(57)【要約】【課題】  コントラスト、光利用効率及びシースルー効率を向上させた虚像光学系を有する画像表示装置とする。【解決手段】  虚像光学系を形成する２つの反射透過（カタディオプトリック）光学素子として、第１の波長板１３と、光学瞳１８との間に配され、第１の波長板１３で変換された円偏光の一部を透過し、光学瞳１８側からの入射光を全て回折反射するように調整されたホログラム面を有するホログラム素子１４と、第２の波長板１７と、光学瞳１８との間に配され、第１の振動面で振動する直線偏光を反射し、第２の振動面で振動する直線偏光を透過する反射透過偏光板１６とを有し、反射透過偏光板１６と、光学瞳１８との間に配され、反射透過偏光板１６で透過された第２の振動面で振動する直線偏光を透過し、第１の振動面で振動する直線偏光を吸収する第２の偏光板１７を備えることで実現する。【選択図】  図１
2005148655.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を表示する画像表示素子と、
上記画像表示素子と、光学瞳との間に配され、上記画像表示素子に表示された画像の画像光から、第１の振動面で振動する直線偏光を透過し、上記第１の振動面に垂直な第２の振動面で振動する直線偏光を吸収する第１の偏光板と、
上記第１の偏光板と、上記光学瞳との間に配され、上記第１の偏光板で透過された上記直線偏光を円偏光に変換する第１の波長板と、
上記第１の波長板と、上記光学瞳との間に配され、上記第１の波長板で変換された上記円偏光の一部を透過し、上記光学瞳側からの入射光を全て回折反射するように調整されたホログラム面を有するホログラム素子と、
上記ホログラム素子と、上記光学瞳との間に配され、入射された円偏光を直線偏光に変換し、入射された直線偏光を円偏光に変換する第２の波長板と、
上記第２の波長板と、上記光学瞳との間に配され、上記第１の振動面で振動する直線偏光を反射し、上記第２の振動面で振動する直線偏光を透過する反射透過偏光板と、
上記反射透過偏光板と、上記光学瞳との間に配され、上記反射透過偏光板で透過された上記第２の振動面で振動する上記直線偏光を透過し、上記第１の振動面で振動する直線偏光を吸収する第２の偏光板とを備えること
を特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
上記画像表示素子と、上記第１の偏光板とは一体構成され、
上記第１の偏光板を有する上記画像表示素子は、上記第１の振動面で振動する上記直線偏光を射出し、
上記第１の波長板は、上記第１の偏光板を有する上記画像表示素子から射出された上記第１の振動面で振動する上記直線偏光を上記円偏光に変換すること
を特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
【請求項３】
上記第１の偏光板と、上記第１の波長板との間に配され、上記第１の偏光板で透過された上記第１の振動面で振動する直線偏光を入射し、入射した上記第１の振動面で振動する直線偏光を少なくとも１回、全反射させながら当該光学素子内を導光させ、上記第１の波長板に入射させる光学素子を備えること
を特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
【請求項４】
画像を表示する画像表示素子と、
上記画像表示素子と、光学瞳との間に配され、上記画像表示素子に表示された画像の画像光から、第１の振動面で振動する直線偏光を透過し、上記第１の振動面に垂直な第２の振動面で振動する直線偏光を吸収する第１の偏光板と、
上記第１の偏光板と、上記光学瞳との間に配され、上記第１の偏光板で透過された上記直線偏光を、偏光面が第１の回転方向に回転する円偏光に変換する第１の波長板と、
上記第１の波長板と、上記光学瞳との間に配され、上記第１の波長板で変換された上記円偏光の一部を透過し、上記光学瞳側からの入射光を全て回折反射するように調整されたホログラム面を有するホログラム素子と、
上記ホログラム素子と、上記光学瞳との間に配され、偏光面が上記第１の回転方向で回転する円偏光を反射し、偏光面が上記第１の回転方向と逆方向の第２の回転方向に回転する円偏光を透過する反射透過円偏光板と、
上記反射透過円偏光板と、上記光学瞳との間に配され、円偏光を直線偏光に変換する第２の波長板と、
上記第２の波長板と、上記光学瞳との間に配され、上記第２の振動面で振動する直線偏光を透過し、上記第１の振動面で振動する直線偏光を吸収する第２の偏光板とを備えること
を特徴とする画像表示装置。
【請求項５】
上記画像表示素子と、上記第１の偏光板とは一体構成され、
上記第１の偏光板を有する上記画像表示素子は、上記第１の振動面で振動する上記直線偏光を射出し、
上記第１の波長板は、上記第１の偏光板を有する上記画像表示素子から射出された上記第１の振動面で振動する上記直線偏光を上記円偏光に変換すること
を特徴とする請求項４記載の画像表示装置。
【請求項６】
上記第１の偏光板と、上記第１の波長板との間に配され、上記第１の偏光板で透過された上記第１の振動面で振動する直線偏光を入射し、入射した上記第１の振動面で振動する直線偏光を少なくとも１回、全反射させながら当該光学素子内を導光させ、上記第１の波長板に入射させる光学素子を備えること
を特徴とする請求項４記載の画像表示装置。
【請求項７】
画像を表示する画像表示素子と、
上記画像表示素子と、光学瞳との間に配され、上記画像表示素子に表示された画像の画像光から、第１の振動面で振動する直線偏光を透過し、上記第１の振動面に垂直な第２の振動面で振動する直線偏光を吸収する第１の偏光板と、
上記第１の偏光板と、上記光学瞳との間に配され、上記第１の振動面で振動する直線偏光を透過し、上記第２の振動面で振動する直線偏光を反射する反射透過偏光板と、
上記反射透過偏光板と、上記光学瞳との間に配され、直線偏光を円偏光に変換し、円偏光を直線偏光に変換する第１の波長板と、
上記第１の波長板と、上記光学瞳との間に、凹面形状の反射透過面を上記画像表示素子側にして配され、入射光を反射及び透過する反射透過光学素子と、
上記反射透過光学素子と、上記光学瞳との間に配され、円偏光を直線偏光に変換する第２の波長板と、
上記第２の波長板と、上記光学瞳との間に配され、上記第２の振動面で振動する直線偏光を透過し、上記第１の振動面で振動する直線偏光を吸収する第２の偏光板とを備えること
を特徴とする画像表示装置。
【請求項８】
上記画像表示素子と、上記第１の偏光板とは一体構成され、
上記第１の偏光板を有する上記画像表示素子は、上記第１の振動面で振動する上記直線偏光を射出し、
上記反射透過偏光板は、第１の偏光板を有する上記画像表示素子から射出された上記第１の振動面で振動する上記直線偏光を透過すること
を特徴とする請求項７記載の画像表示装置。
【請求項９】
上記反射透過光学素子は、所定の反射率及び所定の透過率を有するハーフミラーであること
を特徴とする請求項７記載の画像表示装置。
【請求項１０】
上記反射透過光学素子は、ホログラム素子であること
を特徴とする請求項７記載の画像表示装置。
【請求項１１】
上記ホログラム素子は、入射された光の一部を透過し、一部を反射するように、光軸中心部の回折効率が、上記光軸中心部の周辺部の回折効率より低くなるよう調整されたホログラム面を有すること
を特徴とする請求項１０記載の画像表示装置。
【請求項１２】
上記ホログラム素子は、上記第１の波長板から１度目に入射される光を全て回折反射し、上記第１の波長板から２度目に入射される光の一部を透過し、一部を反射するように調整されたホログラム面を有すること
を特徴とする請求項１０記載の画像表示装置。
【請求項１３】
上記第１の偏光板と、上記反射透過偏光板との間に配され、上記第１の偏光板で透過された上記第１の振動面で振動する直線偏光を入射し、入射した上記第１の振動面で振動する直線偏光を少なくとも１回、全反射させながら当該光学素子内を導光させ、上記反射透過偏光板に入射させる光学素子を備えること
を特徴とする請求項７記載の画像表示装置。
【請求項１４】
画像を表示する画像表示素子と、
上記画像表示素子と、光学瞳との間に配され、上記画像表示素子に表示された画像の画像光から、第１の振動面で振動する直線偏光を透過し、上記第１の振動面に垂直な第２の振動面で振動する直線偏光を吸収する第１の偏光板と、
上記第１の偏光板と、上記光学瞳との間に配され、上記第１の偏光板で透過された上記直線偏光を、偏光面が第１の回転方向に回転する円偏光に変換する第１の波長板と、
上記第１の波長板と、上記光学瞳との間に配され、偏光面が第１の回転方向で回転する円偏光を透過し、偏光面が上記第１の回転方向と逆方向の第２の回転方向に回転する円偏光を反射する反射透過円偏光板と、
上記反射透過円偏光板と、上記光学瞳との間に、凹面形状の反射透過面を上記画像表示素子側にして配され、入射光を反射及び透過する反射透過光学素子と、
上記反射透過光学素子と、上記光学瞳との間に配され、円偏光を直線偏光に変換する第２の波長板と、
上記第２の波長板と、上記光学瞳との間に配され、上記第２の振動面で振動する直線偏光を透過し、上記第１の振動面で振動する直線偏光を吸収する第２の偏光板とを備えること
を特徴とする画像表示装置。
【請求項１５】
上記画像表示素子と、上記第１の偏光板とは一体構成され、
上記第１の偏光板を有する上記画像表示素子は、上記第１の振動面で振動する上記直線偏光を射出し、
上記第１の波長板は、上記第１の偏光板を有する上記画像表示素子から射出された上記第１の振動面で振動する上記直線偏光を上記円偏光に変換すること
を特徴とする請求項１４記載の画像表示装置。
【請求項１６】
上記反射透過光学素子は、所定の反射率及び所定の透過率を有するハーフミラーであること
を特徴とする請求項１４記載の画像表示装置。
【請求項１７】
上記反射透過光学素子は、ホログラム素子であること
を特徴とする請求項１４記載の画像表示装置。
【請求項１８】
上記ホログラム素子は、入射された光の一部を透過し、一部を反射するように、光軸中心部の回折効率が、上記光軸中心部の周辺部の回折効率より低くなるよう調整されたホログラム面を有すること
を特徴とする請求項１７記載の画像表示装置。
【請求項１９】
上記ホログラム素子は、上記反射透過円偏光板から１度目に入射される光を全て回折反射し、上記反射透過円偏光板から２度目に入射される光の一部を透過し、一部を反射するように調整されたホログラム面を有すること
を特徴とする請求項１７記載の画像表示装置。
【請求項２０】
上記第１の偏光板と、上記第１の波長板との間に配され、上記第１の偏光板で透過された上記第１の振動面で振動する直線偏光を入射し、入射した上記第１の振動面で振動する直線偏光を少なくとも１回、全反射させながら当該光学素子内を導光させ、上記第１の波長板に入射させる光学素子を備えること
