WO2006070723A1 - イメージコンバイナ、及び画像表示装置 - Google Patents

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WO2006070723A1
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optical
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PCT/JP2005/023745
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Yumiko Ouchi
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Nikon Corp
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    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
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    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
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    • G02B2027/011—Head-up displays characterised by optical features comprising device for correcting geometrical aberrations, distortion

Definitions

  • a so-called see-through head-mounted image display device head'mount display
  • HOE reflection type hologram optical element
  • the spot diameter of the light beam traced from the exit pupil side and imaged on the liquid crystal display element is 15 ⁇ m or more at a single wavelength of 532 nm according to the analysis of the present inventor. It becomes.
  • This value cannot be said to be a value that can cope with the miniaturization of the pixel size. This is because, for example, the pixel size of a liquid crystal display element is 15 zm for a 0.24 inch size QVGA, 12 ⁇ m for a 0.38 inch size VGA, and 11 ⁇ m for a 0.16 inch size QVGA.
  • Patent Document 1 describes that the opposite reflecting surface of the light guide plate is not a flat surface but an anamorphic aspherical surface so as to reduce decentration aberrations. It is generally difficult to form a morphic aspheric surface.
  • the wavefront shape of the reflected wave of H0E surface force is close to rotational symmetry with respect to the optical axis, the other optical systems Since a coaxial arrangement can be used, various aberrations can be corrected satisfactorily by arranging a spherical or rotationally symmetric aspherical refractive system in the optical system of the image combiner.
  • the rotationally symmetric aspheric surface preferably has positive optical power.
  • the reflection hologram optical element is preferably a volume type.
  • the reflection hologram optical element has an optical power.
  • the distance between the position A where the most off-axis principal ray from the image display means enters the rotationally symmetric aspheric surface and the rotational center axis of the rotationally symmetric aspheric surface is defined as h
  • the vertex B of the rotationally symmetric aspheric surface is defined.
  • the amount of displacement in the direction of the central axis of rotation from position A to sphere C is defined as dx.
  • the absolute value of the divided quotient is greater than 0.001 and greater than 0.1 / J.
  • An image display device of the present invention is characterized by including the above-described image combiner and an image display element that causes a light beam indicating a display image to enter the image combiner as an image display unit.
  • FIG. 3 is a graph showing the phase function of the reflective HOE of Example 1.
  • FIG. 8 is a configuration diagram of an image display device of Example 2.
  • FIG. 13 is an aberration diagram showing lateral aberration and distortion in Example 2.
  • FIG. 14 is a configuration diagram of an image display device of Example 3.
  • FIG. 15 is a graph showing the phase function of the reflective HOE of Example 3.
  • FIG. 20 After subtracting the slope component that converts the traveling direction of the wavefront from the phase function of the reflective HOE surface of the optical system of Example 1 of Patent Document 1, the power component in the wavefront shape conversion is subtracted. It is a graph obtained by subtracting.
  • FIG. 21 After subtracting the slope component that converts the traveling direction of the wavefront from the phase function of the reflective HOE surface of the optical system of Example 1 of Patent Document 2, the power component of the wavefront shape conversion is calculated. It is a graph obtained by subtracting.
  • the image display element 6 includes a transmissive liquid crystal display element 7, an LED 8 disposed behind the transmissive liquid crystal display element 7 (on the side opposite to the image combiner 4), and a reflecting mirror 10 such as a parabolic mirror.
  • the transmissive liquid crystal display element 7 spatially modulates the light source light emitted from behind, and transmits a light beam that becomes a display image.
  • points Al and A2 indicate the positions of both ends of the transmissive liquid crystal display element 7 on the entire pixel region, and the point AO indicates the center of the pixel region.
  • the image display element 6 may be configured using a reflective liquid crystal display element, a self-luminous element, or the like.
  • the plate-like portion 12 is mounted on the observer's head through the support member in the same manner as the glasses, and is disposed in front of the observer's eyes.
  • P in the figure indicates the exit pupil for the light from the image display element 6, and P0 indicates the center of the exit pupil P.
  • the image combiner 4 is mounted on the observer's head so that the position of the exit pupil P substantially coincides with the position of the pupil of the observer's eye. Therefore, the position of the center P0 of the exit pupil almost coincides with the center position of the pupil of the observer's eye.
  • the image display element 6 and the projection lens 20 are also supported by the support member, and the image display element 6 is disposed, for example, obliquely above or to the side of the observer's eye. This is to prevent the observer from observing the outside world and to prevent the observer from getting in the way when wearing the image display device 2.
  • the image display element 6 may be arranged at another appropriate location, and the display image may be guided to the position of the image display element 6 in the figure by the relay optical system, or the image display element 6 may be used by using a scanning optical system.
  • An aerial image may be formed at the position. This also applies to Example 3, which is a modification of the present embodiment.
  • the plate-like portion 12 has surfaces 12a and 12b that are planes along the extending direction thereof, a reflection mirror 24, and a volume type reflection type HOE 26.
  • the reflection type HOE 26 has a flat reflection surface, and is disposed in the vicinity of the position facing the observer's eye in the plate-like portion 12 when the image display device 2 is attached to the observer.
  • the image combiner 4 transmits light that passes through the plate-like portion 12 so as to pass through the thickness d of the plate-like portion 12 from the front of the plate-like portion 12, that is, to enter the surface 12b and exit from the surface 12a ( Hereinafter, the light from the image display element 6 is superimposed on the external light) and guided to the eyes of the observer.
  • the plate-like portion 12 extends below the reflective HOE 26 as shown in the figure in order to improve the see-through property of external light (similar to FIG. 13 of Patent Document 1).
  • the coordinate system in FIG. 1 is defined as follows as an example.
  • the direction from the exit pupil P to the plate-like portion 12 is defined as the positive Z-axis direction.
  • the direction of force from the reflective HOE 26 to the projection lens 20 is the positive Y-axis direction
  • the right-handed X in the direction perpendicular to the Y-axis and Z-axis Axis Defines the positive direction. That is, the left-right direction in the plane of FIG. 1 is the Z-axis direction, the up-down direction in the plane is the Y-axis direction, and the direction force perpendicular to the plane, ie, the axial positive direction.
  • the reflection type HOE 26 is disposed so as to be inclined at a predetermined angle with respect to the surfaces 12a and 12b about the X-axis direction so as to reflect light from the image display element 6 in the negative Z-axis direction.
  • a structure is produced, for example, by attaching a reflective HOE 26 to a small piece made of the same material as the plate-like portion 12, and then placing the small piece in a mold forming the plate-like portion 12. It can be produced by pouring the material into the formwork in a state where the material is melted, or the material that becomes the plate-like part 12 after curing in the form of a resin precursor.
  • the reflective HOE 26 has optical power so as to have a predetermined imaging action, and the wavelength of the diffraction efficiency peak thereof substantially matches the maximum portion of the wavelength width of the light emitted from the image display element 6. .
  • the reflection type HOE 26 it is preferable to use a reflection type with high wavelength selectivity so as not to prevent external light from passing through the plate-like portion 12 as much as possible.
  • a reflective H OE26 that has wavelength selectivity for three wavelengths in a narrow wavelength range representing the three primary colors of red, green, and blue can be used to colorize the displayed display image. Good.
  • the reflective HOE 26 does not necessarily have optical power, but it is preferable to have some optical power in terms of aberration correction.
  • the hologram photosensitive material constituting the reflective HOE26 includes, for example, a photopolymer, a photoresist, a photochromic, a photodic mic, a silver salt emulsion, a dichromated gelatin, a diced mate gelatin, a plastic, a ferroelectric, A magneto-optical material, an electro-optical material, an amorphous semiconductor, a photorefractive material, or the like may be used. Then, according to a known method, the reflection type HOE 26 can be manufactured by simultaneously irradiating the light-sensitive material with light from two light sources using a manufacturing optical system.
  • Light that has passed through an arbitrary point on the pixel area of the transmissive liquid crystal display element 7 is incident from the lens surface 21 of the projection lens 20, is regularly reflected by the bottom surface 22, and the lens surface 23 (rotation) Eject from a symmetric aspheric surface.
  • the light emitted from the projection lens 20 enters the plate-like part 12 from the region R1 of the surface 12a of the plate-like part 12, is deflected and reflected downward in the figure by the reflecting mirror 24, and is incident on the region R2 of the surface 12a from the critical angle. Incident at a large incident angle and totally reflected in region R2.
  • This reflected light sequentially enters the region R3 of the surface 12b of the plate-like part 12, the R4 of the surface 12a, the R5 of the surface 12b, and the R6 of the surface 12a at an incident angle larger than the critical angle, and repeated total reflection.
  • reflective type H ⁇ Incident on E26 The incident light is reflected and reflected by the reflection type HOE 26 and is emitted from the region R7 of the surface 12a of the plate 12 to the outside of the plate 12.
  • the light emitted from the same part of the transmissive liquid crystal display element 7 forms a magnified virtual image at a position at infinity or a predetermined distance from the exit pupil P. It enters the pupil of the eye.
  • the light emitted from the image display element 6 and diffracted and reflected by the reflective HOE 26 and reaching the observer's eyes usually depends on the emission spectral characteristics of the LED 8 and the wavelength selectivity of the reflective HOE 26. It has only one wavelength region component. For example, when a white LED 8 is used, it is possible to have a plurality of discrete wavelength region components by using a reflective HOE 26 that supports color as described above. .
  • the light is emitted from the center AO of the transmissive liquid crystal display element 7 and Consider a ray that reaches the center P0.
  • the light beam which is the approximate center wavelength of the wavelength region of this light beam, is defined as the principal ray, and when it has a plurality of discrete wavelength regions, it is an abbreviation of the wavelength region on the shortest wavelength side.
  • the light beam that is the central wavelength is defined as the chief ray.
  • the principal ray path is defined as the optical axis of the entire image display device 2. In this embodiment, the optical axis has a shape in which line segments that are inclined with respect to each other are not connected by a single straight line. These points are the same in the third embodiment which is a modification.
  • the distance to the position where members other than the shape part 12 block the transmission of external light is defined as the half boxing size.
  • the half-boxing size corresponds to the length L indicated by the arrow in Fig. 1.
  • the image display device 2 is assumed to be placed in front of the observer's eyes. For this reason, it is desirable that the half-boxing size is long, and that is desirable. .
  • the half-bottoming size should be about 15 mm or more on one side. If the left and right direction seen from the observer when the observer wears the image display device 2 is made to coincide with the Y-axis direction, the half boxing size should be about 20 mm or more on one side. [0036] In addition, since it is desirable that the image display device 2 is light, it is preferable that the thickness d of the plate-like portion 12 (the interval between the surfaces 12a and 12b) is thin.
  • the incident angle and the reflection angle of the light incident on the reflection surface of the reflective HOE 26 are approximately equal, the light from the image display element 6 is repeatedly reflected in the plate-like portion 12. In this case, the incident angle at which the light enters the surfaces 12a and 12b is also reduced. In this case, the total optical path length of the light beam repeatedly reflected by the surfaces 12a and 12b is shorter than that in the state of FIG. 1, so the half-bottoming size is shortened.
  • the half boxing force becomes longer.
