JP2019086577A - 画像投影システム - Google Patents

Abstract

【課題】不要光を低減し、映像品質の向上を図る。【解決手段】本開示の画像投影システムは、映像を投影する投影光学系と、投影光学系とは分離して構成されると共に観察者の頭部に装着され、少なくとも１つのホログラフィック素子を含み、投影光学系からの投影光を観察者の瞳に導く接眼光学系とを備える。ホログラフィック素子は、観察者の瞳に向かう方向に１次回折光を偏向させ、かつ、１次回折光に対して正の焦点距離を持つ。映像観察時において、接眼光学系の投影光に対する焦点距離をｆ［ｍｍ］、ホログラフィック素子における１次回折光に対する、観察者の瞳に対して上下方向の最大有効半径をＭ［ｍｍ］とする場合、θ＝ａｒｃｔａｎ（（３．５＋Ｍ）／ｆ）で表されるθ以上の角度で投影光が接眼光学系に入射する。【選択図】図３

Description

本開示は、投影光学系からの投影光を接眼光学系によって観察者の瞳に導く画像投影システムに関する。

観察者の頭部に装着されるヘッドマウント型のディスプレイ（ＨＭＤ：Head Mount Display）がある。シースルーで外界の景色に映像を重畳しながら観察することを可能にしたＨＭＤも開発されている。

特開２００６−９８８２０号公報 特許第５２３７２６７号公報

上記のようにシースルーでの観察が可能なＨＭＤの場合、外界からの不要光が、映像品質の低下を招くおそれがある。

不要光を低減し、映像品質の向上を図ることができるようにした画像投影システムを提供することが望ましい。

本開示の一実施の形態に係る画像投影システムは、映像を投影する投影光学系と、投影光学系とは分離して構成されると共に観察者の頭部に装着され、少なくとも１つのホログラフィック素子を含み、投影光学系からの投影光を観察者の瞳に導く接眼光学系とを備え、ホログラフィック素子は、観察者の瞳に向かう方向に１次回折光を偏向させ、かつ、１次回折光に対して正の焦点距離を持ち、映像観察時において、接眼光学系の投影光に対する焦点距離をｆ［ｍｍ］、ホログラフィック素子における１次回折光に対する、観察者の瞳に対して上下方向の最大有効半径をＭ［ｍｍ］とする場合、以下の式、
θ＝ａｒｃｔａｎ（（３．５＋Ｍ）／ｆ）
で表されるθ以上の角度で投影光が接眼光学系に入射するようにしたものである。

本開示の一実施の形態に係る画像投影システムでは、接眼光学系に適切な角度で投影光が入射する。

本開示の一実施の形態に係る画像投影システムによれば、投影光学系と接眼光学系との構成を最適化し、接眼光学系に適切な角度で投影光を入射させるようにしたので、不要光を低減し、映像品質の向上を図ることができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

比較例に係る画像投影システムの概略を示す構成図である。 本開示の第１の実施の形態に係る画像投影システムの概略を示す構成図である。 反射型の体積型ＨＯＥ素子の回折効率の角度依存性を示す特性図である。 第１の実施の形態に係る画像投影システムの接眼光学系におけるＨＯＥ素子の光学配置の一例と接眼光学系における入射光線に対する作用とを示す説明図である。 第１の実施の形態に係る画像投影システムの接眼光学系における０次回折光および１次回折光と瞳との関係を示す説明図である。 第２の実施の形態に係る画像投影システムにおけるＨＯＥ素子の回折効率の波長依存性を示す特性図である。 第３の実施の形態に係る画像投影システムの概略を示す構成図である。 第４の実施の形態に係る画像投影システムの概略を示す構成図である。 第４の実施の形態に係る画像投影システムにおける接眼光学系の一例を示す構成図である。

以下、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
０．画像投影システムの概要と課題
１．第１の実施の形態（図１〜図５）
１．１ 概要
１．２ 具体例
１．３ 効果
２．第２の実施の形態（図６）
２．１ 概要
２．２ 具体例
３．第３の実施の形態（図７）
３．１ 概要
３．２ 具体例
４．第４の実施の形態（図８〜図９）
４．１ 概要
４．２ 具体例
５．その他の実施の形態

＜０．画像投影システムの概要と課題＞
本開示は、シースルーで外界の景色に映像を重畳しながら観察することのできるＨＭＤに関する。

従来から、ＨＭＤの構成として、映像表示パネルと映像を網膜に導くための光学系とを頭部装着部に内蔵するタイプが多く提案されている。このタイプのＨＭＤの多くは、頭部装着部内の光学系を通して観察者の網膜に映像を導く構成であり、眼前に、虚像を観察するための映像投影部と接眼光学部とを一体的に配置した構成となっている。このタイプのＨＭＤでは、頭部装着部に、映像パネル、各種光学素子、およびそれらを保持するための機構部を持つ。このため、ＨＭＤ全体の重量が重くなり、長時間装着時の疲れにつながる問題点がある。

