(57)【要約】【課題】本発明は、コンパクト化を図りつつも画像劣化を抑えることのできる画像表示光学系及び頭部装着型画像表示装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の画像表示光学系は、画像表示素子（１１）からの表示光束を観察眼へ導光する画像表示光学系において、前記表示光束の光路には少なくとも正の光学的パワーを持つ回折光学素子（ＨＯＥ）と、正の光学的パワーを持つレンズ（１４）とが配置され、前記レンズ（１４）は、互いに重ねられた凸レンズ（１４Ｂ）と凹レンズ（１４Ａ）とを備え、前記凸レンズ（１４Ｂ）のｄ線に対するアッベ数νd1、前記凹レンズ（１４Ａ）のｄ線に対するアッベ数νd2は、νd1＜νd2の関係を満たすことを特徴とする。【選択図】      図２
2008083352.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示素子からの表示光束を観察眼へ導光する画像表示光学系において、
前記表示光束の光路には少なくとも正の光学的パワーを持つ回折光学素子と、正の光学的パワーを持つレンズとが配置され、
前記レンズは、
互いに重ねられた凸レンズと凹レンズとを備え、
前記凸レンズのｄ線に対するアッベ数νd1、前記凹レンズのｄ線に対するアッベ数νd2は、
νd1＜νd2の関係を満たす
ことを特徴とする画像表示光学系。
【請求項２】
請求項１に記載の画像表示光学系において、
前記レンズは、
前記凸レンズと前記凹レンズとを接合してできる接合レンズである
ことを特徴とする画像表示光学系。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の画像表示光学系において、
前記光路には、
前記レンズとは別のレンズが更に配置され、
前記別のレンズのｄ線に対するアッベ数νd3は、
νd1＜νd3の関係を満たす
ことを特徴とする画像表示光学系。
【請求項４】
画像表示素子と、
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の画像表示光学系と、
前記画像表示素子及び前記画像表示光学系を観察者の頭部へ装着する装着手段と
を備えたことを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示素子からの表示光束を観察眼へ導光する画像表示光学系、及びそれを備えた頭部装着型画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
シースルー型のアイグラスディスプレイには、画像表示素子からの光束（表示光束）を外界からの光束（外界光束）に重畳させる画像表示光学系が使用される（特許文献１を参照）。通常、画像表示光学系のうち観察眼に正対する箇所にはホログラフィック光学素子が設けられる。画像表示光学系にとって必要な光学的パワーの多くをこのホログラフィック光学素子に割り当てれば、画像表示光学系の他の部分の光学的パワーを抑えることができるので、アイグラスディスプレイのコンパクト化に有利である。
【特許文献１】特開２００３−１４００７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、回折光学素子の一種であるホログラフィック光学素子は光束に付与できる光学的パワーの強さが波長に比例するので、画像表示素子の発光波長が完全な単波長でない限り、光学的パワーを強くすると倍率色収差が発生し、アイグラスディスプレイの画像が劣化する。その劣化は画像表示素子の解像度が高いほど目立つ。
そこで本発明は、コンパクト化を図りつつも画像劣化を抑えることのできる画像表示光学系及び頭部装着型画像表示装置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】
【０００４】
本発明の画像表示光学系は、画像表示素子からの表示光束を観察眼へ導光する画像表示光学系において、前記表示光束の光路には少なくとも正の光学的パワーを持つ回折光学素子と、正の光学的パワーを持つレンズとが配置され、前記レンズは、互いに重ねられた凸レンズと凹レンズとを備え、前記凸レンズのｄ線に対するアッベ数νd1、前記凹レンズのｄ線に対するアッベ数νd2は、νd1＜νd2の関係を満たすことを特徴とする。
【０００５】
なお、前記レンズは、前記凸レンズと前記凹レンズとを接合してできる接合レンズであってもよい。
また、前記光路には、前記レンズとは別のレンズが更に配置され、前記別のレンズのｄ線に対するアッベ数νd3は、νd1＜νd3の関係を満たすことが望ましい。
