JP2020008749A - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】画角を確保しつつ、光学系を小型化すること。【解決手段】ヘッドマウントディスプレイ１００は、表示デバイス１１と、投射光学部材１２と、プリズム部材１３と、集光反射面１４ｃとを備える。プリズム部材１３は、投射光学部材１２からの画像光が入射する第１プリズム１３ａと、第１プリズム１３ａよりも射出瞳側に配置される第２プリズム１３ｂとを有し、第１プリズム１３ａは、画像光が入射する入射面１３ｆと、画像光を全反射する反射面１３ｇと、画像光を反射面１３ｇに向けて反射する半透過反射面３１を介して第２プリズム１３ｂと接合される第１接合面１３ｈとを有する。第２プリズム１３ｂは、半透過反射面３１を介して第１接合面１３ｈと接合される第２接合面１３ｉと、反射面１３ｇと対向して平行に配置されて半透過反射面３１で反射され集光反射面１４ｃを経て半透過反射面３１を透過した画像光を通過させる対向平面１３ｊとを有する。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、頭部に装着することで虚像の観察を可能にするヘッドマウントディスプレイに関する。

特許文献１には、像形成素子からの光を集光光学系で収束させつつハーフミラーの透過によって直進させて反射鏡に入射させ、反射鏡からの光をハーフミラーで折り返して光学的パワーを持った反射面に入射させ、再度ハーフミラーを直進させて接眼光学系を介して観察者の眼に導く光学系が開示されている。

しかしながら、特許文献１の光学系は、眼の正面に延びる光軸に対するハーフミラーの傾斜角を４５°程度に設定することが前提であり、画角を確保しようとするとハーフミラー及びその周辺の光軸方向に関する占有幅が増大し、光学系の小型化が容易でない。

特開２００８−４６２５３号公報

本発明の一側面におけるヘッドマウントディスプレイは、表示素子と、表示素子から射出された画像光をプリズム部材に射出する投射光学部材と、投射光学部材から射出された画像光を入射させ、射出瞳の位置に射出するプリズム部材と、プリズム部材を挟んで射出瞳の反対側であるプリズム部材の外界側に配置されて、プリズム部材から一旦射出された画像光の少なくとも一部をプリズム部材に戻す集光反射面とを備え、プリズム部材は、投射光学部材からの画像光が入射する第１プリズムと、第１プリズムよりも射出瞳側に配置される第２プリズムとを有し、第１プリズムは、画像光が入射する入射面と、入射面から入射した画像光を全反射する反射面と、反射面で全反射された画像光を反射面に向けて反射する半透過反射面を介して第２プリズムと接合される第１接合面とを有し、第２プリズムは、半透過反射面を介して第１接合面と接合される第２接合面と、反射面と対向して平行に配置されて半透過反射面で反射され集光反射面を経て半透過反射面を透過した画像光を通過させる対向平面とを有する。

実施形態に係るヘッドマウントディスプレイを説明する平面図である。 実施形態に係るヘッドマウントディスプレイを説明する側断面図である。 実施形態に係るヘッドマウントディスプレイを説明する正面図である。 実施例１のヘッドマウントディスプレイを説明する側方断面図である。 実施例２のヘッドマウントディスプレイを説明する側方断面図である。 実施例２のヘッドマウントディスプレイを説明する斜め方向からの断面図である。 実施例３のヘッドマウントディスプレイを説明する側方断面図である。 実施例３のヘッドマウントディスプレイを説明する斜め方向からの断面図である。 第２実施形態に係るヘッドマウントディスプレイを説明する図である。

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照して本発明に係る第１実施形態のヘッドマウントディスプレイについて説明する。

図１Ａ〜１Ｃにおいて、Ｘ、Ｙ、及びＺは、直交座標系であり、Ｘ方向は、ヘッドマウントディスプレイ１００を装着した観察者ＵＳの両眼の並ぶ横方向に対応し、Ｙ方向は、観察者ＵＳにとっての両眼の並ぶ横方向に直交する上方向に相当し、Ｚ方向は、観察者ＵＳにとっての前方向又は正面方向に相当する。なお、Ｙ方向は、後述するプリズム部材１３が延びる方向に相当し、Ｚ方向は、プリズム部材１３の厚さ方向に相当し、Ｘ方向は、これらに対して直交する方向となっている。

