JPWO2018043254A1 - 映像表示装置と光学シースルーディスプレイ - Google Patents

Abstract

映像表示装置は、可視光からなる映像光の発光により映像を表示する映像表示素子と、映像光を回折反射するホログラム光学素子と、を有する。映像表示素子が映像光において三原色ＲＧＢの発光ピーク波長を有し、ホログラム光学素子が発光ピーク波長に対応する回折ピーク波長を有する。波長４００〜４９０ｎｍ，波長４９０〜５８０ｎｍ，波長５８０〜６８０ｎｍのそれぞれにおける回折量をＢ，Ｇ，Ｒの回折量とし、（Ｂの回折量）／（ＲＧＢの回折量の合計），（Ｇの回折量）／（ＲＧＢの回折量の合計），（Ｒの回折量）／（ＲＧＢの回折量の合計）のそれぞれをＢ，Ｇ，Ｒの回折量比とすると、Ｇの回折量比が５〜２５％であり、かつ、ＲＧＢの回折量比のうちで最も小さい。

Description

本発明は映像表示装置と光学シースルーディスプレイに関するものであり、例えば、液晶表示素子(ＬＣＤ：liquid crystal display)の２次元映像をホログラム光学素子(ＨＯＥ：holographic optical element)を用いて観察者眼に投影表示するシースルー型の映像表示装置と、その映像表示装置を備えた光学シースルーディスプレイ（例えば、ＨＭＤ(head mounted display)，ＨＵＤ(head-up display)）に関するものである。

ホログラム光学素子，ハーフミラー，ビームスプリッター等の光学素子は、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ），ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）等に搭載されるコンバイナとして有用である。例えば、ハーフミラーを用いて白画像を表示する際には、再生光源の色を白色にすることで白画像を得ることができる。これはハーフミラーの波長に対する依存性が低く、波長が変わっても反射率がほとんど変わらないためである。それに対してホログラム光学素子は、波長ごとに回折効率をチューニングすることが可能であるため、画像の色調を調整することができる。

ホログラム光学素子の回折効率をチューニングする技術として、特許文献１，２に記載のものが挙げられる。特許文献１に記載の技術は、回折効率，ピーク波長，半値幅のいずれか１つを制御することにより、白色映像を表現するものである。特許文献２に記載の技術は、再生用光源の出射光におけるＲＧＢごとの光強度に応じた回折効率が得られるように、ホログラム感光材料の露光を行うものである。それにより得られたホログラム光学素子を用いると、再生用光源の出射光の光量を最大限に利用しながら、用いる再生用光源ごとに所望の色調に調整された画像を得ることができる。

特開２０００−２７６０３６号公報 特開２００６−１８４８６９号公報

特許文献１に記載の技術では、回折効率，ピーク波長，半値幅を映像表示素子の発光特性に合わせて調整することにより白色映像を表現するが、シースルー性や視感度透過率に関しては考慮されていない。開示されているＲＧＢの回折効率からすると、視感度透過率の向上は見込めないため、高いシースルー性を得ることは不可能である。一方、特許文献２に記載の技術では、再生用光源の出射光の光量を最大限に利用できるため、輝度の向上は考慮されている。しかし、シースルー性を向上させるうえで適したものとは言えない。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、外界像に映像が重ねられたシースルー表示において、表示映像の画質を高く保持しつつ外界像の観察を高いシースルー性で可能とする映像表示装置及びそれを備えた光学シースルーディスプレイを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の映像表示装置は、可視光からなる映像光の発光により映像を表示する映像表示素子と、前記映像光を回折反射するホログラム光学素子と、を有する映像表示装置であって、
前記映像表示素子が前記映像光において三原色ＲＧＢの発光ピーク波長を有し、
前記ホログラム光学素子が前記発光ピーク波長に対応する回折ピーク波長を有し、
波長４００〜４９０ｎｍにおける回折量をＢの回折量とし、
波長４９０〜５８０ｎｍにおける回折量をＧの回折量とし、
波長５８０〜６８０ｎｍにおける回折量をＲの回折量とし、
（Ｂの回折量）／（ＲＧＢの回折量の合計）をＢの回折量比とし、
（Ｇの回折量）／（ＲＧＢの回折量の合計）をＧの回折量比とし、
（Ｒの回折量）／（ＲＧＢの回折量の合計）をＲの回折量比とすると、
Ｇの回折量比が５〜２５％であり、かつ、ＲＧＢの回折量比のうちで最も小さいことを特徴とする。

本発明の光学シースルーディスプレイは、本発明の映像表示装置を搭載することにより、前記ホログラム光学素子で前記映像を観察者眼にシースルーで投影表示する機能を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、外界像に映像が重ねられたシースルー表示において、表示映像の画質を高く保持しつつ外界像の観察を高いシースルー性で可能とする映像表示装置と、それを備えた光学シースルーディスプレイを実現することができる。

シースルー性を向上させるためのホログラム光学素子の作用を模式的に示す概略導光図。 映像表示装置の一実施の形態を模式的に示す概略断面図。 図２の映像表示装置における光源から光学瞳までの光路を示す光学構成図。 図３の映像表示装置を備えた眼鏡型のヘッドマウントディスプレイを示す斜視図。 車載用のヘッドアップディスプレイの一例を模式的に示す概略断面図。 比視感度曲線を示すグラフ。 比較例及び実施例における白調整時の発光特性及び回折特性を示すグラフ。

