CN114967139B - 光学单元及图像显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供光学单元及图像显示装置，能够提高图像光的利用效率。光学单元和图像显示装置具有：显示元件，其射出图像光；部分透射性的第一反射镜，其对从显示元件射出的图像光的一部分进行反射；以及第二反射镜，其将由第一反射镜反射的图像光向第一反射镜折返而形成射出光瞳，图像光从显示元件以第一入射角度α入射到第一反射镜，图像光从第二反射镜以比第一入射角度α小的第二入射角度β入射到第一反射镜，第一反射镜具有角度依赖性分离膜，其根据第一入射角度α与第二入射角度β的差异，针对图像光示出不同的分离特性。

Description

光学单元及图像显示装置

技术领域

本发明涉及能够观察由显示元件等形成的虚像的光学单元以及具备光学单元的图像显示装置。

背景技术

作为相当于能够观察虚像的光学单元或者组装有该光学单元的图像显示装置(虚像显示装置)的装置，公知有如下的头戴式显示器装置：利用半反射镜反射来自作为显示元件的LCD的光(图像)而使其入射到具有反射功能的透镜，利用半反射镜使由透镜反射的图像光透射而使观察者目视(专利文献1)。

专利文献1：日本特开2001-108933号公报

在上述专利文献1的装置中，关于光量的损失，例如即使仅涉及半反射镜的通过，也存在从LCD射出的光的反射和由透镜反射的光的透射这2次通过，对此，为了提高光的利用效率，例如即使将半反射镜的反射率设为50％(透射率也为50％)，通过2次通过，光量也会降低到1/4以下。

发明内容

本发明的一个方面的光学单元具有：显示元件，其射出图像光；第一反射镜，其从显示元件以第一角度入射图像光，反射图像光的一部分；以及第二反射镜，其将由第一反射镜反射的图像光折返到第一反射镜而形成射出光瞳，使图像光以比第一角度小的第二角度入射到第一反射镜，第一反射镜具有角度依赖性分离膜，该角度依赖性分离膜针对第一角度和第二角度具有不同的特性。

附图说明

图1是说明第一实施方式的图像显示装置的佩戴状态的外观立体图。

图2是说明图像显示装置的内部的光学系统的概念性的侧剖视图。

图3是表示相对于第一反射镜的第一入射角度与第二入射角度的关系的图。

图4是表示角度依赖性分离膜的分离特性的一例的曲线图。

图5是用于说明与视场角对应的图像光的入射角度的概念图。

图6是说明显示图像的歪曲校正的图。

图7是表示针对第一反射镜的光波段与反射率的关系的一例的曲线图。

图8是用于对图像显示装置的概略构造进行说明的概念性的侧剖视图。

图9是用于对图像显示装置的概略构造进行说明的概念性的侧剖视图。

图10是说明第二实施方式的图像显示装置的内部的光学系统的概念性的侧剖视图。

图11是表示角度依赖性分离膜的分离特性的一例的曲线图。

图12是说明显示图像的歪曲校正的图。

标号说明

10：显示元件；10d：显示面；20：投射透镜；21：第一反射镜；22：第二反射镜；21a：平行平板；21b：角度依赖性分离膜；30：成像光学系统；50：反射透射率；100A：第一显示装置；100B：第二显示装置；102a：第一显示驱动部；102b：第二显示驱动部；103a、103b：组合器；200：图像显示装置；200X：图像显示装置；200a：主体；200b：支承装置；Aar、Aag、AAb：往复箭头；AR1、AR2：第一区域、第二区域；AX1：第一光轴；AX2：第二光轴；BR1～BR4：第一区域～第四区域；CI：控制电路；DA0：显示像；DA1：修正图像；EY：眼睛；IC：控制电路；ML：图像光；ML1～ML5：成分光；MLc：主光线；OL：外界光；OU：光学单元；OUX：光学单元；P：入射位置；PP：光瞳位置(射出光瞳)；Q1～Q4：曲线；R1～R3：角度范围；TP：切面；US：佩戴者；W1、W2：曲线；α：第一入射角度；β：第二入射角度；γ：角度。

具体实施方式

[第一实施方式]

以下，参照图1等，对本发明的光学单元及组装有该光学单元的图像显示装置的结构、动作等进行说明。

图1是说明图像显示装置200的佩戴状态的图。图像显示装置200是头戴式显示器(以下，也称为HMD)，使佩戴该头戴式显示器的观察者或者佩戴者US识别作为虚像的影像。即，图像显示装置200也可以说是虚像显示装置。在图1等中，X、Y以及Z是正交坐标系，+X方向与佩戴了图像显示装置(或者HMD)200的观察者或者佩戴者US的双眼EY排列的横向对应，+Y方向相当于与对于佩戴者US而言的双眼EY排列的横向正交的上方向，+Z方向相当于对于佩戴者US而言的前方向或者正面方向。±Y方向与铅垂轴或铅垂方向平行。

图像显示装置200具备以覆盖佩戴者US的眼前的方式配置的主体200a、和支承主体200a的镜腿状的一对支承装置200b。在功能上观察的情况下，主体200a包括右眼用的第一显示装置100A和左眼用的第二显示装置100B。第一显示装置100A由第一显示驱动部102a和以眼镜镜片状覆盖眼前的组合器103a构成。第二显示装置100B也同样地由配置于上部的第二显示驱动部102b和以眼镜镜片状覆盖眼前的组合器103b构成。

