JP2006349719A - 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ Download PDF

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Yasushi Tanijiri
靖 谷尻
Ichiro Kasai
一郎 笠井
Tetsuya Noda
哲也 野田
Takeshi Endo
毅 遠藤
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Abstract

【課題】 カラーフィルタを有する表示素子を用いても、ＲＧＢの色純度を高めて色再現領域を広くする。
【解決手段】 表示素子のカラーフィルタは、ＲＧＢの光をそれぞれ透過させる３つのフィルタで構成される。ホログラム光学素子におけるＲＧＢの回折効率半値の波長幅をそれぞれΔλ１（Δλ１R、Δλ１G、Δλ１B）とし、カラーフィルタにおけるＲＧＢの透過率半値の波長幅をそれぞれΔλ２（Δλ２R、Δλ２G、Δλ２B）とすると、各色について、Δλ１＜Δλ２とする。つまり、Δλ１R＜Δλ２R、Δλ１G＜Δλ２G、Δλ１B＜Δλ２Bとする。これにより、ＲＧＢのそれぞれについて、表示素子のカラーフィルタを透過した光のうち、さらに波長域を絞った光のみをホログラム光学素子にて回折させて観察者の瞳に導くことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、表示素子にて表示されたカラー映像を虚像として観察者に提供する映像表示装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤと略称する）とに関するものである。
従来から、液晶表示素子などの表示素子にて表示されたカラー映像を虚像として観察可能とする映像表示装置が種々提案されている。例えば、特許文献１の装置では、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色の光を出射する光源（例えばＬＥＤ）で透過型液晶表示素子を照明し、透過型液晶表示素子から出射される映像光をプリズムで全反射させ、ホログラム光学素子を介して観察者の瞳に導くようにしている。
また、特許文献２の装置では、ＲＧＢの各色光を出射する光源（例えばＬＥＤ）で透過型液晶表示素子を照明し、透過型液晶表示素子から出射される映像光を２つのホログラム光学素子で順に回折させて観察者の瞳に導くようにしている。
特開２００１−８３４５５号公報（図１参照） 特開２００１−１５７２２８号公報（図８参照）
ところで、映像表示装置における表示素子には２種類のタイプがある。一つは、時分割で供給されるＲＧＢ光を変調してカラー表示を行うタイプである。そして、もう一つは、光の透過を波長に応じて制限するカラーフィルタなどの透過波長制限フィルタを各画素に配置してカラー表示を行うタイプである。しかし、前者のタイプでは、ＲＧＢ光を時分割で供給する際の周波数を上げないと、表示映像の色が分離して見える、いわゆるカラーブレイクを起こす。したがって、映像の表示品位をより高めるために、後者のタイプの表示素子が映像表示装置に用いられることが多い。
ところが、カラーフィルタを有する表示素子は、一般的に、カラーフィルタの波長制限性があまりよくなく、カラーフィルタを透過させるだけでＲＧＢの色純度を高めることは困難である。したがって、そのようなカラーフィルタを有する表示素子を用いた映像表示装置では、色再現領域が狭いという問題が生じていた。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、カラーフィルタを有する表示素子を用いても、ＲＧＢの色純度を高めて色再現領域を広げることができる映像表示装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイとを提供することにある。
本発明の映像表示装置は、光を出射する光源と、上記光源からの出射光を変調してカラー映像を表示する表示素子と、上記表示素子からの映像光を観察者の瞳に導く接眼光学系とを有する映像表示装置であって、上記表示素子は、上記光源からの出射光のうちで３原色（ＲＧＢ）に対応した波長のいずれかの光を透過させる一方、残りの光の透過を制限する透過波長制限フィルタを、３原色の透過波長のそれぞれに対応して有しており、上記接眼光学系は、上記表示素子から出射される３原色に対応した波長の光を回折するホログラム光学素子を有しており、上記ホログラム光学素子における各色についての回折効率半値の波長幅をそれぞれΔλ１とし、上記透過波長制限フィルタにおける各色についての透過率半値の波長幅をそれぞれΔλ２とすると、各色について、
Δλ１＜Δλ２
であることを特徴としている。
ここで、上記透過波長制限フィルタとしては、例えば、赤色光を透過させる一方、緑色光および青色光の透過を制限するＲフィルタと、緑色光を透過させる一方、青色光および赤色光の透過を制限するＧフィルタと、青色光を透過させる一方、赤色光および緑色光の透過を制限するＢフィルタとを考えることができる。
上記の構成によれば、光源からの出射光は表示素子にて変調され、透過波長制限フィルタ（各ＲＧＢフィルタのいずれか）を透過する。そして、表示素子から出射される３原色に対応した波長の光は、接眼光学系のホログラム光学素子にて各色ごとに回折されて観察者の瞳に導かれる。これにより、観察者は、表示素子にて表示されたカラー映像を虚像として観察することができる。
このとき、Δλ１とΔλ２との関係が、各色（ＲＧＢ）について、Δλ１＜Δλ２となっているので、各色について、表示素子の透過波長制限フィルタを透過した光のうち、さらに波長域を絞った光のみをホログラム光学素子にて回折させて観察者の瞳に導くことができる。これにより、透過波長制限フィルタを有する表示素子を用いても、ＲＧＢの各色純度を高めて観察映像（虚像）の色再現領域を広げることができる。
特に、各色について、Δλ１＜２０ｎｍの条件をさらに満たせば、ＲＧＢの各色純度をさらに高めることができ、虚像の色再現領域を確実に広げることができる。
また、赤色光を透過させる一方、それ以外の光の透過を制限する上記透過波長制限フィルタをＲフィルタとすると、上記Ｒフィルタにおける緑色光の透過率をＴｒＧとし、上記Ｒフィルタにおける赤色光のピーク透過率をＴｒＰとすると、上記ホログラム光学素子での緑の回折波長域の入射光について、
ＴｒＧ≦ＴｒＰ／１０
であることが望ましい。この場合、視感度の高い緑色光のＲフィルタの透過が確実に抑えられるので、Ｒの色純度を確実に高めることができる。
また、青色光を透過させる一方、それ以外の光の透過を制限する上記透過波長制限フィルタをＢフィルタとすると、上記Ｂフィルタにおける緑色光の透過率をＴｂＧとし、上記Ｂフィルタにおける青色光のピーク透過率をＴｂＰとすると、上記ホログラム光学素子での緑の回折波長域の入射光について、
ＴｂＧ≦ＴｂＰ／１０
であることが望ましい。この場合、視感度の高い緑色光のＢフィルタの透過が確実に抑えられるので、Ｂの色純度を確実に高めることができる。
また、上記光源の出射光は、３原色に対応した光を含んでおり、上記ホログラム光学素子における各色についての回折効率のピーク波長をそれぞれλ１とし、上記透過波長制限フィルタにおける各色についての透過率のピーク波長をそれぞれλ２とし、上記光源における３原色の各色についての光強度のピーク波長をそれぞれλ３とすると、各色について、λ１は、λ２±２０ｎｍの範囲内であり、かつ、λ３±１０ｎｍの範囲内であることが望ましい。
この場合、ＲＧＢの各色について、λ１はλ２に近い範囲内でλ３にさらに近いので、光源から出射される光強度の高い光については、透過波長制限フィルタを効率よく透過させてホログラム光学素子にて回折させることができる。したがって、光源からの光の利用効率が高く、明るいカラー映像を虚像として提供することができる。
また、上記光源における３原色の各色についての光強度半値の波長幅をそれぞれΔλ３とすると、各色について、
１／１０＜Δλ１／Δλ３≦１
であることが望ましい。
Δλ１／Δλ３の値が下限値以下であると、色再現性の高い（色再現領域の広い）映像を提供することが可能となるが、明るい映像を提供することが困難となる。逆に、Δλ１／Δλ３の値が上限値を超えると、明るい映像を提供することが可能となるが、色再現性の高い映像を提供することが困難となる。したがって、Δλ１／Δλ３の範囲を上記のように規定することにより、高い色再現性と明るさとを両方満足させる映像を提供することができる。
また、上記ホログラム光学素子は、軸非対称な正の光学パワーを有していることが望ましい。このようなホログラム光学素子を用いることにより、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めることができ、装置を小型化することが容易となる。
