WO2010044356A1 - 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

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佳恵 清水
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Definitions

  • the present invention relates to a video display device that provides an observer with a video displayed on a display element as a virtual image, and a head mounted display (hereinafter also referred to as an HMD) including the video display device.
  • a video display device that provides an observer with a video displayed on a display element as a virtual image
  • a head mounted display hereinafter also referred to as an HMD
  • the video display device disclosed in Patent Document 1 guides illumination light from a light source 101 to a display element 103 (for example, an LCD) via an illumination optical system 102 (for example, an eccentric condenser mirror) for display.
  • a display element 103 for example, an LCD
  • an illumination optical system 102 for example, an eccentric condenser mirror
  • the light source 101 is a plurality of light source elements that can select illumination light irradiation.
  • the light source element which is configured and located at a position substantially conjugate with the observer's pupil is turned on. Thereby, even without providing a mechanical driving means for moving the light source 101, the observer can observe a good image regardless of the position of the pupil and the diopter (myopia, hyperopia, astigmatism). ing.
  • the optical path of the light from the light source may be different from the optical path at the time of designing the eyepiece optical system, and the performance of the eyepiece optical system is You may not get enough. As a result, the image quality of the observation video is degraded.
  • Patent Document 1 makes no mention of the total imaging performance from the light source 101 to the optical pupil E when the light source 101 and the optical pupil E are conjugated. It cannot be said that the aberration is sufficiently corrected.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to form a total image from the light source to the optical pupil when the light source and the optical pupil are in a conjugate positional relationship.
  • An object of the present invention is to provide a video display device capable of improving performance and avoiding a deterioration in image quality of an observation video, and an HMD including the video display device.
  • the image display device of the present invention includes a light source, a transmissive display element that modulates incident light to display an image, and an illumination optical system that reflects light from the light source on an illumination reflecting surface and guides the light to the display element. And an eyepiece optical system that reflects the image light from the display element on an eyepiece reflecting surface and guides it to an optical pupil, the center of the light source and the center of the display area of the display element And the optical axis is the axis that optically connects the center of the optical pupil, and the plane that includes the optical axis is the main plane, the light source and the optical pupil are in an optically conjugate positional relationship.
  • the illumination reflecting surface and the eyepiece reflecting surface have a positive power in the main plane, and the perpendicular of the illumination reflecting surface at the intersection of the illumination reflecting surface and the optical axis;
  • the angle formed by the optical axis from the illumination reflecting surface toward the display element is ⁇ ill, provided that The case where the direction from the perpendicular to the optical axis around the intersection is counterclockwise in the main plane is positive, the case where the direction is clockwise is negative, and the intersection between the eyepiece reflecting surface and the optical axis is negative.
  • An angle formed between the perpendicular of the eyepiece reflecting surface and the optical axis from the eyepiece reflecting surface toward the optical pupil is ⁇ view, provided that the direction from the perpendicular to the optical axis about the intersection is the main plane.
  • the illumination optical system further has a refracting surface having a positive power in the main plane and decentered with respect to the optical axis, and the light from the light source is reflected by the refracting surface. After being refracted and reflected by the reflecting surface for illumination, the light is again refracted by the refracting surface and led to the display element.
  • the eyepiece reflecting surface may be composed of a volume phase type reflection type hologram optical element.
  • the hologram optical element exposes the hologram photosensitive material on the substrate with two light beams from the substrate side and the opposite side, and records interference fringes due to these two light beams on the hologram photosensitive material.
  • the position of the point light source that is manufactured and generates a light beam incident on the hologram photosensitive material from the substrate side out of the two light beams is the same position as the optical pupil of the eyepiece optical system at the time of image observation. desirable.
  • the refractive surface and the illumination reflecting surface of the illumination optical system are concave surfaces that are concave with respect to the light source side and the display element side.
  • the refractive surface and the illumination reflecting surface of the illumination optical system may be rotationally asymmetric surfaces.
  • the refractive surface and the illumination reflecting surface of the illumination optical system may be a cylindrical surface having optical power in a plane parallel to the main plane.
  • the head-mounted display of the present invention is characterized by having the above-described video display device of the present invention and support means for supporting the video display device in front of an observer's eyes.
  • the support unit may adjust the position of the optical pupil of the eyepiece optical system so as to match the position of the pupil of the observer, and then adjust the relative position of the eyepiece optical system with respect to the observer's head. It is desirable to have fixing means for fixing the position.
  • the illumination reflecting surface and the eyepiece reflecting surface are arranged eccentrically with respect to the optical axis, so that the apparatus can be configured compactly.
  • conditional expression (3) it is possible to cause the various aberrations generated by the eccentric arrangement of the illumination reflecting surface and the various aberrations generated by the eccentric arrangement of the eyepiece reflecting surface to act to cancel each other. it can.
  • the illumination optical system refracts the light from the light source on the refracting surface, reflects it on the reflecting surface for illumination, and then refracts it again on the refracting surface and guides it to the display element.
  • FIG. 1 is a perspective view of a video display device of Example 1.
  • FIG. 1 is a perspective view of a video display device of Example 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a manufacturing optical system for producing a hologram optical element of the video display device of Example 1. It is sectional drawing which shows the structure of the outline of the video display apparatus of Example 2.
  • FIG. It is explanatory drawing which shows (theta) ill and (theta) view in the video display apparatus of Example 2, respectively. It is sectional drawing which shows the structure of the outline of the video display apparatus of a comparative example. It is explanatory drawing which respectively shows (theta) ill and (theta) view in the video display apparatus of a comparative example.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a manufacturing optical system for producing a hologram optical element of the video display device of Example 1. It is sectional drawing which shows the structure of the outline of the video display apparatus of Example 2.
  • FIG. It is explanatory drawing which shows (theta) ill and (theta) view in the video display apparatus of Example 2, respectively.
  • Example 6 is a lateral aberration diagram when an image on the optical pupil is formed at the position of the light source in the configuration of Example 1.
  • Example 2 it is a lateral aberration figure when forming the image in an optical pupil in the position of a light source.
  • FIG. 10 is a lateral aberration diagram when an image on the optical pupil is formed at the position of the light source in the configuration of the comparative example. It is sectional drawing which shows the structure of the outline of the conventional video display apparatus.
  • FIG. 2A is an explanatory diagram schematically showing an optical path in the video display device 1 that guides video light from the display element 14 to the optical pupil E through the eyepiece optical system 4.
  • the eyepiece optical system 4 is assumed to be composed of, for example, a free-form concave mirror.
  • the decentering referred to here means that the center of curvature of the mirror is not on the optical axis (is at a position shifted from the optical axis). Further, the above optical axis refers to an axis that optically connects the center of the display area of the display element 14 and the center of the optical pupil E.
  • FIGS. 2B, 2C, and 2D the configuration of FIG. 2A is further combined with an illumination optical system 13 that guides light from the light source 11 to the display element 14 (for example, a concave mirror).
  • 3 is an explanatory diagram schematically showing each optical path of the video display device 1.
  • the illumination optical system 13 and the eyepiece optical system 4 are arranged eccentrically.
  • a perpendicular line (indicated by a broken arrow in the figure) at the intersection with the optical axis of the mirror and an optical axis (indicated by a solid arrow in the figure) from the intersection to the optical pupil E are shown.
  • the direction from the perpendicular to the optical axis is positive in the counterclockwise direction within the incident surface, and negative in the clockwise direction.
  • the incident surface refers to a surface including the optical axis of incident light and the optical axis of outgoing light at the intersection with the mirror.
  • a perpendicular line (indicated by a broken arrow in the figure) at the intersection with the optical axis of the mirror, and an optical axis (indicated by a solid arrow in the figure) from the intersection to the optical pupil E Is defined as ⁇ view (°).
  • the direction in which the direction from the perpendicular to the optical axis is counterclockwise in the incident plane is positive, and the direction in which the direction is clockwise is negative.
  • the eccentric direction in the illumination optical system 13 (the sign of ⁇ ill is positive) and the eccentric direction in the eyepiece optical system 4 (the sign of ⁇ view are positive) are the same direction. Therefore, the direction in which the aberration generated by the eccentric arrangement of the illumination optical system 13 (here, the aberration at the optical pupil position is also referred to as pupil aberration) and the aberration generated by the eccentric arrangement of the eyepiece optical system 4 (pupil aberration) cancel each other. Cannot be applied (corrected).
  • the eccentric direction in the illumination optical system 13 (the sign of ⁇ ill is negative) is opposite to the eccentric direction in the eyepiece optical system 4 (the sign of ⁇ view is positive). Therefore, the aberrations of both optical systems can be applied in directions that cancel each other.
  • the illumination optical system 13 is constituted by a back surface reflecting mirror. That is, the illumination optical system 13 is provided with a refracting surface on the front side as well as the reflecting surface. This makes it possible to correct aberrations that cannot be canceled out by the illumination optical system 13 and the eyepiece optical system 4 with the refractive surface. Therefore, the total imaging performance from the light source 11 to the optical pupil E can be corrected satisfactorily, and deterioration of the image quality of the observation video can be avoided.
  • the eyepiece optical system 4 is configured only by a concave mirror for easy understanding of the description.
  • the decentering direction in the illumination optical system 13 and the decentering direction in the eyepiece optical system 4 are the optical path. In the folded state, even in the same direction on the incident surface, the opposite direction is obtained when the optical path is developed.
  • the eyepiece optical system 4 has an odd number of reflecting surfaces other than the concave mirror, the same can be considered.
  • the number of reflecting surfaces other than the concave mirror of the eyepiece optical system 4 that is, the number of times the optical path is bent is also considered. It is necessary to set the eccentric direction of both.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a schematic configuration of an HMD to which the video display device 1 of the present invention can be applied.
  • the HMD includes a video display device 1 and a support member 2.
  • the video display device 1 generates a video and provides it to the observer as a virtual image, and also allows the observer to observe the external image in a see-through manner.
  • the video display device 1 is configured by integrating an eyepiece optical system 4 with a housing 3 that houses a light source 11 and a display element 14 (see FIG. 1). Signals and driving power for controlling the light source 11 and the display element 14 are supplied to each part via a cable 5 that penetrates the housing 3.
  • the eyepiece optical system 4 as a whole is shaped like one lens of eyeglasses (the right eye lens in FIG. 3).
  • the lens 6 corresponding to the left eye lens of the spectacles is a dummy lens.
