(57)【要約】【課題】映像光の波面が外部の異物Ｐに起因して乱れるのを簡単な構成で防止し、観察される映像の品位が異物Ｐに起因して低下するのを回避する。【解決手段】接眼プリズム２１の面２１ｂを保護する保護基板３２と、その保護基板３２を支持する支持部材３３とを設ける。保護基板３２は、接眼プリズム２１の面２１ｂと空気層を介して配置される。これにより、面２１ｂを挟む２つの媒質に屈折率差が確実に生じ、外部の異物Ｐの面２１ｂへの直接の付着が保護基板３２で防止される。したがって、接眼プリズム２１の内部を導光される映像光は、面２１ｂにて確実に全反射され、映像光の波面が異物Ｐに起因して乱れることがない。しかも、支持部材３３は、面２１ｂにおける非全反射領域２１ｂ2と接触して保護基板３２を支持するので、面２１ｂの全反射領域２１ｂ1での映像光の全反射が支持部材３３で妨げられることがない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像を表示する表示素子と、
表示素子からの映像光を内部で導光して光学瞳に導く導光部材を有する接眼光学系とを備えた映像表示装置であって、
導光部材は、表示素子からの映像光を全反射させる領域を含む全反射面と、全反射面にて全反射された映像光を反射させて光学瞳に導く反射面とを有しており、
該映像表示装置は、全反射面を保護する保護手段をさらに備えており、
保護手段は、
全反射面と空気層を介して配置される保護基板と、
全反射面における、映像光が全反射されない領域と接触して保護基板を支持する支持部材とを有していることを特徴とする映像表示装置。
【請求項２】
導光部材は、外光を透過させることを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
【請求項３】
保護基板は、透明であることを特徴とする請求項２に記載の映像表示装置。
【請求項４】
接眼光学系は、導光部材の反射面を介して接合され、導光部材での外光の屈折を相殺するための補正部材をさらに有していることを特徴とする請求項２または３に記載の映像表示装置。
【請求項５】
支持部材は、保護基板が導光部材および補正部材の両者と空気層を介して対向するように、補正部材における保護基板側の面の周縁部とさらに接触して保護基板を支持していることを特徴とする請求項４に記載の映像表示装置。
【請求項６】
全反射面は、導光部材における光学瞳とは反対側の第１の面と、光学瞳側の第２の面とで構成されており、
保護手段は、第１の面および第２の面に対応して設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項７】
保護基板は、光学的パワーを持っていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項８】
保護基板は、支持部材に着脱可能に支持されることを特徴とする請求項７に記載の映像表示装置。
【請求項９】
映像を表示する表示素子と、
表示素子からの映像光を内部で導光して光学瞳に導く導光部材を有する接眼光学系とを備えた映像表示装置であって、
導光部材は、表示素子からの映像光を全反射させる全反射面と、全反射面にて全反射された映像光を反射させて光学瞳に導く反射面とを有しており、
該映像表示装置は、全反射面を保護する保護手段をさらに備えており、
保護手段は、全反射面上に被覆される、撥水性を有する透明な撥水膜を有していることを特徴とする映像表示装置。
【請求項１０】
導光部材は、外光を透過させることを特徴とする請求項９に記載の映像表示装置。
【請求項１１】
保護手段は、導光部材と空気層を介して配置される、取り外し可能なアタッチメント部材をさらに有しており、
アタッチメント部材における導光部材側の面には、親水性を有する親水膜が被覆されていることを特徴とする請求項１０に記載の映像表示装置。
【請求項１２】
保護手段は、導光部材と空気層を介して配置される、取り外し可能なアタッチメント部材をさらに有しており、
アタッチメント部材における導光部材側の面には、撥水性を有する撥水膜が被覆されていることを特徴とする請求項１０に記載の映像表示装置。
【請求項１３】
接眼光学系は、導光部材の反射面を介して接合され、導光部材での外光の屈折を相殺するための補正部材をさらに有していることを特徴とする請求項１０から１２のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項１４】
補正部材は、導光部材の全反射面と同一面に位置する面を有しており、
補正部材の上記の面には、親水性を有する膜が被覆されていることを特徴とする請求項１３に記載の映像表示装置。
【請求項１５】
導光部材は、平行平板を含んで構成されていることを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項１６】
導光部材の反射面は、体積位相型の反射型ホログラム光学素子が形成された面であり、
上記ホログラム光学素子は、表示素子からの映像光を回折反射させて光学瞳に導くと同時に、外光を透過させて光学瞳に導くことを特徴とする請求項１から１５のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項１７】
上記ホログラム光学素子は、軸非対称な正の光学的パワーを有していることを特徴とする請求項１６に記載の映像表示装置。
【請求項１８】
請求項１から１７のいずれかに記載の映像表示装置と、
上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを有していることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示素子にて表示された映像を虚像として観察者に提供する映像表示装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも称する）とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