また、上記接眼光学系によって形成される光学瞳は、上記ホログラム光学素子への光軸の入射面に平行な方向よりも上記入射面に垂直な方向に大きいことが望ましい。なお、ホログラム光学素子への光軸の入射面とは、ホログラム光学素子における入射光の光軸と反射光の光軸とを含む平面のことである。
ホログラム光学素子が軸非対称である場合、ホログラム光学素子への光軸の入射面に平行な方向では、ホログラム光学素子の波長特性（波長選択性）が大きく、入射光の入射角がずれると回折波長がずれやすい。したがって、上記入射面に垂直な方向に光学瞳を大きくする、つまり、波長特性が小さい方向に光学瞳を大きくすることにより、色ムラが少なく、かつ、観察しやすい映像を観察者に提供することができる。また、光学瞳の大きさは、上記入射面に垂直な方向よりも上記入射面に平行な方向で相対的に小さいので、光源からの光を無駄なく集光して明るい映像を観察者に提供することができる。
また、上記光源は、３原色に対応した光を発光する３つの発光部を（少なくとも１組）有しており、各発光部は、上記入射面に対して垂直な方向に並んで配置されていることが望ましい。上述したように、上記入射面に対して垂直な方向は、ホログラム光学素子における波長特性が小さい方向である。したがって、各色光を出射する３つの発光部を、ホログラム光学素子における波長特性が小さい方向に並べて配置することにより、光学瞳を拡大できる方向に色を混ぜることができ、３つの発光部を有する光源を用いた場合でも、色ムラの少ない高画質の映像を観察者に提供することができる。
また、上記光源は、３原色に対応した光を発光する３つの発光部を偶数組有しており、上記入射面に対して垂直な方向における各発光部の配列順序が、隣接する各組間で逆であることが望ましい。この場合、各発光部からの出射光の各色の光強度（各組間で足し合わせたもの）の重心が一致する（例えば上記入射面上に位置する）ので、光学瞳の中心またはその近傍で色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。なお、この構成は、軸非対称な正の光学パワーを有していないホログラム光学素子を用いる場合でも、適用することができる。
また、上記光源は、上記３つの発光部を偶数組有しており、各発光部は、上記入射面に対して面対称に配置されているとともに、上記入射面に対して垂直方向の両側で上記入射面から同じ距離に位置する発光部が同じ色の光を発光するように配置されていることが望ましい。この場合、各発光部からの出射光の各色の光強度（各組間で足し合わせたもの）の重心が上記入射面上で一致するので、光学瞳の中心で色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。
また、上記光源は、上記３つの発光部を２組有しており、各組の各発光部は、上記入射面側から上記入射面に対して垂直方向外側に向かうにつれて出射光の波長が短くなるような順序で配置されていることが望ましい。この場合、波長が長い光について、瞳位置による強度差を小さくすることができ、光学瞳の全体で色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。
また、上記光源は、青色光または紫外光で蛍光体を励起して白色を発光する白色光源からなり、上記白色光源は、上記ホログラム光学素子への光軸の入射面に対して垂直な方向を長辺方向とするスリット状に白色を発光する構成であってもよい。上記入射面に対して垂直な方向は、ホログラム光学素子における波長特性が小さい方向であるので、この方向に長いスリット状に白色光源が白色を発光することで、色ムラの少ない高画質の映像を観察者に提供することができる。また、白色光源を用いることで色混ぜが不要であり、装置を安価に構成することができる。また、上記方向に光学瞳を大きく形成することができ、観察者は映像を観察しやすくなる。
また、上記ホログラム光学素子は、上記表示素子からの映像光と外光とを同時に観察者の瞳に導くコンバイナであることが望ましい。この場合、観察者は、ホログラム光学素子を介して、表示素子から提供される映像と外界像とを同時に観察することができる。
また、上記接眼光学系は、上記表示素子からの映像光を内部で全反射させて上記ホログラム光学素子を介して観察者の瞳に導く一方、外光を透過させて観察者の瞳に導く第１の透明基板を有していてもよい。このような第１の透明基板を用いることにより、表示素子からの映像を観察可能としながらも、外光の透過率が高くなるので、明るい外界像を観察することができる。
また、上記接眼光学系は、上記第１の透明基板での外光の屈折をキャンセルするための第２の透明基板を有していることが望ましい。この場合、観察者が接眼光学系を介して観察する外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
本発明のヘッドマウントディスプレイは、上述した映像表示装置と、上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを有していることを特徴としている。この構成によれば、映像表示装置が支持手段にて支持されるので、観察者は映像表示装置から提供される映像をハンズフリーで観察することができる。
本発明によれば、ＲＧＢの各色について、Δλ１＜Δλ２となっているので、各色について、表示素子の透過波長制限フィルタを透過した光のうち、さらに波長域を絞った光のみをホログラム光学素子にて回折させて観察者の瞳に導くことができる。これにより、透過波長制限フィルタを有する表示素子を用いても、ＲＧＢの各色純度を高めて観察映像（虚像）の色再現領域を広げることができ、表示品位を向上させることができる。また、シースルー表示において、背景輝度が高い場合でも明るい映像を表示することができ、その映像を確実に視認することができる。
〔実施の形態１〕
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
（１．ＨＭＤの構成）
図２（ａ）は、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤと略称する）の概略の構成を示す平面図であり、図２（ｂ）は、ＨＭＤの側面図であり、図２（ｃ）は、ＨＭＤの正面図である。ＨＭＤは、映像表示装置１と、それを支持する支持手段２とを有しており、全体として、一般の眼鏡から一方（例えば左目用）のレンズを取り除いたような外観となっている。
映像表示装置１は、観察者に外界像をシースルーで観察させるとともに、映像を表示して観察者にそれを虚像として提供するものである。図２（ｃ）で示す映像表示装置１において、眼鏡の右目用レンズに相当する部分は、後述する接眼プリズム１６と偏向プリズム１７との貼り合わせによって構成されている。なお、映像表示装置１の詳細な構成については後述する。
支持手段２は、映像表示装置１を観察者の眼前（例えば右目の前）で支持するものであり、ブリッジ３と、フレーム４と、テンプル５と、鼻当て６と、ケーブル７と、外光透過率制御手段８とを有している。なお、フレーム４、テンプル５および鼻当て６は、左右一対設けられているが、これらを左右で区別する場合は、右フレーム４Ｒ、左フレーム４Ｌ、右テンプル５Ｒ、左テンプル５Ｌ、右鼻当て６Ｒ、左鼻当て６Ｌのように表現するものとする。
映像表示装置１の一端は、ブリッジ３に支持されている。このブリッジ３は、映像表示装置１のほかにも、左フレーム４Ｌ、鼻当て６および外光透過率制御手段８を支持している。左フレーム４Ｌは、左テンプル５Ｌを回動可能に支持している。一方、映像表示装置１の他端は、右フレーム４Ｒに支持されている。右フレーム４Ｒにおいて映像表示装置１の支持側とは反対側端部は、右テンプル５Ｒを回動可能に支持している。ケーブル７は、外部信号（例えば映像信号、制御信号）や電力を映像表示装置１に供給するための配線であり、右フレーム４Ｒおよび右テンプル５Ｒに沿って設けられている。外光透過率制御手段８は、外光（外界像の光）の透過率を制御するためにブリッジ３に設けられており、映像表示装置１よりも前方（観察者とは反対側）に位置している。
観察者がＨＭＤを使用するときは、右テンプル５Ｒおよび左テンプル５Ｌを観察者の右側頭部および左側頭部に接触させるとともに、鼻当て６を観察者の鼻に当て、一般の眼鏡をかけるようにＨＭＤを観察者の頭部に装着する。この状態で、映像表示装置１にて映像を表示すると、観察者は、映像表示装置１の映像を虚像として観察することができるとともに、この映像表示装置１を介して外界像をシースルーで観察することができる。
このとき、外光透過率制御手段８において、外光透過率を例えば５０％以下に低く設定しておけば、観察者は映像表示装置１の映像を観察しやすくなり、逆に、外光透過率を例えば５０％以上に高く設定しておけば、観察者は、外界像を観察しやすくなる。したがって、外光透過率制御手段８における外光透過率は、映像表示装置１の映像および外界像の観察のしやすさを考慮して適宜設定されればよい。
