JP4691744B2 - 映像表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、観察者の眼前に配置されて使用される映像表示装置に関し、特に表示器で表示される映像の虚像と、前方視野の自然風景等の外界像とをホログラムコンバイナによって空間的に重畳させて観察者に提供する映像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
頭部に装着され、あるいは手で保持されて、観察者の眼前にて使用される映像表示装置があり、航空機用として高度，速度等の飛行情報を表示するものから、個人シアタ用として、映画，テレビゲーム，人工現実感を表示するものが開発され製品化されている。また、最近ではコンピュータ用のディスプレイとして用いるものが研究されている。
【０００３】
このような映像表示装置には、外界を見ることのできるシースルー型と、外界を見ることのできないクローズ型がある。人工現実感を表示する場合は、クローズ型の方が好ましい場合もあるが、携帯用としては大抵の場合、シースルー型の方が向いている。シースルー型の映像表示装置は、映像表示手段及びこの映像表示手段で表示される映像を観察者に見やすい場所に虚像として提供する観察光学系の他に、映像光と外界光とを重合するビームコンバイナを備える。
【０００４】
ビームコンバイナとして、ハーフミラー，偏光ビームスプリッター，ホログラム等を用いることができる。反射型のホログラムは、波長選択性が高いので、特定の波長の光のみを回折させることができ、特定の波長の映像光と、その波長を除いた外界光とを重ねて見る際に、外界光の光量損失が非常に小さく優れている。
【０００５】
このような特徴を有する反射型のホログラムをコンバイナとして用いたシースルー型の映像表示装置が、特開平５−３４６５０８号公報，特開平１０−３１９３４３号公報等に開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
反射型のホログラムコンバイナを用いた映像表示装置においては、ホログラムコンバイナに対して観察側から映像光を与えるので、ホログラムコンバイナに入射される映像光と、ホログラムコンバイナから出射される映像光の反射光及び外界光からなる観察光とを分離する必要性が生じる。
【０００７】
このため、上記各公報の映像表示装置においては、ホログラムコンバイナの偏心量を大きくして前記映像光と観察光の分離を可能としてる。しかしながら、ホログラムコンバイナの偏心量が大きいので、偏心収差が発生し良好な映像を提供できず、さらに広画角な映像を提供できないという問題点を有する。また、映像表示手段からホログラムコンバイナまでの光学系の光軸が一直線であるため、装置全体のコンパクト性に欠ける。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、使用形態に適したコンパクトな構成であり、かつ良好で広画角の映像を提供し得るシースルー型の映像表示装置を実現することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、観察者の眼前に配置されて、表示した映像を外界物体の像に重畳させて観察者に提供する映像表示装置において、映像光を入射させる入射面と、体積型で位相型で反射型のホログラムからなり、観察者の瞳から見て前記外界物体と光学的に等価な面を前記外界物体とは別の位置に作成する光学的パワーを有するホログラムコンバイナと、入射角度により透過・反射を選択的に行う光束選択面と、を有するプリズムと、ＬＥＤまたはレーザーで照明され、前記等価な面の位置で映像表示を行う映像表示手段と、前記プリズムと対向し、前記外界光の透過部分で生じる偏向を補正する偏向補正手段と、を備える。前記ホログラムは前記光束選択面に対し傾斜した平面に形成され、かつ、非軸対称光学系を形成し、観察者側から視線方向に順に、前記プリズムと前記偏向補正手段が配置され、前記偏向補正手段の外界像側の光学面と前記光束選択面とは互いに平行な平面であり、前記入射面の視線方向の長さは、前記偏向補正手段の外界像側の光学面と前記光束選択面との間隔よりも大きく、前記映像表示に基づく映像光は、前記光束選択面で反射され、前記ホログラムコンバイナで反射され、前記光束選択面で透過された後観察者の瞳に導かれ、前記外界物体に基づく外界光は、前記偏向補正手段で透過され、前記ホログラムコンバイナで透過され、前記光束選択面で透過された後観察者の瞳に導かれる。
【００１０】
この映像表示装置は、波長選択性が高く、透過光に与える影響が少ない反射型のホログラムコンバイナにより表示映像と外界像とを重畳して観察者に提供するものであるので、表示映像，外界像ともに明るい像を提供できる。また、ホログラムコンバイナは光学的パワーを有し、表示映像が外界物体と同じ位置に観察されるようにする。すなわち、観察者は表示映像を無限遠に形成される虚像として観察することになる。このように、前記ホログラムコンバイナは表示映像を拡大して観察者の瞳に導く接眼機能をも有する。特別に接眼機能を有するレンズ等を設ける必要がないので、装置全体の簡素化及びコンパクト化が達成される。
【００１１】
また、光束選択面を設けて映像光の光路を折り畳むようにしている。これによっても、コンパクト化が達成される。前記光束選択面においては、映像光を全反射させてホログラムコンバイナに導き、また映像光と外界光が重合された観察光を全て透過させて観察者の瞳に導くことが可能となるので、明るい像を提供できる。また、前記光束選択面は入射角度により光束選択を行うので、ホログラムコンバイナを大きく偏心させて、光路分割を行う必要がない。故に、広画角で良質な映像を提供することが可能となる。
【００１２】
尚、上記映像表示装置において、前記映像光が前記ホログラムコンバイナに入射されるまでに、前記光束選択面で反射される回数は１回に限られることはなく、複数回反射される構成であってもよい。複数回反射されるようにすることで、装置全体のさらなるコンパクト化を測ることが可能となる。
【００１３】
前記ホログラムとしては、平面に形成されているものが用いられている。平面ホログラムは、透過する前記外界光に対しては光学的パワーを有さないので、外界像に歪みが生じることがなく、自然な外界像の提供が可能となる。ホログラムは、平面であっても回折光に対して光学的パワーを持ち得る。一方、曲面にホログラムを作成することは困難である。この点からも、平面に形成されているホログラムを用いる方が有利である。
【００１４】
また、上述の映像表示装置においては、前記プリズムと対向し、前記外界光の透過部分で生じる偏向を補正する偏向補正手段が設けられている。外界光は、ホログラムコンバイナ等、異なる媒質の境界を通過する際に偏向する。例えば、前記境界と微小な間隔をおいて平行に配置されるように偏向補正手段の媒質境界面を配置して偏向補正手段を設けることで、この部分で生じる外界光の偏向を補正することができる。また、偏向補正手段の外界像側の光学面と光束選択面とが互いに平行な平面となるように偏向補正手段を設けることで、外界光の偏向のさらなる補正が可能となる。このような構成により、より自然な外界像の提供が可能となる。
【００１５】
前記光束選択面での反射は、全反射であることが好ましい。前記ホログラムコンバイナは、前記光束選択面から入射する映像光に対してのみ光学的パワーを有し、観察者の瞳から見て無限遠に表示映像の虚像を形成する接眼機能を有し、外界光に対しては、単なる平面として作用し、光学的パワーを有さないことが好ましい。また、前記偏向補正手段は、前記外界光の透過部分との間に微小な間隔をおいて平行に配置される媒質境界面を有することが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の映像表示装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態には偏向補正手段に相当する部分が無く、第３〜第５の実施形態では観察者側から視線方向に順にプリズムと偏向補正手段が配置された構成になっておらず、第６の実施形態では偏向補正手段の外界像側の光学面と光束選択面とが互いに平行な平面でないため、これらの点で第１，第３〜第６の実施形態は本発明の参考のための一形態にすぎず、本発明には属さないものである。
【００１８】
〈第１の実施形態〉
図１に、第１の実施形態の映像表示装置１の光学系の構成を示す。この映像表示装置１は、映像形成部材１１、プリズム１２を備えている。
