JP2004325985A

JP2004325985A - Image display device

Info

Publication number: JP2004325985A
Application number: JP2003123272A
Authority: JP
Inventors: Kenji Hori; 健治堀; Yumiko Ouchi; 由美子大内
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2004-11-18

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an image display device which does not hinder the visual field of the outside world while making the device small in size and light in weight by using a reflection type hologram optical element. <P>SOLUTION: Reflection diffracting action and image forming action are applied to light passing through an optional point on the display part of an image forming element 2 by a reflection type HOE 6. Thereafter, the light is emitted to the outside of a plate part 5 from an area R4 on the surface 5a of the plate part 5. At such a time, the light outgoing from the same spot of the element 2 is made incident on the pupil of user's eye put on an exit pupil P so as to form an enlarged virtual image at infinity or at a specified distance from the exit pupil P. The absolute value ¾θinc-θref¾ of a difference between the incident angle θinc and the reflection angle θref of a principal light beam to the normal of the reflection type HOE 6 when the principal light beam is diffracted and reflected by the reflection type HOE 6 is set to ≤3°. Namely, the reflection type HOE 6 is formed to satisfy the condition, and further the diffraction reflection angle of the principal light beam to the normal of the reflection type HOE 6 is set to ≥25° and ≤35°. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘッドマウントディスプレイ装置、ファインダ等、使用者の眼に接するか極近傍に位置するようにして使用される画像表示装置であって、外界などの前方からの光による像に、画像形成手段からの光により形成される像を重畳させて観測することを可能にする画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、使用者が外界の様子を観察しながらこれに重畳された表示画像をみることができる、いわゆるシースルー型の頭部装着式画像表示装置（ヘッドマウントディスプレイ）として、例えば特開平２０００−３５２６８９号公報（特許文献１）や特開平２００１−２６４６８２号公報（特許文献２）に開示された画像表示装置が知られている。
【０００３】
これらの画像表示装置では、画像を合成する光学系として反射型ホログラム光学素子を用いることにより小型軽量化を図っている。反射型ホログラム光学素子は、波長選択性が優れ、極限られた波長領域の光のみを選択的に回折反射し得る。このため、シースルー型の画像表示装置を構成する場合、反射型ホログラム光学素子を使用することにより、外界等から透過する光（外界光）の光量の損失を著しく低減させることができる。
【０００４】
また、これらの画像表示装置では、小型軽量化を図るため、表示画像を形成する画像形成素子として、一般的に、液晶表示素子が用いられ、それを照明する光源として小型かつ安価な光源であるＬＥＤが用いられている。
【０００５】
【特許文献１】特開平２０００−３５２６８９号公報
【特許文献２】特開平２００１−２６４６８２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１、特許文献２に記載される画像表示装置では、形成される画像を眼でみた場合、にじんだようになってしまい、画質の点で必ずしも満足のいくものではなかった。また、その構造上、外界の視野が妨げられる等の問題点があった。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、反射型ホログラム光学素子を用いて小型軽量化を図りつつ、外界の視野を妨げない画像表示装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、接眼型の画像表示装置であって、反射型ホログラム光学素子が設けられ、画像形成手段からの光と外界光を重畳させる、イメージコンバイナを含み、前記画像形成手段から発する光が１つの波長領域の成分のみ、または離散的な複数の波長領域の成分を持ち、前記画像形成手段の表示部の中心に対応する主光線が、前記反射型ホログラム光学素子で回折反射される際の、当該主光線の前記反射型ホログラム光学素子の法線に対する入射角と回折反射角との差の絶対値が、３°以下とされ、前記回折反射角が２５°以上３５°以下とされ、前記イメージコンバイナで重畳された光の中心出射方向が視野中心方向とほぼ一致していることを特徴とする画像表示装置（請求項１）である。
【０００９】
「視野中心方向とほぼ一致」とは、通常外方の物体を見ているときの視野の中心に対して±６°の範囲であり、顔が垂直の場合は視野の中心は水平方向にある。なお、明細書において、光の中心出射方向というのは、画像形成手段の中心から出た主光線が、出射瞳を通るときに視野の中心となす角度のことである。又、接眼型とは、眼から１５ｍｍ程度又はそれ以内の距離で使用される方式のものである。
【００１０】
前記課題を解決するための第２の手段は、接眼型の画像表示装置であって、反射型ホログラム光学素子が設けられ、画像形成手段からの光と外界光を重畳させる、イメージコンバイナを含み、前記画像形成手段から発する光が１つの波長領域の成分のみ、または離散的な複数の波長領域の成分を持ち、前記画像形成手段の表示部の中心に対応する主光線が、前記反射型ホログラム光学素子で回折反射される際の、当該主光線の前記反射型ホログラム光学素子の法線に対する入射角と回折反射角との差の絶対値が、３°以下とされ、前記回折反射角が２２°以上３２°以下とされ、前記イメージコンバイナで重畳された光の中心出射方向が、視野中心方向に対して６°以上、傾いていること
を特徴とする画像表示装置（請求項２）である。
【００１１】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記入射角と回折反射角との差の絶対値が、２°以下とされていることを特徴とするもの（請求項３）である。
【００１２】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかであって、前記反射型ホログラム光学素子が体積型であることを特徴とするもの（請求項４）である。
【００１３】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段から第４の手段のいずれかであって、前記反射型ホログラム光学素子が光学的パワーを持つことを特徴とするもの（請求項５）である。
【００１４】
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第１の手段から第５の手段のいずれかであって、前記主光線の前記画像形成手段からの射出方向が、前記画像形成手段の表示部の面と略垂直な方向とされていることを特徴とするもの（請求項６）である。
【００１５】
本発明者は、研究の結果、前記特許文献１に記載される画像表示装置において表示画面が画像がにじんだように見える原因は、反射型ホログラム光学素子の横色収差特性によるものであることを見出した。この特性について以下に詳述する。なお、以下の説明では、ホログラム光学素子をＨＯＥと呼ぶ場合がある。
【００１６】
反射型ＨＯＥ、とりわけ反射型体積型ＨＯＥの回折特性は、鋭い波長選択性（ある入射角で入射する再生照明光に対して、特定の波長の光だけが特定方向に回折される特性）を持つが、その波長選択性の半値全幅は、ホログラムの干渉縞を記録する乳剤の厚みや屈折率変調度によって決まり、例えば乳剤の厚さが１５μｍの場合は半値全幅が約１２ｎｍ、厚さ５μｍの場合は半値全幅が約２４ｎｍである。つまり反射型ＨＯＥは鋭い波長選択性を持つとはいえ、単一波長の光のみを反射するわけではなく、所定の波長領域の波長成分を持つ光を選択的に、所定の割合で反射する。
【００１７】
一方前記従来の画像表示装置において、画像形成素子から得られる光は、前述したように小型光源であるＬＥＤが照明光源として一般的に用いられることから、白色ＬＥＤではなく特定色のＬＥＤを用いたとしても、単一波長ではなく、所定の波長領域の成分を有している。特定色（緑色、赤色等）のＬＥＤの場合、当該ＬＥＤからの射出光の半値全幅は概ね２０ｎｍ前後、広いものでは６０ｎｍ前後になるものもある。
【００１８】
したがって、前記特許文献１に記載の画像表示装置では、反射型ＨＯＥには、当該反射型ＨＯＥが選択的に反射する波長領域と同程度か、あるいはそれより広い波長領域の成分を持つ光が入射する。
【００１９】
反射型ＨＯＥの面で回折反射する光はブラッグの条件を満たす角度に反射回折するが、一般に、波長が異なると回折反射の方向も異なる。このため、波長がλ±Δλの範囲にあるとき、反射の方向はθ±Δθとなり、波長によって回折反射角が異なる。つまり、波長による分散が発生し、横色収差を生じることになる。
【００２０】
本発明者は、従来の装置で画像がにじんだように見える原因は、照明光にバンド幅があるために横色収差が生じているためであることを発見した。またこの横色収差を補正した上で、薄型コンパクトな装置を構成する手段を見出した。
【００２１】
本発明者は、前記特許文献１及び特許文献２に記載のいくつかの実施例の画像表示装置について、観察者（使用者）の瞳から画像形成素子（液晶表示素子などの画像形成部材）へ向かって光線追跡を行うことにより、前記横色収差の量を具体的に求めた。以下にその結果を述べる。
【００２２】
特許文献１に記載の実施例１の場合、ＨＯＥ面の法線に対し１８．４７°で入射するλ＝５３２ｎｍの光線は、ＨＯＥ面の法線に対し、３１．２６°の方向に回折反射されるが、同方向から入射するλ＝５４２ｎｍの光線はＨＯＥ面の法線に対し３１．５２°の方向に回折反射される。すなわち、Δλ＝＋１０ｎｍに対してΔθ＝０．２６°である。この結果像面上では０．１３ｍｍの横色収差を生じている。なお、この場合ＨＯＥ面の入射角と反射角の差の絶対値は１２．７９°（＝３１．２６°−１８．４７°）である。
【００２３】
また、特許文献１に記載の実施例３の場合、ＨＯＥ面の法線に対し０°の方向に（法線と平行に）入射するλ＝５３２ｎｍの光線は、ＨＯＥの法線に対し１９．３１°の方向に回折反射されるが、同方向から入射するλ＝５４２ｎｍの光線はＨＯＥ面の法線に対し、１９．６９°の方向に回折反射される。すなわちΔλ＝＋１０ｎｍに対してΔθ＝０．３８°である。この結果、像面上では０．１８２ｍｍの横色収差を生じている。なお、この場合、ＨＯＥ面の入射角と反射角の差の絶対値は１９．３１°である。
【００２４】
さらに特許文献２に記載の実施例１の画像情報表示装置の場合、ＨＯＥ面の法線に対し２３．３４°の方向に入射するλ＝５３２ｎｍの光線は、ＨＯＥ面の法線に対し３１．２７°の方向に回折反射されるが、同方向から入射するλ＝５４２ｎｍの光線はＨＯＥ面の法線に対し３１．４２°の方向に回折反射される。すなわちΔλ＝＋１０ｎｍに対してΔθ＝０．１５°である。この結果、像面上では０．０８ｍｍの横色収差を生じている。なお、この場合、ＨＯＥ面の入射角と反射角の差の絶対値は７．９３°である。
【００２５】
像面上に、画像形成素子として、仮に１／４インチ（４．８×３．６ｍｍ）のＱＶＧＡ（３２０×２４０画素）の液晶表示装置を置くとすると、１画素の大きさは０．０１５ｍｍ角であり、前述したように具体的に求めた従来装置の横色収差の量は、５画素ないし１２画素分に相当する大きな値である。即ち、従来の画像表示装置では、このように横色収差が大きいため、表示画像がにじんだように見えるという問題が生じていたのである。
【００２６】
勿論、画像形成素子の照明光源として、レーザー光源のように単一波長光源を用いれば、表示画像がにじんだように見えるという問題は生じない。しかし、小型かつ安価な光源であるＬＥＤ等を用いたいという要請は非常に強い。
【００２７】
そこで照明光源としてＬＥＤを用いつつ、反射型ＨＯＥに入射する光の波長幅を極力抑え、前記Δλを小さくするために、ＬＥＤの後に波長選択フィルタ（バンドパスフィルタ）等を挿入することが考えられる。しかし、この場合には、当該フィルタの分だけ、大型化が免れないと共に、部品点数が増えてコストアップも免れない。それのみならず、当該フィルタにより、光源からの光の利用効率が低下し、明るい表示画像を得ることができなくなる。
【００２８】
本発明者は、以上説明したような、従来の画像表示装置で生じていた表示画像のにじみの原因究明の結果と分析を踏まえて、更に研究を進めた結果、従来の画像表示装置に比べて、表示画像のにじみを低減するための技術的手段を見出した。
【００２９】
すなわち、本発明者は、画像形成素子から発し反射型ＨＯＥで回折反射された後に使用者の眼に到達する光が一つの波長領域の成分のみ又は離散的な複数の波長領域の成分を持つ場合、波長が前記１つの波長領域の略中心波長又は前記複数の波長領域のうちの最も短波長側の波長領域の略中心波長であると共に前記画像形成素子の表示部の中心に対応する主光線（この光線は、画像形成素子の表示部の中心から、通常は使用者の眼の瞳面の中心付近へ向かう。）が、前記反射型ホログラム光学素子で回折反射される際の、当該主光線の前記反射型ホログラム光学素子の面に対する入射角と反射回折角との差の絶対値を、３°以下にすると、前述した従来の画像表示装置に比べて、表示画像のにじみを低減して画質を向上させることができることを見出した。それは以下の検討による。
【００３０】
ホログラムによる回折はブラッグの条件式に従う方向に回折強度が最大となる。体積型ホログラムにおけるブラッグの条件式は以下の式で表わされ、（１）式、（２）式を同時に満たす方向に回折する光の強度が最大となる。
【００３１】
【数１】
１／λ_Ｒ（ｓｉｎ θ_０−ｓｉｎθ_Ｒ）＝１／λ_Ｃ（ｓｉｎ θ_Ｉ−ｓｉｎθ_Ｃ） …（１）
１／λ_Ｒ（ｃｏｓ θ_０−ｃｏｓθ_Ｒ）＝１／λ_Ｃ（ｃｏｓ θ_Ｉ−ｃｏｓθ_Ｃ） …（２）
【００３２】
ここで、（１）および（２）式の左辺はホログラム記録時の状態を示し、λ_Ｒは記録波長、θ_０はホログラム面の法線に対する物体光の入射角度、θ_Ｒは参照光の入射角度である。また右辺はホログラム再生時の状態を示し、λ_Ｃは再生波長、θ_Ｃはホログラム面の法線に対する照明光の入射角度、θ_Ｉは回折光の射出角度である。これを簡単に図に示すと図１２のようになる。なお図１２（ｂ）においてＰｃは使用者の眼の瞳の中心の位置である。光線追跡を行う場合は、位置Ｐｃから光線追跡するので、図１２（ｂ）中の光線の向きは光線追跡の場合に合わせて示しているが、実際の光線の向きは逆向きである。
【００３３】
前記（１）式の意味は、次のとおりである。ホログラム記録時に形成する干渉縞は、露光時の物体光と参照光の入射角と露光波長によってその間隔が決まり、ホログラム再生時には隣り合う縞の透明な部分から出て行く光が一波長分だけずれる方向で回折光の光強度が最大になることから、（１）が導き出される。そして、波長λ_Ｒでホログラム面の法線に対しθ_０およびθ_Ｒでそれぞれ入射された２光束の干渉で記録されたホログラムに、波長λ_Ｃの再生光をθ_Ｃの角度から照射したとき、角度θ_Ｉの方向に回折光が生じる。
【００３４】
（２）式は（１）式の条件を、ホログラムの厚み方向の干渉縞による回折に適用したもので、波長λ_Ｒでホログラム面の法線に対し入射角θ_０および入射角θ_Ｒでそれぞれ入射された２光束で記録されたホログラムに、参照光をθ_Ｃの方向から照射したときに、再生される光の波長を特定する式である。ホログラムの厚みが増すにしたがって（２）式の回折波長域の半値半幅が狭くなり再生の条件が厳しくなる。
【００３５】
ここで再生波長と回折の方向について考察すると、再生波長λ_Ｃの光をθ_Ｃの方向から照射すると、回折光の方向は（１）式より、次の（３）式に示すとおりとなる。
ｓｉｎθ_Ｉ＝ｓｉｎθ_Ｃ＋λ_Ｃ／λ_Ｒ（ｓｉｎθ_０−ｓｉｎθ_Ｒ） …（３）
ここでｓｉｎθ_０＝ｓｉｎθ_Ｒ、すなわち記録時の２光束をホログラム面に対して対称に入射すると、
λ_Ｃ／λ_Ｒ（ｓｉｎθ_０−ｓｉｎθ_Ｒ）＝０
であるため、式（３）において波長に依存する項が消え、回折光の方向は
ｓｉｎθ_Ｉ＝ｓｉｎθ_Ｃ
で決まり、波長によらず一定で、再生照明光と回折光の角度はホログラムの法線に対して対称になって等しくなる。
【００３６】
以上の検討から、画像形成素子の表示部の中心に対応する主光線が反射型ＨＯＥで回折反射される際の、当該主光線の前記反射型ホログラム光学素子の面に対する入射角θｉｎｃ（前記角度θ_Ｉの補角：１８０−θ_Ｉに相当）と回折反射角θｒｅｆ（前記角度θ_Ｃに相当）とを等しくすれば、当該主光線は、その波長によらず、常に同じ回折反射角θｒｅｆで反射されることが分かる。
【００３７】
図１３に（θｉｎｃ−θｒｅｆ）を横軸にとり、基準波長λ＝５３２ｎｍのときと６４７ｎｍのときの２つの場合について、参照光の波長を基準波長からΔλ＝１０ｎｍ変化させたときの回折反射方向の変化量Δθの値を、光線追跡によって求めたグラフを示す。なお、入射角θｉｎｃではなく、対称入射（θｉｎｃ−θｒｅｆ＝０）からのズレ量がΔθに寄与する。また、基準波長が短いほど、Δθの変化量が大きいことが分かる。
【００３８】
この図１３から分かるように、前記入射角θｉｎｃと前記回折反射角θｒｅｆとの差の絶対値｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜が小さいほど、Δθを小さくすることができ、ひいては前記横色収差を低減することができる。前記従来の画像表示装置では、｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜が７．４２°以上であったため、｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜を３°以下にすれば、前記従来の画像表示装置に比べΔθを半分以下に小さくして前記横色収差を低減し、ひいては表示画像のにじみを低減して表示画像の画質を向上させることができることが分かる。よって、前記第１の手段、第２の手段では、｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜を３°以下としている。
【００３９】
ＱＶＧＡ規格の液晶表示装置を用いた場合、上下方向の画角を±６°としたときに横色収差が実質的にない領域が中央部約３０％の中に入っていれば、上下端に残存する横色収差も許容範囲となると考えられる。このような条件を満足させるために、｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜を２°以下にすることが好ましい。画質を更に向上させるためには｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜を１．５°以下にすることがより一層好ましい。
【００４０】
以上の説明から分かるように横色収差を理想的に低減するためには｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜＝０とすればよいことになるが、現実的には画角に対するバランスもあり、理想的に入射角と反射角とが対称とはいかない場合も有るので、この点も考慮して前述した範囲内で｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜を決めればよい。
