JP2012198392A - 画像リレー光学系及びこれを備える虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的収差の少ない大きな明るい虚像を簡易に表示できる画像リレー光学系及びこれを組み込んだ虚像表示装置を提供すること。
【解決手段】画像リレー光学系２０では、導光部材２２に画像光を入射させる前に光結合部材２１を設けており、光結合部材２１に設けた第１光入射面２１ａと結合部材反射面２１ｂと第１光射出面２１ｃとのうち、結合部材反射面２１ｂと第１光射出面２１ｃとが曲面であるので、収差を低減した大きな明るい虚像の表示が可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、頭部に装着して使用するヘッドマウントディスプレイ等に用いられる画像リレー光学系及びこれを備える虚像表示装置に関する。

近年、ヘッドマウントディスプレイのように虚像の形成及び観察を可能にする虚像表示装置として、導光板によって表示素子からの画像光を観察者の瞳に導くタイプのものが種々提案されている。このような虚像表示装置用の導光板として、導光角度の異なる複数の光モードを進行させることができる導光パイプを備えるものが存在する（特許文献１参照）。

上記特許文献１の光学システムでは、複数の光モードによる像が互いに位置ずれしていることを前提として、光モードごとに異なる入射角度に設定されたコリメート光で液晶パネルを照明する。そして、各光モードで表示内容を変更するとともに各光モードの表示をシーケンシャルに実行することで、各光モードの画像をつなぎ合わせて全体画像を得るようにしている。この場合、１つの液晶パネルによって、全体画像を構成する中央の画像と左右の画像とを時間差で変更しつつ表示しなければならず、虚像表示装置が複雑化し観察画像も暗くなる。

以上とは別に、光入射面に付随して凹の反射面を設け光射出面に付随して凹の反射面を設けた導光部材によって虚像の観察を可能にする虚像表示装置であって、時間差で画像をつなぎ合わせる必要のないものもあるが（特許文献２参照）、２つの傾斜する反射面によってアフォーカル系を構成しており、ディストーション等の収差が改善されない。このため、コリメート用の投射光学系が複雑になったり画像処理が必要になったりする。

特表２００８−５３５００１号公報 米国特許第７４７７４５３号公報

本発明は、上記背景技術の問題に鑑みてなされたものであり、比較的収差の少ない大きな明るい虚像を簡易に表示できる画像リレー光学系及びこれを組み込んだ虚像表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る画像リレー光学系は、（ａ）光透過性の材料で形成され、画像光を入射させる光結合部材と、（ｂ）光透過性の材料で形成され、光結合部材からの画像光を導いて外部に射出させる導光部材とを備える画像リレー光学系であって、（ｃ）光結合部材が、画像光の入射する順に、第１光入射面と、結合部材反射面と、第１光射出面とを少なくとも有し、（ｄ）第１光入射面と、結合部材反射面と、第１光射出面との少なくとも１つが、曲面であり、（ｅ）導光部材が、画像光の入射する順に、第２光入射面と、対向して平行に延びる第１及び第２の全反射面と、導光部材反射面と、第２光射出面とを少なくとも有し、（ｆ）導光部材反射面が、曲面であり、（ｇ）第２光射出面が、平坦面である。

上記画像リレー光学系では、導光部材に画像光を入射させる前に光結合部材を設けており、光結合部材に設けた第１光入射面と結合部材反射面と第１光射出面との少なくとも１つが、曲面であるので、収差を低減した大きな明るい虚像の表示が可能になる。

本発明の具体的な側面では、上記画像リレー光学系において、結合部材反射面が、画像光を殆ど反射する全反射のミラーであり、導光部材反射面が、導光部材内に中間像として結像された画像光を平行光束化する凹の収束面である。ここで、全反射とは、例えば反射膜を設ける等によって光を略１００％反射することを含むものとする。この場合、結合部材反射面での光のロスが低減される。また、導光部材反射面での平行光束化によって略無限遠の虚像を形成できる。

本発明の別の側面では、光結合部材において、第１光入射面が全反射面として機能する面であり、結合部材反射面が凹の収束面であり、第１光射出面が凸の収束面であり、導光部材において、第２光入射面が凸の収束面である。この場合、光結合部材及び導光部材に設けた各収束面によって、ディストーション等の補正が可能となり、収差を低減した明るい虚像を形成できる。また、第１光入射面での全反射によって光のロスが低減される。

本発明のさらに別の側面では、光結合部材において、第１光入射面が凸の収束面であり、結合部材反射面が凹の収束面であり、第１光射出面が凸の収束面であり、導光部材において、第２光入射面が凸の収束面である。この場合、光結合部材及び導光部材に設けた各収束面によって、ディストーション等の補正が可能となり、収差を低減した明るい虚像を形成できる。

