JP2022071922A - 虚像表示装置及び光学ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】光学系を大型化することなく収差補正による解像性能の向上を図ることが可能な虚像表示装置及び光学ユニットを提供すること。
【解決手段】虚像表示装置１００は、表示素子１１と、表示素子１１から射出された画像光ＭＬを導く導光系１２ａと、導光系１２ａから射出された画像光ＭＬを屈折させつつ入射させる第１面２３ａと第１面２３ａを経た画像光ＭＬを反射して第１面２３ａから屈折させつつ射出させる第２面２３ｂとを有するミラー部材１２ｂとを備え、ミラー部材１２ｂにおいて、第１面２３ａの曲率Ｒ１と第２面２３ｂの曲率Ｒ２とは、異なっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ヘッドマウントディスプレイ等である虚像表示装置及びこれに組み込まれる光学ユニットに関する。

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、ミラーのような光学素子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。

特許文献１に記載の接眼光学系は、画像表示器と、画像表示器による表示画像を中間結像させるリレー光学系と、中間像からの光束をアイポイントに導く接眼反射面とを備える。ここで、リレー光学系は、屈折光学系とリレー反射面とを含む。リレー反射面と接眼反射面とは、偏心し、かつ、アナモルフィック非球面形状を有する。

特開平９－４３５３６号公報

特許文献１の装置は、リレー反射面や接眼反射面をアナモルフィック非球面とすることによって収差を補正しているが、これを、例えば偏心光学系を含むような系に適用すると、補正がしきれず、解像性能が不足することになる。また、レンズを増やすことで解像性能を改善させることも考えられるが、そうすると、光学系が大きくなってしまい、ヘッドマウントディスプレイのような小型化の要請が強い装置には適さない可能性がある。

本発明の一側面における虚像表示装置は、表示素子と、表示素子から射出された画像光を導く導光系と、導光系から射出された画像光を屈折させつつ入射させる第１面と第１面を経た画像光を反射して第１面から屈折させつつ射出させる第２面とを有するミラー部材とを備え、ミラー部材において、第１面の曲率と第２面の曲率とは、異なっている。

第１実施形態の虚像表示装置の装着状態を説明する外観斜視図である。 図１における虚像表示装置の光学系を示す側方断面図である。 ミラー部材としてのシースルーミラーの構造について概念的に示す側方断面図である。 シースルーミラーの傾斜角について説明するための側方断面図である。 表示素子に形成された表示像の強制的歪曲を説明する図である。 第２実施形態の虚像表示装置に組み込まれたシースルーミラーを概念的に示す側方断面図である。 は、図６Ａの分解図である。 第３実施形態の虚像表示装置の光学系を示す側方断面図である。

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照して、本発明に係る第１実施形態の虚像表示装置及びこれに組み込まれる光学ユニットについて一例を説明する。

図１に示すように、第１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（ＨＭＤ）であり、これを装着する観察者又は使用者ＵＳに虚像としての映像を認識させる。図１において、Ｘ、Ｙ、及びＺは、直交座標系であり、＋Ｘ方向は、虚像表示装置１００を装着した使用者ＵＳの両眼の並ぶ横方向に対応し、＋Ｙ方向は、使用者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、使用者ＵＳにとっての前方向又は正面方向に相当する。

虚像表示装置１００は、右眼に対して虚像を形成する第１表示装置１０１Ａと、左眼に対して虚像を形成する第２表示装置１０１Ｂと、両表示装置１０１Ａ，１０１Ｂを支持するテンプル状の支持装置１０１Ｃとを備える。第１表示装置１０１Ａは、上部に配置される光学ユニット１０２と、メガネレンズ状で全体を覆う外観部材１０３とで構成される。第２表示装置１０１Ｂも同様に、上部に配置される光学ユニット１０２と、メガネレンズ状で全体を覆う外観部材１０３とで構成される。支持装置１０１Ｃは、外観部材１０３の背後に配置された不図示の部材によって、両表示装置１０１Ａ，１０１Ｂを外観部材１０３の上端側において支持している。左眼用の第２表示装置１０１Ｂは、第１表示装置１０１Ａと同様の構造を有する。以下では、第１表示装置１０１Ａについて説明し、第２表示装置１０１Ｂについては説明を省略する。

図２に示すように、右眼用の第１表示装置１０１Ａは、光学的な要素として、表示素子１１と、光学ユニット１２とを備える。これらのうち、光学ユニット１２は、導光系１２ａと、ミラー部材１２ｂとで構成される。また、光学ユニット１２は、表示素子１１からの画像光ＭＬを瞳位置ＰＰに導く観点で導光装置とも呼ぶ。

表示素子１１は、例えば有機ＥＬ（有機エレクトロルミネッセンス、Organic Electro-Luminescence）、無機ＥＬ、ＬＥＤアレイ、有機ＬＥＤ、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デバイスであり、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。表示素子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。表示素子１１として有機ＥＬのディスプレイ又は表示器を用いる場合、有機ＥＬ制御部を備える構成とする。表示素子１１として量子ドット発光型のディスプレイを用いる場合、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）の光を量子ドットフィルムに通すことにより、緑や赤の色を出す構成とする。表示素子１１は、自発光型の表示素子に限らず、ＬＣＤ及びその他の光変調素子で構成され、当該光変調素子をバックライトのような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。表示素子１１として、ＬＣＤに代えて、ＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon, ＬＣｏＳは登録商標）や、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。

