(57)【要約】【課題】映像の品位の劣化を抑制しながら小型化できる映像表示装置を提供する。【解決手段】観察者の眼前に配される接眼光学系１６と、映像を表示する映像表示素子１４とを備え、映像表示素子１４で表示される映像を観察者の視線方向に外界像に重ねて表示する映像表示装置１において、接眼光学系１６が、視線方向に対向する背面１７ｂ及び前面１８ｃで映像光を全反射して導光する導光部１７、１８と、背面１７ｂと前面１８ｃとの間に配される回折光学素子２１と、背面１７ｂ及び前面１８ｃ上の一方の所定領域Ｒに配される回折光学素子２２とを有し、回折光学素子２１、２２が入射角に応じて映像光の透過と回折反射とを選択するとともに、回折光学素子２１の一面の反射面２１ａで回折反射した映像光が出射され、回折光学素子２２で回折反射した後に反射面２１ａに入射する映像光の入射角と、所定領域Ｒ外の背面１７ｂ上で全反射して回折光学素子２２で回折反射する前に前記反射面に入射する映像光の入射角とが異なる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察者の眼前に配される接眼光学系と、映像を表示する映像表示素子とを備え、前記映像表示素子で表示される映像を観察者の視線方向に外界像に重ねて表示する映像表示装置において、
前記接眼光学系が、前記視線方向に対向する対向面で映像光を全反射して導光する導光部と、両方の前記対向面間に配される第１回折光学素子と、一方の前記対向面上の所定領域に配される第２回折光学素子とを有し、
前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子が入射角に応じて映像光の透過と回折反射とを選択するとともに、前記第１回折光学素子の一面の反射面で回折反射した映像光が出射され、
前記第２回折光学素子で回折反射した後に前記反射面に入射する映像光の入射角と、前記所定領域外の前記対向面上で全反射して前記第２回折光学素子で回折反射する前に前記反射面に入射する映像光の入射角とが異なることを特徴とする映像表示装置。
【請求項２】
両方の前記対向面を互いに平行に配置するとともに、前記第１回折光学素子を前記対向面に対して傾斜して配置した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】
両方の前記対向面を互いに平行に配置するとともに、前記第１回折光学素子を前記対向面と平行に配置した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４】
前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子は体積位相型の反射型ホログラムから成ることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項５】
前記第２回折光学素子の上端で回折反射した映像光が前記第１回折光学素子の前記反射面の上端で回折反射して所定範囲の瞳位置の上端を通り、
前記第２回折光学素子の下端で回折反射した映像光が前記第１回折光学素子の前記反射面の下端で回折反射して前記瞳位置の下端を通ることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項６】
前記第１回折光学素子は前記映像表示素子に表示される映像を拡大する光学パワーを有することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項７】
観察者の眼前に配されて映像光を観察者の眼に導く接眼光学系において、
観察者の視線方向に対向する対向面で映像光を全反射して導光する導光部と、
両方の前記対向面間に配される第１回折光学素子と、
一方の前記対向面上の所定領域に配される第２回折光学素子と、
を備え、前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子が入射角に応じて映像光の透過と回折反射とを選択するとともに、前記第１回折光学素子の一面の反射面で回折反射した映像光が出射され、
前記第２回折光学素子で回折反射した後に前記反射面に入射する映像光の入射角と、前記所定領域外の前記対向面上で全反射して前記第２回折光学素子で回折反射する前に前記反射面に入射する映像光の入射角とが異なることを特徴とする接眼光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、映像表示素子に表示される映像を観察者の視線方向に外界像に重ねて表示する映像表示装置及びそれに用いる接眼光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の映像表示装置は特許文献１に開示されている。この映像表示装置は映像表示素子及び接眼光学系を備えている。映像表示素子は液晶ディスプレイから成り、映像を表示する。図９に示すように、接眼光学系１６は導光部１７と回折光学素子２１とを有する。導光部１７は観察者の眼前に配され、映像光の入光面１７ａが上面に設けられるとともに出射面が背面１７ｂに設けられる。回折光学素子２１は導光部１７の背面１７ｂに傾斜して対向し、映像光を回折反射する。
