JP2021086072A - 補正用光学部材及びヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】外界像が歪んでしまうことを防止する。【解決手段】ＨＭＤ１００用の補正用光学部材１０７であって、第１面ＰＬ１に設けられる第１回折格子ＤＳ１と、第１面ＰＬ１と対向する第２面ＰＬ２に第１回折格子ＤＳ１との関係で互いに外向きに設けられる第２回折格子ＤＳ１と、を有する第１光学部材１０７ａと、第１面ＰＬ１の延長方向に配置される第３面ＰＬ３に設けられる第３回折格子ＤＳ３と、第２面ＰＬ２の延長方向に配置される第４面ＰＬ４に設けられる第４回折格子ＤＳ４と、を有する第２光学部材１０７ｂと、が並んで配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、虚像を観察者に提示するヘッドマウントディスプレイに組み込まれる補正用光学部材及びこれを備えるヘッドマウントディスプレイに関する。

ヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも呼ぶ）として、射出される画像光を偏向して射出位置を変えるプリズム領域を有するレンズを眼前に配置して、プリズム領域において視線の中心線を右又は左に調整して映像の中心線に一致させるものが開示されている（特許文献１）。

米国特許公開２０１６／００４８０３８号

上記特許文献１の装置では、画像光の射出位置を変えるプリズム領域の構造について具体的な開示がない。上記特許文献１の装置は、シースルー視を前提とするものであり、レンズに設けたプリズム領域によって、使用者の眼側に射出される画像光に対して使用者の眼間距離に応じたシフト量を発生させ、使用者の眼間距離に応じた精密な映像の視認を可能にしているが、レンズ全体を通して視認される外界像、特に近距離の外界像がプリズム領域で歪んでしまうと思われる。

本発明一側面における第１の補正用光学部材は、ヘッドマウントディスプレイの補正用光学部材であって、第１面に設けられる第１回折格子と、第１面と対向する第２面に第１回折格子との関係で互いに外向きに設けられる第２回折格子と、を有する第１光学部材と、第１面の延長方向に配置される第３面に設けられる第３回折格子と、第２面の延長方向に配置される第４面に設けられる第４回折格子と、を有する第２光学部材と、が並んで配置されている。

本発明一側面における第２の補正用光学部材は、ヘッドマウントディスプレイの補正用光学部材であって、第１ウェッジプリズムと、第２ウェッジプリズムとが互いに外側の平面が平行、かつ、傾斜面が平行になるように空気層を介して配置された第１光学部材と、第３ウェッジプリズムと、第４ウェッジプリズムとが互いに外側の平面が平行、かつ、傾斜面が平行になるように空気層を介して配置された第２光学部材と、が並んで配置されている。

第１実施形態のＨＭＤの使用状態を説明する概念的な平面図である。 左眼用のＨＭＤの光学装置を説明する平面図及び正面図である。 右眼用のＨＭＤの光学装置を説明する平面図である。 図２の光学装置における第１光学部材を説明する概念的な拡大断面図である。 図３の光学装置における第２光学部材を説明する概念的な拡大断面図である。 実施例の光学部材による回折効率の波長依存性を示す。 図４等に示す光学部材の変形例を説明する概念的な拡大断面図である。 実施例の光学部材による回折効率の波長依存性を示す。 第２実施形態のＨＭＤの要部を説明する概念的な平面断面図である。 第２実施形態のＨＭＤの要部を説明する概念的な平面断面図である。 実施例についてウェッジ角を変化させた場合にウェッジ層厚がどのように変化するかを示す。 第３実施形態のＨＭＤの要部を説明する概念的な平面断面図である。

［第１実施形態］
以下、図面を参照しつつ、本発明に係るヘッドマウントディスプレイ等の第１実施形態について説明する。

図１に示す第１実施形態のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）１００は、眼鏡のような外観を有する両眼用の虚像表示装置である。図１等において、Ｘ、Ｙ、及びＺは、直交座標系であり、＋Ｘ方向は、ＨＭＤ１００を装着した観察者又は装着者ＵＳの両眼ＥＹの並ぶ横方向であって装着者ＵＳの左眼から右眼に向かう方向に対応し、−Ｘ方向は、装着者ＵＳの両眼ＥＹの並ぶ横方向であって装着者ＵＳの右眼から左眼に向かう方向に対応する。＋Ｙ方向は、装着者ＵＳにとっての両眼ＥＹの並ぶ横方向に直交する下方向に相当し、−Ｙ方向は、横方向に直交する上方向に相当する。＋Ｚ方向は、装着者ＵＳにとっての前方向又は正面方向に相当する。

ＨＭＤ１００は、シースルー型のＨＭＤ、つまりシースルー性を有するＨＭＤであり、このＨＭＤ１００を装着した観察者又は装着者ＵＳに対して、虚像又は表示画像を視認させることができるだけでなく、外界像をシースルーで観察させることができる。

ＨＭＤ１００は、第１表示装置１０１ａと第２表示装置１０１ｂとを備える。第１表示装置１０１ａと第２表示装置１０１ｂとは、左眼用の虚像と右眼用の虚像とをそれぞれ形成する部分である。第１表示装置１０１ａと第２表示装置１０１ｂとは、左右対称で同等の構造を有する。

ＨＭＤ１００において、左眼用の第１表示装置１０１ａは、観察者の眼前を透視可能に覆う第１虚像形成光学部１０３ａと、画像光を形成する第１像形成本体部１０５ａと、瞳間隔調整用の第１光学部材１０７ａとを備える。右眼用の第２表示装置１０１ｂは、観察者の眼前を透視可能に覆う第２虚像形成光学部１０３ｂと、画像光を形成する第２像形成本体部１０５ｂと、瞳間隔調整用の第２光学部材１０７ｂとを備える。虚像形成光学部１０３ａ，１０３ｂは、樹脂材料等で形成される導光体を含み、像形成本体部１０５ａ，１０５ｂは、外装ケース１０５ｄ中に光学部品や電子部品を収納している。光学部材１０７，１０７ｂは、板状の部材であり、虚像形成光学部１０３ａ，１０３ｂに対して眼ＥＹ側すなわち−Ｚ側に固定されている。装着者ＵＳは、両光学部材１０７ａ，１０７ｂ越しに虚像形成光学部１０３ａ，１０３ｂを覗くことになる。両光学部材１０７ａ，１０７ｂを組み合わせたものを補正用光学部材１０７と呼ぶ。補正用光学部材１０７は、虚像形成光学部１０３ａ，１０３ｂに対して固定されているが、虚像形成光学部１０３ａ，１０３ｂに対して着脱可能にすることもできる。なお、光学部材１０７，１０７ｂの内側すなわち−Ｚ側に視度補正レンズＤＣを配置することもできる。

左眼用の第１表示装置１０１ａのうち第１像形成本体部１０５ａは、外装ケース１０５ｄ内に、表示素子８０と投射レンズ３０とを保持し、これらのほかに、不図示の電子回路基板等を内蔵している。表示素子８０、投射レンズ３０等は、外装ケース１０５ｄ中に不図示の取付部材を介してアライメントされた状態で固定されており、特に投射レンズ３０は、第１虚像形成光学部１０３ａの先端部に対してもアライメントされた状態で固定されている。左眼用の第１像形成本体部１０５ａにおいて、投射レンズ３０は、第１虚像形成光学部１０３ａに対して光路に関する前段に配置されて結像系の一部を構成する。

右眼用の第２表示装置１０１ｂのうち第２像形成本体部１０５ｂは、外装ケース１０５ｄ内に、表示素子８０と投射レンズ３０とを保持し、これらのほかに、不図示の電子回路基板等を内蔵している。投射レンズ３０、表示素子８０等は、外装ケース１０５ｄ中にアライメントされた状態で固定されており、特に投射レンズ３０は、第２虚像形成光学部１０３ｂの先端部に対してもアライメントされた状態で固定されている。右眼用の第２像形成本体部１０５ｂにおいて、投射レンズ３０は、第２虚像形成光学部１０３ｂに対して光路に関する前段に配置されて結像系の一部を構成する。

第１像形成本体部１０５ａに組み込まれた表示素子８０は、２次元的な表示を可能にする自発光型の表示デバイスであり、ドットマトリクス方式で動作する。表示素子８０は、具体的には有機ＥＬ（Electro-luminescence）の表示パネルを想定しているが、これに限るものではなく、液晶ディスプレイ(LCD: Liquid Crystal Display)用のパネルであってもよい。ＬＣＤ用のパネルを用いる場合、適合する照明用光源が必要となる。表示素子８０は、不図示の電子回路基板に駆動されて四角形の表示面８１上にカラー画像を形成し、２次元的な動画又は静止画を表示することができる。第２像形成本体部１０５ｂに組み込まれた表示素子８０は、第１像形成本体部１０５ａに組み込まれた表示素子８０と同様の構造を有する。

第１像形成本体部１０５ａ及び第２像形成本体部１０５ｂに組み込まれた投射レンズ３０は、コリメータであり、表示素子８０に形成された像の各点から射出された画像光ＧＬを平行光束にする。

