(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原画を形成する画像形成素子と、
該画像形成素子からの光束を複数の反射面で反射して射出する第１の光学素子と、
該第１の光学素子から射出した光束を射出瞳に導く光学系とを有し、
該光学系は回折光学素子を含み、
前記光学系のうち前記回折光学素子よりも前記射出瞳側の部分が負の光学パワーを有することを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記回折光学素子は、前記光学系に含まれる第２の光学素子の面又は前記第１の光学素子の射出面の外面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記光学系は、前記回折光学素子よりも前記第１の光学素子側に正の光学パワーを有する部分を含むことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記回折光学素子は、互いに異なる材料により形成された複数の回折格子を積層した積層型回折光学素子であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記光学系のうち前記回折光学素子よりも前記射出瞳側の部分が、少なくとも観察者の眼幅方向において負の光学パワーを有することを特徴とする請求項１から４に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、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）等の画像表示装置に関し、特に回折光学素子を含む光学系を有する画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＨＭＤのような画像表示装置では、広画角での画像提示が可能で、かつ観察者が頭部に装着しても違和感や疲労感をあまり与えない小型で軽量な構成が求められる。ただし、一般に画角が大きくなると、光学系のサイズが指数関数的に大きくなり、収差補正も困難になる。
【０００３】
ＨＭＤの光学系としては、内部全反射と自由曲面を用いた単一のプリズム光学系が提案されている（特許文献１参照）。この光学系では、単一のプリズムを用いて、画像形成素子（液晶パネル等）からの光束を、入射面（第１面）での透過屈折、第２面での内部全反射、第３面での裏面反射及び第４面（第２面）での透過屈折を介して、観察者の眼球が置かれる射出瞳に導く。この光学系では、単一の材料により形成された単一のプリズムを用いているために、その透過面を通る際にプリズムの材料の分散に起因して発生する倍率色収差を補正することができない。
【０００４】
これに対し、いわゆる色消しを行うために、プリズムとレンズとの間にホログラフィック素子を配置したり（特許文献２参照）、回折光学素子（ＤＯＥ）を配置したり（特許文献３参照）するＨＭＤが開示されている。
【０００５】
特許文献２にて開示されたＨＭＤでは、色消し効果が得られるような分散を有する材質としてガラスを用いざるを得ず、この結果、ＨＭＤの重量が増加する。また、特許文献３にて開示されたＨＭＤでは、ＤＯＥを用いることで特定の波長域の光に対しては効果的な色消しを行うことが可能であるが、カラー画像のように広い波長域の光に対して画角全域で不要回折次数光の発生を抑えることが困難である。
【０００６】
ＤＯＥは、その特性からマイナスの分散を持つ。このため、一般的な光学材料で発生した倍率色収差を効果的に補正することはできるが、特定の波長域及び特定の入射角以外の条件では回折効率が１００％又はこれに近い値にならず、不要回折次数光が発生する。この場合、コントラストの高い画像を表示すると、その画像内に画質を劣化させるフレア光が視認されてしまったり、高周波の画像のコントラストが低下したりする。
【０００７】
これに対し、異なる材料によって異なる設計回折次数を有するように製作された複数のＤＯＥを互いに近接して設置し、広い波長域で高い回折効率を実現する手法が特許文献４，５にて提案されている。
【０００８】
また、ＨＭＤの光学系に回折光学素子を用いて倍率色収差を補正する例が、特許文献６〜８にて開示されている。
特許文献６にて開示されたＨＭＤでは、透過面、透過／反射兼用面及び反射面の３面により構成されるプリズムを用い、画像形成素子からの光束の光路を該プリズム内で折り畳んで射出瞳に導く。そして、このＨＭＤでは、画像形成素子と射出瞳との間のいずれかの位置に、倍率色収差補正機能を有するＤＯＥが設けられている。
【０００９】
また、特許文献７にて開示されたＨＭＤでは、少なくとも１つの回転非対称曲面を含む３面により構成される偏心プリズムを用い、画像形成素子とプリズムとの間に平行平板上に形成されたＤＯＥが設けられている。
【００１０】
