JP6477051B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像表示装置に関するものである。

近年、ヘッドマウントディスプレイ等の装着型表示装置が注目されている。このようなヘッドマウントディスプレイにおいては、観察者の瞳に入射する際の画像光に含まれる光束の径、すなわち射出瞳が観察者の瞳径より小さい場合、観察者の瞳位置が射出瞳からずれないよう位置調整する必要が生じ、非常に使い勝手が悪くなってしまう。そこで、光学素子を用いて、画像光が形成する射出瞳を拡大する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。このように画像光が形成する射出瞳を拡大する機能のことを、以下、瞳拡大機能と称する。

特開平０７−１３４２６６号公報

ところで、ヘッドマウントディスプレイにおいてはさらなる高画角化（広角化）が要求されている。ヘッドマウントディスプレイの広角化を実現するには、レンズや凹面鏡等の光学系を用いることで画像光の画角を大きくする必要がある。
しかしながら、画像光の画角を大きくすると射出瞳の大きさが小さくなってしまう。このように画角拡大と瞳拡大とは相反する関係が成立していた。そこで、瞳拡大機能と画角拡大機能とを両立できる、新たな技術の提供が望まれている。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、瞳拡大機能と画角拡大機能とを両立できる、画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明の第１態様に従えば、第１の画像光を射出する画像生成部と、前記画像生成部からの前記第１の画像光に含まれる光束の径を拡大して第２の画像光とする瞳拡大素子と、前記第２の画像光を集光して中間像を形成する第１の集光光学系と、前記中間像からの光を集光して観察者の眼に虚像を生成する第２の集光光学系と、を備え、少なくとも前記画像生成部と前記瞳拡大素子と前記観察者の眼とを含む面内において、前記第１の画像光の最大射出角度は、前記虚像の最大画角よりも小さく、前記第２の画像光に含まれる光束の径は、前記虚像に含まれる光束の径よりも大きい画像表示装置が提供される。

観察者の瞳に入射する際の虚像に含まれる光束の径、すなわち射出瞳と画角の大きさとの間には、虚像の画角を拡げると射出瞳の大きさが縮小するといった関係が成立している。
第１態様に係る画像表示装置によれば、第２の画像光に含まれる光束の径が射出瞳よりも大きくなっているので、虚像の画角を拡げたことによる縮小分が考慮されて虚像に含まれる光束（射出瞳）大きさが設定されたものとなっている。そのため、虚像の画角を拡げることで虚像に含まれる光束の径が縮小されたとしても、射出瞳として所定サイズのものを得ることができる。よって、瞳拡大機能と画角拡大機能とを両立した画像表示装置を提供できる。

上記第１態様において、前記第１の画像光の最大射出角度に対する前記虚像の最大画角で規定される角倍率は、１以上２．５以下である構成としてもよい。このとき、前記角倍率は、１．１以上１．７以下であるのがより望ましい。
この構成によれば、角倍率が必要以上に大きくなることで瞳拡大素子や第１の集光光学系の大型化が防止されるので、画像表示装置自体を小型化することができる。

上記第１態様において、前記第１の集光光学系の実質的な焦点距離を前記第２の集光光学系の実質的な焦点距離で割った角倍率は、１以上２．５以下である構成としてもよい。前記角倍率は、１．１以上１．７以下であるのがより望ましい。
この構成によれば、角倍率が必要以上に大きくなることで瞳拡大素子や第１の集光光学系の大型化が防止されるので、画像表示装置自体を小型化することができる。

上記第１態様において、前記瞳拡大素子は、前記第２の画像光に含まれる光束の径が、前記虚像に含まれる光束の径に前記角倍率を乗じた大きさ以上となるように拡大率を設定している構成としてもよい。
この構成によれば、高画角化によって縮小される分を考慮して第２の画像光の大きさが設定されるので、所定の射出瞳より画像光を大きくすることができる。

上記第１態様において、前記画像生成部は、光源部から射出された光を走査して前記第１の画像光とする光走査デバイスである構成としてもよい。
このようにすれば、光走査デバイスにより画像光を形成する方式において、瞳拡大機能と画角拡大機能とを両立することで小型化および高画角化を実現した画像表示装置が提供される。

