JPH11326821A - 虚像観察光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 屈折力を持った光学素子の主光線に対する偏
心に伴って発生する光学的収差を良好に補正し、光学部
品のレイアウトの自由度を確保し、装置構成の小型化を
可能とする。 【解決手段】 ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）６の表示画
像の虚像を結像するレンズ１６をＬＣＤ６からの主光線
に対して偏心させて配設し、非球面非回転対称位相付加
機能を有する反射型ブレーズドホログラム１５により、
レンズ１６のＬＣＤ６に対する偏心により発生する収差
を補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像表示装置の表
示画像の虚像を観察するための虚像観察光学系に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、画像表示装置の表示画像の虚像を
観察するための虚像観察光学系が提案されている。従来
の虚像観察光学系は、収差の増大を抑えるため、共軸
（回転対称）系であるものが多い。

【０００３】例えば、図１７に示すように、２枚の屈折
レンズ１０７，１０８を有して構成された虚像観察光学
系が提案されている。各屈折レンズ１０７，１０８とし
ては、軽量化のため、プラスチック製の非球面レンズが
使われる場合が多い。この虚像観察光学系においては、
まず、ビデオ信号１０１がＬＣＤ（液晶ディスプレイ）
駆動回路１０２に入力される。このＬＣＤ駆動回路１０
２からは、冷陰極管電圧（バックライト電圧）１０３と
液晶ディスプレイを駆動するドライブ信号１０４とが出
力され、バックライト１０５とＬＣＤ（液晶ディスプレ
イ）１０６とに対応して供給される。ここで、バックラ
イト１０５は、冷陰極管５ａを光源とし、ＬＣＤ１０６
側に均一な輝度の光を照射する。この冷陰極管５ａとＬ
ＣＤ１０６との間には、冷陰極管５ａが発した光の拡散
角度を制御するための拡散板５ｂが設けられている。

【０００４】画像表示装置であるＬＣＤ１０６として
は、例えば、０．５５インチの透過型の液晶ディスプレ
イを用いることができる。このＬＣＤ１０６は、ドライ
ブ信号に基づく画像を表示し、バックライト１０５から
照射された光束を変調して透過させる。このようにして
ＬＣＤ１０６を透過した光束は、屈折レンズ１０７，１
０８を透過することにより、虚像を結像させるための屈
折力を与えられ、観察者の瞳１０９に導かれる。

【０００５】また、図１８に示すように、凹面鏡を用い
て構成された虚像観察光学系も提案されている。この虚
像観察光学系の凹面鏡としては、上記図１７に示した虚
像観察光学系の屈折レンズ１０７，１０８と同様に、プ
ラスティック製の非球面基板に反射膜を蒸着したものが
使われる場合が多い。この虚像観察光学系においては、
まず、ビデオ信号１０１がＬＣＤ駆動回路１０２に入力
される。このＬＣＤ駆動回路１０２からは、冷陰極管電
圧１０３とドライブ信号１０４とが出力され、バックラ
イト１０５とＬＣＤ１０６とに対応して供給される。こ
こで、バックライト１０５は、冷陰極管５ａを光源と
し、ＬＣＤ１０６側に均一な輝度の光を照射する。この
冷陰極管５ａとＬＣＤ１０６との間には、冷陰極管５ａ
が発した光の拡散角度を制御するための拡散板５ｂが設
けられている。ＬＣＤ１０６は、ドライブ信号に基づく
画像を表示し、バックライト１０５から照射された光束
を変調して透過させる。

【０００６】このようにしてＬＣＤ１０６を透過した光
束は、光束分割デバイスである偏光ビームスプリッタ１
１０に入射する。偏光ビームスプリッタ１１０への入射
全光量の一部がこの偏光ビームスプリッタ１１０を透過
し、残りは、この偏光ビームスプリッタ１１０上の偏光
性光束分割膜１１１により反射されて、非球面ハーフミ
ラー基板１１３上の非球面ハーフミラー膜１１２に入射
する。この非球面ハーフミラー膜１１２に入射した光束
は、一部が反射されて再び偏光ビームスプリッタ１１０
に入射し、さらにその一部が該偏光ビームスプリッタ１
１０を透過して観察者の瞳１０９に入射する。一方、非
球面ハーフミラー基板１１３の裏面側より進行してくる
背景の光束は、その一部が該非球面ハーフミラー基板１
１３及び偏光ビームスプリッター１１０を透過して瞳１
０９に入射する。

【０００７】この虚像観察光学系の場合は、コマ収差や
倍率の色収差の発生が、上記図１７に示したような屈折
レンズを用いて構成する光学系に比べて少なく、画角を
広くとることができる。

【０００８】また、図１９に示すように、偏心凹面鏡タ
イプの虚像観察光学系では、上述した虚像観察光学系に
おけると同様にＬＣＤ１０６を透過した光束は、偏心し
て配設された凹面鏡１１４上の反射膜１１５により反射
され、瞳１０９に導かれるという光路を形成する。この
虚像観察光学系は、構成する光学部品の点数も少なく、
小型軽量に構成することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
な従来の共軸（回転対称）系の虚像観察光学系において
は、光学部品のレイアウトが制限され、光学系全体の小
型化を図ることが難しい。すなわち、図１７に示す虚像
観察光学系の場合、視野角と照射瞳を大きくしようとす
ると収差補正が非常に難しくなり、画角２０°を超える
と画面周辺のコマ収差の補正が困難になる。また、光学
系が直線的に構成されているため光学系全体の長さが長
くなってしまうという欠点がある。回転対称型の虚像観
察光学系では、広画角を確保しながら小型化を実現する
ことは困難である。

【００１０】凹面鏡を用いた図１８に示す虚像観察光学
系においては、非球面ハーフミラーを２回通過すること
による光量のロスが大きく、また、観察画角が３０°を
超えると凹面鏡で発生する像面湾曲の補正が難しくな
る、などの問題がある。また、４５°傾斜して配設され
た偏光ビームスプリッタのために広画角化に伴って光学
系全体が大型化するという問題がある。

