JP2024064475A - 虚像表示装置及び光学ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】画像光以外の成分が外部に漏れ出すことを防止し、外部から映像が見えやすくなることを防止する。【解決手段】虚像表示装置１１０は、画像光ＭＬを出射する表示素子である表示パネル１１ａと、第１全反射面５１ｉと、第２全反射面５１ｏとを有する導光部材５１ａと、導光部材５１ａに付随して設けられた光入射側の第１回折素子ＤＥ１と、導光部材５１ａに付随して設けられた光射出側の第２回折素子ＤＥ２と、前記第２回折素子ＤＥ２が設けられた画像取出部ＩＯの外界側に設けられて、第２回折素子ＤＥ２による回折光の通過を制限する迷光抑制フィルター５１ｓとを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、虚像の観察を可能にする虚像表示装置及び光学ユニットに関し、特に回折及び導光を利用するタイプの虚像表示装置に関する。

虚像の観察を可能にする表示装置として、画像光生成装置から射出された画像光が入射する導光部材と、導光部材の入射側に設けられて正のパワーを有する第１回折素子と、導光部材の射出側に設けられて正のパワーを有する第２回折素子と、導光部材の入射側の端部に設けられて正のパワーを有するミラーとを備え、第１回折素子を経た画像光は、ミラーで反射されて導光部材内を伝搬し、第２回折素子に入射した画像光は、第２回折素子により偏向されて射出瞳を形成するものが公知となっている（特許文献１）。

特開第２０２１－１５６９９５号公報

上記特許文献１に示されるような表示装置では、第２回折素子で射出瞳に向けて回折される画像光以外の成分が外部に漏れ出す可能性があり、特に回折素子として回折格子を用いる場合、画像光のかなりの部分が外部に漏れ、外部から映像が見えやすくなる。

本発明の一側面における虚像表示装置は、画像光を出射する表示素子と、第１全反射面と第２全反射面とを有する導光部材と、導光部材に付随して設けられた光入射側の第１回折素子と、導光部材に付随して設けられた光射出側の第２回折素子と、第２回折素子が設けられた画像取出部の外界側に設けられて、第２回折素子による回折光の通過を制限する迷光抑制フィルターとを備える。

虚像表示装置を組み込んだＨＭＤの装着状態を説明する平面図である。 第１実施形態の虚像表示装置の要部の側断面図である。 迷光抑制フィルターの機能を説明する拡大側断面図である。 第２実施形態の虚像表示装置の要部を説明する背面図である。 第３実施形態の虚像表示装置の要部を説明する背面図である。 第４実施形態の虚像表示装置の要部を説明する側断面図である。 図６に示す一対の迷光抑制フィルター機能を説明する図である。 図６に示す虚像表示装置の変形例を説明する図である。 図６に示す虚像表示装置の別の変形例を説明する図である。 第５実施形態の虚像表示装置の要部を説明する図である。 図１０に示す虚像表示装置の変形例を説明する図である。 第６実施形態の虚像表示装置の要部を説明する図である。

〔第１実施形態〕
以下、図１等を参照して、本発明に係る虚像表示装置の第１実施形態について詳細に説明する。

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又は虚像表示装置１１０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、右眼用の虚像表示装置１１０Ａと、左眼用の虚像表示装置１１０Ｂと、一対のテンプル１１０Ｃとを含み、一対の虚像表示装置１１０Ａ，１１０Ｂを支持する支持装置１２０とを備える。第１虚像表示装置１１０Ａは、装着者ＵＳの右側の眼ＥＹの前方つまり＋Ｚ側を覆うように配置され、第２虚像表示装置１１０Ｂは、装着者ＵＳの左側の眼ＥＹの＋Ｚ側を覆うように配置されている。第２虚像表示装置１１０Ｂは、第１の虚像表示装置１１０Ａの光学的な構造を左右の＋Ｘ方向に関して対称的に反転させた構造を有している。以下では、主に第１虚像表示装置１１０Ａについて説明する。