上記問題点を解消するために、例えば特許文献１（特開２００６−９８８２０号公報）では、投影光学系と接眼光学系とが別体の分離光学系である網膜描画型のディスプレイが提案されている。投影光学系と接眼光学系とを分離することによって、観察者の頭部への装着部分を極めて小型軽量化することができる。このような分離光学系の構成のＨＭＤの多くでは、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ素子：Holographic Optical Element）が使用されている。ＨＯＥ素子から出射される光成分には、入射光が回折によって偏向する光成分と入射光が直進して透過する０次光成分とが存在する。ＨＯＥ素子に対する入射光の角度が小さいと０次光成分が直進して透過し眼球に入り不要なノイズ光となるため、映像品質を著しく低下させる原因となる。

また、特許文献２（特許第５２３７２６７号公報）には、投影光学系と接眼光学系とが分離された光学系において、接眼光学系として、表面にＨＯＥ素子が形成されたコンタクトレンズを観察者が装着する構成が提案されている。この構成では、ＨＯＥ素子によって外部からの投影光を偏向させて網膜に導くが、ＨＯＥ素子の回折光の中には、偏向されずに直進する０次光成分が存在する。コンタクトレンズは観察者の眼球に密着しているため、ＨＯＥ素子で直進する０次光成分は必ず眼球内に入射して網膜まで到達する。そのため、０次光成分は不要なノイズ光となり、映像品質を低下させてしまう問題がある。

以上のことから、接眼光学系に入射する０次光を始めとする投影光以外の外光の瞳への入射を低減することによって映像品質の向上を図る技術の開発が望まれる。

＜１．第１の実施の形態＞
［１．１ 概要］
本開示の第１の実施の形態に係る画像投影システムは、以下の特徴（１）〜（３）を有している。

（特徴（１））
（１）本開示の第１の実施の形態に係る画像投影システムは、映像を投影する投影光学系と、投影光学系とは分離して構成されると共に観察者の頭部に装着され、少なくとも１つのホログラフィック素子を含み、投影光学系からの投影光を観察者の瞳に導く接眼光学系とを備える。ホログラフィック素子は、観察者の瞳（網膜）に向かう方向に１次回折光を偏向させ、かつ、１次回折光に対して正の焦点距離を持つ。映像観察時において、接眼光学系の投影光に対する焦点距離をｆ［ｍｍ］、ホログラフィック素子における１次回折光に対する、観察者の瞳に対して上下方向の最大有効半径をＭ［ｍｍ］とする場合、以下の式、
θ＝ａｒｃｔａｎ（（３．５＋Ｍ）／ｆ） ……（１）
で表されるθ以上の角度で投影光が接眼光学系に入射する。

本実施の形態に係る画像投影システムでは、投影光学系と接眼光学系とがそれぞれ分離している。本実施の形態に係る画像投影システムは、例えば光源と一体の投影光学系と、頭部に装着された状態の接眼光学系とを備える。接眼光学系は、投影光学系による投影像を観察者が観察するための光学系であり、ＨＯＥ素子を含む。ＨＯＥ素子は、投影光学系の方角からの投影光を偏向して観察者の瞳へ導く。本実施の形態に係る画像投影システムでは、瞳の正面から外れたある特定の斜めの方向から接眼光学系に投影光学系の投影光を入射させ、かつ特定の角度においてＨＯＥ素子の回折効率が最大であり、シースルーで正面の景色を投影光学系によって遮られることなく観察することができる。瞳の正面から外れた斜めの方角から接眼光学系に投影光学系の投影光を入射させることで、接眼光学系内のＨＯＥ素子で０次光が直進して瞳を通って眼球内への入射を防ぐことが可能となる。

（特徴（２））
（２）本実施の形態に係る画像投影システムにおいて、接眼光学系のＨＯＥ素子は体積型ＨＯＥ素子であってもよい。

ＨＯＥ素子は大きく体積型と表面レリーフ型とに分けられる。体積型は、表面レリーフ型に比べて１次回折光の回折効率が高く、１次回折光以外の０次光などの映像に対してはノイズ光となる不要次数の光はほとんど発生しない特徴を持つ。別の言い方では、高い回折効率を持つため、効率良く投影光を網膜に届けることが可能と言うこともできる。体積型は、表面レリーフ型に比べて波長選択性と角度選択性とに優れており、特定の狭い範囲の波長範囲や角度範囲の光のみを選択的に透過回折もしくは反射回折する特徴を持つ。ある波長のみを選択的に透過することが可能となるので、光源の波長域と一致させることで投影光のみを選択的に回折させて、外光などの投影光以外の波長の光をそのまま透過させるシースルー特性を持たせることが可能となる。シースルー用途を持つＨＭＤへの光学素子としてはこのような特徴を持つ体積型ＨＯＥ素子が適している。

