(57)【要約】【課題】小型化が実現され、かつ、複数の画像表示素子からの画像を、回折光学素子で合成してシームレスに１つの大きいサイズの虚像を表示することができる虚像表示装置を提供すること。【解決手段】本発明の虚像表示装置は、第１の画角の画像光を表示する第１の画像表示素子と、第２の画角の画像光を表示する第２の画像表示素子と、前記第１の画角の画像光を回折する第１の干渉縞と、前記第２の画角の画像光を回折する第２の干渉縞と、を有する回折光学素子と、を備え、前記回折光学素子は、前記第１の干渉縞および前記第２の干渉縞が一部重なっており、前記第１の画像表示素子は、前記第１の干渉縞に、前記第１の画角の画像光が入射される位置に配置され、前記第２の画像表示素子は、前記第２の干渉縞に、前記第２の画角の画像光が入射される位置に配置される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の画角の画像光を表示する第１の画像表示素子と、
第２の画角の画像光を表示する第２の画像表示素子と、
前記第１の画角の画像光を回折する第１の干渉縞と、前記第２の画角の画像光を回折する第２の干渉縞と、を有する回折光学素子と、を備え、
前記回折光学素子は、前記第１の干渉縞および前記第２の干渉縞が一部重なっており、
前記第１の画像表示素子は、前記第１の干渉縞に、前記第１の画角の画像光が入射される位置に配置され、
前記第２の画像表示素子は、前記第２の干渉縞に、前記第２の画角の画像光が入射される位置に配置されることを特徴とする虚像表示装置。
【請求項２】
第１の画像表示素子と、
第２の画像表示素子と、
前記第１の画像表示素子および前記第２の画像表示素子に、それぞれ、対応して配置された第１の干渉縞および第２の干渉縞を備える回折光学素子と、
前記回折光学素子は、前記第１の画像表示素子および前記第２の画像表示素子から異なる角度で前記第１の干渉縞および前記第２の干渉縞に入射した複数の光線を、同一の角度で射出させ、
これにより、前記第１の画像表示素子および前記第２の画像表示素子に表示された複数の画像が１つの連続した画像として観察できるよう構成されていることを特徴とする虚像表示装置。
【請求項３】
前記第１の干渉縞と前記第２の干渉縞とは、回折方向が異なる請求項１または２に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記回折光学素子は、前記第１の画像表示素子と前記第２の画像表示素子とから射出された各画像光を、視認される画像において同一角度を分担するように各前記画像光を回折する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
前記回折光学素子は、透過型体積ホログラムである請求項１ないし４のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記回折光学素子は、反射型体積ホログラムである請求項１ないし４のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記第１の画像表示素子から射出された画像光に由来する虚像の一部と、前記第２の画像表示素子から射出された画像光に由来する虚像の一部とが重なる領域を有する請求項１ないし６のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、虚像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
瞳の網膜に画像光を直接照射し、使用者に画像を視認させる虚像表示装置としてヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）が知られている。
【０００３】
ヘッドマウントディスプレイは、例えば、図１２に示すように、２次元の画像光を生成する画像表示素子１１と、画像表示素子１１が生成した画像光を拡大投影する接眼レンズ３５とを備えるものであり、この画像光を、接眼レンズ３５を介して、観察者の眼と想定される位置である射出瞳２５に向けて出射することで、観察者は、接眼レンズ３５越しに拡大された虚像１５を視認する（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このようなヘッドマウントディスプレイでは、接眼レンズ３５の前側焦点のレンズ寄りに画像表示素子１１が配置されており、この接眼レンズ３５として、倍率が大きいものを用いることで、観察者は、より大きな虚像１５、すなわち広い画角の虚像１５を見ることができる。しかしながら、この場合、収差が大きくなると言う問題があった。かかる問題点を解決すること、すなわち、収差を補正することを目的に、接眼レンズ３５を、複数のレンズで構成されるレンズ系とすることも考えられるが、この場合、ヘッドマウントディスプレイの大型化、重量化を招いてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１９４７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、ヘッドマウントディスプレイを、図１３に示すように、３つ（複数）の画像表示素子１１Ａ〜１１Ｃが横方向に並んで配列された画像表示部１１５と、それぞれの画像表示素子１１に対応するレンズ要素３５Ａ〜３５Ｃが前記横方向に並んで配列されたレンズアレイ３５０とを備えるものとすることが考えられる。
【０００７】
ヘッドマウントディスプレイを、かかる構成のものとすることで、それぞれのレンズ要素３５Ａ〜３５Ｃによって画像表示素子１１Ａ〜１１Ｃに由来する虚像１５Ａ〜１５Ｃが前記横方向に並んで生成され、これら複数の虚像１５Ａ〜１５Ｃが合成された虚像群１５０が生成されることで、結果的に、１つの大きなサイズの虚像として、観察者が視認することができる。すなわち、１つの大きいサイズ（広い画角）の虚像が、分割された複数の虚像１５Ａ〜１５Ｃが合成された虚像群１５０として生成される。
