JP2022072056A - 表示装置及び光学ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】シースルーミラーの前段に配置される光学要素やその奥の光学要素がごみや塵などで汚染されることを回避すること。【解決手段】表示装置１００は、映像素子１１と、映像素子１１から射出された画像光ＭＬを光入射面から入射させ、内反射面で反射させ、光射出面２２ｃから射出させるプリズムミラー２２と、プリズムミラー２２から射出された画像光ＭＬを瞳位置ＰＰに向けて反射するシースルーミラー２３とを備え、プリズムミラー２２は、前方から入射する画像光ＭＬを前方に対して傾斜した方向に折り返すように射出し、映像素子１１及びプリズムミラー２２を含む映像源１０の光射出側が、塵を遮断する透光窓１５３で覆われている。【選択図】図２

Description

本発明は、虚像の観察を可能にするシースルー型の表示装置及び光学ユニットに関し、特に映像源からの画像光をシースルーミラーに入射させシースルーミラーからの反射光を観察するタイプの表示装置及び光学ユニットに関する。

シースルー型の表示装置として、斜入射型の２枚のミラーによってジグザクの光路を形成し、表示素子からの画像光をジグザクの光路を介して使用者の眼に入射させるものが存在する（特許文献１参照）。

特開２０２０－３４７２２号公報

上記特許文献１のようなシースルー型の表示装置では、外界を視認する領域を確保する必要があるため光学部品の配置が制限され、特に眼前を覆うシースルーミラーがその前段の光学要素から分離して配置され露出するので、前段の光学要素やその奥の光学要素がごみや塵などで汚染されることを回避する必要がある。

本発明の一側面における表示装置は、映像素子と、映像素子から射出された画像光を光入射面から入射させ、内反射面で反射させ、光射出面から射出させるプリズムミラーと、プリズムミラーから射出された画像光を瞳位置に向けて反射するシースルーミラーとを備え、プリズムミラーは、画像光を入射方向に対して傾斜した方向に折り返すように射出し、映像素子及びプリズムミラーを含む映像源の光射出側が、塵を遮断する透光窓で覆われている。

第１実施形態の表示装置の装着状態を説明する外観斜視図である。 表示装置の内部構造を説明する側方断面図である。 ケースに対する光透過部材の固定方法を説明する部分拡大断面図である。 変形例の固定方法を説明する部分拡大断面図である。 別の変形例の固定方法を説明する部分拡大断面図である。 表示装置の側方断面図及び部分断面平面図である。 映像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実施形態の表示装置の構造を説明する側方断面図である。 第３実施形態の表示装置の構造を説明する側方断面図である。 第４実施形態の表示装置の構造を説明する側方断面図である。 第５実施形態の表示装置の構造を説明する側方断面図である。

〔第１実施形態〕
以下、図１～３等を参照して、本発明に係る第１実施形態の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説明する。

図１は、ヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも称する。）２００の装着状態を説明する図であり、ＨＭＤ２００は、これを装着する観察者又は装着者ＵＳに虚像としての映像を認識させる。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、ＨＭＤ２００又は表示装置１００を装着した観察者又は装着者ＵＳの両眼ＥＹの並ぶ横方向に対応し、＋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上方向に相当し、＋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。±Ｙ方向は、鉛直軸又は鉛直方向に平行になっている。

ＨＭＤ２００は、右眼用の第１表示装置１００Ａと、左眼用の第２表示装置１００Ｂと、表示装置１００Ａ，１００Ｂを支持するテンプル状の一対の支持装置１００Ｃとを備える。第１表示装置１００Ａは、上部に配置される表示駆動部１０２と、メガネレンズ状で眼前を覆う外観部材１０３とで構成される。第２表示装置１００Ｂも同様に、上部に配置される表示駆動部１０２と、メガネレンズ状で眼前を覆う外観部材１０３とで構成される。第１表示装置１００Ａ及び第２表示装置１００Ｂにおいて、表示駆動部１０２は映像を形成する大元の部分であり、表示駆動部１０２を映像源１０とも呼ぶ。支持装置１００Ｃは、表示駆動部１０２を介して外観部材１０３の上端側を支持している。第１表示装置１００Ａと第２表示装置１００Ｂとは、光学的に左右を反転させたものであり、以後では、右眼用の第１表示装置１００Ａを代表の表示装置１００として説明する。

図２は、表示装置１００の光学的構造を説明する側方断面図である。図示のように、表示装置１００は、映像素子１１と結像光学系１２と表示制御回路１３とを備える。ただし、本明細書において、表示制御回路１３を除いたものも、光学的機能を達成する観点で表示装置１００と呼ぶ。映像素子１１及び表示制御回路１３は、図１に示す表示駆動部１０２の外枠であるケース５１内に支持され、結像光学系１２の一部も、表示駆動部１０２のケース５１内に支持されている。

映像素子１１は、自発光型の表示デバイスである。映像素子１１は、例えばマイクロＬＥＤディスプレイであり、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。映像素子１１は、ＸＹ面に対してＸ軸のまわりに若干回転して傾いたｘｙ面に沿って配置されている。映像素子１１は、表示制御回路１３に駆動されて表示動作を行う。映像素子１１は、マイクロＬＥＤディスプレイに限らず、有機ＥＬ（有機エレクトロルミネッセンス、Organic Electro-Luminescence）、無機ＥＬ、有機ＬＥＤ、レーザーアレイ、量子ドット発光型素子等を用いた表示デバイスに置き換えることができる。映像素子１１は、自発光型の画像光生成装置に限らず、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。映像素子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。

結像光学系１２は、投射レンズ２１と、プリズムミラー２２と、シースルーミラー２３とを備える。本実施形態において、映像素子１１からプリズムミラー２２にかけての光路は、シースルーミラー２３の上端よりも上側に配置されているが、眼ＥＹに入射する画像光ＭＬの光路を遮らない範囲でシースルーミラー２３の上端よりも部分的に下がった位置に配置されてもよい。つまり、映像素子１１、投射レンズ２１、及びプリズムミラー２２は、眼ＥＹに入射する画像光ＭＬの光路を遮らない範囲でシースルーミラー２３の上端よりも部分的に下がった位置に配置することができる。

投射レンズ２１は、映像素子１１から射出された画像光ＭＬを平行光束に近い状態に集光する。投射レンズ２１は、単レンズであり、入射面２１ａと、射出面２１ｂとを有する。プリズムミラー２２は、光入射面２２ａと、内反射面２２ｂと、光射出面２２ｃとを有し、投射レンズ２１から射出された画像光ＭＬを光入射面２２ａに入射させ、内反射面２２ｂで全反射させ、光射出面２２ｃから射出させる。この際、プリズムミラー２２は、前方から入射する画像光ＭＬを入射方向（プリズムミラー２２から見た光源の方向）に対して傾斜した方向に折り返すように射出する。本実施形態のように縦方向に偏心させた光学系の場合、光路に関する前方は、＋Ｚ方向に対して上下に４５°程度の範囲内にあるものを含み、入射方向に対して傾斜した方向は、＋Ｚ方向及び－Ｙ方向に対して４５°を成す中間方向に対して上下に４５°程度の範囲内にあるものを含む。シースルーミラー２３は、プリズムミラー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。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。図示の結像光学系１２を含む表示装置１００のＦＯＶ（field of view）は、例えば４４°となっている。表示装置１００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。

