(57)【要約】【課題】映像の画角を大きく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、入光面１７ａから入射した映像光を導光する導光部１７と、導光部１７の出射側の傾斜面１７ｄに対向配置して映像光を導光するとともに傾斜面１７ｄの反対側に映像光を反射して中間像Ｍを結像させるパワー反射面１８ａを有した導光部１８と、導光部１７と導光部１８との間に配されて視斜角に応じて映像光の透過と反射とを選択する反射型ホログラム光学素子１９と、を備え、導光部１７を導光して反射型ホログラム光学素子１９を透過した映像光が、導光部１８を導光して反射型ホログラム光学素子１８で反射することにより出射される。【選択図】図２
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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、入光面から入射した映像光を導光する第１導光部と、前記第１導光部の出射側の端面に対向配置して映像光を導光するとともに前記端面の反対側に映像光を反射して中間像を結像させるパワー反射面を有した第２導光部と、前記第１導光部と前記第２導光部との間に配されて視斜角に応じて映像光の透過と反射とを選択する反射型ホログラム光学素子と、を備え、
前記第１導光部を導光して前記反射型ホログラム光学素子を透過した映像光が、前記第２導光部を導光して前記反射型ホログラム光学素子で反射することにより出射されることを特徴とする映像表示装置。
【請求項２】
前記反射型ホログラム光学素子の厚みが１０μｍ以上であ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】
前記映像表示素子からの映像光の主光線上の前記反射型ホログラム光学素子と前記中間像との距離をａ、前記主光線上の前記中間像と前記パワー反射面との距離をｂとしたときに、０．４＜ｂ／（ａ＋ｂ）＜０．９を満たすことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の映像表示装置。
【請求項４】
前記反射型ホログラム光学素子の同じ位置に入射する前記第１導光部からの映像光の視斜角と前記第２導光部からの映像光の視斜角との差が１０°以上であ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１導光部と前記第２導光部とは接着剤を介して接合され、前記反射型ホログラム光学素子が前記第２導光部上に接して配置され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】
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、
入光面から入射した映像光を導光する第１導光部と、
前記第１導光部の出射側に対向配置して映像光を導光するとともに前記第１導光部の反対側に映像光を反射して中間像を結像させるパワー反射面を有した第２導光部と、
前記第１導光部と前記第２導光部との間に配されて視斜角に応じて映像光の透過と反射とを選択する反射型ホログラム光学素子と、
を備え、前記第１導光部を導光して前記反射型ホログラム光学素子を透過した映像光が、前記第２導光部を導光して前記反射型ホログラム光学素子で反射することにより出射され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、リレー光学系及び接眼光学系を有する。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。接眼光学系は導光板と体積位相型の反射型ホログラム光学素子とを有する。導光板は観察者の眼前に配され、映像表示素子からの映像光を入光面から入射して導光し、出射面から観察者の眼に向けて出射する。反射型ホログラム光学素子は導光板の出射面に対向する傾斜面に配され、映像光を導光板の出射面に向けて回折反射する。リレー光学系は映像表示素子と接眼光学系との間に配され、複数のレンズを有する。複数のレンズは映像表示素子に表示された映像の中間像が導光板内に結像されるように配される。
【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リレー光学系の複数のレンズを透過した後に入光面を介して導光板に入射する。導光板に入射した映像光は導光板の内部を全反射しながら導光した後に反射型ホログラム光学素子の近傍で中間像を結像する。その後、中間像を結像した映像光は反射型ホログラム光学素子で回折反射して導光板の出射面から出射される。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。
【０００４】
この時、反射型ホログラム光学素子の近傍で映像の中間像が結像されるため、映像表示素子を大きくすることなく観察者が観察する映像の画角を大きくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３１１３７９号公報（第３頁、第４頁、第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の映像表示装置によると、中間像を結像させるために複数のレンズを有するリレー光学系を映像表示素子と接眼光学系との間に設けている。このため、映像表示装置が大型化する問題があった。