上記第１態様において、前記画像生成部は、電気光学装置と、コリメートレンズとを有する構成としてもよい。
この構成によれば、電気光学装置により画像光を形成する方式において、瞳拡大機能と画角拡大機能とを両立することで小型化および高画角化を実現した画像表示装置が提供される。

上記第１態様において、前記瞳拡大素子は、複数の導光材がハーフミラー層を介して接合された光学素子である構成としてもよい。
この構成によれば、簡便且つ確実に画像光を拡大することができる。

上記第１態様において、前記瞳拡大素子は、回折素子を含む光学素子である構成としてもよい。
この構成によれば、簡便且つ確実に画像光を拡大することができる。

上記第１態様において、前記第１の集光光学系は、少なくとも正のパワーと負のパワーとを含む光学系であり、全体として正のパワーを有する構成としてもよい。
この構成によれば、画像光の中間像を良好に形成することができる。

上記第１態様において、前記第２の集光光学系は、少なくとも前記画像生成部と前記瞳拡大素子と前記観察者の眼とを含む面内において、正のパワーを有する凹面鏡である構成としてもよい。
この構成によれば、中間像からの光をほぼ平行光に戻して観察者の眼の瞳孔近傍に射出瞳を形成することができる。よって、遠方に所定の画角の虚像を生成することができる。

上記第１態様において、前記第２の集光光学系は、少なくとも前記画像生成部と前記瞳拡大素子と前記観察者の眼とを含む面内において、正のパワーを有する反射型ホログラムである構成としてもよい。
ホログラムは入射角と反射角とを異ならせることが可能であるため、反射された光束の断面を拡大する瞳拡大効果を得ることができる。よって、ホログラムによる瞳拡大効果の分だけ、第２の画像光に含まれる光束の径を小さくすることができる。これにより、第２の画像光に含まれる光束の径が小さくなった分だけ、瞳拡大素子および第１の光学系を小型化できるので、装置全体を小型化できる。
また、例えば、第２の画像光に含まれる光束径の大きさとしてもとの大きさを確保すれば、角倍率を大きくしてもホログラムの瞳拡大効果によって十分な大きさの虚像に含まれる光束を得ることができる。よって、よって、高画角化を図ることができる。
あるいは、第２の画像光に含まれる光束の大きさ及び角倍率を変化させなければ、ホログラムの瞳拡大効果の分だけより虚像に含まれる光束をより大きくできるので、多様な眼の大きさの人々に対して見易さを向上させることができる。

本実施形態のＨＭＤを装着した状態を示す図。 本実施形態のＨＭＤの斜視図。 表示装置の各部の構成を示す平面図。 瞳拡大機能を説明するための図である。 瞳拡大素子の概略構成を示す断面図。 画角拡大機能を説明するための図。 第２実施形態のＨＭＤにおける瞳拡大機能を説明するための図。 変形例に係る画像生成部の構成を示す図。 変形例に係る瞳拡大素子の構成を示す図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
本実施形態の画像表示装置は、使用者が頭に装着して使用するヘッドマウントディスプレイの一例である。
以下の説明では、ヘッドマウントディスプレイ（Head Mounted Display）を、ＨＭＤと略記する。
図１は、使用者が本実施形態のＨＭＤを装着した状態を示す図である。
図２は、本実施形態のＨＭＤの斜視図である。

図１に示すように、本実施形態のＨＭＤ３００は、使用者が眼鏡を掛ける感覚で頭部に装着して使用するものである。本実施形態のＨＭＤ３００は、シースルー型（透過型）のＨＭＤである。本実施形態のＨＭＤ３００によれば、使用者は画像表示部により生成された画像を視認でき、かつ、ＨＭＤ３００の外部の景色等の外界の像も視認できる。

図２に示すように、ＨＭＤ３００は、眼鏡に類似した形状を有する表示装置１００と、使用者が手で持つことが可能な程度の大きさを有する制御装置（コントローラー）２００と、を備えている。表示装置１００と制御装置２００とは、有線または無線で通信可能に接続される。本実施形態では、表示装置１００を構成する左眼用画像表示部１１０Ａおよび右眼用画像表示部１１０Ｂの各々と制御装置２００とは、ケーブル１５０を介して有線で通信可能に接続され、画像信号や制御信号を通信する。