【０００３】
上記構成の映像表示装置において、映像表示素子からの映像光は入光面１７ａを介して導光部１７に入射する。導光部１７に入射した映像光は全反射しながら導光した後に回折光学素子２１に入射し、回折光学素子２１で回折反射した後に背面１７ｂから出射される。これにより、観察者の眼に映像光が導かれ、映像表示素子に表示される映像が観察者の視線方向に外界像に重ねて表示される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２６４６８２号公報（第６頁、第８図、第１１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、映像表示装置の小型化の要望が高くなっている。しかしながら、上記従来の映像表示装置によれば、導光部１７の厚みを小さくして小型化を図ると、回折光学素子２１の水平方向に対する傾斜角度が大きくなる。このため、図１０に示すように、光軸上の映像光（主光線）が観察者の視線上（位置Ａ）と異なる位置Ｂで回折光学素子２１に入射して回折反射される。これにより、映像のボケや映像の位置ずれ等が生じ、観察者が観察する映像の品位が劣化する問題があった。
【０００６】
本発明は、映像の品位の劣化を抑制しながら小型化できる映像表示装置及びそれに用いる接眼光学系を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために本発明は、観察者の眼前に配される接眼光学系と、映像を表示する映像表示素子とを備え、前記映像表示素子で表示される映像を観察者の視線方向に外界像に重ねて表示する映像表示装置において、前記接眼光学系が、前記視線方向に対向する対向面で映像光を全反射して導光する導光部と、両方の前記対向面間に配される第１回折光学素子と、一方の前記対向面上の所定領域に配される第２回折光学素子とを有し、
前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子が入射角に応じて映像光の透過と回折反射とを選択するとともに、前記第１回折光学素子の一面の反射面で回折反射した映像光が出射され、
前記第２回折光学素子で回折反射した後に前記反射面に入射する映像光の入射角と、前記所定領域外の前記対向面上で全反射して前記第２回折光学素子で回折反射する前に前記反射面に入射する映像光の入射角とが異なることを特徴としている。
【０００８】
また本発明は、上記構成の映像表示装置において、両方の前記対向面を互いに平行に配置するとともに、前記第１回折光学素子を前記対向面に対して傾斜して配置すると好ましい。
【０００９】
また本発明は、上記構成の映像表示装置において、両方の前記対向面を互いに平行に配置するとともに、前記第１回折光学素子を前記対向面と平行に配置すると好ましい。
【００１０】
また本発明は、上記構成の映像表示装置において、前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子は体積位相型の反射型ホログラムから成ると好ましい。
【００１１】
また本発明は、上記構成の映像表示装置において、前記第２回折光学素子の上端で回折反射した映像光が前記第１回折光学素子の前記反射面の上端で回折反射して所定範囲の瞳位置の上端を通り、前記第２回折光学素子の下端で回折反射した映像光が前記第１回折光学素子の前記反射面の下端で回折反射して前記瞳位置の下端を通ると好ましい。
【００１２】
また本発明は、上記構成の映像表示装置において、前記第１回折光学素子は前記映像表示素子に表示される映像を拡大する光学パワーを有すると好ましい。
【００１３】
また本発明は、観察者の眼前に配されて映像光を観察者の眼に導く接眼光学系において、
観察者の視線方向に対向する対向面で映像光を全反射して導光する導光部と、両方の前記対向面間に配される第１回折光学素子と、一方の前記対向面上の所定領域に配される第２回折光学素子とを備え、
前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子が入射角に応じて映像光の透過と回折反射とを選択するとともに、前記第１回折光学素子の一面の反射面で回折反射した映像光が出射され、