（特徴（３））
（３）本実施の形態に係る画像投影システムにおいて、ＨＯＥ素子は、接眼光学系の下方から入射する光の角度に対して回折効率が最大となり、投影光学系は、映像観察時に観察者の瞳より下方（接眼光学系の下方）に配置されることが望ましい。

これにより、投影光以外の上方からの外光が接眼光学系で集光することによるノイズ光の瞳への入射を防ぐ。例えば、上方からの外光として、屋外では太陽光、室内では天井の照明光が挙げられる。ＨＯＥ素子を下方からの角度の光を選択的に回折する設計にすれば、上方からの外光はＨＯＥ素子で集光されずに透過するので、ノイズ光による映像品質の低下はほとんど発生しない。

［１．２ 具体例］
図１は、比較例に係る画像投影システム１００の概略構成を示している。図２は、本実施の形態に係る画像投影システム１の概略構成を示している。なお、図１および図２では、画像投影システム１，１００を、太陽６が存在する屋外で使用する例を示す。

本実施の形態に係る画像投影システム１は、互いに分離された投影光学系２と接眼光学系３とを備えている。投影光学系２と接眼光学系３は、上記特徴（１）〜（３）を有するように構成されている。

比較例に係る画像投影システム１００も同様に、投影光学系２と接眼光学系３とを備えているが、投影光学系２の配置位置が本実施の形態に係る画像投影システム１とは異なっており、上記θの条件等に関し、上記特徴（１）を満たしていない構成例となっている。比較例に係る画像投影システム１００では、接眼光学系３が、正の屈折力を持つガラスやプラスティックを材料とした屈折タイプのレンズであり、投影光以外の太陽光に対しても集光作用を持つ。このため、太陽光が瞳５の近傍で集光し、太陽光の角度によっては眼球内に入射して網膜まで到達するノイズ光となり、映像品質を低下させてしまう。

本実施の形態に係る画像投影システム１において、接眼光学系３は、例えば図４に示すように、反射型で体積型のＨＯＥ素子３１が平板状のガラス基板３２と一体化された１つの光学部品で構成される。ＨＯＥ素子３１を平板状のガラス基板３２の片面に貼り付ける。以後、ＨＯＥ素子３１とガラス基板３２とにおけるそれぞれの光学面を接眼光学系３のＨＯＥ素子側３Ａとガラス側３Ｂと呼ぶ。体積型のＨＯＥ素子３１はその角度選択性から、ある特定の角度からの光のみを回折し、その角度から外れた方向からの光は回折することなく反射する。

図３に反射型で体積型のＨＯＥ素子３１の回折効率の角度依存性を示す。ここでの波長λは５４２ｎｍ、材料の屈折率差ｄｎ＝０．０２とする。回折効率がピークとなる入射角度は３５°である。ＨＯＥ素子３１の露光時に物体光として収束または発散する球面波を使用することで、再生時には露光時の球面波の球心に集光する効果、すなわち光学的パワーを持つＨＯＥ素子３１を作製する。

図４は、接眼光学系３におけるＨＯＥ素子３１の光学配置の一例と接眼光学系３における入射光線に対する作用とを示している。接眼光学系３において、ＨＯＥ素子３１は映像の入射側、ガラス基板３２は映像の出射側に向けて配置する。ＨＯＥ素子３１は入射側からの角度の光に対しては回折効率を持たないため、最初に、入射光線は回折することなくＨＯＥ素子３１を透過する。ＨＯＥ素子３１を透過した光は、ガラス側３Ｂにおいて反射する。ガラス側３Ｂで反射した光は再びＨＯＥ素子３１に回折効率がピークとなる角度で入射する。その際に回折レンズ作用によって、焦点位置に集光する。このように、接眼光学系３では、ＨＯＥ素子３１を反射型のＨＯＥ素子でありながら、透過型のＨＯＥ素子のように機能させることが可能である。また、ＨＯＥ素子３１はレンズ作用を持つＨＯＥ素子であるために、投影光は観察者４の正面以外の角度から入射させることができる。このため、観察者４の正面では外界を観察することができる。ＨＯＥ素子３１は、シースルーで外界を観察しながら、同時に投影光を観察することのできるＨＭＤには適した光学素子である。本実施の形態では反射型のＨＯＥ素子３１を使用しているが、透過型のＨＯＥ素子を使用してもよい。