  • the support member 2 is a support means for supporting the video display device 1 in front of the observer's eyes, and is composed of a set of members corresponding to, for example, a frame of glasses and a temple. By fixing the support member 2 to the observer's head, the image display device 1 is accurately held at a position in front of the viewer's eyes, and the observer can extend the image provided from the image display device 1 in a hands-free manner. It can be observed stably for a long time.
  • the support member 2 supports one image display device 1 corresponding to the right eye of the observer, but two image display devices corresponding to the eyes of the observer. 1 may be supported.
  • the support member 2 has a fixing mechanism 7.
  • the fixing mechanism 7 adjusts the position of the optical pupil (exit pupil) formed by the eyepiece optical system 4 to the position of the observer's pupil (pupil, iris), and then performs eyepiece optics on the observer's head.
  • It is a fixing means for fixing the relative position of the system 4, and is configured to have a right nose pad 7R and a left nose pad 7L that can move in contact with the nose of the observer, and a lock portion for locking them. . Since the support means 2 has the fixing mechanism 7, after the position of the optical pupil is adjusted, the observer can observe a good image reliably and stably over a long period of time at the position of the optical pupil. it can.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a video display device 1 of the first embodiment.
  • the video display device 1 includes a light source 11, a diaphragm 12, an illumination optical system 13, a display element 14, and an eyepiece optical system 4.
  • Each optical element from the light source 11 to the display element 14 is accommodated in the housing 3 (see FIG. 3).
  • a part of the eyepiece optical system 4 (a part of an eyepiece prism 21 described later) is also located in the housing 3.
  • an axis that optically connects the center of the light source 11, the center of the display area of the display element 14, and the center of the optical pupil E formed by the eyepiece optical system 4 is an optical axis.
  • the optical axis direction when the optical path from the light source 11 to the optical pupil E is developed is taken as the Z direction.
  • the plane including the optical axis is referred to as a main plane.
  • the main plane is uniquely determined.
  • the direction perpendicular to the optical axis incident surface of the hologram optical element 23 is defined as the X direction
  • the direction perpendicular to the ZX plane is defined as the Y direction
  • the optical axis incident surface of the hologram optical element 23 refers to a plane including the optical axis of incident light and the optical axis of reflected light in the hologram optical element 23, that is, the YZ plane. That is, the optical axis incident surface is also the main plane described above.
  • the light source 11 is composed of, for example, an RGB integrated LED that emits light of wavelengths corresponding to the three primary colors of R (red), G (green), and B (blue).
  • the light source 11 is disposed so as to have a positional relationship conjugate with the optical pupil E. Thereby, the light use efficiency from the light source 11 becomes high (the light from the light source 11 efficiently enters the optical pupil E), and a bright image can be observed by the observer. In other words, the video display apparatus 1 with low power consumption can be realized.
  • the diaphragm 12 is provided close to the light source 11.
  • the light source 11 may be configured with one set of light source groups each having RGB light emitting units, or may be configured with two or more sets. In the present embodiment, the light source 11 includes two sets of the light source group. More details are as follows.
  • FIG. 4 is a plan view of the light source 11 from the illumination optical system 13 side.
  • the light source 11 includes two light source groups 11P and 11Q.
  • the light source group 11P is composed of RGB-integrated LEDs having three light emitting portions 11R 1 , 11G 1, and 11B 1 that respectively emit light of three colors of RGB.
  • the light source group 11Q is composed of RGB-integrated LEDs having three light emitting portions 11R 2 , 11G 2, and 11B 2 that respectively emit light of three colors of RGB.
  • the light emitting units of the light source groups 11P and 11Q are arranged side by side in the X direction, and are further arranged to be plane-symmetric for each color with respect to the optical axis incident surface. More specifically, the light emitting units 11R 1 and 11R 2 are arranged so as to be plane-symmetrical at positions close to the optical axis incident surface, and the light emitting units 11G 1 and 11G 2 are located outside the X direction with respect to the optical axis incident surface.
  • the light-emitting portions 11B 1 and 11B 2 are arranged so as to be plane-symmetric with respect to the optical axis incident surface. That is, in each light source group 11P * 11Q, each light emission part is arrange
  • the center of the light source 11 when the light source 11 is composed of two sets of light source groups 11P and 11Q indicates an intermediate position between the light emitting units 11R 1 and 11R 2 arranged in the X direction.
  • the center of the light source 11 when the light source 11 is composed of a set of light sources 11 is, for example, the middle light emitting unit (for example, a light emitting unit that emits G light) among RGB light emitting units arranged in the X direction. Refers to the position of
  • the illumination optical system 13 is an optical system that guides the light from the light source 11 to the display element 14 by reflecting the light from the illumination reflecting surface 13b.
  • the illumination optical system 13 is composed of a back surface reflecting mirror having a refracting surface 13a on the front surface and an illuminating reflecting surface 13b on the back surface.
  • FIG. 5 is a perspective view of the video display device 1 of the first embodiment.
  • the refracting surface 13a and the illumination reflecting surface 13b of the illumination optical system 13 are rotationally asymmetric surfaces. More specifically, the refracting surface 13a is a cylindrical surface having optical power only in a plane parallel to the main plane, and the illumination reflecting surface 13b has optical power only in a plane parallel to the main plane. It has a cylindrical aspherical surface.
  • the refracting surface 13a and the illumination reflecting surface 13b may be a rotationally symmetric spherical surface or a rotationally symmetric aspherical surface.
  • a unidirectional diffuser plate that diffuses incident light in one direction may be further provided in the optical path between the illumination optical system 13 and the display element 14.
  • the unidirectional diffuser plate By arranging the unidirectional diffuser plate, it is possible to mix each color light of RGB from the light source 11 in the X direction, so that it is possible to reduce color unevenness caused by different positions of the light emitting units, and The optical pupil E can be expanded in one direction by diffusion on the direction diffusion plate.
  • the unidirectional diffuser When the unidirectional diffuser is disposed, the light source 11 and the optical pupil E are not optically conjugate in the X direction even if the positional relationship is conjugate, but still optically conjugate in the Y direction. is there. Therefore, in the Y direction, the light from the light source 11 can be efficiently guided to the optical pupil E.
  • the position of the diffusion plate may be considered as the light source position (secondary light source position), and the light source position and the optical pupil E may be set in a conjugate positional relationship.
  • the display element 14 is a device that displays an image by modulating incident light according to image data, and is composed of, for example, a transmissive LCD.
  • the display element 14 is arranged such that the long side direction of the rectangular display screen is the X direction and the short side direction is the Y direction.
  • the eyepiece optical system 4 is an optical system that reflects the image light from the display element 14 on the eyepiece reflecting surface and guides it to the optical pupil E, and guides the external image light (external light) to the optical pupil E. Is symmetrical with respect to the surface.
  • the eyepiece optical system 4 includes an eyepiece prism 21, a deflection prism 22, and a hologram optical element 23.
  • the hologram optical element 23 constitutes the above-described eyepiece reflecting surface.
  • the eyepiece prism 21 is a light guide member that totally reflects the image light from the display element 14 inside and guides it to the optical pupil E through the hologram optical element 23, while transmitting external light to the optical pupil E.
  • the deflecting prism 22 it is made of, for example, an acrylic resin.
  • the eyepiece prism 21 is formed in a shape in which the lower end portion of the parallel plate is wedge-shaped and the upper end portion is thickened.
  • the upper end surface of the eyepiece prism 21 is a surface 21a as an incident surface for image light, and the two surfaces positioned in the front-rear direction are surfaces 21b and 21c parallel to each other.
  • the deflection prism 22 is configured by a substantially U-shaped parallel plate in plan view (see FIG. 3), and when the deflection prism 22 is bonded to the lower end portion and both side surface portions (left and right end surfaces) of the eyepiece prism 21, the eyepiece prism. 21 is a substantially parallel flat plate.
  • the deflection prism 22 is provided by being bonded to the eyepiece prism 21 so as to sandwich the hologram optical element 23 therebetween. Thereby, distortion can be prevented from occurring in the external image observed by the observer through the eyepiece prism 21.
  • the deflecting prism 22 when the deflecting prism 22 is not provided, the external light is refracted when passing through the wedge-shaped lower end portion of the eyepiece prism 21, so that the external field image observed through the eyepiece prism 21 is distorted.
  • the deflection prism 22 is joined to the eyepiece prism 21 to form an integral substantially parallel flat plate, so that the deflection when the external light passes through the wedge-shaped lower end of the eyepiece prism 21 is canceled by the deflection prism 22. Can do. As a result, it is possible to prevent distortion in the external image observed through the see-through.
  • the hologram optical element 23 is a volume phase type reflection type hologram optical element that diffracts and reflects the image light from the display element 14 and guides it to the optical pupil E, and simultaneously transmits external light to the optical pupil E.
  • the eyepiece prism 21 is provided on the joint surface with the deflecting prism 22.
  • the volume phase type reflection hologram optical element has a narrow reflection wavelength range and high external light transmittance. By using this as a combiner for synthesizing the optical path of image light and external light, the observer can While observing the display image (virtual image), it is possible to observe the outside world image with see-through.
  • the hologram optical element 23 has a positive power in the main plane.
  • the light emitted from the light source 11 passes through the stop 12, is refracted by the refracting surface 13 a of the illumination optical system 13, is reflected by the reflecting surface 13 b for illumination, and is refracted by the refracting surface 13 a again to form the display element 14.
  • the light incident on the display element 14 is modulated there and emitted as image light.
  • the image light from the display element 14 enters the eyepiece prism 21 of the eyepiece optical system 4 from the surface 21 a, is totally reflected a plurality of times between the surfaces 21 b and 21 c, and enters the hologram optical element 23.
  • the hologram optical element 23 has a wavelength selectivity that functions as a diffraction element only for light having a wavelength corresponding to the emission wavelength of the light source 11, and functions as a concave reflecting surface only for light having the above wavelength. Designed to. Therefore, the light incident on the hologram optical element 23 is diffracted and reflected there and reaches the optical pupil E. Therefore, when the observer's pupil P is aligned with the position of the optical pupil E, the observer can observe an enlarged virtual image of the image displayed on the display element 14.
  • the eyepiece prism 21, the deflecting prism 22, and the hologram optical element 23 transmit almost all of the external light, so that the observer can observe the external field image. Therefore, the virtual image of the image displayed on the display element 14 is observed while being overlapped with a part of the external image.