以下、本発明の実施の形態に係る映像表示装置，光学シースルーディスプレイ等を、図面を参照しつつ説明する。なお、各実施の形態等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。

ヒトの目の感度は波長によって異なり、図６に示す比視感度曲線から分かるように、最も感度の高い波長λ：５５５ｎｍ（Ｇ領域）をピークとした比視感度Ｖ（λ）によって決定される。ここで、三原色ＲＧＢのうち、Ｂ領域の波長λを４００〜４９０ｎｍとし、Ｇ領域の波長λを４９０〜５８０ｎｍとし、Ｒ領域の波長λを５８０〜６８０ｎｍとする。

映像光の発光により映像を表示する映像表示素子と、映像光を回折反射するホログラム光学素子と、を有する映像表示装置において、ホログラム光学素子の視感度透過率Ｔｖは、以下の式（Ｔ１）によって計算される。ただし、
ｘ（λ）：比視感度関数、
Ｐ（λ）：ホログラム光学素子の分光特性（回折効率，半値幅，ピーク高さに対応）、
ＳＤ６５（λ）：ＣＩＥ標準光源Ｄ６５の分光分布、
である。

ヒトの目の感度（つまり、比視感度Ｖ（λ）に相当する比視感度関数ｘ（λ））は、上述したように波長５５５ｎｍにピークがあり、Ｇ領域の感度が占める割合が高い。そのため、ホログラム光学素子のＧ領域の回折特性Ｄ（λ）を低くすれば、視感度透過率Ｔｖを高くすることができる。ここで、ホログラム光学素子の回折特性Ｄ（λ）は、以下の式（Ｔ０）で表される。
Ｄ（λ）＝Ｐ（λ）−ｂ（λ） …（Ｔ０）
ただし、
Ｐ（λ）：ホログラム光学素子の分光特性（回折効率，ピーク高さ，半値幅に対応）、
ｂ（λ）：材料の吸収等によるベースライン、
である。

ホログラム光学素子におけるＲＧＢの回折量は、回折特性Ｄ（λ）を用いた以下の式（Ｄｂ），（Ｄｇ），（Ｄｒ）で表される。つまり、Ｂの回折量は式（Ｄｂ）で表され、Ｇの回折量は式（Ｄｇ）で表され、Ｒの回折量は式（Ｄｒ）で表される。また、映像表示素子の発光特性をＬ（λ）とすると、映像表示素子におけるＲＧＢの発光量は、発光特性Ｌ（λ）を用いた以下の式（Ｌｂ），（Ｌｇ），（Ｌｒ）で表される。つまり、Ｂの発光量は式（Ｌｂ）で表され、Ｇの発光量は式（Ｌｇ）で表され、Ｒの発光量は式（Ｌｒ）で表される。

波長λに対する回折特性Ｄ（λ）のグラフでは（後で説明する図７参照。）、ＲＧＢの各回折ピーク波長でのピーク高さがＲＧＢの各回折効率に相当し、ＲＧＢの各回折特性Ｄ（λ）の積分値（面積）がＲＧＢの各回折量に相当する（式（Ｄｂ），（Ｄｇ），（Ｄｒ））。また、波長λに対する発光特性Ｌ（λ）のグラフでは、ＲＧＢの各発光ピーク波長でのピーク高さがＲＧＢの各発光効率に相当し、ＲＧＢの各発光特性Ｌ（λ）の積分値（面積）がＲＧＢの各発光量に相当する（式（Ｌｂ），（Ｌｇ），（Ｌｒ））。各回折量は回折特性Ｄ（λ）のピーク高さと半値幅から凡そ見積もることができ、各発光量は発光特性Ｌ（λ）のピーク高さと半値幅から凡そ見積もることができる。また、回折特性Ｄ（λ）から回折効率，回折ピーク波長，半値幅が得られ、発光特性Ｌ（λ）から発光効率，発光ピーク波長，半値幅が得られる。

視感度透過率Ｔｖを高くするために、前述したようにホログラム光学素子のＧ領域の回折特性Ｄ（λ）を低くしたうえで、さらに、映像表示素子のＧ領域の光強度を高くすれば、輝度の低下を最小限まで抑えて、良好なカラーバランスを得ることができる。図１（Ａ）に、映像表示素子２０から出射した映像光Ｌ１が観察者の瞳（観察者眼ＥＹ）に導かれる様子を示す。映像表示素子２０からの映像光Ｌ１におけるＲＧＢの各発光量のうち、Ｇの発光量はＲとＢの発光量に比べて大きくなっている。つまり、Ｇ領域の映像光Ｌ１が映像表示素子２０から強く発光している。それに対し、ホログラム光学素子１３のＧ領域の回折特性Ｄ（λ）は低くなっている。結果として、観察者眼ＥＹにはＲＧＢのカラーバランスが取れた映像が導かれる。

図１（Ｂ）に、外界光Ｌ３が観察者の瞳（観察者眼ＥＹ）に導かれる様子を示す。ホログラム光学素子１３はＧ領域の回折特性Ｄ（λ）が低いため、そのホログラム光学素子１３に入射した外界光Ｌ３のうち、Ｇ領域の外界光Ｌ３は少ない光量損失で透過することができる。ヒトの瞳が明るさを強く感じるＧ領域の光量損失が少ないため、視感度透過率Ｔｖが高くなり、観察者は高いシースルー性で外界を見ることができる。

