JP3460716B1 - 画像表示装置 - Google Patents
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Abstract
体の寸法及び重量を小型化し、射出瞳径、表示画角及び
アイレリーフを大きくし、また、収差を低減する。 【解決手段】 画像表示素子20からの射出光を回折さ
せる透過型回折光学素子50と、この透過型回折光学素
子50からの回折光を反射する正の光学的パワーを有す
る反射型光学素子70とを備える。透過型回折光学素子
50は、反射型光学素子70により反射された反射光が
再びこの透過型回折光学素子50に入射するときに、画
像表示素子20からの射出光に対する回折効率よりも小
さな回折効率にて回折させる。
Description
メラのビューファインダや頭部装着型ディスプレイ等と
して使用して好適な画像表示装置に関し、特に、いわゆ
るシースルー機能を有する眼鏡型虚像表示装置に関す
る。
ァインダや頭部装着型ディスプレイ等として使用される
画像表示装置が提案されている。そして、このような画
像表示装置として、反射型空間光変調素子を使用して構
成された虚像表示装置が提案されている。
載されているように、このような画像表示装置は、図6
に示すように、立方体形状の偏光ビームスプリッタキュ
ーブ125を備えて構成されている。この偏光ビームス
プリッタキューブ125は、対角面に偏光ビームスプリ
ッタ面125Eを有している。
スプリッタ面125Eに対して45°の角度をなす偏光
ビームスプリッタキューブ125の第1の面125Aに
対向して、照明用光源装置121及び偏光子123が配
置されている。また、偏光ビームスプリッタ面125E
に対して45°の角度をなし第1の面125Aに対して
90°の角度をなす偏光ビームスプリッタキューブ12
5の第2の面125Bに対向して、反射型空間光変調器
122が配置されている。そして、第2の面125Bに
対して平行な偏光ビームスプリッタキューブ125の第
3の面125Cに対向して、四分の一波長板126及び
反射ミラー127が配置されている。
置121から出射された光は、偏光子123を透過する
ことにより、偏光ビームスプリッタ面125Eに対する
S偏光である直線偏光となされ、この偏光ビームスプリ
ッタ面125Eにおいて反射されて略々90°偏向さ
れ、反射型空間光変調器122に到達する。この反射型
空間光変調器122からは、表示画像に応じて偏光状態
が変調された反射光が出射される。
面125Eに対するP偏光成分は、この偏光ビームスプ
リッタ面125Eを透過し、四分の一波長板126を透
過して、反射ミラー127の凹型反射面によって反射さ
れる。この反射ミラー127における反射光は、再び四
分の一波長板126を透過することにより、偏光ビーム
スプリッタ面125Eに対するS偏光となる。そして、
偏光ビームスプリッタ面125Eに到達した反射光12
8Aは、この偏光ビームスプリッタ125Eによって反
射されて略々90°偏向され、観察領域130において
人間の瞳131に到達して観察される。
されている画像表示装置は、図7に示すように、上述の
画像表示装置と同様に、立方体形状の偏光ビームスプリ
ッタキューブ301を有して構成されている。この偏光
ビームスプリッタキューブ301は、対角面に偏光ビー
ムスプリッタ面324を有している。
スプリッタ面324に対して45°の角度をなす偏光ビ
ームスプリッタキューブ301の第1の面には、光学媒
質から形成された光導波路300が、この偏光ビームス
プリッタキューブ301に光学的に密着されて設けられ
ている。そして、この光導波路300の終端部には、第
1のレンズ360が、この光導波路300に対して光学
的に密着して配設されている。さらに、この第1のレン
ズ360に対向して、画像表示素子320が配置されて
いる。
子320から射出した画像表示光線308は、第1のレ
ンズ360を介して光導波路300に入射し、偏光ビー
ムスプリッタ面324にて反射されたのち、第2のレン
ズ370を介して射出され、観察者の瞳500に到達す
る。この画像表示装置においては、第1及び第2のレン
ズ360,370によって、虚像結像を行っている。
子と虚像結像レンズとの間の物理的距離を大きくとるこ
とができるので、眼の直前に画像表示素子を配置する必
要がなく、設計上の自由度が大きいという利点がある。
記載されている画像表示装置は、図8に示すように、画
像表示素子201から発せられた表示光Lをプリズム2
02に入射させ、このプリズム202の内部で対向する
2つの反射面202a,202b間を複数回反射させて
拡大レンズまで導くように構成されている。この画像表
示装置における画像表示素子201は、輝度変調を行う
画像表示素子となっている。
グラムレンズ203を用いており、この反射型ホログラ
ムレンズ203によって虚像結像が行われるようにして
いる。すなわち、この画像表示装置においては、画像表
示素子201から射出された表示光Lは、プリズム20
2に入射後、対向する2つの反射面202a,202b
間において複数回の内部反射を経て、反射型ホログラム
レンズ203にて虚像結像のパワーを与えられて、プリ
ズム202より射出し、観察者の瞳204に到達する。
における内部反射を繰り返しながら拡大レンズまで表示
光が伝達されるようにしているため、図7に示した画像
表示装置に比較して、光学系を薄く構成できるという利
点がある。
な画像表示装置において、図6に示した画像表示装置に
