JP2010271565A - 頭部装着型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自然な輻輳角をもたせることにより観察者の眼精疲労を軽減することが可能な頭部装着型表示装置を提供する。
【解決手段】観察者の頭部に装着されて画像表示を行う頭部装着型表示装置１であって、観察者の右眼５０Ｒに対応した表示画像光を出射する右眼用の画像表示光学系１５０Ｂと、観察者の左眼に対応した表示画像光を出射する左眼用の画像表示光学系と、右眼用の画像表示光学系１５０と左眼用の画像表示光学系とを観察者の右眼５０Ｒと左眼とを結ぶ線に平行に相対移動させることにより、観察者の両眼５０の輻輳角を所定の値に調整する輻輳角調整手段７０と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、頭部装着型表示装置に関するものである。

近年、ヘッドマウントディスプレイ（頭部装着型表示装置、Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ；ＨＭＤ）が普及している。一般に、ＨＭＤとしては左右一対の画像表示装置に表示された画像を観察者に両眼で観察させる両眼式のＨＭＤが採用されている（例えば、特許文献１参照）。このような両眼式のＨＭＤを観察者が装着した場合、観察者は左右のそれぞれの表示画像を重ねて１つの画像として観察する。

人の眼は、輻輳角が変化することにより視認距離を知覚する。つまり、観察者が近くのものを見る場合には輻輳角は大きくなり、遠くのものを見る場合には輻輳角は小さくなる。このような特性により、観察者は視対象との距離感を感じている。そこで、観察者が左右のそれぞれの表示画像を重ねて１つの画像として観察する際に眼が疲れないように輻輳角（観察者の両眼の視線が視対象の位置に収束してできる角度）を調整できる技術が求められている。

特開２００７−３３３９５２号公報

図６は、特許文献１における両眼式のＨＭＤにおいて表示画像に対する観察者の両眼の視線を示した模式図である。図６に示すように、左右一対の画像表示装置に表示された表示画像１０１０を観察者の両眼１０５０のそれぞれに対応する位置に配置することにより、観察者は左右のそれぞれの表示画像１０１０を重ねて１つの画像として観察する。輻輳角を調整するために図７の構成も考えられるが、左右一対の画像表示装置を傾けるとすると、表示画像１０１０が画像表示装置の傾きに倣って観察者の左右の眼１０５０のそれぞれに対応して傾くことになる。このような位置関係は、例えば日常生活における観察者のディスプレイの視聴状態とは異なるものとなる。つまり、日常ありえない表示画像１０１０に対する観察者の左右の眼１０５０の位置関係となり、観察者に違和感を与え、眼精疲労の原因にもなりかねない。

一方、特許文献１の技術にあっては、左右一対の光軸のなす角を調整する光軸調整手段を設けることにより、左右のそれぞれにおいて光軸調整を行い、観察者が左右のそれぞれの表示画像を重ねて１つの画像として観察することができる技術が開示されているが、輻輳角を調整する技術については全く記載されていない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、自然な輻輳角をもたせることにより観察者の眼精疲労を軽減することが可能な頭部装着型表示装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の頭部装着型表示装置は、観察者の頭部に装着されて画像表示を行う頭部装着型表示装置であって、前記観察者の右眼に対応した表示画像光を出射する右眼用の画像表示光学系と、前記観察者の左眼に対応した表示画像光を出射する左眼用の画像表示光学系と、前記右眼用の画像表示光学系と前記左眼用の画像表示光学系とを前記観察者の右眼と左眼とを結ぶ線に平行に相対移動させることにより、前記観察者の両眼の輻輳角を所定の値に調整する輻輳角調整手段と、を備えることを特徴とする

この構成によれば、右眼用の画像表示光学系と左眼用の画像表示光学系とを観察者の右眼と左眼とを結ぶ線に平行に相対移動させることにより、観察者の両眼の輻輳角を所定の値に調整する輻輳角調整手段が設けられている。つまり、観察者は輻輳角調整手段を用いて所望の輻輳角となるように各画像表示光学系の位置を適宜変更できる。したがって、自然な輻輳角をもたせることにより観察者の眼精疲労を軽減することが可能となる。

また、上記頭部装着型表示装置においては、前記右眼用の画像表示光学系と前記左眼用の画像表示光学系とのそれぞれにおいて、前記各画像表示光学系は、光を出射する光源と、前記光源からの光を変調して前記画像表示を行う画像表示素子と、を含む第１光学系と、前記第１光学系から出射された表示画像光を内部全反射して導光する導光板と、前記導光板に前記第１光学系から入射された前記表示画像光を、前記導光板の内部全反射条件を満たすように回折または反射する第１光路変更手段と、前記第１光路変更手段から出射され前記導光板で内部全反射して導光される前記表示画像光を、前記導光板の前記内部全反射条件から外れるように回折または反射して、前記導光板から前記観察者の眼に向けて出射させる第２光路変更手段と、を含む第２光学系と、を有し、前記輻輳角調整手段は、前記右眼用の画像表示光学系に含まれる右眼用の第１光学系と、前記左眼用の画像表示光学系に含まれる左眼用の第１光学系と、を前記観察者の右眼と左眼とを結ぶ線に平行に相対移動させることにより、前記観察者の両眼の輻輳角を所定の値に調整していてもよい。

