WO2004097498A1 - イメージコンバイナ及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

　画像形成素子２からの光は、ＰＢＳ８で反射され、λ／４板７に入射して円偏光に変換された後、反射型ＨＯＥ６により、反射回折作用及び結像作用を受ける。その後、この光は、再度λ／４板７を通ってＰＢＳ８を透過する。これにより、外界からの光と合成されて使用者の目に入る。画像形成手段の表示部の中心から発せられた主光線が反射型ホログラム光学素子に入射する入射角θ1（°）と、この光が反射型ホログラム光学素子で回折反射される際の反射回折角θ2（°）の間に、−５＜θ1＜５、かつ｜θ1−θ２｜＜３の関係が成り立つようにしておく。これにより、使用者の眼の瞳の中心がイメージコンバイナの射出瞳の中心からずれた場合の表示画像の画質の向上を図ることができる。

Description

明 細 書 ィメ一ジコンバィナ及び画像表示装置

技術分野

本発明は、 使用者が外界などの前方からの光による像とこれに重畳さ れた表示画像を見ることができる、 反射型ホログラム光学素子を使用し たイメージコンパイナ、 及び反射型ホログラム光学素子を使用した画像 表示装置に関するものである。 背景技術

従来から、 使用者が外界の様子を観察しながらこれに重畳された表示 画像をみることができる、 いわゆるシースルー型の頭部装着式画像表示 装置 （ヘッ ドマウントディスプレイ） と して、 例えば特開平 2 0 0 0— 3 5 2 6 8 9公報、 特開平 2 0 0 0— 3 5 2 6 8 9号公報、 特開平 2 0 0 1 - 2 6 4 6 8 2号公報に開示された画像表示装置が知られている。 また、 特開平 2 0 0 1 - 2 6 4 6 8 2号公報には、 シースルー型の頭 部装着式画像表示装置のみならず、 それと実質的に同じ構成を持ちなが ら、 シースルー型と して用いない （つまり画像形成素子からの光に外界 から等の他の光を重畳させることなく、 画像形成素子からの光のみを使 用者の眼に導く） 画像表示装置も開示され、 この画像表示装置を携帯電 話機のフ リ ツバ一部に内蔵する例も開示されている。

これらの画像表示装置では、 反射型ホログラム光学素子を用いること により小型軽量化を図っている。 反射型ホログラム光学素子は、 波長選 択性が優れ、 極限られた波長領域の光のみを選択的に回折反射し得る。 このため、 シースルー型の画像表示装置を構成する場合、 反射型ホログ ラム光学素子を使用することにより、 外界等からの光が、 イメージコン バイナを透過する際に失われる光量を著しく低減させることができる。 そして、 これらの画像表示装置では、 ィメージコンバイナと して反射 型ホログラムを使用するため、 外界光と表示光を分離するために、 反射 型ホログラムを光路に対して偏心させて配置している。 また、 これらの 画像表示装置では小型軽量化を図るため、 一般的に画像形成素子と して 液晶表示素子が用いられ、 それを照明する光源と して小型かつ安価な光 源である L E Dが用いられている。

しかしながら、 これら従来の画像表示装置では、 使用者の眼の瞳の中 心がイメージコンパイナの射出瞳の中心と一致している場合には、 良好 な表示画像を見ることができるものの、 使用者の眼の瞳の中心がィメ一 ジコンバイナの射出瞳中心から射出瞳周辺に行く に従ってだんだん暗く なり、 さらに表示画像がにじんだようになってしまい、 画質の点で必ず しも十分でなかった。 なお、 実際の使用時に使用者の眼の瞳の中心がィ メージコンバイナの射出瞳の中心からずれてしま うことは頻繁に起こ り 得る。 発明の開示

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、 反射型ホログラム 光学素子を用いて小型軽量化を図りつつ、 使用者の眼の瞳の中心がィメ ージコンバイナの射出瞳の中心からずれた場合の表示画像の画質の向上 を図ることができる画像表示装置、 および、 このような画像表示装置な どに用いることができるィメージコンパイナを提供することを目的とす る。なお以下の説明ではホログラム光学素子を H O Eと呼ぶことがある。 前記目的を達成するための第 1の発明は、 反射型ホログラム光学素子 が設けられ、 画像形成手段からの光と本体を透過した光を重畳させるィ メージコンパイナであって、 前記画像形成手段から発する光がひとつの 波長領域の成分のみ又は離散的な複数の波長領域の成分を持ち、 前記画 像形成手段の表示部の中心から発せられた主光線が前記反射型ホロダラ ム光学素子面に入射する入射角と反射回折角との間に以下の式が成り立 つことを特徴とするィメージコンバイナである。

— 5く θ 1く 5、 かつ I θ 1— Θ 2 I < 3

ここに、 0 1 は、 画像形成手段の表示部の中心から発せられた主光線が 反射型ホログラム光学素子に入射する入射角 (。 )、 Θ 2は、 表示部の中 心から発せられた主光線が反射型ホ口グラム光学素子で回折反射される 際の反射回折角 （° ) である。

前記目的を達成するための第 2の発明は、 前記第 1の発明であって、 - 3 < θ 1 < 3

とされていることを特徴とするものである。

前記目的を達成するための第 3の発明は、 前記第 1 の発明又は第 2の 発明であって、

I Θ 1 ~ Θ 2 I く 2

とされていることを特徴とするものである。

前記目的を達成するための第 4の発明は、 前記第 1の発明から第 3の 発明のいずれかであって、 前記反射型ホ口グラム光学素子が体積型であ ることを特徴とするものである。

前記目的を達成するための第 5の発明は、 前記第 1の発明から第 4の 発明のいずれかであって、 前記反射型ホ口グラム光学素子が光学的パヮ 一を持つことを特徴とするものである。

前記目的を達成するための第 6の発明は、 前記第 1の発明から第 5の 発明のいずれかであって、 前記主光線の前記画像形成手段からの射出方 向が、 前記画像形成手段の表示部の面と略.垂直な方向とされていること を特徴とするものである。

前記目的を達成するための第 7の発明は、 前記第 1の発明から第 6の 発明のいずれかのィメ一ジコンバイナと画像形成手段とを備え、 使用時 に少なく とも前記ィメージコンパイナを含む部分が使用者の目に近接し て使用されることを特徴とする画像表示装置である。

前記目的を達成するための第 8の発明は、 反射型ホ口グラム光学素子 が設けられ、画像形成手段からの光を表示させる画像表示装置であって、 前記画像形成手段から発する光がひとつの波長領域の成分のみ又は離散 的な複数の波長領域の成分を持ち、 前記画像形成手段の表示部の中心か ら発せられた主光線が前記反射型ホログラム光学素子面に入射する入射 角と反射回折角との間に以下の式が成り立つことを特徴とする画像表示 装置である。

一 3く θ 1く 3、 かつ I θ 1— 0 2 I く 5

ここに、 Θ 1 は、 画像形成手段の表示部の中心から発せられた主光線が 反射型ホログラム光学素子に入射する入射角 （° )、 0 2は、 表示部の中 心から発せられた主光線が反射型ホログラム光学素子で回折反射される 際の反射回折角 （° ) である。

前記目的を達成するための第 9の発明は、 前記第 8の発明であって、 I θ 1 - Θ 2 I < 3

とされていることを特徴とするものである。

前記目的を達成するための第 1 0の発明は、 前記第 8の発明又は第 9 の発明であって、

I θ 1— Θ 2 I < 2

とされていることを特徴とするものである。

前記目的を達成するための第 1 1の発明は、 前記第 8の発明から第 1 0の発明であって、 前記反射型ホログラム光学素子が体積型であること を特徴とするものである。

前記目的を達成するための第 1 2の発明は、 前記第 8の発明から第 1 1の発明のいずれかであって、 前記反射型ホ口グラム光学素子が光学的 パワーを持つことを特徴とするものである。

前記目的を達成するための第 1 3の発明は、 前記第 8の発明から第 1 2の発明のいずれかであって、 前記主光線の前記画像形成手段からの射 出方向が、 前記画像形成手段の表示部の面と略垂直な方向とされている ことを特徴とするものである。

反射型 H〇 E、 と りわけ反射型体積型 H O Eの回折特性は、 鋭い波長 選択性と広い角度特性をもつことが知られている。 すなわち、 ブラッグ 条件を満たす角度と波長で入射した再生光に対して最大の効率で回折光 が得られるが、 入射波長に対してはブラッグ条件から外れると急激に回 折効率が減少する特性があり、 一方、 入射角がブラッグ角入射から外れ る場合には緩やかに回折効率が減少する特性がある。 この特性により、 反射型体積型 H O Eは外界光の明るさを損失することなく、 広い画角の 画像表示が可能なィメージコンバイナに適した素子といわれてきた。 し かしながらこれは単一波長で照明した場合の回折効率の値にのみと らゎ れた議論であって、 実際にバンド幅を持った照明光で照明した場合に回 折する波長特性までを考慮に入れたものではなかった。

本発明者は、 入射角がブラッグ角入射からはずれたときの回折特性を 調査し、 ブラッグ角入射からのずれに従って、 最大効率で回折する波長 が変化していく ことを発見した。 また同様に H O Eから回折された光を 異なる方向から観察すると、 その回折効率が最も高い波長が変化してい く ことを見出した。 この点について以下に説明する。

ホログラムによる回折はブラッグの条件式に従う方向で回折強度が最 大となる。 体積型ホログラムにおけるブラ.ッグの条件式は以下の式で表 され、 （1 )式、 （2)式を同時に満たす方向に回折する光の強度が最大とな る。

1 λ _R { sin Θ 。 一 sin Θ _R ) = 1 λ _c ( sin Θ ！ 一 sin Θ _c ) … ( 1ノ 1 ,, λ _R (cos Θ ₀ — cos Θ _R ) = 1 , ' λ _c (cos θ I 一 cos Θ c ) ··· ( 2 ) ここで、 （1 )および（2 )式の左辺はホログラム記録時の状態を示し、 _R は記録波長、 Θ。 はホログラム面の法線に対する物体光の入射角度、 Θ _R は参照光の.入射角度である。 また右辺はホログラム再生時の状態を 示し、 ； _c は再生波長、 e _c はホログラム面の法線に対する照明光の入 射角度、 ø , は回折光の射出角度である。

これを簡単に図に示すと、 図 3のようになる。 なお図 3 ( b ) におい て P c は使用者の眼の瞳の中心の位置である。 光線追跡を行う場合は、 位置 P c から光線追跡するので、 図 3 ( b ) 中の光線の向きは光線追跡 の場合に合わせて示しているが、 実際の光線の向きは逆向きである。 ここで（1 )式、 （2)式から、 H O E製造時の条件と視線の角度 Θ c とか ら、 回折強度を持つ波長え c と、 その照明光の入射角度 を求めると 以下の式になる。

X_c =— [ (sm θ。 一 sm8_F ) sin9_c + (cos θ。 ― cos0_R ) cos0_c ]

x 2 / [ (sin e。 —sinQ_R ) ² + (cos θ。 — cos6_R ) ² ]xA_R ...( 3 ) Θ！ = arcsin (A_c 'X_R x (sin θ。 ― sin9_R ) + sin9_c } ... ( 4 )

ただしブラッグ条件からずれた場合の回折光強度は 0ではなく 、 ズレ 量にしたがって強度が低下する。 その減り方は位相型体積型ホログラム 材料の厚み、や屈折率変化量によって変わり、 厚みが厚いほど、 また屈折 率変化が大きいほど、急激に低下する。つまり波長選択性が鋭く なり（2 ) 式に示す式の回折の寄与が大きくなる。

したがって実際には（3 )式の波長は回折強度が最大となる波長であり . 実際には、 この波長の光のみでなく、 その近傍のバン ド幅を持った波長 帯の光も回折反射される。 そこでブラッグ条件式を満たす（3)式のえ c を回折主波長と呼ぶことにする。

ここで、 露光波長 476nm、 参照光入射角 3CT 、 物体光入射角 15CT 、 反射型 HO Εは空気中にあると して、 視線の角度 e_c を変えて回折主波 長と視線に対応する照明光入射角 S_t のふるまいを調べた。

それぞれの角度は反射型 HO Eの法線の正の向きから反時計回りに測 つた。 その結果を下記の表に示す。 表 1から分かるように、 視線の角度 6_C が ±5。変化すると回折主波長 X_c は約 ±9 nmシフ トする。

(表 1 )

視線の角度 0 C(deg) 回折主波長 λ C(nm) 照明光入射角 Θ I(deg)

25 484.5 155

30 476 150

35 466.4 145

ここで、 （3)式を、 回折主波長 X_c と露光波長 λ_κ の比 （相対回折主波長）

A_c λ_κ に書き直すと、 下記の式になる。

λ₀ , Λ_κ =— [ (sm6。 — sm9_R ) sin0_c + (cos0。 一 cos6_P ) cos0_c ] x 2 ' [ (sin0。 — sin6_R ) ² + (cos6。 — cos9_R ) ² ] ...(5)

露光の角度をパラメータにして、 視線の角度 θ。 の露光時における参 照光入射角 Θ _κ に対する （ 0 _C — e_R ) を変えたときの（5)式に示す相 対回折主波長 λ _c λ _R の値の変化をグラフにしたのが図 4である。 図 4から分かるように、角度差（ Θ _c — Θ _R )が 0から離れるに従い、 相対回折主波長 _c ； l _R の値も 1から離れていく。 従って視線の角度 Θ _c と露光時の参照光の入射角 Θ _R との差（ Θ c — Θ _R )が大きいほど、 波長シフ トは大きいことが分かる。 なお、 説明の便宜上、 この現象を 「波 長シフ ト現象」 と呼ぶ。

