(57)【要約】  【課題】  観察者眼の光軸方向に薄いにもかかわらず広視野角な虚像観察を高いシースルー性で可能とする広角観察光学系を提供する。  【解決手段】  観察光学系はホログラフィック反射面ＨＧが設けられたプリズムＰＲを有しており、表示素子ＤＰとの組み合わせで映像表示装置の主要部を成している。ホログラフィック反射面ＨＧは、階段形状又はフレネル形状を有する積層型ホログラムから成り、特定の波長の光を反射させ、かつ、虚像を結像させる機能を有している。【選択図】      図１
2006091477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホログラフィック反射面を少なくとも１面有する広角観察光学系であって、前記ホログラフィック反射面が、階段形状又はフレネル形状を有する積層型ホログラムから成り、特定の波長の光を反射させ、かつ、虚像を結像させる機能を有することを特徴とする広角観察光学系。
【請求項２】
以下の条件式(1)を満足することを特徴とする請求項１記載の広角観察光学系；
θ＜φ  …(1)
ただし、
θ：観察者の瞳中心を通る光軸に対して垂直な平面からのホログラフィック反射面の全体的な傾き、
φ：観察者の瞳中心を通る光軸に対して垂直な平面からのホログラフィック反射面の局所的な傾き、
である。
【請求項３】
以下の条件式(2)を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の広角観察光学系；
２２．５°＜θ＜３０．５°  …(2)
ただし、
θ：観察者の瞳中心を通る光軸に対して垂直な平面からのホログラフィック反射面の全体的な傾き、
である。
【請求項４】
前記ホログラフィック反射面が透明部材中に配置され、その透明部材が互いに平行な一対の透過面を有し、その透過面が観察者の瞳中心を通る光軸に対して垂直な平面を成し、以下の条件式(3)を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の広角観察光学系；
３０．５°＜φ＜４０．５°  …(3)
ただし、
φ：観察者の瞳中心を通る光軸に対して垂直な平面からのホログラフィック反射面の局所的な傾き、
である。
【請求項５】
以下の条件式(4)を満足することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の広角観察光学系；
０．０１ｍｍ≦ｐ≦１ｍｍ  …(4)
ただし、
ｐ：ホログラフィック反射面における階段形状又はフレネル形状のピッチ、
である。
【請求項６】
前記ホログラフィック反射面の全体的な傾き方向が観察者から見て上下方向であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の広角観察光学系。
【請求項７】
前記ホログラフィック反射面の全体的な傾き方向が観察者から見て左右方向であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の広角観察光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はホログラフィック反射面を有する広角観察光学系に関するものであり、例えば、表示素子の表示画像をホログラフィック反射面で拡大するとともに、それを広視野角な虚像として観察させる広角観察光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
表示画像の虚像を観察させるための観察光学系として、屈折光学系や反射光学系を使ったものが従来より多数提案されている。そのなかでも反射面を使った観察光学系は、その体積を小さくすることを主な目的としており、広い視野角が得られる構成にはなっていない。広い視野角を確保しようとすると、視野角の広がり方向だけでなく観察者眼の光軸方向にも大きな反射面を用いなければならなくなる。このため、眼鏡レンズ程度の厚みの光学部材を使った場合には、反射面の傾き方向に１０°程度の視野角しか確保することができず、視野角を広くしようとすれば光学部材の厚みは５ｍｍ以上になってしまう。
【０００３】