【０００７】
本発明は、映像の画角を大きく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】
【０００８】
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、入光面から入射した映像光を導光する第１導光部と、前記第１導光部の出射側の端面に対向配置して映像光を導光するとともに前記端面の反対側に映像光を反射して中間像を結像させるパワー反射面を有した第２導光部と、前記第１導光部と前記第２導光部との間に配されて視斜角に応じて映像光の透過と反射とを選択する反射型ホログラム光学素子と、を備え、前記第１導光部を導光して前記反射型ホログラム光学素子を透過した映像光が、前記第２導光部を導光して前記反射型ホログラム光学素子で反射することにより出射されることを特徴としている。
【０００９】
また本発明は、上記構成の映像表示装置において、前記反射型ホログラム光学素子の厚みが１０μｍ以上であると好ましい。
【００１０】
また本発明は、上記構成の映像表示装置において、前記映像表示素子からの映像光の主光線上の前記反射型ホログラム光学素子と前記中間像との距離をａ、前記主光線上の前記中間像と前記パワー反射面との距離をｂとしたときに、０．４＜ｂ／（ａ＋ｂ）＜０．９を満たすと好ましい。
【００１１】
また本発明は、上記構成の映像表示装置において、前記反射型ホログラム光学素子の同じ位置に入射する前記第１導光部からの映像光の視斜角と前記第２導光部からの映像光の視斜角との差が１０°以上であると好ましい。
【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導光部と前記第２導光部とは接着剤を介して接合され、前記反射型ホログラム光学素子が前記第２導光部上に接して配置されると好ましい。
【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、
入光面から入射した映像光を導光する第１導光部と、
前記第１導光部の出射側に対向配置して映像光を導光するとともに前記第１導光部の反対側に映像光を反射して中間像を結像させるパワー反射面を有した第２導光部と、
前記第１導光部と前記第２導光部との間に配されて視斜角に応じて映像光の透過と反射とを選択する反射型ホログラム光学素子と、
を備え、前記第１導光部を導光して前記反射型ホログラム光学素子を透過した映像光が、前記第２導光部を導光して前記反射型ホログラム光学素子で反射することにより出射されることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、接眼光学系が入光面を有する第１導光部に反射型ホログラム光学素子を介して第２導光部を対向配置し、第２導光部にパワー反射面が設けられる。このため、映像光がパワー反射面で反射して中間像を結像した後に反射型ホログラム光学素子で反射して観察者の眼に向けて出射される。これにより、従来例のようなリレー光学系を設けることなく第２導光部で映像光の光路を折り返して映像の中間像を結像することができる。したがって、観察者の観察する映像の画角を大きく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の側面断面図
【図３】本発明の第１実施形態の映像表示装置を背面側から見た斜視図
【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１実施形態の映像表示装置の反射型ホログラム光学素子における映像光の視斜角と透過率及び反射率との関係を示す図
【図６】本発明の第１実施形態の映像表示装置の第１導光部から反射型ホログラム光学素子に入射する映像光の視斜角と、第２導光部から反射型ホログラム光学素子に入射する映像光の視斜角との関係を説明するための側面図
【図７】本発明の第１実施形態の映像表示装置の光路の展開図
【図８】比較例の映像表示装置の光路の展開図
【図９】本発明の第２実施形態の映像表示装置を示す側面断面図
【図１０】本発明の第３実施形態の映像表示装置を示す側面断面図
【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る凹部から成り、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は映像表示装置１の側面断面図を示している。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は接眼光学系１６に近づく方向に順に配した光源１１、拡散板１２、集光レンズ１３及び映像表示素子１４を有する。接眼光学系１６は導光部１７（第１導光部）、導光部１８（第２導光部）及び反射型ホログラム光学素子１９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を光軸とする。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の後述する反射型ホログラム光学素子１９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、反射型ホログラム光学素子１９の入射面は導光部１７の前面１７ｃ及び導光部１８の前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。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】