ついては、以下のような欠点を指摘することができる。
部は、図6中の破線で示すように、迷光128Bとして
直接的に瞳131に到達する。この迷光128Bは、反
射型空間光変調器122によって表示される画像データ
にとってノイズとなり、表示画像のコントラストを低下
させる。
表示を行う反射光128Aを瞳131側に偏向させる偏
光ビームスプリッタキューブ125の大きさによって、
光学系の射出瞳径や表示画角の最大値が制約される構成
となっている。そのため、この画像表示装置において、
アイレリーフを一定に保ったままで、これら射出瞳径や
表示画角の最大値などの値を大きくするには、偏光ビー
ムスプリッタキューブ125を大きくせざるを得ない。
偏光ビームスプリッタキューブ125を大きくすると、
光学系全体の厚さが大きくなり、重量も大きくなってし
まう。
製造が困難であり、製造費も高いため、画像表示装置全
体の製造の困難化、製造費の増大が招来される。
は、以下のような欠点を指摘することができる。
ビームスプリッタキューブ301の大きさによって、光
学系の射出瞳径、表示画角の最大値が制約される構成と
なっている。そのため、この画像表示装置において、ア
イレリーフを一定に保ったままで、これら射出瞳径や表
示画角の最大値などの値を大きくするには、偏光ビーム
スプリッタキューブ301及び光導波路300を大きく
せざるを得ない。偏光ビームスプリッタキューブ301
及び光導波路300を大きくすると、光学系全体の厚さ
が大きくなり、重量も大きくなってしまう。
製造が困難であり、製造費も高いため、画像表示装置全
体の製造の困難化、製造費の増大が招来される。
ては、以下のような欠点を指摘することができる。
7に示す画像表示装置に比較すると、偏心光学系を採用
することにより、構成の薄型化に適している。しかし、
反射型ホログラムレンズ203は、収差を増大させない
ために、瞳204に対して平行(瞳204の光軸に対し
て直交)に配置することはできない。そのため、この画
像表示装置においても、光学系の射出瞳径や表示画角を
大きくする場合には、プリズム202の厚さが大きくな
り、重量も大きくなる。
が入射されるこの画像表示光の光軸に対して傾斜された
反射型ホログラムレンズ203が、虚像結像のためのパ
ワーを有している。すなわち、この光学系は、偏心光学
系である。
型ホログラムレンズ203への画像表示光の入射角、ま
たは、射出角は、プリズム202をなす媒質中におい
て、10°程度を越える角度となる。このような大きな
偏心量をもつ光学系においては、膨大な量の偏心収差が
発生し、反射型ホログラムレンズ203のみによって、
このような偏心収差の補正を行うことは困難である。
高い解像力、例えば、50本/mmの空間周波数につい
て、20%以上のMTF(Modulation Transfer Functi
on)を確保することはできない。
案されるものであって、画像表示素子の虚像を形成して
画像表示を行う画像表示装置であって、光学系の厚さ及
び重量が最小化されることにより、装置全体の寸法及び
重量が小型化されながら、射出瞳径、表示画角及びアイ
レリーフが大きくなされ、また、収差が低減された画像
表示装置を提供しようとするものである。
め、本発明に係る画像表示装置は、画像表示素子と、こ
の画像表示素子からの射出光を回折させる透過型回折光
学素子と、この透過型回折光学素子からの回折光を反射
する正の光学的パワーを有する反射型光学素子とを備
え、透過型回折光学素子は、正の光学的パワーを有する
反射型光学素子により反射された反射光が再びこの透過
型回折光学素子に入射するときに、画像表示素子からの
射出光に対する回折効率よりも小さな回折効率にて回折
させることを特徴とするものである。
表示素子と、この画像表示素子からの射出光を受光する
透過型回折光学素子と、この透過型回折光学素子におい
て回折されることなく透過した画像表示素子からの出射
光を反射する正の光学的パワーを有する反射型光学素子
とを備え、透過型回折光学素子は、正の光学的パワーを
有する反射型光学素子により反射された反射光が再びこ
の透過型回折光学素子に入射するときに、画像表示素子
からの射出光に対する回折効率よりも大きな回折効率に
て回折させることを特徴とするものである。
置においては、透過型回折光学素子として、P偏光入射
光を主に回折しS偏光入射光はほとんど回折しないホロ
グラフィック高分子分散液晶光学素子(「HPDL
C」)などを使用する。また、これと同時に、「HPD
LC」光学素子に入射する画像表示光と、反射光学素子
により反射されて再び「HPDLC」光学素子に入射す
る反射光とで、偏光方向を90度異ならせるために、
「HPDLC」光学素子と反射光学素子との間に、1/
4波長板を配置するとよい。
子から正の光学的パワーを有する反射型光学素子に偏心
して入射する画像表示光において発生する偏心収差を補
正する機能を有しており、そのため、この透過型回折光
学素子を構成する回折格子の形状、間隔が不均一とされ
る。
と透過型回折光学素子との間の光路中に屈折率が1より
大きい光学媒質を配置することにより、画像表示素子と
透過型回折光学素子との間の光路の空気換算距離を短く
し、正の光学的パワーを有する反射型光学素子との有効
焦点距離を短くすることができる。これによって、光学
系の拡大倍率を大きくし、また、光学系のサイズを小さ
くすることが可能となる。
素子と正の光学的パワーを有する反射型光学素子とを光
学的に偏心したレイアウトをとることによって、同一射