表示装置１００は、メインフレーム（装置本体）１２０と、左眼用画像表示部１１０Ａと、右眼用画像表示部１１０Ｂと、を備えている。制御装置２００は、表示部２１０と、操作ボタン部２５０と、を備えている。表示部２１０は、例えば使用者に与える各種の情報や指示等を表示する。メインフレーム１２０は、使用者が耳に掛けるための一対のテンプル部１２２Ａ，１２２Ｂを備えている。メインフレーム１２０は、左眼用画像表示部１１０Ａと、右眼用画像表示部１１０Ｂと、を支持する部材である。

図３は、表示装置１００の各部の構成を示す平面図である。さらに、図３では、表示装置１００を装着する使用者を頭上から見た状態を図示している。
右眼用画像表示部１１０Ｂと左眼用画像表示部１１０Ａとは、同様の構成を有しており、双方の画像表示部内の各構成要素は左右対称に配置されている。そのため、以下では、右眼用画像表示部１１０Ｂを単に画像表示部１１０として詳細に説明し、左眼用画像表示部１１０Ａの説明を省略する。

図３に示すように、画像表示部１１０は、画像生成部１１と、瞳拡大素子１２と、第１の集光光学系１３と、第２の集光光学系１４と、を備えている。画像生成部１１は、画像情報を含む光を射出する。瞳拡大素子１２は、後述する光走査デバイス１７から射出された光のビーム径を拡大する。

画像生成部１１は、光源光学系１５と、ミラー１６と、光走査デバイス１７と、を備えている。光源光学系１５は、内部の半導体レーザーで生成された光を射出する。ミラー１６は、光源光学系１５から射出された光を反射し、光の光路を折り返す。光走査デバイス１７は、ミラー１６で反射した光を走査する。

光源光学系１５は、光源部２５と、ピックアップレンズ２６と、光ファイバー２７と、コリメーターレンズ２８と、を備えている。光源部２５は、例えば赤色光を射出する半導体レーザー、緑色光を射出する半導体レーザー、および青色光を射出する半導体レーザーを含む複数の固体光源（図示略）を備えている。各半導体レーザーから射出される各色光は、画像信号に応じて変調され、変調された各色光が合成され、画像光として光源部２５から射出される。ピックアップレンズ２６は、光源部２５から射出した光を後段の光ファイバー２７に伝達する。光ファイバー２７は、光源部２５からピックアップレンズ２６を経て入射した光を後段の光学系に導く。コリメーターレンズ２８は、光ファイバー２７から入射した光を平行化する。

光源光学系１５から射出された光は、ミラー１６で反射することで光路が折り返され、光走査デバイス１７に導かれる。光走査デバイス１７は、例えばＭＥＭＳミラー（図示略）を備えている。光走査デバイス１７は、光源光学系１５の変調動作に合わせてＭＥＭＳミラーの姿勢を変化させ、光を２次元的に走査する。このようにして、光走査デバイス１７は、画像情報を含む画像光を射出する。

ところで、近年、ヘッドマウントディスプレイにおいては、より画角を拡大した広画角化が要求されている。また、ヘッドマウントディスプレイは観察者の頭部に装着した状態で使用されるため、さらなる小型化が要求されている。

本実施形態のＨＭＤ３００では、ＭＥＭＳミラーを備えた光走査デバイス１７を用いて画像光を生成することで装置構成の小型化を図っている。ＭＥＭＳミラーの性能はミラーの直径とミラーの振り角とで決まり、ミラーの直径を大きくすると振り角が減少するといったトレードオフの関係にある。一方、高解像度化を実現するためにミラー直径を小さくし過ぎると、回折現象により解像感が低下してしまうため、むやみにミラー直径を小さくして振り角を大きくすることはできない。一般に、ミラーの直径及びミラーの振り角のバランスが取れた設計値は、ミラー直径が１ｍｍ、振り角が光線角度の半画角で１０度程度である。