前記特開 2 0 0 0— 3 5 26 8 9号公報及び特開 20 0 1— 2 6 4 6 8 2号公報に記載の実施例では、 製造時の露光用の参照光源の位置をィ メージコンパイナの射出瞳の位置と一致させて製造した反射型ホロダラ ム光学素子が用いられている。 すなわち、 露光時の参照光源の位置が再 生系の瞳位置に定義されている。 従って、 再生時の主光線については、 全画角に渡って、 露光時の参照光の入射角と視線の角度との差が実質的 にゼロとなるのに対し、 ィメージコンバイナの射出瞳内においてその中 心からずれた位置を通る光線 （マージナル光線） については、 視線の角 度 e_c と参照光の入射角 e_R とに差が生じる。 このため、 使用時のマー ジナル光線においては、 前記波長シフ ト現象によって波長シフ トが起こ る。

また、 前記従来の画像表示装置において使用者の眼の瞳の中心がィメ ージコンパイナの射出瞳中心から射出瞳周辺にいく に従って、 表示画面 が暗くなる原因は、 瞳周辺にいくに従い波長シフ トが大きくなることか ら、 入射照明光のバンド幅と回折強度の波長特性とを掛け合わせた結果 と しての強度が、 瞳周辺に行く に従い下がっているためであり、 画像が にじんだよ うに見える原因は、 瞳周辺に行く に従い、 回折波長が変化し ているために横色収差が生じているためであることが判明した。

本発明者は、 特開 2 0 0 0— 3 5 2 6 8 9号公報及び特開 2 0 0 1 — 2 6 4 6 8 2号公報に記載のいくつかの実施例の画像表示装置について. 観察者 （使用者） の瞳から画像形成素子 （液晶表示素子などの画像形成 部材） へ向かって光線追跡を行うことにより、 前記回折波長変化および それによる横色収差の量を具体的に求めた。 以下にその結果を述べる。 特開 2 0 0 0— 3 5 2 6 8 9号公報に記載の実施例 3の場合、 主光線 すなわち瞳の中央から像面の各点へ向かう光線に関してはブラッグ条件 を満たすので、 露光波長と同じ波長 532ηηι の光はすべての画角にわた つて高い回折効率で反射回折するが、 瞳座標 y = 1.5mm ( y軸は紙面内 上向きにとる） かち入射する光線の回折効率は 527ηηι のとき最大とな る。 逆に瞳座標 y =— 1.5mm の位置から入射する光線の回折効率は 537nmのとき最大となる。 すなわち、 瞳の周辺に行くに従って回折波長 は ± 5 ηηι シフ トしていることが分かる。 ここで瞳座標とは、 瞳の中心 を原点とする瞳面内の位置座標であり、 その単位を mm とする。

照明光源に 53211U1 付近に発光ピークを持つ緑色の L E Dを用いた場 合、 例えばその発光特性が半値全幅で lOnm程度とすると、 波長 532nm の発光強度を 1 と して、 波長 527nmの発光強度は 0.5、 波長 537nmの 発光強度は 0.5である。従って瞳座標 y = ± 1.5の位置ではたとえ回折効 率が 9 0 %以上の高効率だったと しても、 回折波長が ± 5 nm シフ ト し ているために照明光の強度が中心に比べて 0.5以下になってしまい、 観 察像が暗く なってしまう。

また、 横色収差を計算すると、 波長 532nm で瞳中心から画角 0 ° で 入射する光の像面上での y座標 y = 0.0に対して、 波長 527nmで瞳座標 y = 1.5mmから入射する光線の像面上での高さは y =—0.10mm、 波長 532nm で瞳座標 y = _ 1.5nirn から入射する光線の像面上での高さは y = 0.12mmであり、 0.1mm以上の横色収差を生じている。

像面すなわち映像形成部材上に、 仮に 1 / 4インチ （4.8 X 3.6mm) の Q V G A ( 3 2 0 X 2 4, 0画素） の液晶表示装置を置く とすると、 1画 素の大きさは 0.015mm 角であり、 上記の倍率色収差量は 7画素ないし 8画素分に相当する大きな値である。 すなわちこの波長シフ トによる色 収差によって、 瞳周辺に行く に従い像がにじんだようになる。

本発明者は、 このような従来の画像表示装置における前記不都合の原 因究明の結果に基づき、この波長シフ ト現象についてさらに研究すると、 ( 0 _C - θ _κ ) に対する相対回折主波長の変化の傾きは、 露光時の参照光 入射角 e_R に依存することがわかった。 そこで（5)式において S_R = 0、 θ。 =180°と してみると、 これは ΗΟ Εの両面の法線方向から露光する場合に相当し、 その場合（5)式は X_c / A_R = cos9_c ... ( Ό )

となる。

この状態で、反射型 HO Eは空気中にあると して、視線の角度 Θ _c (画 角に相当） を変えて相対回折主波長と視線に対応する照明光入射角 0 _r のふるまいを調べた。 その結果を下記の表 2に示す。

(表 2 ) 視線の角度 0C(deg) 相対回折主波長； Lc/AR 照明光入射角 0 I(deg) .

-5 0.996 175

0 1 180

5 0.996 185 表 2から分かるように、 視線の角度 e _c が ± 5° 変化に対して相対回 折主波美の変化は約 ±0.4%である。 すなわち露光波長を 476nm とする と、 回折主波長の波長シフ トは ±1.9mn と前述の例に比べて非常に小さ い値となる。 すなわち、 HO Eの両面の法線方向から露光した反射型 H O Eを用いてィメージコンパイナを構成すれば、 使用者の視線の角度が 変わっても波長シフ トがほとんど起こらない。

したがって、 表示画面の周辺部においても、 あるいは使用者の眼の瞳 の中心がィメージコンバイナの射出瞳の中心からずれた場合でも、 表示 画面が暗く なったり表示画像が滲んだよ うに見えたりすることが少なく なり、 画質は前記従来の画像表示装置に比べて大きく向上する。 これに よ り、 使用者の使い勝手が大幅に向上するという ことを発見した。

ところで、 反射型 HO Eに対する光線の入射角と反射回折角が正反射 でない場合には、 波長の微小変化に対しても回折角が大きく変化する、 すなわち表示画面に色収差が発生することが知られている。 前記特開平 2 0 0 0— 3 5 2 6 8 9公報に開示されている—第 3 , 4 , 5の実施例では、 反射型 H O Eに対する視線の角度は 0 ° にしているも のの、 視線の角度に対応する照明光の入射角は H O Eの法線に対して 18。 程度であり、 H O Eに対する光線の入射角と反射角が正反射から著 しく異なる構成になっているために、 照明光のバンド幅による色収差が 激しく、 性能を低下させている。

以上の検討を踏まえて、 使用者の視線の角度の変化に対する波長シフ トを小さく し、照明光のバンド幅による色収差を抑えた本発明の構成を、 使用時の配置の角度で考える。

画像表示手段の表示部の中心から発せられた主光線が反射型ホログラ ム光学素子に入射する入射角をホロダラム面の法線から測つた角度を e

1 (° ) と し、 その主光線が反射型ホログラム光学素子で回折反射される 際の反射回折角 （すなわちその主光線に対する視線の角度） を同じ法線 から測った角度を Θ 2 (° ) とするとき、 使用者の視線の角度が士 5 ° 程 度変化したときの波長シフ トによる表示画面の明るさの低下をある程度 以上向上させよう とする場合には、 下記の式を満たすことが好ましい。 — 5 く θ 1く 5、 かつ I Θ 1 _ Θ 2 I < 3

そして、 使用者の視線の角度のより大きな変化に対しても波長シフ トを 抑える場合には、

— 3く θ 1く 3、 かつ I θ 1— Θ 2 I く 3

であることがさらに好ましい。

又、 Q V G A規格の液晶表示装置を用いた場合、 上下方向の画角を土

6 ° と したときに横色収差が実質的にない領域が中央部約 3 0 °/₀の中に 入っていれば、 上下端に残存する横色収差も許容範囲となると考えられ る。 このよ うな条件を満足させるために、 I θ 1— Θ 2 I を 2。 以下にす るこ とが好ま しい。 画質を更に向上させ.るためには I 0 1— 0 2 I を 1.5° 以下にすることがより一層好ましい。 ' 以上は画像形成素子の表示部の中心に対応する主光線についての説明 であった。 この光線のみならず反射型 H O Eで回折反射するすべての光 線に対して、 入射角と反射角を等しくすれば、 全く横色収差のない画像 情報を眼に導く ことができる。 しかし、 そう した場合は、 反射型 H O E は、 波長選択性については作用するものの、 レンズ作用 （すなわち光学 的パワー） を持たない平面ミラーと しての働きしかしないことになる。 そう した場合は、 全体の系を考えると、 画像形成素子側の光学系ですベ ての収差 （球面収差や非点収差など） を補正しなければならなくなり、 その部分の光学系が複雑になってしまう。

このため、 光学系を簡略化するためには、 反射型 H O Eに光学的パヮ 一を持たせることが好ましい。 この場合、 画像形成素子の表示部の中心 に対応する主光線に関して横色収差が生じないようにしても、 画像形成 素子の周辺からの光線に関しては横色収差が発生する。 しかし、 反射型 H O Eに極端に強い光学的パワーを持たせなければ、 他の光学系の分散 で打ち消し、 実用上問題ない範囲に抑えることも可能であり、 問題にな らない。

また、 先に検討したように、 横色収差補正の必要な波長範固は、 最大 限で反射型 H O Eの波長選択性の範囲であれば良いため、 ある程度の横 色収差補正でも十分であり、 横色収差補正の完全化のために反射型 H O Eのレンズ作用を犠牲にするほどではない。

又、 反射型体積型 H O Eの回折特性は、 鋭い波長選択性 （ある入射角 で入射する再生照明光に対して、 特定の波長の光だけが特定方向に回折 される特性） を持つので、 反射型ホログラム光学素子と して体積型のも のを用いることが特に好ましい。

さらに、 主光線の画像形成手段からの射出方向が、 画像形成手段の表 示部の面と略垂直な方向と されているようにすると、 画像形'成手段の面 上のどの位置からの主光線についても、 前記関係式が成立するようにす ることができるので好ましい。

このようなィメージコンバィナを画像合成手段と して使用し、 画像形 成手段からの光により H O Eに形成された画像と、 外界からの画像を合 成して使用者の眼に導く もので、 使用者の眼に近接して使用されるよう なものとすることが特に好ましい。 例えば、 ヘッ ドマウントディスプレ ィのように使用者に装着して使用されるか、 カメラのフアインダゃ双眼 鏡の接眼レンズ等のように、 使用時に、 使用者の眼に近接した状態で使 用される場合が考えられる。 このように、 本発明の画像合成装置は、 特 に、 使用者の眼の近傍、 多くの場合は眼球表面から 15mm以内離れた位 置で使用することを想定している。

前記第 8の発明から第 1 3の発明においては、 反射型ホログラム光学 素子を必ずしもイメージコンパイナと して使用せず、 単に画像形成素子 からの光を回折反射して画像を形成し、 目視可能なものとするために使 用される場合をも含んでいる。 このよ うなシースルーでない画像表示装 置は、 例えば携帯電話のフリ ツバ部に内蔵することができる。

前記目的を達成するための第 1 4の発明は、 画像形成素子からの光を 反射型ホログラム光学素子に照射して形成された画像を、 外界からの光 に重畳させて 2重画像を形成するィメージコンパイナを有する画像表示 装置であって、 透光体中に設けられた偏光ビームスプリ ッタと、 前記偏 光ビームスプリ ッタから見て外界側に設けられた 1 / 4波長板とを有し. 前記反射型ホ口グラム光学素子は、 前記 1 , ' 4波長板の外界側に設けら れており、 前記画像形成素子からの光は、 前記偏光ビームスプリ ッタで 反射されるような偏光状態で前記透光体に入射し、 前記透光体の両面で 全反射されながら前記偏光ビームスプリ ッタに入射して反射され、 前記 1ノ 4波長板を透過した後、 前記反射型ホログラム光学素子に θ 1 (° ) の入射角で入射して、 反射角 Θ 2 (° ) で回折反射され、 再び前記 1ノ 4 波長板を透過した後、 前記偏光ビームスプリ ッタを透過し、 前記透光体 を透過した外界からの光と共に使用者の眼に至るように構成され、 前記 入射角 θ 1 と反射角 Θ 2の間に、

I θ 1 - Θ 2 I < 3

の関係があること.を特徴とする画像表示装置である。

本発明においては、 I θ 1— 0 2 I く 3の関係をシースルー型の画像表 示装置に使用するために、 偏光ビームスプリ ッタを使用している。 後に 実施の形態で述べるように、 偏光ビームスプリ ッタを使用することによ り、 画像形成素子からの光を、 薄い透光体中を全反射させながら、 効率 良く反射型ホログラム光学素子に導き、 I θ 1— Θ 2 I く 3の条件を満足 させた状態で、 使用者の眼に導く ことができる。 なお、 透光体の両側の 面は平行であることが、 画像形成素子からの光を導く上においては好ま しいが、 全反射条件を満足すれば必ずしも平行である必要はなく 、 光学 的パワーを有するものであってもょレ、。このことは、後記第 1 5の発明、 第 1 6の発明において同じである。