【０００８】
しかしながら、かかる構成のヘッドマウントディスプレイでは、レンズアレイ３５０を構成する各レンズ要素３５Ａ〜３５Ｃの境界でレンズの屈折力が大きく変化することに起因して、虚像１５Ａ〜１５Ｃのつなぎ目に歪みが生じ、つなぎ目がストライプ状となって見えるため、合成された虚像群１５０を、連続したシームレスな虚像として呈示できるとは言えないのが実情であった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
【００１０】
本発明の適用例に係る虚像表示装置は、第１の画角の画像光を表示する第１の画像表示素子と、
第２の画角の画像光を表示する第２の画像表示素子と、
前記第１の画角の画像光を回折する第１の干渉縞と、前記第２の画角の画像光を回折する第２の干渉縞と、を有する回折光学素子と、を備え、
前記回折光学素子は、前記第１の干渉縞および前記第２の干渉縞が一部重なっており、
前記第１の画像表示素子は、前記第１の干渉縞に、前記第１の画角の画像光が入射される位置に配置され、
前記第２の画像表示素子は、前記第２の干渉縞に、前記第２の画角の画像光が入射される位置に配置されることを特徴とする。
【００１１】
本発明の適用例に係る虚像表示装置は、第１の画像表示素子と、
第２の画像表示素子と、
前記第１の画像表示素子および前記第２の画像表示素子に、それぞれ、対応して配置された第１の干渉縞および第２の干渉縞を備える回折光学素子と、
前記回折光学素子は、前記第１の画像表示素子および前記第２の画像表示素子から異なる角度で前記第１の干渉縞および前記第２の干渉縞に入射した複数の光線を、同一の角度で射出させ、
これにより、前記第１の画像表示素子および前記第２の画像表示素子に表示された複数の画像が１つの連続した画像として観察できるよう構成されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の適用例に係る虚像表示装置では、前記第１の干渉縞と前記第２の干渉縞とは、回折方向が異なることが好ましい。
【００１３】
本発明の適用例に係る虚像表示装置では、前記回折光学素子は、前記第１の画像表示素子と前記第２の画像表示素子とから射出された各画像光を、視認される画像において同一角度を分担するように各前記画像光を回折することが好ましい。
【００１４】
本発明の適用例に係る虚像表示装置では、前記回折光学素子は、透過型体積ホログラムであることが好ましい。
【００１５】
本発明の適用例に係る虚像表示装置では、前記回折光学素子は、反射型体積ホログラムであることが好ましい。
【００１６】
本発明の適用例に係る虚像表示装置では、前記第１の画像表示素子から射出された画像光に由来する虚像の一部と、前記第２の画像表示素子から射出された画像光に由来する虚像の一部とが重なる領域を有することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の虚像表示装置をヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に適用した場合の実施形態の全体像を示す概略斜視図である。
【図２】図１に示すヘッドマウントディスプレイを観察者に装着した際に、ＨＭＤが備える虚像表示部の第１実施形態における概略構成を示す模式平面図である。
【図３】図１に示すヘッドマウントディスプレイを観察者に装着した際に、ＨＭＤが備える虚像表示部の第１実施形態における概略構成を示す模式側面図である。
【図４】図２に示す虚像表示部の右側の構成を拡大して示す拡大平面図である。
【図５】図４に示す虚像表示部が備える回折光学素子と画像表示部とを拡大して示す拡大平面図である。
【図６】図２〜図５に示す虚像表示部により複数の虚像を合成することで生成された虚像群の一例を示す模式図である。
【図７】図１に示すヘッドマウントディスプレイを観察者に装着した際に、ＨＭＤが備える虚像表示部の第２実施形態における概略構成を示す模式平面図である。
【図８】図１に示すヘッドマウントディスプレイを観察者に装着した際に、ＨＭＤが備える虚像表示部の第２実施形態における概略構成を示す模式側面図である。
【図９】図７に示す虚像表示部の右側の構成を拡大して示す拡大平面図である。
【図１０】図９に示す虚像表示部が備える回折光学素子と画像表示部とを拡大して示す拡大平面図である。
【図１１】図１に示すヘッドマウントディスプレイが備える虚像表示部の第３実施形態における全体構成を示す概略斜視図である。
【図１２】従来のＨＭＤの虚像表示部の右側の構成を拡大して示す拡大平面図である。
【図１３】従来のＨＭＤの虚像表示部の右側の構成を拡大して示す拡大平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の虚像表示装置を添付図面に示す好適な実施形態について説明する。
なお、以下では、本発明の虚像表示装置を、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に適用した場合を一例に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の虚像表示装置をヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に適用した場合の実施形態の全体像を示す概略斜視図である。
【００２０】