図２を参照して、第１の虚像表示装置１１０Ａについて説明する。図２に示す虚像表示装置１１０Ａは、投影装置１０と、制御装置８０とを備える。投影装置１０によって眼ＥＹに対して虚像が表示される。なお、虚像表示装置１１０Ａは、可視域（具体的には波長４５０ｎｍ～６５０ｎｍ）でいずれかの波長を有する画像光によって虚像を形成するとともに、可視域の外界光を部分的に透過させるものであり、外界像を背景として虚像を表示することができる。つまり、虚像表示装置１１０Ａは、シースルー型の虚像表示装置である。

投影装置１０は、光学ユニットＯＵであり、画像光ＭＬを射出する画像光生成装置１１と、可視域の画像光ＭＬを表示光ＧＬとして射出させる導光光学系５０と、画像光生成装置１１を動作させる駆動回路６０とを備える。画像光生成装置１１は、表示パネル１１ａとコリメーターレンズ１１ｂとを有する。画像光生成装置１１は、導光光学系５０の眼位置ＥＰ側、つまり－Ｚ方向に配置される。導光光学系５０は、ＸＹ面に略平行に延びる回折導光部材５１を有する。回折導光部材５１は、例えばＲＧＢの３色のカラー表示を可能にするものであり、導光部材５１ａと、入射回折層５１ｂと、射出回折層５１ｃと、迷光抑制フィルター５１ｓとを有する。入射回折層５１ｂは、導光部材５１ａの一端側の入射領域Ｒ１に付随して設けられた反射型の第１回折素子ＤＥＩ１であり、画像光生成装置１１から射出され回折導光部材５１の導光部材５１ａを通過した画像光ＭＬを反射に際して偏向し、導光部材５１ａの内部で導光可能な状態とする。また、射出回折層５１ｃは、導光部材５１ａの他端側の射出領域Ｒ２に付随して設けられた反射型の第２回折素子ＤＥ２であり、導光部材５１ａの内部で導光された画像光ＭＬを反射に際して偏向し、導光部材５１ａを通過させ、眼ＥＹのある外部に向けて射出させる。迷光抑制フィルター５１ｓは、画像光ＭＬが導光光学系５０の外界側に漏れ出すこと、つまり外界側への迷光の発生を抑制する。つまり、迷光抑制フィルター５１ｓは、射出回折層５１ｃから前方に画像光ＭＬの成分である迷光が射出されアイグロウとして観察されることを防止する。ここで、アイグロウ（Eye Glow）とは、導光光学系５０の眼ＥＹに対応する眼前部分（後述する画像取出部ＩＯ）で画像光ＭＬが外部に漏れ出し、上記眼前部分が画像光ＭＬを外部に放つ現象である。迷光抑制フィルター５１ｓは、具体的には、角度制御フィルターＡＬであり、正面方向すなわち＋Ｚ方向に対して所定以上大きく傾いた方向に伝搬する光の透過を制限するものである。駆動回路６０は、制御装置８０の制御下で信号処理を行い、表示パネル１１ａに表示動作を行わせる。投影装置１０又は光学ユニットＯＵは、表示パネル１１ａで生成された画像光ＭＬを表示光ＧＬとして装着者ＵＳの眼ＥＹまで導くことで、装着者ＵＳに虚像を視認させる。

投影装置１０において、入射回折層５１ｂを設けた入射領域Ｒ１や駆動回路６０は、遮光性を有するカバー９１で覆われており、入射回折層５１ｂからの画像光ＭＬの漏れや画像光生成装置１１で発生する迷光が外部に漏れ出すことを防止している。その一方で、カバー９１は、外界像の観察を可能にするため、射出回折層５１ｃを設けた射出領域Ｒ２を外部に露出させ、外界光が眼位置ＥＰに入射することを可能にしている。

以下、画像光生成装置１１についてより詳細に説明する。画像光生成装置１１において、表示パネル１１ａは、虚像に対応する像を形成すべく、画像光ＭＬを射出する表示素子又は表示デバイスであり、具体的には、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のような各種発光素子アレイのディスプレイであり、２次元の表示面１１ｄにカラーの静止画又は動画を形成する。表示パネル１１ａは、自発光型の映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。表示パネル１１ａ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。