第１及び第２虚像形成光学部１０３ａ，１０３ｂは、別体ではなく対向する端部で連結されて一体的な部材である透視型導光ユニット１００Ｃを形成している。透視型導光ユニット１００Ｃは、表示素子８０からの画像光ＧＬを導く一対の導光装置１０ａ，１０ｂと、外界像の重畳視又はシースルー視を可能にする中央部材５０とを備える。一対の導光装置１０ａ，１０ｂは、一対の眼ＥＹの配置に対応して±Ｘ方向に関して並んで配置されている。一対の導光装置１０ａ，１０ｂは、画像光ＧＬを内部に伝搬させつつ虚像形成に寄与する一対の光学部材である。中央部材５０は、一対の光透過部５０ａ，５０ｂを有し、一方の光透過部５０ａは、一方の第１導光装置１０ａに接合され、他方の光透過部５０ｂは、他方の導光装置１０ｂに接合される。透視型導光ユニット１００Ｃは、導光によって装着者ＵＳに両眼ＥＹ用の画像を提供する複合型の導光装置であり、両端部つまり導光装置１０ａ，１０ｂの先端が外装ケース１０５ｄに嵌め込まれ、像形成本体部１０５ａ，１０５ｂに支持されている。

第１光学部材１０７ａは、矩形の平板状の部材であり、第１導光装置１０ａに対向して配置されている。第１光学部材１０７ａは、第１虚像形成光学部１０３ａに対してホルダー１０８ａを介して固定されており、第１導光装置１０ａの光射出部１２ａの射出面に対して平行に延びている。第１光学部材１０７ａは、第１虚像形成光学部１０３ａの光射射出部１２ａから射出された平行光束である画像光ＧＬを平行光束のままに保って横の＋Ｘ方向にシフトさせ、言い換えれば画像光ＧＬを両眼ＥＹの中間に延びる中心線ＣＬに向けてシフトさせることにより、瞳間隔ＰＷの調整を可能にする。第１光学部材１０７ａによる画像光ＧＬのシフト量ＰＳは、固定的であるが、第１光学部材１０７ａの交換によって変更可能である。

第２光学部材１０７ｂは、矩形の平板状の部材であり、第２導光装置１０ｂに対向して配置されている。第２光学部材１０７ｂは、第２虚像形成光学部１０３ｂに対してホルダー１０８ｂを介して固定されており、第２導光装置１０ｂの光射出部１２ｂの射出面に対して平行に延びている。図１に示すように、第２光学部材１０７ｂは、第１光学部材１０７ａと同一面に配置されている。つまり、第１光学部材１０７ａと第２光学部材１０７ｂとは、一対の眼ＥＹの配置に対応して±Ｘ方向に並んで配置された状態となっている。ここで、並んで配置された状態とは、第１光学部材１０７ａの中央と第２光学部材１０７ｂの中央とが厳密に同一平面上にある場合に限らず、これらが光軸ＡＸ方向にずれて配置されている場合も含む。第２光学部材１０７ｂは、第２虚像形成光学部１０３ｂの光射出部１２ｂから射出された平行光束である画像光ＧＬを平行光束のままに保って横の−Ｘ方向にシフトさせ、言い換えれば画像光ＧＬを両眼ＥＹの中間に延びる中心線ＣＬに向けてシフトさせることにより、瞳間隔ＰＷの調整を可能にする。第２光学部材１０７ｂによる画像光ＧＬのシフト量ＰＳは、固定的であるが、第２光学部材１０７ｂの交換によって変更可能である。

図２は、第１表示装置１０１ａを示す図であり、特に第１虚像形成光学部１０３ａの光学的構造を説明するものとなっている。図２において、第１領域ＡＲ１は、第１表示装置１０１ａの平面図であり、第２領域ＡＲ２は、第１表示装置１０１ａの正面図である。

第１虚像形成光学部１０３ａのうち第１導光装置１０ａは、接着層ＣＣを介して光透過部５０ａと接合されている。つまり、光透過部５０ａの第２透過面Ｓ５２は、第１導光装置１０ａの第２光学面Ｓ０２に対向して配置され、同じ平面形状を有する。第１導光装置１０ａと光透過部５０ａとは、光学面を含む立体的形状を与える本体部材の表面を薄いハードコート層で被覆した構造を有する。第１導光装置１０ａや光透過部５０ａの本体部材は、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されており、例えば金型内に熱可塑性樹脂を注入し固化させることにより成形される。

第１導光装置１０ａは、瞳位置ＥＰ側から、第１光学面Ｓ０１と、第２光学面Ｓ０２と、第３光学面Ｓ０３と、第４光学面Ｓ０４とを備える。第１光学面Ｓ０１は、瞳位置ＥＰ側すなわち−Ｚ側に設けられてＸＹ面に平行に延びる平面であり、第３光学面Ｓ０３は、外界側に設けられてＸＹ面に平行に延びる平面である。つまり、第１光学面Ｓ０１及び第３光学面Ｓ０３は、互いに平行に配置されている。第１光学面Ｓ０１及び第３光学面Ｓ０３は、内側で画像光ＧＬを反射する全反射面である。第２光学面Ｓ０２及び第４光学面Ｓ０４は、第１光学面Ｓ０１や第３光学面Ｓ０３に対して傾斜した状態で配置された平面である。第２光学面Ｓ０２は、外側をハーフミラー１５で覆われており、ハーフミラー１５は、画像光ＧＬを部分的に反射する。ハーフミラー１５は、金属膜や誘電体多層膜で構成することができるが、これに限るものではない。第４光学面Ｓ０４は、反射膜ＲＭで覆われて内側で画像光ＧＬを反射する。反射膜ＲＭは、金属膜や誘電体多層膜で構成することができるが、これに限るものではない。

光透過部５０ａは、第１透過面Ｓ５１と、第２透過面Ｓ５２と、第３透過面Ｓ５３とを備える。第１透過面Ｓ５１は、瞳位置ＥＰ側すなわち−Ｚ側に設けられてＸＹ面に平行に延びる平面であり、第３透過面Ｓ５３は、外界側に設けられてＸＹ面に平行に延びる平面である。つまり、第１透過面Ｓ５１及び第３透過面Ｓ５３は、互いに平行に配置されている。

第１光学部材１０７ａは、平行平板である本体平板７ｃと、本体平板７ｃの第１面ＰＬ１に設けられる第１回折格子ＤＳ１と、第１面ＰＬ１と対向する本体平板７ｃの第２面ＰＬ２に第１回折格子ＤＳ１との関係で互いに外向きに設けられる第２回折格子ＤＳ２とを有する。第１回折格子ＤＳ１は、画像光ＧＬをＸＺ面内で＋Ｘ方向及び−Ｚ方向に傾いた所定方向に偏向させ、第２回折格子ＤＳ２は、第１回折格子ＤＳ１によって偏向させた画像光ＧＬの方向を元の方向に戻す。第１回折格子ＤＳ１及び第２回折格子ＤＳ２は、ブレーズ型の回折格子であるが、バイナリ型の回折格子とすることもできる。ブレーズ型の回折格子すなわちブレーズ格子は、目的とする方向に高い効率で画像光を射出することを可能にする。一方、バイナリ型の回折格子すなわちバイナリ格子は、正負の次数に関して対称的な回折を可能にし、光束の幅を広げる用途にも適用することができる。ここで、第１回折格子ＤＳ１による１次回折光等の回折角と、第２回折格子ＤＳ２による１次回折光等の回折角とは等しい。これを実現するため、第１回折格子ＤＳ１と第２回折格子ＤＳ２とは、Ｙ軸に平行な対称軸の周りに回転させた場合に一致する同一形状を有するものとなっている。第１回折格子ＤＳ１による１次回折光の回折角と、第２回折格子ＤＳ２による１次回折光の回折角とを等しくすることにより、ＨＭＤ１００の光学系から射出される画像光ＧＬを効率よくシフトさせることができる。第１回折格子ＤＳ１と第２回折格子ＤＳ２とによる１次回折光の空気換算の回折角θは、４５°＜θ＜７０°の範囲にある。回折角θを４５°より大きくすることにより、シフト量確保が容易になる。回折角θを７０°より小さくすることにより、回折効率の低下を抑えることができ画像光ＧＬの輝度確保が容易になる。

第１光学部材１０７ａは、第１導光装置１０ａから射出される画像光の画角をカバーするように配置されている。具体的には、第１光学部材１０７ａは、第１導光装置１０ａの画像光に関する光学的な有効領域ＯＥ１を含んでこれよりも広い範囲に配置されている。さらに、第１光学部材１０７ａは、光透過部５０ａの光学的な有効領域ＯＥ２を含んでこれよりも広い範囲に配置されている。これにより、後に詳述するように回折格子を含む第１光学部材１０７ａによって画像光ＧＬ又は光路をシフトさせても、表示画像や外界像が歪むことを防止することができる。第１光学部材１０７ａは、外界光ＯＬに関しても第１導光装置１０ａと同等の画角範囲をカバーするものとなっている。

