JP2013200555A - 虚像表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、外界光と映像光とを重ねて表示させるシースルー機能を持ち、広画角・高性能でありながら、小型軽量な虚像表示装置を提供すること。
【解決手段】プリズム40の内部に中間像が形成されるとともに、第3面S43、第1面S41、及び第2面S42の順に2面以上で全反射された映像光GLが、第1面S41を透過して観察者の眼EYに到達するので、プリズム40を薄型にして光学系全体を小型で軽量なものにしつつ、広画角で明るい高性能の表示を実現することができる。また、外界光HLについては、例えば第1面S41と第3面S43とを通過させて観察することができ、その際の視度を略0とするので、シースルーで外界光HLを観察する際の外界光HLのデフォーカスや歪みを低減できる。また、プリズム40の形状が、観察者の顔に沿う形となっており、重心も顔に近く、デザインにも優れたものとできる。
【選択図】図3

Description

本発明は、画像表示素子等によって形成された映像を観察者に提示する虚像表示装置に関し、特に観察者の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイに好適な虚像表示装置に関する。
観察者の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイ(以下、HMDとも言う)等の虚像表示装置に組み込まれる光学系として様々なものが提案されている(特許文献1、2参照)。
HMD等の虚像表示装置については、映像光を広画角化することと、装置重量を低減することとが望まれている。特に、観察者の視軸方向の厚みを薄くし、重心を観察者に近づけることが、装着感を向上させるために重要である。
また、観察者の視界を全て覆ってしまい、映像光のみが見える状態にしてしまうと、観察者に外界の状態が判らず、不安を与えてしまう。さらに、外界と映像を重ねて見せることによって、仮想現実の様な新しい用途が生み出される。このため、外界の視界を妨げず、映像光を重ねて表示するディスプレイが望まれている。
さらに、観察者の装着感を向上させ、見た目のフォルムを良くするためには、一般には眼鏡の形態に近づくことが望ましく、映像表示装置を眼の上方に置かないで、顔の横に配置することが、望ましくなる。
光学系を小型化し、なおかつ視界を妨げないように、映像表示装置を観察者の眼の位置から離すためには、表示画像光を一度光学系の中で結像させて中間像を形成し、この中間像を拡大して見せるリレー光学系を用いることがよい。
特許文献1及2では、非対称な曲面(自由曲面)を有する1つのプリズムを用いて、偏心収差を補正し、中間像を形成するリレー光学系とすることによって、小型で簡素な構成の虚像表示用の光学系を得ている。
しかし、特許文献1の光学系は、外界光を観察者に見せることを意図して設計されておらず、外界光の透過する曲面形状が適切でないため、外界に対する視度がゼロにならず、外界像のボケや歪みが生じてしまう。
一方、特許文献2の光学系は、外界光を透過させる面が平行平面であるので、ほとんど歪みの無いクリアな視界が得られる。しかし、特許文献2の光学系は、ハーフミラー面にホログラムを使用しており、これによる収差や波長選択性が映像光に影響を与えて画質を、低下させる。
特開2000−105338号公報 特開2008−158203号公報
本発明は、外界光と映像光とを重ねて表示させるシースルー機能を持ち、広画角・高性能でありながら、小型軽量な虚像表示装置を提供することを目的とする。
本発明に係る虚像表示装置は、映像光と外界光とを同時に視認させるものであって、映像光を生じさせる映像素子と、3面以上の非軸対称な曲面を含む1つのプリズムとを備え、少なくともプリズムを含む光学系は、プリズムの内部に中間像を形成するリレー光学系であり、プリズムを構成する複数面のうち映像光に関して射出側からの順で第1面と第3面とを通過させて外界を視認したときに、視度が略0になっており、第1面と第3面とは、観察側に対し凹面形状を成しており、映像素子からの映像光は、第3面で全反射され、第1面で全反射され、第2面で反射された後、第1面を透過して、観察側に到達する。
上記虚像表示装置では、プリズムによって当該プリズムの内部に中間像が形成されるとともに、プリズムにおいて、第3面、第1面、及び第2面の順に反射された映像光が、第1面を透過して観察者に到達するので、観察者の眼前のプリズムを薄型にして光学系全体を小型で軽量なものにしつつ、広画角で明るい高性能の表示を実現することができる。さらに、外界光については、第1面と第3面とを通過させて観察することができ、その際の視度を略0とするので、シースルーで外界光を観察する際の外界光のデフォーカスや歪みを低減でき、広い視野の確保が可能になる。また、眼前のプリズムの形状が、観察者の顔に沿う形となっており、重心も顔に近く、デザイン的にも優れたものとできる。
本発明の具体的な側面では、上記虚像表示装置において、光学系を構成する各面の原点を基準として、面形状の表現式を原点から接線方向に延びる直交座標x及びyに関して多項式展開したものとするときに、第k面を表す多項式の項x・yの係数をAkm,n(m,nは正の整数)として、下記(1)から(3)までの条件を満足する。
−5×10−2<A12,0+A10,2<−1×10−3 及び
−5×10−2<A32,0+A30,2<−1×10−3 … (1)
|A32,0−A30,2|<1×10−2 … (2)
|A12,0−A32,0|<5×10−3 及び
|A10,2−A30,2|<5×10−3 … (3)
なお、以上において、各面の直交座標x及びyを含むローカル座標(x,y,z)は、曲面上のある1点を原点としており、面の法線方向にz軸、面の接線方向にx軸とy軸とをとっている。曲面の原点は、例えば光束中心が通る位置とする。
本願発明では、映像光だけでなく外界光の観察にも関係する第1面と第3面とを自由曲面とし、両面を凹面状にすることによって、これらの曲面形状の自由度を有効に使用し、高画質の光学系を得ることに成功した。第1面及び第3面の働き、すなわち曲面の働きを特徴付けるのは、曲面の曲率であり、原点近傍の曲率は、主に係数Ak2,0とAk0,2(k=1,3)の値によって決まるので、係数Ak2,0とAk0,2の値を適切に設定することが重要である。
条件(1)は、原点近傍における第1面の曲率と第3面の曲率との大きさを規定している。これらの値A12,0,A10,2,A32,0,A30,2がマイナスであることは、第1面又は第3面が、観察者に対して凹面状になっていることを表している。条件(1)の上限を超えると、形状が平面に近くなり、外界光の観察に問題がなくても映像光の収差補正に有効に働かなくなる。また、条件(1)の下限を超えると、曲率が強くなり過ぎ、収差補正が難しくなるとともに、リレー光学系のプリズムの位置が顔に近くなってしまい、装用感を損なう。
条件(2)は、第3面のx軸方向の曲率とy軸方向の曲率との差を規定している。条件(2)の上限を超えると、第3面で発生する非点収差が大きくなり過ぎ、収差補正が困難になる。
条件(3)は、x軸方向及びy軸方向に関する、第1面の曲率と第3面の曲率との差を規定しており、外光に対するプリズムの視度に影響を与える。プリズムの光軸上のx軸方向の視度Dx及びy軸方向の視度Dyは、プリズムの厚さをT、屈折率をNとすると、
Dx=2000(N−1)(A12,0−A32,0+(2T(N−1)/N)×A12,0×A32,0
Dy=2000(N−1)(A10,2−A30,2+(2T(N−1)/N)×A10,2×A30,2
で与えられる。
一般に、遠方視度の誤差は、±1Dを超えると不愉快に感じるため、プリズムの視度は、±1Dに抑えることが望ましい。光軸上の視度は、上記の式の通り、プリズムの厚さや、屈折率も関係するため、非球面係数の値のみでは、決まらないのであるが、係数が、条件(3)を満たす範囲にあれば、光軸上の視度を、±1Dの範囲に抑えることが可能である。