投射レンズ２１とプリズムミラー２２とは、映像素子１１とともにケース５１に収納されている。映像素子１１と投射レンズ２１とプリズムミラー２２とを組み合わせたものを、ケース５１も含めて、本明細書において光学ユニット１５と呼ぶ。ケース５１は、遮光性の材料で形成され、本実施形態の場合、映像素子１１を動作させる表示制御回路１３を内蔵している。ケース５１の本体は、気密性を有する枠体５２であり、枠体５２は、金属材料や樹脂材料で形成される。樹脂材料の場合、内面側に黒色の遮光材を塗布することもできる。枠体５２は、内側に突起する部材（不図示）によって映像素子１１、投射レンズ２１、及びプリズムミラー２２を支持する。映像素子１１とプリズムミラー２２とが気密性を有する枠体５２に支持されている場合、プリズムミラー２２の光学面や映像素子１１の表示面がごみや塵などで汚染されることを回避することができる。ここで、枠体５２は、プリズムミラー２２の近傍に開口５２ａを有し、表示駆動部１０２外又は映像源１０外に画像光ＭＬを射出させる。開口５２ａを介して表示駆動部１０２外に射出された画像光ＭＬは、シースルーミラー２３の内側に入射する。開口５２ａは、剛性を有する平板状の光透過部材５３によって封止されている。つまり、ケース５１は、内部ＩＳを塵や水滴さらには外気から遮断しており、映像素子１１からプリズムミラー２２にかけての光路空間ＯＳを気密又は液密に封止している。

光透過部材５３は、表示駆動部１０２又は映像源１０の光射出側を覆いつつも画像光ＭＬを透過させる透光窓１５３として機能する。透光窓１５３は、ケース５１内をごみや塵から遮断している。透光窓１５３やケース５１が塵を遮断するという場合、本実施形態のように透光窓１５３等が映像素子１１からプリズムミラー２２にかけての光路空間ＯＳを気密又は液密に封止している場合を含めることができる。透光窓１５３としての光透過部材５３が剛性を有することで光透過部材５３つまり透光窓１５３の破損防止が容易となり、光透過部材５３が平板状であることで光学性能に影響を及ぼすことを回避しつつ軽量性を確保することができる。光透過部材５３は、プリズムミラー２２の光射出側に配置される結果として、プリズムミラー２２とシースルーミラー２３との間に配置される。光透過部材５３又は透光窓１５３がプリズムミラー２２とシースルーミラー２３との間に配置されることで、プリズムミラー２２の光学面が保護される。

上記のように、光学ユニット１５は、透過窓１５３を伴う遮蔽構造又はシール構造を設けたケース５１によって、映像素子１１、プリズムミラー２２等を内蔵した構造を有し、プリズムミラー２２等をごみや塵から保護しているが、シースルーミラー２２は、光学ユニット１５に支持されつつも光学ユニット１５の外部に露出している。

光透過部材５３は、０．５～２ｍｍ程度の厚みを有する平行平板である。つまり、入射面５３ａ及び射出面５３ｂは平面の光学面である。光透過部材５３の厚みを０．５ｍｍ以上とすることで、光透過部材５３の強度を確保することができ、光透過部材５３によって干渉縞が発生することを防止できる。また、光透過部材５３の厚みを２ｍｍ以下とすることで、光透過部材５３の重量が増すことを防止し、表示駆動部１０２の軽量化を達成することができる。光透過部材５３は、剛性を有する樹脂板で形成することができるが、防塵ガラスで形成してもよい。光透過部材５３を樹脂板で形成する場合、軽量化が容易であり、破損の可能性を低減できる。防塵ガラスには高性能な光学面を形成することができ、表示装置１００の光学性能を維持することが容易になる。光透過部材５３は、樹脂で形成される場合であってもガラスで形成される場合であっても屈折率が低いことが望ましい。光透過部材５３が樹脂板で形成されている場合、入射面５３ａには、反射防止膜ＡＬが形成され、射出面５３ｂには、ハードコート層ＨＬと反射防止膜ＡＬとが形成されている。このような反射防止膜ＡＬによってゴーストの発生を抑制することができる。射出面５３ｂに形成されたハードコート層ＨＬは、透光窓が外力によって傷つくことを防止し、使用による光学性能の劣化を抑制する。射出面５３ｂに形成されるコートの表面に撥水性を持たせることで、防汚性を発揮させることができる。なお、光透過部材５３が防塵ガラスで形成されている場合、入射面５３ａや射出面５３ｂに反射防止膜ＡＬが形成されるが、ハードコート層ＨＬは形成されない。

ケース５１の開口５２ａを光透過部材５３で覆うことにより、プリズムミラー２２等の、表示駆動部１０２中に内蔵された光学要素の光学面がごみや塵で汚染されることを防止できる。光透過部材５３は、防塵機能だけでなく、水分の侵入を防止する防滴防湿機能も有し、光学面に指その他の物体が接触することを防止する役割も有する。

光透過部材５３は、平行平板である結果として光学的なパワーを実質的に有しておらず、画像光ＭＬを、結像に殆ど影響を与えず、かつ、減衰させないで通過させる。光透過部材５３は、平行平板に限らず、楔角を有する板状体とすることができる。光透過部材５３については、入射面５３ａや射出面５３ｂを、球面、非球面、又は自由曲面のような光学面とすることができる。

図示の例では、ケース５１中に表示制御回路１３が配置されているが、ケース５１外に表示制御回路１３を配置することもできる。映像素子１１についても、ケース５１中に配置する必要はなく、ケース５１に映像素子１１用の開口を設け、この開口を介して表示面１１ａがケース５１の内部ＩＳに臨むように、映像素子１１をケース５１に固定してもよい。

ケース５１の枠体５２は、支持板６１を介してシースルーミラー２３を支持している。この場合、枠体５２を介してシースルーミラー２３がプリズムミラー２２等に対して安定して支持される。シースルーミラー２３と支持板６１とは、図１に示す外観部材１０３に相当する。つまり、シースルーミラー２３は、外観部材１０３の一部である。外観部材１０３は、シェードとしても機能させることができる。外観部材１０３をシェードとして機能させる場合、支持板６１には、外界像の観察を可能にする透視領域を形成することができる。支持板６１の透視領域やその外側には、減光特性や遮光性を持たせることができる。この場合、シースルーミラー２３は、シェードの一部として機能し、シースルーミラー２３と支持板６１との境界領域において外光の透過等に関して連続性を持たせることができる。

