【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、使用者が外界など
の前方からの光による像とこれに重畳された表示画像を
見ることができるイメージコンバイナ、及びこれを用い
た頭部装着式等の画像表示装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image combiner that allows a user to see an image by light from the front such as the outside world and a display image superimposed on the image, and a head-mounted type using the image combiner. The present invention relates to an image display device.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来から、使用者が外界の様子を観察し
ながらこれに重畳された表示画像を見ることができる、
いわゆるシースルー型の頭部装着式画像表示装置（ヘッ
ド・マウンテッド・ディスプレイ）として、例えば、特
開平２０００−３５２６８９号公報や特開平２００１−
２６４６８２号公報に開示された画像表示装置が知られ
ている。また、特開平２００１−２６４６８２号公報に
は、シースルー型の頭部装着式画像表示装置のみなら
ず、それと実質的に同じ構成を持ちながらシースルー型
として用いない（つまり、画像表示素子からの光に外界
から等の他の光を重畳させることなく、画像表示素子か
らの光のみを使用者の眼に導びく）画像表示装置も開示
され、この画像表示装置を携帯電話機のフリッパー部に
内蔵する例も開示されている。2. Description of the Related Art Conventionally, a user can see a display image superimposed on the outside while observing the appearance of the outside world.
As a so-called see-through type head-mounted image display device (head mounted display), for example, JP-A-2000-352689 or JP-A-2001-2001.
An image display device disclosed in Japanese Patent No. 264682 is known. In addition, in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-264682, not only a see-through type head-mounted image display device, but also a see-through type device having substantially the same configuration as the see-through type image display device (that is, light from an image display element is not used) is disclosed. An image display device in which only the light from the image display element is guided to the user's eyes without superimposing other light such as from the outside) is also disclosed. An example in which this image display device is built in the flipper part of a mobile phone Is also disclosed.
【０００３】これらの画像表示装置では、反射型ホログ
ラム光学素子を用いることにより小型軽量化を図ってい
る。反射型ホログラム光学素子は、波長選択性が優れ、
極限られた波長領域の光のみを選択的に回折反射し得
る。このため、シースルー型の画像表示装置を構成する
場合、反射型ホログラム光学素子による外界等から透過
する光量の損失を著しく低減させることができる。In these image display devices, a reflection type hologram optical element is used to reduce the size and weight. The reflective hologram optical element has excellent wavelength selectivity,
Only light in a very limited wavelength range can be selectively diffracted and reflected. Therefore, when the see-through type image display device is configured, it is possible to significantly reduce the loss of the amount of light transmitted from the outside world or the like due to the reflection type hologram optical element.
【０００４】また、これらの画像表示装置では、小型軽
量化を図るため、一般的に、画像表示素子として液晶表
示素子が用いられ、それを照明する光源として小型かつ
安価な光源であるＬＥＤが用いられている。In addition, in order to reduce the size and weight of these image display apparatuses, a liquid crystal display element is generally used as an image display element, and an LED which is a small and inexpensive light source is used as a light source for illuminating it. Has been.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の画像表示装置では、表示画像が滲んだように見えて
しまい、画質の点で必ずしも十分ではなかった。However, in the above-mentioned conventional image display device, the displayed image seems to be blurred, which is not always sufficient in terms of image quality.
【０００６】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、反射型ホログラム光学素子を用いて小型軽量
化を図りつつ、表示画像の画質の向上を図ることができ
る画像表示装置、及び、このような画像表示装置などに
用いることができるイメージコンバイナを提供すること
を目的とする。The present invention has been made in view of the above circumstances, and an image display device capable of improving the image quality of a display image while using a reflective hologram optical element to reduce the size and weight, and An object of the present invention is to provide an image combiner that can be used in such an image display device.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明者は、研究の結
果、前記従来の画像表示装置において表示画像が滲んだ
ように見える原因は、反射型ホログラム光学素子に起因
する横色収差であることを見出した。このような横色収
差は、従来は全く看過されていたものである。この横色
収差について、以下に詳述する。なお、以下の説明で
は、ホログラム光学素子をＨＯＥと呼ぶ場合がある。As a result of research, the inventor of the present invention has found that a cause of a blurred display image in the conventional image display device is lateral chromatic aberration caused by a reflective hologram optical element. I found it. Such lateral chromatic aberration has been completely neglected in the past. This lateral chromatic aberration will be described in detail below. In the following description, the hologram optical element may be referred to as HOE.
【０００８】反射型ＨＯＥ、とりわけ反射型体積型ＨＯ
Ｅは、鋭い波長選択性（ある入射角で入射する再生照明
光に対して、特定の波長の光だけが特定方向に回折され
る特性）を持つが、その波長選択性の半値全幅は、ホロ
グラムの干渉縞を記録する乳剤の厚みによって決まり、
例えば乳剤の厚さが１５μｍの場合は半値全幅が約１２
ｎｍ、厚さ５μｍの場合は半値全幅が約２４ｎｍであ
る。つまり、反射型ＨＯＥは、鋭い波長選択性を持つと
はいえ、単一波長の光のみを反射するわけではなく、所
定の波長領域の波長成分を持つ光を選択的に反射する。Reflective HOE, especially reflective volume HO
E has a sharp wavelength selectivity (the characteristic that only the light of a specific wavelength is diffracted in a specific direction with respect to the reproduction illumination light incident at a certain incident angle), but the full width at half maximum of the wavelength selectivity is a hologram. Determined by the thickness of the emulsion recording the interference fringes of
For example, when the emulsion thickness is 15 μm, the full width at half maximum is about 12
When the thickness is 5 nm and the thickness is 5 μm, the full width at half maximum is about 24 nm. That is, although the reflection type HOE has sharp wavelength selectivity, it does not reflect only light of a single wavelength but selectively reflects light having a wavelength component in a predetermined wavelength range.
【０００９】一方、前記従来の画像表示装置において、
画像表示素子から得られる光は、前述したように小型光
源であるＬＥＤが照明光源として一般的に用いられるこ
とから、白色ＬＥＤではなく特定色のＬＥＤを用いたと
しても、単一波長ではなく所定の波長領域の成分を有し
ている。特定色（緑色、赤色等）のＬＥＤの場合、当該
ＬＥＤからの射出光の半値全幅は概ね２０ｎｍ前後、広
いものでは６０ｎｍ前後になるものもある。On the other hand, in the above conventional image display device,
As described above, the light obtained from the image display element is not a single wavelength but a predetermined wavelength, even if an LED of a specific color is used instead of a white LED because an LED that is a small light source is generally used as an illumination light source. It has a component in the wavelength region of. In the case of an LED of a specific color (green, red, etc.), the full width at half maximum of the light emitted from the LED is about 20 nm, and in some cases it is about 60 nm in a wide range.
【００１０】したがって、前記従来の画像表示装置で
は、反射型ＨＯＥには、当該反射型ＨＯＥが選択的に反
射する波長領域と同程度かあるいはそれより広い波長領
域の成分を持つ光が、入射する。Therefore, in the conventional image display device described above, light having a component in a wavelength region that is approximately the same as or wider than the wavelength region selectively reflected by the reflective HOE is incident on the reflective HOE. .
【００１１】反射型ＨＯＥの面で回折反射する光はブラ
ッグの条件を満たす角度に反射回折するが、一般に、波
長が異なると回折反射の方向も異なる。このため、波長
幅λ±Δλがあるとき、反射の方向はθ±Δθとなり、
波長によって反射角が異なる。つまり、波長による分散
が発生し、横色収差を生じることになる。The light diffracted and reflected on the surface of the reflection type HOE is reflected and diffracted at an angle satisfying the condition of Bragg, but generally, the direction of the diffractive reflection is different when the wavelength is different. Therefore, when there is a wavelength width λ ± Δλ, the reflection direction is θ ± Δθ,
The reflection angle varies depending on the wavelength. That is, wavelength-dependent dispersion occurs, which causes lateral chromatic aberration.
【００１２】本発明者は、特開平２０００−３５２６８
９号公報及び特開平２００１−２６４６８２号公報に記
載のいくつかの実施例の画像表示装置について、観察者
（使用者）の瞳から画像表示素子（液晶表示素子などの
画像形成部材）へ向かって光線追跡を行うことにより、
前記横色収差の量を具体的に求めた。以下に、その結果
を述べる。The inventor of the present invention has found that Japanese Patent Laid-Open No. 2000-35268
Regarding the image display devices of some examples described in Japanese Patent Laid-Open No. 9 and Japanese Patent Laid-Open No. 2001-264682, from an observer's (user's) pupil toward an image display element (an image forming member such as a liquid crystal display element). By doing ray tracing,
The amount of the lateral chromatic aberration was specifically determined. The results will be described below.
【００１３】特開平２０００−３５２６８９号公報に記
載の実施例１の場合、ＨＯＥ面の法線に対し１８．４７
゜で入射するλ＝５３２ｎｍの光線は、ＨＯＥ面の法線
に対し３１．２６゜の方向に回折反射されるが、同方向
から入射するλ＝５４２ｎｍの光線はＨＯＥ面の法線に
対し３１．５２゜の方向に回折反射される。すなわち、
Δλ＝＋１０ｎｍに対してΔθ＝０．２６゜である。こ
の結果、像面上では０．１３ｍｍの横色収差を生じてい
る。なお、この場合、ＨＯＥ面の入射角と反射角との差
の絶対値は、１２．７９゜（＝３１．２６゜−１８．４
７゜）である。In the case of Example 1 described in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-352689, 18.47 with respect to the normal line of the HOE surface.
A light beam with λ = 532 nm incident at ゜ is diffracted and reflected in a direction of 31.26 ° with respect to the normal line of the HOE surface, but a light beam with λ = 542 nm incident from the same direction is 31 with respect to the normal line of the HOE surface. Diffracted and reflected in the direction of 0.52 °. That is,
Δθ = 0.26 ° for Δλ = + 10 nm. As a result, a lateral chromatic aberration of 0.13 mm occurs on the image plane. In this case, the absolute value of the difference between the incident angle and the reflection angle on the HOE surface is 12.79 ° (= 31.26 ° -18.4).
7 °).
【００１４】また、特開平２０００−３５２６８９号公
報に記載の実施例３の場合、ＨＯＥ面の法線に対し０゜
の方向に（法線と平行に）入射するλ＝５３２ｎｍの光
線は、ＨＯＥ面の法線に対し１９．３１゜の方向に回折
反射されるが、同方向から入射するλ＝５４２ｎｍの光
線はＨＯＥ面の法線に対し１９．６９゜の方向に回折反
射される。すなわち、Δλ＝＋１０ｎｍに対してΔθ＝
０．３８゜である。この結果、像面上では、０．１８２
ｍｍの横色収差を生じている。なお、この場合、ＨＯＥ
面の入射角と反射角との差の絶対値は、１９．３１゜で
ある。In the case of Example 3 disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-352689, a ray of λ = 532 nm which is incident in the direction of 0 ° with respect to the normal line of the HOE surface (parallel to the normal line) is HOE. The light is diffracted and reflected in the direction of 19.31 ° with respect to the normal of the surface, but the light ray of λ = 542 nm incident from the same direction is diffracted and reflected in the direction of 19.69 ° with respect to the normal of the HOE surface. That is, for Δλ = + 10 nm, Δθ =
It is 0.38 °. As a result, on the image plane, 0.182
A lateral chromatic aberration of mm has occurred. In this case, HOE
The absolute value of the difference between the incident angle and the reflection angle of the surface is 19.31 °.
