(57)【要約】【課題】表示素子に照明光を導くために反射型ホログラムを備える映像表示装置であって、観察瞳の大きいものを提供する。【解決手段】光源である発光ダイオード（１２）からの照明光を凸レンズ（１５）によって平行光とし、反射型ホログラム（１３）によって回折反射して、表示素子である液晶表示器（１１）に導き、液晶表示器からの映像を表す光を接眼光学系（１４）によって眼（Ｅ）に導く。反射型ホログラムに拡散特性をもたせて、液晶表示器に導く照明光を拡散光とすることにより、面光源（１２ｉ）を備えているかのような大きな観察瞳を実現する。反射型ホログラムに正の光学的パワーをもたせて、凸レンズを省略することもできる。【選択図】　　　図１
2004038012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
与えられる照明光を変調して映像を表す光とする表示素子と、表示素子に与える照明光を供給する光源部と、光源部からの照明光を回折反射して表示素子に導く反射型ホログラムと、表示素子からの映像を表す光を観察者の眼に導いて映像の拡大虚像を提供する接眼光学系を備える映像表示装置において、
反射型ホログラムが、拡散特性を有し、照明光を回折反射しながら拡散して表示素子に導くことを特徴とする映像表示装置。
【請求項２】
光源部が異なる波長の光を発する複数の発光素子から成り、反射型ホログラムが複数の発光素子が発する光の波長それぞれに対して回折反射効率のピークを有す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】
光源部が照明光として発散光を供給し、
反射型ホログラムが、正のパワーを有して、回折反射した照明光のうち拡散角度が０のものを略平行光とす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４】
反射型ホログラムが１次回折反射光と０次回折反射光とを次第に分離させ、
表示素子が、反射型ホログラムによって回折反射された照明光のうちの１次回折反射光の光路上であって、０次回折反射光が略分離する位置以降に存在す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５】
反射型ホログラムが、拡散異方性を有して、回折反射した照明光の拡散角度を直交する２方向について相違させることを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明光を変調して映像を表す光とする表示素子を備える映像表示装置に関し、特に、その照明光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、頭部に装着されて眼前にて使用される頭部装着型の映像表示装置が、個人観賞用の映像表示装置として普及している。一般に、頭部装着型の映像表示装置は、映像を表示する表示素子と、表示素子に表示した映像の光を観察者の眼に導いて拡大虚像を提供する接眼光学系とを備える。表示素子として、ＣＲＴのように、素子自体が映像を表す光を発するものを使用することもあるが、装置の小型軽量化のために、液晶表示器のように、照明光を与えられてこれを変調して映像を表す光とする表示素子と、その照明光を供給する小さな光源（例えば発光ダイオード）とを組み合わせて用いることが多い。
【０００３】
光源と光源からの照明光を変調する表示素子とを組み合わせる構成では、光源、表示素子および接眼光学系の配設位置の自由度を高めながら、照明光の表示素子への入射角度を適切にするために、光源からの照明光を回折反射して表示素子に導く回折反射素子を備えることも行われている。
【０００４】
このような映像表示装置の構成を図１７に模式的に示す。この映像表示装置は、表示素子である液晶表示器９１、光源である発光ダイオード９２、回折反射素子９３、接眼光学系９４、および凸レンズ９５より成る。発光ダイオード９２が照明光として発する発散光は、凸レンズ９５によって略平行光とされる。回折反射素子９３は凸レンズ９５によって略平行光とされた照明光を、入射角度とは異なる反射角度で一律に回折反射して、液晶表示器９１に導く。液晶表示器９１は、照明光を映像を表す光として略平行光のままで接眼光学系９４に導き、接眼光学系９４は観察者の眼Ｅに映像の拡大虚像を提供する。回折反射素子９３としては、回折格子やホログラムが用いられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、回折反射素子によって照明光を接眼光学系に導く従来の映像表示装置は、表示素子に導く照明光が平行光であるかきわめて平行光に近いため、観察瞳が小さい。このため、装置と観察者の眼の相対位置の変化によって、観察者の眼が装置の観察瞳から外れ易く、観察される映像の一部が欠けたり、映像を全く観察できなくなったりする。頭部載置型の映像表示装置は、装着が容易で、しかも違和感の少ないものであることが望ましく、眼鏡型とされることが多いが、この形態では、装置が動き易く、像が観察できなくなるという事態が頻繁に生じる。
