CN110082926B - 显示装置 - Google Patents

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Abstract

显示装置，能够通过两个衍射元件来适当地进行波长补偿。在光学系统(10)中，沿着从图像光生成装置(31)射出的图像光的光路设置有：第1光学部(L10)，其具有正屈光力；第2光学部(L20)，其具有第1衍射元件(50)，并且具有正屈光力；第3光学部(L30)，其具有正屈光力；以及第4光学部(L40)，其具有第2衍射元件(70)，并且具有正屈光力。在第1光学部与第3光学部之间形成图像光的第1中间像，在第3光学部附近形成光瞳，在第3光学部与第4光学部之间形成图像光的第2中间像，第4光学部(L40)使图像光成为平行光而形成射出光瞳。第1衍射元件(50)与第2衍射元件(70)处于共轭或大致共轭的关系。

Description

显示装置
技术领域
本发明涉及利用衍射元件来显示图像的显示装置。
背景技术
作为使用了全息元件等衍射元件的显示装置，提出了通过衍射元件使从图像光生成装置射出的图像光朝向观察者的眼睛偏转的方案。在衍射元件中，对干涉条纹进行了优化，使得在特定的波长下获得最佳的衍射角度和衍射效率。但是，由于图像光以特定波长为中心具有规定的光谱宽度，所以从特定波长偏移的周边波长的光成为使图像的分辨率下降的原因。因此，提出了如下的显示装置：通过反射型的第1衍射元件将从图像光生成装置射出的图像光朝向配置于前方的第2衍射元件射出，通过第2衍射元件使从第1衍射元件射出的图像光朝向观察者的眼睛偏转。根据该结构，能够通过第1衍射元件来进行波长补偿，能够抑制因从特定波长偏移的周边波长的光而引起的图像分辨率的下降(参照专利文献1)。并且，提出了具有两个被设计成互相补偿散射误差的衍射元件的显示装置(参照专利文献2)。并且，提出了在目镜光学系统中使用两个衍射元件来抑制像差的产生和色移的技术(参照专利文献3)。
专利文献1：日本特开2017-167181号公报
专利文献2：日本特开2004-318140号公报
专利文献3：日本特开平08-184779号公报
但是，在上述专利文献1、2、3所公开的技术中，有可能无法通过两个衍射元件来充分地进行波长补偿，因此期望进一步的改善。
发明内容
鉴于以上问题点，本发明的课题在于，提供能够通过两个衍射元件来适当地进行波长补偿的显示装置。
为了解决上述课题，本发明的第一方式的显示装置的特征在于，沿着从图像光生成装置射出的图像光的光路具有：第1光学部，其具有正屈光力；第2光学部，其具有第1衍射元件，并且具有正屈光力；第3光学部，其具有正屈光力；以及第4光学部，其具有第2衍射元件，并且具有正屈光力，在所述第1光学部与所述第3光学部之间形成所述图像光的第1中间像，在所述第2光学部与所述第4光学部之间形成光瞳，在所述第3光学部与所述第4光学部之间形成所述图像光的第2中间像，在所述光路中，在所述第4光学部的与所述第3光学部相反的一侧形成射出光瞳。
根据第一方式的显示装置，在第1光学部与第3光学部之间形成图像光的第1中间像，在第3光学部与第4光学部之间形成第2中间像，在第3光学部附近形成光瞳。因此，能够使从图像光生成装置的1个点射出的光线在视网膜上成像为1个点，并且能够使光学系统的入射光瞳与眼球的光瞳共轭，此外，还能够使两个衍射元件(第1衍射元件和第2衍射元件)共轭或大致共轭。因此，在第1衍射元件和第2衍射元件中，同一光线所入射的位置彼此是对应的，因此能够通过两个衍射元件来适当地进行波长补偿。
在第一方式的显示装置中，可以采用如下方式：所述第1中间像形成在所述第1光学部与所述第2光学部之间。根据该方式，与在第2光学部与第3光学部之间形成第1中间像的情况相比，能够进行充分的波长补偿。
在第一方式的显示装置中，可以采用如下方式：所述第3光学部将从所述第2光学部射出的图像光自由控制为发散光、会聚光或平行光而入射到所述第4光学部。
在第一方式的显示装置中，可以采用如下方式：所述第3光学部使得如下这样的光入射到第2衍射元件的规定的范围内，所述光是利用所述第1衍射元件使由所述图像光生成装置生成的与图像的1个点对应的光发生偏转而从特定波长的光偏移后得到的光。在本发明中，在图像光生成装置为面板状的情况下，“由所述图像光生成装置生成的与图像的1个点对应的光”与从面板状的图像光生成装置的显示面的1个点射出的光对应。与此相对，在图像光生成装置利用微镜器件使激光进行二维扫描而生成图像的情况下，与从微镜器件沿1个方向射出的光对应。
在第一方式的显示装置中，可以采用如下方式：所述第2光学部使从所述第1光学部射出的图像光成为会聚光而入射到所述第3光学部。
在第一方式的显示装置中，可以采用如下方式：所述第2衍射元件的入射面是中央部相对于周边部凹陷的凹曲面，所述第2衍射元件使从所述第3光学部射出的图像光成为平行光。
在第一方式的显示装置中，可以采用如下方式：所述第1衍射元件通过所述第3光学部在所述第2衍射元件上投影的倍率的绝对值为0.5倍到10倍。在该情况下，优选所述倍率的绝对值为1倍到5倍。
在第一方式的显示装置中，可以采用如下方式：所述第1衍射元件与所述第3光学部之间的光学距离比所述第3光学部与所述第2衍射元件之间的光学距离短。
在第一方式的显示装置中，可以采用如下方式：所述第1衍射元件与所述第2衍射元件处于共轭关系。此外，可以采用如下方式：从所述第1衍射元件的第1位置射出的光入射到相对于所述第2衍射元件的与所述第1位置对应的第2位置的±0.8mm的范围内。
本发明的第二方式的显示装置的特征在于，沿着从图像光生成装置射出的图像光的光路设置有：第1光学部，其具有正屈光力，包含多个透镜；第2光学部，其具有第1衍射元件，并且具有正屈光力；第3光学部，其具有正屈光力；以及第4光学部，其具有第2衍射元件，并且具有正屈光力，在所述光路中，在所述第1光学部的所述多个透镜中的最靠所述图像光生成装置侧的第1透镜与所述第3光学部之间形成所述图像光的第1中间像，在所述第2光学部与所述第4光学部之间形成光瞳，在所述第3光学部与所述第4光学部之间形成所述图像光的第2中间像，在所述第4光学部的与所述第3光学部相反的一侧形成射出光瞳。
根据第二方式的显示装置，在第1透镜与第3光学部之间形成图像光的第1中间像，在第3光学部与第4光学部之间形成第2中间像，在第3光学部附近形成光瞳。因此，能够使从图像光生成装置的1个点射出的光线在视网膜上成像为1个点，并且能够使光学系统的入射光瞳与眼球的光瞳共轭，此外，还能够使两个衍射元件(第1衍射元件和第2衍射元件)共轭或大致共轭。因此，在第1衍射元件和第2衍射元件中，同一光线所入射的位置彼此是对应的，因此能够通过两个衍射元件适当地进行波长补偿。
在第二方式的显示装置中，可以采用如下方式：所述第1中间像形成在所述第1光学部中。
附图说明
图1是示出第一实施方式的显示装置的外观的一个方式的外观图。
图2是示出显示装置的另一外观的一个方式的外观图。
图3是示出显示装置的光学系统的一个方式的说明图。
图4A是衍射元件的干涉条纹的说明图。
图4B是衍射元件的干涉条纹的另一个方式的说明图。
图5是示出第1衍射元件和第2衍射元件的衍射特性的说明图。
图6A是第1衍射元件与第2衍射元件处于共轭关系的情况的说明图。
图6B是第1衍射元件与第2衍射元件不处于共轭关系的情况的说明图。
图6C是第1衍射元件与第2衍射元件不处于共轭关系的情况的说明图。
图7A是示出从第1衍射元件与第2衍射元件的共轭关系发生偏移的容许差异的说明图。
图7B是示出从共轭关系发生偏移的容许差异的另一个方式的说明图。
图8光学系统的光线图。
图9是第一变形例的光学系统的光线图。