  • the illumination reflecting surface 13b of the illumination optical system 13 and the eyepiece reflecting surface (hologram optical element 23) of the eyepiece optical system 4 have positive power in the main plane, and thus constitute the apparatus.
  • the degree of freedom of arrangement of the optical members can be increased and the apparatus can be easily downsized.
  • the transmissive display element 14 when used, the illumination optical system 13 must be disposed on the opposite side of the eyepiece optical system 4 with respect to the display element 14, which can be a factor in increasing the size of the apparatus.
  • the apparatus can be configured compactly even with the configuration using the transmissive display element 14.
  • the refractive surface 13a and the illumination reflecting surface 13b of the illumination optical system 13 are rotationally asymmetric surfaces. Therefore, when the aberration to be corrected is different between the main plane and the plane perpendicular thereto, the aberration is different in each plane. It can be corrected independently.
  • the refracting surface 13a and the illumination reflecting surface 13b are cylindrical surfaces having optical power in a plane parallel to the main plane, and become the illumination optical system 13 having optical power in one direction. Can be made oval. Therefore, when the video display device 1 of the present invention is applied to the HMD, it is possible to obtain an optical pupil E that is narrow in the vertical direction with little movement of the observer's pupil P and wide in the horizontal direction.
  • the optical pupil E At the position of the optical pupil E, light from the light source 11 is condensed in the vertical direction so that a bright image can be observed. Since the optical pupil E is wide in the horizontal direction, a plurality of observers having different eye widths can be observed. It is possible to easily cope with this.
  • the RGB light emitting units arranged in the X direction in which the illumination optical system 13 does not have optical power are arranged so as to be symmetric with respect to the optical axis incident surface (main plane).
  • RGB illumination light is mixed almost evenly, and an observer can observe an image with reduced color unevenness.
  • a unidirectional diffuser plate having diffusibility is inserted only in the direction in which the RGB light emitting units are arranged, RGB illumination light can be mixed more uniformly.
  • the eyepiece optical system 4 various aberrations (coma aberration, field curvature, astigmatism, distortion, etc.) are corrected so that the viewer can observe the image displayed on the display element 14 satisfactorily. ing. However, the eyepiece optical system 4 alone does not correct the aberration (pupil aberration) in the optical pupil E conjugate with the light source 11, that is, the total aberration (imaging performance) from the light source 11 to the optical pupil E. Absent.
  • the illumination optical system 13 is composed of the back surface reflecting mirror, and the total aberration is corrected by satisfying the conditional expression as follows.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing ⁇ ill and ⁇ view in the video display device 1 of the first embodiment.
  • ⁇ ill is a perpendicular line (indicated by a broken arrow in the figure) of the illumination reflecting surface 13b at the intersection of the illumination reflecting surface 13b and the optical axis, and an optical axis (shown from the illumination reflecting surface 13b to the display element 14).
  • the angle (°) formed by the middle arrow is positive, and the case where it is clockwise is negative.
  • ⁇ view is a perpendicular line (indicated by a broken arrow in the figure) of the hologram optical element 23 at the intersection of the hologram optical element 23 constituting the eyepiece reflecting surface and the optical axis, and an optical pupil E from the hologram optical element 23. It is an angle (°) formed by an optical axis (indicated by a solid line arrow in the figure) toward.
  • the direction from the perpendicular to the optical axis around the intersection is counterclockwise in the main plane is positive, and the case where the direction is clockwise is negative.
  • the video display device 1 When the number of times of bending of the optical axis due to reflection by the eyepiece optical system 4 other than the hologram optical element 23 is n, the video display device 1 has the following conditional expressions (1), (2), and (3): 5 ° ⁇
  • ⁇ ill 13.9 °
  • ⁇ view 27.4 °
  • and n 3 (two reflections on the surface 21b and one reflection on the surface 21c).
  • the illumination reflecting surface 13b and the hologram optical element 23 are arranged eccentrically with respect to the optical axis, so that the apparatus can be configured compactly.
  • the eccentric arrangement of the hologram optical element 23 can be considered in accordance with the above-described definition of eccentricity by considering the hologram optical element 23 as a concave reflecting surface.
  • conditional expression (3) various aberrations caused by the eccentric arrangement of the reflecting surface 13b for illumination and various aberrations caused by the eccentric arrangement of the hologram optical element 23 are caused to act in a direction to cancel each other. Can do.
  • the illumination optical system 13 refracts the light from the light source 11 on the refracting surface 13a, reflects it on the reflecting surface 13b for illumination, and then refracts it again on the refracting surface 13a and leads it to the display element 14.
  • conditional expression (3) when the optical pupil E is in a conjugate positional relationship can be corrected by the refractive surface 13a.
  • the total imaging performance from the light source 11 to the optical pupil E can be favorably corrected (various values at the position of the optical pupil).
  • Aberration can be sufficiently corrected), and deterioration of the image quality of the observation image can be avoided.
  • the volume phase type reflection type hologram optical element has high angle selectivity, and when light is incident on the hologram optical element at an angle deviating from the design value, the diffraction efficiency of the light rapidly decreases.
  • the refracting surface 13a in the illumination optical system 13 as described above, the total imaging performance from the light source 11 to the optical pupil E can be favorably corrected. This means that the incident angle of light incident on the hologram optical element 23 constituting the surface is close to the design value.
  • the eyepiece reflecting surface is constituted by the volume phase type reflection type hologram optical element 23, all the light reaching the hologram optical element 23 from the entire screen of the display element 14 is efficiently diffracted and reflected, and the optical pupil E Thus, a bright and high-quality image can be observed by the observer at the position of the optical pupil E.
  • Example 1 since the eyepiece reflecting surface formed of the hologram optical element 23 is arranged eccentrically with respect to the optical axis, the diffraction when light enters the hologram optical element 23 at an angle deviating from the design value. The decrease in efficiency is significant.
  • the configuration in which the refracting surface 13a is provided in the illumination optical system 13 is very effective when the eyepiece reflecting surface is constituted by the volume phase type reflection type hologram optical element 23.
  • the refractive surface 13a and the illumination reflecting surface 13b of the illumination optical system 13 are concave surfaces that are concave with respect to the light source 11 side and the display element 14 side.
  • the illumination optical system 13 is a meniscus back reflecting mirror.
  • pupil aberration generated by the illumination optical system 13 alone can be suppressed to a small level, and various aberrations (cannot be completely canceled out by the conditional expression (3)) generated on the illumination reflecting surface 13b composed of a concave surface having an eccentric arrangement.
  • Pupil aberration can be reliably corrected by the refracting surface 13a which is a concave surface having an eccentric arrangement.
  • the total imaging performance from the light source 11 to the optical pupil E can be corrected more favorably.
  • the hologram optical element 23 is arranged to be inclined with respect to the incident light beam (when arranged to be decentered with respect to the optical axis), the influence of lateral chromatic aberration due to diffraction becomes large, but the light source 11 for each of RGB.
  • the total imaging performance from the optical pupil E to the optical pupil E it is possible to reduce the influence of color unevenness in the screen.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a manufacturing optical system for producing the hologram optical element 23.
  • the reflection-type hologram optical element 23 separates the laser light into two light beams for each of RGB to make reference light and object light, respectively, and the hologram photosensitive material 23a on the substrate (here, the eyepiece prism 21) is placed on the substrate side and its It is produced by exposing with two light beams (reference light and object light) from the opposite side and recording interference fringes by these two light beams on the hologram photosensitive material 23a. More specifically, it is as follows.
  • the light on the side where the observer's eyes are arranged is referred to as reference light, and the light from the opposite side is referred to as object light.
  • the emission wavelengths of the RGB lasers are, for example, R: 647 nm, G: 532 nm, and B: 476 nm.
  • the laser light is separated into two light beams by a beam splitter, and then the respective light beams (reference light and object light) are condensed so as to become divergent light diverging from the point light sources 31 and 32.
  • the RGB reference light is a spherical wave emitted from the point light source 31 at the same position, and enters the hologram photosensitive material 23a from the eyepiece prism 21 side.
  • the RGB point light source 31 is located at the center of the optical pupil E of the eyepiece optical system 4 during video observation.
  • the peak wavelength of the light source 11 used in use is such that when the light having the RGB peak wavelength from the light source 11 (LED) is diffracted by the hologram optical element 23, it overlaps the position of the same point light source 31.
  • the RGB point light sources may be shifted and arranged on the optical pupil E of the eyepiece optical system 4 in accordance with the amount of deviation from the laser emission wavelength used during manufacture.
  • the RGB object light is divergent light emitted from the point light source 32 at the same position, shaped into a predetermined wavefront by the free-form surface mirror 33, reflected by the reflection mirror 34, and eyepiece via the color correction prism 35.
  • the light enters the hologram photosensitive material 23 a from the side opposite to the prism 21.
  • the angle of the surface 35a of the color correction prism 35 is determined so as to cancel the chromatic aberration caused by the refraction of the image light on the surface 21a of the eyepiece prism 21 of the eyepiece optical system 4 used at the time of use.
  • the color correction prism 35 is preferably disposed in close contact with the hologram photosensitive material 23a in order to prevent a ghost due to surface reflection, or is disposed via emulsion oil or the like.
  • the hologram photosensitive material 23a is irradiated with the reference light and the object light, whereby interference fringes due to these two light beams are recorded on the hologram photosensitive material 23a, and the hologram optical element 23 is manufactured.
  • the position of the point light source 31 that generates the light beam (reference light) incident on the hologram photosensitive material 23a from the eyepiece prism 21 side out of the two light beams of the reference light and the object light is determined by the eyepiece optical system 4 at the time of image observation. It is the same position as the optical pupil E.
  • the observer's pupil P is placed at the center of the optical pupil E during the image observation, the observer can observe an image free from luminance unevenness and color unevenness.
  • illumination light is reliably transmitted by the hologram optical element 23 at all angles of view. Since it is diffracted and reflected to reach the observer's pupil P, the observer can observe a bright and high-quality image over the entire screen.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the video display device 1 according to the second embodiment.
  • the video display device 1 has the same configuration as that of the first embodiment except that the eyepiece optical system 4 is replaced with an eyepiece optical system 41.
  • illustration of the diaphragm 12 is omitted.
  • the eyepiece optical system 41 is composed only of an eyepiece prism.
  • This eyepiece prism is a free-form surface prism having three surfaces 41a, 41b, and 41c made of free-form surfaces.