前記目的を達成するための第 1 5の発明は、 画像形成素子からの光を 反射型ホ口グラム光学素子に照射して形成された画像を、 外界からの光 に重畳させて 2重画像を形成するイメージコンパイナを有する画像表示 装置であって、 透光体中に設けられた偏光ビームスプリ ッタと、 前記偏 光ビームスプリ ッタから見て外界側で、 前記透光体に対してエアギヤッ プを介した位置に設けられた 1 / 4波長板とを有し、 前記反射型ホログ ラム光学素子は、 前記 1 / 4波長板の外界側に設けられており、 前記画 像形成素子からの光は、 前記偏光ビームスプリ ッタで反射されるよ うな 偏光状態で前記透光体に入射し、 前記透光体の両面で全反射されながら 前記偏光ビームスプリ ッタに入射して反射され、 前記 1ノ ' 4 '波長板を透 過した後、 前記反射型ホログラム光学素子に Θ 1 (° ) の入射角で入射し て、 反射角 Θ 2 (° ) で回折反射され、 再び前記 波長板を透過した 後、 前記偏光ビームスプリ ッタを透過し、 前記透光体を透過した外界か らの光と共に使用者の眼に至るように構成され、 前記入射角 θ 1 と反射 角 Θ 2の間に、

I θ 1— Θ 2 I < 3

の関係があることを特徴とする画像表示装置である。

本発明は、 前記第 1 4の発明とは、 1ノ 4波長板と反射型ホログラム 光学素子が、 透光体とのエアギャップを介するように設けられている点 が異なっている。 後に実施の形態で説明するよ うに、 このようにす.るこ とにより、 使用する光線が反射型ホログラム光学素子との間で多重反射 を繰り返すことが無くなり、 ホログラムの特性が悪化することを防止で きると共に、 1 ., 4波長板の大きさを小さくすることができる。さ らに、 外界からの光を受光する際に光学的パワーを持たせたい場合、 透光体は 平行平面と し、 これとエアギャップを介して配置され、 1 / 4波長板と 反射型ホログラム光学素子が取り付けられる部材に光学的パワーを持た せるよ うにすることにより、 画像形成素子からの光の光路の光学設計が 容易になる。

前記目的を達成するための第 1 6の発明は、 画像形成素子からの光を 反射型ホログラム光学素子に照射して形成された画像を、 外界からの光 に重畳させて 2重画像を形成するィメージコンバイナを有する画像表示 装置であって、 透光体中に設けられた偏光ビームスプリ ッタと、 前記透 光体中で、 前記偏光ビームスプリ ッタの前記画像形成素子とは反対側に 設けられた 1 / 4波長板とを有し、 前記反射型ホログラム光学素子は、 前記 1 / 4波長板に対して、 前記偏光ビームスプリ ッタとは反対側に設 けられており、 前記画像形成素子からの光は、 前記偏光ビームスプリ ツ タを透過するような偏光状態で前記透光体に入射し、 前記透光体の両面 で全反射されながら前記偏光ビームスプリ ッタに入射して透過し、 前記 1 / 4波長板を透過した後、—前記反射型ホログラム光学素子に θ 1 (° ) の入射角で入射して、 反射角 Θ 2 (° ) で回折反射され、 再ぴ前記 1 ノ' 4 波長板を透過した後、 前記偏光ビームスプリ ッタで反射され、 前記透光 体を透過した外界からの光と共に使用者の眼に至るように構成され、 前 記入射角 θ 1 と反射角 Θ 2の間に、

I θ 1 - Θ 2 I < 3

の関係があることを特徴とする画像表示装置である。

本発明においては、 反射型ホログラム光学素子が透光体の中に埋め込 まれているので、 使用状況において安定した特性を有し、 かつ、 使用す る光線が反射型ホログラム光学素子との間で多重反射を繰り返すことが 無くなり、 ホログラムの特性が悪化することを防止できる。

前記目的を達成するための第 1 7の発明は、 画像形成素子からの光を 反射型ホ口グラム光学素子に照射して形成された画像を、 外界からの光 に重畳させて 2重画像を形成するィメージコンパイナを有する画像表示 装置であって、 透光体中に設けられたハーフ ミ ラーを有し、 前記反射型 ホログラム光学素子は、前記透光体の外界に面する面に設けられており、 前記画像形成素子からの光は、 前記透光体に入射し、 前記透光体の両面 で全反射されながら前記ハーフミラーに入射して反射され、 前記反射型 ホログラム光学素子に θ 1 ( ° ) の入射角で入射して、 反射角 Θ 2 (° ) で回折反射され、 前記.'、一フミラーを透過し、 前記透光体を透過した外 界からの光と共に使用者の眼に至るように構成され、 前記入射角 Θ 1 と 反射角 Θ 2の間に、

I θ 1 - Θ 2 I < 3 の関係があることを特徴とする画像表示装置である。

前記目的を達成するための第 1 8の発明は、 画像形成素子からの光を 反射型ホログラム光学素子に照射して形成された画像を、 外界からの光 に重畳させて 2重画像を形成するィメ一ジコレバイナを有する画像表示 装置であって、 透光体中に設けられた.'、一フミ ラーを有し、 前記反射型 ホログラム光学素子は、 前記透光体に対してエアギヤップを介した位置 に設けられており、前記画像形成素子からの光は、前記透光体に入射し、 前記透光体の両面で全反射されながら前記ハーフミラーに入射して反射 され、 前記反射型ホログラム光学素子に Θ 1 (° ) の入射角で入射して、 反射角 Θ 2 (° ) で回折反射され、 前記ハーフミ ラーを透過し、 前記透光 体を透過した外界からの光と共に使用者の眼に至るよ うに構成され、 前 記入射角 θ 1 と反射角 Θ 2の間に、

I θ 1 - Θ 2 I < 3

の関係があることを特徴とする画像表示装置である。

前記目的を達成するための第 1 9の発明は、 画像形成素子からの光を 反射型ホログラム光学素子に照射して形成された画像を、 外界からの光 に重畳させて 2重画像を形成するィメージコンバイナを有する画像表示 装置であって、 透光体中に設けられたハーフミラーを有し、 前記反射型 ホログラム光学素子は、 前記透光体中で、 前記ハーフミラーの前記画像 形成素子とは反対側に設けられており、 前記画像形成素子からの光は、 前記透光体に入射し、 前記透光体の両面で全反射されながら前記ハーフ ミラーに入射して透過し、 前記反射型ホ口グラム光学素子に Θ 1 ( ° ) の 入射角で入射して、 反射角 Θ 2 ( ° ) で回折反射され、 前記ハーフミラー で反射され、 前記透光体を透過した外界からの光と共に使用者の眼に至 るように構成され、 前記入射角 θ 1 と反射角 Θ 2の間に、

I θ 1 - Θ 2 I < 3 の関係があることを特徴とする画像表示装置である。

これら第 1 7の発明から第 1 9の発明は、 それぞれ、 前記第 1 4の発 明から第 1 5の発明における偏光ビームスプリ ッタの代わりにハーフミ ラーを用いたものである。 よって、 光量が 1ノ 4程度に低下するが、 強 い光源を使用可能な場合には、 安価なハーフミ ラーを使用して構成でき るため、 装置全体を安価にすることができる。

図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の第 1の実施の形態である画像表示装置の構成及びそ の光線の概略の経路を示す図である。

図 2は、 本発明における反射型 H O Eを定義する座標系を示す図であ る。

図 3は、 ホログラムの特性を説明するための図である。

図' 4は、 露光の角度をパラメータにして、 視線の角度 0 Cの露光時に おける参照光入射角 Θ Rに対する 0 R ) を変えたときの（5 )式 に示す相対回折主波長ん C , ' λ Rの値の変化を示すグラフである。

図 5は、 本発明の第 1実施の形態の具体例における横収差図である。 図 6は、 本発明の第 2の実施の形態である画像表示装置の構成および その光線の経路を示す図である。

図 7は、 第 2実施の形態の、 第 1の具体例における横収差図である。 図 8は、 第 2実施の形態の、 第 2の具体例における横収差図である。 図 9は、 第 2実施の形態の、 第 3の具体例における横収差図である。 図 1 0は、 第 2の実施の形態の、 第 1から第 3の具体例を多重化した 場合の、 R G Bスポッ ト位置ずれ、 及びディ ス トーショ ンを示す図であ る。 図 1 1は、 第 2の実施の形態の、 第 1から第 3の具体例を多重化した 場合の、 画角の変化に対する明るさバランスの変化、 及び瞳座標の変化 に対する明るさバランスの変化を示す図である。

図 1 2は、 本発明の第 3の実施の形態である画像表示装置の構成およ びその光線の経路を示す図である。

図 1 3は、 第 3の実施の形態の第 1具体例における横収差図である。 図 1 4は、 第 3の実施の形態の第 2具体例における横収差図である。 図 1 5は、 第 3の実施の形態の第 3具体例における横収差図である。 図 1 6は、 第 3の実施の形態の、 第 1から第 3の具体例を多重化した 場合の、 R G Bスポッ ト位置ずれ、 及びディス トーショ ンを示す図であ る。

図 1 7は、 第 3の実施の形態の、 第 1から第 3の具体例を多重化した 場合の、 画角の変化に対する明るさバランスの変化、 及び瞳座標の変化 に対する明るさバランスの変化を示す図である。

図 1 8は、 第 2の実施の形態、 及び第 3の実施の形態の具体例で用い た L E D光源の発光スぺク トルを示す図である。

図 1 9 は、本発明の第 4の実施の形態である画像表示装置のその光線 の経路を示す図である。

図 2 0は、 本発明の第 4の実施の形態である画像表示装置における Green 代表 3波長の横収差図である。

図 2 1 は、 本発明の第 4の実施の形態である画像表示装置における Blue 代表 3波長の横収差図である。

図 2 2 は、 本発明の第 4の実施の形態である画像表示装置における Red代表 3波長の横収差図である。

図 2 3は、 本発明の第 4の実施の形態である画像表示装置における、 多重化した場合の RGB スポッ ト位置ずれおよびディス トーショ ンを示 す図である。

図 2 4は、 本発明の第 4の実施の形態である画像表示装置における、 は多重化した場合の画角および瞳座標の変化に対する明るさバランスの 変化を示す図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の実施の形態であるィメージコンバイナ及び画像表示装 置について図を用いて説明する。

[第 1の実施の形態]

図 1は、 本発明の第 1の実施の形態である、 イメージコンパイナを用い た画像表示装置の構成及びその光線 （画像形成素子 2からの光線のみ） の概略の経路を示す図である。 （ a ) は全体の概要図、 （ b ) は A部の部 分拡大図である。

ここでは図 1に示すよ うに、 互いに直交する X軸、 Y軸及び Z軸を定 義する。 すなわち、 図 1の紙面內の左右方向を Z軸と し、 右方向を Z座 標値のプラス方向とする。 図 1の紙面内の上下方向を Y軸と し、 上方向 を Y座標値のプラス方向とする。 図 1の紙面に垂直な方向を X軸と し、 右手系 3次元直交座標系とする。 すなわち、 図 1の紙面から奥の方向を X座標値のプラス方向とする。 なお、 Y軸方向は、 実際の上下方向と一 致していてもよいし、 その他の適宜の方向であってもよい。 又、 本発明 の実施の形態の説明では、 図 2に示す配置を基に説明する。 なお、 図中 で 5は板状部であり、 板状部 5の、 イメージコンパイナ 1の射出瞳 Pに 近い側の面を 5 a と し、 遠い側の面を 5 b とする。 又、 座標軸の方向も 各実施の形態を示す図全部において図 2に示すとおりである。 ただし、 原点は図で示した位置に限らず、 任意の位置でよい。 これらの定義は後 述する図 6および図 1 2についても、 同様である。 本実施の形態の画像表示装置は、 イメージコンパイナ 1 と一、 画像形成 素子 2とを備えている。 本実施の形態では、 画像形成素子 2と して透過 型 L C Dが用いられている。 画像形成素子 2は、 L E D 3及ぴ放物面鏡 等の反射鏡 4からなる光源からの光により、 その背後から照射され、 光 源光を空間光変調して表示画像を示す光を透過させる。 なお、 画像形成 素子 2と して、 反射型 L C D等の他の素子を用いてもよいし、 エレク ト 口ルミネッセンス発光素子などの自発光型の素子を用いてもよいことは、 言うまでもなレ、。

イメージコンパイナ 1は、 ガラスやプラスチック等の光学材料で、 上 部を除いて平行平板上に構成された板状部 5を備えている。 もっとも、 板状部 5は、 例えば使甩者の視力矯正用光学的パワーを有していてもよ レ、。 その場合には、 例えば板状部 5の Z軸方向の両面 5 a、 5 bのうち の少なく とも一方の面は、 曲面で構成される。 これらの点は、 後述する 各実施の形態についても同様である。 なお、 板状部 5は、 図 1 中の下方 にも延びているが、 その図示は省略している。

導光部 1 1は平凸レンズで構成され、 画像形成素子 2からの光が入射 される曲面からなる入射面 1 1 b と、 入射面 1 1 bから入射した光を射 出して板状部の面 5 aの図 1 中の上部付近に入射させる平面からなる射 出面 1 1 a とを有している。 また画像形成素子 2 と導光部 1 1の間にえ ' 2板 9を有している。