图10是第二变形例的光学系统的光线图。
图11是第三变形例的光学系统的光线图。
图12是第四变形例的光学系统的光线图。
图13是第四变形例的光学系统的第1光学部的说明图。
图14是第二实施方式的光学系统的说明图。
图15是第三实施方式的光学系统的说明图。
图16是第四实施方式的光学系统的说明图。
图17是水平方向和垂直方向上的中间像的位置不同的图。
图18是第五实施方式的光学系统的说明图。
图19是第六实施方式的光学系统的说明图。
图20是第七实施方式的光学系统的说明图。
图21是示出第八实施方式的光学系统中的第1衍射元件与第2衍射元件的大致共轭关系的图。
图22是在图21所示的大致共轭关系时从第2衍射元件射出的光的说明图。
图23是示出图22所示的光入射到眼睛的情形的说明图。
标号说明
10、10A、10B、10C、10D、12、13、14、15、16、17、18：光学系统；10a：右眼用光学系统；10b：左眼用光学系统；31：图像光生成装置；32：投射光学系统；40、62：反射镜；50：第1衍射元件；55、75：反射型体积全息元件；60：导光系统；61：透镜系统；70：第2衍射元件；85：棱镜；91：前部分；100：显示装置；310：显示面板；316：激光光源；317：准直透镜；318：微镜器件；L10：第1光学部；L20：第2光学部；L2：第2光学部光；L30：第3光学部；L40：第4光学部；P1：第1中间像；P2：第2中间像；R0、R1：光瞳；R2：射出光瞳。
具体实施方式
(第一实施方式)
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。另外，在以下的各图中，为了使各层和各部件为能够识别的程度的大小，使各层和各部件的尺度和角度与实际的不同。
图1是本实施方式的显示装置100的外观的一个方式的外观图。图2是示出显示装置100的另一外观的一个方式的外观图。图3是示出图1所示的显示装置100的光学系统10的一个方式的说明图。另外，在图1到图3中，将相对于佩戴着显示装置的观察者的前后方向设为沿着Z轴的方向，作为前后方向的一侧，将佩戴着显示装置的观察者的前方设为前侧Z1，作为前后方向的另一侧，将佩戴着显示装置的观察者的后方设为后侧Z2。并且，将相对于佩戴着显示装置的观察者的左右方向设为沿着X轴的方向，作为左右方向的一侧，将佩戴着显示装置的观察者的右方设为右侧X1，作为左右方向的另一侧，将佩戴着显示装置的观察者的左方设为左侧X2。并且，将相对于佩戴着显示装置的观察者的上下方向设为沿着Y轴方向的方向，作为上下方向的一侧，将佩戴着显示装置的观察者的上方设为上侧Y1，作为上下方向的另一侧，将佩戴着显示装置的观察者的下方设为下侧Y2。
图1所示的显示装置100是头部佩戴型的显示装置，具有使图像光L0a入射到右眼Ea的右眼用光学系统10a和使图像光L0b入射到左眼Eb的左眼用光学系统10b。显示装置100例如形成为眼镜那样的形状。具体来说，显示装置100还具有对右眼用光学系统10a和左眼用光学系统10b进行保持的壳体90。显示装置100通过壳体90佩戴于观察者的头部。
作为壳体90，显示装置100具有：框架91；镜腿92a，其设置于框架91的右侧，与观察者的右耳卡定；以及镜腿92b，其设置于框架91的左侧，与观察者的左耳卡定。框架91在两侧部具有收纳空间91s，在收纳空间91s内容纳有构成后述的光学系统10的图像光投射装置等的各部件。镜腿92a、92b通过铰链95以能够相对于框架91折叠的方式与框架91连结。
右眼用光学系统10a与左眼用光学系统10b的基本结构是相同的。因此，在以下的说明中，不对右眼用光学系统10a和左眼用光学系统10b进行区分而作为光学系统10来进行说明。
并且，在图1所示的显示装置100中，使图像光L0在沿着X轴的左右方向上行进，但如图2所示，还存在使图像光L0从上侧Y1向下侧Y2行进而射出到观察者的眼睛E的情况、或者构成为在从头顶部到眼睛E前面的范围内配置光学系统10的情况。
参照图3对显示装置100的光学系统10的基本结构进行说明。图3是示出图1所示的显示装置100的光学系统10的一个方式的说明图。另外，在图3中，除了图像光L0的特定波长的光L1(实线)之外，还图示了长波长侧的光L2(单点划线)以及相对于特定波长处于短波长侧的光L3(虚线)。
如图3所示，在光学系统10中，沿着从图像光生成装置31射出的图像光L0的行进方向配置有具有正屈光力的第1光学部L10、具有正屈光力的第2光学部L20、具有正屈光力的第3光学部L30以及具有正屈光力的第4光学部L40。
在本实施方式中，具有正屈光力的第1光学部L10由投射光学系统32构成。具有正屈光力的第2光学部L20由反射型的第1衍射元件50构成。具有正屈光力的第3光学部L30由导光系统60构成。具有正屈光力的第4光学部L40由反射型的第2衍射元件70构成。在本实施方式中，第1衍射元件50和第2衍射元件70是反射型的衍射元件。
在该光学系统10中，当着眼于图像光L0的行进方向时，图像光生成装置31朝向投射光学系统32射出图像光L0，投射光学系统32将所入射的图像光L0朝向第1衍射元件50射出，第1衍射元件50将所入射的图像光L0朝向导光系统60射出。导光系统60将所入射的图像光L0向第2衍射元件70射出，第2衍射元件70将所入射的图像光L0朝向观察者的眼睛E射出。
在本实施方式中，图像光生成装置31生成图像光L0。
图像光生成装置31可以采用具有有机电致发光显示元件等显示面板310的方式。根据该方式，能够提供小型且可进行高画质的图像显示的显示装置100。并且，图像光生成装置31也可以采用具有照明光源(未图示)、和对从照明光源射出的照明光进行调制的液晶显示元件等显示面板310的方式。根据该方式，由于能够选择照明光源，所以具有扩大了图像光L0的波长特性的自由度的优点。这里，图像光生成装置31可以采用具有能够进行彩色显示的1张显示面板310的方式。并且，图像光生成装置31也可以采用具有与各色对应的多个显示面板310、和对从多个显示面板310射出的各色的图像光进行合成的合成光学系统的方式。此外，图像光生成装置31也可以采用利用微镜器件对激光进行调制的方式。
投射光学系统32是对图像光生成装置31所生成的图像光L0进行投射的光学系统，由多个透镜321构成。在图3中，以投射光学系统32中的透镜321为3个的情况为例，但透镜321的个数并不限定于此，投射光学系统32也可以具有4个以上的透镜321。并且，也可以将各透镜321贴合在一起而构成投射光学系统32。并且，透镜321也可以由自由曲面的透镜构成。
导光系统60具有：透镜系统61，从第1衍射元件50射出的图像光L0入射到该透镜系统61；以及反射镜62，其使从透镜系统61射出的图像光L0沿倾斜的方向射出。透镜系统61由在沿着Z轴的前后方向上配置的多个透镜611构成。反射镜62具有朝向前后方向倾斜的反射面620。在本实施方式中，反射镜62是全反射镜。但是，反射镜62也可以是半反射镜，在该情况下，能够将可看到外部光的范围扩大。
接着，对第1衍射元件50和第2衍射元件70的结构进行说明。
在本实施方式中，第1衍射元件50与第2衍射元件70的基本结构是相同的。以下，以第2衍射元件70的结构为例来进行说明。
图4A是图3所示的第2衍射元件70的干涉条纹751的说明图。如图4A所示，第2衍射元件70具有反射型体积全息元件75，反射型体积全息元件75是局部反射型衍射光学元件。因此，第2衍射元件70构成了局部透过反射性的组合器。因此，由于外部光也经由第2衍射元件70入射到眼睛E，所以观察者能够识别出由图像光生成装置31所形成的图像光L0和外部光(背景)重叠而成的图像。
