JP2002296536A - 映像表示装置の照明光学系及び映像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 表示素子とそれが表示する画像の光学像を形
成する投影光学系とを備えた映像表示装置の表示画像の
解像度を高く保ちつつ、投影光学系の構成の自由度を高
める。 【解決手段】 前記投影光学系の瞳と略共役な位置に配
置され前記表示素子を照明して前記表示光束を生起させ
る光源を備え、かつ、前記光源の発光径は、前記表示素
子から射出する前記表示光束のうち次数１以内の回折光
からなる有効表示光束の径が、前記瞳に入射する際にそ
の瞳の径よりも小さくなるよう調整されている。このよ
うに、有効表示光束の径が小さく制限されると、それが
制限されていないときよりも、前記画像は、結像し易く
なる。すなわち、この映像表示装置の照明光学系は、表
示される画像の解像度を保ちつつ、結像光学系の構成の
自由度を高めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヘッドマウントデ
ィスプレイなどの映像表示装置に適用される映像表示装
置の照明光学系、及びその映像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は、従来の映像表示装置の構成図で
ある。なお、図７に示す映像表示装置は、ＵＳ６，０９
７，３５０に開示されたものである。映像表示装置にお
いて、液晶表示素子（ＬＣＤ）７２の各画素から射出し
た各表示光束は、ミラーや結像レンズなどからなる結像
光学系７３（請求項における投影光学系に対応する）に
より平行光束に変換された後、観察者の瞳Ｅ．Ｐ．に入
射する。

【０００３】結像光学系７３には、ハーフミラー又はホ
ログラム素子（符号７３ａ）が備えられており、これに
よって観察者は、ＬＣＤ７２の表示する画像を前方の景
色に重ねて見ることができる（すなわち、結像光学系７
３は、コンバイナーの機能を有している）。ここで、映
像表示装置において、ＬＣＤ７２を照明する照明光学系
７１は、Ｒ色、Ｇ色、Ｂ色に相当する３色の光源ランプ
７１ａ、７１ｂ、７１ｃからの照明光のそれぞれを、曲
面の反射鏡７１ｄを利用してＬＣＤ７２の直前に配置さ
れた拡散板７１ｅに導いている。

【０００４】ゆえに、ＬＣＤ７２の各画素から射出する
各表示光束は、広い角度に亘る「発散光」となってい
る。このように、「発散光」を利用するのは、瞳の位置
に多少ずれがあっても観察者が画像を見ることができる
ようにするためである。なお、実際には、観察者の瞳
Ｅ．Ｐ．が絞りの役割を果たすので、各表示光束のう
ち、有効なのは、その瞳に入射可能な射出角度を有した
もののみである（図７中に表示した光束を参照。）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年は、映
像表示装置の全体をコンパクト化する目的で、投影光学
系の構成には各種の工夫が施されている。事実、投影光
学系にプリズムが採用されたものなどが既に開発されて
いる（特開２０００−３５２６８９号公報に記載された
映像表示装置におけるものなど。）。

【０００６】しかしながら、一般に、投影光学系は、そ
の構成に対する要求が多くなるほど収差補正が困難にな
り、その性能が悪くなる傾向にある。このため、今後、
映像表示装置のコンパクト化が進むと、解像度の低い画
像しか表示できなくなる虞がある。そこで、本発明は、
投影光学系の収差が低く抑えられるような構成を採用す
ることにより、表示画像の解像度を高く保ちつつ投影光
学系の構成の自由度を高めることのできる映像表示装置
の照明光学系、及び、仮に投影光学系の構成に変更を加
えなかったとしても表示画像を高解像度化することを可
能とする映像表示装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の映像表
示装置の照明光学系は、２次元の画像を表示する表示素
子と、前記表示素子から射出する表示光束に基づいて前
記画像の光学像を形成する投影光学系とを備えた映像表
示装置に適用される映像表示装置の照明光学系であっ
て、前記投影光学系の瞳と略共役な位置に配置され、前
記表示素子を照明して前記表示光束を生起させる光源を
備え、前記光源の発光径は、前記表示素子から射出する
前記表示光束のうち次数１以内の回折光からなる有効表
示光束の径が、前記瞳に入射する際にその瞳の径よりも
小さくなるよう調整されていることを特徴とする。

【０００８】このように、有効表示光束の径が小さく制
限されると、それが制限されていないときよりも、前記
画像は、結像し易くなる。すなわち、この映像表示装置
の照明光学系は、表示される画像の解像度を保ちつつ、
投影光学系の構成の自由度を高めることができる。請求
項２に記載の映像表示装置の照明光学系は、請求項１に
記載の映像表示装置の照明光学系において、前記照明光
束の径は、前記有効表示光束の径が前記瞳に入射する際
に３ｍｍ以下となるよう予め調整されていることを特徴
とする。

【０００９】ここで、仮に、映像表示装置がヘッドマウ
ントディスプレイとして使用される場合などには、前記
投影光学系の瞳は、観察者の瞳となる。この場合、この
３ｍｍ以下の調整により、前記画像は、より確実に結像
し易くなる。請求項３に記載の映像表示装置の照明光学
系は、請求項１又は請求項２に記載の映像表示装置の照
明光学系において、前記光源は、ＬＥＤであることを特
徴とする。

【００１０】請求項４に記載の映像表示装置の照明光学
系は、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の映像表
示装置の照明光学系において、前記光源と前記表示素子
との間に、ホログラム素子が挿入され、前記ホログラム
素子の特性は、前記有効表示光束に関する収差が圧縮さ
れるよう調整されていることを特徴とする。具体的に
は、前記有効表示光束に関する収差が最小になるよう
に、表示素子の各点での前記有効表示光束の射出方向が
定まるよう、前記ホログラム素子の各点での回折角が定
められる。