この構成によれば、右眼用の第１光学系と左眼用の第１光学系とを観察者の右眼と左眼とを結ぶ線に平行に相対移動させることにより、観察者の両眼の輻輳角を所定の値に調整する輻輳角調整手段が設けられている。つまり、観察者は輻輳角調整手段を用いて所望の輻輳角となるように各第１光学系の位置を適宜変更できる。したがって、自然な輻輳角をもたせることにより観察者の眼精疲労を軽減することが可能となる。

また、上記頭部装着型表示装置においては、前記所定の値が１．１４〜２．５６°の範囲内となっていることが望ましい。

この構成によれば、一般的な仮想画面に対する視認距離の条件において自然な輻輳角となるため、観察者の眼精疲労が軽減される。これは、人間の眼の幅が通常の範囲内（例えば４〜９ｃｍ）にある場合、例えばＨＭＤの仕様として仮想画面に対する視認距離が２ｍに設定されているとすると、観察者の両眼の輻輳角が１．１４〜２．５６°の範囲内に設定されることで自然な輻輳角が得られることによる。

また、上記頭部装着型表示装置においては、前記右眼用の画像表示光学系に含まれる右眼用の第２光学系と前記左眼用の画像表示光学系に含まれる左眼用の第２光学系とのそれぞれにおいて、前記各第１光路変更手段は、前記表示画像光を回折する第１ホログラム素子を有し、前記各第２光路変更手段は、前記第１ホログラム素子から出射され前記導光板内部で全反射して導光される前記表示画像光を前記観察者の眼に向けて回折する第２ホログラム素子を有していてもよい。

この構成によれば、右眼用の第２光学系と左眼用の第２光学系とのそれぞれにおいて、各第１光路変更手段として表示画像光を回折する第１ホログラム素子を用いているため、一般的な反射板を用いるよりも各第１光路変更手段に対する画像表示光の反射角度を大きくすることができる。第１光路変更手段に対する画像表示光の反射角度を大きくすることで、左右一対の表示画像の位置を変更しやすくなる。例えば、輻輳角調整手段による調整範囲（例えば第１光学系の移動可能な範囲）が小さい場合であっても、第１光路変更手段としてホログラム素子を用いることで左右一対の表示画像の位置を変更して、観察者の両眼の輻輳角を所定の値に調整できる。したがって、輻輳角調整手段による調整範囲が小さくても、自然な輻輳角をもたせることにより観察者の眼精疲労を軽減することが可能となる。

また、上記頭部装着型表示装置においては、前記第１ホログラム素子及び前記第２ホログラム素子は、赤色光の波長域の表示画像光を選択的に回折する赤色光用ホログラム層と、緑色光の波長域の表示画像光を選択的に回折する緑色光用ホログラム層と、青色光の波長域の表示画像光を選択的に回折する青色光用ホログラム層と、を有し、前記赤色光用ホログラム層、前記緑色光用ホログラム層、前記青色光用ホログラム層は、同一の入射角で入射される互いに異なる波長域の前記表示画像光を、それぞれ略同一の回折角にて回折してもよい。

この構成によれば、赤色光用ホログラム層によって赤色光が選択的に回折され、青色光用ホログラム層によって青色光が選択的に回折され、緑色光用ホログラム層によって緑色光が選択的に回折される。そして、各色光用ホログラム層は、同一の入射角で入射される互いに異なる波長域の表示画像光を、それぞれ略同一の回折角で回折する。このため、カラー化した場合には、各色光用のホログラム層を設けることによって各色光の回折角（導光板内部の全反射角）をほぼ等しくすることができる。したがって、カラー化した場合において、自然な輻輳角をもたせることにより観察者の眼精疲労を軽減することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係るＨＭＤを示す模式図である。 本発明のＨＭＤにおいて輻輳角を調整した例を示した模式図である。 本発明の第２実施形態に係るＨＭＤを示す模式図である。 本発明の第３実施形態に係るＨＭＤを示す模式図である。 本発明の第４実施形態に係るＨＭＤを示す模式図である。 両眼式のＨＭＤにおいて表示画像に対する観察者の両眼の視線を示す図である。 両眼式のＨＭＤにおいて輻輳角を調整した一例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るＨＭＤ（頭部装着型表示装置）１の概略構成を示す模式図である。ここで、頭部装着型表示装置とは、観察者の頭部に装着されて画像表示を行うものである。図１に示すように、ＨＭＤ１は、観察者の両眼（右眼と左眼）に対応した表示画像光を出射する左右一対の画像表示光学系１５０と、左右一対の輻輳角調整手段７０と、を具備して構成されている。なお、本図においては、便宜上左右一対の構成部品のうち観察者の右眼に対応する右側の構成部品のみを図示し、左側の構成部品については省略する。

左右一対の画像表示光学系１５０のそれぞれにおいて、各画像表示光学系１５０は、第１光学系１００と、第１光学系１００から照射された照明光を入射して観察者の眼５０へと導く左右一対の第２光学系２００と、を具備して構成されている。

第１光学系１００は、光を出射する光源２０と、光源２０からの光を変調して画像表示を行う画像表示素子１０と、各画像表示素子１０から出射された表示画像光を入射するコリメーター３０と、をそれぞれ含んで構成されている。

