JP2021086070A - 光学ユニットおよび表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導光体の加工を複雑にせずにゴーストを低減できる光学ユニットを提供する。【解決手段】本発明の光学ユニットは、画像光生成部と、画像光を射出瞳に向けて偏向させる偏向素子と、を備え、偏向素子は、射出面と、射出面に対して第１傾斜方向に傾斜した第１面と、射出面に対して第１傾斜方向に傾斜した第２面と、射出面に対して第２傾斜方向に傾斜した第３面と、を有する第１導光体と、第１面に設けられた第１ミラーと、第２面に設けられた第２ミラーと、第１導光体と対向する第２導光体と、を有し、第１導光体への画像光の入射方向から見て、第１ミラーと第２ミラーとは間隔を空けずに配置され、射出瞳から見て第１ミラーと第２ミラーとは間隔を空けて配置され、第１ミラーの第２ミラーに近い側の端部で反射された第１反射光線と、第２ミラーの第１ミラーに近い側の端部で反射された第２反射光線と、の間隔は、射出瞳から見て、１．５ｍｍ以下である。【選択図】図５

Description

本発明は、光学ユニットおよび表示装置に関する。

従来から、フレネル構造のミラーアレイを備えたヘッドアップディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイなどの表示装置が知られている。

例えば下記の特許文献１には、各々が第１方向に沿って延在する複数の第１面、および隣り合う第１面の間で各々が第２方向に沿って延在する複数の第２面を厚さ方向の一方側に備え、厚さ方向の他方側に端面を備えた第１導光体と、各々が複数の第１面に接する複数の第１ハーフミラーと、複数の第１ハーフミラーおよび複数の第２面に接する第２導光体と、を有する導光装置を備えた表示装置が開示されている。この表示装置において、第１導光体は、複数の第１面および複数の第２面のうち、隣り合う第１面と第２面との間で各々が第３方向に延在する複数の第３面を有している。

特開２０１９−６６８１３号公報

特許文献１には、第１導光体が第３面を有することにより、第１ハーフミラーを透過した光が第１ハーフミラーで反射した光とは異なる方向に射出されるため、ゴーストが認識されにくい、と記載されている。しかしながら、第１導光体に複数の第３面を形成することにより第１導光体の加工が複雑になる、第３面で反射した光が他の場所で反射または散乱することにより他のゴーストが発生する、等のおそれがある。

上記の課題を解決するために、本発明の一つの態様の光学ユニットは、画像光を生成する画像光生成部と、前記画像光生成部から射出された前記画像光を射出瞳に向けて偏向させる偏向素子と、を備え、前記偏向素子は、前記画像光を射出させる射出面と、前記射出面に対して第１傾斜方向に傾斜した第１面と、前記第１面から離れて設けられ、前記射出面に対して前記第１傾斜方向に傾斜した第２面と、前記第１面と前記第２面との間に設けられ、前記射出面に対して前記第１傾斜方向とは異なる第２傾斜方向に傾斜した第３面と、を有する第１導光体と、前記第１面に設けられた第１ミラーと、前記第２面に設けられた第２ミラーと、前記第１ミラーおよび前記第２ミラーを介して前記第１導光体と対向する第２導光体と、を有し、前記第１導光体への前記画像光の入射方向から見て、前記第１ミラーと前記第２ミラーとは、間隔を空けずに配置され、前記射出瞳から見て、前記第１ミラーと前記第２ミラーとは、間隔を空けて配置され、前記画像光のうち、前記第１ミラーの前記第２ミラーに近い側の端部で反射された第１光線と、前記第２ミラーの前記第１ミラーに近い側の端部で反射された第２光線と、の間隔は、前記射出瞳から見て、１．５ｍｍ以下である。

本発明の一つの態様の光学ユニットは、画像光を生成する画像光生成部と、前記画像光生成部から射出された前記画像光を射出瞳に向けて偏向させる偏向素子と、を備え、前記偏向素子は、前記画像光を射出させる射出面と、前記射出面に対して第１傾斜方向に傾斜した第１面と、前記第１面から離れて設けられ、前記射出面に対して前記第１傾斜方向に傾斜した第２面と、前記第１面と前記第２面との間に設けられ、前記射出面に対して前記第１傾斜方向とは異なる第２傾斜方向に傾斜した第３面と、を有する第１導光体と、前記第１面に設けられた第１ミラーと、前記第２面に設けられた第２ミラーと、前記第１ミラーおよび前記第２ミラーを介して前記第１導光体と対向する第２導光体と、を有し、前記第１導光体への前記画像光の入射方向から見て、前記第１ミラーと前記第２ミラーとは、間隔を空けずに配置され、前記射出瞳から見て、前記第１ミラーと前記第２ミラーとは、間隔を空けて配置され、前記第２傾斜方向に沿う前記第３面の長さをｂ（ｍｍ）とし、前記第１ミラーの前記第２ミラーに近い側の端部で反射された第１光線と前記第１面とのなす角度をθとしたとき、ｂ・ｓｉｎ（π−２×θ）≦１．５の関係を満たす。