板状部 5は、 フ レーム等の支持部材 （図示せず） を介して、 眼鏡レン ズと同様に、 使用者の頭部に装着されて、 使用者の眼 （図示せず） の前 に位置する。 図 1 において、 Pは、 ィメージコンバイナ 1 の、 画像形成 素子 2からの光に対する射出瞳を示し、 P 0 は射出瞳 Pの中心を示す。 この射出瞳 Pが使用者の眼の瞳とほぼ一致するように、 イメージコンパ イナ 1が使用者に装着される。 従って射出,瞳の中心 P 0 は、 使用者の眼 の瞳の中心とほぼ一致する。

図 1では、. Z軸方向が板状部 5の厚み方向と一致している。 板状部 5 の眼側の面 5 a及び反対側の面 5 bは、 X Y平面と平行となっている。 なお、 図面には示していないが、 L E D 3、 反射鏡 4及び画像形成素子 2および導光部 1 1 も、 前記支持部材により支持されている。 これ,によ り、画像形成素子 2は、使用者が外界を観察するのを妨げないと ともに、 使用者が当該画像表示装置を装着するときに邪魔にならないよ うに、 板 状部 5に対して図中紙面内の斜め左上方に配置されている。 もっとも、 画像形成素子 2を他の適当な箇所に配置し、 リ レー光学系によって図 1 中の画像形成素子 2の位置に表示画像を導いてもよいし、 また、 スキヤ ン光学系を用いてこの位置に空中画像を形成してもよい。 この点は、 後 述する各実施の形態についても同様である。

なお、 図 1において、 点 A l , A 2は、 画像形成素子 2の表示部の図 中紙面内での両端の位置をそれぞれ示す。 ま 'た、 点 A Oは、. 当該表示部 の中心を示す。 イメージコンパイナ 1は、 板状部 5の前方から板状部 5 の厚み dを通過するように （すなわち、 面 5 bから入射して面 5 aから 射出するように） 板状部 5を透過する光 （以下、 「外界光」 という。） に 対して、 画像形成素子 2からの光を重畳させて、 使用者の眼に導く よ う に構成されている。

本実施の形態では、 板状部 5の面 5 b面の領域 R 4、 R 5を覆う範囲 にえ / 4板 7が設けられている。 え 4 板の軸の向きは図 1の X Y平面 において、 X軸に対して ± 45° のいずれかの方向になるように設ける。 また、 板状部 5の面 5 b上における使用者の眼と対向する位置付近 （領 域 R 5 ) に、 反射型ホログラム光学素子 （反射型 H O E ) 6が設けられ ている。

また本実施の形態では、 偏光ビームスプリ ッタ （P B S ) 8が、 図 1 に示すよ うに、 面 5 a， 5 bに対して反時計方向に所定角度傾けられて いる。 例えば、 P B S Sを板状部 5 と同じ材質の小片に接着させて作成 し、 その後その小片を板状部 5を形成する型枠の中に配置し、 板状部 5 の材質を溶かした状態で型枠の中

に流し込み、 その後固めることによって、 P B S 8を板状部 5の内部に 設けることができる。 もっとも P B S 8を板状部 5の内部に設ける方法 は、 これに限定されるものではない。

る導光部 1 1の面 1 1 a と対向する位置付近において、 板状部 5の内部 に反射面 （ミラー） 5 cが設けられている。 反射面 5 cは、 図 1 に示す よ うに、 面 5 a， 5 bに対して反時計方向に所定角度傾けられている。 なお反射面 5 c より図 1の斜め上側の板状部 5の部分は、 画像形成素子 2からの光が通過しないので、 カッ トしておいてもよレ、。 この場合、 反 射面 5 cは板状部 5の表面に設けられることになる。

画像形成素子 2からの光の波長は、 前記反射型 HO E 6の回折効率ピ —クの波長を含む波長幅を持ち、 その波長幅のうち極大部が回折効率ピ ークの波長と略一致しており、 この反射型 HO E 6で画像形成素子 2か らの光を反射させる。 一方、 反射型 HO E 6は、 外界光 （図示せず） を 偏向させることなく透過させる。 なお、 反射型 HO E 6 と しては、 外界 光を極力妨げることがないように、 波長選択性の高いものを用いること が好ましレ、。 反射型 HO E 6 と して、 R， G， Bの各色を代表する狭い 波長域の 3波長光に対してそれぞれ選択性を持つものを用いれば、 使用 者が見る表示画像をカラー化することも可能である。

反射型 HO E 6は、 図 1に示すよ うに、 画像形成素子 2からの光を観 察者の瞳の方向へ反射させる特性を有しているとともに、 所定の結像作 用を持つように光学的パワーを有している。 もっとも、 反射型 HO E 6 は、 必ずしも光学的パワーを持つ必要はない。 反射型 HO E 6は、 平面 状のものでもよいし、 曲面状のものでもよい。 反射型 HO E 6 と して曲 面状のものを用いる場合、 その曲面の曲率中心が使用者の眼側にあるよ うに配置すると、 画角が大きい場合に、 反射型 HO E 6の発生する画角 による収差変動量が小さく なり、 好ましい。

反射型 HO E 6を構成するためのホログラム感光材料と しては、 例え ぱ、 フォ トポリマー、 フオ トレジス ト、 フォ トクロ ミ ック、 フォ トダイ クロ ミ ツク、銀塩乳剤、重クロム酸ゼラチン、ダイクロメートゼラチン'、 プラスチック、 強誘電体、磁気光学材料、 電気光学材料、 非晶質半導体、 フォ ト リ フラクチイブ材料等が用いられる。そして、公知の手法に従い、 製造用の光学系にて 2つの光源からの光を前記材料に同時に照射するこ とによって、 反射型 HO E 6を作製することができる。

本実施の形態では画像形成素子 2 と して L CDを用いているので、 画 像形成素子 2から出た光は直線偏光になっている。 λ./ 2板 9の軸は、 画像形成素子 2からの直線偏光が、 Υ軸の方向に偏光している直線偏光 となるよ うな方向に配置する。 画像形成素子 2の表示部上の任意の点を 通過した光 （表示画像の光） は、 ぇノ 2板 9を透過して上記偏光面回転 作用を受けた後、 導光部 1 1の平凸レンズを透過し、 板状部 5の面 5 a の領域 R0から板状部 5内に入射する。 ·

領域 R0 から板状部 5内に入射した光は、 反射面 5 cで反射された後 に、 板状部 5の面 5 aの領域 R1 に臨界角より大きい入射角で入射し、 領域 R1 で全反射される。 この光は、 板状部 5の面 5 bの領域 R 2 に臨 界角より大きい人射角で入射し、 領域 R2 で全反射される。 この光は、 さらに板状部 5の面 5 aの領域 R3 に臨界角より大きい入射角で入射し、 領域 R3で全反射される。 この光は、 さらに板状部 5の面 5 bの領域 R4 に臨界角より大きい入射角で入射し、 領域 R4 で全反射した後、 P B S 8に入射する。 この光の偏光方向は、 板状部 5に入射するときは Y軸方向に偏光して いるが、 R4 領域で空気との臨界面で全反射する際に、 ぇ.ノ4板 7を 2 度透過するため、 合わせて； L, ' 2の位相変化を受け、 偏光方向が 9 0° 変わり、 X軸方向の直線偏光になる。 すなわち、 S偏光となって P B S S入射するため、 P B S Sで反射される。

そして、 5 b面の R5 領域のえ.'' 4板 7に入射して円偏光に変換され た後、 反射型 HO E 6により、 反射回折作用及び結像作用を受ける。 そ の後、この光は、再度 λ Z 4板 7を通って P偏光の直線偏光となるため、 P B S 8に再度入射の際は透過する。 そして板状部 5の面 5 aの領域 R 6から板状部 5外へ射出される。

このとき、 画像形成素子 2の同一箇所から出た光は、 射出瞳 Pから無 限遠又は所定距離 （後述する具体例では、 600mm) に拡大虚像を形成す るように、 射出瞳 Pに置かれた使用者の眼の瞳に入射する。

画像形成素子 2から発し、 反射型 HO E 6で回折反射された後に使用 者の眼に到達する光は、 L E D 3の発光スペク トル特性と反射型 HO E 6の波長選択性とに応じて、 通常は 1つの波長領域の成分のみを持つ。 しかし、 たとえば L E D 3 と して白色 L E Dを用いると共に反射型 HO E 6 と してカラーの反射型 HO Eを用いるような場合には離散的な複数 の波長領域成分を持つ。 ここで画像形成素子 2から発し、 反射型 HO E 6で回折反射された後に、 使用者の眼に到達する光のうちの、 画像形成 素子 2の中心 AO から発して射出瞳 Pの中心に到達する光線について考 える。 この光線のうち波長が前記 1つの波長領域の略中心波長または前 記複数の波長領域のうちの最も短波長側の波長領域の略中心波長である 光線で、 かつ光束の中心をここでは主光線と呼ぶ。

ここで、 第 1の実施の形態の具体例について説明する。 この具体例の 設計に際し、 設計プログラムと して、 当該技術分野において著名な米国 の Optical Research Associates 製の code V (商品名） を用いた。 この とき、 画像形成素子 2の表示部の中心 AO 中央から発して、 射出瞳 Pの 中心 POを通過する光線の経路を、この光学装置全体の光軸と定義する。 本具体例では、 光軸は 1本の直線ではなく、 互いに傾いた線分を連結し た形状となっている。 これらの点は、 後述する各実施の形態の具体例に ついても同様である。

この具体例の光学的な諸量は、 下記のとおりである。

射出瞳 Pの径は 3 mm である。 図中紙面内上方向の視野角度は 5° で ある。 図中紙面内下方向の視野角度は一 5° である。 紙面奥行き方向の 視野角は ±6.67° である。 図中紙面内での画面サイズ （点 A 1 と点 A 2 との間の長さ）は 3.6mmである。紙面奥行き方向の画面サイズは 4.8mm である。 板状部 5の厚さ dは 3.4mniである。 使用波長は約 480nm〜約 540mnの波長幅である。 板状部 5の波長 587.56nni ( d線） に対する屈 折率は nd= 1.593947で、 ァッべ数は v d= 34.99である。

反射型 HO E 6の定義については露光に用いる 2光束を定義すること によりホログラムを一義的に定義する。 2光束の定義は光源の位置と、 各光源からの出射ビームが収束 （V I R) か発散 （R EA) のどちらか で定義する。 第 1の点光源 ：(HV1) の座標を （HX1，HY1，HZ1)、 第 2 の点光源の座標を（HX2，HY2,HZ2)とする。 この座標は図 2に示すよ うに HOE面が光軸と交わる点を原点と し、 光軸方向に Z軸、 HO E面内で 紙面上方向を Y軸、 紙面の奥行き方向を X軸と している。

またホログラムを記録する乳剤は厚み 29μ m、 屈折率 1.493、 屈折率 変調は 0.0224のものを使用している。 露光波長は 532nmである。 HO E 6は結像性能を最適にするために位相関数成分を持っている。

ここで位相関数について説明すると、 位相関数は、 反射型 HO E 6の 純粋な各 2個の点光源により定義される以外の非球面的な位相変換量を 定義するもので、 光学設計プログラム code V においては、 X , Y軸成 分の多項式係数などを用いて指定することができる。 また、 この具体例 の光線追跡のための諸量を、 下記の表 3に示す。 光学面の順序 （面番号 の順序） は使用者の眼の瞳面 （==イメージコンパイナ 1の射出瞳 Pの面） から画像形成素子 2への順である。 なお表 3において、 各面番号に対応 する図 1中の参照符号を括弧書きの 「符号」 と して示している。 この点 は、 後述する表についても同様である。

(表 3 )

S86S00/t700Zdf/X3d 8617.60/1Ό0Ζ OAV 表 3で用いた位相関数の定義は、 反射型 HO E 6を XY座標面上の位 置と指定した点に入射する光線の受ける光路差を、 使用する波長で規格 化した値で表すもので、 m， nを整数とするとき、 一般形の下記の（7) 式で表される多項式の係数を指定することで決められる。 ただし、 C。 。 = 0である。

■ …

ただし、 この係数は 6 5個まで指定可能であって、 順に , C ₂ ，

C 3 , · · ·， C _{6 5} と呼び、 係数の順番を j という整数で表すときに、 X座標及び Y座標の次数を示す整数 m, n との間に下記の（8 )式の関係 が成り立つように対応付ける。

j = { ( m + n ) ² + m + 3 n } / 2 ...(8)

すなわち、 本例では、 位相関数は、 下記の（9)式の多項式で定義されて いる。このような位相関数の定義は、後述する表についても同様である。 C X + C ₂ Y + C 3 X ² + C ₄ X Y + C ₅ Y ² + · · ·

+ C _{6 5} Y ^{1 0} -(9)

また、 本具体例における各光学面の位置関係と して、 第 1面 （面番号

1 =図 1 中の符号 ） の中心を原点 （X, Y, Z ) = (0 , 0 , 0) と した各光学面の中心の絶対位置と X軸の周りの回転量 （反時計周りを正 と して測った値） を、 下記の表 4に示す。

(表 4) 画番号 (符号） X座標値 Y座標値 Z座標値 X軸周りの回転

角 ¾[degree]