ヘッドマウントディスプレイ１０００（ＨＭＤ）は、図１に示すように、眼鏡様の形状を有する本体部１００と、使用者の手で持つことが可能な程度の大きさを有する制御部２００（コントローラー）とを備えている。
【００２１】
本体部１００と制御部２００とは、本実施形態では、ケーブル３００により有線で通信可能に接続されている。そして、本体部１００と制御部２００とは、このケーブル３００を介して、画像信号や制御信号を通信する。なお、本体部１００と制御部２００とは、通信可能に接続されていればよく、図１に示した有線の他、無線であってもよい。
【００２２】
制御部２００は、操作部２１０と操作ボタン部２２０とを備え、使用者は、制御部２００の操作部２１０や操作ボタン部２２０に対して操作入力を行い、本体部１００が備える各部に対する指示を行うよう構成されている。
【００２３】
本体部１００は、使用者が眼鏡を掛ける感覚で頭部に装着して使用されるものであり、フレーム１４０と、このフレーム１４０内に収容された虚像表示部１１０とを有している。
【００２４】
虚像表示部１１０は、フレーム１４０の右側の部分に収容され、右眼用画像の画像光を形成して、観察者の右眼に向けて射出する右眼用の虚像表示部１１０ａと、フレーム１４０の左側の部分に収容され、左眼用画像の画像光を形成して、観察者の左眼に向けて射出する左眼用の虚像表示部１１０ｂとを備えている。
【００２５】
なお、フレーム１４０の右側に収納された虚像表示部１１０ａと左側に収納された虚像表示部１１０ｂとは、同様の構成を有しており、双方の虚像表示部内の各構成要素は左右対称に配置されている。そのため、以下では、虚像表示部１１０ａを代表に説明し、虚像表示部１１０ｂの説明を省略する。
【００２６】
＜第１実施形態＞
まず、虚像表示部１１０ａの第１実施形態について説明する。
図２、図３は、図１に示すヘッドマウントディスプレイを観察者に装着した際に、ＨＭＤが備える虚像表示部の第１実施形態における概略構成を示す模式図、図４は、図２に示す虚像表示部の右側の構成を拡大して示す拡大平面図、図５は、図４に示す虚像表示部が備える回折光学素子と画像表示部とを拡大して示す拡大平面図、図６は、図２〜図５に示す虚像表示部により複数の虚像を合成することで生成された虚像群の一例を示す模式図である。なお、以下では、説明の都合上、図２中の上側を「前（Ｚ方向）」、下側を「後（−Ｚ方向）」、紙面手前側を「上（Ｘ方向）」、紙面奥側を「下（−Ｘ方向）」、右側を「右（Ｙ方向）」、左側を「左（−Ｙ方向）」として説明を行う。換言すれば、後述する画像表示素子１１Ａ〜１１Ｃが並ぶ方向を「±Ｙ方向」、画像表示素子１１Ｂの面方向と垂直をなす方向を「±Ｚ方向」、画像表示素子１１Ａ〜１１Ｃの高さ方向を「±Ｘ方向」として説明を行う。
【００２７】
図２〜図５に示すように、虚像表示部１１０ａは、画像表示部１１５と、回折光学素子１３０（ホログラム素子）とを備えている。
【００２８】
なお、図２〜図５において、観察者の眼ＭＥの瞳孔中心を通り、かつ合成することで呈示される虚像群１５０の中心画角となる光線が通る経路を光軸ａｘとする。
【００２９】
画像表示部１１５は、第１の画角の画像光を表示（射出）する第１の画像表示素子１１Ａと、第２の画角の画像光を表示する第２の画像表示素子１１Ｂと、第３の画角の画像光を表示する第３の画像表示素子１１Ｃとを備えるものであり、本実施形態では、これら３つの画像表示素子１１Ａ〜１１Ｃが、この順で、右側から左側（−Ｙ方向）に沿って、並んで配列されている。
【００３０】
そして、第１の画像表示素子１１Ａは、画像情報を含む第１の画角の画像光を表示（射出）するものであり、本実施形態では、観察者の右側の前頭部における、回折光学素子１３０の前側焦点（＋Ｚ方向側）に対して回折光学素子１３０寄りの位置で、回折光学素子１３０が備える第１のホログラム層１３Ａに形成された第１の干渉縞１３１Ａに向けて、第１の画角の画像光を射出することで、第１の画角の画像光を第１の干渉縞１３１Ａに入射させ得る位置に配置されている。
【００３１】
また、第２の画像表示素子１１Ｂは、第２の画角の画像光を表示するものであり、本実施形態では、観察者の右側の前頭部における、回折光学素子１３０の前側焦点（＋Ｚ方向側）に対して回折光学素子１３０寄りの位置で、回折光学素子１３０が備える第２のホログラム層１３Ｂに形成された第２の干渉縞１３１Ｂに向けて、第２の画角の画像光を射出することで、第２の画角の画像光を第２の干渉縞１３１Ｂに入射させ得る位置に配置されている。
【００３２】
さらに、第３の画像表示素子１１Ｃは、第３の画角の画像光を表示するものであり、本実施形態では、観察者の右側の前頭部における、回折光学素子１３０の前側焦点（＋Ｚ方向側）に対して回折光学素子１３０寄りの位置で、回折光学素子１３０が備える第３のホログラム層１３Ｃに形成された第３の干渉縞１３１Ｃに向けて、第３の画角の画像光を射出することで、第３の画角の画像光を第３の干渉縞１３１Ｃに入射させ得る位置に配置されている。
【００３３】
この画像表示部１１５が備える各画像表示素子１１Ａ〜１１Ｃは、本実施形態では、例えば、バックライトで照明された液晶表示素子や、有機ＥＬ表示素子等の二次元画像表示素子で構成される。
【００３４】
ただし、画像表示素子１１Ａ〜１１Ｃは、このような二次元画像表示素子に限定されず、レーザー光源により射出されたレーザー光を走査することで画像を生成する走査型画像表示素子で構成されていてもよい。
【００３５】
なお、第１〜第３の画角のうち、第２の画角とは、第２の画像表示素子１１Ｂから生成される虚像１５Ｂを見込むＸ方向、Ｙ方向に広がる角度範囲のことを言い、例えば、１０°以上３０°以下程度の大きさに設定される。また、第１の画角および第３の画角とは、それぞれ、第１の画像表示素子１１Ａおよび第３の画像表示素子１１Ｃから生成されるそれぞれの虚像１５Ａおよび虚像１５Ｃを見込むＸ方向、Ｙ方向に広がる角度範囲のことを言い、第２の画角と同様の大きさに設定されるが、Ｚ軸に対して、それぞれ、±（１０〜３０）°程度の角度で傾いている。さらに、各第１〜第３の画角は、それぞれ同一であっても、異なっていてもよい。