図５は、画像投影システム１の接眼光学系３における０次回折光および１次回折光と瞳５との関係を示している。０次回折光および１次回折光の光線は、主光線で考慮する。画像投影システム１では、投影光は、接眼光学系３の下方から入射する。ここで、投影光が入射する角度θは、以下の式で表される。ｆは接眼光学系３の１次回折光に対する焦点距離である。より具体的には、ｆは接眼光学系３内のＨＯＥ素子３１とＨＯＥ素子３１以外の光学素子の合成焦点距離を意味する。特に接眼光学系３内にＨＯＥ素子３１以外にパワーを持つ光学素子が無い場合、ｆはＨＯＥ素子３１の１次回折光に対する焦点距離である。Ｍは入射面に平行な方向の投影像のサイズ（半径）とする。Ｍは、ＨＯＥ素子３１における投影光に対する、観察者４の瞳５に対して上下方向の最大有効半径に相当する。Ｍは、ＨＯＥ素子３１の回折前の光軸と１次回折後の光軸とを含む平面と、ＨＯＥ素子３１の表面との交線内での光束の光軸から最も離れた距離に相当する。ここで、瞳径の最大値は７［ｍｍ］とする。そのときの瞳半径は瞳径の半分の３．５［ｍｍ］である。０次回折光が瞳５の端部に到達する状態での瞳５とＨＯＥ素子３１との位置関係から、瞳５に０次回折光が入射しないための投影光の角度θに対する条件式が以下の式（１）として導き出される。
θ＝ａｒｃｔａｎ（（３．５＋Ｍ）／ｆ） ……（１）

本実施の形態ではｆ＝２０ ［ｍｍ］，Ｍ＝９［ｍｍ］である。上記式（１）から、θ＝３２°以上の角度で、投影光が接眼光学系３に入射すれば、そのまま直進する０次回折光は瞳５に入射しない。ＨＯＥ素子３１の回折効率ピークになる入射角３５°で投影光を入射させると、０次回折光の端（ここでは下端）が、瞳５の上端より上側に到達するので、不要なノイズ光は瞳５に入らず、必要な投影光（主に１次回折光）のみが網膜に到達するため、映像品質の向上になる。

ＨＯＥ素子３１に入射する光の角度は、接眼光学系３の観察者４側の出射光学面と観察者４の瞳５とを結ぶ光軸をＺ１とすると、光軸Ｚ１と投影光の入射光線の角度θに等しい。ＨＯＥ素子３１に入射した光の入射角がθ＜３２°以下であると、回折レンズ作用を持たない０次回折光の一部が瞳５に入射するため、映像に不要なノイズ光となり映像品質の劣化を引き起こす。

本実施の形態に係る画像投影システム１において、投影光学系２は、観察者４の前方かつ下方（接眼光学系３の下方）に配置する。この場合、投影光学系２からの投影光は観察者４から見て斜め下方から入射する。このため、上記θの条件を満たした場合、０次回折光は観察者４の瞳５に入射することがない。一方、ＨＯＥ素子３１で回折された投影光（主に１次回折光）は観察者４の瞳５に入射するので、ノイズ光のないクリアな映像の観察が可能となる。映像とは関係のない外光は不要ノイズ光になり映像品質を低下させることがない。

体積型のＨＯＥ素子３１は下方の角度からの光のみ透過回折し、さらに回折光に対して正の焦点距離を持つように設計製造すれば、太陽光のような上方からの外光は集光しない。

［１．３ 効果］
以上のように、本実施の形態によれば、投影光学系２と接眼光学系３との構成を最適化し、接眼光学系３に適切な角度で投影光を入射させるようにしたので、不要光を低減し、映像品質の向上を図ることができる。本実施の形態によれば、投影光学系２と接眼光学系３とが分離した構成のヘッドマウント型のディスプレイ装置において、従来では網膜内に入ってノイズ光の原因となっていた光を網膜上に到達するのを防ぐことによって、より品質の高い映像を観察することが可能となる。

なお、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。以降の他の実施の形態の効果についても同様である。

＜２．第２の実施の形態＞
次に、本開示の第２の実施の形態に係る画像投影システムについて説明する。なお、以下では、上記第１の実施の形態に係る画像投影システムの構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。

［２．１ 概要］
本開示の第２の実施の形態に係る画像投影システムは、上記第１の実施の形態に係る画像投影システムの特徴に対して、さらに以下の特徴（４）を有している。

（特徴（４））
（４）本開示の第２の実施の形態に係る画像投影システムにおいて、投影光学系は、光源を含み、ＨＯＥ素子は、少なくとも１つの波長域について回折効率のピークを有し、光源の波長域がＨＯＥ素子の回折効率のピークを有する波長域内に含まれている。

本実施の形態では、ＨＯＥ素子の波長選択性を利用する。特に光源の波長域とＨＯＥ素子の回折効率が高い波長域とを一致させると、投影光学系の投影光のみを選択的に効率良く瞳に導くことができる。太陽光などの外光のスペクトルは一般的に広い範囲に亘っているため、高いシースルー特性と同時に、投射光学系の光源波長以外のノイズ光となる光は回折させずに透過させることができる。体積型ＨＯＥ素子には反射型と透過型とがあるが、どちらを用いても構わない。特に反射型の体積型ＨＯＥ素子は透過型の体積型ＨＯＥ素子に比べて波長選択性が高い特徴がある。すなわち回折効率に関する波長幅が狭く、シースルー特性や光源の波長と一致させることで効率良く光を利用することのできるメリットがある。反射型のＨＯＥ素子であっても、接眼光学系の中で複数回の反射によって透過型の光学素子として機能させることができるため、光源が接眼光学系と分離されたタイプのＨＭＤに用いることができる。