【０００６】
また、装着のための部材を工夫して装置が動かないようにしても、左右の眼の間隔には人によって差があるから、装置と眼の相対位置が観察者ごとに相違することになり、汎用性の高い映像表示装置とすることは難しい。多くの人にとって映像観察が容易な装置とするためには、光源から接眼光学系までの光学系全体を装着のための部材に対して可動にする必要が生じて、構成が複雑になり、また、小型軽量化も難しくなる。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、観察瞳の大きい映像表示装置を提供することを目的とし、さらに、観察瞳が大きい上に照明光を映像の観察に効率よく利用することが可能な映像表示装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、与えられる照明光を変調して映像を表す光とする表示素子と、表示素子に与える照明光を供給する光源部と、光源部からの照明光を回折反射して表示素子に導く反射型ホログラムと、表示素子からの映像を表す光を観察者の眼に導いて映像の拡大虚像を提供する接眼光学系を備える映像表示装置において、反射型ホログラムが、拡散特性を有し、照明光を回折反射しながら拡散して表示素子に導くものとする。
【０００９】
反射型ホログラムが、単に回折反射して照明光の方向を変えるだけでなく、照明光を拡散するようにしたことで、表示素子に対する照明光の入射角度にはある程度の広がりが生じる。表示素子は、照明光を変調するものの、光線の進行方向には変化をもたらさない（透過型の表示素子であれば入射角度と出射角度は等しく、反射型の表示素子であれば入射角度と反射角度は等しい）から、映像を表す光の進行方向にも入射角度の広がりに等しい広がりが生じ、その結果、観察瞳が大きくなる。
【００１０】
ここで、光源部が異なる波長の光を発する複数の発光素子から成り、反射型ホログラムが複数の発光素子が発する光の波長それぞれに対して回折反射効率のピークを有するようにするとよい。明るいカラー映像を提供することが可能になる。
【００１１】
光源部が照明光として発散光を供給し、反射型ホログラムが、正のパワーを有して、回折反射した照明光のうち拡散角度が０のものを略平行光とするようにしてもよい。拡散角度が０の照明光を略平行光とすることで、照明光を拡散しながらも、その大部分を表示素子に導くことができて、光源からの照明光を効率よく映像の提供に利用することができる。しかも、照明光を発する素子として発光ダイオードのように小型のものを用いることが可能であり、また、発散光である照明光を略平行光とするための光学素子を別途備える必要がないため、小型軽量化が容易である。
【００１２】
反射型ホログラムが１次回折反射光と０次回折反射光とを次第に分離させ、表示素子が、反射型ホログラムによって回折反射された照明光のうちの１次回折反射光の光路上であって、０次回折反射光が略分離する位置以降に存在するようにするとよい。１次回折光と０次回折光が略分離する位置以降に表示素子を配置することにより、表示素子に入射する０次回折光を僅かにする、あるいは皆無にすることが可能になり、０次回折光の混在に起因する映像の質の低下を防止することができる。
【００１３】
反射型ホログラムが、拡散異方性を有して、回折反射した照明光の拡散角度を直交する２方向について相違させるようにしてもよい。観察瞳は楕円形状となり、拡散角度の大きい方向がその長径の方向に相当する。観察者の眼と装置との相対位置の変化の大きい方向について拡散角度（瞳径）を大きくし、これに直交する方向については拡散角度（瞳径）を小さくすれば、照明光を映像の観察に効率よく利用することが可能になり、明るい映像を提供することができる。また、光源、反射型ホログラムおよび接眼光学系を含む平面に平行な方向について拡散角度を大きくし、これに直交する方向について拡散角度を小さくすれば、接眼光学系に対する反射型ホログラムの向きや、反射型ホログラムに対する光源の向きを特に高精度に設定しなくてもよくなり、組み立て効率が向上する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の映像表示装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。第１の実施形態の映像表示装置１の光学構成を図１に模式的に示す。映像表示装置１は、液晶表示器１１、発光ダイオード（ＬＥＤ）１２、反射型ホログラム１３、接眼光学系１４、および凸レンズ１５より成る。
