(57)【要約】  映像表示装置（１）は、表示素子（１１）からの映像光を接眼プリズム（２１）を介して観察者の瞳に導くと同時に、外光を接眼プリズム（２１）を介して観察者の瞳に導く接眼光学系（１２）を備えている。接眼光学系（１２）は、表示素子（１１）からの映像光の光路を３回以上折り曲げる３面以上の反射面を接眼プリズム（２１）内に有しており、上記反射面の少なくとも１面には、ＨＯＥ（２３）が形成されている。映像表示装置（１）は、接眼プリズム（２１）においてＨＯＥ（２３）が形成された面に入射する映像光の入射範囲と、表示素子（１１）の表示画面の大きさとの関係を適切に規定した条件式を満足している。これにより、映像表示装置（１）において、小型、コンパクトな構成で、映像観察領域およびシースルー領域の両者を広く確保することができる。
2010032700.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プリズムを介して観察者の瞳に導くと同時に、外光を上記プリズムを介して観察者の瞳に導く接眼光学系とを有する映像表示装置であって、
上記接眼光学系は、上記表示素子からの映像光の光路を３回以上折り曲げる３面以上の反射面を上記プリズム内に有しており、
上記反射面の少なくとも１面には、ホログラフィック回折光学素子が形成されており、
上記プリズムは、互いに対向する第１の反射面および第２の反射面と、上記ホログラフィック回折光学素子が形成されている第３の反射面とを含み、
上記第１の反射面、上記第２の反射面および上記第３の反射面は、それぞれ、少なくとも１回、上記映像光を反射し、
上記ホログラフィック回折光学素子は、光学的パワーを有しており、
以下の条件式（１）および（２）を満足することを特徴とする映像表示装置；
０．８＜Ｈ／ｙ＜１．７                          ・・・（１）
１．２＜ｆ／（ｐ＋Ｋ・ｔａｎ（２θｉ））＜５．５・・・（２）
ただし、
Ｈ：画面中心主光線を含む平面内で、ホログラフィック回折光
学素子が形成された反射面における映像光の入射領域の両
端を結んだ直線の長さ
ｙ：表示素子の画面短辺方向の長さ
ｆ：画面中心主光線を含む平面内における、接眼光学系の画面
中心主光線近傍での焦点距離
ｐ：接眼光学系によって形成される光学瞳における、表示素子
の画面短辺方向に対応する方向の長さ
Ｋ：プリズムにおける映像光の射出面から光学瞳までの距離
θｉ：画面中心主光線を含む平面内での、接眼光学系における
表示映像の観察画角の半分
である。
【請求項２】
上記接眼光学系は、上記プリズム内において、上記表示素子からの映像光の光路を、上記表示素子の画面短辺に平行で画面長辺に垂直な面内で折り曲げ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】
以下の条件式（３）を満足することを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置；
１．１＜θｔ／θｉ＜７                          ・・・（３）
ただし、
θｔ：画面中心主光線を含む平面内での、プリズム内を伝播す
る外光による外界像の観察画角の半分
である。
【請求項４】
上記プリズムを第１のプリズムとすると、
上記第１のプリズムと隣接または接着して設けられ、上記第１のプリズムでの外光の屈折をキャンセルするための第２のプリズムを有し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】
上記第３の反射面は、光学的パワーを有してい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】
上記第３の反射面は、非回転対称なアナモフィック形状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３の反射面において、表示素子の画面短辺方向に対応する方向での焦点距離よりも、画面長辺方向に対応する方向での焦点距離のほうが小さい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】
上記第３の反射面は、シリンドリカル面であることを特徴とする請求項６または７に記載の映像表示装置。
【請求項９】
上記シリンドリカル面は、上記表示素子の画面長辺方向に対応する方向に光学的パワーを有していることを特徴とする請求項８に記載の映像表示装置。
【請求項１０】
以下の条件式（４）を満足することを特徴とする請求項８または９に記載の映像表示装置；
０．０２＜｜Ｌ／Ｒ｜＜０．５                    ・・・（４）
ただし、
Ｌ：画面中心主光線を含む平面内で、シリンドリカル面におけ
る表示素子からの映像光の入射領域のうち、光学瞳から最
も遠い点までの距離
Ｒ：シリンドリカル面の曲率半径
である。
【請求項１１】
請求項１から１０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、表示素子からの映像光と外界像の光（外光）とを観察者の瞳に導く映像表示装置と、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】
入射面、複数の反射面、射出面を有する光学素子（例えば透明なプリズム）を備え、表示素子の表示映像を虚像として観察者に提供する頭部装着型または顔面装着型の映像表示装置は、いわゆるＨＭＤと呼ばれ、一般的に知られている。このようなＨＭＤは、最近では、いわゆるウェアラブルコンピュータのディスプレイ用として使用するものが研究されている。さらに、表示素子の表示映像の虚像と外界像とを同時に観察者に観察させるシースルータイプのＨＭＤも、最近では種々提案されている。【０００３】
シースルータイプのＨＭＤとしては、例えば特許文献１〜３に開示されたものがある。特許文献１〜３のＨＭＤは、いずれも、表示素子（ＬＣＤ）からの映像光および外光をプリズムを介して観察者の瞳に導く構成となっている。特に、特許文献２、３のＨＭＤは、映像光をプリズム内で２回反射させて観察者の瞳に導く構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−２９７５１６号公報
【特許文献２】特開２００１−１６６２５２号公報
【特許文献３】特許第３８５４７６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年では、表示装置の大画面化が急速に進んでおり、シースルーで外界像を観察する際の画角領域（シースルー領域）を広く確保する一方で、表示映像を観察する際の画角領域（映像観察領域）を広く確保することが望まれる。しかし、特許文献１の表示装置は、ヘルメットに搭載するための表示装置であり、光路中に中間像を作成するために、導光距離が長く、小型化できていない。そして、特許文献１には、小型でありながら、映像観察領域およびシースルー領域の両者を広く確保するための条件について、一切開示されていない。【０００６】
また、特許文献２、３のように、プリズム内で映像光を２回反射させて観察者の瞳に導く構成では、映像観察領域の外側に表示素子を十分に離して配置することができないために、映像観察領域の周辺にシースルー領域を十分に確保することができない。そして、必要な光路長を確保するためには、プリズムが厚くなり、そのプリズムを有する映像表示装置ひいてはＨＭＤを小型、コンパクトに構成することができない。また、特許文献２、３においても、小型でありながら、映像観察領域およびシースルー領域の両者を広く確保するための条件について一切開示されていない。【０００７】