【００４１】
ところで｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜≠０である限りΔθ≠０であるので、｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜の許容範囲は、ある波長を基準にして定める必要がある。この基準となる波長は、画像形成素子から発し反射型ＨＯＥで回折反射された後に使用者の眼に到達する光が１つの波長領域の成分のみを持つ場合には当該１つの波長領域の中心波長とすればよい。また、画像形成素子から発し反射型ＨＯＥで回折反射された後に前記瞳に到達する光が離散的な複数の波長領域の成分を持つ場合には、当該複数の波長領域のうちもっとも短波長側の波長領域の略中心波長とすればよい。
【００４２】
これは図１３に関連して既に説明したように、基準となる波長が短いほどΔθの変化量が大きいからである。なお、後者の場合は例えば反射型ＨＯＥとしてカラーの反射型ＨＯＥ（このＨＯＥは、たとえば特開２００１−２６４６８２号に開示されているように、Ｒ，Ｇ，Ｂをそれぞれ代表する３つの離散的な鋭い反射波長領域を持つ反射型ＨＯＥである）を用い、画像形成素子の照明光源として白色ＬＥＤを用いたような場合である。
【００４３】
以上は画像形成素子の表示部の中心に対応する主光線についての説明であった。この光線のみならず反射型ＨＯＥで回折反射するすべての光線に対して、入射角と反射角を等しくすれば、全く横色収差のない画像情報を眼に導くことができる。しかし、そうした場合は、反射型ＨＯＥは、波長選択性については作用するものの、レンズ作用（すなわち光学的パワー）を持たない平面ミラーとしての働きしかしないことになる。そうした場合は、全体の系を考えると、画像形成素子側の光学系ですべての収差（球面収差や非点収差など）を補正しなければならなくなり、その部分の光学系が複雑になってしまう。
【００４４】
このため、光学系を簡略化するためには、反射型ＨＯＥに光学的パワーを持たせることが好ましい。この場合、画像形成素子の表示部の中心に対応する主光線に関して横色収差が生じないようにしても、画像形成素子の周辺からの光線に関しては横色収差が発生する。しかし、反射型ＨＯＥに極端に強い光学的パワーを持たせなければ、他の光学系の分散で打ち消し、実用上問題ない範囲に抑えることも可能であり、問題にならない。
【００４５】
また、先に検討したように、横色収差補正の必要な波長範囲は、最大限で反射型ＨＯＥの波長選択性の範囲であればよいため、ある程度の横色収差補正でも十分であり、横色収差補正の完全化のために反射型ＨＯＥのレンズ作用を犠牲にするほどではない。
【００４６】
一方、本発明の画像表示装置は、使用者の眼前で使用されることを特徴とするので、本体を透過する光（外界光）の視野をなるべく妨げない構成であることが望ましい。
【００４７】
ここで、画像形成素子の中心から使用者の眼の瞳中心へ向かう主光線を、本発明の画像表示装置の光軸と定義する。この光軸は１本の直線ではなく線分をつなぎあわせたものである。そして、画像表示装置を通して見える外界の可視範囲（視野）の中心から射出して使用者の眼の瞳へ向かう光軸から測って、画像表示装置の部材が外界光の視野を妨げる位置までの距離を、「ハーフボクシングサイズ」と呼び、図１の長さＬと定義する。Ｌは、外界を観察するときの視野の中心方向からの主光線と板状部５が交差する位置から、画像表示装置の面形状等により視野が妨げられる点までの距離である。このハーフボクシングサイズが長い方が、画像表示装置と顔面とが干渉すること無しに使用でき、かつ外界光の視野を妨げないということになる。
【００４８】
以下、前述した横色収差補正の観点から反射型ＨＯＥに対する光軸上の光線の入射角と反射角を概略等しくした上で、さらに使用者の使い勝手を向上するために、ハーフボクシングサイズを長く取るための条件を検討する。
【００４９】
実際のハーフボクシングサイズの目安としては、図１のＹ軸の方向を実際に使用者が装着した場合の上下方向と一致させた場合は、片側１５ｍｍ以上あれば十分であり、図１のＹ軸の方向を使用者にとって左右方向に一致させた場合は、片側２２ｍｍ以上あれば十分である。
【００５０】
ここで、装置全体の重さは軽い方が望ましいから、図１で向かい合う反射面の厚さｄは薄い方が好ましい。ｄを固定として、反射型ＨＯＥ面の視線に対する角度を変化させることを考える。
【００５１】
図１に示す状態から反射型ＨＯＥ面を起こしていくと、すなわちＨＯＥの法線に対する視線の角度を小さくしていくと、入射角と反射角が概略等しいことから、視線に対する画像形成素子からの照明光の入射角も小さくなる。よって、反射面での繰り返し反射回数が多くなる。一方、光学系の設計条件から、画像形成素子から反射型ＨＯＥ面までの長さが所定の値に決定されている。画像形成素子から反射型ＨＯＥ面までの長さをこの所定の値に保つためには、繰り返し反射回数が多くなるのに対応して、ハーフボクシングサイズが短くなってしまう。又、画像形成素子からの照明光が所定の光路を通るためには、板状部５の境界５ａ及び５ｂで全反射する必要があることからも、反射面への最小入射角が決まってしまう。通常、ｄは５ｍｍ以下とするので、これを考慮し、ハーフボクシングサイズを１５ｍｍ以上とることを考えると、反射型ＨＯＥ面の法線に対する視線の角度は２５度以上とすることが好ましい。
【００５２】
逆に図１の状態から反射型ＨＯＥ面を倒すと、すなわちＨＯＥの法線に対する視線の角度を大きくすると、先ほどとは逆にハーフボクシングサイズは長くなる方向であるが、ｄを固定とすると、反射型ＨＯＥ面の紙面内の有効径が小さくなることになる。その場合は設計上必要な光束がケラレることになり、周辺減光が激しくなる。通常、瞳から画像形成素子を見た画角は±６°程度であるので、この範囲で周辺減光が起こらないようにし、かつｄが５ｍｍ以下であることを考慮すると、反射型ＨＯＥ面の法線に対する視線の角度は３５度以下であることが望ましい。さらに周辺減光をおさえ、ハーフボクシングサイズを長く設定するには、下限を２８度、上限を３２度とすることが望ましい。
【００５３】
以上の説明は、図１に示すような画像表示装置において、顔面に対してほぼ垂直に視線を向け、向かい合う反射面を垂直に配した構造についてのものである。このことを考えると、結局、反射型ＨＯＥ素子の回折反射角を２５°〜３５°の範囲に収めるのが好ましく、２８°〜３５°の範囲に収めるのがさらに好ましいことになる。さらに、この場合、反射型ＨＯＥ素子が繰り返し反射面に対してなす角は、それぞれ、２５°〜３５°、２８°〜３５°となる。
【００５４】
これに対し、反射面を垂直にし、使用者が正面を向いたときではなくやや下向きや横向きに視線を落とした状態のときに、画像表示光が眼に入る構成となるようにした方が好ましい場合がある。このような場合は、視線が６°以上下側を向いた場合であり、このようなときには、画像形成素子の中央からの主光線が眼の瞳の中央を、６°以上上向きに通過するようにすればよい。
【００５５】
又、視線が正面を向いたときに見る方向に画像形成素子からの像が形成されていればよいので、本画像表示装置の視野中心方向に対して、あらゆる方向に６°以上傾いていてもよい。なお、頭部に装着して使用する画像表示装置は、頭部への保持のさせ方によって角度が変わるが、一般的に使用される際に想定される装着姿勢に対して上記角度に傾いていればよい。
【００５６】
反射型ＨＯＥ素子から画像形成素子に至る光線を変えないで、このような条件を満たすようにするには、幾何学的な関係から明らかなごとく、反射型ＨＯＥ面の法線に対する視線の角度、すなわち、反射型ＨＯＥ素子の回折反射角を、２２°以上３２°以下とすることが望ましい。このとき、反射型ＨＯＥ素子が繰り返し反射面に対してなす角は、それぞれ、２８°〜３８°となる。
【００５７】
又、反射型体積型ＨＯＥの回折特性は、鋭い波長選択性（ある入射角で入射する再生照明光に対して、特定の波長の光だけが特定方向に回折される特性）を持つので、反射型ホログラム光学素子として体積型のものを用いることが特に好ましい。
【００５８】
さらに、主光線の画像形成手段からの射出方向が、画像形成手段の表示部の面と略垂直な方向とされているようにすると、画像形成手段の面上のどの位置からの主光線についても、前記関係式が成立するようにすることができるので好ましい。
【００５９】
本発明は前述した課題を解決するため、以上説明した本発明者による研究の結果により得られた新たな知見に基づいてなされたものである。
【００６０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態である画像表示装置について、図面を参照して説明する。
【００６１】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態である画像表示装置の構成及びその光線（画像形成素子２からの光線のみ）の概略の経路を示す図である。ここでは図１に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を定義する。すなわち、図１の紙面内の左右方向をＺ軸とし、右方向をＺ座標値のプラス方向とする。図１の紙面内の上下方向をＹ軸とし、上方向をＹ座標値のプラス方向とする。図１の紙面に垂直な方向をＸ軸とし、右手系３次元直交座標系とする。すなわち、図１の紙面から奥の方向をＸ座標値のプラス方向とする。なお、Ｙ軸方向は、実際の上下方向と一致していてもよいし、その他の適宜の方向であってもよい。
【００６２】
又、本発明の各実施の形態の説明では、図２に示す配置を基に説明を行っている。なお、図中で５は板状部であり、板状部５の、イメージコンバイナ１の射出瞳Ｐに近い側の面を５ａ、遠い側の面を５ｂとする。又、座標軸の方向も各実施の形態全てに共通して、図２に示すとおりである。ただし原点は図に示した位置に限らず任意の位置でよい。、これらの定義は後述する図４、図６、図８、および図１０についても、同様である。
【００６３】
本実施の形態の画像表示装置は、イメージコンバイナ１と、画像形成素子２とを備えている。本実施の形態では、画像形成素子２として透過型ＬＣＤが用いられている。画像形成素子２は、その背後から、ＬＥＤ３及び放物面鏡等の反射鏡４からなる光源により光源光が照射され、光源光を空間光変調して表示画像を示す光を透過させる。なお、画像形成素子２として、反射型ＬＣＤ等の他の素子を用いてもよいし、自発光型の素子を用いてもよいことは、言うまでもない。
【００６４】
イメージコンバイナ１は、ガラスやプラスチック等の光学材料で、上部を除いて平行平板上に構成された板状部５を備えている。もっとも、板状部５は、例えば使用者の視力矯正用光学的パワーを有していてもよい。その場合には、例えば板状部５のＺ軸方向の両面５ａ、５ｂのうちの少なくとも一方の面は、曲面で構成される。これらの点は、後述する各実施の形態についても同様である。また、本実施の形態では、板状部５の上部は図中右側に突出しており、この上部の上面５ｃがアナモルフィック非球面とされている。なお板状部５は、図１中の下方にも延びているが、その図示は省略している。
【００６５】
板状部５は、フレーム等の支持部材（図示せず）を介して、眼鏡レンズと同様に、使用者の頭部に装着されて、使用者の眼（図示せず）の前に位置する。図１において、Ｐは、イメージコンバイナ１の、画像形成素子２からの光に対する射出瞳を示し、Ｐ０は射出瞳Ｐの中心を示す。この射出瞳Ｐが使用者の眼の瞳とほぼ一致するように、イメージコンバイナ１が使用者に装着される。
【００６６】
従って射出瞳の中心Ｐ０は、使用者の眼の瞳の中心とほぼ一致する。図１では、Ｚ軸方向が板状部５の厚み方向と一致している。板状部５の眼側の面５ａ及び反対側の面５ｂは、ＸＹ平面と平行となっている。なお、図面には示していないが、ＬＥＤ３、反射鏡４及び画像形成素子２も、前記支持部材により支持されている。これにより、画像形成素子２は、使用者が外界を観察するのを妨げないとともに、使用者が当該画像表示装置を装着するときに邪魔にならないように、板状部５に対して図中紙面内の斜め右上方に配置されている。
【００６７】
もっとも、画像形成素子２を他の適当な箇所に配置し、リレー光学系によって図１中の画像形成素子２の位置に表示画像を導いてもよいし、また、スキャン光学系を用いてこの位置に空中画像を形成してもよい。この点は、後述する各実施の形態についても同様である。
【００６８】
なお、図１において、点Ａ１，Ａ２は、画像形成素子２の表示部の図中紙面内での両端の位置をそれぞれ示す。また、点Ａ０は、当該表示部の中心を示す。イメージコンバイナ１は、板状部５の前方から板状部５の厚みｄを通過するように（すなわち、面５ｂから入射して面５ａから射出するように）板状部５を透過する光（以下、「外界光」という。）に対して、画像形成素子２からの光を重畳させて、使用者の眼に導くように構成されている。
【００６９】
本実施の形態では、板状部５における使用者の眼と対向する位置付近において、板状部５の内部に、反射型ホログラム光学素子（反射型ＨＯＥ）６が設けられている。本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６は、図１に示すように、面５ａ，５ｂに対して時計方向に所定角度傾けられている。
【００７０】
例えば、反射型ＨＯＥ６を板状部５と同じ材質の小片に接着させて作成し、その後その小片を板状部５を形成する型枠の中に配置し、板状部５の材質を溶かした状態で型枠の中に流し込み、その後固めることによって、反射型ＨＯＥ６を板状部５の内部に設けることができる。
【００７１】
画像形成素子２からの光の波長は、所定の回折方向において、この反射型ＨＯＥ６の回折効率ピークの波長を含む波長幅を持ち、その波長幅のうち極大部が回折効率ピークの波長と略一致しており、この反射型ＨＯＥで画像形成素子２からの光を反射させる。一方、反射型ＨＯＥ６は、外界光（図示せず）を偏向させることなく透過させる。なお、反射型ＨＯＥ６としては、外界光を極力妨げることがないように、波長選択性の高いものを用いることが好ましい。反射型ＨＯＥ６として、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色を代表する狭い波長域の３波長光に対してそれぞれ選択性を持つものを用いれば、使用者が見る表示画像をカラー化することも可能である。
【００７２】
反射型ＨＯＥ６は、図１に示すように、画像形成素子２からの光を観察者の瞳の方向へ反射させる特性を有しているとともに、所定の結像作用を持つように光学的パワーを有している。もっとも、反射型ＨＯＥ６は、必ずしも光学的パワーを持つ必要はない。反射型ＨＯＥ６は、平面状のものでもよいし、曲面状のものでもよい。反射型ＨＯＥ６として曲面状のものを用いる場合、その曲面の曲率中心が使用者の眼側にあるように配置すると、画角が大きい場合に、反射型ＨＯＥ６で発生する画角による収差変動量が小さくなり、好ましい。
【００７３】
反射型ＨＯＥ６を構成するためのホログラム感光材料としては、例えば、フォトポリマー、フォトレジスト、フォトクロミック、フォトダイクロミック、銀塩乳剤、重クロム酸ゼラチン、ダイクロメートゼラチン、プラスチック、強誘電体、磁気光学材料、電気光学材料、非晶質半導体、フォトリフラクチィブ材料等が用いられる。そして、公知の手法に従い、製造用の光学系にて物体光と参照光を前記材料に同時に照射することによって、反射型ＨＯＥ６を作製することができる。ただし、本実施の形態ではホログラム感光材料への露光時は、物体光と参照光の入射角の差を３°以下にしている点で、公知の手法とは違う露光条件で露光している。
【００７４】
画像形成素子２の表示部上の任意の点を通過した光（表示画像の光）は、板状部５の上部の上面５ｃから板状部５内に入射して、板状部５の面５ａの領域Ｒ１に臨界角より大きい入射角で入射し、領域Ｒ１で全反射される。この光は、板状部５の面５ｂの領域Ｒ２に臨界角より大きい入射角で入射し、領域Ｒ２で全反射される。さらに板状部５の面５ａの領域Ｒ３に臨界角より大きい入射角で入射し、領域Ｒ３で全反射したのち、反射型ＨＯＥ６に入射する。このとき、この光は、反射型ＨＯＥ６により、反射回折作用及び結像作用を受ける。
【００７５】
その後、この光は、板状部５の面５ａの領域Ｒ４から板状部５外へ射出される。このとき、画像形成素子２の同一箇所から出た光は、射出瞳Ｐから無限遠又は所定距離（後述する具体例では、１ｍ。この距離は後述する他の実施の形態の具体例でも同様）に拡大虚像を形成するように射出瞳Ｐに置かれた使用者の眼の瞳に入射する。
【００７６】
画像形成素子２から発し反射型ＨＯＥ６で回折反射された後に使用者の眼に到達する光は、ＬＥＤ３の発光スペクトル特性と反射型ＨＯＥ６の波長選択性とに応じて、通常は１つの波長領域の成分のみを持ち、たとえばＬＥＤ３として白色ＬＥＤを用いると共に反射型ＨＯＥ６としてカラーの反射型ＨＯＥを用いるような場合には離散的な複数の波長領域成分を持つ。
【００７７】
ここで画像形成素子２から発し、反射型ＨＯＥ６で回折反射された後に、使用者の眼に到達する光のうちの、画像形成素子２の中心ＡＯから発して射出瞳Ｐの中心に到達する光線について考える。この光線のうち波長が前記１つの波長領域の略中心波長または前記複数の波長領域のうちの最も短波長側の波長領域の略中心波長である光線をここでは主光線と呼ぶ。
【００７８】
本実施の形態では、前記主光線が反射型ＨＯＥ６で回折反射される際の、前記主光線の反射型ＨＯＥ６の法線に対する入射角θｉｎｃと反射角θｒｅｆとの差の絶対値｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜が３°以下に設定されている。すなわち、この条件を満たすように、反射型ＨＯＥ６が作成されており、さらに前記主光線の反射型ＨＯＥ６の法線に対する回折反射角が２５°以上３５°以下に設定されている。
【００７９】
本実施の形態によれば上記の諸条件を満たして配置が設定されているので、前記従来の画像表示装置に比べて、横色収差を低減し、ひいては表示画像のにじみを低減して表示画像の画質を向上させることができ、さらにハーフボクシングサイズを長くすることができ、外界光の視野を妨げることなしに、重畳された画像を観察することが可能である。
【００８０】
ここで、第１の実施の形態について、図１を参照して、さらに詳しく説明する。この第１の具体例の設計に際し、設計プログラムとして、当該技術分野において著名な米国のＯｐｔｉｃａｌＲｅｓｅａｒｃｈＡｓｓｏｃｉａｔｅｓ製のｃｏｄｅＶ（商品名）を用いた。このとき、前述のように画像形成素子２の表示部の中心Ａ０中央から発して、射出瞳Ｐの中心Ｐ０を通過する光線の経路を、この光学装置全体の光軸と定義する。本具体例では、光軸は１本の直線ではなく、互いに傾いた線分を連結した形状となっている。これらの点は、後述する各実施の形態の具体例についても同様である。
【００８１】
この具体例の光学的な諸量は、下記のとおりである。
射出瞳Ｐの径は３ｍｍである。図中紙面内上方向の視野角度は５°である。図中紙面内下方向の視野角度は−５°である。紙面奥行き方向の視野角は±６．７５゜である。図中紙面内での画面サイズ（点Ａ１と点Ａ２との間の長さ）は３．６ｍｍである。紙面奥行き方向の画面サイズは４．８ｍｍである。板状部５の厚さｄは３．５ｍｍである。使用波長は約４８０ｎｍ〜約５４０ｎｍの波長幅である。板状部５の波長５８７．５６ｎｍ（ｄ線）に対する屈折率はｎｄ＝１．５９６２２９で、アッベ数はνｄ＝４０．４である。板状部５の面５ａ，５ｂは平面である。
【００８２】
反射型ＨＯＥ６については、露光に用いる２光束を定義することによりホログラムを一義的に定義する。２光束の定義は光源の位置と、各光源からの出射ビームが収束（ＶＩＲ）か発散（ＲＥＡ）のどちらかで定義する。第１の点光源（ＨＶ１）の座標を（ＨＸ１，ＨＹ１，ＨＺ１）第２の点光源の座標を（ＨＸ２，ＨＹ２，ＨＺ２）とする。この座標は図２に示すようにＨＯＥ面が光軸と交わる点を原点とし、光軸方向にＺ軸、ＨＯＥ面内で紙面上方向をＹ軸、紙面の奥行き方向をＸ軸としており、図１に関連して定義した座標とは異なる。
【００８３】
またホログラムを記録する乳剤は厚み５μｍ、屈折率１．４９３、屈折率変調は０．０３のものを使用している。露光波長は５３２ｎｍで乳剤の収縮率を３．３％と仮定し、再生の中心波長は５１２ｎｍである。反射型ＨＯＥ６の面は、その中心が面５ａから図１中のＺ軸に沿って１．７ｍｍだけ図１中の右側にありＹ軸と同じ方向から紙面上時計周りに３０°回転した方向である平面である。反射型ＨＯＥ６は結像性能を最適にするために位相関数成分を持っている。
【００８４】
ここで位相関数について説明すると、位相関数は、反射型ＨＯＥ６の純粋な各２個の点光源により定義される以外の非球面的な位相変換量を定義するもので、光学設計プログラムｃｏｄｅＶにおいては、Ｘ，Ｙ軸成分の多項式係数などを用いて指定することができる。
【００８５】
また、この具体例の光線追跡のための諸量を、下記の表１に示す。光学面の順序（面番号の順序）は使用者の眼の瞳面（＝イメージコンバイナ１の射出瞳Ｐの面）から画像形成素子２への順である。なお表１において、各面番号に対応する図１中の参照符号を括弧書きの「符号」として示している。この点は、後述する表についても同様である。
（表１）
【００８６】
【表１】

