WO2010047212A1 - 映像表示装置 - Google Patents

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WO2010047212A1
WO2010047212A1 PCT/JP2009/067038 JP2009067038W WO2010047212A1 WO 2010047212 A1 WO2010047212 A1 WO 2010047212A1 JP 2009067038 W JP2009067038 W JP 2009067038W WO 2010047212 A1 WO2010047212 A1 WO 2010047212A1
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image
spatial frequency
external
range
video
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PCT/JP2009/067038
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French (fr)
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靖 谷尻
卓也 岸本
毅 遠藤
佳恵 清水
宏 山口
哲也 野田
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コニカミノルタオプト株式会社
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Publication date
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    • G02B17/0856—Catadioptric systems comprising a refractive element with a reflective surface, the reflection taking place inside the element, e.g. Mangin mirrors
    • G02B17/086—Catadioptric systems comprising a refractive element with a reflective surface, the reflection taking place inside the element, e.g. Mangin mirrors wherein the system is made of a single block of optical material, e.g. solid catadioptric systems
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/02—Diffusing elements; Afocal elements

Definitions

  • the present invention relates to an image display device. For example, a two-dimensional image of a liquid crystal display element (LCD) is projected and displayed on a viewer's eye using a holographic optical element (HOE).
  • the present invention relates to a video display device such as HMD (head mounted display), HUD (head up display).
  • Patent Document 1 proposes a see-through video display device that displays video on the outside world.
  • the video display device is configured to detect the hue, brightness, and spatial frequency of the external world while displaying the video superimposed on the image of the external world, and adjust the display color and display position of the display video based on the result. Yes. According to the configuration, the video is easy to see and less fatigued.
  • the video display device proposed in Patent Document 1 has a problem associated with adjustment of the display color and display position of the display video. For example, since the display color of the display video is changed, there is a problem that the accurate color of the display video is not known. Further, since the observation direction changes every time the display position of the display image is changed, there is a problem that eyes are tired.
  • the present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to provide a see-through type image display device in which an image superimposed on the outside is easy to see and eyes are not tired.
  • a display element for displaying an image an eyepiece optical system for projecting and displaying the image as a virtual image in a see-through manner so that the image overlaps an external field of view, and an external field of view disposed outside the optical path of the eyepiece optical system.
  • a diffusion member that reduces a high frequency component of a spatial frequency within a range including a display image from a low frequency component.
  • a display element for displaying an image
  • an eyepiece optical system for projecting and displaying the image as a virtual image on a viewer's eye so that the image overlaps the external field, and a first range including the display image in the external field.
  • Spatial frequency detection means for detecting a value of a specific spatial frequency called an external spatial frequency from the spatial frequency distribution possessed, and arranged outside the optical path of the eyepiece optical system, and depending on the detected spatial frequency of the external world
  • An image display device comprising: spatial frequency reduction means for reducing a high frequency component of a spatial frequency of external light within a second range including one range from a low frequency component.
  • the distance from the diffusing member to the optical pupil is 50 mm or less, and the diffusing angle of the diffusing member is 0.5 to 10 degrees as a full width at half maximum.
  • the distance from the spatial frequency reducing means to the optical pupil is 50 mm or less, and the diffusion angle of the spatial frequency reducing means is 0.5 to 10 degrees in half width.
  • the eyepiece optical system includes a volume phase type holographic optical element as an optical element having optical power.
  • the eyepiece optical system includes a transparent substrate that totally reflects video light from the display element and transmits external light.
  • the video display device according to any one of 1 to 12, further comprising a head mounting means.
  • the optical element for reducing the high frequency component of the spatial frequency within the range including the display image in the external field of view is reduced from the low frequency component, the external environment within the range overlapping the display image is blurred. It will be. Since the high frequency area of the outside world is blurred, the display image is easy to see, and the low frequency area of the outside world is small in blur, so the visibility of the outside world is good and the effect on see-through performance is small. In addition, since the high-frequency component is mainly reduced in the external environment within the range overlapping the display image, there is an effect that the eyes are not tired because it is bright and has a small luminance difference from the display image. Further, since the influence on the see-through property is small as compared with the case where the outside world is darkened or shielded from light, the outside world can be easily visually recognized even if it is blurred.
  • the spatial frequency within the first range including the display image in the external field of view is detected by the spatial frequency detection means (for example, a camera), and the first range is determined according to the detected external spatial frequency. Since the high-frequency component of the ambient light within the second range is reduced by the spatial frequency reduction means (for example, polymer dispersed liquid crystal element) from the low-frequency component, the second range is overlapped with the display image. The outside world will be blurred. As a result, since the spatial frequency of the display image becomes relatively high, the display image becomes easy to see.
  • the spatial frequency detection means for example, a camera
  • the high-frequency component is mainly reduced in the external area within the second range that overlaps the display image, it is bright and has an effect that the eyes are less tired because there are few luminance differences from the display image. Further, since the influence on the see-through property is small as compared with the case where the outside world is darkened or shielded from light, the outside world can be easily visually recognized even if it is blurred.
  • FIG. 1 shows a schematic optical cross section of a video display device X1 according to the first embodiment.
  • the video display device X1 includes a video display means 1, a free-form surface mirror 2, and a diffusion plate 3.
  • the image display means 1 has a backlight (for example, LED: light emitting diode) 1a and a transmissive LCD 1b, and the LCD 1b displays an image by modulating illumination light from the backlight 1a.
  • the image light emitted from the image display means 1 is reflected by the semi-transmissive reflection surface 2a of the free-form surface mirror 2 as an eyepiece optical system, and is emitted from the optical pupil EP.
  • the transflective surface 2a of the free-form surface mirror 2 Since the transflective surface 2a of the free-form surface mirror 2 has a free-form surface shape having a positive optical power, the image light is observed as a virtual image by being incident on the observer's pupil.
  • the transflective surface 2a of the free-form curved mirror 2 has a transflective property that divides the amount of incident light into transmitted light and reflected light by 50%. Accordingly, 50% of the external light passes through the free-form mirror 2, and the display image is projected and displayed as a virtual image on the observer's eye as a virtual image so as to overlap with the external visual field.
  • the diffusion plate 3 is a spatial frequency reduction means for reducing the high frequency component of the spatial frequency within the range including the display image in the external field of view (rather than the low frequency component).
  • the diffusion plate 3 diffuses and transmits incident light with the unevenness of the surface.
  • at least a part of the diffusion plate 3 is used as a diffusion surface to form a diffusion range.
  • the diffuser plate 3 for example, an uneven surface is provided on the surface of a polyethylene transparent film having a thickness of 0.1 mm, and a diffusion angle (a position at which the central luminance of the diffused light becomes a half value when parallel light is incident is represented by a full angle. Is defined as a diffusion angle.) Is controlled to 10 degrees (half-value width) and formed on a transparent substrate.
  • the diffusion plate 3 is not limited to the light diffused by the unevenness on the surface of the transparent member, but may be a material that diffuses light using a diffusion material dispersed in a transparent material.
  • FIG. 2 shows a display image, an external field view, and the like observed by the image display device X1.
  • 2A shows the display image Ia
  • FIG. 2B shows the external field Ib.
  • FIGS. 2C and 2D show the field of view observed by the observer's eye through the optical pupil EP. However, FIG. 2C shows the field of view when there is no diffusion plate 3 for comparison, and FIG. 2D shows the field of view when there is a diffusion plate 3.
  • the display image Ia is observed as it is superimposed on the external field Ib.
  • the external field of view Ib and the display image Ia are clearly observed clearly, it is understood that the display image Ia is difficult to distinguish from the external field of view Ib. Since it is difficult to see the video, the eyes tend to get tired.
  • the external visual field Ib has a high spatial frequency, the visibility of the display video Ia is further deteriorated.
  • video display devices that use dimming means to darken the external field of view and make the displayed video easier to see, but if only the displayed video is observed brightly, the brightness difference between the displayed video and its surroundings is known. , The eyes become tired and the see-through property is also lowered.
  • the display image Ia is superposed on the external field Ib where the diffusion range 3d including the display image Ia is blurred and observed.
  • the portion corresponding to the range including the display image Ia (that is, the diffusion range 3d) in the external field Ib is blurred by the high-frequency component being reduced by the diffusion plate 3, and the spatial frequency is thereby reduced.
  • the display image Ia can be clearly distinguished from the external field view Ib.
  • the luminance difference between the display image Ia and the periphery of the image (for example, the periphery of the diffusion range 3d) is small, eye fatigue can be reduced.
  • the diffuser plate 3 when the diffuser plate 3 is configured to reduce the high-frequency component of the spatial frequency in the range 3d including the display image Ia in the external field of view Ib (rather than the low-frequency component), the range overlapping the display image Ia.
  • the outside world will be out of focus.
  • the spatial frequency of the display image Ia is relatively high, the display image Ia is easy to see.
  • the external environment within the range overlapping the display video Ia is bright because only the high-frequency component is reduced, and there is an effect that the eyes are less tired because the luminance difference from the display video Ia is small.
  • the entire diffusion range 3d is uniformly blurred by the diffusion plate 3, the spatial frequency distribution of the region where the high frequency component is main shifts to the low frequency side, and the space of the region where the low frequency component is main The frequency distribution hardly changes. Therefore, compared to the case where the outside world is darkened or shielded from light, the influence on the see-through property is small, so that the outside world can be easily visually recognized even if it is blurred.
  • the diffusion plate 3 lowers a spatial frequency component lower than the spatial frequency corresponding to 1 minute in the viewing angle in the external field visual field Ib.
  • the spatial frequency component lower than the spatial frequency corresponding to about 1 minute which is the resolution of the eye, from the external light, it is possible to surely blur the external environment within the range overlapping the display image Ia.
  • the viewing angle of about 1 minute which is the resolution of the eye
  • 0.5 degree corresponds to 30 pixels, and from the viewpoint of making this easy to see, it is 0.5 degree or more.
  • a diffusion angle of 10 degrees or less can be assumed.
  • the distance from the diffuser plate 3 to the optical pupil EP can be assumed to be 50 mm or less in view of the preferred optical arrangement. Therefore, it is preferable that the distance from the diffusion plate 3 to the optical pupil EP is 50 mm or less, and the diffusion angle of the diffusion plate 3 is 0.5 degrees or more and 10 degrees or less in terms of a half-value width.
  • the outside world within the range overlapping the display image Ia can be easily seen while being blurred. If the diffusion angle is less than 0.5 degrees at half width, the tendency of the outside world not to diffuse in the diffusion range 3d becomes strong, and the display video Ia may be difficult to see due to the high frequency components of the outside world. If the diffusion angle is greater than 10 degrees in half width, the low frequency component is blurred and the outside world is difficult to visually recognize.
  • the range of the external field of view Ib is wider than the range of the display image Ia, and the diffusion plate 3 has a diffusion range 3d having a width equivalent to the range of the display image Ia. If comprised in this way, an external field will blur in the range comparable as the display image Ia. Therefore, since the blur range of the external world in the external visual field Ib is narrowed, it is easy to see the external world, and it is possible to secure a clear wide visual field for safety.
  • FIG. 3 shows an image display device X2 of the second embodiment in a schematic optical cross section.
  • the video display device X2 includes an EL element (electro luminescence element) 4, a flat half mirror 5, a concave half mirror 6, and a diffusion plate 3.
  • the flat half mirror 5 and the concave half mirror 6 include An eyepiece optical system is configured.
  • Image light emitted from the EL element 4, which is a self-luminous image display element is reflected by the plane half mirror 5, then reflected by the selective transmission / reflection surface 6 a of the concave half mirror 6, and transmitted through the plane half mirror 5.
  • Ejected from the optical pupil EP That is, the planar half mirror 5 reflects the image light from the EL element 4 toward the concave half mirror 6 and transmits the image light reflected by the concave half mirror 6 toward the optical pupil EP.
  • the selective transmission / reflection surface 6a of the concave half mirror 6 Since the selective transmission / reflection surface 6a of the concave half mirror 6 has a positive optical power, the image light is observed as a virtual image by being incident on the pupil of the observer. Further, the selective transmission / reflection surface 6a of the concave half mirror 6 has selective transmission / reflection properties that divide the amount of incident light into transmitted light and reflected light (for example, it may have polarization selectivity). . Therefore, the external light passes through the concave half mirror 6 and the flat half mirror 5 in order, and the display image is projected and displayed as a virtual image on the observer's eye so as to be superimposed on the external field view and can be observed.
  • the diffusion plate 3 is a spatial frequency reduction means for reducing the high frequency component of the spatial frequency within the range including the display image in the external field of view (rather than the low frequency component).
  • the diffusion plate 3 diffuses and transmits incident light with the unevenness of the surface.
  • at least a part of the diffusion plate 3 is used as a diffusion surface to form a diffusion range.
  • the diffusion plate 3 for example, an uneven surface is provided on the surface of a polyethylene transparent film having a thickness of 0.1 mm, the diffusion angle is controlled to 0.5 degrees (half-value width), and the diffusion plate 3 is formed on a transparent substrate. Can be mentioned.
  • the diffusion plate 3 is not limited to the light diffused by the unevenness on the surface of the transparent member, but may be a material that diffuses light using a diffusion material dispersed in a transparent material.
  • FIG. 4 shows the visual field (display video, external visual field, etc.) observed by the video display device X2.
  • the display image Ia is superimposed and observed on the external field Ib in a state where the diffusion range 3 d including the display image Ia is blurred.
  • a portion corresponding to a wide range including the display image Ia (that is, the diffusion range 3d) of the external field of view Ib is blurred by the high frequency component being reduced by the diffusion plate 3, thereby reducing the spatial frequency.
  • the display image Ia can be more clearly identified with respect to the external field visual field Ib.
  • the luminance difference between the display image Ia and the image periphery is small, it is possible to more effectively reduce eye fatigue.
  • the diffuser plate 3 converts the high frequency component of the spatial frequency within the range 3d (FIG. 4) including the display image Ia out of the external field Ib (from the low frequency component). Since the structure is further reduced, the outside world in the range overlapping the display image Ia is blurred. As a result, since the spatial frequency of the display image Ia is relatively high, the display image Ia is easy to see. In addition, the external environment within the range overlapping the display video Ia is bright because only the high-frequency component is reduced, and there is an effect that the eyes are less tired because the luminance difference from the display video Ia is small.
