JP2011070141A - 画像表示装置及び頭部装着型ディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】観察者の水平方向視線の邪魔にならないように、高い自由度での配置を可能とし、しかも、高いデザイン自由度を有する画像表示装置を提供する。
【解決手段】画像表示装置は、画像形成装置１１１、光学系１１２、及び、光学系１１２にて平行光とされた光束が入射され、導光され、出射される光学装置１２０を備えており、画像形成装置１１１の中心から出射され、光学系１１２の画像形成装置側節点を通過した中心光線ＣＬが光学装置１２０に入射する点を光学装置中心点Ｏとし、光学装置中心点Ｏを通過し、光学装置１２０の軸線方向と平行な軸線をＸ軸、光学装置中心点Ｏを通過し、光学装置１２０の法線と一致する軸線をＹ軸としたとき、中心光線ＣＬは、ＸＹ平面と０度以外の角度（θ）で交わる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、画像形成装置によって形成された２次元画像を観察者に観察させるために使用される画像表示装置、及び、係る画像表示装置が組み込まれ、観察者の頭部に装着される眼鏡型のフレームを備えた頭部装着型ディスプレイ（ＨＭＤ，Head Mounted Display）に関する。

画像形成装置によって形成された２次元画像を虚像光学系により拡大虚像として観察者に観察させるための虚像表示装置（画像表示装置）が、例えば、特開２００６−１６２７６７から周知である。

概念図を図１に示すように、この画像表示装置１００は、２次元マトリクス状に配列された複数の画素を備えた画像形成装置１１１、画像形成装置１１１の画素から出射された光を平行光とするコリメート光学系１１２、及び、コリメート光学系１１２にて平行光とされた光が入射され、導光され、出射される光学装置（導光手段）１２０を備えている。光学装置１２０は、入射された光が内部を全反射により伝播した後、出射される導光板１２１、導光板１２１に入射された光が導光板１２１の内部で全反射されるように、導光板１２１に入射された光を反射させる第１偏向手段１３０（例えば、１層の光反射膜から成る）、及び、導光板１２１の内部を全反射により伝播した光を導光板１２１から出射させる第２偏向手段１４０（例えば、多層積層構造を有する光反射多層膜から成る）から構成されている。そして、このような画像表示装置１００によって、例えば、ＨＭＤを構成すれば、装置の軽量化、小型化を図ることができる。

あるいは又、画像形成装置によって形成された２次元画像を虚像光学系により拡大虚像として観察者に観察させるために、ホログラム回折格子を用いた虚像表示装置（画像表示装置）が、例えば、特開２００７−９４１７５から周知である。

概念図を図６に示すように、この画像表示装置３００は、基本的には、画像を表示する画像形成装置１１１と、コリメート光学系１１２と、画像形成装置１１１に表示された光が入射され、観察者の瞳４１へと導く光学装置（導光手段）３２０とを備えている。ここで、光学装置３２０は、導光板３２１と、導光板３２１に設けられた反射型体積ホログラム回折格子から成る第１回折格子部材３３０及び第２回折格子部材３４０を備えている。そして、コリメート光学系１１２には画像形成装置１１１の各画素から出射された光が入射され、コリメート光学系１１２によって平行光が生成され、導光板３２１に入射される。導光板３２１の第１面３２２から、平行光が入射され、出射される。一方、導光板３２１の第１面３２２と平行である導光板３２１の第２面３２３に、第１回折格子部材３３０及び第２回折格子部材３４０が取り付けられている。

特表２００５−５２１０９９ 特開２００６−１６２７６７ 特開２００７−９４１７５

シースルー型の頭部装着型ディスプレイにおいて、観察者が、水平方向に位置する対象物を眺めたときに、表示画像が邪魔にならないように、観察者の水平方向の視線（『観察者の水平方向視線』と呼ぶ）よりも、表示画像を上側又は下側にずらして表示する必要がある。このような場合、従来の技術にあっては、画像表示装置１００，３００、全体を、観察者の水平方向視線の例えば下側に配置する（図１３参照）。即ち、観察者の頭部への装着のための眼鏡型のフレームのテンプル部に取付け部材を用いて画像形成装置１１１を取り付ける。

ところで、従来の画像表示装置１００，３００において、画像形成装置１１１の中心から出射され、コリメート光学系１１２の画像形成装置側主点（以下、『前側主点』と呼ぶ場合がある）を通過した中心光線ＣＬは、導光板１２１，３２１に垂直に衝突する設計となっている。即ち、中心光線ＣＬは、導光板１２１，３２１へ、入射角０度で入射する設計となっている。そして、この場合、表示される画像の中心は、導光板１２１，３２１の第１面１２２，３２２の垂線方向に一致する。

従来の画像表示装置（画像表示装置１００で代表させる）の基本的な構成を図１４の（Ａ）及び（Ｂ）に示す。コリメート光学系１１２の光軸上にある画像形成装置１１１の中心から出射する中心光線ＣＬは、コリメート光学系１１２にて略平行光に変換された後、導光板１２１の第１面（入射面）１２２に垂直に入射する。そして、第１偏向手段１３０により第１面１２２と第２面１２３との間で全反射されながら、伝播方向Ａに沿って進む。続いて、この中心光線ＣＬは、第２偏向手段１４０により反射、回折され、導光板１２１の第１面１２２から垂直に出射され、観察者の瞳４１に達する。

しかしながら、このような従来の技術にあっては、図１３に示すように、画像表示装置１００、全体を、角度θ”だけ傾ける必要があり、特に画像形成装置の大きさが大きい場合、観察者の頭部への装着のための眼鏡型のフレームの取付部（テンプル部）との関係から、画像表示装置１００を傾けることができる角度θ”が制限されたり、デザイン自由度が低くなるといった問題がある。

また、画像表示装置の観察可能領域（瞳径）は、通常、６ｍｍ程度と小さいため、画像表示装置を回動させて画像表示装置を上下方向に動かす場合、この回動軸が画像形成装置を観察する観察者の２つの眼球の中心を結ぶ仮想直線から大きくずれていると、画像表示装置から出射された画像が観察者の瞳からけられてしまう虞がある。

従って、本発明の第１の目的は、観察者の水平方向視線の邪魔にならないように、高い自由度での配置を可能とし、しかも、高いデザイン自由度を有する画像表示装置、及び、係る画像表示装置が組み込まれた頭部装着型ディスプレイを提供することにある。また、本発明の第２の目的は、画像表示装置を回動させて画像表示装置を上下方向に動かす場合であっても、画像表示装置から出射された画像が観察者の瞳からけられてしまうことの無い頭部装着型ディスプレイを提供することにある。

上記の第１の目的を達成するための本発明の画像表示装置は、
（Ａ）画像形成装置、
（Ｂ）画像形成装置から出射された光を平行光とする光学系、及び、
（Ｃ）光学系にて平行光とされた光束が入射され、導光され、出射される光学装置、
を備えており、
画像形成装置の中心から出射され、光学系の画像形成装置側節点を通過した中心光線が光学装置に入射する点を光学装置中心点とし、光学装置中心点を通過し、光学装置の軸線方向と平行な軸線をＸ軸、光学装置中心点を通過し、光学装置の法線と一致する軸線をＹ軸としたとき、
中心光線は、ＸＹ平面と０度以外の角度（θ）で交わる。

上記の第１の目的を達成するための本発明の第１の態様に係る頭部装着型ディスプレイは、
（イ）観察者の頭部に装着される眼鏡型のフレーム、及び、
（ロ）フレームに取り付けられた画像表示装置、
を備えた頭部装着型ディスプレイである。そして、画像表示装置は、上記の本発明の画像表示装置から構成されている。本発明の頭部装着型ディスプレイにあっては、本発明の画像表示装置を、１つ備えていてもよいし（片眼型）、２つ備えていてもよい（両眼型）。

上記の第２の目的を達成するための本発明の第２の態様に係る頭部装着型ディスプレイは、
（イ）観察者の頭部に装着される眼鏡型のフレーム、及び、
（ロ）フレームに取り付けられた画像表示装置、
を備えており、
画像表示装置は、
（Ａ）画像形成装置、
（Ｂ）画像形成装置から出射された光を平行光とする光学系、及び、
（Ｃ）光学系にて平行光とされた光束が入射され、導光され、出射される光学装置、
を備えており、
画像表示装置は、画像表示装置を観察する観察者の２つの眼球の中心を結ぶ仮想直線を回動軸として、フレームに対して回動自在に取り付けられている。

