JP2004029544A - ホログラムコンバイナ光学系及び情報表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】画像表示素子のレイアウトの自由度を高めること、基板の薄さを保ちつつ視野の周辺減光を抑制すること、迷光をカットすることの３要求を同時に満足可能なホログラムコンバイナ光学系を目的とする。
【解決手段】観察眼の光軸に交差するよう配置され、かつその観察眼の瞳位置に入射する外界光を透過すると共に、所定位置に配置された画像表示素子の表示面から導入される表示用光束を内面反射してその内部に表示用光束の光路を形成する基板と、前記基板内の前記表示用光束の光路中に設けられ、かつその表示用光束の波面を変換して前記表示面の虚像をその基板の外界側に形成するホログラム素子とを備え、前記表示面から前記ホログラム素子に至る前記表示用光束の光路中の光学面に対し、その光路中にその表示用光束を結像して前記表示面の中間像を形成する光学的パワーを付与する。
【選択図】 図２
【解決手段】観察眼の光軸に交差するよう配置され、かつその観察眼の瞳位置に入射する外界光を透過すると共に、所定位置に配置された画像表示素子の表示面から導入される表示用光束を内面反射してその内部に表示用光束の光路を形成する基板と、前記基板内の前記表示用光束の光路中に設けられ、かつその表示用光束の波面を変換して前記表示面の虚像をその基板の外界側に形成するホログラム素子とを備え、前記表示面から前記ホログラム素子に至る前記表示用光束の光路中の光学面に対し、その光路中にその表示用光束を結像して前記表示面の中間像を形成する光学的パワーを付与する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アイグラスディスプレイ、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）、ウエラブルパソコンなどの情報表示装置に適用され、画像表示素子が表示する情報を外界光に重畳して観察眼に導くホログラムコンバイナ光学系、及びその情報表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アイグラスディスプレイには、特開２００２−９０６８７号公報などに開示されるように、使用者の眼の前方に配置され、かつ外界光を透過させる平行平板（基板）内にＨＯＥ（ホログラム素子；Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）を形成してなるホログラムコンバイナ光学系、及びＬＣＤなどの画像表示素子が備えられる。
【０００３】
ホログラムコンバイナ光学系の基板は、その外形が眼鏡レンズと似た形状に整えられ、眼鏡レンズと同様に（例えば、テンプル、リム、ブリッジなどで）使用者の頭部に固定される。画像表示素子やそれを駆動する回路等は、観察の邪魔にならない位置（例えば、テンプル、リムなど）に固定される。
画像表示素子から射出した表示用光束は、基板内に導かれ、その基板の内面で複数回反射してからＨＯＥに入射する。ＨＯＥは、表示用光束の波面を変換することで使用者の眼の遠方に画像表示素子の表示面の虚像を形成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このアイグラスディスプレイに対しては、次の（１）〜（３）の各要求が生じている。
（１）画像表示素子のレイアウトの自由度を高めるため、ホログラムコンバイナ光学系の表示用光束の光路を長く採ること。
【０００５】
（２）ホログラムコンバイナ光学系の基板の薄さを保ちつつ、広い視野の周辺減光を抑えること（なお、本明細書でいう視野は、使用者の眼の視野ではなく、ホログラムコンバイナ光学系の形成する視野、つまり、使用者からみた虚像の張る角度範囲を指す。）。
（３）迷光となりうる余分な光をカットするため、ホログラムコンバイナ光学系内の何れかの箇所に開口絞りを設けること。
【０００６】
なお、要求（１）を満たすためには、ホログラムコンバイナ光学系の結像倍率（虚像の結像倍率）を大きくすることが考えられる。しかし、その場合、基板を厚くしない限り視野周辺に対応する光線を十分に基板内に収めることができないので、要求（２）を満たすことが不可能となる。
また、要求（３）については、従来はホログラムコンバイナ光学系の迷光の影響については何ら考慮されておらず、したがって、ホログラムコンバイナ光学系内部には開口絞りを配置できるような面（観察眼の瞳と共役な面）を有しない構成となっている。
【０００７】
しかし、仮に、要求（１）（２）と共にこの要求（３）が満たされるならば、ホログラムコンバイナ光学系の性能を大幅に高められるので好ましい。
そこで、本発明は、画像表示素子のレイアウトの自由度を高めること、基板の薄さを保ちつつ視野の周辺減光を抑制すること、迷光をカットすることの３要求を同時に満足可能なホログラムコンバイナ光学系を提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明は、高性能を確保しつつデザイン性を高めることの可能な情報表示装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のホログラムコンバイナ光学系は、観察眼の光軸に交差するよう配置され、かつその観察眼の瞳位置に入射する外界光を透過すると共に、所定位置に配置された画像表示素子の表示面から導入される表示用光束を内面反射してその内部に表示用光束の光路を形成する基板と、前記基板内の前記表示用光束の光路中に設けられ、かつその表示用光束の波面を変換して前記表示面の虚像をその基板の外界側に形成するホログラム素子とを備え、前記表示面から前記ホログラム素子に至る前記表示用光束の光路中の光学面は、その光路中にその表示用光束を結像して前記表示面の中間像を形成する光学的パワーを有していることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載のホログラムコンバイナ光学系は、請求項１に記載のホログラムコンバイナ光学系において、前記表示面と前記基板との間の前記表示用光束の光路に、前記表示用光束に対し光学的パワーを有する補正用光学系が挿入されることを特徴とする。
請求項３に記載のホログラムコンバイナ光学系は、請求項１又は請求項２の何れか一項に記載のホログラムコンバイナ光学系において、前記中間像は、前記表示面の縮小像であることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載のホログラムコンバイナ光学系は、請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のホログラムコンバイナ光学系において、前記ホログラム素子の光学的パワーは、前記表示面から前記ホログラム素子に至る前記表示用光束の光路中に前記観察眼の瞳を投影するよう設定されていることを特徴とする。
請求項５に記載のホログラムコンバイナ光学系は、請求項４に記載のホログラムコンバイナ光学系において、前記瞳の投影位置に、絞りを有していることを特徴とする。
【００１２】
