JPH08184779A

JPH08184779A - 眼球投影型映像表示装置

Info

Publication number: JPH08184779A
Application number: JP32753694A
Authority: JP
Inventors: Seiichiro Tabata; 誠一郎田端
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1994-12-28
Publication date: 1996-07-16

Abstract

(57)【要約】【目的】コンパクトな光学系を使用しながら収差の発生
が少なく、大きな射出瞳系を持ちながら色ずれのおこら
ない頭部装着型映像表示装置等の眼球投影型映像表示装
置の提供。【構成】液晶表示装置２とその表示映像を使用者の網膜
上に投影する接眼レンズ３とを有する眼球投影型映像表
示装置であって、接眼レンズ３と接眼レンズ３により形
成される射出瞳６の間の光路中に第一のホログラム素子
１７と第２のホログラム素子１８が設けられ、映像の各
波長に対する第二のホログラム素子１８による回折角を
第一のホログラム素子１７による回折角と略一致するよ
うに第一のホログラム素子１７と第２のホログラム素子
１８を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、使用者の眼球内に虚像
として映像を導き、像を観察する眼球投影型の映像表示
装置に関するものである。特に、観察者の頭部に装着さ
せ、眼球内網膜上に映像を投影可能とした頭部装着型映
像表示装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より虚像として使用者の眼球内に映
像を導き、映像を観察可能とした眼球投影型映像表示装
置が提案されている。特に、使用者の頭部に装着させ、
ＬＣＤ表示素子やＣＲＴ表示素子等の映像表示素子を用
いて映像を表示させ、その映像をレンズ系や凹面鏡等の
各種接眼光学系を用いて使用者の眼球内に虚像として大
画面像を導く頭部装着型映像表示装置が知られている。
この頭部装着型映像表示装置は、装着手段を介して使用
者の頭部に装着でき、装置を手等でおさえる必要がない
とともに、装置本体内に設けられた小型の映像表示素子
で大画面像を見ることができる新しいタイプの映像表示
装置である。

【０００３】このような頭部装着型映像表示装置は、液
晶表示素子等の２次元表示素子上に表示された映像を接
眼光学系を用いて使用者の網膜上に拡大投影するものが
一般的である。（例えば特開平４−１７０５１２）。し
かし、接眼光学系の開口数が大きいと収差が発生しやす
く、これを防止するためには構成が複雑で大型のレンズ
系等の光学系になるという問題がある。そこで、この開
口数を照明系側で制御する頭部装着型映像表示装置も提
案されている（特開平３−２１４８７２）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、接眼レンズの
開口数が小さいと、使用者の眼の瞳孔で光線がケラレや
すくなる問題が生じる。この問題を図１１を用いて説明
する。図１１（ａ）は従来の頭部装着型映像表示装置の
要部を示している。照明系１により液晶表示素子２の背
後を照明し、この液晶表示素子２が表示する映像の拡大
像を接眼光学系である凸レンズ３で使用者の眼球４の網
膜５上に投影する。照明系１は凸レンズ３の収差を小さ
く抑えるために、小さな開口数で液晶表示素子２を照明
している。そのため、この頭部装着型映像表示装置の射
出瞳６の径は図示の通り小さい。この射出瞳６と使用者
の瞳孔位置７が厳密に一致するように頭部装着型映像表
示装置を装着すれば、少なくとも使用者が映像の中心を
注視している場合には、図示の通り、液晶表示素子２の
中心映像Ｐ1 、周辺映像Ｐ2 を射出する光線が瞳孔７を
通過するので、使用者には液晶表示素子２が映し出す映
像を中心から周辺まで観察することができる。なお、図
中、網膜５上のＰ1'、Ｐ2'はそれぞれ映像Ｐ1、Ｐ2 の
像である。

【０００５】しかし、射出瞳６と使用者の瞳孔７が厳密
に一致していないと、光線が瞳孔７で蹴られ、映像に陰
りが生じる。さらに、図１１（ｂ）に示すように、使用
者が周辺映像Ｐ2 に視線を向けた場合には、眼球４は眼
球中央部付近にある回施点を中心に回転するため、瞳孔
７位置が変移し、中心映像Ｐ1 、周辺映像Ｐ2 を射出す
る光線が瞳孔７を益々通過し難くなる。そして、極端な
場合、映像が観察不能になってしまう。