上述した観点から、本発明の実施の形態に係る映像表示装置では、可視光からなる映像光の発光により映像を表示する映像表示素子と、前記映像光を回折反射するホログラム光学素子と、を有する構成とし、前記映像表示素子が前記映像光において三原色ＲＧＢの発光ピーク波長を有し、前記ホログラム光学素子が前記発光ピーク波長に対応する回折ピーク波長を有する構成としている。そして、前記式（Ｄｂ），（Ｄｇ），（Ｄｒ）で表されるホログラム光学素子におけるＲＧＢの回折量に関して、
波長４００〜４９０ｎｍにおける回折量をＢの回折量とし、
波長４９０〜５８０ｎｍにおける回折量をＧの回折量とし、
波長５８０〜６８０ｎｍにおける回折量をＲの回折量とし、
（Ｂの回折量）／（ＲＧＢの回折量の合計）をＢの回折量比とし、
（Ｇの回折量）／（ＲＧＢの回折量の合計）をＧの回折量比とし、
（Ｒの回折量）／（ＲＧＢの回折量の合計）をＲの回折量比とすると、
Ｇの回折量比が５〜２５％であり、かつ、ＲＧＢの回折量比のうちで最も小さい構成になっている。

ホログラム光学素子の回折特性Ｄ（λ）を、Ｇの回折量比が５〜２５％となるように調整すると、ホログラム光学素子のＧの回折効率を低くすることができるため、結果としてホログラム光学素子の視感度透過率Ｔｖが高くなって、高いシースルー性で外界像の観察が可能となる。比視感度が最も高いＧ領域の回折量を小さくするほど、ホログラム光学素子の視感度透過率Ｔｖを高くすることができるが、Ｇの回折量比が５％より小さくなると、ＲＧＢの強度の差が大きくなりすぎるため、良好なカラーバランスを得ることが困難になる。また、Ｇの回折量比が２５％より大きくなると、ＲＧＢの発光効率比を同じにしたときとほとんど変わらず、シースルー性に対して明確な効果が得られない。

Ｇの回折量比の更に好ましい範囲は５〜２０％である。この条件範囲は、上述した条件範囲５〜２５％のなかでも、前記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定している。したがって、Ｇの回折量比として好ましくは５〜２０％を満たすことにより、上記効果をより一層大きくすることができる。つまり、Ｇの回折量比が２０％より小さいときは更に顕著な効果が得られる。

また、前記式（Ｌｂ），（Ｌｇ），（Ｌｒ）で表される映像表示素子におけるＲＧＢの発光量に関しては、
波長４００〜４９０ｎｍにおける発光量をＢの発光量とし、
波長４９０〜５８０ｎｍにおける発光量をＧの発光量とし、
波長５８０〜６８０ｎｍにおける発光量をＲの発光量とし、
（Ｂの発光量）／（ＲＧＢの発光量の合計）をＢの発光量比とし、
（Ｇの発光量）／（ＲＧＢの発光量の合計）をＧの発光量比とし、
（Ｒの発光量）／（ＲＧＢの発光量の合計）をＲの発光量比とすると、
ＲＧＢの発光量比がＲ：Ｇ：Ｂ＝１：１：１からずれており、Ｇの発光量比が５０〜９０％であり、かつ、ＲＧＢの発光量比のうちで最も大きいことが好ましい。

映像表示素子の発光特性Ｌ（λ）を、ＲＧＢの発光量比がＲ：Ｇ：Ｂ＝１：１：１からずれて、Ｇの発光量比が５０〜９０％となり、かつ、ＲＧＢの発光量比のうちで最も大きくなるように調整すると、良好なカラーバランスを得ることができる。つまり、ホログラム光学素子の回折特性Ｄ（λ）だけでなく、映像表示素子の光強度である発光特性Ｌ（λ）も組み合わせて調整することにより、シースルー性の向上とともに表示映像の画質の向上も可能となる。

例えばハーフミラーを用いた構成では、回折特性Ｄ（λ）を波長によってコントロールすることは難しいが、ホログラム光学素子を用いた構成では、材料や露光強度を変えることによって容易に回折特性Ｄ（λ）を波長ごとにコントロールすることができる。その特性を活かすために、映像表示素子の発光をＲ：Ｇ：Ｂ＝１：１：１ではないＧ強度の強いものに設定することで、観察者の瞳に白色映像を導くことが可能となる。ホログラム光学素子の回折特性Ｄ（λ）をＧの回折量比が５〜２５％となるように調整した場合、その低い回折特性Ｄ（λ）に対応するように、映像表示素子の発光特性Ｌ（λ）をＧの発光量比が５０％以上となるように調整することが、良好なカラーバランスを得るうえで望ましい。しかし、映像表示素子の発光特性Ｌ（λ）をＧの発光量比が９０％より大きくなるように調整すると、カラーバランスが低下する傾向となる。

Ｇの発光量比の更に好ましい範囲は６０〜９０％である。この条件範囲は、上述した条件範囲５０〜９０％のなかでも、前記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定している。したがって、Ｇの発光量比として好ましくは６０〜９０％を満たすことにより、上記効果をより一層大きくすることができる。つまり、Ｇの発光量比が６０％より大きいときは更に顕著な効果が得られる。

前記映像光が、前記ホログラム光学素子での回折反射により、ＸＹＺ表色系における色度ｘ，ｙともに０．３３±０．０５の白色の再生像光となることが好ましい。このようにホログラム光学素子の回折特性Ｄ（λ）を調整すると、良好なカラーバランスを得ることができるため、観察者の瞳に白色映像を導くことが可能となる。なお、映像表示素子の発光特性Ｌ（λ）とＲＧＢそれぞれの等色関数とホログラム光学素子の回折特性Ｄ（λ）の積分とから、ＸＹＺ表色系のＸ，Ｙ，Ｚを想定でき、色度ｘ，ｙはそれぞれＸ／（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ），Ｙ／（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ）で表わされる。

