(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、該光源から射出した光を受けて反射光を形成することで画像を表示する反射型画像表示素子と、前記光源と前記反射型画像表示素子との間に配置され、前記光源から射出した光を前記反射型画像表示素子に導く照明光学系と、少なくとも一面に回転非対称面を有する観察光学系とを備えてなる画像表示装置において、
前記照明光学系が少なくとも透過型ホログラフィック素子からなり、
前記透過型ホログラフィック素子には前記光源から射出した光が反射面を介在せずに入射し、かつ、
前記光源から射出した照明光の軸上主光線の前記透過型ホログラフィック素子への入射角をαとするとき、次の条件式(1)を満足することを特徴とする画像表示装置。
３０度＜α＜８０度                                      ……(1)
【請求項２】
前記透過型ホログラフィック素子からの射出角をβとするとき、次の条件式(2)を満足することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
３０度＜｜β＋α｜＜１００度                            ……(2)
【請求項３】
前記反射型画像表示素子の表示面の法線と前記観察光学系の前記反射型画像表示素子に近接した光学面の軸上主光線の交点における法線とのなす角度をγとするとき、次の条件式(3)を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の画像表示装置。
−１０度＜γ＜５０度                                    ……(3)
【請求項４】
前記光源と前記透過型ホログラフィック素子との間に少なくとも１つの正のパワーを有する光学素子が配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項５】
光源と、該光源から射出した光を受けて反射光を形成することで画像を表示する反射型画像表示素子と、前記光源と前記反射型画像表示素子との間に配置され、前記光源から射出した光を前記反射型画像表示素子に導く照明光学系と、少なくとも一面に回転非対称面を有する観察光学系とを備えてなる画像表示装置において、
前記照明光学系が少なくとも透過型ホログラフィック素子からなり、かつ、
前記光源から射出した照明光の軸上主光線の前記透過型ホログラフィック素子への入射角をαとするとき、次の条件式(1)を満足し、
前記光源から前記透過型ホログラフィック素子までの光路中に第２のホログラフィック素子が配置されていることを特徴とする画像表示装置。
３０度＜α＜８０度                                      ……(1)
【請求項６】
前記透過型ホログラフィック素子からの射出角をβとするとき、次の条件式(2)を満足することを特徴とする請求項５に記載の画像表示装置。
３０度＜｜β＋α｜＜１００度                            ……(2)
【請求項７】
前記反射型画像表示素子の表示面の法線と前記観察光学系の前記反射型画像表示素子に近接した光学面の軸上主光線の交点における法線とのなす角度をγとするとき、次の条件式(3)を満足することを特徴とする請求項５又は６に記載の画像表示装置。
−１０度＜γ＜５０度                                    ……(3)
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像表示装置に関し、特に観察者の頭部または顔面に保持することができ、また、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に関するものである。
【０００２】
【従来技術及び発明が解決しようとする課題】
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。また、近年、携帯電話や携帯情報端末の普及に伴い、携帯電話や携帯情報端末の画像や文字データを大画面で見たいというニーズが高まっている。
【０００３】
図２３は特開２０００−２４１７５１号公報で提案されている反射型液晶表示素子を用いた画像表示装置の一従来例を示す概念図である。
この従来例の画像表示装置では、反射型液晶表示素子５１への照明は、光源５２から射出した照明光のうち所定の偏光成分の光を反射型液晶表示素子５１と接眼光学系５４との間に配置された偏光ビームスプリッター５３を介して反射させ、その反射光を反射型液晶表示素子５１に前面側から略垂直に入射させることによって行うようになっている。反射型液晶表示素子５１は、入射した照明光を反射するとともに表示した映像によって反射光の偏光成分を変調する。偏光成分が変調された光は、偏光ビームスプリッター５３を透過して、接眼光学系５４に入射し、接眼光学系５４を介して射出瞳に向かうように射出される。これにより、反射型液晶表示素子５１の表示像が遠方に結像される。
【０００４】
しかし、図２３に示すようなタイプの画像表示装置を構成したのでは、偏光ビームスプリッターを介して照明光を反射型液晶表示素子に導くため、偏光ビームスプリッターを斜めに配置するスペースが必要になり、光学系が大型にならざるを得なかった。
【０００５】
また、例えば図２４に示すように、特開２０００−１４７４２２号公報には、光源６１を、ハーフミラー６３を挟んで反射型液晶表示素子６０に対向配置するとともに、反射型液晶表示素子６０の表示面の近傍と観察者眼球６６の近傍とに接眼光学系を構成するレンズ６４，６２を配置した画像表示装置が提案されている。しかし、この場合も、ハーフミラーを斜めに配置するスペースが必要となり、また構造が複雑になる。
【０００６】
また、図２５は特開２０００-２４１７５１号公報で提案されている反射型液晶表示素子を用いた表示装置の他の従来例を示す概念図である。
この従来例の画像表示装置では、反射型液晶表示素子７１への照明は、光源７２から射出した照明光のうち所定の偏光成分の光を反射型液晶表示素子と接眼光学系との間に配置された、偏心した面で構成された照明光学系７３に設けられた偏光ビームスプリッター７４を介して反射させ、その反射光を反射型液晶表示素子７１に前面側から入射させることによって行うようになっている。反射型液晶表示素子７１は、入射した照明光を反射するとともに表示した映像によって反射光の偏光成分を変調する。偏光成分が変調された光は、偏光ビームスプリッター７４を透過して接眼光学系７５に入射し、接眼光学系７５を介して射出瞳ＥＰに向かうように射出される。これにより、反射型液晶表示素子７１の表示像が遠方に結像される。
【０００７】
しかし、図２５に示すようなタイプの画像表示装置を構成したのでは、偏心した照明光学系で照明光を反射型液晶表示素子に導入するため、偏心した照明光学系を配置するスペースとさらにその他に光源部を配置する部分が必要になり、光学系が大型にならざるを得なかった。
【０００８】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、照明光学系の構成を簡単にすると共に小型化した画像表示装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本第１の発明の画像表示装置は、光源と、該光源から射出した光を受けて反射光を形成することで画像を表示する反射型画像表示素子と、前記光源と前記反射型画像表示素子との間に配置され、前記光源から射出した光を前記反射型画像表示素子に導く照明光学系と、少なくとも一面に回転非対称面を有する観察光学系とを備えてなる画像表示装置において、前記照明光学系が少なくとも透過型ホログラフィック素子からなり、前記透過型ホログラフィック素子には前記光源から射出した光が反射面を介在せずに入射し、かつ、前記光源から射出した照明光の軸上主光線の前記透過型ホログラフィック素子への入射角をαとするとき、次の条件式(1)を満足することを特徴としている。
３０度＜α＜８０度                                      ……(1)
【００１０】
また、本第２の発明の画像表示装置は、上記本第１の発明の画像表示装置において、前記透過型ホログラフィック素子からの射出角をβとするとき、次の条件式(2)を満足することを特徴としている。
３０度＜｜β＋α｜＜１００度                            ……(2)
【００１１】
また、本第３の発明の画像表示装置は、上記本第１又は第２の発明の画像表示装置において、前記反射型画像表示素子の表示面の法線と前記観察光学系の前記反射型画像表示素子に近接した光学面の軸上主光線の交点における法線とのなす角度をγとするとき、次の条件式(3)を満足することを特徴としている。
