(57)【要約】  映像表示装置は、照明光学系からの光を変調して映像を表示する表示素子と、表示素子からの映像光を光学瞳に導く接眼光学系とを有する。照明光学系は、略直線状に並んだ複数の発光点を有する光源と、光源からの照明光を、複数の発光点が並んだ第１の方向に拡散し、それに垂直な第２の方向には拡散しない拡散板と、光学瞳から光源までの光学系において、第２の方向に関して、光学瞳と光源とが略共役となるように、照明光を曲げる光学素子とを有している。光学素子は１枚の照明ミラーからなり、その反射面が、光軸との交点における法線を含む全ての断面内で０でない曲率を有しており、その曲率が、第１の方向と垂直な断面内と、第２の方向と垂直な断面内とで異なる。
2014156602.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光学系と、
前記照明光学系からの光を変調して映像を表示する表示素子と、
前記表示素子からの映像光を光学瞳に導く接眼光学系とを有する映像表示装置であって、
前記照明光学系は、
略直線状に並んだ複数の発光点を有する光源と、
前記光源からの照明光を、前記複数の発光点が並んだ第１の方向に拡散し、それに垂直な第２の方向には拡散しない拡散板と、
前記接眼光学系を含めた光学瞳から光源までの光学系において、前記第２の方向に関して、光学瞳と光源とが略共役となるように、前記照明光を曲げる光学素子とを有しており、
光学瞳の中心と前記表示素子の表示面の中心とを光学的に結ぶ軸およびその軸の延長線を光軸とすると、
前記光学素子は１枚の照明ミラーからなり、その反射面が、前記光軸との交点における法線を含む全ての断面内で０でない曲率を有しており、その曲率が、前記第１の方向と垂直な断面内と、前記第２の方向と垂直な断面内とで異なっている映像表示装置。
【請求項２】
前記照明ミラーの前記反射面の曲率は、前記第１の方向と垂直な断面内で最大であり、前記第２の方向と垂直な断面内で最小である請求項１に記載の映像表示装置。
【請求項３】
前記照明ミラーの前記反射面は、前記第１の方向と垂直な全ての断面内で同じ曲率を有する形状であり、かつ、その断面形状が、前記第１の方向における断面の位置に応じて前記法線の方向にシフトする形状であり、
前記第１の方向のそれぞれの画角の主光線を前記拡散板による拡散を無視して光学瞳の中心から光源に向かって逆トレースしたときに、前記それぞれの画角の主光線が前記光源と略１点で交わるように、前記断面形状の前記法線方向のシフト量が設定されている請求項１または２に記載の映像表示装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の映像表示装置と、
前記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持部材とを有してい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、表示素子にて表示された映像を虚像として観察者に観察させる映像表示装置と、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（以下、ＨＭＤと略称する）とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、照明光学系によって表示素子を照明し、表示素子からの映像光を接眼光学系を介して観察者の瞳に導くことで、観察者に映像（虚像）を観察させる映像表示装置では、上記の照明光学系に、軸対称（回転対称）なレンズや、非軸対称（非回転対称）なシリンドリカルミラーが用いられている。なお、軸対称なレンズを用いる構成は、例えば特許文献１に開示されており、シリンドリカルミラーを用いる構成は、例えば特許文献２に開示されている。【０００３】