図２に、映像表示装置の一実施の形態を模式的に示す。図２に示す映像表示装置１は、光学デバイス１０と映像表示素子２０を有している。光学デバイス１０は、透明な第１，第２のプリズム１１，１２；ホログラム光学素子１３等で構成されており、第１のプリズム１１と第２のプリズム１２との間にホログラム光学素子１３を有する構造になっている。ホログラム光学素子１３は第１のプリズム１１に貼り付けられており、第１，第２のプリズム１１，１２間に設けられた接着剤１４で、第１のプリズム１１と第２のプリズム１２とがホログラム光学素子１３を挟むようにして接合されている。つまり、第１のプリズム１１及びホログラム光学素子１３と第２のプリズム１２との間に設けられた接着剤１４で、第１のプリズム１１と第２のプリズム１２とが接合された構造になっている。透明なプリズム１１，１２の接合面上にホログラム光学素子１３が設けられているため、接合面を介した外界像のシースルー性（コンバイナ機能）が確保される。

映像表示装置１は、光学デバイス１０の他に、可視光からなる映像光の発光により映像を表示する映像表示素子２０を備えている。映像表示素子２０としては、例えば、反射型又は透過型の液晶表示素子(ＬＣＤ：liquid crystal display)，デジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)，有機ＥＬ(organic electro-luminescence)ディスプレイ等が挙げられる。さらに、映像表示素子２０を照明するための照明装置を配置してもよい。照明装置としては、ＬＥＤ(light emitting diode)等の光源，集光用光学素子（レンズ，ミラー等）で構成された照明光学系等を備えたものが挙げられる。

図２では、光学デバイス１０使用時のホログラム光学素子１３でのホログラム再生を示している。ホログラム再生では、第１のプリズム１１上に形成されているホログラム光学素子１３に映像光（再生照明光）Ｌ１が入射すると、再生像光Ｌ２が回折反射される。その再生像光Ｌ２は、ホログラム光学素子１３を透過した外界光Ｌ３と共に、観察者眼ＥＹに入射することになる。したがって、観察者は表示映像と共に外界像も観察することができる。また、透明基材である第１のプリズム１１は、映像表示素子２０からの映像光Ｌ１を内部で全反射させてホログラム光学素子１３に導光する構成になっているため、映像表示素子２０から発光した映像光Ｌ１を無駄なく利用して、観察者に明るい映像を提供することができる。

映像表示素子２０は映像光Ｌ１において三原色ＲＧＢの発光ピーク波長を有し、ホログラム光学素子１３は発光ピーク波長に対応する回折ピーク波長を有する。Ｇの回折量比は５〜２５％であり、かつ、ＲＧＢの回折量比のうちで最も小さくなっている。ＲＧＢの発光量比はＲ：Ｇ：Ｂ＝１：１：１からずれており、Ｇの発光量比は５０〜９０％であり、かつ、ＲＧＢの発光量比のうちで最も大きくなっている。映像光Ｌ１は、ホログラム光学素子１３での回折反射により、ＸＹＺ表色系における色度ｘ，ｙがともに０．３３±０．０５の白色の再生像光Ｌ２となる。ホログラム光学素子１３の回折特性Ｄ（λ）ではＧの回折作用が弱くなっており、映像表示素子２０の発光特性Ｌ（λ）ではＧの発光が強くなっているため、シースルー性とカラーバランスが共に良好になっている。したがって、外界像に映像が重ねられたシースルー表示において、表示映像の画質を高く保持しつつ外界像の観察を高いシースルー性で行うことが可能である。

光学デバイス１０は、接合された第１，第２のプリズム１１，１２間のホログラム光学素子１３を介して映像表示素子２０の映像が外界像に重なるように、その表示映像を拡大虚像として観察者眼ＥＹにシースルーで投影表示する接眼光学系として機能する。そのため、ホログラム光学素子１３は体積位相型の反射型ホログラムであることが望ましい。体積位相型の反射型ホログラムは外界像の光の透過率が高いので、ホログラム光学素子１３として体積位相型の反射型ホログラムを用いれば、観察者は表示映像と共に外界像も明瞭に観察することが可能になる。

図３に、映像表示装置１（図２）の更に具体的な光学構成を示す。図３では、照明装置等を備えた映像表示装置１における光源２１から光学瞳ＥＰまでの光路を示している。この映像表示装置１は、照明装置の他に、偏光板２４と、偏光ビームスプリッター２５と、映像表示素子２０と、接眼光学系として機能する光学デバイス１０と、を有している。

照明装置は、映像表示素子２０を照明するものであり、光源２１と、照明ミラー２２と、拡散板２３と、を有している。光源２１は、発光ピーク波長が例えば４５０ｎｍ，５３２ｎｍ，６４０ｎｍとなる３つの波長帯域の光を発するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。照明ミラー２２は、光源２１から出射した光（照明光）を拡散板２３に向けて反射させるとともに、光学瞳ＥＰと光源２１とが略共役となるように、照明光を曲げる光学素子（例えば、自由曲面ミラー）である。拡散板２３は、光源２１からの照明光を拡散させるものであり、その拡散度は方向によって異なっている（例えば、横方向にのみ拡散作用を有する１方向拡散板である。）。

