JP2004061731A - イメージコンバイナ及び画像表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心からずれた場合の表示画像の画質の向上を図る。
【解決手段】使用時に、光学材料で構成され眼鏡レンズに相当する板状部５が、イメージコンバイナ１の射出瞳Ｐ付近に置かれる使用者の眼の前に位置する。コンバイナ１は、板状部５の前方から板状部５の厚みを通過するように板状部５を透過する光に対して、画像表示素子２からの光を重畳させて、眼に導く。画像表示素子２からの光は、板状部５内の反射型ＨＯＥ６で回折反射された後に、使用者の眼に到達する。画像表示素子２の表示部の中心から発せられた主光線が反射型ＨＯＥ６で回折反射される際に回折効率が最大となる波長と、前記表示部の所定方向の最周辺部から発せられた主光線が反射型ＨＯＥ６で回折反射される際に回折効率が最大となる波長とが、実質的に異なる。
【選択図】 図１
【解決手段】使用時に、光学材料で構成され眼鏡レンズに相当する板状部５が、イメージコンバイナ１の射出瞳Ｐ付近に置かれる使用者の眼の前に位置する。コンバイナ１は、板状部５の前方から板状部５の厚みを通過するように板状部５を透過する光に対して、画像表示素子２からの光を重畳させて、眼に導く。画像表示素子２からの光は、板状部５内の反射型ＨＯＥ６で回折反射された後に、使用者の眼に到達する。画像表示素子２の表示部の中心から発せられた主光線が反射型ＨＯＥ６で回折反射される際に回折効率が最大となる波長と、前記表示部の所定方向の最周辺部から発せられた主光線が反射型ＨＯＥ６で回折反射される際に回折効率が最大となる波長とが、実質的に異なる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、使用者が外界などの前方からの光による像とこれに重畳された表示画像を見ることができるイメージコンバイナ、及びこれを用いた頭部装着式等の画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、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・マウンテッド・ディスプレイ）として、例えば、特開２０００−３５２６８９号公報や特開２００１−２６４６８２号公報に開示された画像表示装置が知られている。また、特開２００１−２６４６８２号公報には、シースルー型の頭部装着式画像表示装置のみならず、それと実質的に同じ構成を持ちながらシースルー型として用いない（つまり、画像表示素子からの光に外界から等の他の光を重畳させることなく、画像表示素子からの光のみを使用者の眼に導びく）画像表示装置も開示され、この画像表示装置を携帯電話機のフリッパー部に内蔵する例も開示されている。
【０００３】
これらの画像表示装置では、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による外界等から透過する光量の損失を著しく低減させることができる。
【０００４】
そして、これらの画像表示装置では、イメージコンバイナの射出瞳は使用状態における使用者の眼の瞳とほぼ一致するように形成され、前記反射型ホログラム光学素子として、当該反射型ホログラム光学素子をその作製時に露光するための２光源のうちの一方の光源（参照光源）の位置をイメージコンバイナの射出瞳の位置とほぼ一致させて作製した反射型ホログラム光学素子が用いられていた（特開２０００−３５２６８９号公報の段落番号２５、特開２００１−２６４６８２号の段落番号３７）。これらの公報には、作製時の参照光源の位置を使用者の瞳の位置に配置して作製した反射型ホログラム光学素子を用いることにより、製造状態での製造光と使用状態での観察光がほぼ一致するので、使用状態での反射型ホログラム光学素子の回折効率を最も向上させることができる旨が記載されている（特開２０００−３５２６８９号公報の段落番号２５、特開２００１−２６４６８２号の段落番号３７）。
【０００５】
また、これらの画像表示装置では、小型軽量化を図るため、一般的に、画像表示素子として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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の画像表示装置では、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心と一致している場合には良好な表示画像を見ることができるできるものの、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳中心から射出瞳周辺にいくに従って表示画面がだんだん暗く、さらに表示画像が滲んだように見えてしまい、画質の点で必ずしも十分でなかった。なお、実際の使用時に、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心からずれてしまうことは頻繁に起こり得る。
【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、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心からずれた場合の表示画像の画質の向上を図ることができる画像表示装置、及び、このような画像表示装置などに用いることができるイメージコンバイナを提供することを目的とする。
【０００８】
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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
反射型ＨＯＥ、とりわけ反射型体積型ＨＯＥの回折特性は、鋭い波長選択性と広い角度特性を持つことが知られている。すなわち、ブラッグ条件を満たす角度と波長で入射した再生光に対して最大の効率で所定の方向に回折光が得られるが、入射波長に対してはブラッグ条件から外れると急激に回折効率が減少する特性があり、一方、入射角がブラッグ角入射から外れる場合には緩やかに回折効率が減少する特性がある。
【００１０】
この特性により、反射型ＨＯＥは、外界光の明るさを損失することなく、広い画角の画像表示が可能なイメージコンバイナに適した素子と言われてきた。
【００１１】
しかしながら、これは単一波長の光で照明した場合の回折効率の値にのみ捕われた議論であって、実際にバンド幅を持った照明光で照明した場合に回折する波長特性まで研究されたものではなかった。
【００１２】
本発明者は、入射角がブラッグ角入射から外れたときの反射型ＨＯＥの回折特性を調査し、入射角が変わると、最大効率で回折する波長が変化していくことを発見した。また、同様に、ＨＯＥから回折された光を異なる方向から観察すると、その回折効率が最も高い波長が変化していくことを見いだした。この点について、以下に説明する。
【００１３】
反射型ＨＯＥ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。反射型ＨＯＥにおけるブラッグの条件式は、下記の数９及び数１０で表わされ、数９及び数１０を同時に満たす方向に回折する光の強度が最大となる。
【００１４】
【数９】
１／λＲ（ｓｉｎθＯ−ｓｉｎθＲ）＝１／λＣ（ｓｉｎθＩ−ｓｉｎθＣ）
【００１５】
【数１０】
１／λＲ（ｃｏｓθＯ−ｃｏｓθＲ）＝１／λＣ（ｃｏｓθＩ−ｃｏｓθＣ）
【００１６】
ここで、数９及び数１０の左辺は反射型ＨＯＥ製造時の状態を示し、λＲは露光波長、θＯはホログラム面の法線に対する露光時における物体光の入射角度、θＲは露光時における参照光の入射角度である。また、数９及び数１０の右辺は反射型ＨＯＥ使用時の状態を示し、λＣは回折主波長、θＣはホログラム面の中心から測ったホログラム面の法線に対する視線の角度、θＩは前記視線に対応する照明光のホログラム面への入射角度である。これを模式的に簡単に図に示すと図２５のようになる。なお、図２５（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２５（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。
【００１７】
ここで、数９及び数１０から、ＨＯＥ製造時の条件と視線の角度θＣとから、回折強度を持つ波長λＣと、照明光の入射角度θＩを求めると、下記の数１１及び数１２に示す通りとなる。
【００１８】
【数１１】
λＣ＝−［（ｓｉｎθＯ−ｓｉｎθＲ）ｓｉｎθＣ＋（ｃｏｓθＯ−ｃｏｓθＲ）ｃｏｓθＣ］×２／［（ｓｉｎθＯ−ｓｉｎθＲ）２＋（ｃｏｓθＯ−ｃｏｓθＲ）２］×λＲ
【００１９】
【数１２】
θＩ＝ａｒｃｓｉｎ｛λＣ／λＲ×（ｓｉｎθＯ−ｓｉｎθＲ）＋ｓｉｎθＣ｝
【００２０】
ただし、ブラッグ条件からずれた場合の回折光強度は、０ではなく、そのズレ量に従って低下する。その減り方は、位相型体積型ホログラム材料の厚みや屈折率変化量によって変わり、厚みが厚いほど、また屈折率変化が大きいほど、急激に低下する。つまり波長選択性が鋭くなり、数１０に示す式の回折の寄与が大きくなる。
【００２１】
したがって、実際には、数１１の波長λＣは回折強度が最大となる波長であり、更に回折光はその近傍にバンド幅を持った波長帯の光も回折する。そこで、ブラッグ条件式を満たす数１１のλＣを回折主波長と呼ぶことにする。
【００２２】
ここで、露光波長λＲ＝４７６ｎｍ、参照光入射角θＲ＝３０゜、物体光入射角θＯ＝１５０゜、反射型ＨＯＥは空気中にあるとして、視線の角度θＣを変えて回折主波長λＣと視線に対応する照明光入射角θＩのふるまいを調べた。それぞれの角度は反射型ＨＯＥの法線の正の向きから反時計回りに測った。その結果を、下記の表１に示す。表１からわかるように、視線の角度θＣが±５度変化すると回折主波長λＣは約±９ｎｍシフトする。
【００２３】
【表１】
【００２４】
ここで、数１１を回折主波長λＣと露光波長λＲの比（相対回折主波長）λＣ／λＲに書き直すと、下記の数１３に示す通りとなる。
【００２５】
【数１３】
λＣ／λＲ＝−［（ｓｉｎθＯ−ｓｉｎθＲ）ｓｉｎθＣ＋（ｃｏｓθＯ−ｃｏｓθＲ）ｃｏｓθＣ］×２／［（ｓｉｎθＯ−ｓｉｎθＲ）２＋（ｃｏｓθＯ−ｃｏｓθＲ）２］
【００２６】
露光の角度をパラメータにして、視線の角度θＣの露光時における参照光の入射角θＲに対する（θＣ−θＲ）を変えたときの数１３に示す相対回折主波長λＣ／λＲの値の変化をグラフにしたのが図２６である。図２６からわかるように、角度差（θＣ−θＲ）が０から離れるに従い、相対回折主波長λＣ／λＲの値も１から離れていく。したがって、視線の角度θＣと露光時の参照光の入射角θＲとの差（θＣ−θＲ）が大きいほど、波長シフトは大きいことがわかる。なお、説明の便宜上、この現象を「波長シフト現象」と呼ぶ。
【００２７】
前記従来の画像表示装置では、製造時の露光用の参照光源の位置をイメージコンバイナの射出瞳の位置と一致させて製造した反射型ホログラム光学素子が用いられている。すなわち、露光時の参照光源の位置が再生系の瞳位置に定義されている。したがって、再生時の主光線については、全画角に渡って、露光時の参照光の入射角と視線の角度との差が実質的にゼロとなるのに対し、イメージコンバイナの射出瞳内においてその中心からずれた位置を通る光線（マージナル光線）については、視線の角度θＣと参照光の入射角θＲとに差が生じる。このため、再生時のマージナル光線には前記波長シフト現象によって波長シフトが起こる。
【００２８】
また、前述の、前記従来の画像表示装置において使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳中心から射出瞳周辺にいくに従って表示画面が暗くなる原因は、瞳周辺に行くに従い波長シフトが大きくなることから、入射照明光のバンド幅と回折強度の波長特性とを掛け合わせた結果としての強度が、瞳周辺に行くに従い下がっているためであり、画像が滲んだように見える原因は、瞳周辺に行くに従い、回折波長が変化しているために横色収差が生じているためであることが、判明した。
【００２９】
本発明者は、特開２０００−３５２６８９号公報及び特開２００１−２６４６８２号公報に記載されている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）の瞳から画像表示素子（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、前記回折波長変化及びそれによる横色収差の量を具体的に求めた。以下にその結果について述べる。
【００３０】
特開２０００−３５２６８９号公報に記載の実施例３の場合、製造時の露光用の参照光源の位置をイメージコンバイナの射出瞳の位置と一致させて作製した反射型ホログラム光学素子が用いられていることから、主光線すなわち瞳の中央から像面の各点へ向かう光線に関してはブラッグ条件を満たす。このため、露光波長と同じ波長５３２ｎｍの光はすべての画角に渡って高い回折効率で反射回折するが、瞳座標ｙ＝１．５（ｙ軸は紙面内上向きにとる）から入射する光線の回折効率は５２７ｎｍのとき最大となる。逆に、瞳座標ｙ＝−１．５の位置から入射する光線の回折効率は５３７ｎｍのとき最大となる。すなわち、瞳の周辺に行くに従って回折波長は±５ｎｍシフトしていることがわかる。ここで、瞳座標とは、瞳面内の位置座標であり、瞳の中心を原点とし、その単位をミリメートルとした。
【００３１】
ここで照明光源に５３２ｎｍ付近に発光ピークを持つ緑色のＬＥＤを用いた場合、例えばその発光特性が半値全幅で２０ｎｍ程度とすると、５３２ｎｍの発光強度を１として、５２７ｎｍの発光強度は０．５、５３７ｎｍの発光強度は０．５である。
【００３２】
したがって、瞳座標ｙ＝±１．５の位置では、たとえ反射型ＨＯＥの回折効率が９０％以上の高効率だったとしても、回折波長が±５ｎｍシフトしているために照明光の強度が中心に比べて０．５になってしまい、観察像が暗くなってしまっている。
【００３３】
また、横色収差を計算すると、波長５３２ｎｍで瞳中心から画角０°で入射する光線の像面上でのｙ座標ｙ＝０．０に対して、波長５２７ｎｍで瞳座標ｙ＝１．５から入射する光線の像面上での高さはｙ＝−０．１０、波長５３７ｎｍで瞳座標ｙ＝−１．５から入射する光線の像面上での高さはｙ＝０．１２、であり０．１ｍｍ以上の横色収差を生じている。
【００３４】
像面すなわち映像形成部材上に、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、上記の倍率色収差量は７画素ないし８画素分に相当する大きな値である。
【００３５】
すなわち、この波長シフトによる色収差によって、瞳周辺に行くに従い像が滲んだようになっていたのである。
【００３６】
本発明者は、このような従来の画像表示装置における前記不都合の原因究明の結果に基づき更に研究を進め、露光時の参照光源の位置と再生系の瞳位置とを同一にして作製された反射型ＨＯＥに代えて、露光時の参照光源の位置を再生虚像の位置（この位置は、通常、イメージコンバイナの射出瞳から１ｍ〜無限遠の位置）の方に移動させて作製された反射型ＨＯＥを、用いることを検討した。
【００３７】
露光時の参照光源の位置を再生虚像の位置の方に移動させて作製された反射型ＨＯＥを用いると、同じ画角の光線であれば、イメージコンバイナの射出瞳内のいずれの位置を通る光線であっても、主光線であるかマージナル光線であるかに拘わらず、視線の角度θＣと参照光の入射角θＲとの差（θＣ−θＲ）が従来に比べて小さくなる。ゆえに、画角中心の光線は、主光線及びマージナル光線の両方とも全明るさに渡って等しく露光波長が回折主波長とほぼ等しくなる。
【００３８】
したがって、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心からずれても表示画面が暗くなったり表示画像が滲んだように見えることがなくなり、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心からずれた場合の画質は前記従来の画像表示装置に比べて大きく向上する。したがって、使用者の使い勝手が大幅に向上する。
【００３９】
