１４’を用いて光学瞳Ｅの面積を大きく確保することは非常に有効である。
【０１１３】
また、図１７のＨＵＤにおいては、反射型の拡散ユニット１４’を用いることにより、光学系の配置に自由度をもたせることができるため、光学系をよりコンパクトに配置できる。また、実施の形態２と同様に、拡散ユニット１４’を反射型ＨＯＥで構成した場合は、広い入射角度範囲で高い回折効率が得られるため、透過型ＨＯＥで構成する場合に比べて、光学瞳Ｅの面積をより広く確保することができる。
【０１１４】
〔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、以下での説明の便宜上、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。
【０１１５】
図１８は、本実施形態の映像表示装置１の概略の構成を示す断面図である。本実施形態の映像表示装置１は、実施の形態１の映像表示装置１ａにおいて、さらに、光学素子１６を設けた構成となっている。なお、図１８の映像表示装置１は、便宜上、映像表示装置１ｆと称する場合もある。光学素子１６は、負のパワーを有するレンズで構成されており、拡散ユニット１４（例えば拡散板１４ａ）と偏向装置１３との間の光路中に設けられている。
【０１１６】
偏向装置１３としてＭＥＭＳミラーを用いる場合、その光学振角（走査角）は、一般的に１０°〜２５°程度である。偏向装置１３で偏向走査した光をそのままの光学振角で拡散ユニット１４に入射させた場合、光学振角が小さいと拡散ユニット１４上での走査範囲が小さくなる。走査範囲を大きくするためには、偏向装置１３と拡散ユニット１４との間隔を大きくすればよいが、これでは映像生成部１１が大型化する。
【０１１７】
この点、本実施形態のように、偏向装置１３と拡散ユニット１４との間に、負のパワーを有する光学素子１６を挿入することにより、偏向装置１３での光学振角が小さくても、光学素子１６によってθｓを大きくすることができる。したがって、偏向装置１３と拡散ユニット１４との間隔を小さくして、映像生成部１１を小型化することが可能となる。
【０１１８】
次に、映像生成部１１の小型化に関する条件式について説明する。
上述した各実施の形態の映像表示装置は、以下の条件式（３）（４）（５）を満足することが望ましい。すなわち、
θｓｘ_max＞１０°，θｓｙ_max＞１０°            ・・・（３）
１．０３＜cos（θｄｘ_max）／cos（θｓｘ_max）
＜１．１５  ・・・（４）
１．０３＜cos（θｄｙ_max）／cos（θｓｙ_max）
＜１．１５  ・・・（５）
ただし、
θｓｘ_max：θｓｘの最大値（°）
θｓｙ_max：θｓｙの最大値（°）
θｄｘ_max：θｄｘの最大値（°）
θｄｙ_max：θｄｙの最大値（°）
である。
【０１１９】
条件式（３）の下限を下回ると、光学振角が小さいので、走査範囲を大きくするために偏向装置１３と拡散ユニット１４との間隔を広げる必要があり、映像生成部１１が大型化する。一方、条件式（４）（５）の下限を下回る場合は、小型化の効果が小さく、上限を上回る場合は、拡散ユニット１４における偏向角が大きすぎるため、各光学素子の誤差感度が厳しくなる。
【０１２０】
したがって、条件式（３）（４）（５）を満足することにより、各光学素子の誤差感度を緩和しながら、映像生成部１１を小型化することが可能となる。つまり、偏向装置１３としてＭＥＭＳミラーを用いる場合でも、映像生成部１１を十分に小型化することが可能となる。
【０１２１】
ここで、表１は、図１、図９、図１１、図１６、図１７、図１８で示した各映像表示装置１ａ〜１ｆについての条件式の値を示す。なお、θｄ_maxの符号については、拡散ユニット１４を射出した後に発散する場合を正とし、拡散ユニット１４を射出した後に収斂する場合を負とした。また、表１では、Ｙ方向についてのみ数値を示しているが、Ｘ方向についてもＹ方向と同様である。この表１より、各映像表示装置１ａ〜１ｆは、条件式（３）（４）（５）を全て満足していることがわかる。
【０１２２】
【表１】