本実施形態の光走査デバイス１７は、直径１ｍｍ、振り角が半画角で１０度のＭＥＭＳミラーを採用している。
一般に、観察者の眼の瞳の瞳孔の大きさや、眼球の動き、眼幅の個人差などを考慮すると射出瞳の大きさは６〜８ｍｍ程度必要と考えられる。

本実施形態のＨＭＤ３００では、ＭＥＭＳミラーの直径が１ｍｍであるから、ＭＥＭＳミラーからの光を瞳拡大素子１２により６ｍｍ以上まで拡大している。

ここで、ヘッドマウントディスプレイにおいて、ＭＥＭＳミラーの半画角１０度の場合、２．５ｍ先で約４０インチ、アスペクト１６：９相当の虚像サイズに相当する。したがって、さらなる画角が広い高画角化を実現するには光学系により画角を増加（拡げる）必要がある。しかしながら、画角と射出瞳の大きさとには相反する関係があり、例えば、画角を拡げると射出瞳の大きさが小さくなってしまう。

これに対し、本実施形態のＨＭＤ３００は、後述の構成を採用することで瞳拡大機能と画角拡大機能とを両立可能としている。

ここで、本実施形態のＨＭＤ３００における瞳拡大機能について説明する。以下では、メインフレーム１２０（すなわち、画像生成部１１および瞳拡大素子１２）と観察者Ｍの眼を含む面内（図３に示す面内）における瞳拡大機能について説明する。

図４は瞳拡大機能を説明するための図である。なお、図４には画像（虚像）の中央の光束のみを図示している。また、図４において、第１の集光光学系１３は図を見易くするため、１枚のレンズとして図示している。
ここで、図４において、ＭＥＭＳミラー１８の光射出部（画像光が射出される出口に相当）である第１の画像光Ｈ１の大きさをＲ１、瞳拡大素子１２の光射出部（拡大後の画像光が射出される出口に相当）である第２の画像光Ｈ２の大きさをＲ２、観察者Ｍの瞳に入射する際の画像光に含まれる光束の径、すなわち、射出瞳Ｈの大きさをＲ３とする。

図４に示すように、光源光学系１５から射出された光は、コリメーターレンズ２８により平行化されて平行光となる。平行化された光は、光走査デバイス１７のＭＥＭＳミラー１８により角度が変換されたことで画像光を構成する。ＭＥＭＳミラー１８により角度が変換された画像光は、瞳拡大素子１２に入射する。

図５は瞳拡大素子１２の概略構成を示す断面図である。
図５に示すように、瞳拡大素子１２は、複数の平行平面板（導光体）２４ａと、複数のハーフミラー２４ｂと、を有している。複数の平行平面板２４ａは、ハーフミラー２４ｂを介して接合されている。瞳拡大素子１２は、一対の端面が平行平面板２４ａの厚さ方向に対して傾斜するようにカットされており、該端面がそれぞれ光走査デバイス１７からの画像光を入射させる光入射端面１２ａおよび画像光を拡大して射出される光射出端面１２ｂを構成する。このように、瞳拡大素子１２の水平断面形状は台形となっている。

瞳拡大素子１２においては、光入射端面１２ａから入射した画像光が複数のハーフミラー２４ｂで透過および反射を繰り返した後、光射出端面１２ｂから射出される。光射出端面１２ｂから射出された画像光の幅は、光入射端面１２ａに入射した画像光の幅に対して拡大される。また、光入射端面１２ａへの画像光の入射角度と光射出端面１２ｂからの画像光の射出角度とは一致する。

したがって、例えば光入射端面１２ａに対して垂直に入射した画像光は光射出端面１２ｂから垂直に射出され、光入射端面１２ａに対して所定の入射角度で入射した画像光は、光射出端面１２ｂから入射角度と等しい射出角度で射出される。これにより、図３においては、画像光が瞳拡大素子１２を透過する際、光路は台形の短辺側に曲がっている。

図３に戻って、第１の集光光学系１３は、少なくとも正のパワーと負のパワーとを含む光学系であり、全体として正のパワーを有する。本実施形態において、第１の集光光学系１３は、光入射側から順に、第１レンズ２１と、第２レンズ２２と、第３レンズ２３と、を有している。なお、本実施形態では、第１の集光光学系１３は、第１レンズ２１、第２レンズ２２および第３レンズ２３の３枚のレンズで構成されているが、補正レンズの枚数は特に限定されない。

