JP4492536B2 - イメージコンバイナ及び画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、使用者が外界などの前方からの光による像とこれに重畳された表示画像を見ることができる、反射型ホログラム光学素子を使用したイメージコンバイナ、及び反射型ホログラム光学素子を使用した画像表示装置に関するものである。

従来から、使用者が外界の様子を観察しながらこれに重畳された表示画像をみることができる、いわゆるシースルー型の頭部装着式画像表示装置（ヘッドマウントディスプレイ）として、例えば特開平２０００−３５２６８９公報、特開平２０００−３５２６８９号公報、特開平２００１−２６４６８２号公報に開示された画像表示装置が知られている。
また、特開平２００１−２６４６８２号公報には、シースルー型の頭部装着式画像表示装置のみならず、それと実質的に同じ構成を持ちながら、シースルー型として用いない（つまり画像形成素子からの光に外界から等の他の光を重畳させることなく、画像形成素子からの光のみを使用者の眼に導く）画像表示装置も開示され、この画像表示装置を携帯電話機のフリッパー部に内蔵する例も開示されている。
これらの画像表示装置では、反射型ホログラム光学素子を用いることにより小型軽量化を図っている。反射型ホログラム光学素子は、波長選択性が優れ、極限られた波長領域の光のみを選択的に回折反射し得る。このため、シースルー型の画像表示装置を構成する場合、反射型ホログラム光学素子を使用することにより、外界等からの光が、イメージコンバイナを透過する際に失われる光量を著しく低減させることができる。
そして、これらの画像表示装置では、イメージコンバイナとして反射型ホログラムを使用するため、外界光と表示光を分離するために、反射型ホログラムを光路に対して偏心させて配置している。また、これらの画像表示装置では小型軽量化を図るため、一般的に画像形成素子として液晶表示素子が用いられ、それを照明する光源として小型かつ安価な光源であるＬＥＤが用いられている。
しかしながら、これら従来の画像表示装置では、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心と一致している場合には、良好な表示画像を見ることができるものの、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳中心から射出瞳周辺に行くに従ってだんだん暗くなり、さらに表示画像がにじんだようになってしまい、画質の点で必ずしも十分でなかった。なお、実際の使用時に使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心からずれてしまうことは頻繁に起こり得る。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、反射型ホログラム光学素子を用いて小型軽量化を図りつつ、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心からずれた場合の表示画像の画質の向上を図ることができる画像表示装置、および、このような画像表示装置などに用いることができるイメージコンバイナを提供することを目的とする。なお以下の説明ではホログラム光学素子をＨＯＥと呼ぶことがある。
前記目的を達成するための第１の発明は、反射型ホログラム光学素子が設けられ、画像形成手段からの光と本体を透過した光を重畳させるイメージコンバイナであって、前記画像形成手段から発する光がひとつの波長領域の成分のみ又は離散的な複数の波長領域の成分を持ち、前記画像形成手段の表示部の中心から発せられた主光線が前記反射型ホログラム光学素子面に入射する入射角と反射回折角との間に以下の式が成り立つことを特徴とするイメージコンバイナである。
−５＜θ１＜５、かつ｜θ１−θ２｜＜３
ここに、θ１は、画像形成手段の表示部の中心から発せられた主光線が反射型ホログラム光学素子に入射する入射角（°）、θ２は、表示部の中心から発せられた主光線が反射型ホログラム光学素子で回折反射される際の反射回折角（°）である。
前記目的を達成するための第２の発明は、前記第１の発明であって、
−３＜θ１＜３
とされていることを特徴とするものである。
前記目的を達成するための第３の発明は、前記第１の発明又は第２の発明であって、
｜θ１−θ２｜＜２
とされていることを特徴とするものである。
前記目的を達成するための第４の発明は、前記第１の発明から第３の発明のいずれかであって、前記反射型ホログラム光学素子が体積型であることを特徴とするものである。
前記目的を達成するための第５の発明は、前記第１の発明から第４の発明のいずれかであって、前記反射型ホログラム光学素子が光学的パワーを持つことを特徴とするものである。
前記目的を達成するための第６の発明は、前記第１の発明から第５の発明のいずれかであって、前記主光線の前記画像形成手段からの射出方向が、前記画像形成手段の表示部の面と略垂直な方向とされていることを特徴とするものである。
前記目的を達成するための第７の発明は、前記第１の発明から第６の発明のいずれかのイメージコンバイナと画像形成手段とを備え、使用時に少なくとも前記イメージコンバイナを含む部分が使用者の目に近接して使用されることを特徴とする画像表示装置である。
前記目的を達成するための第８の発明は、反射型ホログラム光学素子が設けられ、画像形成手段からの光を表示させる画像表示装置であって、前記画像形成手段から発する光がひとつの波長領域の成分のみ又は離散的な複数の波長領域の成分を持ち、前記画像形成手段の表示部の中心から発せられた主光線が前記反射型ホログラム光学素子面に入射する入射角と反射回折角との間に以下の式が成り立つことを特徴とする画像表示装置である。
−３＜θ１＜３、かつ｜θ１−θ２｜＜５
ここに、θ１は、画像形成手段の表示部の中心から発せられた主光線が反射型ホログラム光学素子に入射する入射角（°）、θ２は、表示部の中心から発せられた主光線が反射型ホログラム光学素子で回折反射される際の反射回折角（°）である。
前記目的を達成するための第９の発明は、前記第８の発明であって、
｜θ１−θ２｜＜３
とされていることを特徴とするものである。
前記目的を達成するための第１０の発明は、前記第８の発明又は第９の発明であって、
｜θ１−θ２｜＜２
とされていることを特徴とするものである。
前記目的を達成するための第１１の発明は、前記第８の発明から第１０の発明であって、前記反射型ホログラム光学素子が体積型であることを特徴とするものである。
前記目的を達成するための第１２の発明は、前記第８の発明から第１１の発明のいずれかであって、前記反射型ホログラム光学素子が光学的パワーを持つことを特徴とするものである。
前記目的を達成するための第１３の発明は、前記第８の発明から第１２の発明のいずれかであって、前記主光線の前記画像形成手段からの射出方向が、前記画像形成手段の表示部の面と略垂直な方向とされていることを特徴とするものである。
反射型ＨＯＥ、とりわけ反射型体積型ＨＯＥの回折特性は、鋭い波長選択性と、広い角度特性をもつことが知られている。すなわち、ブラッグ条件を満たす角度と波長で入射した再生光に対して最大の効率で回折光が得られるが、入射波長に対してはブラッグ条件から外れると急激に回折効率が減少する特性があり、一方、入射角がブラッグ角入射から外れる場合には緩やかに回折効率が減少する特性がある。この特性により、反射型体積型ＨＯＥは外界光の明るさを損失することなく、広い画角の画像表示が可能なイメージコンバイナに適した素子といわれてきた。しかしながらこれは単一波長で照明した場合の回折効率の値にのみとらわれた議論であって、実際にバンド幅を持った照明光で照明した場合に回折する波長特性までを考慮に入れたものではなかった。
本発明者は、入射角がブラッグ角入射からはずれたときの回折特性を調査し、ブラッグ角入射からのずれに従って、最大効率で回折する波長が変化していくことを発見した。また同様にＨＯＥから回折された光を異なる方向から観察すると、その回折効率が最も高い波長が変化していくことを見出した。この点について以下に説明する。
ホログラムによる回折はブラッグの条件式に従う方向で回折強度が最大となる。体積型ホログラムにおけるブラッグの条件式は以下の式で表され、（１）式、（２）式を同時に満たす方向に回折する光の強度が最大となる。
１／λ_Ｒ（ｓｉｎθ_Ｏ−ｓｉｎθ_Ｒ）＝１／λ_Ｃ（ｓｉｎθ_Ｉ−ｓｉｎθ_Ｃ） …（１）
１／λ_Ｒ（ｃｏｓθ_Ｏ−ｃｏｓθ_Ｒ）＝１／λ_Ｃ（ｃｏｓθ_Ｉ−ｃｏｓθ_Ｃ） …（２）
ここで、（１）および（２）式の左辺はホログラム記録時の状態を示し、λ_Ｒは記録波長、θ_Ｏはホログラム面の法線に対する物体光の入射角度、θ_Ｒは参照光の入射角度である。また右辺はホログラム再生時の状態を示し、λ_Ｃは再生波長、θ_Ｃはホログラム面の法線に対する照明光の入射角度、θ_Ｉは回折光の射出角度である。
これを簡単に図に示すと、図３のようになる。なお図３（ｂ）においてＰｃは使用者の眼の瞳の中心の位置である。光線追跡を行う場合は、位置Ｐｃから光線追跡するので、図３（ｂ）中の光線の向きは光線追跡の場合に合わせて示しているが、実際の光線の向きは逆向きである。
ここで（１）式、（２）式から、ＨＯＥ製造時の条件と視線の角度θ_Ｃとから、回折強度を持つ波長λ_Ｃと、その照明光の入射角度θ_Ｉを求めると以下の式になる。
λ_Ｃ＝−［（ｓｉｎθ_Ｏ−ｓｉｎθ_Ｒ）ｓｉｎθ_Ｃ＋（ｃｏｓθ_Ｏ−ｃｏｓθ_Ｒ）ｃｏｓθ_Ｃ］×２／［（ｓｉｎθ_Ｏ−ｓｉｎθ_Ｒ）^２＋（ｃｏｓθ_Ｏ−ｃｏｓθ_Ｒ）^２］×λ_Ｒ ．．．（３）
θ_Ｉ＝ａｒｃｓｉｎ｛λ_Ｃ／λ_Ｒ×（ｓｉｎθ_Ｏ−ｓｉｎθ_Ｒ）＋ｓｉｎθ_Ｃ｝ ．．．（４）
ただしブラッグ条件からずれた場合の回折光強度は０ではなく、ズレ量にしたがって強度が低下する。その減り方は位相型体積型ホログラム材料の厚みや屈折率変化量によって変わり、厚みが厚いほど、また屈折率変化が大きいほど、急激に低下する。つまり波長選択性が鋭くなり（２）式に示す式の回折の寄与が大きくなる。
したがって実際には（３）式の波長は回折強度が最大となる波長であり、実際には、この波長の光のみでなく、その近傍のバンド幅を持った波長帯の光も回折反射される。そこでブラッグ条件式を満たす（３）式のλ_Ｃを回折主波長と呼ぶことにする。
ここで、露光波長４７６ｎｍ、参照光入射角３０°、物体光入射角１５０°、反射型ＨＯＥは空気中にあるとして、視線の角度θ_Ｃを変えて回折主波長と視線に対応する照明光入射角θ_Ｉのふるまいを調べた。
それぞれの角度は反射型ＨＯＥの法線の正の向きから反時計回りに測った。その結果を下記の表に示す。表１から分かるように、視線の角度θ_Ｃが±５°変化すると回折主波長λ_Ｃは約±９ｎｍシフトする。