  • the entire diffusion range 3d is uniformly blurred by the diffusion plate 3, the spatial frequency distribution of the region where the high frequency component is main shifts to the low frequency side, and the space of the region where the low frequency component is main The frequency distribution hardly changes. Therefore, compared to the case where the outside world is darkened or shielded from light, the influence on the see-through property is small, so that the outside world can be easily visually recognized even if it is blurred.
  • the display image Ia since the external light hardly diffuses with the diffusion plate 3 having a diffusion angle of 0.5 degrees, the external environment is not so blurred, but the external part having a high spatial frequency (for example, a fine object or a distant object) is blurred.
  • the display image Ia since the display image Ia can be clearly observed, the display image Ia is easily seen because it is distinguished from the outside world. That is, the display image Ia is easy to see while visually recognizing the outside, and the eyes are less tired because the difference in luminance between the display image Ia and the surrounding area is small as described above.
  • the display video Ia for example, the video brightness 200 candela, the external brightness 10 candela
  • the brightness difference between the display video Ia and the surrounding portion becomes large, so that the display video Ia can be set to be dark. By doing so, the eyes can be made less fatigued.
  • the external environment is too bright compared to the video luminance, the video cannot be visually recognized, but it has been confirmed by experiments that the video can be visually recognized up to about 10 times the external luminance.
  • the spatial frequency distribution of the video observed by the observer is close to the spatial frequency distribution of the external world, it becomes difficult to distinguish the video from the external world and the visibility decreases. If configured as in the present embodiment, it is possible to view images without reducing the brightness of the outside world more than necessary or reducing the brightness of the outside world more than necessary by reducing high frequency components in the outside world. It becomes.
  • the range of the external field of view Ib is wider than the range of the display image Ia, and the diffusion plate 3 has a diffusion range 3d wider than the range of the display image Ia.
  • the outside world is blurred in a wider range than the display image Ia. Therefore, since the blur range of the external field in the external field visual field Ib is widened, the display video Ia can be easily distinguished from the external world, and observation concentrated on the display video Ia can be easily performed.
  • FIG. 5 shows a schematic optical cross section of a video display device X3 according to the third embodiment.
  • the video display device X3 includes a transmissive LCD 1b, a first transparent substrate 7, a second transparent substrate 8 for external image correction, a transparent plate 9, and a diffusion plate 3.
  • the transmissive LCD 1b displays an image by modulating illumination light from a backlight (not shown) such as an LED, like the image display device X1 (FIG. 1).
  • the image light emitted from the LCD 1b is incident on the first surface 7a of the first transparent substrate 7 serving as an eyepiece optical system, totally reflected by the second surface 7b, and then provided with a volume phase type holographic optical element.
  • Image light having a specific wavelength is reflected by the third surface 7c, passes through the second surface 7b, and exits from the optical pupil EP.
  • the first surface 7a, the second surface 7b, and the third surface 7c of the first transparent substrate 7 all have a free-form surface shape, but may have a planar shape or a spherical shape as necessary. Since the first transparent substrate 7 has a positive optical power as a whole, the image light is observed as a virtual image by being incident on the observer's pupil.
  • the third surface 7c has selective transmission reflectivity that divides the amount of incident light into transmitted light and reflected light. Accordingly, part of the external light passes through the first and second transparent substrates 7 and 8, and the display image is projected and displayed on the observer's eye as a virtual image so as to overlap the visual field of the external world and can be observed.
  • the observer can see the external environment without distortion.
  • a volume phase type holographic optical element is used for the second surface 7b in order to provide selective transmission reflectivity, there is an effect that the external light is high in transmittance and the external environment is bright and easy to see.
  • the reflection on the second surface 7b is totally reflected, it is possible to observe the bright outside without particularly reducing the transmittance when viewing the outside.
  • the diffusion plate 3 is a spatial frequency reduction means for reducing the high frequency component of the spatial frequency within the range including the display image in the external field of view (than the low frequency component), and is supported by the transparent plate 9.
  • the diffusion plate 3 diffuses and transmits incident light with the unevenness of the surface.
  • at least a part of the diffusion plate 3 is used as a diffusion surface to form a diffusion range.
  • the diffusing plate 3 for example, there may be mentioned one in which unevenness is provided on the surface of a polyethylene transparent film having a thickness of 0.1 mm and the diffusion angle is controlled to 10 degrees (half-value width). Incident light on the diffusing plate 3 is diffused only by the irregularities on the surface of the transparent film, so that absorption is small and a bright external environment can be observed.
  • the diffusion plate 3 is not limited to the light diffused by the unevenness on the surface of the transparent member, but may be a material that diffuses light using a diffusion material dispersed in a transparent material.
  • the diffusion plate 3 has a higher spatial frequency component than the low frequency component in the range 3d (FIG. 2D) including the display image Ia in the external field Ib. Since it is configured to reduce, the outside world in the range overlapping the display video Ia is blurred. As a result, since the spatial frequency of the display image Ia is relatively high, the display image Ia is easy to see. In addition, the external environment within the range overlapping the display video Ia is bright because only the high-frequency component is reduced, and there is an effect that the eyes are less tired because there is little luminance difference from the display video Ia.
  • the entire diffusion range 3d is uniformly blurred by the diffusion plate 3, the spatial frequency distribution of the region where the high frequency component is main shifts to the low frequency side, and the space of the region where the low frequency component is main The frequency distribution hardly changes. Therefore, compared to the case where the outside world is darkened or shielded from light, the influence on the see-through property is small, so that the outside world can be easily visually recognized even if it is blurred.
  • the display image Ia is easy to see, but the situation of a low spatial frequency (such as human movement) can be recognized. It cannot be said that it is big. Therefore, it is possible to visually recognize the bright outside world.
  • the transparent plate 9 integrated with the diffusing plate 3 can be retracted from the field of view and retracted when the surrounding situation is dangerous, the safety can be ensured.
  • FIG. 6 shows a schematic optical cross section of a video display device X4 according to the fourth embodiment.
  • the video display device X4 includes a video display means 10, a transparent substrate 11, a volume phase type holographic optical element 11a, and a diffusion plate 3.
  • the video display means 10 includes an LED 10a, a diffusion plate 10b, a condenser lens 10c, and a transmissive LCD 10d.
  • the illumination light from the LED 10a is condensed by the condenser lens 10c after being in a uniform diffusion state by the diffusion plate 10b.
  • the LCD 10d modulates the illumination light and displays an image.
  • the holographic optical element 11a as an eyepiece optical system is supported on the transparent substrate 11, and the image light emitted from the image display means 10 is diffracted and reflected by the holographic optical element 11a and emitted from the optical pupil EP.
  • the condenser lens 10c is arranged so that the illumination light diffused by the diffusion plate 10b efficiently forms the optical pupil EP by collecting the illumination light from the LED 10a.
  • the holographic optical element 11a diffracts only light having a specific incident angle and a specific wavelength, and therefore hardly affects external light. Therefore, since the external light passes through the transparent substrate 11 and the holographic optical element 11a, the normal external environment can be seen.
  • the holographic optical element 11a Since the holographic optical element 11a has positive optical power, the image light is observed as a virtual image by entering the observer's pupil.
  • the holographic optical element 11a has selective transmission reflectivity that divides the amount of incident light into transmitted light and reflected light. Accordingly, the external light passes through the holographic optical element 11a, and the display image is projected and displayed on the observer's eyes as a virtual image so as to overlap the external visual field and can be observed.
  • the diffusing plate 3 is a spatial frequency reducing means for reducing the high frequency component of the spatial frequency within the range including the display image in the external field of view (rather than the low frequency component), and supports the holographic optical element 11a. It is formed integrally with the transparent substrate 11.
  • the diffusion plate 3 diffuses and transmits incident light with the unevenness of the surface.
  • at least a part of the diffusion plate 3 is used as a diffusion surface to form a diffusion range.
  • the diffusing plate 3 for example, there may be mentioned one in which unevenness is provided on the surface of a polyethylene transparent film having a thickness of 0.1 mm and the diffusion angle is controlled to 3 degrees (half-value width).
  • the diffusion plate 3 is not limited to the light diffused by the unevenness on the surface of the transparent member, but may be a material that diffuses light using a diffusion material dispersed in a transparent material.
  • the diffusion plate 3 has a higher spatial frequency component than the low frequency component in the range 3d (FIG. 2D) including the display image Ia in the external field Ib. Since it is configured to reduce, the outside world in the range overlapping the display video Ia is blurred. As a result, since the spatial frequency of the display image Ia is relatively high, the display image Ia is easy to see. In addition, the external environment within the range overlapping the display video Ia is bright because only the high-frequency component is reduced, and there is an effect that the eyes are less tired because the luminance difference from the display video Ia is small.
  • the entire diffusion range 3d is uniformly blurred by the diffusion plate 3, the spatial frequency distribution of the region where the high frequency component is main shifts to the low frequency side, and the space of the region where the low frequency component is main The frequency distribution hardly changes. Therefore, compared to the case where the outside world is darkened or shielded from light, the influence on the see-through property is small, so that the outside world can be easily visually recognized even if it is blurred.
  • the diffusion angle 3 degrees of the diffusion plate 3 is such that the person's face 2 meters ahead can be seen. Therefore, the surrounding situation is sufficiently visible.
  • the outer world is bright because it hardly diffuses. That is, the external environment can be observed brightly due to the high transmittance of the holographic optical element 11a and the low absorption rate of the diffusion plate 3.
  • the diffusing plate 3 is formed integrally with the holographic optical element 11a which is an eyepiece optical system, it is possible to observe a brighter external environment in that there are few interfaces.
  • a volume phase holographic optical element 11a as an optical element having optical power is used as an eyepiece optical system. It is preferable to have. As described above, when the volume phase type holographic optical element 11a is used as a combiner, the transmittance of external light becomes high, so that a brighter external environment can be seen.
  • FIG. 7 shows an image display device X5 of the fifth embodiment in a schematic optical cross section.
  • the video display device X5 includes a video display means 14, a first transparent substrate 12, a second transparent substrate 13, a volume phase type holographic optical element 12d, and a diffusion plate 3.
  • the image display means 14 includes an LED 14a, a diffusion plate 14b, a cylinder lens 14c, and a transmissive LCD 14d.
  • the illumination light from the LED 14a is uniformly diffused in one direction by the diffusion plate 14b, which is a one-way diffusion plate, and then condensed in one direction by the cylinder lens 14c.
  • the LCD 14d modulates the illumination light and displays an image.
  • the cylinder lens 14c condenses the illumination light from the LED 14a in one direction, and the diffusion plate 14b diffuses it in a direction hardly diffusing in the light condensing direction of the cylinder lens 14c.
  • the diffusing plate 14b diffuses the illumination light from the LED 14a collected by the cylinder lens 14c by 30 degrees in a direction perpendicular to the paper surface as shown in FIG. 7, and is parallel to the paper surface. Spread 0.5 degrees in the direction.
  • the cylinder lens 14c is arranged so that the illumination light diffused by the diffusion plate 14b efficiently forms the optical pupil EP by condensing the illumination light from the LED 14a in one direction.
  • the holographic optical element 12d as an eyepiece optical system is supported on the first transparent substrate 12 so as to be sandwiched between the first and second transparent substrates 12 and 13.
  • the image light emitted from the image display means 14 is incident on the first transparent substrate 12 from the first surface 12a, totally reflected by the second surface 12b and the third surface 12c, and then diffracted and reflected by the holographic optical element 12d. Ejected from the optical pupil EP.
  • an RGB-integrated LED 14a (for example, manufactured by Nichia Corporation) having center wavelengths of 465 nm, 520 nm, and 635 nm is used, and the wavelength 465 nm ⁇ 10 nm and wavelength 520 nm are used as the holographic optical element 12d. It is preferable to use one produced so as to diffract image light having a wavelength of ⁇ 10 nm and a wavelength of 635 nm ⁇ 10 nm.
  • the holographic optical element 12d diffracts only light having a specific incident angle and a specific wavelength, and thus hardly affects external light. Therefore, since the external light passes through the first and second transparent substrates 12 and 13 and the holographic optical element 12d, the normal external environment can be seen.
  • the holographic optical element 12d Since the holographic optical element 12d has positive optical power, the image light is observed as a virtual image by entering the observer's pupil.
  • the holographic optical element 12d has selective transmission reflectivity that divides the amount of incident light into transmitted light and reflected light. Accordingly, the external light passes through the holographic optical element 12d, and the display image is projected and displayed on the observer's eyes as a virtual image so as to be superimposed on the external visual field and can be observed. Further, since the second transparent substrate 13 cancels the refraction at the wedge portion of the first transparent substrate 12, the observer can see the external light without distortion.
  • the diffusion plate 3 is a spatial frequency reduction means for reducing the high frequency component of the spatial frequency within the range including the display image in the external field of view (rather than the low frequency component).
  • the diffusion plate 3 diffuses and transmits incident light with the unevenness of the surface.
  • at least a part of the diffusion plate 3 is used as a diffusion surface to form a diffusion range.
  • Examples of the diffusing plate 3 include those in which unevenness is provided on the surface of a polyethylene transparent film having a thickness of 0.1 mm, the diffusion angle is controlled to 6 degrees (half-value width), and the surface is formed on a transparent substrate. .
  • the diffusion plate 3 is not limited to the light diffused by the unevenness on the surface of the transparent member, but may be a material that diffuses light using a diffusion material dispersed in a transparent material.
  • the diffusion plate 3 has a higher spatial frequency component than the low frequency component in the range 3d (FIG. 2D) including the display image Ia in the external field Ib. Since it is configured to reduce, the outside world in the range overlapping the display video Ia is blurred. As a result, since the spatial frequency of the display image Ia is relatively high, the display image Ia is easy to see. In addition, the external environment within the range overlapping the display video Ia is bright because only the high-frequency component is reduced, and there is an effect that the eyes are less tired because the luminance difference from the display video Ia is small.
  • the entire diffusion range 3d is uniformly blurred by the diffusion plate 3, the spatial frequency distribution of the region where the high frequency component is main shifts to the low frequency side, and the space of the region where the low frequency component is main The frequency distribution hardly changes. Therefore, compared to the case where the outside world is darkened or shielded from light, the influence on the see-through property is small, so that the outside world can be easily visually recognized even if it is blurred.
  • the diffusion angle 6 degrees of the diffusion plate 3 is diffusion enough to recognize a human figure about 5 m away. Therefore, the surrounding situation is sufficiently visible.
  • the outer world is bright because it hardly diffuses. That is, the external environment can be observed brightly by the high transmittance of the holographic optical element 12d and the low absorption rate of the diffusion plate 3.