ところで、画像表示手段の表示部の中心から発せられ、反射型ホログラム光学素子により回折後、所定の位置を通過したときの回折効率が前記各波長領域で最大となる波長をλｏとし、画像表示手段の表示部の周辺部から発せられ、反射型ホログラム光学素子により回折後、先に述べた所定の位置と同じ位置を通過する光の回折効率が各波長領域で最大となる波長をλｙとし、更に画像表示手段の表示部の周辺部から発せられ、反射型ホログラム光学素子により回折後、所定の位置とは異なる位置でかつ反射型ホログラム光学素子に対する視線の方向は表示部中心から発せられ反射型ホログラム光学素子により回折後所定の位置を通過した光の伝搬方向と同じ方向で伝搬する光の回折効率が各波長領域で最大となる波長をλｚとした場合、上述の本発明では、λｏとλｚとをほぼ同一波長にすることで、射出瞳面内で使用者の眼の瞳の位置が変わっても、ほぼ同じ画質を得ることとしている。そうなると、λｙとλｏとは回折後の光の射出角が互いに異なる条件となっているため、異なる値を示す。
【００４０】
ゆえに、露光時の参照光源の位置を再生系の瞳位置から再生虚像の位置の方向へずらした位置に移動して作製した反射型ＨＯＥにおいて、上述の波長λｏと上述の波長λｙとが、異なるように設定されておれば、使用者の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心からずれた場合でも、画質が劣化しない。
【００４１】
このとき、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心からずれた場合の画質をある程度以上向上させようとする場合には、下記の数１４及び数１５のうちのいずれかの式を満たすことが好ましい。
【００４２】
【数１４】
１．０１３＜λｙ／λｏ
【００４３】
【数１５】
λｙ／λｏ＜０．９８
【００４４】
そして、照明光源の発光スペクトル幅に対して画角による波長シフト量があまりに大きくなると、画面内の一部で光量低下が起きるおそれがある。そこで、これを防止するため、照明光源の発光スペクトル幅と画角による波長シフトを勘案し、発光スペクトル幅が狭い場合には、参照光源を虚像付近から瞳付近の方向へ近付け、波長シフト量を制御することが好ましい。具体的には、画像表示手段から発する光が１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、前記１つの波長領域における半値全幅又は前記複数の波長領域のいずれかの領域における半値全幅をＦＷＨＭとしたとき、下記の数１６を満たすことが好ましい。
【００４５】
【数１６】
０．２＜｜（λｙ−λｏ）／ＦＷＨＭ｜
【００４６】
なお、数１６の左辺の「０．２」とは、波長λｙを中心にした回折波長領域のスペクトル半値幅と、波長λｏを中心にした回折波長領域のスペクトル半値幅とを考慮した結果、光源のスペクトルの半値全幅内に、各波長領域の半値幅分のスペクトルも入るように考慮した結果に基づく。
【００４７】
以上は参照光源の距離に関する検討であるが、さらに本発明者は参照光源の入射角についても検討し、以下の検討結果を得た。すなわち、参照光源の入射角を適切に設定することで、露光光源と照明光源の波長のずれを補正し、常に画面中心に明るさの中心を合わせることができるということである。
【００４８】
露光光源の波長と照明光源の波長とは一致することが望ましいが、通常は露光光源としてレーザーが用いられるとともに照明光源としてＬＥＤが用いられ、レーザーとＬＥＤでは発光手段が異なるため、両者の波長は必ずしも一致しない。そこで多少のズレがある場合には参照光源の角度を調節することにより画角中心の回折主波長と照明光源の主波長を一致させ、画角端での減光を中心振り分けにバランスさせることができることがわかった。
【００４９】
その方法は、参照光と再生入射光の角度差による波長シフトという性質を積極的に使い、画角中心の光線の回折主波長を、露光波長ではなく、照明光源の主波長に一致するように参照光源の入射角を上記のそれからずらすことにより、再生系の画角中心光線の回折主波長を露光波長からずらすことができる。その量は前記の数１１及び数１２から逆算すればよい。すなわち、回折主波長が照明光源の主波長に一致するように入射角度差を計算することが可能である。
【００５０】
具体的には、前記反射型ホログラム光学素子をその作製時に露光するための２光源のうちの再生時に観察者の眼の側となる光源から前記反射型ホログラム光学素子の中心への入射角（ただし、空気中に換算した角度）をθ１とし、前記画像表示手段の前記表示部の中心から発して当該イメージコンバイナの射出瞳の中心へ向かう光線の前記反射型ホログラム素子での反射角（ただし、空気中に換算した角度）をθ２としたとき、下記の数１７を満たせば、画角端での減光を中心振り分けに近い状態でバランスさせることができる。
【００５１】
【数１７】
０．８°＜｜θ１−θ２｜
【００５２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるイメージコンバイナ及び画像表示装置について、図面を参照して説明する。
【００５３】
［第１の実施の形態］
【００５４】
図１は、本発明の第１の実施形態による画像表示装置の構成及びその光線（画像表示素子２からの光線のみ）の概略の経路を示す図である。
【００５５】
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、そのＺ座標値の大きくなる向きは右と定義する。図１の紙面内の上下方向をＹ軸とし、Ｙ座標値の大きくなる向きは上と定義する。図１の紙面に垂直な方向をＸ軸とし、右手系、すなわち、図１の紙面から奥の方向をＸ座標値が大きくなる向きと定義する。なお、Ｙ軸方向は、実際の上下方向と一致していても良いし、その他の適宜方向であってもよい。これらの定義は後述する図９および図１６についても、同様である。
【００５６】
本実施の形態による画像表示装置は、イメージコンバイナ１と、画像表示素子２とを備えている。
【００５７】
本実施の形態では、画像表示素子２として透過型ＬＣＤが用いられている。画像表示素子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、画像表示素子２として、反射型ＬＣＤ等の他の素子を用いても良いし、エレクトロルミネッセンス発光素子を用いても良いことは、言うまでもない。
【００５８】
本実施の形態では、ＬＥＤ３として３色ＬＥＤが用いられている。図２７は、ＬＥＤ３の発光スペクトルを示す。図２７において、ラインＬＲはＬＥＤ３の赤色発光部の発光スペクトルを示し、ラインＬＧはＬＥＤ３の緑色発光部の発光スペクトルを示し、ラインＬＢはＬＥＤ３の青色発光部の発光スペクトルを示している。図２７からわかるように、ＬＥＤ３が発する光は、Ｒ（Ｒｅｄ）の波長領域、Ｇ（Ｇｒｅｅｎ）の波長領域及びＢ（Ｂｌｕｅ）の波長領域の各波長領域においてそれぞれピーク波長を有し、各ピーク波長の前後に渡る各波長領域においてそれぞれ強度を有している。このＬＥＤ３のＲ波長領域におけるピーク波長についてのスペクトル強度の半値全幅ＦＷＨＭｒは２３ｎｍ、Ｇ波長領域におけるピーク波長についての半値全幅ＦＷＨＭｇは６０．８ｎｍ、Ｂ波長領域におけるピーク波長についての半値全幅ＦＷＨＭｂは２９ｎｍである。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。
【００５９】
なお、本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６がＧ波長帯域の成分のみを選択的に回折反射するように構成されているので、ＬＥＤ３として、図２７中のＧ波長領域の成分のみを発光するＧ用の単色ＬＥＤを用いてもよい。
【００６０】
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状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良い。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。
【００６１】
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、画像表示素子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。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及び画像表示素子２も、前記支持部材により支持されている。これにより、画像表示素子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。
【００６２】
もっとも、画像表示素子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中の画像表示素子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。
【００６３】
なお、図１において、点Ａ１，Ａ２は、画像表示素子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。
【００６４】
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、画像表示素子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。
【００６５】
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に対して所定角度傾けられている。
【００６６】
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製し、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。
【００６７】
本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６は、画像表示素子２からの光のうち、図２７に示すＧ波長帯域に含まれる成分の光のみを選択的に反射させる。一方、反射型ＨＯＥ６は、外界光（図示せず）のほとんどの波長域の光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。
【００６８】
反射型ＨＯＥ６は、図１に示すように、画像表示素子２からの光のうち図２７に示すＧ波長帯域に含まれる成分の光のみを選択的に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。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の発生する画角による収差変動量が小さくなり、好ましい。
【００６９】
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２つの光源からの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。
【００７０】
画像表示素子２の表示部上の任意の点を通過した光は、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で全反射した後、反射型ＨＯＥ６に入射する。このとき、この光は、反射型ＨＯＥ６により、波長選択性（本実施の形態ではＧ光選択性）を持つ反射回折作用、及び結像作用を受ける。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。この時、画像表示素子２の同一箇所から出た光は、射出瞳Ｐから所定距離（本実施の形態では、１ｍ。この距離は後述する他の実施の形態も同様。例えば、無限遠としてもよい。）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。
【００７１】
画像表示素子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、Ｇ光の成分のみを持つ。ここで、画像表示素子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Ｇ光（図２７中のＧ波長領域の光）のうちの、画像表示素子２の任意の点から発して射出瞳Ｐの中心Ｐ０に到達する光線を、ここではＧ波長領域に関する主光線と呼ぶ。
【００７２】
本実施の形態では、画像表示素子２の表示部の中心から発せられたＧ波長領域に関する主光線が反射型ＨＯＥ６で回折反射される際に回折効率が最大となる波長をλｏｇとし、画像表示素子２の表示部の図１中のＹ方向の最周辺部から発せられたＧ波長領域に関する主光線が反射型ＨＯＥ６で回折反射される際に回折効率が最大となる波長をλｙｇとしたときに、下記の数１８及び数１９のうちのいずれかの式を満たしている。したがって、本実施の形態によれば、既に説明した内容からわかるように、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心からずれた場合の画質を向上させることができる。
【００７３】
【数１８】
１．０１３＜λｙｇ／λｏｇ
【００７４】
【数１９】
λｙｇ／λｏｇ＜０．９８
【００７５】
また、本実施の形態では、下記の数２０を満たしている。したがって、本実施の形態によれば、既に説明した内容からわかるように、ＬＥＤ３の発光スペクトルのＧの波長領域幅に対して画角による波長シフト量が抑えられ、画面内の一部で光量低下が起きるおそれがなくなる。
【００７６】
【数２０】
０．２＜｜（λｙｇ−λｏｇ）／ＦＷＨＭｇ｜
【００７７】
さらに、本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６をその作製時にＧ波長領域に対応して露光するための２光源のうちの再生時に観察者の眼の側となる光源から反射型ＨＯＥ６の中心への入射角（ただし、空気中に換算した角度）をθ１ｇとし、画像表示素子２の表示部の中心から発して射出瞳Ｐの中心Ｐ０へ向かう光線の前記反射型ホログラム素子での反射角（ただし、空気中に換算した角度）をθ２としたとき、下記の数２１を満たしている。したがって、本実施の形態によれば、既に説明した内容からわかるように、画角端での減光を中心振り分けに近い状態でバランスさせることができる。
【００７８】
【数２１】
０．８°＜｜θ１ｇ−θ２｜
【００７９】
ここで、第１の実施の形態の具体例について、図１を参照して説明する。こ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Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ製のｃｏｄｅ Ｖ（商品名）を用いた。このとき、画像表示素子２の表示部の中心Ａ０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。
【００８０】
この具体例の光学的な諸量は、下記の通りである。
【００８１】
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。
【００８２】
ＨＯＥ６の定義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光束の定義は各光源の位置と、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２０μｍ、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％と仮定している。収縮による再生光の波長変動は比例関係にあるので波長も３．３％短くなり、再生の中心波長は５１２ｎｍである。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。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、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ｃｏｄｅ Ｖ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２に提示する。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）から画像表示素子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。
【００８６】
【表２】
【００８７】
表２で用いた位相関数の定義は、ＨＯＥ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、一般形の下記の数２２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、この係数は６５個まで指定可能であって、順にＣ１，Ｃ２，Ｃ３，・・・，Ｃ６５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との間に下記の数２３という関係が成り立つように対応付ける。すなわち、本例では、位相関数は、下記の数２４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。