第1面及び第3面を以上の条件(1)〜(3)を満たす形状とすることによって、外界光と映像光との双方の収差補正が良好に行われ、優れた画質をもたらすことができる。
本発明のさらに別の側面では、プリズムが、第1面と第2面と第3面とを有し光射出側の第1プリズム部分と光入射側の第2プリズム部分とを有し、第1プリズム部分と第2プリズム部分とが、一体形成されている。
本発明の別の側面では、第2面にハーフミラーを形成し、映像光を観察者に提示するとともに、第2面の外側に光透過部材を一体的に配置し、外界光に対する視度を略0にして、外界光と映像光とを重ねて観察者に提示する。この場合、第2面越しに観察する外界光のデフォーカスや歪みを低減できる。
本発明のさらに別の側面では、光透過部材が、観察者側に第1透過面と第2透過面とを有するとともに外界側に第3透過面を有し、プリズムの第2面と光透過部材の第2透過面とが、略同じ曲面形状を有し、第2面と第2透過面とが、一体化されている。この場合、面同士を接着して一体化することができ、第1面及び第3面側に連続的な表面をそれぞれ形成することができる。
本発明のさらに別の側面では、第1面と第2面と第3面とは、これらを通る光路を含む基準面を挟んで対称な形状を有する。
本発明のさらに別の側面では、第1面と第3面との間隔が5mm以上15mm以下である。この場合、5mm以上であることで、眼前を覆う第1プリズムのサイズを十分大きくすることができ、15mm以下であることで、重量が増加することを抑制できる。
本発明のさらに別の側面では、第1面に対する第2面の傾斜角が20°以上40°以下である。この場合、傾斜角が上記範囲にあることで、映像光を適切な反射回数及び反射角度で眼に導くことが容易となる。
本発明のさらに別の側面では、映像素子がプリズムの画像光入射面に対向するようにプリズムに一体的に固定されている。この場合、映像素子を省スペースで組み付けることができ、虚像表示装置を小型化することができる。
本発明のさらに別の側面では、第2プリズム部分が第4面と第5面と第6面とを有し、映像素子と第2プリズム部分の第4面と第5面と第6面とによって中間像が形成される。
本発明のさらに別の側面では、プリズムを含む光学系が、装着時に観察者の眼前のうち一部を覆い、眼前が覆われていない部分を存在させる。
本発明のさらに別の側面では、映像素子が、画像に対応して変調された信号光を射出する信号光形成部と、信号光形成部から入射した信号光を走査させることにより走査光として射出させる走査光学系と、を有する。
実施形態の虚像表示装置を説明する斜視図である。 虚像表示装置の本体構造を説明する斜視図である。 (A)は、虚像表示装置を構成する第1表示装置の本体部分の平面視の断面図であり、(B)は、本体部分の正面図である。 第1表示装置中のプリズムにおける光学面や光路を説明する断面図である。 実施例1の光学系を説明する図である。 (A)〜(F)は、実施例1の光学系の収差を説明する図である。 (A)〜(F)は、実施例1の光学系の収差を説明する図である。 実施例2の光学系を説明する図である。 (A)〜(F)は、実施例2の光学系の収差を説明する図である。 (A)〜(F)は、実施例2の光学系の収差を説明する図である。 実施例3の光学系を説明する図である。 (A)〜(F)は、実施例3の光学系の収差を説明する図である。 (A)〜(F)は、実施例3の光学系の収差を説明する図である。 実施例4の光学系を説明する図である。 (A)〜(F)は、実施例4の光学系の収差を説明する図である。 (A)〜(F)は、実施例4の光学系の収差を説明する図である。 変形例の虚像表示装置を説明する図である。 別の変形例の虚像表示装置を説明する図である。 (A)は、導光装置及びこれを用いた虚像表示装置のその他の別の一例について説明する斜視図であり、(B)は、正面図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る一実施形態の虚像表示装置について詳細に説明する。
〔A.虚像表示装置の外観〕
図1に示す実施形態の虚像表示装置100は、眼鏡のような外観を有するヘッドマウントディスプレイであり、この虚像表示装置100を装着した観察者に対して虚像に対応する画像光を視認させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで視認又は観察させることができる。虚像表示装置100は、観察者の眼前を覆う透視部材101と、透視部材101を支持するフレーム102と、フレーム102の左右両端のカバー部から後方のつる部分(テンプル)にかけての部分に付加された第1及び第2内蔵装置部105a,105bとを備える。ここで、透視部材101は、観察者の眼前を覆う肉厚で湾曲した光学部材(透過アイカバー)であり、第1光学部分103aと第2光学部分103bとに分かれている。図面上で左側の第1光学部分103aと第1内蔵装置部105aとを組み合わせた第1表示装置100Aは、右眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。また、図面上で右側の第2光学部分103bと第2内蔵装置部105bとを組み合わせた第2表示装置100Bは、左眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。
〔B.表示装置の構造〕
図2、図3(A)等に示すように、第1表示装置100Aは、投射透視装置70と、画像表示装置80とを備える。このうち、投射透視装置70は、導光部材であるプリズム40と、光透過部材50とを備える。プリズム40と光透過部材50とは接合によって一体化され、例えばプリズム40の上面40eとフレーム61の下面61eとが接するようにフレーム61の下側にしっかりと固定されている。プリズム40と光透過部材50とは、図1における第1光学部分103aに相当し、画像表示装置80は、図1における第1内蔵装置部105aに相当する。なお、図1に示す第2表示装置100Bは、第1表示装置100Aと同様の構造を有し左右を反転させただけであるので、第2表示装置100Bの詳細な説明は省略する。
投射透視装置70のうち、プリズム40は、鼻に近い中央側に配置され平面視において顔面に沿うように湾曲した円弧状の第1プリズム部分41と、鼻から離れた周辺側に配置されたブロック状の第2プリズム部分42とに分けて考えることができる。第1プリズム部分41は、光射出側に配置され、光学的な機能を有する側面として、第1面S41と、第2面S42と、第3面S43とを有し、第2プリズム部分42は、光入射側に配置され、光学的な機能を有する側面として、第4面S44と、第5面S45と、第6面S46とを有する。このうち、第1面S41と第3面S43との間に第2面S42が配置され、第1面S41と第5面S45とが所定の角度を成して比較的近くに配置され、第4面S44と第6面S46とが隣接し、第5面S45は、プリズム材料を挟んで第4面S44と第6面S46とに対向して配置されている。また、プリズム40は、第1〜第3面S41〜S43に隣接するとともに互いに対向する第1の側面40eと第2の側面40fとを有する。
プリズム40において、第1面S41は、Z軸に平行な射出側光軸AXOを中心軸又は基準軸とする自由曲面であり、第2面S42は、XZ面に平行な基準面SRに含まれZ軸に対して傾斜した光軸AX1を中心軸又は基準軸とする自由曲面であり、第3面S43は、射出側光軸AXOを中心軸又は基準軸とする自由曲面である。第4面S44は、XZ面に平行な基準面SRに含まれZ軸に対して傾斜した一対の光軸AX3,AX4の2等分線を中心軸又は基準軸とする自由曲面であり、第5面S45は、XZ面に平行な基準面SRに含まれZ軸に対して傾斜した一対の光軸AX4,AX5の2等分線を中心軸又は基準軸とする自由曲面であり、第6面S46は、XZ面に平行な基準面SRに含まれZ軸に対して傾斜した光軸AX5を中心軸又は基準軸とする自由曲面である。なお、以上の第1〜第6面S41〜S46は、水平(又は横)に延びXZ面に平行で光軸AX1〜AX4等が通る基準面SRを挟んで、鉛直(又は縦)のY軸方向に関して対称な形状を有している。