以下、画像光ＧＬの光路について概要を説明する。第１導光装置１０ａは、投射レンズ３０によってコリメートされた画像光ＧＬを、光入射部１１ａを介して入射させ、第１〜第４光学面Ｓ０１〜Ｓ０４での反射等によって導き、導かれた画像光ＧＬを、光射出部１２ａを介して装着者ＵＳの眼ＥＹがある外部に射出させる。具体的には、投射レンズ３０からの画像光ＧＬは、まず光入射部１１ａに形成されている第１光学面Ｓ０１の部分に入射してこれを通過し、反射膜ＲＭの内面である第４光学面Ｓ０４で反射され、第１光学面Ｓ０１の部分に内側から再度入射して全反射され、第３光学面Ｓ０３に入射して全反射され、第１光学面Ｓ０１の部分に入射して全反射される。第１光学面Ｓ０１で全反射された画像光ＧＬは、第２光学面Ｓ０２に入射し、第２光学面Ｓ０２に設けたハーフミラー１５を部分的に透過しつつも部分的に反射されて光射出部１２ａに形成されている第１光学面Ｓ０１の部分に再度入射してこれを通過する。第１光学面Ｓ０１を通過した画像光ＧＬは、Ｚ方向に略平行な光軸ＡＸに沿って全体として進み、平板状の第１光学部材１０７ａを経て装着者ＵＳの眼ＥＹが配置される瞳位置ＥＰに略平行光束として入射する。つまり、装着者ＵＳは、画像光により虚像としての画像を観察することになる。なお、表示素子８０の表示面８１の中心からの画像光ＧＬを実線で示し、表示素子８０の表示面８１の周辺からの画像光ＧＬ１，ＧＬ２を一点鎖線及び二点鎖線で示す。画像光ＧＬ１，ＧＬ２は、画角の広がりを示すものとなっている。

第１虚像形成光学部１０３ａは、第１導光装置１０ａにより、装着者ＵＳに画像光を視認させるとともに、そのシースルー性によってシースルー視を可能にする。つまり、第１虚像形成光学部１０３ａ又は第１導光装置１０ａは、画像又は表示画像に重ねて外界像を観察可能にする。具体的な構造的については後に詳述するが、第１導光装置１０ａは、画像光ＧＬを伝搬させつつ、外界光ＯＬが横切ることを許容する透過性を有し、かつ、外界光ＯＬを透過させる際の映像への作用を抑える光学面を有するものとなっている。本実施形態の場合、第１虚像形成光学部１０３ａは、第１導光装置１０ａと光透過部５０ａとを組み合わせた状態で、装着者ＵＳに歪みの少ない外界像を観察させるものとなっている。この際、第３光学面Ｓ０３と第１光学面Ｓ０１とが互いに略平行な平面となっていることで、この部分を透過させる観察に関して視度が略０となり、外界光ＯＬについて収差等をほとんど生じさせない。また、第３透過面Ｓ５３と第１透過面Ｓ５１とが互いに略平行な平面となっており、さらに、第３透過面Ｓ５３と第１光学面Ｓ０１とが互いに略平行な平面となっていることで、収差等をほとんど生じさせない。以上により、装着者ＵＳは、光透過部５０ａ越しに歪みのない外界像を観察することになる。

表示画像や外界像の観察に際して、第１光学部材１０７ａにおいて、第１回折格子ＤＳ１によって偏向させた画像光ＧＬの方向を第２回折格子ＤＳ２によって元の方向に戻す。具体的には、例えば表示素子８０の表示面８１の中心からの画像光ＧＬは、投射レンズ３０を経て光軸ＡＸに平行にされ、第１導光装置１０ａ内を平行光束の状態で伝播し、第１導光装置１０ａから射出され、第１光学部材１０７ａを経て表示素子８０から離れて中央部材５０の中央寄りに相当する＋Ｘ方向にシフト量ＰＳだけシフトされ、瞳位置ＥＰに略平行光束のまま入射する。第１光学部材１０７ａによる画像光ＧＬのシフト量ＰＳは、後述する第１光学部材１０７ａの光学特性によって、所定範囲内で任意に設定することができる。画像光ＧＬについては、第１光学部材１０７ａを経て回折光として射出されるだけでなく、非回折光として第１光学部材１０７ａを通過する。結果的に、瞳位置ＥＰに回折光と非回折光とが入射する場合があるが、第１光学部材１０７ａの光学特性の設定によって非回折光は瞳位置ＥＰ外に入射するようにすることができる。

図３は、第２表示装置１０１ｂを示す図であり、特に第１虚像形成光学部１０３ｂの光学的構造を説明するものとなっている。

第１虚像形成光学部１０３ｂのうち第２導光装置１０ｂは、接着層ＣＣを介して光透過部５０ｂと接合されている。つまり、光透過部５０ｂの第２透過面Ｓ５２は、第２導光装置１０ｂの第２光学面Ｓ０２に対向して配置され、同じ平面形状を有する。第２導光装置１０ｂと光透過部５０ｂとは、光学面を含む立体的形状を与える本体部材の表面を薄いハードコート層で被覆した構造を有する。第２導光装置１０ｂや光透過部５０ｂの本体部材は、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されており、例えば金型内に熱可塑性樹脂を注入し固化させることにより成形される。

第２導光装置１０ｂは、瞳位置ＥＰ側から、第１光学面Ｓ０１と、第２光学面Ｓ０２と、第３光学面Ｓ０３と、第４光学面Ｓ０４とを備える。第２導光装置１０ｂの第１光学面Ｓ０１、第２光学面Ｓ０２、第３光学面Ｓ０３、及び第４光学面Ｓ０４は、図２に示す第１導光装置１０ａの第１光学面Ｓ０１、第２光学面Ｓ０２、第３光学面Ｓ０３、及び第４光学面Ｓ０４を左右に反転させたものになっており、ここでは説明を省略する。

光透過部５０ａは、第１透過面Ｓ５１と、第２透過面Ｓ５２と、第３透過面Ｓ５３とを備える。第１透過面Ｓ５１、第２透過面Ｓ５２、及び第３透過面Ｓ５３は、図２に示す光透過部５０ａの第１透過面Ｓ５１、第２透過面Ｓ５２、及び第３透過面Ｓ５３を左右に反転させたものになっており、ここでは説明を省略する。

第２光学部材１０７ｂは、平行平板である本体平板７ｃと、本体平板７ｃの第３面ＰＬ３に設けられる第３回折格子ＤＳ３と、第３面ＰＬ３と対向する本体平板７ｃの第４面ＰＬ４に第３回折格子ＤＳ３との関係で互いに外向きに設けられる第４回折格子ＤＳ４とを有する。第３面ＰＬ３や第３回折格子ＤＳ３は、図１に示す第１光学部材１０７ａの第１面ＰＬ１の延長方向に配置され、第４面ＰＬ４や第４回折格子ＤＳ４は、図１に示す第１光学部材１０７ａの第２面ＰＬ２の延長方向に配置されている。ここで、延長方向とは、厳密に同一平面にある場合に限らず、互いに傾斜した関係にある場合を含む。第３回折格子ＤＳ３は、画像光ＧＬをＸＺ面内で−Ｘ方向及び−Ｚ方向に傾いた所定方向に偏向させ、第４回折格子ＤＳ４は、第３回折格子ＤＳ３によって偏向させた画像光ＧＬの方向を元の方向に戻す。第３回折格子ＤＳ３及び第４回折格子ＤＳ４は、ブレーズ型の回折格子であるが、バイナリ型の回折格子とすることもできる。ここで、第３回折格子ＤＳ３による１次回折光等の回折角と、第４回折格子ＤＳ４による１次回折光等の回折角とは等しく、図２に示す第１回折格子ＤＳ１及び第２回折格子ＤＳ２による１次回折光等の回折角とも等しくなっている。これを実現するため、第３回折格子ＤＳ３と第４回折格子ＤＳ４とは、Ｙ軸に平行な対称軸の周りに回転させた場合に一致する同一形状を有するものとなっており、第１回折格子ＤＳ１及び第２回折格子ＤＳ２とも同一形状を有するものとなっている。第３回折格子ＤＳ３による１次回折光の回折角と、第４回折格子ＤＳ４による１次回折光の回折角とを等しくすることにより、ＨＭＤ１００の光学系から射出される画像光ＧＬを効率よくシフトさせることができる。第３回折格子ＤＳ３と第４回折格子ＤＳ４とによる１次回折光の空気換算の回折角θは、第１回折格子ＤＳ１及び第２回折格子ＤＳ２と同様に、４５°＜θ＜７０°の範囲にある。

第２光学部材１０７ｂは、第２導光装置１０ｂから射出される画像光の画角をカバーするように配置されている。具体的には、第２光学部材１０７ｂは、第２導光装置１０ｂの画像光に関する光学的な有効領域や光透過部５０ｂの光学的な有効領域を含んでこれよりも広い範囲に配置されている。これにより、後に詳述するように回折格子を含む第２光学部材１０７ｂによって画像光ＧＬ又は光路をシフトさせても、表示画像や外界像が歪むことを防止することができる。第２光学部材１０７ｂは、外界光ＯＬに関しても第２導光装置１０ｂと同等の画角範囲をカバーするものとなっている。