図示のヘッドマウントディスプレイ１００は、観察者ＵＳに虚像としての映像を認識させる。ヘッドマウントディスプレイ１００は、表示デバイス１１と、投射光学部材１２と、プリズム部材１３と、集光反射部材１４とを備える。表示デバイス１１及び投射光学部材１２は、フレーム８０のケース中に収納され、プリズム部材１３及び集光反射部材１４は、露出した状態でフレーム８０によって支持されている。なお、図面では、右眼用のヘッドマウントディスプレイ１００のみを示しているが、同様の構造又は左右反転させた同様の構造を有する左眼用の虚像表示装置を組み合わせることができ、この場合、全体として例えば眼鏡又は水中メガネのような外観を有するヘッドマウントディスプレイ１００とできる。右眼用又は左眼用の虚像表示装置については、一方を省略することができ、この場合、片眼型のヘッドマウントディスプレイとなる。

表示デバイス１１は、例えば有機ＥＬ、ＬＥＤアレイ、有機ＬＥＤ、量子ドット発光型無機ＥＬ等に代表される自発光型の表示素子であり、２次元の表示面１１ａにカラーの静止画又は動画を形成する。表示デバイス１１は、不図示の駆動制御回路に駆動されて表示動作を行う。表示デバイス１１は、自発光型の表示素子に限らず、ＬＣＤその他の光変調素子で構成され、当該光変調素子を光源によって照明することによって画像を形成するものであってもよい。

投射光学部材１２は、表示デバイス１１の表示面１１ａから射出された画像光ＧＬを入射させて投射する投影レンズ１２ａと、光路折曲げ用のプリズムミラー１２ｂとを含む。投影レンズ１２ａは、横のＸ軸に平行に延びる光軸ＡＸに沿って配置される複数の球面又は非球面の要素レンズ（不図示）を含む。プリズムミラー１２ｂは、内面反射型の折曲げミラー１２ｃを含み、横のＸ軸に略平行な光路を、Ｙ軸とＺ軸とに対してともに傾いた、より具体的には前方に向けて斜め下方に傾いた光路に折り曲げる。プリズムミラー１２ｂは、板状部材の片面に形成した表面反射型の折曲げミラー１２ｃに置き換えることができる。プリズムミラー１２ｂは、入射側の第１面１２ｆと射出側の第２面１２ｇとを有し、両面１２ｆ，１２ｇは、全体として光軸ＡＸに対して略直交する方向に延びるとともに互いに略直交する方向に延びる。両面１２ｆ，１２ｇは、平面に限らず、光学的パワーを有する球面、非球面等とでき、自由曲面その他の非軸対称面としてもよい。プリズムミラー１２ｂ又は表面反射型の折曲げミラー１２ｃは、必須の要素ではなく省略することもできるが、投射光学部材１２の光軸ＡＸを屈曲させることによって投射光学部材１２をフレーム８０中に省スペースで配置することを容易にする。

投射光学部材１２は、表示デバイス１１の表示面１１ａに形成された画像を適宜拡大した中間像ＩＩを後段のプリズム部材１３中に形成する。中間像ＩＩをプリズム部材１３中に形成することで、プリズム部材１３等を含めた光学系のサイズを小型化することが容易になる。また、中間像ＩＩを後述する入射面１３ｆにかからないように形成することにより、入射面１３ｆの表面のゴミが結像に影響することを回避して像ムラが形成されることを防止できる。さらに、中間像ＩＩを後述する第１接合面１３ｈ又は半透過反射面３１にかからないように、第１接合面１３ｈから離れた位置に形成することによっても、ゴミや気泡が結像に影響することを回避して像ムラが形成されることを抑制できる。中間像ＩＩの像面は、後に詳述するように湾曲している。

プリズム部材１３は、投射光学部材１２の直下に配置されて、ＸＹ方向に延びＺ方向に垂直な四角平板状の外観を有する。プリズム部材１３は、投射光学部材１２からの画像光ＧＬが入射する第１プリズム１３ａと、第１プリズム１３ａよりも全体として射出瞳ＥＰ側又は瞳ＥＹ側に配置される第２プリズム１３ｂとを有する。第１及び第２プリズム１３ａ，１３ｂは、いずれもＸ軸方向に延びる三角プリズムである。