【００１５】
液晶表示器１１は、その液晶層に映像を表示し、与えられる照明光を表示した映像によって変調して映像を表す光とする。ＬＥＤ１２は、液晶表示器１１に与える照明光を供給する。反射型ホログラム１３は、凸レンズ１５を介してＬＥＤ１２より与えられる照明光を回折反射して、１次回折反射光を液晶表示器１１に導く。接眼光学系１４は、液晶表示器１１からの映像を表す光を観察者の眼Ｅに導いて、液晶表示器１１上の映像の拡大虚像を提供する。凸レンズ１５は、ＬＥＤ１２からの発散光Ｌ１を略平行光Ｌ２として、反射型ホログラム１３に与える。
【００１６】
反射型ホログラム１３は、拡散特性を有しており、凸レンズ１５からの照明光Ｌ２を回折反射しながら拡散する。このため、液晶表示器１１に対する照明光Ｌ３の入射角度には分布が生じる。液晶表示器１１は光の進行方向には影響を及ぼさず、映像を表す光は液晶表示器１１の各画素から入射角度と同じ出射角度で出射して、接眼光学系１４に達する。したがって、映像表示装置１の観察瞳は大きく、映像表示装置１と観察者の眼Ｅの相対位置に変動が生じても、観察者の眼Ｅは観察瞳から外れ難い。
【００１７】
明るい像を提供するために、凸レンズ１５および接眼光学系１４は、ＬＥＤ１２と観察者の眼Ｅとが光学的に共役になるように設定されている。また、ＬＥＤ１２は小さく、点光源に近い。観察瞳の大きさは光源の面積におおよそ比例するので、反射型ホログラム１３が凸レンズ１５からの照明光Ｌ２を単に回折反射するだけであれば、観察瞳は小さい。しかし、反射型ホログラム１３に拡散特性をもたせたことで、液晶表示器１１を照明するために大きな面光源１２ｉを備えたような状態となり、大きな観察瞳を実現することができる。
【００１８】
拡散特性を有する反射型ホログラム１３の作製方法を図２に模式的に示す。ガラス、アクリル等の透明な基板１３ｃに感光材料１３ｂを塗布または帖着して、ホログラム１３の原体１３ａとする。この原体１３ａの基板１３ｃ側に透過型拡散板１６を配置し、同一のレーザ光源が発したレーザ光を分岐して得られる２本のレーザ光Ｌａ、Ｌｂを、それぞれ感光材料１３ｂ側からと拡散板１６側から照射して、レーザ光Ｌａ、Ｌｂの干渉縞を感光材料１３ｂに記録する。レーザ光Ｌａは、凸レンズ１５からの照明光Ｌ２と同じく略平行光としておき、照明光Ｌ２と同じ方向から照射する。レーザ光Ｌｂも略平行光としておき、回折反射後の照明光Ｌ３を上流側に延長した方向から照射する。
【００１９】
レーザ光Ｌｂは拡散板１６を透過することによって拡散し、レーザ光Ｌａと拡散しつつあるレーザ光Ｌｂとの干渉縞が感光材料１３ｂに記録されて、拡散板１６と類似の拡散特性を有する反射型ホログラム１３が得られる。なお、感光材料１３ｂの種類には特に制約はなく、銀塩、重クロム酸ゼラチン、フォトポリマー等の一般的な材料を用いることができる。中でもフォトポリマーは、干渉縞記録後の後処理をドライプロセスで行うことができて、処理効率の点で好ましい。
【００２０】
透過型拡散板１６としては、従来より知られている、透明な基板の表面に凹凸を形成したものや、光透過性の材料に拡散性樹脂を配合したものを使用することができる。ただし、後者は、原理的に反射光が多く透過光が少なくなるため、前者の方が好ましい。
【００２１】
ＬＥＤ１２から液晶表示器１１までの光路上に透過型拡散板を配置し、反射型ホログラム１３ではなく、透過型拡散板によって照明光を拡散して観察瞳を大きくすることも考えられる。しかしながら、透明基板の表面に凹凸を形成した拡散板では、その凹凸の形状に起因して、透過光の強度にむらが発生し易く、これを液晶表示器の近傍に配置すると、映像を表す光にも輝度むらが生じて、提供する映像の品位を損なうことになる。また、拡散性樹脂を配合した透過型拡散板では、反射によって失われる光が多く、ＬＥＤ１２からの光の利用効率が大きく低下する。
【００２２】
ホログラムに拡散機能をもたせる場合は、その作製時に透過型拡散板１６として透明な基板の表面に凹凸を形成したものを用いながらも、図２に示したように、透過型拡散板１６と感光材料１３ｂとを密着させず離すことによって、透過型拡散板１６の凹凸に起因する強度むらが緩和された状態を感光材料１３ｂに記録することができる。つまり、反射型ホログラム１３は、拡散角度の点では透過型拡散板１６と同等であるが、提供する拡散光の強度の点では透過型拡散板１６よりも均一度が高いという特性を有する。したがって、反射型ホログラム１３によって照明光を拡散する映像表示装置１では、透明基板の表面に凹凸を形成した従来の透過型拡散板を用いて照明光を拡散させる場合に比べて、輝度むらの少ない高品位の映像の提供が可能である。