【０００６】本発明はこのような従来技術の問題点に鑑
みてなされたものであり、その目的は、コンパクトな光
学系を使用しながら収差の発生が少なく、大きな射出瞳
径を持つ眼球投影型映像表示装置を提供することであ
る。一方、この問題を解決するため、本件出願人は本件
出願時未公開の特願平６−４１１６６号出願明細書及び
図面にて、二つの回折手段を用いることで射出瞳の拡大
が図れる旨提案しており、回折手段として回折格子を用
いた例を示した。この方式は図１２（ａ）に示す如く接
眼光学系３と接眼光学系３により形成される射出瞳６の
間の光路中に第１の回折格子１１と第２の回折格子１２
を図のように光路にそって順に配することで、表示面か
らの入射光は第１の回折格子１１により、複数光に回折
して分けられ、これら光は第２の回折格子１２で再度回
折され、結果として射出光の光束径ｂは入射光の光束径
ａよりも広がり、大きな射出瞳径となる。

【０００７】しかしながら、図１２（ｂ）に示す通り回
折格子での回折角は波長によって異なる。Ｒ、Ｇ、Ｂは
それぞれ赤、緑、青の光線又は光束を示す。そのためこ
の方式では、各色毎に回折格子１２を射出する位置が異
なり、結果として生じる射出瞳も図１２（ｃ）のように
色毎に瞳位置がずれてしまう。そのため、使用者が瞳孔
を動かすと観察される像の色が変わってしまう。

【０００８】本発明はこの先に出願した発明を改良する
ことで、コンパクトな光学系を使用しながらも収差の発
生が少なく、大きな射出瞳径が得られ、しかも射出瞳の
色むらのない良好な映像が得られる眼球投影型映像表示
装置を提供することを更なる目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】以上の問題を解決するた
め、本願発明の眼球投影型映像表示装置の構成は、映像
を表示する映像表示手段と、該映像表示手段から発せら
れる光束を集光して射出瞳を形成し該射出瞳近傍に配さ
れた使用者眼球内の網膜上に前記映像の像を形成させる
接眼光学系とを有する眼球投影型映像表示装置におい
て、前記接眼光学系が前記映像表示手段乃至前記射出瞳
との間の光路中に光軸に沿って順に離間して配された光
束分割素子及びホログラム素子とを有することを特徴と
するものである。

【００１０】更に、前記映像表示手段は該映像表示手段
の発する光束に三原色の波長域を含ませるフルカラー映
像表示手段であり、前記光束分割素子は前記三原色の波
長域の入射光束を各色各々複数の光束に分割させる構成
であり、前記ホログラム素子は前記分割された複数の光
束のうちプラス一次の各々の光束の射出光軸垂直方向の
ずれ量を２ｍｍ以下に抑え且つマイナス一次の各々の光
束の射出光軸垂直方向のずれ量を２ｍｍ以下に抑えほぼ
合致させて射出させる構成であることを特徴とするもの
である。

【００１１】また更に、前記光束分割素子が第一のホロ
グラム素子であることを特徴とするものである。また更
に、最初に記載したホログラム素子を第二のホログラム
素子とし、前記光束分割素子による前記三原色の一次の
回折角を各々αr,αg,αb とした時、該第二のホログラ
ム素子による前記三原色の各々の一次の回折角αr', α
g', αb'を0.9 αr ＜αr'＜1.1 αr, 0.9αg ＜αg'＜
1.1 αg, 0.9αb ＜αb'＜1.1 αb としたことを特徴と
するものである。

【００１２】更に、前記光束分割素子が第一のホログラ
ム素子であることを特徴とするものである。また更に、
前記第一及び第二のホログラム素子が各々異なる波長で
最高回折効率を示し該最高回折効率を示す波長のプラス
マイナス３０ｎｍの波長で該最高回折効率の半分以下の
回折効率となる強い波長選択性を持つ複数のホログラム
素子により構成されていることを特徴とするものであ
る。

【００１３】更に、前記複数のホログラム素子が光軸に
沿って順に併設されたことを特徴とするものである。ま
た更に、前記接眼光学系が前記映像表示手段側から順に
パワーを有する接眼光学系、第一のホログラム素子、第
二のホログラム素子、視度補正レンズの順で構成された
ことを特徴とするものである。