また、本発明の頭部装着型画像表示装置は、画像表示素子と、本発明の何れかの画像表示光学系と、前記画像表示素子及び前記画像表示光学系を観察者の頭部へ装着する装着手段とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、コンパクト化を図りつつも画像劣化を抑えることのできる画像表示光学系及び頭部装着型画像表示装置が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、添付図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。本実施形態は、シースルー型アイグラスディスプレイの実施形態である。
図１は、アイグラスディスプレイの外観図である。図１に示すとおり、アイグラスディスプレイ１０は、プリズム２の設けられた透明基板１を眼鏡レンズと同様にテンプル３やブリッジ５などで保持してなる。テンプル３には、画像表示素子やレンズを収めた表示ユニット４が固定され、プリズム２の先端部には反射体積型のホログラフィック光学素子ＨＯＥが適当な角度で設けられる。
【０００８】
このアイグラスディスプレイ１０を眼鏡と同様に観察者の頭部へ装着すると、観察眼（図１では右眼）の直前にホログラフィック光学素子ＨＯＥが位置する。この状態で表示ユニット４の画像表示素子が駆動されると、表示ユニット４からプリズム２へ表示光束が導入される。この表示光束はプリズム２の内部を内面反射しながら伝搬した後、ホログラフィック光学素子ＨＯＥにて反射してから観察眼へ入射する。この表示光束にはホログラフィック光学素子ＨＯＥなどから適当な光学的パワーが付与されているので、観察者からは、前方の適当な距離（例えば１ｍ程度の距離）に画像表示素子の拡大虚像が見えることになる。
【０００９】
なお、ホログラフィック光学素子ＨＯＥの反射波長は、画像表示素子の発光波長と同じに設定されている。よって、ホログラフィック光学素子ＨＯＥは、プリズム２を伝搬した表示光束を反射する一方で、外界から入射した外界光束の殆どを透過する。このため観察者は画像表示素子の虚像と外界の様子とを同時に観察することができる。
図２は、アイグラスディスプレイ１０の光学系部分（画像表示光学系）の光路図である。図２では画角中心の表示光束のみを描いた。符号１１で示すのが画像表示素子、符号１１ａで示すのが表示面である。また、符号Ｅ．Ｐ．で示すのがアイポイント（観察眼の瞳が配置されるべき位置）であり、画像表示光学系の射出瞳に相当する。
【００１０】
画像表示素子１１は、液晶表示ディスプレイ（ＬＣＤ）や有機エレクトロルミネッセンス（有機ＥＬ）などである。ここでは画像表示素子１１を、１／４インチのＬＣＤ（ＱＶＧＡ）とし、その画素数は３２０×２４０ピクセル、表示サイズは３．３ｍｍ×２．４７５ｍｍ、水平・垂直方向それぞれの画素ピッチは１０μｍであり、発光波長は若干幅のある５５２ｎｍ〜４９０ｎｍとする。
【００１１】
図２に示すとおり、この画像表示光学系には表示面１１ａの側から順に、負の光学的パワーを有したレンズ１２、全反射ミラー１３、全体として正の光学的パワーを有した接合レンズ１４、観察者に正対する２つの平行平面を有したプリズム２、正の光学的パワーを有したホログラフィック光学素子ＨＯＥが配置される。
表示面１１ａから射出した表示光束は、レンズ１２において負の光学的パワーが付与され、全反射ミラー１３の反射面１３ａにて反射し、接合レンズ１４において正の光学的パワーが付与された後、プリズム２の領域２ａからプリズム２の内部へ入射する。入射した表示光束は、プリズム２の領域２ｂ、プリズム２の領域２ｃ、プリズム２の領域２ｄ、プリズム２の領域２ｅ、プリズム２の領域２ｆ、プリズム２の領域２ｇにて順次内面反射してから、ホログラフィック光学素子ＨＯＥへ入射する。その表示光束は、ホログラフィック光学素子ＨＯＥにて正の光学的パワーが付与された後、プリズム２の領域２ｉから外部へ射出し、アイポイントＥ．Ｐ．へ入射する。領域２ａ，２ｃ，２ｅ，２ｇ，２ｉは、プリズム２の観察者側の面の互いに異なる領域であり、領域２ｄ，２ｆは、プリズム２の外界側の面の互いに異なる領域である。また、領域２ｂは、プリズム２の一端に設けられた傾斜面上にあり、ホログラフィック光学素子ＨＯＥの形成先は、プリズム２の他端に設けられた傾斜面である。
【００１２】
このうち、レンズ１２、接合レンズ１４、ホログラフィック光学素子ＨＯＥが表示光束に与える光学的パワーは、ホログラフィック光学素子ＨＯＥの背後（外界側）の遠方に表示面１１ａの拡大虚像が形成されるよう最適化されている。レンズ１２は、省略することも可能だが、ここでは接合レンズ１４に対する制約を少なくするために配置した。
ここで、接合レンズ１４は、図３（Ａ）に拡大して示すとおり、表示面１１ａの側から順に、凹レンズ（図ではメニスカスレンズ）１４Ａと凸レンズ（図では両凸レンズ）１４Ｂとを配置し、かつ両者を貼り合わせたものである。ｄ線（波長＝５８７．６ｎｍ）に対する凸レンズ１４Ｂのアッベ数νd1、ｄ線に対する凹レンズ１４Ａのアッベ数νd2は、式（１）の関係を満たす。
