(57)【要約】【課題】回折光学素子から発生したフレア光（不要回折光）が観察者によって認識されにくくする。【解決手段】画像表示装置は、原画を表示する表示素子１と、該表示素子からの光を射出瞳に導く光学系ＯＳとを有する。該光学系は、回折光学素子３を含む。表示素子における原画の表示領域の中心から射出瞳の中心に至る軸を光学系の光軸ＡＸＬとし、回折光学素子上の点をＰとし、点Ｐからの回折光線のうちスカラー回折効率が最も高くなる特定波長及び特定回折次数の回折光線を特定回折光線とする。このとき、回折光学素子における点Ｐが属する格子の形状は、特定回折光線が光軸上における射出瞳よりも回折光学素子に対して離れた所定点に向かうように設定されている。【選択図】図１Ｂ
2009092765.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原画を表示する表示素子と、
該表示素子からの光を射出瞳に導く光学系とを有し、
前記光学系は、回折光学素子を含み、
前記表示素子における前記原画の表示領域の中心から前記射出瞳の中心に至る軸を前記光学系の光軸とし、前記回折光学素子上の点をＰとし、前記点Ｐからの回折光線のうちスカラー回折効率が最も高くなる特定波長及び特定回折次数の回折光線を特定回折光線とするとき、
前記回折光学素子における前記点Ｐが属する格子の形状が、前記特定回折光線が前記光軸上における前記射出瞳よりも前記回折光学素子に対して離れた所定点に向かうように設定されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記所定点は、前記射出瞳の位置に配置された観察者の眼球が回転する場合の回転中心に相当す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】
前記回折光学素子は、複数の回折格子層が積層されて構成されてい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。
【請求項４】
前記回折光学素子は、前記光学系においてそれぞれ光学的パワーを有する複数の光学面のうち最も前記射出瞳に近い光学面を構成す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】
前記各格子は、前記回折光学素子における格子ベース面に対して傾斜して回折作用を生じさせる格子面、及び該格子面と該格子に隣り合う格子の格子面との間に形成された格子側面を有し、
前記格子側面は、前記格子面を介して前記所定点に向かう光線が該格子側面に入射しないように前記格子ベース面の法線に対して傾斜していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つ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、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等の画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような画像表示装置では、広画角であること、及び頭部に装着しても違和感や疲労感が少ない小型軽量であることが求められる。ただし、一般に、広画角であるほど、装置のサイズや重量が大きくなり、光学系の収差補正も困難になる。
【０００３】
ＨＭＤ用の光学系の例として、特許文献１には、内部全反射と自由曲面とを併せ用いた単一のプリズムにより構成される光学系が開示されている。この光学系では、表示素子からの画像光を、プリズムの入射面（第１面）で屈折させ、第２面で内部全反射させ、第３面で反射させ、さらに第４面（第２面）で屈折させて観察者の眼に導く。この光学系では、単一のプリズムを用いているため、画像光が屈折面を通過する際に該プリズムの材料の分散に起因して発生する色収差を補正することができない。
色消しを行う手段としては、異なる分散を持つ複数のレンズを組み合わせる方法が知られている。しかし、色消し効果が得られるような分散を持つ材料を選ぶ場合、実質的にガラスを用いざるを得ず、光学系の重量を抑えることが困難になる。これに対し、体積や重量を抑えつつも、効果的な色消しを行うことが可能な回折光学素子（ＤＯＥ）を用いた光学系（特許文献２参照）が開示されている。ただし、カラー画像を表示するために広い波長域の光を用いる場合、画角全域で不要回折光（設計次数とは異なる回折次数の回折光）によるフレア光を抑えることが困難である。
【０００４】
ＤＯＥは、その特性からマイナスの分散を持つことになるため、一般の光学材料で発生した色収差を効果的に補正することができる。ただし、特定の波長及び特定の入射角以外では、回折効率が１００％にならず、不要回折光が発生する。この場合、コントラストの高い画像を表示すると、画像内に不快なフレア光が視認される。また、高周波の画像を表示する場合にそのコントラストが低下する。
【０００５】
これに対し、互いに異なる材料により構成され、異なる設計回折次数を有する複数のＤＯＥ層を近接設置することで、広い波長領域で高い回折効率を実現するいわゆる積層ＤＯＥが従来提案されている。
【特許文献１】特許第２９１１７５０号公報