前記第２回折光学素子で回折反射した後に前記反射面に入射する映像光の入射角と、前記所定領域外の前記対向面上で全反射して前記第２回折光学素子で回折反射する前に前記反射面に入射する映像光の入射角とが異なることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、導光部の対向する対向面間に第１回折光学素子が配され、一方の対向面上の所定領域に第２回折光学素子が配される。そして、第２回折光学素子で回折反射した後に第１回折光学素子の反射面に入射する映像光の入射角と、所定領域外の対向面上で全反射して第２回折光学素子で回折反射する前に第１回折光学素子の反射面に入射する映像光の入射角とが異なる。これにより、導光部の厚みを小さくして、光軸上の映像光を第１回折光学素子により観察者の視線上で回折反射させることができる。したがって、映像の品位の劣化を抑制しながら映像表示装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態の映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイを示す斜視図
【図２】本発明の第１実施形態の映像表示装置を示す斜視図
【図３】本発明の第１実施形態の映像表示装置の側面断面図
【図４】本発明の第１実施形態の映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイの観察者が装着した状態の側面図
【図５】本発明の第２実施形態の映像表示装置の側面断面図
【図６】本発明の第３実施形態の映像表示装置の側面断面図
【図７】本発明の第４実施形態の映像表示装置の側面断面図
【図８】本発明の第５実施形態の映像表示装置の接眼光学系の側面断面図
【図９】従来の映像表示装置の接眼光学系の側面断面図
【図１０】従来の映像表示装置の接眼光学系の問題点を説明する側面断面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は第１実施形態の映像表示装置を備えるヘッドマウントディスプレイ（以下、「ＨＭＤ」という）の斜視図を示している。ＨＭＤ１００は観察者の頭部ＨＤ（図４参照）に装着される支持部材５０を有し、支持部材５０には映像表示装置１及び音声出力部３２が設けられる。
【００１７】
支持部材５０は樹脂製の左右一対のテンプル５１Ｒ、５１Ｌ及び樹脂製のフレーム５２を有する。テンプル５１Ｒ、５１Ｌはそれぞれ観察者の右側頭部及び左側頭部に当接し、観察者の耳ＥＲ（図４参照）に掛けられる。フレーム５２は略Ｔ字型に形成され、両側端でテンプル５１Ｒ、５１Ｌを回動可能に支持するとともに中央部を下方に突出して鼻当て５３が取り付けられる。鼻当て５３は左右一対設けられ、観察者の鼻に当接する。また、フレーム５２は鼻当て５３の一側方で映像表示装置１を保持する。
【００１８】
映像表示装置１は後述の映像表示素子１４（図２参照）に表示された映像を観察者の視線方向に外界像に重ねてシースルー状態で観察者の眼ＥＹ（図４参照）に虚像として導く。
【００１９】
音声出力部３２は一方のテンプル５１Ｒに設けたイヤホン保持部３４に取り付けられたイヤホンから成り、音声を出力する。イヤホン保持部３４はテンプル５１Ｒの右側面に凹設されて前後に延び、イヤホンを前後に移動可能に保持する。
【００２０】
また、ＨＭＤ１００からケーブル３８が導出され、ケーブル３８の一端は外部の制御装置（不図示）に接続される。ケーブル３８はテンプル５１Ｒの内部を通る。制御装置はケーブル３８を介して映像表示装置１及び音声出力部３２に電力を供給する。また、制御装置はケーブル３８を介して映像信号及び音声信号をそれぞれ映像表示素子１４及び音声出力部３２に送信する。
【００２１】
図２及び図３は映像表示装置１の斜視図及び側面断面図をそれぞれ示している。映像表示装置１はフレーム５２に保持される筐体１５（図１参照）内に配した投影光学系１０と、観察者の眼前に配される接眼光学系１６とを備えている。投影光学系１０は光源１１、拡散板１２、凹面ミラー１３、映像表示素子１４、偏光ビームスプリッター１９を有する。接眼光学系１６は導光部１７、１８、回折光学素子２１（第１回折光学素子）、回折光学素子２２（第２回折光学素子）を有する。
【００２２】
なお、以下の説明の便宜上、以下のように方向を定義する。映像表示素子１４の表示領域の中心と、接眼光学系１６によって形成される光学瞳Ｅの中心とを光学的に結ぶ軸が光軸になる。そして、光源１１から光学瞳Ｅまでの光路を展開したときの光軸方向をＺ方向とする。また、接眼光学系１６の後述する回折光学素子２１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、回折光学素子２１の入射面は導光部１７の前面１７ｃ（対向面）及び導光部１８の前面１８ｃ（対向面）に垂直な鉛直面になっている。
【００２３】