【００１９】
映像形成部材１１は、供給される映像信号に応じた表示を行い、表示映像に基づく映像光ＬＡを形成しこれを出射する。プリズム１２はポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）製であり、光の進行に関与する面として面１３，１４，１５を有している。面１３はアナモルフィック非球面の凹面であり、映像形成部材１１からの映像光ＬＡを全て透過するように設定されている。面１４は平面であり、面１３を透過した映像光ＬＡが臨界角を超えて入射するように設定されており、面１３を透過した映像光ＬＡは面１４で全反射される。
【００２０】
面１５は平面であり、体積型で位相型で反射型のホログラムが形成されている。映像形成部材１１で形成される映像光ＬＡの波長は、このホログラム１５の回折効率ピークの波長と略一致している。よって、ホログラム１５は、面１４からの映像光ＬＡを反射する。また、ホログラム１５は透明であり、外界光ＬＢを透過させる。このように、ホログラム１５は映像光ＬＡと外界光ＬＢとを重合するホログラムコンバイナＨＣとしての機能を有する。ホログラムコンバイナＨＣは、面１４で全反射された映像光ＬＡが、臨界角よりも小さい入射角で面１４に再度入射させるように設定されている。したがって、ホログラムコンバイナＨＣで反射された映像光ＬＡ、及びホログラムコンバイナＨＣで透過された外界光ＬＢは、面１４で透過され、観察者の瞳ＥＰに入射する。
【００２１】
ホログラムコンバイナＨＣは、面１４から入射する映像光ＬＡに対してのみ光学的パワーを有し、観察者の瞳ＥＰから見て無限遠に表示映像の虚像を形成する接眼機能を有する。一方、外界光ＬＢに対しては、単なる平面として作用し、光学的パワーを有さない。これにより、表示映像は拡大され、外界像は等倍で合わせて観察される。
【００２２】
面１４は、入射角によって透過・反射を選択的に行う光束選択面ＳＬとなっている。映像表示装置１は、光束選択面ＳＬにより、光路が折り畳まれており、コンパクトな配置構成が達成されている。また、光束選択面ＳＬによって光路が分離されているので、ホログラムコンバイナＨＣの偏心量が少ない構成とすることが可能となり、偏心収差の発生が低減される。これにより、広画角で良好な表示映像を提供することができる。
【００２３】
ホログラムコンバイナＨＣは、映像光ＬＡを正反射させる配置ではなく、映像光ＬＡに対して斜めに傾けて使用され、さらに接眼機能としての光学的パワーを有するので非軸対称光学系となる。非軸対称光学系において、このホログラムコンバイナＨＣが共軸レンズと同等の働きしか有さない場合は、傾いた方向に非対称な歪曲（台形歪曲）や非対称な像面湾曲が発生する。このためホログラムコンバイナＨＣには、単純な回転対称な波面再現性だけではなく、自由曲面的な波面再生を持たせることが望ましい。
【００２４】
このようなホログラムコンバイナＨＣにおけるホログラムの作成方法について説明する。図２に、ホログラムの製造光学系の概略構成を示す。図２中、Ｈは、ホログラムが記録される感光材料が塗布された基板を示す。レーザー光源から発せられたコヒーレント光線は、不図示のビームスプリッタによって２つの光線に分岐される。ここで、不図示の波長板等を用いて２つの光線の偏光方向は揃えられている。２つの光線はそれぞれ球面波発生レンズ，その球面波発生レンズの焦点におかれたピンホールを通してスペシャルフィルタリングされ、波面の揃った球面波に変換される。ここで、図２中、第１の点光源２６及び第２の点光源２７は、スペシャルフィルタリングに使用されたピンホールと一致している。
【００２５】
第２の点光源２７は、作成されたホログラムをホログラムコンバイナＨＣとして用いた映像表示装置１の使用状態における観察者の瞳ＥＰの位置に略一致するように設定されている。第２の点光源２７と瞳ＥＰの位置を一致させると、製造状態での製造光と使用状態での観察光がほぼ一致するので、ホログラムコンバイナＨＣの使用状態での回折効率を最も向上させることができる。
【００２６】
第１の点光源２６と基板Ｈとの間には、複数のレンズを偏心させて組み合わされた光学系２５が配置されている。光学系２５は、図２に示す断面でのみ偏心している。これらは、ホログラムコンバイナＨＣが使用状態において、表示映像の虚像が瞳で良好な像として観察されるように、基板Ｈに入射する製造時の波面をコントロールするように配置されている。また、光学系２５の偏心が１平面内だけで行われていると設計および製造上非常に簡単になるので好ましい。第１の点光源２６及び第２の点光源２７から入射される球面波の干渉が基板Ｈ上に記録され、ホログラムが作成される。
【００２７】
ホログラムは、基本的にそのホログラムを作成した光束（波長と角度）と同じ光束を与えたときの波面再現の回折効率が最も高くなる。よって、映像形成部材１１からの映像光ＬＡは、ホログラムの回折効率ピークの波長に合わせた波長の光とすることが望ましい。たとえば５３０nm近傍に回折効率ピークを持つホログラムコンバイナＨＣを用い、映像形成部材１１に液晶などの非自発型の素子を用いた場合、液晶を照明する光源としては５３０nm付近に発光ピークを持つ緑色のＬＥＤなどが適する。
【００２８】
ホログラムコンバイナＨＣには、波長選択性の高いホログラムを用いる必要がある。波長選択性が低いと、ホログラムコンバイナＨＣで反射される外界光ＬＢの波長巾が広くなり、不自然で暗い外界像が観察されることになるからである。ホログラムコンバイナＨＣに反射型ホログラムを用いているのはこのためである。反射型ホログラムは、透過型ホログラムに比べて波長選択性が非常に高い。つまり、特定の波長には反応するが、その他の波長には反応しないのである。外界光ＬＢの一部の波長（映像光ＬＡと同じ波長）以外には反応しないので、外界光ＬＢはほとんどホログラム１５の影響を受けない。したがって、外界像，表示映像ともに明るく良好な観察が可能となる。これは透過型ホログラムでは達成できない大きな特徴である。
【００２９】
図３に、感光材料の屈折率が１．５，作成波長５３０nm，感光材料の厚み５μmのときの入射光と出射光の角度差θに対する反射型ホログラムＨＲと透過型ホログラムＨＴの波長選択性（波長巾）を示す。角度差θが９０度以上となるとき、すなわち反射型ホログラムＨＲの場合、透過型ホログラムＨＴに比べて波長選択性が非常に高くなることがわかる。
【００３０】
図４に、図３に示す反射型ホログラムＨＲにおける可視域の入射光の波長に対する反射光と透過光の強度の関係を示す。反射光の強度分布をｊ１で、透過光の強度分布をｊ２で表す。図４から、反射型ホログラムＨＲは波長選択性が非常に高いので、透過光すなわち映像表示装置１における外界光ＬＢの一部の波長（略５３０nm）にしか作用しないことがわかる。
【００３１】
ところで、薄いホログラムでは高次の回折光に相当する光が再生されるが、厚いホログラム（いわゆる体積型ホログラム）では１つの次数の光しか再生されない。したがって、ホログラムコンバイナＨＣとしては、高い回折効率を得ることができる体積型ホログラムが望ましい。また、振幅型ホログラムでは光がホログラムを通過するときに吸収されるが、位相型ホログラムでは光の吸収がない。したがって、ホログラムコンバイナＨＣとしては、明るい表示映像を得ることができる位相型のホログラムが望ましい。なお、体積型のホログラムの場合、反射型の方が透過型に比べて高い角度依存性を持たせることができるので、体積型で反射型のホログラムを用いることには、ホログラムコンバイナＨＣの配置の自由度が高くなるというメリットがある。以上のような理由から、本実施形態ではホログラムコンバイナＨＣに体積型・位相型・反射型のホログラムを用いている。
【００３２】
このように、本実施形態では波長選択性が非常に高いホログラムをホログラムコンバイナＨＣとして用いるので、半値巾２０〜４０nmの発光波長巾を持つＬＥＤを映像形成部材１１における光源として用いた場合、エネルギー効率がたいへん良い構成とすることができ望ましい。もちろん、ホログラム作成に用いたレーザーと同じ発光波長を有するレーザーを光源として用いてもよい。
【００３３】
映像表示装置１の光学系の具体的な設定値を表１、表２に示す。以下においては、瞳正面方向（図１の右方向）をＸ軸、図１の上下方向をＹ軸、図１の奥行き方向をＺ軸としている。
【００３４】
【表１】
【００３５】
【表２】
【００３６】