【００８７】
表１で用いた位相関数の定義は、反射型ＨＯＥ６をＸＹ座標面上の位置と指定した点に入射する光線の受ける光路差を、使用する波長で規格化した値で表すもので、ｍ，ｎを整数とするとき、一般形の下記の（４）式で表される多項式の係数を指定することで決められる。ただし、Ｃ_００＝０である。
【００８８】
【数２】

【００８９】
ただし、この係数は６５個まで指定可能であって、順にＣ_１，Ｃ_２，Ｃ_３，・・・，Ｃ_６５と呼び、係数の順番をｊという整数で表すときに、Ｘ座標及びＹ座標の次数を示す整数ｍ，ｎとの間に下記の（５）式の関係が成り立つように対応付ける。
ｊ＝｛（ｍ＋ｎ）^２＋ｍ＋３ｎ｝／２ …（５）
すなわち、本例では、位相関数は、下記の（６）式の多項式で定義されている。このような位相関数の定義は、後述する表についても同様である。
【００９０】
【数３】
Ｃ_１Ｘ＋Ｃ_２Ｙ＋Ｃ_３Ｘ^２＋Ｃ_４ＸＹ＋Ｃ_５Ｙ^２＋・・・＋Ｃ_６５Ｙ^１０ …（６）
【００９１】
又、用いたアナモルフィック非球面５ｃは、曲面５ｃの光軸をＺ座標軸としたときの曲面５ｃ上の点（ｘ，ｙ）でのＺ軸座標値、すなわちサグ量を下記の（７）式で示すように表すことで定義する。
【００９２】
【数４】

【００９３】
（７）式において、ｃｕｘはＸ軸方向の曲率半径、ｃｕｙはＹ軸方向の曲率半径、ＫＸはＸ軸方向の円錐定数、ＫＹはＹ軸方向の円錐定数、ＡＲはＺ軸の周りに回転対称な４次の非球面係数、ＢＲはＺ軸の周りに回転対称な６次の非球面係数、ＣＲはＺ軸の周りに回転対称な８次の非球面係数、ＤＲはＺ軸の周りに回転対称な１０次の非球面係数、ＡＰは回転非対称な４次の非球面係数、ＢＰは回転非対称な６次の非球面係数、ＣＰは回転非対称な８次の非球面係数、ＤＰは回転非対称な１０次の非球面係数である。
【００９４】
また、本具体例における各光学面の位置関係として、第１面（面番号１＝図１中の符号Ｐ）の中心を原点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とした各光学面の中心の絶対位置とＸ軸の周りの回転量（反時計周りを正として測った値）を、下記の表２に示す。
（表２）
【００９５】
【表２】

【００９６】
本具体例について光線追跡すると、瞳中心ＰＯを通って像面中心ＡＯへ向かう光線についての、反射型ＨＯＥ６に対する入射角及び反射角、及び、像面（画像形成素子２の表示面に相当）上でのずれ（横色収差）は、当該光線の波長が基準波長５１２ｎｍ及びこれに対して±１０ｎｍ変えた５２２ｎｍ及び５０２ｎｍである場合のそれぞれについて下記の表３に示すとおりとなっている。
（表３）
【００９７】
【表３】

【００９８】
本具体例では、基準波長の｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜＝０．１°であり、３°以下となっていて、前述した条件を満たしている。その結果λ＝±１０ｎｍのときの像面上の横色収差が非常に少なく、反射型ＨＯＥ６での回折による横色収差の発生が抑さえられていることが分かる。
【００９９】
さらに、本具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図を、図３に示す。基準波長５１２ｎｍ及びこれに対する±１０ｎｍの５２２ｎｍ及び５０２ｎｍに関する横収差を１つの図に同時に示してある。図３から、画角内全域に渡り横色収差が少なく、結像性能が優れていることが分かる。
【０１００】
また、図１から分かるように、本具体例では、前記主光線が画像形成素子２から画像形成素子２の表示部の面と略垂直な方向に射出するようになっている。したがって画像形成素子２として射出光の強度に指向性のある素子（例えば、ＬＣＤ）を用いた場合であっても、画像形成素子２から発したもっとも強度の高い方向の射出光が使用者の眼に到達することになる。したがって、本具体例によれば、表示画像が明るくなり、好ましい。
【０１０１】
そして、本具体例では前記主光線が反射型ＨＯＥ６により回折反射される反射角は約３０°であり、２５°以上３５°以下となっていて、前述した条件を満たしている。その結果、ハーフボクシングサイズＬは１５．８ｍｍとなっている。
【０１０２】
これは、前述したように図１のＹ軸の方向を実際に使用者が装着した場合の上下方向と一致させた場合、外界光の上下方向の視野の目安である片側１５ｍｍ以上を満たしている。したがって、本具体例によれば、外界光の視野を妨げることがなくなり、好ましい。
【０１０３】
［第２の実施の形態］
図４は、本発明の第２の実施の形態である画像表示装置の構成及びその光線（画像形成素子２からの光線のみ）の経路を示す図である。図４において、図１中の要素と同一または対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。なお図４において、図１に示された光源を構成するＬＥＤ１３及び反射鏡１４は、図示を省略している。
【０１０４】
本実施の形態が前記第１の実施の形態と基本的に異なる所は、板状部の上部の面５ｃが平面であることである。本実施の形態によれば、基本的に前記第１の実施の形態と同様の利点が得られるほか、上面５ｃが平面であるため、板状部５の製造工程を簡略化することができる。
【０１０５】
以下、本実施の形態の具体例について、図４を参照して説明する。この具体例の光学的な諸量は、下記のとおりである。
【０１０６】
射出瞳Ｐの径は３ｍｍである。図中紙面内の視野角度は±５°である。図中紙面奥行き方向の視野角度は±６．７５°である。図中紙面内での画面サイズ（点Ａ１とＡ２の間の長さ）は３．６ｍｍである。紙面奥行き方向の画面サイズは４．８ｍｍである。板状部５の厚さｄは３．４ｍｍである。本具体例では、反射型ＨＯＥ６を記録する乳剤に収縮がないものと仮定し、露光波長、再生の中心波長とも５３２ｎｍである。板状部５は前記第１の実施の形態の具体例と同じ材質を用いている。また、この具体例の光線追跡のための諸量を、下記の表４に示す。光学面の順序（面番号の順序）は、使用者の眼の瞳の面（＝イメージコンバイナ１の射出瞳Ｐの面）から画像形成素子２への順である。
（表４）
【０１０７】
【表４】

【０１０８】
また、本具体例における各光学面の位置関係として、第１面（面番号１＝図４中の符号Ｐ）の中心ＰＯを原点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とした各光学面の中心の絶対位置とＸ軸の周りの回転量（反時計回りを正として測った値）を、下記の表５に示す。
（表５）
【０１０９】
【表５】

【０１１０】
本具体例について光線追跡すると、瞳中心ＰＯを通って像面中心ＰＯへ向かう光線についての、反射型ＨＯＥ６に対する入射角及び反射角、及び像面（画像形成素子２の表示面に相当）上でのずれ（横色収差）は、当該光線の波長が基準波長５３２ｎｍ及びこれに対して±１０ｎｍ変えた５４２ｎｍ及び５２２ｎｍである場合のそれぞれについて、下記の表６に示すとおりとなっている。
（表６）
【０１１１】
【表６】

