JP2023066523A - 虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像歪の発生を十分に抑え、例えば補正回路による電気的な補正等を要することなく、あるいは回路補正等による負荷を軽減しつつ、高精度な画像形成が可能になる虚像表示装置を提供すること。【解決手段】虚像表示装置１００は、画像光ＧＬを出射させる表示デバイス１１と、表示デバイス１１からの画像光ＧＬを反射させる第１ミラー２１と、第１ミラー２１で反射された画像光ＧＬを反射させるミラー面２２ｒを有する屈折反射光学部材２２と、ミラー面２２ｒで反射された画像光ＧＬを射出瞳ＥＰの位置に向けて反射させる第２ミラー２３と、を備え、表示デバイス１１から第１ミラー２１までの距離は、射出瞳ＥＰの位置から第２ミラー２３までの距離よりも短く、第２ミラー２３に入射される画像光ＧＬと第２ミラー２３で反射される画像光ＧＬとでなす第１角度θは、０°より大きく４５°以下である。【選択図】図３

Description

本発明は、画像光生成部等により形成されたミラーを含む光学系により画像光を使用者の瞳に導いて虚像の観察を可能にする虚像表示装置に関する。

ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等として適用可能な虚像表示装置として、３つの反射面を有して画像光を使用者の瞳に導くものが知られている（特許文献１）。

特開２０２０－２０８５７号公報

しかしながら、上記特許文献１に例示されるような偏芯光学系においては、台形歪のようなティスト―ションを取りきることは容易ではなく、発生する歪について、例えば電気的に補正する等の必要があり、この場合、回路規模、消費電力が増えてしまう。すなわち、補正回路側に大きな負荷がかかることになる。

本発明の一側面における虚像表示装置は、画像光を出射させる画像光出射部と、画像光出射部からの画像光を反射させる第１ミラーと、第１ミラーで反射された画像光を反射させる反射部を有する光学部材と、反射部で反射された画像光を射出瞳の位置に向けて反射させる第２ミラーと、を備え、画像光射出部から第１ミラーまでの距離は、射出瞳の位置から第２ミラーまでの距離よりも短く、第２ミラーに入射される画像光と第２ミラーで反射される画像光とでなす第１角度は、０°よりも大きく４５°以下である。

第１実施形態に係る虚像表示装置を説明する側断面図である。 虚像表示装置を説明する正面図である。 虚像表示装置の光学的構造等を説明する側断面図である。 虚像表示装置の光学的構造等を説明する斜視図である。 虚像表示装置における第２ミラーの形状について説明するための側断面図である。 虚像表示装置における第２ミラーの形状について説明するための平断面図である。 虚像表示装置の各部について配置関係を説明するための側断面図である。 図７から各部の配置について抽出した概念図である。 歪曲収差の様子について説明する概念図である。 解像度について示すグラフである。 第２実施形態に係る虚像表示装置の光学的構造等を説明する側断面図である。 歪曲収差の様子について説明する図である。 第１角度と画角との関係を示すグラフである。

〔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について説明する。

図１～図３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相当する。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、使用者ＵＳが虚像表示装置１００を所定の位置（正規の装着位置）で装着した場合の鉛直方向に相当する。また、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し、使用者ＵＳが虚像表示装置１００を所定の位置（正規の装着位置）で装着した場合の水平方向に相当する。

図示の虚像表示装置１００は、ヘッドマウントディスプレイであり、使用者ＵＳに虚像としての映像を認識させる。虚像表示装置１００は、画像光出射部である表示デバイス１１と、投射光学系３０とを備える。投射光学系３０は、レンズ部材１２と、第１ミラー２１と、屈折反射光学部材２２と、第２ミラー２３とを備える。ここで、レンズ部材１２は、非球面型の屈折面１２ａ，１２ｂを有するプリズム状の部材（図３参照）であり、第１ミラー２１は、反射部（ミラー部）２１ｒを有するミラー部材であり、第２ミラー２３は、反射部（ミラー部）２３ｒを有するミラー部材（図３参照）である。屈折反射光学部材２２は、屈折部材２２ｂとミラー面（反射部）２２ｒとを有する光学部材（図３参照）である。表示デバイス１１とレンズ部材１２と屈折反射光学部材２２とは、フレーム８０の本体部材８１に支持されることで、固定されている。また、図１及び図２に示すように、第１ミラー２１と第２ミラー２３とは、外観部材５０を構成し、上部及び側部でフレーム８０の本体部材８１に支持される。外観部材５０は、表示デバイス１１及び屈折反射光学部材２２よりも外側又は外界側において両者に対して位置決めされた状態で配置されている。外観部材５０は、メガネレンズ状の輪郭を有し、使用者ＵＳの眼を覆って外側に凸の湾曲した形状を有する。なお、図１では、右眼用の虚像表示装置１００のみを示しているが、図２に示すように、左眼用の虚像表示装置１００も同様の構造を有し、両眼用の虚像表示装置を組み合わせることで、全体として眼鏡のような外観を有する虚像表示装置となる。なお、両眼用の虚像表示装置については、右眼用又は左眼用の部分のうち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。光路の概要について説明すると、表示デバイス１１から射出された画像光ＧＬは、レンズ部材１２を経て第１ミラー２１で反射されて屈折反射光学部材２２に入射する。屈折反射光学部材２２に入射した画像光ＧＬは、屈折反射光学部材２２で屈折されるとともに反射されて屈折反射光学部材２２外に射出される。屈折反射光学部材２２から射出された画像光ＧＬは、透過型の第２ミラー２３で反射されて射出瞳ＥＰの位置に入射する。