表１において、ホログラム面の定義については、作成に用いる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。尚、本実施形態で作成に用いる２光束の波長は５３２nmである。２光束の定義は、各光束の光源位置と、各光源からの出射ビームが収束ビーム（ＶＩＡ），発散ビーム（ＲＥＡ）のどちらであるかで行う。第１の点光源（ＨＶ１）、第２の点光源（ＨＶ２）の座標をそれぞれ（ＨＸ１、ＨＹ１、ＨＺ１）、（ＨＸ２、ＨＹ２、ＨＺ２）とする。
【００３７】
また、本実施形態においては、複雑なホログラムによる波面再生を行うので、２光束の定義に加えて、位相関数φにより入射光線に対する射出光線の方向余弦でも定義する。位相関数φは数１に示すホログラム面の位置（Ｘ，Ｙ）による生成多項式であり、係数が１次〜１０次までの昇順の単項式で表される。表１には、位相関数φの係数Ｃjを示す。
【００３８】
【数１】
【００３９】
尚、係数Ｃjの番号ｊは、ｍ，ｎをＸ，Ｙの指数として数２で表される。
【００４０】
【数２】
【００４１】
ここで、射出光線のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向余弦は、数３で表される。
【００４２】
【数３】
【００４３】
尚、数３において、ｌ'，ｍ'，ｎ'は各々射出光線の法線ベクトル、ｌ，ｍ，ｎは各々入射光線の法線ベクトル、λは再生光束の波長、λ0はホログラム作成光束の波長である。
【００４４】
表１において、アナモルフィック非球面に関するパラメータは、各面とその光軸との交点を原点とし、光軸をＺ軸としたときの、数４で定義されるＺ軸方向のサグＺを規定するものである（単位mm）。ＲＤＸはＸ軸方向の曲率半径である。
【００４５】
【数４】
【００４６】
ここで、ＣＵＸ，ＣＵＹはＸ軸方向，Ｙ軸方向の曲率半径の逆数である。
【００４７】
表２は各面の相対的な位置関係を示したものである。ここでは、瞳面の中心を原点としたグローバル座標系で表現されている。ＸＳＣ，ＹＳＣ，ＺＳＣは、各面とその光軸との交点のＸ，Ｙ，Ｚ座標（単位mm）を表し、ＡＳＣ，ＢＳＣ，ＣＳＣは、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸についての瞳面からの各面の回転角（単位゜）を表す。
【００４８】
〈第２の実施形態〉
第２の実施形態の映像表示装置２の光学系の構成を図５に示す。この映像表示装置２は、プリズム２１を備えている点のみ第１の実施形態の映像表示装置１と異なる。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００４９】
第１の実施形態の映像表示装置１では、ホログラムコンバイナＨＣの偏心量低減のため、ホログラムコンバイナＨＣと光束選択面ＳＬは平行でなく、角度を持たせて配置されている。このため、プリズム１２は楔形状となり、外界像は等倍だが偏向されている。本実施形態におけるプリズム２１は、この偏向を補正する機能を有する偏向補正部材ＤＣである。
【００５０】
プリズム２１は、ＰＭＭＡ製であり、平面２２をプリズム１２のホログラムコンバイナＨＣが形成されている面１５に対向させて配置されている。面１５と面２２は平行である。面１５と面２２の間には数十μm以下の微小な間隔が形成されている。また、プリズム２１の面２３（最も外界像側の面）とプリズム１２の面１４（最も瞳側の面）とは平行に配置されている。
【００５１】
外界光ＬＢはプリズム２１，１２を介して観察者の瞳ＥＰに入射するが、この際、上述のように面２２と面１５の間には空気が介在するため、また入射面２３と出射面１４が平行であるため偏向が補正され、より自然な外界観察が可能となる。
【００５２】
〈第３の実施形態〉
第３の実施形態の映像表示装置３の光学系の構成を図６に示す。この映像表示装置３は、映像形成部材３１、プリズム３２，３６を備えている。
【００５３】
映像形成部材３１は、供給される映像信号に応じた表示を行い、表示映像に基づく映像光ＬＡを形成しこれを出射する。プリズム３２はＰＭＭＡ製であり、光の進行に関与する面として面３３，３４，３５を有している。面３３はアナモルフィック非球面の凹面であり、映像形成部材３１からの映像光ＬＡを全て透過するように設定されている。面３４は平面であり、面３３を透過した映像光ＬＡが臨界角を超えて入射するように設定されており、面３３を透過した映像光ＬＡは面３４で全反射される。
【００５４】
面３５は平面であり、体積型で位相型で反射型のホログラムが形成されている。映像形成部材３１で形成される映像光ＬＡの波長は、このホログラム３５の回折効率ピークの波長と略一致している。よって、ホログラム３５は、面３４からの映像光ＬＡを反射する。また、ホログラム３５は透明であり、外界光ＬＢを透過させる。このように、ホログラム３５は映像光ＬＡと外界光ＬＢとを重合するホログラムコンバイナＨＣとしての機能を有する。ホログラムコンバイナＨＣは、面３４で全反射された映像光ＬＡが、臨界角よりも小さい入射角で面３４に再度入射させるように設定されている。したがって、ホログラムコンバイナＨＣで反射された映像光ＬＡ、及びホログラムコンバイナＨＣで透過された外界光ＬＢは、面３４で透過され、プリズム３６を介して観察者の瞳ＥＰに入射する。
【００５５】
ホログラムコンバイナＨＣは、面３４から入射する映像光ＬＡに対してのみ光学的パワーを有し、観察者の瞳ＥＰから見て無限遠に表示映像の虚像を形成する接眼機能を有する。一方、外界光ＬＢに対しては、単なる平面として作用し、光学的パワーを有さない。これにより、表示映像は拡大され、外界像は等倍で合わせて観察される。
【００５６】
面３４は、入射角によって透過・反射を選択的に行う光束選択面ＳＬとなっている。ホログラムコンバイナＨＣ、及び光束選択面ＳＬの詳細については、第１の実施形態で説明した通りであるのでここでは省略する。本実施形態では、第１の実施形態よりホログラムコンバイナＨＣの偏心量が小さいので、より偏心収差の少ない広画角な表示映像の観察が可能となる。
【００５７】
プリズム３２は楔形状となり、プリズム３２を透過する外界光ＬＢは偏向される。プリズム３６は、この偏向を補正する機能を有する偏向補正部材ＤＣである。
【００５８】
プリズム３６は、ＰＭＭＡ製であり、平面３７をプリズム３２の光束選択面ＳＬとなっている面３４に対向させて配置されている。面３４と面３７は平行である。面３４と面３７の間には数十μm以下の微小な間隔が形成されている。また、プリズム３２の面３５（最も外界像側の面）とプリズム３６の面３８（最も瞳側の面）とは平行に配置されている。
【００５９】
外界光ＬＢはプリズム３２，３６を介して観察者の瞳ＥＰに入射するが、この際、上述のように面３４と面３７の間には空気が介在するため、また入射面３５と出射面３８が平行であるため偏向が補正され、より自然な外界観察が可能となる。
【００６０】
映像表示装置３の光学系の具体的な設定値を表３，表４に示す。
【００６１】
【表３】
【００６２】
【表４】
【００６３】
尚、表３，表４で用いられるパラメータは第１の実施形態で規定するとおりである。
【００６４】
〈第４の実施形態〉
第４の実施形態の映像表示装置４の光学系の構成を図７に示す。この映像表示装置４は、第３の実施形態における光束選択面ＳＬを曲面化し、表示映像の収差補正機能をもたせた点以外の基本構成は、第３の実施形態と同様である。
【００６５】
映像表示装置４の光束選択面ＳＬとなっている面３４はアナモルフィックな曲面であるため、観察される表示映像の収差性能のさらなる改善をはかることが可能である。また、選択反射面ＳＬが曲面化していることによる透過光への影響を打ち消すため、偏向補正部材ＤＣであるプリズム３６の光束選択面ＳＬに対向する面３７も面３４と同様のアナモルフィック曲面となっている。
【００６６】
映像表示装置４の光学系の具体的な設定値を表５，表６に示す。
【００６７】
【表５】
【００６８】
【表６】
【００６９】
尚、表５，表６で用いられるパラメータは第１の実施形態で規定するとおりである。
【００７０】
〈第５の実施形態〉
第５の実施形態の映像表示装置５の光学系の構成を図８に示す。この映像表示装置５は、第３の実施形態の映像表示装置３において、最も瞳側の面３８を曲面化してパワーを持たせた他は、映像表示装置３と同様である。
【００７１】
面３８は、観察者の視度、または観察する外界像の視度を最適化するパワーを有するようにする。すなわち、面３８は視度調整機能を有する面ＳＣとなっており、映像表示装置５においては観察者の視度に最適化された観察像を得ることができ、より快適な映像観察が可能となる。