を特徴とする請求項１４記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示素子に表示される２次元画像を、反射透過（カタディオプトリック）光学素子を用いた虚像光学系により拡大虚像として観察者に観察させる画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
観察者に拡大虚像を観察させるために、図７に示すように、２つの反射透過光学素子（第１の反射透過光学素子１０２及び第２の反射透過光学素子１０３）を用いて虚像光学系を構成する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
特許文献１においては、光線入射側である画像表示素子１０１と、光線射出側である観察者の瞳１０４との間に、反射型ホログラム面を有する第１の反射透過光学素子１０２と、第２の反射透過光学素子１０３とが配置されて、虚像光学系が構成されている。
【０００４】
このような、特許文献１で示される虚像光学系は、ブラッグホログラムの回折許容入射角が制限される性質を利用して、各ホログラム面の透過率と回折反射率の効率を高めながら、高いシースルー透過率を両立することを目的としている。
【０００５】
理論的には、反射型ホログラムの回折反射効率が１００％であった場合でも、十分な透過率を確保することができる。よって、図７に示すような虚像光学系において、第１の反射透過光学素子１０２、第２の反射透過光学素子１０３の各反射型ホログラム面での回折効率が１００％である場合には、高い光利用効率を実現することができる。
【０００６】
しかしながら、各反射型ホログラムの回折効率が完全に１００％となることはないため、図７に示す虚像光学系においては、画像表示素子１０１から射出され、第２の反射透過光学素子１０３へ最初に入射した光は、第２の反射透過光学素子１０３のホログラム面において完全には反射されず、一部が透過してしまうことになる。この第２の反射透過光学素子１０３で透過した光は、観察者の瞳１０４に入射した場合、観察される画像のコントラストを大幅に低下させてしまうといった問題がある。
【０００７】
そこで、このコントラストの低下を改善するために、図７に示した、第１の反射透過光学素子１０２を、半透過コーティング素子とし、第２の反射透過光学素子１０３を反射透過直線偏光素子とする虚像光学系が提案されている（例えば、特許文献２、特許文献３参照。）。
【０００８】
特許文献２、特許文献３で示される虚像光学系では、第１の反射透過光学素子１０２である半透過コーティング素子として、光学パワーを発生するハーフミラーコーティングを施した凹面鏡を用い、第２の反射透過光学素子１０３である反射透過直線偏光素子として、位相フィルム積層素子や、ワイヤーグリッドを用いている。
【０００９】
位相フィルム積層素子や、ワイヤーグリッドは、直線偏光を、その直交する偏光成分に、より高いコントラストで反射あるいは透過をする性質があり、特許文献２、特許文献３で示される虚像光学系では、これらを使用することによりコントラスト比を高め、特許文献１で示される虚像光学系におけるコントラストの低下を改善している。
【００１０】
しかしながら、特許文献２、特許文献３で示される虚像光学系では、画像表示素子１０１から射出される表示光が、第１の反射透過光学素子１０２である半透過コーティング素子で、反射あるいは透過する際の反射率、透過率を、例えば、それぞれ４０％とした場合、画像表示のための光利用効率が、１６％になってしまうといった問題がある。
【００１１】
また、シースルー透過率も低く、例えば、第１の反射透過光学素子１０２である半透過コーティング素子で４０％、第２の反射透過光学素子１０３である反射透過直線偏光素子で５０％となり、虚像光学系全体では、２０％のシースルー透過率しか得られないといった問題がある。
【００１２】
次に、上述した図７に示すような、２つの反射透過光学素子（第１の反射透過光学素子１０２及び第２の反射透過光学素子１０３）を用いた虚像光学系の別な構成として、第１の反射透過光学素子１０２を半透過コーティング素子とし、第２の反射透過光学素子１０３を反射透過円偏光素子とする構成の虚像光学系が提案されている（例えば、特許文献４、特許文献５参照。）。
【００１３】
特許文献４、特許文献５で示される虚像光学系では、第１の反射透過光学素子１０２である半透過コーティング素子として、光学パワーを発生するハーフミラーコーティングを施した凹面鏡を用い、第２の反射透過光学素子１０３である反射透過円偏光素子として、コレステリック液晶を用いている。
【００１４】
コレステリック液晶は、円偏光を、その回転方位により選択的に反射あるいは透過する性質があり、特許文献４、特許文献５で示される虚像光学系では、この性質を利用してコントラストを高めている。
【００１５】
しかしながら、特許文献４で示される虚像光学系でも、上述した特許文献２、特許文献３で示されている虚像光学系と同様に、画像表示素子１０１から射出される表示光が、第１の反射透過光学素子１０２である半透過コーティング素子で、反射あるいは透過する際の反射率、透過率を、例えば、それぞれ４０％とした場合、画像表示のための光利用効率が、１６％になってしまうといった問題がある。
【００１６】
また、シースルー透過率も、第１の反射透過光学素子１０２である半透過コーティング素子で４０％、第２の反射透過光学素子１０３である反射透過円偏光素子で５０％となり、虚像光学系全体では、２０％のシースルー透過率しか得られないといった問題がある。
【００１７】
また、特許文献２、特許文献３、特許文献４で示されている虚像光学系の光利用効率を改善するために、ファラデー素子を用いることで、原理的に光利用効率が１００％となるような構成の虚像光学系が提案されている（例えば、特許文献５。）。
【００１８】
しかし、ファラデー素子により、偏光方位を４５度回転させるためには、典型的な光学活性材料であるＴｂＡｌＧ（Ｖ＝−１．１６ｍｉｎ／ｃｍ-Ｏｅ  ａｔ  λ＝５００ｎｍ）を用いた場合、５ｍｍの長さで４６５６［Ｏｅ］の磁界強度が必要となり、この条件を満たすためには強力な磁界発生手段が別途、要求されてしまう。したがって、磁界発生手段を加えることにより虚像光学系の大型化や大重量化、さらには、コストの増加などを招いてしまうといった問題がある。
【００１９】
また、特許文献１乃至５で示される、図７のような、２つの反射透過光学素子（第１の反射透過光学素子１０２及び第２の反射透過光学素子１０３）を用いて構成された虚像光学系では、第１の反射透過光学素子１０２が、正の光学パワーを発生する凹面反射面を有する凹面鏡となっている。この凹面鏡は、虚像光学系において、画像表示素子１０１側が凸、観察者の瞳１０４側が凹となるように配置されている。
【００２０】
このような、第１の反射透過光学素子１０２を凹面鏡とする虚像光学系では、観察者の瞳１０４や顔の一部が上記凹面鏡の焦点面付近に存在してしまうため、観察者は、瞳１０４や顔の一部を拡大した像を観察してしまうといった問題がある。
【００２１】
これは、観察者の瞳１０４や顔の一部で反射した反射光が虚像光学系に入射した場合の、瞳１０４への戻り光のアイソレーションが１００％でないことによって発生する弊害である。具体的には、虚像光学系を構成している４分の１波長板の波長依存性や、偏光板の入射角依存性によって上記戻り光が完全にアイソレーションされないことによって発生してしまう。
【００２２】
これは、特に、日中の屋外など、観察者の顔への照明光が強い使用環境において、凹面鏡を有する虚像光学系を用いた場合に顕著に現れ、観察者によって観察される画像のコントラストを低下させてしまうことになる。
【００２３】
さらに、図７に示すような虚像光学系において、画像表示素子１０１を配置する位置は、通常、２つの反射透過光学素子の物理的光軸上となるが、このように、第１の反射透過光学素子１０２、第２の反射透過光学素子１０３の光軸上に画像表示素子１０１を配置させた場合、以下に示すような２つの問題が発生してしまう。
【００２４】
一つ目は、虚像光学系の光軸方向の厚さを小さくした場合、焦点距離も短くなって拡大率が増大するが、画像表示素子１０１の画素ピッチは、１０μｍ程度が限界であるため、拡大率の増大によって観察者に観察される表示画像が非常に粗い画像となってしまうといった問題である。
【００２５】
二つ目は、画像表示素子１０１で表示される画像と、観察者の眼の前に広がる背景とを同時に観察できるようにした、いわゆるシースルー光学系を構成する場合には、第１の反射透過光学素子１０２及び第２の反射透過光学素子１０３の光軸上に画像表示素子１０１があると、画像表示素子１０１が背景光を遮光してしまい、不完全なシースルー光学系となってしまうといった問題である。
【００２６】
この第１の反射透過光学素子１０２及び第２の反射透過光学素子１０３の光軸上に画像表示素子１０１を配置することによって生ずる上述した２つの問題を解決するために、特許文献１では、虚像光学系に近接してホログラム反射面を配置し、リレー光学系にて結像した画像表示素子１０１の中間結像を上記ホログラム反射面にて虚像光学系に入射させるといった構成が提案されている。
【００２７】
また、上記２つの問題を解決するために、特許文献２では、リレー光学系を介することなく、コンバイナーを虚像光学系の光軸に対して４５度傾けて配置することにより、画像表示素子１０１を虚像光学系の物理的光軸上からオフセットさせる構成が提案されている。この特許文献２に示される構成では、画像表示素子１０１の光軸は、虚像光学系の光軸と直交して配置される。また、特許文献２には、コンバイナーとして、ハーフミラー、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Polarization beam splitter）、ダイクロイックミラーを用いることが記載されている。
【００２８】
このように、画像表示素子１０１に表示された画像を虚像光学系に入射する前段に設けられた、特許文献１に示されるホログラム反射面、特許文献２に示されるコンバイナーは、３５度乃至４５度程度の傾き角をもって配置する必要がある。これは、このような虚像光学系においては、観察者の瞳１０４から逆行線追跡をした場合、虚像光学系を射出した光線は、ホログラム反射面或いはコンバイナーにて反射された後、直接、リレー光学系に入射するか、直接、画像表示素子１０１上に結像するように構成されているためである。
【００２９】
従って、このようなホログラム反射面や、コンバイナーを用いる構成では虚像光学系の光軸方向において厚みが増してしまうといった問題があった。
【００３０】
【特許文献１】米国特許第５１２４８２１号明細書
【特許文献２】米国特許第６０７５６５１号明細書
【特許文献３】特開２０００−２４９９８４号公報
【特許文献４】米国特許第５７１５０２３号明細書
【特許文献５】日本国特許第３２９５５８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