このような構成に基づき、図４に示すように、第１の集光光学系１３は全体として正のパワーを有するため、瞳拡大素子１２から射出された光を集光して、第２の集光光学系１４の手前に中間像ＧＭを形成する。

第２の集光光学系１４は、中間像からの光を集光して観察者Ｍの眼ＭＥの瞳孔近傍に射出瞳Ｈを形成するとともに、外光の一部を透過させる。第２の集光光学系１４は、少なくともメインフレーム１２０（図３参照）と観察者Ｍの眼ＭＥを含む面内において、正のパワーを有するハーフミラー（凹面鏡）から構成されている。

瞳拡大素子１２により拡大された画像光は、第１の集光光学系１３により集光され、第２の集光光学系１４の手前に中間像ＧＭをつくり、その後、第２の集光光学系１４で反射されることで観察者Ｍの眼ＭＥの瞳孔近傍に射出瞳Ｈを形成する。第２の集光光学系１４は、中間像ＧＭからの光を集光することでほぼ平行光として戻すため、観察者Ｍは遠方に虚像Ｇ１を視認することができる。

続いて、本実施形態のＨＭＤ３００における画角拡大機能について説明する。以下では、メインフレーム１２０と観察者Ｍの眼を含む面内（図３に示す面内）における瞳拡大機能について説明する。

図６は画角拡大機能を説明するための図である。なお、図６には画像（虚像）の中央と両端の中心光線のみを図示している。また、図６において、第１の集光光学系１３は図を見易くするため、１枚のレンズとして図示している。
図６に示すように、ＭＥＭＳミラー１８は回転することで第１の画像光Ｈ１を瞳拡大素子１２に対して±１０度の角度θ_１で入射させる。ここで、瞳拡大素子１２は、第１の画像光Ｈ１の角度変換を行わない。そのため、瞳拡大素子１２における拡大後の第２の画像光Ｈ２の最大出射角度θ_２は、同様に±１０度となる。

本実施形態において、第１の集光光学系１３および第２の集光光学系１４はアフォーカル光学系ＡＦを構成している。アフォーカル光学系ＡＦの角倍率Ｂは、図５に示した第１の集光光学系１３の実質的な焦点距離Ｆ_１を第２の集光光学系１４の焦点距離Ｆ_２で割った値で規定される。あるいは、角倍率Ｂは、図６に示した、第１の画像光Ｈ１の最大出射角度θ_２と虚像Ｇ１の最大画角θ_３との比でも規定可能である。

虚像Ｇ１の最大画角θ_３は、第２の画像光Ｈ２の最大出射角度θ_２に角倍率Ｂを乗じた値となる。そのため、画角拡大機能を得るためには、角倍率Ｂを１よりも大きく設定する必要がある。

本実施形態では、角倍率Ｂの下限値を１．１とした。角倍率Ｂを１．１以上に設定した場合、例えば、４０インチ相当の画角を４４インチ相当程度以上の画角まで拡大することができる。

一方、角倍率Ｂの拡大に伴って第２の画像光Ｈ２の大きさＲ２も拡大する。そのため、角倍率Ｂが必要以上に大きくなると、瞳拡大素子１２も大型化してしまい、瞳拡大素子１２を含む装置全体が大型化するおそれがある。

例えば、角倍率Ｂを３．０倍とした場合において射出瞳Ｈとして６．０ｍｍを確保するには、第２の画像光Ｈ２の大きさＲ２を１８ｍｍにしなければならない。これを実現するには瞳拡大素子１２の瞳拡大率を１８倍とする必要があり、瞳拡大素子１２が非常に大型化してしまう。さらに、第１の集光光学系１３を１８ｍｍよりも大きくする必要が生じ、ＨＭＤ３００が大型化してしまう。
以上のような事情から、装置の小型化した上で画角拡大が可能な角倍率Ｂには上限が存在することになる。

実質的には、第２の画像光Ｈ２（瞳拡大素子１２の出口に相当）の大きさＲ２は１０ｍｍ程度とするのが望ましい。すなわち、第１の画像光Ｈ１（ＭＥＭＳミラー１８の出口に相当）の大きさＲ１が１ｍｍならば、瞳拡大素子１２の瞳拡大率は１０倍となる。

