JP2003185977A

JP2003185977A - 画像表示装置

Info

Publication number: JP2003185977A
Application number: JP2001385887A
Authority: JP
Inventors: Koichi Takahashi; 浩一高橋; Jiyunko Takahashi; 潤子高橋
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2003-07-03

Abstract

(57)【要約】【課題】画像のざらつきを十分に減らし、なおかつ、
解像感の高い画像を与える画像表示装置。【解決手段】ある一定の開口を持った画素が多数２次
元に規則的に配列された画像表示素子１と、位相型回折
格子３と、観察光学系２とを備えた画像表示装置におい
て、画像表示素子１の表示面から位相型回折格子３まで
の距離（空気換算長）をＬとし、観察光学系２の焦点距
離をｆ、拡大率をｍとした場合に、ｆ＞Ｌ≧０．２／ｍ² 〔ｍ〕
・・・（１０）の関係を満たす画像表示装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像表示装置に関
し、特に、電子ビューファインダー等の画像表示装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示素子（ＬＣＤ）に代表されるド
ットマトリックス型画像表示素子は、２次元的に配列さ
れた画素を変調することで画像表示を行うものである。
この表示素子の画素密度は高い程表示する画像は緻密に
なり、先鋭度も増すが、製造における難易度も高くな
り、コストが増大する。安価な画素密度の低い表示素子
を用いると、画素間の隙間が目立ち、ざらついた画質が
観察されることになる。

【０００３】一方、画像表示素子の画像を光学系によっ
て拡大して表示する装置として、プロジェクターやＨＭ
Ｄ（頭部装着型画像表示装置）があげられる。これらの
装置に上記した安価な表示素子を用いると、画像が拡大
されると共に画素の隙間部分も拡大されるため、ざらつ
きがさらに目立つものになり、表示している画像を本来
のものと感じるいわゆる質感が低い画像となってしま
う。

【０００４】そこで、画像表示素子と観察者の眼球の間
に光学フィルターを配備し、１つの画素を複数個に分離
することで、画素のざらつきを低減する方法が提案され
ている。

【０００５】例えば、図２６に構成図を示すような液晶
表示素子と観察者の間に水晶を数枚重ねて設置した構成
の画像表示装置がある。

【０００６】さらに、従来の他のタイプとして、特許第
２，８８３，４９２号、特許第２，９８０，２６８号が
あげられる。液晶表示素子と観察者の間に２次元格子パ
ターンを設置した構成の画像表示装置である。

【０００７】さらに、画像表示装置前面に光学的ローパ
スフィルターが配置された特開平５−３０７１７４号、
特開平８−１２２７０９号や、表示スクリーンと観察者
の間にマイクロレンズアレーを設置した米国特許第５，
７１９，５８８号等がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図２６
のように光学フィルターとして水晶等の結晶を用いると
非常に高価であり、さらに、２次元表示に対応するため
に複数枚の結晶を使用するため、光学フィルター部分が
厚くなり、装置自体が大型化する。

【０００９】また、光学フィルターを位相型回折格子で
構成する場合、画素のざらつきを低減するために、光学
フィルターのナイキスト限界におけるＭＴＦ（Ｍｏｄｕ
ｌａｔｉｏｎＴｒａｎｓｆｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ）
が低く設定されている。これによりざらつきは低減され
るが、ナイキスト限界近傍の空間周波数のＭＴＦが低く
なるため、ぼけた画像を観察することになる。逆に、ナ
イキスト限界におけるＭＴＦを高めに設定すると、その
周波数近傍のＭＴＦは高く、高解像な表示ができるが、
ざらつきを十分に低減することができない。

【００１０】さらに、位相型回折格子は波長によって回
折角が異なり、画像表示素子のカラー表示の基本となる
ＲＧＢに対応する各波長における光学フィルターのＭＴ
Ｆが変化する。しかしながら、従来の技術においては、
異なった波長に対する光学フィルターのＭＴＦが考慮さ
れたものがない。

【００１１】また、位相型回折格子は光学的ローパスフ
ィルターの作用を有するが、同時に、表示素子の画素と
位相型回折格子が干渉しあい、モアレ縞が発生する原因
となる。このモアレ縞は画素ピッチの数倍以上の周期に
なるため、表示画像の上に大きな縞が重なって見え画像
を著しく悪化させる。このモアレ縞を見え難くする方法
として、特開平５−３０７１７４号や特許第２，８８
３，４９２号のように、位相型回折格子の格子ピッチを
表示素子の画素ピッチ以下にする方法がある。しかしな
がら、回折格子ピッチと回折角は反比例の関係にあるた
め、回折格子ピッチが小さいと回折角が大きくなり、画
素拡散量が大きくなる。それに伴って、光学フィルター
が有するＭＴＦの低下する領域が低周波側にシフトする
ため、低い空間周波数におけるＭＴＦも低下し、全体に
ぼけた画像となる。

【００１２】さらに、画像表示装置はこのような光学フ
ィルターを介して画像表示素子を観察するため、異物付
着、異物混入、透過率低下のフィルターを用いた場合、
観察者は画像情報以外の異物や、透過率の低下した画像
を観察することとなる。しかしながら、従来技術には、
装置として組み込んだ際の問題点についての記載がな
い。

【００１３】本発明は従来技術のこのような問題点に鑑
みてなされたものであり、その目的は、画像のざらつき
を十分に減らし、なおかつ、解像感の高い画像を与える
画像表示装置を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の画像表示装置は、ある一定の開口を持った画素が多
数２次元に規則的に配列された画像表示素子と、位相型
回折格子と、観察光学系とを備えた画像表示装置におい
て、前記画像表示素子の表示面から前記位相型回折格子
までの距離（空気換算長）をＬとし、前記観察光学系の
焦点距離をｆ、拡大率をｍとした場合に、ｆ＞Ｌ≧０．２／ｍ² 〔ｍ〕・・・（１０）の関係を満たすことを特徴とするものである。