第１プリズム１３ａは、画像光ＧＬが入射する入射面１３ｆと、入射面１３ｆから入射した画像光ＧＬを全反射する反射面１３ｇと、半透過反射面３１を介して第２プリズム１３ｂと接合される第１接合面１３ｈとを有する。ここで、入射面１３ｆは、光軸ＡＸに対して直交し、プリズムミラー１２ｂの傾斜した第２面１２ｇに対向して第２面１２ｇに略平行に延びる。入射面１３ｆは、図示の例では平面であるが、光学的パワーを持たせることもできる。入射面１３ｆは、＋Ｙ方向と−Ｚ方向との中間方向に傾斜している。一方、反射面１３ｇは、鉛直のＸＹ面に沿って傾きなく延びる平面である。反射面１３ｇは、光路に沿って最初に入射する相対的に大きい入射角の画像光ＧＬに対しては、内面での全反射を用いることで、高い反射率のミラーつまり全反射面として機能するが、光路に沿って次に入射する相対的に小さい入射角の画像光ＧＬに対しては、通過面又は屈折面として機能する。第１接合面１３ｈは、光軸ＡＸに対して傾斜した平面であり、Ｙ方向やＺ方向に対しても傾斜した平面である。第１接合面１３ｈに沿って形成された半透過反射面３１は、反射面１３ｇで全反射された画像光ＧＬを反射面１３ｇに向けて反射する。つまり、半透過反射面３１は、反射面１３ｇからの画像光ＧＬを全体として外界側である＋Ｚ方向に反射する。

第２プリズム１３ｂは、半透過反射面３１を介して第１プリズム１３ａの第１接合面１３ｈと接合される第２接合面１３ｉと、第１プリズム１３ａの反射面１３ｇと対向して平行に配置される対向平面１３ｊとを有する。第２接合面１３ｉは、第１接合面１３ｈに合わせて平面である。対向平面１３ｊは、半透過反射面３１で反射され後に詳述する集光反射部材１４を経て半透過反射面３１を透過した画像光ＧＬを通過させ、射出瞳ＥＰの位置に射出させる。反射面１３ｇと対向平面１３ｊとが平行であるため、プリズム部材１３は、半透過反射面３１を無視すれば、平行平板として機能する側面を有する。半透過反射面３１は、例えば１０％〜５０％程度の透過率に設定される。特に、半透過反射面３１の透過率を５０％程度とした場合、半透過反射面３１の反射率と半透過反射面３１の透過率とを略等しくできる。この場合、光利用効率を最大にすることができる。

半透過反射面３１は、プリズム部材１３の第１プリズム１３ａ内に導いた画像光ＧＬをプリズム部材１３又は反射面１３ｇの法線方向である＋Ｚ方向に送り出して集光反射部材１４に入射させる役割を有する。半透過反射面３１は、上下方向又は鉛直方向に相当するＹ軸に対して４５°以上、より好ましくは４５°より大きな角度θをなしている。つまり、半透過反射面３１の法線は、Ｙ軸に対して４５°以上、より好ましくは４５°より大きな角度θをなし、具体的には６０°程度の角度を成している。一方、半透過反射面３１は、第１プリズム１３ａの反射面１３ｇに対して４５°以下、より好ましくは４５°未満の角度φをなし、これに合わせて、投射光学部材１２からプリズム部材１３に入射させた画像光ＧＬを半透過反射面３１に直接入射させるのではなく、全反射面として機能する反射面１３ｇを介して半透過反射面３１に入射させている。このように、反射面１３ｇを介在させて半透過反射面３１を鉛直方向に対して４５°より大きく傾けること、つまり半透過反射面３１を反射面１３ｇに対して４５°未満とすることで、射出瞳ＥＰ側又は瞳ＥＹの前方のＺ方向に延びる光軸ＡＸに対して交差する方向からプリズム部材１３中に画像光ＧＬを導くにも関わらず、プリズム部材１３のＺ方向の厚みを低減できる。