KP) 0 0 0 0

2(5a:R6) 0 0 13 0

3(6) 0 0 16.4 0

4(8) 0 0 14.7 30

0 2.9356 16.4 0

6(5a:R3) 0 8.81272 13 0

7(5b:R2) 0 14.68984 16.4 0

8(5a:R1) 0 20.56697 13 0

9(5c) 0 23.33426 14.7 29

10(5a:R0) 0 23.33426 13 0

11(11a) 0 23.33426 12.9 0

12(1 1b) 0 23.33426 10.9 0

13(2) 0 23.86418 3.72563 0 本具体例について回折効率を計算すると、 画角一 5 ° 、 0 ° 、 + 5 ° の主光線の回折効率主波長、 およびそれぞれの画角の瞳座標の端と中心 の光線の回折効率主波長は下記の表 5に示すとおり となっている。

(表 5 ) 画角 - 5° 0 ° 十 5 ° 瞳座標端 531 531.9 530.9

中心 531.4 531.9 531.5

表 5によると、 回折効率主波長は、 画角の変化に対しても瞳座標の変 化に対してもほとんど変動していないことが分かる。 さらに、 本具体例 の光学系の結像性能を表すための横収差図を、 図 5に示す。 画角ごとに 回折主波長土 5 nm の光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。 図 5から、 画角内全域に渡って色収差が少なく 、 結像性能が優れている ことが分かる。

本具体例では、 画像表示手段の表示部の中心から発せられた主光線が 反射型ホログラム光学素子に入射する入射角 θ 1 は 0.05° であり、 回折 反射される際の反射回折角 Θ 2 は 0° であって、 前述した条件を満たし ている。 その結果、 既に説明した内容から分かるように、 視線の角度に よって回折波長のシフ トが起こらず、 表示画像の画質を向上させること ができる。

また、 本実施の形態の具体例の反射型 HO Ε (3は、 第 1光源と第 2光 源が反射型 HO Ε 6の法線方向で反対の向きにあり、 第 1光源は無限遠 である。 したがって、 本実施の形態の反射型 HO Ε 6を製造するときに は、 参照光は平面波であり、 物体光は設計した位相係数による位相変換 作用と等価な波面を生成する露光レンズによって構成された露光レンズ 系を通って非球面波面となる。 このとき参照光と物体光を反射型 HO Ε 6の法線方向に同軸に設定することができ、 露光光学系の軸合わせが簡 単になるという利点がある。

ところで、 本実施の形態による反射型 HO Ε 6は板状部 5の面 5'b上 の領域 R5 に接合されるが、 この反射型 HO E 6の有効領域は同じ面 5 b上の領域 R4 と空間的に重なっている。 そのため画像形成素子からの 光束は領域 R4 で全反射する際に、 反射型 HO E 6を通過することにな る。 この影響を検討する。 本実施の形態の 0 R、 Θ 0は、 0 R= O , Θ

0 =180° であるので、 波長シフ ト現象は（ 1 0)式に従う。

λ _c " λ _R =cos Θ c -·'(1 0)

ここで e _c は乳剤中の入射角であるので、板状部内の入射角を e _c ！ 、 屈折率を nl、 乳剤の屈折率を n2 と して、 （1 0)は下記の様に書き直せ る。

λ _c ,' λ _R = cos[arcsm{、nlズ n2) X sin Θ c i )] '·'(1 1)

光束が板状部内で領域 R4 を通過するときの HO Ε 6への入射角は概ね 60° である。 0 _{c 1} =60° とすると、 （1 1 )式の値は λ _c ノ' λ _R =0.372 となり、 本実施の形態の露光波長； L R = 532mnの場合は.、 λ _c = 198nm となる。

すなわち本実施の形態の反射型 H O E 6に領域 R 4 で入射角 6 0。 で 入射する際の回折主波長は 198nm であることが分かる。 光源と して用 いる L E D 3にそのよ うな短波長のスぺク トルは含まれない。 したがつ て画像形成素子からの光が反射型 H O E 6に領域 R 4 で入射しても回折 は起こらず、 空気との界面で全反射するだけであり、 結像に悪影響はな い。

本実施の形態で露光波長を赤色の 647nm と した場合でも、 同様の計 算から R 4領域での回折主波長は 241nmであり、紫外域であるため結像 に悪影響はないことが分かる。 したがって後述する第 2、 第 3の実施の 形態と同様に、 本実施の形態の具体例も R , G , B相当の H O E 6を設 計して多重化しフルカラーの画像表示装置にすることも可能である。

[第 2の実施の形態〗

図 6は、 本発明の第 2の実施の形態である画像表示装置の構成おょぴ その光線 （画像形成素子 2からの光線のみ） の経路を示す図である。 図 6において、 図 1 中の要素と同一または対応する要素には同一符号を付 し、 その重複する説明は省略する。 なお図 6において、 図 1 に示された 光源を構成する L E D 3及び反射鏡 4は、図示を省略している。又、 （ a ) は全体の概要図、 （ b ) は B部の部分拡大図である。

本実施の形態が前記第 1の実施の形態と基本的に異なるところは、 板 状部 5の面 5 bの外側にエアギヤップを介して薄い別の板状部 2 1が設 けられていることである。 そして、 え 4板 7 と反射型 H O E 6は板状 部 2 1の使用者側の面 2 1 a上の、 使用者の視線に対向する位置に設け られている。

. そして本実施の形態では、 / 2板 9の.軸は画像形成素子からの直線 偏光を X軸の方向に偏光する直線偏光に変換するような向きに配置され ている。 この光は P B S 8に入射する際 S偏光であるから、 P B S 8で 反射され、 ぇ 4板 7で円偏光に変換され、 反射型 HO E 6で反射回折 作用及び結像作用を受ける。 そして再度え.. ''4板 7を通って P偏光に変 換され、 再度 P B S 8に入射する際は使用者の眼の方へ透過する。 また 本実施の形態では導光部 1 1 を用いず、板状部の左上方に面 5 dを設け、 面 5 dは回転対称非球面形状をしている。

そして、 光源を構成する L E D 3 と して、 3色 L E Dが用いられてい る。 図 1 8は L ED 3の発光スぺク トルを示す。 図 1 8においてライン L Rは L E D 3の赤色発光部の発光スペク トルを示し、 ライン L Gは L E D 3の緑色発'光部の発光スぺク トルを示し、 ライン L Bは L E D 3の 青色発光部の発光ス ク トルを示している。 図 1 8から分かるように、 L E D 3が発する光は R (赤) の波長領域、 G (緑） の波長領域及び B (青） の波長領域の各波長領域においてそれぞれピーク波長を有し、 各 ピーク波長の前後に渡る各波長領域においてそれぞれ強度を有している _c この L E D 3の R波長領域におけるピーク波長についてのスぺク トル強 度の半値全幅は 23mn、 G波長領域におけるピーク波長についての半値 全幅は 60.8nm、 B波長領域におけるピーク波長の半値全幅は 29nm で ある。 これらの点は後述する各実施の形態についても同様である。

<第 1の具体例 > ·

本実施の形態の第 1の具体例について図 6を用いて説明する。 この具 体例の光学的な諸量は下記のとおりである。

射出瞳 Pの径は 3mm である。 図中紙面内上方向の視野角度は 5 ° で ある。 図中紙面内下方向の視野角度は一 5° である。 紙面奥行き方向の 視野角は ±6.67° である。 図中紙面内での画面サイズ （図 1における、 点 A 1 と点 A 2 との間の長さ） は 3.6mmである。 紙面奥行き方向の画面 サイズは 4.8rnmである。 板状部 5の厚さ dは 3.4mmである。 板状部 5 は前記第 1の実施の形態の具体例と同じ材質を用いている。

また、 この第 1の具体例の光線追跡のための諸量を、 下記の表 6に提 示する。 光学面の順序 （面番号の順序） は使用者の眼の瞳の面 （=ィメ —ジコンバイナ 1の射出瞳 Pの面） から画像形成素子 2への順である。 ここで、 λ . .· ' 4板 7 と え， "' 2板 9は、 液晶画面の照明光の偏光捕正に用 いられる広帯域に対応するごく薄いシー ト状の波長板を用いる。 厚さは 無視できるため、 光線追跡では省略している。 これは本発明の別の実施 の形態についても同様である。

(表 6 )

表 4で用いた HO E面の位相関数の定義は、 HO Eを R ² = X ² + Y ² で表される回転対称な多項式で表すもので、 係数は昇順の R ² の累乗 で、 R² から R ^{2 0} までである。

即ち、 位相関数は以下の式で定義される。 10

7=1

また、 面番号 1 2の非球面は次の式で定義される高次非球面を表して いる。

2

Z(r) = ~~ , ^C' + Ar + Br" + Cr⁸ + Dr¹⁰

1 + Λ/Ι— (1十ん-) c²r²

十 ¹² ,'¹⁴ + 0^{16 18} _{+ l}/r²⁰

ここで r ² = x + y ² cは曲率

kはコーニック定数

A, B , C , D , E, F, G, H, Jは非球面係数である。

また、 本具体例における各光学面の位置関係と して、 第 1面 （面番号 1 =図 1中の符号？） の中心を原点 （X, Y， Z ) = ( 0 , 0， 0 ) と した各光学面の中心の絶対位置と X軸の周りの回転量 （反時計周りを正 と して測った値） を、 下記の表 7に示す。

(表 7)

面番号 (符号） x座標値 γ座標値 z座標値 X 軸周りの回転

角度 [ free]

KP) 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

2(5a:R7) 0.0000 0.0000 13.0000 0.0000

3(5b:R6) 0.0000 0.0000 16.4000 0.0000

4(6) 0.0000 0.0000 16.5000 0.0000

5(5b:R6) 0.0000 0.0000 16.4000 0.0000

6(8) 0.0000 0.0000 14.7000 30.0000

7(5b:R5) 0.0000 0.0000 16.4000 0.0000

8(5a:R4) 0.0000 0.0000 13.0000 0.0000

9(5b:R3) 0.0000 0.0000 16.4000 0.0000

10(5a:R2) 0.0000 0.0000 13.0000 0.0000

11(5b:R1) 0.0000 0.0000 16.4000 0.0000

12(5c) 0.0000 33.0000 12.6444 -59.9485

13(2) 0.0000 38.1935 9.6397 -59.9485 本具体例について回折効率を計算すると、 画角一 5 ° 、 0 ° 、 + 5 ° の主光線の回折効率主波長、 およびそれぞれの画角の瞳座標の端と中心 の光線の回折効率主波長は下記の表 8に示すとおり となっている。

(表 8 )

面角 —5。 0。 + 5。 瞳座標端 531 531.9 531

中心 531.3 531.9 531.3 表 8 より、 回折効率主波長は、 画角の変化に対しても瞳座標の変化に 対してもほとんど変動していないことが分かる。 さらに、 本具体例の光 学系の結像性能を表すための横収差図を、 図 7に示す。 画角ごとに回折 主波長 ± 5 n mの光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。図 7か ら、 画角内全域に渡り色収差が少なく、 結像性能が優れていることが分 かる。 本具体例では、 画像表示手段の表示部の中心から発せられた主光線が 反射型ホログラム光学素子に入射する入射角 Θ 1 は 0 ° であり、 回折反 射される際の反射回折角 Θ 2 も 0 ° であって、 前述した条件を満たして いる。 その結果、 既に説明した內容から分かるように、 視線の角度によ つて回折波長のシフ トが起こらず、 表示画像の画質を向上させることが できる。

<第 2の具体例〉

続いて本実施の形態の第 2の具体例について説明する。 この具体例の 構成は図 6に示す第 1の具体例と全く同じで、 反射型 H O E 6の露光波 長と位相係数のみ異なる。 この第 2の具体例の反射型 H O E 6の位相係 数を、 下記の表 9に示す。

(表 9 ) 面番号 (符号） 曲率半径

4(6) INFINITY 反射面

ホログラム面:

2光束の定義

HV1 REA HV2 VIR

HX1 0.0000E+00 HY1 0細 0E+00 HZ1: -1.0000E+20

HX2 O.00OOE+OO HY2 0.0000E+00 HZ2: -3.8702E+01 位相係数

C2 3.5403E-04 C3 -2.0145E-04 C4: 6.5092E-05

C5 -9.0691 E-06 C6 -2.6084E-07 C7: 2.5628E-07

C8 -3.3670E-08 C9 1.8982E-09 C10: 一 4,051 1 E - 11 本具体例について回折効率を計算すると、 画角— 5 ° 、 0 ° 、 + 5 ° の主光線の回折効率主波長、 およびそれぞれの画角の瞳座標の端と中心 の光線の回折効率主波長は下記の表 1 0に示すとおり となっている。

(表 1 0 ) 画角 一5 ° 0 ° + 5 °

瞌座標端 475.(5 476.4 475.6

中心 475.9 476.4 475.9

回折効率主波長は、 画角の変化に対しても瞳座標の変化に対してもほ とんど変動していないことが分かる。 さらに、 本具体例の光学系の結像 性能を表すための横収差図を、 図 8に示す。 画角ごとに回折主波長 ± 5 n mの光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。 図 8に示すよう に画角内全域に渡り色収差が少なく、 結像性能が優れていることが分か