以下、画像光ＧＬの光路について概要を説明する。第２導光装置１０ｂは、投射レンズ３０によってコリメートされた画像光ＧＬを、光入射部１１ｂを介して入射させ、第１〜第４光学面Ｓ０１〜Ｓ０４での反射等によって導き、導かれた画像光ＧＬを、光射出部１２ｂを介して装着者ＵＳの眼ＥＹがある外部に射出させる。第２導光装置１０ｂにおける画像光ＧＬの光路は、図２に示す第２導光装置１０ｂにおける画像光ＧＬの光路を左右に反転させた同様のものであり、ここでは説明を省略する。なお、表示素子８０の表示面８１の中心からの画像光ＧＬを実線で示し、表示素子８０の表示面８１の周辺からの画像光ＧＬ１，ＧＬ２を一点鎖線及び二点鎖線で示す。画像光ＧＬ１，ＧＬ２は、画角の広がりを示すものとなっている。

第２虚像形成光学部１０３ｂは、第２導光装置１０ｂにより、装着者ＵＳに画像光を視認させるとともに、そのシースルー性によってシースルー視を可能にする。つまり、第２虚像形成光学部１０３ｂ又は第２導光装置１０ｂは、画像又は表示画像に重ねて外界像を観察可能にする。本実施形態の場合、第２虚像形成光学部１０３ｂは、第２導光装置１０ｂと光透過部５０ｂとを組み合わせた状態で、装着者ＵＳに歪みの少ない外界像を観察させるものとなっている。この際、第３光学面Ｓ０３と第１光学面Ｓ０１とが互いに略平行な平面となっていることで、この部分を透過させる観察に関して視度が略０となり、外界光ＯＬについて収差等をほとんど生じさせない。また、第３透過面Ｓ５３と第１透過面Ｓ５１とが互いに略平行な平面となっており、さらに、第３透過面Ｓ５３と第１光学面Ｓ０１とが互いに略平行な平面となっていることで、収差等をほとんど生じさせない。以上により、装着者ＵＳは、光透過部５０ｂ越しに歪みのない外界像を観察することになる。

表示画像や外界像の観察に際して、第２光学部材１０７ｂにおいて、第３回折格子ＤＳ３によって偏向させた画像光ＧＬの方向を第４回折格子ＤＳ４によって元の方向に戻す。具体的には、例えば表示素子８０の表示面８１の中心からの画像光ＧＬは、投射レンズ３０を経て光軸ＡＸに平行にされ、第２導光装置１０ｂ内を平行光束の状態で伝播し、第２導光装置１０ｂから射出され、第２光学部材１０７ｂを経て表示素子８０から離れて中央部材５０の中央寄りに相当する−Ｘ方向にシフト量ＰＳだけシフトされ、瞳位置ＥＰに略平行光束のまま入射する。第２光学部材１０７ｂによる画像光ＧＬのシフト量ＰＳは、後述する第２光学部材１０７ｂの光学特性によって、所定範囲内で任意に設定することができる。画像光ＧＬについては、第２光学部材１０７ｂを経て回折光として射出されるだけでなく、非回折光として第２光学部材１０７ｂを通過する。結果的に、瞳位置ＥＰに回折光と非回折光とが入射する場合があるが、第２光学部材１０７ｂの光学特性の設定によって非回折光は瞳位置ＥＰ外に入射するように設定することができる。

図４を参照して、第１光学部材１０７ａの構造と光線経路について説明する。第１光学部材１０７ａの第１面ＰＬ１には、ブレーズ型の第１回折格子ＤＳ１が形成され、第１光学部材１０７ａの第２面ＰＬ２には、ブレーズ型の第２回折格子ＤＳ２が形成されている。第１回折格子ＤＳ１のブレーズ面７ｇや第２回折格子ＤＳ２のブレーズ面７ｈは、画像光ＧＬのうち利用する回折光の射出方向を考慮したものとなっており、同一角度で反転した方向に傾斜している。第１光学部材１０７ａの第１面ＰＬ１の第１回折格子ＤＳ１に入射した画像光ＧＬは、０次光ＤＬ１０と、＋１次光ＤＬ１１と、−１次光ＤＬ１２とに分岐される。以上において、＋１次光ＤＬ１１は、ＲＧＢの三色で回折角が異なり、傾斜角が異なる３つの回折光ＤＬ１１Ｒｒ，ＤＬ１１Ｒｇ，ＤＬ１１Ｒｂを含んでいるが、ここでは、基本的に緑色（具体的には波長５５０ｎｍ）を設計中心波長としており、特に説明がない場合、波長５５０ｎｍの光線を代表として説明する。なお、２次以上の高次の回折光については、分岐効率が低いこともあって、図示を省略している。また、ブレーズ型の場合、−１次光ＤＬ１２の分岐効率も低くなっている。

第１光学部材１０７ａの内部から第２面ＰＬ２の第２回折格子ＤＳ２に入射した＋１次光ＤＬ１１は、０次光ＤＬ２０、＋１次光ＤＬ２１等（例えば回折光ＤＬ２１ｇ）に分岐される。結果的に、第１光学部材１０７ａを通過した画像光ＧＬとして−Ｚ方向に進む＋１次光ＤＬ２１を取り出すことができる。第２回折格子ＤＳ２から射出される０次光ＤＬ２０については、＋１次光ＤＬ２１に対して大きく傾いたものとすることができ、瞳位置ＥＰ外に入射するように設定することができる。結果的に、図２に示す第１導光装置１０ａから光軸ＡＸに沿って射出された画像光ＧＬは、第１光学部材１０７ａを経て＋Ｘ方向にシフト量ＰＳだけシフトされ、光軸ＡＸに沿って瞳位置ＥＰに入射する。なお、波長５５０ｎｍの緑色光に限らず、赤色光や青色光も、＋Ｘ方向にシフト量ＰＳとは異なる波長に応じた量だけシフトされ、光軸ＡＸに沿って瞳位置ＥＰに入射する。第２回折格子ＤＳ２を直進する０次光ＤＬ１０，ＤＬ２０については、これを画像光ＧＬとして用いてもよいが、１次回折光の回折角が画像光ＧＬの画角以上になってシフト量ＰＳがある程度以上となると、瞳位置ＥＰ外に入射して観察されなくなる。つまり、映像内にゴーストが生じにくい設計にすることができる。

第１光学部材１０７ａがブレーズ型である場合、±１次で異なる効率となり、＋１次光を集中して集めやすい。図５及び６に示す場合、入射側の第１回折格子ＤＳ１と出射側の第２回折格子ＤＳ２とを同じピッチで同じ深さのブレーズ格子としており、入射時に偏向した光を元に戻すことができるため、画像光ＧＬ及び外界光ＯＬによって形成される画像を歪ませることなく、光の射出位置を変えることができる。また、回折格子ＤＳ１，ＤＳ２によらず基材である本体平板７ｃの厚み調整によって、シフト量ＰＳ又は変位量を変化させることができる。

図５を参照して、第２光学部材１０７ｂの構造と光線経路について説明する。図５に示す第２光学部材１０７ｂは、図４に示す第１光学部材１０７ａを±Ｘ方向に関して反転した構造を有する。第２光学部材１０７ｂの第３面ＰＬ３には、ブレーズ型の第３回折格子ＤＳ３が形成され、第２光学部材１０７ｂの第４面ＰＬ４には、ブレーズ型の第４回折格子ＤＳ４が形成されている。第３回折格子ＤＳ３のブレーズ面７ｇや第４回折格子ＤＳ４のブレーズ面７ｈは、画像光ＧＬのうち利用する回折光の射出方向を考慮したものとなっており、同一角度で反転した方向に傾斜している。第２光学部材１０７ｂの第３面ＰＬ３の第３回折格子ＤＳ３に入射した画像光ＧＬは、０次光ＤＬ１０と、＋１次光ＤＬ１１と、−１次光ＤＬ１２とに分岐される。以上において、＋１次光ＤＬ１１は、ＲＧＢの三色で回折角が異なり、傾斜角が異なる３つの回折光ＤＬ１１Ｒｒ，ＤＬ１１Ｒｇ，ＤＬ１１Ｒｂを含んでいるが、ここでは、基本的に緑色（具体的には波長５５０ｎｍ）を設計中心波長としており、波長５５０ｎｍの光線を代表として説明する。なお、２次以上の高次の回折光については、分岐効率が低いこともあって、図示を省略している。また、ブレーズ型の場合、−１次光ＤＬ１２の分岐効率も低くなっている。

第２光学部材１０７ｂの内部から第４面ＰＬ４の第４回折格子ＤＳ４に入射した＋１次光ＤＬ１１は、０次光ＤＬ２０、＋１次光ＤＬ２１等（例えば回折光ＤＬ２１ｇ）に分岐される。結果的に、第２光学部材１０７ｂを通過した画像光ＧＬとして−Ｚ方向に進む＋１次光ＤＬ２１を取り出すことができる。第４回折格子ＤＳ４から射出される０次光ＤＬ２０については、＋１次光ＤＬ２１に対して大きく傾いたものとすることができ、瞳位置ＥＰ外に入射するように設定することができる。結果的に、図３に示す第２導光装置１０ｂから光軸ＡＸに沿って射出された画像光ＧＬは、第２光学部材１０７ｂを経て−Ｘ方向にシフト量ＰＳだけシフトされ、光軸ＡＸに沿って瞳位置ＥＰに入射する。なお、波長５５０ｎｍの緑色光に限らず、赤色光や青色光も、−Ｘ方向にシフト量ＰＳとは異なる波長に応じた量だけシフトされ、光軸ＡＸに沿って瞳位置ＥＰに入射する。第４回折格子ＤＳ４を直進する０次光ＤＬ１０，ＤＬ２０については、これを画像光ＧＬとして用いてもよいが、シフト量ＰＳがある程度以上となると、瞳位置ＥＰ外に入射して観察されなくなる。