表示素子からの映像光と、外界像の光（外光）とを接眼光学系を介して同時に観察者の瞳に導く、いわゆるシースルー型のＨＭＤは、従来から種々提案されている。特に、特許文献１のＨＭＤでは、接眼光学系を構成する基板の表面に、例えば多層膜からなる減光膜を設け、この減光膜により、基板内部での全反射によって導光される映像光の光量ロスを増大させることなく外光を減光し、外界が明るいときの表示映像の視認性を高めるようにしている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１６２７６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、例えば、雨などの悪天候下の屋外でＨＭＤを使用しているとき、接眼光学系の基板表面に水滴（雨滴）が付着すると、基板内部を導光される映像光は、基板表面を透過して水滴に入射し、その後水滴と空気層との界面で反射されて再び基板内部に進入したり、あるいはこの水滴を透過して外部に射出される。いずれにしても、基板内部を導光される映像光は、上記の水滴に起因して、基板と空気層との界面での全反射時の正規の光路から外れる。このため、観察者によって観察される映像の品位が低下する。また、例えば、接眼光学系の基板表面に指を触れた場合でも、指の油分が基板表面に付着することによって映像光の光路が乱れるため、上記と同様に映像品位の低下が起こる。したがって、接眼光学系の基板表面に付着する外部の異物に起因して、基板内部を導光される映像光の波面が乱れることがないように、何らかの対策を講じることが必要である。
【０００５】
この点、特許文献１では、基板表面の減光膜により、映像光の光量ロスが低減されるので、外部の異物の付着によって映像光の波面が乱れるのをある程度防止することができるものと思われる。しかし、このような減光膜（多層膜）を構成するためには、多層膜を構成する材料、各層の層厚、各層の屈折率、層数などを適切にコントロールしなければならず、所望の特性を有する減光膜を構成することが難しい。したがって、外部異物に起因する映像光の波面の乱れを、より簡単な構成で防止できるようにすることが望まれる。
【０００６】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、映像光の波面が外部の異物に起因して乱れるのを簡単な構成で防止することができ、これによって、観察される映像の品位が上記異物に起因して低下するのを回避することができる映像表示装置と、その映像表示装置を備えたＨＭＤとを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の映像表示装置は、映像を表示する表示素子と、表示素子からの映像光を内部で導光して光学瞳に導く導光部材を有する接眼光学系とを備えた映像表示装置であって、導光部材は、表示素子からの映像光を全反射させる領域を含む全反射面と、全反射面にて全反射された映像光を反射させて光学瞳に導く反射面とを有しており、該映像表示装置は、全反射面を保護する保護手段をさらに備えており、保護手段は、全反射面と空気層を介して配置される保護基板と、全反射面における、映像光が全反射されない領域と接触して保護基板を支持する支持部材とを有していることを特徴としている。
【０００８】
上記の構成によれば、表示素子からの映像光は、接眼光学系の導光部材の内部を導光され、全反射面（特に全反射領域）で全反射された後、反射面で反射されて光学瞳に導かれる。したがって、光学瞳の位置では、観察者は、表示素子の表示映像の虚像を観察することができる。
【０００９】
また、全反射面を保護する保護手段の保護基板は、全反射面と空気層を介して配置されているので、全反射面を挟む２つの媒質に屈折率差を確実に生じさせながら、外部の異物（例えば雨滴などの水滴や、手の油分などの油滴）の全反射面への直接の付着を保護基板で防止することができる。したがって、導光部材の内部を導光される映像光は、全反射面にて確実に全反射され、映像光の波面が上記異物に起因して乱れることがない。その結果、保護基板を全反射面と空気層を介して配置するという簡単な構成で、観察される表示映像の品位が上記異物に起因して低下するのを回避することができる。
【００１０】
また、保護基板は、全反射面と接触する支持部材によって支持されるので、全反射面と保護基板との間に空気層を確実に介在させながら、その空気層の厚さ、すなわち、全反射面と保護基板との距離を最小限に小さくすることが容易となる。その結果、装置の小型化を容易に図りつつ、上述の本発明の効果を得ることができる。しかも、支持部材は、全反射面における、映像光が全反射されない領域と接触するので、全反射面での映像光の全反射を支持部材が妨げることがなく、映像光を確実に全反射させることができる。
【００１１】
本発明の映像表示装置において、導光部材は、外光を透過させる構成であってもよい。この場合、観察者は、表示素子の表示映像の虚像を観察しながら、外界像をシースルーで観察することが可能となる。
【００１２】
本発明の映像表示装置において、保護基板は、透明であってもよい。導光部材が外光を透過させる構成において保護基板が透明であれば、保護基板によって外界像の観察が妨げられることがない。
【００１３】
本発明の映像表示装置において、接眼光学系は、導光部材の反射面を介して接合され、導光部材での外光の屈折を相殺するための補正部材をさらに有していることが望ましい。この場合、導光部材での外光の屈折が補正部材によって相殺されるので、観察者が観察する外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
【００１４】
本発明の映像表示装置において、支持部材は、保護基板が導光部材および補正部材の両者と空気層を介して対向するように、補正部材における保護基板側の面の周縁部とさらに接触して保護基板を支持していることが望ましい。この場合、支持部材の稜線の位置が光学瞳の中心を通る軸から離れるため（視野の中心から遠ざかるため）、観察者は、外界像を観察する際でも、その稜線を視認しにくくなり、外界像を良好に観察することが可能となる。
【００１５】
本発明の映像表示装置において、全反射面は、導光部材における光学瞳とは反対側の第１の面と、光学瞳側の第２の面とで構成されており、保護手段は、第１の面および第２の面に対応して設けられていてもよい。