光源２０は、赤（Ｒ）色、緑（Ｇ）色、青（Ｂ）色の各色に対応するＬＥＤを備えて構成されている。ただし、広く用いられている青色ＬＥＤと黄色蛍光体の組み合わせによる疑似白色でも本発明の効果が変わるものではない。

画像表示素子１０は、例えば、有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイ、無機ＥＬディスプレイや、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）などのディスプレイである。本実施形態の場合、画像表示素子１０は、透過型液晶パネルであり、光源２０から出射された光を変調して画像表示を行う機能を有する。

コリメーター３０は、画像表示素子１０の各画素から射出された光（表示画像光）を入射して、この表示画像光を平行光束群に変換する機能を有する。コリメーター３０は、例えば、収束レンズと、スリット部材と、コリメーターレンズとによって構成される。コリメーター３０に入射した表示画像光は、まず収束レンズによって収束され、スリット部材を透過した後に拡散して、コリメーターレンズに入射する。コリメーターレンズに入射した表示画像光は、このコリメーターレンズによって平行光束群に変換される。コリメーター３０から出射された平行光束群は、後述する導光板４０に入射される。

第２光学系２００は、第１光学系１００から出射された表示画像光を導く導光板４０と、表示画像光を導光板４０内部に回折または反射する第１光路変更手段４１と、表示画像光を導光板４０内部に全反射する反射板４３，４４と、表示画像光を導光板４０から観察者の眼５０に向けて出射させる第２光路変更手段４２と、をそれぞれ含んで構成されている。

導光板４０は、コリメーター３０から出射された平行光束群を導く機能を有するものである。導光板４０は、コリメーター３０から出射された平行光束群を入射する光入射口４０ａ１を一端部に有し、他端部に光を出射する光出射口４０ａ２を有する光学面４０ａと、この光学面４０ａに対向する光学面４０ｂと、を主面とする薄型平板のものである。導光板４０としては、例えばアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂等の透明性に優れた樹脂又はガラスを所定の形状に加工したものを用いることができる。なかでもアクリル樹脂を用いるのが軽量性、透明性の点で好ましい。

導光板４０内部の光入射口４０ａ１の側に第１光路変更手段４１が設けられ、光出射口４０ａ２の側に第２光路変更手段４２が設けられている。一方、導光板４０の光学面４０ａには必要に応じて反射板４３が設けられ、光学面４０ｂには必要に応じて反射板４４が設けられている。

第１光路変更手段４１は、本実施形態の場合、コリメーター３０から出射された平行光束群を反射させて導光板４０内部に導く反射ミラーである。反射ミラー４１は、コリメーター３０から反射板４３に至る経路を折り曲げる光路折り曲げ部材として機能している。反射ミラー４１に入射した平行光束群は、反射角度Θａ（反射ミラー４１に対する画像表示光の反射角度）で反射板４３に向かって反射される。反射板４３は、例えばアルミニウムからなり、入射した平行光束群を対向する反射板４４に向かって反射する機能を有する。反射板４４は、反射板４３と同様に例えばアルミニウムからなる。そして、平行光束群が一対の反射板４３，４４の間（導光板４０内部）で複数回反射される。導光板４０内部を複数回反射した平行光束群は、第２光路変更手段４２に入射する。

第２光路変更手段４２は、本実施形態の場合、平行光束群を観察者の眼５０に導く反射ミラーである。反射ミラー４２は、反射板４３から観察者の眼５０に至る経路を折り曲げる光路折り曲げ部材として機能している。反射ミラー４２で反射された平行光束群は、光出射口４０ａ２を通って観察者の眼５０に導かれる。

輻輳角調整手段７０は、観察者の右眼用の画像表示光学系１５０と左眼用の画像表示光学系との相対的な位置関係を変更することにより、輻輳角（観察者の両眼の視線が視対象の位置に収束してできる角度）を調整する機能を有する。例えば、輻輳角調整手段７０は、第１光学系１００の近傍に配置されている。また、輻輳角調整手段７０は、ダイヤル式やボタン式などの調整機構となっており、観察者が適宜調整できるよう外部に露出されている。

このような輻輳角調整手段７０により、左右のそれぞれにおいて、光源２０と画像表示素子１０とコリメーター３０とを含む第１光学系１００と、導光板４０と第１光路変更手段４１と反射板４３，４４と第２光路変更手段４２とを含む第２光学系２００と、が一体となって位置調整されることになる。このため、第１光学系１００から出射される画像表示光の第２光学系２００に対する入射方位がずれることがない。

図２は、本発明のＨＭＤを用いて輻輳角Θｎを調整した例を示した模式図である。図２（ａ）は、左右一対の第２光路変更手段４２により導かれる表示画像４２Ｐ１，４２Ｐ２の移動方向を示している。図２（ｂ）は、左右一対の表示画像４２Ｐ１，４２Ｐ２に対する左右一対の観察者の眼の角度Θ１，Θ２を示している。