【００１５】さらに、特開２００１−２６４６８２号公
報に記載の実施例１の画像表示装置情報表示装置（画像
表示装置）の場合、ＨＯＥ面の法線に対し２３．３４゜
の方向に入射するλ＝５３２ｎｍの光線は、ＨＯＥ面の
法線に対し３１．２７゜の方向に回折反射されるが、同
方向から入射するλ＝５４２ｎｍの光線はＨＯＥ面の法
線に対し３１．４２゜の方向に回折反射される。すなわ
ち、Δλ＝＋１０ｎｍに対してΔθ＝０．１５゜であ
る。この結果、像面上では、０．０８ｍｍの横色収差を
生じている。なお、この場合、ＨＯＥ面の入射角と反射
角との差の絶対値は、７．９３゜である。Further, in the case of the image display device information display device (image display device) of Example 1 described in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-264682, λ is incident in the direction of 23.34 ° with respect to the normal to the HOE surface. A ray of 532 nm is diffracted and reflected in the direction of 31.27 ° with respect to the normal line of the HOE surface, but a ray of λ = 542 nm incident from the same direction is in the direction of 31.42 ° with respect to the normal line of the HOE surface. Is diffracted and reflected. That is, Δθ = 0.15 ° with respect to Δλ = + 10 nm. As a result, a lateral chromatic aberration of 0.08 mm occurs on the image plane. In this case, the absolute value of the difference between the incident angle and the reflection angle on the HOE surface is 7.93 °.
【００１６】像面上に、画像表示素子として、仮に１／
４インチ（４．８×３．６ｍｍ）のＱＶＧＡ（３２０×
２４０画素）の液晶表示素子を置くとすると、１画素の
大きさは０．０１５ｍｍ角であり、前述したように具体
的に求めた従来装置の横色収差の量は、５画素ないし１
２画素分に相当する大きな値である。As an image display element on the image plane, 1 /
4-inch (4.8 x 3.6 mm) QVGA (320 x
If a liquid crystal display device of 240 pixels) is placed, the size of one pixel is 0.015 mm square, and as described above, the amount of lateral chromatic aberration of the conventional device obtained is 5 pixels to 1 pixel.
This is a large value corresponding to two pixels.
【００１７】従来の画像表示装置では、このように横色
収差が大きいため、表示画像が滲んだように見えるとい
う問題が生じていたのである。In the conventional image display device, since the lateral chromatic aberration is large as described above, there is a problem that the displayed image looks blurred.
【００１８】勿論、画像表示素子の照明光源としてレー
ザ光源のように単一波長光源を用いれば、表示画像が滲
んだように見えるという問題は生じない。しかし、小型
かつ安価な光源であるＬＥＤ等を用いたいという要請は
非常に強い。Of course, when a single-wavelength light source such as a laser light source is used as the illumination light source of the image display element, the problem that the displayed image looks blurred does not occur. However, there is a strong demand to use LEDs, which are small and inexpensive light sources.
【００１９】そこで、照明光源としてＬＥＤを用いつ
つ、反射型ＨＯＥに入射する光の波長幅を極力抑え、前
記Δλを小さくするために、ＬＥＤの後に波長選択フィ
ルタ（バンドパスフィルタ）等を挿入することが考えら
れる。しかし、この場合には、当該フィルタの分だけ、
大型化が免れないとともに、部品点数が増えてコストア
ップも免れない。それのみならず、当該フィルタにより
光源から発した光の一部がカットされることによって、
光源からの光の利用効率が低下し、明るい表示画像を得
ることができなくなる。Therefore, in order to minimize the wavelength width of the light incident on the reflection type HOE and reduce the Δλ while using the LED as the illumination light source, a wavelength selection filter (bandpass filter) or the like is inserted after the LED. It is possible. However, in this case, only the filter
In addition to the size increase, the number of parts increases and the cost increases. Not only that, but because a part of the light emitted from the light source is cut by the filter,
The utilization efficiency of the light from the light source is reduced, and it becomes impossible to obtain a bright display image.
【００２０】本発明者は、以上説明したような、従来の
画像表示装置で生じていた表示画像の滲みの原因究明の
結果と分析を踏まえて、更に研究を進めた結果、従来の
画像表示装置に比べて、表示画像の滲みを低減するため
の技術的手段を見出した。The present inventor has conducted further research based on the results and analysis of the cause of the blurring of the display image that has occurred in the conventional image display device as described above, and as a result, further research has resulted in the conventional image display device. The present inventors have found a technical means for reducing the bleeding of the displayed image as compared with.
【００２１】すなわち、本発明者は、画像表示素子から
発し反射型ＨＯＥで回折反射された後に使用者の眼に到
達する光が１つの波長領域の成分のみ又は離散的な複数
の波長領域の成分を持つ場合、波長が前記１つの波長領
域の略中心波長又は前記複数の波長領域のうちの最も短
波長側の波長領域の略中心波長であるとともに前記画像
表示素子の表示部の中心に対応する主光線（この光線
は、画像表示素子の表示部の中心から、通常は使用者の
眼の瞳面の中心付近へ向かう。）が、前記反射型ホログ
ラム光学素子で回折反射される際の、当該主光線の前記
反射型ホログラム光学素子の面に対する入射角と回折反
射角との差の絶対値を、３゜以下にすると、前述した従
来の画像表示装置に比べて、表示画像の滲みを低減して
画質を向上させることができることを、見出した。それ
は、以下の検討による。That is, the inventors of the present invention have found that the light emitted from the image display element and diffracted and reflected by the reflection type HOE to reach the user's eye has only one wavelength region component or a plurality of discrete wavelength region components. , The wavelength is substantially the center wavelength of the one wavelength region or the substantially center wavelength of the wavelength region on the shortest wavelength side of the plurality of wavelength regions, and corresponds to the center of the display unit of the image display element. When the principal ray (this ray goes from the center of the display portion of the image display element to the vicinity of the center of the pupil plane of the user's eye) is diffracted and reflected by the reflective hologram optical element. When the absolute value of the difference between the incident angle of the principal ray with respect to the surface of the reflection type hologram optical element and the diffractive reflection angle is 3 ° or less, blurring of the displayed image is reduced as compared with the conventional image display device described above. To improve image quality That it is, it has been found. It is based on the following examination.
【００２２】ホログラムによる回折は、ブラッグの条件
式に従う方向に回折強度が最大となる。体積型ホログラ
ムにおけるブラッグの条件式は、下記の数１及び数２で
表わされ、数１及び数２を同時に満たす方向に回折する
光の強度が最大となる。The diffraction by the hologram has the maximum diffraction intensity in the direction according to the Bragg conditional expression. The Bragg's conditional expression in the volume hologram is expressed by the following Expressions 1 and 2, and the intensity of light diffracted in a direction that simultaneously satisfies Expressions 1 and 2 is maximized.
【００２３】[0023]
【数１】１／λＲ（sinθＯ−sinθＲ）＝１／λＣ（si
nθＩ−sinθＣ）1 / λR (sin θO −sin θR ) = 1 / λC (si
n θI −sin θC )
【００２４】[0024]
【数２】１／λＲ（cosθＯ−cosθＲ）＝１／λＣ（co
sθＩ−cosθＣ）## EQU2 ## 1 / λR (cos θO −cos θR ) = 1 / λC (co
s θI −cos θC )
【００２５】ここで、数１及び数２の左辺はホログラム
記録時の状態を示し、λＲは記録波長、θＯはホログラ
ム面の法線に対する物体光の入射角度、θＲは参照光の
入射角度である。また、数１及び数２の右辺はホログラ
ム再生時の状態を示し、λＣは再生波長、θＣはホログ
ラム面の法線に対する照明光の入射角度、θＩは回折光
の射出角度である。これを簡単に図に示すと図８のよう
になる。Here, the left side of the equations 1 and 2 shows the state at the time of hologram recording, λR is the recording wavelength, θO is the incident angle of the object light with respect to the normal to the hologram surface, and θR is the incidence of the reference light. It is an angle. The right sides of the equations 1 and 2 indicate the state during hologram reproduction, where λC is the reproduction wavelength, θC is the incident angle of illumination light with respect to the normal to the hologram surface, and θI is the exit angle of diffracted light. This can be briefly shown in FIG.
【００２６】前記数１については次の通りである。ホロ
グラム記録時に形成する干渉縞は、露光時の物体光と参
照光の入射角と露光波長によってその間隔が決まり、ホ
ログラム再生時には、隣り合う縞の透明な部分から出て
行く光が一波長分だけずれる方向で回折光の光強度が最
大になることから、数１が導き出される。そして、波長
λＲでホログラム面の法線に対しホログラムの中心に対
して入射角θＯ及び入射角θＲでそれぞれ入射された球
面波の２光束の干渉で記録されたホログラムに、波長λ
Ｃの再生光を角度θＣから照明したとき、角度θＩの方
向に回折光が生じる。The equation 1 is as follows. The interference fringes formed during hologram recording are determined by the incident angle of the object light and reference light during exposure and the exposure wavelength, and during hologram reproduction, the light emitted from the transparent part of the adjacent stripes is only one wavelength. Since the light intensity of the diffracted light becomes maximum in the direction of deviation, the formula 1 is derived. Then, the hologram recorded by the interference of two light beams of the spherical wave incident at the incident angle θO and the incident angle θR with respect to the center of the hologram with respect to the normal line of the hologram surface at the wavelength λR has the wavelength λ
When the reproduction light ofC is illuminated from the angle θC , diffracted light is generated in the direction of the angle θI.
【００２７】数２は、数１の条件を、ホログラムの厚み
方向の干渉縞による回折に適用したもので、波長λＲで
ホログラム面の法線に対しホログラムの中心に対して入
射角θＯ及び入射角θＲでそれぞれ入射された球面波の
２光束で記録されたホログラムにθＣの方向から照明し
たときに、再生される光の波長を特定する式である。ホ
ログラムの厚みが増すにしたがって数２の回折の寄与が
大きくなり再生の条件が厳しくなる。Formula 2 applies the condition of Formula 1 to diffraction by interference fringes in the thickness direction of the hologram. The incident angle θO with respect to the center of the hologram with respect to the normal line of the hologram surface at the wavelength λR and This is a formula for specifying the wavelength of light to be reproduced when a hologram recorded with two light fluxes of spherical waves respectively incident at an incident angle θR is illuminated from the direction of θC. As the thickness of the hologram increases, the contribution of the diffractive equation (2) increases and the reproduction condition becomes more severe.
【００２８】ここで再生波長と回折の方向について考察
すると、再生波長λＣの光をθＣの方向から照明する
と、回折光の方向は、数１より、次の数３に示す通りと
なる。Considering the reproduction wavelength and the diffraction direction, when the light of the reproduction wavelength λC is illuminated from the direction of θC , the direction of the diffracted light is as shown in the following Expression3 from Expression 1.