フレーム８０は、メガネと類似した構造を有し、本体部材８１の側方端部に連結されるツル部８２を備え、本体部材８１の中央から延びる金具の先端にノーズパッド８３を備える。

図３を参照して、表示デバイス１１は、画像形成部であり、投射光学系３０よりも使用者ＵＳの頭部側に対応する上側又は＋Ｙ側に配置されている。表示デバイス（画像形成部）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素子であり、２次元の表示部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として有機ＥＬのディスプレイを用いる場合、有機ＥＬ制御部を備える構成とする。表示デバイス１１として量子ドットディスプレーを用いる場合、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。表示デバイス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。

投射光学系３０は、斜入射を前提とする非共軸光学系又は偏芯光学系である。投射光学系３０の偏芯方向は、レンズ部材１２、第１ミラー２１、屈折反射光学部材２２等の配置によって規定される。具体的には、レンズ部材１２、第１ミラー２１、屈折反射光学部材２２、及び第２ミラー２３は、偏芯方向をＹＺ面内に設定したものとなっている。つまり、レンズ部材１２、第１ミラー２１、屈折反射光学部材２２、及び第２ミラー２３を通過する光軸ＡＸは、使用者ＵＳの一対の瞳ＥＹが並ぶ横方向つまりＸ方向に対して交差して略縦方向に延びる平面に沿って配置され、より具体的にはＸ方向に対して直交して縦方向に延びるＹＺ平面に沿って配置される。光軸ＡＸを縦のＹＺ平面に沿って配置することで、横方向の画角を広くし易くなる。光軸ＡＸを含む面がＺ軸の周りに時計方向又は反時計方向（つまり左右）に数１０°程度傾いても、略縦方向に延びていれば、画角への影響はあまり大きくならない。また、第１ミラー２１は、屈折反射光学部材２２よりも使用者ＵＳの頭部側に対応する上側又は＋Ｙ側に配置され、屈折反射光学部材２２は、第２ミラー２３よりも使用者ＵＳの頭部側に対応する上側又は＋Ｙ側に配置されている。ここで、上側又は＋Ｙ側とは、レンズ部材１２，第１ミラー２１，屈折反射光学部材２２，及び第２ミラー２３と光軸ＡＸとの交点又は接点を基準として考える。

レンズ部材１２は、既述のようにレンズとして機能するプリズム状の部材であり、第１ミラー２１からの画像光ＧＬを屈折させつつ透過する。レンズ部材１２は、入射側に配置される屈折部（入射部）１２ａと出射側に配置される屈折部（出射部）１２ｂとを有する。屈折部１２ａ及び屈折部１２ｂのそれぞれは、例えば自由曲面である。また、レンズ部材１２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。

第１ミラー２１は、凹の表面ミラーとして機能する板状の部品であり、表示デバイス１１からレンズ部材１２を経た画像光ＧＬを反射する。第１ミラー２１の構造について、より具体的に説明すると、第１ミラー２１は、板状体２１ｂの一方の表面２１ｓ上に反射膜２１ｃを有した構造を有するミラー板２１ａである。第１ミラー２１の反射部２１ｒは、例えば自由曲面であり、反射膜２１ｃの表面又は板状体２１ｂの表面２１ｓに対応する形状を有する。反射部２１ｒは、自由曲面に限らず、非球面とすることもできる。反射部２１ｒは、ＹＺ面内にある偏芯方向に対応する第１方向Ｄ１に関して光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、第１方向Ｄ１に直交する第２方向Ｄ２又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。第１ミラー２１の板状体２１ｂ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。反射膜２１ｃは、例えばＡｌ、Ａｇ等の金属の単層膜又は多層膜で形成されるが、誘電体多層膜とすることもできる。反射膜２１ｃは、蒸着等の手法を含む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。

以上の第１ミラー２１において、反射部２１ｒ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、非共軸光学系又は偏芯光学系である投射光学系３０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、回転対称軸をもつ面であるが、放物面や多項式で表される球面以外の面である。

屈折反射光学部材２２は、レンズ及びミラーとして機能するプリズム状の光学部材であり、第１ミラー２１からの画像光ＧＬを屈折させつつ反射する。屈折反射光学部材２２は、屈折部２２ｅを有する屈折部材２２ｂと、当該屈折部材２２ｂの非屈折部２２ｄに設けられた反射膜２２ｃとを有する。屈折反射光学部材２２の屈折部材２２ｂ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。屈折部材２２ｂは、色収差の発生を抑える観点で、アッベ数が５０以上の材料で形成されることが望ましい。反射膜２２ｃは、例えばＡｌ、Ａｇ等の金属の単層膜又は多層膜で形成されるが、誘電体多層膜とすることもできる。反射膜２２ｃ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。

屈折反射光学部材２２の屈折部２２ｅは、例えば自由曲面であるが、非球面とすることもできる。屈折部２２ｅは、ミラー部２２ｒでの反射の前後における画像光ＧＬが通過する共通の入出射面となっている。つまり、第１ミラー２１からの光線は、屈折面２２ｅで屈折されて屈折反射光学部材２２中に入射し、ミラー部２２ｒで反射されて屈折反射光学部材２２外に出射される際に、屈折面２２ｅで再度屈折される。屈折部２２ｅは、ＹＺ面内にある偏芯方向に対応する第１方向Ｄ２１に関して光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、第１方向Ｄ２１に直交する第２方向Ｄ２２又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。屈性反射光学部材２２は、屈折部２２ｅに、反射防止膜を設けることもできる。