−１０度＜γ＜５０度                                    ……(3)
【００１２】
また、本第４の発明の画像表示装置は、上記本第１〜第３のいずれかの発明の画像表示装置において、前記光源と前記透過型ホログラフィック素子との間に少なくとも１つの正のパワーを有する光学素子が配置されていることを特徴としている。
【００１３】
また、本第５の発明の画像表示装置は、光源と、該光源から射出した光を受けて反射光を形成することで画像を表示する反射型画像表示素子と、前記光源と前記反射型画像表示素子との間に配置され、前記光源から射出した光を前記反射型画像表示素子に導く照明光学系と、少なくとも一面に回転非対称面を有する観察光学系とを備えてなる画像表示装置において、前記照明光学系が少なくとも透過型ホログラフィック素子からなり、かつ、前記光源から射出した照明光の軸上主光線の前記透過型ホログラフィック素子への入射角をαとするとき、次の条件式(1)を満足し、前記光源から前記透過型ホログラフィック素子までの光路中に第２のホログラフィック素子が配置されていることを特徴としている。
３０度＜α＜８０度                                      ……(1)
また、本第５の発明の画像表示装置においては、前記透過型ホログラフィック素子からの射出角をβとするとき、次の条件式(2)を満足するのが好ましい。
３０度＜｜β＋α｜＜１００度                            ……(2)
また、本第５の発明の画像表示装置においては、前記反射型画像表示素子の表示面の法線と前記観察光学系の前記反射型画像表示素子に近接した光学面の軸上主光線の交点における法線とのなす角度をγとするとき、次の条件式(3)を満足するのが好ましい。
−１０度＜γ＜５０度                                    ……(3)
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施例の説明に先立ち、本発明の作用について説明する。
先ず、本第１の発明の作用について説明する。
反射型画像表示素子を用いて、観察光学系を介して反射型画像表示素子の表示画像を拡大観察することができるように画像表示装置を構成する場合には、反射型画像表示素子と観察光学系との間に照明光学系を配置する必要がある。その場合は、照明光学系を、光源からの入射光の直線偏光成分と、反射型画像表示素子で変調された光の直線偏光成分とが直交するように構成することで、表示画像に高いコントラストを与えることが可能となる。
この場合、本第１の発明のように、照明光学系を透過型のホログラフィック素子を用いて構成すると、効率よく観察画像を再現することが可能となる。透過型ホログラフィック素子は、入射光のうちの一つの直線偏光成分の光に対しては回折作用を奏し、その直線偏光成分以外の光に対しては回折作用を殆ど奏さず、スネルの法則に基づいた屈折を行うように作用する。
【００１５】
本第１の発明における照明光の光路について図１を用いて説明する。光源１から射出した照明光は、図示省略した偏光子を介してＰ偏光となり、反射型画像表示素子２の前面に略平行に配置された透過型ホログラフィック素子３に対し、軸上主光線４が入射角α（図１においては６０．１度）でもって入射する。透過型ホログラフィック素子３は、Ｐ偏光に対して回折作用を奏し、入射光を屈曲して透過させる。そして、軸上主光線４は２．６度の射出角で射出して反射型画像表示素子２に入射する。透過型ホログラフィック素子３を介して回折されたＰ偏光は、反射型画像表示素子２を介して入射光（照明光）の偏光方向が９０度回転させられ、Ｓ偏光となって反射され、透過型ホログラフィック素子３に入射する。透過型ホログラフィック素子３は、Ｓ偏光に対しては、回折作用を殆ど奏さないため、通常の透明平行平板のように作用し、略すべての光を透過させる。
【００１６】
そして、本第１の発明では、このような構成に加えて、光源から射出した照明光の軸上主光線の前記透過型ホログラフィック素子への入射角をαとするとき、次の条件式(1)を満足することが重要である。
３０度＜α＜８０度                                      ……(1)
【００１７】
この入射角αの大きさによって入射光の回折効率が変化する。反射型画像表示素子に略平行に透過型ホログラフィック素子を配置する場合には、軸上主光線の入射角αが上記条件式(1)の範囲内となるようにすると、有効な回折効率を得ることが可能となる。反射型画像表示素子と観察光学系との距離は、できる限り短い方が装置をコンパクトにすることができるが、入射角αが３０度を超えて小さい場合には、前記透過型ホログラフィック素子への入射光が観察光学系と干渉しないようにするために、前記透過型ホログラフィック素子と観察光学系との間の間隔が非常に大きいものとなってしまう。他方、入射角αが８０度以上の場合には、前記透過型ホログラフィック素子での回折角が大きくなるため、特に軸外光線において表面反射成分が大きくなり全体の回折効率が悪いものになってしまう。
【００１８】
次に、本第２の発明の作用について説明する。
反射型画像表示素子を用いて、観察光学系を介して反射型画像表示素子の表示画像を拡大観察する場合には、上述のように、反射型画像表示素子と観察光学系との間に透過型ホログラフィック素子を用いることによって、効率よく反射型画像表示素子を照明して画像を再現することが可能となる。ここで、更に、透過型ホログラフィック素子を反射型画像表示素子に対して傾けて配置することによって透過型ホログラフィック素子に対する入射角と回折された後の透過光との関係が条件式(2)を満足するように構成すると、透過型ホログラフィック素子は、入射光うちの一つの直線偏光成分に対しては高い効率で回折し、その直線偏光成分以外の光に対しては回折作用を殆奏さず、スネルの法則に基づいた屈折を行うように作用する。
３０度＜｜β＋α｜＜１００度                            ……(2)
但し、αは光源から射出した照明光の軸上主光線のホログラフィック素子への入射角、βはホログラフィック素子からの射出角である。
【００１９】
本第２の発明における照明光の光路について図２を用いて説明する。光源１から射出した照明光は、図示省略した偏光子を介してＰ偏光となり、反射型画像表示素子２の前面に、反射型画像表示素子２に対して傾いた状態で配置された透過型ホログラフィック素子３に対し、軸上主光線４が所定の入射角αでもって入射する。透過型ホログラフィック素子３は、Ｐ偏光に対して回折作用を奏し、入射光をある角度に屈曲して透過させる。そして、屈曲させられた光は、透過型ホログラフィック素子３を所定の射出角βでもって射出して反射型画像表示素子２に入射する。透過型ホログラフィック素子３を介して回折されたＰ偏光は、反射型画像表示素子を介して入射光の偏光方向が９０度回転させられ、Ｓ偏光となって反射され、透過型ホログラフィック素子３に入射する。透過型ホログラフィック素子３は、Ｓ偏光に対しては、回折作用を殆ど奏さないため、通常の透明平行平板のように作用に、略すべての光を透過させる。
【００２０】
そして、本第２の発明では、このような構成に加えて、光源から射出された照明光の軸上主光線が前記透過型ホログラフィック素子への入射角をα、前記透過型ホログラフィック素子からの射出角をβとするとき、上記条件式(2)を満足することで、高い回折効率を実現することが可能となる。なお、図２に示すように、入射角αは透過型ホログラフィック素子３の法線と入射光の軸上主光線とのなす角度であり、時計回りを正とし、射出角βは透過型ホログラフィック素子３の法線と射出光の軸上主光線とのなす角度であり、反時計回りを正とする。
【００２１】
上記条件式(2)の値｜β＋α｜が３０度を超えて小さい場合には、前記透過型ホログラフィック素子の回折効率が弱くなる。また、その場合には、入射光と回折光の角度の差が小さいため、不要光である０次光によるゴーストの発生が生じるおそれがある。他方、上記条件式(2)の値｜β＋α｜が１００度を超えて大きい場合には、前記透過型ホログラフィック素子での回折角が大きくなりすぎ、全体の回折効率が悪いものになってしまう。
【００２２】
次に、本第３の発明の作用について説明する。
