CN117950188A - 虚像显示装置和光学单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供虚像显示装置和光学单元，防止图像光以外的成分向外部漏出，防止容易从外部看到影像。虚像显示装置(110)具备：作为射出图像光(ML)的显示元件的显示面板(11a)；具有第1全反射面(51i)和第2全反射面(51o)的导光部件(51a)；附随于导光部件(51a)而设置的光入射侧的第1衍射元件(DE1)；附随于导光部件(51a)而设置的光射出侧的第2衍射元件(DE2)；以及设置于设置有所述第2衍射元件(DE2)的图像取出部(IO)的外界侧，限制第2衍射元件(DE2)的衍射光的通过的杂散光抑制滤光器(51s)。

Description

虚像显示装置和光学单元

技术领域

本发明涉及能够进行虚像的观察的虚像显示装置和光学单元，特别涉及利用衍射以及导光的类型的虚像显示装置。

背景技术

作为能够进行虚像的观察的显示装置，公知有如下的显示装置：具备：导光部件，其入射有从图像光生成装置射出的图像光；第1衍射元件，其设置于导光部件的入射侧，具有正屈光力；第2衍射元件，其设置于导光部件的射出侧，具有正屈光力；以及反射镜，其设置于导光部件的入射侧的端部，具有正屈光力，经过第1衍射元件后的图像光被反射镜反射而在导光部件内传播，入射到第2衍射元件的图像光被第2衍射元件偏转而形成射出光瞳(专利文献1)。

专利文献1：日本特开第2021-156995号公报

在上述专利文献1所示的显示装置中，由第2衍射元件朝向射出光瞳衍射的图像光以外的成分有可能漏出到外部，特别是在使用衍射光栅作为衍射元件的情况下，图像光的相当大的部分泄漏到外部，容易从外部看到影像。

发明内容

本发明的一个方面的虚像显示装置具备：显示元件，其射出图像光；导光部件，其具有第1全反射面和第2全反射面；附随于所述导光部件而设置的光入射侧的第1衍射元件；附随于所述导光部件而设置的光射出侧的第2衍射元件；以及杂散光抑制滤光器，其设置于设置有所述第2衍射元件的图像取出部的外界侧，限制所述第2衍射元件的衍射光的通过。

附图说明

图1是说明组装有虚像显示装置的HMD的佩戴状态的俯视图。

图2是第1实施方式的虚像显示装置的主要部分的侧剖视图。

图3是说明杂散光抑制滤光器的功能的放大侧剖视图。

图4是说明第2实施方式的虚像显示装置的主要部分的后视图。

图5是说明第3实施方式的虚像显示装置的主要部分的后视图。

图6是说明第4实施方式的虚像显示装置的主要部分的侧剖视图。

图7是说明图6所示的一对杂散光抑制滤光器功能的图。

图8是说明图6所示的虚像显示装置的变形例的图。

图9是说明图6所示的虚像显示装置的另一变形例的图。

图10是说明第5实施方式的虚像显示装置的主要部分的图。

图11是说明图10所示的虚像显示装置的变形例的图。

图12是说明第6实施方式的虚像显示装置的主要部分的图。

标号说明

10：投影装置；11：图像光生成装置；11a：显示面板；14、44：波长截止滤光器；40：罩部件；50：导光光学系统；51：衍射导光部件；51a：导光部件；51b：入射衍射层；51c：射出衍射层；51e：光瞳放大光栅层；51i、51o：全反射面；51s：杂散光抑制滤光器；51t：遮光层；60：驱动电路；91：罩；110、110A、110B：虚像显示装置；AL：角度控制滤光器；EP：眼睛位置；ES：射出面；EY：眼睛；GL：显示光；II：图像取入部；IO：图像取出部；IS：入射面；ML：图像光；NF：波长限制滤光器；OL：外界光；OU：光学单元；US：佩戴者。

具体实施方式

〔第1实施方式〕

以下，参照图1等，对本发明的虚像显示装置的第1实施方式进行详细说明。

图1是说明头戴式显示器(以下也称为HMD)200的佩戴状态的图，HMD 200使佩戴它的观察者或佩戴者US识别作为虚像的影像。在图1等中，X、Y以及Z是正交坐标系，+X方向与佩戴HMD 200或者虚像显示装置110的观察者或者佩戴者US的双眼睛EY排列的横向对应，+Y方向相当于与佩戴者US的双眼睛EY排列的横向正交的上方向，+Z方向相当于佩戴者US的前方向或者正面方向。±Y方向与铅垂轴或铅垂方向平行。

HMD 200包含右眼用的虚像显示装置110A、左眼用的虚像显示装置110B以及一对镜腿110C，具备支承一对虚像显示装置110A、110B的支承装置120。第1虚像显示装置110A以覆盖佩戴者US的右侧的眼睛EY的前方即+Z侧的方式配置，第2虚像显示装置110B以覆盖佩戴者US的左侧的眼睛EY的+Z侧的方式配置。第2虚像显示装置110B具有使第1虚像显示装置110A的光学构造在左右的+X方向上对称地反转的构造。以下，主要对第1虚像显示装置110A进行说明。