光源１１は、赤色光、緑色光及び青色光を出射するＬＥＤにより構成される。光源１１の出射光により映像表示素子１４が照明される。なお、図２及び図３では、光源１１から出射される光の主光線ＱＰ（光軸上の光）のみを図示している。凹面ミラー１３は光源１１の出射光を拡散板１２に向けて反射する。拡散板１２はＸ方向に入射光を約４０°拡散させ、Ｙ方向に入射光を約０．５°拡散させる。なお、映像表示装置１から拡散板１２を省いてもよい。
【００２４】
映像表示素子１４は、光が反射する領域となる各画素をマトリクス状に有する反射型の液晶表示素子により構成される。映像表示素子１４は光源１１の出射光を画像データに応じて変調し、制御装置から送信された映像信号に基づく映像を表示する。映像表示素子１４は矩形の表示領域の長手方向がＸ方向となり、短手方向がＹ方向となるように配置される。
【００２５】
なお、反射型の映像表示素子として、例えばＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いてもよい。また、映像表示素子１４は透過型の映像表示素子であってもよい。
【００２６】
偏光ビームスプリッター１９は入射光（ランダム偏光）をＳ偏光成分の反射光とＰ偏光成分の透過光とに分割する。なお、偏光ビームスプリッター１９は入射光をＰ偏光成分の反射光とＳ偏光成分の透過光とに分割してもよい。
【００２７】
接眼光学系１６の導光部１７は例えばアクリル樹脂により板状に形成され、筐体１５（図１参照）の下部から下方に延びる。導光部１７の上端面は映像表示素子１４からの映像光が入射する入光面１７ａになっている。また、導光部１７の対向する前面１７ｃ及び背面１７ｂは全反射面になっている。これにより、導光部１７は入光面１７ａから入射した映像光を導光する。前面１７ｃ及び背面１７ｂは観察者の視線方向に対向する対向面を形成する。
【００２８】
導光部１７の出射側の端面は後方（観察者側）が下がる傾斜面１７ｄにより形成される。これにより、導光部１７の下端部は楔状になっている。
【００２９】
導光部１８は例えばアクリル樹脂により板状に形成される。導光部１８は導光部１７の傾斜面１７ｄに対向配置され、傾斜面１７ｄから出射される映像光を傾斜面１８ｄから入射して導光する。傾斜面１８ｄは傾斜面１７ｄと平行に形成され、回折光学素子２１を挟んで接着剤３０により導光部１７と導光部１８とは接合される。接着剤３０の屈折率は導光部１７、１８、回折光学素子２１の屈折率と略同じであると望ましい。導光部１８の前面１８ｃ及び背面１８ｂは観察者の視線方向に対向する対向面を形成し、導光部１７の背面１７ｂと導光部１８の前面１８ｃとは観察者の視線方向に対向する対向面を形成する。
【００３０】
導光部１８は導光部１７の下端部と貼り合わされたときに、導光部１７と一体となって略平行平板となる。
【００３１】
導光部１７に導光部１８を接合させない場合、前方（図３において右方）から入射する外光は導光部１７の傾斜面１７ｄに入射したときに屈折する。このため、導光部１７を介して観察される外界像に歪みが生じる。導光部１７に導光部１８を接合させて一体的な略平行平板を形成することにより、前方から入射する外光に対して傾斜面１７ｄ上の屈折を防止することができる。したがって、シースルー状態で観察される外界像の歪みを防止することができる。
【００３２】
なお、前面１７ｃ、１８ｃ、背面１７ｂ、１８ｂは平面であってもよく、曲面であってもよい。後者の場合、接眼光学系１６に矯正眼鏡レンズとしての機能を持たせることができる。
【００３３】
導光部１７の傾斜面１７ｄと導光部１８の傾斜面１８ｄとの間にはフィルム状の回折光学素子２１が配置される。これにより、回折光学素子２１は背面１７ｂと前面１８ｃとの間に配される。回折光学素子２１は導光部１７の傾斜面１７ｄ上に接して配置される。なお、回折光学素子２１を導光部１８の傾斜面１８ｄ上に接して配置してもよい。
【００３４】
回折光学素子２１は体積位相型の反射型ホログラムにより構成され、映像光の入射角に応じて映像光の透過と反射とを選択する。回折光学素子２１は背面の反射面２１ａで映像光を回折反射して光学瞳Ｅに導き、映像表示素子１４に表示される映像を観察者の眼ＥＹ（図４参照）に虚像として導く。
【００３５】
フィルム状の回折光学素子２２は導光部１７の背面１７ｂ上の所定の領域Ｒ（図２参照）に設けられ、回折光学素子２１に対向して配置される。領域Ｒは観察者の瞳に対向する領域を含む。
【００３６】
なお、予めフィルム状に形成された回折光学素子２１、２２を接着剤３０により傾斜面１７ｄまたは背面１７ｂに貼り付けてもよい。また、感光性の樹脂材料を傾斜面１７ｄまたは背面１７ｂ上に直接塗布した後に乾燥させてフィルム状に形成したものに対してレーザー光等で露光することにより回折光学素子２１、２２を形成してもよい。
【００３７】