参照图2，对图像显示装置200的各部中的、特别是作为具有光学功能的部分的光学单元OU进行说明。在构成图像显示装置200的左右对称的第一显示装置100A以及第二显示装置100B(参照图1)中，在图2的例子中，以第一显示装置100A为代表而示出。在此，参照作为图2示出的侧方剖视图，对作为第一显示装置100A中的光学构造的光学单元OU进行说明。此外，左眼用的第二显示装置100B(参照图1)与第一显示装置100A相同，因此省略详细的说明等。

如图2所示，光学单元OU具备显示元件10和成像光学系统30作为右眼用的第一显示装置100A的具有光学功能的部分。成像光学系统30也称为导光光学装置。成像光学系统30具备作为投射光学系统的投射透镜20、第一反射镜21和第二反射镜22。例如，显示元件10、投射透镜20和第一反射镜21对应于图1的第一显示驱动部102a，第二反射镜22对应于图1的第一组合器103a。

显示元件10例如是自发光型的显示设备，为了产生图像光ML而包含发光部。显示元件10例如由有机EL(有机电致发光，Organic Electro-Luminescence)显示器构成。在此，作为一例，显示元件10由有机EL显示器构成，由此将非偏振光作为图像光ML从显示面10d射出，即在2维的显示面10d上形成彩色的静止图像或动态图像。但是，显示元件10不限于基于有机EL显示器的上述方式，能够置换为微型LED显示器、或者使用了无机EL、有机LED、激光器阵列、量子点发光型元件等的显示设备。进而，显示元件10不限于自发光型的图像光生成装置，也可以由LCD等其他光调制元件构成，通过利用背光灯那样的光源(发光部)对该光调制元件进行照明来形成图像。作为显示元件10，也能够代替LCD而使用LCOS(Liquidcrystal on silicon，LCoS为注册商标)、数字微镜器件等。此外，在显示元件10设置有例如关于图像光ML的射出进行各种控制的控制电路CI。

成像光学系统30中的投射透镜20是使从显示元件10射出的图像光ML通过并向第一反射镜21入射的投射光学系统。另外，投射透镜20由单个或多个透镜构成，但在图示的一例中，通过1个透镜简化表示。另外，考虑将投射透镜20设计为对在后述的第二反射镜22中产生的像差进行校正的像差校正光学系统、或者包含像差校正光学系统。

成像光学系统30中的第一反射镜21是具有部分透射性(半透射性)的平面反射镜(半反射镜)即平板板状的光学部件，配置在投射透镜20的光射出侧。第一反射镜21在具有均匀的厚度且具有透射性的平行平板21a的一个面上形成根据光的入射角度而示出不同的分离特性的角度依赖性分离膜21b，作为使从投射透镜20射出而入射的图像光ML的一部分反射并透射的平面透射反射面发挥功能。角度依赖性分离膜21b为了设为几乎没有吸收且也没有偏振依赖性的膜结构，可以考虑设为例如由Nb₂O₅-Al₂O₃-SiO₂的组合构成的电介质多层膜。

成像光学系统30中的第二反射镜22是具有部分透射性(半透射性)的凹面反射镜(半反射镜)即弯曲的板状的光学部件，相对于表示作为眼睛EY的位置而设想的射出光瞳的位置的光瞳位置PP，在比第一反射镜21靠+Z侧，以与第一反射镜21对置的方式配置，将由第一反射镜21反射的图像光ML的一部分朝向光瞳位置PP折回。由作为凹面反射镜的第二反射镜22折回的图像光ML被平行化而朝向第一反射镜21，进而，经过第一反射镜21(一部分透射)而到达光瞳位置PP。另外，光瞳位置PP成为来自显示面10d上的各点的图像光ML以规定的发散状态或平行状态从与显示面10d上的各点的位置对应的角度方向重叠地入射的位置。

在此，第二反射镜22成为偏心光学系统(非对称的光学系统)，例如显示元件10的中心像素的主光线MLc在被第一反射镜21反射而朝向第二反射镜22时，相对于第二反射镜22不垂直入射，而具有规定的入射角度入射到第二反射镜22的反射面。因此，在被第二反射镜22弯折(反射)的主光线MLc再次入射到第一反射镜21时，与最初的入射时相比入射角度不同。此外，关于它们的详细内容，参照图3等在后面叙述。

另外，在上述方式的情况下，第二反射镜22产生伴随偏心的像差(歪曲像差)。对此，如上所述，例如，考虑在投射透镜20中包含校正该像差的像差校正光学系统的结构等。

如上所述，在本实施方式中，关于图像光ML，使通过向第一反射镜21的第一次入射而被反射时的入射角度(第一入射角度)与通过经由第二反射镜22再次朝向第一反射镜21的第二次入射而被透射时的入射角度(第二入射角度)不同。另一方面，关于第一反射镜21中的反射透射，由光分离的分离特性依赖于入射角度而具有不同特性的角度依赖性分离膜21b所承担。由此，光学单元OU以及图像显示装置200能够高效地利用图像光ML。

另外，第二反射镜22通过具有部分透射性，使来自外界的外界光OL的一部分透射，另一方面，如上所述，通过将由第一反射镜21反射的图像光ML的一部分折回，作为组合器103a发挥功能。即，在图像显示装置200中，构成使图像光ML和外界光OL重叠地被看到的透视型的光学系统。