図４に示す第１光学部材１０７ａと、図５に示す第２光学部材１０７ｂとの作用により、ＨＭＤ１００としての一対の画像光ＧＬの±Ｘ方向の間隔である瞳間隔ＰＷは、光学部材１０７ａ，１０７ｂを省略した場合の基本間隔ＰＷ０に比較して、装着者ＵＳの瞳位置ＥＰに合わせて個々のシフト量ＰＳの２倍の間隔２×ＰＳだけ減少している（図１参照）。以上では、第１光学部材１０７ａによる画像光ＧＬのシフト量ＰＳと、第２光学部材１０７ｂによる画像光ＧＬのシフト量ＰＳとが等しいとしたが、両光学部材１０７ａ，１０７ｂによる画像光ＧＬのシフト量が異なっていてもよい。また以上では、両光学部材１０７ａ，１０７ｂによって、ＨＭＤ１００としての一対の画像光ＧＬの瞳間隔を狭めているが、回折方向の設定によりＨＭＤ１００としての一対の画像光ＧＬの瞳間隔を広げることもできる。

以上において、第１回折格子ＤＳ１の設計中心波長と第２回折格子ＤＳ２の設計中心波長とは５５０ｎｍに等しく、第３回折格子ＤＳ３の設計中心波長と第４回折格子ＤＳ４の設計中心波長とは５５０ｎｍに等しい。この場合、第１回折格子ＤＳ１から第４回折格子ＤＳ４までの特性を一致させて、可視域の全体で設計に近い回折を実現することができ、左右の対象性を高めた表示画像を提供することができる。さらに、第１回折格子ＤＳ１、第２回折格子ＤＳ２、第３回折格子ＤＳ３、及び第４回折格子ＤＳ４は、同一形状を有する。この場合、各回折格子ＤＳ１〜ＤＳ４の特性が完全に一致し、左右の画像の対象性をさらに高めることができる。

図４に示す第１光学部材１０７ａ等の具体的な実施例について説明する。設計中心波長は、５５０ｎｍとした。第１〜第４回折格子ＤＳ１〜ＤＳ４のピッチは、６９０ｎｍとし、溝深さは１．２５μｍとした。基材である本体平板７ｃの屈折率を１．５８５（ポリカーボネート相当）とし、本体平板７ｃの厚みを２ｍｍとした。結果的に、回折角θ'は、基材である本体平板７ｃ中で３０．１°であり、射出後の空気側でθ＝５２．６°である。結果的に、画像光ＧＬのシフト量ＰＳは、波長に依存するが、０．９ｍｍ〜１．５ｍｍ程度となる。

図６に、参考として、実施例の光学部材１０７ａ，１０７ｂによる回折効率の波長依存性を示す。実施例では、＋１次光ＤＬ１１，ＤＬ２１を用いるので、波長６５０ｎｍと５５０ｎｍで効率差は約８７％であり、波長依存性は許容範囲内といえる。また、通過によるトータルの効率は、波長５５０ｎｍの場合、７７．３×７７．３≒６０％となり、減光量も許容範囲内といえる。

図７を参照して、変形例の第１光学部材１０７ａの構造と光線経路について説明する。第１光学部材１０７ａの第１面ＰＬ１には、バイナリ型の第１回折格子ＤＳ１が形成され、第１光学部材１０７ａの第２面ＰＬ２には、バイナリ型の第２回折格子ＤＳ２が形成されている。第１回折格子ＤＳ１のバイナリ面７ｉや第２回折格子ＤＳ１のバイナリ面７ｊは、ＸＹ面に平行に延びている。第１光学部材１０７ａの第１面ＰＬ１の第１回折格子ＤＳ１に入射した画像光ＧＬは、０次光ＤＬ１０と、＋１次光ＤＬ１１と、−１次光ＤＬ１２とに分岐される。以上において、＋１次光ＤＬ１１は、ＲＧＢの三色で回折角が異なり、傾斜角が異なる３つの回折光ＤＬ１１Ｒｒ，ＤＬ１１Ｒｇ，ＤＬ１１Ｒｂを含んでいる。また、−１次光ＤＬ１２は、傾斜角が異なる３つの回折光ＤＬ１２Ｒｒ，ＤＬ１２Ｒｇ，ＤＬ１２Ｒｂを含んでいる。ここでは、基本的に緑色（具体的には波長５５０ｎｍ）を設計中心波長としており、波長５５０ｎｍの光線を代表として説明する。なお、２次以上の高次の回折光については、分岐効率が低いこともあって、図示を省略している。

なお、変形例の第２光学部材１０７ｂは、上記変形例の第１光学部材１０７ｂと同様のものであり、ここでは説明を省略する。第１光学部材１０７ａと第２光学部材１０７ｂとを組み合わせることにより、ＨＭＤ１００全体としての瞳間隔ＰＷを増減の双方向に拡大することができる。

第１光学部材１０７ａの内部から第２面ＰＬ２の第２回折格子ＤＳ２に入射した＋１次光ＤＬ１１は、０次光ＤＬ２０、＋１次光ＤＬ２１等（例えば回折光ＤＬ２１ｇ）に分岐される。結果的に、第１光学部材１０７ａを通過した画像光ＧＬとして−Ｚ方向に進む＋１次光ＤＬ２１を取り出すことができる。第２回折格子ＤＳ２から射出される０次光ＤＬ２０については、＋１次光ＤＬ２１に対して大きく傾いたものとすることができ、瞳位置ＥＰ外に入射するように設定することができる。結果的に、第１導光装置１０ａから光軸ＡＸに沿って射出された画像光ＧＬは、第１光学部材１０７ａを経て＋Ｘ方向にシフト量ＰＳだけシフトされ、光軸ＡＸに沿って瞳位置ＥＰに入射する。なお、波長５５０ｎｍの緑色光に限らず、赤色光や青色光も、＋Ｘ方向にシフト量ＰＳとは異なる波長に応じた量シフト量だけシフトされ、光軸ＡＸに沿って瞳位置ＥＰに入射させることができる。

一方、第１光学部材１０７ａの内部から第２面ＰＬ２の第２回折格子ＤＳ２に入射した−１次光ＤＬ１２は、０次光ＤＬ２０、−１次光ＤＬ２１等（例えば回折光ＤＬ２１ｇ）に分岐される。結果的に、第１光学部材１０７ａを通過した画像光ＧＬとして−Ｚ方向に進む−１次光ＤＬ２２を取り出すことができる。第２回折格子ＤＳ２から射出される０次光ＤＬ２０については、−１次光ＤＬ２２に対して大きく傾いたものとすることができ、瞳位置ＥＰ外に入射するように設定することができる。結果的に、第１導光装置１０ａから光軸ＡＸに沿って射出された画像光ＧＬは、第１光学部材１０７ａを経て−Ｘ方向にシフト量ＰＳだけシフトされ、光軸ＡＸに沿って瞳位置ＥＰに入射する。なお、波長５５０ｎｍの緑色光に限らず、赤色光や青色光も、−Ｘ方向に波長に応じたシフト量だけシフトされ、光軸ＡＸに沿って瞳位置ＥＰに入射させることができる。

＋１次光ＤＬ１１に起因する＋１次光ＤＬ２１と、第１光学部材１０７ａを直進する０次光ＤＬ１０，ＤＬ２０と、−１次光ＤＬ１２に起因する−１次光ＤＬ２２とについては、これらをすべて画像光ＧＬとして用いてもよいが、一部のみを画像光ＧＬとして用いてもよい。

第１光学部材１０７ａがバイナリ型である場合、±１次で同一の効率となる。図７に示す場合、入射側の第１回折格子ＤＳ１と出射側の第２回折格子ＤＳ２とを同じピッチのバイナリ格子としており、入射時に偏向した光を元に戻すことができるため、画像光ＧＬ及び外界光ＯＬを歪ませることなく、光の射出位置を変えることができる。また、回折格子ＤＳ１，ＤＳ２によらず基材である本体平板７ｃの厚み調整によって、シフト量ＰＳ又は変位量を変化させることができる。

図７に示す第１光学部材１０７ａ等の具体的な実施例について説明する。設計中心波長は、５５０ｎｍとした。第１〜第４回折格子ＤＳ１〜ＤＳ４のピッチは、７２０ｎｍとし、溝深さは６００ｎｍとし、デューティー比は５０％とした。基材である本体平板７ｃの屈折率を１．５８５（ポリカーボネート相当）とし、本体平板７ｃの厚みを２ｍｍとした。結果的に、回折角θ'は、基材である本体平板７ｃ中で２８．５°であり、射出後の空気側でθ＝４９．８°である。結果的に、画像光ＧＬのシフト量ＰＳは、波長に依存するが、０．９ｍｍ〜１．４ｍｍ程度となる。結果的に、射出瞳サイズが幅５ｍｍのＨＭＤ１００に対して、上記実施例の第１〜第４回折格子ＤＳ１〜ＤＳ４を適用することによって、射出瞳サイズを約７ｍｍに広げることが可能となる。