参照图2，对第1虚像显示装置110A进行说明。图2所示的虚像显示装置110A具备投影装置10和控制装置80。通过投影装置10对眼睛EY显示虚像。此外，虚像显示装置110A通过在可见波段(具体而言为波长450nm～650nm)具有任意波长的图像光来形成虚像，并且使可见波段的外界光部分地透过，能够以外界像为背景来显示虚像。即，虚像显示装置110A是透视型的虚像显示装置。

投影装置10是光学单元OU，具备：图像光生成装置11，其射出图像光ML；导光光学系统50，其使可见波段的图像光ML作为显示光GL射出；以及驱动电路60，其使图像光生成装置11动作。图像光生成装置11具有显示面板11a和准直透镜11b。图像光生成装置11配置在导光光学系统50的眼睛位置EP侧即-Z方向。导光光学系统50具有与XY面大致平行地延伸的衍射导光部件51。衍射导光部件51例如能够进行RGB三色的彩色显示，具有导光部件51a、入射衍射层51b、射出衍射层51c以及杂散光抑制滤光器51s。入射衍射层51b是附随导光部件51a的一端侧的入射区域R1而设置的反射型的第1衍射元件DEI1，使从图像光生成装置11射出并通过了衍射导光部件51的导光部件51a的图像光ML在反射时偏转，成为能够在导光部件51a的内部导光的状态。另外，射出衍射层51c是附随于导光部件51a的另一端侧的射出区域R2而设置的反射型的第2衍射元件DE2，使在导光部件51a的内部被导光的图像光ML在反射时偏转，通过导光部件51a而朝向眼睛EY所处的外部射出。杂散光抑制滤光器51s抑制图像光ML向导光光学系统50的外界侧漏出，即抑制向外界侧的杂散光的产生。即，杂散光抑制滤光器51s防止从射出衍射层51c向前方射出作为图像光ML的成分的杂散光而被观察为眼晕。在此，眼晕(Eye Glow)是指图像光ML在导光光学系统50的与眼睛EY对应的眼前部分(后述的图像取出部IO)向外部漏出，在上述眼前部分将图像光ML向外部射出的现象。具体而言，杂散光抑制滤光器51s是角度控制滤光器AL，限制在相对于正面方向即+Z方向大幅倾斜规定程度以上的方向上传播的光的透过。驱动电路60在控制装置80的控制下进行信号处理，使显示面板11a进行显示动作。投影装置10或光学单元OU将由显示面板11a生成的图像光ML作为显示光GL引导至佩戴者US的眼睛EY，由此使佩戴者US看到虚像。

在投影装置10中，设置有入射衍射层51b的入射区域R1、驱动电路60被具有遮光性的罩91覆盖，防止从入射衍射层51b的图像光ML的泄漏、由图像光生成装置11产生的杂散光漏出到外部。另一方面，罩91为了能够观察外界像，使设置有射出衍射层51c的射出区域R2向外部露出，外界光能够入射到眼睛位置EP。

以下，对图像光生成装置11进行更详细的说明。在图像光生成装置11中，显示面板11a是为了形成与虚像对应的像而射出图像光ML的显示元件或显示设备，具体而言，例如是有机EL(有机电致发光、Organic Electro-Luminescence)、无机EL、LED这样的各种发光元件阵列的显示器，在二维的显示面11d上形成彩色的静态图像或动态图像。显示面板11a不限于自发光型的影像光生成装置，也可以由LCD及其他光调制元件构成，通过利用背光灯那样的光源对该光调制元件进行照明来形成图像。作为显示面板11a，也可以使用LCOS(Liquid crystal on silicon，LCoS为注册商标)、数字微镜器件等来代替LCD。

虽然省略了图示，但显示面板11a能够置换为组合了激光光源和扫描装置的显示面板。激光光源是单一波长的光源，能够使衍射导光部件51中的衍射效率比较高，能够使后述的杂散光抑制滤光器51s的角度选择性比较精密。

准直透镜11b是包含使入射的光平行化的透镜的投射光学系统，将从显示面板11a的显示面11d射出的图像光ML平行化为具有规定的光线宽度的状态，并且使其为与像素位置对应的倾斜角度状态，朝向设置于衍射导光部件51的入射衍射层51b射出。准直透镜11b包含树脂或玻璃制的1个以上的透镜元件，也可以包含反射镜。构成准直透镜11b的光学元件的光学面可以是球面、非球面和自由曲面中的任意种。