【００１１】一方、非共軸系の虚像観察光学系において
は、光学部品のレイアウトの自由度の増大を図ることが
できる。しかし、図１９に示す虚像観察光学系は、偏心
して配置された凹面鏡における反射で膨大な偏心収差が
発生し、実際には使用に耐えられるものではない。その
ため、非共軸系の虚像観察光学系においては、光学部品
の偏心に伴って発生する偏心収差の低減のために、複数
のトーリック面やアナモルフィック面などが必要とな
り、結果的には、光学系の小型化を図ることができな
い。また、自由曲面を用いて偏心収差を補正した光学系
の場合、形状が複雑となり、そのままでは凹面鏡の背後
の光束を観察するシースルー機能が実現できない。

【００１２】そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提
案されるものであって、屈折力を持った光学素子の主光
線に対する偏心に伴って発生する光学的収差が良好に補
正され、光学部品のレイアウトの自由度が確保され、装
置構成の小型化が可能となされた虚像観察光学系を提供
しようとするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明に係る虚像観察光学系は、画像表示装置と、
この画像表示装置から射出する主光線に対して偏心して
配設され該画像表示装置の表示画像の虚像を結像する屈
折力を有する少なくとも一の結像用光学素子と、非球面
非回転対称位相付加機能を有する反射型回折光学素子と
を備え、この反射型回折光学素子は、結像用光学素子が
画像表示装置から射出される主光線に対して偏心してい
ることにより発生する光学的収差を非球面非回転対称位
相付加機能により低減することを特徴とするものであ
る。

【００１４】また、本発明に係る虚像観察光学系におい
ては、結像用光学素子は、反射型回折光学素子と共働し
て画像表示装置の表示画像の虚像を結像するものとして
もよい。

【００１５】そして、本発明に係る虚像観察光学系は、
画像表示装置と、この画像表示装置から射出される主光
線に対して偏心して設置され該画像表示装置の表示画像
の虚像を結像するための屈折力と非球面非回転対称位相
付加機能とを有する反射型回折光学素子とを備え、この
反射型回折光学素子は、画像表示装置から射出される主
光線に対する偏心により発生する光学的収差を非球面非
回転対称位相付加機能によって低減することを特徴とす
るものである。

【００１６】また、本発明に係る虚像観察光学系におい
ては、画像表示装置と反射型回折光学素子との間に光束
分割素子を配設することとしてもよい。そして、反射型
回折光学素子の回折面の中心垂線と光束分割素子の中心
垂線とのなす角を４０°以下とし、または、画像表示装
置の中心垂線と光束分割素子の中心垂線とのなす角を４
０°以下とすることにより、装置構成の小型化を図りつ
つ、良好な虚像表示を行うことができる。

【００１７】さらに、本発明においては、反射型回折光
学素子としては、リップマン体積ホログラム素子や反射
型ブレーズドホログラムを用いることができる。画像表
示装置としては、エレクトロ−ルミネッセンス画像表示
装置、フィールド−エミッション画像表示装置、あるい
は、液晶画像表示装置を用いることができる。液晶画像
表示装置のバックライトの光源としては、発光ダイオー
ドや半導体レーザーを用いることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら説明する。

【００１９】本発明に係る虚像観察光学系は、図１に示
すように、画像表示装置となるＬＣＤ（液晶ディスプレ
イ）６と、反射型回折光学素子となる反射型ブレーズド
ホログラム１５と、結像用光学素子となる接眼レンズ１
６とを有して構成されている。

【００２０】反射型ブレーズドホログラム１５は、図２
に示すように、ホログラム基板１５ａ上にホトレジスト
などの技術により鋸歯（ブレーズ）形状の凹凸のプレー
ズ面１５ｂを形成したもので、反射光に場所的な位相変
調を与えることにより回折現象を起こさせるものであ
る。このプレーズ面１５ｂの鋸歯形状は、１歯当たりλ
／２（二分の一波長）の光路差をもっており、反射によ
る往復路（ダブルパス）でちょうどλの光路差が発生す
るようになっている。この鋸歯形状を非球面非回転対称
にホログラム基板１５ａ上に形成することにより、この
反射型ブレーズドホログラム１５の反射波面に非球面非
回転対称な位相差を付加することが可能となる。この反
射型ブレーズドホログラム１５における光利用効率は高
く、１次回折波の効率は、９０％程度に達する場合もあ
る。

【００２１】そして、この虚像観察光学系においては、
図１に示すように、ビデオ信号１が、ＬＣＤ６を駆動す
る回路であるＬＣＤドライバ２に入力される。ＬＣＤド
ライバ２からは、ＬＥＤ（light emitting diode）を点
灯させるＬＥＤ電流３と、ＬＣＤ６を駆動するドライブ
信号４とが出力され、バックライト５とＬＣＤ６とに入
力される。

【００２２】バックライト５は、光源として、発光中心
波長が５２５ｎｍのいわゆるチップサイズのＬＥＤを横
２列、縦４列の計８個マウントしたＬＥＤアレイ５ａを
有している。このＬＥＤアレイ５ａのＬＣＤ６側には、
ＬＥＤアレイ５ａからの照射光の輝度を均一にし、拡散
角度を制御するために、拡散板５ｂが配設されている。
ＬＥＤアレイ５ａからの拡散角は、半値角で約１０°と
なっている。

【００２３】ＬＣＤ６としては、例えば、０．５５イン
チの透過型液晶ディスプレイを用いることができる。こ
のＬＣＤ６においては、電気信号である画像信号が画像
に変換され、このＬＣＤ６を透過するバックライト５か
らの射出光が該画像に応じて変調される。ＬＣＤ６を透
過した光束は、反射型ブレーズドホログラム１５に入射
する。このＬＣＤ６から反射型ブレーズドホログラム１
５への入射角は、約５０°となっている。