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、小型、コンパクトな構成で、映像観察領域およびシースルー領域の両者を広く確保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】
【０００８】
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プリズムを介して観察者の瞳に導くと同時に、外光を上記プリズムを介して観察者の瞳に導く接眼光学系とを有している。上記接眼光学系は、上記表示素子からの映像光の光路を３回以上折り曲げる３面以上の反射面を上記プリズム内に有しており、上記反射面の少なくとも１面には、ホログラフィック回折光学素子が形成されており、上記プリズムは、互いに対向する第１の反射面および第２の反射面と、上記ホログラフィック回折光学素子が形成されている第３の反射面とを含み、上記第１の反射面、上記第２の反射面および上記第３の反射面は、それぞれ、少なくとも１回、上記映像光を反射し、上記ホログラフィック回折光学素子は、光学的パワーを有している。そして、該映像表示装置は、以下の条件式（１）および（２）を満足している。すなわち、
０．８＜Ｈ／ｙ＜１．７                            ・・・（１）
１．２＜ｆ／（ｐ＋Ｋ・ｔａｎ（２θｉ））＜５．５  ・・・（２）
ただし、
Ｈ：画面中心主光線を含む平面内で、ホログラフィック回折光学素子
が形成された反射面における映像光の入射領域の両端を結んだ直
線の長さ
ｙ：表示素子の画面短辺方向の長さ
ｆ：画面中心主光線を含む平面内における、接眼光学系の画面中心主
光線近傍での焦点距離
ｐ：接眼光学系によって形成される光学瞳における、表示素子の画面
短辺方向に対応する方向の長さ
Ｋ：プリズムにおける映像光の射出面から光学瞳までの距離
θｉ：画面中心主光線を含む平面内での、接眼光学系における表示映
像の観察画角の半分
である。【０００９】
本発明の映像表示装置において、上記接眼光学系は、上記プリズム内において、上記表示素子からの映像光の光路を、上記表示素子の画面短辺に平行で画面長辺に垂直な面内で折り曲げる構成であることが望ましい。【００１０】
本発明の映像表示装置は、以下の条件式（３）を満足することが望ましい。すなわち、
１．１＜θｔ／θｉ＜７                            ・・・（３）
ただし、
θｔ：画面中心主光線を含む平面内での、プリズム内を伝播する外光
による外界像の観察画角の半分
である。【００１１】
本発明の映像表示装置は、上記プリズムを第１のプリズムとすると、上記第１のプリズムと隣接または接着して設けられ、上記第１のプリズムでの外光の屈折をキャンセルするための第２のプリズムを有していることが望ましい。【００１２】
本発明の映像表示装置において、上記第３の反射面は、光学的パワーを有していることが望ましい。【００１３】
本発明の映像表示装置において、上記第３の反射面は、非回転対称なアナモフィック形状であってもよい。【００１４】
本発明の映像表示装置において、上記第３の反射面において、表示素子の画面短辺方向に対応する方向での焦点距離よりも、画面長辺方向に対応する方向での焦点距離のほうが小さいことが望ましい。【００１５】
本発明の映像表示装置において、上記第３の反射面は、シリンドリカル面であってもよい。【００１６】
本発明の映像表示装置において、上記シリンドリカル面は、上記表示素子の画面長辺方向に対応する方向に光学的パワーを有していることが望ましい。【００１７】
本発明の映像表示装置は、以下の条件式（４）を満足することが望ましい。すなわち、
０．０２＜｜Ｌ／Ｒ｜＜０．５                      ・・・（４）
ただし、
Ｌ：画面中心主光線を含む平面内で、シリンドリカル面における表示
素子からの映像光の入射領域のうち、光学瞳から最も遠い点まで
の距離
Ｒ：シリンドリカル面の曲率半径
である。【００１８】
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。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、接眼光学系は、表示素子からの映像光の光路を３回以上折り曲げる３面以上の反射面をプリズム内に有しているので、接眼光学系全体の厚さを薄くして、映像表示装置ひいてはＨＭＤを小型、コンパクトに構成することができる。また、本発明の上述した条件式を満足することにより、プリズムの厚さの増大を抑え、映像観察領域およびシースルー領域の両者を広く確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明のＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係る映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態４に係る映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態５に係る映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態６に係る映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。
【図８】実施の形態１に係る映像表示装置における各パラメータを示す説明図である。
【図９】実施の形態１に係る映像表示装置における各パラメータを示す説明図である。
【図１０】ＨＯＥに対する入射角度と射出角度との差が小さい場合の、入射光線（再生光線）および射出光線の光路を模式的に示す説明図である。
【図１１】ＨＯＥに対する入射角度と射出角度との差が大きい場合の、入射光線（再生光線）および射出光線の光路を模式的に示す説明図である。
【図１２】所定波長の光線をＨＯＥに入射したときの入射角度と射出角度との差と、異なる波長の射出光線同士における射出角度の差との関係を示すグラフである。
【図１３】ＨＯＥ面を構成するシリンドリカル面の半径を変化させたときの倍率色収差量の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明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。
【００２２】
（１．ＨＭＤについて）
図１は、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、支持手段２とで構成されている。
【００２３】
映像表示装置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、映像を表示して観察者にそれを虚像として提供するものである。この映像表示装置１としては、後述する実施の形態１〜６で示すものを適用することができる。映像表示装置１は、表示素子１１（図２参照）などを収容する筐体３に接眼光学系１２を一体化させて構成されている。接眼光学系１２は、全体として眼鏡の一方のレンズ（図１では右眼用レンズ）のような形状をなしている。支持手段２は、映像表示装置１を観察者の眼前で支持するものであり、例えば眼鏡のフレームやテンプルに相当する。以下、映像表示装置１の詳細について説明する。
【００２４】