在导光光学系统50的衍射导光部件51中，导光部件51a是由平行平板形成的部件，具有与XY面平行地延伸的一对平面即第1全反射面51i和第2全反射面51o。导光部件51a将±Y方向作为延伸方向。在此，延伸方向是指导光部件51a主要延伸的方向，相当于从导光部件51a的入射面IS到射出面ES的方向。在衍射导光部件51中，在上侧区域或入射区域R1、即+Y侧的区域中，在导光部件51a的眼睛EY侧即-Z侧设置有作为第1全反射面51i的一部分的入射面IS。在衍射导光部件51中，在下侧区域或射出区域R2、即-Y侧的区域中，在导光部件51a的眼睛EY侧即-Z侧设置有作为第1全反射面51i的一部分的射出面ES。在衍射导光部件51的入射区域R1中，在眼睛EY的相反侧即+Z侧，作为与入射面IS对置的构造，设置有入射衍射层51b。另外，在衍射导光部件51的射出区域R2中，在眼睛EY的相反侧即+Z侧，作为与射出面ES对置的构造，设置有射出衍射层51c。作为导光部件51a中的一对平面的全反射面51i、51o使经由入射衍射层51b引导至导光部件51a中的图像光ML全反射而进行导光，几乎不损失图像光ML地进行导光。导光部件51a例如由具有厚度为1mm～2mm左右的厚度且具有高透光性的树脂或玻璃形成。玻璃容易确保面精度，从该观点出发，适合作为导光部件51a的材料。

入射衍射层51b在导光部件51a中的与准直透镜11b对置的第1端部E1形成于与眼睛EY相反的外侧且与XY面平行的矩形区域。将入射衍射层51b和第1端部E1组合称为图像取入部II。入射衍射层51b将从显示面板11a的显示面11d射出并经过准直透镜11b后的图像光ML耦合到导光部件51a的内部。入射衍射层51b是第1衍射元件DE1。入射衍射层(第1衍射元件)51b可以与导光部件51a一体地形成，但也可以是与导光部件51a分体地形成，与导光部件51a的第2全反射面51o接合或粘贴。入射衍射层51b通过衍射作用使经由入射面IS入射到其中的图像光ML以在导光部件51a的内部传播的方式折返。在本实施方式的情况下，入射衍射层51b例如是表面浮雕衍射光栅，更具体而言，是通过纳米压印制作的衍射光学元件。纳米压印制造的衍射光学元件在透过图像光ML的材料的表面形成微细的凹凸，对邻接的区域赋予规定的光路差，在反射图像光ML时产生作为目标的衍射。入射衍射层51b对多个波长的图像光ML、即RGB光单独地进行衍射。入射衍射层51b不限于以单一的层对RGB的3色产生作为目标的衍射，也可以用多个层对RGB的3色产生作为目标的衍射。入射衍射层51b不限于表面浮雕衍射光栅，也可以是体积全息件等具有衍射功能的光学元件、即衍射元件。入射衍射层51b由包含在横向的X方向上呈直线状延伸的多个突起或槽、在纵向的Y方向上具有周期性的图案形成。形成于入射衍射层51b的图案的光栅周期(间距)以及光栅高度是恒定的。该图案的光栅周期被设定成为了使图像光ML在导光部件51a中通过全反射而传播，使导光部件51a中的反射角或者入射角成为比由导光部件51a的折射率决定的临界角大的角度。另外，入射衍射层51b不限于使周期性的凹凸在表面露出，也可以埋入相当于周期性的凹凸的界面。

射出衍射层51c位于入射衍射层51b的-Y侧即下侧。射出衍射层51c在导光部件51a中的与眼睛位置EP对置的第2端部E2形成于与眼睛EY相反的外侧且与XY面平行的矩形区域。将射出衍射层51c与第2端部E2组合称为图像取出部IO。射出衍射层51c将在导光部件51a内作为整体向-Y方向行进的图像光ML向导光部件51a的外部取出。射出衍射层51c是第2衍射元件DE2。射出衍射层51c或第2衍射元件DE2可以与导光部件51a一体地形成，但也可以是与导光部件51a分体地形成，与导光部件51a的第2全反射面51o接合或粘贴。射出衍射层51c在图像光ML在导光部件51a的全反射面51i、51o被反射并传播时，在任意的部位通过衍射作用使图像光ML折返并复原入射到入射衍射层51b之前的角度信息。在本实施方式的情况下，射出衍射层51c例如是表面浮雕衍射光栅，更具体而言，是通过纳米压印制作的衍射光学元件。射出衍射层51c不限于表面浮雕衍射光栅，也可以是体积全息件等具有衍射功能的光学元件、即衍射元件。射出衍射层51c由包含在横的X方向上呈直线状延伸的多个突起或槽、在纵的Y方向上具有周期性的图案形成。形成于射出衍射层51c的图案的光栅周期(间距)及光栅高度恒定。使该图案的Y方向上的光栅周期与入射衍射层51b的Y方向上的光栅周期一致。此外，射出衍射层51c不限于使周期性的凹凸在表面露出，也可以埋入相当于周期性的凹凸的界面。

杂散光抑制滤光器51s配置在射出衍射层51c的外侧，具有与射出衍射层51c大致相同的形状。杂散光抑制滤光器51s可以粘贴于射出衍射层51c，也可以隔着支承部件与射出衍射层51c分开配置。