偏光板２４は、その表面に拡散板２３が貼り合わせ保持されており、拡散板２３を介して入射する光のうち、所定の偏光方向の光を透過させて偏光ビームスプリッター２５に導く。偏光板２４を透過した偏光が偏光ビームスプリッター２５で反射されるように、偏光ビームスプリッター２５の方向は揃えてある。偏光ビームスプリッター２５は、偏光板２４を透過した光を反射型の映像表示素子２０の方向に反射させる一方、映像表示素子２０で反射された光のうち、画像信号オンに対応する光（偏光板２４を透過した光とは偏光方向が直交する光）を透過させる平板状の偏光分離素子であり、プリズム１１のプリズム面１１ｃに貼り付けられている。

映像表示素子２０は、照明装置からの光（つまり、偏光ビームスプリッター２５で反射された光）を変調して映像ＩＭを表示する映像表示素子であり、この映像表示装置１では反射型の液晶表示素子を想定している。なお、映像表示素子２０はカラーフィルターを有する構成であってもよいし、ＲＧＢごとに時分割で駆動される構成であってもよい。

映像表示素子２０は、偏光ビームスプリッター２５からほぼ垂直に入射する光がほぼ垂直に反射されて偏光ビームスプリッター２５に向かうように配置されている。これにより、反射型の映像表示素子に対して大きな入射角で光を入射させる構成に比べて、解像度を増大させるような光学設計が容易になる。また、映像表示素子２０は、照明ミラー２２から偏光ビームスプリッター２５に向かう光路に対して光源２１と同じ側に配置されている。これにより、照明装置から映像表示素子２０までの光学系全体をコンパクトに構成することができる。なお、映像表示素子２０は、光源２１と同一の基板で支持されていてもよいし、別々の基板で支持されていてもよい。

光学デバイス１０は、プリズム１１，プリズム１２及びホログラム光学素子１３を有しており、プリズム１１，１２は、プラスチック（例えば、アクリル系樹脂，ポリカーボネート，シクロオレフィン樹脂等）で構成されている。光学デバイス１０は、非軸対称（非回転対称）な正の光学的パワーをホログラム光学素子１３に有しており、それにより映像表示素子２０からの映像光を光学瞳ＥＰに導くための接眼光学系として機能する。プリズム１１は、映像表示素子２０から偏光ビームスプリッター２５を介して入射してくる映像光を内部で導光する一方、外界像の光（外界光）を透過させるものであり、平行平板の上端部を上端に向かうほど厚くし、下端部を下端に向かうほど薄くした形状で構成されている。

プリズム１１において偏光ビームスプリッター２５が貼り付けられているプリズム面１１ｃは、映像表示素子２０からの映像光が最初に入射する光学面である。また、光学瞳ＥＰとほぼ平行に位置して互いに対向する２つのプリズム面１１ａ，１１ｂは、映像光を全反射によって導光する全反射面となっている。そのうち、光学瞳ＥＰ側のプリズム面１１ａは、ホログラム光学素子１３で回折反射される映像光の出射面を兼ねている。

プリズム１１は、その下端部に配置されるホログラム光学素子１３を挟むように、接着剤１４でプリズム１２と接合されて、略平行平板を形成している。プリズム１２をプリズム１１と貼り合わせることで、外光がプリズム１１の楔状の下端部を透過するときの屈折をプリズム１２でキャンセルすることができ、観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。ホログラム光学素子１３は、プリズム１１のプリズム面１１ｄに接して設けられており、プリズム１１内部で導光された映像光を回折反射する体積位相型で反射型のホログラム光学素子である。そして、ホログラム光学素子１３のＲＧＢの回折波長は、ＲＧＢの映像光の波長（光源２１の発光波長）とほぼ対応している。

上記の構成において、照明装置の光源２１から出射された光は、照明ミラー２２で反射され、拡散板２３にて一方向にのみ拡散された後、所定の偏光方向の光のみが偏光板２４を透過する。そして、偏光板２４を透過した光は、偏光ビームスプリッター２５で反射され、映像表示素子２０に入射する。映像表示素子２０では、入射光が画像信号に応じて変調される。このとき、画像信号オンに対応する映像光は、映像表示素子２０にて入射光とは偏光方向が直交する光に変換されて出射されるため、偏光ビームスプリッター２５を透過してプリズム面１１ｃからプリズム１１の内部に入射する。一方、画像信号オフに対応する映像光は、映像表示素子２０にて偏光方向が変換されずに出射されるため、偏光ビームスプリッター２５で遮断されて、プリズム１１の内部に入射しない。

プリズム１１では、入射した映像光がプリズム１１の対向する２つのプリズム面１１ａ，１１ｂでそれぞれ１回ずつ全反射された後、ホログラム光学素子１３に入射する。ホログラム光学素子１３では、特定の波長（ＲＧＢに対応する３つの波長）の光のみが回折反射されてプリズム面１１ａから出射し、光学瞳ＥＰに達する。したがって、観察者は光学瞳ＥＰの位置で映像表示素子２０に表示された映像ＩＭを虚像として観察することができる。一方、プリズム１１，プリズム１２及びホログラム光学素子１３は、外光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界像をシースルーで観察することができる。したがって、映像表示素子２０に表示された映像ＩＭの虚像は、外界像の一部に重なって観察されることになる。