  • the effective diameter of the reflective HOE 26 is smaller in the Y-axis direction. Become. That is, the cross-sectional area of the total luminous flux reflected in the line-of-sight direction by the reflective HOE 26 is reduced. In that case, the luminous flux necessary for projecting the display image on the transmissive liquid crystal display element 7 will be vignetted, and the ambient light will be greatly reduced.
  • ⁇ is 25 ° or more 35 ° Desirably below.
  • the center of the reflective surface of the reflective HOE 26 is located in the middle of the surfaces 12a-12b.
  • the refractive index of the plate-like part 12 measured using the d-line (587.56 nm) is nd
  • the distance from the lens surface 23 to the surface 12a of the plate-like part 12 is t
  • the exit pupil P The distance to is ER.
  • the air conversion distance S measured along the optical axis from the emergence of the principal ray from the lens surface 23 until reaching the exit pupil P is expressed by the following equation.
  • the present inventor embodies the image display device 2 of the present embodiment as Example 1 and Example 2 using code V manufactured by Optical Research Associates of the United States as an optical design program, and modifications thereof.
  • An example was embodied as Example 3.
  • optical quantities common to Embodiments 1 to 3 a method of defining a reflection type HOE 26 hologram, and a method of defining a rotationally symmetric aspheric surface will be described below. Since the third embodiment is a modified example, a force in which the reference numerals of the corresponding members are different from those of the image display device 2 described above.
  • the refractive index nd of the plate-like material is 1.596229, and the Abbe number vd is 40.4.
  • a film having a thickness of 20 zm, a refractive index of 1.493, and a refractive index modulation of 0.0224 is used.
  • the hologram of the reflection type HOE26 is uniquely defined by defining two light beams used for exposure at the time of production.
  • the two light beams are defined by the information on whether the outgoing beam from each light source converges or diverges and the position of the light source.
  • first light source the first point light source
  • second light source the second point light source
  • the coordinates of the first light source are ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ) and the coordinates of the second light source are (HX2, HY2, HZ2) (see Table 1, Table 4, and Table 7 below).
  • the reflective HOE 26 has a phase function component in order to optimize the imaging performance.
  • the phase function defines an aspheric phase transformation amount other than that defined by the two point light sources at the time of fabrication.
  • the polynomial coefficients of the X and Y axis components, etc. Can be specified using.
  • the reflection surface of the reflection type ⁇ 26 is the ⁇ coordinate surface, and the optical path difference received by the light incident on the position indicated by the coordinates ( ⁇ , ⁇ ) is expressed as a value normalized by the wavelength used.
  • m and n are integers, the phase function can be defined by specifying the coefficient of the polynomial expressed by the following equation.
  • Equation (3) Up to 65 coefficients can be specified in equation (3), which are defined in order as C1, C2, C3, '' ', C65, and the order of the coefficients is represented by an integer j. At this time, the relationship is established so that the following relationship holds between integers m and n indicating the degree of the X and Y coordinates.
  • phase function ⁇ is defined by a polynomial expressed by the following equation.
  • the rotationally symmetric aspherical surface used on the lens surface 23 of the projection lens 20 is the lens surface when the rotation center axis (optical axis) is the axis and the intersection of the rotationally symmetric aspherical surface and the optical axis is the origin. It is defined by the saddle coordinate value at the upper point (x, y), that is, the sag amount Z.
  • This sag amount Z is expressed by the following equation.
  • Y is the shortest distance between any vertex on the rotationally symmetric aspheric surface and the optical axis
  • CURV the vertex curvature
  • K is the conic constant
  • A is the fourth-order aspheric coefficient
  • B is the 6th-order aspheric coefficient
  • an enlarged virtual image of the display image of the image display element 6 is formed at a position where the distance from the exit pupil P is 600 mm, and the diameter of the exit pupil P is 3 mm. Designed.
  • Example 1 is an example in which the half boxing size L is 23.6 mm and the air conversion distance S is 35.5 mm, and the optical path diagram is the same as FIG.
  • the transmissive liquid crystal display element 7 is equivalent to 0.24 inches, and the total pixel area size is 3.6 mm X 4.8 mm (the length between points A 1 and A2 in Fig. 1 is 3.6 mm, the length in the X-axis direction) Is 4.8mm).
  • the viewing angle in the Y-axis direction in Fig. 1 is 10. ( ⁇ 5 °) and the viewing angle in the X-axis direction is ⁇ 6.66 °.
  • the wavelength used is about 480 nm to about 540 nm.
  • the exposure wavelength during production of the reflective HOE26 is 532 nm, and the shrinkage of the emulsion at that time is 2%. Furthermore, based on the experimental results, the refractive index shift after emulsion processing (development processing, hereinafter referred to as processing) is set to 0.029. The wavelength of the reproduction light changes due to the change in the physical properties of the emulsion after processing, and the central wavelength of reproduction of the axial light beam is 519.3 nm. Various amounts for ray tracing in Example 1 are shown in Table 1 below.
  • HX2 0.000000
  • HY2 0.162287 X 10 3
  • HZ2 -(). 159682 X 10 3
  • the order of ray tracing is the order from the pupil plane of the observer's eye (plane of the exit pupil P) to the image display element 6, in that order 1 to: 14
  • the corresponding face number is assigned.
  • the symbols in Figure 1 are shown in parentheses. This notation is the same for other tables described later.
  • the optical axis (or its normal if it is a plane) is the Z axis, and local coordinates LX, LY, and LZ are defined with the intersection of the optical axis and the surface as the origin. To do. Table 3 below shows the position where the chief ray reaches each surface by tracking the chief ray and is expressed in local coordinates.
  • the most off-axis chief ray in this specification is a directional ray that emerges from any of the four corners of the entire pixel area of the transmissive liquid crystal display element 7 and reaches the center PO of the exit pupil.
  • the distance h between the position A where the most off-axis principal ray enters the rotationally symmetric aspheric surface and the optical axis is 5.14 mm as shown in the figure.
  • the displacement dx measured in the optical axis direction from the position where the most off-axis principal ray enters the spherical surface to the position A is 0.0483 mm as shown in the figure.
  • Fig. 7 (a) shows the lateral aberration in the X direction of the principal ray passing through the X direction angle of view of 6.66 ° and the Y direction angle of view of 5 ° on the right side, and the lateral aberration in the ⁇ direction on the left side.
  • Fig. 7 (b) shows the lateral aberration in the X direction of the principal ray passing through the X direction field angle of 3.33 ° and the ⁇ direction field angle of 2.5 ° on the right side and the lateral aberration in the ⁇ direction on the left side.
  • Fig. 7 (b) shows the lateral aberration in the X direction of the principal ray passing through the X direction field angle of 3.33 ° and the ⁇ direction field angle of 2.5 ° on the right side and the lateral aberration in the ⁇ direction on the left side.
  • FIG. 7 (e) shows the lateral aberration in the X direction of the principal ray passing through the X direction angle of view –6.66 ° and the Y direction angle of view –5 ° on the right side, and the lateral aberration in the vertical direction on the left side.
  • Fig. 7 (f) shows the normal length as half of the diagonal line of the entire pixel area of the transmissive liquid crystal display element 7 as L, the distance from the center on the vertical axis, and the distortion (%) on the horizontal axis. It is a graph.
  • the principal ray passes through the origin of the local coordinates, and the incident angle of the principal ray on the refracting surface is 0 °.
  • FIG. 9 is a graph showing the phase function of the reflective HOE of Example 2.
  • FIG. 10 is a graph obtained by subtracting the power component of wavefront shape conversion from the number of correlations in FIG. 9 after subtracting the slope component that converts the traveling direction of the wavefront.
  • the phase function that defines the reflective HOE 26 is the progression of the phase function.
  • the phase distribution excluding the row direction conversion component and the power component is almost symmetrical with respect to the X axis direction and the Y axis direction.
  • FIG. 12 shows the shape of the rotationally symmetric aspherical surface (lens surface 23) of Example 2 with a solid line, and the shape of the spherical surface represented by the vertex curvature radius of the rotationally symmetric aspherical surface with a dotted line. It is the graph shown.
  • the rotationally symmetric aspherical surface of Example 2 also has a larger radius of curvature as it moves away from the optical axis with the smallest radius of curvature on the optical axis, as in Example 1.
  • the distance h between the position ⁇ ⁇ where the most off-axis chief ray is incident on the rotationally symmetric aspherical surface and the optical axis is 3.71 mm as shown in the figure.
  • the displacement dx measured in the optical axis direction from the position A to the spherical surface represented by the radius of curvature of the vertex on the optical axis in the rotationally symmetric aspherical surface is 0.0192 mm as shown in the figure. Therefore, the numerical value corresponding to the conditional expression (1) is
  • 0.005, and the expression (1) is also satisfied in the second embodiment.
  • FIG. 13 shows the lateral difference and distortion when the image display element 6 rays are traced from the exit pupil P in Example 2 in the same manner as FIG.
  • the solid lines in Fig. 13 (a) and (e) are the wavelengths at which the diffraction efficiency peaks, and the dotted line and the alternate long and short dash line are the half-width wavelengths relative to the peaks.
  • the angle of view is ⁇ 4.08 degrees in the X direction and ⁇ 4.4 ° in the Y direction.
  • the horizontal axis indicates the position on the exit pupil P plane, and the vertical axis indicates the position on the image plane.
  • FIG. 13 (a) to (e) is different from Fig. 7 (a) and (e) described above, and (a) is the angle of view in the X direction 4.08 ° Y direction.
  • the lateral aberration in the X direction of the chief ray passing through ° is shown on the right side, and the lateral aberration in the Y direction is shown on the left side.
  • Figure 13 (b) shows the X-direction lateral aberration of the principal ray passing through the X-direction angle of view of 2.04 ° and Y-direction angle of view of 2.72 ° on the right side, and the lateral aberration in the ⁇ direction on the left side.
  • Figure 13 (c) shows the lateral aberration in the X direction of the principal ray passing through the X direction field angle of 0 ° and the ⁇ direction field angle of 0 ° on the right side, and the lateral aberration in the ⁇ direction on the left side.
  • Figure 13 (d) shows the lateral aberration in the X direction of the principal ray passing through the X direction angle of view-2.04 ° ⁇ direction angle of view-2.72 ° on the right side, and the lateral aberration in the ⁇ direction on the left side.
  • Figure 13 (e) shows the lateral aberration in the X direction of the principal ray passing through the angle of field angle of 4.08 ° in the ⁇ direction and 4.4 ° of angle in the ⁇ direction on the right side, and the lateral aberration in the ⁇ direction on the left side.
  • the ⁇ coordinate value and the ⁇ coordinate value of the first light source at the time of manufacturing the reflective ridge 26 are set to substantially infinity as in the first embodiment. Therefore, also in Example 2, the dominant diffraction wavelength varies depending on the angle of view in the ⁇ direction. As can be seen from FIGS. 13 (a) and (f), In addition, the aberration is well corrected over the entire field angle. As described above, also in Example 2, the same effect as in Example 1 can be obtained.
  • FIG. 14 shows a configuration of an image display device in Example 3 and a schematic optical path thereof.
  • the definition of the coordinate system in Fig. 14 is the same as in Fig. 1.