プリズム40は、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されている。プリズム40は、射出成形によって一体的に成形されたブロック状部材を本体部分40sとして有し、本体部分(ブロック状部材)40sは、例えば熱可塑性の樹脂材料を成形金型内に射出させ硬化させることで形成されている。このように本体部分40sは、一体形成品とされているが、上記のような第1プリズム部分41と第2プリズム部分42とに分けて考えることができる。第1プリズム部分41は、映像光GLの導波及び射出を可能にするとともに、外界光HLの透視を可能にする。第2プリズム部分42は、映像光GLの入射及び導波を可能にする。
第1プリズム部分41において、第1面S41は、映像光GLを第1プリズム部分41外に射出させる屈折面として機能するとともに、映像光GLを内面側で全反射させる全反射面として機能する。第1面S41は、眼EYの正面に配されるものであり、観察者に対し凹面形状を成している。なお、第1面S41は、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止する目的で、本体部分40sをハードコート層で被覆することによってこれを形成することもできる。このハードコート層は、本体部分40sの下地面上に樹脂等からなるコート剤をディップ処理やスプレーコート処理によって成膜することによって形成される。
第2面S42は、ハーフミラー層15を有している。このハーフミラー層15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(半透過反射膜)15は、第2面S42の全体ではなく、その部分領域PA上に形成されている。具体的には、ハーフミラー層15は、第2面S42が広がる全体領域QAを主に鉛直方向に関して狭めた部分領域PA上に形成されている。この部分領域PAは、鉛直のY軸方向に関する中央側に配置されており、水平の基準面SRに沿った方向に関して略全体に配置されている。ハーフミラー層15は、本体部分40sの下地面のうち部分領域PA上に、金属反射膜や誘電体多層膜を成膜することにより形成される。ハーフミラー層15の映像光GLに対する反射率は、シースルーによる外界光HLの観察を容易にする観点で、想定される映像光GLの入射角範囲において10%以上50%以下とする。具体的な実施例のハーフミラー層15の映像光GLに対する反射率は、例えば20%に設定され、映像光GLに対する透過率は、例えば80%に設定される。
第3面S43は、屈折率差を利用して映像光GLを内面側で全反射させる全反射面として機能する。なお、第3面S43は、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止する目的で、本体部分40sをハードコート層で被覆することによってこれを形成することもできる。第3面S43は、眼EYの正面に配されるものであり、第1面S41と同様に観察者に対し凹面形状を成しており、第1面S41と第3面S43とを通過させて外界光HLを見たときに、視度が略0になっている。
第2プリズム部分42は、映像表示素子82の像面(表示位置)OI上の各点から射出された映像光又は画像光をプリズム40内に再結像させるためのリレー光学系である。第2プリズム部分42において、第4面S44及び第5面S45は、非透過性の反射コートであるミラー層27で被覆されており、映像光GLを内面側で略全て反射させる反射面(広義の全反射面)として機能する。なお、本体部分40sの屈折率、或いは第4若しくは第4面S44,S45での反射角度を調整することにより、これらの面S44,S45を、映像光GLを内面側で全反射させる全反射面(狭義の全反射面)として機能させることもできる。
第6面S46は、映像光GLを第2プリズム部分42内に入射させる屈折面として機能する。なお、第6面S46は、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止する目的で、本体部分40sをハードコート層で被覆することによってこれを形成することもできるが、反射防止によってゴーストを抑制する目的で、本体部分40sを多層膜で被覆することによってこれを形成することもできる。
光透過部材50は、可視域で高い光透過性を示し、プリズム40の本体部分40sと略同一の屈折率を有する樹脂材料で形成され、プリズム40と一体的に固定されている。光透過部材50は、プリズム40の透視機能を補助する補助プリズムであり、光学的な機能を有する側面として、第1透過面S51と、第2透過面S52と、第3透過面S53とを有する。ここで、第1透過面S51と第3透過面S53との間に第2透過面S52が配置されている。第1透過面S51は、プリズム40の第1面S41を延長した曲面上にあり、第2透過面S52は、プリズム40の第2面S42に沿って延び当該第2面S42に対して接着剤CCによって接合され一体化されている曲面であり、第3透過面S53は、プリズム40の第3面S43を延長した曲面上にある。
プリズム40の第2プリズム部分42は、後述する画像表示装置80に連結され、画像表示装置80を支持している。第2プリズム部分42は、遮光部材63に覆われている。プリズム40の第1プリズム部分41の上端部及び下端部も遮光部材63に覆われている。プリズム40の周辺には、外光が入射することを防止する追加の遮光部を設けることができる。遮光部は、例えば遮光性の塗装や光散乱層で構成することができる。
画像表示装置80は、2次元的な照明光SLを射出する照明装置81と、透過型の空間光変調装置である映像表示素子82と、照明装置81及び映像表示素子82の動作を制御する駆動制御部84とを有する。
画像表示装置80の照明装置81は、赤、緑、青の3色を含む光を発生する光源81aと、光源81aからの光を拡散させて矩形断面の光束にするバックライト導光部81bとを有する。映像表示素子82は、例えば液晶表示デバイスで形成される映像素子であり、照明装置81からの照明光SL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。駆動制御部84は、光源駆動回路84aと、液晶駆動回路84bとを備える。光源駆動回路84aは、照明装置81の光源81aに電力を供給して安定した輝度の照明光SLを射出させる。液晶駆動回路84bは、映像表示素子82に対して画像信号又は駆動信号を出力することにより、透過率パターンとして動画や静止画の元になるカラーの画像光を形成する。なお、液晶駆動回路84bに画像処理機能を持たせることができるが、外付けの制御回路に画像処理機能を持たせることもできる。なお、画像表示装置80は、プリズム40の画像光入射面である第6面S46に対向するように、プリズム40に一体的に固定されている。つまり、映像表示素子(映像素子)82も第6面(画像光入射面)S46に対向するように、プリズム40に一体的に固定されている。
〔C.映像光等の光路〕
以下、虚像表示装置100における映像光GL等の光路について説明する。
映像表示素子(映像素子)82から射出された映像光GLは、プリズム40に設けた比較的強い正の屈折力を有する第6面S46に入射する。
プリズム40の第6面S46を通過した映像光GLは、収束しつつ進み、第2プリズム部分42を通過する際に、比較的弱い正の屈折力を有する第5面S45で反射され、比較的弱い正の屈折力を有する第4面S44で反射される。
第2プリズム部分42の第4面S44で反射された映像光GLは、収束されつつ進み、第1プリズム部分41において、比較的弱い正の屈折力を有する第3面S43に入射して全反射され、比較的弱い負の屈折力を有する第1面S41に入射して全反射される。なお、映像光GLは、第3面S43を通過する前において、第2プリズム部分42であるリレー光学系42によって、プリズム40中に湾曲した中間像を形成する。この中間像の像面IIは、映像表示素子82の像面(表示位置)OIに対応するものである。
第1面S41で全反射された映像光GLは、第2面S42に入射するが、特にハーフミラー層15に入射した映像光GLは、このハーフミラー層15を部分的に透過しつつも部分的に反射されて第1面S41に再度入射して通過する。なお、ハーフミラー層15は、ここで反射される映像光GLに対して比較的強い正の屈折力を有するものとして作用する。また、第1面S41は、これを通過する映像光GLに対して負の屈折力を有するものとして作用する。
