(57)【要約】【課題】反射型ホログラム光学素子を用いて小型軽量化を図りつつ、外界の視野を妨げない画像表示装置を提供する。【解決手段】画像形成素子２の表示部上の任意の点を通過した光は、反射型ＨＯＥ６により、反射回折作用及び結像作用を受ける。その後、この光は、板状部５の面５ａの領域Ｒ４から板状部５外へ射出される。このとき、画像形成素子２の同一箇所から出た光は、射出瞳Ｐから無限遠又は所定距離に拡大虚像を形成するように射出瞳Ｐに置かれた使用者の眼の瞳に入射する。本実施の形態では、主光線が反射型ＨＯＥ６で回折反射される際の、前記主光線の反射型ＨＯＥ６の法線に対する入射角θｉｎｃと反射角θｒｅｆとの差の絶対値｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜が３°以下に設定されている。すなわち、この条件を満たすように、反射型ＨＯＥ６が作成されており、さらに前記主光線の反射型ＨＯＥ６の法線に対する回折反射角が２５°以上３５°以下に設定されている。【選択図】  図１
2004325985.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接眼型の画像表示装置であって、
反射型ホログラム光学素子が設けられ、画像形成手段からの光と外界光を重畳させる、イメージコンバイナを含み、
前記画像形成手段から発する光が１つの波長領域の成分のみ、または離散的な複数の波長領域の成分を持ち、
前記画像形成手段の表示部の中心に対応する主光線が、前記反射型ホログラム光学素子で回折反射される際の、当該主光線の前記反射型ホログラム光学素子の法線に対する入射角と回折反射角との差の絶対値が、３°以下とされ、
前記回折反射角が２５°以上３５°以下とされ、
前記イメージコンバイナで重畳された光の中心出射方向が視野中心方向とほぼ一致していること
を特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
接眼型の画像表示装置であって、
反射型ホログラム光学素子が設けられ、画像形成手段からの光と外界光を重畳させる、イメージコンバイナを含み、
前記画像形成手段から発する光が１つの波長領域の成分のみ、または離散的な複数の波長領域の成分を持ち、
前記画像形成手段の表示部の中心に対応する主光線が、前記反射型ホログラム光学素子で回折反射される際の、当該主光線の前記反射型ホログラム光学素子の法線に対する入射角と回折反射角との差の絶対値が、３°以下とされ、
前記回折反射角が２２°以上３２°以下とされ、
前記イメージコンバイナで重畳された光の中心出射方向が、視野中心方向に対して６°以上傾いていること
を特徴とする画像表示装置。
【請求項３】
前記入射角と回折反射角との差の絶対値が、２°以下とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記反射型ホログラム光学素子が体積型であることを特徴とする請求項１から請求項３のうち、いずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記反射型ホログラム光学素子が光学的パワーを持つことを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記主光線の前記画像形成手段からの射出方向が、前記画像形成手段の表示部の面と略垂直な方向とされていることを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘッドマウントディスプレイ装置、ファインダ等、使用者の眼に接するか極近傍に位置するようにして使用される画像表示装置であって、外界などの前方からの光による像に、画像形成手段からの光により形成される像を重畳させて観測することを可能にする画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、使用者が外界の様子を観察しながらこれに重畳された表示画像をみることができる、いわゆるシースルー型の頭部装着式画像表示装置（ヘッドマウントディスプレイ）として、例えば特開平２０００−３５２６８９号公報（特許文献１）や特開平２００１−２６４６８２号公報（特許文献２）に開示された画像表示装置が知られている。
【０００３】
これらの画像表示装置では、画像を合成する光学系として反射型ホログラム光学素子を用いることにより小型軽量化を図っている。反射型ホログラム光学素子は、波長選択性が優れ、極限られた波長領域の光のみを選択的に回折反射し得る。このため、シースルー型の画像表示装置を構成する場合、反射型ホログラム光学素子を使用することにより、外界等から透過する光（外界光）の光量の損失を著しく低減させることができる。
【０００４】
また、これらの画像表示装置では、小型軽量化を図るため、表示画像を形成する画像形成素子として、一般的に、液晶表示素子が用いられ、それを照明する光源として小型かつ安価な光源であるＬＥＤが用いられている。
【０００５】
【特許文献１】特開平２０００−３５２６８９号公報
【特許文献２】特開平２００１−２６４６８２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１、特許文献２に記載される画像表示装置では、形成される画像を眼でみた場合、にじんだようになってしまい、画質の点で必ずしも満足のいくものではなかった。また、その構造上、外界の視野が妨げられる等の問題点があった。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、反射型ホログラム光学素子を用いて小型軽量化を図りつつ、外界の視野を妨げない画像表示装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、接眼型の画像表示装置であって、反射型ホログラム光学素子が設けられ、画像形成手段からの光と外界光を重畳させる、イメージコンバイナを含み、前記画像形成手段から発する光が１つの波長領域の成分のみ、または離散的な複数の波長領域の成分を持ち、前記画像形成手段の表示部の中心に対応する主光線が、前記反射型ホログラム光学素子で回折反射される際の、当該主光線の前記反射型ホログラム光学素子の法線に対する入射角と回折反射角との差の絶対値が、３°以下とされ、前記回折反射角が２５°以上３５°以下とされ、前記イメージコンバイナで重畳された光の中心出射方向が視野中心方向とほぼ一致していることを特徴とする画像表示装置（請求項１）である。
【０００９】
「視野中心方向とほぼ一致」とは、通常外方の物体を見ているときの視野の中心に対して±６°の範囲であり、顔が垂直の場合は視野の中心は水平方向にある。なお、明細書において、光の中心出射方向というのは、画像形成手段の中心から出た主光線が、出射瞳を通るときに視野の中心となす角度のことである。又、接眼型とは、眼から１５ｍｍ程度又はそれ以内の距離で使用される方式のものである。
【００１０】
前記課題を解決するための第２の手段は、接眼型の画像表示装置であって、反射型ホログラム光学素子が設けられ、画像形成手段からの光と外界光を重畳させる、イメージコンバイナを含み、前記画像形成手段から発する光が１つの波長領域の成分のみ、または離散的な複数の波長領域の成分を持ち、前記画像形成手段の表示部の中心に対応する主光線が、前記反射型ホログラム光学素子で回折反射される際の、当該主光線の前記反射型ホログラム光学素子の法線に対する入射角と回折反射角との差の絶対値が、３°以下とされ、前記回折反射角が２２°以上３２°以下とされ、前記イメージコンバイナで重畳された光の中心出射方向が、視野中心方向に対して６°以上、傾いていること
を特徴とする画像表示装置（請求項２）である。
【００１１】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記入射角と回折反射角との差の絶対値が、２°以下とされていることを特徴とするもの（請求項３）である。
【００１２】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかであって、前記反射型ホログラム光学素子が体積型であることを特徴とするもの（請求項４）である。
【００１３】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段から第４の手段のいずれかであって、前記反射型ホログラム光学素子が光学的パワーを持つことを特徴とするもの（請求項５）である。
【００１４】