【００１４】また、本願発明の眼球投影型映像表示装置
は、映像を表示する映像表示手段と、該映像表示手段か
ら発せられた光束を集光して射出瞳を形成し該射出瞳近
傍に配された使用者眼球内の網膜上に前記映像の像を形
成させる接眼光学系とを有する眼球投影型映像表示装置
において、前記接眼光学系が前記映像表示手段乃至前記
射出瞳との間の光路中に光軸に沿って順に離間して配さ
れたホログラム素子及び光束合成素子とを有することを
特徴とするものである。

【００１５】

【作用】請求項１に係る発明によれば、映像表示手段に
より表示された映像は接眼光学系により虚像として像を
観察することができる。この時、使用者の瞳を接眼光学
系により形成される射出瞳近傍に位置させ光束を眼球内
に導くことが必要である。本構成では回折格子やホログ
ラム素子といった光束分割素子により映像表示手段から
発せられる入射光束を複数の光束に分離し、更に空気や
透明な媒質等を挟んで離間して位置するホログラム素子
に各々の光束が光軸垂直方向にずらして入射させる。そ
してホログラム素子の回折作用により観察者眼球側に光
束の向きをかえて拡大した射出瞳を形成する。このと
き、ホログラム素子を用いることで不必要な波長域の回
折を起こさなくて良いので効率良く射出瞳の拡大が図れ
る。

【００１６】更に請求項２に係る発明によれば、上記構
成により映像表示素子は三原色表示が可能となりフルカ
ラー表示が可能となる。この各々の波長域を含む光束は
光束分割素子に入射し、各々複数の光束に分割される。
そして、ホログラム素子に入射し先の分割された複数の
光束のうち±一次の光束のずれ量を２ｍｍ以下に抑えほ
ぼ合致させて射出する。そのため射出瞳の色ムラが抑え
られ、観察者瞳位置の移動による映像の色変化を抑える
ことができる。上記条件を外れると色ムラが無視出来な
くなる。更に上記±一次の光束のずれ量を１ｍｍ以下、
更には０．５ｍｍ以下とすると更に色ムラが無くなりよ
り好ましい。

【００１７】また更に請求項３に係る発明によれば、光
束分割素子を第一のホログラム素子とすることで、第一
のホログラム素子射出後先のホログラム素子に入射する
光束の各波長ごとの位置ずれを抑えることができ、先の
ホログラム素子の位置的制約が緩和され小型になる。ま
た更に、請求項４に係る発明によれば、上記条件を満足
することで、各波長域の光束分割素子入射角と第二のホ
ログラム素子射出角がほぼ同じにできる。そのため射出
瞳を同形状で複数形成できる。

【００１８】更に請求項５に係る発明によれば、第一の
ホログラム素子及び第二のホログラム素子がほぼ同じ構
成であるので製造コストが節約できる。また更に請求項
６に係る発明によれば、各波長毎に分離して回折するの
で異なる回折角を持つ光（クロストーク光）がなくな
り、観察しやすくなる。更に請求項７に係る発明によれ
ば、各波長域の光束の分離状態に合わせて複数のホログ
ラム素子を光軸上の前後位置で調整し瞳拡大ができる。