図２（ａ）に示すように、左右一対の第２光路変更手段４２により導かれる左右一対の表示画像４２Ｐ１，４２Ｐ２は、観察者の両眼５０の視線が収束する方向に移動している。これら表示画像４２Ｐ１，４２Ｐ２の移動方法は、例えば、図１に示すように、輻輳角調整手段７０により右眼用の画像表示光学系１５０と左眼用の画像表示光学系とを観察者の右眼５０Ｒと左眼５０Ｌとを結ぶ線に平行に相対移動させることにより求められる。ここでは、右眼用の画像表示光学系１５０と左眼用の画像表示光学系とをそれぞれ内側（観察者の側）に移動させている。

図２（ｂ）に示すように、表示画像４２Ｐ１，４２Ｐ２が移動すると、観察者の両眼５０の視線が内側に収束する。観察者の両眼５０の視線が内側に収束することにより輻輳角Θｎが得られる。このとき、右側の表示画像４２Ｐ１に対する観察者の右眼５０Ｒの角度はΘ１に、左側の表示画像４２Ｐ２に対する観察者の左眼５０Ｌの角度はΘ２に、それぞれ調整されている。このように、観察者は輻輳角調整手段７０を用いて輻輳角Θｎが所望の値となるように左右一対の画像表示光学系１５０の位置を適宜変更できる。

ここで、左右一対の表示画像４２Ｐ１，４２Ｐ２に対する左右一対の観察者の眼５０の角度（具体的には、観察者の両眼を結ぶ線と直交する線と、表示画像の中心と観察者の瞳の中心とを結ぶ線と、がなす角度）Θ１，Θ２は、それぞれ０．５７〜１．２８°の範囲内に設定されるのがよい。すなわち、輻輳角Θｎは、１．１４〜２．５６°の範囲内に設定されるのがよい。これにより、一般的な仮想画面に対する視認距離の条件において自然な輻輳角Θｎとなるため、観察者の眼精疲労が軽減される。これは、人間の眼の幅が通常の範囲内（例えば４〜９ｃｍ）にある場合、例えばＨＭＤの仕様として仮想画面に対する視認距離が２ｍに設定されているとすると、左右一対の表示画像４２Ｐ１，４２Ｐ２に対する左右一対の観察者の眼５０の角度Θ１，Θ２が０．５７〜１．２８°の範囲内に設定されることで自然な輻輳角Θｎが得られることによる。

本実施形態のＨＭＤ１によれば、右眼用の画像表示光学系１５０と左眼用の画像表示光学系とを観察者の右眼５０Ｒと左眼５０Ｌとを結ぶ線に平行に相対移動させることにより、観察者の両眼５０の輻輳角Θｎを所定の値に調整する輻輳角調整手段７０が設けられている。つまり、観察者は輻輳角調整手段７０を用いて所望の輻輳角Θｎとなるように各画像表示光学系１５０の位置を適宜変更できる。したがって、自然な輻輳角Θｎをもたせることにより観察者の眼精疲労を軽減することが可能となる。

また、この構成によれば、一般的な仮想画面に対する視認距離の条件において自然な輻輳角Θｎとなるため、観察者の眼精疲労が軽減される。これは、人間の眼の幅が通常の範囲内（例えば４〜９ｃｍ）にある場合、例えばＨＭＤの仕様として仮想画面に対する視認距離が２ｍに設定されているとすると、観察者の両眼５０の輻輳角Θｎが１．１４〜２．５６°の範囲内に設定されることで自然な輻輳角Θｎが得られることによる。

なお、本実施形態では、左右一対の第１光学系１００の近傍に左右一対の輻輳角調整手段７０が設けられているが、これに限らない。例えば、左右いずれか一方の第１光学系１００の近傍にのみ輻輳角調整手段７０が設けられていればよい。すなわち、左右のそれぞれについて、右眼用の画像表示光学系１５０と左眼用の画像表示光学系とを観察者の右眼５０Ｒと左眼５０Ｌとを結ぶ線に平行に相対移動させることにより、輻輳角Θｎを所望の値に調整できるように輻輳角調整手段７０が設けられていればよい。

また、本実施形態では、輻輳角調整手段７０は、右眼用の画像表示光学系１５０と左眼用の画像表示光学系とを観察者の右眼５０Ｒと左眼５０Ｌとを結ぶ線に平行に相対移動させることにより、輻輳角Θｎを所望の値に調整するがこれに限らない。例えば、輻輳角調整手段７０は、右眼用の第１光学系１００と左眼用の第１光学系とを観察者の右眼５０Ｒと左眼５０Ｌとを結ぶ線に平行に相対移動させることにより、輻輳角Θｎを所定の値に調整してもよい。これによっても、観察者は輻輳角調整手段７０を用いて所望の輻輳角Θｎとなるように各第１光学系１００の位置を適宜変更できる。したがって、自然な輻輳角Θｎをもたせることにより観察者の眼精疲労を軽減することが可能となる。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係るＨＭＤ２の概略構成を示す模式図である。本図は図１に対応した、ＨＭＤ２の概略構成を示した図である。図３に示すように、本実施形態のＨＭＤ３は、反射ミラー４１，４２に替えてホログラム素子４１Ａ，４２Ａが用いられている点、導光板４０の光学面４０ａ，４０ｂにそれぞれ反射板４３，４４が設けられていない点、で上述のＨＭＤ１と異なっている。その他の点はＨＭＤ１と同様であるので、図１と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。なお、ホログラム素子としては、平面型ホログラム素子に比べて回折効率や波長分解能に優れる体積型ホログラム素子を用いるのが好ましい。例えば、体積型ホログラム素子としては、ＰＤＡ（Ｐｈｏｒｏｐｏｌｙｍｅｒ ｗｉｔｈ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）が挙げられる。