ホログラム光学素子１３は、映像表示素子２０に表示される映像と外界像とを同時に観察者眼ＥＹに導くコンバイナを構成しているので、観察者は、ホログラム光学素子１３を介して、映像表示素子２０から提供される映像と外界像とを同時に観察することができる。したがって、上述した映像表示装置１（図１〜図３）を搭載することにより、光学デバイス１０で映像ＩＭを観察者眼ＥＹにシースルーで投影表示する機能を備えた光学シースルーディスプレイを構成することができる。

上記のように、光学シースルーディスプレイにおいて映像表示装置１を搭載することにより、ホログラム光学素子１３で映像を観察者眼ＥＹにシースルーで投影表示する機能を備えることが望ましい。また、その光学シースルーディスプレイは、ホログラム光学素子１３が観察者眼ＥＹの前方に位置するように映像表示装置１を支持する（つまり、観察者の眼前で支持する）支持部材を備えたヘッドマウントディスプレイであることが望ましい。映像表示装置１はシースルー性が高いため、観察者の眼前で映像を表示する配置にすれば、高い映像表示効果を得ることができる。光学シースルーディスプレイとしては、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ），ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）等が挙げられる。また、ヘッドマウントディスプレイの形態としては眼鏡型，ヘルメット型等が挙げられ、ヘッドアップディスプレイの用途としては自動車の運転用，飛行機の操縦用等が挙げられる。ここでは、映像表示装置１を備えた眼鏡型のヘッドマウントディスプレイと、映像表示装置１を備えた車載用のヘッドアップディスプレイと、を例示して以下に説明する。

図４に、映像表示装置１を備えた眼鏡型のヘッドマウントディスプレイ２Ａの概略構成を示す。ヘッドマウントディスプレイ２Ａは、上述した映像表示装置１と、支持部材３とで構成されている。映像表示装置１の映像表示素子２０や照明装置等は、筐体７内に収容されており、接眼光学系である光学デバイス１０の上端部も筐体７内に位置している。光学デバイス１０は、上述したようにプリズムである２枚のプリズム１１，１２の貼り合わせによって構成されており、全体として眼鏡の一方のレンズ（図４では右眼用レンズ）のような形状をしている。

また、筐体７内の映像表示素子２０，光源２１等は、筐体７を貫通して設けられるケーブル８を介して、回路基板（不図示）と接続されており、回路基板から映像表示素子２０，光源２１等に駆動電力や映像信号が供給される。なお、映像表示装置１は、静止画や動画を撮影する撮像装置，マイク，スピーカー，イヤホン等をさらに備え、外部のサーバーや端末とインターネット等の通信回線を介して、撮像画像及び表示画像の情報や音声情報をやりとり（送受信）する構成であってもよい。

支持部材３は、眼鏡のフレームに相当する支持機構であり、映像表示装置１を観察者の眼前（図４では右眼の前）で支持している。この支持部材３は、観察者の左右の側頭部にそれぞれ当接するテンプル４Ｒ，４Ｌと、観察者の鼻と当接する鼻当て５Ｒ，５Ｌと、を含んでいる。なお、支持部材３は、観察者の左眼の前でレンズ６も支持しているが、このレンズ６はダミーレンズである。

ヘッドマウントディスプレイ２Ａを観察者の頭部に装着し、映像表示素子２０に映像を表示すると、その映像光が光学デバイス１０を介して光学瞳ＥＰ（図３）に導かれる。したがって、光学瞳ＥＰの位置に観察者の瞳（観察者眼ＥＹ）を合わせることにより、観察者は、映像表示装置１の表示映像の拡大虚像を観察することができる。また、これと同時に、観察者は光学デバイス１０を介して、外界像をシースルーで観察することができる。なお、映像表示装置１を２つ用いて両眼で映像を観察できるようにしてもよい。

上記のように、映像表示装置１が支持部材３で支持されることにより、観察者は映像表示装置１から提供される表示映像と外界像とを同時にハンズフリーで長時間安定して観察することができ、空いた手で所望の作業を行うことができる。また、観察者の観察方向が一方向に定まるので、観察者は暗環境でも表示映像を探しやすいという利点もある。したがって、このヘッドマウントディスプレイ２Ａは、視感度透過率Ｔｖの高さが重要視される薄暗い場所（例えば倉庫，工場等の屋内）で作業を行う際の使用に適している。また、ロービジョン、特に夜盲の方向けの視覚補助装置として眼前に装着するタイプの使用にも適している。例えば、外界の映像をカメラで撮影して映像表示装置１に表示しているときに、外界が暗くなって映像表示が困難になっても、高い視感度透過率Ｔｖにより外界像をシースルーで観察することができる。

図５に、映像表示装置１を備えた車載用のヘッドアップディスプレイ２Ｂの概略構成を示す。ヘッドアップディスプレイ２Ｂの主要な構成要素は映像表示装置１であり、映像表示装置１は、ホログラム光学素子１３が観察者眼ＥＹの前方（つまり、運転手の眼前）に位置するように配置される。ホログラム光学素子１３は、フロントガラス３０の表面又は内部に設けられており、映像表示素子２０に情報（例えばナビゲーション）が映像表示されて、その映像光（再生照明光）Ｌ１がホログラム光学素子１３に入射すると、再生像光Ｌ２が回折反射される。その再生像光Ｌ２は、ホログラム光学素子１３を透過した外界光Ｌ３と共に、観察者眼ＥＹに入射することになる。