【００１９】また更に請求項８に係る発明によれば、第
二のホログラム素子と射出瞳との間に視度補正レンズを
いれることにより観察者の見やすい距離に虚像を生成で
きる。また、請求項９に係る発明によれば、映像表示手
段により表示された映像は接眼光学系により虚像として
像を観察することができる。この時、観察者の瞳を接眼
光学系により形成される射出瞳近傍に位置させ光束を眼
球内に導くことが必要である。本構成ではホログラム素
子により映像表示手段から発せられる入射光束を複数の
光束に分離し、更に空気や透明な媒質等を挟んで離間し
て位置する回折格子やホログラム素子等の光束合成素子
に各々の光束が光軸垂直方向にずれて入射させる。そし
て光束合成素子の合成作用により観察者眼球側に光束を
合成し、拡大した射出瞳を形成する。このとき、ホログ
ラム素子を用いることで先に示した出願時未公開の回折
格子のみのものに比し、不必要な波長域の回折を起こさ
ずに光束合成素子に導けるので効率良く射出瞳の拡大が
図れる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の眼球投影型映像表示装置をい
くつかの実施例に基づいて説明する。図１は本願発明の
眼球投影型映像表示装置の一例であり、眼球投影型映像
表示装置を頭部に装着するための支持部１３を備え、頭
頂部、側頭部及び図示しない前頭部にて使用者頭部を挟
持可能とし、全体として頭部装着型映像表示装置１４を
構成している。そして図示しない使用者の左右眼球前方
にはそれぞれの眼球に対応した左眼用映像表示ユニット
１５ａ及び右眼用映像表示ユニット１５ｂが位置してい
る。また、使用者の両耳近傍位置にスピーカー１６が設
けられ、音声と映像を同時に楽しむことができる構成と
なっている。以下に示す各実施例は、この頭部装着型映
像表示装置１４の先の映像表示ユニット１５ａ及び１５
ｂのいずれかまたは両方の内部構成を示すものとする。第１実施例図２は、実施例１の頭部装着型映像表示装置の要部を示
す図であり、この眼球投影型映像表示装置は、映像表示
手段としてのＲＧＢ画素をマトリクス状に表示面に配し
たカラー液晶表示素子２に表示された映像を接眼光学系
の凸レンズ３で拡大像として使用者の眼球に投影するも
ので、液晶表示素子２はその背後に配置された照明系１
により照明され、その表示映像が写し出されるようにな
っている。そして、本発明に基づいて、接眼光学系の凸
レンズ３とその射出瞳６の間に第一のホログラム素子１
７及び第二のホログラム素子１８が光軸に沿って順に配
されている。ここでのホログラム素子はいずれも透過型
ボリュームホログラムを用いている。第一のホログラム
素子１７は三枚のホログラム素子を有しており、それぞ
れ光軸順に赤色光回折用ホログラム素子１７ｒ、緑色光
回折用ホログラム素子１７ｇ、青色光回折用ホログラム
素子１７ｂで構成され、第二のホログラム素子１８ユニ
ットもまた三枚のホログラム素子を有しており、それぞ
れ光軸順に赤色光回折用ホログラム素子１８ｒ、緑色光
回折用ホログラム素子１８ｇ、青色光回折用ホログラム
素子１８ｂで構成されている。それぞれのホログラム素
子１７ｒ，１７ｇ，１７ｂ及び１８ｒ，１８ｇ，１８ｂ
は各々Ｒ，Ｇ，Ｂの光に対して強い波長選択性を持たせ
ており、具体的には各々Ｒ，Ｇ，Ｂ領域の波長で最高回
折効率を示し最高回折効率を示す波長のプラスマイナス
３０ｎｍの波長で先の最高回折効率の半分以下の回折効
率となるホログラム素子で構成している。図３はホログ
ラム素子の波長選択性を設定したときに得られる曲線の
一例を示すもので、回折効率が最も高いところの波長
（ブラッグの条件を満足する波長）を中心に、実質的に
幅のある波長の光のみが再生される。そして、赤色光回
折用ホログラム素子１７ｒ，１８ｒを通過する赤色光の
一次回折光の屈折角αr , αr'、緑色光回折用ホログラ
ム素子１７ｇ，１８ｇを通過する緑色光の一次回折光の
屈折角αg , αg'、青色光回折用ホログラム素子１７
ｂ，１８ｂを通過する青色光の一次回折光の屈折角αb
, αb'をほぼ同じになるように設定し（αr ＝αr'＝
αg＝αg'＝αb ＝αb'）、また、赤色光回折用ホログ
ラム素子１７ｒ，１８ｒ間の距離と緑色光回折用ホログ
ラム素子１７ｇ，１８ｇ間の距離と青色光回折用ホログ
ラム素子１７ｂ，１８ｂ間の距離とをほぼ同じに構成し
ている。そして光線が射出する側に視度補正用の凹レン
ズ１９を配している。