請求項６に記載のホログラムコンバイナ光学系は、請求項１〜請求項５の何れか一項に記載のホログラムコンバイナ光学系において、前記ホログラム素子は、視野中心に対応する前記表示用光束の主光線の入射角度が２０°〜４０°、かつその入射角度と反射角度との差の絶対値が３°以下となるよう設定されることを特徴とする。
【００１３】
請求項７に記載のホログラムコンバイナ光学系は、請求項１〜請求項５の何れか一項に記載のホログラムコンバイナ光学系において、前記基板内における前記ホログラム素子の形成面は、前記表示用光束に対し正の光学的パワーを有した凹面であることを特徴とする。
請求項８に記載のホログラムコンバイナ光学系は、請求項７に記載のホログラムコンバイナ光学系において、前記ホログラム素子は、視野の各位置に対応する前記表示用光束の各主光線の入射角度と反射角度との差の絶対値が５°以下となるよう設定されることを特徴とする。
【００１４】
請求項９に記載の情報表示装置は、画像を表示する画像表示素子と、請求項１〜請求項８の何れか一項に記載のホログラムコンバイナ光学系と、前記画像表示素子及び前記ホログラムコンバイナ光学系を、前記観察眼に対し固定する支持手段とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図１、図２、図３、図４、図５を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１６】
本実施形態では、本発明のホログラムコンバイナ光学系を搭載した本発明の情報表示装置（一例としてアイグラスディスプレイ）について説明する。
図１は、本実施形態のアイグラスディスプレイの外観図であり、図２は、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１の構成及び光路を示す図である。なお、ホログラムコンバイナ光学系１は、ＹＺ平面（後述する座標系を参照。）に関し対称な形状をしている。
【００１７】
図１に示すように、アイグラスディスプレイは、眼鏡と似た外観をしている。すなわち、眼鏡のフレーム（例えば、リム１６ＲＲ，１６ＲＬ、ブリッジ１６Ｂ、テンプル１６ＴＬ、１６ＴＲからなる。）と同様のフレーム（請求項における支持手段に対応。）１６に対し、一方の眼鏡レンズの代わりに、眼鏡レンズと略同様の外形をした基板１５、及び光源ユニット３が固定されている（なお、他方の眼鏡レンズの代わりには、例えば、外界光を透過する平行平板などが固定される。）。
【００１８】
図２中点線で示したように、ホログラムコンバイナ光学系１は、この基板１５と、光源ユニット３内に配置された補正用光学系１８とからなる。そして、この基板１５内に、ＨＯＥ１７が設けられる（なお、補正用光学系１８については、結像性能より軽量化を重視する場合、省略可能である。）。
【００１９】
光源ユニット３内には、補正用光学系１８の他、透過型ＬＣＤなどからなり静止画像及び／又は動画像を表示する画像表示素子２０、それを駆動する回路などが配置されている。図２において、符号Ｄで示すのは、画像表示素子２０の表示面である。
また、画像表示素子２０が自発光式でないときには、光源ユニット３には画像表示素子２０を照明する照明光学系も備わる。
【００２０】
以下、ホログラムコンバイナ光学系１は左眼用であり、その基板１５が左眼用の眼鏡レンズと同様、使用者の左眼の前方に配置されるとし、以下では、遠方を見ている状態の左眼の瞳Ｐの中心に原点を有したＸＹＺ直交座標系を定義する。図示したように、この座標の＋Ｚ方向は使用者の前方であり、＋Ｙ方向は使用者の左方であり、＋Ｘ方向は使用者の下方である。
【００２１】
ホログラムコンバイナ光学系１の基板１５は、外界光を使用者の左眼の瞳Ｐに略歪み無く導くために、ＸＹ平面と平行に配置された透過性の硝子やプラスチックなどの平行平板からなる。
基板１５内において、ＨＯＥ１７は、Ｚ軸上に使用者の左眼に対向するよう配置される。但し、＋Ｙ方向から入射する表示用光束を−Ｚの方向に反射するべく、Ｘ軸に平行な軸の周りに傾斜している。
【００２２】
因みに、基板１５に対するこのＨＯＥ１７の形成は、例えば、ＨＯＥ１７を配置すべき面に沿って基板１５の原型を一旦２要素に切断し、２要素の切断部にＨＯＥ１７を挟み込んでからその２要素を接着剤（その屈折率は基板１５と実質的に同じである。）で接合すればよい。
また、ＨＯＥ１７は、反射型ホログラム素子であり、例えば体積型ホログラム素子である。ＨＯＥ１７のホログラムパターンは、入射した表示用光束の波面の形状を変換し、それを平行光束に近づけるよう設定されている。
【００２３】
光源ユニット３は、表示用光束を−Ｚの方向から基板１５の−Ｚ側の面１５ａの＋Ｙ寄りの領域に入射するよう、フレーム１６に（例えば、フレーム１６のテンプル１６ＴＬに）固定される。
ここで、ＨＯＥ１７の波長選択性（回折効率のピーク波長）とこの光源ユニット３の画像表示素子２０の光源波長とは互いに最適化されており、ＨＯＥ１７は、表示用光束に作用し、外界光にはほとんど作用しない。
【００２４】
そして、ホログラムコンバイナ光学系１の各光学面（基板１５及び補正用光学系１８の各光学面）の配置及び形状は、光源ユニット３内の画像表示素子２０の表示面Ｄの配置位置や配置角度が考慮された上で最適化される。
その結果、表示面Ｄから射出した表示用光束は、光源ユニット３内の補正用光学系１８を介して基板１５の面１５ａの＋Ｙ寄りの領域に入射した後、その基板１５の面１５ｃにて反射し、その後面１５ａ及びその対向面１５ｂにおける反射を繰り返しつつＹＺ平面内を這うようにして基板１５内を進行し、その後ＨＯＥ１７に入射して平行光束に近づけられ、−Ｚの方向に進み使用者の左眼の瞳Ｐに入射する。つまり、基板１５の外界側に、表示面Ｄの虚像が形成される。
【００２５】
なお、面１５ｃは、補正用光学系１８から入射した表示用光束を適切な角度で面１５ａに入射させるため、Ｘ軸と平行な軸の周りに傾斜した反射面である。
ここで、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１は、さらに以下の特徴を有する。
先ず、表示面ＤとＨＯＥ１７との間の光学面の表示用光束に対する光学的パワー（所謂屈折力、焦点距離の逆数である。）は、その光路中の所定位置（以下、面１５ｂのうち最後に表示用光束を反射する箇所とする。）に表示面Ｄの中間像Ｄ’が形成されるよう設定される（請求項１に対応）。なお、中間像Ｄ’の形成位置は、基板１５内であることが好ましい。
【００２６】
図２に示すように基板１５外に補正用光学系１８が備えられる場合、その補正用光学系１８の光学的パワーの設定（面１８ａ、１８ｂの形状及び配置、補正用光学系１８の材料等）によりこれが実現できる。
【００２７】
また、補正用光学系１８が備えられない場合には、基板１５の少なくとも一部（例えば面１５ａのうち表示用光束の入射する領域や、面１５ｃ）を曲面とし、その曲面の光学的パワーの設定により実現できる。
因みに、基板１５の外部に配置される補正用光学系１８は設計の自由度が高いので、補正用光学系１８を設けた方が、光学的パワーの設定をする上で有利である（請求項２に対応）。
【００２８】
光学的パワーをこのように設定した結果、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１では、図２に示すように、表示用光束の光路長、特に、基板１５内におけるＨＯＥ１７までの距離を長くすることができる。