出瞳系、同一表示画角の他の方式の光学系と比較して、
光学系全体を薄型化および軽量化でき、また、偏心光学
系であることにより発生する偏心収差を、透過型回折光
学素子によって補正することにより、解像力の高い光学
系を実現することができる。
を参照しながら説明する。
ように、照明用光源装置10と、透過型空間光変調器2
0と、透過型回折光学素子となる「HPDLC」光学素
子50と、2つの1/4波長板60,61と、正の光学
的パワーを有する反射型光学素子である自由曲面半透鏡
70と、偏光板80とを有して構成される。
ー11を有し、この半導体レーザ11から発せられた光
束を導く導光板12と、光学フィルム14とを有して構
成されている。すなわち、半導体レーザー11から射出
された光は、合成樹脂からなる導光板12に入射し、こ
の導光板12により照度の均一化、射出角度の制御をな
されて、射出面13より射出する。射出面13より射出
した照明光Aは、射出面13に平行に配置された光学フ
ィルム14を透過することにより、さらに射出角度をコ
ントロールされた後、透過型空間光変調素子20に入射
する。なお、導光板12においては、射出面13以外の
各面には、図示しない反射シートが設けられている。
光Aは、この透過型空間光変調素子20により、表示さ
れる画像に対応する画像情報に応じて、各画素ごとに輝
度変調され、画像表示光Bとして射出される。この透過
型空間光変調素子20としては、例えば、液晶素子を用
いることができる。ここで、画像表示光Bは、次に入射
する「HPDLC」光学素子50に対するP偏光光とな
されている。
にて、透過型の「HPDLC」光学素子50に入射す
る。この「HPDLC」光学素子50は、「ホログラフ
ィック高分子分散液晶光学素子」であり、ここでは、P
偏光入射光を主に回折させ、S偏光入射光はほとんど回
折させないように形成されている。したがって、「HP
DLC」光学素子50に入射した画像表示光Bの多くは
回折され、1/4波長板60に、略々垂直に入射する。
晶層と高分子層とが、順次縞状に配列された回折格子の
ような構造を有しており、液晶層の分子の配向方向によ
り、P偏光を回折させS偏光を回折させない特性か、あ
るいは、S偏光を回折させP偏光を回折させない特性と
なる。
表示光Bを円偏光に変換するように遅相軸の方向を調整
されている。この1/4波長板60に入射した画像表示
光Bは、円偏光となって、自由曲面半透鏡70に入射す
る。ここで、自由曲面半透鏡70の反射面は、図1にお
いて紙面に平行な唯1つの対称面を有し、かつ、その面
内及び面外において回転対称軸が存在しない形状、いわ
ゆる自由曲面となされている。画像表示光Bは、この自
由曲面半透鏡70が正の光学的パワーを有しているた
め、この自由曲面半透鏡70により反射されることによ
り、虚像を結像することとなる。
なわち、虚像表示光Cは、再び1/4波長板60に入射
し、この1/4波長板60を透過することにより直線偏
光に戻される。このとき、虚像表示光Cは、「HPDL
C」光学素子50に対してP偏光光ではなく、S偏光光
となされる。したがって、虚像表示光Cは、「HPDL
C」光学素子50において、ほとんど回折されることな
く透過して、観察者の瞳100に入射する。
Bは、「HPDLC」光学素子50において回折される
ことによって、自由曲面半透鏡70に対しては、略々垂
直に入射されるため、偏心光学系において発生する偏心
収差をほとんど生ずることがない。
達する背景光Dは、図1に示すように、偏光板80、第
2の1/4波長板61、自由曲面半透鏡70、1/4波
長板60、「HPDLC」光学素子50を透過して、観
察者の瞳100に入射する。この背景光Dは、偏光板8
0への入射前は無偏光状態であるが、この偏光板80を
透過することによって直線偏光光となされ、次に、第2
の1/4波長板61を透過することによって円偏光光と
なされ、さらに、1/4波長板60を透過することによ
って、「HPDLC」光学素子50に対するS偏光光で
ある直線偏光となされる。「HPDLC」光学素子50
においては、S偏光光はほとんど回折されないので、こ
の背景光Dは、「HPDLC」光学素子50にて回折さ
れることなく、観察者の瞳100に到達する。この場合
の観察者の瞳100に到達する背景光Dの光量は、自由
曲面半透過鏡70における透過率(例えば、50%程
度)に依存する。
波長板61をそれぞれの面に直交する軸回りに回転させ
ることにより、瞳100へ到達する背景光Dの光量を可
変させることができる。例えば、第2の1/4波長板6
1と1/4波長板60とをそれぞれの遅相軸が直交する
よう配置するとともに、偏光板80をこの偏光板80の
透過光が「HPDLC」光学素子50に対するP偏光光
となるように回転させることにより、背景光Dの一部が
「HPDLC」光学素子50において光源装置10側に
回折されるようになり、瞳100に入射する背景光Dの
光量を(例えば、10%程度にまで)減少させることが
できる。
に示すように、上述の自由曲面半透鏡70に代えて、反
射型体積ホログラムレンズ71を用いて構成することが
できる。すなわち、この場合には、この画像表示装置
は、照明用光源装置10、反射型空間光変調器20、リ
レー光学系90、「HPDLC」光学素子50、2つの
1/4波長板60,61、反射型体積ホログラムレンズ
71及び偏光板80を有して構成される。
けると同様に、光源として半導体レーザー11を有し、
この半導体レーザ11から発せられた光束を導く導光板