本発明は、上述したような課題を解決するために案出されたものであり、画像表示素子に表示される画像を観察者に拡大観察させる２つの反射透過光学素子を有する虚像光学系を備えた画像表示装置において、（１）観察される画像のコントラスト、光利用効率ならびにシースルー効率を向上させる虚像光学系を備える画像表示装置、（２）観察者自身の反射像を観察することのない虚像光学系を備える画像表示装置、（３）虚像光学系の物理的光軸上に画像表示素子を配さない虚像光学系を備える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】
【００３２】
上述の目的を達成するために、本発明に係る画像表示装置は、画像を表示する画像表示素子と、上記画像表示素子と、光学瞳との間に配され、上記画像表示素子に表示された画像の画像光から、第１の振動面で振動する直線偏光を透過し、上記第１の振動面に垂直な第２の振動面で振動する直線偏光を吸収する第１の偏光板と、上記第１の偏光板と、上記光学瞳との間に配され、上記第１の偏光板で透過された上記直線偏光を円偏光に変換する第１の波長板と、上記第１の波長板と、上記光学瞳との間に配され、上記第１の波長板で変換された上記円偏光の一部を透過し、上記光学瞳側からの入射光を全て回折反射するように調整されたホログラム面を有するホログラム素子と、上記ホログラム素子と、上記光学瞳との間に配され、入射された円偏光を直線偏光に変換し、入射された直線偏光を円偏光に変換する第２の波長板と、上記第２の波長板と、上記光学瞳との間に配され、上記第１の振動面で振動する直線偏光を反射し、上記第２の振動面で振動する直線偏光を透過する反射透過偏光板と、上記反射透過偏光板と、上記光学瞳との間に配され、上記反射透過偏光板で透過された上記第２の振動面で振動する上記直線偏光を透過し、上記第１の振動面で振動する直線偏光を吸収する第２の偏光板とを備えることを特徴とする。
【００３３】
上述の目的を達成するために、本発明に係る画像表示装置は、画像を表示する画像表示素子と、上記画像表示素子と、光学瞳との間に配され、上記画像表示素子に表示された画像の画像光から、第１の振動面で振動する直線偏光を透過し、上記第１の振動面に垂直な第２の振動面で振動する直線偏光を吸収する第１の偏光板と、上記第１の偏光板と、上記光学瞳との間に配され、上記第１の偏光板で透過された上記直線偏光を、偏光面が第１の回転方向に回転する円偏光に変換する第１の波長板と、上記第１の波長板と、上記光学瞳との間に配され、上記第１の波長板で変換された上記円偏光の一部を透過し、上記光学瞳側からの入射光を全て回折反射するように調整されたホログラム面を有するホログラム素子と、上記ホログラム素子と、上記光学瞳との間に配され、偏光面が上記第１の回転方向で回転する円偏光を反射し、偏光面が上記第１の回転方向と逆方向の第２の回転方向に回転する円偏光を透過する反射透過円偏光板と、上記反射透過円偏光板と、上記光学瞳との間に配され、円偏光を直線偏光に変換する第２の波長板と、上記第２の波長板と、上記光学瞳との間に配され、上記第２の振動面で振動する直線偏光を透過し、上記第１の振動面で振動する直線偏光を吸収する第２の偏光板とを備えることを特徴とする。
【００３４】
上述の目的を達成するために、本発明に係る画像表示装置は、画像を表示する画像表示素子と、上記画像表示素子と、光学瞳との間に配され、上記画像表示素子に表示された画像の画像光から、第１の振動面で振動する直線偏光を透過し、上記第１の振動面に垂直な第２の振動面で振動する直線偏光を吸収する第１の偏光板と、上記第１の偏光板と、上記光学瞳との間に配され、上記第１の振動面で振動する直線偏光を透過し、上記第２の振動面で振動する直線偏光を反射する反射透過偏光板と、上記反射透過偏光板と、上記光学瞳との間に配され、直線偏光を円偏光に変換し、円偏光を直線偏光に変換する第１の波長板と、上記第１の波長板と、上記光学瞳との間に、凹面形状の反射透過面を上記画像表示素子側にして配され、入射光を反射及び透過する反射透過光学素子と、上記反射透過光学素子と、上記光学瞳との間に配され、円偏光を直線偏光に変換する第２の波長板と、上記第２の波長板と、上記光学瞳との間に配され、上記第２の振動面で振動する直線偏光を透過し、上記第１の振動面で振動する直線偏光を吸収する第２の偏光板とを備えることを特徴とする。
【００３５】
上述の目的を達成するために、本発明に係る画像表示装置は、画像を表示する画像表示素子と、上記画像表示素子と、光学瞳との間に配され、上記画像表示素子に表示された画像の画像光から、第１の振動面で振動する直線偏光を透過し、上記第１の振動面に垂直な第２の振動面で振動する直線偏光を吸収する第１の偏光板と、上記第１の偏光板と、上記光学瞳との間に配され、上記第１の偏光板で透過された上記直線偏光を、偏光面が第１の回転方向に回転する円偏光に変換する第１の波長板と、上記第１の波長板と、上記光学瞳との間に配され、偏光面が第１の回転方向で回転する円偏光を透過し、偏光面が上記第１の回転方向と逆方向の第２の回転方向に回転する円偏光を反射する反射透過円偏光板と、上記反射透過円偏光板と、上記光学瞳との間に、凹面形状の反射透過面を上記画像表示素子側にして配され、入射光を反射及び透過する反射透過光学素子と、上記反射透過光学素子と、上記光学瞳との間に配され、円偏光を直線偏光に変換する第２の波長板と、上記第２の波長板と、上記光学瞳との間に配され、上記第２の振動面で振動する直線偏光を透過し、上記第１の振動面で振動する直線偏光を吸収する第２の偏光板とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の画像表示装置は、虚像光学系が有する２つの反射透過光学素子の１つとして、円偏光の一部を透過し、光学瞳側からの入射光を全て回折反射するように調整されたホログラム面を有するホログラム素子を備えることで、光学瞳側からのホログラム素子に入射される入射光の損失分を大幅に抑制できるため、光の利用効率、シースルー効率を共に向上させることが可能となる。
【００３７】
また、第２の振動面で振動する直線偏光を透過し、第１の振動面で振動する直線偏光を吸収する第２の偏光板により、反射透過偏光板又は反射透過円偏光板に対し１度目に入射した光のうち透過されてしまう光の成分を吸収できるので観察者に観察される画像のコントラストの低下を抑制することが可能となる。
【００３８】
また、本発明の画像表示装置は、虚像光学系が有する２つの反射透過光学素子の１つである入射光を反射及び透過する反射透過光学素子を、虚像光学系内に凹面形状の反射透過面が画像表示素子側となるように配する。これにより、観察者側には、反射透過光学素子が凸面形状を向けて配されることになり、負の光学パワーを有するため、観察者自身の反射像が光学瞳に結像されることを防止できる。
【００３９】
さらに、また本発明の画像表示装置は、画像表示素子に表示された画像光を少なくとも１回の全反射をさせながら、虚像光学系へと導く光学素子を備える。これにより虚像光学系の物理的光軸上に画像表示素子を配さない構成とすることができ、虚像光学系の焦点距離も伸ばすことができる。したがって、観察者に観察される画像が粗くなることを抑制できるとともに、画像表示素子に表示される画像と、観察者の眼の前に広がる背景とを同時に観察できるシースルー光学系を完全なものとすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明に係る画像表示装置の発明を実施するための最良の形態を図面を参照にして詳細に説明する。
【００４１】
｛第１の実施の形態｝
図１に、第１の実施の形態として示す画像表示装置１０を示す。画像表示装置１０は、画像を表示する画像表示素子１１と、画像表示素子１１で表示された画像の画像光を入射して、光学瞳１８に導く虚像光学系とを備えている。
【００４２】
画像表示素子１１は、例えば、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ、無機ＥＬディスプレイや、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）などである。
【００４３】
ただし、液晶ディスプレイなどは、液晶の配光変化を可視化するために直線偏光を検波する偏光板が用いられているため、当該液晶ディスプレイに表示される画像の画像光は直線偏光となっている。したがって、画像表示素子１１として液晶ディスプレイのように直線偏光を射出するディスプレイを使用する場合には、虚像光学系が備える後述する第１の偏光板１２を用いない構成となる。
【００４４】
虚像光学系は、第１の偏光板１２と、第１の４分の１波長板１３と、ホログラム素子１４と、第２の４分の１波長板１５と、反射透過偏光板１６と、第２の偏光板１７とを備えている。この虚像光学系における２つの反射透過光学素子は、光学パワーを有するホログラム素子１４と、反射透過偏光板１６である。
【００４５】
虚像光学系を構成する上述の光学素子は、画像表示素子１１と、光学瞳１８との間において、画像表示素子１１側から第１の偏光板１２、第１の４分の１波長板１３、ホログラム素子１４、第２の４分の１波長板１５、反射透過偏光板１６、第２の偏光板１７という順で配置されている。
【００４６】
観察者は、光学瞳１８の位置に自身の瞳を合わせた場合に、画像表示素子１１に表示される画像光を、この虚像光学系を介して拡大観察することができる。
【００４７】
第１の偏光板１２は、画像表示素子１１に表示された画像の無偏光である画像光から第１の振動面で振動する直線偏光を透過し、第１の振動面に垂直な第２の振動面で振動する直線偏光を吸収する。第１の振動面と、第２の振動面とは、振動面が９０度異なっている。
【００４８】
本発明の実施の形態では、説明のため便宜上、第１の振動面で振動する直線偏光をＰ型の直線偏光とし、第２の振動面で振動する直線偏光をＳ型の直線偏光とする。第１の偏光板１２は、Ｐ型の直線偏光を透過し、Ｓ型の直線偏光を吸収する。
【００４９】
第１の４分の１波長板１３は、第１の偏光板１２で透過された直線偏光を円偏光に変換する。第１の４分の１波長板１３は、第１の偏光板１２で透過されたＰ型の直線偏光を、右回りの円偏光に変換する。
【００５０】
ホログラム素子１４は、例えば、回折効率がほぼ１００％の反射型体積ホログラム素子であり、第１の４分の１波長板１３で右回りの円偏光に変換された光の一部を透過し、光学瞳１８側から入射される光を全て回折反射するように調整されたホログラム面を有している。このホログラム面は、凹面形状をしており、上記凹面形状のホログラム面が光学瞳１８側を向くように配されている。
【００５１】
ホログラム素子１４のホログラム面は、入射された光の入射角度によって入射光の一部を透過させるのか、あるいは全反射させるのかが決まる入射角依存性を有している。このホログラム面は、光学瞳１８側から入射された光が全反射し、第１の４分の１波長板１３から射出され入射された右回りの円偏光の一部を透過するように調整がなされている。