【０１１２】
本具体例では、基準波長の｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜＝１．０１°であり、３°以下となっていて、前述した条件を満たしている。その結果、λ＝±１０ｎｍのときの像面上の横色収差が少なく、反射型ＨＯＥ６での回折による横色収差の発生が抑えられていることが分かる。
【０１１３】
さらに、本具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図を図５に示す。基準波長５３２ｎｍ及びこれに対する±１０ｎｍの５４２ｎｍ及び５２２ｎｍに関する収差を一つの図に同時に示してある。図５から、画角内全域に渡り横色収差が少なく、結像性能が優れていることが分かる。
【０１１４】
また、本具体例では前記主光線が反射型ＨＯＥ６から回折反射される反射角は約３２°であり、２５°以上３５°以下となっていて、前述した条件を満たしている。その結果、ハーフボクシングサイズＬは１６．６ｍｍとなっている。
【０１１５】
これは、前述したように図１のＹ軸の方向を実際に使用者が装着した場合の上下方向と一致させた場合、外界光の上下方向の視野の目安である片側１５ｍｍ以上を満たしている。したがって、本具体例によれば、外界光の視野を妨げることがなくなり、好ましい。
【０１１６】
［第３の実施の形態］
図６は、本発明の第３の実施の形態である画像表示装置の構成及びその光線（画像形成素子２からの光線のみ）の経路を示す図である。図６において、図１中の要素と同一または対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。なお図６において、図１に示された光源を構成するＬＥＤ１３及び反射鏡１４は、図示を省略している。
【０１１７】
本実施の形態が前記第１の実施の形態と基本的に異なる所は、板状部５の上部の面５ｃが球面であることである。本実施の形態によれば、基本的に前記第１の実施の形態と同様の利点が得られるほか、上面５ｃが球面であるため、板状部５を比較的容易に製造することができる。
【０１１８】
以下、本実施の形態の具体例について、図６を参照して説明する。この具体例の光学的な諸量は、下記のとおりである。
【０１１９】
射出瞳Ｐの径は３ｍｍである。図中紙面内の視野角度は±５°である。図中紙面奥行き方向の視野角度は±６．７５°である。図中紙面内での画面サイズ（点Ａ１と点Ａ２との間の長さ）は３．６ｍｍである。紙面奥行き方向の画面サイズは４．８ｍｍである。板状部５の厚さｄは３．４ｍｍである。本具体例では、ＨＯＥ６を記録する乳剤に収縮がないものと仮定し、露光波長、再生の中心波長とも５３２ｎｍである。板状部５は前記第１の実施の形態の具体例と同じ材質を用いている。
この具体例の光線追跡のための諸量を、下記の表７に示す。光学面の順序（面番号の順序）は、使用者の眼の瞳の面（＝イメージコンバイナ１の射出瞳Ｐの面）から画像形成素子２への順である。
（表７）
【０１２０】
【表７】

【０１２１】
また、本具体例における各光学面の位置関係として、第１面（面番号１＝図６中の符号Ｐ）の中心ＰＯを原点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とした各光学面の中心の絶対位置とＸ軸の周りの回転量（反時計回りを正として測った値）を、下記の表８に示す。
（表８）
【０１２２】
【表８】

【０１２３】
本具体例について光線追跡すると、瞳中心ＰＯを通って像面中心ＡＯへ向かう光線についての、反射型ＨＯＥ６に対する入射角及び反射角、及び像面（画像形成素子２の表示面に相当）上でのずれ（横色収差）は、当該光線の波長が基準波長５３２ｎｍ及びこれに対して±１０ｎｍ変えた５４２ｎｍ及び５２２ｎｍである場合のそれぞれについて、下記の表９に示すとおりとなっている。
（表９）
【０１２４】
【表９】

【０１２５】
本具体例では、基準波長の｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜＝１°であり、３°以下となっていて、前述した条件を満たしている。その結果、λ＝±１０ｎｍのときの像面上の横色収差が少なく、ＨＯＥ６での回折による横色収差の発生が抑えられていることが分かる。
【０１２６】
さらに、本具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図を、図７に示す。基準波長５３２ｎｍ及びこれに対する±１０ｎｍの５４２ｎｍ及び５２２ｎｍに関する収差を一つの図に同時に示してある。図７から、画角内全域に渡り横色収差が少なく、結像性能が優れていることが分かる。
【０１２７】
また、本具体例では前記主光線が反射型ＨＯＥ６で回折反射される反射角は、約３０°であり、２５°以上３５°以下となっており、前述した条件を満たしている。その結果、ハーフボクシングサイズＬは１７ｍｍとなっている。
【０１２８】
これは、前述したように図１のＹ軸の方向を実際に使用者が装着した場合の上下方向と一致させた場合、外界光の上下方向の視野の目安である片側１５ｍｍ以上を満たしている。したがって、本具体例によれば、外界光の視野を妨げることがなくなり、好ましい。
【０１２９】
［第４の実施の形態］
図８は、本発明の第４の実施の形態である画像表示装置の構成及びその光線（画像形成素子２からの光線のみ）の経路を示す図である。図８において、図１中の要素と同一または対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。なお図８において、図１に示された光源を構成するＬＥＤ１３及び反射鏡１４は、図示を省略している。
【０１３０】
本実施の形態が前記第１の実施の形態と基本的に異なるところは、板状部５の面５ａに対する反射型ＨＯＥ６の傾け角を時計方向に２８°にした点である。すなわち反射型ＨＯＥ６の法線に対する視線の角度が３０°から２８°に減少しており、入射角と反射角は概略等しいままであるから、視線に対する画像形成素子からの照明光の反射型ＨＯＥ６への入射角も減少している。そのため板状部５の５ａと５ｂにあたる光線の高さは図１の状態より低くなっている。このことにより、同じ反射回数ではハーフボクシングサイズは短くなってしまう。したがって本実施の形態では、板状部５内での反射回数を１回増やし、面５ｃ及び画像形成素子２を図８の左上に位置するようにした。本実施の形態によれば、基本的に前記第１の実施の形態と同様の利点が得られるほか、上面５ｃおよび画像形成素子２が使用者側にあるため、外部に突出する部分が少ないデザインにし、使用時の外観をシンプルにすることができる。
【０１３１】
以下、本実施の形態の具体例について、図８を参照して説明する。この具体例の光学的な諸量は、下記のとおりである。
射出瞳Ｐの径は３ｍｍである。図中紙面内の視野角度は±５°である。図中紙面奥行き方向の視野角度は±６．６６°である。図中紙面内での画面サイズ（点Ａ１と点Ａ２との間の長さ）は３．６ｍｍである。紙面奥行き方向の画面サイズは４．８ｍｍである。板状部５の厚さｄは３．４ｍｍである。本具体例では、反射型ＨＯＥ６を記録する乳剤に３．３％の収縮があるものと仮定した。板状部５は前記第１の実施の形態の具体例と同じ材質を用いている。
【０１３２】
またこの具体例の光線追跡のための諸量を、下記の表１０に示す。光学面の順序（面番号の順序）は、使用者の眼の瞳の面（＝イメージコンバイナ１の射出瞳Ｐの面）から画像形成素子２への順である。
（表１０）
【０１３３】
【表１０】

【０１３４】
また、本具体例における各光学面の位置関係として、第１面（面番号１＝図８中の符号Ｐ）の中心ＰＯを原点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とした各光学面の中心の絶対位置とＸ軸の周りの回転量（反時計回りを正として測った値）を、下記の表１１に示す。
（表１１）
【０１３５】
【表１１】

【０１３６】
本具体例について光線追跡すると、瞳中心ＰＯを通って像面中心ＡＯへ向かう光線についての、反射型ＨＯＥ６に対する入射角及び反射角、及び像面（画像形成素子２の表示面に相当）上でのずれ（横色収差）は、当該光線の波長が基準波長５２９．２ｎｍ及びこれに対して±６．６ｎｍ変えた５３５．８ｎｍ及び５２２．６ｎｍである場合のそれぞれについて、下記の表１２に示すとおりとなっている。
（表１２）
【０１３７】
【表１２】

【０１３８】
本具体例では、基準波長の｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜＝０．６４°であり、３°以下となっていて、前述した条件を満たしている。その結果、λ＝±６．６ｎｍのときの像面上の横色収差が少なく、反射型ＨＯＥ６での回折による横色収差の発生が抑えられていることが分かる。
【０１３９】
さらに、本具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図を図９に示す。本具体例では、照明光源としてピーク波長が約５１５ｎｍで発光強度の半値全幅が約６０ｎｍのＬＥＤを想定し、紙面内の視野角度ごとに回折波長と照明光のスペクトルを計算し、実質的な光線追跡波長を最適化して評価したため、画角によって基準波長を変えている。
【０１４０】
各画角について、基準波長と、強度が基準に対して半値になる波長に関する収差を一つの図に同時に示してある。図９から、画角内全域に渡り横色収差が少なく、結像性能が優れていることが分かる。
【０１４１】
また、本具体例では前記主光線が反射型ＨＯＥ６で回折反射される反射角は約２８．６°であり、２５°以上３５°以下となっていて、前述した条件を満たしている。その結果、ハーフボクシングサイズＬは１８．４ｍｍとなっている。
【０１４２】
これは、前述したように図１のＹ軸の方向を実際に使用者が装着した場合の上下方向と一致させた場合、外界光の上下方向の視野の目安である片側１５ｍｍ以上を満たしている。したがって、本具体例によれば、外界光の視野を妨げることがなくなり、好ましい。
【０１４３】
［第５の実施の形態］
図１０は、本発明の第５の実施の形態である画像表示装置の構成及びその光線（画像形成素子２からの光線のみ）の経路を示す図である。図１０において、図１中の要素と同一または対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。なお図１０において、図１に示された光源を構成するＬＥＤ１３及び反射鏡１４は、図示を省略している。
【０１４４】
本実施の形態が前記第１の実施の形態と基本的に異なる所は、板状部５の面５ａに対する反射型ＨＯＥ６の傾け角を時計方向に３５°にした点、板状部５の上部の面５ｃを平面カットし、上部の面５ｃと画像形成素子２との間に、光学系７を設けた点である。すなわち反射型ＨＯＥ６の法線に対する視線の角度が３０°から３５°に増加しており、入射角と反射角は概略等しいままであるから、視線に対する画像形成素子からの照明光の、反射型ＨＯＥ６への入射角も増加している。そのため板状部５の５ａと５ｂにあたる光線の高さは図１の状態より高くなっている。このことにより、同じ反射回数でもハーフボクシングサイズは長くなる方向ではある。しかしながら板状部５の厚みはほぼ同じ値にしたため反射型ＨＯＥ６の紙面内方向の有効径は小さくなり、周辺減光が激しくなる方向である。本実施の形態では、紙面内方向の画角の両端での周辺減光を、中心に対して約５０％としている。この値は接眼レンズ系としてはほぼ限界の値である。
【０１４５】
以下、本実施の形態の具体例について、図１０を参照して説明する。この具体例の光学的な諸量は、下記のとおりである。
射出瞳Ｐの径は３ｍｍである。図中紙面内の視野角度は±５°である。図中紙面奥行き方向の視野角度は±６．６６°である。図中紙面内での画面サイズ（点Ａ１と点Ａ２との間の長さ）は３．６ｍｍである。紙面奥行き方向の画面サイズは４．８ｍｍである。板状部５の厚さｄは３．５ｍｍである。本具体例では、ＨＯＥ６を記録する乳剤に３．３％の収縮があるものと仮定した。板状部５は前記第１の実施の形態の具体例と同じ材質を用いている。
【０１４６】
この具体例の光線追跡のための諸量を、下記の表１３に示す。光学面の順序（面番号の順序）は、使用者の眼の瞳の面（＝イメージコンバイナ１の射出瞳Ｐの面）から画像形成素子２への順である。
（表１３）
【０１４７】
【表１３】

【０１４８】
また、本具体例における各光学面の位置関係として、第１面（面番号１＝図１０中の符号Ｐ）の中心ＰＯを原点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とした各光学面の中心の絶対位置とＸ軸の周りの回転量（反時計回りを正として測った値）を、下記の表１４に示す。
（表１４）
【０１４９】
【表１４】

【０１５０】
本具体例について光線追跡すると、瞳中心ＰＯを通って像面中心ＡＯへ向かう光線についての、反射型ＨＯＥ６に対する入射角及び反射角、及び像面（画像形成素子２の表示面に相当）上でのずれ（横色収差）は、当該光線の波長が基準波長５２５．９ｎｍ及びこれに対して±６．６ｎｍ変えた５３２．５ｎｍ及び５１９．３ｎｍである場合のそれぞれについて、下記の表１５に示すとおりとなっている。
（表１５）
【０１５１】
【表１５】

【０１５２】
本具体例では、基準波長の｜θｉｎｃ−θｒｅｆ｜＝０．５７４°であり、３°以下となっていて、前述した条件を満たしている。その結果、λ＝±６．６ｎｍのときの像面上の横色収差が少なく、ＨＯＥ６での回折による横色収差の発生が抑えられていることが分かる。
【０１５３】
さらに、本具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図を図１１に示す。本具体例では、照明光源としてピーク波長が約５１５ｎｍで発光強度の半値全幅が約６０ｎｍのＬＥＤを想定し、紙面内の視野角度ごとに回折波長と照明光のスペクトルを計算し、実質的な光線追跡波長を最適化して評価したため、画角によって基準波長を変えている。
【０１５４】
各画角について、基準波長と、強度が基準に対して半値になる波長に関する収差を一つの図に同時に示してある。図１１から、画角内全域に渡り横色収差が少なく、結像性能が優れていることが分かる。
【０１５５】
また、本具体例では前記主光線が反射型ＨＯＥ６で回折反射される反射角は約３４．４°であり、２５°以上３５°以下となっていて、前述した条件を満たしている。その結果、ハーフボクシングサイズＬは２２．４ｍｍとなっている。
【０１５６】
これは、前述したように図１のＹ軸の方向を実際に使用者が装着した場合の上下方向と一致させた場合、外界光の上下方向の視野の目安である片側１５ｍｍ以上を満たしている。したがって、本具体例によれば、外界光の視野を妨げることがなくなり、好ましい。
【０１５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、反射型ホログラム光学素子を用いて小型軽量化を図りつつ、外界の視野を妨げない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】本発明の第１の実施の形態である画像表示装置の構成及びその光線（画像形成素子からの光線のみ）の概略の経路を示す図である。
【図２】本発明における反射型ＨＯＥを定義する座標系を説明するための図である。
【図３】第１の実施の形態の具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態である画像表示装置の構成及びその光線（画像形成素子からの光線のみ）の経路を示す図である。
【図５】第２の実施の形態の具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態である画像表示装置の構成及びその光線（画像形成素子からの光線のみ）の経路を示す図である。
【図７】第３の実施の形態の具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態である画像表示装置の構成及びその光線（画像形成素子からの光線のみ）の経路を示す図である。
【図９】第４の実施の形態の具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図である。
【図１０】本発明の第５の実施の形態である画像表示装置の構成及びその光線（画像形成素子からの光線のみ）の経路を示す図である。
【図１１】第５の実施の形態の具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図である。
【図１２】ホログラムの特性を説明するための図である。
【図１３】入射角θｉｎｃと前記回折反射角θｒｅｆとの差（θｉｎｃ−θｒｅｆ）と、回折反射方向の変化量Δθとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…イメージコンバイナ、２…画像形成素子、３…ＬＥＤ、４…反射鏡、５…板状部、５ａ…（眼側の）面、５ｂ…（眼と反対側の）面、５ｃ…板状部の上部の面、６…（反射型）ＨＯＥ、７…光学系、Ｐ…射出瞳、Ｐ０…射出瞳の中心、Ｒ１〜Ｒ５…領域[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an image display device used such as a head-mounted display device, a viewfinder, etc., which is in contact with or very close to a user's eye, and forms an image by light from the front such as the outside world. The present invention relates to an image display device which enables an image formed by light from means to be superimposed and observed.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a so-called see-through type head mounted image display device (head mounted display) which allows a user to see a display image superimposed thereon while observing the state of the outside world, for example, JP-A-2000-352689. 2. Description of the Related Art An image display device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. 2001-264682 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-264682 (Patent Document 2) is known.
[0003]
In these image display devices, the size and weight are reduced by using a reflection hologram optical element as an optical system for synthesizing images. The reflection hologram optical element has excellent wavelength selectivity and can selectively diffract and reflect only light in an extremely limited wavelength region. Therefore, when a see-through type image display device is configured, the loss of the amount of light transmitted from the outside or the like (outside light) can be significantly reduced by using a reflection hologram optical element.
[0004]
In these image display devices, a liquid crystal display element is generally used as an image forming element for forming a display image in order to reduce the size and weight, and a small and inexpensive light source is used as a light source for illuminating the liquid crystal display element. LEDs are used.
[0005]
[Patent Document 1] JP-A-2000-352689
[Patent Document 2] JP-A-2001-264682
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the image display devices described in

