(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示素子と、前記画像表示素子に形成された画像情報をリレーするリレー光学系と、前記リレー光学系でリレーされた画像情報を観察者の眼球へ導くための接眼光学系とを含み、
前記リレー光学系は、少なくとも、複数のレンズと第１の反射型体積ホログラム素子を有し、
前記接眼光学系は、第２の反射型体積ホログラム素子を有し、
前記第１の反射型体積ホログラム素子と前記第２の反射型体積ホログラム素子との間は、透明媒質で満たされ、且つ、光路中に少なくとも前記第１の反射型体積ホログラム素子によって反射された光束を、前記透明媒質内部で少なくとも３回以上の奇数回全反射させて、前記第２の反射型体積ホログラム素子に導くように形成され、且つ、偏心光学系として構成された導光板で構成され、
前記第１の反射型体積ホログラム素子は、前記画像表示素子から出射された光が前記導光板に入射する入射面と対向する面に、該入射面に対して傾斜して形成され、
前記第２の反射型体積ホログラム素子は、前記観察者の眼球に向かう光が前記導光板から出射される出射面と対向する面に、該出射面に対して傾斜して形成され、
前記複数のレンズは、少なくとも前記導光板を光が経由することによって生じる偏心収差を補正し、且つ、前記第１の反射型体積ホログラム素子及び前記第２の反射型体積ホログラム素子を介して生じる色収差を補正するように構成され、
前記導光板により、前記リレー光学系と前記画像表示素子とが、観察者の顔面から側頭部に沿うように配置されていることを特徴とする観察光学系。
【請求項２】
次の条件式（６）、（７）を満足することを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。
１．３３９７≦（ＯＰ１／ＯＰ２）／（Ｈ２＿Ｓ４／Ｈ２＿Ｓ１０）≦１．６４０４
・・・（６）
−２．２２４５≦（θ＿Ｓ１０／θ＿Ｓ４）≦−２．１３４２            ・・・（７）
但し、ＯＰ１は軸上画角における主光線の中間像から前記第１の反射型体積ホログラムまでの光路長(ｍｍ)、ＯＰ２は軸上画角における主光線の前記第２の反射型体積ホログラムから中間像までの光路長(ｍｍ)、Ｈ２＿Ｓ１０は前記第１の反射型体積ホログラム素子における光路差関数Φ0PolyのＹ方向の１次成分の係数Ｈ2、Ｈ２＿Ｓ４は前記第２の反射型体積ホログラム素子における光路差関数Φ0PolyのＹ方向の１次成分の係数Ｈ2、θ＿Ｓ１０は前記第１の反射型体積ホログラム素子の傾き（度）、θ＿Ｓ４は前記第２の反射型体積ホログラム素子の傾き（度）である。
また、αをＸ軸を中心とする傾き角（度）、βをＹ軸を中心とする傾き角（度）とすると、上記条件式（７）におけるそれぞれの反射型体積ホログラム素子の傾きθ＝ｔａｎ-1｛（ｔａｎα）2＋（ｔａｎβ）2｝1/2である。
また、Φ0Polyとは
0004772204.tif 000025
で表される値である。
【請求項３】
次の条件式（１２）を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の観察光学系。
０．６２１８≦Ｈ２＿Ｓ４≦０．６３３７                            ・・・（１２）
但し、Ｈ２＿Ｓ４は前記第２の反射型体積ホログラム素子における光路差関数Φ0PolyのＹ方向の１次成分の係数Ｈ2である。
また、Φ0Polyとは
0004772204.tif 000026
で表される値である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、観察光学系に関し、特に、観察者の頭部又は顔面に保持することができ、又は、携帯電話や携帯情報端末に付加することができる画像表示装置などに用いる観察光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、個人が大画面の画像を楽しむことを目的として、画像表示装置、特に、頭部や顔面に装着するタイプの画像表示装置の開発が盛んになされている。
【０００３】
そのような装置に利用しうる従来の観察光学系としては、２枚の反射型体積ホログラム素子を組み合わせて、色収差補正を行うようにした画像表示光学系が、米国特許第４６１３２００号公報、ＰＣＴ／ＵＳ９９／２６７５６（ＷＯ００／２８３６９）号公報、特開平５−１７８１２０号公報、特開平５−０７７６５８号公報などにおいて提案されている。
また、体積ホログラム素子と導光板とを組み合わせた画像表示光学系が、米国特許第４３０９０７０号公報、米国特許第４７１１５１２号公報、米国特許第５９６６２２３号公報、特開平８−１１３０５９号公報などにおいて提案されている。
また、リレー光学系を有しコンバイナを含む画像表示光学系が、特開平６−２９４９４３号公報、特開平７−１３４２６６号公報、特開平７−２１８８５９号公報などにおいて提案されている。
また、リレーを有し導光板を用いている画像表示光学系が、特開平２−２９７５１６号公報、米国特許第５８８０８８８号公報などにおいて提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、米国特許第４６１３２００号公報、特開平５−１７８１２０号公報、特開平５‐０７７６５８２号公報などに記載の光学系は、視線方向に対し略垂直な方向から入射する光を視線方向に向けて折り曲げるために、例えば米国特許第４６１３２００号公報のＦＩＧ．１に示すように、視線方向に向けて傾斜した自動車のフロントガラス（コンバイナー）の入射面に反射型体積ホログラム素子を備えて構成されているため、視線方向に光学系が厚くなってしまうという問題があった。
【０００５】
また、ＰＣＴ／ＵＳ９９／２６７５６（ＷＯ００／２８３６９）号公報に記載の光学系は、例えばＦＩＧ．２２に示すように、画像を表示する光路中に、反射型体積ホログラム素子を入れて光路を折り曲げ、更に別の透過型体積ホログラム素子を組み合わせて色収差を打ち消し合わせるように構成されている。しかし、このような反射型ホログラム素子と透過型ホログラム素子の配置構成では、コンバイナでの反射回折光が顔面と干渉しないような方向に導くために、コンバイナでの反射回折角を大きくする必要があり、これでは、コンバイナでの反射型体積ホログラム素子の回折効果によるパワーを大きくすることになるので、干渉縞の密度の高いホログラムの生産が困難になるという問題があった。
【０００６】
また、米国特許第４３０９０７０号公報、米国特許第４７１１５１２号公報、米国特許第５９６６２２３号公報、特開平８−１１３０５９号公報などに記載の光学系においては、体積ホログラム素子と組み合わされた導光板によって光路を形成することで薄型化を達成している。しかし、観察者の顔面に沿った観察光学系全体の光学系レイアウトをとる構成が考慮されてなく、観察光学系全体が大型化してしまうという問題があった。
【０００７】
また、特開平６−２９４９４３号公報、特開平７−１３４２６６号公報、特開平７−２１８８５９２号公報などに記載の光学系においては、反射面をコンバイナの一箇所にしか用いておらず、リレー光学系部分を顔に沿うように配置構成することができないという問題があった。
【０００８】
また、特開平２−２９７５１６号公報、米国特許５８８０８８８号公報などに記載の光学系においては、色収差補正および偏心収差補正を実現するための具体的な手段および構成についての提案がなされていなかった。
【０００９】
そこで、本発明は、頭部装着型の虚像観察装置に用いることができる程度に小型、軽量で、明るく、さらに高解像度を有し、且つ、製造が容易な観察光学系を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による観察光学系は、画像表示素子と、前記画像表示素子に形成された画像情報をリレーするリレー光学系と、前記リレー光学系でリレーされた画像情報を観察者の眼球へ導くための接眼光学系とを含み、前記リレー光学系は、少なくとも、複数のレンズと第１の反射型体積ホログラム素子を有し、前記接眼光学系は、第２の反射型体積ホログラム素子を有し、前記第１の反射型体積ホログラム素子と前記第２の反射型体積ホログラム素子との間は、透明媒質で満たされ、且つ、光路中に少なくとも前記第１の反射型体積ホログラム素子によって反射された光束を、前記透明媒質内部で少なくとも３回以上の奇数回全反射させて、前記第２の反射型体積ホログラム素子に導くように形成され、且つ、偏心光学系として構成された導光板で構成され、前記第１の反射型体積ホログラム素子は、前記画像表示素子から出射された光が前記導光板に入射する入射面と対向する面に、該入射面に対して傾斜して形成され、前記第２の反射型体積ホログラム素子は、前記観察者の眼球に向かう光が前記導光板から出射される出射面と対向する面に、該出射面に対して傾斜して形成され、前記複数のレンズは、少なくとも前記導光板を光が経由することによって生じる偏心収差を補正し、且つ、前記第１の反射型体積ホログラム素子及び前記第２の反射型体積ホログラム素子を介して生じる色収差を補正するように構成され、前記導光板により、前記リレー光学系と前記画像表示素子とが、観察者の顔面から側頭部に沿うように配置されていることを特徴とする。