【特許文献２】特開平９−６５２４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＨＭＤのような画像表示装置用の光学系（以下、ＨＭＤ光学系という）にＤＯＥを用いる場合、ＤＯＥの配置スペースやＤＯＥの製作上の観点から、ＨＭＤ光学系全系のうち最も射出瞳（観察者の眼）に近い位置にＤＯＥを設置することが望ましい。これは、ＨＭＤ光学系には、偏心光学系や回転非対称曲面が用いられることが多いため、これらの複雑な光学曲面上にＤＯＥを形成しようとすると、ＤＯＥ自体の製作が困難になるためである。さらに、ＨＭＤ光学系内における射出瞳から離れた位置に平面状のＤＯＥを配置しても、その格子形状（輪帯形状）が複雑となり、製作が困難になるからである。ＤＯＥをＨＭＤ光学系のうち最も射出瞳に近い位置に配置することで、平面状の基板に回転対称形状の格子輪帯を形成することができ、ＤＯＥを容易に製作することができる。
【０００７】
しかしながら、ＨＭＤ光学系全系のうち最も射出瞳に近い位置にＤＯＥを設置すると、ＤＯＥから射出瞳に向かう回折光線の角度（射出角又は回折角）が各光線によって形成される画角に近い値となる。例えば、ＨＭＤ光学系の光軸（表示素子の中心と射出瞳の中心とを通る光線が辿る直線）上の光線のＤＯＥからの射出角は０である。一方、画角が５０度のＨＭＤ光学系においては、最大画角を構成する光線のＤＯＥからの射出角（回折角）は、２５度近い大きな角度となる。
【０００８】
また、ＤＯＥに、単独で色消し効果を担うだけの光学的パワーを持たせると、高画角での格子ピッチが小さくなる。したがって、よりフレア光が発生し易くなる。
【０００９】
前述したように、積層ＤＯＥを用いることで、広い波長域で高回折効率を確保することは可能である。しかしながら、従来の積層ＤＯＥを用いたＨＭＤ光学系であっても、フレア光の発生が十分に抑制されているとは言えず、さらなるフレア光低減のための改良が求められている。
【００１０】
本発明は、回折光学素子から発生したフレア光（不要回折光）が観察者によって認識されにくくすることができる画像表示装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一側面としての画像表示装置は、原画を表示する表示素子と、該表示素子からの光を射出瞳に導く光学系とを有する。該光学系は、回折光学素子を含む。表示素子における原画の表示領域の中心から射出瞳の中心に至る軸を光学系の光軸とし、回折光学素子上の点をＰとし、点Ｐからの回折光線のうちスカラー回折効率が最も高くなる特定波長及び特定回折次数の回折光線を特定回折光線とするとき、回折光学素子における点Ｐが属する格子の形状は、特定回折光線が光軸上における射出瞳よりも回折光学素子に対して離れた所定点に向かうように設定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、画像表示に用いられる特定回折光線が射出瞳の中心ではなく、それよりも回折光学素子に対して離れた所定点（例えば、眼球の内部の点）に向かうように格子形状が設定される。これにより、観察者が眼球を回転させて画像の周辺領域を観察する場合でも、回折光学素子で発生した不要回折光によるフレア光がほとんど視認されない良好な画像表示を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。
【００１４】
まず、具体的な実施例の説明に先立って、実施例の基本的考え方について説明する。実施例の画像表示装置は、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）やカメラの電子ビューファインダ等の画像観察を行うための装置である。該装置は、原画を表示するＬＣＤパネルや自発光素子等の表示素子と、該表示素子からの光（可視光）を射出瞳に導く光学系（以下、ＨＭＤ光学系という）とを有する。ＨＭＤ光学系は、単層又は積層タイプの回折光学素子を含む。
【００１５】
また、実施例では、表示素子における原画の表示領域の中心からＨＭＤ光学系の射出瞳の中心に至る軸を該ＨＭＤ光学系の光軸という。原画とは、本装置に外部から入力された画像情報に応じた画像である。ＨＭＤ光学系による原画の拡大像が観察者に提示される。
【００１６】
また、本説明では、回折光学素子上のある点をＰとしたとき、該点Ｐからの回折光線のうちスカラー回折効率が最も高くなる（以下、最大となるともいう）特定波長及び特定回折次数の回折光線を特定回折光線という。スカラー回折効率については後述する。
【００１７】
なお、以下の説明には、順光線トレース（以下、順光線トレースという）による説明と、逆光線トレースによる説明とが含まれる。順光線トレースでは、光線が表示素子から射出して回折光学素子（以下、ＤＯＥという）を含むＨＭＤ光学系を介してその射出瞳に到達するものとする。一方、逆光線トレースでは、順光線トレースでの光線の進行方向とは逆方向に光線が進行するものとする。
【００１８】
図１Ａ及び図１Ｂには、従来及び実施例の画像表示装置の基本構成を模式的に示している。これらの画像表示装置では、観察者の眼球５と眼球側から見たＨＭＤ光学系ＯＳの最前面との間の距離（アイレリーフ）をできるだけ長くとるため、ＨＭＤ光学系ＯＳの射出瞳４の位置に眼球５の瞳孔が配置される。ＡＸＬは前述したＨＭＤ光学系ＯＳの光軸である。