屈折反射光学部材２２のミラー面２２ｒは、例えば自由曲面であり、ミラー部２２ｃの内面又は屈折部材２２ｂの非屈折部２２ｄに対応する形状を有する。ミラー部２２ｒは、自由曲面に限らず、非球面とすることもできる。ミラー部２２ｒは、ＹＺ面内にある偏芯方向に対応する第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に直交する第２方向Ｄ３２又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。

第２ミラー２３は、凹の表面ミラーとして機能する板状の部品であり、屈折反射光学部材２２からの画像光ＧＬを反射する。第２ミラー２３は、瞳ＥＹが配置される射出瞳ＥＰの位置を覆うとともに射出瞳ＥＰの位置に向かって凹形状を有する。第２ミラー２３は、板状体２３ｂの一方の表面２３ｓ上に反射膜２３ｃを形成した構造を有するミラー板２３ａである。第２ミラー２３の反射部２３ｒは、例えば自由曲面であり、反射膜２３ｃの表面又は板状体２３ｂの表面２３ｓに対応する形状を有する。反射部２３ｒは、自由曲面に限らず、非球面とすることもできる。反射部２３ｒは、ＹＺ面内にある偏芯方向に対応する第１方向Ｄ４１に関して光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、第１方向Ｄ４１に直交する第２方向Ｄ４２又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。

第２ミラー２３は、反射に際して一部の画像光ＧＬを透過させる透過型の反射素子であり、第２ミラー２３の反射膜２３ｃは、半透過性を有する。これにより、外界光ＯＬが第２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。反射膜２３ｃ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像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。第２ミラー２３の板状体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。反射膜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。反射膜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。反射膜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。

第２ミラー２３と射出瞳ＥＰの位置との距離は、射出側の光軸ＡＸ又はＺ軸に沿ってある程度の間隔（例えば１４ｍｍ以上）に設定されており、メガネレンズを配置する空間が確保されている。第２ミラー２３は、板状体２３ｂにおいて反射膜２３ｃが設けられている反対側に反射防止膜を設けることもでき、つまり、第２ミラー２３の外界側には反射防止膜を設けることができる。

以上の実施形態において、レンズ部材１２の屈折部１２ａ及び屈折部１２ｂ、第１ミラー２１の反射部２１ｒ、屈折反射光学部材２２の屈折部２２ｅ、屈折反射光学部材２２のミラー部２２ｒ、及び第２ミラー２３の反射部２３ｒ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、非共軸光学系又は偏芯光学系である投射光学系３０の収差を低減することが容易になる。

特に、本実施形態では、画像光射出部である表示デバイス１１の表示部１１から第１ミラー２１の反射部２１までの距離を、射出瞳ＥＰの位置から第２ミラー２３の反射部２３ｒまでの距離よりも短くし、第２ミラー２３の反射部２３ｒに入射される画像光ＧＬと第２ミラー２３の反射部２３ｒで反射される画像光ＧＬとでなす第１角度θを、０°よりも大きく４５°以下とすることで、例えば台形歪のようなディスト―ションの発生に伴う回路補正を要しないあるいは極力低減するものとなっている。なお、ここでは、第２ミラー２３に入射される画像光ＧＬと第２ミラー２３で反射される画像光ＧＬとでなす角度については、画像光ＧＬのうち、光軸ＡＸを通る画像光ＧＬの第２ミラー２３において入射され、かつ、反射される角度を代表するものとする。

以下、画像光ＧＬの光路について説明する。まず、表示デバイス１１からの画像光ＧＬは、レンズ部材１２を経て第１ミラー２１に入射して反射部２１ｒによって１００％に近い高い反射率で反射される。第１ミラー２１で反射された画像光ＧＬは、屈折反射光学部材２２に入射して屈折部２２ｅで屈折され、ミラー部２２ｒによって１００％に近い高い反射率で反射され、屈折部２２ｅで再度屈折される。屈折反射光学部材２２からの画像光ＧＬは、第２ミラー２３に入射して反射部２３ｒによって５０％程度以下の反射率で反射される。第２ミラー２３で反射された画像光ＧＬは、使用者ＵＳの瞳ＥＹが配置される射出瞳ＥＰに入射する。画像光ＧＬにおいて、屈折反射光学部材２２と第２ミラー２３との間には中間像が形成されている。中間像は、表示デバイス１１の表示部１１ａに形成された画像を適宜拡大したものとなっている。中間像は、屈折部２２ｅに付着したゴミ等の影響を回避するため、屈折部２２ｅと交差しないものとなっている。射出瞳ＥＰの位置で観察される画角は、例えば対角約５０°を想定している。

以上で説明した第１ミラー２１や第２ミラー２３は、表面ミラーに限られるものではなく、板状体２１ｂの裏面に反射膜２１ｃ、板状体２３ｂの裏面に反射膜２３ｃを有する裏面ミラーとすることができる。

上記において、屈折反射光学部材２２の代わりに、第１ミラー２１を屈折反射光学部材とすることができ、第１ミラー２１と屈折反射光学部材２２との双方を屈折反射光学部材とすることもできる。

ここで、図４等を参照して、虚像表示装置１００を構成する投射光学系３０のうち、特に、第２ミラー２３の形状について説明する。なお、図４は、虚像表示装置１００の光学的構造等を説明する斜視図であり、図５は、虚像表示装置１００における第２ミラー２３の形状について説明するための側断面図であり、図６は、平断面図である。