本発明のさらに別の側面では、光結合部材において、第１光入射面が凸の収束面であり、結合部材反射面が凹の収束面であり、第１光射出面が凸の収束面であり、導光部材において、第２光入射面が第１の全反射面として機能する面であり、第２光入射面に対向する凹の収束面を有し当該第２光入射面からの画像光を第１の全反射面に反射する全反射の対向反射面を有し、光結合部材の第１光射出面と導光部材の第２光入射面との間に配置される収束性のレンズを有する。この場合、光結合部材及び導光部材に設けた各収束面によって、ディストーション等の補正が可能となる。また、第１光射出面と第２光入射面との間に配置された収束性のレンズにより画像光の光束の調整が可能となる。これにより、収差を低減した明るい虚像を形成できる。

本発明のさらに別の側面では、光結合部材において、第１光入射面が全反射面として機能する面であり、結合部材反射面が全反射の凹の収束面であり、第１光射出面が凸の収束面であり、導光部材において、第２光入射面が凸の収束面であり、光結合部材の第１光入射面に対向して配置される収束性のレンズを有する。この場合、光結合部材及び導光部材に設けた各収束面によって、ディストーション等の補正が可能となる。また、光結合部材及び結合部材反射面において、光のロスが低減される。さらに、光結合部材の第１光入射面に対向して配置された収束性のレンズにより画像光の光束の調整が可能となる。これにより、収差を低減した明るい虚像を形成できる。

本発明のさらに別の側面では、導光部材の導光部材反射面が、半透過型のミラーであり、半透過型のミラーに接合される曲面を有し第２光射出面及び導光部材反射面を介しての外界像の透視を可能にする光透過部材を有する。この場合、半透過型ミラーの背後に接合される光透過部材により、良好なシースルー観察を可能にできる。

本発明のさらに別の側面では、光結合部材の屈折率及び分散のうち少なくとも一方が、導光部材の屈折率及び分散と異なる。この場合、光結合部材と導光部材との間での屈折率及び分散を調整することで、画像光の色収差等を含む各種収差を補正できる。

また、本発明に係る虚像表示装置は、上述の画像リレー光学系と、画像リレー光学系に導かれる画像光を形成する画像形成装置とを備える。この場合、この場合、上述の画像リレー光学系を用いることで、虚像表示装置は、比較的収差の少ない大きな明るい虚像を簡易に表示できる。

第１実施形態に係る画像リレー光学系及びこれを組み込んだ虚像表示装置のうち片眼側を示す平面図である。 虚像表示装置の全体を示す平面図である。 光透過部材を示す斜視図である。 第２実施形態に係る虚像表示装置を示す平面図である。 第３実施形態に係る虚像表示装置を示す平面図である。 第４実施形態に係る虚像表示装置を示す平面図である。 変形例の画像リレー光学系を示す平面図である。

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る虚像表示装置用の画像リレー光学系及びこれを組み込んだ虚像表示装置について説明する。

〔Ａ．画像リレー光学系及び虚像表示装置の構造〕
図１に示す本実施形態に係る虚像表示装置１００は、ヘッドマウントディスプレイに適用されるものであり、画像形成装置１０と、画像リレー光学系２０とを一組として備える。

虚像表示装置１００は、観察者に虚像による画像光を認識させるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させるものである。図１は、左眼用のみを示しているが、全体としては、図２に示すように、観察者の右眼および左眼に対応して画像形成装置１０と画像リレー光学系２０とが一組ずつ設けられる。右眼用と左眼用とでは左右対称であるので、ここでは、図１に示す左眼用についてのみ説明し、右眼用については詳細な説明を省略する。

図１に示すように、画像形成装置１０は、２次元的な照明光を射出する照明装置３１と、透過型の空間光変調装置である液晶表示デバイス３２と、これらの間に配置される射出角調整部材３３とを有する。液晶表示デバイス３２は、照明装置３１からの照明光を空間的に変調して動画像等の表示対象となるべき画像光を形成する。射出角調整部材３３は、照明光の射出角度分布を画面内の位置に応じて変化させており、液晶表示デバイス３２の射出面３２ａから射出される画像光が効率的に観察者の眼ＥＹに入射するように調整している。

画像リレー光学系２０は、光結合部材２１と、導光部材２２と、光透過部材２３とを備える。光結合部材２１は、光透過性の材料で形成され、画像形成装置１０からの画像光を適宜収束させつつ伝播させ導光部材２２に向けて画像光を射出する部材である。導光部材２２は、光透過性の材料で形成され、光結合部材２１からの画像光を導いて最終的に平行光束化された画像光として外部に射出させる部材である。光透過部材２３は、導光部材２２と同一屈折率の光透過性の材料で形成され、導光部材２２奥側に接合されており、観察者に外界像の透視を可能にしている。また、図２に示すように、光透過部材２３は、観察者の左右の眼ＥＹ，ＥＹに対応して設けられた一対の導光部材２２，２２間に配置され、これらと接合している。これにより、一対の導光部材２２，２２と光透過部材２３とは、一つに繋がって一体化している。つまり、光透過部材２３は、一方の導光部材２２から他方の導光部材２２にかけて架設される架設部材である。