【００１９】
ＨＭＤ光学系ＯＳの設計は、射出瞳４の位置から光軸ＡＸＬに沿って又は光軸ＡＸＬに対して所定の画角を持って（光軸ＡＸＬに対して角度をなして）表示素子１に向かう各光線に関して行われる。このことは、ＤＯＥ３の回折格子面の位相関数を決める際も同様である。
【００２０】
ＤＯＥ３は回転対称形状を有する。ＤＯＥ３の回折格子面に形成された複数の格子（同心円状の複数の輪帯：格子輪帯とも称される）の具体的な形状は、上記位相関数に基いて決められる。各格子は、所定の格子ベース面に対して傾斜した格子面、及び該格子面と該格子に隣り合う格子の格子面との間に形成された格子側面とを有する（これらについては後に図を用いて説明する）。
格子の形状とは、主として格子の高さ、すなわち格子ベース面から該格子の格子面と格子側面とが交わる頂点までの高さを意味する。格子高さは、その格子に入射する光線から発生した、画像表示用の光（画像光）として用いられる回折光線（特定回折光線）の回折効率が最も高く（最大に）なるように設定される。
【００２１】
ここで、ＤＯＥ３（回折格子面）上において、その中心（光軸ＡＸＬ上の位置）から径方向距離がｒの位置にある点Ｐが属する格子（格子輪帯）の高さｄ（図４Ａ及び図４Ｂｘ参照）の最適化を考える。
【００２２】
ある格子に入射する光線の波長（例えば、可視波長）をλとし、入射角（格子ベース面に対してなす角度）をθ１とする。また、ＤＯＥ３の格子のピッチをｐとする。さらに、逆光線トレースにおいて、ＤＯＥ３の入射側での屈折率をｎ１（空気の場合は１）とし、出射側での屈折率をｎ２とし、回折次数をｍとし、ｍ次回折光線の回折角をθ２とすると、光路差関数Φは以下の式（１）で表される。
Φ（ｒ，λ）＝｛ｎ１（λ）・ｃｏｓθ１−ｎ２（λ）・ｃｏｓθ２｝・ｄ（ｒ）
…（１）
ただし、θ２＝ｓｉｎ−１［｛ｎ１（λ）・ｓｉｎθ１−ｍ・λ／ｐ｝／ｎ２］である。
【００２３】
そして、スカラー回折効率（スカラー近似の回折効率：以下、単に回折効率という）ηは、
η（ｒ，λ）-＝ｓｉｎｃ２［π・｛  ｍ−Φ（ｒ，λ）／λ｝］        …（２）
となる。
【００２４】
このηが特定回折光線（例えば、ｍ＝１）について最大になるように、各格子の高さｄの値を最適化する。最大の回折効率ηは、１００％であってもよいし、１００％より若干低くてもよい。
【００２５】
従来では、図１Ａにおいて、点Ｐに入射する光線を、ＨＭＤ光学系ＯＳの射出瞳４の中心Ｏから点Ｐに向かう光線とし、この場合のθ１，θ２を用いてηが最大になるようにｄを設定していた。これにより、観察者の視線が光軸方向を向いているときに瞳孔に入射して網膜に到達する特定回折光線の回折効率が最大になり、不要回折光（例えば、ｍ＝０又は２）の回折効率が最も低く（最小に）抑えられる。
【００２６】
しかし、観察者は、表示画像のうちある領域（例えば、表示画像の周辺領域）を観察する際には、その領域の方向に眼球を回転させて該領域を凝視する場合が多い。このとき、通常の光線トレースにおいて、点Ｐから瞳孔の中心（射出瞳４の中心）に向かう光は、図１Ｂに示すように、ＨＭＤ光学系ＯＳの射出瞳４の中心を通る光線ではなく、眼球５の回転中心Ｑ（又はその近傍）を通る光線である。また、逆光線トレースにおいて、この光線がＤＯＥ３上の点Ｐに入射する際の入射角は、図１Ａに示したθ１とは異なるθ１′（＜θ１）となる。
【００２７】
従来では、点Ｐでのｄの値は入射角θ１に対して最適化されており、θ１′で入射する光線に対しては最適化されていない。このため、眼球５が光軸方向を向いた状態から回転して他の方向を観察する場合には、通常の光線トレースにおいて、瞳孔を通じて眼球５内に入射する不要回折光の強度が高くなる。
【００２８】
また、眼球５が光軸方向を向いている（表示画像の中心領域を凝視する）ときに、点Ｐから瞳孔の中心を通る光線は、網膜の中で最も高い感度と空間的分解能を持つ中心窩６と呼ばれる部分の外側の領域に照射される。この場合、仮に僅かに不要回折光が残っている
場合でも、それに対する視認度は低い。
【００２９】
これに対し、眼球５を回転させることで点Ｐからの不要回折光が瞳孔に入射する場合は、その不要回折光が中心窩６に到達するため、僅かな不要回折光でもフレア光として視認され易くなり、良好な画像観察が妨げられる。
【００３０】
この問題を解消するため、実施例では、ＤＯＥ３上の各格子の高さを決める場合に、式（１）におけるθ１，θ２を以下のようにする。すなわち、θ１，θ２を、光軸上において射出瞳４よりもＤＯＥ３に対して離れた位置にある所定点Ｑ′からその格子上の点Ｐに入射する光線（特定回折光線）の入射角を回折角とする。そして、この特定回折光線についての回折効率が最大になるように格子高さｄを決める。
【００３１】
言い換えれば、ＤＯＥ３における点Ｐが属する格子の形状を、順光線トレースにおいて、回折効率が最も高い特定回折光線が光軸ＡＸＬ上における射出瞳４よりもＤＯＥ３に対して離れた所定点Ｑ′に向かうように設定する。
【００３２】