図３に示すように、ＨＭＤ２は、観察者の両眼（右眼と左眼）に対応した表示画像光を出射する左右一対の画像表示光学系１５０Ａと、左右一対の輻輳角調整手段７０と、を具備して構成されている。左右一対の画像表示光学系１５０Ａのそれぞれにおいて、各画像表示光学系１５０Ａは、第１光学系１００と、第１光学系１００から照射された照明光を入射して観察者の眼５０へと導く左右一対の第２光学系２００Ａと、を具備して構成されている。なお、本図においては、便宜上左右一対の構成部品のうち観察者の右眼に対応する右側の構成部品のみを図示し、左側の構成部品については省略する。

第２光学系２００Ａを構成する導光板４０の光学面４０ｂには、光学面４０ａの光入射口４０ａ１と対向する位置に第１ホログラム素子４１Ａが設けられ、光学面４０ａの光出射口４０ａ２と対向する位置に第２ホログラム素子４２Ａが設けられている。図示はしないが、各ホログラム素子４１Ａ，４２Ａには、赤色光、緑色光、青色光を主に回折する３種類の干渉縞（赤色光用干渉縞、緑色光用干渉縞、青色光用干渉縞）が多重化して記録されている。これら３種類の干渉縞は、ホログラム表面において、それぞれ種類別に均等なピッチとなり、相互には異なるピッチとなるように記録されている。つまり、各ホログラム素子４１Ａ，４２Ａは、３種類の干渉縞が１層のホログラム層に多重化するように記録されている。

第１ホログラム素子４１Ａは、コリメーター３０から出射された平行光束群（画像表示光）を、平行光束群のまま導光板４０の内部全反射条件を満たすように回折させる機能を有する。第１ホログラム素子４１Ａにより、導光板４０にコリメーター３０から入射され、導光板４０から出射されるまでの期間における画像表示光の全反射回数が相対的に小さくなる。これは、第１光路変更手段として一般的な反射板（上述の反射ミラー）を用いるよりもホログラム素子を用いるほうが、第１光路変更手段に対する画像表示光の反射角度が大きくすることができることによる。

第１ホログラム素子４１Ａに入射した平行光束群は、回折角度Θｂ（第１ホログラム素子４１Ａに対する画像表示光の回折角度）で導光板４０内部に回折される。この回折角度Θｂは、上述の反射ミラー４１に対する画像表示光の反射角度Θａよりも大きくなっている（Θｂ＞Θａ）。導光板４０内部を複数回全反射した平行光束群は、第２ホログラム素子４２Ａに入射する。第２ホログラム素子４２Ａは、平行光束群を導光板４０の内部全反射条件から外れるように回折して、平行光束群のまま観察者の眼５０に導く機能を有する。

このように、第１ホログラム素子４１Ａに対する画像表示光の回折角度Θｂが大きくなると、左右一対の表示画像４２Ｐ１，４２Ｐ２（図２参照）の位置を変更しやすくなる。例えば、輻輳角調整手段７０の移動可能な範囲が小さい場合であっても、第１光路変更手段としてホログラム素子を用いることで左右一対の表示画像４２Ｐ１，４２Ｐ２の位置を変更して、左右一対の表示画像４２Ｐ１，４２Ｐ２に対する左右一対の観察者の眼５０の角度Θ１，Θ２を所定の値に調整できる。

本実施形態のＨＭＤ２によれば、右眼用の第２光学系２００Ａと左眼用の第２光学系とのそれぞれにおいて、各第１光路変更手段として表示画像光を回折する第１ホログラム素子４１Ａを用いているため、一般的な反射板を用いるよりも各第１光路変更手段に対する画像表示光の反射角度を大きくすることができる。第１光路変更手段に対する画像表示光の反射角度を大きくすることで、左右一対の表示画像の位置を変更しやすくなる。例えば、輻輳角調整手段７０による調整範囲（例えば第１光学系１００の移動可能な範囲）が小さい場合であっても、第１光路変更手段としてホログラム素子を用いることで左右一対の表示画像の位置を変更して、観察者の両眼５０の輻輳角Θｎを所定の値に調整できる。したがって、輻輳角調整手段７０による調整範囲が小さくても、自然な輻輳角Θｎをもたせることにより観察者の眼精疲労を軽減することが可能となる。

（第３実施形態）
図４は、本発明の第３実施形態に係るＨＭＤ３の概略構成を示す模式図である。本図は図３に対応した、ＨＭＤ３の概略構成を示した図である。図４に示すように、本実施形態のＨＭＤ３は、１層のホログラム層からなるホログラム素子４１Ａ，４２Ａに替えて３層のホログラム層が積層されてなるホログラム素子４１Ｂ，４２Ｂが用いられている点、で上述のＨＭＤ２と異なっている。その他の点はＨＭＤ２と同様であるので、図３と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図３に示すように、ＨＭＤ３は、観察者の両眼（右眼と左眼）に対応した表示画像光を出射する左右一対の画像表示光学系１５０Ｂと、左右一対の輻輳角調整手段７０と、を具備して構成されている。左右一対の画像表示光学系１５０Ｂのそれぞれにおいて、各画像表示光学系１５０Ｂは、第１光学系１００と、第１光学系１００から照射された照明光を入射して観察者の眼５０へと導く左右一対の第２光学系２００Ｂと、を具備して構成されているなお、本図においては、便宜上左右一対の構成部品のうち観察者の右眼に対応する右側の構成部品のみを図示し、左側の構成部品については省略する。