【００１３】
νd1＜νd2  …（１）
つまり、接合レンズ１４は、通常の色消しレンズと比較すると、凹レンズと凸レンズとのアッベ数の大小関係が逆転している。このような接合レンズ１４には、画像表示光学系の倍率色収差を積極的に発生させる働きがある。例えば、凸レンズ１４Ｂと凹レンズ１４Ａのアッベ数差Δνは、式（２）の関係を満たす。
【００１４】
Δν≧２．０  …（２）
このようにアッベ数差Δνを大きくすれば、接合レンズ１４が発生させる倍率色収差の量が十分に大きくなる。その倍率色収差を、ホログラフィック光学素子ＨＯＥに起因して生じる倍率色収差の等量反対符号に設定すれば、画像表示光学系の全系の倍率色収差が相殺される。
【００１５】
したがって、本実施形態では画像表示光学系にとって必要な光学的パワーの多くをホログラフィック光学素子ＨＯＥに割り当ててその分だけ接合レンズ１４の光学的パワーを抑えたとしても、画像表示光学系の全系の倍率色収差を抑えることが可能である。つまり本実施形態では、虚像の劣化を抑えながら表示ユニット４をコンパクト化することができる。
【００１６】
なお、本実施形態では、ホログラフィック光学素子ＨＯＥに起因する倍率色収差を接合レンズ１４の作用で相殺するので、それ以外のレンズ（ここではレンズ１２）に起因する色収差はなるべく小さく抑えることが望ましい。このため、レンズ１２のｄ線に対するアッベ数νd3は、少なくとも式（３）の関係を満たすことが望ましい。
νd1＜νd3  …（３）
また、本実施形態の接合レンズ１４は、図３（Ｂ），（Ｃ）に示すとおりに変形することも可能である。図３（Ｂ）に示す例では、レンズ１４Ａ，１４Ｂを貼り合わせずにエアギャップを介して配置している。図３（Ｃ）に示す例では、レンズ１４Ａ，１４Ｂの周縁部のみを接合し、中心部にエアギャップを介在させている。図３（Ｂ），（Ｃ）に示す構成を採用した場合にも、図３（Ａ）に示す構成を採用した場合と同じ効果を得ることができる。
【００１７】
また、本実施形態では、接合レンズ１４がプリズム２とは別部材で構成されたが、例えば図４又は図５に示すとおりプリズム２の一部を接合レンズ１４に共用してもよい。図４に示す例は、表示光束が最初に入射するプリズム２の領域を凹面とし、そこへ凸レンズ１４Ｂを貼り付けたものである。この例では、レンズの配置順が凸レンズ１４Ｂ、凹レンズ１４Ａの順になっているが、凸レンズ１４Ｂと凹レンズ１４Ａとのアッベ数の関係を前述したとおりに設定すれば、図２に示した例と同様の効果が得られる。また、図５に示す例は、表示光束が最初に入射するプリズム２の領域を凸面とし、そこへ凹レンズ１４Ａを貼り付けたものである。図５の例でも、凸レンズ１４Ｂと凹レンズ１４Ａとのアッベ数の関係を前述したとおりに設定すれば、図２に示した例と同様の効果が得られる。
【００１８】
また、本実施形態では反射型のホログラフィック光学素子ＨＯＥを使用したが、図６に示すとおり透過型のホログラフィック光学素子ＨＯＥ’を使用してもよい。図６に示す例では、プリズム２の傾斜面にハーフミラーＨＭが設けられており、プリズム２のうち表示光束が外界へ射出する領域に、透過型のホログラフィック光学素子ＨＯＥ’が設けられている。
【実施例】
【００１９】
以下、画像表示光学系の実施例を示す。本実施例の仕様は以下のとおりである。
射出瞳（アイポイント）径：３ｍｍ，
Ｘ方向画角：±３．８°，
Ｙ方向画角：±５．０°，
射出瞳から虚像までの見かけ距離：８００ｍｍ，
使用波長：５３２．４９ｎｍ
表１は、画像表示光学系の光学設計データである。設計時の光線追跡は、アイポイント側から表示面へと向かう方向とした。表１において、「Ｍ」は面番号（括弧内に示す符号は図２中の符号である。）、「Ｒ」は曲率半径、「Ｄ」は面間隔、「Ｆ」は面作用（反射の場合のみＲＥＦＬと表記）、「ｎｄ」はｄ線（波長＝５８７．６ｎｍ）に対する屈折率、「ｖｄ」はｄ線に対するアッベ数である。
［表１］
M           R         D       F      nd      vd
1(E.P.):  INFINITY  13.000000
2(2i):    INFINITY   1.500000        1.59551  39.24
3(HOE):   INFINITY  -2.862670  REFL  1.59551  39.24
4(2g):    INFINITY   5.725340  REFL  1.59551  39.24
5(2f):    INFINITY  -5.725340  REFL  1.59551  39.24