【００８８】
【数２２】
【００８９】
【数２３】
【００９０】
【数２４】
【００９１】
ここで用いたアナモルフィック非球面５ｃの定義は、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数２５で示すように表すことで定義する。
【００９２】
【数２５】
【００９３】
数２５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Ｐ０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３に示す。
【００９５】
【表３】
【００９６】
本具体例のＨＯＥ６の第１光源の位置は、ＨＸ１：０，ＨＹ１：０．２１４３８５×１０＋０８，ＨＺ１：０．１５５７６９×１０＋０８より、図２中のｙｚ座標の第１象現で、原点からの距離２．６５×１０７ｍｍ、ｚ軸負の方向から測った角度は５４度である。ただし、ＨＶ１がＶＩＲであるため収束光であり、実際はその逆の方向から入射する。そして、ＨＯＥ６の２光源は空気中に定義されるため、再生時のＨＯＥ６が媒質中にある場合は、距離と角度を屈折率換算して比較する。
【００９７】
この例の場合、距離はほぼ無限遠のため換算しなくてもよい。この光源距離は再生虚像と射出瞳の間の虚像に近い距離のため、射出瞳内の各位置での回折主波長が一定である。その代わりに、画角によって回折主波長がシフトする。
【００９８】
一方、角度の方は、第１光源のＨＯＥ法線に対する入射角度が空気中で５４°である。ここで、再生時の光軸上の光は屈折率約１．６の媒質中を入射角３０°で入射するため、空気中に換算すると５３．１°である。したがって、露光光のＨＯＥ６に対する入射角θ１ｇと、再生光のＨＯＥ６に対する入射角θ２とは、０．９°ずれていることになる。これにより、画角０°の回折主波長は、収縮のみ考慮した再生中心波長５１２ｎｍより少しずれ、光源の緑色発光スペクトルのピーク波長５１６ｎｍに近づいている。
【００９９】
本具体例について回折効率を計算すると、各画角−５°、０°、＋５°（Ｙ方向の画角。Ｘ方向の画角は０゜）で各瞳座標Ｐｙ−１．５ｍｍ、０ｍｍ、＋１．５ｍｍを通る光線の回折効率主波長は、下記の表４に示す通りとなっている。ここで、瞳座標Ｐｙは、図１中の紙面内における射出瞳Ｐ内でのＹ軸方向の位置座標であり、Ｐｙ＝０ｍｍの位置は射出瞳Ｐの中心Ｐ０を示す。なお、瞳座標Ｐｙ＝０ｍｍを通る光線は、いずれの画角の光線であっても主光線である。
【０１００】
【表４】
【０１０１】
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及び図４に示す。図３及び図４において、画角ごとに回折主波長±１０ｎｍの光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。図３及び図４から、画角内全域に渡り色収差が少なく、結像性能が優れていることがわかる。
【０１０２】
そして、本具体例のＨＯＥ６の回折効率の波長特性を図５及び図６に示す。図５は、各画角−５°、０°、＋５°（Ｙ方向の画角。Ｘ方向の画角は０゜）の主光線（Ｐｙ＝０ｍｍ）の回折効率の波長特性を示している。図６は、画角（Ｘ，Ｙ）＝（０゜，０゜）で各瞳座標−１．５ｍｍ、０ｍｍ、＋１．５ｍｍを通る光線の回折効率の波長特性を示している。図６では、各瞳座標に関する波長特性は一致しており重なっている。図５には画角によって回折主波長がシフトしている様子が示され、図６には瞳座標によっては回折主波長がシフトしていない様子が示されている。
【０１０３】
図５及び図６には、ＬＥＤ３の図２７に示す各波長領域のうち、対応するＧ波長領域の発光スペクトルも重ね描きしてある。実際に、観察者の眼に届く光量（明るさ）は、この２種類のグラフの積（回折効率とＧ波長領域の発光スペクトルとの積）になる。画面内の明るさ分布を図７に示し、瞳面内の明るさ分布を図８に示す。図７中の各プロット点は、図５中の各画角の回折効率のピークと当該ピークの波長のＬＥＤ３の発光強度との積に相当している。図８中の各プロット点は、図６中の各瞳座標の回折効率のピークと当該ピークの波長のＬＥＤ３の発光強度との積に相当している。なお、図７及び図８の縦軸は明るさを示し、最も明るいものを１として規格化してある。
【０１０４】
本具体例では、画角−５°および＋５°の回折主波長λｙｇと画角中心の回折主波長λｏｇとの比λｙｇ／λｏｇは、それぞれ１．０２６、０．９６８であり、０．９８以下、１．０１３以上となっており、前述した数１８、数１９の条件を満たしている。その結果、図８に示すように、瞳面内の強度がフラットになっている。
【０１０５】
また、画角中心と周辺の回折主波長の差｜λｙｇ−λｏｇ｜は、それぞれ１３．１６、１６．４８であり、本具体例で使用した光源の半値全幅ＦＷＨＭｇは６０．８ｎｍであるから、数２０の右辺の値を算出すると、画角−５°および＋５°でそれぞれ０．２２、０．２７であり、数２０の条件を満たしている。その結果、図７及び図８に示すように、瞳面内も画面内もバランスの取れた明るさとなっている。
【０１０６】
また、参照光源の角度θ１ｇと光線追跡の光軸入射角θ２との差は０．９°であり、数２１の条件を満たしている。
【０１０７】
［第２の実施の形態］
【０１０８】
図９は、本発明の第２の実施の形態による画像表示装置の構成およびその光線（画像表示素子２からの光線のみ）の経路を示す図である。図９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９において光源を構成するＬＥＤ３及び反射鏡４は省略している。
【０１０９】
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、前記第１の実施の形態では、反射型ＨＯＥ６がＧ波長帯域の成分のみを選択的に回折反射するように構成されていたのに対し、本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６がＢ波長帯域の成分のみを選択的に回折反射するように構成されている点である。
【０１１０】
なお、本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６がＢ波長帯域の成分のみを選択的に回折反射するように構成されているので、ＬＥＤ３として、図２７中のＢ波長領域の成分のみを発光するＢ用の単色ＬＥＤを用いてもよい。
【０１１１】
ここで、画像表示素子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Ｂ光（図２７中のＢ波長領域の光）のうちの、画像表示素子２の任意の点から発して射出瞳Ｐの中心Ｐ０に到達する光線を、ここではＢ波長領域に関する主光線と呼ぶ。
【０１１２】
本実施の形態では、画像表示素子２の表示部の中心から発せられたＢ波長領域に関する主光線が反射型ＨＯＥ６で回折反射される際に回折効率が最大となる波長をλｏｂとし、画像表示素子２の表示部の図９中のＹ方向の最周辺部から発せられたＢ波長領域に関する主光線が反射型ＨＯＥ６で回折反射される際に回折効率が最大となる波長をλｙｂとしたときに、下記の数２６及び数２７のうちのいずれかの式を満たしている。したがって、本実施の形態によれば、既に説明した内容からわかるように、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心からずれた場合の画質を向上させることができる。
【０１１３】
【数２６】
１．０１３＜λｙｂ／λｏｂ
【０１１４】
【数２７】
λｙｂ／λｏｂ＜０．９８
【０１１５】
また、本実施の形態では、下記の数２８を満たしている。したがって、本実施の形態によれば、既に説明した内容からわかるように、ＬＥＤ３の発光スペクトルのＢの波長領域幅に対して画角による波長シフト量が抑えられ、画面内の一部で光量低下が起きるおそれがなくなる。
【０１１６】
【数２８】
０．２＜｜（λｙｂ−λｏｂ）／ＦＷＨＭｂ｜
【０１１７】
さらに、本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６をその作製時にＢ波長領域に対応して露光するための２光源のうちの再生時に観察者の眼の側となる光源から反射型ＨＯＥ６の中心への入射角（ただし、空気中に換算した角度）をθ１ｂとし、画像表示素子２の表示部の中心から発して射出瞳Ｐの中心Ｐ０へ向かう光線の前記反射型ホログラム素子での反射角（ただし、空気中に換算した角度）をθ２としたとき、下記の数２９を満たしている。したがって、本実施の形態によれば、既に説明した内容からわかるように、画角端での減光を中心振り分けに近い状態でバランスさせることができる。
【０１１８】
【数２９】
０．８°＜｜θ１ｂ−θ２｜
【０１１９】
ここで、本実施の形態の具体例について、図９を参照して説明する。この具体例の光学的な諸量は、下記の通りである。
【０１２０】
本具体例では、ＨＯＥ６の露光波長は、４７６ｎｍとされている。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。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。
【０１２１】
また、この具体例の光線追跡のための諸量を、下記の表５に提示する。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）から画像表示素子２への順である。
【０１２２】
【表５】
【０１２３】
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９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６に示す。
【０１２４】
【表６】
【０１２５】
本具体例のＨＯＥ６の第１光源の位置は、ＨＸ１：０，ＨＹ１：−．２４３８２０×１０＋０２，ＨＺ１：−．１６５５１２×１０＋０２より、図２のｙｚ座標の第３象現で、原点からの距離２６．４６９ｍｍ、ｚ軸負の方向から測った角度は５５．８度である。そして、ＨＶ１がＲＥＡであるため発散光である。第１の実施の形態と同様にＨＯＥ６の２光源は空気中に定義されるため、再生時のＨＯＥ６が媒質中にある場合は、距離と角度を屈折率換算して比較する。
【０１２６】
ＨＯＥ６の面は瞳面から１４．７ｍｍの距離であるが、このうち１．７ｍｍは屈折率約１．６の媒質中であるので、空気換算長は１．０６ｍｍとなり、ＨＯＥ６から瞳面までの空気換算距離は１４．０６ｍｍとなる。したがって、この例の光源距離は虚像と瞳の間で、瞳の約２倍の距離である。
【０１２７】
一方、角度の方は、第１光源のＨＯＥ６の法線に対する入射角度が空気中で５５．８°である。ここで再生時の光軸上の光は屈折率約１．６の媒質中を入射角３０°で入射するため、空気中に換算すると５３．１°である。したがって、露光光のＨＯＥ６に対する入射角θ１ｂと、再生光のＨＯＥ６に対する入射角θ２とは、２．７°ずれていることになる。これにより、画角０°の回折主波長は、露光波長４７６ｎｍから、乳剤の収縮（３．３％と仮定）により４６０．３ｎｍにシフトするが、第１光源の角度ずれによりそこから更に少しずれ、光源の青色発光スペクトルのピーク波長４６３ｎｍに近づいている。
【０１２８】
本具体例について回折効率を計算すると、各画角−５°、０°、＋５°（Ｙ方向の画角。Ｘ方向の画角は０゜）で各瞳座標Ｐｙ−１．５ｍｍ、０ｍｍ、＋１．５ｍｍを通る光線の回折効率主波長は、下記の表７に示す通りとなっている。ここで、瞳座標Ｐｙは、図９中の紙面内における射出瞳Ｐ内でのＹ軸方向の位置座標であり、Ｐｙ＝０ｍｍの位置は射出瞳Ｐの中心Ｐ０を示す。なお、瞳座標Ｐｙ＝０ｍｍを通る光線は、いずれの画角の光線であっても主光線である。
【０１２９】
【表７】
【０１３０】
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１０及び図１１に示す。図１０及び図１１において、画角ごとに回折主波長±１０ｎｍの光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。図１０及び図１１から、画角内全域に渡り色収差が少なく、結像性能が優れていることがわかる。
【０１３１】
本具体例で使用した３つの波長領域を持つＬＥＤ３（図９では図示せず）は、第１の実施の形態で用いたものと同じであり、図２７に示す発光スペクトルを持つものである。
【０１３２】
そして、本具体例のＨＯＥ６の回折効率の波長特性を図１２及び図１３に示す。図１２は、各画角−５°、０°、＋５°（Ｙ方向の画角。Ｘ方向の画角は０゜）の主光線（Ｐｙ＝０ｍｍ）の回折効率の波長特性を示している。図１３は、画角（Ｘ，Ｙ）＝（０゜，０゜）で各瞳座標−１．５ｍｍ、０ｍｍ、＋１．５ｍｍを通る光線の回折効率の波長特性を示している。図１２には画角によって回折主波長がシフトしている様子が示され、図１３には瞳座標によって回折主波長がシフトしている様子が示されている。この具体例では、光源距離が第１実施の形態に比べて瞳の近くにあるため、瞳面内の回折波長シフトも生じている。
【０１３３】
図１２及び図１３には、ＬＥＤ３の図２７に示す各波長領域のうち、対応するＢ波長領域の発光スペクトルも重ね描きしてある。実際に、観察者の眼に届く光量（明るさ）は、この２種類のグラフの積（回折効率とＢ波長領域の発光スペクトルとの積）になる。画面内の明るさ分布を図１４に示し、瞳面内の明るさ分布を図１５に示す。図１４中の各プロット点は、図１２中の各画角の回折効率のピークと当該ピークの波長のＬＥＤ３の発光強度との積に相当している。図１５中の各プロット点は、図１３中の各瞳座標の回折効率のピークと当該ピークの波長のＬＥＤ３の発光強度との積に相当している。なお、図１４及び図１５の縦軸は明るさを示し、最も明るいものを１として規格化してある。
【０１３４】
本具体例では、画角−５°および＋５°の回折主波長λｙｂと画角中心の回折主波長λｏｂとの比λｙｂ／λｏｂは、それぞれ１．０２８、０．９６５であり、０．９８以下、１．０１３以上となっており、前述した数２６、数２７の条件を満たしている。その結果、図１５に示すように、瞳面内の強度がフラットに近くなっている。
【０１３５】
また、画角中心と周辺の回折主波長の差｜λｙｂ−λｏｂ｜は、それぞれ１３．２、１６．５であり、本具体例で使用した光源の半値全幅ＦＷＨＭｂは２９ｎｍであるから、数２８の右辺の値を算出すると、画角−５°および＋５°でそれぞれ０．４６、０．５７であり、数２８の条件を満たしている。その結果、図１４及び図１５に示すように、瞳面内も画面内もバランスの取れた明るさとなっている。
【０１３６】
また、参照光源の角度θ１ｇと光線追跡の光軸入射角θ２との差は２．７°であり、数２９の条件を満たしている。
【０１３７】
［第３の実施の形態］
【０１３８】
図１６は本発明の第３の実施の形態による画像表示装置の構成およびその光線（画像表示素子２からの光線のみ）の経路を示す図である。図１６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１６において光源を構成するＬＥＤ３及び反射鏡４は省略している。
【０１３９】
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、前記第１の実施の形態では、反射型ＨＯＥ６がＧ波長帯域の成分のみを選択的に回折反射するように構成されていたのに対し、本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６がＲ波長帯域の成分のみを選択的に回折反射するように構成されている点である。
【０１４０】
なお、本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６がＲ波長帯域の成分のみを選択的に回折反射するように構成されているので、ＬＥＤ３として、図２７中のＲ波長領域の成分のみを発光するＲ用の単色ＬＥＤを用いてもよい。
【０１４１】
ここで、画像表示素子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Ｒ光（図２７中のＲ波長領域の光）のうちの、画像表示素子２の任意の点から発して射出瞳Ｐの中心Ｐ０に到達する光線を、ここではＲ波長領域に関する主光線と呼ぶ。