【００７２】
〈第６の実施形態〉
第６の実施形態の映像表示装置６の光学系の構成を図９に示す。この映像表示装置６は、第２の実施形態の映像表示装置２において、最も外界側の面２３を曲面化してパワーを持たせた他は、映像表示装置２と同様である。
【００７３】
面２３は、観察者の視度、または観察する外界像の視度を最適化するパワーを有するようにする。すなわち、面２３は視度調整機能を有する面ＳＣとなっており、映像表示装置６においては観察者の視度に最適化された観察像を得ることができ、より快適な映像観察が可能となる。
【００７４】
【発明の効果】
本発明によると、光束選択面を設けることにより、広画角で偏心収差の少ない良好な表示映像を観察者に提供することができる。また、反射型のホログラムをコンバイナとして用いることにより、明るく自然な外界像を提供することができる。さらに、前記ホログラムに光学的パワーを持たせて接眼機能を有する構成とすることにより、表示映像の拡大表示が可能な構成でありながら、他のレンズ等を設けることなく簡素でコンパクトな構成が達成される。
【００７５】
前記ホログラムを平面とする構成においては、ホログラムのパワーが外界光に影響せず、自然な外界光の観察が可能となる。
【００７６】
外界光の偏向を補正する偏向補正手段を設ける構成においては、傾きのないより自然な外界光の観察が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の映像表示装置の光学系の構成を示す図。
【図２】ホログラムの製造光学系の概略構成を示す図。
【図３】入射光と出射光の角度差とホログラムの波長選択性の関係を示す図。
【図４】可視域における反射光と透過光の強度分布を示す図。
【図５】第２の実施形態の映像表示装置の光学系の構成を示す図。
【図６】第３の実施形態の映像表示装置の光学系の構成を示す図。
【図７】第４の実施形態の映像表示装置の光学系の構成を示す図。
【図８】第５の実施形態の映像表示装置の光学系の構成を示す図。
【図９】第６の実施形態の映像表示装置の光学系の構成を示す図。
【符号の説明】
１，２，３，４，５ 映像表示装置
１１，３１ 映像形成部材
ＬＡ 映像光
ＬＢ 外界光
ＳＬ 光束選択面
ＨＣ ホログラムコンバイナ
ＥＰ 瞳位置
ＤＣ 偏向補正部材
ＳＣ 視度調整面
【発明の属する技術分野】
本発明は、観察者の眼前に配置されて使用される映像表示装置に関し、特に表示器で表示される映像の虚像と、前方視野の自然風景等の外界像とをホログラムコンバイナによって空間的に重畳させて観察者に提供する映像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
頭部に装着され、あるいは手で保持されて、観察者の眼前にて使用される映像表示装置があり、航空機用として高度，速度等の飛行情報を表示するものから、個人シアタ用として、映画，テレビゲーム，人工現実感を表示するものが開発され製品化されている。また、最近ではコンピュータ用のディスプレイとして用いるものが研究されている。
【０００３】
このような映像表示装置には、外界を見ることのできるシースルー型と、外界を見ることのできないクローズ型がある。人工現実感を表示する場合は、クローズ型の方が好ましい場合もあるが、携帯用としては大抵の場合、シースルー型の方が向いている。シースルー型の映像表示装置は、映像表示手段及びこの映像表示手段で表示される映像を観察者に見やすい場所に虚像として提供する観察光学系の他に、映像光と外界光とを重合するビームコンバイナを備える。
【０００４】
ビームコンバイナとして、ハーフミラー，偏光ビームスプリッター，ホログラム等を用いることができる。反射型のホログラムは、波長選択性が高いので、特定の波長の光のみを回折させることができ、特定の波長の映像光と、その波長を除いた外界光とを重ねて見る際に、外界光の光量損失が非常に小さく優れている。
【０００５】
このような特徴を有する反射型のホログラムをコンバイナとして用いたシースルー型の映像表示装置が、特開平５−３４６５０８号公報，特開平１０−３１９３４３号公報等に開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
反射型のホログラムコンバイナを用いた映像表示装置においては、ホログラムコンバイナに対して観察側から映像光を与えるので、ホログラムコンバイナに入射される映像光と、ホログラムコンバイナから出射される映像光の反射光及び外界光からなる観察光とを分離する必要性が生じる。
【０００７】
このため、上記各公報の映像表示装置においては、ホログラムコンバイナの偏心量を大きくして前記映像光と観察光の分離を可能としてる。しかしながら、ホログラムコンバイナの偏心量が大きいので、偏心収差が発生し良好な映像を提供できず、さらに広画角な映像を提供できないという問題点を有する。また、映像表示手段からホログラムコンバイナまでの光学系の光軸が一直線であるため、装置全体のコンパクト性に欠ける。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、使用形態に適したコンパクトな構成であり、かつ良好で広画角の映像を提供し得るシースルー型の映像表示装置を実現することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、観察者の眼前に配置されて、表示した映像を外界物体の像に重畳させて観察者に提供する映像表示装置において、映像光を入射させる入射面と、体積型で位相型で反射型のホログラムからなり、観察者の瞳から見て前記外界物体と光学的に等価な面を前記外界物体とは別の位置に作成する光学的パワーを有するホログラムコンバイナと、入射角度により透過・反射を選択的に行う光束選択面と、を有するプリズムと、ＬＥＤまたはレーザーで照明され、前記等価な面の位置で映像表示を行う映像表示手段と、前記プリズムと対向し、前記外界光の透過部分で生じる偏向を補正する偏向補正手段と、を備える。前記ホログラムは前記光束選択面に対し傾斜した平面に形成され、かつ、非軸対称光学系を形成し、観察者側から視線方向に順に、前記プリズムと前記偏向補正手段が配置され、前記偏向補正手段の外界像側の光学面と前記光束選択面とは互いに平行な平面であり、前記入射面の視線方向の長さは、前記偏向補正手段の外界像側の光学面と前記光束選択面との間隔よりも大きく、前記映像表示に基づく映像光は、前記光束選択面で反射され、前記ホログラムコンバイナで反射され、前記光束選択面で透過された後観察者の瞳に導かれ、前記外界物体に基づく外界光は、前記偏向補正手段で透過され、前記ホログラムコンバイナで透過され、前記光束選択面で透過された後観察者の瞳に導かれる。
【００１０】
この映像表示装置は、波長選択性が高く、透過光に与える影響が少ない反射型のホログラムコンバイナにより表示映像と外界像とを重畳して観察者に提供するものであるので、表示映像，外界像ともに明るい像を提供できる。また、ホログラムコンバイナは光学的パワーを有し、表示映像が外界物体と同じ位置に観察されるようにする。すなわち、観察者は表示映像を無限遠に形成される虚像として観察することになる。このように、前記ホログラムコンバイナは表示映像を拡大して観察者の瞳に導く接眼機能をも有する。特別に接眼機能を有するレンズ等を設ける必要がないので、装置全体の簡素化及びコンパクト化が達成される。
【００１１】
また、光束選択面を設けて映像光の光路を折り畳むようにしている。これによっても、コンパクト化が達成される。前記光束選択面においては、映像光を全反射させてホログラムコンバイナに導き、また映像光と外界光が重合された観察光を全て透過させて観察者の瞳に導くことが可能となるので、明るい像を提供できる。また、前記光束選択面は入射角度により光束選択を行うので、ホログラムコンバイナを大きく偏心させて、光路分割を行う必要がない。故に、広画角で良質な映像を提供することが可能となる。
【００１２】
尚、上記映像表示装置において、前記映像光が前記ホログラムコンバイナに入射されるまでに、前記光束選択面で反射される回数は１回に限られることはなく、複数回反射される構成であってもよい。複数回反射されるようにすることで、装置全体のさらなるコンパクト化を測ることが可能となる。
【００１３】