ここで、瞳拡大素子１２は、第２の画像光Ｈ２の大きさＲ２が所定の射出瞳Ｈの大きさ（６ｍｍ）に角倍率Ｂを乗じた大きさ以上となるように瞳拡大率を設定している。
そのため、第２の画像光Ｈ２の大きさＲ２を１０ｍｍ程度とした場合、角倍率Ｂの上限は１．７倍以下に設定すればよい。

なお、装置構成の小型化する上で実質的な第２の画像光Ｈ２の大きさＲ２の上限は１５ｍｍ程度となる。この場合、瞳拡大素子１２の瞳拡大率は１５倍となり、角倍率Ｂの上限は２．５以下に設定すればよい。

このような背景を鑑み、本実施形態では、アフォーカル光学系ＡＦの角倍率Ｂを１以上２．５以下、より望ましくは１．１以上１．７以下となるように設定している。

以下、角倍率を１．５倍に設定した場合を例に挙げて説明する。この場合、虚像Ｇ１の最大画角θ_３は、第２の画像光Ｈ２の最大出射角度θ_２に角倍率Ｂを乗じた±１５度となる。すなわち、画像生成部１１の第１の画像光Ｈ１の最大射出角度θ_２よりも虚像Ｇ１の最大画角θ_３が大きくなる。

すなわち、角倍率Ｂを１．０倍とした場合（最大射出角度θ_２（±１０度）のまま変化しない場合）は、２．５ｍ先で約４０インチ、アスペクト１６：９相当の虚像サイズしか得られなかったものが、角倍率Ｂを１．５倍とすれば、２．５ｍ先で約６０インチ、アスペクト１６：９相当の虚像サイズを得ることができる。

すなわち、本実施形態のＨＭＤ３００によれば、虚像Ｇ１の画角を拡大する画角拡大機能を得ることができる。第２の画像光Ｈ２の大きさＲ２は、角倍率Ｂ（１．５倍）の逆数（１／角倍率Ｂ）の割合で縮小する。そのため、第２の画像光Ｈ２は、観察者Ｍの瞳孔の位置で６．６ｍｍ程度となる。これによれば、実際のアフォーカル光学系ＡＦの収差による影響を考慮したとしても、射出瞳Ｈの大きさＲ３として６ｍｍ程度を確保することができる。

以上述べたように、本実施形態のＨＭＤ３００では、角倍率Ｂが１以上２．５以下（より望ましくは１．１以上１．７以下）に設定されたアフォーカル光学系ＡＦを備えつつ、且つ、第２の画像光Ｈ２の大きさＲ２が射出瞳Ｈの大きさＲ３よりも大きくなるようにしている。具体的に、本実施形態では、第１の画像光Ｈ１の大きさＲ１が１ｍｍ（ＭＥＭＳミラー１８の直径に相当）、第２の画像光Ｈ２の大きさＲ２が１０ｍｍ、射出瞳Ｈの大きさＲ３が６ｍｍ以上となっている。また、第１の画像光Ｈ１の最大出射角度θ_２が±１０度、虚像Ｇ１の最大画角θ_３が±１５度となっている。

本実施形態のＨＭＤ３００によれば、虚像Ｇ１の画角を拡げたことによる縮小分が考慮されて射出瞳Ｈの大きさが設定されたものとなっている。そのため、虚像Ｇ１の画角を拡げることで瞳径が縮小されたとしても、射出瞳Ｈとして所定サイズ（６ｍｍ以上）のものを得ることができる。
また、本実施形態では角倍率Ｂの上限を規定しているため、瞳拡大素子１２が大型化することがなく、装置全体を小型化することができる。
したがって、瞳拡大機能と画角拡大機能とを両立しつつ、小型化が図られたＨＭＤ３００が提供される。

（第２実施形態）
続いて、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態と第１実施形態との違いは第２の集光光学系の構造であり、それ以外の構成は共通であるため、共通の構成については同じ符号を付し、その詳細な説明については省略する。