【００１６】
導光部材の全反射面を構成する第１の面および第２の面と対応して保護手段が設けられているので、導光部材の両面への外部異物の直接の付着を防止することができ、映像光の波面の乱れを確実に防止することができる。
【００１７】
本発明の映像表示装置において、保護基板は、光学的パワーを持っていてもよい。この場合、保護手段に、外部異物に起因する映像品位の低下防止機能と、観察者の視度補正機能との両方の機能を持たせることができる。
【００１８】
本発明の映像表示装置において、保護基板は、支持部材に着脱可能に支持されていてもよい。この場合、使用する観察者に対応した光学的パワーを有する保護基板を用いることが可能となり、使用する観察者に対応した視度補正が可能となる。
【００１９】
本発明の映像表示装置は、映像を表示する表示素子と、表示素子からの映像光を内部で導光して光学瞳に導く導光部材を有する接眼光学系とを備えた映像表示装置であって、導光部材は、表示素子からの映像光を全反射させる全反射面と、全反射面にて全反射された映像光を反射させて光学瞳に導く反射面とを有しており、該映像表示装置は、全反射面を保護する保護手段をさらに備えており、保護手段は、全反射面上に被覆される、撥水性を有する透明な撥水膜を有していることを特徴としている。
【００２０】
上記の構成によれば、表示素子からの映像光は、接眼光学系の導光部材の内部を導光され、全反射面で全反射された後、反射面で反射されて光学瞳に導かれる。したがって、光学瞳の位置では、観察者は、表示素子の表示映像の虚像を観察することができる。
【００２１】
また、全反射面を保護する保護手段は、全反射面上に被覆される撥水膜を有しているので、外部の異物に起因する映像光の波面の乱れを防止することができる。つまり、外部の異物が例えば水滴であれば、その異物の全反射面への直接の付着を撥水膜で防止するとともに、その水滴を撥水膜で小さくして飛散させることができる。したがって、導光部材の内部を導光される映像光は、全反射面にて確実に全反射され、映像光の波面が上記の水滴に起因して乱れることがない。その結果、全反射面上に撥水膜を被覆するという簡単な構成で、観察される表示映像の品位が上記異物に起因して低下するのを回避することができる。また、撥水膜は透明であるので、例えば導光部材が外光を透過させる場合には、観察者は外界像も観察することが可能となる。
【００２２】
本発明の映像表示装置において、導光部材は、外光を透過させる構成であってもよい。この場合、観察者は、表示素子の表示映像の虚像を観察しながら、外界像をシースルーで観察することが可能となる。
【００２３】
本発明の映像表示装置において、保護手段は、導光部材と空気層を介して配置される、取り外し可能なアタッチメント部材をさらに有しており、アタッチメント部材における導光部材側の面には、親水性を有する親水膜が被覆されていてもよい。
【００２４】
取り外し可能なアタッチメント部材としては、例えば光学的パワーを有するアタッチメントレンズや、外光の透過率を調整するための半透過板を考えることができる。導光部材とアタッチメント部材との間には空気層が介在しているが、この空気層に例えば雨滴などの水滴が浸入したとしても、その異物は導光部材側には付着せず（撥水膜があるため）、親水膜のあるアタッチメント部材側に付着する。したがって、映像光の波面が上記の水滴に起因して乱れるのを確実に防止することができる。
【００２５】
本発明の映像表示装置において、保護手段は、導光部材と空気層を介して配置される、取り外し可能なアタッチメント部材をさらに有しており、アタッチメント部材における導光部材側の面には、撥水性を有する撥水膜が被覆されていてもよい。
【００２６】
取り外し可能なアタッチメント部材としては、上記と同様に、例えば光学的パワーを有するアタッチメントレンズや、外光の透過率を調整するための半透過板を考えることができる。導光部材とアタッチメント部材との間には空気層が介在しているが、この空気層に例えば雨滴などの水滴が浸入したとしても、その水滴は導光部材およびアタッチメント部材の両者に付着せず（それぞれに撥水膜があるため）、落下することとなる。したがって、映像光の波面が上記の水滴に起因して乱れるのを確実に防止することができる。
【００２７】
本発明の映像表示装置において、接眼光学系は、導光部材の反射面を介して接合され、導光部材での外光の屈折を相殺するための補正部材をさらに有していてもよい。この場合、導光部材での外光の屈折が補正部材によって相殺されるので、観察者が観察する外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
【００２８】
本発明の映像表示装置において、補正部材は、導光部材の全反射面と同一面に位置する面を有しており、補正部材の上記の面には、親水性を有する膜が被覆されていてもよい。この場合、導光部材の全反射面上の撥水膜で弾かれた水滴は、補正部材の面上に被覆された親水膜で捕まえられるので、水滴が補正部材の面上でコロコロと移動することがなく、その水滴が目障りになることがない。
【００２９】
本発明の映像表示装置において、導光部材は、平行平板を含んで構成されていることが望ましい。この場合、導光部材を薄く構成して、接眼光学系ひいては映像表示装置を小型化することが可能となる。
【００３０】
本発明の映像表示装置において、導光部材の反射面は、体積位相型の反射型ホログラム光学素子が形成された面であり、上記ホログラム光学素子は、表示素子からの映像光を回折反射させて光学瞳に導くと同時に、外光を透過させて光学瞳に導く構成であってもよい。体積位相型の反射型ホログラム光学素子は、反射波長域が狭く、外光の透過率が高いので、観察者は、表示映像（虚像）を観察しながら、明るい外界像をシースルーで観察することが可能となる。
【００３１】
本発明の映像表示装置において、上記ホログラム光学素子は、軸非対称な正の光学的パワーを有していることが望ましい。軸非対称でかつ正の光学的パワーをホログラム光学素子に持たせれば、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めることができ、装置を小型化することが容易となる。