Patent Literatures

1 and 2, when an image formed is viewed with eyes, the image is blurred, and the image quality is not always satisfactory. Further, due to its structure, there is a problem that the visual field of the outside world is obstructed.
[0007]
The present invention has been made in view of such circumstances, and it is an object of the present invention to provide an image display device that does not hinder the field of view of the outside world while reducing the size and weight using a reflective hologram optical element.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
A first means for solving the above-mentioned problem is an eyepiece type image display device, provided with a reflection hologram optical element, including an image combiner for superimposing light from the image forming means and external light, The light emitted from the image forming unit has only one wavelength region component or discrete wavelength region components, and the principal ray corresponding to the center of the display unit of the image forming unit is the reflection hologram optical system. When the principal ray is diffracted and reflected by the element, the absolute value of the difference between the incident angle of the principal ray with respect to the normal line of the reflection type hologram optical element and the diffraction reflection angle is 3 ° or less, and the diffraction reflection angle is 25 °. The image display device according to claim 1, wherein the angle is set to 35 ° or less and the central emission direction of the light superimposed by the image combiner substantially coincides with the central direction of the visual field.
[0009]
"Substantially coincides with the center of the visual field" means that the center of the visual field is ± 6 ° with respect to the center of the visual field when viewing an object outside, and when the face is vertical, the center of the visual field is in the horizontal direction. . In the specification, the central emission direction of light refers to an angle formed by a principal ray emitted from the center of the image forming unit with the center of the visual field when passing through the exit pupil. The eyepiece type is a type used at a distance of about 15 mm or less from the eye.
[0010]
A second means for solving the above-mentioned problem is an eyepiece type image display device, which is provided with a reflection type hologram optical element, and includes an image combiner for superimposing light from the image forming means and external light, The light emitted from the image forming unit has only one wavelength region component or discrete wavelength region components, and the principal ray corresponding to the center of the display unit of the image forming unit is the reflection hologram optical system. When diffracted and reflected by the element, the absolute value of the difference between the incident angle of the principal ray with respect to the normal to the reflective hologram optical element and the diffraction reflection angle is set to 3 ° or less, and the diffraction reflection angle is 22 °. 32 ° or less, and the central emission direction of the light superimposed by the image combiner is inclined by 6 ° or more with respect to the visual field center direction.
An image display device characterized by the following (claim 2).
[0011]
A third means for solving the problem is the first means or the second means, wherein an absolute value of a difference between the incident angle and the diffraction reflection angle is set to 2 ° or less. (Claim 3).
[0012]
A fourth means for solving the above problem is any of the first means to the third means, wherein the reflection hologram optical element is a volume type. 4).
[0013]
A fifth means for solving the above problem is any of the first means to the fourth means, wherein the reflection hologram optical element has optical power. Item 5).
[0014]
A sixth means for solving the above problem is any one of the first means to the fifth means, wherein an emission direction of the chief ray from the image forming means is displayed on the image forming means. The direction is substantially perpendicular to the surface of the portion (claim 6).
[0015]
As a result of research, the present inventor has found that the cause of the image appearing blurred on the display screen in the image display device described in Patent Document 1 is due to the lateral chromatic aberration characteristics of the reflection hologram optical element. Was. This characteristic will be described in detail below. In the following description, the hologram optical element may be called an HOE.
[0016]
The diffraction characteristics of the reflection type HOE, particularly the reflection type volume HOE, have a sharp wavelength selectivity (a characteristic that only light of a specific wavelength is diffracted in a specific direction with respect to reproduction illumination light incident at a certain incident angle). However, the full width at half maximum of the wavelength selectivity is determined by the thickness of the emulsion for recording interference fringes of the hologram and the degree of refractive index modulation. For example, when the thickness of the emulsion is 15 μm, the full width at half maximum is about 12 nm and when the thickness is 5 μm. Has a full width at half maximum of about 24 nm. In other words, although the reflection type HOE has sharp wavelength selectivity, it does not reflect only light of a single wavelength, but reflects light having a wavelength component in a predetermined wavelength region selectively at a predetermined ratio.
[0017]
On the other hand, in the conventional image display device, the light obtained from the image forming element uses a specific color LED instead of a white LED because the LED which is a small light source is generally used as an illumination light source as described above. Does not have a single wavelength but has a component in a predetermined wavelength range. In the case of an LED of a specific color (green, red, or the like), the full width at half maximum of the light emitted from the LED is approximately 20 nm, and in some cases, the full width at half maximum is approximately 60 nm.
[0018]
Therefore, in the image display device described in Patent Literature 1, light having a component in a wavelength region that is approximately equal to or wider than the wavelength region that the reflective HOE selectively reflects is incident on the reflective HOE. I do.
[0019]
Light diffracted and reflected on the surface of the reflection type HOE is reflected and diffracted at an angle satisfying the Bragg condition. Therefore, when the wavelength is in the range of λ ± Δλ, the direction of reflection is θ ± Δθ, and the diffraction reflection angle differs depending on the wavelength. That is, dispersion due to wavelength occurs, and lateral chromatic aberration occurs.
[0020]
The inventor has discovered that the reason why an image looks blurred in the conventional device is that horizontal chromatic aberration occurs due to the bandwidth of the illumination light. In addition, they found a means for constructing a thin and compact device after correcting the lateral chromatic aberration.
[0021]
The inventor of the present invention has described the image display devices of some embodiments described in Patent Document 1 and Patent Document 2 from an observer (user) pupil to an image forming element (an image forming member such as a liquid crystal display element). The amount of the lateral chromatic aberration was specifically obtained by performing ray tracing toward the beam. The results are described below.
[0022]
In the case of Example 1 described in Patent Document 1, a ray of λ = 532 nm incident at 18.47 ° with respect to the normal of the HOE surface is diffracted and reflected in a direction of 31.26 ° with respect to the normal of the HOE surface. However, a ray of λ = 542 nm incident from the same direction is diffracted and reflected in a direction of 31.52 ° with respect to the normal to the HOE surface. That is, Δθ = 0.26 ° for Δλ = + 10 nm. As a result, a horizontal chromatic aberration of 0.13 mm occurs on the image plane. In this case, the absolute value of the difference between the incident angle and the reflection angle on the HOE surface is 12.79 ° (= 31.26 ° -18.47 °).
[0023]
Further, in the case of Example 3 described in Patent Document 1, a light beam of λ = 532 nm incident in a direction of 0 ° (parallel to the normal) to the normal of the HOE surface is 19. Although the light is diffracted and reflected in the direction of 31 °, the light beam of λ = 542 nm incident from the same direction is diffracted and reflected in the direction of 19.69 ° with respect to the normal to the HOE surface. That is, Δθ = 0.38 ° with respect to Δλ = + 10 nm. As a result, a lateral chromatic aberration of 0.182 mm occurs on the image plane. In this case, the absolute value of the difference between the incident angle and the reflection angle on the HOE surface is 19.31 °.
[0024]
Further, in the case of the image information display device of Example 1 described in Patent Document 2, a light beam of λ = 532 nm incident in the direction of 23.34 ° with respect to the normal of the HOE plane is 31. Although the light is diffracted and reflected in the direction of 27 °, the light beam of λ = 542 nm incident from the same direction is diffracted and reflected in the direction of 31.42 ° with respect to the normal to the HOE surface. That is, Δθ = 0.15 ° with respect to Δλ = + 10 nm. As a result, a lateral chromatic aberration of 0.08 mm occurs on the image plane. In this case, the absolute value of the difference between the incident angle and the reflection angle on the HOE surface is 7.93 °.
[0025]
If a 1/4 inch (4.8 × 3.6 mm) liquid crystal display device of QVGA (320 × 240 pixels) is placed on the image plane as an image forming element, the size of one pixel is 0.015 mm. The lateral chromatic aberration amount of the conventional device, which is specifically obtained as described above, is a large value corresponding to 5 to 12 pixels. That is, in the conventional image display device, such a large horizontal chromatic aberration causes a problem that a display image looks blurred.
[0026]
Of course, if a single-wavelength light source such as a laser light source is used as the illumination light source of the image forming element, the problem that the displayed image looks blurred does not occur. However, there is a very strong demand for using a small and inexpensive light source such as an LED.
[0027]
Therefore, it is conceivable to insert a wavelength selection filter (bandpass filter) or the like after the LED in order to minimize the wavelength width of light incident on the reflection type HOE while using the LED as the illumination light source and to minimize the Δλ. . However, in this case, the size of the filter is inevitably increased by the amount of the filter, and the number of parts is increased, so that the cost is inevitably increased. In addition, the use efficiency of light from the light source is reduced by the filter, and a bright display image cannot be obtained.
[0028]
The present inventor, as described above, based on the results of the investigation and analysis of the cause of bleeding of the display image occurred in the conventional image display device, as a result of further research, compared with the conventional image display device In addition, the present inventors have found a technical measure for reducing the blur of a display image.
[0029]
That is, the present inventor has proposed a case in which light reaching the user's eye after being diffracted and reflected by the reflection type HOE from the image forming element has only one wavelength region component or discrete plural wavelength region components. A main light beam whose wavelength is substantially the center wavelength of the one wavelength region or the center wavelength of the shortest wavelength region of the plurality of wavelength regions, and which corresponds to the center of the display unit of the image forming element. This light beam travels from the center of the display unit of the image forming element to the vicinity of the center of the pupil plane of the user's eye normally.) When the absolute value of the difference between the incident angle and the reflection diffraction angle with respect to the surface of the reflection hologram optical element is set to 3 ° or less, blurring of a display image is reduced and image quality is reduced as compared with the above-described conventional image display device. That can be improved It was heading. It depends on the following considerations.
[0030]
In the diffraction by the hologram, the diffraction intensity becomes maximum in a direction according to Bragg's conditional expression. The Bragg conditional expression in the volume hologram is represented by the following expression, and the intensity of light diffracted in a direction that simultaneously satisfies Expressions (1) and (2) is maximized.
[0031]
(Equation 1)
1 / λ_R(Sin θ₀−sin θ_R) = 1 / λ_C(Sin θ_I−sin θ_C…… (1)
1 / λ_R(Cos θ₀-Cosθ_R) = 1 / λ_C(Cos θ_I-Cosθ_C…… (2)
[0032]
Here, the left side of the expressions (1) and (2) indicates a state at the time of hologram recording, and λ_RIs the recording wavelength, θ₀Is the incident angle of the object light with respect to the normal to the hologram surface, θ_RIs the incident angle of the reference light. The right side shows the state at the time of reproducing the hologram._CIs the reproduction wavelength, θ_CIs the incident angle of the illumination light with respect to the normal to the hologram surface, θ_IIs the exit angle of the diffracted light. This is simply shown in FIG. 12 as shown in FIG. In FIG. 12B, Pc is the position of the center of the pupil of the user's eye. When ray tracing is performed, ray tracing is performed from the position Pc. Therefore, the directions of the rays in FIG. 12B are shown according to the case of ray tracing, but the actual directions of the rays are reversed.
[0033]
The meaning of the expression (1) is as follows. The interval between the interference fringes formed during hologram recording is determined by the incident angle of the object light and reference light during exposure and the exposure wavelength, and the light exiting from the transparent portion of adjacent fringes is shifted by one wavelength during hologram reproduction. Since the light intensity of the diffracted light is maximized in the direction, (1) is derived. And the wavelength λ_RAnd θ with respect to the normal of the hologram surface₀And θ_RThe hologram recorded by the interference of the two light beams respectively incident on the hologram has a wavelength λ._CThe reproduction light of θ_CWhen irradiating from an angle of θ, the angle θ_IDiffracted light is generated in the direction of.
[0034]
Equation (2) is obtained by applying the condition of equation (1) to diffraction by interference fringes in the thickness direction of the hologram._RAnd the incident angle θ with respect to the normal to the hologram surface₀And incident angle θ_RThe reference light is applied to the hologram recorded with the two light beams respectively incident at_CIs an expression for specifying the wavelength of light to be reproduced when irradiated from the direction of. As the thickness of the hologram increases, the half-width at half maximum of the diffraction wavelength range of equation (2) becomes narrower, and the conditions for reproduction become more severe.
[0035]
Here, considering the reproduction wavelength and the direction of diffraction, the reproduction wavelength λ_CThe light of θ_CWhen irradiating from the direction, the direction of the diffracted light is as shown in the following equation (3) from the equation (1).
sin θ_I= Sin θ_C+ Λ_C/ Λ_R(Sin θ₀−sin θ_R…… (3)
Where sin θ₀= Sin θ_RThat is, when two light beams at the time of recording are symmetrically incident on the hologram surface,
λ_C/ Λ_R(Sin θ₀−sin θ_R) = 0
In Equation (3), the term depending on the wavelength disappears, and the direction of the diffracted light becomes
sin θ_I= Sin θ_C
And the angle between the reproduction illumination light and the diffracted light is symmetrical with respect to the hologram normal and equal.
[0036]
From the above examination, when the principal ray corresponding to the center of the display unit of the image forming element is diffracted and reflected by the reflection type HOE, the incident angle θinc (the angle θinc) of the principal ray with respect to the surface of the reflection type hologram optical element is obtained._ISupplementary angle of: 180-θ_I) And the diffraction reflection angle θref (the angle θ_CIt is understood that the principal ray is always reflected at the same diffraction reflection angle θref regardless of its wavelength.
[0037]
In FIG. 13, (θinc−θref) is plotted on the horizontal axis, and the diffraction reflection direction when the wavelength of the reference light is changed from the reference wavelength by Δλ = 10 nm in the two cases of the reference wavelength λ = 532 nm and 647 nm. 6 shows a graph in which the value of the change amount Δθ is obtained by ray tracing. Note that not the incident angle θinc but the amount of deviation from symmetrical incidence (θinc−θref = 0) contributes to Δθ. In addition, it can be seen that the shorter the reference wavelength, the larger the amount of change in Δθ.
[0038]
As can be seen from FIG. 13, as the absolute value | θinc−θref | of the difference between the incident angle θinc and the diffraction reflection angle θref is smaller, Δθ can be reduced, and the lateral chromatic aberration can be reduced. it can. In the conventional image display device, | θinc−θref | is 7.42 ° or more. Therefore, when | θinc−θref | is set to 3 ° or less, Δθ is reduced to half or less as compared with the conventional image display device. Thus, it can be seen that the lateral chromatic aberration can be reduced, and consequently, the blur of the displayed image can be reduced to improve the image quality of the displayed image. Therefore, in the first means and the second means, | θinc−θref | is set to 3 ° or less.
[0039]
When a liquid crystal display device conforming to the QVGA standard is used, if a region substantially free of lateral chromatic aberration is within about 30% of the central portion when the vertical angle of view is ± 6 °, it remains at the upper and lower ends. It is considered that the lateral chromatic aberration is also within an allowable range. In order to satisfy such a condition, it is preferable that | θinc−θref | is 2 ° or less. In order to further improve the image quality, it is even more preferable to set | θinc−θref | to 1.5 ° or less.
[0040]
As can be understood from the above description, it is sufficient to set | θinc−θref | = 0 to ideally reduce the lateral chromatic aberration. However, there is actually a balance with the angle of view, and the angle of incidence is ideally set. In some cases, | θinc−θref | may be determined within the above-described range in consideration of this point.
[0041]
By the way, since Δθ ≠ 0 as long as | θinc−θref | ≠ 0, the allowable range of | θinc−θref | must be determined based on a certain wavelength. If the light emitted from the image forming element and diffracted and reflected by the reflection type HOE and reaching the user's eye has only one wavelength region component, the reference wavelength is the center wavelength of the one wavelength region. And it is sufficient. Further, when the light that reaches the pupil after being diffracted and reflected by the reflection type HOE from the image forming element has components of a plurality of discrete wavelength regions, the shortest wavelength side of the plurality of wavelength regions is used. What is necessary is just to set it as the substantially center wavelength of a wavelength range.
[0042]
This is because, as already described with reference to FIG. 13, the shorter the reference wavelength, the larger the amount of change in Δθ. In the latter case, for example, a color reflection type HOE is used as a reflection type HOE (this HOE is, for example, three discrete HOEs each representing R, G, and B as disclosed in JP-A-2001-264682, for example). This is a case in which a white LED is used as an illumination light source for an image forming element.
[0043]
The above is the description of the principal ray corresponding to the center of the display section of the image forming element. By making the incident angle and the reflection angle equal to not only this light beam but also all the light beams diffracted and reflected by the reflection type HOE, image information having no horizontal chromatic aberration can be guided to the eyes. However, in such a case, the reflection-type HOE only functions as a plane mirror having no lens function (that is, optical power), although it operates with respect to wavelength selectivity. In such a case, considering the entire system, it is necessary to correct all aberrations (such as spherical aberration and astigmatism) in the optical system on the image forming element side, and the optical system in that part becomes complicated. .
[0044]
For this reason, in order to simplify the optical system, it is preferable that the reflection type HOE has an optical power. In this case, even if the horizontal chromatic aberration does not occur with respect to the principal ray corresponding to the center of the display unit of the image forming element, the horizontal chromatic aberration occurs with respect to the light from the periphery of the image forming element. However, if the reflection-type HOE is not provided with an extremely strong optical power, it can be canceled out by the dispersion of other optical systems and can be suppressed to a practically acceptable range, which is not a problem.
[0045]
Also, as discussed above, the wavelength range in which lateral chromatic aberration correction is required only needs to be at most as long as it is within the range of the wavelength selectivity of the reflection-type HOE. Is not enough to sacrifice the lens action of the reflective HOE for the perfection.
[0046]
On the other hand, the image display device of the present invention is characterized in that it is used in front of the user's eyes. Therefore, it is desirable that the image display device has a configuration that does not obstruct the field of light (the external light) transmitted through the main body as much as possible.
[0047]
Here, the principal ray from the center of the image forming element toward the center of the pupil of the user's eye is defined as the optical axis of the image display device of the present invention. The optical axis is not a single straight line but a line segment. Then, the distance from the center of the visible range (field of view) of the external world seen through the image display device to the position where the member of the image display device obstructs the visual field of the external light is measured from the optical axis toward the pupil of the user's eye. Is called a “half boxing size” and is defined as a length L in FIG. L is the distance from the position where the principal ray from the center of the field of view when observing the external world intersects the plate-shaped portion 5 to the point where the field of view is obstructed by the surface shape of the image display device or the like. The longer half boxing size can be used without interference between the image display device and the face, and does not hinder the field of view of the external light.
[0048]
Hereinafter, in order to make the angle of incidence and the angle of reflection of the light beam on the optical axis to the reflection type HOE substantially equal from the viewpoint of correcting the lateral chromatic aberration described above, in order to further improve the usability of the user, it is necessary to increase the half boxing size. Consider the conditions.
[0049]
As a guide for the actual half-boxing size, when the direction of the Y axis in FIG. 1 is made to coincide with the vertical direction when the user actually wears it, 15 mm or more on one side is sufficient, and the Y axis in FIG. In the case where the direction is made to coincide with the left-right direction for the user, it is sufficient if 22 mm or more on one side.
[0050]
Here, since it is desirable that the weight of the whole apparatus is light, it is preferable that the thickness d of the reflecting surface facing each other in FIG. It is assumed that d is fixed and the angle of the reflective HOE surface with respect to the line of sight is changed.
[0051]
When the reflective HOE surface is raised from the state shown in FIG. 1, that is, when the angle of the line of sight with respect to the normal of the HOE is reduced, the angle of incidence and the angle of reflection are substantially equal. The incident angle of the illumination light is also reduced. Therefore, the number of times of repeated reflection on the reflection surface increases. On the other hand, the length from the image forming element to the reflective HOE surface is determined to a predetermined value from the design conditions of the optical system. In order to keep the length from the image forming element to the reflective HOE surface at this predetermined value, the half-boxing size becomes shorter in response to an increase in the number of times of reflection. In addition, since the illumination light from the image forming element needs to be totally reflected at the