【００２１】このように、第一及び第二のホログラム素
子１７、１８を配置すると、凸レンズ３を透過した平行
光（図では説明簡略のためその代表としての光軸光を示
す）は先ず第一のホログラム素子１７に入射し、その、
各々の各色用ホログラム素子で赤色光のみ、緑色光の
み、次いで青色光のみの順で回折しそれぞれ赤色光Ｒ、
緑色光Ｇ、青色光Ｂのプラスマイナス一次光がαr 、α
g 、αb の回折角をもって第二のホログラム素子１８に
入射する。第二のホログラム素子１８に入射した各色の
光線は第一のホログラム素子１７での回折角と同じ回折
角をもって回折され再び平行光になる。この時、各色の
光線は光軸からの距離がそれぞれ同じになるところで各
々のホログラム素子１８ｒ，１８ｇ１８ｂで回折するた
め、第二のホログラム素子１８を射出するときには色ズ
レがおきていない。つまり、射出瞳６でのプラスマイナ
ス一次光束の射出光軸垂直方向の各色の瞳ズレ量は０と
なる。この時の射出瞳径の変化についてであるが、ホロ
グラム素子１７、１８が無いときの瞳径をΦ＝４ｍｍと
し、ホログラム素子１７、１８での回折角を各々φ＝３
０°とし、対応する各色用ホログラム素子間の距離を各
々Ｌ＝ｔａｎ（９０°−φ）×Φ／２＝３．５ｍｍとす
ると、射出瞳径が二倍の８ｍｍとなる。そして、更に視
度補正用の凹レンズ１９を通過することで、使用者にと
って見やすい位置に像を導かれる。射出瞳６近傍に眼球
４を配することで網膜５上に鮮明な画像が導かれる。

【００２２】よって、開口数の小さい表示装置であって
も射出瞳の大きく且つ色むらの無い見やすい頭部装着型
映像表示装置が達成できる。次に第一実施例の変形例を
図４に示す。図４は図１に示した第１のホログラム素子
１７及び第２のホログラム素子１８の変形部分のみを示
し、他の構成は省略している。

【００２３】第一のホログラム素子１７内の各々の色に
対応したホログラム素子によるαr、αg 、αb の回折
角を変えたものである。この各々に回折角αr 、αg 、
αbに対応させて、第二のホログラム素子１８内の各々
の色に対応したホログラム素子の回折角をαr'＝αr 、
αg'＝αg 、αb'＝αb としている。そして、射出する
光束による射出瞳径が二倍になるように各々の対応する
ホログラム素子間の距離の設定を先に示したＬ＝ｔａｎ
（９０°−φ）×Φ／２に従って配置させたものであ
る。そのため、第一実施例の各色回折用のホログラム素
子の配される順番が入れ替わっている。この様に構成し
ても同等の効果が得られる。

【００２４】また別の第一実施例の変形例を図５に示
す。これは、第二のホログラム素子１８に代えて光路合
成用回折格子１２を用いた場合の例である。これも同様
に変形部分のみ示し、他の構成は省略している。第一の
ホログラム素子１７内の各々の色に対応したホログラム
素子によるαr、αg 、αb の回折角を変えたものであ
る。この各々に回折角αr 、αg 、αbに対応させて、
回折格子１２の各々の色に対応した回折角をαr'＝αr
、αg'＝αg 、αb'＝αb としている（正確には回折
格子１２の回折効率に合わせてホログラム素子１７の回
折角と位置を設定している）。そして、射出する光束に
よる射出瞳径が二倍になるように各々の対応するホログ
ラム素子及び回折格子間の距離の設定を先に示したＬ＝
ｔａｎ（９０°−φ）×Φ／２に従って配置させたもの
である。そのため、第一実施例の各色回折用の素子を少
なく構成できる。この様に構成しても同等の効果が得ら
れる。

【００２５】また別の第一実施例の変形例を図６に示
す。これは、第一のホログラム素子１８に代えて光路分
割用の回折格子１１を用いた場合の例である。これも同
様に変形部分のみを示し、他の構成は省略している。回
折格子１１の各々の色に対応したαr 、αg 、αb の回
折角に従い、この各々に回折角αr 、αg 、αb に対応
させて、第二のホログラム素子１８内の各々の色に対応
したホログラム素子の回折角をαr'＝αr 、αg'＝αg
、αb'＝αbとしている。そして、射出する光束による
射出瞳径が二倍になるように各々の対応する回折格子及
びホログラム素子間の距離の設定を先に示したＬ＝ｔａ
ｎ（９０°−φ）×Φ／２に従って配置させたものであ
る。そのため、第一実施例の各色回折用の素子を少なく
構成できる。この様に構成しても色ムラ補正しつつ射出
瞳を大きく構成できる。

【００２６】以上の例は色ずれのない射出瞳を図７
（ａ）に示すごとく二つ縦や横に並べる方法を示した。
勿論射出瞳は必要に応じて図７（ｂ）や図７（ｃ）に示
す如く縦及び横方向等複数並べて構わない。これらの射
出瞳（ａ），（ｂ），（ｃ）を形成させる構成を図８
（ａ），（ｂ），（ｃ）にそれぞれ示す。図７（ａ）の
ような射出瞳を形成するためには、これまで示したよう
に、図８（ａ）の様に横方向に入射光束を二つに分割す
るホログラム素子を含んだの光束分割素子２０や光束合
成素子２１を用いればよい。

