(57)【要約】  【課題】  透明基材２２・２３の接合面の面積が非常に小さい場合でも、透明基材２２・２３同士の接着強度を特殊な接着剤を用いることなく高くする。  【解決手段】  光学素子２４を貼り付けた一方の透明基材２２と他方の透明基材２３とを、光学素子２４を挟むように接着剤２５で接合し、光学デバイスとしての接眼光学系２１を形成する。透明基材２２の接合面は、法線方向の異なる複数の面２２ａ・２２ｂ・２２ｃを有しており、透明基材２３の接合面も、法線方向の異なる複数の面２３ａ・２３ｂ・２３ｃを有している。面２２ａと面２３ａ、面２２ｂと面２３ｂ、面２２ｃと面２３ｃとは、互いに対向して接合される。光学素子２４は、例えば面２２ｂに貼り付けられる。透明基材２２・２３の接合面（例えば面２２ａ・２２ｃ、面２３ａ・２３ｃ）には、表面が凹凸状の凹凸部３１・３２が形成される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子を貼り付けた一方の透明基材と他方の透明基材とが、上記光学素子を挟むように接合され、その接合面を介して外界像がシースルーで観察される光学デバイスであって、
上記接合面には、表面が凹凸状の凹凸部が形成されていることを特徴とする光学デバイス。
【請求項２】
上記光学素子は、ホログラムであることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項３】
上記光学素子は、ハーフミラーコートであることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項４】
上記凹凸部は、上記接合面において上記光学素子が貼り付けられている領域以外の部位に形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光学デバイス。
【請求項５】
上記凹凸部は、上記接合面において上記光学素子と対向する領域以外の部位に形成され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光学デバイス。
【請求項６】
上記接合面は、法線方向の異なる複数の面を含んで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光学デバイス。
【請求項７】
上記凹凸部が形成されている領域の面積は、上記凹凸部が形成されている透明基材における接合面全体の面積の１０％以上であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光学デバイス。
【請求項８】
上記光学素子が貼り付けられている領域の面積は、上記光学素子が貼り付けられている透明基材における接合面全体の面積の９０％以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光学デバイス。
【請求項９】
上記凹凸部は、梨地状に形成され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光学デバイス。
【請求項１０】
上記各透明基材は、上記接合面において接着剤を介して接合されてい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光学デバイス。
【請求項１１】
上記接着剤は、紫外線硬化型接着剤であることを特徴とする請求項１０に記載の光学デバイス。
【請求項１２】
上記接合面に上記凹凸部が形成されている透明基材の屈折率と上記接着剤の屈折率との差が、０．０２以下であることを特徴する請求項１０または１１に記載の光学デバイス。
【請求項１３】
上記各透明基材、上記光学素子および上記接着剤が全て、アクリル系材料で構成されていることを特徴とする請求項１０から１２のいずれかに記載の光学デバイス。
【請求項１４】
複数の透明基材の接合面を介して外界像がシースルーで観察される光学デバイスであって、
上記接合面には、表面が凹凸状の凹凸部が形成されていることを特徴とする光学デバイス。
【請求項１５】
請求項１から１３のいずれかに記載の光学デバイスと、
映像を表示して上記光学デバイスに提供する映像表示素子とを備えていることを特徴とする映像表示装置。
【請求項１６】
上記光学デバイスの光学素子は、体積位相型の反射型ホログラムである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】
上記光学デバイスの光学素子は、上記映像表示素子から提供される映像と外界像とを同時に観察者の目に導くコンバイナであることを特徴とする請求項１５または１６に記載の映像表示装置。
【請求項１８】
上記光学デバイスは、上記映像表示素子に表示される映像を拡大して観察者の目に虚像として導く接眼光学系を構成していることを特徴とする請求項１５から１７のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項１９】
上記接眼光学系は、非軸対称な光学パワーを有していることを特徴とする請求項１８に記載の映像表示装置。
【請求項２０】
上記光学デバイスの透明基材は、上記映像表示素子から提供される映像の光を内部で全反射させて上記光学素子に導くことを特徴とする請求項１５から１９のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項２１】
上記光学デバイスの光学素子の透過率は、１０％以上であることを特徴とする請求項１５から２０のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項２２】
請求項１５から２１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備え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、複数の透明基材の接合面を介してシースルーで外界像を観察することが可能な光学デバイスと、その光学デバイスを用いた映像表示装置と、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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ホログラム、ハーフミラーコート、ビームスプリッタ層などの光学素子は、透明基材内に埋め込んで（２個の透明基材で挟み込んで）使用すれば、湿度や酸素などの外部環境の影響を受けることがないことから、例えばヘッドアップディスプレイやヘッドマウントディスプレイなどのコンバイナとして非常に有用である。