表示パネル１１ａは、図示を省略するが、レーザー光源と走査装置とを組み合わせたものに置き換えることができる。レーザー光源は、単一波長の光源であり、回折導光部材５１での回折効率を比較的高くすることができ、後述する迷光抑制フィルター５１ｓの角度選択性を比較的精密にすることができる。

コリメーターレンズ１１ｂは、入射する光を平行化するレンズを含む投射光学系であり、表示パネル１１ａの表示面１１ｄから射出された画像光ＭＬを、所定の光線幅を有する状態に平行化し、かつ、画素位置に応じた傾斜角度状態として、回折導光部材５１に設けられた入射回折層５１ｂに向けて射出する。コリメーターレンズ１１ｂは、樹脂又はガラス製の１以上のレンズ素子を含むものであり、反射ミラーを含むものであってもよい。コリメーターレンズ１１ｂを構成する光学素子の光学面は、球面、非球面、及び自由曲面のいずれであってもよい。

導光光学系５０の回折導光部材５１において、導光部材５１ａは、平行平板から形成された部材であり、ＸＹ面に平行に延びる一対の平面である第１全反射面５１ｉと第２全反射面５１ｏとを有する。導光部材５１ａは、±Ｙ方向を延伸方向としている。ここで、延伸方向とは、導光部材５１ａが主として延びる方向であり、導光部材５１ａの入射面ＩＳから射出面ＥＳに至る方向に相当する。回折導光部材５１において、上側領域又は入射領域Ｒ１、すなわち＋Ｙ側の領域において、導光部材５１ａの眼ＥＹ側すなわち－Ｚ側には、第１全反射面５１ｉの一部である入射面ＩＳが設けられている。回折導光部材５１において、下側領域又は射出領域Ｒ２、すなわち－Ｙ側の領域において、導光部材５１ａの眼ＥＹ側すなわち－Ｚ側には、第１全反射面５１ｉの一部である射出面ＥＳが設けられている。回折導光部材５１の入射領域Ｒ１において、眼ＥＹの反対側すなわち＋Ｚ側には、入射面ＩＳに対向する構造として、入射回折層５１ｂが設けられている。また、回折導光部材５１の射出領域Ｒ２において、眼ＥＹの反対側すなわち＋Ｚ側には、射出面ＥＳに対向する構造として、射出回折層５１ｃが設けられている。導光部材５１ａにおける一対の平面である全反射面５１ｉ，５１ｏは、入射回折層５１ｂを介して導光部材５１ａ中に導かれた画像光ＭＬを全反射させて導光し、画像光ＭＬをほとんど損失させることなく導光する。導光部材５１ａは、例えば厚さ１～２ｍｍ程度の厚みを有し高い光透過性を有する樹脂又はガラスにより成形される。ガラスは、面精度の確保が容易であり、この観点で導光部材５１ａの材料として適している。

入射回折層５１ｂは、導光部材５１ａのうちコリメーターレンズ１１ｂに対向する第１端部Ｅ１において、眼ＥＹの反対の外側であってＸＹ面に平行な矩形領域に形成されている。入射回折層５１ｂと第１端部Ｅ１とを合わせて画像取込部ＩＩと呼ぶ。入射回折層５１ｂは、表示パネル１１ａの表示面１１ｄから射出されコリメーターレンズ１１ｂを経た画像光ＭＬを、導光部材５１ａの内部に結合する。入射回折層５１ｂは、第１回折素子ＤＥ１である。入射回折層（第１回折素子）５１ｂは、導光部材５１ａと一体的に形成されるものとすることができるが、導光部材５１ａとは別体で形成されて導光部材５１ａの第２全反射面５１ｏに接合され或いは貼り付けられるようなものであってもよい。入射回折層５１ｂは、入射面ＩＳを介してこれに入射した画像光ＭＬを回折作用によって導光部材５１ａの内部で伝搬するように折り返すものである。入射回折層５１ｂは、本実施形態の場合、例えば表面レリーフ回折格子であり、より具体的には、ナノインプリントによって作製した回折光学素子である。ナノインプリント製の回折光学素子は、画像光ＭＬを透過する材料の表面に微細な凹凸を形成し、隣接する領域に所定の光路差を付与したものであり、画像光ＭＬを反射する際に目的とする回折を生じさせる。入射回折層５１ｂは、複数波長の画像光ＭＬ、つまり、ＲＧＢ光を個別に回折する。入射回折層５１ｂは、単一の層でＲＧＢの３色に対して目的とする回折を生じさせるものに限らず、複数の層でＲＧＢの３色に対して目的とする回折を生じさせるものであってもよい。入射回折層５１ｂは、表面レリーフ回折格子に限らず、体積ホログラム等の回折機能を持った光学素子、つまり回折素子であってもよい。入射回折層５１ｂは、横のＸ方向に直線状に延びる多数の突起又は溝を含み、縦のＹ方向に周期性を有するパターンで形成されている。入射回折層５１ｂに形成されたパターンの格子周期（ピッチ）及び格子高さは一定である。このパターンの格子周期は、画像光ＭＬを導光部材５１ａ中で全反射により伝搬させるべく、導光部材５１ａ中の反射角又は入射角が導光部材５１ａの屈折率で決まる臨界角より大きな角度となるように設定されている。なお、入射回折層５１ｂは、周期的凹凸を表面に露出させたものに限らず、周期的凹凸に相当する界面を埋め込んだものとすることもできる。