  • Each of the surfaces 41a, 41b, and 41c is an image light incident surface, a total reflection / transmission surface, and a half mirror surface (concave reflection surface) as an eyepiece reflection surface. That is, the image light from the display element 14 is incident on the inside through the surface 41a of the eyepiece optical system 41, totally reflected by the surface 41b, reflected and collected by the surface 41c, and transmitted through the surface 41b to transmit the optical pupil. Guided to E.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram showing ⁇ ill and ⁇ view in the video display device 1 of the second embodiment.
  • ⁇ ill is a perpendicular line (indicated by a broken arrow in the figure) of the illumination reflecting surface 13b at the intersection of the illumination reflecting surface 13b and the optical axis, and an optical axis (shown from the illumination reflecting surface 13b to the display element 14).
  • the angle (°) formed by the middle arrow is positive, and the case where it is clockwise is negative.
  • ⁇ view is a perpendicular of the surface 41c (indicated by a dashed arrow in the figure) at the intersection of the surface 41c constituting the eyepiece reflecting surface and the optical axis, and an optical axis (from the surface 41c toward the optical pupil E)
  • the angle (°) formed by the middle arrow is positive, and the case where the direction is clockwise is negative.
  • ⁇ ill 17.6 °
  • ⁇ view 19.7 °
  • n 1 (on the surface 41b), where n is the number of times the optical axis is bent by reflection on the eyepiece optical system 41 other than the surface 41c. One reflection). Therefore, the video display device 1 of Example 2 also satisfies the above-described conditional expressions (1), (2), and (3), and even if the light source 11 and the optical pupil E have a conjugate positional relationship, the light source 11 Therefore, it can be said that the total imaging performance from the optical pupil E to the optical pupil E can be corrected satisfactorily and deterioration of the image quality of the observation video can be avoided.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a video display device 51 of a comparative example.
  • the video display device 51 has the same configuration as that of the video display device 1 of the first embodiment except that the illumination optical system 13 is replaced with the illumination optical system 52.
  • the illumination optical system 52 is composed of a concave cylindrical mirror having an illumination reflecting surface 52a formed on the surface. That is, the illumination optical system 52 does not have a refractive surface as shown in the first embodiment.
  • the image display device 51 of the comparative example corresponds to the conventional image display device shown in FIG. 15 in that the illumination optical system does not have a refractive surface.
  • the light from the light source 11 is reflected by the illumination reflecting surface 52a of the illumination optical system 52 and enters the display element 14, where it is modulated and guided to the eyepiece optical system 4 as image light.
  • the subsequent optical paths are the same as in the first embodiment.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram showing ⁇ ill and ⁇ view in the video display device 51 of the comparative example.
  • ⁇ ill is a perpendicular (shown by a broken arrow in the figure) of the illumination reflecting surface 52a at the intersection of the illumination reflecting surface 52a and the optical axis, and an optical axis (shown from the illumination reflecting surface 52a toward the display element 14).
  • the angle (°) formed by the middle arrow is positive, and the case where it is clockwise is negative.
  • ⁇ view is a perpendicular line (indicated by a broken arrow in the figure) of the hologram optical element 23 at the intersection of the hologram optical element 23 constituting the eyepiece reflecting surface and the optical axis, and an optical pupil E from the hologram optical element 23. It is an angle (°) formed by an optical axis (indicated by a solid line arrow in the figure) toward.
  • the direction from the perpendicular to the optical axis around the intersection is counterclockwise in the main plane is positive, and the case where the direction is clockwise is negative.
  • the image display device 51 of the comparative example also satisfies the above-described conditional expressions (1), (2), and (3).
  • the pupil performance is insufficiently corrected and the optical performance is low. Inferior (refer to aberration diagrams described later).
  • the imaging performance of the light source image on the optical pupil E is insufficient, in other words, it means that the incident light beam on the reflection type hologram optical element 23 is slightly deviated from the design value (designed incident angle). Therefore, luminance unevenness in the screen and color unevenness in the periphery are likely to occur. Even if the stop 12 is disposed immediately after the light source 11 to cut unnecessary light, it is difficult to significantly improve image quality degradation due to insufficient pupil aberration correction.
  • FIGS. 12 to 14 show an image at the optical pupil E with respect to light having a peak wavelength (for example, 525 nm) of G light emitted from the light source (LED) in the configurations of the first embodiment, the second embodiment, and the comparative example.