集光レンズ１３は例えばシリンダーレンズにより構成され、拡散板１２で拡散された光をＹ方向に集光する。集光レンズ１３は拡散板１２で拡散された光が効率よく光学瞳Ｅを形成するように配置される。
【００２５】
映像表示素子１４は、光が透過する領域となる各画素をマトリクス状に有する透過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。
【００２６】
なお、映像表示素子１４は反射型の映像表示素子であってもよい。反射型の映像表示素子としては、例えば反射型の液晶表示素子またはＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いることができる。
【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て筐体１５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が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。
【００２８】
導光部１７の出射側の端面は前方が下がる傾斜面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１８ｃから入射して導光する。傾斜面１８ｃは傾斜面１７ｄと平行に形成され、反射型ホログラム光学素子１９を挟んで接着剤２０により導光部１７と導光部１８とは接合される。
【００３０】
また、導光部１８には傾斜面１７ｄの反対側の端面にパワー反射面１８ａが設けられる。パワー反射面１８ａは例えば、焦点距離が１０ｍｍのパワーを有する凹面のミラー面により形成される。パワー反射面１８ａは導光部１８を導光した映像光を反射して後述の中間像Ｍを結像させる。なお、パワー反射面１８ａを自由曲面ミラーにより形成してもよい。これにより、中間像Ｍの収差を低減することができる。
【００３１】
図３は接眼光学系１６を背面側（観察者の眼ＥＹ側）から見た斜視図を示している。導光部１８は平面視略Ｕ字型のアクリル樹脂の平行平板により構成され、導光部１７の下端部及び両側面部（左右の端面）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。
【００３２】
導光部１７に導光部１８を接合させない場合、前方から入射する外光は導光部１７の傾斜面１７ｄから出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。
【００３３】
なお、前面１７ｃ、背面１７ｂ、１８ｂ、及び導光部１８の前面は平面であってもよいし、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。
【００３４】
導光部１７の傾斜面１７ｄと導光部１８の傾斜面１８ｃとの間には反射型ホログラム光学素子１９が配置される。導光部１７と導光部１８とは接着剤２０（図２参照）を介して接合され、反射型ホログラム光学素子１９は導光部１７の傾斜面１７ｄ上に接して配置される。反射型ホログラム光学素子１９は体積位相型の反射型ホログラムにより構成され、映像光の視斜角（入射角の補角）に応じて映像光の透過と反射とを選択する。
【００３５】
反射型ホログラム光学素子１９は後述の中間像Ｍからの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拡大して観察者の眼ＥＹに虚像として導く。反射型ホログラム光学素子１９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、回折効率が回折効率ピークの半値となるときの波長幅である。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。
【００３６】
反射型ホログラム光学素子１９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反射型ホログラム光学素子１９を透過し、反射型ホログラム光学素子１９により高い外光透過率を実現することができる。また、反射型ホログラム光学素子１９は軸非対称な正の光学パワーを有する。すなわち、反射型ホログラム光学素子１９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、収差補正された良好な映像を観察者に提供することができる。
【００３７】
反射型ホログラム光学素子１９は、基本的にその反射型ホログラム光学素子１９を作成した時と同じ波長及び入射角度の光を与えたときの波面再現の回折効率が最も高くなる。このため、映像表示素子１４からの映像光は反射型ホログラム光学素子１９の回折効率のピーク波長に合わせた波長の光にすることが望ましい。例えば、反射型ホログラム光学素子１９が５３０ｎｍ近傍に回折効率のピーク波長を有し、映像表示素子１４として液晶表示素子等の非自発光型の映像表示素子を用いた場合には、光源１１としては５３０ｎｍ付近に発光ピークをもつ緑色のＬＥＤ等が適する。
【００３８】