本発明の画像表示装置、あるいは、本発明の第１の態様に係る頭部装着型ディスプレイを構成する画像表示装置において、中心光線はＸＹ平面と０度以外の角度（θ）で交わる。従って、画像表示装置を眼鏡型のフレームの取付部に取り付けるときの画像表示装置の取付け角度に対する制限が少なく、高いデザイン自由度を得ることができる。また、本発明の第２の態様に係る頭部装着型ディスプレイを構成する画像表示装置は、画像表示装置を観察する観察者の２つの眼球の中心を結ぶ仮想直線を回動軸として、フレームに対して回動自在に取り付けられているので、画像表示装置を回動させて画像表示装置を上下方向に動かす場合であっても画像表示装置から出射された画像が観察者の瞳からけられてしまう可能性が低い。

図１は、実施例１の画像表示装置の概念図である。 図２の（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例１の画像表示装置を構成する導光板における光の伝播を模式的に示す図、及び、導光板等の配置状態を示す概念図である。 図３は、実施例１の頭部装着型ディスプレイを上方から眺めた模式図である。 図４は、実施例１の頭部装着型ディスプレイを横から眺めた模式図である。 図５は、実施例２の画像表示装置の概念図である。 図６は、実施例３の画像表示装置の概念図である。 図７は、実施例４の画像表示装置の概念図である。 図８（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例５の画像表示装置を構成する導光板における光の伝播を模式的に示す図、及び、導光板等の配置状態を示す概念図である。 図９は、実施例６の画像表示装置を観察者の頭部に装着した状態を斜めから眺めた図である。 図１０は、実施例６の画像表示装置を観察者の頭部に装着した状態を正面から眺めた図である。 図１１は、実施例６の画像表示装置を観察者の頭部に装着した状態を横から眺めた図である。 図１２は、実施例６の画像表示装置を観察者の頭部に装着した状態を上から眺めた図である。 図１３は、従来の頭部装着型ディスプレイを横から眺めた模式図である。 図１４の（Ａ）及び（Ｂ）は、従来の画像表示装置を構成する導光板における光の伝播を模式的に示す図、及び、従来の画像表示装置を構成する導光板等の配置状態を示す概念図である。

以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明するが、本発明は実施例に限定されるものではなく、実施例における種々の数値や材料は例示である。尚、説明は、以下の順序で行う。
１．本発明の画像表示装置及び頭部装着型ディスプレイ、全般に関する説明
２．実施例１（本発明の画像表示装置及び本発明の第１の態様に係る頭部装着型ディスプレイ）
３．実施例２（実施例１の変形）
４．実施例３（実施例１の別の変形）
５．実施例４（実施例１の更に別の変形）
６．実施例５（実施例１の更に別の変形）
７．実施例６（本発明の第２の態様に係る頭部装着型ディスプレイ）、その他

［本発明の画像表示装置及び頭部装着型ディスプレイ、全般に関する説明］
本発明の第１の態様に係る頭部装着型ディスプレイにおいて、画像表示装置は、画像表示装置を観察する観察者の２つの眼球の中心を結ぶ仮想直線を回動軸として、フレームに対して回動自在に取り付けられている構成とすることができる。そして、係る構成の本発明の第１の態様に係る頭部装着型ディスプレイ、あるいは、本発明の第２の態様に係る頭部装着型ディスプレイにあっては、画像形成装置、光学系及び光学装置の内の少なくとも１つが、フレームに対して回動自在に取り付けられている構成とすることができる。更には、このような構成を含む本発明の第２の態様に係る頭部装着型ディスプレイにあっては、観察者が、水平方向に位置する対象物（例えば、水平方向、無限遠方の対象物、地平線や水平線）を眺めたとき、光学装置から出射され、観察者の瞳に入射する中心光線は俯角をなす形態とすることができる。水平面に対する係る俯角として、例えば、５度乃至４５度を例示することができる。

本発明の画像表示装置、あるいは、上記の好ましい構成を含む本発明の第１の態様に係る頭部装着型ディスプレイを構成する画像表示装置（以下、これらを総称して、『本発明の第１の態様に係る画像表示装置等』と呼ぶ）において、中心光線はＹＺ平面に含まれる形態とすることが、画像表示装置の取り扱いや設定、取付けの容易さといった観点から、好ましい。

上記の好ましい形態を含む本発明の第１の態様に係る画像表示装置等において、光学系の光軸は、ＹＺ平面に含まれ、且つ、ＸＹ平面と０度以外の角度で交わる構成とすることができる。あるいは又、光学系の光軸は、ＹＺ平面と平行であり、ＸＹ平面と平行であり、且つ、画像形成装置の中心から外れた位置を通過する構成とすることができる。

更には、上記の好ましい形態、構成を含む本発明の第１の態様に係る頭部装着型ディスプレイにあっては、ＸＹ平面が水平面と一致すると仮定したとき、中心光線がＸＹ平面と交わる角度θは仰角である構成とすることができる。即ち、ＸＹ平面の下側から中心光線がＸＹ平面に向い、ＸＹ平面と衝突する。そして、この場合、ＸＹ平面は垂直面と０度以外の角度で交わることが好ましく、更には、ＸＹ平面は垂直面と角度θで交わることが好ましい。尚、θの最大値として、限定するものではないが、５度を挙げることができる。ここで、水平面とは、観察者が、水平方向に位置する対象物（例えば、水平方向、無限遠方の対象物、地平線や水平線）を眺めたときの視線（『観察者の水平方向視線』）が含まれ、且つ、水平に位置する観察者の２つの瞳が含まれる平面である。また、垂直面は、この水平面に対して垂直であって、水平に位置する観察者の２つの瞳が含まれる平面である。

あるいは又、本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る頭部装着型ディスプレイにおいて、観察者が、水平方向に位置する対象物（例えば、水平方向、無限遠方の対象物、地平線や水平線）を眺めたとき、光学装置から出射され、観察者の瞳に入射する中心光線は俯角をなす形態とすることができる。水平面に対する係る俯角として、例えば、５度乃至４５度を例示することができる。

以上に説明した好ましい形態、構成を含む本発明の第１の態様に係る画像表示装置等、あるいは、本発明の第２の態様に係る頭部装着型ディスプレイを構成する画像表示装置（以下、これらを総称して、単に、『本発明の画像表示装置等』と呼ぶ）において、光学装置は、
（ａ）入射された光が内部を全反射により伝播した後、出射される導光板、
（ｂ）導光板に入射された光が導光板の内部で全反射されるように、導光板に入射された光を偏向させる第１偏向手段、及び、
（ｃ）導光板の内部を全反射により伝播した光を導光板から出射させるために、導光板の内部を全反射により伝播した光を複数回に亙り偏向させる第２偏向手段、
を備えており、
第１偏向手段の中心点が、光学装置中心点である構成とすることができる。尚、「全反射」という用語は、内部全反射、あるいは、導光板内部における全反射を意味する。以下においても同様である。

ここで、第１偏向手段は、導光板に入射された光を反射し、第２偏向手段は、導光板の内部を全反射により伝播した光を、複数回に亙り、透過、反射する構成とすることができる。そして、この場合、第１偏向手段は反射鏡として機能し、第２偏向手段は半透過鏡として機能する構成とすることができる。

このような構成において、第１偏向手段は、例えば、合金を含む金属から構成され、導光板に入射された光を反射させる光反射膜（一種のミラー）や、導光板に入射された光を回折させる回折格子（例えば、ホログラム回折格子膜）から構成することができる。また、第２偏向手段は、誘電体積層膜が多数積層された多層積層構造体や、ハーフミラー、偏光ビームスプリッター、ホログラム回折格子膜から構成することができる。そして、第１偏向手段や第２偏向手段は、導光板の内部に配設されている（導光板の内部に組み込まれている）が、第１偏向手段においては、導光板に入射された平行光が導光板の内部で全反射されるように、導光板に入射された平行光が反射又は回折される。一方、第２偏向手段においては、導光板の内部を全反射により伝播した平行光が複数回に亙り反射又は回折され、導光板から平行光の状態で出射される。