【００１１】請求項５に記載の映像表示装置の照明光学
系は、２次元の画像を表示する表示素子と、前記表示素
子から射出する表示光束に基づいて前記画像の光学像を
形成する投影光学系とを備えた映像表示装置に適用され
る映像表示装置の照明光学系であって、前記表示素子を
照明して前記表示光束を生起させる複数種の光源を備
え、前記複数種の光源と前記表示素子との間には、前記
表示素子から見た前記複数種の光源の見かけ上位置を略
一致させる光学素子が挿入されることを特徴とする。

【００１２】このように、複数種の光源の見かけ上の位
置を略一致させる光学素子を挿入すれば、各光源の配置
自由度が増し、また、投影光学系の収差を低く抑えるこ
とが可能となる。

【００１３】請求項６に記載の映像表示装置の照明光学
系は、請求項５に記載の映像表示装置の照明光学系にお
いて、前記光学素子は、ホログラム素子であることを特
徴とする。請求項７に記載の映像表示装置の照明光学系
は、請求項６に記載の映像表示装置の照明光学系におい
て、前記ホログラム素子の特性は、前記表示光束に関す
る収差が圧縮されるよう調整されていることを特徴とす
る。具体的には、前記有効表示光束に関する収差が最小
になるように、表示素子の各点での前記有効表示光束の
射出方向が定まるよう、前記ホログラム素子の各点での
回折角が定められる。

【００１４】請求項８に記載の映像表示装置は、２次元
の画像を表示する表示素子と、前記表示素子から射出す
る表示光束に基づいて前記画像の光学像を形成する投影
光学系と、前記投影光学系の瞳と略共役な位置に配置さ
れ、前記表示素子を照明して前記表示光束を生起させる
光源とを備え、前記光源の発光径は、前記表示素子から
射出する前記表示光束のうち次数１以内の回折光からな
る有効表示光束の径が、前記瞳に入射する際にその瞳の
径よりも小さくなるよう調整されていることを特徴とす
る。

【００１５】このように、有効表示光束の径が小さく制
限されると、それが制限されていないときよりも、画像
が結像し易くなる。したがって、高い解像度で画像を表
示することが可能となる。請求項９に記載の映像表示装
置は、請求項８に記載の映像表示装置において、前記光
源の発光径は、前記有効表示光束の径が前記瞳に入射す
る際に３ｍｍ以下となるよう予め調整されていることを
特徴とする。

【００１６】ここで、仮に、映像表示装置がヘッドマウ
ントディスプレイとして使用される場合などには、前記
投影光学系の瞳は、観察者の瞳となる。この場合、この
３ｍｍ以下の調整により、有効表示光束の径を瞳の径よ
りも確実に小さくすることができるので、画像は、より
確実に結像し易くなる。

【００１７】請求項１０に記載の映像表示装置は、請求
項８又は請求項９に記載の映像表示装置において、前記
光源は、ＬＥＤであることを特徴とする。請求項１１に
記載の映像表示装置は、請求項８〜請求項１０の何れか
１項に記載の映像表示装置において、前記光源と前記表
示素子との間に、ホログラム素子が挿入され、前記ホロ
グラム素子の特性は、前記有効表示光束に関する収差が
圧縮されるよう調整されていることを特徴とする。具体
的には、前記有効表示光束に関する収差が最小になるよ
うに、表示素子の各点での前記有効表示光束の射出方向
が定まるよう、前記ホログラム素子の各点での回折角が
定められる。

【００１８】請求項１２に記載の映像表示装置は、２次
元の画像を表示する表示素子と、前記表示素子から射出
する表示光束に基づいて前記画像の光学像を形成する投
影光学系と、前記表示素子を照明して前記表示光束を生
起させる複数種の光源とを備え、前記複数種の光源と前
記表示素子との間には、前記表示素子から見た前記複数
種の光源の見かけ上位置を略一致させる光学素子が挿入
されることを特徴とする。

【００１９】このように、複数種の光源の見かけ上の位
置を略一致させる光学素子を挿入すれば、各光源の配置
自由度が増し、また、投影光学系の収差を低く抑えるこ
とが可能となるので、その結果、映像表示装置のコンパ
クト化が可能となる。請求項１３に記載の映像表示装置
は、請求項１２に記載の映像表示装置において、前記光
学素子は、ホログラム素子であることを特徴とする。

【００２０】請求項１４に記載の映像表示装置は、請求
項１３に記載の映像表示装置において、前記ホログラム
素子の特性は、前記表示光束に関する収差が圧縮される
よう調整されていることを特徴とする。具体的には、前
記有効表示光束に関する収差が最小になるように、表示
素子の各点での前記有効表示光束の射出方向が定まるよ
う、前記ホログラム素子の各点での回折角が定められ
る。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施形態について説明する。 ＜第１実施形態＞本発明の第１実施形態について、図
１、図２を参照して説明する。図１は、本実施形態の映
像表示装置の構成図である。なお、図１に示す要素のう
ち、図７に示した従来の映像表示装置における要素と同
じものについては、同一の符号を付して示す。

【００２２】本実施形態の映像表示装置（請求項の映像
表示装置に対応）は、従来の映像表示装置において、照
明光学系７１に代えて照明光学系１０（請求項の照明光
学系に対応）を備えたものである（また、結像光学系７
３が請求項の投影光学系に対応する。）。結像光学系７
３には、ハーフミラー又はホログラム素子（符号７３
ａ）が備えられており、これによって観察者は、ＬＣＤ
７２の表示する画像を前方の景色に重ねて見ることがで
きる（すなわち、結像光学系７３は、コンバイナーの機
能を有している）。