2010035607.tif 000003
【０１２３】
〔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、以下での説明の便宜上、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。
【０１２４】
（ＨＵＤおよび映像表示装置の構成）
図１９は、本実施形態のＨＵＤの概略の構成を示す説明図である。このＨＵＤは、映像表示装置１（１ｇ）を備えている。この映像表示装置１ｇは、映像生成部９１と、実施の形態３の接眼光学系４’とを有しており、映像生成部９１からの映像光を接眼光学系４’によって形成される光学瞳Ｅに導くことにより、光学瞳Ｅの位置にて上記映像の虚像を観察者に観察させるものである。以下、具体的に説明する。
【０１２５】
映像生成部９１は、観察者に観察させる映像を生成するものであり、実施の形態１と同様のレーザ光源１２および偏向装置１３と、補正レンズ３１と、拡散板３２とを有して構成されている。
【０１２６】
なお、偏向装置１３の反射面１３ａ（特に反射面１３ａにおいて反射された光が射出される点）は、光学瞳Ｅと光学的に共役な位置関係にある（例えば図１９の実線の光路参照）。このとき、上記共役関係は、後述する視度調整を行っても維持されるが、この点については後述する。
【０１２７】
補正レンズ３１は、正のパワーを持つ光学素子であり、光学瞳Ｅと偏向装置１３の反射面１３ａとの位置関係を光学的に共役に保つために、映像光の光路中、特に、偏向装置１３と拡散板３２との間の光路中に配置されている。拡散板３２は、接眼光学系４’の像面に配置され、偏向装置１３にて偏向されたレーザ光を拡散する拡散手段である。
【０１２８】
接眼光学系４’は、映像生成部９１からの映像光を光学瞳Ｅに導くとともに、外界像の光（外光）を光学瞳Ｅに導く光学系であり、ＨＯＥ２３をウィンドシールド２４に保持して構成されている。ＨＯＥ２３は、映像生成部９１からの映像光を回折反射して光学瞳Ｅに導くと同時に、外光を透過させて光学瞳Ｅに導くコンバイナとしての体積位相型で反射型ホログラフィック光学素子である。反射型であるＨＯＥ２３は、基板（ウィンドシールド２４）にホログラム感光材料を貼合した後、ホログラム感光材料に対して２光束を基板側およびその反対側から照射し、これら２光束による干渉縞を屈折率変調としてホログラム感光材料に記録することにより作製される。
【０１２９】
上記の構成において、映像生成部９１のレーザ光源１２から射出されたレーザ光（コリメートされている）は、偏向装置１３の反射面１３ａによって２次元に偏向走査され、補正レンズ３１を介して拡散板３２に入射する。このとき、後述する制御部３５（図２０参照）により、映像データに応じてレーザ光の強度を変調しながら、その強度変調と同期して偏向装置１３にてレーザ光を偏向走査することにより、接眼光学系４’の像面に配置された拡散板３２上に映像（１次像）を投影することができる。
【０１３０】
投影された映像の光は、拡散板３２によって所定の拡散角を有する発散光に拡散された後、接眼光学系４’のＨＯＥ２３に到達する。ＨＯＥ２３は、レーザ光源１２からのレーザ光の波長およびそのごく近傍の波長の光のみを回折するように作製されており、それ以外の波長の光は、ＨＯＥ２３を透過する。したがって、ＨＯＥ２３に到達した映像光は、ＨＯＥ２３で回折反射された後、光学瞳Ｅに到達する。
【０１３１】
光学瞳Ｅの位置に観察者の瞳Ｐを位置させると、偏向装置１３にて偏向された光線の１本１本が観察者の網膜に導かれる。つまり、各像高の主光線は、接眼光学系４’の光学射Ｅの中心を通過し、観察眼の絞り（虹彩）にケラレることなく観察者眼の網膜へと到達する。これにより、観察者は、映像生成部９１にて生成された２次元の映像の拡大虚像を前方に観察することができる。同時に、外光に含まれる、レーザ光とは異なる波長の光はＨＯＥ２３を透過するので、観察者は、上記の映像だけでなく、外界像も自然に観察することができる。
【０１３２】