［２．２ 具体例］
本実施の形態に係る画像投影システムの基本構成は、上記第１の実施の形態に係る画像投影システム１の構成と略同様であってもよい。ただし、本実施の形態に係る画像投影システムでは、カラーの映像を観察するために、光源２１とＨＯＥ素子３１とが以下のように構成されている。

図６は、本実施の形態に係る画像投影システムにおけるＨＯＥ素子３１の回折効率の波長依存性を示している。

本実施の形態に係る画像投影システムでは、光源２１にはＬＤ（Laser Diode）を使用する。ＬＤの代わりに発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用しても構わない。カラーの映像を観察するためには青色（Ｂ），緑色（Ｇ），赤色（Ｒ）の光源２１を使用する。

ＨＯＥ素子３１は反射型の体積型ＨＯＥ素子を用いる。図６に示したように、ＨＯＥ素子３１の青色、緑色および赤色の回折効率のピーク波長はそれぞれ、４４５ｎｍ、５２５ｎｍ、６４０ｎｍである。光源２１の発光ピーク波長をＨＯＥ素子３１の回折効率のピークと近い波長にすることで、投影光を効率良く網膜に届けることができる。

ここで、本実施の形態に係る画像投影システムを屋外で使用することを考える。屋外の太陽光は映像に不要なノイズ光である。ＨＯＥ素子３１の角度特性を下方からの光のみを回折するようにすれば、上方からの太陽光は集光せずに直進するだけである。すなわち、太陽光にとってＨＯＥ素子３１は単に度が無いメガネと同じであり、瞳５に集光してノイズ光になることはない。さらに、太陽光が水面などで反射して１次光回折角度の下方から入射する場合においても、ＨＯＥ素子３１の波長選択性を利用すれば、観察者４の瞳５には波長範囲内の光のみ届くので光量は大幅に小さくなる。

以下、具体的な数値実施例を示す。入射太陽光は、ＡＭ１．５（ＡＳＴＭ Ｇ１７３−０３ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｐｅｃｔｒａ Ｄｅｖｉｃｅｄ ｆｒｏｍ ＳＭＡＲＴＳ ｖ．２．９．２）の標準スペクトルを用いた。太陽光のスペクトルをＳｉ（λ）［Ｗ＊ｍ−２＊ｎｍ−１］とし、ＨＯＥ素子３１の効率をＥ（λ）とすると、ＨＯＥ素子３１を透過後、瞳５に入射する１次回折光の光量Ｉ_outは以下の式（Ａ）で表される。また、ＨＯＥ素子３１に入射する前の太陽光の光量Ｉ_inは、式（Ａ）において、Ｅ（λ）＝１として計算すればよく、以下の式（Ｂ）で表される。

ＨＯＥ素子３１は、青色、緑色および赤色の３色の波長用のそれぞれの体積型ＨＯＥ素子を貼り合わせ、カラー映像を観察可能な構成とする。また、簡単のため接眼光学系３内のＨＯＥ素子３１を保持するためのガラス基板３２の表面反射は０、内部透過率は１とする。

青色のＨＯＥ素子は、中心波長λｃ＝４４５ｎｍ、波長の半値全幅ＦＷＨＭは２０ｎｍ、透過率最大値７０％とする。緑色のＨＯＥ素子は、中心波長λｃ＝５２５ｎｍ、波長の半値全幅ＦＷＨＭは２０ｎｍ、透過率最大値７０％とする。赤色のＨＯＥ素子は、中心波長λｃ＝６４０ｎｍ、波長の半値全幅ＦＷＨＭは２０ｎｍ、透過率最大値７０％とする。

上記の場合、ＨＯＥ素子３１を介して瞳５に届く太陽光の光量は、Ｉ_out＝５６．３Ｗ／ｍ²となる。ＨＯＥ素子３１へ入射する前の太陽光の光量は、Ｉ_in＝６５０Ｗ／ｍ²となる。ＨＯＥ素子３１を含む接眼光学系３を通ることによる減光比を計算すると、Ｉ_out／Ｉ_out＝８．７％となり、このように、ＨＯＥ素子３１の波長依存性を利用することで、太陽光の光量を大幅に減光させることができる。

その他の構成、動作、ならびに効果は、上記第１の実施の形態に係る画像投影システム１と略同様であってもよい。

＜３．第３の実施の形態＞
次に、本開示の第３の実施の形態に係る画像投影システムについて説明する。なお、以下では、上記第１または第２の実施の形態に係る画像投影システムの構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。