これにより、眼球５が光軸方向を向いた状態から回転して他の方向を観察する場合に、瞳孔に入射する不要回折光が抑えられ、不要回折光が中心窩６に入射しても観察者に視認されにくくなる。また、眼球５が光軸方向を向いて画像中心領域を観察する場合には、瞳孔の中心（射出瞳４の中心）に角度を持って入射する不要回折光が僅かに発生しても、網膜のうち中心窩６から外れた視感度の低い領域に入射するため、フレア光として視認されにくくなる。実際は、特定回折光線以外の不要回折光は網膜上でデフォーカスしているため、さらに視認度が低くなる。
【００３３】
瞳孔から眼球５の回転中心Ｑまでの距離は一般に１０ｍｍ前後と言われている。前述した光軸ＡＸＬ上の「所定点Ｑ′」は、ＨＭＤ光学系ＯＳの射出瞳４から、瞳孔と眼球５の回転中心Ｑとの間の距離だけ離れた点、つまりは回転中心Ｑに相当する点に設定するとよい。ここにいう回転中心Ｑに相当する点は、回転中心Ｑに完全に一致する点だけでなく、回転中心Ｑに一致するとみなせる点又は回転中心Ｑに近接した点も含む意味である。
【００３４】
別の言い方をすれば、眼球側から見たＨＭＤ光学系ＯＳの最前面から射出瞳４までの距離（アイレリーフ）をＬとし、ＨＭＤ光学系ＯＳの最前面から所定点Ｑ′までの距離をＬ′としたときに、Ｌ′＞Ｌを満たせば、一定の効果を得ることができる。
【００３５】
また、本実施例においては、ＤＯＥ３として、互いに異なる材料により構成され、異なる設計回折次数を有する複数の回折格子層が積層されて構成された積層ＤＯＥを用いるとよりよい。以下の説明では、複数の回折格子層の間に中間層としての空気層が介在するタイプの積層ＤＯＥを用いる。ただし、複数の回折格子層の格子面同士が互いに密着していてもよい。
【００３６】
ＤＯＥは、単層では基本的に単一の波長及び回折次数の特定回折光線についてのみ最大の回折効率を達成できる。このため、可視光の３原色の画像を表示する表示素子を用いる場合には、全ての色（波長）で高回折効率を得られず、この結果、色のついたフレア光が発生することになる。
【００３７】
これに対し、上述した積層ＤＯＥを用いることで、３原色の特定回折光線のそれぞれについて（つまりは広い波長領域で）最大の回折効率を得ることが可能となる。図２には、単層ＤＯＥと積層（２層）ＤＯＥの回折効率特性を示す。
【００３８】
このとき、積層ＤＯＥにおける２つの回折格子層の格子輪帯はともに回転対称形状とする。これら２つの回折格子層（以下、射出瞳側から順に第１層及び第２層という）における回折格子面上の中心から径方向距離がｒである点Ｐが属する格子の高さをそれぞれｄ１，ｄ２（図６Ａ及び図６Ｂ参照）とする。また、逆光線トレースにおいて、第１層に入射する光線の波長をλとし、入射角をθ１とし、第１層及び第２層の格子ピッチをｐとする。また、第１層（入射側回折格子層）の屈折率をｎ１とし、中間層（空気層）の屈折率をｎ２とし、第２層（射出側回折格子層）の屈折率をｎ３とする。さらに、第１層での回折次数をｍ１とし、該ｍ１次の回折角をθ２とし、第２層での回折次数をｍ２とし、該ｍ２次の回折角をθ３とする。この場合、第１層及び第２層の光路差関数Φ１，Φ２はそれぞれ、以下のように表される。
【００３９】
Φ１（ｒ，λ）＝｛ｎ１（λ）・ｃｏｓθ１−ｎ２（λ）・ｃｏｓθ２｝・ｄ１（ｒ）
ただし、θ２＝ｓｉｎ−１［｛ｎ１（λ）・ｓｉｎθ１−ｍ１・λ／ｐ｝／ｎ２］である。                                                                     …（３ａ）
Φ２（ｒ，λ）＝｛ｎ２（λ）・ｃｏｓθ２−ｎ３（λ）・ｃｏｓθ３｝・ｄ２（ｒ）
ただし、θ３＝ｓｉｎ−１［｛ｎ２（λ）・ｓｉｎθ２−ｍ２・λ／ｐ｝／ｎ３］である。                                                                     …（３ｂ）
２層合計での回折効率（スカラー近似の回折効率）ηは、
η（ｒ，λ）＝ｓｉｎｃ２［π・｛ｍ−｛Φ１（ｒ，λ）＋Φ２（ｒ，λ）｝／λ｝］…（４）
ただし、ｍ＝ｍ１＋ｍ２である。
【００４０】
このような積層（２層）ＤＯＥを用いる場合でも、第１及び第２層の各格子の高さを、単層ＤＯＥを用いる場合と同様にして決める。すなわち、式（３ａ）（３ｂ）におけるθ１〜θ３を、ＨＭＤ光学系ＯＳの射出瞳４よりもＤＯＥ３に対して離れた光軸ＡＸＬ上の所定点Ｑ′からその格子上の点Ｐに入射する光線（特定回折光線）の入射角及び回折角とする。そして、この特定回折光線についての回折効率が最大になるように格子の高さを決める。
【００４１】
言い換えれば、ＤＯＥ３における点Ｐが属する格子の形状を、順光線トレースにおいて、回折効率が最も高い特定回折光線が光軸ＡＸＬ上における射出瞳４よりもＤＯＥ３に対して離れた所定点Ｑ′に向かうように設定する。
【００４２】
また、本実施例において、ＤＯＥ３を、ＨＭＤ光学系ＯＳにおいてそれぞれ光学的パワーを有する複数の光学面のうち最も射出瞳４に近い光学面を構成するように配置するとよりよい。
【００４３】
本実施例のＨＭＤ光学系ＯＳでも、偏心光学系や回転非対称曲面が用いられる。このため、これらの複雑な光学曲面上にＤＯＥを形成しようとすると、ＤＯＥ自体の製作が困難になる。さらに、ＨＭＤ光学系ＯＳ内における射出瞳４から離れた位置に平面状のＤＯＥを配置しても、その格子形状（輪帯形状）が複雑となり、製作が困難になる。
【００４４】