また、本発明による観察光学系は、次の条件式（６）、（７）を満足することを特徴とする。
１．３３９７≦（ＯＰ１／ＯＰ２）／（Ｈ２＿Ｓ４／Ｈ２＿Ｓ１０）≦１．６４０４
・・・（６）
−２．２２４５≦（θ＿Ｓ１０／θ＿Ｓ４）≦−２．１３４２            ・・・（７）
但し、ＯＰ１は軸上画角における主光線の中間像から前記第１の反射型体積ホログラムまでの光路長(ｍｍ)、ＯＰ２は軸上画角における主光線の前記第２の反射型体積ホログラムから中間像までの光路長(ｍｍ)、Ｈ２＿Ｓ１０は前記第１の反射型体積ホログラム素子における光路差関数Φ0PolyのＹ方向の１次成分の係数Ｈ2、Ｈ２＿Ｓ４は前記第２の反射型体積ホログラム素子における光路差関数Φ0PolyのＹ方向の１次成分の係数Ｈ2、θ＿Ｓ１０は前記第１の反射型体積ホログラム素子の傾き（度）、θ＿Ｓ４は前記第２の反射型体積ホログラム素子の傾き（度）である。
また、αをＸ軸を中心とする傾き角（度）、βをＹ軸を中心とする傾き角（度）とすると、上記条件式（７）におけるそれぞれの反射型体積ホログラム素子の傾きθ＝ｔａｎ-1｛（ｔａｎα）2＋（ｔａｎβ）2｝1/2である。
また、Φ0Polyとは
0004772204.tif 000002
で表される値である。
また、本発明による観察光学系は、次の条件式（１２）を満足することを特徴とする。
０．６２１８≦Ｈ２＿Ｓ４≦０．６３３７                            ・・・（１２）
但し、Ｈ２＿Ｓ４は前記第２の反射型体積ホログラム素子における光路差関数Φ0PolyのＹ方向の１次成分の係数Ｈ2である。
また、Φ0Polyとは
0004772204.tif 000003
で表される値である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の基本原理について図を用いて説明する。
図１は本発明による観察光学系の基本構成を示すＹ−Ｚ断面図である。なお、本発明においては、軸上主光線２を、射出瞳１の中心（観察者の眼球の旋回中心位置）から導光板３、複数のレンズ４、画像表示素子５の中心に至る光線で定義する。そして、軸上主光線２が導光板３の射出瞳１側の面と交差するまでの直線によって定義される光軸をＺ軸とし、このＺ軸と直交し、かつ、導光板３の長手方向に沿う軸をＹ軸と定義し、Ｚ軸とＹ軸のいずれにも直交する軸をＸ軸と定義する。また、射出瞳１の中心をこの座標系の原点とする。そして、軸上主光線２が射出瞳１から画像表示素子５に至る方向をＺ軸の正方向、画像表示素子５に向かうＹ軸の方向をＹ軸の正方向、Ｙ軸とＺ軸とともに右手系を構成するＸ軸の方向をＸ軸の正方向と夫々定義する。
【００１２】
本発明の観察光学系は、図１に示すように、画像表示素子５と、複数のレンズ４と、導光板３とを有して構成されている。
複数のレンズ４から導光板３の中間結像位置までの光学要素は、画像表示素子５に形成された画像情報をリレーするリレー光学系６を構成しており、リレー光学系６は、導光板３内部の所定位置に中間像を結像させるようになっている。また、導光板３の中間結像位置より射出瞳１側部分は、接眼光学系７を構成しており、接眼光学系７は、リレー光学系６でリレーされた画像情報を観察者の眼球へと導くようになっている。
また、本発明の観察光学系を構成するこれらの光学要素は、射出瞳１から画像表示素子５に至るまでの光路が観察者の顔面から側頭部に沿うように（図１の例ではコの字型に）配置されている。
【００１３】
導光板３は、透明なガラス又は透明プラスチックを用いて全体がほぼ薄板状に形成されており、観察者と反対側の面の入射領域と射出領域には、基盤面３1，３2が設けられている。そして、基盤面３2には、第１の反射型体積ホログラム素子（ＨＯＥ）が、基盤面３1には、第２の反射型体積ホログラム素子（ＨＯＥ）９が夫々設けられている。
【００１４】
基盤面３2は、画像表示素子５から複数のレンズ４を経て導光板３に入射した入射光を第１の反射型ＨＯＥ８を介して回折反射して、その反射光が薄板状部３ａにおける外部との界面で全反射しやすくなるように、薄板状部３ａに対して傾斜し、かつ、観察者とは反対側に突出して形成されている。
また、基盤面３1は、薄板状部３ａの上記界面で全反射した光を第２の反射型ＨＯＥ９を介して回折反射して、その反射光が薄板状部３ａを透過しやすくなるように、薄板状部３ａに対して傾斜して形成されている。
【００１５】
第１及び第２の反射型ＨＯＥ８，９を設ける基盤面３1，３2をこのように形成したのは、基盤面を薄板状部３ａと同じように形成した場合には、ＨＯＥ自体に大きな回折パワーを持たせる必要があり、それでは、干渉縞のピッチを小さくしなければならず、ＨＯＥの製造が難しくなり、しかも、ＨＯＥ面で発生する色収差が大きくなってしまうからである。
【００１６】
ホログラム素子には、幾何形状による光学的パワーと、ホログラム素子の回折効果による光学的パワーとの２種類のパワーが存在する。例えば、球面形状の基盤部材にホログラム素子を設けた場合の２種類のパワーを図を用いて説明すると、ホログラム素子は、図１６(a)に示すように、ホログラム素子内部の周期構造のピッチなど、干渉縞の密度の違いによるパワーを有し、また、図１６(b)〜(d)に示すように、その幾何形状による光学的パワーを有する。そして、ホログラム素子における幾何形状による光学的パワーΦは、ホログラム基盤の曲率半径をＲとした場合、従来の光学屈折レンズおよび反射鏡と同様に、次の式(1)〜(3)により算出することができる。
屈折系の場合は、
Φ＝（ｎ−１）（１／Ｒ）                            ……(1)
表面鏡の場合は、
Φ＝２／Ｒ                                          ……(2）
裏面鏡の場合は、
Φ＝２ｎ／Ｒ                                        ……(3）
但し、Φはホログラム素子における幾何形状による光学的パワー、ｎは媒質の屈折率、Ｒはホログラム基盤の曲率半径である。
【００１７】
従って、表面鏡と裏面鏡とを比較した場合、幾何形状によってある一定の光学的パワーを得るために、裏面鏡は表面鏡に対して１／ｎだけ緩い曲率半径Ｒで構成できることがわかる。
すなわち、裏面鏡のように反射型ホログラム素子の内部を、ガラスやプラスチックなどの屈折率ｎの媒質で満たすことで、幾何形状を緩い曲率半径Ｒとしても、大きな幾何形状による光学的パワーが得られることを意味する。このように、緩い曲率半径Ｒで大きな光学的パワーが発生する構成を光学系に採用することで、このホログラム面で発生する収差を抑制することができる。
そこで、本発明では、第１の反射型ＨＯＥ８と第２の反射型ＨＯＥ９の間に透明な媒質で満たされた導光板を介在させて、上述の裏面鏡のように構成することで、ホログラム面で発生する収差を抑えながら大きな光学的パワーが得られるようにしている。
【００１８】
また、導光板３の薄板状部３ａは、第１の反射型ＨＯＥ８によって反射された光束を第２の反射型ＨＯＥ９に導くまでの間に少なくとも３回以上の奇数回全反射させることができる長さを有している。
偶数回の全反射で反射型ＨＯＥ９に導くようにしたのでは、第１の反射型ＨＯＥ８と第２の反射型ＨＯＥ９とが導光板３を挟んで互いに反対側の面に設けられることになり、射出瞳面と像面とが導光板３の同一面側に位置せず、観察光学系を構成する光学要素を観察者の顔面から側頭に沿った配置にならないからである。
また、全反射回数を少なくとも３回以上となるように形成したのは、観察者の側頭部から観察者眼球に対応する距離を導光させるためである。
【００１９】
また、本発明において、ホログラフィック素子として、体積型のホログラム（以下、単に体積ホログラムという）を用いているのは次の理由による。