【００２３】
カラー映像を提供するには、照明光として赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光、および青色（Ｂ）光を液晶表示器１１に導けばよい。この場合、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光に対して選択的に感度を有する３つの感光材料を重ねて基板上に設け、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光のレーザ光を個別に照射して、各感光材料に干渉縞を形成する。このようにすると高い回折反射効率が得られる。あるいは、Ｒ光からＢ光までに感度を有する単一の感光材料を用いて、３色のレーザ光を照射するようにしてもよい。このようにするとコストが抑えられる。また、２つの感光材料を用いることもできるし、個別に作製したホログラムを貼り合わせることも可能である。使用時には、ＬＥＤ１２として、Ｒ光を発するもの、Ｇ光を発するもの、Ｂ光を発するものの３種を用いる。
【００２４】
３色のレーザ光としては、使用時の３色の照明光の波長に近い波長のものを用いる。Ｒ光に感度を有する感光材料と、Ｇ光およびＢ光に感度を有する感光材料とを使用して反射型ホログラム１３を作製するときの、レーザ光の波長と各感光材料の吸収率の関係を図３（ａ）に示し、これにより得られる反射型ホログラム１３における波長と回折反射効率の関係を図３（ｂ）に示す。このようにすると、３種のＬＥＤ１２が発するＲ光、Ｇ光、Ｂ光それぞれに対して回折反射効率のピークを有する反射型ホログラム１３となり、明るく色バランスのよい映像を提供し得る映像表示装置１が得られる。
【００２５】
３色の照明光を供給する３つのＬＥＤ１２は、図１の紙面内に並べて配置してもよいし、紙面に対して垂直な方向に並べて配置してもよい。いずれの場合も、感光材料１３ｂ側のレーザ光Ｌａは、使用時に回折反射効率が低下するのを避けるために、各ＬＥＤ１２からの照明光と同一方向から照射する。この条件を考慮すると、３つのＬＥＤ１２は、液晶表示器１１の中心と反射型ホログラム１３の中心とを結ぶ直線に垂直な面内に、かつその直線から等距離に配置するのが、好ましい。レーザ光Ｌａ、Ｌｂの方向を一定にして、原体１３ａを回動させるだけで、上記の条件を満たすことができ、作製が容易になるとともに、ホログラム露光装置の構成が簡素になるからである。
【００２６】
本実施形態の映像表示装置１では、表示素子として透過型の液晶表示器を用いているが、反射型の液晶表示器を使用することもできる。また、変調の原理が異なる他の種類の表示素子を使用することも可能である。光源としても、ＬＥＤ以外のもの、例えばエレクトロルミネサンス（ＥＬ）素子を使用することができる。拡散特性を有する反射型ホログラム１３を備えたことにより、光源が小さくても大きな観察瞳を実現することができるから、発光強度、寿命等の素子の特性を重視して選択すればよい。
【００２７】
また、ここでは接眼光学系１４を単一の凸レンズで構成しているが、複数のレンズ、反射面、軸非対称な曲面を有するプリズム、反射型ホログラム、透過型ホログラム、回折光学素子（ＤＯＥ）等で構成してもよい。ただし、大きな観察瞳に対応し得るようにしながらも、小型軽量化を実現するためには、ホログラムやＤＯＥを含むようにするのが望ましい。これらの点は、以下の各実施形態においても同様である。
【００２８】
第２の実施形態の映像表示装置２の光学構成を図４に模式的に示す。映像表示装置２は、上記の映像表示装置１を修飾して、反射型ホログラム１３に正の光学的パワーをもたせることにより、凸レンズ１５を省略したものである。反射型ホログラム１３が拡散特性を有することに変わりはなく、映像表示装置２も、大きな面光源１２ｉによって液晶表示器１１を照明する場合と同様の、大きな観察瞳を有する。
【００２９】
反射型ホログラム１３のパワーは、拡散特性を有さないとしたならばＬＥＤ１２からの発散光Ｌ１を略平行光とするように、換言すれば、回折反射した照明光Ｌ３のうち拡散角度が０のものを略平行光とするように設定されている。これにより、反射型ホログラム１３から液晶表示器１１に導かれる照明光Ｌ３は、映像表示装置１のものと同等になる。
【００３０】