第2衍射元件70与观察者的眼睛E对置，图像光L0所入射的第2衍射元件70的入射面71是向远离眼睛E的方向凹陷的凹曲面。换言之，入射面71是在图像光L0的入射方向上中央部相对于周边部凹陷而弯曲的形状。因此，能够使图像光L0高效地朝向观察者的眼睛E会聚。
第2衍射元件70具有干涉条纹751，该干涉条纹751具有与特定波长对应的间距。干涉条纹751作为折射率等的差而被记录在全息感光层中，干涉条纹751以与特定的入射角度对应的方式相对于第2衍射元件70的入射面71在一个方向上倾斜。因此，第2衍射元件70使图像光L0发生衍射而朝规定的方向偏转。特定波长和特定的入射角度与图像光L0的波长和入射角度对应。该结构的干涉条纹751能够通过使用参照光Lr和物体光Ls对全息感光层进行干涉曝光而形成。
在本实施方式中，图像光L0用于进行彩色显示。因此，第2衍射元件70具有按照与特定波长对应的间距形成的干涉条纹751R、751G、751B。例如，干涉条纹751R按照与580nm到700nm的波长范围中的、例如波长为615nm的红色图像光LR对应的间距形成。干涉条纹751G按照与500nm到580nm的波长范围中的、例如波长为535nm的绿色图像光LG对应的间距形成。干涉条纹751B按照与400nm到500nm的波长范围中的、例如波长为460nm的蓝色图像光LB3对应的间距形成。该结构能够通过如下方式形成：在形成了具有与各波长对应的感光度的全息感光层的状态下，使用各波长的参照光LrR、LrG、LrB以及物体光LsR、LsG、LsB对全息感光层进行干涉曝光。
另外，也可以预先使具有与各波长对应的感光度的感光材料分散到全息感光层中，使用各波长的参照光LrR、LrG、LrB以及物体光LsR、LsG、LsB对全息感光层进行干涉曝光，由此，如图4B所示的那样，在1个层上形成由干涉条纹751R、751G、751B重叠而成的干涉条纹751。并且，也可以使用球面波的光来作为参照光LrR、LrG、LrB以及物体光LsR、LsG、LsB。
基本结构与第2衍射元件70相同的第1衍射元件50具有反射型体积全息元件55。第1衍射元件50的供图像光L0入射的入射面51是凹陷的凹曲面。换言之，入射面51是在图像光L0的入射方向上中央部相对于周边部凹陷而弯曲的形状。因此，能够使图像光L0高效地朝向导光系统60偏转。
图5是示出图3所示的第1衍射元件50和第2衍射元件70的衍射特性的说明图。图5示出了在光线入射到体积全息图上的1个点时的、特定波长与周边波长的衍射角之差。在图5中，在将特定波长设为531nm时，用实线L526示出了波长为526nm的周边波长的光的衍射角度的偏移，用虚线L536示出了波长为536nm的周边波长的光的衍射角度的偏移。如图5所示，即使在光线入射到记录于全息图的相同干涉条纹的情况下，也是光线的波长越长衍射程度越大，光线的波长越短越不容易衍射。因此，在如本实施方式那样使用了两个衍射元件(即，第1衍射元件50和第2衍射元件70)时，如果在不考虑相对于特定波长的长波长的光和短波长的光的各自的光线角度下使光线入射，则无法适当地进行波长补偿。即，无法消除由第2衍射元件70产生的色像差。并且，由于衍射角根据干涉条纹的条数而不同，所以需要考虑干涉条纹。
在图3所示的光学系统10中，如日本特开2017-167181号公报所记载的那样，根据第1衍射元件50与第2衍射元件70之间的中间像的形成次数、与反射镜62上的反射次数之和是奇数还是偶数，对入射到第2衍射元件70的入射方向等进行了优化，因此能够进行波长补偿、即消除色像差。
具体来说，如图3所示，入射到第1衍射元件50的图像光L0通过被第1衍射元件50衍射而发生偏转。此时，相对于特定波长处于长波长侧的光L2的衍射角度θ2比特定波长的光L1的衍射角度θ1大。并且，相对于特定波长处于短波长侧的光L3的衍射角度θ3比特定波长的光L1的衍射角度θ1小。因此，经第1衍射元件50射出的图像光L0按照每个波长发生偏转而分散。
经第1衍射元件50射出的图像光L0经由导光系统60入射到第2衍射元件70，通过被第2衍射元件70衍射而发生偏转。此时，在从第1衍射元件50到第2衍射元件70的光路中，进行一次中间像的形成，并且进行一次反射镜62上的反射。因此，当将图像光L0与第2衍射元件70的入射面法线之间的角度设为入射角时，相对于特定波长处于长波长侧的光L2是比特定波长的光L1的入射角θ11大的入射角θ12，相对于特定波长处于短波长侧的光L3是比特定波长的光L1的入射角θ11小的入射角θ13。并且，如上述那样，相对于特定波长处于长波长侧的光L2的衍射角度θ2比特定波长的光L1的衍射角度θ1大，相对于特定波长处于短波长侧的光L3的衍射角度θ3比特定波长的光L1的衍射角度θ1小。
因此，相对于特定波长处于长波长侧的光L2按照比特定波长的光L1大的入射角入射到第1衍射元件50，但由于相对于特定波长处于长波长侧的光L2的衍射角度比特定波长的光L1的衍射角度大，因此，其结果是，在从第2衍射元件70射出时，特定波长的光L1和相对于特定波长处于长波长侧的光L2成为大致平行的光。与此相对，相对于特定波长处于短波长侧的光L3按照比特定波长的光L1小的入射角入射到第1衍射元件50，但由于相对于特定波长处于短波长侧的光L3的衍射角度比特定波长的光L1的衍射角度小，因此，其结果是，在从第2衍射元件70射出时，特定波长的光L1和相对于特定波长处于短波长侧的光L3成为大致平行的光。这样，如图3所示，由于经第2衍射元件70射出的图像光L0作为大致平行的光入射到观察者的眼睛E，因此抑制了各波长在视网膜E0上的成像位置偏移。因此，能够消除因第2衍射元件70产生的色像差。
接着，对第1衍射元件50与第2衍射元件70的共轭关系进行说明。
图6A是第1衍射元件50与第2衍射元件70处于共轭关系的情况的说明图。图6B和图6C是第1衍射元件50与第2衍射元件70不处于共轭关系的情况的说明图。图7A和图7B是示出从图6B和图6C所示的第1衍射元件50与第2衍射元件70的共轭关系发生偏移的容许差异的说明图。在图7A和图7B中，用实线Le来表示特定波长的光，用单点划线Lf来表示波长为特定波长-10nm的光，用双点划线Lg来表示波长为特定波长+10nm的光。另外，在图6A～图6C、图7A以及图7B中，为了容易理解光的行进，将第1衍射元件50、第2衍射元件70以及导光系统60示为透过型，用箭头来表示第1衍射元件50、第2衍射元件70以及导光系统60。
如图6A所示，在使第1衍射元件50和第2衍射元件70处于共轭的关系的情况下，从第1衍射元件50的A点(第1位置)射出的发散光被具有正屈光力的导光系统60会聚而入射到第2衍射元件70的B点(与第1位置对应的第2位置)。因此，能够在A点处对因B点产生的衍射而导致的色像差进行补偿。
与此相对，如图6B和图6C所示，在第1衍射元件50与第2衍射元件70不处于共轭关系的情况下，从第1衍射元件50的A点射出的发散光被中央的具有正屈光力的导光系统60会聚，但在比第2衍射元件70上的B点远的位置或者近的位置相交而入射。因此，A点与B点不是1对1的关系。这里，由于在区域内的干涉条纹均匀的情况下补偿效果得到提高，所以在第1衍射元件50与第2衍射元件70不处于共轭关系的情况下，补偿效果变弱。另一方面，难以通过第1衍射元件50对第2衍射元件70的投影区域整体进行补偿。因此，在图6B和图6C所示的方式的情况下，由于无法进行充分的波长补偿，所以会出现分辨率的劣化。