回折光学素子２１、２２は、例えば、回折効率のピーク波長および回折効率半値の波長幅で４６５±５ｎｍ（青色光）、５２１±５ｎｍ（緑色光）、６３４±５ｎｍ（赤色光）の３つの波長域の光を回折反射させるように形成される。ここで、回折効率のピーク波長とは、回折効率がピークとなるときの波長である。回折効率半値の波長幅とは、回折効率のピーク値の半値となるときの波長幅である。
【００３８】
回折光学素子２１、２２は高い波長選択性を有し、上記波長域（露光波長近辺）の波長の光のみを回折反射する。このため、回折反射される波長以外の波長を含む外光は回折光学素子２１、２２を透過し、回折光学素子２１、２２により高い外光透過率を実現することができる。また、回折光学素子２１、２２は軸非対称な正の光学パワーを有する。すなわち、回折光学素子２１、２２は正のパワーを有する非球面凹面ミラーと同様の機能を有する。これにより、映像表示装置１は収差補正された良好な拡大映像を観察者に提供することができる。
【００３９】
回折光学素子２１、２２は高い角度選択性を有し、所定の入射角の範囲の映像光のみを回折反射する。また、回折光学素子２１の角度選択性と回折光学素子２２の角度選択性とは互いに異なっている。なお、角度選択性が高くなるに従って、回折光学素子２１、２２の入射光が回折反射できる入射角の範囲は狭くなる。
【００４０】
また、映像光の主光線ＱＰ（光軸上の映像光）は回折光学素子２１に対して観察者の視線上の位置Ａよりも上方の位置Ｂ及び位置Ｃで透過した後に位置Ａで入射する。この時、位置Ｂでは領域Ｒ外の背面１７ｂで全反射した主光線ＱＰが入射する。位置Ｃでは前面１８ｃで全反射した主光線ＱＰが入射する。位置Ａでは領域Ｒ上の回折光学素子２２で回折反射した主光線ＱＰが入射する。
【００４１】
主光線ＱＰの背面１７ｂ上の反射角は回折光学素子２２を配した領域Ｒの内外で異なる。このため、位置Ａの入射角φは位置Ｂの入射角θ１及び位置Ｃの入射角θ２と異なっている。本実施形態では入射角θ１と入射角φとの差は約１０°になっている。回折光学素子２２は主光線ＱＰの入射角φが回折光学素子２１で回折反射する入射角の範囲内になるように形成される。これにより、位置Ｂ及び位置Ｃで回折光学素子２１を透過する主光線ＱＰは位置Ａで回折反射して背面１７ｂ（出射面）から出射される。
【００４２】
上記構成の映像表示装置１を備えたＨＭＤ１００において、図４に示すように、観察者が支持部材５０のテンプル５１Ｒ、５１Ｌを耳ＥＲに掛けることにより、ＨＭＤ１００は観察者の頭部ＨＤに装着される。
【００４３】
制御装置によってケーブル３８を介して映像表示装置１に電力が供給されると光源１１から光が出射される。また、制御装置からケーブル３８を介して映像信号及び音声信号がそれぞれ映像表示素子１４及び音声出力部３２へ送信される。
【００４４】
光源１１の出射光は凹面ミラー１３で反射された後に拡散板１２に入射し、拡散される。拡散板１２で拡散された光は偏光ビームスプリッター１９に入射し、Ｓ偏光成分のみが反射されて映像表示素子１４に入射する。映像表示素子１４に入射した光のうち、制御装置から送信された映像信号（画像データ）に基づいて画素毎に変調された光は偏光の方向が変更され、映像光として反射される。すなわち、映像光はＰ偏光になり、映像光以外の光はＳ偏光のままとなる。この時、映像表示素子１４にはカラー映像が表示される。
【００４５】
映像表示素子１４で反射された光は再び偏光ビームスプリッター１９に入射し、映像光であるＰ偏光成分のみが偏光ビームスプリッター１９を透過する。映像光は入光面１７ａから導光部１７内に入射して前面１７ｃ及び背面１７ｂで複数回全反射され、導光部１７内を導光する。
【００４６】
導光部１７内を導光する映像光は反射面２１ａを介して回折光学素子２１に入射する。即ち、背面１７ｂで全反射された映像光（主光線ＱＰ）は反射面２１ａに位置Ｂ（図３参照）から入射角θ１で入射して透過する。
【００４７】
回折光学素子２１を透過した映像光は傾斜面１８ｄを介して導光部１８に入射する。導光部１８に入射した映像光は前面１８ｃで全反射した後に、回折光学素子２１の前面（反射面２１ａに対向する面）に位置Ｃから入射角θ２で入射する。
【００４８】
回折光学素子２１を透過した映像光は導光部１７の背面１７ｂ上の回折光学素子２２に回折反射する入射角で入射する。回折光学素子２２で回折反射した映像光は入射角φで反射面２１ａの位置Ａに入射して回折反射する。
【００４９】
反射面２１ａで回折反射した映像光は回折反射する入射角の範囲から外れた入射角で回折光学素子２２に入射する。これにより、映像光は回折光学素子２２を透過して接眼光学系１６から出射され、光学瞳Ｅに達する。光学瞳Ｅの位置で、観察者は映像表示素子１４に表示された映像の拡大虚像を観察することができる。
【００５０】