第1面S41を通過した映像光GLは、観察者の眼EYの瞳に略平行光束として入射する。つまり、観察者は、虚像としての映像光GLにより、映像表示素子82上に形成された画像を観察することになる。
一方、外界光HLのうち、プリズム40の第2面S42よりも+X側に入射するものは、第1プリズム部分41の第3面S43と第1面S41とを通過するが、この際、正負の屈折力が相殺されるとともに収差が補正される。つまり、観察者は、プリズム40越しに歪みの少ない外界像を観察することになる。同様に、外界光HLのうち、プリズム40の第2面S42よりも−X側に入射するもの、つまり、光透過部材(補助プリズム)50に入射したものは、これに設けた第3透過面S53と第1透過面S51とを通過する際に、正負の屈折力が相殺されるとともに収差が補正される。つまり、観察者は、光透過部材50越しに歪みの少ない外界像を観察することになる。さらに、外界光HLのうち、プリズム40の第2面S42に対応する光透過部材50に入射するものは、第3透過面S53と第1面S41とを通過する際に、正負の屈折力が相殺されるとともに収差が補正される。つまり、観察者は、光透過部材50越しに歪みの少ない外界像を観察することになる。なお、プリズム40の第2面S42と光透過部材50の第2透過面S52とは、略同一の曲面形状をともに有し、略同一の屈折率をともに有し、両者の隙間が略同一の屈折率の接着層(接着剤)CCで充填されている。つまり、プリズム40の第2面S42や光透過部材50の第2透過面S52は、外界光HLに対して屈折面として作用しない。
ただし、ハーフミラー層15に入射した外界光HLは、このハーフミラー層15を部分的に透過しつつも部分的に反射されるので、ハーフミラー層15に対応する方向からの外界光HLは、ハーフミラー層15の透過率に弱められる。その一方で、ハーフミラー層15に対応する方向からは、映像光GLが入射するので、観察者は、ハーフミラー層15の方向に映像表示素子82上に形成された画像とともに外界像を観察することになる。
プリズム40内で伝搬されて第2面S42に入射した映像光GLのうち、ハーフミラー層15で反射されなかったものは、光透過部材50内に入射するが、光透過部材50に設けた不図示の反射防止部によってプリズム40に戻ることが防止される。つまり、第2面S42を通過した映像光GLが光路上に戻されて迷光となることが防止される。また、光透過部材50側から入射してハーフミラー層15で反射された外界光HLは、光透過部材50に戻されるが、光透過部材50に設けた上述の不図示の反射防止部によってプリズム40に射出されることが防止される。つまり、ハーフミラー層15で反射された外界光HLが光路上に戻されて迷光となることが防止される。
〔D.光学面や光路の規定方法〕
図4は、プリズム40中の光軸AX1〜AX5やローカル座標を説明する図である。以下の説明では、光学系の評価や表現の便宜を考慮して、観察者の眼EYから画像表示装置80に向けて逆進方向に関して、光学面や光路を規定する。実際の光学系では、映像表示素子82から発した光は、プリズム40の第1プリズム部分41と第2プリズム部分42とを順次通り、眼EYに至るのであるが、その状態では光学系の評価がやり難い。そのため、眼EYの位置にある絞りを通して無限遠の光源からの光が、プリズム40の第1プリズム部分41に入り、第2プリズム部分42を経て映像表示素子82に結像するものとして、評価・設計を行なっており、以下に詳述する光学系のデータもその順で表示している。なお、プリズム40に接合されて一体として使用される光透過部材50については、プリズム40の形状を延長したものであり、説明を省略している。
図示のプリズム40において、第1面S41の光軸は、射出側光軸AXOと一致しており、第1面S41のローカル座標(x,y,z)は、全体座標(X,Y,Z)と並進関係にあって、第1面S41上に原点を有する。つまり、ローカル座標のz方向は、射出側光軸AXO上にあって進行方向(光線の逆進方向)となっており、ローカル座標のy方向は、全体座標のY方向と平行になっている。以後の各面においても、ローカル座標のy方向は、全体座標のY方向と平行になっている。
第2面S42の光軸は、射出側光軸AXOに対して適宜傾けられたものとなっており、第2面S42のローカル座標は、全体座標に対してY軸の周りに適宜回転するとともに並進したものとなっており、第2面S42上に原点を有する。第2面S42のローカル座標のz方向は、射出側光軸AXOと、第2面S42から第1面S41に向けての光束中心の光軸AX1との中間方向になっている。
第3面S43の光軸は、射出側光軸AXOと一致しており、第3面S43のローカル座標は、全体座標と並進関係にあって、第3面S43の延長面すなわち第3透過面S53上に原点を有する。
以上により、第2面S42から第1面S41に向けての光束中心の光軸AX1と、第1面S41から第3面S43に向けての光束中心の光軸AX2との中間方向は、第1面S41上の光束中心(光軸AX1,AX2の交点)における第1面S41の法線方向と一致している。また、第1面S41から第3面S43に向けての光束中心の光軸AX2と、第3面S43から第4面S44に向けての光束中心の光軸AX3との中間方向は、第3面S43上の光束中心(光軸AX2,AX3の交点)における第3面S43の法線方向と一致している。
第3面S43から次の第4面S44に向かう光路において、そのローカル座標は、進行方向(光線の逆進方向)に対応するものとなっている。つまり、第3面S43から第4面S44にかけてのローカル座標のz方向は、光束中心の光軸AX3と一致しており、このローカル座標のy方向は、全体座標のY方向と平行になっている。
また、第4及び第5面S44,S45のローカル座標のz方向は、反射の前後で進行方向(光線の逆進方向)に対応して光軸AX3,AX4,AX5に沿ったものとなっており、第4及び第5面S44,S45の位置で各面の光軸(光軸AX3,AX4の2等分線、又は光軸AX4,AX5の2等分線)に平行になっている。第6面S46のローカル座標の原点は、この第6面S46上にあって、ローカル座標のz方向は、第6面S46の光軸AX5と平行になっている。
なお、第6面S46の光軸である光軸AX5は、画像表示装置80から延びる入射側光軸AXIと一致している。
〔E.光学面の望ましい特徴〕
プリズム40の第1面S41の形状は、第1面S41のローカル座標(x,y,z)を利用して
z=Σ{A1m,n・(x・y)} … (4)
ここで、A1m,nは、多項式展開した第m・n項の係数
m,nは、0以上の整数
で表される。
プリズム40の第2面S42の形状は、第2面S42のローカル座標(x,y,z)を利用して
z=Σ{A2m,n・(x・y)} … (5)
ここで、A2m,nは、多項式展開した第m・n項の係数
で表される。
プリズム40の第3面S43の形状は、第3面S43のローカル座標(x,y,z)を利用して
z=Σ{A3m,n・(x・y)} … (6)
ここで、A3m,nは、多項式展開した第m・n項の係数
で表される。
本実施形態において、プリズム40の第1〜第3面S41〜S43は、
−5×10−2<A12,0+A10,2<−1×10−3 及び
−5×10−2<A32,0+A30,2<−1×10−3 … (1)
|A32,0−A30,2|<1×10−2 … (2)
|A12,0−A32,0|<5×10−3 及び
|A10,2−A30,2|<5×10−3 … (3)
の3条件を満足している。これらの3条件を満たすように第1〜第3面S41〜S43の形状を設定することによって、外界光HLと映像光GLとの双方の収差補正が良好に行われ、優れた画質をもたらすことができる。
プリズム40の第1面S41と第3面S43との間隔は5mm以上15mm以下となっている。また、第1面S41に対する第2面S42の傾斜角が20°以上40°以下となっている。