【００２９】[0029]
【数３】sinθＩ＝sinθＣ＋（λＣ／λＲ）・（sinθ
Ｏ−sinθＲ）(3) sin θI = sin θC + (λC / λR ) ・ (sin θ
O- sin θR )
【００３０】ここで｜θＯ｜＝｜θＲ｜、すなわち記録
時の２光束をホログラムの法線に対して対称に入射する
と、sinθＯ−sinθＲ＝０であるため、数３において波
長に依存する項が消え、回折光の方向は、sinθＩ＝sin
θＣで決まり、波長によらず一定で、再生照明光と回折
光の角度はホログラムの法線に対して対称になって等し
くなる。Here, | θO | = | θR |, that is, when two light fluxes at the time of recording are made incident symmetrically with respect to the normal line of the hologram, sin θO −sin θR = 0. The dependent term disappears, and the direction of the diffracted light is sin θI = sin
It is determined by θC and is constant regardless of the wavelength, and the angles of the reproduction illumination light and the diffracted light are symmetrical and equal to the normal line of the hologram.
【００３１】以上の検討から、画像表示素子の表示部の
中心に対応する主光線が反射型ＨＯＥで回折反射される
際の、当該主光線の前記反射型ホログラム光学素子の面
に対する入射角θinc（前記角度θＩに相当）と回折反
射角θref（前記角度θＣに相当）とを等しくすれば、
当該主光線は、その波長によらず、常に同じ回折反射角
θrefで反射されることがわかる。From the above examination, when the principal ray corresponding to the center of the display portion of the image display element is diffracted and reflected by the reflection type HOE, the incident angle θinc (of the principal ray with respect to the surface of the reflection type hologram optical element is When the angle θI (corresponding to the angle θI ) and the diffraction reflection angle θ ref (corresponding to the angle θC ) are equal,
It can be seen that the principal ray is always reflected at the same diffraction reflection angle θref regardless of its wavelength.
【００３２】図９に、θinc−θrefを横軸にとり、基準
波長λ＝５３２ｎｍのときと６４７ｎｍのときの２つの
場合について、基準波長からΔλ＝１０ｎｍ変化させた
ときの回折反射方向の変化量Δθの値を、光線追跡によ
って求めたグラフを示す。この関係は入射角θincの値
には依らず、対称入射（θinc−θref＝０）からのズレ
量がΔθに寄与する。また、基準波長が短いほどΔθの
変化量が大きいことがわかる。In FIG. 9, with θinc-θref on the horizontal axis, the change amount Δθ in the diffractive reflection direction when Δλ = 10 nm is changed from the reference wavelength for two cases of the reference wavelength λ = 532 nm and 647 nm. The value of is shown in the graph obtained by ray tracing. This relationship does not depend on the value of the incident angle θinc, and the amount of deviation from symmetrical incidence (θinc−θref = 0) contributes to Δθ. Further, it can be seen that the shorter the reference wavelength, the larger the amount of change in Δθ.
【００３３】この図９らわかるように、前記入射角θin
cと前記回折反射角θrefとの差の絶対値｜θinc−θref
｜が小さいほど、Δθを小さくすることができ、ひいて
は前記横色収差を低減することができる。前記従来の画
像表示装置では、｜θinc−θref｜が７．４２゜以上で
あったため、｜θinc−θref｜を３゜以下にすれば、前
記従来の画像表示装置に比べて、Δθを半分以下に小さ
くして前記横色収差を低減し、ひいては表示画像の滲み
を低減して表示画像の画質を向上させることができるこ
とがわかる。As can be seen from FIG. 9, the incident angle θin
absolute value of the difference between c and the diffraction reflection angle θref | θinc−θref
The smaller | is, the smaller Δθ can be made, and thus the lateral chromatic aberration can be reduced. In the above conventional image display device, | θinc−θref | was 7.42 ° or more. Therefore, if | θinc−θref | is set to 3 ° or less, Δθ is half or less as compared with the conventional image display device. It can be seen that the lateral chromatic aberration can be reduced to a small value to reduce the bleeding of the display image, and the image quality of the display image can be improved.
【００３４】ＱＶＧＡ規格の液晶表示装置を用いた場
合、より表示画像の画質を向上させるために、｜θinc
−θref｜を２゜以下にすることは、上下方向の画角を
±６゜としたときに、横色収差が実質的にない領域が中
央部約３０％の中に入っていれば、上下端に残存する横
色収差も許容範囲となると考えられることからも、特に
好ましい。更に画質を向上させるためには、｜θinc−
θref｜を１．５゜以下にすることが、より一層好まし
い。When a liquid crystal display device conforming to the QVGA standard is used, | θinc
Setting -θref | to 2 ° or less means that when the vertical angle of view is ± 6 °, and if there is substantially no lateral chromatic aberration in the center of about 30%, the upper and lower ends It is particularly preferable because the lateral chromatic aberration remaining in the above is considered to be within the allowable range. To further improve image quality, | θinc-
It is even more preferable to set θref | to 1.5 ° or less.
【００３５】以上の説明からわかるように、横色収差を
理想的に低減するためには｜θinc−θref｜＝０とすれ
ば良いことになるが、現実的には、画角に対するバラン
スもあり、理想的に入射角と反射角とが対称とはいかな
い場合もあるので、この点も考慮して前述した範囲内で
｜θinc−θref｜を決めれば良い。As can be seen from the above description, in order to ideally reduce the lateral chromatic aberration, it is sufficient to set | θinc−θref | = 0, but in reality, there is a balance with respect to the angle of view. In some cases, the incident angle and the reflection angle may not be ideally symmetrical, so that | θinc−θref | may be determined within the above range in consideration of this point.
【００３６】ところで、｜θinc−θref｜≠０である限
りΔθ≠０であるので、｜θinc−θref｜の許容範囲
は、ある波長を基準にして定める必要がある。この基準
となる波長は、画像表示素子から発し反射型ＨＯＥで回
折反射された後に使用者の眼に到達する光が１つの波長
領域の成分のみを持つ場合には、当該１つの波長領域の
中心波長とすればよい。また、画像表示素子から発し反
射型ＨＯＥで回折反射された後に前記眼に到達する光が
離散的な複数の波長領域の成分を持つ場合には、当該複
数の波長領域のうちの最も短波長側の波長領域の略中心
波長とすればよい。これは、図９に関連して既に説明し
たように、基準となる波長が短いほどΔθの変化量が大
きいからである。なお、後者の場合は、例えば、反射型
ＨＯＥとして、カラーの反射型ＨＯＥ（このＨＯＥは、
例えば特開平２００１−２６４６８２号に開示されてい
るように、Ｒ，Ｇ，Ｂをそれぞれ代表する３つの離散的
な狭い反射波長領域を持つ反射型ＨＯＥである。）を用
い、画像表示素子の照明光源として白色ＬＥＤを用いた
ような場合である。By the way, since Δθ ≠ 0 as long as | θinc-θref | ≠ 0, the allowable range of | θinc-θref | needs to be determined with reference to a certain wavelength. When the light emitted from the image display element and diffracted and reflected by the reflection type HOE and reaching the user's eye has only one wavelength range component, the reference wavelength is the center of the one wavelength range. It may be a wavelength. Further, when the light emitted from the image display element and diffracted and reflected by the reflection type HOE and reaching the eye has components of a plurality of discrete wavelength regions, the shortest wavelength side of the plurality of wavelength regions is included. The wavelength may be approximately the center wavelength of the wavelength region of. This is because, as already described with reference to FIG. 9, the shorter the reference wavelength, the larger the amount of change in Δθ. In the case of the latter, for example, as a reflection type HOE, a color reflection type HOE (this HOE is
For example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-264682, it is a reflection type HOE having three discrete narrow reflection wavelength regions each representing R, G and B. ) Is used, and a white LED is used as an illumination light source of the image display element.
【００３７】以上は、画像表示素子の表示部の中心に対
応する主光線についての説明であった。この光線のみな
らず反射型ＨＯＥで回折反射するすべての光線に対して
入射角と反射角とを等しくすれば、全く横色収差のない
画像情報を眼に導くことができる。しかし、そうした場
合は、反射型ＨＯＥは、波長選択性については作用する
ものの、レンズ作用（すなわち、光学的パワー）を持た
ない平面ミラーとしての働きしかしないことになる。し
たがって、全体の系を考えると、画像表示素子側の光学
系ですべての収差（球面収差や非点収差など）を補正し
なければならなくなり、その部分の光学系が複雑になっ
てしまう。このため、光学系を簡略化するためには、反
射型ＨＯＥに光学的パワーを持たせることが好ましい。
この場合、画像表示素子の表示部の中心に対応する主光
線に関して横色収差が生じないようにしても、画像表示
素子の周辺からの光線に関しては横色収差が発生する。
しかし、反射型ＨＯＥに極端に強い光学的パワーを持た
せなければ、他の光学系の分散で打ち消し、実用上問題
ない範囲に抑えることも可能であり、問題にならない。
また、先に検討したように、横色収差補正の必要な波長
範囲は、最大限で反射型ＨＯＥの波長選択性の範囲であ
れば良いため、ある程度の横色収差補正でも十分であ
り、横色収差補正の完全化の為に反射型ＨＯＥのレンズ
作用を犠牲にするほどではない。The above is the description of the chief ray corresponding to the center of the display portion of the image display device. If the incident angle and the reflection angle are made equal not only to this light ray but also to all light rays diffracted and reflected by the reflection type HOE, image information having no lateral chromatic aberration can be guided to the eye. However, in such a case, the reflection type HOE acts only as a plane mirror having no lens action (that is, optical power), although it acts with respect to wavelength selectivity. Therefore, considering the entire system, it becomes necessary to correct all aberrations (spherical aberration, astigmatism, etc.) in the optical system on the image display element side, and the optical system in that part becomes complicated. Therefore, in order to simplify the optical system, it is preferable that the reflective HOE has optical power.
In this case, even if the lateral chromatic aberration does not occur with respect to the principal ray corresponding to the center of the display portion of the image display element, the lateral chromatic aberration occurs with respect to the rays from the periphery of the image display element.
However, if the reflection-type HOE is not provided with extremely strong optical power, it can be canceled by dispersion of other optical systems and suppressed to a practically unproblematic range, which is not a problem.
Further, as discussed previously, the wavelength range required for lateral chromatic aberration correction may be the maximum wavelength selectivity range of the reflective HOE, so that lateral chromatic aberration correction is sufficient to some extent. However, the lens action of the reflective HOE is not sacrificed to complete the above.
【００３８】本発明は、前述した課題を解決するため、
以上説明した本発明者による研究の結果により得られた
新たな知見に基づいてなされたものである。すなわち、
本発明の第１の態様によるイメージコンバイナは、反射
型ホログラム光学素子が設けられ画像表示手段からの光
と本体を透過した光を重畳させるイメージコンバイナで
あって、（ａ）前記画像表示手段から発する光が１つの
波長領域の成分のみ又は離散的な複数の波長領域の成分
を持ち、（ｂ）前記画像表示手段の表示部の中心に対応
する主光線が前記反射型ホログラム光学素子で回折反射
される際の、当該主光線の前記反射型ホログラム光学素
子の面に対する入射角と回折反射角との差の絶対値が、
３゜以下であるものである。In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides
This is based on the new findings obtained from the results of the research by the present inventors described above. That is,
The image combiner according to the first aspect of the present invention is an image combiner provided with a reflection type hologram optical element, for superimposing light from the image display means and light transmitted through the main body, and (a) emitted from the image display means. The light has only one wavelength region component or a plurality of discrete wavelength region components, and (b) the chief ray corresponding to the center of the display portion of the image display means is diffracted and reflected by the reflection hologram optical element. The absolute value of the difference between the incident angle and the diffractive reflection angle of the principal ray on the surface of the reflection type hologram optical element,
It is 3 ° or less.