【０００３】
ここで、光学素子が挟み込まれる透明基材同士を接合する手段としては、一般的に粘着シートや接着剤が用いられている。例えば特許文献１では、ヘッドアップディスプレイの作製において、ホログラム光学素子を貼った基材ともう１つの基材とを粘着シートで接合するようにしている。また、例えば特許文献２では、複数のホログラム原版を貼った基材と他の基材とを接着剤で接着している。
【特許文献１】特開平７−２３４６２７号公報
【特許文献２】特開２００２−４０９０９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、透明基材同士の接合に粘着シートを用いる手法では、ホログラム光学素子に厚さがあるために、ホログラム光学素子と粘着シートとの界面に気泡が入りやすい。上記界面に気泡が入ると、その箇所で屈折率が変化するため、透明基材を介してシースルーで外界像を観察する際の視認性が低下する。したがって、透明基材同士の接合には、気泡の混入を抑えることができる接着剤を用いるのが有効である。
【０００５】
一方、ホログラム等の光学素子を、例えばヘッドマウントディスプレイのコンバイナとして用いる場合、その光学素子は２個の透明基材で挟まれた状態で観察者の眼前に配置される。このため、各透明基材の剥離による観察者への危険を回避すべく、透明基材同士の接合強度を高くする必要がある。つまり、光学素子をコンバイナとして用いる用途では、圧倒的に高い接合強度が必要となり、実使用上、接合強度不足とならないようにする必要がある。また、光学素子をコンバイナとして用いる用途では、接着剤には、上記のように「強い接着力」が要求されることに加えて、さらに「光学素子に悪影響を与えない」ことも要求される。
【０００６】
しかし、接着剤にこれらの両方の特性を充足させることは実際上難しく、強い接着力が必要な上記用途に用いることのできる接着剤はあまり存在しない。そのため、光学素子に悪影響を与えずに透明基材同士を高い接着力で接着することができない。
【０００７】
特に、ヘッドマウントディスプレイでは、比較的高い接合強度が必要で車のフロントガラスに埋め込まれたヘッドアップディスプレイやホログラムスクリーンなどと比較して、光学素子および透明基材が非常に小型であり、その接合面積が小さい。このため、透明基材同士を高い接着力で接着することが益々困難となっている。
【０００８】
また、複数の透明基材の接合面に光学素子を配置させずに、その接合面を介してシースルーで外界像を観察することが可能な光学デバイス（例えば複合レンズ）も存在する。このような光学デバイスにおいては、接合面に光学素子が存在しないので、透明基材同士を接着する接着剤には、「光学素子に悪影響を与えない」特性は要求されず、「強い接着力」だけが要求される。しかし、接着力の強い特殊な接着剤を用いなくても、これらの光学デバイスに共通して用いることができる接着剤を用いて透明基材同士を高い接着力で接着することができれば、上記接着剤の適用範囲が広がり、非常に有用である。
【０００９】
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、複数の透明基材の接合面の面積が非常に小さい場合でも、透明基材同士の接着強度を特殊な接着剤を用いることなく高くすることができる光学デバイスと、その光学デバイスを備えた映像表示装置と、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】
【００１０】
本発明の光学デバイスは、光学素子を貼り付けた一方の透明基材（第１の透明基材とも称する）と他方の透明基材（第２の透明基材とも称する）とが、上記光学素子を挟むように（接着剤で）接合され、その接合面を介して外界像がシースルーで観察される光学デバイスであって、上記接合面には、表面が凹凸状の凹凸部が形成されていることを特徴としている。
【００１１】
上記の構成によれば、第１の透明基材と第２の透明基材とが光学素子（例えばホログラム）を挟むように接合される。このように第１の透明基材と第２の透明基材との接合面に光学素子が設けられていることにより、接合面を介して外界像をシースルーで観察者に提供しつつ、光学素子の機能も併せ持つ光学デバイスを実現することができる。
【００１２】
ここで、第１の透明基材と第２の透明基材との接合面には、凹凸部が形成されている。この凹凸部は、表面の凹凸が例えば梨地状に形成されたものであってもよいし、ストライプ状に形成されたものであってもよいし、同心円状に形成されたものであってもよい。また、凸部が点在することによって上記の凹凸部が形成されていてもよい。また、凹凸部は、第１の透明基材側の接合面に形成されてもよいし、第２の透明基材側の接合面に形成されてもよい。さらに、凹凸部は、接合面の全面に形成されてもよいし、接合面の一部に形成されてもよい。
【００１３】
このように接合面に凹凸部が形成されていることにより、接合面が鏡面である場合に比べて、接合面の表面積が大幅に増える。したがって、これらの透明基材同士の接合に、例えば接着強度の高い特殊な接着剤を用いなくても、透明基材同士の接着強度を高くすることができる。その結果、接合面の面積が小さい場合でも、透明基材同士を高い接着強度で接合することができる。
【００１４】
また、上記光学デバイスにおいては、透明基材同士の接合面を介してシースルーで外界像を観察することが可能であるが、外界像の観察光路中に存在する接合面に凹凸部を設けると、凹凸部の界面で屈折率が変化し、その接合面を通して外界像を視認するのに支障が生じる。そのため、本来であれば、そのような接合面に接着強度を高めるための凹凸部を設ける構成は採用しがたい。しかし、上記の問題は、例えば、透明基材と接着剤との屈折率差を限りなく無くす（上記両部材の屈折率を限りなく合わせる）ことで解消することができるので、接合面に凹凸部を設ける構成を採用することができる。
【００１５】
ここで、上記光学素子は、ホログラムであってもよい。この場合、ホログラムが波長選択性を有していることにより、回折特性と透過特性とを併せ持つ光学デバイスを実現することができる。
【００１６】
また、上記光学素子は、ハーフミラーコートであってもよい。この場合、ハーフミラーによる反射特性と透過特性とを併せ持つ光学デバイスを実現することができる。
