JP2007052086A - 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】 光源からの出射光のＲＧＢの波長幅を考慮して、ホログラム光学素子でのＲＧＢの回折波長幅を適切に規定することにより、時分割駆動の表示素子を用いた場合でも色再現領域を広げて表示品位を向上させる。
【解決手段】 ホログラム光学素子における３原色の各色についての回折効率半値の波長幅をそれぞれΔλ１（Δλ１_R、Δλ１_G、Δλ１_B）とし、光源からの出射光における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Δλ２（Δλ２_R、Δλ２_G、Δλ２_B）とした場合、３原色の各色について、Δλ１＜Δλ２、つまり、Δλ１_R＜Δλ２_R、Δλ１_G＜Δλ２_G、Δλ１_B＜Δλ２_Bとなるようにホログラム光学素子を作製する。これにより、ＲＧＢのそれぞれについて、光源からの出射光のうちで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映像を虚像として観察者の眼に表示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とも称する）とに関するものである。

観察者の頭部に装着され、表示素子にて生成された映像を接眼光学系を介して観察者の瞳に虚像投影する装置は、いわゆるＨＭＤと呼ばれ、一般に知られている。このようなＨＭＤのうち、例えば非特許文献１に開示されたものは、反射型液晶表示素子をフィールドシーケンシャルモード（時分割駆動モード）で駆動し、ＲＧＢの各映像光を順にホログラム光学素子を介して観察者の瞳に導くことで、観察者にカラー映像（虚像）を提供している。

また、特許文献２に記載のＨＭＤでは、反射型の液晶表示素子として、広い視野角特性を有する強誘電液晶表示素子を用い、その表示素子からの映像光を拡大光学系（プリズム）を介して観察者の瞳に導くようにしている。上記の拡大光学系に別のプリズムを貼り合わせるととともに、その貼り合わせ面をハーフミラー面とすることにより、観察者は表示素子から上記ハーフミラー面を介して提供される映像を観察することができるとともに、上記両プリズムを介して外界像を観察することができる。
H.Mukawa et al., "Novel Virtual Image Optics for Reflective Microdisplays", SID Conference Record of the International Display Research Conference, ISSN1083-1312/00/2001-0096-$1.00+.00, 2000SID（２０００年９月２５日から２８日に開催された上記学会の予稿） 特開２０００−２４９９６９号公報

ところで、観察者に提供されるカラー映像（表示素子にて表示された映像）の表示品位を高めるためには、その映像の色再現領域を広げることが必要である。例えば、特許文献２のように、映像光と外光とのコンバイナとして、ホログラム光学素子ではなくハーフミラーを用いる場合、強誘電液晶表示素子が時分割駆動であれば（カラーフィルタを有していなければ）、色再現領域は、光源からの出射光におけるＲＧＢの波長幅のみで決定される。しかし、非特許文献１のように、映像光と外光とのコンバイナとしてホログラム光学素子を用いるとともに、時分割で駆動される表示素子を用いる場合、色再現領域は、光源からの出射光のＲＧＢの波長幅と、ホログラム光学素子でのＲＧＢの回折波長幅との兼ね合いで決まる。

しかし、上述した非特許文献１では、表示映像の色再現領域を広げることについては全く言及されておらず、ましてや、色再現領域を広げるべく、光源からの出射光のＲＧＢの波長幅を考慮して、ホログラム光学素子でのＲＧＢの回折波長幅が規定されてはいない。

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、光源からの出射光のＲＧＢの波長幅を考慮して、ホログラム光学素子でのＲＧＢの回折波長幅を適切に規定することにより、時分割駆動の表示素子を用いた場合でも色再現領域を広げて表示品位を向上させ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、３原色に対応した波長の光を出射する光源と、複数の画素を有し、上記光源からの出射光を各画素ごとに変調することによって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、上記表示素子の各画素は、上記光源から時分割で順に供給される３原色の光のそれぞれに対応して時分割で駆動され、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それぞれ回折させ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３原色の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、上記光源からの出射光における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Δλ２とすると、３原色の各色について、Δλ１＜Δλ２であることを特徴としている。

上記の構成によれば、表示素子の各画素は、光源から時分割で順に供給される３原色（ＲＧＢ）の光のそれぞれに対応して時分割で駆動される。そして、表示素子から順に出射されるＲＧＢの映像光は、接眼光学系のホログラム光学素子にて回折されて観察者の瞳に導かれる。これにより、観察者は、カラー映像を観察することが可能となる。

ここで、３原色の各色の全てについて、ホログラム光学素子における回折効率半値の波長幅Δλ１と、光源からの出射光における光強度半値の波長幅Δλ２とは、Δλ１＜Δλ２の関係となっているので、光源からのＲＧＢの出射光のうちで、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、時分割で駆動される表示素子を用いた場合でも、ＲＧＢの各色純度を高めることができ、観察映像の色再現領域を、光源からの出射光のみで決まる色再現領域よりもさらに広げることができる。

特に、３原色の各色について、Δλ１＜２０ｎｍであれば、ＲＧＢ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。また、３原色の各色について、さらにΔλ１≦１０ｎｍの条件を満たせば、ＲＧＢの各色純度をより一層確実に高めることができ、観察映像の色再現領域をより一層確実に広げることができる。

また、本発明において、上記ホログラム光学素子は、基板上に塗布されるホログラム感光材料を露光することによって形成されており、上記ホログラム感光材料は、３原色の光の全てに感度を有する単層カラーフォトポリマーで構成されていてもよい。

単層カラーフォトポリマーは、３原色の光の全てに感度を有しており、感光層１層で複数の波長（ＲＧＢ）のホログラムを記録することができるため、構成が簡便で、ホログラム光学素子を容易に、かつ、安定して作製することができる。また、単層カラーフォトポリマーにおいては、層内での各色の相互作用によって高い回折効率を得にくいが、その分、回折効率の半値波長幅を小さくすることが容易である。

また、本発明においては、３原色の各色について、Δλ１＞３ｎｍであることが望ましい。Δλ１が３ｎｍ以下の場合、広い色再現領域を実現することは可能であるが、ホログラム光学素子での回折波長幅が小さくなりすぎて、光源からの出射光の利用効率が低下し、映像が暗くなる。したがって、３原色の各色について、Δλ１＞３ｎｍであれば、映像の明るさの低下を回避しながら、広い色再現領域を実現することができる。

また、本発明においては、３原色の各色について、１／１０＜Δλ１／Δλ２＜１であってもよい。

Δλ１／Δλ２の値が下限値以下であると、色再現領域の広い映像を提供することが可能となるが、ホログラム光学素子での回折波長幅が光源からの出射光の波長幅に対して相対的に小さくなりすぎて、明るい映像を提供することが困難となる。逆に、Δλ１／Δλ２の値が上限値以上であると、明るい映像を提供することが可能となるが、色再現領域の広い映像を提供することが困難となる。したがって、Δλ１／Δλ２の範囲を上記のように規定することにより、広い色再現領域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、本発明においては、３原色の各色について、上記ホログラム光学素子における回折効率のピーク波長は、上記光源からの出射光の光強度半値の波長幅の波長域に含まれていることが望ましい。