映像表示素子２０に表示される映像は観察者眼ＥＹにシースルーで投影表示されるため、前方の視界は遮断されない。夜間での使用を想定した場合、ホログラム光学素子の視感度透過率Ｔｖが低いと外界の視認性も低くなるが、ヘッドアップディスプレイ２Ｂに搭載されている映像表示装置１では、ホログラム光学素子１３の視感度透過率Ｔｖが高いため、高いシースルー性で外界像を観察することが可能である。

以上の説明から分かるように、上述した各実施の形態や後述する各実施例には以下の特徴的な構成（＃１）〜（＃６）等が含まれている。

（＃１）：可視光からなる映像光の発光により映像を表示する映像表示素子と、前記映像光を回折反射するホログラム光学素子と、を有する映像表示装置であって、
前記映像表示素子が前記映像光において三原色ＲＧＢの発光ピーク波長を有し、
前記ホログラム光学素子が前記発光ピーク波長に対応する回折ピーク波長を有し、
波長４００〜４９０ｎｍにおける回折量をＢの回折量とし、
波長４９０〜５８０ｎｍにおける回折量をＧの回折量とし、
波長５８０〜６８０ｎｍにおける回折量をＲの回折量とし、
（Ｂの回折量）／（ＲＧＢの回折量の合計）をＢの回折量比とし、
（Ｇの回折量）／（ＲＧＢの回折量の合計）をＧの回折量比とし、
（Ｒの回折量）／（ＲＧＢの回折量の合計）をＲの回折量比とすると、
Ｇの回折量比が５〜２５％であり、かつ、ＲＧＢの回折量比のうちで最も小さいことを特徴とする映像表示装置。

（＃２）：波長４００〜４９０ｎｍにおける発光量をＢの発光量とし、
波長４９０〜５８０ｎｍにおける発光量をＧの発光量とし、
波長５８０〜６８０ｎｍにおける発光量をＲの発光量とし、
（Ｂの発光量）／（ＲＧＢの発光量の合計）をＢの発光量比とし、
（Ｇの発光量）／（ＲＧＢの発光量の合計）をＧの発光量比とし、
（Ｒの発光量）／（ＲＧＢの発光量の合計）をＲの発光量比とすると、
ＲＧＢの発光量比がＲ：Ｇ：Ｂ＝１：１：１からずれており、Ｇの発光量比が５０〜９０％であり、かつ、ＲＧＢの発光量比のうちで最も大きいことを特徴とする（＃１）記載の映像表示装置。

（＃３）：前記映像光が、前記ホログラム光学素子での回折反射により、ＸＹＺ表色系における色度ｘ，ｙともに０．３３±０．０５の白色の再生像光となることを特徴とする（＃１）又は（＃２）記載の映像表示装置。

（＃４）：前記映像光を前記ホログラム光学素子に導光する透明基材を更に有し、その透明基材上に前記ホログラム光学素子が形成されており、
前記透明基材と前記ホログラム光学素子が、前記映像表示素子に表示される映像を拡大して観察者眼に虚像として導く接眼光学系を構成しており、
前記ホログラム光学素子が、前記映像表示素子に表示される映像と外界像とを同時に観察者眼に導くコンバイナを構成していることを特徴とする（＃１）〜（＃３）のいずれか１項に記載の映像表示装置。

（＃５）：（＃１）〜（＃４）のいずれか１項に記載の映像表示装置を搭載することにより、前記ホログラム光学素子で前記映像を観察者眼にシースルーで投影表示する機能を備えたことを特徴とする光学シースルーディスプレイ。

（＃６）：前記ホログラム光学素子が観察者眼の前方に位置するように前記映像表示装置を支持する支持部材を備えたことを特徴とする（＃５）記載の光学シースルーディスプレイ。

以下、本発明を実施した映像表示装置の構成等を、実施例及び比較例のデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例は、前述した実施の形態に対応する数値実施例であり、実施の形態を表す断面図（図１〜図３）は対応する実施例の光学配置，光路等を示している。また、ハーフミラーとの比較を想定しているので、比較例と実施例との違いは、ホログラム光学素子１３の回折特性Ｄ（λ）と映像表示素子２０の発光特性Ｌ（λ）にある。表１に比較例と実施例のデータを示し、図７に比較例及び実施例における白調整時の発光特性Ｌ（λ）及び回折特性Ｄ（λ）を示す。

ハーフミラーとの比較を想定しているので、比較例では白を表示するために映像表示素子２０を白で発光させる。映像表示素子２０の発光特性Ｌ（λ）では、ＲＧＢについて、発光ピーク波長を６４０ｎｍ，５３２ｎｍ，４５０ｎｍとし、半値幅を２０．０ｎｍ，１６．６ｎｍ，１４．１ｎｍとする。映像表示素子２０を白で発光させるために、色度ｘ＝０．３３，ｙ＝０．３３に調整すると、発光効率（ピーク高さ）は０．５３、０．３７、０．２９となる。この映像表示素子２０のコンバイナとしてホログラム光学素子１３を用いる場合、ホログラム光学素子１３の回折特性Ｄ（λ）では、ＲＧＢについて、回折ピーク波長を６４０ｎｍ，５３２ｎｍ，４５０ｎｍとし、半値幅を２０．０ｎｍ，１６．６ｎｍ，１４．１ｎｍとし、回折反射効率（ピーク高さ）は０．５０，０．５０，０．５０とする。このときのＲＧＢの回折量の合計に対するＧの回折量の比は３３％となる。そして、この場合の視感度透過率はＴｖ＝９０．７％となり、９．３％が損失となる。

