JP2002311379A

JP2002311379A - 観察光学系

Info

Publication number: JP2002311379A
Application number: JP2001115970A
Authority: JP
Inventors: Tetsuei Takeyama; 哲英武山
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2001-04-13
Filing date: 2001-04-13
Publication date: 2002-10-23
Anticipated expiration: 2021-04-13
Also published as: US20030086135A1; US6710902B2; JP4772204B2

Abstract

(57)【要約】【課題】頭部装着型の虚像観察装置に用いることができ
る程度に小型、軽量で、明るく、さらに高解像度を有
し、且つ、製造が容易な観察光学系を提供する。【解決手段】画像表示素子５と、複数のレンズ４と第１
の反射型体積ホログラム素子（ＨＯＥ）９を有するリレ
ー光学系６と、第２の反射型ＨＯＥ８を有する接眼光学
系７とを含み観察者の顔面から側頭部に沿うように配置
されている。第１の反射型ＨＯＥ９は、パワーを有し且
つ色収差を補正するように、複数のレンズ４は、偏心収
差を補正し且つ色収差を補正するように、第２の反射型
ＨＯＥ９は、光束にパワーを与え且つ色収差補正を補正
するように、夫々構成されている。第１の反射型ＨＯＥ
９と第２の反射型ＨＯＥ８との間は導光板３で構成さ
れ、導光板３は、第１の反射型ＨＯＥ９からの光を導光
板３の内部で少なくとも３回以上の奇数回全反射させる
ようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、観察光学系に関
し、特に、観察者の頭部又は顔面に保持することがで
き、又は、携帯電話や携帯情報端末に付加することがで
きる画像表示装置などに用いる観察光学系に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】近年、個人が大画面の画像を楽しむこと
を目的として、画像表示装置、特に、頭部や顔面に装着
するタイプの画像表示装置の開発が盛んになされてい
る。

【０００３】そのような装置に利用しうる従来の観察光
学系としては、２枚の反射型体積ホログラム素子を組み
合わせて、色収差補正を行うようにした画像表示光学系
が、米国特許第４６１３２００号公報、ＰＣＴ／ＵＳ９
９／２６７５６（ＷＯ００／２８３６９）号公報、特開
平５−１７８１２０号公報、特開平５−０７７６５８号
公報などにおいて提案されている。また、体積ホログラ
ム素子と導光板とを組み合わせた画像表示光学系が、米
国特許第４３０９０７０号公報、米国特許第４７１１５
１２号公報、米国特許第５９６６２２３号公報、特開平
８−１１３０５９号公報などにおいて提案されている。
また、リレー光学系を有しコンバイナを含む画像表示光
学系が、特開平６−２９４９４３号公報、特開平７−１
３４２６６号公報、特開平７−２１８８５９号公報など
において提案されている。また、リレーを有し導光板を
用いている画像表示光学系が、特開平２−２９７５１６
号公報、米国特許第５８８０８８８号公報などにおいて
提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、米国特許第４
６１３２００号公報、特開平５−１７８１２０号公報、
特開平５‐０７７６５８２号公報などに記載の光学系
は、視線方向に対し略垂直な方向から入射する光を視線
方向に向けて折り曲げるために、例えば米国特許第４６
１３２００号公報のＦＩＧ．１に示すように、視線方向
に向けて傾斜した自動車のフロントガラス（コンバイナ
ー）の入射面に反射型体積ホログラム素子を備えて構成
されているため、視線方向に光学系が厚くなってしまう
という問題があった。

【０００５】また、ＰＣＴ／ＵＳ９９／２６７５６（Ｗ
Ｏ００／２８３６９）号公報に記載の光学系は、例えば
ＦＩＧ．２２に示すように、画像を表示する光路中に、
反射型体積ホログラム素子を入れて光路を折り曲げ、更
に別の透過型体積ホログラム素子を組み合わせて色収差
を打ち消し合わせるように構成されている。しかし、こ
のような反射型ホログラム素子と透過型ホログラム素子
の配置構成では、コンバイナでの反射回折光が顔面と干
渉しないような方向に導くために、コンバイナでの反射
回折角を大きくする必要があり、これでは、コンバイナ
での反射型体積ホログラム素子の回折効果によるパワー
を大きくすることになるので、干渉縞の密度の高いホロ
グラムの生産が困難になるという問題があった。

【０００６】また、米国特許第４３０９０７０号公報、
米国特許第４７１１５１２号公報、米国特許第５９６６
２２３号公報、特開平８−１１３０５９号公報などに記
載の光学系においては、体積ホログラム素子と組み合わ
された導光板によって光路を形成することで薄型化を達
成している。しかし、観察者の顔面に沿った観察光学系
全体の光学系レイアウトをとる構成が考慮されてなく、
観察光学系全体が大型化してしまうという問題があっ
た。

【０００７】また、特開平６−２９４９４３号公報、特
開平７−１３４２６６号公報、特開平７−２１８８５９
２号公報などに記載の光学系においては、反射面をコン
バイナの一箇所にしか用いておらず、リレー光学系部分
を顔に沿うように配置構成することができないという問
題があった。

【０００８】また、特開平２−２９７５１６号公報、米
国特許５８８０８８８号公報などに記載の光学系におい
ては、色収差補正および偏心収差補正を実現するための
具体的な手段および構成についての提案がなされていな
かった。

【０００９】そこで、本発明は、頭部装着型の虚像観察
装置に用いることができる程度に小型、軽量で、明る
く、さらに高解像度を有し、且つ、製造が容易な観察光
学系を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による観察光学系
は、画像表示素子と、前記画像表示素子に形成された画
像情報をリレーするリレー光学系と、前記リレー光学系
でリレーされた画像情報を観察者の眼球へ導くための接
眼光学系とを含み、前記リレー光学系は、少なくとも、
複数のレンズと第１の反射型体積ホログラム素子を有
し、前記第１の反射型体積ホログラム素子が、パワーを
有し且つ色収差を補正するように構成され、前記複数の
レンズが、少なくとも偏心収差を補正し且つ色収差を補
正するように構成され、前記接眼光学系は、第２の反射
型体積ホログラム素子を有し、前記第２の反射型体積ホ
ログラム素子が、光束を観察者の眼球側に向けて反射す
るとともに光束にパワーを与え且つ色収差補正を補正す
るように構成され、前記第１の反射型体積ホログラム素
子と前記第２の反射型体積ホログラム素子との間は、透
明媒質で満たされ、且つ、光路中に少なくとも前記第１
の反射型体積ホログラム素子によって反射された光束
を、前記透明媒質内部で少なくとも３回以上の奇数回全
反射させて、前記第２の反射型体積ホログラム素子に導
くように形成された導光板で構成され、前記導光板によ
って、前記リレー光学系と前記画像表示素子とを、観察
者の顔面から側頭部に沿うように配置することができる
ようにしたことを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の基本原理について図を用
いて説明する。図１は本発明による観察光学系の基本構
成を示すＹ−Ｚ断面図である。なお、本発明において
は、軸上主光線２を、射出瞳１の中心（観察者の眼球の
旋回中心位置）から導光板３、複数のレンズ４、画像表
示素子５の中心に至る光線で定義する。そして、軸上主
光線２が導光板３の射出瞳１側の面と交差するまでの直
線によって定義される光軸をＺ軸とし、このＺ軸と直交
し、かつ、導光板３の長手方向に沿う軸をＹ軸と定義
し、Ｚ軸とＹ軸のいずれにも直交する軸をＸ軸と定義す
る。また、射出瞳１の中心をこの座標系の原点とする。
そして、軸上主光線２が射出瞳１から画像表示素子５に
至る方向をＺ軸の正方向、画像表示素子５に向かうＹ軸
の方向をＹ軸の正方向、Ｙ軸とＺ軸とともに右手系を構
成するＸ軸の方向をＸ軸の正方向と夫々定義する。

【００１２】本発明の観察光学系は、図１に示すよう
に、画像表示素子５と、複数のレンズ４と、導光板３と
を有して構成されている。複数のレンズ４から導光板３
の中間結像位置までの光学要素は、画像表示素子５に形
成された画像情報をリレーするリレー光学系６を構成し
ており、リレー光学系６は、導光板３内部の所定位置に
中間像を結像させるようになっている。また、導光板３
の中間結像位置より射出瞳１側部分は、接眼光学系７を
構成しており、接眼光学系７は、リレー光学系６でリレ
ーされた画像情報を観察者の眼球へと導くようになって
いる。また、本発明の観察光学系を構成するこれらの光
学要素は、射出瞳１から画像表示素子５に至るまでの光
路が観察者の顔面から側頭部に沿うように（図１の例で
はコの字型に）配置されている。

【００１３】導光板３は、透明なガラス又は透明プラス
チックを用いて全体がほぼ薄板状に形成されており、観
察者と反対側の面の入射領域と射出領域には、基盤面３
₁，３₂が設けられている。そして、基盤面３₂には、第
１の反射型体積ホログラム素子（ＨＯＥ）が、基盤面３
₁には、第２の反射型体積ホログラム素子（ＨＯＥ）９
が夫々設けられている。

【００１４】基盤面３₂は、画像表示素子５から複数の
レンズ４を経て導光板３に入射した入射光を第１の反射
型ＨＯＥ８を介して回折反射して、その反射光が薄板状
部３ａにおける外部との界面で全反射しやすくなるよう
に、薄板状部３ａに対して傾斜し、かつ、観察者とは反
対側に突出して形成されている。また、基盤面３₁は、
薄板状部３ａの上記界面で全反射した光を第２の反射型
ＨＯＥ９を介して回折反射して、その反射光が薄板状部
３ａを透過しやすくなるように、薄板状部３ａに対して
傾斜して形成されている。

【００１５】第１及び第２の反射型ＨＯＥ８，９を設け
る基盤面３₁，３₂をこのように形成したのは、基盤面を
薄板状部３ａと同じように形成した場合には、ＨＯＥ自
体に大きな回折パワーを持たせる必要があり、それで
は、干渉縞のピッチを小さくしなければならず、ＨＯＥ
の製造が難しくなり、しかも、ＨＯＥ面で発生する色収
差が大きくなってしまうからである。

【００１６】ホログラム素子には、幾何形状による光学
的パワーと、ホログラム素子の回折効果による光学的パ
ワーとの２種類のパワーが存在する。例えば、球面形状
の基盤部材にホログラム素子を設けた場合の２種類のパ
ワーを図を用いて説明すると、ホログラム素子は、図１
６(a)に示すように、ホログラム素子内部の周期構造の
ピッチなど、干渉縞の密度の違いによるパワーを有し、
また、図１６(b)〜(d)に示すように、その幾何形状によ
る光学的パワーを有する。そして、ホログラム素子にお
ける幾何形状による光学的パワーΦは、ホログラム基盤
の曲率半径をＲとした場合、従来の光学屈折レンズおよ
び反射鏡と同様に、次の式(1)〜(3)により算出すること
ができる。屈折系の場合は、 Φ＝（ｎ−１）（１／Ｒ） ……(1) 表面鏡の場合は、 Φ＝２／Ｒ ……(2）裏面鏡の場合は、 Φ＝２ｎ／Ｒ ……(3）但し、Φはホログラム素子における幾何形状による光学
的パワー、ｎは媒質の屈折率、Ｒはホログラム基盤の曲
率半径である。