【００３６】
回折光学素子１３０（ホログラム素子）は、画像表示部１１５が備える各画像表示素子１１Ａ〜１１Ｃから射出された各画像光を偏向（回折）させた状態で透過させることで、観察者の右の眼ＭＥ（右眼）の位置である射出瞳２５に導く（射出する）ことにより、眼ＭＥ（右眼）の網膜上に映像を表示して、回折光学素子１３０越しに合成された虚像群１５０を１つの大きな虚像として観察者に視認させるためのものであり、観察者の右の眼ＭＥ（右眼）の前に配置されている。
【００３７】
この回折光学素子１３０は、本実施形態では、透過型体積ホログラムで構成され、画像表示部１１５が備える３つの画像表示素子１１Ａ〜１１Ｃと同数の、第１のホログラム層１３Ａと、第２のホログラム層１３Ｂと、第３のホログラム層１３Ｃとからなる３つの層を有し、これらがこの順で積層された積層体である（図４参照）。
【００３８】
この回折光学素子１３０が備える各ホログラム層１３Ａ〜１３Ｃ（ホログラムレンズ）は、それぞれ、例えば、低屈折率層（低屈折率部）と、高屈折率層（高屈折率部）とが交互に積層された多層体で構成されており、これにより、第１のホログラム層１３Ａには、低屈折率層と高屈折率層とによる平面状の第１の干渉縞１３１Ａ（屈折率格子）が形成され、第２のホログラム層１３Ｂには、低屈折率層と高屈折率層とによる平面状の第２の干渉縞１３１Ｂが形成され、第３のホログラム層１３Ｃには、低屈折率層と高屈折率層とによる平面状の第３の干渉縞１３１Ｃが形成されている（図５参照）。
【００３９】
このような干渉縞１３１Ａ〜１３１Ｃがそれぞれ形成されたホログラム層１３Ａ〜１３Ｃを備える回折光学素子１３０を用いることにより、回折光学素子１３０に入射された画像光を任意の方向に偏向（回折）させた状態で、回折光学素子１３０を透過させることが可能となる。
【００４０】
より具体的には、第１のホログラム層１３Ａが備える第１の干渉縞１３１Ａは、第１の画像表示素子１１Ａから第１の画角で射出された画像光を、選択的に回折させて、射出瞳２５に入射させるように設計され、第２のホログラム層１３Ｂが備える第２の干渉縞１３１Ｂは、第２の画像表示素子１１Ｂから第２の画角で射出された画像光を、選択的に回折させて、射出瞳２５に入射させるように設計され、さらに、第３のホログラム層１３Ｃが備える第３の干渉縞１３１Ｃは、第３の画像表示素子１１Ｃから第３の画角で射出された画像光を、選択的に回折させて、射出瞳２５に入射させるように設計されている。
【００４１】
換言すれば、第１のホログラム層１３Ａが備える第１の干渉縞１３１Ａは、画像表示素子１１Ａに対して、観察者の眼ＭＥに対応する位置に、射出瞳２５を形成するレンズ作用が付与されるように配置され、また、第２のホログラム層１３Ｂが備える第２の干渉縞１３１Ｂは、画像表示素子１１Ｂに対して、観察者の眼ＭＥに対応する位置に、射出瞳２５を形成するレンズ作用が付与されるように配置され、さらに、第３のホログラム層１３Ｃが備える第３の干渉縞１３１Ｃは、画像表示素子１１Ｃに対して、観察者の眼ＭＥに対応する位置に、射出瞳２５を形成するレンズ作用が付与されるように配置されている。
【００４２】
上述の通り、ホログラム層１３Ａ〜１３Ｃには、それぞれ、干渉縞１３１Ａ〜１３１Ｃ（屈折率格子）が、図５に示すように、回折光学素子１３０をＺ方向側から見たとき、干渉縞１３１Ａと干渉縞１３１Ｂとの一部が重なり、さらに、干渉縞１３１Ｂと干渉縞１３１Ｃとの一部が重なるように形成されており、これら干渉縞１３１Ａ〜１３１Ｃにより画像光が回折され、干渉縞１３１Ａ〜１３１Ｃの周期やパターンを適宜設定することで、所望のレンズ作用を付与することができる。なお、干渉縞１３１Ａ〜１３１Ｃの周期は、通常、０．５μｍ程度以下に設定される。
【００４３】
このような各干渉縞１３１Ａ〜１３１Ｃは、それぞれ、画像表示素子１１Ａ〜１１Ｃから射出された画像光を射出瞳２５に導くために、ホログラム層１３Ａ〜１３Ｃに形成されているものであるが、各干渉縞１３１Ａ〜１３１Ｃの傾斜角（回折光学素子１３０の表面に対する傾斜角）すなわち回折方向は、それぞれ、異なるように構成されている。
【００４４】
このような干渉縞１３１Ａ〜１３１Ｃの回折効率は、入射角度依存性が大きい。そのため、各干渉縞１３１Ａ〜１３１Ｃを、傾斜角（回折方向）が互いに異なるものとすることで、画像表示素子１１Ａからの画像光は、ほぼ干渉縞１３１Ａ（ホログラム層１３Ａ）だけで回折され、干渉縞１３１Ｂ、１３１Ｃ（ホログラム層１３Ｂ、１３Ｃ）ではほとんど回折されることなく、射出瞳２５に向かうこととなる。また、画像表示素子１１Ｂからの画像光は、ほぼ干渉縞１３１Ｂ（ホログラム層１３Ｂ）だけで回折され、干渉縞１３１Ａ、１３１Ｃ（ホログラム層１３Ａ、１３Ｃ）ではほとんど回折されることなく、射出瞳２５に向かうこととなる。さらに、画像表示素子１１Ｃからの画像光は、ほぼ干渉縞１３１Ｃ（ホログラム層１３Ｃ）だけで回折され、干渉縞１３１Ａ、１３１Ｂ（ホログラム層１３Ａ、１３Ｂ）ではほとんど回折されることなく、射出瞳２５に向かうこととなる。
【００４５】
したがって、かかる構成の干渉縞１３１Ａ〜１３１Ｃ（ホログラム層１３Ａ〜１３Ｃ）を備える回折光学素子１３０を、画像光を射出瞳２５に回折させるレンズとして用いることにより、画像表示素子１１Ａ〜１１Ｃと、ホログラム層１３Ａ〜１３Ｃとを、それぞれ、光学的に独立に扱うことができるため、画像表示素子１１Ａ〜１１Ｃにより生成された画像光（異なる画像光）を、それぞれ独立して、射出瞳２５に導くことができる。