さらに、特許文献８にて開示されたＨＭＤでは、画角を拡大するために偏心プリズムと射出瞳との間に正レンズが設けられている。そして、該正レンズによって増加した倍率色収差を補正するために、光路中のいずれかの面に回折光学素子が設けられている。
【００１１】
これらのように、ＤＯＥを用いることにより、ＨＭＤの光学設計上は倍率色収差の補正が可能になる。ただし、射出瞳の位置に観察者の眼球が配置されるというＨＭＤ特有の条件により、さらに考慮しなければならない以下の事項がある。
【００１２】
ＨＭＤでは、観察者の眼球の回転位置（視軸）がＨＭＤの光学系の光軸に必ずしも一致しない。屈折や反射のみを用いた光学系ではこのような不一致が生じても画像全域が良好に観察できるように、できるだけ射出瞳径を大きくして各収差の補正がなされる。このため、観察者の視軸と光学系の光軸とにある程度のずれがあっても、画像観察に顕著な支障は発生しない。
【００１３】
一方、ＤＯＥを用いた光学系の場合、ＤＯＥの設計は、ＤＯＥ上の各点において特定の角度で入射する光線に対して最適化される。しかし、眼球の瞳孔が射出瞳の中心からずれて、ＤＯＥに入射する光線の角度が特定入射角から大きく逸脱すると、不要回折次数光が発生し、画質が劣化した画像が視認される。
【００１４】
特に、色収差補正を十分に行うためにＤＯＥの光学パワーを十分に確保しようとすると、回折格子のピッチが細かくなるために、不要回折次数光がより顕著に発生する。上記特許文献６〜８では、これらの問題について何ら言及されていない。
【特許文献１】特許第２９１１７５０号公報
【特許文献２】特開２００２−３１８３６６号公報
【特許文献３】特開平０９−６５２４６号公報
【特許文献４】特開平０９−１２７３２１号公報
【特許文献５】特開平０９−１２７３２２号公報
【特許文献６】特許第３４８２３９６号公報
【特許文献７】特許第３５５９６２４号公報
【特許文献８】特開２００２−３１１３８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ＨＭＤにＤＯＥを用いる場合、ＨＭＤの組立性やＤＯＥの設置スペースの観点から、ＤＯＥを全光学系のうち射出瞳に近づけて設置することが望ましい。また、ＨＭＤの光学系では、偏心光学系や回転非対称曲面が用いられることが多く、これらの複雑な形状を有する光学面上にＤＯＥを形成するのは困難である。
【００１６】
また、これらの光学面の間や画像形成素子とプリズムとの間に平面状のＤＯＥを設けても、その形状が複雑となり、ＤＯＥの製造が困難になる。
【００１７】
また、小型の原画サイズを有する画像形成素子の選択肢は限られ、原画に対する提示画像の拡大倍率もある程度に抑える必要がある。このため、ＤＯＥを画像形成素子とプリズムの間に設置すると、その設置スペースを確保するために、光学系の設計自由度が低下する。
【００１８】
これに対し、ＤＯＥを光学系のうち最も射出瞳側（観察者の眼球側）に配置し、射出瞳との間に光学パワーを持つ偏心面がないように設計すれば、平面状の基板に回転対称形状の輪帯を有するＤＯＥを形成すればよく、ＤＯＥの製作が容易になる。
【００１９】
ただし、前述したように、観察者の視軸が光学系の光軸と一致していないと、画像形成素子の各点から発してＤＯＥを通過し、眼球に導かれる各光線のＤＯＥへの入射角が、設計入射角からずれる。この場合に、眼球からＤＯＥまでの距離が短いと、ＤＯＥへの実際の光線の入射角と設計入射角との角度差が大きくなり、不要回折次数光が多く発生する。また、ＤＯＥに色消しの機能を主として担うだけの光学パワーを持たせると、高画角での格子のピッチが小さくなるため、より不要回折次数光が発生し易くなる。
【００２０】
また、このような観察者の視軸と光学系の光軸との不一致は、ＨＭＤの射出瞳が観察者の眼球の位置に対してずれて頭部に装着された場合にも生ずる。
【００２１】
したがって、ＨＭＤの光学系では、特に射出瞳の近くにＤＯＥを配置する場合は、観察者の視軸と光学系の光軸との不一致に起因した不要回折次数光を低減するための光学的な対策が求められる。
【００２２】
本発明では、観察者の視軸と光学系の光軸との不一致によるＤＯＥからの不要回折次数光（フレア光）の発生を低減できるようにした画像表示装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の一側面としての画像表示装置は、原画を形成する画像形成素子と、該画像形成素子からの光束を複数の反射面で反射して射出する第１の光学素子と、該第１の光学素子から射出した光束を射出瞳に導く光学系とを有する。該光学系は回折光学素子を含み、該光学系のうち回折光学素子よりも射出瞳側の部分が負の光学パワーを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、ＤＯＥを用いた画像表示装置において、観察者の視軸と光学系の光軸との不一致に起因した不要回折次数光を効果的に低減することができる。したがって、眼球が回転したり眼球が射出瞳に対してずれて位置したりする場合でも、良好な画質を有する画像を提示することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２６】