これにより、観察者の視線上の位置Ａとは異なる位置Ｂで反射面２１ａに入射した映像光を透過させ、位置Ａで反射面２１ａに入射した映像光を回折反射して出射させることができる。このため、導光部１７、１８の厚みＴを小さくして接眼光学系１６及び映像表示装置１の小型化を図ることができる。
【００５１】
一方、導光部１７、１８、回折光学素子２１、２２は外光をほとんど全て透過させるため、観察者は導光部１７、１８、回折光学素子２１、２２を介して外界像を容易に観察することができる。したがって、映像表示素子１４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。
【００５２】
以上のように、映像表示素子１４に表示された映像光は接眼光学系１６によって光学瞳Ｅに導かれ、映像表示素子１４に表示される映像の拡大虚像が観察者に提供される。この時、観察者は導光部１７、１８、回折光学素子２１、２２を介して外界像も視認することができる。すなわち、映像表示装置１は映像表示素子１４に表示された映像を観察者の視線方向に外界像に重ねてシースルー状態で表示することができる。
【００５３】
なお、回折光学素子２１で回折反射した映像光線の全てが回折光学素子２２を必ずしも透過する必要はなく、例えば回折光学素子２２の下方または上方の背面１７ｂを透過して観察者の瞳に入射する映像光線があっても構わない。
【００５４】
本実施形態によると、導光部１７、１８の対向する背面１７ｂ（対向面）と前面１８ｃとの間に回折光学素子２１（第１回折光学素子）が配され、背面１７ｂ上の所定の領域Ｒに回折光学素子２２（第２回折光学素子）が配される。そして、回折光学素子２２で回折反射した後に反射面２１ａに入射する映像光の入射角と、領域Ｒ外の背面１７ａ（対向面）上で全反射して回折光学素子２２で回折反射する前に反射面２１ａに入射する映像光の入射角とが異なる。これにより、導光部１７、１８の厚みＴを小さくして、光軸上の映像光を回折光学素子２１により観察者の視線上で回折反射させることができる。したがって、映像の品位の劣化を抑制しながら映像表示装置１及び接眼光学系１６の小型化を図ることができる。
【００５５】
反射面２１ａが導光部１８の前面１８ｃに接するとともに回折光学素子２１の前面が空気層に接するように回折光学素子２１を配置した場合、反射面２１ａから入射して回折光学素子２１を透過した映像光は回折光学素子２１の空気層に接する前面で全反射する。この時、回折光学素子２１の素材としてフィルム状の樹脂素材を用いるため、回折光学素子２１の前面の面精度は良好ではない。このため、上記のように回折光学素子２１の空気層に接する前面で全反射した映像光は散乱したり、意図しない方向へ反射したりする。その結果、映像のボケ等の映像の品位の劣化が生じる。
【００５６】
本実施形態では、回折光学素子２１は導光部１７の背面１７ｂ（対向面）と導光部１８の前面１８ｃ（対向面）との間に配置される。これにより、回折光学素子２１の前面が空気層に接しないため、映像光の導光の散乱等を防止して映像の品位の劣化を抑制することができる。
【００５７】
また、回折光学素子２１、２２は体積位相型の反射型ホログラムから成るため、映像表示装置１及び接眼光学系１６を容易に実現することができる。
【００５８】
また、回折光学素子２１は映像表示素子１４に表示される映像を拡大する光学パワーを有する。これにより、映像表示素子１４に表示された映像を容易に拡大することができる。
【００５９】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図５は第２実施形態の映像表示装置の側面断面図を示している。説明の便宜上、前述の図１〜図４に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態では、回折光学素子２１（第１回折光学素子）の配置が第１実施形態とは異なっている。その他の部分は第１実施形態と同様である。
【００６０】
回折光学素子２１の反射面２１ａの下端は導光部１７の背面１７ｂの下端に接して配される。これにより、本実施形態の回折光学素子２１は第１実施形態よりも下方にずれて配される。
【００６１】
上記構成の映像表示装置１において、導光部１７の領域Ｒ外の背面１７ｂで全反射した映像光（主光線ＱＰ）は傾斜面１７ｄから出射し、回折光学素子２１に入射することなく傾斜面１８ｄを介して導光部１８に入射する。その後に、映像光は導光部１８の前面１８ｃで全反射し、入射角θ２で回折光学素子２１の位置Ｃに入射して透過する。
【００６２】
回折光学素子２１を透過した映像光は回折光学素子２２で回折反射した後に入射角φで回折光学素子２１の反射面２１ａの位置Ａに入射する。反射面２１ａに入射した映像光は回折反射した後に回折光学素子２２を透過して接眼光学系１６の外部に出射され、光学瞳Ｅに達する。なお、映像光が入光面１７ａに入射するまでの映像表示装置１の動作は第１実施形態と同様である。