図８に、参考として、実施例の光学部材１０７ａ，１０７ｂによる回折効率の波長依存性を示す。実施例では、＋１次光ＤＬ１１，ＤＬ２１を用いるので、ＲＧＢ間で効率差は約７７％であり、波長依存性は許容範囲内といえる。また、通過によるトータルの効率は、３０〜４０％の自乗となる。

以上で説明した第１実施形態の補正用光学部材１０７では、互いに対向する第１回折格子ＤＳ１と第２回折格子ＤＳ２とを有する第１光学部材１０７ａと、互いに対向する第３回折格子ＤＳ３と第４回折格子ＤＳ４とを有する第２光学部材１０７ｂとが並んで配置されているので、第１光学部材１０７ａにおいて、第１回折格子ＤＳ１によって回折された光を第２回折格子ＤＳ２によって元の方向に戻すことができ、第２光学部材１０７ｂにおいて、第３回折格子ＤＳ３によって回折された光を第４回折格子ＤＳ４によって元の方向に戻すことができる。予め各回折格子ＤＳ１〜ＤＳ４の特性や対向する回折格子ＤＳ１〜ＤＳ４の間隔を調整することによって、ＨＭＤ光学系によって設定された一対の瞳位置ＥＰの間隔つまり瞳間隔ＰＷを、補正用光学部材１０７の第１光学部材１０７ａ及び第２光学部材１０７ｂを介して増減変更することができる。

［第２実施形態］
以下、図面を参照しつつ、本発明に係るヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態のＨＭＤは、第１実施形態のＨＭＤの変形例であり、光学部材を除いて、第１実施形態のＨＭＤと同様であるため、全体の図示及び説明を省略する。

図９に示すように、第１光学部材１０７ａは、回折型ではなく、第１ウェッジプリズム７ｐと第２ウェッジプリズム７ｑとを含む。第１ウェッジプリズム７ｐは、入射面８ａと射出面８ｂとを有し、第２ウェッジプリズム７ｑは、入射面８ｃと射出面８ｄとを有する。外側の平面である入射面８ａと射出面８ｄとは、互いに平行であり、かつ、ＸＹ面に平行である。内側の傾斜面である射出面８ｂと入射面８ｃとは、互いに平行になるように空気層ＡＬを介して配置され、入射面８ａ，８ｃに対して傾斜した状態となっている。

第１ウェッジプリズム７ｐに入射した画像光ＧＬは、第１ウェッジプリズム７ｐの入射面８ａを通って射出面８ｂで屈折され、第２ウェッジプリズム７ｑの入射面８ｃを屈折されつつ通って射出面８ｄから射出される。第１ウェッジプリズム７ｐと第２ウェッジプリズム７ｑとが対称的な形状を有することから、第１ウェッジプリズム７ｐに入射する画像光ＧＬと、第２ウェッジプリズム７ｑから射出される画像光ＧＬとは、−Ｚ方向に進む平行な光線となる。結果的に、第１導光装置１０ａから光軸ＡＸに沿って射出された画像光ＧＬは、第１光学部材１０７ａを経て＋Ｘ方向にシフト量ＰＳだけシフトされ、光軸ＡＸに沿って瞳位置ＥＰに入射する。画像光ＧＬのシフト量ＰＳは、第１ウェッジプリズム７ｐ及び第２ウェッジプリズム７ｑの材料屈折率、サイズ、ウェッジ角、間隔等によって調整することができる。

図１０に示すように、第２光学部材１０７ｂは、回折型ではなく、第３ウェッジプリズム２０７ｐと第４ウェッジプリズム２０７ｑとを含む。第３ウェッジプリズム２０７ｐは、入射面８ａと射出面８ｂとを有し、第４ウェッジプリズム２０７ｑは、入射面８ｃと射出面８ｄとを有する。入射面８ａと射出面８ｄとは、ＸＹ面に平行であり、射出面８ｂと射出面８ｄとは、空気層ＡＬを介して互いに平行に延び、入射面８ａ，８ｃに対して傾斜した状態となっている。第２光学部材１０７ｂは、図９に示す第１光学部材１０７ａを左右方向又はＸ方向に関して反転したものとなっている。

第３ウェッジプリズム２０７ｐと第４ウェッジプリズム２０７ｑとが対称的な形状を有することから、第３ウェッジプリズム２０７ｐに入射する画像光ＧＬと、第４ウェッジプリズム２０７ｑから射出される画像光ＧＬとは、−Ｚ方向に進む平行な光線となる。結果的に、第１導光装置１０ａから光軸ＡＸに沿って射出された画像光ＧＬは、第２光学部材１０７ｂを経て−Ｘ方向にシフト量ＰＳだけシフトされ、光軸ＡＸに沿って瞳位置ＥＰに入射する。画像光ＧＬのシフト量ＰＳは、第３ウェッジプリズム２０７ｐ及び第４ウェッジプリズム２０７ｑの材料屈折率、サイズ、ウェッジ角、間隔等によって調整することができる。

第１ウェッジプリズム７ｐ、第２ウェッジプリズム７ｑ、第３ウェッジプリズム２０７ｐ、及び第４ウェッジプリズム２０７ｑのウェッジ角ωは、
１０°＜ω＜２０°
の範囲にある。ウェッジ角ωを１０°より大きくすることで、比較的大きなシフト量ＰＳを実現することができる。また、ウェッジ角ωを２０°未満とすることで、光学部材１０７ａ，１０７ｂの光軸ＡＸ方向の厚みを薄くすることができる。

図９に示す第１光学部材１０７ａと、図１０に示す第２光学部材１０７ｂとの作用により、ＨＭＤ１００としての一対の画像光ＧＬの瞳間隔は、光学部材１０７ａ，１０７ｂを省略した場合に比較して、個々のシフト量ＰＳの２倍の間隔２×ＰＳだけ減少している。以上では、両光学部材１０７ａ，１０７ｂによって、ＨＭＤ１００としての一対の画像光ＧＬの瞳間隔を狭めているが、偏向方向の設定によりＨＭＤ１００としての一対の画像光ＧＬの瞳間隔を広げることもできる。具体的には、ウェッジプリズム７ｐ，７ｑ，２０７ｐ，２０７ｑを左右反転させることにより、第１光学部材１０７ａによって画像光ＧＬを−Ｘ方向にシフトさせ、第２光学部材１０７ｂによって画像光ＧＬを＋Ｘ方向にシフトさせることができ、結果的に一対の画像光ＧＬの光束間隔を広げて瞳間隔ＰＷを基本間隔ＰＷ０よりも広げる方向に変化させることができる。また以上では、第１光学部材１０７ａと、第２光学部材１０７ｂとが左右反転した構造を有するとしたが、両光学部材１０７ａ，１０７ｂが材料屈折率、サイズ、楔角、間隔等に関して相互に異なるものであってもよい。

図９に示す第１光学部材１０７ａ等の具体的な実施例について説明する。第１光学部材１０７ａが対角画角ＦＯＶが５０°（水平画角４４．２°）のＨＭＤ１００に適用するものである場合、瞳径が５ｍｍ程度、アイレリーフが２０ｍｍ程度必要となる。変位量に相当するシフト量ＰＳ＝１．０ｍｍを得るためには、第１ウェッジプリズム７ｐ及び第２ウェッジプリズム７ｑの屈折率ｎを１．５８５（ポリカーボネート相当）とし、ウェッジ角ωを１５°とし、第１ウェッジプリズム７ｐ及び第２ウェッジプリズム７ｑの間隔Ｄｇａｐを５．８９ｍｍとし、映像画角をすべて飲み込むために必要な幅である素子幅Ｗを２１．２ｍｍとする必要がある。結果的に、ウェッジ層厚Ｄｔは１１．６ｍｍ必要となる。また、第１ウェッジプリズム７ｐ及び第２ウェッジプリズム７ｑの屈折率ｎを１．４９（ＰＭＭＡ相当）とする場合には、変位量に相当するシフト量ＰＳ＝１．０ｍｍを得るためには、ウェッジ角ωを２０°とし、第１ウェッジプリズム７ｐ及び第２ウェッジプリズム７ｑの間隔Ｄｇａｐを４．９６ｍｍとし、映像画角をすべて飲み込むために必要な幅である素子幅Ｗを２１．２ｍｍとする必要がある。結果的に、ウェッジ層厚Ｄｔは１２．７ｍｍ必要となる。

図１１に、ウェッジ角ωを変化させた場合にウェッジ層厚Ｄｔがどのように変化するかをまとめた。ウェッジプリズム７ｐ，７ｑの屈折率ｎについては、ポリカーボネートに対応する１．５８５と、ＰＭＭＡに対応する１．４９と、ガラスに対応する１．７０とを想定している。ウェッジプリズム７ｐ，７ｑの屈折率によって、ウェッジ層厚を薄くする最適ウェッジ角ωは微妙に異なるが、現実的な屈折率の範囲では、
１０°＜ω＜２０°
の範囲に最適解があるといえる。