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第１の手段から第５の手段のいずれかであって、前記主光線の前記画像形成手段からの射出方向が、前記画像形成手段の表示部の面と略垂直な方向とされていることを特徴とするもの（請求項６）である。
【００１５】
本発明者は、研究の結果、前記特許文献１に記載される画像表示装置において表示画面が画像がにじんだように見える原因は、反射型ホログラム光学素子の横色収差特性によるものであることを見出した。この特性について以下に詳述する。なお、以下の説明では、ホログラム光学素子をＨＯＥと呼ぶ場合がある。
【００１６】
反射型ＨＯＥ、とりわけ反射型体積型ＨＯＥの回折特性は、鋭い波長選択性（ある入射角で入射する再生照明光に対して、特定の波長の光だけが特定方向に回折される特性）を持つが、その波長選択性の半値全幅は、ホログラムの干渉縞を記録する乳剤の厚みや屈折率変調度によって決まり、例えば乳剤の厚さが１５μｍの場合は半値全幅が約１２ｎｍ、厚さ５μｍの場合は半値全幅が約２４ｎｍである。つまり反射型ＨＯＥは鋭い波長選択性を持つとはいえ、単一波長の光のみを反射するわけではなく、所定の波長領域の波長成分を持つ光を選択的に、所定の割合で反射する。
【００１７】
一方前記従来の画像表示装置において、画像形成素子から得られる光は、前述したように小型光源であるＬＥＤが照明光源として一般的に用いられることから、白色ＬＥＤではなく特定色のＬＥＤを用いたとしても、単一波長ではなく、所定の波長領域の成分を有している。特定色（緑色、赤色等）のＬＥＤの場合、当該ＬＥＤからの射出光の半値全幅は概ね２０ｎｍ前後、広いものでは６０ｎｍ前後になるものもある。
【００１８】
したがって、前記特許文献１に記載の画像表示装置では、反射型ＨＯＥには、当該反射型ＨＯＥが選択的に反射する波長領域と同程度か、あるいはそれより広い波長領域の成分を持つ光が入射する。
【００１９】
反射型ＨＯＥの面で回折反射する光はブラッグの条件を満たす角度に反射回折するが、一般に、波長が異なると回折反射の方向も異なる。このため、波長がλ±Δλの範囲にあるとき、反射の方向はθ±Δθとなり、波長によって回折反射角が異なる。つまり、波長による分散が発生し、横色収差を生じることになる。
【００２０】
本発明者は、従来の装置で画像がにじんだように見える原因は、照明光にバンド幅があるために横色収差が生じているためであることを発見した。またこの横色収差を補正した上で、薄型コンパクトな装置を構成する手段を見出した。
【００２１】
本発明者は、前記特許文献１及び特許文献２に記載のいくつかの実施例の画像表示装置について、観察者（使用者）の瞳から画像形成素子（液晶表示素子などの画像形成部材）へ向かって光線追跡を行うことにより、前記横色収差の量を具体的に求めた。以下にその結果を述べる。
【００２２】
特許文献１に記載の実施例１の場合、ＨＯＥ面の法線に対し１８．４７°で入射するλ＝５３２ｎｍの光線は、ＨＯＥ面の法線に対し、３１．２６°の方向に回折反射されるが、同方向から入射するλ＝５４２ｎｍの光線はＨＯＥ面の法線に対し３１．５２°の方向に回折反射される。すなわち、Δλ＝＋１０ｎｍに対してΔθ＝０．２６°である。この結果像面上では０．１３ｍｍの横色収差を生じている。なお、この場合ＨＯＥ面の入射角と反射角の差の絶対値は１２．７９°（＝３１．２６°−１８．４７°）である。
【００２３】
また、特許文献１に記載の実施例３の場合、ＨＯＥ面の法線に対し０°の方向に（法線と平行に）入射するλ＝５３２ｎｍの光線は、ＨＯＥの法線に対し１９．３１°の方向に回折反射されるが、同方向から入射するλ＝５４２ｎｍの光線はＨＯＥ面の法線に対し、１９．６９°の方向に回折反射される。すなわちΔλ＝＋１０ｎｍに対してΔθ＝０．３８°である。この結果、像面上では０．１８２ｍｍの横色収差を生じている。なお、この場合、ＨＯＥ面の入射角と反射角の差の絶対値は１９．３１°である。
【００２４】
さらに特許文献２に記載の実施例１の画像情報表示装置の場合、ＨＯＥ面の法線に対し２３．３４°の方向に入射するλ＝５３２ｎｍの光線は、ＨＯＥ面の法線に対し３１．２７°の方向に回折反射されるが、同方向から入射するλ＝５４２ｎｍの光線はＨＯＥ面の法線に対し３１．４２°の方向に回折反射される。すなわちΔλ＝＋１０ｎｍに対してΔθ＝０．１５°である。この結果、像面上では０．０８ｍｍの横色収差を生じている。なお、この場合、ＨＯＥ面の入射角と反射角の差の絶対値は７．９３°である。
【００２５】
像面上に、画像形成素子として、仮に１／４インチ（４．８×３．６ｍｍ）のＱＶＧＡ（３２０×２４０画素）の液晶表示装置を置くとすると、１画素の大きさは０．０１５ｍｍ角であり、前述したように具体的に求めた従来装置の横色収差の量は、５画素ないし１２画素分に相当する大きな値である。即ち、従来の画像表示装置では、このように横色収差が大きいため、表示画像がにじんだように見えるという問題が生じていたのである。
【００２６】
勿論、画像形成素子の照明光源として、レーザー光源のように単一波長光源を用いれば、表示画像がにじんだように見えるという問題は生じない。しかし、小型かつ安価な光源であるＬＥＤ等を用いたいという要請は非常に強い。
【００２７】
そこで照明光源としてＬＥＤを用いつつ、反射型ＨＯＥに入射する光の波長幅を極力抑え、前記Δλを小さくするために、ＬＥＤの後に波長選択フィルタ（バンドパスフィルタ）等を挿入することが考えられる。しかし、この場合には、当該フィルタの分だけ、大型化が免れないと共に、部品点数が増えてコストアップも免れない。それのみならず、当該フィルタにより、光源からの光の利用効率が低下し、明るい表示画像を得ることができなくなる。
【００２８】
本発明者は、以上説明したような、従来の画像表示装置で生じていた表示画像のにじみの原因究明の結果と分析を踏まえて、更に研究を進めた結果、従来の画像表示装置に比べて、表示画像のにじみを低減するための技術的手段を見出した。
【００２９】
すなわち、本発明者は、画像形成素子から発し反射型ＨＯＥで回折反射された後に使用者の眼に到達する光が一つの波長領域の成分のみ又は離散的な複数の波長領域の成分を持つ場合、波長が前記１つの波長領域の略中心波長又は前記複数の波長領域のうちの最も短波長側の波長領域の略中心波長であると共に前記画像形成素子の表示部の中心に対応する主光線（この光線は、画像形成素子の表示部の中心から、通常は使用者の眼の瞳面の中心付近へ向かう。）が、前記反射型ホログラム光学素子で回折反射される際の、当該主光線の前記反射型ホログラム光学素子の面に対する入射角と反射回折角との差の絶対値を、３°以下にすると、前述した従来の画像表示装置に比べて、表示画像のにじみを低減して画質を向上させることができることを見出した。それは以下の検討による。
【００３０】
ホログラムによる回折はブラッグの条件式に従う方向に回折強度が最大となる。体積型ホログラムにおけるブラッグの条件式は以下の式で表わされ、（１）式、（２）式を同時に満たす方向に回折する光の強度が最大となる。
【００３１】
【数１】
１／λＲ（ｓｉｎ  θ０−ｓｉｎθＲ）＝１／λＣ（ｓｉｎ  θＩ−ｓｉｎθＣ）  …（１）
１／λＲ（ｃｏｓ  θ０−ｃｏｓθＲ）＝１／λＣ（ｃｏｓ  θＩ−ｃｏｓθＣ）  …（２）
【００３２】
ここで、（１）および（２）式の左辺はホログラム記録時の状態を示し、λＲは記録波長、θ０はホログラム面の法線に対する物体光の入射角度、θＲは参照光の入射角度である。また右辺はホログラム再生時の状態を示し、λＣは再生波長、θＣはホログラム面の法線に対する照明光の入射角度、θＩは回折光の射出角度である。これを簡単に図に示すと図１２のようになる。なお図１２（ｂ）においてＰｃは使用者の眼の瞳の中心の位置である。光線追跡を行う場合は、位置Ｐｃから光線追跡するので、図１２（ｂ）中の光線の向きは光線追跡の場合に合わせて示しているが、実際の光線の向きは逆向きである。
【００３３】
前記（１）式の意味は、次のとおりである。ホログラム記録時に形成する干渉縞は、露光時の物体光と参照光の入射角と露光波長によってその間隔が決まり、ホログラム再生時には隣り合う縞の透明な部分から出て行く光が一波長分だけずれる方向で回折光の光強度が最大になることから、（１）が導き出される。そして、波長λＲでホログラム面の法線に対しθ０およびθＲでそれぞれ入射された２光束の干渉で記録されたホログラムに、波長λＣの再生光をθＣの角度から照射したとき、角度θＩの方向に回折光が生じる。
【００３４】