以下，参照图3等，沿着图像光ML的光路，对各部的功能、动作更详细地进行说明。首先，如图3所示，从作为显示面板的显示元件10的显示面10d的各部射出的图像光ML通过投射透镜20朝向第一反射镜21投射。即，经过了投射透镜20的图像光ML入射到第一反射镜21。这里，将从投射透镜20射出的图像光ML相对于第一反射镜21的入射角度设为第一入射角度α。在图示的例子中，代表图像光ML，关于显示元件10的中心像素的主光线MLc，示出第一入射角度α，但关于构成图像光ML的其他成分，第一入射角度α也是同样的。

以第一入射角度α入射到第一反射镜21的图像光ML中的一部分成分被反射而朝向第二反射镜22。在此，图像光ML在第一反射镜21的角度依赖性分离膜21b反射时，通过使角度依赖性分离膜21b具有与第一入射角度α对应的光分离特性，能够成为高效率地(例如超过50％)反射图像光ML的方式。另外，这不限于关于主光线MLc的第一入射角度α，关于其他图像光ML的成分也是同样的。

如上所述，第二反射镜22是偏心光学系统，图像光ML以与第一入射角度α不同的入射角度朝向第一反射镜21。若更具体地说明一例，则如局部放大所示，例如，关于图像光ML中的主光线MLc，通过在平面形状的第一反射镜22的反射，从第一反射镜22以与第一入射角度α相同的角度射出，在向第二反射镜22的入射位置P，相对于第二反射镜22的切平面TP不垂直而具有角度γ(＞0)地入射。此外，关于上述内容，若沿着主光线MLc的行进路线进行汇总，则主光线MLc从显示元件10以第一入射角度α向第一反射镜21射出，从第一反射镜21反射的主光线MLc在向第二反射镜22入射的入射位置P，相对于第二反射镜22的切平面TP的法线具有角度γ地入射。其结果，主光线MLc在被第二反射镜22折回之后，以与第一入射角度α不同的第二入射角度β入射到第一反射镜21。第二入射角度β比第一入射角度α小，通过使角度依存性分离膜21b具有与第二入射角度β(＜α)对应的光分离特性，能够成为高效率地(例如超过50％)使图像光ML透射的方式。另外，关于图像光ML，第二反射镜22不限于主光线MLc，使除此以外的成分也以比第一入射角度α小的第二入射角度β入射到第一反射镜21。由此，不限于关于主光线MLc的第二入射角度β，关于其他图像光ML的成分也同样能够提高利用效率。

图4是表示关于某特定的可见光波段的光的角度依赖性分离膜21b的分离特性的一例的曲线图。在图示中，横轴表示入射角度(单位：°)，纵轴表示相对于光的入射角度的反射率或透射率(单位：％)。实线所示的曲线Q1表示角度依赖性分离膜21b的反射特性。即，在曲线Q1中，纵轴表示光的反射率。另一方面，虚线所示的曲线Q2表示角度依赖性分离膜21b的透射特性。即，在曲线Q2中，纵轴表示光的透射率。如图所示，在曲线图所示的一例中，如曲线Q1、Q2所示，以包含入射角度40°附近的规定的角度范围R1为边界，在角度的值比角度范围R1大的范围即角度范围R2中，反射率高(例如超过90％)，透射率低。另一方面，在角度的值比角度范围R1小的范围即角度范围R3中，透射率高(例如超过90％)，反射率低。通过具有这样的特性，角度依赖性分离膜21b例如对于以成为比较大的角度的第一入射角度α入射的成分，能够具有成为高反射率的特性，对于以成为比较小的角度的第二入射角度β入射的成分，能够具有成为高透射率的特性。

以下，参照图5，关于来自显示元件10的图像光ML中的全视场角(FOV)的相对于第一入射角度α以及第二入射角度β的基于角度依赖性分离膜21b的分离，考察一例。在此，设想显示元件10中的矩形状的显示面10d为纵横比16：9，关于对角方向的全视场角(FOV)为50°左右(例如52°)，与此相当的图像(虚像)被看到的情况。另外，关于角度依赖性分离膜21b，具有参照图4说明的分离特性，另外，图像光ML也由角度依赖性分离膜21b发挥上述特性的光构成。

在以上的情况下，如图5中的第一区域AR1所示，将从矩形状的显示面10d(显示元件10)的中心像素射出的图像光ML的成分设为成分光ML1，将从矩形状的显示面10d的四角射出的图像光ML的成分设为成分光ML2～ML5。另外，在图示中，将成分光ML1～ML5表示为发光点。

进而，关于各成分光ML1～ML5，对主光线的成分和主光线以外的周边侧的成分进行区分。具体而言，如图5中的第二区域AR2所例示的那样，将成分光ML1中的相当于主光线MLc的成分设为成分光F1_0，将相当于+Y侧的端部(上端)的成分设为成分光F1_+，将相当于-Y侧的端部(下端)的成分设为成分光F1_-。关于成分光ML2～5，也同样地确定成分光F2_0～F5_-，关于它们，将第一入射角度α和第二入射角度β的测定结果汇总而示于表1。

