(57)【要約】【課題】装置の組み立て時等において、表示素子１３の表示面への空気中の異物の付着を低減し、映像品質の劣化を回避する。筐体３０ひいては装置全体を小型、軽量化する。【解決手段】表示素子１３の表示面から接眼プリズム２１側には、透過性カバー１４が空気層を介して配される。これにより、例えば、装置の組み立て時等における筐体３０の取り付け、取り外し時において、空気中の異物は透過性カバー１４に付着し、表示素子１３の表示面には直接付着しにくくなる。また、表示手段１０を覆う筐体３０が、接眼光学系２０の一部を構成する接眼プリズム２１にて支持される構成であるので、表示手段１０と接眼光学系２０の全体とを覆う構成に比べて、筐体３０が小型で軽量となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板を有する虚像接眼光学系と、
透明基板の一端側に配置され、表示素子を有する表示手段と、
表示手段を覆う筐体とを備え、表示手段からの映像光を透明基板の内部で反射させて光学瞳に導く映像表示装置であって、
筐体は、透明基板に支持されており、
表示手段は、表示素子の表示面から透明基板側に空気層を介して配される透過性カバーを有していることを特徴とする映像表示装置。
【請求項２】
透過性カバーと表示面との距離は、虚像接眼光学系による互いの虚像の視度の差が５ディオプタ以上となる距離であ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】
表示手段は、光源と、光源からの光を表示素子に導く照明光学系とをさらに有しており、光源、照明光学系、表示素子および透過性カバーがユニット化された表示ユニットであることを特徴とする請求項１または２に記載の映像表示装置。
【請求項４】
表示ユニットは、表示面と透過性カバーとの間に開口を有さずに形成されていることを特徴とする請求項３に記載の映像表示装置。
【請求項５】
虚像接眼光学系は、軸非対称光学系を含んでいることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項６】
虚像接眼光学系は、体積位相型の反射型ホログラム光学素子を含んでおり、
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５のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項７】
透過性カバーと表示面との距離は、虚像接眼光学系による互いの虚像の視度の差が１０ディオプタ以上となる距離であ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】
表示手段および透明基板は、上記筐体にて位置決めされていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項９】
透過性カバーは、光軸に垂直な面に対して傾斜していることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項１０】
透過性カバーは、光学的機能を有する光学フィルムであることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の映像表示装置。
【請求項１１】
透過性カバーは、ホログラム光学素子における反射時のＳ偏光を透過させる偏光板であることを特徴とする請求項６に記載の映像表示装置。
【請求項１２】
透過性カバーは、入射する直線偏光をＳ偏光に変換して出射する１／２波長板であ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】
請求項１から１２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】
従来から、表示素子からの映像光を接眼光学系を介して観察者の瞳に導く映像表示装置が種々提案されている。中でも、特許文献１および２の映像表示装置は、表示素子および接眼光学系をまとめて１つの筐体で覆う構成となっており、その筐体を観察者の眼前で支持することによってＨＭＤが構成されている。このように表示素子および接眼光学系の全体を１つの筐体で覆うことにより、通常の使用時には（映像の観察時には）、筐体外部の空気中に存在する塵埃等の異物が表示素子（特に表示面）に付着するのを回避することができる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２８１５９３号公報
【特許文献２】特開２００５−２０２０６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、表示素子および接眼光学系の全体を１つの筐体で覆う構成では、例えば、装置の組み立て時や分解時におけるその筐体の取り付け、取り外し時には、空気中の異物が表示素子に付着しやすくなる。異物が表示面に付着すると、観察映像の品質が低下する。また、表示素子および接眼光学系の全体を筐体で覆う構成では、筐体が大型となるため、装置全体が大型になって重くなる。
【０００５】