観察者眼の光軸方向に体積を小さくすることを狙った観察光学系としては、特許文献１，２に記載されているものが挙げられる。特許文献１記載の観察光学系では、反射部と透過部が面の傾き方向に交互に階段形状に並べられており、階段形状の反射面は表示素子の画面を照明するために用いられている。特許文献２記載の観察光学系には、コンバイナ部を内部に有するレンズが用いられており、そのコンバイナ部はフレネルレンズのような形状の半透明な反射面から成っている。
【特許文献１】特開平７−２７０７１４号公報
【特許文献２】特開２００２−２８７０７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１，２記載の光学構成では、観察者眼の光軸方向に光学系を薄くすることはできても、広い視野角を得ることはできない。さらに特許文献１記載の観察光学系では、反射部に波長選択性の無い全反射膜等が用いられているため、部分的に導光できない部分が生じてしまう。したがって、表示画像をすべて瞳に導くことはできない。特許文献２記載の観察光学系の場合、実際の設計では反射効率が半分以下になってしまう。単純な反射面以外の光学部材を補助的に使わなければ、画像表示素子は２０°〜４５°の角度で光線を発する必要が生じてしまうが、これは現実的でない。補助的に光学部材を使おうとすれば、広視野角になるほど有効径の大きな光学部材が必要となるため、著しいコストアップを招いてしまう。図６(Ａ)，(Ｂ)に、フレネル形状の半透過膜から成るハーフミラー面ＨＭで光束が反射される様子を示す。同図から分かるように、バックカット面ＢＣによって利用されない光束が生じてしまうため、反射効率の低下を招くことになる。さらに、半透過膜を用いると外界光のシースルー性が悪くなるという問題もある。
【０００５】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、観察者眼の光軸方向に薄いにもかかわらず広視野角な虚像観察を高いシースルー性で可能とする広角観察光学系を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、第１の発明の広角観察光学系は、ホログラフィック反射面を少なくとも１面有する広角観察光学系であって、前記ホログラフィック反射面が、階段形状又はフレネル形状を有する積層型ホログラムから成り、特定の波長の光を反射させ、かつ、虚像を結像させる機能を有することを特徴とする。
【０００７】
第２の発明の広角観察光学系は、上記第１の発明において、以下の条件式(1)を満足することを特徴とする。
θ＜φ  …(1)
ただし、
θ：観察者の瞳中心を通る光軸に対して垂直な平面からのホログラフィック反射面の全体的な傾き、
φ：観察者の瞳中心を通る光軸に対して垂直な平面からのホログラフィック反射面の局所的な傾き、
である。
【０００８】
第３の発明の広角観察光学系は、上記第１又は第２の発明において、以下の条件式(2)を満足することを特徴とする。
２２．５°＜θ＜３０．５°  …(2)
ただし、
θ：観察者の瞳中心を通る光軸に対して垂直な平面からのホログラフィック反射面の全体的な傾き、
である。
【０００９】
第４の発明の広角観察光学系は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記ホログラフィック反射面が透明部材中に配置され、その透明部材が互いに平行な一対の透過面を有し、その透過面が観察者の瞳中心を通る光軸に対して垂直な平面を成し、以下の条件式(3)を満足することを特徴とする。
３０．５°＜φ＜４０．５°  …(3)
ただし、
φ：観察者の瞳中心を通る光軸に対して垂直な平面からのホログラフィック反射面の局所的な傾き、
である。
【００１０】
第５の発明の広角観察光学系は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、以下の条件式(4)を満足することを特徴とする。
０．０１ｍｍ≦ｐ≦１ｍｍ  …(4)
ただし、
ｐ：ホログラフィック反射面における階段形状又はフレネル形状のピッチ、
である。
【００１１】
第６の発明の広角観察光学系は、上記第２〜第５のいずれか１つの発明において、前記ホログラフィック反射面の全体的な傾き方向が観察者から見て上下方向であることを特徴とする。
【００１２】