【００２４】反射型ブレーズドホログラム１５は、前述
のように、非球面非回転対称位相付加機能を持つように
ブレーズ面の形状が形成されている。そのため、このブ
レーズドホログラム１５による反射波面は、もはや入射
波面のように球面波の重ね合わせではなく、非球面非回
転対称な波面形状を有している。この非球面非回転対称
な位相差は、続いて入射する主光線に対して偏心して配
置された接眼レンズ１６を透過することにより発生する
偏心収差を低減するように決められている。接眼レンズ
１６を射出した光束は観察者の瞳１１に導かれる。

【００２５】反射型ブレーズドホログラム１５を使用す
る場合には、光源はなるべく発光波長のスペクトル幅が
狭いものを用いることが望ましい。それは、フレーズ面
１５ｂの鋸歯形状の１歯は、正確にλ／２の光路差を持
つように作成されているため、他の波長が入射した場合
には所望の反射波面が得られず、ノイズとなる可能性が
あるからである。

【００２６】また、本発明に係る虚像観察光学系は、図
３に示すように、画像表示装置６と非球面凹面鏡１７と
リップマン体積ホログラム１０を用いて構成することも
できる。

【００２７】リップマン体積ホログラム１０におけるホ
ログラム材料としては、フォトポリマー、ダイクロメー
トゼラチンなどが考えられる。このリップマン体積ホロ
グラム１０に物体光及び参照光が入射されると、図４に
示すように、縞模様状の干渉縞が表れ、屈折率が変調さ
れる。典型的なフォトポリマーの場合、熱処理後の中心
屈折率ｎ及び屈折率変調度Δｎは、それぞれ、ｎ＝１．
５２、Δｎ＝０．０６である。図４に示すように、リッ
プマン体積ホログラムの干渉縞は、略々材料の厚さ方向
に入っていることがわかる。これはホログラムの焼き付
けを行う際、２光束をホログラム面の表面側及び裏面側
からそれぞれ入射させることで実現できる。

【００２８】このリップマン体積ホログラム１０におけ
る現象については、干渉縞への入射角をθ１とすると
き、各干渉縞の層からの散乱光がどのような反射角θ２
で互いに最も強め合うかを考察すればよい。これには２
つの条件がある。１つは、図５に示すように、ある層上
の異なる２点の散乱成分が互いに強め合うことが必要に
なる。その条件は、２点間の距離をＬとすれば、Ｌsin
θ１−Ｌsinθ２＝ｍλとなる。これが任意のＬについ
て成り立つためには、Ｌについての恒等式になればよ
い。すなわち、 θ１＝θ２ ・・・・・・・・・（式１） である。次に、異なる２層の散乱成分が互いに強め合う
には、図６に示すように、 ｄcosθ１＋ｄcosθ２＝ｍλ ・・・・・・・・・（式２） （式１）、（式２）より、 ２ｄcosθ１＝λ（Bragg回折条件） となり、ブラッグ（Bragg）回折は、波長選択性または
角度選択性をもった鏡面反射であるということができ
る。このような干渉縞を非球面非回転対称にリップマン
体積ホログラムに記録することにより、このリップマン
体積ホログラム上に入射したある波長λの光線を任意の
方向に偏向して反射することが可能となり、非球面非回
転対称な位相差を付加することができる。

【００２９】図３に示す非共軸の虚像観察光学系におい
ては、画像表示装置６が画像を表示するまでの動作は図
１により前述したものと同様なので省略する。画像表示
装置６からでた光束は、偏心して配置された非球面凹面
鏡１７に入射する。この非球面凹面鏡１７は、光学系全
体の屈折力の一部を担っているため、ここで偏心による
収差が発生する。非球面凹面鏡１７により反射された光
束は、ＨＯＥ（ホログラフィック光学素子）基板９を通
して、偏心して配置されたリップマン体積ホログラム１
０に入射する。このリップマン体積ホログラム１０も屈
折力を持っているため、偏心による収差が発生する。し
かしながら、リップマン体積ホログラム１０には、非球
面凹面鏡１７及びリップマン体積ホログラム１０により
発生する偏心収差を低減するような非球面非回転対称位
相を波面に付加する干渉縞が形成されているため、瞳１
１に導かれる反射波面は偏心収差が低減されたものとな
り、観察者は良好な表示画像の虚像を観察することがで
きる。

【００３０】この図３に示した実施の形態のように、虚
像結像のための屈折力を持つ光学素子を複数使うメリッ
トとしては、屈折力を複数面に分担させることにより、
収差の発生量を低くできるという点が挙げられる。ま
た、回折光学素子が屈折力を持って原理的に像面湾曲収
差を発生しないため、全ての屈折力を凹面鏡に依存する
場合に比べて、表示画像より平らにできるという点が挙
げられる。

【００３１】ここで、リップマン体積ホログラム１０
は、特定の波長λの光のみを回折させ他のスペクトルは
透過させるため、ＨＯＥ基板９が透明で、かつ、大きな
屈折力をもっていなければ、観察者は、リップマン体積
ホログラム１０を透して背景像も明瞭に見ることができ
る。また、リップマン体積ホログラム１０における回折
に使われるスペクトル幅（回折光の強度が１／２に低下
する波長幅）は、感剤の厚さ２０μｍ、波長５００ｎｍ
の場合で１０ｎｍ程度であるため、非常に明るい背景像
を得ることができる。

【００３２】また、本発明に係る虚像観察光学系は、図
７に示すように、画像表示装置６と２つのリップマン体
積ホログラム１０ａ，１０ｂとを用いて、非共軸の虚像
観察光学系として構成することもできる。この実施の形
態は、図３に示した実施の形態における非球面凹面鏡１
７をリップマン体積ホログラムにおきかえたものであ
る。画像表示装置６が画像を表示するまでの動作は、図
１により前述した実施の形態におけると同様なので説明
を省略する。画像表示装置６から出た光束は、偏心して
配置された第１のリップマン体積ホログラム１０ａに第
１のＨＯＥ基板９ａを通過して入射する。この第１のリ
ップマン体積ホログラム１０ａは非球面凹面鏡の働きを
し、光学系全体の屈折力の一部を担っているため、本来
ならばここで偏心による収差が発生する。ところが、こ
の第１のリップマン体積ホログラム１０ａは、屈折力を
与えると同時に、この偏心収差を低減するような非球面
非回転対称位相付加機能を有しており、偏心収差を低減
させる働きもする。第１のリップマン体積ホログラム１
０ａで反射された光束は、第１のＨＯＥ基板９ａを通過
した後、偏心して配置された第２のリップマン体積ホロ
グラム１０ｂに入射する。この第２のリップマン体積ホ
ログラム１０ｂも、屈折力を持っているために偏心によ
る収差を発生させるが、第１のリップマン体積ホログラ
ム１０ａと同様に、非球面非回転対称な位相付加機能に
より、屈折力を与えると同時に、偏心収差を低減の働き
もする。