前記ホログラムとしては、平面に形成されているものが用いられている。平面ホログラムは、透過する前記外界光に対しては光学的パワーを有さないので、外界像に歪みが生じることがなく、自然な外界像の提供が可能となる。ホログラムは、平面であっても回折光に対して光学的パワーを持ち得る。一方、曲面にホログラムを作成することは困難である。この点からも、平面に形成されているホログラムを用いる方が有利である。
【００１４】
また、上述の映像表示装置においては、前記プリズムと対向し、前記外界光の透過部分で生じる偏向を補正する偏向補正手段が設けられている。外界光は、ホログラムコンバイナ等、異なる媒質の境界を通過する際に偏向する。例えば、前記境界と微小な間隔をおいて平行に配置されるように偏向補正手段の媒質境界面を配置して偏向補正手段を設けることで、この部分で生じる外界光の偏向を補正することができる。また、偏向補正手段の外界像側の光学面と光束選択面とが互いに平行な平面となるように偏向補正手段を設けることで、外界光の偏向のさらなる補正が可能となる。このような構成により、より自然な外界像の提供が可能となる。
【００１５】
前記光束選択面での反射は、全反射であることが好ましい。前記ホログラムコンバイナは、前記光束選択面から入射する映像光に対してのみ光学的パワーを有し、観察者の瞳から見て無限遠に表示映像の虚像を形成する接眼機能を有し、外界光に対しては、単なる平面として作用し、光学的パワーを有さないことが好ましい。また、前記偏向補正手段は、前記外界光の透過部分との間に微小な間隔をおいて平行に配置される媒質境界面を有することが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の映像表示装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態には偏向補正手段に相当する部分が無く、第３〜第５の実施形態では観察者側から視線方向に順にプリズムと偏向補正手段が配置された構成になっておらず、第６の実施形態では偏向補正手段の外界像側の光学面と光束選択面とが互いに平行な平面でないため、これらの点で第１，第３〜第６の実施形態は本発明の参考のための一形態にすぎず、本発明には属さないものである。
【００１８】
〈第１の実施形態〉
図１に、第１の実施形態の映像表示装置１の光学系の構成を示す。この映像表示装置１は、映像形成部材１１、プリズム１２を備えている。
【００１９】
映像形成部材１１は、供給される映像信号に応じた表示を行い、表示映像に基づく映像光ＬＡを形成しこれを出射する。プリズム１２はポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）製であり、光の進行に関与する面として面１３，１４，１５を有している。面１３はアナモルフィック非球面の凹面であり、映像形成部材１１からの映像光ＬＡを全て透過するように設定されている。面１４は平面であり、面１３を透過した映像光ＬＡが臨界角を超えて入射するように設定されており、面１３を透過した映像光ＬＡは面１４で全反射される。
【００２０】
面１５は平面であり、体積型で位相型で反射型のホログラムが形成されている。映像形成部材１１で形成される映像光ＬＡの波長は、このホログラム１５の回折効率ピークの波長と略一致している。よって、ホログラム１５は、面１４からの映像光ＬＡを反射する。また、ホログラム１５は透明であり、外界光ＬＢを透過させる。このように、ホログラム１５は映像光ＬＡと外界光ＬＢとを重合するホログラムコンバイナＨＣとしての機能を有する。ホログラムコンバイナＨＣは、面１４で全反射された映像光ＬＡが、臨界角よりも小さい入射角で面１４に再度入射させるように設定されている。したがって、ホログラムコンバイナＨＣで反射された映像光ＬＡ、及びホログラムコンバイナＨＣで透過された外界光ＬＢは、面１４で透過され、観察者の瞳ＥＰに入射する。
【００２１】
ホログラムコンバイナＨＣは、面１４から入射する映像光ＬＡに対してのみ光学的パワーを有し、観察者の瞳ＥＰから見て無限遠に表示映像の虚像を形成する接眼機能を有する。一方、外界光ＬＢに対しては、単なる平面として作用し、光学的パワーを有さない。これにより、表示映像は拡大され、外界像は等倍で合わせて観察される。
【００２２】
面１４は、入射角によって透過・反射を選択的に行う光束選択面ＳＬとなっている。映像表示装置１は、光束選択面ＳＬにより、光路が折り畳まれており、コンパクトな配置構成が達成されている。また、光束選択面ＳＬによって光路が分離されているので、ホログラムコンバイナＨＣの偏心量が少ない構成とすることが可能となり、偏心収差の発生が低減される。これにより、広画角で良好な表示映像を提供することができる。
【００２３】
ホログラムコンバイナＨＣは、映像光ＬＡを正反射させる配置ではなく、映像光ＬＡに対して斜めに傾けて使用され、さらに接眼機能としての光学的パワーを有するので非軸対称光学系となる。非軸対称光学系において、このホログラムコンバイナＨＣが共軸レンズと同等の働きしか有さない場合は、傾いた方向に非対称な歪曲（台形歪曲）や非対称な像面湾曲が発生する。このためホログラムコンバイナＨＣには、単純な回転対称な波面再現性だけではなく、自由曲面的な波面再生を持たせることが望ましい。
【００２４】
このようなホログラムコンバイナＨＣにおけるホログラムの作成方法について説明する。図２に、ホログラムの製造光学系の概略構成を示す。図２中、Ｈは、ホログラムが記録される感光材料が塗布された基板を示す。レーザー光源から発せられたコヒーレント光線は、不図示のビームスプリッタによって２つの光線に分岐される。ここで、不図示の波長板等を用いて２つの光線の偏光方向は揃えられている。２つの光線はそれぞれ球面波発生レンズ，その球面波発生レンズの焦点におかれたピンホールを通してスペシャルフィルタリングされ、波面の揃った球面波に変換される。ここで、図２中、第１の点光源２６及び第２の点光源２７は、スペシャルフィルタリングに使用されたピンホールと一致している。
【００２５】
第２の点光源２７は、作成されたホログラムをホログラムコンバイナＨＣとして用いた映像表示装置１の使用状態における観察者の瞳ＥＰの位置に略一致するように設定されている。第２の点光源２７と瞳ＥＰの位置を一致させると、製造状態での製造光と使用状態での観察光がほぼ一致するので、ホログラムコンバイナＨＣの使用状態での回折効率を最も向上させることができる。
【００２６】
第１の点光源２６と基板Ｈとの間には、複数のレンズを偏心させて組み合わされた光学系２５が配置されている。光学系２５は、図２に示す断面でのみ偏心している。これらは、ホログラムコンバイナＨＣが使用状態において、表示映像の虚像が瞳で良好な像として観察されるように、基板Ｈに入射する製造時の波面をコントロールするように配置されている。また、光学系２５の偏心が１平面内だけで行われていると設計および製造上非常に簡単になるので好ましい。第１の点光源２６及び第２の点光源２７から入射される球面波の干渉が基板Ｈ上に記録され、ホログラムが作成される。
【００２７】
ホログラムは、基本的にそのホログラムを作成した光束（波長と角度）と同じ光束を与えたときの波面再現の回折効率が最も高くなる。よって、映像形成部材１１からの映像光ＬＡは、ホログラムの回折効率ピークの波長に合わせた波長の光とすることが望ましい。たとえば５３０nm近傍に回折効率ピークを持つホログラムコンバイナＨＣを用い、映像形成部材１１に液晶などの非自発型の素子を用いた場合、液晶を照明する光源としては５３０nm付近に発光ピークを持つ緑色のＬＥＤなどが適する。
【００２８】
ホログラムコンバイナＨＣには、波長選択性の高いホログラムを用いる必要がある。波長選択性が低いと、ホログラムコンバイナＨＣで反射される外界光ＬＢの波長巾が広くなり、不自然で暗い外界像が観察されることになるからである。ホログラムコンバイナＨＣに反射型ホログラムを用いているのはこのためである。反射型ホログラムは、透過型ホログラムに比べて波長選択性が非常に高い。つまり、特定の波長には反応するが、その他の波長には反応しないのである。外界光ＬＢの一部の波長（映像光ＬＡと同じ波長）以外には反応しないので、外界光ＬＢはほとんどホログラム１５の影響を受けない。したがって、外界像，表示映像ともに明るく良好な観察が可能となる。これは透過型ホログラムでは達成できない大きな特徴である。
【００２９】
図３に、感光材料の屈折率が１．５，作成波長５３０nm，感光材料の厚み５μmのときの入射光と出射光の角度差θに対する反射型ホログラムＨＲと透過型ホログラムＨＴの波長選択性（波長巾）を示す。角度差θが９０度以上となるとき、すなわち反射型ホログラムＨＲの場合、透過型ホログラムＨＴに比べて波長選択性が非常に高くなることがわかる。