まず、具体的な実施例の説明に先だって、各実施例に共通する特徴について説明する。
【００２７】
１．本実施例の画像表示装置（ＨＭＤ）は、原画を形成する画像形成素子と、該画像形成素子からの光束を複数の反射面で反射して射出する第１の光学素子と、該第１の光学素子から射出した光束を射出瞳に導く光学系とを有する。そして、該光学系は回折光学素子を含み、該光学系のうち回折光学素子よりも射出瞳側の部分が負の光学パワーを有することを特徴とする。
【００２８】
ここで、ＨＭＤに用いられる観察光学系として、図４Ａに示すように、画像形成素子１からの光束を、３つの面５〜７に囲まれた領域が屈折率が１以上の材料で満たされたプリズム１０によって、観察者の眼球が配置される射出瞳２に導く光学系を考える。画像形成素子１は、液晶パネルや有機ＥＬ等の光変調素子である。プリズム１０の３面５〜７のうち少なくとも１面は、回転非対称曲面である。
【００２９】
画像形成素子１からの光束は、プリズム１０に第１面５から入射し、射出瞳２に正対する第２面（反射面）６で内部全反射される。この後、光束は、第２面６に対して射出瞳２側とは反対側に配置され、かつチルトした第３面（反射面）７で反射されて再度第２面６に向かい、第２面（透過面）６を透過して射出瞳２に到達する。これにより、画像形成素子１に形成された２次元原画の拡大虚像（以下、画像又は提示画像という）が観察者に提示される。
【００３０】
上記観察光学系で発生する倍率色収差を補正するため、第２面６と射出瞳２との間には、同心円状の複数の格子（以下、格子輪帯ともいう）を有する単層の回折光学素子（ＤＯＥ）３が平行平板１１上に設けられて配置されている。ここで、ＤＯＥ３の中心は、原画（つまりは提示画像）の中心から射出瞳２の中心に向かう光線（中心画角主光線）の光路上に位置する。言い換えれば、ＤＯＥ３の中心は、提示画像の中心を注視する観察者の視軸（視線）上に位置する。なお、以下の説明において、中心画角主光線の光路を観察光学系の光軸ともいう。
【００３１】
ＤＯＥ３はブレーズ形状を有し、色収差補正に必要な光学パワーに応じて設定された位相関数に従い、中心から周辺部に向かって格子ピッチが小さくなっている。各格子輪帯の高さは、その格子輪帯を通過する光線に対する特定の回折効率が最大になるように個別に設定される。
【００３２】
ここで、画像形成素子１からプリズム１０及びＤＯＥ３を経て射出瞳２に向かう光線を逆方向に追跡する逆光線追跡にて、ＤＯＥ３の形状について説明する。ＤＯＥ３に設けられた複数の格子輪帯のうち、ＤＯＥ３の中心から距離ｒの点Ｐが属する格子の高さｄを適切に設定する場合、光路差関数Φは以下のように表される。ただし、該格子輪帯に入射する光線の波長をλとし、入射角度をθ１とし、格子ピッチをｐとし、格子面の入射側屈折率をｎ１とし、出射側屈折率をｎ２とする。また、回折次数をｍとし、ｍ次の回折角をθ２とする。
【００３３】
Φ（ｒ，λ）＝｛ｎ１（λ）・ｃｏｓθ１−ｎ２（λ）・ｃｏｓθ２｝・ｄ（ｒ）
（θ２＝ｓｉｎ−１［｛ｎ１（λ）・ｓｉｎθ１−ｍ・λ／ｐ｝／ｎ２  ］）  …（１）
また、スカラー近似の回折効率ηは、
η（ｒ，λ）-＝ｓｉｎｃ２［π・｛ｍ−Φ（ｒ，λ）／λ｝］    …（２）
で表される。そして、このηが最大又は最大に近くなるように、各格子輪帯の高さｄの値を適切に設定する。
【００３４】
点Ｐに入射する光線を光学系の射出瞳２の中心Ｏから点Ｐに向かう光線とし、θ１，θ２を用いてηが最大になるようにｄを設定したとする。これは、観察者の視軸方向が光軸方向に一致するとき、瞳孔に入射して網膜に到達する各光線に関して、特定の回折次数の回折効率が最大になり、不要次数の回折効率が最小に抑えられていることになる。実際の画像観察時には、観察者は各画角方向に向かって眼球を回転させるため、各画角を構成する光線について回転した眼球の瞳孔の中心を通る光線を考慮する必要がある。しかし、ここでは説明を簡単にするために眼球の回転は無視する。このことは以下の説明でも同じである。
【００３５】
次に、図４Ｂに示すように、眼球の瞳孔の中心位置が、観察光学系の光軸に対してｙ[ｍｍ]ずれた点Ｏ′にある場合を考える。
【００３６】
射出瞳２からＤＯＥ３までの光軸上の距離をＬとすると、射出瞳２の中心ＯからＤＯＥ３上の点Ｐに入射する光線のＤＯＥ３への入射角θ１は、
θ１＝ａｔａｎ（ｒ/Ｌ）
である。これに対し、点Ｏ′から点Ｐに入射する光線のＤＯＥ３への入射角θ１′は、
θ１′＝ａｔａｎ｛（ｒ＋ｙ）/Ｌ｝
である。つまり、入射角θ１′は、設計上の入射角θ１に対し、
θ１′−θ１＝ａｔａｎ｛（ｒ＋ｙ）/Ｌ｝−ａｔａｎ（ｒ/Ｌ）
だけ異なる。
【００３７】
例えば、ｎ（λｄ）＝１．６３５５４、Ｌ＝２０[ｍｍ]、ｒ＝７．２７９[ｍｍ]とするとき、眼球の瞳孔の中心位置が観察光学系の光軸に一致するときの点Ｐへの光線の入射角は、
θ１＝２０[°]