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、装置の組み立て時等における筐体の取り付け、取り外し時においても、表示素子の表示面への異物の付着を低減して高品質な映像を観察者に観察させることができるとともに、筐体を小型、軽量化して装置全体を小型、軽量化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】
【０００６】
本発明の映像表示装置は、透明基板を有する虚像接眼光学系と、透明基板の一端側に配置され、表示素子を有する表示手段と、表示手段を覆う筐体とを備え、表示手段からの映像光を透明基板の内部で反射させて光学瞳に導く映像表示装置であって、筐体は、透明基板に支持されており、表示手段は、表示素子の表示面から透明基板側に空気層を介して配される透過性カバーを有していることを特徴としている。
【０００７】
上記の構成によれば、表示手段の表示素子からの映像光は、透過性カバーを介して虚像接眼光学系の透明基板に入射し、その内部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、表示素子の表示面に表示された映像の虚像を観察することが可能となる。このとき、表示手段を覆う筐体が、虚像接眼光学系の一部を構成する透明基板に支持される構成を採用しているので、表示手段と虚像接眼光学系の全体とを筐体で覆う構成に比べて、筐体が小型で軽量となる。これにより、小型で軽量の映像表示装置を実現することが可能となる。
【０００８】
また、表示素子の表示面から透明基板側には、透過性カバーが空気層を介して配されているので、例えば、装置の組み立て時や分解時などの筐体の取り付け、取り外し時に、空気中に塵埃やゴミなどの異物が存在していても、それらの異物は透過性カバーに付着し、表示素子の表示面には直接付着しにくくなる。
【０００９】
したがって、上記構成によれば、虚像接眼光学系の全体を筐体で覆わない小型で軽量の映像表示装置でありながら、装置の組み立て時等において表示面への異物の付着を低減して、高品質な映像を観察者に観察させることが可能となる。
【００１０】
本発明の映像表示装置において、透過性カバーと表示面との距離は、虚像接眼光学系による互いの虚像の視度の差が５ディオプタ以上となる距離であることが望ましい。上記視度の差が例えば１ディオプタであれば、透過性カバーに異物が付着したとしたときにその異物が瞬時に観察可能となるが、上記視度の差が５ディオプタであれば、透過性カバーに異物が付着したとしても、その異物は観察されにくくなり、高品質な映像を確実に観察者に観察させることが可能となる。
【００１１】
本発明の映像表示装置において、表示手段は、光源と、光源からの光を表示素子に導く照明光学系とをさらに有しており、光源、照明光学系、表示素子および透過性カバーがユニット化された表示ユニットであってもよい。
【００１２】
表示手段が表示ユニットで構成されることで、表示手段を用いて映像表示装置を組み立てるときの組み立て性を向上させることができる（組み立てが容易となり、低コストとなる）。
【００１３】
本発明の映像表示装置において、表示ユニットは、表示面と透過性カバーとの間に開口を有さずに形成されていることが望ましい。この場合、装置の組み立て時等において、外部からの異物が表示面に付着するのを確実に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、虚像接眼光学系は、軸非対称光学系を含んでいてもよい。この場合、表示素子をはじめとする各光学部材の配置の自由度が大きくなり、良好な光学性能を確保しながら装置を小型化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、虚像接眼光学系は、体積位相型の反射型ホログラム光学素子を含んでおり、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。
【００１６】
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、表示映像（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。また、本発明では、虚像接眼光学系の全体が筐体で覆われないので、外界視野（シースルーで観察可能な領域）を広く確保することができる。
【００１７】
本発明の映像表示装置において、透過性カバーと表示面との距離は、虚像接眼光学系による互いの虚像の視度の差が１０ディオプタ以上となる距離であることが望ましい。この場合、外部からの異物が透過性カバーに付着したとしても、観察者にとってはその異物が確実にピンボケとなり、観察される映像（虚像）の品位が低下するのを確実に防止することができる。
【００１８】
本発明の映像表示装置において、表示手段および透明基板は、上記筐体にて位置決めされていることが望ましい。このように、表示手段および透明基板が共通の部材（筐体）で位置決めされることにより、その位置決めを精度よく行うことができる。
【００１９】
本発明の映像表示装置において、透過性カバーは、光軸に垂直な面に対して傾斜していることが望ましい。なお、上記の光軸とは、表示素子の表示領域の中心と光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を指すものとする。この場合、表示素子の表示面から出射された映像光の透過性カバーでの表面反射光（戻り光）が他の映像光と重畳され、フレアやゴーストが発生するのを抑えることができる。