（２．映像表示装置について）
図２〜図７は、それぞれ、実施の形態１〜６に係る映像表示装置１の概略の構成を示す断面図である。映像表示装置１は、図示しない光源および照明光学系と、表示素子１１と、接眼光学系１２とを有している。
【００２５】
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、表示素子１１の表示領域の中心と、接眼光学系１２によって形成される光学瞳（射出瞳）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、接眼光学系１２の後述するＨＯＥ２３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、ＨＯＥ２３の光軸入射面とは、ＨＯＥ２３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。
【００２６】
光源は、例えば、ＲＧＢの３原色に対応する波長の光を出射するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。照明光学系は、光源から射出された光を集光して表示素子１１に導くものであり、例えば集光レンズで構成されている。
【００２７】
表示素子１１は、光源からの光を画像データに応じて変調して映像を表示するものであり、例えば透過型のＬＣＤで構成されている。表示素子１１は、矩形の表示画面の長辺方向がＸ方向となり、短辺方向がＹ方向となるように配置されている。なお、図２〜図７では、表示素子１１における対向電極側のガラス基板であるカバーガラスのみを図示している。
【００２８】
接眼光学系１２は、表示素子１１からの映像光を接眼プリズム２１を介して光学瞳Ｅ（または光学瞳Ｅの位置にある観察者の瞳）に導くと同時に、外光を接眼プリズム２１を介して光学瞳Ｅ（または光学瞳Ｅの位置にある観察者の瞳）に導くものである。したがって、接眼光学系１２は、映像光を光学瞳Ｅに導く映像観察用光学系と、外光を光学瞳Ｅに導くシースルー光学系とを兼ねており、映像観察用光学系とシースルー光学系とで接眼プリズム２１を共有した構成となっている。
【００２９】
このような接眼光学系１２は、上記の接眼プリズム２１（第１のプリズム、第１の透明基板）と、偏向プリズム２２（第２のプリズム、第２の透明基板）と、ＨＯＥ２３とを有して構成されている。
【００３０】
接眼プリズム２１は、表示素子１１からの映像光を内部で全反射させてＨＯＥ２３を介して光学瞳Ｅ（または光学瞳Ｅの位置にある観察者の瞳）に導く一方、外光を透過させて光学瞳Ｅ（または光学瞳Ｅの位置にある観察者の瞳）に導くものであり、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下端に近くなるほど薄くして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、互いに対向し、かつ、平行な面２１ｂ・２１ｃとなっている。なお、面２１ｂ・２１ｃは、それぞれ、少なくとも１回、表示素子１１からの映像光を反射する第１の反射面および第２の反射面を構成している。
【００３１】
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１参照）、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と隣接または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。
【００３２】
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。
【００３３】
また、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、歪みなく良好に外界像を観察できる外界像の画角領域（シースルー領域）を増大させることができる。さらに、ＨＯＥ２３を挟むように接眼プリズム２１と偏向プリズム２２とを接合することにより、ＨＯＥ２３が密閉されるので、外気との接触や摩擦によるＨＯＥ２３の劣化を抑えることができる。
【００３４】
ＨＯＥ２３は、表示素子１１からの映像光（３原色に対応した波長の光）を回折反射させて光学瞳Ｅに導くことにより、表示素子１１にて表示された映像を拡大して観察者の瞳に虚像として導く体積位相型の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において偏向プリズム２２との接合面に設けられている。なお、接眼プリズム２１において、ＨＯＥ２３が設けられている面を、以下ではＨＯＥ面と称することとする。このＨＯＥ面は、少なくとも１回、表示素子１１からの映像光を反射する第３の反射面を構成している。
【００３５】
ＨＯＥ２３は、軸非対称な正の光学的パワーを有しており、正の光学的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。
【００３６】
上記構成の映像表示装置１において、光源から射出された光は、照明光学系を介して表示素子１１に入射し、そこで変調されて映像光として出射される。表示素子１１からの映像光は、接眼光学系１２の接眼プリズム２１の内部に面２１ａから入射し、続いて面２１ｂ（図７では面２１ｃ）に臨界角以上の角度で入射する。そして、面２１ｂ・２１ｃで少なくとも１回ずつ全反射されて、ＨＯＥ２３に入射する。ＨＯＥ２３に入射した光は、そこで回折反射されて光学瞳Ｅに達する。光学瞳Ｅの位置では、観察者は、表示素子１１に表示された映像の拡大虚像を観察することができる。
【００３７】
一方、接眼プリズム２１および偏向プリズム２２は、外光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界像を観察することができる。したがって、表示素子１１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。
【００３８】
ここで、図２〜図６に示す映像表示装置１では、接眼プリズム２１において、面２１ｂでの全反射は２回であり、面２１ｃでの全反射は１回である。したがって、接眼プリズム２１内での映像光の反射は、ＨＯＥ面での反射も考慮すると、全部で４回である。つまり、後述する実施例での面番号で示すと、接眼プリズム２１内での映像光の反射は、Ｓ３〜Ｓ６での４回である。一方、図７に示す映像表示装置１では、面２１ｂ・２１ｃでの全反射はそれぞれ１回であることから、接眼プリズム２１内での映像光の反射は、ＨＯＥ面での反射も考慮すると、全部で３回である。つまり、接眼プリズム２１内での映像光の反射は、Ｓ３〜Ｓ５での３回である。
【００３９】
以上のことから、映像表示装置１の接眼光学系１２は、表示素子１１からの映像光の光路を３回以上折り曲げる３面以上の反射面（Ｓ３〜Ｓ６またはＳ３〜Ｓ５）を接眼プリズム２１内に有していると言える。このような接眼光学系１２の構成により、接眼光学系１２にて必要な光路長を確保しつつ、接眼光学系１２全体（特に接眼プリズム２１）の厚さを薄くすることが可能となり、映像表示装置１ひいてはＨＭＤを小型、コンパクトに構成することが可能となる。
【００４０】
特に、接眼光学系１２は、接眼プリズム２１内において、表示素子１１からの映像光の光路を、ＹＺ面内、すなわち、表示素子１１の画面短辺に平行で画面長辺に垂直な面内で折り曲げているので、接眼プリズム２１の厚さを確実に薄くすることができ、上記の効果を確実に得ることができる。