また、光源として、複数の発光点（例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色光を出射するＬＥＤ）を直線状に並べたものを用いる場合、各発光点が並んだ方向に光を拡散させる拡散板（一方向拡散板）を配置することで色ムラを低減する技術もある。その場合に、照明光学系に軸対称なレンズを用いると、拡散板にて照明光を拡散しない方向については、光利用効率を高めるべく、接眼光学系によって形成される光学瞳と光源とを略共役な関係にすることが望ましいため、まずその方向についてレンズの曲率が決定され、照明光を拡散する方向については、それに従属してレンズの曲率（軸対称であるため拡散しない方向の曲率と同じ）が決まることになる。また、照明光学系にシリンドリカルミラーを用いる場合、光学瞳と光源とを略共役な関係にするために、拡散板にて拡散しない方向に曲率を持ち、拡散方向に曲率を持たないように、ミラーを設置することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２６４６８２号公報（段落〔００５９〕、図１５等参照）
【特許文献２】特開２００７−１１２７９号公報（図１、図３、図４等参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
照明光学系に、軸対称な光学系を用いる場合でも、非軸対称な光学系を用いる場合でも、光学瞳と光源とが共役でない方向（拡散方向）の曲率は従属的に決定されるため、必ずしも望ましい状態にはなっているとは言えない。特に、照明光学系にシリンドリカルミラーを用いた場合、共役でない方向において、反射面に斜めに照明光が入射することにより、反射光が表示素子を照明する光路から外れる場合がある。したがって、照明光学系にミラーを用いる構成においては、照明光の利用効率を向上させるべく、共役でない方向の曲率を独立して設定できるようにするのが望ましい。【０００６】
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、その目的は、複数の発光点を持つ光源からの光（照明光）を照明ミラーで反射させ、複数の発光点が並ぶ方向に照明光を拡散板によって拡散させる構成において、拡散方向および拡散方向とは垂直な方向の両方向において、照明ミラーの反射面の曲率を各々独立して設定することにより、両方向とも光利用効率を向上させることができる映像表示装置と、その映像表示装置を備えたＨＭＤとを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面に係る映像表示装置は、照明光学系と、前記照明光学系からの光を変調して映像を表示する表示素子と、前記表示素子からの映像光を光学瞳に導く接眼光学系とを有する映像表示装置であって、前記照明光学系は、略直線状に並んだ複数の発光点を有する光源と、前記光源からの照明光を、前記複数の発光点が並んだ第１の方向に拡散し、それに垂直な第２の方向には拡散しない拡散板と、前記接眼光学系を含めた光学瞳から光源までの光学系において、前記第２の方向に関して、光学瞳と光源とが略共役となるように、前記照明光を曲げる光学素子とを有しており、光学瞳の中心と前記表示素子の表示面の中心とを光学的に結ぶ軸およびその軸の延長線を光軸とすると、前記光学素子は１枚の照明ミラーからなり、その反射面が、前記光軸との交点における法線を含む全ての断面内で０でない曲率を有しており、その曲率が、前記第１の方向と垂直な断面内と、前記第２の方向と垂直な断面内とで異なっている。【０００８】
前記照明ミラーの前記反射面の曲率は、前記第１の方向と垂直な断面内で最大であり、前記第２の方向と垂直な断面内で最小であることが望ましい。【０００９】
前記照明ミラーの前記反射面は、前記第１の方向と垂直な全ての断面内で同じ曲率を有する形状であり、かつ、その断面形状が、前記第１の方向における断面の位置に応じて前記法線の方向にシフトする形状であり、前記第１の方向のそれぞれの画角の主光線を前記拡散板による拡散を無視して光学瞳の中心から光源に向かって逆トレースしたときに、前記それぞれの画角の主光線が前記光源と略１点で交わるように、前記断面形状の前記法線方向のシフト量が設定されていることが望ましい。【００１０】
本発明の他の側面に係るＨＭＤは、上述した映像表示装置と、前記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持部材とを有している。
【発明の効果】
【００１１】