【００５２】
図１のホログラム素子１４のホログラム面に示した領域Ａを中心として拡大した図２を用いて、ホログラム面の入射角依存性について説明をする。図２に示すように、画像表示素子１１から射出された光線Ｌ１は、ホログラム素子１４に入射して透過し、反射透過偏光板１６で反射される。反射透過偏光板１６で反射された光線Ｌ１は、ホログラム素子１４の点Ｂに入射角αで入射し反射される。
【００５３】
一方、画像表示素子１１から射出された光線Ｌ２は、光線Ｌ１が反射されたホログラム素子１４の点Ｂに入射角βで入射するが、透過されている。ホログラム素子１４の点Ｂに入射する光線Ｌ１の入射角は入射角α、光線Ｌ２の入射角は入射角βとそれぞれ異なっている。このように、ホログラム素子１４のホログラム面は、入射角の違いによって入射した光線を反射するのか、透過するのかが調整されている。
【００５４】
具体的には、ホログラム素子１４のホログラム面に対して光学瞳１８側から入射する光、つまり、反射透過偏光板１６で反射されて入射する光が有する入射角となって入射される光に対しては全反射をするように調整がなされ、画像表示素子１１から射出される光が有する入射角となって入射される光に対しては、一部が透過し、一部が反射するように調整がなされている。
【００５５】
ホログラム素子１４のホログラム面で反射された円偏光は、偏光面の回転方向が逆回転となる。例えば、右回りの円偏光は、ホログラム面で反射されることで左回りの円偏光となる。
【００５６】
また、ホログラム素子１４に代えて、上記ホログラム素子１４のホログラム面と同様に入射光の入射角によって透過、反射を制御することができる誘電体多層膜を用いてもかまわない。
【００５７】
第２の４分の１波長板１５は、入射された直線偏光を円偏光に変換し、入射された円偏光を直線偏光に変換する。つまり、第２の４分の１波長板１５は、ホログラム素子１４を透過した右回りの円偏光をＰ型の直線偏光に変換し、ホログラム素子１４で反射された左回りの円偏光をＳ型の直線偏光に変換し、後述する反射透過偏光板１６で反射され入射したＳ型の直線偏光を右回りの円偏光に変換する。
【００５８】
反射透過偏光板１６は、例えば、ワイヤーグリッドといった反射透過偏光素子であり、第１の振動面で振動する直線偏光を反射し、第２の振動面で振動する直線偏光を透過する。つまり、反射透過偏光板１６は、第２の４分の１波長板１５で変換されたＰ型の直線偏光を反射し、Ｓ型の直線偏光を透過する。
【００５９】
ワイヤーグリッドとは、金属製のワイヤーを一定間隔に平行に並べたすだれ状の素子であり、ワイヤー間の間隔が電波（光）の波長より十分短く、ワイヤーの材質が電波（光）を反射する特性を有している場合に、偏波素子として機能する。ワイヤーの整列方向に平行な偏波は反射され、垂直な偏波は透過される。つまり、光の波長よりも十分小さい間隔で金属製のワイヤーを整列させれば、整列方向に平行な偏光を反射し、垂直な偏光を透過する反射透過偏光素子となる。
【００６０】
第２の偏光板１７は、反射透過偏光板１６で透過された第２の振動面で振動する直線偏光を透過し、第１の振動面で振動する直線偏光を吸収する。つまり、第２の偏光板１７は、反射透過偏光板１６で透過されたＳ型の直線偏光を透過して光学瞳１８に画像表示光を到達させる。
【００６１】
この第２の偏光板１７は、表面反射によるノイズの防止と、コントラストの向上のために設けられた偏光板である。例えば、反射透過偏光板１６に１回目に入射したＰ型の直線偏光の一部が反射されずに僅かに透過されてしまった場合など、第２の偏光板１７でこのＰ型の直線偏光を吸収し完全にカットする。したがって、コントラストの低下を招く画像表示光が、観察者の瞳に入射することを防止することができる。
【００６２】
また、画像表示素子１１からの直接光は、２枚の波長板、つまり第１の４分の１波長板１３と、第２の４分の１波長板１５とが位相差をキャンセルする方向（すなわち合計の位相差量は、ゼロ）となるように配置されているので、第１の４分の１波長板１３、第２の４分の１波長板１５への入射光の波長による性能低下を補正することが可能であり、光学瞳１８上に配置された観察者の瞳へのノイズを少なくすることができる。
【００６３】
続いて、画像表示装置１０が有する虚像光学系において、観察者に到達する画像光の光路について説明をする。画像表示素子１１に表示された無偏光の画像光は、まず、第１の偏光板１２でＰ型の直線偏光が検波され、第１の４分の１波長板１３で右回りの円偏光に変換される。
【００６４】
右回りの円偏光は、ホログラム素子１４のホログラム面に対してブラッグの条件からずれた角度で入射するため一部が透過する。ホログラム素子１４を透過した右回りの円偏光は、第２の４分の１波長板１５で、Ｐ型の直線偏光に変換される。
【００６５】
Ｐ型の直線偏光は、反射透過偏光板１６で、Ｐ型の直線偏光のまま、ほぼ１００％反射され、再び第２の４分の１波長板１５に入射して右回りの円偏光に変換され、ホログラム素子１４のホログラム面に入射する。
【００６６】
回折効率がほぼ１００％のホログラム素子１４のホログラム面に入射した右回りの円偏光は、ほとんど全て回折反射されて左回りの円偏光となる。
【００６７】
左回りの円偏光は、第２の４分の１波長板１５でＳ型の直線偏光に変換される。Ｓ型の直線偏光は、反射透過偏光板１６を透過し、さらに第２の偏光板１７を透過して観察者の瞳が配置される光学瞳１８に到達する。
【００６８】
また、この虚像光学系においては、ホログラム素子１４が光学瞳１８側に凹面形状となるように配されることで正の光学パワーを有しているため、ホログラム素子１４、反射透過偏光板１６を透過した背景光を光学瞳１８にて観察することができる。
【００６９】
このような画像表示装置１０の虚像光学系の光利用効率について説明をする。画像表示素子１１に表示される画像の画像光を１００％とすると、光利用効率は、主に第１の偏光板１２によって無偏光からＰ型の直線偏光が検波される割合（ＰＯＬ）と、ホログラム素子１４を右回り円偏光が透過する割合（ＨＯＥ＿ＴＲ）と、反射透過偏光板１６によってＰ型の直線偏光が反射される割合（ＲＴＰ＿ＲＰ）と、ホログラム素子１４によって右回り円偏光が反射される割合（ＨＯＥ＿ＲＲ）と、反射透過偏光板１６をＳ偏光が透過する割合（ＲＴＰ＿ＴＳ）との積で求めることができる。
【００７０】
つまり、ＰＯＬ＝５０％、ＨＯＥ＿ＴＲ＝５０％、ＲＴＰ＿ＲＰ＝９５％、ＨＯＥ＿ＲＲ＝９５％、ＲＴＰ＿ＴＳ＝９０％とすると、画像表示装置１０が有する虚像光学系の光利用効率は、（０．５×０．５×０．９５×０．９５×０．９）×１００＝２０．３０６２５となり、約２０％程度であることが分かる。
【００７１】
また、画像表示素子１１が、液晶ディスプレイなどのように第１の偏光板１２とあらかじめ一体構成となっている場合には、一体構成され第１の偏光板１２を有する画像表示素子１１から射出される画像光を１００％とし、上述したＰＯＬを考慮しなくてよいため、光利用効率は、約４０％程度となる。
【００７２】
ところで、ホログラム素子１４に代えて、例えば、ハーフミラーなどの半透過コーティング光学素子を用いた場合には、ＨＯＥ＿ＲＲが半分以下となってしまうため、光利用効率も半分以下となってしまう。例えば、画像表示素子１１と、第１の偏光板１２とを一体としない構成の場合には、上述した約２０％程度の光利用効率が半分以下の７％程度まで低下してしまうことになる。
【００７３】
したがって、画像表示装置１０は、回折効率を１００％近くまで上げたホログラム面を有するホログラム素子１４を用いて虚像光学系が構築されているため、光利用効率が非常に高くなっているということが分かる。
【００７４】
また、画像表示装置１０の虚像光学系を透過する背景光の割合を示すシースルー効率は、無偏光である背景光が、ホログラム素子１４を透過する割合（ＨＯＥ＿ＴＮ）と、反射透過偏光板１６を透過する割合（ＲＴＰ＿ＴＮ）との積で求めることができる。
【００７５】
つまり、ＨＯＥ＿ＴＮ＝８０％、ＲＴＰ＿ＴＮ５０％とすると、画像表示装置１０が有する虚像光学系のシースルー効率は、（０．８×０．５）×１００＝４０となり、４０％程度であることが分かる。ところで、ホログラム素子１４に代えて、例えば、ハーフミラーなどの半透過コーティング光学素子を用いた場合には、ＨＯＥ＿ＴＮが半分以下となってしまうため、シースルー効率も２０％程度に半減してしまうことになる。
【００７６】
したがって、画像表示装置１０は、ホログラム素子１４を用いることで非常に高いシースルー効果を実現できることが分かる。
【００７７】
｛第２の実施の形態｝
図３に、第２の実施の形態として示す画像表示装置２０を示す。画像表示装置２０は、画像表示する画像表示素子２１と、画像表示素子２１で表示された画像の画像光を入射して、光学瞳２８に導く虚像光学系とを備えている。
【００７８】
画像表示素子２１は、例えば、有機ＥＬディスプレイ、無機ＥＬディスプレイ、液晶ディスプレイなどである。
【００７９】
ただし、液晶ディスプレイなどは、液晶の配光変化を可視化するために直線偏光を検波する偏光板が用いられているため、当該液晶ディスプレイに表示される画像の画像光は直線偏光となっている。したがって、画像表示素子２１として液晶ディスプレイなどのように直線偏光を射出するディスプレイを使用する場合には、虚像光学系が備える後述する第１の偏光板２２を用いない構成となる。
【００８０】
虚像光学系は、第１の偏光板２２と、第１の４分の１波長板２３と、ホログラム素子２４と、反射透過円偏光板２５と、第２の４分の１波長板２６と、第２の偏光板２７とを備えている。この虚像光学系における２つの反射透過光学素子は、光学パワーを有するホログラム素子２４と、反射透過円偏光板２５である。
【００８１】
虚像光学系を構成する上述の光学素子は、画像表示素子２１と、光学瞳２８との間において、画像表示素子２１側から第１の偏光板２２、第１の４分の１波長板２３、ホログラム素子２４、反射透過円偏光板２５、第２の４分の１波長板２６、第２の偏光板２７という順で配置されている。
【００８２】
観察者は、光学瞳２８の位置に自身の瞳を合わせた場合に、画像表示素子２１に表示される画像光を、この虚像光学系を介して拡大観察することができる。
【００８３】
第１の偏光板２２は、画像表示素子２１に表示された画像の無偏光である画像光から第１の振動面で振動する直線偏光を透過し、第１の振動面に垂直な第２の振動面で振動する直線偏光を吸収する。第１の振動面と、第２の振動面とは、振動面が９０度異なっている。
【００８４】
本発明の実施の形態では、説明のため便宜上、第１の振動面で振動する直線偏光をＰ型の直線偏光とし、第２の振動面で振動する直線偏光をＳ型の直線偏光とする。第１の偏光板１２は、Ｐ型の直線偏光を透過し、Ｓ型の直線偏光を吸収する。
【００８５】