本発明の一つの態様の光学ユニットにおいて、前記射出瞳から見て、前記偏向素子の形状は矩形状であり、前記第１ミラーおよび前記第２ミラーのそれぞれは、前記偏向素子の互いに対向する第１辺と第２辺との間に湾曲して設けられていてもよい。

本発明の一つの態様の光学ユニットにおいて、前記第１ミラーおよび前記第２ミラーのそれぞれは、前記第１辺と前記第２辺との間で互いに隣り合う第１分割ミラーと第２分割ミラーとを含む複数の分割ミラーに分割され、前記第１分割ミラーと前記第２分割ミラーとは、前記第１辺および前記第２辺の延在方向にずれて配置されていてもよい。

本発明の一つの態様の光学ユニットにおいて、前記第１分割ミラーと前記第２分割ミラーとは、前記第１辺および前記第２辺の延在方向と交差する方向に間隔を空けて設けられていてもよい。

本発明の一つの態様の光学ユニットにおいて、前記第１分割ミラーおよび前記第２分割ミラーのそれぞれは、角部が丸められた形状を有していてもよい。

本発明の一つの態様の光学ユニットにおいて、前記第１ミラーおよび前記第２ミラーのそれぞれは、入射した光の一部を反射させ、他の一部を透過させるハーフミラーで構成されていてもよい。

本発明の一つの態様の表示装置は、本発明の一つの態様の光学ユニットと、前記光学ユニットを収容する筐体と、を備える。

観察者が第１実施形態の表示装置を装着した状態を示す図である。 第１実施形態の表示装置の斜視図である。 光学ユニットの概略構成図である。 射出瞳から見た偏向素子の正面図である。 図４のＶ−Ｖ線に沿う偏向素子の断面図である。 第１導光体の各面の形状を説明するための図である。 射出瞳から見た第１変形例の偏向素子の正面図である。 射出瞳から見た第２変形例の偏向素子の正面図である。 射出瞳から見た第３変形例の偏向素子の正面図である。 第２実施形態の偏向素子の断面図である。 第３実施形態の光学ユニットの概略構成図である。 第４実施形態の光学ユニットの概略構成図である。 従来の光学ユニットの問題点を説明するための図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図６を用いて説明する。
第１実施形態の表示装置は、観察者が頭に装着して使用するヘッドマウントディスプレイの一例である。
以下の説明では、ヘッドマウントディスプレイ（Head Mounted Display）を、ＨＭＤと略記する。
図１は、観察者が第１実施形態のＨＭＤを頭部に装着した状態を示す図である。図２は、第１実施形態のＨＭＤの斜視図である。
なお、以下の全ての図面において、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。

図１に示すように、本実施形態のＨＭＤ３００は、観察者が眼鏡を掛ける感覚で頭部に装着して使用される。本実施形態のＨＭＤ３００は、シースルー型のＨＭＤである。すなわち、本実施形態のＨＭＤ３００によれば、観察者は画像光生成部により生成された画像を視認できるとともに、ＨＭＤ３００の外部の景色等の外界像を視認できる。

図２に示すように、ＨＭＤ３００は、眼鏡に類似した形状を有する表示装置１００と、観察者が手で持つことが可能な程度の大きさを有する制御装置（コントローラー）２００と、を備えている。表示装置１００と制御装置２００とは、有線または無線により通信可能に接続される。本実施形態では、表示装置１００を構成する左眼用画像表示部１１０Ａおよび右眼用画像表示部１１０Ｂのそれぞれと制御装置２００とは、ケーブル１５０を介して有線により通信可能に接続され、画像信号および制御信号を通信する。

表示装置１００は、メインフレーム１２０と、サブフレーム１３０と、左眼用画像表示部１１０Ａと、右眼用画像表示部１１０Ｂと、を備えている。制御装置２００は、表示部２１０と、操作ボタン部２５０と、を備えている。表示部２１０は、例えば観察者に与える各種の情報または指示等の項目を表示する。メインフレーム１２０は、リム部１２１と、観察者が耳に掛けるための一対のテンプル部１２２Ａ，１２２Ｂと、を備えている。サブフレーム１３０は、左眼用画像表示部１１０Ａと右眼用画像表示部１１０Ｂとを収容する筐体である。

左眼用画像表示部１１０Ａと右眼用画像表示部１１０Ｂとは、同一の構成を持って左右対称に配置されている。したがって、以下の説明では、右眼用画像表示部１１０Ｂを中心に説明し、左眼用画像表示部１１０Ａについては説明を省略する。
また、以下の説明では、左眼用画像表示部１１０Ａと右眼用画像表示部１１０Ｂとを区別せずに、光学ユニット１０として説明する。

図３は、光学ユニット１０の概略構成図である。
図３においては、光学ユニット１０を観察者から見て、前後方向に延びる軸をＺ軸とし、左右方向に延びる軸をＸ軸とし、上下方向に延びる軸をＹ軸とする。前方を＋Ｚ方向とし、後方を−Ｚ方向とし、上方を＋Ｙ方向とし、下方を−Ｙ方向とする。右側、すなわち、観察者の耳側を＋Ｘ方向とし、左側、すなわち、観察者の鼻側を−Ｘ方向とする。図３では、画像光生成部２０から射出される画像光Ｌ０として、画角の中央の光線と画角の両端の光線とを示してある。