12と、光学フィルム14とを有して構成されている。
すなわち、半導体レーザー11から射出された光は、合
成樹脂からなる導光板12に入射し、この導光板12に
より照度の均一化、射出角度の制御をなされて、射出面
13より射出する。射出面13より射出した照明光A
は、射出面13に平行に配置された光学フィルム14を
透過することによりさらに射出角度をコントロールさ
れ、偏光ビームスプリッタ15によって主にS偏光成分
のみを反射され、反射型空間光変調素子20に入射す
る。なお、導光板12においては、射出面13以外の各
面には、図示しない反射シートが設けられている。
光Aは、この反射型空間光変調素子20により、表示さ
れる画像に対応する画像情報に応じて、各画素ごとに偏
光状態が変調され、再び偏光ビームスプリッタ15に入
射する。この反射型空間光変調素子20としては、例え
ば、液晶素子を用いることができる。偏光ビームスプリ
ッタ15は、P偏光成分を主に透過させる。したがっ
て、反射型空間光変調素子20において偏光状態を変調
された光は、偏光ビームスプリッタ15を透過すること
により、輝度変調された画像表示光Bに変換されて、リ
レー光学系90に入射する。
面反射鏡93及びフィールドレンズ92より構成されて
いる。このリレー光学系90においては、画像表示光B
が、まず、結像レンズ91に入射され、この結像レンズ
91の出射光が、平面反射鏡93を経て、フィールドレ
ンズ92に入射される。このフィールドレンズ92の出
射光は、反射型空間光変調素子20の空中像(実像)1
10を形成する。この中空像110を形成した画像表示
光Bは、次に、約45度の入射角にて、透過型の「HP
DLC」光学素子50に入射する。この「HPDLC」
光学素子50は、「ホログラフィック高分子分散液晶光
学素子」であり、ここでは、P偏光入射光を主に回折さ
せ、S偏光入射光はほとんど回折させないように形成さ
れている。ここで、「HPDLC」光学素子50に入射
する画像表示光Bは、この「HPDLC」光学素子50
に対するP偏光光となっているので、「HPDLC」光
学素子50に入射した画像表示光Bの多くは回折され、
1/4波長板60に、略々垂直に入射する。
表示光Bを円偏光に変換するように遅相軸の方向を調整
されている。この1/4波長板60に入射した画像表示
光Bは、円偏光となって、反射型体積ホログラムレンズ
71に入射する。画像表示光Bは、この反射型体積ホロ
グラムレンズ71が正の光学的パワーを有しているた
め、この反射型体積ホログラムレンズ71により反射さ
れることにより、虚像を結像することとなる。
の反射光、すなわち、虚像表示光Cは、再び1/4波長
板60に入射し、この1/4波長板60を透過すること
により直線偏光に戻される。このとき、虚像表示光C
は、「HPDLC」光学素子50に対してP偏光光では
なく、S偏光光となされる。したがって、虚像表示光C
は、「HPDLC」光学素子50において、ほとんど回
折されることなく透過して、観察者の瞳100に入射す
る。
Bは、「HPDLC」光学素子50及び反射型体積ホロ
グラムレンズ71において、収差補正、光路長の修正を
なされる。光路長の修正とは、画像表示光Bが反射型体
積ホログラムレンズ71に対して傾斜して(偏心して)
入射するために、この反射型体積ホログラムレンズ71
におけるリレー光学系90に近い側と遠い側とで生ずる
光路長差を修正することである。体積ホログラムを用い
れば、このような光路長差の修正も行うことができる。
射型体積ホログラムレンズ71のみの場合よりも、補正
可能な偏心収差量を増大させる効果を有している。すな
わち、「HPDLC」光学素子50は、反射型体積ホロ
グラムレンズ71に入射する画像表示光Bの光路長をコ
ントロールすることによって、補正可能な偏心収差量を
増大させている。
背後側より到達する背景光Dは、図2に示すように、偏
光板80、第2の1/4波長板61、反射型体積ホログ
ラムレンズ71、1/4波長板60、「HPDLC」光
学素子50を透過して、観察者の瞳100に入射する。
この背景光Dは、偏光板80への入射前は無偏光状態で
あるが、この偏光板80を透過することによって直線偏
光光となされ、次に、第2の1/4波長板61を透過す
ることによって円偏光光となされ、さらに、1/4波長
板60を透過することによって、「HPDLC」光学素
子50に対するS偏光光である直線偏光となされる。
「HPDLC」光学素子50においては、S偏光光はほ
とんど回折されないので、この背景光Dは、「HPDL
C」光学素子50にて回折されることなく、観察者の瞳
100に到達する。この場合の観察者の瞳100に到達
する背景光Dの光量は、反射型体積ホログラムレンズ7
1における透過率に依存する。
波長板61をそれぞれの面に直交する軸回りに回転させ
ることにより、瞳100へ到達する背景光Dの光量を可
変させることができる。例えば、第2の1/4波長板6
1と1/4波長板60とをそれぞれの遅相軸が直交する
よう配置するとともに、偏光板80をこの偏光板80の
透過光が「HPDLC」光学素子50に対するP偏光光
となるように回転させることにより、背景光Dの一部が
「HPDLC」光学素子50において光源装置10側に
回折されるようになり、瞳100に入射する背景光Dの
光量を(例えば、10%程度にまで)減少させることが
できる。
系90を用いて空中像110を形成させていることによ
って、反射型画像表示素子20と反射型体積ホログラム
レンズ71との間の実効的な間隔を短くして、表示画像