第２プリズム１３ｂにおいて、第２接合面１３ｉの一端と対向平面１３ｊの一端との間に連結面１３ｐが配置されている。この連結面１３ｐに対向して外側には、光吸収部材８５が設けられている。光吸収部材８５により、半透過反射面３１で反射されないで部分的に透過した画像光ＧＬが連結面１３ｐに入射して迷光となることを抑制できる。

集光反射部材１４は、プリズム部材１３を挟んで射出瞳ＥＰの反対側であるプリズム部材１３の外界側に配置される。集光反射部材１４は、湾曲した板状の部材であり、正面から見て矩形の輪郭を有する。集光反射部材１４は、内面反射型のミラーである集光反射面１４ｃを有し、プリズム部材１３の反射面１３ｇから一旦射出された画像光ＧＬの一部を反射面１３ｇを介してプリズム部材１３に戻す。集光反射部材１４は、光透過性を有する薄板状部材である基材１４ｆの外側に集光反射面１４ｃを形成したものであり、内面反射によって画像光ＧＬを反射する。集光反射部材１４の集光反射面１４ｃは、非偏芯型の反射面であり、全体として球面状である。具体的には、集光反射面１４ｃは、光学的パワーを有する球面、非球面等とでき、集光反射面１４ｃの対称軸は、光軸ＡＸ方向又はＺ方向沿って延びる。集光反射面１４ｃは、球面等に限らず、自由曲面その他の非軸対称面としてもよい。集光反射部材１４において、基材１４ｆの集光反射面１４ｃと対向する透過面１４ｔの曲率は、集光反射面１４ｃの曲率と略等しい。透過面１４ｔの曲率を上記のように集光反射面１４ｃの曲率に近づけることで、シースルー視の歪みを低減できる。薄板状部材である基材１４ｆには、収差補正の機能を持たせることもできる。集光反射面１４ｃは、内面反射を用いるものに限らず、基材１４ｆの射出瞳ＥＰ又は瞳ＥＹ側に形成することもできる。

上記のように、集光反射部材１４の集光反射面１４ｃは、球面又は球面に近い形状を有する。集光反射面１４ｃの曲率半径（近似的曲率半径である場合を含む）Ｒ_ｍは、集光反射面１４ｃから中間像ＩＩまでの光路長としての空気換算距離Ｄ_ａの２倍である２×Ｄａに近い値となっている。これにより、中間像ＩＩからの画像光ＧＬをコリメートすることができ、射出瞳ＥＰ側又は瞳ＥＹに遠方の虚像に対応する画像光ＧＬを入射させることができる。この際、集光反射面１４ｃに関して絞りに対応する位置に配置される射出瞳ＥＰが、実質的な主光線を考えて集光反射面１４ｃから曲率半径Ｒ_ｍ程度の光学的距離だけ離れた位置に配置されることが望ましい。つまり、射出瞳ＥＰから集光反射面１３ｋまでの空気換算長Ｌは、収差を抑制して性能を出しやすくする観点で、Ｌ≒Ｒｍとすることが望ましい。これにより、集光反射面１４ｃから略垂直に射出された画像光ＧＬが射出瞳ＥＰに入射するので、コマ収差、非点収差等を略ゼロに低減することができる。ここで、空気換算長Ｌは、上記空気換算値Ｒｍに対して具体的には誤差１５％以下とされる。集光反射面１４ｃの曲率半径Ｒ_ｍは、集光反射面１４ｃが球面である場合、その球面の曲率半径となるが、集光反射面１４ｃが非球面又は自由曲面である場合、これに球面をフィッティングさせた場合の近似的な曲率半径となる。また、中間像ＩＩを集光反射部材１４側に凸とするとともに、中間像ＩＩを全体として球面に近い形状とし、集光反射面１４ｃの曲率半径Ｒ_ｍ／ｎの半分の（１／２）×Ｒ_ｍ／ｎ程度の近似的曲率半径を有するものとすることで、より収差を低減できる。ここで、（１／２）×Ｒ_ｍ／ｎは、第１プリズム１３ａの屈折率を加味して修正したものとなっている。なお、集光反射面１４ｃから射出瞳ＥＰまでの光学的距離又は光路長、つまり射出瞳ＥＰに対する集光反射面１４ｃの空気換算長での位置については、ヘッドマウントディスプレイ１００の画角に応じて変わる。ここで、集光反射面１４ｃから射出瞳ＥＰまでの光学的距離は、射出瞳ＥＰからプリズム部材１３までの距離であるアイレリーフと、プリズム部材１３の厚みと、プリズム部材１３から集光反射面１４ｃまでの反射面距離とを、屈折率を考慮して加算したものとなる。ヘッドマウントディスプレイ１００の画角は、例えば４５°に設定される。このような画角に応じた集光反射面１４ｃから射出瞳ＥＰまでの光学的距離を実現できるように、例えばプリズム部材１３の厚みが調整される。