第７の発明の広角観察光学系は、上記第２〜第５のいずれか１つの発明において、前記ホログラフィック反射面の全体的な傾き方向が観察者から見て左右方向であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る広角観察光学系は、用いられているホログラフィック反射面が、階段形状又はフレネル形状を有する積層型ホログラムから成り、特定の波長の光を反射させ、かつ、虚像を結像させる機能を有しているため、観察者眼の光軸方向に薄いにもかかわらず広視野角な虚像観察が高いシースルー性で実現可能である。しかも、構成部品数の増大等を招くこともないので、広角観察光学系の低コスト化・コンパクト化を効果的に達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施した広角観察光学系等を、図面を参照しつつ説明する。図１〜図５に、第１〜第５の実施の形態の光学構成をそれぞれ示す。ただし、第１の実施の形態についてはその全体構成の概略を図１(Ａ)に示し、図１(Ａ)中のホログラフィック反射面ＨＧの一部(Ｑ部)を拡大して図１(Ｂ)に示す。第１〜第５の実施の形態では、ホログラフィック反射面ＨＧを有する観察光学系が表示素子ＤＰとの組み合わせで映像表示装置の主要部を成しており、第１，第２，第４，第５の実施の形態では、そのホログラフィック反射面ＨＧがプリズムＰＲに設けられている。さらに第２，第４，第５の実施の形態では、プリズムＰＲが眼鏡用のレンズＬＮ(ここでは平行平面板から成る眼鏡レンズ)の一部に埋め込まれており、ホログラフィック反射面ＨＧを構成する積層型ホログラムが、プリズムＰＲをホログラム基板としてレンズＬＮとの間に挟まれるようにして配置されている。
【００１５】
第１〜第５の実施の形態において、表示素子ＤＰは画面上に画像(例えば２次元映像)を表示する。その表示画像は観察光学系によって観察者の瞳ＥＰに導かれ、その結果、ホログラフィック反射面ＨＧによりシースルーで観察者眼に拡大投影されて虚像として観察される。表示素子ＤＰからの射出光は、瞳ＥＰに到達するまでに少なくとも１回反射される。つまり、ホログラフィック反射面ＨＧを有するプリズムＰＲによって、第１，第２の実施の形態(図１，図２)では４回反射され、第３の実施の形態(図３)では１回反射され、第４の実施の形態(図４)では３回反射され、第５の実施の形態(図５)では２回反射される。最も瞳ＥＰ側での反射は、ホログラフィック反射面ＨＧで行われる。ホログラフィック反射面ＨＧは、階段形状又はフレネル形状を有する積層型ホログラム(膜厚は数μｍ程度)から成っており、特定の波長の光を反射させ、かつ、虚像を結像させる機能を有している。
【００１６】
ホログラフィック反射面ＨＧを構成している「積層型ホログラム」は、厚み方向の屈折率差や透過率差等を使って光束に位相差を与える、いわゆる「体積型ホログラム」である。観察光学系にコンバイナ機能を付与する場合、増反射膜等がコーティングされたミラー面やハーフミラー面を用いるのが一般的である。しかし、これらのミラー面を用いると全ての波長の光が反射されてしまうため、映像光(反射光)の反射率も外光(透過光)の透過率もあまり良くなく、どちらも見づらいものになる。積層型ホログラムは波長選択性のある反射機能を持つことができるので、ホログラフィック反射面ＨＧで所望の波長域の光のみを反射させることが可能である。したがって、増反射膜等のコーティングの替わりに積層型ホログラムを用いれば、所望の波長の光のみを狭帯域で反射させることにより、映像光も外光も共に見やすくすることができる。積層型ホログラムの反射波長は、１つでも複数でもよい。複数波長を反射させる場合には、重複露光で作成した積層型ホログラムを使用したり積層型ホログラムを複数枚重ねて使用したりすればよい。
【００１７】
さらに、フレネル形状を有する積層型ホログラムでホログラフィック反射面ＨＧを構成すると、フレネル形状自体が観察者眼の光軸方向に薄いままでも、フレネル形状で強い光学的パワーを得ることが可能になる。したがって、ホログラフィック反射面ＨＧが有するフレネル形状の集光機能により、表示画像の虚像を形成することができる。また、積層型ホログラム自体に集光機能を持たせることもできるので、カーブの無い簡易な階段形状を有する積層型ホログラムでホログラフィック反射面ＨＧを構成した場合であっても、表示素子ＤＰからの映像光を集光して虚像を形成することができる。