【００１５】本発明のもう１つの画像表示装置は、ある
一定の開口を持った画素が多数２次元に規則的に配列さ
れた画像表示素子と、位相型回折格子と、観察光学系と
を備えた画像表示装置において、前記画像表示素子の中
心から射出し、前記観察光学系に入射する光束の前記位
相型回折格子上での光束径Ｗに対して、前記位相型回折
格子の格子ピッチＰが、２≦Ｗ／Ｐ≦５０・・・（１１）の条件を満たすことを特徴とするものである。

【００１６】以下、本発明において上記構成をとる理由
と作用について説明する。

【００１７】図１に示すように、観察光学系２によって
拡大した虚像を観察する場合、観察物体である画像表示
素子１は観察光学系２の前側焦点位置近傍に配備され
る。したがって、画像表示素子１の近くにあるものはそ
のまま拡大観察される。本発明の場合、画像表示素子１
の表示面の近くに位相型回折格子３を配備して画像表示
素子１の画質を改善する方法をとる。その場合、この位
相型回折格子３の配置される位置が人間の眼Ｅの調整力
の範囲内にあると、その位相型回折格子３上にごみ等の
異物が付着すると、それが拡大されて見えてしまう。

【００１８】人間の眼の遠点距離をＤ_f（ｍ）、近点距
離をＤ_n（ｍ）とすると、人間の眼の調整力Ｂ（ｍ^-1）
は、次式で与えられる。

【００１９】Ｂ＝１／Ｄ_n−１／Ｄ_f ・・・（１）近点距離は、図２に示すように、人間の年齢によって大
きく異なる。２０〜５０歳代の観察者を想定すると、近
点距離は約−１０〜−２Ｄ（ディオプター：ｍ ^-1）、Ｄ
_n＝１０〜５００ｍｍの距離であり、遠点距離がＤ_f＝
∞の場合の調節力は１０〜２Ｄ（ディオプター：ｍ^-1）
となる。

【００２０】本発明のような小さい画像表示素子１を拡
大された虚像として観察する画像表示装置においては、
画像表示素子１は観察光学系２の前側焦点位置の近傍に
置かれ、眼Ｅの位置が観察光学系２の後側焦点位置近傍
にあるようにそれぞれが配置されていると考えられる。
この場合には、画像表示素子１の画像は観察光学系２に
よって拡大された虚像として観察され、この場合、図３
に示すように、画像表示素子１の虚像を見込む角度ｕ’
（図３（ｂ））と画像表示素子１を明視の距離（２５０
ｍｍ）で見込む角度ｕ（図３（ａ））の比を拡大率ｍと
定義される。式で表すと、ｍ＝ｔａｎ（ｕ’）／ｔａｎ（ｕ）・・・（２）となる。さらに、拡大率ｍは、観察光学系２の後側焦点
距離をｆ’（ｍｍで表される）として、ｍ＝２５０／ｆ’ ・・・（３）で与えられる。

【００２１】次に、画像表示装置の観察光学系２におけ
る画像表示素子１側の焦点深度を求める。図４に示すよ
うに、人間の眼Ｅの遠点距離Ｄ_f、近点距離Ｄ_nは共
に、眼Ｅの入射瞳である前側主点からの距離である。し
たがって、Ｄ_f、Ｄ_nに対応する画像表示素子の前側焦
点位置Ｆ’から測った距離をそれぞれｄ_f、ｄ_n、観察
光学系２の前側焦点距離をｆ、後側焦点距離をｆ’とす
ると、ｄ_n−ｄ_f＝−ｆ・ｆ’（１／Ｄ_f−１／Ｄ_n）・・・（４）となる。式（３）にならって拡大率を示すと、ｍ＝Ｄ_f／ｆ’ ・・・（５）である。観察光学系２の画像表示面側と像側の屈折率を
ｎ、ｎ’とすると、ｆ＝−ｎ’／ｎ・ｆ’ ・・・（６）（４）式を（５）式、（６）式で変形して、ｄ_n−ｄ_f＝ｎ’／ｎ・ｆ’²・（１／Ｄ_f−１／Ｄ_n）＝ｎ’／ｎ・（Ｄ_f／ｍ）²・（１／Ｄ_f−１／Ｄ_n）・・・（７）眼の調整力による画像表示素子１側の焦点深度をδ＝ｄ
_f−ｄ_nとすると、遠点距離Ｄ_fを∞として、 δ＝ｎ’／ｎ・（Ｄ_n／ｍ）²・Ｂ＝ｎ’／ｎ・Ｄ_n／ｍ² ・・・（８）である。表示面側、像側共空気であるため、ｎ＝ｎ’＝
１となる。

【００２２】一般に、近点近傍で画像を観察すると、物
の細部まではっきり視認できるが、眼は緊張し、長く見
続けると疲れる恐れがある。余り疲れずに良く見える距
離は、近点より遠くになる。２０歳代では、観察距離が
約２００ｍｍ以上あると、余り疲れないため、上式にお
ける近点距離をＤ_n＝０．２とすると、δは、 δ＝０．２／ｍ² ・・・（９）で示される。

【００２３】ここで、画像表示素子１の表示面から位相
型回折格子３までの空気換算長距離をＬ（空気換算長）
とし、０．２／ｍ²（δ）より大きく設定すると、位相
型回折格子３に付着したごみ等は観察者の眼Ｅの調節力
よりも視度がマイナス側になるため、付着物にピントが
合うことがなく観察画像に与える影響を抑えることがで
きる。また、位相型回折格子３は観察光学系２との干渉
を防ぐために、位相型回折格子３は観察光学系２の主点
よりも画像表示素子側にあることが望ましい。

【００２４】そこで、空気換算長距離Ｌは、ｆ＞Ｌ≧０．２／ｍ² 〔ｍ〕・・・（１０）とすることで、観察者はごみ等の影響の少ない良好な画
像観察が可能となる。

【００２５】例えば、観察光学系２の拡大率ｍが５倍と
２５倍とすると、（１０）式に代入して、５倍：Ｌ≧８（ｍｍ）２５倍：Ｌ≧０．３２（ｍｍ）となる。この範囲に位相型回折格子３を配置すると、ご
み等の付着物が観察者の眼Ｅの調節力よりも視度がマイ
ナス側になるため、付着物にピントが合い難く、観察画
像に影響が少ない。

