CN111142248A - 显示装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种显示装置，其能够抑制图像的分辨率下降。本发明的显示装置的特征在于，该显示装置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，其包含第1衍射元件，并具有正屈光力；第3光学部，其具有正屈光力；以及第4光学部，其包含第2衍射元件，并具有正屈光力，在光路中，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2光学部与第4光学部之间形成光瞳，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，在第4光学部的与第3光学部相反的一侧形成射出光瞳，在第2光学部与第4光学部之间设置有对图像光的光线形状进行校正的棱镜部件。

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
作为使用全息元件等的衍射元件的显示装置，提出利用衍射元件将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显示装置。在衍射元件中，以使以特定波长得到最佳的衍射角度和衍射效率的方式，来优化干涉条纹。然而，图像光以特定波长为中心具有规定的光谱宽度，因此从特定波长偏离的周边波长的光成为使图像的分辨率下降的原因。因此，提出以下这样的显示装置：利用反射型的第1衍射元件将从图像光生成装置射出的图像光朝向配置在前方的第2衍射元件射出，利用第2衍射元件将从第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，能够利用第1衍射元件补偿周边波长的光，消除色差，能够抑制由于从特定波长偏离的周边波长的光引起的图像分辨率的下降(例如参照下述专利文献1)。
专利文献1：日本特开2002-139695号公报
发明内容
在上述显示装置中，由于图像光相对于配置在观察者的眼睛前方的第2衍射元件斜入射，因此，第2衍射元件中的图像光的入射形状成为歪曲的形状。在上述专利文献1中，由于针对对向第2衍射元件入射的图像光的形状进行校正的技术既没有公开也没有启示，因此不能进行充分的波长补偿，图像的分辨率下降。
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，该显示装置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，其包含第1衍射元件，并具有正屈光力；第3光学部，其具有正屈光力；以及第4光学部，其包含第2衍射元件，并具有正屈光力，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，在所述第2光学部与所述第4光学部之间设置有对所述图像光的光线形状进行校正的棱镜部件。
本发明的第二方式的显示装置的特征在于，该显示装置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，并包含多个透镜；第2光学部，其包含第1衍射元件，并具有正屈光力；第3光学部，其具有正屈光力；以及第4光学部，其包含第2衍射元件，并具有正屈光力，在所述光路中，在所述第1光学部的所述多个透镜中位于最靠所述图像光生成装置侧的第1透镜与所述第3光学部之间形成有所述图像光的第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，在所述第2光学部与所述第4光学部之间设置有对所述图像光的光线形状进行校正的棱镜部件。
上述第二方式的显示装置优选为，所述第1中间像形成在所述第1光学部中。
上述方式的显示装置优选为，所述棱镜部件设置在所述第3光学部与所述第4光学部之间。
上述方式的显示装置优选为，所述第1光学部、所述第2光学部、所述第3光学部和所述第4光学部沿着规定的曲线的一侧配置，将所述曲线的所述一侧中的远离该曲线的方向作为外侧，将所述一侧中的接近该曲线的方向作为内侧时，所述棱镜部件设置在所述第2中间像的所述第3光学部侧，且所述外侧的厚度比所述内侧的厚度大。
上述方式的显示装置优选为，所述棱镜部件与所述第2衍射元件设置为一体。
上述方式的显示装置优选为，所述第1光学部、所述第2光学部、所述第3光学部和所述第4光学部沿着规定的曲线的一侧配置，将所述曲线的所述一侧中的远离该曲线的方向作为外侧，将所述一侧中的接近该曲线的方向作为内侧时，所述棱镜部件的所述内侧的厚度比所述外侧的厚度大。
上述方式的显示装置优选为，所述棱镜部件包含具有曲率的面。
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是示出显示装置的其他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其他方式的说明图。
图5是构成第1衍射元件及第2衍射元件的体积全息图中的衍射特性的说明图。
图6是消除第2衍射元件中产生的色差的原理的说明图。
图7A是第1衍射元件、第2衍射元件处于共轭关系的情况下的说明图。
图7B是第1衍射元件、第2衍射元件不处于共轭关系的情况下的说明图。
图7C是第1衍射元件、第2衍射元件不处于共轭关系的情况下的说明图。
图8A是示出相对于第1衍射元件、第2衍射元件的共轭关系的偏差的允许差的说明图。
图8B是示出相对于第1衍射元件、第2衍射元件的共轭关系的偏差的允许差的其他方式的说明图。
图9是光学系统中的光线图。
图10是示出在考虑了斜入射的情况下的图像光的光束形状的一例的图。
图11是示出第二实施方式的光学系统的结构的图。
图12是示出第三实施方式的光学系统的结构的图。
图13是第一变形例的光学系统的光线图。
图14是第二变形例的光学系统的光线图。
图15是第三变形例的光学系统的光线图。
图16是第四变形例的光学系统的光线图。
图17是本变形例的第1光学部的说明图。
图18是第五变形例的光学系统的说明图。
图19是第六变形例的显示装置的说明图。
图20是第七变形例的显示装置的说明图。
图21是中间像在水平方向和垂直方向上的位置不同的情况下的光线图。
图22是第八变形例的显示装置的说明图。
图23是第九变形例的显示装置的说明图。
图24是第十变形例的显示装置的说明图。
图25是示出第十变形例的第1衍射元件、第2衍射元件的大致共轭关系的说明图。
图26是大致共轭关系时从第2衍射元件射出的光的说明图。
图27是示出光向眼睛入射的情形的说明图。
标号说明
31：图像光生成装置；45、145、245：棱镜部件；50：第1衍射元件；70：第2衍射元件；100：显示装置；R1：光瞳；L0：图像光；L10：第1光学部；L20：第2光学部；L30：第3光学部；L40：第4光学部；MC：曲线；P1：第1中间像；P2：第2中间像；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、各部件为能够识别的程度的大小，使各层而各部件的尺度、角度与实际不同。
图1是示出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，在以下所示的附图中，根据需要，将相对于佩戴着显示装置的观察者的前后方向作为沿着Z轴的方向，作为前后方向的一侧而将佩戴着显示装置的观察者的前方作为前侧Z1，作为前后方向的另一侧而将佩戴着显示装置的观察者的后方作为后侧Z2。此外，将相对于佩戴着显示装置的观察者的左右方向作为沿着X轴的方向，作为左右方向的一侧而将佩戴着显示装置的观察者的右方作为右侧X1，作为左右方向的另一侧而将佩戴着显示装置的观察者的左方作为左侧X2。此外，将相对于佩戴着显示装置的观察者的上下方向作为沿着Y轴方向的方向，作为上下方向的一侧而将佩戴着显示装置的观察者的上方作为上侧Y1，作为上下方向的另一侧而将佩戴着显示装置的观察者的下方作为下侧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入射到右眼睛Ea的右眼用光学系统10a以及使图像光L0b入射到左眼睛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。具体而言，显示装置100还具备保持右眼用光学系统10a和左眼用光学系统10b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具备：框架91；眼镜腿92a，其设置于框架91的右侧，挂在观察者的右耳朵上；以及眼镜腿92b，其设置于框架91的左侧，挂在观察者的左耳朵上。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。眼镜腿92a、92b通过铰链95以能够相对于框架91折叠的方式连结。