図３に示すように、光学ユニット１０は、画像光Ｌ０を生成する画像光生成部２０と、画像光生成部２０から射出された画像光Ｌ０を射出瞳Ｅ１に向けて偏向させる偏向素子５０と、を備えている。また、光学ユニット１０は、画像光生成部２０から偏向素子５０に向かう画像光Ｌ０の光路上に、画像光生成部２０から射出された画像光Ｌ０を偏向素子５０に向けて導く導光光学系３０を備えている。偏向素子５０は、観察者の眼Ｅの前方に配置され、画像光生成部２０は観察者の頭部の側方に配置され、導光光学系３０は、画像光生成部２０の前方に配置されている。

画像光生成部２０は、例えば有機エレクトロルミネッセンス表示素子等の表示パネルから構成されている。この構成によれば、小型で高画質な画像表示が可能な画像光生成部２０を実現することができる。

画像光生成部２０は、照明光源と、照明光源から射出された照明光を変調する液晶表示素子等の表示パネルから構成されていてもよい。この構成によれば、照明光源の選択が可能なため、画像光Ｌ０の波長特性の自由度が広がる。本実施形態では、画像光生成部２０は、カラー表示可能な１枚の表示パネルから構成されている。また、画像光生成部２０は、各色に対応する複数の表示パネルと、複数の表示パネルから射出された各色の画像光を合成する合成光学系と、を有する構成を有していてもよい。さらに、画像光生成部２０は、レーザー光をマイクロミラーデバイスで変調する構成を有していてもよい。

導光光学系３０は、第１レンズ３１と、第２レンズ３２と、第３レンズ３３と、ミラー３５と、を有する。第１レンズ３１、第２レンズ３２、および第３レンズ３３は、投射光学系を構成する。第２レンズ３２、および第３レンズ３３のレンズ面は、例えば自由曲面で構成されている。

ミラー３５は、第１レンズ３１、第２レンズ３２、および第３レンズ３３を透過した画像光Ｌ０を、斜め後方から偏向素子５０に向けて投射する。導光光学系３０によれば、画像光Ｌ０の中央、および画角の端部から射出された画像光Ｌ０の中心光軸を平行とすることができる。

偏向素子５０は、偏向素子５０の厚さ方向を前後方向、すなわち、Ｚ軸方向に向けて配置された板状部材で構成されている。偏向素子５０は、板状の第１導光体６０と、第１導光体６０の前方に接着剤等によって接合された板状の第２導光体７０と、を備えている。第１導光体６０および第２導光体７０のそれぞれは、左右方向、すなわち、Ｘ軸方向に延在している。また、第１導光体６０の射出面には、反射防止膜５１が設けられている。

第１導光体６０は、屈折率がｎ１の透光性部材から構成されている。第２導光体７０は、屈折率がｎ２の透光性部材から構成されている。本実施形態において、第１導光体６０および第２導光体７０は、透光性を有する樹脂材料から構成されている。第１導光体６０の屈折率ｎ１と第２導光体７０の屈折率ｎ２とは、互いに異なる。

図４は、観察者の眼Ｅから見た偏向素子５０の正面図である。図５は、図４のＶ−Ｖ線に沿う偏向素子５０の断面図である。
図５に示すように、偏向素子５０は、第１導光体６０と、複数のミラー４０と、第２導光体７０と、を有する。また、複数のミラー４０のうち、左右方向、すなわち、Ｘ軸方向において互いに隣り合う任意の２つのミラー４０のそれぞれを第１ミラー４１、第２ミラー４２と称する。

第１導光体６０は、射出面６０ｄと、第１面６０ａと、第２面６０ｂと、第３面６０ｃと、を有する。射出面６０ｄは、複数のミラー４０によって偏向された画像光Ｌ０を偏向素子５０から外部に射出させる面である。

第１面６０ａは、射出面６０ｄに対して第１傾斜方向Ｋ１に傾斜した面である。ここで、第１傾斜方向Ｋ１とは、図５に示す各面６０ａ，６０ｂ，６０ｃの２つの端部のうち、導光光学系３０に近い側（＋Ｘ方向）の第１端部が相対的に前側（＋Ｚ方向）に位置し、導光光学系３０から遠い側（−Ｘ方向）の第２端部が相対的に後側（−Ｚ方向）に位置する向きに、面が傾斜した方向のことである。

第２面６０ｂは、第１面６０ａから離れて設けられ、射出面６０ｄに対して第１傾斜方向Ｋ１、すなわち、第１面６０ａと同じ方向に傾斜した面である。なお、第１面６０ａと第２面６０ｂとは、互いに平行であってもよいし、射出面６０ｄに対して異なる傾斜角度で設けられていてもよい。したがって、第１傾斜方向Ｋ１は、傾斜角度まで同じであることを意味するのではなく、傾斜角度に係わらず、射出面６０ｄに対する傾斜の向きが同じであることを意味している。