このように、本実施形態の映像表示装置１ｇは、光源として、高輝度のレーザ光を射出するレーザ光源１２を用い、コンバイナとして、波長選択性の高い、体積位相型で反射型のＨＯＥ２３を用いていることにより、良好なシースルー性を有する、高コントラストの映像を観察者に観察させることができる。ＨＵＤでは、背景（外界像）が明るい場合、輝度の高い映像を提供する必要があるので、光源として、高輝度のレーザ光を射出するレーザ光源１２を用いる構成は、ＨＵＤに非常に有効である。さらに、コンバイナとしてＨＯＥ２３を用いることにより、ＨＯＥ２３の波長選択性により、レーザ光のみ高い回折効率で回折し、それ以外の波長の光は透過するので、光源としてＬＥＤを用いた映像表示装置に比べて、観察者は背景、映像ともに明るく観察することができる。
【０１３３】
また、映像生成部９１では、偏向装置１３での偏向後の光が拡散板３２で拡散されるので、光学瞳ＥをＸ方向およびＹ方向の両方向に広げることができる。つまり、拡散板３２で拡散された光は、光学瞳Ｅの面における各主光線の通過点（集光しているように見える点）を中心に所定の大きさの観察可能な瞳エリアを構成する。このように、所定の面積を有する光学瞳Ｅが得られるので（観察可能な位置は一点ではないので）、観察者の瞳Ｐの位置が光学瞳Ｅの面内で上下左右にずれても、観察者は良好な映像を観察することが可能となる。特に、ＨＵＤの場合、観察者眼と接眼光学系４’との相対位置をＨＭＤのように固定することができないため、拡散板３２を用いて光学瞳Ｅの面積を大きく確保することは非常に有効である。
【０１３４】
また、本実施形態では、補正レンズ３１は、偏向装置１３と拡散板３２との間の光路中に配置されている。補正レンズ３１は、偏向装置１３から光学瞳Ｅまでの間の光路中のいずれにあってもよいが、映像表示装置の小型化の観点からは、偏向装置１３と拡散板３２との間の光路中に配置されることが好ましい。補正レンズ３１を例えば拡散板３２よりも接眼光学系４’側に配置すると、拡散板３２にて拡散される光全てを補正レンズ３１に入射させるために、補正レンズ３１を大型化する必要が生じる。
【０１３５】
また、補正レンズ３１を偏向装置１３と拡散板３２との間に配置することにより、補正レンズ３１は、接眼光学系４’ではなく、コンバイナ（ＨＯＥ２３）から離れた映像生成部９１内に配置されることになるので、接眼光学系４’を介してシースルーで観察される外界像の観察領域を広く確保することができる。
【０１３６】
また、本実施形態においても、ＨＯＥ２３の回折効率の角度特性は図８と同様であり、このような角度特性を考慮して、拡散板３２の拡散度（拡散角）が設定されている。つまり、拡散板３２は、拡散したレーザ光がＨＯＥ２３に入射したときに、ＨＯＥ２３にて５０％以上の回折効率が得られるように、偏向装置１３にて偏向されたレーザ光を拡散させる。その結果、観察者に明るい映像を観察させることができる、回折されない光（０次光）がゴースト光となって映像品位が低下するのを回避できるなど、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【０１３７】
（虚像の視度調整について）
次に、虚像の視度調整について説明する。図２０は、映像表示装置１ｇの主要部の概略の構成を示すブロック図である。上述した映像表示装置１ｇは、さらに、駆動部３３・３４と、制御部３５とを有している。
【０１３８】
駆動部３３は、映像生成部９１を光軸に沿って移動させる駆動機構であり、モータ、ギア、シャフト等を有して構成されている。駆動部３３によって映像生成部９１を光軸に沿って移動させることにより、観察者が観察する虚像の視度、すなわち、光学瞳Ｅと虚像との距離を調整することができる。例えば、『注意』の文字を虚像として表示し、これを観察者に観察させる場合に、上記の視度調整によって『注意』の文字を次第に近くにすることができる。この場合は、虚像の視認性を高めることができ、観察者に注意を喚起させる効果を高めることができる。特に、ＨＵＤは、動的な環境下（例えば車両の運転中）で使用される場合が多く、このような環境下では、通常は外界像に視点を置くので、虚像を注視する時間は短い。したがって、虚像の視度調整は、そのような虚像の視認性を高める上で、特にＨＵＤで有効である。