【００２６】位相型回折格子３によって画質を向上させ
るために、画像表示素子１と観察者眼球Ｅとの間に位相
型回折格子３を配置する場合、位相型回折格子３の格子
ピッチに対して光束径が十分大きいことが、観察画面全
体における画質の均一性を達成するために必要な条件で
ある。画像表示素子１から位相型回折格子３までの距離
が短い場合には回折角が大きく格子ピッチが小さいた
め、光束中の位相型回折格子３の格子数は問題にならな
い。しかしながら、画像表示素子１から位相型回折格子
３までの距離が長い場合には、位相型回折格子３の回折
角を小さくする必要があり（逆光線追跡で考えると、位
相型回折格子３の異なる回折次数で画素を半ピッチずら
して結像させるためには、画像表示素子１から位相型回
折格子３までの距離が離れる程回折角が小さくな
る。）、位相型回折格子３の格子ピッチが大きくなり、
上記の位相型回折格子３の格子ピッチに対して光束径が
十分大きいとの条件を満たすことが困難になる場合があ
る。

【００２７】格子ピッチに対して位相型回折格子の光束
径が十分な大きさでないと、観察者が眼球を回旋させて
表示素子の周辺まで観察した時、その光束径に対する回
折格子の格子数の変化が大きくなり回折効果に変化が生
じるため、見ている場所によって観察画像の画質が変化
してしまう。そこで、位相型回折格子の光束径Ｗに対し
て回折格子の格子ピッチ（凹凸の１ピッチ）をＰとし、２≦Ｗ／Ｐ≦５０・・・（１１）の条件を満たすことが重要である。

【００２８】この条件の下限の２を越えて小さくなる
と、光束径に対する回折格子の格子数が少なく、格子間
の長さが大きいため観察者が眼球を回旋させて表示素子
の周辺まで観察する場合にその光束径に対して回折格子
の格子数が変化してしまい、見ている場所によって観察
画像の画質が変化する恐れが生じる。上限の５０を越え
て大きくなると、位相回折格子の格子ピッチが小さくな
り、回折角が大きくなりそれに伴って回折像の拡散量が
大きくなるため画像がボケたものになるおそれが生じ
る。

【００２９】ところで、位相型回折格子３は凸部と基板
部によって１つの格子パターン（凹凸）が作られている
ものであるが（図６）、その格子パターンが光束径Ｗ中
に２個以上があることが、回折像を形成するために最低
必要な条件である。さらに好ましくは、格子パターンが
光束径Ｗ中に３個以上あることが、安定した画質を再現
するための条件である。さらに好ましくは、格子パター
ンが５個以上あることが、より安定した画質を再現する
ための条件である。

【００３０】本発明において、位相型回折格子は２つの
回折成分を持つ形状であることができる。拡大された画
像表示素子は、ある一定の開口を持った画素が２次元的
に多数配列された画像表示素子であり、映像にない不要
な高周波ざらつきも２次元的に存在している。回折方向
が１つ（１方向回折格子と呼ぶ。）の回折格子を配置し
た場合、回折された画素は一定方向のみに分離し補間が
生じる。例えば画素がデルタ配列（図１０）の画像表示
素子の場合、１方向回折格子の回折パターンは０次光を
中心として１次元方向に高次光を発散しており、その画
素配列の画像表示素子と回折方向が水平方向又は垂直方
向の１方向回折格子と組み合わせたとき、観察できる映
像は、画素が水平方向のみあるいは垂直方向のみに分離
するため、上下あるいは左右の画素間にあるブラックマ
トリックスは補間されず、横方向あるいは縦方向に黒い
筋が残った画像として観察され、残ったブラックマトリ
ックスが高周波ざらつきを低減しきれない。そこで、回
折方向が２方向の回折格子（２方向回折格子）を用いる
と、回折パターンは２次元的な広がりを持ったパターン
になり、画像表示素子との組み合わせにおいて非常に効
率よく画素を補間することが可能となり、２次元的な高
周波ざらつきの低減が可能となる。

【００３１】また、そのような２つの回折成分を持つ形
状の位相型回折格子３として、図７に斜視図を示すよう
に、１つの面に２つの回折成分を持つ形状とすることが
できる。図中、１３は位相部である。１面に２つの回折
成分を持せた位相型回折格子の場合、製作や評価が１面
だけでよくなり、製作時間の削減ができ、コストダウン
になる。また、他方の面を光学面にすることも可能であ
る。例えば正の屈折パワーを持たせることで、観察光学
系の倍率を上げることができ、観察者は画角の大きな映
像を楽しめる。他には、収差補正用の光学面にしたり、
色収差補正用の回折光学面を形成することで、より完成
度の高い画像表示装置を達成できる。

【００３２】また、そのような２つの回折成分を持つ形
状の位相型回折格子３として、図８に斜視図を示すよう
に、表裏にそれぞれ１方向の回折成分を持つ形状とする
ことができる。図中、１３ａは表側の位相部、１３ｂは
表側の位相部である。回折格子は位相部１３ａ、１３ｂ
の格子高を変えることで、異なる回折効率を与えること
や波長依存性の異なったものを作ることができる。長波
長（Ｒ）の画素分離は短波長（Ｂ）の画素分離量より大
きいため色ずれが発生し、この色ずれの量は分離量の大
きさに比例し、色ずれ量が大きいと画像をボケさせてし
まう。２次元回折格子の場合、最適な分離量が２方向で
異ると、色ずれ量の大きさも変わり、２方向で解像感が
大きく異なってしまう。そこで、位相型回折格子３は、
図８に示すように、表裏にそれぞれ１方向回折格子を形
成させると、格子高を変えることができ、色ずれ量の大
きい方向のＲの回折効率を小さくすることで、解像力の
低下を防ぐことが可能となる。このような構成の位相型
回折格子３を用いると、解像力を低下せず様々な配列の
画像表示素子に適応させることが可能となる。

【００３３】そして、１次元回折格子２枚はそれぞれ独
立した回折格子のため、２つの回折方向のなす角を自由
に与えることで、画素ピッチや画素配列の異なる様々な
画像表示素子に適応させることができ、組み合わせによ
って全く新しい回折格子を作り出すことが可能となる。