  • the lateral aberration diagram on the YZ plane (Y-FAN) when the image is formed at the position is shown.
  • the horizontal axis corresponds to the position (coordinates) through which each light beam passes in the aperture or display element.
  • the refracting surface is provided in the illumination optical system, even when the light source and the optical pupil are in a conjugate positional relationship, the total aberration from the light source to the optical pupil is corrected well. Thus, it is possible to avoid the deterioration of the image quality of the observation video.
  • the video display devices of the first and second embodiments can be applied to other devices such as a head-up display (HUD). Is possible.
  • HUD head-up display
  • the video display device of the present invention can be used for HMD and HUD, for example.

Landscapes

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Abstract

　本発明は、光源と光学瞳とを共役な位置関係にしたときの、光源から光学瞳までのトータルでの結像性能を良好にして、観察映像の画質低下を回避することができる映像表示装置と、該映像表示装置を備えたＨＭＤとを提供する。光源から射出された光は、絞りを通過した後、照明光学系の屈折面で屈折し、照明用反射面で反射した後、再度屈折面で屈折して表示素子に導かれる。表示素子からの映像光は、接眼光学系のホログラム光学素子に入射し、そこで回折反射されて光学瞳に導かれる。このとき、所定の条件式を満足することにより、照明用反射面の偏心配置によって発生する諸収差と、接眼用反射面の偏心配置によって発生する諸収差とを互いに相殺する方向に作用させることができるとともに、光源と光学瞳とが共役な位置関係のときに相殺しきれない諸収差を屈折面で補正することができる。

Description

映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ
　本発明は、表示素子にて表示された映像を虚像として観察者に提供する映像表示装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも称する）とに関するものである。
　従来から、表示素子に表示された映像を接眼光学系を介して観察者に観察させる映像表示装置が種々提案されている。中でも、特許文献１の映像表示装置は、図１５に示すように、光源１０１からの照明光を照明光学系１０２（例えば偏心集光ミラー）を介して表示素子１０３（例えばＬＣＤ）に導き、表示素子１０３からの映像光を接眼光学系１０４（例えば偏心ミラー、半透過ミラー）で反射させて観察者の瞳に導く構成において、光源１０１を、照明光の照射を選択可能な複数の光源要素で構成し、観察者の瞳と略共役な位置にある光源要素を点灯させている。これにより、光源１０１を移動させる機械的な駆動手段を設けなくても、観察者は瞳の位置や視度（近視、遠視、乱視）によらずに良好な映像を観察することが可能となっている。
特開２００２－３０３８１９号公報
　ところで、観察者が良好な映像を観察するためには、瞳位置で諸収差（コマ収差、像面湾曲、非点収差、歪曲収差等）が十分に補正されていることが必要である。接眼光学系単独で収差を良好に補正し、照明光学系単独で収差を良好に補正するように設計している場合でも、光源と観察者の瞳（接眼光学系の光学瞳）とを光学的に共役にした場合には、光源から光学瞳までの結像性能が保証されているわけではなく、瞳位置での諸収差を十分に補正できない場合がある。つまり、光源１０１から光学瞳Ｅまでのトータルでの結像を考慮しない場合には、光源からの光線の光路は接眼光学系の設計時の光路とは異なる場合があり、接眼光学系の性能が十分に得られない場合がある。その結果、観察映像の画質低下を招いてしまう。
　この点、特許文献１では、光源１０１と光学瞳Ｅとを共役にしたときの、光源１０１から光学瞳Ｅまでのトータルでの結像性能については何ら言及されておらず、瞳位置での諸収差が十分に補正されているとは言えない。
　本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、光源と光学瞳とを共役な位置関係にしたときの、光源から光学瞳までのトータルでの結像性能を良好にして、観察映像の画質低下を回避することができる映像表示装置と、その映像表示装置を備えたＨＭＤとを提供することにある。
　本発明の映像表示装置は、光源と、入射光を変調して映像を表示する透過型の表示素子と、前記光源からの光を照明用反射面で反射させて前記表示素子に導く照明光学系と、前記表示素子からの映像光を接眼用反射面で反射させて光学瞳に導く接眼光学系とを備えた映像表示装置であって、前記光源の中心と、前記表示素子の表示領域の中心と、前記光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とし、前記光軸を含む平面を主平面としたとき、前記光源と前記光学瞳とは、光学的に共役な位置関係にあり、前記照明用反射面および前記接眼用反射面は、前記主平面内で正のパワーを有しており、前記照明用反射面と光軸との交点での前記照明用反射面の垂線と、前記照明用反射面から前記表示素子に向かう光軸とのなす角をθillとし、ただし、前記交点を中心に前記垂線から前記光軸に向かう方向が前記主平面内で反時計回りとなる場合を正、時計回りとなる場合を負とし、前記接眼用反射面と光軸との交点での前記接眼用反射面の垂線と、前記接眼用反射面から前記光学瞳に向かう光軸とのなす角をθviewとし、ただし、前記交点を中心に前記垂線から前記光軸に向かう方向が前記主平面内で反時計回りとなる場合を正、時計回りとなる場合を負とし、前記接眼光学系における、前記接眼用反射面以外での反射による光軸の折り曲げ回数をｎとしたとき、以下の条件式（１）（２）（３）；
　　　　　５°＜｜θill｜＜４５°　　　　　　　　　　 ・・・（１）
　　　　　５°＜｜θview｜＜４５°　　　　　　　　　　・・・（２）
　　　　　（－１）ｎ×θill×θview＜０　　　・・・（３）
を満足し、前記照明光学系は、前記主平面内で正のパワーを有し、かつ、光軸に対して偏心した屈折面をさらに有しており、前記光源からの光を前記屈折面で屈折させ、前記照明用反射面で反射させた後、再度前記屈折面で屈折させて前記表示素子に導くことを特徴としている。
　本発明の映像表示装置において、前記接眼用反射面は、体積位相型で反射型のホログラム光学素子で構成されていてもよい。
　本発明の映像表示装置において、前記ホログラム光学素子は、基板上のホログラム感光材料を基板側およびその反対側から２光束で露光し、これら２光束による干渉縞を前記ホログラム感光材料に記録することにより作製されており、前記２光束のうちで前記基板側から前記ホログラム感光材料に入射する光束を生成する点光源の位置は、映像観察時における前記接眼光学系の光学瞳と同じ位置であることが望ましい。
　本発明の映像表示装置において、前記照明光学系の前記屈折面および前記照明用反射面は、前記光源側および前記表示素子側に対して凹となる凹面であることが望ましい。
　本発明の映像表示装置において、前記照明光学系の前記屈折面および前記照明用反射面は、回転非対称な面であってもよい。
　本発明の映像表示装置において、前記照明光学系の前記屈折面および前記照明用反射面は、前記主平面と平行な面内で光学パワーを有するシリンドリカル面であってもよい。
　本発明のヘッドマウントディスプレイは、上述した本発明の映像表示装置と、前記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを有していることを特徴としている。
　本発明のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記支持手段は、前記接眼光学系の前記光学瞳の位置を観察者の瞳位置に合わせる位置調整を行った後に、観察者の頭部に対する前記接眼光学系の相対位置を固定する固定手段を有していることが望ましい。
　条件式（１）（２）を満足することにより、照明用反射面および接眼用反射面は光軸に対して偏心して配置されるので、装置をコンパクトに構成することができる。また、条件式（３）を満足することにより、照明用反射面の偏心配置によって発生する諸収差と、接眼用反射面の偏心配置によって発生する諸収差とを互いに相殺する方向に作用させることができる。しかも、照明光学系は、光源からの光を屈折面で屈折させ、照明用反射面で反射させた後、再度屈折面で屈折させて表示素子に導くので、光源と光学瞳とが共役な位置関係のときに条件式（３）で相殺しきれない諸収差を上記屈折面で補正することができる。これにより、光源と光学瞳とが共役な位置関係であっても、光源から光学瞳までのトータルでの結像性能を良好に補正することができ、観察映像の画質が低下するのを回避することができる。
本発明の実施例１の映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。 （ａ）は、表示素子からの映像光を接眼光学系を介して光学瞳に導く映像表示装置における光路を模式的に示す説明図である。（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、（ａ）の構成に、さらに、光源からの光を表示素子に導く照明光学系を組み合わせた映像表示装置の各光路を模式的に示す説明図である。 本発明の映像表示装置を適用可能なＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。 上記映像表示装置の光源の照明光学系側からの平面図である。 実施例１の映像表示装置の斜視図である。 実施例１の映像表示装置におけるθillおよびθviewをそれぞれ示す説明図である。 実施例１の映像表示装置のホログラム光学素子を作製する製造光学系の概略の構成を示す断面図である。 実施例２の映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。 実施例２の映像表示装置におけるθillおよびθviewをそれぞれ示す説明図である。 比較例の映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。 比較例の映像表示装置におけるθillおよびθviewをそれぞれ示す説明図である。 実施例１の構成において、光学瞳での像を光源の位置に結像させたときの横収差図である。 実施例２の構成において、光学瞳での像を光源の位置に結像させたときの横収差図である。 比較例の構成において、光学瞳での像を光源の位置に結像させたときの横収差図である。 従来の映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。
　本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
　（本発明のポイントについて）
　図２（ａ）は、表示素子１４からの映像光を接眼光学系４を介して光学瞳Ｅに導く映像表示装置１における光路を模式的に示す説明図である。なお、接眼光学系４は、例えば自由曲面の凹面ミラーで構成されているものとする。
　接眼光学系４単独で、映像を観察するための諸収差（球面収差、非点収差、コマ収差、歪曲収差等）が補正されていても、光源から表示素子１４の間で独立に収差補正された照明光学系とこの接眼光学系４とを組み合わせたとき、光源と共役に配置される光学瞳面では、良好に収差補正されていない場合が多い。特に、照明光学系として小型化のために偏心光学系を採用した場合、接眼光学系４との組み合わせによって、光源から光学瞳Ｅまでのトータルでの収差補正が不十分となる場合が多い。なお、ここで言う偏心とは、ミラーの曲率中心が光軸上にない（光軸からずれた位置にある）ことを意味する。また、上記の光軸とは、表示素子１４の表示領域の中心と光学瞳Ｅの中心とを光学的に結ぶ軸を指すものとする。