【００４１】
また、体積位相型の反射型ホログラフィック光学素子で構成されるＨＯＥ２３は、回折波長幅が狭く、特定の波長には作用するが、その他の波長には作用しない特性を持つ。このようなＨＯＥ２３を、表示映像と外界像とを同時に観察するいわゆるシースルー機能のためのコンバイナとして用いた場合、ＨＯＥ２３は外光の一部の波長にしか作用しないため、外光はほとんどＨＯＥ２３の影響を受けず、外界像をシースルーで明るく良好に観察することが可能となる。また、異なる波長に作用するＨＯＥ２３を重畳することにより、カラー映像を観察することが可能である。
【００４２】
また、シースルータイプのＨＭＤにおいては、シースルー光学系の光学瞳と映像観察用光学系の光学瞳とを一致させることにより、光学瞳の位置にて、外界像と表示素子１１の表示映像の虚像とを同時に観察することができる。実施の形態１〜６では、シースルー光学系の光路と映像観察用光学系の光路とを合成する部分に反射型のＨＯＥ２３を配置し、映像観察用光学系の光線のみを光学瞳の方向に導く構成とすることにより、ＨＯＥ２３の波長選択性によって、外界像にほとんど影響を与えることなく、外界像と上記虚像とを同時に観察することができる。このとき、シースルー領域を広く確保するためには、シースルー光学系の光路と映像観察用光学系の光路とを合成する部分は、光学瞳の近くとすることが望ましい。
【００４３】
（３．各種の条件式について）
次に、各種の条件式について説明する。各実施の形態１〜６の映像表示装置１は、以下の条件式（１）を満足している。すなわち、
０．８＜Ｈ／ｙ＜１．７                            ・・・（１）
である。ただし、図８に示すように、Ｈは、画面中心主光線を含む平面内で、ＨＯＥ面における映像光の入射領域の両端を結んだ直線の長さ（ｍｍ）を示し、ｙは、表示素子１１の画面短辺方向の長さ（ｍｍ）を示す。なお、画面中心主光線とは、光軸上を進行する光線、すなわち、表示素子１１の画面中心から射出されて光学瞳Ｅの中心に入射する光線を指す。また、画面中心主光線を含む平面とは、画面中心主光線が３回以上折り曲げられることによって規定される平面を指し、画面中心主光線を含むＹＺ平面を指す。なお、ここでは、接眼光学系１２の光学的パワーは、上記平面で対称であるものとする。
【００４４】
条件式（１）は、表示映像を観察する際の画角領域（映像観察領域）、および、シースルーで外界像を観察する際の画角領域（シースルー領域）の両者を広く確保するためのプリズムの厚さを規定している。条件式（１）によって、ＨＯＥ面に入射する映像光の入射範囲（ＨＯＥ面の大きさ）と、表示素子１１の表示画面の大きさとの関係を適切に規定することにより、上述した小型、コンパクトな構成で、映像観察領域およびシースルー領域の両者を広く確保することができ、薄型で良好な性能の映像表示装置１を実現することができる。より詳しくは、以下の通りである。
【００４５】
条件式（１）の下限を下回ると、画面中心主光線を含む平面内では、表示素子１１の画面サイズに対して、ＨＯＥ２３の有効領域（回折反射領域）が小さくなる。表示素子１１の画面上辺および下辺から射出される主光線は、収束しながらＨＯＥ２３に入射するため、ＨＯＥ２３の有効領域が小さくなると、光線をけることなく光学瞳Ｅに導くために接眼プリズム２１の厚さｄ（図８参照）を大きくする必要がある。
【００４６】
一方、条件式（１）の上限を上回ると、画面中心主光線を含む平面内でＨＯＥ面が大きくなり、やはり接眼プリズム２１を薄型にすることができない。ここで、ＨＯＥ面と、ＨＯＥ２３に入射する直前に光線が全反射する面２１ｂとのなす角度は、光線のケラレ、接眼プリズム２１の薄型化を考慮すると、２５度から３５度の範囲にあることが望ましい。なお、ＨＯＥ面が後述するシリンドリカル面である場合には、上記角度は、面２１ｂと、ＨＯＥ面における画面中心主光線との交点における接平面とのなす角度とする。
【００４７】
このように、条件式（１）の下限を下回っても、上限を上回っても、接眼プリズム２１の厚さｄが増大するので、映像観察領域を広げるべく、接眼光学系１２に大きな光学的パワーを持たせた場合には、図８に示すｈの値（面２１ｃの長さ）が小さくなって、ＨＯＥ面と表示素子１１との距離が小さくなる。この結果、広い映像観察領域を確保することはできても、その映像観察領域の上部に広いシースルー領域を確保することができなくなる。
【００４８】
したがって、条件式（１）を満足することにより、接眼プリズム２１の厚さｄの増大を抑え、映像観察領域およびシースルー領域の両者を広く確保することができ、特に、映像観察領域の上部にシースルー領域を広く確保することが可能となる。
【００４９】
また、条件式（１）の下限を下回ると、表示素子１１側でテレセントリックな構成とすることが困難となり、画面周辺部での照度の低下が問題となる。つまり、表示素子１１には角度特性があり、ｙの値が大きくなると、光学瞳Ｅ側からの逆トレースで、表示素子１１に対して光線が斜めに入射することになり、コントラストが低下する。しかし、条件式（１）を満足することにより、表示素子１１側でテレセントリックな構成とすることができ、画面周辺部での照度の低下およびコントラストの低下を回避することができる。
【００５０】
なお、映像表示装置１は、以下の条件式（１ａ）をさらに満足することが望ましい。すなわち、
０．８＜Ｈ／ｙ＜１．６                            ・・・（１ａ）
である。
【００５１】
また、各実施の形態１〜６の映像表示装置１は、以下の条件式（２）を満足している。すなわち、
１．２＜ｆ／（ｐ＋Ｋ・ｔａｎ（２θｉ））＜５．５  ・・・（２）
である。ただし、ｆは、画面中心主光線を含む平面内における、接眼光学系１２の画面中心主光線近傍での焦点距離（ｍｍ）を示す。また、図８および図９に示すように、ｐは、接眼光学系１２によって形成される光学瞳Ｅにおける、表示素子１１の画面短辺方向に対応する方向の長さ（ｍｍ）を示し、Ｋは、接眼プリズム２１における映像光の射出面から光学瞳Ｅまでの距離（ｍｍ）を示し、θｉは、画面中心主光線を含む平面内での、接眼光学系１２における表示映像の観察画角の半分（°）を示す。つまり、条件式（２）の分母は、接眼プリズム２１の射出面における、画面短辺方向の映像光の光束幅に相当する。
【００５２】
条件式（２）は、接眼プリズム２１の薄型化および映像表示装置１全体の小型化を同時に図るための条件を規定している。すなわち、条件式（２）の下限を下回ると、接眼プリズム２１における映像の観察画角に対して、接眼光学系１２の焦点距離（ＨＯＥ面と像面（表示素子１１の表示面）との距離）が短くなるために、接眼プリズム２１内で接眼光学系１２の光路を３回以上折りたたむことができず、接眼プリズム２１の厚さｄが大きくなる。逆に、条件式（２）の上限を上回ると、接眼光学系１２の焦点距離が長くなり、映像表示装置１全体が大きくなる。
【００５３】
したがって、条件式（２）を満足することにより、接眼プリズム２１の薄型化および映像表示装置１の小型化を同時に図ることができ、コンパクトでシースルー領域が広い映像表示装置１を実現することができる。
【００５４】
また、条件式（２）の下限を下回ると、映像光の観察画角を広げた際に（接眼光学系１２の光学的パワーを大きくしたときに）、表示素子１１が観察者の視覚領域（映像観察領域）内に入るため、使用時に観察者が圧迫感を感じる構成となる。しかし、条件式（２）を満足することにより、表示素子１１を視覚領域外に位置させて、観察者に圧迫感を与えないようにすることができる。