第１の４分の１波長板２３は、第１の偏光板２２で透過された直線偏光を、偏光面が第１の回転方向に回転する円偏光に変換する。本発明の実施の形態では、説明のため便宜上、第１の回転方向を右回りとし、後述する第１の回転方向と逆方向の第２の回転方向を左回りとする。第１の偏光板２２で透過されたＰ型の直線偏光は、第１の４分の１波長板２３によって右回りの円偏光に変換される。
【００８６】
ホログラム素子２４は、例えば、回折効率がほぼ１００％の反射型体積ホログラム素子であり、第１の４分の１波長板２３で右回りの円偏光に変換された光の一部を透過し、光学瞳２８側から入射される光を全て回折反射するように制御されたホログラム面を有している。このホログラム面は、凹面形状をしており、上記凹面形状のホログラム面が光学瞳２８側を向くように配されている。
【００８７】
ホログラム素子２４のホログラム面は、入射された光の入射角度によって入射光の一部を透過させるのか、あるいは全反射させるのかが決まる入射角依存性を有している。このホログラム面は、光学瞳２８側から入射された光が全反射し、第１の４分の１波長板２３から射出され入射された右回りの円偏光の一部を透過するように制御がなされている。なお、ホログラム素子２４のホログラム面における反射及び透過の入射角依存性については、上述した第１の実施の形態において、図２を用い詳細に説明しているため省略をする。
【００８８】
ホログラム素子２４のホログラム面で反射された円偏光は、偏光面の回転方向が逆回転となる。例えば、右回りの円偏光は、ホログラム面で反射されることで左回りの円偏光となる。
【００８９】
また、ホログラム素子２４に代えて、上記ホログラム素子２４のホログラム面と同様に入射光の入射角によって透過、反射を制御することができる誘電体多層膜を用いてもかまわない。
【００９０】
反射透過円偏光板２５は、例えば、コレステリック液晶素子といった反射透過円偏光素子であり、偏光面が第１の回転方向で回転する円偏光を反射し、偏光面が第１の回転方向と逆方向の第２の回転方向に回転する円偏光を透過する。つまり、反射透過円偏光板２５は、ホログラム素子２４を透過した右回りの円偏光を反射し、ホログラム素子２４で反射された左回りの円偏光を透過する。なお、コレステリック液晶素子の反射率は、１００％に近い反射率である。
【００９１】
第２の４分の１波長板２６は、円偏光を直線偏光に変換する。つまり、第２の４分の１波長板２６は、反射透過円偏光板２５で透過された左回りの円偏光をＳ型の直線偏光に変換する。
【００９２】
第２の偏光板２７は、第２の振動面で振動する直線偏光を透過して、第１の振動面で振動する直線偏光を吸収する。つまり、第２の偏光板２７は、第２の４分の１波長板２６で変換されたＳ型の直線偏光を透過して光学瞳２８に画像表示光を到達させる。
【００９３】
この第２の偏光板２７は、表面反射によるノイズの防止と、コントラストの向上のために設けられた偏光板である。例えば、反射透過円偏光板２５に１回目に入射した右回りの円偏光の一部が反射されずに僅かに透過され、第２の４分の１波長板２６でＰ型の直線偏光に変換された場合など、第２の偏光板２７で、このＰ型の直線偏光を吸収し、完全にカットする。したがって、コントラストの低下を招く画像表示光が、観察者の瞳に入射することを防止することができる。
【００９４】
また、画像表示素子２１からの直接光は、２枚の波長板、つまり第１の４分の１波長板２３と、第２の４分の１波長板２６とが位相差をキャンセルする方向（すなわち合計の位相差量は、ゼロ）となるように配置されているので、第１の４分の１波長板２３、第２の４分の１波長板２６への入射光の波長による性能低下を補正することが可能であり、光学瞳２８上に配置された観察者の瞳へのノイズを少なくすることができる。
【００９５】
続いて、画像表示装置２０が有する虚像光学系において、観察者に到達する画像光の光路について説明をする。画像表示素子２１に表示された無偏光の画像光は、まず、第１の偏光板２２でＰ型の直線偏光が検波され、第１の４分の１波長板２３で右回りの円偏光に変換される。
【００９６】
右回りの円偏光は、ホログラム素子２４のホログラム面に対してブラッグの条件からずれた角度で入射するため一部が透過する。ホログラム素子２４を透過した右回りの円偏光は、反射透過円偏光板２５で、右回りの円偏光のまま、ほぼ１００％反射され、ホログラム素子２４のホログラム面に入射する。
【００９７】
回折効率が、ほぼ１００％のホログラム素子２４のホログラム面に入射した右回りの円偏光は、ほとんど全て回折反射されて左回りの偏光となる。
【００９８】
左回りの円偏光は、反射透過円偏光板２５を透過して、第２の４分の１波長板２６でＳ型の直線偏光に変換される。Ｓ型の直線偏光は、第２の偏光板２７を透過して観察者の瞳が配置される光学瞳２８に到達する。
【００９９】
また、この虚像光学系においては、ホログラム素子２４が光学瞳２８側に凹面形状となるように配されることで正の光学パワーを有しているため、ホログラム素子２４、反射透過円偏光板２５を透過した背景光を光学瞳２８にて観察することができる。
【０１００】
このような画像表示装置２０の虚像光学系の光利用効率について説明をする。画像表示素子２１に表示される画像の画像光を１００％とすると、光利用効率は、主に第１の偏光板２２によって無偏光からＰ型の直線偏光が検波される割合（ＰＯＬ）と、ホログラム素子２４を右回りの円偏光が透過する割合（ＨＯＥ＿ＴＲ）と、反射透過円偏光板２５によって右回りの円偏光が反射される割合（ＣＬＣ＿ＲＲ）と、ホログラム素子２４によって右回りの円偏光が反射される割合（ＨＯＥ＿ＲＲ）と、反射透過円偏光板２５を左回りの円偏光が透過する割合（ＣＬＣ＿ＴＬ）との積で求めることができる。
【０１０１】
つまり、ＰＯＬ＝５０％、ＨＯＥ＿ＴＲ＝５０％、ＣＬＣ＿ＲＲ＝９５％、ＨＯＥ＿ＲＲ＝９５％、ＣＬＣ＿ＴＬ＝９０％とすると、画像表示装置１０が有する虚像光学系の光利用効率は、（０．５×０．５×０．９５×０．９５×０．９）×１００＝２０．３０６２５となり、約２０％程度であることが分かる。
【０１０２】
また、画像表示素子２１が、液晶ディスプレイなどのように第１の偏光板２２とあらかじめ一体構成となっている場合には、一体構成された第１の偏光板２２を有する画像表示素子２１から射出される画像光を１００％とし、上述したＰＯＬを考慮しなくてよいため、光利用効率は、約４０％程度となる。
【０１０３】
ところで、ホログラム素子２４に代えて、例えば、ハーフミラーなどの半透過コーティング光学素子を用いた場合には、ＨＯＥ＿ＲＲが半分以下となってしまうため、光利用効率も半分以下となってしまう。例えば、画像表示素子２１と、第１の偏光板２２とを一体構成とした場合には、上述した約４０％程度の光利用効率が半分以下の１６％程度まで低下してしまうことになる。
【０１０４】
したがって、画像表示装置２０は、回折効率を１００％近くまで上げたホログラム面を有するホログラム素子２４を用いて虚像光学系が構築されているため、光利用効率が非常に高くなっているということが分かる。
【０１０５】
また、画像表示装置２０の虚像光学系を透過する背景光の割合を示すシースルー効率は、無偏光である背景光が、ホログラム素子２４を透過する割合（ＨＯＥ＿ＴＮ）と、反射透過円偏光板２５を透過する割合（ＣＬＣ＿ＴＮ）との積で求めることができる。
【０１０６】
つまり、ＨＯＥ＿ＴＮ＝８０％、ＣＬＣ＿ＴＮ＝４５％とすると、画像表示装置２０が有する虚像光学系のシースルー効率は、（０．８×０．４５）×１００＝３６となり、３６％程度であることが分かる。ところで、ホログラム素子２４に代えて、例えば、ハーフミラーなどの半透過コーティング光学素子を用いた場合には、ＨＯＥ＿ＴＮが半分以下となってしまうため、シースルー効率も１８％程度に半減してしまうことになる。
【０１０７】
したがって、画像表示装置２０は、ホログラム素子２４を用いることで非常に高いシースルー効果を実現できることが分かる。
【０１０８】
｛第３の実施の形態｝
図４に、第３の実施の形態として示す画像表示装置３０を示す。画像表示装置３０は、画像表示する画像表示素子３１と、画像表示素子３１で表示された画像の画像光を入射して、光学瞳３８に導く虚像光学系とを備えている。
【０１０９】
画像表示素子３１は、例えば、有機ＥＬディスプレイ、無機ＥＬディスプレイ、液晶ディスプレイなどである。
【０１１０】
ただし、液晶ディスプレイなどは、液晶の配光変化を可視化するために直線偏光を検波する偏光板が用いられているため、当該液晶ディスプレイに表示される画像の画像光は直線偏光となっている。したがって、画像表示素子３１として液晶ディスプレイなどのように直線偏光を射出するディスプレイを使用する場合には、虚像光学系が備える後述する第１の偏光板３２を用いない構成となる。
【０１１１】
虚像光学系は、第１の偏光板３２と、反射透過偏光板３３と、第１の４分の１波長板３４と、反射透過光学素子３５と、第２の４分の１波長板３６と、第２の偏光板３７とを備えている。この虚像光学系における２つの反射透過光学素子は、反射透過偏光板３３と、光学パワーを有する反射透過光学素子３５である。
【０１１２】
虚像光学系を構成する上述の光学素子は、画像表示素子３１と、光学瞳３８との間において、画像表示素子３１側から第１の偏光板３２、反射透過偏光板３３、第１の４分の１波長板３４、反射透過光学素子３５、第２の４分の１波長板３６、第２の偏光板３７という順で配置されている。
【０１１３】
観察者は、光学瞳３８の位置に自身の瞳を合わせた場合に、画像表示素子３１に表示される画像光を、この虚像光学系を介して拡大観察することができる。
【０１１４】
第１の偏光板３２は、画像表示素子３１に表示された画像の無偏光である画像光から第１の振動面で振動する直線偏光を透過し、第１の振動面に垂直な第２の振動面で振動する直線偏光を吸収する。第１の振動面と、第２の振動面とは、振動面が９０度異なっている。
【０１１５】
本発明の実施の形態では、説明のため便宜上、第１の振動面で振動する直線偏光をＰ型の直線偏光とし、第２の振動面で振動する直線偏光をＳ型の直線偏光とする。第１の偏光板３２は、Ｐ型の直線偏光を透過し、Ｓ型の直線偏光を吸収する。
【０１１６】
反射透過偏光板３３は、例えば、ワイヤーグリッドといった反射透過偏光素子であり、第１の振動面で振動する直線偏光を透過し、第２の振動面で振動する直線偏光を反射する。つまり、反射透過偏光板３３は、第１の偏光板を透過したＰ型の直線偏光を透過し、Ｓ型の直線偏光を反射する。なお、ワイヤーグリッドについては、第１の実施の形態で説明をしたので説明を省略する。
【０１１７】
第１の４分の１波長板３４は、直線偏光を円偏光に変換し、円偏光を直線偏光に変換する。第１の４分の１波長板３４は、反射透過偏光板３３で透過されたＰ型の直線偏光を右回りの円偏光に変換し、後述する反射透過光学素子３５で反射された左回りの円偏光をＳ型の直線偏光に変換し、反射透過偏光板３３で反射されたＳ型の直線偏光を左回りの円偏光に変換する。
【０１１８】
反射透過光学素子３５は、入射光を反射及び透過する凹面形状の反射透過面を有し、上記凹面形状の反射透過面が画像表示素子３１側を向くように配されている。