この場合、３原色の各色について、ホログラム光学素子における回折効率のピーク波長と、光源からの出射光の光強度のピーク波長とは比較的近い値（同一となる場合も含む）となるので、光源からの出射光のうちで光強度が高い波長域の光を、効率よく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。したがって、光源からの出射光の利用効率を上げて、明るい映像を観察者に提供することができる。

特に、ホログラム光学素子における３原色の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、光源からの出射光における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λ２とすると、３原色の各色について、λ１は、λ２±２０ｎｍの範囲内であることが望ましい。

この場合は、３原色の各色について、ホログラム光学素子における回折効率のピーク波長と、光源からの出射光の光強度のピーク波長とが確実に近くなるので、光源からの出射光の利用効率を確実に上げることができ、明るい映像を観察者に確実に提供することができる。

また、本発明において、上記表示素子は、強誘電液晶表示素子であることが望ましい。強誘電液晶表示素子は、高速応答性に優れており、コントラストの高い映像表示が可能である。したがって、上記表示素子として強誘電液晶表示素子を用いることで、時分割駆動による高品位の映像を観察者に提供することができる。

また、例えば軸非対称な光学系では、光源からの出射光は、表示素子に対して斜め方向から入射する（入射角がついている）ので、表示素子には広い視野角特性が望まれる。この点、強誘電液晶表示素子は広い視野角特性を持っているので、表示素子を強誘電液晶表示素子で構成することは、特に軸非対称な光学系において非常に有効である。

このとき、上記強誘電液晶表示素子は、反射型であってもよい。反射型の場合は、シリコン等の半導体を基板として用いることができるため、透過型の場合よりも小型で集積度の高い表示素子を作製することができる。しかも、各画素を駆動するためのスイッチング素子や配線を含む周辺回路を、表示側とは反対側の基板に配置することができるので、画素の集積度を上げても開口率の低下が少ない。この結果、反射効率が非常に高くなり、明るい映像を表示することができる。

また、本発明の映像表示装置は、上記光源から上記反射型強誘電液晶表示素子に至る光路を折り曲げる光路折り曲げ部材（例えば反射ミラーやプリズム）をさらに有しており、上記光路折り曲げ部材は、上記光源から上記光路折り曲げ部材に向かう光と、上記反射型強誘電液晶表示素子から上記接眼光学系に向かう光とが交差するように設けられており、上記光源からの光が上記光路折り曲げ部材を介して上記反射型強誘電液晶表示素子に入射するときの入射角をθとすると、１０°＜θ＜６０°を満足することが望ましい。

入射角θが下限値を下回ると、反射型強誘電液晶表示素子と接眼光学系との距離が大きくなり、入射角θが上限値を上回ると、光源と光路折り曲げ部材との距離が大きくなるので、いずれも装置の小型化に支障をきたす。したがって、入射角θが上記範囲内であれば、装置の小型化に支障をきたすことなく、上記２つの光路を確実に分離することができる。

また、上記強誘電液晶表示素子は、透過型であってもよい。この場合、光源は、透過型の表示素子に対して接眼光学系とは反対側に位置するので、光源から上記表示素子を介さずに接眼光学系に入射するような不要光が発生しにくい。したがって、そのような不要光をカットするための部材（例えば表示素子から出射される光のみを透過させる偏光板）を接眼光学系の光入射側に設ける必要がなくなる。

また、本発明においては、上記ホログラム光学素子は、基板上に塗布されるホログラム感光材料を露光することによって形成されており、上記ホログラム感光材料は、３原色の光のそれぞれに感度を有する各層を積層した３層カラーフォトポリマーで構成されていてもよい。

３層カラーフォトポリマーは、３原色の光のそれぞれに感度を有する各層が積層されてなり、各層は１つの波長のホログラムのみを記録するので、同一層内で各色の相互作用がなく、各色について高い回折効率が得やすい。したがって、光源光量を上げなくても、明るい映像を観察者に提供することができる。また、光源光量を上げなくても済む分、装置の消費電力を抑えることができる。

また、本発明において、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、本発明では、上記ホログラム光学素子における３原色の各色についての回折効率は、上記光源からの出射光における３原色の各色についての光強度に応じて設定されていることが望ましい。

例えば、光源からの出射光のうちで視感度の高いＧ光の光強度が他のＢ光やＲ光の光強度よりも小さい場合には、ホログラム光学素子でのＧ光の回折効率は高めに設定される。また、ホログラム光学素子でのＢ光およびＲ光の回折効率は、Ｂ光およびＲ光の光強度に応じて例えばＢＧＲ全体のカラーバランスが良好となるように設定される。

このように、３原色の各色について、光源からの出射光の光強度に応じてホログラム光学素子の回折効率が設定されることにより、光源光量を上げなくても（低消費電力で）、カラーバランスの良好な明るい映像を観察者に提供することができる。

また、本発明においては、上記接眼光学系によって形成される光学瞳内での光強度のピーク位置のずれ量は、３原色の各色間で１ｍｍ以下であることが望ましい。

光学瞳内で３原色の光強度のピーク位置（照明強度分布）がずれていると、観察者の瞳がずれたときに、観察者の瞳から光強度のピーク位置が外れるような色が生じ、この場合、観察者は色ムラを認識しやすくなる。観察者の瞳が直径２ｍｍ以上であることを考慮すると、光学瞳内で各色間の光強度のピーク位置のずれ量が１ｍｍ以下であれば、観察者の瞳がずれたとしても、観察者が色ムラを認識するのを抑えることができる。

本発明において、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ってもよい。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。

また、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、３原色の各色の全てについて、ホログラム光学素子における回折効率半値の波長幅Δλ１と、光源からの出射光における光強度半値の波長幅Δλ２とは、Δλ１＜Δλ２の関係となっているので、光源からのＲＧＢの出射光のうちで、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、時分割で駆動される表示素子を用いた場合でも、ＲＧＢの各色純度を高めることができ、観察映像の色再現領域を、光源からの出射光のみで決まる色再現領域よりもさらに広げることができる。

〔実施の形態１〕
（１．ＨＭＤの構成）
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。
図２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斜視図である。ＨＭＤは、映像表示装置１と、映像表示装置１を観察者の眼前で支持する支持手段２とで構成されている。

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。この映像表示装置１は、後述する照明光学系１０（図３参照）および表示素子２０（図３参照）を収容する筐体３に接眼光学系３０を一体化させて構成されている。接眼光学系３０は、全体として眼鏡の一方のレンズ（図２では右眼用レンズ）のような形状をなしている。以下、映像表示装置１の詳細について説明する。