光学ユニット（導光装置）１２は、表示素子１１から射出された画像光ＭＬを導く導光系１２ａと、導光系１２ａから射出された画像光ＭＬを瞳位置ＰＰに向かわせるべく反射するミラー部材１２ｂとで構成される。図示の例では、光学ユニット１２は、投射レンズ２１と、プリズム２２と、シースルーミラー２３とにより構成され、これらのうち投射レンズ２１及びプリズム２２が、導光系１２ａとして機能し、シースルーミラー２３が、ミラー部材１２ｂとして機能する。

特に、本実施形態では、ミラー部材１２ｂとしてのシースルーミラー２３が、互いに曲率の異なる第１面２３ａと第２面２３ｂとを有して構成され、導光系１２ａから射出された画像光ＭＬについて、まず、第１面２３ａにおいて屈折させつつ入射させ、第１面２３ｓを経た画像光ＭＬを第２面２３ｂで反射し、第１面２３ｓに再度向かわせ、第１面２３ｓから屈折させつつ射出させている。以上により、光学ユニット１２では、収差補正を行うための面を増やして、光学的機能の向上を図っている。

以下、光学ユニット１２を構成する投射レンズ２１と、プリズム２２と、シースルーミラー２３とについて、より詳細に説明する。

まず、導光系１２ａを構成するもののうち、投射レンズ２１は、単レンズであり、構成する光学面として、入射面２１ａと、射出面２１ｂとを有する。次に、導光系１２ａのうち、プリズム２２は、光透過性のプルズム部材（本体部分）にミラー蒸着面を一部に施して構成されたものである。すなわち、プリズム２２は、ミラーとレンズとを複合させた機能を有する屈折反射光学部材であり、構成する光学面として、入射面２２ａと、内反射面２２ｂと、射出面２２ｃとを有する。

投射レンズ２１及びプリズム２２は、例えば、縦の方向すなわちＹ方向に関して非対称性を有する一方、横の方向すなわちＸ方向に関して対称性を有している。さらに、投射レンズ２１、プリズム２２及びシースルーミラー２３における上記各光学面は、例えば自由曲面や非球面とすることができる。各面を自由曲面又は非球面とすることで、収差低減を図ることができ、特に自由曲面を用いた場合、後述する軸外し光学系又は非共軸光学系である光学ユニット１２の収差を低減することが容易になる。

また、投射レンズ２１を構成する単レンズや、プリズム２２の本体部分については、例えば樹脂で形成されるが、ガラス製とすることもできる。

一方、ミラー部材１２ｂを構成するシースルーミラー２３は、表面ミラーとして機能すべく、眼ＥＹ又は瞳孔が配置される瞳位置ＰＰを覆うとともに瞳位置ＰＰに向かって凹形状を有する板状の光学部材である。また、シースルーミラー２３は、反射に際して一部の光を透過させる透過型の反射素子となっており、画像光ＭＬに外界光ＨＬを重畳して視認させることを可能にしている、つまり、シースルー視を可能にしている。以上のようなシースルーミラー２３において、既述のように、構成する光学面として、第１面２３ａと、第２面２３ｂとが設けられている。第１面２３ａは、板状のシースルーミラー２３において画像光ＭＬの光路上に配置される光学面のうちプリズム２２及び瞳位置ＰＰに近い側すなわち凹形状の内側を構成する－Ｚ側の面であり、画像光ＭＬを屈折させつつ透過させる透過面として機能する。第２面２３ｂは、プリズム２２及び瞳位置ＰＰから遠い側すなわち凹形状の外側を構成する＋Ｚ側の面であり、画像光ＭＬを反射する反射面として機能する。また、第２面２３ｂでの反射作用により、シースルーミラー２３は、全体として、導光系１２ａからの画像光ＭＬを反射するミラー部材１２ｂとして機能する。また、シースルーミラー２３は、シースルー視を可能とすべく、反射機能を有する第２面２３ｂにおいて、透過性も有している。

この上で、本実施形態の虚像表示装置１００では、ミラー部材１２ｂとして機能するシースルーミラー２３において、第１面２３ａの曲率と第２面２３ｂの曲率とが、異なっている。見方を変えると、シースルーミラー２３は、板状でありながらも、厚さが非一様なものとなっており、第１面２３ａでの２度の屈折作用と、第２面２３ｂでの反射作用を組み合わせることで、他の光学素子である投射レンズ２１及びプリズム２２とともに、収差補正の機能（特に偏心収差についての補正機能）を高めている。

なお、シースルーミラー２３は、投射レンズ２１及びプリズム２２と同様に、例えば、縦の方向すなわちＹ方向に関して非対称性を有する一方、横の方向すなわちＸ方向に関して対称性を有しているものとしてもよく、さらに、各面２３ａ，２３ｂは、例えば自由曲面や非球面とすることもできる。また、シースルーミラー２３の本体部分について、例えば樹脂で形成されるが、ガラス製とすることもできる。