  • the volume phase holographic optical element 11a is used as a combiner, the transmittance of external light is increased, so that a brighter external environment can be seen.
  • the eyepiece optical system has the first transparent substrate 12 that totally reflects the image light from the image display means 14 and transmits the external light.
  • the transmittance of external light becomes high, and a brighter external environment can be observed. That is, by making the reflection in the first transparent substrate 12 total reflection, the observer can see the outside through the second surface 12b and the third surface 12c of the first transparent substrate 12 without reducing the transmittance of the external light. It becomes possible to observe.
  • the first and second transparent substrates 12 and 13 are made thin (for example, about 3 mm) to the same extent as a normal spectacle lens. ) Can be configured. Therefore, the video display device X5 can be reduced in weight and size.
  • FIG. 8 shows a state in which the above-described video display device X5 is provided with a head mounting means to be a head mounted type. That is, FIG. 8 is a three-view diagram of a glasses-type HMD which is the fifth embodiment of the video display device X5.
  • 8A is a plan view
  • FIG. 8B is a side view
  • FIG. 8C is a front view.
  • 15 is a bridge
  • 16R and 16L are nose pads
  • 17R and 17L are frames
  • 18R and 18L are temples which are holding members for the observer's head
  • 19 is a signal supply cable.
  • the head mounting means includes a bridge 15; nose pads 16R and 16L; frames 17R and 17L; temples 18R and 18L.
  • the first transparent substrate 12 is supported by a bridge 15 and a frame 17R, and the bridge 15 is supported by a frame 17L.
  • the diffusion plate 3 is detachably supported on the bridge 15 (it may be attached so as to be rotatable).
  • the frames 17R and 17L are supported by the temples 18R and 18L through hinge portions. The observer can hold the video display device X5 in front of the eyes by the nose pads 16R and 16L and the temples 18R and 18L in the same manner as normal glasses.
  • the outside can be seen through the first and second transparent substrates 12 and 13 while observing the image of the image display means 14 covered with the casing as a virtual image.
  • the head mounting means is provided in this way, it is possible to identify the display image from the bright outside world in a stable state, and the image display device X5 can be reduced in weight and size.
  • FIG. 9 shows a video display device X6 according to the sixth embodiment in a state in which a head mounting means is provided and a head mounting type is provided in the same manner as the video display device X5 described above. That is, FIG. 9 is a three-sided view of the video display device X6 having a spectacle-type HMD, in which FIG. 9A is a plan view, FIG. 9B is a side view, and FIG.
  • the video display device X6 has the same configuration as that of the video display device X5 (FIG. 8) except that the video display device X6 is configured to display video on both eyes. And since it is the structure which displays an image
  • the diffusing plate 3 is used as the diffusing member.
  • the present invention is not limited to this, and a diffractive element such as a diffraction grating may be used as the diffusing member. Good.
  • the video display device X7 of the seventh embodiment uses a polymer dispersion type liquid crystal element 30 instead of the diffusion plate 3 of the video display device X5 of the fifth embodiment shown in FIGS. Furthermore, it is a glasses-type HMD to which a camera 20 is added. Therefore, description of portions common to the video display device X5 is omitted as appropriate.
  • FIG. 10 shows the external appearance of the image display device X7 according to the seventh embodiment in which the head mounting means is provided to make it a head mounted type
  • FIG. 12 is a block diagram showing the main part of the configuration. That is, FIG. 10 is a three-sided view of the video display device X7 having the form of a glasses-type HMD.
  • (A) is a plan view
  • (B) is a side view
  • (C) is a front view.
  • the video display device X7 has head mounting means including a bridge 15; nose pads 16R and 16L; frames 17R and 17L; temples 18R and 18L.
  • a supply cable 19 is attached. Further, as shown in FIG.
  • the video display device X7 includes a first transparent substrate 12, a second transparent substrate 13, a video display means 14, a camera 20, and a polymer dispersion type liquid crystal element 30. As shown in FIG. 11, a volume phase type holographic optical element 12 d is provided between the first and second transparent substrates 12 and 13.
  • the first transparent substrate 12 is supported by a bridge 15 and a frame 17R, and the bridge 15 is supported by a frame 17L.
  • a liquid crystal element 30 is detachably supported on the bridge 15 (it may be rotatably attached).
  • the frames 17R and 17L are supported by the temples 18R and 18L through hinge portions.
  • the observer can hold the video display device X7 in front of the eyes by the nose pads 16R and 16L and the temples 18R and 18L in the same manner as normal glasses. Then, the outside can be seen through the first and second transparent substrates 12 and 13 while observing the image of the image display means 14 covered with the casing as a virtual image.
  • the head mounting means is provided in this manner, it is possible to identify a display image from a bright external environment in a stable state, and it is possible to reduce the weight and size of the image display device X7.
  • the image display means 14 the first and second transparent substrates 12, 13 and the holographic optical element 12d shown in FIG. 11 are the same as those of the image display device X5, description thereof will be omitted.
  • the polymer-dispersed liquid crystal element 30 that is removably supported by the bridge 15 has a high frequency component of a spatial frequency within a predetermined range including a display image in the external field of view (more than a low frequency component). It is a spatial frequency reducing means for further reducing.
  • the liquid crystal element 30 has a configuration in which a polymer dispersed liquid crystal is held between two transparent plates.
  • the polymer-dispersed liquid crystal in a state where no voltage is applied has a dispersive molecular arrangement, and thus light diffuses due to the difference in refractive index. Since the polymer-dispersed liquid crystal in a state where a voltage is applied is in an aligned state in which molecules are aligned, light is transmitted.
  • the diffusion control unit 40c of the control means 40 shown in FIG. 12 that is, voltage control is performed on the entire or part of the display area of the liquid crystal element 30, depending on the degree.
  • the diffusion angle a position at which the half-value of the central luminance of the diffused light is expressed as a full angle when parallel light is incident is defined as a diffusion angle
  • the control means 40 may be built in a housing that covers the camera 20 or the video display means 14, or may be arranged outside the apparatus and connected by a cable 19.
  • the camera 20 formed integrally with the video display unit 14 is a spatial frequency detection unit that detects a spatial frequency within a predetermined range including a display video in the external field of view.
  • the camera 20 includes an imaging unit 20a and a processing unit 20b that image the outside world.
  • the imaging unit 20a images the outside world, and the processing unit 20b has a spatial frequency distribution of the outside world.
  • the spatial frequency detected by the camera 20 will be referred to as an external space frequency.
  • a method for determining the external spatial frequency by the camera 20 a method may be adopted in which various types of filters are electrically used to determine whether the spatial frequency is high or low.
  • the camera 20 is arrange
  • the camera 20 may be only the imaging unit 20 a and the processing unit 20 b may be provided in the control unit 40.
  • (3) A method in which a spatial frequency in a predetermined range of an imaged image is divided into, for example, 10 stages, and the center frequency of the highest frequency division among the detection results is set as the external space frequency.
  • (4) A method in which a spatial frequency of a predetermined range of an imaged image is divided into, for example, 10 levels, and the center frequency of the division with the highest detection result is set as the external space frequency.
  • the liquid crystal element 30 is controlled by the control means 40 in accordance with the external space frequency detected by the camera 20.
  • the control means 40 includes, for example, a storage unit 40a that stores the lowest spatial frequency and the highest spatial frequency that can be displayed on the LCD 14d, an external spatial frequency detected by the camera 20, and a minimum displayable spatial frequency that is stored in the storage unit 40a. And a comparison unit 40b for comparing the highest spatial frequency and a control unit 40c for controlling the operation of the liquid crystal element 30. For example, when the external spatial frequency of the video display range detected by the camera 20 is lower than the lowest spatial frequency that can be displayed on the LCD 14d, the liquid crystal element 30 is controlled so that the diffusion angle becomes small and detected by the camera 20.
  • the external spatial frequency of the video display range is between the lowest spatial frequency that can be displayed and the highest spatial frequency, that is, when it is close to the spatial frequency of the video that can be displayed, it is controlled so as to spread widely, and the video display detected by the camera 20
  • the external spatial frequency of the range is higher than the highest displayable spatial frequency
  • the diffusion angle is controlled to be small.
  • the highest displayable spatial frequency is a value determined by the pixel pitch of the LCD 14d and the focal length of the eyepiece optical system. If the external spatial frequency is higher than the highest displayable spatial frequency, the external scene is buried in the pixels, so there is no need to blur the external world greatly.
  • the liquid crystal element 30 is controlled by the diffusion control unit 40c so that the diffusion angle is not changed for a certain period of time. In other words, even if the outside world changes at high speed, the liquid crystal element 30 does not immediately follow, thereby preventing the outside world from flickering. Note that it is sufficient to control the spatial frequency distribution of the ambient light in a range that overlaps at least the display video, and the corresponding external area may be controlled by dividing the external environment to be detected into several areas.
  • the frequency to be compared with the external spatial frequency is not limited to the highest spatial frequency that can be displayed on the LCD 14d, and other values may be used. Further, a specific frequency (image spatial frequency) representing the image is detected from the image displayed on the LCD 14d, the frequency (image spatial frequency) is compared with the external space frequency, and the degree of approximation is determined. The liquid crystal element 3 may be controlled. Note that the video spatial frequency is calculated from the video signal by the same method as calculating the external space frequency.
  • control means 40 has received the interface 40e for receiving the video to be displayed on the video display means 14 transmitted from the outside via the cable 19, and the interface 40e.
  • a display control unit 40d for controlling the lighting of the LED 14a and the display of the video on the LCD 14d is also provided.
  • FIG. 13 shows a display image, an external field view, and the like observed by the image display device X7.
  • FIG. 13A shows a display image Ia
  • FIG. 13B shows an external field of view Ib
  • FIGS. 13C, 13D, and 13E show the field of view observed by the observer's eye through the optical pupil EP.
  • FIG. 13C shows the field of view in the case where the liquid crystal element 30 is not present (that is, the state where there is no diffusion by liquid crystal) for comparison
  • FIGS. 13D and 13E show that the liquid crystal element 30
  • the visual field is shown in some cases (that is, in a state where the liquid crystal is diffused).
  • the display image Ia is directly superimposed on the external field Ib and observed.
  • the external field of view Ib and the display image Ia are clearly observed clearly, it is understood that the display image Ia is difficult to distinguish from the external field of view Ib. Since it is difficult to see the video, the eyes tend to get tired.
  • the external visual field Ib has a high spatial frequency, the visibility of the display video Ia is further deteriorated.
  • the display image Ia is superimposed on the external field Ib where the diffusion range 30d including the display image Ia is blurred. Observed. In this case, a portion corresponding to a range including the display image Ia in the external field visual field Ib (for example, a diffusion range 30d which is an external field range in which the external space frequency is detected by the camera 20) is reduced by the liquid crystal element 30. As a result, the display image Ia can be clearly distinguished from the external field Ib. In addition, since the difference in luminance between the display image Ia and the periphery of the image (for example, the periphery of the diffusion range 30d) is small, eye fatigue can be reduced.
  • FIG. 13D and FIG. 13E When the external spatial frequency detected by the camera 20 is close to the maximum spatial frequency of the display video Ia, for example, when the diffusion angle is controlled to a diffusion angle of 5 degrees or more and the external world corresponding to the display video range is blurred, FIG. As shown in FIG. 13D and FIG. 13E, the display image Ia is clearly distinguishable from the external visual field Ib and is easy to see. At this time, the blur of the outside world is relatively large, but the diffusion angle may be small. Therefore, as described above, the luminance difference between the display image Ia and the periphery of the image is reduced, and eye fatigue can be reduced. In addition, it becomes easier to see the outside world by narrowing the spatial frequency reduction range of the outside world (that is, the diffusion range 30d).
  • a portion corresponding to a wide range including the display image Ia (that is, the diffusion range 30d) in the external field of view Ib is controlled so that the high frequency component is reduced by the liquid crystal element 30 and blurred. Then, the display image Ia can be more clearly identified with respect to the external field visual field Ib. In addition, since the luminance difference between the display image Ia and the image periphery is small, it is possible to more effectively reduce eye fatigue.
  • the high frequency component of the spatial frequency of the wide diffusion range 30d is reduced (rather than the low frequency component)
  • the range of the external field visual field in which the camera 20 detects the external spatial frequency is As shown in FIG. 13E, it may be a wide diffusion range 30d, or as shown in FIG. 13D, it may be a narrow diffusion range 30d including a display image.
  • FIG. 14 shows a display image, an external field view, and the like that are observed by the video display device X7 when the external spatial frequency detected by the camera 20 (that is, the external spatial frequency in the diffusion range 30d) is low.
  • FIG. 14A shows the external field of view Ib
  • FIG. 14B shows the field of view observed by the observer's eye through the optical pupil EP.
  • the display image Ia can be easily visually recognized even if the liquid crystal element 30 is controlled to have low diffusion or is controlled to transmit the external light without diffusing. is there.
  • the external spatial frequency detected by the camera 20 is higher than the spatial frequency that can be displayed on the LCD 14d.
  • Even if the blur is reduced by controlling to a low diffusion angle, the external world having a high spatial frequency component is easily blurred (that is, the amount of blur may be small due to the relationship with the eye resolution). It is easy to see.
  • a spatial frequency detection means (camera 20) detects a representative spatial frequency from an external image
  • a spatial frequency reduction means (liquid crystal element 30) controls the diffusion angle of the external light.
  • the display image may be easy to view without diffusing the external light. Therefore, the external spatial frequency is detected, and the spatial frequency distribution of the external light in the display video range is controlled based on the detection result. In other words, it is possible to make it easy to efficiently view the video displayed superimposed on the outside world.
  • a representative spatial frequency within the first range for example, the diffusion range 30d in FIG. 13D
  • the liquid crystal element 30 reduces the high-frequency component of the external light in the second range including the first range (for example, the diffusion range 30d in FIG. 13D or 13E).
  • the outside world in the second range overlapping the display image Ia is blurred.
  • the spatial frequency of the display image Ia is relatively high, the display image Ia is easy to see.
  • the outside world in the second range that overlaps the display image Ia is bright because the spatial frequency is only reduced, and an effect that the eyes are less tired is obtained because the luminance difference from the display image Ia is small.
  • the entire diffusion range 30d is uniformly blurred by the liquid crystal element 30, the high frequency component in the region mainly including the high frequency component is lowered, and the spatial frequency in the region mainly including the low frequency component is hardly changed. . Therefore, compared to the case where the outside world is darkened or shielded from light, the influence on the see-through property is small, so that the outside world can be easily visually recognized even if it is blurred.