ここで、（３）式を、回折主波長λ_Ｃと露光波長λ_Ｒの比（相対回折主波長）λ_Ｃ／λ_Ｒに書き直すと、下記の式になる。
λ_Ｃ／λ_Ｒ＝−［（ｓｉｎθ_Ｏ−ｓｉｎθ_Ｒ）ｓｉｎθ_Ｃ＋（ｃｏｓθ_Ｏ−ｃｏｓθ_Ｒ）ｃｏｓθ_Ｃ］×２／［（ｓｉｎθ_Ｏ−ｓｉｎθ_Ｒ）^２＋（ｃｏｓθ_Ｏ−ｃｏｓθ_Ｒ）^２］ ．．．（５）
露光の角度をパラメータにして、視線の角度θ_Ｃの露光時における参照光入射角θ_Ｒに対する（θ_Ｃ−θ_Ｒ）を変えたときの（５）式に示す相対回折主波長λ_Ｃ／λ_Ｒの値の変化をグラフにしたのが図４である。
図４から分かるように、角度差（θ_Ｃ−θ_Ｒ）が０から離れるに従い、相対回折主波長λ_Ｃ／λ_Ｒの値も１から離れていく。従って視線の角度θ_Ｃと露光時の参照光の入射角θ_Ｒとの差（θ_Ｃ−θ_Ｒ）が大きいほど、波長シフトは大きいことが分かる。なお、説明の便宜上、この現象を「波長シフト現象」と呼ぶ。
前記特開２０００−３５２６８９号公報及び特開２００１−２６４６８２号公報に記載の実施例では、製造時の露光用の参照光源の位置をイメージコンバイナの射出瞳の位置と一致させて製造した反射型ホログラム光学素子が用いられている。すなわち、露光時の参照光源の位置が再生系の瞳位置に定義されている。従って、再生時の主光線については、全画角に渡って、露光時の参照光の入射角と視線の角度との差が実質的にゼロとなるのに対し、イメージコンバイナの射出瞳内においてその中心からずれた位置を通る光線（マージナル光線）については、視線の角度θ_Ｃと参照光の入射角θ_Ｒとに差が生じる。このため、使用時のマージナル光線においては、前記波長シフト現象によって波長シフトが起こる。
また、前記従来の画像表示装置において使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳中心から射出瞳周辺にいくに従って、表示画面が暗くなる原因は、瞳周辺にいくに従い波長シフトが大きくなることから、入射照明光のバンド幅と回折強度の波長特性とを掛け合わせた結果としての強度が、瞳周辺に行くに従い下がっているためであり、画像がにじんだように見える原因は、瞳周辺に行くに従い、回折波長が変化しているために横色収差が生じているためであることが判明した。
本発明者は、特開２０００−３５２６８９号公報及び特開２００１−２６４６８２号公報に記載のいくつかの実施例の画像表示装置について、観察者（使用者）の瞳から画像形成素子（液晶表示素子などの画像形成部材）へ向かって光線追跡を行うことにより、前記回折波長変化およびそれによる横色収差の量を具体的に求めた。以下にその結果を述べる。
特開２０００−３５２６８９号公報に記載の実施例３の場合、主光線すなわち瞳の中央から像面の各点へ向かう光線に関してはブラッグ条件を満たすので、露光波長と同じ波長５３２ｎｍの光はすべての画角にわたって高い回折効率で反射回折するが、瞳座標ｙ＝１．５ｍｍ（ｙ軸は紙面内上向きにとる）から入射する光線の回折効率は５２７ｎｍのとき最大となる。逆に瞳座標ｙ＝−１．５ｍｍの位置から入射する光線の回折効率は５３７ｎｍのとき最大となる。すなわち、瞳の周辺に行くに従って回折波長は±５ｎｍシフトしていることが分かる。ここで瞳座標とは、瞳の中心を原点とする瞳面内の位置座標であり、その単位をｍｍとする。
照明光源に５３２ｎｍ付近に発光ピークを持つ緑色のＬＥＤを用いた場合、例えばその発光特性が半値全幅で１０ｎｍ程度とすると、波長５３２ｎｍの発光強度を１として、波長５２７ｎｍの発光強度は０．５、波長５３７ｎｍの発光強度は０．５である。従って瞳座標ｙ＝±１．５の位置ではたとえ回折効率が９０％以上の高効率だったとしても、回折波長が±５ｎｍシフトしているために照明光の強度が中心に比べて０．５以下になってしまい、観察像が暗くなってしまう。
また、横色収差を計算すると、波長５３２ｎｍで瞳中心から画角０°で入射する光の像面上でのｙ座標ｙ＝０．０に対して、波長５２７ｎｍで瞳座標ｙ＝１．５ｍｍから入射する光線の像面上での高さはｙ＝−０．１０ｍｍ、波長５３２ｎｍで瞳座標ｙ＝−１．５ｍｍから入射する光線の像面上での高さはｙ＝０．１２ｍｍであり、０．１ｍｍ以上の横色収差を生じている。
像面すなわち映像形成部材上に、仮に１／４インチ（４．８×３．６ｍｍ）のＱＶＧＡ（３２０×２４０画素）の液晶表示装置を置くとすると、１画素の大きさは０．０１５ｍｍ角であり、上記の倍率色収差量は７画素ないし８画素分に相当する大きな値である。すなわちこの波長シフトによる色収差によって、瞳周辺に行くに従い像がにじんだようになる。
本発明者は、このような従来の画像表示装置における前記不都合の原因究明の結果に基づき、この波長シフト現象についてさらに研究すると、（θ_Ｃ−θ_Ｒ）に対する相対回折主波長の変化の傾きは、露光時の参照光入射角θ_Ｒに依存することがわかった。
そこで（５）式においてθ_Ｒ＝０、θ_Ｏ＝１８０°としてみると、これはＨＯＥの両面の法線方向から露光する場合に相当し、その場合（５）式は
λ_Ｃ／λ_Ｒ＝ｃｏｓθ_Ｃ ．．．（６）
となる。
この状態で、反射型ＨＯＥは空気中にあるとして、視線の角度θ_Ｃ（画角に相当）を変えて相対回折主波長と視線に対応する照明光入射角θ_Ｉのふるまいを調べた。その結果を下記の表２に示す。