そして、ホログラムコンバイナ光学系１の基板１５と表示面Ｄとの間の光路配置については、図２に示すものの他、例えば、図３に示すように折り曲げることも可能である。図３に示すホログラムコンバイナ光学系１’の補正用光学系１８’は、補正用光学系１８と同じ２つの面１８ａ、１８ｂの他、光路を折り曲げるための反射面１８ｃを有している（なお、図３に示す光線は、表示面Ｄの中心から射出した表示用光束の概略である。）。
【００２９】
また、折り曲げる方向についても、補正用光学系１８’の設計次第で、ＹＺ平面内に限らず３次元の各種の方向に設定することができる。
以上、基板１５内におけるＨＯＥ１７までの光路長を長くすることにより、アイグラスディスプレイにおける画像表示素子２０のレイアウトの自由度は高まる。
次に、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１では、上記した光学的パワー（表示面ＤとＨＯＥ１７との間の光学面の光学的パワー）は、中間像Ｄ’が表示面Ｄの縮小像となるよう設定されている（請求項３に対応）。
【００３０】
仮に、中間像Ｄ’が拡大像だと、基板１５の厚さ（面１５ａと面１５ｂとの間隔）を拡げない限り、表示面Ｄの各位置から射出する必要な表示用光束の全部を基板１５内を進行させることができなくなる。特に、視野周辺に対応する光束の一部（すなわち、表示面Ｄの周辺部から射出する光束の一部）について、基板１５内を進行するスペースが足りなくなる。
【００３１】
本実施形態のように中間像Ｄ’が縮小像であれば、基板１５の厚さ（面１５ａと面１５ｂとの間隔）を特に拡げなくとも、必要な光線が十分にＨＯＥ１７に導びかれるので、視野の周辺減光が抑制される。
しかも、その中間像Ｄ’が十分に小さい縮小像となるよう前記光学的パワーが設定されれば、基板１５のさらなる薄化、或いは、視野角の拡大までもが可能となる。
【００３２】
次に、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１では、ＨＯＥ１７の光学的パワーは、そのＨＯＥ１７と表示面Ｄとの間に観察眼の瞳Ｐを投影するよう設定され（請求項４に対応）、その瞳Ｐの投影位置（ＨＯＥ１７に関する瞳Ｐの共役位置）Ｐ’に、絞り１９が配置される（請求項５に対応）。
この絞り１９によれば、必要な表示用光束以外の光（迷光となりうる光）は、ホログラムコンバイナ光学系１内でカットされる。
【００３３】
なお、絞り１９については、特に配置しなくとも、投影位置Ｐ’を特定の光学面（補正用光学系１８の面１８ａなど）に一致させると共に、その光学面の有効径の大きさ及び形状を最適化することで、絞りの機能を付加できる。
図４は、観察眼の瞳Ｐを以上のように的確な位置に投影するために、ＨＯＥ１７（ＨＯＥ１７の光学的パワー）が満たすべき条件を説明する図である。
【００３４】
図４に示すように、ＨＯＥ１７の前側（瞳Ｐ側）焦点距離をｆ、後側（表示面Ｄ側）焦点距離をｆ’、瞳ＰからＨＯＥ１７までの距離をｄ、ＨＯＥ１７から表示面Ｄまでの距離をＬとおく。また、瞳ＰからＨＯＥ１７の前側焦点面までの距離をｘ、ＨＯＥ１７の後側焦点面からＨＯＥ１７による瞳Ｐの投影位置Ｐ’までの距離をｘ’とおく。このとき、ニュートンの結像公式より、式（１）が成立する。また、ｄ＝ｘ＋ｆである。
【数１】
ここで、投影位置Ｐ’の位置がＨＯＥ１７と表示面Ｄとの間となるためには、（ｆ’＋ｘ）がＬよりも小さくなければならない。よって、ＨＯＥ１７が満たすべき条件式は、式（２）である。
【数２】
式（１）、及び（ｄ＝ｘ＋ｆ）より、式（２）は、式（３）に変形される。
【数３】
つまり、ＨＯＥ１７の光学的パワー（前側焦点距離ｆ、後側焦点距離ｆ’）は、瞳ＰからＨＯＥ１７までの距離ｄ、ＨＯＥ１７から表示面Ｄまでの距離Ｌに対し、式（３）を満たす必要がある（以上、条件の説明。）。
なお、ここでは、説明を簡単にするため、各媒質（空気、基板１５）の屈折率については言及せず、各式中の距離を幾何学的距離であるかのごとく説明したが、実際には、幾何学的距離とその媒質の屈折率の双方を考慮した光学的距離とする必要がある。
【００３５】
次に、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１においては、虚像の形成前に中間像Ｄ’を形成するため、ＨＯＥ１７に割り振られる光学的パワーを大きくせざるを得ない。
仮に、画像表示素子２０の表示する画像がカラー画像であるときには、表示用光束として各種（例えばＲ、Ｇ、Ｂに対応する３種）の波長の光を使用しなければならないので、そのＨＯＥ１７は色収差を発生し易くなる。
【００３６】
そこで、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１におけるＨＯＥ１７の配置角度、及びホログラムパターンは、視野中心に対応する表示用光束の主光線の入射角度が２０°〜４０°、その入射角度と反射角度との差の絶対値が３°以下となるよう設定されることが望ましい（請求項６に対応）。
仮に、その入射角度が２０°よりも小さいと、基板１５内を伝搬した各表示用光束を瞳Ｐに導くことが困難であり、入射角度が４０°よりも大きいとＨＯＥ１７に必要な領域（有効径）が大きくなって基板１５を厚くする必要が生じてしまう。
【００３７】
また、色収差の発生をさらに確実に抑えるためには、ＨＯＥ１７の形成面１７ａを、表示用光束に対し正の光学的パワーを有した凹面とすればよい（図２中下部参照）（請求項７に対応）。
凹面上にホログラムパターンを形成してなるＨＯＥ１７は、その凹面が光学的パワーを有している分だけホログラムパターンに割り振られる光学的パワーが小さくなるので、色収差は、凹面でない場合よりも小さく抑えられる。
【００３８】
なお、凹面としたときには、その凹面の形状、配置角度、及び、ＨＯＥ１７のホログラムパターンは、視野の各位置に対応する表示用光束の各主光線の入射角度と反射角度との差の絶対値が５°以下となるよう設定される。これにより、色収差は十分に抑えられる（請求項８に対応）。
以上、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１においては、画像表示素子２０のレイアウトの自由度を高めること、基板１５の薄さを保ちつつ視野の周辺減光を抑制すること、迷光をカットすることの３要求が同時に満たされる。
【００３９】
また、このホログラムコンバイナ光学系１を適用したことにより、本実施形態のアイグラスディスプレイは、高性能を確保しつつそのデザイン性を高めることが可能になる。
なお、本実施形態では、ホログラムコンバイナ光学系１の基板１５の面１５ａと面１５ｂとが共に平面である例を示したが、一方又は双方を曲面としてもよい。
【００４０】
（視力矯正機能について）
また、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１に、視力矯正機能を付加してもよい。例えば、基板１５の面１５ａ、１５ｂの一方又は双方の曲面形状を最適化することで、それを実現できる。なお、ホログラムコンバイナ光学系１について小型化よりも性能を重視する場合は、次のようにして実現するとよい。
【００４１】
図５は、ホログラムコンバイナ光学系１に視力矯正機能を付加するための構成（性能を重視した場合の構成）を説明する図である。