【００２３】照明光学系１０は、観察者の瞳Ｅ．Ｐ．
（結像光学系７３の絞りの役割を果たしている。請求項
の投影光学系の瞳に対応する。）と略共役な位置に発光
部を配置した光源１０ａと、その発光部から出射された
光を略平行光に変換してＬＣＤ７２の各画素に照明光束
を入射させるためのコンデンサレンズ１０ｂとからな
る。このコンデンサレンズ１０ｂにより、ＬＣＤ７２
（請求項の表示素子に対応）の各画素は、略均一な角度
で入射する略均一の光量の照明光束によって照明され
る。

【００２４】照明光束が入射した各画素ではそれぞれ回
折が生じ、各種の回折光からなる表示光束がそれぞれ生
起する。ここで、本実施形態では、結像光学系７３の結
像に寄与するのは、前記表示光束のうち、次数１以内の
回折光（±１次光、及び０次光）からなる表示光束のみ
とみなす。この次数１以内の回折光からなる表示光束
を、本明細書では、「有効表示光束」と称している。

【００２５】先ず、光源１０ａの発光部は、観察者の瞳
Ｅ．Ｐ．と略共役の位置に配置されているので、各画素
から射出した各有効表示光束の主光線（光源１０ａの中
心を射出した光）は、結像光学系７３を通過した後に、
観察者の瞳Ｅ．Ｐ．の略中心を通過する。そして、本実
施形態では、観察者の瞳Ｅ．Ｐ．への入射時における各
有効表示光束の径Φ’を、その瞳の径よりも小さくする
ために、光源１０ａの発光径Φが、所定値に制限され
る。

【００２６】このような光源１０ａとしては、発光径が
前記所定値となっているＬＥＤ（Light emitting diod
e，発光ダイオード）を使用することが好ましい。さら
に、本実施形態では、一般の観察者の瞳の径が外部の光
に応じて２ｍｍ〜１０ｍｍの間で拡縮されることに鑑み
て、観察者の瞳Ｅ．Ｐ．への入射時における各有効表示
光束の径Φ’を、３ｍｍ以下に抑えることがより好まし
い。さらには、収差補正（後述）をより容易にするため
に、径Φ’を０．９ｍｍ程度に抑えることが好ましい。

【００２７】例えば、光源１０ａの波長λが０．５３μ
ｍ、コンデンサレンズ１０ｂの焦点距離ｆが１０ｍｍ、
ＬＣＤ７２の画素サイズ（縦横に共通の辺の長さ）Ｐが
１５μｍ、結像光学系７３の焦点距離ｆ’が１５ｍｍで
あるときには、発光径Φを０．２５μｍに設定すると、
瞳Ｅ．Ｐ．への入射時における各有効表示光束の径Φ’
を、０．９ｍｍとすることができる。

【００２８】なぜなら、先ず、ＬＣＤ７２の或る画素に
入射する照明光束の最大入射角度をθ（ＬＣＤ７２の面
法線を基準とする。）とすると、光源１０ａの発光径Φ
の大きさを示す指標σは、σ＝sinθで定義される。よ
って、上記したように、発光径Φが０．２５μｍ、コン
デンサレンズ１０ｂの焦点距離ｆが１０ｍｍならば、σ
＝０．０１２５となる。

【００２９】ここで、ＬＣＤ７２に略垂直に入射する光
がＬＣＤ７２を通過した後に発生させる回折光の分布
は、射出角度α（ＬＣＤ７２の面法線を基準とする。）
によって、−λ／２Ｐ＜sinα＜＋λ／２Ｐと表され
る。よって、σの照明光束で照明するときには、有効表
示光束の分布は、射出角度αによって、−θ−λ／２Ｐ
＜sinα＜＋θ＋λ／２Ｐと表される（但し、λは光源
波長。）。上記したように、画素サイズＰが１５μｍ、
光源波長λが０．５３μｍならば、有効表示光束の分布
は、−０．０３０２＜sinα＜＋０．０３０２となる。

【００３０】したがって、瞳Ｅ．Ｐ．への入射時におけ
る有効表示光束の径Φ’は、この分布の式と、上記した
結像光学系７３の焦点距離ｆ’の値とによって、０．０
３×２×１５＝０．９ｍｍとなることが分かる。なお、
実際には、ＬＣＤ７２上の画素位置によっては、そこへ
入射する照明光束の主光線（光源１０ａの中心を射出し
た光）とＬＣＤ７２の面法線との成す角度β（垂直から
のずれ角度）は、０となるとは限らない。このずれ角度
βまで考慮すれば、各画素から射出する有効表示光束の
分布は、それぞれのずれ角度βによって、β−θ−λ／
２Ｐ＜sinα＜β＋θ＋λ／２Ｐと表される。しかし、
この分布の式から明かなように、有効表示光束の径は、
ずれ角度βの値に依らず同じとなるから、瞳Ｅ．Ｐ．へ
の入射時における各有効表示光束の径Φ’も、ずれ角度
βの値に依らず同じである。

【００３１】なお、図１に表した３つの光束は、本実施
形態において、ＬＣＤ７２の各画素に入射する照明光束
及び各画素から射出する有効表示光束のうち、ＬＣＤ７
２上の互いに異なる位置に配置された３つの画素に関す
るものである。上記説明した本実施形態の照明光学系１
０によると、各画素から射出する各有効表示光束の径は
小さく制限される。