参照图3，杂散光抑制滤光器51s是在纵向的Y方向上具有依赖于倾斜角度的遮光特性的平板的透光部件。具体而言，杂散光抑制滤光器51s是角度限制滤光器(角度控制滤光器)AL，具有在纵向的Y方向上倾斜角度或入射角度超过临界值则透射率大致为零的遮光层51t。在遮光层51t中，在纵向的Y方向上，透光部P1和遮光部P2交替地以固定周期配置，在横向的X方向上，透光部P1和遮光部P2线状地均匀地延伸。即，遮光层51t具有在具有透光性的平板中埋入遮光部P2的构造。各遮光层51t是在Y方向上较薄而相当于百叶窗的叶片的部件。在将衍射导光部件51投影到YZ面进行观察的情况下，遮光层51t使相对于在与杂散光抑制滤光器51s垂直的方向上延伸的基准线SL小于规定角度α(具体而言例如70°)的光线L1透过，阻断相对于基准线SL为规定角度α(具体而言例如70°)以上的光线L2。即，如果外界光OL在沿着纸面的YZ面中相对于基准线SL为规定角度α以下，则通过杂散光抑制滤光器51s等，能够进行外界像的观察。若虚像显示装置110A的视场角为2α以下，则直至虚像的角落的部位为止都能够与外界像重叠地观察虚像。但是，外界光OL中的相对于基准线SL为规定角度α以下但是接近规定角度α的成分也会被部分地遮挡而产生亮度降低的倾向，因此关于外界像，有时在视野周边产生减光。

在射出衍射层51c中，考虑通过作为射出衍射层51c的厚度方向的中间点的特定的着眼点DPa的图像光ML。关于图像光ML中的被射出衍射层51c衍射的透射光，+1级衍射光Ld₊₁相对于基准线SL的倾斜度为规定角度α以上，被杂散光抑制滤光器51s阻断。另外，0级衍射光Ld₀相对于基准线SL的倾斜度也为规定角度α以上，但不朝向遮光层51t。但是，通过靠近+Y侧的着眼点DPb的图像光ML的0级衍射光Ld₀被杂散光抑制滤光器51s阻断。来自着眼点DPa的-1级衍射光Ld_-1相对于基准线SL的倾斜度为规定角度α以上，但不朝向杂散光抑制滤光器51s。来自着眼点DPa的-1级衍射光Ld_-1向接近-Y方向的方向前进，不会向外部直接漏出。

以上虽然省略了说明，但对于由射出衍射层51c衍射的透射光中的+2级衍射光，如果相对于基准线SL的倾斜度为规定角度α以上，则被杂散光抑制滤光器51s阻断。另一方面，如果+2级衍射光相对于基准线SL的倾斜度小于规定角度α，则不被杂散光抑制滤光器51s阻断，部分地通过杂散光抑制滤光器51s。但是，+2级衍射光的强度与+1级衍射光的强度相比相当低，难以成为显著的眼晕。

以下，对利用了衍射导光部件51的图像光ML的导光以及虚像的形成进行说明。显示面板11a在二维显示面11d上形成彩色或特定颜色(例如绿色)的静态图像或动态图像。来自显示面11d的图像光ML经由准直透镜11b从入射面IS向导光部件51a入射，透过导光部件51a的图像光ML在朝向-X方向的俯视时以与在显示面11d的Y方向的位置对应的角度入射到入射衍射层51b，被入射衍射层51b衍射为向与形成于该入射衍射层51b的图案的间距对应的角度方向反射。由入射衍射层51b衍射的图像光ML在导光部件51a中被全反射并传播，作为整体向-Y方向行进。在导光部件51a中作为整体向-Y方向传播的图像光ML入射到射出衍射层51c，通过射出衍射层51c衍射为向与形成于该射出衍射层51c的图案的间距对应的角度方向反射。被射出衍射层51c衍射的图像光ML透过导光部件51a从射出面ES朝向配置有佩戴者US的眼睛EY的眼睛位置EP或者瞳孔位置射出。从射出衍射层51c射出的图像光ML在+Y方向上再现从显示面11d射出时的角度状态，并且在+Y方向上光瞳尺寸被放大。即，图像光ML经由衍射导光部件51在纵向上光瞳尺寸被放大，即使眼睛EY的位置在纵向上大幅偏移，也能够观察基于来自显示面板11a的图像光ML的虚像。

控制装置80是佩戴者US操作的便携终端，具有主控制装置81、存储装置82、接口装置83以及通信装置84。控制装置80在存储装置82的软件存储部中，作为在使控制装置80动作的基本程序上动作的应用软件，包含允许由投影装置10显示的图像的选择的软件、根据环境使由投影装置10显示的图像变化的软件等。

以上，入射衍射层51b、射出衍射层51c为表面浮雕衍射光栅、体积全息件，但入射衍射层51b、射出衍射层51c也可以是其他衍射元件。在射出衍射层51c为体积全息件的情况下，透过射出衍射层51c的+1级衍射光比纳米压印制造的衍射光学元件弱，但通过设置杂散光抑制滤光器51s，能够可靠地抑制眼晕。