第２光学系２００Ｂを構成する導光板４０の光学面４０ｂには、光学面４０ａの光入射口４０ａ１と対向する位置に第１ホログラム素子４１Ｂが設けられ、光学面４０ａの光出射口４０ａ２と対向する位置に第２ホログラム素子４２Ｂが設けられている。

第１ホログラム素子４１Ｂは、赤色光の波長域の表示画像光を選択的に回折する赤色光用ホログラム層１４１Ｒと、緑色光の波長域の表示画像光を選択的に回折する緑色光用ホログラム層１４１Ｇと、青色光の波長域の表示画像光を選択的に回折する青色光用ホログラム層１４１Ｂと、を有し、光学面４０ｂの側と反対の側から赤色光用ホログラム層１４１Ｒ、緑色光用ホログラム層１４１Ｇ、青色光用ホログラム層１４１Ｂの順に積層され構成されている。

第２ホログラム素子４２Ｂは、赤色光の波長域の表示画像光を選択的に回折する赤色光用ホログラム層１４２Ｒと、緑色光の波長域の表示画像光を選択的に回折する緑色光用ホログラム層１４２Ｇと、青色光の波長域の表示画像光を選択的に回折する青色光用ホログラム層１４２Ｂと、を有し、光学面４０ｂの側と反対の側から赤色光用ホログラム層１４２Ｒ、緑色光用ホログラム層１４２Ｇ、青色光用ホログラム層１４２Ｂの順に積層され構成されている。

本実施形態では、ホログラム層の種類毎に干渉縞が記録されている。具体的には、赤色光用ホログラム層１４１Ｒ，１４２Ｒには赤色光用干渉縞が記録され、緑色光用ホログラム層１４１Ｇ，１４２Ｇには緑色光用干渉縞が記録され、青色光用ホログラム層１４１Ｂ，１４２Ｂには青色光用干渉縞が記録されている。つまり、各ホログラム素子４１Ｂ，４２Ｂは、３種類の干渉縞がそれぞれ３層のホログラム層に記録され、干渉縞が記録された３層のホログラム層を積層することにより構成されている。

赤色光用ホログラム層１４１Ｒ，１４２Ｒ、緑色光用ホログラム層１４１Ｇ，１４２Ｇ、青色光用ホログラム層１４１Ｂ，１４２Ｂは、同一の入射角で入射される互いに異なる波長域の表示画像光を、それぞれ略同一の回折角にて回折する機能を有する。

第１ホログラム素子４１Ｂにおいて、赤色光用ホログラム層１４１Ｒに入射した平行光束群は、回折角度ΘＲ１（赤色用ホログラム層１４１Ｒに対する画像表示光の回折角度）で導光板４０内部に回折される。また、緑色光用ホログラム層１４１Ｇに入射した平行光束群は、回折角度ΘＧ１（緑色用ホログラム層１４１Ｇに対する画像表示光の回折角度）で導光板４０内部に回折される。また、青色光用ホログラム層１４１Ｂに入射した平行光束群は、回折角度ΘＢ１（青色用ホログラム層１４１Ｂに対する画像表示光の回折角度）で導光板４０内部に回折される。これらの反射角度ΘＲ１，ΘＧ１，ΘＢ１は、互いに略同一の大きさになっている（ΘＲ１＝ΘＧ１＝ΘＢ１）。なお、第２ホログラム素子４２Ｂを構成する各色光用ホログラム層１４２Ｒ，１４２Ｇ，１４２Ｂにおける回折角度についても、互いに略同一の大きさになっている。

本実施形態のＨＭＤ３によれば、赤色光用ホログラム層１４１Ｒ，１４２Ｒによって赤色光が選択的に回折され、緑色光用ホログラム層１４１Ｇ，１４２Ｇによって緑色光が選択的に回折され、青色光用ホログラム層１４１Ｂ，１４２Ｂによって青色光が選択的に回折される。そして、各色光用ホログラム層は、同一の入射角で入射される互いに異なる波長域の表示画像光を、それぞれ略同一の回折角で回折する。このため、カラー化した場合には、各色光用のホログラム層を設けることによって各色光の回折角（導光板４０内部の全反射角）をほぼ等しくすることができる。したがって、カラー化した場合において、自然な輻輳角Θｎをもたせることにより観察者の眼精疲労を軽減することが可能となる。

ところで、体積型ホログラム素子としては透過型体積ホログラム素子と反射型体積ホログラム素子がある。一般に、一定の入射角度において透過型体積ホログラム素子の回折受容波長帯域は、反射型体積ホログラム素子と比較すると広い。このため、光源の波長帯域が広い場合、もしくは、光の３原色であるＲＧＢ（Ｒ：赤色光、Ｇ：緑色光、Ｂ：青色光）の各光源波長間隔が狭い場合（各色光の波長帯域がブロードである場合）、回折色分散が発生することになる。