複数の発光点を持つ光源からの光を照明ミラーで反射させ、拡散板によって各発光点が並ぶ第１の方向に拡散させる構成において、照明ミラーの反射面の形状を上記のように設定し、第１の方向についての反射面の曲率を、拡散方向と垂直な方向である第２の方向と独立して設定することにより、第２の方向について、光源と光学瞳とを略共役な関係にして光利用効率を向上させつつ、共役でない第１の方向についても、独立した曲率設定によって照明光を表示素子に効率よく導くことが可能となり、光利用効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係る映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。
【図２】上記映像表示装置の光源の平面図である。
【図３】上記映像表示装置において、Ｘ方向における画角中央および画角端部のそれぞれについて、光学瞳側から逆トレースした光線を示す説明図である。
【図４】上記映像表示装置を備えたＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。
【図５】上記映像表示装置の照明ミラーの断面形状を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
（映像表示装置について）
図１は、本実施形態の映像表示装置１の概略の構成を示す断面図である。映像表示装置１は、照明光学系２と、偏光板３と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４と、表示素子５と、接眼光学系６とを有している。
【００１５】
なお、説明の便宜上、方向を以下のように定義しておく。接眼光学系６によって形成される光学瞳Ｐの中心と表示素子５の表示面の中心とを光学的に結ぶ軸およびその軸の延長線を光軸とする。そして、接眼光学系６のＨＯＥ２３の光軸入射面に垂直な方向をＸ方向（第１の方向）とする。なお、ＨＯＥ２３の光軸入射面とは、ＨＯＥ２３における入射光の光軸と反射光の光軸とを含む平面を指す。また、各光学部材の光軸との交点における、面法線と垂直な面内で、Ｘ方向に垂直な方向をＹ方向（第２の方向）とする。
【００１６】
照明光学系２は、表示素子５を照明するものであり、光源１１と、照明ミラー１２と、拡散板１３とを有している。
【００１７】
光源１１は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色に対応する光を出射するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。複数の発光点（ＲＧＢの各発光点）は、水平方向（Ｘ方向）に略直線状に並んでいる。光源１１から出射される光の波長は、例えば、光強度のピーク波長および光強度半値の波長幅で、４６２±１２ｎｍ（Ｂ光）、５２５±１７ｎｍ（Ｇ光）、６３５±１１ｎｍ（Ｒ光）である。
【００１８】
図２は、光源１１の平面図である。本実施形態では、光源１１は、ＲＧＢ一体型のＬＥＤを２対備えている。そして、ＲＧＢのそれぞれについて、ＨＯＥ２３の光軸入射面に対して各発光点が対称に位置するように、各発光点がＸ方向に略直線状に並んでいる。より具体的には、光源１１がＬＥＤ１１Ｐ・１１Ｑで構成され、ＬＥＤ１１Ｐが、ＲＧＢの各色光を出射するＬＥＤ１１Ｒ１・１１Ｇ１・１１Ｂ１を含んで構成され、ＬＥＤ１１Ｑが、ＲＧＢの各色光を出射するＬＥＤ１１Ｒ２・１１Ｇ２・１１Ｂ２を含んで構成されているとすると、Ｘ方向において、ＬＥＤ１１Ｂ１、ＬＥＤ１１Ｇ１、ＬＥＤ１１Ｒ１、ＬＥＤ１１Ｒ２、ＬＥＤ１１Ｇ２、ＬＥＤ１１Ｂ２、の順に並ぶように、ＬＥＤ１１Ｐ・１１ＱがＸ方向に並んで配置されている。これにより、ＲＧＢの光強度の分布をＸ方向で対称にすることができる。
【００１９】
照明ミラー１２は、光源１１から出射された光（照明光）を拡散板１３に向けて反射させるとともに、Ｙ方向に関して、光学瞳Ｐと光源１１とが略共役となるように、照明光を曲げる光学素子である。なお、照明ミラー１２の反射面の形状の詳細については後述する。
【００２０】
拡散板１３は、光源１１の複数の発光点が並ぶＸ方向に入射光を例えば４０°拡散し、Ｙ方向には入射光を拡散しない一方向拡散板である。拡散板１３は、偏光板３の表面に保持されている。
【００２１】
偏光板３は、拡散板１３を介して入射する光のうち、所定の偏光方向の光を透過させてＰＢＳ４に導く。