6(2e):    INFINITY   5.725340  REFL  1.59551  39.24
7(2d):    INFINITY  -5.725340  REFL  1.59551  39.24
8(2c):    INFINITY   2.900000  REFL  1.59551  39.24
9(2b):    INFINITY  -1.519560  REFL  1.59551  39.24
10(2a):   INFINITY  -0.500000
11(14b): -15.93092  -1.000000        1.76182  26.53
12(14c):  48.95100  -0.500000        1.71300  53.83
13(14a):  88.50102  -3.200000
14(13a):  INFINITY   3.100000  REFL
15(12b):  20.00000   0.500000        1.51680  64.17
16(12a):  13.98524   5.500000
17(11a):  INFINITY   0.000000
表２は、ホログラフィック光学素子ＨＯＥの製造条件データである。データを表記する座標系は、図２中に（Ａ）で示したＸＹＺ座標系である。この座標系のＸＹ平面はホログラフィック光学素子ＨＯＥの形成面内に存在し、座標系の原点はホログラフィック光学素子ＨＯＥと光軸との交点である。
【００２０】
表２において、「ＨＶ１」は第１光源のタイプ、「ＨＶ２」は第２光源のタイプ、「ＲＥＡ」は発散光束、「ＶＩＲ」は収束光束を示す。また、「ＨＯＲ」は回折次数、「ＨＴＨ」は厚さ、「ＨＩＮ」は屈折率、「ＨＤＩ」は屈折率変調幅、「ＨＳＷ」は厚さ膨張率、「ＨＤＮ」は屈折率シフト量、「ＨＸ１」は第１光源のＸ座標、「ＨＹ１」は第１光源のＹ座標、「ＨＺ１」は第１光源のＺ座標、「ＨＸ２」は第２光源のＸ座標、「ＨＹ２」は第２光源のＹ座標、「ＨＺ２」は第２光源のＺ座標、「ＨＷＬ」は露光波長である。
［表２］
HV1:REA  HV2:VIR  HOR:1.000000  HTH:20.000000
HIN:1.493000  HDI:0.022400  HSW:-0.020000  HDN:0.029000
HX1:0.000000*10+00  HY1:-0.719109*10+20  HZ1:-0.694897*10+20
HX2:0.000000*10+00  HY2:0.214317*10+02  HZ2:-0.131780*10+02
HWL:532.00
表３は、ホログラフィック光学素子ＨＯＥの位相係数である。位相係数Ｃjは、ホログラフィック光学素子ＨＯＥが座標（Ｘ，Ｙ）における光線に与える位相変化量ｆ（Ｘ，Ｙ）を式（４）で表し、それを式（５）で変形したときの係数である。座標（Ｘ，Ｙ）は、図２中に（Ａ）で示したＸＹＺ座標系上の座標である（但し、座標系の原点はホログラフィック光学素子ＨＯＥと光軸との交点）。また、表３ではゼロである係数は省略した。
【００２１】
【数１】
2008083352.tif 000003
【００２２】
【数２】
2008083352.tif 000004
【００２３】
［表３］
C2 : -1.3537*10-01   C3 :  1.2684*10-02   C5 : -1.7654*10-05
C7 :  8.4585*10-04   C9 :  1.8765*10-04   C10:  5.1550*10-05
C12:  7.8697*10-05   C14: -6.8473*10-07   C16: -7.8503*10-05
C18:  1.6344*10-07   C20:  1.2620*10-06   C21:  5.9785*10-08
C23:  1.4564*10-06   C25:  5.7252*10-08   C27:  2.4096*10-05
C29:  1.2935*10-05   C31:  5.2523*10-07   C33:  3.9866*10-07
C35: -3.2543*10-07   C36: -1.8509*10-06   C38: -3.2685*10-07
C40: -3.9263*10-07   C42: -3.4519*10-07   C44: -7.0870*10-06
C46: -8.4631*10-07   C48: -5.6690*10-08   C50:  1.3859*10-08
C52: -8.3330*10-08   C54:  3.5563*10-08   C55:  1.9736*10-07
C57: -1.1988*10-08   C59: -1.2299*10-08   C61:  1.9751*10-08