右眼用光学系统10a与左眼用光学系统10b的基本结构相同。因此，在以下的说明中，不区分右眼用光学系统10a与左眼用光学系统10b地作为光学系统10进行说明。
此外，在图1所示的显示装置100中，使图像光L0向沿着X轴的左右方向行进，但如图2所示，也存在使图像光L0从上侧Y1向下侧Y2行进并向观察者的眼睛E射出的情况，以及以自头顶部遍及眼睛E前方的方式配置光学系统10的结构。
参照图3，说明显示装置100的光学系统10的基本结构。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。
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的光路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。
在该光学系统10中，若着眼于图像光L0的行进方向，则图像光生成装置31朝向投射光学系统32射出图像光L0，投射光学系统32将入射的图像光L0朝向反射镜40射出。反射镜40具有反射面40a，将图像光L0朝向第1衍射元件50反射。由反射镜40的反射面40a反射后的图像光L0入射到第1衍射元件50。由第1衍射元件50衍射后的图像光L0朝向导光系统60射出。导光系统60将入射的图像光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可以采用具备有机电致发光显示元件等的显示面板310的方式。根据该方式，能够提供小型且能够进行高画质的图像显示的显示装置100。此外，图像光生成装置31可以采用具备照明光源(未图示)以及对从照明光源射出的照明光进行调制的液晶显示元件等的显示面板310的方式。根据该结构，由于能够选择照明光源，具有图像光L0的波长特性的自由度大的优点。此处，图像光生成装置31可以采用具有能够彩色显示的一块显示面板310的方式。此外，图像光生成装置31可以采用具有与各色对应的多个显示面板310以及将从多个显示面板310射出的各色图像光合成的合成光学系统的方式。而且，图像光生成装置31可以采用利用微镜器件来调制激光的方式。
投射光学系统32是对图像光生成装置31生成的图像光L0进行投射的光学系统，由第1透镜301、第2透镜302及第3透镜303构成。第1透镜301、第2透镜302、及第3透镜303由自由曲面透镜或旋转对称透镜构成。此外，投射光学系统32可以是偏心光学系统。在图3中，例举了将投射光学系统32中的透镜数量设为3块的情况，但透镜的块数不限于此，投射光学系统32可以具备5块以上的透镜。此外，将各透镜贴合在一起而构成投射光学系统32。
导光系统60由具有中央比周边部凹陷的反射面62a的反射镜62构成，该导光系统60具有正屈光力。反射镜62具有朝向前后方向倾斜的反射面62a。另外，反射面62a由球面、非球面、或者自由曲面构成。在本实施方式中，反射镜62是具有由自由曲面构成的反射面62a的全反射镜。但是，可以将反射镜62设为半反射镜，在该情况下，能够使可以视觉辨认外部光的范围变大。
接下来，对第1衍射元件50及第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及第2衍射元件70的基本结构相同。以下，例举第2衍射元件70的结构进行说明。
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具备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构成局部透过反射性的组合器。因此，外部光也经由第2衍射元件70入射到眼睛E，因此观察者能够识别由图像光生成装置31形成的图像光L0与外部光(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成为向离开眼睛E的方向凹陷的凹曲面。换言之，入射面71在图像光L0的入射方向上成为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朝向观察者的眼睛高效地聚光。
第2衍射元件70具有干涉条纹751，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记录于全息感光层中，干涉条纹751与特定的入射角度对应地相对于第2衍射元件70的入射面71向一个方向倾斜。因此，第2衍射元件70使图像光L0向规定的方向衍射而偏转。特定波长及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在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用于彩色显示，因此包含后述的红色光LR、绿色光LG及蓝色光LB。因此，第2衍射元件70具有以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以与580nm至700nm的波长范围中的例如波长为615nm的红色光LR对应的间距形成。干涉条纹751G以与500nm至580nm的波长范围中的例如波长为535nm的绿色光LG对应的间距形成。干涉条纹751B以与400nm至500nm的波长范围中的例如波长为460nm的蓝色光LB对应的间距形成。该结构能够通过在形成了具有与各波长对应的敏感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在全息感光层进行干涉曝光而形成。
另外，使具有与各波长对应的敏感度的感光材料分散到全息感光层，使用各波长的参照光LrR、LrG、LrB及物体光LsR、LsG、LsB在全息感光层进行干涉曝光，由此如图4B所示，可以在一层中形成重叠有干涉条纹751R、751G、751B而成的干涉条纹751。此外，作为参照光LrR、LrG、LrB及物体光LsR、LsG、LsB，可以使用球面波的光。
基本结构与第2衍射元件70相同的第1衍射元件50具备反射型体积全息元件55。第1衍射元件5的供图像光L0入射的入射面51成为凹陷的凹曲面。换言之，入射面51在图像光L0的入射方向上成为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朝向导光系统60高效地偏转。
图5是说明构成图3所示的第1衍射元件50及第2衍射元件70的体积全息图中的衍射特性的图。图5示出当光线入射到体积全息图上的一点时的特定波长与周边波长的衍射角之差。在图5中，当将特定波长设为531nm时，实线L526表示波长为526nm的周边波长的光的衍射角度的偏离，用虚线L536表示波长为536nm的周边波长的光的衍射角度的偏离。如图5所示，即使在光线入射到在全息元件中记录的相同的干涉条纹的情况下，也是光线的波长越长，越大幅地衍射，光线的波长越短，越难以衍射。因此，如本实施方式所示，当使用两个衍射元件即第1衍射元件50和第2衍射元件70时，若不分别考虑与特定波长对应的长波长的光及短波长的光中的光线角度而入射，则不能适当地进行波长补偿。即不能消除第2衍射元件70中产生的色差。此外，根据干涉条纹的条数而衍射角不同，因此需要考虑干涉条纹。
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，与在第1衍射元件50与第2衍射元件70之间形成的中间像的次数与反射镜62的反射次数之和为奇数还是偶数相对应地来优化向第2衍射元件70入射的入射方向等，因此能够消除波长补偿即色差。
图6是对消除第2衍射元件中产生的色差的原理进行说明的图。另外，在图6中，除了图像光L0的特定波长的光L1(实线)以外，也图示了长波长侧的光L2(单点划线)及相对于特定波长为短波长侧的光L3(虚线)。
具体而言，如图6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衍射而偏转。此时，相对于特定波长为长波长侧的光L2的衍射角度θ2比特定波长的光L1的衍射角度θ1大。此外，相对于特定波长为短波长侧的光L3的衍射角度θ3比特定波长的光L1的衍射角度θ1小。因此，从第1衍射元件50射出的图像光L0按照各种波长偏转而分散。