【００５５】
なお、映像表示装置１は、以下の条件式（２ａ）をさらに満足することが望ましい。すなわち、
１．５＜ｆ／（ｐ＋Ｋ・ｔａｎ（２θｉ））＜３．５  ・・・（２ａ）
である。
【００５６】
また、接眼光学系１２において、小型化のためには、画面短辺方向の断面（ＹＺ面）において接眼プリズム２１内でＨＯＥ面に最も近い光線（図面においては光学瞳Ｅに入射する映像光束の最下端の光線）がＨＯＥ面と略平行であることが好ましく、また接眼光学系１２の表示素子１１側が略テレセントリックであることが好ましい。
【００５７】
一方、接眼光学系１２の倍率色収差を低減するためには、ＨＯＥ２３の光学的パワーが、画面短辺方向の断面内で、画面中心主光線とＨＯＥ２３との交点に対して略対称であることが好ましい。
【００５８】
以上の点を考慮すると、画面中心主光線とＨＯＥ面とのなす角度、およびプリズム射出面（面２１ｂ）とＨＯＥ面とのなす角度は、２５°〜４０°の範囲であることが好ましい。
【００５９】
また、各実施の形態１〜６の映像表示装置１は、以下の条件式（３）を満足している。すなわち、
１．１＜θｔ／θｉ＜７                            ・・・（３）
である。ただし、図９に示すように、θｔは、画面中心主光線を含む平面内での、接眼プリズム２１内を伝播する外光による外界像の観察画角の半分（°）を示す。
【００６０】
条件式（３）は、映像の画角領域に対する外界像の画角領域の比、つまり、映像観察領域に対するシースルー領域の比を規定したものである。条件式（３）の下限を下回ると、映像観察領域の上部にシースルー領域を確保することができず、視覚領域内に表示素子１１が位置するために観察者が圧迫感を感じる構成となる。逆に、条件式（３）の上限を上回ると、シースルー領域を確保するために接眼光学系１２の接眼プリズム２１の上下方向の長さを長くしなければならず、接眼プリズム２１が大きく、かつ、重くなって、観察者の使用負担が増大する。
【００６１】
したがって、条件式（３）を満足することにより、観察者に圧迫感や大きな使用負担を与えるのを低減することができる。
【００６２】
なお、映像表示装置１は、以下の条件式（３ａ）をさらに満足することが望ましい。すなわち、
１．５＜θｔ／θｉ＜３                            ・・・（３ａ）
である。
【００６３】
（４．倍率色収差の補正について）
ところで、シースルータイプのＨＭＤにおいて、映像観察領域（観察画角）を広げるために、ＨＯＥ２３に大きな光学的パワーを付与すると、ＨＯＥ２３での色分散に起因した倍率色収差が顕著に発生する。この倍率色収差についてより詳しく説明すると、以下の通りである。
【００６４】
図１０および図１１に示すように、ＨＯＥ２３に所定波長の再生光線Ｌ１を入射したときに射出光線Ｌ２が射出されるものとし、再生光線Ｌ１の波長が変化したときには、射出光線Ｌ２’がＨＯＥ２３から射出されるものとする。図１０に示すように、ＨＯＥに対する入射角度と射出角度との差が小さい場合、射出光線Ｌ２に対する射出光線Ｌ２’の方向ベクトルの変化は小さい。一方、図１１に示すように、ＨＯＥに対する入射角度と射出角度との差が大きい場合、射出光線Ｌ２に対する射出光線Ｌ２’の方向ベクトルの変化は大きい。つまり、再生光線Ｌ１の波長が変化すると、射出光線Ｌ２’の射出角度は大きく変化する。
【００６５】
ここで、図１２は、ＨＯＥ２３の製造波長を５３２ｎｍとし、波長５３２ｎｍの再生光線Ｌ１をＨＯＥに入射したときの入射角度と射出光線Ｌ２の射出角度との差と、波長５３２ｎｍの射出光線Ｌ２と波長５３６ｎｍの射出光線Ｌ２’とにおける射出角度の差とをグラフ化したものである。横軸の入射角度と射出角度との差が大きくなると、縦軸に示した、波長変化時の射出角度の変化も大きくなることがわかる。
【００６６】
接眼光学系１２においては、画面中心主光線とＨＯＥとの交点において、再生光線の入射角度と射出角度とを等しくしている。したがって、画面中心から距離が離れるにつれて、ＨＯＥに対する再生光線の入射角度と射出角度との差が大きくなるため、再生光線の波長が変化したときの射出角度の変化が大きくなる。その結果、ＨＯＥの端部では、中心部に比べて、映像観察時に倍率色収差が顕著に発生することとなる。なお、再生光線の波長の変化は、例えば、製造時と再生時とでの使用波長のずれや、再生時の光源の使用に伴う特性変化に起因して起こる。
【００６７】
そこで、接眼プリズム２１においてＨＯＥ２３が形成されている反射面（ＨＯＥ面）に光学的パワーを付与し、接眼光学系１２の光学的パワーをＨＯＥ２３とＨＯＥ面とで分担するようにすることが望ましい。これにより、ＨＯＥ２３に付与する光学的パワーの負担を軽減することができ、ＨＯＥ２３での色分散に起因した倍率色収差を補正することが可能となる。
【００６８】
なお、接眼プリズム２１において、ＨＯＥ面以外の反射面であって、シースルー光線（外光）の通過する面（面２１ｂ・２１ｃ）には、光学的パワーを付与してもよいし、付与しなくてもよい。面２１ｂ・２１ｃを略ノンパワーとすれば、観察者は外界像を歪みなく観察することができる。逆に、面２１ｂ・２１ｃに光学的パワーを付与すれば、ＨＭＤを矯正眼鏡レンズとして使用することが可能となる。
【００６９】
ここで、ＨＯＥ面の形状としては、球面、非球面、アナモフィック面、シリンドリカル面、自由曲面などが考えられるが、非回転対称な光学的パワーを持ったアナモフィック形状であることが望ましい。表示素子１１の画面長辺方向に対応するＸ方向と画面短辺方向に対応するＹ方向とでは表示素子１１の画面の大きさ、すなわち、観察画角が異なるため、ＨＯＥ２３での色分散に起因した倍率色収差は上記両方向で異なる（Ｘ方向ではＹ方向よりも大きな倍率色収差が発生する）。しかし、ＨＯＥ面をアナモフィック形状とすることにより、Ｘ方向とＹ方向とで倍率色収差をバランスよく補正することが可能となる。
【００７０】
特に、ＨＯＥ面において、表示素子１１の画面短辺方向に対応するＹ方向での焦点距離よりも、画面長辺方向に対応するＸ方向での焦点距離のほうが小さいことが望ましい。つまり、ＨＯＥ面の光学的パワーは、Ｙ方向よりもＸ方向のほうが大きいことが望ましい。なお、ここで言うＨＯＥ面の光学的パワーは、画面中心主光線とＨＯＥ面との交点近傍での光学的パワーを指すものとする。
【００７１】
ＨＯＥ面において、Ｘ方向では、その両端部に近づくほど、ＨＯＥ面に入射する光線の入射角度とＨＯＥ面から射出される光線の射出角度との差が大きくなるため、ＨＯＥ２３での色分散に起因する倍率色収差がＹ方向よりも顕著に現れる。しかし、ＨＯＥ面の光学的パワーを、Ｙ方向よりもＸ方向で大きくすることにより、ＨＯＥ２３が負担する光学的パワーをＸ方向で減らすことができるので、Ｘ方向両端部でより顕著に発生する倍率色収差を抑えることが可能となる。
【００７２】
また、ＨＯＥ面は、シリンドリカル面であることが望ましい。ＨＯＥ２３は、通常、ホログラム感光材料（例えばフォトポリマー）を接眼プリズム２１の面に貼り付けて２光束で露光することにより作製される。ＨＯＥ面がシリンドリカル面であれば、他の光学的パワーを持つ形状で構成される場合に比べて、ホログラム感光材料としてフィルム状のものを用い、そのホログラム感光材料を接眼プリズム２１の上記面に均一にかつ容易に貼り付けることが可能となる。これにより、接眼光学系１２を容易に製造することが可能となり、広画角のＨＭＤを容易に得ることが可能となる。
【００７３】