ホログラフィック素子には、レリーフ型ホログラムと体積ホログラムがある。レリーフ型ホログラムは、入射角選択性や波長選択性が小さく、特定の入射角、波長の光を回折して必要次数光として結像させるが、それ以外の入射角、波長の光についても、回折効率が低下した状態で回折してしまい、不要次数光として結像させてしまうという性質を有する。一方、体積ホログラムは入射角選択性や波長選択性が高く、特定の波長、入射角の光のみを回折して必要次数光として結像させ、それ以外の光については殆どを０次光として透過又は反射させてしまい、不要次数光を結像させ難いという特性を有している。
従って、本発明のように導光板３に設けるホログラフィック素子として反射型体積ホログラムを用いれば、不要次数光による像ブレの発生を防ぐことができ、鮮明な観察画像を得ることができる。
【００２０】
なお、本発明におけるホログラフィック素子として用いる体積ホログラム（ＨＯＥ）は以下のように定義する。図１７は本発明におけるＨＯＥを定義するための原理図である。
まず、ＨＯＥ面に入射し、さらに射出する波長λの光線追跡は、基準波長λ0＝ＨＷＬに対して定義されるＨＯＥ面上での光路差関数Φ0を用いて、次式(4)で与えられる。
ｎdＱd・Ｎ＝ｎiＱi・Ｎ＋ｍ（λ／λ0）∇Ф0・Ｎ    ……(4)
ただし、ＮはＨＯＥ面の法線ベクトル、ｎi（ｎd）は入射側（射出側）の屈折率、Ｑi（Ｑd）は入射（射出）ベクトル（単位ベクトル）である。また、ｍ＝ＨＯＲは射出光の回折次数である。
【００２１】
ＨＯＥが基準波長λ0の２点光源、すなわち図１７に示すように点Ｐ1＝（ＨＸ１，ＨＹ１，ＨＺ１）を光源とする物体光、および点Ｐ2＝（ＨＸ２，ＨＹ２，ＨＺ２）を光源とする参照光の干渉によって製造される（定義される）とすれば、
Φ0＝Φ02P
＝ｎ2・ｓ2・ｒ2−ｎ1・ｓ1・ｒ1
となる。ただし、ｒ1（ｒ2）は点Ｐ1（点Ｐ2）からＨＯＥ面の所定の座標までの距離（＞０）、ｎ1（ｎ2）は製造時（定義時）にＨＯＥを置く媒質の、点Ｐ1（点Ｐ2）を配置した側の屈折率であり、ｓ1＝ＨＶ１、およびｓ2＝ＨＶ２は光の進行方向を考慮する符号である。この符号は光源が発散光源（実点光源）である場合に、ＲＥＡ＝＋１、逆に光源が収束する光源（仮想点光源）の場合にＶＩＲ＝−１となる。なお、レンズデータ中におけるＨＯＥの定義として、製造時（定義時）にＨＯＥを置く媒質の屈折率ｎ1（ｎ2）は、レンズデータ中でＨＯＥ面が接している媒質の、点Ｐ1（点Ｐ2）が存在する側の屈折率とする。
【００２２】
一般的な場合、ＨＯＥを製造する際の参照光と物体光は球面波とは限らない。この場合のＨＯＥの光路差関数Φ0は、多項式で表した付加的な位相項Φ0Poly（基準波長λ0における光路差関数）を加えて次式(5)で表わすことができる。
Φ0＝Φ02P＋Φ0Poly                              ……(5)
ここで、多項式は、
0004772204.tif 000004
であり、一般には
ｊ＝｛（ｍ＋ｎ）2＋ｍ＋３ｎ｝／２
で定義することができる。ただし、Ｈjは各項の係数である。
【００２３】
さらに光学設計の便宜から、光路差関数Φ0を
Φ0＝Φ0Poly
のように付加項のみで表し、それによってＨＯＥを定義することもできる。例えば、２点光源Ｐ1（点Ｐ2）を一致させると光路差関数Φ0の干渉による成分Φ02Pはゼロとなるので、この場合は実質的に付加項（多項式）のみで光路差関数を表示したことに相当する。
以上のＨＯＥに関する説明は、すべてＨＯＥ原点を基準とするローカル座標に対するものである。
【００２４】
以下に、ＨＯＥを定義する構成パラメータの例を示す。
0004772204.tif 000005
【００２５】
次に、本発明の観察光学系における、導光板３に入射する軸上光線の導光板内での反射状態について、垂直に入射する光を用いて説明する。
導光板３の入射領域の観察者側の面に垂直に入射した光は、そのまま透過して、基盤面３2に設けられた第１の反射型ＨＯＥ８に入射する。第１の反射型ＨＯＥ８は、基盤面３2に対し第１の入射角度でもって入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構成されており、この入射光を回折反射する。第１の反射型ＨＯＥ８で回折反射された光は導光板３の薄板状部３ａに対して臨界角を超えた第２の入射角度でもって、両側のガラス又はプラスチックの界面で同様の全反射を３回以上の奇数回繰り返して射出領域の基盤面３1に設けられた第２の反射型ＨＯＥ９に入射する。
【００２６】
第２の反射型ＨＯＥ９は、基盤面３1に対し第３の入射角度でもって入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構成されており、この入射光を回折反射する。第２の反射型ＨＯＥ９で回折反射された光は導光板３に対して臨界角以下の入射角度でもって（図１においては垂直、即ち、０度の入射角でもって）導光板３の射出領域の観察者側面より射出する。
【００２７】
一般に回折角度の大きな回折光学素子は、素子内部に有する格子構造のピッチが細かくなり製造が困難となることが知られている。
本発明の観察光学系では、上述のように、導光板の入射領域および射出領域に夫々ＨＯＥを配置したので、ＨＯＥの１回あたりの回折角度が大きくならないように抑えることができ、ＨＯＥ中の干渉縞のピッチを大きくすることができる。
【００２８】
なお、図１に示す導光板３は、偏心光学系として構成されており、しかも光を入射させた後に全反射させて所定位置まで導いて射出させ、且つ観察するためにホログラム素子を配置しているため、このままでは、大きな偏心収差が発生してしまう。そこで、本発明では、図１に示すように、導光板の外部の複数のレンズ４を、少なくとも１面に自由曲面を有する自由曲面レンズで構成し、導光板３を介して生じる偏心収差、ホログラフィック素子を介して生じる色収差を補正することができるようにするのが好ましい。また、複数のレンズ４を自由曲面レンズで構成すれば、これらの収差を補正するために夫々のレンズを観察者の側頭部に沿った状態に配置させやすい。
【００２９】
また、本発明の観察光学系のように、入射光束が導光板の入射領域から射出領域に至るまでの間で中間結像するリレー光学系を有して構成すれば、接眼側の光学系で発生する収差をリレー光学系の中間結像位置より像側の光学系で補正することができ、しかも、リレー光学系により小さな画像表示素子を中間結像面に大きく投影することで、見かけ上大きな画像表示素子を接眼光学系に用いたものと光学的に等価になる。これにより小さな画像表示素子を用いても広い観察画角を得ることができる。
一方、上記従来の光学系のように、リレー光学系を構成しないで接眼光学系だけで画像表示装置を構成しようとすると、広い観察画角を達成するためには、接眼光学系側のパワーを強くする、即ち、焦点距離を短くして倍率を上げる必要があるが、接眼光学系のパワーを強くしすぎると収差が悪くなる。
従って、本発明の観察光学系のように、リレー光学系方式で構成するのが、これらの諸問題を防ぐために有用である。
【００３０】
このように、図１に示す本発明の光学系は、画像表示素子５より複数のレンズ４を経て導光板３内部に入射した光束が、入射領域に設けられた第１の反射型ＨＯＥ８で回折反射された後に全反射を３回以上の奇数回繰り返すとともに導光板３内部の中間結像位置で結像して射出領域に導かれ、射出領域に設けられた第２の反射型ＨＯＥ９で回折反射されて射出領域から射出して、射出瞳１に結像するように構成されている。
【００３１】
また、このように構成された本発明の観察光学系においては、前記リレー光学系と前記画像表示素子とを観察者の顔面から側頭部に沿うように光学系の光路をコの字型に構成し、かつ、第１および第２の反射型体積ホログラム素子で発生する色収差を打ち消し合わせるためには、次の条件式(6)，(7)の何れかを満足することが重要である。
0.5  ＜（OP1/OP2）/（H2_S4/H2_S10）＜ 4.0        ……(6)
-3.5  ＜（θ_S10 / θ_S4）＜  -1.0               ……(7)
但し、OP1は軸上画角における主光線の中間像から第１の反射型体積ホログラムまでの光路長(mm)、OP2は軸上画角における主光線の第２の反射型体積ホログラムから中間像までの光路長(mm)、H2_S10は第１の反射型体積ホログラム素子におけるＹ方向の１次成分の光路差関数の係数、H2_S4は第２の反射型体積ホログラム素子におけるＹ方向の１次成分の光路差関数の係数、θ_S10は第１の反射型体積ホログラム素子の傾き（度）、θ_S4は第２の反射型体積ホログラム素子の傾き（度）である。
また、上記式(7)におけるそれぞれの体積型ホログラム素子の傾きθ＝ｔａｎ-1｛（ｔａｎα）2＋（ｔａｎβ）2｝1/2、αはＸ軸を中心とする傾き角(度)、βはＹ軸を中心とする傾き角（度）である。