以上说明的第1实施方式的虚像显示装置110或HMD 200具备：作为射出图像光ML的显示元件的显示面板11a；具有第1全反射面51i和第2全反射面51o的导光部件51a；附随于导光部件51a而设置的光入射侧的第1衍射元件DE1；附随于导光部件51a而设置的光射出侧的第2衍射元件DE2；以及设置于设置有所述第2衍射元件DE2的图像取出部IO的外界侧，限制第2衍射元件DE2的衍射光的通过的杂散光抑制滤光器51s。在该虚像显示装置110或HMD 200中，杂散光抑制滤光器51s限制第2衍射元件DE2的衍射光的通过，因此能够防止从第2衍射元件DE2向前方射出的图像光ML被观察为眼晕。进而，能够防止从第2衍射元件DE2向前方射出的图像光ML作为影像被所面对的对方看到。

〔第2实施方式〕

以下，对本发明的第2实施方式的虚像显示装置进行说明。另外，第2实施方式的虚像显示装置是将第1实施方式的虚像显示装置局部地变更而成的，对于相同部分省略说明。

如图4所示，导光光学系统50的衍射导光部件51具有导光部件51a、入射衍射层51b、光瞳放大光栅层51e、射出衍射层51c以及杂散光抑制滤光器51s。入射衍射层51b是第1衍射元件DE1，由在纵向的Y方向上直线延伸且在横向的X方向上周期性地重复的衍射图案形成。射出衍射层51c是第2衍射元件DE2，由在横向的X方向上直线延伸且在纵向的Y方向上周期性地重复的衍射图案形成。光瞳放大光栅层51e是第3衍射元件DE3，设置于入射衍射层51b的+X侧，将引导至导光部件51内并作为整体向+X方向行进的图像光ML保持角度信息而以整体向-Y方向行进的方式弯折光路。第3衍射元件DE3介于第1衍射元件DE1与第2衍射元件DE2之间，在与第1衍射元件DE1的衍射方向(X方向)交叉的方向(-Y方向)上引导图像光ML。光瞳放大光栅层51e由在与XY面平行且倾斜的DS1方向上直线延伸且在与XY面平行且与DS1方向垂直的DS2方向上周期性地重复的衍射图案形成。DS1方向为相对于+Y方向顺时针旋转45°的方向，成为-X方向与+Y方向的中间方向。形成于光瞳放大光栅层51e的图案的X方向和Y方向上的光栅周期或间距与形成于入射衍射层51b的图案的X方向上的光栅周期一致，并且与形成于射出衍射层51c的图案的Y方向上的光栅周期一致。

来自图像光生成装置11的图像光ML经由导光部件51a入射到入射衍射层51b，向与形成于入射衍射层51b的图案的光栅周期对应的角度方向衍射，由此在导光部件51a中被全反射并传播，作为整体向+X方向行进。在导光部件51a中沿+X方向传播的图像光ML被光瞳放大光栅层51e衍射而作为整体的光路向-Y方向弯折，被移位至反映了直到被光瞳放大光栅层51e衍射为止的反射次数的+X方向的位置。即，光瞳放大光栅层51e具有放大与图像光ML入射到眼睛EY的横向或X方向的光线宽度相当的横向光瞳尺寸的作用。经由光瞳放大光栅层51e在导光部件51a中作为整体向-Y方向传播的图像光ML被射出衍射层51c衍射，朝向眼睛EY射出。从射出衍射层51c射出的图像光ML在X方向和Y方向上再现从图像光生成装置11射出并入射到衍射导光部件51之前的角度状态，并且在X方向和Y方向上放大光瞳尺寸。即，衍射导光部件51维持图像信息并且在纵向和横向上放大光瞳尺寸。

在本实施方式中，也与第1实施方式同样地，在射出衍射层51c的外侧即+Z侧配置有扩展到与射出衍射层51c大致相同的面积区域的杂散光抑制滤光器51s。杂散光抑制滤光器51s作为角度控制滤光器AL发挥功能，当透过射出衍射层51c而入射到杂散光抑制滤光器51s的图像光ML的衍射光等的倾斜角度以正面的+Z方向为基准在纵向的Y方向上大到规定程度以上时，对图像光ML表示遮光性，阻止图像光ML向外部漏出。即，杂散光抑制滤光器51s能够防止透过射出衍射层51c而向+Z侧行进的关于纵向的Y方向的+1级衍射光等向外部漏出而被观察为眼晕、+1级衍射光等作为影像被所面对的对方看到。

若杂散光抑制滤光器51s是具有不仅关于纵向的Y方向而且关于横向的X方向也依赖于角度的遮光特性的透光部件，则能够提高杂散光抑制滤光器51s抑制眼晕的效果。这样，为了使杂散光抑制滤光器51s在纵向和横向上具有角度控制特性，考虑在关于YZ面具有角度控制功能的第1遮光层(相当于图3所示的遮光层51t)中追加关于XZ面具有角度控制功能的第2遮光层。关于XZ面具有角度控制功能的第2遮光层在横向的X方向上透光部和遮光部交替地以固定周期配置。杂散光抑制滤光器51s不限于层叠第1遮光层和第2遮光层，也可以使第1遮光层和第2遮光层一体化。在该情况下，杂散光抑制滤光器51s具有例如将在X方向以及Y方向上延伸的遮光部或者叶片埋入到透光层内的构造。