また、詳細な図示を省略するが、投射レンズ２１とプリズム２２とは、表示素子１１とともに、遮光性の材料で形成されるケース（図示略）に収納され、また、シースルーミラー２３は、例えば上記ケースに設けた支持板を介して支持されている。以上により、例えば、図１に示す支持装置１０１Ｃに支持された外観部材１０３が構成される。

以下、図２を参照して、導光装置としての光学ユニット１２による表示素子１１から射出された画像光ＭＬの導光について簡単に説明する。

まず、投射レンズ２１は、表示素子１１から射出された画像光ＭＬを、入射面２１ａにおいて屈折させつつ入射させ、射出面２１ｂにおいて屈折させつつ射出させる。この結果として、投射レンズ２１は、画像光ＭＬを平行光束に近い状態に集光し、プリズム２２に向けて射出する。次に、プリズム２２は、投射レンズ２１から射出された画像光ＭＬを入射面２２ａに屈折させつつ入射させ、内反射面２２ｂで反射（全反射）させ、射出面２２ｃから屈折させつつ射出させる。最後に、シースルーミラー２３は、プリズム２２から射出された画像光ＭＬを瞳位置ＰＰに向けて反射する。より具体的には、既述のように、まず、第１面２３ａさせつつ入射させ、第２面２３ｂで反射した後、再度、第１面２３ａで屈折させつつ瞳位置ＰＰに向けて射出させる。瞳位置ＰＰは、表示面１１ａ上の各点からの画像光ＭＬが所定の発散状態又は平行状態で表示面１１ａ上の各点の位置に対応する角度方向から重畳するように入射する位置となっている。図示の光学ユニット１２は、ＦＯＶ（field of view）が４４°となっている。光学ユニット１２による虚像の表示領域は矩形であり、上記４４°は対角方向となる。

なお、上記例示において、光学ユニット１２は、軸外し光学系である。つまり、光学ユニット１２を構成する投射レンズ２１、プリズム２２、及びシースルーミラー２３は、軸外し光学系を形成するように配置されている。なお、光学ユニット１２が軸外し光学系であるとは、光学ユニット１２を構成する光学素子２１，２２，２３において、少なくとも１つの反射面又は屈折面への光線の入射の前後で光路が全体として折れ曲がることを意味する。また、上記のような軸外し光学系である光学ユニット１２の光軸は、横断面で見た場合、Ｚ字状の配置となっている。つまり、図示において、投射レンズ２１からプリズム２２の内反射面２２ｂまでの光路と、内反射面２２ｂからシースルーミラー２３までの光路と、シースルーミラー２３から瞳位置ＰＰまでの光路とが、Ｚ字状に２段階で折り返される配置となっている。

なお、図に例示する画像光ＭＬの光路において、中間像ＩＭは、プリズム２２とシースルーミラー２３との間に形成されている。

以下、図３を参照して、ミラー部材１２ｂとしてのシースルーミラー２３について、さらに説明する。図３は、シースルーミラー２３の構造について概念的に示す側方断面図であり、図示の例では、シースルーミラー２３は、光透過性部材２３ｔと、ミラー膜２３ｒとで構成される層構造の部材である。

光透過性部材２３ｔは、例えば数ｍｍ程度以下の薄い板状部材であり、ポリカーボネート（ポリカ）等の十分な光透過性を有するものであって、屈折率及び分散（アッベ数）が大きい材料で形成されている。光透過性部材２３ｔは、第１面２３ａとなるべき面を形成する内面ＳＩと第２面２３ｂとなるべき面を形成する外面ＳＯを有している。すなわち、内面ＳＩは、第１面２３ａを形作るべく、所定の曲率で外形が形成されており、外面ＳＯは、第２面２３ｂを形作るべく、内面ＳＩとは異なる曲率で外形が形成されている。

ミラー膜２３ｒは、光透過性部材２３ｔの各面のうち外面ＳＯ上に設けられる部材であり、例えば膜厚を調整した複数の誘電体層からなる誘電体多層膜で形成される。あるいは、ミラー膜２３ｒは、膜厚を調整したＡｌ、Ａｇ等の金属の単層膜又は多層膜であってもよい。さらに、ミラー膜２３ｒは、積層によって形成できるが、シート状の反射膜を貼り付けることによっても形成できる。ミラー膜２３ｒが外面ＳＯ上に設けられることで、所望の曲率を有する第２面２３ｂが光透過性部材２３ｔとミラー膜２３ｒとの境界に形成される。

ここで、光透過性部材２３ｔの内面ＳＩ及び外面ＳＯの曲率、延いてはシースルーミラー２３第１面２３ａ及び第２面２３ｂの曲率の設定については、種々の態様が考えられるが、例えば、各面のうち、画像光ＭＬの中心光が入射する位置（点）を基準とし、その位置（基準点）における曲率を求める（近似的に求める場合を含む）ことで、基準となる曲率Ｒ１，Ｒ２を設定する（規定する）ことが考えられる。