光結合部材２１は、図１に示すように、Ｙ方向に延びる柱状の導光体であり、第１光入射面２１ａと、結合部材反射面２１ｂと、第１光射出面２１ｃとを有する。これらの面２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、画像光の経路を考えた場合、画像光の入射する順に配列されている。なお、第１光入射面２１ａと結合部材反射面２１ｂとの間には、これらを繋ぐための面であり光学的には利用されない繋ぎ面ＣＦ１が存在し、結合部材反射面２１ｂと第１光射出面２１ｃとの間には繋ぎ面ＣＦ２が存在する。また、第１光入射面２１ａと第１光射出面２１ｃとは隣接して直接繋がっている。これらの光学的に利用される面のうち、第１光入射面２１ａは、液晶表示デバイス３２の射出面３２ａに対向して延びる平坦な面であり、画像形成装置１０から射出された画像光を光結合部材２１内に取り込む面である。なお、第１光入射面２１ａは、画像形成装置１０から画像光が入る領域外の延長領域上の面である延長面ＥＳを有している。結合部材反射面２１ｂは、凹の収束面（具体的には凹の球面又は非球面）であり、アルミ蒸着等により形成される反射膜ＭＬを有することで第１光入射面２１ａから取り込まれた画像光を殆ど反射する全反射のミラーとなっている。つまり、反射膜ＭＬによって画像光を略１００％反射するものとなっている。第１光射出面２１ｃは、凸の収束面（具体的には凸の球面又は非球面）であり、画像光を光路下流側に位置する導光部材２２に向けて射出する。

導光部材２２は、ＹＺ方向に延びる板状の導光体であり、第２光入射面２２ａと、第１及び第２の全反射面２２ｂ，２２ｃと、導光部材反射面２２ｄと、第２光射出面２２ｅとを有する。これらの面２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅは、画像光の経路を考えた場合、画像光の入射する順に配列されている。なお、第２光入射面２２ａと第２の全反射面２２ｃとの間には繋ぎ面ＣＦ３が存在し、他の面は、隣接する面どうしが直接繋がっている。これらの光学的に利用される面のうち、第２光入射面２２ａは、凸の収束面（具体的には凸の球面又は非球面）であり、光結合部材２１の第１光射出面２１ｃに対向して配置され、光結合部材２１から射出された画像光を入射させる。第１及び第２の全反射面２２ｂ，２２ｃは、対向して平行な状態でＺ方向に延びる面であり、第２光入射面２２ａから入射した画像光を全反射により導光部材２２内を入口側から奥側に導光させる。導光部材反射面２２ｄは、凹の収束面（具体的には凹の球面又は非球面）であり、画像光を平行光束化しつつ折り曲げる。また、導光部材反射面２２ｄは、光透過性を有する反射膜（すなわち半透過反射膜）であるハーフミラー層２４を付随させた半透過型のミラーとなっている。第２光射出面２２ｅは、第２の全反射面２２ｃの延長上にある平坦面即ちＹＺ面に沿って延びる面であり、導光部材反射面２２ｄを経た画像光を観察者の眼に向けて射出する。つまり、画像光は、第２光射出面２２ｅから導光部材２２の外部に射出され観察者の眼ＥＹに到達する。

ここで、上記のように、光結合部材２１と導光部材２２とは、いずれも凹や凸の曲面（具体的には第１光射出面２１ｃ、第２光入射面２２ａ等）を有することで、画像光の収束・発散の状態を変更可能なものとしている。ここでは、曲率、曲率中心、非球面係数等によって定まる上記曲面の形状が、それぞれの配置に適合した反射・屈折作用を画像光に与えるように適宜調整されているものとする。これにより、ディストーションに代表される収差の発生を低減することができる。また、光結合部材２１と導光部材２２とでは、屈折率や分散の特性の少なくとも一方を互いに異なるものとすることで、画像光に与える反射・屈折作用を異なるものとしている。これにより、色収差の発生にも対応可能となる。

光透過部材２３は、図１〜図３に示すように、導光部材２２の本体と同一の屈折率を有し、第１面２３ａと、第２面２３ｂと、第３面２３ｃとを有する。第１及び第２面２３ａ，２３ｂは、ＹＺ面に沿って第１及び第２の全反射面２２ｂ，２２ｃの延長平面上に延びる。また、第３面２３ｃは、導光部材２２の導光部材反射面２２ｄに沿って配置される曲面となっている。つまり、光透過部材２３は、第２面２３ｂと第３面２３ｃとに挟まれた楔状の部材ＷＰを有する部材となっており、第３面２３ｃが導光部材２２のハーフミラー層２４に接合される接合面となっている。光透過部材２３は、導光部材２２と同様に、可視域で高い光透過性を示すため、導光部材２２の第２光射出面２２ｅ及び導光部材反射面２２ｄを介しての外界像の透視が可能となっている。例えば、観察者は、ハーフミラー層２４の反射率の調整により、２０％に減光された画像光ＧＬと８０％に減光された外界光ＧＬ'とを重畳させたものを観察できる。