　ここで、図２（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、図２（ａ）の構成に、さらに、光源１１からの光を表示素子１４に導く照明光学系１３（例えば凹面ミラー）を組み合わせた映像表示装置１の各光路を模式的に示す説明図である。ただし、照明光学系１３および接眼光学系４は、それぞれ偏心配置されている。
　なお、便宜上、照明光学系１３において、ミラーの光軸との交点における垂線（図中、破線の矢印で示す）と、上記交点から光学瞳Ｅに向かう光軸（図中、実線の矢印で示す）とのなす角度をθill（°）とする。ただし、上記垂線から上記光軸に向かう方向が、入射面内で反時計回りとなる方向を正、時計回りとなる方向を負としている。なお、入射面とは、ミラーとの交点における入射光の光軸と出射光の光軸とを含む面を指す。また、接眼光学系４において、ミラーの光軸との交点における垂線（図中、破線の矢印で示す）と、上記交点から光学瞳Ｅに向かう光軸（図中、実線の矢印で示す）とのなす角度をθview（°）とする。ただし、上記垂線から上記光軸に向かう方向が入射面内で反時計回りとなる方向を正、時計回りとなる方向を負としている。
　図２（ｂ）の映像表示装置１では、照明光学系１３における偏心方向（θillの符号は正）と、接眼光学系４における偏心方向（θviewの符号は正）とが同一方向となっているので、照明光学系１３の偏心配置によって発生する収差（ここでは光学瞳位置での収差で瞳収差とも称する）と接眼光学系４の偏心配置によって発生する収差（瞳収差）とを互いに打ち消し合う方向に作用させる（補正する）ことができない。しかし、図２（ｃ）（ｄ）の映像表示装置１では、照明光学系１３における偏心方向（θillの符号は負）と、接眼光学系４における偏心方向（θviewの符号は正）とが反対方向となっているので、両光学系の収差を互いに打ち消し合う方向に作用させることが可能である。
　ただし、図２（ｃ）のように、照明光学系１３を反射面のみで構成する場合は、光源１１と光学瞳Ｅとが共役な位置関係である場合に、両光学系の収差を完全に相殺することが困難である。これに対して、図２（ｄ）の映像表示装置１では、照明光学系１３を裏面反射ミラーで構成している。つまり、照明光学系１３に反射面のみならず、その表側に屈折面を設けている。これにより、照明光学系１３と接眼光学系４とで相殺しきれなかった収差を上記屈折面で補正することが可能となる。したがって、光源１１から光学瞳Ｅまでのトータルでの結像性能を良好に補正することができ、観察映像の画質が低下するのを回避することができる。
　なお、照明光学系１３を裏面反射ミラーとせずに通常のミラーとし、別途、光学素子を光路中に追加してこれを偏心配置することにより、収差補正を行う方法も考えられる。しかし、これでは部品点数が多くなり、また、素子の位置精度を十分に保ったまま保持する機構が必要となるので、大型化したりコストアップすることが考えられる。上記のように照明光学系１３を裏面反射ミラーで構成することにより、このような部品点数の増大や大型化を避けながら十分な収差補正が可能になる。
　なお、図２（ｂ）（ｃ）（ｄ）では、説明を理解しやすくするために、接眼光学系４が凹面ミラーのみで構成されている例を示したが、例えば、接眼光学系４が上記の凹面ミラー以外に反射面を１枚有し、その反射面で映像光の光路を１回折り曲げる構成とした場合、照明光学系１３における偏心方向と接眼光学系４における偏心方向とが、光路を折り曲げた状態では入射面内で同一方向であっても、光路を展開したときには反対方向となる。接眼光学系４が凹面ミラー以外の反射面を奇数枚有している場合は、これと同様に考えることができる。したがって、照明光学系１３および接眼光学系４の収差を互いに打ち消し合う方向に作用させるためには、接眼光学系４の凹面ミラー以外の反射面の枚数、すなわち、光路の折り曲げ回数も考慮して、上記両者の偏心方向を設定する必要がある。
　以上のポイントを踏まえ、本発明の映像表示装置１およびＨＭＤについて以下に説明する。
　（ＨＭＤについて）
　図３は、本発明の映像表示装置１を適用可能なＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。ＨＭＤは、映像表示装置１と、支持部材２とで構成されている。
　映像表示装置１は、映像を生成してそれを観察者に虚像として提供するとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させるものである。この映像表示装置１は、光源１１や表示素子１４（図１参照）を収容する筐体３に接眼光学系４を一体化させて構成されている。光源１１や表示素子１４を制御するための信号や駆動電力は、筐体３を貫通するケーブル５を介して各部に供給される。接眼光学系４は、全体として眼鏡の一方のレンズ（図３では右眼用レンズ）のような形状をなしている。なお、眼鏡の左眼用レンズに相当するレンズ６は、ダミーレンズである。
　支持部材２は、映像表示装置１を観察者の眼前で支持する支持手段であり、例えば眼鏡のフレーム、テンプルに相当する部材の集合で構成されている。この支持部材２を観察者の頭部に固定することにより、映像表示装置１は観察者の眼前の位置で正確に保持され、観察者は映像表示装置１から提供される映像をハンズフリーで長時間安定して観察することができる。なお、本実施形態では、支持部材２は、観察者の右眼に対応して１個の映像表示装置１を支持しているが、観察者の両眼に対応して２個の映像表示装置１を支持してもよい。
　また、支持部材２は、固定機構７を有している。固定機構７は、接眼光学系４によって形成される光学瞳（射出瞳）の位置を観察者の瞳（瞳孔、虹彩）の位置に合わせる位置調整を行った後に、観察者の頭部に対する接眼光学系４の相対位置を固定する固定手段であり、観察者の鼻と当接して移動可能な右鼻当て７Ｒおよび左鼻当て７Ｌと、これらをロックするロック部とを有して構成されている。支持手段２が固定機構７を有していることにより、光学瞳の位置調整後、観察者は、光学瞳の位置にて、良好な映像を長時間にわたって確実にかつ安定して観察することができる。
　（映像表示装置について）
　次に、映像表示装置１の詳細について、実施例１および２として説明する。
　＜実施例１＞
　図１は、実施例１の映像表示装置１の概略の構成を示す断面図である。映像表示装置１は、光源１１と、絞り１２と、照明光学系１３と、表示素子１４と、接眼光学系４とを有している。光源１１から表示素子１４までの各光学要素は、筐体３（図３参照）内に収容されている。また、接眼光学系４の一部（後述する接眼プリズム２１の一部）も、筐体３内に位置している。
　ここで、以下での説明の便宜上、方向を以下のように定義しておく。まず、光源１１の中心と、表示素子１４の表示領域の中心と、接眼光学系４によって形成される光学瞳Ｅの中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とする。そして、光源１１から光学瞳Ｅまでの光路を展開したときの光軸方向をＺ方向とする。また、上記光軸を含む面を主平面と称する。本実施形態では、後述する照明光反射面１３ｂおよび接眼光学系４のホログラム光学素子２３によって光軸が折り曲げられるので、主平面は一義的に決まる。
　また、ホログラム光学素子２３の光軸入射面に垂直な方向をＸ方向とし、ＺＸ平面に垂直な方向をＹ方向とする。なお、ホログラム光学素子２３の光軸入射面とは、ホログラム光学素子２３における入射光の光軸と反射光の光軸とを含む平面、すなわち、ＹＺ平面を指す。すなわち、光軸入射面は、上記した主平面でもある。
　光源１１は、例えば、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３原色に対応する波長の光を出射するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。光源１１は、光学瞳Ｅと共役な位置関係となるように配置されている。これにより、光源１１からの光利用効率が高くなり（光源１１からの光が効率よく光学瞳Ｅに入射し）、明るい映像を観察者に観察させることができる。言い換えれば、低消費電力の映像表示装置１を実現することができる。絞り１２は、光源１１に近接して設けられている。
　光源１１は、ＲＧＢの各発光部を有する光源群を１組備えたもので構成されてもよいし、２組以上備えたもので構成されてもよい。本実施形態では、光源１１は、上記光源群を２組備えたもので構成されている。より詳しくは、以下の通りである。
　図４は、光源１１の照明光学系１３側からの平面図である。光源１１は、２つの光源群１１Ｐ・１１Ｑで構成されている。光源群１１Ｐは、ＲＧＢの３色の光をそれぞれ発光する３つの発光部１１Ｒ１・１１Ｇ１・１１Ｂ１を有するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。また、光源群１１Ｑも同様に、ＲＧＢの３色の光をそれぞれ発光する３つの発光部１１Ｒ２・１１Ｇ２・１１Ｂ２を有するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。
　また、各光源群１１Ｐ・１１Ｑの各発光部は、Ｘ方向に並んで配置されているが、さらに、光軸入射面に対して各色ごとに面対称となるように配置されている。より詳細には、発光部１１Ｒ１・１１Ｒ２が光軸入射面に近い位置で面対称となるように配置され、そのＸ方向外側に発光部１１Ｇ１・１１Ｇ２が光軸入射面に対して面対称となるように配置され、さらにそのＸ方向外側に発光部１１Ｂ１・１１Ｂ２が光軸入射面に対して面対称となるように配置されている。つまり、各光源群１１Ｐ・１１Ｑでは、光軸入射面側からＸ方向外側に向かうにつれて出射光の波長が短くなるような順序で、各発光部が配置されている。
　なお、光源１１が２組の光源群１１Ｐ・１１Ｑで構成されるときの光源１１の中心とは、Ｘ方向に並ぶ発光部１１Ｒ１・１１Ｒ２の中間の位置を指す。ちなみに、光源１１が１組の光源群で構成されるときの光源１１の中心とは、例えばＸ方向に並ぶＲＧＢの各発光部のうちで真ん中の発光部（例えばＧ光を出射する発光部）の位置を指す。
　照明光学系１３は、光源１１からの光を照明用反射面１３ｂで反射させて表示素子１４に導く光学系である。本実施形態では、照明光学系１３は、表面に屈折面１３ａを有し、裏面に照明用反射面１３ｂを有する裏面反射ミラーで構成されている。
　屈折面１３ａおよび照明用反射面１３ｂは、主平面内で正のパワーを有し、かつ、光軸に対して偏心して配置されているとともに、光源１１側および表示素子１４側に対して凹となる凹面で構成されている。ここで、図５は、実施例１の映像表示装置１の斜視図である。同図に示すように、照明光学系１３の屈折面１３ａおよび照明用反射面１３ｂは、回転非対称な面で構成されている。より具体的には、屈折面１３ａは、主平面と平行な面内でのみ光学パワーを有するシリンドリカル面となっており、照明用反射面１３ｂは、主平面と平行な面内でのみ光学パワーを有するシリンドリカル非球面となっている。なお、屈折面１３ａおよび照明用反射面１３ｂは、回転対称な球面または回転対称な非球面であってもよい。
　なお、照明光学系１３と表示素子１４との間の光路中に、入射光を一方向（例えばＸ方向）に拡散する一方向拡散板をさらに備えていてもよい。一方向拡散板を配置することにより、光源１１からのＲＧＢの各色光をＸ方向で混ぜることができるので、各発光部の位置が異なることに起因する色ムラを低減することができるとともに、一方向拡散板での拡散によって光学瞳Ｅを一方向に拡大することができる。
　なお、一方向拡散板を配置した場合、光源１１と光学瞳Ｅとは、位置関係が共役であっても、Ｘ方向では光学的に共役とはならないが、Ｙ方向では依然として光学的に共役である。したがって、Ｙ方向については、光源１１からの光を効率よく光学瞳Ｅに導くことができる。
　なお、上記の一方向拡散板の代わりに、入射光を全方向に拡散する通常の拡散板を配置してもよい。この場合、拡散板の位置を光源位置（２次光源位置）と考え、その光源位置と光学瞳Ｅとを共役な位置関係に設定してもよい。
　表示素子１４は、入射光を画像データに応じて変調して映像を表示するものであり、例えば透過型のＬＣＤで構成されている。表示素子１４は、矩形の表示画面の長辺方向がＸ方向となり、短辺方向がＹ方向となるように配置されている。
　接眼光学系４は、表示素子１４からの映像光を接眼用反射面で反射させて光学瞳Ｅに導くとともに、外界像の光（外光）を光学瞳Ｅに導く光学系であり、ＹＺ面に対して面対称に形成されている。この接眼光学系４は、接眼プリズム２１と、偏向プリズム２２と、ホログラム光学素子２３とを有して構成されている。なお、ホログラム光学素子２３が上記の接眼用反射面を構成している。