なお、上述した一例のシースルーミラー２３は、１層構成の光透過性部材２３ｔに蒸着膜としてのミラー膜２３ｒを設けた構成である、と捉えることもでき、また、光透過性部材２３ｔと１層又は２層以上の構成のミラー膜２３ｒで構成される多層構造（２層以上の構造）と捉えることもできる。

また、以上の場合、図中において一部拡大して示すように、第１面２３ａでの画像光ＭＬの透過（屈折）に際して、シースルーミラー２３の中心側を通過する第１成分ＭＬｃと、周辺側を通過する第２成分ＭＬｐとを比較すると、第１面２３ａへの入射角度の違いや第１面２３ａの曲率と第２面２３ｂの曲率との違いから、光線の屈折や反射における折り曲げ度合いが場所ごとに異なっていることが分かる。つまり、シースルーミラー２３が非一様な形状となっている（第１面２３ａと第２面２３ｂとの間について非一様な厚さを有する）ことで、偏心収差の補正といった所望の収差補正が可能となっている。上記一例では、光学ユニット１２は、軸外し光学系であり、ミラー部材１２ｂとしてのシースルーミラー２３は、軸外し光学系における偏心収差を補正するものとなっている。

上記のような画像光ＭＬによって視認される虚像について、第１成分ＭＬｃのように、中心部分の画像（虚像）として認識されるべき成分は、Ｚ方向に向かって、下向きを負として、－１０°程度となっている。言い換えると、瞳位置ＰＰの前方（＋Ｚ側）を覆っているシースルーミラー２３は、射出光軸が＋Ｚ方向に対して１０°程度下向きに傾いて延びるように、配置されている。これは、人間の視線が水平方向より下側に約１０°傾いた若干の伏し目状態で安定するからである。なお、虚像表示装置１００における水平方向は、虚像表示装置１００を装着した使用者ＵＳが直立姿勢でリラックスして正面に向いて水平方向又は水平線を注視した場合を想定したものとなっている。虚像表示装置１００を装着する個々の使用者ＵＳの眼の配置、耳の配置等を含む頭部の形状や姿勢は、様々であるが、使用者ＵＳの平均的な頭部形状又は頭部姿勢を想定することで、着目する虚像表示装置１００について、平均的な方向を水平方向として設定できる。

一方、外界光ＨＬについては、シースルーミラー２３への入射に際して、まず、ミラー膜２３ｒ側（＋Ｚ側）から第２面２３ｂを透過した後、光透過性部材２３ｔを経て、第１面２３ａから射出される。以上により、ミラー膜２３ｒが光透過性を有するものとなっていることで、外界像に虚像を重ねることができる。

また、以上において、凹面状の光透過性部材２３ｔは、既述のように、ポリカ等の屈折率及び分散（アッベ数）が大きい材料で形成される、言い換えると、ミラー部材１２ｂは、所定値以上の屈折率かつ所定値以上のアッベ数を有する材料で構成される凹面鏡である。これにより、シースルーミラー２３での収差補正に関して、色収差の補正（色消し）を行うことも可能となっている。なお、色収差を含めた各種収差の補正については、シースルーミラー２３単独とする場合に限らず、他の光学素子２１，２２と協働して行うことができる。例えば、光透過性部材２３ｔに加え、プリズム２２や投射レンズ２１のアッベ数を大きくすることで、全体として残る色分散を少なくすることができる。

一方、シースルーの観点すなわち外界光ＨＬの視認を併せて行う構成とする観点からは、外界像の倍率変化を小さく抑えてシースルー性能を維持したいという要請もある。そこで、本実施形態では、透過面である第１面２３ａの曲率Ｒ１（第１面２３ａの曲率半径ｒ１の逆数）は、反射面である第２面２３ｂの曲率Ｒ２（第２面２３ｂの曲率半径ｒ２の逆数）に対して±２０％の範囲内で異なっている。具体的には、Ｒ１≠Ｒ２を前提とした上で、下記式（１）
０．８×Ｒ２＜Ｒ１＜１．２×Ｒ２…（１）
を満たすように、曲率Ｒ１，Ｒ２が設定されている、つまり、第１面２３ａと第２面２３ｂとについて、形状が定められている。

なお、図示の一例では、Ｒ１＞Ｒ２（ｒ１＜ｒ２）であり、薄板状のシースルーミラー２３（光透過性部材２３ｔ）において、中心側から周辺側に行く（曲率設定の基準点から離れる）にしたがって、厚みが増している。すなわち、光学面である第１面２３ａや第２面２３ｂの領域について、当該領域の中心側から周辺側に向かって、シースルーミラー２３（光透過性部材２３ｔ）が厚くなっている。ただし、上記曲率の変化（厚みの変化）に関しては、これに限らず、Ｒ１＜Ｒ２となる、すなわち曲率設定の基準点から離れるにしたがってシースルーミラー２３（光透過性部材２３ｔ）が薄くなる場合も考えられる。この場合、曲率設定の基準点における厚さを例えば２ｍｍ程度以下としておくことで、シースルーミラー２３の形状や大きさ、重量を適度なものにできる。