第３面６０ｃは、第１面６０ａと第２面６０ｂとの間に設けられ、射出面６０ｄに対して第１傾斜方向Ｋ１とは異なる第２傾斜方向Ｋ２に傾斜した面である。第２傾斜方向Ｋ２とは、図５に示す各面６０ａ，６０ｂ，６０ｃの２つの端部のうち、導光光学系３０に近い側（＋Ｘ方向）の第１端部が相対的に後側（−Ｚ方向）に位置し、導光光学系３０から遠い側（−Ｘ方向）の第２端部が相対的に前側（＋Ｚ方向）に位置する向きに、面が傾斜した方向のことである。

なお、３つの面６０ａ，６０ｂ，６０ｃのみを取りだして説明したが、第１導光体６０の全体を見ると、第１傾斜方向Ｋ１に傾斜した面と、第２傾斜方向Ｋ２に傾斜した面とは、交互に繰り返し配列されている。図５においては、これらの複数の面のうち、第１傾斜方向Ｋ１に傾斜する２つの面と、その間に位置して第２傾斜方向Ｋ２に傾斜する１つの面と、の１つの組にのみ符号６０ａ，６０ｂ，６０ｃを付している。

第１ミラー４１は、第１面６０ａの第１端部６０ａ１と第２端部６０ａ２との間の全域に設けられている。第２ミラー４２は、第２面６０ｂの第１端部６０ｂ１と第２端部６０ｂ２との間の全域に設けられている。第１ミラー４１および第２ミラー４２のそれぞれは、入射した光の一部を反射させ、他の一部を透過させるハーフミラーで構成されている。この場合、各ハーフミラーの反射率および透過率は、特に限定されることなく、表示画像と外界像の見易さを考慮して適宜設定されればよい。第１ミラー４１と第２ミラー４２とは、同一の構成および厚さを有する反射膜で構成されており、例えば金属膜、誘電体多層膜等から構成されている。

偏向素子５０の全体を見ると、ミラー４０は、第１傾斜方向Ｋ１に傾斜した複数の面のそれぞれに設けられている。図５においては、これらの複数のミラー４０のうち、互いに隣り合う任意の２つのミラー４０のみに着目し、第１面６０ａに設けられたミラー４０を第１ミラー４１とし、第２面６０ｂに設けられたミラー４０を第２ミラー４２としている。また、第２傾斜方向Ｋ２に傾斜した第３面６０ｃに、ミラー４０は配置されていない。

第２導光体７０は、第１ミラー４１および第２ミラー４２を含むミラー４０を介して第１導光体６０と対向して設けられている。第２導光体７０は、観察者から見て、第１導光体６０の奥側、すなわち、＋Ｚ方向に設けられている。第２導光体７０は、外光が入射する入射面７０ｅと、第１導光体６０の第１面６０ａ、第２面６０ｂおよび第３面６０ｃのそれぞれに対応する複数の傾斜面と、を有している。

図５では、画像光Ｌ０のうち、特定の４つの画角に相当する４本の光線を示している。１本の光線Ｌ１１に着目すると、１本の光線Ｌ１１の進行方向は、第３面６０ｃの傾斜方向に平行となっている。言い換えると、第１面６０ａの第２端部６０ａ２と第２面６０ｂの第１端部６０ｂ１、すなわち、第１ミラー４１の一方の端部と第２ミラー４２の他方の端部とは、１本の光線Ｌ１１の光路上に位置している。そのため、画像光Ｌ０を構成する各光線は、第３面６０ｃに入射しない構成となっている。したがって、画像光Ｌ０から見ると、第１面６０ａと第２面６０ｂとは、間隔を空けずに連続して配置されていることになる。すなわち、第１導光体６０への画像光Ｌ０の入射方向から見て、第１ミラー４１と第２ミラー４２とは、間隔を空けずに配置されている。

図４に示すように、観察者の眼Ｅ、すなわち射出瞳Ｅ１から見て、偏向素子５０の形状は、矩形状である。図４において、偏向素子５０の４辺のうち、互いに対向する上辺および下辺をそれぞれ第１辺５０ａ、第２辺５０ｂとする。第１ミラー４１および第２ミラー４２のそれぞれは、偏向素子５０の第１辺５０ａと第２辺５０ｂとの間に湾曲して設けられている。

図５に示すように、第１導光体６０の第３面６０ｃは、射出面６０ｄに対して垂直ではなく、傾斜した面であるため、図４に示すように、観察者の眼Ｅには、第１ミラー４１と第２ミラー４２との間に、ミラー４０が配置されていない第３面６０ｃが見えることになる。したがって、射出瞳Ｅ１から見て、第１ミラー４１と第２ミラー４２とは、間隔を空けて配置されている。

図６は、第１導光体６０の各面６０ａ，６０ｂ，６０ｃの配置角度を説明するための図である。なお、図６では、ミラー４０の図示を省略する。
ここで、図６に示すように、画像光Ｌ０の一つの光線Ｌ１１のうち、第１面６０ａの第２面６０ｂに近い側の第２端部６０ａ２で反射された第１反射光線Ｒ１１と、第２面６０ｂの第１面６０ａに近い側の第１端部６０ｂ１で反射された第２反射光線Ｒ１２と、に着目する。本実施形態の光学ユニット１０において、第１反射光線Ｒ１１と第２反射光線Ｒ１２との間隔ａは、射出瞳Ｅ１から見て、１．５ｍｍ以下である。また、第１面６０ａおよび第２面６０ｂの形状は、第１反射光線Ｒ１１と第２反射光線Ｒ１２とが概ね平行になるように設計されている。第１面６０ａおよび第２面６０ｂの断面形状は、平面形状であってもよいし、曲面形状であってもよい。