另外，在相对于特定波长±10nm的波长的光中，从特定波长的光所到达的B点起存在±0.4mm左右的误差，但分辨率的下降不明显。作为讨论了该容许范围的结果，如图7A所示，当特定波长的光在比要到达的理想的第2衍射元件70上的B点靠前处相交且入射到从B点起的±0.8mm的范围内时，分辨率的下降不明显。并且，如图7B所示，当特定波长的光在比要到达的理想的第2衍射元件70上的B点靠后方处相交且入射到从B点起的±0.8mm的范围内时，分辨率的下降不明显。因此，在第1衍射元件50和第2衍射元件70中，即使不处于完全共轭关系，在处于大致共轭关系而到达从理想的B点起的±0.8mm的范围内的情况下，也能够容许分辨率的下降。即，在本实施方式中，第1衍射元件50和第2衍射元件70具有共轭关系是指特定波长的光的入射位置收敛在从理想的入射点起的±0.8mm的误差范围内。
图8是本实施方式的光学系统10的光线图。在图8和之后参照的图中，用粗箭头表示沿着光轴配置的各光学部。并且，用实线La来表示从图像光生成装置31的1个像素射出的光线，用单点划线Lb来表示从图像光生成装置31的端部射出的主光线，用长虚线Lc来表示与第1衍射元件50处于共轭关系的位置。这里，“中间像”是指从1个像素射出的光线(实线La)所会聚的部位，“光瞳”是指各视场角的主光线(单点划线Lb)所会聚的部位。并且，图8示出了从图像光生成装置31射出的光的行进。另外，在图8中，为了简化附图，将全部光学部图示为透过型。
如图8所示，在本实施方式的光学系统10中，沿着从图像光生成装置31射出的图像光的光路设置有：第1光学部L10，其具有正屈光力；第2光学部L20，其具有第1衍射元件50，并且具有正屈光力；第3光学部L30，其具有正屈光力；以及第4光学部L40，其具有第2衍射元件70，并且具有正屈光力。
第1光学部L10的焦距为L/2，第2光学部L20、第3光学部L30以及第4光学部L40的焦距均为L。因此，从第2光学部L20到第3光学部L30的光学距离与从第3光学部L30到第4光学部L40的光学距离相等。
在该光学系统10中，在第1光学部L10与第3光学部L30之间形成图像光的第1中间像P1，在第2光学部L20与第4光学部L40之间形成光瞳R1，在第3光学部L30与第4光学部L40之间形成图像光的第2中间像P2，第4光学部L40使图像光成为平行光而形成射出光瞳R2。此时，第3光学部L30将从第2光学部L20射出的图像光自由控制为发散光、会聚光或平行光而入射到第4光学部L40。第2光学部L20使从第1光学部L10射出的图像光作为会聚光而入射到第3光学部L30。在本实施方式的光学系统10中，光瞳R1形成在第2光学部L2与第4光学部L40之间的第3光学部L30的附近。第3光学部L30的附近是指第2光学部L20与第3光学部L30之间的比第2光学部L20更靠近第3光学部L30的位置、或者第3光学部L30与第4光学部L40之间的比第4光学部L40更靠近第3光学部L30的位置。
并且，第3光学部L30使得如下这样的光入射到第2衍射元件70的规定的范围内，所述光是利用第1衍射元件50使来自图像光生成装置31的1个点的图像光发生偏转而从特定波长偏移后得到的周边波长的光。即，第1衍射元件50与第2衍射元件70处于共轭或大致共轭的关系。这里，第1衍射元件50通过第3光学部L30在第2衍射元件70上投影的倍率的绝对值为0.5倍到10倍，优选该倍率的绝对值为1倍到5倍。
因此，根据本实施方式的光学系统10，在投射光学系统32与导光系统60之间形成图像光的第1中间像P1，在导光系统60的附近形成光瞳R1，在导光系统60与第2衍射元件70之间形成图像光的第2中间像P2，第2衍射元件70使图像光成为平行光而形成射出光瞳R2。
在本实施方式的光学系统10中，第1中间像P1形成在第1光学部L10(投射光学系统32)与第2光学部L20(第1衍射元件50)之间。
根据本实施方式的光学系统10，满足以下所示的4个条件(条件1、2、3、4)。
条件1：从图像光生成装置31的1个点射出的光线在视网膜E0上成像为1个点。
条件2：光学系统的入射光瞳与眼球的光瞳共轭。
条件3：适当配置第1衍射元件50和第2衍射元件70以补偿周边波长。
条件4：第1衍射元件50与第2衍射元件70处于共轭或大致共轭的关系。
更具体来说，从图8所示的实线La可知，满足从图像光生成装置31的1个点射出的光线在视网膜E0上成像为1个点的条件1，因此观察者能够看到1个像素。并且，从图8所示的实线La可知，满足光学系统10的入射光瞳与眼睛E的光瞳E1处于共轭(光瞳的共轭)关系的条件2，因此能够看到由图像光生成装置31生成的图像的整个区域。并且，满足适当配置第1衍射元件50和第2衍射元件70以补偿周边波长的条件3，因此能够通过进行波长补偿来消除由第2衍射元件70产生的色像差。并且，从图8所示的长虚线Lc可知，满足第1衍射元件50与第2衍射元件70处于共轭或大致共轭的关系的条件4，因此能够在第1衍射元件50和第2衍射元件70中使光线入射到干涉条纹相同的部位，能够适当地进行波长补偿。因此，能够抑制图像光的分辨率的劣化。
(第一变形例)
图9是第一变形例的光学系统10A的光线图。如图9所示，在本变形例的光学系统10A中，沿着从图像光生成装置31射出的图像光的光路设置有：第1光学部L10(投射光学系统32)，其具有正屈光力；第2光学部L20，其具有第1衍射元件50，并且具有正屈光力；以及第3光学部L30(导光系统60)，其具有正屈光力；以及第4光学部L40，其具有反射型的第2衍射元件70，并且具有正屈光力。
第1光学部L10的焦距为4L/11，第2光学部L20的焦距为6L/11，第3光学部L30的焦距为3L/4，第4光学部L40的焦距为L。因此，从第2光学部L20到第3光学部L30的光学距离与从第3光学部L30到第4光学部L40的光学距离之比为1：2，从第2光学部L20到第3光学部L30的光学距离比从第3光学部L30到第4光学部L40的光学距离短。因此，即使在使光学系统10小型化的情况下，视野也不容易被第3光学部L30遮挡。
在本变形例中，也与参照图8说明的第一实施方式的结构同样，在第1光学部L10与第3光学部L30之间形成图像光的第1中间像P1，在第3光学部L30附近形成光瞳R1，在第3光学部L30与第4光学部L40之间形成图像光的第2中间像P2，第4光学部L40使图像光成为平行光而形成射出光瞳R2。在本变形例中，与第一实施方式的结构同样，第1中间像P1形成在第1光学部L10(投射光学系统32)与第2光学部L20(第1衍射元件50)之间。
在本变形例的光学系统10A中，也与第一实施方式的结构同样，满足从图像光生成装置31的1个点射出的光线在视网膜E0上成像为1个点的条件1。并且，满足光学系统10A的入射光瞳与眼睛E的光瞳E1处于共轭(光瞳的共轭)关系的条件2。并且，满足适当配置第1衍射元件50和第2衍射元件70的条件3。并且，满足第1衍射元件50和第2衍射元件70处于共轭或大致共轭的关系的条件4，因此在第1衍射元件50和第2衍射元件70中，能够使光线入射到干涉条纹相同的部位，能够通过适当地进行波长补偿来消除色像差。因此，能够抑制图像光的分辨率的劣化。
(第二变形例)
图10是第二变形例的光学系统10B的光线图。如图10所示，在本变形例的光学系统10B中，沿着从图像光生成装置31射出的图像光的光路设置有：第1光学部L10(投射光学系统32)，其具有正屈光力；第2光学部L20，其具有第1衍射元件50，并且具有正屈光力；第3光学部L30(导光系统60)，其具有正屈光力；以及第4光学部L40，其具有反射型的第2衍射元件70，并且具有正屈光力。在本变形例中，在图像光生成装置31与投射光学系统32之间设置有第5光学部L50。