从第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，被第2衍射元件70衍射而偏转。此时，在从第1衍射元件50至第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的反射。因此，将图像光L0与第2衍射元件70的入射面法线之间的角度作为入射角时，相对于特定波长成为长波长侧的光L2成为比特定波长的光L1的入射角θ11大的入射角θ12，相对于特定波长为短波长侧的光L3成为比特定波长的光L1的入射角θ11小的入射角θ13。此外，如上所述，相对于特定波长为长波长侧的光L2的衍射角度θ2比特定波长的光L1的衍射角度θ1大，相对于特定波长为短波长侧的光L3的衍射角度θ3比特定波长的光L1的衍射角度θ1小。
因此，相对于特定波长为长波长侧的光L2以比特定波长的光L1大的衍射角向第2衍射元件70射入，但相对于特定波长为长波长侧的光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，从第2衍射元件70射出时，相对于特定波长为长波长侧的光L2与特定波长的光L1成为大致平行的光。与此相对，相对于特定波长为短波长侧的光L3以比特定波长的光L1小的衍射角向第2衍射元件70射入，但相对于特定波长为短波长侧的光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，从第2衍射元件70射出时，相对于特定波长为短波长侧的光L3与特定波长的光L1成为大致平行的光。这样，如图6所示，从第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，因此，抑制了各种波长在视网膜E0中的成像位置偏移。因此，能够消除第2衍射元件70中产生的色差。
接下来，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7A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下的说明图。图7B和图7C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下的说明图。图8A和图8B是示出图7B和图7C所示的第1衍射元件50与第2衍射元件70的自共轭关系的偏差的允许差的说明图。在图8A和图8B中，用实线Le表示特定波长的光，用单点划线Lf表示波长为特定波长-10nm的光，用双点划线Lg表示波长为特定波长+10nm的光。另外，在图7A～7C和图8A、图8B中，为了容易明确光的行进，将第1衍射元件50、第2衍射元件70和导光系统60表示为透射型，用箭头示出第1衍射元件50、第2衍射元件70和导光系统60。
如图7A所示，在将第1衍射元件50与第2衍射元件70设为共轭关系的情况下，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(透镜)聚光并入射到第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点补偿由于B点产生的衍射引起的色差。
相对于此，如图7B和图7C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聚光，但在比第2衍射元件70上的B点远的位置或者近的位置交汇后入射。因此，A点与B点并未成为一对一的关系。此处，在区域内的干涉条纹相同的情况下补偿效果提高，因此，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，通过第1衍射元件50，难以补偿第2衍射元件70的整个投影区域。因此，在图7B和图7C所示的方式的情况下，不能进行充分的波长补偿，因此发生分辨率的劣化。
另外，在波长相对于特定波长为±10nm的光中，与特定波长的光到达的B点存在±0.4mm左右的误差，但分辨率的下降不明显。对该允许范围进行了研究，其结果为，如图8A所示，在比特定波长的光到达的理想的第2衍射元件70上的B点靠前的位置交汇并在±0.8mm的范围内入射的情况下，分辨率的下降不明显。此外，如图8B所示，在比特定波长的光到达的理想的第2衍射元件70上的B点靠后的位置交汇并在±0.8mm的范围内入射的情况下，分辨率的下降不明显。因此，在第1衍射元件50与第2衍射元件70中，即使不处于完全的共轭关系，但在处于大致共轭关系且在与理想的B点相差±0.8mm的范围内到达的情况下，能够允许分辨率的下降。即，在本实施方式中，所谓第1衍射元件50与第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与理想的入射点相差±0.8mm的误差范围。
图9是本实施方式的光学系统10中的光线图。在图9和后面参照的图中，用粗箭头表示沿着光轴配置的各光学部。此外，用实线La表示从图像光生成装置31的一个像素射出的光线，用单点划线Lb表示从图像光生成装置31的端部射出的主光线，用较虚线Lc表示与第1衍射元件50成共轭关系的位置。此处，所谓“中间像”是从一个像素射出的光线(实线La)汇聚的部位，所谓“光瞳”是各视场角的主光线(单点划线Lb)汇聚的部位。此外，图9示出从图像光生成装置31射出的光的行进。另外，在图9中，为了简化图，将全部的光学部设为投射型进行图示。
如图9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：具有正屈光力的第1光学部L10；具备第1衍射元件50且具有正屈光力的第2光学部L20；具有正屈光力的第3光学部L30；具备第2衍射元件70且具有正屈光力的第4光学部L40。
第1光学部L10的焦距为L/2，第2光学部L20、第3光学部L30和第4光学部L40的焦距均为L。因此，从第2光学部L20至第3光学部L30的光学距离与从第3光学部L30至第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之间形成有图像光的第1中间像P1，在第2光学部L20与第4光学部L40之间形成有光瞳R1，在第3光学部L30与第4光学部L40之间形成有图像光的第2中间像P2，第4光学部L40对图像光进行平行光化而形成射出光瞳R2。此时，第3光学部L30将从第2光学部L20射出的图像光自由地控制为发散光或会聚光或平行光并入射到第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。所谓第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接近第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接近第3光学部L30的位置。
此外，第3光学部L30对于来自图像光生成装置31的一点的图像光，使因第1衍射元件50偏转而从特定波长偏移的周边波长的光入射到第2衍射元件70的规定范围。即，第1衍射元件50与第2衍射元件70处于共轭或者大致共轭的关系。此处，第1衍射元件50的由第3光学部L30产生的第2衍射元件70上投影的倍率的绝对值为0.5倍至10倍，该倍率的绝对值优选为1倍至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之间形成有图像光的第1中间像P1，在导光系统60的附近形成有光瞳R1，在导光系统60与第2衍射元件70之间形成有图像光的第2中间像P2，第2衍射元件70对图像光进行平行光化而形成射出光瞳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。
此处，如上所述，为了使第1衍射元件50和第2衍射元件70满足共轭关系或者大致共轭关系，需要使图像光在第1衍射元件50中的入射状态与图像光在第2衍射元件70中的入射状态相同。即，在向观察者的眼睛E入射的图像光的光线形状例如为圆形的情况下，向第1衍射元件50和第2衍射元件70入射的图像光的成像光线也需要形成为圆形。
如图3所示，在本实施方式的光学系统10中，由于采用将第2衍射元件70配置在观察者的眼睛E的前方的结构，图像光L0相对于第2衍射元件70从倾斜方向入射。以下，将图像光L0从倾斜方向入射的状态简称为“斜入射”。