反射型ホログラム１３の作製方法を図５に模式的に示す。第１の実施形態の作製方法（図２）との相違は、感光材料１３ｂ側から照射するレーザ光Ｌａを発散光とする点のみである。レーザ光Ｌａを発散光とするには、レーザ光源からのレーザ光を小径の平行光としておいて、ピンホールを通過させる、または、凸レンズもしくは凹レンズを透過させるだけでよい。これらのピンホールやレンズは、使用時にＬＥＤ１２を配置する位置に配置する。
【００３１】
第３の実施形態の映像表示装置３の光学構成を図６に模式的に示す。この映像表示装置３は、第２の実施形態の映像表示装置２を修飾して、正のパワーを有する反射型ホログラム１３の１次回折反射光と０次回折反射光が確実に分離するようにするとともに、液晶表示器１１を、１次回折反射光と０次回折反射光が分離する位置付近に配置したものである。
【００３２】
ＬＥＤ１２からの照明光Ｌ１は発散光であり、０次回折反射光は反射型ホログラム１３のパワーを受けずに発散光のままとなる。このため、１次回折反射光と０次回折反射光が、凸レンズ１５よって略平行光Ｌ２として反射型ホログラム１３に導く第１の実施形態のようには、速やかに分離しない。１次回折反射光と共に０次回折反射光が液晶表示器１１に入射すると、映像を表す光に強度のむらが生じ、カラー映像を提供する場合は、色むらも発生する。
【００３３】
本実施形態の映像表示装置３では、この０次回折反射光に起因する映像の品位の低下を避けるために、１次回折反射光と０次回折反射光ができるだけ速やかに分離するように反射型ホログラム１３を設定している。液晶表示器１１は、映像の品位の面では、１次回折反射光と０次回折反射光が分離する位置よりも反射型ホログラム１３から遠くに配置するのが望ましいが、装置の大型化を避けるために、分離位置近傍に配置している。
【００３４】
１次回折反射光と０次回折反射光を速やかに分離するために、ＬＥＤ１２および反射型ホログラム１３を、ＬＥＤ１２からの発散光Ｌ１の主光線と反射型ホログラム１３とが成す２つの角（互いに補角）のうち、液晶表示器１１側のものが鋭角となるように、設定している。これにより、０次回折反射光の半分以上が液晶表示器１１から離れる方向に進み、液晶表示器１１に最も近い光線でも、反射型ホログラム１３に近い位置で１次回折反射光から分離する。
【００３５】
反射型ホログラム１３の作製方法は、第２の実施形態（図５）と同様である。
感光材料１３ｂ側のレーザ光Ｌａを発散光とするピンホールやレンズは、使用時にＬＥＤ１２を配置する位置に配置し、これらに導く小径のレーザ光の光路はＬＥＤ１２の主光線の光路に一致させておく。
【００３６】
第４の実施形態の映像表示装置４の光学構成を図７に模式的に示す。この映像表示装置４は、第２の実施形態の映像表示装置２を修飾して、正のパワーを有する反射型ホログラム１３の１次回折反射光と０次回折反射光に異なる偏光特性を生じさせるようにし、偏光特性の差を利用して１次回折反射光のみを液晶表示器１１に導くようにしたものである。具体的には、ＬＥＤ１２からの照明光Ｌ１を第１の直線偏光Ｌｐ１とし、反射型ホログラム１３からの照明光Ｌ３のうち１次回折反射光を、偏光方向が第１の直線偏光Ｌｐ１の偏光方向に直交する第２の直交偏光Ｌｐ２とする。０次回折反射光は第１の直線偏光Ｌｐ１のままである。
【００３７】
ＬＥＤ１２と反射型ホログラム１３の間には第１の偏光素子１７が配置されており、反射型ホログラム１３と液晶表示器１１の間には第２の偏光素子１８が配置されている。また、反射型ホログラム１３の表面には１／４波長板１９が帖着されている。第１の偏光素子１７は、無偏光であるＬＥＤ１２からの照明光Ｌ１を第１の直線偏光Ｌｐ１のみとし、第２の偏光素子１８は第１の直線偏光Ｌｐ１を遮断して第２の直線偏光Ｌｐ２のみを透過させる。０次回折反射光および表面反射光は偏光方向が変わらず、１次回折反射光は１／４波長板１９を２回透過することにより偏光方向が９０゜回転する。
【００３８】
第１の偏光素子１７としては、吸収型偏光フィルタ、反射型偏光フィルタ、偏光ビームスプリッタ等を用いることができるが、中でも反射型偏光フィルタが好ましい。ＬＥＤ１２側に戻った第１の直線偏光Ｌｐ１を再利用することができ、光の利用効率が高まるからである。第２の偏光素子１８としては、吸収型偏光板、反射型偏光板等を用いることができる。液晶表示器１１に備えられる入射側の偏光板（不図示）を、第２の偏光素子１８として兼用することも可能である。
【００３９】
上記各実施形態の映像表示装置１〜４の反射型ホログラム１３は、あらゆる方向について拡散率（角度）が同じ等方的な拡散特性を有するものとすることができるし、方向によって拡散率が異なる異方的な拡散特性を有するとすることもできる。反射型ホログラム１３の拡散特性は作製時に用いる拡散板１６（図２、図５）の拡散特性によって定まり、拡散板１６の特性や配置方向の設定次第で、反射型ホログラム１３の拡散異方性の方向や度合いを調節することも可能である。