　接眼プリズム２１は、表示素子１４からの映像光を内部で全反射させてホログラム光学素子２３を介して光学瞳Ｅに導く一方、外光を透過させて光学瞳Ｅに導く導光部材であり、偏向プリズム２２とともに、例えばアクリル系樹脂で構成されている。この接眼プリズム２１は、平行平板の下端部を楔状にし、上端部を厚くした形状で構成されている。また、接眼プリズム２１の上端面は、映像光の入射面としての面２１ａとなっており、前後方向に位置する２面は、互いに平行な面２１ｂ・２１ｃとなっている。
　偏向プリズム２２は、平面視で略Ｕ字型の平行平板で構成されており（図３参照）、接眼プリズム２１の下端部および両側面部（左右の各端面）と貼り合わされたときに、接眼プリズム２１と一体となって略平行平板となるものである。偏向プリズム２２は、ホログラム光学素子２３を挟むように接眼プリズム２１と接着して設けられている。これにより、観察者が接眼プリズム２１を介して観察する外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
　つまり、例えば、偏向プリズム２２を設けない場合、外光は接眼プリズム２１の楔状の下端部を透過するときに屈折するので、接眼プリズム２１を介して観察される外界像に歪みが生じる。しかし、接眼プリズム２１に偏向プリズム２２を接合して一体的な略平行平板を形成することで、外光が接眼プリズム２１の楔状の下端部を透過するときの屈折を偏向プリズム２２でキャンセルすることができる。その結果、シースルーで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２３は、表示素子１４からの映像光を回折反射させて光学瞳Ｅに導くと同時に、外光を透過させて光学瞳Ｅに導く体積位相型で反射型のホログラム光学素子であり、接眼プリズム２１において偏向プリズム２２との接合面に設けられている。体積位相型の反射型ホログラム光学素子は、反射波長域が狭く、外光の透過率が高いので、これを映像光と外光との光路を合成するためのコンバイナとして用いることにより、観察者は、表示映像（虚像）を観察しながら、外界像をシースルーで観察することが可能となる。ホログラム光学素子２３は、主平面内で正のパワーを有している。
　次に、上記構成の映像表示装置１の動作について説明する。光源１１から射出された光は、絞り１２を通過した後、照明光学系１３の屈折面１３ａで屈折し、照明用反射面１３ｂで反射した後、再度屈折面１３ａで屈折して表示素子１４に導かれる。表示素子１４に入射した光は、そこで変調されて映像光として出射される。表示素子１４からの映像光は、接眼光学系４の接眼プリズム２１の内部に面２１ａから入射し、面２１ｂ・２１ｃの間で複数回全反射されて、ホログラム光学素子２３に入射する。
　ホログラム光学素子２３は、光源１１の発光波長に対応する波長の光のみに対して回折素子として機能する波長選択性を有しており、上記波長の光に対してのみ凹面反射面として機能するように設計されている。したがって、ホログラム光学素子２３に入射した光は、そこで回折反射されて光学瞳Ｅに達する。よって、光学瞳Ｅの位置に観察者の瞳Ｐを合わせると、観察者は、表示素子１４に表示された映像の拡大虚像を観察することができる。
　一方、接眼プリズム２１、偏向プリズム２２およびホログラム光学素子２３は、外光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界像を観察することができる。したがって、表示素子１４に表示された映像の虚像は、外界像の一部に重なって観察されることになる。
　以上のように、照明光学系１３の照明用反射面１３ｂおよび接眼光学系４の接眼用反射面（ホログラム光学素子２３）は、主平面内で正のパワーを有しているので、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めて装置を容易に小型化することができる。さらに、透過型の表示素子１４を用いる場合、照明光学系１３は表示素子１４に対して接眼光学系４とは反対側に配置しなければならず、装置が大型化する要因となり得る。しかし、照明光学系１３の照明用反射面１３ｂで光路を折り畳む構成とすることにより、透過型の表示素子１４を用いる構成でも、装置をコンパクトに構成することができる。
　また、照明光学系１３の屈折面１３ａおよび照明用反射面１３ｂは、回転非対称な面であるので、主平面とそれに垂直な平面とで補正すべき収差が異なるときに、それぞれの平面で収差を独立に補正することができる。特に、屈折面１３ａおよび照明用反射面１３ｂは、主平面と平行な面内で光学パワーを有するシリンドリカル面であり、一方向に光学パワーを有する照明光学系１３となるので、光学瞳Ｅの形状を楕円状にすることができる。したがって、本発明の映像表示装置１をＨＭＤに適用したときに、観察者の瞳Ｐの移動の少ない上下方向に狭く、左右方向に広い光学瞳Ｅを得ることができる。この場合、光学瞳Ｅの位置では、上下方向には光源１１からの光が集光して明るい映像が観察可能であり、左右方向に光学瞳Ｅが広いので、眼幅の異なる複数の観察者にも容易に対応することが可能となる。
　また、光源１１において、照明光学系１３が光学パワーを持たないＸ方向に配置されたＲＧＢの各発光部は、光軸入射面（主平面）に対して対称になるように配置されている。これにより、ＲＧＢの照明光がほぼ均等に混ざり、観察者は色ムラの低減された映像を観察することができる。また、ＲＧＢの各発光部が並ぶ方向にのみ拡散性のある一方向拡散板を光路中に挿入すれば、より均一にＲＧＢの照明光を混合することができる。
　（条件式について）
　接眼光学系４においては、表示素子１４に表示された映像を観察者が良好に観察することができるように、諸収差（コマ収差、像面湾曲、非点収差、歪曲収差等）が補正されている。しかし、接眼光学系４単独で、光源１１と共役な光学瞳Ｅにおける収差（瞳収差）、つまり、光源１１から光学瞳Ｅまでのトータルでの収差（結像性能）が補正されているわけではない。本実施形態では、上述したように照明光学系１３を裏面反射ミラーで構成するとともに、以下のように条件式を満足させることにより、そのようなトータルでの収差を補正するようにしている。
　図６は、実施例１の映像表示装置１におけるθillおよびθviewをそれぞれ示す説明図である。θillは、照明用反射面１３ｂと光軸との交点での照明用反射面１３ｂの垂線（図中、破線の矢印で示す）と、照明用反射面１３ｂから表示素子１４に向かう光軸（図中、実線の矢印で示す）とのなす角（°）である。ただし、上記交点を中心に上記垂線から上記光軸に向かう方向が主平面内で反時計回りとなる場合を正、時計回りとなる場合を負としている。一方、θviewは、接眼用反射面を構成するホログラム光学素子２３と光軸との交点でのホログラム光学素子２３の垂線（図中、破線の矢印で示す）と、ホログラム光学素子２３から光学瞳Ｅに向かう光軸（図中、実線の矢印で示す）とのなす角（°）である。ただし、上記交点を中心に上記垂線から上記光軸に向かう方向が上記主平面内で反時計回りとなる場合を正、時計回りとなる場合を負としている。
　接眼光学系４におけるホログラム光学素子２３以外での反射による光軸の折り曲げ回数をｎとしたとき、映像表示装置１は、以下の条件式（１）（２）（３）；
　　　　　５°＜｜θill｜＜４５°　　　　　　　　　　 ・・・（１）
　　　　　５°＜｜θview｜＜４５°　　　　　　　　　　・・・（２）
　　　　　（－１）ｎ×θill×θview＜０　　　・・・（３）
を満足している。ちなみに、実施例１では、θill＝１３．９°、θview＝２７．４°、ｎ＝３（面２１ｂでの反射が２回、面２１ｃでの反射が１回）である。
　条件式（１）（２）を満足することにより、照明用反射面１３ｂおよびホログラム光学素子２３は、光軸に対して偏心して配置されることになるので、装置をコンパクトに構成することができる。なお、ホログラム光学素子２３の偏心配置については、ホログラム光学素子２３を凹面反射面と考えることにより、上述した偏心の定義に即して考えることができる。
　また、条件式（３）を満足することにより、照明用反射面１３ｂの偏心配置によって発生する諸収差と、ホログラム光学素子２３の偏心配置によって発生する諸収差とを互いに相殺する方向に作用させることができる。しかも、照明光学系１３は、光源１１からの光を屈折面１３ａで屈折させ、照明用反射面１３ｂで反射させた後、再度屈折面１３ａで屈折させて表示素子１４に導くので、光源１１と光学瞳Ｅとが共役な位置関係のときに条件式（３）で相殺しきれない諸収差を屈折面１３ａで補正することができる。これにより、光源１１と光学瞳Ｅとが共役な位置関係であっても、光源１１から光学瞳Ｅまでのトータルでの結像性能を良好に補正することができ（光学瞳の位置での諸収差を十分に補正することができ）、観察映像の画質が低下するのを回避することができる。
　また、体積位相型で反射型のホログラム光学素子は、角度選択性が高く、設計値から外れた角度でホログラム光学素子に光が入射すると、その光についての回折効率は急激に低下する。一方、上記のように照明光学系１３に屈折面１３ａを設けることにより、光源１１から光学瞳Ｅまでのトータルでの結像性能を良好に補正することができるが、このことは、接眼用反射面を構成するホログラム光学素子２３に入射する光の入射角度を設計値に近づけていることを意味する。したがって、接眼用反射面を体積位相型で反射型のホログラム光学素子２３で構成した場合でも、表示素子１４の画面全体からホログラム光学素子２３に到達する光を全て効率よく回折反射させて光学瞳Ｅに導くことができ、光学瞳Ｅの位置にて、明るく高品位な映像を観察者に観察させることができる。
　特に、実施例１では、ホログラム光学素子２３からなる接眼用反射面は光軸に対して偏心して配置されているため、設計値から外れた角度でホログラム光学素子２３に光が入射したときの回折効率の低下は著しい。このことを考慮すると、照明光学系１３に屈折面１３ａを設ける構成は、接眼用反射面を体積位相型で反射型のホログラム光学素子２３で構成した場合に非常に有効となる。
　また、上述したように、照明光学系１３の屈折面１３ａおよび照明用反射面１３ｂは、光源１１側および表示素子１４側に対して凹となる凹面である。つまり、照明光学系１３は、メニスカスタイプの裏面反射ミラーである。これにより、照明光学系１３単独で発生する瞳収差を小さく抑えることができるとともに、偏心配置の凹面からなる照明用反射面１３ｂで発生し、条件式（３）で相殺しきれなかった諸収差（瞳収差）を、偏心配置の凹面からなる屈折面１３ａで確実に補正することができる。その結果、光源１１から光学瞳Ｅまでのトータルでの結像性能をより良好に補正することができる。
　なお、ホログラム光学素子２３が入射光線に対して傾いて配置される場合（光軸に対して偏心して配置される場合）は、回折による倍率色収差の影響も大きくなるが、ＲＧＢのそれぞれについて光源１１から光学瞳Ｅまでのトータルでの結像性能を良好に補正しておくことにより、画面内の色ムラの影響を低減することができる。
　（製造光学系について）
　次に、上記したホログラム光学素子２３の作製方法について説明する。図７は、ホログラム光学素子２３を作製する製造光学系の概略の構成を示す断面図である。反射型のホログラム光学素子２３は、ＲＧＢのそれぞれについて、レーザー光を２光束に分離してそれぞれ参照光および物体光とし、基板（ここでは接眼プリズム２１）上のホログラム感光材料２３ａを基板側およびその反対側から２光束（参照光、物体光）で露光し、これら２光束による干渉縞をホログラム感光材料２３ａに記録することにより作製される。より具体的には、以下の通りである。なお、ここでは、観察者の眼を配置する側の光を参照光、反対側からの光を物体光と呼ぶことにする。また、ＲＧＢのレーザーの発光波長は、例えば、Ｒ：６４７ｎｍ、Ｇ：５３２ｎｍ、Ｂ：４７６ｎｍである。
　まず、ＲＧＢのそれぞれについて、レーザー光をビームスプリッタで２光束に分離した後、それぞれの光束（参照光、物体光）を点光源３１・３２から発散する発散光となるように集光する。ＲＧＢの参照光は、同一位置の点光源３１から出射される球面波であり、接眼プリズム２１側からホログラム感光材料２３ａに入射する。このとき、ＲＧＢの点光源３１は、映像観察時の接眼光学系４の光学瞳Ｅの中心に位置する。なお、使用状態において、光源１１（ＬＥＤ）からのＲＧＢのピーク波長の光がホログラム光学素子２３にて回折されたときに同じ点光源３１の位置に重なるように、使用時に用いる光源１１のピーク波長と製造時に用いるレーザーの発光波長とのずれ量に応じて、接眼光学系４の光学瞳Ｅ上でＲＧＢの各点光源をずらして配置してもよい。