  • the main difference between the third embodiment and the first and second embodiments is that the projection lens 20 is not used in the third embodiment and a rotationally symmetric aspheric surface 72c is formed on the plate-like portion 72.
  • the half boxing size L in Example 3 is 20 mm.
  • the image display device 62 includes an image combiner 64 and an image display element 6.
  • the image combiner 64 includes a support member (not shown) such as the above-described frame and a plate-like portion 72.
  • One end of the plate-like portion 72 on the image display element 6 side protrudes, and the surface of the protruding portion is formed as a rotationally symmetric aspheric surface 72c.
  • a volume type reflection type HOE 76 is arranged on the opposite side to the rotationally symmetric aspheric surface 72c in the same manner as in the first and second embodiments.
  • the region R'3 of the surface 72b of the plate-like portion 72, the region R'4 of the surface 72a, the region R'5 of the surface 72b, and the region R'6 of the surface 72a are sequentially incident at an incident angle larger than the critical angle. After entering and repeating total reflection, it enters the reflective HOE76. The incident light is reflected and reflected by the reflection type HOE 76 and then emitted from the region R ′ 7 of the surface 72 a of the plate-like portion 72 to the outside of the plate-like portion 72. At this time, the light emitted from the same part of the transmissive liquid crystal display element 7 enters the pupil of the observer's eye so as to form an enlarged virtual image at a position 600 mm from the projection pupil P.
  • Example 3 As in Example 1, the angle of the line of sight with respect to the normal of the reflective surface of the reflective HOE 76 is ⁇ (°), the refractive index of the plate 72 is n, and the plate 72 faces injection from 72a
  • the distance to pupil P is ER.
  • lc be the length along the optical axis up to the region R'3 of the apex force surface 72b of the surface 72c.
  • the air conversion distance S measured along the optical axis from the principal ray incident on the rotation asymmetric surface 72c to the exit pupil P is expressed by the following equation. expressed.
  • Example 3 the size of the entire pixel region of the transmissive liquid crystal display element 7 is 3.6 mm X 4.8 mm (the length between points A1 and A2 in Fig. 14 is 3.6 mm, and the length in the X-axis direction). Is 4.8mm).
  • the exposure wavelength is 647 nm
  • the shrinkage rate of the emulsion at that time is 2%
  • the refractive index shift after processing the emulsion is 0.029
  • the center wavelength of reproduction of the axial light beam is 634.38 nm.
  • Table 7 below shows the amounts for ray tracing in Example 3 in the same manner as in Table 1 above.
  • HX2 0.000000
  • HY2 0.162287X 10 3
  • HZ2 -0.159682 X 10 3
  • Rotationally symmetric aspherical surface K 0.000000, A: - 0.118447X 10 one 3,
  • FIG. 19 shows the lateral convergence and distortion in the case of ray tracing from the exit pupil P to the image display element 6 in Example 3 in the same manner as FIG.
  • the solid lines in Figs. 19 (a) to 19 (e) are the wavelengths at which the diffraction efficiency reaches a peak, and the dotted line and the alternate long and short dash line are the half-width wavelengths for the peaks.
  • the angle of view is ⁇ 6.6 ° in the X direction and ⁇ 5 ° in the Y direction.
  • the horizontal axis shows the position on the exit pupil P plane, and the vertical axis shows the position on the image plane.
  • Example 1 an example in which the projection lens 20 provided separately from the plate-like part 12 is provided with a rotationally symmetric aspherical surface to correct aberrations is described.
  • Example 3 the plate-like part is described.
  • An example was described in which a rotationally symmetric aspherical surface was formed on a part of the surface of 72 to correct aberration.
  • the arrangement of the rotationally symmetric aspheric surface is not limited to the above form.
  • the rotationally symmetric aspherical surface may be formed on the inner surface of the light guide plate 12, for example.
  • an example is described in which aberration is corrected by one rotationally symmetric aspheric surface.
  • aberration may be corrected by providing a plurality of rotationally symmetric aspheric surfaces.
  • the present invention can be used greatly in image combiners and image display apparatuses.

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Abstract

　本発明は、ＨＯＥ（反射型ホログラム光学素子）を用いたイメージコンバイナにおいて、諸収差を補正した上で小型化することを目的とする。そのため、本発明のイメージコンバイナは、ＨＯＥを含むと共に画像表示手段から入射する光を所定位置に結像させる光学系を有し、光学系を透過する画像表示手段以外からの光に、画像表示手段からの光を重畳する。本発明では、波面変換後の位相分布の傾斜成分を除いたものが略回転対称な形状となるようにＨＯＥの位相関数を決定し、光学系内に回転対称非球面を用いる。この構成では、光学的パワーを持つＨＯＥを偏心配置しても、ＨＯＥに平面波または球面波を入射させたときに、反射波の波面形状は光軸に対し回転対称に近くなるので、他の光学系は共軸配置にできる。従って、回転対称非球面によって諸収差を補正できるので、収差補正用の複雑な光学系を組み込む必要がなく、上記課題を達成できる。                                                                             

Description

明 細 書
イメージコンパイナ、及び画像表示装置
技術分野
[0001] 本発明は、観察者の眼前に配置され、外界などの前方からの光による像に表示画 像を重畳する情報表示光学系に関する。
背景技術
[0002] 従来より、観察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見るこ 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）が知られている。これらの画像表示装置では、反射型ホログラム光学素子（ 以下、 HOEと略記）を用いることで小型軽量ィ匕を図っている。これは、波長選択性が 優れ、限られた波長領域の光のみを選択的に回折反射することができるという HOE の特性を利用したものである。従って、シースルー型の画像表示装置は、 HOEを用 レ、て構成することで、外界などの前方から入射する光量の損失を低減できる。また、 これらの画像表示装置では、さらに小型軽量化するため、画像表示素子として液晶 表示素子を用レ、、それを照明する光源として小型かつ安価である発光ダイオード（以 下、 LEDと略記）を用いている。
[0003] 近時、液晶表示素子は小型化及び高解像化が進み、その画素サイズの微細化が 進んでいる。従って、これらの画像表示装置では、画素サイズの微細化に追従して高 分解能を保っためには、全画角に亘つて諸収差が良好に補正される必要がある。一 方、コンパイナとして用いるためには、 H〇Eは光路に対して偏心して配置されること になる。そして、小型化のためには、 HOEにも光学的パワーを持たせることが好まし レ、。し力 ながら光学的パワーを持つ素子を偏心配置させると、偏心収差が生じる。 それを防ぐためには、 HOEに自由曲面的な波面変換作用を持たせる必要がある。 そして理想的には、 HOE自身で、その偏心配置による偏心収差を完全に打ち消す 波面変換作用を持つことが好ましい。