図３Ａは、ケース５１に対する光透過部材５３の固定方法を説明する部分拡大断面図である。光透過部材５３は、ケース５１又は枠体５２の開口５２ａの周囲に設けた座５１ｃに支持されている。光透過部材５３は、外縁部５３ｐの入射面５３ａ側において、接着材５５によってケース５１の座５１ｃに対して十分な強度で固定されている。開口５２ａは、長円形又は矩形であり、座５１ｃは、開口５２ａに合わせて環状に延びる。接着材５５も外縁部５３ｐに沿って環状に設けられている。これにより、光透過部材５３の内外が遮断され分離され、外部の塵、水分、蒸気等が内部ＩＳに侵入することを防止することができる。開口５２ａは、画像光ＭＬの光路よりも広くする必要があるが、迷光の原因となる光の通過を抑制する観点で必要最小限のサイズとする。開口５２ａを画像光ＭＬの光路よりも広くする場合、光透過部材５３の外周側に遮光部ＳＳを設けることもできる。遮光部ＳＳは、黒色の遮光材を塗布し或いは黒色の遮光シートを貼り付けることによって形成される。遮光部ＳＳは、光透過部材５３を２色成形することによって一括して形成することもできる。遮光部ＳＳによって迷光の発生を防止でき、不要な光線がアイリングＥＲに入射することを防止することができる。

光透過部材５３を固定する接着材５５は、硬化後も弾性を有するものとすることができる。接着材５５が硬化後も弾性を有する場合、光透過部材５３に歪みを生じさせることを防止できる。弾性を有する接着材５５として、例えばシリコン系の接着剤を用いることができる。

図３Ｂは、図３Ａに示す固定方法の変形例を示す。この場合、光透過部材５３の外縁部５３ｐに環状の段差５３ｓを設け、ケース５１の座５１ｃに嵌合させている。図示を省略しているが、段差５３ｓの表面と座５１ｃの下面との間に接着材を介在させることにより、光透過部材５３の固定を確実なものとすることができる。なお、詳細な説明を省略するが、ケース５１の座５１ｃに段差を設けてこの段差に光透過部材５３の外縁部５３ｐを嵌め込むこともできる。

図３Ｃは、図３Ａに示す固定方法の別の変形例を示す。この場合、光透過部材５３の外縁部５３ｐに環状の突起５３ｒを設け、ケース５１の座５１ｃに環状の溝５１ｇを設け、光透過部材５３の突起５３ｒをケース５１の溝５１ｇに嵌合させている。図示を省略しているが、突起５３ｒと溝５１ｇとの間に接着材を介在させることにより、光透過部材５３の固定を確実なものとすることができる。なお、詳細な説明を省略するが、ケース５１の座５１ｃに突起を設けるとともに光透過部材５３の外縁部５３ｐに溝を設け、ケース５１の突起を光透過部材５３の溝に嵌め込むこともできる。

図３Ａ～３Ｃに示すケース５１及び光透過部材５３間の接合部及びその周辺において、ゴム等の材料で形成されたシーリング部材を組付けることができる。この場合、接着材を光透過部材５３の外縁部５３ｐに沿って切れ目なく設けなくても、確実なシーリングが可能になる。

図２に戻って、結像光学系１２は、シースルーミラー２３が凹面鏡であることに起因して、軸外し光学系１１２となっている。本実施形態の場合、投射レンズ２１、プリズムミラー２２、及びシースルーミラー２３は、非軸対称に配置され、非軸対称な光学面を有する。結像光学系１２が軸外し光学系１１２であるとは、結像光学系１２を構成する光学要素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折れ曲がることを意味する。この結像光学系１２つまり軸外し光学系１１２では、紙面に対応する軸外し面（ＹＺ面に平行な面）に沿って光軸ＡＸが延びるように光軸ＡＸの折り曲げが行われている。この結像光学系１２では、ＹＺ面に平行な軸外し面内で光軸ＡＸの折り曲げを行うことで、かかる軸外し面に沿って光学要素２１，２２，２３が配列されている。結像光学系１２は、所定基準面である軸外し面（ＹＺ面に平行な面）に沿って配置され反射面の前後で互いに傾斜する光軸部分ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＸ３を含む。全体としての光軸ＡＸは、映像素子１１の中心から射出される主光線の光路に沿って延び、アイポイントに相当するアイリングＥＲ又は瞳の中心を通る。光軸ＡＸは、横断面で見た場合、複数の光軸部分ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＸ３を含み、Ｚ字状の配置となっている。つまり、ＹＺ面に平行な軸外し面において、投射レンズ２１から内反射面２２ｂまでの光路Ｐ１と、内反射面２２ｂからシースルーミラー２３までの光路Ｐ２と、シースルーミラー２３から瞳位置ＰＰまでの光路Ｐ３とが、Ｚ字状に２段階で折り返される配置となっている。結像光学系１２は、縦配列となっている。つまり、所定基準面である軸外し面（ＹＺ面に平行な面）は、縦のＹ方向に延びる。この場合、表示装置１００を構成する光学要素２１，２２，２３が縦方向に高さ位置を変えて配列されることになり、表示装置１００の横幅の増大を防止することができる。

結像光学系１２のうち、投射レンズ２１から内反射面２２ｂまでの光路Ｐ１は、Ｚ方向に平行に近い状態となっている。つまり、光路Ｐ１において、光軸部分ＡＸ１は、Ｚ方向又は正面方向に対して略平行に延びている。結果的に、投射レンズ２１は、Ｚ方向又は正面方向に関して、プリズムミラー２２と映像素子１１とに挟まれて配置されている。光路Ｐ１における光軸部分ＡＸ１は、Ｚ方向に向かって、下向きを負として、平均的に－３０°～＋３０°程度の範囲内に収めることが望ましい。光路Ｐ１の光軸部分ＡＸ１がＺ方向に向かって下向き－３０°以上の状態とすることで、投射レンズ２１や映像素子１１がシースルーミラー２３と干渉することを回避できる。また、光路Ｐ１の光軸部分ＡＸ１がＺ方向に向かって上向き＋３０°以下の状態とすることで、投射レンズ２１や映像素子１１が上部に突起して外観上目立つものとなることを防止することができる。内反射面２２ｂからシースルーミラー２３までの光路Ｐ２において、光軸部分ＡＸ２は、Ｚ方向に向かって、下向きを負として、平均的に－７０°～－４５°程度の範囲内に収めることが望ましい。光路Ｐ２の光軸部分ＡＸ２がＺ方向に向かって下向き－７０°以上の状態とすることで、シースルーミラー２３の全体的傾斜が過度に大きくなることを回避することができ、シースルーミラー２３の内側にインナーレンズを配置する空間を確保することが容易になる。また、光路Ｐ２の光軸部分ＡＸ２がＺ方向に向かって下向き－４５°以下の状態とすることで、プリズムミラー２２がシースルーミラー２３に対して－Ｚ方向又は背面方向に大きく突出する配置になることを回避することができ、結像光学系１２の厚みが増すことを回避することができる。シースルーミラー２３から瞳位置ＰＰまでの光路Ｐ３は、Ｚ方向に平行に近い状態となっているが、図示の例では、光軸部分ＡＸ３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。つまり、光軸部分ＡＸ３を延長した射出光軸ＥＸは、前方の＋Ｚ方向に対して１０°程度下向きに傾いて延びている。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、瞳位置ＰＰに対して水平方向に延びる中心軸ＨＸは、表示装置１００を装着した装着者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。表示装置１００を装着する個々の装着者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、装着者ＵＳの平均的な頭部形状又は頭部姿勢を想定することで、着目する表示装置１００について、平均的な中心軸ＨＸを設定することができる。以上の結果、プリズムミラー２２の内反射面２２ｂにおいて、光軸ＡＸに沿った光線の反射角は、１０°～６０°程度となる。また、シースルーミラー２３において、光軸ＡＸに沿った光線の反射角は、２０°～４５°程度となる。