射出回折層５１ｃは、入射回折層５１ｂの－Ｙ側すなわち下側に位置する。射出回折層５１ｃは、導光部材５１ａのうち眼位置ＥＰに対向する第２端部Ｅ２において、眼ＥＹの反対の外側であってＸＹ面に平行な矩形領域に形成されている。射出回折層５１ｃと第２端部Ｅ２とを合わせて画像取出部ＩＯと呼ぶ。射出回折層５１ｃは、導光部材５１ａ内で全体として－Ｙ方向に進む画像光ＭＬを、導光部材５１ａの外部に取り出す。射出回折層５１ｃは、第２回折素子ＤＥ２である。射出回折層５１ｃ又は第２回折素子ＤＥ２は、導光部材５１ａと一体的に形成されるものとすることができるが、導光部材５１ａとは別体で形成されて導光部材５１ａの第２全反射面５１ｏに接合され或いは貼り付けられるようなものであってもよい。射出回折層５１ｃは、画像光ＭＬが導光部材５１ａの全反射面５１ｉ，５１ｏで反射されつつ伝搬する際に、いずれかの箇所で回折作用によって画像光ＭＬを折り返しつつ入射回折層５１ｂに入射する前の角度情報を復元するものである。射出回折層５１ｃは、本実施形態の場合、例えば表面レリーフ回折格子であり、より具体的には、ナノインプリントによって作製した回折光学素子である。射出回折層５１ｃは、表面レリーフ回折格子に限らず、体積ホログラム等の回折機能を持った光学素子、つまり回折素子であってもよい。射出回折層５１ｃは、横のＸ方向に直線状に延びる多数の突起又は溝を含み、縦のＹ方向に周期性を有するパターンで形成されている。射出回折層５１ｃに形成されたパターンの格子周期（ピッチ）及び格子高さは一定である。このパターンのＹ方向に関する格子周期は、入射回折層５１ｂのＹ方向に関する格子周期と一致させる。なお、射出回折層５１ｃは、周期的凹凸を表面に露出させたものに限らず、周期的凹凸に相当する界面を埋め込んだものとすることもできる。

迷光抑制フィルター５１ｓは、射出回折層５１ｃの外側に配置され、射出回折層５１ｃと略同一の形状を有する。迷光抑制フィルター５１ｓは、射出回折層５１ｃに貼り付けられてもよいが、支持部材を介して射出回折層５１ｃから離間して配置されてもよい。