となる。なお、λｄ＝５８７．５６ｎｍである。
【００３８】
ＤＯＥ３の位相関数が、
【００３９】
【数１】
0004958757.tif 000002
【００４０】
ただし、Ｃ１＝−４．３２６３９９９１６１７Ｅ−０４
Ｃ２＝−４．７１５１９５７３５４９Ｅ−０６
Ｃ３＝  ２．４８９７０９３３１３６Ｅ−０８
Ｃ４＝−６．３３４５０５２９４０９Ｅ−１１
Ｃ５＝  １．３６７８８４１８６０６Ｅ−１３  
（Ｅ−Ｘは×１０−Ｘの意味）
であるとする。また、ｒ＝７．２７９[ｍｍ]又はその近傍の格子輪帯の格子高さ（格子ピッチは３４．０μｍ）が、設計波長λｄ＝５８７．５６[ｎｍ]において、θ１の入射角度を有する光線に対して適切に設定されているとする。このとき、格子高さｄは、
ｄ＝０．８８８[μｍ]
となる。
このときの一次回折光のスカラー近似回折効率特性は、図５に破線で示すようになる。なお、図５において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は回折効率（％）を示す。
【００４１】
上述したように設計されたＤＯＥ３に対して、眼球の瞳孔中心の光軸からのずれが、
ｙ＝−４[ｍｍ]  
であると、点Ｐへの入射角度は  θ１′＝２９．４２２[°]となる。したがって、角度差θ１′−θ１は、９．４２２[°]となる。このときの回折効率は、図５の実線に示すような特性になり、眼球の瞳孔中心の光軸からのずれがない場合に比べて回折効率のピークは１００％を維持するが、そのピーク波長が３０ｎｍほど長波側にシフトする。このため、視認性の低い赤〜近赤外域で回折効率が２〜３％増加するが、青〜緑の波長域では３〜１０％低下し、不要回折次数光が増加する。
【００４２】
眼球の瞳孔中心（眼球の回転中心）が常時、光学系の光軸に一致していれば問題ないが、ＨＭＤが実際に観察者の頭部に装着された状態でこれらが一致しているかどうかを確認するのは容易ではない。また、仮にこれらが一致した状態が得られても、ＨＭＤの自重や観察者の体の動きによってずれることも十分にあり得る。そして、ＤＯＥへの光線の入射角の変化に対する回折効率の変化を抑えることは困難である。
【００４３】
そこで、本実施例では、眼球の瞳孔中心の観察光学系の光軸に対するずれ（以下、眼球ずれという）が生じた場合のＤＯＥへの光線の入射角の変化を小さくすることで、回折効率の低下を抑制する。
【００４４】
具体的には、図１Ａに示すように、画像形成素子１からの光束を複数の反射面６，７で反射して射出するプリズム（第１の光学素子）１０と、ＤＯＥ３を含み、該プリズム１０から射出した光束を射出瞳２に導く接眼光学系１５とを設ける。そして、接眼光学系１５のうちＤＯＥ３よりも射出瞳２側の部分（言い換えれば、ＤＯＥ３と射出瞳２との間の部分）に、負の光学パワーを持たせる。
【００４５】
より具体的には、プリズム１０と射出瞳２との間に第２の光学素子としての負レンズ２１を配置する。該負レンズ２１は、その射出瞳２側の面（光学系１５のうちＤＯＥ３よりも射出瞳２側の部分）２１ａを凹面とすることで負の光学パワーを生じ、プリズム１０側の平面にＤＯＥ３を設けることで、ＤＯＥ３を設けるための基板としても機能する。
【００４６】
このような構成により、眼球ずれ量に対するＤＯＥ３に入射する光線の入射角の変化を小さくすることができ、この結果、回折効率の低下も抑制することができる。
【００４７】
なお、ＤＯＥ３が設けられる負レンズ２１のプリズム１０側の面は、平面に限らず、凹面や凸面になっていてもよい。また、ＤＯＥ３の材料は負レンズ２１の材料と同じでも別でもよい。ここでは、屈折率がｎのプリズム１０の材料と同じ材料でＤＯＥ３を形成する。また、凹面２１ａとＤＯＥ３は観察光学系の光軸に対して偏心していない。
【００４８】
図１Ａの観察光学系において、画像形成素子１からの光束は、図４Ａの観察光学系と同様の光路を辿り、プリズム１０を射出した後にＤＯＥ３で回折した後、負レンズ２１を透過して射出瞳２に到達する。
【００４９】
図１Ａの観察光学系において眼球ずれが生じた状態を、図１Ｂに示す。そして、図１Ｂを用いて、逆光線追跡によってＤＯＥ３上の点Ｐを通る光線のＤＯＥ３への入射角の変化量を算出する。図２には、図１Ｂの一部を拡大して示している。
【００５０】
負レンズ２１の中心厚をｔ[ｍｍ]、射出瞳２から凹面２１ａまでの光軸上の距離をＬ１[ｍｍ]、凹面２１ａの曲率半径をＲ[ｍｍ]とするとき、近軸計算において、眼球ずれ量が０のときに画角θ０を構成する光線のＤＯＥ３への入射角θ１は、以下のように表される。なお、ｎはＤＯＥ３の材料の屈折率である。
【００５１】
θ１＝θ０／ｎ＋（ｎ−１）・θ０・Ｌ１／（ｎ・Ｒ）
＝｛１／ｎ＋（ｎ−１）・Ｌ１／（ｎ・Ｒ）｝・θ０          …（４）
また、ＤＯＥ３の中心から点Ｐまでの距離ｒは、以下のように表される。
【００５２】
ｒ＝Ｌ１・θ０＋ｔ・θ１ 
＝Ｌ１・θ０＋ｔ・｛θ０／ｎ＋（ｎ−１）・θ０・Ｌ１／（ｎ・Ｒ）｝