なお、ＨＭＤは、映像表示装置１を１個だけ備えたものには限られない。例えば、図３（ａ）は、ＨＭＤの他の構成を示す平面図であり、図３（ｂ）は、上記ＨＭＤの側面図であり、図３（ｃ）は、上記ＨＭＤの正面図である。このように、ＨＭＤは、観察者の両目の前に配置される２個の映像表示装置１を備えた構成であってもよい。この場合、左目の前に配置される映像表示装置１は、ブリッジ３と左フレーム４Ｌとによってその間で支持される。また、ケーブル７は、両方の映像表示装置１と接続され、外部信号等がケーブル７を介して両方の映像表示装置１に供給される。
（２．映像表示装置の詳細について）
次に、映像表示装置１の詳細な構成について説明する。
図４は、映像表示装置１の概略の構成を示す断面図であり、図５は、映像表示装置１における光路を光学的に一方向に展開して示す説明図である。映像表示装置１は、光源１１と、一方向拡散板１２と、集光レンズ１３と、表示素子１４と、接眼光学系１５とを有している。
ここで、以下での説明の便宜上、方向を以下のように定義しておく。まず、表示素子１４の表示領域の中心と、接眼光学系１５によって形成される光学瞳Ｅの中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とする。そして、光源１１から光学瞳Ｅまでの光路を展開したときの光軸方向をＺ方向とする。また、接眼光学系１５の後述するホログラム光学素子１８への光軸の入射面に垂直な方向をＸ方向とし、ＺＸ平面に垂直な方向をＹ方向とする。なお、ホログラム光学素子１８への光軸の入射面とは、ホログラム光学素子１８における入射光の光軸と反射光の光軸とを含む平面、すなわち、ＹＺ平面を指す。以下、上記入射面を単に入射面または光軸入射面と称する。
光源１１は、本実施形態では、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色に対応する波長の光を出射する３つの発光部１１Ｒ・１１Ｇ・１１Ｂ（図５参照）を有するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。発光部１１Ｒ・１１Ｇ・１１Ｂは、一方向拡散板１２による拡散の大きい方向であるＸ方向に並んでいる。これにより、光学瞳Ｅ上での各色の強度ムラが小さくなり、色ムラを低減することができる。
一方向拡散板１２は、光源１１からの出射光を拡散させるものであるが、その拡散度は、方向によって異なっている。より詳細には、一方向拡散板１２は、Ｘ方向には入射光を約４０゜拡散させ、Ｙ方向には入射光を約０．５゜拡散させる。また、一方向拡散板１２は光源１１側の面を光学的に平坦な面とし、集光レンズ１３側の面を凹凸により拡散する凹凸面としている。それゆえ、光源１１からの発散光が一方向拡散板１２の平坦な面で屈折されてやや集光された状態で拡散されるので、集光状態が少し保存される。したがって、一方向拡散板１２は凸レンズの機能を若干有しており、一方向拡散板１２への入射光は光学瞳Ｅの形成に必要な方向に若干屈折する。
集光レンズ１３は、一方向拡散板１２にて拡散された光をＹ方向に集光するシリンダレンズで構成されており、その拡散光が効率よく光学瞳Ｅを形成するように配置されている。本実施形態では、光学瞳Ｅは、Ｘ方向の大きさが６ｍｍであり、Ｙ方向の大きさが２ｍｍとなっている。このように、光学瞳Ｅは、一方向（Ｘ方向）には人間の瞳（３ｍｍ程度）よりも大きい６ｍｍの大きさなので、観察者は映像を観察しやすい。一方、光学瞳Ｅは、他の方向（Ｙ方向）には人間の瞳よりも小さい２ｍｍの大きさなので、光源１１からの光は上記方向においては光学瞳Ｅに無駄なく集光する。これにより、観察者は、明るい映像を観察することができる。
表示素子１４は、光源１１からの出射光を画像データに応じて変調してカラー映像を表示するものであり、光が透過する領域となる各画素をマトリクス状に有する透過型の液晶表示素子で構成されている。ここで、図６は、表示素子１４の概略の構成を簡単に示す断面図である。表示素子１４は、２つのガラス基板２１・２２で液晶層２３を挟持してなっている。液晶層２３は、例えばＴＮ（Twisted Nematic）液晶で構成されている。
一方のガラス基板２１には、各画素をＯＮ／ＯＦＦ駆動するためのスイッチング素子であるＴＦＴ（Thin Film Transistor）が各画素に対応してマトリクス状に配置されている。また、他方のガラス基板２２には、カラーフィルタ２４が形成されている。なお、同図では、透明電極（画素電極や対向電極）、偏光板、配向膜等の図示を省略している。
カラーフィルタ２４は、光源１１からの出射光のうちでＲＧＢの３原色に対応した波長のいずれかの光を透過させる一方、残りの光の透過を制限する透過波長制限フィルタであり、３原色の透過波長のそれぞれに対応して設けられている。より具体的には、カラーフィルタ２４は、フィルタ２４Ｒ（Ｒフィルタ）と、フィルタ２４Ｇ（Ｇフィルタ）と、フィルタ２４Ｂ（Ｂフィルタ）とで構成されており、これらの各フィルタが各画素に対応して設けられている。フィルタ２４Ｒは、赤色光を透過させる一方、それ以外の光（緑色光および青色光）の透過を制限するフィルタである。フィルタ２４Ｇは、緑色光を透過させる一方、それ以外の光（青色光および赤色光）の透過を制限するフィルタである。フィルタ２４Ｂは、青色光を透過させる一方、それ以外の光（赤色光および緑色光）の透過を制限するフィルタである。
このように表示素子１４がカラーフィルタ２４を有しており、光源１１からの光を画像データに応じて変調してカラーフィルタ２４を介して出射させることにより、表示素子１４は、カラー映像を表示することが可能となる。表示素子１４は、矩形の表示領域の長辺方向がＸ方向となり、短辺方向がＹ方向となるように配置されている。
図４に示した接眼光学系１５は、表示素子１４からの映像光、すなわち、表示素子１４にて表示されたカラー映像に対応する光を観察者の瞳に導くものであり、接眼プリズム１６（第１の透明基板）と、偏向プリズム１７（第２の透明基板）と、ホログラム光学素子１８とを有して構成されている。
接眼プリズム１６は、表示素子１４からの映像光を内部で全反射させてホログラム光学素子１８を介して観察者の瞳に導く一方、外光を透過させて観察者の瞳に導くものであり、偏向プリズム１７とともに、例えばアクリル系樹脂で構成されている。この接眼プリズム１６は、平行平板の下端部を下端に近くなるほど薄くして楔状にし、その上端部を上端に近くなるほど厚くした形状で構成されている。また、接眼プリズム１６は、その下端部に配置されるホログラム光学素子１８を挟むように、偏向プリズム１７と接着剤で接合されている。
偏向プリズム１７は、平面視で略Ｕ字型の平行平板で構成されており（図２（ｃ）参照）、接眼プリズム１６の下端部および両側面部（左右の各端面）と貼り合わされたときに、接眼プリズム１６と一体となって略平行平板となるものである。この偏向プリズム１７を接眼プリズム１６に接合することにより、観察者が接眼光学系１５を介して観察する外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
つまり、例えば、接眼プリズム１６に偏向プリズム１７を接合させない場合、外光は接眼プリズム１６の楔状の下端部を透過するときに屈折するので、接眼プリズム１６を介して観察される外界像に歪みが生じる。しかし、接眼プリズム１６に偏向プリズム１７を接合させて一体的な略平行平板を形成することで、外光が接眼プリズム１６の楔状の下端部を透過するときの屈折を偏向プリズム１７でキャンセルすることができる。その結果、シースルーで観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
ホログラム光学素子１８は、表示素子１４からの映像光（３原色に対応した波長の光）を回折し、表示素子１４にて表示される映像を拡大して観察者の瞳に虚像として導く体積位相型の反射型ホログラムであり、軸非対称な正の光学パワーを有している。つまり、ホログラム光学素子１８は、正のパワーを持つ非球面凹面ミラーと同様の機能を持っている。これにより、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めて装置を容易に小型化することができるとともに、良好に収差補正された映像を観察者に提供することができる。また、ホログラム光学素子１８は、表示素子１４からの映像光と外光とを同時に観察者の瞳に導くコンバイナとして機能しており、観察者は、ホログラム光学素子１８を介して、表示素子１４から提供される映像と外界像とを同時に観察することができる。
（３．映像表示装置の動作について）
次に、上記構成の映像表示装置１の動作について説明する。光源１１から出射された光は、一方向拡散板１２にて拡散され、集光レンズ１３にて集光されて表示素子１４に入射する。表示素子１４に入射した光は、画像データに基づいて各画素ごとに変調され、カラーフィルタ２４を介して映像光として出射される。つまり、表示素子１４には、カラー映像が表示される。
表示素子１４からの映像光は、接眼光学系１５の接眼プリズム１６の内部にその上端面から入射し、対向する２つの面で複数回全反射されて、ホログラム光学素子１８に入射する。ホログラム光学素子１８に入射した光は、反射されて光学瞳Ｅに達する。光学瞳Ｅの位置では、観察者は、表示素子１４に表示された映像の拡大虚像を観察することができる。