【００３４】もちろん、図９に示すように、１方向回折
格子３₁、３₂を２枚組み合わせても、同様の作用効果
の位相型回折格子３を構成することができる。

【００３５】また、位相型回折格子３は１つの回折成分
を持つ形状であってもよい。画素上下方向に大きいブラ
ックマトリックス部分がある画像表示素子を使用した場
合、１方向のみの回折で画素を回折像で補間を行うこと
ができ、画素周りのブラックマトリックス枠が細く感じ
られ、観察者にとって実効的に画素開口が向上すること
になる。文字の拡大表示を行う場合を考えると、１方向
の回折のみを施した方が解像高く観察しやすい場合があ
る。また、１方向回折格子の場合、製作や評価が１面だ
けでよいので、評価時間が削減できコストダウンにな
る。また、他方の面を平面にすることで、製作性、組立
て性が上がる。さらに、他方の面を光学面にすることも
可能である。例えば正のパワーを持たせることで、観察
光学系の倍率を上げることができ、観察者は画角の大き
な映像を楽しめる。他には、収差補正用の光学面にした
り、色収差補正用の回折面を形成することで、より完成
度の高い画像表示装置を達成できる。

【００３６】また、本発明において、位相型回折格子は
３つの回折成分を持つ形状であってもよい。画像表示素
子の画素配列としては様々な配列のものがあるが、その
中で図１０のように垂直方向の画素配置を略半画素ずれ
て配置するタイプ（デルタ配列）があり、緑の画素Ｇを
中心とした場合、一番近い同色画素の方向は矢印Ａ、矢
印Ｃ、矢印Ｄの３方向となる。このような画像表示素子
の３方向に対して補間ができる３方向回折格子を用いる
と、解像度を余り下げずにざらつきを減らすことができ
る。特に斜め方向の回折光は、水平、垂直の成分に分け
ることができ、画像表示素子のどの方向においてもある
程度のローパスフィルター効果を与えることができ、画
像全体の質感を上げる効果が大きい。３方向回折格子に
は、図１１のように、表に２次元の位相部１３ｃからな
る回折格子、裏に１次元の位相部１３ｄからなる回折格
子を形成するタイプや、回折格子（位相部）１３ｅの周
期的構造が３方向に対して存在する図１２のような回折
格子、その他にも回折パターンが３方向のものだと、同
様の効果を得ることができる。この効果は、動画や人物
や風景のように質感が重要であるものや、色グラデーシ
ョンのあるものに対して適している。

【００３７】なお、本発明において、位相型回折格子３
は、画像表示素子１側に回折作用面が向いていることが
望ましい。位相型回折格子３は、図６〜図９、図１１〜
図１２のように、位相部１３、１３ａ〜１３ｅにより部
分的に位相差をつけた光学素子であり、一般的な位相型
回折格子３は、その一面に凹凸形状をつけることで光の
位相差を発生させるものである。この位相型回折格子３
の凹部分に油や指紋が付着すると、一定の位相差を与え
ていた回折格子が、部分的に異なった位相差を持つこと
になり、回折強度に差が出てくる。また、位相型回折格
子３に付着した汚れは透過率に影響を与え、観察し難い
画像となってしまう。さらに、凹凸部分が欠けたり傷つ
くと、同様の影響を与える。そこで、回折面を画像表示
素子１側に向けると、画像表示装置の鏡枠内に回折面が
配置され、観察者は直接回折格子面に触れる恐れがな
く、回折面の凹凸部分に外部からゴミ、汚れ、指紋や油
の付着が防止され、また、凹凸部分が欠けたり傷つくこ
とがなくなり、均一で良好な映像観察が可能となる。

【００３８】ところで、位相型回折格子３による画素分
離量は、波長と回折角の関係より、赤（Ｒ）が一番大き
く、青（Ｂ）が一番小さくなる。この画素分離量の違い
は解像度に直接反映され、３色共同じ回折効率とする
と、赤の分離量が一番大きいので解像度が下がることに
なる。これを防ぐためには、回折効率を適切に設定する
ことで波長依存性の少ない画像表示装置を提供すること
が可能となる。

【００３９】そのためには、位相型回折格子に単色光を
照射して得られた回折光のそれぞれを０次回折光で規格
化した値を回折効率とし、１次回折光の回折効率をＥ
１、単色光の波長に対応する色が青、緑、赤それぞれの
場合、その記号の後に添えた（Ｂ）、（Ｇ）、（Ｒ）に
て区別する場合、Ｅ１（Ｒ）＜Ｅ１（Ｇ）＜Ｅ１（Ｂ）・・・（１２）の関係を満たすことが必要である。この関係を満足する
と、ナイキスト周波数以下の色毎のＭＴＦの差が少なく
なり、波長依存性の少ない画像表示装置が得られる。

【００４０】また、位相型回折格子３は、回折作用面の
断面形状が略矩形で形成されており、その角部分は丸み
をおびているものとすることができる。位相型回折格子
の回折光強度（回折像）は位相部分の断面形状が大きく
関与している。回折光の強度は、回折格子の断面形状を
位相差に変換し、フーリエ変換することで得られる。断
面形状が矩形、角部が丸みを持つ矩形の回折格子を考え
た場合、高次回折光効率は、矩形より角部が丸みを持つ
矩形の方が小さいことが分かっている。高次回折光効率
が大きい位相回折格子は、観察者が黒地に白い物体を観
察した際に回折方向に高次光が強く発生し、画質を低下
させる原因となる。そこで、矩形の回折格子を製作して
角部を研磨等により丸めることで、高次回折光強度を小
さくし、散乱光の少ない良い画質を得ることができる。

【００４１】また、位相型回折格子３は、回折作用面の
断面形状が台形で形成されており、その角部分は丸みを
おびているものとすることができる。断面形状の角部を
鈍角に設定し、さらに研磨等により角部に丸みをつける
ことで、製作しやすく、高次回折光強度が小さく、より
良好な画質が得られる位相型回折格子となる。

【００４２】ところで、後記の実施例に示したように、
具体的に、位相型回折格子のある波長における１次回折
光の回折効率（％）をＥｘｙ（ｘは水平方向、ｙは垂直
方向）とし、画像表示素子の基準色である青、緑、赤が
その記号の後に添えた（Ｂ）、（Ｇ）、（Ｒ）にて区別
する場合、以下の条件式が成り立つものとすることが望
ましい。