＝｛Ｌ１+ｔ／ｎ＋ｔ・（ｎ−１）・Ｌ１／（ｎ・Ｒ）｝・θ０      …（５）
一方、眼球の瞳孔の中心位置が観察光学系の光軸に対してｙ[ｍｍ]ずれた点Ｏ′にある場合（眼球ずれ量がｙのとき)、点Ｏ′と点Ｐを通る光線の画角をθ０′とすると、
ｒ＋ｙ＝Ｌ１・θ０′＋ｔ・θ１′
となる。このとき、画角θ０′は、
θ０′＝θ０＋ｙ／｛Ｌ１+ｔ／ｎ＋ｔ・（ｎ−１）・Ｌ１／（ｎ・Ｒ）｝  …（６）
である。このため、点Ｐへの入射角θ１′は、以下のように表される。
【００５３】
θ１′＝｛１／ｎ＋（ｎ−１）・Ｌ１／（ｎ・Ｒ）｝・θ０′
＝｛１／ｎ＋（ｎ−１）・Ｌ１／（ｎ・Ｒ）｝・
［｛Ｌ１+ｔ／ｎ＋ｔ・（ｎ−１）・Ｌ１／（ｎ・Ｒ）｝・θ０＋ｙ］
／｛Ｌ１+ｔ／ｎ＋ｔ・（ｎ−１）・Ｌ１／（ｎ・Ｒ）｝
＝｛１／ｎ＋（ｎ−１）・Ｌ１／（ｎ・Ｒ）｝・θ０
＋ｙ・｛１／ｎ＋（ｎ−１）・Ｌ１／（ｎ・Ｒ）｝
／｛Ｌ１+ｔ／ｎ＋ｔ・（ｎ−１）・Ｌ１／（ｎ・Ｒ）｝  …（７）
このとき、
θ１′−θ１  ＝ｙ・｛１／ｎ＋（ｎ−１）・Ｌ１／（ｎ・Ｒ）｝
／｛Ｌ１+ｔ／ｎ＋ｔ・（ｎ−１）・Ｌ１／（ｎ・Ｒ）｝
θ０′−θ０  ＝ｙ／｛Ｌ１+ｔ／ｎ＋ｔ・（ｎ−１）・Ｌ１／（ｎ・Ｒ）｝
である。このため、画角の差に対するＤＯＥ３への光線の入射角差の比は、
（θ１′−θ１）／（θ０′−θ０）＝１／ｎ＋（ｎ−１）・Ｌ１／（ｎ・Ｒ）  …（８）
となる。例えば、Ｌ１＝２０[ｍｍ]、ｎ＝１．６３５５４のとき、Ｒに対する式（８）の値の変化は、図３に実線で示すようになる。
【００５４】
図３において、横軸は凹面２１ａの曲率半径Ｒ（ｍｍ）を、縦軸は入射角差の比（θ１′−θ１）／（θ０′−θ０）を示す。図３に示すように、凹面２１ａの負の光学パワーが大きいほど、入射角差の比（θ１′−θ１）／（θ０′−θ０）が小さくなる。言い換えれば、該負の光学パワーが大きいほど、眼球ずれ量ｙに対するＤＯＥ３への光線の入射角θ１の変化が小さくなる。特に、Ｒ＜０であれば、式（８）の値を０．６未満とすることができ、ＤＯＥ５への光線の入射角の変化を十分に抑えることができる。
【００５５】
なお、図１Ａには、ＤＯＥ３が負レンズ２１の面に形成された場合について説明したが、図１６に示すように、ＤＯＥ３をプリズム１０の射出面（第２面６）の外面に設けてもよい。
【００５６】
２．本実施例のＨＭＤの観察光学系において、ＤＯＥ３は、互いに異なる材料により形成された複数の回折格子を積層した積層型回折光学素子（以下、積層ＤＯＥという）であってもよい。
【００５７】
ＤＯＥは、単層では基本的に特定の単一波長かつ特定の入射角の光線に対してのみ特定の回折次数で１００％の回折効率を達成できる。このため、例えば、３原色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の波長成分を含む可視光が単層ＤＯＥに入射する場合は、該可視光の全ての波長成分に対して高い回折効率を得ることが難しく、この結果、色が付いたフレア光が発生する。
【００５８】
一方、互いに異なる材料により形成された複数の回折格子を積層した積層ＤＯＥでは、各回折格子の回折次数、すなわち格子輪帯の高さを適切に設定することで、広い波長領域において１００％に近い回折効率を得ることが可能となる。図６には、単層ＤＯＥの回折効率特性の例と、射出瞳２側から順に第１の回折格子及び第２の回折格子が積層された２層タイプの積層ＤＯＥの回折効率特性の例を示す。図６において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は回折効率（％）を示す。
【００５９】
このとき、第１の回折格子及び第２の回折格子はともに回転対称形状を有する。また、第１の回折格子（以下、第１回折層という）と第２の回折格子（以下、第２回折層という）との間には、中間層としての空気層が介在している。
【００６０】
そして、第１及び第２回折層において、光軸上のこれらの中心から距離ｒの位置にある点Ｐが属する格子輪帯の高さｄ１，ｄ２を適切に設定する場合の光路差関数Φ１，Φ２は以下のように表される。ここでは、第１回折層に入射する光線の波長をλとし、入射角度をθ１とする。また、第１及び第２回折層の格子ピッチをｐとする。さらに、第１回折層の格子面の入射側屈折率をｎ１、中間層側屈折率をｎ２、回折次数をｍ１、ｍ１次の回折角をθ２とする。さらに、第２回折層の屈折率をｎ３、回折次数をｍ２、ｍ２次の回折角をθ３する。
【００６１】
Φ１（ｒ，λ）＝｛ｎ１（λ）・ｃｏｓθ１−ｎ２（λ）・ｃｏｓθ２｝・ｄ１（ｒ）
（θ２＝ｓｉｎ−１［｛ｎ１（λ）・ｓｉｎθ１−ｍ１・λ／ｐ｝／ｎ２  ］）
Φ２（ｒ，λ）＝｛ｎ２（λ）・ｃｏｓθ２−ｎ３（λ）・ｃｏｓθ３｝・ｄ２（ｒ）
（θ３＝ｓｉｎ−１［｛ｎ２（λ）・ｓｉｎθ２−ｍ２・λ／ｐ｝／ｎ３  ］）
…（５）
また、２層合計でのスカラー近似の回折効率ηは、以下のように表される。
【００６２】
η（ｒ，λ）＝ｓｉｎｃ２［π・｛ｍ−｛Φ１（ｒ，λ）＋Φ２（ｒ，λ）｝／λ｝］