【００４６】
ここで、上述の通り、画像表示素子１１Ａ〜１１Ｃにより射出された画像光を、それぞれ、ホログラム層１３Ａ〜１３Ｃを用いて、射出瞳２５に導くことで、観察者は、回折光学素子１３０越しに拡大された虚像１５Ａ〜１５Ｃを視認することができる（図２〜図４参照）。
【００４７】
この際、画像表示素子１１Ａ〜１１Ｃにより射出された画像光は、互いに異なる画像情報を備えるものである。そのため、ホログラム層１３Ａ〜１３Ｃを用いて射出瞳２５に導いたときに、観察者により視認される、−Ｙ方向に並ぶ虚像１５Ａ〜１５Ｃも、図６に示すように、互いに異なる画像情報を有するものとなっている。そして、これら複数の虚像１５Ａ〜１５Ｃが−Ｙ方向において合成された虚像群１５０を見ることで、観察者は、結果的に、１つの拡大された大きなサイズの虚像として視認することができる。
【００４８】
なお、画像表示素子１１Ａ〜１１Ｃに対して、ホログラム層１３Ａ〜１３Ｃにより形成される虚像１５Ａ〜１５Ｃの画角が、例えば、それぞれ、図２、図４に示す平面視で２０°、図３に示す側面視で１１．３°である場合には、これらが合成された虚像群１５０の画角は、平面視で６０°、側面視で１１．３°となる。
【００４９】
また、複数の虚像１５Ａ〜１５Ｃが−Ｙ方向において合成された虚像群１５０とする際に、本発明では、隣接する虚像との間、すなわち、虚像１５Ａと虚像１５Ｂとの間、および、虚像１５Ｂと虚像１５Ｃとの間に、それぞれ、それらの一部が互いに重なる領域１５５、１５６が形成されるように設定されている。そして、これら領域１５５、１５６における画像情報は、虚像１５Ａと虚像１５Ｂとで同一のものとなっており、虚像１５Ｂと虚像１５Ｃとで同一のものとなっている。
【００５０】
さらに、領域１５５において一部が互いに重なる虚像１５Ａおよび虚像１５Ｂは、それぞれ、射出瞳２５に入射された、画像表示素子１１Ａからの画像光、および、画像表示素子１１Ｂからの画像光に由来するが、かかる領域１５５における虚像１５Ａおよび虚像１５Ｂを、それぞれ、生成するための画像表示素子１１Ａからの画像光、および、画像表示素子１１Ｂからの画像光は、図４に示す通り、ともに射出瞳２５に対して、光軸ａｘとのなす角度が角度αの大きさで入射するように設定されている。すなわち、画像表示素子１１Ａおよび画像表示素子１１Ｂから異なる角度で、それぞれ、干渉縞１３１Ａおよび干渉縞１３１Ｂに入射した２つ（複数）の画像光（光線）を、同一の角度αで回折光学素子１３０から射出させて、射出瞳２５に入射するように設定されている。そのため、領域１５５において、画像表示素子１１Ａからの画像光および画像表示素子１１Ｂからの画像光が、同一角度αを分担するように回折されて射出瞳２５に入射することから、観察者は、画像表示素子１１Ａからの画像光に由来する虚像１５Ａと、画像表示素子１１Ｂからの画像光に由来する虚像１５Ｂとの双方を重畳して視認することができる。したがって、画像表示素子１１Ａからの画像光に由来する虚像１５Ａと、画像表示素子１１Ｂからの画像光に由来する虚像１５Ｂとを、シームレスに接続することができる（図６参照）。
【００５１】
一方、領域１５６において重なる虚像１５Ｂおよび虚像１５Ｃは、それぞれ、射出瞳２５に入射された、画像表示素子１１Ｂからの画像光、および、画像表示素子１１Ｃからの画像光に由来するが、かかる領域１５６における虚像１５Ｂおよび虚像１５Ｃを、それぞれ、生成するための画像表示素子１１Ｂからの画像光、および、画像表示素子１１Ｃからの画像光は、図４に示す通り、ともに射出瞳２５に対して、光軸ａｘとのなす角度が角度βの大きさで入射するように設定されている。すなわち、画像表示素子１１Ｂおよび画像表示素子１１Ｃから異なる角度で、それぞれ、干渉縞１３１Ｂおよび干渉縞１３１Ｃに入射した２つ（複数）の画像光（光線）を、同一の角度βで回折光学素子１３０から射出させて、射出瞳２５に入射するように設定されている。そのため、観察者は、領域１５６において、画像表示素子１１Ｂからの画像光に由来する虚像１５Ｂと、画像表示素子１１Ｃからの画像光に由来する虚像１５Ｃとの双方を重畳して視認することができる。したがって、画像表示素子１１Ｂからの画像光に由来する虚像１５Ｂと、画像表示素子１１Ｃからの画像光に由来する虚像１５Ｃとを、シームレスに接続することができる（図６参照）。
【００５２】
前記のように、虚像１５Ａと虚像１５Ｂとを、虚像１５Ｂと虚像１５Ｃとを、それぞれ、シームレスに接続することができるため、結果的に、虚像１５Ａ〜虚像１５Ｃが合成された虚像群１５０を、１つの大きなサイズ（広い画角）で、連続したシームレスな虚像として表示することができる。
【００５３】
以上のように、本発明では、第１の画角の画像光を表示する第１の画像表示素子１１Ａと、第２の画角の画像光を表示する第２の画像表示素子１１Ｂと、第１の画角の画像光を回折する第１の干渉縞１３１Ａと、第２の画角の画像光を回折する第２の干渉縞１３１Ｂと、を有する回折光学素子１３０と、を備えるヘッドマウントディスプレイ１０００において、回折光学素子１３０は、第１の干渉縞１３１Ａおよび第２の干渉縞１３１Ｂが一部重なっており、第１の画像表示素子１１Ａは、第１の干渉縞１３１Ａに、第１の画角の画像光が入射される位置に配置され、第２の画像表示素子１１Ｂは、第２の干渉縞１３１Ｂに、第２の画角の画像光が入射される位置に配置されることを特徴とする。
【００５４】
ヘッドマウントディスプレイ１０００をかかる構成を備えるものとすることで、第１の画像表示素子１１Ａおよび第２の画像表示素子１１Ｂから異なる角度で第１の干渉縞１３１Ａおよび第２の干渉縞１３１Ｂに入射した２つ（複数）の画像光（光線）を、回折光学素子１３０により、同一の角度αで射出させることができる。
【００５５】