【００１７】従って、表面鏡と裏面鏡とを比較した場
合、幾何形状によってある一定の光学的パワーを得るた
めに、裏面鏡は表面鏡に対して１／ｎだけ緩い曲率半径
Ｒで構成できることがわかる。すなわち、裏面鏡のよう
に反射型ホログラム素子の内部を、ガラスやプラスチッ
クなどの屈折率ｎの媒質で満たすことで、幾何形状を緩
い曲率半径Ｒとしても、大きな幾何形状による光学的パ
ワーが得られることを意味する。このように、緩い曲率
半径Ｒで大きな光学的パワーが発生する構成を光学系に
採用することで、このホログラム面で発生する収差を抑
制することができる。そこで、本発明では、第１の反射
型ＨＯＥ８と第２の反射型ＨＯＥ９の間に透明な媒質で
満たされた導光板を介在させて、上述の裏面鏡のように
構成することで、ホログラム面で発生する収差を抑えな
がら大きな光学的パワーが得られるようにしている。

【００１８】また、導光板３の薄板状部３ａは、第１の
反射型ＨＯＥ８によって反射された光束を第２の反射型
ＨＯＥ９に導くまでの間に少なくとも３回以上の奇数回
全反射させることができる長さを有している。偶数回の
全反射で反射型ＨＯＥ９に導くようにしたのでは、第１
の反射型ＨＯＥ８と第２の反射型ＨＯＥ９とが導光板３
を挟んで互いに反対側の面に設けられることになり、射
出瞳面と像面とが導光板３の同一面側に位置せず、観察
光学系を構成する光学要素を観察者の顔面から側頭に沿
った配置にならないからである。また、全反射回数を少
なくとも３回以上となるように形成したのは、観察者の
側頭部から観察者眼球に対応する距離を導光させるため
である。

【００１９】また、本発明において、ホログラフィック
素子として、体積型のホログラム（以下、単に体積ホロ
グラムという）を用いているのは次の理由による。ホロ
グラフィック素子には、レリーフ型ホログラムと体積ホ
ログラムがある。レリーフ型ホログラムは、入射角選択
性や波長選択性が小さく、特定の入射角、波長の光を回
折して必要次数光として結像させるが、それ以外の入射
角、波長の光についても、回折効率が低下した状態で回
折してしまい、不要次数光として結像させてしまうとい
う性質を有する。一方、体積ホログラムは入射角選択性
や波長選択性が高く、特定の波長、入射角の光のみを回
折して必要次数光として結像させ、それ以外の光につい
ては殆どを０次光として透過又は反射させてしまい、不
要次数光を結像させ難いという特性を有している。従っ
て、本発明のように導光板３に設けるホログラフィック
素子として反射型体積ホログラムを用いれば、不要次数
光による像ブレの発生を防ぐことができ、鮮明な観察画
像を得ることができる。

【００２０】なお、本発明におけるホログラフィック素
子として用いる体積ホログラム（ＨＯＥ）は以下のよう
に定義する。図１７は本発明におけるＨＯＥを定義する
ための原理図である。まず、ＨＯＥ面に入射し、さらに
射出する波長λの光線追跡は、基準波長λ₀＝ＨＷＬに
対して定義されるＨＯＥ面上での光路差関数Φ₀を用い
て、次式(4)で与えられる。ｎ_dＱ_d・Ｎ＝ｎ_iＱ_i・Ｎ＋ｍ（λ／λ₀）∇Ф₀・Ｎ ……(4) ただし、ＮはＨＯＥ面の法線ベクトル、ｎ_i（ｎ_d）は入
射側（射出側）の屈折率、Ｑ_i（Ｑ_d）は入射（射出）ベ
クトル（単位ベクトル）である。また、ｍ＝ＨＯＲは射
出光の回折次数である。

【００２１】ＨＯＥが基準波長λ₀の２点光源、すなわ
ち図１７に示すように点Ｐ₁＝（ＨＸ１，ＨＹ１，ＨＺ
１）を光源とする物体光、および点Ｐ₂＝（ＨＸ２，Ｈ
Ｙ２，ＨＺ２）を光源とする参照光の干渉によって製造
される（定義される）とすれば、 Φ₀＝Φ₀ ^2P ＝ｎ₂・ｓ₂・ｒ₂−ｎ₁・ｓ₁・ｒ₁ となる。ただし、ｒ₁（ｒ₂）は点Ｐ₁（点Ｐ₂）からＨＯ
Ｅ面の所定の座標までの距離（＞０）、ｎ₁（ｎ₂）は製
造時（定義時）にＨＯＥを置く媒質の、点Ｐ₁（点Ｐ₂）
を配置した側の屈折率であり、ｓ₁＝ＨＶ１、およびｓ₂
＝ＨＶ２は光の進行方向を考慮する符号である。この符
号は光源が発散光源（実点光源）である場合に、ＲＥＡ
＝＋１、逆に光源が収束する光源（仮想点光源）の場合
にＶＩＲ＝−１となる。なお、レンズデータ中における
ＨＯＥの定義として、製造時（定義時）にＨＯＥを置く
媒質の屈折率ｎ₁（ｎ₂）は、レンズデータ中でＨＯＥ面
が接している媒質の、点Ｐ₁（点Ｐ₂）が存在する側の屈
折率とする。

【００２２】一般的な場合、ＨＯＥを製造する際の参照
光と物体光は球面波とは限らない。この場合のＨＯＥの
光路差関数Φ₀は、多項式で表した付加的な位相項Φ₀
^Poly（基準波長λ₀における光路差関数）を加えて次式
(5)で表わすことができる。 ……(5) であり、一般にはｊ＝｛（ｍ＋ｎ）²＋ｍ＋３ｎ｝／２で定義することができる。ただし、Ｈ_jは各項の係数で
ある。

【００２３】さらに光学設計の便宜から、光路差関数Φ
₀を Φ₀＝Φ₀ ^Poly のように付加項のみで表し、それによってＨＯＥを定義
することもできる。例えば、２点光源Ｐ₁（点Ｐ₂）を一
致させると光路差関数Φ₀の干渉による成分Φ₀ ^2Pはゼロ
となるので、この場合は実質的に付加項（多項式）のみ
で光路差関数を表示したことに相当する。以上のＨＯＥ
に関する説明は、すべてＨＯＥ原点を基準とするローカ
ル座標に対するものである。

【００２４】以下に、ＨＯＥを定義する構成パラメータ
の例を示す。面番号曲率半径間隔物体面 ∞ ∞ 絞り ∞ １００２１５０ −７５ＨＯＥ：ＨＶ１（ｓ₁）＝ＲＥＡ（＋１）ＨＶ２（ｓ₂）＝ＶＩＲ（−１）ＨＯＲ（ｍ）＝１ＨＸ１＝０，ＨＹ１＝-3.40×10⁹ ，ＨＺ１＝-3.40×10⁹ ＨＸ２＝０，ＨＹ２＝ 2.50×10 ，ＨＺ２＝-7.04×10 ＨＷＬ（λ₀）＝５４４Ｈ１＝ -1.39×10^-21，Ｈ２＝ -8.57×10^-5，Ｈ３＝ -1.50×10^-4

【００２５】次に、本発明の観察光学系における、導光
板３に入射する軸上光線の導光板内での反射状態につい
て、垂直に入射する光を用いて説明する。導光板３の入
射領域の観察者側の面に垂直に入射した光は、そのまま
透過して、基盤面３₂に設けられた第１の反射型ＨＯＥ
８に入射する。第１の反射型ＨＯＥ８は、基盤面３₂に
対し第１の入射角度でもって入射した光を回折反射する
ように角度選択性を有して構成されており、この入射光
を回折反射する。第１の反射型ＨＯＥ８で回折反射され
た光は導光板３の薄板状部３ａに対して臨界角を超えた
第２の入射角度でもって、両側のガラス又はプラスチッ
クの界面で同様の全反射を３回以上の奇数回繰り返して
射出領域の基盤面３₁に設けられた第２の反射型ＨＯＥ
９に入射する。

【００２６】第２の反射型ＨＯＥ９は、基盤面３₁に対
し第３の入射角度でもって入射した光を回折反射するよ
うに角度選択性を有して構成されており、この入射光を
回折反射する。第２の反射型ＨＯＥ９で回折反射された
光は導光板３に対して臨界角以下の入射角度でもって
（図１においては垂直、即ち、０度の入射角でもって）
導光板３の射出領域の観察者側面より射出する。

【００２７】一般に回折角度の大きな回折光学素子は、
素子内部に有する格子構造のピッチが細かくなり製造が
困難となることが知られている。本発明の観察光学系で
は、上述のように、導光板の入射領域および射出領域に
夫々ＨＯＥを配置したので、ＨＯＥの１回あたりの回折
角度が大きくならないように抑えることができ、ＨＯＥ
中の干渉縞のピッチを大きくすることができる。

【００２８】なお、図１に示す導光板３は、偏心光学系
として構成されており、しかも光を入射させた後に全反
射させて所定位置まで導いて射出させ、且つ観察するた
めにホログラム素子を配置しているため、このままで
は、大きな偏心収差が発生してしまう。そこで、本発明
では、図１に示すように、導光板の外部の複数のレンズ
４を、少なくとも１面に自由曲面を有する自由曲面レン
ズで構成し、導光板３を介して生じる偏心収差、ホログ
ラフィック素子を介して生じる色収差を補正することが
できるようにするのが好ましい。また、複数のレンズ４
を自由曲面レンズで構成すれば、これらの収差を補正す
るために夫々のレンズを観察者の側頭部に沿った状態に
配置させやすい。

【００２９】また、本発明の観察光学系のように、入射
光束が導光板の入射領域から射出領域に至るまでの間で
中間結像するリレー光学系を有して構成すれば、接眼側
の光学系で発生する収差をリレー光学系の中間結像位置
より像側の光学系で補正することができ、しかも、リレ
ー光学系により小さな画像表示素子を中間結像面に大き
く投影することで、見かけ上大きな画像表示素子を接眼
光学系に用いたものと光学的に等価になる。これにより
小さな画像表示素子を用いても広い観察画角を得ること
ができる。一方、上記従来の光学系のように、リレー光
学系を構成しないで接眼光学系だけで画像表示装置を構
成しようとすると、広い観察画角を達成するためには、
接眼光学系側のパワーを強くする、即ち、焦点距離を短
くして倍率を上げる必要があるが、接眼光学系のパワー
を強くしすぎると収差が悪くなる。従って、本発明の観
察光学系のように、リレー光学系方式で構成するのが、
これらの諸問題を防ぐために有用である。