[0004] そこで、特許文献 1の画像表示装置では、複数のレンズを偏心させて組み合わせ た製造光学系を用いて作製した HOEを利用しているが、その波面変換作用は、偏 心収差を打ち消すには不充分であるため、付カ卩レンズ面としてアナモルフィック非球 面を偏心配置させ、 HOEによる波面変換作用で残存した偏心収差を補正している。 また、特許文献 2の画像表示装置では、段落 [0029]に記載のように、接眼側の光学 系で発生する収差をリレー光学系における中間結像位置より像側の光学系で補正し ている。
特許文献 1：特開 2001-264682号公報
特許文献 2：特開 2002-311379号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] 特許文献 1の構成では、射出瞳側から追跡して液晶表示素子上に結像される光線 のスポット径は、本発明者の解析によれば 532nmの単一波長で 15 μ m以上となる。 この値は、画素サイズの微細化に対応できる値とは言えなレ、。なぜなら、液晶表示素 子の画素サイズは、例えば 0.24インチサイズの QVGAでは 15 z m、 0.38インチサイ ズの VGAでは 12 μ m、 0.16インチサイズの QVGAでは 11 μ mだからである。また、 特許文献 1の段落 [0049]には、導光板における対向する反射面を平面ではなくァ ナモルフィック非球面にして偏心収差の低減を図る旨が記載されてレ、る力 その部分 にアナモルフィック非球面を形成することは一般的には困難である。
[0006] 特許文献 2の構成では、複雑なレンズ構成に加えて複数の HOEを用いることで収 差補正を行うので、小型化の点では十分とは言えない。さらに、レンズ群を光軸に対 して偏心させた構成になっているため、装置の組立調整が困難であり、製造コストの 増大が懸念される。
本発明の目的は、 HOEを用いたイメージコンパイナにおいて、表示画像の周辺部 まで良好に収差を補正した上で、従来よりも小型軽量化するための技術を提供する ことである。
[0007] 本発明の別の目的は、上記目的に適ったイメージコンパイナにより構成される画像 表示装置を提供することである。
課題を解決するための手段
[0008] 以下、本発明者による従来課題の原因解析について説明後、本発明の構成を説 明する。
従来のイメージコンパイナ光学系が複雑に偏心している理由は、光学的パワーを持 つ HOEを偏心させて配置しているので、それにより生じる偏心収差を補正するため、 光学的パワーを持つ別の光学部材が必要となるからである。ここで、眼鏡型のィメー ジコンパイナの場合、外界光のシースルー性を確保するため、偏心収差の補正用の 光学部材の配置位置は、観察者の前方から観察者の目に向力 外界光の光路を避 ける必要がある。一方、 H〇Eは、その外界光の光路中に配置されるので、偏心収差 の補正用の光学部材の配置位置は、 H〇Eから離れる。しかし、光学的に相殺する作 用を離れた位置で実現することは困難であるので、光学系全体を高分解能にするた めには、複雑な偏心光学系にならざるを得なかった。
[0009] 図 20は、特許文献 1の実施例 1の光学系における反射型 H〇E面の位相関数から 、波面の進行方向を変換する傾斜成分を差し引いた後、波面形状変換の内のパヮ 一成分を差し引いたグラフである。図 21は、図 20と同様に、特許文献 2の実施例 1の 光学系における反射型 HOE面の位相関数から、傾斜成分を差し引いた後、波面形 状変換の内のパワー成分を差し弓 I V、たグラフである。
[0010] ここで、位相関数の傾斜成分は、与えられた多項式より求まる HOEの有効エリアの 各座標に対する位相差の値を、例えば最小二乗法を用いて一次元の関数にフイツテ イングして直線の傾きを求めることにより算出可能である。また、パワー成分は、傾斜 成分を差し引いた後、同様に最小二乗法を用いて、球面フィッティングし、その曲率 半径を求めることにより算出可能である。図 20、図 21に示すように、特許文献 1の構 成においても、特許文献 2の構成においても、光学系全体力 SY軸方向に非対称であ る。
[0011] この非対称性に着眼した本発明者は、 H〇Eの位相関数を定義する際に、波面変 換後の位相分布ができる限り回転対称な形状となるように位相係数を決定することで 、 HOEによる偏心収差を極力小さくする構成を捻出した。この構成では、光学的パヮ 一を持つ H〇Eを偏心配置しても、その HOEに平面波または球面波を入射させたと きに、反射波の波面形状を光軸に対して回転対称に近くすることができる。 H〇E面 力 の反射波の波面形状が光軸に対して回転対称に近ければ、その他の光学系は 共軸配置にすることができるので、イメージコンパイナの光学系内に球面や回転対称 非球面の屈折系を配置することで、諸収差を良好に補正できる。
[0012] 眼鏡型のイメージコンパイナの光学系の場合、屈折光学系の最後の面から射出瞳 までの全光路長、即ち、アイレリーフに相応する光路長 (後述の空気換算距離 S)が 長いことが望ましい。アイレリーフに相応する光路長が長い方が、短い場合よりも板状 部の長さを長く確保することができるので、観察者が外界を観察する際の見易さが向 上する。しかし、この光路長を長くした上で諸収差を補正することは、一般的には困 難である。そこで本発明者は、後述の実施例 1〜実施例 3において、付加レンズに回 転中心軸（光軸)付近の曲率半径よりも周辺部の曲率半径の方が大きい回転対称非 球面を用いることで、その光路長が長ぐ諸収差が良好に補正されたイメージコンパ イナを実現した。
[0013] ここで、ディストーションの観点から、回転対称非球面の望ましい形状を規定する。
液晶表示素子からイメージコンパイナの光学系に入射する最軸外主光線が、回転対 称非球面に入射する位置を位置 Aと定義する。また、位置 Aと回転対称非球面の回 転中心軸との距離を hと定義する。さらに、回転対称非球面の頂点を点 Bとし、回転 対称非球面の内側において、点 Bに表面が接する仮想の球を球 Cとする。
[0014] 球 Cは、その中心が光軸上に位置すると共に、その曲率半径が回転対称非球面の 点 Bにおける曲率半径に等しいとする。そして、位置 Aから、球 Cまでの回転中心軸 方向に測った変位量を dxとする（後述の図 6参照）。このとき、本発明者の解析結果 によれば、ディストーションを良好に補正するためには次式の条件を満たすことが望 ましい。
0.001く I dx/h I < 0.1 · · · (1)
これは、 dx/hく 0.001の場合、実際の観察状態では非常に激しい糸巻き型のデ イストーシヨンとなり、 dxZh > 0.1の場合、実際の観察状態では非常に激しい樽型の ディストーションとなるからである（詳細は後述の実施例 1で述べる）。さらに本発明者 は、後述の実施例 1〜実施例 3において、屈折レンズとは逆の分散を持つ HOEの色 収差補正効果を利用し、単一の光学部材でも色収差が良好に補正された光学系を 実現した。本発明は、以上のように画期的な技術思想に基づくものであり、以下のよう に構成される。
[0015] 本発明のイメージコンパイナは、反射型ホログラム光学素子を含むと共に画像表示 手段から入射する光を所定位置に導く光学系を有し、画像表示手段以外からその光 学系に入射して透過する光と、画像表示手段からの光とを重畳して観察可能にする ものである。本請求項の発明は、光学系の中に少なくとも 1つの回転対称非球面を備 えたことを特徴とする。
[0016] また、上記のイメージコンパイナにおいて、回転対称非球面では、回転中心軸付近 の曲率半径よりも、回転中心軸から離れた周辺部の曲率半径の方が大きいことが好 ましい。
また、上記のイメージコンパイナにおいて、回転対称非球面は正の光学的パワーを 持つことが好ましい。
また、上記のイメージコンパイナにおいて、反射型ホログラム光学素子は体積型で あることが好ましい。
[0017] また、上記のイメージコンパイナにおいて、反射型ホログラム光学素子は光学的パ ヮーを持つことが好ましい。
また、上記のイメージコンパイナにおいて、以下の条件を満たすことが好ましい。即 ち、画像表示手段からの最軸外主光線が回転対称非球面に入射する位置 Aと、回 転対称非球面の回転中心軸との距離を hと定義し、回転対称非球面の頂点 Bにおけ る曲率半径を有する球であって、頂点 Bを通る球を球 Cと定義し、位置 Aから球 Cまで の回転中心軸の方向の変位量を dxと定義した場合、 dxを hで割った商の絶対値は、 0.001より大きく、 0.1より/ Jヽさレヽこと力 S好ましレヽ。
[0018] 本発明の画像表示装置は、上記のイメージコンパイナと、画像表示手段として、表 示画像を示す光束をイメージコンパイナに入射させる画像表示素子とを備えたことを 特徴とする。
発明の効果
[0019] 本発明では、 HOEを用いたイメージコンパイナ及び画像表示装置において、波面 変換後の位相分布がほぼ回転対称な形状となるように HOEの位相関数を決定し、 光学系の中に回転対称非球面を配置することで諸収差を補正する。この構成では、 光学的パワーを持つ HOEを偏心配置しても、その HOEに平面波または球面波を入 射させたときに、反射波の波面形状が光軸に対して回転対称に近くなるので、その 他の光学系は共軸配置にできる。従って、回転対称非球面を用いて諸収差を良好 に補正できるので、収差補正用の複雑な光学系を組み込む必要がないため、従来よ りも小型軽量ィ匕できる。
図面の簡単な説明
[図 1]実施例 1の画像表示装置の構成図である。
[図 2]反射型 HOEのロー力ノレ座標系の説明図である。
[図 3]実施例 1の反射型 HOEの位相関数を示すグラフである。
[図 4]図 3の位相関数から、波面の進行方向を変換する傾斜成分を差し引いた後、波 面形状変換の内のパワー成分を差し弓 I V、たグラフである。
[図 5]図 4における X=0の部分を抽出したグラフである。
[図 6]実施例 1の回転対称非球面の形状を実線で示し、頂点曲率半径の球面形状を 点線で示したグラフである。
[図 7]実施例 1において、横収差及びディストーションを示す収差図である。
[図 8]実施例 2の画像表示装置の構成図である。
[図 9]実施例 2の反射型 H〇Eの位相関数を示すグラフである。
[図 10]図 9の位相関数から、波面の進行方向を変換する傾斜成分を差し引いた後、 波面形状変換の内のパワー成分を差し引いたグラフである。
[図 11]図 10における X = 0の部分を抽出したグラフである。
[図 12]実施例 2の回転対称非球面の形状を実線で示し、頂点曲率半径の球面形状 を点線で示したグラフである。
[図 13]実施例 2において、横収差及びディストーションを示す収差図である。
[図 14]実施例 3の画像表示装置の構成図である。
[図 15]実施例 3の反射型 HOEの位相関数を示すグラフである。
[図 16]図 15の位相関数から、波面の進行方向を変換する傾斜成分を差し引いた後
、波面形状変換の内のパワー成分を差し引いたグラフである。
[図 17]図 16における X = 0の部分を抽出したグラフである。 [図 18]実施例 3の回転対称非球面の形状を実線で示し、頂点曲率半径の球面形状 を点線で示したグラフである。
[図 19]実施例 3において、横収差及びディストーションを示す収差図である。
[図 20]特許文献 1の実施例 1の光学系の反射型 H〇E面の位相関数から、波面の進 行方向を変換する傾斜成分を差し引いた後、波面形状変換の内のパワー成分を差 し引いたグラフである。
[図 21]特許文献 2の実施例 1の光学系の反射型 H〇E面の位相関数から、波面の進 行方向を変換する傾斜成分を差し引いた後、波面形状変換の内のパワー成分を差 し引いたグラフである。
発明を実施するための最良の形態
[0021] 以下、本発明の画像表示装置の実施形態、それを具体化した実施例 1及び実施例
2、その変形例である実施例 3の順に、図面を参照しながら説明する。なお、各図に おいて同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
図 1は、本実施形態における画像表示装置 2の構成、及びその概略の光路（画像 表示素子 6からの光線のみ）を示す。図に示すように、画像表示装置 2は、イメージコ ンバイナ 4と、画像表示素子 6とを備えている。
[0022] 画像表示素子 6は、透過型液晶表示素子 7と、その背後（イメージコンパイナ 4とは 反対側）に配置される LED8と、放物面鏡等の反射鏡 10とを有する。透過型液晶表 示素子 7は、その背後から照射される光源光を空間光変調して、表示画像となる光束 を透過させる。図において、点 Al、 A2は、透過型液晶表示素子 7の全画素領域上 における両端の位置をそれぞれ示し、点 AOは、画素領域の中心を示す。なお、透過 型液晶表示素子 7の代わりに、反射型液晶表示素子や自発光型素子等を用いて画 像表示素子 6を構成してもよい。