【００１８】
反射面にどのような光学機能を持たせた場合でも、正反射に近いときに最も高い光学性能を得ることができる。したがって、階段形状又はフレネル形状を有する反射面を用いれば、観察者眼の光軸方向に光学系を厚くすることなく、高い光学性能で良好な虚像を形成することができる。さらに、反射面がホログラフィック反射面の場合には、正反射に近い状態での使用により、光学性能の向上とともに回折効率も最大にすることができる。したがって上記各実施の形態のように、観察光学系がホログラフィック反射面を少なくとも１面有し、そのホログラフィック反射面が、階段形状又はフレネル形状を有する積層型ホログラムから成り、特定の波長の光を反射させ、かつ、虚像を結像させる機能を有する構成にすることが好ましい。この構成により、観察者眼の光軸方向に薄い観察光学系であるにもかかわらず、広視野角な虚像観察を高いシースルー性で実現することが可能となる。しかも、構成部品数の増大等を招くこともないので、広角観察光学系の低コスト化・コンパクト化を効果的に達成することができる。なお、実用に耐える性能が得られる回折効率を考えた場合、ホログラフィック反射面での反射は正反射から１０〜１５°以内で行われるのが好ましい。
【００１９】
階段形状又はフレネル形状の面に積層型ホログラムを施すことによりホログラフィック反射面を構成すれば、波長選択性のある反射機能と虚像形成のための集光機能とを同時に得ることができる。つまり、虚像の結像に使う波長の光のみを反射させるミラーを作製することが可能である。また、ホログラフィック反射面の波長選択性を利用すれば、特定の波長でシャープな反射特性を得ることができるので、その他の波長の光を全て透過させることによりシースルー性を確保することができる。例えば、観察者眼の光軸方向に存在する外界に表示画像を重ね合わせて観察させる映像表示装置(ヘッドマウントディスプレイ等)を実現することが可能である。したがって、階段形状又はフレネル形状を有する積層型ホログラムで構成されたホログラフィック反射面は、観察光学系にシースルー機能を持たせたり、他の波長を別の用途に用いるときに大変有効である。また、階段形状を有するホログラフィック反射面を作成する場合、特定の条件(収差補正等のための曲率に相当する位相の条件)を満足することによって、積層型ホログラムに収差補正機能や集光機能等を同時に持たせることも可能である。
【００２０】
ホログラフィック反射面は、以下の条件式(1)を満足することが望ましい。この条件式(1)を満足することにより、更に大きな反射面積を確保しながら光軸方向の体積を更に小さくすることが可能となる。
θ＜φ  …(1)
ただし、
θ：観察者の瞳中心を通る光軸に対して垂直な平面からのホログラフィック反射面の全体的な傾き、
φ：観察者の瞳中心を通る光軸に対して垂直な平面からのホログラフィック反射面の局所的な傾き、
である。
【００２１】
ホログラフィック反射面は、以下の条件式(2)を満足することが望ましい。
２２．５°＜θ＜３０．５°  …(2)
ただし、
θ：観察者の瞳中心を通る光軸に対して垂直な平面からのホログラフィック反射面の全体的な傾き、
である。
【００２２】
観察者眼の光軸方向に観察光学系の体積を小さくするために、その光軸に対する垂直面に反射面の角度を近づけるだけでは光束を効率良く反射させることができない。また、階段形状又はフレネル形状を有するホログラフィック反射面は、少なくとも７０％以上の反射効率を持たなければ結像光学系として不十分である。このような問題を解決するためには、垂直面からの傾き角度θが条件式(2)を満たすことが望ましい。この条件式(2)を満たすことにより、観察者眼の光軸方向に観察光学系を更に薄くするとともに、広視野角な虚像観察を高いシースルー性で更に効率良く達成することができる。また、積層型ホログラムを使って反射機能を持たせることによりバックカット面も結像に寄与させることができるので、反射効率を１００％近くにまで上げることも可能である。
【００２３】
第２，第４，第５の実施の形態では、プリズムＰＲとレンズＬＮとで互いに平行な一対の透過面を有しており、プリズムＰＲとレンズＬＮとの間にはホログラフィック反射面ＨＧが挟まれるようにして配置されている。このような接合プリズム(つまりプリズムＰＲとレンズＬＮとの接合から成る透明部材)の形態を採用して、フレネル形状のホログラフィック反射面を一対の平行な透過面間に配置すれば、外光を歪みなく観察することが可能となる。