そのため、第１の画像表示素子１１Ａおよび第２の画像表示素子１１Ｂに表示された２つ（複数）の画像を、１つの連続した画像（虚像群１５０）として観察でき、さらに、この画像（虚像群１５０）を、シームレスに接続されたものとして観察することができる。
【００５６】
また、虚像群１５０を生成するために、複数のレンズで構成されたレンズ系等を用いる必要がないため、ヘッドマウントディスプレイ１０００の小型化を実現することができる。
【００５７】
なお、本実施形態では、虚像表示部１１０ａが、３つの画像表示素子１１Ａ〜１１Ｃと、これら画像表示素子１１Ａ〜１１Ｃに対応して設けられた干渉縞１３１Ａ〜１３１Ｃとを備えており、これにより、虚像１５Ａ〜１５Ｃが合成された虚像群１５０を呈示する場合について説明したが、画像表示素子１１Ａ〜１１Ｃおよび干渉縞１３１Ａ〜１３１Ｃの数は、それぞれ、３つの場合に限らず、２つの場合であってもよいし、４つ以上の場合であってもよい。
【００５８】
また、本実施形態では、回折光学素子１３０を、３つのホログラム層１３Ａ〜１３Ｃを備えるものとし、各ホログラム層１３Ａ、ホログラム層１３Ｂおよびホログラム層１３Ｃに対応して、それぞれ、１つの干渉縞１３１Ａ、干渉縞１３１Ｂおよび干渉縞１３１Ｃを形成する場合について説明したが、回折光学素子１３０は、かかる構成のものに限定されず、例えば、１つのホログラム層で構成され、この１つのホログラム層に、３つの干渉縞１３１Ａ〜１３１Ｃが形成されているものであってもよい。
【００５９】
＜第２実施形態＞
次に、虚像表示部１１０ａの第２実施形態について説明する。
図７、図８は、図１に示すヘッドマウントディスプレイを観察者に装着した際に、ＨＭＤが備える虚像表示部の第２実施形態における概略構成を示す模式図、図９は、図７に示す虚像表示部の右側の構成を拡大して示す拡大平面図、図１０は、図９に示す虚像表示部が備える回折光学素子と画像表示部とを拡大して示す拡大平面図である。なお、以下では、説明の都合上、図７中の上側を「前（Ｚ方向）」、下側を「後（−Ｚ方向）」、紙面手前側を「上（Ｘ方向）」、紙面奥側を「下（−Ｘ方向）」、右側を「右（Ｙ方向）」、左側を「左（−Ｙ方向）」として説明を行う。
【００６０】
以下、第２実施形態の虚像表示部１１０ａについて、前記第１実施形態の虚像表示部１１０ａとの相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
【００６１】
図７〜図１０に示す第２実施形態の虚像表示部１１０ａでは、画像表示部１１５を配置する位置が異なり、さらに、透過型の回折光学素子１３０に代えて、反射型の回折光学素子２３０を備えること以外は、第１実施形態の虚像表示部１１０ａと同様である。
【００６２】
この虚像表示部１１０ａでは、画像表示部１１５は、観察者の右側の頭頂部において、回折光学素子２３０よりも上側（Ｘ方向側）でかつ、眼ＭＥ側（−Ｚ方向側）に配置されている。
【００６３】
そして、画像表示部１１５は、前記第１実施形態と同様に、第１の画角の画像光を表示（射出）する第１の画像表示素子１１Ａと、第２の画角の画像光を表示する第２の画像表示素子１１Ｂと、第３の画角の画像光を表示する第３の画像表示素子１１Ｃとを備えるものであり、本実施形態では、これら３つの画像表示素子１１Ａ〜１１Ｃが、この順で、右側から左側（−Ｙ方向）に沿って、並んで配列されている。
【００６４】
回折光学素子２３０（ホログラム素子）は、画像表示部１１５が備える各画像表示素子１１Ａ〜１１Ｃから射出された各画像光を偏向（反射）させて、観察者の右の眼ＭＥ（右眼）の位置である射出瞳２５に導く（射出する）ことにより、眼ＭＥ（右眼）の網膜上に映像を表示して、回折光学素子２３０越しに合成された虚像群１５０を１つの大きな虚像として観察者に視認させるためのものであり、前記第１実施形態と同様に、観察者の右の眼ＭＥ（右眼）の前に配置されている。
【００６５】
この回折光学素子２３０は、本実施形態では、反射型体積ホログラムで構成され、第１のホログラム層２３Ａと、第２のホログラム層２３Ｂと、第３のホログラム層２３Ｃとを有し、これらがこの順で積層された積層体である。
【００６６】
この回折光学素子２３０が備える各ホログラム層２３Ａ〜２３Ｃ（ホログラムレンズ）は、それぞれ、ホログラム層１３Ａ〜１３Ｃと同様に、低屈折率層（低屈折率部）と、高屈折率層（高屈折率部）とが交互に積層された多層体で構成されており、これにより、第１のホログラム層２３Ａには、低屈折率層と高屈折率層とによる平面状の第１の干渉縞２３１Ａが形成され、第２のホログラム層２３Ｂには、低屈折率層と高屈折率層とによる平面状の第２の干渉縞２３１Ｂが形成され、第３のホログラム層２３Ｃには、低屈折率層と高屈折率層とによる平面状の第３の干渉縞２３１Ｃが形成されている（図１０参照）。
【００６７】
このような干渉縞２３１Ａ〜２３１Ｃがそれぞれ形成されたホログラム層２３Ａ〜２３Ｃを備える回折光学素子２３０を用いることにより、回折光学素子２３０に入射された画像光を任意の方向に偏向（回折）させた状態で、回折光学素子２３０から反射させることが可能となる。
【００６８】
より具体的には、第１のホログラム層２３Ａが備える第１の干渉縞２３１Ａは、第１の画像表示素子１１Ａから第１の画角で射出された画像光を、選択的に回折（反射）させて、射出瞳２５に入射させるように設計され、第２のホログラム層２３Ｂが備える第２の干渉縞２３１Ｂは、第２の画像表示素子１１Ｂから第２の画角で射出された画像光を、選択的に回折（反射）させて、射出瞳２５に入射させるように設計され、さらに、第３のホログラム層２３Ｃが備える第３の干渉縞２３１Ｃは、第３の画像表示素子１１Ｃから第３の画角で射出された画像光を、選択的に回折（反射）させて、射出瞳２５に入射させるように設計されている。