【００３０】
図４に、図３に示す反射型ホログラムＨＲにおける可視域の入射光の波長に対する反射光と透過光の強度の関係を示す。反射光の強度分布をｊ１で、透過光の強度分布をｊ２で表す。図４から、反射型ホログラムＨＲは波長選択性が非常に高いので、透過光すなわち映像表示装置１における外界光ＬＢの一部の波長（略５３０nm）にしか作用しないことがわかる。
【００３１】
ところで、薄いホログラムでは高次の回折光に相当する光が再生されるが、厚いホログラム（いわゆる体積型ホログラム）では１つの次数の光しか再生されない。したがって、ホログラムコンバイナＨＣとしては、高い回折効率を得ることができる体積型ホログラムが望ましい。また、振幅型ホログラムでは光がホログラムを通過するときに吸収されるが、位相型ホログラムでは光の吸収がない。したがって、ホログラムコンバイナＨＣとしては、明るい表示映像を得ることができる位相型のホログラムが望ましい。なお、体積型のホログラムの場合、反射型の方が透過型に比べて高い角度依存性を持たせることができるので、体積型で反射型のホログラムを用いることには、ホログラムコンバイナＨＣの配置の自由度が高くなるというメリットがある。以上のような理由から、本実施形態ではホログラムコンバイナＨＣに体積型・位相型・反射型のホログラムを用いている。
【００３２】
このように、本実施形態では波長選択性が非常に高いホログラムをホログラムコンバイナＨＣとして用いるので、半値巾２０〜４０nmの発光波長巾を持つＬＥＤを映像形成部材１１における光源として用いた場合、エネルギー効率がたいへん良い構成とすることができ望ましい。もちろん、ホログラム作成に用いたレーザーと同じ発光波長を有するレーザーを光源として用いてもよい。
【００３３】
映像表示装置１の光学系の具体的な設定値を表１、表２に示す。以下においては、瞳正面方向（図１の右方向）をＸ軸、図１の上下方向をＹ軸、図１の奥行き方向をＺ軸としている。
【００３４】
【表１】
【表２】
表１において、ホログラム面の定義については、作成に用いる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。尚、本実施形態で作成に用いる２光束の波長は５３２nmである。２光束の定義は、各光束の光源位置と、各光源からの出射ビームが収束ビーム（ＶＩＡ），発散ビーム（ＲＥＡ）のどちらであるかで行う。第１の点光源（ＨＶ１）、第２の点光源（ＨＶ２）の座標をそれぞれ（ＨＸ１、ＨＹ１、ＨＺ１）、（ＨＸ２、ＨＹ２、ＨＺ２）とする。
【００３７】
また、本実施形態においては、複雑なホログラムによる波面再生を行うので、２光束の定義に加えて、位相関数φにより入射光線に対する射出光線の方向余弦でも定義する。位相関数φは数１に示すホログラム面の位置（Ｘ，Ｙ）による生成多項式であり、係数が１次〜１０次までの昇順の単項式で表される。表１には、位相関数φの係数Ｃjを示す。
【００３８】
【数１】
尚、係数Ｃjの番号ｊは、ｍ，ｎをＸ，Ｙの指数として数２で表される。
【００４０】
【数２】
ここで、射出光線のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向余弦は、数３で表される。
【００４２】
【数３】
尚、数３において、ｌ'，ｍ'，ｎ'は各々射出光線の法線ベクトル、ｌ，ｍ，ｎは各々入射光線の法線ベクトル、λは再生光束の波長、λ0はホログラム作成光束の波長である。
【００４４】
表１において、アナモルフィック非球面に関するパラメータは、各面とその光軸との交点を原点とし、光軸をＺ軸としたときの、数４で定義されるＺ軸方向のサグＺを規定するものである（単位mm）。ＲＤＸはＸ軸方向の曲率半径である。
【００４５】
【数４】
ここで、ＣＵＸ，ＣＵＹはＸ軸方向，Ｙ軸方向の曲率半径の逆数である。
【００４７】
表２は各面の相対的な位置関係を示したものである。ここでは、瞳面の中心を原点としたグローバル座標系で表現されている。ＸＳＣ，ＹＳＣ，ＺＳＣは、各面とその光軸との交点のＸ，Ｙ，Ｚ座標（単位mm）を表し、ＡＳＣ，ＢＳＣ，ＣＳＣは、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸についての瞳面からの各面の回転角（単位゜）を表す。
【００４８】
〈第２の実施形態〉
第２の実施形態の映像表示装置２の光学系の構成を図５に示す。この映像表示装置２は、プリズム２１を備えている点のみ第１の実施形態の映像表示装置１と異なる。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００４９】
第１の実施形態の映像表示装置１では、ホログラムコンバイナＨＣの偏心量低減のため、ホログラムコンバイナＨＣと光束選択面ＳＬは平行でなく、角度を持たせて配置されている。このため、プリズム１２は楔形状となり、外界像は等倍だが偏向されている。本実施形態におけるプリズム２１は、この偏向を補正する機能を有する偏向補正部材ＤＣである。
【００５０】
プリズム２１は、ＰＭＭＡ製であり、平面２２をプリズム１２のホログラムコンバイナＨＣが形成されている面１５に対向させて配置されている。面１５と面２２は平行である。面１５と面２２の間には数十μm以下の微小な間隔が形成されている。また、プリズム２１の面２３（最も外界像側の面）とプリズム１２の面１４（最も瞳側の面）とは平行に配置されている。
【００５１】
外界光ＬＢはプリズム２１，１２を介して観察者の瞳ＥＰに入射するが、この際、上述のように面２２と面１５の間には空気が介在するため、また入射面２３と出射面１４が平行であるため偏向が補正され、より自然な外界観察が可能となる。
【００５２】
〈第３の実施形態〉
第３の実施形態の映像表示装置３の光学系の構成を図６に示す。この映像表示装置３は、映像形成部材３１、プリズム３２，３６を備えている。
【００５３】
映像形成部材３１は、供給される映像信号に応じた表示を行い、表示映像に基づく映像光ＬＡを形成しこれを出射する。プリズム３２はＰＭＭＡ製であり、光の進行に関与する面として面３３，３４，３５を有している。面３３はアナモルフィック非球面の凹面であり、映像形成部材３１からの映像光ＬＡを全て透過するように設定されている。面３４は平面であり、面３３を透過した映像光ＬＡが臨界角を超えて入射するように設定されており、面３３を透過した映像光ＬＡは面３４で全反射される。
【００５４】
面３５は平面であり、体積型で位相型で反射型のホログラムが形成されている。映像形成部材３１で形成される映像光ＬＡの波長は、このホログラム３５の回折効率ピークの波長と略一致している。よって、ホログラム３５は、面３４からの映像光ＬＡを反射する。また、ホログラム３５は透明であり、外界光ＬＢを透過させる。このように、ホログラム３５は映像光ＬＡと外界光ＬＢとを重合するホログラムコンバイナＨＣとしての機能を有する。ホログラムコンバイナＨＣは、面３４で全反射された映像光ＬＡが、臨界角よりも小さい入射角で面３４に再度入射させるように設定されている。したがって、ホログラムコンバイナＨＣで反射された映像光ＬＡ、及びホログラムコンバイナＨＣで透過された外界光ＬＢは、面３４で透過され、プリズム３６を介して観察者の瞳ＥＰに入射する。
【００５５】
ホログラムコンバイナＨＣは、面３４から入射する映像光ＬＡに対してのみ光学的パワーを有し、観察者の瞳ＥＰから見て無限遠に表示映像の虚像を形成する接眼機能を有する。一方、外界光ＬＢに対しては、単なる平面として作用し、光学的パワーを有さない。これにより、表示映像は拡大され、外界像は等倍で合わせて観察される。
【００５６】
面３４は、入射角によって透過・反射を選択的に行う光束選択面ＳＬとなっている。ホログラムコンバイナＨＣ、及び光束選択面ＳＬの詳細については、第１の実施形態で説明した通りであるのでここでは省略する。本実施形態では、第１の実施形態よりホログラムコンバイナＨＣの偏心量が小さいので、より偏心収差の少ない広画角な表示映像の観察が可能となる。
【００５７】
プリズム３２は楔形状となり、プリズム３２を透過する外界光ＬＢは偏向される。プリズム３６は、この偏向を補正する機能を有する偏向補正部材ＤＣである。
【００５８】