【００３２】
条件式(6)の下限を超えて（OP1/OP2）/（H2_S4/H2_S10）の値が小さくなると、第２の反射型体積ホログラム素子で発生するＹ方向１次の色収差が、中間像から第１の反射型体積ホログラム素子までの光路長に対して大きくなりすぎ、かつ、第１の反射型体積ホログラム素子のＹ方向１次の色収差補正量が、第２の反射型体積ホログラム素子から中間像までの光路長に対して小さくなりすぎるため、第１および第２の反射型体積ホログラム素子で発生する色収差を打ち消し合わせることができなくなる。従って、色収差補正のなされた高コントラストの画像を観察者に提供することができなくなってしまう。
【００３３】
他方、条件式(6)の上限を超えて（OP1/OP2）/（H2_S4/H2_S10）の値が大きくなると、第２の反射型体積ホログラム素子で発生するＹ方向１次の色収差が、中間像から第１の反射型体積ホログラム素子までの光路長に対して小さくなりすぎ、かつ、第１の反射型体積ホログラム素子のＹ方向１次の色収差補正量が、第２の反射型体積ホログラム素子から中間像までの光路長に対して大きくなりすぎるため、第１および第２の反射型体積ホログラム素子で発生する色収差を打ち消し合わせることができなくなる。従って、色収差補正のなされた高コントラストの画像を観察者に提供することができなくなってしまう。
【００３４】
また、条件式(7)の上限を超えて（θ_S10 / θ_S4）の値が大きくなると、第１の反射型体積ホログラム素子での反射回折角が、Ｙ方向１次の光路差関数項による作用を一定と考えた場合に、大きくなりすぎ、かつ、第２の反射型体積ホログラム素子での反射回折角が、Ｙ方向１次の光路差関数項による作用を一定と考えた場合に、小さくなりすぎる。すると、リレー光学系を構成する複数のレンズと導光板とを略直角に配置することが困難となり、また、導光板に対して略垂直方向へ光束を射出することが困難となる。従って、観察光学系を顔面に沿ったコの字型に構成することが困難となる。
【００３５】
他方、条件式(7)の下限を超えて（θ_S10 / θ_S4）の値が小さくなると、第１の反射型体積ホログラム素子での反射回折角が、Ｙ方向１次の光路差関数項による作用を一定と考えた場合に、小さくなりすぎ、かつ、第２の反射型体積ホログラム素子での反射回折角が、Ｙ方向１次の光路差関数項による作用を一定と考えた場合に、大きくなりすぎる。すると、リレー光学系を構成する複数のレンズと導光板とを略直角に配置することが困難となり、また、導光板に対して略垂直方向へ光束を射出することが困難となる。従って、観察光学系を顔面に沿ったコの字型に構成することが困難となる。
【００３６】
更に、本発明の観察光学系は、望ましくは、次の条件式(8)，(9)の何れかを満足することが重要である。
0.8  ＜（OP1/OP2）/（H2_S4/H2_S10）＜ 3.0        ……(8)
-3.0  ＜（θ_S10 / θ_S4）＜  -1.5               ……(9)
条件式(8)，(9)の上限及び下限の意味は上記条件式(6)，(7)と同様である。
【００３７】
更に、本発明の観察光学系は、望ましくは、次の条件式(10)，(11)の何れかを満足することが重要である。
1.0  ＜（OP1/OP2）/（H2_S4/H2_S10）＜ 2.0        ……(10)
-2.5  ＜（θ_S10 / θ_S4）＜  -2.0               ……(11)
条件式(10)，(11)の上限及び下限の意味は上記条件式(6)，(7)と同様である。
【００３８】
また、本発明の観察光学系において、導光板部分を薄型化し、全反射を利用して導光するためには、次の条件式(12)を満足することが重要である。
0.1 ＜ H2_S4 ＜ 2.8                              ……(12)
条件式(12)の下限を超えてH2_S4の値が小さくなると、第２の反射型体積ホログラム素子で反射回折された光束を導光内で全反射させるために、第２の反射型体積ホログラム素子の傾きθ_S4が大きくなりすぎ、導光板の厚さが厚くなり装置が大型化してしまう。
他方、条件式(12)の上限を超えてH2_S4の値が大きくなると、第２の反射型体積ホログラム素子のＹ方向１次の光路差関数項が大きくなりすぎるため、反射型体積ホログラム素子の反射回折のための周期構造ピッチが小さくなりすぎ生産が困難となってしまう。
【００３９】
更に、本発明の観察光学系は、望ましくは、次の条件式(13)を満足することが重要である。
0.3 ＜ H2_S4 ＜ 1.4                                ……(13)
条件式(13)の上限及び下限の意味は条件式(12)と同様である。
更に、本発明の観察光学系は、望ましくは、次の条件式(14)を満足することが重要である。
0.5 ＜ H2_S4 ＜ 0.7                                ……(14)
条件式(14)の上限及び下限の意味は条件式(7)と同様である。
【００４０】
また、導光板においてパワーを付けた反射面を軸上主光線に対して偏心させた場合、本発明で用いられる複数のレンズを構成する面のうち、少なくとも１つの面は回転非対称な面であることが収差補正上は好ましい。
【００４１】
光路を折り曲げて、顔面に沿うようにするためには、導光板や複数のレンズなどの光学要素を偏心配置する必要がある。しかし、偏心光学系では、回転非対称なディストーションや回転非対称な像面湾曲などの偏心収差が発生する。そこで、この偏心収差を補正するために回転非対称な面を上述のように用いるとよい。
【００４２】
また、本発明で用いられるホログラフィック素子の面が回転非対称な面であることが同様の理由で望ましい。
なお、ホログラフィック素子を設ける基盤面は、平面形状でも、任意の形状でも可能である。
【００４３】
また、本発明で用いる回転非対称な面は、アナモルフィック面、トーリック面、対称面を１面のみ有する面対称自由曲面で構成することができる。なお、好ましくは、対称面を１面のみ有する自由曲面で構成するとよい。
【００４４】
ここで、本発明で使用する自由曲面は、次式(15)により定義する。なお、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００４５】
0004772204.tif 000006
……(15)
ただし、(15)式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。また球面項中、Ｃは頂点の曲率、ｋはコーニック定数（円錐定数）、ｒ＝√（Ｘ2＋Ｙ2）である。
【００４６】
自由曲面項は次式(16)のように展開することができる。
0004772204.tif 000007
……(16)
ただし、Ｃj（ｊは２以上の整数）は係数である。
【００４７】
上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面ともに対称面を持つことはないが、本発明では、Ｘの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。このような自由曲面は、例えば、上記定義式(15)においては、Ｃ2、Ｃ5、Ｃ7、Ｃ9、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ16、Ｃ18、Ｃ20、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ29、Ｃ31、Ｃ33、Ｃ35・・・の各項の係数を０にすることによって達成することが可能である。
【００４８】
また、Ｙの奇数次項を全て０にすることによって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。このような自由曲面は、例えば、上記定義式(15)においては、Ｃ3、Ｃ5、Ｃ8、Ｃ10、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ17、Ｃ19、Ｃ21、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ30、Ｃ32、Ｃ34、Ｃ36・・・の各項の係数を０にすることによって達成することが可能である。
【００４９】