【００３２】
本発明のヘッドマウントディスプレイは、上述した本発明の映像表示装置と、上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを有していることを特徴としている。この構成では、映像表示装置が支持手段にて支持されるので、観察者は映像表示装置から提供される映像をハンズフリーで長時間安定して観察することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、保護基板と支持部材とを用いて全反射面を保護したり、撥水膜で全反射面を保護することにより、外部の異物の全反射面への直接の付着を防止することができる。したがって、導光部材の内部を導光される映像光は、全反射面にて確実に全反射され、映像光の波面が上記異物に起因して乱れることがない。その結果、保護手段の簡単な構成で、観察される表示映像の品位が上記異物に起因して低下するのを回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
〔実施の形態１〕
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００３５】
（１．ＨＭＤの構成）
図２は、本実施形態に係るＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。ＨＭＤは、映像表示装置１と、支持手段２とで構成されている。なお、図２では、便宜上、後述する保護手段の図示を省略している。
【００３６】
映像表示装置１は、少なくとも光源１１および表示素子１４（ともに図３参照）を内包する筐体３を有している。この筐体３は、接眼光学系４の一部を保持している。接眼光学系４は、後述する接眼プリズム２１および偏向プリズム２２の貼り合わせによって構成されており、全体として眼鏡の一方のレンズ（図２では右眼用レンズ）のような形状をしている。また、映像表示装置１は、筐体３を貫通して設けられるケーブル（図示せず）を介して、光源１１および表示素子１４に少なくとも駆動電力および映像信号を供給するための回路基板（図示せず）を有している。
【００３７】
支持手段２は、眼鏡のフレームに相当するものであり、観察者の側頭部に当接した状態で映像表示装置１を観察者の眼前で支持する。より詳しくは、支持手段２は、映像表示装置１の接眼光学系４を観察者の一方の眼（例えば右眼）の前で支持するとともに、ダミーレンズ５を観察者の他方の眼（例えば左眼）の前で支持する。また、支持手段２は、左右の鼻当て６も含んでいる。
【００３８】
観察者がＨＭＤを頭部に装着し（支持手段２を観察者の側頭部に当接させて、映像表示装置１を観察者の眼前に位置させ）、表示素子１４に映像を表示すると、その映像光が接眼光学系４を介して光学瞳に導かれる。これにより、光学瞳の位置では、観察者は、映像表示装置１の映像を虚像として観察することができる。また、これと同時に、観察者は、接眼光学系４を介して、外界像をシースルーで観察することができる。なお、映像表示装置１を２つ用いて両眼で映像を観察できるようにしてもよい。
【００３９】
また、映像表示装置１が支持手段２によって観察者の眼前で支持されるので、観察者はハンズフリーとなり、映像や外界像を観察しながら空いた手で所望の作業を行うことができる。以下、映像表示装置１の詳細について説明する。
【００４０】
（２．映像表示装置の構成）
図３は、映像表示装置１の概略の構成を示す断面図である。映像表示装置１は、光源１１と、一方向拡散板１２と、集光レンズ１３と、表示素子１４と、上述した接眼光学系４とを有している。なお、図３においても、便宜上、後述する保護手段の図示を省略している。
【００４１】
光源１１、一方向拡散板１２、集光レンズ１３および表示素子１４は、図２に示した筐体３内に収容されており、後述する接眼プリズム２１の一部も筐体３内に位置している。また、光源１１、一方向拡散板１２および集光レンズ１３で照明光学系が構成されるが、この照明光学系の中に、必要に応じてＤＯＥ（回折光学素子）を配置してもよい。
【００４２】
なお、以下での説明の便宜上、方向を以下のように定義しておく。まず、表示素子１４の表示領域の中心と、接眼光学系４によって形成される光学瞳Ｅの中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とする。そして、光源１１から光学瞳Ｅまでの光路を展開したときの光軸方向をＺ方向とする。また、接眼光学系４の後述するホログラム光学素子２３の光軸入射面に垂直な方向をＸ方向とし、ＺＸ平面に垂直な方向をＹ方向とする。なお、ホログラム光学素子２３の光軸入射面とは、ホログラム光学素子２３における入射光の光軸と反射光の光軸とを含む平面、すなわち、ＹＺ平面を指す。なお、ＸＹＺの各方向において、正負は問わないものとする。
【００４３】
光源１１は、表示素子１４を照明するものであり、例えば、光強度のピーク波長および光強度半値の波長幅で４６２±１２ｎｍ（Ｂ光）、５２５±１７ｎｍ（Ｇ光）、６３５±１１ｎｍ（Ｒ光）となる３つの波長帯域の光を発するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。このように、光源１１が所定の波長幅の光を出射することにより、表示素子１４を照明して得られる映像光に所定の波長幅を持たせることができ、後述するホログラム光学素子２３にて映像光を回折させたときに、光学瞳Ｅの位置にて観察画角全域にわたって観察者に映像を観察させることができる。また、光源１１の各色についてのピーク波長は、ホログラム光学素子２３の後述する回折効率のピーク波長の近傍に設定されており、光利用効率の向上が図られている。
【００４４】
また、光源１１は、ＲＧＢの光を出射するＬＥＤで構成されているので、光源１１を安価に実現することができるとともに、表示素子１４を照明したときに、表示素子１４にてカラー映像を表示することが可能となり、そのカラー映像を観察者に提供することが可能となる。また、各ＬＥＤは、発光波長幅が狭いので、そのようなＬＥＤを複数用いることにより、色再現性が高く、明るい映像表示が可能となる。
【００４５】