C63:  2.1389*10-08   C65:  6.0535*10-07
表４は、各面の位置及び姿勢データである。データを表記する座標系は、図２中に（Ｂ）で示したＸＹＺ座標系である（但し、座標系の原点は各面と光軸との交点）。表４において、「ＸＤＥ」はＸ方向のシフト量、「ＹＤＥ」はＹ方向のシフト量、「ＺＤＥ」はＺ方向のシフト量、「ＡＤＥ」はＸ軸周りのチルト量、「ＢＤＥ」はＹ軸周りのチルト量、「ＣＤＥ」はＺ軸周りのチルト量である。なお、表４ではチルト量がゼロである面のデータは省略した。
［表４］
3(HOE):
XDE:  0.000000  YDE:0.000000  ZDE:0.000000
ADE:-29.200000  BDE:0.000000  CDE:0.000000
4(2g):
XDE:  0.000000  YDE:0.000000  ZDE:0.000000
ADE: 58.400000  BDE:0.000000  CDE:0.000000
5(2f):
XDE:  0.000000  YDE:0.000000  ZDE:0.000000
ADE:-58.400000  BDE:0.000000  CDE:0.000000
6(2e):
XDE:  0.000000  YDE:0.000000  ZDE:0.000000
ADE: 58.400000  BDE:0.000000  CDE:0.000000
7(2d):
XDE:  0.000000  YDE:0.000000  ZDE:0.000000
ADE:-58.400000  BDE:0.000000  CDE:0.000000
8(2c):
XDE:  0.000000  YDE:0.000000  ZDE:0.000000
ADE: 58.400000  BDE:0.000000  CDE:0.000000
9(2b):
XDE:  0.000000  YDE:0.000000  ZDE:0.000000
ADE:-29.400000  BDE:0.000000  CDE:0.000000
14(13a):
XDE:  0.000000  YDE:0.000000  ZDE:0.000000
ADE: 45.000000  BDE:0.000000  CDE:0.000000
以上、本実施例ではνd1＝２６．５３、νd2＝５３．８３、Δν＝２７．３、νd3＝６４．１７となり、上述した式（１），（２），（３）の全てを満たす。
【００２４】
図７、図８、図９は、本実施例の横収差図である。ここでは、実施形態で説明した画像表示素子１１（ＱＶＧＡ）を想定し、５２２．２３ｎｍ，５３２．４９ｎｍ，４８９．７２ｎｍの各波長に関する収差を示した。各図において、「ＲＥＬＡＴＩＶＥ  ＦＩＥＬＤ」は画角であり、括弧外の２つの数値がＸ方向の相対画角及びＹ方向の相対画角であり、括弧内の２つの数値がＸ方向の画角及びＹ方向の画角である。「Ｙ−ＦＡＮ」はＹ方向の収差（単位はｍｍ）、「Ｘ−ＦＡＮ」はＸ方向の収差（単位はｍｍ）を示す。図７、図８、図９に示すとおり、倍率色収差は、３０μｍ程度である。画像表示素子１１（ＱＶＧＡ）を使用した場合、水平・垂直方向それぞれの画素ピッチは１０μｍなので、倍率色収差が２〜３ピクセルの範囲に収まり、虚像の劣化は殆ど目立たない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】アイグラスディスプレイの外観図である。
【図２】画像表示光学系の光路図である。
【図３】各種の接合レンズ１４を説明する図である。
【図４】画像表示光学系の変形例を示す図である。
【図５】画像表示光学系の別の変形例を示す図である。
【図６】画像表示光学系のさらに別の変形例を示す図である。
【図７】実施例の横収差図である（Ｙ方向の画角＝−５°）。
【図８】実施例の横収差図である（Ｙ方向の画角＝０°）。
【図９】実施例の横収差図である（Ｙ方向の画角＝＋５°）。
【符号の説明】
【００２６】
１…透明基板，２…プリズム，４…表示ユニット，３…テンプル，５…ブリッジ，１０…アイグラスディスプレイ，ＨＯＥ…ホログラフィック光学素子，１１…画像表示素子，１２…レンズ，１４…接合レンズ，Ｅ．Ｐ．…アイポイント
【図１】
2008083352.tif 000005
【図２】
2008083352.tif 000006
【図３】
2008083352.tif 000007
【図４】
2008083352.tif 000008
【図５】
2008083352.tif 000009
【図６】
2008083352.tif 000010
【図７】
2008083352.tif 000011
【図８】
2008083352.tif 000012
【図９】
2008083352.tif 000013