【００３３】このように、２枚のリップマン体積ホログ
ラム１０ａ，１０ｂにより屈折力及び非球面非回転対称
位相差を与えられた反射光束は、瞳１１に導かれ、観察
者は、表示画像の良好な虚像を観察することができる。
この実施の形態のように、虚像結像のための屈折力を持
つ光学素子を全て回折光学素子で構成するメリットとし
ては、回折光学素子が原理的に像面湾曲収差を発生しな
い（つまりペッツバール和が０である）ため、凹面鏡に
より屈折力を付与した場合と異なり、完全にフラットな
画像表示ができるという点が挙げられる。また、この実
施の形態において各ＨＯＥ基板９ａ，９ｂの形状が曲面
になっているのは、特に広画角光学系の場合、画角全体
の平均解像度の劣化を防ぐためのものである。

【００３４】前述のように、リップマン体積ホログラム
は、特定の波長λの光のみを回折させ他のスペクトルは
透過するため、第２のＨＯＥ基板１０ｂが透明で、か
つ、大きな屈折力をもっていなければ、観察者は、背景
像も明瞭に見ることができる。リップマン体積ホログラ
ムにおける回折に使われるスペクトル幅（回折光の強度
が１／２に低下する波長幅）は、感剤の厚さ２０μｍ、
波長５００ｎｍの場合で１０ｎｍ程度であるため、非常
に明るい背景像を得ることができる。

【００３５】また、本発明に係る虚像観察光学系は、図
８に示すように、画像表示装置６とリップマン体積ホロ
グラム１０を使った非共軸系の虚像観察光学系として構
成することもできる。この場合、ただ１枚のリップマン
体積ホログラム１０が画像表示装置６から射出された光
束を変調し、屈折力により虚像表示を行い、かつ、非球
面非回転対称位相差の付加により偏心による収差の補正
を行う。リップマン体積ホログラム１０は、波長選択反
射（ブラッグ回折）を行うため、構造が非常に簡単とな
る。もちろん、観察者は、ＨＯＥ基板９が透明で、か
つ、大きな屈折力をもっていなければ、背景像も明瞭に
見ることができる。

【００３６】さらに、本発明に係る虚像観察光学系は、
図９に示すように、反射型回折光学素子であるリップマ
ン体積ホログラム１０を反射光学素子として用いた非共
軸（偏心）系の虚像観察光学系として構成することがで
きる。この実施の形態では、ＬＣＤ６の表示面と偏光性
ビームスプリッタ７との挟角は４０°また、リップマン
体積ホログラム１０の法線と瞳１１へ向かう表示光束と
の挟角は３５°となっている。

【００３７】この虚像観察光学系においては、図１０に
示すように、ビデオ信号１がＬＣＤドライバ（液晶ディ
スプレイ駆動回路）２に入力される。ＬＣＤドライバ２
からは、ＬＥＤ（light emitting diode：発光素子）点
灯電流３と画像表示装置となるＬＣＤ（液晶ディスプレ
イ）６を駆動するドライブ信号４とが出力され、バック
ライト５とＬＣＤ６とに入力される。

【００３８】バックライト５は、光源として、発光中心
波長が５２５ｎｍのいわゆるチップサイズのＬＥＤを横
２列、縦４列の計８個マウントしたＬＥＤアレイ５ａを
有している。このＬＥＤアレイ５ａのＬＣＤ６側には、
ＬＥＤアレイ５ａからの照射光の輝度を均一にし、拡散
角度を制御するために、拡散板５ｂが配設されている。
ＬＥＤアレイ５ａからの拡散角は、半値角で約１０°と
なっている。

【００３９】画像表示装置となるＬＣＤ（液晶ディスプ
レイ）６としては、例えば、０．５５インチの透過型液
晶ディスプレイを用いることができる。このＬＣＤ６に
おいては、電気信号である画像信号が画像に変換され、
このＬＣＤ６を透過するバックライト５からの射出光が
該画像に応じて変調される。ＬＣＤ６を透過した光束
は、光束分割デバイスとなる楔形偏光性ビームスプリッ
タ７に入射する。このＬＣＤ６から楔形偏光性ビームス
プリッタ７への入射角は、約４０°となっている。

【００４０】この楔形偏光性ビームスプリッタ７におい
ては、入射した全光量の一部がこの楔形偏光性ビームス
プリッタ７を透過し、残りは、この楔形偏光性ビームス
プリッタ７上に形成された偏光性光束分割膜８により反
射されて、ＨＯＥ（ホログラフィック光学素子）基板９
に入射する。この楔形偏光性ビームスプリッタ７の楔の
開き角は、１°乃至５°となされており、図１０に示す
光学系では、３°となっている。ＨＯＥ基板９は、図９
に示すように、楔形偏光性ビームスプリッタ７からの入
射光に対して凹状の円筒面状に形成されている。このＨ
ＯＥ基板９を透過した光束は、このＨＯＥ基板９の裏面
部に形成されたリップマン体積ホログラム１０により、
特定の波長域の光線のみが選択的に反射される。ここで
は、光源の波長である５２５ｎｍを中心とする半値全巾
で１０ｎｍ程度の範囲の光線のみが反射される。