ＨＯＥ２３に付与する光学的パワーをＸ方向で減らして、Ｘ方向両端部で顕著に発生する倍率色収差を効果的に補正する観点から、シリンドリカル面であるＨＯＥ面は、表示素子１１の画面長辺方向に対応するＸ方向に光学的パワーを有していることが望ましい。
【００７４】
また、ＨＯＥ面がシリンドリカル面である場合、映像表示装置１は、以下の条件式（４）を満足していることが望ましい。すなわち、
０．０２＜｜Ｌ／Ｒ｜＜０．５                      ・・・（４）
である。ただし、図８に示すように、Ｌは、画面中心主光線を含む平面内で、シリンドリカル面（ＨＯＥ面）における表示素子１１からの映像光の入射領域のうち、光学瞳Ｅから最も遠い点までの距離（ｍｍ）を示す。また、Ｒは、シリンドリカル面の曲率半径（ｍｍ）を示す。
【００７５】
条件式（４）は、倍率色収差の補正と歪曲収差の補正とのバランスを規定したものである。すなわち、条件式（４）の下限を下回ると、シリンドリカル面の光学的パワーが小さくなって、ＨＯＥ２３が負担する光学的パワーが大きくなる。この結果、ＨＯＥ２３での色分散によって、接眼光学系１２での倍率色収差が顕著に発生し、画面長辺方向に対応するＸ方向の倍率色収差と、画面短辺方向に対応するＹ方向の倍率色収差とをバランスよく補正することが困難となる。逆に、条件式（４）の上限を上回ると、シリンドリカル面の光学的パワーが大きくなり、接眼光学系１２で発生する大きなたる型の歪曲収差を補正することが困難となり、良好な性能が得られなくなる。
【００７６】
ここで、図１３は、ＨＯＥ面を、Ｘ方向に光学的パワーを有するシリンドリカル面としたときに、シリンドリカル面の半径を変化させてＸ方向の倍率色収差量を求めた結果を示している。なお、シリンドリカル面は、光学瞳Ｅ側から見て凹面形状とした。また、倍率色収差は、波長５３６ｎｍと波長５３２ｎｍとで、光学瞳Ｅ側から入射して表示素子１１の下端に到達する主光線の、表示素子１１との交点のＸ座標の差（Δｘ）を求めたものである。
【００７７】
図１３より、シリンドリカル面の曲率半径が大きく、シリンドリカル面の光学的パワーが小さい場合には、Δｘの値が大きく、色分散低減の効果が小さい。一方、シリンドリカル面の曲率半径が小さくなり、シリンドリカル面の光学的パワーが大きくなるにつれて、ＨＯＥ２３での色分散が小さくなり、像面での倍率色収差が小さくなっている。なお、シリンドリカル面の光学的パワーを大きくしすぎると、接眼プリズム２１の入射面（面２１ａ）、射出面（面２１ｂ）で発生する色収差が補正できなくなるため、色収差が再び増加する。また、シリンドリカル面の光学的パワーが大きくなると、歪曲収差の補正が困難となる。
【００７８】
したがって、条件式（４）を満足することにより、倍率色収差と歪曲収差とをバランスよく補正することができる。また、ＨＯＥ面をＸ方向に光学的パワーを有するシリンドリカル面とし、上記シリンドリカル面を光学瞳Ｅ側から見て凹面とすることにより、Ｘ方向の画角が大きい光線の、ＨＯＥ２３への入射角度を小さくすることができる。これにより、ＨＯＥ２３での色分散を確実に小さくすることができ、Ｘ方向の倍率色収差を確実に補正することができる。
【００７９】
なお、ＨＯＥ面がシリンドリカル面である場合、映像表示装置１は、以下の条件式（４ａ）をさらに満足することが望ましい。すなわち、
０．０２＜｜Ｌ／Ｒ｜＜０．３                      ・・・（４ａ）
である。
【００８０】
（５．実施例について）
以下、各実施の形態１〜６の映像表示装置１の各実施例について、実施例１〜６として、コンストラクションデータ等を挙げてさらに具体的に説明する。実施例１〜６は、各実施の形態１〜６にそれぞれ対応する数値実施例であり、各実施の形態１〜６を表す光学構成図（図２〜図７）は、対応する実施例１〜６にもそのまま適用される。
【００８１】
なお、以下に示すコンストラクションデータにおいて、Ｓｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）は、光学瞳Ｅ側から数えてｉ番目の面（光学瞳Ｅを１番目の面とする）を示している。また、表示素子１１のカバーガラス（ＣＧ）において、接眼光学系１２側の面をＣＧ面とし、光源側の面を像面（表示面）としている。
【００８２】
各面Ｓｉの配置は、面頂点座標（ｘ，ｙ，ｚ）と回転角度（ＡＤＥ）の各面データでそれぞれ特定される。面Ｓｉの面頂点座標は、その面頂点をローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点として、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）におけるローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）で表されている（単位はｍｍ）。また、面Ｓｉの傾きは、その面頂点を中心とするＸ軸回りの回転角度（Ｘ回転）で表されている。なお、回転角度の単位は°であり、Ｘ軸の正方向から見て反時計回りの方向がＸ回転の回転角度の正方向とする。
【００８３】
また、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）は、光学瞳面（Ｓ１）のローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と一致した絶対座標系になっている。すなわち、各面Ｓｉの配置データは、光学瞳面中心を原点としたグローバル座標系で表現される。なお、光学瞳面（Ｓ１）では、光学瞳Ｅから接眼光学系１２に向かう方向が＋Ｚ方向であり、光学瞳Ｅに対して上方向が＋Ｙ方向であり、ＹＺ平面に垂直な方向であって、図２の紙面奥から手前に向かう方向（ＨＭＤを装着したときに左から右に向かう方向）が＋Ｘ方向である。
【００８４】
また、各実施例で用いたＨＯＥを作製する際の製造波長（ＨＷＬ；規格化波長）および再生波長はともに５３２ｎｍであり、回折光の使用次数は１次である。ＨＯＥ面については、作製に用いる２光束を定義することにより、ＨＯＥを一義的に定義する。２光束の定義は、各光束の光源位置と、各光源からの射出ビームが収束ビーム（ＶＩＡ）、発散ビーム（ＲＥＡ）のどちらであるかで行う。なお、第１の点光源（ＨＶ１）、第２の点光源（ＨＶ２）の座標を、それぞれ（ＨＸ１，ＨＹ１，ＨＺ１）、（ＨＸ２，ＨＹ２，ＨＺ２）とする。
【００８５】
また、各実施例では、ＨＯＥによる複雑な波面再生を行うので、２光束の定義に加えて、位相関数φによってもＨＯＥを定義する。位相関数φは、以下の数１式に示すように、ＨＯＥの位置（Ｘ，Ｙ）による生成多項式であり、係数が１次〜１０次までの昇順の単項式で表される。コンストラクションデータにおいては、位相関数φの係数Ｃｊを示している。
【００８６】
【数１】
2010032700.tif 000003
【００８７】
なお、係数Ｃｊの番号ｊは、ｍ、ｎをＸ、Ｙの指数として以下の数２式で表される。
【００８８】
【数２】
2010032700.tif 000004
【００８９】
なお、ＨＯＥ面において、射出光線の法線ベクトルをそれぞれｐ’、ｑ’、ｒ’とし、入射光線の法線ベクトルをそれぞれｐ、ｑ、ｒとし、再生光束の波長をλ（ｎｍ）とし、ＨＯＥを作製する光束の波長をλ０（ｎｍ）とすると、ｐ’、ｑ’、ｒ’は、以下の数３式で表される。
【００９０】
【数３】
2010032700.tif 000005
【００９１】