一方向拡散板１２は、光源１１からの出射光を拡散させるものであるが、その拡散度は方向によって異なっている。より詳細には、一方向拡散板１２は、Ｘ方向には入射光を約４０゜拡散させ、Ｙ方向には入射光を約０．５゜拡散させる。
【００４６】
集光レンズ１３は、一方向拡散板１２にて拡散された光をＹ方向に集光するシリンダレンズで構成されており、その拡散光が効率よく光学瞳Ｅを形成するように配置されている。
【００４７】
表示素子１４は、光源１１からの出射光を画像データに応じて変調して映像を表示するものであり、光が透過する領域となる各画素をマトリクス状に有する透過型の液晶表示素子で構成されている。表示素子１４は、矩形の表示領域の長辺方向がＸ方向となり、短辺方向がＹ方向となるように配置されている。なお、表示素子１４は、反射型であってもよい。反射型の表示素子１４としては、例えば反射型の液晶表示素子や、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device；米国テキサスインスツルメント社製）を用いることができる。
【００４８】
接眼光学系４は、表示素子１４の表示映像の拡大虚像を観察者に提供する拡大光学系であり、接眼プリズム２１と、偏向プリズム２２と、ホログラム光学素子２３とを有して構成されている。
【００４９】
接眼プリズム２１は、表示素子１４からの映像光を内部で導光して光学瞳Ｅに導く一方、外光を透過させる導光部材であり、偏向プリズム２２とともに、例えばアクリル系樹脂で構成されている。この接眼プリズム２１は、平行平板の下端部を楔状にし、その上端部を厚くした形状で構成されている。つまり、接眼プリズム２１は、平行平板を含んで構成されている。また、接眼プリズム２１は、その下端部に配置されるホログラム光学素子２３を挟むように、偏向プリズム２２と接着剤で接合されている。
【００５０】
接眼プリズム２１は、光学面としての面２１ａ〜面２１ｄを有している。面２１ａは、表示素子１４からの映像光が入射する入射面である。面２１ｂ・２１ｃは、互いに平行に配置されており、面２１ａを介してプリズム内部に入射した映像光を全反射させる全反射面である。面２１ｄは、ホログラム光学素子２３が形成された面であり、面２１ｂ・２１ｃにて全反射された映像光を反射させて光学瞳Ｅに導く反射面である。
【００５１】
偏向プリズム２２は、平面視で略Ｕ字型の平行平板で構成されており（図２参照）、接眼プリズム２１の下端部および両側面部（左右の各端面）と貼り合わされたときに、接眼プリズム２１と一体となって略平行平板となるものである。偏向プリズム２２は、接眼プリズム２１の面２１ｄを介して接合されて、接眼プリズム２１での外光の屈折を相殺するための補正部材である。このような偏向プリズム２２を用いることにより、観察者が接眼光学系４を介して観察する外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
【００５２】
つまり、例えば、接眼プリズム２１に偏向プリズム２２を接合させない場合、外光は接眼プリズム２１の楔状の下端部を透過するときに屈折するので、接眼プリズム２１を介して観察される外界像に歪みが生じる。しかし、接眼プリズム２１に偏向プリズム２２を接合させて一体的な略平行平板を形成することで、外光が接眼プリズム２１の楔状の下端部を透過するときの屈折を偏向プリズム２２でキャンセルすることができる。その結果、シースルーで観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
【００５３】
なお、接眼プリズム２１および偏向プリズム２２の互いに対向する２面は、平面であってもよいし、曲面であってもよい。上記２面を曲面とすれば、接眼光学系４に矯正眼鏡レンズとしての機能を持たせることもできる。
【００５４】
ホログラム光学素子２３は、表示素子１４からの映像光（３原色に対応した波長の光）を回折反射させて光学瞳Ｅに導くと同時に、外光を透過させて光学瞳Ｅに導く、体積位相型の反射型ホログラムである。このホログラム光学素子２３は、例えば、回折効率のピーク波長および回折効率半値の波長幅で４６５±５ｎｍ（Ｂ光）、５２１±５ｎｍ（Ｇ光）、６３４±５ｎｍ（Ｒ光）の３つの波長域の光を回折（反射）させるように作製されている。ここで、回折効率のピーク波長とは、回折効率がピークとなるときの波長のことであり、回折効率半値の波長幅とは、回折効率が回折効率ピークの半値となるときの波長幅のことである。
【００５５】
反射型のホログラム光学素子２３は、高い波長選択性を有しており、上記波長域（露光波長近辺）の波長の光しか回折反射しないので、回折反射される波長以外の波長を含む外光はホログラム光学素子２３を透過することになり、高い外光透過率を実現することができる。
【００５６】
また、ホログラム光学素子２３は、軸非対称な正の光学パワーを有している。つまり、ホログラム光学素子２３は、正のパワーを持つ非球面凹面ミラーと同様の機能を持っている。これにより、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めて装置を容易に小型化することができるとともに、良好に収差補正された映像を拡大虚像として観察者に提供することができる。
【００５７】
（３．映像表示装置の動作）
次に、上記構成の映像表示装置１の動作について説明する。光源１１から出射された光は、一方向拡散板１２にて拡散され、集光レンズ１３にて集光されて表示素子１４に入射する。表示素子１４に入射した光は、画像データに基づいて各画素ごとに変調され、映像光として出射される。つまり、表示素子１４には、カラー映像が表示される。
【００５８】
表示素子１４からの映像光は、接眼光学系４の接眼プリズム２１の内部にその上端面（面２１ａ）から入射し、対向する２つの面２１ｂ・２１ｃで複数回全反射されて、ホログラム光学素子２３に入射する。ホログラム光学素子２３に入射した光は、そこで反射され、面２１ｃを透過して光学瞳Ｅに達する。したがって、光学瞳Ｅの位置では、観察者は、表示素子１４に表示された映像の拡大虚像を観察することができる。
【００５９】