【００３０】このように、図１に示す本発明の光学系
は、画像表示素子５より複数のレンズ４を経て導光板３
内部に入射した光束が、入射領域に設けられた第１の反
射型ＨＯＥ８で回折反射された後に全反射を３回以上の
奇数回繰り返すとともに導光板３内部の中間結像位置で
結像して射出領域に導かれ、射出領域に設けられた第２
の反射型ＨＯＥ９で回折反射されて射出領域から射出し
て、射出瞳１に結像するように構成されている。

【００３１】また、このように構成された本発明の観察
光学系においては、前記リレー光学系と前記画像表示素
子とを観察者の顔面から側頭部に沿うように光学系の光
路をコの字型に構成し、かつ、第１および第２の反射型
体積ホログラム素子で発生する色収差を打ち消し合わせ
るためには、次の条件式(6)，(7)の何れかを満足するこ
とが重要である。 0.5 ＜（OP1/OP2）/（H2_S4/H2_S10）＜ 4.0 ……(6) -3.5 ＜（θ_S10 / θ_S4）＜ -1.0 ……(7) 但し、OP1は軸上画角における主光線の中間像から第１
の反射型体積ホログラムまでの光路長(mm)、OP2は軸上
画角における主光線の第２の反射型体積ホログラムから
中間像までの光路長(mm)、H2_S10は第１の反射型体積ホ
ログラム素子におけるＹ方向の１次成分の光路差関数の
係数、H2_S4は第２の反射型体積ホログラム素子におけ
るＹ方向の１次成分の光路差関数の係数、θ_S10は第１
の反射型体積ホログラム素子の傾き（度）、θ_S4は第
２の反射型体積ホログラム素子の傾き（度）である。ま
た、上記式(7)におけるそれぞれの体積型ホログラム素
子の傾きθ＝ｔａｎ^- ¹｛（ｔａｎα）²＋（ｔａｎ
β）²｝^1/2、αはＸ軸を中心とする傾き角(度)、βはＹ
軸を中心とする傾き角（度）である。

【００３２】条件式(6)の下限を超えて（OP1/OP2）/（H
2_S4/H2_S10）の値が小さくなると、第２の反射型体積
ホログラム素子で発生するＹ方向１次の色収差が、中間
像から第１の反射型体積ホログラム素子までの光路長に
対して大きくなりすぎ、かつ、第１の反射型体積ホログ
ラム素子のＹ方向１次の色収差補正量が、第２の反射型
体積ホログラム素子から中間像までの光路長に対して小
さくなりすぎるため、第１および第２の反射型体積ホロ
グラム素子で発生する色収差を打ち消し合わせることが
できなくなる。従って、色収差補正のなされた高コント
ラストの画像を観察者に提供することができなくなって
しまう。

【００３３】他方、条件式(6)の上限を超えて（OP1/OP
2）/（H2_S4/H2_S10）の値が大きくなると、第２の反射
型体積ホログラム素子で発生するＹ方向１次の色収差
が、中間像から第１の反射型体積ホログラム素子までの
光路長に対して小さくなりすぎ、かつ、第１の反射型体
積ホログラム素子のＹ方向１次の色収差補正量が、第２
の反射型体積ホログラム素子から中間像までの光路長に
対して大きくなりすぎるため、第１および第２の反射型
体積ホログラム素子で発生する色収差を打ち消し合わせ
ることができなくなる。従って、色収差補正のなされた
高コントラストの画像を観察者に提供することができな
くなってしまう。

【００３４】また、条件式(7)の上限を超えて（θ_S10
/ θ_S4）の値が大きくなると、第１の反射型体積ホロ
グラム素子での反射回折角が、Ｙ方向１次の光路差関数
項による作用を一定と考えた場合に、大きくなりすぎ、
かつ、第２の反射型体積ホログラム素子での反射回折角
が、Ｙ方向１次の光路差関数項による作用を一定と考え
た場合に、小さくなりすぎる。すると、リレー光学系を
構成する複数のレンズと導光板とを略直角に配置するこ
とが困難となり、また、導光板に対して略垂直方向へ光
束を射出することが困難となる。従って、観察光学系を
顔面に沿ったコの字型に構成することが困難となる。

【００３５】他方、条件式(7)の下限を超えて（θ_S10
/ θ_S4）の値が小さくなると、第１の反射型体積ホロ
グラム素子での反射回折角が、Ｙ方向１次の光路差関数
項による作用を一定と考えた場合に、小さくなりすぎ、
かつ、第２の反射型体積ホログラム素子での反射回折角
が、Ｙ方向１次の光路差関数項による作用を一定と考え
た場合に、大きくなりすぎる。すると、リレー光学系を
構成する複数のレンズと導光板とを略直角に配置するこ
とが困難となり、また、導光板に対して略垂直方向へ光
束を射出することが困難となる。従って、観察光学系を
顔面に沿ったコの字型に構成することが困難となる。

【００３６】更に、本発明の観察光学系は、望ましく
は、次の条件式(8)，(9)の何れかを満足することが重要
である。 0.8 ＜（OP1/OP2）/（H2_S4/H2_S10）＜ 3.0 ……(8) -3.0 ＜（θ_S10 / θ_S4）＜ -1.5 ……(9) 条件式(8)，(9)の上限及び下限の意味は上記条件式
(6)，(7)と同様である。

【００３７】更に、本発明の観察光学系は、望ましく
は、次の条件式(10)，(11)の何れかを満足することが重
要である。 1.0 ＜（OP1/OP2）/（H2_S4/H2_S10）＜ 2.0 ……(10) -2.5 ＜（θ_S10 / θ_S4）＜ -2.0 ……(11) 条件式(10)，(11)の上限及び下限の意味は上記条件式
(6)，(7)と同様である。

【００３８】また、本発明の観察光学系において、導光
板部分を薄型化し、全反射を利用して導光するために
は、次の条件式(12)を満足することが重要である。 0.1 ＜ H2_S4 ＜ 2.8 ……(12) 条件式(12)の下限を超えてH2_S4の値が小さくなると、
第２の反射型体積ホログラム素子で反射回折された光束
を導光内で全反射させるために、第２の反射型体積ホロ
グラム素子の傾きθ_S4が大きくなりすぎ、導光板の厚
さが厚くなり装置が大型化してしまう。他方、条件式(1
2)の上限を超えてH2_S4の値が大きくなると、第２の反
射型体積ホログラム素子のＹ方向１次の光路差関数項が
大きくなりすぎるため、反射型体積ホログラム素子の反
射回折のための周期構造ピッチが小さくなりすぎ生産が
困難となってしまう。

【００３９】更に、本発明の観察光学系は、望ましく
は、次の条件式(13)を満足することが重要である。 0.3 ＜ H2_S4 ＜ 1.4 ……(13) 条件式(13)の上限及び下限の意味は条件式(12)と同様で
ある。更に、本発明の観察光学系は、望ましくは、次の
条件式(14)を満足することが重要である。 0.5 ＜ H2_S4 ＜ 0.7 ……(14) 条件式(14)の上限及び下限の意味は条件式(7)と同様で
ある。

【００４０】また、導光板においてパワーを付けた反射
面を軸上主光線に対して偏心させた場合、本発明で用い
られる複数のレンズを構成する面のうち、少なくとも１
つの面は回転非対称な面であることが収差補正上は好ま
しい。

【００４１】光路を折り曲げて、顔面に沿うようにする
ためには、導光板や複数のレンズなどの光学要素を偏心
配置する必要がある。しかし、偏心光学系では、回転非
対称なディストーションや回転非対称な像面湾曲などの
偏心収差が発生する。そこで、この偏心収差を補正する
ために回転非対称な面を上述のように用いるとよい。

【００４２】また、本発明で用いられるホログラフィッ
ク素子の面が回転非対称な面であることが同様の理由で
望ましい。なお、ホログラフィック素子を設ける基盤面
は、平面形状でも、任意の形状でも可能である。

【００４３】また、本発明で用いる回転非対称な面は、
アナモルフィック面、トーリック面、対称面を１面のみ
有する面対称自由曲面で構成することができる。なお、
好ましくは、対称面を１面のみ有する自由曲面で構成す
るとよい。

【００４４】ここで、本発明で使用する自由曲面は、次
式(15)により定義する。なお、その定義式のＺ軸が自由
曲面の軸となる。

【００４５】 ……(15) ただし、(15)式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項
である。また球面項中、Ｃは頂点の曲率、ｋはコーニッ
ク定数（円錐定数）、ｒ＝√（Ｘ²＋Ｙ²）である。

【００４６】自由曲面項は次式(16)のように展開するこ
とができる。 ……(16) ただし、Ｃ_j（ｊは２以上の整数）は係数である。

【００４７】上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、
Ｙ−Ｚ面ともに対称面を持つことはないが、本発明で
は、Ｘの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ
面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。
このような自由曲面は、例えば、上記定義式(15)におい
ては、Ｃ₂、Ｃ₅、Ｃ₇、Ｃ₉、Ｃ₁₂、Ｃ₁₄、Ｃ₁₆、Ｃ₁₈、
Ｃ₂₀、Ｃ₂₃、Ｃ₂₅、Ｃ₂₇、Ｃ₂₉、Ｃ₃₁、Ｃ₃₃、Ｃ₃₅・・
・の各項の係数を０にすることによって達成することが
可能である。

【００４８】また、Ｙの奇数次項を全て０にすることに
よって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自
由曲面となる。このような自由曲面は、例えば、上記定
義式(15)においては、Ｃ₃、Ｃ₅、Ｃ₈、Ｃ₁₀、Ｃ₁₂、Ｃ
₁₄、Ｃ₁₇、Ｃ₁₉、Ｃ₂₁、Ｃ₂₃、Ｃ₂₅、Ｃ₂₇、Ｃ₃₀、
Ｃ₃₂、Ｃ₃₄、Ｃ₃₆・・・の各項の係数を０にすることに
よって達成することが可能である。

【００４９】また上記対称面の方向の何れか一方を対称
面とし、それに対応する方向の偏心、例えば、Ｙ−Ｚ面
と平行な対称面に対して光学系の偏心方向はＹ軸方向
に、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方
向はＸ軸方向にすることで、偏心により発生する回転非
対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作性も向上
させることが可能となる。

【００５０】また、上記定義式(15)は、上述のように１
つの例として示したものであり、本発明において、対称
面を１面のみ有する回転非対称面を用いることで偏心に
より発生する回転非対称な収差を補正し、同時に製作性
も向上させるという特徴を有しているが、上記定義式(1
5)以外の他のいかなる定義式に対しても同様の効果が得
られることは言うまでもない。

【００５１】本発明においては、導光板に設けられた反
射面の形状や、複数のレンズ面の形状を、唯一の対称面
を１面のみ有した面対称自由曲面形状にて構成すること
ができる。

【００５２】また、アナモルフィック面の形状は次の式
(17)により定義される。なお、面形状の原点を通り、光
学面に垂直な直線がアナモルフィック面の軸となる。Ｚ＝（Ｃｘ・Ｘ²＋Ｃｙ・Ｙ²）／［１＋｛１−（１＋Ｋｘ）Ｃｘ²・Ｘ² −（１＋Ｋｙ）Ｃｙ²・Ｙ²｝^1/2] ＋ΣＲｎ｛（１−Ｐｎ）Ｘ² ＋（１＋Ｐｎ）Ｙ²｝⁽ⁿ⁺¹⁾ ……(17)