【００３２】このように、各有効表示光束の径が小さく
制限されると、それが制限されていないときよりも、Ｌ
ＣＤ７２上の画像は結像し易くなる。この結果、本実施
形態の映像表示装置は、従来と同じ構成の結像光学系７
３を使用しているにも拘わらず、高い解像度で画像を表
示することができる。因みに、結像し易くなる主な理由
は、本実施形態の映像表示装置では、結像光学系７３の
設計時（この設計は、照明光学系１０、ＬＣＤ７２、結
像光学系７３の全体からなる光学系の収差補正をするよ
う行われる。）に、収差補正の対象となる光束が、径の
小さく制限された前記有効表示光束となることにある。
そのような収差補正が、制限されていない光束に関する
収差補正よりも容易かつ確実に行われる（照明光学系１
０が収差補正を容易化している）ことは、明らかであ
る。

【００３３】また、このような照明光学系１０は、映像
表示装置において仮に結像光学系７３に代えて収差が多
くなるような他の構成の投影光学系が適用されたとして
も、収差補正を容易化する分だけ、表示画像の解像度を
保つことができる。すなわち、照明光学系１０は、表示
画像の解像度を保ちつつ、投影光学系の構成の自由度を
高めることができる。

【００３４】さらに、以上説明した映像表示装置におい
ては、ＬＣＤ７２に入射する照明光束の光量を各画素間
でさらに平坦化するために、新たな光学素子を挿入して
もよい。この光学素子は、例えば、光源１０ａの直後に
配置された、拡散板、マイクロプリズム、マイクロレン
ズアレイなどである。また、本実施形態では、光源１０
ａの代わりに、発光径が前記所定値よりも大きいＬＥＤ
と、そのＬＥＤの発光部の直後に配置され、かつ前記所
定値に調整された開口径を有した絞りとを用意し、その
絞りの位置に生起する二次光源を使用することもでき
る。

【００３５】また、このような光源１０ａの代わりに、
発光径が前記所定値よりも小さいＬＥＤと、そのＬＥＤ
の発光部の直後に配置された拡散板と、その拡散板の直
後に配置されかつ前記所定値に調整された開口径を有し
た絞りとを用意し、その絞りの位置に生起する二次光源
を使用することもできる。

【００３６】また、図２に示すように、レーザダイオー
ド１１ａとレンズ１１ｂと拡散板１１ｃと絞り１１ｄと
からなる光学系を使用して、同様の二次光源を生起させ
ることもできる。何れの光源（２次光源）を使用した場
合にも、有効表示光束の径を制限するには、その光源の
発光径を制限するか、又は、光源と共役な瞳上での光束
径を制限すればよい。

【００３７】＜第２実施形態＞本発明の第２実施形態に
ついて、図３を参照して説明する。なお、以下では、第
１実施形態との相違についてのみ説明する。図３は、第
２実施形態の映像表示装置の構成図である。本実施形態
の映像表示装置は、第１実施形態と同様の構成の照明光
学系２０を、結像光学系２３としてプリズムが使用され
ている映像表示装置に適用したものである。この結像光
学系２３により、映像表示装置の全体が、コンパクト化
されている。

【００３８】なお、図３に示す結像光学系２３は、２０
００年１０月１６日に開催された"2nd International C
onference on Optical Design and fabrication"("ODF2
000")において、Ichiro Kasai,Yasushi Tanijiri,Takes
hi Endo,Hiroaki Uedaにより発表された論文"TA08 Actu
ally wearable see-through display using HOE"に適用
されたもの（"Prism"と表されている。）などである。

【００３９】結像光学系２３は、面２３ａ、２３ｂ、２
３ｃ、及びホログラム面２３ｄを有したプリズムからな
る。照明光学系２０から射出した照明光束は、ＬＣＤ２
２の各画素において有効表示光束を生起させる。この有
効表示光束は、面２３ａから結像光学系２３に入射し、
その後、面２３ｂ、２３ｃ、２３ｂをこの順で反射した
後、ホログラム面２３ｄに入射して、その後、略平行光
束となって観察者の瞳Ｅ．Ｐ．に入射する。

【００４０】因みに、ホログラム面２３ｄは、そこへ入
射した有効表示光束にパワーを付与し、観察者の瞳Ｅ．
Ｐ，の前方にＬＣＤ２２上の画像の虚像を形成する、反
射型かつ体積型のホログラムからなる。このホログラム
面２３ｄは高い波長選択性を有しており、観察者の前方
から入射する外界光については十分に透過させることが
できる。

【００４１】すなわち、結像光学系２３は、観察者に対
し、ＬＣＤ２２の画像の虚像を前方の景色に重ねて表示
するコンバイナーの機能を有している。また、図３に表
した光束は、ＬＣＤ２２の各画素に入射する照明光束及
び各画素から射出する有効表示光束のうち、ＬＣＤ２２
上のほぼ中央に配置された画素に関する光束を示したも
のである。

【００４２】一方、本実施形態の照明光学系２０は、第
１実施形態と同様に、観察者の瞳Ｅ．Ｐ．と略共役な位
置に発光部を配置した光源２０ａと、その発光部から出
射された光を略平行光に変換してＬＣＤ２２の各画素に
照明光束を入射させるためのコンデンサレンズ２０ｂと
を有している。そして、観察者の瞳Ｅ．Ｐ．への入射時
における有効表示光束の径Φ’をその瞳の径よりも小さ
くするよう、光源２０ａの発光径Φは所定値に制限され
ている。

【００４３】このような光源２０ａとしては、発光径が
前記所定値となっているＬＥＤを使用することが好まし
い。さらに、本実施形態においても、一般の観察者の瞳
の径が外部の光に応じて２ｍｍ〜１０ｍｍの間で拡縮さ
れることに鑑みて、観察者の瞳Ｅ．Ｐ．への入射時にお
ける有効表示光束の径Φ’を、３ｍｍ以下に抑えること
が好ましい。さらには、収差補正をより容易にするため
に、径Φ’を０．９ｍｍ程度に抑えることが好ましい。