在本变形例中，也与参照图8说明的第一实施方式的结构同样，在第1光学部L10与第3光学部L30之间形成图像光的第1中间像P1，在第3光学部L30附近形成光瞳R1，在第3光学部L30与第4光学部L40之间形成图像光的第2中间像P2，第4光学部L40使图像光成为平行光而形成射出光瞳R2。在本变形例中，也与第一实施方式的结构同样，第1中间像P1形成在第1光学部L10(投射光学系统32)与第2光学部L20(第1衍射元件50)之间。即，在参照图8说明的第一实施方式的结构中，将配置有图像光生成装置31的位置设为虚拟面板位置的情况下，在图10所示的结构中，将图像光生成装置31配置在从虚拟面板位置靠向第1光学部L10的相反侧的位置，从而图像光生成装置31与第1光学部L10之间的距离比参照图8说明的第一实施方式的结构中的图像光生成装置31与第1光学部L10之间的距离长。即使在这样的情况下，由于在图像光生成装置31与投射光学系统32之间设置有第5光学部L50，所以在从图像光生成装置31射出的光线到达了第1光学部L10之后，与参照图8说明的第一实施方式的结构相同。
因此，在本变形例的光学系统10B中，也与第一实施方式的结构同样，满足从图像光生成装置31的1个点射出的光线在视网膜E0上成像为1个点的条件1。并且，满足光学系统10B的入射光瞳与眼睛E的光瞳E1处于共轭(光瞳的共轭)关系的条件2。并且，满足适当配置第1衍射元件50和第2衍射元件70的条件3。并且，满足第1衍射元件50与第2衍射元件70处于共轭或大致共轭的关系的条件4，因此在第1衍射元件50和第2衍射元件70中，能够使光线入射到干涉条纹相同的部位，能够通过适当进行波长补偿来消除色像差。因此，能够抑制图像光的分辨率的劣化。
(第三变形例)
图11是第三变形例的光学系统10C的光线图。如图11所示，在本变形例的光学系统10C中，沿着从图像光生成装置31射出的图像光的光路设置有：第1光学部L10(投射光学系统32)，其具有正屈光力；第2光学部L20，其具有第1衍射元件50，并且具有正屈光力；第3光学部L30(导光系统60)，其具有正屈光力；以及第4光学部L40，其具有反射型的第2衍射元件70，并且具有正屈光力。
在本变形例中，也与第一实施方式、第一变形例和第二变形例的结构同样，在第1光学部L10与第3光学部L30之间形成图像光的第1中间像P1，在第3光学部L30附近形成光瞳R1，在第3光学部L30与第4光学部L40之间形成图像光的第2中间像P2，第4光学部L40使图像光成为平行光而形成射出光瞳R2。
在本变形例中，与第一实施方式、第一变形例和第二变形例的结构不同，第1中间像P1形成在第2光学部L20(第1衍射元件50)与第3光学部L30(导光系统60)之间。
即使在该光学系统10C中，也与第一实施方式的结构同样，满足从图像光生成装置31的1个点射出的光线在视网膜E0上成像为1个点的条件1。并且，满足光学系统10C的入射光瞳与眼睛E的光瞳E1处于共轭(光瞳的共轭)关系的条件2。并且，满足适当配置第1衍射元件50和第2衍射元件70的条件3。另外，在本变形例的光学系统10C中，不满足第1衍射元件50与第2衍射元件70处于共轭或大致共轭的关系的条件4。在该情况下，第3光学部L30也能够使得如下这样的光入射到第2衍射元件70的规定的范围内，所述光是利用第1衍射元件50使来自图像光生成装置31的1个点的图像光发生偏转而从特定波长偏移后得到的光。因此，通过第3光学部L30来解决入射到干涉条纹不同的位置的问题。因此，波长为特定波长的周边波长的光也能够在特定波长的光的附近入射，能够通过进行波长补偿来大致消除色像差。因此，能够抑制分辨率的劣化。即，根据本变形例的光学系统10C，与第一实施方式的结构等相比，波长补偿效果较弱，但在开口率较小的情况下可得到一定的波长补偿效果。
(第四变形例)
图12是第四变形例的光学系统10D的光线图。图13是本变形例的第1光学部L10的说明图。如图12所示，在本变形例的光学系统10D中，与参照图8说明的第一实施方式的结构同样，设置有：第1光学部L10(投射光学系统32)，其具有正屈光力；第2光学部L20，其具有第1衍射元件50，并且具有正屈光力；第3光学部L30(导光系统60)，其具有正屈光力；第4光学部L40，其具有反射型的第2衍射元件70，并且具有正屈光力。这里，图像光生成装置31具有激光光源316、准直透镜317以及微镜器件318，通过对微镜器件318进行驱动而使激光光源316进行扫描，从而生成图像。因此，图像光生成装置31自身形成视场角的光。
因此，在参照图8说明的第一实施方式的结构中，当与在第1光学部L10所使用的透镜L11、L12之间形成光瞳的情况相比时，如图13所示，图像光生成装置31和透镜L11被置换成上述激光光源316、准直透镜317和微镜器件318。
根据该光学系统10D，即使在佩戴显示装置100时因体温或显示装置100自身的热量而产生温度变化从而导致激光的光谱宽度等发生变动的情况下，也能够通过波长补偿来显示高品质的图像。
(第二实施方式)
接着，对第二实施方式的显示装置进行说明。本实施方式涉及光学系统的另一个结构。
图14是第二实施方式的显示装置的说明图。图14所示的光学系统12如图2所示的那样沿着上下方向配置，从配置于头顶部的图像光生成装置31到眼睛E前面的第2衍射元件70之间配置有投射光学系统32、第1衍射元件50以及导光系统60。在本实施方式中，导光系统60由具有中央比周边部凹陷的反射面620的反射镜62构成，具有正屈光力。反射面620由球面、非球面或自由曲面构成。在本实施方式中，反射面620由自由曲面构成。第1衍射元件50是由透过型体积全息元件和透镜一体化而成的，具有正屈光力。另外，有时也构成为第1衍射元件50自身具有正屈光力。
在本实施方式的光学系统12中，与参照图9说明的第一变形例同样，沿着从图像光生成装置31射出的图像光的光路设置有：第1光学部L10(投射光学系统32)，其具有正屈光力；第2光学部L20，其具有第1衍射元件50，并且具有正屈光力；第3光学部L30(导光系统60的反射镜62)，其具有正屈光力；以及第4光学部L40，其具有反射型的第2衍射元件70，并且具有正屈光力。因此，在第1光学部L10与第3光学部L30之间形成图像光的第1中间像P1，在第3光学部L30附近形成光瞳R1，在第3光学部L30与第4光学部L40之间形成图像光的第2中间像P2，第4光学部L40使图像光成为平行光而形成射出光瞳R2。
这里，第3光学部L30由具有正屈光力的反射镜62构成。因此，由第2光学部L20衍射的发散光被反射镜62会聚。并且，所会聚的光入射到第4光学部L40(第2衍射元件70)的供特定波长的光入射的点和附近。
在本实施方式的光学系统12中，也与参照图9说明的第一变形例1同样，满足从图像光生成装置31的1个点射出的光线在视网膜E0上成像为1个点的条件1。并且，满足光学系统12的入射光瞳与眼睛E的光瞳E1处于共轭(光瞳的共轭)关系的条件2。并且，满足适当配置第1衍射元件50和第2衍射元件70的条件3。并且，满足第1衍射元件50与第2衍射元件70处于共轭或大致共轭的关系的条件4，因此在第1衍射元件50和第2衍射元件70中，能够使光线入射到干涉条纹相同的部位，并且能够适当地进行波长补偿来消除色像差。因此，能够抑制图像光的分辨率的劣化。
(第三实施方式)
接着，对第三实施方式的显示装置进行说明。本实施方式涉及光学系统的另一个结构。
图15是第三实施方式的显示装置的说明图。在图14所示的光学系统12中，第1光学部L10(投射光学系统32)与第2光学部L20(第1衍射元件50)是分开的部件，但在本实施方式的光学系统13中，如图15所示，第1光学部L10(投射光学系统)与第2光学部L20(第1衍射元件50)是一体的。更具体来说，第1光学部L10(投射光学系统32)由具有多个反射面851、852的棱镜85构成，在棱镜85的射出面853上构成有第2光学部L20(透过型的第1衍射元件50)。