[0023] イメージコンパイナ 4は、ガラスやプラスチック等の光学材料を平行平板状にするこ とで構成された板状部（導光板） 12と、本発明の特徴である投影レンズ 20と、フレー ム等の支持部材（図示せず）とを有する。投影レンズ 20は、レンズ面 21、底面 22、レ ンズ面 23を有し、レンズ面 23が回転対称非球面であることが大きな特徴である。な お、請求項記載の画像表示手段は画像表示素子 6に対応し、請求項記載の光学系 は投影レンズ 20及び板状部 12に対応する。
[0024] 板状部 12は、前記支持部材を介して眼鏡と同様に観察者の頭部に装着され、観 察者の眼前に配置される。図中の Pは、画像表示素子 6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の位置が観察者の眼の瞳の位置と ほぼ一致するように、イメージコンパイナ 4は観察者の頭部に装着される。従って、射 出瞳の中心 P0の位置は、観察者の眼の瞳の中心位置とほぼ一致する。
[0025] また、画像表示素子 6及び投影レンズ 20も前記支持部材により支持され、画像表 示素子 6は例えば、観察者の眼の斜め上方或いは側方に配置される。これは、観察 者が外界を観察することを妨げないようにし、観察者が画像表示装置 2を装着すると きに邪魔にならないようにするためである。なお、画像表示素子 6を他の適切な箇所 に配置し、リレー光学系によって図中の画像表示素子 6の位置に表示画像を導いて もよレ、し、或いは、スキャン光学系を用いてその位置に空中画像を形成してもよい。こ の点は、本実施形態の変形例である実施例 3についても同様である。
[0026] 板状部 12は、その延在方向に沿った平面である面 12a、 12bと、反射ミラー 24と、 体積型の反射型 HOE26とを有する。反射型 HOE26は、その反射面が平面であり、 画像表示装置 2が観察者に装着されたときに、板状部 12内において観察者の眼と 対向する位置付近に配置されている。イメージコンパイナ 4は、板状部 12の前方から 板状部 12の厚み dを通過するように、即ち、面 12bから入射して面 12aから射出する ように板状部 12を透過する光（以下、外界光という）に、画像表示素子 6からの光を重 畳させて、観察者の眼に導く。なお、板状部 12は、外界光のシースルー性をよくする ため、図に示すように反射型 HOE26の下方にも延在してレ、る（特許文献 1の図 13と 同様)。
[0027] ここで、以下の説明のため、図 1における座標系を一例として次のように定義する。
板状部 12の厚み dの方向に、射出瞳 Pから板状部 12側への方向を Z軸正方向とする 。板状部 12の両面 12a、 12bの延在方向に沿って、反射型 HOE26から投影レンズ 20に向力 方向を Y軸正方向とし、これら Y軸、 Z軸に直交する方向に右手系で X軸 正方向を定義する。即ち、図 1の紙面内の左右方向は Z軸方向であり、紙面内の上 下方向は Y軸方向であり、紙面に垂直に奥への方向力 ¾：軸正方向である。 [0028] 反射型 HOE26は、画像表示素子 6からの光を Z軸負方向に反射するように、 X軸 方向を軸として面 12a、 12bに対し所定角度傾けて配置されている。このような構造 は、例えば反射型 HOE26を板状部 12と同じ材質の小片に接着させて作製後、その 小片を板状部 12を形成する型枠の中に配置し、板状部 12の材料を溶力 た状態、 或いは硬化後に板状部 12となる材料を樹脂前駆体の状態で型枠の中に流し込み、 その後固めることによって作製可能である。
[0029] 反射型 HOE26は、所定の結像作用を持つように光学的パワーを有し、その回折 効率ピークの波長は、画像表示素子 6から発せられる光の波長幅の極大部と略一致 する。反射型 HOE26としては、外界光が板状部 12を透過することを極力妨げないよ うに、波長選択性の高レ、ものを用いることが好ましい。また、例えば赤、緑、青の三原 色を代表する狭い波長域の 3波長光に対してそれぞれ波長選択性を持つ反射型 H OE26を用レ、、結像される表示画像をカラー化してもよい。なお、反射型 HOE26は 、必ずしも光学的パワーを持つ必要はないが、若干の光学的パワーを持つ方が収差 補正上好ましい。
[0030] 反射型 HOE26を構成するホログラム感光材料には、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、フォトダイク口ミック、銀塩乳剤、重クロム酸ゼラチン、ダイク 口メートゼラチン、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、フォトリフラクチイブ材料等を用いればよい。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感光材料に同時に照射することによって、反 射型 HOE26を作製できる。
[0031] 以下、図 1を用いて画像表示装置 2内の光路を説明する。透過型液晶表示素子 7 の画素領域上の任意の点を通過した光（表示画像の光束）は、投影レンズ 20のレン ズ面 21から入射し、底面 22で正反射し、レンズ面 23 (回転対称非球面）から射出す る。投影レンズ 20から射出した光は、板状部 12の面 12aの領域 R1から板状部 12内 に入射し、反射ミラー 24で図の下方へ偏向反射され、面 12a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。
[0032] この反射光は、板状部 12の面 12bの領域 R3、面 12aの R4、面 12bの R5、面 12a の R6に順次臨界角より大きい入射角で入射し、全反射を繰り返した後、反射型 H〇 E26に入射する。この入射光は、反射型 HOE26により、反射回折作用及び結像作 用を受けて反射された後、板状部 12の面 12aの領域 R7から板状部 12外へ射出す る。このとき、透過型液晶表示素子 7の同一箇所から出た光は、射出瞳 Pから無限遠 又は所定距離の位置に拡大虚像を形成するように、射出瞳 Pの位置に置かれた観察 者の眼の瞳に入射する。
[0033] 画像表示素子 6から発せられ、反射型 HOE26で回折反射された後に観察者の眼 に達する光は、 LED8の発光スペクトル特性と反射型 HOE26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。し力し、例えば LED8として白色の ものを用いる場合には、反射型 HOE26として前述したようなカラー対応のものを用 レ、ることにより、離散的な複数の波長領域成分を持たせることができる。
[0034] ここで、画像表示素子 6から発せられ、反射型 HOE26で回折反射された後に観察 者の眼に到達する光の内、透過型液晶表示素子 7の中心 AOから発せられて射出瞳 の中心 P0に到達する光線について考える。波長領域が離散していない場合、この光 線の波長領域の略中心波長である光線を主光線と定義し、離散的な複数の波長領 域を有する場合、最も短波長側の波長領域の略中心波長である光線を主光線と定 義する。そして、主光線の経路を、画像表示装置 2全体の光軸と定義する。本実施形 態では、光軸は 1本の直線ではなぐ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、変形例である実施例 3についても同様である。
[0035] ここで、面 12aの領域 R7から射出して観察者の眼の瞳の中心 POへ向力う光軸の位 置を基準とし、 Y軸方向に沿って、画像表示装置 2の板状部 12以外の部材が外界光 の透過を妨げる位置までの距離をハーフボクシングサイズと定義する。ハーフボクシ ングサイズは、図 1内の矢印で示した長さ Lに相当する。画像表示装置 2は、観察者 の眼前に配置されることを想定しており、外界光の透過を妨げないことが望ましぐそ のためにはハーフボクシングサイズが長レ、方が望ましレ、。観察者が画像表示装置 2 を装着したときに観察者から見た上下方向を Y軸方向と一致させた場合、ハーフボタ シングサイズは、片側約 15mm以上あれば十分である。観察者が画像表示装置 2を 装着したときに観察者から見た左右方向を Y軸方向と一致させた場合、ハーフボクシ ングサイズは、片側約 20mm以上あれば十分である。 [0036] また、画像表示装置 2は軽い方が望ましいから、板状部 12の厚さ d (面 12a、 12bの 間隔）は薄い方が好ましい。そこで、厚さ dを 3mm〜3.5mmで固定した場合におい て、反射型 HOE26の反射面が視線方向となす角度の適正値について考える。まず 、図 1の状態よりも、面 12aと反射型 HOE26の反射面との角度を小さくする場合、即 ち、反射型 HOE26の反射面の法線に対する視線の角度を小さくする場合を考える
[0037] この場合、反射型 HOE26の反射面に入射する光線の入射角と反射角が概略等し レ、ことを考慮すれば、画像表示素子 6からの光が板状部 12内において繰り返し反射 する際に、その光が面 12a、 12bに入射する入射角も小さくなる。その場合、面 12a、 12bで繰り返し反射する光線の全光路長は図 1の状態より短くなるから、ハーフボタ シングサイズが短くなる。
[0038] 反対に、図 1の状態よりも、面 12aと反射型 HOE26の反射面との角度を大きくする 場合、ハーフボクシングサイズは長くなる力 Y軸方向において反射型 HOE26の有 効径は小さくなる。即ち、反射型 HOE26によって視線方向に反射する全光束の断 面積は、小さくなる。その場合、透過型液晶表示素子 7上の表示画像を投影するた めに必要な光束がケラれることになり、周辺光が大幅に減光する。本発明者の解析 によれば、厚さ dを 3mm〜3.5mmで固定する場合、反射型 HOE26の反射面の法 線に対する視線の角度を Θ (° )とすれば、 Θは 25° 以上 35° 以下であることが望 ましい。
[0039] 本実施形態では、反射型 HOE26の反射面の中心は、面 12a— 12bの中間に位置 する。ここで、 d線（587.56nm)を用いて測定した板状部 12の屈折率を ndとし、レン ズ面 23から板状部 12の面 12aまでの距離を tとし、面 12aから射出瞳 Pまでの距離を ERとする。このとき、図 1に示す光路では、主光線がレンズ面 23から射出してから、 射出瞳 Pに達するまでを光軸に沿って測った空気換算距離 Sは、次式で表される。
[0040] S =ER+t+ [l + { 5/sin (90- 2 θ ) } ] X d/nd- · · (2)
観察者の装着性を高めるためには、アイレリーフに相応する距離である空気換算距 離 Sが長くなるように設計する必要がある。そこで、後述の実施例 1、実施例 2では、 上式において ER= 13mm、 t= lmm、 Θ = 29.2° 、 d= 3.4mm、 nd= l.596229 とすることで、 S = 35.5mmとする。なお、変形例である実施例 3の空気換算距離 Sの 式は、（2)式とは若干異なり、 tの項がないが、 ER、 Θ、 d、 nは上記と同じ値を用いる
[0041] 本発明者は、米国の Optical Research Associates社製の code Vを光学設計プログ ラムとして用いて、本実施形態の画像表示装置 2を実施例 1、実施例 2として具体化 し、その変形例を実施例 3として具体化した。その説明に先立って、実施例 1〜実施 例 3で共通の光学的諸量や、反射型 HOE26のホログラムの定義方法、回転対称非 球面の定義方法について以下に説明する。なお、実施例 3は、変形例なので、上述 の画像表示装置 2とは対応する部材ゃ面の符号が異なる力 ここでは図 1で付した符 号で説明する。
[0042] 上述のように板状き の屈折率 ndは、 1.596229とし、アッベ数 v dは、 40.4とす る。また、ホログラムを記録する乳剤には一例として、厚み 20 z m、屈折率 1.493、屈 折率変調 0.0224のものを使用する。
反射型 HOE26のホログラムは、作製時の露光に用いる 2光束を定義することにより 、一義的に規定する。 2光束は、各光源からの出射ビームが収束するか、発散するか の情報と、光源の位置とで定義する。実施例 1〜実施例 3では一例として、第 1の点 光源 (以下、第 1光源と略記）は収束、第 2の点光源 (以下、第 2光源と略記）は発散と する。また、第 1光源の座標を（ΗΧΙ ,ΗΥΙ ,ΗΖΙ )、第 2光源の座標を（HX2，HY2， HZ2)とする（後述の表 1、表 4、表 7を参照）。
[0043] ここで、反射型 HOE26は、結像性能を最適にするため、位相関数成分を有する。