図４に示すように、また、既述のように、第２ミラー２３は、射出瞳ＥＰの位置に向かって凹形状を有している。したがって、例えば第２ミラー２３のうち、上下方向（±Ｙ方向）に沿った曲線上の範囲について、第２ミラー２３の中心を通る曲線上の範囲２３ｏと、第２ミラー２３の端側を通る曲線上の範囲２３ｐと、では、距離的な差異がある。

例えば、図５において、破線で示す画像光ＧＬｏは、第２ミラー２３のうち範囲２３ｏあるいは範囲２３ｏの近傍で反射されて射出瞳ＥＰに向かう画像光である。一方、実線で示す画像光ＧＬｐは、第２ミラー２３のうち範囲２３ｐあるいは範囲２３ｐの近傍で反射されて射出瞳ＥＰに向かう画像光である。なお、表示デバイス１１から±Ｙ方向において同じ位置（同じ高さ）から出射する画像光ＧＬｏと画像光ＧＬｐとは、図５中において重なって見える。ただし、これを図６に示すように、上方（＋Ｙ側）から見た場合、表示デバイス１１の同じ高さから出射される画像光ＧＬｏと画像光ＧＬｐとは、重ならない。つまり、Ｘ方向については異なる位置から出射される画像光ＧＬｏと画像光ＧＬｐとでは、図６中矢印で示すように、例えば、画像光ＧＬｏは、第２ミラー２３において範囲２３ｏあるいは範囲２３ｏの近傍で反射されるのに対して、画像光ＧＬｐは、第２ミラー２３において範囲２３ｐあるいは範囲２３ｏの近傍で反射される。図５に戻って、画像光ＧＬｏと画像光ＧＬｐとでは、表示デバイス１１の±Ｙ方向において同じ高さから射出された場合であっても、第２ミラー２３での反射の位置の距離差ＤＤとして、４ｍｍ程度の差がある。例えば図５中の場合における表示デバイス１１の中心位置（基準位置）の高さから出射される画像光すなわち光軸ＡＸに沿って出射される画像光ＧＬｏと、光軸ＡＸの周辺側から出射される画像光ＧＬｐとの距離差ＤＤ１は、４．０ｍｍである。また、表示デバイス１１において、中心位置（基準位置）よりも上方向（＋Ｙ方向）に３ｍｍ離れた高さ（上端）から出射される画像光ＧＬｏと画像光ＧＬｐとの距離差ＤＤ２は、４．２ｍｍである。また、表示デバイス１１において、中心位置（基準位置）よりも下方向（－Ｙ方向）に３ｍｍ離れた位置（下端）から出射される画像光ＧＬｏと画像光ＧＬｐとの距離差ＤＤ３は、３．５ｍｍである。第２ミラー２３は、以上のような差異が生じる程度に、湾曲している。

以下、図７等を参照して、虚像表示装置１００の光学系を構成する各部について配置関係や、その比較手法について、一例を説明する。なお、図８は、各部の配置関係を示す図７から各部の配置について抽出した概念図である。

まず、図７に示すように、ここでは、光軸ＡＸを通る位置を各部の基準位置として、各部の配置関係（位置関係）を定めるものとする。例えば、射出瞳ＥＰの位置であれば、光軸ＡＸが射出瞳ＥＰに到達する位置である中心位置を示す点ＥＰｘが基準位置となる。同様にして、第２ミラー２３の基準位置を点２３ｘ、屈折反射光学部材２２（反射部２２ｒ）の基準位置を点２２ｘ、第１ミラー２１（反射部２１ｒ）の基準位置を点２１ｘ、表示デバイス１１（表示部１１ａ）の基準位置を点１１ｘとする。

また、方向については、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向を採用する。この場合、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向は、設計上における理想的（仮想的）な状態で虚像表示装置１００が装着されていると想定され、この場合の仮想的な使用者ＵＳにとっての前方向又は正面方向がＺ方向となり、両眼の並ぶ横方向（水平方向）がＸ方向となり、垂直方向がＹ方向となる。

以上において、例えば、図７中のように、Ｚ方向において、表示デバイス１１から第１ミラー２１までの距離を距離ＬＬ１で規定し、射出瞳ＥＰの位置から第２ミラー２３までの距離を距離ＬＬ２で規定した場合に、距離ＬＬ１よりも距離ＬＬ２が短くなる。従って、表示デバイス１１から第１ミラー２１までの距離が射出瞳ＥＰの位置から第２ミラー２３までの距離よりも短いものと捉えることができる。

また、虚像表示装置１００では、上記のような理想的な状態において、図７及び図８に示すように、第２ミラー２３から射出瞳ＥＰへの光軸ＡＸの方向が、Ｚ方向に対してやや斜め下の方向に傾斜している。人間工学の観点から、自然な人間の視線角度は、下側１０°程度であることが知られており、虚像表示装置１００による映像（虚像）の視認においても、Ｚ方向を基準に下側１０°に映像の中心をシフトすることで、より自然で楽な映像視聴が提供できると考えられる。そこで、図示のような理想的な状態においては、第２ミラー２３から射出瞳ＥＰへの光軸ＡＸの方向が、上下方向についての傾きが下側１０°となるように構成されている。つまり、図中において、射出瞳ＥＰへ向かう光軸ＡＸのＺ方向に対する傾き角度（視線のＹ方向についての傾き）αは、α＝１０°となっている。