boundaries

5a and 5b of the plate-shaped portion 5 to pass through the predetermined optical path, the minimum incident angle on the reflection surface is determined. . Since d is usually 5 mm or less, considering this, considering that the half boxing size is 15 mm or more, it is preferable that the angle of the line of sight to the normal line of the reflective HOE surface be 25 degrees or more.
[0052]
Conversely, when the reflection type HOE surface is tilted from the state of FIG. 1, that is, when the angle of the line of sight with respect to the normal line of the HOE is increased, the half boxing size is in the direction of becoming longer contrary to the above, but when d is fixed, The effective diameter of the reflective HOE surface in the paper becomes smaller. In that case, the luminous flux required for the design is vignetted, and the peripheral dimming becomes severe. Usually, the angle of view of the image forming element viewed from the pupil is about ± 6 °. Therefore, considering that peripheral dimming does not occur in this range, and considering that d is 5 mm or less, the reflection type HOE surface The angle of the line of sight with respect to the normal is desirably 35 degrees or less. In order to further suppress the peripheral dimming and set the half boxing size long, it is desirable to set the lower limit to 28 degrees and the upper limit to 32 degrees.
[0053]
The above description relates to the structure of the image display device as shown in FIG. 1 in which the line of sight is directed substantially perpendicular to the face, and the opposing reflecting surfaces are arranged vertically. Considering this, it is preferable that the diffraction and reflection angle of the reflection-type HOE element be within the range of 25 ° to 35 °, and more preferably within the range of 28 ° to 35 °. Further, in this case, the angles formed by the reflective HOE element repeatedly with respect to the reflective surface are 25 ° to 35 ° and 28 ° to 35 °, respectively.
[0054]
On the other hand, it is preferable that the reflecting surface be vertical so that the image display light enters the eyes when the user looks down slightly or horizontally instead of facing the front. There are cases. In such a case, the line of sight is directed downward by 6 ° or more. In such a case, the principal ray from the center of the image forming element passes upward through the center of the pupil of the eye by 6 ° or more. What should I do?
[0055]
In addition, since the image from the image forming element only needs to be formed in the viewing direction when the line of sight is directed to the front, even if the image is tilted by 6 ° or more in all directions with respect to the center of the visual field of the image display device. Good. The angle of the image display device used by being mounted on the head changes depending on the manner in which the image is held on the head. However, the image display device is inclined at the above angle with respect to the mounting posture assumed in general use. Just do it.
[0056]
In order to satisfy such a condition without changing the light beam from the reflective HOE element to the image forming element, as is clear from the geometrical relationship, the angle of the line of sight to the normal of the reflective HOE surface, That is, it is desirable that the diffraction reflection angle of the reflection type HOE element be 22 ° or more and 32 ° or less. At this time, the angle formed by the reflective HOE element repeatedly with respect to the reflective surface is 28 ° to 38 °.
[0057]
The diffraction characteristics of the reflection type volume HOE have sharp wavelength selectivity (a characteristic that only light of a specific wavelength is diffracted in a specific direction with respect to reproduction illumination light incident at a certain incident angle). It is particularly preferable to use a volume type hologram optical element.
[0058]
Furthermore, if the direction of emission of the chief ray from the image forming means is set to a direction substantially perpendicular to the surface of the display section of the image forming means, the chief ray from any position on the surface of the image forming means can be obtained. It is preferable because the relational expression can be established.
[0059]
The present invention has been made based on new findings obtained as a result of the above-described research by the present inventors in order to solve the above-mentioned problems.
[0060]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an image display device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0061]
[First Embodiment]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an image display apparatus according to a first embodiment of the present invention and schematic paths of light rays (only light rays from the image forming element 2). Here, as shown in FIG. 1, an X axis, a Y axis, and a Z axis that are orthogonal to each other are defined. That is, the left-right direction in the plane of FIG. 1 is the Z axis, and the right direction is the plus direction of the Z coordinate value. The vertical direction in the plane of FIG. 1 is the Y axis, and the upward direction is the plus direction of the Y coordinate value. A direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1 is defined as an X axis, and a right-handed three-dimensional orthogonal coordinate system is defined. That is, the direction from the paper surface in FIG. The Y-axis direction may coincide with the actual vertical direction, or may be any other appropriate direction.
[0062]
Further, in the description of each embodiment of the present invention, description is made based on the arrangement shown in FIG. In the drawing, reference numeral 5 denotes a plate-like portion. The surface of the plate-like portion 5 on the side closer to the exit pupil P of the image combiner 1 is denoted by 5a, and the surface on the far side is denoted by 5b. The directions of the coordinate axes are common to all the embodiments, as shown in FIG. However, the origin is not limited to the position shown in the figure, but may be any position. These definitions also apply to FIGS. 4, 6, 8, and 10 described later.
[0063]
The image display device according to the present embodiment includes an image combiner 1 and an image forming element 2. In the present embodiment, a transmission type LCD is used as the image forming element 2. The image forming element 2 is illuminated from behind by a light source including a LED 3 and a reflecting mirror 4 such as a parabolic mirror, and spatially modulates the light from the light source to transmit light indicating a display image. It is needless to say that another element such as a reflection type LCD or a self-luminous element may be used as the image forming element 2.
[0064]
The image combiner 1 is provided with a plate-shaped portion 5 made of an optical material such as glass or plastic and formed on a parallel flat plate except for the upper portion. However, the plate-shaped portion 5 may have, for example, optical power for correcting visual acuity of the user. In this case, for example, at least one of the two

surfaces

5a and 5b in the Z-axis direction of the plate-shaped portion 5 is formed of a curved surface. These points are the same for each embodiment described later. Further, in the present embodiment, the upper portion of the plate portion 5 protrudes rightward in the figure, and the upper surface 5c of the upper portion is an anamorphic aspheric surface. Note that the plate-like portion 5 also extends downward in FIG. 1, but is not shown.
[0065]
The plate-like portion 5 is mounted on the head of the user via a support member (not shown) such as a frame, like a spectacle lens, and is located in front of the user's eyes (not shown). . In FIG. 1, P indicates an exit pupil of the image combiner 1 with respect to light from the image forming element 2, and P0 indicates a center of the exit pupil P. The image combiner 1 is mounted on the user such that the exit pupil P substantially matches the pupil of the user's eye.
[0066]
Therefore, the center P0 of the exit pupil substantially coincides with the center of the pupil of the user's eye. In FIG. 1, the Z-axis direction matches the thickness direction of the plate portion 5. The eye-side surface 5a and the opposite surface 5b of the plate-shaped portion 5 are parallel to the XY plane. Although not shown in the drawings, the LED 3, the reflecting mirror 4, and the image forming element 2 are also supported by the support member. Thereby, the image forming element 2 does not hinder the user from observing the outside world and also prevents the user from obstructing when the user wears the image display device. It is located diagonally to the upper right.
[0067]
Of course, the image forming element 2 may be arranged at another appropriate place and a display image may be guided to the position of the image forming element 2 in FIG. 1 by a relay optical system, or the position may be guided by a scanning optical system. The aerial image may be formed at the same time. This applies to each of the embodiments described later.
[0068]
In FIG. 1, points A1 and A2 indicate the positions of both ends of the display unit of the image forming element 2 in the drawing in the drawing. Point A0 indicates the center of the display unit. The image combiner 1 transmits light through the plate-shaped portion 5 so as to pass through the thickness d of the plate-shaped portion 5 from the front of the plate-shaped portion 5 (that is, to enter from the surface 5b and exit from the surface 5a). Hereinafter, the light from the image forming element 2 is superimposed on the “external light”, and is guided to the user's eyes.
[0069]
In the present embodiment, a reflection type hologram optical element (reflection type HOE) 6 is provided inside the plate-like portion 5 near a position facing the user's eye in the plate-like portion 5. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the reflective HOE 6 is inclined clockwise at a predetermined angle with respect to the