  • the liquid crystal element 30 preferably reduces the spatial frequency component of the external field of view Ib that is smaller than 1 minute in view angle.
  • Eye resolution By reducing the external world having a spatial frequency lower than about 1 minute, it is possible to reliably blur the external world within the range overlapping the display image Ia.
  • the eye resolution: about 1 minute corresponds to one pixel of the video display means 1 0.5 degree corresponds to 30 pixels, and from the viewpoint of making this easy to see, it is 0.5 degree to 10 degree.
  • a diffusion angle can be assumed.
  • 50 mm or less can be assumed as a distance from the liquid crystal element 30 to the optical pupil EP. Therefore, it is preferable that the distance from the liquid crystal element 30 to the optical pupil EP is 50 mm or less, and the diffusion angle of the liquid crystal element 30 is 0.5 degrees or more and 10 degrees or less as a full width at half maximum.
  • the outside world in the range overlapping the display video Ia is blurred, but the video is easy to see and the outside world is easy to see. Therefore, the influence on see-through property is small.
  • the diffusion angle is smaller than 0.5 degrees, the tendency of the outside world not to diffuse in the diffusion range 30d becomes strong, and there is a possibility that the display image Ia is difficult to see due to the high frequency component of the outside world.
  • the diffusion angle is larger than 10 degrees, the tendency of the outside world to diffuse in the diffusion range 30d becomes strong, and there is a possibility that the low frequency component of the outside world is blurred and the outside world is difficult to see.
  • the diffusion angle in the liquid crystal element 30 is 0.5 degrees, the external light hardly diffuses and the external world is not so blurred, but the external part having a high spatial frequency (for example, a fine object or a distant object) is blurred. It will be.
  • the display image Ia can be clearly observed, the display image Ia is easily seen because it is identified from the outside world. That is, it is possible to make the display video Ia easy to see while visually recognizing the bright world, and as described above, the difference in luminance between the display video Ia and the surrounding portion is small, so that eyes are not tired.
  • the diffusion angle at the liquid crystal element 30 is 3 degrees, the diffusion state is such that a human face about 2 meters away can be seen. If the diffusion angle at the liquid crystal element 30 is 6 degrees, a human figure about 5 meters away is recognized. The diffusion state is as much as possible. Therefore, in any case, the surrounding situation is sufficiently visible. Moreover, due to the high transmittance of the holographic optical element 12d and the liquid crystal element 30, it is possible to observe the outside brightly.
  • the diffusion angle in the liquid crystal element 30 is 10 degrees, the outside world will be greatly blurred, so that the display image Ia is easy to see, but the situation of low spatial frequency (such as human movement) can be recognized. Therefore, it cannot be said that the diffusion angle of external light is large. Therefore, it is possible to visually recognize the bright outside world.
  • the liquid crystal element 30 can be retracted from the field of view, and the surroundings are dangerous, the liquid crystal element 30 can be retracted to clearly see the outside world, thereby ensuring safety.
  • the range of the external field Ib is wider than the range of the display image Ia, and the diffusion range 30d (second range) formed by the liquid crystal elements 30 is as wide as the range of the display image Ia. It is preferable to have a thickness. If comprised in this way, an external field will blur in the range comparable as the display image Ia. Therefore, since the blur range of the external world in the external visual field Ib is narrowed, it is easy to see the external world, and it is possible to secure a clear wide visual field for safety.
  • the range of the external visual field Ib is wider than the range of the display video Ia, and the diffusion range 30d (second range) formed by the liquid crystal elements 30 is wider than the range of the display video Ia.
  • the outside world is blurred in a wider range than the display image Ia. Therefore, since the blur range of the external field in the external field visual field Ib is widened, the display video Ia can be easily distinguished from the external world, and observation concentrated on the display video Ia can be easily performed.
  • the liquid crystal element 30 greatly reduce the spatial frequency as the detected spatial frequency of the outside world is closer to the spatial frequency of the displayable image. If the outside world is greatly blurred as it is closer to the display image, the display image becomes easier to see. When the spatial frequency of the outside world is lower or higher than the displayable spatial frequency, since the outside world is not blurred more than necessary, it is easy to visually recognize the outside world.
  • the eyepiece optical system preferably has a volume phase type holographic optical element 12d as an optical element having optical power.
  • the volume phase type holographic optical element 12d is used as a combiner, the transmittance of external light becomes high, so that a brighter external environment can be seen.
  • the liquid crystal element 30 since the liquid crystal element 30 only diffuses, the outside world is bright. That is, the external environment can be observed brightly by the high transmittance of the holographic optical element 12d and the high transmittance of the liquid crystal element 30.
  • the eyepiece optical system has the first transparent substrate 12 that totally reflects the image light from the image display means 14 and transmits the external light.
  • the transmittance of external light becomes high, and a brighter external environment can be observed. That is, by making the reflection in the first transparent substrate 12 total reflection, the observer can see the outside through the second surface 12b and the third surface 12c of the first transparent substrate 12 without reducing the transmittance of the external light. It becomes possible to observe.
  • the first and second transparent substrates 12 and 13 are made thin (for example, about 3 mm) to the same extent as a normal spectacle lens. ) Can be configured. Therefore, the video display device X7 can be reduced in weight and size.
  • the outside world is blurred by the liquid crystal element 30, but on the other hand, since the video can be clearly observed, it is distinguished from the outside world and the video is easy to see.
  • the image is easy to see while visually recognizing the outside world brightly, and the difference in luminance between the image periphery and the image portion is small, so the eyes are less tired.