【００４１】リップマン体積ホログラム１０で反射され
た光線は、再びＨＯＥ基板９を透過して、楔形偏光性ビ
ームスプリッタ７に入射し、一部が該楔型偏光性ビーム
スプリッタ７を透過して、観察者の瞳１１に入射する。
一方、ＨＯＥ基板９の裏面側より進行してくる背景の光
束は、リップマン体積ホログラム１０、ＨＯＥ基板９及
び楔形偏光性ビームスプリッター７を透過して、瞳１１
に入射する。

【００４２】このとき、背景から瞳１１に到達する光線
のスペクトルにおいては、波長が５２５ｎｍ付近の光線
がリップマン体積ホログラム１０によって反射されるた
め、回折効率に略々逆比例して該帯域の強度が低下す
る。

【００４３】ところで、この虚像観察光学系において
は、非共軸（偏心）系であり、屈折力を有するリップマ
ン体積ホログラム１０が偏心して配されていることによ
り収差が発生する。このような偏心による収差の一部
は、反射型回折光学素子であるリップマン体積ホログラ
ム１０において、非球面、非共軸の波面変換を実現する
干渉縞を導入することで、低減が可能である。すなわ
ち、このリップマン体積ホログラム１０は、屈折力を与
えると同時にこの偏心収差を低減するような非球面非回
転対称位相付加機能を有しており、偏心収差を低減させ
る働きもする。つまり、リップマン体積ホログラム１０
で反射回折された波面には、屈折力と同時に偏心収差を
補正する非球面非回転対称位相差が付加されており、再
びホログラム基板９と偏光ビームスプリッタ７を透過
後、瞳１１に導かれた波面は良好に収差補正されてお
り、観察者は鮮明な虚像を見ることができる。また、リ
ップマン体積ホログラム１０による反射後の光束は楔型
偏光性ビームスプリッタ７を透過するときに、さらに、
非点収差、コマ収差、歪曲などの収差が低減される。

【００４４】ここで、楔形偏光性ビームスプリッタ７の
楔の開き角が３°である場合と、該開き角が０°である
場合、すなわち、平行平板状ビームスプリッタである場
合とにおける歪曲収差の発生状態を比較すると、図１１
及び図１２に示すように、リップマン体積ホログラム１
０により反射された光束が、楔の開き角が３°の楔型偏
光性ビームスプリッタ７を透過することにより、歪曲収
差が低減されていることが分かる。また、このとき、楔
形偏光性ビームスプリッタ７の裏面部における反射によ
る２重像、いわゆる、ゴースト像も除去される。

【００４５】そして、本発明に係る虚像観察光学系は、
図１３及び図１４に示すように、非球面ハーフミラーを
反射型光学素子として用いた共軸（回転対称）系の虚像
観察光学系として構成することもできる。図１３に示す
虚像観察光学系は、楔形偏光性ビームスプリッタに代え
て平行平板偏光性ビームスプリッタ１２を備えている。
図１４に示す虚像観察光学系は、楔形偏光性ビームスプ
リッタ７を備えている。

【００４６】図１３に示す虚像観察光学系においては、
ビデオ信号１がＬＣＤドライバ２に入力される。ＬＣＤ
ドライバ２からは、冷陰極管電圧（バックライト電圧）
３とＬＣＤ６を駆動するドライバ信号４とが出力され、
バックライト５とＬＣＤ６とに入力される。

【００４７】バックライト５は、冷陰極管５ａを光源と
している。この冷陰極管５ａのＬＣＤ６側には、冷陰極
管５ａからの照射光の輝度を均一にし、拡散角度を制御
するために、拡散板５ｂが設けられている。ＬＣＤ６
は、例えば０．５５インチの透過型液晶ディスプレイで
あり、電気信号である画像信号を画像に変換し、バック
ライト５から射出された光束を該画像に応じて変調す
る。

【００４８】ＬＣＤ６を透過した光束は、光束分割デバ
イスとなる平行平板偏光性ビームスプリッタ１２に入射
する。ＬＣＤ６から平行平板偏光性ビームスプリッタ１
２への入射角は、４５°となっている。この平行平板偏
光性ビームスプリッタ１２においては、入射光の全光量
の一部がこの平行平板偏光性ビームスプリッタ１２を透
過し、残りは、平行平板偏光性ビームスプリッタ１２上
に形成された偏光性光束分割膜８により反射されて、非
球面ハーフミラー膜１３に入射する。この非球面ハーフ
ミラー膜１３は、非球面ハーフミラー基板１４上に形成
されている。この非球面ハーフミラー基板１４は、平行
平板偏光性ビームスプリッタ１２からの入射光に対して
凹状の円筒面状に形成されている。

【００４９】非球面ハーフミラー膜１３に入射した光束
は、一部が非球面ハーフミラー膜１３により反射されて
再び平行平板偏光性ビームスプリッタ１２に入射し、さ
らにその一部が平行平板偏光性ビームスプリッタ１２を
透過して観察者の瞳１１に入射する。非球面ハーフミラ
ー膜１３の裏面側より進行してくる背景の光束は、非球
面ハーフミラー基板１４、非球面ハーフミラー膜１３及
び平行平板偏光性ビームスプリッター１２を透過して、
瞳１１に入射する。

【００５０】ここで、図１３に示すように、平行平板ビ
ームスプリッタ１２の裏面部にて反射された光束Ａも、
非球面ハーフミラー膜１３に入射し、この非球面ハーフ
ミラー膜１３で反射されると、瞳１１に入射する。この
光束Ａは、偏光性光束分割膜８において反射された光束
とは光軸と平行にずれており、しばしば瞳１１に入射し
て、ゴースト像を形成する。ここで、図１４に示すよう
に、平行平板偏光性ビームスプリッタを楔型偏光性ビー
ムスプリッタ７に代えれば、図１４に示すように、楔型
偏光性ビームスプリッタ７の裏面部での反射光束Ｂは、
瞳１１には到達せず、ゴースト像を形成しない。