例えば、図５（ａ）に示すように、基板１５の＋Ｚ側に第１屈折レンズ１９ｆ、基板１５の−Ｚ側に第２屈折レンズを配置する。
基板１５の両面１５ａ、１５ｂは平面であり、第１屈折レンズ１９ｆは平凸レンズ、第２屈折レンズ１９ｒは平凹レンズである。
【００４２】
これら第２屈折レンズ１９ｒ、第１屈折レンズ１９ｆは、基板１５に対し若干の間隙（空気間隙、所謂エアギャップ）を置いて配置される。
そして、第２屈折レンズ１９ｒ、基板１５、第１屈折レンズ１９ｆからなる光学系の面１９ｒａ，１９ｒｂ，１９ｆａ，１９ｆｂの形状、及び面１９ｒａ，１９ｒｂ，１５ａ，１５ｂ，１９ｆａ，１９ｆｂの配置関係は、その全体に使用者の左眼の視力に応じた光学的パワーが付与され、かつ、十分に収差補正されるよう、最適化されている。
【００４３】
また、基板１５の面１５ａ、１５ｂの双方が曲面であるとき、図５（ｂ）に示す構成により視力矯正機能を付加してもよい。
図５（ｂ）に示したのは、基板１５’の−Ｚ側の面１５ａ’が凹面、その反対側の面１５ｂ’が面１５ａ’と同じ形状の凸面となった構成である。
それに伴い、第２屈折レンズ１９ｒ’をメニスカスレンズとし、特に、その基板１５’側の面１９ｒｂ’は面１５ａ’に沿う曲面（面１５ａ’と同じ形状）にする。
【００４４】
また、第１屈折レンズ１９ｆ’もメニスカスレンズとし、特に、その基板１５’側の面１９ｆｂ’は面１５ｂ’に沿う曲面（面１５ｂ’と同じ形状）にする。
また、図５（ｃ）に示すように、第１屈折レンズ１９ｆの面１９ｆａの一部に、異なる曲率の凸面２３を設けてもよい。
このような面１９ｆａは、一般の二重焦点眼鏡（老眼鏡の一種である。）の外側の面と同様の作用を有する。
【００４５】
なお、面１９ｆａについては、使用者の眼の特性に応じてさらに別の形状にしてもよい。
例えば、面１９ｆａを、球面でなく非球面にしてもよい。例えば、アナモルフィック面とすることで、乱視用眼鏡の機能や、累進焦点眼鏡の機能を付加することができる。
【００４６】
（その他）
なお、図１では、アイグラスディスプレイのフレーム１６が、リム１６ＲＬ、１６ＲＲ、テンプル１６ＴＬ、１６ＴＲ、ブリッジ１６Ｂの組み合わせからなるが、本発明の支持手段は、これに限定されない。例えば、リムレスタイプ（リム１６ＲＬ、１６ＲＲを省略したもの）にすることもできる。
【００４７】
また、本実施形態では、片方の眼にしか情報を呈示しないアイグラスディスプレイを説明したが、両方の眼に情報を呈示するものにも、本発明は適用可能である。
また、本実施形態では、アイグラスディスプレイを説明したが、ＨＭＤ、ウエアラブルパソコンなどにも本発明は適用し得る。
【００４８】
【実施例】
次に、本発明の実施例を説明する。
本実施例は、上記実施形態のホログラムコンバイナ光学系１、特に、ＨＯＥ１７の形成面１７ａに曲率を持たせたものの具体例である。
表１、表２、表３、表４、表５、表６、表７、表８は、本実施例のホログラムコンバイナ光学系１のレンズデータである。
【００４９】
なお、各表中の数値の単位は、個別の指定のないものは、長さは［ｍｍ］、角度は［°］である。
また、各表中、「仕様」以外のデータの光線追跡の方向は、瞳Ｐから表示面Ｄの方向とした。また、各面番号に対応する括弧内の符号は、図中各面に付与した符号である。
【００５０】
表１は、仕様、使用材料、各面の形状及び材料を示す表である。
表２は、第３面（ＨＯＥ１７）の諸値を示す表である。
表３は、各面の位置と傾きを示す表である。
表４、表５、表６、表７、表８は、第３面（ＨＯＥ１７）の入反射特性を示す表である。各表中、ｗ１〜ｗ３は、各使用波長（計算波長）を示す。
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
【表７】
【表８】
なお、ＨＯＥのホログラムパターンを示す位相関数は、ＸＹ平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、使用波長で規格化して表すものであり、式（４）で表される。
【数４】
この位相関数の係数は、６５個あって、順にＣ１，Ｃ２，・・・，Ｃ６５とおき、係数の順番を整数ｊ（ｊ＝１，２，・・・，６５）で表すと（整数ｊと整数ｍ，ｎとの関係は式（５）である。）、式（６）で表される。
【数５】
【数６】
よって、表中の位相係数Ｃ１，Ｃ２，・・・，Ｃ６５により規定されるＨＯＥの位相関数は、式（６）のとおりである。
【００５１】
図６、図７は、本実施例のホログラムコンバイナ光学系の収差図（横収差図）である。
各図において、Ｙ−ＦＡＮは、Ｙ方向の収差、Ｘ−ＦＡＮは、Ｘ方向の収差である。
図６は、上から順に、画角（０°，６．６６°）、（０°，３．３３°）、（０°，０．００°）、（０°，−３．３３°）、（０°，−６．６６°）における収差を示し、図７は、上から順に、画角（−５°，６．６６°）、（−５°，３．３３°）、（−５°，０．００°）、（−５°，−３．３３°）、（−５°，−６．６６°）における収差を示す。
【００５２】
以上、本実施例のホログラムコンバイナ光学系は、表示面Ｄから基板１５までのＺ方向の距離が約３３ｍｍあり、視野角が１３°以上あり（射出瞳径が３ｍｍ程度に大きく）、基板厚さが３．４ｍｍと薄いにも拘わらず周辺減光や迷光が抑えられ、収差補正が十分になされた。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、画像表示素子のレイアウトの自由度を高めること、基板の薄さを保ちつつ視野の周辺減光を抑制すること、迷光をカットすることの３要求を同時に満足可能なホログラムコンバイナ光学系が実現する。
【００５４】
また、本発明によれば、高性能を確保しつつデザイン性を高めることの可能な情報表示装置が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のアイグラスディスプレイの外観図である。
【図２】本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１の構成及び光路を示す図である。
【図３】本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１において光路を折り曲げた変形例を示す図である。
【図４】観察眼の瞳Ｐを的確な位置に投影するために、ＨＯＥ１７（ＨＯＥ１７の光学的パワー、つまりその焦点距離）が満たすべき条件を説明する図である。
【図５】ホログラムコンバイナ光学系１に視力矯正機能を付加するための構成を説明する図である。
【図６】本実施例のホログラムコンバイナ光学系の収差図（横収差図）である（画角（０°，６．６６°）、（０°，３．３３°）、（０°，０．００°）、（０°，−３．３３°）、（０°，−６．６６°）における収差）。
【図７】本実施例のホログラムコンバイナ光学系の収差図（横収差図）である（画角（−５°，６．６６°）、（−５°，３．３３°）、（−５°，０．００°）、（−５°，−３．３３°）、（−５°，−６．６６°）における収差）。
【符号の説明】
１，１’ ホログラムコンバイナ光学系
３ 光源ユニット
１５ 基板
１７ ＨＯＥ（ホログラム素子）
１７ａ ＨＯＥの形成面（曲面とした場合）
１６ フレーム
１６ＲＬ，１６ＲＲ リム
１６Ｂ ブリッジ
１６ＴＬ，１６ＴＲ テンプル
１８ 補正用光学系
１９ 絞り
２０ 画像表示素子
Ｄ 表示面