これに対し、ＤＯＥ３をＨＭＤ光学系ＯＳにおいて光学的パワーを有する複数の光学面のうち最も射出瞳４に近い光学面を構成するように配置することで、平面状の基板に回転対称形状の格子輪帯を形成することによりＤＯＥを容易に製作することができる。
【００４５】
ここで、このようにＤＯＥ３を配置した場合における高画角の光線について考える。例えば、射出瞳４からＤＯＥ３の回折格子面までの光軸ＡＸＬ上の距離を２０ｍｍとし、射出瞳４の中心からＤＯＥ３の回折格子面への対角方向での最大画角（片側）を４０度とする。逆光線トレースにおいて、この最大画角の光線の回折格子面への入射角はそのまま４０度となり、ＤＯＥ３上の入射位置の光軸ＡＸＬからの距離は、
２０×ｔａｎ（４０°）＝１６．７８ｍｍ
となる。
【００４６】
これに対し、最大画角の光線が射出瞳４の中心からの光線ではなく、射出瞳４よりもＤＯＥ３に対して１０ｍｍ離れた所定点Ｑ′を通る光線である場合には、該光線の回折格子面への入射角は、
ｔａｎ−１｛１６．７８／（２０＋１０）｝＝２９．２２°
となる。この入射角は、前者に対して１０度以上も異なる（小さい）。
【００４７】
したがって、前者の場合のように射出瞳４の中心を通る光線について回折効率が最大になるように格子高さを最適化したとすると、実際に該光線の画角方向に眼球５を回転させたときに、無視できないレベルの不要回折光が瞳孔の中心を通って中心窩６に達する。これを防ぐためには、後者の場合のように、射出瞳４よりもＤＯＥ３に対して１０ｍｍ離れた所定点（眼球５の回転中心Ｑに相当する点）Ｑ′を通る光線について回折効率が最大となるように格子高さを最適化することが望ましい。
【００４８】
次に、各格子の形状について説明する。図３Ａ及び図３Ｂには従来のＤＯＥ３上の格子形状を示している。各格子３ａは、格子３ａが形成される基準面としての格子ベース面３ｄに対して傾斜してここを通過する光線を回折させる（つまりは回折作用を生じさせる）格子面３ｂを有する。また、各格子３ａは、その格子３ａの格子面３ｂと該格子３ａに隣り合う格子３ａ′の格子面３ｂ′との間に形成された格子側面３ｃを有する。
【００４９】
図３Ａには、低画角域（光軸ＡＸＬ上及びその近傍の領域）に形成された格子３ａとこれを通過する光線を示し、図３Ｂには高画角域に形成された格子３ａ（３ａ′）とこれを通過する光線を示している。なお、図３Ａ及び図３Ｂは、通常の光線トレースにて示している。
【００５０】
図３Ａ及び図３Ｂでは、格子側面３ｃは、格子ベース面３ｄの法線３ｎ（光軸ＡＸＬ）に平行に形成されている。格子側面８が法線３ｎに平行に形成されていると、図３Ａに示す低画角域の光線は、格子側面３ｃとほぼ平行に進む。また、低画角域での格子ピッチは高画角域の格子ピッチよりも粗い。このため、格子側面３ｃに入射する光線はほとんどなく、光線が格子側面３ｃで反射（又は屈折）することで発生するフレア光も少ない。
【００５１】
一方、図３Ｂに示す高画角域の光線は、ＤＯＥ３に対して斜めに入射し、かつこの領域での格子ピッチが細かい。このため、格子側面３ｃに入射する光線が増加し、該光線が格子側面８で反射することで発生するフレア光（不要光）も増加する。特に、前述したように、ＤＯＥ３がＨＭＤ光学系ＯＳにおいて光学的パワーを有する複数の光学面のうち最も射出瞳４に近い光学面を構成するように配置される場合に、高画角域の光線のＤＯＥ３への入射角が大きくなるため、格子側面８で発生するフレア光が増加し易い。
【００５２】
ここで、特開２００３−２９４９２４号公報には、図４Ａに示すように、格子側面３ｃを格子３ａに対する光線の入射角又は回折角と等しい角度に傾けて、格子側面３ｃへの光線の入射を回避し、回折効率の低下を防ぐ方法が開示されている。
【００５３】
図４Ａに示すように、眼球５の瞳孔がＨＭＤ光学系の射出瞳４の位置にあり、眼球５が光軸方向（画像中心方向）を向いているとする。このときにおけるＤＯＥ３上のある格子３ａの格子側面３ｃの傾き角度（格子ベース面３ｄの法線３ｎに対してなす角度：以下、格子側面角度という）の決め方について説明する。
【００５４】
格子３ａ上の点Ｐから射出瞳４の中心に向かう光線（主光線）が格子ベース面３ｄの法線３ｎに対してなす角度（以下、光線角度という）をθ１とする。格子側面角度が該光線の格子３ａからの入射角（θ１）に等しい場合には、点Ｐからの光線は、格子側面３ｃによって反射されることなく射出瞳４（瞳孔）の中心を通過して網膜に到達する。
【００５５】
ただし、実際には観察者は画像の各領域を観察する際にその領域の方向に眼球５を回転させるため、図４Ｂに示すように、瞳孔の中心を通る光線は、射出瞳４の中心を通る光線ではなく、眼球５の回転中心Ｑ（又はその近傍）を通る光線である。この光線が点Ｐから眼球５の回転中心Ｑ（又はその近傍）に向かうときの光線角度は、図４Ａに示したθ１とは異なるθ１′（＜θ１）である。
【００５６】
図４Ａに示す格子３ａ上の点Ｐからの光線が光線角度θ１′であると、該光線は格子側面３ｃによって反射したり屈折したりして不要光となる。このため、観察者が眼球５を回転させて点Ｐの方向を観察すると、観察される不要光の強度が高くなる。
【００５７】
また、眼球５が光軸方向を向いているときに、点Ｐから瞳孔の中心に至る光線は、網膜のうち中心窩６の外側の領域に到達するため、僅かに不要光が存在しても、視認度は低い。これに対し、眼球５を点Ｐの方向に回転させると、該光線は中心窩６に到達するため、僅かな不要光線でも視認され易くなる。