【００１７】
また、上記凹凸部は、上記接合面において上記光学素子が貼り付けられている領域以外の部位に形成されていることが望ましい。つまり、第１の透明基材の接合面において、光学素子が貼り付けられている領域を除く部位に凹凸部が形成されていることが望ましい。なお、第２の透明基材の接合面においては、どの部位に凹凸部が形成されてもよい（例えば光学素子と対向する領域に凹凸部が形成されてもよいし、上記対向領域以外の領域に凹凸部が形成されてもよい）。
【００１８】
この構成によれば、第１の透明基材および第２の透明基材を例えば接着剤で接合する場合に、光学素子以外の部分で接着剤による透明基材同士の接着強度を高くすることができるとともに、上記接着剤による光学素子への悪影響（光学素子の性能低下）を回避することができる。
【００１９】
また、上記凹凸部は、上記接合面において上記光学素子と対向する領域以外の部位に形成されていることが望ましい。この場合、各透明基材の接合強度は、凹凸部の形成された領域、すなわち、光学素子以外の部分で確保されるので、光学素子に衝撃や荷重の負荷が加わるのを低減することができる。また、光学素子上に凹凸部が形成されると、凹凸部での光の拡散により、光学素子の光学性能が低下する場合があるが、上記構成では、光学素子上には凹凸部が形成されないので、光学素子の性能低下を回避することができる。
【００２０】
また、上記接合面は、法線方向の異なる複数の面を含んでいる構成が望ましい。この構成の場合、透明基材同士を例えば接着剤で接合したときに、その接合面には複数の面間で異なる方向に接着剤の接着力が働く。これにより、透明基材同士の接着強度をさらに高くすることができる。
【００２１】
また、上記凹凸部が形成されている領域の面積は、上記凹凸部が形成されている透明基材における接合面全体の面積の１０％以上であることが望ましい。この場合、透明基材同士の高い接着強度を最低限確保することができる。
【００２２】
また、上記光学素子が貼り付けられている領域の面積は、上記光学素子が貼り付けられている透明基材における接合面全体の面積の９０％以下であることが望ましい。この場合、接合面のうちで光学素子が貼り付けられている領域以外の部位が確実に残るので、その部位で透明基材同士の高い接着強度を確保することができる。
【００２３】
また、上記凹凸部は、梨地状に形成されている構成が望ましい。この場合、凹凸部が例えばストライプ状に形成される場合に比べて、凹凸部の表面積を確実に増やして、透明基材同士の接着強度を確実に高めることができる。
【００２４】
また、上記各透明基材は、上記接合面において接着剤を介して接合されている構成が望ましい。この構成により、透明基材同士の接合面に気泡を混入させることなく、透明基材同士を接合することができる。
【００２５】
このとき、上記接着剤は、紫外線硬化型接着剤であることが望ましい。紫外線硬化型接着剤は収縮率が小さいので、透明基材や光学素子の変形やダメージを極力抑えることができる。また、熱硬化型接着剤のように硬化時に熱を必要としないので、透明基材が例えばプラスチックからなる場合には特に有利である（熱による基材の変形を抑制できる）。さらに、紫外線硬化型接着剤は溶媒を含まないので、光学素子に与える悪影響が小さい。
【００２６】
ここで、上記接合面に上記凹凸部が形成されている透明基材の屈折率と上記接着剤の屈折率との差が、０．０２以下であることが望ましい。この場合、上記透明基材と接着剤との界面での屈折率の変化をほとんど無くすことができる。この結果、接合面を介してシースルーで外界像を観察する場合に、外界像に歪みが生じるのを抑えることができ、良好なシースルー性を確保することができる。
【００２７】
また、上記各透明基材、上記光学素子および上記接着剤が全て、アクリル系材料で構成されていることが望ましい。この構成の場合、各透明基材、光学素子および接着剤の密着性を高めることができる。
【００２８】
本発明の光学デバイスは、複数の透明基材の接合面を介して外界像がシースルーで観察される光学デバイスであって、上記接合面には、表面が凹凸状の凹凸部が形成されていることを特徴としている。
【００２９】
上記の構成によれば、複数の透明基材の接合面には、凹凸部が形成されている。この凹凸部は、表面の凹凸が例えば梨地状に形成されたものであってもよいし、ストライプ状に形成されたものであってもよいし、同心円状に形成されたものであってもよい。また、凸部が点在することによって上記の凹凸部が形成されていてもよい。また、凹凸部は、各透明基材の接合面に形成されてもよいし、一方の透明基材の接合面に形成されてもよい。さらに、凹凸部は、接合面の全面に形成されてもよいし、接合面の一部に形成されてもよい。
【００３０】
このように接合面に凹凸部が形成されていることにより、接合面が鏡面である場合に比べて、接合面の表面積が大幅に増える。したがって、これらの透明基材同士の接合に、例えば接着強度の高い特殊な接着剤を用いなくても、透明基材同士の接着強度を高くすることができる。その結果、接合面の面積が小さい場合でも、透明基材同士を高い接着強度で接合することができる。
【００３１】
また、上記光学デバイスにおいては、透明基材同士の接合面を介してシースルーで外界像を観察することが可能であるが、外界像の観察光路中に存在する接合面に凹凸部を設けると、凹凸部の界面で屈折率が変化し、その接合面を通して外界像を視認するのに支障が生じる。そのため、本来であれば、そのような接合面に接着強度を高めるための凹凸部を設ける構成は採用しがたい。しかし、上記の問題は、例えば、透明基材と接着剤との屈折率差を限りなく無くす（上記両部材の屈折率を限りなく合わせる）ことで解消することができるので、接合面に凹凸部を設ける構成を採用することができる。
【００３２】
また、接合面に凹凸部を形成することで、接着剤による透明基材同士の接着強度を高くすることができるので、透明基材同士の接着に、接着強度の高い特殊な接着剤を用いなくても済む。したがって、透明基材同士の接着に、例えば複数の透明基材の接合面に光学素子を配置した光学デバイスに用いられる接着剤を用いることもでき、上記接着剤の適用範囲を広げることができる。
【００３３】
本発明の映像表示装置は、上述した本発明の光学デバイスと、映像を表示して上記光学デバイスに提供する映像表示素子とを備えていることを特徴としている。この構成により、観察者は、映像表示素子から提供される映像を光学デバイスを介して観察することができるのと同時に、光学デバイスを介してシースルーで外界像を観察することもできる。