一方、接眼プリズム１６および偏向プリズム１７は、外光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界像を観察することができる。したがって、表示素子１４に表示された映像の虚像は、外界像の一部に重なって観察されることになる。
以上のように、映像表示装置１では、表示素子１４から出射される映像光を、接眼プリズム１６内での全反射によってホログラム光学素子１８に導く構成としているので、通常の眼鏡レンズと同様に、接眼プリズム１６および偏向プリズム１７の厚さを３ｍｍ程度にすることができ、映像表示装置１を小型化、軽量化することができる。また、表示素子１４からの映像光を内部で全反射させる接眼プリズム１６を用いることにより、高い外光の透過率を確保して、明るい外界像を観察者に提供することができる。
（４．ホログラム光学素子、カラーフィルタおよび光源の特性について）
次に、本発明の最も特徴的な部分であるホログラム１８、カラーフィルタ２４および光源１１の各特性について説明する。
（４−１．ホログラム光学素子の特性）
図１は、ホログラム光学素子１８における回折効率の波長依存性を示す説明図である。同図に示すように、ホログラム光学素子１８は、例えば、回折効率のピーク波長および回折効率半値の波長幅で４６５±５ｎｍ（Ｂ光）、５２１±５ｎｍ（Ｇ光）、６３４±５ｎｍ（Ｒ光）の３つの波長域の光を回折（反射）させるように作製されている。ここで、回折効率のピーク波長とは、回折効率がピークとなるときの波長のことであり、回折効率半値の波長幅とは、回折効率が回折効率ピークの半値となるときの波長幅のことである。なお、図１の回折効率は、Ｂ光の最大回折効率を１００としたときの相対値で示している。
すなわち、本実施形態のホログラム光学素子１８では、Ｂ光の回折効率のピーク波長λ１Bは４６５ｎｍであり、Ｇ光の回折効率のピーク波長λ１Gは５２１ｎｍであり、Ｒ光の回折効率のピーク波長λ１Rは６３４ｎｍである。また、ホログラム光学素子１８では、Ｂ光の回折効率半値の波長幅Δλ１Bは１０ｎｍであり、Ｇ光の回折効率半値の波長幅Δλ１Gは１０ｎｍであり、Ｒ光の回折効率半値の波長幅Δλ１Rは１０ｎｍである。
上記のように、ホログラム光学素子１８は特定入射角の特定波長の光のみを回折するように作製されているので、外光の透過にはほとんど影響しない。したがって、観察者は、接眼プリズム１６、ホログラム光学素子１８および偏向プリズム１７を介して外界像を通常通り見ることができる。
（４−２．カラーフィルタの特性）
図７は、表示素子１４のカラーフィルタ２４における透過率の波長依存性を示す説明図である。なお、同図中の一点鎖線Ａ１は、フィルタ２４Ｂにおける透過率の波長依存性を示し、実線Ａ２は、フィルタ２４Ｇにおける透過率の波長依存性を示し、二点鎖線Ａ３は、フィルタ２４Ｒにおける透過率の波長依存性を示している。
同図に示すように、カラーフィルタ２４のフィルタ２４Ｂにおける透過率のピーク波長（透過率がピークとなるときの波長）λ２Bは４５０ｎｍであり、フィルタ２４Ｇにおける透過率のピーク波長λ２Gは５２０ｎｍであり、フィルタ２４Ｂにおける透過率のピーク波長λ２Rは６３０ｎｍである。
また、フィルタ２４Ｂは透過率半値で５１０ｎｍ以上の波長の光を吸収し、フィルタ２４Ｇは透過率半値で４９０ｎｍ以下および５６５ｎｍ以上の波長の光を吸収し、フィルタ２４Ｒは透過率半値で５９０ｎｍ以下の光を吸収する。そして、各フィルタ２４Ｂ・２４Ｇ・２４Ｒは、各画素に対応してＢＧＲの波長域の光をそれぞれ透過させる。
つまり、可視光の波長域を４００ｎｍから７００ｎｍまでとして考えると、フィルタ２４Ｂにおける透過率半値の波長幅（透過率がピーク透過率の半値となるときの波長幅）Δλ２Bは４００ｎｍから５１０ｎｍまでの１１０ｎｍであり、フィルタ２４Ｇにおける透過率半値の波長幅Δλ２Gは７５ｎｍであり、フィルタ２４Ｒにおける透過率半値の波長幅Δλ２Rは５９０ｎｍから７００ｎｍまでの１１０ｎｍである。
なお、４００ｎｍ以下の波長域の光（紫外光）は不可視なので、フィルタ２４Ｂは４００ｎｍ以下の波長域の光を吸収せずに透過させるように設定されてもよい。同様に、７００ｎｍ以上の波長域の光（赤外光）は不可視なので、フィルタ２４Ｒは７００ｎｍ以上の波長域の光を吸収せずに透過させるように設定されてもよい。このようにフィルタ２４Ｂ・２４Ｒが設定されていても、色再現には影響しない。したがって、以上のことを考慮すると、Δλ２BおよびΔλ２Rは、少なくとも１１０ｎｍであると考えることができる。
（４−３．光源の特性）
図８は、光源１１の分光強度特性、すなわち、出射光の波長と光強度との関係を示す説明図である。光源１１は、例えば、光強度のピーク波長および光強度半値の波長幅で４６２±１２ｎｍ、５２５±１７ｎｍ、６３５±１１ｎｍとなる３つの波長帯域の光を発するＲＧＢ一体型のＬＥＤ（例えば日亜化学製）である。ここで、光強度のピーク波長とは、光強度がピークとなるときの波長のことであり、光強度半値の波長幅とは、光強度が光強度ピークの半値となるときの波長幅のことである。なお、図８の光強度は、Ｂ光の最大光強度を１００としたときの相対値で示している。
つまり、本実施形態では、光源１１におけるＢＧＲの光強度のピーク波長をそれぞれλ３B、λ３G、λ３Rとすると、λ３B＝４６２ｎｍであり、λ３G＝５２５ｎｍであり、λ３R＝６３５ｎｍである。また、光源１１におけるＢＧＲの光強度半値の波長幅をそれぞれΔλ３B、Δλ３G、Δλ３Rとすると、Δλ３B＝２４ｎｍであり、Δλ３G＝３４ｎｍであり、Δλ３R＝２２ｎｍである。
光源１１のＲＧＢの光強度は、ホログラム光学素子１８の回折効率や、表示素子１４のカラーフィルタ２４における光透過率を考慮して調整され、これによって白色表示を行うことが可能となる。
（４−４．各パラメータの関係について）
表１は、ホログラム光学素子１８、カラーフィルタ２４および光源１１についての上述した各パラメータをまとめたものである。以下、この表を参考にしながら、各パラメータの関係について説明する。
Figure 2006349719
まず、本実施形態では、ホログラム光学素子１８におけるＢＧＲの各色についての回折効率半値の波長幅Δλ１（Δλ１B、Δλ１G、Δλ１R）と、カラーフィルタ２４におけるＢＧＲの各色についての透過率半値の波長幅Δλ２（Δλ２B、Δλ２G、Δλ２R）との関係が、ＢＧＲの各色について、
Δλ１＜Δλ２
となるように設定されている。つまり、
Δλ１B＜Δλ２B、Δλ１G＜Δλ２G、Δλ１R＜Δλ２R
を同時に満たすものとなっている。
このように、ＢＧＲの各色についてΔλ１＜Δλ２であることにより、例えば本実施形態のように、ホログラム光学素子１８のおける回折効率のピーク波長λ１と、カラーフィルタ２４における透過率のピーク波長λ２とをＢＧＲごとに近づけておけば、フィルタ２４Ｂ・２４Ｇ・２４Ｒをそれぞれ透過した光の波長域よりもさらに狭い波長域の光をホログラム光学素子１８にて回折させて観察者の瞳に導くことができる。これにより、カラーフィルタ２４を有する表示素子１４を用いても、ＢＧＲの各色純度を高めることができ、観察される映像（虚像）の色再現領域を広げることができる。
特に、Δλ１＜２０ｎｍであれば、Δλ１がＬＥＤの半値幅（光源１１におけるＢＧＲの光強度半値の波長幅Δλ３）よりも狭いので、ＬＥＤよりも色純度が高く、ＢＧＲの各色純度を確実に高めることができ、観察映像の色再現領域を確実に広げることができる。この点、本実施形態では、Δλ１B＝Δλ１G＝Δλ１R＝１０ｎｍとなっており、Δλ１＜２０ｎｍの条件を十分に満たしている。
ここで、図９は、ＸＹＺ表色系におけるＸＹ色度座標を用いて表される虚像の色再現領域を示している。同図中、実線Ｂ１は、本実施形態の映像表示装置１、すなわち、カラーフィルタ２４を有する表示素子１４と、ホログラム光学素子１８と、ＲＧＢ一体型の3-in-1ＬＥＤで構成される光源１１とを有する映像表示装置における色再現領域を示している。また、一点鎖線Ｂ２は、カラーフィルタ２４を有する表示素子１４と、ホログラム光学素子１８と、後述する実施の形態３の光源３１（白色光源）とを有する映像表示装置における色再現領域を示している。
一方、破線Ｂ３は、カラーフィルタ２４を有する表示素子１４と、ホログラム光学素子１８を用いない接眼光学系と、ＲＧＢ一体型の3-in-1ＬＥＤで構成される光源１１とを有する映像表示装置における色再現領域を示している。また、二点鎖線Ｂ４は、カラーフィルタ２４を有する表示素子１４と、ホログラム光学素子１８を用いない接眼光学系と、白色光源とを有する映像表示装置における色再現領域を示している。なお、ホログラム光学素子１８を用いない接眼光学系としては、例えば自由曲面プリズムがある。