また、図示のように、射出瞳ＥＰの基準位置を示す点ＥＰｘと、屈折反射光学部材２２の基準位置を示す点２２ｘとについて、点ＥＰｘから点２２ｘまでの距離のうち、Ｙ方向（垂直方向）についての距離を距離ｙとし、Ｚ方向（前後方向）についての距離を距離ｚとする。

また、ここでは、第２ミラー２３に入射される画像光ＧＬと第２ミラー２３で反射される画像光ＧＬとでなす角度について、既述のように、光軸ＡＸに沿った画像光ＧＬの角度を代表する角度として扱い、これを第１角度θとする。第１角度θを大きくすることで、虚像表示装置１００全体のうち眼前部分の出っ張りを抑えることが期待される。その反面、画像光ＧＬの導光方向（－Ｙ方向）については、偏芯の度合いが大きくなり、発生する収差も大きくなる。上記態様の場合、特に、縦方向（Ｙ方向）についての導光の影響が大きくこれに対応する方向すなわち画像における縦方向について偏りのある歪曲収差が発生しやすくなると考えられる。したがって、収差抑制の観点からは、第１角度θをある程度小さくすることが要請される。

さらに、ここでは、射出瞳ＥＰの位置（点ＥＰｘ）から第２ミラー２３（点２３ｘ）までの光軸ＡＸに沿った距離を、距離Ｃとする。つまり、距離Ｃは、使用者ＵＳの眼の位置に対する第２ミラー２３の位置を示すものとなっており、これは、虚像表示装置１００全体における眼前の大きさを示す指標の１つとなる。

ここで、図８のように、光軸ＡＸのうち、屈折反射光学部材２２（反射部２２ｒ）の基準位置を示す点２２ｘから点ＥＰｘに至るまでの間における各パラメーターすなわち上述した角度α、距離ｙ、距離ｚ、距離Ｃ及び第１角度θを幾何学的に抽出すると、これらについて下記の式（１）の関係が成り立っていることが分かる。

ただし、
Ｃ： 射出瞳ＥＰの位置から第２ミラー２３までの距離
ｙ： Ｙ方向（鉛直方向）における射出瞳ＥＰの位置から屈折反射光学部材２２の位置までの距離
ｚ： Ｚ方向（水平方向）における射出瞳ＥＰの位置から屈折反射光学部材２２の位置までの距離
α： Ｚ方向（水平方向）に対する使用者ＵＳの視線の傾き角度
θ： 第２ミラー２３に入射される画像光ＧＬと第２ミラー２３で反射される画像光ＧＬとでなす第１角度

ここで、射出瞳ＥＰが使用者ＵＳにとっての眼の位置にあるのに対して、屈折反射光学部材２２は、光学系のうち、使用者ＵＳにとっての額に最も近づく位置である。このため、上記のうち、射出瞳ＥＰと屈折反射光学部材２２との相対的な位置関係を示す距離ｙ及び距離ｚについては、ある程度定まった範囲の数値となっており、典型的一例としては、ｙ＝１４．５ｍｍ、ｚ＝１８．４ｍｍとすることが想定される。

また、上記のうち、視線の傾き角度αについても、既述のように、典型的一例としては、α＝１０°とすることが想定される。

以上から、距離ｙ、距離ｚ及び角度αが規定値であるとした場合、上記の式（１）は、第１角度θと射出瞳ＥＰの位置から第２ミラー２３までの距離Ｃとが満たすべき関係を示しているものとなる。以上の場合、図８や、さらには、上記の式（１）を勘案すると、距離Ｃを大きくするほど、第１角度θを小さくでき、光学系における収差の発生を抑制できる。ただし、距離Ｃは、使用者ＵＳにとっての眼の位置に対する第２ミラー２３の位置を示すものであり、距離Ｃを大きくするほど装置全体として大型化することになる。

本実施形態では、第１角度θを０°よりも大きく４５°以下とすることで、収差の抑えられた構成としつつ、上記の式（１）を勘案して、距離Ｃの範囲を適切な範囲に収めることで、装置の大型化の抑制が図られている。

なお、距離Ｃの値としては、装置全体としてのサイズや、確保すべき画角に伴う第２ミラー２３の反射領域確保といった観点から、例えば１００ｍｍ以内、あるいは７０～８０ｍｍ程度以下とすることがより好ましい。これに応じて、第１角度θの下限値としては、例えば１０°程度とすることが想定される。

図７に戻って、ここでは、上記のほか、第１ミラー２１に入射される画像光ＧＬと第１ミラー２１で反射される画像光ＧＬとでなす角度についても、第２角度φとして、規定している。第２角度φは、第１角度θの規定に倣って、例えば第１ミラー２１の前後で光軸ＡＸに沿った画像光ＧＬの成分についての角度をもって、第２角度φを代表する角度とすることが考えられる。なお、図示の場合、第１角度θは、第２角度φよりも小さいものとなっている。