【００３４】
このとき、上記光学デバイスの光学素子は、体積位相型の反射型ホログラムであることが望ましい。この場合、映像表示素子から提供される映像光を上記ホログラムにて観察者の方向に反射させることにより、観察者に虚像を観察させることができる。しかも、体積位相型の反射型ホログラムは、外界像の光の透過率が高いので、観察者は外界像を明瞭に観察することができる。
【００３５】
また、上記光学デバイスの光学素子は、上記映像表示素子から提供される映像と外界像とを同時に観察者の目に導くコンバイナであってもよい。この場合、観察者は、上記光学素子を介して、映像表示素子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。
【００３６】
また、上記光学デバイスは、上記映像表示素子に表示される映像を拡大して観察者の目に虚像として導く接眼光学系を構成していてもよい。この場合、観察者は、映像表示素子に表示される映像を虚像として十分に視認することができる。また、接眼光学系は、映像表示素子の表示映像を拡大虚像として観察者に提供するので、接眼光学系を構成する光学デバイスの小型化、軽量化が可能となり、映像表示装置の小型化、軽量化が可能となる。
【００３７】
また、上記接眼光学系は、非軸対称な（正の）光学パワーを有していることが望ましい。この場合、接眼光学系を小型にしても、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。
【００３８】
また、上記光学デバイスの透明基材は、上記映像表示素子から提供される映像の光を内部で全反射させて上記光学素子に導く構成が望ましい。この構成によれば、映像表示素子から提供される映像光を無駄なく利用して、観察者に明るい映像を提供することができる。また、映像表示素子を光学デバイスから離れた位置に配置することも可能となり、観察者の外界に対する視野を広く確保することができる。
【００３９】
また、上記光学デバイスの光学素子の透過率は、１０％以上であることが望ましい。この場合、観察者は、光学素子を介しても外界像をシースルーで十分に観察することができる。
【００４０】
本発明のヘッドマウントディスプレイは、上述した映像表示装置と、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備えていることを特徴としている。この構成によれば、映像表示装置が支持手段によって観察者の眼前で支持されるので、観察者は、ハンズフリーとなり、外界像および映像表示素子での表示映像を虚像として観察しながら、空いた手で所望の作業を行うことができる。また、観察者の観察方向が一方向に定まるので、観察者は暗環境でも表示映像を探しやすいという利点もある。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、透明基材の接合面に凹凸部が形成されていることにより、接合面が鏡面である場合に比べて、接合面の表面積が大幅に増える。したがって、これらの透明基材同士の接合に、例えば接着強度の高い特殊な接着剤を用いなくても、透明基材同士の接着強度を高くすることができる。その結果、接合面の面積が小さい場合でも、透明基材同士を高い接着強度で接合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
図２（ａ）は、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤと略称する）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、映像表示装置１と、それを支持する支持手段２とを有しており、全体として、一般の眼鏡から一方（例えば左目用）のレンズを取り除いたような外観となっている。
【００４３】
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。図２（ｃ）で示す映像表示装置１において、眼鏡の右目用レンズに相当する部分は、後述する２つの透明基材２２・２３（図４参照）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の詳細な構成については後述する。
【００４４】
支持手段２は、映像表示装置１を観察者の眼前（例えば右目の前）で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とを有している。なお、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いるが、これらを左右で区別する場合は、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のように表現するものとする。
【００４５】
映像表示装置１の一端は、ブリッジ３に支持されている。このブリッジ３は、映像表示装置１のほかにも左フレーム４Ｌおよび鼻当て６を支持している。左フレーム４Ｌは、左テンプル５Ｌを回動可能に支持している。一方、映像表示装置１の他端は、右フレーム４Ｒに支持されている。右フレーム４Ｒにおいて映像表示装置１の支持側とは反対側端部は、右テンプル５Ｒを回動可能に支持している。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に供給するための配線であり、右フレーム４Ｒおよび右テンプル５Ｒに沿って設けられている。
【００４６】
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にて映像を表示すると、観察者は、映像表示装置１の映像を虚像として観察することができるとともに、この映像表示装置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。
【００４７】
なお、ＨＭＤは、映像表示装置１を１個だけ備えたものには限られない。例えば、図３（ａ）は、ＨＭＤの他の構成を示す平面図であり、図３（ｂ）は、上記ＨＭＤの側面図であり、図３（ｃ）は、上記ＨＭＤの正面図である。これらの図に示すように、ＨＭＤは、観察者の両目の前に配置される２個の映像表示装置１を備えた構成であってもよい。この場合、左目の前に配置される映像表示装置１は、ブリッジ３と左フレーム４Ｌとによってその間で支持される。また、ケーブル７は、両方の映像表示装置１と接続され、ケーブル７を介して外部信号等が両方の映像表示装置１に供給される。