【０１１９】
例えば、反射透過光学素子３５は、透過率、反射率が共に約４０％のハーフミラーとすることができる。このようなハーフミラーとした反射透過光学素子３５に入射した光は、約４０％が反射され、約４０％が透過することになる。
【０１２０】
また、反射透過光学素子３５は、中心部分の回折効率をほぼ５０％、上記中心部分の周辺の回折効率を同心円状に、中心部分の回折効率よりも大きくしたホログラム面を有するホログラム素子とすることもできる。このようなホログラム面を有するホログラム素子とした反射透過光学素子３５に入射した光は、一部が反射され、一部が透過することになる。
【０１２１】
さらに、反射透過光学素子３５は、回折効率がほぼ１００％のホログラム面を有する、例えば、反射型体積ホログラム素子とすることもできる。この反射型体積ホログラムのホログラム面は、入射された光の入射角度によって入射光の一部を透過させるのか、あるいは全反射させるのかが決まる入射角依存性を有している。このホログラム面は、１回目に第１の４分の１波長板３４から入射される光を全反射し、２回目に第１の４分の１波長板３４から入射される光の一部を透過するように調整がなされている。
【０１２２】
なお、反射透過光学素子３５を反射型体積ホログラムとした際のホログラム面における反射及び透過の入射角依存性については、上述した第１の実施の形態において、図２を用い詳細に説明しているため省略をする。
【０１２３】
また、反射透過光学素子３５には、反射型体積ホログラム素子のホログラム面と同様に入射光の入射角によって透過、反射を制御することができる誘電体多層膜を用いてもかまわない。
【０１２４】
第２の４分の１波長板３６は、円偏光を直線偏光に変換する。つまり、第２の４分の１波長板３６は、反射透過光学素子３５で透過された右回りの円偏光をＰ型の直線偏光に変換し、同じく反射透過光学素子３５で透過された左回りの円偏光をＳ型の直線偏光に変換する。
【０１２５】
第２の偏光板３７は、第２の振動面で振動する直線偏光を透過し、第１の振動面で振動する直線偏光を吸収する。つまり、第２の偏光板３７は、第２の４分の１波長板３６で変換されたＳ型の直線偏光のみを透過して光学瞳３８に画像表示光を到達させる。
【０１２６】
この第２の偏光板３７は、表面反射によるノイズの防止と、コントラストの向上のために設けられた偏光板である。
【０１２７】
例えば、反射透過光学素子３５が、ハーフミラー又は入射光の一部を透過して、一部を反射するホログラム面を有するホログラム素子である場合には、１回目に反射透過光学素子３５に入射した右回りの円偏光が必ず透過することになる。この右回りの円偏光は、第２の４分の１波長板３６でＰ型の直線偏光に偏光されるため、第２の偏光板３７で、このＰ型の直線偏光を吸収し完全にカットする。したがって、コントラストの低下を招く画像表示光が、観察者の瞳に入射することを防止することができる。
【０１２８】
また、反射透過光学素子３５が反射型体積ホログラム素子である場合には、１回目に反射透過光学素子３５に入射した右回りの円偏光の一部が反射されずに僅かに透過されてしまう場合がある。この右回りの円偏光も、上述したように、第２の４分の１波長板３６でＰ型の直線偏光に変換されるため第２の偏光板３７で吸収されることになる。
【０１２９】
画像表示装置３０の虚像光学系は、虚像結像のための光学パワーを発生する反射透過光学素子３５が、画像表示素子３１側に凹面形状、つまり、観察者の瞳が配置される光学瞳３８側が凸面形状となるように配置されている。したがって、光学瞳３８に、観察者の瞳が配置された場合に、観察者の顔の一部が拡大されたノイズとなることがない構成となっている。
【０１３０】
以下に、具体的に説明をする。光学瞳３８上に観察者の瞳が配置されている場合、光学瞳３８側から入射した無偏光は、第２の偏光板３７で、Ｓ型の直線偏光のみが透過される。透過したＳ型の直線偏光は、第２の４分の１波長板３６で左回りの円偏光に変換される。左回りの円偏光は、反射透過光学素子３５に入射するが、ここでその一部が反射され、右回りの円偏光になる。
【０１３１】
反射透過光学素子３５で反射された右回りの円偏光は、再び、第２の４分の１波長板３６に入射してＰ型の直線偏光に変換される。Ｐ型の直線偏光は、第２の偏光板３７に吸収され、光学瞳３８に配置された観察者の瞳に到達しないことになる。
【０１３２】
理想的には上述のようになることで、ノイズが排除されるという説明ができるが、実際には、光学瞳３８側からの入射光は、太陽光のように非常に帯域が広く、光強度が強い場合がある。このとき、第２の４分の１波長板３６を合計２回通過したとしても、波長の違いにより位相がπからずれてしまう光が存在する。
【０１３３】
このような光は、楕円偏光となるため、第２の偏光板３７への再入射時に、Ｓ型の直線偏光成分も含んでいることになる。したがって、Ｓ型の直線偏光は、第２の偏光板３７を透過し、光学瞳３８に配置された観察者の瞳に入射してしまう。本実施例の場合、光学パワーを発生する反射透過光学素子３５が、光学瞳３８側に凸面形状となるように配置されているため、観察者の顔の一部が拡大されて観察者の瞳を通して網膜上に結像することはない。
【０１３４】
また、画像表示素子３１からの直接光は、２枚の波長板、つまり第１の４分の１波長板３４と、第２の４分の１波長板３６とが位相差をキャンセルする方向（すなわち合計の位相差量は、ゼロ）となるように配置されているので、第１の４分の１波長板３４、第２の４分の１波長板３６への入射光の波長による性能低下を補正することが可能であり、光学瞳３８上に配置された観察者の瞳へのノイズを少なくすることができる。
【０１３５】
続いて、画像表示装置３０が有する虚像光学系において、観察者に到達する画像光の光路について説明をする。画像表示素子３１に表示された無偏光の画像光は、まず、第１の偏光板３２でＰ型の直線偏光が検波され、反射透過偏光板３３を透過する。
【０１３６】
Ｐ型の直線偏光は、第１の４分の１波長板３４で右回りの円偏光に変換され、反射透過光学素子３５に入射する。
【０１３７】
反射透過光学素子３５が、ハーフミラー又は入射光の一部を透過して、一部を反射するホログラム面を有するホログラム素子である場合には、入射した右回りの円偏光は、一部が反射されて左回りの円偏光となる。
【０１３８】
また、反射透過光学素子３５が、ほぼ１００％の回折効率のホログラム面を有する反射型体積ホログラムである場合には、入射した右回りの円偏光は、ほぼ全て回折反射されて、左回りの円偏光となる。
【０１３９】
左回りの円偏光は、第１の４分の１波長板３４でＳ型の直線偏光に変換され、反射透過偏光板３３で、Ｓ型の直線偏光のまま、ほぼ１００％反射される。
【０１４０】
Ｓ型の直線偏光は、第１の４分の１波長板３４で左回りの円偏光に変換され、反射透過光学素子３５で一部が透過する。
【０１４１】
透過した左回りの円偏光は、第２の４分の１波長板３６でＳ型の直線偏光に変換され、第２の偏光板３７を透過して観察者の瞳が配置される光学瞳３８に到達する。
【０１４２】
このような画像表示装置３０の虚像光学系の光利用効率について説明をする。画像表示素子３１に表示される画像の画像光を１００％とすると、光利用効率は、主に第１の偏光板３２によって無偏光からＰ型の直線偏光が検波される割合（ＰＯＬ）と、反射透過偏光板３３をＰ型の直線偏光が透過する割合（ＲＴＰ＿ＴＰ）と、反射透過光学素子３５（ハーフミラーの場合）によって右回りの円偏光が反射される割合（ＨＭ＿ＲＲ）と、反射透過偏光板３３によってＳ型の直線偏光が反射される割合（ＲＴＰ＿ＲＳ）と、反射透過光学素子３５を（ハーフミラーの場合）を左回りの円偏光が透過する割合（ＨＭ＿ＴＬ）との積で求めることができる。
【０１４３】
つまり、反射透過光学素子３５がハーフミラーの場合、ＰＯＬ＝５０％、ＲＴＰ＿ＴＰ＝９０％、ＨＭ＿ＲＲ＝４０％、ＲＴＰ＿ＲＳ＝９５％、ＨＭ＿ＴＬ＝４０％とすると、画像表示装置１０が有する虚像光学系の光利用効率は、（０．５×０．９×０．４×０．９５×０．４）×１００＝６．８４となり、約７％程度であることが分かる。
【０１４４】
また、画像表示素子３１が、液晶ディスプレイなどのように第１の偏光板３２とあらかじめ一体構成となっている場合には、一体構成された第１の偏光板３２を有する画像表示素子３１から射出される画像光を１００％とし、上述したＰＯＬを考慮しなくてよいため、光利用効率は、約１４％程度となる。
【０１４５】
また、反射透過光学素子３５が、光軸中心部分の回折効率をほぼ５０％とし、この光軸中心部分の周辺部分の回折効率をこれよりも大きくしたホログラム素子の場合、上述したＨＭ＿ＲＲ＝４０％は、ＨＯＥ＿ＲＲ＝６０％となり、ＨＭ＿ＴＬ＝４０％は、ＨＯＥ＿ＴＬ＝７０％となる。したがって、虚像光学系の光利用効率は、（０．５×０．９×０．６×０．９５×０．７）×１００＝１７．９５５となり、約１８％程度となることが分かる。
【０１４６】
このとき、画像表示素子３１と、第１の偏光板３２とが一体構成となっている場合には、上述したようにＰＯＬを考慮しなくてもよいため、光利用効率は、約３６％程度となる。
【０１４７】
また、反射透過光学素子３５が、ほぼ１００％の回折効率を有するホログラム素子、例えば上述の反射型体積ホログラム素子の場合、上述したＨＭ＿ＲＲ＝４０％は、ＨＯＥ＿ＲＲ＝１００％となり、ＨＭ＿ＴＬ＝４０％は、ＨＯＥ＿ＴＬ＝５０％となる。したがって、虚像光学系の光利用効率は、（０．５×０．９×１．０×０．９５×０．５）×１００＝２１．３７５となり、約２１％程度となることが分かる。
【０１４８】
このとき、画像表示素子３１と、第１の偏光板３２とが一体構成となっている場合には、上述したようにＰＯＬを考慮しなくてもよいため、光利用効率は、約４２％程度となる。
【０１４９】
｛第４の実施の形態｝
図５に第４の実施の形態として示す画像表示装置４０を示す。画像表示装置４０は、画像表示する画像表示素子４１と、画像表示素子４１で表示された画像の画像光を入射して、光学瞳４８に導く虚像光学系とを備えている。
【０１５０】
画像表示素子４１は、例えば、有機ＥＬディスプレイ、無機ＥＬディスプレイ、液晶ディスプレイなどである。
【０１５１】
ただし、液晶ディスプレイなどは、液晶の配光変化を可視化するために直線偏光を検波する偏光板が用いられているため、当該液晶ディスプレイに表示される画像の画像光は直線偏光となっている。したがって、画像表示素子４１として液晶ディスプレイなどのように直線偏光を射出するディスプレイを使用する場合には、虚像光学系が備える後述する第１の偏光板４２を用いない構成となる。
【０１５２】
虚像光学系は、第１の偏光板４２と、第１の４分の１波長板４３と、反射透過円偏光板４４と、反射透過光学素子４５と、第２の４分の１波長板４６と、第２の偏光板４７とを備えている。この虚像光学系における２つの反射透過光学素子は、反射透過円偏光板４４と、光学パワーを有する反射透過光学素子４５である。