【００２７】図７（ｂ）のような４つの射出瞳を縦横に
二つ並べて形成するためには、図８（ｂ）のように光を
４つに回折させるホログラム素子を含んだの光束分割素
子２０や光束合成素子２１を用いればよい。図７（ｃ）
のような６つの射出瞳を縦に二つ横に三つ並べるために
は、図８（ｃ）に示す如く４つのホログラム素子等を使
えばよい。この４つとは射出瞳を縦に二倍の並べる為の
ホログラム素子を含んだの光束分割素子２０ａ及び光束
合成光学２１ａ、射出瞳を横に３倍に並べる為のホログ
ラム素子を含んだの光束分割素子２０ｂ及び光束合成素
子２１ｂを用いればよい。

【００２８】なお、ここで示した光束合成素子２０，２
０ａ，２０ｂ及び光束合成素子２１，２１ａ，２１ｂは
先に示した通り光路中で組となっているうちの何方か一
つがホログラム素子であればよく、そのホログラム素子
は赤色光回折用ホログラム素子、緑色光回折用ホログラ
ム素子、青色光回折用ホログラム素子とで構成されるこ
とが望ましい。第２実施例この実施例は、図９に示すように、第一実施例の透過型
ホログラムのかわりに反射型カラーホログラムを用いて
いる。以下同じ構成には同じ番号を付し説明は省略す
る。

【００２９】図中２２および２３は反射型カラーホログ
ラムであり、特にこのホログラムとしてはリップマンホ
ログラムが適している。ここでは反射型カラーホログラ
ム２２は光路を分割するための第一のホログラム素子で
あり、反射型カラーホログラム２３は反射型カラーホロ
グラム２２で分割された光路をふたたぶ眼球４側へ導く
ための第二のホログラム素子である。

【００３０】映像表示手段としてのＲＧＢ画素をマトリ
クス状に表示面に配したカラー液晶表示素子２に表示さ
れた映像を接眼光学系の凸レンズ３で拡大像として使用
者の眼球に投影する。液晶表示素子２はその背後に配置
された照明系１により照明され、その表示映像が写し出
されるようになっている。そして、本発明に基づいて、
接眼光学系の凸レンズ３とその図示しない射出瞳の間に
反射型カラーホログラム２２及び２３が光軸の反射に沿
って順に配されている。ここでのホログラム素子はいず
れも反射型ホログラムを用いている。第一のホログラム
素子２２は三枚（三層）の膜状態のホログラム素子を有
しており、それぞれ光軸順に赤色光回折用反射型ホログ
ラム素子（膜）、緑色光回折用反射型ホログラム素子
（膜）、青色光回折用反射型ホログラム素子（膜）で構
成され、第二のホログラム素子２３もまた三枚（三層）
の膜状態のホログラム素子を有しており、それぞれ光軸
順に赤色光回折用反射型ホログラム素子（膜）、緑色光
回折用反射型ホログラム素子（膜）、青色光回折用反射
型ホログラム素子（膜）で構成されている。それぞれの
反射型ホログラム素子（膜）には各々Ｒ，Ｇ，Ｂの光に
対して強い波長選択性を持たせており、具体的には各々
Ｒ，Ｇ，Ｂ領域の波長で最高回折効率を示し最高回折効
率を示す波長のプラスマイナス３０ｎｍの波長で先の最
高回折効率の半分以下の回折効率となるホログラム素子
で構成している。そして、赤色光回折用反射型ホログラ
ム素子を反射する赤色光の一次回折光の反射角、緑色光
回折用反射型ホログラム素子を反射する緑色光の一次回
折光の反射角、青色光回折用反射型ホログラム素子を反
射する青色光の一次回折光の反射角の各０次反射方向に
対する角度の差をほぼ同じになるように設定し、また、
赤色光回折用反射型ホログラム素子間の距離と緑色光回
折用ホログラム素子間の距離と青色光回折用ホログラム
素子間の距離とをほぼ同じに構成すべくそれぞれの反射
型ホログラム素子２２，２３の表面に三層の素子（膜）
が状着された状態となっている。そして光線が射出する
側に視度補正用の凹レンズ１９を配している。