【００４８】
次に、上述した映像表示装置１の詳細について説明する。
図４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、映像表示素子１１と、接眼光学系２１とで構成されている。
【００４９】
映像表示素子１１は、光源１２と、一方向拡散板１３と、集光レンズ１４と、ＬＣＤ１５とを有している。なお、光源１２と、一方向拡散板１３と、集光レンズ１４とで、ＬＣＤ１５を照明する照明光学系が構成されている。
【００５０】
光源１２は、中心波長が例えば４６５ｎｍ、５２０ｎｍ、６３５ｎｍとなる３つの波長帯域の光を発するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。なお、光源１２は、白色光を発する白色光源であっても構わない。
【００５１】
一方向拡散板１３は、光源１２からの照明光を拡散させるものであるが、その拡散度は、方向によって異なっている。より詳細には、一方向拡散板１３は、ＨＭＤを観察者が装着したときの左右方向に対応する方向（図４の紙面に垂直な方向）には、入射光を約４０゜拡散させ、ＨＭＤを観察者が装着したときの上下方向（図４の紙面に平行な方向）には、入射光を約２゜拡散させる。
【００５２】
集光レンズ１４は、一方向拡散板１３にて拡散された光を集光するものである。集光レンズ１４は、上記拡散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。ＬＣＤ１５は、映像信号に基づいて入射光を変調することにより、映像を表示する表示手段である。
【００５３】
一方、接眼光学系２１は、２つの透明基材２２・２３と、光学素子２４とを有している。この接眼光学系２１は、透明基材２２・２３の接合面を介して外界像がシースルーで観察される光学デバイスを構成しているとともに、映像表示素子１１に表示される映像を拡大して観察者の目に虚像として導く光学デバイスを構成している。また、接眼光学系２１は、非軸対称な正の光学パワーを有しており、内部に入射した映像光が良好に収差補正される。
【００５４】
透明基材２２・２３は、例えばアクリル系樹脂で構成されており、これらは接着剤２５（例えば図１（ａ）参照）で接合されている。このときの透明基材２２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、その上端部を上端に近くなるほど厚くした形状で構成されている。透明基材２３は、平行平板の上端部を透明基材２２の下端部に沿った形状とすることによって、透明基材２２と一体となって略平行平板となるように構成されている。
【００５５】
例えば、透明基材２２に透明基材２３を接合させない場合、外界像の光が透明基材２２の楔状の下端部を透過するときに屈折するので、透明基材２２を介して観察される外界像に歪みが生じる。しかし、透明基材２２に透明基材２３を接合させて一体的な略平行平板を形成することで、外界像の光が透明基材２２の楔状の下端部を透過するときの屈折を透明基材２３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。
【００５６】
光学素子２４は、特定の入射角で入射する例えば４６５±１０ｎｍ、５２０±１０ｎｍ、６３５±１０ｎｍの３つの波長帯域の光を回折させる体積位相型の反射型ホログラムで構成されている。光学素子２４は、透明基材２２の下端部の傾斜面に貼り付けられており、この結果、透明基材２２・２３で挟まれている。この光学素子２４の透過率は、１０％以上に設定されている。
【００５７】
ここで、体積位相型の反射型ホログラムは、例えば、フォトポリマーのような感光材料を透明基材２２上に貼り付ける工程、これをレーザー光で露光する工程、紫外線照射による定着工程、ベイク処理工程、紫外線照射による接合工程などを経て形成される。なお、光学素子２４としては、反射透過特性を有する光学フィルムを透明基材２２に貼付したものであってもよいし、透明基材２２の接合面に蒸着などにより無機材料をコートしたハーフミラーコートなどであってもよい。
【００５８】
このような映像表示装置１の構成により、映像表示素子１１の光源１２から出射された光は、一方向拡散板１３にて拡散され、集光レンズ１４にて集光されてＬＣＤ１５に入射する。ＬＣＤ１５に入射した光は、映像信号に基づいて変調され、映像光として出射される。このとき、ＬＣＤ１５には、その映像自体が表示される。
【００５９】
ＬＣＤ１５からの映像光は、接眼光学系２１の透明基材２２の内部にその上端面から入射し、対向する２つの面で複数回全反射されて、光学素子２４に入射する。光学素子２４に入射した光は、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、ＬＣＤ１５に表示された映像の拡大虚像を観察することができる。光学瞳Ｅから虚像までの距離は数ｍ程度であり、また、虚像の大きさはＬＣＤ１５に表示された映像の１０倍以上である。
【００６０】
一方、透明基材２２・２３および光学素子２４は、外界からの光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界像を観察することができる。したがって、ＬＣＤ１５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。以上のことから、光学素子２４は、映像表示素子１１から提供される映像と外界像とを同時に観察者の目に導くコンバイナとして機能していると言える。
【００６１】
以上のように、映像表示装置１では、ＬＣＤ１５から出射される映像光を、透明基材２２内での全反射によって光学素子２４に導く構成としている。これにより、映像表示素子１１を観察者の眼の直前から大きく離れた位置に配置することができ、観察者の外界に対する視野を広く確保することができる。また、通常の眼鏡レンズと同様に透明基板２２・２３の厚さを３ｍｍ程度にすることができ、映像表示装置１を小型化、軽量化することができる。
【００６２】
また、光学素子２４は、上述したように特定入射角の特定波長の光のみを回折させるので、透明基材２２・２３および光学素子２４を透過する外界像の光に影響を与えることがない。それゆえ、観察者は、透明基材２２・２３および光学素子２４を介して外界像を通常通り観察することができる。また、光学素子２４の透過率は、１０％以上に設定されているので、観察者は透明基材２２・２３および光学素子２４を介して外界像を十分に観察することができる。