図３を参照して、迷光抑制フィルター５１ｓは、縦のＹ方向に関して傾斜角度に依存する遮光特性を有する平板の透光部材である。迷光抑制フィルター５１ｓは、具体的には角度制限フィルター（角度制御フィルター）ＡＬであり、縦のＹ方向に関して傾斜角度又は入射角度が臨界値を超えると透過率が略ゼロになる遮光層５１ｔを有する。遮光層５１ｔにおいて、縦のＹ方向に関して、光透過部Ｐ１と遮光部Ｐ２とが交互に一定周期で配置され、横のＸ方向に関して、光透過部Ｐ１と遮光部Ｐ２とが線状に一様に延びている。つまり、遮光層５１ｔは、光透過性を有する平板中に遮光部Ｐ２を埋め込んだ構造を有する。各遮光層５１ｔは、Ｙ方向に薄くブラインドのルーバーに相当する部材である。遮光層５１ｔは、回折導光部材５１をＹＺ面に投影して観察した場合に、迷光抑制フィルター５１ｓに垂直な方向に延びる基準線ＳＬに対して所定角度α（具体的には例えば７０°）未満の光線Ｌ１を透過させ、基準線ＳＬに対して所定角度α（具体的には例えば７０°）以上の光線Ｌ２を遮光する。つまり、外界光ＯＬは、紙面に沿ったＹＺ面において基準線ＳＬに対して所定角度α以下であれば、迷光抑制フィルター５１ｓ等を通過し、外界像の観察を可能にする。虚像表示装置１１０Ａの画角が２α以下であれば、虚像の隅の箇所まで外界像に重ねて虚像を観察することが可能になる。ただし、外界光ＯＬのうち基準線ＳＬに対して所定角度α以下であっても所定角度αに近い成分は、部分的に遮光され輝度が低下する傾向が生じるので、外界像については、視野周辺で減光が生じる場合もある。

射出回折層５１ｃにおいて、射出回折層５１ｃの厚み方向の中間点である特定の着目点ＤＰａを通過する画像光ＭＬについて考える。画像光ＭＬのうち射出回折層５１ｃで回折された透過光に関して、＋１次回折光Ｌｄ_＋１は、基準線ＳＬに対する傾きが所定角度α以上であり、迷光抑制フィルター５１ｓによって遮断される。なお、０次回折光Ｌｄ_０も、基準線ＳＬに対する傾きが所定角度α以上であるが、遮光層５１ｔに向かわない。ただし、＋Ｙ寄りの着目点ＤＰｂを通過する画像光ＭＬの０次回折光Ｌｄ_０については、迷光抑制フィルター５１ｓによって遮断される。着目点ＤＰａからの－１次回折光Ｌｄ_－１は、基準線ＳＬに対する傾きが所定角度α以上であるが、迷光抑制フィルター５１ｓに向かわない。着目点ＤＰａからの－１次回折光Ｌｄ_－１は、－Ｙ方向に近い方向に進み、外部に直接漏れ出すことはない。

以上では説明を省略したが、射出回折層５１ｃで回折された透過光のうち、＋２次回折光については、基準線ＳＬに対する傾きが所定角度α以上であれば、迷光抑制フィルター５１ｓによって遮断される。一方、＋２次回折光の基準線ＳＬに対する傾きが所定角度α未満であれば、迷光抑制フィルター５１ｓによって遮断されず、迷光抑制フィルター５１ｓを部分的に通過する。ただし、＋２次回折光の強度は、＋１次回折光の強度に比較してかなり低く、顕著なアイグロウとはなりにくい。

以下、回折導光部材５１を利用した画像光ＭＬの導光及び虚像の形成について説明する。表示パネル１１ａは、２次元の表示面１１ｄにカラー又は特定色（例えば緑色）の静止画又は動画を形成する。表示面１１ｄからの画像光ＭＬは、コリメーターレンズ１１ｂを経て入射面ＩＳから導光部材５１ａに入射し、導光部材５１ａを透過した画像光ＭＬは、－Ｘ方向に向かう平面視において、表示面１１ｄのＹ方向の位置に応じた角度で入射回折層５１ｂに入射し、入射回折層５１ｂによってこれに形成されたパターンのピッチに対応する角度方向に反射されるように回折される。入射回折層５１ｂによって回折された画像光ＭＬは、導光部材５１ａ中で全反射されつつ伝搬され、全体として－Ｙ方向に進む。導光部材５１ａ中を全体として－Ｙ方向に伝搬する画像光ＭＬは、射出回折層５１ｃに入射し、射出回折層５１ｃによってこれに形成されたパターンのピッチに対応する角度方向に反射されるように回折される。射出回折層５１ｃによって回折された画像光ＭＬは、導光部材５１ａを透過して射出面ＥＳから装着者ＵＳの眼ＥＹが配置される眼位置ＥＰ又は瞳位置に向けて射出される。射出回折層５１ｃから射出する画像光ＭＬは、＋Ｙ方向に関して表示面１１ｄから射出される際の角度状態が再現されつつ、＋Ｙ方向に関して瞳サイズが拡大されたものとなる。つまり、画像光ＭＬは、回折導光部材５１を経て縦に関して瞳サイズが拡大され、眼ＥＹの位置が縦に大幅にずれても、表示パネル１１ａからの画像光ＭＬによる虚像を観察することができる。