【０１３９】
駆動部３４は、補正レンズ３１を光軸に沿って移動させる駆動機構であり、駆動部３３と同様に、モータ、ギア、シャフト等を有して構成されている。
【０１４０】
制御部３５は、映像表示装置１の各部の動作を制御している。例えば、制御部３５は、レーザ光源１２における映像データに基づいた強度変調、偏向装置１３における反射面１３ａの回転（レーザ光の偏向走査）、駆動部３３・３４の駆動、などを制御している。本実施形態では、駆動部３３と制御部３５とで、映像生成部９１を光軸に沿って移動させることにより、虚像の視度を調整する虚像視度調整手段が構成されている。また、駆動部３４と制御部３５とで、補正レンズ３１を光軸に沿って移動させる補正レンズ移動手段が構成されている。
【０１４１】
図２１は、虚像距離が無限遠のとき、および有限のときの、映像光の光路を模式的に示している。同図に示すように、補正レンズ移動手段は、虚像視度調整手段による映像生成部１１の移動に伴い、光学瞳Ｅと偏向装置１３の反射面１３ａとを光学的に共役な位置関係に保ったまま、補正レンズ３１を光軸に沿って移動させている（例えば実線の光路参照）。以下、視度調整のより具体的な数値例を示す。
【０１４２】
図２１において、虚像距離が無限遠であるときの映像生成部９１の光軸方向の位置を基準とし、この位置からの、視度調整による映像生成部９１の光軸方向の移動距離をΔＬ（ｍｍ）とする。また、虚像距離が無限遠であるときの補正レンズ３１と拡散板３２との光軸方向の距離をｄ１（ｍｍ）とし、視度調整後の補正レンズ３１と拡散板３２との光軸方向の距離をｄ２（ｍｍ）とする。この場合、視度調整による補正レンズ３１の光軸方向の移動距離をΔｄ（ｍｍ）とすれば、Δｄ＝ｄ２−ｄ１で算出される。ただし、本実施形態では、ｄ２≠ｄ１である。
【０１４３】
表２は、虚像距離（光学瞳Ｅからの虚像の表示距離（ｍ））と、映像生成部９１の移動距離ΔＬと、補正レンズ３１の移動距離Δｄとの具体的な関係を示している。なお、ここでは、ＨＯＥ２３の焦点距離は２００（ｍｍ）であり、補正レンズ３１の焦点距離は２０（ｍｍ）であり、光学瞳ＥとＨＯＥ２３との距離は１（ｍ）であるとした。
【０１４４】
【表２】
2010035607.tif 000004
【０１４５】
このように、視度調整による映像生成部９１の移動に伴い、その移動量に応じて補正レンズ３１を光軸に沿って移動させることにより、虚像の位置がどの位置にあっても、光学瞳Ｅと偏向装置１３の反射面１３ａとを光学的に共役な位置関係に保つことができる（図２１の実線の光路参照）。これにより、虚像の視度に関係なく、観察映像の品位低下を回避することができる。
【０１４６】
つまり、上記共役関係により、映像生成部９１から供給される光の利用効率を向上させることができるので、虚像の視度に関係なく、観察者は光学瞳Ｅの位置で明るい映像を観察することができる。特に、体積位相型で反射型のＨＯＥ２３は、所定の入射角範囲で入射した光しか回折反射せず、明るい映像が得にくいので、上記共役関係を満足して光の利用効率を向上させることは、コンバイナとしてＨＯＥ２３を用いる構成において非常に有効となる。
【０１４７】
さらに、上記共役関係により、ＨＯＥ２３にて回折され、各像高から射出される各光線は、虚像の視度に関係なく、光学瞳Ｅの面内のどこかの１点（同じ点）を通過する。したがって、光学瞳Ｅの面内で観察者の瞳Ｐがずれても、虚像の視度に関係なく、観察者の瞳Ｐに全ての画面領域からの映像光を入射させることができ、観察者は映像全体を良好に（部分的に欠けたり、輝度ムラが生じることなく）観察することができる。
【０１４８】
また、視度調整を行っても、光学瞳Ｅと偏向装置１３の反射面１３ａとの共役関係が保存され、観察者は光学瞳Ｅの位置で明るい映像を観察することができるので、本実施形態の映像表示装置１は、外界像が比較的明るい状況下で映像を観察することが多い、コンバイナとしてＨＯＥ２３を用いたＨＵＤに好適となる。
【０１４９】