【００６３】
次に、透明基材２２・２３の接合部について説明する。
図５（ａ）は、透明基材２２（第１の透明基材）の平面図を示し、図５（ｂ）は、透明基材２２の正面図を示している。また、図５（ｃ）は、透明基材２３（第２の透明基材）の平面図を示し、図５（ｄ）は、透明基材２３の正面図を示している。さらに、図５（ｅ）は、透明基材２２・２３を接合させた接眼光学系２１の平面図を示している。
【００６４】
透明基材２２は、全体として略四角錐台の形状をしており、その上面および下面は、４つの側面で連結されている。この４つの側面は、図５（ａ）の平面図において、上面を中心として反時計回りに配置される面２２ａ・２２ｂ・２２ｃ・２２ｄで構成されている。これらの面２２ａ・２２ｂ・２２ｃ・２２ｄは、その法線方向が互いに異なっている。また、これらのうちの一側面（例えば面２２ｄ）には、上記上面よりも上方に突出する突出部２２ｅが形成されている。また、光学素子２４は、透明基材２２の例えば面２２ｂに貼り付けられている。
【００６５】
一方、透明基材２３は、透明基材２２が接合することで平行平板が形成されるような形状となっている。つまり、透明基材２３は、平行平板から透明基材２２の形状をくり抜いた形状をしている。ここで、透明基材２３において、透明基材２２と接合したときに、透明基材２２の面２２ａ・２２ｂ・２２ｃと対向する面を、それぞれ２３ａ・２３ｂ・２３ｃと称することにする。これらの面２３ａ・２３ｂ・２３ｃは、その法線方向が互いに異なっている。
【００６６】
このように光学素子２４を貼り付けた一方の透明基材２２に他方の透明基材２３を、光学素子２４を挟むように接着剤２５（図１（ｂ）参照）を介して接合することにより、図５（ｅ）に示すように、接眼光学系２１が形成される。この接眼光学系２１は、平面視で眼鏡のレンズのような形状をしている。この接眼光学系２１を用いることにより、透明基材２２・２３の接合面（面２２ａ・２２ｂ・２２ｃ、面２３ａ・２３ｂ・２３ｃ）を介して、シースルーで外界像を観察することが可能となる。
【００６７】
ここで、図１（ａ）は、接眼光学系２１の一部の断面図であり、図１（ｂ）は、接眼光学系２１の他の部分の断面図である。本実施形態では、透明基材２２・２３の接合面に、表面が凹凸状の凹凸部３１・３２がそれぞれ形成されている。より詳細には、図１（ａ）に示すように、凹凸部３１は、透明基材２２の接合面のうち、光学素子２４が貼り付けられる面２２ｂを除く面２２ａ・２２ｃに形成されている。また、凹凸部３２は、透明基材２３の接合面のうち、光学素子２４が貼り付けられる面２２ｂと対向する面２３ｂを除く面２３ａ・２３ｃに形成されている。一方、図１（ｂ）に示すように、透明基材２２の面２２ｂおよび透明基材２３の面２３ｂは、鏡面となっている。
【００６８】
凹凸部３１・３２は、本実施形態では平面視で梨地状に形成されている。この凹凸部３１・３２は、例えば透明基材２２・２３の金型による成形時にこれと同時に形成される。なお、表面が凹凸状であれば、凹凸部３１・３２はどのような形状で形成されてもよい。したがって、凹凸部３１・３２としては、梨地状以外にも、例えばストライプ状、格子状、同心円状、凸部が点在した形状など、様々な形態を想定することができる。
【００６９】
このように、透明基材２２・２３の接合面に凹凸部３１・３２が形成されていることにより、接合面が鏡面である場合に比べて、接合面の表面積が大幅に増える。したがって、接着剤２５として、例えば接着強度の高い特殊な接着剤を用いなくても、透明基材２２・２３同士の接着強度を高くすることができる。特に、本実施形態のようなＨＭＤでは、光学素子２４および透明基材２２・２３が非常に小型であり、その接合面積が小さいが、そのような場合であっても、透明基材２２・２３同士を高い接着強度で接合することができる。
【００７０】
また、透明基材２２・２３の対向する接合面のうちの一方に凹凸部３１または凹凸部３２が形成され、他方は鏡面のままであってもよいが、本実施形態のように、透明基材２２・２３の対向する接合面の両方（面２２ａと面２３ａ、面２２ｃと面２３ｃ）に凹凸部３１または凹凸部３２が形成されることで、接着剤２５による透明基材２２・２３同士の接合強度を確実に高くすることができる。
【００７１】
また、凹凸部３１・３２は、透明基材２２・２３の接合面のうちで光学素子２４が貼り付けられている領域以外の部位に形成されているので、光学素子２４以外の部分で接着剤２５による透明基材２２・２３同士の接着強度を高くする一方で、接着剤２５による光学素子２４への悪影響（屈折率変化などの光学素子の性能低下）を回避することができる。
【００７２】
また、本実施形態では、透明基材２３に形成される凹凸部３２は、透明基材２２との接合面のうちで透明基材２２上の光学素子２４と対向する領域以外の部位に形成されている。すなわち、光学素子２４が貼付された透明基材２２の面２２ｂと対向する面２３ｂにおいて、光学素子２４と対向する領域には、凹凸部３２は形成されていない。
【００７３】
このような構成により、透明基材２２・２３の接合強度は、光学素子２４以外の部分で確保される。その結果、光学素子２４に衝撃や荷重の負荷が加わるのを低減することができる。また、凹凸部３２は、光を拡散させる性質があり、光学素子２４上に凹凸部３２が形成されると、光学素子２４の光学性能をフルに発揮させることができない場合がある。しかし、本実施形態では、光学素子２４上には凹凸部３２が形成されていないので、光学素子２４の性能低下を回避することができる。
【００７４】
ところで、本実施形態では、透明基材２２において、凹凸部３１は、面２２ａ・２２ｃにのみ形成されており、光学素子２４が貼り付けられる面２２ｂには形成されていないが、例えば図１（ｃ）に示すように、面２２ｂのうちで光学素子２４が貼り付けられる領域以外の部位に形成されてもよい。この場合、面２２ａ・２２ｃにのみ凹凸部３１を設ける場合に比べて、光学素子２４以外の部位でさらに接着剤２５による透明基材２２・２３同士の接着強度を高めることができる。また、この構成に加えて、図１（ｄ）に示すように、透明基材２３の面２３ｂにおいても、光学素子２４との対向領域以外の部位に凹凸部３２を形成すれば、透明基材２２・２３間の接合強度を一層高めることができる。
【００７５】