また、他の一例として、図４の断面図に示すように、第１面２３ａと第２面２３ｂとの相対的関係を、傾斜角（図４での断面視における正面方向であるＺ方向に対する基準点からの接線方向の傾斜）で規定することも考えられる。図示の一例では、透過面である第１面２３ａの傾斜角θ１は、反射面である第２面２３ｂの傾斜角θ２に対して±２０％の範囲内で異なっている。具体的には、θ１≠θ２を前提とした上で、下記式（２）
０．８×θ２＜θ１＜１．２×θ２…（２）
を満たすように、傾斜角θ１，θ２が設定されている、つまり、第１面２３ａと第２面２３ｂとについて、形状が定められている。なお、傾斜角θ１，θ２を設定する上での基準については、曲率Ｒ１，Ｒ２の設定の場合と同様にする等、種々の手法により行える。

以下、図５を参照して、虚像表示装置１００におけるディストーションに関して説明する。図５に示すように、光学ユニット１２による結像状態を示す本来の投影像ＩＧ０は、比較的大きなディストーションを有するものとなっている。光学ユニット１２が軸外し光学系であることから、台形歪のようなディストーションを取りきることは容易でない。よって、光学ユニット１２にディストーションが残存していても、元の表示像をＤＡ０とした場合において、表示面１１ａに形成する表示像を予め歪を持たせた台形歪を持たせた修正画像ＤＡ１とする。つまり、表示素子１１に表示される画像を、投射レンズ２１、プリズム２２、及びシースルーミラー２３によって形成される歪みを相殺する逆の歪みを有するものとする。これにより、光学ユニット１２を経て瞳位置ＰＰで観察される虚像の投影像ＩＧ１の画素配列を、元の表示像をＤＡ０に対応する格子パターンとすることができ、輪郭を矩形とすることができる。結果的に、光学ユニット１２で発生する歪曲収差を許容しつつ表示素子１１を含めた全体として収差を抑えることができる。また、表示面１１ａの外形が矩形である場合、強制的なディストーションを形成することで余白が形成されるが、このような余白に付加情報を表示させることもできる。表示面１１ａに形成する修正画像ＤＡ１は、画像処理によって強制的なディストーションを形成したものに限らず、例えば表示面１１ａに形成された表示画素の配列を強制的なディストーションに対応するものにしてもよい。この場合、ディストーションを補正する画像処理は不要となる。さらに、表示面１１ａに収差を補正する湾曲を持たせることもできる。

以上のように、本実施形態に係る虚像表示装置１００は、表示素子１１と、表示素子１１から射出された画像光ＭＬを導く導光系１２ａと、導光系１２ａから射出された画像光ＭＬを屈折させつつ入射させる第１面２３ａと第１面２３ａを経た画像光ＭＬを反射して第１面２３ａから屈折させつつ射出させる第２面２３ｂとを有するミラー部材１２ｂとを備え、ミラー部材１２ｂにおいて、第１面２３ａの曲率Ｒ１と第２面２３ｂの曲率Ｒ２とは、異なっている。これにより、虚像表示装置１００では、異なる曲率の第１面２３ａと第２面２３ｂとを有するミラー部材１２ｂにおいて、まず、導光系１２ａから射出された画像光ＭＬを、第１面２３ａから屈折させつつ入射させた後、第２面２３ｂで反射し、さらに、第１面２３ａから屈折させつつ射出させる。これにより、例えばミラー部材１２ｂに相当する箇所に反射のみを行う光学系を配置する場合に比べて、光学系を大型化することなく収差補正可能な面を増やすことができ、解像性能の向上を図ることが可能になる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態に係る虚像表示装置等について説明する。なお、第２実施形態の虚像表示装置は、第１実施形態の虚像表示装置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６Ａ及び図６Ｂを参照して、本実施形態の虚像表示装置の光学系について一例を説明する。図６Ａは、本実施形態に係る虚像表示装置１００に組み込まれたシースルーミラー２２３を概念的に示す側方断面図であり、図３に対応する図である。

図示のように、本実施形態では、シースルーミラー２２３において、光透過性部材２２３ｔが、異なる屈折率材料を貼り合わせた多層構造により構成されている。この点において、本実施形態は、第１実施形態に例示した態様と異なっている。

図６Ａに示すように、シースルーミラー２２３は、光透過性部材２２３ｔと、ミラー膜２３ｒとで構成されている。なお、ミラー膜２３ｒについては、第１実施形態の場合と同様であるので詳しい説明を省略する。

光透過性部材２２３ｔは、図６Ａ及びその分解図である図６Ｂに示すように、低屈折率層２２３ｆと高屈折率層２２３ｓとで構成されている。なお、低屈折率層２２３ｆと高屈折率層２２３ｓとについては、低屈折率層２２３ｆが高屈折率層２２３ｓとの比較において、相対的に屈折率の低い材料で構成されている。裏を返せば、高屈折率層２２３ｓが低屈折率層２２３ｆよりも相対的に屈折率の高い材料で構成されている、ということになる。