映像光（物体光）を反射型ホログラム光学素子１９に垂直に入射させた場合、映像光の波長をλ0、反射型ホログラム光学素子１９の屈折率をｎ、反射型ホログラム光学素子１９の厚みをＴ、参照光の入射角度をθｒとしたとき、角度選択性Δθは式（１）により表される。
【００３９】
Δθ＝−λ0（ｎ2−ｓｉｎ2θｒ）1/2／（Ｔｓｉｎθｒ・ｃｏｓθｒ）・・・（１）
【００４０】
角度選択性Δθ（図５も参照）はブラッグ（Bragg）の回折条件を満たす視斜角θｂ（ブラッグ回折角）と、反射型ホログラム光学素子１９の映像光の透過率が５０％（反射率が５０％）になる視斜角θｈとの角度の差をいう。なお、視斜角とは入射角の補角を示す。
【００４１】
式（１）により、反射型ホログラム光学素子１０の厚みＴを大きくすると、角度選択性Δθが小さくなる。これにより、反射型ホログラム光学素子１９は特定範囲の角度で入射した映像光のみを回折反射することができる。
【００４２】
なお、反射型ホログラム光学素子１９の厚みＴは１０μｍ以上であると望ましい。これにより、回折効率半値の波長幅が２０ｎｍ以下になり、反射型ホログラム光学素子１９の映像光の透過と反射との選択が容易になる。このため、エネルギー効率（回折効率）を向上させることができる。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
光源１１の出射光は拡散板１２で拡散され、集光レンズ１３で集光された後に映像表示素子１４に入射する。映像表示素子１４に入射した光は、制御装置から送信された映像信号（画像データ）に基づいて各画素毎に変調され、映像光として出射される。この時、映像表示素子１４にはカラー映像が表示される。
【００４６】
映像表示素子１４からの映像光は、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。導光部１７は全反射により映像光を導光するため、光量の損失を低減することができる。また、前面１７ｃ及び背面１７ｂに対する映像光の入射角度により映像光の選択を行うことができるため、光路分割を行う必要がない。
【００４７】
導光部１７の傾斜面１７ｄに到達した映像光は傾斜面１７ｄから出射され、反射型ホログラム光学素子１９に入射する。反射型ホログラム光学素子１９は映像光の視斜角（入射角の補角）に応じて映像光の透過と反射とを選択する。この時、傾斜面１７ｄから出射された映像光の主光線Ｑｐ（図２参照）が反射型ホログラム光学素子１９を透過するように反射型ホログラム光学素子１９は配置されている。
【００４８】
反射型ホログラム光学素子１９を透過した映像光は傾斜面１８ｃ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背面１８ｂで全反射した後にパワー反射面１８ａに入射する。パワー反射面１８ａに入射した映像光は反射型ホログラム光学素子１９側に向けて反射される。これにより、反射型ホログラム光学素子１９を透過した映像光の光路が導光部１８内で折り返される。
【００４９】
パワー反射面１８ａで光路が折り返された映像光は導光部１８内の反射型ホログラム光学素子１９の近傍で結像する。これにより、映像表示素子１４で表示される映像の中間像Ｍが形成される。中間像Ｍを結像した映像光は反射型ホログラム光学素子１９で回折反射した後に導光部１８の背面１８ｂ（図２参照）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】
一方、導光部１７、導光部１８及び反射型ホログラム光学素子１９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、導光部１８及び反射型ホログラム光学素子１９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。
【００５１】
以上のように、接眼光学系１６により、映像表示素子１４に表示された映像の光（映像光）は光学瞳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、導光部１８及び反射型ホログラム光学素子１９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。
【００５２】
また、導光部１８を導光した映像光はパワー反射面１８ａで反射して光路が折り返され、中間像Ｍを結像した後に反射型ホログラム光学素子１９で回折反射して観察者の瞳に向けて出射される。これにより、映像表示素子１４を反射型ホログラム光学素子１９から離れて配置するとともに大型化させずに、観察者が観察する映像の画角を大きくすることができる。
【００５３】
この時、映像表示素子１４からの映像光の主光線Ｑｐ上の反射型ホログラム光学素子１９と中間像Ｍとの距離をａ（図７参照）、主光線Ｑｐ上の中間像Ｍとパワー反射面１８ａとの距離をｂ（図７参照）としたときに、ｂ／（ａ＋ｂ）が０．４以下であると、中間像Ｍの結像位置が反射型ホログラム光学素子１９から離れ過ぎて観察者が観察する映像の画角が十分に大きくならない。一方、ｂ／（ａ＋ｂ）が０．９以上であると、パワー反射面１８ａが大きくなり過ぎ、ひいては接眼光学系１６が大きくなり過ぎる。
【００５４】
このため、パワー反射面１８ａが、０．４＜ｂ／（ａ＋ｂ）＜０．９を満たす位置に中間像Ｍを結像させる光学的パワーを有すると望ましい。これにより、観察者の観察する映像の画角を十分に大きくしながら映像表示装置１の小型化を十分に図ることができる。