【００３９】本発明の第２の態様によるイメージコンバ
イナは、前記第１の態様において、前記差の絶対値が２
゜以下であるものである。An image combiner according to a second aspect of the present invention is the image combiner according to the first aspect, wherein the absolute value of the difference is 2
It is less than or equal to °.
【００４０】本発明の第３の態様によるイメージコンバ
イナは、前記第１又は第２の態様において、前記反射型
ホログラム光学素子が体積型であるものである。An image combiner according to a third aspect of the present invention is the image combiner according to the first or second aspect, wherein the reflection type hologram optical element is a volume type.
【００４１】本発明の第４の態様によるイメージコンバ
イナは、前記第１乃至第３のいずれかの態様において、
前記反射型ホログラム光学素子が光学的パワーを持つも
のである。An image combiner according to a fourth aspect of the present invention is the image combiner according to any one of the first to third aspects,
The reflective hologram optical element has optical power.
【００４２】本発明の第５の態様によるイメージコンバ
イナは、前記第１乃至第４のいずれかの態様において、
前記主光線が、前記画像表示手段から前記画像表示手段
の表示部の面と略垂直な方向に射出するものである。An image combiner according to a fifth aspect of the present invention is the image combiner according to any one of the first to fourth aspects,
The chief ray is emitted from the image display means in a direction substantially perpendicular to the surface of the display section of the image display means.
【００４３】本発明の第６の態様による画像表示装置
は、前記第１乃至第５のいずれかの態様によるイメージ
コンバイナと、前記画像表示手段とを備え、使用時に少
なくとも前記イメージコンバイナを含む部分が使用者に
装着されるものである。An image display apparatus according to a sixth aspect of the present invention comprises the image combiner according to any one of the first to fifth aspects and the image display means, and a portion including at least the image combiner at the time of use. It is to be worn by the user.
【００４４】本発明の第７の画像表示装置は、画像表示
手段と、該画像表示手段からの光を使用者の眼に導く導
光部とを備えた画像表示装置であって、（ａ）前記導光
部は反射型ホログラム光学素子を有し、（ｂ）前記画像
表示手段から発する光が１つの波長領域の成分のみ又は
離散的な複数の波長領域の成分を持ち、（ｃ）前記画像
表示手段の表示部の中心に対応する主光線が前記反射型
ホログラム光学素子で回折反射される際の、当該主光線
の前記反射型ホログラム光学素子の面に対する入射角と
回折反射角との差の絶対値が、３゜以下であるものであ
る。A seventh image display device of the present invention is an image display device comprising an image display means and a light guide portion for guiding the light from the image display means to a user's eye. The light guide section has a reflection hologram optical element, (b) the light emitted from the image display means has only one wavelength region component or a plurality of discrete wavelength region components, and (c) the image When the principal ray corresponding to the center of the display portion of the display means is diffracted and reflected by the reflection type hologram optical element, the difference between the incident angle of the principal ray with respect to the surface of the reflection type hologram optical element and the diffraction reflection angle The absolute value is 3 ° or less.
【００４５】本発明の第８の態様による画像表示装置
は、前記第７の態様において、前記差の絶対値が２゜以
下であるものである。An image display device according to an eighth aspect of the present invention is the image display device according to the seventh aspect, wherein the absolute value of the difference is 2 ° or less.
【００４６】本発明の第９の態様による画像表示装置
は、前記第７又は第８の態様において、前記反射型ホロ
グラム光学素子が体積型であるものである。An image display device according to a ninth aspect of the present invention is the image display device according to the seventh or eighth aspect, wherein the reflective hologram optical element is a volume type.
【００４７】本発明の第１０の態様による画像表示装置
は、前記第７乃至第９のいずれかの態様において、前記
反射型ホログラム光学素子が光学的パワーを持つもので
ある。An image display device according to a tenth aspect of the present invention is the image display device according to any one of the seventh to ninth aspects, wherein the reflective hologram optical element has optical power.
【００４８】本発明の第１１の態様による画像表示装置
は、前記第７乃至第１０のいずれかの態様において、前
記主光線が、前記画像表示手段から前記画像表示手段の
表示部の面と略垂直な方向に射出するものである。An image display device according to an eleventh aspect of the present invention is the image display device according to any one of the seventh to tenth aspects, wherein the chief ray is substantially from the image display means to a surface of a display portion of the image display means. It emits in a vertical direction.
【００４９】[0049]
【発明の実施の形態】以下、本発明によるイメージコン
バイナ及び画像表示装置について、図面を参照して説明
する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An image combiner and an image display device according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
【００５０】［第１の実施の形態］[First Embodiment]
【００５１】図１は、本発明の第１の実施の形態による
画像表示装置の構成及びその光線（画像表示素子２から
の光線のみ）の概略の経路を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the structure of an image display device according to the first embodiment of the present invention and a schematic path of its light rays (only the light rays from the image display element 2).
【００５２】ここでは、図１に示すように、互いに直交
するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を定義する。すなわち、図１の
紙面内の左右方向をＺ軸とし、そのＺ座標値の大きくな
る向きは右と定義する。図１の紙面内の上下方向をＹ軸
とし、Ｙ座標値の大きくなる向きは上と定義する。図１
の紙面に垂直な方向をＸ軸とし、右手系、すなわち、図
１の紙面から奥の方向をＸ座標値が大きくなると定義す
る。なお、Ｙ軸方向は、実際の上下方向と一致していて
もよいし、その他の適宜方向であってもよい。これらの
定義は、後述する図３及び図５についても、同様であ
る。Here, as shown in FIG. 1, an X axis, a Y axis and a Z axis which are orthogonal to each other are defined. That is, the horizontal direction in the plane of FIG. 1 is defined as the Z axis, and the direction in which the Z coordinate value increases is defined as the right direction. The vertical direction in the plane of FIG. 1 is defined as the Y axis, and the direction in which the Y coordinate value increases is defined as the top. Figure 1
It is defined that the X-axis value is the direction perpendicular to the paper surface and the X-coordinate value increases in the right-hand system, that is, the direction from the paper surface in FIG. The Y-axis direction may be the same as the actual vertical direction, or may be another appropriate direction. These definitions are the same for FIGS. 3 and 5 described later.
【００５３】本実施の形態による画像表示装置は、イメ
ージコンバイナ１と、画像表示素子２とを備えている。The image display device according to this embodiment includes an image combiner 1 and an image display element 2.
【００５４】本実施の形態では、画像表示素子２として
透過型ＬＣＤが用いられている。画像表示素子２は、そ
の背部から、ＬＥＤ３及び放物面鏡等の反射鏡４からな
る光源により光源光が照射され、光源光を空間光変調し
て表示画像を示す光を透過させる。なお、画像表示素子
２として、反射型ＬＣＤ等の他の素子を用いてもよい
し、自発光型の素子を用いても良いことは、言うまでも
ない。In this embodiment, a transmissive LCD is used as the image display element 2. The image display element 2 is irradiated with light source light from its back by a light source including an LED 3 and a reflecting mirror 4 such as a parabolic mirror, and spatially modulates the light source light to transmit light showing a display image. It goes without saying that other elements such as a reflective LCD or a self-luminous element may be used as the image display element 2.
【００５５】イメージコンバイナ１は、ガラスやプラス
ティック等の光学材料で、上部を除いて平行平板状に構
成された板状部５を備えている。もっとも、板状部５
は、例えば使用者の視力矯正用光学的パワーを有してい
てもよい。その場合には、例えば、板状部５のＺ軸方向
の両面５ａ，５ｂのうちの少なくとも一方の面は、曲面
で構成される。これらの点は、後述する各実施の形態に
ついても同様である。また、本実施の形態では、板状部
５の上部は図中右側に突出しており、この上部の上面５
ｃがアナモルフィック非球面とされている。なお、板状
部５は、図１中の下方にも延びているが、その図示は省
略している。The image combiner 1 is made of an optical material such as glass or plastic, and is provided with a plate-shaped portion 5 formed in a parallel plate shape except the upper portion. However, the plate-shaped part 5
May have optical power for correcting the eyesight of the user, for example. In that case, for example, at least one of the two surfaces 5a and 5b in the Z-axis direction of the plate-shaped portion 5 is formed of a curved surface. These points are the same for each embodiment described later. In addition, in the present embodiment, the upper portion of the plate-shaped portion 5 projects rightward in the drawing, and the upper surface 5 of this upper portion 5
c is an anamorphic aspherical surface. Although the plate-shaped portion 5 also extends downward in FIG. 1, its illustration is omitted.
【００５６】板状部５は、フレーム等の支持部材（図示
せず）を介して、眼鏡レンズと同様に、使用者の頭部に
装着されて、使用者の眼（図示せず）の前に位置する。
図１において、Ｐは、イメージコンバイナ１の、画像表
示素子２からの光に対する射出瞳を示し、Ｐ０は射出瞳
Ｐの中心を示す。この射出瞳Ｐが使用者の眼の瞳とほぼ
一致するように、イメージコンバイナ１が使用者に装着
される。したがって、射出瞳Ｐ０の中心は、使用者の眼
の瞳の中心とほぼ一致する。図１では、Ｚ軸方向が板状
部５の厚み方向と一致している。板状部５の眼の側の面
５ａ及び眼と反対側の面５ｂは、ＸＹ平面と平行となっ
ている。なお、図面には示していないが、ＬＥＤ３、反
射鏡４及び画像表示素子２も、前記支持部材により支持
されている。これにより、画像表示素子２は、使用者が
外界を観察するのを妨げないとともに、使用者が当該画
像表示装置を装着するときに邪魔にならないように、板
状部５に対して図中紙面内の斜め右上方に配置されてい
る。The plate-like portion 5 is mounted on the head of the user through a supporting member (not shown) such as a frame, like a spectacle lens, and in front of the eye (not shown) of the user. Located in.
In FIG. 1, P indicates the exit pupil of the image combiner 1 with respect to the light from the image display element 2, and P0 indicates the center of the exit pupil P. The image combiner 1 is attached to the user so that the exit pupil P substantially matches the pupil of the user's eye. Therefore, the center of the exit pupil P0 substantially coincides with the center of the pupil of the user's eye. In FIG. 1, the Z-axis direction coincides with the thickness direction of the plate-shaped portion 5. A surface 5a on the eye side and a surface 5b on the side opposite to the eye of the plate portion 5 are parallel to the XY plane. Although not shown in the drawing, the LED 3, the reflecting mirror 4, and the image display element 2 are also supported by the supporting member. As a result, the image display element 2 does not prevent the user from observing the outside world, and does not interfere with the mounting of the image display device by the user. It is located diagonally above and to the right.