【００２０】
本発明の映像表示装置において、透過性カバーは、光学的機能を有する光学フィルムであってもよい。なお、上記の光学フィルムとしては、例えば偏光板や１／２波長板を考えることができる。透過性カバーがこのような光学フィルムの光学的機能を兼ねるので、そのような光学フィルムを別途設ける構成に比べて低コストとなる。
【００２１】
本発明の映像表示装置において、透過性カバーは、ホログラム光学素子における反射時のＳ偏光を透過させる偏光板であってもよい。この場合、透過性カバーが偏光板の機能を兼ねるので、そのような偏光板を別途設ける構成に比べて低コストとなる。また、ホログラム光学素子に入射する光をＳ偏光としたので、ホログラム光学素子での回折効率が高く、観察者に明るい映像を観察させることが可能となる。
【００２２】
本発明の映像表示装置において、透過性カバーは、入射する直線偏光をＳ偏光に変換して出射する１／２波長板であってもよい。この場合、表示素子の表示面から出射される光がＳ偏光以外の直線偏光であっても、１／２波長板からなる透過性カバーを透過することによってＳ偏光に変換され、ホログラム光学素子に入射する。これにより、ホログラム光学素子での回折効率が高く、観察者に明るい映像を観察させることが可能となる。なお、１／２波長板の光学軸は、入射する直線偏光の偏光方向に応じて設定されればよい。
【００２３】
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観察することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、虚像接眼光学系の全体を筐体で覆わない小型で軽量の映像表示装置でありながら、装置の組み立て時等における表示素子の表示面への異物の付着を低減して、高品質な映像を観察者に観察させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
〔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。
【００２６】
（１．ＨＭＤの構成）
図２（ａ）は、本実施形態に係るＨＭＤの概略の構成を示す平面図であり、図２（ｂ）は、ＨＭＤの側面図であり、図２（ｃ）は、ＨＭＤの正面図である。ＨＭＤは、映像表示装置１と、それを支持する支持手段２とを有しており、全体として、一般の眼鏡から一方（例えば左目用）のレンズを取り除いたような外観となっている。
【００２７】
映像表示装置１は、観察者に外界像をシースルーで観察させるとともに、映像を表示して観察者にそれを虚像として提供するものである。図２（ｃ）で示す映像表示装置１において、眼鏡の右目用レンズに相当する部分は、接眼プリズム２１と偏向プリズム２２との貼り合わせによって構成されている。なお、映像表示装置１の詳細については後述する。
【００２８】
支持手段２は、映像表示装置１を観察者の眼前（例えば右目の前）で支持する支持部材であり、ブリッジ３と、フレーム４と、テンプル５と、鼻当て６と、ケーブル７と、外光透過率制御手段８とを有している。なお、フレーム４、テンプル５および鼻当て６は、左右一対設けられているが、これらを左右で区別する場合は、右フレーム４Ｒ、左フレーム４Ｌ、右テンプル５Ｒ、左テンプル５Ｌ、右鼻当て６Ｒ、左鼻当て６Ｌのように表現するものとする。
【００２９】
映像表示装置１の一端は、ブリッジ３に支持されている。このブリッジ３は、映像表示装置１のほかにも、左フレーム４Ｌ、鼻当て６および外光透過率制御手段８を支持している。左フレーム４Ｌは、左テンプル５Ｌを回動可能に支持している。一方、映像表示装置１の他端は、右フレーム４Ｒに支持されている。右フレーム４Ｒにおいて映像表示装置１の支持側とは反対側端部は、右テンプル５Ｒを回動可能に支持している。ケーブル７は、外部信号（例えば映像信号、制御信号）や電力を映像表示装置１に供給するための配線であり、右フレーム４Ｒおよび右テンプル５Ｒに沿って設けられている。外光透過率制御手段８は、外光（外界像の光）の透過率を制御するためにブリッジ３に設けられており、映像表示装置１よりも前方（観察者とは反対側）に位置している。
【００３０】
観察者がＨＭＤを使用するときは、右テンプル５Ｒおよび左テンプル５Ｌを観察者の右側頭部および左側頭部に接触させるとともに、鼻当て６を観察者の鼻に当て、一般の眼鏡をかけるようにＨＭＤを観察者の頭部に装着する。この状態で映像表示装置１にて映像を表示すると、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とともに、この映像表示装置１を介して外界像をシースルーで観察することができる。
【００３１】
このとき、外光透過率制御手段８において、外光透過率を例えば５０％以下に低く設定しておけば、観察者は映像表示装置１の映像を観察しやすくなり、逆に、外光透過率を例えば５０％以上に高く設定しておけば、観察者は、外界像を観察しやすくなる。したがって、外光透過率制御手段８における外光透過率は、映像表示装置１の映像および外界像の観察のしやすさを考慮して適宜設定されればよい。なお、外光透過率制御手段８は、必要に応じて設けられればよい。