反射型画像表示素子を用いて、観察光学系を介して反射型画像表示素子の表示画像を拡大観察する場合には、上述のように、反射型画像表示素子と観察光学系との間に透過型ホログラフィック素子を配置することによって、効率よく反射型画像表示素子を照明して画像を再現することが可能となる。ここで、更に、前記反射型画像表示素子の表示面の法線と前記観察光学系の反射型画像表示素子に近接した光学面の軸上主光線の交点における法線とのなす角度をγとするとき、条件式(3)を満足することが透過型ホログラフィック素子に対する入射角を確保する上で重要な条件となる。
−１０度＜γ＜５０度                                    ……(3)
なお、図３に示すように、γは反射型画像表示素子３の表示面の法線が観察光学系５の反射型画像表示素子３に近接した光学面の軸上主光線４の交点における法線に対する角度であり、反時計回りを正とする。
【００２３】
本第３の発明における照明光の光路について図３及び図５を用いて説明する。なお、ここでは逆光線追跡によって光線の振る舞いを考えることとする。観察者の瞳６から出た光線は、観察光学系５を構成する変形プリズムに入射され、２回反射した後第３面５3から射出する。その際、第３面５3における光線の射出角が大きいと、そこで発生する収差、特に軸外における色収差が増大する恐れが生じる。
また、反射型画像表示素子と観察光学系との間隔をできるだけ小さいものにすることが装置全体をコンパクトに構成するために必要な条件となるため、第３面と画像表示素子の間に関し、一方向において大きな空間ができるようにとることが望ましい。光源を同じ方向から一方向に照射するようにすると、コスト、装置の大きさ共に有利になる。
【００２４】
図３の例の場合、一方の領域にある程度大きい空間を確保することによって有効な照明を行うことができる。従って、本第３の発明のように、反射型画像表示素子に近接したプリズムの光学面での軸上主光線の交点における法線と前記反射型画像表示素子の表示面での法線とのなす角度γを上記条件式(3)を満たすようにすると、装置全体をあまり大きくすることなく、光源側において広い空間を確保することが可能となる。
【００２５】
角度γが−１０度を超えて小さい場合には、前記透過型ホログラフィック素子と観察光学系の反射型画像表示素子に近接した光学面とのなす角度が小さくなりすぎ、光源側の空間を広く使うことができず、有効な照明を行うことが困難となる。逆に角度γが５０度を超えて大きい場合には、前記透過型ホログラフィック素子と観察光学系のなす角度が非常に大きいものとなりすぎ、装置が大型化し、収差も増大してしまう。
【００２６】
次に、本第４の発明の作用について説明する。
透過型ホログラフィック素子を配置することによって、効率よく反射型画像表示素子を照明する場合、本第４の発明のように、光源と透過型ホログラフィック素子の間に少なくとも１つの正のパワーを有する光学素子を配置すると、光源部分を小さく構成でき、装置をコンパクト化するために有効である。
【００２７】
本第４の発明における照明光の光路について図６を用いて説明する。光源１から射出した照明光は、図示省略した偏光子を介してＰ偏光となり、正のパワーを有する光学素子７を介して集光され、反射型画像表示素子２の前面に略平行に配置された透過型ホログラフィック素子３に入射する。このとき本第４の発明によれば、光源から放射状に射出される光を正のパワーを有する光学素子７を介して集光させることができるため、大きな光源を用いることなく、数個のＬＥＤ等の小型光源を用いて照明用の光源を構成することができ、装置全体をコンパクト化し、消費電力を少なくすることが可能となる。
【００２８】
なお、本第１〜第４の発明においては、前記透過型ホログラフィック素子が、体積型ホログラムで構成され、それぞれ異なる波長に対応した回折パターンを有する複数のホログラム層の積層構造を有しているのが好ましい。
【００２９】
画像表示素子を用いてカラー表示する場合には、通常Ｒ，Ｇ，Ｂ（赤、緑、青）の光を混合することで様々な色彩を表現する。たとえば、面順次によってフルカラーを表示する場合には、フィールドレートの３倍以上のスイッチングレートでＲ，Ｇ，Ｂそれぞれに対応する波長の光を照明するようにするとともに、画像表示素子にも同様のリフレッシュレートを有してＲ，Ｇ，Ｂの表示をする。一方、体積型ホログラムは、その厚みによって回折する最適波長が決まる。また、１つの層のホログラムにおいて回折作用の対象となる波長はある範囲の波長帯域に限られるため、１つの層のホログラムのみではＲ，Ｇ，Ｂすべての波長の光に対して有効に回折効果を奏することにはならない。したがって、カラー表示する場合には、ホログラフィック素子は、Ｒ，Ｇ，Ｂのそれぞれの波長に対応した最適な厚み、回折パターンを有する複数のホログラムを積層した構造になっているのが望ましい。
【００３０】
その場合、ホログラフィック素子が、３層に分かれた体積ホログラムの積層構造を有しているのが好ましい。
上述のように、画像表示素子を用いてカラー表示する場合には、通常Ｒ，Ｇ，Ｂ（赤、線、青）の３つの波長を用いるため、それぞれの波長に対してそれぞれのＨＯＥ層を形成することが望ましいからである。
【００３１】
また、ホログラフィック素子が、２層に分かれた体積ホログラムの積層構造を有していてもよい。
画像表示素子を用いてカラー表示する場合には、通常Ｒ，Ｇ，Ｂ（赤、緑、青）の３つの波長を用いるが、２つの波長（例えばＧとＢ）に対しては１つのＨＯＥ層のみで対応し、もう１つの波長（例えばＲ）に対しては１つのＨＯＥ層を対応させるような積層構造を形成することも可能である。
【００３２】
また、上記それぞれの発明においては、ホログラフィック素子が、電気的に回折作用のスイッチングを行うようにするのが好ましい。
【００３３】
ホログラフィック素子は電気信号によってスイッチング可能な可変ホログラフィック素子を用いることが有用である。このような可変ホログラフィック素子は、例えば、屈折率分布を有する高分子と液晶の混合物に干渉露光を行うことによって作成することができる。そのようにして作成したホログラフィック素子に対し、駆動回路でバイアス電圧を付加させることによってＯＮ／ＯＦＦさせる。例えば、可変ホログラフィック素子が光源からの光のうちＰ偏光成分の光に対して回折作用を有するように設定されているものとしたとき、電圧がかかっていない場合には回折作用を奏し、電圧がかかった場合には透明平行平板と同様に作用する。
【００３４】
なお、上記各発明において、Ｐ偏光成分の光に対して回折作用を有するホログラフィック素子を３層構造とした場合、入射側の最初の層からＲ，Ｇ，Ｂの光に対応した体積ホログラムの層を積層すると、赤の光に対しては、最初の層では回折が起こることで、斜めに入射した光は表示素子に対して略垂直な光となり、次のＧ，Ｂに対応する体積ホログラムの層では回折が起きず、透過して画像表示素子に到達する。画像表示素子では光の位相が９０度回転し、Ｐ偏光がＳ偏光となって反射される。ホログラフィック素子はＳ偏光に対しては殆ど回折作用を奏さないため、ホログラフィック素子は透明平行平板として作用し光は略屈曲することなく観察光学系に導かれる。したがって、Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれの光において対応するホログラフィック膜は唯一であり、それ以外のホログラフィック膜の影響を受けずに照明及び観察をすることができる。
【００３５】
次に、本第５の発明の作用について説明する。反射型画像表示素子と観察光学系とその間に配置された透過型ホログラフィック素子との屈曲角は、高分子層に形成される干渉縞の屈折率差によって略決まる。軸外光線束が観察光学系と干渉するような場合には、本第５の発明のように、光源から前記透過型ホログラフィック素子へ向かう光路中の観察光学系近傍に第２のホログラフィック素子を配置すれば、上記軸外光線の観察光学系との干渉を解消することができる。また、本第５の発明においては、第２のホログラフィック素子は、反射型のホログラムであるのが好ましい。即ち、第２のホログラフィック素子としては、所定の入射角の光に対しては反射型の回折作用を奏し、その他の入射角の光に対しては平行平板として透過する作用を奏するホログラムを用いる。
【００３６】
本第５の発明における照明光の光路について図４を用いて説明する。光源１から射出した照明光は、比較的大きな入射角でもって反射型の第２ホログラフィック素子８に入射する。第２ホログラフィック素子８は、この入射角のＰ偏光に対して回折反射する。反射されたＰ偏光は、透過型の第１ホログラフィック素子３に向かい、第１ホログラフィック素子３を介して上記各発明と同様に回折透過して反射型画像表示素子２を照明する。
反射型画像表示素子２で変調された光はＳ偏光となり第１ホログラフィック素子３に入射し、第１ホログラフィック素子３で略すべての光が透過して第２ホログラフィック素子８に入射し、さらに第２ホログラフィック素子８でも同様に略すべての光が透過して観察光学系５に導かれる。