〔第3实施方式〕

以下，对本发明的第3实施方式的虚像显示装置进行说明。此外，第3实施方式的虚像显示装置是将第1实施方式以及第2实施方式的虚像显示装置局部地变更而成的，对于相同部分省略说明。

如图5所示，导光光学系统50的衍射导光部件51具有导光部件51a、入射衍射层51b、第1光瞳放大光栅层51ea、第2光瞳放大光栅层51eb、第1射出衍射层51ca、第2射出衍射层51cb以及杂散光抑制滤光器51s。入射衍射层51b是第1衍射元件DE1，由在纵向的Y方向上直线延伸且在横向的X方向上周期性地重复的衍射图案形成。第1光瞳放大光栅层51ea是第3衍射元件DE3，由在-X方向和-Y方向的第1中间方向上延伸并在与该第1中间方向垂直的第1正交方向上周期性地重复的衍射图案形成。第2光瞳放大光栅层51eb是第3衍射元件DE3，由在-X方向和+Y方向的第2中间方向(相当于第1中间方向的第1正交方向)上延伸并在与该第2中间方向垂直的第2正交方向上周期性地重复的衍射图案形成。第1射出衍射层51ca是配置于第1光瞳放大光栅层51ea的-Y方向的第2衍射元件DE2，由在横的X方向上直线延伸且在纵的Y方向上周期性地重复的衍射图案形成。第2射出衍射层51cb是配置于第2光瞳放大光栅层51eb的-Y方向的第2衍射元件DE2，由在横的X方向上直线延伸且在纵的Y方向上周期性地重复的衍射图案形成。

以上，入射衍射层51b例如夹着导光部件51a配置在第1光瞳放大光栅层51ea和第2光瞳放大光栅层51eb的相反侧。

来自图像光生成装置11的图像光ML入射到入射衍射层51b，向与形成于入射衍射层51b的图案的光栅周期对应的角度方向衍射，由此在导光部件51a中被全反射并传播，作为整体沿±X方向前进。经由入射衍射层51b而在导光部件51a中沿-X方向传播的图像光ML被第1光瞳放大光栅层51ea衍射而作为整体的光路向-Y方向弯折，被移位至反映了直到被第1光瞳放大光栅层51ea衍射为止的反射次数的-X方向的位置。另一方面，经过入射衍射层51b而在导光部件51a中沿+X方向传播的图像光ML被第2光瞳放大光栅层51eb衍射而作为整体的光路向-Y方向弯折，被移位至反映了直到被第2光瞳放大光栅层51eb衍射为止的反射次数的+X方向的位置。第1光瞳放大光栅层51ea具有以Z方向为基准偏向-X方向的例如从0°到+20°的视场角，第2光瞳放大光栅层51eb具有以Z方向为基准偏向+X方向的例如-20°到0°的视场角。第1光瞳放大光栅层51ea、第2光瞳放大光栅层51eb放大横向光瞳尺寸。经由第1光瞳放大光栅层51ea在导光部件51a中作为整体向-Y方向传播的图像光ML被第1射出衍射层51ca衍射，朝向眼睛EY射出。另一方面，经由第2光瞳放大光栅层51eb在导光部件51a中作为整体向-Y方向传播的图像光ML被第2射出衍射层51cb衍射，朝向眼睛EY射出。第1射出衍射层51ca、第2射出衍射层51cb放大纵向光瞳尺寸。

在本实施方式中，也与第1实施方式等同样地，在射出衍射层51ca、51cb的外侧即+Z侧配置有扩展到与射出衍射层51c大致相同的面积区域的杂散光抑制滤光器51s。杂散光抑制滤光器51s作为角度控制滤光器AL发挥功能，阻止图像光ML向外部漏出。

〔第4实施方式〕

以下，对本发明的第4实施方式的虚像显示装置进行说明。另外，第4实施方式的虚像显示装置是将第1实施方式的虚像显示装置局部地变更而成的，对于相同部分省略说明。

图6是说明第4实施方式中的虚像显示装置110或HMD 200的构造的剖视图，在作为衍射导光部件51的外侧的+Z侧配置有薄板状的罩部件40。在罩部件40的树脂制的基材40a的眼睛位置EP侧即背面40i粘贴有第1杂散光抑制滤光器41。另外，在基材40a的外界侧即表面40o粘贴有第2杂散光抑制滤光器42。第1杂散光抑制滤光器41、第2杂散光抑制滤光器42作为角度控制滤光器AL发挥功能，阻止图像光ML向外部漏出。另外，如果罩部件40的基材40a为树脂制，则即使导光部件51a为玻璃制，也能够确保防止飞散的效果。

参照图7，特别是第1杂散光抑制滤光器41具有与图3所示的杂散光抑制滤光器51s相同的构造，以+1级衍射光Ld₊₁的遮光为目的。第2杂散光抑制滤光器42以+2级衍射光Ld₊₂的遮光为目的。

在本实施方式中，设置于罩部件40的第2杂散光抑制滤光器42也能够进行高级的+2级衍射光Ld₊₂的遮光。第1杂散光抑制滤光器41、第2杂散光抑制滤光器42分别适合作为目标的衍射光，防止外界光的遮光量变多。