プリズム３６は、ＰＭＭＡ製であり、平面３７をプリズム３２の光束選択面ＳＬとなっている面３４に対向させて配置されている。面３４と面３７は平行である。面３４と面３７の間には数十μm以下の微小な間隔が形成されている。また、プリズム３２の面３５（最も外界像側の面）とプリズム３６の面３８（最も瞳側の面）とは平行に配置されている。
【００５９】
外界光ＬＢはプリズム３２，３６を介して観察者の瞳ＥＰに入射するが、この際、上述のように面３４と面３７の間には空気が介在するため、また入射面３５と出射面３８が平行であるため偏向が補正され、より自然な外界観察が可能となる。
【００６０】
映像表示装置３の光学系の具体的な設定値を表３，表４に示す。
【００６１】
【表３】
【表４】
尚、表３，表４で用いられるパラメータは第１の実施形態で規定するとおりである。
【００６４】
〈第４の実施形態〉
第４の実施形態の映像表示装置４の光学系の構成を図７に示す。この映像表示装置４は、第３の実施形態における光束選択面ＳＬを曲面化し、表示映像の収差補正機能をもたせた点以外の基本構成は、第３の実施形態と同様である。
【００６５】
映像表示装置４の光束選択面ＳＬとなっている面３４はアナモルフィックな曲面であるため、観察される表示映像の収差性能のさらなる改善をはかることが可能である。また、選択反射面ＳＬが曲面化していることによる透過光への影響を打ち消すため、偏向補正部材ＤＣであるプリズム３６の光束選択面ＳＬに対向する面３７も面３４と同様のアナモルフィック曲面となっている。
【００６６】
映像表示装置４の光学系の具体的な設定値を表５，表６に示す。
【００６７】
【表５】
【表６】
尚、表５，表６で用いられるパラメータは第１の実施形態で規定するとおりである。
【００７０】
〈第５の実施形態〉
第５の実施形態の映像表示装置５の光学系の構成を図８に示す。この映像表示装置５は、第３の実施形態の映像表示装置３において、最も瞳側の面３８を曲面化してパワーを持たせた他は、映像表示装置３と同様である。
【００７１】
面３８は、観察者の視度、または観察する外界像の視度を最適化するパワーを有するようにする。すなわち、面３８は視度調整機能を有する面ＳＣとなっており、映像表示装置５においては観察者の視度に最適化された観察像を得ることができ、より快適な映像観察が可能となる。
【００７２】
〈第６の実施形態〉
第６の実施形態の映像表示装置６の光学系の構成を図９に示す。この映像表示装置６は、第２の実施形態の映像表示装置２において、最も外界側の面２３を曲面化してパワーを持たせた他は、映像表示装置２と同様である。
【００７３】
面２３は、観察者の視度、または観察する外界像の視度を最適化するパワーを有するようにする。すなわち、面２３は視度調整機能を有する面ＳＣとなっており、映像表示装置６においては観察者の視度に最適化された観察像を得ることができ、より快適な映像観察が可能となる。
【００７４】
【発明の効果】
本発明によると、光束選択面を設けることにより、広画角で偏心収差の少ない良好な表示映像を観察者に提供することができる。また、反射型のホログラムをコンバイナとして用いることにより、明るく自然な外界像を提供することができる。さらに、前記ホログラムに光学的パワーを持たせて接眼機能を有する構成とすることにより、表示映像の拡大表示が可能な構成でありながら、他のレンズ等を設けることなく簡素でコンパクトな構成が達成される。
【００７５】
前記ホログラムを平面とする構成においては、ホログラムのパワーが外界光に影響せず、自然な外界光の観察が可能となる。
【００７６】
外界光の偏向を補正する偏向補正手段を設ける構成においては、傾きのないより自然な外界光の観察が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の映像表示装置の光学系の構成を示す図。
【図２】ホログラムの製造光学系の概略構成を示す図。
【図３】入射光と出射光の角度差とホログラムの波長選択性の関係を示す図。
【図４】可視域における反射光と透過光の強度分布を示す図。
【図５】第２の実施形態の映像表示装置の光学系の構成を示す図。
【図６】第３の実施形態の映像表示装置の光学系の構成を示す図。
【図７】第４の実施形態の映像表示装置の光学系の構成を示す図。
【図８】第５の実施形態の映像表示装置の光学系の構成を示す図。
【図９】第６の実施形態の映像表示装置の光学系の構成を示す図。
【符号の説明】
１，２，３，４，５ 映像表示装置
１１，３１ 映像形成部材
ＬＡ 映像光
ＬＢ 外界光
ＳＬ 光束選択面
ＨＣ ホログラムコンバイナ
ＥＰ 瞳位置
ＤＣ 偏向補正部材
ＳＣ 視度調整面
Claims (4)
- 観察者の眼前に配置されて、表示した映像を外界物体の像に重畳させて観察者に提供する映像表示装置において、
映像光を入射させる入射面と、体積型で位相型で反射型のホログラムからなり、観察者の瞳から見て前記外界物体と光学的に等価な面を前記外界物体とは別の位置に作成する光学的パワーを有するホログラムコンバイナと、入射角度により透過・反射を選択的に行う光束選択面と、を有するプリズムと、
ＬＥＤまたはレーザーで照明され、前記等価な面の位置で映像表示を行う映像表示手段と、
前記プリズムと対向し、前記外界光の透過部分で生じる偏向を補正する偏向補正手段と、を備え、
前記ホログラムは前記光束選択面に対し傾斜した平面に形成され、かつ、非軸対称光学系を形成し、
観察者側から視線方向に順に、前記プリズムと前記偏向補正手段が配置され、
前記偏向補正手段の外界像側の光学面と前記光束選択面とは互いに平行な平面であり、
前記入射面の視線方向の長さは、前記偏向補正手段の外界像側の光学面と前記光束選択面との間隔よりも大きく、
前記映像表示に基づく映像光は、前記光束選択面で反射され、前記ホログラムコンバイナで反射され、前記光束選択面で透過された後観察者の瞳に導かれ、前記外界物体に基づく外界光は、前記偏向補正手段で透過され、前記ホログラムコンバイナで透過され、前記光束選択面で透過された後観察者の瞳に導かれることを特徴とする映像表示装置。 - 前記光束選択面での反射が全反射であることを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
- 前記ホログラムコンバイナは、前記光束選択面から入射する映像光に対してのみ光学的パワーを有し、観察者の瞳から見て無限遠に表示映像の虚像を形成する接眼機能を有し、外界光に対しては、単なる平面として作用し、光学的パワーを有さないことを特徴とする請求項１または２に記載の映像表示装置。
- 前記偏向補正手段は、前記外界光の透過部分との間に微小な間隔をおいて平行に配置される媒質境界面を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の映像表示装置。
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| KR100429206B1 (ko) * | 2001-08-08 | 2004-04-28 | 엘지전자 주식회사 | 씨어라운드 헤드 마운티드 디스플레이 장치 |
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| EP1599754A1 (en) * | 2003-03-05 | 2005-11-30 | 3M Innovative Properties Company | Diffractive lens |
| JP4492536B2 (ja) * | 2003-04-28 | 2010-06-30 | 株式会社ニコン | イメージコンバイナ及び画像表示装置 |
| JP2004325985A (ja) * | 2003-04-28 | 2004-11-18 | Nikon Corp | 画像表示装置 |
| JP3757221B2 (ja) * | 2003-08-14 | 2006-03-22 | Ｎｅｃビューテクノロジー株式会社 | 投写型表示装置 |
| JP2006162798A (ja) * | 2004-12-03 | 2006-06-22 | Konica Minolta Photo Imaging Inc | 光学デバイス、映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ |
| EP2047219B1 (en) * | 2006-06-15 | 2011-10-26 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Angle selective photo sensor structures for accurate color control, out coupling and background rejection, in led luminaries |