図９は、発生する収差（歪曲収差）の様子について示す概念図である。図中において、破線で示す格子状の線ＤＡ１が、表示デバイス１１の表示面１１ａに形成される表示像ＤＡの形状に相当する。この場合、格子状の線ＤＡ１は、矩形状となっている。一方、実線で示す格子状の線ＩＧが、虚像として視認される画像の形状を示している。図示では、これらの形状を比較できるように形状を拡大または縮小して重ね合わせた様子を示している。この場合、線ＩＧは、多少の歪みはあるもののほぼ矩形状の状態を維持している、すなわち歪曲収差がほとんどなく、光学系の中で縦横歪が解消されたものとなっていることが分かる。ここで、例えば、虚像表示装置１００により形成されるもののように、シースルーの画像を視認する場合には、歪みの無い元の画像と比べて５％以内、より好ましくは、２～３％以内の歪み発生であれば、視認性を良好に保てると考えられる。本実施形態では、第１角度θを０°より大きく、かつ４５°以下とすることで、偏芯光学系における歪み発生を光学系の中において十分に抑え、例えば回路補正を要することなく、あるいは、回路補正による負担増加を極力抑えて、良好な画像形成を行うことが可能になっている。

なお、図１０は、上記態様における解像度について示すグラフ（ＭＴＦ図）である。図１０から、十分に良好な状態で画像形成がなされていることが分かる。

以上のように、本実施形態に係る虚像表示装置１００は、画像光ＧＬを出射させる画像光出射部である表示デバイス１１と、表示デバイス１１からの画像光ＧＬを反射させる第１ミラー２１と、第１ミラー２１で反射された画像光ＧＬを反射させる反射部（ミラー部２２ｒ）を有する光学部材である屈折反射光学部材２２と、ミラー部２２ｒで反射された画像光ＧＬを射出瞳ＥＰの位置に向けて反射させる第２ミラー２３と、を備え、表示デバイス１１から第１ミラー２１までの距離（距離ＬＬ１）は、射出瞳ＥＰの位置から第２ミラー２３までの距離（距離ＬＬ２）よりも短く、第２ミラー２３に入射される画像光ＧＬと第２ミラー２３で反射される画像光ＧＬとでなす第１角度θは、０°より大きく、かつ４５°以下である。上記虚像表示装置１００では、射出瞳ＥＰの位置から第２ミラー２３の位置までの間について距離Ｃを設け、かつ、第２ミラー２３に入射される画像光ＧＬと第２ミラー２３で反射される画像光ＧＬとでなす第１角度θを０°より大きく、かつ４５°以下とすることで、歪の発生を十分に抑え、例えば補正回路による電気的な補正等を要することなく高精度な画像形成が可能になる。

〔実施例１〕
以下では、第１実施形態の虚像表示装置１００の光学系を具体化した実施例１について説明する。

以下の表１は、実施例１の虚像表示装置を構成する各面のパラメーターを示す。表中で距離の単位はｍｍである。
〔表１〕

この場合、射出瞳ＥＰから表示部１１ａに向けて光線を辿っていることになる。表１には、隣接する面間の面間隔、屈折媒体の材質、及び面の屈折及び反射の別、各面のグローバル座標が記載されている。なお、屈折媒体の材質において、樹脂Ａは、可視域で屈折率が１．５２程度でアッべ数が５６．５の樹脂材を意味し、樹脂Ｂは、可視域で屈折率が１．６７程度でアッべ数が１９．２の樹脂材を意味し、ＳＩＬＩＣＡは、可視域で屈折率１．４７程度の石英ガラスを意味する。

上記表１に示す実施例１のデータにおいて、自由曲面をｘｙ多項式面で表しているが、ｘｙ多項式面の係数は、ｚを光軸方向として、以下の式で与えられる。

ここで、
ｚ：ｚ軸に平行な面のサグ量
ｃ：頂点曲率
ｋ：コーニック係数
Ｃ_ｊ：単項式ｘ^ｍｙ^ｎの係数
ｒ：半径方向の距離（ｒ＝√（ｘ^２＋ｙ^２））
なお、Ｃ_ｉ＝Ｃ_ｊ×｛（正規化半径）^{（ｍ＋ｎ－１）}｝である。

以下の表２は、係数Ｃ_ｉを具体的に説明する表である。
〔表２〕

以下の表３は、実施例１に含まれる自由曲面を与える多項式の係数Ｃ_ｉをまとめた表である。
〔表３〕

〔第２実施形態〕
以下、図１１等を参照して、本発明の第２実施形態に係る虚像表示装置について説明する。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。なお、図１１は、図３に対応する図であり、図１２は、図９に対応する図である。

図１１に示すように、第２実施形態の虚像表示装置１００は、第１実施形態と同様に、投射光学系３０として、レンズ部材１２と、第１ミラー２１と、屈折反射光学部材２２と、第２ミラー２３とを備え、さらに、表示デバイス１１において、補正回路ＣＣを有している。本実施形態では、縦歪（画像の縦方向についての歪み）の発生については、光学系において抑え、横歪（画像の横方向についての歪み）については、補正回路ＣＣによる回路補正を行う態様となっている点において、縦歪及び横歪の双方について収差を抑えるようにしていた第１実施形態の場合と異なっている。なお、図示のように、本実施形態においても、表示デバイス１１から第１ミラー２１までの距離は、射出瞳ＥＰの位置から第２ミラー２３までの距離よりも短くなっている。

図１２は、仮に補正回路ＣＣによる補正を行わなかったとした場合に光学系において発生する収差（歪曲収差）の様子について示す概念図である。図中において、破線で示す格子状の線ＤＡ１が、図９の場合と同様に、表示デバイス１１の表示部１１ａに形成される表示像ＤＡの形状に相当するのに対して、実線で示す格子状の線ＩＧαが、補正回路ＣＣによる補正を行わなかった場合での画像の形状を示している。つまり、図１２に示す状態から明らかなように、本実施形態の場合、光学系において縦歪は解消されているが、横歪が残る状態となっている。しかしながら、この場合、図１２から分かるように、補正回路ＣＣにおける演算処理として、横のラインに関する画素の位置調整を行えば、十分に歪み補正がなされた画像の形成ができる。つまり、補正回路ＣＣにかかる負担を低減できる。特に、本実施形態では、上記のように、光学系が縦方向について展開する偏芯光学系となっていることから、縦歪の収差が抑制されていることで、全体として発生する収差を効果的に抑えることができる。