【００５１】一方、非球面ハーフミラー基板１４の裏面
側より進行してくる背景の光束は、非球面ハーフミラー
基板１４、非球面ハーフミラー膜１３及び楔形偏光性ビ
ームスプリッタ７を透過して、瞳１１に入射する。した
がって、楔型偏光性ビームスプリッタ７の楔の開き角を
あまりに大きくすると、プリズム作用により、眼球光軸
から外れた背景が観察されてしまったり、背景像が歪ん
で見えてしまう。そのため、楔型偏光性ビームスプリッ
タ７の楔の開き角は、１°から５°の範囲にするのが望
ましい。

【００５２】上述の各実施の形態では、緑色の単色表示
であるが、図１５に示すように、リップマン体積ホログ
ラム１０をＲＧＢ三色のレーザー１８，１９，２０で多
重露光して作成し、バックライトにもＲＧＢスペクトル
を含む光源を使用することにより、フルカラー表示も可
能である。

【００５３】このようなフルカラー表示用のリップマン
体積ホログラム１０を露光する装置においては、赤色レ
ーザ（Ｋｒレーザ、発振波長６４７ｎｍ）２０から射出
された光束は、可変ビームスプリッタ３４により分割さ
れ、一方はダイクロイックミラー２４及びミラー２５に
より反射されて変調素子３１を経てリップマン体積ホロ
グラム１０の一面側に照射され、他方はダイクロイック
ミラー２８及びミラー２９により反射されて変調素子３
０及び非球面非回転対称波面発生光学系３６を経てリッ
プマン体積ホログラム１０の他面側に照射される。ま
た、緑色レーザ（ＳＨＧレーザ、発振波長５３２ｎｍ）
１８から射出された光束は、ミラー２１により反射さ
れ、可変ビームスプリッタ２２により分割され、一方は
ダイクロイックミラー２３及びダイクロイックミラー２
４を透過してミラー２５により反射されて変調素子３１
を経てリップマン体積ホログラム１０の一面側に照射さ
れ、他方はミラー２６により反射され、ダイクロイック
ミラー２７及びダイクロイックミラー２８を透過し、ミ
ラー２９により反射されて変調素子３０及び非球面非回
転対称波面発生光学系３６を経てリップマン体積ホログ
ラム１０の他面側に照射される。そして、青色レーザ
（Ａｒレーザ、発振波長４８８ｎｍ）１９から射出され
た光束は、可変ビームスプリッタ３２により分割され、
一方はミラー３３及びダイクロイックミラー２３により
反射され、ダイクロイックミラー２４を透過してミラー
２５により反射されて変調素子３１を経てリップマン体
積ホログラム１０の一面側に照射され、他方はダイクロ
イックミラー２７により反射され、ダイクロイックミラ
ー２８を透過し、ミラー２９により反射されて変調素子
３０及び非球面非回転対称波面発生光学系３６を経てリ
ップマン体積ホログラム１０の他面側に照射される。

【００５４】このようにしてリップマン体積ホログラム
１０をカラー化することにより、背景からの透過光から
ＲＧＢ均等にスペクトルが欠落し、瞳１１に到達するた
め、背景の色がより自然なものとなる利点もある。

【００５５】また、本発明に係る虚像観察光学系は、反
射型液晶表示装置を用いて、フルカラー化して構成する
ことができる。すなわち、この虚像観察光学系において
は、図１６に示すように、ビデオ信号１がＬＣＤドライ
バ（液晶ディスプレイ駆動回路）２に入力される。ＬＣ
Ｄドライバ２からは、ＬＥＤ（light emitting diode：
発光素子）点灯電流３と画像表示装置となるＬＣＤ（液
晶ディスプレイ）６を駆動するドライブ信号４とが出力
され、ライト５とＬＣＤ６とに入力される。

【００５６】ライト５は、光源として、発光中心波長が
４７０ｎｍ、５２５ｎｍ、６４０ｎｍのいわゆるチップ
サイズのＬＥＤを数個ずつマウントしたＬＥＤアレイ５
ａを有している。また、画像表示装置となるＬＣＤ（液
晶ディスプレイ）６としては、例えば、０．５５インチ
の反射型液晶ディスプレイを用いることができる。この
ＬＣＤ６においては、電気信号である画像信号が画像に
変換され、ライト５から導光板６ａによりＬＣＤ６に入
射した光束が該画像に応じて変調されて反射される。Ｌ
ＣＤ６により反射された光束は、光束分割デバイスとな
る楔形偏光性ビームスプリッタ７に入射する。この楔形
偏光性ビームスプリッタ７においては、入射した全光量
の一部がこの楔形偏光性ビームスプリッタ７を透過し、
残りは、この楔形偏光性ビームスプリッタ７上に形成さ
れた偏光性光束分割膜８により反射されて、ＨＯＥ（ホ
ログラフィック光学素子）基板９に入射する。ＨＯＥ基
板９は、楔形偏光性ビームスプリッタ７からの入射光に
対して凹状の円筒面状に形成されている。このＨＯＥ基
板９を透過した光束は、このＨＯＥ基板９の裏面部に形
成されたリップマン体積ホログラム１０により、特定の
波長域、すなわち、リップマン体積ホログラム１０内の
干渉縞がブラッグ（Bragg）条件を満たす波長の光線の
みが選択的に反射される。ここでは、光源の波長である
４７０ｎｍ、５２５ｎｍ、６４０ｎｍを中心とする半値
全巾で１０ｎｍ程度の範囲の光線のみが反射される。

【００５７】リップマン体積ホログラム１０で反射され
た光線は、再びＨＯＥ基板９を透過して、楔形偏光性ビ
ームスプリッタ７に入射し、一部が該楔型偏光性ビーム
スプリッタ７を透過して、観察者の瞳１１に入射する。
一方、ＨＯＥ基板９の裏面側より進行してくる背景の光
束は、リップマン体積ホログラム１０、ＨＯＥ基板９及
び楔形偏光性ビームスプリッター７を透過して、瞳１１
に入射する。