【００２４】
上記のようにホログラフィック反射面は透明部材中に配置され、その透明部材が互いに平行な一対の透過面を有し、その透過面が観察者の瞳中心を通る光軸に対して垂直な平面を成し、以下の条件式(3)を満足することが望ましい。また、ホログラフィック反射面がフレネル形状を有する場合には、フレネル形状の全有効範囲において条件式(3)を満足することが更に望ましい。
３０．５°＜φ＜４０．５°  …(3)
ただし、
φ：観察者の瞳中心を通る光軸に対して垂直な平面からのホログラフィック反射面の局所的な傾き、
である。
【００２５】
観察光学系に使われる光学部材の内部で２回以上の反射が行われる場合、全ての画角の光束が矛盾なく順に反射されるようにするには、面の局所的角度φが条件式(3)を満足することが好ましい。条件式(3)の下限を越えて角度φが小さくなった場合には、反射面の最も瞳側で反射される光線は入射面で２回目に反射した後、再びホログラフィック反射面で反射されてしまう。これでは実質的に広角な視野角を確保していることにはならない。逆に、条件式(3)の上限を越えて角度φが大きくなった場合には、光軸方向に体積を小さくすることができなくなる。
【００２６】
上記条件式(3)を更に詳しく説明する。観察者の瞳側から見てホログラフィック反射面に入射する最も下方の光線は、ほぼ１０°前後の角度で下方に向いている。角度φが条件式(3)より小さい場合には反射後の光線の角度は大きく変わらず、入射位置の近くに到達する。再び到達した入射面では全反射のみで反射されるので、ここで反射された光線はホログラフィック反射面の上方に到達してしまう。このような状態では光線の一部分だけがホログラフィック反射面で２回反射されることになるので、観察光学系として成り立たない。観察光学系として成り立つようにするには、全ての光線がホログラフィック反射面で１回のみ反射される構成にすることが必要である。角度φが条件式(3)の下限を越えている場合、下方光線が再びホログラフィック反射面に到達しないようにするためには、ホログラフィック反射面を小さくしなければならない。小さくなったホログラフィック反射面には実質的に上方光線が到達しないため、観察光学系は広角なものではなくなってしまう。条件式(3)の上限を越えて角度φが大きくなる場合には、下方光線の反射角の制約はなくなる。しかしホログラフィック反射面での反射後の角度が浅くなり、光軸方向(つまり表示画像が位置する上方向)に大きな光学部材が必要になってしまう。
【００２７】
ホログラフィック反射面は、以下の条件式(4)を満足することが望ましい。
０．０１ｍｍ≦ｐ≦１ｍｍ  …(4)
ただし、
ｐ：ホログラフィック反射面における階段形状又はフレネル形状のピッチ、
である。
【００２８】
光を反射するホログラフィック反射面を階段形状又はフレネル形状にした場合、ピッチがあまりに細かいと回折を起こしてしまう可能性がある。ピッチが最も細かい場合でも高々０．０１ｍｍピッチであれば回折を起こすことは無い。しかし、あまりピッチが荒いと結像性能に影響することから、ピッチは最も大きい場合でも１ｍｍ程度以下とすることが望ましい。
【００２９】
ホログラフィック反射面の全体的な傾き方向は、観察者から見て上下方向であることが好ましい。映像表示素子を観察者から見て上側又は下側に配置すると、ホログラフィック反射面の傾き方向は上下方向となる。ホログラフィック反射面の傾き方向が上下方向となる場合、ホログラフィック反射面を左右方向に広げても光軸方向(つまり光学部材の厚み方向)への体積の増大は生じない。左右方向には光軸方向の体積を増加させることなく、ある程度まで広角化することが可能であるため、ホログラフィック反射面の全体的な傾き方向を上下方向とすると、上下方向の広角化が可能となる。
【００３０】
ホログラフィック反射面の全体的な傾き方向は、観察者から見て左右方向であることが好ましい。映像表示素子を観察者から見て左側又は右側に配置すると、ホログラフィック反射面の傾き方向は左右方向となる。このとき上下方向には、光軸方向(つまり光学部材の厚み方向)の体積を増加させることなく、広角化することが可能である。しかしながら、観察者の輻輳による調整を考えると左右方向にはある程度の広角化が必要となる。したがって、観察者から見て左右方向にホログラフィック反射面の全体的な傾き方向を設定することが好ましい。