例えば、緑色（中心波長５５０ｎｍ）用に作成された透過型体積ホログラム素子であっても、４００〜６３０ｎｍ程度の波長帯域にて１０％程度の回折効率を有し、青色ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）（発光波長帯域４１０〜４９０ｎｍ）や、赤色ＬＥＤ（発光波長帯域６００〜６６０ｎｍ）の一部の光を回折してしまうことになる。そして、この回折色分散による色収差によって、観察者の眼に表示される表示画像の色の均一性が低下してしまうことが知られている。以下、この回折色分散を防止するための構造について第４実施形態を挙げて説明する。

（第４実施形態）
図５は、本発明の第４実施形態に係るＨＭＤ４の概略構成を示す模式図である。本図は図４に対応した、ＨＭＤ４の概略構成を示した図である。図５に示すように、本実施形態のＨＭＤ４は、導光板６０が２つの導光板６１，６２を有している点、緑色光用ホログラム層１４１Ｇ，１４２Ｇが赤色光用ホログラム層１４１Ｒ，１４２Ｒ及び青色光用ホログラム層１４１Ｂ，１４２Ｂよりも第１光学系１００に対して近い位置に配置されている点、で上述のＨＭＤ３と異なっている。その他の点はＨＭＤ３と同様であるので、図４と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図５に示すように、ＨＭＤ３は、観察者の両眼（右眼と左眼）に対応した表示画像光を出射する左右一対の画像表示光学系１５０Ｃと、左右一対の輻輳角調整手段７０と、を具備して構成されている。左右一対の画像表示光学系１５０Ｃのそれぞれにおいて、各画像表示光学系１５０Ｃは、第１光学系１００と、第１光学系１００から照射された照明光を入射して観察者の眼５０へと導く左右一対の第２光学系２００Ｃと、を具備して構成されている。なお、本図においては、便宜上左右一対の構成部品のうち観察者の右眼に対応する右側の構成部品のみを図示し、左側の構成部品については省略する。

第２光学系２００Ｃを構成する導光板６０は、第１光学系１００に対して相対的に近い位置に配置された第１導光板６１と、第１光学系１００に対して相対的に遠い位置に配置された第２導光板６２と、を有して構成されている。第１導光板６１は、コリメーター３０から出射された平行光束群を入射する光入射口６１ａ１を一端部に有し、他端部に光を出射する光出射口６１ａ２を有する光学面６１ａと、この光学面６１ａに対向する光学面６１ｂと、を主面とする薄型平板のものである。第２導光板６２は、第１導光板６１を透過した平行光束群を入射する光入射口６２ａ１を一端部に有し、他端部に光を出射する光出射口６２ａ２を有する光学面６２ａと、この光学面６２ａに対向する光学面６２ｂと、を主面とする薄型平板のものである。

第１導光板６１の光学面６１ｂには、光学面６１ａの光入射口６１ａ１と対向する位置に緑色光用ホログラム層１４１Ｇが設けられ、光学面６１ａの光出射口６１ａ２と対向する位置に緑色光用ホログラム層１４２Ｇが設けられている。

第２導光板６２の光学面６２ｂには、光学面６２ａの光入射口６２ａ１と対向する位置に赤色光用ホログラム層１４１Ｒ及び青色光用ホログラム層１４１Ｂが設けられ、光学面６２ｂの側と反対の側から赤色光用ホログラム層１４１Ｒ、青色光用ホログラム層１４１Ｂの順に積層されている。また、光学面６２ａの光出射口６２ａ２と対向する位置に赤色光用ホログラム層１４２Ｒ及び青色光用ホログラム層１４２Ｂが設けられ、光学面６２ｂの側と反対の側から赤色光用ホログラム層１４２Ｒ、青色光用ホログラム層１４２Ｂの順に積層されている。

赤色光用ホログラム層１４１Ｒに入射した平行光束群は、回折角度ΘＲ２で第２導光板６２内部に回折される。また、緑色光用ホログラム層１４１Ｇに入射した平行光束群は、回折角度ΘＧ２で第１導光板６１内部に回折される。また、青色光用ホログラム層１４１Ｂに入射した平行光束群は、回折角度ΘＢ２で第２導光板６２内部に回折される。これらの回折角度ΘＲ２，ΘＧ２，ΘＢ２は、互いに略同一の大きさになっている（ΘＲ２＝ΘＧ２＝ΘＢ２）。なお、各導光板６１，６２の他端部に配置される各色光用ホログラム層１４２Ｒ，１４２Ｇ，１４２Ｂにおける回折角度についても、互いに略同一の大きさになっている。

このような構成により、第１光学系１００から出射された緑色光が第１導光板６１に入射して第１導光板６１内部を全反射して第１導光板６１から出射されるまでの期間における緑色光の全光路長は、第１光学系１００から出射された赤色光及び青色光が第１導光板６１を透過して第２導光板６２に入射し第２導光板６２内部を全反射して第２導光板６２から出射され第１導光板６１を透過するまでの期間における赤色光及び青色光のそれぞれの全光路長よりも小さくなっている。