位相関数は、作製時の 2つの点光源により定義されるもの以外の非球面的な位相変 換量を定義するものであり、光学設計プログラム code Vでは、 X，Y軸成分の多項式係 数などを用いて指定できる。反射型 ΗΟΕ26の反射面を ΧΥ座標面とし、座標 (Χ，Υ) で表される位置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。 m，nを整数とするとき、位相関数は、次式で表される多項式の係数を指定する ことで定義できる。
[0044] [数 1] ∑∑ " T' .r ■ ■ ■ (3)
[0045] (3)式の係数は、 65個まで指定可能であり、順に C1,C2,C3，'''，C65と定義し、係 数の順番を jという整数で表す。このとき、 X座標及び Y座標の次数を示す整数 m，nと の間に次式の関係が成り立つように対応付ける。
j = {(m + n)2 + m + 3n}/2--- (4)
従って、位相関数 φは、次式で示される多項式で定義される。
[0046] φ =C X+C Y+C X2 + C XY+C Y2H hC Y10 …（5)
1 2 3 4 5 65
また、投影レンズ 20のレンズ面 23で用いた回転対称非球面は、その回転中心軸（ 光軸）を Ζ軸とし、回転対称非球面と光軸との交点を原点としたときのレンズ面 23上 の点（x，y)での Ζ軸座標値、即ち、サグ量 Zにより定義する。このサグ量 Zは、次式で 表される。
[0047] [数 2]
Z = ~ CL 'Υ + Α.γ^ +Β-Υ6 +C-Y* ■ ■ ■ (6)
\ + ^\-(} + K)-CURV2 -Y2
[0048] (6)式にぉレ、て、 Yは回転対称非球面上の任意の頂点と光軸の最短距離、 CURV は頂点曲率、 Kは円錐定数、 Aは 4次の非球面係数、 Bは 6次の非球面係数、 Cは 8 次の非球面係数である。頂点曲率半径を Rとすれば、 CURV=lZRと表される。そ して、以下の実施例 1〜実施例 3では、射出瞳 Pからの距離が 600mmの位置に画像 表示素子 6の表示画像の拡大虚像を形成し、射出瞳 Pの径が 3mmとなるように設計 した。
実施例 1
[0049] 実施例 1は、ハーフボクシングサイズ Lを 23.6mm、空気換算距離 Sを 35.5mmとし て設計した例であり、光路図は、図 1と同じである。透過型液晶表示素子 7は、 0.24ィ ンチ相当で、全画素領域のサイズが 3.6mm X 4.8mmである（図 1の点 A 1— A2間 の長さが 3.6mm、 X軸方向の長さが 4.8mm)。また、図 1の Y軸方向の視野角は 10 。 (±5° )であり、 X軸方向の視野角は ±6.66°である。使用波長は約 480nm〜約 540nmの波長幅である。 [0050] 反射型 HOE26の作製時の露光波長は 532nmとし、そのときの乳剤の収縮率は 2 %とする。さらに、実験結果に基づき、乳剤の処理 (現像処理、以降、処理という）後 の屈折率シフトを 0.029とする。処理後の乳剤の物性変化により再生光の波長は変 動し、軸上光束の再生の中心波長は 519.3nmである。実施例 1の光線追跡のため の諸量を、以下の表 1に示す。
[0051] [表 1] 面番号 （符号）に曲率半径 屈折率 ァッべ数
(P) INFINITY
(12a :R7) INFINITY 1.596229 40.4
(26、 HOE) INFINITY 反射面
二光源の定義
HX1:0.000000, HYl:-0.719109X ΙΟ^ HZ1:- 0.694897 X
HX2: 0.000000, HY2:0.162287 X 103 , HZ2:-().159682 X 103
露光波長 HWL: 532. OOnm
位相係数
C2 6.3481 10" , C3 -3.2393X10— -8.3899X 10—
C7 1.2584X10"4, C9 2.6560X 10 -5.8390X10"
C12 -8.8736X10—5, C14 2.6092X 10—5, -2.0449X10"
C18 -1.3551X10—5, C20 4.8979X 10-6, 8.3955X10—'
C23 2.5100X10-5, C25 1.0457X 10一5, -2.0459X10"
C29 2.0598X10—6, C31 1.8007X 10—6, 3.6216X10
C35 -2.4088X 10—6, C36 -5.2921 X10" 7 -2.6347X 10—
C40 -4.0255X 10— 6 , C42 7.4464X10— 7 , 4.0802X10"'
C46 -8.1688X 10-8, C48 -6.1952X1CT8 -2.0271 X 10"
C52 -2.8680 XICT7, C54 2.2603 X 10" 7 , 9.8061X10
C57 8.2452 X 10" 8, C59 2.1525X10—7, 1.7004X10"'
C63 -1.1420 X 10" 7 , C65 -2.7689X 10" 7
(12a R6) INFINITY 反射面
(12b R5) INFINITY 反射面
(12a R4) INFINITY 反射面
(12b R3) INFINITY 反射面
(12a K2) INFINITY 反射面
(24) INFINITY 反射面
10： (12a:Rl) INFINITY
11： (23) -19.10058 1.596229 40.4
回転対称非球面
K:0.000000 A:0.836080X 10— 4
Β: 0.838620 X 10— b C:0.110498X10—
12： (22) INFINITY 反射面
13： (21) -20.29640
14： (7) INFINITY
[0052] 表 1において、光線追跡の順序（光学面の順序）は、観察者の眼の瞳面 (射出瞳 P の面）から画像表示素子 6への順であり、その順に 1〜： 14の面番号を付し、対応する 図 1中の符号を括弧書きで示している。この表記方法は、後述する他の表についても 同様である。
また、実施例 1における各面の位置関係として、図 1の射出瞳 P (面番号 1)の中心 を原点（X，Y，Z) = (0,0,0)とした各面の中心の絶対位置と、 X軸周りの回転量（図 1 で反時計周りを正として測った値）を、下記の表 2に示す。
[0053] [表 2]
Figure imgf000017_0001
[0054] さらに、各々の面に対し、その光軸（平面ならその法線）を Z軸とすると共に、光軸と その面との交点を原点としたローカル座標 LX,LY，LZをそれぞれ定義する。主光線 を追跡して、主光線が各面に到達する位置をローカル座標でそれぞれ表したものを 、下記の表 3に示す。
[0055] [表 3] 面番号 (符号） LX し Y し z 入射角 反射角 面の作用
KP) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
2(12a:R7) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 屈折
3 (26, HOE) 0.00 0.00 0.00 29.2 29.2 反射
4(l2a:R6) 0.00 0.00 0.00 58.4 58.4 反射
5(12b:R5) 0.00 0.00 0.00 58.4 58.4 反射
6(12a:R4) 0.00 0.00 0.00 58.4 58.4 反射
7(12b:R3) 0.00 0.00 0.00 58.4 58.4 反射
8(12a:R2) 0.00 0.00 0.00 58.4 58.4 反射
9(24) 0.00 0.00 0.00 29.2 29.2 反射
10(12a:Rl) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 屈折
11 (23) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 屈折
12(22) 0.00 0.00 0.00 60.0 60.0 反射
13(21) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 屈折
14(7) 0.00 0.00 0.00 0.00
表 3に示すように、主光線は、各々の面でその原点を通過し、屈折面での入射角が 0° である。即ち、全ての面で、主光線がローカル座標の原点を通過する共軸配置 であり、屈折面での主光線の入射角が 0° となっている。ここで、ロー力ノレ座標の一 例として面番号 3の反射型 HOE26の例を図 2に示す。図 2の座標系は、反射型 HO E26の反射面が光軸と交わる点を原点とし、反射型 HOE26の反射面の法線に沿つ て面 12a側から面 12b側の方向に Z軸正方向を定義し、右手系で X軸、 Y軸を定義 する。 X軸は、反射型 HOE26の反射面の延在方向に平行に面 12a,12bの中間に 延在する線であり、 X軸正方向は、紙面に垂直に奥への方向になる。 Y軸正方向は、 反射型 HOE26の反射面の延在方向に平行に、面 12a側から面 12b側への方向で ある。なお、前述の説明と重複するが、図に示すように、反射型 HOE26の反射面の 中心は板状部 12の厚さ方向に沿って面 12aから 1.7mmの位置にあり、反射型 HOE 26の反射面と面 12aとの角度 Θは 29.2° である。
[0057] 図 3は、実施例 1の反射型 HOE26の位相関数を示しており、即ち、図 3の X、 Y座 標は反射型 HOE26の面のロー力ノレ座標の X、 Y座標であり、縦軸は位相関数の値 を示している。図 4は、その位相関数から、波面の進行方向を変換する傾斜成分を差 し引いた後、波面形状変換の内のパワー成分を差し引いたグラフである。このグラフ の形状は、反射型 HOE26による波面変換作用後の波面の、非球面成分を表す。図 5は、図 4における X=0の部分を抽出したグラフであり、横軸は Y座標、縦軸は位相 関数の値を示す。図 3〜図 5から分かるように、実施例 1の位相関数で定義された反 射型 HOE26で変換される波面は、進行方向変換成分と、パワー成分を除いた位相 分布が、概ね対称な形状になっている。
[0058] 図 6は、実施例 1の回転対称非球面（レンズ面 23)の形状を実線で示し、その頂点 の曲率半径により表される球面の形状を点線で示したグラフである。即ち、図 6は、回 転対称非球面上における光軸上の点を原点とし、点線で示す球面は、原点を通り、 この球面の中心は、回転対称非球面の光軸上に位置する。横軸は原点からの光軸 方向の距離を示し、縦軸は光軸からの高さを示す。図に示すように、実施例 1の回転 対称非球面は、光軸上において最も曲率半径が小さぐ光軸から離れるほど曲率半 径が大きくなつている。
[0059] 図 6を用いて、前述の（1)式について補足説明する。本明細書での最軸外主光線 とは、透過型液晶表示素子 7の全画素領域の四隅のいずれ力、から射出して、射出瞳 の中心 POへ向力 光線である。この最軸外主光線が回転対称非球面に入射する位 置 Aと、光軸との距離 hは、図に示すように 5.14mmである。そして、最軸外主光線が 球面に入射する位置から、前記位置 Aまでを光軸方向に測った変位量 dxは、図に 示すように 0.0483mmである。
[0060] dxZhく 0.001の場合、即ち、（1)式の下限値を下回る場合、射出瞳 Pから画像表 示素子 6へ光線追跡した際のディストーションの値は、表 1〜表 3に示した実施例 1の 条件では、 18%となる。この場合、実際の観察状態において非常に激しい糸巻き 型のディストーションになってしまうので、好ましくない。反対に、実施例 1の条件にお いて、 dx/h>0.1の場合、即ち、（1)式の上限値を上回る場合、同様に光線追跡し た際のディストーションの値は、 + 25%となる。この場合、実際の観察状態において 非常に激しい樽型のディストーションになってしまうので、好ましくない。以上の理由 力 、 I dx/h Iの望ましい値は（1)式のように定まり、実施例 1では、 I dx/h I = 0.0094であり、条件を満たしている。
[0061] 図 7は、実施例 1において、射出瞳 Pから画像表示素子 6へ光線追跡した場合の横 収差及びディストーションを示す収差図である。図 7 (a)〜（e)は、回折効率がピーク となる波長の横収差を実線で示し、ピークに対する半値幅の波長（回折主波長の前 後約 7nm)の横収差をそれぞれ点線及び一点鎖線で示したものである。前述のよう に画角は X方向が ± 6.66度、 Y方向が ± 5° であり、横軸は射出瞳 P面上の位置、 縦軸は像面上の位置を示す。
[0062] 図 7 (a)は、 X方向画角 6.66° 、Y方向画角 5° を通る主光線の X方向の横収差を 図の右側に示し、 Υ方向の横収差を左側に示す。同様に、図 7 (b)は、 X方向画角 3. 33° 、Υ方向画角 2.5° を通る主光線の X方向の横収差を右側に、 Υ方向の横収差 を左側に示す。図 7 (c)は、 X方向画角 0° 、Υ方向画角 0° を通る主光線の X方向の 横収差を右側に、 Υ方向の横収差を左側に示す。図 7 (d)は、 X方向画角— 3.33° 、 Y方向画角 2.5° を通る主光線の X方向の横収差を右側に、 Y方向の横収差を 左側に示す。図 7 (e)は、 X方向画角—6.66° 、Y方向画角—5° を通る主光線の X 方向の横収差を右側に、 Υ方向の横収差を左側に示す。図 7 (f)は、透過型液晶表 示素子 7の全画素領域の対角線の半分の長さを： Lとして規格化し、中心からの距離 を縦軸に、ディストーション（％)を横軸にしたグラフである。