また、図１（ｅ）に示すように、図１（ｃ）の構成に加えて、透明基材２３の面２３ｂの全体に凹凸部３２を形成してもよい。この場合、透明基材２２・２３間の接合強度をより一層高めることができる。なお、この構成では、光学素子２４上に凹凸部３２が存在するので、上述したように光学素子２４の光学性能の低下が懸念されるが、凹凸部３２および光学素子２４上の接着剤２５の屈折率差を小さくすれば、凹凸部３２の界面での屈折率変化をほとんど無くすことができる。したがって、このような措置を講ずれば、光学素子２４の性能低下を抑えることができると考えられる。
【００７６】
以上のことから、結局、凹凸部３１は、透明基材２２において、接合面全体のうちで光学素子２４が貼り付けられる領域以外の部位に形成されればよく、凹凸部３２は、透明基材２３の接合面のどこに形成されてもよいと言える。また、凹凸部（凹凸部３１・３２）は、透明基材２２・２３の全接合面の一部に形成されているとも言える。
【００７７】
また、本実施形態では、透明基材２２の接合面は、法線方向の異なる複数の面（面２２ａ・２２ｂ・２２ｃ）を含んでおり、透明基材２３の接合面は、法線方向の異なる複数の面（面２３ａ・２３ｂ・２３ｃ）を含んでいる。これにより、透明基材２２の面２２ａ・２２ｂ・２２ｃには、互いに異なる方向に接着剤２５の接着力が働く。また、透明基材２３においても同様に、面２３ａ・２３ｂ・２３ｃには、互いに異なる方向に接着剤２５の接着力が働く。その結果、透明基材２２・２３同士の接着強度をさらに高めて、破壊に対してより強くすることができる。
【００７８】
また、このように透明基材２２・２３の接合面が、法線方向の異なる複数の面を含んでいる場合、本実施形態のように、光学素子２４が貼付された面２２ｂとは法線方向の異なる面（例えば面２２ａ・２２ｃまたは面２３ａ・２３ｃ）に凹凸部３１・３２を設けるようにすれば、透明基材２２・２３の接合強度を飛躍的に高めることが可能である。
【００７９】
また、透明基材２２の接合面（面２２ａ・２２ｂ・２２ｃ）において凹凸部３１が形成されている領域の面積は、透明基材２２の接合面全体の面積の１０％以上であることが望ましい。同様に、透明基材２３の接合面（面２３ａ・２３ｂ・２３ｃ）において凹凸部３２が形成されている領域の面積は、透明基材２３の接合面全体の面積の１０％以上であることが望ましい。
【００８０】
凹凸部３１・３２の形成領域の面積が各々の透明基材２２・２３における接合面全体の面積の１０％未満であると、面積が少なすぎることによって凹凸部３１・３２の形成による接合力向上の効果が小さい。しかし、凹凸部３１・３２の形成領域の面積が接合面全体の面積の１０％以上であれば、透明基材２２・２３同士の高い接着強度を最低限確保することができる。
【００８１】
また、透明基材２２の接合面において光学素子２４が貼り付けられている領域の面積は、透明基材２２の接合面全体の面積の９０％以下であることが望ましい。接着剤２５として、光学素子２４を劣化させないような接着剤を選択すると、一般的に接着力が弱くなるので、光学素子２４の貼付領域以外で接着強度を確保することが望ましい。このためには、光学素子２４が貼付されている領域の面積を、接合面全体の面積の９０％以下とする、つまり、接合面のうちで光学素子２４が貼り付けられている領域以外の部位を接合面全体の面積の１０％以上確保することが望ましい。
【００８２】
また、本実施形態では、透明基材２２・２３の接合に用いる接着剤２５として、紫外線硬化型接着剤を用いている。一般的に、紫外線硬化型接着剤は、溶剤を含まず、収縮率が小さい接着剤であるので、光学素子２４に与えるダメージが非常に小さい。また、紫外線硬化型接着剤は、熱硬化型接着剤のように硬化時に熱を必要としないので、透明基材２２・２３が例えばプラスチックからなる場合には特に有利である。
【００８３】
また、本実施形態のように、透明基材２２・２３を接着剤２５で接合する場合、透明基材２２・２３の屈折率と接着剤２５の屈折率との差が、０．０２以下であることが望ましい。このような条件を満足する透明基材２２・２３と接着剤２５との組み合わせとしては、例えば、三菱レイヨン製のアクリペット（屈折率１．４９）と東亞合成社のLCR0628A（屈折率１．５０）とがある。
【００８４】
一般に、接合面に凹凸部３１・３２を形成すると、その凹凸部３１・３２で光線が拡散し、接合面を通して外界像を視認する際に支障が生じる。しかし、透明基材２２・２３の屈折率と接着剤２５の屈折率との差を０．０２以下として、接合に使用する接着剤２５の屈折率を、凹凸部３１・３２を設けた透明基材２２・２３の屈折率と限りなく近づけることにより、接着剤２５と透明基材２２・２３との界面での光の屈折・散乱が少なくなり、観察者は上記接合部を通して外界像を問題なく視認することが可能となる。
【００８５】
ところで、透明基材２２・２３としては、透明性・成型性に優れたアクリル系の材料を用い、ホログラムからなる光学素子２４としては、優れた屈折率変化を示すアクリル系材料（アクリレート誘導体）からなるフォトポリマーを用いることが望ましい。そこで、このような材料で透明基材２２・２３および光学素子２４を構成して光学デバイスを作製する場合、透明基材２２・２３を接合する接着剤２５には、アクリル系の材料（アクリレート誘導体）を用いることが望ましい。
【００８６】
より具体的には、透明基材２２・２３の材料としては、例えばメタクリル樹脂を含むもの（例えば三菱レイヨン製のアクリペット、旭化成社のデルペット）を用いることができる。また、光学素子２４の材料（感光材料）としては、例えばポリメチルメタクリレート、フェノキシエチルアクリレート、クロロフェニルアクリレートを含むもの（例えばDuPont社のOmniDex）を用いることができる。この場合、接着剤２５としては、例えばアクリル変性オリゴマーを含むもの（例えば東亞合成社のLCR0628A）、テトラヒドロフルヒルメタクリレートを含むもの（例えばNorland Optical社のNOA68）、テトラヒドロフルヒルメタクリレート、置換エチルアクリレート、置換ウレタンアクリレートを含むもの（例えばNorland Optical社のNOA76）を用いることができる。
【００８７】
一般的に、材料の密着性（接着力）は、異種材料同士よりも同種の材料同士のほうが強い。したがって、光学素子２４（感光材料）および透明基材２２・２３ともにアクリル系の材料を用いる場合には、接着剤２５もアクリル系の材料を用いる方が、必然的にこれらをより強力に接合することが可能となる。
【００８８】