図４を参照して、表示駆動部１０２の詳細について説明する。図４中で、領域ＡＲ１は、結像光学系１２等の側方断面図を示し、領域ＡＲ２は、結像光学系１２等の平面図を示す。なお、領域ＡＲ２において、投射レンズ２１の光学面２１ａ，２１ｂ、プリズムミラー２２の光学面２２ａ，２２ｂ，２２ｃ、及びシースルーミラー２３の反射面２３ａは、光軸ＡＸを通ってＸＺ面に投影したものを示している。

表示駆動部１０２すなわち光学ユニット１５を構成する映像素子１１の側方の端部１１ｅは、一点鎖線で示すケース５１の内側に突起する一対の支持部材４１に保持されている。これらの支持部材４１より、映像素子１１のケース５１内におけるアライメントが達成される。光学ユニット１５を構成する投射レンズ２１の側方の端部２１ｅは、ケース５１の内側に突起する一対の支持部材４２に保持されている。これらの支持部材４２により、投射レンズ２１のケース５１に対するアライメントが達成される。光学ユニット１５を構成するプリズムミラー２２の側方の端部２２ｅも、ケース５１の内側に突起する一対の支持部材４３に保持されている。これらの支持部材４３より、プリズムミラー２２のケース５１に対するアライメントが達成される。なお、図示の例では、投射レンズ２１の端部２１ｅがケース５１中に配置されているが、端部２１ｅをケース５１の側壁において外部に露出させることもできる。同様に、プリズムミラー２２の端部２２ｅをケース５１中に配置する必要はなく、端部２１ｅをケース５１の側壁において外部に露出させることもできる。なお、ケース５１の枠体５２は、例えばＹＺ面に平行な面で半分に分割した枠部材を組み合わせて構成することができ、これらの枠部材を接合する際に内部に映像素子１１、投射レンズ２１等をアライメントしつつ組み込むことができる。ケース５１は、２つの部分からなるものに限らず、３つ以上の部分からなるものとすることができる。

投射レンズ２１は、単レンズであり、投射レンズ２１を構成する光学面である入射面２１ａと射出面２１ｂとは、ＹＺ面に平行で光軸ＡＸと交差する縦の第１方向Ｄ１１，Ｄ１２に関して、光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、第１方向Ｄ１１，Ｄ１２に直交する横の第２方向Ｄ０２又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。入射面２１ａに関する縦の第１方向Ｄ１１と、射出面２１ｂに関する縦の第２方向Ｄ１２とは、所定の角度をなしている。

投射レンズ２１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。投射レンズ２１の入射面２１ａと射出面２１ｂとは、例えば自由曲面である。入射面２１ａと射出面２１ｂとは、自由曲面に限らず、非球面とすることもできる。投射レンズ２１において、入射面２１ａと射出面２１ｂと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、偏芯系の光学性能を高めることが容易となるので、非共軸の軸外し光学系１１２である結像光学系１２の収差を低減することが容易になる。なお、自由曲面は回転対称軸をもたない面であり、自由曲面の面関数としては、各種多項式を用いることができる。また、非球面は、回転対称軸をもち多項式で表される面であるが、放物面や球面以外の面である。詳細な図示は省略するが、入射面２１ａ及び射出面２１ｂ上には、反射防止膜が形成されている。

プリズムミラー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、投射レンズ２１からの画像光ＭＬを屈折させつつ反射する。より詳細には、プリズムミラー２２において、画像光ＭＬは、屈折面である光入射面２２ａを経て内部に入射し、反射面である内反射面２２ｂによって非正面方向に全反射され、屈折面である光射出面２２ｃを経て外部に射出される。光入射面２２ａと光射出面２２ｃとは、曲面からなる光学面であり、反射面のみの場合又はこれらを平面とした場合に比較して解像度向上に寄与する。プリズムミラー２２を構成する光学面である光入射面２２ａと内反射面２２ｂと光射出面２２ｃとは、ＹＺ面に平行で光軸ＡＸと交差する縦の第１方向Ｄ２１，Ｄ２２，Ｄ２３に関して、光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、第１方向Ｄ２１，Ｄ２２，Ｄ２３に直交する横の第２方向Ｄ０２又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。

プリズムミラー２２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。プリズムミラー２２の本体の屈折率は、画像光ＭＬの反射角も参酌して内面での全反射が達成されるような値に設定される。プリズムミラー２２の本体の屈折率やアッべ数は、投射レンズ２１との関係も考慮して設定されることが望ましい。特にプリズムミラー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になる。

プリズムミラー２２の光学面、つまり光入射面２２ａと内反射面２２ｂと光射出面２２ｃとは、例えば自由曲面である。光入射面２２ａと内反射面２２ｂと光射出面２２ｃとは、自由曲面に限らず、非球面とすることもできる。プリズムミラー２２において、光学面２２ａ，２２ｂ，２２ｃ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、偏芯系の光学性能を高めることが容易となる。つまり、非共軸の軸外し光学系１１２である結像光学系１２の収差を低減することが容易になり、解像度を向上させることができる。内反射面２２ｂについては、全反射によって画像光ＭＬを反射するものに限らず、金属膜又は誘電体多層膜からなる反射面とすることもできる。この場合、内反射面２２ｂ上に、例えばＡｌ、Ａｇのような金属で形成された単層膜又は多層膜からなる反射膜を蒸着等によって成膜し、或いは金属で形成されたシート状の反射膜を貼り付ける。詳細な図示は省略するが、光入射面２２ａ及び光射出面２２ｃ上には、反射防止膜が形成されている。