Ｄ’ 中間像
Ｐ 瞳
【発明の属する技術分野】
本発明は、アイグラスディスプレイ、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）、ウエラブルパソコンなどの情報表示装置に適用され、画像表示素子が表示する情報を外界光に重畳して観察眼に導くホログラムコンバイナ光学系、及びその情報表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アイグラスディスプレイには、特開２００２−９０６８７号公報などに開示されるように、使用者の眼の前方に配置され、かつ外界光を透過させる平行平板（基板）内にＨＯＥ（ホログラム素子；Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）を形成してなるホログラムコンバイナ光学系、及びＬＣＤなどの画像表示素子が備えられる。
【０００３】
ホログラムコンバイナ光学系の基板は、その外形が眼鏡レンズと似た形状に整えられ、眼鏡レンズと同様に（例えば、テンプル、リム、ブリッジなどで）使用者の頭部に固定される。画像表示素子やそれを駆動する回路等は、観察の邪魔にならない位置（例えば、テンプル、リムなど）に固定される。
画像表示素子から射出した表示用光束は、基板内に導かれ、その基板の内面で複数回反射してからＨＯＥに入射する。ＨＯＥは、表示用光束の波面を変換することで使用者の眼の遠方に画像表示素子の表示面の虚像を形成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このアイグラスディスプレイに対しては、次の（１）〜（３）の各要求が生じている。
（１）画像表示素子のレイアウトの自由度を高めるため、ホログラムコンバイナ光学系の表示用光束の光路を長く採ること。
【０００５】
（２）ホログラムコンバイナ光学系の基板の薄さを保ちつつ、広い視野の周辺減光を抑えること（なお、本明細書でいう視野は、使用者の眼の視野ではなく、ホログラムコンバイナ光学系の形成する視野、つまり、使用者からみた虚像の張る角度範囲を指す。）。
（３）迷光となりうる余分な光をカットするため、ホログラムコンバイナ光学系内の何れかの箇所に開口絞りを設けること。
【０００６】
なお、要求（１）を満たすためには、ホログラムコンバイナ光学系の結像倍率（虚像の結像倍率）を大きくすることが考えられる。しかし、その場合、基板を厚くしない限り視野周辺に対応する光線を十分に基板内に収めることができないので、要求（２）を満たすことが不可能となる。
また、要求（３）については、従来はホログラムコンバイナ光学系の迷光の影響については何ら考慮されておらず、したがって、ホログラムコンバイナ光学系内部には開口絞りを配置できるような面（観察眼の瞳と共役な面）を有しない構成となっている。
【０００７】
しかし、仮に、要求（１）（２）と共にこの要求（３）が満たされるならば、ホログラムコンバイナ光学系の性能を大幅に高められるので好ましい。
そこで、本発明は、画像表示素子のレイアウトの自由度を高めること、基板の薄さを保ちつつ視野の周辺減光を抑制すること、迷光をカットすることの３要求を同時に満足可能なホログラムコンバイナ光学系を提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明は、高性能を確保しつつデザイン性を高めることの可能な情報表示装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のホログラムコンバイナ光学系は、観察眼の光軸に交差するよう配置され、かつその観察眼の瞳位置に入射する外界光を透過すると共に、所定位置に配置された画像表示素子の表示面から導入される表示用光束を内面反射してその内部に表示用光束の光路を形成する基板と、前記基板内の前記表示用光束の光路中に設けられ、かつその表示用光束の波面を変換して前記表示面の虚像をその基板の外界側に形成するホログラム素子とを備え、前記表示面から前記ホログラム素子に至る前記表示用光束の光路中の光学面は、その光路中にその表示用光束を結像して前記表示面の中間像を形成する光学的パワーを有していることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載のホログラムコンバイナ光学系は、請求項１に記載のホログラムコンバイナ光学系において、前記表示面と前記基板との間の前記表示用光束の光路に、前記表示用光束に対し光学的パワーを有する補正用光学系が挿入されることを特徴とする。
請求項３に記載のホログラムコンバイナ光学系は、請求項１又は請求項２の何れか一項に記載のホログラムコンバイナ光学系において、前記中間像は、前記表示面の縮小像であることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載のホログラムコンバイナ光学系は、請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のホログラムコンバイナ光学系において、前記ホログラム素子の光学的パワーは、前記表示面から前記ホログラム素子に至る前記表示用光束の光路中に前記観察眼の瞳を投影するよう設定されていることを特徴とする。
請求項５に記載のホログラムコンバイナ光学系は、請求項４に記載のホログラムコンバイナ光学系において、前記瞳の投影位置に、絞りを有していることを特徴とする。
【００１２】
請求項６に記載のホログラムコンバイナ光学系は、請求項１〜請求項５の何れか一項に記載のホログラムコンバイナ光学系において、前記ホログラム素子は、視野中心に対応する前記表示用光束の主光線の入射角度が２０°〜４０°、かつその入射角度と反射角度との差の絶対値が３°以下となるよう設定されることを特徴とする。
【００１３】
請求項７に記載のホログラムコンバイナ光学系は、請求項１〜請求項５の何れか一項に記載のホログラムコンバイナ光学系において、前記基板内における前記ホログラム素子の形成面は、前記表示用光束に対し正の光学的パワーを有した凹面であることを特徴とする。
請求項８に記載のホログラムコンバイナ光学系は、請求項７に記載のホログラムコンバイナ光学系において、前記ホログラム素子は、視野の各位置に対応する前記表示用光束の各主光線の入射角度と反射角度との差の絶対値が５°以下となるよう設定されることを特徴とする。
【００１４】
請求項９に記載の情報表示装置は、画像を表示する画像表示素子と、請求項１〜請求項８の何れか一項に記載のホログラムコンバイナ光学系と、前記画像表示素子及び前記ホログラムコンバイナ光学系を、前記観察眼に対し固定する支持手段とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図１、図２、図３、図４、図５を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１６】
本実施形態では、本発明のホログラムコンバイナ光学系を搭載した本発明の情報表示装置（一例としてアイグラスディスプレイ）について説明する。
図１は、本実施形態のアイグラスディスプレイの外観図であり、図２は、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１の構成及び光路を示す図である。なお、ホログラムコンバイナ光学系１は、ＹＺ平面（後述する座標系を参照。）に関し対称な形状をしている。