【００５８】
このため、本実施例では、図４Ｂに示すように、各格子３ａの格子側面３ｃを、格子面３ｂを介して射出瞳４よりもＤＯＥ３に対して離れた所定点Ｑ′に向かう光線が格子側面３ｃに入射しないように格子ベース面３ｄの法線３ｎに対して傾斜させている。
【００５９】
より具体的には、格子面３ｂを通過した後に所定点Ｑ′に向かって進む光線が格子ベース面３ｄの法線ｎに対してなす角度（光線角度）をθ１′とする。そして、格子側面３ｃが格子ベース面３ｄの法線ｎに対してなす角度（格子側面角度）を光線角度と等しい角度（θ１′）とする。これにより、高画角域の光線も格子側面３ｃと平行に進み、光線が格子側面３ｃで反射又は屈折することで発生するフレア光も少なくなる。
【００６０】
ただし、必ずしも光線角度と格子側面角度とが等しい必要はなく、上記所定点Ｑ′に向かう光線が格子側面３ｃに入射しないような格子側面角度が設定されればよい。
【００６１】
このように格子側面角度を設定することにより、眼球５が光軸方向以外の方向に回転したときでも、中心窩６に入射する不要光が少なくなるので、フレア光として視認されにくくなる。逆に、眼球５が光軸方向を向いている場合は、瞳孔の中心（射出瞳４の中心）に角度を持って入射する不要光が僅かに発生していても、該不要光は網膜のうち中心窩６から外れた視感度の低い領域に到達するため、フレア光として視認されにくくなる。実際は、不要光は網膜上ではデフォーカスしているため、さらに視認度は低くなる。
【００６２】
なお、上述した格子側面角度の設定は、積層ＤＯＥにおいても同様に不要光の発生を抑制するために有効である。
【００６３】
例えば、図５に示すように、表示素子側（図の右側）から射出瞳側（図の左側）に順
に、第２層、空気層及び第１層を有する積層ＤＯＥを考える。このとき、第２層の回折格子面への光線の入射角をθ３とし、該第２層の回折格子面からのｍ２次の回折角（第１層への入射角）をθ２とする。また、第１層の回折格子面からのｍ１次の回折角をθ１′とする。第１層から回折角θ１′で射出した光線は、所定点Ｑ′に向かう。
【００６４】
このような積層ＤＯＥにおいて、例えば、第２層の格子側面角度をθ２とし、第１層の格子側面角度をθ１′とすることで、図６Ａに示すように、各層の格子側面での光線の反射や屈折をほぼ回避でき、不要光の発生を抑えることができる。
【００６５】
なお、積層ＤＯＥにおける、格子側面角度は各層からの回折角ではなく、各層への光線の入射角と等しくなるように設定してもよい。具体的には、図６Ｂに示すように、第２層の格子側面角度をθ３とし、第１層の格子側面角度をθ２とするようにしてもよい。さらに、第２層の格子側面角度をθ３とし、第１層の格子側面角度をθ１′としてもよい。これらの場合でも、格子側面での反射や屈折による不要光の発生を抑制することができる。
【００６６】
以下、本発明のより具体的な実施例について説明する。
【実施例１】
【００６７】
図７には、本発明の実施例１である画像表示装置（ＨＭＤ）の構成を示す。１は透過型ＬＣＤや有機ＥＬ等の自発光素子により構成される表示素子である。表示素子１は、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、テレビチューナ等の画像供給装置１０からの画像情報（入力画像）を受けたパネルドライバ１１によって駆動される。これにより表示素子１に入力画像に応じた原画が表示される。
【００６８】
２は光学素子としてのプリズムにより構成された拡大光学系である。拡大光学系２は、入射面２ａ、反射透過兼用面２ｂ及び反射面２ｃとしての３つの偏心自由曲面を有する。
【００６９】
３はガラス基板３ｅ上に形成された、樹脂材料からなる単層ＤＯＥである。拡大光学系２とＤＯＥ３とによりＨＭＤ光学系ＯＳが構成される。４はＨＭＤ光学系ＯＳの射出瞳である。
【００７０】
ＤＯＥ３は、ＨＭＤ光学系ＯＳを構成する光学的パワーを有する４つの面（入射面２ａ、反射透過兼用面２ｂ及び反射面２ｃ及びＤＯＥ３）のうち最も射出瞳４に近い位置に配置されている。
【００７１】
本実施例において、ＨＭＤ光学系ＯＳの画角を５０度とし、射出瞳４をＤＯＥ３の回折格子面から２０ｍｍの位置に設定し、瞳径をφ１４ｍｍとして光学設計を行う。
【００７２】
ＤＯＥ３の格子輪帯は、光軸ＡＸＬ回りに回転対称形状（同心円形状）を有し、回折格子面での位相関数φは、
φ（ｒ）＝Ｃ１・ｒ２＋Ｃ２・ｒ４＋Ｃ３・ｒ６＋Ｃ４・ｒ８
ただし、Ｃ１＝−９．８７９２×１０−４
Ｃ２＝  １．５９８９×１０−７
Ｃ３＝  ２．９６８０×１０−９
Ｃ４＝−４．１１８２×１０−１２
ｒは光軸ＡＸＬからの径方向での距離
となる。
【００７３】
ここで、各格子輪帯の半径Ｒ（ｋ）は、
φ（Ｒ（ｋ））＝−ｋ・λ
を満たすＲ（ｋ）として求められ、格子輪帯間のピッチ（格子ピッチ）ｐ（ｋ）は、
ｐ（ｋ）＝Ｒ（ｋ）−Ｒ（ｋ−１）
で表される。
【００７４】
今、逆光線トレースにおいて、ｋ＝２９０番目の格子輪帯の高さ（格子高さ）ｄを求める。
【００７５】
ＤＯＥの設計波長（特定波長）：λ＝５８７．５６ｎｍ
ＤＯＥの材質の屈折率：ｎ１（λ）＝１．５７０９