【０１４２】
本実施の形態では、画像表示素子２の表示部の中心から発せられたＲ波長領域に関する主光線が反射型ＨＯＥ６で回折反射される際に回折効率が最大となる波長をλｏｒとし、画像表示素子２の表示部の図１６中のＹ方向の最周辺部から発せられたＲ波長領域に関する主光線が反射型ＨＯＥ６で回折反射される際に回折効率が最大となる波長をλｙｒとしたときに、下記の数３０及び数３１のうちのいずれかの式を満たしている。したがって、本実施の形態によれば、既に説明した内容からわかるように、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心からずれた場合の画質を向上させることができる。
【０１４３】
【数３０】
１．０１３＜λｙｒ／λｏｒ
【０１４４】
【数３１】
λｙｒ／λｏｒ＜０．９８
【０１４５】
また、本実施の形態では、下記の数３２を満たしている。したがって、本実施の形態によれば、既に説明した内容からわかるように、ＬＥＤ３の発光スペクトルのＲの波長領域幅に対して画角による波長シフト量が抑えられ、画面内の一部で光量低下が起きるおそれがなくなる。
【０１４６】
【数３２】
０．２＜｜（λｙｒ−λｏｒ）／ＦＷＨＭｒ｜
【０１４７】
さらに、本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６をその作製時にＲ波長領域に対応して露光するための２光源のうちの再生時に観察者の眼の側となる光源から反射型ＨＯＥ６の中心への入射角（ただし、空気中に換算した角度）をθ１ｒとし、画像表示素子２の表示部の中心から発して射出瞳Ｐの中心Ｐ０へ向かう光線の前記反射型ホログラム素子での反射角（ただし、空気中に換算した角度）をθ２としたとき、下記の数３３を満たしている。したがって、本実施の形態によれば、既に説明した内容からわかるように、画角端での減光を中心振り分けに近い状態でバランスさせることができる。
【０１４８】
【数３３】
０．８°＜｜θ１ｒ−θ２｜
【０１４９】
ここで、本実施の形態の具体例について、図１６を参照して説明する。この具体例の光学的な諸量は、下記の通りである。
【０１５０】
本具体例では、ＨＯＥ６の露光波長は、６４７ｎｍとされている。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。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。
【０１５１】
また、この具体例の光線追跡のための諸量を、下記の表８に提示する。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）から画像表示素子２への順である。
【０１５２】
【表８】
【０１５３】
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１６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９に示す。
【０１５４】
【表９】
【０１５５】
本具体例のＨＯＥ６の第１光源の位置は、ＨＸ１：０，ＨＹ１：−．１２４５９７×１０＋０２，ＨＺ１：−．８４１７６４×１０＋０１より、図２のｙｚ座標の第３象現で、原点からの距離１５．０４ｍｍ、ｚ軸負の方向から測った角度は５６度である。そして、ＨＶ１がＲＥＡであるため発散光である。第１の実施の形態と同様にＨＯＥ６の２光源は空気中に定義されるため、再生時のＨＯＥ６が媒質中にある場合は距離と角度を屈折率換算して比較する。
【０１５６】
ＨＯＥ６の面は瞳面から１４．７ｍｍの距離であるが、このうち１．７ｍｍは屈折率約１．６の媒質中であるので、空気換算長は１．０６ｍｍとなり、ＨＯＥ６から瞳面までの空気換算距離は１４．０６ｍｍとなる。従ってこの例の光源距離は虚像と瞳の間で、瞳に近い距離である。
【０１５７】
一方、角度の方は、第１光源のＨＯＥ６の法線に対する入射角度が空気中で５６°である。ここで再生時の光軸上の光は屈折率約１．６の媒質中を入射角３０°で入射するため、空気中に換算すると５３．１°である。したがって、露光光のＨＯＥ６に対する入射角θ１ｒと、再生光のＨＯＥ６に対する入射角θ２とは、２．９°ずれていることになる。これにより、画角０°の回折主波長は、露光波長６４７ｎｍから、乳剤の収縮（３．３％と仮定）により６２５．６ｎｍにシフトするが、第１光源の角度ずれによりそこから更に少しずれる。
【０１５８】
本具体例について回折効率を計算すると、各画角−５°、０°、＋５°（Ｙ方向の画角。Ｘ方向の画角は０゜）で各瞳座標Ｐｙ−１．５ｍｍ、０ｍｍ、＋１．５ｍｍを通る光線の回折効率主波長は、下記の表１０に示す通りとなっている。ここで、瞳座標Ｐｙは、図１６中の紙面内における射出瞳Ｐ内でのＹ軸方向の位置座標であり、Ｐｙ＝０ｍｍの位置は射出瞳Ｐの中心Ｐ０を示す。なお、瞳座標Ｐｙ＝０ｍｍを通る光線は、いずれの画角の光線であっても主光線である。
【０１５９】
【表１０】
【０１６０】
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１７及び図１８に示す。図１７及び図１８において、画角ごとに回折主波長±１０ｎｍの光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。図１７及び図１８から、画角内全域に渡り色収差が少なく、結像性能が優れていることがわかる。
【０１６１】
本具体例で使用した３つの波長領域を持つＬＥＤ３（図１６では図示せず）は、第１の実施の形態で用いたものと同じであり、図２７に示す発光スペクトルを持つものである。
【０１６２】
そして、本具体例の回折効率の波長特性を図１９及び図２０に示す。図１９は、各画角−５°、０°、＋５°（Ｙ方向の画角。Ｘ方向の画角は０゜）の主光線（Ｐｙ＝０ｍｍ）の回折効率の波長特性を示している。図２０は、画角（Ｘ，Ｙ）＝（０゜，０゜）で各瞳座標−１．５ｍｍ、０ｍｍ、＋１．５ｍｍを通る光線の回折効率の波長特性を示している。図１９には画角によって回折主波長がシフトしている様子が示され、図２０には瞳座標によって回折主波長がシフトしている様子が示されている。この具体例では、光源距離が第１実施の形態に比べて瞳の近くにあるため、瞳面内の回折波長シフトも生じている。
【０１６３】
図１９及び図２０には、ＬＥＤ３の図２７に示す各波長領域のうち、対応するＲ波長領域の発光スペクトルも重ね描きしてある。実際に、観察者の眼に届く光量（明るさ）は、この２種類のグラフの積（回折効率とＲ波長領域の発光スペクトルとの積）になる。画面内の明るさ分布を図２１に示し、瞳面内の明るさ分布を図２２に示す。図２１中の各プロット点は、図１９中の各画角の回折効率のピークと当該ピークの波長のＬＥＤ３の発光強度との積に相当している。図２２中の各プロット点は、図２０中の各瞳座標の回折効率のピークと当該ピークの波長のＬＥＤ３の発光強度との積に相当している。
【０１６４】
本具体例では、画角−５°および＋５°の回折主波長λｙｒと画角中心の回折主波長λｏｒとの比λｙｒ／λｏｒは、それぞれ１．０１６、０．９７９であり、０．９８以下、１．０１３以上となっており、前述した数３０、数３１の条件を満たしている。その結果、図２２に示すように、瞳面内の強度がフラットに近くなっている。
【０１６５】
また、画角中心と周辺の回折主波長の差｜λｙｒ−λｏｒ｜は、それぞれ９．８７、１３．１６であり、本具体例で使用した光源の半値全幅ＦＷＨＭｒは２３ｎｍであるから、数３２の右辺の値を算出すると、画角−５°および＋５°でそれぞれ０．４３、０．５７であり、数３２の条件を満たしている。その結果、図２１及び図２２に示すように、瞳面内も画面内もほぼバランスの取れた明るさとなっている。
【０１６６】
また、参照光源の角度θ１ｒと光線追跡の光軸入射角θ２との差は２．９°であり、数３３の条件を満たしている。
【０１６７】
［第４の実施の形態］
【０１６８】
図面には示していないが、本実施の形態の第４の実施の形態による画像表示装置は、前記第１の実施の形態の具体例による画像表示装置を次のように変形したものである。
【０１６９】
本実施の形態による画像表示装置が、前記第１の実施の形態の具体例による画像表示装置と異なる所は、反射型ＨＯＥ６の構成のみである。本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６は、前記第１の実施の形態の具体例の反射型ＨＯＥ（Ｇ用反射型ＨＯＥ）、前記第２の実施の形態の具体例の反射型ＨＯＥ（Ｂ用反射型ＨＯＥ）、及び、前記第２の実施の形態の具体例の反射型ＨＯＥ（Ｒ用反射型ＨＯＥ）を、３層重ねたものである。なお、本実施の形態において用いるＬＥＤ３も、前記第１の実施の形態と同じく、３つの波長領域を持つＬＥＤであり、図２７に示す発光スペクトルを持つものである。
【０１７０】
このＬＥＤ３からの３つの波長領域の光が画像表示素子２を透過するとき、画像表示素子の１表示単位を空間的に３分割して、それぞれＲ，Ｇ，Ｂに対応するドットとし、対応する画像を表示させてもよいし、時間的に分割してたとえば１／９０秒ごとにＲ，Ｇ，Ｂそれぞれに対応する画像を切り替え表示し、それとＬＥＤの３つの波長領域の発光のタイミングを同期させても良い。そして、それぞれの波長領域の画像情報は対応するＨＯＥの層で回折作用及び結像作用を受け、観察者の瞳に導かれたのち、加法混色されてフルカラー画像を得る。
【０１７１】
本実施の形態において用いられている反射型ＨＯＥ６、すなわち、第１乃至第３の実施の形態の具体例の反射型ＨＯＥを重ねた構造を持つ反射型ＨＯＥの、明るさの画面内特性と瞳面内特性をそれぞれ、図２３及び図２４に示す。図２３及び図２４において、縦軸は明るさを示し、回折効率とＬＥＤの発光強度の積で、最も明るいものを１として規格化してある。
【０１７２】
図２３からわかるように、画面内に関しては、３色の比率がほぼ同程度であるので、画面全域に渡って良好なカラーバランスで観察可能である。また、図２４からわかるように、瞳面内に関しては瞳座標Ｐｙが正の方向でＲｅｄの減光があるが、ＢｌｕｅとＧｒｅｅｎはほとんどフラットであるから観察者の眼の動きに対しても多少赤みの度合が変化するだけで、明るさが急激に減るようなことはない。
【０１７３】
以上、本発明の各実施の形態及びそれらの具体例について説明したが、本発明はこれらの実施の形態や具体例に限定されるものではない。
【０１７４】
例えば、前述した各実施の形態は、本発明によるイメージコンバイナを用いて頭部装着式の画像表示装置を構成した例であったが、前述した各実施の形態で採用されていた各イメージコンバイナ１は、カメラのファインダーや顕微鏡及び双眼鏡の接眼レンズ部に装着し得るように構成したり、あるいは、当該イメージコンバイナをカメラや顕微鏡や双眼鏡等に組み込んでもよい。
【０１７５】
また、前述した各実施の形態は、本発明をシースルー型の頭部装着式画像表示装置に適用した例であったが、本発明は、シースルー型ではない画像表示装置に適用することもできる。この場合、前述した各実施の形態による画像表示装置において、外界からの光がイメージコンバイナ１に入射しないように構成すればよい。この場合、イメージコンバイナ１の部分は、２つの像を重ね合わせるものではないので、イメージコンバイナとは言えず、画像表示素子２からの光を使用者の眼に導く導光部となる。この場合、イメージコンバイナ１における板状部の下側部分（ＨＯＥ６から下側の部分）を除去してもよい。このようなシースルー型でない画像表示装置は、例えば、特開２００１−２６４６８２号の場合と同様に携帯電話機のフリッパー部に内蔵することができる。
【０１７６】
【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、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心からずれた場合の表示画像の画質の向上を図ることができる画像表示装置、及び、このような画像表示装置などに用いることができるイメージコンバイナ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の実施の形態による画像表示装置の構成及びその光線の概略の経路を示す図である。
【図２】ホログラムを定義する２光源の座標系を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の具体例の横収差図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の具体例の他の横収差図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態の具体例の各画角ごとの回折効率と波長の関係を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態の具体例の各瞳座標ごとの回折効率と波長の関係を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態の具体例の画面内の明るさを示す図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態の具体例の瞳面内の明るさを示す図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態による画像表示装置の構成及びその光線の概略の経路を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態の具体例の横収差図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態の具体例の他の横収差図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態の具体例の各画角ごとの回折効率と波長の関係を示す図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態の具体例の各瞳座標ごとの回折効率と波長の関係を示す図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態の具体例の画面内の明るさを示す図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態の具体例の瞳面内の明るさを示す図である。
【図１６】本発明の第３の実施の形態による画像表示装置の構成及びその光線の概略の経路を示す図である。
【図１７】本発明の第３の実施の形態の具体例の横収差図である。
【図１８】本発明の第３の実施の形態の具体例の他の横収差図である。
【図１９】本発明の第３の実施の形態の具体例の各画角ごとの回折効率と波長の関係を示す図である。
【図２０】本発明の第３の実施の形態の具体例の各瞳座標ごとの回折効率と波長の関係を示す図である。
【図２１】本発明の第３の実施の形態の具体例の画面内の明るさを示す図である。
【図２２】本発明の第３の実施の形態の具体例の瞳面内の明るさを示す図である。
【図２３】本発明の第４の実施の形態による画像表示装置の画面内の明るさを各色ごとに示す図である。
【図２４】本発明の第４の実施の形態による画像表示装置の瞳面内の明るさを各色ごとに示す図である。
【図２５】ブラッグ条件の説明図である。
【図２６】反射型ホログラム光学素子への入射角度の変化に対する回折主波長の変化の関係を示す図である。
【図２７】本発明の第１乃至第４の実施の形態による画像表示装置の照明光源の波長特性を示す図である。
【符号の説明】
１ イメージコンバイナ
２ 画像表示素子
３ ＬＥＤ
４ 反射鏡
５ 板状部
６ 反射型ホログラム光学素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、使用者が外界などの前方からの光による像とこれに重畳された表示画像を見ることができるイメージコンバイナ、及びこれを用いた頭部装着式等の画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、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・マウンテッド・ディスプレイ）として、例えば、特開２０００−３５２６８９号公報や特開２００１−２６４６８２号公報に開示された画像表示装置が知られている。また、特開２００１−２６４６８２号公報には、シースルー型の頭部装着式画像表示装置のみならず、それと実質的に同じ構成を持ちながらシースルー型として用いない（つまり、画像表示素子からの光に外界から等の他の光を重畳させることなく、画像表示素子からの光のみを使用者の眼に導びく）画像表示装置も開示され、この画像表示装置を携帯電話機のフリッパー部に内蔵する例も開示されている。