〔Ｂ．画像光の光路〕
以下、画像光の光路について説明する。ここでは、図１に示す画像形成装置１０から射出された各画像光の成分のうち、液晶表示デバイス３２の中央部及び両端側から射出される画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の光路を辿って説明する。他の画像光の成分の光路については、画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の中間的なものであり、画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の場合と同様であるため、説明を省略する。

まず、液晶表示デバイス３２の射出面３２ａ上のうち中央部から射出される画像光ＧＬ１は、射出面３２ａ上の１点から発散した状態で光結合部材２１に向けて射出され、平坦な面である第１光入射面２１ａに入射する。第１光入射面２１ａを通過し光結合部材２１内を伝播する画像光ＧＬ１は、結合部材反射面２１ｂで反射される。この際、結合部材反射面２１ｂが凹の収束面であることにより、画像光ＧＬ２は、略平行光束化された状態となり、かつ、進行方向を折り曲げられて、再び第１光入射面２１ａに向かう。ここで、画像光ＧＬ１は、結合部材反射面２１ｂでの反射作用によって、第１光入射面２１ａに対する角度や入射位置が最初の入射時から変化している。この場合、画像光ＧＬ１は、延長面ＥＳを含む第１光入射面２１ａにおいて反射膜等を要することなく全反射されるような角度すなわち臨界角以上の角度で入射するものとなっている。つまり、この場合の第１光入射面２１ａは、画像光ＧＬ１を全反射する全反射面として機能する。この全反射により、画像光ＧＬ１は、光量をほとんどロスすることなく第１光射出面２１ｃに向かって進み、第１光射出面２１ｃで収束される作用を受け、第１光射出面２１ｃから導光部材２２に向けて射出される。以上により、光結合部材２１から射出された画像光ＧＬ１は、導光部材２２の第２光入射面２２ａに入射する。

次に、第２光入射面２２ａから導光部材２２内に取り込まれた画像光ＧＬ１は、第２光入射面２２ａで収束される作用を受ける。つまり、第１光射出面２１ｃと第２光入射面２２ａとは、ともに凸の収束面であり、これらの面での屈折作用によって、画像光ＧＬ１は、略平行光束化された状態から収束する状態に変化している。第２光入射面２２ａを経た画像光ＧＬ１は、Ｚ方向について対向して平行に延びるすなわちＹＺ面に平行な第１及び第２の全反射面２２ｂ，２２ｃのうち、まず、＋Ｘ側に位置する第１の全反射面２２ｂで全反射され、その後、−Ｘ側に位置する第２の全反射面２２ｃで全反射される。このように全反射面２２ｂ，２２ｃで全反射される間において、収束した状態の画像光ＧＬ１は、いったん結像し、再び発散した状態となって導光部材反射面２２ｄに向かう。ここで、導光部材反射面２２ｄは、凹の収束面である。従って、画像光ＧＬ１は、導光部材反射面２２ｄでの反射作用によって光路を折り曲げられるとともに発散した状態であったものから平行光束化された状態に変化して第２光射出面２２ｅに向かう。画像光ＧＬ１は、第２光射出面２２ｅの中央側から＋Ｚ方向に対して垂直即ち−Ｘ方向に観察者の眼ＥＹに向けて虚像を構成する平行光束として射出される。

液晶表示デバイス３２の射出面３２ａ上のうち＋Ｚ側の端から射出される画像光ＧＬ２や液晶表示デバイス３２の射出面３２ａ上のうち−Ｚ側の端から射出される画像光ＧＬ３も、上述した画像光ＧＬ１の場合と同様の光路を辿る。つまり、画像光ＧＬ２，ＧＬ３は、射出面３２ａ上の１点からそれぞれ発散した状態で光結合部材２１に向けて射出され、光結合部材２１及び導光部材２２の各面を経て、導光部材２２内でいったん結像された後、観察者の眼ＥＹに向けて虚像光として射出される。画像光ＧＬ２は、第２光射出面２２ｅを通過する際に第２光射出面２２ｅに沿った＋Ｚ方向に対して鋭角となる角度で射出される。画像光ＧＬ３は、第２光射出面２２ｅを通過する際に第２光射出面２２ｅに沿った＋Ｚ方向に対して鈍角となる角度で射出される。画像光ＧＬ１のほか、これらの画像光ＧＬ２、ＧＬ３やその他の画像光成分のいずれも、凹凸の曲面形状を有する第１光入射面２１ａ、第１光射出面２１ｃ、第２光入射面２２ａ等において異なる度合で屈折・反射作用を受ける。

ここで、一般に、斜め方向から画像光を射出したり、反射光学系を使用したりする場合、特にディストーション等の収差が発生しやすい。従って、本実施形態のような光学系では、収差が発生する可能性が高い。これに対して、画像リレー光学系２０では、各画像光成分は、いずれも第１光射出面２１ｃ、第２光入射面２２ａ等において異なる度合で屈折・反射作用を受けるものとなっている。従って、画像リレー光学系２０は、発生するディストーションの補正を可能としている。また、この際、併せて色収差の補正も可能としている。