  • the outside world is darker than the display video Ia (for example, the video brightness 200 candela, the external brightness 10 candela), the brightness difference between the display video Ia and the surrounding portion becomes large, so that the display video Ia can be set to be dark. By doing so, the eyes can be made less fatigued.
  • the external spatial frequency of the external world is, or when the spatial frequency of the video observed by the observer is close to the spatial frequency of the external world, it becomes more difficult to distinguish the video from the external world and the visibility decreases.
  • the external spatial frequency is reduced according to the external spatial frequency, so that the brightness of the external environment is not reduced more than necessary or the image is not brightened more than necessary.
  • video viewing is possible.
  • the video display device X1 of the first embodiment to the video display device X4 of the fourth embodiment and the video display device X6 of the sixth embodiment are connected to a camera. 20 and a polymer-dispersed liquid crystal element 30 are mounted, and a spatial frequency within a first range including a display image is detected by the camera 20 in the external field of view, and the first range is determined according to the detected external spatial frequency.
  • the high-frequency component of the external space frequency within the second range including may be reduced by the polymer dispersion type liquid crystal element 30.
  • Image display means 1a Backlight 1b Transmission type LCD (display element) 2 Free-form surface mirror (eyepiece optical system) 2a Transflective surface 3 Diffuser (Diffusion member) 3d Diffusion range 4 EL element 5 Flat half mirror (eyepiece optical system) 6 Concave half mirror (eyepiece optical system) 6a Selective transmission / reflection surface 7 First transparent substrate (eyepiece optical system) 7a 1st surface 7b 2nd surface 7c 3rd surface 8 2nd transparent substrate 9 Transparent plate 10 Image

Landscapes

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Abstract

　映像表示装置Ｘ１は、映像表示手段１、自由曲面ミラー２、拡散板３から成っている。映像表示手段１は、バックライト１ａ、透過型のＬＣＤ１ｂから成っており、ＬＣＤ１ｂには映像が表示される。自由曲面ミラー２は、映像が外界視野に重なるように、映像を虚像として観察者眼（光学瞳ＥＰ）にシースルーで投影表示する接眼光学系である。拡散板３は、外界視野のうち表示映像を含む範囲内の空間周波数の高周波数成分を（低周波数成分よりも）より低減する。

Description

映像表示装置
　本発明は映像表示装置に関するものであり、例えば、液晶表示素子（ＬＣＤ：ｌｉｑｕｉｄ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｄｉｓｐｌａｙ）の２次元映像をホログラフィック光学素子（ＨＯＥ：ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｅｌｅｍｅｎｔ）を用いて観察者眼にシースルーで投影表示するＨＭＤ（ｈｅａｄ　ｍｏｕｎｔｅｄ　ｄｉｓｐｌａｙ）、ＨＵＤ（ｈｅａｄ　ｕｐ　ｄｉｓｐｌａｙ）等の映像表示装置に関するものである。
　映像を外界に重ねて表示するシースルー型の映像表示装置が、特許文献１で提案されている。その映像表示装置では、外界の像に重ねて映像を表示しながら、外界の色相、輝度、空間周波数を検出し、その結果に基づいて表示映像の表示色や表示位置を調整する構成になっている。そして、その構成によると映像が見やすくなって疲れにくくなる、としている。
特開平９－１０１４７７号公報
　しかし、特許文献１で提案されている映像表示装置には、表示映像の表示色や表示位置の調整に伴う問題がある。例えば、表示映像の表示色が変更されるため、表示映像の正確な色が分からなくなるという問題がある。また、表示映像の表示位置が変更されるたびに観察方向が変化するため、目が疲れるという問題がある。
　本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、外界に重ねて表示される映像が見やすく、目が疲れにくいシースルー型の映像表示装置を提供することにある。
　上記目的は、以下の構成により達成することができる。
　１．映像を表示する表示素子と、前記映像が外界視野に重なるように、前記映像を虚像として観察者眼にシースルーで投影表示する接眼光学系と、前記接眼光学系の光路外に配置され、外界視野のうち表示映像を含む範囲内の空間周波数の高周波数成分を低周波数成分より低減する拡散部材と、を有することを特徴とする映像表示装置。
　２．映像を表示する表示素子と、前記映像が外界視野に重なるように、前記映像を虚像として観察者眼にシースルーで投影表示する接眼光学系と、外界視野のうち表示映像を含む第１範囲内が持つ空間周波数分布から外界空間周波数と呼ぶ特定の空間周波数の値を検出する空間周波数検出手段と、前記接眼光学系の光路外に配置され、検出された前記外界の空間周波数に応じて、前記第１範囲を含む第２範囲内の外界光の空間周波数の高周波数成分を低周波数成分より低減する空間周波数低減手段と、を有することを特徴とする映像表示装置。
　３．前記拡散部材は、拡散板あるいは回折素子からなることを特徴とする前記１に記載の映像表示装置。
　４．前記空間周波数低減手段は、高分子分散型の液晶であることを特徴とする前記２に記載の映像表示装置。
　５．前記拡散部材が、外界視野のうち視野角で１分に相当する空間周波数よりも低い空間周波数成分を低下させることを特徴とする前記１又は３に記載の映像表示装置。
　６．前記空間周波数低減手段が、外界視野のうち視野角で１分に相当する空間周波数よりも低い小さい空間周波数成分を低下させることを特徴とする前記２又は４に記載の映像表示装置。
　７．前記拡散部材から光学瞳までの距離が５０ｍｍ以下であり、前記拡散部材の拡散角度が半値幅で０．５度以上１０度以下であることを特徴とする前記１、３、５のいずれか１項に記載の映像表示装置。
　８．前記空間周波数低減手段から光学瞳までの距離が５０ｍｍ以下であり、前記空間周波数低減手段の拡散角度が半値幅で０．５度以上１０度以下であることを特徴とする前記２、４、６のいずれか１項に記載の映像表示装置。
　９．外界視野の範囲が表示映像の範囲よりも広く、前記拡散部材又は前記空間周波数低減手段が表示映像の範囲と同等の広さの拡散範囲を有することを特徴とする前記１から８のいずれか１項に記載の映像表示装置。
　１０．外界視野の範囲が表示映像の範囲よりも広く、前記拡散部材又は前記空間周波数低減手段が表示映像の範囲よりも広い拡散範囲を有することを特徴とする前記１から８のいずれか１項に記載の映像表示装置。
　１１．前記接眼光学系が、光学的パワーを有する光学素子として、体積位相型のホログラフィック光学素子を有することを特徴とする前記１から１０のいずれか１項に記載の映像表示装置。
　１２．前記接眼光学系が、前記表示素子からの映像光を全反射し、かつ、外界光を透過させる透明基板を有することを特徴とする前記１から１１のいずれか１項に記載の映像表示装置。
　１３．更に頭部装着手段を有することを特徴とする前記１から１２のいずれか１項に記載の映像表示装置。
　本発明によれば、外界視野のうち表示映像を含む範囲内の空間周波数の高周波数成分を低周波数成分より低減する光学素子を有しているため、表示映像に重なる範囲内の外界はボケることになる。外界の高周波数領域がボケるため、表示映像は見やすく、また外界の低周波数領域はボケが小さいので、外界の視認性も良く、シースルー性に与える影響が小さい。しかも、表示映像に重なる範囲内の外界は主として高周波数成分が低減されるのみなので、明るく、表示映像との輝度差が少ないため目が疲れにくいという効果がある。また、外界を暗くしたり遮光したりする場合に比べて、シースルー性に与える影響が小さいので、外界はボケても容易に視認可能である。
　また、本発明によれば、外界視野のうち表示映像を含む第１範囲内の空間周波数を空間周波数検出手段（例えばカメラ）で検出し、検出された外界空間周波数に応じて、第１範囲を含む第２範囲内の外界光の高周波数成分を空間周波数低減手段（例えば高分子分散型の液晶素子）で低周波数成分より低減する構成になっているため、表示映像に重なる第２範囲内の外界はボケることになる。結果として、表示映像の空間周波数が相対的に高くなるため、表示映像は見やすくなる。しかも、表示映像に重なる第２範囲内の外界は主として高周波数成分が低減されるのみなので、明るく、表示映像との輝度差が少ないため目が疲れにくいという効果がある。また、外界を暗くしたり遮光したりする場合に比べると、シースルー性に与える影響が小さいので、外界はボケても容易に視認可能である。
第１の実施の形態の概略光学構成を示す断面図。 第１の実施の形態で観察される表示映像、外界視野等を示す図。 第２の実施の形態の概略光学構成を示す断面図。 第２の実施の形態で観察される視野を示す図。 第３の実施の形態の概略光学構成を示す断面図。 第４の実施の形態の概略光学構成を示す断面図。 第５の実施の形態の概略光学構成を示す断面図。 第５の実施の形態を示す外観図。 第６の実施の形態を示す外観図。 第７の実施の形態を示す外観図。 第７の実施の形態の概略光学構成を示す断面図。 第７の実施の形態の構成を示すブロック図。 第７の実施の形態で観察される表示映像、外界視野等を示す図。 第７の実施の形態で観察される表示映像、外界視野（外界空間周波数が低いとき）等を示す図。
　以下、本発明に係る映像表示装置等を、図面を参照しつつ説明する。なお、各実施の形態等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。
　〈第１の実施の形態（図１、図２）〉
　図１に、第１の実施の形態の映像表示装置Ｘ１を概略光学断面で示す。この映像表示装置Ｘ１は、映像表示手段１、自由曲面ミラー２及び拡散板３を有する構成になっている。映像表示手段１は、バックライト（例えば、ＬＥＤ：ｌｉｇｈｔ　ｅｍｉｔｔｉｎｇ　ｄｉｏｄｅ）１ａと透過型のＬＣＤ１ｂを有しており、ＬＣＤ１ｂはバックライト１ａからの照明光を変調して映像を表示する。映像表示手段１から射出した映像光は、接眼光学系としての自由曲面ミラー２の半透過反射面２ａで反射されて、光学瞳ＥＰから射出する。
　自由曲面ミラー２の半透過反射面２ａは、正の光学的パワーを持つ自由曲面形状を有しているので、映像光は観察者の瞳に入射することにより虚像として観察される。また、自由曲面ミラー２の半透過反射面２ａは、入射光を透過光と反射光とに５０％ずつ光量を分割する半透過反射性を有している。したがって、外界光の５０％は自由曲面ミラー２を透過し、表示映像は外界視野に重なるように虚像として観察者眼にシースルーで投影表示されて観察可能となる。
　拡散板３は、外界視野のうち表示映像を含む範囲内の空間周波数の高周波数成分を（低周波数成分よりも）より低減する空間周波数低減手段である。この拡散板３は、表面の凹凸で入射光を拡散させて透過させるものであり、この実施の形態では拡散板３の少なくとも一部を拡散面として拡散範囲を構成している。拡散板３としては、例えば、厚さ０．１ｍｍのポリエチレン製の透明フィルム表面に凹凸を設けて拡散角度（平行光を入射させたとき、拡散光の中心輝度の半値となる位置を全角で表したものを、拡散角度と定義する。）を１０度（半値幅）に制御し、それを透明基板上に形成したものが挙げられる。拡散板３への入射光は、透明フィルム表面の凹凸のみで拡散することになるので吸収が少なく、明るい外界を観察することが可能となる。なお、拡散板３としては、透明部材表面の凹凸で光拡散を行うものに限らず、透明な材料中に分散させた拡散材料で光を拡散させるものを用いてもよい。
　図２に、映像表示装置Ｘ１により観察される表示映像、外界視野等を示す。図２（Ａ）は表示映像Ｉａを示しており、図２（Ｂ）は外界視野Ｉｂを示している。また、図２（Ｃ）と図２（Ｄ）は、光学瞳ＥＰを通して観察者眼で観察される視野を示している。ただし、図２（Ｃ）は拡散板３が無い場合の視野を比較のために示しており、図２（Ｄ）は拡散板３がある場合の視野を示している。
　拡散板３が無い場合には、図２（Ｃ）に示すように、外界視野Ｉｂに表示映像Ｉａがそのまま重畳されて観察される。この場合、外界視野Ｉｂも表示映像Ｉａもクッキリと明確に観察されるため、表示映像Ｉａは外界視野Ｉｂと識別しにくいことが分かる。映像が見にくいため目が疲れやすく、特に、外界視野Ｉｂの空間周波数が高い場合には表示映像Ｉａの視認性が更に悪くなる。従来より、減光手段を用いて外界視野を暗くし表示映像を見やすくした映像表示装置が知られているが、表示映像のみが明るく観察されるようにすると、表示映像とその周囲との輝度差が大きいために目が疲れてしまい、また、シースルー性も低下してしまう。
　拡散板３がある場合には、図２（Ｄ）に示すように、表示映像Ｉａを含む拡散範囲３ｄがボケた状態の外界視野Ｉｂに、表示映像Ｉａが重畳されて観察される。この場合、外界視野Ｉｂのうち表示映像Ｉａを含む範囲に相当する部分（すなわち拡散範囲３ｄ）が、拡散板３により高周波数成分が低減されることでボケて空間周波数が低減され、それにより、表示映像Ｉａが外界視野Ｉｂと明確に識別可能となる。しかも、表示映像Ｉａと映像周囲（例えば拡散範囲３ｄの周囲）との輝度差が小さいので、目の疲れを軽減することができる。
　上記のように、拡散板３が外界視野Ｉｂのうち表示映像Ｉａを含む範囲３ｄ内の空間周波数の高周波数成分を（低周波数成分よりも）より低減する構成にすると、表示映像Ｉａに重なる範囲内の外界はボケることになる。結果として、表示映像Ｉａの空間周波数が相対的に高くなるため、表示映像Ｉａは見やすくなる。しかも、表示映像Ｉａに重なる範囲内の外界は高周波成分が低減されるのみなので明るく、表示映像Ｉａとの輝度差が少ないため目が疲れにくいという効果が得られる。また、拡散板３により拡散範囲３ｄの全体は均一にボケた状態となるが、高周波成分が主である領域の空間周波数分布は低周波側に移動し、低周波成分が主である領域の空間周波数分布はほとんど変化しない。したがって、外界を暗くしたり遮光したりする場合に比べると、シースルー性に与える影響が小さいので、外界はボケても容易に視認可能である。