ところで、本実施形態では、各透明基材２２・２３の接合面が法線方向の異なる複数の面（面２２ａ・２２ｂ・２２ｃ、面２３ａ・２３ｂ・２３ｃ）を含んでいる構成について説明したが、上記接合面は１面のみであってもよい。
【００８９】
例えば、図６（ａ）は、透明基材２２の他の構成例を示す平面図であり、図６（ｂ）は、透明基材２３の他の構成例を示す平面図であり、図６（ｃ）は、透明基材２２・２３を接合させた接眼光学系２１の他の構成例を示す平面図である。透明基材２２の接合面は、面２２ｆの１面だけであり、透明基材２３の接合面は、面２３ｆの１面だけである。そして、透明基材２２・２３は、面２２ｆと面２３ｆとが対向するように接着剤を介して接合され、これによって接眼光学系２１が構成されている。
【００９０】
このように接合面が透明基材２２・２３のそれぞれにおいて１つのみとする構成では、図６（ａ）（ｂ）に示すように、光学素子２４が貼り付けられる透明基材２２の面２２ｆを鏡面とし、透明基材２３の面２３ｆにおいて、光学素子２４と対向する部位を含む領域２３ｆ1を鏡面とする一方、面２３ｆの残余の領域２３ｆ2（領域２３ｆ1を除く領域）に凹凸部３２を形成してもよい。
【００９１】
また、図示はしないが、透明基材２２の面２２ｆにおいて、光学素子２４が設けられていない領域に凹凸部３１を形成し、透明基材２３の面２３ｆの全体に凹凸部３２を形成してもよい。その他、図１（ａ）ないし図１（ｅ）に基づいて説明した接眼光学系２１の構成を図６（ｃ）の接眼光学系２１に適用してもよい。このように接合面を１つのみ有する構成でも、その接合面に凹凸部３１・３２を設けることにより、本発明の効果が得られるのは勿論のことである。
【００９２】
また、本実施形態では、透明基材２２・２３の接合面に光学素子２４を配置する構成について説明したが、上記接合面に凹凸部３１・３２を設ける構成は、上記接合面に光学素子２４を配置せずに単に透明基材２２・２３同士を接着剤で接合する構成にも勿論適用することができる。例えば、材料の異なる２つの透明基材同士を接着剤で接合した複合レンズにも本発明を適用することができる。この場合、上記の複合レンズは、複数の透明基材の接合面を介して外界像がシースルーで観察される光学デバイスであって、上記接合面に、表面が凹凸状の凹凸部が形成された光学デバイスであると表現することができる。
【００９３】
このような複合レンズであっても、複数の透明基材の接合面に凹凸部を形成することにより、接合面が鏡面である場合に比べて、接合面の表面積が大幅に増えるので、接合面の面積が小さい場合でも、接着強度の高い特殊な接着剤を用いることなく、透明基材同士を高い接着強度で接合することができるなど、本実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、透明基材同士の接合に接着強度の高い特殊な接着剤を用いなくても済むので、例えば本実施形態の光学デバイスに用いられる接着剤２５を用いて上記透明基材同士を接着することも可能となり、接着剤２５の適用範囲を広げることもできる。
【００９４】
なお、本実施形態では、透明基材２２・２３の接合面は、平面である場合について説明したが、これに限定されるわけではなく、例えば曲面であってもよい。
【００９５】
なお、本実施形態では、映像表示装置１をＨＭＤに適用した例について説明したが、例えばヘッドアップディスプレイに適用することも可能である。
【００９６】
なお、本実施形態では、透明基材２２・２３として、平板上のものを用いているが、曲率を有するものであってもよい。この場合、接眼光学系２１に矯正眼鏡レンズとしての機能を持たせることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】（ａ）は、本発明の実施の一形態に係るヘッドマウントディスプレイに用いられる映像表示装置の接眼光学系の一部の断面図であり、（ｂ）は、上記接眼光学系の他の部分の断面図であり、（ｃ）は、上記接眼光学系の他の構成を示す断面図である。
【図２】（ａ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの概略の構成を示す平面図であり、（ｂ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの側面図であり、（ｃ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの正面図である。
【図３】（ａ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの他の構成を示す平面図であり、（ｂ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの側面図であり、（ｃ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの正面図である。
【図４】上記映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。
【図５】（ａ）は、上記接眼光学系を構成する２種の透明基材のうちの一方の概略の構成を示す平面図であり、（ｂ）は、上記透明基材の正面図であり、（ｃ）は、他方の透明基材の概略の構成を示す平面図であり、（ｄ）は、上記透明基材の正面図であり、（ｅ）は、上記接眼光学系の平面図である。
【図６】（ａ）は、上記一方の透明基材の他の構成例を示す平面図であり、（ｂ）は、上記他方の透明基材の他の構成例を示す平面図であり、（ｃ）は、上記接眼光学系の他の構成例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００９８】
１    映像表示装置
２    支持手段
１１    映像表示素子
２１    接眼光学系（光学デバイス）
２２    透明基材
２２ａ  面（接合面）
２２ｂ  面（接合面）
２２ｃ  面（接合面）
２３    透明基材
２３ａ  面（接合面）
２３ｂ  面（接合面）
２３ｃ  面（接合面）
２４    光学素子
２５    接着剤
３１    凹凸部
３２    凹凸部
【図１】
2006162792.tif 000003
【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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