（ｍ＝ｍ１＋ｍ２）                                        …（６）
このような積層ＤＯＥを用いる場合でも、θ１で入射する光線について、特定の回折次数光の回折効率ηが最大になるように各層の格子高さを設定する。
【００６３】
なお、各層の材料は互いに異なるが、各層の材料とその基板の材料とは互いに異なっていてもよいし、互いに同じであってもよい。すなわち、ある材料の基板上にその材料とは異なる材料により形成されたＤＯＥ層を設けてもよいし、基板とＤＯＥ層を同じ材料で一体形成してもよい。また、第１回折層と第２回折層との間に空気層を設けず、第１回折層と第２回折層とが互いに接合された積層ＤＯＥを用いてもよい。
【００６４】
図７には、積層ＤＯＥ３′のうち、射出瞳２側の第１回折層３Ａが屈折率ｎ１の第１の基板ＫＡ上に形成され、プリズム１０側の第２回折層３Ｂが屈折率ｎ２の第２の基板ＫＢ上に形成されている観察光学系を示す。各基板は、厚さ１ｍｍの平行平板である。これら２つの基板ＫＡ，ＫＢにおける互いに対向する面に第１回折層３Ａ及び第２回折層３Ｂが形成されている。また、第１回折層３Ａ及び第２回折層３Ｂの間には空気層ＡＩＲが形成されている。
【００６５】
第１回折層３Ａの格子高さをｄ１、第２回折層３Ｂの格子高さをｄ２とすると、ｄ１，ｄ２は前述したように広い波長域で高い回折効率が得られるように設定されている。
【００６６】
積層ＤＯＥ３′の位相関数が（３）式によって表され、ｎ１（λｄ）＝１．５２４１５、ｎ２（λｄ）＝１．６３５５４とすると、画角θ０が２０[°]である光線の第１層３Ａへの入射角θ１（λｄ）は、１２．９６８[°]である。積層ＤＯＥ３′の中心から点Ｐまでの距離ｒは、ｒ＝７．５２１[ｍｍ]となる。
【００６７】
この観察光学系において、観察者の眼球が射出瞳２の中心に対してｙ＝４[ｍｍ]だけ上方（＋方向）にずれると、画角θ０′は９．６６２[°]となる。また、波長λｄの光線のＤＯＥ３′への入射角θ１（λｄ）′は６．３２２[°]となり、点Ｐへの入射角は６．６４６[°]だけ変化する。
【００６８】
このときの回折効率の変化を図８に示す。図８において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は回折効率（％）を示す。点線は眼球ずれがない場合の回折効率を、実線は眼球が＋４ｍｍだけずれた場合の回折効率を、破線は眼球が−４ｍｍだけずれた場合の回折効率を示す。
【００６９】
眼球が＋方向にずれた場合は、視感度の低い近紫外域や近赤外域で回折効率が上がるが、視感度の最も高い緑の波長域では回折効率が４〜５％程度低下する。これは、０次や２次の不要回折光が数％発生することを意味する。
【００７０】
逆に、眼球が−方向にずれると、緑の波長域では回折効率の低下が少ないものの、これよりも短波長側及び長波長側での回折効率の低下が大きくなる。
【００７１】
積層ＤＯＥでは、該ＤＯＥへの光線の入射角が小さくなる方向に変化すると、特に視感度の低い近紫外域や近赤外域の特性変化が大きく、可視域（特に視感度の高い緑）での回折効率の低下が顕著になる。
【００７２】
そこで、図９に示すように、積層ＤＯＥ３′を含む観察光学系において、第１回折層３Ａの基板ＫＡに相当する負レンズ２１における射出瞳２側の面２１ａを凹面とすることで、接眼光学系１５のうちＤＯＥ３′よりも射出瞳２側の部分に負の光学パワーを与える。これにより、前述した単層ＤＯＥ３を含む観察光学系と同様に、眼球ずれが生じたときのＤＯＥ３′への光線の入射角の変化を小さくすることができる。凹面２１ａの曲率半径Ｒを８０[ｍｍ]とすると、ＤＯＥ３′への入射角θ１′は、上記例の場合、８．６８６[°] となり、回折効率は、図１２に実線に示すようになる。図１２において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は回折効率（％）を示し、破線は眼球ずれが生じたときに上記負の光学パワーがない場合の回折効率を、点線は眼球ずれがないときの回折効率を示す。
【００７３】
このように、積層ＤＯＥ３′と射出瞳２との間に負の光学パワーが与えられると、単層ＤＯＥの場合と同様に、眼球が射出瞳２の中心からずれたときのＤＯＥ３′への光線の入射角の変化が小さくなるため、回折効率の低下を抑えることができる。
【００７４】
なお、図示しないが、プリズム１０側の第２回折層３Ｂを、プリズム１０の射出面（第２面６）の外面に設けてもよい。
【００７５】
３．また、本実施例では、接眼光学系１５のうちＤＯＥ（３，３′）よりも第１の光学素子（プリズム１０）側の部分に正の光学パワーを与えてもよい。
【００７６】
前述したように、接眼光学系１５のうちＤＯＥ（３，３′）よりも射出瞳２側の部分に負の光学パワー（凹面２１ａ）を与えると、逆光線追跡において、主光線はこの凹面２１ａで広がる方向に屈折される。したがって、プリズム１０の有効径を大きくしなければならなくなる。また、プリズム１０に付与される正の光学パワーもより強くしなければならないため、プリズム１０の各面における収差補正上の負担が大きくなる場合が起こり得る。