【０００３】
これらの画像表示装置では、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による外界等から透過する光量の損失を著しく低減させることができる。
【０００４】
そして、これらの画像表示装置では、イメージコンバイナの射出瞳は使用状態における使用者の眼の瞳とほぼ一致するように形成され、前記反射型ホログラム光学素子として、当該反射型ホログラム光学素子をその作製時に露光するための２光源のうちの一方の光源（参照光源）の位置をイメージコンバイナの射出瞳の位置とほぼ一致させて作製した反射型ホログラム光学素子が用いられていた（特開２０００−３５２６８９号公報の段落番号２５、特開２００１−２６４６８２号の段落番号３７）。これらの公報には、作製時の参照光源の位置を使用者の瞳の位置に配置して作製した反射型ホログラム光学素子を用いることにより、製造状態での製造光と使用状態での観察光がほぼ一致するので、使用状態での反射型ホログラム光学素子の回折効率を最も向上させることができる旨が記載されている（特開２０００−３５２６８９号公報の段落番号２５、特開２００１−２６４６８２号の段落番号３７）。
【０００５】
また、これらの画像表示装置では、小型軽量化を図るため、一般的に、画像表示素子として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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の画像表示装置では、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心と一致している場合には良好な表示画像を見ることができるできるものの、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳中心から射出瞳周辺にいくに従って表示画面がだんだん暗く、さらに表示画像が滲んだように見えてしまい、画質の点で必ずしも十分でなかった。なお、実際の使用時に、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心からずれてしまうことは頻繁に起こり得る。
【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、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心からずれた場合の表示画像の画質の向上を図ることができる画像表示装置、及び、このような画像表示装置などに用いることができるイメージコンバイナを提供することを目的とする。
【０００８】
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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
反射型ＨＯＥ、とりわけ反射型体積型ＨＯＥの回折特性は、鋭い波長選択性と広い角度特性を持つことが知られている。すなわち、ブラッグ条件を満たす角度と波長で入射した再生光に対して最大の効率で所定の方向に回折光が得られるが、入射波長に対してはブラッグ条件から外れると急激に回折効率が減少する特性があり、一方、入射角がブラッグ角入射から外れる場合には緩やかに回折効率が減少する特性がある。
【００１０】
この特性により、反射型ＨＯＥは、外界光の明るさを損失することなく、広い画角の画像表示が可能なイメージコンバイナに適した素子と言われてきた。
【００１１】
しかしながら、これは単一波長の光で照明した場合の回折効率の値にのみ捕われた議論であって、実際にバンド幅を持った照明光で照明した場合に回折する波長特性まで研究されたものではなかった。
【００１２】
本発明者は、入射角がブラッグ角入射から外れたときの反射型ＨＯＥの回折特性を調査し、入射角が変わると、最大効率で回折する波長が変化していくことを発見した。また、同様に、ＨＯＥから回折された光を異なる方向から観察すると、その回折効率が最も高い波長が変化していくことを見いだした。この点について、以下に説明する。
【００１３】
反射型ＨＯＥ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。反射型ＨＯＥにおけるブラッグの条件式は、下記の数９及び数１０で表わされ、数９及び数１０を同時に満たす方向に回折する光の強度が最大となる。
【００１４】
【数９】
１／λＲ（ｓｉｎθＯ−ｓｉｎθＲ）＝１／λＣ（ｓｉｎθＩ−ｓｉｎθＣ）
【００１５】
【数１０】
１／λＲ（ｃｏｓθＯ−ｃｏｓθＲ）＝１／λＣ（ｃｏｓθＩ−ｃｏｓθＣ）
【００１６】
ここで、数９及び数１０の左辺は反射型ＨＯＥ製造時の状態を示し、λＲは露光波長、θＯはホログラム面の法線に対する露光時における物体光の入射角度、θＲは露光時における参照光の入射角度である。また、数９及び数１０の右辺は反射型ＨＯＥ使用時の状態を示し、λＣは回折主波長、θＣはホログラム面の中心から測ったホログラム面の法線に対する視線の角度、θＩは前記視線に対応する照明光のホログラム面への入射角度である。これを模式的に簡単に図に示すと図２５のようになる。なお、図２５（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２５（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。
【００１７】
ここで、数９及び数１０から、ＨＯＥ製造時の条件と視線の角度θＣとから、回折強度を持つ波長λＣと、照明光の入射角度θＩを求めると、下記の数１１及び数１２に示す通りとなる。
【００１８】
【数１１】
λＣ＝−［（ｓｉｎθＯ−ｓｉｎθＲ）ｓｉｎθＣ＋（ｃｏｓθＯ−ｃｏｓθＲ）ｃｏｓθＣ］×２／［（ｓｉｎθＯ−ｓｉｎθＲ）２＋（ｃｏｓθＯ−ｃｏｓθＲ）２］×λＲ
【００１９】
【数１２】
θＩ＝ａｒｃｓｉｎ｛λＣ／λＲ×（ｓｉｎθＯ−ｓｉｎθＲ）＋ｓｉｎθＣ｝
【００２０】
ただし、ブラッグ条件からずれた場合の回折光強度は、０ではなく、そのズレ量に従って低下する。その減り方は、位相型体積型ホログラム材料の厚みや屈折率変化量によって変わり、厚みが厚いほど、また屈折率変化が大きいほど、急激に低下する。つまり波長選択性が鋭くなり、数１０に示す式の回折の寄与が大きくなる。
【００２１】
したがって、実際には、数１１の波長λＣは回折強度が最大となる波長であり、更に回折光はその近傍にバンド幅を持った波長帯の光も回折する。そこで、ブラッグ条件式を満たす数１１のλＣを回折主波長と呼ぶことにする。
【００２２】
ここで、露光波長λＲ＝４７６ｎｍ、参照光入射角θＲ＝３０゜、物体光入射角θＯ＝１５０゜、反射型ＨＯＥは空気中にあるとして、視線の角度θＣを変えて回折主波長λＣと視線に対応する照明光入射角θＩのふるまいを調べた。それぞれの角度は反射型ＨＯＥの法線の正の向きから反時計回りに測った。その結果を、下記の表１に示す。表１からわかるように、視線の角度θＣが±５度変化すると回折主波長λＣは約±９ｎｍシフトする。
【００２３】
【表１】
ここで、数１１を回折主波長λＣと露光波長λＲの比（相対回折主波長）λＣ／λＲに書き直すと、下記の数１３に示す通りとなる。
【００２５】
【数１３】
λＣ／λＲ＝−［（ｓｉｎθＯ−ｓｉｎθＲ）ｓｉｎθＣ＋（ｃｏｓθＯ−ｃｏｓθＲ）ｃｏｓθＣ］×２／［（ｓｉｎθＯ−ｓｉｎθＲ）２＋（ｃｏｓθＯ−ｃｏｓθＲ）２］
【００２６】
露光の角度をパラメータにして、視線の角度θＣの露光時における参照光の入射角θＲに対する（θＣ−θＲ）を変えたときの数１３に示す相対回折主波長λＣ／λＲの値の変化をグラフにしたのが図２６である。図２６からわかるように、角度差（θＣ−θＲ）が０から離れるに従い、相対回折主波長λＣ／λＲの値も１から離れていく。したがって、視線の角度θＣと露光時の参照光の入射角θＲとの差（θＣ−θＲ）が大きいほど、波長シフトは大きいことがわかる。なお、説明の便宜上、この現象を「波長シフト現象」と呼ぶ。
【００２７】
前記従来の画像表示装置では、製造時の露光用の参照光源の位置をイメージコンバイナの射出瞳の位置と一致させて製造した反射型ホログラム光学素子が用いられている。すなわち、露光時の参照光源の位置が再生系の瞳位置に定義されている。したがって、再生時の主光線については、全画角に渡って、露光時の参照光の入射角と視線の角度との差が実質的にゼロとなるのに対し、イメージコンバイナの射出瞳内においてその中心からずれた位置を通る光線（マージナル光線）については、視線の角度θＣと参照光の入射角θＲとに差が生じる。このため、再生時のマージナル光線には前記波長シフト現象によって波長シフトが起こる。
【００２８】
また、前述の、前記従来の画像表示装置において使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳中心から射出瞳周辺にいくに従って表示画面が暗くなる原因は、瞳周辺に行くに従い波長シフトが大きくなることから、入射照明光のバンド幅と回折強度の波長特性とを掛け合わせた結果としての強度が、瞳周辺に行くに従い下がっているためであり、画像が滲んだように見える原因は、瞳周辺に行くに従い、回折波長が変化しているために横色収差が生じているためであることが、判明した。
【００２９】
本発明者は、特開２０００−３５２６８９号公報及び特開２００１−２６４６８２号公報に記載されている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）の瞳から画像表示素子（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、前記回折波長変化及びそれによる横色収差の量を具体的に求めた。以下にその結果について述べる。
【００３０】
特開２０００−３５２６８９号公報に記載の実施例３の場合、製造時の露光用の参照光源の位置をイメージコンバイナの射出瞳の位置と一致させて作製した反射型ホログラム光学素子が用いられていることから、主光線すなわち瞳の中央から像面の各点へ向かう光線に関してはブラッグ条件を満たす。このため、露光波長と同じ波長５３２ｎｍの光はすべての画角に渡って高い回折効率で反射回折するが、瞳座標ｙ＝１．５（ｙ軸は紙面内上向きにとる）から入射する光線の回折効率は５２７ｎｍのとき最大となる。逆に、瞳座標ｙ＝−１．５の位置から入射する光線の回折効率は５３７ｎｍのとき最大となる。すなわち、瞳の周辺に行くに従って回折波長は±５ｎｍシフトしていることがわかる。ここで、瞳座標とは、瞳面内の位置座標であり、瞳の中心を原点とし、その単位をミリメートルとした。
【００３１】
ここで照明光源に５３２ｎｍ付近に発光ピークを持つ緑色のＬＥＤを用いた場合、例えばその発光特性が半値全幅で２０ｎｍ程度とすると、５３２ｎｍの発光強度を１として、５２７ｎｍの発光強度は０．５、５３７ｎｍの発光強度は０．５である。
【００３２】
したがって、瞳座標ｙ＝±１．５の位置では、たとえ反射型ＨＯＥの回折効率が９０％以上の高効率だったとしても、回折波長が±５ｎｍシフトしているために照明光の強度が中心に比べて０．５になってしまい、観察像が暗くなってしまっている。
【００３３】
また、横色収差を計算すると、波長５３２ｎｍで瞳中心から画角０°で入射する光線の像面上でのｙ座標ｙ＝０．０に対して、波長５２７ｎｍで瞳座標ｙ＝１．５から入射する光線の像面上での高さはｙ＝−０．１０、波長５３７ｎｍで瞳座標ｙ＝−１．５から入射する光線の像面上での高さはｙ＝０．１２、であり０．１ｍｍ以上の横色収差を生じている。
【００３４】
像面すなわち映像形成部材上に、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、上記の倍率色収差量は７画素ないし８画素分に相当する大きな値である。
【００３５】
すなわち、この波長シフトによる色収差によって、瞳周辺に行くに従い像が滲んだようになっていたのである。
【００３６】
本発明者は、このような従来の画像表示装置における前記不都合の原因究明の結果に基づき更に研究を進め、露光時の参照光源の位置と再生系の瞳位置とを同一にして作製された反射型ＨＯＥに代えて、露光時の参照光源の位置を再生虚像の位置（この位置は、通常、イメージコンバイナの射出瞳から１ｍ〜無限遠の位置）の方に移動させて作製された反射型ＨＯＥを、用いることを検討した。
【００３７】
露光時の参照光源の位置を再生虚像の位置の方に移動させて作製された反射型ＨＯＥを用いると、同じ画角の光線であれば、イメージコンバイナの射出瞳内のいずれの位置を通る光線であっても、主光線であるかマージナル光線であるかに拘わらず、視線の角度θＣと参照光の入射角θＲとの差（θＣ−θＲ）が従来に比べて小さくなる。ゆえに、画角中心の光線は、主光線及びマージナル光線の両方とも全明るさに渡って等しく露光波長が回折主波長とほぼ等しくなる。
【００３８】
したがって、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心からずれても表示画面が暗くなったり表示画像が滲んだように見えることがなくなり、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心からずれた場合の画質は前記従来の画像表示装置に比べて大きく向上する。したがって、使用者の使い勝手が大幅に向上する。
【００３９】
ところで、画像表示手段の表示部の中心から発せられ、反射型ホログラム光学素子により回折後、所定の位置を通過したときの回折効率が前記各波長領域で最大となる波長をλｏとし、画像表示手段の表示部の周辺部から発せられ、反射型ホログラム光学素子により回折後、先に述べた所定の位置と同じ位置を通過する光の回折効率が各波長領域で最大となる波長をλｙとし、更に画像表示手段の表示部の周辺部から発せられ、反射型ホログラム光学素子により回折後、所定の位置とは異なる位置でかつ反射型ホログラム光学素子に対する視線の方向は表示部中心から発せられ反射型ホログラム光学素子により回折後所定の位置を通過した光の伝搬方向と同じ方向で伝搬する光の回折効率が各波長領域で最大となる波長をλｚとした場合、上述の本発明では、λｏとλｚとをほぼ同一波長にすることで、射出瞳面内で使用者の眼の瞳の位置が変わっても、ほぼ同じ画質を得ることとしている。そうなると、λｙとλｏとは回折後の光の射出角が互いに異なる条件となっているため、異なる値を示す。
【００４０】
ゆえに、露光時の参照光源の位置を再生系の瞳位置から再生虚像の位置の方向へずらした位置に移動して作製した反射型ＨＯＥにおいて、上述の波長λｏと上述の波長λｙとが、異なるように設定されておれば、使用者の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心からずれた場合でも、画質が劣化しない。
【００４１】
このとき、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心からずれた場合の画質をある程度以上向上させようとする場合には、下記の数１４及び数１５のうちのいずれかの式を満たすことが好ましい。
【００４２】
【数１４】
１．０１３＜λｙ／λｏ
【００４３】
【数１５】
λｙ／λｏ＜０．９８
【００４４】
そして、照明光源の発光スペクトル幅に対して画角による波長シフト量があまりに大きくなると、画面内の一部で光量低下が起きるおそれがある。そこで、これを防止するため、照明光源の発光スペクトル幅と画角による波長シフトを勘案し、発光スペクトル幅が狭い場合には、参照光源を虚像付近から瞳付近の方向へ近付け、波長シフト量を制御することが好ましい。具体的には、画像表示手段から発する光が１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、前記１つの波長領域における半値全幅又は前記複数の波長領域のいずれかの領域における半値全幅をＦＷＨＭとしたとき、下記の数１６を満たすことが好ましい。
【００４５】
【数１６】
０．２＜｜（λｙ−λｏ）／ＦＷＨＭ｜
【００４６】
なお、数１６の左辺の「０．２」とは、波長λｙを中心にした回折波長領域のスペクトル半値幅と、波長λｏを中心にした回折波長領域のスペクトル半値幅とを考慮した結果、光源のスペクトルの半値全幅内に、各波長領域の半値幅分のスペクトルも入るように考慮した結果に基づく。
【００４７】