なお、プリズム40の第4面S44又は第5面S45ついては、光路の調整や収差のより精密な補正のために設けられたものであり、投射透視装置70の仕様等を考慮して省略することができる。
本実施形態の虚像表示装置100では、プリズム40によってプリズム40の内部に中間像が形成されるとともに、プリズムにおいて、第3面S43、第1面S41、及び第2面S42の順に2面以上で全反射された映像光GLが、第1面S41を透過して観察者の眼EYに到達するので、眼前のプリズム40を薄型にして光学系全体を小型で軽量なものにしつつ、広画角で明るい高性能の表示を実現することができる。また、外界光HLについては、例えば第1面S41と第3面S43とを通過させて観察することができ、その際の視度を略0とするので、シースルーで外界光HLを観察する際の外界光HLのデフォーカスや歪みを低減できる。また、プリズム40の形状が、観察者の顔に沿う形となっており、重心も顔に近く、デザインにも優れたものとできる。
〔実施例〕
以下、本発明に係る虚像表示装置に組み込まれる投射透視装置の実施例について説明する。各実施例で使用する記号を以下にまとめた。
SPH :瞳
FFSk :自由曲面(プリズム中のk=面番号)SPH :球面又は平面(保護ガラス表面)
R :曲率半径
T :軸上面間隔
Nd :光学材料のd線に対する屈折率
Vd :光学材料のd線に関するアッベ数
TLY :特定面の横断面(XZ断面)における光軸の傾斜角度(°)
(TLYについては、特定面の前後で変化する場合がある)
DCX :特定面の横断面(XZ断面)における光軸のズレ量
(実施例1)
実施例1の投射透視装置のうちプリズムを構成する光学面のデータを以下の表1に示す。なお、例えばFFS1は、第1面S41を意味し、FFS2は、第2面S42を意味し、FFS3は、第3面S43を意味する。
〔表1〕
No Type R T Nd Vd
1 SPH ∞ 20.00
2 FFS1 -298.406 5.20 1.525 55.95
3 FFS2 -35.413 -5.20 1.525 55.95
4 FFS1 -298.406 8.50 1.525 55.95
5 FFS3 -298.406 -18.00 1.525 55.95
6 FFS4 27.445 14.00 1.525 55.95
7 FFS5 -38.749 -13.00 1.525 55.95
8 FFS6 -11.535 -3.00
9 SPH ∞ -1.60 1.458 67.82
10 像面
実施例1を構成するプリズム中の光学面について、その横断面における光軸傾斜角度(ティルト)TLYと光軸ズレ量(ディセンター)DCXとを以下の表2に示す。
〔表2〕
No Type TLY(面前) DCX(面後) TLY(面後)
2 FFS1 0 0 0
3 FFS2 -26 0 26
4 FFS1 0 0 0
5 FFS3 0 13.419 -45.01
6 FFS4 -20 0 -20
7 FFS5 25 0 25
8 FFS6 0 0 0
実施例1を構成するプリズム中の各光学面について、自由曲面の多項式展開した係数Akm,nを以下の表3に示す。なお、表3において、記号m,nは、係数Akm,n中の変数又は次数を意味する。また、記号FFSk(k=1〜6)は、自由曲面である第1〜第6面S41〜S46のうち第k面を意味する。なお、係数Akm,nは、対象とする第k面を表す多項式を構成する各項x・yの係数を意味する。
〔表3〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4 FFS5 FFS6
2 0 -2.907E-03 -1.035E-02 -2.907E-03 2.143E-02 -9.578E-03 4.047E-02
0 2 -1.676E-03 -1.412E-02 -1.676E-03 1.822E-02 -1.290E-02 -4.335E-02
3 0 -5.398E-06 4.962E-05 -5.398E-06 -9.349E-05 1.458E-03 2.580E-04
1 2 -1.598E-03 1.311E-04 -1.598E-03 2.696E-04 5.302E-03 -1.167E-02
4 0 -1.692E-06 -6.203E-06 -1.692E-06 -2.734E-05 3.031E-04 6.358E-04
2 2 6.709E-05 2.963E-06 6.709E-05 -5.281E-05 2.725E-04 -1.818E-03
0 4 1.409E-04 3.103E-05 1.409E-04 -9.759E-06 1.460E-05 -1.925E-03
以上の表3及び以下の表において、数値のE以後は10進数の指数部を意味し、例えば「−6.511E−03」とは、−6.511×10−03を意味する。
図5は、実施例1の投射透視装置70の断面図である。ただし、光束については、基準面SR上だけでなく、基準面SRからY方向に外れたものも示している。投射透視装置70のうちプリズム40は、弱い負の屈折力を有する第1面S41と、比較的強い正の屈折力を有する第2面S42と、比較的弱い正の屈折力を有する第3面S43と、比較的弱い正の屈折力を有する第4面S44と、比較的弱い正の屈折力を有する第5面S45と、比較的強い正の屈折力を有する第6面S46とを有する。実施例1の光学系の具体的な仕様について説明すると、水平画角が20.1°で、垂直画角が11.4°で、映像表示素子の表示領域の大きさが9.22×5.18mmで、瞳径が5mmで、焦点距離が約26mmである。
図6(A)〜6(F)及び図7(A)〜7(F)は、実施例1の収差を示す。各収差図において、横軸は瞳における位置を示し、縦軸は収差量をミクロン単位で示す。具体的には、図6(A)及び6(B)は、X方向に10°でY方向に5.7°の方位におけるX及びY方向の収差を示し、図6(C)及び6(D)は、X方向に0.0°でY方向に5.7°の方位におけるX及びY方向の収差を示し、図6(E)及び6(F)は、X方向に−10°でY方向に5.7°の方位におけるX及びY方向の収差を示す。図7(A)及び7(B)は、X方向に10°でY方向に0.0°の方位におけるX及びY方向の収差を示し、図7(C)及び7(D)は、X方向に0.0°でY方向に0.0°の方位におけるX及びY方向の収差を示し、図7(E)及び7(F)は、X方向に−10°でY方向に0.0°の方位におけるX及びY方向の収差を示す。なお、図示の収差量は、便宜上光線を逆行させた場合の映像表示素子の像面における収差量となっている。
(実施例2)
実施例2の投射透視装置のうちプリズムを構成する光学面のデータを以下の表4に示す。
〔表4〕
No Type R T Nd Vd
1 SPH ∞ 20.00
2 FFS1 -299.909 5.50 1.525 55.95
3 FFS2 -56.674 -5.50 1.525 55.95
4 FFS1 -299.909 9.00 1.525 55.95
5 FFS3 -299.909 -16.00 1.525 55.95
6 FFS4 28.894 9.00 1.525 55.95
7 FFS5 -14.515 -11.00 1.525 55.95
8 FFS6 9.477 -3.00
9 SPH ∞ -1.60 1.458 67.82
10 像面
実施例2を構成するプリズム中の光学面について、その横断面における光軸傾斜角度(ティルト)TLYと光軸ズレ量(ディセンター)DCXとを以下の表5に示す。
〔表5〕
No Type TLY(面前) DCX(面後) TLY(面後)
2 FFS1 0 0 0
3 FFS2 -26 0 26
4 FFS1 0 0 0
5 FFS3 0 18.408 -46.13
6 FFS4 -24 0 -24
7 FFS5 -23 0 -23
8 FFS6 0 0 0
実施例2を構成するプリズム中の各光学面について自由曲面の多項式展開した係数を以下の表6に示す。なお、表6において、記号m,nは、係数Akm,n中の変数又は次数を意味する。また、記号FFSk(k=1〜6)は、自由曲面である第1〜第6面S41〜S46のうち第k面を意味する。