（２）式は（１）式の条件を、ホログラムの厚み方向の干渉縞による回折に適用したもので、波長λＲでホログラム面の法線に対し入射角θ０および入射角θＲでそれぞれ入射された２光束で記録されたホログラムに、参照光をθＣの方向から照射したときに、再生される光の波長を特定する式である。ホログラムの厚みが増すにしたがって（２）式の回折波長域の半値半幅が狭くなり再生の条件が厳しくなる。
【００３５】
ここで再生波長と回折の方向について考察すると、再生波長λＣの光をθＣの方向から照射すると、回折光の方向は（１）式より、次の（３）式に示すとおりとなる。
ｓｉｎθＩ＝ｓｉｎθＣ＋λＣ／λＲ（ｓｉｎθ０−ｓｉｎθＲ）  …（３）
ここでｓｉｎθ０＝ｓｉｎθＲ、すなわち記録時の２光束をホログラム面に対して対称に入射すると、
λＣ／λＲ（ｓｉｎθ０−ｓｉｎθＲ）＝０
であるため、式（３）において波長に依存する項が消え、回折光の方向は
ｓｉｎθＩ＝ｓｉｎθＣ
で決まり、波長によらず一定で、再生照明光と回折光の角度はホログラムの法線に対して対称になって等しくなる。
【００３６】
以上の検討から、画像形成素子の表示部の中心に対応する主光線が反射型ＨＯＥで回折反射される際の、当該主光線の前記反射型ホログラム光学素子の面に対する入射角θｉｎｃ（前記角度θＩの補角：１８０−θＩに相当）と回折反射角θｒｅｆ（前記角度θＣに相当）とを等しくすれば、当該主光線は、その波長によらず、常に同じ回折反射角θｒｅｆで反射されることが分かる。
【００３７】
図１３に（θｉｎｃ−θｒｅｆ）を横軸にとり、基準波長λ＝５３２ｎｍのときと６４７ｎｍのときの２つの場合について、参照光の波長を基準波長からΔλ＝１０ｎｍ変化させたときの回折反射方向の変化量Δθの値を、光線追跡によって求めたグラフを示す。なお、入射角θｉｎｃではなく、対称入射（θｉｎｃ−θｒｅｆ＝０）からのズレ量がΔθに寄与する。また、基準波長が短いほど、Δθの変化量が大きいことが分かる。
【００３８】
この図１３から分かるように、前記入射角θｉｎｃと前記回折反射角θｒｅｆとの差の絶対値｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜が小さいほど、Δθを小さくすることができ、ひいては前記横色収差を低減することができる。前記従来の画像表示装置では、｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜が７．４２°以上であったため、｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜を３°以下にすれば、前記従来の画像表示装置に比べΔθを半分以下に小さくして前記横色収差を低減し、ひいては表示画像のにじみを低減して表示画像の画質を向上させることができることが分かる。よって、前記第１の手段、第２の手段では、｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜を３°以下としている。
【００３９】
ＱＶＧＡ規格の液晶表示装置を用いた場合、上下方向の画角を±６°としたときに横色収差が実質的にない領域が中央部約３０％の中に入っていれば、上下端に残存する横色収差も許容範囲となると考えられる。このような条件を満足させるために、｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜を２°以下にすることが好ましい。画質を更に向上させるためには｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜を１．５°以下にすることがより一層好ましい。
【００４０】
以上の説明から分かるように横色収差を理想的に低減するためには｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜＝０とすればよいことになるが、現実的には画角に対するバランスもあり、理想的に入射角と反射角とが対称とはいかない場合も有るので、この点も考慮して前述した範囲内で｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜を決めればよい。
【００４１】
ところで｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜≠０である限りΔθ≠０であるので、｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜の許容範囲は、ある波長を基準にして定める必要がある。この基準となる波長は、画像形成素子から発し反射型ＨＯＥで回折反射された後に使用者の眼に到達する光が１つの波長領域の成分のみを持つ場合には当該１つの波長領域の中心波長とすればよい。また、画像形成素子から発し反射型ＨＯＥで回折反射された後に前記瞳に到達する光が離散的な複数の波長領域の成分を持つ場合には、当該複数の波長領域のうちもっとも短波長側の波長領域の略中心波長とすればよい。
【００４２】
これは図１３に関連して既に説明したように、基準となる波長が短いほどΔθの変化量が大きいからである。なお、後者の場合は例えば反射型ＨＯＥとしてカラーの反射型ＨＯＥ（このＨＯＥは、たとえば特開２００１−２６４６８２号に開示されているように、Ｒ，Ｇ，Ｂをそれぞれ代表する３つの離散的な鋭い反射波長領域を持つ反射型ＨＯＥである）を用い、画像形成素子の照明光源として白色ＬＥＤを用いたような場合である。
【００４３】
以上は画像形成素子の表示部の中心に対応する主光線についての説明であった。この光線のみならず反射型ＨＯＥで回折反射するすべての光線に対して、入射角と反射角を等しくすれば、全く横色収差のない画像情報を眼に導くことができる。しかし、そうした場合は、反射型ＨＯＥは、波長選択性については作用するものの、レンズ作用（すなわち光学的パワー）を持たない平面ミラーとしての働きしかしないことになる。そうした場合は、全体の系を考えると、画像形成素子側の光学系ですべての収差（球面収差や非点収差など）を補正しなければならなくなり、その部分の光学系が複雑になってしまう。
【００４４】
このため、光学系を簡略化するためには、反射型ＨＯＥに光学的パワーを持たせることが好ましい。この場合、画像形成素子の表示部の中心に対応する主光線に関して横色収差が生じないようにしても、画像形成素子の周辺からの光線に関しては横色収差が発生する。しかし、反射型ＨＯＥに極端に強い光学的パワーを持たせなければ、他の光学系の分散で打ち消し、実用上問題ない範囲に抑えることも可能であり、問題にならない。
【００４５】
また、先に検討したように、横色収差補正の必要な波長範囲は、最大限で反射型ＨＯＥの波長選択性の範囲であればよいため、ある程度の横色収差補正でも十分であり、横色収差補正の完全化のために反射型ＨＯＥのレンズ作用を犠牲にするほどではない。
【００４６】
一方、本発明の画像表示装置は、使用者の眼前で使用されることを特徴とするので、本体を透過する光（外界光）の視野をなるべく妨げない構成であることが望ましい。
【００４７】
ここで、画像形成素子の中心から使用者の眼の瞳中心へ向かう主光線を、本発明の画像表示装置の光軸と定義する。この光軸は１本の直線ではなく線分をつなぎあわせたものである。そして、画像表示装置を通して見える外界の可視範囲（視野）の中心から射出して使用者の眼の瞳へ向かう光軸から測って、画像表示装置の部材が外界光の視野を妨げる位置までの距離を、「ハーフボクシングサイズ」と呼び、図１の長さＬと定義する。Ｌは、外界を観察するときの視野の中心方向からの主光線と板状部５が交差する位置から、画像表示装置の面形状等により視野が妨げられる点までの距離である。このハーフボクシングサイズが長い方が、画像表示装置と顔面とが干渉すること無しに使用でき、かつ外界光の視野を妨げないということになる。
【００４８】
以下、前述した横色収差補正の観点から反射型ＨＯＥに対する光軸上の光線の入射角と反射角を概略等しくした上で、さらに使用者の使い勝手を向上するために、ハーフボクシングサイズを長く取るための条件を検討する。
【００４９】
実際のハーフボクシングサイズの目安としては、図１のＹ軸の方向を実際に使用者が装着した場合の上下方向と一致させた場合は、片側１５ｍｍ以上あれば十分であり、図１のＹ軸の方向を使用者にとって左右方向に一致させた場合は、片側２２ｍｍ以上あれば十分である。
【００５０】
ここで、装置全体の重さは軽い方が望ましいから、図１で向かい合う反射面の厚さｄは薄い方が好ましい。ｄを固定として、反射型ＨＯＥ面の視線に対する角度を変化させることを考える。
【００５１】