【００３１】
なお、上述した各実施の形態や後述する各実施例には以下の構成が含まれており、その構成によると、観察者眼の光軸方向に薄いにもかかわらず広視野角の画像表示が高いシースルー性で可能な映像表示装置を実現することができる。
【００３２】
(i)  ２次元映像を表示する表示素子と、前記２次元映像を観察するための観察光学系と、を備えた映像表示装置であって、前記観察光学系がホログラフィック反射面を少なくとも１面有し、前記ホログラフィック反射面が、階段形状又はフレネル形状を有する積層型ホログラムから成り、特定の波長の光を反射させ、かつ、虚像を結像させる機能を有することを特徴とする映像表示装置。
【００３３】
(ii)  前記条件式(1),(2),(3),(4)のうちの少なくとも１つを満足することを特徴とする上記(i)記載の映像表示装置。
【００３４】
(iii)  前記ホログラフィック反射面が透明部材中に配置され、その透明部材が互いに平行な一対の透過面を有し、その透過面が観察者の瞳中心を通る光軸に対して垂直な平面を成すことを特徴とする上記(i)又は(ii)記載の映像表示装置。
【００３５】
(iv)  前記ホログラフィック反射面の全体的な傾き方向が観察者から見て上下方向又は左右方向であることを特徴とする上記(i)〜(iii)のいずれか１項に記載の映像表示装置。
【００３６】
(v)  さらに前記ホログラフック反射面と前記表示素子との間に少なくとも１面の反射面(例えば全反射面)を有することを特徴とする上記(i)〜(iv)のいずれか１項に記載の映像表示装置。
【００３７】
(vi)  さらに前記ホログラフック反射面と前記表示素子との間に少なくとも１個の透明な光学部材(例えばプリズム)を有することを特徴とする上記(i)〜(v)のいずれか１項に記載の映像表示装置。
【００３８】
(vii)  シースルー性を有するヘッドマウントディスプレイであることを特徴とする上記(i)〜(vi)のいずれか１項に記載の映像表示装置。
【実施例】
【００３９】
以下、本発明を実施した広角観察光学系の構成等を、コンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例１，２は、前述した第１，第２の実施の形態にそれぞれ対応する数値実施例であり、第１，第２の実施の形態を表す光学構成図(図１，図２)は、対応する実施例１，２の光学構成(光路等)をそれぞれ示している。実施例１，２の構成によると、光軸方向に薄いにもかかわらずホログラフィック反射面ＨＧの傾き方向に１５°まで視野が広角化された観察光学系を実現することができる。
【００４０】
各実施例のコンストラクションデータでは、無限遠物体面OB(s0)に対する像面IM(s10)を表示素子ＤＰの表示画像面としている。また、si(i=1,2,3,...)は物体側から数えてi番目の面、ri(i=1,2,3,...)は面siの曲率半径(mm)、di(i=1,2,3,...)は物体側から数えてi番目の軸上面間隔(mm)を示しており、Nj(j=1,2,...),νj(j=1,2,...)は物体側から数えてj番目の光学要素のｄ線に対する屈折率(Ｎd),アッベ数(νd)を示している。ただし、直前の面に対して偏芯した面siは、瞳EPの中心を原点とするグローバル座標(Ｘ，Ｙ，Ｚ)で表現してあり、軸上面間隔diの数値にはよらない。なお、曲率半径riはＸ軸方向とＹ軸方向とで同じであり、「全長」はホログラフィック反射面ＨＧで構成される光学系の光軸に沿った長さである。
【００４１】
グローバル座標系は、瞳EPの光軸方向(すなわち瞳面に対して垂直方向)がＺ軸方向であり、図１，図２の紙面に対して平行な上下方向がＹ軸方向であり、図１，図２の紙面に対して垂直方向がＸ軸方向である。また、面頂点位置は偏芯データの各軸方向の平行偏芯の値(mm)で特定され、面の傾きは偏芯データの各軸回りの傾き偏芯の値(°)で特定される。ディセンター＆リターン偏芯面では面頂点位置を原点に取り、偏芯座標系設定後に元の座標系に戻した状態で続く面配置を決定している。したがって、偏芯データ(ディセンター＆リターン)は、その面頂点基準で偏芯させたときのデータであり、それを偏芯の無い状態に戻してから次の面をその面頂点基準で偏芯させて次のデータとしている。