在罩部件40中，能够省略第2杂散光抑制滤光器42。在该情况下，不需要将第1杂散光抑制滤光器41粘贴于背面40i，也可以将第1杂散光抑制滤光器41粘贴于表面40o。

图8是说明变形例的剖视图。在该情况下，在射出衍射层51c上粘贴有第1杂散光抑制滤光器41和第2杂散光抑制滤光器42。

图9是说明另一变形例的剖视图。在该情况下，入射衍射层51b和射出衍射层51c形成于导光部件51a的内侧的全反射面51i上，成为透射型的衍射元件。第1杂散光抑制滤光器41和第2杂散光抑制滤光器42粘贴于导光部件51a的外侧的全反射面51o。

〔第5实施方式〕

以下，对本发明的第5实施方式的虚像显示装置进行说明。另外，第5实施方式的虚像显示装置是将第1实施方式等的虚像显示装置局部地变更而成的，对于相同部分省略说明。

图10是说明第5实施方式中的虚像显示装置110或HMD 200的构造的剖视图，在配置于衍射导光部件51的外侧的罩部件40的基材40a的表面40o粘贴有第1杂散光抑制滤光器41，在罩部件40的背面40i粘贴有波长截止滤光器44。波长截止滤光器44是波长限制滤光器NF。具体而言，波长截止滤光器44是陷波滤光器，防止衍射光射出到作为第2衍射元件DE2的射出衍射层51c的外界侧。波长限制滤光器NF是限制射出衍射层51c或第2衍射元件DE2的多个波长的衍射光中的特定波长的衍射光的通过的滤光器。在从显示面板11a射出的图像光ML的波段宽的情况下，从入射衍射层51b以及射出衍射层51c的设计上的对象波长偏离的波长的图像光ML经由导光部件51a以及入射衍射层51b向射出衍射层51c传播。因此，偏离的波长的图像光ML有可能透过第1杂散光抑制滤光器41而作为眼晕从外界被观察到。然而，通过将波长截止滤光器44设置在图像光ML的光路上，能够抑制由偏离的波长的图像光ML形成的眼晕。即，对于任意的从目标波长偏离的特定波长的衍射光，都能够提高抑制眼晕的效果。

图11是说明变形例的剖视图。在该情况下，在显示面板11a与准直透镜11b之间设置有波长截止滤光器14。该波长截止滤光器14具有与图11所示的波长截止滤光器44同样的功能。这样，波长截止滤光器44可以配置在从作为显示元件的显示面板11a到作为第2衍射元件DE2的射出衍射层51c的光射出侧的光路上的任意位置。

〔第6实施方式〕

以下，对本发明的第6实施方式的虚像显示装置进行说明。另外，第6实施方式的虚像显示装置是将第1实施方式等的虚像显示装置局部地变更而成的，对于相同部分省略说明。

在图12所示的虚像显示装置110或HMD 200的情况下，在射出衍射层51c上粘贴有第3杂散光抑制滤光器43。即，代替图2等所示的杂散光抑制滤光器51s而配置有第3杂散光抑制滤光器43。第3杂散光抑制滤光器43是选择性地截止从显示面板11a射出的图像光ML所含的RGB的波长成分的波长限制滤光器NF2。在该情况下，能够直接且可靠地避免图像光ML向外界侧泄漏。

〔其他事项〕

以上说明的构造是例示，能够在能够实现同样的功能的范围内进行各种变更。

杂散光抑制滤光器51s不限于在XY面内具有均匀的遮光特性，也可以在XY面内使遮光特性具有分布。在上述实施方式中，杂散光抑制滤光器51s形成于覆盖射出衍射层51c的范围，但也可以局部地覆盖射出衍射层51c。

杂散光抑制滤光器51s不限于在透光部P1中周期性地配置在直线上延伸的遮光部P2，也可以使用衍射元件。

第1衍射元件DE1、第2衍射元件DE2不限于不具有屈光力，也可以具有屈光力。例如，能够使第1衍射元件DE1作为使图像光ML耦合到导光部件51a中的准直器发挥功能，使第2衍射元件DE2作为将在导光部件51a中传播的图像光ML取出至眼睛位置EP的目镜发挥功能。

以上，能够将虚像显示装置110等用作HMD，但不限于此，能够应用于各种光学设备，例如在平视显示器(HUD：Head-Up Display)中也能够应用本申请发明。

具体方式中的虚像显示装置具备：射出图像光的显示元件；具有第1全反射面和第2全反射面的导光部件；附随于导光部件而设置的光入射侧的第1衍射元件；附随于导光部件而设置的光射出侧的第2衍射元件；以及设置于设置有第2衍射元件的图像取出部的外界侧，限制第2衍射元件的衍射光的通过的杂散光抑制滤光器。

在上述虚像显示装置中，杂散光抑制滤光器限制第2衍射元件的衍射光的通过，因此能够防止从第2衍射元件向前方射出的图像光作为眼晕而被观察到。另外，能够防止从第2衍射元件向前方射出的图像光作为影像被所面对的对方看到。