surfaces

5a and 5b.
[0070]
For example, the reflection type HOE 6 is formed by bonding a small piece of the same material as the plate-shaped portion 5, and then the small piece is arranged in a mold forming the plate-shaped portion 5, and the material of the plate-shaped portion 5 is melted. The reflection type HOE 6 can be provided inside the plate-like portion 5 by pouring into a mold in a state and then hardening.
[0071]
The wavelength of the light from the image forming element 2 has a wavelength width including the wavelength of the diffraction efficiency peak of the reflective HOE 6 in a predetermined diffraction direction, and a maximum part of the wavelength width is substantially equal to the wavelength of the diffraction efficiency peak. The reflection type HOE reflects light from the image forming element 2. On the other hand, the reflection type HOE 6 transmits external light (not shown) without being deflected. It is preferable to use a reflection type HOE 6 having high wavelength selectivity so as not to hinder external light as much as possible. If a reflective HOE 6 having selectivity with respect to three wavelength light in a narrow wavelength range representing each of R, G, and B colors is used, it is possible to color a display image viewed by a user. .
[0072]
As shown in FIG. 1, the reflective HOE 6 has a characteristic of reflecting light from the image forming element 2 in the direction of the pupil of the observer, and also has an optical power so as to have a predetermined image forming action. Have. However, the reflection type HOE 6 does not necessarily need to have optical power. The reflection type HOE 6 may be a flat type or a curved type. In the case where a curved HOE 6 is used, if the curvature of the curved surface is located on the user's eye side, when the angle of view is large, the amount of aberration variation due to the angle of view generated by the reflective HOE 6 is small. It is smaller and preferable.
[0073]
Examples of the hologram photosensitive material for constituting the reflection type HOE 6 include a photopolymer, a photoresist, a photochromic, a photodichromic, a silver salt emulsion, a dichromated gelatin, a dichromated gelatin, a plastic, a ferroelectric material, and a magneto-optical material. , An electro-optic material, an amorphous semiconductor, a photorefractive material, and the like. Then, the reflective HOE 6 can be manufactured by simultaneously irradiating the material with the object light and the reference light using a manufacturing optical system according to a known method. However, in the present embodiment, when exposing the hologram photosensitive material, the difference in the incident angle between the object light and the reference light is set to 3 ° or less, and the exposure is performed under an exposure condition different from a known method.
[0074]
Light (light of a display image) that has passed through an arbitrary point on the display unit of the image forming element 2 enters the plate-shaped portion 5 from the upper surface 5c of the upper portion of the plate-shaped portion 5, and is incident on the surface of the plate-shaped portion 5. The light enters the region R1 of FIG. 5a at an incident angle larger than the critical angle, and is totally reflected by the region R1. This light is incident on the region R2 of the surface 5b of the plate portion 5 at an incident angle larger than the critical angle, and is totally reflected by the region R2. Further, the light enters the region R3 of the surface 5a of the plate portion 5 at an incident angle larger than the critical angle, is totally reflected by the region R3, and then enters the reflection type HOE 6. At this time, this light undergoes a reflection diffraction action and an imaging action by the reflection type HOE 6.
[0075]
After that, this light is emitted from the region R <b> 4 of the surface 5 a of the plate portion 5 to the outside of the plate portion 5. At this time, the light emitted from the same portion of the image forming element 2 is infinite or a predetermined distance from the exit pupil P (in a specific example described below, 1 m. This distance is the same in specific examples of other embodiments described later). At the exit pupil P so as to form an enlarged virtual image.
[0076]
The light that is emitted from the image forming element 2 and reaches the user's eye after being diffracted and reflected by the reflection type HOE 6 usually has one wavelength range depending on the emission spectrum characteristics of the LED 3 and the wavelength selectivity of the reflection type HOE 6. In the case where a white LED is used as the LED 3 and a color reflective HOE is used as the reflective HOE 6, for example, the LED 3 has a plurality of discrete wavelength region components.
[0077]
Here, of the light that is emitted from the image forming element 2 and that is diffracted and reflected by the reflection type HOE 6 and reaches the user's eye, the light that is emitted from the center AO of the image forming element 2 and reaches the center of the exit pupil P think about. Among these light beams, a light beam whose wavelength is substantially the center wavelength of the one wavelength region or the center wavelength of the shortest wavelength region of the plurality of wavelength regions is referred to as a principal ray here.
[0078]
In the present embodiment, when the principal ray is diffracted and reflected by the reflective HOE 6, the absolute value | θinc−θref | of the difference between the incident angle θinc and the reflection angle θref of the principal ray with respect to the normal to the reflective HOE 6 Is set to 3 ° or less. That is, the reflection-type HOE 6 is formed so as to satisfy this condition, and the diffraction reflection angle of the principal ray with respect to the normal line of the reflection-type HOE 6 is set to 25 ° or more and 35 ° or less.
[0079]
According to the present embodiment, the arrangement is set so as to satisfy the above conditions, so that the horizontal chromatic aberration is reduced, and the blur of the display image is reduced, as compared with the conventional image display device. The image quality can be improved, the half-boxing size can be increased, and a superimposed image can be observed without obstructing the field of view of external light.
[0080]
Here, the first embodiment will be described in more detail with reference to FIG. In designing the first specific example, code V (trade name) manufactured by Optical Research Associates of the United States, which is famous in the technical field, was used as a design program. At this time, as described above, the path of a light beam emitted from the center of the center A0 of the display unit of the image forming element 2 and passing through the center P0 of the exit pupil P is defined as the optical axis of the entire optical device. In this specific example, the optical axis is not a single straight line, but has a shape formed by connecting mutually inclined line segments. These points are the same for specific examples of the embodiments described later.
[0081]
The optical quantities of this specific example are as follows.
The diameter of the exit pupil P is 3 mm. The view angle in the upward direction in the drawing is 5 °. The viewing angle in the downward direction in the drawing is −5 °. The viewing angle in the depth direction of the paper is ± 6.75 °. The screen size (the length between the points A1 and A2) in the paper of the drawing is 3.6 mm. The screen size in the depth direction of the paper is 4.8 mm. The thickness d of the plate portion 5 is 3.5 mm. The used wavelength has a wavelength width of about 480 nm to about 540 nm. The refractive index of the plate-like portion 5 at a wavelength of 587.56 nm (d-line) is nd = 1.596229, and the Abbe number is νd = 40.4. The

surfaces

5a and 5b of the plate portion 5 are flat surfaces.
[0082]
For the reflection type HOE 6, a hologram is uniquely defined by defining two light beams used for exposure. The definition of the two luminous fluxes is defined by the position of the light source and either convergence (VIR) or divergence (REA) of the beam emitted from each light source. Let the coordinates of the first point light source (HV1) be (HX1, HY1, HZ1) and the coordinates of the second point light source be (HX2, HY2, HZ2). As shown in FIG. 2, the origin is a point where the HOE surface intersects with the optical axis, the Z axis is in the optical axis direction, the Y axis is on the paper surface in the HOE surface, and the X axis is the depth direction of the paper surface. It is different from the coordinates defined in relation to 1.
[0083]
The emulsion for recording the hologram has a thickness of 5 μm, a refractive index of 1.493, and a refractive index modulation of 0.03. Assuming that the exposure wavelength is 532 nm and the shrinkage ratio of the emulsion is 3.3%, the central wavelength of reproduction is 512 nm. The surface of the reflective HOE 6 has its center in the direction rotated by 30 ° clockwise on the paper from the same direction as the Y axis by 1.7 mm from the surface 5a on the right side in FIG. 1 along the Z axis in FIG. It is a plane. The reflective HOE 6 has a phase function component to optimize the imaging performance.
[0084]
Here, the phase function will be described. The phase function defines an aspherical phase conversion amount other than that defined by each of two pure point light sources of the reflection type HOE 6, and in the optical design program code V, , X, and Y-axis components.
[0085]
Table 1 below shows various amounts for ray tracing in this specific example. The order of the optical surfaces (the order of the surface numbers) is from the pupil plane of the user's eye (= the plane of the exit pupil P of the image combiner 1) to the image forming element 2. In Table 1, reference numerals in FIG. 1 corresponding to the respective surface numbers are shown as “signs” in parentheses. This applies to a table described later.
(Table 1)
[0086]
[Table 1]

[0087]
The definition of the phase function used in Table 1 is a value obtained by standardizing the optical path difference of a light ray incident on a point designated as a position on the XY coordinate plane of the reflective HOE 6 by a wavelength to be used. When n is an integer, it is determined by specifying a coefficient of a polynomial expressed by the following general formula (4). Where C₀₀= 0.
[0088]
(Equation 2)

[0089]
However, up to 65 coefficients can be specified.₁, C₂, C₃, ..., C₆₅When the order of the coefficients is represented by an integer j, they are associated with integers m and n indicating the order of the X coordinate and the Y coordinate so that the following equation (5) holds.
j = ｛(m + n)²+ M + 3n｝ / 2 (5)
That is, in this example, the phase function is defined by a polynomial of the following equation (6). The definition of such a phase function is the same for a table described later.
[0090]
(Equation 3)
C₁X + C₂Y + C₃X²+ C₄XY + C₅Y²+ ... + C₆₅Y¹⁰ … (6)
[0091]
The used anamorphic aspherical surface 5c has a Z-axis coordinate value at a point (x, y) on the curved surface 5c when the optical axis of the curved surface 5c is a Z-coordinate axis, that is, a sag amount represented by the following (7). It is defined by expressing as shown in the equation.
[0092]
(Equation 4)

[0093]
In equation (7), cux is the radius of curvature in the X-axis direction, cuy is the radius of curvature in the Y-axis direction, KX is the conic constant in the X-axis direction, KY is the conical constant in the Y-axis direction, and AR is the rotation around the Z-axis. A symmetric fourth-order aspherical coefficient, BR is a sixth-order aspherical coefficient rotationally symmetric around the Z-axis, CR is an eighth-order aspherical coefficient rotationally symmetrical about the Z-axis, and DR is around the Z-axis. A rotationally symmetric 10th order aspherical coefficient, AP is a rotationally asymmetric 4th order aspherical coefficient, BP is a rotationally asymmetric 6th order aspherical coefficient, CP is a rotationally asymmetric 8th order aspherical coefficient, DP is a rotationally asymmetric Is the 10th order aspheric coefficient.
[0094]
Further, as a positional relationship between the respective optical surfaces in this specific example, the center of the first surface (surface number 1 = symbol P in FIG. 1) is defined as an origin (X, Y, Z) = (0, 0, 0). Table 2 below shows the absolute position of the center of each optical surface and the amount of rotation about the X-axis (value measured when the counterclockwise direction is positive).
(Table 2)
[0095]
[Table 2]

[0096]
When ray tracing is performed for this specific example, the incident angle and the reflection angle with respect to the reflection type HOE 6 with respect to the light ray passing through the pupil center PO toward the image plane center AO, and on the image plane (corresponding to the display surface of the image forming element 2). (Lateral chromatic aberration) is as shown in Table 3 below for the case where the wavelength of the light beam is a reference wavelength of 512 nm and 522 nm and 502 nm obtained by changing the wavelength by ± 10 nm.
(Table 3)
[0097]
[Table 3]

[0098]
In this specific example, | θinc−θref | of the reference wavelength is 0.1 °, which is 3 ° or less, and satisfies the above-described condition. As a result, it can be seen that the lateral chromatic aberration on the image plane when λ = ± 10 nm is very small, and the occurrence of the lateral chromatic aberration due to the diffraction by the reflection type HOE 6 is suppressed.
[0099]
Further, FIG. 3 shows a lateral aberration diagram for representing the imaging performance of the optical system of this example. Transverse aberrations for a reference wavelength of 512 nm and correspondingly 522 nm and 502 nm of ± 10 nm are simultaneously shown in one figure. From FIG. 3, it can be seen that the lateral chromatic aberration is small over the entire range of the angle of view, and that the imaging performance is excellent.
[0100]
As can be seen from FIG. 1, in this specific example, the principal ray is emitted from the image forming element 2 in a direction substantially perpendicular to the surface of the display section of the image forming element 2. Therefore, even when an element (for example, an LCD) having directivity of the intensity of the emitted light is used as the image forming element 2, the emitted light emitted from the image forming element 2 in the direction of the highest intensity is the user's eye. Will be reached. Therefore, according to this specific example, the display image becomes bright, which is preferable.
[0101]
In this specific example, the reflection angle at which the principal ray is diffracted and reflected by the reflection type HOE 6 is about 30 °, and is not less than 25 ° and not more than 35 °, which satisfies the above-described condition. As a result, the half boxing size L is 15.8 mm.
[0102]
This satisfies 15 mm or more on one side, which is a reference for the vertical field of view of external light, when the direction of the Y axis in FIG. 1 is matched with the vertical direction when the user actually wears it as described above. . Therefore, according to this specific example, the visual field of the external light is not obstructed, which is preferable.
[0103]
[Second embodiment]
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of an image display apparatus according to a second embodiment of the present invention and a path of light rays (only light rays from the image forming element 2). 4, elements that are the same as elements in FIG. 1 or that correspond to elements in FIG. 1 are given the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted. Note that, in FIG. 4, the LED 13 and the reflecting mirror 14 constituting the light source shown in FIG. 1 are not shown.
[0104]
This embodiment is basically different from the first embodiment in that the upper surface 5c of the plate-like portion is flat. According to the present embodiment, basically the same advantages as those of the first embodiment can be obtained, and the manufacturing process of the plate portion 5 can be simplified since the upper surface 5c is flat.
[0105]
Hereinafter, a specific example of the present embodiment will be described with reference to FIG. The optical quantities of this specific example are as follows.
[0106]
The diameter of the exit pupil P is 3 mm. The viewing angle in the plane of the drawing is ± 5 °. In the figure, the viewing angle in the depth direction of the paper is ± 6.75 °. The screen size (the length between points A1 and A2) in the paper plane in the figure is 3.6 mm. The screen size in the depth direction of the paper is 4.8 mm. The thickness d of the plate portion 5 is 3.4 mm. In this specific example, it is assumed that there is no shrinkage in the emulsion recording the reflection type HOE 6, and both the exposure wavelength and the central wavelength of reproduction are 532 nm. The same material as that of the specific example of the first embodiment is used for the plate portion 5. Table 4 below shows various quantities for ray tracing in this specific example. The order of the optical surfaces (the order of the surface numbers) is from the surface of the pupil of the user's eye (= the surface of the exit pupil P of the image combiner 1) to the image forming element 2.
(Table 4)
[0107]
[Table 4]

[0108]
Further, as the positional relationship between the optical surfaces in this specific example, the center PO of the first surface (surface number 1 = code P in FIG. 4) is defined as origin (X, Y, Z) = (0, 0, 0). Table 5 below shows the absolute position of the center of each optical surface and the amount of rotation around the X-axis (value measured when the counterclockwise direction is positive).
(Table 5)
[0109]
[Table 5]

[0110]
When ray tracing is performed for this specific example, the incident angle and the reflection angle with respect to the reflective HOE 6 for the light beam passing through the pupil center PO toward the image plane center PO, and on the image plane (corresponding to the display surface of the image forming element 2). (Horizontal chromatic aberration) is as shown in Table 6 below for the case where the wavelength of the light beam is 532 nm, which is a reference wavelength of 532 nm, and 542 nm and 522 nm obtained by changing the wavelength by ± 10 nm.
(Table 6)
[0111]
[Table 6]

[0112]
In this specific example, | θinc−θref | of the reference wavelength is 1.01 °, which is 3 ° or less, and satisfies the above-described condition. As a result, it can be seen that the lateral chromatic aberration on the image plane when λ = ± 10 nm is small, and the occurrence of the lateral chromatic aberration due to the diffraction by the reflection type HOE 6 is suppressed.
[0113]
Further, FIG. 5 shows a lateral aberration diagram for representing the imaging performance of the optical system of this example. The aberrations for the reference wavelength 532 nm and 542 nm and 522 nm of ± 10 nm corresponding thereto are simultaneously shown in one figure. From FIG. 5, it can be seen that the lateral chromatic aberration is small over the entire range of the angle of view, and the imaging performance is excellent.
[0114]
Further, in this specific example, the reflection angle at which the principal ray is diffracted and reflected from the reflection type HOE 6 is about 32 °, and is not less than 25 ° and not more than 35 °, which satisfies the above-described condition. As a result, the half boxing size L is 16.6 mm.
[0115]
This satisfies 15 mm or more on one side, which is a reference for the vertical field of view of external light, when the direction of the Y axis in FIG. 1 is matched with the vertical direction when the user actually wears it as described above. . Therefore, according to this specific example, the visual field of the external light is not obstructed, which is preferable.
[0116]
[Third Embodiment]
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of an image display apparatus according to a third embodiment of the present invention and a path of light rays (only light rays from the image forming element 2). 6, elements that are the same as elements in FIG. 1 or that correspond to elements in FIG. 1 are given the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted. In FIG. 6, the LEDs 13 and the reflecting mirrors 14 constituting the light source shown in FIG. 1 are not shown.
[0117]
This embodiment is fundamentally different from the first embodiment in that the upper surface 5c of the plate-like portion 5 is spherical. According to the present embodiment, basically the same advantages as those of the first embodiment can be obtained. In addition, since the upper surface 5c is spherical, the plate portion 5 can be manufactured relatively easily.
[0118]
Hereinafter, a specific example of the present embodiment will be described with reference to FIG. The optical quantities of this specific example are as follows.
[0119]
The diameter of the exit pupil P is 3 mm. The viewing angle in the plane of the drawing is ± 5 °. In the figure, the viewing angle in the depth direction of the paper is ± 6.75 °. The screen size (the length between the points A1 and A2) in the paper of the drawing is 3.6 mm. The screen size in the depth direction of the paper is 4.8 mm. The thickness d of the plate portion 5 is 3.4 mm. In this specific example, it is assumed that there is no shrinkage in the emulsion for recording HOE6, and both the exposure wavelength and the central wavelength of reproduction are 532 nm. The same material as that of the specific example of the first embodiment is used for the plate portion 5.
Various quantities for ray tracing in this specific example are shown in Table 7 below. The order of the optical surfaces (the order of the surface numbers) is from the surface of the pupil of the user's eye (= the surface of the exit pupil P of the image combiner 1) to the image forming element 2.
(Table 7)
[0120]
[Table 7]