图3所示的图像光是通过包含主光线和光轴在内的面即子午平面内的子午光线。
以下，在图3的说明中，使用将与图像光的主光线正交且与观察者的脸的轮廓分离的方向作为y轴并将与该y方向和图3的纸面正交的方向作为x轴的xy坐标系。
在图3中，将表示图像光的多条子午光线中的从图像形成装置31向右侧X1射出并通过第2中间像P2的形成位置而入射到第2衍射元件70的光线称为“负侧光线MK”。
此外，在图3中，将表示图像光的多条子午光线中的从图像形成装置31向左侧X2侧射出并通过第2中间像P2的形成位置而入射到第2衍射元件70的子午光线称为“正侧光线PK”。
如图3所示，负侧光线MK相对于第2中间像P2的形成位置，越是从靠+y侧入射的光线，从第2中间像P2至第2衍射元件70的光路长度越长。即，负侧光线MK相对于第2衍射元件70的入射角度相对地变大。
另一方面，如图3所示，正侧光线PK相对于第2中间像P2的形成位置，越是从靠-y侧入射的光线，从第2中间像P2至第2衍射元件70的光路长度越短。即，正侧光线PK相对于第2衍射元件70的入射角度相对地变小。
这样，在图像光相对于第2衍射元件70斜入射的情况下，图像光在第2衍射元件70上的光线形状成为歪曲的形状而不得不成为与圆形不同的形状。于是，向观察者的眼睛E入射的图像光的光线形状与向第1衍射元件50和第2衍射元件70入射的图像光的成像光线的形状不同。因而，第1衍射元件50与第2衍射元件70不能满足共轭关系或者大致共轭关系，不能适当地进行波长补偿。
因此，在使图像光相对于第2衍射元件70斜入射的情况下，如上所述，需要考虑因斜入射而产生的歪曲，预先将图像光的光束形状校正为期望的形状，以使得图像光在第2衍射元件70上的光线形状形成为圆形。
此处，所谓在考虑因斜入射而产生的歪曲的基础上预先校正图像光的光束形状的意思是，以使斜入射的图像光的光线形状在第2衍射元件70上例如成为圆形等期望形状的方式校正图像光的光线形状。
图10是示出在考虑了斜入射的情况下的图像光的光束形状的一例的图。图10相当于图像光在图3的标号A所表示的位置上的沿着xy平面的截面，示出图像光在第2中间像P2的附近的光束截面形状。
如图10所示，图像光的光线形状的+y侧由负侧光线MK形成，图像光的光线形状的-y侧由正侧光线PK形成。
此处，负侧光线MK相对于第2衍射元件70的入射角度相对较大，即从中间像位置至对象物的距离较长，因此形成在第2衍射元件70上的照明区域的面积扩大。另一方面，正侧光线PK相对于第2衍射元件70的入射角度相对较小，即从中间像位置至对象物的距离较短，因此形成在第2衍射元件70上的照明区域的面积相比于负侧光线MK未扩大。
基于这样的理由，考虑了斜入射的情况下的图像光的光线形状是，在第2衍射元件70上越靠近照明区域大幅度扩大的包含负侧光线MK在内的+y侧，光线越细，在第2衍射元件70上越靠近照明区域难以扩大的包含正侧光线PK在内的-y侧，光线越粗。因此，如图10所示，考虑了斜入射的情况下的图像光的光线形状成为x方向上的宽度越靠+y侧越狭窄的扭曲形状。这样考虑了斜入射的情况下的图像光的光束形状与负侧光线MK和正侧光线PK的入射状况相应地确定。
另外，图像光在第2衍射元件70上的光线形状的校正必须在从第1光学部L10至第3光学部L30之间进行。如上所述，为了使第1衍射元件50和第2衍射元件70满足共轭关系或者大致共轭关系，必须使图像光向第1衍射元件50与第2衍射元件70入射的入射形状一致。因此，不能在图像光的光线形状的校正中利用第1衍射元件50和第2衍射元件70。因此，还考虑到通过使用第3光学部L30来将图像光的光线形状校正为图10所示的形状。
然而，在使用第3光学部L30校正图像光的光线形状的情况下，光瞳径增大或画面尺寸增大，从而导致像差増大。其结果是产生图像的分辨率下降这样的新问题。
相对于此，在本实施方式的光学系统10中，如图3所示，在第2光学部L20与第4光学部L40之间设置有对图像光L0的光线形状进行校正的棱镜部件45。在本实施方式中，棱镜部件45设置在第3光学部L30与第4光学部L40之间，通过预先校正斜入射到第2衍射元件70的图像光L0的光线形状，图像光L0在第2衍射元件70上能够形成为例如圆形等这样的期望的光线形状。
如图3所示，在本实施方式的光学系统10中，第1光学部L10、第2光学部L20、第3光学部L30和第4光学部L40沿着观察者的轮廓的曲线MC(规定的曲线)的一侧配置。
本实施方式的棱镜部件45设置在第2中间像P2的靠第3光学部L30侧。棱镜部件45中的入射面和射出面包含具有曲率的曲面。作为曲面，可以是例如球面、非球面、圆柱面或者自由曲面中的任一个。这样，通过由曲面构成入射面和射出面，能够提高图像光的校正自由度。另外，棱镜部件45中的入射面和射出面可以由平面构成。
考虑了图10所示的斜入射的情况下的图像光的光束形状与负侧光线MK和正侧光线PK的入射状况相应地变化。即，棱镜部件45的形状根据负侧光线MK和正侧光线PK的入射状况唯一地确定。
本实施方式的棱镜部件45具有如下形状：相对地增强相对于第2衍射元件70以较大入射角度入射的负侧光线MK中的校正力，相对地减弱相对于第2衍射元件70以较小入射角度入射的正侧光线PK中的校正力。
更具体而言，如图3所示，本实施方式的棱镜部件45具有使负侧光线MK通过的+y侧的厚度相比于正侧光线PK通过的-y侧的厚度增厚的形状。由于棱镜部件45的负侧光线MK通过的区域的厚度较大，因此能够使负侧光线MK强烈地弯曲。因此，通过使负侧光线MK比正侧光线PK细，能够预先将图像光的光线形状校正为图10所示的形状。
如图3所示，本实施方式的棱镜部件45具有随着与轮廓的曲线MC远离而厚度增加的形状。此处，在曲线MC的一侧即曲线MC中的配置有光学系统10的一侧，将远离该曲线MC的方向作为外侧，将接近曲线MC的方向作为内侧。即，换句话说，棱镜部件45具有如下形状：与接近观察者的脸的一侧的曲线MC的内侧的厚度相比，远离观察者的脸的一侧的曲线MC的外侧的厚度变大。
另外，棱镜部件45的形状根据该棱镜部件45配置的位置而发生变化。例如，在图3中，在比第2中间像P2的形成位置靠第3光学部L30侧的位置配置了棱镜部件45，但棱镜部件45可以配置在比第2中间像P2的形成位置靠第4光学部L40侧的位置。在该情况下，负侧光线MK和正侧光线PK相对于棱镜部件45的入射位置的关系与图3所示的情况相反，因此棱镜部件45中的形状成为使-y侧比+y侧厚的形状。
根据本实施方式的光学系统10，能够满足以下所示的四个条件(条件1、2、3、4)。
条件1：从图像光生成装置31的一个点射出的光线作为一个点在视网膜E0成像。
条件2：光学系统的入射光瞳与眼球的光瞳共轭。
条件3：以补偿周边波长的方式适当地配置第1衍射元件50和第2衍射元件70。
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。
更具体而言，根据图9所示的实线La可知，由于满足从图像光生成装置31的一个点射出的光线作为一个点在视网膜E0成像这样的条件1，因此观察者能够视觉辨认一个像素。此外，根据图9所示的的实线La可知，由于满足光学系统10的入射光瞳与眼睛的光瞳E1处于共轭(光瞳的共轭)的关系这样的条件2，因此能够视觉辨认图像光生成装置31所生成的图像的整个区域。此外，由于满足以补偿周边波长的方式适当地配置第1衍射元件50和第2衍射元件70这样的条件3，因此通过进行波长补偿，能够消除第2衍射元件70中产生的色差。
根据本实施方式的光学系统10，通过在第3光学部L30与第4光学部L40之间设置棱镜部件45，预先校正向第2衍射元件70斜入射的图像光L0的光线形状，由此，能够使图像光在第1衍射元件50中的入射状态与图像光在第2衍射元件70中的入射状态相同。因此，根据本实施方式的光学系统10，在图像光相对于第2衍射元件70斜入射的情况下，也能够满足图9的长虚线Lc所示的第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样的条件4。因此，第1衍射元件50和第2衍射元件70能够使光线入射到干涉条纹相同的部位，因此能够适当地进行上述的波长补偿。因此，能够良好地抑制图像光的分辨率的劣化。
本实施方式的光学系统10可以设置覆盖第2光学部L20和第3光学部L30的罩部件。在该情况下，可以由罩部件的一部分构成棱镜部件45。这样的话，通过使棱镜部件45与罩部件一体化，能够实现组装公差的减小。