図１に示す状態から反射型ＨＯＥ面を起こしていくと、すなわちＨＯＥの法線に対する視線の角度を小さくしていくと、入射角と反射角が概略等しいことから、視線に対する画像形成素子からの照明光の入射角も小さくなる。よって、反射面での繰り返し反射回数が多くなる。一方、光学系の設計条件から、画像形成素子から反射型ＨＯＥ面までの長さが所定の値に決定されている。画像形成素子から反射型ＨＯＥ面までの長さをこの所定の値に保つためには、繰り返し反射回数が多くなるのに対応して、ハーフボクシングサイズが短くなってしまう。又、画像形成素子からの照明光が所定の光路を通るためには、板状部５の境界５ａ及び５ｂで全反射する必要があることからも、反射面への最小入射角が決まってしまう。通常、ｄは５ｍｍ以下とするので、これを考慮し、ハーフボクシングサイズを１５ｍｍ以上とることを考えると、反射型ＨＯＥ面の法線に対する視線の角度は２５度以上とすることが好ましい。
【００５２】
逆に図１の状態から反射型ＨＯＥ面を倒すと、すなわちＨＯＥの法線に対する視線の角度を大きくすると、先ほどとは逆にハーフボクシングサイズは長くなる方向であるが、ｄを固定とすると、反射型ＨＯＥ面の紙面内の有効径が小さくなることになる。その場合は設計上必要な光束がケラレることになり、周辺減光が激しくなる。通常、瞳から画像形成素子を見た画角は±６°程度であるので、この範囲で周辺減光が起こらないようにし、かつｄが５ｍｍ以下であることを考慮すると、反射型ＨＯＥ面の法線に対する視線の角度は３５度以下であることが望ましい。さらに周辺減光をおさえ、ハーフボクシングサイズを長く設定するには、下限を２８度、上限を３２度とすることが望ましい。
【００５３】
以上の説明は、図１に示すような画像表示装置において、顔面に対してほぼ垂直に視線を向け、向かい合う反射面を垂直に配した構造についてのものである。このことを考えると、結局、反射型ＨＯＥ素子の回折反射角を２５°〜３５°の範囲に収めるのが好ましく、２８°〜３５°の範囲に収めるのがさらに好ましいことになる。さらに、この場合、反射型ＨＯＥ素子が繰り返し反射面に対してなす角は、それぞれ、２５°〜３５°、２８°〜３５°となる。
【００５４】
これに対し、反射面を垂直にし、使用者が正面を向いたときではなくやや下向きや横向きに視線を落とした状態のときに、画像表示光が眼に入る構成となるようにした方が好ましい場合がある。このような場合は、視線が６°以上下側を向いた場合であり、このようなときには、画像形成素子の中央からの主光線が眼の瞳の中央を、６°以上上向きに通過するようにすればよい。
【００５５】
又、視線が正面を向いたときに見る方向に画像形成素子からの像が形成されていればよいので、本画像表示装置の視野中心方向に対して、あらゆる方向に６°以上傾いていてもよい。なお、頭部に装着して使用する画像表示装置は、頭部への保持のさせ方によって角度が変わるが、一般的に使用される際に想定される装着姿勢に対して上記角度に傾いていればよい。
【００５６】
反射型ＨＯＥ素子から画像形成素子に至る光線を変えないで、このような条件を満たすようにするには、幾何学的な関係から明らかなごとく、反射型ＨＯＥ面の法線に対する視線の角度、すなわち、反射型ＨＯＥ素子の回折反射角を、２２°以上３２°以下とすることが望ましい。このとき、反射型ＨＯＥ素子が繰り返し反射面に対してなす角は、それぞれ、２８°〜３８°となる。
【００５７】
又、反射型体積型ＨＯＥの回折特性は、鋭い波長選択性（ある入射角で入射する再生照明光に対して、特定の波長の光だけが特定方向に回折される特性）を持つので、反射型ホログラム光学素子として体積型のものを用いることが特に好ましい。
【００５８】
さらに、主光線の画像形成手段からの射出方向が、画像形成手段の表示部の面と略垂直な方向とされているようにすると、画像形成手段の面上のどの位置からの主光線についても、前記関係式が成立するようにすることができるので好ましい。
【００５９】
本発明は前述した課題を解決するため、以上説明した本発明者による研究の結果により得られた新たな知見に基づいてなされたものである。
【００６０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態である画像表示装置について、図面を参照して説明する。
【００６１】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態である画像表示装置の構成及びその光線（画像形成素子２からの光線のみ）の概略の経路を示す図である。ここでは図１に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を定義する。すなわち、図１の紙面内の左右方向をＺ軸とし、右方向をＺ座標値のプラス方向とする。図１の紙面内の上下方向をＹ軸とし、上方向をＹ座標値のプラス方向とする。図１の紙面に垂直な方向をＸ軸とし、右手系３次元直交座標系とする。すなわち、図１の紙面から奥の方向をＸ座標値のプラス方向とする。なお、Ｙ軸方向は、実際の上下方向と一致していてもよいし、その他の適宜の方向であってもよい。
【００６２】
又、本発明の各実施の形態の説明では、図２に示す配置を基に説明を行っている。なお、図中で５は板状部であり、板状部５の、イメージコンバイナ１の射出瞳Ｐに近い側の面を５ａ、遠い側の面を５ｂとする。又、座標軸の方向も各実施の形態全てに共通して、図２に示すとおりである。ただし原点は図に示した位置に限らず任意の位置でよい。、これらの定義は後述する図４、図６、図８、および図１０についても、同様である。
【００６３】
本実施の形態の画像表示装置は、イメージコンバイナ１と、画像形成素子２とを備えている。本実施の形態では、画像形成素子２として透過型ＬＣＤが用いられている。画像形成素子２は、その背後から、ＬＥＤ３及び放物面鏡等の反射鏡４からなる光源により光源光が照射され、光源光を空間光変調して表示画像を示す光を透過させる。なお、画像形成素子２として、反射型ＬＣＤ等の他の素子を用いてもよいし、自発光型の素子を用いてもよいことは、言うまでもない。
【００６４】
イメージコンバイナ１は、ガラスやプラスチック等の光学材料で、上部を除いて平行平板上に構成された板状部５を備えている。もっとも、板状部５は、例えば使用者の視力矯正用光学的パワーを有していてもよい。その場合には、例えば板状部５のＺ軸方向の両面５ａ、５ｂのうちの少なくとも一方の面は、曲面で構成される。これらの点は、後述する各実施の形態についても同様である。また、本実施の形態では、板状部５の上部は図中右側に突出しており、この上部の上面５ｃがアナモルフィック非球面とされている。なお板状部５は、図１中の下方にも延びているが、その図示は省略している。
【００６５】
板状部５は、フレーム等の支持部材（図示せず）を介して、眼鏡レンズと同様に、使用者の頭部に装着されて、使用者の眼（図示せず）の前に位置する。図１において、Ｐは、イメージコンバイナ１の、画像形成素子２からの光に対する射出瞳を示し、Ｐ０は射出瞳Ｐの中心を示す。この射出瞳Ｐが使用者の眼の瞳とほぼ一致するように、イメージコンバイナ１が使用者に装着される。
【００６６】
従って射出瞳の中心Ｐ０は、使用者の眼の瞳の中心とほぼ一致する。図１では、Ｚ軸方向が板状部５の厚み方向と一致している。板状部５の眼側の面５ａ及び反対側の面５ｂは、ＸＹ平面と平行となっている。なお、図面には示していないが、ＬＥＤ３、反射鏡４及び画像形成素子２も、前記支持部材により支持されている。これにより、画像形成素子２は、使用者が外界を観察するのを妨げないとともに、使用者が当該画像表示装置を装着するときに邪魔にならないように、板状部５に対して図中紙面内の斜め右上方に配置されている。
【００６７】
もっとも、画像形成素子２を他の適当な箇所に配置し、リレー光学系によって図１中の画像形成素子２の位置に表示画像を導いてもよいし、また、スキャン光学系を用いてこの位置に空中画像を形成してもよい。この点は、後述する各実施の形態についても同様である。
【００６８】
なお、図１において、点Ａ１，Ａ２は、画像形成素子２の表示部の図中紙面内での両端の位置をそれぞれ示す。また、点Ａ０は、当該表示部の中心を示す。イメージコンバイナ１は、板状部５の前方から板状部５の厚みｄを通過するように（すなわち、面５ｂから入射して面５ａから射出するように）板状部５を透過する光（以下、「外界光」という。）に対して、画像形成素子２からの光を重畳させて、使用者の眼に導くように構成されている。
【００６９】