　拡散板３は、外界視野Ｉｂのうち視野角で１分に相当する空間周波数よりも低い空間周波数成分を低下させることが好ましい。眼の分解能である約１分に相当する空間周波数よりも低い空間周波数成分を外界光から低下させることにより、表示映像Ｉａに重なる範囲内の外界を確実にボケさせることができる。
　例えば、眼の分解能である約１分の視野角が映像表示手段１の１画素に相当すると考えると、０．５度は３０画素に相当し、これを見やすくするという観点から０．５度以上１０度以下の拡散角度を想定することができる。また、ＨＭＤ等のように観察者の眼前での使用を想定した場合、その好適な光学配置を考えると、拡散板３から光学瞳ＥＰまでの距離として５０ｍｍ以下を想定することができる。したがって、拡散板３から光学瞳ＥＰまでの距離が５０ｍｍ以下であり、拡散板３の拡散角度が半値幅で０．５度以上１０度以下であることが好ましい。
　このように構成すると、表示映像Ｉａに重なる範囲内の外界はボケながらも視認しやすくなる。拡散角度が半値幅で０．５度よりも小さいと、拡散範囲３ｄにおいて外界が拡散しない傾向が強くなるため、外界の高周波数成分により表示映像Ｉａが見にくくなるおそれがある。拡散角度が半値幅で１０度よりも大きいと、低周波数成分までボケて外界が視認しにくくなる。
　図２（Ｄ）に示すように、外界視野Ｉｂの範囲が表示映像Ｉａの範囲よりも広く、拡散板３が表示映像Ｉａの範囲と同等の広さの拡散範囲３ｄを有することが好ましい。このように構成すると、表示映像Ｉａと同程度の範囲で外界がボケることになる。したがって、外界視野Ｉｂ中の外界のボケ範囲が狭くなるため、外界が見やすくなって、安全のために明瞭な広い視野を確保することが可能となる。
　〈第２の実施の形態（図３、図４）〉
　図３に、第２の実施の形態の映像表示装置Ｘ２を概略光学断面で示す。この映像表示装置Ｘ２は、ＥＬ素子（ｅｌｅｃｔｒｏ　ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ）４、平面ハーフミラー５、凹面ハーフミラー６及び拡散板３を有する構成になっており、そのなかでも平面ハーフミラー５と凹面ハーフミラー６は接眼光学系を構成している。自発光型の映像表示素子であるＥＬ素子４から射出した映像光は、平面ハーフミラー５での反射後、凹面ハーフミラー６の選択透過反射面６ａで反射され、平面ハーフミラー５を透過して、光学瞳ＥＰから射出する。つまり平面ハーフミラー５は、ＥＬ素子４からの映像光を凹面ハーフミラー６に向けて反射し、凹面ハーフミラー６で反射された映像光を光学瞳ＥＰに向けて透過させる。
　凹面ハーフミラー６の選択透過反射面６ａは正の光学的パワーを有しているので、映像光は観察者の瞳に入射することにより虚像として観察される。また、凹面ハーフミラー６の選択透過反射面６ａは、入射光を透過光と反射光とに光量を分割する選択透過反射性を有している（例えば、偏光選択性を有するものでもよい。）。したがって、外界光は凹面ハーフミラー６と平面ハーフミラー５を順に透過することになり、表示映像は外界視野に重なるように虚像として観察者眼にシースルーで投影表示されて観察可能となる。
　拡散板３は、外界視野のうち表示映像を含む範囲内の空間周波数の高周波数成分を（低周波数成分よりも）より低減する空間周波数低減手段である。この拡散板３は、表面の凹凸で入射光を拡散させて透過させるものであり、この実施の形態では拡散板３の少なくとも一部を拡散面として拡散範囲を構成している。拡散板３としては、例えば、厚さ０．１ｍｍのポリエチレン製の透明フィルム表面に凹凸を設けて拡散角度を０．５度（半値幅）に制御し、それを透明基板上に形成したものが挙げられる。拡散板３への入射光は、透明フィルム表面の凹凸のみで拡散することになるので吸収が少なく、明るい外界を観察することが可能となる。なお、拡散板３としては、透明部材表面の凹凸で光拡散を行うものに限らず、透明な材料中に分散させた拡散材料で光を拡散させるものを用いてもよい。
　図４に、映像表示装置Ｘ２により観察される視野（表示映像、外界視野等）を示す。図４に示すように、表示映像Ｉａを含む拡散範囲３ｄがボケた状態の外界視野Ｉｂに、表示映像Ｉａが重畳されて観察される。この場合、外界視野Ｉｂのうち表示映像Ｉａを含む広い範囲に相当する部分（すなわち拡散範囲３ｄ）が、拡散板３により高周波数成分が低減されることでボケて空間周波数が低減され、それにより、表示映像Ｉａが外界視野Ｉｂに対してより明確に識別可能となる。しかも、表示映像Ｉａと映像周囲との輝度差が小さいので、目の疲れをより効果的に軽減することができる。
　第１の実施の形態と同様（図２（Ｄ））、拡散板３が外界視野Ｉｂのうち表示映像Ｉａを含む範囲３ｄ（図４）内の空間周波数の高周波数成分を（低周波数成分よりも）より低減する構成になっているため、表示映像Ｉａに重なる範囲内の外界はボケることになる。結果として、表示映像Ｉａの空間周波数が相対的に高くなるため、表示映像Ｉａは見やすくなる。しかも、表示映像Ｉａに重なる範囲内の外界は高周波成分が低減されるのみなので明るく、表示映像Ｉａとの輝度差が少ないため目が疲れにくいという効果が得られる。また、拡散板３により拡散範囲３ｄの全体は均一にボケた状態となるが、高周波成分が主である領域の空間周波数分布は低周波側に移動し、低周波成分が主である領域の空間周波数分布はほとんど変化しない。したがって、外界を暗くしたり遮光したりする場合に比べると、シースルー性に与える影響が小さいので、外界はボケても容易に視認可能である。
　また、拡散角度０．５度の拡散板３では外界光は殆ど拡散しないので、外界はあまりボケないが、空間周波数の高い外界部分（例えば、細かいものや遠くのもの）はボケる。一方、表示映像Ｉａははっきりと観察できるので、外界と識別されて表示映像Ｉａは見やすい。つまり、明るく外界を視認しながら表示映像Ｉａは見やすくなり、上述したように表示映像Ｉａとその周囲部分との輝度差が小さいので目は疲れにくくなる。
　外界が表示映像Ｉａよりも暗い場合には（例えば、映像輝度２００カンデラ、外界輝度１０カンデラ）、表示映像Ｉａとその周囲部分との輝度差が大きくなるので、表示映像Ｉａを暗く設定できるようにすることにより、目が疲れにくくなるようにすることができる。また、外界が映像輝度に比して明るすぎる場合、映像が視認できなくなるが、実験により映像輝度の１０倍程度の外界輝度まで映像を視認できることを確認している。ただし、外界の高周波成分が多いほど、あるいは、観察者が観察する映像の空間周波数分布と外界の空間周波数分布とが近いときに、映像と外界との識別が困難になり視認性が低下する。本実施の形態のように構成すれば、外界の高周波成分の低減により、外界の明るさを必要以上に低くしなくても、あるいは、必要以上に映像を明るくしなくても、映像視認が可能となる。
　図４に示すように、外界視野Ｉｂの範囲が表示映像Ｉａの範囲よりも広く、拡散板３が表示映像Ｉａの範囲よりも広い拡散範囲３ｄを有することが好ましい。このように構成すると、表示映像Ｉａより広い範囲で外界がボケることになる。したがって、外界視野Ｉｂ中の外界のボケ範囲が広くなるため、表示映像Ｉａが外界と識別し易くなって、表示映像Ｉａに集中した観察が容易に可能となる。
　〈第３の実施の形態（図５）〉
　図５に、第３の実施の形態の映像表示装置Ｘ３を概略光学断面で示す。この映像表示装置Ｘ３は、透過型のＬＣＤ１ｂ、第１透明基板７、外界像補正用の第２透明基板８、透明板９及び拡散板３を有する構成になっている。透過型のＬＣＤ１ｂは、前記映像表示装置Ｘ１（図１）と同様、ＬＥＤ等のバックライト（不図示）からの照明光を変調して映像を表示する。ＬＣＤ１ｂから射出した映像光は、接眼光学系としての第１透明基板７の第１面７ａから入射し、第２面７ｂで全反射した後、体積位相型のホログラフィック光学素子が設けられている第３面７ｃで特定波長の映像光が反射され、第２面７ｂを透過して、光学瞳ＥＰから射出する。
　第１透明基板７の第１面７ａ、第２面７ｂ、第３面７ｃは、いずれも自由曲面形状を有しているが、必要に応じて平面形状又は球面形状を有する構成にしてよい。第１透明基板７は全体として正の光学的パワーを有しているので、映像光は観察者の瞳に入射することにより虚像として観察される。また、第３面７ｃは、入射光を透過光と反射光とに光量を分割する選択透過反射性を有している。したがって、外界光の一部は第１、第２透明基板７、８を透過し、表示映像は外界視野に重なるように虚像として観察者眼にシースルーで投影表示されて観察可能となる。このとき、外界光が第１透明基板７だけでなく外界像補正用の第２透明基板８も透過するため、観察者は外界を歪み無く見ることができる。また、選択透過反射性を持たせるために第２面７ｂに体積位相型のホログラフィック光学素子を用いているため、外界光の透過率が高く、外界が明るく見やすいという効果がある。更に、第２面７ｂでの反射を全反射としているため、外界を見る際には透過率を特に落とすことなく、明るい外界の観察が可能である。
　拡散板３は、外界視野のうち表示映像を含む範囲内の空間周波数の高周波数成分を（低周波数成分よりも）より低減する空間周波数低減手段であり、透明板９に支持されている。この拡散板３は、表面の凹凸で入射光を拡散させて透過させるものであり、この実施の形態では拡散板３の少なくとも一部を拡散面として拡散範囲を構成している。拡散板３としては、例えば、厚さ０．１ｍｍのポリエチレン製の透明フィルム表面に凹凸を設けて拡散角度を１０度（半値幅）に制御したものが挙げられる。拡散板３への入射光は、透明フィルム表面の凹凸のみで拡散することになるので吸収が少なく、明るい外界を観察することが可能となる。なお、拡散板３としては、透明部材表面の凹凸で光拡散を行うものに限らず、透明な材料中に分散させた拡散材料で光を拡散させるものを用いてもよい。
　第１の実施の形態等と同様、拡散板３が外界視野Ｉｂのうち表示映像Ｉａを含む範囲３ｄ（図２（Ｄ））内の空間周波数の高周波数成分を（低周波数成分よりも）より低減する構成になっているため、表示映像Ｉａに重なる範囲内の外界はボケることになる。結果として、表示映像Ｉａの空間周波数が相対的に高くなるため、表示映像Ｉａは見やすくなる。しかも、表示映像Ｉａに重なる範囲内の外界は高周波数成分が低減されるのみなので明るく、表示映像Ｉａとの輝度差が少ないため目が疲れにくいという効果が得られる。また、拡散板３により拡散範囲３ｄの全体は均一にボケた状態となるが、高周波成分が主である領域の空間周波数分布は低周波側に移動し、低周波成分が主である領域の空間周波数分布はほとんど変化しない。したがって、外界を暗くしたり遮光したりする場合に比べると、シースルー性に与える影響が小さいので、外界はボケても容易に視認可能である。
　また、拡散角度１０度により外界が大きくボケることになるため表示映像Ｉａは見やすいが、低い空間周波数の状況（人の動き等）は認識することができる程度であるため、外界光の拡散角度としては大きいとは言えない。したがって、明るい外界の視認が可能となる。なお、拡散板３と一体の透明板９を視界から退避可能にして、周囲状況が危険なときには退避させて外界を明確に見る構成にすれば、安全性を確保することが可能である。
　〈第４の実施の形態（図６）〉
　図６に、第４の実施の形態の映像表示装置Ｘ４を概略光学断面で示す。この映像表示装置Ｘ４は、映像表示手段１０、透明基板１１、体積位相型のホログラフィック光学素子１１ａ及び拡散板３を有する構成になっている。映像表示手段１０は、ＬＥＤ１０ａ、拡散板１０ｂ、集光レンズ１０ｃ及び透過型のＬＣＤ１０ｄを有している。ＬＥＤ１０ａからの照明光は、拡散板１０ｂで均一な拡散状態となった後、集光レンズ１０ｃで集光される。ＬＣＤ１０ｄは、その照明光を変調して映像を表示する。接眼光学系としてのホログラフィック光学素子１１ａは透明基板１１に支持されており、映像表示手段１０から射出した映像光はホログラフィック光学素子１１ａで回折反射されて光学瞳ＥＰから射出する。
　集光レンズ１０ｃは、ＬＥＤ１０ａからの照明光を集光することにより、拡散板１０ｂで拡散された照明光が効率良く光学瞳ＥＰを形成するように配置されている。映像光とコンバイナとの関係から言えば、例えば、波長５５０ｎｍのＬＥＤ１０ａを用い、ホログラフィック光学素子１１ａとして波長５５０ｎｍ±１０ｎｍの光を回折するように作製されたものを用いることが好ましい。ホログラフィック光学素子１１ａは、特定入射角・特定波長の光のみを回折するので、外界光には殆ど影響しない。したがって、外界光は透明基板１１及びホログラフィック光学素子１１ａを透過するため、通常どおりの外界を見ることができる。
　ホログラフィック光学素子１１ａは、正の光学的パワーを有しているので、映像光は観察者の瞳に入射することにより虚像として観察される。また、ホログラフィック光学素子１１ａは、入射光を透過光と反射光とに光量を分割する選択透過反射性を有している。したがって、外界光はホログラフィック光学素子１１ａを透過し、表示映像は外界視野に重なるように虚像として観察者眼にシースルーで投影表示されて観察可能となる。
　拡散板３は、外界視野のうち表示映像を含む範囲内の空間周波数の高周波数成分を（低周波数成分よりも）より低減する空間周波数低減手段であり、ホログラフィック光学素子１１ａを支持している透明基板１１に対し一体的に形成されている。この拡散板３は、表面の凹凸で入射光を拡散させて透過させるものであり、この実施の形態では拡散板３の少なくとも一部を拡散面として拡散範囲を構成している。拡散板３としては、例えば、厚さ０．１ｍｍのポリエチレン製の透明フィルム表面に凹凸を設けて拡散角度を３度（半値幅）に制御したものが挙げられる。拡散板３への入射光は、透明フィルム表面の凹凸のみで拡散することになるので吸収が少なく、明るい外界を観察することが可能となる。なお、拡散板３としては、透明部材表面の凹凸で光拡散を行うものに限らず、透明な材料中に分散させた拡散材料で光を拡散させるものを用いてもよい。
　第１の実施の形態等と同様、拡散板３が外界視野Ｉｂのうち表示映像Ｉａを含む範囲３ｄ（図２（Ｄ））内の空間周波数の高周波数成分を（低周波数成分よりも）より低減する構成になっているため、表示映像Ｉａに重なる範囲内の外界はボケることになる。結果として、表示映像Ｉａの空間周波数が相対的に高くなるため、表示映像Ｉａは見やすくなる。しかも、表示映像Ｉａに重なる範囲内の外界は高周波成分が低減されるのみなので明るく、表示映像Ｉａとの輝度差が少ないため目が疲れにくいという効果が得られる。また、拡散板３により拡散範囲３ｄの全体は均一にボケた状態となるが、高周波成分が主である領域の空間周波数分布は低周波側に移動し、低周波成分が主である領域の空間周波数分布はほとんど変化しない。したがって、外界を暗くしたり遮光したりする場合に比べると、シースルー性に与える影響が小さいので、外界はボケても容易に視認可能である。
　また、拡散板３の拡散角度３度は、２ｍ先の人の顔立ちが分かる程度の拡散である。したがって、周囲の状況は十分に視認可能である。しかも、殆ど拡散しないので外界が明るい。つまり、ホログラフィック光学素子１１ａの高透過率と拡散板３の低吸収率により、外界を明るく観察することができる。また、接眼光学系であるホログラフィック光学素子１１ａと一体に拡散板３が形成されているので、界面が少ないという点で更に明るい外界の観察が可能となる。
　この第４の実施の形態（図６）や前記第３の実施の形態（図５）のように、光学的パワーを有する光学素子として体積位相型のホログラフィック光学素子１１ａを、接眼光学系に有することが好ましい。このように、体積位相型のホログラフィック光学素子１１ａをコンバイナとして用いると、外界光の透過率が高くなるため、更に明るい外界を見ることが可能となる。
　〈第５の実施の形態（図７、図８）〉
　図７に、第５の実施の形態の映像表示装置Ｘ５を概略光学断面で示す。この映像表示装置Ｘ５は、映像表示手段１４、第１透明基板１２、第２透明基板１３、体積位相型のホログラフィック光学素子１２ｄ及び拡散板３を有する構成になっている。映像表示手段１４は、ＬＥＤ１４ａ、拡散板１４ｂ、シリンダーレンズ１４ｃ及び透過型のＬＣＤ１４ｄを有している。ＬＥＤ１４ａからの照明光は、一方向拡散板である拡散板１４ｂで一方向に均一な拡散状態となった後、シリンダーレンズ１４ｃで一方向に集光される。ＬＣＤ１４ｄは、その照明光を変調して映像を表示する。