O o

本具体例では、 画像表示手段の表示部の中心から発せられた主光線が 反射型ホログラム光学素子に入射する入射角 0 1 は 0 ° であり、 回折反 射される際の反射回折角 0 2 も 0 ° であって、 前述した条件を満たして いる。 その結果、 既に説明した内容から分かるように、 視線の角度によ つて回折波長のシフ トが起こらず、 表示画像の画質を向上させることが できる。

く第 3の具体例 >

さらに、 本実施の形態の第 3の具体例について説明する。 この具体例 の構成は図 6に示す第 1の具体例と全く 同じで、 反射型 H O E 6の露光 波長と位相係数のみ異なる。 この第 3の具体例の反射型 H O E 6の位相 係数を、 下記の表' 1 1に示す。

(表 1 1 )

本具体例について回折効率を計算すると、 画角一 5 ° 、 0 ° 、 + 5 ° の主光線の回折効率主波長、 およびそれぞれの画角の瞳座標の端と中心 の光線の回折効率主波長は下記の表 1 2に示すとおり となっている。

(表 1 2 ) 画角 —5。 0 ° + 5 ° 瞳座標端 645.7 646.9 645.7

中心 646.2 646.9 646.2 回折効率主波長は、 画角の変化に対しても瞳座標の変化に対してもほ とんど変動していないことが分かる。 さらに、 本具体例の光学系の結像 性能を表すための横収差図を図 9に示す。画角ごとに回折主波長士 5 nm の光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。 図 9に示すように画 角内全域に渡り色収差が少なく、 結像性能が優れていることが分かる。 本具体例では、 画像表示手段の表示部の中心から発せられた主光線が 反射型ホログラム光学素子に入射する入射角 Θ 1 は 0 ° であり、 回折反 射される際の反射回折角 0 2 も 0 ° であって、 前述した条件を満たして いる。 その結果、 既に説明した内容から分かるように、 視線の角度によ つて回折波長のシフ トが起こらず、 表示画像の画質を向上させることが できる。 本実施の形態では、 エアギャップを介して別の板状部 2 1—を設けてい るため、 板状部 5の面 5 bの透過面である領域 R 7、 尺6カ 反射面であ る領域 R5 と重なっていても、 λ. '4板 7 と反射型 HO E 6は、 反射面 である領域 R5 と光学的に分離され、 領域 R5 で光線が反射される際、 λノ' 4板 7や反射型 HO Ε 6による光学的な影響を防ぐことができるの で、 領域 R7 と空間的に、 実質的に等価な位置に、 λ ,''4板 7や反射型 Η Ο Ε 6を配置することができる。 そのためえ Ζ 4板 7の大きさを領域 R7、 R6の有効径のみの必要最小限に抑えることが可能である。 別の板 状部 2 1の大きさは、 ,.ノ 4板 7 と反射型 ΗΟ Ε 6の大きさを覆うに十 分な大きさであればかまわないが、 眼鏡型のイメージコンパイナと して 用いる際の外観を意識して、 板状部 5すなわち眼鏡レンズ全体と等しい 大きさでもよい。

そして、 別の板状部 2 1は曲率を持つ形状であってもよい。 たとえば 特願 2 0 0 2— 1 7 8 3 6 3号において本発明者が提案したように、 使 用者の視力を矯正するようなパワーを持たせた形状にすることも可能で あ 。

又、 本実施の形態においては、 第 1の実施の形態と異なり、 画像形成 素子からの光が HOE面で多重反射されることがない。 第 1の実施の形 態においては、 この多重反射の影響が無いことはすでに検討したとおり であるが、 設計条件が変わって、 この影響が現れるような場合は、 本実 施の形態のような構成にしておけば、 確実に多重反射の影響を無くする ことができる。

本実施の形態では、 第 1から第 3の具体例をそれぞれ別の単色の画像 表示装置と してもよいことは言うまでもないが、 第 1から第 3の具体例 の反射型 HOE 6をそれぞれ重ね合わせて 3層構造にすることも可能で ある。 また、 広帯域の波長に感光する一層の乳剤、 あるいは各波長領域 に対応する感光作用を持つ 3層の感光および記録層がバリア層を介して 予め接合された乳剤に、 第 1から第 3の具体例の R , G， Bに対応する H O Eを露光させる方法でも、 同様に多重化した反射型 H O E 6を得る ことができる。

その際、 前記 L E Dからの 3つの波長領域の光が画像形成素子を透過 するとき、 画像表示素子の 1表示単位を空間的に 3分割して、 それぞれ R， G， Bに対応する ドッ トと し、対応する画像を表示させてもよいし、 時間的に分割してたとえば 1 ノ 9 0秒ごとに R , G， Bそれぞれに対応 する画像を切り替え表示し、 それと L E Dの 3つの波長領域の発光のタ イ ミングを同期させてもよい。 そしてそれぞれの波長領域の画像情報は 対応する H O Eの層で回折作用及び結像作用を受け、 観察者の瞳に導か れたのち、 加法混色されてフルカラー画像を'得ることが可能となる。 こ のことは後述の第 3の実施の形態についても同様である。

図 1 0は本実施の形態の第 1から第 3の具体例の反射型 H O E 6を、 上記いずれかの方法で多重化した反射型 H O Eを用いた画像表示装置に ついて、 使用者の眼の瞳から画像形成素子へ光線追跡した際の、 画像形 成素子面上の R， G , Bのスポッ トの位置ずれを、 画面上のいくつかの 点について調べ、 プロッ ト したものである。 X軸、 Y軸の単位は mmで ある。 スポッ 卜の位置ずれは概ね 20 μ m以下に補正されており、 良好な カラー画像を得ることができる。 また、 画像形成素子のサイズは 3.6 X 4.8mmであるから、 その目盛と比較することで、 光学系のディス トーシ ョ ンを評価することもでき、 図 1 0に示すとおり、 各具体例の光学系と も良好にディス トーションが補正されていることが分かる。

また図 1 1は同様に多重化した場合に、 使用者の眼の瞳から画像形成 素子へ光線追跡した際の、 Y方向の画角の変化に対する 3色の明るさバ ランス （ a ) と瞳 Y座標の変化に対する明るさバランス （ b ) を示す。 ここで明るさとは、 反射型 H O E 6による反射光の回折強度を、 波長と 開口形状について積分したもので、 どちらも最も明るい点を 1 と して規 格化している。 （ a ) の図で若干周辺減光があるのは、 幾何光学的な口径 食によるものである。 回折主波長の波長シフ トがごく小さいために、 画 面内も瞳面內も回折効率による減光はほとんどなく、 良好な画像表示が 得られることが分かる。

また、 本実施の形態の第 1から第 3の具体例の反射型 H O E 6は、 い ずれも、第 1光源と第 2光源が H O E 6の法線方向で反対の向きにあり、 第 1光源は無限遠である。 そして位相係数は回転対称の係数で表されて いる。 したがって、 第 1から第 3の具体例の反射型 H O E 6を製造する ときには、 参照光は平行光、 物体光を生成する露光レンズは回転対称な 非球面レンズ、 あるいはそれと等価な波面を生成する複数枚の球面レン ズによって構成され、 参照光と物体光を H O E 6の法線方向に同軸に設 定することができ、 露光光学系の軸合わせが簡単になるという利点があ る。 露光レンズは R , G , Bでそれぞれ異なるが、 '軸は同軸であること から、 レボルバやターレツ トのよ うな構造にして順次交換することや、 またはダイクロイ ックプリズム等の素子を用いて 3色の波面を混合して. 同時露光する構成も簡単に設定することができる。 [第 3の実施の形態]

図 1 2は、 本発明の第 3の実施の形態である画像表示装置の構成およ びその光線 （画像形成素子 2からの光線のみ） の経路を示す図である。 図 1 2において、 図 1中の要素と同一または対応する要素には同一符号 を付し、 その重複する説明は省略する。 なお図 1 2において、 図 1に示 された光源を構成する L E D 3及び反射鏡 4は省略している。 又、 （ a ) は全体の構成を示す概要図、 （b ) は C部の部分拡大図である。 本実施の形態が前記第 1の実施の形態と基本的に異なるところは、 え ' 4板 7 と反射型 H O E 6を板状部 5の内部に設けたことである。 そし て、 え， 2板 9の軸は画像形成素子 2からの直線偏光を、 X軸の方向に 偏光している直線偏光となるような方向に配置されている。 すなわち P 偏光で P B S Sに入射するため、 P B S 8を透過し、 λ . ' 4板 7に入射 して円偏光に変換された後、 反射型 Η Ο Ε 6により、 反射回折作用およ び結像作用を受ける。 その後再度 λ / 4板 7を通って S偏光の直線偏光 に変換された後、 P B S 8に再度入射して、 使用者の眼の方向へ反射さ れ,る。 ここで； Lノ 4板 7の軸は、 その法線方向から見て、 Υ軸を投影し た線より ± 4 5 ° いずれかの方向を向いて配置されている。 また本実施 の形態では凸メニスカス形状の球面レンズである導光部 3 1 を用い、 板 状部の左上方に面 5 eを設け、 面 5 eは球面形状をしている。 そして、 光源を構成する L E D 3 と して、 第 2の実施の形態と同様に 3色 L E D が用いられている。

く第 1の具体例〉

本実施の形態の第 1の具体例について図 1 2を用いて説明する。 この 具体例の光学的な諸量は下記のとおりである。 射出瞳 Pの径は 3 mmで ある。 前記第 1、 第 2の実施の形態とは異なり、 図中紙面内上方向の視 野角度は 0 ° で、 図中紙面内下方向の視野角度は一 1 0 ° である。 紙面 奥行き方向の視野角は ± 6.67° である。 図中紙面内での画面サイズ （点 A 1 と点 A 2 との間の長さ） は 3.6mmである。 紙面奥行き方向の画面サ ィズは 4.8mmである。 板状部 5の厚さ dは 3.6mmである。 板状部 5は 前記第 1の実施の形態の具体例と同じ材質を用いている。 この第 1の具 体例の光線追跡のための諸量を、下記の表 1 3に示す。光学面の順序（面 番号の順序） は使用者の眼の瞳の面 （=イメージコンパイナ 1の射出瞳 Pの面） から画像形成素子 2への順である。 ：表 1 3 ) 西爵母（锊帚） 曲 半 顕 nd

KP) INFINITY 13

2 ( ··{¾) I^FIiJITY 1.膽 47 34.09

3(8) INFINITY 1.593947 34. 9 反射面

4(6) INFINITY 1.593947 34.99 反射面

ホログラム面：

2光束の定義

HV1: REA HV2: REA

HX1: 0. OOE+00 HY1: 0. OOE+00 HZ1: -1.0000E+20

HX2: 0. OOE+00 HY2: 0. OOE+00 HZ2: 5.9747E+01

5(5b:R3) INFINITY 1.593947 34.99 反射面

6(5a:R2) INFINITY 1.593947 34.99 反射面

7(5b:R1) INFINITY 1.593947 34.99 反射面

8(5e) 49.6507

9 (31a) -10.0902 1.523362 66.83

10 (31b) - 28.2838

11(2) INFINITY また、 本具体例における各光学面の位置関係として、 第 1面 （面番号 1 =図 1中の符号 ） の中心を原点 (X , Y, Z ) = ( 0， 0 , 0 ) と した各光学面の中心の絶対位置と X軸の周りの回転量 （反時計周りを正 として測った値） を、 下記の表 1 4に示す。

(表 1 4 )

面番号 （符号） X座摞値 Y座摞値 Z座樣値 X軸周りの回転

角度 [degr ]

1 (P) 0 0 0 0

2(5a:R4) 0 0 13 0

3(8) 0 0 14.245 35

A

4 W U

0 0 16.6 0

6(5a:R2) 0 0 13 0

7(5b:R1) 0 O 0 16.6 0

8(5e) 0 34.21702 13.05283 -71.1241

9 (31 a) 0 34.40626 12.98813 -71.1241

10 (31b) 0 40.5567 10.88525 -71.1241

11(2) 0 47.02399 8.67404 -71.1241 本具体例につい 'て回折効率を計算すると、画角 - - 1 0 ° 、 一 5 ° 、 0 ° の主光線の回折効率主波長、 およびそれぞれの画角の瞳座標の中心と端 の光線の回折効率主波長は下記の表 1 5に示すとおり となっている。

(表 1 5 )

画角 ― 10。 一 5° 0°

瞳座標端 530. 3 53 1 8 53 1. 5

中心 530. 7 53 1 9 531. 6

回折効率主波長は、 画角の変化に対しても瞳座標の変化に対してもほ とんど変動していないことが分かる。 さらに、 本具体例の光学系の結像 性能を表すための横収差図を、 図 1 3に示す。 画角ごとに回折主波長土 5 ηπι の光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。 図 1 3に示す ように画角内全域に渡り色収差が少なく、 結像性能が優れていることが 分かる。

本具体例では、 画像表示手段の表示部の中心から発せられた主光線が 反射型ホログラム光学素子に入射する入射角 θ 1 は 1 ° であり、 回折反 射される際の反射回折角 Θ 2 は 1 ° であって、 前述した条件を満たして いる。 その結果、 既に説明した内容から分かるよ うに、 視線の角度によ つて回折波長のシフ トが起こらず、 表示画像の画質を向上させることが できる。

ぐ第 2の具体例 >

続いて本実施の形態の第 2 の具体例について説明する。 この具体例の 構成は図 1 2に示す第 1の具体例と全く同じで、 反射型 HO Ε 6に関し て露光波長と 2光束の定義のみ異なる。