実施例は、視感度透過率Ｔｖを向上させるために、ＲＧＢの回折量の合計に対するＧの回折量の比を１０％とした場合である。ホログラム光学素子１３の回折特性Ｄ（λ）では、ＲＧＢについて、回折ピーク波長を６４０ｎｍ，５３２ｎｍ，４５０ｎｍとし、半値幅を２０．０ｎｍ，１６．６ｎｍ，１４．１ｎｍとし、回折反射効率（ピーク高さ）を０．７０，０．１５，０．６５とする。映像表示素子２０の発光特性Ｌ（λ）では、ＲＧＢについて、発光ピーク波長を６４０ｎｍ，５３２ｎｍ，４５０ｎｍとし、半値幅を２０．０ｎｍ，１６．６ｎｍ，１４．１ｎｍとする。このとき、観察者の瞳に白映像を届けるために、色度ｘ＝０．３３，ｙ＝０．３３に調整すると、発光効率（ピーク高さ）は０．２５，０．８０，０．１５となる。この場合の視感度透過率はＴｖ＝９４．９％となり、５．１％が損失となる。つまり、比較例の約５５％の損失量となる。

実施例では主に回折効率（ピーク高さ）をコントロールした例を記載しているが、実際にはこれに限らずピーク波長位置や半値幅を変えることも有効である。また、映像表示素子２０としては、液晶表示素子等の空間変調素子にＬＥＤ等の光源を組み合わせて用いたり、有機ＥＬ等の自発光型表示素子を用いたりすることが可能であるが、この他の映像表示素子を用いてもよい。なお、ここで挙げた実施例は一例にすぎず、この実施例の範囲に限らない。

１ 映像表示装置
２Ａ ヘッドマウントディスプレイ（光学シースルーディスプレイ）
２Ｂ ヘッドアップディスプレイ（光学シースルーディスプレイ）
３ 支持部材
４Ｒ，４Ｌ テンプル
５Ｒ，５Ｌ 鼻当て
６ レンズ
７ 筐体
８ ケーブル
１０ 光学デバイス（接眼光学系）
１１ 第１のプリズム（透明基材）
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ プリズム面
１２ 第２のプリズム
１３ ホログラム光学素子
１４ 接着剤
２０ 映像表示素子
２１ 光源
２２ 照明ミラー
２３ 拡散板
２４ 偏光板
２５ 偏光ビームスプリッター
３０ フロントガラス
Ｌ１ 映像光
Ｌ２ 再生像光
Ｌ３ 外界光
ＩＭ 映像
ＥＹ 観察者眼
ＥＰ 光学瞳

Claims (6)

1. 可視光からなる映像光の発光により映像を表示する映像表示素子と、前記映像光を回折反射するホログラム光学素子と、を有する映像表示装置であって、
   前記映像表示素子が前記映像光において三原色ＲＧＢの発光ピーク波長を有し、
   前記ホログラム光学素子が前記発光ピーク波長に対応する回折ピーク波長を有し、
   波長４００〜４９０ｎｍにおける回折量をＢの回折量とし、
   波長４９０〜５８０ｎｍにおける回折量をＧの回折量とし、
   波長５８０〜６８０ｎｍにおける回折量をＲの回折量とし、
   （Ｂの回折量）／（ＲＧＢの回折量の合計）をＢの回折量比とし、
   （Ｇの回折量）／（ＲＧＢの回折量の合計）をＧの回折量比とし、
   （Ｒの回折量）／（ＲＧＢの回折量の合計）をＲの回折量比とすると、
   Ｇの回折量比が５〜２５％であり、かつ、ＲＧＢの回折量比のうちで最も小さい映像表示装置。
2. 波長４００〜４９０ｎｍにおける発光量をＢの発光量とし、
   波長４９０〜５８０ｎｍにおける発光量をＧの発光量とし、
   波長５８０〜６８０ｎｍにおける発光量をＲの発光量とし、
   （Ｂの発光量）／（ＲＧＢの発光量の合計）をＢの発光量比とし、
   （Ｇの発光量）／（ＲＧＢの発光量の合計）をＧの発光量比とし、
   （Ｒの発光量）／（ＲＧＢの発光量の合計）をＲの発光量比とすると、
   ＲＧＢの発光量比がＲ：Ｇ：Ｂ＝１：１：１からずれており、Ｇの発光量比が５０〜９０％であり、かつ、ＲＧＢの発光量比のうちで最も大きい請求項１記載の映像表示装置。
3. 前記映像光が、前記ホログラム光学素子での回折反射により、ＸＹＺ表色系における色度ｘ，ｙともに０．３３±０．０５の白色の再生像光となる請求項１又は２記載の映像表示装置。
4. 前記映像光を前記ホログラム光学素子に導光する透明基材を更に有し、その透明基材上に前記ホログラム光学素子が形成されており、
   前記透明基材と前記ホログラム光学素子が、前記映像表示素子に表示される映像を拡大して観察者眼に虚像として導く接眼光学系を構成しており、
   前記ホログラム光学素子が、前記映像表示素子に表示される映像と外界像とを同時に観察者眼に導くコンバイナを構成している請求項１〜３のいずれか１項に記載の映像表示装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の映像表示装置を搭載することにより、前記ホログラム光学素子で前記映像を観察者眼にシースルーで投影表示する機能を備えた光学シースルーディスプレイ。
6. 前記ホログラム光学素子が観察者眼の前方に位置するように前記映像表示装置を支持する支持部材を備えた請求項５記載の光学シースルーディスプレイ。

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