同図より、色再現領域は、破線Ｂ３や二点鎖線Ｂ４に比べて、実線Ｂ１および一点鎖線Ｂ２のほうが広い。このことから、カラーフィルタ２４を有する表示素子１４を用いる場合は、ホログラム光学素子１８を有する接眼光学系１５と組み合わせて用い、しかも上述のようにΔλ１とΔλ２との関係を規定しておくことで、色再現性を高くして色再現領域を広げることができると言える。特に、実線Ｂ１で示すように、光源１１としてＲＧＢ一体型のものを用いることで、光源１１を白色光源で構成する場合よりも色純度を高くして、色再現領域を広げることができる。
また、図７で示したように、本実施形態では、フィルタ２４ＲにおけるＲ光のピーク透過率は２％であるが、フィルタ２４ＲにおけるＧ光（特に、回折効率半値の波長幅Δλ１Gの波長域におけるＧ光）の透過率は０．２％となっている。このように、フィルタ２４Ｒにおいて、視感度の高いＧ光の透過率を、Ｒ光のピーク透過率の１０分の１となる低い透過率に設定することにより、Ｒの色純度をより高めることができ、映像の表示品位を向上させることができる。特に、フィルタ２４Ｒにおいて、Ｇ光の透過率がＲ光のピーク透過率の１０分の１よりも小さければ、その効果を確実に得ることができる。
したがって、Ｒの色純度をより高めるためには、以下の条件を満足していればよいと言える。すなわち、フィルタ２４ＲにおけるＧ光の透過率をＴｒＧとし、フィルタ２４ＲにおけるＲ光のピーク透過率をＴｒＰとすると、ホログラム光学素子１８での緑の回折波長域（５２１±５ｎｍ）の入射光について、
ＴｒＧ≦ＴｒＰ／１０
の関係を満たせばよい。
また、本実施形態では、フィルタ２４Ｂについても上記したフィルタ２４Ｒと同様の設定となっている。すなわち、フィルタ２４ＢにおけるＢ光のピーク透過率は２％であるが、フィルタ２４ＢにおけるＧ光（特に、回折効率半値の波長幅Δλ１Gの波長域におけるＧ光）の透過率は０．２％となっている。このように、フィルタ２４Ｂにおいても、視感度の高いＧ光の透過率をＢ光のピーク透過率の１０分の１となる低い透過率に設定することにより、Ｂの色純度をより高めることができ、映像の表示品位を向上させることができる。特に、フィルタ２４Ｂにおいて、Ｇ光の透過率がＢ光のピーク透過率の１０分の１よりも小さければ、その効果を確実に得ることができる。
したがって、Ｂの色純度をより高めるためには、以下の条件を満足していればよいと言える。すなわち、フィルタ２４ＢにおけるＧ光の透過率をＴｂＧとし、フィルタ２４ＢにおけるＢ光のピーク透過率をＴｂＰとすると、ホログラム光学素子１８での緑の回折波長域（５２１±５ｎｍ）の入射光について、
ＴｂＧ≦ＴｂＰ／１０
の関係を満たせばよい。
また、本実施形態では、ホログラム光学素子１８におけるＢＧＲの回折効率のピーク波長λ１は、カラーフィルタ２４におけるＢＧＲの光の透過率のピーク波長λ２とのずれが最大で２０ｎｍとなる範囲内となっており、かつ、光源１１におけるＢＧＲの光強度のピーク波長λ３とのずれが最大で１０ｎｍとなる範囲内となっている。すなわち、λ１Bはλ２B±２０ｎｍの範囲内で、かつ、λ３B±１０ｎｍの範囲内であり、λ１Gはλ２G±２０ｎｍの範囲内で、かつ、λ３G±１０ｎｍの範囲内であり、λ１Rはλ２R±２０ｎｍの範囲内であり、かつ、λ３R±１０ｎｍの範囲内である。
このように、λ１がλ２±２０ｎｍの範囲内で、かつ、λ３±１０ｎｍの範囲内であれば、ＲＧＢの各色について、λ１はλ２に近い範囲内でλ３にさらに近いので、光源１１から出射される光強度の高い光については、カラーフィルタ２４の各フィルタ２４Ｂ・２４Ｇ・２４Ｒを効率よく透過してホログラム光学素子１８にて回折させることができる。したがって、光源１１からの光の利用効率が高く、明るいカラー映像を虚像として観察者に提供することができる。
また、本実施形態では、ホログラム光学素子１８におけるＢＧＲの回折効率半値の波長幅Δλ１と、光源１１におけるＢＧＲの光強度半値の波長幅Δλ３との比であるΔλ１／Δλ３が、ＢＧＲのそれぞれについて、
１／１０＜Δλ１／Δλ３≦１
を満たすものとなっている。つまり、
１／１０＜Δλ１B／Δλ３B≦１、
１／１０＜Δλ１G／Δλ３G≦１、
１／１０＜Δλ１R／Δλ３R≦１
を同時に満たすものとなっている。
Δλ１／Δλ３の値が１／１０以下であると、ＢＧＲのそれぞれについて、ホログラム光学素子１８での回折波長幅がかなり狭くなるので、色再現性の高い（色再現領域の広い）映像を提供することはできるが、光源１１からの光の利用効率が低下し、明るい映像を提供することが困難となる。逆に、Δλ１／Δλ３の値が１を超えると、光源１１からの光の利用効率が高く、明るい映像を提供することができるが、ホログラム光学素子１８でのＢＧＲの回折波長幅が広く、色再現性の高い映像を提供することが困難となる。したがって、Δλ１／Δλ３の範囲を上記のように規定することにより、高い色再現性と明るさとを両方満足させる映像を観察者に提供することができる。
（５．色ムラの低減効果について）
ところで、本実施形態では、光学瞳Ｅは、上述したように、強度半値でＸ方向に６ｍｍ、Ｙ方向に２ｍｍの大きさとなるように設定されている。つまり、光学瞳Ｅは、Ｙ方向、すなわち、ホログラム光学素子１８への光軸の入射面（ＹＺ平面）に平行な方向よりも、Ｘ方向、すなわち、上記入射面に垂直な方向に大きい。このように光学瞳Ｅの大きさを設定することにより、ホログラム光学素子１８の波長特性（波長選択性）の影響をあまり受けずに、観察者は色ムラの少ない高画質の映像を観察することができる。その理由は以下の通りである。
まず、ホログラム光学素子１８における入射角と波長選択性との関係について説明する。０度より大きい入射角を持つ光を回折させる干渉縞を持つホログラム光学素子１８では、入射面に平行な方向よりも入射面に垂直な方向において、波長選択性が小さい（入射角のずれによる回折波長のずれが小さい）。言い換えると、入射面に平行な方向よりも入射面に垂直な方向のほうが、干渉縞への入射角のずれに対する角度選択性が低い。これは、ホログラム光学素子１８の干渉縞に光が入射角を有して入射する場合、入射面（ＹＺ平面）内での入射角の角度ずれは、そのまま入射角の角度ずれとなるため、回折波長に対する影響が大きいが、入射面に垂直な方向の角度ずれは、入射角のずれとしては小さく、回折波長に対する影響は小さいからである。
したがって、ホログラム光学素子１８の干渉縞に所定の入射角からずれた角度の光が入射すると、同じ角度ずれでも、入射面に平行な方向での角度ずれのほうが、入射面に垂直な方向の角度ずれよりも、大きく回折波長がずれる（すなわち、入射面に平行な方向は、波長選択性が大きい）。
ここで、図１０は、本実施形態において、光学瞳Ｅにおける瞳位置と主たる回折波長（例えばＲ光）との関係を示す説明図である。同図中、破線Ｃ１は、光学瞳ＥのＸ方向における回折波長の変化を示しており、実線Ｃ２は、光学瞳ＥのＹ方向の瞳における回折波長の変化を示している。このように、回折波長の変化は、入射面に平行なＹ方向のほうが、入射面に垂直なＸ方向よりも大きい。
したがって、回折波長の変化が大きいＹ方向に光学瞳Ｅを小さく形成することにより、回折波長の変化の範囲が狭くなるので、光学瞳Ｅ上での色ムラを低減することができる。また、入射面に垂直な方向に光学瞳Ｅを大きく形成しても、色純度の高い映像を観察者に提供することができる。
なお、光軸入射面外の光は入射面が光軸入射面と若干平行ではないが、前述の通り、入射面に垂直な方向の角度ずれは回折波長に対する影響が小さいので、光軸入射面を基準にしても色ムラが大きくなることはない。
また、上述したように、光源１１の３つの発光部１１Ｒ・１１Ｇ・１１Ｂは、一方向拡散板１２による拡散の大きい方向であるＸ方向に並んでいるが、このことは取りも直さず、３つの発光部１１Ｒ・１１Ｇ・１１Ｂが光軸の入射面に対して垂直な方向に並んで配置されていることを意味する。入射面に対して垂直な方向は、ホログラム光学素子１８における波長選択性が小さい方向であるので、３つの発光部１１Ｒ・１１Ｇ・１１ＢをＸ方向に配置することで、光学瞳Ｅを拡大できる方向に色を混ぜることができ、ＲＧＢの３色を発光する光源１１を用いた場合でも、色ムラの少ない高画質の映像を観察者に提供することができる。
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、実施の形態１と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
図１１は、本実施形態の映像表示装置１における光路を光学的に一方向に展開して示す説明図である。本実施形態では、光源１１が２つの光源群１１Ｐ・１１Ｑで構成されている点以外は、実施の形態１と同様の構成である。
ここで、図１２は、本実施形態における光源１１を表示素子１４側から見たときの平面図を示している。光源１１の光源群１１Ｐは、ＲＧＢの各色光を出射する３つの発光部１１Ｒ1・１１Ｇ1・１１Ｂ1を有するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。また、光源群１１Ｑも同様に、ＲＧＢの各色光を出射する３つの発光部１１Ｒ2・１１Ｇ2・１１Ｂ2を有するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。つまり、光源１１は、ＲＧＢの光を出射する３つの発光部を２組有している。