〔表6〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4 FFS5 FFS6
2 0 -1.724E-03 -1.013E-02 -1.724E-03 1.420E-02 -1.809E-02 -5.024E-02
0 2 -1.667E-03 -8.822E-03 -1.667E-03 1.730E-02 -3.445E-02 5.276E-02
3 0 -3.814E-05 -1.148E-05 -3.814E-05 6.256E-04 2.776E-04 -6.606E-03
1 2 -5.045E-04 -3.771E-04 -5.045E-04 7.220E-04 -1.028E-03 8.186E-03
4 0 9.913E-07 7.814E-07 9.913E-07 -8.739E-05 2.436E-05 -6.258E-04
2 2 -9.694E-06 4.685E-06 -9.694E-06 -1.853E-04 -1.584E-06 6.443E-04
0 4 2.899E-06 1.036E-06 2.899E-06 9.050E-05 -2.015E-05 -5.541E-04
図8は、実施例2の投射透視装置70の断面図である。投射透視装置70のうちプリズム40は、弱い負の屈折力を有する第1面S41と、比較的強い正の屈折力を有する第2面S42と、比較的弱い正の屈折力を有する第3面S43と、比較的弱い正の屈折力を有する第4面S44と、比較的弱い正の屈折力を有する第5面S45と、比較的弱い負の屈折力を有する第6面S46とを有する。実施例2の光学系の具体的な仕様について説明すると、水平画角が20.1°で、垂直画角が11.4°で、映像表示素子の表示領域の大きさが9.22×5.18mmで、瞳径が5mmで、焦点距離が約26mmである。
図9(A)〜9(F)及び図10(A)〜10(F)は、実施例2の収差を示す。具体的には、図9(A)及び9(B)は、X方向に10°でY方向に5.7°の方位におけるX及びY方向の収差を示し、図9(C)及び9(D)は、X方向に0.0°でY方向に5.7°の方位におけるX及びY方向の収差を示し、図9(E)及び9(F)は、X方向に−10°でY方向に5.7°の方位におけるX及びY方向の収差を示す。図10(A)及び10(B)は、X方向に10°でY方向に0.0°の方位におけるX及びY方向の収差を示し、図10(C)及び10(D)は、X方向に0.0°でY方向に0.0°の方位におけるX及びY方向の収差を示し、図10(E)及び10(F)は、X方向に−10°でY方向に0.0°の方位におけるX及びY方向の収差を示す。
(実施例3)
実施例3の投射透視装置のうちプリズムを構成する光学面のデータを以下の表7に示す。
〔表7〕
No Type R T Nd Vd
1 SPH ∞ 20.00
2 FFS1 -141.388 5.30 1.525 55.95
3 FFS2 -53.069 -5.30 1.525 55.95
4 FFS1 -141.388 9.00 1.525 55.95
5 FFS3 -141.388 -20.00 1.525 55.95
6 FFS4 59.251 10.00 1.525 55.95
7 FFS5 -18.769 -11.00 1.525 55.95
8 FFS6 6.446 -3.00
9 SPH ∞ -1.60 1.458 67.82
10 像面
実施例3を構成するプリズム中の光学面について、その横断面における光軸傾斜角度(ティルト)TLYと光軸ズレ量(ディセンター)DCXとを以下の表8に示す。
〔表8〕
No Type TLY(面前) DCX(面後) TLY(面後)
2 FFS1 0 0 0
3 FFS2 -27 0 27
4 FFS1 0 0 0
5 FFS3 0 18.522 -21.01
6 FFS4 23 0 23
7 FFS5 18 0 18
8 FFS6 0 0 0
実施例3を構成するプリズム中の各光学面について自由曲面の多項式展開した係数を以下の表9に示す。なお、表9において、記号m,nは、係数Akm,n中の変数又は次数を意味する。また、記号FFSk(k=1〜6)は、自由曲面である第1〜第6面S41〜S46のうち第k面を意味する。
〔表9〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4 FFS5 FFS6
2 0 -3.372E-03 -1.133E-02 -3.372E-03 2.160E-02 -6.920E-03 -8.363E-03
0 2 -3.536E-03 -9.422E-03 -3.536E-03 8.439E-03 -2.664E-02 7.757E-02
3 0 7.516E-05 4.674E-05 7.516E-05 -4.006E-04 1.068E-03 -3.012E-03
1 2 4.770E-04 3.276E-04 4.770E-04 2.312E-04 9.613E-04 -3.189E-03
4 0 -1.013E-05 -4.728E-06 -1.013E-05 5.708E-05 1.995E-05 -1.582E-03
2 2 2.031E-05 2.079E-06 2.031E-05 -4.304E-05 -5.913E-05 -1.894E-03
0 4 9.640E-07 1.531E-07 9.640E-07 2.413E-05 4.779E-05 4.314E-04
図11は、実施例3の投射透視装置70の断面図である。投射透視装置70のうちプリズム40は、弱い負の屈折力を有する第1面S41と、比較的強い正の屈折力を有する第2面S42と、比較的弱い正の屈折力を有する第3面S43と、比較的弱い正の屈折力を有する第4面S44と、比較的弱い正の屈折力を有する第5面S45と、比較的弱い負の屈折力を有する第6面S46とを有する。実施例3の光学系の具体的な仕様について説明すると、水平画角が20.1°で、垂直画角が11.4°で、映像表示素子の表示領域の大きさが9.22×5.18mmで、瞳径が5mmで、焦点距離が約26mmである。
図12(A)〜12(F)及び図13A)〜13(F)は、実施例3の収差を示す。具体的には、図12(A)及び12(B)は、X方向に10°でY方向に5.7°の方位におけるX及びY方向の収差を示し、図12(C)及び12(D)は、X方向に0.0°でY方向に5.7°の方位におけるX及びY方向の収差を示し、図12(E)及び12(F)は、X方向に−10°でY方向に5.7°の方位におけるX及びY方向の収差を示す。図13(A)及び13(B)は、X方向に10°でY方向に0.0°の方位におけるX及びY方向の収差を示し、図13(C)及び13(D)は、X方向に0.0°でY方向に0.0°の方位におけるX及びY方向の収差を示し、図13(E)及び13(F)は、X方向に−10°でY方向に0.0°の方位におけるX及びY方向の収差を示す。
(実施例4)
実施例4の投射透視装置のうちプリズムを構成する光学面のデータを以下の表10に示す。
〔表10〕
No Type R T Nd Vd
1 SPH ∞ 20.00
2 FFS1 -475.145 5.20 1.525 55.95
3 FFS2 -44.365 -5.20 1.525 55.95
4 FFS1 -475.145 9.50 1.525 55.95
5 FFS3 -475.145 -26.00 1.525 55.95
6 FFS4 25.895 17.00 1.525 55.95
7 FFS5 38.553 -14.00 1.525 55.95
8 FFS6 15.813 -3.00
9 SPH ∞ -1.60 1.458 67.82
10 像面
実施例4を構成するプリズム中の光学面について、その横断面における光軸傾斜角度(ティルト)TLYと、光軸ズレ量(ディセンター)DCXとを以下の表11に示す。
〔表11〕
No Type TLY(面前) DCX(面後) TLY(面後)
2 FFS1 0 0 0
3 FFS2 -29 0 29
4 FFS1 0 0 0
5 FFS3 0 23.353 -52.2
6 FFS4 20 0 20
7 FFS5 -22 0 -22