其他结构与参照图14说明的第二实施方式相同。因此，与图14所示的方式同样，能够通过适当地进行波长补偿来消除色像差。因此，能够抑制图像光的分辨率的劣化。并且，通过使用棱镜85而将第1光学部L10(投射光学系统32)和第2光学部L20(第1衍射元件50)一体化，因此能够实现组装公差的减小和头部前后方向的小型化等。
(第四实施方式)
接着，对第四实施方式的显示装置进行说明。本实施方式涉及光学系统的另一个结构。
图16是第四实施方式的显示装置的说明图。图16所示的光学系统14与参照图1和图3说明的方式同样，从配置于侧头部的图像光生成装置31到眼睛E前面的第2衍射元件70之间配置有投射光学系统32、第1衍射元件50以及导光系统60。在本实施方式中，投射光学系统32具有旋转对称的透镜326和自由曲面的透镜327。导光系统60由具有中央比周边部凹陷的反射面620的反射镜62构成，具有正屈光力。反射面620由球面、非球面或自由曲面构成。在本实施方式中，反射面620由自由曲面构成。第1衍射元件50由反射型体积全息元件构成。在从投射光学系统32到第1衍射元件50的光路的中途位置配置有反射镜40，投射光学系统32在反射镜40的反射面或其附近形成中间像(第1中间像P1)。反射镜40的反射面400为凹曲面，具有正屈光力。在反射镜40的反射面400具有正屈光力的情况下，在投射光学系统32的结构要素中也可以包含反射镜40。即，在反射镜40具有正屈光力的情况下，第1光学部L10也可以包含反射镜40。另外，反射镜40的反射面400也可以为平面，构成为不具有屈光力。
在这样构成的光学系统14中，与参照图9说明的第一变形例同样，沿着从图像光生成装置31射出的图像光的光路设置有：第1光学部L10(投射光学系统32)，其具有正屈光力；第2光学部L20，其具有第1衍射元件50，并且具有正屈光力；第3光学部L30(导光系统60的反射镜62)，其具有正屈光力；以及第4光学部L40，其具有反射型的第2衍射元件70，并且具有正屈光力。
在本实施方式的光学系统14中，第1光学部L10包含多个透镜326、327。多个透镜326、327中的透镜326是最靠图像光生成装置31侧的透镜。即，透镜326相当于“第1透镜”。
在本实施方式的光学系统14中，在第1光学部L10的透镜326与透镜327之间形成光瞳R0，在第3光学部L30附近形成光瞳R1，在第3光学部L30与第4光学部L40之间形成图像光的第2中间像P2，第4光学部L40使图像光成为平行光而形成射出光瞳R2。
图16所示的第1中间像P1和第2中间像P2是在沿着纸面的水平方向上扩展的图像光的中间像。从图像光生成装置31射出的图像光不仅在水平方向上扩展，还在与图16的纸面垂直的垂直方向上扩展，因此还存在沿垂直方向扩展的图像光的中间像。在本实施方式中，垂直方向的中间像存在于水平方向的中间像的附近。
另外，在本实施方式的光学系统14中，第1中间像P1形成在反射镜40的附近，但也可以形成在第1光学部L10(投射光学系统32)中。
并且，水平方向的中间像和垂直方向的中间像也可以存在于不同的位置。图17是水平方向和垂直方向上的中间像的位置不同的情况的光线图，图17是水平方向和垂直方向的图像光的光线图。在图17中，标号LH表示水平方向的图像光，标号P1H表示水平方向的图像光LH的第1中间像，标号LV表示垂直方向的图像光，标号P1V表示垂直方向的图像光LV的第1中间像。并且，在图17中，示意性示出了沿着光轴配置的图像光生成装置31、第1光学部L10(投射光学系统32)和反射镜40。并且，在图17中，构成投射光学系统32的透镜326、327的形状也被简化。
如图17所示，水平方向的第1中间像P1H位于反射镜40的附近，垂直方向的第1中间像P1V位于比水平方向的第1中间像P1H靠第1光学部L10的附近的位置。
在图17中，针对第1中间像P1示出了中间像的位置在水平方向和垂直方向上不同的情况，但第2中间像的位置也可以在水平方向和垂直方向上不同。并且，在作为第1中间像P1的中间像的位置在水平方向和垂直方向上不同的情况下，也可以是，第1中间像P1H和第1中间像P1V中的一方形成在第1光学部L10中，第1中间像P1H和第1中间像P1V中的另一方形成在第1光学部L10的外侧。
在本实施方式的光学系统14中，也与参照图9说明的第一变形例同样，满足从图像光生成装置31的1个点射出的光线在视网膜E0上成像为1个点的条件1。并且，满足光学系统10的入射光瞳与眼睛E的光瞳E1处于共轭(光瞳的共轭)关系的条件2。并且，满足适当配置第1衍射元件50和第2衍射元件70的条件3。并且，满足第1衍射元件50与第2衍射元件70处于共轭或大致共轭的关系的条件4，因此在第1衍射元件50和第2衍射元件70中，能够使光线入射到干涉条纹相同的部位，并且能够通过适当地进行波长补偿来消除色像差。因此，能够抑制图像光的分辨率的劣化。
并且，图16所示的部件中的构成透光性部件的塑料、玻璃等使用了将高色散和低色散组合在一起的光学部件。并且，由于第3光学部L30使用了反射镜62，所以在第1光学部L10中处于消色状态。因此，由于光学系统14的重心位置向后侧Z2移动，所以还具有能够减轻对使用者鼻子的负担等优点。并且，关于反射镜62，只要通过溅射法等在透明树脂或玻璃等透明部件上形成半透过型反射镜层或角度选择性的反射镜层，便能够经由反射镜62看到外界。
(第五实施方式)
接着，对第五实施方式的显示装置进行说明。本实施方式涉及光学系统的另一个结构。
图18是第五实施方式的显示装置的说明图。图18所示的光学系统15与参照图16说明的第四实施方式同样，从配置于侧头部的图像光生成装置31到眼睛E前面的第2衍射元件70(第4光学部L40)之间配置有投射光学系统32(第1光学部L10)、反射镜40、第1衍射元件50(第2光学部L20)以及导光系统60的反射镜62(第3光学部L30)。
在本实施方式中，反射镜40和反射镜62在共同的部件81的不同的面上构成。其他结构与图16所示的第四实施方式相同。因此，与图16所示的第四实施方式同样，能够适当地进行波长补偿。并且，由于反射镜40和反射镜62在共同的部件81上构成，所以能够实现组装公差的减小等。并且，由于能够减少制造反射镜的模具的种类，所以能够实现成本的削减。
(第六实施方式)
接着，对第六实施方式的显示装置进行说明。本实施方式涉及光学系统的另一个结构。
图19是第六实施方式的显示装置的说明图。图19所示的光学系统16与参照图16说明的第四实施方式同样，从配置于侧头部的图像光生成装置31到眼睛E前面的第2衍射元件70(第4光学部L40)之间配置有投射光学系统32(第1光学部L10)、反射镜40、第1衍射元件50(第2光学部L20)以及导光系统60的反射镜62(第3光学部L30)。
在本实施方式中，反射镜62和第2衍射元件70在共同的部件82的不同的面上构成。其他结构与图16所示的第四实施方式相同。因此，与图16所示的第四实施方式同样，能够适当地进行波长补偿。并且，由于反射镜62和第2衍射元件70在共同的部件82上构成，所以能够实现组装公差的减小等。并且，由于能够减少制造反射镜的模具的种类，所以能够实现成本的削减。
(第七实施方式)
接着，对第七实施方式的显示装置进行说明。本实施方式涉及光学系统的另一个结构。
图20是第七实施方式的显示装置的说明图。图20所示的光学系统17与参照图16说明的第四实施方式同样，从配置于侧头部的图像光生成装置31到眼睛E前面的第2衍射元件70(第4光学部L40)之间配置有投射光学系统32(第1光学部L10)、反射镜40、第1衍射元件50(第2光学部L20)以及导光系统60的反射镜62(第3光学部L30)。