【００５３】ここで、例としてｎ＝４（４次項）を考え
ると、上記式(17)は、展開したとき、次式(18)で表わす
ことができる。Ｚ＝（Ｃｘ・Ｘ²＋Ｃｙ・Ｙ²）／［１＋｛１−（１＋Ｋｘ）Ｃｘ²・Ｘ² −（１＋Ｋｙ）Ｃｙ²・Ｙ²｝^1/2] ＋Ｒ１｛（１−Ｐ１）Ｘ²＋（１＋Ｐ１）Ｙ²｝² ＋Ｒ２｛（１−Ｐ２）Ｘ²＋（１＋Ｐ２）Ｙ²｝³ ＋Ｒ３｛（１−Ｐ３）Ｘ²＋（１＋Ｐ３）Ｙ²｝⁴ ＋Ｒ４｛（１−Ｐ４）Ｘ²＋（１＋Ｐ４）Ｙ²｝⁵ ……(18) ただし、Ｚは面形状の原点に対する接平面からのずれ
量、ＣｘはＸ軸方向曲率、ＣｙはＹ軸方向曲率、Ｋｘは
Ｘ軸方向円錐係数、ＫｙはＹ軸方向円錐係数、Ｒｎは球
面項回転対称成分、Ｐｎは非球面項回転非対称成分であ
る。なお、Ｘ軸方向曲率半径Ｒｘ、Ｙ軸方向曲率半径Ｒ
ｙと曲率Ｃｘ，Ｃｙとは、Ｒｘ＝１／Ｃｘ，Ｒｙ＝１／Ｃｙの関係にある。

【００５４】また、トーリック面にはＸトーリック面と
Ｙトーリック面があり、夫々次の式(19)，(20)により定
義される。面形状の原点を通り、光学面に垂直な直線が
トーリック面の軸となる。Ｘトーリック面は、次の式(1
9)で定義される。Ｆ（Ｘ）＝Ｃｘ・Ｘ²／[１＋｛１−（１＋Ｋ）Ｃｘ²・Ｘ²｝^1/2] ＋ＡＸ⁴＋ＢＸ⁶＋ＣＸ⁸＋ＤＸ¹⁰・・・・・・Ｚ＝Ｆ（Ｘ）＋（１／２）Ｃｙ｛Ｙ²＋Ｚ²−Ｆ（Ｘ）²｝ ……(19) Ｙトーリック面は、次の式(20)で定義される。Ｆ（Ｙ）＝Ｃｙ・Ｙ²／[１＋｛１−（１＋Ｋ）Ｃｙ²・Ｙ²｝^1/2] ＋ＡＹ⁴＋ＢＹ⁶＋ＣＹ⁸＋ＤＹ¹⁰・・・・・・Ｚ＝Ｆ（Ｙ）＋（１／２）Ｃｘ｛Ｘ²＋Ｚ²−Ｆ（Ｙ）²｝ ……(20) ただし、Ｚは面形状の原点に対する接平面からのずれ
量、ＣｘはＸ軸方向曲率、ＣｙはＹ軸方向曲率、Ｋは円
錐係数、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは非球面係数である。なお、Ｘ
軸方向曲率半径Ｒｘ、Ｙ軸方向曲率半径Ｒｙと曲率Ｃ
ｘ，Ｃｙとは、Ｒｘ＝１／Ｃｘ，Ｒｙ＝１／Ｃｙの関係にある。

【００５５】また、自由曲面の他の定義式として、Ｚｅ
ｒｎｉｋｅ多項式がある。この面の形状は次式(21)によ
り定義する。その定義式(21)のＺ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多
項式の軸となる。回転非対称面の定義は、Ｘ−Ｙ面に対
するＺ軸の高さの極座標で定義され、ＲはＸ−Ｙ面内の
Ｚ軸からの距離、ＡはＺ軸周りの方位角でＹ軸から測っ
た回転角で表わされる。

【００５６】Ｘ＝Ｒ×ｃｏｓ(A) Ｙ＝Ｒ×ｓｉｎ(A) Ｚ＝Ｄ₂ ＋Ｄ₃Ｒｃｏｓ(A)＋Ｄ₄Ｒｓｉｎ(A) ＋Ｄ₅Ｒ²ｃｏｓ(2A)＋Ｄ₆（Ｒ²−１）＋Ｄ₇Ｒ²ｓｉｎ(2A) ＋Ｄ₈Ｒ³ｃｏｓ(3A)＋Ｄ₉（３Ｒ³−２Ｒ）ｃｏｓ(A) ＋Ｄ₁₀（３Ｒ³−２Ｒ）ｓｉｎ(A)＋Ｄ₁₁Ｒ³ｓｉｎ(3A) ＋Ｄ₁₂Ｒ⁴ｃｏｓ(4A)＋Ｄ₁₃（４Ｒ⁴−３Ｒ²）ｃｏｓ(2A) ＋Ｄ₁₄（６Ｒ⁴−６Ｒ²＋１）＋Ｄ₁₅（４Ｒ⁴−３Ｒ²）ｓｉｎ(2A) ＋Ｄ₁₆Ｒ⁴ｓｉｎ(4A) ＋Ｄ₁₇Ｒ⁵ｃｏｓ(5A)＋Ｄ₁₈（５Ｒ⁵−４Ｒ³）ｃｏｓ(3A) ＋Ｄ₁₉（１０Ｒ⁵−１２Ｒ³＋３Ｒ）ｃｏｓ(A) ＋Ｄ₂₀（１０Ｒ⁵−１２Ｒ³＋３Ｒ）ｓｉｎ(A) ＋Ｄ₂₁（５Ｒ⁵−４Ｒ³）ｓｉｎ(3A)＋Ｄ₂₂Ｒ⁵ｓｉｎ(5A) ＋Ｄ₂₃Ｒ⁶ｃｏｓ(6A)＋Ｄ₂₄（６Ｒ⁶−５Ｒ⁴）ｃｏｓ(4A) ＋Ｄ₂₅（１５Ｒ⁶−２０Ｒ⁴＋６Ｒ²）ｃｏｓ(2A) ＋Ｄ₂₆（２０Ｒ⁶−３０Ｒ⁴＋１２Ｒ²−１）＋Ｄ₂₇（１５Ｒ⁶−２０Ｒ⁴＋６Ｒ²）ｓｉｎ(2A) ＋Ｄ₂₈（６Ｒ⁶−５Ｒ⁴）ｓｉｎ(4A)＋Ｄ₂₉Ｒ⁶ｓｉｎ(6A)・・・ ……(21) なお、上記においてＸ方向に対称な面として表した。た
だし、Ｄ_m（ｍは２以上の整数）は係数である。

【００５７】また、回転非対称面な自由曲面の形状は次
の式(22)により定義することもできる。その定義式(22)
のＺ軸が回転非対称面の軸となる。Ｚ＝Σ_nΣ_mＣ_nmＸⁿＹ^n-m ……(22) ただし、Σ_nはΣのｎが０〜ｋ、Σ_mはΣのｍが０〜ｎを
表わす。

【００５８】また、面対称自由曲面（対称面を１つのみ
有する回転非対称面）を、この回転非対称面を表わす式
(22)により定義する場合は、その対称面により生ずる対
称性をＸ方向に求める場合は、Ｘの奇数次項を０に（例
えばＸ奇数次項の係数を０にする）、その対称面により
生ずる対称性をＹ方向に求める場合は、Ｙの奇数次項を
０に（例えば、Ｙ奇数次項の係数を０にする）すればよ
い。

【００５９】また、回転対称非球面の形状は次式(23)に
より定義する。その定義式(23)のＺ軸が回転対称非球面
の軸となる。Ｚ＝（Ｙ₂／Ｒ）／[１＋｛１−Ｐ(Ｙ²／Ｒ²)｝^1/2] ＋Ａ₄Ｙ⁴＋Ａ₆Ｙ⁶＋Ａ₈Ｙ⁸＋Ａ₁₀Ｙ¹⁰・・・ ……(23) ただし、ＹはＺに垂直な方向であり、Ｒは近軸曲率半
径、Ｐは円錐係数、Ａ₄、Ａ₆、Ａ₈、Ａ₁₀は非球面係数
である。

【００６０】なお、本発明の実施例では、上記(15)式を
用いた自由曲面で面形状が表現されているが、上記(21)
式、(22)式を用いても同様の作用効果が得られるのは言
うまでもない。

【００６１】また、本発明の光学系は、前記導光板の板
面形状が平面形状に形成されているのが好ましい。な
お、前記導光板の板面形状が曲面形状に形成されていて
もよい。

【００６２】また、本発明において、導光板の板面形状
を一方向へ曲率を持つ曲面形状に形成すれば、観察光学
系全体をより観察者の顔面に沿わせて小型化することが
できる。

【００６３】なお、体積ホログラムは、基盤面に貼りつ
けるか、又は、基盤面に埋め込んで基盤面と面一になる
ようにする。

【００６４】また、前記複数のレンズの前記偏心収差を
補正する面は、回転非対称なディストーション補正やテ
レセントリック性の良好な光学系とするために自由曲面
などの回転非対称な面で構成することが望ましいが、球
面、非球面、アナモルフィック面などの回転対称な面で
構成することも可能である。

【００６５】その他、本発明の観察光学系は、導光板に
ＡＲコートを施すのが好ましい。このように構成すれ
ば、外部からの光の反射を抑えて鮮明な観察像を得るこ
とができる。

【００６６】また、本発明の観察光学系と、観察光学系
の射出瞳を観察者の眼球位置に保持するように観察者頭
部に支持する支持部材と、観察者の耳に音声を与えるス
ピーカー部材を備えることで頭部装着型画像表示装置を
構成することができる。

【００６７】その場合の頭部装着型画像表示装置は、支
持部材に、右眼用の観察光学系と左眼用の観察光学系と
を備え、前記スピーカー部材が、右耳用スピーカー部材
と左耳用スピーカー部材とを有するように構成してもよ
い。

【００６８】また、この頭部装着型画像表示装置は、前
記スピーカー部材がイヤホンで構成されていてもよい。

【００６９】

【実施例】以下、本発明の観察光学系の実施例について
説明する。なお、実施例の構成パラメータは後に示すこ
とにする。各実施例においては、例えば図１を用いて示
したように、軸上主光線２を、射出瞳１の中心（観察者
眼球の旋回中心位置）から導光板３、複数のレンズ４、
画像表示素子として設けられたＬＣＤ５の中心に至る光
線で定義する。そして、軸上主光線２が導光板３の射出
瞳側の面と交差するまでの直線によって定義される光軸
をＺ軸とし、このＺ軸と直交し、かつ、導光板３の長手
方向に沿う軸をＹ軸と定義し、前記光軸と直交し、か
つ、前記Ｙ軸とＺ軸のいずれにも直交する軸をＸ軸と定
義する。また、射出瞳１の中心をこの座標系の原点とす
る。そして、軸上主光線２が射出瞳１からＬＣＤ５に至
る方向をＺ軸の正方向、ＬＣＤ５に向かうＹ軸の方向を
Ｙ軸の正方向、Ｙ軸とＺ軸とともに右手系を構成するＸ
軸の方向をＸ軸の正方向と夫々定義する。