【００６９】
このような各干渉縞２３１Ａ〜２３１Ｃは、それぞれ、画像表示素子１１Ａ〜１１Ｃから射出された画像光を射出瞳２５に導くために、ホログラム層２３Ａ〜２３Ｃに形成されているものであるが、各干渉縞２３１Ａ〜２３１Ｃの傾斜角（回折光学素子２３０の表面に対する傾斜角）すなわち回折方向は、それぞれ、異なるように構成されている。
【００７０】
このような干渉縞２３１Ａ〜２３１Ｃの回折効率は、入射角度依存性が大きい。そのため、各干渉縞２３１Ａ〜２３１Ｃを、傾斜角（回折方向）が互いに異なるものとすることで、画像表示素子１１Ａからの画像光は、ほぼ干渉縞２３１Ａ（ホログラム層２３Ａ）だけで回折（反射）され、干渉縞２３１Ｂ、２３１Ｃ（ホログラム層２３Ｂ、２３Ｃ）ではほとんど回折（反射）されることなく、射出瞳２５に向かうこととなる。また、画像表示素子１１Ｂからの画像光は、ほぼ干渉縞２３１Ｂ（ホログラム層２３Ｂ）だけで回折され、干渉縞２３１Ａ、２３１Ｃ（ホログラム層２３Ａ、２３Ｃ）ではほとんど回折されることなく、射出瞳２５に向かうこととなる。さらに、画像表示素子１１Ｃからの画像光は、ほぼ干渉縞２３１Ｃ（ホログラム層２３Ｃ）だけで回折され、干渉縞２３１Ａ、２３１Ｂ（ホログラム層２３Ａ、２３Ｂ）ではほとんど回折されることなく、射出瞳２５に向かうこととなる。
【００７１】
したがって、かかる構成の干渉縞２３１Ａ〜２３１Ｃ（ホログラム層２３Ａ〜２３Ｃ）を備える回折光学素子２３０を、画像光を射出瞳２５に回折（反射）させるプリズムとして用いることにより、画像表示素子１１Ａ〜１１Ｃと、ホログラム層２３Ａ〜２３Ｃとを、それぞれ、光学的に独立に扱うことができるため、画像表示素子１１Ａ〜１１Ｃにより生成された画像光（異なる画像光）を、それぞれ独立して、射出瞳２５に導くことができる。
【００７２】
以上のような画像表示部１１５および回折光学素子２３０を備える本実施形態の虚像表示部１１０ａ（ヘッドマウントディスプレイ１０００）においても、画像表示素子１１Ａ〜１１Ｃにより射出された画像光に由来する虚像１５Ａ〜１５Ｃが−Ｙ方向において合成された虚像群１５０を見ることで、観察者は、結果的に、この虚像群１５０を、１つの拡大された大きなサイズの虚像として視認することができる。
【００７３】
そして、画像表示素子１１Ａからの画像光に由来する虚像１５Ａと、画像表示素子１１Ｂからの画像光に由来する虚像１５Ｂとを、シームレスに接続し、画像表示素子１１Ｂからの画像光に由来する虚像１５Ｂと、画像表示素子１１Ｃからの画像光に由来する虚像１５Ｃとを、シームレスに接続することができる。したがって、虚像１５Ａ〜虚像１５Ｃが合成された虚像群１５０は、１つの大きなサイズ（広い画角）で、連続したシームレスな虚像として表示されることとなる。
【００７４】
このような第２実施形態の虚像表示部１１０ａによっても、前記第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００７５】
＜第３実施形態＞
次に、虚像表示部１１０ａの第３実施形態について説明する。
図１１は、図１に示すヘッドマウントディスプレイが備える虚像表示部の第３実施形態における全体構成を示す概略斜視図である。
【００７６】
以下、第３実施形態の虚像表示部１１０ａについて、前記第１実施形態の虚像表示部１１０ａとの相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
【００７７】
図１１に示す第３実施形態の虚像表示部１１０ａでは、画像表示部１１５、および、透過型の回折光学素子３３０の構成が異なること以外は、第１実施形態の虚像表示部１１０ａと同様である。
【００７８】
この画像表示部１１５は、前記第１実施形態と同様に、観察者の右側の前頭部において、回折光学素子３３０よりも外界（外側）に配置されている。そして、画像表示部１１５は、本実施形態では、第１の画角の画像光を表示（射出）する第１の画像表示素子１１Ａ１と、第２の画角の画像光を表示する第２の画像表示素子１１Ｂ１と、第３の画角の画像光を表示する第３の画像表示素子１１Ｃ１と、第４の画角の画像光を表示する第４の画像表示素子１１Ａ２と、第５の画角の画像光を表示する第５の画像表示素子１１Ｂ２と、第６の画角の画像光を表示する第６の画像表示素子１１Ｃ２とを備えるものであり、これら６つ（複数）の画像表示素子１１Ａ１〜１１Ｃ２のうち、画像表示素子１１Ａ１〜１１Ｃ１が、この順で、左側から右側（−Ｙ方向）に沿って、並んで配列され、画像表示素子１１Ａ２〜１１Ｃ２が、画像表示素子１１Ａ１〜１１Ｃ１よりも下側（−Ｘ方向）において、この順で、左側から右側（−Ｙ方向）に沿って、並んで配列されている。すなわち、６つの画像表示素子１１Ａ１〜１１Ｃ２は、ＸＹ平面において、２行３列で格子状をなすように、並んで配列されている。
【００７９】
回折光学素子３３０（ホログラム素子）は、画像表示部１１５が備える６つの各画像表示素子１１Ａ１〜１１Ｃ２から射出された各画像光を偏向（回折）させて、観察者の右の眼ＭＥ（右眼）の位置である射出瞳２５に導く（射出する）ことにより、眼ＭＥ（右眼）の網膜上に映像を表示して、回折光学素子３３０越しに合成された虚像群を１つの大きな虚像として観察者に視認させるためのものであり、前記第１実施形態と同様に、観察者の右の眼ＭＥ（右眼）の前に配置されている。
【００８０】