以上は参照光源の距離に関する検討であるが、さらに本発明者は参照光源の入射角についても検討し、以下の検討結果を得た。すなわち、参照光源の入射角を適切に設定することで、露光光源と照明光源の波長のずれを補正し、常に画面中心に明るさの中心を合わせることができるということである。
【００４８】
露光光源の波長と照明光源の波長とは一致することが望ましいが、通常は露光光源としてレーザーが用いられるとともに照明光源としてＬＥＤが用いられ、レーザーとＬＥＤでは発光手段が異なるため、両者の波長は必ずしも一致しない。そこで多少のズレがある場合には参照光源の角度を調節することにより画角中心の回折主波長と照明光源の主波長を一致させ、画角端での減光を中心振り分けにバランスさせることができることがわかった。
【００４９】
その方法は、参照光と再生入射光の角度差による波長シフトという性質を積極的に使い、画角中心の光線の回折主波長を、露光波長ではなく、照明光源の主波長に一致するように参照光源の入射角を上記のそれからずらすことにより、再生系の画角中心光線の回折主波長を露光波長からずらすことができる。その量は前記の数１１及び数１２から逆算すればよい。すなわち、回折主波長が照明光源の主波長に一致するように入射角度差を計算することが可能である。
【００５０】
具体的には、前記反射型ホログラム光学素子をその作製時に露光するための２光源のうちの再生時に観察者の眼の側となる光源から前記反射型ホログラム光学素子の中心への入射角（ただし、空気中に換算した角度）をθ１とし、前記画像表示手段の前記表示部の中心から発して当該イメージコンバイナの射出瞳の中心へ向かう光線の前記反射型ホログラム素子での反射角（ただし、空気中に換算した角度）をθ２としたとき、下記の数１７を満たせば、画角端での減光を中心振り分けに近い状態でバランスさせることができる。
【００５１】
【数１７】
０．８°＜｜θ１−θ２｜
【００５２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるイメージコンバイナ及び画像表示装置について、図面を参照して説明する。
【００５３】
［第１の実施の形態］
【００５４】
図１は、本発明の第１の実施形態による画像表示装置の構成及びその光線（画像表示素子２からの光線のみ）の概略の経路を示す図である。
【００５５】
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、そのＺ座標値の大きくなる向きは右と定義する。図１の紙面内の上下方向をＹ軸とし、Ｙ座標値の大きくなる向きは上と定義する。図１の紙面に垂直な方向をＸ軸とし、右手系、すなわち、図１の紙面から奥の方向をＸ座標値が大きくなる向きと定義する。なお、Ｙ軸方向は、実際の上下方向と一致していても良いし、その他の適宜方向であってもよい。これらの定義は後述する図９および図１６についても、同様である。
【００５６】
本実施の形態による画像表示装置は、イメージコンバイナ１と、画像表示素子２とを備えている。
【００５７】
本実施の形態では、画像表示素子２として透過型ＬＣＤが用いられている。画像表示素子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、画像表示素子２として、反射型ＬＣＤ等の他の素子を用いても良いし、エレクトロルミネッセンス発光素子を用いても良いことは、言うまでもない。
【００５８】
本実施の形態では、ＬＥＤ３として３色ＬＥＤが用いられている。図２７は、ＬＥＤ３の発光スペクトルを示す。図２７において、ラインＬＲはＬＥＤ３の赤色発光部の発光スペクトルを示し、ラインＬＧはＬＥＤ３の緑色発光部の発光スペクトルを示し、ラインＬＢはＬＥＤ３の青色発光部の発光スペクトルを示している。図２７からわかるように、ＬＥＤ３が発する光は、Ｒ（Ｒｅｄ）の波長領域、Ｇ（Ｇｒｅｅｎ）の波長領域及びＢ（Ｂｌｕｅ）の波長領域の各波長領域においてそれぞれピーク波長を有し、各ピーク波長の前後に渡る各波長領域においてそれぞれ強度を有している。このＬＥＤ３のＲ波長領域におけるピーク波長についてのスペクトル強度の半値全幅ＦＷＨＭｒは２３ｎｍ、Ｇ波長領域におけるピーク波長についての半値全幅ＦＷＨＭｇは６０．８ｎｍ、Ｂ波長領域におけるピーク波長についての半値全幅ＦＷＨＭｂは２９ｎｍである。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。
【００５９】
なお、本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６がＧ波長帯域の成分のみを選択的に回折反射するように構成されているので、ＬＥＤ３として、図２７中のＧ波長領域の成分のみを発光するＧ用の単色ＬＥＤを用いてもよい。
【００６０】
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状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良い。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。
【００６１】
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、画像表示素子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。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及び画像表示素子２も、前記支持部材により支持されている。これにより、画像表示素子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。
【００６２】
もっとも、画像表示素子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中の画像表示素子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。
【００６３】
なお、図１において、点Ａ１，Ａ２は、画像表示素子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。
【００６４】
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、画像表示素子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。
【００６５】
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に対して所定角度傾けられている。
【００６６】
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製し、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。
【００６７】
本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６は、画像表示素子２からの光のうち、図２７に示すＧ波長帯域に含まれる成分の光のみを選択的に反射させる。一方、反射型ＨＯＥ６は、外界光（図示せず）のほとんどの波長域の光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。
【００６８】
反射型ＨＯＥ６は、図１に示すように、画像表示素子２からの光のうち図２７に示すＧ波長帯域に含まれる成分の光のみを選択的に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。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の発生する画角による収差変動量が小さくなり、好ましい。
【００６９】
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２つの光源からの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。
【００７０】
画像表示素子２の表示部上の任意の点を通過した光は、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で全反射した後、反射型ＨＯＥ６に入射する。このとき、この光は、反射型ＨＯＥ６により、波長選択性（本実施の形態ではＧ光選択性）を持つ反射回折作用、及び結像作用を受ける。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。この時、画像表示素子２の同一箇所から出た光は、射出瞳Ｐから所定距離（本実施の形態では、１ｍ。この距離は後述する他の実施の形態も同様。例えば、無限遠としてもよい。）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。
【００７１】
画像表示素子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、Ｇ光の成分のみを持つ。ここで、画像表示素子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Ｇ光（図２７中のＧ波長領域の光）のうちの、画像表示素子２の任意の点から発して射出瞳Ｐの中心Ｐ０に到達する光線を、ここではＧ波長領域に関する主光線と呼ぶ。
【００７２】
本実施の形態では、画像表示素子２の表示部の中心から発せられたＧ波長領域に関する主光線が反射型ＨＯＥ６で回折反射される際に回折効率が最大となる波長をλｏｇとし、画像表示素子２の表示部の図１中のＹ方向の最周辺部から発せられたＧ波長領域に関する主光線が反射型ＨＯＥ６で回折反射される際に回折効率が最大となる波長をλｙｇとしたときに、下記の数１８及び数１９のうちのいずれかの式を満たしている。したがって、本実施の形態によれば、既に説明した内容からわかるように、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心からずれた場合の画質を向上させることができる。
【００７３】
【数１８】
１．０１３＜λｙｇ／λｏｇ
【００７４】
【数１９】
λｙｇ／λｏｇ＜０．９８
【００７５】
また、本実施の形態では、下記の数２０を満たしている。したがって、本実施の形態によれば、既に説明した内容からわかるように、ＬＥＤ３の発光スペクトルのＧの波長領域幅に対して画角による波長シフト量が抑えられ、画面内の一部で光量低下が起きるおそれがなくなる。
【００７６】
【数２０】
０．２＜｜（λｙｇ−λｏｇ）／ＦＷＨＭｇ｜
【００７７】
さらに、本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６をその作製時にＧ波長領域に対応して露光するための２光源のうちの再生時に観察者の眼の側となる光源から反射型ＨＯＥ６の中心への入射角（ただし、空気中に換算した角度）をθ１ｇとし、画像表示素子２の表示部の中心から発して射出瞳Ｐの中心Ｐ０へ向かう光線の前記反射型ホログラム素子での反射角（ただし、空気中に換算した角度）をθ２としたとき、下記の数２１を満たしている。したがって、本実施の形態によれば、既に説明した内容からわかるように、画角端での減光を中心振り分けに近い状態でバランスさせることができる。
【００７８】
【数２１】
０．８°＜｜θ１ｇ−θ２｜
【００７９】
ここで、第１の実施の形態の具体例について、図１を参照して説明する。こ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Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ製のｃｏｄｅ Ｖ（商品名）を用いた。このとき、画像表示素子２の表示部の中心Ａ０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。
【００８０】
この具体例の光学的な諸量は、下記の通りである。
【００８１】
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。
【００８２】
ＨＯＥ６の定義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光束の定義は各光源の位置と、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２０μｍ、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％と仮定している。収縮による再生光の波長変動は比例関係にあるので波長も３．３％短くなり、再生の中心波長は５１２ｎｍである。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。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、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ｃｏｄｅ Ｖ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２に提示する。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）から画像表示素子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。
【００８６】
【表２】
表２で用いた位相関数の定義は、ＨＯＥ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、一般形の下記の数２２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、この係数は６５個まで指定可能であって、順にＣ１，Ｃ２，Ｃ３，・・・，Ｃ６５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との間に下記の数２３という関係が成り立つように対応付ける。すなわち、本例では、位相関数は、下記の数２４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。
【００８８】
【数２２】
【数２３】
【数２４】
ここで用いたアナモルフィック非球面５ｃの定義は、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数２５で示すように表すことで定義する。
【００９２】
【数２５】
数２５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Ｐ０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３に示す。
【００９５】
【表３】
本具体例のＨＯＥ６の第１光源の位置は、ＨＸ１：０，ＨＹ１：０．２１４３８５×１０＋０８，ＨＺ１：０．１５５７６９×１０＋０８より、図２中のｙｚ座標の第１象現で、原点からの距離２．６５×１０７ｍｍ、ｚ軸負の方向から測った角度は５４度である。ただし、ＨＶ１がＶＩＲであるため収束光であり、実際はその逆の方向から入射する。そして、ＨＯＥ６の２光源は空気中に定義されるため、再生時のＨＯＥ６が媒質中にある場合は、距離と角度を屈折率換算して比較する。
【００９７】
この例の場合、距離はほぼ無限遠のため換算しなくてもよい。この光源距離は再生虚像と射出瞳の間の虚像に近い距離のため、射出瞳内の各位置での回折主波長が一定である。その代わりに、画角によって回折主波長がシフトする。
【００９８】
一方、角度の方は、第１光源のＨＯＥ法線に対する入射角度が空気中で５４°である。ここで、再生時の光軸上の光は屈折率約１．６の媒質中を入射角３０°で入射するため、空気中に換算すると５３．１°である。したがって、露光光のＨＯＥ６に対する入射角θ１ｇと、再生光のＨＯＥ６に対する入射角θ２とは、０．９°ずれていることになる。これにより、画角０°の回折主波長は、収縮のみ考慮した再生中心波長５１２ｎｍより少しずれ、光源の緑色発光スペクトルのピーク波長５１６ｎｍに近づいている。
【００９９】
本具体例について回折効率を計算すると、各画角−５°、０°、＋５°（Ｙ方向の画角。Ｘ方向の画角は０゜）で各瞳座標Ｐｙ−１．５ｍｍ、０ｍｍ、＋１．５ｍｍを通る光線の回折効率主波長は、下記の表４に示す通りとなっている。ここで、瞳座標Ｐｙは、図１中の紙面内における射出瞳Ｐ内でのＹ軸方向の位置座標であり、Ｐｙ＝０ｍｍの位置は射出瞳Ｐの中心Ｐ０を示す。なお、瞳座標Ｐｙ＝０ｍｍを通る光線は、いずれの画角の光線であっても主光線である。