【００７０】各実施例では、導光板３および複数のレン
ズ４は、このＹ−Ｚ平面内で偏心を行なっている。Ｙ−
Ｚ面は、導光板３および複数のレンズ４に設けられる各
回転非対称な自由曲面の唯一の対称面となっている。

【００７１】偏心面については、対応する座標系の原点
から、その面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方
向、Ｚ軸方向を夫々、Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸
（自由曲面については、上記式(15)のＺ軸）のＸ軸，Ｙ
軸，Ｚ軸の夫々を中心とする傾き角（夫々α，β，γ
（°））とが与えられている。なお、その場合、αとβ
の正は夫々の軸の正方向に対して半時計回りを、γの正
はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。その他、
球面の曲率半径、面間隔、媒質の屈折率、アッベ数は慣
用法によって与えるものとする。

【００７２】また、本発明で用いられる自由曲面の面の
形状は上記(15)式により定義し、その定義式のＺ軸が自
由曲面の軸となる。

【００７３】第１実施例図１は本発明の第１実施例にかかる観察光学系の光軸を
含むＹ−Ｚ断面図である。第１実施例の観察光学系は、
観察者が観察する画像を表示する画像表示素子としてＬ
ＣＤ５と、ＬＣＤ５に形成された画像情報をリレーする
リレー光学系６と、リレー光学系６でリレーされた画像
情報を、観察者の眼球へ導くための接眼光学系７とを含
んで構成されている。また、ＬＣＤ５に表示された観察
像を観察するために瞳面に射出瞳１を形成するようにな
っている。リレー光学系６は、複数のレンズ４と第１の
反射型ＨＯＥ８を有している。接眼光学系７は、第２の
反射型ＨＯＥ９を有している。第１の反射型ＨＯＥ８と
第２の反射型ＨＯＥ９は導光板３のそれぞれ所定の基盤
面３₁，３₂に設けられている。導光板３は、透明媒質で
満たされており、光路中に少なくとも第１の反射型ＨＯ
Ｅ８によって反射された光束を、透明媒質内部の上記ホ
ログラム素子が設けられた基盤面以外の薄板状部３ａの
外部との界面で５回全反射させて、第２の反射型ＨＯＥ
９に導くように形成されている。なお、以下の実施例の
説明において、光学系の面番号は原則として射出瞳１か
らＬＣＤ５に至る順番で追跡（逆光線追跡）し、導光板
及び複数のレンズにおける各面の順番も逆光線追跡に合
わせて表すこととする。

【００７４】複数のレンズ４は、自由曲面レンズで構成
されている。導光板３には、入射領域及び射出領域の夫
々観察者とは反対側の基盤面３₁，３₂に、反射型ＨＯＥ
８，９が夫々設けられている。導光板３の入射領域に設
けられた第１の反射型ＨＯＥ８は、所定波長で入射した
光束を回折反射し、反射された光束が導光板３の全反射
臨界角を超えた角度で導光板３の界面に入射するように
形成されている。また、導光板３の射出領域に設けられ
た第２の反射型ＨＯＥ９は、導光板３の全反射臨界角を
超えた角度で入射した光束を回折反射し、反射された光
束が導光板３の全反射臨界角を超えない角度で導光板３
の界面に入射して導光板３より射出瞳に向けて射出する
ように形成されている。複数のレンズ４は、導光板３を
経由することによる光束の偏心収差及びＨＯＥを介して
生じる色収差を補正するために少なくとも一面に自由曲
面を有する自由曲面レンズとして構成されている。

【００７５】そして、本実施例の観察光学系では、ＬＣ
Ｄ５から射出した光束は、複数の自由曲面レンズ４を通
り導光板３の入射領域より臨界角以下の第１の入射角度
で入射し、第１の反射型ＨＯＥ８に所定の第２の入射角
度で入射する。

【００７６】第１の反射型ＨＯＥ８は、この入射位置に
おいてこの第２の入射角度でもって入射した光を回折反
射するように角度選択性を有して構成されており、この
入射光を回折反射する。第１の反射型ＨＯＥ８で回折反
射された光は導光板３に対して臨界角を超えた第３の入
射角度で、導光板３の界面に入射する。導光板３は、こ
の入射位置において臨界角を超えた第３の入射角度で入
射した光を全反射する。全反射された光は、同様に臨界
角を超えた第３の入射角度で、以下、導光板３の両側の
ガラス又はプラスチックでできた界面で同様の全反射を
５回繰り返すとともに、その途中の所定位置（図１にお
いては４回目の全反射位置）で一旦結像されて、射出領
域に設けられた第２の反射型ＨＯＥ９へと導かれる。

【００７７】第２の反射型ＨＯＥ９は、所定の第４の入
射角度で入射した光を回折反射するように角度選択性を
有して構成されており、この入射光を回折反射する。第
２の反射型ＨＯＥ９で回折反射された光は導光板に対し
て導光板３に対して臨界角以下の第５の入射角度で導光
板３の界面に入射し、そのまま導光板３から射出して射
出瞳１へと導かれる。

【００７８】その他、体積ホログラムは、Ｒ，Ｇ，Ｂの
３層を貼り合わせて構成されており、カラー像を観察す
ることができるようになっている。また、導光板３は板
面形状が長手方向に沿って平面状に形成されている。ま
た、導光板３は基盤面３₁を透明部材で挟むようにして
形成されており、射出瞳１の位置に眼球を位置させた状
態で観察者がＬＣＤ５からの画像観察と共に透過観察も
することができるようになっている。また、導光板の基
盤面３₁は平面形状に、基盤面３₂は球面形状に夫々形成
されている。

【００７９】また、本実施例では、光源として、ＲＧＢ
各色用のＬＥＤを用いている。ＲＧＢ各色用のＬＥＤ
は、中心波長が、630nm、525nm、465nmであり、±20nm
程度のブロードな発光スペクトルを有する。そして、第
１実施例における反射型体積ホログラム素子のブラッグ
条件は、再生時のＲＧＢ各色の中心波長である632nm、5
20nm、465nmとなるよう設定されている。また、反射型
体積ホログラム素子の波長選択性の性質によりＲＧＢ各
色のバンド幅は、反射型体積ホログラム素子の中心屈折
率ｎ=1.52、屈折率変調率Δn=0.05とした場合に、略±8
nm程度に制限される。光学系スペックとしては、焦点距
離＝17.3mm、アイリリーフ＝25mm、瞳径=Φ3mm、画像表
示素子は対角0.24インチ（縦3.658mm×横4.877mm）、解
像度QVGA、観察画角は水平12度×垂直16度、中心視度は
−1.0Dである。

【００８０】次に、第１実施例の数値データを示す。数
値データ中、“ＦＦＳ”は自由曲面を示している。な
お、この記号は本発明の実施例に共通である。また、本
実施例の像歪みを表す収差図を図２に、ＲＧＢそれぞれ
の波長領域における横収差を表す収差図を図３〜５に夫
々示す。図２中、縦軸はＸ方向の像高、横軸はＹ方向の
像高を示している。また、図３〜５中、夫々(a)はＸ方
向画角がゼロ、Ｙ方向画角がゼロを通る主光線のＹ方向
の横収差、(b)はＸ方向画角がゼロ、Ｙ方向画角がゼロ
を通る主光線のＸ方向の横収差、(c)はＸ方向画角がゼ
ロ、Ｙ負方向最大画角を通る主光線のＹ方向の横収差、
(d)はＸ方向画角がゼロ、Ｙ負方向最大画角を通る主光
線のＸ方向の横収差、(e)はＸ正方向最大画角、Ｙ負方
向最大画角を通る主光線のＹ方向の横収差、(f)はＸ正
方向最大画角、Ｙ負方向最大画角を通る主光線のＸ方向
の横収差、(g)はＸ正方向最大画角、Ｙ方向画角がゼロ
を通る主光線のＹ方向の横収差、(h)はＸ正方向最大画
角、Ｙ方向画角がゼロを通る主光線のＸ方向の横収差、
(i)はＸ正方向最大画角、Ｙ正方向最大画角を通る主光
線のＹ方向の横収差、(j)はＸ正方向最大画角、Ｙ正方
向最大画角を通る主光線のＸ方向の横収差、(k)はＸ方
向画角がゼロ、Ｙ正方向最大画角を通る主光線のＹ方向
の横収差、(l)はＸ方向画角がゼロ、Ｙ正方向最大画角
を通る主光線のＸ方向の横収差を示している。なお、上
記収差図の説明は、本発明の実施例中の収差図に共通で
ある。

【００８１】数値データ１瞳径： φ３ｍｍ水平全画角：１２．００度垂直全画角：１６．００度面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数ＨＯＥ面物体面 ∞ -1000.0 1 瞳面 0.0 2 ∞ 0.0 偏心[1] 1.4924 57.63 3 ∞ 反射面 0.0 偏心[2] 1.4924 57.63 HOE[1] 4 ∞ 反射面 0.0 偏心[1] 1.4924 57.63 5 ∞ 反射面 0.0 偏心[3] 1.4924 57.63 6 ∞ 反射面 0.0 偏心[1] 1.4924 57.63 7 ∞ 反射面 0.0 偏心[3] 1.4924 57.63 8 ∞ 反射面 0.0 偏心[1] 1.4924 57.63 9 -112.40 反射面 0.0 偏心[4] 1.4924 57.63 HOE[2] 10 ∞ 0.0 偏心[5] 11 FFS[1] 0.0 偏心[6] 1.4924 57.63 12 45.16 0.0 偏心[7] 13 FFS[2] 0.0 偏心[8] 1.4924 57.63 14 FFS[3] 0.0 偏心[9] 15 FFS[4] 0.0 偏心[10] 1.4924 57.63 16 FFS[5] 0.0 偏心[11] 17 FFS[6] 0.0 偏心[12] 1.4924 57.63 18 FFS[7] 0.0 偏心[13] 像面 ∞ 0.0 偏心[14]