シースルーミラー２３は、凹の表面ミラーとして機能する板状の光学部材であり、プリズムミラー２２からの画像光ＭＬを反射する。つまり、シースルーミラー２３は、映像源１０の射出領域からの画像光ＭＬを瞳位置ＰＰに向けて反射する。シースルーミラー２３は、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し、外界に向かって凸形状を有する。シースルーミラー２３は、視界のうち画面の有効領域の全体をカバーする凹面透過ミラーである。シースルーミラー２３は、収束機能を有するコリメーターであり、表示面１１ａの各点から射出された画像光ＭＬの主光線であって、映像源１０の射出領域の近傍で結像によって一旦広がった画像光ＭＬの主光線を瞳位置ＰＰに収束させる。シースルーミラー２３は、板状体２３ｂの表面又は裏面上にミラー膜２３ｃを形成した構造を有するミラー板である。シースルーミラー２３の反射面２３ａは、透過性を有する。シースルーミラー２３や反射面２３ａは、ＹＺ面に平行で光軸ＡＸと交差する縦の第１方向Ｄ３１に関して、光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、第１方向Ｄ３１に直交する横の第２方向Ｄ０２又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。

シースルーミラー２３の反射面２３ａは、例えば自由曲面である。反射面２３ａは、自由曲面に限らず、非球面とすることもできる。シースルーミラー２３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、軸外し光学系又は非共軸光学系である結像光学系１２の収差を低減することが容易になる。シースルーミラー２３は、反射面２３ａが自由曲面及び非球面のいずれである場合においても、曲面式の原点がシースルーミラー２３の有効領域よりも投射レンズ２１側又は映像素子１１側にシフトした形状を有する。この場合、光学系の設計に過度の負担をかけないで、Ｚ字状の光路を実現するシースルーミラーの傾斜面を設定することができる。

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であり、シースルーミラー２３のミラー膜２３ｃは、半透過性を有する反射層によって形成されている。これにより、外界光ＯＬがシースルーミラー２３を通過するので、外界のシースルー視が可能になり、外界像に虚像を重ねることができる。この際、板状体２３ｂ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。ミラー膜２３ｃの画像光ＭＬや外界光ＯＬに対する反射率は、画像光ＭＬの輝度確保や、シースルーによる外界像の観察を容易にする観点で、想定される画像光ＭＬの入射角範囲において１０％以上５０％以下とする。シースルーミラー２３の基材である板状体２３ｂ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。板状体２３ｂは、これを周囲から支持する支持板６１と同一の材料で形成され、支持板６１と同一の厚みを有する。ミラー膜２３ｃは、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。ミラー膜２３ｃ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。ミラー膜２３ｃ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。板状体２３ｂの外側面２３ｏには、反射防止膜が形成されている。

この結像光学系１２では、投射レンズ２１とプリズムミラー２２の内反射面２２ｂとの間であって投射レンズ２１及び内反射面２２ｂよりもプリズムミラー２２の光入射面２２ａ側に、中間瞳ＩＰが配置されている。より具体的には、中間瞳ＩＰは、プリズムミラー２２の光入射面２２ａの位置又はその近傍に配置されている。中間瞳ＩＰは、表示面１１ａ上の各点からの画像光が最も広がって互いに重複する箇所を意味し、アイリングＥＲ又は瞳位置ＰＰの共役点に配置される。中間瞳ＩＰの位置又はその近傍には、開口絞りを配置することが望ましい。

中間像ＩＭは、プリズムミラー２２とシースルーミラー２３との間に形成されている。中間像ＩＭは、シースルーミラー２３よりもプリズムミラー２２の近くに形成される。このように、シースルーミラー２３よりもプリズムミラー２２の近くに中間像ＩＭが形成されることにより、シースルーミラー２３による拡大の負担を低減して観察される虚像の収差を抑えることができる。中間像ＩＭは、アイリングＥＲよりも光路上流であって表示面１１ａに対して共役な位置に形成される実像であり、表示面１１ａ上の表示像に対応するパターンを有するが、シャープに結像したものである必要はなく、像面湾曲、歪曲収差等の諸収差を示すものであってもよい。

光路について説明すると、映像素子１１からの画像光ＭＬは、投射レンズ２１に入射して略コリメートされた状態で射出される。投射レンズ２１を通過した画像光ＭＬは、プリズムミラー２２に入射して光入射面２２ａを屈折されつつ通過し、内反射面２２ｂによって１００％に近い高い反射率で反射され、再度光射出面２２ｃで屈折される。プリズムミラー２２からの画像光ＭＬは、シースルーミラー２３に入射して反射面２３ａによって５０％程度以下の反射率で反射される。シースルーミラー２３で反射された画像光ＭＬは、装着者ＵＳの眼ＥＹ又は瞳孔が配置される瞳位置ＰＰに入射する。瞳位置ＰＰには、シースルーミラー２３やその周囲の支持板６１を通過した外界光ＯＬも入射する。つまり、表示装置１００を装着した装着者ＵＳは、外界像に重ねて、画像光ＭＬによる虚像を観察することができる。

結像光学系１２のＦＯＶは、図４の領域ＡＲ１，ＡＲ２を比較すると明らかなように、縦の視野角α１よりも横の視野角α２が大きくなっている。このことは、映像素子１１の表示面１１ａに形成する表示像が水平方向に長いことに対応している。横対縦のアスペクト比は、例えば４：３や１６：９といった値に設定される。

図５に示すように、結像光学系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。結像光学系１２が軸外し光学系１１２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、結像光学系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台形歪のような歪を持たせた修正画像ＤＡ１とする。つまり、映像素子１１に表示される画像を、投射レンズ２１、プリズムミラー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とで、結像光学系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、シースルーミラー２３等で発生する歪曲収差を許容しつつ映像素子１１を含めた全体として収差を抑えることができる。結果的に、プリズムミラー２２等の光学要素の配置やサイズの自由度が高まり、表示装置１００の小型化を達成しつつ表示装置１００の光学性能の確保を容易にすることができる。

上記実施形態では、ケース５１によって映像素子１１、投射レンズ２１等をアライメントしているが、本発明は、これに限るものではない。例えばケース５１とは別に鏡筒を設け、この鏡筒に投射レンズ２１とプリズムミラー２２とを組付け、投射レンズ２１等を組付けた鏡筒をケース５１中に固定してもよい。

ケース５１は、完全に密閉されたものに限らず、一部に通気口を設けることもできる。通気口は、弁やフィルターを伴うものであってもよい。フィルターは、例えば空気を通過させるがごみや塵を遮断するものとすることができる。

以上で説明した、第１実施形態の表示装置１００では、映像源１０の光射出側が塵を遮断する透光窓１５３で覆われているので、映像源１０を構成する１以上の光学要素の光学面（例えば光射出面２２ｃ）が外部から侵入した塵やごみなどで汚染されることを回避することができ、使用による光学性能の劣化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実施形態に係る表示装置等について説明する。なお、第２実施形態の表示装置は、第１実施形態の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６を参照して、第２実施形態の表示装置について説明する。本実施形態の表示装置１００において、投射レンズ２１は、２つのレンズ要素２２１ａ，２２１ｂを含む。両レンズ要素２２１ａ，２２１ｂを構成する４つの光学面は、ＹＺ面に平行で光軸ＡＸと交差する縦方向に関して光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、Ｘ方向に平行な横方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。投射レンズ２１は、３つ以上のレンズ要素を含むものであってもよい。投射レンズ２１が複数のレンズ要素２２１ａ，２２１ｂ，…を含む場合、複数のレンズ要素２２１ａ，２２１ｂ，…の複数の光学面によって光学性能の向上が容易になる。

〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態に係る表示装置等について説明する。なお、第３実施形態の表示装置は、第１実施形態の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７を参照して、第３実施形態の表示装置について説明する。本実施形態の表示装置１００において、映像素子１１、投射レンズ２１、及びプリズムミラー２２は、ケース５１中に固定されている。ただし、ケース５１の開口５２ａにおいて、プリズムミラー２２の光射出面２２ｃが外気に露出している。つまり、プリズムミラー２２の光射出面２２ｃを含む表層部分である光射出部２２ｐが透光窓１５３として機能する。透光窓１５３は、プリズムミラー２２の一部として、ケース５１の底面板５２ｆに形成された開口５２ａの周縁で底面板５２ｆに固定されている。

図７に示す表示装置１００の場合、プリズムミラー２２の光射出面２２ｃを含む表層部分である光射出部２２ｐが透光窓１５３として機能する。つまり、光射出部２２ｐは、プリズムミラー２２の光学面を含み、かつ、画像光ＭＬを映像源１０又は光学ユニット１５外に取り出すための部分となっている。この場合、映像素子１１、投射レンズ２１等がケース５１中に内蔵され、プリズムミラー２２の光入射面２２ａ及び内反射面２２ｂもケース５１中に配置されている。プリズムミラー２２は、光透過性を有する材料で形成され、光射出面２２ｃには反射防止膜が形成されているので、光射出部２２ｐは、画像光ＭＬを殆ど損失なく通過させる。透光窓１５３である光射出部２２ｐは、その外縁において遮蔽構造又はシール構造を介して封止されつつケース５１に支持されている。光射出部２２ｐ等によって、ケース５１外への画像光ＭＬの射出を可能にしつつプリズムミラー２２の光射出面２２ｃとその他の面とが空間的に遮断又は分離され、ケース５１の外部の塵、水分、蒸気等がケース５１の内部ＩＳに侵入することを防止することができる。これにより、プリズムミラー２２の光入射面２２ａ等の光学面がごみや塵で汚染されること、或いはかかる光学面にくもりが発生することを防止できる。つまり、光透過部材５３によって防塵効果が生じるだけでなく防滴防湿効果が生じる。透光窓１５３がプリズムミラー２２の光射出面２２ｃを含む光射出部となっている場合、光透過部材を別途組み込む必要がなくなり、表示装置１００の軽量化や小型化を達成しやすくなる。

なお、プリズムミラー２２の光射出面２２ｃには、反射防止膜２２ｑが形成されている。プリズムミラー２２が樹脂材料で形成されている場合、例えば反射防止膜の下地としてハードコート層ＨＬが形成されていることが望ましい。光射出面２２ｃには、防汚性を有するコート層を設けることもできる。

〔第４実施形態〕
以下、本発明の第４実施形態に係る表示装置等について説明する。なお、第４実施形態の表示装置は、第１実施形態の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８を参照して、第４実施形態の表示装置について説明する。本実施形態の表示装置１００において、結像光学系１２は、反射ミラー４２１と、プリズムミラー２２と、シースルーミラー２３とを備える。

反射ミラー４２１は、第１実施形態における投射レンズ２１に代えて設けられたものである。反射ミラー４２１は、映像素子１１から射出された画像光ＭＬがプリズムミラー２２に入射する前に画像光ＭＬを反射する第３のミラーである。反射ミラー４２１によって、第１実施形態の場合に比較して光路の折り曲げ回数が増えている。反射ミラー４２１は、映像素子１１から射出された画像光ＭＬを反射する際に集光する正のパワーを有する。反射ミラー４２１は、投射レンズ２１と同様にＹＺ面に平行で光軸ＡＸと交差する縦方向に関して光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、Ｘ方向に平行な横方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。反射ミラー４２１は、裏面反射型の素子であり、板状体２１ｊの裏面側に反射面２１ｒを有するが、表面側に反射面を設けてもよい。図示のように裏面側に反射面２１ｒを設ける場合、表側面２１ｋに反射防止膜を形成することが望ましい。プリズムミラー２２は、第１実施形態の場合と同様に、光入射面２２ａと、内反射面２２ｂと、光射出面２２ｃとを有し、反射ミラー４２１から射出された画像光ＭＬを光入射面２２ａに入射させ、内反射面２２ｂで全反射させ、光射出面２２ｃから射出させる。シースルーミラー２３は、プリズムミラー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。シースルーミラー２３は、裏面反射型の素子であり、板状体２３ｂの裏面側に反射面２３ａを有する。板状体２３ｂの内側面２３ｉには、反射防止膜が形成されている。シースルーミラー２３の反射面２３ａは、半透過性を有する反射層によって形成されている。反射ミラー４２１、プリズムミラー２２、及びシースルーミラー２３が軸外し光学系１１２を構成することは、第１実施形態の場合と同様である。

光学ユニット１５又は映像源１０において、映像素子１１と反射ミラー４２１とプリズムミラー２２とは、ケース４５１中に収納されている。ケース４５１は、支持構造体７５と、第１カバー部材７１と、第２カバー部材７２と、第３カバー部材７３とを含む。支持構造体７５は、反射ミラー４２１を支持するとともに、第１カバー部材７１と第２カバー部材７２とを支持する。第１カバー部材７１は、光学ユニット１５において上方と後方と側方とを覆い、第２カバー部材７２は、光学ユニット１５において前方を覆い、第３カバー部材７３は、光学ユニット１５において下方を覆う。第１カバー部材７１は、映像素子１１とプリズムミラー２２とをケース４５１中にアライメントした状態で支持する。第２カバー部材７２は、支持板６１の一部であり、シースルーミラー２３を間接的に支持する。第１カバー部材７２と第２カバー部材７３とは、遮光性の金属材料や樹脂材料で形成される。第１カバー部材７２等が樹脂材料で形成される場合、樹脂基材の内面側に黒色の遮光材を塗布することもできる。第３カバー部材７３は、画像光ＭＬの光路に対応する局所領域に光透過部材５３を有する。光透過部材５３は、プリズムミラー２２を含む映像源１０の光射出側を覆う透光窓１５３である。第３カバー部材７３は、例えば接着材５５を利用して第１カバー部材７１及び第２カバー部材７２に対して気密に固定されている。第１カバー部材７１及び第２カバー部材７２間も、図示を省略する接着材やシール部材を利用して気密に接合されている。