【０１００】
【表４】
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及び図４に示す。図３及び図４において、画角ごとに回折主波長±１０ｎｍの光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。図３及び図４から、画角内全域に渡り色収差が少なく、結像性能が優れていることがわかる。
【０１０２】
そして、本具体例のＨＯＥ６の回折効率の波長特性を図５及び図６に示す。図５は、各画角−５°、０°、＋５°（Ｙ方向の画角。Ｘ方向の画角は０゜）の主光線（Ｐｙ＝０ｍｍ）の回折効率の波長特性を示している。図６は、画角（Ｘ，Ｙ）＝（０゜，０゜）で各瞳座標−１．５ｍｍ、０ｍｍ、＋１．５ｍｍを通る光線の回折効率の波長特性を示している。図６では、各瞳座標に関する波長特性は一致しており重なっている。図５には画角によって回折主波長がシフトしている様子が示され、図６には瞳座標によっては回折主波長がシフトしていない様子が示されている。
【０１０３】
図５及び図６には、ＬＥＤ３の図２７に示す各波長領域のうち、対応するＧ波長領域の発光スペクトルも重ね描きしてある。実際に、観察者の眼に届く光量（明るさ）は、この２種類のグラフの積（回折効率とＧ波長領域の発光スペクトルとの積）になる。画面内の明るさ分布を図７に示し、瞳面内の明るさ分布を図８に示す。図７中の各プロット点は、図５中の各画角の回折効率のピークと当該ピークの波長のＬＥＤ３の発光強度との積に相当している。図８中の各プロット点は、図６中の各瞳座標の回折効率のピークと当該ピークの波長のＬＥＤ３の発光強度との積に相当している。なお、図７及び図８の縦軸は明るさを示し、最も明るいものを１として規格化してある。
【０１０４】
本具体例では、画角−５°および＋５°の回折主波長λｙｇと画角中心の回折主波長λｏｇとの比λｙｇ／λｏｇは、それぞれ１．０２６、０．９６８であり、０．９８以下、１．０１３以上となっており、前述した数１８、数１９の条件を満たしている。その結果、図８に示すように、瞳面内の強度がフラットになっている。
【０１０５】
また、画角中心と周辺の回折主波長の差｜λｙｇ−λｏｇ｜は、それぞれ１３．１６、１６．４８であり、本具体例で使用した光源の半値全幅ＦＷＨＭｇは６０．８ｎｍであるから、数２０の右辺の値を算出すると、画角−５°および＋５°でそれぞれ０．２２、０．２７であり、数２０の条件を満たしている。その結果、図７及び図８に示すように、瞳面内も画面内もバランスの取れた明るさとなっている。
【０１０６】
また、参照光源の角度θ１ｇと光線追跡の光軸入射角θ２との差は０．９°であり、数２１の条件を満たしている。
【０１０７】
［第２の実施の形態］
【０１０８】
図９は、本発明の第２の実施の形態による画像表示装置の構成およびその光線（画像表示素子２からの光線のみ）の経路を示す図である。図９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９において光源を構成するＬＥＤ３及び反射鏡４は省略している。
【０１０９】
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、前記第１の実施の形態では、反射型ＨＯＥ６がＧ波長帯域の成分のみを選択的に回折反射するように構成されていたのに対し、本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６がＢ波長帯域の成分のみを選択的に回折反射するように構成されている点である。
【０１１０】
なお、本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６がＢ波長帯域の成分のみを選択的に回折反射するように構成されているので、ＬＥＤ３として、図２７中のＢ波長領域の成分のみを発光するＢ用の単色ＬＥＤを用いてもよい。
【０１１１】
ここで、画像表示素子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Ｂ光（図２７中のＢ波長領域の光）のうちの、画像表示素子２の任意の点から発して射出瞳Ｐの中心Ｐ０に到達する光線を、ここではＢ波長領域に関する主光線と呼ぶ。
【０１１２】
本実施の形態では、画像表示素子２の表示部の中心から発せられたＢ波長領域に関する主光線が反射型ＨＯＥ６で回折反射される際に回折効率が最大となる波長をλｏｂとし、画像表示素子２の表示部の図９中のＹ方向の最周辺部から発せられたＢ波長領域に関する主光線が反射型ＨＯＥ６で回折反射される際に回折効率が最大となる波長をλｙｂとしたときに、下記の数２６及び数２７のうちのいずれかの式を満たしている。したがって、本実施の形態によれば、既に説明した内容からわかるように、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心からずれた場合の画質を向上させることができる。
【０１１３】
【数２６】
１．０１３＜λｙｂ／λｏｂ
【０１１４】
【数２７】
λｙｂ／λｏｂ＜０．９８
【０１１５】
また、本実施の形態では、下記の数２８を満たしている。したがって、本実施の形態によれば、既に説明した内容からわかるように、ＬＥＤ３の発光スペクトルのＢの波長領域幅に対して画角による波長シフト量が抑えられ、画面内の一部で光量低下が起きるおそれがなくなる。
【０１１６】
【数２８】
０．２＜｜（λｙｂ−λｏｂ）／ＦＷＨＭｂ｜
【０１１７】
さらに、本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６をその作製時にＢ波長領域に対応して露光するための２光源のうちの再生時に観察者の眼の側となる光源から反射型ＨＯＥ６の中心への入射角（ただし、空気中に換算した角度）をθ１ｂとし、画像表示素子２の表示部の中心から発して射出瞳Ｐの中心Ｐ０へ向かう光線の前記反射型ホログラム素子での反射角（ただし、空気中に換算した角度）をθ２としたとき、下記の数２９を満たしている。したがって、本実施の形態によれば、既に説明した内容からわかるように、画角端での減光を中心振り分けに近い状態でバランスさせることができる。
【０１１８】
【数２９】
０．８°＜｜θ１ｂ−θ２｜
【０１１９】
ここで、本実施の形態の具体例について、図９を参照して説明する。この具体例の光学的な諸量は、下記の通りである。
【０１２０】
本具体例では、ＨＯＥ６の露光波長は、４７６ｎｍとされている。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。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。
【０１２１】
また、この具体例の光線追跡のための諸量を、下記の表５に提示する。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）から画像表示素子２への順である。
【０１２２】
【表５】
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９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６に示す。
【０１２４】
【表６】
本具体例のＨＯＥ６の第１光源の位置は、ＨＸ１：０，ＨＹ１：−．２４３８２０×１０＋０２，ＨＺ１：−．１６５５１２×１０＋０２より、図２のｙｚ座標の第３象現で、原点からの距離２６．４６９ｍｍ、ｚ軸負の方向から測った角度は５５．８度である。そして、ＨＶ１がＲＥＡであるため発散光である。第１の実施の形態と同様にＨＯＥ６の２光源は空気中に定義されるため、再生時のＨＯＥ６が媒質中にある場合は、距離と角度を屈折率換算して比較する。
【０１２６】
ＨＯＥ６の面は瞳面から１４．７ｍｍの距離であるが、このうち１．７ｍｍは屈折率約１．６の媒質中であるので、空気換算長は１．０６ｍｍとなり、ＨＯＥ６から瞳面までの空気換算距離は１４．０６ｍｍとなる。したがって、この例の光源距離は虚像と瞳の間で、瞳の約２倍の距離である。
【０１２７】
一方、角度の方は、第１光源のＨＯＥ６の法線に対する入射角度が空気中で５５．８°である。ここで再生時の光軸上の光は屈折率約１．６の媒質中を入射角３０°で入射するため、空気中に換算すると５３．１°である。したがって、露光光のＨＯＥ６に対する入射角θ１ｂと、再生光のＨＯＥ６に対する入射角θ２とは、２．７°ずれていることになる。これにより、画角０°の回折主波長は、露光波長４７６ｎｍから、乳剤の収縮（３．３％と仮定）により４６０．３ｎｍにシフトするが、第１光源の角度ずれによりそこから更に少しずれ、光源の青色発光スペクトルのピーク波長４６３ｎｍに近づいている。
【０１２８】
本具体例について回折効率を計算すると、各画角−５°、０°、＋５°（Ｙ方向の画角。Ｘ方向の画角は０゜）で各瞳座標Ｐｙ−１．５ｍｍ、０ｍｍ、＋１．５ｍｍを通る光線の回折効率主波長は、下記の表７に示す通りとなっている。ここで、瞳座標Ｐｙは、図９中の紙面内における射出瞳Ｐ内でのＹ軸方向の位置座標であり、Ｐｙ＝０ｍｍの位置は射出瞳Ｐの中心Ｐ０を示す。なお、瞳座標Ｐｙ＝０ｍｍを通る光線は、いずれの画角の光線であっても主光線である。
【０１２９】
【表７】
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１０及び図１１に示す。図１０及び図１１において、画角ごとに回折主波長±１０ｎｍの光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。図１０及び図１１から、画角内全域に渡り色収差が少なく、結像性能が優れていることがわかる。
【０１３１】
本具体例で使用した３つの波長領域を持つＬＥＤ３（図９では図示せず）は、第１の実施の形態で用いたものと同じであり、図２７に示す発光スペクトルを持つものである。
【０１３２】
そして、本具体例のＨＯＥ６の回折効率の波長特性を図１２及び図１３に示す。図１２は、各画角−５°、０°、＋５°（Ｙ方向の画角。Ｘ方向の画角は０゜）の主光線（Ｐｙ＝０ｍｍ）の回折効率の波長特性を示している。図１３は、画角（Ｘ，Ｙ）＝（０゜，０゜）で各瞳座標−１．５ｍｍ、０ｍｍ、＋１．５ｍｍを通る光線の回折効率の波長特性を示している。図１２には画角によって回折主波長がシフトしている様子が示され、図１３には瞳座標によって回折主波長がシフトしている様子が示されている。この具体例では、光源距離が第１実施の形態に比べて瞳の近くにあるため、瞳面内の回折波長シフトも生じている。
【０１３３】
図１２及び図１３には、ＬＥＤ３の図２７に示す各波長領域のうち、対応するＢ波長領域の発光スペクトルも重ね描きしてある。実際に、観察者の眼に届く光量（明るさ）は、この２種類のグラフの積（回折効率とＢ波長領域の発光スペクトルとの積）になる。画面内の明るさ分布を図１４に示し、瞳面内の明るさ分布を図１５に示す。図１４中の各プロット点は、図１２中の各画角の回折効率のピークと当該ピークの波長のＬＥＤ３の発光強度との積に相当している。図１５中の各プロット点は、図１３中の各瞳座標の回折効率のピークと当該ピークの波長のＬＥＤ３の発光強度との積に相当している。なお、図１４及び図１５の縦軸は明るさを示し、最も明るいものを１として規格化してある。
【０１３４】
本具体例では、画角−５°および＋５°の回折主波長λｙｂと画角中心の回折主波長λｏｂとの比λｙｂ／λｏｂは、それぞれ１．０２８、０．９６５であり、０．９８以下、１．０１３以上となっており、前述した数２６、数２７の条件を満たしている。その結果、図１５に示すように、瞳面内の強度がフラットに近くなっている。
【０１３５】
また、画角中心と周辺の回折主波長の差｜λｙｂ−λｏｂ｜は、それぞれ１３．２、１６．５であり、本具体例で使用した光源の半値全幅ＦＷＨＭｂは２９ｎｍであるから、数２８の右辺の値を算出すると、画角−５°および＋５°でそれぞれ０．４６、０．５７であり、数２８の条件を満たしている。その結果、図１４及び図１５に示すように、瞳面内も画面内もバランスの取れた明るさとなっている。
【０１３６】
また、参照光源の角度θ１ｇと光線追跡の光軸入射角θ２との差は２．７°であり、数２９の条件を満たしている。
【０１３７】
［第３の実施の形態］
【０１３８】
図１６は本発明の第３の実施の形態による画像表示装置の構成およびその光線（画像表示素子２からの光線のみ）の経路を示す図である。図１６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１６において光源を構成するＬＥＤ３及び反射鏡４は省略している。
【０１３９】
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、前記第１の実施の形態では、反射型ＨＯＥ６がＧ波長帯域の成分のみを選択的に回折反射するように構成されていたのに対し、本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６がＲ波長帯域の成分のみを選択的に回折反射するように構成されている点である。
【０１４０】
なお、本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６がＲ波長帯域の成分のみを選択的に回折反射するように構成されているので、ＬＥＤ３として、図２７中のＲ波長領域の成分のみを発光するＲ用の単色ＬＥＤを用いてもよい。
【０１４１】
ここで、画像表示素子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Ｒ光（図２７中のＲ波長領域の光）のうちの、画像表示素子２の任意の点から発して射出瞳Ｐの中心Ｐ０に到達する光線を、ここではＲ波長領域に関する主光線と呼ぶ。
【０１４２】
本実施の形態では、画像表示素子２の表示部の中心から発せられたＲ波長領域に関する主光線が反射型ＨＯＥ６で回折反射される際に回折効率が最大となる波長をλｏｒとし、画像表示素子２の表示部の図１６中のＹ方向の最周辺部から発せられたＲ波長領域に関する主光線が反射型ＨＯＥ６で回折反射される際に回折効率が最大となる波長をλｙｒとしたときに、下記の数３０及び数３１のうちのいずれかの式を満たしている。したがって、本実施の形態によれば、既に説明した内容からわかるように、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心からずれた場合の画質を向上させることができる。
【０１４３】
【数３０】
１．０１３＜λｙｒ／λｏｒ
【０１４４】
【数３１】
λｙｒ／λｏｒ＜０．９８
【０１４５】
また、本実施の形態では、下記の数３２を満たしている。したがって、本実施の形態によれば、既に説明した内容からわかるように、ＬＥＤ３の発光スペクトルのＲの波長領域幅に対して画角による波長シフト量が抑えられ、画面内の一部で光量低下が起きるおそれがなくなる。
【０１４６】
【数３２】
０．２＜｜（λｙｒ−λｏｒ）／ＦＷＨＭｒ｜
【０１４７】
さらに、本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６をその作製時にＲ波長領域に対応して露光するための２光源のうちの再生時に観察者の眼の側となる光源から反射型ＨＯＥ６の中心への入射角（ただし、空気中に換算した角度）をθ１ｒとし、画像表示素子２の表示部の中心から発して射出瞳Ｐの中心Ｐ０へ向かう光線の前記反射型ホログラム素子での反射角（ただし、空気中に換算した角度）をθ２としたとき、下記の数３３を満たしている。したがって、本実施の形態によれば、既に説明した内容からわかるように、画角端での減光を中心振り分けに近い状態でバランスさせることができる。
【０１４８】
【数３３】
０．８°＜｜θ１ｒ−θ２｜
【０１４９】
ここで、本実施の形態の具体例について、図１６を参照して説明する。この具体例の光学的な諸量は、下記の通りである。
【０１５０】
本具体例では、ＨＯＥ６の露光波長は、６４７ｎｍとされている。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。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。
【０１５１】
また、この具体例の光線追跡のための諸量を、下記の表８に提示する。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）から画像表示素子２への順である。
【０１５２】
【表８】