【００１７】
図１に示すように、アイグラスディスプレイは、眼鏡と似た外観をしている。すなわち、眼鏡のフレーム（例えば、リム１６ＲＲ，１６ＲＬ、ブリッジ１６Ｂ、テンプル１６ＴＬ、１６ＴＲからなる。）と同様のフレーム（請求項における支持手段に対応。）１６に対し、一方の眼鏡レンズの代わりに、眼鏡レンズと略同様の外形をした基板１５、及び光源ユニット３が固定されている（なお、他方の眼鏡レンズの代わりには、例えば、外界光を透過する平行平板などが固定される。）。
【００１８】
図２中点線で示したように、ホログラムコンバイナ光学系１は、この基板１５と、光源ユニット３内に配置された補正用光学系１８とからなる。そして、この基板１５内に、ＨＯＥ１７が設けられる（なお、補正用光学系１８については、結像性能より軽量化を重視する場合、省略可能である。）。
【００１９】
光源ユニット３内には、補正用光学系１８の他、透過型ＬＣＤなどからなり静止画像及び／又は動画像を表示する画像表示素子２０、それを駆動する回路などが配置されている。図２において、符号Ｄで示すのは、画像表示素子２０の表示面である。
また、画像表示素子２０が自発光式でないときには、光源ユニット３には画像表示素子２０を照明する照明光学系も備わる。
【００２０】
以下、ホログラムコンバイナ光学系１は左眼用であり、その基板１５が左眼用の眼鏡レンズと同様、使用者の左眼の前方に配置されるとし、以下では、遠方を見ている状態の左眼の瞳Ｐの中心に原点を有したＸＹＺ直交座標系を定義する。図示したように、この座標の＋Ｚ方向は使用者の前方であり、＋Ｙ方向は使用者の左方であり、＋Ｘ方向は使用者の下方である。
【００２１】
ホログラムコンバイナ光学系１の基板１５は、外界光を使用者の左眼の瞳Ｐに略歪み無く導くために、ＸＹ平面と平行に配置された透過性の硝子やプラスチックなどの平行平板からなる。
基板１５内において、ＨＯＥ１７は、Ｚ軸上に使用者の左眼に対向するよう配置される。但し、＋Ｙ方向から入射する表示用光束を−Ｚの方向に反射するべく、Ｘ軸に平行な軸の周りに傾斜している。
【００２２】
因みに、基板１５に対するこのＨＯＥ１７の形成は、例えば、ＨＯＥ１７を配置すべき面に沿って基板１５の原型を一旦２要素に切断し、２要素の切断部にＨＯＥ１７を挟み込んでからその２要素を接着剤（その屈折率は基板１５と実質的に同じである。）で接合すればよい。
また、ＨＯＥ１７は、反射型ホログラム素子であり、例えば体積型ホログラム素子である。ＨＯＥ１７のホログラムパターンは、入射した表示用光束の波面の形状を変換し、それを平行光束に近づけるよう設定されている。
【００２３】
光源ユニット３は、表示用光束を−Ｚの方向から基板１５の−Ｚ側の面１５ａの＋Ｙ寄りの領域に入射するよう、フレーム１６に（例えば、フレーム１６のテンプル１６ＴＬに）固定される。
ここで、ＨＯＥ１７の波長選択性（回折効率のピーク波長）とこの光源ユニット３の画像表示素子２０の光源波長とは互いに最適化されており、ＨＯＥ１７は、表示用光束に作用し、外界光にはほとんど作用しない。
【００２４】
そして、ホログラムコンバイナ光学系１の各光学面（基板１５及び補正用光学系１８の各光学面）の配置及び形状は、光源ユニット３内の画像表示素子２０の表示面Ｄの配置位置や配置角度が考慮された上で最適化される。
その結果、表示面Ｄから射出した表示用光束は、光源ユニット３内の補正用光学系１８を介して基板１５の面１５ａの＋Ｙ寄りの領域に入射した後、その基板１５の面１５ｃにて反射し、その後面１５ａ及びその対向面１５ｂにおける反射を繰り返しつつＹＺ平面内を這うようにして基板１５内を進行し、その後ＨＯＥ１７に入射して平行光束に近づけられ、−Ｚの方向に進み使用者の左眼の瞳Ｐに入射する。つまり、基板１５の外界側に、表示面Ｄの虚像が形成される。
【００２５】
なお、面１５ｃは、補正用光学系１８から入射した表示用光束を適切な角度で面１５ａに入射させるため、Ｘ軸と平行な軸の周りに傾斜した反射面である。
ここで、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１は、さらに以下の特徴を有する。
先ず、表示面ＤとＨＯＥ１７との間の光学面の表示用光束に対する光学的パワー（所謂屈折力、焦点距離の逆数である。）は、その光路中の所定位置（以下、面１５ｂのうち最後に表示用光束を反射する箇所とする。）に表示面Ｄの中間像Ｄ’が形成されるよう設定される（請求項１に対応）。なお、中間像Ｄ’の形成位置は、基板１５内であることが好ましい。
【００２６】
図２に示すように基板１５外に補正用光学系１８が備えられる場合、その補正用光学系１８の光学的パワーの設定（面１８ａ、１８ｂの形状及び配置、補正用光学系１８の材料等）によりこれが実現できる。
【００２７】
また、補正用光学系１８が備えられない場合には、基板１５の少なくとも一部（例えば面１５ａのうち表示用光束の入射する領域や、面１５ｃ）を曲面とし、その曲面の光学的パワーの設定により実現できる。
因みに、基板１５の外部に配置される補正用光学系１８は設計の自由度が高いので、補正用光学系１８を設けた方が、光学的パワーの設定をする上で有利である（請求項２に対応）。
【００２８】
光学的パワーをこのように設定した結果、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１では、図２に示すように、表示用光束の光路長、特に、基板１５内におけるＨＯＥ１７までの距離を長くすることができる。
そして、ホログラムコンバイナ光学系１の基板１５と表示面Ｄとの間の光路配置については、図２に示すものの他、例えば、図３に示すように折り曲げることも可能である。図３に示すホログラムコンバイナ光学系１’の補正用光学系１８’は、補正用光学系１８と同じ２つの面１８ａ、１８ｂの他、光路を折り曲げるための反射面１８ｃを有している（なお、図３に示す光線は、表示面Ｄの中心から射出した表示用光束の概略である。）。
【００２９】
また、折り曲げる方向についても、補正用光学系１８’の設計次第で、ＹＺ平面内に限らず３次元の各種の方向に設定することができる。
以上、基板１５内におけるＨＯＥ１７までの光路長を長くすることにより、アイグラスディスプレイにおける画像表示素子２０のレイアウトの自由度は高まる。
次に、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１では、上記した光学的パワー（表示面ＤとＨＯＥ１７との間の光学面の光学的パワー）は、中間像Ｄ’が表示面Ｄの縮小像となるよう設定されている（請求項３に対応）。
【００３０】
仮に、中間像Ｄ’が拡大像だと、基板１５の厚さ（面１５ａと面１５ｂとの間隔）を拡げない限り、表示面Ｄの各位置から射出する必要な表示用光束の全部を基板１５内を進行させることができなくなる。特に、視野周辺に対応する光束の一部（すなわち、表示面Ｄの周辺部から射出する光束の一部）について、基板１５内を進行するスペースが足りなくなる。
【００３１】
本実施形態のように中間像Ｄ’が縮小像であれば、基板１５の厚さ（面１５ａと面１５ｂとの間隔）を特に拡げなくとも、必要な光線が十分にＨＯＥ１７に導びかれるので、視野の周辺減光が抑制される。