【００３２】
なお、ＨＭＤは、映像表示装置１を１個だけ備えた構成には限定されず、観察者の両目に対応して映像表示装置１を２個備えた構成であってもよい。つまり、支持手段２は、２個の映像表示装置１を観察者の眼前で支持する構成であってもよい。
【００３３】
（２．映像表示装置の詳細について）
次に、映像表示装置１の詳細な構成について、図１に基づいて説明する。図１は、上記の映像表示装置１の構成を模式的に示す断面図である。映像表示装置１は、表示手段１０と、接眼光学系２０とを有して構成されている。
【００３４】
（２−１．表示手段について）
表示手段１０は、光源１１と、照明光学系１２と、表示素子１３と、透過性カバー１４とを有しており、これらをユニット化した表示ユニットで構成されている。表示手段１０は、接眼光学系２０の接眼プリズム２１の一端側に配置されており、その接眼プリズム２１の一端部で支持される筐体３０で覆われている。
【００３５】
また、表示手段１０は、図示しない位置決め部材を介して筐体３０に位置決めされている。このとき、筐体３０は、接眼プリズム２１に支持されていることから、結局、表示手段１０および接眼プリズム２１は、同じ筐体３０で位置決めされることになる。以下、表示手段１０の各構成について説明する。
【００３６】
なお、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１３の表示領域の中心と、接眼光学系２０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２０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。
【００３７】
光源１１は、ＲＧＢの３原色に対応する波長の光を出射する３つの発光部を有するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。この光源１１は、光学瞳Ｅと共役な位置関係となるように配置されている。
【００３８】
照明光学系１２は、集光レンズ１５と、拡散手段１６とを有している。集光レンズ１５は、Ｙ方向に光源１１からの光を集光して表示素子１３に導く集光手段であり、例えばシリンダレンズで構成されている。拡散手段１６は、光源１１から出射された光を拡散するものであり、本実施形態では、入射光をＸ方向には４０度拡散し、Ｙ方向には０．５度拡散する２枚の一方向拡散板１６ａ・１６ｂで構成されている。
【００３９】
なお、拡散手段１６は、１枚の一方向拡散板で構成されてもよい。また、本実施形態では、拡散手段１６は、集光レンズ１５に対して光源１１とは反対側に配置されているが、光源１１側に配置されてもよい。ちなみに、図３は、集光レンズ１５に対して光源１１側に拡散手段１６を配置した映像表示装置１の断面図であり、図４は、その映像表示装置１の主要部（筐体３０の内部）の外観を示す斜視図である。
【００４０】
図１に示した表示素子１３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、例えば、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ＬＣＤで構成されている。表示素子１３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１３がＬＣＤで構成される場合、最も外側に配置されるカバーガラスの液晶層側の面を、映像が表示される表示面と称することとする。
【００４１】
透過性カバー１４は、表示素子１３からの映像光を透過させて接眼光学系２０に導くものであり、本実施形態では例えばレンズで構成されている。なお、透過性カバー１４の配置位置の詳細については後述する。透過性カバー１４をレンズで構成することにより、後述する接眼光学系２０の光学パワーの一部を透過性カバー１４に持たせることができる。つまり、光学パワーを透過性カバー１４と接眼光学系２０とに分散させることができる。これにより、収差を良好に低減した高品質の映像を観察者に観察させることができる。なお、透過性カバー１４は、光学パワーを有しない透明な基板やフィルムで構成されていてもよい。
【００４２】
以上のように、本実施形態では、表示手段１０を覆う筐体３０が、接眼光学系２０の一部を構成する接眼プリズム２１の一端部で支持されており、表示手段１０および接眼プリズム２１の一端部のみを筐体３０で覆うので、表示手段１０および接眼光学系２０の全体を筐体３０で覆う構成に比べて、筐体３０が小型で軽量となり、小型で軽量の映像表示装置１を実現することが可能となる。また、筐体３０が小型になることにより、装置の組み立て時に空気中の塵埃等の異物が筐体３０内に残留しにくくなり、上記異物に起因して映像品質が低下するのを回避することができる。
【００４３】
また、表示手段１０および接眼プリズム２１は、同じ筐体３０で位置決めされているので、互いの位置決めの精度を高めることができる。映像表示装置１においては、表示手段１０の表示素子１３の表示面と接眼プリズム２１との位置関係はシビアであり、その位置関係がずれると、収差が大きく発生して良好な映像観察ができなくなる。しかし、表示手段１０と接眼プリズム２１とを精度よく位置決めできれば、接眼光学系２０において収差の発生を良好に抑えることができる部分を利用して、映像光を光学瞳Ｅに導くことができるので、良好な映像観察が可能となる。また、表示手段１０と接眼プリズム２１を直接位置決めして予め固定する構成の場合よりも、小型の筐体３０とすることができる。