表２から分かるように、視線の角度θ_Ｃが±５°変化に対して相対回折主波長の変化は約±０．４％である。すなわち露光波長を４７６ｎｍとすると、回折主波長の波長シフトは±１．９ｎｍと前述の例に比べて非常に小さい値となる。すなわち、ＨＯＥの両面の法線方向から露光した反射型ＨＯＥを用いてイメージコンバイナを構成すれば、使用者の視線の角度が変わっても波長シフトがほとんど起こらない。
したがって、表示画面の周辺部においても、あるいは使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心からずれた場合でも、表示画面が暗くなったり表示画像が滲んだように見えたりすることが少なくなり、画質は前記従来の画像表示装置に比べて大きく向上する。これにより、使用者の使い勝手が大幅に向上するということを発見した。
ところで、反射型ＨＯＥに対する光線の入射角と反射回折角が正反射でない場合には、波長の微小変化に対しても回折角が大きく変化する、すなわち表示画面に色収差が発生することが知られている。
前記特開平２０００−３５２６８９公報に開示されている第３，４，５の実施例では、反射型ＨＯＥに対する視線の角度は０°にしているものの、視線の角度に対応する照明光の入射角はＨＯＥの法線に対して１８°程度であり、ＨＯＥに対する光線の入射角と反射角が正反射から著しく異なる構成になっているために、照明光のバンド幅による色収差が激しく、性能を低下させている。
以上の検討を踏まえて、使用者の視線の角度の変化に対する波長シフトを小さくし、照明光のバンド幅による色収差を抑えた本発明の構成を、使用時の配置の角度で考える。
画像表示手段の表示部の中心から発せられた主光線が反射型ホログラム光学素子に入射する入射角をホログラム面の法線から測った角度をθ１（°）とし、その主光線が反射型ホログラム光学素子で回折反射される際の反射回折角（すなわちその主光線に対する視線の角度）を同じ法線から測った角度をθ２（°）とするとき、使用者の視線の角度が±５°程度変化したときの波長シフトによる表示画面の明るさの低下をある程度以上向上させようとする場合には、下記の式を満たすことが好ましい。
−５＜θ１＜５、かつ｜θ１−θ２｜＜３
そして、使用者の視線の角度のより大きな変化に対しても波長シフトを抑える場合には、
−３＜θ１＜３、かつ｜θ１−θ２｜＜３
であることがさらに好ましい。
又、ＱＶＧＡ規格の液晶表示装置を用いた場合、上下方向の画角を±６°としたときに横色収差が実質的にない領域が中央部約３０％の中に入っていれば、上下端に残存する横色収差も許容範囲となると考えられる。このような条件を満足させるために、｜θ１−θ２｜を２°以下にすることが好ましい。画質を更に向上させるためには｜θ１−θ２｜を１．５°以下にすることがより一層好ましい。
以上は画像形成素子の表示部の中心に対応する主光線についての説明であった。この光線のみならず反射型ＨＯＥで回折反射するすべての光線に対して、入射角と反射角を等しくすれば、全く横色収差のない画像情報を眼に導くことができる。しかし、そうした場合は、反射型ＨＯＥは、波長選択性については作用するものの、レンズ作用（すなわち光学的パワー）を持たない平面ミラーとしての働きしかしないことになる。そうした場合は、全体の系を考えると、画像形成素子側の光学系ですべての収差（球面収差や非点収差など）を補正しなければならなくなり、その部分の光学系が複雑になってしまう。
このため、光学系を簡略化するためには、反射型ＨＯＥに光学的パワーを持たせることが好ましい。この場合、画像形成素子の表示部の中心に対応する主光線に関して横色収差が生じないようにしても、画像形成素子の周辺からの光線に関しては横色収差が発生する。しかし、反射型ＨＯＥに極端に強い光学的パワーを持たせなければ、他の光学系の分散で打ち消し、実用上問題ない範囲に抑えることも可能であり、問題にならない。
また、先に検討したように、横色収差補正の必要な波長範囲は、最大限で反射型ＨＯＥの波長選択性の範囲であれば良いため、ある程度の横色収差補正でも十分であり、横色収差補正の完全化のために反射型ＨＯＥのレンズ作用を犠牲にするほどではない。
又、反射型体積型ＨＯＥの回折特性は、鋭い波長選択性（ある入射角で入射する再生照明光に対して、特定の波長の光だけが特定方向に回折される特性）を持つので、反射型ホログラム光学素子として体積型のものを用いることが特に好ましい。
さらに、主光線の画像形成手段からの射出方向が、画像形成手段の表示部の面と略垂直な方向とされているようにすると、画像形成手段の面上のどの位置からの主光線についても、前記関係式が成立するようにすることができるので好ましい。
このようなイメージコンバイナを画像合成手段として使用し、画像形成手段からの光によりＨＯＥに形成された画像と、外界からの画像を合成して使用者の眼に導くもので、使用者の眼に近接して使用されるようなものとすることが特に好ましい。例えば、ヘッドマウントディスプレイのように使用者に装着して使用されるか、カメラのファインダや双眼鏡の接眼レンズ等のように、使用時に、使用者の眼に近接した状態で使用される場合が考えられる。このように、本発明の画像合成装置は、特に、使用者の眼の近傍、多くの場合は眼球表面から１５ｍｍ以内離れた位置で使用することを想定している。
前記第８の発明から第１３の発明においては、反射型ホログラム光学素子を必ずしもイメージコンバイナとして使用せず、単に画像形成素子からの光を回折反射して画像を形成し、目視可能なものとするために使用される場合をも含んでいる。このようなシースルーでない画像表示装置は、例えば携帯電話のフリッパ部に内蔵することができる。
前記目的を達成するための第１４の発明は、画像形成素子からの光を反射型ホログラム光学素子に照射して形成された画像を、外界からの光に重畳させて２重画像を形成するイメージコンバイナを有する画像表示装置であって、透光体中に設けられた偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタから見て外界側に設けられた１／４波長板とを有し、前記反射型ホログラム光学素子は、前記１／４波長板の外界側に設けられており、前記画像形成素子からの光は、前記偏光ビームスプリッタで反射されるような偏光状態で前記透光体に入射し、前記透光体の両面で全反射されながら前記偏光ビームスプリッタに入射して反射され、前記１／４波長板を透過した後、前記反射型ホログラム光学素子にθ１（°）の入射角で入射して、反射角θ２（°）で回折反射され、再び前記１／４波長板を透過した後、前記偏光ビームスプリッタを透過し、前記透光体を透過した外界からの光と共に使用者の眼に至るように構成され、前記入射角θ１と反射角θ２の間に、
｜θ１−θ２｜＜３
の関係があることを特徴とする画像表示装置である。
本発明においては、｜θ１−θ２｜＜３の関係をシースルー型の画像表示装置に使用するために、偏光ビームスプリッタを使用している。後に実施の形態で述べるように、偏光ビームスプリッタを使用することにより、画像形成素子からの光を、薄い透光体中を全反射させながら、効率良く反射型ホログラム光学素子に導き、｜θ１−θ２｜＜３の条件を満足させた状態で、使用者の眼に導くことができる。なお、透光体の両側の面は平行であることが、画像形成素子からの光を導く上においては好ましいが、全反射条件を満足すれば必ずしも平行である必要はなく、光学的パワーを有するものであってもよい。このことは、後記第１５の発明、第１６の発明において同じである。
前記目的を達成するための第１５の発明は、画像形成素子からの光を反射型ホログラム光学素子に照射して形成された画像を、外界からの光に重畳させて２重画像を形成するイメージコンバイナを有する画像表示装置であって、透光体中に設けられた偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタから見て外界側で、前記透光体に対してエアギャップを介した位置に設けられた１／４波長板とを有し、前記反射型ホログラム光学素子は、前記１／４波長板の外界側に設けられており、前記画像形成素子からの光は、前記偏光ビームスプリッタで反射されるような偏光状態で前記透光体に入射し、前記透光体の両面で全反射されながら前記偏光ビームスプリッタに入射して反射され、前記１／４波長板を透過した後、前記反射型ホログラム光学素子にθ１（°）の入射角で入射して、反射角θ２（°）で回折反射され、再び前記１／４波長板を透過した後、前記偏光ビームスプリッタを透過し、前記透光体を透過した外界からの光と共に使用者の眼に至るように構成され、前記入射角θ１と反射角θ２の間に、
｜θ１−θ２｜＜３
の関係があることを特徴とする画像表示装置である。
本発明は、前記第１４の発明とは、１／４波長板と反射型ホログラム光学素子が、透光体とのエアギャップを介するように設けられている点が異なっている。後に実施の形態で説明するように、このようにすることにより、使用する光線が反射型ホログラム光学素子との間で多重反射を繰り返すことが無くなり、ホログラムの特性が悪化することを防止できると共に、１／４波長板の大きさを小さくすることができる。さらに、外界からの光を受光する際に光学的パワーを持たせたい場合、透光体は平行平面とし、これとエアギャップを介して配置され、１／４波長板と反射型ホログラム光学素子が取り付けられる部材に光学的パワーを持たせるようにすることにより、画像形成素子からの光の光路の光学設計が容易になる。
前記目的を達成するための第１６の発明は、画像形成素子からの光を反射型ホログラム光学素子に照射して形成された画像を、外界からの光に重畳させて２重画像を形成するイメージコンバイナを有する画像表示装置であって、透光体中に設けられた偏光ビームスプリッタと、前記透光体中で、前記偏光ビームスプリッタの前記画像形成素子とは反対側に設けられた１／４波長板とを有し、前記反射型ホログラム光学素子は、前記１／４波長板に対して、前記偏光ビームスプリッタとは反対側に設けられており、前記画像形成素子からの光は、前記偏光ビームスプリッタを透過するような偏光状態で前記透光体に入射し、前記透光体の両面で全反射されながら前記偏光ビームスプリッタに入射して透過し、前記１／４波長板を透過した後、前記反射型ホログラム光学素子にθ１（°）の入射角で入射して、反射角θ２（°）で回折反射され、再び前記１／４波長板を透過した後、前記偏光ビームスプリッタで反射され、前記透光体を透過した外界からの光と共に使用者の眼に至るように構成され、前記入射角θ１と反射角θ２の間に、
｜θ１−θ２｜＜３
の関係があることを特徴とする画像表示装置である。
本発明においては、反射型ホログラム光学素子が透光体の中に埋め込まれているので、使用状況において安定した特性を有し、かつ、使用する光線が反射型ホログラム光学素子との間で多重反射を繰り返すことが無くなり、ホログラムの特性が悪化することを防止できる。
前記目的を達成するための第１７の発明は、画像形成素子からの光を反射型ホログラム光学素子に照射して形成された画像を、外界からの光に重畳させて２重画像を形成するイメージコンバイナを有する画像表示装置であって、透光体中に設けられたハーフミラーを有し、前記反射型ホログラム光学素子は、前記透光体の外界に面する面に設けられており、前記画像形成素子からの光は、前記透光体に入射し、前記透光体の両面で全反射されながら前記ハーフミラーに入射して反射され、前記反射型ホログラム光学素子にθ１（°）の入射角で入射して、反射角θ２（°）で回折反射され、前記ハーフミラーを透過し、前記透光体を透過した外界からの光と共に使用者の眼に至るように構成され、前記入射角θ１と反射角θ２の間に、
｜θ１−θ２｜＜３
の関係があることを特徴とする画像表示装置である。
前記目的を達成するための第１８の発明は、画像形成素子からの光を反射型ホログラム光学素子に照射して形成された画像を、外界からの光に重畳させて２重画像を形成するイメージコンバイナを有する画像表示装置であって、透光体中に設けられたハーフミラーを有し、前記反射型ホログラム光学素子は、前記透光体に対してエアギャップを介した位置に設けられており、前記画像形成素子からの光は、前記透光体に入射し、前記透光体の両面で全反射されながら前記ハーフミラーに入射して反射され、前記反射型ホログラム光学素子にθ１（°）の入射角で入射して、反射角θ２（°）で回折反射され、前記ハーフミラーを透過し、前記透光体を透過した外界からの光と共に使用者の眼に至るように構成され、前記入射角θ１と反射角θ２の間に、
｜θ１−θ２｜＜３
の関係があることを特徴とする画像表示装置である。
前記目的を達成するための第１９の発明は、画像形成素子からの光を反射型ホログラム光学素子に照射して形成された画像を、外界からの光に重畳させて２重画像を形成するイメージコンバイナを有する画像表示装置であって、透光体中に設けられたハーフミラーを有し、前記反射型ホログラム光学素子は、前記透光体中で、前記ハーフミラーの前記画像形成素子とは反対側に設けられており、前記画像形成素子からの光は、前記透光体に入射し、前記透光体の両面で全反射されながら前記ハーフミラーに入射して透過し、前記反射型ホログラム光学素子にθ１（°）の入射角で入射して、反射角θ２（°）で回折反射され、前記ハーフミラーで反射され、前記透光体を透過した外界からの光と共に使用者の眼に至るように構成され、前記入射角θ１と反射角θ２の間に、
｜θ１−θ２｜＜３
の関係があることを特徴とする画像表示装置である。
これら第１７の発明から第１９の発明は、それぞれ、前記第１４の発明から第１５の発明における偏光ビームスプリッタの代わりにハーフミラーを用いたものである。よって、光量が１／４程度に低下するが、強い光源を使用可能な場合には、安価なハーフミラーを使用して構成できるため、装置全体を安価にすることができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態である画像表示装置の構成及びその光線の概略の経路を示す図である。
図２は、本発明における反射型ＨＯＥを定義する座標系を示す図である。
図３は、ホログラムの特性を説明するための図である。
図４は、露光の角度をパラメータにして、視線の角度θＣの露光時における参照光入射角θＲに対する（θＣ−θＲ）を変えたときの（５）式に示す相対回折主波長λＣ／λＲの値の変化を示すグラフである。
図５は、本発明の第１実施の形態の具体例における横収差図である。
図６は、本発明の第２の実施の形態である画像表示装置の構成およびその光線の経路を示す図である。
図７は、第２実施の形態の、第１の具体例における横収差図である。
図８は、第２実施の形態の、第２の具体例における横収差図である。
図９は、第２実施の形態の、第３の具体例における横収差図である。
図１０は、第２の実施の形態の、第１から第３の具体例を多重化した場合の、ＲＧＢスポット位置ずれ、及びディストーションを示す図である。
図１１は、第２の実施の形態の、第１から第３の具体例を多重化した場合の、画角の変化に対する明るさバランスの変化、及び瞳座標の変化に対する明るさバランスの変化を示す図である。
図１２は、本発明の第３の実施の形態である画像表示装置の構成およびその光線の経路を示す図である。
図１３は、第３の実施の形態の第１具体例における横収差図である。
図１４は、第３の実施の形態の第２具体例における横収差図である。
図１５は、第３の実施の形態の第３具体例における横収差図である。
図１６は、第３の実施の形態の、第１から第３の具体例を多重化した場合の、ＲＧＢスポット位置ずれ、及びディストーションを示す図である。
図１７は、第３の実施の形態の、第１から第３の具体例を多重化した場合の、画角の変化に対する明るさバランスの変化、及び瞳座標の変化に対する明るさバランスの変化を示す図である。
図１８は、第２の実施の形態、及び第３の実施の形態の具体例で用いたＬＥＤ光源の発光スペクトルを示す図である。
図１９は、本発明の第４の実施の形態である画像表示装置のその光線の経路を示す図である。
図２０は、本発明の第４の実施の形態である画像表示装置におけるＧｒｅｅｎ代表３波長の横収差図である。
図２１は、本発明の第４の実施の形態である画像表示装置におけるＢｌｕｅ代表３波長の横収差図である。
図２２は、本発明の第４の実施の形態である画像表示装置におけるＲｅｄ代表３波長の横収差図である。
図２３は、本発明の第４の実施の形態である画像表示装置における、多重化した場合のＲＧＢスポット位置ずれおよびディストーションを示す図である。
図２４は、本発明の第４の実施の形態である画像表示装置における、は多重化した場合の画角および瞳座標の変化に対する明るさバランスの変化を示す図である。