（２．映像表示装置の構成）
図３は、映像表示装置１の概略の構成を示す断面図である。映像表示装置１は、照明光学系１０と、表示素子２０と、接眼光学系３０とを有して構成されている。なお、観察者がＨＭＤをかけたときの左右方向（図２において左眼用レンズおよび右眼用レンズが並ぶ方向）は、図３においては表示素子２０の長辺方向（図３の紙面に垂直な方向）に対応しており、後述するホログラム光学素子３３への光軸の入射面に垂直な方向にも対応している。

なお、上記光軸とは、ここでは、表示素子２０の表示領域の中心と接眼光学系３０によって形成される光学瞳ＥＰの中心とを光学的に結ぶ軸を指す。また、上記入射面とは、ホログラム光学素子３３における入射光の光軸と反射光の光軸とを含む平面を指す。

（２−１．照明光学系）
照明光学系１０は、表示素子２０を照明するものであり、光源１１と、光路折り曲げ部材１２と、第１の偏光板１３と、拡散板１４とを有している。後述するように、本実施形態では、表示素子２０は反射型の表示素子で構成されているので、照明光学系１０は表示素子２０を表側（接眼光学系３０が配置されている側）から照明する。

光源１１は、表示素子２０に向けて光（例えばＰ偏光）を出射するものであり、３原色に対応する光、すなわち、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色に対応する光を出射するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。ＲＧＢの各発光部は、表示素子２０の矩形の表示領域の長辺方向に略直線状に配置されている。また、光源１１と光学瞳ＥＰとは、略共役な位置関係となっている。

本実施形態では、後述するように、表示素子２０として時分割駆動が可能な強誘電液晶表示素子を用いているため、光源１１は３原色に対応する光を時分割で順に出射する。なお、光源１１の分光強度特性については後述する。

光路折り曲げ部材１２は、光源１１から表示素子２０に至る光路を折り曲げるものであり、例えば凹面ミラーで構成されている。これにより、光源１１から出射された光は、光路折り曲げ部材１２にてその光路を折り曲げられて、表示素子２０の表示領域上に集光される。なお、上記の凹面ミラーは、球面ミラーであってもよいし、表示素子２０の短辺に平行な面内でのみ集光作用を持つシリンドリカル凹面ミラーであってもよい。また、光路折り曲げ部材１２は、プリズムで構成されてもよい。

本実施形態では、光路折り曲げ部材１２は、表示素子２０から接眼光学系３０に向かう光の光路に対して光源１１とは反対側に配置されている。これにより、光源１１から光路折り曲げ部材１２に向かう光の光路と、表示素子２０から接眼光学系３０に向かう光の光路とが交差するレイアウトとなり、照明光学系１０ひいては装置自体をコンパクトに構成することができる。

第１の偏光板１３は、光源１１から出射された光のうち、所定の偏光方向の光（ここではＰ偏光）を透過させて光路折り曲げ部材１２に導くとともに、光路折り曲げ部材１２にて光路を折り曲げられた光であって上記所定の偏光方向と同じ偏光方向の光（ここではＰ偏光）を透過させて表示素子２０に導く。

第１の偏光板１３の配置によって表示素子２０に入射させる光をＰ偏光とすることにより、入射光をＳ偏光とする場合に比べて、表示素子２０での表面反射（フレネルロス）を抑えることができる。つまり、Ｐ偏光の場合は、Ｓ偏光と違って、表面での反射率がゼロとなるような入射角（ブリュースター角）が存在するため、光量損失を抑えることができる。その結果、光量損失に起因する映像品位の低下を回避することができる。

また、第１の偏光板１３の表面には、例えば反射防止フィルムが貼り付けられるなど、反射防止処理が施されている。これにより、光源１１からの光が第１の偏光板１３の表面で反射されて不要光として表示素子２０に入射し、さらにはこの不要光が表示素子２０の表面で反射されて接眼光学系３０に入射するのを抑えることができ、不要光による映像品位の低下を抑えることができる。

拡散板１４は、光路折り曲げ部材１２にて光路を折り曲げられた光を拡散させるものである。本実施形態では、光源１１のＲＧＢの各発光部が表示素子２０の長辺方向に配置されているので、拡散板１４は、入射光を上記長辺方向に拡散する一方向拡散板で構成されている。拡散板１４は、表面が凹凸状のもので構成されてもよいし、表面が平坦であるホログラム光学素子で構成されてもよい。

拡散板１４は、光路折り曲げ部材１２にて反射された光が表示素子２０の表示面を照明するのに十分な面積に広がった位置、すなわち光路折り曲げ部材１２の表面付近に配置されている。このように拡散板１４が配置されることにより、あたかも面積の大きな光源を配置したのと等価な効果があり、色ムラのない均一な照明を実現できるとともに、観察可能な光学瞳ＥＰの大きさを大きくすることができる。なお、拡散板１４を光源１１の直後に配置しても、光学瞳ＥＰを拡大することはできるが、必要以上に光束径が広がり、無駄にする光が多く、光の利用効率が低下するので望ましくはない。

また、拡散板１４および第１の偏光板１３は、光路折り曲げ部材１２と表示素子２０との間の光路中に、光路折り曲げ部材１２側からこの順で配置されている。このような配置により、光路折り曲げ部材１２にて反射された光が拡散板１４にて拡散されたときに、偏光の乱れた光を第１の偏光板１３でカットすることができる。その結果、表示素子２０に入射する偏光の純度を上げることができる。

（２−２．表示素子）
表示素子２０は、複数の画素をマトリクス状に有し、光源１１からの出射光を画像データに応じて各画素ごとに変調することによって映像を表示する光変調素子で構成されている。より具体的には、表示素子２０は、強誘電液晶を２枚の基板で挟持してなり、一方の基板側に反射膜（反射電極、画素電極）が形成された反射型強誘電液晶表示素子で構成されている。そして、表示素子２０は、矩形の表示領域の長辺方向が観察者の左右方向、つまり、図３の紙面に垂直な方向となり、その短辺方向が図３の紙面に平行となるように配置されている。反射型強誘電液晶表示素子はカラーフィルタを有してはおらず、それゆえ、表示素子２０の各画素は、光源１１から時分割で順に供給される３原色の光のそれぞれに対応して時分割でＯＮ／ＯＦＦ駆動される。

反射型の表示素子においては、シリコン等の半導体を基板として用いることができるため、小型で集積度の高い表示素子２０を作製することができる。しかも、各画素をＯＮ／ＯＦＦするためのスイッチング素子（例えばＴＦＴ）や配線を含む周辺回路を、表示側とは反対側の基板に配置することができるので、開口率を容易に向上させることができ、明るい映像を表示することができる。

また、強誘電液晶表示素子は、駆動速度が速いことがメリットであるので、それゆえ、表示素子２０を強誘電液晶表示素子で構成することにより、上記の時分割駆動方式を採用することができる。