あるいは又、第１偏向手段は、導光板に入射された光を回折し、第２偏向手段は、導光板の内部を全反射により伝播した光を、複数回に亙り、回折する構成とすることができる。そして、この場合、第１偏向手段及び第２偏向手段は回折格子素子から成る形態とすることができ、更には、回折格子素子は、反射型回折格子素子から成り、あるいは又、透過型回折格子素子から成り、あるいは又、一方の回折格子素子は反射型回折格子素子から成り、他方の回折格子素子は透過型回折格子素子から成る構成とすることができる。尚、反射型回折格子素子として、反射型体積ホログラム回折格子を挙げることができる。反射型体積ホログラム回折格子から成る第１偏向手段を、便宜上、『第１回折格子部材』と呼び、反射型体積ホログラム回折格子から成る第２偏向手段を、便宜上、『第２回折格子部材』と呼ぶ場合がある。

本発明の画像表示装置等によって、カラーの画像表示を行う場合、第１回折格子部材あるいは第２回折格子部材を、異なるＰ種類（例えば、Ｐ＝３であり、赤色、緑色、青色の３種類）の波長帯域（あるいは、波長）を有するＰ種類の光の回折反射に対応させるために、反射型体積ホログラム回折格子から成るＰ層の回折格子層が積層されて成る構成とすることができる。各回折格子層には１種類の波長帯域（あるいは、波長）に対応する干渉縞が形成されている。あるいは又、異なるＰ種類の波長帯域（あるいは、波長）を有するＰ種類の光の回折反射に対応するために、１層の回折格子層から成る第１回折格子部材あるいは第２回折格子部材にＰ種類の干渉縞が形成されている構成とすることもできる。あるいは又、画角を例えば三等分して、第１回折格子部材あるいは第２回折格子部材を、各画角に対応する回折格子層が積層されて成る構成とすることができる。そして、これらの構成を採用することで、各波長帯域（あるいは、波長）を有する光が第１回折格子部材あるいは第２回折格子部材において回折反射されるときの回折効率の増加、回折受容角の増加、回折角の最適化を図ることができる。

第１回折格子部材及び第２回折格子部材を構成する材料として、フォトポリマー材料を挙げることができる。反射型体積ホログラム回折格子から成る第１回折格子部材及び第２回折格子部材の構成材料や基本的な構造は、従来の反射型体積ホログラム回折格子の構成材料や構造と同じとすればよい。反射型体積ホログラム回折格子とは、＋１次の回折光のみを回折反射するホログラム回折格子を意味する。回折格子部材には、その内部から表面に亙り干渉縞が形成されているが、係る干渉縞それ自体の形成方法は、従来の形成方法と同じとすればよい。具体的には、例えば、回折格子部材を構成する部材（例えば、フォトポリマー材料）に対して一方の側の第１の所定の方向から物体光を照射し、同時に、回折格子部材を構成する部材に対して他方の側の第２の所定の方向から参照光を照射し、物体光と参照光とによって形成される干渉縞を回折格子部材を構成する部材の内部に記録すればよい。第１の所定の方向、第２の所定の方向、物体光及び参照光の波長を適切に選択することで、回折格子部材の表面における干渉縞の所望のピッチ、干渉縞の所望の傾斜角（スラント角）を得ることができる。干渉縞の傾斜角とは、回折格子部材（あるいは回折格子層）の表面と干渉縞の成す角度を意味する。第１回折格子部材及び第２回折格子部材を、反射型体積ホログラム回折格子から成るＰ層の回折格子層の積層構造から構成する場合、このような回折格子層の積層は、Ｐ層の回折格子層をそれぞれ別個に作製した後、Ｐ層の回折格子層を、例えば、紫外線硬化型接着剤を使用して積層（接着）すればよい。また、粘着性を有するフォトポリマー材料を用いて１層の回折格子層を作製した後、その上に順次粘着性を有するフォトポリマー材料を貼り付けて回折格子層を作製することで、Ｐ層の回折格子層を作製してもよい。

あるいは又、本発明の画像表示装置等において、光学装置は、画像形成装置から出射された光が入射され、観察者の瞳に向かって出射される半透過ミラーから構成されている形態とすることができる。尚、画像形成装置から出射された光は、空気中を伝播して半透過ミラーに入射する構造としてもよいし、例えば、ガラス板やプラスチック板等の透明な部材（具体的には、後述する導光板を構成する材料と同様の材料から成る部材）の内部を伝播して半透過ミラーに入射する構造としてもよい。尚、半透過ミラーを、この透明な部材を介して画像形成装置に取り付けてもよいし、半透過ミラーを、この透明な部材とは別の部材を介して画像形成装置に取り付けてもよい。

以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本発明の画像表示装置等において、画像形成装置は、２次元マトリクス状に配列された複数の画素を有する形態とすることができる。尚、このような画像形成装置の構成を、便宜上、『第１の構成の画像形成装置』と呼ぶ。

第１の構成の画像形成装置として、例えば、反射型空間光変調装置及び光源から構成された画像形成装置；透過型空間光変調装置及び光源から構成された画像形成装置；有機ＥＬ（Electro Luminescence）、無機ＥＬ、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子から構成された画像形成装置を挙げることができるが、中でも、反射型空間光変調装置及び光源から構成された画像形成装置とすることが好ましい。空間光変調装置として、ライト・バルブ、例えば、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）等の透過型あるいは反射型の液晶表示装置、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を挙げることができ、光源として発光素子を挙げることができる。更には、反射型空間光変調装置は、液晶表示装置、及び、光源からの光の一部を反射して液晶表示装置へと導き、且つ、液晶表示装置によって反射された光の一部を通過させて光学系へと導く偏光ビームスプリッターから成る構成とすることができる。光源を構成する発光素子として、赤色発光素子、緑色発光素子、青色発光素子、白色発光素子を挙げることができるし、あるいは又、赤色発光素子、緑色発光素子及び青色発光素子から出射された赤色光、緑色光及び青色光をライトパイプを用いて混色、輝度均一化を行うことで白色光を得てもよい。発光素子として、例えば、半導体レーザ素子や固体レーザ、ＬＥＤを例示することができる。画素の数は、画像表示装置に要求される仕様に基づき決定すればよく、画素の数の具体的な値として、３２０×２４０、４３２×２４０、６４０×４８０、１０２４×７６８、１９２０×１０８０等を例示することができる。

あるいは又、以上に説明した好ましい形態、構成を含む本発明の画像表示装置等において、画像形成装置は、光源、及び、光源から出射された平行光を走査する走査手段を備えた形態とすることができる。尚、このような画像形成装置の構成を、便宜上、『第２の構成の画像形成装置』と呼ぶ。

第２の構成の画像形成装置における光源として発光素子を挙げることができ、具体的には、赤色発光素子、緑色発光素子、青色発光素子、白色発光素子を挙げることができるし、あるいは又、赤色発光素子、緑色発光素子及び青色発光素子から出射された赤色光、緑色光及び青色光をライトパイプを用いて混色、輝度均一化を行うことで白色光を得てもよい。発光素子として、例えば、半導体レーザ素子や固体レーザ、ＬＥＤを例示することができる。第２の構成の画像形成装置における画素（仮想の画素）の数も、画像表示装置に要求される仕様に基づき決定すればよく、画素（仮想の画素）の数の具体的な値として、３２０×２４０、４３２×２４０、６４０×４８０、１０２４×７６８、１９２０×１０８０等を例示することができる。また、カラーの画像表示を行う場合であって、光源を赤色発光素子、緑色発光素子、青色発光素子から構成する場合、例えば、クロスプリズムを用いて色合成を行うことが好ましい。走査手段として、光源から出射された光を水平走査及び垂直走査する、例えば、二次元方向に回転可能なマイクロミラーを有するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）やガルバノ・ミラーを挙げることができる。