【００５５】
図５は反射型ホログラム光学素子１９に入射する映像光の反射型ホログラム光学素子１９に対する視斜角と透過率及び反射率との関係を示す図である。左の縦軸は反射型ホログラム光学素子１９に対する映像光の透過率を示し、右の縦軸は反射型ホログラム光学素子１９に対する映像光の反射率を示している。横軸は反射型ホログラム光学素子１９に対する映像光の視斜角（単位：°）を示している。なお、反射型ホログラム光学素子１９の厚みＴは１０μｍになっている。
【００５６】
実線Ａは反射型ホログラム光学素子１９を作成した時と同じ波長の光の視斜角に対する透過率の変化を示している。すなわち、実線Ａは反射型ホログラム光学素子１９の回折特性を示している。破線Ｂは導光部１７から反射型ホログラム光学素子１９に入射する映像光の視斜角に対する透過率の変化を示している。なお、一点鎖線Ｃは導光部１８から反射型ホログラム光学素子１９に入射する映像光の視斜角に対する反射率の変化を示している。
【００５７】
図５の破線Ｂで示すように、導光部１７から反射型ホログラム光学素子１９に入射する映像光は視斜角θｔのときに反射型ホログラム光学素子１９を１００％透過する。すなわち、導光部１７の傾斜面１７ｄから出射された映像光は反射型ホログラム光学素子１９で回折反射されずに反射型ホログラム光学素子１９を透過することができる。この時、視斜角θｔはブラッグ回折角θｂよりも１０°以上大きくなっている。
【００５８】
また、図５の一点鎖線Ｃで示すように、導光部１８から反射型ホログラム光学素子１９に入射する映像光は視斜角がブラッグ回折角θｂのときに反射型ホログラム光学素子１９で１００％回折反射する。すなわち、導光部１８の傾斜面１８ｃから出射された映像光（中間像Ｍからの映像光）は反射型ホログラム光学素子１９で効率良く回折反射される。
【００５９】
図６は、導光部１７から反射型ホログラム光学素子１９に入射する映像光Ｑ１の視斜角θ１と、導光部１８から反射型ホログラム光学素子１９に入射する映像光Ｑ２の視斜角θ２との関係を説明するための側面図を示している。図中の一点鎖線Ｎは反射型ホログラム光学素子１９の法線を示している。
【００６０】
反射型ホログラム光学素子１９のいずれの位置においても、同じ位置に入射する映像光Ｑ１の視斜角θ１と映像光Ｑ２の視斜角θ２との差は１０°以上であると望ましい。これにより、導光部１７から反射型ホログラム光学素子１９に入射した映像光は反射型ホログラム光学素子１９で殆ど回折反射されずに反射型ホログラム光学素子１９を効率よく透過することができる。すなわち、導光部１７から反射型ホログラム光学素子１９に入射した映像光は殆ど損失することなく反射型ホログラム光学素子１９を透過することができる。
【００６１】
図７は本実施形態の映像表示装置１の光路の展開図を示している。図８は比較例の映像表示装置の光路の展開図を示している。比較例ではパワー反射面１８ａを設けずに、導光部１７の入光面１７ａが導光部１７内に中間像Ｍを結像させるパワーを有している。なお、本実施形態及び比較例では導光部１７及び導光部１８の屈折率は１．５になっている。
【００６２】
比較例では中間像Ｍを結像させるために入光面１７ａの厚みＬ２が本実施形態の入光面１７ａの厚みＬ１よりも大きくなっている。したがって、比較例のように入光面１７ａに中間像Ｍを結像させるパワーを持たせると、接眼光学系１６及び映像表示装置１が大型化する。
【００６３】
本実施形態によると、接眼光学系１６が入光面１７ａを有する導光部１７（第１導光部）に反射型ホログラム光学素子１９を介して導光部１８（第２導光部）を対向配置し、導光部１８にパワー反射面１８ａが設けられる。このため、導光部１７を導光した映像光が反射型ホログラム光学素子１９を透過して導光部１８に入射する。そして、導光部１８を導光した映像光はパワー反射面１８ａで反射して中間像Ｍを結像した後に反射型ホログラム光学素子１９で回折反射して観察者の瞳に向けて出射される。これにより、従来例のようなリレー光学系を設けることなく導光部１８で映像光の光路を折り返して映像の中間像Ｍを結像することができる。したがって、観察者の観察する映像の画角を大きくしながら映像表示装置１の小型化を図ることができる。
【００６４】
また、反射型ホログラム光学素子１９の厚みＴを１０μｍ以上にすると、反射型ホログラム光学素子１９は映像光の視斜角に応じて映像光の透過と反射とを容易に選択することができる。
【００６５】
また、映像表示素子１４からの映像光の主光線Ｑｐ上の反射型ホログラム光学素子１９と中間像Ｍとの距離をａ、主光線Ｑｐ上の中間像Ｍとパワー反射面１８ａとの距離をｂとしたときに、０．４＜ｂ／（ａ＋ｂ）＜０．９を満たすと望ましい。これにより、観察者の観察する映像の画角を十分に大きくしながら映像表示装置１の小型化を十分に図ることができる。
【００６６】
また、反射型ホログラム光学素子１９の同じ位置に入射する導光部１７からの映像光Ｑ１の視斜角θ１と導光部１８からの映像光Ｑ２の視斜角θ２との差が１０°以上であると望ましい。これにより、導光部１７から反射型ホログラム光学素子１９に入射した映像光は反射型ホログラム光学素子１９で殆ど回折反射されずに反射型ホログラム光学素子１９を効率よく透過することができる。すなわち、導光部１７から反射型ホログラム光学素子１９に入射した映像光は殆ど損失することなく反射型ホログラム光学素子１９を透過することができる。