ここで、カラーフィルタを透過するＲＧＢ光によってカラー映像を表示する従来のカラーフィルタ方式は、白色光源を常時点灯させ、１つの画素にＲＧＢのいずれかのカラーフィルタを配置させてカラー表示を行う空間分割駆動方式であるため、モノクロ表示の場合よりも画素が３倍必要である。また、不要な色の映像光を遮光する場合には、光源は点灯させたままで、各画素で遮光しなければならない。各画素で完全に遮光することは難しいため、カラーフィルタ方式では、単色の色純度が低い。

これに対して、時分割駆動方式では、光源にてＲＧＢの各発光部を順次点灯させるため、例えば単色を表示する場合は、残りの２色の発光部は消灯されている。これにより、色純度の高い、コントラストの高い映像を表示することができる。

また、強誘電液晶表示素子は、ＴＮ（Twisted Nematic）液晶表示素子よりも広い視野角特性を有している点で優れており、光路折り曲げ部材１２を介して表示素子に入射する光の入射角が大きくても、コントラストが高く、色再現性が高く（色再現領域が広く）、表示品位の高い映像を提供することができる。また、照明光学系１０を構成する各光学素子の配置自由度が高くなり、コンパクトで高性能の照明光学系１０を構成することができる。

また、光源１１からの光が光路折り曲げ部材１２を介して表示素子２０に入射するときの入射角をθとする。入射角θが１０°以下であると、光源１１から光路折り曲げ部材１２を介して表示素子２０に至る光路と、表示素子２０から接眼光学系３０に至る光路とを分離するために、表示素子２０と接眼光学系３０との間隔を大きくとる必要がある。これは、装置の小型化に支障をきたす。一方、入射角θが６０°以上であると、光源１１と光路折り曲げ部材１２との間隔が大きくなり、これも装置の小型化に支障をきたす。また、表示素子２０での表面反射も大きくなり、映像品位の低下を招く。

したがって、以上のことを考慮して、本実施形態では、入射角θが、１０°＜θ＜６０°の範囲内に収まるように、表示素子２０が配置されている。これにより、装置の小型化に支障をきたすことなく、光源１１から光路折り曲げ部材１２を介して表示素子２０に至る光路と、表示素子２０から接眼光学系３０に至る光路とを確実に分離することができる。

なお、表示素子２０は、強誘電液晶表示素子に限定されるわけではない。時分割駆動が可能なものであれば、例えばＤＭＤ（Digital Micromirror Device；米国テキサスインスツルメント社製）で表示素子２０を構成することも勿論可能である。ただし、表示素子２０をＤＭＤで構成すると、ＤＭＤの構造上、その入射角が大きくなるようなレイアウトとなり、照明光学系１０が大型化することが予想される。したがって、照明光学系１０の小型化を考えた場合は、表示素子２０を強誘電液晶表示素子で構成するほうが望ましい。

（２−３．接眼光学系）
接眼光学系３０は、表示素子２０からの映像光を観察者の瞳（光学瞳ＥＰ）に導くための光学系である。接眼光学系３０は、軸非対称（回転非対称、非軸対称）な正の光学パワーを有しており、内部に入射した映像光が良好に収差補正される。この接眼光学系３０は、接眼プリズム３１（第１の透明基板）と、偏向プリズム３２（第２の透明基板）と、ホログラム光学素子３３と、第２の偏光板３４とを有している。

接眼プリズム３１は、入射光すなわち表示素子２０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３３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３２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３１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３１は、その下端部に配置されるホログラム光学素子３３を挟むように偏向プリズム３２と接着剤で接合されている。

偏向プリズム３２は、平面視で略Ｕ字型の平行平板で構成されており、接眼プリズム３１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３１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３２を接眼プリズム３１に接合することにより、観察者が接眼光学系３０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３１に偏向プリズム３２を接合させない場合、外界像の光は接眼プリズム３１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３１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３１に偏向プリズム３２を接合させて一体的な略平行平板を形成することで、外界像の光が接眼プリズム３１の楔状の下端部を透過するときの屈折を偏向プリズム３２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３３は、表示素子２０から出射される３原色に対応した波長の光をそれぞれ回折させる体積位相型の反射型ホログラムで構成されており、軸非対称な正の光学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。なお、ホログラム光学素子３３の特性である回折効率の波長依存性については後述する。

ホログラム光学素子３３は、基板上に塗布されるホログラム感光材料を露光することによって形成されているが、このホログラム感光材料は、ＲＧＢの光の全てに感度を有する単層カラーフォトポリマーで構成されている。つまり、このホログラム感光材料をＲＧＢに対応したレーザー光で３色同時に露光してホログラム感光材料に干渉縞を記録し、ＵＶ（紫外線）照射による定着を行った後、ベイク処理を行って増感することにより、ホログラム光学素子３３が作製される。

単層カラーフォトポリマーは、感光層１層でＲＧＢ３色のホログラムを記録することができるため、構成が簡便である。その結果、ホログラム光学素子３３を容易に、かつ、安定して作製することができる。また、３層カラーフォトポリマーを用いる後述の実施の形態２のように、最適な回折効率および回折波長幅を得るための露光条件（例えば露光量）の特別な調整が不要なため、取り扱いやすいというメリットもある。

第２の偏光板３４は、入射光のうちで第１の偏光板１３を透過する光とは偏光方向が直交する光（ここではＳ偏光）を透過させるものであり、接眼プリズム３１において、表示素子２０からの光が入射する面に貼り付けられている。

（３．映像表示装置の動作）
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。照明光学系１０の光源１１からはＲＧＢの各色光が時分割で出射される。各色光（例えばＰ偏光）は、光路折り曲げ部材１２にて反射され、拡散板１４にて拡散された後、第１の偏光板１３を透過して表示素子２０に入射する。

表示素子２０では、入射光が反射されるが、その際にＲＧＢごとの画像データに応じて変調され、入射光とは異なる偏光（Ｓ偏光）となって表示素子２０から出射される。このとき、表示素子２０には、画像データに応じた映像が時分割でＲＧＢごとに表示される。表示素子２０からの出射光（ＲＧＢごとの映像光）は、光源１１から光路折り曲げ部材１２に至る光路を横切って接眼光学系３０に到達し、接眼光学系３０の第２の偏光板３４を透過して、接眼プリズム３１に入射する。

接眼プリズム３１では、入射した映像光が接眼プリズム３１の対向する２つの平面で複数回全反射され、接眼プリズム３１の下端に配置されたホログラム光学素子３３まで導かれ、そこで反射されて光学瞳ＥＰに達する。表示素子２０が上記のように時分割で駆動されているので、この光学瞳ＥＰの位置に観察者の瞳を位置させることで、観察者は、表示素子２０に表示されたＲＧＢごとの映像の拡大虚像をカラー映像として観察することができる。

一方、接眼プリズム３１、偏向プリズム３２およびホログラム光学素子３３は、外界からの光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界像をシースルーで観察することができる。表示素子２０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。