8 FFS6 0 0 0
実施例4を構成するプリズム中の各光学面について自由曲面の多項式展開した係数を以下の表12に示す。なお、表12において、記号m,nは、係数Akm,n中の変数又は次数を意味する。また、記号FFSk(k=1〜5)は、自由曲面である第1〜第5面S41〜S45のうち第k面を意味する。
〔表12〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4 FFS5 FFS6
2 0 -2.658E-03 -5.538E-03 -2.658E-03 1.578E-02 -1.645E-02 -4.043E-02
0 2 -1.052E-03 -1.127E-02 -1.052E-03 1.931E-02 1.297E-02 3.162E-02
3 0 1.188E-04 2.830E-05 1.188E-04 1.092E-04 -1.266E-04 4.950E-03
1 2 1.822E-04 2.905E-04 1.822E-04 8.586E-05 2.962E-03 4.549E-03
4 0 -2.740E-06 -4.570E-06 -2.740E-06 -3.048E-05 3.711E-05 2.181E-03
2 2 1.268E-05 1.628E-06 1.268E-05 2.209E-06 -1.229E-05 -5.144E-04
0 4 9.533E-07 3.363E-06 9.533E-07 6.889E-07 -7.295E-05 3.663E-04
図14は、実施例4の投射透視装置70の断面図である。投射透視装置70のうちプリズム40は、弱い負の屈折力を有する第1面S41と、比較的強い正の屈折力を有する第2面S42と、比較的弱い正の屈折力を有する第3面S43と、比較的弱い正の屈折力を有する第4面S44と、比較的弱い正の屈折力を有する第5面S45と、比較的弱い負の屈折力を有する第6面S46とを有する。実施例4の光学系の具体的な仕様について説明すると、水平画角が20.1°で、垂直画角が11.4°で、映像表示素子の表示領域の大きさが9.22×5.18mmで、瞳径が5mmで、焦点距離が約26mmである。
図15(A)〜15(F)及び図16(A)〜16(F)は、実施例3の収差を示す。具体的には、図15(A)及び15(B)は、X方向に10°でY方向に5.7°の方位におけるX及びY方向の収差を示し、図15(C)及び15(D)は、X方向に0.0°でY方向に5.7°の方位におけるX及びY方向の収差を示し、図15(E)及び15(F)は、X方向に−10°でY方向に5.7°の方位におけるX及びY方向の収差を示す。図16(A)及び16(B)は、X方向に10°でY方向に0.0°の方位におけるX及びY方向の収差を示し、図16(C)及び16(D)は、X方向に0.0°でY方向に0.0°の方位におけるX及びY方向の収差を示し、図16(E)及び16(F)は、X方向に−10°でY方向に0.0°の方位におけるX及びY方向の収差を示す。
以下の表13に、各実施例1〜4について、条件式(1)〜(3)に関する数値データをまとめた。
Figure 2013200555
また、以下の表14に、各実施例1〜4について、第1面S41と第3面S43との間隔及び第1面S41に対する第2面S42の傾斜角に関する数値データをまとめた。
Figure 2013200555
また、条件式(3)は、外光に対するプリズムの視度に影響を与えており、プリズムの光軸上のx軸方向の視度Dx及びy軸方向の視度Dyは、プリズムの厚さをT、屈折率をNとすると、
Dx=2000(N−1)(A12,0−A32,0+(2T(N−1)/N)×A12,0×A32,0
Dy=2000(N−1)(A10,2−A30,2+(2T(N−1)/N)×A10,2×A30,2
で与えられる。上式に基づいて、以下の表15に、各実施例1〜4についての視度に関する数値データをまとめた。
Figure 2013200555
〔その他〕
以上各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、ハーフミラー層(半透過反射膜)15が横長の矩形領域に形成されるとしたが、ハーフミラー層15の輪郭は用途その他の使用に応じて適宜変更することができる。また、ハーフミラー層15の透過率や反射率も用途その他に応じて変更することができる。
上記の説明では、映像表示素子82における表示輝度の分布を特に調整していないが、位置によって輝度差が生じる場合等においては、表示輝度の分布を不均等に調整することができる。
上記の説明では、画像表示装置80として、透過型の液晶表示デバイス等からなる映像表示素子82を用いているが、画像表示装置80としては、透過型の液晶表示デバイス等からなる映像表示素子82に限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶表示デバイスを用いた構成も可能であり、液晶表示デバイス等からなる映像表示素子82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、画像表示装置80として、LEDアレイやOLED(有機EL)などに代表される自発光型素子を用いることもできる。
上記実施形態では、透過型の液晶表示デバイス等からなる画像表示装置80を用いているが、これに代えて走査型の画像表示装置を用いることもできる。
具体的には図17に示すように、虚像表示装置としての第1表示装置100Aは、投射透視装置70に相当する導光部330と画像表示装置380とを備える。画像表示装置380は、強度変調された信号光を形成するとともに当該信号光を走査光TLとして射出する装置であり、信号光形成部381と走査光学系382とを有する。
信号光形成部381は、光源を備えており、不図示の制御回路からの制御信号に基づいて変調して形成した信号光LLを射出する。走査光学系382は、信号光形成部381を経た信号光LLを走査しつつ射出させる。ここで、走査光学系382は、MEMSミラー等で構成され、信号光形成部381による信号光LLの変調に同期させて姿勢を変化させて信号光LLの光路を調整することで光線(走査光TL)の射出角度を縦横に変化させる2次元走査を行う。以上により、画像表示装置380は、映像光GLとなるべき走査光TLを導光部330に入射させるとともに第2面S42のうちハーフミラー層15が形成される部分領域の全体に対してスキャンさせる。
図示の第1表示装置100Aの動作について説明すると、画像表示装置380は、上述のようにして、信号光LLを走査光TLとして導光部330の第6面S46に向けて射出する。導光部330は、第6面S46を通過した走査光TLを全反射等により内部で導光させ、ハーフミラー層15に到達させる。この際、ハーフミラー層15の面上において走査光TLが走査されることで、走査光TLの軌跡としての画像光GLによって虚像が形成され、この虚像を装着者が眼EYで捉えることで、画像が認識される。なお、図示の場合では、導光部330のうち光入射面である第6面S46は、走査光TLの光軸に対して垂直な平面となっている。
また、図18に示すように、プリズム40と画像表示装置80との間に補正レンズCLをさらに有するものとしてもよい。補正レンズCLは、実質的にパワーを持たないレンズであり、例えば収差の抑制等のために用いることができる。
また、上記実施形態では、導光部材であるプリズム40と補助プリズムである光透過部材50とが装着者の眼EYの前全体を覆うような構成となっているが、これに限らず、例えば図19(A)及び19(B)に示すように、ハーフミラー層15を有する曲面形状である第2面S42を含んだ部分が眼EYの一部のみを覆っている、すなわち眼前の一部を覆い、覆わない部分も存在する小型の構成としてもよい。また、この場合、プリズム40及び光透過部材50を十分小さくすることで、シースルーとせず、ハーフミラー層15に代えて全反射をするミラーを配置させた構成としても、装着者がプリズム40及び光透過部材50の周囲から外界を観察できる。なお、図示の場合、第2面S42の全体又は略全体にハーフミラー層15が形成されているが、第2面S42の一部にのみハーフミラー層15が形成されていてもよい。また、図19(B)の例では、眼EYの略正面にハーフミラー層15が配置されるものとなっているが、ハーフミラー層15を正面よりずらして配置し、視線を動かすことで映像を視認可能にするものとしてもよい。例えば、眼EYの位置をやや下げる(プリズム40及び光透過部材50の位置をやや上げる)ものとしてもよい。この場合、例えば眼EYの下半分がプリズム40及び第1光透過部材50の下から見える状態となる。