の光学倍率を大きくすることを可能にしている。なお、
平面反射鏡93は、曲面鏡に代えてもよい。
に示すように、照明用の光源装置10、照明光学系3
0、反射型空間光変調素子20、導光プリズム40、透
過型体積ホログラム光学素子51、反射型体積ホログラ
ムレンズ71及び偏光板80を用いて構成することがで
きる。
けると同様に、光源として半導体レーザー11を有し、
この半導体レーザ11から発せられた光束を導く導光板
12と、光学フィルム14とを有して構成されている。
すなわち、半導体レーザー11から射出された光は、合
成樹脂からなる導光板12に入射し、この導光板12に
より照度の均一化、射出角度の制御をなされて、射出面
13より射出する。射出面13より射出した照明光A
は、射出面13に平行に配置された光学フィルム14を
透過することによりさらに射出角度をコントロールされ
る。なお、導光板12においては、射出面13以外の各
面には、図示しない反射シートが設けられている。
偏光板15を透過することにより、直線偏光光となされ
る。このときの照明光Aの偏光方向は、後述する「HP
DLC」光学素子32に対するP偏光光である方向とな
されている。光学フィルム14を透過した照明光Aは、
照明光学系30を構成する照明プリズム31に入射す
る。この照明プリズム31は、第1の面が照明光Aの入
射面となされ、この第1の面に対して傾斜した第2の面
に後述する「HPDLC」光学素子32及び反射型空間
光変調素子20が接合され、第1の面に対して略々直交
する第3の面に後述する導光プリズム40の入射面が接
合されている。
この照明プリズム31内より、「HPDLC」光学素子
32に入射する。このとき、照明光Aの「HPDLC」
光学素子32に対する照明プリズム31の媒質中での入
射角は、約25度となっている。「HPDLC」光学素
子32に入射した照明光Aは、この「HPDLC」光学
素子32に対してP偏光となっているため、この「HP
DLC」光学素子32によって略々全光量が回折され
る。「HPDLC」光学素子32によって回折された照
明光Aは、この「HPDLC」光学素子32の背後に設
置された反射型空間光変調素子20に略々垂直に入射す
る。
光Aは、この反射型空間光変調素子20において、表示
画像の各画素ごとに偏光状態を変調されて反射され、再
び「HPDLC」光学素子32に入射する。この透過型
空間光変調素子20としては、例えば、液晶素子を用い
ることができる。反射型空間光変調素子20で変調され
なかったP偏光光は、「HPDLC」光学素子32にお
いて、再び回折され、光源装置10側に戻る。反射型空
間光変調素子20で変調されたS偏光光は、「HPDL
C」光学素子32において回折されることなく、この
「HPDLC」光学素子32を透過して画像表示光Bと
なる。この画像表示光Bは、表示画像の各画素ごとに輝
度が変調された輝度変調光となっている。この画像表示
光Bは、照明プリズム31内で内面反射し、この照明プ
リズム31の第3の面より出射する。
リズム40の入射面との間には、検光子33が挟み込ま
れている。すなわち、照明プリズム31の第3の面より
出射した画像表示光Bは、検光子33を透過して、導光
プリズム40の入射面に入射する。画像表示光Bは、検
光子33を透過することにより、所定の方向の偏光成分
のみが検波される。この検光子33において検波される
ことにより、画像表示光Bは、さらに十分な輝度変調を
なされた光となる。
は、この導光プリズム40内における数回の内部全反射
を経て、この導光プリズム40に光学的に密着された透
過型体積ホログラム光学素子51に斜め方向から入射す
る。透過型体積ホログラム光学素子51に入射した画像
表示光Bは、この透過型体積ホログラム光学素子51に
より回折され、反射型体積ホログラムレンズ71に入射
する。
ンズ71が正の光学的パワーを有しているため、この反
射型体積ホログラムレンズ71により反射されることに
より、虚像を結像する虚像表示光Cとなって、再び透過
型体積ホログラム光学素子51に入射する。
ズム40内から透過型体積ホログラム光学素子51に入
射する画像表示光Bとは異なる入射角にて、透過型体積
ホログラム光学素子51に入射する。そのため、この虚
像表示光Cは、透過型体積ホログラム光学素子51の角
度選択性により、回折されずに、この透過型体積ホログ
ラム光学素子51を透過する。そして、この虚像表示光
Cは、導光プリズム40を透過して、観察者の瞳100
に到達する。
1は、反射型体積ホログラムレンズ71のみの場合より
も、補正可能な偏心収差量を増大させる効果を有してい
る。すなわち、透過型体積ホログラム光学素子51は、
反射型体積ホログラムレンズ71に入射する画像表示光
Bの入射角度を均一化することによって、補正可能な偏
心収差量を増大させている。
背後側より到達する背景光Dは、図3に示すように、偏
光板80、反射型体積ホログラムレンズ71、透過型体
積ホログラム光学素子51、導光プリズム40を透過し
て、観察者の瞳100に入射する。この背景光Dは、偏
光板80への入射前は無偏光状態であるが、この偏光板
80を透過することによって、透過型体積ホログラム光
学素子51に対するS偏光光である直線偏光となされ
る。透過型体積ホログラム光学素子51においては、S
偏光光はほとんど回折されないので、この背景光Dは、
透過型体積ホログラム光学素子51にて回折されること
なく、観察者の瞳100に到達する。この場合の観察者