　シリンダーレンズ１４ｃはＬＥＤ１４ａからの照明光を一方向に集光し、拡散板１４ｂはシリンダーレンズ１４ｃでの集光方向には殆ど拡散しない方向に拡散させる。その際、拡散板１４ｂは、シリンダーレンズ１４ｃにより集光されたＬＥＤ１４ａからの照明光を、図７に示すように、紙面に対して垂直な方向には３０度拡散させ、紙面に対して平行な方向には０．５度拡散させる。また、シリンダーレンズ１４ｃは、ＬＥＤ１４ａからの照明光を一方向に集光することにより、拡散板１４ｂで拡散された照明光が効率良く光学瞳ＥＰを形成するように配置されている。
　接眼光学系としてのホログラフィック光学素子１２ｄは、第１、第２透明基板１２、１３間に挟まれるようにして、第１透明基板１２に支持されている。映像表示手段１４から射出した映像光は、第１透明基板１２に第１面１２ａから入射し、第２面１２ｂと第３面１２ｃで全反射した後、ホログラフィック光学素子１２ｄで回折反射されて光学瞳ＥＰから射出する。
　映像光とコンバイナとの関係から言えば、例えば、中心波長が４６５ｎｍ、５２０ｎｍ、６３５ｎｍのＲＧＢ一体のＬＥＤ１４ａ（例えば、日亜化学製）を用い、ホログラフィック光学素子１２ｄとして波長４６５ｎｍ±１０ｎｍ、波長５２０ｎｍ±１０ｎｍ、波長６３５ｎｍ±１０ｎｍの映像光を回折するように作製されたものを用いることが好ましい。ホログラフィック光学素子１２ｄは、特定入射角・特定波長の光のみを回折するので、外界光には殆ど影響しない。したがって、外界光は第１、第２透明基板１２、１３及びホログラフィック光学素子１２ｄを透過するため、通常どおりの外界を見ることができる。
　ホログラフィック光学素子１２ｄは、正の光学的パワーを有しているので、映像光は観察者の瞳に入射することにより虚像として観察される。また、ホログラフィック光学素子１２ｄは、入射光を透過光と反射光とに光量を分割する選択透過反射性を有している。したがって、外界光はホログラフィック光学素子１２ｄを透過し、表示映像は外界視野に重なるように虚像として観察者眼にシースルーで投影表示されて観察可能となる。また、第２透明基板１３は第１透明基板１２のくさび部分での屈折をキャンセルするので、観察者は外界光を歪むことなく見ることができる。
　拡散板３は、外界視野のうち表示映像を含む範囲内の空間周波数の高周波数成分を（低周波数成分よりも）より低減する空間周波数低減手段である。この拡散板３は、表面の凹凸で入射光を拡散させて透過させるものであり、この実施の形態では拡散板３の少なくとも一部を拡散面として拡散範囲を構成している。拡散板３としては、例えば、厚さ０．１ｍｍのポリエチレン製の透明フィルム表面に凹凸を設けて拡散角度を６度（半値幅）に制御し、それを透明基板上に形成したものが挙げられる。拡散板３への入射光は、透明フィルム表面の凹凸のみで拡散することになるので吸収が少なく、明るい外界を観察することが可能となる。なお、拡散板３としては、透明部材表面の凹凸で光拡散を行うものに限らず、透明な材料中に分散させた拡散材料で光を拡散させるものを用いてもよい。
　第１の実施の形態等と同様、拡散板３が外界視野Ｉｂのうち表示映像Ｉａを含む範囲３ｄ（図２（Ｄ））内の空間周波数の高周波数成分を（低周波数成分よりも）より低減する構成になっているため、表示映像Ｉａに重なる範囲内の外界はボケることになる。結果として、表示映像Ｉａの空間周波数が相対的に高くなるため、表示映像Ｉａは見やすくなる。しかも、表示映像Ｉａに重なる範囲内の外界は高周波成分が低減されるのみなので明るく、表示映像Ｉａとの輝度差が少ないため目が疲れにくいという効果が得られる。また、拡散板３により拡散範囲３ｄの全体は均一にボケた状態となるが、高周波成分が主である領域の空間周波数分布は低周波側に移動し、低周波成分が主である領域の空間周波数分布はほとんど変化しない。したがって、外界を暗くしたり遮光したりする場合に比べると、シースルー性に与える影響が小さいので、外界はボケても容易に視認可能である。
　拡散板３の拡散角度６度は、距離５ｍ程度先の人影を認識できる程度の拡散である。したがって、周囲の状況は十分に視認可能である。しかも、殆ど拡散しないので外界が明るい。つまり、ホログラフィック光学素子１２ｄの高透過率と拡散板３の低吸収率により、外界を明るく観察することができる。また、体積位相型のホログラフィック光学素子１１ａをコンバイナとして用いることにより外界光の透過率が高くなるため、更に明るい外界を見ることが可能となる。
　この実施の形態のように、映像表示手段１４からの映像光を全反射し、かつ、外界光を透過させる第１透明基板１２を、接眼光学系に有することが好ましい。このように全反射により映像を眼に導く構成にすると、外界光の透過率が高くなり、更に明るい外界の観察が可能となる。つまり、第１透明基板１２内での反射を全反射とすることにより、外界光の透過率を落とすことなく、観察者は第１透明基板１２の第２面１２ｂと第３面１２ｃを通して外界を観察することが可能となる。また、映像光を第１透明基板１２内で反射して眼に導く構成とすることにより、通常の眼鏡レンズと同程度にまで第１、第２透明基板１２、１３を薄く（例えば３ｍｍ程度に）構成することができる。したがって、映像表示装置Ｘ５の軽量小型化が可能となる。
　図８に、上述した映像表示装置Ｘ５に頭部装着手段を設けて、頭部装着型とした状態を示す。つまり、図８は映像表示装置Ｘ５の第５の実施の形態である眼鏡型ＨＭＤの三面図である。図８において、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は正面図である。図８において、１５はブリッジ、１６Ｒ、１６Ｌは鼻当て、１７Ｒ、１７Ｌはフレーム、１８Ｒ、１８Ｌは観察者頭部への保持部材であるテンプル、１９は信号供給用のケーブルである。
　図８に示すように、頭部装着手段は、ブリッジ１５；鼻当て１６Ｒ、１６Ｌ；フレーム１７Ｒ、１７Ｌ；テンプル１８Ｒ、１８Ｌ等で構成されている。第１透明基板１２は、ブリッジ１５及びフレーム１７Ｒで支持されており、ブリッジ１５はフレーム１７Ｌに支持されている。そのブリッジ１５には、拡散板３が取り外し可能（回動可能に取り付けてもよい。）に支持されている。フレーム１７Ｒ、１７Ｌは、ヒンジ部を介してテンプル１８Ｒ、１８Ｌに支持されている。観察者は、鼻当て１６Ｒ、１６Ｌとテンプル１８Ｒ、１８Ｌによって、通常の眼鏡と同様に映像表示装置Ｘ５を眼前に保持することができる。そして、筐体に覆われた映像表示手段１４の映像を虚像として観察しながら、第１、第２透明基板１２、１３を通して外界を見ることができる。このように頭部装着手段を設けると、常に安定した状態で明るい外界から表示映像を識別することが可能になり、また、映像表示装置Ｘ５の軽量小型化が可能となる。
　〈第６の実施の形態（図９）〉
　図９に、第６の実施の形態の映像表示装置Ｘ６を、上述した映像表示装置Ｘ５と同様に、頭部装着手段を設けて頭部装着型とした状態で示す。つまり、図９は眼鏡型ＨＭＤの形態を有する映像表示装置Ｘ６の三面図であり、図９において、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は正面図である。この映像表示装置Ｘ６は、両眼に映像表示を行う構成になっている他は、映像表示装置Ｘ５（図８）と同様の構成になっている。そして、左右両眼に映像表示を行う構成になっているため、片眼で映像を観察することに起因する観察者の不自然な疲労を軽減することができる。
　なお、第１の実施の形態から第６の実施の形態においては、拡散部材として拡散板３を用いたが、これに限るものではなく、拡散部材として例えば回折格子等の回折素子を用いてもよい。
　〈第７の実施の形態（図１０～図１４）〉
　第７の実施の形態の映像表示装置Ｘ７は、図７および図８に示した第５の実施の形態の映像表示装置Ｘ５の拡散板３の代わりに高分子分散型の液晶素子３０を用い、更にカメラ２０を付加した眼鏡型ＨＭＤである。従って、映像表示装置Ｘ５と共通の部分については、説明を適宜省略する。
　図１０に、第７の実施の形態の映像表示装置Ｘ７に頭部装着手段を設けて、頭部装着型とした状態の外観を示し、図１１に、映像表示装置Ｘ７の要部を概略光学断面で示す。また、図１２に、その構成の要部をブロック図で示す。つまり、図１０は眼鏡型ＨＭＤの形態を有する映像表示装置Ｘ７の三面図であり、図１０において、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は正面図である。図１０に示すように、映像表示装置Ｘ７は、ブリッジ１５；鼻当て１６Ｒ、１６Ｌ；フレーム１７Ｒ、１７Ｌ；テンプル１８Ｒ、１８Ｌ等から成る頭部装着手段を有しており、テンプル１８Ｒには、信号供給用のケーブル１９が取り付けられている。また図１０に示すように、映像表示装置Ｘ７は、第１透明基板１２、第２透明基板１３、映像表示手段１４、カメラ２０及び高分子分散型の液晶素子３０を有しており、更に図１１に示すように、第１、第２透明基板１２、１３間に体積位相型のホログラフィック光学素子１２ｄを有している。
　第１透明基板１２は、図１０に示すように、ブリッジ１５及びフレーム１７Ｒで支持されており、ブリッジ１５はフレーム１７Ｌに支持されている。そのブリッジ１５には、液晶素子３０が取り外し可能（回動可能に取り付けてもよい。）に支持されている。フレーム１７Ｒ、１７Ｌは、ヒンジ部を介してテンプル１８Ｒ、１８Ｌに支持されている。観察者は、鼻当て１６Ｒ、１６Ｌとテンプル１８Ｒ、１８Ｌによって、通常の眼鏡と同様に映像表示装置Ｘ７を眼前に保持することができる。そして、筐体に覆われた映像表示手段１４の映像を虚像として観察しながら、第１、第２透明基板１２、１３を通して外界を見ることができる。このように頭部装着手段を設けると、常に安定した状態で明るい外界から表示映像を識別することが可能になり、また、映像表示装置Ｘ７の軽量小型化が可能となる。
　図１１に示す映像表示手段１４、第１、第２透明基板１２、１３及びホログラフィック光学素子１２ｄについては、映像表示装置Ｘ５と同じであるので、説明は省略する。
　前述したように取り外し可能にブリッジ１５に支持されている高分子分散型の液晶素子３０は、外界視野のうち表示映像を含む所定の範囲内の空間周波数の高周波数成分を（低周波数成分よりも）より低減する空間周波数低減手段である。この液晶素子３０は、２枚の透明板間に高分子分散液晶が保持された構成になっている。電圧が印加されていない状態の高分子分散液晶は、分子の配列状態がバラバラになっているため、その屈折率差により光は拡散することになる。電圧が印加された状態の高分子分散液晶は、分子が整列した配列状態となるため、光は透過することになる。したがって、図１２に示す制御手段４０の拡散制御部４０ｃにより高分子分散液晶に電圧を印加すると（つまり、液晶素子３０の全体又は一部の表示領域に対し電圧制御を行う。）、その程度により拡散角度（平行光を入射させたとき、拡散光の中心輝度の半値となる位置を全角で表したものを、拡散角度と定義する。）が変化する。つまり、外界光を透過率１００％に近い散乱されない状態から完全拡散に近い状態まで制御することができ、拡散角度に応じて外界の空間周波数の高周波数成分を（低周波数成分よりも）より低減することができる。なお、制御手段４０は、図１２に示すように、カメラ２０又は映像表示手段１４を覆う筐体に内蔵してもよく、装置外部に配置されてケーブル１９で接続されるようにしてもよい。
　映像表示手段１４に一体に形成されたカメラ２０は、外界視野のうち表示映像を含む所定の範囲内の空間周波数を検出する空間周波数検出手段である。このカメラ２０は、図１２に示すように、外界を撮像する撮像部２０ａと処理部２０ｂとを有しており、撮像部２０ａで外界を撮像し、処理部２０ｂで、外界の持つ空間周波数分布から少なくとも表示映像に相当する範囲の代表的な空間周波数を決定する。カメラ２０により検出された空間周波数を、外界空間周波数と呼ぶことにする。カメラ２０による外界空間周波数の決定方法としては、様々な種類のフィルターを電気的に使って、空間周波数の高いものと低いものとを決定する方法を採用すればよい。また、外界空間周波数を決める方法としては、例えば以下の方法（１）～（５）を採用してもよく、特許文献１に開示されている方法を採用してもよい。なお、外界空間周波数を正確に決定するために、カメラ２０は液晶素子３０を通さずに撮像する位置に配置されている。また、カメラ２０を撮像部２０ａのみとし、処理部２０ｂを制御手段４０の中に持たせてもよい。
（１）：撮像された所定の範囲の空間周波数の最高値を外界空間周波数と設定する方法。
（２）：撮像された所定の範囲の空間周波数の平均値を外界空間周波数と設定する方法。
（３）：撮像された所定の範囲の空間周波数を例えば１０段階に区分し、検出結果のうち、最高周波数区分の中心周波数を外界空間周波数と設定する方法。
（４）：撮像された所定の範囲の空間周波数を例えば１０段階に区分し、最も検出結果の多い区分の中心周波数を外界空間周波数と設定する方法。
（５）：撮像された所定の範囲の空間周波数を例えば１０段階に区分し、所定の検出結果数を超えた区分のうち、最高周波数区分の中心周波数を外界空間周波数と設定する方法。
　カメラ２０で検出した外界空間周波数に応じて、制御手段４０によって、液晶素子３０の制御が行われる。制御手段４０は、例えば、ＬＣＤ１４ｄに表示可能な最低空間周波数及び最高空間周波数を記憶する記憶部４０ａと、カメラ２０で検出した外界空間周波数と、記憶部４０ａに記憶された表示可能な最低空間周波数及び最高空間周波数とを比較する比較部４０ｂと、液晶素子３０の動作を制御する制御部４０ｃとを備えている。そして、例えば、カメラ２０で検出した映像表示範囲の外界空間周波数が、ＬＣＤ１４ｄに表示可能な最低空間周波数よりも低いときには、液晶素子３０の拡散角度が小さくなるように制御し、カメラ２０で検出した映像表示範囲の外界空間周波数が、表示可能な最低空間周波数と最高空間周波数との間、即ち表示可能な映像の空間周波数に近いときは大きく拡散するように制御し、カメラ２０で検出した映像表示範囲の外界空間周波数が、表示可能な最高空間周波数よりも高いとき拡散角度が小さくなるように制御する。これにより、映像視認性を向上しながら外界認識もしやすい映像表示装置とすることができる。ここで、表示可能な最高空間周波数とはＬＣＤ１４ｄの画素ピッチと接眼光学系の焦点距離によって決まる値である。外界空間周波数が表示可能な最高空間周波数より高い場合は、外界景色が画素に埋もれてしまうため外界を大きくぼかす必要はない。
　また、液晶素子３０は、拡散制御部４０ｃによって、その拡散角度が一定時間変更されないように制御される。つまり、外界が高速で変化しても液晶素子３０がすぐには追随しないようにすることにより、外界にチラツキが生じないようにしている。なお、少なくとも表示映像と重なる範囲の外界光が持つ空間周波数分布を制御すればよく、検出対象の外界をいくつかの領域に分けてそれぞれの対応領域について制御を行うようにしてもよい。
　また、外界空間周波数と比較する周波数は、ＬＣＤ１４ｄに表示可能な最高空間周波数に限らず、他の値を用いても良い。更に、ＬＣＤ１４ｄに表示されている映像からその映像の代表となる特定の周波数（映像空間周波数）を検出し、その周波数（映像空間周波数）と外界空間周波数とを比較して、その近似度に応じて液晶素子３を制御してもよい。なお、映像空間周波数は、映像信号から、外界空間周波数を演算するのと同様の方法にて計算される。
　制御手段４０は、その他に、図１２に示すように、ケーブル１９を介して外部から送信される映像表示手段１４に表示するための映像等を受信するためのインターフェース４０ｅや、インターフェース４０ｅで受信した映像を映像表示手段１４に表示するために、ＬＥＤ１４ａの点灯、及び、ＬＣＤ１４ｄへの映像の表示を制御する表示制御部４０ｄ等も備えている。
　図１３に、映像表示装置Ｘ７により観察される表示映像、外界視野等を示す。図１３（Ａ）は表示映像Ｉａを示しており、図１３（Ｂ）は外界視野Ｉｂを示している。また、図１３（Ｃ）、図１３（Ｄ）及び図１３（Ｅ）は、光学瞳ＥＰを通して観察者眼で観察される視野を示している。ただし、図１３（Ｃ）は液晶素子３０が無い場合（つまり液晶による拡散の無い状態）の視野を比較のために示しており、図１３（Ｄ）及び図１３（Ｅ）は液晶素子３０がある場合（つまり液晶による拡散のある状態）の視野を示している。
　液晶素子３０が無い場合には、図１３（Ｃ）に示すように、外界視野Ｉｂに表示映像Ｉａがそのまま重畳されて観察される。この場合、外界視野Ｉｂも表示映像Ｉａもクッキリと明確に観察されるため、表示映像Ｉａは外界視野Ｉｂと識別しにくいことが分かる。映像が見にくいため目が疲れやすく、特に、外界視野Ｉｂの空間周波数が高い場合には表示映像Ｉａの視認性が更に悪くなる。従来より、減光手段を用いて外界視野を暗くし表示映像を見やすくした映像表示装置が知られているが、表示映像のみが明るく観察されるようにすると、表示映像とその周囲との輝度差が大きいために目が疲れてしまい、また、シースルー性も低下してしまう。