第１の構成の画像形成装置あるいは第２の構成の画像形成装置において、光学系（出射光を平行光とする光学系であり、『平行光出射光学系』と呼ぶ場合があり、具体的には、例えば、コリメート光学系やリレー光学系）にて複数の平行光とされた光を導光板に入射させるが、このような、平行光であることの要請は、これらの光が導光板へ入射したときの光波面情報が、第１偏向手段と第２偏向手段を介して導光板から出射された後も保存される必要があることに基づく。尚、複数の平行光を生成させるためには、具体的には、例えば、平行光出射光学系における焦点距離の所（位置）に、例えば、画像形成装置の光出射部を位置させればよい。平行光出射光学系は、画素の位置情報を光学装置の光学系における角度情報に変換する機能を有する。平行光出射光学系として、凸レンズ、凹レンズ、自由曲面プリズム、ホログラムレンズを、単独、若しくは、組み合わせた、全体として正の光学的パワーを持つ光学系を例示することができる。平行光出射光学系と導光板との間には、平行光出射光学系から不所望の光が出射されて導光板に入射しないように、開口部を有する遮光部材を配置してもよい。

導光板は、導光板の軸線（Ｘ軸）と平行に延びる２つの平行面（第１面及び第２面）を有している。光が入射する導光板の面を導光板入射面、光が出射する導光板の面を導光板出射面としたとき、第１面によって導光板入射面及び導光板出射面が構成されていてもよいし、第１面によって導光板入射面が構成され、第２面によって導光板出射面が構成されていてもよい。導光板を構成する材料として、石英ガラスやＢＫ７等の光学ガラスを含むガラスや、プラスチック材料（例えば、ＰＭＭＡ、ポリカーボネート樹脂、アクリル系樹脂、非晶性のポリプロピレン系樹脂、ＡＳ樹脂を含むスチレン系樹脂）を挙げることができる。導光板の形状は、平板に限定するものではなく、湾曲した形状を有していてもよい。

本発明の画像表示装置によって、例えば、頭部装着型ディスプレイを構成することができ、装置の軽量化、小型化を図ることができ、装置装着時の不快感を大幅に軽減させることが可能となるし、更には、製造コストダウンを図ることも可能となる。

以上に説明した好ましい形態、構成を含む本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る頭部装着型ディスプレイにおいて、フレームは、観察者の正面に配置されるフロント部と、フロント部の両端に蝶番を介して回動自在に取り付けられた２つのテンプル部とから成る構成とすることができる。尚、各テンプル部の先端部にはモダン部が取り付けられている。画像表示装置はフレームに取り付けられているが、具体的には、例えば、画像形成装置をテンプル部に取り付ければよい。

更には、上述した各種の構成、形態を含む本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る頭部装着型ディスプレイにおいては、ノーズパッドが取り付けられている構成とすることができる。即ち、本発明の頭部装着型ディスプレイの全体を眺めたとき、フレーム及びノーズパッドの組立体は、リムが無い点を除き、通常の眼鏡と略同じ構造を有する。フレームを構成する材料は、金属や合金、プラスチック、これらの組合せといった、通常の眼鏡を構成する材料と同じ材料から構成することができる。ノーズパッドも周知の構成、構造とすることができる。

本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る頭部装着型ディスプレイは、デザイン上、あるいは、装着の容易性といった観点から、１つあるいは２つの画像形成装置からの配線（信号線や電源線等）が、テンプル部、及び、モダン部の内部を介して、モダン部の先端部から外部に延び、外部回路（制御回路）に接続されている形態とすることが望ましい。更には、各画像形成装置はヘッドホン部を備えており、各画像形成装置からのヘッドホン部用配線が、テンプル部、及び、モダン部の内部を介して、モダン部の先端部からヘッドホン部へと延びている形態とすることもできる。ヘッドホン部として、例えば、インナーイヤー型のヘッドホン部、カナル型のヘッドホン部を挙げることができる。ヘッドホン部用配線は、より具体的には、モダン部の先端部から、耳介（耳殻）の後ろ側を回り込むようにしてヘッドホン部へと延びている形態とすることが好ましい。

本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る頭部装着型ディスプレイは、例えば、映画の字幕の表示、芝居や歌舞伎、能、狂言、オペラ、音楽会、バレー、各種演劇、遊園地（アミューズメントパーク）、美術館、観光地、行楽地、観光案内等における各種説明等の表示；各種装置の運転、操作、保守、分解時等における各種説明や、記号、符号、印、標章、図案等の表示；人物や物品等の対象物に関する各種説明や、記号、符号、印、標章、図案等の表示；クローズド・キャプションの表示に用いることができる。

実施例１は、本発明の画像表示装置及び本発明の第１の態様に係る頭部装着型ディスプレイに関する。実施例１の画像表示装置の概念図を図１に示し、実施例１の画像表示装置を構成する導光板における光の伝播を模式的に図２の（Ａ）に示し、実施例１の画像表示装置を構成する導光板等の配置状態を示す概念図を図２の（Ｂ）に示す。更には、実施例１の頭部装着型ディスプレイを上方から眺めた模式図を図３に示し、横から眺めた模式図を図４に示す。

実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例６における画像表示装置１００，２００，３００，４００は、
（Ａ）画像形成装置１１１，２１１、
（Ｂ）画像形成装置１１１，２１１から出射された光を平行光とする光学系（平行光出射光学系）１１２，２５４、及び、
（Ｃ）光学系１１２，２５４にて平行光とされた光束が入射され、導光され、出射される光学装置１２０，３２０、
を備えている。

また、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例６の頭部装着型ディスプレイは、
（イ）観察者の頭部に装着される眼鏡型のフレーム１０、及び、
（ロ）フレーム１０に取り付けられた画像表示装置１００，２００，３００，４００、
を備えている。尚、実施例の頭部装着型ディスプレイは、具体的には、２つの画像表示装置を備えた両眼型としたが、１つ備えた片眼型としてもよい。また、画像形成装置１１１，２１１は、単色の画像を表示する。

そして、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例６において、画像形成装置１１１，２１１の中心から出射され、光学系１１２，２５４の画像形成装置側節点を通過した中心光線ＣＬが光学装置１２０，３２０に入射する点を光学装置中心点Ｏとし、光学装置中心点Ｏを通過し、光学装置１２０，３２０の軸線方向と平行な軸線をＸ軸、光学装置中心点Ｏを通過し、光学装置１２０，３２０の法線と一致する軸線をＹ軸としたとき、中心光線ＣＬは、ＸＹ平面と０度以外の角度（θ）で交わる。また、中心光線ＣＬはＹＺ平面に含まれる。

更には、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例４、実施例６において、光学系１１２，２５４の光軸は、ＹＺ平面に含まれ、且つ、ＸＹ平面と０度以外の角度、具体的には、角度θで交わる（図２の（Ａ）及び（Ｂ）参照）。

また、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例６の頭部装着型ディスプレイにおいて、ＸＹ平面が水平面と一致すると仮定したとき、中心光線ＣＬがＸＹ平面と交わる角度θは仰角である。即ち、ＸＹ平面の下側から中心光線ＣＬがＸＹ平面に向い、ＸＹ平面と衝突する。そして、ＸＹ平面は垂直面と０度以外の角度、具体的には、角度θで交わる。

実施例１にあっては、θ＝５度とした。より具体的には、このような構成にあっては、中心光線ＣＬ（図４では、点線で示す）は、水平面に含まれる。そして、光学装置１２０，３２０は、垂直面に対して角度θだけ傾いている。云い換えれば、光学装置１２０，３２０は、水平面に対して角度（９０−θ）度だけ傾いている。また、光学装置１２０，３２０から出射される中心光線ＣＬ’（図４では、一点鎖線で示す）は、水平面に対して角度２θだけ傾いている。即ち、観察者が、水平方向、無限遠方の対象物を眺めたとき、光学装置１２０，３２０から出射され、観察者の瞳に入射する中心光線ＣＬ’は俯角θ’（＝２θ）をなす。中心光線ＣＬ’が光学装置１２０，３２０の法線と成す角度はθである。図２の（Ａ）あるいは後述する図８の（Ａ）においては、光学装置１２０，３２０から中心光線ＣＬ’が出射される点を「Ｏ’」で示し、点Ｏ’を通過するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と平行な軸線をＸ’軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸で表している。尚、画像形成装置１１１，２１１の中心から出射された中心光線ＣＬは、水平面に含まれる形態に限定するものではなく、０度以外の所望の角度（仰角であっても、俯角であってもよい）で水平面と交わる形態とすることもできる。また、観察者が、水平方向、無限遠方の対象物を眺めたとき、光学装置１２０，３２０から出射され、観察者の瞳に入射する中心光線ＣＬ’は仰角をなす形態とすることもできる。