【００２２】
ＰＢＳ４は、偏光板３を透過した光を反射型の表示素子５の方向に反射させる一方、表示素子５にて反射された光のうち、画像信号オンに対応する光（偏光板３を透過した光とは偏光方向が直交する光）を透過させる平板状の偏光分離素子であり、接眼光学系６の後述する接眼プリズム２１の光入射面２１ａに貼り付けられている。
【００２３】
ＰＢＳ４を光入射面２１ａに貼り付けることにより、ＰＢＳ４の光入射側および光出射側に各光学部材をバランスよく配置することができる。これにより、各光学部材の保持姿勢が安定する。また、接眼光学系６の上方の空いたスペースに表示素子５を配置した設計が可能となり、空間を有効利用することができ、小型化にも有利となる。また、ＰＢＳ４の接眼プリズム２１への貼り付けにより、接眼プリズム２１における空気との界面（空気と直接接触する面）が減るため、上記界面における表面反射を低減して光利用効率を向上させるとともに、表面反射によるゴーストの発生を低減できる。
【００２４】
表示素子５は、照明光学系２からの光を変調して映像を表示する表示素子であり、本実施形態では、反射型の液晶表示素子で構成されている。表示素子５はカラーフィルタを有する構成であってもよいし、ＲＧＢごとに時分割で駆動される構成であってもよい。
【００２５】
表示素子５は、ＰＢＳ４からほぼ垂直に入射する光がほぼ垂直に反射されてＰＢＳ４に向かうように配置されている。これにより、反射型の表示素子に対して大きな入射角で光を入射させる構成に比べて、解像度を増大させるような光学設計が容易となる。表示素子５の表示面は長方形となっており、表示面の長手方向がＸ方向となり、短手方向がＹ方向となるように配置されている。
【００２６】
また、表示素子５は、照明ミラー１２からＰＢＳ４に向かう光路に対して光源１１と同じ側に配置されている。これにより、照明光学系２から表示素子５までの光学系全体をコンパクトに構成することができる。表示素子５は、光源１１と同一の基板で支持されていてもよいし、別々の基板で支持されていてもよい（図１では、光源１１および表示素子５の支持基板は省略している）。
【００２７】
接眼光学系６は、表示素子５からの映像光を観察者の瞳（光学瞳Ｐ）に導くための光学系であり、非軸対称（非回転対称）な正の光学パワーを有している。この接眼光学系６は、接眼プリズム２１と、偏向プリズム２２と、ＨＯＥ２３とを有している。
【００２８】
接眼プリズム２１は、表示素子５からＰＢＳ４を介して入射する映像光を内部で導光する一方、外界像の光（外光）を透過させるものであり、平行平板の上端部を上端に向かうほど厚くし、下端部を下端に向かうほど薄くした形状で構成されている。
【００２９】
接眼プリズム２１においてＰＢＳ４が貼り付けられる面は、表示素子５からの映像光が入射する光入射面２１ａであり、光学瞳Ｐとほぼ平行に位置して互いに対向する２つの面２１ｂ・２１ｃは、映像光を全反射によって導光する全反射面となっている。そのうち、光学瞳Ｐ側の面２１ｂは、ＨＯＥ２３で回折反射される映像光の出射面を兼ねている。
【００３０】
接眼プリズム２１は、その下端部に配置されるＨＯＥ２３を挟むように偏向プリズム２２と接着剤で接合されている。本実施形態では、接眼プリズム２１を構成する面のうち、ＨＯＥ２３が接する面２１ｄ以外で映像光が透過する面（光入射面２１ａ、面２１ｂ）は、平面となっている。ＨＯＥ２３が接する面２１ｄは、本実施形態では一方向（例えばＸ方向）にのみ曲率を有する面で構成されているが、平面で構成されてもよい。
【００３１】
偏向プリズム２２は、接眼プリズム２１とＨＯＥ２３を介して貼り合わされて略平行平板を形成している。偏向プリズム２２を接眼プリズム２１と貼り合わせることで、外光が接眼プリズム２１の楔状の下端部を透過するときの屈折を偏向プリズム２２でキャンセルすることができ、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。
【００３２】
ＨＯＥ２３は、接眼プリズム２１に接して設けられ、接眼プリズム２１内部で導光された映像光を回折反射する体積位相型で反射型のホログラム光学素子である。ＨＯＥ２３は、回折効率のピーク波長および回折効率半値の波長幅で、例えば４６５±５ｎｍ（Ｂ光）、５２１±５ｎｍ（Ｇ光）、６３４±５ｎｍ（Ｒ光）の３つの波長域の光を回折（反射）させる。すなわち、ＨＯＥ２３のＲＧＢの回折波長は、ＲＧＢの映像光の波長（光源１１の発光波長）とほぼ対応している。