以下、本発明の実施の形態であるイメージコンバイナ及び画像表示装置について図を用いて説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態である、イメージコンバイナを用いた画像表示装置の構成及びその光線（画像形成素子２からの光線のみ）の概略の経路を示す図である。（ａ）は全体の概要図、（ｂ）はＡ部の部分拡大図である。
ここでは図１に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を定義する。すなわち、図１の紙面内の左右方向をＺ軸とし、右方向をＺ座標値のプラス方向とする。図１の紙面内の上下方向をＹ軸とし、上方向をＹ座標値のプラス方向とする。図１の紙面に垂直な方向をＸ軸とし、右手系３次元直交座標系とする。すなわち、図１の紙面から奥の方向をＸ座標値のプラス方向とする。なお、Ｙ軸方向は、実際の上下方向と一致していてもよいし、その他の適宜の方向であってもよい。又、本発明の実施の形態の説明では、図２に示す配置を基に説明する。なお、図中で５は板状部であり、板状部５の、イメージコンバイナ１の射出瞳Ｐに近い側の面を５ａとし、遠い側の面を５ｂとする。又、座標軸の方向も各実施の形態を示す図全部において図２に示すとおりである。ただし、原点は図で示した位置に限らず、任意の位置でよい。これらの定義は後述する図６および図１２についても、同様である。
本実施の形態の画像表示装置は、イメージコンバイナ１と、画像形成素子２とを備えている。本実施の形態では、画像形成素子２として透過型ＬＣＤが用いられている。画像形成素子２は、ＬＥＤ３及び放物面鏡等の反射鏡４からなる光源からの光により、その背後から照射され、光源光を空間光変調して表示画像を示す光を透過させる。なお、画像形成素子２として、反射型ＬＣＤ等の他の素子を用いてもよいし、エレクトロルミネッセンス発光素子などの自発光型の素子を用いてもよいことは、言うまでもない。
イメージコンバイナ１は、ガラスやプラスチック等の光学材料で、上部を除いて平行平板上に構成された板状部５を備えている。もっとも、板状部５は、例えば使用者の視力矯正用光学的パワーを有していてもよい。その場合には、例えば板状部５のＺ軸方向の両面５ａ、５ｂのうちの少なくとも一方の面は、曲面で構成される。これらの点は、後述する各実施の形態についても同様である。なお、板状部５は、図１中の下方にも延びているが、その図示は省略している。
導光部１１は平凸レンズで構成され、画像形成素子２からの光が入射される曲面からなる入射面１１ｂと、入射面１１ｂから入射した光を射出して板状部の面５ａの図１中の上部付近に入射させる平面からなる射出面１１ａとを有している。また画像形成素子２と導光部１１の間にλ／２板９を有している。
板状部５は、フレーム等の支持部材（図示せず）を介して、眼鏡レンズと同様に、使用者の頭部に装着されて、使用者の眼（図示せず）の前に位置する。図１において、Ｐは、イメージコンバイナ１の、画像形成素子２からの光に対する射出瞳を示し、Ｐ０は射出瞳Ｐの中心を示す。この射出瞳Ｐが使用者の眼の瞳とほぼ一致するように、イメージコンバイナ１が使用者に装着される。従って射出瞳の中心Ｐ０は、使用者の眼の瞳の中心とほぼ一致する。
図１では、Ｚ軸方向が板状部５の厚み方向と一致している。板状部５の眼側の面５ａ及び反対側の面５ｂは、ＸＹ平面と平行となっている。なお、図面には示していないが、ＬＥＤ３、反射鏡４及び画像形成素子２および導光部１１も、前記支持部材により支持されている。これにより、画像形成素子２は、使用者が外界を観察するのを妨げないとともに、使用者が当該画像表示装置を装着するときに邪魔にならないように、板状部５に対して図中紙面内の斜め左上方に配置されている。もっとも、画像形成素子２を他の適当な箇所に配置し、リレー光学系によって図１中の画像形成素子２の位置に表示画像を導いてもよいし、また、スキャン光学系を用いてこの位置に空中画像を形成してもよい。この点は、後述する各実施の形態についても同様である。
なお、図１において、点Ａ１，Ａ２は、画像形成素子２の表示部の図中紙面内での両端の位置をそれぞれ示す。また、点Ａ０は、当該表示部の中心を示す。イメージコンバイナ１は、板状部５の前方から板状部５の厚みｄを通過するように（すなわち、面５ｂから入射して面５ａから射出するように）板状部５を透過する光（以下、「外界光」という。）に対して、画像形成素子２からの光を重畳させて、使用者の眼に導くように構成されている。
本実施の形態では、板状部５の面５ｂ面の領域Ｒ４、Ｒ５を覆う範囲にλ／４板７が設けられている。λ／４板の軸の向きは図１のＸＹ平面において、Ｘ軸に対して±４５°のいずれかの方向になるように設ける。また、板状部５の面５ｂ上における使用者の眼と対向する位置付近（領域Ｒ５）に、反射型ホログラム光学素子（反射型ＨＯＥ）６が設けられている。
また本実施の形態では、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）８が、図１に示すように、面５ａ，５ｂに対して反時計方向に所定角度傾けられている。例えば、ＰＢＳ８を板状部５と同じ材質の小片に接着させて作成し、その後その小片を板状部５を形成する型枠の中に配置し、板状部５の材質を溶かした状態で型枠の中に流し込み、その後固めることによって、ＰＢＳ８を板状部５の内部に設けることができる。もっともＰＢＳ８を板状部５の内部に設ける方法は、これに限定されるものではない。
る導光部１１の面１１ａと対向する位置付近において、板状部５の内部に反射面（ミラー）５ｃが設けられている。反射面５ｃは、図１に示すように、面５ａ，５ｂに対して反時計方向に所定角度傾けられている。なお反射面５ｃより図１の斜め上側の板状部５の部分は、画像形成素子２からの光が通過しないので、カットしておいてもよい。この場合、反射面５ｃは板状部５の表面に設けられることになる。
画像形成素子２からの光の波長は、前記反射型ＨＯＥ６の回折効率ピークの波長を含む波長幅を持ち、その波長幅のうち極大部が回折効率ピークの波長と略一致しており、この反射型ＨＯＥ６で画像形成素子２からの光を反射させる。一方、反射型ＨＯＥ６は、外界光（図示せず）を偏向させることなく透過させる。なお、反射型ＨＯＥ６としては、外界光を極力妨げることがないように、波長選択性の高いものを用いることが好ましい。反射型ＨＯＥ６として、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色を代表する狭い波長域の３波長光に対してそれぞれ選択性を持つものを用いれば、使用者が見る表示画像をカラー化することも可能である。
反射型ＨＯＥ６は、図１に示すように、画像形成素子２からの光を観察者の瞳の方向へ反射させる特性を有しているとともに、所定の結像作用を持つように光学的パワーを有している。もっとも、反射型ＨＯＥ６は、必ずしも光学的パワーを持つ必要はない。反射型ＨＯＥ６は、平面状のものでもよいし、曲面状のものでもよい。反射型ＨＯＥ６として曲面状のものを用いる場合、その曲面の曲率中心が使用者の眼側にあるように配置すると、画角が大きい場合に、反射型ＨＯＥ６の発生する画角による収差変動量が小さくなり、好ましい。
反射型ＨＯＥ６を構成するためのホログラム感光材料としては、例えば、フォトポリマー、フォトレジスト、フォトクロミック、フォトダイクロミック、銀塩乳剤、重クロム酸ゼラチン、ダイクロメートゼラチン、プラスチック、強誘電体、磁気光学材料、電気光学材料、非晶質半導体、フォトリフラクチィブ材料等が用いられる。そして、公知の手法に従い、製造用の光学系にて２つの光源からの光を前記材料に同時に照射することによって、反射型ＨＯＥ６を作製することができる。
本実施の形態では画像形成素子２としてＬＣＤを用いているので、画像形成素子２から出た光は直線偏光になっている。λ／２板９の軸は、画像形成素子２からの直線偏光が、Ｙ軸の方向に偏光している直線偏光となるような方向に配置する。画像形成素子２の表示部上の任意の点を通過した光（表示画像の光）は、λ／２板９を透過して上記偏光面回転作用を受けた後、導光部１１の平凸レンズを透過し、板状部５の面５ａの領域Ｒ０から板状部５内に入射する。
領域Ｒ０から板状部５内に入射した光は、反射面５ｃで反射された後に、板状部５の面５ａの領域Ｒ１に臨界角より大きい入射角で入射し、領域Ｒ１で全反射される。この光は、板状部５の面５ｂの領域Ｒ２に臨界角より大きい入射角で入射し、領域Ｒ２で全反射される。この光は、さらに板状部５の面５ａの領域Ｒ３に臨界角より大きい入射角で入射し、領域Ｒ３で全反射される。この光は、さらに板状部５の面５ｂの領域Ｒ４に臨界角より大きい入射角で入射し、領域Ｒ４で全反射した後、ＰＢＳ８に入射する。
この光の偏光方向は、板状部５に入射するときはＹ軸方向に偏光しているが、Ｒ４領域で空気との臨界面で全反射する際に、λ／４板７を２度透過するため、合わせてλ／２の位相変化を受け、偏光方向が９０°変わり、Ｘ軸方向の直線偏光になる。すなわち、Ｓ偏光となってＰＢＳ８入射するため、ＰＢＳ８で反射される。
そして、５ｂ面のＲ５領域のλ／４板７に入射して円偏光に変換された後、反射型ＨＯＥ６により、反射回折作用及び結像作用を受ける。その後、この光は、再度λ／４板７を通ってＰ偏光の直線偏光となるため、ＰＢＳ８に再度入射の際は透過する。そして板状部５の面５ａの領域Ｒ６から板状部５外へ射出される。
このとき、画像形成素子２の同一箇所から出た光は、射出瞳Ｐから無限遠又は所定距離（後述する具体例では、６００ｍｍ）に拡大虚像を形成するように、射出瞳Ｐに置かれた使用者の眼の瞳に入射する。
画像形成素子２から発し、反射型ＨＯＥ６で回折反射された後に使用者の眼に到達する光は、ＬＥＤ３の発光スペクトル特性と反射型ＨＯＥ６の波長選択性とに応じて、通常は１つの波長領域の成分のみを持つ。しかし、たとえばＬＥＤ３として白色ＬＥＤを用いると共に反射型ＨＯＥ６としてカラーの反射型ＨＯＥを用いるような場合には離散的な複数の波長領域成分を持つ。ここで画像形成素子２から発し、反射型ＨＯＥ６で回折反射された後に、使用者の眼に到達する光のうちの、画像形成素子２の中心Ａ０から発して射出瞳Ｐの中心に到達する光線について考える。この光線のうち波長が前記１つの波長領域の略中心波長または前記複数の波長領域のうちの最も短波長側の波長領域の略中心波長である光線で、かつ光束の中心をここでは主光線と呼ぶ。
ここで、第１の実施の形態の具体例について説明する。この具体例の設計に際し、設計プログラムとして、当該技術分野において著名な米国のＯｐｔｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ製のｃｏｄｅ Ｖ（商品名）を用いた。このとき、画像形成素子２の表示部の中心Ａ０中央から発して、射出瞳Ｐの中心ＰＯを通過する光線の経路を、この光学装置全体の光軸と定義する。本具体例では、光軸は１本の直線ではなく、互いに傾いた線分を連結した形状となっている。これらの点は、後述する各実施の形態の具体例についても同様である。
この具体例の光学的な諸量は、下記のとおりである。
射出瞳Ｐの径は３ｍｍである。図中紙面内上方向の視野角度は５°である。図中紙面内下方向の視野角度は−５°である。紙面奥行き方向の視野角は±６．６７°である。図中紙面内での画面サイズ（点Ａ１と点Ａ２との間の長さ）は３．６ｍｍである。紙面奥行き方向の画面サイズは４．８ｍｍである。板状部５の厚さｄは３．４ｍｍである。使用波長は約４８０ｎｍ〜約５４０ｎｍの波長幅である。板状部５の波長５８７．５６ｎｍ（ｄ線）に対する屈折率はｎｄ＝１．５９３９４７で、アッベ数はνｄ＝３４．９９である。
反射型ＨＯＥ６の定義については露光に用いる２光束を定義することによりホログラムを一義的に定義する。２光束の定義は光源の位置と、各光源からの出射ビームが収束（ＶＩＲ）か発散（ＲＥＡ）のどちらかで定義する。第１の点光源（ＨＶ１）の座標を（ＨＸ１，ＨＹ１，ＨＺ１）、第２の点光源の座標を（ＨＸ２，ＨＹ２，ＨＺ２）とする。この座標は図２に示すようにＨＯＥ面が光軸と交わる点を原点とし、光軸方向にＺ軸、ＨＯＥ面内で紙面上方向をＹ軸、紙面の奥行き方向をＸ軸としている。
またホログラムを記録する乳剤は厚み２９μｍ、屈折率１．４９３、屈折率変調は０．０２２４のものを使用している。露光波長は５３２ｎｍである。ＨＯＥ６は結像性能を最適にするために位相関数成分を持っている。
ここで位相関数について説明すると、位相関数は、反射型ＨＯＥ６の純粋な各２個の点光源により定義される以外の非球面的な位相変換量を定義するもので、光学設計プログラムｃｏｄｅ Ｖにおいては、Ｘ，Ｙ軸成分の多項式係数などを用いて指定することができる。また、この具体例の光線追跡のための諸量を、下記の表３に示す。光学面の順序（面番号の順序）は使用者の眼の瞳面（＝イメージコンバイナ１の射出瞳Ｐの面）から画像形成素子２への順である。なお表３において、各面番号に対応する図１中の参照符号を括弧書きの「符号」として示している。この点は、後述する表についても同様である。