また、いずれの画像光の光束も、導光部材２２内においていったん結像した後に、発散した状態となってから導光部材反射面２２ｄに向かうものとなっている。このため、各画像光は、凹の収束面である導光部材反射面２２ｄによって、画像リレー光学系２０から射出される際に平行光束化される。つまり、導光部材反射面２２ｄは、導光部材２２において中間像として結像された各画像光を平行光束化する面である。導光部材反射面２２ｄで平行光束化された画像光が、観察者の眼ＥＹの位置において合成されて虚像として認識される。なお、画像光は、上述のように、導光部材反射面２２ｄよりも光路上流側で既にディストーション等の補正がなされた状態で導光部材反射面２２ｄに入射するので、導光部材反射面２２ｄを経た画像光は、修正がなされた良好な状態となっている。また、導光部材反射面２２ｄでの反射によって収差が発生する場合には、導光部材反射面２２ｄよりも光路上流側の光学系において予めこの収差まで加味して補正をすることができる。また、既述のように、光結合部材２１と導光部材２２との屈折率及び分散を調整して画像光の色収差も併せて補正できる。

また、この場合、画像リレー光学系２０が曲面を有することで、眼ＥＹ側において、画像光ＧＬ２から画像光ＧＬ３まで出示される画像光の画角φを比較的大きなものとすることができる。さらに、平行化された画像光の光束幅を広げることもできるため、結果として、有効な瞳径であるアイリング径ＰＰを広くすることができる。

なお、第１光入射面２１ａと第１及び第２の全反射面２２ｂ，２２ｃとのいずれの全反射においても、画像光の成分のうち画像光ＧＬ２は、最も大きな全反射角度となっているのに対して、画像光ＧＬ３は、最も小さな全反射角度となっている。従って、条件の最も厳しい画像光ＧＬ３が全反射条件を満たす角度で伝播するようにしておくことで、全ての画像光を反射膜等を要することなく全反射させられるものとなる。

また、導光部材反射面２２ｄは、既述のように、半透過型のハーフミラー面であり、光透過部材２３は、光透過性の材料によって構成されている。従って、観察者は、画像光とともに光透過部材２３及び導光部材反射面２２ｄを介して外界光ＧＬ'を認識することができるものとなっている。

以上のように、本実施形態の画像リレー光学系２０では、導光部材２２に画像光を入射させる前に光結合部材２１を設けており、光結合部材２１に設けた第１光入射面２１ａと結合部材反射面２１ｂと第１光射出面２１ｃとのうちに曲面があるので、収差を低減した大きな明るい虚像の表示が可能になる。また、この場合、光結合部材２１と導光部材２２との２部構成とすることで、これらの間に空気層を挟んで屈折率差を設け、屈折による作用を大きくすることができるものとなっている。

〔第２実施形態〕
以下、図４により、第１実施形態を変形した第２実施形態について説明する。本実施形態に係る画像リレー光学系及び虚像表示装置は、光結合部材２１及び導光部材２２を除いて図１に示すものと同様の構造を有するため、画像形成装置１０等の機能的な部分としての各要素については説明を省略する。なお、光透過部材については図示を省略している。

図４に示すように、本実施形態では、画像リレー光学系２０の光結合部材２１において、第１光入射面２１ａが凸の収束面（具体的には凸の球面又は非球面）であり、結合部材反射面２１ｂが凹の収束面（具体的には凹の球面又は非球面）であり、第１光射出面２１ｃが凸の収束面（具体的には凸の球面又は非球面）である。また、導光部材２２において、第２光入射面２２ａが凸の収束面（具体的には凸の球面又は非球面）である。これらによって画像光が反射・屈折作用を適宜受けるものとなっている。

この場合、画像形成装置１０から射出された各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３は、第１光入射面２１ａから光結合部材２１に入射し、結合部材反射面２１ｂにおいて全反射で反射されることにより略平行光束化され、第１光入射面２１ａ側に戻ることなく直接的に第１光射出面２１ｃに向かい、第１光射出面２１ｃで収束される作用を受け、第１光射出面２１ｃから射出される。

次に、各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３は、導光部材２２の第２光入射面２２ａに入射し、収束される作用を受け、Ｚ方向について対向して平行に延びる第１及び第２の全反射面２２ｂ，２２ｃで全反射され、この間に収束した状態からいったん結像し再び発散した状態となって導光部材反射面２２ｄに向かう。各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３は、凹の収束面（具体的には凹の球面又は非球面）である導光部材反射面２２ｄでの反射作用によって光路を折り曲げられるとともに発散した状態であったものから平行光束化された状態に変化して第２光射出面２２ｅに向かう。