なお、表２は、虚像距離が特定の距離の場合のΔＬとΔｄとの関係を示しているが、その他の距離であっても、上記共役関係を実現するΔＬとΔｄとの関係は予め定められているものとする。このように上記共役関係を実現するΔＬとΔｄとの関係は、予めテーブルとして図示しない記憶部に記憶されており、制御部３５がΔＬに応じたΔｄを記憶部から読み出すと、駆動部３４は補正レンズ３１を上記Δｄだけ光軸方向に移動させることになる。
【０１５０】
ところで、上記した制御部３５は、視度調整とは独立して、観察映像の画角、すなわち、観察される映像（虚像）の大きさを変化させる画角調整手段として機能してもよい。観察映像の画角の調整は、例えばレーザ光源１２におけるレーザ光の強度変調のタイミングを制御したり、偏向装置１３での走査角（偏向角）を制御することで行うことができる。例えば、１ラインを走査する際に、両端部の数ドットに対応するレーザ光の射出をＯＮ／ＯＦＦすることで、上記走査ライン方向における映像の大きさを変化させることができる。また、例えば、偏向装置１３の反射面１３ａの最大回転角を変化させることにより、反射面１３ａにて反射されるレーザ光の最大走査角を変化させることができ、これによっても映像の大きさを変化させることができる。
【０１５１】
このように、制御部３５の上記したいずれの制御によっても、視度調整とは独立して、観察映像の画角を変化させることができる。これにより、視度調整によって虚像の大きさの変化が足りない場合でも、画角調整手段によってさらに変化させることができる。したがって、視度調整のみ行う場合に比べて、虚像の大きさを高速で変化させることができ、虚像の視認性をより高めることができる。
【０１５２】
なお、本実施形態では、光源としてレーザ光源１２を用いているが、レーザ光の干渉で起こる、いわゆるレーザスペックルを低減するために、拡散板３２を面内で数μｍ以下の振幅で高速（例えば５０ヘルツ以上）で振動させることが望ましい。
【０１５３】
〔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、以下での説明の便宜上、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。
【０１５４】
（映像表示装置の構成）
図２２は、本実施形態の映像表示装置１（１ｈ）の概略の構成を示す断面図である。映像表示装置１ｈは、図２のＨＭＤに適用可能なものであり、映像生成部９１’と、接眼光学系４とを有して構成されている。映像表示装置１ｈは、映像生成部９１’からの映像光を接眼光学系４を介して光学瞳Ｅに導くことにより、光学瞳Ｅの位置にて上記映像の虚像を観察者に観察させる。以下、具体的に説明する。
【０１５５】
映像生成部９１’は、観察者に観察させる映像を生成するものであり、実施の形態２と同様のレーザ光源１２’および偏向装置１３と、補正レンズ３１と、拡散板３２’とを有して構成されている。
【０１５６】
補正レンズ３１は、偏向装置１３の反射面１３ａで反射された各走査光線を互いに平行にする。補正レンズ３１と接眼光学系４とにより、偏向装置１３の反射面１３ａと、接眼光学系４の光学瞳Ｅとは、光学的に共役な位置関係にある。
【０１５７】
拡散板３２’は、接眼光学系４の像面に配置され、偏向装置１３にて偏向されたレーザ光を拡散する。本実施形態では、拡散板３２’は、各走査位置から射出されるレーザ光をＸ方向とＹ方向とで異なる拡散角で拡散させる。つまり、拡散板３２’は、拡散角度（拡散特性）に異方性を持っている。図２３は、拡散板３２’にて拡散される光を模式的に示す斜視図である。Ｘ方向の拡散角をψｘ（°）、Ｙ方向の拡散角をψｙ（°）とすると、本実施形態では、ψｘ＞ψｙとなっている。
【０１５８】
接眼光学系４は、映像生成部９１’からの映像光を光学瞳Ｅに導くとともに、外界像の光（外光）を光学瞳Ｅに導く光学系であり、本実施形態では、テレセントリック光学系となっている。接眼光学系４が、接眼プリズム２１と、偏向プリズム２２と、ＨＯＥ２３とを有して構成されている点は、実施の形態１と同様である。
【０１５９】