【表1】

另外，在表1中，max及min表示上述成分光F1_0至F5_-的第一入射角度α及第二入射角度β的最大值及最小值，这相当于关于全视角(FOV)的第一入射角度α及第二入射角度β的最大值及最小值。在该一例中，第一入射角度α的最小角度是成分光F3_+的44.8°，比作为第二入射角度β的最大角度的成分光F5_-的37.3°大。若改变看法，则在上述方式的情况下，不存在以37.3°～44.8°的角度范围向第一反射镜21入射的成分。因此，进行了膜设计使得图4所例示的角度依赖性分离膜21b的分离特性中的角度范围R1成为比37.3°～44.8°窄的范围。即，角度依赖性分离膜21b在从第二入射角度β的最大角度(37.3°)到第一入射角度α的最小角度(44.8°)之间显示不同的反射透射特性作为分离特性。由此，能够高效地反射以第一入射角度α入射的图像光ML，并且能够高效地透射以第二入射角度β入射的图像光ML。更具体而言，在图4的一例中，在角度依赖性分离膜21b中，入射角度44°至70°的反射率为90％以上，另外，入射角度0°至38°的透射率为90％以上。在该情况下，即使图像光ML被第一反射镜21反射而再次透射，仅第一反射镜21中的2次的合计的损失也为20％以下(1-0.9×0.9＝0.19)。以往，例如设反射透射率为50％时损失为75％(1-0.5×0.5＝0.75)，与此相对，损失被抑制为约1/3。

在此，在上述一个例子的情况下，在作为第一入射角度α的最小角度的44.8°与作为第二入射角度β的最大角度的37.3°之间，角度差为5°以上，由此能够将具有高效率的分离特性的角度依赖性分离膜21b设为比较简单的结构(例如由上述一个例子那样的结构的数十层构成的电介质多层膜)。另外，从膜的设计的观点出发，至少在从显示元件10作为同一视场角的光线射出的图像光ML的成分中，第一入射角度α与第二入射角度β之差优选为5度以上。在上述一个例子中，在全视场角的第一入射角度α的最小角度与第二入射角度β的最大角度之间角度差为5°以上，因此当然满足该条件。

另外，在以上的情况下，第一入射角度α的最小角度比第二入射角度β的最大角度大，在第一反射镜21中，相对于第一入射角度α的图像光ML的入射的反射率为50％以上，相对于第二入射角度β的入射的图像光ML的反射率小于50％，由此，至少将反射率设为50％(透射率也为50％)，与在第一反射镜21中的2次通过中产生光量降低至1/4以下的情况相比，能够进行高效率的光利用。

另外，在上述一个例子中，第二反射镜22偏心，成像光学系统30是离轴光学系统，因此在光学系统自身中产生梯形畸变那样的失真(歪曲像差)。与此相对，如上所述，考虑将成像光学系统30中的投射透镜20设为包含校正该像差的像差校正光学系统的结构。另外，在不容易完全去除所产生的失真(歪曲像差)的情况下，如图6所示，将形成于显示元件10的显示面10d的显示像设为如实线所示的格子图案那样预先具有畸变的修正图像DA1，设为具有抵消由成像光学系统30形成的畸变的相反的畸变，由此能够使经由成像光学系统30在光瞳位置PP观察到的虚像为与虚线所示的原来的显示像DA0对应的格子图案，能够使作为最终被看到的虚像的图像的轮廓为矩形。另外，关于形成于显示面10d的显示像，除了使显示面10d从一开始就不成为矩形状而具有与畸变相应的形状以外，还考虑关于矩形状的显示面10d，在显示元件10的控制电路CI中进行显示所使用的区域(显示区域)的控制的方式等，如上所述，考虑使显示元件10具有与在作为后级的光学系统的成像光学系统30中产生的像差相应地歪曲的显示面、或者通过控制电路IC与作为后级的光学系统的成像光学系统30的像差相应地预先控制显示面10d的显示区域的结构。

以下，参照作为图7而示出一例的曲线图，对图像光ML相对于第一反射镜21的光波段与反射率的关系进行说明。另外，在图7的曲线图中，横轴表示波长(单位：nm)，纵轴表示光的反射率。

如上述一个例子那样，在采用有机EL显示器作为显示元件10的情况下，例如，若利用包含红色波段、绿色波段以及蓝色波段的光形成彩色图像，则如图7中往复箭头AAr、AAg、AAb所示，红色波段、绿色波段以及蓝色波段由具有某种程度的波段宽度的宽的光构成图像光ML。关于偏振特性，为非偏振的光，具体而言，例如，设想显示元件10成为相对于第一反射镜21的光入射面射出包含多个偏振方向且偏振方向的光量差为50％以下的光作为图像光ML这样的方式。

与此相对，例如，在将角度依赖性分离膜21b例如如已述那样设为由Nb₂O₅-Al₂O₃-SiO₂的组合构成的电介质多层膜的情况下，对于上述非偏振光的状态即P偏振光、S偏振光适度混合的状态的光，能够具有图7的曲线W1、W2所示的特性。具体说明的话，首先，实线所示的曲线W1表示关于以表1所例示的第一入射角度α的角度范围的平均角度入射的成分的每个波长的反射特性。在该情况下，对于由往复箭头AAr、AAg、AAb表示的各色的波段，具有规定值以上的反射率，特别是在各色中效率最高的波长下，得到接近约50％的反射特性。