在本实施方式中，反射镜40、反射镜62和第2衍射元件70在共同的部件83的不同的面上构成。其他结构与图16所示的第四实施方式相同。因此，与图16所示的第四实施方式同样，能够适当地进行波长补偿。并且，由于反射镜40、反射镜62和第2衍射元件70在共同的部件83上构成，所以能够实现组装公差的减小等。并且，由于能够减少制造反射镜的模具的种类，所以能够实现成本的削减。
(第八实施方式)
接着，对第八实施方式的显示装置进行说明。本实施方式涉及光学系统的另一个结构。在本实施方式的光学系统中，第1衍射元件50与第2衍射元件70处于大致共轭关系。以下，对第1衍射元件50与第2衍射元件70的大致共轭关系进行说明。
图21是示出本实施方式的光学系统18的第1衍射元件50与第2衍射元件70的大致共轭关系的说明图。图22是在图21所示的大致共轭关系时从第2衍射元件70射出的光的说明图。图23是示出图22所示的光入射到眼睛E的情形的说明图。另外，在图21中，用实线Le来表示特定波长的光，用单点划线Lf来表示波长为特定波长-10nm的光，用双点划线Lg来表示波长为特定波长+10nm的光。在图23中，在朝向附图的最左侧示出了波长为特定波长-10nm的光(在图22中用单点划线Lf表示的光)入射到眼睛E的情形，在朝向附图的最右侧示出了波长为特定波长+10nm的光(在图22中用双点划线Lg表示的光)入射到眼睛E的情形，在其中间示出了波长从特定波长-10nm变化到特定波长+10nm的光入射到眼睛E的情形。另外，在图23中没有示出特定波长的光入射到眼睛E的情形，但特定波长的光入射到眼睛E的情形是从左起的第3个所示的情形与从左起的第4个所示的情形的中间情形。
在上述实施方式等中，优选使第1衍射元件50和第2衍射元件70处于共轭关系，但在本实施方式中，如上述那样使第1衍射元件50和第2衍射元件70处于大致共轭的关系。在该情况下，如图21所示，在从特定波长偏移的周边波长的光中，入射到第2衍射元件70的状态是不同的。这里，在第2衍射元件70中，越接近光轴，干涉条纹数越少，使光弯曲的力越弱。因此，如果使长波长侧的光入射到光轴侧并使短波长侧的光入射到端侧，则由于特定波长的光和周边波长的光形成平行光，所以能够得到与波长补偿同样的效果。
在该情况下，由于光线位置根据波长而发生偏移，所以如图22所示，入射到光瞳的光线直径从直径φa变大到直径φb。图23示出了此时入射到瞳孔的光线强度的情形。从图23可知，在特定波长附近无法满足瞳孔直径，但由于周边波长的光入射到从特定波长的光偏移的位置，所以能够满足瞳孔直径。其结果是，能够得到观察者容易观察图像等优点。
[其他显示装置中的应用]
在上述实施方式中，例示了头部佩戴型的显示装置100，但也可以对平视显示器、手持显示器、投影仪用光学系统等应用本发明。

Claims (12)

1.一种显示装置，其由观察者佩戴并显示图像，具有光学系统，该显示装置的特征在于，
该显示装置沿着在所述光学系统中从图像光生成装置射出的以特定波长为中心具有光谱宽度的图像光的光路具有：
第1光学部，其具有正屈光力；
第2光学部，其具有第1衍射元件，并且具有正屈光力；
第3光学部，其具有正屈光力；以及
第4光学部，其具有第2衍射元件，并且具有正屈光力，
在所述光路中，在所述第1光学部与所述第3光学部之间形成所述图像光的第1中间像，
在所述第2光学部与所述第4光学部之间形成光瞳，
在所述第3光学部与所述第4光学部之间形成所述图像光的第2中间像，
在所述第4光学部的与所述第3光学部相反的一侧形成射出光瞳，
从所述图像光生成装置的1个点射出的光在所述观察者的视网膜上成像为1个点，
所述光学系统的入射光瞳与所述观察者的眼球的光瞳共轭，
基于所述第1衍射元件的相对于所述特定波长处于长波长侧的光的衍射角度比所述特定波长的光的衍射角度大，并且基于所述第1衍射元件的相对于所述特定波长处于短波长侧的光的衍射角度比所述特定波长的光的衍射角度小，由此使得入射到所述第2衍射元件的相对于所述特定波长处于长波长侧的光的入射角大于所述特定波长的光的入射角，并且使得入射到所述第2衍射元件的相对于所述特定波长处于短波长侧的光的入射角小于所述特定波长的光的入射角，所述第2衍射元件使从所述第3光学部射出的图像光成为平行光，
所述第1衍射元件与所述第2衍射元件处于共轭关系。
2.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，
所述第1中间像形成在所述第1光学部与所述第2光学部之间。
3.根据权利要求1或2所述的显示装置，其特征在于，
所述第3光学部使从所述第2光学部射出的图像光中的视场角的光成为发散光而入射到所述第4光学部。
4.根据权利要求3所述的显示装置，其特征在于，
所述第3光学部使得如下这样的光入射到第2衍射元件的规定的范围内：该光是利用所述第1衍射元件使由所述图像光生成装置生成的与图像的1个点对应的光发生偏转而从所述特定波长的光偏移后得到的。
5.根据权利要求3所述的显示装置，其特征在于，
所述第2光学部使从所述第1光学部射出的图像光成为会聚光而入射到所述第3光学部。
6.根据权利要求3所述的显示装置，其特征在于，
所述第2衍射元件的入射面是中央部相对于周边部凹陷的凹曲面。
7.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，
所述第1衍射元件通过所述第3光学部在所述第2衍射元件上投影的倍率的绝对值为0.5倍到10倍。
8.根据权利要求7所述的显示装置，其特征在于，
所述倍率的绝对值为1倍到5倍。
9.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，
所述第1衍射元件与所述第3光学部之间的光学距离比所述第3光学部与所述第2衍射元件之间的光学距离短。
10.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，
从所述第1衍射元件的第1位置射出的光入射到相对于所述第2衍射元件的与所述第1位置对应的第2位置的±0.8mm的范围内。
11.一种显示装置，其由观察者佩戴并显示图像，具有光学系统，该显示装置的特征在于，
该显示装置沿着在所述光学系统中从图像光生成装置射出的以特定波长为中心具有光谱宽度的图像光的光路具有：
第1光学部，其具有正屈光力，包含多个透镜；
第2光学部，其具有第1衍射元件，并且具有正屈光力；
第3光学部，其具有正屈光力；以及
第4光学部，其具有第2衍射元件，并且具有正屈光力，
在所述光路中，在所述第1光学部的所述多个透镜中的最靠所述图像光生成装置侧的第1透镜与所述第3光学部之间形成所述图像光的第1中间像，
在所述第2光学部与所述第4光学部之间形成光瞳，
在所述第3光学部与所述第4光学部之间形成所述图像光的第2中间像，
在所述第4光学部的与所述第3光学部相反的一侧形成射出光瞳，
从所述图像光生成装置的1个点射出的光在所述观察者的视网膜上成像为1个点，
所述光学系统的入射光瞳与所述观察者的眼球的光瞳共轭，
基于所述第1衍射元件的相对于所述特定波长处于长波长侧的光的衍射角度比所述特定波长的光的衍射角度大，并且基于所述第1衍射元件的相对于所述特定波长处于短波长侧的光的衍射角度比所述特定波长的光的衍射角度小，由此使得入射到所述第2衍射元件的相对于所述特定波长处于长波长侧的光的入射角大于所述特定波长的光的入射角，并且使得入射到所述第2衍射元件的相对于所述特定波长处于短波长侧的光的入射角小于所述特定波长的光的入射角，所述第2衍射元件使从所述第3光学部射出的图像光成为平行光，