このように、本実施形態の映像表示装置１では、接眼光学系３０のホログラム光学素子３３は、表示素子２０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用いられているので、観察者は、ホログラム光学素子３３を介して、表示素子２０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、ホログラム光学素子３３は、軸非対称な正の光学パワーを有しているので、このようなホログラム光学素子３３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、装置を容易に小型化することができる。

また、接眼光学系３０の光入射側には、第２の偏光板３４が設けられているので、光源１１から接眼プリズム３１の方向に進行する不要光（Ｐ偏光）があっても、その不要光を第２の偏光板３４にて確実にカットすることができ、その不要光に起因してゴーストやフレアが生じるのを確実に防止することができる。

（４．色再現領域の拡大について）
次に、本発明の最も大きな特徴である色再現領域の拡大について説明する。本実施形態では、以下に示す特性を有するホログラム光学素子３３および光源１１を用いることにより、映像表示装置１によって提供される映像の色再現領域の拡大を図っている。

（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３３における回折効率の波長依存性を示す説明図である。なお、図１の回折効率は、ＢＧＲの各色について、最大回折効率を１としたときの相対値で示している。同図に示すように、ホログラム光学素子３３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。すなわち、Ｂ光の回折効率のピーク波長λ１_Bは４６５ｎｍであり、Ｇ光の回折効率のピーク波長λ１_Gは５２１ｎｍであり、Ｒ光の回折効率のピーク波長λ１_Rは６３４ｎｍである。また、Ｂ光の回折効率半値の波長幅Δλ１_Bは１０ｎｍであり、Ｇ光の回折効率半値の波長幅Δλ１_Gは１０ｎｍであり、Ｒ光の回折効率半値の波長幅Δλ１_Rは１０ｎｍである。

なお、上記した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。また、ホログラム光学素子３３は、ＢＧＲの各色光の回折効率が最大になるような条件でホログラム感光材料を露光して作製されているものとし、その厚さは例えば２０μｍである。

上記のように、ホログラム光学素子３３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、偏向プリズム３２、ホログラム光学素子３３および接眼プリズム３１を介して外界像を通常通り見ることができる。

（４−２．光源の特性）
一方、図４は、光源１１の分光強度特性、すなわち、出射光の波長と発光強度との関係を示す説明図である。なお、図４の光強度は、Ｂ光の最大光強度を基準としたときの相対値で示している。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である。すなわち、光源１１におけるＢＧＲの光強度のピーク波長をそれぞれλ２_B、λ２_G、λ２_Rとすると、λ２_B＝４６２ｎｍであり、λ２_G＝５２５ｎｍであり、λ２_R＝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Δλ２_B、Δλ２_G、Δλ２_Rとすると、Δλ２_B＝２４ｎｍであり、Δλ２_G＝３４ｎｍであり、Δλ２_R＝２２ｎｍである。

なお、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。

（４−３．Δλ１とΔλ２との関係について）
上記のように、本実施形態では、ホログラム光学素子３３におけるＢＧＲの各色についての回折効率半値の波長幅Δλ１（Δλ１_B、Δλ１_G、Δλ１_R）と、光源１１からの出射光におけるＢＧＲの各色についての光強度半値の波長幅Δλ２（Δλ２_B、Δλ２_G、Δλ２_R）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、
Δλ１_B＜Δλ２_B、Δλ１_G＜Δλ２_G、Δλ１_R＜Δλ２_R
を同時に満たすものとなっている。

このような特性の光源１１およびホログラム光学素子３３を用いることにより、光源１１からのＢＧＲの出射光のうちで、さらに波長域を絞った光のみをホログラム光学素子３３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、本実施形態のように時分割で駆動される表示素子２０（強誘電液晶表示素子）を用いた場合でも、ＢＧＲの各色純度を高めることができ、観察映像の色再現領域を、光源１１からのＢＧＲの出射光のみで決まる色再現領域よりもさらに広げることができる。

ここで、図５は、ＸＹＺ表色系におけるＸＹ色度座標を用いて表される色再現領域を示している。実線Ａで示される色再現領域は、本実施形態の映像表示装置１による色再現領域を示しており、破線Ｂで示される色再現領域は、後述する実施の形態２の映像表示装置１（ホログラム光学素子３３がＲＧＢ３層カラーフォトポリマーで構成されているもの）による色再現領域を示している。また、一点鎖線Ｃは、反射型強誘電液晶表示素子単独の色再現領域を示しており、二点差線Ｄは、カラーフィルタを有する液晶表示素子で表示素子２０を構成した映像表示装置による色再現領域を示している。ちなみに、破線Ｅは、非特許文献１の装置の色再現領域を示している。

同図より、本実施形態の映像表示装置１の色再現領域が一番広く、従来の装置よりもさらに色再現領域を拡大できていることがわかる。したがって、本実施形態の映像表示装置１の構成によれば、表示品位の高い映像を観察者に提供することができる。

また、本実施形態では、上述したように、ホログラム光学素子３３は、単層カラーフォトポリマーで構成されるホログラム感光材料を露光することによって作製されている。単層カラーフォトポリマーにおいては、感光層内でのＢＧＲの各色の相互作用によって高い回折効率を得にくいが、その分、ＢＧＲの回折効率半値の波長幅Δλ１（Δλ１_B、Δλ１_G、Δλ１_R）を小さくすることが容易である。

ここで、例えば、非特許文献１のように、ホログラム光学素子を作製するためのホログラム感光材料が、３原色の光のそれぞれに感度を有する各層を積層した３層カラーフォトポリマーで構成されている場合、各層は１つの波長のホログラムのみを記録するので、同一層内で各色の相互作用がなく、各色について高い回折効率が得やすい。したがって、一般的なホログラム光学素子の作製方法、すなわち、最大の回折効率を得るために上記ホログラム感光材料を十分に露光し、ベイクを行う方法では、ＢＧＲの回折効率が頭打ちになり、広い波長域で回折効率が最大となりやすい。つまり、このことは、回折効率半値の波長幅が、ＢＧＲの全てについて広くなりやすいことを意味する。

しかし、本実施形態のように、ホログラム感光材料として単層カラーフォトポリマーを用い、ホログラム光学素子３３を作製することで、ＢＧＲの全てについて、回折効率半値の波長幅Δλ１（Δλ１_B、Δλ１_G、Δλ１_R）を容易に小さくすることができるので、ＢＧＲの各色についてΔλ１＜Δλ２を満足するホログラム光学素子３３を容易に作製することができる。特に、光源としては、Ｒの分光強度分布がシャープなもの（Ｒの光強度半値の波長幅が狭い光源）が一般的に多く出回っているが、このような光源を用いた場合でも、ＢＧＲの全ての色について、Δλ１＜Δλ２を確実に実現することができる。その結果、時分割駆動の表示素子２０を用いた場合でも、色再現領域を容易にかつ確実に広げることができる。