一方、接眼プリズム２１、偏向プリズム２２およびホログラム光学素子２３は、外光をほとんど全て透過させるので、観察者はこれらを介して外界像を観察することができる。したがって、表示素子１４に表示された映像の虚像は、外界像の一部に重なって観察されることになる。
【００６０】
このように、映像表示装置１では、表示素子１４から出射される映像光を接眼プリズム２１内での全反射によって導光し、ホログラム光学素子２３を介して観察者の瞳に導くので、通常の眼鏡レンズと同様に、接眼プリズム２１および偏向プリズム２２の厚さを３ｍｍ程度にすることができ、映像表示装置１を小型化、軽量化することができる。また、表示素子１４からの映像光を内部で全反射させる接眼プリズム２１を用いることにより、高い外光の透過率を確保して、明るい外界像を観察者に提供することができる。さらに、接眼プリズム２１は、平行平板を含んで構成されているので、接眼プリズム２１自体を薄く構成することができ、映像表示装置１ひいてはＨＭＤを小型化することができる。
【００６１】
また、体積位相型の反射型のホログラム光学素子２３は、回折効率半値の波長幅が狭く、回折効率が高いので、このようなホログラム光学素子２３を用いることにより、色純度が高く、明るい映像を提供することができるとともに、外光の透過率が高くなるので、観察者は明るい外界像を観察することができる。また、光源１１と光学瞳Ｅとの共役関係が変更されないので、映像光の波長が変化せず、色再現性の高い映像を提供することができる。
【００６２】
また、上記の説明からもわかるように、ホログラム光学素子２３は、表示素子１４からの映像光と外光とを同時に観察者の瞳に導くコンバイナとして機能している。これにより、観察者は、ホログラム光学素子２３を介して、表示素子１４から提供される映像と外界像とを同時に観察することができる。
【００６３】
（４．保護手段について）
次に、保護手段について説明する。図１は、本実施形態の映像表示装置１の主要部を保護手段３１も含めて模式的に示す断面図である。同図に示すように、映像表示装置１は、保護手段３１を有している。保護手段３１は、接眼光学系４の接眼プリズム２１の全反射面（面２１ｂ・２１ｃの少なくとも一方）を保護するものであり、本実施形態では、保護基板３２と、支持部材３３とを有して構成されている。なお、保護基板３２と支持部材３３とは、別々に構成されて互いに着脱可能（離接可能）であってもよいし、一体的に構成されてもよい。
【００６４】
保護基板３２は、透明で薄い平行平板で構成されており、例えば接眼プリズム２１および偏向プリズム２２における保護基板３２と対向する側の面２１ｂ・２２ｂと空気層を介して配置されている。なお、面２２ｂは、面２１ｂと同一面上に位置している。
【００６５】
支持部材３３は、接眼プリズム２１の全反射面における、映像光が全反射されない領域と接触して保護基板３２を支持している。つまり、接眼プリズム２１の全反射面である面２１ｂが、表示素子１４からの映像光が入射して全反射される全反射領域２１ｂ1と、全反射されない（映像光が入射しない）非全反射領域２１ｂ2とを有しているとすると、支持部材３３は、面２１ｂの非全反射領域２１ｂ2と接触して保護基板３２を支持している。なお、支持部材３３は、少なくとも非全反射領域２１ｂ2と接触していればよく、図１に示すように、さらに偏向プリズム２２の面２２ｂと接触していてもよい。
【００６６】
このように、保護基板３２は、接眼プリズム２１の面２１ｂと空気層を介して配置されているので、面２１ｂを挟む２つの媒質である接眼プリズム２１と空気層との間で、屈折率差が確実に生じる。しかも、雨滴や手の油分などの外部の異物Ｐの面２１ｂへの直接の付着が保護基板３２で防止される。したがって、この２つの理由により、表示素子１４からの映像光は、接眼プリズム２１では面２１ｂにて確実に全反射されて内部を導光される。よって、この映像光の波面が異物Ｐに起因して乱れることがなく、映像光は正規の光路で光学瞳Ｅに導かれる。それゆえ、光学瞳Ｅの位置で観察される映像の品位が異物Ｐに起因して低下するのを、面２１ｂと空気層を介して保護基板３２を設けるという簡単な構成で回避することができる。
【００６７】
また、保護基板３２は、面２１ｂと接触する支持部材３３によって支持されるので、面２１ｂと保護基板３２との間に空気層を確実に介在させながら、その空気層の厚さ、すなわち、面２１ｂと保護基板３２との距離を最小限に小さくすることが容易となる。その結果、装置の小型化を容易に図りつつ、上述の効果を得ることができる。しかも、支持部材３３は、面２１ｂの非全反射領域２１ｂ2と接触しているので、支持部材３３によって映像光の面２１ｂ（特に全反射領域２１ｂ1）での全反射が妨げられることがなく、映像光を確実に全反射させて接眼プリズム２１内を導光することができる。
【００６８】
なお、面２１ｂと保護基板３２と支持部材３３とで囲まれる空間（上記の空気層）は、異物Ｐとしての水滴の浸入を防ぐ点では密閉されていることが望ましいが、密閉が必ずしも必要とされるわけではない。水滴は下方から上方へは浸入しにくいので、例えば支持部材３３の下部（偏向プリズム２２の面２２ｂの下端部との接触部）には開口が形成されていてもよい。
【００６９】
ところで、図４（ａ）は、図１の映像表示装置１の接眼光学系４の水平断面図を示し、図４（ｂ）は、その接眼光学系４の光学瞳Ｅとは反対側からの平面図を示している。また、図５（ａ）は、他の映像表示装置１の接眼光学系４の水平断面図を示し、図５（ｂ）は、その接眼光学系４の光学瞳Ｅとは反対側からの平面図を示している。なお、ここでは、保護基板３２は、面２１ｂ・２２ｂの全体を覆っているものとする。また、図４（ｂ）および図５（ｂ）では、便宜上、保護基板３２の図示を省略するとともに、支持部材３３をハッチングで示している。
【００７０】
図４（ａ）（ｂ）では、支持部材３３は、保護基板３２が接眼プリズム２１および偏向プリズム２２の両者と空気層を介して対向するように、面２１ｂの非全反射領域２１ｂ2（図１参照）に加えて、さらに面２２ｂの周縁部と接触して保護基板３２を支持している。一方、図５（ａ）（ｂ）では、支持部材３３は、保護基板３２と面２１ｂとの間にのみ空気層が介在するように、少なくとも偏向プリズム２２の面２２ｂの全体と接触して保護基板３２を支持している。
【００７１】