実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例６における光学装置１２０，３２０は、
（ａ）入射された光が内部を全反射により伝播した後、出射される導光板１２１，３２１、
（ｂ）導光板１２１，３２１に入射された光が導光板１２１，３２１の内部で全反射されるように、導光板１２１，３２１に入射された光を偏向させる第１偏向手段１３０，３３０、及び、
（ｃ）導光板１２１，３２１の内部を全反射により伝播した光を導光板１２１，３２１から出射させるために、導光板１２１，３２１の内部を全反射により伝播した光を複数回に亙り偏向させる第２偏向手段１４０，３４０、
を備えている。そして、第１偏向手段１３０，３３０の中心点が、光学装置中心点Ｏである。光学装置１２０，３２０は、シースルー型（半透過型）である。

ここで、実施例１にあっては、第１偏向手段１３０及び第２偏向手段１４０は導光板１２１の内部に配設されている。そして、第１偏向手段１３０は、導光板１２１に入射された光を反射し、第２偏向手段１４０は、導光板１２１の内部を全反射により伝播した光を、複数回に亙り、透過、反射する。即ち、第１偏向手段１３０は反射鏡として機能し、第２偏向手段１４０は半透過鏡として機能する。より具体的には、導光板１２１の内部に設けられた第１偏向手段１３０は、アルミニウム（Ａｌ）から成り、導光板１２１に入射された光を反射させる光反射膜（一種のミラー）から構成されている。一方、導光板１２１の内部に設けられた第２偏向手段１４０は、誘電体積層膜が多数積層された多層積層構造体から構成されている。誘電体積層膜は、例えば、高誘電率材料としてのＴｉＯ₂膜、及び、低誘電率材料としてのＳｉＯ₂膜から構成されている。誘電体積層膜が多数積層された多層積層構造体に関しては、特表２００５−５２１０９９に開示されている。図面においては６層の誘電体積層膜を図示しているが、これに限定するものではない。誘電体積層膜と誘電体積層膜との間には、導光板１２１を構成する材料と同じ材料から成る薄片が挟まれている。尚、第１偏向手段１３０においては、導光板１２１に入射された平行光が導光板１２１の内部で全反射されるように、導光板１２１に入射された平行光が反射（又は回折）される。一方、第２偏向手段１４０においては、導光板１２１の内部を全反射により伝播した平行光が複数回に亙り反射（又は回折）され、導光板１２１から平行光の状態で、観察者の瞳４１に向かって出射される。

第１偏向手段１３０は、導光板１２１の第１偏向手段１３０を設ける部分１２４を切り出すことで、導光板１２１に第１偏向手段１３０を形成すべき斜面を設け、係る斜面に光反射膜を真空蒸着した後、導光板１２１の切り出した部分１２４を第１偏向手段１３０に接着すればよい。また、第２偏向手段１４０は、導光板１２１を構成する材料と同じ材料（例えば、ガラス）と誘電体積層膜（例えば、真空蒸着法にて成膜することができる）とが多数積層された多層積層構造体を作製し、導光板１２１の第２偏向手段１４０を設ける部分１２５を切り出して斜面を形成し、係る斜面に多層積層構造体を接着し、研磨等を行って、外形を整えればよい。こうして、導光板１２１の内部に第１偏向手段１３０及び第２偏向手段１４０が設けられた光学装置１２０を得ることができる。

ここで、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例６において、光学ガラスやプラスチック材料から成る導光板１２１，３２１は、導光板１２１，３２１の内部全反射による光伝播方向（Ｘ軸）と平行に延びる２つの平行面（第１面１２２，３２２及び第２面１２３，３２３）を有している。第１面１２２，３２２と第２面１２３，３２３とは対向している。そして、光入射面に相当する第１面１２２，３２２から平行光が入射され、内部を全反射により伝播した後、光出射面に相当する第１面１２２，３２２から出射される。但し、これに限定するものではなく、第２面１２３，３２３によって光入射面が構成され、第１面１２２，３２２によって光出射面が構成されていてもよい。

実施例１あるいは後述する実施例３において、画像形成装置１１１は、第１の構成の画像形成装置であり、２次元マトリクス状に配列された複数の画素を有する。具体的には、画像形成装置１１１は、反射型空間光変調装置１５０、及び、白色光を出射する発光ダイオードから成る光源１５３から構成されている。各画像形成装置１１１全体は、筐体１１３（図１では、一点鎖線で示す）内に納められており、係る筐体１１３には開口部（図示せず）が設けられており、開口部を介して光学系（平行光出射光学系，コリメート光学系）１１２から光が出射される。反射型空間光変調装置１５０は、ライト・バルブとしてのＬＣＯＳから成る液晶表示装置（ＬＣＤ）１５１、及び、光源１５３からの光の一部を反射して液晶表示装置１５１へと導き、且つ、液晶表示装置１５１によって反射された光の一部を通過させて光学系１１２へと導く偏光ビームスプリッター１５２から構成されている。液晶表示装置１５１は、２次元マトリクス状に配列された複数（例えば、６４０×４８０個）の画素（液晶セル）を備えている。偏光ビームスプリッター１５２は、周知の構成、構造を有する。光源１５３から出射された無偏光の光は、偏光ビームスプリッター１５２に衝突する。偏光ビームスプリッター１５２において、Ｐ偏光成分は通過し、系外に出射される。一方、Ｓ偏光成分は、偏光ビームスプリッター１５２において反射され、液晶表示装置１５１に入射し、液晶表示装置１５１の内部で反射され、液晶表示装置１５１から出射される。ここで、液晶表示装置１５１から出射した光の内、「白」を表示する画素から出射した光にはＰ偏光成分が多く含まれ、「黒」を表示する画素から出射した光にはＳ偏光成分が多く含まれる。従って、液晶表示装置１５１から出射され、偏光ビームスプリッター１５２に衝突する光の内、Ｐ偏光成分は、偏光ビームスプリッター１５２を通過し、光学系１１２へと導かれる。一方、Ｓ偏光成分は、偏光ビームスプリッター１５２において反射され、光源１５３に戻される。光学系１１２は、例えば、凸レンズから構成され、平行光を生成させるために、光学系１１２における焦点距離の所（位置）に画像形成装置１１１（より具体的には、液晶表示装置１５１）が配置されている。

フレーム１０は、観察者の正面に配置されるフロント部１１と、フロント部１１の両端に蝶番１２を介して回動自在に取り付けられた２つのテンプル部１３と、各テンプル部１３の先端部に取り付けられたモダン部（先セル、耳あて、イヤーパッドとも呼ばれる）１４から成る。また、ノーズパッド（図示せず）が取り付けられている。更には、各筐体１１３が、取付け部材１８によって、着脱自在に、テンプル部１３に取り付けられている。フレーム１０は、金属又はプラスチックから作製されている。尚、各筐体１１３は、取付け部材１８によってテンプル部１３に着脱できないように取り付けられていてもよい。また、眼鏡を所有し、装着している観察者に対しては、観察者の所有する眼鏡のフレームのテンプル部に、各筐体１１３を取付け部材１８によって着脱自在に取り付けてもよい。

更には、一方の画像形成装置１１１Ａから延びる配線（信号線や電源線等）１５が、テンプル部１３、及び、モダン部１４の内部を介して、モダン部１４の先端部から外部に延びている。更には、各画像形成装置１１１Ａ，１１１Ｂはヘッドホン部１６を備えており、各画像形成装置１１１Ａ，１１１Ｂから延びるヘッドホン部用配線１７が、テンプル部１３、及び、モダン部１４の内部を介して、モダン部１４の先端部からヘッドホン部１６へと延びている。ヘッドホン部用配線１７は、より具体的には、モダン部１４の先端部から、耳介（耳殻）の後ろ側を回り込むようにしてヘッドホン部１６へと延びている。このような構成にすることで、ヘッドホン部１６やヘッドホン部用配線１７が乱雑に配置されているといった印象を与えることがなく、すっきりとした頭部装着型ディスプレイとすることができる。