【００５７】もっとも、画像表示素子２を他の適当な箇
所に配置し、リレー光学系によって図１中の画像表示素
子２の位置に表示画像を導いてもよいし、また、スキャ
ン光学系を用いてこの位置に空中画像を形成してもよ
い。この点は、後述する各実施の形態についても同様で
ある。Of course, the image display element 2 may be arranged at another suitable place, and the display image may be guided to the position of the image display element 2 in FIG. 1 by the relay optical system, or the scanning optical system may be used. An aerial image may be formed at the lever position. This point is the same for each embodiment described later.
【００５８】なお、図１において、点Ａ１，Ａ２は、画
像表示素子２の表示部の図中紙面内での両端の位置をそ
れぞれ示す。また、点Ａ０は、当該表示部の中心を示
す。In FIG. 1, points A1 and A2 indicate the positions of both ends of the display section of the image display element 2 in the plane of the drawing. The point A0 indicates the center of the display section.
【００５９】イメージコンバイナ１は、板状部５の前方
から板状部５の厚みｄを通過するように（すなわち、面
５ｂから入射して面５ａから射出するように）板状部５
を透過する光（以下、「外界光」という。）に対して、
画像表示素子２からの光を重畳させて、使用者の眼に導
くように構成されている。The image combiner 1 passes through the plate-shaped portion 5 from the front of the plate-shaped portion 5 so as to pass through the thickness d of the plate-shaped portion 5 (that is, to enter from the surface 5b and exit from the surface 5a).
For light that passes through (hereinafter referred to as "outside light"),
The light from the image display element 2 is superposed and guided to the eyes of the user.
【００６０】本実施の形態では、板状部５における使用
者の眼と対向する位置付近において、板状部５の内部
に、反射型ホログラム光学素子（反射型ＨＯＥ）６が設
けられている。本実施の形態では、反射型ＨＯＥ６は、
図１に示すように、面５ａ，５ｂに対して時計回りの方
向に所定角度傾けられ、後述する条件を満たすようにな
っている。In this embodiment, a reflective hologram optical element (reflective HOE) 6 is provided inside the plate-like portion 5 near the position facing the user's eye in the plate-like portion 5. In the present embodiment, the reflective HOE 6 is
As shown in FIG. 1, the surfaces 5a and 5b are tilted in a clockwise direction by a predetermined angle so as to satisfy a condition described later.
【００６１】例えば、反射型ＨＯＥ６を板状部５と同じ
材質の小片に接着させて作成し、その後その小片を板状
部５を形成する型枠の中に配置し、板状部５の材質を溶
かした状態で型枠の中に流し込み、その後固めることに
よって、反射型ＨＯＥ６を板状部５の内部に設けること
ができる。For example, the reflection type HOE 6 is made by adhering it to a small piece made of the same material as the plate-shaped portion 5, and then the small piece is placed in a frame forming the plate-shaped portion 5, and the material of the plate-shaped portion 5 is made. The reflection type HOE 6 can be provided inside the plate-like portion 5 by pouring it into a mold in a molten state and then hardening it.
【００６２】画像表示素子２からの光の波長は、この反
射型ＨＯＥ６の回折効率ピークの波長を含む波長幅を持
ち、その波長幅のうち極大部が回折効率ピークの波長と
略一致しており、この反射型ＨＯＥ６で画像表示素子２
からの光を反射させる。一方、反射型ＨＯＥ６は、外界
光（図示せず）を偏向させることなく透過させる。な
お、反射型ＨＯＥ６としては、外界光を極力妨げること
がないように、波長選択性の高いものを用いることが好
ましい。反射型ＨＯＥ６として、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色を代
表する狭い波長域の３波長光に対してそれぞれ選択性を
持ついわゆるカラーの反射型ＨＯＥを用いれば、使用者
が見る表示画像をカラー化することも可能である。The wavelength of the light from the image display element 2 has a wavelength width including the wavelength of the diffraction efficiency peak of the reflection type HOE 6, and the maximum part of the wavelength width is substantially the same as the wavelength of the diffraction efficiency peak. , The image display device 2 with this reflection type HOE 6
Reflects light from. On the other hand, the reflective HOE 6 allows external light (not shown) to pass through without being deflected. In addition, as the reflection type HOE 6, it is preferable to use a reflection type HOE 6 having high wavelength selectivity so as not to interfere with external light as much as possible. As the reflection type HOE 6, if a so-called color reflection type HOE which has selectivity for three wavelength lights in a narrow wavelength range representing each color of R, G, B is used, a display image viewed by the user is colored. It is also possible.
【００６３】反射型ＨＯＥ６は、図１に示すように、画
像表示素子２からの光を観察者の瞳の方向へ反射させる
特性を有しているとともに、所定の結像作用を持つよう
に光学的パワーを有している。もっとも、反射型ＨＯＥ
６は、必ずしも光学的パワーを持つ必要はない。反射型
ＨＯＥ６は、平面状のものでもよいし、曲面状のもので
もよい。反射型ＨＯＥ６として曲面状のものを用いる場
合、その曲面の曲率中心が使用者の眼の側にあるように
配置すると、画角が大きい場合に、反射型ＨＯＥ６の発
生する画角による収差変動量が小さくなり、好ましい。As shown in FIG. 1, the reflection type HOE 6 has the characteristic of reflecting the light from the image display element 2 in the direction of the observer's pupil, and at the same time has an optical function so as to have a predetermined image forming action. Have the power of interest. However, reflective type HOE
6 does not necessarily have optical power. The reflective HOE 6 may have a flat shape or a curved shape. When a curved surface type is used as the reflection type HOE 6, if the center of curvature of the curved surface is arranged on the side of the user's eye, the aberration variation amount due to the angle of view generated by the reflection type HOE 6 when the angle of view is large. Is small, which is preferable.
【００６４】反射型ＨＯＥ６を構成するためのホログラ
ム感光材料としては、例えば、フォトポリマー、フォト
レジスト、フォトクロミック、フォトダイクロミック、
銀塩乳剤、重クロム酸ゼラチン、ダイクロメートゼラチ
ン、プラスチック、強誘電体、磁気光学材料、電気光学
材料、非晶質半導体、フォトリフラクチィブ材料等が用
いられる。そして、公知の手法に従い、製造用の光学系
にて２つの光源からの光を前記材料に同時に照射するこ
とによって、反射型ＨＯＥ６を作製することができる。
ただし、本実施の形態では、ホログラム感光材料への露
光時は、物体光と参照光の入射角の差を３゜以下にして
いる点で、公知の手法とは違う露光条件で露光してい
る。The hologram photosensitive material for forming the reflection type HOE 6 includes, for example, photopolymer, photoresist, photochromic, photodichromic,
A silver salt emulsion, dichromated gelatin, dichromate gelatin, plastic, ferroelectric, magneto-optical material, electro-optical material, amorphous semiconductor, photorefractive material and the like are used. Then, according to a known method, the reflection type HOE 6 can be manufactured by irradiating the above materials with light from two light sources at the same time by a manufacturing optical system.
However, in this embodiment, the hologram photosensitive material is exposed under an exposure condition different from the known method in that the difference between the incident angles of the object light and the reference light is 3 ° or less during the exposure. .
【００６５】画像表示素子２の表示部上の任意の点を通
過した光（表示画像の光）は、板状部５の上部の上面５
ｃから板状部５内に入射して、板状部５の面５ａの領域
Ｒ１に臨界角より大きい入射角で入射し、領域Ｒ１で全
反射される。この光は、板状部５の面５ｂの領域Ｒ２に
臨界角より大きい入射角で入射し、領域Ｒ２で全反射さ
れる。さらに板状部５の面５ａの領域Ｒ３に臨界角より
大きい入射角で入射し、領域３で全反射した後、反射型
ＨＯＥ６に入射する。このとき、この光は、反射型ＨＯ
Ｅ６により、反射回折作用及び結像作用を受ける。その
後、この光は、板状部５の面５ａの領域Ｒ４から板状部
５外へ射出される。この時、画像表示素子２の同一箇所
から出た光は、射出瞳Ｐから無限遠又は所定距離（後述
する具体例では、１ｍ。この距離は後述する他の実施の
形態の具体例も同様。）に拡大虚像を形成するように、
射出瞳Ｐに置かれた使用者の眼の瞳に入射する。The light (light of the display image) that has passed through an arbitrary point on the display portion of the image display element 2 is the upper surface 5 above the plate-shaped portion 5.
The light enters from c to the plate-shaped portion 5, enters the region R1 of the surface 5a of the plate-shaped portion 5 at an incident angle larger than the critical angle, and is totally reflected in the region R1. This light enters the region R2 of the surface 5b of the plate-shaped portion 5 at an incident angle larger than the critical angle, and is totally reflected by the region R2. Further, the light is incident on the region R3 of the surface 5a of the plate-like portion 5 at an incident angle larger than the critical angle, is totally reflected by the region 3, and then is incident on the reflective HOE 6. At this time, this light is reflected HO.
A reflection diffraction effect and an imaging effect are received by E6. Then, this light is emitted from the region R4 of the surface 5a of the plate-shaped portion 5 to the outside of the plate-shaped portion 5. At this time, the light emitted from the same portion of the image display element 2 is at infinity or a predetermined distance from the exit pupil P (1 m in a specific example described later. This distance is the same in specific examples of other embodiments described later). ) To form a magnified virtual image,
The light enters the pupil of the user's eye placed on the exit pupil P.
【００６６】画像表示素子２から発し反射型ＨＯＥ６で
回折反射された後に使用者の眼に到達する光は、ＬＥＤ
３の発光スペクトル特性と反射型ＨＯＥ６の波長選択性
とに応じて、通常は１つの波長領域の成分のみを持ち、
例えばＬＥＤ３として白色ＬＥＤを用いるとともに反射
型ＨＯＥ６としてカラーの反射型ＨＯＥを用いるような
場合には、離散的な複数の波長領域の成分を持つ。ここ
で、画像表示素子２から発し反射型ＨＯＥ６で回折反射
された後に使用者の眼に到達する光のうちの、画像表示
素子２の中心Ａ０から発して射出瞳Ｐの中心に到達する
光線について考える。この光線のうち、波長が前記１つ
の波長領域の略中心波長又は前記複数の波長領域のうち
の最も短波長側の波長領域の略中心波長である光線を、
ここでは主光線と呼ぶ。The light emitted from the image display element 2 and diffracted and reflected by the reflection type HOE 6 and reaching the eyes of the user is the LED.
In accordance with the emission spectrum characteristic of 3 and the wavelength selectivity of the reflective HOE 6, it usually has only one wavelength region component,
For example, when a white LED is used as the LED 3 and a color reflection type HOE is used as the reflection type HOE 6, the components have a plurality of discrete wavelength regions. Here, of the light rays that are emitted from the image display element 2 and are diffracted and reflected by the reflective HOE 6 and then reach the eyes of the user, the light rays that are emitted from the center A0 of the image display element 2 and reach the center of the exit pupil P Think Among the light rays, a light ray whose wavelength is the substantially central wavelength of the one wavelength area or the substantially central wavelength of the wavelength area on the shortest wavelength side of the plurality of wavelength areas,
Here it is called the chief ray.