また上記対称面の方向の何れか一方を対称面とし、それに対応する方向の偏心、例えば、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面に対して光学系の偏心方向はＹ軸方向に、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方向はＸ軸方向にすることで、偏心により発生する回転非対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作性も向上させることが可能となる。
【００５０】
また、上記定義式(15)は、上述のように１つの例として示したものであり、本発明において、対称面を１面のみ有する回転非対称面を用いることで偏心により発生する回転非対称な収差を補正し、同時に製作性も向上させるという特徴を有しているが、上記定義式(15)以外の他のいかなる定義式に対しても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００５１】
本発明においては、導光板に設けられた反射面の形状や、複数のレンズ面の形状を、唯一の対称面を１面のみ有した面対称自由曲面形状にて構成することができる。
【００５２】
また、アナモルフィック面の形状は次の式(17)により定義される。なお、面形状の原点を通り、光学面に垂直な直線がアナモルフィック面の軸となる。
0004772204.tif 000008
【００５３】
ここで、例としてｎ＝４（４次項）を考えると、上記式(17)は、展開したとき、次式(18)で表わすことができる。
0004772204.tif 000009
ただし、Ｚは面形状の原点に対する接平面からのずれ量、ＣｘはＸ軸方向曲率、ＣｙはＹ軸方向曲率、ＫｘはＸ軸方向円錐係数、ＫｙはＹ軸方向円錐係数、Ｒｎは球面項回転対称成分、Ｐｎは非球面項回転非対称成分である。なお、Ｘ軸方向曲率半径Ｒｘ、Ｙ軸方向曲率半径Ｒｙと曲率Ｃｘ，Ｃｙとは、
Ｒｘ＝１／Ｃｘ，Ｒｙ＝１／Ｃｙ
の関係にある。
【００５４】
また、トーリック面にはＸトーリック面とＹトーリック面があり、夫々次の式(19)，(20)により定義される。面形状の原点を通り、光学面に垂直な直線がトーリック面の軸となる。
Ｘトーリック面は、次の式(19)で定義される。
0004772204.tif 000010
Ｙトーリック面は、次の式(20)で定義される。
0004772204.tif 000011
ただし、Ｚは面形状の原点に対する接平面からのずれ量、ＣｘはＸ軸方向曲率、ＣｙはＹ軸方向曲率、Ｋは円錐係数、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは非球面係数である。なお、Ｘ軸方向曲率半径Ｒｘ、Ｙ軸方向曲率半径Ｒｙと曲率Ｃｘ，Ｃｙとは、
Ｒｘ＝１／Ｃｘ，Ｒｙ＝１／Ｃｙ
の関係にある。
【００５５】
また、自由曲面の他の定義式として、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式がある。この面の形状は次式(21)により定義する。その定義式(21)のＺ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多項式の軸となる。回転非対称面の定義は、Ｘ−Ｙ面に対するＺ軸の高さの極座標で定義され、ＲはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＡはＺ軸周りの方位角でＹ軸から測った回転角で表わされる。
【００５６】
0004772204.tif 000012
なお、上記においてＸ方向に対称な面として表した。ただし、Ｄm（ｍは２以上の整数）は係数である。
【００５７】
また、回転非対称面な自由曲面の形状は次の式(22)により定義することもできる。その定義式(22)のＺ軸が回転非対称面の軸となる。
Ｚ＝ΣnΣmＣnmＸnＹn-m                          ……(22)
ただし、ΣnはΣのｎが０〜ｋ、ΣmはΣのｍが０〜ｎを表わす。
【００５８】
また、面対称自由曲面（対称面を１つのみ有する回転非対称面）を、この回転非対称面を表わす式(22)により定義する場合は、その対称面により生ずる対称性をＸ方向に求める場合は、Ｘの奇数次項を０に（例えばＸ奇数次項の係数を０にする）、その対称面により生ずる対称性をＹ方向に求める場合は、Ｙの奇数次項を０に（例えば、Ｙ奇数次項の係数を０にする）すればよい。
【００５９】
また、回転対称非球面の形状は次式(23)により定義する。その定義式(23)のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。
Ｚ＝（Ｙ2／Ｒ）／[１＋｛１−Ｐ(Ｙ2／Ｒ2)｝1/2]
＋Ａ4Ｙ4＋Ａ6Ｙ6＋Ａ8Ｙ8＋Ａ10Ｙ10・・・
……(23)
ただし、ＹはＺに垂直な方向であり、Ｒは近軸曲率半径、Ｐは円錐係数、Ａ4、Ａ6、Ａ8、Ａ10は非球面係数である。
【００６０】
なお、本発明の実施例では、上記(15)式を用いた自由曲面で面形状が表現されているが、上記(21)式、(22)式を用いても同様の作用効果が得られるのは言うまでもない。
【００６１】
また、本発明の光学系は、前記導光板の板面形状が平面形状に形成されているのが好ましい。なお、前記導光板の板面形状が曲面形状に形成されていてもよい。
【００６２】
また、本発明において、導光板の板面形状を一方向へ曲率を持つ曲面形状に形成すれば、観察光学系全体をより観察者の顔面に沿わせて小型化することができる。
【００６３】
なお、体積ホログラムは、基盤面に貼りつけるか、又は、基盤面に埋め込んで基盤面と面一になるようにする。
【００６４】
また、前記複数のレンズの前記偏心収差を補正する面は、回転非対称なディストーション補正やテレセントリック性の良好な光学系とするために自由曲面などの回転非対称な面で構成することが望ましいが、球面、非球面、アナモルフィック面などの回転対称な面で構成することも可能である。
【００６５】
その他、本発明の観察光学系は、導光板にＡＲコートを施すのが好ましい。
このように構成すれば、外部からの光の反射を抑えて鮮明な観察像を得ることができる。
【００６６】
また、本発明の観察光学系と、観察光学系の射出瞳を観察者の眼球位置に保持するように観察者頭部に支持する支持部材と、観察者の耳に音声を与えるスピーカー部材を備えることで頭部装着型画像表示装置を構成することができる。
【００６７】
その場合の頭部装着型画像表示装置は、支持部材に、右眼用の観察光学系と左眼用の観察光学系とを備え、前記スピーカー部材が、右耳用スピーカー部材と左耳用スピーカー部材とを有するように構成してもよい。
【００６８】
また、この頭部装着型画像表示装置は、前記スピーカー部材がイヤホンで構成されていてもよい。
【００６９】
【実施例】
以下、本発明の観察光学系の実施例について説明する。
なお、実施例の構成パラメータは後に示すことにする。各実施例においては、例えば図１を用いて示したように、軸上主光線２を、射出瞳１の中心（観察者眼球の旋回中心位置）から導光板３、複数のレンズ４、画像表示素子として設けられたＬＣＤ５の中心に至る光線で定義する。そして、軸上主光線２が導光板３の射出瞳側の面と交差するまでの直線によって定義される光軸をＺ軸とし、このＺ軸と直交し、かつ、導光板３の長手方向に沿う軸をＹ軸と定義し、前記光軸と直交し、かつ、前記Ｙ軸とＺ軸のいずれにも直交する軸をＸ軸と定義する。また、射出瞳１の中心をこの座標系の原点とする。そして、軸上主光線２が射出瞳１からＬＣＤ５に至る方向をＺ軸の正方向、ＬＣＤ５に向かうＹ軸の方向をＹ軸の正方向、Ｙ軸とＺ軸とともに右手系を構成するＸ軸の方向をＸ軸の正方向と夫々定義する。
【００７０】
各実施例では、導光板３および複数のレンズ４は、このＹ−Ｚ平面内で偏心を行なっている。Ｙ−Ｚ面は、導光板３および複数のレンズ４に設けられる各回転非対称な自由曲面の唯一の対称面となっている。
【００７１】
偏心面については、対応する座標系の原点から、その面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向を夫々、Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、上記式(15)のＺ軸）のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の夫々を中心とする傾き角（夫々α，β，γ（°））とが与えられている。なお、その場合、αとβの正は夫々の軸の正方向に対して半時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。その他、球面の曲率半径、面間隔、媒質の屈折率、アッベ数は慣用法によって与えるものとする。