(第二实施方式)
接下来，对第二实施方式的光学系统进行说明。本实施方式与上述实施方式的区别是棱镜部件配置的位置，除此以外的结构共用。因此，对与上述实施方式共用的部件标注相同的标号，省略其详细说明。
图11是示出本实施方式的光学系统的结构的图。
如图11所示，本实施方式的光学系统10在第2光学部L20与第4光学部L40之间设置有棱镜部件145。棱镜部件145通过在与光入射侧相反的背面设置反射镜62，从而兼具构成第3光学部L30的导光系统60的作用。
棱镜部件145通过预先校正向第2衍射元件70斜入射的图像光L0的光线形状，能够在第2衍射元件70上使图像光L0形成为期望的光线形状。
棱镜部件145具有如下形状：相对地增强相对于第2衍射元件70以较大入射角度入射的负侧光线MK中的校正力，相对地减弱相对于第2衍射元件70以较小入射角度入射的正侧光线PK中的校正力。
具体而言，如图11所示，本实施方式的棱镜部件145具有使负侧光线MK通过的反射镜62的前侧Z1的厚度相比于正侧光线PK通过的反射镜62的后侧Z2的厚度增厚的形状。由此，由于棱镜部件145的负侧光线MK通过的区域的厚度大，因此能够强烈地使负侧光线MK弯曲。因此，通过使负侧光线MK比正侧光线PK细，能够预先将图像光的光线形状校正为图10所示的形状。
本实施方式的光学系统11也能够满足上述的四个条件。
此外，根据本实施方式的光学系统11，通过设置在第3光学部L30与第4光学部L40之间的棱镜部件145，预先校正向第2衍射元件70斜入射的图像光L0的光线形状，由此能够使图像光在第1衍射元件50中的入射状态与图像光在第2衍射元件70中的入射状态相同。因此，根据本实施方式的光学系统11，在图像光相对于第2衍射元件70斜入射的情况下，通过适当地进行上述的波长补偿，能够良好地抑制图像光的分辨率的劣化。
此外，在本实施方式的光学系统11中，棱镜部件145具有反射镜62，由此兼具第3光学部L30的作用，因此能够减小组装公差并且抑制部件个数增加。
(第三实施方式)
接下来，对第三实施方式的光学系统进行说明。本实施方式与上述实施方式的区别是棱镜部件配置的位置，除此以外的结构共用。因此，对与上述实施方式共用的部件标注相同的标号，省略其详细说明。
图12是示出本实施方式的光学系统的结构的图。在图12中，示出从图像光生成装置31的3个像素射出的光线，用三条线分别图示各光线。
如图12所示，本实施方式的光学系12在图像光L0的光路上的第2光学部L20与第4光学部L40之间设置有棱镜部件245。此外，换句话说，在本实施方式的光学系统12中，棱镜部件245设置在图像光L0的光路上的第1光学部L10与第2光学部L20之间。更具体而言，棱镜部件245设置在构成第2光学部L20的第1衍射元件50的光入射面侧。
棱镜部件245通过设置在第2光学部L20与第3光学部L30之间，具有预先校正向第2衍射元件70斜入射的图像光L0的光线形状从而在第2衍射元件70上使图像光L0形成为期望的光线形状的功能。棱镜部件245具有如下形状：相对地增强相对于第2衍射元件70以较大入射角度入射的负侧光线MK的校正力，相对地减弱相对于第2衍射元件70以较小入射角度入射的正侧光线PK的校正力。
在本实施方式的光学系统12中，第1光学部L10、第2光学部L20、第3光学部L30和第4光学部L40沿着观察者的轮廓的曲线MC(规定的曲线)的一侧配置。
具体而言，如图12所示，本实施方式的棱镜部件245具有以下形状：与相当于由虚线表示的正侧光线PK的光线通过的第1衍射元件50的投射光学系统32侧的厚度相比，使相当于由单点划线表示的负侧光线MK的光线通过的第1衍射元件50的与投射光学系统32相反的一侧的厚度增厚。
由于本实施方式的棱镜部件245的负侧光线MK通过的区域的厚度较大，因此能够强烈地使负侧光线MK弯曲。因此，通过使负侧光线MK比正侧光线PK细，能够预先将图像光的光线形状校正为图10所示的形状。
此外，本实施方式的棱镜部件245的远离观察者的脸的轮廓的曲线MC的外侧厚度比接近曲线MC的内侧的厚度小。即，换句话说，本实施方式的棱镜部件245具有如下形状：与接近观察者的脸的一侧的曲线MC的内侧的厚度相比，使远离观察者的脸的一侧的曲线MC的外侧的厚度较小。
本实施方式的光学系统12也能够满足上述的四个条件。
此外，根据本实施方式的光学系统12，通过与第1衍射元件50一体地设置的棱镜部件245，预先校正向第2衍射元件70斜入射的图像光L0的光线形状，由此，能够使图像光在第1衍射元件50中的入射状态与图像光在第2衍射元件70中的入射状态相同。因此，根据本实施方式的光学系统12，在图像光相对于第2衍射元件70斜入射的情况下，通过适当地进行上述的波长补偿，也能够良好地抑制图像光的分辨率的劣化。
但是，本实施方式的光学系统12例如设计成，使第1衍射元件50中的形成干涉条纹时的物体光的照射位置和参照光的聚光位置大概与光瞳位置对应。由此，通过提高用于确定图像光的视场角的光瞳位置的效率，使均匀的光入射到观察者的眼睛。
第1衍射元件50在满足布拉格衍射条件的情况下，能够最高效地朝向第2衍射元件70衍射图像光。此处，为了满足布拉格衍射条件，只要配置成使与第1衍射元件50的物体点相当的光瞳R与图像光的中间像一致即可。
然而，在本实施方式的光学系统12中，如图12所示，图像光的中间像P1、P2的位置与光瞳R、R1的位置不同。具体而言，相对于与第1衍射元件50的物体点相当的光瞳R，图像光的第1中间像P1位于第1衍射元件50的附近。因此，在本实施方式的光学系统12中，由于第1衍射元件50偏离布拉格衍射条件，产生所谓布拉格错配光，由此衍射效率下降。
因此，在本实施方式的光学系统12中，如上所述，通过将棱镜部件245一体地设置在第1衍射元件50的光入射面侧，将棱镜部件245配置在第1光学部L10与第2光学部L20之间。由此，棱镜部件245如后面所述具有使第1衍射元件50的衍射效率提高的功能。
在本实施方式的光学系统12中，被反射镜40反射的图像光经由棱镜部件245入射到第1衍射元件50。图像光当入射到棱镜部件245时进行折射。
此处，从第1衍射元件50观察，图像光相对于第1衍射元件50的入射角度通过棱镜形状被校正，因此可以认为图像光从更接近物体点的位置射出。因此，图像光透过棱镜部件245，由此图像光外观上在从接近物体点的位置射出这样的进一步满足布拉格衍射条件的状态下入射到第1衍射元件50，布拉格错配光减少。
因此，根据本实施方式的光学系统12，通过将棱镜部件245一体地设置于第1衍射元件50，不会增加部件个数，能够在向上述第2衍射元件70斜入射的情况下兼顾抑制图像光的分辨率的劣化和提高第1衍射元件50的衍射效率。此外，在本实施方式的光学系统12中，通过将棱镜部件245与第1衍射元件50一体化，由此能够减小组装公差并且抑制部件个数增加。
(第一变形例)
图13是第一变形例的光学系统10A的光线图。如图13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：具有正屈光力的第1光学部L10(投射光学系统32)；具备第1衍射元件50且具有正屈光力的第2光学部L20；具有正屈光力的第3光学部L30(导光系统60)；具备反射型的第2衍射元件70且具有正屈光力的第4光学部L40。
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至第3光学部L30的光学距离与从第3光学部L30至第4光学部L40的光学距离之比为1：2，从第2光学部L20至第3光学部L30的光学距离比从第3光学部L30至第4光学部L40的光学距离短。因此，在使光学系统10小型化的情况下，眼界难以被第3光学部L30遮蔽。
在本变形例中，也与参照图9进行说明的第一实施方式的结构相同，在第1光学部L10与第3光学部L30之间形成有图像光的第1中间像P1，在第3光学部L30附近形成有光瞳R1，在第3光学部L30与第4光学部L40之间形成有图像光的第2中间像P2，第4光学部L40使图像光平行光化而形成射出光瞳R2。在本变形例中，与第一实施方式的结构同样地，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。