また、ホログラム光学素子３３のΔλ１がΔλ２よりも小さく設定されることで、ホログラム光学素子３３を透過する外光の透過波長幅は広くなり、シースルー性が向上する。したがって、本実施形態の構成によれば、色再現領域の拡大およびシースルー性の向上により、高品位な映像および外界像を観察者に提供することができ、高品位なシースルーディスプレイを実現することができる。

（４−４．Δλ１の範囲およびΔλ１／Δλ２の範囲について）
本実施形態では、ＢＧＲの各色について、Δλ１_B＝Δλ１_G＝Δλ１_R＝１０ｎｍとなっている。このように、３原色の各色について、Δλ１＜２０ｎｍであるので、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。特に、本実施形態のように、ＢＧＲの各色について、Δλ１≦１０ｎｍの条件を満たしていれば、ＢＧＲの各色純度をより一層確実に高めることができ、図５のように、観察映像の色再現領域をより一層確実に広げることができる。

ここで、Δλ１が３ｎｍ以下の場合、広い色再現領域を実現することは可能であるが、ホログラム光学素子３３での回折波長幅が小さくなりすぎて、光源１１からの出射光の利用効率が低下し、映像が暗くなる。したがって、映像の明るさの低下を回避しつつ、広い色再現領域を実現するためには、３原色の各色についてΔλ１＞３ｎｍである、すなわち、Δλ１_B＞３ｎｍ、Δλ１_G＞３ｎｍ、Δλ１_R＞３ｎｍであることが望ましい。

また、上記のようにΔλ１＜Δλ２を満たす範囲内でΔλ１（絶対値）を規定すること以外にも、Δλ１とΔλ２との比の範囲を規定することで、Δλ２（絶対値）との兼ね合いで、映像の明るさと色再現領域の広さとのバランスをより的確にとることができる。

例えば、ＢＧＲの各色について、Δλ１／Δλ２の値が１／１０以下であると、色再現領域の広い映像を提供することが可能となるが、ホログラム光学素子３３での回折波長幅が光源１１からの出射光の波長幅に対して相対的に小さくなりすぎて、明るい映像を提供することが困難となる。逆に、ＢＧＲの各色について、Δλ１／Δλ２の値が１以上であると、明るい映像を提供することが可能となるが、色再現領域の広い映像を提供することが困難となる。

したがって、ＢＧＲの各色について、１／１０＜Δλ１／Δλ２＜１を満足する、すなわち、
１／１０＜Δλ１_B／Δλ２_B＜１、
１／１０＜Δλ１_G／Δλ２_G＜１、
１／１０＜Δλ１_R／Δλ２_R＜１
を満足することにより、Δλ２も考慮して、映像の明るさと色再現領域の広さとを両方満足させることができる。

（５．λ１とΔλ２およびλ２との関係について）
本実施形態では、ＢＧＲの各色について、ホログラム光学素子３３における回折効率のピーク波長λ１（λ１_B、λ１_G、λ１_R）は、光源１１からの出射光の光強度半値の波長幅Δλ２（Δλ２_B、Δλ２_G、Δλ２_R）の波長域に含まれている。すなわち、λ１_B（４６５ｎｍ）は、Δλ２_Bの波長域（４５０〜４７４ｎｍ）に含まれており、λ１_G（５２１ｎｍ）は、Δλ２_Gの波長域（５０８〜５４２ｎｍ）に含まれており、λ１_R（６３４ｎｍ）は、Δλ２_Rの波長域（６２４〜６４６ｎｍ）に含まれている。

この場合、ＢＧＲの各色について、ホログラム光学素子３３における回折効率のピーク波長λ１（λ１_B、λ１_G、λ１_R）と、光源１１からの出射光の光強度のピーク波長λ２（λ２_B、λ２_G、λ２_R）とは比較的近い値となる。このことは、λ２_B＝４６２ｎｍであり、λ２_G＝５２５ｎｍであり、λ２_R＝６３５ｎｍであることからも明らかである。これにより、光源１１からの出射光のうちで光強度が高い波長域の光を、効率よくホログラム光学素子３３にて回折させて観察者の瞳に導くことができる。したがって、光源１１からの出射光の利用効率を上げて、明るい映像を観察者に提供することができる。

特に、本実施形態では、ＢＧＲの各色について、λ１は、λ２±２０ｎｍの範囲内である、すなわち、
λ１_B（４６５ｎｍ）＝λ２_B（４６２ｎｍ）±２０ｎｍ、
λ１_G（５２１ｎｍ）＝λ２_G（５２５ｎｍ）±２０ｎｍ、
λ１_R（６３４ｎｍ）＝λ２_R（６３５ｎｍ）±２０ｎｍ
である。これにより、ＢＧＲの各色について、ホログラム光学素子３３における回折効率のピーク波長λ１（λ１_B、λ１_G、λ１_R）と、光源１１からの出射光の光強度のピーク波長λ２（λ２_B、λ２_G、λ２_R）とが確実に近くなるので、光源１１からの出射光の利用効率を確実に上げることができ、明るい映像を観察者に確実に提供することができる。

（６．光強度に応じた回折効率の調整について）
ところで、図５の中央の破線Ｆで示される領域は、ＲＧＢのカラーバランスを調整するときの白色目標エリアを示している。この目標エリアは、ＸＹ色度座標において（Ｘ，Ｙ）＝（０．３２±０．０５，０．３３±０．０５）を中心とするほぼ楕円領域である。そこで、光源１１のＲＧＢの各発光部を全て最大パワーで発光したときに表示する白色が上記目標エリアに入るように、露光条件（例えば露光量）および後処理条件（例えばベイク温度、ベイク時間）を最適化することによってホログラム光学素子３３のＲＧＢの各波長の最大回折効率を調整すれば、光の利用効率が高く、さらに高品位な映像表示装置１を実現することができる。具体的には以下の通りである。

光源１１からの出射光の光強度（ピーク値）の比は、図４から、Ｂ：Ｇ：Ｒでおよそ１０：５：８である。この場合、ホログラム光学素子３３での回折効率（ピーク値）の比がＢ：Ｇ：Ｒで例えば９５：８５：５０となるように露光条件および後処理条件を最適化し、ホログラム光学素子３３を作製する。つまり、視感度の高いＧ光については、光源１１からの出射光の光強度が他のＢ光やＲ光よりも小さいので、ホログラム光学素子３３でのＧ光の回折効率を高めに設定している。一方、他のＢ光やＲ光については、光源１１からの出射光の光強度を考慮して、ＢＧＲ全体のカラーバランスが良好となるようにホログラム光学素子３３でのＢ光およびＲ光の回折効率を設定している。

このように、ホログラム光学素子３３におけるＢＧＲの回折効率を、光源１１からのＢＧＲの出射光の光強度に応じて設定することにより、光源光量を増大させることなく明るい映像を観察者に提供することができるとともに、ＢＧＲのカラーバランスを良好にすることができる。つまり、光源１１の消費電力の増大を回避しながら、良好な品位の映像を観察者に提供することができる。