【００７２】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は上記(15)式により定義し、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００７３】
第１実施例
図１は本発明の第１実施例にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
第１実施例の観察光学系は、観察者が観察する画像を表示する画像表示素子としてＬＣＤ５と、ＬＣＤ５に形成された画像情報をリレーするリレー光学系６と、リレー光学系６でリレーされた画像情報を、観察者の眼球へ導くための接眼光学系７とを含んで構成されている。また、ＬＣＤ５に表示された観察像を観察するために瞳面に射出瞳１を形成するようになっている。
リレー光学系６は、複数のレンズ４と第１の反射型ＨＯＥ８を有している。
接眼光学系７は、第２の反射型ＨＯＥ９を有している。
第１の反射型ＨＯＥ８と第２の反射型ＨＯＥ９は導光板３のそれぞれ所定の基盤面３1，３2に設けられている。
導光板３は、透明媒質で満たされており、光路中に少なくとも第１の反射型ＨＯＥ８によって反射された光束を、透明媒質内部の上記ホログラム素子が設けられた基盤面以外の薄板状部３ａの外部との界面で５回全反射させて、第２の反射型ＨＯＥ９に導くように形成されている。
なお、以下の実施例の説明において、光学系の面番号は原則として射出瞳１からＬＣＤ５に至る順番で追跡（逆光線追跡）し、導光板及び複数のレンズにおける各面の順番も逆光線追跡に合わせて表すこととする。
【００７４】
複数のレンズ４は、自由曲面レンズで構成されている。導光板３には、入射領域及び射出領域の夫々観察者とは反対側の基盤面３1，３2に、反射型ＨＯＥ８，９が夫々設けられている。
導光板３の入射領域に設けられた第１の反射型ＨＯＥ８は、所定波長で入射した光束を回折反射し、反射された光束が導光板３の全反射臨界角を超えた角度で導光板３の界面に入射するように形成されている。
また、導光板３の射出領域に設けられた第２の反射型ＨＯＥ９は、導光板３の全反射臨界角を超えた角度で入射した光束を回折反射し、反射された光束が導光板３の全反射臨界角を超えない角度で導光板３の界面に入射して導光板３より射出瞳に向けて射出するように形成されている。
複数のレンズ４は、導光板３を経由することによる光束の偏心収差及びＨＯＥを介して生じる色収差を補正するために少なくとも一面に自由曲面を有する自由曲面レンズとして構成されている。
【００７５】
そして、本実施例の観察光学系では、ＬＣＤ５から射出した光束は、複数の自由曲面レンズ４を通り導光板３の入射領域より臨界角以下の第１の入射角度で入射し、第１の反射型ＨＯＥ８に所定の第２の入射角度で入射する。
【００７６】
第１の反射型ＨＯＥ８は、この入射位置においてこの第２の入射角度でもって入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構成されており、この入射光を回折反射する。第１の反射型ＨＯＥ８で回折反射された光は導光板３に対して臨界角を超えた第３の入射角度で、導光板３の界面に入射する。導光板３は、この入射位置において臨界角を超えた第３の入射角度で入射した光を全反射する。全反射された光は、同様に臨界角を超えた第３の入射角度で、以下、導光板３の両側のガラス又はプラスチックでできた界面で同様の全反射を５回繰り返すとともに、その途中の所定位置（図１においては４回目の全反射位置）で一旦結像されて、射出領域に設けられた第２の反射型ＨＯＥ９へと導かれる。
【００７７】
第２の反射型ＨＯＥ９は、所定の第４の入射角度で入射した光を回折反射するように角度選択性を有して構成されており、この入射光を回折反射する。第２の反射型ＨＯＥ９で回折反射された光は導光板に対して導光板３に対して臨界角以下の第５の入射角度で導光板３の界面に入射し、そのまま導光板３から射出して射出瞳１へと導かれる。
【００７８】
その他、体積ホログラムは、Ｒ，Ｇ，Ｂの３層を貼り合わせて構成されており、カラー像を観察することができるようになっている。
また、導光板３は板面形状が長手方向に沿って平面状に形成されている。また、導光板３は基盤面３1を透明部材で挟むようにして形成されており、射出瞳１の位置に眼球を位置させた状態で観察者がＬＣＤ５からの画像観察と共に透過観察もすることができるようになっている。
また、導光板の基盤面３1は平面形状に、基盤面３2は球面形状に夫々形成されている。
【００７９】
また、本実施例では、光源として、ＲＧＢ各色用のＬＥＤを用いている。ＲＧＢ各色用のＬＥＤは、中心波長が、630nm、525nm、465nmであり、±20nm程度のブロードな発光スペクトルを有する。そして、第１実施例における反射型体積ホログラム素子のブラッグ条件は、再生時のＲＧＢ各色の中心波長である632nm、520nm、465nmとなるよう設定されている。また、反射型体積ホログラム素子の波長選択性の性質によりＲＧＢ各色のバンド幅は、反射型体積ホログラム素子の中心屈折率ｎ=1.52、屈折率変調率Δn=0.05とした場合に、略±8nm程度に制限される。光学系スペックとしては、焦点距離＝17.3mm、アイリリーフ＝25mm、瞳径=Φ3mm、画像表示素子は対角0.24インチ（縦3.658mm×横4.877mm）、解像度QVGA、観察画角は水平12度×垂直16度、中心視度は−1.0Dである。
【００８０】
次に、第１実施例の数値データを示す。数値データ中、“ＦＦＳ”は自由曲面を示している。なお、この記号は本発明の実施例に共通である。
また、本実施例の像歪みを表す収差図を図２に、ＲＧＢそれぞれの波長領域における横収差を表す収差図を図３〜５に夫々示す。図２中、縦軸はＸ方向の像高、横軸はＹ方向の像高を示している。また、図３〜５中、夫々(a)はＸ方向画角がゼロ、Ｙ方向画角がゼロを通る主光線のＹ方向の横収差、(b)はＸ方向画角がゼロ、Ｙ方向画角がゼロを通る主光線のＸ方向の横収差、(c)はＸ方向画角がゼロ、Ｙ負方向最大画角を通る主光線のＹ方向の横収差、(d)はＸ方向画角がゼロ、Ｙ負方向最大画角を通る主光線のＸ方向の横収差、(e)はＸ正方向最大画角、Ｙ負方向最大画角を通る主光線のＹ方向の横収差、(f)はＸ正方向最大画角、Ｙ負方向最大画角を通る主光線のＸ方向の横収差、(g)はＸ正方向最大画角、Ｙ方向画角がゼロを通る主光線のＹ方向の横収差、(h)はＸ正方向最大画角、Ｙ方向画角がゼロを通る主光線のＸ方向の横収差、(i)はＸ正方向最大画角、Ｙ正方向最大画角を通る主光線のＹ方向の横収差、(j)はＸ正方向最大画角、Ｙ正方向最大画角を通る主光線のＸ方向の横収差、(k)はＸ方向画角がゼロ、Ｙ正方向最大画角を通る主光線のＹ方向の横収差、(l)はＸ方向画角がゼロ、Ｙ正方向最大画角を通る主光線のＸ方向の横収差を示している。なお、上記収差図の説明は、本発明の実施例中の収差図に共通である。
【００８１】
0004772204.tif 000013
【００８２】
0004772204.tif 000014
【００８３】
0004772204.tif 000015
【００８４】
0004772204.tif 000016
0004772204.tif 000017
【００８５】
条件式
0004772204.tif 000018
【００８６】
第２実施例
図６は本発明の第２実施例にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
本実施例の観察光学系は、導光板３の基盤面３2が平面形状に形成されている。
その他の基本的構成は第１実施例とほぼ同じである。
【００８７】
次に、第２実施例の数値データを示す。
また、本実施例の像歪みを表す収差図を図７に、ＲＧＢそれぞれの波長領域における横収差を表す収差図を図８〜１０に夫々示す。
【００８８】
0004772204.tif 000019
【００８９】
0004772204.tif 000020
【００９０】
0004772204.tif 000021
【００９１】
0004772204.tif 000022
0004772204.tif 000023
【００９２】
条件式
0004772204.tif 000024
【００９３】
第３実施例
図１１は本発明の第３実施例にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
本実施例の光学系は、導光板３の板面形状が顔面に沿って湾曲した曲面状に形成されている。その他の基本的構成は、第１実施例又は第２実施例の構成が適用されている。