【００４３】赤：７０＜Ｅ１０（Ｒ）＜３００、７０＜Ｅ０１（Ｒ）＜３００緑：１００＜Ｅ１０（Ｇ）＜７００、１００＜Ｅ０１（Ｇ）＜７００青：１００＜Ｅ１０（Ｂ）＜８００、１００＜Ｅ０１（Ｂ）＜８００ここで、それぞれの波長は、（Ｂ）＝４４２ｎｍ、
（Ｇ）＝５３７ｎｍ、（Ｒ）＝６３６ｎｍとする。

【００４４】このような特性の位相型回折格子３を用い
る場合、ナイキスト周波数近傍でＭＴＦに遮断周波数を
持つものとなり、画像のざらつきを十分に減らし、なお
かつ、解像感の高い画像が観察可能になる。

【００４５】また、後記の実施例に示したように、具体
的に、以下の条件式が成り立つものとすることもでき
る。

【００４６】赤：２０＜Ｅ１０（Ｒ）＜５０、２０＜Ｅ０１（Ｒ）＜５０緑：３０＜Ｅ１０（Ｇ）＜６０、３０＜Ｅ０１（Ｇ）＜６０青：３０＜Ｅ１０（Ｂ）＜７０、３０＜Ｅ０１（Ｂ）＜７０ここで、それぞれの波長は、（Ｂ）＝４４２ｎｍ、
（Ｇ）＝５３７ｎｍ、（Ｒ）＝６３６ｎｍとする。

【００４７】このような特性の位相型回折格子３を用い
る場合は、ナイキスト周波数近傍でＭＴＦに遮断周波数
を持たないが、同様に、画像のざらつきを十分に減ら
し、なおかつ、解像感の高い画像が観察可能になる。

【００４８】また、本発明の位相型回折格子３は、少な
くとも１つの格子の回折方向が画像表示素子１の表示面
の何れの辺に対しても角度を有することが望ましい。図
１０のように、垂直方向の画素配置を略半画素ずれて配
置するデルタ配列において軸の概念を導入すると、図１
０中、ラインＡが水平方向の、ラインＢが垂直方向の軸
になる。しかし、斜め方向にも同色画素が並んでおり、
Ｘ字を描くようなラインＣ、Ｄが設定できる。位相型回
折格子３の回折方向を画像表示素子１のラインＣに揃え
ることで同色画素間に分離画素を配置でき、滑らかで良
質の画像を得ることが可能となる。また、ラインＣとは
ずらした角度に位相型回折格子３の回折方向を設定する
ことで、表示面にある軸を強調せず、表示面に均一に色
画素を散りばめることも可能となる。そして、画像表示
素子１の画素配列、画素サイズ、ブラックマトリックス
サイズにより最適な角度が異なり、採用した画像表示素
子１のに適した角度を選定するのが重要である。

【００４９】また、本発明の位相型回折格子３は、少な
くとも２つの格子の回折方向が画像表示素子１の表示面
の何れの辺に対しても角度を有することが望ましい。位
相型回折格子３の回折方向の２つを表示面辺に対して角
度を持たせ、図１０のラインＣ、Ｄに揃えることで、同
色画素間に分離画素を配置でき、表示面軸を保ったまま
滑らかで良質の画像を得ることが可能となる。また、回
折方向をラインＡ〜Ｄとも角度を持たせることで、表示
面軸を隠して画素を一面にちりばめることも可能とな
り、ざらつきを減らした画像が得られる。

【００５０】なお、ラインＡ〜Ｄに角度を持たせる場
合、｜θ｜≧１°を満たす角度θをずらすことが望まし
い。

【００５１】ところで、本発明の画像表示装置において
は、図１に典型的に示すように、位相型回折格子３の射
出面側に、観察光学系２として接眼光学系を配置して構
成する。

【００５２】また、本発明の画像表示装置において、観
察光学系としては、通常の同軸光学系からなる接眼レン
ズだけでなく、偏心自由曲面光学系から構成することも
できる。本発明の画像表示装置は、小さい画像表示素子
を観察光学系で拡大して虚像として表示する装置であ
り、省スペースで大画面を楽しむには、装置や光学系は
小さい方が好ましい。観察光学系には、図１３（ａ）〜
（ｄ）に示すように、様々なタイプのものがあるが、図
１３（ａ）のような共軸光学系では、収差補正をしつつ
虚像サイズを大きくするためには光学面（屈折面）の面
数を増やす必要があり、光学系が大きなものとなり装置
が巨大化してしまう。屈折面及び反射面を偏心させて構
成した偏心自由曲面光学系、特に、図１３（ｂ）〜
（ｄ）のような偏心プリズム光学系（例えば、特開平１
１−１４２７８３号参照）を用いることでこの問題は解
決できる。なお、図１３（ａ）〜（ｄ）において、符号
４は射出瞳（アイポイント）を示す。このような偏心自
由曲面光学系は、面を偏心させることで光路を折り畳
み、小型な光学系を達成でき、発生した偏心収差は、偏
心自由曲面光学系の少なくとも１つの面形状を回転非対
称な自由曲面にすることで良好に補正できる。このよう
な偏心自由曲面光学系を用いることで、従来では何枚も
必要だった光学素子を少なくすることができ、小型な光
学系を達成することができる。

【００５３】本発明の画像表示装置において、位相型回
折格子３と画像表示素子１と観察光学系２は一体化され
た支持部材により固定し、観察者頭部に支持可能とする
ことで、観察者は自由な観察姿勢や観察方向で画像を観
察することが可能となる。

【００５４】なお、以上の構成において、観察光学系に
代えて結像光学系を配置し、画像表示素子に代えて撮像
素子を配置することにより撮像装置として用いこともで
きる。その場合に、結像光学系として偏心自由曲面光学
系を用いることができる。

【００５５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の画像表示装置の
いくつかの実施例について説明する。