【０１５３】
虚像光学系を構成する上述の光学素子は、画像表示素子４１と、光学瞳４８との間において、画像表示素子４１側から第１の偏光板４２、第１の４分の１波長板４３、反射透過円偏光板４４、反射透過光学素子４５、第２の４分の１波長板４６、第２の偏光板４７という順で配置されている。
【０１５４】
観察者は、光学瞳４８の位置に自身の瞳を合わせた場合に、画像表示素子４１に表示される画像光を、この虚像光学系を介して拡大観察することができる。
【０１５５】
第１の偏光板４２は、画像表示素子４１に表示された画像の無偏光である画像光から第１の振動面で振動する直線偏光を透過し、第１の振動面に垂直な第２の振動面で振動する直線偏光を吸収する。第１の振動面と、第２の振動面とは、振動面が９０度異なっている。
【０１５６】
本発明の実施の形態では、説明のため便宜上、第１の振動面で振動する直線偏光をＰ型の直線偏光とし、第２の振動面で振動する直線偏光をＳ型の直線偏光とする。第１の偏光板４２は、Ｐ型の直線偏光を透過し、Ｓ型の直線偏光を吸収する。
【０１５７】
第１の４分の１波長板４３は、第１の偏光板４２で透過された直線偏光を、偏光面が第１の回転方向に回転する円偏光に変換する。本発明の実施の形態では、説明のため便宜上、第１の回転方向を右回りとし、後述する第１の回転方向と逆方向の第２の回転方向を左回りとする。第１の偏光板４２で透過されたＰ型の直線偏光は、第１の４分の１波長板４３によって右回りの円偏光に変換される。
【０１５８】
反射透過円偏光板４４は、例えば、コレステリック液晶素子といった反射透過円偏光素子であり、偏光面が第１の回転方向で回転する円偏光を透過し、偏光面が第１の回転方向と逆方向の第２の回転方向に回転する円偏光を反射する。つまり、反射透過円偏光板４４は、第１の４分の１波長板４３で変換された右回りの円偏光を透過し、後述する反射透過光学素子４５で反射された左回り円偏光を反射する。なお、コレステリック液晶素子の反射率は、１００％に近い反射率である。
【０１５９】
反射透過光学素子４５は、入射光を反射及び透過する凹面形状の反射透過面を有し、上記凹面形状の反射透過面が画像表示素子４１側を向くように配されている。
【０１６０】
例えば、反射透過光学素子４５は、透過率、反射率が共に約４０％のハーフミラーとすることができる。このようなハーフミラーとした反射透過光学素子４５に入射した光は、約４０％が反射され、約４０％が透過することになる。
【０１６１】
また、反射透過光学素子４５は、中心部分の回折効率をほぼ５０％、上記中心部分の周辺の回折効率を同心円状に、中心部分の回折効率よりも大きくしたホログラム面を有するホログラム素子とすることもできる。このようなホログラム面を有するホログラム素子とした反射透過光学素子４５に入射した光は、一部が反射され、一部が透過することになる。
【０１６２】
さらに、反射透過光学素子４５は、回折効率がほぼ１００％のホログラム面を有する、例えば、反射型体積ホログラム素子とすることもできる。この反射型体積ホログラムのホログラム面は、入射された光の入射角度によって入射光の一部を透過させるのか、あるいは全反射させるのかが決まる入射角依存性を有している。このホログラム面は、１回目に反射透過円偏光板４４から入射される光を全反射し、２回目に反射透過円偏光板４４から入射される光の一部を透過するように調整がなされている。
【０１６３】
なお、反射透過光学素子４５を反射型体積ホログラムとした際のホログラム面における反射及び透過の入射角依存性については、上述した第１の実施の形態において、図２を用い詳細に説明しているため省略をする。
【０１６４】
また、反射透過光学素子４５には、反射型体積ホログラム素子のホログラム面と同様に入射光の入射角によって透過、反射を制御することができる誘電体多層膜を用いてもかまわない。
【０１６５】
第２の４分の１波長板４６は、円偏光を直線偏光に変換する。つまり、第２の４分の１波長板４６は、反射透過光学素子４５で透過された右回りの円偏光をＰ型の直線偏光に変換し、同じく反射透過光学素子４５で透過された左回りの円偏光をＳ型の直線偏光に変換する。
【０１６６】
第２の偏光板４７は、第２の振動面で振動する直線偏光を透過し、第１の振動面で振動する直線偏光を吸収する。つまり、第２の偏光板４７は、第２の４分の１波長板４６で変換されたＳ型の直線偏光のみを透過して光学瞳４８に画像表示光を到達させる。
【０１６７】
この第２の偏光板４７は、表面反射によるノイズの防止と、コントラストの向上のために設けられた偏光板である。
【０１６８】
例えば、反射透過光学素子４５が、ハーフミラー又は入射光の一部を透過して、一部を反射するホログラム面を有するホログラム素子である場合には、１回目に反射透過光学素子４５に入射した右回りの円偏光が必ず透過することになる。この右回りの円偏光は、第２の４分の１波長板４６でＰ型の直線偏光に偏光されるため、第２の偏光板４７で、このＰ型の直線偏光を吸収し完全にカットする。したがって、コントラストの低下を招く画像表示光が、観察者の瞳に入射することを防止することができる。
【０１６９】
また、反射透過光学素子４５が反射型体積ホログラム素子である場合には、１回目に反射透過光学素子４５に入射した右回りの円偏光の一部が反射されずに僅かに透過されてしまう場合がある。この右回りの円偏光も、上述したように、第２の４分の１波長板４６でＰ型の直線偏光に変換されるため第２の偏光板４７で吸収されることになる。
【０１７０】
画像表示装置４０の虚像光学系は、虚像結像のための光学パワーを発生する反射透過光学素子４５が、画像表示素子４１側に凹面形状、つまり、観察者の瞳が配置される光学瞳４８側が凸面形状となるように配置されている。したがって、光学瞳４８に、観察者の瞳が配置された場合に、観察者の顔の一部が拡大されたノイズとなることがない構成となっている。
【０１７１】
以下に、具体的に説明をする。光学瞳４８上に観察者の瞳が配置されている場合、光学瞳４８側から入射した無偏光は、第２の偏光板４７で、Ｓ型の直線偏光のみが透過される。透過したＳ型の直線偏光は、第２の４分の１波長板４６で左回りの円偏光に変換される。左回りの円偏光は、反射透過光学素子４５に入射するが、ここでその一部が反射され、右回りの円偏光になる。
【０１７２】
反射透過光学素子４５で反射された右回りの円偏光は、再び、第２の４分の１波長板４６に入射してＰ型の直線偏光に変換される。Ｐ型の直線偏光は、第２の偏光板４７に吸収され、光学瞳４８に配置された観察者の瞳に到達しないことになる。
【０１７３】
理想的には上述のようになり、ノイズが排除されるという説明ができるが、実際には、光学瞳４８側からの入射光は、太陽光のように非常に帯域が広く、光強度が強い場合がある。このとき、第２の４分の１波長板４６を合計２回通過したとしても、波長の違いにより位相がπからずれてしまう光が存在する。
【０１７４】
このような光は、楕円偏光となるため、第２の偏光板４７への再入射時に、Ｓ型の直線偏光成分も含んでいることになる。したがって、Ｓ型の直線偏光は、第２の偏光板４７を透過し、光学瞳４８に配置された観察者の瞳に入射してしまう。本実施例の場合、光学パワーを発生する反射透過光学素子４５が、光学瞳４８側に凸面形状となるように配置されているため、観察者の顔の一部が拡大されて観察者の瞳を通して網膜上に結像することはない。
【０１７５】
また、画像表示素子４１からの直接光は、２枚の波長板、つまり第１の４分の１波長板４３と、第２の４分の１波長板４６とが位相差をキャンセルする方向（すなわち合計の位相差量は、ゼロ）となるように配置されているので、第１の４分の１波長板４３、第２の４分の１波長板４６への入射光の波長による性能低下を補正することが可能であり、光学瞳４８上に配置された観察者の瞳へのノイズを少なくすることができる。
【０１７６】
続いて、画像表示装置４０が有する虚像光学系において、観察者に到達する画像光の光路について説明をする。画像表示素子４１に表示された無偏光の画像光は、まず、第１の偏光板４２でＰ型の直線偏光が検波され、第１の４分の１波長板４３で右回りの円偏光に変換される。右回りの円偏光は、反射透過円偏光板４４を透過し、反射透過光学素子４５に入射する。
【０１７７】
反射透過光学素子４５が、ハーフミラー又は入射光の一部を透過して、一部を反射するホログラム面を有するホログラム素子である場合には、入射した右回りの円偏光は、一部が反射されて左回りの円偏光となる。
【０１７８】
また、反射透過光学素子４５が、ほぼ１００％の回折効率のホログラム面を有する反射型体積ホログラムである場合には、入射した右回りの円偏光は、ほぼ全て回折反射されて、左回りの円偏光となる。
【０１７９】
左回りの円偏光は、反射透過偏光板４４で、左回りの円偏光のまま、ほぼ１００％反射される。左回りの円偏光は、反射透過光学素子４５を一部が透過し、第２の４分の１波長板４６でＳ型の直線偏光に変換される。Ｓ型の直線偏光は、第２の偏光板４７を透過して、観察者の瞳が配置される光学瞳４８に到達する。
【０１８０】
このような画像表示装置４０の虚像光学系の光利用効率について説明をする。画像表示素子４１に表示される画像の画像光を１００％とすると、光利用効率は、主に第１の偏光板４２によって無偏光からＰ型の直線偏光が検波される割合（ＰＯＬ）と、反射透過円偏光板４４によって右回りの円偏光を透過する割合（ＣＬＣ_ＴＲ）と、反射透過光学素子４５（ハーフミラーの場合）によって左回りの円偏光が反射される割合（ＨＭ＿ＲＲ）と、反射透過円偏光板４４によって左回りの円偏光が反射される割合（ＣＬＣ＿ＲＬ）と、反射透過光学素子４５を（ハーフミラーの場合）を左回りの円偏光が透過する割合（ＨＭ＿ＴＬ）との積で求めることができる。
【０１８１】
つまり、反射透過光学素子４５が、ハーフミラーの場合、ＰＯＬ＝５０％、ＣＬＣ＿ＴＲ＝９０％、ＨＭ＿ＲＲ＝４０％、ＣＬＣ＿ＲＬ＝９５％、ＨＭ＿ＴＬ＝４０％とすると、画像表示装置１０が有する虚像光学系の光利用効率は、（０．５×０．９×０．４×０．９５×０．４）×１００＝６．８４となり、約７％程度であることが分かる。
【０１８２】
また、画像表示素子４１が、液晶ディスプレイなどのように第１の偏光板４２とあらかじめ一体構成となっている場合には、一体構成された第１の偏光板４２を有する画像表示素子４１から射出される画像光を１００％とし、上述したＰＯＬを考慮しなくてよいため、光利用効率は、約１４％程度となる。
【０１８３】
また、反射透過光学素子４５が、光軸中心部分の回折効率をほぼ５０％とし、この光軸中心部分の周辺部分の回折効率をこれよりも大きくしたホログラム素子の場合、上述したＨＭ＿ＲＲ＝４０％は、ＨＯＥ＿ＲＲ＝６０％となり、ＨＭ＿ＴＬ＝４０％は、ＨＯＥ＿ＴＬ＝７０％となる。したがって、虚像光学系の光利用効率は、（０．５×０．９×０．６×０．９５×０．７）×１００＝１７．９５５となり、約１８％程度となることが分かる。
【０１８４】