[0063] ここで、表 1に示したように、反射型 ΗΟΕ26の反射面の延在方向に X軸 Υ軸を定義 した座標系において、その作製時の第 1光源の Υ座標値と Ζ座標値は 20乗オーダー にすることで実質的に無限遠に設定し、 X座標値はゼロに設定した。その場合、実際 の使用状態では、 Υ方向の画角によって回折主波長が変動するものとなるが、図 7 (a )〜（f)から分かるように、画角内全域に亘り収差が良好に補正されている。
[0064] 以上、実施例 1では、ハーフボクシングサイズ Lを 23.6mmとしているので、図 1の Y 軸方向を観察者の左右方向として頭部に装着しても充分なサイズを確保できる。また 、（1)式を満たすように回転対称非球面（レンズ面 23)を設計したので、ディストーショ ンが大きく糸巻き型または樽型となって見えづらくなることはなレ、。そして、図 1に示し たように画像表示装置 2全体を簡易な構成で小型軽量ィ匕した上で、図 7に示したよう に表示画像の周辺部まで良好に収差を補正できる。さらに、反射型 HOE26の反射 面以外の面は、全て光軸に回転対称な形状及び配置であるため、画像表示装置 2 の組み立て調整が容易である。
実施例 2
[0065] 図 8は、実施例 2における画像表示装置 2の構成、及びその概略の光路を示す。図 8における座標系の定義は、図 1と同様である。実施例 2は、ハーフボクシングサイズ Lを 23.6mm、空気換算距離 Sを 35.5mmとして設計した例であり、透過型液晶表示 素子 7として 0.16インチ型のものを使用した。透過型液晶表示素子 7の全画素領域 のサイズは、 3.28111111 2.46111111でぁる（図8の点八1ー八2間の長さが3.28111111、 X 軸方向の奥行きが 2.46mm)。実施例 2では、露光波長を 532nm、そのときの乳剤 の収縮率を 2%、乳剤の処理後の屈折率シフトを 0.029、軸上光束の再生の中心波 長を 519.3nmとする。以下の表 4は、実施例 2の光線追跡のための諸量を、前述の 表 1と同様に示したものである。
[0066] [表 4]
面番号 （符号) 曲率半径 屈折率 アッベ数
(P) INFINITY
(12a:R7) INFINITY 1.596229 40.4
(26、 HOE) INFINITY 反射面
二光源の定義
HXl:0.000000, HYl:-0.719109X 10' HZ1:_0.694897 102
ΗΧ2:0.000000, HY2:0.127995X 103, HZ2:— 0.127977 X 103
露光波長 HWL: 532. OOnm
位相係数
C2 1.1933X 10 C3 4.516 X10" C5 -3. 7833X10—4
C7 7.6259X 10 C9 9.4054X 10— CIO - 3. 5681 X10" 5
C12 5.0710X10 C14 -8.8448X 10— C16 - 1. 8772X10— 5
C18 2.3090X 10 C20 4.7910 10" C21 6. 7503 X 10" 7
C23 1.3222X 10 C25 -2.6955 X 10" C27 -1. 5770X10— 6
C29 3.0661 X 10 C31 -5.7445X 10" C33 -6. 6606X10" 8
C35 8.1360X 10 C36 5.6833X 10" C38 - 2. 1920X10-6
C40 1.6017X10 C42 6.3428X 10" C44 2. 8290X10-7
C46 2.0162X10" C48 4.5211X10" C50 8. 7839X10" 9
反反反反反反
C52 2.5953X 10 C54 4.2969X 10— C55 - 6. 3558X10—8
C57 1.623X10— C59 -1.0005X 10"面 ϊ面面Η面 , C61 一 1. 0387X10 8
C63 5.4874X 10 C65 一 1.4373 X
(12a R6) INFINITY
(12b R5) INFINITY
(12a R4) INFINITY
(12b R3) INFINITY
(12a R2) INFINITY
(24) INFINITY
10： (12a:Rl) T FTNTTY
11： (23) -13.54331 1.596229 I 40.4
回転対称非球面 ： 0.000000， A： 0.114053 X 10— 3 ,
B:-0.130921X 10— 5， C:0.286580 X 10
(22) INFINITY 反射面
(21) -18.77672
(7) INFINITY
[0067] 実施例 1の表 2と同様に、実施例 2における射出瞳 Pの中心を原点とした各光学面 の中心の絶対位置と、 X軸周りの回転量とを下記の表 5に示す。
[0068] [表 5] 面番号 （符号） X座標値 Y座標値 Ζ座標値 X軸周りの
回転角度 [degree]
KP) 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 13.0 0.00
3 (26， HOE) 0.00 0.00 14.7 -29.2
4(l2a:R6) 0.00 2.76331 13.0 0.00
5(12b:R5) 0.00 8.28993 16.4 0.00
6(l2a:R4) 0.00 13.81654 13.0 0.00
7(12b:R3) 0.00 19.34316 16.4 0.00
0.00 24.86978 13.0 0.00
9(24) 0.00 27.63309 14.7 29.2
10(12a:Rl) 0.00 27.63309 13.0 0.00
11(23) 0.00 27.63309 12.0 0.00
12(22) 0.00 27.63309 4.00 60.0
13(21) 0.00 34.12828 0.250 120
14(7) 0.00 40.57432 -3.47162 120
[0069] さらに、実施例 1の表 3と同様に、各面に対しローカル座標をそれぞれ定義し、主光 線が各面に到達する位置をローカル座標で表したものを下記の表 6に示す。
[0070] [表 6]
面番号 (符号） LX LY し z - 入射角 反射角 面の作用
1(P) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
2(12a:R7) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 屈折
3 (26, HOE) 0.00 0.00 0.00 29.2 29.2 反射
4(12a:R6) 0.00 0.00 0.00 58.4 58.4 反射
5(12b:R5) 0.00 0.00 0.00 58.4 58.4 反射
6(12a:R4) 0.00 0.00 0.00 58.4 58.4 反射
7(12b:R3) 0.00 0.00 0.00 58.4 58.4 反射
8(12a:R2) 0.00 0.00 0.00 58.4 58.4 反射
9(24) 0.00 0.00 0.00 29.2 29.2 反射
10(12a:Rl) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 屈折
11(23) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 屈折
12(22) 0.00 0.00 0.00 60.0 60.0 反射
13(21) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 屈折
14(7) 0.00 0.00 0.00 0.00
表 6から分かるように、全ての面で、主光線がローカル座標の原点を通過する共軸 配置であり、屈折面での主光線の入射角が 0° である。
図 9は、実施例 2の反射型 HOEの位相関数を示すグラフである。図 10は、図 9の位 相関数から、波面の進行方向を変換する傾斜成分を差し引いた後、波面形状変換 の内のパワー成分を差し引いたグラフである。図 11は、図 10における X=0の部分を 抽出したグラフであり、横軸は Y座標、縦軸は位相関数の値を示す。図 9〜図 11から 分かるように、実施例 2においても、反射型 HOE26を定義する位相関数は、その進 行方向変換成分とパワー成分を除いた位相分布が X軸方向に対しても、 Y軸方向に 対しても概ね対称な形状である。
[0072] 図 12は、実施例 2の回転対称非球面（レンズ面 23)の形状を実線で、回転対称非 球面の頂点曲率半径により表される球面の形状を点線で、図 6と同様に示したグラフ である。図に示すように、実施例 2の回転対称非球面も、実施例 1と同様に、光軸上 において最も曲率半径が小さぐ光軸から離れるほど曲率半径が大きい。実施例 2で は、最軸外主光線が回転対称非球面に入射する位置 Αと、光軸との距離 hは、図に 示すように 3.71mmである。前記位置 Aから回転対称非球面における光軸上の頂点 の曲率半径で表される球面までを光軸方向に測った変位量 dxは、図に示すように 0. 0192mmである。従って、条件式（1 )に対応する数値は、 | dx/h | = 0.0052であ り、実施例 2においても（1 )式を満たしている。
[0073] 図 13は、実施例 2において射出瞳 Pから画像表示素子 6 光線追跡した際の横収 差及びディストーションを図 7と同様に示したものである。図 13 (a) （e)の実線は、 回折効率がピークとなる波長であり、点線及び一点鎖線はそれぞれ、ピークに対する 半値幅の波長である。画角は X方向が ± 4.08度、 Y方向が ± 4.4° であり、横軸は 射出瞳 P面上の位置、縦軸は像面上の位置を示す。
[0074] なお、図 13 (a)〜（e)で示した画角は、前述の図 7 (a) （e)とは異なり、（a)は X方 向画角 4.08° Y方向画 4.4° を通る主光線の X方向の横収差を右側に、 Y方向の 横収差を左側に示す。図 13 (b)は、 X方向画角 2.04° Y方向画角 2.72° を通る 主光線の X方向の横収差を右側に、 Υ方向の横収差を左側に示す。図 13 (c)は、 X 方向画角 0° Υ方向画角 0° を通る主光線の X方向の横収差を右側に、 Υ方向の 横収差を左側に示す。図 13 (d)は、 X方向画角— 2.04° Υ方向画角—2.72° を 通る主光線の X方向の横収差を右側に、 Υ方向の横収差を左側に示す。図 13 (e)は Χ方向画角一 4.08° Υ方向画角一 4.4° を通る主光線の X方向の横収差を右側 に、 Υ方向の横収差を左側に示す。
[0075] 表 4に示したように、反射型 ΗΟΕ26の作製時の第 1光源の Υ座標値と Ζ座標値を 実施例 1と同様に実質的に無限遠に設定している。従って、実施例 2においても Υ方 向の画角によって回折主波長が変動するものとなるが、図 13 (a) （f)から分かるよう に、画角内全域に亘り収差が良好に補正されている。以上、実施例 2においても、実 施例 1と同様の効果が得られる。
実施例 3
[0076] 図 14は、実施例 3における画像表示装置の構成、及びその概略の光路を示す。図 14における座標系の定義は、図 1と同様である。実施例 3と、実施例 1及び実施例 2 との主な違いは、実施例 3では投影レンズ 20を用いず、板状部 72に回転対称非球 面 72cを形成したことである。なお、実施例 3でのハーフボクシングサイズ Lは 20mm である。
図 14に示すように、画像表示装置 62は、イメージコンパイナ 64と、画像表示素子 6 とを備えている。イメージコンパイナ 64は、前記したフレーム等の支持部材（図示せ ず）と、板状部 72とを有する。板状部 72は、画像表示素子 6側の一端が突出しており 、その突出部の表面は回転対称非球面 72cとして形成されている。板状部 72内にお レ、て回転対称非球面 72cとは反対側には、実施例 1、実施例 2と同様に体積型の反 射型 HOE76が配置されてレ、る。
[0077] 以下、図 14を用いて画像表示装置 62内の光路を説明する。透過型液晶表示素子 7の画素領域上の任意の点を通過した光（表示画像の光束）は、回転対称非球面 72 cから板状部 72内に入射する。このとき、透過型液晶表示素子 7の画素領域の中心 AOから射出して射出瞳 Pの中心 P0へ向力、う主光線は、この回転対称非球面 72cの 回転中心軸（光軸）に沿って板状部 72内を通過する。