【００３７】
その他、上記それぞれの本発明においては、前記観察光学系が、自由曲面光学系を有しているのが好ましい。
【００３８】
また、上記それぞれの本発明においては、前記観察光学系が、プリズム光学系を有しているのが好ましい。
【００３９】
また、上記それぞれの本発明においては、前記観察光学系が、回折光学素子を備えているのが好ましい。
【００４０】
また、上記それぞれの本発明においては、前記観察光学系が、回折光学面を有しているのが好ましい。
【００４１】
また、本第４の発明においては、前記少なくとも1つの正のパワーを有する光学素子が、フレネルレンズであるのが好ましい。
【００４２】
正のパワーを有する光学素子は、通常の球面では、大きさによって焦点距離が制限され、また曲率が小さくなるにしたがって、厚みが大きくなり、重量が増加してしまう。
【００４３】
また、本第４の発明においては、前記フレネルレンズの焦点距離Ｆが、次の条件式(4)を満足するのが好ましい。
３ｍｍ＜Ｆ＜５０ｍｍ                                    ……(4)
【００４４】
装置全体の大きさを考慮するとフレネルレンズの焦点距離Ｆは上記条件式(4)の範囲内であるのが望ましい。焦点距離Ｆが下限の３ｍｍを超えて小さいと、フレネルレンズのパワーを大きくする必要があり、それに伴ってスロープ角が大きくなり過ぎ、フレネルレンズの製造が困難となる。他方、焦点距離Ｆが上限の５０を超えて大きいと、焦点距離が大きくなりフレネルレンズでの集光作用が不足するため、光学系全体が大きくなってしまう。
【００４５】
また、本第４の発明の参考発明においては、前記少なくとも１つの正のパワーを有する光学素子が、凹面鏡であるのが好ましい。
【００４６】
装置全体の大きさを考慮すると、正のパワーを有する光学素子は凹面鏡であることが望ましい。凹面鏡は光線束を反射し、屈曲させることが出来るため、必要な場所に光源を配置させることができる。
図７に示すように、凹面鏡９を観察光学系５とホログラフィック素子３に挟まれた空間に配置し、所定の反射角を持たせることによって、光源部１を表示素子２近傍に位置させることができ、装置全体をコンパクトに構成することができる。
【００４７】
また、本第４の発明の参考発明においては、前記凹面鏡の焦点距離Ｆouが、次の条件式(5)を満足するのが好ましい。
３ｍｍ＜Ｆou＜１５０ｍｍ                              ……(5)
【００４８】
装置全体の大きさを考慮すると、凹面鏡の焦点距離Ｆouは上記条件式(5)の範囲内であるのが望ましい。凹面鏡の焦点距離Ｆouが、下限の３を超えて小さいと、凹面鏡の曲率半径が小さくなりすぎ、広い光線束をとらえることが出来ないため、十分なエネルギーを反射型画像表示素子に導くことができない。他方、凹面鏡の焦点距離Ｆouが、上限の１５０を超えて大きいと、焦点距離が大きくなり凹面鏡での集光作用が不足するため、光学系全体が大きくなってしまう。
【００４９】
また、本第４の発明の参考発明においては、前記凹面鏡が、表面鏡であるのが好ましい。
【００５０】
また、本第４の発明の参考発明においては、前記凹面鏡が、裏面鏡であってもよい。
【００５１】
また、本第４の発明の参考発明においては、前記凹面鏡を、前記観察光学系と前記反射型画像表示素子との間の空間に、該反射型画像表示素子側の軸外光線のマージナル光線を遮ることがないように配置するのが好ましい。
【００５２】
その他、上記各発明においては、観察光学系は、自由曲面を有する偏心光学系や自由曲面を有する偏心プリズムで構成するのが好ましい。
【００５３】
観察光学系において逆光線追跡で、物点中心を通り、瞳の中心を通過して像面の中心に到達する光線を軸上主光線としたとき、少なくとも一つの面が軸上主光線に対して偏心していないと、軸上主光線の入射光線と反射光線が同一の光路を通ることとなり、軸上主光線が光学系中で遮断されてしまう。その結果が遮光された光束のみで像を形成することになり、中心が暗くなったり、中心では全く像を結ばなくなってしまう。そこで、本発明の観察光学系は偏心光学系や偏心プリズムで構成するのが好ましい。なお、偏心させると、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観察光学系に対称面を１面のみ有する回転非対称な自由曲面を有するようにするのが好ましい。
【００５４】
また、本発明におけるホログラフィック素子（ＨＯＥ）は以下のように定義する。図８は本発明におけるＨＯＥを定義するための原理図である。
ＨＯＥ面に入射し、さらに射出する波長入の光線追跡は、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を用いて次式で与えられる。
ｎｄＱｄ・Ｎ＝ｎｉＱｉ・Ｎ＋ｍ（λ／λ0）∇Φ0・Ｎ
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）ベクトルである。また、ｍ＝ＨＯＲは射出光の回折次数である。
【００５５】
ＨＯＥが基準波長λ0の２点光源、すなわち図８に示す点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）とすると、
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。
【００５６】
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Φ0（基準波長λ0における光路差関数）を加えて次式(6)で表すことができる。
Φ0＝Φ02P＋Φ0Poly                              ……(6)
ここで多項式は、
0004902065.tif 000002
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。
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、この場合には実質的に付加項（多項式）のみで光路差関数をあらわしたことに相当する。
以上のＨＯＥに関する説明はすべてＨＯＥ原点とするローカル座標に対するものである。
【００５７】
また、本発明では、軸上主光線を射出瞳の中心を通り画像表示素子の中心に到達する光線で逆光線追跡で定義する。そして、軸上主光線が射出瞳中心から観察光学系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軸と定義し、また、このＺ軸と直交し、かつ、導光板を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、さらに、Ｚ軸と直交し、かつ、Ｙ軸と直交する軸をＸ軸と定義する。また、射出瞳の中心を本発明の画像表示装置における座標系の原点とする。また、本発明においては、上述のように射出瞳から反射型画像表示素子に向かう逆光線追跡で面番号をつけることとし、軸上主光線が、射出瞳から観察光学系に向かう方向をＺ軸の正方向、反射型画像表示素子に向かうＹ軸の方向をＹ軸の正方向、Ｙ軸とＺ軸と右手系を構成するＸ軸の方向をＸ軸の正方向と夫々定義する。
【００５８】
ここで、本発明で使用する自由曲面は、次式(7)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。
【００５９】
0004902065.tif 000003
……(7)
ただし、(7)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。
【００６０】
自由曲面項は次式(8)のように展開することができる。
0004902065.tif 000004
……(8)
ただし、Ｃj（ｊは２以上の整数）は係数である。
【００６１】
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(7)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。
【００６２】
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(7)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。
【００６３】
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。
【００６４】
また、上記定義式(7)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(7)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。