所述第1衍射元件与所述第2衍射元件处于共轭关系。
12.根据权利要求11所述的显示装置，其特征在于，
所述第1中间像形成在所述第1光学部中。
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Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10609364B2 (en) * 2018-04-06 2020-03-31 Facebook Technologies, Llc Pupil swim corrected lens for head mounted display
JP7223248B2 (ja) * 2018-11-01 2023-02-16 セイコーエプソン株式会社 表示装置
JP2020160130A (ja) 2019-03-25 2020-10-01 セイコーエプソン株式会社 表示装置
JP2020160134A (ja) 2019-03-25 2020-10-01 セイコーエプソン株式会社 表示装置、光学素子及び光学素子の製造方法
JP2020160275A (ja) 2019-03-27 2020-10-01 セイコーエプソン株式会社 虚像表示装置
JP2021033173A (ja) * 2019-08-28 2021-03-01 セイコーエプソン株式会社 ヘッドマウントディスプレイ
JP7358846B2 (ja) * 2019-08-28 2023-10-11 セイコーエプソン株式会社 光学素子の製造方法、光学素子及び表示装置
JP7293993B2 (ja) 2019-08-29 2023-06-20 セイコーエプソン株式会社 表示装置
JP2021086073A (ja) 2019-11-29 2021-06-03 セイコーエプソン株式会社 画像表示装置
JP7380268B2 (ja) * 2020-01-31 2023-11-15 セイコーエプソン株式会社 表示モジュールおよび表示装置
JP2021121826A (ja) 2020-01-31 2021-08-26 セイコーエプソン株式会社 表示モジュールおよび表示装置
CN111240017B (zh) * 2020-02-19 2022-06-07 Oppo广东移动通信有限公司 头戴式设备
JP2021156995A (ja) 2020-03-26 2021-10-07 セイコーエプソン株式会社 表示装置及び光学ユニット
US11604351B1 (en) * 2020-05-19 2023-03-14 Meta Platforms Technologies, Llc Field bias optical element for digital projector
KR102508931B1 (ko) * 2020-07-23 2023-03-09 현대모비스 주식회사 홀로그래픽 hud

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6788442B1 (en) * 1998-10-06 2004-09-07 Thomson-Csf Sexant Optical device for helmet visor comprising a diffractive mirror
CN105676454A (zh) * 2014-12-08 2016-06-15 精工爱普生株式会社 图像显示装置
CN107193130A (zh) * 2016-03-14 2017-09-22 精工爱普生株式会社 显示装置和导光装置

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB9214909D0 (en) * 1992-07-14 1992-08-26 Secr Defence Helmet-mounted optical systems
JPH08184779A (ja) 1994-12-28 1996-07-16 Olympus Optical Co Ltd 眼球投影型映像表示装置
JP2002139695A (ja) 2000-08-02 2002-05-17 Olympus Optical Co Ltd 観察光学系
US6636356B2 (en) 2000-08-02 2003-10-21 Olympus Optical Co., Ltd. Observation optical system
JP4323822B2 (ja) * 2003-01-31 2009-09-02 キヤノン株式会社 画像表示装置及び撮像装置
DE10316533A1 (de) * 2003-04-10 2004-11-04 Carl Zeiss Hybride HMD-Vorrichtung
WO2005093493A1 (ja) * 2004-03-29 2005-10-06 Sony Corporation 光学装置及び虚像表示装置
JP4450058B2 (ja) 2007-11-29 2010-04-14 ソニー株式会社 画像表示装置
US8089568B1 (en) * 2009-10-02 2012-01-03 Rockwell Collins, Inc. Method of and system for providing a head up display (HUD)
US9406166B2 (en) * 2010-11-08 2016-08-02 Seereal Technologies S.A. Display device, in particular a head-mounted display, based on temporal and spatial multiplexing of hologram tiles
JP6244888B2 (ja) * 2013-09-03 2017-12-13 セイコーエプソン株式会社 虚像表示装置
JP6337465B2 (ja) * 2013-12-26 2018-06-06 セイコーエプソン株式会社 虚像表示装置
JP6402991B2 (ja) 2014-10-02 2018-10-10 セイコーエプソン株式会社 画像表示装置
JP2018018077A (ja) * 2016-07-28 2018-02-01 中強光電股▲ふん▼有限公司 ヘッドマウントディスプレイ
JP6992251B2 (ja) 2016-11-30 2022-01-13 セイコーエプソン株式会社 映像表示装置、および導光装置
JP7223248B2 (ja) * 2018-11-01 2023-02-16 セイコーエプソン株式会社 表示装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6788442B1 (en) * 1998-10-06 2004-09-07 Thomson-Csf Sexant Optical device for helmet visor comprising a diffractive mirror
CN105676454A (zh) * 2014-12-08 2016-06-15 精工爱普生株式会社 图像显示装置
CN107193130A (zh) * 2016-03-14 2017-09-22 精工爱普生株式会社 显示装置和导光装置

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