【００８２】ＦＦＳ[1] Ｃ４＝-2.6950×10^-2 Ｃ６＝-2.7034×10^-2 Ｃ８＝ 1.3455×10^-3 Ｃ10＝-5.4402×10^-4 Ｃ11＝ 1.3678×10^-4 Ｃ13＝ 1.3573×10^-4 Ｃ15＝-2.2333×10^-5 ＦＦＳ[2] Ｃ４＝-1.6051×10^-2 Ｃ６＝-3.3193×10^-2 Ｃ８＝ 1.1756×10^-2 Ｃ10＝ 5.0749×10^-3 Ｃ11＝-2.9810×10^-4 Ｃ13＝-8.2528×10^-4 Ｃ15＝ 5.2152×10^-4 ＦＦＳ[3] Ｃ４＝ 2.1998×10^-2 Ｃ６＝-6.8395×10^-2 Ｃ８＝ 1.4086×10^-2 Ｃ10＝ 7.3130×10^-4 Ｃ11＝-4.0510×10^-4 Ｃ13＝-2.6545×10^-3 Ｃ15＝-7.0596×10^-4 ＦＦＳ[4] Ｃ４＝-1.3521×10^-2 Ｃ６＝ 6.7987×10^-2 Ｃ８＝-4.7881×10^-3 Ｃ10＝ 2.6046×10^-2 Ｃ11＝-2.6721×10^-4 Ｃ13＝-1.4772×10^-3 Ｃ15＝ 4.9688×10^-4 ＦＦＳ[5] Ｃ４＝-1.3987×10^-3 Ｃ６＝ 1.6662×10^-2 Ｃ８＝-1.4737×10^-2 Ｃ10＝ 1.0275×10^-2 Ｃ11＝-6.1802×10^-4 Ｃ13＝-6.9539×10^-5 Ｃ15＝-1.2307×10^-3 ＦＦＳ[6] Ｃ４＝-2.0665×10^-2 Ｃ６＝-9.9028×10^-2 Ｃ８＝ 3.7188×10^-3 Ｃ10＝-5.8403×10^-3 Ｃ11＝-3.7474×10^-4 Ｃ13＝-1.2791×10^-3 Ｃ15＝ 1.8670×10^-4 ＦＦＳ[7] Ｃ４＝-2.0224×10^-2 Ｃ６＝-3.8572×10^-2 Ｃ８＝-3.6494×10^-3 Ｃ10＝-3.8947×10^-3 Ｃ11＝ 5.3448×10^-4 Ｃ13＝-7.6149×10^-4 Ｃ15＝ 1.2216×10^-3

【００８３】ＨＯＥ[1] ＨＶ１＝ＲＥＡＨＶ２＝ＲＥＡＨＯＲ＝1 ＨＸ１＝0.0 ＨＹ１＝0.0 ＨＺ１＝0.0 ＨＸ２＝0.0 ＨＹ２＝0.0 ＨＺ２＝0.0 ＨＷＬ(第１層)＝647nm ＨＷＬ(第２層)＝532nm ＨＷＬ(第３層)＝477nm 第１層Ｈ２＝ 6.2248×10^-1 Ｈ３＝-2.4908×10^-2 Ｈ５＝-2.6122×10^-2 Ｈ７＝ 1.1131×10^-3 Ｈ９＝ 1.7682×10^-4 第２層Ｈ２＝ 6.2789×10^-1 Ｈ３＝-2.4911×10^-2 Ｈ５＝-2.6204×10^-2 Ｈ７＝ 1.1260×10^-3 Ｈ９＝ 1.8157×10^-4 第３層Ｈ２＝ 6.3370×10^-1 Ｈ３＝-2.4971×10^-2 Ｈ５＝-2.6319×10^-2 Ｈ７＝ 1.1391×10^-3 Ｈ９＝ 1.8452×10^-4 ＨＯＥ[2] ＨＶ１＝ＲＥＡＨＶ２＝ＲＥＡＨＯＲ＝1 ＨＸ１＝0.0 ＨＹ１＝0.00 ＨＺ１＝0.0 ＨＸ２＝0.0 ＨＹ２＝0.0 ＨＺ２＝0.0 ＨＷＬ(第１層)＝647nm ＨＷＬ(第２層)＝532nm ＨＷＬ(第３層)＝477nm 第１層Ｈ２＝ 3.0656×10^-1 Ｈ３＝-8.5633×10^-3 Ｈ５＝-8.1830×10^-3 Ｈ７＝-4.5105×10^-4 Ｈ９＝ 1.2576×10^-4 第２層Ｈ２＝ 3.0946×10^-1 Ｈ３＝-8.4324×10^-3 Ｈ５＝-8.2096×10^-3 Ｈ７＝-4.6426×10^-4 Ｈ９＝ 1.2744×10^-4 第３層Ｈ２＝ 3.1251×10^-1 Ｈ３＝-8.3598×10^-3 Ｈ５＝-8.2528×10^-3 Ｈ７＝-4.7492×10^-4 Ｈ９＝ 1.2925×10^-4

【００８４】偏心[1] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 0.0 Ｚ＝ 25.0 α＝ 0.0 β＝ 0.0 γ＝ 0.0 偏心[2] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 0.0 Ｚ＝ 26.7 α＝-18.5 β＝ 0.0 γ＝ 0.0 偏心[3] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 0.0 Ｚ＝ 28.4 α＝ 0.0 β＝ 0.0 γ＝ 0.0 偏心[4] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 44.98 Ｚ＝ 30.50 α＝ 39.48 β＝ 0.00 γ＝ 0.00 偏心[5] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 44.98 Ｚ＝ 25.0 α＝ 0.0 β＝ 0.00 γ＝ 0.0 偏心[6] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 44.98 Ｚ＝ 15.0 α＝ 0.0 β＝ 0.0 γ＝ 0.0 偏心[7] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 44.98 Ｚ＝ 11.0 α＝ 0.0 β＝ 0.0 γ＝ 0.0 偏心[8] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 44.98 Ｚ＝ 4.0 α＝ 0.0 β＝ 0.0 γ＝ 0.0 偏心[9] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 44.98 Ｚ＝ 1.0 α＝ 0.0 β＝ 0.0 γ＝ 0.0 偏心[10] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 44.98 Ｚ＝ -1.0 α＝ 0.0 β＝ 0.0 γ＝ 0.0 偏心[11] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 44.98 Ｚ＝ -5.0 α＝ 0.0 β＝ 0.0 γ＝ 0.0 偏心[12] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 44.98 Ｚ＝ -7.0 α＝ 0.0 β＝ 0.0 γ＝ 0.0 偏心[13] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 44.98 Ｚ＝-11.0 α＝ 0.0 β＝ 0.0 γ＝ 0.0 偏心[14] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 44.98 Ｚ＝-16.56 α＝ 0.0 β＝ 0.0 γ＝ 0.00

【００８５】条件式

【００８６】第２実施例図６は本発明の第２実施例にかかる観察光学系の光軸を
含むＹ−Ｚ断面図である。本実施例の観察光学系は、導
光板３の基盤面３₂が平面形状に形成されている。その
他の基本的構成は第１実施例とほぼ同じである。

【００８７】次に、第２実施例の数値データを示す。ま
た、本実施例の像歪みを表す収差図を図７に、ＲＧＢそ
れぞれの波長領域における横収差を表す収差図を図８〜
１０に夫々示す。

【００８８】数値データ２瞳径： φ３ｍｍ水平全画角：１２．００度垂直全画角：１６．００度面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数ＨＯＥ面物体面 ∞ -1000.0 1 瞳面 0.0 2 ∞ 0.0 偏心[1] 1.4924 57.63 3 ∞ 反射面 0.0 偏心[2] 1.4924 57.63 HOE[1] 4 ∞ 反射面 0.0 偏心[1] 1.4924 57.63 5 ∞ 反射面 0.0 偏心[3] 1.4924 57.63 6 ∞ 反射面 0.0 偏心[1] 1.4924 57.63 7 ∞ 反射面 0.0 偏心[3] 1.4924 57.63 8 ∞ 反射面 0.0 偏心[1] 1.4924 57.63 9 ∞ 反射面 0.0 偏心[4] 1.4924 57.63 HOE[2] 10 ∞ 0.0 偏心[5] 11 FFS[1] 0.0 偏心[6] 1.4924 57.63 12 38.85 0.0 偏心[7] 13 FFS[2] 0.0 偏心[8] 1.4924 57.63 14 FFS[3] 0.0 偏心[9] 15 FFS[4] 0.0 偏心[10] 1.4924 57.63 16 FFS[5] 0.0 偏心[11] 17 FFS[6] 0.0 偏心[12] 1.4924 57.63 18 FFS[7] 0.0 偏心[13] 像面 ∞ 0.0 偏心[14]

【００８９】ＦＦＳ[1] Ｃ４＝-5.1202×10^-2 Ｃ６＝-5.6911×10^-2 Ｃ８＝ 1.3116×10^-4 Ｃ10＝-6.5553×10^-4 Ｃ11＝ 1.9732×10^-5 Ｃ13＝-8.1628×10^-5 Ｃ15＝-7.9276×10^-5 ＦＦＳ[2] Ｃ４＝-1.1864×10^-2 Ｃ６＝-5.0048×10^-2 Ｃ８＝ 5.9605×10^-3 Ｃ10＝ 3.3190×10^-3 Ｃ11＝ 3.0830×10^-4 Ｃ13＝ 1.4860×10^-3 Ｃ15＝ 1.6245×10^-3 ＦＦＳ[3] Ｃ４＝-1.5790×10^-2 Ｃ６＝-1.1124×10^-1 Ｃ８＝ 1.5999×10^-2 Ｃ10＝ 4.1829×10^-3 Ｃ11＝-2.7282×10^-5 Ｃ13＝-9.1568×10^-4 Ｃ15＝ 2.0167×10^-3 ＦＦＳ[4] Ｃ４＝-3.1787×10^-2 Ｃ６＝ 1.1894×10^-1 Ｃ８＝ 1.5076×10^-2 Ｃ10＝ 3.5602×10^-2 Ｃ11＝-8.5791×10^-5 Ｃ13＝ 2.6056×10^-3 Ｃ15＝ 2.4045×10^-3 ＦＦＳ[5] Ｃ４＝ 3.6242×10^-2 Ｃ６＝ 5.9672×10^-2 Ｃ８＝-1.9591×10^-2 Ｃ10＝ 3.0891×10^-3 Ｃ11＝-2.9110×10^-4 Ｃ13＝ 3.6200×10^-3 Ｃ15＝-1.4915×10^-3 ＦＦＳ[6] Ｃ４＝ 5.2497×10^-3 Ｃ６＝-1.1165×10^-1 Ｃ８＝-1.8261×10^-2 Ｃ10＝-1.0622×10^-2 Ｃ11＝-8.9012×10^-5 Ｃ13＝ 3.9192×10^-3 Ｃ15＝ 6.3659×10^-4 ＦＦＳ[7] Ｃ４＝-3.1456×10^-2 Ｃ６＝-1.0610×10^-1 Ｃ８＝-2.0055×10^-2 Ｃ10＝-4.5558×10^-3 Ｃ11＝ 1.0142×10^-3 Ｃ13＝ 4.2911×10^-3 Ｃ15＝ 5.2185×10^-3