【００４２】
実施例１は、ホログラフィック反射面ＨＧがθ=25.5°，φ=35.587°のフレネル形状を有する場合の数値実施例である。実施例１では、フレネル形状の面に積層型ホログラムを施すことによりホログラフィック反射面ＨＧを構成している。そして、虚像形成のための集光機能はフレネル形状によって得ており、積層型ホログラムには単純な波長選択性ミラーの機能のみを持たせている。ただし、フレネル形状の替わりにθ=25.5°，φ=35.587°の階段形状にして積層型ホログラムに集光機能を持たせてもよい。また、バックカットは必ずしも平行でなくてもよい。
【００４３】
フレネル形状の面は、以下の式(H1)で表されるサグ量を各ゾーンで持っている。ただし式(H1)において、光軸はZ軸、cは面頂点の曲率、kは円錐定数、Anは各次数の係数(データに関してE-n=×10-nである。)である。
Z=cY2/{1+√[1-(1+k)c2Y2]}+A4Y4+A6Y6+A8Y8  …(H1)
【００４４】
実施例２は、ホログラフィック反射面ＨＧの形状をθ=24°，φ=36.337°の薄肉フレネル面で表した場合の数値実施例である。実施例２では、フレネル形状の面に積層型ホログラムを施すことによりホログラフィック反射面ＨＧを構成している。そして、虚像形成のための集光機能はフレネル形状によって得ており、積層型ホログラムには単純な波長選択性ミラーの機能のみを持たせている。ただし、フレネル形状の替わりにθ=24°，φ=36.337°の階段形状にして積層型ホログラムに集光機能を持たせてもよい。また、バックカットは必ずしも平行でなくてもよい。
【００４５】
薄肉フレネル面は平面をフレネル面として薄肉で扱う面とする。実際はデータの曲率半径及び非球面係数で与えられる光学的パワーに相当するサグ量が与えられるが、計算上は平面上で光学的パワーのみ与えられる。したがって、薄肉フレネル面は以下の式(H2)に相当する曲率、つまり光学的パワーをフレネル基盤面の各点に与えたものである。ただし式(H2)において、光軸はZ軸、cは面頂点の曲率、kは円錐定数、Anは各次数の係数(データに関してE-n=×10-nである。)、Hは光軸からの高さである。
Z=cH2/{1+√[1-(1+k)c2H2]}+A4H4+A6H6+A8H8  …(H2)
【００４６】
実施例１，２はプリズム部材を使ってその内部で４回反射させているが、第３の実施の形態(図３)のようにプリズムを用いない配置で反射回数を１回としてもよく、第４の実施の形態(図４)のように反射回数を３回としてもよく、第５の実施の形態(図５)のように反射回数を２回としてもよい。また、前述したように積層型ホログラムの反射波長は１つでも複数でもよく、複数波長を反射させる場合には、重複露光で作成したホログラムを使用したりホログラムを複数枚重ねて使用したりすればよい。
【００４７】
《実施例１のコンストラクションデータ》
s0(OB)            d0=∞
s1(EP)    r1=∞   d1=14.000000
s2        r2=∞   d2= 7.050000   N1= 1.49140/ν1=57.82
【００４８】
s3        r3=-105.70178   d3=-7.050000   N2=-1.49140/ν2=57.82
平行バックカットのフレネル面
基盤Ｘ曲率：-2.02471E-02
基盤Ｙ曲率：-1.83675E-02
４次非球面係数 A4：-6.81000E-06
６次非球面係数 A6： 1.59616E-08
８次非球面係数 A8：-1.50927E-11
偏芯データ(ディセンター＆リターン)
Ｘ軸方向平行偏芯： 0.000000
Ｙ軸方向平行偏芯：11.000000
Ｚ軸方向平行偏芯： 0.000000
Ｘ軸回り傾き偏芯°：-25.500000
Ｙ軸回り傾き偏芯°：  0.000000
Ｚ軸回り傾き偏芯°：  0.000000
【００４９】
s4        r4=∞   d4= 3.500000   N3= 1.49140/ν3=57.82
s5        r5=∞   d5=-3.500000   N4=-1.49140/ν4=57.82