【００５８】このとき、背景から瞳１１に到達する光線
のスペクトルにおいては、波長が４７０ｎｍ、５２５ｎ
ｍ、６４０ｎｍ付近の光線がリップマン体積ホログラム
１０によって反射されるため、回折効率に略々逆比例し
てこの帯域の強度が低下する。

【００５９】ところで、この虚像観察光学系は、非共軸
（偏心）系であり、屈折力を有するリップマン体積ホロ
グラム１０が偏心して配されていることにより収差が発
生する。このような偏心による収差の一部は、反射型回
折光学素子であるリップマン体積ホログラム１０におい
て、非球面、非共軸の波面変換を実現する干渉縞を導入
することで、低減が可能である。すなわち、このリップ
マン体積ホログラム１０は、屈折力を与えると同時にこ
の偏心収差を低減するような非球面非回転対称位相付加
機能を有しており、偏心収差を低減させる働きもする。
これと同時にリップマン体積ホログラム面反射後の光束
が楔形偏光性ビームスプリッター７を透過することによ
り、さらに非点収差、コマ収差、歪曲などの収差が低減
できる。同時にビームスプリッタの裏面反射による２重
像、いわゆるゴースト像も除去されている。

【００６０】以上に挙げた実施の形態では、リップマン
体積ホログラムを光学系の中に使う場合にも、ブレーズ
ドホログラムの場合と同様に、光源の発光スペクトル
は、回折波長（ブラッグ波長）にするのが望ましい（カ
ラーの場合には、ＲＧＢの３波長）。すなわち、リップ
マン体積ホログラムは、回折について波長選択機能があ
るため、ブレーズドホログラムの場合のように、ゴース
ト像などのノイズにはならないが、限られたスペクトル
幅しか回折光として利用されないため、光利用効率を上
げるためには、光源の発光スペクトルを回折波長にする
ことが重要である。

【００６１】また、上述した全ての実施の形態におい
て、画像表示装置としてＬＣＤ（液晶画像表示装置）を
採用しているが、これ以外にも、自発光素子であるエレ
クトロ−ルミネッセンス画像表示装置や、フィールド−
エミッション画像表示装置などを用いることもできる。

【００６２】

【発明の効果】上述のように、本発明に係る虚像観察光
学系においては、反射型回折光学素子を用いることによ
り、複数のトーリック面、アナモルフィック面や複雑な
自由曲面を導入することなく、光学部品の偏心による収
差の低減が可能となり、小型軽量な非共軸系の虚像観察
光学系を提供することができる。

【００６３】また、回折光学素子にも屈折力を分担させ
ることにより、像面湾曲収差の少ない良好な虚像表示が
実現できる。さらに、原理的に回折波長選択性を有する
リップマン体積ホログラムを反射型回折光学素子として
利用することにより、他の光学部品を導入することな
く、明るい表示像と明るい背景像とを両立したシースル
ー機能をもたせることが可能となる。

【００６４】すなわち、本発明は、屈折力を持った光学
素子の主光線に対する偏心に伴って発生する光学的収差
が良好に補正され、光学部品のレイアウトの自由度が確
保され、装置構成の小型化が可能となされた虚像観察光
学系を提供することができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る虚像観察光学系の構成の第１の形
態を示す平面図である。

【図２】上記虚像観察光学系を構成する反射型ブレーズ
ドホログラムの形状を示す拡大平面図である。

【図３】本発明に係る虚像観察光学系の構成の第２の形
態を示す平面図である。

【図４】上記虚像観察光学系を構成するリップマン体積
ホログラムの構造を示す拡大断面図である。

【図５】上記リップマン体積ホログラムにおける現象
（表面での反射）を説明するための断面図である。

【図６】上記リップマン体積ホログラムにおける現象
（表面以外での反射）を説明するための断面図である。

【図７】本発明に係る虚像観察光学系の構成の第３の形
態を示す平面図である。

【図８】本発明に係る虚像観察光学系の構成の第４の形
態を示す平面図である。

【図９】本発明に係る虚像観察光学系の構成の第５の形
態を示す平面図である。

【図１０】上記図９に示した虚像観察光学系の構成を示
す平面図である。

【図１１】上記虚像観察光学系における歪曲収差（楔の
開き角０°）を示すグラフである。

【図１２】上記虚像観察光学系における歪曲収差（楔の
開き角３°）を示すグラフである。

【図１３】上記虚像観察光学系の構成の第６の形態を示
す平面図である。

【図１４】上記虚像観察光学系の構成の第７の形態を示
す平面図である。

【図１５】上記虚像観察光学系を構成するリップマン体
積ホログラムにカラー露光をするための装置の構成を示
すブロック図である。

【図１６】上記虚像観察光学系の構成の第８の形態を示
す平面図である。

【図１７】従来の虚像観察光学系の構成を示す平面図で
ある。

【図１８】従来の虚像観察光学系の構成の他の例を示す
平面図である。

【図１９】従来の虚像観察光学系の構成のさらに他の例
を示す平面図である。

【符号の説明】

６ ＬＣＤ、７ 偏光性ビームスプリッタ、９ ＨＯＥ
基板、１０ リップマン体積ホログラム、１１ 瞳、１
５ 反射型ブレーズドホログラム、１６ 接眼レンズ、
１７ 非球面凹面鏡

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１ Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１Ａ 5/66 １０２ 5/66 １０２Ｚ