表３で用いた位相関数の定義は、反射型ＨＯＥ６をＸＹ座標面上の位置と指定した点に入射する光線の受ける光路差を、使用する波長で規格化した値で表すもので、ｍ，ｎを整数とするとき、一般形の下記の（７）式で表される多項式の係数を指定することで決められる。ただし、Ｃ_{０ ０}＝０である。

ただし、この係数は６５個まで指定可能であって、順にＣ_１，Ｃ_２，Ｃ_３，・・・，Ｃ_６５と呼び、係数の順番をｊという整数で表すときに、Ｘ座標及びＹ座標の次数を示す整数ｍ，ｎとの間に下記の（８）式の関係が成り立つように対応付ける。
ｊ＝｛（ｍ＋ｎ）^２＋ｍ＋３ｎ｝／２ ．．．（８）
すなわち、本例では、位相関数は、下記の（９）式の多項式で定義されている。このような位相関数の定義は、後述する表についても同様である。
Ｃ_１Ｘ＋Ｃ_２Ｙ＋Ｃ_３ Ｘ^２＋Ｃ_４ ＸＹ＋Ｃ_５Ｙ^２ ＋・・・＋Ｃ_６５Ｙ^１０ …（９）
また、本具体例における各光学面の位置関係として、第１面（面番号１＝図１中の符号Ｐ）の中心を原点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とした各光学面の中心の絶対位置とＸ軸の周りの回転量（反時計周りを正として測った値）を、下記の表４に示す。

本具体例について回折効率を計算すると、画角−５°、０°、＋５°の主光線の回折効率主波長、およびそれぞれの画角の瞳座標の端と中心の光線の回折効率主波長は下記の表５に示すとおりとなっている。

表５によると、回折効率主波長は、画角の変化に対しても瞳座標の変化に対してもほとんど変動していないことが分かる。さらに、本具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図を、図５に示す。画角ごとに回折主波長±５ｎｍの光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。図５から、画角内全域に渡って色収差が少なく、結像性能が優れていることが分かる。
本具体例では、画像表示手段の表示部の中心から発せられた主光線が反射型ホログラム光学素子に入射する入射角θ１は０．０５°であり、回折反射される際の反射回折角θ２は０°であって、前述した条件を満たしている。その結果、既に説明した内容から分かるように、視線の角度によって回折波長のシフトが起こらず、表示画像の画質を向上させることができる。
また、本実施の形態の具体例の反射型ＨＯＥ６は、第１光源と第２光源が反射型ＨＯＥ６の法線方向で反対の向きにあり、第１光源は無限遠である。したがって、本実施の形態の反射型ＨＯＥ６を製造するときには、参照光は平面波であり、物体光は設計した位相係数による位相変換作用と等価な波面を生成する露光レンズによって構成された露光レンズ系を通って非球面波面となる。このとき参照光と物体光を反射型ＨＯＥ６の法線方向に同軸に設定することができ、露光光学系の軸合わせが簡単になるという利点がある。
ところで、本実施の形態による反射型ＨＯＥ６は板状部５の面５ｂ上の領域Ｒ５に接合されるが、この反射型ＨＯＥ６の有効領域は同じ面５ｂ上の領域Ｒ４と空間的に重なっている。そのため画像形成素子からの光束は領域Ｒ４で全反射する際に、反射型ＨＯＥ６を通過することになる。この影響を検討する。本実施の形態のθＲ、θ０は、θＲ＝０，θ０＝１８０°であるので、波長シフト現象は（１０）式に従う。
λ_Ｃ／λ_Ｒ＝ｃｏｓθ_Ｃ …（１０）
ここでθ_Ｃは乳剤中の入射角であるので、板状部内の入射角をθ_Ｃ１、屈折率をｎ１、乳剤の屈折率をｎ２として、（１０）は下記の様に書き直せる。
λ_Ｃ／λ_Ｒ＝ｃｏｓ［ａｒｃｓｉｎ｛（ｎ１／ｎ２）×ｓｉｎθ_Ｃ１｝］ …（１１）
光束が板状部内で領域Ｒ４を通過するときのＨＯＥ６への入射角は概ね６０°である。θ_Ｃ１＝６０°とすると、（１１）式の値はλ_Ｃ／λ_Ｒ＝０．３７２となり、本実施の形態の露光波長λＲ＝５３２ｎｍの場合は、λ_Ｃ＝１９８ｎｍとなる。
すなわち本実施の形態の反射型ＨＯＥ６に領域Ｒ４で入射角６０°で入射する際の回折主波長は１９８ｎｍであることが分かる。光源として用いるＬＥＤ３にそのような短波長のスペクトルは含まれない。したがって画像形成素子からの光が反射型ＨＯＥ６に領域Ｒ４で入射しても回折は起こらず、空気との界面で全反射するだけであり、結像に悪影響はない。
本実施の形態で露光波長を赤色の６４７ｎｍとした場合でも、同様の計算からＲ４領域での回折主波長は２４１ｎｍであり、紫外域であるため結像に悪影響はないことが分かる。したがって後述する第２、第３の実施の形態と同様に、本実施の形態の具体例もＲ，Ｇ，Ｂ相当のＨＯＥ６を設計して多重化しフルカラーの画像表示装置にすることも可能である。
［第２の実施の形態］
図６は、本発明の第２の実施の形態である画像表示装置の構成およびその光線（画像形成素子２からの光線のみ）の経路を示す図である。図６において、図１中の要素と同一または対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。なお図６において、図１に示された光源を構成するＬＥＤ３及び反射鏡４は、図示を省略している。又、（ａ）は全体の概要図、（ｂ）はＢ部の部分拡大図である。
本実施の形態が前記第１の実施の形態と基本的に異なるところは、板状部５の面５ｂの外側にエアギャップを介して薄い別の板状部２１が設けられていることである。そして、λ／４板７と反射型ＨＯＥ６は板状部２１の使用者側の面２１ａ上の、使用者の視線に対向する位置に設けられている。
そして本実施の形態では、λ／２板９の軸は画像形成素子からの直線偏光をＸ軸の方向に偏光する直線偏光に変換するような向きに配置されている。この光はＰＢＳ８に入射する際Ｓ偏光であるから、ＰＢＳ８で反射され、λ／４板７で円偏光に変換され、反射型ＨＯＥ６で反射回折作用及び結像作用を受ける。そして再度λ／４板７を通ってＰ偏光に変換され、再度ＰＢＳ８に入射する際は使用者の眼の方へ透過する。また本実施の形態では導光部１１を用いず、板状部の左上方に面５ｄを設け、面５ｄは回転対称非球面形状をしている。
そして、光源を構成するＬＥＤ３として、３色ＬＥＤが用いられている。図１８はＬＥＤ３の発光スペクトルを示す。図１８においてラインＬＲはＬＥＤ３の赤色発光部の発光スペクトルを示し、ラインＬＧはＬＥＤ３の緑色発光部の発光スペクトルを示し、ラインＬＢはＬＥＤ３の青色発光部の発光スペクトルを示している。図１８から分かるように、ＬＥＤ３が発する光はＲ（赤）の波長領域、Ｇ（緑）の波長領域及びＢ（青）の波長領域の各波長領域においてそれぞれピーク波長を有し、各ピーク波長の前後に渡る各波長領域においてそれぞれ強度を有している。このＬＥＤ３のＲ波長領域におけるピーク波長についてのスペクトル強度の半値全幅は２３ｎｍ、Ｇ波長領域におけるピーク波長についての半値全幅は６０．８ｎｍ、Ｂ波長領域におけるピーク波長の半値全幅は２９ｎｍである。これらの点は後述する各実施の形態についても同様である。
＜第１の具体例＞
本実施の形態の第１の具体例について図６を用いて説明する。この具体例の光学的な諸量は下記のとおりである。
射出瞳Ｐの径は３ｍｍである。図中紙面内上方向の視野角度は５°である。図中紙面内下方向の視野角度は−５°である。紙面奥行き方向の視野角は±６．６７°である。図中紙面内での画面サイズ（図１における、点Ａ１と点Ａ２との間の長さ）は３．６ｍｍである。紙面奥行き方向の画面サイズは４．８ｍｍである。板状部５の厚さｄは３．４ｍｍである。板状部５は前記第１の実施の形態の具体例と同じ材質を用いている。
また、この第１の具体例の光線追跡のための諸量を、下記の表６に提示する。光学面の順序（面番号の順序）は使用者の眼の瞳の面（＝イメージコンバイナ１の射出瞳Ｐの面）から画像形成素子２への順である。ここで、λ／４板７とλ／２板９は、液晶画面の照明光の偏光補正に用いられる広帯域に対応するごく薄いシート状の波長板を用いる。厚さは無視できるため、光線追跡では省略している。これは本発明の別の実施の形態についても同様である。

表４で用いたＨＯＥ面の位相関数の定義は、ＨＯＥをＲ^２＝Ｘ^２＋Ｙ^２で表される回転対称な多項式で表すもので、係数は昇順のＲ^２の累乗で、Ｒ^２からＲ^２０までである。
即ち、位相関数は以下の式で定義される。