第１反射光線Ｒ１１と第２反射光線Ｒ１２との間隔ａは、画像光Ｌ０を構成する各光線の入射角に対する第１面６０ａ、第２面６０ｂおよび第３面６０ｃの傾斜角度によって変化する。したがって、本実施形態の光学ユニット１０において、第１面６０ａ、第２面６０ｂおよび第３面６０ｃの傾斜角度は、第１反射光線Ｒ１１と第２反射光線Ｒ１２との間隔ａが、射出瞳Ｅ１から見て１．５ｍｍ以下となるように設定されている。

第１反射光線Ｒ１１と第２反射光線Ｒ１２との間隔をａ（ｍｍ）とし、第２傾斜方向Ｋ２に沿う第３面６０ｃの長さをｂ（ｍｍ）とし、第１ミラー４１の第２ミラー４２に近い側の第１端部で反射された第１反射光線Ｒ１１と第１面６０ａとのなす角度をθとする。このとき、第１光線Ｌ１１は、第１ミラー４１に対して第３面６０ｃと平行に入射し、第１ミラー４１で正反射するため、第１面６０ａを延長した仮想面６０ｖと第３面６０ｃとのなす角度は、θとなる。よって、第１反射光線Ｒ１１と第３面６０ｃとのなす角度は、π−２×θとなる。以上のことから、第１反射光線Ｒ１１と第２反射光線Ｒ１２との間隔ａは、以下の（１）式で表される。
ａ＝ｂ・ｓｉｎ（π−２×θ） …（１）

本実施形態では、第１反射光線Ｒ１１と第２反射光線Ｒ１２との間隔ａが１．５ｍｍ以下であるから、本実施形態の光学ユニット１０は、第１面６０ａ、第２面６０ｂおよび第３面６０ｃの傾斜角度が、以下の（２）式の条件を満たすように設定されている。
ｂ・ｓｉｎ（π−２×θ）≦１．５ …（２）

図１３は、特許文献１に記載された従来の光学ユニット９０の問題点を説明するための図である。なお、ここでは、本実施形態との比較のため、各面の名称を本実施形態に合わせて説明する。また、ハーフミラーの図示を省略する。

図１３に示すように、従来の光学ユニット９０において、第１導光体９１は、射出面９１ｅ、第１面９１ａ、第２面９１ｂ、第３面９１ｃ、および第４面９１ｄを有する。この構成によれば、第２面９１ｂのハーフミラーを透過した光線Ｌ１１の一部が第３面９１ｃを透過し、第４面９１ｄで反射する。この場合、特許文献１には、第４面９１ｄで反射した後に射出面９１ｅで屈折して外部に射出される光線Ｒ１３は、第２面９１ｂのハーフミラーで反射した光線Ｒ１４とは大きく異なる方向に射出されるため、ゴーストが認識されにくい、と記載されている。

ところが、従来の光学ユニット９０においては、第１導光体９１が第４面９１ｄを有するため、第１面９１ａの一部に第１面９１ａとは傾斜角度が異なる第４面９１ｄを形成しなければならず、第１導光体９１の加工が複雑になる。また、第４面９１ｄで反射した後に射出される光線Ｒ１３が表示装置内の他の場所で反射または散乱することがあり、ゴーストを十分に低減できない場合がある。

これに対して、本実施形態の光学ユニット１０によれば、第１ミラー４１の端部で反射された第１反射光線Ｒ１１と、第２ミラー４２の端部で反射された第２反射光線Ｒ１２とが略同じ方向から射出瞳Ｅ１に入射する。一般に、人間の瞳孔径は、２〜５ｍｍ程度と言われている。本実施形態の場合、第１反射光線Ｒ１１と第２反射光線Ｒ１２との間隔ａが最小の瞳孔径の３／４以下である１．５ｍｍ以下であるため、第１反射光線Ｒ１１と第２反射光線Ｒ１２とが瞳孔に入射し、観察者にとっては、切れ目のない連続した画像光として認識される。以上により、本実施形態の光学ユニット１０によれば、第１導光体６０の加工を複雑にすることなく、ゴーストのおそれを低減することができる。

また、本実施形態のＨＭＤ３００は、上記の光学ユニット１０を備えているため、製造工程を複雑にすることなく、ゴーストのおそれを低減することができる。

また、本実施形態の場合、第１ミラー４１および第２ミラー４２を含む複数のミラー４０がハーフミラーで構成されているため、外光の一部がハーフミラーを通して観察者の眼Ｅに入射する。これにより、観察者は、外界像を明るく視認することができる。また、ハーフミラーの透過率を変えることによって、外界像の明るさを調整することができる。

なお、第１ミラー４１および第２ミラー４２を含む複数のミラー４０は、必ずしもハーフミラーでなくてもよく、略１００％の光を反射するミラーで構成されていてもよい。この構成であっても、上述したように、観察者の眼Ｅにはミラーが配置されていない第３面６０ｃを通して外光が入射するため、外界像を視認することができる。