Claims (33)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 画像表示装置と、 上記画像表示装置から射出する主光線に対して偏心して
   配設され該画像表示装置の表示画像の虚像を結像する屈
   折力を有する少なくとも一の結像用光学素子と、 非球面非回転対称位相付加機能を有する反射型回折光学
   素子とを備え、 上記反射型回折光学素子は、上記結像用光学素子が上記
   画像表示装置から射出される主光線に対して偏心してい
   ることにより発生する光学的収差を非球面非回転対称位
   相付加機能により低減することを特徴とする虚像観察光
   学系。
2. 【請求項２】 結像用光学素子は、少なくとも１面の屈
   折面を有していることを特徴とする請求項１記載の虚像
   観察光学系。
3. 【請求項３】 結像用光学素子は、少なくとも１面の反
   射面または半透膜面を有していることを特徴とする請求
   項１記載の虚像観察光学系。
4. 【請求項４】 結像用光学素子は、少なくとも１面の反
   射型回折面を有していることを特徴とする請求項１記載
   の虚像観察光学系。
5. 【請求項５】 反射型回折光学素子は、リップマン体積
   ホログラム素子であることを特徴とする請求項１記載の
   虚像観察光学系。
6. 【請求項６】 反射型回折光学素子は、反射型ブレーズ
   ドホログラムであることを特徴とする請求項１記載の虚
   像観察光学系。
7. 【請求項７】 画像表示装置は、エレクトロ−ルミネッ
   センス画像表示装置であることを特徴とする請求項１記
   載の虚像観察光学系。
8. 【請求項８】 画像表示装置は、フィールド−エミッシ
   ョン画像表示装置であることを特徴とする請求項１記載
   の虚像観察光学系。
9. 【請求項９】 画像表示装置は、液晶画像表示装置であ
   ることを特徴とする請求項１記載の虚像観察光学系。
10. 【請求項１０】 液晶画像表示装置は、発光ダイオード
    を光源とするバックライトを備えていることを特徴とす
    る請求項９記載の虚像観察光学系。
11. 【請求項１１】 液晶画像表示装置は、半導体レーザー
    を光源とするバックライトを備えていることを特徴とす
    る請求項９記載の虚像観察光学系。
12. 【請求項１２】 画像表示装置は、反射型液晶画像表示
    装置であることを特徴とする請求項１記載の虚像観察光
    学系。
13. 【請求項１３】 画像表示装置と、 上記画像表示装置から射出する主光線に対して偏心して
    配設された少なくとも一の結像用光学素子と、 非球面非回転対称位相付加機能を有するとともに、上記
    結像用光学素子と共働して上記画像表示装置の表示画像
    の虚像を結像する反射型回折光学素子とを備え、 上記反射型回折光学素子は、上記結像用光学素子が上記
    画像表示装置から射出される主光線に対して偏心してい
    ることにより発生する光学的収差を非球面非回転対称位
    相付加機能により低減することを特徴とする虚像観察光
    学系。
14. 【請求項１４】 画像表示装置と、上記画像表示装置か
    ら射出される主光線に対して偏心して設置され、該画像
    表示装置の表示画像の虚像を結像するための屈折力と非
    球面非回転対称位相付加機能とを有する反射型回折光学
    素子とを備え、 上記反射型回折光学素子は、上記画像表示装置から射出
    される主光線に対する偏心により発生する光学的収差を
    非球面非回転対称位相付加機能によって低減することを
    特徴とする虚像観察光学系。
15. 【請求項１５】 反射型回折光学素子は、リップマン体
    積ホログラム素子であることを特徴とする請求項１４記
    載の虚像観察光学系。
16. 【請求項１６】 反射型回折光学素子は、反射型ブレー
    ズドホログラムであることを特徴とする請求項１４記載
    の虚像観察光学系。
17. 【請求項１７】 画像表示装置は、エレクトロ−ルミネ
    ッセンス画像表示装置であることを特徴とする請求項１
    ４記載の虚像観察光学系。
18. 【請求項１８】 画像表示装置は、フィールド−エミッ
    ション画像表示装置であることを特徴とする請求項１４
    記載の虚像観察光学系。
19. 【請求項１９】 画像表示装置は、液晶画像表示装置で
    あることを特徴とする請求項１４記載の虚像観察光学
    系。
20. 【請求項２０】 液晶画像表示装置は、発光ダイオード
    を光源とするバックライトを備えていることを特徴とす
    る請求項１９記載の虚像観察光学系。
21. 【請求項２１】 液晶画像表示装置は、半導体レーザー
    を光源とするバックライトを備えていることを特徴とす
    る請求項１９記載の虚像観察光学系。
22. 【請求項２２】 画像表示装置は、反射型液晶画像表示
    装置であることを特徴とする請求項１４記載の虚像観察
    光学系。
23. 【請求項２３】 画像表示装置と反射型回折光学素子と
    の間に光束分割素子が配設されていることを特徴とする
    請求項１４記載の虚像観察光学系。
24. 【請求項２４】 反射型回折光学素子は、リップマン体
    積ホログラム素子であることを特徴とする請求項２３記
    載の虚像観察光学系。
25. 【請求項２５】 反射型回折光学素子は、反射型ブレー
    ズドホログラムであることを特徴とする請求項２３記載
    の虚像観察光学系。
26. 【請求項２６】 画像表示装置は、エレクトロ−ルミネ
    ッセンス画像表示装置であることを特徴とする請求項２
    ３記載の虚像観察光学系。
27. 【請求項２７】 画像表示装置は、フィールド−エミッ
    ション画像表示装置であることを特徴とする請求項２３
    記載の虚像観察光学系。
28. 【請求項２８】 画像表示装置は、液晶画像表示装置で
    あることを特徴とする請求項２３記載の虚像観察光学
    系。
29. 【請求項２９】 液晶画像表示装置は、発光ダイオード
    を光源とするバックライトを備えていることを特徴とす
    る請求項２８記載の虚像観察光学系。
30. 【請求項３０】 液晶画像表示装置は、半導体レーザー
    を光源とするバックライトを備えていることを特徴とす
    る請求項２８記載の虚像観察光学系。
31. 【請求項３１】 画像表示装置は、反射型液晶画像表示
    装置であることを特徴とする請求項２３記載の虚像観察
    光学系。
32. 【請求項３２】 反射型回折光学素子の回折面の中心垂
    線と光束分割素子の中心垂線とのなす角が、４０°以下
    となっていることを特徴とする請求項２３記載の虚像観
    察光学系。
33. 【請求項３３】 画像表示装置の中心垂線と光束分割素
    子の中心垂線とのなす角が、４０°以下となっているこ
    とを特徴とする請求項２３記載の虚像観察光学系。