s6        r6=∞   d6= 8.000000   N5= 1.49140/ν5=57.82
s7        r7=∞   d7= 0.000000
偏芯データ
Ｘ軸方向平行偏芯： 0.000000
Ｙ軸方向平行偏芯：20.000000
Ｚ軸方向平行偏芯： 0.000000
Ｘ軸回り傾き偏芯°：62.000000
Ｙ軸回り傾き偏芯°： 0.000000
Ｚ軸回り傾き偏芯°： 0.000000
【００５０】
s8        r8=∞   d8= 1.000000   N6= 1.51680/ν6=64.12
s9        r9=∞   d9= 0.800000
s10(IM)   r10=∞  d10=0.000000
【００５１】
Ｘ軸方向画角(°)：±13.35
Ｙ軸方向画角(°)：+5〜-10
近軸焦点距離(ｍｍ)：53.7506
瞳直径(ｍｍ)：φ3.0
レンズバック(ｍｍ)：0.8000
全長(ｍｍ)：23.0000
【００５２】
《実施例２のコンストラクションデータ》
s0(OB)            d0=∞
s1(EP)    r1=∞   d1=14.000000
s2        r2=∞   d2= 7.000000   N1= 1.49140/ν1=57.82
【００５３】
s3        r3=-108.46673   d3=-7.000000   N2=-1.49140/ν2=57.82
薄肉フレネル面
フレネル面の曲率：1.0E-10
４次非球面係数 A4：-0.682640E-05
６次非球面係数 A6： 0.158647E-07
８次非球面係数 A8：-0.151612E-10
偏芯データ(ディセンター＆リターン)
Ｘ軸方向平行偏芯： 0.000000
Ｙ軸方向平行偏芯：11.000000
Ｚ軸方向平行偏芯： 0.000000
Ｘ軸回り傾き偏芯°：-24.000000
Ｙ軸回り傾き偏芯°：  0.000000
Ｚ軸回り傾き偏芯°：  0.000000
【００５４】
s4        r4=∞   d4= 3.500000   N3= 1.49140/ν3=57.82
s5        r5=∞   d5=-3.500000   N4=-1.49140/ν4=57.82
s6        r6=∞   d6= 8.000000   N5= 1.49140/ν5=57.82
s7        r7=∞   d7= 0.000000
偏芯データ
Ｘ軸方向平行偏芯： 0.000000
Ｙ軸方向平行偏芯：20.000000
Ｚ軸方向平行偏芯： 0.000000
Ｘ軸回り傾き偏芯°：62.000000
Ｙ軸回り傾き偏芯°： 0.000000
Ｚ軸回り傾き偏芯°： 0.000000
【００５５】
s8        r8=∞   d8= 1.000000   N6= 1.51680/ν6=64.12
s9        r9=∞   d9= 0.800000
s10(IM)   r10=∞  d10=0.000000
【００５６】
Ｘ軸方向画角(°)：±13.35
Ｙ軸方向画角(°)：+5〜-10
近軸焦点距離(ｍｍ)：55.1566
瞳直径(ｍｍ)：φ3.0
レンズバック(ｍｍ)：0.8000
全長(ｍｍ)：23.0000
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】第１の実施の形態(実施例１)を示す光学構成図。
【図２】第２の実施の形態(実施例２)を示す光学構成図。
【図３】第３の実施の形態を示す光学構成図。
【図４】第４の実施の形態を示す光学構成図。
【図５】第５の実施の形態を示す光学構成図。
【図６】フレネル形状のハーフミラー面を用いた従来例の反射効率を説明するための図。
【符号の説明】
【００５８】
ＨＧ    ホログラフィック反射面
ＤＰ    表示素子
ＰＲ    プリズム
ＥＰ    瞳
【図１】
2006091477.tif 000003
【図２】
2006091477.tif 000004
【図３】
2006091477.tif 000005
【図４】
2006091477.tif 000006
【図５】
2006091477.tif 000007
【図６】
2006091477.tif 000008