【００４０】
反射型ホログラム１３が等方的な拡散特性を有する場合の、液晶表示器１１に導く照明光Ｌ３の断面形状を図８（ａ）に示す。また、反射型ホログラム１３が異方的な拡散特性を有する場合の、照明光Ｌ３の断面形状の例を図８（ｂ）に示す。図８（ｂ）の例は、観察者の左右方向（ｘ方向）の拡散角度を上下方向（ｙ方向）の拡散角度よりも大きくしたときのものである。
【００４１】
反射型ホログラム１３の拡散特性を図８（ｂ）のように設定した映像表示装置を左右の眼それぞれに対して使用するときの、観察瞳Ｐの大きさと観察瞳Ｐと観察者の眼Ｅの位置関係を図９に示す。図９（ａ）に示すように、観察瞳Ｐは左右方向に大きく、２つの装置の間隔を一定にしても、左右の眼Ｅの間隔が異なる多くの観察者にとって、映像の観察が容易である。また、図９（ｂ）に示すように、観察瞳Ｐは上下方向には小さく、眼Ｅが位置する可能性のない方向に進む光がなくなって、光を映像観察に効率よく利用することができる。なお、上下方向についても、観察瞳Ｐは反射型ホログラム１３が拡散特性を有さない場合に比べて大きく、使用時に装置と眼Ｅの相対位置が多少変動しても、観察する映像に欠けが生じることはない。
【００４２】
液晶表示器１１の中心と、発光ダイオード１２と、反射型ホログラム１３の中心を含む平面との交線の方向について、反射型ホログラム１３の回折角度を大きくしてもよい。このようにすると、液晶表示器１１に対する反射型ホログラム１３の向きや、反射型ホログラム１３に対する発光ダイオード１２の向きに多少の誤差があっても、観察者の眼が観察瞳内に収まるようになり、組み立てに際して必要な精度が低下して、製造効率が向上する。
【００４３】
反射型ホログラム１３の作製に際し、図２や図５に示したように拡散板１６を原体１３ａの近くに配置することに代えて、図１０に示すように、凸レンズ２０等によって拡散板１６の像１６’を形成し、結像後のレーザ光や結像前のレーザ光を一方のレーザ光Ｌｂとして利用するようにしてもよい。このようにすると、反射型ホログラム１３は、拡散板１６の像１６’を再生するものとなる。
【００４４】
（ａ）に示すように、拡散板１６と原体１３ａの間に拡散板１６を結像させると、使用時には、反射型ホログラム１３よりも遠方に位置する拡散板から到来する光と等価な光が得られる。なお、レーザ光Ｌａを発散光とするためのレンズ２１は、前述のように、使用時にＬＥＤ１２を配置する位置に配置しておく。
【００４５】
（ｂ）に示すように、原体１３ａ上に拡散板１６を結像させると、反射型ホログラム１３上に位置する拡散板から到来する光と等価な光が得られる。（ｃ）に示すように、原体１３ａ透過後に拡散板１６を結像させるようにすると、反射型ホログラム１３と液晶表示器１１の間に位置する拡散板から到来する光と等価な光が得られる。
【００４６】
また、（ｄ）に示すように、使用時に液晶表示器１１を配置する位置に拡散板１６を結像させると、使用時に、液晶表示器１１の傍らを通過する光がなくなって、光の利用効率が向上する。
【００４７】
（ａ）、（ｃ）、（ｄ）の方法では、拡散板１６の像１６’と原体１３ａが空間的に離れているので、拡散板１６の透過光の強度むらが緩和された状態が原体１３ａに記録され、その状態を再現する反射型ホログラム１３が得られる。したがって、前述のように、透明基板の表面に凹凸を形成した透過型拡散板を用いて照明光を拡散させる場合に比べて、輝度むらの少ない高品位の映像を提供することが可能である。
【００４８】
第５の実施形態の映像表示装置５の光学構成の一部を図１１に模式的に示す。映像表示装置５は、液晶表示器１１、ＬＥＤ１２、および反射型ホログラム１３を備えている。反射型ホログラム１３にはＬＥＤ１２からの発散光Ｌ１をそのまま導く。反射型ホログラム１３は、上述の各実施形態のものと同様に拡散特性を有するが、同一点に入射する照明光を、波長に応じて異なる角度で回折反射する。例えば、図中の光線Ａ１の波長をλ１、光線Ａ２の波長をλ２で表せば、λ１≠λ２である。
【００４９】
反射型ホログラム１３の作製方法を図１２に模式的に示す。感光材料１３ｂ側から照射するレーザ光Ｌａは発散光とする。また、上記の各実施形態とは異なり、発散光であるレーザ光Ｌａの光路上に拡散板１６を配置する。これにより、波長に応じて回折反射角度に差をもたらす反射型ホログラム１３が得られる。
【００５０】
映像表示装置５の光学構成の全体を図１３に模式的に示す。映像表示装置５では、接眼光学系１４としても、反射型ホログラム１４ａを用いる。以下、照明光を導く反射型ホログラム１３との混同をさけるために、反射型ホログラム１４ａを接眼ホログラムとよぶ。接眼ホログラム１４ａは、平板状のプリズム２２の内部に設けられており、プリズム２２に端面から入射した映像を表す光を反射して観察者の眼Ｅに導き、映像の拡大虚像を提供する。