この回折光学素子３３０は、本実施形態では、体積ホログラムで構成され、第１のホログラム領域３３Ａ１と、第２のホログラム領域３３Ｂ１と、第３のホログラム領域３３Ｃ１と、第４のホログラム領域３３Ａ２と、第５のホログラム領域３３Ｂ２と、第６のホログラム領域３３Ｃ２とを有し、これら６つ（複数）のホログラム領域３３Ａ１〜３３Ｃ２のうち、ホログラム領域３３Ａ１〜３３Ｃ１が、この順で、左側から右側（−Ｙ方向）に沿って、並んで配列され、ホログラム領域３３Ａ２〜３３Ｃ２が、ホログラム領域３３Ａ１〜３３Ｃ１よりも下側（−Ｘ方向）において、この順で、左側から右側（−Ｙ方向）に沿って、並んで配列されている。すなわち、６つのホログラム領域３３Ａ１〜３３Ｃ２は、画像表示部１１５と射出瞳２５との間におけるＸＹ平面において、２行３列で格子状をなすように、並んで配列されている。
【００８１】
かかる構成の回折光学素子３３０において、第１のホログラム領域３３Ａ１は、第１の画像表示素子１１Ａ１から第１の画角で射出された画像光を、選択的に回折させて、射出瞳２５に入射させるように設計され、また、第２のホログラム領域３３Ｂ１は、第２の画像表示素子１１Ｂ１から第２の画角で射出された画像光を、選択的に回折させて、射出瞳２５に入射させるように設計され、第３のホログラム領域３３Ｃ１は、第３の画像表示素子１１Ｃ１から第３の画角で射出された画像光を、選択的に回折させて、射出瞳２５に入射させるように設計され、第４のホログラム領域３３Ａ２は、第４の画像表示素子１１Ａ２から第４の画角で射出された画像光を、選択的に回折させて、射出瞳２５に入射させるように設計され、第５のホログラム領域３３Ｂ２は、第５の画像表示素子１１Ｂ２から第５の画角で射出された画像光を、選択的に回折させて、射出瞳２５に入射させるように設計され、さらに、第６のホログラム領域３３Ｃ２は、第６の画像表示素子１１Ｃ２から第６の画角で射出された画像光を、選択的に回折させて、射出瞳２５に入射させるように設計されている。
【００８２】
以上のような画像表示部１１５および回折光学素子３３０を備える本実施形態の虚像表示部１１０ａ（ヘッドマウントディスプレイ１０００）においても、６つの画像表示素子１１Ａ１〜１１Ｃ２により射出された画像光に由来する６つの虚像がＸ、Ｙ方向において２行３列で格子状に合成された虚像群を見ることで、観察者は、結果的に、この虚像群を、１つの拡大された大きなサイズの虚像として視認することができる。
【００８３】
そして、Ｘ、Ｙ方向においてそれぞれ隣接する虚像同士を、シームレス接続することができるため、６つの虚像がＸ、Ｙ方向において格子状に合成された虚像群は、１つの大きなサイズ（広い画角）で、連続したシームレスな虚像として表示される。
【００８４】
このような第３実施形態の虚像表示部１１０ａによっても、前記第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００８５】
以上、本発明の虚像表示装置を、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものでない。
【００８６】
例えば、本発明の虚像表示装置において、各構成は、同様の機能を発揮し得る任意のものと置換することができ、あるいは、任意の構成のものを付加することができる。
【００８７】
例えば、本発明では、前記第１〜第３実施形態で示した任意の２以上の構成を組み合わせるようにしてもよい。
【００８８】
また、前記実施形態の虚像表示装置では、いずれも、画像表示素子により射出された画像光を、直接、回折光学素子に対して入射することで虚像を生成する場合について説明したが、かかる場合に限定されず、例えば、画像表示素子と回折光学素子との間に、複数のレンズを備えるリレー光学系を配置して、このリレー光学系により、前記画像光の中間像を生成し、その中間像の虚像を回折光学素子で生成する構成とすることもできる。
【００８９】
さらに、前記実施形態では、本発明の虚像表示装置（画像表示装置）を、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に適用した場合を一例に説明したが、これに限定されず、本発明の虚像表示装置は、物に固定されたヘッドアップディスプレイや、双眼鏡型のハンドヘルドディスプレイにも適用することができる。
【符号の説明】
【００９０】
１１…画像表示素子、１１Ａ…第１の画像表示素子、１１Ａ１…第１の画像表示素子、１１Ａ２…第４の画像表示素子、１１Ｂ…第２の画像表示素子、１１Ｂ１…第２の画像表示素子、１１Ｂ２…第５の画像表示素子、１１Ｃ…第３の画像表示素子、１１Ｃ１…第３の画像表示素子、１１Ｃ２…第６の画像表示素子、１３Ａ…第１のホログラム層、１３Ｂ…第２のホログラム層、１３Ｃ…第３のホログラム層、１５…虚像、１５Ａ…虚像、１５Ｂ…虚像、１５Ｃ…虚像、２３Ａ…第１のホログラム層、２３Ｂ…第２のホログラム層、２３Ｃ…第３のホログラム層、２５…射出瞳、３３Ａ１…第１のホログラム領域、３３Ａ２…第４のホログラム領域、３３Ｂ１…第２のホログラム領域、３３Ｂ２…第５のホログラム領域、３３Ｃ１…第３のホログラム領域、３３Ｃ２…第６のホログラム領域、３５…接眼レンズ、３５Ａ…レンズ要素、３５Ｂ…レンズ要素、３５Ｃ…レンズ要素、１００…本体部、１１０…虚像表示部、１１０ａ…虚像表示部、１１０ｂ…虚像表示部、１１５…画像表示部、１３０…回折光学素子、１３１Ａ…第１の干渉縞、１３１Ｂ…第２の干渉縞、１３１Ｃ…第３の干渉縞、１４０…フレーム、１５０…虚像群、１５５…領域、１５６…領域、２００…制御部、２１０…操作部、２２０…操作ボタン部、２３０…回折光学素子、２３１Ａ…第１の干渉縞、２３１Ｂ…第２の干渉縞、２３１Ｃ…第３の干渉縞、３００…ケーブル、３３０…回折光学素子、３５０…レンズアレイ、１０００…ヘッドマウントディスプレイ、ＭＥ…眼、ａｘ…光軸、α…角度、β…角度
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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