〔実施例２〕
以下では、第２実施形態の虚像表示装置１００の光学系を具体化した実施例２について説明する。実施例２のデータも、実施例１のデータと同様の様式で表現されており、用語の定義等についての重複説明を省略する。

以下の表４は、実施例２の虚像表示装置を構成する各面のパラメーターを示す。表中で距離の単位はｍｍである。
〔表４〕

以下の表５は、実施例２に含まれる自由曲面を与える多項式の係数Ｃ_ｉをまとめた表である。
〔表５〕

図１３は、縦軸を第１角度θ（単位°）とし、横軸を画角（単位°、対角画角）とし、これらの関係を示すグラフである。図中、点ＰＰ０は、比較例として、縦横歪が残ったまま存在する状態つまり歪み補正をしなかった場合の一例を示している。この場合、点ＰＰ０の位置から、画角５０°において、第１角度θが４５°よりも大きくなっている。この場合、装置の小型化を図れる可能性があるものの、大きな収差が発生してこれを回路やパネル形状等、他の手法により補正する必要が生じる。

これに対して、点ＰＰ１は、第１実施形態に示す一例、つまり縦歪及び横歪の双方について補正している場合の一例を示している。この場合、第１角度θは、０°より大きく、かつ４５°以下となっている。より具体的には、画角５０°においては、第１角度θが２７°程度となっている。この場合、第１角度θを例えば第１角度θを３０°以下（例えば２７°程度）にしておくことで、歪曲収差を抑え、回路補正を要しないあるいは極力低減する虚像表示装置１００を構成できることが分かる。

さらに、点ＰＰ２は、本実施形態（第２実施形態）に示す一例、つまり縦歪について補正している場合の一例を示している。この場合も、第１角度θは、０°より大きく、かつ４５°以下となっている。より具体的には、例えば画角５０°あるいは６０°においては、第１角度θが３５°程度となっている。また、画角４０°あるいは４５°においては、第１角度θが３７°～３８°程度（４０°弱）となっている。これらのことから、本実施形態（第２実施形態）の場合、第１角度θを、３５°～４０°の範囲に保てば、虚像表示装置１００として、回路補正の負担を軽減出来るものであって、画角４０°～６０°の広画角の画像形成が可能なものを構成できることが分かる。つまり、本実施形態（第２実施形態）において、第１角度θが、３５°～４０°の範囲にあり、第１ミラー２１、屈折反射光学部材２２、及び第２ミラー２３による導光（－Ｙ方向についての導光）に対応する方向（画像の縦方向）についての画像の歪曲収差の補正が、当該方向に垂直な方向（画像の横方向）についての補正よりも大きいものとすることで、収差補正の負担を軽減しつつ、装置の大型化の抑制等を図れる。

〔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。

上記実施形態の虚像表示装置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。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。

屈折反射光学部材２２のミラー部２２ｒは、反射膜２２ｃによって形成されるものに限らず、全反射条件を満たす全反射面であってもよい。

第２ミラー２３の外界側には、第２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ＯＬ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。

第２ミラー部材の２３の反射膜２３ｃについては、半透過性を有するものに限らず、ワイヤーグリッド素子のように特定偏光成分を反射するようなものであってもよい。第２ミラー部材の２３の反射膜２３ｃについては、体積ホログラムやその他のホログラム素子で構成することもでき、回折格子で構成することもできる。

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。

具体的な態様における虚像表示装置は、画像光を出射させる画像光出射部と、画像光出射部からの画像光を反射させる第１ミラーと、第１ミラーで反射された画像光を反射させる反射部を有する光学部材と、反射部で反射された画像光を射出瞳の位置に向けて反射させる第２ミラーと、を備え、画像光射出部から第１ミラーまでの距離は、射出瞳の位置から第２ミラーまでの距離よりも短く、第２ミラーに入射される画像光と第２ミラーで反射される画像光とでなす第１角度は、０°より大きく４５°以下である。

上記虚像表示装置では、出瞳の位置から第２ミラーまでの間について距離を設け、かつ、第２ミラーに入射される画像光と第２ミラーで反射される画像光とでなす第１角度を４５°以下とすることで、画像歪の発生を十分に抑え、例えば補正回路による電気的な補正等を要することなく高精度な画像形成が可能になる。

具体的な側面において、光学部材は、第１ミラーからの画像光が入射され、反射部で反射された画像光が出射される入出射部を有し、入出射部は、入射させる画像光と、出射させる画像光とを屈折させる。この場合、折反射光学部材における屈折作用において、光路調整が可能となる。

具体的な側面において、入出射部は、非球面又は自由曲面である。この場合、折反射光学部材において、歪曲収差を抑えることができる。

具体的な側面において、射出瞳の位置から第２ミラーまでの距離Ｃは、下記の式

ただし、
ｙ： 使用者が虚像表示装置を正規に装着した場合の鉛直方向における射出瞳の位置から光学部材の位置までの距離
ｚ： 使用者が虚像表示装置を正規に装着した場合の水平方向における射出瞳の位置から光学部材の位置までの距離
α： 水平方向に対する使用者の視線の傾き角度
θ： 第１角度
で示される。この場合、距離Ｃとの兼ね合いを図って、装置の大型化を回避しつつ、収差の抑制を図れる。