このように、実施例１〜６では、波長５３２ｎｍの光を射出する光源を使用してホログラム感光材料を露光し、波長５３２ｎｍに対応するＨＯＥの位相関数φを作成している。上記波長に対応する位相関数φを作成した後に、他の波長の光を射出する光源を使用してホログラム感光材料を多重露光することにより、接眼光学系１２をカラー表示に対応させることができる。
【００９２】
また、コンストラクションデータにおいて、回転対称非球面の面形状は、次の数４式によって表現される。ただし、Ｚは高さｈの位置でのＺ軸方向（光軸方向）のサグ量（ｍｍ）を示し、ｃは面頂点での曲率（１／ｍｍ）を示し、ｈは高さ、すなわちＺ軸（光軸）からの距離（ｍｍ）を示し、ｋはコーニック定数を示し、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇは、それぞれ４次、６次、８次、１０次、１２次、１４次、１６次の係数（非球面係数）を示す。なお、全てのデータに関して、表記の無い項の係数は全て０であり、Ｅ−ｎ＝×１０−ｎとする。
【００９３】
【数４】
2010032700.tif 000006
【００９４】
さらに、アナモフィック非球面の面形状は、以下の数５式によって表される。ただし、ＺはＺ軸方向のサグ量（ｍｍ）を示し、ＣＵＸはＸ方向の曲率（１／ｍｍ）、すなわちＸ方向の曲率半径ＲＸの逆数を示し、ＣＵＹはＹ方向の曲率（１／ｍｍ）、すなわちＹ方向の曲率半径ＲＹの逆数を示す。また、ＫＸおよびＫＹは、それぞれＸ方向およびＹ方向のコーニック定数を示す。さらに、ＡＲ、ＢＲ、ＣＲ、ＤＲは、それぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数の回転対称成分を示し、ＡＰ、ＢＰ、ＣＰ、ＤＰは、それぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数の非回転対称成分を示す。
【００９５】
【数５】
2010032700.tif 000007
【００９６】
2010032700.tif 000008
【００９７】
2010032700.tif 000009
【００９８】
2010032700.tif 000010
【００９９】
2010032700.tif 000011
【０１００】
2010032700.tif 000012
【０１０１】
2010032700.tif 000013
【０１０２】
2010032700.tif 000014
【０１０３】
2010032700.tif 000015
【０１０４】
2010032700.tif 000016
【０１０５】
2010032700.tif 000017
【０１０６】
2010032700.tif 000018
【０１０７】
2010032700.tif 000019
【０１０８】
各実施例１〜６において、上述した条件式（１）〜（４）の対象となるＨ／ｙ、ｆ／（ｐ＋Ｋ・ｔａｎ（２θｉ））、θｔ／θｉ、｜Ｌ／Ｒ｜の各値は、以下の表１の通りである。表１より、各実施例１〜６の映像表示装置１は、条件式（１）〜（４）を全て満足していることがわかる。
【０１０９】
【表１】
2010032700.tif 000020
【０１１０】
なお、本発明は、表示素子１１の画面短辺方向（すなわちＹ方向）の観察画角が１５°以上（全角）の場合に特に有効である。
【０１１１】
なお、本発明は、以下のように表現することもでき、これによって以下の作用効果を奏する。
【０１１２】
本発明の映像表示装置は、映像を表示する表示素子と、表示素子からの映像光をプリズムを介して観察者の瞳に導くと同時に、外光を上記プリズムを介して観察者の瞳に導く接眼光学系とを有する映像表示装置であって、上記接眼光学系は、表示素子からの映像光の光路を３回以上折り曲げる３面以上の反射面を上記プリズム内に有しており、上記反射面の少なくとも１面には、ホログラフィック回折光学素子が形成されており、以下の条件式（１）を満足する構成である。すなわち、
０．８＜Ｈ／ｙ＜１．７                            ・・・（１）
ただし、
Ｈ：画面中心主光線を含む平面内で、ホログラフィック回折光学素子
が形成された反射面における映像光の入射領域の両端を結んだ直
線の長さ
ｙ：表示素子の画面短辺方向の長さ
である。
【０１１３】
なお、画面中心主光線とは、表示素子の画面中心から射出されて、接眼光学系によって形成される光学瞳の中心に入射する光線を指す。また、画面中心主光線を含む平面とは、画面中心主光線が３回以上折り曲げられることによって規定される平面を指す。また、以下では、ホログラフィック光学素子をＨＯＥとも称し、このＨＯＥが形成された反射面をＨＯＥ面とも称する。
【０１１４】
上記の構成によれば、表示素子からの映像光は、接眼光学系のプリズム（例えば接眼プリズム）を介して観察者の瞳に導かれる。これと同時に、外光も、上記プリズムを介して観察者の瞳に導かれる。したがって、観察者は、表示素子にて表示された映像の虚像を外界像に重ね合わせて、これらを同時に観察することが可能となる。
【０１１５】
ここで、接眼光学系は、表示素子からの映像光の光路を３回以上折り曲げる３面以上の反射面を上記プリズム内に有しているので、必要な光路長を確保しつつ、接眼光学系全体（特にプリズム）の厚さを薄くすることが可能となる。これにより、映像表示装置ひいてはＨＭＤを小型、コンパクトに構成することができる。
【０１１６】
また、上記反射面の少なくとも１面には、ＨＯＥが形成されている。プリズムがＨＯＥ面を有していることにより、表示素子からの映像光をＨＯＥ面を介して観察者の瞳に導く一方、外光をＨＯＥ面を介して観察者の瞳に導く構成を採用することが可能となる。ＨＯＥは、所定の波長域の光しか回折せず、回折される波長以外の光を透過させる波長選択性を持っており、この波長選択性は、反射型のＨＯＥでは特に高い。したがって、表示映像を観察する際の画角領域（映像観察領域）と、シースルーで外界像を観察する際の画角領域（シースルー領域）とが重なる場合でも、外界像の明るさをほとんど低減させることなく、プリズムを介して観察者に外界像を観察させることが可能となる。
【０１１７】
また、条件式（１）の下限を下回ると、表示素子の画面短辺方向の長さが相対的に大きくなりすぎて、プリズムの厚さを増大させなければ、表示素子の上辺（画面短辺方向の一端部を通る辺）および下辺（画面短辺方向の他端部を通る辺）から射出される映像光をプリズムに入射させることができなくなる。一方、条件式（１）の上限を上回ると、ＨＯＥ面における映像光の入射領域の拡大によってプリズムの厚さが増大する。
【０１１８】
このように、条件式（１）の下限を下回っても、上限を上回っても、プリズムの厚さが増大するので、例えば、映像観察領域を広げるべく、接眼光学系に大きな光学的パワーを持たせた場合には、ＨＯＥ面と表示素子との距離が小さくなる。この結果、広い映像観察領域を確保することはできても、その映像観察領域の上部に広いシースルー領域を確保することができなくなる。
【０１１９】
したがって、条件式（１）を満足することにより、プリズムの厚さの増大を抑え、映像観察領域およびシースルー領域の両者を広く確保することができる。特に、映像観察領域の上部にシースルー領域を広く確保することができる。
【０１２０】
本発明の映像表示装置は、以下の条件式（２）を満足することが望ましい。すなわち、
１．２＜ｆ／（ｐ＋Ｋ・ｔａｎ（２θｉ））＜５．５  ・・・（２）
ただし、
ｆ  ：画面中心主光線を含む平面内における、接眼光学系の画面中心
主光線近傍での焦点距離
ｐ  ：接眼光学系によって形成される光学瞳における、表示素子の画
面短辺方向に対応する方向の長さ
Ｋ  ：プリズムにおける映像光の射出面から光学瞳までの距離