各光源群１１Ｐ・１１Ｑの各発光部は、ホログラム光学素子１８への光軸の入射面（ＹＺ平面）に対して垂直な方向に並んで配置されているが、さらに、上記入射面に対して各色ごとに面対称となるように配置されている。より詳細には、発光部１１Ｒ1・１１Ｒ2が上記入射面に近い位置で面対称となるように配置され、そのＸ方向外側に発光部１１Ｇ1・１１Ｇ2が上記入射面に対して面対称となるように配置され、さらにそのＸ方向外側に発光部１１Ｂ1・１１Ｂ2が上記入射面に対して面対称となるように配置されている。つまり、各光源群１１Ｐ・１１Ｑでは、上記入射面側からＸ方向外側に向かうにつれて出射光の波長が短くなるような順序で、各発光部が配置されている。
このように、各発光部を各色ごとに上記入射面に対して面対称に配置することにより、同じ色についての２つの発光部（例えば１１Ｒ1と１１Ｒ2）からの出射光の光強度を足し合わせたトータルの光強度の重心を、ＲＧＢの各色ともに対称面内（上記入射面内）に位置させることができる。つまり、ＲＧＢの各色ともにその強度分布を、対称面を中心にしてＸ方向に対称にすることができる。これにより、光学瞳Ｅの中心において色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。
なお、各発光部の面対称の中心となる面は、上記入射面に平行な面であってもよい。つまり、各発光部の面対称の中心となる面は、上記入射面からＸ方向に多少ずれた面であっても構わない。この場合は、光学瞳Ｅの中心付近において色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。
ところで、光源１１が光源群２個で構成され、各発光部が各色ごとに面対称に配置される場合には、上記入射面に垂直な方向における各発光部の配列順序は、隣接する各組間で逆になる。一方、光源１１を構成する光源群の個数が４個以上の偶数個であっても、つまり、光源１１がＲＧＢの各発光部を４組以上の偶数組設けて構成される場合でも、上記入射面に対して垂直な方向における各発光部の配列順序を隣接する各組間で逆にすれば、各発光部からの出射光の光強度を足し合わせたトータルの光強度の重心を、ＲＧＢの各色ともに上記入射面に平行な同一面（上記入射面を含む）内に位置させることができ、光学瞳Ｅの中心またはその近傍において色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。
したがって、以上のことをまとめると、結局、光源１１は、ＲＧＢの３つの発光部を２組以上の偶数組有しており、上記入射面に対して垂直な方向における各発光部の配列順序が隣接する各組間で逆であれば、光学瞳Ｅの中心またはその近傍において色ムラの少ない映像を観察者に提供することができると言える。
また、光源１１を構成する光源群の個数が４個以上の偶数個であっても、各発光部が上記入射面に対して面対称に配置され、かつ、上記入射面に対して垂直方向の両側で上記入射面から同じ距離に位置する発光部が同じ色の光を発光するように配置されていれば、各発光部からの出射光の各色について、光強度の重心が上記入射面上で一致する。したがって、光源１１を構成する光源群の個数が偶数個であれば、各発光部を上記のように配置することで、光学瞳の中心で色ムラの少ない映像を観察者に提供することができると言える。
また、ホログラム光学素子１８は、上述したように、回折効率ピークおよびその半値波長幅で４６５±５ｎｍ、５２１±５ｎｍ、６３４±５ｎｍの各波長の映像光を回折するように作製されている。このように各色で回折効率の半値波長幅Δλ１が同じなので、波長の長い光ほど角度選択性が大きい（波長の変化に対する入射角のずれ方が小さい）。したがって、各光源群１１Ｐ・１１Ｑにおいて、光軸入射面側からＸ方向外側に向かうにつれて出射光の波長が短くなるような順序で各発光部が配置されていることにより、光学瞳Ｅ内での各色の強度差を小さくすることができ、光学瞳Ｅ内で色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。以下、この点について詳細に説明する。
回折効率ピークの波長をλ、ホログラム光学素子１８の媒質（干渉縞）の屈折率をｎ、媒質の厚さをｈ、入射角をθとすると、これらの間には、
λ＝２ｎｈcosθ
の関係が成り立つ。ここで、波長の短いＢ光および波長の長いＲ光において、それぞれの波長が例えば同じ５ｎｍだけずれた場合、波長の変化の割合は、Ｂ光については４６５／４７０であり、Ｒ光については６３４／６３９である。つまり、波長の変化の割合は、波長の短いＢ光に比べて波長の長いＲ光のほうが小さい。したがって、波長の短いＢ光に比べて波長の長いＲ光のほうが、波長の変化に対する入射角θのずれ方は小さい（角度選択性が大きい）。よって、光源１１からの出射光のＲＧＢの波長幅が同じ場合には、ホログラム光学素子１８によって回折されてできる光学瞳の大きさは、波長が長い光ほど小さい。なお、光学瞳Ｅは、各色の光学瞳の範囲を全て含むものとする。
一方、光源１１のＬＥＤ（各発光部）からの出射光の強度は、一般的に中心付近ほど強く、周囲ほど弱い。また、各発光部は、Ｙ方向においては、光学瞳と略共役となるように配置されているが、Ｘ方向では、一方向拡散板１２により拡散されるので、光学瞳とは共役ではない。しかし、光学瞳において最も強度の強い位置は、一方向拡散板１２がないとした場合の各発光部と共役な位置にほぼ同じである。
したがって、光学瞳が小さい長波長（Ｒ光）の瞳中心を光学瞳Ｅの中心側に位置させ、光学瞳が大きい短波長（Ｂ光）の瞳中心を光学瞳Ｅの中心よりも外側に位置させることで、光学瞳Ｅ内での瞳位置による強度差を各色について小さくすることができる。この点について、もう少し詳細に説明する。
図１３は、光学瞳ＥにおけるＸ方向の瞳位置と光強度との関係を示す説明図である。なお、光強度は、同じ色については相対値で示されている。また、同図中の１１Ｒ1・１１Ｒ2・１１Ｇ1・１１Ｇ2・１１Ｂ1・１１Ｂ2で示される曲線は、それぞれ発光部１１Ｒ1・１１Ｒ2・１１Ｇ1・１１Ｇ2・１１Ｂ1・１１Ｂ2から出射される光に対応している。
上述したように、ホログラム光学素子１８の角度選択性により、波長が長い光ほど光学瞳は小さいので、同図に示すように、波長が長い光ほど瞳位置による強度差が大きくなっている（光学瞳Ｅの中心と端部とにおける強度差が大きくなっている）。逆に、波長が短い光ほど光学瞳Ｅは大きいので、波長が短い光ほど瞳位置による強度差が小さくなっている。
また、波長が長い光を発光する発光部ほど光軸入射面側に配置されているので、光強度の高い位置は、波長が長い光ほど光学瞳Ｅの中心に近くなっている。逆に、波長が短い光を発光する発光部ほど光軸入射面から離れた位置に配置されているので、光強度の高い位置は、光学瞳Ｅの周辺となっている。
つまり、波長が長い光ほど瞳位置による強度差が大きいが、光軸入射面側からＸ方向外側に向かうにつれて出射光の波長が短くなるような順序で各発光部を配置し、波長が長い光ほど光強度の高い位置を光学瞳Ｅの中心に近づけることで、波長が長い光について、瞳位置による強度差、すなわち、光学瞳Ｅの中心と端部とにおける強度差を小さくすることができる。これにより、光学瞳Ｅの全体（瞳中心および瞳周辺）で色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。
また、光源群１１Ｐ・１１Ｑの各発光部は、一方向拡散板１２での拡散が大きい波長順（波長が短いほど拡散する）にＸ方向に配置されているので、光学瞳Ｅ上での各色の強度差がさらに小さくなり、色ムラをさらに低減することができる。つまり、色純度の高い映像を観察者に提供することができる。
ところで、以上では、ＲＧＢの各発光部を２組設け、各組を個々のパッケージにした光源群１１Ｐ・１１Ｑで光源１１を構成した例について説明したが、各組は１つのパッケージになっていてもよい。図１４は、光源１１の他の構成例を示すものであって、光源１１を表示素子１４側から見たときの平面図を示している。
このように光源１１は、ＲＧＢの光を出射する発光部１１Ｒ1・１１Ｒ2・１１Ｇ1・１１Ｇ2・１１Ｂ1・１１Ｂ2を１パッケージ化したもので構成されてもよい。この構成においても、上述した各発光部の配置方法を適用することにより、光学瞳Ｅ上での各色の強度差を小さくして、色ムラを低減することができる。また、発光点の距離が近いほどＲＧＢの色が混ざりやすく、より明るい映像を提供することができるので、この点では、各発光部の距離を容易に小さくできる図１４の構成のほうが望ましい。
〔実施の形態３〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、実施の形態１または２と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