[0078] その後、板状部 72の面 72bの領域 R' 3、面 72aの領域 R' 4、面 72bの領域 R' 5、 面 72aの領域 R' 6に順次臨界角より大きい入射角で入射し、全反射を繰り返した後、 反射型 HOE76に入射する。この入射光は、反射型 HOE76により、反射回折作用 及び結像作用を受けて反射された後、板状部 72の面 72aの領域 R' 7から板状部 72 外へ射出される。このとき、透過型液晶表示素子 7の同一箇所から射出した光は、射 出瞳 Pから 600mmの位置に拡大虚像を形成するように、観察者の眼の瞳に入射す る。
[0079] 実施例 3においても、実施例 1と同様に、反射型 HOE76の反射面の法線に対する 視線の角度を Θ (° )とし、板状部 72の屈折率を nとし、板状部 72の面 72aから射出 瞳 Pまでの距離を ERとする。また、面 72cの頂点力 面 72bの領域 R' 3までの光軸に 沿った長さを lcとする。このとき、図 14に示す実施例 3の光路では、主光線が回転対 称非球面 72cに入射してから、射出瞳 Pまでの光軸に沿って測った空気換算距離 S は、次式で表される。
[0080] S =ER+ {0.5 + 3.5 X sin (90-2 Θ ) } Χ (d/n) + (lc/η) - · - (7)
実施例 3では、上式における各値を、 ER= 13mm、 Θ = 29.2° 、 d= 3.4mm, n = 1.596229とし、空気換算距離 S = 24.6mmとした。従って、実施例 3もアイレリー フに相応する距離が十分に長くされている。また、ハーフボクシングサイズ Lは 20m mとしているので、図 14の Y軸方向を観察者の左右方向として配置しても充分なサイ ズを確保している。
[0081] 実施例 3では、透過型液晶表示素子 7の全画素領域のサイズは、 3.6mm X 4.8m mである（図 14の点 A1—A2間の長さが 3.6mm、 X軸方向の長さが 4.8mm)。また、 実施例 3では、露光波長を 647nm、そのときの乳剤の収縮率を 2%、乳剤の処理後 の屈折率シフトを 0.029、軸上光束の再生の中心波長を 634.38nmとする。以下の 表 7は、実施例 3の光線追跡のための諸量を、前述の表 1と同様に示したものである
[0082] [表 7]
面番号 （符号) 曲率半径 屈折率 アッベ数
(P) INFINITY
(72a :R' 7) INFINITY 1.596229 40.4
(76、 HOE) INFINITY 反射面
二光源の定義
HX1 :0.000000, HYl:-0.719109 10' HZ1:_0.694897X 10^
HX2:0.000000, HY2:0.162287X 103, HZ2:- 0.159682 X 103
露光波長 HWL: 647. OOnm
位相係数
C2 6. 2596 X 10" 3, C3 -3. 6637X 10" C5 -8. 1748X10—4
C7 8. 5324X10一5, C9 -7. 7183X10一 CIO 5. 6679X 10" 5
C12 7. 6967 X 10" 5, C14 2. 0062X10" C16 - 1. 5370 10"
C18 -3. 8721X10 C20 1. 1478X 10— C21 1. 820 X 10" 6 ,
C23 4. 1900X 10 ， C25 4. 9410X10— C27 6. 9339X 10—6
C29 1. 3974X 10—6' C31 3. 0772X 10— C33 1. 4397X 10
C35 - 3. 4464 X 10" 6 , C36 - 2. 1906X 10" C38 - 3. 4330 X 10— 7
C40 -1. 4426X10— 6, C42 -2. 8081X10— C44 - 1. 5625X 10" 6
C46 - 4. 8204X 10-8, C48 -2. 6803X 10" C50 2. 5466X 10— 8
C52 - 6. 7083X 10 C54 2. 8660X10— 反反反反 C55 8. 3011X10—9
C57 6. 0792X 10"9, C59 7. 1653X 10" C61 7. 0295X 10" 8
C63 2. 3798X 10一8, C65 , 1. 1105X10— 面面面面
4： (72a :R' 6) INFINITY
5： (72b :R' 5) INFINITY
6: (72a :R' 4) INFINITY
7： (72b :R' 3) INFINITY
8: (72c) 11.71830
回転対称非球面 K:0.000000, A:- 0.118447X 10一3，
B:0.963947X 10 7, C:—0.490337 X 10—
9: (7) INFINITY
[0083] 実施例 1の表 2と同様に、実施例 3における射出瞳 Pの中心を原点とした各光学面 の中心の絶対位置と、 X軸周りの回転量とを下記の表 8に示す。
[0084] [表 8] 面番号 （符号） X座標値 Y座標値- Ζ座標値 X軸周りの回転角度 [degree]
1(P) 0.00 0.00 0.00 0.00
2(72a:R' 7) 0.00 0.00 13.0 0.00
3 (76, HOE) 0.00 0.00 14.7 -29.2
4(72a:R'6) 0.00 2.76331 13.0 0.00
5(72b:R' 5) 0.00 8.28993 16.4 0.00
6(72a:R'4) 0.00 13.81654 13.0 0.00
7(72b:R' 3) 0.00 19.34316 16.4 0.00
8 (72c) 0.00 28.34196 10.8639 -58.4
9(7) 0.00 42.9951 1.84923 -58.4
[0085] さらに、実施例 1の表 3と同様に、各面に対しローカル座標をそれぞれ定義し、主光 線が各面に到達する位置をローカル座標で表したものを下記の表 9に示す。
[0086] [表 9]
面番号 (符号） LX し Y LZ 入射角 反射角 面の作用
KP) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
2(72a:R' 7) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 屈折
3 (76, HOE) 0.00 0.00 0.00 29.2 29.2 反射
4(72a:R' 6) 0.00 0.00 0.00 58.4 58.4 反射
5(72b:R' 5) 0.00 0.00 0.00 58.4 58.4 反射
6(72a:R' 4) 0.00 0.00 0.00 58.4 58.4 反射
7(72b:R' 3) 0.00 0.00 0.00 58.4 58.4 反射
8 (72c) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 屈折
9(7) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 [0087] 表 9から分かるように、実施例 3においても、全ての面で、主光線がローカル座標の 原点を通過する共軸配置であり、屈折面での主光線の入射角が 0° である。
図 15は、実施例 3の反射型 HOEの位相関数を示すグラフである。図 16は、図 15 の位相関数から、波面の進行方向を変換する傾斜成分を差し引いた後、波面形状 変換の内のパワー成分を差し引いたグラフである。図 17は、図 16における X = 0の 部分を抽出したグラフであり、横軸は Y座標、縦軸は位相関数の値を示す。図 15〜 図 17から分かるように、実施例 3においても、反射型 HOE76を定義する位相関数は 、その進行方向変換成分とパワー成分を差し引いた位相分布が X軸方向に対しても 、 Y軸方向に対しても対称な形状である。
[0088] 図 18は、実施例 3の回転対称非球面 72cの形状を実線で、回転対称非球面 72c における光軸上の点での曲率半径により表される球面の形状を点線で、図 6と同様 に示したグラフである。図に示すように、実施例 3の回転対称非球面も、実施例 1と同 様に、光軸上において最も曲率半径が小さぐ光軸から離れるほど曲率半径が大き レ、。実施例 3では、最軸外主光線が回転対称非球面 72cに入射する位置 Aと、光軸 との距離 hは、図に示すように 4.84mmである。位置 Aから、回転対称非球面におけ る光軸上の頂点の曲率半径で表される球面までを光軸方向に測った変位量 dxは、 図に示すように 0.0652mmである。従って、条件式（1)に対応する数値は、 | dx/h I =0.0135であり、実施例 3においても（1)式を満たしている。
[0089] 図 19は、実施例 3において射出瞳 Pから画像表示素子 6へ光線追跡した際の横収 差及びディストーションを図 7と同様に示したものである。図 19 (a)〜（e)の実線は、 回折効率がピークとなる波長であり、点線及び一点鎖線はそれぞれ、ピークに対する 半値幅の波長である。画角は X方向が ± 6.6度、 Y方向が ± 5° であり、横軸は射出 瞳 P面上の位置、縦軸は像面上の位置を示す。
[0090] 表 7に示したように、反射型 HOE26の作製時の第 1光源の Y座標値と Z座標値を 実施例 1と同様に実質的に無限遠に設定している。従って、実施例 3においても Y方 向の画角によって回折主波長が変動するが、図 19 (a)〜（f)から分かるように、画角 内全域に亘り収差が良好に補正されている。以上、実施例 3においても、実施例 1と 同様の効果が得られる。また、実施例 3では、投影レンズ 20を設けずに板状部 72に 回転対称非球面 72cを形成したので、さらに小型軽量ィヒできる。
[0091] なお、実施例 1及び実施例 2では、板状部 12とは別に設けた投影レンズ 20に回転 対称非球面を備えて収差を補正する例を述べ、実施例 3では、板状部 72の表面の 一部に回転対称非球面を形成して収差を補正する例を述べた。回転対称非球面の 配置は、以上の形態には限定されない。回転対称非球面は、例えば、導光板 12の 内面に形成してもよレ、。また、本明細書では、 1つの回転対称非球面により収差を補 正する例を述べたが、複数の回転対称非球面を設けることで収差を補正してもよい。
[0092] 本明細書では、体積型の反射型 HOE26 (76)を用いる例を述べた。特定の波長、 入射角の光のみを回折して必要次数光として結像させ、不要次数光による像ブレの 発生を防ぐという点から、体積型の方が望ましいが、表面型の反射型 HOEを用いて あよい。
ここで、反射型 H〇E26 (76)における回折の色収差の発生方向は、屈折光学系の 色収差の発生方向とは逆であるため、両者が相殺して、色収差補正が可能である。 そのため、画像表示装置 2 (62)の屈折部材 (板状部 12 (72)と投影レンズ 20)を、単 一の材料、あるいは光学的に等価な材料 (例えば、屈折率と分散が等価なガラスと榭 脂等)で構成してもよい。
産業上の利用可能性
[0093] 以上詳述したように本発明は、イメージコンパイナ及び画像表示装置において大ぃ に利用可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 反射型ホログラム光学素子を含むと共に画像表示手段から入射する光を所定位置 に導く光学系を有し、前記画像表示手段以外から前記光学系に入射して前記光学 系を透過する光と、前記画像表示手段からの光とを重畳して観察可能にするィメー ジコンパイナにおいて、
前記光学系の中に少なくとも 1つの回転対称非球面を備えた
ことを特徴とするイメージコンパイナ。
[2] 請求項 1に記載のイメージコンパイナにおいて、
前記回転対称非球面は、その回転中心軸付近の曲率半径よりも、前記回転中心 軸から離れた周辺部の曲率半径の方が大きレ、
ことを特徴とするイメージコンパイナ。
[3] 請求項 2に記載のイメージコンパイナにおいて、
前記回転対称非球面は、正の光学的パワーを持つ
ことを特徴とするイメージコンパイナ。
[4] 請求項 1〜請求項 3のいずれかに記載のイメージコンパイナにおいて、
前記反射型ホログラム光学素子が体積型である
ことを特徴とするイメージコンパイナ。
[5] 請求項 1〜請求項 4のいずれかに記載のイメージコンパイナにおいて、
前記反射型ホログラム光学素子が光学的パワーを持つ
ことを特徴とするイメージコンパイナ。
[6] 請求項 1〜請求項 5のいずれかに記載のイメージコンパイナにおいて、
前記画像表示手段からの最軸外主光線が前記回転対称非球面に入射する位置 A と、前記回転対称非球面の回転中心軸との距離を hと定義し、前記回転対称非球面 の頂点 Bにおける曲率半径を有する球であって、前記頂点 Bを通る球を球 Cと定義し 、前記位置 Aから前記球 Cまでの前記回転中心軸の方向の変位量を dxと定義した場 dxを hで割った商の絶対値は、 0.001より大きく 0.1より小さレヽ
ことを特徴とするイメージコンパイナ。 請求項 1〜請求項 6のいずれかに記載のイメージコンパイナと、
前記画像表示手段として、表示画像を示す光束を前記イメージコンパイナに入射さ せる画像表示素子とを備えた
ことを特徴とする画像表示装置。
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