【００６３】
図５では映像光の主光線ＱＰのみを図示しているが、導光部１８の前面１８ｃに入射する主光線ＱＰの下方の映像光線の一部は回折光学素子２１の上端部に入射する。この時、第１実施形態と同様に、回折光学素子２２で回折反射して反射面２１ａに入射する映像光（映像光線の一部）の入射角と、領域Ｒ外の背面１７ａ上で全反射して回折光学素子２２で回折反射する前に反射面２１ａに入射する映像光の入射角とが異なる。
【００６４】
本実施形態でも第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第１実施形態では映像光の主光線ＱＰの回折光学素子２１の透過回数は２回になっているが、本実施形態では映像光の主光線ＱＰの回折光学素子２１の透過回数は１回になっている。これにより、回折光学素子２１の角度選択性の設定の自由度を高めることができる。
【００６５】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図６は第３実施形態の映像表示装置の側面断面図を示している。説明の便宜上、前述の図１〜図４に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態では導光部１７、１８の構成及び回折光学素子２１（第１回折光学素子）の配置が第１実施形態とは異なっている。その他の部分は第１実施形態と同様である。
【００６６】
導光部１７の出射側の端面は平行面１７ｅと垂直面１７ｆとにより形成される。平行面１７ｅは導光部１７の背面１７ｂと導光部１８の前面１８ｃとに対して平行に形成される。垂直面１７ｆは背面１７ｂと前面１８ｃとに対して垂直に形成される。
【００６７】
導光部１８の入射側の端面は平行面１８ｅと垂直面１８ｆとにより形成される。平行面１８ｅは背面１７ｂと前面１８ｃとに対して平行に形成される。垂直面１８ｆは背面１７ｂと前面１８ｃとに対して垂直に形成される。
【００６８】
導光部１７と導光部１８とは接着剤３０を介して接合され、回折光学素子２１は導光部１７の平行面１７ｅ上に接して配置される。なお、回折光学素子２１を導光部１８の平行面１８ｅ上に接して配置してもよい。
【００６９】
上記構成の映像表示装置１において、導光部１７の背面１７ｂで全反射した映像光は入射角θ１で回折光学素子２１の反射面２１ａの位置Ｂに入射して透過する。回折光学素子２１を透過した映像光は導光部１８の前面１８ｃで全反射された後に入射角θ２で回折光学素子２１の前面の位置Ｃに入射して透過する。この時、回折光学素子２１の反射面２１ａ及び前面は背面１７ｂと前面１８ｃとに対して平行になっているため、入射角θ１と入射角θ２は同じ角度になる。
【００７０】
回折光学素子２１を透過して反射面２１ａから出射された映像光は、回折光学素子２２で回折反射された後に入射角φで反射面２１ａの位置Ａに入射して回折反射される。反射面２１ａで回折反射された映像光は回折光学素子２２を透過して接眼光学系１６の外部に出射され、光学瞳Ｅに達する。なお、映像光が入光面１７ａに入射するまでの映像表示装置１の動作は第１実施形態と同様である。
【００７１】
本実施形態でも第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、導光部１７の背面１７ｂと導光部１８の前面１８ｃとを互いに平行に配置するとともに、回折光学素子２１（第１回折光学素子）及び回折光学素子２２（第２回折光学素子）を背面１７ｂ及び前面１８ｃと平行に配置している。これにより、領域Ｒ外の背面１７ｂ上で全反射して回折光学素子２２で回折反射する前に反射面２１ａに入射する映像光の入射角θ１と、前面１８ｃ上で全反射して回折光学素子２１の前面に入射する映像光の入射角θ２とを同じ角度にすることができる。したがって、回折光学素子２１の角度選択性の設定の自由度を高めることができる。
【００７２】
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図７は第４実施形態の映像表示装置の側面断面図を示している。説明の便宜上、前述の図１〜図４に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態では回折光学素子２２（第２回折光学素子）の配置が第１実施形態とは異なっている。その他の部分は第１実施形態と同様である。
【００７３】
回折光学素子２２は導光部１８の前面１８ｃ上の所定の領域Ｒに設けられる。背面１７ｂ上で全反射した映像光は入射角θ１で回折光学素子２１の反射面２１ａの位置Ｂに入射する。反射面２１ａに入射した映像光は回折光学素子２１を透過し、導光部１８の前面１８ｃ上の回折光学素子２２に入射する。
【００７４】