以上によって、画像光ＧＬ１は、第２光射出面２２ｅを通過する際に第２光射出面２２ｅの中央側から＋Ｚ方向に対して垂直即ち−Ｘ方向に観察者の眼ＥＹに向けて射出される。画像光ＧＬ２は、第２光射出面２２ｅを通過する際に第２光射出面２２ｅに沿った＋Ｚ方向に対して鋭角となる角度で射出される。画像光ＧＬ３は、第２光射出面２２ｅを通過する際に第２光射出面２２ｅに沿った＋Ｚ方向に対して鈍角となる角度で射出される。

以上のように、本実施形態の場合も、光結合部材２１及び導光部材２２の各曲面によって、収差を低減した大きな明るい虚像の表示が可能になる。

〔第３実施形態〕
以下、図５により、第１実施形態を変形した第３実施形態について説明する。本実施形態に係る画像リレー光学系及び虚像表示装置は、光結合部材２１から導光部材２２にかけての部分を除いて図１に示すものと同様の構造を有するため、画像形成装置１０等の機能的な部分としての各要素については説明を省略する。なお、光透過部材については図示を省略している。

図５に示すように、本実施形態では、画像リレー光学系２０の光結合部材２１において、第１光入射面２１ａが凸の収束面（具体的には凸の球面又は非球面）であり、結合部材反射面２１ｂが凹の収束面（具体的には凹の球面又は非球面）であり、第１光射出面２１ｃが凸の収束面（具体的には凸の球面又は非球面）である。また、導光部材２２において、第２光入射面２２ａが第１の全反射面として機能する平面である。つまり、導光部材２２において、第２光入射面２２ａと第１の全反射面２２ｂとが同一平面上に続く一体の面となっている。また、導光部材２２は、第２光入射面２２ａに対向する面として、第２光入射面２２ａと第２の全反射面２２ｃとの間に対向反射面２２ｆを有している。対向反射面２２ｆは、凹の収束面（具体的には凹の球面又は非球面）であり、反射膜ＭＬを有し、第２光入射面２２ａからの画像光を第１の全反射面に反射する全反射の反射面である。さらに、画像リレー光学系２０は、光結合部材２１の第１光射出面２１ｃと導光部材２２の第２光入射面２２ａとの間に収束性のレンズ２５（具体的には凸の球面又は非球面レンズ）を配置している。これらによって画像光が反射・屈折作用を適宜受けるものとなっている。

この場合、画像形成装置１０から射出された各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３は、第１光入射面２１ａから光結合部材２１に入射し、結合部材反射面２１ｂにおいて全反射で反射され、さらに第１光射出面２１ｃに向かい、第１光射出面２１ｃから射出される。

次に、各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３は、レンズ２５に入射し屈折作用を受けることにより略平行光束化されて導光部材２２に入射する。

次に、各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３は、導光部材２２の第２光入射面２２ａに入射し、対向反射面２２ｆでの反射により、収束される作用を受けつつ、第２光入射面２２ａ側に折り返される。この際、各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の第２光入射面２２ａすなわち第１の全反射面２２ｂに対する角度が変わることで、各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３は、第１の全反射面２２ｂで全反射するものとなる。各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３は、Ｚ方向について対向して平行に延びる第１及び第２の全反射面２２ｂ，２２ｃで全反射を繰り返し、この間に収束した状態からいったん結像し再び発散した状態となって導光部材反射面２２ｄに向かう。各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３は、凹の収束面（具体的には凹の球面又は非球面）である導光部材反射面２２ｄでの反射作用によって光路を折り曲げられるとともに発散した状態であったものから平行光束化された状態に変化して第２光射出面２２ｅに向かう。

以上によって、画像光ＧＬ１は、第２光射出面２２ｅを通過する際に第２光射出面２２ｅの中央側から＋Ｚ方向に対して垂直即ち−Ｘ方向に観察者の眼ＥＹに向けて射出される。画像光ＧＬ２は、第２光射出面２２ｅを通過する際に第２光射出面２２ｅに沿った＋Ｚ方向に対して鋭角となる角度で射出される。画像光ＧＬ３は、第２光射出面２２ｅを通過する際に第２光射出面２２ｅに沿った＋Ｚ方向に対して鈍角となる角度で射出される。

以上のように、本実施形態の場合も、光結合部材２１及び導光部材２２の各曲面によって、収差を低減した大きな明るい虚像の表示が可能になる。

〔第４実施形態〕
以下、図６により、第１実施形態を変形した第４実施形態について説明する。本実施形態に係る画像リレー光学系及び虚像表示装置は、光結合部材２１及び導光部材２２等を除いて図１に示すものと同様の構造を有するため、画像形成装置１０等の機能的な部分としての各要素については説明を省略する。なお、光透過部材については図示を省略している。