【００３３】
上記の構成において、照明光学系２の光源１１から出射された光は、照明ミラー１２で反射され、拡散板１３にてＸ方向にのみ拡散された後、所定の偏光方向の光のみが偏光板３を透過する。そして、偏光板３を透過した光は、ＰＢＳ４で反射され、表示素子５に入射する。
【００３４】
表示素子５では、入射光が画像信号に応じて変調される。このとき、画像信号オンに対応する映像光は、表示素子５にて入射光とは偏光方向が直交する光に変換されて出射されるため、ＰＢＳ４を透過して接眼プリズム２１の内部に光入射面２１ａから入射する。一方、画像信号オフに対応する映像光は、表示素子５にて偏光方向が変換されずに出射されるため、ＰＢＳ４で遮断され、接眼プリズム２１の内部に入射しない。
【００３５】
接眼プリズム２１では、入射した映像光が接眼プリズム２１の対向する２つの面２１ｃ・２１ｂでそれぞれ１回ずつ全反射された後、ＨＯＥ２３に入射し、そこで回折反射されて面２１ｂから出射され、光学瞳Ｐに達する。したがって、この光学瞳Ｐの位置では、観察者は、表示素子５に表示された映像を虚像として観察することができる。
【００３６】
一方、接眼プリズム２１、偏向プリズム２２およびＨＯＥ２３は、外光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界像をシースルーで観察することができる。したがって、表示素子５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。
【００３７】
（照明ミラーの反射面の形状について）
本実施形態では、照明光学系２の照明ミラー１２の反射面は、光軸との交点における法線を含む全ての断面内で０でない曲率を有しており、その曲率が、Ｘ方向と垂直な断面内と、Ｙ方向と垂直な断面内とで異なるような形状となっている。つまり、上記反射面は、上記法線を含むどの断面内でも曲率を有しており、上記法線を中心軸とする回転対称ではない点で、シリンドリカルミラーとは異なっている。
【００３８】
このように照明ミラー１２の反射面を構成することにより、拡散板１３によって照明光を拡散しないＹ方向については、光源１１と光学瞳Ｐとが共役となるように照明ミラー１２の反射面の曲率を設定して、Ｙ方向についての光利用効率を向上させることができる。また、共役でないＸ方向については、Ｙ方向とは独立した曲率設定により、Ｘ方向において斜めに入射する照明光を照明ミラー１２にて反射させて表示素子５に効率よく導くことができる（照明ミラー１２での反射光が表示素子５を照明する光路から外れるのを低減できる）。したがって、Ｘ方向についても照明光の光利用効率を向上させることができる。
【００３９】
つまり、照明ミラー１２の反射面の曲率をＸ方向およびＹ方向のそれぞれについて独立して設定することにより、Ｘ方向およびＹ方向の両方向において、照明光の利用効率を向上させることができる。
【００４０】
照明ミラー１２の反射面の曲率は、Ｘ方向と垂直な断面内で最大であり、Ｙ方向と垂直な断面内で最小であることが望ましい。
【００４１】
上記曲率がＸ方向と垂直な断面内で最大であることにより、Ｙ方向において、光源１１と光学瞳Ｐとを確実に共役にして光利用効率を確実に向上させることができる。また、上記曲率がＹ方向と垂直な断面内で最小であることにより、Ｘ方向における、照明光の光利用効率を向上させる効果を、必要最小限の曲率によって得ることができる。
【００４２】
照明ミラー１２の反射面は、Ｘ方向と垂直な全ての断面内で同じ曲率を有する形状であり、かつ、その断面形状が、Ｘ方向における断面の位置に応じて上記法線の方向にシフトする形状であり、Ｘ方向のそれぞれの画角の主光線を拡散板１３による拡散を無視して光学瞳Ｐの中心から光源１１に向かって逆トレースしたときに、Ｘ方向の各画角の主光線が光源１１と略１点で交わるように、上記断面形状の法線方向のシフト量が設定されていることが望ましい。
【００４３】