本実施の形態では、板状部５における使用者の眼と対向する位置付近において、板状部５の内部に、反射型ホログラム光学素子（反射型ＨＯＥ）６が設けられている。本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６は、図１に示すように、面５ａ，５ｂに対して時計方向に所定角度傾けられている。
【００７０】
例えば、反射型ＨＯＥ６を板状部５と同じ材質の小片に接着させて作成し、その後その小片を板状部５を形成する型枠の中に配置し、板状部５の材質を溶かした状態で型枠の中に流し込み、その後固めることによって、反射型ＨＯＥ６を板状部５の内部に設けることができる。
【００７１】
画像形成素子２からの光の波長は、所定の回折方向において、この反射型ＨＯＥ６の回折効率ピークの波長を含む波長幅を持ち、その波長幅のうち極大部が回折効率ピークの波長と略一致しており、この反射型ＨＯＥで画像形成素子２からの光を反射させる。一方、反射型ＨＯＥ６は、外界光（図示せず）を偏向させることなく透過させる。なお、反射型ＨＯＥ６としては、外界光を極力妨げることがないように、波長選択性の高いものを用いることが好ましい。反射型ＨＯＥ６として、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色を代表する狭い波長域の３波長光に対してそれぞれ選択性を持つものを用いれば、使用者が見る表示画像をカラー化することも可能である。
【００７２】
反射型ＨＯＥ６は、図１に示すように、画像形成素子２からの光を観察者の瞳の方向へ反射させる特性を有しているとともに、所定の結像作用を持つように光学的パワーを有している。もっとも、反射型ＨＯＥ６は、必ずしも光学的パワーを持つ必要はない。反射型ＨＯＥ６は、平面状のものでもよいし、曲面状のものでもよい。反射型ＨＯＥ６として曲面状のものを用いる場合、その曲面の曲率中心が使用者の眼側にあるように配置すると、画角が大きい場合に、反射型ＨＯＥ６で発生する画角による収差変動量が小さくなり、好ましい。
【００７３】
反射型ＨＯＥ６を構成するためのホログラム感光材料としては、例えば、フォトポリマー、フォトレジスト、フォトクロミック、フォトダイクロミック、銀塩乳剤、重クロム酸ゼラチン、ダイクロメートゼラチン、プラスチック、強誘電体、磁気光学材料、電気光学材料、非晶質半導体、フォトリフラクチィブ材料等が用いられる。そして、公知の手法に従い、製造用の光学系にて物体光と参照光を前記材料に同時に照射することによって、反射型ＨＯＥ６を作製することができる。ただし、本実施の形態ではホログラム感光材料への露光時は、物体光と参照光の入射角の差を３°以下にしている点で、公知の手法とは違う露光条件で露光している。
【００７４】
画像形成素子２の表示部上の任意の点を通過した光（表示画像の光）は、板状部５の上部の上面５ｃから板状部５内に入射して、板状部５の面５ａの領域Ｒ１に臨界角より大きい入射角で入射し、領域Ｒ１で全反射される。この光は、板状部５の面５ｂの領域Ｒ２に臨界角より大きい入射角で入射し、領域Ｒ２で全反射される。さらに板状部５の面５ａの領域Ｒ３に臨界角より大きい入射角で入射し、領域Ｒ３で全反射したのち、反射型ＨＯＥ６に入射する。このとき、この光は、反射型ＨＯＥ６により、反射回折作用及び結像作用を受ける。
【００７５】
その後、この光は、板状部５の面５ａの領域Ｒ４から板状部５外へ射出される。このとき、画像形成素子２の同一箇所から出た光は、射出瞳Ｐから無限遠又は所定距離（後述する具体例では、１ｍ。この距離は後述する他の実施の形態の具体例でも同様）に拡大虚像を形成するように射出瞳Ｐに置かれた使用者の眼の瞳に入射する。
【００７６】
画像形成素子２から発し反射型ＨＯＥ６で回折反射された後に使用者の眼に到達する光は、ＬＥＤ３の発光スペクトル特性と反射型ＨＯＥ６の波長選択性とに応じて、通常は１つの波長領域の成分のみを持ち、たとえばＬＥＤ３として白色ＬＥＤを用いると共に反射型ＨＯＥ６としてカラーの反射型ＨＯＥを用いるような場合には離散的な複数の波長領域成分を持つ。
【００７７】
ここで画像形成素子２から発し、反射型ＨＯＥ６で回折反射された後に、使用者の眼に到達する光のうちの、画像形成素子２の中心ＡＯから発して射出瞳Ｐの中心に到達する光線について考える。この光線のうち波長が前記１つの波長領域の略中心波長または前記複数の波長領域のうちの最も短波長側の波長領域の略中心波長である光線をここでは主光線と呼ぶ。
【００７８】
本実施の形態では、前記主光線が反射型ＨＯＥ６で回折反射される際の、前記主光線の反射型ＨＯＥ６の法線に対する入射角θｉｎｃと反射角θｒｅｆとの差の絶対値｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜が３°以下に設定されている。すなわち、この条件を満たすように、反射型ＨＯＥ６が作成されており、さらに前記主光線の反射型ＨＯＥ６の法線に対する回折反射角が２５°以上３５°以下に設定されている。
【００７９】
本実施の形態によれば上記の諸条件を満たして配置が設定されているので、前記従来の画像表示装置に比べて、横色収差を低減し、ひいては表示画像のにじみを低減して表示画像の画質を向上させることができ、さらにハーフボクシングサイズを長くすることができ、外界光の視野を妨げることなしに、重畳された画像を観察することが可能である。
【００８０】
ここで、第１の実施の形態について、図１を参照して、さらに詳しく説明する。この第１の具体例の設計に際し、設計プログラムとして、当該技術分野において著名な米国のＯｐｔｉｃａｌ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ製のｃｏｄｅ  Ｖ（商品名）を用いた。このとき、前述のように画像形成素子２の表示部の中心Ａ０中央から発して、射出瞳Ｐの中心Ｐ０を通過する光線の経路を、この光学装置全体の光軸と定義する。本具体例では、光軸は１本の直線ではなく、互いに傾いた線分を連結した形状となっている。これらの点は、後述する各実施の形態の具体例についても同様である。
【００８１】
この具体例の光学的な諸量は、下記のとおりである。
射出瞳Ｐの径は３ｍｍである。図中紙面内上方向の視野角度は５°である。図中紙面内下方向の視野角度は−５°である。紙面奥行き方向の視野角は±６．７５゜である。図中紙面内での画面サイズ（点Ａ１と点Ａ２との間の長さ）は３．６ｍｍである。紙面奥行き方向の画面サイズは４．８ｍｍである。板状部５の厚さｄは３．５ｍｍである。使用波長は約４８０ｎｍ〜約５４０ｎｍの波長幅である。板状部５の波長５８７．５６ｎｍ（ｄ線）に対する屈折率はｎｄ＝１．５９６２２９で、アッベ数はνｄ＝４０．４である。板状部５の面５ａ，５ｂは平面である。
【００８２】
反射型ＨＯＥ６については、露光に用いる２光束を定義することによりホログラムを一義的に定義する。２光束の定義は光源の位置と、各光源からの出射ビームが収束（ＶＩＲ）か発散（ＲＥＡ）のどちらかで定義する。第１の点光源（ＨＶ１）の座標を（ＨＸ１，ＨＹ１，ＨＺ１）第２の点光源の座標を（ＨＸ２，ＨＹ２，ＨＺ２）とする。この座標は図２に示すようにＨＯＥ面が光軸と交わる点を原点とし、光軸方向にＺ軸、ＨＯＥ面内で紙面上方向をＹ軸、紙面の奥行き方向をＸ軸としており、図１に関連して定義した座標とは異なる。
【００８３】
またホログラムを記録する乳剤は厚み５μｍ、屈折率１．４９３、屈折率変調は０．０３のものを使用している。露光波長は５３２ｎｍで乳剤の収縮率を３．３％と仮定し、再生の中心波長は５１２ｎｍである。反射型ＨＯＥ６の面は、その中心が面５ａから図１中のＺ軸に沿って１．７ｍｍだけ図１中の右側にありＹ軸と同じ方向から紙面上時計周りに３０°回転した方向である平面である。反射型ＨＯＥ６は結像性能を最適にするために位相関数成分を持っている。
【００８４】
ここで位相関数について説明すると、位相関数は、反射型ＨＯＥ６の純粋な各２個の点光源により定義される以外の非球面的な位相変換量を定義するもので、光学設計プログラムｃｏｄｅ  Ｖにおいては、Ｘ，Ｙ軸成分の多項式係数などを用いて指定することができる。
【００８５】
また、この具体例の光線追跡のための諸量を、下記の表１に示す。光学面の順序（面番号の順序）は使用者の眼の瞳面（＝イメージコンバイナ１の射出瞳Ｐの面）から画像形成素子２への順である。なお表１において、各面番号に対応する図１中の参照符号を括弧書きの「符号」として示している。この点は、後述する表についても同様である。
（表１）
【００８６】
【表１】
2004325985.tif 000003
【００８７】