接着，虚线所示的曲线W2表示关于以表1所例示的第二入射角度β的角度范围的平均角度入射的成分的每个波长的反射特性(透射特性)。在该情况下，角度依赖性分离膜21b成为几乎没有光的吸收的结构，充分地抑制反射特性，得到高的透射特性。

如上所述，本实施方式的光学单元OU和具有该光学单元OU的图像显示装置200具有：显示元件10，其射出图像光ML；部分透射性的第一反射镜21，其对从显示元件10射出的图像光ML的一部分进行反射；以及第二反射镜22，其将由第一反射镜21反射的图像光ML向第一反射镜21折返而形成射出光瞳PP，图像光ML以第一入射角度α从显示元件10入射到第一反射镜21，图像光ML以比第一入射角度α小的第二入射角度β从第二反射镜22入射到第一反射镜21，第一反射镜21具有根据第一入射角度α与第二入射角度β的差异而对图像光ML示出不同的分离特性的角度依赖性分离膜21b。在该情况下，在光学单元OU中，在第一反射镜21中的图像光ML的2次通过时，使入射角度不同，并且在第一反射镜21中设置根据入射角度的差异而表示不同的分离特性的角度依赖性分离膜21b来调整反射、透射的特性，由此能够提高图像光ML的利用效率。

以下，参照图8和图9，对现有技术(比较例)的图像显示装置与本实施方式的图像显示装置200的概略结构的差异的概要进行说明。在此，作为代表来自显示元件10的图像光ML的光路的光路，示出了显示元件10的中心像素的主光线MLc的光路。

例如，在图8中的第一区域BR1所示的比较例的图像显示装置200X中，在光学单元OUX中，来自显示元件10的主光线MLc向-Y方向射出，相对于第一反射镜21成为第一入射角度α＝45°而入射，作为其一部分的反射成分向+Z方向射出。即，第一反射镜21具有将从+Y方向朝向+Z方向倾斜45°的方向作为法线方向的平面反射面。向+Z方向射出的主光线MLc垂直入射到第二反射镜22，作为其一部分的反射成分向-Z方向射出。即，第二反射镜22的主光线MLc的入射位置处的切平面TP成为与XY面平行的面。在该情况下，第二入射角度β也为45°。即，β＝α＝45°，第一入射角度α与第二入射角度β之间没有差异，因此，无法如本实施方式中的角度依赖性分离膜21b那样进行利用了角度依赖性的分离。因此，例如考虑从第一区域BR1所示的图像显示装置200X的状态，使第一反射镜21、第二反射镜22(切平面TP)倾斜，使第一入射角度α与第二入射角度β之间产生差异。

例如，如第二区域BR2所示的图像显示装置200那样，考虑使第一反射镜21从第一区域BR1所示的比较例的状态倾斜，使第一入射角度α成为45°以外(例如α＞45°)的值，与此相伴，使第二入射角度β比第一入射角度α小，在第一反射镜21中能够进行利用了角度依赖性的分离。换言之，显示元件10的状态保持原样，通过将第一反射镜21配置为相对于显示元件10以45°以外的角度倾斜，能够成为在第一入射角度α与第二入射角度β之间设置差异的方式。如上所述，关于第一反射镜21，考虑以第一入射角度α成为与45度不同的角度的方式相对于显示元件10倾斜的结构。

另外，考虑如第三区域BR3所示的图像显示装置200那样，从第一区域BR1所示的比较例的状态使第二反射镜22(切平面TP)倾斜，使第二入射角度β成为45°以外(β＜45°)的值，使第二入射角度β比第一入射角度α小，在第一反射镜21中能够进行利用了角度依赖性的分离。换言之，显示元件10以及第一反射镜21的状态保持原样，通过将第二反射镜22(切平面TP)配置为相对于第一反射镜21以45°以外的角度倾斜，能够成为在第一入射角度α与第二入射角度β之间设置差异的方式。如上所述，关于第二反射镜22，考虑以第二入射角度β成为与45度不同的角度的方式相对于第一反射镜21倾斜的结构。

进而，也可以如第四区域BR4所示的图像显示装置200那样，将参照上述第二区域BR2以及第三区域BR3说明的事项的双方组合。即，也可以使第一反射镜21和第二反射镜22(切平面TP)双方倾斜。另外，在第四区域BR4所示的一个例子中，使光学系统整体进一步倾斜，使作为来自显示元件10的中心像素的成分光的主光线MLc从斜下方朝向眼睛EY。即，成为从眼睛EY朝向第二反射镜22稍微俯视地倾斜的状态。此外，在图1等所示的例子中，也同样地，也可以构成为成为稍微俯视地倾斜的状态。

另外，以上，关于光学单元OU，将沿着来自显示元件10的主光线MLc的光轴设为第一光轴AX1，将沿着来自第二反射镜22的主光线MLc的光轴设为第二光轴AX2。而且，来自第一光轴AX1的方向的图像光ML的入射代表第一入射角度α，来自第二光轴AX2的方向的图像光ML的入射代表第二入射角度β。在这样理解的情况下，上述各方式通过使第一反射镜21相对于显示元件10倾斜，将第一入射角度α配置为45°以外的角度，或者通过使第二反射镜22相对于第一反射镜21倾斜，将第二入射角度β配置为45°以外的角度，使第一入射角度α大于第二入射角度β。在此基础上，在上述方式中，通过在第一反射镜21中设置例如角度依赖性分离膜21b(参照图3等)，第一反射镜21相对于第一入射角度α的成分的反射率比相对于第二入射角度β的成分的反射率高。