θｉ：画面中心主光線を含む平面内での、接眼光学系における表示映
像の観察画角の半分
である。
【０１２１】
条件式（２）の下限を下回ると、接眼光学系の焦点距離（ＨＯＥ面と像面（表示素子の表示面）との距離）が短くなるために、プリズム内で映像光の光路を３回以上折り曲げることができなくなり、結果として、プリズムを薄くすることができなくなる。一方、条件式（２）の上限を上回ると、接眼光学系の焦点距離が長くなり、映像表示装置全体が大きくなる。
【０１２２】
したがって、条件式（２）を満足することにより、プリズムの薄型化および映像表示装置全体の小型化を同時に図ることが可能となる。
【０１２３】
本発明の映像表示装置において、上記接眼光学系は、上記プリズム内において、表示素子からの映像光の光路を、表示素子の画面短辺に平行で画面長辺に垂直な面内で折り曲げることが望ましい。この場合、接眼光学系のプリズムの厚さを確実に薄くすることができるので、小型、コンパクトな構成で、映像観察領域およびシースルー領域の両者を広く確保できる効果を確実に得ることができる。
【０１２４】
本発明の映像表示装置は、以下の条件式（３）を満足することが望ましい。すなわち、
１．１＜θｔ／θｉ＜７                            ・・・（３）
ただし、
θｔ：画面中心主光線を含む平面内での、プリズム内を伝播する外光
による外界像の観察画角の半分
である。
【０１２５】
条件式（３）の下限を下回ると、外界像の画角領域が小さくなりすぎて、映像観察領域の上部にシースルー領域を確保できないばかりでなく、映像観察領域の上部に表示素子が位置することによって、使用時に観察者に圧迫感を与える。一方、条件式（３）の上限を上回ると、外界像の画角領域が大きくなりすぎて、接眼光学系の構成が大きくなって重くなり、例えば観察者の頭部への装着時に、観察者の使用負担が大きくなる。
【０１２６】
したがって、条件式（３）を満足することにより、観察者に圧迫感や大きな使用負担を与えるのを低減することができる。
【０１２７】
本発明の映像表示装置において、上記プリズムを第１のプリズムとすると、上記第１のプリズムと隣接または接着して設けられ、上記第１のプリズムでの外光の屈折をキャンセルするための第２のプリズムを有している構成であってもよい。この構成では、観察者が第１のプリズム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。
【０１２８】
本発明の映像表示装置において、ホログラフィック回折光学素子が形成されている上記反射面は、光学的パワーを有していてもよい。例えば接眼光学系に光学的パワーを持たせる場合、その光学的パワーをＨＯＥと上記反射面（ＨＯＥ面）とに分担して、ＨＯＥに付与する光学的パワーの負担を軽減することができる。これにより、ＨＯＥでの色分散に起因した倍率色収差を補正することが可能となる。
【０１２９】
本発明の映像表示装置において、ホログラフィック回折光学素子が形成されている上記反射面は、非回転対称なアナモフィック形状であることが望ましい。表示素子の画面長辺方向に対応する方向と画面短辺方向に対応する方向とでは観察画角が異なるため、ＨＯＥでの色分散に起因した倍率色収差は上記両方向で異なる。しかし、ＨＯＥが形成された反射面を非回転対称なアナモフィック形状とすることにより、倍率色収差を上記両方向でバランスよく補正することが可能となる。
【０１３０】
本発明の映像表示装置において、ホログラフィック回折光学素子が形成されている上記反射面において、表示素子の画面短辺方向に対応する方向での焦点距離よりも、画面長辺方向に対応する方向での焦点距離のほうが小さいことが望ましい。
【０１３１】
ＨＯＥ面において、表示素子の画面長辺方向に対応する方向では、その両端部に近づくほど、ＨＯＥ面に入射する光線の入射角度とＨＯＥ面から射出される光線の射出角度との差が大きくなるため、ＨＯＥでの色分散に起因する倍率色収差が顕著に現れる。しかし、ＨＯＥ面の光学的パワーを、表示素子の画面短辺方向に対応する方向よりも画面長辺方向に対応する方向で大きくすることにより、ＨＯＥに付与する光学的パワーを上記方向で減らすことができるので、上記方向両端部で顕著に発生する倍率色収差を抑えることが可能となる。
【０１３２】
本発明の映像表示装置において、ホログラフィック回折光学素子が形成されている上記反射面は、シリンドリカル面であることが望ましい。この場合、フィルム状のホログラム感光材料をプリズムの上記反射面に容易に貼り付けることができる。その結果、接眼光学系を容易に製造することが可能となり、広画角のＨＭＤを容易に得ることが可能となる。
【０１３３】
本発明の映像表示装置において、上記シリンドリカル面は、表示素子の画面長辺方向に対応する方向に光学的パワーを有していることが望ましい。この場合、ＨＯＥに付与する光学的パワーを、表示素子の画面長辺方向に対応する方向で減らして、上記方向両端部で顕著に発生する倍率色収差を効果的に抑えることが可能となる。
【０１３４】
本発明の映像表示装置は、以下の条件式（４）を満足することが望ましい。すなわち、
０．０２＜｜Ｌ／Ｒ｜＜０．５                      ・・・（４）
ただし、
Ｌ：画面中心主光線を含む平面内で、シリンドリカル面における表示
素子からの映像光の入射領域のうち、光学瞳から最も遠い点まで
の距離
Ｒ：シリンドリカル面の曲率半径
である。
【０１３５】
条件式（４）の下限を下回ると、シリンドリカル面の光学的パワーが小さくなって、ＨＯＥが負担する光学的パワーが大きくなる。この結果、ＨＯＥでの色分散によって、接眼光学系での倍率色収差が顕著に発生する。逆に、条件式（４）の上限を上回ると、シリンドリカル面の光学的パワーが大きくなり、接眼光学系で大きな歪曲収差が発生する。
【０１３６】
したがって、条件式（４）を満足することにより、倍率色収差と歪曲収差とをバランスよく補正することができる。
【０１３７】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１３８】
本発明は、表示映像と外界像とを同時に観察することが可能な眼鏡型のＨＭＤに利用可能である。
【符号の説明】
【０１３９】
１      映像表示装置
２      支持手段
１１      表示素子
１２      接眼光学系
２１      接眼プリズム（第１のプリズム）
２２      偏向プリズム（第２のプリズム）
２３      ＨＯＥ
【図１】
2010032700.tif 000021
【図２】
2010032700.tif 000022
【図３】
2010032700.tif 000023
【図４】
2010032700.tif 000024
【図５】
2010032700.tif 000025
【図６】
2010032700.tif 000026
【図７】
2010032700.tif 000027
【図８】
2010032700.tif 000028
【図９】
2010032700.tif 000029
【図１０】
2010032700.tif 000030
【図１１】
2010032700.tif 000031
【図１２】
2010032700.tif 000032
【図１３】
2010032700.tif 000033
【国際調査報告】
2010032700.tif 000034
2010032700.tif 000035
2010032700.tif 000036
2010032700.tif 000037