【００４４】
また、表示手段１０がユニット化されていることにより、映像表示装置１の組み立てが容易となり、装置の製造コストも低減することができる。ここで、本実施形態では、表示手段１０は、少なくとも表示面と透過性カバー１４との間には開口が形成されないようにユニット化されている。上記両者の間に開口が形成されていると、装置の組み立て時等において、空気中の異物が上記開口を介して表示面と透過性カバー１４との間に進入し、上記異物が表示面に付着するおそれがあるが、少なくとも上記両者の間には開口がないので、そのような事態が生ずるのを回避することができる。
【００４５】
なお、表示手段１０は、表示面から光源１１側においては、若干の開口（隙間）を有していてもよい。表示面から光源１１側の位置に開口が形成されている場合は、たとえその開口を介して異物が表示手段１０の内部に進入したとしても、その異物は表示面に届くまでに他の部材に付着し、最終的に表示面に付着することはほとんどないと考えられるからである。また、一般に正視眼で観察しやすいように、虚像は、−３ディオプタ〜０ディオプタ（観察者の瞳位置から距離にして３０ｃｍ〜∞）の位置に設定されるので、表示面よりも光源１１側の異物は＋視度となって正視眼ではピントが合いにくく、観察されにくい。なお、上記のディオプタとは、光学系（例えばレンズ）の焦点距離をメートルで表した値の逆数（−１／ｍ）で表され、視度、すなわち光学系の度数（屈折力）を示す単位として一般的に用いられているものである。
【００４６】
（２−２．接眼光学系について）
次に、接眼光学系２０の詳細について説明する。接眼光学系２０は、表示素子１３に表示される映像の拡大虚像を観察者に提供する虚像接眼光学系であり、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。
【００４７】
接眼プリズム２１は、表示素子１３から透過性カバー１４を介して入射する映像光を内部で全反射させてホログラム光学素子２３を介して光学瞳Ｅに導く一方、外光を透過させて光学瞳Ｅに導く透明基板であり、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下端に近くなるほど薄くして楔状にし、その上端部を上端に近くなるほど厚くした形状で構成されている。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。
【００４８】
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（ｃ）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。この偏向プリズム２２を接眼プリズム２１に接合することにより、観察者が接眼プリズム２１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。
【００４９】
ホログラム光学素子２３は、表示素子１３からの映像光を回折反射させて光学瞳Ｅに導くと同時に、外光をほとんど透過させて光学瞳Ｅに導くものであり、光源１１が発光するＲＧＢの各波長に対応した波長に回折効率のピークを有する体積位相型の反射型ホログラムで構成されている。体積位相型の反射型ホログラムは、反射波長域（回折効率ピークの半値波長幅）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、外界像をシースルーで観察することが可能となる。特に、本実施形態では、上述したように、接眼光学系２０の全体が筐体３０で覆われないので、広いシースルー領域が確保されていることになる。
【００５０】
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おり、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。このように、接眼光学系２０が軸非対称光学系を含む構成であることにより、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観察者に提供することができる。
【００５１】
（２−３．動作について）
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、集光レンズ１５にて集光された後、拡散手段１６でＸ方向にのみ拡散され、ＲＧＢの混色が十分になされた均一な照明光として表示素子１３に入射する。表示素子１３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１３には、カラー映像が表示される。
【００５２】
表示素子１３からの映像光は、透過性カバー１４を透過し、接眼光学系２０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、そこで反射されて光学瞳Ｅに達する。光学瞳Ｅの位置では、観察者は、表示素子１３に表示された映像の拡大虚像を観察することができる。
【００５３】