図５（ａ）（ｂ）の構成では、接眼プリズム２１と偏向プリズム２２との接合線部と対応して、支持部材３３の稜線Ｌが現れる。この稜線Ｌが現れる位置は、光学瞳Ｅの中心を通る軸に近く、視野の中心に近いことから、観察者はこの稜線Ｌを視認しやすくなる。これに対して、図４（ａ）（ｂ）の構成では、支持部材３３の稜線Ｌの位置が光学瞳Ｅの中心を通る軸から離れて、視野の中心から遠ざかるため、観察者は、外界像を観察する際でも、その稜線Ｌを視認しにくくなり、外界像を良好に観察することが可能となる。
【００７２】
つまり、接眼プリズム２１の面２１ｂの保護という点では、図４（ａ）（ｂ）および図５（ａ）（ｂ）のどちらの構成でもよいが、さらに外界像を観察しやすくする点では、図４（ａ）（ｂ）の構成のほうが望ましい。
【００７３】
ところで、図６は、映像表示装置１のさらに他の構成を模式的に示す断面図である。同図に示すように、２つの保護手段３１を接眼光学系４における光学瞳Ｅ側および光学瞳Ｅとは反対側のそれぞれに設ける構成としてもよい。つまり、接眼プリズム２１の面２１ｂ（第１の面）および面２１ｃ（第２の面）と対応して２つの保護手段３１・３１を設ける構成としてもよい。
【００７４】
この構成では、接眼プリズム２１の面２１ｂ・２１ｃへの異物Ｐの直接の付着を防止することができる。つまり、例えば映像表示装置１の持ち運び時やＨＭＤの観察者への装着時には、観察者は、接眼光学系４に両側から指で触れてしまう可能性がある。しかし、その場合でも、図６の構成では、観察者の指が各保護基板３２・３２と接触し、面２１ｂ・２１ｃには直接接触しないので、面２１ｂ・２１に指の油分などの異物Ｐが直接付着することはない。よって、外部の異物Ｐに起因して、面２１ｂ・２１ｃの両面で全反射する映像光の波面が乱れ、観察される映像の品位が低下するのを回避することができる。
【００７５】
また、図７（ａ）（ｂ）は、映像表示装置１のさらに他の構成を模式的に示す断面図である。これらの図に示すように、保護手段３１の保護基板３２は、観察者の視度補正のために光学的パワーを持つ部材（例えばレンズ）で構成されている。なお、図７（ａ）では、接眼プリズム２１に対して光学瞳Ｅとは反対側（面２１ｂ側）の保護手段３１の保護基板３２に光学的パワーを持たせている。一方、図７（ｂ）では、接眼プリズム２１に対して光学瞳Ｅ側（面２１ｃ側）の保護手段３１の保護基板３２に光学的パワーを持たせている。
【００７６】
このように、保護基板３２に光学的パワーを持たせることにより、保護手段３１に、外部の異物Ｐに起因する映像品位の低下防止機能と、観察者の視度補正機能との両方の機能を持たせることができる。このとき、保護基板３２と支持部材３３とは、着脱可能であってもよいし、一体的に構成されてもよい。保護基板３２を支持部材３３に着脱可能に支持すれば、使用する観察者に対応した光学的パワーを有する保護基板３２を用いることが可能となり、使用する観察者に対応した視度補正が可能となる。
【００７７】
また、保護基板３２は、外光の透過率を調整する機能をさらに兼ね備えることもできる。このときの透過率の調整は、一般のサングラスのような減光コーティングによって行ってもよいし、電気的に制御できる液晶シャッタによって行ってもよい。
【００７８】
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態１と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
【００７９】
図８（ａ）は、本実施形態の映像表示装置１の概略の構成を模式的に示す断面図である。また、図８（ｂ）は、この映像表示装置１の接眼光学系４の水平断面図であり、図８（ｃ）は、接眼光学系４の光学瞳Ｅとは反対側からの平面図である。本実施形態では、映像表示装置１の保護手段３１は、撥水膜３４と親水膜３５とを有して構成されている。なお、図８（ｂ）では、接眼光学系４に対して光学瞳Ｅ側の保護手段３１の図示を省略している。
【００８０】
撥水膜３４は、撥水性を有する膜であり、接眼プリズム２１の面２１ｂ・２１ｃ上に被覆されている。また、親水膜３５は、親水性を有する膜であり、偏向プリズム２２の面２２ｂ・２２ｃ上に被覆されている。なお、面２２ｂ・２２ｃは、面２１ｂ・２１ｃとそれぞれ同一面上に位置する面である。
【００８１】
このように、接眼プリズム２１の面２１ｂ・２１ｃ上に撥水膜３４を被覆することにより、外部の異物Ｐが水滴であれば、その水滴の面２１ｂ・２１ｃへの直接の付着を撥水膜３４で防止するとともに、その水滴を撥水膜３４で小さくして飛散させることができる。したがって、接眼プリズム２１の内部を導光される映像光は、面２１ｂ・２１ｃにて確実に全反射され、映像光の波面が上記の水滴に起因して乱れることがない。その結果、面２１ｂ・２１ｃに対して撥水膜３４を被覆するという簡単な構成で、観察される表示映像の品位が水滴に起因して低下するのを回避することができる。
【００８２】
また、撥水膜３４で弾かれた水滴は、偏向プリズム２２の面２２ｂ・２２ｃ上に被覆された親水膜３５で捕まえられるので、水滴が面２２ｂ・２２ｃ上でコロコロと移動することがなく、その水滴が目障りになることがない。なお、親水膜３５を設けた場合、観察者は外界像を多少観察しにくくなるが、観察される映像品位の低下は回避できる。したがって、例えば視覚補助として映像表示装置１を使用したい場合（外界よりも映像をしっかりと観察させる必要がある場合）には、本実施形態の映像表示装置１は非常に有効となる。
【００８３】
なお、本実施形態では、保護手段３１が撥水膜３４と親水膜３５の両方を有している場合について説明したが、最低限、撥水膜３４を有していれば、つまり、面２１ｂ・２１ｃ上に撥水膜３４を被覆すれば、観察映像の品位低下を回避することができる。また、面２１ｂ・２１ｃおよび面２２ｂ・２２ｃ上に撥水膜を被覆する構成としても勿論構わない。
【００８４】
なお、本実施形態では、接眼光学系４の両面に保護手段３１を設けているが、例えば、接眼光学系４に対して光学瞳Ｅとは反対側にのみ保護手段３１を設けるようにしても構わない。ただし、面２１ｂ・２１ｃの両面での全反射で導光される映像光の波面の乱れを確実に防止する観点では、接眼光学系４の両面に保護手段３１を設けることが望ましい。