[第二实施方式]

以下，参照图10等，对第二实施方式的光学单元及图像显示装置进行说明。需要说明的是，本实施方式所涉及的光学单元OU及图像显示装置200除了成为抑制了失真(歪曲像差)的产生的结构这一点以外，与第一实施方式的结构相同，因此关于整体结构，对于与其他附图相同的附图标号，省略详细的图示、说明，根据需要适当引用参照其他附图说明的事项。

图10是说明本实施方式的图像显示装置200的内部的光学系统的概念性的侧剖视图，是与图2对应的图。另外，图11是表示角度依赖性分离膜21b的分离特性的一例的曲线图，是与图4对应的图。进而，下述表2与表1对应，各成分光与参照图5说明的情况相同。另外，图12是说明显示图像的歪曲校正的图，是与图6对应的图。

【表2】

在第一实施方式中，为了使在图4中表示为角度范围R2的反射区域与表示为角度范围R3的透射区域的分离角度变大，即为了构成为能够使角度范围R1变大，而使第二反射镜22的倾斜变大。伴随于此，在光学系统中产生的失真(歪曲像差)变大。与此相对，在本实施方式中，构成为减少了光学系统(成像光学系统30)中的失真(歪曲像差)的产生。即，在图10所示的各光学系统中的作为凹面反射镜的第二反射镜22、作为投射光学系统的投射透镜20中，成为降低了像差校正的负荷的结构。因此，例如图12所示的修正图像DA1与原来的显示像DA0的差异也比图6所例示的情况小。但是，另一方面，反射区域与透射区域的分离角度变小。即，从图11及表2可知，作为角度范围R1而允许的范围变窄，且对于反射率的限制有时也变大。具体而言，在图4及表1所示的情况下，分离角度差为7.5°(＝44.8°～37.3°)，但在图11及表2所示的一例的情况下，减少至2.5°(≈44.8°～42.4°)左右。另外，在透射区域和反射区域中没有角度重叠的部分的情况与第一实施方式的情况相同。

另外，关于图11所示的反射/透射特性，曲线Q3所示的反射区域(角度范围R2)的反射率为80％左右，曲线Q4所示的透射区域(角度范围R3)的透射率为70％左右。在该情况下，即使被第一反射镜21反射而再次透射，损失也为45％以下，与以往相比，效率提高约2倍。

在本实施方式所涉及的光学单元OU以及图像显示装置200中，也在第一反射镜21中的图像光ML的2次通过时，使入射角度不同，并且在第一反射镜21设置根据入射角度的差异而示出不同的分离特性的角度依赖性分离膜21b来调整反射、透射的特性，从而能够提高图像光ML的利用效率。特别是，在本实施方式中，能够构成为抑制像差产生，并且实现图像光ML的利用效率。

[变形例及其他]

以上结合各实施方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述的实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够以各种方式实施，例如也能够进行如下的变形。

组装于第一显示装置100A的成像光学系统30不限于图示的结构，能够设为各种结构。具体而言，上述成像光学系统30是在Y方向或纵向上具有非对称性的离轴光学系统，但也可以是在X方向或横向上具有非对称性的离轴光学系统。关于构成成像光学系统30的光学要素，各图所示的仅是例示，也能够进行使透镜的片数增减、追加反射镜、追加导光部件这样的变更。进而，也可以设为中继光学系统等。

在组合器103a、103b的外界侧，能够安装通过限制组合器103a、103b的透射光而进行调光的调光器件。调光器件例如通过电动来调整透射率。作为调光器件，能够使用镜面液晶、电子遮光件等。调光器件也可以根据外部光照度来调整透射率。

组合器103a、103b即第二反射镜22也能够置换为具有遮光性的反射镜。在该情况下，成为不以外界像的直接观察为前提的非透视型的光学系统。

以上，以图像显示装置200佩戴于头部来使用为前提，但上述图像显示装置200也能够不佩戴于头部而作为如双目镜那样窥视的手持显示器来使用。即，在本发明中，头戴式显示器也包括手持显示器。

以上，在纵向或Y方向上进行导光，但也可以是在横向或X方向上进行导光的结构。

此外，在上述中，设为双眼用的图像显示装置200，但关于图像显示装置200，能够省略右眼用或者左眼用的部分中的一方，在该情况下，成为单眼型的头戴式显示器。

另外，在上述各实施方式所例示的方式中，在图像光ML的整体中，在透射区域和反射区域中没有入射角度重叠的部分，但也可以考虑成为产生一部分重叠的部分的方式。例如，也可以设想如下情况：在主光线MLc(或者成分光ML1)或与其接近的范围内，为了将第一入射角度α和第二入射角度β分离而设置充分的角度差，另一方面，关于周边侧(例如成分光ML2等)，成为入射角度重叠的方式。

另外，在产生颜色不均等的情况下，为了抑制该情况，也考虑预先通过控制电路CI一并进行亮度调整的方式。

另外，在上述各实施方式中，将第一反射镜21设为平面镜(半反射镜)即平板板状的光学部件，但也可以设为自由曲面状的光学部件。在该情况下，考虑将该自由曲面设为接近平面的平缓的自由曲面。