【００６７】本実施の形態では、前記主光線が反射型Ｈ
ＯＥ６で回折反射される際の、前記主光線の反射型ＨＯ
Ｅ６の面に対する入射角θincと反射角θrefとの差の絶
対値｜θinc−θref｜が、３゜以下に設定されている。
すなわち、この条件を満たすように、反射型ＨＯＥ６が
作成されているとともに、反射型ＨＯＥ６の面５ａ，５
ｂに対する配置角度が設定されている。In this embodiment, the chief ray is a reflection type H.
A reflection type HO of the principal ray when diffracted and reflected by the OE6
The absolute value | θinc-θref | of the difference between the incident angle θinc and the reflection angle θref with respect to the surface of E6 is set to 3 ° or less.
That is, the reflective HOE 6 is formed so as to satisfy this condition, and the surfaces 5a, 5 of the reflective HOE 6 are
The arrangement angle with respect to b is set.
【００６８】本実施の形態によれば、｜θinc−θref｜
が３゜以下に設定されているので、前記従来の画像表示
装置に比べて、横色収差を低減し、ひいては表示画像の
滲みを低減して表示画像の画質を向上させることができ
る。より表示画像の画質を向上させるためには、｜θin
c−θref｜を２゜以下にすることがより一層好ましい。
特に、｜θinc−θref｜を２゜以下にすると、著しく表
示画像の画質が改善される。更に画質を向上させるため
には、｜θinc−θref｜を１．５゜以下にすることが、
より一層好ましい。According to the present embodiment, | θinc-θref |
Is set to 3 ° or less, it is possible to reduce the lateral chromatic aberration and consequently the bleeding of the display image, and to improve the image quality of the display image, as compared with the conventional image display device. To improve the quality of the displayed image, | θin
It is even more preferable to set c-θref | to 2 ° or less.
In particular, when | θinc−θref | is set to 2 ° or less, the quality of the displayed image is significantly improved. To further improve image quality, | θinc-θref | should be set to 1.5 ° or less.
Even more preferable.
【００６９】ここで、第１の実施の形態の具体例につい
て、図１を参照して説明する。この具体例の設計に際
し、設計プログラムとして、当該技術分野において著名
な米国のOptical Research Associates製のcode V（商
品名）を用いた。このとき、画像表示素子２の表示部の
中心Ａ０から発して、射出瞳Ｐの中心Ｐ０を通過する光
線の経路を、この光学装置全体の光軸と定義する。本具
体例では、光軸は１本の直線ではなく、互いに傾いた線
分を連結した形状となっている。これらの点は、後述す
る各実施の形態の具体例についても同様である。Here, a specific example of the first embodiment will be described with reference to FIG. In designing this specific example, code V (trade name) manufactured by Optical Research Associates in the US, which is well known in the art, was used as a design program. At this time, a path of a light ray emitted from the center A0 of the display unit of the image display element 2 and passing through the center P0 of the exit pupil P is defined as the optical axis of the entire optical device. In this specific example, the optical axis is not a single straight line but a shape in which line segments that are inclined to each other are connected. These points are the same as the specific examples of the respective embodiments described later.
【００７０】この具体例の光学的な諸量は、下記の通り
である。The optical quantities of this specific example are as follows.
【００７１】射出瞳Ｐの径は３ｍｍである。図中紙面内
上方向の視野角度は５゜である。図中紙面内下方向の視
野角度は−５゜である。紙面奥行き方向及び紙面手前方
向の視野角は±６．７５゜である。図中紙面内での画面
サイズ（点Ａ１と点Ａ２との間の長さ）は３．６ｍｍで
ある。紙面奥行き方向の画面サイズは４．８ｍｍであ
る。板状部５の厚さｄは３．５ｍｍである。使用波長は
５１２ｎｍである。板状部５の波長５１２ｎｍに対する
屈折率は１．６である。板状部５の面５ａは平面であ
る。The diameter of the exit pupil P is 3 mm. The viewing angle in the upward direction in the drawing is 5 °. The viewing angle in the downward direction in the plane of the drawing is -5 °. The viewing angle in the depth direction and the front direction of the paper is ± 6.75 °. The screen size (the length between the points A1 and A2) in the plane of the drawing is 3.6 mm. The screen size in the depth direction of the paper is 4.8 mm. The plate portion 5 has a thickness d of 3.5 mm. The wavelength used is 512 nm. The refractive index of the plate portion 5 with respect to a wavelength of 512 nm is 1.6. The surface 5a of the plate portion 5 is a flat surface.
【００７２】ＨＯＥ６の定義については、露光に用いる
２光束を定義することによりホログラムを一義的に定義
する。２光束の定義は、各光源の位置と、各光源からの
出射ビームが収束（ＶＩＲ）か発散（ＲＥＡ）のどちら
かで定義する。第１の点光源ＨＶ１の座標を（ＨＸ１，
ＨＹ１，ＨＺ１）、第２の点光源ＨＶ２の座標を（ＨＸ
２，ＨＹ２，ＨＺ２）とする。この座標は、図２に示す
ように、ＨＯＥ面が光軸と交わる点を原点とし、光軸方
向にＺ軸、ＨＯＥ面内で紙面上方向をＹ軸、紙面の奥行
き方向をＸ軸としており、図１に関連して定義した座標
とは異なる。Regarding the definition of HOE6, the hologram is uniquely defined by defining two light beams used for exposure. The definition of two light fluxes is defined by the position of each light source and whether the beam emitted from each light source is convergent (VIR) or divergent (REA). Let the coordinates of the first point light source HV1 be (HX1,
HY1, HZ1) and the coordinates of the second point light source HV2 to (HX
2, HY2, HZ2). As shown in FIG. 2, these coordinates have the origin at the point where the HOE plane intersects the optical axis, the Z axis in the optical axis direction, the Y axis in the upper direction of the paper in the HOE plane, and the X axis in the depth direction of the paper. , Different from the coordinates defined in relation to FIG.
【００７３】また、ホログラムを記録する乳剤は厚み５
μｍ、屈折率１．４９３、屈折率変調は０．０３のもの
を使用している。露光波長は５３２ｎｍで、乳剤の収縮
率を３．３％と仮定し、再生の中心波長は５１２ｎｍで
ある。ＨＯＥ６の面は、その中心が面５ａから図１中の
Ｚ軸に沿って１．７ｍｍ図１中の右側にありＹ軸と同じ
方向から紙面上時計回りに３０゜回転した方向である平
面である。ＨＯＥ６は結像性能を最適にするために位相
関数成分を持っている。The emulsion for recording a hologram has a thickness of 5
μm, refractive index 1.493, and refractive index modulation of 0.03 are used. The exposure wavelength is 532 nm, the contraction rate of the emulsion is assumed to be 3.3%, and the reproduction center wavelength is 512 nm. The plane of the HOE 6 is a plane whose center is 1.7 mm along the Z axis in FIG. 1 from the plane 5a and is on the right side in FIG. 1 and is rotated by 30 ° in the clockwise direction on the paper from the same direction as the Y axis. is there. The HOE 6 has a phase function component to optimize the imaging performance.
【００７４】ここで位相関数について説明すると、位相
関数は、ＨＯＥ６の純粋な各２個の点光源により定義さ
れる以外の非球面的な位相変換量を定義するもので、光
学設計プログラムｃｏｄｅ Ｖにおいては、Ｘ，Ｙ軸成
分の多項式係数などを用いて指定することができる。Explaining the phase function here, the phase function defines an aspherical phase conversion amount other than that defined by the pure two point light sources of the HOE 6, and in the optical design program code V. Can be specified by using polynomial coefficients of X and Y axis components.
【００７５】また、この具体例の光線追跡のための諸量
を、下記の表１に提示する。光学面の順序（面番号の順
序）は、使用者の眼の瞳の面（＝イメージコンバイナ１
の射出瞳Ｐの面）から画像表示素子２への順である。な
お、表１において、各面番号に対応する図１中の参照符
号を括弧書きの「符号」として示している。この点は、
後述する表についても同様である。Further, various quantities for ray tracing of this specific example are shown in Table 1 below. The order of the optical surfaces (the order of surface numbers) is the surface of the pupil of the user's eye (= image combiner 1
From the exit pupil P surface) to the image display element 2. In Table 1, reference numerals in FIG. 1 corresponding to each surface number are shown as parenthesized “reference numerals”. This point is
The same applies to the tables described below.
【００７６】[0076]
【表１】[Table 1]
【００７７】表１で用いた位相関数の定義は、ＨＯＥを
ＸＹ座標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、使用する波長で規格化した値で表すもの
で、ｍ，ｎを整数とするとき、一般形の下記の数４で表
される多項式の係数を指定することで決められる。ただ
し、この係数は６５個まで指定可能であって、順にＣ
１，Ｃ２，Ｃ３，・・・，Ｃ６５と呼び、係数の順番を
ｊという整数で表すときに、Ｘ座標及びＹ座標の次数を
示す整数ｍ，ｎとの間に下記の数５という関係が成り立
つように対応付ける。すなわち、本例では、位相関数
は、下記の数６の多項式で定義されている。このような
位相関数の定義は、後述する表についても同様である。The definition of the phase function used in Table 1 is to express the optical path difference received by the light ray incident on the point designated as the position on the XY coordinate plane of the HOE by a value normalized by the wavelength used, and m , N is an integer, it can be determined by designating the coefficient of the polynomial represented by the following formula 4 of the general form. However, up to 65 coefficients can be specified, and C
, C2, C3, ..., C65, and when the order of the coefficients is represented by an integer j, the relationship of the following expression 5 is established between the integers m and n indicating the orders of the X coordinate and the Y coordinate. Correspond to hold. That is, in this example, the phase function is defined by the following polynomial equation (6). The definition of such a phase function is the same for the table described later.
【００７８】[0078]
【数４】[Equation 4]
【００７９】[0079]
【数５】[Equation 5]
【００８０】[0080]
【数６】[Equation 6]
【００８１】ここで用いたアナモルフィック非球面５ｃ
の定義は、曲面５ｃの光軸をＺ座標軸としたときの曲面
５ｃ上の点（ｘ，ｙ）でのＺ軸座標値、すなわちサグ量
を下記の数７で示すように表すことで定義する。Anamorphic aspherical surface 5c used here
Is defined by expressing the Z-axis coordinate value at the point (x, y) on the curved surface 5c when the optical axis of the curved surface 5c is the Z coordinate axis, that is, the sag amount as shown in the following Expression 7. .
【００８２】[0082]
【数７】[Equation 7]
【００８３】数７において、CUXはＸ軸方向の曲率半
径、CUYはＹ軸方向の曲率半径、KXはＸ軸方向の円錐定
数、KYはＹ軸方向の円錐定数、ARはＺ軸の周りに回転対
称な４次の非球面係数、BRはＺ軸の周りに回転対称な６
次の非球面係数、CRはＺ軸の周りに回転対称な８次の非
球面係数、DRはＺ軸の周りに回転対称な１０次の非球面
係数、APは回転非対称な４次の非球面係数、BPは回転非
対称な６次の非球面係数、CPは回転非対称な８次の非球
面係数、DPは回転非対称な１０次の非球面係数である。In Equation 7, CUX is the radius of curvature in the X-axis direction, CUY is the radius of curvature in the Y-axis direction, KX is the conical constant in the X-axis direction, KY is the conical constant in the Y-axis direction, and AR is around the Z-axis. A rotationally symmetric fourth-order aspherical coefficient, BR is rotationally symmetric 6 around the Z axis.