［３．１ 概要］
本開示の第３の実施の形態に係る画像投影システムは、上記第１または第２の実施の形態に係る画像投影システムの特徴に対して、さらに以下の特徴（５）を有している。

（特徴（５））
（５）本開示の第３の実施の形態に係る画像投影システムにおいて、投影光学系は、走査ミラーと、走査ミラーより後側の光学系とを含んでいる。映像観察時における走査ミラーより後側の光学系と接眼光学系とからなる合成光学系による走査ミラーの像の位置が、接眼光学系の後側焦点位置より、後方にあることが望ましい。

本実施の形態では、投影光を接眼光学系の後側焦点位置より後方に集光させることで、平行光もしくは略平行光が眼球部へ集光することを回避する。投影光学系からの映像を網膜に導くために、接眼光学系に正の焦点距離を持ったＨＯＥ素子を使う必要がある。そして、そのＨＯＥ素子は角膜や水晶体などの眼球部で集光するように配置されているため、外光の光強度によっては眼球部での光密度が高くなる。このため、本実施の形態では、投影光に対しては、接眼光学系による集光位置を接眼光学系の後側焦点位置より光軸方向の後ろ側に位置させる。一方、平行光もしくは略平行光が接眼光学系に入射する場合は、接眼光学系の後側焦点位置、すなわち瞳の位置から眼球の外側方向に集光点をずらすことができるので、瞳位置の光強度密度を低減することができる。これにより、眼球部での光密度が低くなる。

［３．２ 具体例］
図７は、本実施の形態に係る画像投影システム１Ａの概略構成を示している。

投影光以外の光が投影光と近い角度で接眼光学系３に入射するとＨＯＥ素子３１の回折作用を受けるために、主光線は観察者４の瞳５の位置に集光する。本実施の形態に係る画像投影システム１Ａでは、観察者４の瞳５の近傍での集光の光密度を下げる方法を示す。

画像投影システム１Ａにおいて、投影光学系２は、光源２１と、走査ミラー２２と、投影光学系２内で走査ミラー２２より後側の光学系２３とを含んでいる。

画像投影システム１Ａでは、接眼光学系２の後側焦点位置Ｐａが、瞳５よりも前方の位置となるように構成されている。画像投影システム１Ａでは、投影光学系２から出射する投影光の複数の主光線を発散状に広げることで、主光線が接眼光学系３の後側焦点位置Ｐａより後側に集光する。図７では、投影光の複数の主光線を実線により示す。一方、接眼光学系２の後側焦点位置Ｐａを瞳５の近傍の位置にすると、屋外で使用する場合、太陽光が接眼光学系３によって観察者４の瞳５の付近に集光して、視認性に悪影響を及ぼすおそれがある。これに対して、接眼光学系２の後側焦点位置Ｐａを瞳５よりも前方の位置にすることで、投影光以外の太陽光等の平行光がＨＯＥ素子３１の回折後に集光したとしても、瞳５より前側、すなわち眼球部より外側に集光することとなり、瞳５の近傍での光強度密度を下げることができる。

投影光学系２がレーザスキャンタイプのプロジェクタである場合、映像は内部の走査ミラー２２によって２次元スキャンされて投影面に投影される。映像の結像関係については、レーザの発光点と投影面は共役の関係にある。一方、瞳５の結像関係については、走査ミラー２２と瞳５とが共役の関係にある。この瞳５の結像関係に着目すると、走査ミラー２２の１点から主光線が広がって、その後の投影光学系２と接眼光学系３を通って、瞳５に集光する結像の位置関係にある。

すなわち、投影光学系２の走査ミラー２２以降の後側の光学系２３と接眼光学系３を通した走査ミラー２２の像が瞳５の位置にあると言える。この走査ミラー２２の像が接眼光学系３の後側焦点位置Ｐａより後方にある場合、使用時に略平行光が外光として接眼光学系３に入射した場合でも、接眼光学系３の後側焦点位置Ｐａに集光する。これにより、外光に対しては眼球より前の位置が集光点になり、眼球部では集光点より広がった光になりパワー密度を下げることができるので、視認性を改善することができる。

その他の構成、動作、ならびに効果は、上記第１または第２の実施の形態に係る画像投影システムと略同様であってもよい。

＜４．第４の実施の形態＞
次に、本開示の第４の実施の形態に係る画像投影システムについて説明する。なお、以下では、上記第１ないし第３のいずれか１つの実施の形態に係る画像投影システムの構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。

［４．１ 概要］
本開示の第４の実施の形態に係る画像投影システムは、以下の特徴（６），（７）を有している。

（特徴（６））
（６）本開示の第４の実施の形態に係る画像投影システムにおいて、接眼光学系は、特定の方向の偏光成分を透過させ、特定の方向に直交する方向の偏光成分を遮断する偏光子を含んでいる。