なお、本実施形態の偏向素子５０において、観察者の眼Ｅから見た第１ミラー４１および第２ミラー４２の形状は、以下に示す変形例であってもよい。

（第１変形例）
図７は、第１変形例の偏向素子５２を射出瞳Ｅ１から見た正面図である。
図７に示すように、第１変形例の偏向素子５２において、第１ミラー５３および第２ミラー５４のそれぞれは、第１辺５２ａと第２辺５２ｂとの間で互いに隣り合う第１分割ミラー５３１，５４１と第２分割ミラー５３２，５４２とを含む複数の分割ミラーに分割されている。また、第１分割ミラー５３１，５４１と第２分割ミラー５３２，５４２とは、第１辺５２ａおよび第２辺５２ｂの延在方向にずれて配置されている。本変形例の場合、第１分割ミラー５３１，５４１と第２分割ミラー５３２，５４２とは、第１辺５２ａおよび第２辺５２ｂの延在方向に半ピッチずつずれて配置されている。

本変形例においても、第１導光体の加工を複雑にすることなく、ゴーストのおそれを低減できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

さらに、本変形例の場合、第１辺５２ａおよび第２辺５２ｂの延在方向と交差する上下方向、すなわち、Ｙ軸方向において、ミラーが存在する領域およびミラーが存在しない領域のそれぞれが連続せず、途切れた状態となる。これにより、ミラーが存在する領域とミラーが存在しない領域との境界が視認されにくく、表示画像および外界像の視認性を高めることができる。

（第２変形例）
図８は、第２変形例の偏向素子５５を射出瞳Ｅ１から見た正面図である。
図８に示すように、第２変形例の偏向素子５５において、第１ミラー５６および第２ミラー５７のそれぞれは、第１辺５５ａと第２辺５５ｂとの間で互いに隣り合う第１分割ミラー５６１，５７１と第２分割ミラー５６２，５７２とを含む複数の分割ミラーに分割されている。また、第１分割ミラー５６１，５７１と第２分割ミラー５６２，５７２とは、第１辺５５ａおよび第２辺５５ｂの延在方向と交差する方向に間隔を空けて設けられている。すなわち、複数の分割ミラー５６１，５７１，５６２，５７２は、それぞれが孤立して配置されている。

本変形例においても、第１導光体の加工を複雑にすることなく、ゴーストのおそれを低減できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

また、本変形例の場合、第１変形例と同様、ミラーが存在する領域とミラーが存在しない領域との境界が視認されにくく、表示画像および外界像の視認性を高めることができる。さらに、ミラーが存在しない領域の面積が第１変形例と比べて増えるため、外界像を明るく視認することができる。

（第３変形例）
図９は、第３変形例の偏向素子６２を射出瞳Ｅ１から見た正面図である。
図９に示すように、第３変形例の偏向素子６２において、第１ミラー６３と第２ミラー６４とを構成する複数の分割ミラーは、第２変形例と同様、それぞれが孤立して配置されている。また、第１分割ミラー６３１，６４１と第２分割ミラー６３２，６４２とを含む複数の分割ミラーのそれぞれは、角部が丸められた形状を有する。本変形例の場合、射出瞳Ｅ１から見た各分割ミラー６３１，６４１，６３２，６４２の形状は、楕円形である。なお、各分割ミラー６３１，６４１，６３２，６４２の形状は、楕円形に限定されず、適宜変更が可能である。

本変形例においても、第１導光体の加工を複雑にすることなく、ゴーストのおそれを低減できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

また、本変形例の場合、第１変形例と同様、ミラーが存在する領域とミラーが存在しない領域との境界が視認されにくく、表示画像および外界像の視認性を高めることができる。また、第２変形例と同様、ミラーが存在しない領域の面積が第１変形例と比べて増えるため、外界像を明るく視認することができる。さらに、各分割ミラー６３１，６４１，６３２，６４２は角部が丸められた形状を有するため、尖ったミラーの角部における画像光の回折に起因するゴーストを抑制することができる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図１０を用いて説明する。
本実施形態の光学ユニットの基本構成は第１実施形態と同様であり、導光体の形状が第１実施形態と異なる。
図１０は、第２実施形態の偏向素子の断面図である。
図１０において、第１実施形態で用いた図５と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図１０に示すように、本実施形態の偏向素子６６は、第１導光体６７と、第１ミラー４１および第２ミラー４２を含む複数のミラー４０と、第２導光体６８と、を有する。第１導光体６７は、射出面６７ｄと、第１面６７ａと、第２面６７ｂと、第３面６７ｃと、を有する。

第１導光体６７の第３面６７ｃは、第１実施形態と異なり、射出面６７ｄに対して垂直に近い角度に形成されている。第１実施形態では、第３面６０ｃの傾斜方向が光線Ｌ１１の進行方向に平行であり、画像光Ｌ０を構成する各光線は第３面６０ｃに入射しない構成となっていた。これに対して、本実施形態では、第３面６７ｃの傾斜角度が第１実施形態と異なることによって、画像光Ｌ０を構成する光線Ｌ１１は、第２面６７ｂを通過した後、第３面６７ｃを通過する構成となっている。