光透過性部材２２３ｔは、最も内側（－Ｚ側）の層として、低屈折率層２２３ｆを有し、その外側に高屈折率層２２３ｓを有し、さらにその外側にミラー膜２３ｒを有して構成されている。

図６Ｂに示すように、低屈折率層２２３ｆは、薄板状の凹面部材であり、シースルーミラー２２３の第１面２３ａとなるべき内側（－Ｚ側）の面として、内面ＳＩｆを有し、外側（＋Ｚ側）の面として、外面ＳＯｆを有する。なお、内面ＳＩｆの曲率と、外面ＳＯｆの曲率とは、異なっている。

高屈折率層２２３ｓは、薄板状の凹面部材であり、内側（－Ｚ側）の面として、内面ＳＩｓを有し、シースルーミラー２２３の第２面２３ｂとなるべき外側（＋Ｚ側）の面として、外面ＳＯｓを有する。なお、内面ＳＩｓの曲率と、外面ＳＯｓの曲率とは、異なっている。

一方、貼合せの観点から、低屈折率層２２３ｆの外面ＳＯｆと高屈折率層２２３ｓの内面ＳＩｓとについては、曲率を含む曲面形状の全体が一致している。

なお、ミラー膜２３ｒが高屈折率層２２３ｓの外面ＳＯｓ上に設けられることで、所望の曲率を有する第２面２３ｂが形成される。

以上のように、本実施形態では、眼前ミラーであるミラー部材１２ｂとしてのシースルーミラー２２３において、異なる屈折率材料を貼り合わせたものを適用している、言い換えると、ミラー部材１２ｂとしてのシースルーミラー２２３が、低屈折率層２２３ｆと高屈折率層２２３ｓとを組み合わせた多層構造を有している。これにより、虚像表示装置１００は、光学系を大型化することなく収差補正面を増やすことができる。

なお、上記一例では、光透過性部材２２３ｔを、１層の低屈折率層２２３ｆと１層の高屈折率層２２３ｓとの２層構造としているが、３層以上の構成とすることも考えられる。また、各層のいずれかに、空気層を含む構成とすることも考えられる。

〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態に係る虚像表示装置等について説明する。なお、第３実施形態の虚像表示装置は、第１実施形態の虚像表示装置等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７を参照して、本実施形態の虚像表示装置の光学系について一例を説明する。図７は、本実施形態に係る虚像表示装置１００を構成する光学系を示す側方断面図であり、図２に対応する図である。

図示のように、本実施形態では、シースルーミラー２３に、これを保護するための補償保護シート部材ＰＳが外界側（＋Ｚ側）に設けられている。この点において、本実施形態は、第１実施形態等に例示した態様と異なっている。

補償保護シート部材ＰＳは、図示のように、シースルーミラー２３の外側（＋Ｚ側）すなわち外界光ＨＬの入射側において、ミラー膜２３ｒの外側の面である外界光入射面ＥＳを覆ってシースルーミラー２３を保護している。

補償保護シート部材ＰＳについては、種々の材料や形状を採用することができ、例えば、形状に関して、光透過性部材２３ｔに起因して発生する外界像の倍率変化を相殺するようにしてもよい。この場合、補償保護シート部材ＰＳは、外界光ＨＬの透過性を補償する機能を有する。

以上のように、本実施形態では、シースルーミラー２３のうち外界光入射面ＥＳを覆って外界光ＨＬの透過性を補償しつつシースルーミラー２３を保護する補償保護シート部材ＰＳを備える。これにより、画像光ＭＬについては、収差補正をしつつ、外界光ＨＬのシースルー性能を良好な状態を確保する態様とすることができる。

〔変形例及びその他〕
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。

上記実施形態の虚像表示装置１００では、導光系１２ａ及びミラー部材１２ｂが、軸外し光学系又は非共軸光学系を形成する場合について説明しているが、これに限らず、軸回転対称な光学系において、適用することも考えられる。例えば、一般的なバードバスタイプの光学系における凹面鏡に代えて、上記第１面２３ａ及び第２面２３ｂを有するミラー部材１２ｂを適用することが考えられる。この場合、ミラー部材１２ｂは、透過性を有しない構成とすることも考えられる。

また、上記において、例えば光学ユニット１２の面方向又はＺ方向に関するサイズについて、瞳位置ＰＰからシースルーミラー２３までの距離が３０ｍｍ～４０ｍｍ程度となるように配置することが考えられる。

また、上記実施形態の虚像表示装置１００では、表示素子１１として有機ＥＬ素子等の自発光型の表示デバイスやＬＣＤ及びその他の光変調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。つまり、レーザー網膜投影型のヘッドマウントディスプレイに対して本発明を適用することも可能である。