とすると、格子輪帯（ｋ＝２９０）の半径Ｒ（２９０）は上記位相関数から、１３．９５８［ｍｍ］となり、格子ピッチｐ（２９０）は２９．６６７［μｍ］となる。そして、射出瞳４よりもＤＯＥ３から離れた光軸ＡＸＬ上の所定点Ｑ′から該格子輪帯（ｋ＝２９０）に入射する光線の入射角をθ１′とし、特定回折次数を１次とし、１次の回折角をθ２とし、所定点Ｑ′が射出瞳４から光軸方向に１０ｍｍの位置にあるとする。
【００７６】
この場合、入射角θ１′は、
θ１′＝ｔａｎ−１｛１３．９５８／（２０＋１０）｝
＝２４．９５１［°］
となる。
【００７７】
また、回折角θ２は、
θ２＝ｓｉｎ−１［｛１・ｓｉｎθ１−１・λ／ｐ｝／ｎ１］
＝１４．８２９［°］
となる。
【００７８】
このときの光路差関数Φは、（１）式に従い、
Φ（Ｒ（２９０），λ）＝｛１・ｃｏｓθ１−ｎ１（λ）・ｃｏｓθ２  ｝・ｄ（２９０）
で表される。
【００７９】
また、回折効率ηは、
η（Ｒ（２９０），λ）-＝ｓｉｎｃ２［π・｛１−Φ（Ｒ（１００），λ）／λ｝］
となる。
【００８０】
このとき、ηを１００％とするためには、格子輪帯（ｋ＝２９０）の高さｄ（２９０）を、
ｄ（２９０）＝１・λ／｛１・ｃｏｓθ１−ｎ１（λ）・ｃｏｓθ２｝  …（５）
＝０．９６０［μｍ］
とすればよい。
【００８１】
仮に、射出瞳４の中心から格子輪帯（ｋ＝２９０）に入射する光線の入射角をθ１とすると、
θ１＝ｔａｎ−１（１３．９５８／２０）
＝  ３４．９１２［°］
となる。この場合、θ２＝２０．５９２［°］となり、回折効率が１００％となる格子高さはｄ＝０．９０３［μｍ］となる。しかし、この格子高さを設定した場合、θ１＝２４．９５１°で入射する光線に対しては、１次回折光の回折効率η（λ）は９８．８５％となり、０次光及び２次光としての不要回折光がそれぞれ、０．３５％及び０．４５％の回折効率で発生する。これは、この格子輪帯の方向に眼球を回転させた場合に、上記量を有する不要回折光が網膜の中心窩６に到達することになり、不要回折光（フレア光）の視認性が高まってしまう。
【００８２】
格子輪帯（ｋ＝２９０）の格子側面の傾き角度（格子側面角度）は、θ１′に等しい２４．９５１［°］とする。
【００８３】
以上のような設定方法により、全ての格子輪帯について格子高さと格子側面角度が設定される。
【実施例２】
【００８４】
図８には、本発明の実施例２である画像表示装置（ＨＭＤ）の構成を示す。１は実施例１と同じ表示素子であり、２も実施例１と同じ拡大光学系である。したがって、拡大光学系２は、入射面２ａ、反射透過兼用面２ｂ及び反射面２ｃとしての３つの偏心自由曲面を有する。
【００８５】
３はガラス基板３ｆ，３ｇ上に形成された、樹脂材料からなる第１回折格子層（以下、第１層という）Ｉ及び第２回折格子層（以下、第２層という）ＩＩを有する積層ＤＯＥである。拡大光学系２とＤＯＥ３とによりＨＭＤ光学系ＯＳが構成される。４はＨＭＤ光学系ＯＳの射出瞳である。
【００８６】
本実施例でも、ＤＯＥ３は、ＨＭＤ光学系ＯＳを構成する光学的パワーを有する４つの面（入射面２ａ、反射透過兼用面２ｂ及び反射面２ｃ及びＤＯＥ３）のうち最も射出瞳４に近い位置に配置されている。
【００８７】
本実施例において、ＨＭＤ光学系ＯＳの画角、射出瞳４のＤＯＥ３の回折格子面からの位置及び瞳径を実施例１のそれらの同じとして光学設計を行う。ＤＯＥ３の格子輪帯は、光軸ＡＸＬ回りに回転対称形状（同心円形状）を有し、回折格子面での位相関数φは、実施例１にて説明したものと同じとする。
【００８８】
本実施例では、積層ＤＯＥ３のうち射出瞳側の回折格子層を第１層Ｉとし、表示素子側の回折格子層を第２層ＩＩとする。また、本実施例では、第１層Ｉが正のパワーを、第２層ＩＩが負のパワーを有する。
【００８９】
第１層Ｉの材料は、屈折率ｎ１（λ）が１．５２４で、分散が５１．５７である。また、第２層ＩＩの材料は、屈折率ｎ２（λ）が１．６３５で、分散が２２．７５である。第１及び第２層Ｉ，ＩＩは、それらの間に空気層を挟んで互いに近接し、かつ回折格子面が互いに向き合うように配置されている。なお、積層ＤＯＥ３の第１及び第２層をＩ，ＩＩをそれぞれ保持するガラス基板３ｆ，３ｇの厚みはそれぞれ３ｍｍとし、屈折率は１．５１６とする。
【００９０】
ＨＭＤ光学系ＯＳの射出瞳４の位置が、第１層側のガラス基板３ｆにおける射出瞳側の面から２０ｍｍの位置にあるとして、逆光線トレースにおいて、ｋ＝２９０番目の格子輪帯の格子高さｄ１，ｄ２を求める。
【００９１】
格子輪帯の半径Ｒ（２９０）は上記位相関数から１３．９５８［ｍｍ］となり、格子ピッチｐ（２９０）は４０．１４５［μｍ］となる。
【００９２】
射出瞳４よりもＤＯＥ３から離れた光軸ＡＸＬ上の所定点Ｑ′から該格子輪帯（ｋ＝２９０）に入射する光線の入射角をθ１′とし、特定回折次数を１次とし、１次の回折角をθ２とし、所定点Ｑ′が射出瞳４から光軸方向に１０ｍｍの位置にあるとする。
【００９３】
この場合、所定点Ｑ′から第１層Ｉの回折格子面上のＲ（２９０）位置への入射角θ１′は、それらの間にガラス基板３ｆが介在するため、
θ１′＝１５．２５８［°］
となる。
【００９４】
このとき、式（４）から求められる積層ＤＯＥの回折効率が広い波長範囲で最大になるように、第１及び第２層をＩ，ＩＩのそれぞれの回折次数を、