図６に示すように、本実施形態では、画像リレー光学系２０の光結合部材２１において、第１光入射面２１ａが全反射面として機能する平面であり、結合部材反射面２１ｂが全反射の凹の収束面（具体的には凹の球面又は非球面）であり、第１光射出面２１ｃが凸の収束面（具体的には凸の球面又は非球面）である。つまり、光結合部材２１において、第１光入射面２１ａが外部から画像光が入る領域外の延長領域上の面である延長面ＥＳ１を有しており、延長面ＥＳ１を含む第１光入射面２１ａが画像光の全反射面としても機能する。また、結合部材反射面２１ｂが全反射であり、延長面ＥＳ１で反射された画像光を反射可能となっている。また、導光部材２２において、第２光入射面２２ａが凸の収束面（具体的には凸の球面又は非球面）である。さらに、画像リレー光学系２０は、画像形成装置１０と光結合部材２１との間に、光結合部材２１の第１光入射面２１ａに対向して収束性のレンズ１２（具体的には凸の球面又は非球面レンズ）を配置している。これらによって画像光が反射・屈折作用を適宜受けるものとなっている。

この場合、画像形成装置１０から射出された各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３は、収束性のレンズ１２によって略平行光束化され、第１光入射面２１ａから光結合部材２１に入射し、結合部材反射面２１ｂにおいて全反射で反射されることにより、収束される作用を受けつつ、延長面ＥＳを含む第１光入射面２１ａに向かう。この際、各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の第１光入射面２１ａに対する角度が変わることで、各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３は、第１光入射面２１ａで全反射するものとなる。第１光入射面２１ａで全反射された各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３は、結合部材反射面２１ｂにおいて再度全反射で反射され、光量をほとんどロスすることなく第１光射出面２１ｃに向かい、第１光射出面２１ｃで収束される作用を受け、第１光射出面２１ｃから射出される。

次に、各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３は、導光部材２２の第２光入射面２２ａに入射し、収束される作用を受け、Ｚ方向について対向して平行に延びる第１及び第２の全反射面２２ｂ，２２ｃで全反射され、この間に収束した状態からいったん結像し再び発散した状態となって導光部材反射面２２ｄに向かう。各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３は、凹の収束面（具体的には凹の球面又は非球面）である導光部材反射面２２ｄでの反射作用によって光路を折り曲げられるとともに発散した状態であったものから平行光束化された状態に変化して第２光射出面２２ｅに向かう。

以上によって、画像光ＧＬ１は、第２光射出面２２ｅを通過する際に第２光射出面２２ｅの中央側から＋Ｚ方向に対して垂直即ち−Ｘ方向に観察者の眼ＥＹに向けて射出される。画像光ＧＬ２は、第２光射出面２２ｅを通過する際に第２光射出面２２ｅに沿った＋Ｚ方向に対して鋭角となる角度で射出される。画像光ＧＬ３は、第２光射出面２２ｅを通過する際に第２光射出面２２ｅに沿った＋Ｚ方向に対して鈍角となる角度で射出される。

以上のように、本実施形態の場合も、光結合部材２１及び導光部材２２の各曲面によって、収差を低減した大きな明るい虚像の表示が可能になる。

〔変形例〕
上記のほか、例えば図７に示すように、画像光ＧＧのような光路を辿る成分を有効活用して、導光部材２２の厚みを薄くすることが可能である。具体的には、画像光ＧＧは、まず、導光部材２２の導光部材反射面２２ｄを通過し、光透過部材２３の第１面２３ａで全反射される。第１面２３ａで全反射された画像光ＧＧは、導光部材反射面２２ｄを再び通過し、第２の全反射面２２ｃの延長上にある第２光射出面２２ｅで全反射される。第２光射出面２２ｅで全反射された画像光ＧＧは、三度導光部材反射面２２ｄに向かい、今度は導光部材反射面２２ｄで反射されて観察者の眼ＥＹに到達する。以上のような光路を辿る画像光ＧＧも利用することで、画像光の利用効率を上げることで、導光部材２２の薄型化を図ることができる。

〔その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

上記の説明では、透過型の液晶表示デバイスを用いているが、透過型の液晶表示デバイスに限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶パネルを用いた構成も可能であり、液晶表示デバイス３２に代えてデジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。また、ＬＥＤアレイやＯＬＥＤ（有機ＥＬ）などに代表される自発光型素子用いた構成も可能である。さらに、レーザー光源とポリゴンミラーその他のスキャナーとを組みあわせたレーザースキャナーを用いた構成も可能である。

上記の説明では、虚像表示装置１００は、右眼及び左眼の双方に対応して、一組ずつ画像形成装置１０及び画像リレー光学系２０を備えるとしているが、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ画像形成装置１０と画像リレー光学系２０とを設け画像を片眼視する構成にしてもよい。

上記の説明では、シースルー型の虚像表示装置について説明しているが、外界像を観察させる必要がない場合、導光部材反射面２２ｄの光反射率を略１００％にすることが可能である。

上記の説明では、実施形態の虚像表示装置１００がヘッドマウントディスプレイであるとして具体的な説明を行ったが、実施形態の虚像表示装置１００は、ヘッドアップディスプレイに改変することもできる。