表１で用いた位相関数の定義は、反射型ＨＯＥ６をＸＹ座標面上の位置と指定した点に入射する光線の受ける光路差を、使用する波長で規格化した値で表すもので、ｍ，ｎを整数とするとき、一般形の下記の（４）式で表される多項式の係数を指定することで決められる。ただし、Ｃ００＝０である。
【００８８】
【数２】
2004325985.tif 000004
【００８９】
ただし、この係数は６５個まで指定可能であって、順にＣ１，Ｃ２，Ｃ３，・・・，Ｃ６５と呼び、係数の順番をｊという整数で表すときに、Ｘ座標及びＹ座標の次数を示す整数ｍ，ｎとの間に下記の（５）式の関係が成り立つように対応付ける。
ｊ＝｛（ｍ＋ｎ）２＋ｍ＋３ｎ｝／２  …（５）
すなわち、本例では、位相関数は、下記の（６）式の多項式で定義されている。このような位相関数の定義は、後述する表についても同様である。
【００９０】
【数３】
Ｃ１Ｘ＋Ｃ２Ｙ＋Ｃ３Ｘ２＋Ｃ４ＸＹ＋Ｃ５Ｙ２＋・・・＋Ｃ６５Ｙ１０  …（６）
【００９１】
又、用いたアナモルフィック非球面５ｃは、曲面５ｃの光軸をＺ座標軸としたときの曲面５ｃ上の点（ｘ，ｙ）でのＺ軸座標値、すなわちサグ量を下記の（７）式で示すように表すことで定義する。
【００９２】
【数４】
2004325985.tif 000005
【００９３】
（７）式において、ｃｕｘはＸ軸方向の曲率半径、ｃｕｙはＹ軸方向の曲率半径、ＫＸはＸ軸方向の円錐定数、ＫＹはＹ軸方向の円錐定数、ＡＲはＺ軸の周りに回転対称な４次の非球面係数、ＢＲはＺ軸の周りに回転対称な６次の非球面係数、ＣＲはＺ軸の周りに回転対称な８次の非球面係数、ＤＲはＺ軸の周りに回転対称な１０次の非球面係数、ＡＰは回転非対称な４次の非球面係数、ＢＰは回転非対称な６次の非球面係数、ＣＰは回転非対称な８次の非球面係数、ＤＰは回転非対称な１０次の非球面係数である。
【００９４】
また、本具体例における各光学面の位置関係として、第１面（面番号１＝図１中の符号Ｐ）の中心を原点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とした各光学面の中心の絶対位置とＸ軸の周りの回転量（反時計周りを正として測った値）を、下記の表２に示す。
（表２）
【００９５】
【表２】
2004325985.tif 000006
【００９６】
本具体例について光線追跡すると、瞳中心ＰＯを通って像面中心ＡＯへ向かう光線についての、反射型ＨＯＥ６に対する入射角及び反射角、及び、像面（画像形成素子２の表示面に相当）上でのずれ（横色収差）は、当該光線の波長が基準波長５１２ｎｍ及びこれに対して±１０ｎｍ変えた５２２ｎｍ及び５０２ｎｍである場合のそれぞれについて下記の表３に示すとおりとなっている。
（表３）
【００９７】
【表３】
2004325985.tif 000007
【００９８】
本具体例では、基準波長の｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜＝０．１°であり、３°以下となっていて、前述した条件を満たしている。その結果λ＝±１０ｎｍのときの像面上の横色収差が非常に少なく、反射型ＨＯＥ６での回折による横色収差の発生が抑さえられていることが分かる。
【００９９】
さらに、本具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図を、図３に示す。基準波長５１２ｎｍ及びこれに対する±１０ｎｍの５２２ｎｍ及び５０２ｎｍに関する横収差を１つの図に同時に示してある。図３から、画角内全域に渡り横色収差が少なく、結像性能が優れていることが分かる。
【０１００】
また、図１から分かるように、本具体例では、前記主光線が画像形成素子２から画像形成素子２の表示部の面と略垂直な方向に射出するようになっている。したがって画像形成素子２として射出光の強度に指向性のある素子（例えば、ＬＣＤ）を用いた場合であっても、画像形成素子２から発したもっとも強度の高い方向の射出光が使用者の眼に到達することになる。したがって、本具体例によれば、表示画像が明るくなり、好ましい。
【０１０１】
そして、本具体例では前記主光線が反射型ＨＯＥ６により回折反射される反射角は約３０°であり、２５°以上３５°以下となっていて、前述した条件を満たしている。その結果、ハーフボクシングサイズＬは１５．８ｍｍとなっている。
【０１０２】
これは、前述したように図１のＹ軸の方向を実際に使用者が装着した場合の上下方向と一致させた場合、外界光の上下方向の視野の目安である片側１５ｍｍ以上を満たしている。したがって、本具体例によれば、外界光の視野を妨げることがなくなり、好ましい。
【０１０３】
［第２の実施の形態］
図４は、本発明の第２の実施の形態である画像表示装置の構成及びその光線（画像形成素子２からの光線のみ）の経路を示す図である。図４において、図１中の要素と同一または対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。なお図４において、図１に示された光源を構成するＬＥＤ１３及び反射鏡１４は、図示を省略している。
【０１０４】
本実施の形態が前記第１の実施の形態と基本的に異なる所は、板状部の上部の面５ｃが平面であることである。本実施の形態によれば、基本的に前記第１の実施の形態と同様の利点が得られるほか、上面５ｃが平面であるため、板状部５の製造工程を簡略化することができる。
【０１０５】
以下、本実施の形態の具体例について、図４を参照して説明する。この具体例の光学的な諸量は、下記のとおりである。
【０１０６】
射出瞳Ｐの径は３ｍｍである。図中紙面内の視野角度は±５°である。図中紙面奥行き方向の視野角度は±６．７５°である。図中紙面内での画面サイズ（点Ａ１とＡ２の間の長さ）は３．６ｍｍである。紙面奥行き方向の画面サイズは４．８ｍｍである。板状部５の厚さｄは３．４ｍｍである。本具体例では、反射型ＨＯＥ６を記録する乳剤に収縮がないものと仮定し、露光波長、再生の中心波長とも５３２ｎｍである。板状部５は前記第１の実施の形態の具体例と同じ材質を用いている。また、この具体例の光線追跡のための諸量を、下記の表４に示す。光学面の順序（面番号の順序）は、使用者の眼の瞳の面（＝イメージコンバイナ１の射出瞳Ｐの面）から画像形成素子２への順である。
（表４）
【０１０７】
【表４】
2004325985.tif 000008
【０１０８】
また、本具体例における各光学面の位置関係として、第１面（面番号１＝図４中の符号Ｐ）の中心ＰＯを原点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とした各光学面の中心の絶対位置とＸ軸の周りの回転量（反時計回りを正として測った値）を、下記の表５に示す。
（表５）
【０１０９】
【表５】
2004325985.tif 000009
【０１１０】
本具体例について光線追跡すると、瞳中心ＰＯを通って像面中心ＰＯへ向かう光線についての、反射型ＨＯＥ６に対する入射角及び反射角、及び像面（画像形成素子２の表示面に相当）上でのずれ（横色収差）は、当該光線の波長が基準波長５３２ｎｍ及びこれに対して±１０ｎｍ変えた５４２ｎｍ及び５２２ｎｍである場合のそれぞれについて、下記の表６に示すとおりとなっている。
（表６）
【０１１１】
【表６】
2004325985.tif 000010
【０１１２】
本具体例では、基準波長の｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜＝１．０１°であり、３°以下となっていて、前述した条件を満たしている。その結果、λ＝±１０ｎｍのときの像面上の横色収差が少なく、反射型ＨＯＥ６での回折による横色収差の発生が抑えられていることが分かる。
【０１１３】
さらに、本具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図を図５に示す。基準波長５３２ｎｍ及びこれに対する±１０ｎｍの５４２ｎｍ及び５２２ｎｍに関する収差を一つの図に同時に示してある。図５から、画角内全域に渡り横色収差が少なく、結像性能が優れていることが分かる。
【０１１４】
また、本具体例では前記主光線が反射型ＨＯＥ６から回折反射される反射角は約３２°であり、２５°以上３５°以下となっていて、前述した条件を満たしている。その結果、ハーフボクシングサイズＬは１６．６ｍｍとなっている。
【０１１５】
これは、前述したように図１のＹ軸の方向を実際に使用者が装着した場合の上下方向と一致させた場合、外界光の上下方向の視野の目安である片側１５ｍｍ以上を満たしている。したがって、本具体例によれば、外界光の視野を妨げることがなくなり、好ましい。
【０１１６】