　液晶素子３０がある場合には、図１３（Ｄ）及び図１３（Ｅ）に示すように、表示映像Ｉａを含む拡散範囲３０ｄがボケた状態の外界視野Ｉｂに、表示映像Ｉａが重畳されて観察される。この場合、外界視野Ｉｂのうち表示映像Ｉａを含む範囲に相当する部分（例えば、カメラ２０で外界空間周波数が検出された外界範囲である拡散範囲３０ｄ）が、液晶素子３０により高周波数成分が低減されてボケて、それにより、表示映像Ｉａが外界視野Ｉｂと明確に識別可能となる。しかも、表示映像Ｉａと映像周囲（例えば、拡散範囲３０ｄの周囲）との輝度差が小さいので、目の疲れを軽減することができる。
　カメラ２０で検出された外界空間周波数が表示映像Ｉａの持つ最大空間周波数に近い場合、例えば、拡散角度を５度以上の拡散角度に制御して、表示映像範囲に相当する外界をぼかすと、図１３（Ｄ）及び図１３（Ｅ）に示すように、表示映像Ｉａが外界視野Ｉｂとは明確に識別可能となって見やすくなる。このとき、外界のボケは比較的大きいが、拡散角度としては小さくてよいので、上述したように表示映像Ｉａと映像周囲の輝度差が小さくなって目の疲れを軽減することができる。また、外界の空間周波数低減範囲（すなわち拡散範囲３０ｄ）を狭くすることにより外界が見やすくなる。
　図１３（Ｅ）に示すように、外界視野Ｉｂのうち表示映像Ｉａを含む広い範囲に相当する部分（すなわち拡散範囲３０ｄ）が、液晶素子３０により高周波数成分が低減されてボケるように制御すると、表示映像Ｉａが外界視野Ｉｂに対してより明確に識別可能となる。しかも、表示映像Ｉａと映像周囲との輝度差が小さいので、目の疲れをより効果的に軽減することができる。なお、図１３（Ｅ）に示すように広い拡散範囲３０ｄの空間周波数の高周波数成分を（低周波数成分よりも）より低減する場合、カメラ２０で外界空間周波数を検出する外界視野の範囲は、図１３（Ｅ）に示すように広い拡散範囲３０ｄであってもよく、図１３（Ｄ）に示すように表示映像を含む狭い拡散範囲３０ｄであってもよい。
　図１４に、カメラ２０で検出された外界空間周波数（つまり拡散範囲３０ｄでの外界の空間周波数）が低いときに、映像表示装置Ｘ７により観察される表示映像、外界視野等を示す。図１４（Ａ）は外界視野Ｉｂを示しており、図１４（Ｂ）は光学瞳ＥＰを通して観察者眼で観察される視野を示している。図１４に示すように外界空間周波数は低いので、液晶素子３０を低拡散に制御したり、あるいは外界光を拡散しないでそのまま透過するように制御しても、表示映像Ｉａは容易に視認可能である。また、カメラ２０で検出された外界空間周波数がＬＣＤ１４ｄに表示可能な空間周波数よりも高い場合も同様である。低拡散角度に制御することによりボケを小さくしても、高い空間周波数成分を持つ外界は簡単にボケるので（つまり、眼の分解能との関係からボケ量は少なくてもよいので）、表示映像を見やすくできる。
　この実施の形態の特徴の１つは、空間周波数検出手段（カメラ２０）で外界の映像から代表となる空間周波数を検出し、空間周波数低減手段（液晶素子３０）で外界光の拡散角度を制御する点にある。図１４に示すように、外界光を拡散しなくても表示映像は見やすい場合があるので、外界空間周波数を検出してその検出結果に基づいて表示映像範囲の外界光の空間周波数分布を制御すれば、外界に重ねて表示される映像を効率的に見やすくすることができる、ということである。
　上記のように、外界視野Ｉｂのうち表示映像Ｉａを含む第１範囲（例えば、図１３（Ｄ）中の拡散範囲３０ｄ）内の代表となる空間周波数をカメラ２０で検出し、検出された外界空間周波数に応じて、第１範囲を含む第２範囲（例えば、図１３（Ｄ）又は図１３（Ｅ）中の拡散範囲３０ｄ）内の外界光の高周波成分を液晶素子３０で低減する構成にすると、表示映像Ｉａに重なる第２範囲内の外界はボケることになる。結果として、表示映像Ｉａの空間周波数が相対的に高くなるため、表示映像Ｉａは見やすくなる。しかも、表示映像Ｉａに重なる第２範囲内の外界は空間周波数が低減するのみなので明るく、表示映像Ｉａとの輝度差が少ないため目が疲れにくいという効果が得られる。また、液晶素子３０により拡散範囲３０ｄの全体は均一にボケた状態となるが、高周波成分が主である領域の高周波成分は低くなり、低周波成分が主である領域の空間周波数はほとんど変化しない。したがって、外界を暗くしたり遮光したりする場合に比べると、シースルー性に与える影響が小さいので、外界はボケても容易に視認可能である。
　液晶素子３０は、外界視野Ｉｂのうち視野角で１分より小さい空間周波数成分を低下させることが好ましい。眼の分解能：約１分より低い空間周波数の外界を低下させることにより、表示映像Ｉａに重なる範囲内の外界を確実にボケさせることができる。
　例えば、眼の分解能：約１分が映像表示手段１の１画素に相当すると考えると、０．５度は３０画素に相当し、これを見やすくするという観点から０．５度以上１０度以下の拡散角度を想定することができる。また、ＨＭＤ等のように観察者の眼前での使用を想定した場合、その好適な光学配置を考えると、液晶素子３０から光学瞳ＥＰまでの距離として５０ｍｍ以下を想定することができる。したがって、液晶素子３０から光学瞳ＥＰまでの距離が５０ｍｍ以下であり、液晶素子３０の拡散角度が半値幅で０．５度以上１０度以下であることが好ましい。
　このように構成すると、表示映像Ｉａに重なる範囲内の外界はボケながらも映像は見やすく、外界は視認がしやすくなる。そのため、シースルー性に与える影響が小さい。拡散角度が０．５度よりも小さいと、拡散範囲３０ｄにおいて外界が拡散しない傾向が強くなるため、外界の高周波数成分により表示映像Ｉａが見にくくなるおそれがある。拡散角度が１０度よりも大きいと、拡散範囲３０ｄにおいて外界が拡散する傾向が強くなり、外界の低周波数成分までボケて、外界が見にくくなるおそれがある。
　例えば、液晶素子３０での拡散角度を０．５度とすると、外界光は殆ど拡散しないので外界はあまりボケないが、空間周波数の高い外界部分（例えば、細かいものや遠くのもの）はボケることになる。一方、表示映像Ｉａははっきりと観察できるので、外界と識別されて表示映像Ｉａは見やすくなる。つまり、明るく外界を視認しながら表示映像Ｉａを見やすくすることができ、前述したように表示映像Ｉａとその周囲部分との輝度差が小さいので目は疲れにくくなる。
　例えば、液晶素子３０での拡散角度を３度とすると、約２ｍ先の人の顔立ちが分かる程度の拡散状態となり、液晶素子３０での拡散角度を６度とすると、約５ｍ先の人影を認識できる程度の拡散状態となる。したがって、いずれの場合も周囲の状況は十分に視認可能である。しかも、ホログラフィック光学素子１２ｄと液晶素子３０の高透過率により、外界を明るく観察することが可能である。
　例えば、液晶素子３０での拡散角度を１０度とすると、外界は大きくボケることになるため表示映像Ｉａは見やすくなるが、低い空間周波数の状況（人の動き等）は認識することができる程度であるため、外界光の拡散角度としては大きいとは言えない。したがって、明るい外界の視認が可能となる。なお、液晶素子３０を視界から退避可能にして、周囲状況が危険なときには退避させて外界を明確に見る構成にすれば、安全性を確保することが可能である。
　図１３（Ｄ）に示すように、外界視野Ｉｂの範囲が表示映像Ｉａの範囲よりも広く、液晶素子３０で構成される拡散範囲３０ｄ（第２範囲）が表示映像Ｉａの範囲と同等の広さを有することが好ましい。このように構成すると、表示映像Ｉａと同程度の範囲で外界がボケることになる。したがって、外界視野Ｉｂ中の外界のボケ範囲が狭くなるため、外界が見やすくなって、安全のために明瞭な広い視野を確保することが可能となる。
　図１３（Ｅ）に示すように、外界視野Ｉｂの範囲が表示映像Ｉａの範囲よりも広く、液晶素子３０で構成される拡散範囲３０ｄ（第２範囲）が表示映像Ｉａの範囲よりも広いことが好ましい。このように構成すると、表示映像Ｉａより広い範囲で外界がボケることになる。したがって、外界視野Ｉｂ中の外界のボケ範囲が広くなるため、表示映像Ｉａが外界と識別し易くなって、表示映像Ｉａに集中した観察が容易に可能となる。
　前述したように、検出された外界の空間周波数が表示可能な映像の空間周波数に近いときほど、液晶素子３０が空間周波数を大きく低減することが好ましい。表示映像に近いときほど外界を大きくボケさせると、表示映像は見やすくなる。そして、表示可能な空間周波数よりも外界の空間周波数が低いときや高いときには、必要以上に外界がボケないので外界の視認が容易になる。
　この実施の形態のように、光学的パワーを有する光学素子として体積位相型のホログラフィック光学素子１２ｄを、接眼光学系に有することが好ましい。体積位相型のホログラフィック光学素子１２ｄをコンバイナとして用いると、外界光の透過率が高くなるため、更に明るい外界を見ることが可能となる。しかも、液晶素子３０は拡散するのみなので外界が明るい。つまり、ホログラフィック光学素子１２ｄの高透過率と液晶素子３０の高透過率により、外界を明るく観察することができる。
　この実施の形態のように、映像表示手段１４からの映像光を全反射し、かつ、外界光を透過させる第１透明基板１２を、接眼光学系に有することが好ましい。このように全反射により映像を眼に導く構成にすると、外界光の透過率が高くなり、更に明るい外界の観察が可能となる。つまり、第１透明基板１２内での反射を全反射とすることにより、外界光の透過率を落とすことなく、観察者は第１透明基板１２の第２面１２ｂと第３面１２ｃを通して外界を観察することが可能となる。また、映像光を第１透明基板１２内で反射して眼に導く構成とすることにより、通常の眼鏡レンズと同程度にまで第１、第２透明基板１２、１３を薄く（例えば３ｍｍ程度に）構成することができる。したがって、映像表示装置Ｘ７の軽量小型化が可能となる。
　この映像表示装置Ｘ７によると、液晶素子３０により外界はボケるが、その一方、映像ははっきりと観察できるので、外界と識別されて映像は見やすくなる。つまり、明るく外界を視認しながら、映像は見やすく、映像周囲と映像部分との輝度差が小さいので目が疲れにくくなる。外界が表示映像Ｉａよりも暗い場合には（例えば、映像輝度２００カンデラ、外界輝度１０カンデラ）、表示映像Ｉａとその周囲部分との輝度差が大きくなるので、表示映像Ｉａを暗く設定できるようにすることにより、目が疲れにくくなるようにすることができる。また、外界が映像輝度に比して明るすぎる場合、映像が視認できなくなるが、実験により映像輝度の１０倍程度の外界輝度まで映像を視認できることを確認している。ただし、外界の空間周波数が高いほど、あるいは、観察者が観察する映像の空間周波数と外界の空間周波数とが近いときに、映像と外界との識別が困難になり視認性が低下する。本実施の形態のように構成すれば、外界の空間周波数に応じた外界の空間周波数の低減により、外界の明るさを必要以上に低くしなくても、あるいは、必要以上に映像を明るくしなくても、映像視認が可能となる。
　なお、第７の実施の形態と同様に、第１の実施の形態の映像表示装置Ｘ１～第４の実施の形態の映像表示装置Ｘ４および第６の実施の形態の映像表示装置Ｘ６に、カメラ２０と高分子分散型の液晶素子３０とを搭載し、外界視野のうち表示映像を含む第１範囲内の空間周波数をカメラ２０で検出し、検出された外界空間周波数に応じて、第１範囲を含む第２範囲内の外界空間周波数の高周波数成分を高分子分散型の液晶素子３０で低減してもよい。
　１　映像表示手段
　１ａ　バックライト
　１ｂ　透過型のＬＣＤ（表示素子）
　２　自由曲面ミラー（接眼光学系）
　２ａ　半透過反射面
　３　拡散板（拡散部材）
　３ｄ　拡散範囲
　４　ＥＬ素子
　５　平面ハーフミラー（接眼光学系）
　６　凹面ハーフミラー（接眼光学系）
　６ａ　選択透過反射面
　７　第１透明基板（接眼光学系）
　７ａ　第１面
　７ｂ　第２面
　７ｃ　第３面
　８　第２透明基板
　９　透明板
　１０　映像表示手段
　１０ａ　ＬＥＤ
　１０ｂ　拡散板
　１０ｃ　集光レンズ
　１０ｄ　透過型のＬＣＤ（表示素子）
　１１　透明基板（接眼光学系）
　１１ａ　ホログラフィック光学素子（接眼光学系）
　１２　第１透明基板（接眼光学系）
　１２ａ　第１面
　１２ｂ　第２面
　１２ｃ　第３面
　１２ｄ　ホログラフィック光学素子（接眼光学系）
　１３　第２透明基板
　１４　映像表示手段
　１４ａ　ＬＥＤ
　１４ｂ　拡散板
　１４ｃ　シリンダーレンズ
　１４ｄ　透過型のＬＣＤ（表示素子）
　１５　ブリッジ（頭部装着手段）
　１６Ｒ、１６Ｌ　鼻当て（頭部装着手段）
　１７Ｒ、１７Ｌ　フレーム（頭部装着手段）
　１８Ｒ、１８Ｌ　テンプル（頭部装着手段）
　１９　ケーブル
　２０　カメラ
　３０　（高分子分散型の）液晶素子（空間周波数低減手段）
　３０ｄ　拡散範囲
　Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４、Ｘ５、Ｘ６、Ｘ７　映像表示装置
　Ｉａ　表示映像
　Ｉｂ　外界視野
　ＥＰ　光学瞳

Claims (13)

  1. 　映像を表示する表示素子と、前記映像が外界視野に重なるように、前記映像を虚像として観察者眼にシースルーで投影表示する接眼光学系と、前記接眼光学系の光路外に配置され、外界視野のうち表示映像を含む範囲内の空間周波数の高周波数成分を低周波数成分より低減する拡散部材と、を有することを特徴とする映像表示装置。
  2. 　映像を表示する表示素子と、前記映像が外界視野に重なるように、前記映像を虚像として観察者眼にシースルーで投影表示する接眼光学系と、外界視野のうち表示映像を含む第１範囲内が持つ空間周波数分布から外界空間周波数と呼ぶ特定の空間周波数の値を検出する空間周波数検出手段と、前記接眼光学系の光路外に配置され、検出された前記外界空間周波数に応じて、前記第１範囲を含む第２範囲内の外界光の空間周波数の高周波数成分を低周波数成分より低減する空間周波数低減手段と、を有することを特徴とする映像表示装置。
  3. 　前記拡散部材は、拡散板あるいは回折素子からなることを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
  4. 　前記空間周波数低減手段は、高分子分散型の液晶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。
  5. 　前記拡散部材が、外界視野のうち視野角で１分に相当する空間周波数よりも低い空間周波数成分を低下させることを特徴とする請求項１又は３に記載の映像表示装置。
  6. 　前記空間周波数低減手段が、外界視野のうち視野角で１分に相当する空間周波数よりも低い空間周波数成分を低下させることを特徴とする請求項２又は４に記載の映像表示装置。
  7. 　前記拡散部材から光学瞳までの距離が５０ｍｍ以下であり、前記拡散部材の拡散角度が半値幅で０．５度以上１０度以下であることを特徴とする請求項１、３、５のいずれか１項に記載の映像表示装置。
  8. 　前記空間周波数低減手段から光学瞳までの距離が５０ｍｍ以下であり、前記空間周波数低減手段の拡散角度が半値幅で０．５度以上１０度以下であることを特徴とする請求項２、４、６のいずれか１項に記載の映像表示装置。
  9. 　外界視野の範囲が表示映像の範囲よりも広く、前記拡散部材又は前記空間周波数低減手段が表示映像の範囲と同等の広さの拡散範囲を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の映像表示装置。
  10. 　外界視野の範囲が表示映像の範囲よりも広く、前記拡散部材又は前記空間周波数低減手段が表示映像の範囲よりも広い拡散範囲を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の映像表示装置。
  11. 　前記接眼光学系が、光学的パワーを有する光学素子として、体積位相型のホログラフィック光学素子を有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の映像表示装置。
  12. 　前記接眼光学系が、前記表示素子からの映像光を全反射し、かつ、外界光を透過させる透明基板を有することを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の映像表示装置。
  13. 　更に頭部装着手段を有することを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の映像表示装置。
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