【００５１】
接眼ホログラム１４ａの作製方法を図１４に模式的に示す。感光材料１４ｂに、発散光であるレーザ光Ｌｃと平行光であるレーザ光Ｌｄを照射して、両者の干渉縞を記録する。レーザ光Ｌｃは観察者の眼（観察瞳）に対応する位置から照射し、レーザ光Ｌｄは映像を表す光と同じ方向または逆方向から照射する。これにより、拡大虚像を提供する機能を有する接眼ホログラム１４ａが得られる。
【００５２】
ただし、このようにして作製する接眼ホログラム１４ａでは、入射角度によって回折反射効率のピーク波長に差が生じる。例えば、図１３に示す３本の光線Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は、接眼ホログラム１４ａへの入射角度が異なり、回折反射効率のピーク波長も異なる。観察瞳Ｐの大きさを３ｍｍ、観察瞳Ｐから接眼ホログラム１４ａの中心までの距離を２０ｍｍ、接眼ホログラム１４ａの厚さを２０μｍ、屈折率変調率を０．０１、照明光の中心波長を５３２ｎｍ、提供する映像の画角（図１３の紙面内の上下方向）を１０゜とすると、光線Ｂ１と光線Ｂ３の回折反射効率のピーク波長の差は４０ｎｍに達する。光線Ｃ１、Ｃ３も同様である。
【００５３】
一方、接眼ホログラム１４ａへの入射角度が等しい光線Ｂ１と光線Ｃ１には、回折反射効率のピーク波長に差がない。光線Ｂ２と光線Ｃ２、光線Ｂ３と光線Ｃ３についても同様である。
【００５４】
このような特性を有する接眼ホログラム１４ａを用いながら観察瞳Ｐを大きくするためには、照明光にある程度の波長幅があること、および、接眼ホログラム１４ａに異なる角度で入射する光線に、回折反射効率に応じた波長分布が存在することが必要となる。液晶表示器１１に照明光を導く反射型ホログラム１３に、異なる方向に進む光の波長に差を生じさせる特性をもたせたのはこのためである。反射型ホログラム１３は、接眼ホログラム１４ａでの回折反射効率が低くなる波長について、光量を多くすることが可能であり、これにより接眼ホログラム１４ａの上記特性を相殺することができる。
【００５５】
反射型ホログラム１３の１点Ｑに入射したＬＥＤ１２からの光は、波長に応じて異なる方向に回折反射され、例えば、光線Ｂ１と光線Ｃ２に分かれる。これらの光線Ｂ１、Ｃ２は液晶表示器１１および接眼ホログラム１４ａを経て、それぞれ観察瞳Ｐの一部を形成する。反射型ホログラム１３の他の点に入射して分かれた光も、同様に、それぞれ観察瞳Ｐの一部を形成する。これらの光はいずれも十分な量を有しており、全体として大きな観察瞳Ｐが得られる。
【００５６】
眼鏡型とした映像表示装置５の外観を図１５に示す。眼鏡のレンズに相当するプリズム２２の上縁に、液晶表示器１１、発光ダイオード１２、および反射型ホログラム１３を収容した筐体２３が取り付けられており、プリズム２２の中央部に接眼ホログラム１４ａが設けられている。また、筐体２３には、不図示のコントローラから映像信号、制御信号等を与えるためのケーブル２４が接続されている。
【００５７】
映像表示装置５の断面を図１６に示す。プリズム２２の上端部は断面をくさび形とされており、筐体２３には、発光ダイオード１２、反射型ホログラム１３および液晶表示器１１が、液晶表示器１１からの映像を表す光がプリズム２２の端面に斜め入射するように配置されている。端面よりプリズム２２の内部に入った液晶表示器１１からの光は、プリズム２２の２つの表面で全反射されながら下方に向かい、接眼ホログラム１４ａによって眼に導かれる。
【００５８】
プリズム２２は透明であり、映像表示装置５を装着した観察者は、プリズム２２を介して外界を観察することができる。接眼ホログラム１４ａも外界からの光を透過させ、映像の拡大虚像を外界の像に重ねて提供する。
【００５９】
表示素子に照明光を導く反射型ホログラムに拡散特性をもたせることは、スクリーンに映像を拡大投影するプロジェクタにも適用することができる。一般に、映像を観察し得る角度範囲を広くするために、スクリーンには拡散特性をもたせるが、照明光を導く反射型ホログラムにも拡散特性をもたせることで、スクリーン上の映像を観察し得る角度範囲を一層広くすることができる。また、スクリーン背後の外界の像をも観察できるようにするために、スクリーンを拡散特性を有さない透明板とするときでも、照明光を拡散光としておくことで、映像を観察し得る角度範囲を広くすることが可能になる。接眼光学系１４に代えて、液晶表示器１１からの映像を表す光をスクリーンに結像させる投影光学系を備えるだけで、そのようなプロジェクタが得られる。
【００６０】