本実施形態のＨＭＤ４によれば、導光板６０を構成する第１導光板６１を全反射する緑色光の全光路長が、導光板６０を構成する第１導光板６１を透過して第２導光板６２内部を全反射する赤色光及び青色光のそれぞれの全光路長よりも小さくなる。一般に、一定の入射角度において透過型体積ホログラム素子の回折受容波長帯域は、反射型体積ホログラム素子と比較すると広い。このため、光源の波長帯域が広い場合、もしくは、光の３原色であるＲＧＢ（Ｒ：赤色光、Ｇ：緑色光、Ｂ：青色光）の各光源波長間隔が狭い場合（各色光の波長帯域がブロードである場合）、回折色分散が発生することになる。そして、この回折色分散による色収差によって、観察者の眼５０に表示される表示画像の色の均一性が低下してしまうことが知られている。このため、緑色光の全光路長が赤色光及び青色光のそれぞれの全光路長よりも小さくされることより、光路差を設けて上述の回折色分散を防止することができる。したがって、透過型体積ホログラム素子を用いた場合において、観察者の眼５０に表示される表示画像の色の均一性が低下することなく、自然な輻輳角Θｎをもたせることにより観察者の眼精疲労を軽減することが可能となる。

１，２，３，４…ＨＭＤ（頭部装着型表示装置）、１０…画像表示素子、２０…光源、４０，６０…導光板、４１…反射ミラー（第１光路変更手段）、４１Ａ…第１ホログラム素子（第１光路変更手段）、４２…反射ミラー（第２光路変更手段）、４２Ａ…第２ホログラム素子（第２光路変更手段）、５０Ｒ…観察者の右眼、５０Ｌ…観察者の左眼、６１…第１導光板、６２…第２導光板、７０…輻輳角調整手段、１００…第１光学系、１４１Ｒ，１４２Ｒ…赤色光用ホログラム層、１４１Ｇ，１４２Ｇ…緑色光用ホログラム層、１４１Ｂ，１４２Ｂ…青色光用ホログラム層、１５０…画像表示光学系、２００…第２光学系、Ｗ…観察者の眼の幅、Θｎ…観察者の両眼の輻輳角

Claims (5)

1. 観察者の頭部に装着されて画像表示を行う頭部装着型表示装置であって、
   前記観察者の右眼に対応した表示画像光を出射する右眼用の画像表示光学系と、
   前記観察者の左眼に対応した表示画像光を出射する左眼用の画像表示光学系と、
   前記右眼用の画像表示光学系と前記左眼用の画像表示光学系とを前記観察者の右眼と左眼とを結ぶ線に平行に相対移動させることにより、前記観察者の両眼の輻輳角を所定の値に調整する輻輳角調整手段と、
   を備えることを特徴とする頭部装着型表示装置。
2. 前記右眼用の画像表示光学系と前記左眼用の画像表示光学系とのそれぞれにおいて、
   前記各画像表示光学系は、
   光を出射する光源と、
   前記光源からの光を変調して前記画像表示を行う画像表示素子と、
   を含む第１光学系と、
   前記第１光学系から出射された表示画像光を内部全反射して導光する導光板と、
   前記導光板に前記第１光学系から入射された前記表示画像光を、前記導光板の内部全反射条件を満たすように回折または反射する第１光路変更手段と、
   前記第１光路変更手段から出射され前記導光板で内部全反射して導光される前記表示画像光を、前記導光板の前記内部全反射条件から外れるように回折または反射して、前記導光板から前記観察者の眼に向けて出射させる第２光路変更手段と、
   を含む第２光学系と、を有し、
   前記輻輳角調整手段は、前記右眼用の画像表示光学系に含まれる右眼用の第１光学系と、前記左眼用の画像表示光学系に含まれる左眼用の第１光学系と、を前記観察者の右眼と左眼とを結ぶ線に平行に相対移動させることにより、前記観察者の両眼の輻輳角を所定の値に調整することを特徴とする請求項１に記載の頭部装着型表示装置。
3. 前記所定の値が１．１４〜２．５６°の範囲内となっていることを特徴とする請求項１または２に記載の頭部装着型表示装置。
4. 前記右眼用の画像表示光学系に含まれる右眼用の第２光学系と前記左眼用の画像表示光学系に含まれる左眼用の第２光学系とのそれぞれにおいて、
   前記各第１光路変更手段は、前記表示画像光を回折する第１ホログラム素子を有し、
   前記各第２光路変更手段は、前記第１ホログラム素子から出射され前記導光板内部で全反射して導光される前記表示画像光を前記観察者の眼に向けて回折する第２ホログラム素子を有することを特徴とする請求項２または３に記載の頭部装着型表示装置。
5. 前記第１ホログラム素子及び前記第２ホログラム素子は、赤色光の波長域の表示画像光を選択的に回折する赤色光用ホログラム層と、緑色光の波長域の表示画像光を選択的に回折する緑色光用ホログラム層と、青色光の波長域の表示画像光を選択的に回折する青色光用ホログラム層と、を有し、
   前記赤色光用ホログラム層、前記緑色光用ホログラム層、前記青色光用ホログラム層は、同一の入射角で入射される互いに異なる波長域の前記表示画像光を、それぞれ略同一の回折角にて回折することを特徴とする請求項４に記載の頭部装着型表示装置。

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