【００５６】観察者の瞳孔径は、図５に示すように、観
察する物体の輝度によって変化する。本発明の画像表示
装置の場合、その輝度は画像表示素子の輝度と光学系の
総合効率によって決まるが、概略１〜５００ｃｄ／ｍ²
と考えられるため、瞳孔径は約２ｍｍから５ｍｍが予想
される。位相型回折格子での光束径は、表示素子から位
相型回折格子までの距離が長い場合、観察者の瞳孔径の
大きさと略同等の大きさの光束となる。例えば、回折格
子のピッチが１．５ｍｍ、瞳孔径が２ｍｍの状態で中心
を観察している場合の位相格子上での光束を図６（ａ）
に示す。瞳孔に入る光束には１本の格子パターンが存在
するが、観察者が眼球を回転運動させて画面の隅を観察
した場合には、１〜２本の格子パターンになるため観察
画像の画質が見ている場所によって変化してしまう。

【００５７】これに対して、図６（ｂ）に回折格子のピ
ッチが０．２５ｍｍ、瞳孔径が２ｍｍの状態で中心を観
察している場合を示す。光束径Ｗには８本の格子パター
ンが存在し、観察者が画面周辺を観察するため眼球を回
転運動させた場合には、８〜９本の格子パターンとな
る。この格子数の変化は回折効果に影響のない変化のた
め、観察者は画面周辺まで良好な観察画質を得ることが
できる。

【００５８】図１４に、本発明による画像表示装置の構
成例を示す。図１４において、光源である照明手段（バ
ックライト）５から発した照明光は、透過型ＬＣＤから
なる画像表示素子１によって変調され、位相型回折格子
３からなる光学ローパスフィルターを介して観察光学系
２に入射し、観察者眼球Ｅに導かれる。

【００５９】位相型回折格子３は、図１５（ａ）に平面
図、同図（ｂ）に断面図を示すように、基材１４の上に
位相部である凸部１３を規則的に配置してなる位相回折
格子である（実施例１、３）。基材１４は光軸１０に対
して略垂直に配置されている。位相部１３の凸部の形状
は前面から見ると、図１５（ａ）に示すように円形であ
り、断面形状は略矩形を有している。前面から見る位相
部１３の形状は円形に限らず、四角形、四角形の角部を
円形にしたもの、楕円形であってもよい。また、断面形
状は矩形に限らず、正弦波形状、台形形状、三角波形状
であってもよい。なお、画像表示素子１の表示面から位
相型回折格子３の格子面までの空気換算長をＬとする。

【００６０】位相型回折格子３からなる光学ローパスフ
ィルターのいくつかの実施例を以下に示す。

【００６１】まず、実施例１〜６の光学ローパスフィル
ターの位相型回折格子３の数値データを次の表１に示
す。

【００６２】

【００６３】ここで、実施例１の観察光学系２の焦点距
離ｆは２０．０ｍｍ、実施例２の観察光学系２の焦点距
離ｆは１６．０ｍｍ、実施例３の観察光学系２の焦点距
離ｆは３２．０ｍｍ、実施例４の観察光学系２の焦点距
離ｆは２６．０ｍｍ、実施例５の観察光学系２の焦点距
離ｆは１８．５ｍｍ、実施例６の観察光学系２の焦点距
離ｆは２２．６ｍｍ、であり、位相型回折格子３のｄ線
に対する屈折率ｎ_d＝１．５２５４であり、実施例２の
位相型回折格子３の厚さは１．４ｍｍ、実施例４の位相
型回折格子３の厚さは２．０ｍｍである。

【００６４】ここで、実施例１〜４の位相型回折格子３
は２次元の位相格子てあるが、実施例１、３は、図１５
に示すように、１面に２次元回折格子を形成したタイ
プ、実施例２、４は、図８に示すように、フィルターの
表面と裏面に１次元回折格子を形成してなるタイプであ
る。また、実施例５はＸ方向（水平方向）にのみ回折成
分を有する１次元回折格子からなるもの、実施例６はＹ
方向（垂直方向）にのみ回折成分を有する１次元回折格
子からなるものである。

【００６５】なお、実施例３は、Ｘ方向に回折成分を有
する１次元回折格子が垂直方向から２０°時計回りに回
転して構成されており、そのため、その回折方向は水平
から２０°時計回りに回転している。実施例１、２、４
は直交する２次元回折格子を用いている。ただし、１次
元回折格子、２次元回折格子に係わらず、格子の方向を
光軸１０を中心にして回転することはもちろん可能であ
る。

【００６６】したがって、実施例１〜６の条件式（１
０）、（１１）に関するＬ、Ｗ／Ｐ、０．２／ｍ²の値
は、次の表２のようになる。ただし、Ｌ、Ｗ／ＰはＸ方
向とＹ方向の値Ｌ_X、Ｌ_Y、Ｗ／Ｐ_X、Ｗ／Ｐ_Yとして
示してある。なお、距離に関する値はｍｍで表してあ
る。

【００６７】

【００６８】次に、上記実施例１〜６の０次光で規格化
した１次光、２次光相対強度を次の表３〜表８に示す。

【００６９】

【００７０】

【００７１】

【００７２】

【００７３】

【００７４】

【００７５】これらの実施例１〜６のＭＴＦ曲線をそれ
ぞれ図１６〜図１７、図１８〜図１９、図２０〜図２
１、図２２〜図２３、図２４、図２５に示す。図１６、
図１８、図２０、図２２、図２４はＸ方向（水平方向）
のＭＴＦ曲線で、（ａ）はＲ（６３３ｎｍ）、（ｂ）は
Ｇ（５４３ｎｍ）、（ｃ）はＢ（４２２ｎｍ）のＭＴＦ
曲線である。また、図１７、図１９、図２１、図２３、
図２５はＹ方向（垂直方向）のＭＴＦ曲線で、（ａ）は
Ｒ（６３３ｎｍ）、（ｂ）はＧ（５４３ｎｍ）、（ｃ）
はＢ（４２２ｎｍ）のＭＴＦ曲線である。なお、各図の
横軸は本／ｍｍである。