【発明の効果】
与えられる照明光を変調して映像を表す光とする表示素子と、表示素子に与える照明光を供給する光源部と、光源部からの照明光を回折反射して表示素子に導く反射型ホログラムと、表示素子からの映像を表す光を観察者の眼に導いて映像の拡大虚像を提供する接眼光学系を備える映像表示装置において、本発明のように、反射型ホログラムが、拡散特性を有し、照明光を回折反射しながら拡散して表示素子に導くようにすると、観察瞳が大きくなって、映像の観察が容易になる。
【００６１】
光源部が異なる波長の光を発する複数の発光素子から成り、反射型ホログラムが複数の発光素子が発する光の波長それぞれに対して回折反射効率のピークを有するようにすると、明るいカラー映像を提供することができる。
【００６２】
光源部が照明光として発散光を供給し、反射型ホログラムが、正のパワーを有して、回折反射した照明光のうち拡散角度が０のものを略平行光とするようにすると、照明光を拡散しながらも、その大部分を表示素子に導くことができて、光源からの照明光を効率よく映像の提供に利用することができる。しかも、照明光を発する素子として発光ダイオードのように小型のものを用いることが可能であり、また、発散光である照明光を略平行光とするための光学素子を別途備える必要がないため、小型軽量化が容易である。
【００６３】
反射型ホログラムが１次回折反射光と０次回折反射光とを次第に分離させ、表示素子が、反射型ホログラムによって回折反射された照明光のうちの１次回折反射光の光路上であって、０次回折反射光が略分離する位置以降に存在するようにすると、表示素子に入射する０次回折光を僅かにする、あるいは皆無にすることができて、０次回折光の混在に起因する映像の質の低下が防止される。
【００６４】
反射型ホログラムが、拡散異方性を有して、回折反射した照明光の拡散角度を直交する２方向について相違させるようにすると、観察瞳を大きくしながらも、不必要な方向にまで大きくすることが避けられて、明るい映像を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の映像表示装置の光学構成を模式的に示す図。
【図２】第１の実施形態の映像表示装置に備える反射型ホログラムの作製方法を模式的に示す図。
【図３】２種のホログラム感光材料を用いる場合の露光用レーザ光の波長と感光材料の吸収率の関係の例（ａ）と、得られた反射型ホログラムにおける波長と回折反射効率の関係（ｂ）を模式的に示す図。
【図４】第２の実施形態の映像表示装置の光学構成を模式的に示す図。
【図５】第２の実施形態の映像表示装置に備える反射型ホログラムの作製方法を模式的に示す図。
【図６】第３の実施形態の映像表示装置の光学構成を模式的に示す図。
【図７】第４の実施形態の映像表示装置の光学構成を模式的に示す図。
【図８】各実施形態の映像表示装置に備える反射型ホログラムが等方的な拡散特性を有する場合の照明光の断面形状（ａ）と、反射型ホログラムが異方的な拡散特性を有する場合の照明光の断面形状の例（ｂ）を示す図。
【図９】反射型ホログラムが図８（ｂ）の拡散特性を有するときの観察瞳の大きさと観察瞳と観察者の眼の位置関係を示す図。
【図１０】各実施形態の映像表示装置に備える反射型ホログラムの他の作製方法を模式的に示す図。
【図１１】第５の実施形態の映像表示装置の光学構成の一部を模式的に示す図。
【図１２】第５の実施形態の映像表示装置に備える反射型ホログラムの作製方法を模式的に示す図。
【図１３】第５の実施形態の映像表示装置の光学構成の全体を模式的に示す図。
【図１４】第５の実施形態の映像表示装置に接眼光学系として備える反射型ホログラムの作製方法を模式的に示す図。
【図１５】第５の実施形態の映像表示装置を眼鏡型としたときの外観を示す斜視図。
【図１６】第５の実施形態の映像表示装置の断面を示す図。
【図１７】従来の映像表示装置の光学構成を模式的に示す図。
【符号の説明】
１、２、３、４、５　映像表示装置
１１　　液晶表示器（表示素子）
１２　　発光ダイオード（光源）
１２ｉ　仮想面光源
１３　　反射型ホログラム
１３ａ　ホログラム原体
１３ｂ　感光材料
１３ｃ　基板
１４　　接眼光学系
１４ａ　反射型ホログラム
１５　　平行化凸レンズ
１６　　透過型拡散板
１６’　拡散板像
１７、１８　偏光素子
１９　　１／４波長板
２０　　結像用凸レンズ
２１　　発散用凸レンズ
２２　　プリズム
２３　　筐体
２４　　ケーブル
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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