図１５は、本実施形態の映像表示装置１の概略の構成を示す断面図であり、図１６は、上記映像表示装置１における光路を光学的に一方向に展開して示す説明図である。本実施形態の映像表示装置１は、光源１１の代わりに光源３１を用い、接眼光学系１５の代わりに接眼光学系３２を用い、一方向拡散板１２を削除した以外は、実施の形態１または２と同様の構成である。接眼光学系３２は、透明基板３３上にホログラム光学素子１８を貼り付けて構成されている。
光源３１は、青色光または紫外光で蛍光体を励起して白色を発光する白色光源（白色ＬＥＤ）である。ここで、図１７は、光源３１を表示素子１４側から見たときの平面図である。光源３１は、ホログラム光学素子１８への光軸の入射面に対して垂直な方向（Ｘ方向）を長辺方向とするスリット状の発光領域３１ａを有している。発光領域３１ａの大きさは、Ｘ方向に例えば３ｍｍであり、Ｙ方向に例えば０．５ｍｍである。光源３１は、この発光領域３１ａからスリット状に白色（３原色に対応したＲＧＢの波長域の光を含む）を発光する。
光源３１の発光領域３１ａから出射された光は、集光レンズ１３にてＹ方向に集光されて表示素子１４を照明し、表示素子１４にて変調される。表示素子１４からの映像光は、接眼光学系３２のホログラム光学素子１８にて回折されて光学瞳Ｅに導かれる。このとき、光源３１と光学瞳Ｅとはほぼ共役な関係となるように設定されているので、光学瞳Ｅは、光源３１の発光領域３１ａの大きさ（ｘ＝３ｍｍ、ｙ＝０．５ｍｍ）が光学系の像倍率３倍に拡大され、さらに表示素子１４で約１°の拡散により少し大きくなる結果、ｘ＝１０ｍｍ、ｙ＝２．５ｍｍの大きさとなっている。
このように、本実施形態では、光学瞳Ｅは、一方向（Ｘ方向）には人間の瞳（３ｍｍ程度）より大きい１０ｍｍの大きさであるので、観察者は映像を観察しやすい。一方、光学瞳Ｅは、他の方向（Ｙ方向）には、人間の瞳とほぼ同じ程度の大きさであり、光がＹ方向に集光されているので、無駄なく明るい映像を観察者に提供することができる。
また、図１８は、光学瞳Ｅにおける瞳位置と主たる回折波長（例えばＲ光）との関係を示す説明図である。同図中、破線Ｄ１は、光学瞳ＥのＸ方向における回折波長の変化を示しており、実線Ｄ２は、光学瞳ＥのＹ方向の瞳における回折波長の変化を示している。このように、回折波長の変化は、光軸入射面に平行なＹ方向よりも、光軸入射面に垂直なＸ方向のほうが小さい。
したがって、回折波長の変化が大きい（入射角の変化が大きい）Ｙ方向で光学瞳Ｅを小さく形成することにより、回折波長の変化の範囲が狭くなるので、色純度の高い映像を表示することができる。
また、光源３１は、レンズ付のもので構成されており、放射角は例えば９０度と小さく設定されている。これにより、光学瞳Ｅの形成に利用されない無駄な光が少なく（光利用効率が高く）、この点からも明るい映像を観察者に提供することができる。
また、光源３１を白色光源で構成することにより、ＲＧＢの色を混ぜる必要がないので、安価な構成で光源３１と光学瞳Ｅとを共役にして明るい映像を観察者に提供することができる。
また、光源３１を上記の白色光源で構成すると、Ｘ方向に発光面積が大きくなるので、実施の形態１および２で用いたような、入射光をＸ方向に拡散する一方向拡散板１２を設ける必要がなくなる。したがって、一方向拡散板１２を不要とする分、映像表示装置１を安価に構成することができる。
なお、上記の一方向拡散板１２を設けるようにしても勿論構わない。この場合は、波長選択性が高くないＸ方向に光を拡散することによって、色純度を高く保ちながらさらに光学瞳ＥをＸ方向に広げることができる。したがって、一方向拡散板１２は、必要に応じて設けられればよい。
なお、拡散板によってＹ方向にも光を拡散させて光学瞳ＥをＹ方向に大きくすることも可能である。この場合、Ｙ方向には光学瞳Ｅを大きくするほど色ズレが大きくなるので、Ｙ方向の光学瞳Ｅの大きさは、７ｍｍ程度までが望ましい。
また、本実施形態のホログラム光学素子１８は、実施の形態１および２と同様に、回折効率ピークおよびその半値波長幅で４６５±５ｎｍ、５２１±５ｎｍ、６３４±５ｎｍの波長域の映像光を回折するように作製されているが、このホログラム光学素子１８を透明基板３３上に貼り付けて接眼光学系３２を構成する本実施形態では、表示素子１４からの映像光を直接ホログラム光学素子１８に入射させるので、ホログラム光学素子１８に記録された干渉縞への光の入射角を、実施の形態１の構成よりも小さくすることができる。
より具体的には、実施の形態１の構成では、ホログラム光学素子１８に入射する光の入射角は、媒質中で例えば２５°〜３５°くらいであるが、本実施形態の構成では、上記入射角を媒質中で例えば１０°〜１５°くらいにすることができる。これにより、実施の形態１に比べて、入射角の変化による波長選択性の影響が小さく、色ズレが少ない。つまり、図１８と図１０とを比較すればわかるように、本実施形態では実施の形態１に比べて上記入射角が小さいので、回折波長の変化がＸ方向およびＹ方向ともに実施の形態１よりも小さい。したがって、実施の形態１よりも大きい光学瞳Ｅで、なおかつ、色純度が高く、色再現領域の広い映像を表示することができる。
〔実施の形態４〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、実施の形態１ないし３と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
図１９は、本実施形態の映像表示装置１の概略の構成を示す断面図である。この映像表示装置１は、実施の形態３の構成において、図１５の接眼光学系３２の代わりに接眼光学系４１を用い、しかも、集光レンズ１３を削除した構成となっている。つまり、白色光源で構成される光源３１を用いている点では実施の形態３と共通している。
接眼光学系４１は、接眼プリズム４２（第１の透明基板）と偏向プリズム４３（第２の透明基板）とでホログラム光学素子１８を挟持して構成されている。接眼プリズム４２および偏向プリズム４３は、実施の形態１の接眼プリズム１６および偏向プリズム１７と同様の機能を有している。
ただし、接眼プリズム４２は、表示素子１４からの映像光の入射面である第１の面４２ａと、光を選択的に透過または反射させる選択透過反射面である第２の面４２ｂと、第２の面４２ｂにて反射された光を反射させる第３の面４２ｃとを有しているが、これらの３つの面が全て自由曲面である点で、実施の形態１の接眼プリズム１６とは異なっている。上記のホログラム光学素子１８は、第３の面４２ｃ上に形成されている。
また、本実施形態では、表示素子１４は、Ｙ方向にのみ光を集光するシリンダレンズを各画素ごとに配置したシリンダレンズアレイを有している。この構成により、集光レンズ１３を不要とすることができ、また、光学瞳ＥをＹ方向に小さくする一方、Ｘ方向に大きくすることができる。
図１９の構成では、光源３１から出射された光は、表示素子１４にて変調され、映像光となって接眼光学系４１に入射する。接眼光学系４１では、上記の映像光は、接眼プリズム４２の第１の面４２ａから入射し、第２の面４２ｂで全反射されて、ホログラム光学素子１８を設けた第３の面４２ｃに入射する。第３の面４２ｃでは、特定波長の映像光が反射され、第２の面４２ｂを透過して光学瞳Ｅに射出される。観察者は光学瞳Ｅの位置で光を瞳に入射することにより、映像を虚像として観察することができる。
本実施形態では、実施の形態３と同様の光源３１、すなわち、Ｘ方向に発光領域３１ａの長い光源３１を用いているので、シリンダレンズアレイを有する表示素子１４とも相まって、Ｘ方向に光学瞳Ｅを大きくする一方、Ｙ方向に光学瞳Ｅを小さく形成することができる。これにより、観察者が映像を観察しやすくなる、無駄なく明るい映像を観察者に提供することができる、色純度の高い映像を表示することができるなど、実施の形態３と同様の効果を得ることができる。
また、観察者は、外界像を偏向プリズム４３および接眼プリズム４２を介して歪み無く見ることができる。また、接眼プリズム４２の第３の面４２ｃに体積位相型のホログラム光学素子１８が形成されているので、外光の透過率が高くなり、外界像が明るく見やすい。さらに、第２の面４２ｂでの反射を全反射としているので、外界像を見る際には、外光の透過率を特に落とすことなく明るい外界像を見ることができる。
なお、接眼プリズム４１の３つの面は、それぞれ平面や球面で構成されても構わない。特に、接眼プリズム４１の３つの面が曲面で構成されていれば、接眼光学系４１に矯正眼鏡レンズとしての機能を持たせることもできる。
なお、以上では、ＨＭＤに好適な映像表示装置１について種々説明したが、各実施形態の映像表示装置１は、例えばヘッドアップディスプレイなどの他の装置にも適用することが可能である。
なお、以上で説明した各実施の形態の構成を適宜組み合わせて映像表示装置１を実現することも勿論可能である。