【００７６】以上の説明から明らかなように、本発明の
画像表示装置は例えば次のように構成することができ
る。

【００７７】〔１〕ある一定の開口を持った画素が多
数２次元に規則的に配列された画像表示素子と、位相型
回折格子と、観察光学系とを備えた画像表示装置におい
て、前記画像表示素子の表示面から前記位相型回折格子
までの距離（空気換算長）をＬとし、前記観察光学系の
焦点距離をｆ、拡大率をｍとした場合に、ｆ＞Ｌ≧０．２／ｍ² 〔ｍ〕・・・（１０）の関係を満たすことを特徴とする画像表示装置。

【００７８】〔２〕ある一定の開口を持った画素が多
数２次元に規則的に配列された画像表示素子と、位相型
回折格子と、観察光学系とを備えた画像表示装置におい
て、前記画像表示素子の中心から射出し、前記観察光学
系に入射する光束の前記位相型回折格子上での光束径Ｗ
に対して、前記位相型回折格子の格子ピッチＰが、２≦Ｗ／Ｐ≦５０・・・（１１）の条件を満たすことを特徴とする画像表示装置。

【００７９】〔３〕ある一定の開口を持った画素が多
数２次元に規則的に配列された画像表示素子と、位相型
回折格子と、観察光学系とを備えた画像表示装置におい
て、前記画像表示素子の表示面から前記位相型回折格子
までの距離（空気換算長）をＬとし、前記観察光学系の
焦点距離をｆ、拡大率をｍとした場合に、ｆ＞Ｌ≧０．２／ｍ² 〔ｍ〕・・・（１０）の関係を満たし、かつ、前記画像表示素子の中心から射
出し、前記観察光学系に入射する光束の前記位相型回折
格子上での光束径Ｗに対して、前記位相型回折格子の格
子ピッチＰが、２≦Ｗ／Ｐ≦５０・・・（１１）の条件を満たすことを特徴とする画像表示装置。

【００８０】〔４〕前記光束径Ｗ中に前記位相型回折
格子の位相部が少なくとも２個以上含まれていることを
特徴とする上記２又は３記載の画像表示装置。

【００８１】〔５〕前記位相型回折格子は、２つの回
折成分を持つ形状であることを特徴とする上記１から４
の何れか１項記載の画像表示装置。

【００８２】〔６〕前記位相型回折格子は、１つの面
に２つの回折成分を持つ形状であることを特徴とする上
記５記載の画像表示装置。

【００８３】〔７〕前記位相型回折格子は、表裏にそ
れぞれ１方向の回折成分を持つ形状であることを特徴と
する上記５記載の画像表示装置。

【００８４】〔８〕前記位相型回折格子は、１つの面
に１方向の周期的な回折格子が形成されているものを２
面用いて２つの方向に回折像を形成するものであること
を特徴とする上記５記載の画像表示装置。

【００８５】

〔９〕前記位相型回折格子は、１つの回
折成分を持つ形状であることを特徴とする上記１から４
の何れか１項記載の画像表示装置。

【００８６】〔１０〕前記位相型回折格子は、３つの
回折成分を持つ形状であることを特徴とする上記１から
４の何れか１項記載の画像表示装置。

【００８７】〔１１〕前記位相型回折格子は、前記画
像表示素子側に回折作用面が向いていることを特徴とす
る上記１から１０の何れか１項記載の画像表示装置。

【００８８】〔１２〕前記位相型回折格子は、単色光
を照射して得られた回折光のそれぞれを０次回折光で規
格化した値を回折効率とし、１次回折光の回折効率をＥ
１、単色光の波長に対応する色が青、緑、赤それぞれの
場合、その記号の後に添えた（Ｂ）、（Ｇ）、（Ｒ）に
て区別する場合、以下の条件が成り立つことを特徴とす
る上記１から１１の何れか１項記載の画像表示装置。

【００８９】Ｅ１（Ｒ）＜Ｅ１（Ｇ）＜Ｅ１（Ｂ）・・・（１２）〔１３〕前記位相型回折格子は、回折作用面の断面形
状が矩形で形成されており、その角部分が丸みをおびて
いることを特徴とする上記１から１２の何れか１項記載
の画像表示装置。

【００９０】〔１４〕前記位相型回折格子は、回折作
用面の断面形状が台形で形成されており、その角部分は
丸みをおびていることを特徴とする上記１から１２の何
れか１項記載の画像表示装置。

【００９１】〔１５〕前記位相型回折格子のある波長
における１次回折光の回折効率（％）をＥｘｙ（ｘは水
平方向、ｙは垂直方向）とし、前記画像表示素子の基準
色である青、緑、赤がその記号の後に添えた（Ｂ）、
（Ｇ）、（Ｒ）にて区別する場合、以下の条件式が成り
立つことを特徴とする上記１から１４の何れか１項記載
の画像表示装置。

【００９２】赤：７０＜Ｅ１０（Ｒ）＜３００、７０＜Ｅ０１（Ｒ）＜３００緑：１００＜Ｅ１０（Ｇ）＜７００、１００＜Ｅ０１（Ｇ）＜７００青：１００＜Ｅ１０（Ｂ）＜８００、１００＜Ｅ０１（Ｂ）＜８００ここで、それぞれの波長は、（Ｂ）＝４４２ｎｍ、
（Ｇ）＝５３７ｎｍ、（Ｒ）＝６３６ｎｍとする。

【００９３】〔１６〕前記位相型回折格子のある波長
における１次回折光の回折効率（％）をＥｘｙ（ｘは水
平方向、ｙは垂直方向）とし、前記画像表示素子の基準
色である青、緑、赤がその記号の後に添えた（Ｂ）、
（Ｇ）、（Ｒ）にて区別する場合、以下の条件式が成り
立つことを特徴とする上記１から１４の何れか１項記載
の画像表示装置。

【００９４】赤：２０＜Ｅ１０（Ｒ）＜５０、２０＜Ｅ０１（Ｒ）＜５０緑：３０＜Ｅ１０（Ｇ）＜６０、３０＜Ｅ０１（Ｇ）＜６０青：３０＜Ｅ１０（Ｂ）＜７０、３０＜Ｅ０１（Ｂ）＜７０ここで、それぞれの波長は、（Ｂ）＝４４２ｎｍ、
（Ｇ）＝５３７ｎｍ、（Ｒ）＝６３６ｎｍとする。