【００６５】
【実施例】
以下、本発明の画像表示装置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５に示すように、軸上主光線４を、射出瞳６の中心（観察者眼球の旋回中心位置）から観察光学系５、照明光学系を構成する透過型ホログラフィック素子３、反射型画像表示素子２、光源１の中心に至る光線で定義する。そして、軸上主光線４が観察光学系５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、観察光学系５を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、前記光軸と直交し、かつ、前記Ｙ軸と直交する軸をＸ軸と定義する。また、射出瞳６の中心をこの座標系の原点とする。そして、軸上主光線４が射出瞳６から観察光学系５に向かう方向をＺ軸の正方向、反射型画像表示素子２に向かうＹ軸の方向をＹ軸の正方向、Ｙ軸とＺ軸と右手系を構成するＸ軸の方向をＸ軸の正方向と夫々定義する。
【００６６】
各実施例では、観察光学系５はこのＹ−Ｚ平面内で偏心を行なっており、また、観察光学系５に設けられる各回転非対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面としている。
【００６７】
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(7)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。
【００６８】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は上記(7)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。
【００６９】
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(9)により定義する。その定義式(9)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。
【００７０】
0004902065.tif 000005
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。
【００７１】
また、回転非対称面な自由曲面の形状は次の式(10)により定義することもできる。その定義式(10)のＺ軸が回転非対称面の軸となる。
Ｚ＝ΣnΣmＣnmＸnＹn-m                                       ……(10)
ただし、ΣnはΣのｎが０〜ｋ、ΣmはΣのｍが０〜ｎを表わす。
【００７２】
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(10)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。
【００７３】
また、回転対称非球面の形状は次式(11)により定義する。その定義式(19)のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。
0004902065.tif 000006
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。
【００７４】
なお、本発明の実施例では、上記(7)式を用いた自由曲面で面形状が表現されているが、上記(9)式、(10)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。
【００７５】
第１実施例
図５は本発明の第１実施例に係る画像表示装置の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
第１実施例の画像表示装置は、光源１と、光源１から射出した光を受けて反射光を形成することで画像を表示する反射型画像表示素子２と、光源１と反射型画像表示素子２との間に配置され、光源１から射出した光を反射型画像表示素子２に導く照明光学系３と、少なくとも一面に回転非対称面を有する観察光学系５とを備えている。
照明光学系３は、透過型の体積型ホログラム（ＨＯＥ）で構成されている。
観察光学系５は、第１面５1と、第２面５2と、第３面５3とを備えたプリズムで構成されている。第１面５1が射出面と第１の反射面とを兼ね備えた面として、第２面５2が第２の反射面として、第３面５3が入射面として夫々構成されている。そして、観察光学系５は、反射型画像表示素子２、透過型ＨＯＥ３を経た光が第３面５3で屈折してプリズム内に入射し、第１面５1で反射し、第２面５2で反射した後、第１面５1で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳６の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【００７６】
光源１であるＬＥＤから射出した光は、図示省略した偏光子を介して透過型ＨＯＥ３に入射する。
透過型ＨＯＥ３で回折された光は、反射型画像表示素子２を照明する。その光は反射型画像表示素子２を介して変調されて再び透過型ＨＯＥ３に入射してそのまま透過型ＨＯＥ３を透過し、観察光学系５を介して観察者の眼球に導かれる。
【００７７】
その他、ＨＯＥ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。
【００７８】
次に、本実施例の数値データとして所謂逆光線追跡による光学系の構成パラメータの例を示す。即ち、各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６から光源１に至る順番で追跡（逆光線追跡）し、観察光学系における各面の番号も逆光線追跡に合わせて表すこととする。
以下の実施例においても光学系の構成パラメータの表現方法は同様である。
【００７９】
第１実施例の数値データを示す。なお、数値データ中“ＦＦＳ”は自由曲面を示している。
0004902065.tif 000007
【００８０】
0004902065.tif 000008
【００８２】
0004902065.tif 000009
【００８３】
0004902065.tif 000010
0004902065.tif 000011
【００８４】
0004902065.tif 000012
【００８５】
第２実施例
図６は本発明の第２実施例に係る画像表示装置の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
第２実施例の画像表示装置は、光源１と、光源１から射出した光を受けて反射光を形成することで画像を表示する反射型画像表示素子２と、光源１と反射型画像表示素子２との間に配置され、光源１から射出した光を反射型画像表示素子２に導く照明光学系３と、少なくとも一面に回転非対称面を有する観察光学系５とを備えている。
照明光学系３は、透過型の体積型ホログラム（ＨＯＥ）で構成されている。
観察光学系５は、第１面５1と、第２面５2と、第３面５3とを備えたプリズムで構成されている。第１面５1が射出面と第１の反射面とを兼ね備えた面として、第２面５2が第２の反射面として、第３面５3が入射面として夫々構成されている。そして、観察光学系５は、反射型画像表示素子２、透過型ＨＯＥ３を経た光が第３面４3で屈折してプリズム内に入射し、第１面５1で反射し、第２面５2で反射した後、第１面５1で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳６の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
更に、第２実施例では、光源１と透過型ＨＯＥ３との間に正のパワーを有するフレネルレンズ７が配置されている。
【００８６】
光源１であるＬＥＤから射出した光は、フレネルレンズ７によって集光された後、図示省略した偏光子を介して透過型ＨＯＥ３に入射する。
透過型ＨＯＥ３で回折された光は、反射型画像表示素子２を照明する。その光は反射型画像表示素子２を介して変調されて再び透過型ＨＯＥ３に入射してそのまま透過型ＨＯＥ３を透過し、観察光学系５を介して観察者の眼球に導かれる。
【００８７】
その他、ＨＯＥ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。
【００８８】
次に、第２実施例の数値データを示す。なお、数値データ中“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＦＬＳ面”はフレネルレンズ面を示している。