本具体例の反射型 ΗΟΕの諸量を下記表 1 6に示す。

(表 1 6 ) 面番号 (符号） 曲率半径 媒質 nd z/d

4(6) INFINITY 1.593947 34.99 反射面

ホログフム面

2光束の定義

HV1: EA HV2: REA

HX1: 0.00E+OO HY1： 0. OOE+00 HZ1: -1.0000E+20

HX2: 0.O0E+OO HY2: 0.00E+00 HZ2: 6.0618E+01 本具体例について回折効率を計算すると、画角一 1 0 ° 、 一 5° 、 0° の主光線の回折効率主波長、 およびそれぞれの画角の瞳座標の中心と端 の光線の回折効率主波長は下記の表 1 7に示すとおり となっている。

(表 1 7 ) 画角 - 10° -5° 0°

瞳座標端 475. 0 476 3 476, 2

中心 475. 3 476 3 476, 2 回折効率主波長は、 画角の変化に対しても瞳座標の変化に対してもほ とんど変動していないことが分かる。 さらに、 本具体例の光学系の結像 性能を表すための横収差図を、 図 1 4に示す。 画角ごとに回折主波長土 5 nm の光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。 図 1 4に示す よ うに画角内全域に渡り色収差が少なく 、 結像性能が優れていることが 分力 る。

本具体例では、 画像表示手段の表示部の中心から発せられた主光線が 反射型ホログラム光学素子に入射する入射角 θ 1は 0.985° であり、回折 反射される際の反射回折角 0 2は 0.985° であり、前述した条件を満たし ている。 その結果、 既に説明した内容から分かるように、 視線の角度に よって回折波長のシフ 卜が起こらず、 表示画像の画質を向上させること ができる。

<第 3の具体例〉

続いて本実施の形態の第 3の具体例について説明する。 この具体例の 構成は図 1 2に示す第 1の具体例と全く同じで、 反射型 H O E 6に関し て露光波長と 2光束の定義のみ異なる。 本具体例の反射型 H O Eの諸量 を下記表 1 8に示す。

(表 1 8 ) 面番号 (符号） 曲率半径 媒質 ν ά

4 (6) INFINITY 1.593947 34. 99 Λ射面

ホログラム面

2光束の定義

HV1 : REA HV2: REA

HX1 : O. OOE+00 ΗΥ1 : Ο. ΟΟΕ+00 ΗΖ1 : -1.0000Ε+20

HX2: 0.00E+O0 ΗΥ2: 0.00Ε+00 ΗΖ2: 5. 8238Ε+01 本具体例について回折効率を計算すると、 画角一 1 0 ° 、 一 5 ° 、 0。 の主光線の回折効率主波長、 およびそれぞれの画角の瞳座標の中心と端 の光線の回折効率主波長は下記の表 1 9に示すとおり となっている。

(表 1 9 ) 画角 一 1 0。 —5 ° 0 ° 瞳座標端 6 4 5 6 4 6 . 7 6 4 6 . 6

中心 6 4 5 . 3 6 4 6 . 7 _a 6 4 6 . 3 回折効率主波長は、 画角の変化に対しても瞳座標の変化に対してもほ とんど変動していないことが分かる。 さらに、 本具体例の光学系の結像 性能を表すための横収差図を、 図 1 5に示す。 画角ごとに回折主波長士 5 nm の光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。 図 1 5から、 画角内全域に渡り色収差が少なく、結像性能が優れていることが分かる。 本具体例では、 画像表示手段の表示部の中心から発せられた主光線が 反射型ホログラム光学素子に入射する入射角 0 1は 1.02° であり、 回折 反射される際の反射回折角 Θ 2は 1.02° であって、 前述した条件を満た している。 その結果、 既に説明した内容から分かるよ うに、. 視線の角度 によって回折波長のシフ トが起こらず、 表示画像の画質を向上させるこ とができる。

前記第 2の実施の形態と同様に、 本実施の形態の第 1から第 3の具体 例の反射型 H O Eを多重化して 3色 H O Eと した場合の、 使用者の眼の 瞳から画像形成素子へ光線追跡した際の、 画像形成素子面上の R , G , Bのスポッ トの位置ずれ,を、 画面上のいくつかの点について調べ、 プロ ッ ト したものが図 1 6である。 X

軸、 Y軸の単位は mm である。 スポッ トの位置ずれは概ね 29 m以下 に補正されており、 良好なフルカラー画像を得ることができる。

また図 1 7は同様に多重化した場合に、 使用者の眼の瞳から画像形成 素子へ光線追跡した際の、 Y方向の画角の変化に対する 3色の明るさバ ランス （a) と瞳 Y座標の変化に対する明るさバランス（b)を示す。 ここ で明るさとは、 反射型 H O E 6による反射光の回折強度を、 波長と開口 ' 形状について積分したものである。 （a)の図で周辺減光があるのは、 幾何 光学的な口径食によるものである。

また、 本実施の形態の第 1から第 3の具体例の反射型 H O E 6は、 い ずれも、 第 1光源と第 2光源が反射型 H O E 6の法線方向で反対の向き にあり、 第 1光源は無限遠である。 そして位相係数は設定していない。 したがって、 第 1から第 3の具体例の反射型 H O E 6を製造するときに は、 参照光は平面波、 物体光は球面波という単純な構成で、 参照光と物 体光を反射型 H O E 6の法線方向に同軸に設定することができ、 露光光 学系の軸合わせが簡単になるという利点がある。 露光レンズはそれぞれ 焦点距離の異なる顕微鏡対物レンズを用いて交換してもよいし、 軸上色 収差を発生させた 1種類の露光レンズで R， G , Bに対応する球面波を 発生することも可能である。 1種類の露光レンズで 3色の波面を混合す れば、 3色のレーザー光を予めひとつの軸に合成しておき、 それぞれの 光量比を適当に設定した上で同時露光する構成を簡単に設定することが できる。

さらに、 前述した各実施の形態において、 イメージコンパイナの一部 と して P B Sを使用しているが、 この P B Sの薄膜特性に波長選択性を 持たせることも可能である。 そうすることにより外界光のシースルー性 を高めることができる。 その場合、 P B S膜の波長選択性のピーク波長 と半値幅は、 薄膜の入射角度特性を考慮した上で決定すればよい。 入射 角度による特性の変化が無視できる場合は、 H O Eの波長選択性のピー ク波長および半値幅とほぼ同等が好ましいが、 あえて H〇 Eの波長選択 性の波長幅より狭める設定にして、 画像表示面からの光の色収差低減効 果に利用することも可能である。

逆にコス トダウンを優先して、 通常のハーフミラーとすることも可能 である。 その場合は画像形成素子からの光束はハーフミラーを 2度通過 するために、 使用者の瞳に到達するまでに光量が 1 /' 4になる。 したが つて、 画像形成素子を照明する L E Dの光量を高める必要がある。

[第 4の実施の形態]

図 1 9は、 本発明の第 4の実施の形態である画像表示装置の構成およ びその光線 （画像形成素子 2からの光線のみ） の経路を示す図である。 図 1 9において、 図 1 中の要素と同一または対応する要素には同一符号 を付し、 その重複する説明は省略する。 なお、 図 1 9においては、 図 1 に示された光源を構成する L E D 3及び反射鏡 4は省略している。

本実施の形態が前記第 3の実施の形態と基本的に異なるところは、 P B Sと H O Eの配置角、 及び導光部 4 1に接合レンズを使用していると ころのみである。 すなわち、 導光部には凸レンズと凹レンズを接合した レンズが用いられている。 4 1 a〜 4 1 cは、 面番号との対応をとるた めの記号である。

<第 1の具体例〉

本実施の形態の第 1の具体例について図 1 9.を用いて説明する。 この 具体例の光学的な諸量は下記のとおりである。 射出瞳 Pの径は 3 mmで ある。 前記第 1、 第 2の実施の形態とは異なり、 図中紙面内上方向の視 野角度は 0 ° で、 図中紙面内下方向の視野角度は一 9 ° である。 紙面奥 行き方向の視野角は ± 6 ° である。 図中紙面内での画面サイズ （点 A 1 と点 A 2 との間の長さ） は 3.6mmである。 紙面奥行き方向の画面サイズ は 4.8mm である。 板状部 5の厚さ dは 3.6mm である。 板状部 5は、 nd=1.583、 v d=29.9 の材質のものを用いている。 この第 1の具体例の 光線追跡のための諸量を、 下記の表 Xに示す。 H O Eの露光波長は、 532nmである。光学面の順序（面番号の順序）は使用者の眼の瞳の面（= ィメージコンバイナ 1の射出瞳 pの面） から画像形成素子 2への順であ る。

(表 2 0 ) 面番号 （符号） 曲率半径 媒質 nd Vd

1 (P) INFINITY

2(5a: 2) IfiFlfJITV 1.583 29. P

3(8) INFINITY 1.583 29.9 反射面

4(6) INFINITY 1.583 29.9 反射面

ホログフム面：

2光束の定義

HV1: REA HV2: REA

HX1： 0. OOE+00 HY1： 0. OOE+00 HZ1： -1.0000E+20

HX2: 0. OOE+00 HY2: 0. OOE+00 HZ2: 0.359436E+02

5(5b:R1) INFINITY 1.583 29.9 反射面

6(5e) INFINITY

7 (41a) INFINITY 1.59551 39.2

8 (41b) -5.44919 1.54250 62.9

9 (41c) 12.1127

10(2) INFINITY また、 本具体例における各光学面の位置関係と して、 第 1面 （面番号 1 =図 1 中の符号 P) の中心を原点 （X, Y, Z ) = ( 0 , 0 , 0 ) と した 各光学面の中心の絶対位置と X軸の周りの回転量（反時計周りを正と して 測った値） を、 下記の表 X+ 1に示す。

(表 2 1 ) 面番号 （符号） X座標値 Y座標値 Ζ座標値 X軸周りの回転

角度 [degree]

KP) 0 0 0 0

2(5a:R2) 0 0 13 0

3(8) 0 0 14 39

4(6) 0 -3.38598 14.53864 80.841

5(5b:R1) 0 0 16.6 0

6(5e) 0 22.90849 14.47439 -87.1364

7 (41a) 0 23.8958 14.1956 -77.1401

8 (41b) 0 25.35817 13.86174 -77.1401

9 (41c) 0 28.28293 13.19404 -77.1401

10(2) 0 37.49641 11.09066 -77.1401 本具体例について回折効率を計算すると、 画角— 9° 、 — 4. 5° 、 0 ° の 主光線の回折効率主波長、およびそれぞれの画角の瞳座標の中心と端の光 線の回折効率主波長は下記の表 2 2に示す通り となっている。

3 ώ ώ ) 画角 一9° 4. 5° 0 °

瞳座標端 531.1 531.9 531.1

中心 531.5 531.9 531.5 回折効率主波長は、画角の変化に対しても瞳座標の変化に対してもほと んど変動していないことがわかる。 さらに、 本具体例の光学系の結像性能 を表すための横収差図を、 図 2 0に示す。 画角ごとに回折主波長 ± 5 nm の光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。図 2 0に示すよ うに画 角内全域に渡り色収差が少なく 、 結像性能が優れていることがわかる。 本具体例では、画像表示手段の表示部の中心から発せられた主光線が反 射型ホログラム光学素子に入射する入射角 θ 1は 0. 01度であり、回折反射 される際の反射回折角 Θ 2は 0. 01度であり、前述した条件を満たしている。 その結果、 既に説明した内容からわかるように、 視線の角度によって回折 波長のシフ トが起こらず、 表示画像の画質を向上させることができる。 ぐ第 2の具体例〉

H O Eの露光波長波が 476. 5miiであるだけで、 他の条件は第 1の具体例 と同じである。 本具体例について回折効率を計算すると、 画角一 9° 、 一 4. 5° 、 0 ° の主光線の回折効率主波長、 およびそれぞれの画角の瞳座標 の中心と端の光線の回折効率主波長は下記の表 2 3に示す通り となって いる。

(表 2 3 ) 画角 一9.5° —4.5° 0°

瞳座標端 475.7 476.4 475.7

中心 476.1 476.4 476.1 回折効率主波長は、画角の変化に対しても瞳座標の変化に対してもほと んど変動していないことがわかる。 さらに、 本具体例の光学系の結像性能 を表すための横収差図を、 図 2 1に示す。 画角ごとに回折主波長 ± 5 nm の光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。図 2 1に示すように画 角内全域に渡り色収差が少なく、 結像性能が優れていることがわかる。 本具体例では、画像表示手段の表示部の中心から発せられた主光線が反 射型ホログラム光学素子に入射する入射角 0 1は 0. 03度であり、回折反射 される際の反射回折角 Θ 2は 0. 03度であり、前述した条件を満たしている。 その結果、 既に説明した内容からわかるように、 視線の角度によって回折 波長のシフ トが起こらず、 表示画像の画質を向上させることができる。

<第 3の具体例〉 -

H〇 Eの露光波長波が 647nmであるだけで、 他の条件は第 1の具体例と 同じである。本具体例について回折効率を計算すると、画角一 9° 、一4. 5° . 0 ° の主光線の回折効率主波長、およびそれぞれの画角の瞳座標の中心と 端の光線の回折効率主波長は下記の表 2 4に示す通り となっている。