しかも、その中間像Ｄ’が十分に小さい縮小像となるよう前記光学的パワーが設定されれば、基板１５のさらなる薄化、或いは、視野角の拡大までもが可能となる。
【００３２】
次に、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１では、ＨＯＥ１７の光学的パワーは、そのＨＯＥ１７と表示面Ｄとの間に観察眼の瞳Ｐを投影するよう設定され（請求項４に対応）、その瞳Ｐの投影位置（ＨＯＥ１７に関する瞳Ｐの共役位置）Ｐ’に、絞り１９が配置される（請求項５に対応）。
この絞り１９によれば、必要な表示用光束以外の光（迷光となりうる光）は、ホログラムコンバイナ光学系１内でカットされる。
【００３３】
なお、絞り１９については、特に配置しなくとも、投影位置Ｐ’を特定の光学面（補正用光学系１８の面１８ａなど）に一致させると共に、その光学面の有効径の大きさ及び形状を最適化することで、絞りの機能を付加できる。
図４は、観察眼の瞳Ｐを以上のように的確な位置に投影するために、ＨＯＥ１７（ＨＯＥ１７の光学的パワー）が満たすべき条件を説明する図である。
【００３４】
図４に示すように、ＨＯＥ１７の前側（瞳Ｐ側）焦点距離をｆ、後側（表示面Ｄ側）焦点距離をｆ’、瞳ＰからＨＯＥ１７までの距離をｄ、ＨＯＥ１７から表示面Ｄまでの距離をＬとおく。また、瞳ＰからＨＯＥ１７の前側焦点面までの距離をｘ、ＨＯＥ１７の後側焦点面からＨＯＥ１７による瞳Ｐの投影位置Ｐ’までの距離をｘ’とおく。このとき、ニュートンの結像公式より、式（１）が成立する。また、ｄ＝ｘ＋ｆである。
【数１】
【数２】
【数３】
なお、ここでは、説明を簡単にするため、各媒質（空気、基板１５）の屈折率については言及せず、各式中の距離を幾何学的距離であるかのごとく説明したが、実際には、幾何学的距離とその媒質の屈折率の双方を考慮した光学的距離とする必要がある。
【００３５】
次に、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１においては、虚像の形成前に中間像Ｄ’を形成するため、ＨＯＥ１７に割り振られる光学的パワーを大きくせざるを得ない。
仮に、画像表示素子２０の表示する画像がカラー画像であるときには、表示用光束として各種（例えばＲ、Ｇ、Ｂに対応する３種）の波長の光を使用しなければならないので、そのＨＯＥ１７は色収差を発生し易くなる。
【００３６】
そこで、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１におけるＨＯＥ１７の配置角度、及びホログラムパターンは、視野中心に対応する表示用光束の主光線の入射角度が２０°〜４０°、その入射角度と反射角度との差の絶対値が３°以下となるよう設定されることが望ましい（請求項６に対応）。
仮に、その入射角度が２０°よりも小さいと、基板１５内を伝搬した各表示用光束を瞳Ｐに導くことが困難であり、入射角度が４０°よりも大きいとＨＯＥ１７に必要な領域（有効径）が大きくなって基板１５を厚くする必要が生じてしまう。
【００３７】
また、色収差の発生をさらに確実に抑えるためには、ＨＯＥ１７の形成面１７ａを、表示用光束に対し正の光学的パワーを有した凹面とすればよい（図２中下部参照）（請求項７に対応）。
凹面上にホログラムパターンを形成してなるＨＯＥ１７は、その凹面が光学的パワーを有している分だけホログラムパターンに割り振られる光学的パワーが小さくなるので、色収差は、凹面でない場合よりも小さく抑えられる。
【００３８】
なお、凹面としたときには、その凹面の形状、配置角度、及び、ＨＯＥ１７のホログラムパターンは、視野の各位置に対応する表示用光束の各主光線の入射角度と反射角度との差の絶対値が５°以下となるよう設定される。これにより、色収差は十分に抑えられる（請求項８に対応）。
以上、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１においては、画像表示素子２０のレイアウトの自由度を高めること、基板１５の薄さを保ちつつ視野の周辺減光を抑制すること、迷光をカットすることの３要求が同時に満たされる。
【００３９】
また、このホログラムコンバイナ光学系１を適用したことにより、本実施形態のアイグラスディスプレイは、高性能を確保しつつそのデザイン性を高めることが可能になる。
なお、本実施形態では、ホログラムコンバイナ光学系１の基板１５の面１５ａと面１５ｂとが共に平面である例を示したが、一方又は双方を曲面としてもよい。
【００４０】
（視力矯正機能について）
また、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１に、視力矯正機能を付加してもよい。例えば、基板１５の面１５ａ、１５ｂの一方又は双方の曲面形状を最適化することで、それを実現できる。なお、ホログラムコンバイナ光学系１について小型化よりも性能を重視する場合は、次のようにして実現するとよい。
【００４１】
図５は、ホログラムコンバイナ光学系１に視力矯正機能を付加するための構成（性能を重視した場合の構成）を説明する図である。
例えば、図５（ａ）に示すように、基板１５の＋Ｚ側に第１屈折レンズ１９ｆ、基板１５の−Ｚ側に第２屈折レンズを配置する。
基板１５の両面１５ａ、１５ｂは平面であり、第１屈折レンズ１９ｆは平凸レンズ、第２屈折レンズ１９ｒは平凹レンズである。
【００４２】
これら第２屈折レンズ１９ｒ、第１屈折レンズ１９ｆは、基板１５に対し若干の間隙（空気間隙、所謂エアギャップ）を置いて配置される。
そして、第２屈折レンズ１９ｒ、基板１５、第１屈折レンズ１９ｆからなる光学系の面１９ｒａ，１９ｒｂ，１９ｆａ，１９ｆｂの形状、及び面１９ｒａ，１９ｒｂ，１５ａ，１５ｂ，１９ｆａ，１９ｆｂの配置関係は、その全体に使用者の左眼の視力に応じた光学的パワーが付与され、かつ、十分に収差補正されるよう、最適化されている。
【００４３】
また、基板１５の面１５ａ、１５ｂの双方が曲面であるとき、図５（ｂ）に示す構成により視力矯正機能を付加してもよい。
図５（ｂ）に示したのは、基板１５’の−Ｚ側の面１５ａ’が凹面、その反対側の面１５ｂ’が面１５ａ’と同じ形状の凸面となった構成である。
それに伴い、第２屈折レンズ１９ｒ’をメニスカスレンズとし、特に、その基板１５’側の面１９ｒｂ’は面１５ａ’に沿う曲面（面１５ａ’と同じ形状）にする。
【００４４】
また、第１屈折レンズ１９ｆ’もメニスカスレンズとし、特に、その基板１５’側の面１９ｆｂ’は面１５ｂ’に沿う曲面（面１５ｂ’と同じ形状）にする。
また、図５（ｃ）に示すように、第１屈折レンズ１９ｆの面１９ｆａの一部に、異なる曲率の凸面２３を設けてもよい。
このような面１９ｆａは、一般の二重焦点眼鏡（老眼鏡の一種である。）の外側の面と同様の作用を有する。
【００４５】
なお、面１９ｆａについては、使用者の眼の特性に応じてさらに別の形状にしてもよい。
例えば、面１９ｆａを、球面でなく非球面にしてもよい。例えば、アナモルフィック面とすることで、乱視用眼鏡の機能や、累進焦点眼鏡の機能を付加することができる。
【００４６】
（その他）
なお、図１では、アイグラスディスプレイのフレーム１６が、リム１６ＲＬ、１６ＲＲ、テンプル１６ＴＬ、１６ＴＲ、ブリッジ１６Ｂの組み合わせからなるが、本発明の支持手段は、これに限定されない。例えば、リムレスタイプ（リム１６ＲＬ、１６ＲＲを省略したもの）にすることもできる。