また、面番号１２の非球面は次の式で定義される高次非球面を表している。

ここでｒ^２＝ｘ^２＋ｙ^２
ｃは曲率
ｋはコーニック定数
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｊは非球面係数である。
また、本具体例における各光学面の位置関係として、第１面（面番号１＝図１中の符号Ｐ）の中心を原点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とした各光学面の中心の絶対位置とＸ軸の周りの回転量（反時計周りを正として測った値）を、下記の表７に示す。

本具体例について回折効率を計算すると、画角−５°、０°、＋５°の主光線の回折効率主波長、およびそれぞれの画角の瞳座標の端と中心の光線の回折効率主波長は下記の表８に示すとおりとなっている。

表８より、回折効率主波長は、画角の変化に対しても瞳座標の変化に対してもほとんど変動していないことが分かる。さらに、本具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図を、図７に示す。画角ごとに回折主波長±５ｎｍの光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。図７から、画角内全域に渡り色収差が少なく、結像性能が優れていることが分かる。
本具体例では、画像表示手段の表示部の中心から発せられた主光線が反射型ホログラム光学素子に入射する入射角θ１は０°であり、回折反射される際の反射回折角θ２も０°であって、前述した条件を満たしている。その結果、既に説明した内容から分かるように、視線の角度によって回折波長のシフトが起こらず、表示画像の画質を向上させることができる。
＜第２の具体例＞
続いて本実施の形態の第２の具体例について説明する。この具体例の構成は図６に示す第１の具体例と全く同じで、反射型ＨＯＥ６の露光波長と位相係数のみ異なる。この第２の具体例の反射型ＨＯＥ６の位相係数を、下記の表９に示す。

本具体例について回折効率を計算すると、画角−５°、０°、＋５°の主光線の回折効率主波長、およびそれぞれの画角の瞳座標の端と中心の光線の回折効率主波長は下記の表１０に示すとおりとなっている。

回折効率主波長は、画角の変化に対しても瞳座標の変化に対してもほとんど変動していないことが分かる。さらに、本具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図を、図８に示す。画角ごとに回折主波長±５ｎｍの光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。図８に示すように画角内全域に渡り色収差が少なく、結像性能が優れていることが分かる。
本具体例では、画像表示手段の表示部の中心から発せられた主光線が反射型ホログラム光学素子に入射する入射角θ１は０°であり、回折反射される際の反射回折角θ２も０°であって、前述した条件を満たしている。その結果、既に説明した内容から分かるように、視線の角度によって回折波長のシフトが起こらず、表示画像の画質を向上させることができる。
＜第３の具体例＞
さらに、本実施の形態の第３の具体例について説明する。この具体例の構成は図６に示す第１の具体例と全く同じで、反射型ＨＯＥ６の露光波長と位相係数のみ異なる。この第３の具体例の反射型ＨＯＥ６の位相係数を、下記の表１１に示す。

本具体例について回折効率を計算すると、画角−５°、０°、＋５°の主光線の回折効率主波長、およびそれぞれの画角の瞳座標の端と中心の光線の回折効率主波長は下記の表１２に示すとおりとなっている。

回折効率主波長は、画角の変化に対しても瞳座標の変化に対してもほとんど変動していないことが分かる。さらに、本具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図を図９に示す。画角ごとに回折主波長±５ｎｍの光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。図９に示すように画角内全域に渡り色収差が少なく、結像性能が優れていることが分かる。
本具体例では、画像表示手段の表示部の中心から発せられた主光線が反射型ホログラム光学素子に入射する入射角θ１は０°であり、回折反射される際の反射回折角θ２も０°であって、前述した条件を満たしている。その結果、既に説明した内容から分かるように、視線の角度によって回折波長のシフトが起こらず、表示画像の画質を向上させることができる。
本実施の形態では、エアギャップを介して別の板状部２１を設けているため、板状部５の面５ｂの透過面である領域Ｒ７、Ｒ６が、反射面である領域Ｒ５と重なっていても、λ／４板７と反射型ＨＯＥ６は、反射面である領域Ｒ５と光学的に分離され、領域Ｒ５で光線が反射される際、λ／４板７や反射型ＨＯＥ６による光学的な影響を防ぐことができるので、領域Ｒ７と空間的に、実質的に等価な位置に、λ／４板７や反射型ＨＯＥ６を配置することができる。そのためλ／４板７の大きさを領域Ｒ７、Ｒ６の有効径のみの必要最小限に抑えることが可能である。別の板状部２１の大きさは、λ／４板７と反射型ＨＯＥ６の大きさを覆うに十分な大きさであればかまわないが、眼鏡型のイメージコンバイナとして用いる際の外観を意識して、板状部５すなわち眼鏡レンズ全体と等しい大きさでもよい。
そして、別の板状部２１は曲率を持つ形状であってもよい。たとえば特願２００２−１７８３６３号において本発明者が提案したように、使用者の視力を矯正するようなパワーを持たせた形状にすることも可能である。
又、本実施の形態においては、第１の実施の形態と異なり、画像形成素子からの光がＨＯＥ面で多重反射されることがない。第１の実施の形態においては、この多重反射の影響が無いことはすでに検討したとおりであるが、設計条件が変わって、この影響が現れるような場合は、本実施の形態のような構成にしておけば、確実に多重反射の影響を無くすることができる。
本実施の形態では、第１から第３の具体例をそれぞれ別の単色の画像表示装置としてもよいことは言うまでもないが、第１から第３の具体例の反射型ＨＯＥ６をそれぞれ重ね合わせて３層構造にすることも可能である。また、広帯域の波長に感光する一層の乳剤、あるいは各波長領域に対応する感光作用を持つ３層の感光および記録層がバリア層を介して予め接合された乳剤に、第１から第３の具体例のＲ，Ｇ，Ｂに対応するＨＯＥを露光させる方法でも、同様に多重化した反射型ＨＯＥ６を得ることができる。
その際、前記ＬＥＤからの３つの波長領域の光が画像形成素子を透過するとき、画像表示素子の１表示単位を空間的に３分割して、それぞれＲ，Ｇ，Ｂに対応するドットとし、対応する画像を表示させてもよいし、時間的に分割してたとえば１／９０秒ごとにＲ，Ｇ，Ｂそれぞれに対応する画像を切り替え表示し、それとＬＥＤの３つの波長領域の発光のタイミングを同期させてもよい。そしてそれぞれの波長領域の画像情報は対応するＨＯＥの層で回折作用及び結像作用を受け、観察者の瞳に導かれたのち、加法混色されてフルカラー画像を得ることが可能となる。このことは後述の第３の実施の形態についても同様である。
図１０は本実施の形態の第１から第３の具体例の反射型ＨＯＥ６を、上記いずれかの方法で多重化した反射型ＨＯＥを用いた画像表示装置について、使用者の眼の瞳から画像形成素子へ光線追跡した際の、画像形成素子面上のＲ，Ｇ，Ｂのスポットの位置ずれを、画面上のいくつかの点について調べ、プロットしたものである。Ｘ軸、Ｙ軸の単位はｍｍである。スポットの位置ずれは概ね２０μｍ以下に補正されており、良好なカラー画像を得ることができる。また、画像形成素子のサイズは３．６×４．８ｍｍであるから、その目盛と比較することで、光学系のディストーションを評価することもでき、図１０に示すとおり、各具体例の光学系とも良好にディストーションが補正されていることが分かる。
また図１１は同様に多重化した場合に、使用者の眼の瞳から画像形成素子へ光線追跡した際の、Ｙ方向の画角の変化に対する３色の明るさバランス（ａ）と瞳Ｙ座標の変化に対する明るさバランス（ｂ）を示す。ここで明るさとは、反射型ＨＯＥ６による反射光の回折強度を、波長と開口形状について積分したもので、どちらも最も明るい点を１として規格化している。（ａ）の図で若干周辺減光があるのは、幾何光学的な口径食によるものである。回折主波長の波長シフトがごく小さいために、画面内も瞳面内も回折効率による減光はほとんどなく、良好な画像表示が得られることが分かる。
また、本実施の形態の第１から第３の具体例の反射型ＨＯＥ６は、いずれも、第１光源と第２光源がＨＯＥ６の法線方向で反対の向きにあり、第１光源は無限遠である。そして位相係数は回転対称の係数で表されている。したがって、第１から第３の具体例の反射型ＨＯＥ６を製造するときには、参照光は平行光、物体光を生成する露光レンズは回転対称な非球面レンズ、あるいはそれと等価な波面を生成する複数枚の球面レンズによって構成され、参照光と物体光をＨＯＥ６の法線方向に同軸に設定することができ、露光光学系の軸合わせが簡単になるという利点がある。露光レンズはＲ，Ｇ，Ｂでそれぞれ異なるが、軸は同軸であることから、レボルバやターレットのような構造にして順次交換することや、またはダイクロイックプリズム等の素子を用いて３色の波面を混合して、同時露光する構成も簡単に設定することができる。
［第３の実施の形態］
図１２は、本発明の第３の実施の形態である画像表示装置の構成およびその光線（画像形成素子２からの光線のみ）の経路を示す図である。図１２において、図１中の要素と同一または対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。なお図１２において、図１に示された光源を構成するＬＥＤ３及び反射鏡４は省略している。又、（ａ）は全体の構成を示す概要図、（ｂ）はＣ部の部分拡大図である。
本実施の形態が前記第１の実施の形態と基本的に異なるところは、λ／４板７と反射型ＨＯＥ６を板状部５の内部に設けたことである。そして、λ／２板９の軸は画像形成素子２からの直線偏光を、Ｘ軸の方向に偏光している直線偏光となるような方向に配置されている。すなわちＰ偏光でＰＢＳ８に入射するため、ＰＢＳ８を透過し、λ／４板７に入射して円偏光に変換された後、反射型ＨＯＥ６により、反射回折作用および結像作用を受ける。その後再度λ／４板７を通ってＳ偏光の直線偏光に変換された後、ＰＢＳ８に再度入射して、使用者の眼の方向へ反射される。ここでλ／４板７の軸は、その法線方向から見て、Ｙ軸を投影した線より±４５°いずれかの方向を向いて配置されている。また本実施の形態では凸メニスカス形状の球面レンズである導光部３１を用い、板状部の左上方に面５ｅを設け、面５ｅは球面形状をしている。そして、光源を構成するＬＥＤ３として、第２の実施の形態と同様に３色ＬＥＤが用いられている。
＜第１の具体例＞
本実施の形態の第１の具体例について図１２を用いて説明する。この具体例の光学的な諸量は下記のとおりである。射出瞳Ｐの径は３ｍｍである。前記第１、第２の実施の形態とは異なり、図中紙面内上方向の視野角度は０°で、図中紙面内下方向の視野角度は−１０°である。紙面奥行き方向の視野角は±６．６７°である。図中紙面内での画面サイズ（点Ａ１と点Ａ２との間の長さ）は３．６ｍｍである。紙面奥行き方向の画面サイズは４．８ｍｍである。板状部５の厚さｄは３．６ｍｍである。板状部５は前記第１の実施の形態の具体例と同じ材質を用いている。この第１の具体例の光線追跡のための諸量を、下記の表１３に示す。光学面の順序（面番号の順序）は使用者の眼の瞳の面（＝イメージコンバイナ１の射出瞳Ｐの面）から画像形成素子２への順である。