ケース５１の光射出部を第３カバー部材７３の光透過部材５３で覆うことにより、画像光ＭＬの射出を可能にしつつ光透過部材５３の内外が空間的に遮断又は分離され、ケース５１の外部の塵、水分、蒸気等が内部ＩＳに侵入することを防止することができる。これにより、プリズムミラー２２等の、光学ユニット１５中に内蔵された光学要素の光学面がごみや塵で汚染されること、或いはかかる光学面にくもりが発生することを防止できる。つまり、光透過部材５３によって防塵効果が生じるだけでなく防滴防湿効果が生じる。第３カバー部材７３は、０．５～２ｍｍ程度の厚みを有する平行平板である。つまり、第３カバー部材７３の部分領域に形成された光透過部材５３の入射面５３ａ及び射出面５３ｂは、画像光ＭＬによる結像に対する影響が少ない平面である。光透過部材５３を含む第３カバー部材７３は、剛性を有する樹脂板で形成することができるが、防塵ガラスで形成してもよい。光透過部材５３が樹脂板で形成される場合、入射面５３ａには、反射防止膜ＡＬが形成され、射出面５３ｂには、ハードコート層ＨＬと反射防止膜ＡＬとが形成される。なお、光透過部材５３が防塵ガラスで形成されている場合、入射面５３ａや射出面５３ｂに反射防止膜ＡＬが形成されるが、ハードコート層ＨＬは形成されない。第３カバー部材７３のうち、光透過部材５３を除いた周辺領域７３ｂには、遮光部ＳＳが形成され、迷光の発生を防止している。遮光部ＳＳは、黒色の遮光材を塗布し或いは黒色の遮光シートを貼り付けることによって形成される。

以上の説明では、支持構造体７５、第１カバー部材７１、及び第２カバー部材７２が別体で形成されているとしているが、これらを一体的に形成することもできる。また、第３カバー部材７３を構成する光透過部材５３と周辺領域７３ｂとを別体とし、周辺領域７３ｂ等に対して光透過部材５３を接合する構造とすることもできる。

反射ミラー４２１は、１以上の屈折面を有するプリズムミラーに置き換えることができる。

〔第５実施形態〕
以下、本発明の第５実施形態に係る表示装置等について説明する。なお、第５実施形態の表示装置は、第４実施形態の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９を参照して、第５実施形態の表示装置について説明する。本実施形態の表示装置１００において、映像素子１１、反射ミラー４２１、及びプリズムミラー２２は、ケース５１中に固定されている。ただし、ケース５１の底面板５２ｆに設けた開口５２ａにおいて、プリズムミラー２２の光射出面２２ｃが外気に露出している。つまり、プリズムミラー２２の光射出面２２ｃを含む表層部分である光射出部２２ｐが透光窓１５３として機能する。透光窓１５３は、プリズムミラー２２の一部として、ケース５１の底面板５２ｆに形成された開口５２ａの周縁で底面板５２ｆに固定されている。なお、ケース５１の第２カバー部材７２は、支持板６１とは別体であり、支持板６１の上端を接合等によって支持している。

図９に示す表示装置１００の場合、プリズムミラー２２の光射出部２２ｐが透光窓１５３として機能する。つまり、光射出部２２ｐは、プリズムミラー２２の光学面を含み、かつ、画像光ＭＬを映像源１０又は光学ユニット１５外に取り出すための部分となっている。この場合、映像素子１１、投射レンズ２１等がケース５１中に内蔵され、プリズムミラー２２の光入射面２２ａ及び内反射面２２ｂもケース５１中に配置されている。プリズムミラー２２は、光透過性を有する材料で形成され、光射出面２２ｃには反射防止膜が形成されているので、光射出部２２ｐは、画像光ＭＬを殆ど損失なく通過させる。透光窓１５３である光射出部２２ｐは、その外縁において遮蔽構造又はシール構造を介して封止されたケース５１に支持されている。光射出部２２ｐ等によって、ケース５１外への画像光ＭＬの射出を可能にしつつプリズムミラー２２の光射出面２２ｃとその他の面とが空間的に遮断又は分離され、ケース５１の外部の塵、水分、蒸気等がケース５１の内部ＩＳに侵入することを防止することができる。これにより、プリズムミラー２２の光入射面２２ａ等の光学面がごみや塵で汚染されること、或いはかかる光学面にくもりが発生することを防止できる。つまり、光透過部材５３によって防塵効果が生じるだけでなく防滴防湿効果が生じる。

プリズムミラー２２の光射出面２２ｃには、反射防止膜２２ｑが形成されている。プリズムミラー２２が樹脂材料で形成されている場合、例えば反射防止膜の下地としてハードコート層ＨＬが形成されていることが望ましい。光射出面２２ｃには、防汚性を有するコート層を設けることもできる。

〔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。

上記実施形態の表示装置１００では、映像素子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。

以上では、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。

上記実施形態において、映像源１０は、映像素子１１と投射レンズ２１とプリズムミラー２２とを組み合わせたもの、又は映像素子１１と反射ミラー４２１とプリズムミラー２２とを組み合わせたものとなっているが、映像源１０は、映像素子１１とプリズムミラー２２とを組み合わせたものであってもよく、映像素子１１と投射レンズ２１とを組み合わせたものであってもよい。

具体的な態様における表示装置は、映像素子と、映像素子から射出された画像光を光入射面から入射させ、内反射面で反射させ、光射出面から射出させるプリズムミラーと、プリズムミラーから射出された画像光を瞳位置に向けて反射するシースルーミラーとを備え、プリズムミラーは、入射方向に対して傾斜した方向に折り返すように射出し、映像素子及びプリズムミラーを含む映像源の光射出側が、塵を遮断する透光窓で覆われている。

上記表示装置では、映像源の光射出側が塵を遮断する透光窓で覆われているので、映像源を構成する１以上の光学要素の光学面が外部から侵入した塵やごみなどで汚染されることを回避することができ、使用による光学性能の劣化を抑制することができる。

具体的な側面において、透光窓は、プリズムミラーとシースルーミラーとの間に配置されている。この場合、プリズムミラーの光学面が保護される。

別の側面において、透光窓は、剛性を有する平板状の光透過部材である。光透過部材が剛性を有することで透光窓の破損防止が容易となり、光透過部材が平板状であることで光学性能に影響を及ぼすことを回避しつつ軽量性を確保することができる。

別の側面において、透光窓は、防塵ガラスである。防塵ガラスには高性能な光学面を形成することができ、表示装置の光学性能を維持することが容易になる。

別の側面において、透光窓は、樹脂板であり、射出面には、ハードコート層が形成されている。ハードコート層は、透光窓が外力によって傷つくことを防止し、使用による光学性能の劣化を抑制する。

別の側面において、透光窓の入射面及び射出面には、反射防止膜が形成されている。反射防止膜によってゴーストの発生を抑制することができる。

別の側面において、透光窓は、プリズムミラーの光射出面を含む光射出部である。この場合、光透過部材のような部材を組み込む必要がなくなり、表示装置の軽量化や小型化を達成しやすくなる。