の瞳100に到達する背景光Dの光量は、反射型体積ホ
ログラムレンズ71及び透過型体積ホログラム光学素子
51における透過率に依存する。
に回転させることにより、瞳100へ到達する背景光D
の光量を可変させることができる。偏光板80をこの偏
光板80の透過光が透過型体積ホログラム光学素子51
に対するP偏光光となるように回転させることにより、
背景光Dが透過型体積ホログラム光学素子51において
光源装置10側に回折されるようになり、瞳100に入
射する背景光Dの光量を減少させることができる。
体積ホログラム光学素子71に代えて、自由曲面反射鏡
(自由曲面半透過鏡)を用いてもよく、また、透過型体
積ホログラム光学素子51を「HPDLC」光学素子に
代替してもよい。この場合の「HPDLC」光学素子
は、回折効率について、入射光束の偏光方向に対する依
存性を有さず、入射光束の入射角度に対する依存性を有
するものを用いる。
4に示すように、「HPDLC」光学素子を使用せず、
照明用光源装置10から射出した照明光Aを、導光プリ
ズム40を透して、直接反射型空間光変調素子20に斜
め方向より入射させる構成としてもよい。すなわち、こ
の画像表示装置は、照明用の光源装置10、反射型空間
光変調素子(デジタルマイクロミラーデバイス)20、
導光プリズム40、透過型回折光学素子52及び反射型
体積ホログラムレンズ70を有して構成される。
けると同様に、光源として半導体レーザー11を有し、
この半導体レーザ11から発せられた光束を導く導光板
12と、光学フィルム14とを有して構成されている。
すなわち、半導体レーザー11から射出された光は、合
成樹脂からなる導光板12に入射し、この導光板12に
より照度の均一化、射出角度の制御をなされて、射出面
13より射出する。射出面13より射出した照明光A
は、射出面13に平行に配置された光学フィルム14を
透過することによりさらに射出角度をコントロールされ
る。なお、導光板12においては、射出面13以外の各
面には、図示しない反射シートが設けられている。
導光プリズム40の一端側部分を透過して、斜め方向よ
り、反射型空間光変調素子であるデジタルマイクロミラ
ーデバイス20に入射する。デジタルマイクロミラーデ
バイス20は、表示画像の画素に対応する微細なミラー
を有して構成されており、これらミラーがそれぞれ回転
操作可能となっている。すなわち、このデジタルマイク
ロミラーデバイス20においては、各ミラーを回転操作
することによって、各画素ごとに入射光束に対する反射
方向を変えることができる。
形状を有しており、この導光プリズム40の一端側部分
の外面部に接合されたデジタルマイクロミラーデバイス
20は、この導光プリズム40の一端側部分を光源装置
10より透過してきた照明光Aに対して、傾斜して配置
されている。
射した照明光Aは、このデジタルマイクロミラーデバイ
ス20により、各画素ごとに反射方向を制御され、表示
画像に対応して、一部が画像表示光Bとしてデジタルマ
イクロミラーデバイス20より略々垂直に射出される。
照明光Aの残部は、デジタルマイクロミラーデバイス2
0より、再び光源装置10側に反射される。
略々垂直に射出された画像表示光Bは、導光プリズム4
0に再入射し、この導光プリズム40の互いに平行な外
面部(光束分割面)41,42における内部全反射を交
互に数回繰り返した後に、この外面部41,42の一方
であって導光プリズム40の他端側にあたる位置に光学
的に密着された透過型回折光学素子52に対し、斜め方
向から入射する。
示光Bは、この透過型回折光学素子52を透過して、こ
の透過型回折光学素子52に光学的に密着されている反
射型体積ホログラムレンズ70に入射する。そして、画
像表示光Bは、反射型体積ホログラムレンズ70が正の
光学的パワーを有しているため、この反射型体積ホログ
ラムレンズ70により反射されることにより、虚像を結
像する虚像表示光Cとなって、再び透過型回折光学素子
52に入射する。
ズム40内から透過型回折光学素子52に入射する画像
表示光Bとは異なる入射角にて、透過型回折光学素子5
2に入射する。そのため、この虚像表示光Cは、透過型
回折光学素子52の角度選択性により、回折されて、こ
の透過型体積ホログラム光学素子51を透過する。そし
て、この虚像表示光Cは、導光プリズム40の外面部4
1,42を透過して、観察者の瞳100に到達する。
5に示すように、空間光変調素子となる自発光型マイク
ロディスプレイ20、導光プリズム40、透過型回折光
学素子52及び反射型体積ホログラムレンズ70とを用
いて構成するようにしてもよい。
源を内蔵して構成され、表示画像に応じた強度変調がな
された画像表示光Bを出射する。すなわち、この自発光
型マイクロディスプレイ20においては、各画素ごとに
発光強度を制御され、表示画像に対応する画像表示光B
が、この自発光型マイクロディスプレイ20より略々垂
直に射出される。
出された画像表示光Bは、導光プリズム40の一端側部
分より、この導光プリズム40内に入射する。この導光
プリズム40の一端側部分は、楔状の形状を有してお
り、この導光プリズム40の一端側部分の外面部(入射
面43)に接合された自発光型マイクロディスプレイ2
0は、この導光プリズム40の互いに平行な外面部(光
束分割面)41,42に対して傾斜した状態に設置され
ている。
0より略々垂直に射出された画像表示光Bは、導光プリ
ズム40に入射し、この導光プリズム40の互いに平行
な外面部(光束分割面)41,42における内部全反射