回折光学素子２２に入射した映像光は回折反射された後に入射角θ２で回折光学素子２１の前面に入射して透過する。回折光学素子２１を透過した映像光は背面１７ｂで全反射された後に入射角φで回折光学素子２１の反射面２１ａの位置Ａに入射して背面１７ｂへ向けて回折反射される。そして、映像光は背面１７ｂから接眼光学系１６の外部へ出射され、光学瞳Ｅに達する。なお、映像光が入光面１７ａに入射するまでの映像表示装置１の動作は第１実施形態と同様である。
【００７５】
この時、回折光学素子２１を透過した後に背面１７ｂに向かう映像光は回折光学素子２２で予め回折反射されている。このため、入射角θ１と入射角φとを異なるようにできる。
【００７６】
本実施形態によれば、回折光学素子２２を導光部１７の背面１７ｂ上に配置できない場合でも第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７７】
＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態について説明する。図８は第５実施形態の映像表示装置の接眼光学系の側面断面図を示している。説明の便宜上、前述の図１〜図４に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態では回折光学素子２１、２２の配置が第１実施形態とは異なっている。その他の部分は第１実施形態と同様である。
【００７８】
回折光学素子２２の上端で回折反射した映像光が回折光学素子２１の反射面２１ａの上端で回折反射して所定範囲の瞳位置Ｗの上端ＥＵを通るように回折光学素子２１、２２は配置される。また、回折光学素子２２の下端で回折反射した映像光が反射面２１ａの下端で回折反射して瞳位置Ｗの下端ＥＤを通るように回折光学素子２１、２２は配置される。
【００７９】
すなわち、瞳位置Ｗに入射した映像光を逆追跡した場合、上端の最外光ＬＵと下端の最外光ＬＤとで囲まれた領域にのみに回折光学素子２１、２２が配置される。なお、瞳位置ＷはＨＭＤ１００を装着した観察者の瞳が移動し得る距離範囲に設定される。
【００８０】
本実施形態でも第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８１】
一般的に、回折光学素子２１、２２の回折効率を１００％にすることは困難であり、回折光学素子２１、２２で回折せずに反射した映像光や透過した映像光が導光部１７、１８内を導光し続ける場合がある。導光部１７、１８を導光し続けた映像光は意図せず回折反射される入射角で回折光学素子２１、２２に入射するおそれがある。この場合、意図せずに回折反射した映像光によって映像のボケやゴースト等が生じ、映像の品位の劣化が生じる。
【００８２】
本実施形態によれば、回折光学素子２２（第２回折光学素子）の上端で回折反射した映像光が回折光学素子２１（第１回折光学素子）の反射面２１ａの上端で回折反射して所定範囲の瞳位置Ｗの上端ＥＵを通る。そして、回折光学素子２２の下端で回折反射した映像光が回折光学素子２１の反射面２１ａの下端で回折反射して瞳位置Ｗの下端ＥＤを通る。これにより、回折光学素子２１、２２が配置される領域を最小限にすることができ、導光部１７、１８を導光し続けた映像光の回折光学素子２１、２２への意図しない入射を低減することができる。したがって、映像のボケやゴースト等を防止し、映像の品位をより向上させることができる。
【００８３】
なお、第１実施形態〜第５実施形態において、回折光学素子２１、２２として体積位相型の反射型ホログラムを用いているが、これに替えて、その他の回折光学素子を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明は、映像表示素子で表示される映像を観察者の視線方向に外界像に重ねて表示する映像表示装置及びそれに用いる接眼光学系に利用することができる。
【符号の説明】
【００８５】
１      映像表示装置
１１    光源
１２    拡散板
１３    凹面ミラー
１４    映像表示素子
１５    筐体
１６    接眼光学系
１７、１８    導光部
１７ａ  入光面
１７ｂ、１８ｂ    背面
１７ｃ、１８ｃ    前面
１９    偏光ビームスプリッター
２１    回折光学素子（第１回折光学素子）
２２    回折光学素子（第２回折光学素子）
３２    音声出力部
５０    支持部材
５１Ｌ、５１Ｒ    テンプル
５２    フレーム
１００    ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）
【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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