【００７７】
これを回避するための構成を、図１４に示す。図１４では、接眼光学系１５′に積層ＤＯＥ３′を設けた観察光学系を示す。図１４において、接眼光学系１５′の一部を構成する光学素子として、積層ＤＯＥ３′よりもプリズム１０側（第１の光学素子側）に正の光学パワーを有する第３の光学素子としての正レンズ２３を設ける。正レンズ２３のプリズム１０側の面２３ａが凸面に形成されることで、該正レンズ２３は正のパワーを有する。また、正レンズ２３は、その射出瞳２側の平面に第２の回折層３Ｂが形成されることで、第２の基板ＫＢとしても機能する。
【００７８】
正レンズ２３による正のパワーは、積層ＤＯＥ３′よりも射出瞳２側に設けられた凹面２１ａの負のパワーを相殺する。これにより、プリズム１０のサイズの増加を抑えることができる。同様の構成は、図１Ａ及び図１Ｂに示した、接眼光学系１５に単層ＤＯＥ３を設けた観察光学系にも適用することができる。
【００７９】
また、負レンズ２１と正レンズ２３に互いにアッベ数が異なる材料を用いることにより、ＤＯＥ３′（３）で過剰に発生した軸上色収差を相殺することにも寄与することができる。
【００８０】
４．さらに、本実施例では、接眼光学系のうちＤＯＥよりも射出瞳側の部分が、少なくとも観察者の眼幅方向において負の光学パワーを有するようにすることが好ましい。
【００８１】
本実施例のＨＭＤでは、上述した画像形成素子１及び観察光学系（１０，１５，１５′）を観察者の左右の眼のそれぞれに対して設け、観察者に両眼を通じて画像を観察させる。この場合、観察者の眼幅に合わせるように２つの画像形成素子及び観察光学系の左右方向の間隔を調節する眼幅調整機構を装えるものもある。しかし、ＨＭＤを軽量化するためには、このような眼幅調整機構を設けない方が望ましい。
【００８２】
眼幅調整機構を設けない場合、一般的な観察者の眼幅の平均値を用いて、左右眼用の観察光学系の左右方向（眼幅方向）の間隔を固定する。このとき、観察者の眼幅の個人差によって、少なくとも片側の眼球が観察光学系の射出瞳の中心から左右方向にずれる。
【００８３】
したがって、接眼光学系におけるＤＯＥよりも射出瞳側の部分に与える負の光学パワーを、左右方向においてのみ有効としたり、上下方向にも負の光学パワーを与えつつ左右方向の負の光学パワーを上下方向の負の光学パワーより強くしたりするとよい。具体的には、図１Ａ、図９及び図１４に示した負レンズ２１の凹面２１ａとして、左右方向にのみ負のパワーを有するシリンドリカル面を用いたり、左右方向に強い負のパワーを有し、上下方向には弱い負のパワーを有するトーリック面を用いたりしてもよい。
【００８４】
これにより、眼幅調整機構を設けないことによって眼球ずれが生じ易くなる左右方向において、効果的に眼球ずれによる回折効率の低下を抑え、フレア光を減少させることができる。
【００８５】
以下、具体的な実施例について説明する。
【実施例２】
【００８６】
図１Ａ、図１Ｂ及び図２に示した単層ＤＯＥ３を含むＨＭＤの観察光学系において、プリズム１０は、屈折率がｎ（λｄ）＝１．６３５５４の材料により形成されている。ブレーズ型の単層ＤＯＥ３の位相関数φは式（３）により表され、各格子輪帯の高さは、図１０に示すように設定されている。図１０において、横軸はＤＯＥ３上における観察光学系の光軸上の中心からの距離（輪帯半径）ｒを、縦軸は格子高さｄを示している。
【００８７】
ここで、射出瞳２から負レンズ２１の凹面２１ａまでの光軸上の距離Ｌ１が２０ｍｍ、凹面２１ａの曲率半径Ｒが１００[ｍｍ]、負レンズ２１の中心厚ｔが１．０[ｍｍ]とした場合のＤＯＥ３上の点Ｐを通る光線について説明する。
【００８８】
ＤＯＥ３の中心から点Ｐまでの距離ｒが７．１５８[ｍｍ]とすると、射出瞳２の中心と点Ｐを通る光線（図１Ｂ中に破線で示す）のＤＯＥ３への入射角θ１は、式（４）より、１０．１１８[°]となる。このときの回折効率特性を、図１１に破線で示す。
【００８９】
眼球ずれ量がｙ＝−４[ｍｍ]である場合、瞳孔の中心と点Ｐを通る光線（図１Ｂ中に実線で示す）のＤＯＥ３への入射角θ１′は、式（７）より、１５．７７２[°]となる。したがって、このときの点Ｐへの該光線の入射角の変化量（入射角差θ１′−θ１）は５．６５４[°]となり、回折効率特性は図１１に実線で示すようになる。このときの回折効率特性の変化は、回折効率のピークのシフトが１０ｎｍ程度で、青〜緑域での回折効率の低下は１〜２％程度に抑えられる。すなわち、回折効率特性の変化が、図５に示した従来のものに比べて大幅に低減される。
【実施例３】
【００９０】
図９に示した積層ＤＯＥ３′を含むＨＭＤの観察光学系において、プリズム１０は、屈折率がｎ（λｄ）＝１．６３５５４の材料により形成されている。また、第１の基板ＫＡとしての負レンズ２１及び第１の回折層３Ａの材料の屈折率はｎ１（λｄ）＝１.５２４１５であり、第２の基板ＫＢ及び第２の回折層３Ｂの材料の屈折率はｎ２（λｄ）＝１.６３５５４である。