上記の構成において、映像生成部９１’のレーザ光源１２’から順に射出されるＲＧＢの各レーザ光（コリメートされている）は、偏向装置１３の反射面１３ａによって２次元に偏向走査され、補正レンズ３１を介して拡散板３２’に入射する。このとき、制御部３５（図２４参照）により、映像データに応じてレーザ光の強度を変調しながら、その強度変調と同期して偏向装置１３にてレーザ光を偏向走査することにより、接眼光学系４の像面に配置された拡散板３２’上に映像を投影することができる。
【０１６０】
投影された映像の光は、拡散板３２’によって所定の拡散角を有する発散光に拡散された後、接眼光学系４の接眼プリズム２１の内部に面２１ａを介して入射する。接眼プリズム２１内に入射した映像光は、接眼プリズム２１の観察者側の面２１ｂで全反射された後、それに対向する面２１ｃで再度全反射され、再び面２１ｂで全反射され、ＨＯＥ２３に到達する。ＨＯＥ２３は、レーザ光源１２’からのＲＧＢのレーザ光の波長およびそのごく近傍の波長の光のみを回折するように作製されており、それ以外の波長の光は、ＨＯＥ２３を透過する。したがって、ＨＯＥ２３に到達した映像光は、ＨＯＥ２３で回折反射された後、接眼プリズム２１の面２１ｂを透過して光学瞳Ｅに到達する。
【０１６１】
光学瞳Ｅの位置に観察者の瞳Ｐを位置させると、偏向装置１３にて偏向された光線の１本１本が観察者の網膜に導かれることにより、観察者は、映像生成部９１’にて生成された２次元の映像の拡大虚像を前方に観察することができる。同時に、外光に含まれる、レーザ光とは異なる波長の光はＨＯＥ２３を透過するので、観察者は、上記の映像だけでなく、外界像も自然に観察することができる。
【０１６２】
本実施形態では、偏向装置１３での偏向後の光が拡散板３２’で拡散されることにより、光学瞳ＥはＸ方向およびＹ方向の両方向に広がるが、拡散板３２’は、各走査位置から射出されるレーザ光を、Ｘ方向（左右方向）とＹ方向（上下方向）とで異なる拡散角で拡散させるので、光学瞳Ｅの大きさをＸ方向とＹ方向とで異ならせることができ、横長の光学瞳Ｅや縦長の光学瞳Ｅを得ることができる。本実施形態では、拡散板３２’におけるレーザ光の拡散角は、Ｙ方向よりもＸ方向で大きくなっており（ψｘ＞ψｙ）、横長の光学瞳Ｅとなる。この場合、上下方向には光（レーザ光）が集光されるので、明るい映像を観察者に観察させることができ、左右方向には光学瞳Ｅが広いので、眼幅の異なる複数の観察者にも容易に対応することができる。
【０１６３】
一方、拡散板３２’の拡散角をψｘ＜ψｙに設定すれば、縦長の光学瞳Ｅを得ることができる。この構成は、例えば実施の形態５のＨＵＤに有効である。ＨＵＤにおいては、観察者ごとに座高が異なるので、光学瞳Ｅが縦長であれば、そのような座高の異なる複数の観察者に容易に対応することができる。
【０１６４】
（虚像の視度調整について）
ところで、図２４は、本実施形態の映像表示装置１ｈの主要部の概略の構成を示すブロック図である。同図に示すように、映像表示装置１ｈは、駆動部３３と、制御部３５とを有している点で、実施の形態５の映像表示装置１ｇと共通している。ただし、映像表示装置１ｈは、補正レンズ３１の駆動機構である駆動部３４を備えていない。本実施形態では、駆動部３３は、映像生成部９１’を光軸に沿って移動させる駆動機構を構成している。また、制御部３５は、レーザ光源１２’における映像データに基づいた強度変調など、映像表示装置１ｈの各部の動作を制御している。本実施形態では、駆動部３３と制御部３５とで、映像生成部９１’を光軸に沿って移動させることにより、虚像の視度を調整する虚像視度調整手段が構成されている。
【０１６５】
図２５は、虚像距離が無限遠のとき、および有限のときの、映像光の光路を模式的に示している。本実施形態では、虚像視度調整手段によって虚像の視度を調整すべく、映像生成部９１’を光軸に沿って移動させても、接眼光学系４がテレセントリック光学系であるので、補正レンズ３１を光軸に沿って移動させなくても、光学瞳Ｅと偏向装置１３の反射面１３ａとの光学的な共役関係は保たれる（例えば実線の光路参照）。以下、視度調整のより具体的な数値例を示す。
【０１６６】