【００４７】
また、本実施形態では、片方の眼にしか情報を呈示しないアイグラスディスプレイを説明したが、両方の眼に情報を呈示するものにも、本発明は適用可能である。
また、本実施形態では、アイグラスディスプレイを説明したが、ＨＭＤ、ウエアラブルパソコンなどにも本発明は適用し得る。
【００４８】
【実施例】
次に、本発明の実施例を説明する。
本実施例は、上記実施形態のホログラムコンバイナ光学系１、特に、ＨＯＥ１７の形成面１７ａに曲率を持たせたものの具体例である。
表１、表２、表３、表４、表５、表６、表７、表８は、本実施例のホログラムコンバイナ光学系１のレンズデータである。
【００４９】
なお、各表中の数値の単位は、個別の指定のないものは、長さは［ｍｍ］、角度は［°］である。
また、各表中、「仕様」以外のデータの光線追跡の方向は、瞳Ｐから表示面Ｄの方向とした。また、各面番号に対応する括弧内の符号は、図中各面に付与した符号である。
【００５０】
表１は、仕様、使用材料、各面の形状及び材料を示す表である。
表２は、第３面（ＨＯＥ１７）の諸値を示す表である。
表３は、各面の位置と傾きを示す表である。
表４、表５、表６、表７、表８は、第３面（ＨＯＥ１７）の入反射特性を示す表である。各表中、ｗ１〜ｗ３は、各使用波長（計算波長）を示す。
【表１】
【数４】
【数５】
【００５１】
図６、図７は、本実施例のホログラムコンバイナ光学系の収差図（横収差図）である。
各図において、Ｙ−ＦＡＮは、Ｙ方向の収差、Ｘ−ＦＡＮは、Ｘ方向の収差である。
図６は、上から順に、画角（０°，６．６６°）、（０°，３．３３°）、（０°，０．００°）、（０°，−３．３３°）、（０°，−６．６６°）における収差を示し、図７は、上から順に、画角（−５°，６．６６°）、（−５°，３．３３°）、（−５°，０．００°）、（−５°，−３．３３°）、（−５°，−６．６６°）における収差を示す。
【００５２】
以上、本実施例のホログラムコンバイナ光学系は、表示面Ｄから基板１５までのＺ方向の距離が約３３ｍｍあり、視野角が１３°以上あり（射出瞳径が３ｍｍ程度に大きく）、基板厚さが３．４ｍｍと薄いにも拘わらず周辺減光や迷光が抑えられ、収差補正が十分になされた。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、画像表示素子のレイアウトの自由度を高めること、基板の薄さを保ちつつ視野の周辺減光を抑制すること、迷光をカットすることの３要求を同時に満足可能なホログラムコンバイナ光学系が実現する。
【００５４】
また、本発明によれば、高性能を確保しつつデザイン性を高めることの可能な情報表示装置が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のアイグラスディスプレイの外観図である。
【図２】本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１の構成及び光路を示す図である。
【図３】本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１において光路を折り曲げた変形例を示す図である。
【図４】観察眼の瞳Ｐを的確な位置に投影するために、ＨＯＥ１７（ＨＯＥ１７の光学的パワー、つまりその焦点距離）が満たすべき条件を説明する図である。
【図５】ホログラムコンバイナ光学系１に視力矯正機能を付加するための構成を説明する図である。
【図６】本実施例のホログラムコンバイナ光学系の収差図（横収差図）である（画角（０°，６．６６°）、（０°，３．３３°）、（０°，０．００°）、（０°，−３．３３°）、（０°，−６．６６°）における収差）。
【図７】本実施例のホログラムコンバイナ光学系の収差図（横収差図）である（画角（−５°，６．６６°）、（−５°，３．３３°）、（−５°，０．００°）、（−５°，−３．３３°）、（−５°，−６．６６°）における収差）。
【符号の説明】
１，１’ ホログラムコンバイナ光学系
３ 光源ユニット
１５ 基板
１７ ＨＯＥ（ホログラム素子）
１７ａ ＨＯＥの形成面（曲面とした場合）
１６ フレーム
１６ＲＬ，１６ＲＲ リム
１６Ｂ ブリッジ
１６ＴＬ，１６ＴＲ テンプル
１８ 補正用光学系
１９ 絞り
２０ 画像表示素子
Ｄ 表示面
Ｄ’ 中間像
Ｐ 瞳
Claims (9)
- 観察眼の光軸に交差するよう配置され、かつその観察眼の瞳位置に入射する外界光を透過すると共に、所定位置に配置された画像表示素子の表示面から導入される表示用光束を内面反射してその内部に表示用光束の光路を形成する基板と、
前記基板内の前記表示用光束の光路中に設けられ、かつその表示用光束の波面を変換して前記表示面の虚像をその基板の外界側に形成するホログラム素子とを備え、
前記表示面から前記ホログラム素子に至る前記表示用光束の光路中の光学面は、その光路中にその表示用光束を結像して前記表示面の中間像を形成する光学的パワーを有している
ことを特徴とするホログラムコンバイナ光学系。 - 請求項１に記載のホログラムコンバイナ光学系において、
前記表示面と前記基板との間の前記表示用光束の光路に、前記表示用光束に対し光学的パワーを有する補正用光学系が挿入される
ことを特徴とするホログラムコンバイナ光学系。 - 請求項１又は請求項２の何れか一項に記載のホログラムコンバイナ光学系において、
前記中間像は、前記表示面の縮小像である
ことを特徴とするホログラムコンバイナ光学系。 - 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のホログラムコンバイナ光学系において、
前記ホログラム素子の光学的パワーは、前記表示面から前記ホログラム素子に至る前記表示用光束の光路中に前記観察眼の瞳を投影するよう設定されている
ことを特徴とするホログラムコンバイナ光学系。 - 請求項４に記載のホログラムコンバイナ光学系において、
前記瞳の投影位置に、絞りを有している
ことを特徴とするホログラムコンバイナ光学系。 - 請求項１〜請求項５の何れか一項に記載のホログラムコンバイナ光学系において、
前記ホログラム素子は、
視野中心に対応する前記表示用光束の主光線の入射角度が２０°〜４０°、かつその入射角度と反射角度との差の絶対値が３°以下となるよう設定される
ことを特徴とするホログラムコンバイナ光学系。 - 請求項１〜請求項５の何れか一項に記載のホログラムコンバイナ光学系において、
前記基板内における前記ホログラム素子の形成面は、前記表示用光束に対し正の光学的パワーを有した凹面である
ことを特徴とするホログラムコンバイナ光学系。 - 請求項７に記載のホログラムコンバイナ光学系において、
前記ホログラム素子は、
視野の各位置に対応する前記表示用光束の各主光線の入射角度と反射角度との差の絶対値が５°以下となるよう設定される
ことを特徴とするホログラムコンバイナ光学系。 - 画像を表示する画像表示素子と、
請求項１〜請求項８の何れか一項に記載のホログラムコンバイナ光学系と、
前記画像表示素子及び前記ホログラムコンバイナ光学系を、前記観察眼に対し固定する支持手段と
を備えたことを特徴とする情報表示装置。
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