【００４４】この際、発光径Φの値は、第１実施形態と
同様にして、有効表示光束の径Φ’に設定すべき値と、
光源２０ａの波長λと、コンデンサレンズ２０ｂの焦点
距離ｆと、ＬＣＤ２２の画素サイズ（縦横に共通の辺の
長さ）Ｐと、結像光学系２３の焦点距離ｆ’とに応じて
決定される。例えば、光源２０ａの波長λが０．５３μ
ｍ、コンデンサレンズ２０ｂの焦点距離ｆが１０ｍｍ、
ＬＣＤ２２の画素サイズ（縦横に共通の辺の長さ）Ｐが
１５μｍ、結像光学系２３の焦点距離ｆ’が１５ｍｍで
あるときには、発光径Φを０．２５μｍに設定すると、
瞳Ｅ．Ｐ．への入射時における各有効表示光束の径Φ’
を、０．９ｍｍとすることができる。

【００４５】ここで、結像光学系２３により発生する収
差は、結像光学系２３にプリズムが使用されていること
から、他の構成の投影光学系において発生する収差より
も大きくなる傾向にある。しかし、有効表示光束の径を
小さく制限する照明光学系２０は、第１実施形態の照明
光学系１０と同様に収差補正を容易化するので、映像表
示装置は、高い解像度で画像を表示することが可能とな
る。

【００４６】すなわち、本実施形態によれば、プリズム
の使用によるコンパクト化と、高い解像度での画像表示
との双方が同時に達成される。なお、本実施形態の映像
表示装置において、投影光学系としては、結像光学系２
３に代えて、例えば、特開２０００−３５２６８９号公
報に記載された結像光学系（公報の図では符号ＨＣで表
されている。）など、他のコンパクト化された結像光学
系を使用してもよい。また、結像光学系２３の変形型
（例えば、観察者の位置が図３に示すものとは反対の図
中左側に配置されることを想定したもの）を使用しても
よい。

【００４７】何れにしても、照明光学系２０は有効表示
光束の径を小さく制限するので、収差補正が容易化さ
れ、その結果、映像表示装置のコンパクト化と、表示画
像の高解像度化との双方が同時に達成される。 ＜第３実施形態＞本発明の第３実施形態について、図
４、図５を参照して説明する。なお、以下では、第２実
施形態との相違についてのみ説明する。

【００４８】図４は、第３実施形態の映像表示装置の構
成図である。本実施形態の映像表示装置は、第２実施形
態の映像表示装置において、照明光学系２０に代えて照
明光学系３０を適用したものである。照明光学系３０
は、照明光学系２０において、コンデンサレンズ２０ｂ
の代わりにホログラム素子ＨＯＥ１を備えたものに相当
する。

【００４９】すなわち、照明光学系３０は、観察者の瞳
Ｅ．Ｐ．と略共役な位置に発光部３０ａａを配置した光
源３０ａと、その発光部３０ａａから出射された光の波
面を変換してＬＣＤ２２に照射するホログラム面ＨＯＥ
１ａを有したホログラム素子ＨＯＥ１とを備えている。
ここで、ホログラム素子ＨＯＥ１は、反射型かつ体積型
のホログラム素子であり、光源３０ａの虚像を、ＬＣＤ
２２の各画素から見て遠方に形成するようなパワーを有
している。

【００５０】このホログラム素子ＨＯＥ１により、ＬＣ
Ｄ２２の各画素は、略均一な角度で入射する略均一の光
量の照明光束によって照明されることとなる。本実施形
態では、このホログラム素子ＨＯＥ１の使用によって光
源３０ａの配置自由度が高まり、また、収差を低く抑え
ることができるので、映像表示装置のコンパクト化が可
能となっている。

【００５１】ここで、本実施形態においても、この照明
光束の径は、観察者の瞳Ｅ．Ｐ．への入射時における有
効表示光束の径Φ’をその瞳の径よりも小さくするよ
う、制限されている。さらに、本実施形態においても、
一般の観察者の瞳の径が外部の光に応じて２ｍｍ〜１０
ｍｍの間で拡縮されることに鑑みて、観察者の瞳Ｅ．
Ｐ．への入射時における有効表示光束の径Φ’を、３ｍ
ｍ以下に抑えることが好ましい。さらには、収差補正を
より容易にするために、径Φ’を０．９ｍｍ程度に抑え
ることが好ましい。

【００５２】以上の構成の照明光学系３０によると、有
効表示光束の径が小さく制限されるので、結像光学系２
３の収差を小さく抑えることが可能であり、第２実施形
態と同様に、映像表示装置のコンパクト化と表示画像の
高解像度化との双方が同時に達成される。ここで、一般
に、ホログラム素子については、ホログラム面の各点に
それぞれ異なる特性（体積型の場合、ブラッグ条件で決
まる回折角）を付与することができる。

【００５３】そこで、本実施形態では、ホログラム素子
ＨＯＥ１のホログラム面ＨＯＥ１ａ上の各点の特性は、
収差を圧縮するために（すなわち最適収差が得られるよ
うに）、微調整される。図５は、本実施形態のホログラ
ム面ＨＯＥ１ａを説明する図（図４の部分拡大図）であ
る。