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、観察者は外界像を観察することができる。したがって、表示素子１３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。
【００５４】
（３．透過性カバーの配置位置について）
次に、上記した表示手段１０の透過性カバー１４の配置位置の詳細について、引き続き図１に基づいて説明する。
【００５５】
透過性カバー１４は、表示素子１３の表示面から接眼プリズム２１側に空気層を介して配置されている。透過性カバー１４と表示面との距離は、接眼光学系２０による互いの虚像の視度の差が５ディオプタ以上となる距離に設定されている。また、透過性カバー１４は、光軸に垂直な面に対して傾斜して設けられている。
【００５６】
このように、透過性カバー１４は、表示面と空気層を介して配置されているので、例えば、装置の組み立て時等における筐体３０の取り付け、取り外し時に、空気中に異物が存在していても、それらの異物は透過性カバー１４に付着し、表示面には直接付着しにくくなる。したがって、上記したように接眼光学系２０の全体を筐体３０で覆わない小型で軽量の映像表示装置１でありながら、装置の組み立て時等において表示面への異物の付着を低減して、高品質な映像を観察者に観察させることが可能となる。また、表示面への異物の付着を低減できるので、筐体３０の全体を密閉する必要もなくなる。
【００５７】
また、表示素子１３としてＬＣＤを用いた場合、カバーガラスが表示面への異物の付着を防止する役目を果たすが、カバーガラスの厚さは、一般に例えば０．５ｍｍ程度と薄い。したがって、映像表示装置１において、接眼光学系２０の焦点距離が例えば２０ｍｍから４０ｍｍ程度に設定されると、カバーガラスの表面に異物が付着した場合には、その異物と表示面とは、接眼光学系２０による互いの虚像の視度の差が１ディオプタ程度の距離差となる。この場合、映像と同時に異物が観察されてしまい、映像品質が損なわれる。なお、カバーガラスの厚さを厚くすることによって、映像品質の低下を回避することも可能であるが、その場合には、厚さの厚い特殊なカバーガラスが必要となって表示素子１３のコストが増大し、また、表示素子１３ひいては装置全体が重くなるので好ましくはない。
【００５８】
しかし、本実施形態では、透過性カバー１４を配置するという簡単な構成で、表示面への異物の付着を低減して、高品質な映像を観察者に観察させることができるので、カバーガラスの厚い特殊な表示素子１３を用いる必要がなく、安価で軽量の映像表示装置１を実現することができる。
【００５９】
また、透過性カバー１４と表示面との距離が、接眼光学系２０による互いの虚像の視度の差が１ディオプタとなる距離であれば、上記したように、装置の組み立て時等において透過性カバー１４に異物が付着したときに、その異物が瞬時に観察可能となる。しかし、本実施形態では、上記両虚像の視度の差は５ディオプタ以上であり、上記の１ディオプタよりも大きい。つまり、表示面に対して、異物が瞬時に観察される位置よりも距離を離して透過性カバー１４を配置していることになる。したがって、例えば装置の組み立て時等において異物が透過性カバー１４に付着したとしても、その異物は観察されにくくなり、高品質な映像を確実に観察者に観察させることが可能となる。
【００６０】
また、５ディオプタは、例えば２０ｃｍと無限遠との距離差に相当するので、観察時に表示映像にピントを合わせたときでも、透過性カバー１４に付着した異物は十分にピンボケとなり、観察されにくくなる。したがって、この点でも、高品質な映像を確実に観察者に観察させることができると言える。
【００６１】
ところで、透過性カバー１４と表示面との距離は、接眼光学系２０による互いの虚像の視度の差が１０ディオプタ以上となる距離であることが望ましい。１０ディオプタは、人間（成人）の目のピントの最大調整範囲を示す。つまり、成人には、表示映像の虚像との視度の差が１０ディオプタ以上となる像は観察されない。したがって、透過性カバー１４と表示面との距離を上記のように設定することにより、異物が透過性カバー１４に付着したとしても、観察者にとってはその異物が確実にピンボケとなり、観察される映像（虚像）の品位が低下するのを確実に防止することができる。
【００６２】
また、本実施形態では、透過性カバー１４は、光軸に垂直な面に対して傾斜して配置されているので、表示素子１３の表示面のある画素から出射された映像光が透過性カバー１４にて表面反射されても、その反射光（戻り光）が、表示面の別の画素から出射された映像光に重畳されるのを抑えることができる。その結果、フレアやゴーストの発生を抑えることができる。
【００６３】
（４．その他）
本実施形態では、筐体３０が接眼プリズム２１の一端部で支持されることにより、接眼プリズム２１の一部が筐体３０で覆われる（隠れる）。そこで、接眼プリズム２１の識別情報（例えば、製造番号など）を、外部から視認できないように、接眼プリズム２１において筐体３０で覆われる部分に記すようにしてもよい。また、接眼プリズム２１と偏向プリズム２２との接合面における接着剤を集める溝（いわゆる接着剤残り）を、筐体３０で隠れる接合部に設けるようにしてもよい。この場合、その他の接合部における接合端を小さくすることができるので、観察者は接眼プリズム２１および偏向プリズム２２を介して外界を良好に観察することが可能となる。