図２５において、虚像距離が無限遠であるときの映像生成部９１’の光軸方向の位置を基準とし、この位置からの、視度調整による映像生成部９１’の光軸方向の移動距離をΔＬ（ｍｍ）とする。また、虚像距離が無限遠であるときの補正レンズ３１と拡散板３２’との光軸方向の距離をｄ１（ｍｍ）とし、視度調整後の補正レンズ３１と拡散板３２’との光軸方向の距離をｄ２（ｍｍ）とする。本実施形態では、視度調整による補正レンズ３１の光軸方向の移動距離をΔｄ（ｍｍ）とすれば、Δｄ＝ｄ２−ｄ１＝０である。
【０１６７】
表３は、虚像距離（光学瞳Ｅからの虚像の表示距離（ｍ））と、映像生成部９１’の移動距離ΔＬと、補正レンズ３１の移動距離Δｄとの具体的な関係を示している。なお、ここでは、ＨＯＥ２３の焦点距離は２０（ｍｍ）であり、補正レンズ３１の焦点距離は１０（ｍｍ）であり、光学瞳ＥとＨＯＥ２３との距離は２０（ｍ）であるとした。
【０１６８】
【表３】
2010035607.tif 000005
【０１６９】
以上のように、本実施形態では、接眼光学系４がテレセントリック光学系であることにより、視度調整時に補正レンズ３１を光軸に沿って移動させなくても、光学瞳Ｅと偏向装置１３の反射面１３ａとの光学的な共役関係を保つことができる。これにより、虚像の視度に関係なく、観察者は光学瞳Ｅの位置で明るい映像を観察することができる。さらに、上記共役関係により、ＨＯＥ２３にて回折され、各像高から射出される主光線が良好に光学瞳Ｅに入射するので、光学瞳Ｅの面内で観察者の瞳Ｐがずれても、観察者は映像全体を良好に（部分的に欠けたり、輝度ムラが生じることなく）観察することができる。
【０１７０】
なお、上述した各実施の形態の構成を適宜組み合わせて、映像表示装置、ＨＭＤまたはＨＵＤを構成することも勿論可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１７１】
本発明の映像表示装置は、ＨＭＤやＨＵＤに利用可能である。
【符号の説明】
【０１７２】
１      映像表示装置
１ａ    映像表示装置
１ｂ    映像表示装置
１ｃ    映像表示装置
１ｄ    映像表示装置
１ｅ    映像表示装置
１ｆ    映像表示装置
１ｇ    映像表示装置
１ｈ    映像表示装置
２      支持部材（支持手段）
４      接眼光学系
４’    接眼光学系
１１      映像生成部
１１’    映像生成部
１２      レーザ光源
１２’    レーザ光源
１３      偏向装置（偏向手段）
１３ａ    反射面
１４      拡散ユニット（拡散手段）
１４’    拡散ユニット（拡散手段）
１４ａ    拡散板
１４ｂ    拡散板
１４ｃ    フィールドレンズ
１４ｄ    フレネルレンズ
１４ｅ    拡散面
１４ｆ    拡散板
１６      光学素子
２３      ＨＯＥ
２４      ウィンドシールド
３１      補正レンズ
３２      拡散板
３２’    拡散板
３３      駆動部（虚像視度調整手段）
３４      駆動部（補正レンズ移動手段）
３５      制御部（虚像視度調整手段、補正レンズ移動手段、画角調整手段）
９１      映像生成部
９１’    映像生成部
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】
2010035607.tif 000020
【図１６】
2010035607.tif 000021
【図１７】
2010035607.tif 000022
【図１８】
2010035607.tif 000023
【図１９】
2010035607.tif 000024
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【国際調査報告】
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2010035607.tif 000032
2010035607.tif 000033
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