シースルーミラー２３の外界側には、シースルーミラー２３の透過光を制限することで調光を行う調光デバイスを取り付けることができる。調光デバイスは、例えば電動で透過率を調整する。調光デバイスとして、ミラー液晶、電子シェード等を用いることができる。調光デバイスは、外光照度に応じて透過率を調整するものであってもよい。調光デバイスによって外界光ＨＬを遮断する場合、外界像の作用を受けていない虚像のみを観察することができる。また、本願発明の虚像表示装置は、外光を遮断し画像光のみを視認させるいわゆるクローズ型の頭部搭載型表示装置（ＨＭＤ）に適用できる。この場合、虚像表示装置と撮像装置とで構成されるいわゆるビデオシースルーの製品に対応させたりするものとしてもよい。

以上では、虚像表示装置１００が頭部に装着されて使用されることを前提としたが、上記虚像表示装置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。つまり、本発明において、ヘッドマウントディスプレイには、ハンドヘルドディスプレイも含まれる。

以上では、縦方向又はＹ方向について導光しているが、横方向又はＸ方向に導光する構成も可能である。

具体的な態様における虚像表示装置は、表示素子と、表示素子から射出された画像光を導く導光系と、導光系から射出された画像光を屈折させつつ入射させる第１面と第１面を経た画像光を反射して第１面から屈折させつつ射出させる第２面とを有するミラー部材とを備え、ミラー部材において、第１面の曲率と第２面の曲率とは、異なっている。

上記虚像表示装置では、異なる曲率の第１面と第２面とを有するミラー部材において、まず、導光系から射出された画像光を、第１面から屈折させつつ入射させた後、第２面で反射し、さらに、第１面から屈折させつつ射出させる。これにより、例えばミラー部材に相当する箇所に反射のみを行う光学系を配置する場合に比べて、光学系を大型化することなく収差補正可能な面を増やすことができ、解像性能の向上を図ることが可能になる。

具体的な側面において、ミラー部材は、第１面と第２面との間について非一様な厚さを有する。この場合、厚さを非一様とすることで、第１面の曲率と第２面の曲率との間に設けた差を利用して、所望の収差補正ができる。

別の側面において、ミラー部材は、光学面の中心側から周辺側に向かって厚くなる。

さらに別の側面において、導光系は、表示素子から射出された画像光を収束させる投射レンズと、投射レンズから射出された画像光を入射面に屈折させつつ入射させ、内反射面で全反射させ、射出面から屈折させつつ射出させるプリズムとを有し、ミラー部材は、プリズムから射出された画像光を瞳位置に向けて反射するとともに外界光を透過させるシースルーミラーである。この場合、ミラー部材としてのシースルーミラーにおいて、光学系を増大させることなく収差補正可能な面を増やすとともに、投射レンズとプリズムとによりさらなる光学性能の向上を図りつつ、装置の小型化ができる。

さらに別の側面において、プリズムの内反射面での折返しとシースルーミラーの第２面での折返しとの２段階での折返しにより、Ｚ字状の光路が形成される。この場合、Ｚ字状に光路を折り曲げることで、装置の小型化を図れる。

さらに別の側面において、投射レンズは、光学面として自由曲面を有する。この場合、投射レンズの構成要素を減らしつつ高精度化を達成することができる。

さらに別の側面において、プリズムにおいて、入射面、内反射面及び射出面は、自由曲面である。この場合、プリズムを含む光学系全体の小型化が図れる。

さらに別の側面において、シースルーミラーのうち外界光入射面を覆って外界光の透過性を補償しつつシースルーミラーを保護する補償保護シート部材を備える。この場合、画像光については、収差補正をしつつ、外界光のシースルー性能を良好な状態を確保することができる。

さらに別の側面において、ミラー部材は、低屈折率層と高屈折率層とを組み合わせた多層構造を有する。この場合、多層構造を利用することで、光学系を大型化することなく収差補正面を増やすことができる。

さらに別の側面において、導光系及びミラー部材は、軸外し光学系を形成する。この場合、解像度を維持しつつ、光学系の小型化、ひいては装置全体の小型化を達成することができる。

さらに別の側面において、ミラー部材は、軸外し光学系における偏心収差を補正する。

さらに別の側面において、ミラー部材は、所定値以上の屈折率かつ所定値以上のアッベ数を有する材料で構成される凹面鏡である。この場合、偏心収差の補正に加え、色収差の補正が可能になる。

さらに別の側面において、第１面の曲率は、第２面の曲率に対して±２０％の範囲内で異なっている。この場合、曲率の差異を制限することで、偏心収差の補正等の必要な補正を行いつつ、例えばシースルー性能の極度の劣化を回避できる。

さらに別の側面において、第１面の傾斜角は、第２面の傾斜角に対して±２０％の範囲内で異なっている。この場合、傾斜格の差異を制限することで、偏心収差の補正等の必要な補正を行いつつ、例えばシースルー性能の極度の劣化を回避できる。

さらに別の側面において、表示素子に表示される画像は、導光系及びミラー部材によって形成される歪みを相殺する歪みを有する。この場合、ミラー部材等で発生する歪曲収差を許容しつつ表示素子を含めた全体として収差を抑えることができる。

具体的な態様における光学ユニットは、表示素子から射出された画像光を導く導光系と、導光系から射出された画像光を屈折させつつ入射させる第１面と第１面を経た画像光を反射して第１面から屈折させつつ射出させる第２面とを有するミラー部材とを備え、ミラー部材において、第１面の曲率と第２面の曲率とは、異なっている。