また、本具体例における各光学面の位置関係として、第１面（面番号１＝図１中の符号Ｐ）の中心を原点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とした各光学面の中心の絶対位置とＸ軸の周りの回転量（反時計周りを正として測った値）を、下記の表１４に示す。

本具体例について回折効率を計算すると、画角−１０°、−５°、０°の主光線の回折効率主波長、およびそれぞれの画角の瞳座標の中心と端の光線の回折効率主波長は下記の表１５に示すとおりとなっている。

回折効率主波長は、画角の変化に対しても瞳座標の変化に対してもほとんど変動していないことが分かる。さらに、本具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図を、図１３に示す。画角ごとに回折主波長±５ｎｍの光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。図１３に示すように画角内全域に渡り色収差が少なく、結像性能が優れていることが分かる。
本具体例では、画像表示手段の表示部の中心から発せられた主光線が反射型ホログラム光学素子に入射する入射角θ１は１°であり、回折反射される際の反射回折角θ２は１°であって、前述した条件を満たしている。その結果、既に説明した内容から分かるように、視線の角度によって回折波長のシフトが起こらず、表示画像の画質を向上させることができる。
＜第２の具体例＞
続いて本実施の形態の第２の具体例について説明する。この具体例の構成は図１２に示す第１の具体例と全く同じで、反射型ＨＯＥ６に関して露光波長と２光束の定義のみ異なる。
本具体例の反射型ＨＯＥの諸量を下記表１６に示す。

本具体例について回折効率を計算すると、画角−１０°、−５°、０°の主光線の回折効率主波長、およびそれぞれの画角の瞳座標の中心と端の光線の回折効率主波長は下記の表１７に示すとおりとなっている。

回折効率主波長は、画角の変化に対しても瞳座標の変化に対してもほとんど変動していないことが分かる。さらに、本具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図を、図１４に示す。画角ごとに回折主波長±５ｎｍの光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。図１４に示すように画角内全域に渡り色収差が少なく、結像性能が優れていることが分かる。
本具体例では、画像表示手段の表示部の中心から発せられた主光線が反射型ホログラム光学素子に入射する入射角θ１は０．９８５°であり、回折反射される際の反射回折角θ２は０．９８５°であり、前述した条件を満たしている。その結果、既に説明した内容から分かるように、視線の角度によって回折波長のシフトが起こらず、表示画像の画質を向上させることができる。
＜第３の具体例＞
続いて本実施の形態の第３の具体例について説明する。この具体例の構成は図１２に示す第１の具体例と全く同じで、反射型ＨＯＥ６に関して露光波長と２光束の定義のみ異なる。本具体例の反射型ＨＯＥの諸量を下記表１８に示す。

本具体例について回折効率を計算すると、画角−１０°、−５°、０°の主光線の回折効率主波長、およびそれぞれの画角の瞳座標の中心と端の光線の回折効率主波長は下記の表１９に示すとおりとなっている。

回折効率主波長は、画角の変化に対しても瞳座標の変化に対してもほとんど変動していないことが分かる。さらに、本具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図を、図１５に示す。画角ごとに回折主波長±５ｎｍの光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。図１５から、画角内全域に渡り色収差が少なく、結像性能が優れていることが分かる。
本具体例では、画像表示手段の表示部の中心から発せられた主光線が反射型ホログラム光学素子に入射する入射角θ１は１．０２°であり、回折反射される際の反射回折角θ２は１．０２°であって、前述した条件を満たしている。その結果、既に説明した内容から分かるように、視線の角度によって回折波長のシフトが起こらず、表示画像の画質を向上させることができる。
前記第２の実施の形態と同様に、本実施の形態の第１から第３の具体例の反射型ＨＯＥを多重化して３色ＨＯＥとした場合の、使用者の眼の瞳から画像形成素子へ光線追跡した際の、画像形成素子面上のＲ，Ｇ，Ｂのスポットの位置ずれを、画面上のいくつかの点について調べ、プロットしたものが図１６である。Ｘ軸、Ｙ軸の単位はｍｍである。スポットの位置ずれは概ね２９μｍ以下に補正されており、良好なフルカラー画像を得ることができる。
また図１７は同様に多重化した場合に、使用者の眼の瞳から画像形成素子へ光線追跡した際の、Ｙ方向の画角の変化に対する３色の明るさバランス（ａ）と瞳Ｙ座標の変化に対する明るさバランス（ｂ）を示す。ここで明るさとは、反射型ＨＯＥ６による反射光の回折強度を、波長と開口形状について積分したものである。（ａ）の図で周辺減光があるのは、幾何光学的な口径食によるものである。
また、本実施の形態の第１から第３の具体例の反射型ＨＯＥ６は、いずれも、第１光源と第２光源が反射型ＨＯＥ６の法線方向で反対の向きにあり、第１光源は無限遠である。そして位相係数は設定していない。したがって、第１から第３の具体例の反射型ＨＯＥ６を製造するときには、参照光は平面波、物体光は球面波という単純な構成で、参照光と物体光を反射型ＨＯＥ６の法線方向に同軸に設定することができ、露光光学系の軸合わせが簡単になるという利点がある。露光レンズはそれぞれ焦点距離の異なる顕微鏡対物レンズを用いて交換してもよいし、軸上色収差を発生させた１種類の露光レンズでＲ，Ｇ，Ｂに対応する球面波を発生することも可能である。１種類の露光レンズで３色の波面を混合すれば、３色のレーザー光を予めひとつの軸に合成しておき、それぞれの光量比を適当に設定した上で同時露光する構成を簡単に設定することができる。
さらに、前述した各実施の形態において、イメージコンバイナの一部としてＰＢＳを使用しているが、このＰＢＳの薄膜特性に波長選択性を持たせることも可能である。そうすることにより外界光のシースルー性を高めることができる。その場合、ＰＢＳ膜の波長選択性のピーク波長と半値幅は、薄膜の入射角度特性を考慮した上で決定すればよい。入射角度による特性の変化が無視できる場合は、ＨＯＥの波長選択性のピーク波長および半値幅とほぼ同等が好ましいが、あえてＨＯＥの波長選択性の波長幅より狭める設定にして、画像表示面からの光の色収差低減効果に利用することも可能である。
逆にコストダウンを優先して、通常のハーフミラーとすることも可能である。その場合は画像形成素子からの光束はハーフミラーを２度通過するために、使用者の瞳に到達するまでに光量が１／４になる。したがって、画像形成素子を照明するＬＥＤの光量を高める必要がある。
［第４の実施の形態］
図１９は、本発明の第４の実施の形態である画像表示装置の構成およびその光線（画像形成素子２からの光線のみ）の経路を示す図である。図１９において、図１中の要素と同一または対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。なお、図１９においては、図１に示された光源を構成するＬＥＤ３及び反射鏡４は省略している。
本実施の形態が前記第３の実施の形態と基本的に異なるところは、ＰＢＳとＨＯＥの配置角、及び導光部４１に接合レンズを使用しているところのみである。すなわち、導光部には凸レンズと凹レンズを接合したレンズが用いられている。４１ａ〜４１ｃは、面番号との対応をとるための記号である。
＜第１の具体例＞
本実施の形態の第１の具体例について図１９を用いて説明する。この具体例の光学的な諸量は下記のとおりである。射出瞳Ｐの径は３ｍｍである。前記第１、第２の実施の形態とは異なり、図中紙面内上方向の視野角度は０°で、図中紙面内下方向の視野角度は−９°である。紙面奥行き方向の視野角は±６°である。図中紙面内での画面サイズ（点Ａ１と点Ａ２との間の長さ）は３．６ｍｍである。紙面奥行き方向の画面サイズは４．８ｍｍである。板状部５の厚さｄは３．６ｍｍである。板状部５は、ｎｄ＝１．５８３、νｄ＝２９．９の材質のものを用いている。この第１の具体例の光線追跡のための諸量を、下記の表Ｘに示す。ＨＯＥの露光波長は、５３２ｎｍである。光学面の順序（面番号の順序）は使用者の眼の瞳の面（＝イメージコンバイナ１の射出瞳Ｐの面）から画像形成素子２への順である。

また、本具体例における各光学面の位置関係として、第１面（面番号１＝図１中の符号Ｐ）の中心を原点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とした各光学面の中心の絶対位置とＸ軸の周りの回転量（反時計周りを正として測った値）を、下記の表Ｘ＋１に示す。

本具体例について回折効率を計算すると、画角−９°、−４．５°、０°の主光線の回折効率主波長、およびそれぞれの画角の瞳座標の中心と端の光線の回折効率主波長は下記の表２２に示す通りとなっている。

回折効率主波長は、画角の変化に対しても瞳座標の変化に対してもほとんど変動していないことがわかる。さらに、本具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図を、図２０に示す。画角ごとに回折主波長±５ｎｍの光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。図２０に示すように画角内全域に渡り色収差が少なく、結像性能が優れていることがわかる。
本具体例では、画像表示手段の表示部の中心から発せられた主光線が反射型ホログラム光学素子に入射する入射角θ１は０．０１度であり、回折反射される際の反射回折角θ２は０．０１度であり、前述した条件を満たしている。その結果、既に説明した内容からわかるように、視線の角度によって回折波長のシフトが起こらず、表示画像の画質を向上させることができる。
＜第２の具体例＞
ＨＯＥの露光波長波が４７６．５ｎｍであるだけで、他の条件は第１の具体例と同じである。本具体例について回折効率を計算すると、画角−９°、−４．５°、０°の主光線の回折効率主波長、およびそれぞれの画角の瞳座標の中心と端の光線の回折効率主波長は下記の表２３に示す通りとなっている。

回折効率主波長は、画角の変化に対しても瞳座標の変化に対してもほとんど変動していないことがわかる。さらに、本具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図を、図２１に示す。画角ごとに回折主波長±５ｎｍの光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。図２１に示すように画角内全域に渡り色収差が少なく、結像性能が優れていることがわかる。
本具体例では、画像表示手段の表示部の中心から発せられた主光線が反射型ホログラム光学素子に入射する入射角θ１は０．０３度であり、回折反射される際の反射回折角θ２は０．０３度であり、前述した条件を満たしている。その結果、既に説明した内容からわかるように、視線の角度によって回折波長のシフトが起こらず、表示画像の画質を向上させることができる。
＜第３の具体例＞
ＨＯＥの露光波長波が６４７ｎｍであるだけで、他の条件は第１の具体例と同じである。本具体例について回折効率を計算すると、画角−９°、−４．５°、０°の主光線の回折効率主波長、およびそれぞれの画角の瞳座標の中心と端の光線の回折効率主波長は下記の表２４に示す通りとなっている。