| JP2008191527A (ja) * | 2007-02-07 | 2008-08-21 | Konica Minolta Holdings Inc | ホログラム光学素子およびその製造方法と、映像表示装置 |
| US10274660B2 (en) | 2008-11-17 | 2019-04-30 | Luminit, Llc | Holographic substrate-guided wave-based see-through display |
| CN101702052A (zh) * | 2009-11-26 | 2010-05-05 | 王霖华 | 观看显示屏的凹面镜装置 |
| US10061069B2 (en) | 2012-06-22 | 2018-08-28 | Luminit Llc | Method for design and manufacturing of optics for holographic sight |
| US9443354B2 (en) | 2013-04-29 | 2016-09-13 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Mixed reality interactions |
| WO2016063418A1 (ja) * | 2014-10-24 | 2016-04-28 | オリンパス株式会社 | 偏心光学系、及び偏心光学系を用いた画像投影装置 |
| US10890417B2 (en) | 2015-03-30 | 2021-01-12 | Luminit Llc | Compound eye laser tracking device |
| US9726896B2 (en) * | 2016-04-21 | 2017-08-08 | Maximilian Ralph Peter von und zu Liechtenstein | Virtual monitor display technique for augmented reality environments |
| US20180188685A1 (en) * | 2016-12-30 | 2018-07-05 | Luminit, Llc | Monolithic Optical System for Light Propagation in Confined Spaces and Method of Fabrication |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02297516A (ja) * | 1988-10-21 | 1990-12-10 | Thomson Csf | 特にヘルメットディスプレイ装置用の視準光学システム |
| JPH06121256A (ja) * | 1992-06-29 | 1994-04-28 | Motorola Inc | プレーナ型撮像素子、直接網膜走査表示装置および直接網膜走査表示形成方法 |
| JPH07333551A (ja) * | 1994-06-13 | 1995-12-22 | Canon Inc | 観察光学系 |
| JPH1075407A (ja) * | 1996-08-30 | 1998-03-17 | Olympus Optical Co Ltd | 画像表示装置 |
| JPH10307263A (ja) * | 1997-05-07 | 1998-11-17 | Olympus Optical Co Ltd | プリズム光学素子及び像観察装置 |
| JPH1164782A (ja) * | 1997-08-14 | 1999-03-05 | Fuji Xerox Co Ltd | 網膜ディスプレイ装置 |
| US5886822A (en) * | 1996-10-08 | 1999-03-23 | The Microoptical Corporation | Image combining system for eyeglasses and face masks |
| JP2000056259A (ja) * | 1998-08-10 | 2000-02-25 | Fuji Xerox Co Ltd | 画像表示装置 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2614434B1 (fr) * | 1987-04-22 | 1989-06-09 | Thomson Csf | Viseur clair holographique montable sur casque |
| JPH01147421A (ja) | 1987-12-03 | 1989-06-09 | Canon Inc | 表示システム |
| JPH05346508A (ja) | 1992-06-12 | 1993-12-27 | Canon Inc | ホログラムレンズ及びそれを用いた表示装置 |
| JP3599828B2 (ja) * | 1995-05-18 | 2004-12-08 | オリンパス株式会社 | 光学装置 |
| US5768025A (en) * | 1995-08-21 | 1998-06-16 | Olympus Optical Co., Ltd. | Optical system and image display apparatus |
| JPH10319343A (ja) | 1997-05-19 | 1998-12-04 | Fuji Xerox Co Ltd | ヘッドマウンテッドディスプレイ |
| US6005720A (en) * | 1998-12-22 | 1999-12-21 | Virtual Vision, Inc. | Reflective micro-display system |
-
1999
- 1999-06-11 JP JP16477399A patent/JP4691744B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
2000
- 2000-06-07 US US09/588,969 patent/US6429954B1/en not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02297516A (ja) * | 1988-10-21 | 1990-12-10 | Thomson Csf | 特にヘルメットディスプレイ装置用の視準光学システム |
| JPH06121256A (ja) * | 1992-06-29 | 1994-04-28 | Motorola Inc | プレーナ型撮像素子、直接網膜走査表示装置および直接網膜走査表示形成方法 |
| JPH07333551A (ja) * | 1994-06-13 | 1995-12-22 | Canon Inc | 観察光学系 |
| JPH1075407A (ja) * | 1996-08-30 | 1998-03-17 | Olympus Optical Co Ltd | 画像表示装置 |
| US5886822A (en) * | 1996-10-08 | 1999-03-23 | The Microoptical Corporation | Image combining system for eyeglasses and face masks |
| JP2000511306A (ja) * | 1996-10-08 | 2000-08-29 | ザ マイクロオプティカル コーポレイション | 眼鏡及びフェースマスクに対するイメージコンバイニングシステム |
| JPH10307263A (ja) * | 1997-05-07 | 1998-11-17 | Olympus Optical Co Ltd | プリズム光学素子及び像観察装置 |
| JPH1164782A (ja) * | 1997-08-14 | 1999-03-05 | Fuji Xerox Co Ltd | 網膜ディスプレイ装置 |
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