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１６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９に示す。
【０１５４】
【表９】
本具体例のＨＯＥ６の第１光源の位置は、ＨＸ１：０，ＨＹ１：−．１２４５９７×１０＋０２，ＨＺ１：−．８４１７６４×１０＋０１より、図２のｙｚ座標の第３象現で、原点からの距離１５．０４ｍｍ、ｚ軸負の方向から測った角度は５６度である。そして、ＨＶ１がＲＥＡであるため発散光である。第１の実施の形態と同様にＨＯＥ６の２光源は空気中に定義されるため、再生時のＨＯＥ６が媒質中にある場合は距離と角度を屈折率換算して比較する。
【０１５６】
ＨＯＥ６の面は瞳面から１４．７ｍｍの距離であるが、このうち１．７ｍｍは屈折率約１．６の媒質中であるので、空気換算長は１．０６ｍｍとなり、ＨＯＥ６から瞳面までの空気換算距離は１４．０６ｍｍとなる。従ってこの例の光源距離は虚像と瞳の間で、瞳に近い距離である。
【０１５７】
一方、角度の方は、第１光源のＨＯＥ６の法線に対する入射角度が空気中で５６°である。ここで再生時の光軸上の光は屈折率約１．６の媒質中を入射角３０°で入射するため、空気中に換算すると５３．１°である。したがって、露光光のＨＯＥ６に対する入射角θ１ｒと、再生光のＨＯＥ６に対する入射角θ２とは、２．９°ずれていることになる。これにより、画角０°の回折主波長は、露光波長６４７ｎｍから、乳剤の収縮（３．３％と仮定）により６２５．６ｎｍにシフトするが、第１光源の角度ずれによりそこから更に少しずれる。
【０１５８】
本具体例について回折効率を計算すると、各画角−５°、０°、＋５°（Ｙ方向の画角。Ｘ方向の画角は０゜）で各瞳座標Ｐｙ−１．５ｍｍ、０ｍｍ、＋１．５ｍｍを通る光線の回折効率主波長は、下記の表１０に示す通りとなっている。ここで、瞳座標Ｐｙは、図１６中の紙面内における射出瞳Ｐ内でのＹ軸方向の位置座標であり、Ｐｙ＝０ｍｍの位置は射出瞳Ｐの中心Ｐ０を示す。なお、瞳座標Ｐｙ＝０ｍｍを通る光線は、いずれの画角の光線であっても主光線である。
【０１５９】
【表１０】
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１７及び図１８に示す。図１７及び図１８において、画角ごとに回折主波長±１０ｎｍの光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。図１７及び図１８から、画角内全域に渡り色収差が少なく、結像性能が優れていることがわかる。
【０１６１】
本具体例で使用した３つの波長領域を持つＬＥＤ３（図１６では図示せず）は、第１の実施の形態で用いたものと同じであり、図２７に示す発光スペクトルを持つものである。
【０１６２】
そして、本具体例の回折効率の波長特性を図１９及び図２０に示す。図１９は、各画角−５°、０°、＋５°（Ｙ方向の画角。Ｘ方向の画角は０゜）の主光線（Ｐｙ＝０ｍｍ）の回折効率の波長特性を示している。図２０は、画角（Ｘ，Ｙ）＝（０゜，０゜）で各瞳座標−１．５ｍｍ、０ｍｍ、＋１．５ｍｍを通る光線の回折効率の波長特性を示している。図１９には画角によって回折主波長がシフトしている様子が示され、図２０には瞳座標によって回折主波長がシフトしている様子が示されている。この具体例では、光源距離が第１実施の形態に比べて瞳の近くにあるため、瞳面内の回折波長シフトも生じている。
【０１６３】
図１９及び図２０には、ＬＥＤ３の図２７に示す各波長領域のうち、対応するＲ波長領域の発光スペクトルも重ね描きしてある。実際に、観察者の眼に届く光量（明るさ）は、この２種類のグラフの積（回折効率とＲ波長領域の発光スペクトルとの積）になる。画面内の明るさ分布を図２１に示し、瞳面内の明るさ分布を図２２に示す。図２１中の各プロット点は、図１９中の各画角の回折効率のピークと当該ピークの波長のＬＥＤ３の発光強度との積に相当している。図２２中の各プロット点は、図２０中の各瞳座標の回折効率のピークと当該ピークの波長のＬＥＤ３の発光強度との積に相当している。
【０１６４】
本具体例では、画角−５°および＋５°の回折主波長λｙｒと画角中心の回折主波長λｏｒとの比λｙｒ／λｏｒは、それぞれ１．０１６、０．９７９であり、０．９８以下、１．０１３以上となっており、前述した数３０、数３１の条件を満たしている。その結果、図２２に示すように、瞳面内の強度がフラットに近くなっている。
【０１６５】
また、画角中心と周辺の回折主波長の差｜λｙｒ−λｏｒ｜は、それぞれ９．８７、１３．１６であり、本具体例で使用した光源の半値全幅ＦＷＨＭｒは２３ｎｍであるから、数３２の右辺の値を算出すると、画角−５°および＋５°でそれぞれ０．４３、０．５７であり、数３２の条件を満たしている。その結果、図２１及び図２２に示すように、瞳面内も画面内もほぼバランスの取れた明るさとなっている。
【０１６６】
また、参照光源の角度θ１ｒと光線追跡の光軸入射角θ２との差は２．９°であり、数３３の条件を満たしている。
【０１６７】
［第４の実施の形態］
【０１６８】
図面には示していないが、本実施の形態の第４の実施の形態による画像表示装置は、前記第１の実施の形態の具体例による画像表示装置を次のように変形したものである。
【０１６９】
本実施の形態による画像表示装置が、前記第１の実施の形態の具体例による画像表示装置と異なる所は、反射型ＨＯＥ６の構成のみである。本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６は、前記第１の実施の形態の具体例の反射型ＨＯＥ（Ｇ用反射型ＨＯＥ）、前記第２の実施の形態の具体例の反射型ＨＯＥ（Ｂ用反射型ＨＯＥ）、及び、前記第２の実施の形態の具体例の反射型ＨＯＥ（Ｒ用反射型ＨＯＥ）を、３層重ねたものである。なお、本実施の形態において用いるＬＥＤ３も、前記第１の実施の形態と同じく、３つの波長領域を持つＬＥＤであり、図２７に示す発光スペクトルを持つものである。
【０１７０】
このＬＥＤ３からの３つの波長領域の光が画像表示素子２を透過するとき、画像表示素子の１表示単位を空間的に３分割して、それぞれＲ，Ｇ，Ｂに対応するドットとし、対応する画像を表示させてもよいし、時間的に分割してたとえば１／９０秒ごとにＲ，Ｇ，Ｂそれぞれに対応する画像を切り替え表示し、それとＬＥＤの３つの波長領域の発光のタイミングを同期させても良い。そして、それぞれの波長領域の画像情報は対応するＨＯＥの層で回折作用及び結像作用を受け、観察者の瞳に導かれたのち、加法混色されてフルカラー画像を得る。
【０１７１】
本実施の形態において用いられている反射型ＨＯＥ６、すなわち、第１乃至第３の実施の形態の具体例の反射型ＨＯＥを重ねた構造を持つ反射型ＨＯＥの、明るさの画面内特性と瞳面内特性をそれぞれ、図２３及び図２４に示す。図２３及び図２４において、縦軸は明るさを示し、回折効率とＬＥＤの発光強度の積で、最も明るいものを１として規格化してある。
【０１７２】
図２３からわかるように、画面内に関しては、３色の比率がほぼ同程度であるので、画面全域に渡って良好なカラーバランスで観察可能である。また、図２４からわかるように、瞳面内に関しては瞳座標Ｐｙが正の方向でＲｅｄの減光があるが、ＢｌｕｅとＧｒｅｅｎはほとんどフラットであるから観察者の眼の動きに対しても多少赤みの度合が変化するだけで、明るさが急激に減るようなことはない。
【０１７３】
以上、本発明の各実施の形態及びそれらの具体例について説明したが、本発明はこれらの実施の形態や具体例に限定されるものではない。
【０１７４】
例えば、前述した各実施の形態は、本発明によるイメージコンバイナを用いて頭部装着式の画像表示装置を構成した例であったが、前述した各実施の形態で採用されていた各イメージコンバイナ１は、カメラのファインダーや顕微鏡及び双眼鏡の接眼レンズ部に装着し得るように構成したり、あるいは、当該イメージコンバイナをカメラや顕微鏡や双眼鏡等に組み込んでもよい。
【０１７５】
また、前述した各実施の形態は、本発明をシースルー型の頭部装着式画像表示装置に適用した例であったが、本発明は、シースルー型ではない画像表示装置に適用することもできる。この場合、前述した各実施の形態による画像表示装置において、外界からの光がイメージコンバイナ１に入射しないように構成すればよい。この場合、イメージコンバイナ１の部分は、２つの像を重ね合わせるものではないので、イメージコンバイナとは言えず、画像表示素子２からの光を使用者の眼に導く導光部となる。この場合、イメージコンバイナ１における板状部の下側部分（ＨＯＥ６から下側の部分）を除去してもよい。このようなシースルー型でない画像表示装置は、例えば、特開２００１−２６４６８２号の場合と同様に携帯電話機のフリッパー部に内蔵することができる。
【０１７６】
【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、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心からずれた場合の表示画像の画質の向上を図ることができる画像表示装置、及び、このような画像表示装置などに用いることができるイメージコンバイナ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の実施の形態による画像表示装置の構成及びその光線の概略の経路を示す図である。
【図２】ホログラムを定義する２光源の座標系を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の具体例の横収差図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の具体例の他の横収差図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態の具体例の各画角ごとの回折効率と波長の関係を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態の具体例の各瞳座標ごとの回折効率と波長の関係を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態の具体例の画面内の明るさを示す図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態の具体例の瞳面内の明るさを示す図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態による画像表示装置の構成及びその光線の概略の経路を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態の具体例の横収差図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態の具体例の他の横収差図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態の具体例の各画角ごとの回折効率と波長の関係を示す図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態の具体例の各瞳座標ごとの回折効率と波長の関係を示す図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態の具体例の画面内の明るさを示す図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態の具体例の瞳面内の明るさを示す図である。
【図１６】本発明の第３の実施の形態による画像表示装置の構成及びその光線の概略の経路を示す図である。
【図１７】本発明の第３の実施の形態の具体例の横収差図である。
【図１８】本発明の第３の実施の形態の具体例の他の横収差図である。
【図１９】本発明の第３の実施の形態の具体例の各画角ごとの回折効率と波長の関係を示す図である。
【図２０】本発明の第３の実施の形態の具体例の各瞳座標ごとの回折効率と波長の関係を示す図である。
【図２１】本発明の第３の実施の形態の具体例の画面内の明るさを示す図である。
【図２２】本発明の第３の実施の形態の具体例の瞳面内の明るさを示す図である。
【図２３】本発明の第４の実施の形態による画像表示装置の画面内の明るさを各色ごとに示す図である。
【図２４】本発明の第４の実施の形態による画像表示装置の瞳面内の明るさを各色ごとに示す図である。
【図２５】ブラッグ条件の説明図である。
【図２６】反射型ホログラム光学素子への入射角度の変化に対する回折主波長の変化の関係を示す図である。
【図２７】本発明の第１乃至第４の実施の形態による画像表示装置の照明光源の波長特性を示す図である。
【符号の説明】
１ イメージコンバイナ
２ 画像表示素子
３ ＬＥＤ
４ 反射鏡
５ 板状部
６ 反射型ホログラム光学素子
Claims (9)
- 反射型ホログラム光学素子が設けられ、画像表示手段からの光と外界からの光を重畳させるイメージコンバイナであって、
前記画像表示手段から発する光が１つ以上のピーク波長の各々の前後に渡る波長領域の成分を持ち、
前記画像表示手段の表示部の中心から発せられた主光線が、前記反射型ホログラム光学素子により回折後、回折効率が前記１つ以上のピーク波長のうちの１つのピーク波長の付近の波長領域で最大となる波長をλｏとし、
前記表示部の周辺部から発せられた主光線が、前記反射型ホログラム光学素子により回折後、回折効率が前記１つのピーク波長の付近の波長領域で最大となる波長をλｙとしたときに、
前記波長λｏと前記波長λｙとが異なることを特徴とするイメージコンバイナ。 - 下記の数１及び数２のうちのいずれかの式を満たすことを特徴とする請求項１記載のイメージコンバイナ。
- 前記画像表示手段から発する光の前記１つのピーク波長についての半値全幅をＦＷＨＭとしたとき、下記の数３を満たすことを特徴とする請求項１又は２記載のイメージコンバイナ。
- 前記反射型ホログラム光学素子をその作製時に前記１つの波長領域又は前記１つの個別波長領域に対応して露光するための２光源のうちの再生時に観察者の眼の側となる光源から前記反射型ホログラム光学素子の中心への入射角（ただし、空気中に換算した角度）をθ１とし、前記画像表示手段の前記表示部の中心から発して当該イメージコンバイナの射出瞳の中心へ向かう光線の前記反射型ホログラム素子での反射角（ただし、空気中に換算した角度）をθ２としたとき、下記の数４を満たすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のイメージコンバイナ。
- 請求項１乃至４のいずれかに記載のイメージコンバイナと、前記画像表示手段とを備え、使用時に少なくとも前記イメージコンバイナを含む部分が使用者に装着されることを特徴とする画像表示装置。
- 画像表示手段と、該画像表示手段からの光を使用者の眼に導く導光部とを備えた画像表示装置であって、
前記導光部は反射型ホログラム光学素子を有し、
前記画像表示手段から発する光が１つ以上のピーク波長の各々の前後に渡る波長領域の成分を持ち、
前記画像表示手段の表示部の中心から発せられた主光線が、前記反射型ホログラム光学素子により回折後、回折効率が前記１つ以上のピーク波長のうちの１つのピーク波長の付近の波長領域で最大となる波長をλｏとし、
前記表示部の周辺部から発せられた主光線が、前記反射型ホログラム光学素子により回折後、回折効率が前記１つのピーク波長の付近の波長領域で最大となる波長をλｙとしたときに、
前記波長λｏと前記波長λｙとが異なることを特徴とする画像表示装置。 - 下記の数５及び数６のうちのいずれかの式を満たすことを特徴とする請求項６記載の画像表示装置。
- 前記画像表示手段から発する光の前記１つのピーク波長についての半値全幅をＦＷＨＭとしたとき、下記の数７を満たすことを特徴とする請求項６又は７記載の画像表示装置。
- 前記反射型ホログラム光学素子をその作製時に前記１つの波長領域又は前記１つの個別波長領域に対応して露光するための２光源のうちの再生時に観察者の眼の側となる光源から前記反射型ホログラム光学素子の中心への入射角（ただし、空気中に換算した角度）をθ１とし、前記画像表示手段の前記表示部の中心から発して当該イメージコンバイナの射出瞳の中心へ向かう光線の前記反射型ホログラム素子での反射角（ただし、空気中に換算した角度）をθ２としたとき、下記の数８を満たすことを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の画像表示装置。
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