図７は、本実施形態のＨＭＤ３０１における瞳拡大機能を説明するための図である。なお、図７には画像（虚像）の中央の光束のみを図示している。図７において、第１の集光光学系１３は図を見易くするため、１枚のレンズとして図示している。
本実施形態において、第２の集光光学系１１４は、少なくともメインフレーム１２０（図３参照）と観察者Ｍの眼を含む面内において、正のパワーを有する反射型ホログラムから構成されている。
第２の集光光学系１１４は、体積ホログラムを有し、体積ホログラムパターンの変更により光の入射角と反射角とを任意に調整することができる。

第２の集光光学系１１４は、光の入射角度と反射角度とを異ならせることで、反射された光束の断面を拡大できる。よって、第２の集光光学系１１４は、中間像からの光を反射した際、第１実施形態の第２の集光光学系１４で反射した場合に比べ、第２の画像光Ｈ２を大きくする瞳拡大機能を有している。

本実施形態では、第１実施形態と同じ射出瞳Ｈの大きさＲ３（６ｍｍ）を得る際、ホログラムによる瞳拡大効果の分だけ、第２の画像光Ｈ２の大きさＲ２を８ｍｍ程度と小さくすることができる。これにより、第２の画像光Ｈ２が小さくなった分だけ、瞳拡大素子１２および第１の集光光学系１３を小型化できるので、装置全体を小型化できる。

また、本実施形態によれば、第２の画像光Ｈ２の大きさＲ２としてもとの大きさ（１０ｍｍ）を確保すれば、角倍率Ｂを大きくしたとしてもホログラムの瞳拡大効果によって十分な大きさの射出瞳Ｈを得ることができる。よって、虚像Ｇ１のさらなる高画角化を図ることができる。

あるいは、第２の画像光Ｈ２の大きさＲ２及び角倍率Ｂを変化させなければ、ホログラムの瞳拡大効果の分だけより射出瞳Ｈをより大きくできるので、多様な眼の大きさの人々に対して見易さを向上させることが可能な汎用性に優れたＨＭＤ３０１を提供できる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、画像生成部１１として光走査デバイス１７を用いた場合を例に挙げたが、画像生成部の構成はこれに限定されない。例えば、図８に示すように、画像生成部１１１として、表示パネル（電気光学装置）１１２と、コリメーターレンズ１１３とを有したものを用いても良い。

表示パネル１１２は、バックライト１１２ａと光変調素子１１２ｂとを含む。バックライト１１２ａは、例えば赤色、緑色および青色といった発光色ごとの光源の集合から構成されている。各光源としては、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）やレーザー光源などを用いることができる。光変調素子１１２ｂとしては、例えば、表示素子である液晶表示デバイスなどを用いることができる。なお、表示パネル１１２としては、他にも、有機エレクトロルミネッセンス装置（有機ＥＬ装置）等を採用することもできる。

コリメーターレンズ１１３は、例えば、入力される画像光を投射する投射レンズの群から構成され、表示パネル１１２の光変調素子から射出された第１の画像光Ｌを投射して、平行な状態の光束にする。コリメーターレンズ１１３を介した第１の画像光Ｌは、異なる角度成分を含んでいる。

また、上記実施形態では、瞳拡大素子１２として複数の平行平面板２４ａと複数のハーフミラー２４ｂとが積層された構造を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。例えば、複数の回折素子を含む光学素子を用いて瞳拡大素子を形成するようにしても良い。

例えば、図９に示すように、第１光学素子２１３および第２光学素子２１４を含む瞳拡大素子２１２を用いても良い。
第１光学素子２１３は、光入射面側２１３ａ側に配置された入射側回折部（回折素子）２１５と、光出射面側２１３ｂ側に配置された出射側回折部（回折素子）２１６と、を含む。入射側回折部２１５および出射側回折部２１６は、複数の直線状の格子が配列されることで構成される格子パターン２１５ａ、２１６ａを有している。
第２光学素子２１４は、光入射面側２１４ａ側に配置された入射側回折部２１７と、光出射面側２１４ｂ側に配置された出射側回折部２１８と、を含む。入射側回折部２１７および出射側回折部２１８は、複数の直線状の格子が配列されることで構成される格子パターン２１７ａ、２１８ａを有している。