を交互に数回繰り返した後に、この外面部41,42の
一方であって導光プリズム40の他端側にあたる位置に
光学的に密着された透過型回折光学素子52に対し、斜
め方向から入射する。
示光Bは、この透過型回折光学素子52を透過して、こ
の透過型回折光学素子52に光学的に密着されている反
射型体積ホログラムレンズ70に入射する。そして、画
像表示光Bは、反射型体積ホログラムレンズ70が正の
光学的パワーを有しているため、この反射型体積ホログ
ラムレンズ70により反射されることにより、虚像を結
像する虚像表示光Cとなって、再び透過型回折光学素子
52に入射する。
ズム40内から透過型回折光学素子52に入射する画像
表示光Bとは異なる入射角にて、透過型回折光学素子5
2に入射する。そのため、この虚像表示光Cは、透過型
回折光学素子52の角度選択性により、回折されて、こ
の透過型体積ホログラム光学素子51を透過する。そし
て、この虚像表示光Cは、導光プリズム40の外面部4
1,42を透過して、観察者の瞳100に到達する。
PDLC」光学素子50、透過型体積ホログラム光学素
子51及び透過型回折光学素子52においては、偏光方
向、または、入射角に依存して、一回目の透過において
回折され(または、回折されず)、二回目の逆方向への
透過において回折されない(または、回折される)よう
にしているが、これらの関係を逆にして、一回目の透過
において回折されず(または、回折され)、二回目の逆
方向への透過において回折される(または、回折されな
い)ようにして構成してもよい。
置においては、画像表示素子と正の光学的パワーを有す
る反射型光学素子とを光学的に偏心したレイアウトをと
ることによって、同一射出瞳系、同一表示画角の他の方
式の光学系と比較して、光学系全体を薄型化および軽量
化でき、また、偏心光学系であることにより発生する偏
心収差を、透過型回折光学素子によって補正することに
より、解像力の高い光学系を実現することができる。
を形成して画像表示を行う画像表示装置であって、光学
系の厚さ及び重量が最小化されることにより、装置全体
の寸法及び重量が小型化されながら、射出瞳径、表示画
角及びアイレリーフが大きくなされ、また、収差が低減
された画像表示装置を提供することができるものであ
る。
における構成を示す側面図である。
構成を示す側面図である。
構成を示す側面図である。
構成を示す側面図である。
構成を示す側面図である。
面図である。
面図である。
面図である。
学系、40 導光プリズム、50 「HPDLC」光学
素子、51 透過型体積ホログラム光学素子、52 透
過型回折光学素子、70 自由曲面半透鏡、71 反射
型体積ホログラムレンズ、100 瞳
Claims (38)
- 【請求項1】 画像表示素子と、 上記画像表示素子からの射出光を回折させる透過型回折
光学素子と、 上記透過型回折光学素子からの回折光を反射する正の光
学的パワーを有する反射型光学素子とを備え、 上記透過型回折光学素子は、上記正の光学的パワーを有
する反射型光学素子により反射された反射光が再びこの
透過型回折光学素子に入射するときに、上記画像表示素
子からの射出光に対する回折効率よりも小さな回折効率
にて回折させることを特徴とする画像表示装置。 - 【請求項2】 上記透過型回折光学素子は、上記画像表
示素子からの射出光の主光線を、受光面の法線に対して
5度以上となる入射角にて受光することを特徴とする請
求項1記載の画像表示装置。 - 【請求項3】 上記透過型回折光学素子は、体積型ホロ
グラム光学素子であることを特徴とする請求項1記載の
画像表示装置。 - 【請求項4】 上記透過型回折光学素子は、間隔が不均
一な回折格子により構成されていることを特徴とする請
求項1記載の画像表示装置。 - 【請求項5】 上記透過型回折光学素子は、偏光選択性
ホログラム光学素子であることを特徴とする請求項1記
載の画像表示装置。 - 【請求項6】 上記偏光選択性ホログラム光学素子は、
ホログラフィック高分子分散液晶光学素子であることを
特徴とする請求項5記載の画像表示装置。 - 【請求項7】 上記ホログラフィック高分子分散液晶光
学素子は、P偏光回折効率がS偏光回折効率よりも大き
いことを特徴とする請求項6記載の画像表示装置。 - 【請求項8】 上記正の光学的パワーを有する反射型光
学素子は、反射型体積ホログラム光学素子であることを
特徴とする請求項1記載の画像表示装置。 - 【請求項9】 上記正の光学的パワーを有する反射型光
学素子は、凹面反射鏡であって、 上記凹面反射鏡の反射面の形状は、1つの対称面を有
し、かつ、その面内及び面外において回転対称軸が存在
しない形状であることを特徴とする請求項1記載の画像
表示装置。 - 【請求項10】 上記正の光学的パワーを有する反射型
光学素子は、背面側からの光の少なくとも一部を上記透
過型回折光学素子側である正面側に透過させる半透過物
質からなることを特徴とする請求項1記載の画像表示装
置。 - 【請求項11】 上記透過型回折光学素子と上記正の光
学的パワーを有する反射型光学素子の間の光路中に、1
/4波長板を備えていることを特徴とする請求項1記載
の画像表示装置。 - 【請求項12】 上記画像表示素子と上記透過型回折光
学素子の間の光路中に、屈折率が1より大きい光学媒質
が配置されていることを特徴とする請求項1記載の画像
表示装置。 - 【請求項13】 上記画像表示素子からの射出光は、上
記光学媒質内で少なくとも1回以上内部反射をした後