上記光学ユニットでは、異なる曲率の第１面と第２面とを有するミラー部材において、まず、導光系から射出された画像光を、第１面から屈折させつつ入射させた後、第２面で反射し、さらに、第１面から屈折させつつ射出させる。これにより、例えばミラー部材に相当する箇所に反射のみを行う光学系を配置する場合に比べて、光学系を大型化することなく収差補正可能な面を増やすことができ、解像性能の向上を図ることが可能になる。

１１…表示素子、１１ａ…表示面、１２…光学ユニット、１２ａ…導光系、１２ｂ…ミラー部材、２１…投射レンズ、２１ａ…入射面、２１ｂ…射出面、２２…プリズム、２２ａ…入射面、２２ｂ…内反射面、２２ｃ…射出面、２３…シースルーミラー、２３ａ…第１面、２３ｂ…第２面、２３ｒ…ミラー膜、２３ｔ…光透過性部材、１００…虚像表示装置、１０１Ａ，１０１Ｂ…表示装置、１０１Ｃ…支持装置、１０２…光学ユニット、１０３…外観部材、２２３…シースルーミラー、２２３ｆ…低屈折率層、２２３ｓ…高屈折率層、２２３ｔ…光透過性部材、ＤＡ１…修正画像、ＥＳ…外界光入射面、ＥＹ…眼、ＨＬ…外界光、ＩＧ０，ＩＧ１…投影像、ＩＭ…中間像、ＭＬ…画像光、ＭＬｃ…第１成分、ＭＬｐ…第２成分、ＰＰ…瞳位置、ＰＳ…補償保護シート部材、Ｒ１，Ｒ２…曲率、ＳＩ，ＳＩｆ，ＳＩｓ…内面、ＳＯ，ＳＯｆ，ＳＯｓ…外面、ＵＳ…使用者、ｒ１，ｒ２…曲率半径、θ１，θ２…傾斜角

Claims (16)

1. 表示素子と、
   前記表示素子から射出された画像光を導く導光系と、
   前記導光系から射出された前記画像光を屈折させつつ入射させる第１面と前記第１面を経た前記画像光を反射して前記第１面から屈折させつつ射出させる第２面とを有するミラー部材と
   を備え、
   前記ミラー部材において、前記第１面の曲率と前記第２面の曲率とは、異なっている、虚像表示装置。
2. 前記ミラー部材は、前記第１面と前記第２面との間について非一様な厚さを有する、請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記ミラー部材は、光学面の中心側から周辺側に向かって厚くなる、請求項２に記載の虚像表示装置。
4. 前記導光系は、前記表示素子から射出された前記画像光を収束させる投射レンズと、前記投射レンズから射出された前記画像光を入射面に屈折させつつ入射させ、内反射面で全反射させ、射出面から屈折させつつ射出させるプリズムとを有し、
   前記ミラー部材は、前記プリズムから射出された前記画像光を瞳位置に向けて反射するとともに外界光を透過させるシースルーミラーである、請求項１～３のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
5. 前記プリズムの前記内反射面での折返しと前記シースルーミラーの前記第２面での折返しとの２段階での折返しにより、Ｚ字状の光路が形成される、請求項４に記載の虚像表示装置。
6. 前記投射レンズは、光学面として自由曲面を有する、請求項４及び５のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
7. 前記プリズムにおいて、前記入射面、前記内反射面及び前記射出面は、自由曲面である、請求項４～６のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
8. 前記シースルーミラーのうち外界光入射面を覆って前記外界光の透過性を補償しつつ前記シースルーミラーを保護する補償保護シート部材を備える、請求項４～７のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
9. 前記ミラー部材は、低屈折率層と高屈折率層とを組み合わせた多層構造を有する、請求項４～８のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
10. 前記導光系及び前記ミラー部材は、軸外し光学系を形成する、請求項１～９のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
11. 前記ミラー部材は、前記軸外し光学系における偏心収差を補正する、請求項１０に記載の虚像表示装置。
12. 前記ミラー部材は、所定値以上の屈折率かつ所定値以上のアッベ数を有する材料で構成される凹面鏡である、請求項１～１１のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
13. 前記第１面の曲率は、前記第２面の曲率に対して±２０％の範囲内で異なっている、請求項１～１２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
14. 前記第１面の傾斜角は、前記第２面の傾斜角に対して±２０％の範囲内で異なっている、請求項１～１３のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
15. 前記表示素子に表示される画像は、前記導光系及び前記ミラー部材によって形成される歪みを相殺する歪みを有する、請求項１～１４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
16. 表示素子から射出された画像光を導く導光系と、
    前記導光系から射出された前記画像光を屈折させつつ入射させる第１面と前記第１面を経た前記画像光を反射して前記第１面から屈折させつつ射出させる第２面とを有するミラー部材と
    を備え、
    前記ミラー部材において、前記第１面の曲率と前記第２面の曲率とは、異なっている、光学ユニット。

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