【００９０】ＨＯＥ[1] ＨＶ１＝ＲＥＡＨＶ２＝ＲＥＡＨＯＲ＝1 ＨＸ１＝0.0 ＨＹ１＝0.0 ＨＺ１＝0.0 ＨＸ２＝0.0 ＨＹ２＝0.0 ＨＺ２＝0.0 ＨＷＬ(第１層)＝647nm ＨＷＬ(第２層)＝532nm ＨＷＬ(第３層)＝477nm 第１層Ｈ２＝ 6.2852×10^-1 Ｈ３＝-2.3551×10^-2 Ｈ５＝-2.2755×10^-2 Ｈ７＝ 8.3242×10^-4 Ｈ９＝ 5.8355×10^-5 第２層Ｈ２＝ 6.2179×10^-1 Ｈ３＝-2.3134×10^-2 Ｈ５＝-2.2316×10^-2 Ｈ７＝ 8.1140×10^-4 Ｈ９＝ 5.6781×10^-5 第３層Ｈ２＝ 6.2840×10^-1 Ｈ３＝-2.3244×10^-2 Ｈ５＝-2.2404×10^-2 Ｈ７＝ 8.0927×10^-4 Ｈ９＝ 6.0759×10^-5 ＨＯＥ[2] ＨＶ１＝ＲＥＡＨＶ２＝ＲＥＡＨＯＲ＝1 ＨＸ１＝0.0 ＨＹ１＝0.0 ＨＺ１＝0.0 ＨＸ２＝0.0 ＨＹ２＝0.0 ＨＺ２＝0.0 ＨＷＬ(第１層)＝647nm ＨＷＬ(第２層)＝532nm ＨＷＬ(第３層)＝477nm 第１層Ｈ２＝ 3.8429×10^-1 Ｈ３＝-1.1948×10^-2 Ｈ５＝-1.3274×10^-2 Ｈ７＝-1.4805×10^-4 Ｈ９＝ 3.0172×10^-4 第２層Ｈ２＝ 3.8025×10^-1 Ｈ３＝-1.1370×10^-2 Ｈ５＝-1.2946×10^-2 Ｈ７＝-1.4221×10^-4 Ｈ９＝ 3.0044×10^-4 第３層Ｈ２＝ 3.8448×10^-1 Ｈ３＝-1.1112×10^-2 Ｈ５＝-1.2923×10^-2 Ｈ７＝-1.4337×10^-4 Ｈ９＝ 3.0507×10^-4

【００９１】偏心[1] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 0.0 Ｚ＝ 25.0 α＝ 0.0 β＝ 0.0 γ＝ 0.0 偏心[2] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 0.0 Ｚ＝ 26.7 α＝-18.5 β＝ 0.0 γ＝ 0.0 偏心[3] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 0.0 Ｚ＝ 28.4 α＝ 0.0 β＝ 0.0 γ＝ 0.0 偏心[4] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 44.98 Ｚ＝ 30.5 α＝ 41.15 β＝ 0.0 γ＝ 0.0 偏心[5] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 44.98 Ｚ＝ 25.0 α＝ 0.0 β＝ 0.0 γ＝ 0.0 偏心[6] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 44.98 Ｚ＝ 15.0 α＝ 0.0 β＝ 0.0 γ＝ 0.0 偏心[7] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 44.98 Ｚ＝ 11.0 α＝ 0.0 β＝ 0.0 γ＝ 0.0 偏心[8] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 44.98 Ｚ＝ 4.0 α＝ 0.0 β＝ 0.0 γ＝ 0.0 偏心[9] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 44.98 Ｚ＝ 1.0 α＝ 0.0 β＝ 0.0 γ＝ 0.0 偏心[10] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 44.98 Ｚ＝ -1.0 α＝ 0.0 β＝ 0.0 γ＝ 0.0 偏心[11] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 44.98 Ｚ＝ -5.0 α＝ 0.0 β＝ 0.0 γ＝ 0.0 偏心[12] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 44.98 Ｚ＝ -7.0 α＝ 0.0 β＝ 0.0 γ＝ 0.0 偏心[13] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 44.98 Ｚ＝-11.0 α＝ 0.0 β＝ 0.0 γ＝ 0.0 偏心[14] Ｘ＝ 0.0 Ｙ＝ 44.98 Ｚ＝-14.48 α＝ 0.0 β＝ 0.0 γ＝ 0.0

【００９２】条件式

【００９３】第３実施例図１１は本発明の第３実施例にかかる観察光学系の光軸
を含むＹ−Ｚ断面図である。本実施例の光学系は、導光
板３の板面形状が顔面に沿って湾曲した曲面状に形成さ
れている。その他の基本的構成は、第１実施例又は第２
実施例の構成が適用されている。

【００９４】次に、本発明の観察光学系を用いた頭部装
着型画像表示装置の実施例を示す。図１２は本発明の観
察光学系を用いた頭部装着型画像表示装置の斜視図であ
る。本実施例の頭部装着型画像表示装置は、左右の眼用
の導光板３と、左右の眼用の筐体１０と、観察者の側頭
部で保持する眼鏡状フレーム１１とを有して両眼用の画
像表示装置として構成されている。筐体１０は、内部に
図１、６で示したような画像表示素子５と複数のレンズ
４を備えている。導光板３は、眼鏡状フレーム１１のレ
ンズ枠部１１ａに嵌めこまれている。また、眼鏡状フレ
ーム１１の左右側部の前方領域１１ｂには連結部材１２
が設けられておいる。左右の連結部材１２は、筐体１０
の端部をヒンジ状に保持するとともに、導光板３を入射
領域において固定した状態で接続しており、導光板３と
筐体１０内の画像表示素子及び複数のレンズとを光学的
に接続させることができるようになっている。なお、眼
鏡状フレームは、左右側部１１ｂの前端１１ｃがレンズ
枠１１ｂに対してヒンジ状に取付けられている。また、
筐体部１０は、収納時には眼鏡状フレーム１１の左右側
部と同様に内側に折れ曲がるようになっている。その
他、図示省略した導光板及び画像表示素子、複数のレン
ズは、上述の第１実施例〜第３実施例に示すような観察
光学系を構成している。また、眼鏡状フレーム１１は、
左右側部の後端１１ｄが観察者の側頭部に安定した状態
で保持できるように耳当て又は耳かけ可能な形状に形成
されている。

【００９５】図１３は本発明の観察光学系を用いた頭部
装着型画像表示装置の光軸を含むＹ−Ｚ断面図である。
本実施例では、観察光学系を構成するＬＣＤ５、複数の
レンズ４及び導光板３の入射領域が筐体１０に一体的に
固定されており、片眼用の画像表示装置として構成され
ている。画像表示装置の筐体１０にはクリップ部１０ａ
が設けられており、クリップ部１０ａを介して眼鏡１３
の側頭フレーム１３ａの前方領域に観察光学系を着脱す
ることができるようになっている。

【００９６】図１４は本発明の観察光学系を用いた片眼
用の頭部装着型画像表示装置を装着（この場合は、左眼
に装着）した場合の様子を示す説明図である。図１４
中、１４は各実施例に示された、ガラス又はプラスチッ
クで構成された導光部の入力領域及び出力領域の基盤面
にホログラフィック素子を貼り合わせて構成された導光
部材（上記各実施例における導光板に相当）を示してお
り、導光部材１４は、表示装置本体部１５の下部に設け
られた支持部材（図示省略）が観察者１６の耳部１７及
び後頭部を介して固定されることにより、観察者１６の
顔面の左眼の前方に保持されている。なお、図示省略し
た支持部材の構成としては、例えば、特開平１０−２５
７５８１号公報に記載の構成を用いることができる。

【００９７】即ち、本実施例の画像表示装置が観察者１
６の左耳のみで支持するタイプの場合には、表示装置本
体部１５の下部に設ける支持部材は、特開平１０−２５
７５８１号公報に記載の「支持部、補助支持部」が観察
者１６の左の耳部１７の耳殻の上側付根部分から下側付
根部分にかけて湾曲形成されるようにして構成する。こ
の場合には、スピーカであるイヤホン部１８は、表示装
置本体部１５から音声信号を伝達するコード１９が接続
された左耳用のイヤホン部のみのモノラルタイプに構成
するか、若しくは、左耳用のイヤホン部に加えて、表示
装置本体部１５から長く延びた図示しないコードに接続
された右耳用のイヤホン部を取り付けてステレオタイプ
に構成する。

【００９８】また、本実施例の画像表示装置が観察者１
６の左右の耳で支持するタイプの場合には、表示装置本
体部１５の下部に設ける支持部材は、特開平１０−２５
７５８１号公報に記載の「ヘッドバンド」を軸に、左右
夫々に耳部の耳殻の上側付根部分から下側付根部分にか
けて湾曲して形成される「支持部、補助支持部」を設け
ることに加えて、「掛止体」若しくは長さを調整する構
成を付加することによって、頭部の大きさ及び耳の位置
が夫々に異なる観察者の左右の耳の位置合わせに対応可
能に構成できる。この場合には、ステレオタイプの左右
のイヤホン部に夫々接続するコードを、「ヘッドバン
ド」に接続させるか若しくは「ヘッドバンド」の内部に
埋設させ、イヤホン部近傍部分のコードのみが外部に露
出するように構成することが望ましい。

【００９９】更に、表示装置本体部１５には、インター
ネット接続やＴＶ信号受信を可能にするＣＰＵ回路等が
内蔵され、また、それらの信号の送受信のためのアンテ
ナ２０が設けられている。

【０１００】更に、映像・音声信号等を外部から送信す
るためのケーブル２１が、表示装置本体部１５から外部
に延びて、ビデオ再生装置２２に接続されている。な
お、図１４中、２２ａはビデオ再生装置２２のスイッチ
やボリュウム調整部である。また、ケーブル２１の先端
部２１ａは、既存のビデオデッキ等に接続可能なジャッ
クとして構成してもよい。さらに、その場合は、低価格
タイプの装置として、表示装置本体部１５に内蔵された
インターネット接続やＴＶ信号受信を可能にするＣＰＵ
回路等とアンテナ２０を省略し、このジャックを使っ
て、ＴＶ電波受信用チューナーに接続してＴＶ鑑賞用に
したり、コンピュータに接続してコンピュータグラフィ
ックスの映像や、インターネットからの映像等を受信す
るように構成してもよい。

【０１０１】また、表示装置本体部１５と導光部材１４
との間には、ＬＣＤ等の画像表示素子と複数のレンズ
（図示省略）を内蔵した画像形成ユニット部２３と、観
察者の顔の大きさに合わせて位置調整可能なフレーム部
２４が設けられている。このフレーム部２４には、表示
装置本体部１５に内蔵のＣＰＵ回路とＬＣＤ等の画像表
示素子とを電気的に接続するコードが内蔵されている。
また、フレーム部２４を位置調整可能にするために、フ
レーム自体を弾性体で構成しても良いし、あるいは、フ
レーム部２４と表示装置本体部１５との接合部分をギヤ
で構成してフレーム部２４を表示装置本体部１５に対し
て伸縮自在となるようにしてもよい。

【０１０２】また、画像形成ユニット部２３の上方に
は、レンズ２５とＣＣＤ２６を備えたカメラが取付けら
れており、本例の眼鏡型装置は、画像表示装置とカメラ
の両方の機能を備えている。