【００５４】図４及び図５には、ホログラム面ＨＯＥ１
ａ上の各点Ｈ0，Ｈj，Ｈi，・・・から射出し、ＬＣＤ
２２上の互いに異なる位置に配置された３つの画素Ｑ
0，Ｑj，Ｑi，・・・にそれぞれ入射する各照明光束、
及びそれらの画素Ｑ0，Ｑj，Ｑi，・・・から射出する
各有効表示光束（図５中では主光線のみ）を示した。各
光束の主光線（発光部３０ａａの中心を射出した光）に
ついては、それぞれに対応する画素位置を示す添え字
「0」，「j」，「i」，・・・を付して、それぞれＬ0，
Ｌj，Ｌi，・・・で示した。なお、図５において、符号
２２ａは、ＬＣＤ２２において有効表示光束が射出する
面（回折面）である。

【００５５】先ず、最適収差が得られる状態は、図４に
示したように、各画素Ｑ0，Ｑj，Ｑi，・・・から射出
した各有効表示光束の主光線Ｌ0，Ｌj，Ｌi，・・・の
全てが、観察者の瞳Ｅ．Ｐ．の略中心を通過する状態で
ある。

【００５６】この最適収差を得るために必要な有効表示
光束の主光線Ｌ0，Ｌj，Ｌi，・・・は、ＬＣＤ２２か
らの射出時にＬＣＤ２２の面法線（図中１点鎖線）と完
全に同方向であるとは限らず（図５参照）、その面法線
からずれ角度αを有しており、このずれ角度αの値は、
画素位置（０，ｊ，ｉ，・・・）によってそれぞれ異な
る。

【００５７】すなわち、最適収差を得るために画素Ｑ
0，Ｑj，Ｑi，・・・から射出させるべき各有効表示光
束の主光線のずれ角度αは、それぞれα0，αj，αi，
・・・である。よって、画素Ｑ0，Ｑj，Ｑi，・・・に
入射させるべき各照明光束の前記面法線からのずれ角度
は、それぞれα0，αj，αi，・・・となる。

【００５８】よって、ホログラム面ＨＯＥ１ａ上の各点
Ｈ0，Ｈj，Ｈi，・・・の各特性に対する微調整量Δθ
は、それぞれα0，αj，αi，・・・に応じた値Δθ0，
Δθj，Δθi，・・・となる。以上のようにして、ホロ
グラム面ＨＯＥ１ａの各点Ｈ0，Ｈj，Ｈi，・・・の特
性を微調整することにより、ホログラム素子ＨＯＥ１に
収差圧縮機能を付与すれば、映像表示装置の表示画像は
さらに高解像度化される。

【００５９】なお、本実施形態におけるホログラム素子
ＨＯＥ１に採用されるべき基板（ホログラム基板）は、
上記説明したホログラム面ＨＯＥ１ａと同じ機能が付加
されるのであれば、図示したような平面状の基板に限ら
ず、球面状の基板や非球面状の基板など、如何なる形状
をした基板が採用されてもよい。基板の種類は、映像表
示装置における配置スペースなどを考慮して最適なもの
を採用するとよい。

【００６０】＜第４実施形態＞本発明の第４実施形態に
ついて、図６を参照して説明する。なお、以下では、第
３実施形態との相違についてのみ説明する。

【００６１】図６は、第４実施形態の映像表示装置の構
成図である。本実施形態の映像表示装置（請求項の映像
表示装置に対応）は、第３実施形態の映像表示装置を、
カラー画像を表示可能に構成したものである。すなわ
ち、ＬＣＤ４２（請求項の表示素子に対応）は、カラー
画像を表示するための液晶表示素子であり、また、照明
光学系４０（請求項の照明光学系に対応）は、そのＬＣ
Ｄ４２を互いに異なる波長の照明光で照明するために、
互いに異なる波長の照明光をそれぞれ発光する複数の光
源４０ａｒ、４０ａｇ、４０ａｂ（これらは、例えば、
Ｒ色、Ｇ色、Ｂ色に相当する光源である。）（請求項の
複数種の光源の対応）を備えている。

【００６２】本実施形態では、各光源４０ａｒ、４０ａ
ｇ、４０ａｂの配置位置は、互いの発光部を遮ることの
ないようにずらされている。また、照明光学系４０内の
ホログラム素子ＨＯＥ２（請求項の光学素子に対応）
は、第３実施形態におけるホログラム素子ＨＯＥ１と同
様に、各光源４０ａｒ、４０ａｇ、４０ａｂの発光部か
ら出射された照明光の波面を変換してＬＣＤ４２に照射
するホログラム面ＨＯＥ２ａを有している。

【００６３】このホログラム素子ＨＯＥ２についても、
ホログラム素子ＨＯＥ１と同様に、反射型かつ体積型の
ホログラム素子であり、光源４０ａｒ、４０ａｇ、４０
ａｂの虚像を、ＬＣＤ４２の各画素から見て遠方に形成
するようなパワーを有している。また、ホログラム素子
ＨＯＥ２とＬＣＤ４２との間にコンデンサレンズを挿入
することで、ホログラム素子ＨＯＥ２のパワーを減じる
か、又はゼロにすることもできる。

【００６４】ここで、一般に、体積型かつ反射型のホロ
グラム素子は、ホログラム面の各点にそれぞれ異なる特
性を付与できるだけでなく、複数種の光に対する各特性
を互いに異ならせることもできる（すなわち、波長選択
性が高い）。したがって、このホログラム素子は、複数
種の光に対して独立した複数のホログラム面としての機
能を持つことができる。

【００６５】そこで、本実施形態ではこの波長選択性を
利用して、ホログラム素子ＨＯＥ２のホログラム面ＨＯ
Ｅ２ａの特性は、各光源４０ａｒ、４０ａｇ、４０ａｂ
の各虚像が、ＬＣＤ４２を基準として略同一の位置に生
起するように、調整される。なお、図６に表した光束
は、ＬＣＤ４２上のほぼ中央に配置された画素Ｑ0に入
射する３種の照明光束を示したものである。この画素Ｑ
0から見た光源４０ａｒ、４０ａｇ、４０ａｂの見かけ
上位置は、略一致している（図６中点線部が光源４０ａ
ｒ、４０ａｇ、４０ａｂの画素Ｑ0を基準とした虚像を
示す。）。