図３は、Ｘ方向における画角中央および画角端部のそれぞれについての光線であって、光学瞳Ｐ側から拡散板１３での拡散を無視して逆トレースした光線（それぞれの画角の主光線）を示したものである。なお、図３では、便宜上、画角端部の光線を、実際のＸ方向の画角を２倍にしたときの光線で示している。本実施形態では、ＨＯＥ面（ＨＯＥ２３が接する面２１ｄ）および照明ミラー１２の反射面がＸ方向に曲率を持っているため、画角端部の光線は、ＨＯＥ面および照明ミラー１２の反射面のないところで反射しているように描かれているが、実際はＨＯＥ面および照明ミラー１２で反射している。
【００４４】
図３では、画角中央および画角端部に対応する各光線が、光学瞳Ｐ側で重なっており、光源１１のところで１点に交わっていることがわかる。本実施形態では、ＨＯＥ２３が平面でなく、接眼光学系６の面２１ｄ以外の面は全て平面であるので、光学瞳Ｐ側から逆トレースした画角端部の光線は、ＨＯＥ面が曲がっていることの影響によって、ＨＯＥ面以降で画角中央の光線とはずれている。その後、ＨＯＥ面以外は平面であるので、画角中央と画角端部とで光線はずれたままだが、Ｘ方向において照明ミラー１２の反射面を適切に曲げることで、これらの光線を光源１１のところで一致させることができる。
【００４５】
つまり、照明ミラー１２の反射面の形状を上記のように設定することにより、照明ミラー１２の反射面を傾ける（ねじる）ことなく、Ｘ方向のそれぞれの画角において、Ｙ方向における光学瞳Ｐと光源１１との位置関係を維持することができる。反射面をねじる場合、ミラーの設置誤差が光学系の性能に大きく影響するため、本実施形態では、そのようなミラーの設置誤差による光学性能の低下を抑えることができる。
【００４６】
（ＨＭＤについて）
図４は、本実施形態の映像表示装置１を備えたＨＭＤ３０の概略の構成を示す斜視図である。ＨＭＤ３０は、上述した映像表示装置１と、支持部材３１とで構成されている。
【００４７】
映像表示装置１の照明光学系２や表示素子５等は、筐体３２内に収容されており、接眼光学系６の上端部も筐体３２内に位置している。接眼光学系６は、上述したように接眼プリズム２１および偏向プリズム２２の貼り合わせによって構成されており、全体として眼鏡の一方のレンズ（図２では右眼用レンズ）のような形状をしている。また、筐体３２内の光源１１および表示素子５は、筐体３２を貫通して設けられるケーブル３３を介して、図示しない回路基板と接続されており、回路基板から光源１１および表示素子５に駆動電力や映像信号が供給される。
【００４８】
なお、映像表示装置１は、静止画や動画を撮影する撮像装置、マイク、スピーカー、イヤホンなどをさらに備え、外部のサーバーや端末とインターネット等の通信回線を介して、撮像画像および表示画像の情報や音声情報をやりとり（送受信）する構成であってもよい。
【００４９】
支持部材３１は、眼鏡のフレームに相当する支持機構であり、映像表示装置１を観察者の眼前（図２では右眼の前）で支持している。この支持部材３１は、観察者の左右の側頭部に当接するテンプル３４（右テンプル３４Ｒ、左テンプル３４Ｌ）と、観察者の鼻と当接する鼻当て３５（右鼻当て３５Ｒ・左鼻当て３５Ｌ）とを含んでいる。なお、支持部材３１は、観察者の左眼の前でレンズ３６も支持しているが、このレンズ３６はダミーレンズである。
【００５０】
ＨＭＤ３０を観察者の頭部に装着し、表示素子５に映像を表示すると、その映像光が接眼光学系６を介して光学瞳に導かれる。したがって、光学瞳の位置に観察者の瞳を合わせることにより、観察者は、映像表示装置１の表示映像の拡大虚像を観察することができる。また、これと同時に、観察者は接眼光学系６を介して、外界像をシースルーで観察することができる。
【００５１】
このように、映像表示装置１が支持部材３１で支持されることにより、観察者は映像表示装置１から提供される映像をハンズフリーで長時間安定して観察することができる。なお、映像表示装置１を２つ用いて両眼で映像を観察できるようにしてもよい。
【００５２】
（実施例について）
以下、図１で示した映像表示装置１の数値実施例について、コンストラクションデータ等を挙げてさらに具体的に説明する。
【００５３】