The next aspherical coefficient, CR is the rotationally symmetric 8th-order aspherical coefficient about the Z axis, DR is the rotationally symmetric 10th-order aspherical coefficient, AP is the rotationally asymmetrical 4th-order aspherical coefficient. A coefficient, BP is a rotationally asymmetric 6th-order aspherical coefficient, CP is a rotationally asymmetric 8th-order aspherical coefficient, and DP is a rotationally asymmetric 10th-order aspherical coefficient.
【００８４】また、本具体例における各光学面の位置関
係として、第１面（面番号１＝図１中の符号Ｐ）の中心
Ｐ０を原点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とした各光
学面の中心の絶対位置とＸ軸の周りの回転量（反時計周
りを正として測った値）を、下記の表２に示す。As the positional relationship between the optical surfaces in this example, the center P0 of the first surface (surface number 1 = symbol P in FIG. 1) is the origin (X, Y, Z) = (0,0, Table 2 below shows the absolute position of the center of each optical surface and the amount of rotation about the X-axis (value measured when the counterclockwise direction is positive).
【００８５】[0085]
【表２】[Table 2]
【００８６】本具体例について光線追跡すると、瞳中心
Ｐ０を通って像面中心Ａ０へ向かう光線についての、反
射型ＨＯＥ６に対する入射角及び反射角、並びに、像面
（画像表示素子２の表示面に相当）上でのずれ（横色収
差）は、当該光線の波長が基準波長５１２ｎｍ並びにこ
れに対して±１０ｎｍ変えた５２２ｎｍ及び５０２ｎｍ
である場合のそれぞれについて、下記の表３に示す通り
となっている。When ray tracing is performed for this specific example, an incident angle and a reflection angle with respect to the reflection type HOE 6 with respect to a ray traveling through the pupil center P0 to the image plane center A0, and an image plane (display plane of the image display element 2). The deviation (horizontal chromatic aberration) above is 522 nm and 502 nm in which the wavelength of the light beam is a reference wavelength of 512 nm and ± 10 nm of the reference wavelength.
For each of the above cases, it is as shown in Table 3 below.
【００８７】[0087]
【表３】[Table 3]
【００８８】本具体例では、基準波長の｜θinc−θref
｜が０．１゜であり３゜以下となっており、前述した条
件を満たしている。その結果、λ＝±１０ｎｍのときの
像面上の横色収差が非常に少なく、ＨＯＥ６での回折に
よる横色収差の発生が抑えられていることがわかる。In this example, the reference wavelength | θinc−θref
| Is 0.1 ° and is 3 ° or less, which satisfies the above-mentioned conditions. As a result, it is found that the lateral chromatic aberration on the image plane when λ = ± 10 nm is very small, and the occurrence of the lateral chromatic aberration due to diffraction at the HOE 6 is suppressed.
【００８９】さらに、本具体例の光学系の結像性能を表
すための横収差図を、図３に示す。基準波長５１２ｎｍ
並びにこれに対する±１０ｎｍの５２２ｎｍ及び５０２
ｎｍに関する横収差を一つの図に同時に示してある。図
３から、画角内全域に渡り横色収差が少なく、結像性能
が優れていることがわかる。Further, FIG. 3 is a lateral aberration diagram showing the imaging performance of the optical system of this example. Reference wavelength 512nm
And ± 10 nm of this, 522 nm and 502
Lateral aberrations with respect to nm are shown simultaneously in one figure. From FIG. 3, it can be seen that the lateral chromatic aberration is small over the entire angle of view and the imaging performance is excellent.
【００９０】また、図１からわかるように、本具体例で
は、前記主光線が画像表示素子２から画像表示素子２表
示部の面と略垂直な方向に射出するようになっている。
したがって、画像表示素子２として射出光の強度に指向
性のある素子（例えば、ＬＣＤ）を用いた場合であって
も、画像表示素子２から発した最も強度の高い方向の射
出光が使用者の眼に到達することになる。したがって、
本具体例によれば、表示画像が明るくなり、好ましい。As can be seen from FIG. 1, in this specific example, the chief ray is emitted from the image display element 2 in a direction substantially perpendicular to the surface of the display portion of the image display element 2.
Therefore, even when an element having directivity in the intensity of emitted light (for example, LCD) is used as the image display element 2, the emitted light in the highest intensity direction emitted from the image display element 2 is emitted by the user. It will reach the eyes. Therefore,
According to this example, the display image becomes bright, which is preferable.
【００９１】［第２の実施の形態］[Second Embodiment]
【００９２】図４は、本発明の第２の実施の形態による
画像表示装置の構成及びその光線（画像表示素子２から
の光線のみ）の経路を示す図である。図４において、図
１中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付
し、その重複する説明は省略する。なお、図４におい
て、光源を構成するＬＥＤ１３及び反射鏡１４は省略し
ている。FIG. 4 is a diagram showing the structure of an image display device according to the second embodiment of the present invention and the paths of the light rays (only the light rays from the image display element 2). In FIG. 4, elements that are the same as or correspond to the elements in FIG. 1 are assigned the same reference numerals, and duplicate descriptions thereof will be omitted. In addition, in FIG. 4, the LED 13 and the reflecting mirror 14 which constitute the light source are omitted.
【００９３】本実施の形態が前記第１の実施の形態と基
本的に異なる所は、板状部５の上部の面５ｃが平面であ
ることである。本実施の形態によれば、基本的に前記第
１の実施の形態と同様の利点が得られる他、上面５ｃが
平面であるため、板状部５の製造工程を簡略化すること
ができる。The point that this embodiment is basically different from the first embodiment is that the upper surface 5c of the plate-like portion 5 is a flat surface. According to the present embodiment, basically the same advantages as in the first embodiment are obtained, and since the upper surface 5c is a flat surface, the manufacturing process of the plate-shaped portion 5 can be simplified.
【００９４】ここで、本実施の形態の具体例について、
図４を参照して説明する。この具体例の光学的な諸量
は、下記の通りである。Here, a specific example of this embodiment will be described.
This will be described with reference to FIG. The optical quantities of this specific example are as follows.
【００９５】射出瞳Ｐの径は３ｍｍである。図中紙面内
の視野角度は±５゜である。図中紙面奥行き方向の視野
角度は±６．７５゜である。図中紙面内での画面サイズ
（点Ａ１とＡＢ２との間の長さ）は３．６ｍｍである。
紙面奥行き方向の画面サイズは４．８ｍｍである。板状
部５の厚さｄは３．４ｍｍである。本具体例では、ＨＯ
Ｅ６を記録する乳剤に収縮がないものと仮定し、露光波
長、再生の中心波長とも５３２ｎｍである。板状部５は
前記第１の実施の形態の具体例と同じ材質を用いてい
る。The diameter of the exit pupil P is 3 mm. The viewing angle in the plane of the drawing is ± 5 °. The viewing angle in the depth direction of the paper in the figure is ± 6.75 °. The screen size (the length between points A1 and AB2) in the plane of the drawing is 3.6 mm.
The screen size in the depth direction of the paper is 4.8 mm. The thickness d of the plate-shaped portion 5 is 3.4 mm. In this specific example, HO
Assuming that the emulsion recording E6 has no shrinkage, both the exposure wavelength and the reproduction center wavelength are 532 nm. The plate-shaped portion 5 is made of the same material as that of the specific example of the first embodiment.
【００９６】また、この具体例の光線追跡のための諸量
を、下記の表４に提示する。光学面の順序（面番号の順
序）は、使用者の眼の瞳の面（＝イメージコンバイナ１
の射出瞳Ｐの面）から画像表示素子２への順である。Further, various quantities for ray tracing in this specific example are shown in Table 4 below. The order of the optical surfaces (the order of surface numbers) is the surface of the pupil of the user's eye (= image combiner 1
From the exit pupil P surface) to the image display element 2.
【００９７】[0097]
【表４】[Table 4]
【００９８】また、本具体例における各光学面の位置関
係として、第１面（面番号１＝図４中の符号Ｐ）の中心
Ｐ０を原点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とした各光
学面の中心の絶対位置とＸ軸の周りの回転量（反時計周
りを正として測った値）を、下記の表５に示す。As the positional relationship between the optical surfaces in this example, the center P0 of the first surface (surface number 1 = symbol P in FIG. 4) is the origin (X, Y, Z) = (0,0, Table 5 below shows the absolute position of the center of each optical surface and the amount of rotation about the X-axis (value measured when the counterclockwise direction is positive).
【００９９】[0099]
【表５】[Table 5]
【０１００】本具体例について光線追跡すると、瞳中心
Ｐ０を通って像面中心Ａ０へ向かう光線についての、反
射型ＨＯＥ６に対する入射角及び反射角、並びに、像面
（画像表示素子２の表示面に相当）上でのずれ（横色収
差）は、当該光線の波長が基準波長５３２ｎｍ並びにこ
れに対して±１０ｎｍ変えた５４２ｎｍ及び５２２ｎｍ
である場合のそれぞれについて、下記の表６に示す通り
となっている。When ray tracing is performed for this specific example, the incident angle and the reflection angle of the ray traveling through the pupil center P0 to the image plane center A0 with respect to the reflection type HOE 6 and the image plane (the display plane of the image display element 2 are The deviation (horizontal chromatic aberration) above is 542 nm and 522 nm in which the wavelength of the light beam is changed from the reference wavelength 532 nm and ± 10 nm to the reference wavelength.
For each of the above cases, it is as shown in Table 6 below.
【０１０１】[0101]
【表６】[Table 6]
【０１０２】本具体例では、基準波長の｜θinc−θref
｜が１．０１゜であり３゜以下となっており、前述した
条件を満たしている。その結果、λ＝±１０ｎｍのとき
の像面上の横色収差が少なく、ＨＯＥ６での回折による
横色収差の発生が抑えられていることがわかる。In this example, the reference wavelength | θinc−θref
| Is 1.01 ° and is 3 ° or less, which satisfies the above-mentioned conditions. As a result, it can be seen that there is little lateral chromatic aberration on the image plane when λ = ± 10 nm, and the occurrence of lateral chromatic aberration due to diffraction at the HOE 6 is suppressed.
【０１０３】さらに、本具体例の光学系の結像性能を表
すための横収差図を、図５に示す。基準波長５３２ｎｍ
並びにこれに対する±１０ｎｍの５４２ｎｍ及び５２２
ｎｍに関する収差を一つの図に同時に示してある。図５
から、画角内全域に渡り横色収差が少なく、結像性能が
優れていることがわかる。Further, FIG. 5 is a lateral aberration diagram showing the image forming performance of the optical system of this example. Reference wavelength 532nm
And the corresponding ± 10 nm of 542 nm and 522
Aberrations in nm are shown simultaneously in one figure. Figure 5
From this, it can be seen that the lateral chromatic aberration is small over the entire angle of view and the image forming performance is excellent.