【００６６】このように、光源４０ａｒ、４０ａｇ、４
０ａｂの見かけ上の位置を略一致させる機能の付与され
たホログラム素子ＨＯＥ２を使用することにより、光源
４０ａｒ、４０ａｇ、４０ａｂの配置自由度は高まり、
また、各光源４０ａｒ、４０ａｇ、４０ａｂからの有効
表示光束は互いに結像光学系２３の略同一部分を通過す
るため、結像光学系２３の収差を低く抑えることができ
る。

【００６７】つまり、従来のように、ホログラム素子な
どを用いて見かけの光源の位置を略一致させない場合に
は、光源が有限の大きさを持つ限り、複数の光源は空間
的に異なる位置に配置せざるを得ないため、各光源から
の有効表示光束は投影光学系の互いに異なる部分を通過
することになり、結果として各光源からの有効表示光束
による結像収差を同時に良好に設計することが困難であ
ったが、光源の見かけ上の位置が略一致する本実施形態
では、各光源からの有効表示光束による結像収差を同時
に良好に設計することが容易となる。

【００６８】さらに、本実施形態では、好ましくは、ホ
ログラム面ＨＯＥ２ａ上の各点の特性は、収差を圧縮す
るために微調整される。しかも、本実施形態では、上記
した波長選択性を利用して、この微調整は、各光源４０
ａｒ、４０ａｇ、４０ａｂからの各照明光束それぞれに
対して個別に行われる。

【００６９】このようにして、収差が色毎に圧縮されれ
ば、カラー画像が色ズレなく良好に表示されることとな
る。以上、本実施形態によれば、カラー画像を表示する
映像表示装置において、コンパクト化と良好な画像表示
との双方が達成される。なお、本実施形態では、各光源
４０ａｒ、４０ａｇ、４０ａｂ（各光源４０ａｒ、４０
ａｇ、４０ａｂの虚像）の配置位置及び発光径の大きさ
については何ら言及していないが、第３実施形態におけ
る光源３０ａの配置位置及びその発光径Φと同様に、
Ｅ．Ｐ．に共役に配置され、かつ制限される（例えばＬ
ＥＤが使用される）。

【００７０】また、本実施形態では、ＬＣＤ４２の表示
方式として、各色の画像を空間的に分割して同時表示す
る方式が採用されており、かつ各種の照明光によりＬＣ
Ｄ４２が同時照明されることを前提としているが、ＬＣ
Ｄ４２の表示方式としては、時分割式を採用することも
できる。また、時分割式を採用する場合には、各光源の
見かけ上の位置を略一致させるために、ホログラム素子
に代えて、超音波回折素子を使用することもできる。こ
の場合、異なる位置に配置された複数種の光源から出射
される各照明光を、超音波回折素子により順次略同じ位
置に導くこととすればよい。なお、この超音波回折素子
によるスイッチングのタイミングは、ＬＣＤ４２のスイ
ッチングのタイミングと同期する。

【００７１】なお、本実施形態におけるホログラム素子
ＨＯＥ２に採用されるべき基板（ホログラム基板）は、
上記説明したホログラム面ＨＯＥ２ａと同じ機能が付加
されるのであれば、図示したような平面状の基板に限ら
ず、球面状の基板や非球面状の基板など、如何なる形状
をした基板が採用されてもよい。基板の種類は、映像表
示素子における配置スペースなどを考慮して最適なもの
を採用するとよい。

【００７２】また、本実施形態における光源の種類及び
光源の数は、図示したような「３」に限らず、ＬＣＤ４
２の表示方式に適合するのであれば、如何なるものに代
えてもよい。また、本実施形態の映像表示装置では、投
影光学系として、観察者の瞳の前方に画像の虚像を形成
するもの（結像光学系２３）が適用されており、このた
め、画像の実像は観察者の眼球の網膜上に形成され、投
影光学系の絞りの役割は観察者の瞳によって果たされて
いるが、その他の映像表示装置にも、上記した照明光学
系４０と同様の照明光学系を適用することが可能であ
る。

【００７３】例えば、その他の映像表示装置としては、
投影光学系として、画像の実像を形成する結像光学系、
及びその実像の形成面に配置された受光素子や感光剤や
スクリーンなどの画像取得面が適用されたものが考えら
れる。この場合、投影光学系の絞りの役割は、その投影
光学系の何れかの箇所に配置された開口絞りや、その投
影光学系を構成するレンズの縁などが果たすこととな
る。

【００７４】また、本実施形態の映像表示装置は、何れ
も、表示素子がＬＣＤであるような映像表示装置となっ
ているが、これ以外の他の表示素子（所定のパターンが
形成されたマスクなど）を使用した映像表示装置に、上
記した照明光学系４０と同様の構成の照明光学系を適用
することが可能である。

【００７５】

【発明の効果】以上、本発明によれば、表示画像の解像
度を高く保ちつつ投影光学系の構成の自由度を高めるこ
とのできる映像表示装置の照明光学系、及び、仮に投影
光学系の構成に変更を加えなかったとしても表示画像を
高解像度化することを可能とする映像表示装置が実現す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の映像表示装置の構成図である。