以上で説明した第２実施形態の補正用光学部材１０７では、互いに反転して配置される第１ウェッジプリズム７ｐと第２ウェッジプリズム７ｑとを有する第１光学部材１０７ａと、互いに反転して配置される第３ウェッジプリズム２０７ｐと第４ウェッジプリズム２０７ｑとを有する第２光学部材１０７ｂとが並んで配置されているので、第１光学部材１０７ａにおいて、第１ウェッジプリズム７ｐによって偏向された光を第２ウェッジプリズム７ｑによって元の方向に戻すことができ、第２光学部材１０７ｂにおいて、第３ウェッジプリズム２０７ｐによって回折された光を第４ウェッジプリズム２０７ｑによって元の方向に戻すことができる。予め各ウェッジプリズム７ｐ，７ｑ，２０７ｐ，２０７ｑの特性や対向するウェッジプリズム７ｐ，７ｑ，２０７ｐ，２０７ｑの間隔を調整することによって、ＨＭＤ光学系によって設定された一対の瞳位置の間隔を、補正用光学部材１０７の第１光学部材１０７ａ及び第２光学部材１０７ｂを介して増減変更することができる。

［第３実施形態］
以下、図面を参照しつつ、本発明に係るヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）の第３実施形態について説明する。なお、本実施形態のＨＭＤは、第１実施形態のＨＭＤの変形例であり、導光部材を除いて、第１実施形態のＨＭＤと同様である。

図１２は、第１表示装置１０１ａの一部を示す図であり、特に第１虚像形成光学部１０３ａの光学的構造を説明するものとなっている。ＨＭＤ１００は、既述のように、第１表示装置１０１ａ及び第２表示装置１０１ｂ（図１等参照）で構成されるが、第１表示装置１０１ａと第２表示装置１０１ｂとは、左右対称で同等の構造を有するため、第１表示装置１０１ａについてのみ説明し、第１表示装置１０１ｂについては説明を省略する。なお、図１２において、ｘ、ｙ、及びｚは、直交座標系であり、ｘ方向及びｙ方向は、第１光学面Ｓ１１及び第３光学面Ｓ１３に平行であり、ｚ方向は、第１光学面Ｓ１１及び第３光学面Ｓ１３に垂直である。この第１表示装置１０１ａでは、導光装置３１０ａを構成する一部の面にパワーを持たせている。また、導光装置３１０ａが装着者ＵＳの眼ＥＹに対して傾いて配置されている。

第１虚像形成光学部１０３ａのうち導光装置３１０ａは、接着層ＣＣを介して光透過部３５０ａと接合されている。つまり、光透過部３５０ａの第２透過面Ｓ６２は、導光装置３１０ａの第２光学面Ｓ１２に対向して配置され、同じ湾曲形状を有する。導光装置３１０ａと光透過部５０ａとは、光学面を含む立体的形状を与える本体部材の表面を薄いハードコート層で被覆した構造を有する。導光装置３１０ａや光透過部３５０ａの本体部材は、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されており、例えば金型内に熱可塑性樹脂を注入し固化させることにより成形される。第１虚像形成光学部１０３ａの光射出部１２ａに対向して第１光学部材１０７ａが配置されている。第１光学部材１０７ａの構造としては、図４、７、９等に例示するものを用いることができる。図１２では、導光装置３１０ａ及び光透過部３５０ａが傾いて配置されているが、第１光学部材１０７ａを導光装置３１０ａに合わせてｘｙ面に平行に配置することもできる。

以下、画像光ＧＬの光路について概要を説明する。導光装置３１０ａは、投射レンズ３０から射出された画像光ＧＬを、第１〜第５光学面Ｓ１１〜Ｓ１５での反射等により装着者ＵＳの眼ＥＹに向けて導光する。具体的には、投射レンズ３０からの画像光ＧＬは、まず光入射部１１ａに形成されている自由曲面である第４光学面Ｓ１４の部分に入射して反射膜ＲＭの内面であって自由曲面である第５光学面Ｓ１５で反射され、第４光学面Ｓ１４に内側から再度入射して全反射され、平面である第３光学面Ｓ１３に入射して全反射され、平面である第１光学面Ｓ１１に入射して全反射される。この際、導光装置３１０ａ中に一旦中間像が形成される。第１光学面Ｓ１１で全反射された画像光ＧＬは、自由曲面である第２光学面Ｓ１２に入射し、第２光学面Ｓ１２に設けたハーフミラー１５を部分的に透過しつつも部分的に反射されて光射出部１２ａに形成されている第１光学面Ｓ１１の部分に再度入射して通過する。第１光学面Ｓ１１を通過した画像光ＧＬは、Ｚ方向に略平行な光軸ＡＸに沿って全体として進み、第１光学部材１０７ａを通過して光路が−Ｚ方向にシフトする作用を受け、装着者ＵＳの眼ＥＹが配置される瞳位置ＥＰに平行光束として入射する。つまり、装着者ＵＳは、虚像としての画像光により画像を観察することになる。

第１虚像形成光学部１０３ａは、導光装置３１０ａにより装着者ＵＳに画像光を視認させるとともに、導光装置３１０ａと光透過部３５０ａとの組み合わせた状態で、装着者ＵＳに歪みの少ない外界像を観察させるものとなっている。この際、第３光学面Ｓ１３と第１光学面Ｓ１１とが互いに略平行な平面となっていることで、この部分を透過させる観察に関して視度が略０となり、外界光ＯＬについて収差等をほとんど生じさせない。また、第３透過面Ｓ６３と第１透過面Ｓ６１とが互いに略平行な平面となっており、さらに、第３透過面Ｓ６３と第１光学面Ｓ１１とが互いに略平行な平面となっていることで、収差等をほとんど生じさせない。以上により、装着者ＵＳは、光透過部３５０ａ越しに歪みのない外界像を観察することになる。

〔変形例及びその他の事項〕
以上で説明した第１光学部材１０７ａ及び第２光学部材１０７ｂを構成する、回折格子ＤＳ１，ＤＳ２，ＤＳ３，ＤＳ４、又はウェッジプリズム７ｐ，７ｑ，２０７ｐ，２０７ｑの形状、屈折率等の特性は、ＨＭＤ１００の用途等に応じて適宜変更することができる。

以上の説明では、表示素子８０が有機ＥＬの表示パネルやＬＣＤ用のパネルであるとしたが、表示素子８０は、ＬＥＤアレイ、レーザーアレイ、量子ドット発光型素子等に代表される自発光型の表示素子であってもよい。さらに、表示素子８０は、レーザー光源と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ディスプレイであってもよい。なお、ＬＣＤパネルに代えてＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）技術を用いることもできる。さらに、第１及び第２虚像形成光学部１０３ａ，１０３ｂは、媒体内の導光を前提とする光学系に限らず、導光装置１０ａ，１０ｂに代えて、レンズ、ミラー等の光学素子を要素として含む投射光学系を含むものとすることができる。

第１光学部材１０７ａにおいて、第１回折格子ＤＳ１と第２回折格子ＤＳ１とを分離して間隔の調整を可能にすることができ、第２光学部材１０７ｂにおいて、第３回折格子ＤＳ３と第４回折格子ＤＳ４とを分離して間隔の調整を可能にすることができる。この場合、第１回折格子ＤＳ１及び第２回折格子ＤＳ１の間隔と、第３回折格子ＤＳ３及び第４回折格子ＤＳ４の間隔とを変更可能にすることができ、シフト量ＰＳの増減調整が可能になる。同様に、第１光学部材１０７ａにおいて、第１ウェッジプリズム７ｐと第２ウェッジプリズム７ｑとの間隔の調整を可能にすることができ、第２光学部材１０７ｂにおいて、第３ウェッジプリズム２０７ｐと第４ウェッジプリズム２０７ｑとの間隔の調整を可能にすることができる。

以上の説明では、一対の導光装置１０ａ，１０ｂが単一の中央部材５０で接合されている構成について説明しているが、一対の導光装置１０ａ，１０ｂに一対の光透過部５０ａ，５０ｂを個別に接合して一対の別部材としてもよい。この場合、第１導光装置１０ａと第１透過部５０ａとが第１虚像形成光学部１０３ａとなり、第２導光装置１０ｂと第２透過部５０ｂとが第２虚像形成光学部１０３ｂとなって、第１及び第２虚像形成光学部１０３ａ，１０３ｂが独立した別部材となり、これらの別部材を不図示のフレームで相対的配置関係を調整しつつ支持することになる。

具体的な態様における装置は、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）用の第１の補正用光学部材であって、第１面に設けられる第１回折格子と、第１面と対向する第２面に第１回折格子との関係で互いに外向きに設けられる第２回折格子と、を有する第１光学部材と、第１面の延長方向に配置される第３面に設けられる第３回折格子と、第２面の延長方向に配置される第４面に設けられる第４回折格子と、を有する第２光学部材と、が並んで配置されている。

上記第１の補正用光学部材では、互いに対向する第１回折格子と第２回折格子とを有する第１光学部材と、互いに対向する第３回折格子と第４回折格子とを有する第２光学部材とが並んで配置されているので、第１光学部材において、第１回折格子によって回折された光を第２回折格子によって元の方向に戻すことができ、第２光学部材において、第３回折格子によって回折された光を第４回折格子によって元の方向に戻すことができる。予め各回折格子の特性や対向する回折格子の間隔を調整することによって、ＨＭＤ光学系によって設定された一対の瞳位置の間隔を、補正用光学部材の第１光学部材及び第２光学部材を介して増減変更することができる。