[0121]
In addition, as a positional relationship between the optical surfaces in this specific example, the center PO of the first surface (surface number 1 = symbol P in FIG. 6) is defined as origin (X, Y, Z) = (0, 0, 0). Table 8 below shows the absolute position of the center of each optical surface and the amount of rotation around the X-axis (value measured when the counterclockwise direction is positive).
(Table 8)
[0122]
[Table 8]

[0123]
When ray tracing is performed for this specific example, the incident angle and the reflection angle with respect to the reflection type HOE 6 for the light ray passing through the pupil center PO toward the image plane center AO, and on the image plane (corresponding to the display surface of the image forming element 2). (Lateral chromatic aberration) is as shown in Table 9 below for the case where the wavelength of the light beam is the reference wavelength 532 nm and 542 nm and 522 nm obtained by changing ± 10 nm from the reference wavelength.
(Table 9)
[0124]
[Table 9]

[0125]
In this specific example, the reference wavelength | θinc−θref | = 1 °, which is 3 ° or less, and satisfies the above-described condition. As a result, it can be seen that the lateral chromatic aberration on the image plane when λ = ± 10 nm is small, and the occurrence of the lateral chromatic aberration due to the diffraction by the HOE 6 is suppressed.
[0126]
Further, FIG. 7 shows a lateral aberration diagram for representing the imaging performance of the optical system of this example. The aberrations for the reference wavelength 532 nm and 542 nm and 522 nm of ± 10 nm corresponding thereto are simultaneously shown in one figure. From FIG. 7, it can be seen that the lateral chromatic aberration is small over the entire range of the angle of view, and that the imaging performance is excellent.
[0127]
Further, in this specific example, the reflection angle at which the principal ray is diffracted and reflected by the reflection type HOE 6 is about 30 °, and is 25 ° or more and 35 ° or less, which satisfies the above-described condition. As a result, the half boxing size L is 17 mm.
[0128]
This satisfies 15 mm or more on one side, which is a reference for the vertical field of view of external light, when the direction of the Y axis in FIG. 1 is matched with the vertical direction when the user actually wears it as described above. . Therefore, according to this specific example, the visual field of the external light is not obstructed, which is preferable.
[0129]
[Fourth Embodiment]
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of an image display apparatus according to a fourth embodiment of the present invention and a path of light rays (only light rays from the image forming element 2). 8, elements that are the same as elements in FIG. 1 or that correspond to elements in FIG. 1 are given the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted. Note that, in FIG. 8, the LED 13 and the reflecting mirror 14 constituting the light source shown in FIG. 1 are not shown.
[0130]
This embodiment is basically different from the first embodiment in that the inclination angle of the reflection type HOE 6 with respect to the surface 5a of the plate portion 5 is set to 28 ° clockwise. That is, since the angle of the line of sight with respect to the normal line of the reflection type HOE 6 is reduced from 30 ° to 28 °, and the incident angle and the reflection angle remain almost equal, the illumination light from the image forming element with respect to the line of sight is reflected by the reflection type HOE 6. Is also reduced. Therefore, the heights of the light beams corresponding to 5a and 5b of the plate-like portion 5 are lower than those in FIG. As a result, the half-boxing size is reduced for the same number of reflections. Therefore, in the present embodiment, the number of reflections in the plate portion 5 is increased by one, and the surface 5c and the image forming element 2 are positioned at the upper left of FIG. According to the present embodiment, basically, the same advantages as those of the first embodiment can be obtained, and since the upper surface 5c and the image forming element 2 are on the user side, the portion that projects to the outside is small. To simplify the appearance during use.
[0131]
Hereinafter, a specific example of the present embodiment will be described with reference to FIG. The optical quantities of this specific example are as follows.
The diameter of the exit pupil P is 3 mm. The viewing angle in the plane of the drawing is ± 5 °. In the figure, the viewing angle in the depth direction of the paper is ± 6.66 °. The screen size (the length between the points A1 and A2) in the paper of the drawing is 3.6 mm. The screen size in the depth direction of the paper is 4.8 mm. The thickness d of the plate portion 5 is 3.4 mm. In this example, it was assumed that the emulsion recording reflective HOE6 had a 3.3% shrinkage. The same material as that of the specific example of the first embodiment is used for the plate portion 5.
[0132]
Table 10 below shows various quantities for ray tracing in this specific example. The order of the optical surfaces (the order of the surface numbers) is from the surface of the pupil of the user's eye (= the surface of the exit pupil P of the image combiner 1) to the image forming element 2.
(Table 10)
[0133]
[Table 10]

[0134]
Further, as the positional relationship between the optical surfaces in this specific example, the center PO of the first surface (surface number 1 = code P in FIG. 8) is defined as the origin (X, Y, Z) = (0, 0, 0). Table 11 below shows the absolute position of the center of each optical surface and the amount of rotation around the X-axis (value measured when the counterclockwise direction is positive).
(Table 11)
[0135]
[Table 11]

[0136]
When ray tracing is performed for this specific example, the incident angle and reflection angle with respect to the reflection-type HOE 6 for the light ray passing through the pupil center PO toward the image plane center AO, and on the image plane (corresponding to the display surface of the image forming element 2). (Lateral chromatic aberration) is as shown in Table 12 below for the case where the wavelength of the light beam is a reference wavelength 529.2 nm and 535.8 nm and 522.6 nm obtained by changing the wavelength by ± 6.6 nm. It has become.
(Table 12)
[0137]
[Table 12]

[0138]
In this specific example, | θinc−θref | of the reference wavelength is 0.64 °, which is 3 ° or less, and satisfies the above-described condition. As a result, it can be seen that there is little lateral chromatic aberration on the image plane when λ = ± 6.6 nm, and the occurrence of lateral chromatic aberration due to diffraction by the reflection type HOE 6 is suppressed.
[0139]
Further, FIG. 9 shows a lateral aberration diagram for representing the imaging performance of the optical system of this example. In this specific example, assuming an LED having a peak wavelength of about 515 nm and a full width at half maximum of about 60 nm as an illumination light source, the diffraction wavelength and the spectrum of the illumination light are calculated for each viewing angle in the plane of the paper, and the substantial light beam is calculated. Since the tracking wavelength was optimized and evaluated, the reference wavelength was changed depending on the angle of view.
[0140]
For each angle of view, the aberrations related to the reference wavelength and the wavelength at which the intensity is half the intensity with respect to the reference are simultaneously shown in one figure. From FIG. 9, it can be seen that the lateral chromatic aberration is small over the entire range of the angle of view and the imaging performance is excellent.
[0141]
Further, in this specific example, the reflection angle at which the principal ray is diffracted and reflected by the reflection type HOE 6 is about 28.6 °, and is not less than 25 ° and not more than 35 °, which satisfies the above-described condition. As a result, the half boxing size L is 18.4 mm.
[0142]
This satisfies 15 mm or more on one side, which is a reference for the vertical field of view of external light, when the direction of the Y axis in FIG. 1 is matched with the vertical direction when the user actually wears it as described above. . Therefore, according to this specific example, the visual field of the external light is not obstructed, which is preferable.
[0143]
[Fifth Embodiment]
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of an image display apparatus according to a fifth embodiment of the present invention and a path of light rays (only light rays from the image forming element 2). In FIG. 10, the same or corresponding elements as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted. Note that, in FIG. 10, the LED 13 and the reflecting mirror 14, which constitute the light source shown in FIG. 1, are not shown.
[0144]
This embodiment is basically different from the first embodiment in that the inclination angle of the reflection type HOE 6 with respect to the surface 5a of the plate-shaped portion 5 is set to 35 ° in the clockwise direction. Is that the optical system 7 is provided between the upper surface 5c and the image forming element 2. That is, the angle of the line of sight with respect to the normal line of the reflection type HOE 6 increases from 30 ° to 35 °, and the incident angle and the reflection angle remain substantially equal. The angle of incidence on is also increasing. Therefore, the heights of the light beams corresponding to 5a and 5b of the plate portion 5 are higher than those in the state of FIG. As a result, the half boxing size tends to be longer even with the same number of reflections. However, since the thickness of the plate-like portion 5 is set to substantially the same value, the effective diameter of the reflection type HOE 6 in the direction in the plane of the paper is reduced, and the peripheral dimming is intensified. In the present embodiment, the peripheral dimming at both ends of the angle of view in the in-plane direction is set to about 50% with respect to the center. This value is almost the limit for an eyepiece system.
[0145]
Hereinafter, a specific example of the present embodiment will be described with reference to FIG. The optical quantities of this specific example are as follows.
The diameter of the exit pupil P is 3 mm. The viewing angle in the plane of the drawing is ± 5 °. In the figure, the viewing angle in the depth direction of the paper is ± 6.66 °. The screen size (the length between the points A1 and A2) in the paper of the drawing is 3.6 mm. The screen size in the depth direction of the paper is 4.8 mm. The thickness d of the plate portion 5 is 3.5 mm. In this example, it was assumed that the emulsion recording HOE6 had a 3.3% shrinkage. The same material as that of the specific example of the first embodiment is used for the plate portion 5.
[0146]
The quantities for ray tracing in this example are shown in Table 13 below. The order of the optical surfaces (the order of the surface numbers) is from the surface of the pupil of the user's eye (= the surface of the exit pupil P of the image combiner 1) to the image forming element 2.
(Table 13)
[0147]
[Table 13]

[0148]
Further, as the positional relationship between the respective optical surfaces in this specific example, the center PO of the first surface (surface number 1 = symbol P in FIG. 10) is defined as origin (X, Y, Z) = (0, 0, 0). Table 14 below shows the absolute position of the center of each optical surface and the amount of rotation around the X-axis (value measured when the counterclockwise direction is positive).
(Table 14)
[0149]
[Table 14]

[0150]
When ray tracing is performed for this specific example, the incident angle and reflection angle with respect to the reflection-type HOE 6 for the light ray passing through the pupil center PO toward the image plane center AO, and on the image plane (corresponding to the display surface of the image forming element 2). (Horizontal chromatic aberration) is as shown in Table 15 below for the case where the wavelength of the light beam is a reference wavelength of 525.9 nm and 532.5 nm and 519.3 nm obtained by changing the wavelength by ± 6.6 nm. It has become.
(Table 15)
[0151]
[Table 15]

[0152]
In this specific example, the reference wavelength | θinc−θref | = 0.574 °, which is 3 ° or less, and satisfies the above-described condition. As a result, it can be seen that the lateral chromatic aberration on the image plane when λ = ± 6.6 nm is small, and the occurrence of the lateral chromatic aberration due to the diffraction in the HOE 6 is suppressed.
[0153]
Further, FIG. 11 shows a lateral aberration diagram for representing the imaging performance of the optical system of this example. In this specific example, assuming an LED having a peak wavelength of about 515 nm and a full width at half maximum of about 60 nm as an illumination light source, the diffraction wavelength and the spectrum of the illumination light are calculated for each viewing angle in the plane of the paper, and the substantial light beam is calculated. Since the tracking wavelength was optimized and evaluated, the reference wavelength was changed depending on the angle of view.
[0154]
For each angle of view, the aberrations related to the reference wavelength and the wavelength at which the intensity is half the intensity with respect to the reference are simultaneously shown in one figure. From FIG. 11, it can be seen that the lateral chromatic aberration is small over the entire range of the angle of view, and the imaging performance is excellent.
[0155]
Further, in this specific example, the reflection angle at which the principal ray is diffracted and reflected by the reflection type HOE 6 is about 34.4 °, and is not less than 25 ° and not more than 35 °, which satisfies the above-described condition. As a result, the half boxing size L is 22.4 mm.
[0156]
This satisfies 15 mm or more on one side, which is a reference for the vertical field of view of external light, when the direction of the Y axis in FIG. 1 is matched with the vertical direction when the user actually wears it as described above. . Therefore, according to this specific example, the visual field of the external light is not obstructed, which is preferable.
[0157]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide an image display device that does not hinder the field of view of the outside world while reducing the size and weight by using the reflection hologram optical element.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an image display apparatus according to a first embodiment of the present invention and schematic paths of light rays (only light rays from an image forming element).
FIG. 2 is a diagram for explaining a coordinate system defining a reflection type HOE according to the present invention.
FIG. 3 is a lateral aberration diagram illustrating the imaging performance of the optical system according to the specific example of the first embodiment;
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of an image display apparatus according to a second embodiment of the present invention and a path of light rays (only light rays from an image forming element).
FIG. 5 is a lateral aberration diagram illustrating the imaging performance of an optical system according to a specific example of the second embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of an image display apparatus according to a third embodiment of the present invention and a path of light rays (only light rays from an image forming element).
FIG. 7 is a lateral aberration diagram illustrating the imaging performance of an optical system according to a specific example of the third embodiment.
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of an image display apparatus according to a fourth embodiment of the present invention and a path of light rays (only light rays from an image forming element).
FIG. 9 is a lateral aberration diagram illustrating the imaging performance of an optical system according to a specific example of the fourth embodiment.
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of an image display apparatus according to a fifth embodiment of the present invention and a path of light rays (only light rays from an image forming element).
FIG. 11 is a lateral aberration diagram showing the imaging performance of an optical system according to a specific example of the fifth embodiment.
FIG. 12 is a diagram illustrating characteristics of a hologram.
FIG. 13 is a graph showing a relationship between a difference (θinc−θref) between an incident angle θinc and the diffraction reflection angle θref and a change Δθ in the diffraction reflection direction.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Image combiner, 2 ... Image formation element, 3 ... LED, 4 ... Reflection mirror, 5 ... Plate part, 5a ... (eye side) surface, 5b ... (opposite to eye) surface, 5c ... Plate shape 6 (reflection type) HOE, 7 optical system, P exit pupil, P0 center of exit pupil, R1 to R5 regions

Claims

An eyepiece type image display device,
A reflection hologram optical element is provided, including an image combiner that superimposes light from the image forming unit and external light,
The light emitted from the image forming unit has only one wavelength region component or discrete wavelength region components,
When the principal ray corresponding to the center of the display section of the image forming means is diffracted and reflected by the reflection hologram optical element, the incident angle and the diffraction reflection angle of the principal ray with respect to the normal line of the reflection hologram optical element And the absolute value of the difference is 3 ° or less,
The diffraction reflection angle is 25 ° or more and 35 ° or less,
An image display apparatus, wherein a central emission direction of light superimposed on the image combiner substantially coincides with a visual field center direction.

An eyepiece type image display device,
A reflection hologram optical element is provided, including an image combiner that superimposes light from the image forming unit and external light,
The light emitted from the image forming unit has only one wavelength region component or discrete wavelength region components,
When the principal ray corresponding to the center of the display section of the image forming means is diffracted and reflected by the reflection hologram optical element, the incident angle and the diffraction reflection angle of the principal ray with respect to the normal line of the reflection hologram optical element And the absolute value of the difference is 3 ° or less,
The diffraction reflection angle is 22 ° or more and 32 ° or less,
An image display device, wherein a central emission direction of light superimposed by the image combiner is inclined by 6 ° or more with respect to a visual field center direction.

The image display device according to claim 1, wherein an absolute value of a difference between the incident angle and the diffraction reflection angle is 2 ° or less.

4. The image display device according to claim 1, wherein the reflection hologram optical element is a volume type. 5.

The image display device according to any one of claims 1 to 4, wherein the reflection hologram optical element has optical power.

6. The image forming apparatus according to claim 1, wherein a direction in which the chief ray is emitted from the image forming unit is a direction substantially perpendicular to a surface of a display unit of the image forming unit. An image display device according to claim 1.