【０１０４】［第３の実施の形態］[Third Embodiment]
【０１０５】図６は、本発明の第３の実施の形態による
画像表示装置の構成及びその光線（画像表示素子２から
の光線のみ）の経路を示す図である。図６において、図
１中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付
し、その重複する説明は省略する。なお、図６におい
て、光源を構成するＬＥＤ１３及び反射鏡１４は省略し
ている。FIG. 6 is a diagram showing the structure of an image display device according to the third embodiment of the present invention and the path of light rays thereof (only light rays from the image display element 2). 6, elements that are the same as or correspond to the elements in FIG. 1 are assigned the same reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted. Note that, in FIG. 6, the LED 13 and the reflecting mirror 14 which form the light source are omitted.
【０１０６】本実施の形態が前記第１の実施の形態と基
本的に異なる所は、板状部５の上部の面５ｃが球面であ
ることである。本実施の形態によれば、基本的に前記第
１の実施の形態と同様の利点が得られる他、上面５ｃが
球面であるため、板状部５を比較的容易に製造すること
ができる。The point of difference of the present embodiment from the first embodiment is that the upper surface 5c of the plate-like portion 5 is a spherical surface. According to the present embodiment, basically the same advantages as those of the first embodiment are obtained, and since the upper surface 5c is spherical, the plate-shaped portion 5 can be manufactured relatively easily.
【０１０７】ここで、本実施の形態の具体例について、
図６を参照して説明する。この具体例の光学的な諸量
は、下記の通りである。Here, a specific example of this embodiment will be described.
This will be described with reference to FIG. The optical quantities of this specific example are as follows.
【０１０８】射出瞳Ｐの径は３ｍｍである。図中紙面内
の視野角度は±５゜である。図中紙面奥行き方向の視野
角度は±６．７５゜である。図中紙面内での画面サイズ
（点Ａ１と点Ａ２との間の長さ）は３．６ｍｍである。
紙面奥行き方向の画面サイズは４．８ｍｍである。板状
部５の厚さｄは３．４ｍｍである。本具体例では、ＨＯ
Ｅ６を記録する乳剤に収縮がないものと仮定し、露光波
長、再生の中心波長とも５３２ｎｍである。板状部５は
前記第１の実施の形態の具体例と同じ材質を用いてい
る。The diameter of the exit pupil P is 3 mm. The viewing angle in the plane of the drawing is ± 5 °. The viewing angle in the depth direction of the paper in the figure is ± 6.75 °. The screen size (the length between the points A1 and A2) in the plane of the drawing is 3.6 mm.
The screen size in the depth direction of the paper is 4.8 mm. The thickness d of the plate-shaped portion 5 is 3.4 mm. In this specific example, HO
Assuming that the emulsion recording E6 has no shrinkage, both the exposure wavelength and the reproduction center wavelength are 532 nm. The plate-shaped portion 5 is made of the same material as that of the specific example of the first embodiment.
【０１０９】また、この具体例の光線追跡のための諸量
を、下記の表７に提示する。光学面の順序（面番号の順
序）は、使用者の眼の瞳の面（＝イメージコンバイナ１
の射出瞳Ｐの面）から画像表示素子２への順である。Further, various quantities for ray tracing of this specific example are shown in Table 7 below. The order of the optical surfaces (the order of surface numbers) is the surface of the pupil of the user's eye (= image combiner 1
From the exit pupil P surface) to the image display element 2.
【０１１０】[0110]
【表７】[Table 7]
【０１１１】また、本具体例における各光学面の位置関
係として、第１面（面番号１＝図６中の符号Ｐ）の中心
Ｐ０を原点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とした各光
学面の中心の絶対位置とＸ軸の周りの回転量（反時計周
りを正として測った値）を、下記の表８に示す。As the positional relationship between the optical surfaces in this example, the center P0 of the first surface (surface number 1 = reference numeral P in FIG. 6) is the origin (X, Y, Z) = (0,0, Table 8 below shows the absolute position of the center of each optical surface and the amount of rotation about the X-axis (value measured when the counterclockwise direction is positive).
【０１１２】[0112]
【表８】[Table 8]
【０１１３】本具体例について光線追跡すると、瞳中心
Ｐ０を通って像面中心Ａ０へ向かう光線についての、反
射型ＨＯＥ６に対する入射角及び反射角、並びに、像面
（画像表示素子２の表示面に相当）上でのずれ（横色収
差）は、当該光線の波長が基準波長５３２ｎｍ並びにこ
れに対して±１０ｎｍ変えた５４２ｎｍ及び５２２ｎｍ
である場合のそれぞれについて、下記の表９に示す通り
となっている。When ray tracing is performed for this specific example, the incident angle and the reflection angle with respect to the reflection type HOE 6 regarding the ray traveling through the pupil center P0 to the image plane center A0, and the image plane (the display plane of the image display element 2 is The deviation (horizontal chromatic aberration) above is 542 nm and 522 nm in which the wavelength of the light beam is changed from the reference wavelength 532 nm and ± 10 nm to the reference wavelength.
For each of the above cases, it is as shown in Table 9 below.
【０１１４】[0114]
【表９】[Table 9]
【０１１５】本具体例では、基準波長の｜θinc−θref
｜が１゜であり３゜以下となっており、前述した条件を
満たしている。その結果、λ＝±１０ｎｍのときの像面
上の横色収差が少なく、ＨＯＥ６での回折による横色収
差の発生が抑えられていることがわかる。In this example, the reference wavelength | θinc−θref
| Is 1 ° and is 3 ° or less, which satisfies the above-mentioned conditions. As a result, it can be seen that there is little lateral chromatic aberration on the image plane when λ = ± 10 nm, and the occurrence of lateral chromatic aberration due to diffraction at the HOE 6 is suppressed.
【０１１６】さらに、本具体例の光学系の結像性能を表
すための横収差図を、図７に示す。基準波長５３２ｎｍ
並びにこれに対する±１０ｎｍの５４２ｎｍ及び５２２
ｎｍに関する収差を一つの図に同時に示してある。図７
から、画角内全域に渡り横色収差が少なく、結像性能が
優れていることがわかる。Further, FIG. 7 is a lateral aberration diagram showing the image forming performance of the optical system of this example. Reference wavelength 532nm
And the corresponding ± 10 nm of 542 nm and 522
Aberrations in nm are shown simultaneously in one figure. Figure 7
From this, it can be seen that the lateral chromatic aberration is small over the entire angle of view and the image forming performance is excellent.
【０１１７】以上、本発明の各実施の形態及びそれらの
具体例について説明したが、本発明はこれらの実施の形
態及び具体例に限定されるものではない。Although the respective embodiments of the present invention and their specific examples have been described above, the present invention is not limited to these embodiments and specific examples.
【０１１８】例えば、前述した各実施の形態は、本発明
によるイメージコンバイナを用いて頭部装着式の画像表
示装置を構成した例であったが、前述した各実施の形態
で採用されていた各イメージコンバイナ１は、カメラの
ファインダーや顕微鏡及び双眼鏡の接眼レンズ部に装着
し得るように構成したり、あるいは、当該イメージコン
バイナをカメラや顕微鏡や双眼鏡等に組み込んでもよ
い。For example, each of the above-described embodiments is an example in which a head-mounted image display device is configured by using the image combiner according to the present invention, but each of the embodiments adopted in each of the above-described embodiments The image combiner 1 may be configured to be attached to a viewfinder of a camera, a microscope, and an eyepiece part of binoculars, or the image combiner 1 may be incorporated in a camera, a microscope, binoculars, or the like.
【０１１９】また、前述した各実施の形態は、本発明を
シースルー型の頭部装着式画像表示装置に適用した例で
あったが、本発明は、シースルー型ではない画像表示装
置に適用することもできる。この場合、前述した各実施
の形態による画像表示装置において、外界からの光がイ
メージコンバイナ１に入射しないように構成すればよ
い。この場合、イメージコンバイナ１の部分は、２つの
像を重ね合わせるものではないので、イメージコンバイ
ナとは言えず、画像表示素子２からの光を使用者の眼に
導く導光部となる。この場合、イメージコンバイナ１に
おける板状部の下側部分（ＨＯＥ６から下側の部分）を
除去してもよい。このようなシースルー型でない画像表
示装置は、例えば、特開平２００１−２６４６８２号の
場合と同様に携帯電話機のフリッパー部に内蔵すること
ができる。Although the above-described embodiments are examples in which the present invention is applied to a see-through type head-mounted image display device, the present invention is applicable to a non-see-through type image display device. You can also In this case, the image display device according to each of the above-described embodiments may be configured so that light from the outside does not enter the image combiner 1. In this case, the portion of the image combiner 1 does not superimpose the two images, so it cannot be said to be an image combiner and serves as a light guide portion that guides the light from the image display element 2 to the eyes of the user. In this case, the lower part of the plate-shaped part (the part below the HOE 6) in the image combiner 1 may be removed. Such a non-see-through type image display device can be built in the flipper portion of a mobile phone, for example, as in the case of Japanese Patent Laid-Open No. 2001-264682.
【０１２０】[0120]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
反射型ホログラム光学素子を用いて小型軽量化を図りつ
つ、表示画像の画質の向上を図ることができる画像表示
装置、及び、このような画像表示装置などに用いること
ができるイメージコンバイナを提供することができる。As described above, according to the present invention,
To provide an image display device capable of improving the image quality of a display image while achieving size and weight reduction by using a reflective hologram optical element, and an image combiner usable for such an image display device. You can
【図１】本発明の第１の実施の形態による画像表示装置
の構成及びその光線の概略の経路を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an image display device according to a first embodiment of the present invention and a schematic path of light rays thereof.
【図２】ホログラムを定義する２光源の座標系を示す図
である。FIG. 2 is a diagram showing a coordinate system of two light sources that define a hologram.
【図３】本発明の第１の実施の形態の具体例の横収差図
である。FIG. 3 is a lateral aberration diagram of a specific example of the first embodiment of the present invention.
【図４】本発明の第２の実施の形態による画像表示装置
の構成及びその光線の概略の経路を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a configuration of an image display device according to a second embodiment of the present invention and a schematic path of light rays thereof.
【図５】本発明の第２の実施の形態の具体例の横収差図
である。FIG. 5 is a lateral aberration diagram of a specific example of the second embodiment of the present invention.
【図６】本発明の第３の実施の形態による画像表示装置
の構成及びその光線の概略の経路を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a configuration of an image display device according to a third embodiment of the present invention and a schematic path of light rays thereof.
【図７】本発明の第３の実施の形態の具体例の横収差図
である。FIG. 7 is a lateral aberration diagram of a specific example of the third embodiment of the present invention.
【図８】ブラッグ条件の説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram of Bragg conditions.
【図９】反射型ホログラム光学素子に対する入射角と反
射角の差と回折反射方向の変化量との関係を示す図であ
る。FIG. 9 is a diagram showing a relationship between a difference between an incident angle and a reflection angle with respect to a reflection type hologram optical element, and a variation amount in a diffractive reflection direction.
１ イメージコンバイナ２ 画像表示素子３ ＬＥＤ４ 反射鏡５ 板状部６ 反射型ホログラム光学素子Ｐ 射出瞳1 image combiner2 Image display element3 LED4 reflector5 Plate6 Reflective hologram optical elementP exit pupil
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