0004902065.tif 000013
【００８９】
0004902065.tif 000014
【００９０】
0004902065.tif 000015
【００９１】
0004902065.tif 000016
【００９２】
0004902065.tif 000017
0004902065.tif 000018
【００９３】
条件式中のパラメータ値
α＝60.1
β＝2.6
γ＝24.8
Ｆ＝4.79
【００９４】
第３実施例
図７は本発明の参考例としての第３実施例に係る画像表示装置の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
第３実施例の画像表示装置は、光源１と、光源１から射出した光を受けて反射光を形成することで画像を表示する反射型画像表示素子２と、光源１と反射型画像表示素子２との間に配置され、光源１から射出した光を反射型画像表示素子２に導く照明光学系３と、少なくとも一面に回転非対称面を有する観察光学系５とを備えている。
照明光学系３は、透過型の体積型ホログラム（ＨＯＥ）で構成されている。
観察光学系５は、第１面５1と、第２面５2と、第３面５3とを備えたプリズムで構成されている。第１面５1が射出面と第１の反射面とを兼ね備えた面として、第２面５2が第２の反射面として、第３面５3が入射面として夫々構成されている。そして、観察光学系５は、反射型画像表示素子２、透過型ＨＯＥ３を経た光が第３面５3で屈折してプリズム内に入射し、第１面５1で反射し、第２面５2で反射した後、第１面５1で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳６の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
更に、第３実施例では、光源１と透過型ＨＯＥ３に至る光路中に正のパワーを有するフレネルレンズ７と凹面鏡９が配置されている。
凹面鏡９は、観察光学系５と反射型画像表示素子２との間の空間に、反射型画像表示素子２側の軸外光線のマージナル光線を遮ることがないように配置されている。
【００９５】
光源１であるＬＥＤから射出した光は、フレネルレンズ７によって集光され、凹面鏡９に入射し、凹面鏡９によって光路が屈曲されると同時に集光作用を受け、その後、図示省略した偏光子を介して透過型ＨＯＥ３に入射する。
透過型ＨＯＥ３で回折された光は、反射型画像表示素子２を照明する。その光は反射型画像表示素子２を介して変調されて再び透過型ＨＯＥ３に入射してそのまま透過型ＨＯＥ３を透過し、観察光学系５を介して観察者の眼球に導かれる。
【００９６】
その他、ＨＯＥ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。
【００９７】
次に、第３実施例の数値データを示す。なお、数値データ中“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＦＬＳ面”はフレネルレンズ面を示している。
0004902065.tif 000019
【００９８】
0004902065.tif 000020
【００９９】
0004902065.tif 000021
【０１００】
0004902065.tif 000022
【０１０１】
0004902065.tif 000023
0004902065.tif 000024
【０１０２】
条件式中のパラメータ値
α＝60.1
β＝2.6
γ＝24.8
Ｆ＝5.57
Ｆou＝9.19
【０１０３】
なお、本発明の観察光学系に用いるプリズムは、上記実施例のタイプのものに限定されるものではなく、図９〜図１９に示すようなプリズムを用いてもよい。
【０１０４】
図９の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４とを備え、第１面３２が射出面として、第２面３３が反射面として、第３面３４が入射面として夫々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第３面３４で屈折してプリズム内に入射し、第２面３３で反射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１０５】
図１０の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４とを備え、第１面３２が第１の反射面と射出面とを兼ね備えた面として、第２面３３が第３の反射面と入射面とを兼ね備えた面として、第３面３４が第２の反射面として夫々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第２面３３で屈折してプリズム内に入射し、第１面３２で反射し、第３面３４で反射した後、第２面３３で反射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１０６】
図１１の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備え、第１面３２が射出面として、第２面３３が第３の反射面として、第３面３４が入射面と第２の反射面とを兼ね備えた面として、第４面３５が第１の反射面として夫々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第３面３４で屈折してプリズム内に入射し、第４面３５で反射した後、第３面３４で反射し、第２面３３で反射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１０７】
図１２の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備え、第１面３２が射出面として、第２面３３が同一面上の異なる位置に第１の反射面と第３の反射面とを備えた面として、第３面３４が第２の反射面として、第４面３５が入射面として夫々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第４面３５で屈折してプリズム内に入射し、第２面３３に備わる第１の反射面で反射し、第３面３４で反射した後、第２面３３に備わる第３の反射面で反射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１０８】
図１３の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備え、第１面３２が射出面として、第２面３３が入射面と第２の反射面とを兼ね備えた面と、第４の反射面とを同一面上の異なる位置に備えた面として、第３面３４が第３の反射面として、第４面３５が第１の反射面として夫々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第２面３３に備わる入射面で屈折してプリズム内に入射し、第４面３５で反射した後、第２面３３に備わる第２の反射面で反射し、第３面３４で反射した後、第２面３３に備わる第４の反射面で反射し、第１面３２で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１０９】
図１４の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４とを備え、第１面３２が第１の反射面と、第３の反射面と射出面とを兼ね備えた面とを同一面上の異なる位置に備えた面として、第２面３３が第４の反射面として、第３面３４が入射面と第２の反射面とを兼ね備えた面として夫々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第３面３４に備わる入射面で屈折してプリズム内に入射し、第１面３２に備わる第１の反射面で反射した後、第３面３４に備わる第２の反射面で反射し、第１面３２に備わる第３の反射面で反射し、第２面３３で反射した後、第１面３２に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１１０】
図１５の場合は、プリズムＰは、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４とを備え、第１面３２が入射面と第２の反射面とを兼ね備えた面と、第４の反射面と射出面とを兼ね備えた面とを同一面上の異なる位置に備えた面として、第２面３３が第５の反射面として、第３面３４が第１の反射面と第３の反射面とを兼ね備えた面として夫々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第１面３２に備わる入射面で屈折してプリズム内に入射し、第３面３４に備わる第１の反射面で反射した後、第１面３２に備わる第２の反射面で反射し、第３面３４に備わる第３の反射面で反射した後、第１面３２に備わる第４の反射面で反射し、第２面３３で反射した後、第１面３２に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１１１】