在具体的侧面中，杂散光抑制滤光器是包含在平板中以规定间隔反复配置的遮光部的角度限制滤光器。在该情况下，能够通过薄型的角度限制滤光器使杂散光抑制滤光器轻量化并且提高衍射光的阻止效率。

在具体的侧面中，包含滤光器，该滤光器限制所述第2衍射元件的多个波长的衍射光中的特定波长的衍射光的通过。在该情况下，对于偏离目标波长的特定波长的衍射光，能够提高抑制眼晕的效果。

在具体的侧面中，杂散光抑制滤光器包含限制第2衍射元件的多个级数的衍射光的通过的多个滤光器。在该情况下，关于多个级数的衍射光的任意方，都能够提高抑制眼晕的效果。

在具体的侧面中，还具备配置于图像取出部的外界侧的平板状的透光部件，杂散光抑制滤光器设置于透光部件的外界侧以及眼睛位置侧中的任意方。在该情况下，能够在维持杂散光抑制滤光器的性能的同时提高杂散光抑制滤光器的配置的自由度。

在具体的侧面中，透光部件为树脂制，导光部件为玻璃制。透光部件具有防护能够使全反射角较大的导光部件的作用。

在具体的侧面中，杂散光抑制滤光器设置于透光部件的外界侧以及眼睛位置侧这两方。

在具体的侧面中，第1衍射元件和第2衍射元件单独地衍射多个波长的图像光。即，第1衍射元件和第2衍射元件能够进行彩色显示。

在具体的侧面中，包含第3衍射元件，该第3衍射元件介于第1衍射元件与第2衍射元件之间，向与第1衍射元件的衍射方向交叉的方向引导图像光。第3衍射元件具有使图像光入射到眼睛的光线宽度在与第1衍射元件的衍射方向交叉的方向上放大的作用。

在具体的侧面中，还具备波长限制滤光器，该波长限制滤光器配置于从显示元件到第2衍射元件的光射出侧的光路上，防止衍射光射出到第2衍射元件的外界侧。在该情况下，能够防止从第2衍射元件向前方射出非意图的波长的图像光而被观察为眼晕。

所述杂散光抑制滤光器是防止图像光射出到第2衍射元件的外界侧的波长限制滤光器。

具体方式中的光学单元具备：射出图像光的显示元件；具有第1全反射面和第2全反射面的导光部件；附随于导光部件而设置的光入射侧的第1衍射元件；附随于导光部件而设置的光射出侧的第2衍射元件；以及设置于设置有第2衍射元件的图像取出部的外界侧并限制第2衍射元件的衍射光的通过的杂散光抑制滤光器。

Claims (12)

1.一种虚像显示装置，其具备：

显示元件，其射出图像光；

导光部件，其具有第1全反射面和第2全反射面；

附随于所述导光部件而设置的光入射侧的第1衍射元件；

附随于所述导光部件而设置的光射出侧的第2衍射元件；以及

杂散光抑制滤光器，其设置于设置有所述第2衍射元件的图像取出部的外界侧，限制所述第2衍射元件的衍射光的通过。

2.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述杂散光抑制滤光器是包含在平板中以规定间隔重复配置的遮光部的角度限制滤光器。

3.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述虚像显示装置包含滤光器，该滤光器限制所述第2衍射元件的多个波长的衍射光中的特定波长的衍射光的通过。

4.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述杂散光抑制滤光器包含限制所述第2衍射元件的多个级数的衍射光的通过的多个滤光器。

5.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述虚像显示装置还具备配置于所述图像取出部的外界侧的平板状的透光部件，

所述杂散光抑制滤光器设置于所述透光部件的外界侧以及眼睛位置侧中的任意方。

6.根据权利要求5所述的虚像显示装置，其中，

所述透光部件为树脂制，

所述导光部件为玻璃制。

7.根据权利要求5所述的虚像显示装置，其中，

所述杂散光抑制滤光器设置于所述透光部件的外界侧以及眼睛位置侧双方。

8.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述第1衍射元件和所述第2衍射元件单独地对多个波长的图像光进行衍射。

9.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述虚像显示装置包含第3衍射元件，该第3衍射元件介于所述第1衍射元件与所述第2衍射元件之间，向与所述第1衍射元件的衍射方向交叉的方向引导图像光。

10.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述虚像显示装置还具备波长限制滤光器，该波长限制滤光器配置在从所述显示元件到所述第2衍射元件的光射出侧的光路上，防止所述衍射光射出到所述第2衍射元件的外界侧。

11.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述杂散光抑制滤光器是防止所述图像光射出到所述第2衍射元件的外界侧的波长限制滤光器。

12.一种光学单元，其具备：

显示元件，其射出图像光；

导光部件，其具有第1全反射面和第2全反射面；

附随于所述导光部件而设置的光入射侧的第1衍射元件；

附随于所述导光部件而设置的光射出侧的第2衍射元件；以及

杂散光抑制滤光器，其设置于设置有所述第2衍射元件的图像取出部的外界侧，限制所述第2衍射元件的衍射光的通过。