【００９４】
次に、本発明の観察光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の実施例を示す。
図１２は本発明の観察光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の斜視図である。
本実施例の頭部装着型画像表示装置は、左右の眼用の導光板３と、左右の眼用の筐体１０と、観察者の側頭部で保持する眼鏡状フレーム１１とを有して両眼用の画像表示装置として構成されている。筐体１０は、内部に図１、６で示したような画像表示素子５と複数のレンズ４を備えている。導光板３は、眼鏡状フレーム１１のレンズ枠部１１ａに嵌めこまれている。また、眼鏡状フレーム１１の左右側部の前方領域１１ｂには連結部材１２が設けられている。左右の連結部材１２は、筐体１０の端部をヒンジ状に保持するとともに、導光板３を入射領域において固定した状態で接続しており、導光板３と筐体１０内の画像表示素子及び複数のレンズとを光学的に接続させることができるようになっている。なお、眼鏡状フレームは、左右側部１１ｂの前端１１ｃがレンズ枠１１ｂに対してヒンジ状に取付けられている。また、筐体部１０は、収納時には眼鏡状フレーム１１の左右側部と同様に内側に折れ曲がるようになっている。
その他、図示省略した導光板及び画像表示素子、複数のレンズは、上述の第１実施例〜第３実施例に示すような観察光学系を構成している。
また、眼鏡状フレーム１１は、左右側部の後端１１ｄが観察者の側頭部に安定した状態で保持できるように耳当て又は耳かけ可能な形状に形成されている。
【００９５】
図１３は本発明の観察光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
本実施例では、観察光学系を構成するＬＣＤ５、複数のレンズ４及び導光板３の入射領域が筐体１０に一体的に固定されており、片眼用の画像表示装置として構成されている。画像表示装置の筐体１０にはクリップ部１０ａが設けられており、クリップ部１０ａを介して眼鏡１３の側頭フレーム１３ａの前方領域に観察光学系を着脱することができるようになっている。
【００９６】
図１４は本発明の観察光学系を用いた片眼用の頭部装着型画像表示装置を装着（この場合は、左眼に装着）した場合の様子を示す説明図である。図１４中、１４は各実施例に示された、ガラス又はプラスチックで構成された導光部の入力領域及び出力領域の基盤面にホログラフィック素子を貼り合わせて構成された導光部材（上記各実施例における導光板に相当）を示しており、導光部材１４は、表示装置本体部１５の下部に設けられた支持部材（図示省略）が観察者１６の耳部１７及び後頭部を介して固定されることにより、観察者１６の顔面の左眼の前方に保持されている。なお、図示省略した支持部材の構成としては、例えば、特開平１０−２５７５８１号公報に記載の構成を用いることができる。
【００９７】
即ち、本実施例の画像表示装置が観察者１６の左耳のみで支持するタイプの場合には、表示装置本体部１５の下部に設ける支持部材は、特開平１０−２５７５８１号公報に記載の「支持部、補助支持部」が観察者１６の左の耳部１７の耳殻の上側付根部分から下側付根部分にかけて湾曲形成されるようにして構成する。この場合には、スピーカであるイヤホン部１８は、表示装置本体部１５から音声信号を伝達するコード１９が接続された左耳用のイヤホン部のみのモノラルタイプに構成するか、若しくは、左耳用のイヤホン部に加えて、表示装置本体部１５から長く延びた図示しないコードに接続された右耳用のイヤホン部を取り付けてステレオタイプに構成する。
【００９８】
また、本実施例の画像表示装置が観察者１６の左右の耳で支持するタイプの場合には、表示装置本体部１５の下部に設ける支持部材は、特開平１０−２５７５８１号公報に記載の「ヘッドバンド」を軸に、左右夫々に耳部の耳殻の上側付根部分から下側付根部分にかけて湾曲して形成される「支持部、補助支持部」を設けることに加えて、「掛止体」若しくは長さを調整する構成を付加することによって、頭部の大きさ及び耳の位置が夫々に異なる観察者の左右の耳の位置合わせに対応可能に構成できる。この場合には、ステレオタイプの左右のイヤホン部に夫々接続するコードを、「ヘッドバンド」に接続させるか若しくは「ヘッドバンド」の内部に埋設させ、イヤホン部近傍部分のコードのみが外部に露出するように構成することが望ましい。
【００９９】
更に、表示装置本体部１５には、インターネット接続やＴＶ信号受信を可能にするＣＰＵ回路等が内蔵され、また、それらの信号の送受信のためのアンテナ２０が設けられている。
【０１００】
更に、映像・音声信号等を外部から送信するためのケーブル２１が、表示装置本体部１５から外部に延びて、ビデオ再生装置２２に接続されている。なお、図１４中、２２ａはビデオ再生装置２２のスイッチやボリュウム調整部である。また、ケーブル２１の先端部２１ａは、既存のビデオデッキ等に接続可能なジャックとして構成してもよい。さらに、その場合は、低価格タイプの装置として、表示装置本体部１５に内蔵されたインターネット接続やＴＶ信号受信を可能にするＣＰＵ回路等とアンテナ２０を省略し、このジャックを使って、ＴＶ電波受信用チューナーに接続してＴＶ鑑賞用にしたり、コンピュータに接続してコンピュータグラフィックスの映像や、インターネットからの映像等を受信するように構成してもよい。
【０１０１】
また、表示装置本体部１５と導光部材１４との間には、ＬＣＤ等の画像表示素子と複数のレンズ（図示省略）を内蔵した画像形成ユニット部２３と、観察者の顔の大きさに合わせて位置調整可能なフレーム部２４が設けられている。このフレーム部２４には、表示装置本体部１５に内蔵のＣＰＵ回路とＬＣＤ等の画像表示素子とを電気的に接続するコードが内蔵されている。また、フレーム部２４を位置調整可能にするために、フレーム自体を弾性体で構成しても良いし、あるいは、フレーム部２４と表示装置本体部１５との接合部分をギヤで構成してフレーム部２４を表示装置本体部１５に対して伸縮自在となるようにしてもよい。
【０１０２】
また、画像形成ユニット部２３の上方には、レンズ２５とＣＣＤ２６を備えたカメラが取付けられており、本例の眼鏡型装置は、画像表示装置とカメラの両方の機能を備えている。
【０１０３】
次に、本発明による体積ホログラムのような回折素子を導光板に設けるときの望ましい構成を図１５に示す。図中、レンズＬは、本発明の観察光学系に含まれる複数のレンズ４の各レンズである。図においては説明の便宜上、１つのレンズで示している。回折素子の面Ｃが、図のように四角形を形成するとしたとき、レンズＬの第１面が面対称な自由曲面に形成された場合その対称面Ｄが、この回折素子の面Ｃの四角形を形成する辺の少なくとも１つと平行になるように配置することが、美しい像形成の上で望ましい。
【０１０４】
さらに、この回折素子の面Ｃが正方形や長方形といった４つの内角が夫々略９０°にて形成されている場合には、面対称自由曲面の対称面Ｄは、回折素子の面Ｃの互いに平行関係にある２辺に対して平行に配置され、この対称面Ｄが回折素子の面Ｃを左右又は上下対称にさせる位置に一致するように構成することが好ましい。このように構成すれば、装置に組み込むときの組み込み精度が出しやすく、量産性に効果的である。
【０１０５】
さらに、複数のレンズを構成する光学面のうち、複数の面又は全ての面が面対称自由曲面の場合には、複数の面又は全ての面の対称面が同一面Ｄの上に配置されるように構成することが、設計上も、収差性能上も望ましい。そして、この対称面Ｄと回折素子のパワーの面との関係は、上述と同様の関係にあることが望ましい。
【０１０６】
以上説明したように、本発明の観察光学系は、特許請求の範囲に記載された特徴のほかに下記に示すような特徴も備えている。
【０１０７】
（１）次の条件式(6),(7)の何れかを満足することを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。
0.5  ＜（OP1/OP2）/（H2_S4/H2_S10）＜ 4.0     ・・・(6)
-3.5  ＜（θ_S10 / θ_S4）＜  -1.0            ・・・(7)
但し、OP1は軸上画角における主光線の中間像から第１の反射型体積ホログラムまでの光路長(mm)、OP2は軸上画角における主光線の第２の反射型体積ホログラムから中間像までの光路長(mm)、H2_S10は第１の反射型体積ホログラム素子におけるＹ方向の１次成分の光路差関数の係数、H2_S4は第２の反射型体積ホログラム素子におけるＹ方向の１次成分の光路差関数の係数、θ_S10は第１の反射型体積ホログラム素子の傾き（度）、θ_S4は第２の反射型体積ホログラム素子の傾き（度）である。