に、上記透過型回折光学素子へ入射することを特徴とす
る請求項12記載の画像表示装置。 - 【請求項14】 上記透過型回折光学素子と上記反射型
光学素子とは、光学的に密着されていることを特徴とす
る請求項1記載の画像表示装置。 - 【請求項15】 上記透過型回折光学素子が偏光選択性
ホログラム光学素子であって、上記反射光学素子の上記
回折光の入射する面の背面側に、偏光板が配置されてい
ることを特徴とする請求項10記載の画像表示装置。 - 【請求項16】 上記偏光板は、上記透過型回折光学素
子の回折効率が最も小さくなるような偏光方位を主に透
過するよう配置されていることを特徴とする請求項15
記載の画像表示装置。 - 【請求項17】 上記偏光板は、受光面に略垂直な軸回
りに回転可能となされていることを特徴とする請求項1
5記載の画像表示装置。 - 【請求項18】 上記反射光学素子の上記回折光の入射
する面の背面側に、第1の偏光板、1/4波長板及び第
2の偏光板が順次配置されていることを特徴とする請求
項10記載の画像表示装置。 - 【請求項19】 上記1/4波長板、または、上記各偏
光板の少なくとも1つは、各受光面に略垂直な軸回りに
回転可能となされていることを特徴とする請求項18記
載の画像表示装置。 - 【請求項20】 画像表示素子と、 上記画像表示素子からの射出光を受光する透過型回折光
学素子と、 上記透過型回折光学素子において回折されることなく透
過した上記画像表示素子からの出射光を反射する正の光
学的パワーを有する反射型光学素子とを備え、 上記透過型回折光学素子は、上記正の光学的パワーを有
する反射型光学素子により反射された反射光が再びこの
透過型回折光学素子に入射するときに、上記画像表示素
子からの射出光に対する回折効率よりも大きな回折効率
にて回折させることを特徴とする画像表示装置。 - 【請求項21】 上記透過型回折光学素子は、上記画像
表示素子からの射出光の主光線を、受光面の法線に対し
て5度以上となる入射角にて受光することを特徴とする
請求項20記載の画像表示装置。 - 【請求項22】 上記透過型回折光学素子は、体積型ホ
ログラム光学素子であることを特徴とする請求項20記
載の画像表示装置。 - 【請求項23】 上記透過型回折光学素子は、間隔が不
均一な回折格子により構成されていることを特徴とする
請求項20記載の画像表示装置。 - 【請求項24】 上記透過型回折光学素子は、偏光選択
性ホログラム光学素子であることを特徴とする請求項2
0記載の画像表示装置。 - 【請求項25】 上記偏光選択性ホログラム光学素子
は、ホログラフィック高分子分散液晶光学素子であるこ
とを特徴とする請求項24記載の画像表示装置。 - 【請求項26】 上記ホログラフィック高分子分散液晶
光学素子は、P偏光回折効率がS偏光回折効率よりも大
きいことを特徴とする請求項25記載の画像表示装置。 - 【請求項27】 上記正の光学的パワーを有する反射型
光学素子は、反射型体積ホログラム光学素子であること
を特徴とする請求項20記載の画像表示装置。 - 【請求項28】 上記正の光学的パワーを有する反射型
光学素子は、凹面反射鏡であって、 上記凹面反射鏡の反射面の形状は、1つの対称面を有
し、かつ、その面内及び面外において回転対称軸が存在
しない形状であることを特徴とする請求項20記載の画
像表示装置。 - 【請求項29】 上記正の光学的パワーを有する反射型
光学素子は、背面側からの光の少なくとも一部を上記透
過型回折光学素子側である正面側に透過させる半透過物
質からなることを特徴とする請求項20記載の画像表示
装置。 - 【請求項30】 上記透過型回折光学素子と上記正の光
学的パワーを有する反射型光学素子の間の光路中に、1
/4波長板を備えていることを特徴とする請求項20記
載の画像表示装置。 - 【請求項31】 上記画像表示素子と上記透過型回折光
学素子の間の光路中に、屈折率が1より大きい光学媒質
が配置されていることを特徴とする請求項20記載の画
像表示装置。 - 【請求項32】 上記画像表示素子からの射出光は、上
記光学媒質内で少なくとも1回以上内部反射をした後
に、上記透過型回折光学素子へ入射することを特徴とす
る請求項31記載の画像表示装置。 - 【請求項33】 上記透過型回折光学素子と上記反射型
光学素子とは、光学的に密着されていることを特徴とす
る請求項20記載の画像表示装置。 - 【請求項34】 上記透過型回折光学素子が偏光選択性
ホログラム光学素子であって、上記反射光学素子の上記
回折光の入射する面の背面側に、偏光板が配置されてい
ることを特徴とする請求項29記載の画像表示装置。 - 【請求項35】 上記偏光板は、上記透過型回折光学素
子の回折効率が最も小さくなるような偏光方位を主に透
過するよう配置されていることを特徴とする請求項34
記載の画像表示装置。 - 【請求項36】 上記偏光板は、受光面に略垂直な軸回
りに回転可能となされていることを特徴とする請求項3
4記載の画像表示装置。 - 【請求項37】 上記反射光学素子の上記回折光の入射
する面の背面側に、第1の偏光板、1/4波長板及び第
2の偏光板が順次配置されていることを特徴とする請求
項29記載の画像表示装置。 - 【請求項38】 上記1/4波長板、または、上記各偏
光板の少なくとも1つは、各受光面に略垂直な軸回りに
回転可能となされていることを特徴とする請求項37記
載の画像表示装置。
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