［第３の実施の形態］
図６は、本発明の第３の実施の形態である画像表示装置の構成及びその光線（画像形成素子２からの光線のみ）の経路を示す図である。図６において、図１中の要素と同一または対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。なお図６において、図１に示された光源を構成するＬＥＤ１３及び反射鏡１４は、図示を省略している。
【０１１７】
本実施の形態が前記第１の実施の形態と基本的に異なる所は、板状部５の上部の面５ｃが球面であることである。本実施の形態によれば、基本的に前記第１の実施の形態と同様の利点が得られるほか、上面５ｃが球面であるため、板状部５を比較的容易に製造することができる。
【０１１８】
以下、本実施の形態の具体例について、図６を参照して説明する。この具体例の光学的な諸量は、下記のとおりである。
【０１１９】
射出瞳Ｐの径は３ｍｍである。図中紙面内の視野角度は±５°である。図中紙面奥行き方向の視野角度は±６．７５°である。図中紙面内での画面サイズ（点Ａ１と点Ａ２との間の長さ）は３．６ｍｍである。紙面奥行き方向の画面サイズは４．８ｍｍである。板状部５の厚さｄは３．４ｍｍである。本具体例では、ＨＯＥ６を記録する乳剤に収縮がないものと仮定し、露光波長、再生の中心波長とも５３２ｎｍである。板状部５は前記第１の実施の形態の具体例と同じ材質を用いている。
この具体例の光線追跡のための諸量を、下記の表７に示す。光学面の順序（面番号の順序）は、使用者の眼の瞳の面（＝イメージコンバイナ１の射出瞳Ｐの面）から画像形成素子２への順である。
（表７）
【０１２０】
【表７】
2004325985.tif 000011
【０１２１】
また、本具体例における各光学面の位置関係として、第１面（面番号１＝図６中の符号Ｐ）の中心ＰＯを原点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とした各光学面の中心の絶対位置とＸ軸の周りの回転量（反時計回りを正として測った値）を、下記の表８に示す。
（表８）
【０１２２】
【表８】
2004325985.tif 000012
【０１２３】
本具体例について光線追跡すると、瞳中心ＰＯを通って像面中心ＡＯへ向かう光線についての、反射型ＨＯＥ６に対する入射角及び反射角、及び像面（画像形成素子２の表示面に相当）上でのずれ（横色収差）は、当該光線の波長が基準波長５３２ｎｍ及びこれに対して±１０ｎｍ変えた５４２ｎｍ及び５２２ｎｍである場合のそれぞれについて、下記の表９に示すとおりとなっている。
（表９）
【０１２４】
【表９】
2004325985.tif 000013
【０１２５】
本具体例では、基準波長の｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜＝１°であり、３°以下となっていて、前述した条件を満たしている。その結果、λ＝±１０ｎｍのときの像面上の横色収差が少なく、ＨＯＥ６での回折による横色収差の発生が抑えられていることが分かる。
【０１２６】
さらに、本具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図を、図７に示す。基準波長５３２ｎｍ及びこれに対する±１０ｎｍの５４２ｎｍ及び５２２ｎｍに関する収差を一つの図に同時に示してある。図７から、画角内全域に渡り横色収差が少なく、結像性能が優れていることが分かる。
【０１２７】
また、本具体例では前記主光線が反射型ＨＯＥ６で回折反射される反射角は、約３０°であり、２５°以上３５°以下となっており、前述した条件を満たしている。その結果、ハーフボクシングサイズＬは１７ｍｍとなっている。
【０１２８】
これは、前述したように図１のＹ軸の方向を実際に使用者が装着した場合の上下方向と一致させた場合、外界光の上下方向の視野の目安である片側１５ｍｍ以上を満たしている。したがって、本具体例によれば、外界光の視野を妨げることがなくなり、好ましい。
【０１２９】
［第４の実施の形態］
図８は、本発明の第４の実施の形態である画像表示装置の構成及びその光線（画像形成素子２からの光線のみ）の経路を示す図である。図８において、図１中の要素と同一または対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。なお図８において、図１に示された光源を構成するＬＥＤ１３及び反射鏡１４は、図示を省略している。
【０１３０】
本実施の形態が前記第１の実施の形態と基本的に異なるところは、板状部５の面５ａに対する反射型ＨＯＥ６の傾け角を時計方向に２８°にした点である。すなわち反射型ＨＯＥ６の法線に対する視線の角度が３０°から２８°に減少しており、入射角と反射角は概略等しいままであるから、視線に対する画像形成素子からの照明光の反射型ＨＯＥ６への入射角も減少している。そのため板状部５の５ａと５ｂにあたる光線の高さは図１の状態より低くなっている。このことにより、同じ反射回数ではハーフボクシングサイズは短くなってしまう。したがって本実施の形態では、板状部５内での反射回数を１回増やし、面５ｃ及び画像形成素子２を図８の左上に位置するようにした。本実施の形態によれば、基本的に前記第１の実施の形態と同様の利点が得られるほか、上面５ｃおよび画像形成素子２が使用者側にあるため、外部に突出する部分が少ないデザインにし、使用時の外観をシンプルにすることができる。
【０１３１】
以下、本実施の形態の具体例について、図８を参照して説明する。この具体例の光学的な諸量は、下記のとおりである。
射出瞳Ｐの径は３ｍｍである。図中紙面内の視野角度は±５°である。図中紙面奥行き方向の視野角度は±６．６６°である。図中紙面内での画面サイズ（点Ａ１と点Ａ２との間の長さ）は３．６ｍｍである。紙面奥行き方向の画面サイズは４．８ｍｍである。板状部５の厚さｄは３．４ｍｍである。本具体例では、反射型ＨＯＥ６を記録する乳剤に３．３％の収縮があるものと仮定した。板状部５は前記第１の実施の形態の具体例と同じ材質を用いている。
【０１３２】
またこの具体例の光線追跡のための諸量を、下記の表１０に示す。光学面の順序（面番号の順序）は、使用者の眼の瞳の面（＝イメージコンバイナ１の射出瞳Ｐの面）から画像形成素子２への順である。
（表１０）
【０１３３】
【表１０】
2004325985.tif 000014
【０１３４】
また、本具体例における各光学面の位置関係として、第１面（面番号１＝図８中の符号Ｐ）の中心ＰＯを原点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とした各光学面の中心の絶対位置とＸ軸の周りの回転量（反時計回りを正として測った値）を、下記の表１１に示す。
（表１１）
【０１３５】
【表１１】
2004325985.tif 000015
【０１３６】
本具体例について光線追跡すると、瞳中心ＰＯを通って像面中心ＡＯへ向かう光線についての、反射型ＨＯＥ６に対する入射角及び反射角、及び像面（画像形成素子２の表示面に相当）上でのずれ（横色収差）は、当該光線の波長が基準波長５２９．２ｎｍ及びこれに対して±６．６ｎｍ変えた５３５．８ｎｍ及び５２２．６ｎｍである場合のそれぞれについて、下記の表１２に示すとおりとなっている。
（表１２）
【０１３７】
【表１２】
2004325985.tif 000016
【０１３８】
本具体例では、基準波長の｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜＝０．６４°であり、３°以下となっていて、前述した条件を満たしている。その結果、λ＝±６．６ｎｍのときの像面上の横色収差が少なく、反射型ＨＯＥ６での回折による横色収差の発生が抑えられていることが分かる。
【０１３９】
さらに、本具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図を図９に示す。本具体例では、照明光源としてピーク波長が約５１５ｎｍで発光強度の半値全幅が約６０ｎｍのＬＥＤを想定し、紙面内の視野角度ごとに回折波長と照明光のスペクトルを計算し、実質的な光線追跡波長を最適化して評価したため、画角によって基準波長を変えている。
【０１４０】
各画角について、基準波長と、強度が基準に対して半値になる波長に関する収差を一つの図に同時に示してある。図９から、画角内全域に渡り横色収差が少なく、結像性能が優れていることが分かる。
【０１４１】
また、本具体例では前記主光線が反射型ＨＯＥ６で回折反射される反射角は約２８．６°であり、２５°以上３５°以下となっていて、前述した条件を満たしている。その結果、ハーフボクシングサイズＬは１８．４ｍｍとなっている。