別の側面において、映像素子とプリズムミラーとは、気密性を有する枠体に支持されている。枠体により、プリズムミラーの内面や映像素子の表示面がごみや塵などで汚染されることを回避することができる。

別の側面において、枠体は、映像素子からプリズムミラーにかけての光路空間を封止するケースを構成する。

別の側面において、プリズムミラーの光射出面を含む光射出部が透光窓として機能する。

別の側面において、枠体は、透光窓の外縁に沿って形成された遮光部を有する。遮光部によって不要な光線が瞳に入射することを防止することができる。

別の側面において、枠体は、シースルーミラーを支持する。この場合、枠体を介してシースルーミラーがプリズムミラー等に対して安定して支持される。

別の側面において、プリズムミラーの光入射面、内反射面、及び光射出面は、自由曲面である。プリズムミラーが自由曲面を含むことで偏芯系の光学性能を高めることが容易となる。

別の側面において、映像源は、映像素子から射出された画像光がプリズムミラーに入射する前に通過する投射レンズを有する。

別の側面において、投射レンズは、複数のレンズ要素を含む。複数のレンズ要素の複数の光学面によって光学性能の向上が容易になる。

別の側面において、映像源は、映像素子から射出された画像光がプリズムミラーに入射する前に画像光を反射する第３のミラーを有する。

別の側面において、映像源は、所定基準面に沿って配置され反射面の前後で互いに傾斜する光軸部分を含む軸外し光学系である。

別の側面において、所定基準面は、縦方向に延びる。この場合、表示装置を構成する光学要素が縦方向に配列されることになり、表示装置の横幅の増大を防止することができる。

別の側面において、プリズムミラーとシースルーミラーとを含む光学系は、ディストーションを形成し、映像素子は、ディストーションを補正する。この場合、プリズムミラー等の光学要素の配置やサイズの自由度が高まり、表示装置の小型化を達成しつつ表示装置の光学性能の確保を容易にすることができる。

具体的な態様における光学ユニットは、映像素子と、映像素子から射出された画像光を光入射面から入射させ、内反射面で反射させ、光射出面から射出させるプリズムミラーとを備え、プリズムミラーは、前方から入射する画像光を前方に対して傾斜した方向に折り返すように射出し、映像素子及びプリズムミラーを含む映像源の光射出側が、塵を遮断する透光窓で覆われている。

１０…映像源、１１…映像素子、１１ａ…表示面、１２…結像光学系、１３…表示制御回路、１５…光学ユニット、２１…投射レンズ、２１ａ…入射面、２１ｂ…射出面、２２…プリズムミラー、２２ａ…光入射面、２２ｂ…内反射面、２２ｃ…光射出面、２３…シースルーミラー、２３ａ…反射面、４１，４２，４３…支持部材、５１，４５１…ケース、５２…枠体、５２ａ…開口、５３，１５３…光透過部材、５５…接着材、６１…支持板、１００，１００Ａ，１００Ｂ…表示装置、１００Ｃ…支持装置、１０２…表示駆動部、１０３…外観部材、１１２…軸外し光学系、ＡＸ…光軸、ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＸ３…光軸部分、ＥＲ…アイリング、ＥＹ…眼、ＩＧ０，ＩＧ１…投影像、ＩＳ…内部、ＭＬ…画像光、ＯＬ…外界光、ＯＳ…光路空間、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…光路、ＰＰ…瞳位置、ＵＳ…装着者

Claims (20)

1. 映像素子と、
   前記映像素子から射出された画像光を光入射面から入射させ、内反射面で反射させ、光射出面から射出させるプリズムミラーと、
   前記プリズムミラーから射出された前記画像光を瞳位置に向けて反射するシースルーミラーとを備え、
   前記プリズムミラーは、入射方向に対して傾斜した方向に折り返すように射出し、
   前記映像素子及び前記プリズムミラーを含む映像源の光射出側が、塵を遮断する透光窓で覆われている、表示装置。
2. 前記透光窓は、前記プリズムミラーと前記シースルーミラーとの間に配置されている、請求項１に記載の表示装置。
3. 前記透光窓は、剛性を有する平板状の光透過部材である、請求項２に記載の表示装置。
4. 前記透光窓は、防塵ガラスである、請求項３に記載の表示装置。
5. 前記透光窓は、樹脂板であり、射出面には、ハードコート層が形成されている、請求項３に記載の表示装置。
6. 前記透光窓の入射面及び射出面には、反射防止膜が形成されている、請求項１～５のいずれか一項に記載の表示装置。
7. 前記透光窓は、前記プリズムミラーの光射出面を含む光射出部である、請求項１に記載の表示装置。
8. 前記映像素子と前記プリズムミラーとは、気密性を有する枠体に支持されている、請求項１～７のいずれか一項に記載の表示装置。
9. 前記枠体は、前記映像素子から前記プリズムミラーにかけての光路空間を封止するケースを構成する、請求項８に記載の表示装置。
10. 前記プリズムミラーの光射出面を含む光射出部が透光窓として機能する、請求項８及び９のいずれか一項に記載の表示装置。
11. 前記枠体は、前記透光窓の外縁に沿って形成された遮光部を有する、請求項１～１０のいずれか一項に記載の表示装置。
12. 前記枠体は、前記シースルーミラーを支持する、請求項１～１１のいずれか一項に記載の表示装置。
13. 前記プリズムミラーの前記光入射面、前記内反射面、及び前記光射出面は、自由曲面である、請求項１～１２のいずれか一項に記載の表示装置。
14. 前記映像源は、前記映像素子から射出された前記画像光が前記プリズムミラーに入射する前に通過する投射レンズを有する、請求項１～１３のいずれか一項に記載の表示装置。
15. 前記投射レンズは、複数のレンズ要素を含む、請求項１４に記載の表示装置。
16. 前記映像源は、前記映像素子から射出された前記画像光が前記プリズムミラーに入射する前に前記画像光を反射する第３のミラーを有する、請求項１～１３のいずれか一項に記載の表示装置。
17. 前記映像源は、所定基準面に沿って配置され反射面の前後で互いに傾斜する光軸部分を含む軸外し光学系である、請求項１～１６のいずれか一項に記載の表示装置。
18. 前記所定基準面は、縦方向に延びる、請求項１７に記載の表示装置。
19. 前記プリズムミラーと前記シースルーミラーとを含む光学系は、ディストーションを形成し、前記映像素子は、前記ディストーションを補正する、請求項１～１８のいずれか一項に記載の表示装置。
20. 映像素子と、
    前記映像素子から射出された画像光を光入射面から入射させ、内反射面で反射させ、光射出面から射出させるプリズムミラーとを備え、
    前記プリズムミラーは、前方から入射する前記画像光を前方に対して傾斜した方向に折り返すように射出し、
    前記映像素子及び前記プリズムミラーを含む映像源の光射出側が、塵を遮断する透光窓で覆われている、光学ユニット。

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