なお、以下に示すコンストラクションデータにおいて、Ｓｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）は、光源１１から光学瞳Ｐに至る光路中で、光学瞳Ｐ側から数えてｉ番目の面（接眼プリズム２１の映像光出射面を１番目の面とする）を示している。したがって、Ｓ２は接眼プリズム２１の面２１ｄ（ＨＯＥ貼り付け面）、Ｓ３は面２１ｂ（全反射面（Ｓ１と同一平面））、Ｓ４は面２１ｃ（全反射面）、Ｓ５は面２１ａ（ＰＢＳ貼り付け面）、Ｓ６はＰＢＳ４の透過面、Ｓ７は表示素子５のカバーガラス表面、Ｓ８は表示素子５の液晶面、Ｓ９は表示素子５のカバーガラス表面、Ｓ１０はＰＢＳ４の反射面、Ｓ１１は偏光板３の出射面、Ｓ１２は偏光板３と拡散板１３との境界面、Ｓ１３は拡散板１３の入射面、Ｓ１４は照明ミラー１２の反射面、Ｓ１５は光源１１のＬＥＤ発光面、である。
【００５４】
各面Ｓｉの配置は、面頂点座標（ｘ，ｙ，ｚ）と回転角度（ＡＤＥ）の各面データでそれぞれ特定される。面Ｓｉの面頂点座標は、その面頂点をローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点として、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）におけるローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）で表されている（単位はｍｍ）。また、面Ｓｉの傾きは、その面頂点を中心とするｘ軸回りの回転角度（ｘ回転）で表されている。なお、回転角度の単位は°であり、ｘ軸の正方向から見て（図１の紙面手前から奥に向かって見て）反時計回りの方向がｘ回転の回転角度の正方向とする。
【００５５】
また、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）は、出射面（Ｓ１）のローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と一致した絶対座標系になっている。なお、出射面（Ｓ１）では、出射面（Ｓ１）からＨＯＥ２３に向かう方向が＋Ｚ方向であり、出射面（Ｓ１）に対して上方向が＋Ｙ方向であり、ＹＺ平面に垂直な方向であって、図１の紙面奥から手前に向かう方向（ＨＭＤを装着したときに左から右に向かう方向）が＋Ｘ方向である。
【００５６】
また、本実施例で用いたＨＯＥを作製する際の製造波長（ＨＷＬ；規格化波長）および再生波長はともに５３２ｎｍであり、回折光の使用次数は１次である。
【００５７】
また、本実施例では、ＨＯＥによる複雑な波面再生を行うので、位相関数φによってＨＯＥを定義する。位相関数φは、以下の数１式に示すように、ＨＯＥの位置（Ｘ，Ｙ）による生成多項式（二元多項式）である。なお、数１式において、Ａ（ｉ，ｊ）は、ＸｉＹｊの係数（ＨＯＥ係数）を示す。
【００５８】
【数１】
2014156602.tif 000003
【００５９】
また、コンストラクションデータにおいて、多項式自由曲面の面形状は、次の数２式によって表現される。ただし、Ｚは座標（Ｘ，Ｙ）の位置でのＺ軸方向（光軸方向）のサグ量（ｍｍ）を示し、Ａ（ｉ，ｊ）は、ＸｉＹｊの係数（自由曲面係数）を示す。なお、数２式では、球面項を示す部分は存在していない。
【００６０】
【数２】
2014156602.tif 000004
【００６１】
表１は、本実施例の映像表示装置１の各面の座標を示し、表２〜表４は、本実施例の映像表示装置１におけるＨＯＥの位相関数φの係数（ＨＯＥ係数）Ａ（ｉ，ｊ）、ＨＯＥ面（ＨＯＥ貼り付け面）の形状式係数、照明ミラーの形状式係数を、Ｘの次数とＹの次数とに対応させて示している。ＨＯＥ面および照明ミラーの形状式係数は、数２式の自由曲面係数で示している。なお、表２〜表４において、１行目はＸの次数を示し、１列目はＹの次数を示している。また、全ての表において、表記の無い次数の係数は全て０であり、Ｅ−ｎ＝×１０−ｎとする。
【００６２】
【表１】
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【００６３】
【表２】
2014156602.tif 000006
【００６４】
【表３】
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【００６５】
【表４】