(表 2 4 ) 画角 一9.5° —4.5° 0°

瞳座標端 645.9 646.9 645.9

中心 646.3 646.9 646.4 回折効率主波長は、画角の変化に対しても瞳座標の変化に対してもほと んど変動していないことがわかる。 さらに、 本具体例の光学系の結像性能 を表すための横収差図を、 図 2 2に示す。 画角ごとに回折主波長 ± 5 nm の光線の横収差図を一つの図に同時に示してある。図 2 2に示すよ うに画 角内全域に渡り色収差が少なく、 結像性能が優れていることがわかる。 入射角 Θ 1は 0. 01度、 反射回折角 Θ 2 は 0. 01度である。

前記第 2の実施の形態と同様に、 本実施の形態の第 1 から第 3の具体 例の反射型 H O Eを多重化して 3色 H O Eと した場合の、使用者の眼の瞳 から画像表示素子へ光線追跡した際の、 画像表示素子面上の R, G，Bのスポ ッ トの位置ずれを、 画面上のいくつかの点について調べ、 プロッ ト したも のが図 2 3である。 スポッ トの位置ずれは概ね 1 0 μ m以下に補正されて おり、 良好なフルカラー画像を得ることができる。

また図 2 4は同様に多重化した場合に、使用者の眼の瞳から画像表示素 子へ光線追跡した際の、 Y方向の画角の変化に対する 3色の明るさバラン ス （a) と瞳 Y座標の変化に対する明るさバランス（b)を示す。

ここで明るさと回折効率とは、 どちらも最も明るい点を 1 と して規格化 している。 （a)の図で周辺減光があるのは、 幾何光学的な V i gnett ingによ るものである。

本実施の形態において特質すべき事項は、第 2光源の座標が R G B とも に同一であるので、 多重露光時においては、 単一の球面波発生手段により 同時に多重露光が可能であることである。 又、 P B Sへの入射角が 4 2度 なので、 消光比の高い P B S膜を設定可能である。

以上、本発明の各実施の形態及びそれらの具体例について説明したが、 本発明はこれらの実施の形態や具体例に限定されるものではない。 例え ば、 前述した各実施の形態は、 本発明によるイメージコンパイナを用い て頭部装着式の画像表示装置を構成した例であつたが、 前述した各実施 の形態で採用されていた各ィメ一ジコンバイナ 1は、 カメ ラのファィン ダゃ顕微鏡及び双眼鏡の接眼レンズ部に装着し得るように構成したり、 あるいは、 当該イメージコンパイナをカメラや顕微鏡や双眼鏡等に組み 込んでもよい。 以上説明した本発明の実施の形態によれば、 視線の角度変化に対する 回折効率の波長シフ ト現象を抑えることができるので、 画面周辺および 瞳周辺まで光量損失のない明るい観察像を得ることができる。 また、 露 光の際の参照光と物体光が H O E面の法線方向の一軸に設定できるので. 露光光学系の配置、 調整が非常に簡単になる。 さらに、 光学的パワーの ある面が光軸に対して一切偏心していない構成であるため、 偏心収差が 発生しないことも大きな特徴で、 この結果、 シンプルな構成で高分解能 な光学系が実現できる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 反'射型ホログラム光学素子が設けられ、 画像形成手段からの光と 本体を透過した光を重畳させるィメージコンパイナであって、 前記画像 形成手段から発する光がひとつの波長領域の成分のみ又は離散的な複数 の波長領域の成分を持ち、 前記画像形成手段の表示部の中心から発せら れた主光線が前記反射型ホログラム光学素子面に入射する入射角と反射 回折角との間に以下の式が成り立つことを特徴とするィメージコンバイ ナ。

一 5く 0 1 < 5、 かつ I θ 1— Θ 2 I < 3

Θ 1 ： 画像形成手段の表示部の中心から発せられた主光線が反射型ホロ グラム光学素子に入射する入射角 （° )

Θ 2 ： 表示部の中心から発せられた主光線が反射型ホログラム光学素子 で回折反射される際の反射回折角 （° )

2 . 請求の範囲第 1項に記載のイメージコンパイナであって、 - 3 < θ 1 < 3

と されていることを特徴とするィメージコンバイナ。

3 . 請求の範囲第 1項に '記載のィメージコンバイナであって、

I θ 1— Θ 2 I < 2

と されていることを特徴とするィメージコンバイナ。

4 . 前記反射型ホログラム光学素子が体積型であることを特徴とする請 求の範囲第 1項に記載のィメ一ジコンバイナ。

5 . 前記反射型ホログラム光学素子が光学的パワーを持つことを特徴 とする請求の範囲第 1項に記載のィメージコンバイナ。

6 . 前記主光線の前記画像形成手段からの射出方向が、 前記画像形成 手段の表示部の面と略垂直な方向とされていることを特徴とする請求の 範囲第 1項に記載のィメージコンパイナ。

7 . 請求の範囲第 1項から第 6項のうちいずれか 1項に記載のィメ一 ジコンバイナと画像形成手段とを備え、 使用時に少なく とも前記ィメ一 ジコンパイナを含む部分が使用者の目に近接して使用されることを特徴 とする画像表示装置。

8 . 反射型ホログラム光学素子が設けられ、 画像形成手段からの光を 表示させる画像表示装置であって、 前記画像形成手段から発する光がひ とつの波長領域の成分のみ又は離散的な複数の波長領域の成分を持ち、 前記画像形成手段の表示部の中心から発せられた主光.線が前記反射型ホ 口グラム光学素子面に入射する入射角と反射回折角との間に以下の式が 成り立つことを特徴とする画像表示装置。

一 5く θ 1く 5、 かつ I θ 1— Θ 2 I く 3

Θ 1 ： 画像形成手段の表示部の中心から発せられた主光線が反射型ホ口 グラム光学素子に入射する入射角 （° )

Θ 2 ： 表示部の中心から発せられた主光線が反射型ホ口グラム光学素子 で回折反射される際の反射回折角 （° )

9 . 請求の範囲第 8項に記載の画像表示装置であって、

_ 3 < θ 1 < 3

とされていることを特徴とする画像表示装置。

1 0 . 請求の範囲第 8項に記載の画像表示装置であって、

I θ 1 - Θ 2 I < 2

とされていることを特徴とする画像表示装置。

1 1 . 前記反射型ホログラム光学素子が体積型であることを特徴とする 請求の範囲第 8項に記載の画像表示装置。

1 2 . 前記反射型ホログラム光学素子が光学的パワーを持つことを特 徴とする請求の範囲第 8項に記載の画像表示装置。

1 3 . 前記主光線の前記画像形成手段からの射出方向が、 前記画像形 成手段の表示部の面と略垂直な方向とされていることを特徴とする請求 の範囲第 8項に記載の画像表示装置。

1 4 . 画像形成素子からの光を反射型ホログラム光学素子に照射して 形成された画像を、 外界からの光に重畳させて 2重画像を形成するィメ ージコンバイナを有する画像表示装置であって、 透光体中に設けられた 偏光ビームスプリ ッタと、 前記偏光ビームスプリ ッタから見て外界側に 設けられた 1ノ 4波長板とを有し、 前記反射型ホログラム光学素子は、 前記 1 Z 4波長板の外界側に設けられており、 前記画像形成素子からの 光は、 前記偏光ビームスプリ ッタで反射されるような偏光状態で前記透 光体に入射し、 前記透光体の両面で全反射されながら前記偏光ビームス プリ ッタに入射して反射され、 前記 1 / 4波長板を透過した後、 前記反 射型ホログラム光学素子に θ 1 (° )の入射角で入射して、反射角 Θ 2 (° ) で回折反射され、 再び前記 1 Z' 4波長板を透過した後、 前記偏光ビーム スプリ ッタを透過し、 前記透光体を透過した外界からの光と共に使用者 の眼に至るように構成され、 前記入射角 0 1 と反射角 Θ 2の間に、 I θ 1 - S 2 1 く 3

の関係があることを特徴とする画像表示装置。

1 5 . 画像形成素子からの光を反射型ホログラム光学素子に照射して 形成された画像を、 外界からの光に重畳させて 2重画像を形成するィメ ージコンパイナを有する画像表示装置であって、 透光体中に設けられた 偏光ビームスプリ ッタと、前記偏光ビームスプリ ッタから見て外界側で、 前記透光体に対してエアギヤップを介した位置に設けられた 1 , " 4波長 板とを有し、 前記反射型ホログラム光学素子は、 前記 1 / 4波長板の外 界側に設けられており、 前記画像形成素子からの光は、 前記偏光ビーム スプリ ッタで反射されるような偏光状態で前記透光体に入射し、 前記透 光体の両面で全反射されながら前記偏光ビームスプリ ッタに入射して反 射され、 前記 1 / 4波長板を透過した後、 前記反射型ホログラム光学素 子に Θ 1 (° ) の入射角で入射して、 反射角 Θ 2 (° ) で回折反射され、 再び前記 1 / 4波長板を透過した後、 前記偏光ビームスプリ ッタを透過 し、 前記透光体を透過した外界からの光と共に使用者の眼に至るように 構成され、 前記入射角 θ 1 と反射角 Θ 2の間に、

I θ 1 - Θ 2 I < 3

の関係があることを特徴とする画像表示装置。

1 6 . 画像形成素子からの光を反射型ホログラム光学素子に照射して 形成された画像を、 外界からの光に重畳させて 2重画像を形成するィメ ージコンパイナを有する画像表示装置であって、 透光体中に設けられた 偏光ビームスプリ ッタと、 前記透光体中で、 前記偏光ビームスプリ ッタ の前記画像形成素子とは反対側に設けられた 1 ノ 4波長板とを有し、 前 記反射型ホログラム光学素子は、 前記 1 , '' 4波長板に対して、 前記偏光 ビームスプリ ッタとは反対側に設けられており、 前記画像形成素子から の光は、 前記偏光ビームスプリ ッタを透過するよ うな偏光状態で前記透 光体に入射し、 前記透光体の両面で全反射されながら前記偏光ビームス プリ ッタに入射して透過し、 前記 1 / 4波長板を透過した後、 前記反射 型ホログラム光学素子に θ 1 (° ) の入射角で入射して、 反射角 0 2 (° ) で回折反射され、 再び前記 1 ..' ' 4波長板を透過した後、 前記偏光ビーム スプリ ッタで反射され、 前記透光体を透過した外界からの光と共に使用 者の眼に至るように構成され、 前記入射角 θ 1 と反射角 Θ 2の間に、 I θ 1 - Θ 2 I < 3

の関係があることを特徴とする画像表示装置。

1 7 . 画像形成素子からの光を反射型ホログラム光学素子に照射して 形成された画像を、 外界からの光に重畳させて 2重画像を形成するィメ ージコンパイナを有する画像表示装置であって、 透光体中に設けられた ハーフミ ラーを有し、 前記反射型ホログラム光学素子は、 前記透光体の 外界に面する面に設けられており、 前記画像形成素子からの光は、 前記 透光体に入射し、 前記透光体の両面で全反射されながら前記.'、一フミラ 一に入射して反射され、 前記反射型ホログラム光学素子に θ 1 (° ) の入 射角で入射して、 反射角 0 2 (° ) で回折反射され、 前記.''、一フ ミ ラーを 透過し、 前記透光体を透過した外界からの光と共に使用者の眼に至るよ うに構成され、 前記入射角 θ 1 と反射角 Θ 2の間に、

I θ 1 - Θ 2 \ < 3

の関係があることを特徴とする画像表示装置。

1 8 . 画像形成素子からの光を反射型ホログラム光学素子に照射して 形成された画像を、 外界からの光に重畳させて 2重画像を形成するィメ ージコンパイナを有する画像表示装置であって、 透光体中に設けられた ハーフミ ラ一を有し、 前記反射型ホログラム光学素子は、 前記透光体に 対してエアギャップを介した位置に設けられており、 前記画像形成素子 からの光は、 前記透光体に入射し、 前記透光体の両面で全反射されなが ら前記ハーフミラーに入射して反射され、 前記反射型ホログラム光学素 子に Θ 1 (。 ) の入射角で入射して、 反射角 0 2 (° ) で回折反射され、 前記ハーフミラーを透過し、 前記透光体を透過した外界からの光と共に 使用者の眼に至るように構成され、前記入射角 θ 1 と反射角 Θ 2の間に、 I θ 1 - Θ 2 I < 3

の関係があることを特徴とする画像表示装置。

1 9 . 画像形成素子からの光を反射型ホログラム光学素子に照射して 形成された画像を、 外界からの光に重畳させて 2重画像を形成するィメ —ジコンパイナを有する画像表示装置であって、 透光体中に設けられた ハーフミラーを有し、 前記反射型ホログテム光学素子は、 前記透光体中 で、前記ハーフミラーの前記画像形成素子とは反対側に設けられており、 前記画像形成素子からの光は、 前記透光体に入射し、 前記透光体の両面 で全反射されながら前記ハーフミラーに入射して透過し、 前記反射型ホ ログラム光学素子に Θ 1 (° ) の入射角で入射して、 反射角 0 2 ( ° ) で 回折反射され、 前記. '、一フミラーで反射され、 前記透光体を透過した外 界からの光と共に使用者の眼に至るように構成され、 前記入射角 Θ 1 と 反射角 Θ 2の間に、

I θ 1 - Θ 2 I < 3

の関係があることを特徴とする画像表示装置。