また、上記式におけるそれぞれの体積ホログラム素子の傾きθ＝ｔａｎ-1｛（ｔａｎα）2＋（ｔａｎβ）2｝1/2である。
【０１０８】
（２）次の条件式(8),(9)の何れかを満足することを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。
0.8  ＜（OP1/OP2）/（H2_S4/H2_S10）＜ 3.0     ・・・(8)
-3.0  ＜（θ_S10 / θ_S4）＜  -1.5            ・・・(9)
【０１０９】
（３）次の条件式(10),(11)の何れかを満足することを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。
1.0  ＜（OP1/OP2）/（H2_S4/H2_S10）＜ 2.0    ・・・(10)
-2.5  ＜（θ_S10 / θ_S4）＜  -2.0           ・・・(11)
【０１１０】
（４）次の条件式(12)を満足することを特徴とする請求項１、上記（１）〜（３）の何れかに記載の観察光学系。
0.1 ＜ H2_S4 ＜ 2.8                          ・・・(12)
【０１１１】
（５）次の条件式(13)を満足することを特徴とする請求項１、上記（１）〜（３）の何れかに記載の観察光学系。
0.3 ＜ H2_S4 ＜ 1.4                          ・・・(13)
【０１１２】
（６）次の条件式(14)を満足することを特徴とする請求項１、上記（１）〜（３）の何れかに記載の観察光学系。
0.5 ＜ H2_S4 ＜ 0.7                          ・・・(14)
【０１１３】
（７）前記導光板が、観察者の顔面に沿って湾曲形状に形成されていることを特徴とする請求項１、上記（１）〜（６）の何れかに記載の観察光学系。
【０１１４】
（８）前記導光板は、ＡＲコートが施されていることを特徴とする請求項１、上記（１）〜（６）の何れかに記載の観察光学系。
【０１１５】
（９）前記導光板の面形状が平面形状に形成されていることを特徴とする請求項１、上記（１）〜（８）の何れかに記載の観察光学系。
【０１１６】
（１０）前記導光板の面形状が曲面形状に形成されていることを特徴とする請求項１、上記（１）〜（８）の何れかに記載の観察光学系。
【０１１７】
（１１）前記ホログラフィック素子が体積ホログラムで構成されていることを特徴とする請求項１、上記（１）〜（１０）の何れかに記載の観察光学系。
【０１１８】
（１２）前記複数のレンズは、前記偏心収差を補正するための曲面が自由曲面で構成されていることを特徴とする請求項１、上記（１）〜（１１）の何れかに記載の観察光学系。
【０１１９】
（１３）請求項１、上記（１）〜（１２）の何れかに記載の観察光学系を内蔵した本体部と、前記観察光学系の射出瞳を観察者の眼球位置に保持するように前記本体部を観察者頭部に支持する支持部材と、前記観察者の耳に音声を与えるスピーカー部材とを有していることを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
【０１２０】
（１４）上記（１３）に記載の頭部装着型画像表示装置において、前記本体部が、右眼用の観察光学系と左眼用の観察光学系とを備え、前記スピーカー部材が、右耳用スピーカー部材と左耳用スピーカー部材とを有するように構成されていることを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
【０１２１】
（１５）上記（１３）又は（１４）に記載の頭部装着型画像表示装置において、前記スピーカー部材がイヤホンで構成されていることを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
【０１２２】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、頭部装着型の虚像観察装置に用いるのに適した、小型で、軽量、かつ明るく、さらに高解像度を有する観察光学系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実施例にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図２】第１実施例の像歪みを表す収差図である。
【図３】第１実施例のＲバンド（赤バンド）の横収差を表す収差図である。
【図４】第１実施例のＧバンド（緑バンド）の横収差を表す収差図である。
【図５】第１実施例のＢバンド（青バンド）の横収差を表す収差図である。
【図６】本発明の第２実施例にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図７】第２実施例の像歪みを表す収差図である。
【図８】第２実施例のＲバンド（赤バンド）の横収差を表す収差図である。
【図９】第２実施例のＧバンド（緑バンド）の横収差を表す収差図である。
【図１０】第２実施例のＢバンド（青バンド）の横収差を表す収差図である。
【図１１】本発明の第３実施例にかかる観察光学系の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図１２】本発明の観察光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の斜視図である。
【図１３】本発明の観察光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の光軸を含むＹ−Ｚ概略断面図である。
【図１４】本発明の観察光学系を用いた片眼用の頭部装着型画像表示装置を装着した場合の様子を示す説明図である。
【図１５】本発明による体積ホログラムのような回折素子を導光板に設けるときの望ましい構成をに示す図である。
【図１６】球面形状の基盤部材にホログラム素子を設けた場合の２種類のパワーを説明するための図であり、(a)は正面図、(b)は側面図である。
【図１７】本発明におけるＨＯＥを定義するための原理図である。
【符号の説明】
１        射出瞳
２        軸上主光線
３        導光板
３1，３2        基盤面
３ａ      薄板状部
４        複数のレンズ
５        画像表示素子（ＬＣＤ）
６        リレー光学系
７        接眼光学系
８，９    体積ホログラム（ＨＯＥ）
１０      筐体
１１      眼鏡状フレーム
１１ａ    レンズ枠部
１１ｂ    左右側部の前方領域
１１ｃ    左右側部の前端
１１ｄ    左右側部の後端
１３      眼鏡
１３ａ    側頭フレーム
１４      導光部材
１５      表示装置本体部
１６      観察者
１７      耳部
１８      イヤホン部
１９      コード
２０      アンテナ
２１      ケーブル
２２      ビデオ再生装置
２２ａ    スイッチ及びボリュウム調整部
２３      画像形成ユニット部
２４      フレーム部
２５      レンズ
２６      ＣＣＤ
Ｌ        レンズ
Ｃ        回折素子の面
Ｄ        面対称自由曲面の対称面
【図１】
0004772204.tif 000027
【図２】
0004772204.tif 000028
【図３】
0004772204.tif 000029
【図４】
0004772204.tif 000030
【図５】
0004772204.tif 000031
【図６】
0004772204.tif 000032
【図７】
0004772204.tif 000033
【図８】
0004772204.tif 000034
【図９】
0004772204.tif 000035
【図１０】
0004772204.tif 000036
【図１１】
0004772204.tif 000037
【図１２】
0004772204.tif 000038
【図１３】
0004772204.tif 000039
【図１４】
0004772204.tif 000040
【図１５】
0004772204.tif 000041
【図１６】
0004772204.tif 000042
【図１７】
0004772204.tif 000043