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【００６６】
図５は、照明ミラーの反射面の形状を、Ｘ＝０、Ｘ＝１０、Ｘ＝２０のそれぞれの断面（ＹＺ断面）で示したものである。本実施例では、照明ミラーの反射面の形状式は二元多項式で示され、表４に示すように、Ｘ２次の項と、Ｙ２〜４次の項のみが０で無い値となっている。ＹＺ平面に平行な平面内で断面形状を見ると、面形状式にＸとＹがかかった項が存在しないために、Ｘの値に関わらず、断面形状が同じになっている。また、Ｘ２次の項があるために、Ｘの値を変えると、断面形状がＺ軸方向（光軸との交点における法線方向）にシフトする。
【００６７】
このような照明ミラーの反射面形状により、Ｙ方向については、光源と光学瞳とが共役となるように照明光を曲げて光利用効率を向上させることができる。また、Ｘ方向についても、Ｙ方向とは独立した曲率設定により、斜め入射の照明光を反射面で曲げて表示素子５に効率よく導き、光利用効率を向上させることができる。
【００６８】
また、照明ミラー（反射面）において共役でない方向（Ｘ方向）の曲率を設定できない場合、光学瞳側から逆トレースした、Ｘ方向に異なる画角の光線が光源のところで交わるためには、反射面を傾ける（ねじる）必要がある。面形状式にＸとＹがかかった項を導入すれば、反射面の傾きを変えることは可能ではあるが、ミラーの設置誤差に関して性能への影響が大きくなる。したがって、本実施例のように、面形状式にＸとＹがかかった項を導入せずに反射面の形状を規定するほうが、光学性能に関して有利となる。
【００６９】
なお、本実施例では、表３に示すように、ＨＯＥ面の形状式係数が、Ｙ０次Ｘ偶数次（範囲は２〜１０）の項で０でなく、Ｙ０次で無い項で全て０であることにより、ＨＯＥ面はＸ方向に曲率を有しており、Ｙ方向には曲率を有していない形状である。本実施形態で示したような照明ミラーの反射面形状は、ＨＯＥ面が一方向にのみ曲率を有する形状である場合のみならず、ＨＯＥ面が平面である場合にも勿論適用することができ、これによって本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７０】
（補足）
本実施形態で示した映像表示装置は、以下の構成であってもよい。
【００７１】
（１）映像表示装置は、
照明光学系からの光のうち、所定の偏光方向の光を透過する偏光板と、
上記偏光板を透過した光を表示素子としての反射型液晶表示素子の方向に反射させる一方、反射型液晶表示素子にて反射される光のうち、入射光と偏光方向が直交する光（画像信号オンに対応する光）を透過させる偏光分離素子とを備え、
上記偏光分離素子は、接眼プリズムにおける映像光の入射面に貼り付けられている。
【００７２】
（２）接眼光学系は、
映像光を内部で導光する接眼プリズムと、
上記接眼プリズムに接して設けられ、上記接眼プリズム内部で導光された映像光を回折反射するＨＯＥとを有しており、
ＨＯＥ面は、Ｘ方向にのみ曲率を有している。
【００７３】
また、本実施形態で示したＨＭＤは、上記の映像表示装置を支持部材で支持してなる構成であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明の映像表示装置は、ＨＭＤに利用可能である。
【符号の説明】
【００７５】
１      映像表示装置
２      照明光学系
５      表示素子
６      接眼光学系
１１      光源
１１Ｐ、１１Ｒ１、１１Ｇ１、１１Ｂ１      ＬＥＤ（光源、発光点）
１１Ｑ、１１Ｒ２、１１Ｇ２、１１Ｂ２      ＬＥＤ（光源、発光点）
１２      照明ミラー（光学素子）
１３      拡散板
３０      ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）
３１      支持部材
Ｐ      光学瞳  
【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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【国際調査報告】
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