【００９１】
広い波長域で高い回折効率を得るために、第１及び第２の回折層３Ａ，３Ｂの格子高さｄ１，ｄ２は図１３のように設定されている。図１３において、横軸はＤＯＥ３′上における観察光学系の光軸上の中心からの距離（輪帯半径）ｒを、縦軸は格子高さｄ１，ｄ２を示している。また、第１及び第２の回折層３Ａ，３Ｂの設計回折次数は、２層合計での回折次数が＋１となるように設定されている。
【００９２】
本実施例において、眼球が射出瞳２の中心からずれたときの回折効率特性の変化は、図１２に示した通りである。
【実施例４】
【００９３】
図１４に示した積層ＤＯＥ３′を含むＨＭＤの観察光学系において、プリズム１０は、屈折率がｎ（λｄ）＝１．６３５５４の材料により形成されている。また、第１の基板ＫＡとしての負レンズ２１及び第１の回折層３Ａの材料の屈折率はｎ１（λｄ）＝１.５２４１５である。さらに、第２の基板ＫＢとしての正レンズ２３及び第２の回折層３Ｂの材料の屈折率はｎ２（λｄ）＝１.６３５５４である。
【００９４】
広い波長域で高い回折効率を得るために、第１及び第２の回折層３Ａ，３Ｂの格子高さｄ１，ｄ２は、実施例２と同様に、図１３のように設定されている。また、第１及び第２の回折層３Ａ，３Ｂの設計回折次数も、実施例２と同様に設定されている。本実施例において、眼球が射出瞳２の中心からずれたときの回折効率特性の変化も、実施例２と同様に、図１２に示す通りである。
【実施例５】
【００９５】
図１５には、実施例１〜３のＨＭＤにおいて、負レンズ２１の凹面２１ａとして、左右方向にのみ負のパワーを有するシリンドリカル面を用いたＨＭＤの観察光学系の外観を示している。
【００９６】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【００９７】
例えば、上記実施例では、３面のうち２面が反射面として機能するプリズム（第１の光学素子）を用いた場合について説明したが、第１の光学素子としてこれ以外の光学素子を用いてもよい。
【００９８】
また、上記実施例では、接眼光学系のうちＤＯＥよりも射出瞳側又はプリズム側に１つのレンズ（負又は正レンズ）を設けた場合について説明したが、それぞれに複数のレンズ（第２又は第３の光学素子）を設けてもよい。この場合、該複数のレンズの合成光学パワーが負又は正になればよい。
【００９９】
また、上記実施例では、ＨＭＤについて説明したが、ＨＭＤ以外の画像表示装置にも本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１Ａ】本発明の実施例１であるＨＭＤの構成を示す断面図。
【図１Ｂ】実施例１において眼球ずれが生じた状態を示す断面図。
【図２】実施例１の部分拡大図。
【図３】図１ＡのＨＭＤに設けられた凹面の曲率半径とＤＯＥへの光線の入射角との関係を示すグラフ。
【図４Ａ】単層ＤＯＥの基板が平行平板である従来のＨＭＤの構成を示す断面図。
【図４Ｂ】図４ＡのＨＭＤにおいて眼球ずれが生じた状態を示す断面図。
【図５】図４ＡのＨＭＤにおいて眼球ずれが生じたときの回折効率特性の変化を示すグラフ。
【図６】単層ＤＯＥの回折効率特性と積層ＤＯＥの回折効率特性の例を示すグラフ。
【図７】積層ＤＯＥの基板が平行平板である従来のＨＭＤの構成を示す断面図。
【図８】図７のＨＭＤにおいて眼球ずれが生じたときの回折効率特性の変化を示すグラフ。
【図９】本発明の実施例２であるＨＭＤの構成を示す断面図。
【図１０】実施例１のＨＭＤにおける格子高さの設計例を示すグラフ。
【図１１】実施例１のＨＭＤにおいて眼球ずれが生じたときの回折効率特性の変化を示すグラフ。
【図１２】実施例２のＨＭＤにおいて眼球ずれが生じたときの回折効率特性の変化を示すグラフ。
【図１３】実施例２のＨＭＤにおける格子高さの設計例を示すグラフ。
【図１４】本発明の実施例３であるＨＭＤの構成を示す断面図。
【図１５】本発明の実施例４であるＨＭＤの構成を示す斜視図。
【図１６】実施例１のＨＭＤの変形例を示す断面図。
【符号の説明】
【０１０１】
１  画像形成素子
２  射出瞳
３  単層ＤＯＥ
３′  積層ＤＯＥ
１０  プリズム
２１  負レンズ
２２  正レンズ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
0004958757.tif 000008
【図５】
0004958757.tif 000009
【図６】
0004958757.tif 000010
【図７】
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【図８】
0004958757.tif 000012
【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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