上記の説明では、第１及び第２の全反射面２２ｂ，２２ｃにおいて、表面上にミラーやハーフミラー等を施すことなく空気との界面により画像光を全反射させて導くものともできるが本願発明における全反射については、第１及び第２の全反射面２２ｂ，２２ｃ上の全体又は一部にミラーコートや、ハーフミラー膜が形成されてなされる反射も含むものとする。例えば、画像光の入射角が全反射条件を満たした上で、全反射面２２ｂ，２２ｃの全体又は一部にミラーコート等が施され、実質的に全ての画像光を反射する場合も含まれる。また、十分な明るさの画像光を得られるのであれば、多少透過性のあるミラーによって全反射面２２ｂ，２２ｃの全体又は一部がコートされていてもよい。

１０…画像形成装置、 １２…（収束性の）レンズ、 ２０…画像リレー光学系、 ２１…光結合部材、 ２１ａ…第１光入射面、 ２１ｂ…結合部材反射面、 ２１ｃ…第１光射出面、 ２２…導光部材、 ２２ａ…第２光入射面、 ２２ｂ，２２ｃ…全反射面、 ２２ｄ…導光部材反射面、 ２２ｅ…第２光射出面、 ２２ｆ…対向反射面、 ２３…光透過部材（架設部材）、 ２４…ハーフミラー層、 ２５…（収束性の）レンズ、 ３１…照明装置、 ３２…液晶表示デバイス、 ３２ａ…射出面、 １００…虚像表示装置、 ＥＹ…眼、 ＧＬ'…外界光、 ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３，ＧＧ…画像光、 ＷＰ…楔状の部材

Claims (9)

1. 光透過性の材料で形成され、画像光を入射させる光結合部材と、
   光透過性の材料で形成され、前記光結合部材からの画像光を導いて外部に射出させる導光部材とを備える画像リレー光学系であって、
   前記光結合部材は、画像光の入射する順に、第１光入射面と、結合部材反射面と、第１光射出面とを少なくとも有し、
   前記第１光入射面と、前記結合部材反射面と、前記第１光射出面との少なくとも１つは、曲面であり、
   前記導光部材は、画像光の入射する順に、第２光入射面と、対向して平行に延びる第１及び第２の全反射面と、導光部材反射面と、第２光射出面とを少なくとも有し、
   前記導光部材反射面は、曲面であり、
   前記第２光射出面は、平坦面である、画像リレー光学系。
2. 前記結合部材反射面は、画像光を殆ど反射する全反射のミラーであり、
   前記導光部材反射面は、前記導光部材内の画像光を平行光束化する凹の収束面である、請求項１に記載の画像リレー光学系。
3. 前記光結合部材において、前記第１光入射面は全反射面として機能する面であり、前記結合部材反射面は凹の収束面であり、前記第１光射出面は凸の収束面であり、
   前記導光部材において、前記第２光入射面は凸の収束面である、請求項２に記載の画像リレー光学系。
4. 前記光結合部材において、前記第１光入射面は凸の収束面であり、前記結合部材反射面は凹の収束面であり、前記第１光射出面は凸の収束面であり、
   前記導光部材において、前記第２光入射面は凸の収束面である、請求項２に記載の画像リレー光学系。
5. 前記光結合部材において、前記第１光入射面は凸の収束面であり、前記結合部材反射面は凹の収束面であり、前記第１光射出面は凸の収束面であり、
   前記導光部材において、前記第２光入射面は前記第１の全反射面として機能する面であり、前記第２光入射面に対向する凹の収束面を有し当該第２光入射面からの画像光を前記第１の全反射面に反射する全反射の対向反射面を有し、
   前記光結合部材の前記第１光射出面と前記導光部材の前記第２光入射面との間に配置される収束性のレンズを有する、請求項２に記載の画像リレー光学系。
6. 前記光結合部材において、前記第１光入射面は全反射面として機能する面であり、前記結合部材反射面は全反射の凹の収束面であり、前記第１光射出面は凸の収束面であり、
   前記導光部材において、前記第２光入射面は凸の収束面であり、
   前記光結合部材の前記第１光入射面に対向して配置される収束性のレンズを有する、請求項２に記載の画像リレー光学系。
7. 前記導光部材の前記導光部材反射面は、半透過のミラーであり、
   前記半透過のミラーに接合される曲面を有し前記第２光射出面及び前記導光部材反射面を介しての外界像の透視を可能にする光透過部材を有する、請求項１から６までのいずれか一項に記載の画像リレー光学系。
8. 前記光結合部材の屈折率及び分散のうち少なくとも一方は、前記導光部材の屈折率及び分散と異なる、請求項１から７までのいずれか一項に記載の画像リレー光学系。
9. 請求項１から８までのいずれか一項に記載の画像リレー光学系と、
   前記画像リレー光学系に導かれる前記画像光を形成する画像形成装置と、
   を備える虚像表示装置。

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