具体的な側面において、第１回折格子によって偏向させた光の方向を第２回折格子によって元の方向に戻し、かつ、第３回折格子によって偏向させた光の方向を第４回折格子によって元の方向に戻す。

別の側面において、第１回折格子の１次回折光の回折角と、第２回折格子の１次回折光の回折角とは等しく、第３回折格子の１次回折光の回折角と、第４回折格子の１次回折光の回折角とは等しい。この場合、ＨＭＤ光学系から射出された１組の画像光を効率よくシフトさせることができる。

さらに、別の側面において、第１回折格子の設計中心波長と第２回折格子の設計中心波長とは５５０ｎｍに略等しく、第３回折格子の設計中心波長と第４回折格子の設計中心波長とは５５０ｎｍに略等しい。この場合、第１回折格子から第４回折格子までの特性を一致させて、可視域の全体で設計に近い回折を実現することができ、左右の対象性を高めた画像を提供することができる。

さらに、別の側面において、第１回折格子、第２回折格子、第３回折格子、及び第４回折格子は、同一形状を有する。この場合、左右の画像の対象性をさらに高めることができる。

さらに、別の側面において、第１回折格子、第２回折格子、第３回折格子、及び第４回折格子は、ブレーズ型又はバイナリ型の回折格子である。ブレーズ型の回折格子は、目的とする方向に高い効率で画像光を射出することを可能にする。バイナリ型の回折格子は、正負の次数に関して対称的な回折が可能になり、光束の幅を広げる場合に適する。

さらに、別の側面において、第１回折格子、第２回折格子、第３回折格子、及び第４回折格子による１次回折光の空気換算の回折角θは、
４５°＜θ＜７０°
の範囲にある。

具体的な態様における装置は、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）用の第２の補正用光学部材であって、第１ウェッジプリズムと、第２ウェッジプリズムとが互いに外側の平面が平行、かつ、傾斜面が平行になるように空気層を介して配置された第１光学部材と、第３ウェッジプリズムと、第４ウェッジプリズムとが互いに外側の平面が平行、かつ、傾斜面が平行になるように空気層を介して配置された第２光学部材と、が並んで配置されている。

上記第２の補正用光学部材では、互いに反転して配置される第１ウェッジプリズムと第２ウェッジプリズムとを有する第１光学部材と、互いに反転して配置される第３ウェッジプリズムと第４ウェッジプリズムとを有する第２光学部材とが並んで配置されているので、第１光学部材において、第１ウェッジプリズムによって偏向された光を第２ウェッジプリズムによって元の方向に戻すことができ、第２光学部材において、第３ウェッジプリズムによって回折された光を第４ウェッジプリズムによって元の方向に戻すことができる。予め各ウェッジプリズムの特性や対向するウェッジプリズムの間隔を調整することによって、ＨＭＤ光学系によって設定された一対の瞳位置の間隔を、補正用光学部材の第１光学部材及び第２光学部材を介して増減変更することができる。

具体的な側面において、第１ウェッジプリズム、第２ウェッジプリズム、第３ウェッジプリズム、及び第４ウェッジプリズムのウェッジ角ωは、
１０°＜ω＜２０°
の範囲にある。ウェッジ角ωを１０°より大きくすることで、比較的大きなシフト量を実現することができる。また、ウェッジ角ωを２０°未満とすることで、第１光学部材及び第２光学部材の光軸方向の厚みを薄くすることができる。

具体的な態様におけるヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）は、画像光を光入射部を介して入射させ、画像光を反射によって導き、導かれた画像光を光射出部を介して外部に射出させる第１導光装置と、一対の眼の配置に対応して第１導光装置と並んで配置され、画像光を光入射部を介して入射させ、画像光を反射によって導き、導かれた画像光を光射出部を介して外部に射出させる第２導光装置と、上述した補正用光学部材であって、第１光学部材が第１導光装置に対向して配置され、第２光学部材が第２導光装置に対向して配置される補正用光学部材と、を備える。

上記ＨＭＤでは、第１導光装置と第２導光装置とによって設定された一対の瞳位置の間隔を、第１光学部と第２光学部材とによって増減調整することができる。

具体的な側面において、第１導光装置と第２導光装置とは、シースルー性を有する。この場合、画像光に重ねて外界像を観察することができる。

別の側面において、第１光学部材と第２光学部材とは、第１導光装置の画角と第２導光装置の画角とをそれぞれカバーする。この場合、回折格子及びウェッジプリズムのいずれを用いる場合においても、表示画像や外界像が歪むことを防止することができる。

ＤＳ１…第１回折格子、ＤＳ２…第２回折格子、ＤＳ３…第３回折格子、ＤＳ４…第４回折格子、ＥＰ…瞳位置、ＥＹ…眼、ＧＬ，ＧＬ１，ＧＬ２…画像光、ＰＬ１…第１面、ＰＬ２…第２面、ＰＬ３…第３面、ＰＬ４…第４面、ＰＳ…シフト量、ＵＳ…装着者、７ｇ，７ｈ…ブレーズ面、７ｉ，７ｊ…バイナリ面、７ｐ…第１ウェッジプリズム、７ｑ…第２ウェッジプリズム、２０７ｐ…第３ウェッジプリズム、２０７ｑ…第４ウェッジプリズム、１０ａ…第１導光装置、１０ｂ…第２導光装置、１５…ハーフミラー、３０…投射レンズ、５０…中央部材、８０…表示素子、１００Ｃ…透視型導光ユニット、１０１ａ…第１表示装置、１０１ｂ…第２表示装置、１０３ａ…第１虚像形成光学部、１０３ｂ…第２虚像形成光学部、１０５ａ…第１像形成本体部、１０５ｂ…第１像形成本体部、１０７…補正用光学部材、１０７ａ…第１光学部材、１０７ｂ…第２光学部材

Claims (12)

1. 第１面に設けられる第１回折格子と、前記第１面と対向する第２面に前記第１回折格子との関係で互いに外向きに設けられる第２回折格子と、を有する第１光学部材と、
   前記第１面の延長方向に配置される第３面に設けられる第３回折格子と、前記第２面の延長方向に配置される第４面に設けられる第４回折格子と、を有する第２光学部材と、が並んで配置されたヘッドマウントディスプレイの補正用光学部材。
2. 前記第１回折格子によって偏向させた光の方向を前記第２回折格子によって元の方向に戻し、かつ、前記第３回折格子によって偏向させた光の方向を前記第４回折格子によって元の方向に戻す、請求項１に記載の補正用光学部材。
3. 前記第１回折格子の１次回折光の回折角と、前記第２回折格子の１次回折光の回折角とは等しく、前記第３回折格子の１次回折光の回折角と、前記第４回折格子の１次回折光の回折角とは等しい、請求項１及び２のいずれか一項に記載の補正用光学部材。
4. 前記第１回折格子の設計中心波長と前記第２回折格子の設計中心波長とは５５０ｎｍに略等しく、前記第３回折格子の設計中心波長と前記第４回折格子の設計中心波長とは５５０ｎｍに略等しい、請求項３に記載の補正用光学部材。
5. 前記第１回折格子、前記第２回折格子、前記第３回折格子、及び前記第４回折格子は、同一形状を有する、請求項４に記載の補正用光学部材。
6. 前記第１回折格子、前記第２回折格子、前記第３回折格子、及び前記第４回折格子は、ブレーズ型又はバイナリ型の回折格子である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の補正用光学部材。
7. 前記第１回折格子、前記第２回折格子、前記第３回折格子、及び前記第４回折格子による１次回折光の空気換算の回折角θは、
   ４５°＜θ＜７０°
   の範囲にある、請求項１〜６のいずれか一項に記載の補正用光学部材。
8. 第１ウェッジプリズムと、第２ウェッジプリズムとが互いに外側の平面が平行、かつ、傾斜面が平行になるように空気層を介して配置された第１光学部材と、
   第３ウェッジプリズムと、第４ウェッジプリズムとが互いに外側の平面が平行、かつ、傾斜面が平行になるように空気層を介して配置された第２光学部材と、が並んで配置されたヘッドマウントディスプレイの補正用光学部材。
9. 前記第１ウェッジプリズム、前記第２ウェッジプリズム、前記第３ウェッジプリズム、及び前記第４ウェッジプリズムのウェッジ角ωは、
   １０°＜ω＜２０°
   の範囲にある、請求項８に記載の補正用光学部材。
10. 画像光を光入射部を介して入射させ、画像光を反射によって導き、導かれた画像光を光射出部を介して外部に射出させる第１導光装置と、
    一対の眼の配置に対応して前記第１導光装置と並んで配置され、画像光を光入射部を介して入射させ、画像光を反射によって導き、導かれた画像光を光射出部を介して外部に射出させる第２導光装置と、
    請求項１〜９のいずれか一項に記載の補正用光学部材であって、前記第１光学部材が前記第１導光装置に対向して配置され、前記第２光学部材が前記第２導光装置に対向して配置される補正用光学部材と、を備えるヘッドマウントディスプレイ。
11. 前記第１導光装置と前記第２導光装置とは、シースルー性を有する、請求項１０に記載のヘッドマウントディスプレイ。
12. 前記第１光学部材と前記第２光学部材とは、前記第１導光装置の画角と第２導光装置の画角とをそれぞれカバーする、請求項１０及び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。

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