ｍ１＝８．５
ｍ２＝−７．５
すなわち、ｍ＝ｍ１＋ｍ２＝１とする。
【００９５】
そして、（５）式と同様にして、各層の格子高さは、
ｄ１＝９．８７５［μｍ］
ｄ２＝７．０８７［μｍ］
と求まる。
【００９６】
一方、射出瞳４の中心から格子輪帯（ｋ＝２９０）に入射する光線の入射角は、θ１＝２０．７３３［°］となる。この場合に回折効率が広い波長範囲で最大になるように、第１及び第２層をＩ，ＩＩのそれぞれの回折次数をｍ１＝８、ｍ２＝−７とし、ｍ１＋ｍ２＝１とする。このときの各層の格子高さは、
ｄ１＝９．３６８［μｍ］
ｄ２＝６．６３０［μｍ］
となる。
【００９７】
図９Ａには、順光線トレースにおいて、回折角θ１＝２０．７３３［°］の１次回折光に対して格子高さが最適化された積層ＤＯＥにおける１次、０次及び２次の回折光の回折効率を点線で示している。この積層ＤＯＥでは、１次回折光に対しては、青、赤及び緑の波長帯域で１００％に近い回折効率が得られる。
【００９８】
しかし、図に実線で示す回折角θ１′＝１５．２５８［°］の１次回折光については、同波長帯域で回折効率が２〜３％低下する。逆に、０次及び２次の不要回折光の回折効率は１％を超える。これは、眼球５が光軸方向を向いているときにはｋ＝２９０の格子輪帯の方向から瞳孔に入射した不要回折光は見えないが、該格子輪帯の方向に眼球５を回転させると不要回折光が顕著に見えるようになることを意味する。
これに対し、図９Ｂには、順光線トレースにおいて、回折角θ１′＝１５．２５８［°］の１次回折光に対して格子高さが最適化された積層ＤＯＥにおける１次、０次及び２次の回折光の回折効率を点線で示している。
【００９９】
この積層ＤＯＥでは、回折角θ１′＝１５．２５８［°］の１次回折光に対しては、青、赤及び緑の波長帯域（特定波長領域）で１００％に近い回折効率が得られる。しかも、０次及び２次の不要回折光の回折効率は１％より低く、０％に近い。したがって、眼球５がｋ＝２９０の格子輪帯の方向に向いている場合には、不要回折光はほとんど視認されない。
【０１００】
なお、この積層ＤＯＥにおいては、図９Ｂ中に実線で示すように、θ１＝２０．７３３［°］での０次及び２次回折光の回折効率は、青及び緑の波長帯域では０．１％以下と非常に少ないものの、赤の波長帯域では１％を超える。ただし、この赤の不要回折光が瞳孔に入射するときの眼球は光軸方向を向いているため、該不要回折光は網膜の中心窩６から外れた領域に到達する。したがって、赤の不要回折光の視認度はきわめて小さく、問題とならない。
【０１０１】
以上説明したように上記実施例では、ＤＯＥ３の格子形状は、画像表示に用いられる特定回折光線が射出瞳４の中心ではなく、それよりもＤＯＥ３に対して離れた所定点に向かうように設定される。したがって、ＤＯＥ３で発生した不要回折光（フレア光）の視認度を低減させることができ。
【０１０２】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１Ａ】従来手法によって格子高さが決められるＤＯＥを用いた画像表示装置の構成図。
【図１Ｂ】本発明の実施例の手法によって格子高さが決められるＤＯＥを用いた画像表示装置の構成図。
【図２】単層ＤＯＥと積層ＤＯＥの回折効率特性を示す図。
【図３Ａ】従来の単層ＤＯＥの光軸近傍部における格子形状を示す断面図。
【図３Ｂ】従来の単層ＤＯＥの周辺部における格子形状を示す断面図。
【図４Ａ】従来（特開２００３−２９４９２４号公報）の単層ＤＯＥにおける格子側面角度を示す断面図。
【図４Ｂ】実施例の単層ＤＯＥにおける格子側面角度を示す断面図。
【図５】積層ＤＯＥにおける光線の回折の様子を示す図。
【図６Ａ】実施例の積層ＤＯＥにおける格子側面角度の例を示す断面図。
【図６Ｂ】実施例の積層ＤＯＥにおける格子側面角度の他の例を示す断面図。
【図７】単層ＤＯＥを用いた実施例の画像表示装置の構成図。
【図８】積層ＤＯＥを用いた実施例の画像表示装置の構成図。
【図９Ａ】従来の積層ＤＯＥの回折効率の例を示す図。
【図９Ｂ】実施例の積層ＤＯＥの回折効率の例を示す図。
【符号の説明】
【０１０４】
１  表示素子
２  拡大光学系
３  ＤＯＥ
３ａ  格子
３ｂ  格子面
３ｃ  格子側面
３ｄ  格子ベース面
４  射出瞳
５  眼球
６  中心窩
Ｑ  眼球の回転中心
Ｑ′  所定点
【図８】
2009092765.tif 000003
【図９Ｂ】
2009092765.tif 000004
【図１Ａ】
2009092765.tif 000005
【図１Ｂ】
2009092765.tif 000006
【図２】
2009092765.tif 000007
【図３Ａ】
2009092765.tif 000008
【図３Ｂ】
2009092765.tif 000009
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
2009092765.tif 000013
【図６Ｂ】
2009092765.tif 000014
【図７】
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【図９Ａ】
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