【０１０３】次に、本発明による体積ホログラムのよう
な回折素子を導光板に設けるときの望ましい構成を図１
５に示す。図中、レンズＬは、本発明の観察光学系に含
まれる複数のレンズ４の各レンズである。図においては
説明の便宜上、１つのレンズで示している。回折素子の
面Ｃが、図のように四角形を形成するとしたとき、レン
ズＬの第１面が面対称な自由曲面に形成された場合その
対称面Ｄが、この回折素子の面Ｃの四角形を形成する辺
の少なくとも１つと平行になるように配置することが、
美しい像形成の上で望ましい。

【０１０４】さらに、この回折素子の面Ｃが正方形や長
方形といった４つの内角が夫々略９０°にて形成されて
いる場合には、面対称自由曲面の対称面Ｄは、回折素子
の面Ｃの互いに平行関係にある２辺に対して平行に配置
され、この対称面Ｄが回折素子の面Ｃを左右又は上下対
称にさせる位置に一致するように構成することが好まし
い。このように構成すれば、装置に組み込むときの組み
込み精度が出しやすく、量産性に効果的である。

【０１０５】さらに、複数のレンズを構成する光学面の
うち、複数の面又は全ての面が面対称自由曲面の場合に
は、複数の面又は全ての面の対称面が同一面Ｄの上に配
置されるように構成することが、設計上も、収差性能上
も望ましい。そして、この対称面Ｄと回折素子のパワー
の面との関係は、上述と同様の関係にあることが望まし
い。

【０１０６】以上説明したように、本発明の観察光学系
は、特許請求の範囲に記載された特徴のほかに下記に示
すような特徴も備えている。

【０１０７】（１）次の条件式(6),(7)の何れかを満足
することを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。 0.5 ＜（OP1/OP2）/（H2_S4/H2_S10）＜ 4.0 ・・・(6) -3.5 ＜（θ_S10 / θ_S4）＜ -1.0 ・・・(7) 但し、OP1は軸上画角における主光線の中間像から第１
の反射型体積ホログラムまでの光路長(mm)、OP2は軸上
画角における主光線の第２の反射型体積ホログラムから
中間像までの光路長(mm)、H2_S10は第１の反射型体積ホ
ログラム素子におけるＹ方向の１次成分の光路差関数の
係数、H2_S4は第２の反射型体積ホログラム素子におけ
るＹ方向の１次成分の光路差関数の係数、θ_S10は第１
の反射型体積ホログラム素子の傾き（度）、θ_S4は第
２の反射型体積ホログラム素子の傾き（度）である。ま
た、上記式におけるそれぞれの体積ホログラム素子の傾
きθ＝ｔａｎ^-1｛（ｔａｎα）²＋（ｔａｎβ）²｝^1/2
である。

【０１０８】（２）次の条件式(8),(9)の何れかを満足
することを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。 0.8 ＜（OP1/OP2）/（H2_S4/H2_S10）＜ 3.0 ・・・(8) -3.0 ＜（θ_S10 / θ_S4）＜ -1.5 ・・・(9)

【０１０９】（３）次の条件式(10),(11)の何れかを満
足することを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。 1.0 ＜（OP1/OP2）/（H2_S4/H2_S10）＜ 2.0 ・・・(10) -2.5 ＜（θ_S10 / θ_S4）＜ -2.0 ・・・(11)

【０１１０】（４）次の条件式(12)を満足することを特
徴とする請求項１、上記（１）〜（３）の何れかに記載
の観察光学系。 0.1 ＜ H2_S4 ＜ 2.8 ・・・(12)

【０１１１】（５）次の条件式(13)を満足することを特
徴とする請求項１、上記（１）〜（３）の何れかに記載
の観察光学系。 0.3 ＜ H2_S4 ＜ 1.4 ・・・(13)

【０１１２】（６）次の条件式(14)を満足することを特
徴とする請求項１、上記（１）〜（３）の何れかに記載
の観察光学系。 0.5 ＜ H2_S4 ＜ 0.7 ・・・(14)

【０１１３】（７）前記導光板が、観察者の顔面に沿っ
て湾曲形状に形成されていることを特徴とする請求項
１、上記（１）〜（６）の何れかに記載の観察光学系。

【０１１４】（８）前記導光板は、ＡＲコートが施され
ていることを特徴とする請求項１、上記（１）〜（６）
の何れかに記載の観察光学系。

【０１１５】（９）前記導光板の面形状が平面形状に形
成されていることを特徴とする請求項１、上記（１）〜
（８）の何れかに記載の観察光学系。

【０１１６】（１０）前記導光板の面形状が曲面形状に
形成されていることを特徴とする請求項１、上記（１）
〜（８）の何れかに記載の観察光学系。

【０１１７】（１１）前記ホログラフィック素子が体積
ホログラムで構成されていることを特徴とする請求項
１、上記（１）〜（１０）の何れかに記載の観察光学
系。

【０１１８】（１２）前記複数のレンズは、前記偏心収
差を補正するための曲面が自由曲面で構成されているこ
とを特徴とする請求項１、上記（１）〜（１１）の何れ
かに記載の観察光学系。

【０１１９】（１３）請求項１、上記（１）〜（１２）
の何れかに記載の観察光学系を内蔵した本体部と、前記
観察光学系の射出瞳を観察者の眼球位置に保持するよう
に前記本体部を観察者頭部に支持する支持部材と、前記
観察者の耳に音声を与えるスピーカー部材とを有してい
ることを特徴とする頭部装着型画像表示装置。

【０１２０】（１４）上記（１３）に記載の頭部装着型
画像表示装置において、前記本体部が、右眼用の観察光
学系と左眼用の観察光学系とを備え、前記スピーカー部
材が、右耳用スピーカー部材と左耳用スピーカー部材と
を有するように構成されていることを特徴とする頭部装
着型画像表示装置。

【０１２１】（１５）上記（１３）又は（１４）に記載
の頭部装着型画像表示装置において、前記スピーカー部
材がイヤホンで構成されていることを特徴とする頭部装
着型画像表示装置。

【０１２２】

【発明の効果】以上、本発明によれば、頭部装着型の虚
像観察装置に用いるのに適した、小型で、軽量、かつ明
るく、さらに高解像度を有する観察光学系を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例にかかる観察光学系の光軸
を含むＹ−Ｚ断面図である。

【図２】第１実施例の像歪みを表す収差図である。

【図３】第１実施例のＲバンド（赤バンド）の横収差を
表す収差図である。

【図４】第１実施例のＧバンド（緑バンド）の横収差を
表す収差図である。

【図５】第１実施例のＢバンド（青バンド）の横収差を
表す収差図である。

【図６】本発明の第２実施例にかかる観察光学系の光軸
を含むＹ−Ｚ断面図である。

【図７】第２実施例の像歪みを表す収差図である。

【図８】第２実施例のＲバンド（赤バンド）の横収差を
表す収差図である。

【図９】第２実施例のＧバンド（緑バンド）の横収差を
表す収差図である。

【図１０】第２実施例のＢバンド（青バンド）の横収差
を表す収差図である。

【図１１】本発明の第３実施例にかかる観察光学系の光
軸を含むＹ−Ｚ断面図である。

【図１２】本発明の観察光学系を用いた頭部装着型画像
表示装置の斜視図である。

【図１３】本発明の観察光学系を用いた頭部装着型画像
表示装置の光軸を含むＹ−Ｚ概略断面図である。

【図１４】本発明の観察光学系を用いた片眼用の頭部装
着型画像表示装置を装着した場合の様子を示す説明図で
ある。

【図１５】本発明による体積ホログラムのような回折素
子を導光板に設けるときの望ましい構成をに示す図であ
る。

【図１６】球面形状の基盤部材にホログラム素子を設け
た場合の２種類のパワーを説明するための図であり、
(a)は正面図、(b)は側面図である。

【図１７】本発明におけるＨＯＥを定義するための原理
図である。

【符号の説明】

１射出瞳２軸上主光線３導光板３₁，３₂ 基盤面３ａ薄板状部４複数のレンズ５画像表示素子（ＬＣＤ）６リレー光学系７接眼光学系８，９体積ホログラム（ＨＯＥ）１０筐体１１眼鏡状フレーム１１ａレンズ枠部１１ｂ左右側部の前方領域１１ｃ左右側部の前端１１ｄ左右側部の後端１３眼鏡１３ａ側頭フレーム１４導光部材１５表示装置本体部１６観察者１７耳部１８イヤホン部１９コード２０アンテナ２１ケーブル２２ビデオ再生装置２２ａスイッチ及びボリュウム調整部２３画像形成ユニット部２４フレーム部２５レンズ２６ＣＣＤＬレンズＣ回折素子の面Ｄ面対称自由曲面の対称面

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１４年４月１１日（２００２．４．１
１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２２】一般的な場合、ＨＯＥを製造する際の参照
光と物体光は球面波とは限らない。この場合のＨＯＥの
光路差関数Φ₀は、多項式で表した付加的な位相項Φ₀
^Poly（基準波長λ₀における光路差関数）を加えて次式
(5)で表わすことができる。 Φ₀＝Φ₀ ^2P＋Φ₀ ^Poly ……(5) ここで、多項式は、であり、一般にはｊ＝｛（ｍ＋ｎ）²＋ｍ＋３ｎ｝／２で定義することができる。ただし、Ｈ_jは各項の係数で
ある。

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｇ０２Ｂ 25/00 Ｇ０２Ｂ 25/00 ＡＧ０２Ｆ 1/13 ５０５Ｇ０２Ｆ 1/13 ５０５Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１ＡＦターム(参考） 2H049 AA26 AA50 AA51 AA60 CA01 CA17 CA22 2H087 KA07 KA23 LA12 RA06 RA12 RA13 RA41 RA45 RA46 TA01 TA02 TA06 UA01 2H088 EA10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】画像表示素子と、前記画像表示素子に形
成された画像情報をリレーするリレー光学系と、前記リ
レー光学系でリレーされた画像情報を観察者の眼球へ導
くための接眼光学系とを含み、前記リレー光学系は、少なくとも、複数のレンズと第１
の反射型体積ホログラム素子を有し、前記第１の反射型
体積ホログラム素子が、パワーを有し且つ色収差を補正
するように構成され、前記複数のレンズが、少なくとも
偏心収差を補正し且つ色収差を補正するように構成さ
れ、前記接眼光学系は、第２の反射型体積ホログラム素子を
有し、前記第２の反射型体積ホログラム素子が、光束を
観察者の眼球側に向けて反射するとともに光束にパワー
を与え且つ色収差補正を補正するように構成され、前記第１の反射型体積ホログラム素子と前記第２の反射
型体積ホログラム素子との間は、透明媒質で満たされ、
且つ、光路中に少なくとも前記第１の反射型体積ホログ
ラム素子によって反射された光束を、前記透明媒質内部
で少なくとも３回以上の奇数回全反射させて、前記第２
の反射型体積ホログラム素子に導くように形成された導
光板で構成され、前記導光板により、前記リレー光学系と前記画像表示素
子とが、観察者の顔面から側頭部に沿うように配置され
ていることを特徴とする観察光学系。