図１６の場合は、プリズムＰは第１面３２と、第２面３３と、第３面３４、第４面３５とを備え、第１面３２が第２の反射面と射出面とを兼ね備えた面として、第２面３３が第３の反射面として、第３面３４が第１の反射面として、第４面３５が入射面として夫々構成されている。そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第４面３５で屈折してプリズム内に入射し、第３面３４で反射した後、第１面３２に備わる第２の反射面で反射し、第２面３３で反射した後、第１面に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１１２】
図１７の場合は、プリズムＰは第１プリズムＰ１と第２プリズムＰ２とで構成されている。第１プリズムＰ１は、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備え、第１面３２が第１プリズムＰ１における第２の反射面と射出面とを兼ね備えた面として、第２面３３が第１プリズムＰ１における第３の反射面として、第３面３４が第１プリズムＰ１における第１の反射面として、第４面３５が第１プリズムＰ１における入射面として夫々構成されている。また、第２プリズムＰ２は、第１面４１と、第２面４２と、第３面４３とを備え、第１面４１が第２プリズムＰ２における第１の反射面と射出面を兼ね備えた面として、第２面４２が第２プリズムＰ２における第２の反射面として、第３面４３が第２プリズムＰ２における入射面として夫々構成されている。
【０１１３】
そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第２プリズムＰ２の第３面４３で屈折してプリズム内に入射し、第３面４３に備わる第１の反射面で反射し、第２面４２で反射した後、第１面４１で屈折してプリズム外に射出し、さらに、第１プリズムＰ１の第４面３５で屈折してプリズム内に入射し、第３面３４で反射した後、第１面３２に備わる第２の反射面で反射し、第２面３３で反射した後、第１面３２に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１１４】
図１８の場合は、プリズムＰは第１プリズムＰ１と第２プリズムＰ２とで構成されている。第１プリズムＰ１は、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備え、第１面３２が第１プリズムＰ１における第２の反射面と射出面とを兼ね備えた面として、第２面３３が第１プリズムＰ１における第３の反射面として、第３面３４が第１プリズムＰ１における第１の反射面として、第４面３５が第１プリズムＰ１における入射面として夫々構成されている。また、第２プリズムＰ２は、第１面４１と、第２面４２と、第３面４３と、第４面４４とを備え、第１面４１が第２プリズムＰ２における射出面として、第２面４２が第２プリズムＰ２における第２の反射面として、第３面４３が第２プリズムＰ２における第１の反射面として、第４面４４が第２プリズムＰ２における入射面として夫々構成されている。
【０１１５】
そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第２プリズムＰ２の第４面４４で屈折してプリズム内に入射し、第３面４３で反射し、第２面４２で反射し、第１面４１で屈折してプリズム外に射出し、さらに、第１プリズムＰ１の第４面３５で屈折してプリズム内に入射し、第３面３４で反射した後、第１面３２に備わる第２の反射面で反射し、第２面３３で反射した後、第１面３２に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。
【０１１６】
図１９の場合は、プリズムＰは第１プリズムＰ１と第２プリズムＰ２とで構成されている。第１プリズムＰ１は、第１面３２と、第２面３３と、第３面３４と、第４面３５とを備え、第１面３２が第１プリズムＰ１における第２の反射面と射出面とを兼ね備えた面として、第２面３３が第１プリズムＰ１における第３の反射面として、第３面３４が第１プリズムＰ１における第１の反射面として、第４面３５が第１プリズムＰ１における入射面として夫々構成されている。また、第２プリズムＰ２は、第１面４１と、第２面４２と、第３面４３と、第４面４４とを備え、第１面４１が第２プリズムＰ２における射出面として、第２面４２が第２プリズムＰ２における第２の反射面として、第３面４３が第２プリズムＰ２における第１の反射面として、第４面４４が第２プリズムＰ２における入射面として夫々構成されている。
【０１１７】
そして、プリズムＰは、ＬＣＤ３６から射出した光が第２プリズムＰ２の第４面４４で屈折してプリズム内に入射し、第３面４３で反射し、第２面４２で反射し、第１面４１で屈折してプリズム外に射出し、さらに、第１プリズムＰ１の第４面３５で屈折してプリズム内に入射し、第３面３４で反射した後、第１面３２に備わる第２の反射面で反射し、第２面３３で反射した後、第１面３２に備わる射出面で屈折してプリズム外に射出し、射出瞳３１の位置においた図示しない観察者の眼球の網膜上に結像するように構成されている。なお、図１８と図１９のプリズムとは、第２プリズムＰ２の第３面と第４面とを結ぶ光路と第１面と第２面とを結ぶ光路とが図１８では、交差しないのに対し、図１９では交差するようになっている点で構成が異なっている。
【０１１８】
次に、以上のような本発明による観察装置は、具体的には、頭部装着型画像表示装置等に適用される。以下にその実施形態を例示する。
【０１１９】
その一例として、図２０に頭部装着型で両眼装着用の画像表示装置を観察者の頭部に装着した状態を、図２１にその断面図を示す。この構成は、本発明による例えば図５に示した観察光学系を、図２１に示すように、接眼光学系１００として用いており、この接眼光学系１００を左右一対用意し、それらを眼幅距離だけ離して支持することにより、両眼で観察できる据え付け型又は頭部装着型画像表示装置のようなポータブル型の画像表示装置１０２として構成されている。
【０１２０】
すなわち、画像表示装置１０２には、上記のような観察光学系が接眼光学系１００として用いられ、その接眼光学系１００が左右一対備えられ、それらに対応して像面に液晶表示素子からなる反射型画像表示素子２が配置されている。そして、画像表示装置１０２には、図２０に示すように、左右に連続して図示のような側頭フレーム１０３が設けられ、画像表示装置１０２を観察者の眼前に保持できるようになっている。なお、図２１に示すように、接眼光学系１００の射出瞳と観察光学系４の射出面４1との間にカバー部材９１が配置されている。このカバー部材９１としては、平行平面板、正レンズあるいは負レンズの何れを用いてもよい。
【０１２１】
また、側頭フレーム１０３にはスピーカ１０４が付設されており、画像観察と共に立体音響を聞くことができるようになっている。このようにスピーカ１０４を有する画像表示装置１０２には、映像音声伝達コード１０５を介してポータブルビデオカセット等の再生装置１０６が接続されており、観察者はこの再生装置１０６を図示のようにベルト箇所等の任意の位置に保持して、映像音響を楽しむことができるようになっている。図２０の符号１０７は再生装置１０６のスイッチ、ボリューム等の調節部である。なお、画像表示装置１０２の内部には映像処理、音声処理回路等の電子部品を内蔵させてある。
【０１２２】
なお、コード１０５は先端をジャックにして、既存のビデオデッキ等に取り付け可能としてもよい。さらに、ＴＶ電波受信用チューナーに接続してＴＶ鑑賞用としてもよいし、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、コンピュータからのメッセージ映像等を受信するようにしてもよい。また、邪魔なコードを排斥するために、アンテナを接続して外部からの信号を電波によって受信するようにしてもよい。
【０１２３】
さらに、本発明による観察光学系は、接眼光学系を左右何れか一方の眼前に配置した片眼用の頭部装着型画像表示装置に用いてもよい。図２２にその片眼装着用の画像表示装置を観察者の頭部に装着（この場合は、左眼に装着）した状態を示す。この構成では、接眼光学系１００を１組備えた画像表示装置１０２が前フレーム１０８の対応する眼の前方位置に取り付けられ、その前フレーム１０８には左右に連続して図示のような側頭フレーム１０３が設けられており、画像表示装置１０２を観察者の片眼前に保持できるようになっている。その他の構成は図２０の場合と同様であるので、説明は省略する。