【図２】他の二次光源を説明する図である。

【図３】第２実施形態の映像表示装置の構成図である。

【図４】第３実施形態の映像表示装置の構成図である。

【図５】ホログラム面ＨＯＥ１ａを説明する図（図４の
部分拡大図）である。

【図６】第４実施形態の映像表示装置の構成図である。

【図７】従来の映像表示装置の構成図である。

【符号の説明】

１０，７１，２０，３０，４０ 照明光学系（請求項に
おける照明光学系に対応） １０ａ，２０ａ，３０ａ，４０ａｒ，４０ａｇ，４０ａ
ｂ 光源（請求項における光源に対応） １０ｂ，２０ｂ コンデンサレンズ １１ａ レーザダイオード １１ｂ レンズ １１ｃ，７１ｅ 拡散板 １１ｄ 絞り ２２，４２，７２ ＬＣＤ ＨＯＥ１，ＨＯＥ２ ホログラム素子 ＨＯＥ１ａ，ＨＯＥ２ａ ホログラム面 ３０ａａ 発光部 ２２ａ 回折面 ７１ａ，７１ｂ，７１ｃ 光源ランプ ７１ｄ 反射鏡 ２３，７３ 結像光学系 Ｅ．Ｐ． 瞳

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０３Ｂ 21/14 Ｇ０３Ｂ 21/14 Ａ Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１ Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１Ａ

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２次元の画像を表示する表示素子と、 前記表示素子から射出する表示光束に基づいて前記画像
   の光学像を形成する投影光学系と を備えた映像表示装置に適用される映像表示装置の照明
   光学系であって、 前記投影光学系の瞳と略共役な位置に配置され、前記表
   示素子を照明して前記表示光束を生起させる光源を備
   え、 前記光源の発光径は、 前記表示素子から射出する前記表示光束のうち次数１以
   内の回折光からなる有効表示光束の径が、前記瞳に入射
   する際にその瞳の径よりも小さくなるよう調整されてい
   ることを特徴とする映像表示装置の照明光学系。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の映像表示装置の照明光
   学系において、 前記照明光束の径は、 前記有効表示光束の径が前記瞳に入射する際に３ｍｍ以
   下となるよう予め調整されていることを特徴とする映像
   表示装置の照明光学系。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載の映像表示
   装置の照明光学系において、 前記光源は、ＬＥＤであることを特徴とする映像表示装
   置の照明光学系。
4. 【請求項４】 請求項１〜請求項３の何れか１項に記載
   の映像表示装置の照明光学系において、 前記光源と前記表示素子との間に、ホログラム素子が挿
   入され、 前記ホログラム素子の特性は、 前記有効表示光束に関する収差が圧縮されるよう調整さ
   れていることを特徴とする映像表示装置の照明光学系。
5. 【請求項５】 ２次元の画像を表示する表示素子と、 前記表示素子から射出する表示光束に基づいて前記画像
   の光学像を形成する投影光学系とを備えた映像表示装置
   に適用される映像表示装置の照明光学系であって、 前記表示素子を照明して前記表示光束を生起させる複数
   種の光源を備え、 前記複数種の光源と前記表示素子との間には、 前記表示素子から見た前記複数種の光源の見かけ上位置
   を略一致させる光学素子が挿入されることを特徴とする
   映像表示装置の照明光学系。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の映像表示装置の照明光
   学系において、 前記光学素子は、ホログラム素子であることを特徴とす
   る映像表示装置の照明光学系。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の映像表示装置の照明光
   学系において、 前記ホログラム素子の特性は、 前記表示光束に関する収差が圧縮されるよう調整されて
   いることを特徴とする映像表示装置の照明光学系。
8. 【請求項８】 ２次元の画像を表示する表示素子と、 前記表示素子から射出する表示光束に基づいて前記画像
   の光学像を形成する投影光学系と、 前記投影光学系の瞳と略共役な位置に配置され、前記表
   示素子を照明して前記表示光束を生起させる光源とを備
   え、 前記光源の発光径は、 前記表示素子から射出する前記表示光束のうち次数１以
   内の回折光からなる有効表示光束の径が、前記瞳に入射
   する際にその瞳の径よりも小さくなるよう調整されてい
   ることを特徴とする映像表示装置。
9. 【請求項９】 請求項８に記載の映像表示装置におい
   て、 前記光源の発光径は、 前記有効表示光束の径が前記瞳に入射する際に３ｍｍ以
   下となるよう予め調整されていることを特徴とする映像
   表示装置。
10. 【請求項１０】 請求項８又は請求項９に記載の映像表
    示装置において、 前記光源は、ＬＥＤであることを特徴とする映像表示装
    置。
11. 【請求項１１】 請求項８〜請求項１０の何れか１項に
    記載の映像表示装置において、 前記光源と前記表示素子との間に、ホログラム素子が挿
    入され、 前記ホログラム素子の特性は、 前記有効表示光束に関する収差が圧縮されるよう調整さ
    れていることを特徴とする映像表示装置。
12. 【請求項１２】 ２次元の画像を表示する表示素子と、 前記表示素子から射出する表示光束に基づいて前記画像
    の光学像を形成する投影光学系と、 前記表示素子を照明して前記表示光束を生起させる複数
    種の光源とを備え、 前記複数種の光源と前記表示素子との間には、 前記表示素子から見た前記複数種の光源の見かけ上位置
    を略一致させる光学素子が挿入されることを特徴とする
    映像表示装置。
13. 【請求項１３】 請求項１２に記載の映像表示装置にお
    いて、 前記光学素子は、ホログラム素子であることを特徴とす
    る映像表示装置。
14. 【請求項１４】 請求項１３に記載の映像表示装置にお
    いて、 前記ホログラム素子の特性は、 前記表示光束に関する収差が圧縮されるよう調整されて
    いることを特徴とする映像表示装置。