【００３１】このように、第一及び第二の反射型ホログ
ラム素子２２、２３を配置すると、凸レンズ３を透過し
た平行光（図では説明簡略のためその代表としての光軸
光を示す）は先ず反射型ホログラム素子２２に入射し、
その、各々の各色用ホログラム素子で赤色光のみ、緑色
光のみ、次いで青色光のみの順で回折しそれぞれ赤色
光、緑色光、青色光のプラスマイナス一次光が同じ回折
角をもって反射型ホログラム素子２３に入射する。この
ときの入射光であるが、それぞれの色の反射位置はほぼ
等しく且つ回折角が等しいのでそれぞれの色の光束がほ
ぼ重なって色ずれのない光束となっている。第二の反射
型ホログラム素子２３に入射した各色の光線は第一の反
射型ホログラム素子２２での回折角と同じ回折角をもっ
て回折され再び平行光になる。よって第二の反射型ホロ
グラム素子２３を射出するときには色ズレがおきていな
い。つまり、図示しない射出瞳でのプラスマイナス一次
光束の射出光軸垂直方向の各色の瞳ズレ量はほぼ０とな
る。この時の射出瞳径の変化についてであるが、反射型
ホログラム素子２２、２３が無いときの瞳径をΦ＝４ｍ
ｍとし、反射型ホログラム素子２２、２３での反射光軸
に対する回折角を各々φ＝３０°とし、対応する各色用
ホログラム素子間の距離を各々Ｌ＝ｔａｎ（９０°−
φ）×Φ／２＝３．５ｍｍとすると、射出瞳径がほぼ二
倍の８ｍｍとなる。そして、更に視度補正用の凹レンズ
１９を通過することで、使用者にとって見やすい位置に
像を導かれる。図示しない射出瞳近傍に眼球４を配する
ことで網膜上に鮮明な画像が導かれる。

【００３２】よって、開口数の小さい表示装置であって
も射出瞳の大きく且つ色むらの無い見やすい頭部装着型
映像表示装置が達成できる。また、反射型ホログラム素
子は透過型のホログラム素子とくらべ、波長選択性が強
く、クロストーク像が生じにくいという利点がある。そ
のため、各請求項に記載のホログラム素子を反射型ホロ
グラム素子とすることがより望ましい。第３実施例透過型ホログラムを用いたときの頭部装着型映像表示装
置の光学系を図１０に示す。先に示したものと同じ構成
には同じ番号を付け説明は省略する。照明光学系として
の電球２４、照明用凸レンズ２５、カラー液晶表示素子
２、接眼光学系としての凹面鏡２６、第一のホログラム
素子１７、第二のホログラム素子１８および−１乃至−
５ディオプターで調整可能な視度補正用の凹レンズ１９
がそれぞれ使用者の左右眼球４に対応して配置されてい
る。低ＮＡ照明系としての豆電球２４（点光源）からの
光は平行照明のための照明用凸レンズ２５に入射し、ほ
ぼ平行光束となってカラー液晶表示素子２に入射する。
そして光束は凹面鏡２６により拡大反射され、第一及び
第二のホログラム素子１７，１８に入射し凹レンズ１９
を介して眼球４に光束が導かれる。低ＮＡ照明系として
は他に面光源とルーバーフィルムからなる低ＮＡ照明系
としてもよい。

【００３３】また、全体として左右の光軸は内向きとな
っており、これは、図に示す通り視度補正用の凹レンズ
１９の視度の距離と光軸が交差するまでの輻輳距離が等
しい方が自然に虚像を観察できる。このように構成して
も、開口数の小さい表示装置であっても射出瞳の大きく
且つ色むらの無い見やすい頭部装着型映像表示装置が達
成できる。

【００３４】また、以上示した実施例のおのおのの構成
は必要に応じて互いに置換可能である。また、特許請求
の範囲に記載した範囲内であれば種々の変更があって構
わない。

【００３５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本願発明
によれば、コンパクトな光学系を使用しながらも収差の
発生が少なく、大きな射出瞳径を持つ眼球投影型映像表
示装置を提供することができる。更に本願発明によれ
ば、射出瞳の色むらのない良好な映像が得られる眼球投
影型映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】本願発明の眼球投影型映像表示装置を頭部装着
型映像表示装置に応用した図である。