具体的な側面において、第１角度は、３０°以下である。この場合、例えば矩形の画像について、縦方向と横方向との双方について十分な収差抑制ができる。

具体的な側面において、第１角度は、３５°～４０°の範囲であり、画像光で形成される画像において、第１ミラー、光学部材、及び第２ミラーによる画像光の導光に対応する方向にて生じる歪曲は、当該方向とは異なる方向にて生じる歪曲よりも大きい。この場合、装置の大型化を抑制しつつ、より効果の高い方向について収差抑制ができる。

具体的な側面において、第１角度は、第１ミラーに入射される画像光と第１ミラーで反射される画像光とでなす第２角度よりも小さい。この場合、第１角度が十分小さくなっていることで、光学系全体として、収差が抑えられたものとなっている。

具体的な側面において、第１ミラー、第２ミラー、及び反射部のそれぞれは、非球面又は自由曲面である。この場合、各反射面において、収差抑制を図れる。

具体的な側面において、第２ミラーは、画像光の一部を射出瞳の位置に向けて反射させ、画像光の他の一部を透過させる。この場合、シースルー視が可能になる。

１１…表示デバイス、１１ａ…表示部、１１ｘ…点、１２…レンズ部材、１２ａ…屈折部（入射部）、１２ｂ…屈折部（出射部）、２１…第１ミラー、２１ａ…ミラー板、２１ｂ，２３ｂ…板状体、２１ｃ，２３ｃ…反射膜、２１ｒ，２３ｒ…反射部（ミラー部）、２１ｓ…表面、２１ｘ…点、２２…屈折反射光学部材、２２ｂ…屈折部材、２２ｄ…非屈折部、２２ｅ…屈折部、２２ｒ…反射部（ミラー面）、２２ｘ…点、２３…第２ミラー、２３ａ…ミラー板、２３ｏ…範囲、２３ｐ…範囲、２３ｒ…反射部、２３ｓ…表面、２３ｘ…点、３０…投射光学系、５０…外観部材、８０…フレーム、８１…本体部材、８２…ツル部、８３…ノーズパッド、１００…虚像表示装置、ＡＸ…光軸、Ｃ…距離、ＣＣ…補正回路、Ｃｉ…係数、ＤＡ…表示像、ＤＡ１…線、ＤＤ，ＤＤ１～ＤＤ３…距離差、ＥＰ…射出瞳、ＥＰｘ…点、ＥＹ…瞳、ＧＬ，ＧＬｏ，ＧＬｐ…画像光、ＩＧ，ＩＧα…線、ＬＬ１，ＬＬ２…距離、ＯＬ…外界光、ＰＰ０，ＰＰ１，ＰＰ２…点、ＵＳ…使用者、ｙ…距離、ｚ…距離、α…角度、θ…第１角度、φ…第２角度

Claims (9)

1. 画像光を出射させる画像光出射部と、
   前記画像光出射部からの前記画像光を反射させる第１ミラーと、
   前記第１ミラーで反射された前記画像光を反射させる反射部を有する光学部材と、
   前記反射部で反射された前記画像光を射出瞳の位置に向けて反射させる第２ミラーと、
   を備え、
   前記画像光射出部から前記第１ミラーまでの距離は、前記射出瞳の位置から前記第２ミラーまでの距離よりも短く、
   前記第２ミラーに入射される前記画像光と前記第２ミラーで反射される前記画像光とでなす第１角度は、０°より大きく４５°以下である、虚像表示装置。
2. 前記光学部材は、前記第１ミラーからの前記画像光が入射され、前記反射部で反射された前記画像光が出射される入出射部を有し、
   前記入出射部は、入射させる前記画像光と、出射させる前記画像光とを屈折させる、請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記入出射部は、非球面又は自由曲面である、請求項２に記載の虚像表示装置。
4. 前記射出瞳の位置から前記第２ミラーまでの距離Ｃは、下記の式
   

   

   ただし、
   ｙ： 使用者が前記虚像表示装置を正規に装着した場合の鉛直方向における前記射出瞳の位置から前記光学部材の位置までの距離
   ｚ： 前記使用者が前記虚像表示装置を正規に装着した場合の水平方向における前記射出瞳の位置から前記光学部材の位置までの距離
   α： 前記水平方向に対する前記使用者の視線の傾き角度
   θ： 前記第１角度
   で示される、請求項１～３のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
5. 前記第１角度は、３０°以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
6. 前記第１角度は、３５°～４０°の範囲であり、
   前記画像光で形成される画像において、前記第１ミラー、前記光学部材、及び前記第２ミラーによる前記画像光の導光に対応する方向にて生じる歪曲は、当該方向とは異なる方向にて生じる歪曲よりも大きい、請求項１～４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
7. 前記第１角度は、前記第１ミラーに入射される前記画像光と前記第１ミラーで反射される前記画像光とでなす第２角度よりも小さい、請求項１～６のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
8. 前記第１ミラー、前記第２ミラー、及び前記反射部のそれぞれは、非球面又は自由曲面である、請求項１～７のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
9. 前記第２ミラーは、前記画像光の一部を前記射出瞳の位置に向けて反射させ、前記画像光の他の一部を透過させる、請求項１～８のいずれか一項に記載の虚像表示装置。

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