上記の説明では、一対の表示装置100A,100Bを備える虚像表示装置100について説明しているが、単一の表示装置とできる。つまり、右眼及び左眼の双方に対応して、一組ずつ投射透視装置70及び画像表示装置80を設けるのではなく、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ投射透視装置70及び画像表示装置80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、一対の表示装置100A,100BのX方向の間隔について説明していないが、両表示装置100A,100Bの間隔は固定に限らず、機械機構等によって間隔の調整が可能である。つまり、両表示装置100A,100BのX方向の間隔は、着用者の眼幅等に応じて調整することができる。
上記の説明では、ハーフミラー層15が単なる半透過性の膜(例えば金属反射膜や誘電体多層膜)であるとしたが、ハーフミラー層15は、平面又は曲面のホログラム素子に置き換えることができる。
上記の説明では、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、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、プリズム40の第1面S41及び第3面S43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映像光を全反射させて導くものとしているが、本願発明の虚像表示装置100における全反射については、第1面S41又は第3面S43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、画像光の入射角度が全反射条件を満たした上で、上記第1面S41又は第3面S43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第1面S41又は第3面S43の全体又は一部がコートされていてもよい。
上記の説明では、プリズム40等が眼EYの並ぶ横方向に延びているが、プリズム40を縦方向に延びるように配置することもできる。この場合、光学部材110は、直列的ではなく並列的に平行配置された構造を有することになる。
AX1−AX5…光軸、 AXI…入射側光軸、 AXO…射出側光軸、 EY…眼、 GL…映像光、 HL…外界光、 II…中間像の像面、 PA…部分領域、 S41−S46…第1−第6面、 S46…画像光入射面、 S51−S53…第1−第3透過面、 SL…照明光、 SR…基準面、 40…プリズム、 40s…本体部分、 41,42…プリズム部分、 15…ハーフミラー層、 50…光透過部材、 70…投射透視装置、 80…画像表示装置、 81…照明装置、 82…映像表示素子(映像素子)、 84…駆動制御部、 100…虚像表示装置、 100A,100B…表示装置、 103a,103b…光学部分、 101…透視部材、 102…フレーム、 15…ミラー面、 CC…接着面

Claims (12)

  1. 映像光と外界光とを同時に視認させる虚像表表示装置であって、
    映像光を生じさせる映像素子と、
    3面以上の非軸対称な曲面を含む1つのプリズムとを備え、
    前記プリズムを含む光学系は、前記プリズムの内部に中間像を形成するリレー光学系であり、
    前記プリズムを構成する複数面のうち第1面と第3面とを通過させて外界を視認したときに、視度が略0になっており、
    前記第1面と前記第3面とは、観察側に対し凹面形状を成しており、
    前記映像素子からの映像光は、前記第3面で全反射され、前記第1面で全反射され、第2面で反射された後、前記第1面を透過して、観察側に到達する、虚像表示装置。
  2. 前記光学系を構成する各面の原点を基準として、面形状の表現式を原点から接線方向に延びる直交座標x及びyに関して多項式展開したものとするときに、第k面を表す多項式の項x・yの係数をAkm,nとして、下記(1)から(3)までの条件を満足する、請求項1に記載の虚像表示装置。
    −5×10−2<A12,0+A10,2<−1×10−3 及び
    −5×10−2<A32,0+A30,2<−1×10−3 … (1)
    |A32,0−A30,2|<1×10−2 … (2)
    |A12,0−A32,0|<5×10−3 及び
    |A10,2−A30,2|<5×10−3 … (3)
  3. 前記プリズムは、前記第1面と前記第2面と前記第3面とを有し光射出側の第1プリズム部分と、光入射側の第2プリズム部分とを有し、第1プリズム部分と第2プリズム部分とは、一体形成されている、請求項1及び2のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
  4. 前記第2面にハーフミラーを形成し、映像光を観察者に提示するとともに、前記第2面の外側に光透過部材を一体的に配置し、外界光に対する視度を略0にして、外界光と映像光とを重ねて観察者に提示する、請求項1から3までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
  5. 前記光透過部材は、観察者側に第1透過面と第2透過面とを有するとともに外界側に第3透過面を有し、前記プリズムの第2面と前記光透過部材の第2透過面とは、略同じ曲面形状を有し、前記第2面と前記第2透過面とは、一体化されている、請求項4に記載の虚像表示装置。
  6. 前記第1面と前記第2面と前記第3面とは、これらを通る光路を含む基準面を挟んで対称な形状を有する、請求項1から5までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
  7. 前記第1面と前記第3面との間隔は、5mm以上15mm以下である、請求項1から6までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
  8. 前記第1面に対する前記第2面の傾斜角は、20°以上40°以下である、請求項1から7までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
  9. 前記映像素子は、前記プリズムの画像光入射面に対向するように、前記プリズムに一体的に固定されている、請求項1から8までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
  10. 前記第2プリズム部分は、第4面と第5面と第6面とを有し、前記映像素子と前記第2プリズム部分の前記第4面と第5面と第6面とによって中間像が形成される、請求項1から9までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
  11. 前記プリズムを含む前記光学系は、装着時に観察者の眼前のうち一部を覆い、眼前が覆われていない部分を存在させる、請求項1から10までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
  12. 前記映像素子は、画像に対応して変調された信号光を射出する信号光形成部と、前記信号光形成部から入射した信号光を走査させることにより走査光として射出させる走査光学系と、を有する、請求項1から11までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
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