此外，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地，满足从图像光生成装置31的一个点射出的光线作为一个点在视网膜E0成像这样的条件1。此外，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)的关系这样的条件2。此外，满足适当地配置第1衍射元件50与第2衍射元件70这样的条件3。此外，由于满足第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这样的条件4，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，通过适当地进行波长补偿，能够消除色差。因此，能够抑制图像光的分辨率的劣化。
在本变形例的光学系统10A中，也与上述的实施方式的光学系统10、11、12同样地，具备棱镜部件45、145、245中的任意一个，能够将图像光L0的光线形状校正为考虑了斜入射后的形状。因而，能够抑制由于图像光相对于第2衍射元件70斜入射而引起的分辨率的下降。因此，根据本变形例的光学系统10A，能够得到高画质。
(第二变形例)
图14是第二变形例的光学系统10B的光线图。如图14所示，在本实施方式的光学系统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：具有正屈光力的第1光学部L10(投射光学系统32)；具备第1衍射元件50且具有正屈光力的第2光学部L20；具有正屈光力的第3光学部L30(导光系统60)；具备反射型的第2衍射元件70且具有正屈光力的第4光学部L40。在本变形例中，在图像光生成装置31与投射光学系32之间设置有第5光学部L50。
在本变形例中，也与参照图9进行说明的第一实施方式的结构相同，在第1光学部L10与第3光学部L30之间形成有图像光的第1中间像P1，在第3光学部L30附近形成有光瞳R1，在第3光学部L30与第4光学部L40之间形成有图像光的第2中间像P2，第4光学部L40使图像光平行光化而形成射出光瞳R2。在本变形例中，与第一实施方式的结构同样地，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9进行说明的第一实施方式的结构中，在将配置有图像光生成装置31的位置作为假想面板位置的情况下，在图14所示的结构中，将图像光生成装置31配置在比假想面板位置靠第1光学部L10的相反侧的位置，图像光生成装置31与第1光学部L10之间的距离比参照图9所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。在这样的情况下，由于在图像光生成装置31与投射光学系32之间设置有第5光学部L50，因此从图像光生成装置31射出的光线在到达第1光学部L10以后，与参照图9所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地，满足从图像光生成装置31的一个点射出的光线作为一个点在视网膜E0成像这样的条件1。此外，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)的关系这样的条件2。此外，满足适当地配置第1衍射元件50与第2衍射元件70这样的条件3。此外，由于满足第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这样的条件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，通过适当地进行波长补偿，能够消除色差。因此，能够抑制图像光的分辨率的劣化。
在本变形例的光学系统10B中，也与上述的实施方式的光学系统10、11、12同样地，具备棱镜部件45、145、245中的任意一个，能够将图像光L0的光线形状校正为考虑了斜入射后的形状。因而，能够抑制由于图像光相对于第2衍射元件70斜入射而引起的分辨率的下降。因此，根据本变形例的光学系统10B，能够得到高画质。
(第三变形例)
图15是第三变形例的光学系统10C的光线图。如图15所示，在本实施方式的光学系统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：具有正屈光力的第1光学部L10(投射光学系统32)；具备第1衍射元件50且具有正屈光力的第2光学部L20；具有正屈光力的第3光学部L30(导光系统60)；具备反射型的第2衍射元件70且具有正屈光力的第4光学部L40。
在本变形例中，也与第一实施方式、第一变形例以及第二变形例的结构相同地，在第1光学部L10与第3光学部L30之间形成有图像光的第1中间像P1，在第3光学部L30附近形成有光瞳R1，在第3光学部L30与第4光学部L40之间形成有图像光的第2中间像P2，第4光学部L40使图像光平行光化而形成射出光瞳R2。
在本变形例中，与第一实施方式、第一变形例以及第二变形例的结构不同的是，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。
在该光学系统10C中，也与第一实施方式的结构同样地，满足从图像光生成装置31的一个点射出的光线作为一个点在视网膜E0成像这样的条件1。此外，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)的关系这样的条件2。此外，满足适当地配置第1衍射元件50与第2衍射元件70这样的条件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对于来自图像光生成装置31的一点的图像光，使通过第1衍射元件50偏转而从特定波长偏移的光入射到第2衍射元件70的规定范围。因此，向干涉条纹不同的部位入射的问题通过第3光学部L30进行补偿。因此，波长为特定波长的周边波长的光也能够入射到特定波长的光的附近，通过进行波长补偿，能够大致消除色差。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比较，波长补偿效果弱，但在开口率小的情况下，得到一定的波长补偿效果。
在本变形例的光学系统10C中，也与上述的实施方式的光学系统10、11、12同样地，具备棱镜部件45、145、245中的任意一个，能够将图像光L0的光线形状校正为考虑了斜入射后的形状。因而，能够抑制由于图像光相对于第2衍射元件70斜入射而引起的分辨率的下降。因此，根据本变形例的光学系统10C，能够得到高画质。
(第四变形例)
图16是第四变形例的光学系统10D的光线图。图17是本变形例的第1光学部L10的说明图。如图16所示，在本変形例的光学系统10D中，与参照图9所说明的第一实施方式的结构同样地设置有：具有正屈光力的第1光学部L10(投射光学系统32)；具备第1衍射元件50且具有正屈光力的第2光学部L20；具有正屈光力的第3光学部L30(导光系统60)；具备反射型的第2衍射元件70且具有正屈光力的第4光学部L40。此处，图像光生成装置31具有激光光源316、准直透镜317、微镜器件318，通过驱动微镜器件318来对激光光源316进行扫描，由此生成图像。因此，图像光生成装置31本身形成视场角的光。
因此，如图17所示，在参照图9所说明的第一实施方式的结构中，与在第1光学部L10中使用的透镜L11、L12之间形成光瞳的情况比较时，图像光生成装置31与透镜L11被上述的激光光源316、准直透镜317和微镜器件318置换。
根据该光学系统10D，在安装显示装置100时，在因体温、显示装置100本身的热量而发生温度变化从而激光的谱宽等变动的情况下，也能够利用波长补偿使图像的画质提高。
在本变形例的光学系统10D中，也与上述的实施方式的光学系统10、11、12同样地，具备棱镜部件45、145、245中的任意一个，能够将图像光L0的光线形状校正为考虑了斜入射后的形状。因而，能够抑制由于图像光相对于第2衍射元件70斜入射而引起的分辨率的下降。因此，根据本变形例的光学系统10D，能够得到高画质。
(第五变形例)