実施例１の画像表示装置、あるいは、実施例１の頭部装着型ディスプレイを構成する画像表示装置にあっては、中心光線ＣＬは、ＸＹ平面と０度以外の角度（θ）で交わる。ここで、光学装置から出射され、観察者の瞳に入射する中心光線ＣＬ’は俯角θ’をなすが、
θ’＝２θ
の関係にある。一方、従来の技術にあっては、同じ俯角を得ようとする場合、画像表示装置の全体を角度θ”だけ傾ける必要があるが、ここで、θ”とθの関係は、
θ”＝２θ
であり、結局、従来の技術にあっては、光学装置を垂直面に対して２θだけ、傾けなければならない。一方、実施例１にあっては、光学装置を垂直面に対してθだけ、傾ければよいし、画像形成装置を水平に保持すればよい。従って、画像表示装置を眼鏡型のフレームの取付部に取り付けるときの画像表示装置の取付け角度に対する制限が少なく、高いデザイン自由度を得ることができる。また、光学装置の垂直面に対する傾きが、従来の技術よりも小さいので、外光が光学装置にて反射し、観察者の瞳に入射するといった現象が、従来の技術よりも生じ難い。それ故、高品質の画像の表示を行うことができる。

実施例２は、実施例１の変形である。実施例２の頭部装着型ディスプレイにおける画像表示装置２００の概念図を図５に示すように、実施例２にあっては、画像形成装置２１１は、第２の構成の画像形成装置から構成されている。即ち、光源２５１、及び、光源２５１から出射された平行光を走査する走査手段２５３を備えている。より具体的には、画像形成装置２１１は、
（イ）光源２５１、
（ロ）光源２５１から出射された光を平行光とするコリメート光学系２５２、
（ハ）コリメート光学系２５２から出射された平行光を走査する走査手段２５３、及び、
（ニ）走査手段２５３によって走査された平行光をリレーし、出射するリレー光学系２５４、
から構成されている。尚、画像形成装置２１１全体が筐体２１３（図５では、一点鎖線で示す）内に納められており、係る筐体２１３には開口部（図示せず）が設けられており、開口部を介してリレー光学系２５４から光が出射される。そして、各筐体２１３が、取付け部材１８によって、着脱自在に、テンプル部１３に取り付けられている。

光源２５１は、白色を発光する発光素子から構成されている。そして、光源２５１から出射された光は、全体として正の光学的パワーを持つコリメート光学系２５２に入射し、平行光として出射される。そして、この平行光は、全反射ミラー２５６で反射され、マイクロミラーを二次元方向に回転自在とし、入射した平行光を２次元的に走査することができるＭＥＭＳから成る走査手段２５３によって水平走査及び垂直走査が行われ、一種の２次元画像化され、仮想の画素（画素数は、例えば、実施例１と同じとすることができる）が生成される。そして、仮想の画素からの光は、周知のリレー光学系から構成されたリレー光学系（平行光出射光学系）２５４を通過し、平行光とされた光束が光学装置１２０に入射する。

リレー光学系２５４にて平行光とされた光束が入射され、導光され、出射される光学装置１２０は、実施例１にて説明した光学装置と同じ構成、構造を有するので、詳細な説明は省略する。また、実施例２の頭部装着型ディスプレイも、上述したとおり、画像形成装置２１１が異なる点を除き、実質的に、実施例１の頭部装着型ディスプレイと同じ構成、構造を有するので、詳細な説明は省略する。

実施例３も実施例１の変形である。実施例３の頭部装着型ディスプレイにおける画像表示装置３００の概念図を図６の（Ａ）に示す。また、反射型体積ホログラム回折格子の一部を拡大して示す模式的な断面図を図６の（Ｂ）に示す。実施例３にあっては、画像形成装置１１１は、実施例１と同様に、第１の構成の画像形成装置から構成されている。また、光学装置３２０は、第１偏向手段及び第２偏向手段の構成、構造が異なる点を除き、基本的な構成、構造は、実施例１の光学装置１２０と同じである。

実施例３にあっては、第１偏向手段及び第２偏向手段は導光板３２１の表面（具体的には、導光板３２１の第２面３２３）に配設されている。そして、第１偏向手段は、導光板３２１に入射された光を回折し、第２偏向手段は、導光板３２１の内部を全反射により伝播した光を、複数回に亙り、回折する。ここで、第１偏向手段及び第２偏向手段は、回折格子素子、具体的には反射型回折格子素子、より具体的には反射型体積ホログラム回折格子から成る。以下の説明において、反射型体積ホログラム回折格子から成る第１偏向手段を、便宜上、『第１回折格子部材３３０』と呼び、反射型体積ホログラム回折格子から成る第２偏向手段を、便宜上、『第２回折格子部材３４０』と呼ぶ。

そして、実施例３、あるいは、後述する実施例４にあっては、第１回折格子部材３３０及び第２回折格子部材３４０は、１層の回折格子層が積層されて成る構成としている。尚、フォトポリマー材料から成る各回折格子層には、１種類の波長帯域（あるいは、波長）に対応する干渉縞が形成されており、従来の方法で作製されている。回折格子層（回折光学素子）に形成された干渉縞のピッチは一定であり、干渉縞は直線状であり、Ｚ軸に平行である。尚、第１回折格子部材３３０及び第２回折格子部材３４０の軸線はＸ軸と平行であり、法線はＹ軸と平行である。

図６の（Ｂ）に反射型体積ホログラム回折格子の拡大した模式的な一部断面図を示す。反射型体積ホログラム回折格子には、傾斜角φを有する干渉縞が形成されている。ここで、傾斜角φとは、反射型体積ホログラム回折格子の表面と干渉縞の成す角度を指す。干渉縞は、反射型体積ホログラム回折格子の内部から表面に亙り、形成されている。干渉縞は、ブラッグ条件を満たしている。ここで、ブラッグ条件とは、以下の式（Ａ）を満足する条件を指す。式（Ａ）中、ｍは正の整数、λは波長、ｄは格子面のピッチ（干渉縞を含む仮想平面の法線方向の間隔）、Θは干渉縞へ入射する角度の余角を意味する。また、入射角ψにて回折格子部材に光が侵入した場合の、Θ、傾斜角φ、入射角ψの関係は、式（Ｂ）のとおりである。

ｍ・λ＝２・ｄ・ｓｉｎ（Θ） （Ａ）
Θ＝９０°−（φ＋ψ） （Ｂ）

第１回折格子部材３３０は、上述したとおり、導光板３２１の第２面３２３に配設（接着）されており、第１面３２２から導光板３２１に入射されたこの平行光が導光板３２１の内部で全反射されるように、導光板３２１に入射されたこの平行光を回折反射する。更には、第２回折格子部材３４０は、上述したとおり、導光板３２１の第２面３２３に配設（接着）されており、導光板３２１の内部を全反射により伝播したこの平行光を、複数回、回折反射し、導光板３２１から平行光のまま第１面３２２から出射する。

そして、導光板３２１にあっても、平行光が内部を全反射により伝播した後、出射される。このとき、導光板３２１が薄く導光板３２１の内部を進行する光路が長いため、各画角によって第２回折格子部材３４０に至るまでの全反射回数は異なっている。より詳細に述べれば、導光板３２１に入射する平行光のうち、第２回折格子部材３４０に近づく方向の角度をもって入射する平行光の反射回数は、第２回折格子部材３４０から離れる方向の角度をもって導光板３２１に入射する平行光の反射回数よりも少ない。これは、第１回折格子部材３３０において回折反射される平行光であって、第２回折格子部材３４０に近づく方向の角度をもって導光板３２１に入射する平行光の方が、これと逆方向の角度をもって導光板３２１に入射する平行光よりも、導光板３２１の内部を伝播していく光が導光板３２１の内面と衝突するときの導光板３２１の法線と成す角度が小さくなるからである。また、第２回折格子部材３４０の内部に形成された干渉縞の形状と、第１回折格子部材３３０の内部に形成された干渉縞の形状とは、導光板３２１の軸線に垂直な仮想面に対して対称な関係にある。

後述する実施例４における導光板３２１も、基本的には、以上に説明した導光板３２１の構成、構造と同じ構成、構造を有する。

実施例３の頭部装着型ディスプレイは、上述したとおり、光学装置３２０が異なる点を除き、実質的に、実施例１の頭部装着型ディスプレイと同じ構成、構造を有するので、詳細な説明は省略する。