【００６４】
また、表示手段１０の表示素子１３に近接して視野枠を設け、表示素子１３の表示部以外の周囲の不要光を視野枠で遮光するようにしてもよい。そして、さらに、表示素子１３の一部を視野枠で支持して表示素子１３を位置決めする構成としてもよい。この場合、上記の視野枠が位置決め部材を兼ねるので、低コストでありながら、表示素子１３に視野枠が近接しているので、表示素子１３を確実に精度よく位置決めすることができる。
【００６５】
〔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。
【００６６】
図５は、本実施形態の映像表示装置１の概略の構成を示す断面図であり、図６は、図５の映像表示装置１の筐体３０を取り除いた部分の断面図であり、図７は、本実施形態の映像表示装置１の表示手段１０の概略の構成を模式的に示す説明図である。本実施形態では、表示素子１３の代わりに反射型の表示素子１３’を用い、照明光学系１２および透過性カバー１４の構成を若干異ならせた点以外は、実施の形態１と全く同様である。つまり、透過性カバー１４が表示素子１３’の表示面と空気層を介して配置されている点や、表示手段１０がユニット化されている点など、他の構成については、実施の形態１と全く同様である。
【００６７】
表示素子１３’は、反射型の表示素子である。このような表示素子１３’としては、例えば反射型のＬＣＤや、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device；米国テキサスインスツルメント社製）を考えることができる。
【００６８】
照明光学系１２は、反射ミラー１７と偏光板１８とを有して構成されている。なお、照明光学系１２は、反射ミラー１７と偏光板１８との間に、実施の形態１の拡散手段１６（図１参照）と同様の拡散手段を有していてもよい。
【００６９】
反射ミラー１７は、光源１１から出射された光を反射させて表示素子１３’に導くものであり、入射光を表示素子１３’の表示領域上に反射集光させている。本実施形態では、反射ミラー１７は、例えば凹面ミラーで構成されているが、球面ミラーであってもよいし、シリンドリカル凹面ミラーであってもよい。
【００７０】
偏光板１８は、光源１１から出射された光のうち、所定の偏光方向の光（ここではＰ偏光）を透過させて反射ミラー１７に導くとともに、反射ミラー１７にて光路を折り曲げられた光であって上記所定の偏光方向と同じ偏光方向の光（ここではＰ偏光）を透過させて表示素子１３’に導く。
【００７１】
偏光板１８の配置によって表示素子１３’に入射させる光をＰ偏光とすることにより、入射光をＳ偏光とする場合に比べて、表示素子１３’での表面反射（フレネルロス）を抑えることができる。つまり、Ｐ偏光の場合は、Ｓ偏光と違って、表面での反射率がゼロとなるような入射角（ブリュースター角）が存在するため、光量損失を抑えることができる。その結果、光量損失に起因する映像品位の低下を回避することができる。
【００７２】
透過性カバー１４は、本実施形態では、光学的機能を有する光学フィルムで構成されている。より具体的には、透過性カバー１４は、所定の直線偏光を透過させる偏光板で構成されている。この偏光板は、ホログラム光学素子２３における反射時のＳ偏光を透過させるように配置されている。すなわち、偏光板１８と透過性カバー１４とは、偏光方向が互いに直交している。
【００７３】
上記の構成によれば、光源１１から出射された光のうち、例えばＰ偏光は、偏光板１８を透過し、反射ミラー１７にて反射された後、再び偏光板１８を透過して表示素子１３’に入射する。表示素子１３’では入射光が変調され、映像光（Ｓ偏光）となって出射される。この映像光は、偏光板からなる透過性カバー１４を透過し、接眼光学系２０を介して光学瞳Ｅに導かれる。
【００７４】
このように、本実施形態では、透過性カバー１４が偏光板という光学フィルムで構成されており、装置の組み立て時等における表示面への異物の付着を防止する機能のみならず、所定の直線偏光を透過させる偏光板の機能も有しているので、そのような偏光板を透過性カバー１４とは別に設ける場合に比べて低コストで装置を構成することが可能となり、また、装置の構成を簡素化することも可能となる。
【００７５】
特に、透過性カバー１４は、ホログラム光学素子２３における反射時のＳ偏光を透過させる偏光板で構成されているので、ホログラム光学素子２３に入射させる光をＳ偏光として、ホログラム光学素子２３で高い回折効率を得ることができ、観察者に明るい映像を観察させることが可能となる。
【００７６】
〔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。
【００７７】
図８は、本実施形態の映像表示装置１の概略の構成を示す断面図である。本実施形態の映像表示装置１は、透過型の表示素子１３を用いている点では実施の形態１と同様であるが、照明光学系１２、透過性カバー１４および接眼光学系２０の構成を若干変更した点で実施の形態１とは異なっている。
【００７８】