【００６７】
＜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９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８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、パワー反射面１８ａの構成が第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。
【００６８】
本実施形態において、反射型ホログラム光学素子１９の厚みＴは２０μｍになっている。パワー反射面１８ａは観察者側（図中、左方）へ行くほど下方になるように傾斜して形成される。パワー反射面１８ａは焦点距離が１５ｍｍのパワーを有する凹面のミラー面により形成される。これにより、導光部１８の厚みを大きくすることなくパワー反射面１８ａを大きくすることができる。なお、パワー反射面１８ａを自由曲面ミラーにより形成してもよい。これにより、中間像Ｍの収差を低減することができる。
【００６９】
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、パワー反射面１８ａは観察者側（後方）へ行くほど下方になるように傾斜して形成される。これにより、導光部１８の厚みを大きくすることなくパワー反射面１８ａを大きくすることができる。したがって、反射型ホログラム光学素子１９により近い位置に中間像Ｍを結像させることができる。その結果、映像表示装置１の小型化を図りながら観察者の観察する映像の画角をより大きくすることができる。
【００７０】
＜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１０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８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。本実施形態では反射型ホログラム光学素子１９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。
【００７１】
導光部１７と導光部１８とは接着剤２０を介して接合され、反射型ホログラム光学素子１９が導光部１８の傾斜面１８ｃに接して配置される。
【００７２】
導光部１７の傾斜面１７ｄから出射された映像光は導光部１８に入射するまで接着剤２０を１回透過する。パワー反射面１８ａで反射して中間像Ｍを結像した映像光は接着剤２０を透過することなく反射型ホログラム光学素子１９で回折反射した後に背面１８ｂから出射される。以上のように、入光面１７ａを介して接眼光学系１６に入射した映像光は接着剤２０を１回透過して背面１８ｂから出射される。
【００７３】
これに対し、第１実施形態では図２に示すように、導光部１７の傾斜面１７ｄから出射された映像光は導光部１８に入射するまで接着剤２０を１回透過する。パワー反射面１８ａで反射して中間像Ｍを結像した映像光は接着剤２０を透過して反射型ホログラム光学素子１９で回折反射した後に接着剤２０を透過して背面１８ｂから出射される。以上のように、第１実施形態では入光面１７ａを介して接眼光学系１６に入射した映像光は接着剤２０を３回透過して背面１８ｂから出射される。
【００７４】
本実施形態によると、反射型ホログラム光学素子１９が導光部１８の傾斜面１８ｃに接して配置されるため、映像光の接着剤２０を透過する回数を第１実施形態よりも少なくすることができる。これにより、映像光の接着剤２０を透過する際の屈折による損失を低減することができる。
【００７５】
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（第１導光部）と導光部１８（第２導光部）とは接着剤２０を介して接合され、反射型ホログラム光学素子１９が導光部１８に接して配置される。これにより、映像光の接着剤２０を透過する回数を第１実施形態よりも少なくすることができる。したがって、映像光の接着剤２０を透過する際の屈折による損失を低減することができる。
【００７６】
なお、第２実施形態において、反射型ホログラム光学素子１９が導光部１８の傾斜面１８ｃに接して配置されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
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】
【００７８】
１      映像表示装置
１１    光源
１２    拡散板
１３    集光レンズ
１４    映像表示素子
１５    筐体
１６    接眼光学系
１７    導光部（第１導光部）
１７ａ  入光面
１８    導光部（第２導光部）
１８ａ  パワー反射面
１９    反射型ホログラム光学素子
２０    接着剤
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）
Ｍ      中間像
Ｑｐ    主光線
【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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