中間像ＩＩの位置等に関する以上の説明では、集光反射面１４ｃが基材１４ｆの外側に形成される場合と、集光反射面１４ｃが基材１４ｆの射出瞳ＥＰ側に形成される場合とを想定しているが、集光反射面１４ｃが基材１４ｆの外側に形成される内面反射型の場合、集光反射部材１４の集光反射面１４ｃと透過面１４ｔとの曲率が略等しいことが前提となっている。これらの曲率が異なる場合、曲率の差を加味して集光反射面１４ｃの曲率半径Ｒ_ｍを換算した値を基準とすることが望ましい。

集光反射部材１４の集光反射面１４ｃは、半透過性を有する。これにより、外界光ＯＬが集光反射部材１４及びプリズム部材１３を通過するので、外界のシースルー視が可能になる。この際、集光反射部材１４が数ｍｍ程度以下に薄ければ、外界像の倍率変化を小さく抑えることができる。集光反射面１４ｃの画像光ＧＬや外界光ＯＬに対する反射率は、画像光ＧＬの輝度確保や、シースルーによる外界光の観察を容易にする観点で、想定される画像光ＧＬの入射角範囲において１０％以上５０％以下とする。

以上で説明したヘッドマウントディスプレイ１００によれば、第１プリズム１３ａが入射面１３ｆからの画像光ＧＬを全反射する反射面１３ｇを有し、半透過反射面３１が反射面１３ｇで全反射された画像光ＧＬを反射面１３ｇに向けて反射してプリズム部材１３から一旦射出させ、プリズム部材１３から射出させた画像光ＧＬの少なくとも一部を集光反射面１４ｃによってプリズム部材１３に戻すので、半透過反射面３１の傾斜角を大きくしてプリズム部材１３の厚みを薄くできる。これにより、ヘッドマウントディスプレイ１００による表示の画角を従来に比較して同等又は広くしつつ光学系を小型化することができる。

図２は、具体的な実施例１のヘッドマウントディスプレイ１００Ａの光学的構成を説明する断面図である。このヘッドマウントディスプレイ１００Ａは、図１示すヘッドマウントディスプレイ１００と同じ基本構造を有しており、表示デバイス１１と、投射光学部材１２と、プリズム部材１３と、集光反射部材１４とを備える。ただし、図２のヘッドマウントディスプレイ１００Ａの場合、投射光学部材１２は、投影レンズ１２ａのみを有し、光路折曲げ用のプリズムミラーを省略したものとなっている。投影レンズ１２ａは、第１〜第４レンズ１２ｈ，１２ｉ，１２ｊ，１２ｋを含んでいる。これらの第１〜第４レンズ１２ｈ，１２ｉ，１２ｊ，１２ｋは、球面又は非球面で構成される。図示の場合、集光反射部材１４において、集光反射面１４ｃを基材１４ｆに対して内側又は射出瞳ＥＰ側に配置しているが、集光反射面１４ｃを基材１４ｆに対して外界側に配置することもできる。