なお、上述した回折効率比のホログラム光学素子３３を用いた場合、Ｂについては、光源１１からの出射光の光強度と回折効率との積が、他のＧやＲについてのものよりも高い値となるが、これはＢの視感度が低いことを考慮したことによる。カラーバランスは、瞳に到達する光の波長について光強度を足し合わせたもの（積分したもの）にその光の視感度を掛け合わせたもので評価されるので、回折効率比を上記のように設定することによって、ＢＧＲの視感度も考慮してカラーバランスを良好にすることができる。

（７．光学瞳内での光強度ピークのずれ量について）
図６は、ＢＧＲの各色について、光学瞳ＥＰ内での瞳位置による光強度の変化を示す説明図である。なお、図６の横軸の瞳位置は、例えば図２のＨＭＤの上下方向（図３の映像表示装置１の縦方向）の瞳位置を示している。

光学瞳内でＢＧＲの光強度のピーク位置が互いにずれていると、光学瞳ＥＰに対して観察者の瞳が例えば上下方向にずれたときに、観察者の瞳から光強度のピーク位置が外れるような色が生じる場合がある。例えば、図６において、観察者の瞳が横軸右方向に対応する方向にずれると、そのずれ量によっては、Ｒ光の光強度のピーク位置が観察者の瞳から外れる。この場合、観察者は映像の色ムラを認識しやすくなる。

そこで、観察者の瞳が直径２ｍｍ以上であることを考慮すれば、光学瞳ＥＰ内での光強度のピーク位置のずれ量（方向は問わない）は、ＢＧＲの各色間で１ｍｍ以下であることが望ましい。この場合、光学瞳ＥＰに対して観察者の瞳が多少ずれたとしても、色によってはその光強度のピーク位置が観察者の瞳から外れるような事態を極力回避することができ、観察者が映像の色ムラを認識するのを抑えることができる。

〔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、説明の便宜上、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７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。本実施形態の映像表示装置１’は、図２のＨＭＤに適用可能なものであり、照明光学系１０’と、表示素子２０’と、接眼光学系３０’とで構成されている。

照明光学系１０’は、後述する透過型の表示素子で構成される表示素子２０’をその裏側（表示面とは反対側）から照明するものであり、光源１１と、拡散板１４と、集光レンズ１５とを有している。集光レンズ１５は、光源１１から出射されて拡散板１４にて拡散された光を表示素子２０’に集光する。

表示素子２０’は、実施の形態１の表示素子２０と同様に、複数の画素をマトリクス状に有し、光源１１からの出射光を画像データに応じて各画素ごとに変調することによって映像を表示する光変調素子であるが、本実施形態では、透過型の強誘電液晶表示素子で構成されている。つまり、表示素子２０’は、強誘電液晶を２枚の基板で挟持してなり、一方の基板に透明電極（画素電極）が形成され、他方の基板に対向電極が形成されたものである。表示素子２０’の各画素は、光源１１から時分割で順に供給されるＲＧＢの光のそれぞれに対応して時分割で駆動される。

接眼光学系３０’は、実施の形態１のホログラム光学素子３３をホログラム光学素子３３’に置き換え、第２の偏光板３４を省いた以外は、実施の形態１の接眼光学系３０と同様の構成である。ホログラム光学素子３３’は、表示素子２０’から出射されるＢＧＲの光をそれぞれ回折させるなど、基本的な機能はホログラム光学素子３３と同様である。ただし、ホログラム光学素子３３’を作製するためのホログラム感光材料は、３層カラーフォトポリマーで構成されている。３層カラーフォトポリマーは、ＢＧＲの光のそれぞれに感度を有する各層を積層して構成されたものである。なお、ホログラム光学素子３３’の特性については後述する。

上記の構成において、照明光学系１０’の光源１１からはＢＧＲの各色光が時分割で出射される。各色光は、拡散板１４にて拡散された後、集光レンズ１５を介して表示素子２０’に入射する。

表示素子２０’では、入射光がＲＧＢごとに画像データに応じて変調され、画像データに応じた映像が時分割でＲＧＢごとに表示される。表示素子２０’からの出射光（ＲＧＢごとの映像光）は、接眼光学系３０’の接眼プリズム３１に入射し、そこで複数回全反射された後、ホログラム光学素子３３’にて回折されて光学瞳ＥＰに達する。表示素子２０’が上記のように時分割で駆動されているので、この光学瞳ＥＰの位置に観察者の瞳を位置させることで、観察者は、表示素子２０’に表示されたＲＧＢごとの映像の拡大虚像をカラー映像として観察することができる。

一方、接眼プリズム３１、偏向プリズム３２およびホログラム光学素子３３’は、外界からの光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界像をシースルーで観察することができる。表示素子２０’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。

本実施形態のように表示素子２０’を透過型で構成した場合、光源１１が表示素子２０’に対して接眼光学系３０’とは反対側に位置するレイアウトとなるので、光源１１から表示素子２０’を介さずに接眼光学系３０’に入射するような不要光が発生しにくい。したがって、そのような不要光をカットするための部材（例えば実施の形態１の第２の偏光板３４のような部材）を接眼光学系３０’の光入射側に設ける必要がなくなる。その結果、接眼光学系３０’の構成を簡素化することができる。

次に、ホログラム光学素子３３’の特性について説明する。
図８は、ホログラム光学素子３３’における回折効率の波長依存性を示す説明図である。なお、図８の回折効率は、ＢＧＲの各色について、最大回折効率を１としたときの相対値で示している。また、図８の実線Ｐは、一般的な露光条件および後処理条件、すなわち、露光量（ｍＪ／ｃｍ²）がＲ：Ｇ：Ｂで１５：７：７であり、ベイク温度；１２０℃、ベイク時間；２時間で作製されたホログラム光学素子３３’における回折効率の波長依存性を示している。一方、図８の破線Ｑは、所定の露光条件および後処理条件、具体的には、露光量（ｍＪ／ｃｍ²）がＲ：Ｇ：Ｂで６０：２５：２５であり、ベイク温度；１２０℃、ベイク時間；３時間で作製されたホログラム光学素子３３’における回折効率の波長依存性を示している。

ホログラム光学素子３３’を作製するためのホログラム感光材料として３層カラーフォトポリマーを用いた場合、一般的な露光条件および後処理条件でホログラム光学素子３３’を作製すると、図８の実線Ｐで示すように、各色の回折効率を大きくすることが可能である。したがって、本実施形態のように、表示素子２０’を透過型の表示素子で構成する場合、透過型の表示素子は反射型の表示素子と比べて開口率が低いので、光の利用効率を上げるためには、単層カラーフォトポリマーを用いるよりも、回折効率の高いＲＧＢ３層のカラーフォトポリマーを用いてホログラム光学素子３３’を作製するほうが望ましい。