実施例４は、実施例３の変形である。実施例４の頭部装着型ディスプレイにおける画像表示装置の概念図を図７に示す。実施例４の画像表示装置４００における光源２５１、コリメート光学系２５２、走査手段２５３、平行光出射光学系（リレー光学系２５４）等は、実施例２と同じ構成、構造（第２の構成の画像形成装置）を有する。また、実施例４における光学装置３２０は、実施例３における光学装置３２０と同じ構成、構造を有する。実施例４の頭部装着型ディスプレイは、以上の相違点を除き、実質的に、実施例１の頭部装着型ディスプレイと同じ構成、構造を有するので、詳細な説明は省略する。

実施例５は、実施例１の変形である。実施例５の画像表示装置を構成する導光板における光の伝播を模式的に図８の（Ａ）に示し、実施例５の画像表示装置を構成する導光板等の配置状態を示す概念図を図８の（Ｂ）に示す。ここで、実施例５にあっては、光学系（平行光出射光学系，コリメート光学系）１１２の光軸は、ＹＺ平面と平行であり、ＸＹ平面と平行であり、且つ、画像形成装置１１１の中心から外れた位置を通過する。このような構成とすることで、中心光線ＣＬは、ＹＺ平面に含まれ、しかも、ＸＹ平面と仰角θをなして交わる。

実施例６は、実施例１〜実施例５の変形であり、且つ、本発明の第２の態様に係る頭部装着型ディスプレイに関する。実施例６の画像表示装置を観察者の頭部に装着した状態を斜めから眺めた図を図９に示し、正面から眺めた図を図１０に示し、横から眺めた図を図１１に示し、上方から眺めた図を図１２に示す。尚、これらの図は、画像表示装置を観察者の頭部に装着しているが、画像表示装置を観察する観察者の２つの眼球の中心を結ぶ仮想直線を回動軸として、フレームに対して下方に回動する前の状態を図示している。

実施例６の頭部装着型ディスプレイは、実施例１〜実施例５にて説明したと同様に、
（イ）観察者の頭部に装着される眼鏡型のフレーム５０、及び、
（ロ）フレーム５０に取り付けられた画像表示装置１００，２００，３００，４００、
を備えており、
画像表示装置１００，２００，３００，４００は、
（Ａ）画像形成装置１１１，２１１、
（Ｂ）画像形成装置１１１，２１１から出射された光を平行光とする光学系（平行光出射光学系）１１２，２５４、及び、
（Ｃ）光学系１１２，２５４にて平行光とされた光束が入射され、導光され、出射される光学装置１２０，３２０、
を備えている。

そして、画像表示装置１００，２００，３００，４００は、画像表示装置１００，２００，３００，４００を観察する観察者の２つの眼球の中心を結ぶ仮想直線を回動軸ＲＸとして、フレーム５０に対して回動自在に取り付けられている。具体的には、実施例６の頭部装着型ディスプレイにあっては、画像形成装置１１１，２１１、光学系１１２，２５４及び光学装置１２０，３２０の内の少なくとも１つが（より具体的には、画像形成装置１１１，２１１、光学系１１２，２５４及び光学装置１２０，３２０が一体とされ、これら全体が）、フレーム５０に対して回動自在に取り付けられている。更には、実施例６の頭部装着型ディスプレイにあっては、観察者が、水平方向に位置する対象物を眺めたとき、光学装置から出射され、観察者の瞳に入射する中心光線は俯角をなし、水平面に対する係る俯角は、例えば、５度乃至４５度である。

実施例６の頭部装着型ディスプレイにおいて、フレーム５０は、観察者の正面に配置されるフロント部５１と、フロント部５１の両端に固定した状態で取り付けられた２つのテンプル部５３とから成る。テンプル部５３の先端部分は、「コ」の字状の部材から成る。尚、以下の説明において、「コ」の字の上側の横棒に相当するテンプル部５３の先端部分を『第１部材５３Ａ』と呼び、「コ」の字の下側の横棒に相当するテンプル部５３の先端部分を『第２部材５３Ｂ』と呼び、「コ」の字の縦棒に相当するテンプル部５３の先端部分を『第３部材５３Ｃ』と呼ぶ。第２部材５３Ｂは、フロント部５１の両端に固定した状態で取り付けられている。また、第３部材５３Ｃからモダン部５４に向かって、更に、腕部（ツル部）５３Ｄが延びている。２つのモダン部５４は、保持バンド５５で結ばれており、頭部装着型ディスプレイを頭部に装着したとき、頭部装着型ディスプレイがずれないようになっている。尚、このような装着バンドは、実施例１〜実施例５においても組み込むことができる。

第１部材５３Ａと第２部材５３Ｂによって挟まれ、第１部材５３Ａと第２部材５３Ｂと第３部材５３Ｃとによって囲まれた空間内に、画像形成装置１１１，２１１が納められている。具体的には、第１部材５３Ａと対向する画像形成装置１１１，２１１には凹部（図示せず）が設けられており、画像形成装置１１１，２１１と対向する第１部材５３Ａの面には、この凹部と嵌合する突起部（図示せず）が設けられている。また、第２部材５３Ｂと対向する画像形成装置１１１，２１１にはネジが切られた孔部（図示せず）が設けられており、画像形成装置１１１，２１１と対向する第２部材５３Ｂの部分には貫通孔が設けられている。そして、画像形成装置１１１，２１１に設けられた凹部と第１部材５３Ａに設けられた突起部とを嵌合させ、第２部材５３Ｂに設けられた貫通孔にビス５６（図１１にのみ、ビス５６の頭部を図示する）を通し、このビス５６を画像形成装置１１１，２１１に設けられた孔部と螺合させることで、テンプル部５３の先端部分に画像形成装置１１１，２１１を取り付けることができる。尚、ビス５６の頭部と画像形成装置１１１，２１１との間のビス５６の軸部に押しバネを挿入しておくことが、テンプル部５３の先端部分に画像形成装置１１１，２１１を確実に取り付けるといった観点から好ましい。第１部材５３Ａに設けられた突起部とビス５６とは、観察者の２つの眼球の中心を結ぶ仮想直線を回動軸ＲＸ上に位置する。こうして、画像表示装置１００，２００，３００，４００を、観察者の２つの眼球の中心を結ぶ仮想直線を回動軸ＲＸとして、フレーム５０に対して回動自在に取り付けることができる。尚、以上に説明した画像表示装置１００，２００，３００，４００の取り付けの機構、取り付け方法は例示であり、適宜、変更することができることは云うまでもない。第１部材５３Ａに設けられた突起部とビス５６とを結ぶ直線と観察者の２つの眼球の中心を結ぶ仮想直線とが若干ずれていても、即ち、観察者の２つの眼球の中心を結ぶ仮想直線と回動軸ＲＸとの間の距離が最大６．５ｍｍである場合、画像表示装置１００，２００，３００，４００から出射された画像が観察者の瞳から実質的にけられてしまうことが無いので、画像表示装置１００，２００，３００，４００は画像表示装置を観察する観察者の２つの眼球の中心を結ぶ仮想直線を回動軸としてフレーム５０に対して回動自在に取り付けられているとする。

実施例６における画像表示装置や導光板は、実施例１〜実施例５において説明した画像表示装置や導光板と同様の構成、構造とすることができるので、詳細な説明は省略する。

実施例６の頭部装着型ディスプレイを構成する画像表示装置１００，２００，３００，４００は、画像形成装置を観察する観察者の２つの眼球の中心を結ぶ仮想直線を回動軸ＲＸとして、フレーム５０に対して回動自在に取り付けられているので、画像表示装置１００，２００，３００，４００を回動させて画像表示装置１００，２００，３００，４００を上下方向に動かす場合であっても画像表示装置１００，２００，３００，４００から出射された画像が観察者の瞳からけられてしまうことが無い。