【図２】本願発明の第１実施例の概要を示す図である。

【図３】強い波長選択性の特性を示す図である。

【図４】第１実施例の部分変更例を示す図である。

【図５】第１実施例の部分変更例を示す図である。

【図６】第１実施例の部分変更例を示す図である。

【図７】本発明による各種射出瞳の形状を表す図であ
る。

【図８】図７に示す各種射出瞳を形成するための各種光
束分割素子及び光束合成素子を示す図である。

【図９】本願発明の第２実施例の概要を示す図である。

【図１０】本願発明の第３実施例の概要を示す図であ
る。

【図１１】接眼レンズの開口数が小さい場合の問題点を
説明するための図である。

【図１２】回折格子を二枚用いたときの瞳拡大の様子を
説明するための図である。

【符合の説明】

１照明系２液晶表示素子３凸レンズ４眼球５網膜６射出瞳７瞳孔１１第一の回折格子１２第二の回折格子１３支持部１４頭部装着型映像表示装置１５ａ，１５ｂ映像表示ユニット１６スピーカー１７第一のホログラム素子１８第二のホログラム素子１９凹レンズ２０光束分割素子２１光束合成素子２２反射型カラーホログラム２３反射型カラーホログラム２４電球２５照明用凸レンズ２６凹面鏡

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】映像を表示する映像表示手段と、該映像表示手段から発せられる光束を集光して射出瞳を
形成し該射出瞳近傍に配された使用者眼球内の網膜上に
前記映像の像を形成させる接眼光学系とを有する眼球投
影型映像表示装置において、前記接眼光学系が前記映像表示手段乃至前記射出瞳との
間の光路中に光軸に沿って順に離間して配された光束分
割素子及びホログラム素子とを有することを特徴とする
眼球投影型映像表示装置。
【請求項２】前記映像表示手段は該映像表示手段の発す
る光束に三原色の波長域を含ませるフルカラー映像表示
手段であり、前記光束分割素子は前記三原色の波長域の入射光束を各
色各々複数の光束に分割させる構成であり、前記ホログラム素子は前記分割された複数の光束のうち
プラス一次の各々の光束の射出光軸垂直方向のずれ量を
２ｍｍ以下に抑え且つマイナス一次の各々の光束の射出
光軸垂直方向のずれ量を２ｍｍ以下に抑えほぼ合致させ
て射出させる構成であることを特徴とする請求項１記載
の眼球投影型映像表示装置。
【請求項３】前記光束分割素子が第一のホログラム素子
であることを特徴とする請求項１または２記載の眼球投
影型映像表示装置。
【請求項４】請求項１記載のホログラム素子を第二のホ
ログラム素子とし、前記光束分割素子による前記三原色
の一次の回折角を各々αr,αg,αb とした時、該第二の
ホログラム素子による前記三原色の各々の一次の回折角
αr', αg', αb'を0.9 αr＜αr'＜1.1 αr, 0.9αg
＜αg'＜1.1 αg, 0.9αb ＜αb'＜1.1 αb としたこと
を特徴とする請求項１乃至３記載の頭部装着型映像表示
装置。
【請求項５】前記光束分割素子が第一のホログラム素子
であることを特徴とする請求項４記載の眼球投影型映像
表示装置。
【請求項６】前記第一及び第二のホログラム素子が各々
異なる波長で最高回折効率を示し該最高回折効率を示す
波長のプラスマイナス３０ｎｍの波長で該最高回折効率
の半分以下の回折効率となる強い波長選択性を持つ複数
のホログラム素子により構成されていることを特徴とす
る請求項３および５記載の眼球投影型映像表示装置。
【請求項７】前記複数のホログラム素子が光軸に沿って
順に併設されたことを特徴とする請求項６記載の眼球投
影型映像表示装置。
【請求項８】前記接眼光学系が前記映像表示手段側から
順にパワーを有する接眼光学系、第一のホログラム素
子、第二のホログラム素子、視度補正レンズの順で構成
されたことを特徴とする請求項５，６および７記載の眼
球投影型映像表示装置。
【請求項９】映像を表示する映像表示手段と、該映像表示手段から発せられた光束を集光して射出瞳を
形成し該射出瞳近傍に配された使用者眼球内の網膜上に
前記映像の像を形成させる接眼光学系とを有する眼球投
影型映像表示装置において、前記接眼光学系が前記映像表示手段乃至前記射出瞳との
間の光路中に光軸に沿って順に離間して配されたホログ
ラム素子及び光束合成素子とを有することを特徴とする
眼球投影型映像表示装置。