図３Ａ及び３Ｂは、実施例２のヘッドマウントディスプレイ１００Ｂの光学的構成を説明する断面図である。このヘッドマウントディスプレイ１００Ｂは、図１示すヘッドマウントディスプレイ１００と同じ基本構造を有しており、表示デバイス１１と、投射光学部材１２と、プリズム部材１３と、集光反射部材１４とを備える。図３Ａ等に示すヘッドマウントディスプレイ１００Ｂの場合、投影レンズ１２ａは、第１〜第３レンズ１２ｈ，１２ｉ，１２ｊを含んでいる。これらの第１〜第３レンズ１２ｈ，１２ｉ，１２ｊは、球面又は非球面で構成される。図示の場合、集光反射部材１４において、集光反射面１４ｃを基材１４ｆに対して内側又は射出瞳ＥＰ側に配置しているが、集光反射面１４ｃを基材１４ｆに対して外界側に配置することもできる。

図４Ａ及び４Ｂは、実施例３のヘッドマウントディスプレイ１００Ｃの光学的構成説明する断面図である。このヘッドマウントディスプレイ１００Ｃは、図１示すヘッドマウントディスプレイ１００と同じ基本構造を有しており、表示デバイス１１と、投射光学部材１２と、プリズム部材１３と、集光反射部材１４とを備える。図４Ａ等に示すヘッドマウントディスプレイ１００Ｃの場合、投影レンズ１２ａは、第１〜第３レンズ１２ｈ，１２ｉ，１２ｊを含んでいる。これらの第１〜第３レンズ１２ｈ，１２ｉ，１２ｊは、球面又は非球面で構成される。図示の場合、集光反射部材１４において、集光反射面１４ｃを基材１４ｆに対して内側又は射出瞳ＥＰ側に配置しているが、集光反射面１４ｃを基材１４ｆに対して外界側に配置することもできる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態に係るヘッドマウントディスプレイについて説明する。なお、第２実施形態のヘッドマウントディスプレイは、第１実施形態のヘッドマウントディスプレイを部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。

図５に示すように、第２実施形態のヘッドマウントディスプレイ１００は、表示デバイス１１と、投射光学部材１２と、プリズム部材１３と、集光反射部材１４とを備える。プリズム部材１３において、半透過反射面２３１は、偏光分離膜であり、例えばＳ偏光を反射しＰ偏光を透過させる。プリズム部材１３と集光反射部材１４との間には、波長板２３２が配置されている。波長板２３２は、具体的には１／４波長板であり、第１プリズム１３ａの反射面１３ｇに対して適宜離間して平行に配置されている。この場合、表示デバイス１１から射出される画像光ＧＬは、例えばＳ偏光のみとされている。表示デバイス１１自体が偏光を発生するものとしてよいが、表示デバイス１１によって形成された画像光から所定方向の偏光を選択して使用することもできる。表示デバイス１１からの画像光ＧＬは、プリズム部材１３に入射して中間像ＩＩを形成した後、半透過反射面２３１で殆どロス無く反射される。半透過反射面２３１で反射されたＳ偏光の画像光ＧＬは、反射面１３ｇ及び波長板２３２を通過して集光反射部材１４に入射して集光反射部材１４で反射され、半透過反射面２３１に再度入射する。半透過反射面２３１に再度入射する画像光ＧＬは、波長板２３２によって偏光方向が９０°回転してＰ偏光となっている。これにより、画像光ＧＬは、半透過反射面２３１を殆どロス無く透過し、射出瞳ＥＰには明るい画像光ＧＬが入射する。

〔変形例その他〕
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。

上記実施形態のヘッドマウントディスプレイ１００では、表示デバイス１１として有機ＥＬ素子等の自発光型の表示素子を用いているが、これに代えて、レーザー光源とポリゴンミラー等であるスキャナーとを組みあわせたレーザスキャナーを用いた構成も可能である。

プリズム部材１３の第１プリズム１３ａを投射光学部材１２のプリズムミラー１２ｂに接合することもできる。

集光反射部材１４については、光透過性を有しないミラーとすることもできる。この場合、外界光ＯＬ又は外界像を観察しないタイプのヘッドマウントディスプレイになる。

第１プリズム１３ａの反射面１３ｇや第２プリズム１３ｂの対向平面１３ｊは、ハードコート層や反射防止膜を形成したものとできる。

第２実施形態において、波長板２３２は、図示の位置に限らず、例えば半透過反射面２３１に隣接して集光反射部材１４側に組み込むこともできる。この場合、画像光ＧＬが一度波長板を通過して半透過反射面２３１に入射するので、これに適合するように、表示デバイス１１又は投射光学部材１２から射出させる画像光ＧＬの偏光状態を適宜調整する。