图18是第五变形例的光学系统10E的说明图。图18所示的光学系统10E如图2所示沿着上下方向配置，在从配置在头顶部的图像光生成装置31至眼睛E的前方的第2衍射元件70之间，配置有投射光学系32、第1衍射元件50和导光系统60。在本变形例中，导光系统60由具有中央相比于周边部凹陷而成的反射面620的反射镜62构成，并具有正屈光力。反射面620由球面、非球面或自由曲面构成。在本变形例中，反射面620由自由曲面构成。第1衍射元件50中，使透射型体全息元件与透镜一体化并具有正屈光力。另外，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10E中，与参照图13所说明的第一变形例同样地，沿着从图像光生成装置31射出的图像光的光路设置有：具有正屈光力的第1光学部L10(投射光学系统32)；具备第1衍射元件50且具有正屈光力的第2光学部L20；具有正屈光力的第3光学部L30(导光系统60的反射镜62)；具备反射型的第2衍射元件70且具有正屈光力的第4光学部L40。因此，在第1光学部L10与第3光学部L30之间形成有图像光的第1中间像P1，在第3光学部L30附近形成有光瞳R1，在第3光学部L30与第4光学部L40之间形成有图像光的第2中间像P2，第4光学部L40使图像光平行光化而形成射出光瞳R2。
此外，在本变形例的光学系统10E中，与第一实施方式方式的光学系统10同样地，在第3光学部L30与第4光学部L40之间设置有棱镜部件45。由此，能够将图像光L0的光线形状校正为考虑了斜入射后的形状。
此处，第3光学部L30由具有正屈光力的反射镜62构成。因此，通过第2光学部L20衍射后的发散光被反射镜62聚光。此外，聚光后的光向第4光学部L40(第2衍射元件70)的特定波长的光所入射的点及附近入射。
在本变形例的光学系统10E中，也与参照图13所说明的第一变形例1同样地，满足从图像光生成装置31的一个点射出的光线作为一个点在视网膜E0成像这样的条件1。此外，满足光学系统10E的入射光瞳与眼睛E的光瞳E1处于共轭(光瞳的共轭)的关系这样的条件2。此外，满足适当地配置第1衍射元件50与第2衍射元件70这样的条件3。此外，由于满足第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这样的条件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，通过适当地进行波长补偿，能够消除色差。因此，能够抑制图像光的分辨率的劣化。
此外，根据本变形例的光学系统10E，由于具备棱镜部件45，通过抑制由于图像光相对于第2衍射元件70斜入射而引起的分辨率的下降，能够得到更高的画质。
另外，在本变形例中，例举了具备棱镜部件45的情况，但可以使棱镜部件145、245组合。
(第六变形例)
图19是第六变形例的显示装置的说明图。在图18所示的光学系统10E中，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)为分体，但在本变形例的光学系统10F中，如图19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。更具体而言，第1光学部L10(投射光学系统32)由具备多个反射面185a、185b的棱镜185构成，在棱镜185的射出面185c构成有第2光学部L20(投射型的第1衍射元件50)。
其他的结构与参照图18所说明的第五变形例共用。因此，与图18所示的方式同样地，能够通过适当地进行波长补偿来消除色差。因此，能够抑制图像光的分辨率的劣化。此外，通过使用棱镜185，由于使第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)一体化，能够实现组装公差的减小以及头部前后方向的小型化等。此外，能够抑制由于图像光相对于第2衍射元件70斜入射而引起的分辨率的下降。因此，能够得到更高的画质。
(第七变形例)
图20是第七变形例的显示装置的说明图。图20所示的光学系统10G与参照图1和图3所说明的方式同样地，在从配置在侧头部的图像光生成装置31至眼睛E的前方的第2衍射元件70之间，配置有投射光学系32、第1衍射元件50和导光系统60。在本变形例中，投射光学系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由具有使中央相比于周边部凹陷而成的反射面620的反射镜62构成，并具有正屈光力。反射面620由球面、非球面或自由曲面构成。在本变形例中，反射面620由自由曲面构成。第1衍射元件50由反射型体积全息图构成。在从投射光学系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成为凹曲面，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，可以使反射镜40包含于投射光学系32的结构要素中。即，在反射镜40具有正屈光力的情况下，可以使第1光学部L10包含反射镜40。另外，可以构成为，反射镜40的反射面400成为平面，不具有屈光力。
在这样构成的光学系统10G中，与参照图13所说明的第一变形例同样地，沿着从图像光生成装置31射出的图像光的光路设置有：具有正屈光力的第1光学部L10(投射光学系统32)；具备第1衍射元件50且具有正屈光力的第2光学部L20；具有正屈光力的第3光学部L30(导光系统60的反射镜62)；具备反射型的第2衍射元件70且具有正屈光力的第4光学部L40。
此外，在本变形例的光学系统10G中，与第一实施方式的光学系统10同样地，在第3光学部L30与第4光学部L40之间设置有棱镜部件45。由此，能够将图像光的光线形状校正为考虑了斜入射后的形状。
在本变形例的光学系统10G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是位于最靠图像光生成装置31侧的透镜。
在本变形例的光学系统10G中，在第1光学部L10中的透镜326与透镜327之间形成有光瞳R0，在第3光学部L30的附近形成有光瞳R1，在第3光学部L30与第4光学部L40之间形成有图像光的第2中间像P2，第4光学部L40使图像光平行光化而形成射出光瞳R2。
在本变形例的光学系统10G中，第1中间像P1形成在第1光学部L10(投射光学系统32)中。图20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大的图像光的中间像。从图像光生成装置31射出的图像光不仅在水平方向上扩大，在与图20的纸面垂直的垂直方向上也扩大，因此也存在在垂直方向上扩大的图像光的中间像。在本变形例中，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10G中，第1中间像P1形成于反射镜40的附近，但可以形成在第1光学部L10(投射光学系统32)中。
此外，水平方向的中间像与垂直方向的中间像可以存在于不同的位置。图21是中间像在水平方向和垂直方向上的位置不同的情况下的光线图，图21是图像光在水平方向和垂直方向上的光线图。在图21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。此外，在图21中示意性示出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。此外，在图21中，将构成投射光学系统32的透镜326、327的形状也进行简化。
如图21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比水平方向的第1中间像P1H靠第1光学部L10的附近。
在图21中，示出在第1中间像P1中中间像的位置在水平方向和垂直方向上不同的情况，但在第2中间像中，也可以是水平方向和垂直方向上的位置不同。此外，在第1中间像P1中中间像的位置在水平方向和垂直方向上不同的情况下，可以是，第1中间像P1H和第1中间像P1V的一者形成于第1光学部L10中，第1中间像P1H和第1中间像P1V中的另一者形成于第1光学部L10的外侧。
在本变形例的光学系统10G中，也与参照图13所说明的第一变形例同样地，满足从图像光生成装置31的一个点射出的光线作为一个点在视网膜E0成像这样的条件1。此外，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)的关系这样的条件2。此外，满足适当地配置第1衍射元件50与第2衍射元件70这样的条件3。此外，由于满足第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这样的条件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，通过适当地进行波长补偿，能够消除色差。因此，能够抑制图像光的分辨率的劣化。