しかし、一般的な露光条件および後処理条件、すなわち、回折効率を最大にするような条件でホログラム光学素子３３’を作製すると、実線Ｐのように回折効率半値の波長幅が２０ｎｍを越え、広くなりすぎる。その結果、実施の形態１で示したΔλ１＜Δλ２などの種々の条件を満足することが困難となる。

そこで、本実施形態では、露光条件および後処理条件を上記所定の条件に最適化して破線Ｑで示す特性のホログラム光学素子３３’を作製している。上記所定の条件でホログラム光学素子３３’を作製することにより、ホログラム光学素子３３’における回折効率半値の波長幅（Δλ１）をＲＧＢの全てについて２０ｎｍ以下にすることができ、Δλ１＜Δλ２などの条件を満足させるようにすることができる。

ちなみに、上記所定の条件でホログラム光学素子３３’を作製した結果、ホログラム光学素子３３’は、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±７ｎｍ（Ｂ光）、５２１±７ｎｍ（Ｇ光）、６３４±７ｎｍ（Ｒ光）の３つの波長域の光を回折（反射）させる特性となった。すなわち、Ｂ光の回折効率のピーク波長λ１_Bは４６５ｎｍであり、Ｇ光の回折効率のピーク波長λ１_Gは５２１ｎｍであり、Ｒ光の回折効率のピーク波長λ１_Rは６３４ｎｍであった。また、Ｂ光の回折効率半値の波長幅Δλ１_Bは１４ｎｍであり、Ｇ光の回折効率半値の波長幅Δλ１_Gは１４ｎｍであり、Ｒ光の回折効率半値の波長幅Δλ１_Rは１４ｎｍであった。

このような破線Ｑで示す特性のホログラム光学素子３３’を用いて映像表示装置１’を構成したときの色再現領域は、図５の破線Ｂで示される領域となる。この破線Ｂで示す色再現領域は、反射型強誘電液晶素子単独の色再現領域（一点鎖線Ｃ）よりも広いことがわかる。したがって、３層カラーフォトポリマーを用いてホログラム光学素子３３’を作製した場合には、露光条件および後処理条件を最適化することによって色再現領域を拡大できるという実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

なお、一般的に、ホログラム光学素子の回折効率半値の波長幅を狭くする（回折効率を下げる）方法には、露光量を下げる方法とベイク温度を下げる方法（またはベイク時間を短くする方法）との２通りが考えられるが、回折効率半値の波長幅や回折効率を安定してコントロールできるのは前者の方法である。このような理由から、本実施形態では、露光量を主に最適化することにより、回折効率半値の波長幅のコントロールを行っている。

なお、以上の各実施の形態では、映像表示装置をＨＭＤに適用した例について説明したが、例えば、デジタルカメラの電子ファインダーや、携帯電話機のモニターにも適用することが可能である。また、各実施の形態で説明した構成を適宜組み合わせて映像表示装置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接眼光学系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。 上記ヘッドマウントディスプレイの概略の構成を示す斜視図である。 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色再現領域を示す説明図である。 ３原色の各色について、光学瞳内での瞳位置による光強度の変化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の概略の構成を示す断面図である。 上記映像表示装置の接眼光学系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。

符号の説明

１ 映像表示装置
１’ 映像表示装置
２ 支持手段
１１ 光源
１２ 光路折り曲げ部材
２０ 表示素子（強誘電液晶表示素子、反射型強誘電液晶表示素子）
２０’ 表示素子（強誘電液晶表示素子、透過型強誘電液晶表示素子）
３０ 接眼光学系
３０’ 接眼光学系
３１ 接眼プリズム（第１の透明基板）
３２ 偏向プリズム（第２の透明基板）
３３ ホログラム光学素子
３３’ ホログラム光学素子

Claims (20)

1. ３原色に対応した波長の光を出射する光源と、
   複数の画素を有し、上記光源からの出射光を各画素ごとに変調することによって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、
   上記表示素子の各画素は、上記光源から時分割で順に供給される３原色の光のそれぞれに対応して時分割で駆動され、
   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それぞれ回折させ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３原色の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、上記光源からの出射光における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Δλ２とすると、３原色の各色について、
   Δλ１＜Δλ２
   であることを特徴とする映像表示装置。
2. ３原色の各色について、
   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. ３原色の各色について、
   Δλ１≦１０ｎｍ
   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. 上記ホログラム光学素子は、基板上に塗布されるホログラム感光材料を露光することによって形成されており、
   上記ホログラム感光材料は、３原色の光の全てに感度を有する単層カラーフォトポリマーで構成されてい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. ３原色の各色について、
   Δλ１＞３ｎｍ
   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. ３原色の各色について、
   １／１０＜Δλ１／Δλ２＜１
   であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の映像表示装置。
7. ３原色の各色について、上記ホログラム光学素子における回折効率のピーク波長は、上記光源からの出射光の光強度半値の波長幅の波長域に含まれ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. 上記ホログラム光学素子における３原色の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、上記光源からの出射光における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λ２とすると、
   ３原色の各色について、λ１は、λ２±２０ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項７に記載の映像表示装置。
9. 上記表示素子は、強誘電液晶表示素子であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の映像表示装置。
10. 上記強誘電液晶表示素子は、反射型であることを特徴とする請求項９に記載の映像表示装置。
11. 上記光源から上記反射型強誘電液晶表示素子に至る光路を折り曲げる光路折り曲げ部材をさらに有しており、
    上記光路折り曲げ部材は、上記光源から上記光路折り曲げ部材に向かう光と、上記反射型強誘電液晶表示素子から上記接眼光学系に向かう光とが交差するように設けられており、
    上記光源からの光が上記光路折り曲げ部材を介して上記反射型強誘電液晶表示素子に入射するときの入射角をθとすると、
    １０°＜θ＜６０°
    を満足することを特徴とする請求項１０に記載の映像表示装置。
12. 上記強誘電液晶表示素子は、透過型であることを特徴とする請求項９に記載の映像表示装置。
13. 上記ホログラム光学素子は、基板上に塗布されるホログラム感光材料を露光することによって形成されており、
    上記ホログラム感光材料は、３原色の光のそれぞれに感度を有する各層を積層した３層カラーフォトポリマーで構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の映像表示装置。
14. 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１３のいずれかに記載の映像表示装置。
15. 上記ホログラム光学素子における３原色の各色についての回折効率は、上記光源からの出射光における３原色の各色についての光強度に応じて設定され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. 上記接眼光学系によって形成される光学瞳内での光強度のピーク位置のずれ量は、３原色の各色間で１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から１５のいずれかに記載の映像表示装置。
17. 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１６のいずれかに記載の映像表示装置。
18. 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１７のいずれかに記載の映像表示装置。
19. 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１８に記載の映像表示装置。
20. 請求項１から１９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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