上記の第１導光体６７の構成の違いによって、第１ミラー４１および第２ミラー４２の配置も第１実施形態と異なる。第１実施形態では、第１ミラー４１および第２ミラー４２のそれぞれは、第１面６０ａおよび第２面６０ｂの全域に設けられていた。これに対して、本実施形態では、第１ミラー４１は、第１面６７ａの一部に設けられており、第１面６７ａのうち、第１端部６７ａ１および第２端部６７ａ２に近い領域には第１ミラー４１が設けられていない。同様に、第２ミラー４２は、第２面６７ｂの一部に設けられており、第２面６７ｂのうち、第１端部６７ｂ１および第２端部６７ｂ２に近い領域には第２ミラー４２が設けられていない。

ただし、第１ミラー４１の一方の端部と第２ミラー４２の他方の端部とが１本の光線Ｌ１１の光路上に位置している点は、第１実施形態と共通である。また、本実施形態においても、第１反射光線Ｒ１１と第２反射光線Ｒ１２との間隔ａは、射出瞳Ｅ１から見て、１．５ｍｍ以下である。また、第１反射光線Ｒ１１と第２反射光線Ｒ１２との間隔をａ（ｍｍ）とし、第２傾斜方向Ｋ２に沿う第３面６７ｃの長さをｂ（ｍｍ）とし、第１ミラー４１の第２ミラー４２に近い側の端部で反射された第１反射光線Ｒ１１と第１面６７ａとのなす角度をθとしたとき、第１面６７ａ、第２面６７ｂおよび第３面６７ｃの傾斜角度は、第１実施形態で示した（２）式の条件を満たす。

本変形例においても、第１導光体６７の加工を複雑にすることなく、ゴーストのおそれを低減できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図１１を用いて説明する。
本発明の一つの形態の光学ユニットは、第１実施形態のように、観察者の耳の側方に配置した画像生成部から画像光を眼に導く形態、いわゆる水平展開方式の第１実施形態のＨＭＤに限らず、観察者の頭上に配置した画像生成部から画像光を眼に導く形態、いわゆる垂直展開方式のＨＭＤに適用することも可能である。本実施形態では、光学ユニットを垂直展開方式のＨＭＤに適用した例を説明する。

図１１は、第３実施形態の光学ユニット７２の概略構成図である。
図１１に示すように、本実施形態の光学ユニット７２は、画像光生成部２０と、画像光Ｌ０を投射する投射光学系７３と、画像光Ｌ０を射出瞳Ｅ１に向けて偏向させる偏向素子７４と、を備えている。投射光学系７３は、レンズ７５と、凸面ミラー７６と、を備えている。

本実施形態の光学ユニット７２においても、第１導光体の加工を複雑にすることなく、ゴーストのおそれを低減できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態について、図１２を用いて説明する。
本発明の一つの形態の光学ユニットは、投射光学系を備えた第１〜第３実施形態のＨＭＤに限らず、導光体を備えたＨＭＤに適用することも可能である。本実施形態では、導光体を備えたＨＭＤに本発明の一つの形態の光学ユニットを適用した例を説明する。

図１２は、第４実施形態の光学ユニット７８の概略構成図である。
図１２に示すように、本実施形態の光学ユニット７８は、画像光生成部２０と、レンズ７９と、導光体８０と、を備えている。

本実施形態の場合、第１ミラー８１および第２ミラー８２を含む複数のミラー８３は、導光体８０の内部に設けられている。したがって、導光体８０は、内部で画像光Ｌ０を導光させるとともに、画像光Ｌ０を射出瞳Ｅ１に向けて偏向させる偏向素子の機能を有している。導光体８０は、入射面８０ａと、射出面８０ｂと、反射面８０ｃと、を有している。

画像光生成部２０から射出された画像光Ｌ０は、レンズ７９を介して入射面８０ａから導光体８０に入射する。導光体８０に入射した画像光Ｌ０は、反射面８０ｃおよび射出面８０ｂで反射しつつ導光体８０の内部を進み、第１ミラー８１および第２ミラー８２を含む複数のミラー８３に入射する。以下の作用は、第１実施形態で説明した通りである。

本実施形態の光学ユニット７８においても、第１導光体の加工を複雑にすることなく、ゴーストのおそれを低減できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態では、液晶パネル、有機ＥＬパネル等のフラットパネルを備えた画像光生成部の例を挙げたが、この構成に代えて、例えばレーザーと光走査デバイスとを備えた画像光生成部が用いられてもよい。その他、光学ユニットおよび表示装置の各部の具体的な構成については、上記実施形態に限ることなく、適宜変更が可能である。

なお、第１実施形態の水平展開方式、本実施形態の垂直展開方式に限らず、例えば観察者の頭上側方から画像光を斜めに眼に導く形態の表示装置、または、水平展開方式と垂直展開方式とを組み合わせた形態の表示装置に、本発明の一つの態様の光学ユニットを適用することも可能である。

また、上記実施形態においては、表示装置の一例として、ヘッドマウントディスプレイを挙げたが、例えばヘッドアップディスプレイ、双眼鏡のように装置本体を手で持って覗き込む形態のディスプレイ、いわゆるハンドヘルドディスプレイ等に本発明を適用してもよい。