具体的方式中的第一光学单元具有：显示元件，其射出图像光；部分透射性的第一反射镜，其反射从显示元件射出的图像光的一部分；以及第二反射镜，其将由第一反射镜反射的图像光折返到第一反射镜而形成射出光瞳，图像光从显示元件以第一入射角度入射到第一反射镜，图像光从第二反射镜以比第一入射角度小的第二入射角度入射到第一反射镜，第一反射镜具有角度依赖性分离膜，该角度依赖性分离膜根据第一入射角度与第二入射角度的差异而对图像光表现出不同的分离特性。

在上述光学单元中，在第一反射镜中的图像光的2次通过时，使入射角度不同，并且在第一反射镜设置根据入射角度的差异而示出不同的分离特性的角度依赖性分离膜来调整反射、透射的特性，由此能够提高图像光的利用效率。

在具体的方面，关于针对全视场角的图像光，第一入射角度的最小角度比第二入射角度的最大角度大。在该情况下，能够在全视场角下，进行反射和透射的分离。

在具体的方面，角度依赖性分离膜在从第二入射角度的最大角度到第一入射角度的最小角度之间示出不同的反射透射特性作为分离特性。在该情况下，能够遍及整体高效地进行以第一入射角度入射的成分的反射和以第二入射角度入射的成分的透射。

在具体的方面，第一反射镜是平面反射镜，第二反射镜是凹面反射镜，显示元件的中心像素的主光线从显示元件以第一入射角度向第一反射镜射出，在从第一反射镜反射的主光线向第二反射镜入射的入射位置，相对于第二反射镜的切平面的法线具有角度地入射。在该情况下，在以第一入射角度入射到作为平面反射镜的第一反射镜而射出的主光线经由第二反射镜再次朝向第一反射镜时，能够以与第一入射角度不同的角度(第二入射角度)朝向第一反射镜。

在具体的方面，角度依赖性分离膜具有如下特性：使以比规定的角度范围大的入射角度入射的成分的反射率大于50％，使以比规定的角度范围小的入射角度入射的成分的透射率大于50％。在该情况下，能够抑制第一反射镜中的图像光的2次通过时的光量降低。

在具体的方面中，具备将从显示元件射出的图像光朝向第一反射镜投射的投射光学系统。在该情况下，能够利用投射光学系统以期望的状态将图像光朝向第一反射镜投射。

在具体的方面，投射光学系统包括校正第二反射镜中的像差的像差校正光学系统。在该情况下，能够在投射光学系统中减少因第二反射镜而产生的像差。

在具体的方面，显示元件具有根据在第一反射镜或第二反射镜中的至少任意方产生的像差而歪曲的显示面。在该情况下，能够考虑由于第一反射镜、第二反射镜等而产生的像差，在显示元件侧预先进行校正。

在具体的方面，显示元件具有控制电路，该控制电路根据在第一反射镜或第二反射镜中的至少任意方产生的像差来控制显示面的显示区域。在该情况下，能够考虑因第一反射镜、第二反射镜等而产生的像差，在显示元件的控制电路中预先进行校正。

在具体的方面，显示元件将包含多个偏振方向且偏振方向的光量差为50％以下的光作为图像光射出。

在具体的方面，在从显示元件作为同一视场角的光线射出的图像光的成分中，第一入射角度与第二入射角度之差为5度以上。在该情况下，容易进行角度依赖性的分离。

在具体的方面，角度依赖性分离膜对于以第一入射角度入射的红色波段、绿色波段和蓝色波段的成分具有规定值以上的反射率。在该情况下，能够应对彩色图像的形成。

在具体的方面，第二反射镜具有部分透射性，使由第一反射镜反射的图像光的一部分折返，并且使外界光的一部分透射。在该情况下，能够构成透视的光学系统。

具体方式中的图像显示装置具备上述任一光学单元。在该情况下，通过具备该光学单元，在图像显示装置中，能够提高图像光的利用效率。

具体的方式中的第二光学单元具备：显示元件，其射出图像光；部分透射性的第一反射镜，其反射从显示元件射出的图像光的一部分；以及第二反射镜，其将由第一反射镜反射的图像光向第一反射镜折返而形成射出光瞳，设由从显示元件射出的图像光的光轴与第一反射镜的法线所成的角度为第一入射角度，由第一反射镜反射的图像光的光轴与第二反射镜的法线所成的角度为第二入射角度，第二入射角度小于第一角度，在第一反射镜中，相对于第一入射角度的成分的反射率高于相对于第二入射角度的成分的反射率。

在上述光学单元中，在第一反射镜中的图像光的2次通过时，通过光学系统的配置，使第一入射角度大于第二入射角度，在第一反射镜中，相对于第一入射角度的成分的反射率高于相对于第二入射角度的成分的反射率，由此能够提高图像光的利用效率。

在具体的方面，第一反射镜以第一入射角度成为与45度不同的角度的方式相对于显示元件倾斜。由此，能够使第一入射角度大于第二入射角度。

在具体的方面，第二反射镜以第二入射角度成为与45度不同的角度的方式相对于第一反射镜倾斜。由此，能够使第一入射角度大于第二入射角度。

具体的方式中的第三光学单元具备：显示元件，其射出图像光；部分透射性的第一反射镜，其反射以第一入射角度入射的图像光的一部分；以及第二反射镜，其将由第一反射镜反射的图像光折返，以第二入射角度入射到第一反射镜，第一入射角度的最小角度大于第二入射角度的最大角度，在第一反射镜中，相对于第一入射角度的图像光的入射的反射率为50％以上，相对于第二入射角度的入射的图像光的反射率小于50％。