投影光以外の外光が投影光と近しい角度で接眼光学系に入射すると、その角度差が角度依存性の範囲内であると瞳付近で集光するため、ノイズ光が増加し、視認性に悪影響を及ぼす。本実施の形態に係る画像投影システムでは、これを軽減する。以下に具体例で説明する。太陽光が地面の水たまりに斜めに入射する場合、水たまりによる反射光の成分は鉛直方向より水平方向の光が多いことが知られている。接眼光学系内のＨＯＥ素子が下方斜め方角に対して回折効率を有し、かつ、太陽光の水たまりからの反射光が下方斜め方向から接眼光学系に入射する場合、接眼光学系内に鉛直方向の光のみを透過する偏光子を持たせることで、水たまりからの反射光の中で割合の多い水平方向成分の光を多く遮断することができる。例では直交する偏光成分として、水平方向と鉛直方向の直線偏光を挙げたが、右回り円偏光と左回り円偏光も互いに直交する関係にあるので本開示の技術範疇に入る。

（特徴（７））
（７）第４の実施の形態に係る画像投影システムにおいて、投影光学系は、投影光として、特定の方向に直交する方向の偏光成分を持たない光を接眼光学系に向けて出射することが望ましい。

特徴（６）において、特定の方向に直交する方向の偏光成分として直線偏光を用いる場合、水平方向の偏光成分を遮断して、鉛直方向の偏光成分を通す偏光子を接眼光学系に内蔵させることが望ましい。これにより、投影光学系は水平方向の偏光成分を持たないことで、効率良く投影光を網膜に届けることが可能となる。

［４．２ 具体例］
図８は、本実施の形態に係る画像投影システム１Ｂの概略を示している。図９は、本実施の形態に係る画像投影システム１Ｂにおける接眼光学系３の一構成例を示している。

本実施の形態に係る画像投影システムの基本構成１Ｂは、上記第１の実施の形態に係る画像投影システム１の構成と略同様であってもよい。ただし、本実施の形態に係る画像投影システム１Ｂでは、図９に示したように、接眼光学系３が、特定の方向の偏光成分を透過させ、特定の方向に直交する方向の偏光成分を遮断する偏光子３３を含んでいる。

図８に示したように、例えば太陽光が地面の水たまり等の水面７で反射し、投影光と同じ方向から接眼光学系３を通して、観察者４の瞳５に入射するおそれがある。図９に、投影光と同じ方向から投影光以外の光が接眼光学系３を通して、観察者４の瞳５に入射することを防ぐ方法を示す。太陽光が地面の水たまりなどの水面７によって反射した後に、投影光学系２から発せられる投影光と同方向から、接眼光学系３に入射する場合、映像に対して不要なノイズ光になる。

太陽の高度（仰角）が３０度から水面７へ入射時には、水面７への入射角α＝６０°となる。空気の屈折率ｎ₁＝１、水の屈折率ｎ₂＝１．３３３として、水媒質側の屈折角をβとすると、β＝４０．５２°である。入射面に垂直な方向の偏光をＳ偏光、平行な方向をＰ偏光とし、それぞれの水面７でエネルギー反射率（以下、単に「反射率」と呼ぶ。）をＲ_s、Ｒ_pとおくと、反射率は以下のＦｒｅｓｎｅｌの式で表される。なお、ここでいう入射面とは、水面７へ入射する光線と水面７で反射された光線とを含む面のことをいう。

上記の式により、Ｒ_p＝０．４％，Ｒ_s＝１１．５％となる。この結果から、水面７からの反射光はＳ偏光すなわち、水平方向の偏光の割合が多い。接眼光学系３に水平方向の偏光を遮断し鉛直方向の直線偏光を透過させる機能を持つ偏光子３３を内蔵させる。このことによって観察者４より下方に存在する反射面からの不要光の反射光を接眼光学系３によって大幅に削減することが可能となり、上記問題を解決することができる。また、上記第２の実施の形態で説明したＨＯＥ素子の波長選択性を併用することで、さらに光量を減らすことができる。

その他の構成、動作、ならびに効果は、上記第１ないし第３の実施の形態に係る画像投影システムと略同様であってもよい。

＜５．その他の実施の形態＞
本開示による技術は、上記各実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。