１０，７２，７８…光学ユニット、２０…画像光生成部、４１，５３，５６，６３，８１…第１ミラー、４２，５４，５７，６４，８２…第２ミラー、５０，５２，５５，６２，６６，７４…偏向素子、５０ａ，５２ａ，５５ａ…第１辺、５０ｂ，５２ｂ，５５ｂ…第２辺、６０，６７…第１導光体、６０ａ，６７ａ…第１面、６０ｂ，６７ｂ…第２面、６０ｃ，６７ｃ…第３面、６０ｄ，６７ｄ…射出面、６８，７０…第２導光体、１００…表示装置、１３０…サブフレーム（筐体）、５３１，５６１，６３１…第１分割ミラー、５３２，５６２，６３２…第２分割ミラー、ａ…間隔、Ｅ１…射出瞳、Ｌ０…画像光、Ｒ１１…第１反射光線、Ｒ１２…第２反射光線。

Claims (8)

1. 画像光を生成する画像光生成部と、
   前記画像光生成部から射出された前記画像光を射出瞳に向けて偏向させる偏向素子と、
   を備え、
   前記偏向素子は、
   前記画像光を射出させる射出面と、前記射出面に対して第１傾斜方向に傾斜した第１面と、前記第１面から離れて設けられ、前記射出面に対して前記第１傾斜方向に傾斜した第２面と、前記第１面と前記第２面との間に設けられ、前記射出面に対して前記第１傾斜方向とは異なる第２傾斜方向に傾斜した第３面と、を有する第１導光体と、
   前記第１面に設けられた第１ミラーと、
   前記第２面に設けられた第２ミラーと、
   前記第１ミラーおよび前記第２ミラーを介して前記第１導光体と対向する第２導光体と、
   を有し、
   前記第１導光体への前記画像光の入射方向から見て、前記第１ミラーと前記第２ミラーとは、間隔を空けずに配置され、
   前記射出瞳から見て、前記第１ミラーと前記第２ミラーとは、間隔を空けて配置され、
   前記画像光のうち、前記第１ミラーの前記第２ミラーに近い側の端部で反射された第１反射光線と、前記第２ミラーの前記第１ミラーに近い側の端部で反射された第２反射光線と、の間隔は、前記射出瞳から見て、１．５ｍｍ以下である、光学ユニット。
2. 画像光を生成する画像光生成部と、
   前記画像光生成部から射出された前記画像光を射出瞳に向けて偏向させる偏向素子と、
   を備え、
   前記偏向素子は、
   前記画像光を射出させる射出面と、前記射出面に対して第１傾斜方向に傾斜した第１面と、前記第１面から離れて設けられ、前記射出面に対して前記第１傾斜方向に傾斜した第２面と、前記第１面と前記第２面との間に設けられ、前記射出面に対して前記第１傾斜方向とは異なる第２傾斜方向に傾斜した第３面と、を有する第１導光体と、
   前記第１面に設けられた第１ミラーと、
   前記第２面に設けられた第２ミラーと、
   前記第１ミラーおよび前記第２ミラーを介して前記第１導光体と対向する第２導光体と、
   を有し、
   前記第１導光体への前記画像光の入射方向から見て、前記第１ミラーと前記第２ミラーとは、間隔を空けずに配置され、
   前記射出瞳から見て、前記第１ミラーと前記第２ミラーとは、間隔を空けて配置され、
   前記第２傾斜方向に沿う前記第３面の長さをｂ（ｍｍ）とし、前記第１ミラーの前記第２ミラーに近い側の端部で反射された第１反射光線と前記第１面とのなす角度をθとしたとき、
   ｂ・ｓｉｎ（π−２×θ）≦１．５の関係を満たす、光学ユニット。
3. 前記射出瞳から見て、前記偏向素子の形状は矩形状であり、
   前記第１ミラーおよび前記第２ミラーのそれぞれは、前記偏向素子の互いに対向する第１辺と第２辺との間に湾曲して設けられている、請求項１または請求項２に記載の光学ユニット。
4. 前記第１ミラーおよび前記第２ミラーのそれぞれは、前記第１辺と前記第２辺との間で互いに隣り合う第１分割ミラーと第２分割ミラーとを含む複数の分割ミラーに分割され、
   前記第１分割ミラーと前記第２分割ミラーとは、前記第１辺および前記第２辺の延在方向にずれて配置されている、請求項３に記載の光学ユニット。
5. 前記第１分割ミラーと前記第２分割ミラーとは、前記第１辺および前記第２辺の延在方向と交差する方向に間隔を空けて設けられている、請求項４に記載の光学ユニット。
6. 前記第１分割ミラーおよび前記第２分割ミラーのそれぞれは、角部が丸められた形状を有する、請求項５に記載の光学ユニット。
7. 前記第１ミラーおよび前記第２ミラーのそれぞれは、入射した光の一部を反射させ、他の一部を透過させるハーフミラーで構成されている、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の光学ユニット。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の光学ユニットと、
   前記光学ユニットを収容する筐体と、を備える、表示装置。

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