【０１２４】
以上説明したように、本発明の光学系は、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。
【０１２５】
（１）前記ホログラフィック素子が、体積型ホログラムで構成され、それぞれ異なる波長に対応した回折パターンを有する複数のホログラム層の積層構造を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の画像表示装置。
【０１２６】
（２）前記ホログラフィック素子が、３層に分かれた体積ホログラムの積層構造を有していることを特徴とする上記（１）に記載の画像表示装置。
【０１２７】
（３）前記ホログラフィック素子が、２層に分かれた体積ホログラムの積層構造を有していることを特徴とする上記（２）に記載の画像表示装置。
【０１２８】
（４）前記ホログラフィック素子が、電気的に回折作用のスイッチングを行うようことを特徴とする請求項１〜４、上記（１）〜（３）のいずれかに記載の画像表示装置。
【０１２９】
（５）前記第２のホログラフィック素子が、反射型のホログラムであることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の画像表示装置。
【０１３０】
（６）前記観察光学系が、自由曲面光学系を有していることを特徴とする請求項１〜７、上記（１）〜（５）のいずれかに記載の画像表示装置。
【０１３１】
（７）前記観察光学系が、プリズム光学系を有していることを特徴とする請求項１〜７、上記（１）〜（６）のいずれかに記載の画像表示装置。
【０１３２】
（８）前記観察光学系が、回折光学素子を備えていることを特徴とする請求項１〜７、上記（１）〜（７）のいずれかに記載の画像表示装置。
【０１３３】
（９）前記観察光学系が、回折光学面を有していることを特徴とする請求項１〜７、上記（１）〜（８）のいずれかに記載の画像表示装置。
【０１３４】
（１０）前記少なくとも１つの正のパワーを有する光学素子が、フレネルレンズであることを特徴とする請求項４、請求項４に従属する上記（１）〜（４）、（６）〜（９）のいずれかに記載の画像表示装置。
【０１３５】
（１１）前記フレネルレンズの焦点距離Ｆが、次の条件式(4)を満足することを特徴とする上記（１０）に記載の画像表示装置。
３ｍｍ＜Ｆ＜５０ｍｍ                                    ……(4)
【０１４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の画像表示装置によれば、照明光学系の構成を簡単にすると共に小型化した画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本第１の発明における照明光の光路の説明図である。
【図２】本第２の発明における照明光の光路の説明図である。
【図３】本第３の発明における照明光の光路の説明図である。
【図４】本第５の発明に係る画像表示装置の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図５】本発明の第１実施例に係る画像表示装置の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図６】本発明の第２実施例に係る画像表示装置の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図７】  本発明の参考例としての第３実施例に係る画像表示装置の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図８】本発明におけるＨＯＥを定義するための原理図である。
【図９】本発明の観察光学系に適用可能なプリズムの一例を示す図である。
【図１０】本発明の観察光学系に適用可能なプリズムの他の例を示す図である。
【図１１】本発明の観察光学系に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１２】本発明の観察光学系に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１３】本発明の観察光学系に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１４】本発明の観察光学系に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１５】本発明の観察光学系に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１６】本発明の観察光学系に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１７】本発明の観察光学系に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１８】本発明の観察光学系に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図１９】本発明の観察光学系に適用可能なプリズムのさらに他の例を示す図である。
【図２０】本発明の反射型画像表示素子を用いた頭部装着型で両眼装着用の画像表示装置を観察者の頭部に装着した状態を示す図である。
【図２１】図２０の画像表示装置の断面図である。
【図２２】本発明の反射型画像表示素子を用いた頭部装着型で片眼装着用の画像表示装置を観察者の頭部に装着した状態を示す図である。
【図２３】反射型液晶表示素子を用いた画像表示装置の一従来例を示す概念図である。
【図２４】反射型液晶表示素子を用いた画像表示装置の他の従来例を示す概念図である。
【図２５】反射型液晶表示素子を用いた画像表示装置のさらに他の従来例を示す概念図である。
【符号の説明】
１                光源
２                反射型画像表示素子
３                透過型ホログラフィック素子（透過型ＨＯＥ）
４                軸上主光線
５                観察光学系
５1，３２，４１    第１面
５2，３３，４２    第２面
５3，３４，４３    第３面
６，３１          射出瞳（観察者の瞳）
７                正のパワーを有する光学系
８                反射型ホログラフィック素子
９                凹面鏡
３５，４４        第４面
３６              ＬＣＤ
９１              カバー部材
１００            接眼光学系
１０２            画像表示装置
１０３            側頭フレーム
１０４            スピーカ
１０５            映像音声伝達コード
１０６            再生装置
１０７            調節部
１０８            前フレーム
Ｐ，Ｐ１，Ｐ２    プリズム
【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】
0004902065.tif 000029
【図６】
0004902065.tif 000030
【図７】
0004902065.tif 000031
【図８】
0004902065.tif 000032
【図９】
0004902065.tif 000033
【図１０】
0004902065.tif 000034
【図１１】
0004902065.tif 000035
【図１２】
0004902065.tif 000036
【図１３】
0004902065.tif 000037
【図１４】
0004902065.tif 000038
【図１５】
0004902065.tif 000039
【図１６】
0004902065.tif 000040
【図１７】
0004902065.tif 000041
【図１８】
0004902065.tif 000042
【図１９】
0004902065.tif 000043
【図２０】
0004902065.tif 000044
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
0004902065.tif 000048
【図２５】
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