　一方、ＲＧＢの物体光は、同一位置の点光源３２から出射される発散光であり、自由曲面ミラー３３によって所定の波面に整形され、反射ミラー３４で反射され、色補正プリズム３５を介して接眼プリズム２１とは反対側からホログラム感光材料２３ａに入射する。このとき、色補正プリズム３５の面３５ａは、使用時に用いられる接眼光学系４の接眼プリズム２１の面２１ａでの映像光の屈折に起因して発生する色収差を打ち消すように、その角度が決定されている。なお、色補正プリズム３５は、表面反射によるゴーストを防止するためにホログラム感光材料２３ａに対して密着して配置されるか、エマルジョンオイルなどを介して配置されることが望ましい。
　以上のようにして、ホログラム感光材料２３ａに対して参照光と物体光とを照射することにより、これら２光束による干渉縞がホログラム感光材料２３ａに記録され、ホログラム光学素子２３が作製される。
　このように、参照光および物体光の２光束のうち、接眼プリズム２１側からホログラム感光材料２３ａに入射する光束（参照光）を生成する点光源３１の位置は、映像観察時における接眼光学系４の光学瞳Ｅと同じ位置である。これにより、映像観察時に観察者の瞳Ｐを光学瞳Ｅの中心に配置すれば、観察者は輝度ムラ、色ムラのない映像を観察することができる。特に、本発明のように、光源１１と光学瞳Ｅとを共役な位置関係としたときの瞳収差を良好に補正することにより、全ての画角において、照明光がホログラム光学素子２３で確実に回折反射されて観察者の瞳Ｐに到達するので、観察者は、画面全域にわたって明るく高品位な映像を観察することができる。
　＜実施例２＞
　次に、実施例２の映像表示装置１について説明する。図８は、実施例２の映像表示装置１の概略の構成を示す断面図である。この映像表示装置１は、接眼光学系４を接眼光学系４１に置き換えた以外は、実施例１と全く同様の構成である。なお、図８では、絞り１２の図示を省略している。
　接眼光学系４１は、接眼プリズムのみで構成されている。この接眼プリズムは、自由曲面からなる３つの面４１ａ・４１ｂ・４１ｃを有する自由曲面プリズムである。面４１ａ・４１ｂ・４１ｃは、それぞれ、映像光の入射面、全反射兼透過面、接眼用反射面としてのハーフミラー面（凹面反射面）である。つまり、表示素子１４からの映像光は、接眼光学系４１の面４１ａを介して内部に入射し、面４１ｂで全反射した後、面４１ｃで反射集光され、面４１ｂを透過して光学瞳Ｅに導かれる。
　図９は、実施例２の映像表示装置１におけるθillおよびθviewをそれぞれ示す説明図である。θillは、照明用反射面１３ｂと光軸との交点での照明用反射面１３ｂの垂線（図中、破線の矢印で示す）と、照明用反射面１３ｂから表示素子１４に向かう光軸（図中、実線の矢印で示す）とのなす角（°）である。ただし、上記交点を中心に上記垂線から上記光軸に向かう方向が主平面内で反時計回りとなる場合を正、時計回りとなる場合を負としている。一方、θviewは、接眼用反射面を構成する面４１ｃと光軸との交点での面４１ｃの垂線（図中、破線の矢印で示す）と、面４１ｃから光学瞳Ｅに向かう光軸（図中、実線の矢印で示す）とのなす角（°）である。ただし、上記交点を中心に上記垂線から上記光軸に向かう方向が上記主平面内で反時計回りとなる場合を正、時計回りとなる場合を負としている。
　接眼光学系４１における面４１ｃ以外での反射による光軸の折り曲げ回数をｎとしたとき、実施例２では、θill＝１７．６°、θview＝１９．７°、ｎ＝１（面４１ｂでの反射が１回）である。したがって、実施例２の映像表示装置１も、上述した条件式（１）（２）（３）を満足しており、光源１１と光学瞳Ｅとが共役な位置関係であっても、光源１１から光学瞳Ｅまでのトータルでの結像性能を良好に補正することができ、観察映像の画質が低下するのを回避することができると言える。
　＜比較例＞
　次に、比較例について説明する。図１０は、比較例の映像表示装置５１の概略の構成を示す断面図である。この映像表示装置５１は、照明光学系１３を照明光学系５２に置き換えた以外は、実施例１の映像表示装置１と同様の構成である。照明光学系５２は、表面に照明用反射面５２ａを形成した凹面シリンドリカルミラーで構成されている。すなわち、照明光学系５２は、実施例１で示したような屈折面を有していない。このように、照明光学系が屈折面を有していない点では、比較例の映像表示装置５１は、従来の図１５で示した映像表示装置に対応していると言える。
　上記の構成では、光源１１からの光は、照明光学系５２の照明用反射面５２ａで反射されて表示素子１４に入射し、そこで変調されて映像光として接眼光学系４に導かれる。以降の光路は、実施例１と同様である。
　図１１は、比較例の映像表示装置５１におけるθillおよびθviewをそれぞれ示す説明図である。θillは、照明用反射面５２ａと光軸との交点での照明用反射面５２ａの垂線（図中、破線の矢印で示す）と、照明用反射面５２ａから表示素子１４に向かう光軸（図中、実線の矢印で示す）とのなす角（°）である。ただし、上記交点を中心に上記垂線から上記光軸に向かう方向が主平面内で反時計回りとなる場合を正、時計回りとなる場合を負としている。一方、θviewは、接眼用反射面を構成するホログラム光学素子２３と光軸との交点でのホログラム光学素子２３の垂線（図中、破線の矢印で示す）と、ホログラム光学素子２３から光学瞳Ｅに向かう光軸（図中、実線の矢印で示す）とのなす角（°）である。ただし、上記交点を中心に上記垂線から上記光軸に向かう方向が上記主平面内で反時計回りとなる場合を正、時計回りとなる場合を負としている。
　接眼光学系４におけるホログラム光学素子２３以外での反射による光軸の折り曲げ回数をｎとしたとき、比較例では、θill＝２４．９°、θview＝２７．４°、ｎ＝３（面２１ｂでの反射が２回、面２１ｃでの反射が１回）である。したがって、比較例の映像表示装置５１も、上述した条件式（１）（２）（３）を満足しているが、実施例１と比較すると、瞳収差の補正不足が生じるために光学性能は劣る（後述の収差図参照）。光学瞳Ｅ上における光源像の結像性能が十分でないときは、言い換えれば、反射型のホログラム光学素子２３への入射光線が設計値（設計した入射角度）から若干ずれているということを意味しており、画面内の輝度ムラや、周辺での色ムラが発生しやすくなる。なお、光源１１の直後に絞り１２を配置して不要な光をカットする工夫をしても、瞳収差補正不足による画質の劣化を大幅に改善することは困難である。
　（収差図について）
　図１２～図１４は、実施例１、実施例２および比較例の構成において、光源（ＬＥＤ）が出射するＧ光のピーク波長（例えば５２５ｎｍ）の光について、光学瞳Ｅでの像を光源１１の位置に結像させたときのＹＺ平面（Ｙ－ＦＡＮ）での横収差図をそれぞれ示している。縦軸は、瞳位置でのＹ座標が、ｙ＝－１．５ｍｍ、１．５ｍｍ、０ｍｍ（瞳中心）の点の光源位置での収差（例えばコマ収差）を示し、単位はｍｍである。横軸は、絞りまたは表示素子において各光線が通過する位置（座標）に対応している。
　これらの図より、実施例１および２の構成では、各瞳位置に対する光源位置での収差が良好に補正されていることがわかるが、比較例では、収差が十分に補正されていないことがわかる。このことから、条件式（１）（２）（３）を全て満足していても、条件式（３）では相殺しきれない収差を補正する屈折面を照明光学系に設けなければ、光源と光学瞳とを共役な位置関係にしたときのトータルでの収差を補正することはできないと言える。よって、照明光学系に屈折面を設ける実施例１および２の構成によれば、光源と光学瞳とが共役な位置関係であっても、光源から光学瞳までのトータルでの収差を良好に補正して、観察映像の画質が低下するのを回避することができる。
　なお、以上の実施例１および２では、ＨＭＤに好適な映像表示装置について種々説明したが、実施例１および２の映像表示装置は、例えばヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）などの他の装置にも適用することが可能である。
　本発明の映像表示装置は、例えばＨＭＤやＨＵＤに利用可能である。
　１　映像表示装置
　２　支持部材（支持手段）
　４　接眼光学系
　７　固定機構（固定手段）
　１１　光源
　１３　照明光学系
　１３ａ　屈折面
　１３ｂ　照明用反射面
　１４　表示素子
　２１　接眼プリズム（基板）
　２３　ホログラム光学素子（接眼用反射面）
　２３ａ　ホログラム感光材料
　３１　点光源
　Ｅ　光学瞳

Claims (8)

  1. 　光源と、
    　入射光を変調して映像を表示する透過型の表示素子と、
    　前記光源からの光を照明用反射面で反射させて前記表示素子に導く照明光学系と、
    　前記表示素子からの映像光を接眼用反射面で反射させて光学瞳に導く接眼光学系とを備えた映像表示装置であって、
    　前記光源の中心と、前記表示素子の表示領域の中心と、前記光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とし、前記光軸を含む平面を主平面としたとき、
    　前記光源と前記光学瞳とは、光学的に共役な位置関係にあり、
    　前記照明用反射面および前記接眼用反射面は、前記主平面内で正のパワーを有しており、
    　前記照明用反射面と光軸との交点での前記照明用反射面の垂線と、前記照明用反射面から前記表示素子に向かう光軸とのなす角をθillとし、ただし、前記交点を中心に前記垂線から前記光軸に向かう方向が前記主平面内で反時計回りとなる場合を正、時計回りとなる場合を負とし、
    　前記接眼用反射面と光軸との交点での前記接眼用反射面の垂線と、前記接眼用反射面から前記光学瞳に向かう光軸とのなす角をθviewとし、ただし、前記交点を中心に前記垂線から前記光軸に向かう方向が前記主平面内で反時計回りとなる場合を正、時計回りとなる場合を負とし、
    　前記接眼光学系における、前記接眼用反射面以外での反射による光軸の折り曲げ回数をｎとしたとき、
    　以下の条件式（１）（２）（３）；
    　　　　　５°＜｜θill｜＜４５°　　　　　　　　　　 ・・・（１）
    　　　　　５°＜｜θview｜＜４５°　　　　　　　　　　・・・（２）
    　　　　　（－１）ｎ×θill×θview＜０　　　・・・（３）
    を満足し、
    　前記照明光学系は、前記主平面内で正のパワーを有し、かつ、光軸に対して偏心した屈折面をさらに有しており、前記光源からの光を前記屈折面で屈折させ、前記照明用反射面で反射させた後、再度前記屈折面で屈折させて前記表示素子に導くことを特徴とする映像表示装置。
  2. 　前記接眼用反射面は、体積位相型で反射型のホログラム光学素子で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
  3. 　前記ホログラム光学素子は、基板上のホログラム感光材料を基板側およびその反対側から２光束で露光し、これら２光束による干渉縞を前記ホログラム感光材料に記録することにより作製されており、
    　前記２光束のうちで前記基板側から前記ホログラム感光材料に入射する光束を生成する点光源の位置は、映像観察時における前記接眼光学系の光学瞳と同じ位置であることを特徴とする請求項２に記載の映像表示装置。
  4. 　前記照明光学系の前記屈折面および前記照明用反射面は、前記光源側および前記表示素子側に対して凹となる凹面であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の映像表示装置。
  5. 　前記照明光学系の前記屈折面および前記照明用反射面は、回転非対称な面であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の映像表示装置。
  6. 　前記照明光学系の前記屈折面および前記照明用反射面は、前記主平面と平行な面内で光学パワーを有するシリンドリカル面であることを特徴とする請求項５に記載の映像表示装置。
  7. 　請求項１から６のいずれかに記載の映像表示装置と、
    　前記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを有していることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
  8. 　前記支持手段は、前記接眼光学系の前記光学瞳の位置を観察者の瞳位置に合わせる位置調整を行った後に、観察者の頭部に対する前記接眼光学系の相対位置を固定する固定手段を有していることを特徴とする請求項７に記載のヘッドマウントディスプレイ。
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