【００８５】
〔実施の形態３〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態１・２と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
【００８６】
図９（ａ）は、本実施形態の映像表示装置１の概略の構成を模式的に示す断面図であり、図９（ｂ）は、この映像表示装置１の主要部を拡大して示す断面図である。本実施形態の映像表示装置１は、実施の形態２の構成において、保護手段３１がさらにアタッチメント部材３６を有している。
【００８７】
アタッチメント部材３６は、映像表示装置１に対して取り外し可能に装着される付属品であり、ここでは、光学的パワーを有するアタッチメントレンズで構成されている。なお、アタッチメント部材３６は、外光の透過率を調整するための半透過板などの外光透過率制御手段であってもよい。このアタッチメント部材３６は、例えば支持手段２（図２参照）に支持されることにより、接眼プリズム２１と空気層を介して配置される。そして、アタッチメント部材３６における接眼プリズム２１との対向面（面３６ａ）には、親水性を有する親水膜３７が被覆されている。
【００８８】
このように親水膜３７が被覆されたアタッチメント部材３６を、接眼プリズム２１と空気層を介して配置することにより、この空気層に例えば水滴などの異物Ｐが浸入したとしても、接眼プリズム２１の面２１ｂには撥水膜３４が被覆されているため、その水滴は接眼プリズム２１側には付着せず、親水膜３７が被覆されたアタッチメント部材３６側に付着する。したがって、接眼プリズム２１内を導光される映像光の波面が上記の水滴に起因して乱れることがなく、観察映像の品位低下を回避することができる。
【００８９】
また、図１０（ａ）は、映像表示装置１の他の構成を模式的に示す断面図であり、図１０（ｂ）は、この映像表示装置１の主要部を拡大して示す断面図である。この映像表示装置１は、親水膜３７に代えて、撥水性を有する撥水膜３８をアタッチメント部材３６の面３６ａに被覆した以外は、図９（ａ）（ｂ）の映像表示装置１と同様の構成である。
【００９０】
この構成では、接眼プリズム２１とアタッチメント部材３６との間の空気層に異物Ｐとしての水滴が浸入したとしても、面２１ｂおよび面３６ａには撥水膜３４・３８がそれぞれ被覆されているため、その水滴は接眼プリズム２１およびアタッチメント部材３６の両者に付着せずに落下する。したがって、この構成であっても、接眼プリズム２１内を導光される映像光の波面が上記の水滴に起因して乱れることがなく、観察映像の品位低下を回避することができる。
【００９１】
なお、上述した各実施の形態の構成を適宜組み合わせて映像表示装置１やＨＭＤを構成することも勿論可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明は、ＨＭＤに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の実施の一形態に係る映像表示装置の主要部を模式的に示す断面図である。
【図２】上記映像表示装置を有するＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。
【図３】上記映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。
【図４】（ａ）は、上記映像表示装置の接眼光学系の水平断面図であり、（ｂ）は、その接眼光学系の光学瞳とは反対側からの平面図である。
【図５】（ａ）は、他の映像表示装置の接眼光学系の水平断面図であり、（ｂ）は、その接眼光学系の光学瞳とは反対側からの平面図である。
【図６】映像表示装置のさらに他の構成を模式的に示す断面図である。
【図７】（ａ）は、接眼プリズムに対して光学瞳とは反対側の保護手段の保護基板に光学的パワーを持たせた映像表示装置の構成を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、接眼プリズムに対して光学瞳側の保護手段の保護基板に光学的パワーを持たせた映像表示装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図８】（ａ）は、本発明の他の実施の形態に係る映像表示装置の概略の構成を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、上記映像表示装置の接眼光学系の水平断面図であり、（ｃ）は、接眼光学系の光学瞳とは反対側からの平面図である。
【図９】（ａ）は、本発明のさらに他の実施の形態に係る映像表示装置の概略の構成を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、上記映像表示装置の主要部を拡大して示す断面図である。
【図１０】（ａ）は、映像表示装置の他の構成を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、上記映像表示装置の主要部を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
【００９４】
１      映像表示装置
２      支持手段
４      接眼光学系
１４      表示素子
２１      接眼プリズム（導光部材）
２１ｂ    面（全反射面、第１の面）
２１ｂ1   全反射領域
２１ｂ2   非全反射領域
２１ｃ    面（全反射面、第２の面）
２１ｄ    面（反射面）
２２      偏向プリズム（補正部材）
２２ｂ    面
２２ｃ    面
３１      保護手段
３２      保護基板
３３      支持部材
３４      撥水膜
３５      親水膜
３６      アタッチメント部材
３７      親水膜
３８      撥水膜
Ｅ      光学瞳
【図１】
2009145513.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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