表示デバイス１１、投射光学部材１２、及びプリズム部材１３を一組とする片眼の光学系は、図示の状態からＺ軸に平行な光軸のまわりに例えば９０°外転させた配置とすることもできる。

以上では、ヘッドマウントディスプレイ１００が頭部に装着されて使用されることを前提としたが、上記ヘッドマウントディスプレイ１００は、頭部に装着せず双眼鏡のようにのぞき込むハンドヘルドディスプレイとしても用いることができる。

１１…表示デバイス、１２…投射光学部材、１２ａ…投影レンズ、１２ｂ…プリズムミラー、１２ｃ…折曲げミラー、１３…プリズム部材、１３ａ…第１プリズム、１３ｂ…第２プリズム、１３ｆ…入射面、１３ｆ…入射面、１３ｇ…反射面、１３ｈ…第１接合面、１３ｉ…第２接合面、１３ｊ…対向平面、１４…集光反射部材、１４ｃ…集光反射面、３１…半透過反射面、２３２…波長板、８０…フレーム、１００…ヘッドマウントディスプレイ、１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ…ヘッドマウントディスプレイ、ＡＸ…光軸、ＥＰ…射出瞳、ＥＹ…瞳、ＧＬ…画像光、ＩＩ…中間像、ＯＬ…外界光

Claims (13)

1. 表示素子と、
   前記表示素子から射出された画像光を入射させて投射する投射光学部材と、
   前記投射光学部材から射出された画像光を入射させ、射出瞳の位置に射出するプリズム部材と、
   前記プリズム部材を挟んで前記射出瞳の反対側である前記プリズム部材の外界側に配置されて、前記プリズム部材から一旦射出された画像光の少なくとも一部を前記プリズム部材に戻す集光反射面とを備え、
   前記プリズム部材は、前記投射光学部材からの画像光が入射する第１プリズムと、前記第１プリズムよりも前記射出瞳側に配置される第２プリズムとを有し、
   前記第１プリズムは、画像光が入射する入射面と、前記入射面から入射した画像光を全反射する反射面と、前記反射面で全反射された画像光を前記反射面に向けて反射する半透過反射面を介して第２プリズムと接合される第１接合面とを有し、
   前記第２プリズムは、前記半透過反射面を介して前記第１接合面と接合される第２接合面と、前記反射面と対向して平行に配置されて前記半透過反射面で反射され前記集光反射面を経て前記半透過反射面を透過した画像光を通過させる対向平面とを有する、ヘッドマウントディスプレイ。
2. 前記投射光学部材は、前記プリズム部材中に中間像を形成する、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
3. 前記中間像は、前記第１接合面から離れた位置に形成される、請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイ。
4. 前記集光反射面の曲率半径は、前記集光反射面から前記中間像までの光学的距離の略２倍となっている、請求項２及び３のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
5. 前記集光反射面から前記射出瞳までの光学的距離は、前記集光反射面の曲率半径に略等しい、請求項４に記載のヘッドマウントディスプレイ。
6. 前記投射光学部材は、前記プリズム部材側に折曲げミラーを有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
7. 前記折曲げミラーは、非軸対称面を含むプリズムミラーの一部である、請求項６に記載のヘッドマウントディスプレイ。
8. 集光反射面は、光透性を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
9. 前記半透過反射面の反射率と前記半透過反射面の透過率とが略等しい、請求項１〜８のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
10. 前記第１プリズムの前記反射面と、前記第１及び第２プリズム間の前記半透過反射面とのなす角度は４５°未満である、請求項１〜９のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
11. 前記第２プリズムは、前記第２接合面の一端と前記対向平面の一端との間に配置される連結面を有し、
    前記連結面の外側に配置された光吸収部材をさらに備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
12. 前記集光反射面は、基材にミラー面を形成した内面反射型のミラーであり、前記基材の前記集光反射面と対向する面の曲率は、前記ミラー面の曲率と略等しい、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
13. 前記半透過反射面は、偏光分離膜によって形成され、前記プリズム部材と前記集光反射面との間に波長板が配置されている、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。

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