此外，根据本变形例的光学系统10G，由于具备棱镜部件45，因此通过抑制由于图像光相对于第2衍射元件70斜入射而引起的分辨率的下降，能够得到更高的画质。
另外，在本变形例中，例举了具备棱镜部件45的情况，但可以使棱镜部件145、245组合。
此外，在图20所示的部件中的构成透光性部件的塑料、玻璃等中使用组合高分散和低分散的光学部件。此外，由于第3光学部L30中使用反射镜62，因此在第1光学部L10中成为消色差状态。因此，由于光学系统10G的重心位置向后侧Z2移动，具有能够减轻对使用者的鼻子的负担等优点。此外，对于反射镜62，只要通过溅射法等在透明树脂或者玻璃等透明部件形成半投射型反射镜层或角度选择性的反射镜层，能够借助反射镜62视觉辨认外界。
(第八变形例)
图22是第八变形例的显示装置的说明图。图22所示的光学系统10H与参照图20所说明的第七变形例同样地，在从配置在侧头部的图像光生成装置31至眼睛E前方的第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)和导光系统60的反射镜62(第3光学部L30)。
在本变形例中，反射镜40与反射镜62构成为共用的部件181的不同面。其他的结构与图20所示的第七变形例共用。因此，与图20所示的第七变形例同样地，能够适当地进行波长补偿。此外，由于反射镜40与反射镜62构成为共用的部件181，因此能够实现组装公差的减小等。此外，能够减少制造反射镜的模具的种类，因此能够实现成本的削减。
(第九变形例)
图23是第九变形例的显示装置的说明图。图23所示的光学系统10I与参照图20所说明的第七变形例同样地，在从配置在侧头部的图像光生成装置31至眼睛E前方的第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)和导光系统60的反射镜62(第3光学部L30)。
在本变形例中，反射镜62与第2衍射元件70构成为共用的部件182的不同面。其他的结构与图20所示的第七变形例共用。因此，与图20所示的第七变形例同样地，能够适当地进行波长补偿。此外，由于反射镜62与第2衍射元件70构成为共用的部件182，因此能够实现组装公差的减小等。此外，能够减少制造反射镜的模具的种类，因此能够实现成本的削减。
另外，在本变形例中，棱镜部件45可以与部件182一体地形成。由此，能够实现组装公差的减小等。
(第十变形例)
图24是第十变形例的显示装置的说明图。图24所示的光学系统10J与参照图20所说明的第七变形例同样地，在从配置在侧头部的图像光生成装置31至眼睛E前方的第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)和导光系统60的反射镜62(第3光学部L30)。
在本变形例中，反射镜40、反射镜62以及第2衍射元件70构成为共用的部件183的不同面。其他的结构与图20所示的第七变形例共用。因此，与图20所示的第七变形例同样地，能够适当地进行波长补偿。此外，由于反射镜40、反射镜62以及第2衍射元件70构成为共用的部件183，因此能够实现组装公差的减小等。此外，能够减少制造反射镜的模具的种类，因此能够实现成本的削减。
另外，在本变形例中，棱镜部件45可以与部件183形成为一体。由此，能够实现组装公差的减小等。
(第十一变形例)
接下来，对第十一变形例的光学系统进行说明。在本变形例的光学系统中，第1衍射元件50与第2衍射元件70成为大致共轭关系。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25是示出本变形例的光学系统10K中的第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26是图25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27是示出图26所示的光入射到眼睛E的情形的说明图。另外，在图26中，用实线Le表示特定波长的光，用单点划线Lf表示波长为特定波长-10nm的光，用双点划线Lg表示波长为特定波长+10nm的光。在图27中，在朝向附图时的最左侧示出波长为特定波长-10nm的光(图26中用点划线Lf表示的光)入射到眼睛的情形，在朝向附图时的最右侧示出波长为特定波长+10nm的光(图26中用双点划线Lg表示的光)入射到眼睛的情形，在此之间示出使波长从特定波长-10nm变化至特定波长+10nm的光入射到眼睛的情形。另外，在图27中，未示出特定波长的光入射到眼睛E的情形，特定波长的光入射到眼睛E的情形为处于自左边起的第3个所示的情形与自左边起的第4个所示的情形的中间的情形。
在上述实施方式和变形例等中，优选使第1衍射元件50与第2衍射元件70成为共轭关系，但在本变形例中，如上所述，使第1衍射元件50与第2衍射元件70为大致共轭的关系。在这种情况下，如图25所示，从特定波长偏移的周边波长的光向第2衍射元件70入射的状态不同。此处，在第2衍射元件70中，越接近光轴，干涉条纹数越少，使光弯曲的力较弱。因此，只要使长波长侧的光向光轴侧入射，使短波长侧的光向端部入射，则特定波长的光及周边波长的光被平行光化，因此也能得到与波长补偿同样的效果。
在这种情况下，如图26所示，光线位置因波长而偏移，因此向光瞳入射的光线直径从直径
Figure BDA0002251850150000281
向直径
Figure BDA0002251850150000282
变大。示出此时向光瞳入射的光线强度的情形的图是图27。根据图27可知，在特定波长附近，不能满足瞳孔，但周边波长的光由于入射到与特定波长的光偏移的位置，因此能够满足瞳孔径。其结果是能够得到观察者容易看见图像等优点。
[针对其他显示装置的应用]
在上述实施方式和变形例中，示例了头部佩戴型的显示装置100，但对于平视显示器、手持显示器、投影仪用光学系统等也可以应用本发明。

Claims (8)

1.一种显示装置，其特征在于，
所述显示装置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，其包含第1衍射元件，并具有正屈光力；
第3光学部，其具有正屈光力；以及
第4光学部，其包含第2衍射元件，并具有正屈光力，
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，
在所述第2光学部与所述第4光学部之间设置有对所述图像光的光线形状进行校正的棱镜部件。
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光学部中。
3.一种显示装置，其特征在于，
所述显示装置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，并包含多个透镜；
第2光学部，其包含第1衍射元件，并具有正屈光力；
第3光学部，其具有正屈光力；以及
第4光学部，其包含第2衍射元件，并具有正屈光力，
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，
在所述第2光学部与所述第4光学部之间设置有对所述图像光的光线形状进行校正的棱镜部件。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的显示装置，其特征在于，
所述棱镜部件设置在所述第3光学部与所述第4光学部之间。
5.根据权利要求1或3所述的显示装置，其特征在于，
所述第1光学部、所述第2光学部、所述第3光学部和所述第4光学部沿着规定的曲线的一侧配置，
将所述曲线的所述一侧中的远离该曲线的方向作为外侧，将所述一侧中的接近该曲线的方向作为内侧时，
所述棱镜部件设置在所述第2中间像的所述第3光学部侧，且所述外侧的厚度比所述内侧的厚度大。
6.根据权利要求1或3所述的显示装置，其特征在于，
所述棱镜部件与所述第2衍射元件设置为一体。
7.根据权利要求6所述的显示装置，其特征在于，
所述第1光学部、所述第2光学部、所述第3光学部和所述第4光学部沿着规定的曲线的一侧配置，
将所述曲线的所述一侧中的远离该曲线的方向作为外侧，将所述一侧中的接近该曲线的方向作为内侧时，
所述棱镜部件的所述内侧的厚度比所述外侧的厚度大。
8.根据权利要求1或3所述的显示装置，其特征在于，
所述棱镜部件包含具有曲率的面。
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