【００９５】〔１７〕前記位相型回折格子は、少なく
とも１つの格子の回折方向が前記画像表示素子の表示面
の何れの辺に対しても角度を有することを特徴とする上
記１から１６の何れか１項記載の画像表示装置。

【００９６】〔１８〕前記位相型回折格子は、少なく
とも２つの格子の回折方向が前記画像表示素子の表示面
の何れの辺に対しても角度を有することを特徴とする上
記１から１６の何れか１項記載の画像表示装置。

【００９７】〔１９〕前記の何れの辺に対しても、｜
θ｜≧１°を満たす角度θを有することを特徴とする上
記１７又は１８記載の画像表示装置。

【００９８】〔２０〕前記位相型回折格子の射出面側
に、前記観察光学系を配置したことを特徴とする上記１
から１９の何れか１項記載の画像表示装置。

【００９９】〔２１〕前記観察光学系は、偏心自由曲
面光学系からなることを特徴とする上記１から２０の何
れか１項記載の画像表示装置。

【０１００】〔２２〕前記位相型回折格子と前記画像
表示素子と前記観察光学系は一体化された支持部材によ
り固定されていることを特徴とする上記１から２１の何
れか１項記載の画像表示装置。

【０１０１】〔２３〕上記１から２２の何れか１項に
おいて、前記観察光学系に代えて結像光学系を配置し、
前記画像表示素子に代えて撮像素子を配置することによ
り撮像装置としたことを特徴とする撮像装置。

【０１０２】〔２４〕前記結像光学系は、偏心自由曲
面光学系からなることを特徴とする上記２３記載の撮像
装置。

【０１０３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、画像のざらつきを十分に減らし、なおかつ、
解像感の高い画像を与える画像表示装置を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の画像表示装置の構成を示す図である。

【図２】人間の年齢によって変化する近点距離と遠点距
離を示す図である。

【図３】観察光学系の拡大率を説明するための図であ
る。

【図４】観察光学系の画像表示素子側の焦点深度を説明
するための図である。

【図５】物体の輝度によって変化する観察者の瞳孔径を
示す図である。

【図６】瞳孔径を通る光束径中に含まれる位相型回折格
子の凹凸の組み合わせを示す図である。

【図７】１つの面に２つの回折成分を持つ形状の位相型
回折格子の斜視図である。

【図８】表裏にそれぞれ１方向の回折成分を持つ形状の
位相型回折格子の斜視図である。

【図９】１方向回折格子を２枚組み合わせてなる位相型
回折格子の斜視図である。

【図１０】画素のデルタ配列を示す平面図である。

【図１１】表に２次元の位相部からなる回折格子、裏に
１次元の位相部からなる回折格子を設けた３方向回折格
子の斜視図である。

【図１２】回折格子（位相部）の周期的構造が３方向に
対して存在する３方向回折格子の平面図である。

【図１３】観察光学系の様々なタイプを示す断面図であ
る。

【図１４】本発明による画像表示装置の構成例を示す図
である。

【図１５】図１４中の位相型回折格子の平面図と断面図
である。

【図１６】実施例１のＸ方向（水平方向）のＭＴＦ曲線
である。

【図１７】実施例１のＹ方向（垂直方向）のＭＴＦ曲線
である。

【図１８】実施例２のＸ方向（水平方向）のＭＴＦ曲線
である。

【図１９】実施例２のＹ方向（垂直方向）のＭＴＦ曲線
である。

【図２０】実施例３のＸ方向（水平方向）のＭＴＦ曲線
である。

【図２１】実施例３のＹ方向（垂直方向）のＭＴＦ曲線
である。

【図２２】実施例４のＸ方向（水平方向）のＭＴＦ曲線
である。

【図２３】実施例４のＹ方向（垂直方向）のＭＴＦ曲線
である。

【図２４】実施例５のＸ方向（水平方向）のＭＴＦ曲線
である。

【図２５】実施例６のＹ方向（垂直方向）のＭＴＦ曲線
である。

【図２６】従来の液晶表示素子と観察者の間に水晶を数
枚重ねて設置した構成の画像表示装置の構成を示す図で
ある。

【符号の説明】

Ｅ…観察者眼球１…画像表示素子２…観察光学系３…位相型回折格子３₁、３₂…１方向回折格子４…射出瞳（アイポイント）５…照明手段（バックライト）１０…光軸１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ…位相部（凸
部）１３ｅ…回折格子（位相部）１４…基材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2H049 AA03 AA13 AA50 AA51 AA60 AA65 AA66 5C058 AA06 BA25 DA15 EA14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ある一定の開口を持った画素が多数２次
元に規則的に配列された画像表示素子と、位相型回折格
子と、観察光学系とを備えた画像表示装置において、前記画像表示素子の表示面から前記位相型回折格子まで
の距離（空気換算長）をＬとし、前記観察光学系の焦点
距離をｆ、拡大率をｍとした場合に、ｆ＞Ｌ≧０．２／ｍ² 〔ｍ〕・・・（１０）の関係を満たすことを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】ある一定の開口を持った画素が多数２次
元に規則的に配列された画像表示素子と、位相型回折格
子と、観察光学系とを備えた画像表示装置において、前記画像表示素子の中心から射出し、前記観察光学系に
入射する光束の前記位相型回折格子上での光束径Ｗに対
して、前記位相型回折格子の格子ピッチＰが、２≦Ｗ／Ｐ≦５０・・・（１１）の条件を満たすことを特徴とする画像表示装置。
【請求項３】ある一定の開口を持った画素が多数２次
元に規則的に配列された画像表示素子と、位相型回折格
子と、観察光学系とを備えた画像表示装置において、前記画像表示素子の表示面から前記位相型回折格子まで
の距離（空気換算長）をＬとし、前記観察光学系の焦点
距離をｆ、拡大率をｍとした場合に、ｆ＞Ｌ≧０．２／ｍ² 〔ｍ〕・・・（１０）の関係を満たし、かつ、前記画像表示素子の中心から射
出し、前記観察光学系に入射する光束の前記位相型回折
格子上での光束径Ｗに対して、前記位相型回折格子の格
子ピッチＰが、２≦Ｗ／Ｐ≦５０・・・（１１）の条件を満たすことを特徴とする画像表示装置。