本発明の実施の一形態に係るヘッドマウントディスプレイに用いられる映像表示装置のホログラム光学素子における回折効率の波長依存性を示す説明図である。 （ａ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの概略の構成を示す平面図であり、（ｂ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの側面図であり、（ｃ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの正面図である。 （ａ）は、他のヘッドマウントディスプレイの概略の構成を示す平面図であり、（ｂ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの側面図であり、（ｃ）は、上記ヘッドマウントディスプレイの正面図である。 上記映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。 上記映像表示装置における光路を光学的に一方向に展開して示す説明図である。 上記映像表示装置の表示素子の概略の構成を簡単に示す断面図である。 上記表示素子のカラーフィルタにおける透過率の波長依存性を示す説明図である。 上記映像表示装置の光源の分光強度特性を示す説明図である。 ＸＹＺ表色系におけるＸＹ色度座標を用いて表される虚像の色再現領域を示す説明図である。 光学瞳Ｅおける瞳位置と主たる回折波長との関係を示す説明図である。 本発明の他の実施の形態に係る映像表示装置における光路を光学的に一方向に展開して示す説明図である。 上記映像表示装置の光源を表示素子側から見たときの平面図である。 光学瞳におけるＸ方向の瞳位置と光強度との関係を示す説明図である。 上記光源の他の構成例を示すものであって、上記光源を表示素子側から見たときの平面図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係る上記映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。 上記映像表示装置における光路を光学的に一方向に展開して示す説明図である。 上記映像表示装置の光源を表示素子側から見たときの平面図である。 光学瞳における瞳位置と主たる回折波長との関係を示す説明図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係る上記映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。
符号の説明
１ 映像表示装置
２ 支持手段
１１ 光源
１１Ｒ、１１Ｒ1、１１Ｒ2 発光部
１１Ｇ、１１Ｇ1、１１Ｇ2 発光部
１１Ｂ、１１Ｂ1、１１Ｂ2 発光部
１４ 表示素子
１５ 接眼光学系
１６ 接眼プリズム（第１の透明基板）
１７ 偏向プリズム（第２の透明基板）
１８ ホログラム光学素子
２４ カラーフィルタ（透過波長制限フィルタ）
２４Ｒ フィルタ（Ｒフィルタ）
２４Ｂ フィルタ（Ｂフィルタ）
３１ 光源（白色光源）
３２ 接眼光学系
４１ 接眼光学系
４２ 接眼プリズム（第１の透明基板）
４３ 偏向プリズム（第２の透明基板）
Ｅ 光学瞳

Claims (17)

  1. 光を出射する光源と、
    上記光源からの出射光を変調してカラー映像を表示する表示素子と、
    上記表示素子からの映像光を観察者の瞳に導く接眼光学系とを有する映像表示装置であって、
    上記表示素子は、上記光源からの出射光のうちで３原色に対応した波長のいずれかの光を透過させる一方、残りの光の透過を制限する透過波長制限フィルタを、３原色の透過波長のそれぞれに対応して有しており、
    上記接眼光学系は、上記表示素子から出射される３原色に対応した波長の光を回折するホログラム光学素子を有しており、
    上記ホログラム光学素子における各色についての回折効率半値の波長幅をそれぞれΔλ１とし、上記透過波長制限フィルタにおける各色についての透過率半値の波長幅をそれぞれΔλ２とすると、各色について、
    Δλ１＜Δλ２
    であることを特徴とする映像表示装置。
  2. 各色について、
    Δλ１＜２０ｎｍ
    であることを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
  3. 赤色光を透過させる一方、それ以外の光の透過を制限する上記透過波長制限フィルタをＲフィルタとすると、
    上記Ｒフィルタにおける緑色光の透過率をＴｒＧとし、上記Ｒフィルタにおける赤色光のピーク透過率をＴｒＰとすると、上記ホログラム光学素子での緑の回折波長域の入射光について、
    ＴｒＧ≦ＴｒＰ／１０
    であることを特徴とする請求項１または２に記載の映像表示装置。
  4. 青色光を透過させる一方、それ以外の光の透過を制限する上記透過波長制限フィルタをＢフィルタとすると、
    上記Ｂフィルタにおける緑色光の透過率をＴｂＧとし、上記Ｂフィルタにおける青色光のピーク透過率をＴｂＰとすると、上記ホログラム光学素子での緑の回折波長域の入射光について、
    ＴｂＧ≦ＴｂＰ／１０
    であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の映像表示装置。
  5. 上記光源の出射光は、３原色に対応した光を含んでおり、
    上記ホログラム光学素子における各色についての回折効率のピーク波長をそれぞれλ１とし、上記透過波長制限フィルタにおける各色についての透過率のピーク波長をそれぞれλ２とし、上記光源における３原色の各色についての光強度のピーク波長をそれぞれλ３とすると、各色について、
    λ１は、λ２±２０ｎｍの範囲内であり、かつ、λ３±１０ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の映像表示装置。
  6. 上記光源における３原色の各色についての光強度半値の波長幅をそれぞれΔλ３とすると、各色について、
    １／１０＜Δλ１／Δλ３≦１
    であることを特徴とする請求項５に記載の映像表示装置。
  7. 上記ホログラム光学素子は、軸非対称な正の光学パワーを有していることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の映像表示装置。
  8. 上記接眼光学系によって形成される光学瞳は、上記ホログラム光学素子への光軸の入射面に平行な方向よりも上記入射面に垂直な方向に大きいことを特徴とする請求項７に記載の映像表示装置。
  9. 上記光源は、３原色に対応した光を発光する３つの発光部を有しており、
    各発光部は、上記入射面に対して垂直な方向に並んで配置されていることを特徴とする請求項８に記載の映像表示装置。
  10. 上記光源は、３原色に対応した光を発光する３つの発光部を偶数組有しており、
    上記入射面に対して垂直な方向における各発光部の配列順序が、隣接する各組間で逆であることを特徴とする請求項１から６、９のいずれかに記載の映像表示装置。
  11. 上記光源は、上記３つの発光部を偶数組有しており、
    各発光部は、上記入射面に対して面対称に配置されているとともに、上記入射面に対して垂直方向の両側で上記入射面から同じ距離に位置する発光部が同じ色の光を発光するように配置されていることを特徴とする請求項９または１０に記載の映像表示装置。
  12. 上記光源は、上記３つの発光部を２組有しており、
    各組の各発光部は、上記入射面側から上記入射面に対して垂直方向外側に向かうにつれて出射光の波長が短くなるような順序で配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の映像表示装置。
  13. 上記光源は、青色光または紫外光で蛍光体を励起して白色を発光する白色光源からなり、
    上記白色光源は、上記ホログラム光学素子への光軸の入射面に対して垂直な方向を長辺方向とするスリット状に白色を発光することを特徴とする請求項８に記載の映像表示装置。
  14. 上記ホログラム光学素子は、上記表示素子からの映像光と外光とを同時に観察者の瞳に導くコンバイナであることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の映像表示装置。
  15. 上記接眼光学系は、上記表示素子からの映像光を内部で全反射させて上記ホログラム光学素子を介して観察者の瞳に導く一方、外光を透過させて観察者の瞳に導く第１の透明基板を有していることを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の映像表示装置。
  16. 上記接眼光学系は、上記第１の透明基板での外光の屈折をキャンセルするための第２の透明基板を有していることを特徴とする請求項１５に記載の映像表示装置。
  17. 請求項１から１６のいずれかに記載の映像表示装置と、
    上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを有していることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
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