図９に示すように、第１光学素子２１３に入射した光Ｌ１の光束は、入射側回折部２１５で回折されることで３つに増加し、出射側回折部２１６から射出されて第２光学素子２１４に入射する。第２光学素子２１４に入射した各光Ｌ１の光束は、同様に、入射側回折部２１７で回折されることで３つに増加し、出射側回折部２１８から射出される。このように瞳拡大素子２１２によれば、光を繰り返し回折させることで光の断面積を拡大して第２の画像光を生成可能である。

例えば、上記実施形態では、メインフレーム１２０（図３参照）と観察者Ｍの眼を含む面内において、瞳拡大機能および画角拡大機能を両立させる場合を説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、メインフレーム１２０と観察者Ｍの眼を含む面と直交する面（図３の紙面に垂直な面）内において瞳拡大機能および画角拡大機能を両立させる場合にも適用可能である。

Ｍ…観察者、ＭＥ…眼、Ｇ１…虚像、Ｈ…射出瞳、Ｈ１…第１の画像光、Ｈ２…第２の画像光、Ｌ…第１の画像光、Ｂ…角倍率、ＭＧ…中間像、Ｆ_１，Ｆ_２…焦点距離、１１，１１１…画像生成部、１２，２１２…瞳拡大素子、１３…第１の集光光学系、１４，１１４…第２の集光光学系、１７…光走査デバイス、２４ａ…平行平板（導光材）、２４ｂ…ハーフミラー（ハーフミラー層）、２５…光源部、１１２…表示パネル（電気光学装置）、１１３…コリメーターレンズ、１２０…メインフレーム（装置本体）、２１３…第１光学素子、２１４…第２光学素子、２１５，２１７…入射側回折部（回折素子）、２１６，２１８…出射側回折部（回折素子）、３００…ＨＭＤ（画像表示装置）。

Claims (12)

1. 第１の画像光を射出する画像生成部と、
   前記画像生成部からの前記第１の画像光に含まれる光束の径を拡大して第２の画像光とする瞳拡大素子と、
   前記第２の画像光を集光して中間像を形成する第１の集光光学系と、
   前記中間像からの光を集光して観察者の眼に虚像を生成する第２の集光光学系と、を備え、
   少なくとも前記画像生成部と前記瞳拡大素子と前記観察者の眼とを含む面内において、
   前記第１の画像光の最大射出角度は、前記虚像の最大画角よりも小さく、
   前記第２の画像光に含まれる光束の径は、前記虚像に含まれる光束の径よりも大きい
   ことを特徴とする画像表示装置。
2. 前記第１の画像光の最大射出角度に対する前記虚像の最大画角で規定される角倍率は、１以上２．５以下である
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記第１の集光光学系の実質的な焦点距離を前記第２の集光光学系の実質的な焦点距離で割った角倍率は、１以上２．５以下である
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
4. 前記角倍率は、１．１以上１．７以下である
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の画像表示装置。
5. 前記瞳拡大素子は、前記第２の画像光に含まれる光束の径が、前記虚像に含まれる光束の径に前記角倍率を乗じた大きさ以上となるように拡大率を設定している
   ことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の画像表示装置。
6. 前記画像生成部は、光源部から射出された光を走査して前記第１の画像光とする光走査デバイスである
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の画像表示装置。
7. 前記画像生成部は、電気光学装置と、コリメートレンズとを有する
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の画像表示装置。
8. 前記瞳拡大素子は、複数の導光材がハーフミラー層を介して接合された光学素子である
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の画像表示装置。
9. 前記瞳拡大素子は、回折素子を含む光学素子である
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の画像表示装置。
10. 前記第１の集光光学系は、少なくとも正のパワーと負のパワーとを含む光学系であり、全体として正のパワーを有する
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の画像表示装置。
11. 前記第２の集光光学系は、少なくとも前記画像生成部と前記瞳拡大素子と前記観察者の眼とを含む面内において、正のパワーを有する凹面鏡である
    ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の画像表示装置。
12. 前記第２の集光光学系は、少なくとも前記画像生成部と前記瞳拡大素子と前記観察者の眼とを含む面内において、正のパワーを有する反射型ホログラムである
    ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の画像表示装置。

Images