回折効率主波長は、画角の変化に対しても瞳座標の変化に対してもほとんど変動していないことがわかる。さらに、本具体例の光学系の結像性能を表すための横収差図を、図２２に示す。画角ごとに回折主波長±５ｎｍの光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。図２２に示すように画角内全域に渡り色収差が少なく、結像性能が優れていることがわかる。入射角θ１は０．０１度、反射回折角θ２は０．０１度である。
前記第２の実施の形態と同様に、本実施の形態の第１から第３の具体例の反射型ＨＯＥを多重化して３色ＨＯＥとした場合の、使用者の眼の瞳から画像表示素子へ光線追跡した際の、画像表示素子面上のＲ，Ｇ，Ｂのスポットの位置ずれを、画面上のいくつかの点について調べ、プロットしたものが図２３である。スポットの位置ずれは概ね１０μｍ以下に補正されており、良好なフルカラー画像を得ることができる。
また図２４は同様に多重化した場合に、使用者の眼の瞳から画像表示素子へ光線追跡した際の、Ｙ方向の画角の変化に対する３色の明るさバランス（ａ）と瞳Ｙ座標の変化に対する明るさバランス（ｂ）を示す。
ここで明るさと回折効率とは、どちらも最も明るい点を１として規格化している。（ａ）の図で周辺減光があるのは、幾何光学的なＶｉｇｎｅｔｔｉｎｇによるものである。
本実施の形態において特質すべき事項は、第２光源の座標がＲＧＢともに同一であるので、多重露光時においては、単一の球面波発生手段により同時に多重露光が可能であることである。又、ＰＢＳへの入射角が４２度なので、消光比の高いＰＢＳ膜を設定可能である。
以上、本発明の各実施の形態及びそれらの具体例について説明したが、本発明はこれらの実施の形態や具体例に限定されるものではない。例えば、前述した各実施の形態は、本発明によるイメージコンバイナを用いて頭部装着式の画像表示装置を構成した例であったが、前述した各実施の形態で採用されていた各イメージコンバイナ１は、カメラのファインダや顕微鏡及び双眼鏡の接眼レンズ部に装着し得るように構成したり、あるいは、当該イメージコンバイナをカメラや顕微鏡や双眼鏡等に組み込んでもよい。
以上説明した本発明の実施の形態によれば、視線の角度変化に対する回折効率の波長シフト現象を抑えることができるので、画面周辺および瞳周辺まで光量損失のない明るい観察像を得ることができる。また、露光の際の参照光と物体光がＨＯＥ面の法線方向の一軸に設定できるので、露光光学系の配置、調整が非常に簡単になる。さらに、光学的パワーのある面が光軸に対して一切偏心していない構成であるため、偏心収差が発生しないことも大きな特徴で、この結果、シンプルな構成で高分解能な光学系が実現できる。

Claims (19)

1. 反射型ホログラム光学素子が設けられ、画像形成手段からの光と本体を透過した光を重畳させるイメージコンバイナであって、前記画像形成手段から発する光がひとつの波長領域の成分のみ又は離散的な複数の波長領域の成分を持ち、前記画像形成手段の表示部の中心から発せられた主光線が前記反射型ホログラム光学素子面に入射する入射角と反射回折角との間に以下の式が成り立つことを特徴とするイメージコンバイナ。
   −５＜θ１＜５、かつ｜θ１−θ２｜＜３
   θ１：画像形成手段の表示部の中心から発せられた主光線が反射型ホログラム光学素子に入射する入射角（°）
   θ２：表示部の中心から発せられた主光線が反射型ホログラム光学素子で回折反射される際の反射回折角（°）
2. 請求の範囲第１項に記載のイメージコンバイナであって、
   −３＜θ１＜３
   とされていることを特徴とするイメージコンバイナ。
3. 請求の範囲第１項に記載のイメージコンバイナであって、
   ｜θ１−θ２｜＜２
   とされていることを特徴とするイメージコンバイナ。
4. 前記反射型ホログラム光学素子が体積型であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のイメージコンバイナ。
5. 前記反射型ホログラム光学素子が光学的パワーを持つことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のイメージコンバイナ。
6. 前記主光線の前記画像形成手段からの射出方向が、前記画像形成手段の表示部の面と略垂直な方向とされていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のイメージコンバイナ。
7. 請求の範囲第１項から第６項のうちいずれか１項に記載のイメージコンバイナと画像形成手段とを備え、使用時に少なくとも前記イメージコンバイナを含む部分が使用者の目に近接して使用されることを特徴とする画像表示装置。
8. 反射型ホログラム光学素子が設けられ、画像形成手段からの光を表示させる画像表示装置であって、前記画像形成手段から発する光がひとつの波長領域の成分のみ又は離散的な複数の波長領域の成分を持ち、前記画像形成手段の表示部の中心から発せられた主光線が前記反射型ホログラム光学素子面に入射する入射角と反射回折角との間に以下の式が成り立つことを特徴とする画像表示装置。
   −５＜θ１＜５、かつ｜θ１−θ２｜＜３
   θ１：画像形成手段の表示部の中心から発せられた主光線が反射型ホログラム光学素子に入射する入射角（°）
   θ２：表示部の中心から発せられた主光線が反射型ホログラム光学素子で回折反射される際の反射回折角（°）
9. 請求の範囲第８項に記載の画像表示装置であって、
   −３＜θ１＜３
   とされていることを特徴とする画像表示装置。
10. 請求の範囲第８項に記載の画像表示装置であって、
    ｜θ１−θ２｜＜２
    とされていることを特徴とする画像表示装置。
11. 前記反射型ホログラム光学素子が体積型であることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の画像表示装置。
12. 前記反射型ホログラム光学素子が光学的パワーを持つことを特徴とする請求の範囲第８項に記載の画像表示装置。
13. 前記主光線の前記画像形成手段からの射出方向が、前記画像形成手段の表示部の面と略垂直な方向とされていることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の画像表示装置。
14. 画像形成素子からの光を反射型ホログラム光学素子に照射して形成された画像を、外界からの光に重畳させて２重画像を形成するイメージコンバイナを有する画像表示装置であって、透光体中に設けられた偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタから見て外界側に設けられた１／４波長板とを有し、前記反射型ホログラム光学素子は、前記１／４波長板の外界側に設けられており、前記画像形成素子からの光は、前記偏光ビームスプリッタで反射されるような偏光状態で前記透光体に入射し、前記透光体の両面で全反射されながら前記偏光ビームスプリッタに入射して反射され、前記１／４波長板を透過した後、前記反射型ホログラム光学素子にθ１（°）の入射角で入射して、反射角θ２（°）で回折反射され、再び前記１／４波長板を透過した後、前記偏光ビームスプリッタを透過し、前記透光体を透過した外界からの光と共に使用者の眼に至るように構成され、前記入射角θ１と反射角θ２の間に、
    ｜θ１−θ２｜＜３
    の関係があることを特徴とする画像表示装置。
15. 画像形成素子からの光を反射型ホログラム光学素子に照射して形成された画像を、外界からの光に重畳させて２重画像を形成するイメージコンバイナを有する画像表示装置であって、透光体中に設けられた偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタから見て外界側で、前記透光体に対してエアギャップを介した位置に設けられた１／４波長板とを有し、前記反射型ホログラム光学素子は、前記１／４波長板の外界側に設けられており、前記画像形成素子からの光は、前記偏光ビームスプリッタで反射されるような偏光状態で前記透光体に入射し、前記透光体の両面で全反射されながら前記偏光ビームスプリッタに入射して反射され、前記１／４波長板を透過した後、前記反射型ホログラム光学素子にθ１（°）の入射角で入射して、反射角θ２（°）で回折反射され、再び前記１／４波長板を透過した後、前記偏光ビームスプリッタを透過し、前記透光体を透過した外界からの光と共に使用者の眼に至るように構成され、前記入射角θ１と反射角θ２の間に、
    ｜θ１−θ２｜＜３
    の関係があることを特徴とする画像表示装置。
16. 画像形成素子からの光を反射型ホログラム光学素子に照射して形成された画像を、外界からの光に重畳させて２重画像を形成するイメージコンバイナを有する画像表示装置であって、透光体中に設けられた偏光ビームスプリッタと、前記透光体中で、前記偏光ビームスプリッタの前記画像形成素子とは反対側に設けられた１／４波長板とを有し、前記反射型ホログラム光学素子は、前記１／４波長板に対して、前記偏光ビームスプリッタとは反対側に設けられており、前記画像形成素子からの光は、前記偏光ビームスプリッタを透過するような偏光状態で前記透光体に入射し、前記透光体の両面で全反射されながら前記偏光ビームスプリッタに入射して透過し、前記１／４波長板を透過した後、前記反射型ホログラム光学素子にθ１（°）の入射角で入射して、反射角θ２（°）で回折反射され、再び前記１／４波長板を透過した後、前記偏光ビームスプリッタで反射され、前記透光体を透過した外界からの光と共に使用者の眼に至るように構成され、前記入射角θ１と反射角θ２の間に、
    ｜θ１−θ２｜＜３
    の関係があることを特徴とする画像表示装置。
17. 画像形成素子からの光を反射型ホログラム光学素子に照射して形成された画像を、外界からの光に重畳させて２重画像を形成するイメージコンバイナを有する画像表示装置であって、透光体中に設けられたハーフミラーを有し、前記反射型ホログラム光学素子は、前記透光体の外界に面する面に設けられており、前記画像形成素子からの光は、前記透光体に入射し、前記透光体の両面で全反射されながら前記ハーフミラーに入射して反射され、前記反射型ホログラム光学素子にθ１（°）の入射角で入射して、反射角θ２（°）で回折反射され、前記ハーフミラーを透過し、前記透光体を透過した外界からの光と共に使用者の眼に至るように構成され、前記入射角θ１と反射角θ２の間に、
    ｜θ１−θ２｜＜３
    の関係があることを特徴とする画像表示装置。
18. 画像形成素子からの光を反射型ホログラム光学素子に照射して形成された画像を、外界からの光に重畳させて２重画像を形成するイメージコンバイナを有する画像表示装置であって、透光体中に設けられたハーフミラーを有し、前記反射型ホログラム光学素子は、前記透光体に対してエアギャップを介した位置に設けられており、前記画像形成素子からの光は、前記透光体に入射し、前記透光体の両面で全反射されながら前記ハーフミラーに入射して反射され、前記反射型ホログラム光学素子にθ１（°）の入射角で入射して、反射角θ２（°）で回折反射され、前記ハーフミラーを透過し、前記透光体を透過した外界からの光と共に使用者の眼に至るように構成され、前記入射角θ１と反射角θ２の間に、
    ｜θ１−θ２｜＜３
    の関係があることを特徴とする画像表示装置。
19. 画像形成素子からの光を反射型ホログラム光学素子に照射して形成された画像を、外界からの光に重畳させて２重画像を形成するイメージコンバイナを有する画像表示装置であって、透光体中に設けられたハーフミラーを有し、前記反射型ホログラム光学素子は、前記透光体中で、前記ハーフミラーの前記画像形成素子とは反対側に設けられており、前記画像形成素子からの光は、前記透光体に入射し、前記透光体の両面で全反射されながら前記ハーフミラーに入射して透過し、前記反射型ホログラム光学素子にθ１（°）の入射角で入射して、反射角θ２（°）で回折反射され、前記ハーフミラーで反射され、前記透光体を透過した外界からの光と共に使用者の眼に至るように構成され、前記入射角θ１と反射角θ２の間に、
    ｜θ１−θ２｜＜３
    の関係があることを特徴とする画像表示装置。

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