照明光学系１２は、２つの反射ミラー１７・１９を有しており、光源１１からの光を反射ミラー１７・１９で順に反射させて表示素子１３に導く。反射ミラー１７は、例えばシリンドリカル凹面ミラーで構成され、反射ミラー１９は、例えば平面ミラーで構成されている。透過性カバー１４は、本実施形態では、入射する直線偏光をＳ偏光に変換して出射する１／２波長板で構成されている。つまり、透過性カバー１４は、光学的機能を有する光学フィルムで構成されている点では、実施の形態２と同じである。
【００７９】
接眼光学系２０は、軸非対称な正の光学パワーを有する第１のプリズム２４と、第２のプリズム２５とを貼り合わせて構成されている。第１のプリズム２４は、表示素子１３からの光の入射面２４ａと、反射面２４ｂと、透過反射面２４ｃとを有しており、各面が自由曲面で形成された自由曲面プリズムである。なお、透過反射面２４ｃは、ホログラム光学素子が形成されたホログラム面であってもよい。第２のプリズム２５は、第１のプリズム２４の透過反射面２４ｃに貼り合わされている。第１のプリズム２４および第２のプリズム２５は、実施の形態１の接眼プリズム２１および偏向プリズム２２にそれぞれ対応している。
【００８０】
光源１１から出射された光は、照明光学系１２の反射ミラー１７・１９で順次反射された後、表示素子１３に入射し、そこで変調されて映像光として出射される。この映像光は、透過性カバー１４を介して、接眼光学系２０の第１のプリズム２４に入射面２４ａから内部に入射し、反射面２４ｂで全反射された後、透過反射面２４ｃで反射され、光学瞳Ｅに導かれる。観察者は、光学瞳Ｅに到達する光を瞳に入射させることにより、表示素子１３の表示映像を第１のプリズム２４の各面の合成パワーにより虚像として観察することができる。
【００８１】
本実施形態のように、透過性カバー１４が、入射する直線偏光をＳ偏光に変換して出射する１／２波長板で構成されていることにより、表示素子１３の表示面から出射される光がＳ偏光以外の直線偏光であっても、その光を透過性カバー１４にてＳ偏光に変換して透過反射面２４ｃに導くことができる。これにより、透過反射面２４ｃがホログラム面である場合には、ホログラム光学素子にＳ偏光が入射することによって回折効率が高くなり、観察者に明るい映像を観察させることが可能となる。
【００８２】
なお、１／２波長板の光学軸は、これに入射する直線偏光の偏光方向（振動方向）に応じて設定されればよい。つまり、図９に示すように、表示素子１３の光出射側の偏光板から出射される直線偏光が１／２波長板に入射するときに、上記直線偏光の振動方向が１／２波長板の光学軸に対してθとなる角度で入射すると、上記直線偏光は、振動方向が２θだけ回転した直線偏光となって１／２波長板から射出される。したがって、入射する直線偏光の振動方向と１／２波長板の光学軸とのなす角を適切に設定することにより、１／２波長板からＳ偏光を出射させることができる。
【００８３】
なお、各実施の形態で説明した構成を適宜組み合わせて映像表示装置１ひいてはＨＭＤを実現することも勿論可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明は、ＨＭＤに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の実施の一形態に係るＨＭＤに適用される映像表示装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】（ａ）は、ＨＭＤの概略の構成を示す平面図であり、（ｂ）は、ＨＭＤの側面図であり、（ｃ）は、ＨＭＤの正面図である。
【図３】上記映像表示装置の他の構成を示す断面図である。
【図４】上記他の構成の映像表示装置の主要部の外観を示す斜視図である。
【図５】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示す断面図である。
【図６】上記映像表示装置の筐体を取り除いた部分の断面図である。
【図７】上記映像表示装置の表示手段の概略の構成を模式的に示す説明図である。
【図８】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示す断面図である。
【図９】表示素子の偏光板を透過した直線偏光の振動方向と、１／２波長板の光学軸と、１／２波長板を透過した後の映像光の振動方向を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００８６】
１      映像表示装置
２      支持手段
１０      表示手段
１１      光源
１２      照明光学系
１３      表示素子
１３’    表示素子
１４      透過性カバー
２０      接眼光学系（虚像接眼光学系）
２１      接眼プリズム（透明基板）
２３      ホログラム光学素子
３０      筐体
Ｅ      光学瞳
【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】
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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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