尚、観察者の水平方向の視線（観察者の水平方向視線）よりも、表示画像を上側又は下側にずらして表示する必要がない場合にあっても、画像表示装置を回動させて画像表示装置を上下方向に動かし、画像表示装置の位置の最適化を図る必要があるときには、実施例１〜実施例５において説明したところの中心光線がＸＹ平面と０度以外の角度（θ）で交わることを可能とする機構、構成、構造は不要であり、画像表示装置は、画像表示装置を観察する観察者の２つの眼球の中心を結ぶ仮想直線を回動軸として、フレームに対して回動自在に取り付けられているだけでよい。

以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこれらの実施例に限定するものではない。実施例において説明した画像表示装置、頭部装着型ディスプレイの構成、構造は例示であり、適宜変更することができる。例えば、導光板に表面レリーフ型ホログラム（米国特許第２００４００６２５０５Ａ１参照）を配置してもよい。実施例３あるいは実施例４の光学装置３２０にあっては、回折格子素子を透過型回折格子素子から構成することもできるし、あるいは又、第１偏向手段及び第２偏向手段の内のいずれか一方を反射型回折格子素子から構成し、他方を透過型回折格子素子から構成する形態とすることもできる。あるいは又、回折格子素子を、反射型ブレーズド回折格子素子とすることもできる。

１０・・・フレーム、１１・・・フロント部、１２・・・蝶番、１３・・・テンプル部、１４・・・モダン部、１５・・・配線（信号線や電源線等）、１６・・・ヘッドホン部、１７・・・ヘッドホン部用配線、１８・・・取付け部材、４１・・・瞳、５０・・・フレーム、５１・・・フロント部、５３・・・テンプル部、５３Ａ・・・テンプル部の先端部分を構成する第１部材、５３Ｂ・・・テンプル部の先端部分を構成する第２部材、５３Ｃ・・・テンプル部の先端部分を構成する第３部材、５３Ｄ・・・腕部（ツル部）、５４・・・モダン部、５５・・・保持バンド、５６・・・ビス、１００，２００，３００，４００・・・画像表示装置、１１１・・・画像形成装置、１１２・・・光学系（コリメート光学系）、１１３，２１３・・・筐体、１２０，３２０・・・光学装置（導光手段）、１２１，３２１・・・導光板、１２２，３２２・・・導光板の第１面、１２３，３２３・・・導光板の第２面、１２４，１２５・・・導光板の一部分、１３０・・・第１偏向手段、１４０・・・第２偏向手段、３３０・・・第１偏向手段（第１回折格子部材）、３４０・・・第２偏向手段（第２回折格子部材）、１５０・・・反射型空間光変調装置、１５１・・・液晶表示装置（ＬＣＤ）、１５２・・・偏光ビームスプリッター、１５３・・・光源、２５１・・・光源、２５２・・・コリメート光学系、２５３・・・走査手段、２５４・・・光学系（リレー光学系）、２５５・・・クロスプリズム、２５６・・・全反射ミラー、ＲＸ・・・回動軸

Claims (20)

1. （Ａ）画像形成装置、
   （Ｂ）画像形成装置から出射された光を平行光とする光学系、及び、
   （Ｃ）光学系にて平行光とされた光束が入射され、導光され、出射される光学装置、
   を備えた画像表示装置であって、
   画像形成装置の中心から出射され、光学系の画像形成装置側節点を通過した中心光線が光学装置に入射する点を光学装置中心点とし、光学装置中心点を通過し、光学装置の軸線方向と平行な軸線をＸ軸、光学装置中心点を通過し、光学装置の法線と一致する軸線をＹ軸としたとき、
   中心光線は、ＸＹ平面と０度以外の角度で交わる画像表示装置。
2. 前記中心光線は、ＹＺ平面に含まれる請求項１に記載の画像表示装置。
3. 光学系の光軸は、ＹＺ平面に含まれ、且つ、ＸＹ平面と０度以外の角度で交わる請求項１又は請求項２に記載の画像表示装置。
4. 光学系の光軸は、ＹＺ平面と平行であり、ＸＹ平面と平行であり、且つ、画像形成装置の中心から外れた位置を通過する請求項１又は請求項２に記載の画像表示装置。
5. 光学装置は、
   （ａ）入射された光が内部を全反射により伝播した後、出射される導光板、
   （ｂ）導光板に入射された光が導光板の内部で全反射されるように、導光板に入射された光を偏向させる第１偏向手段、及び、
   （ｃ）導光板の内部を全反射により伝播した光を導光板から出射させるために、導光板の内部を全反射により伝播した光を複数回に亙り偏向させる第２偏向手段、
   を備えており、
   第１偏向手段の中心点が、光学装置中心点である請求項１に記載の画像表示装置。
6. （イ）観察者の頭部に装着される眼鏡型のフレーム、及び、
   （ロ）フレームに取り付けられた画像表示装置、
   を備えた頭部装着型ディスプレイであって、
   画像表示装置は、
   （Ａ）画像形成装置、
   （Ｂ）画像形成装置から出射された光を平行光とする光学系、及び、
   （Ｃ）光学系にて平行光とされた光束が入射され、導光され、出射される光学装置、
   を備えており、
   画像形成装置の中心から出射され、光学系の画像形成装置側節点を通過した中心光線が光学装置に入射する点を光学装置中心点とし、光学装置中心点を通過し、光学装置の軸線方向と平行な軸線をＸ軸、光学装置中心点を通過し、光学装置の法線と一致する軸線をＹ軸としたとき、
   中心光線は、ＸＹ平面と０度以外の角度で交わる頭部装着型ディスプレイ。
7. 画像表示装置は、画像表示装置を観察する観察者の２つの眼球の中心を結ぶ仮想直線を回動軸として、フレームに対して回動自在に取り付けられている請求項６に記載の頭部装着型ディスプレイ。
8. 画像形成装置、光学系及び光学装置の内の少なくとも１つが、フレームに対して回動自在に取り付けられている請求項７に記載の頭部装着型ディスプレイ。
9. 前記中心光線は、ＹＺ平面に含まれる請求項６に記載の頭部装着型ディスプレイ。
10. 光学系の光軸は、ＹＺ平面に含まれ、且つ、ＸＹ平面と０度以外の角度で交わる請求項６又は請求項９に記載の頭部装着型ディスプレイ。
11. 光学系の光軸は、ＹＺ平面と平行であり、ＸＹ平面と平行であり、且つ、画像形成装置の中心から外れた位置を通過する請求項６又は請求項９に記載の頭部装着型ディスプレイ。
12. ＸＹ平面が水平面と一致すると仮定したとき、前記中心光線がＸＹ平面と交わる角度θは仰角である請求項６に記載の頭部装着型ディスプレイ。
13. ＸＹ平面は垂直面と０度以外の角度で交わる請求項１２に記載の頭部装着型ディスプレイ。
14. ＸＹ平面は垂直面と角度θで交わる請求項１３に記載の頭部装着型ディスプレイ。
15. θの最大値は５度である請求項１２乃至請求項１４のいずれか１項に記載の頭部装着型ディスプレイ。
16. 観察者が、水平方向に位置する対象物を眺めたとき、光学装置から出射され、観察者の瞳に入射する中心光線は俯角をなす請求項６に記載の頭部装着型ディスプレイ。
17. フレームは、観察者の正面に配置されるフロント部と、フロント部の両端に蝶番を介して回動自在に取り付けられた２つのテンプル部とから成る請求項６に記載の頭部装着型ディスプレイ。
18. （イ）観察者の頭部に装着される眼鏡型のフレーム、及び、
    （ロ）フレームに取り付けられた画像表示装置、
    を備えた頭部装着型ディスプレイであって、
    画像表示装置は、
    （Ａ）画像形成装置、
    （Ｂ）画像形成装置から出射された光を平行光とする光学系、及び、
    （Ｃ）光学系にて平行光とされた光束が入射され、導光され、出射される光学装置、
    を備えており、
    画像表示装置は、画像表示装置を観察する観察者の２つの眼球の中心を結ぶ仮想直線を回動軸として、フレームに対して回動自在に取り付けられている頭部装着型ディスプレイ。
19. 画像形成装置、光学系及び光学装置の内の少なくとも１つが、フレームに対して回動自在に取り付けられている請求項１８に記載の頭部装着型ディスプレイ。
20. 観察者が、水平方向に位置する対象物を眺めたとき、光学装置から出射され、観察者の瞳に入射する中心光線は俯角をなす請求項１８に記載の頭部装着型ディスプレイ。