【０１４２】
これは、前述したように図１のＹ軸の方向を実際に使用者が装着した場合の上下方向と一致させた場合、外界光の上下方向の視野の目安である片側１５ｍｍ以上を満たしている。したがって、本具体例によれば、外界光の視野を妨げることがなくなり、好ましい。
【０１４３】
［第５の実施の形態］
図１０は、本発明の第５の実施の形態である画像表示装置の構成及びその光線（画像形成素子２からの光線のみ）の経路を示す図である。図１０において、図１中の要素と同一または対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。なお図１０において、図１に示された光源を構成するＬＥＤ１３及び反射鏡１４は、図示を省略している。
【０１４４】
本実施の形態が前記第１の実施の形態と基本的に異なる所は、板状部５の面５ａに対する反射型ＨＯＥ６の傾け角を時計方向に３５°にした点、板状部５の上部の面５ｃを平面カットし、上部の面５ｃと画像形成素子２との間に、光学系７を設けた点である。すなわち反射型ＨＯＥ６の法線に対する視線の角度が３０°から３５°に増加しており、入射角と反射角は概略等しいままであるから、視線に対する画像形成素子からの照明光の、反射型ＨＯＥ６への入射角も増加している。そのため板状部５の５ａと５ｂにあたる光線の高さは図１の状態より高くなっている。このことにより、同じ反射回数でもハーフボクシングサイズは長くなる方向ではある。しかしながら板状部５の厚みはほぼ同じ値にしたため反射型ＨＯＥ６の紙面内方向の有効径は小さくなり、周辺減光が激しくなる方向である。本実施の形態では、紙面内方向の画角の両端での周辺減光を、中心に対して約５０％としている。この値は接眼レンズ系としてはほぼ限界の値である。
【０１４５】
以下、本実施の形態の具体例について、図１０を参照して説明する。この具体例の光学的な諸量は、下記のとおりである。
射出瞳Ｐの径は３ｍｍである。図中紙面内の視野角度は±５°である。図中紙面奥行き方向の視野角度は±６．６６°である。図中紙面内での画面サイズ（点Ａ１と点Ａ２との間の長さ）は３．６ｍｍである。紙面奥行き方向の画面サイズは４．８ｍｍである。板状部５の厚さｄは３．５ｍｍである。本具体例では、ＨＯＥ６を記録する乳剤に３．３％の収縮があるものと仮定した。板状部５は前記第１の実施の形態の具体例と同じ材質を用いている。
【０１４６】
この具体例の光線追跡のための諸量を、下記の表１３に示す。光学面の順序（面番号の順序）は、使用者の眼の瞳の面（＝イメージコンバイナ１の射出瞳Ｐの面）から画像形成素子２への順である。
（表１３）
【０１４７】
【表１３】
2004325985.tif 000017
【０１４８】
また、本具体例における各光学面の位置関係として、第１面（面番号１＝図１０中の符号Ｐ）の中心ＰＯを原点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とした各光学面の中心の絶対位置とＸ軸の周りの回転量（反時計回りを正として測った値）を、下記の表１４に示す。
（表１４）
【０１４９】
【表１４】
2004325985.tif 000018
【０１５０】
本具体例について光線追跡すると、瞳中心ＰＯを通って像面中心ＡＯへ向かう光線についての、反射型ＨＯＥ６に対する入射角及び反射角、及び像面（画像形成素子２の表示面に相当）上でのずれ（横色収差）は、当該光線の波長が基準波長５２５．９ｎｍ及びこれに対して±６．６ｎｍ変えた５３２．５ｎｍ及び５１９．３ｎｍである場合のそれぞれについて、下記の表１５に示すとおりとなっている。
（表１５）
【０１５１】
【表１５】
2004325985.tif 000019
【０１５２】
本具体例では、基準波長の｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜＝０．５７４°であり、３°以下となっていて、前述した条件を満たしている。その結果、λ＝±６．６ｎｍのときの像面上の横色収差が少なく、ＨＯＥ６での回折による横色収差の発生が抑えられていることが分かる。
【０１５３】
さらに、本具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図を図１１に示す。本具体例では、照明光源としてピーク波長が約５１５ｎｍで発光強度の半値全幅が約６０ｎｍのＬＥＤを想定し、紙面内の視野角度ごとに回折波長と照明光のスペクトルを計算し、実質的な光線追跡波長を最適化して評価したため、画角によって基準波長を変えている。
【０１５４】
各画角について、基準波長と、強度が基準に対して半値になる波長に関する収差を一つの図に同時に示してある。図１１から、画角内全域に渡り横色収差が少なく、結像性能が優れていることが分かる。
【０１５５】
また、本具体例では前記主光線が反射型ＨＯＥ６で回折反射される反射角は約３４．４°であり、２５°以上３５°以下となっていて、前述した条件を満たしている。その結果、ハーフボクシングサイズＬは２２．４ｍｍとなっている。
【０１５６】
これは、前述したように図１のＹ軸の方向を実際に使用者が装着した場合の上下方向と一致させた場合、外界光の上下方向の視野の目安である片側１５ｍｍ以上を満たしている。したがって、本具体例によれば、外界光の視野を妨げることがなくなり、好ましい。
【０１５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、反射型ホログラム光学素子を用いて小型軽量化を図りつつ、外界の視野を妨げない画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である画像表示装置の構成及びその光線（画像形成素子からの光線のみ）の概略の経路を示す図である。
【図２】本発明における反射型ＨＯＥを定義する座標系を説明するための図である。
【図３】第１の実施の形態の具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態である画像表示装置の構成及びその光線（画像形成素子からの光線のみ）の経路を示す図である。
【図５】第２の実施の形態の具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態である画像表示装置の構成及びその光線（画像形成素子からの光線のみ）の経路を示す図である。
【図７】第３の実施の形態の具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態である画像表示装置の構成及びその光線（画像形成素子からの光線のみ）の経路を示す図である。
【図９】第４の実施の形態の具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図である。
【図１０】本発明の第５の実施の形態である画像表示装置の構成及びその光線（画像形成素子からの光線のみ）の経路を示す図である。
【図１１】第５の実施の形態の具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図である。
【図１２】ホログラムの特性を説明するための図である。
【図１３】入射角θｉｎｃと前記回折反射角θｒｅｆとの差（θｉｎｃ−θｒｅｆ）と、回折反射方向の変化量Δθとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…イメージコンバイナ、２…画像形成素子、３…ＬＥＤ、４…反射鏡、５…板状部、５ａ…（眼側の）面、５ｂ…（眼と反対側の）面、５ｃ…板状部の上部の面、６…（反射型）ＨＯＥ、７…光学系、Ｐ…射出瞳、Ｐ０…射出瞳の中心、Ｒ１〜Ｒ５…領域
【図１】
2004325985.tif 000020
【図２】
2004325985.tif 000021
【図３】
2004325985.tif 000022
【図４】
2004325985.tif 000023
【図５】
2004325985.tif 000024
【図６】
2004325985.tif 000025
【図７】
2004325985.tif 000026
【図８】
2004325985.tif 000027
【図９】
2004325985.tif 000028
【図１０】
2004325985.tif 000029
【図１１】
2004325985.tif 000030
【図１２】
2004325985.tif 000031
【図１３】
2004325985.tif 000032