このとき、画像表示素子４１と、第１の偏光板４２とが一体構成となっている場合には、上述したようにＰＯＬを考慮しなくてもよいため、光利用効率は、約３６％程度となる。
【０１８５】
また、反射透過光学素子４５が、ほぼ１００％の回折効率を有するホログラム素子、例えば上述の反射型体積ホログラム素子の場合、上述したＨＭ＿ＲＲ＝４０％は、ＨＯＥ＿ＲＲ＝１００％となり、ＨＭ＿ＴＬ＝４０％は、ＨＯＥ＿ＴＬ＝５０％となる。したがって、虚像光学系の光利用効率は、（０．５×０．９×１．０×０．９５×０．５）×１００＝２１．３７５となり、約２１％程度となることが分かる。
【０１８６】
このとき、画像表示素子４１と、第１の偏光板４２とが一体構成となっている場合には、上述したようにＰＯＬを考慮しなくてもよいため、光利用効率は、約４２％程度となる。
【０１８７】
｛第５の実施の形態｝
第３の実施の形態として示した画像表示装置３０、第４の実施の形態として示した画像表示装置４０の虚像光学系では、それぞれが有する２つの反射透過光学素子の物理的光軸上と一致するように画像表示素子が配置されている。また、光学パワーを発生する反射透過光学素子３５、反射透過光学素子４５の凹面形状をした透過反射面が画像表示素子３１、４１に向かって凹となるように配されているため、虚像光学系の焦点距離が非常に短くなってしまっている。
【０１８８】
このように、焦点距離が短くなるように画像表示装置と虚像光学系とが配置されていると、従来の技術でも説明したように、観察者に観察される画像が粗くなってしまうといった問題が発生してしまう。そこで、焦点距離を稼ぎ、上述の問題を回避するための手法を第５の実施の形態として示す。
【０１８９】
図６に示す画像表示装置５０は、第３の実施の形態で示した画像表示装置３０を用い、画像表示装置３０の虚像光学系の物理的光軸の位置から、画像表示素子３１を配置する位置をずらした構成となっている。
【０１９０】
図６に示すように、画像表示装置５０は、反射透過偏光板３３と、第１の４分の１波長板３４と、反射透過光学素子３５と、第２の４分の１波長板３６と、第２の偏光板３７とを備える虚像光学系６０と、画像表示素子３１との間に、偏光ビームスプリッタ５２と、レンズ５３と、レンズ５４と、全反射プリズム５５とを備えるリレー光学系が挿入されている。
【０１９１】
図６に示す画像表示素子５０では、画像表示素子３１を反射型液晶ディスプレイとしているため、画像表示装置３０に備えられている第１の偏光板３２が除去され、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）照明光源５１が設けられている。
【０１９２】
このような構成の画像表示装置５０は、画像表示素子３１で表示された画像光をリレー光学系を介して、虚像光学系６０へと伝え、光学瞳５６に配置される観察者の瞳に結像する。
【０１９３】
次に、リレー光学系について説明をする。偏光ビームスプリッタ５２は、偏光の違いに応じて入射光を透過又は反射する。説明のため、偏光ビームスプリッタ５２は、Ｐ型の直線偏光を透過し、Ｓ型の直線偏光を反射するものとする。ＬＥＤ照明光源５１から射出した無偏光の照明光は、この偏光ビームスプリッタ５２でＳ型の直線偏光として反射され、反射型液晶ディスプレイである画像表示素子３１の画像表示面に入射する。
【０１９４】
ＬＥＤ照明光源５１のＳ型の直線偏光は、画像表示素子３１に入射し反射されることで空間変調され、Ｐ型の直線偏光として画像表示素子３１から射出される。画像表示素子３１から射出した、このＰ型の直線偏光は、偏光ビームスプリッタ５２を透過し、後段のレンズ５３に入射する。
【０１９５】
レンズ５３、レンズ５４は、画像表示素子３１から射出されたＰ型の直線偏光である画像光の中間像を、後段の全反射プリズム５５内に形成するためのレンズである。
【０１９６】
全反射プリズム５５は、レンズ５３、５４によって内部に形成された、画像表示素子３１に表示された画像光の中間像を、全反射させながら虚像光学系６０に導光する。
【０１９７】
レンズ５４から、全反射プリズム５５の光入射面５５ａに入射した画像光は、光反射面５５ｂ、光反射面５５ｃでそれぞれ内部全反射される。光反射面５５ｃで全反射した画像光は、アルミ反射コートを施した光学面５５ｄに入射される。この光学面５５ｄに画像光が入射されると、当該全反射プリズム５５内の全反射条件をはずれるため、導光された画像光は、光反射面５５ｃの延長上にある光射出面５５ｅから全反射プリズム５５外へと射出される。
【０１９８】
光射出面５５ｅより、全反射プリズム５５外へ射出されたＰ型の直線偏光である画像光は、虚像光学系６０の反射透過偏光板３３に入射し、虚像光学系６０を介して光学瞳５６に導かれる。
【０１９９】
なお、虚像光学系６０における光路は、第３の実施の形態において説明をしたので省略をする。
【０２００】
このように、画像表示装置５０は、リレー光学系を介することで、虚像光学系６０への画像表示素子３１からの光路が伸びたことで、焦点距離が長くなるため、拡大率を増大させた場合でも観察者によって観察される表示画像が粗くなることを抑制することができる。
【０２０１】
図６では、第３の実施の形態として示した画像表示装置３０に、リレー光学系を適用した例を示したが、このリレー光学系は、画像表示装置３０に限らず、第４の実施の形態として、図５を用いて説明をした画像表示装置４０にも適用することができる。
【０２０２】
第４の実施の形態として示した画像表示装置４０では、図６に示す画像表示素子３１に代えて、画像表示素子４１を用い、虚像光学系６０に代えて、第１の４分の１波長板４３、反射透過円偏光板４４、反射透過光学素子４５、第２の４分の１波長板４６、第２の偏光板４７を有する虚像光学系を用い、図６に示したリレー光学系を用いることで実現できる。
【０２０３】
また、第１の実施の形態として、図１を用いて説明をした画像表示装置１０、第２の実施の形態として、図３を用いて説明をした画像表示装置２０にも、図６で示したリレー光学系を適用することができる。画像表示装置１０、画像表示装置２０に適用した場合も、上述したように虚像光学系の焦点距離を伸ばすことで観察者に観察される画像の粗さを抑制することができる。
【０２０４】
さらに画像表示装置１０、画像表示装置２０にリレー光学系を適用した場合には、虚像光学系の光軸上に画像表示素子が配置されないことから、画像表示素子に表示される画像と、観察者の眼の前に広がる背景とを同時に観察できるシースルー光学系を完全なものとすることができる。
【０２０５】
第１の実施の形態として示した画像表示装置１０では、図６に示す画像表示素子３１に代えて、画像表示素子１１を用い、虚像光学系６０に代えて、第１の４分の１波長板１３、ホログラム素子１４、第２の４分の１波長板１５、反射透過偏光板１６、第２の偏光板１７を有する虚像光学系を用い、図６に示したリレー光学系を用いることで実現できる。
【０２０６】
また、第２の実施の形態として示した画像表示装置２０では、図６に示す画像表示素子３１に代えて、画像表示素子２１を用い、虚像光学系６０に代えて、第１の４分の１波長板２３、ホログラム素子２４、反射透過円偏光板２５、第２の４分の１波長板２６、第２の偏光板２７を有する虚像光学系を用い、図６に示したリレー光学系を用いることで実現できる。
【０２０７】
このようなリレー光学系を介して、画像表示素子に表示される画像を光学瞳に到達させる画像表示装置は、虚像光学系の物理的光軸と垂直な方向に形成された光路を有することになるため、例えば、頭部に搭載して虚像を観察するＨＭＤ（Head Mounted Display）などに適用した場合に、観察者の眼前の厚みを増すことのない設計ができ、より頭部形状に適合した快適な搭載感を備えたディスプレイとすることが可能となる。
【０２０８】
なお、本発明の実施の形態では、画像表示素子１１、２１、３１、４１として、無機ＥＬディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、液晶ディスプレイといったディスプレイデバイスを例示しているが、本発明は、このようなディスプレイの種類に限定されるものではなく、例えば、上記以外にも光線走査型画像表示素子や、マイクロミラー型画像表示素子など、またはこれ以外のディスプレイデバイスを用いてもよい。
【０２０９】
また、第１乃至第５の実施の形態中で示した直線偏光方位、円偏光回転方位は、一例として示したにすぎず、基本動作を満たす限りにおいて、これらの偏光方位によって本発明が限定されることはない。また、例示した回折効率は全て平均値である。
【図面の簡単な説明】
【０２１０】
【図１】本発明の第１の実施の形態として示す画像表示装置について説明をするための図である。
【図２】入射される光の入射角に応じて、全反射又は透過をするホログラム素子のホログラム面について説明するための図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態として示す画像表示装置について説明をするための図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態として示す画像表示装置について説明をするための図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態として示す画像表示装置について説明をするための図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態として示す画像表示装置について説明をするための図である。
【図７】従来の技術として示す画像表示装置について説明をするための図である。
【符号の説明】
【０２１１】
１０，２０，３０，４０  画像表示装置、１１，２１，３１，４１  画像表示素子、１２  第１の偏光板、１３  第１の４分の１波長板、１４  ホログラム素子、１５  第２の４分の１波長板、１６  反射透過偏光板、１７  第２の偏光板、２２  第１の偏光板、２３  第１の４分の１波長板、２４  ホログラム素子、２５  反射透過円偏光板、２６  第２の４分の１波長板、２７  第２の偏光板、３２  第１の偏光板、３３  反射透過偏光板、３４  第１の４分の１波長板、３５  反射透過光学素子、３６  第２の４分の１波長板、３７  第２の偏光板、４２  第１の偏光板、４３  第１の４分の１波長板、４４  反射透過円偏光板、４５  反射透過光学素子、４６  第２の４分の１波長板、４７  第２の偏光板
【図１】
2005148655.tif 000003
【図２】
2005148655.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005148655.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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