在上述光学单元中，在第一反射镜中的图像光的2次通过时，第一入射角度的最小角度比第二入射角度的最大角度大，在第一反射镜中，相对于第一入射角度的图像光的入射的反射率为50％以上，相对于第二入射角度的入射的图像光的反射率小于50％，由此能够提高图像光的利用效率。

Claims (16)

1.一种光学单元，其具备：

显示元件，其射出图像光；

部分透射性的第一反射镜，其反射从所述显示元件射出的所述图像光的一部分；以及

第二反射镜，其将由所述第一反射镜反射的所述图像光向所述第一反射镜折返而形成射出光瞳，

所述图像光以第一入射角度从所述显示元件入射到所述第一反射镜，

所述图像光以比所述第一入射角度小的第二入射角度从所述第二反射镜入射到所述第一反射镜，

所述第一反射镜具有角度依赖性分离膜，该角度依赖性分离膜根据所述第一入射角度与所述第二入射角度的差异针对所述图像光具有不同的分离特性，

在全视场角中，所述第一入射角度的最小角度是44.8°，所述第二入射角度的最大角度是37.3°。

2.根据权利要求1所述的光学单元，其中，

作为所述分离特性，所述角度依赖性分离膜在从所述第二入射角度的最大角度到所述第一入射角度的最小角度之间具有不同的反射率特性。

3.根据权利要求1或2所述的光学单元，其中，

所述第一反射镜是平面反射镜，

所述第二反射镜是凹面反射镜，

所述显示元件的中心像素中的主光线从所述显示元件以所述第一入射角度向所述第一反射镜射出，在从所述第一反射镜反射的所述主光线向所述第二反射镜入射的入射位置，相对于所述第二反射镜的切平面中的法线具有角度地入射。

4.根据权利要求1或2所述的光学单元，其中，

所述角度依赖性分离膜具有如下特性：使以比规定的角度范围大的入射角度入射的成分的反射率大于50％，使以比所述规定的角度范围小的入射角度入射的成分的透射率大于50％。

5.根据权利要求1或2所述的光学单元，其中，

所述光学单元具有投射光学系统，该投射光学系统将从所述显示元件射出的所述图像光朝向所述第一反射镜投射。

6.根据权利要求5所述的光学单元，其中，

所述投射光学系统包含对所述第二反射镜中的像差进行校正的像差校正光学系统。

7.根据权利要求1或2所述的光学单元，其中，

所述显示元件具有根据在所述第一反射镜和所述第二反射镜中的至少任意一方产生的像差而歪曲的显示面。

8.根据权利要求1或2所述的光学单元，其中，

所述显示元件具有控制电路，该控制电路根据在所述第一反射镜和所述第二反射镜中的至少任意一方产生的像差而控制显示面的显示区域。

9.根据权利要求1或2所述的光学单元，其中，

所述显示元件射出包含多个偏振方向且偏振方向的光量差为50％以下的光作为所述图像光。

10.根据权利要求1或2所述的光学单元，其中，

在从所述显示元件作为同一视场角的光线射出的所述图像光的成分中，所述第一入射角度与所述第二入射角度之差为5度以上。

11.根据权利要求1或2所述的光学单元，其中，

所述角度依赖性分离膜对于以所述第一入射角度入射的红色波段、绿色波段和蓝色波段的成分具有规定值以上的反射率特性。

12.根据权利要求1或2所述的光学单元，其中，

所述第二反射镜具有部分透射性，使由所述第一反射镜反射的所述图像光的一部分折返，使外界光的一部分透射。

13.一种图像显示装置，其具备权利要求1～12中的任意一项所述的光学单元。

14.一种光学单元，其具备：

显示元件，其射出图像光；

部分透射性的第一反射镜，其反射从所述显示元件射出的所述图像光的一部分；以及

第二反射镜，其将由所述第一反射镜反射的所述图像光向所述第一反射镜折返而形成射出光瞳，

设从所述显示元件射出的所述图像光的光轴与所述第一反射镜的法线所成的角度为第一入射角度，

设由所述第一反射镜反射的所述图像光的光轴与所述第二反射镜的法线所成的角度为第二入射角度，

所述第二入射角度小于所述第一入射角度，

在所述第一反射镜中，对所述第一入射角度的成分的反射率高于对所述第二入射角度的成分的反射率，

在全视场角中，所述第一入射角度的最小角度是44.8°，所述第二入射角度的最大角度是37.3°。

15.根据权利要求14所述的光学单元，其中，

所述第二反射镜以所述第二入射角度成为与45度不同的角度的方式相对于所述第一反射镜倾斜。

16.一种光学单元，其具备：

显示元件，其射出图像光；

部分透射性的第一反射镜，其反射以第一入射角度入射的所述图像光的一部分；以及

第二反射镜，其使由所述第一反射镜反射的所述图像光折返而以第二入射角度入射到所述第一反射镜，

所述第一入射角度的最小角度大于所述第二入射角度的最大角度，

在所述第一反射镜中，对以所述第一入射角度入射的所述图像光的反射率为50％以上，对以所述第二入射角度入射的所述图像光的反射率小于50％，

在全视场角中，所述第一入射角度的最小角度是44.8°，所述第二入射角度的最大角度是37.3°。