例えば、本技術は以下のような構成を取ることもできる。
（１）
映像を投影する投影光学系と、
前記投影光学系とは分離して構成されると共に観察者の頭部に装着され、少なくとも１つのホログラフィック素子を含み、前記投影光学系からの投影光を観察者の瞳に導く接眼光学系と
を備え、
前記ホログラフィック素子は、前記観察者の瞳に向かう方向に１次回折光を偏向させ、かつ、前記１次回折光に対して正の焦点距離を持ち、
映像観察時において、
前記接眼光学系の前記１次回折光に対する焦点距離をｆ［ｍｍ］、
前記ホログラフィック素子における前記投影光に対する、前記観察者の瞳に対して上下方向の最大有効半径をＭ［ｍｍ］とする場合、以下の式、
θ＝ａｒｃｔａｎ（（３．５＋Ｍ）／ｆ）
で表されるθ以上の角度で前記投影光が前記接眼光学系に入射する
画像投影システム。
（２）
前記ホログラフィック素子は体積型ホログラフィック素子である
上記（１）に記載の画像投影システム。
（３）
前記ホログラフィック素子は、前記接眼光学系の下方から入射する光の角度に対して回折効率が最大となり、
前記投影光学系は、映像観察時に前記接眼光学系の下方に配置される
上記（１）または（２）に記載の画像投影システム。
（４）
前記投影光学系は、光源を含み、
前記ホログラフィック素子は、少なくとも1つの波長域について回折効率のピークを有し、前記光源の波長域が前記ホログラフィック素子の回折効率のピークを有する波長域内に含まれている
上記（１）ないし（３）のいずれか１つに記載の画像投影システム。
（５）
前記投影光学系は、走査ミラーと、前記走査ミラーより後側の光学系とを含み、
映像観察時における前記走査ミラーより後側の光学系と前記接眼光学系とからなる合成光学系による走査ミラーの像の位置が、前記接眼光学系の後側焦点位置より、後方にある
上記（１）ないし（４）のいずれか１つに記載の画像投影システム。
（６）
前記接眼光学系は、特定の方向の偏光成分を透過させ、前記特定の方向に直交する方向の偏光成分を遮断する偏光子を含む
上記（１）ないし（５）のいずれか１つに記載の画像投影システム。
（７）
前記投影光学系は、前記投影光として、前記特定の方向に直交する方向の偏光成分を持たない光を前記接眼光学系に向けて出射する
上記（６）に記載の画像投影システム。

１，１Ａ，１Ｂ…画像投影システム、２…投影光学系、３…接眼光学系、３Ａ…ＨＯＥ素子側、３Ｂ…ガラス側、４…観察者、５…瞳、６…太陽、７…水面、２１…光源、２２…走査ミラー、２３…（投影光学系内で走査ミラーより）後側の光学系、３１…ホログラフィック素子（ＨＯＥ素子）、３２…ガラス基板、３３…偏光子、１００…画像投影システム、Ｐａ…後側焦点位置、Ｚ１…光軸。

Claims (7)

1. 映像を投影する投影光学系と、
   前記投影光学系とは分離して構成されると共に観察者の頭部に装着され、少なくとも１つのホログラフィック素子を含み、前記投影光学系からの投影光を観察者の瞳に導く接眼光学系と
   を備え、
   前記ホログラフィック素子は、前記観察者の瞳に向かう方向に１次回折光を偏向させ、かつ、前記１次回折光に対して正の焦点距離を持ち、
   映像観察時において、
   前記接眼光学系の前記投影光に対する焦点距離をｆ［ｍｍ］、
   前記ホログラフィック素子における前記１次回折光に対する、前記観察者の瞳に対して上下方向の最大有効半径をＭ［ｍｍ］とする場合、以下の式、
   θ＝ａｒｃｔａｎ（（３．５＋Ｍ）／ｆ）
   で表されるθ以上の角度で前記投影光が前記接眼光学系に入射する
   画像投影システム。
2. 前記ホログラフィック素子は体積型ホログラフィック素子である
   請求項１に記載の画像投影システム。
3. 前記ホログラフィック素子は、前記接眼光学系の下方から入射する光の角度に対して回折効率が最大となり、
   前記投影光学系は、映像観察時に前記接眼光学系の下方に配置される
   請求項１に記載の画像投影システム。
4. 前記投影光学系は、光源を含み、
   前記ホログラフィック素子は、少なくとも１つの波長域について回折効率のピークを有し、前記光源の波長域が前記ホログラフィック素子の回折効率のピークを有する波長域内に含まれている
   請求項１に記載の画像投影システム。
5. 前記投影光学系は、走査ミラーと、前記走査ミラーより後側の光学系とを含み、
   映像観察時における前記走査ミラーより後側の光学系と前記接眼光学系とからなる合成光学系による走査ミラーの像の位置が、前記接眼光学系の後側焦点位置より、後方にある
   請求項１に記載の画像投影システム。
6. 前記接眼光学系は、特定の方向の偏光成分を透過させ、前記特定の方向に直交する方向の偏光成分を遮断する偏光子を含む
   請求項１に記載の画像投影システム。
7. 前記投影光学系は、前記投影光として、前記特定の方向に直交する方向の偏光成分を持たない光を前記接眼光学系に向けて出射する
   請求項６に記載の画像投影システム。

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