制御装置８０は、装着者ＵＳが操作する携帯端末であり、主制御装置８１と、記憶装置８２と、インターフェース装置８３と、通信装置８４とを有する。制御装置８０は、記憶装置８２のソフトウェア格納部において、制御装置８０を動作させる基本的なプログラム上で動作するアプリケーションソフトとして、投影装置１０に表示させる画像の選択を許容するソフト、環境に応じて投影装置１０に表示させる画像を変化させるソフト等が含まれる。

以上では、入射回折層５１ｂや射出回折層５１ｃが表面レリーフ回折格子や体積ホログラムであるとしたが、入射回折層５１ｂや射出回折層５１ｃは、その他の回折素子であってもよい。射出回折層５１ｃが体積ホログラムである場合、射出回折層５１ｃを透過する＋１次回折光がナノインプリント製の回折光学素子よりも弱くなるが、迷光抑制フィルター５１ｓを設けることでアイグロウを確実に抑えることができる。

以上で説明した第１実施形態の虚像表示装置１１０又はＨＭＤ２００は、画像光ＭＬを出射する表示素子である表示パネル１１ａと、第１全反射面５１ｉと第２全反射面５１ｏとを有する導光部材５１ａと、導光部材５１ａに付随して設けられた光入射側の第１回折素子ＤＥ１と、導光部材５１ａに付随して設けられた光射出側の第２回折素子ＤＥ２と、前記第２回折素子ＤＥ２が設けられた画像取出部ＩＯの外界側に設けられて、第２回折素子ＤＥ２による回折光の通過を制限する迷光抑制フィルター５１ｓとを備える。この虚像表示装置１１０又はＨＭＤ２００では、迷光抑制フィルター５１ｓが第２回折素子ＤＥ２による回折光の通過を制限するので、第２回折素子ＤＥ２から前方に射出された画像光ＭＬがアイグロウとして観察されることを防止することができる。さらに、第２回折素子ＤＥ２から前方に射出された画像光ＭＬが映像として対面する相手に視認されることを防止することができる。

〔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。

図４に示すように、導光光学系５０の回折導光部材５１は、導光部材５１ａと、入射回折層５１ｂと、瞳拡大格子層５１ｅと、射出回折層５１ｃと、迷光抑制フィルター５１ｓとを有する。入射回折層５１ｂは、第１回折素子ＤＥ１であり、縦のＹ方向に直線的に延び横のＸ方向に周期的に繰り返す回折パターンで形成されている。射出回折層５１ｃは、第２回折素子ＤＥ２であり、横のＸ方向に直線的に延び縦のＹ方向に周期的に繰り返す回折パターンで形成されている。瞳拡大格子層５１ｅは、第３回折素子ＤＥ３であり、入射回折層５１ｂの－Ｘ側に設けられて導光部材５１内に導かれて全体として－Ｘ方向に進む画像光ＭＬを、角度情報を保って全体として－Ｙ方向に進むように光路を折り曲げる。第３回折素子ＤＥ３は、第１回折素子ＤＥ１と第２回折素子ＤＥ２との間に介在して、第１回折素子ＤＥ１の回折方向（Ｘ方向）に対して交差する方向（－Ｙ方向）に画像光ＭＬを導くものである。瞳拡大格子層５１ｅは、ＸＹ面に平行で斜めのＤＳ１方向に直線的に延び、かつ、ＸＹ面に平行でＤＳ１方向に垂直なＤＳ２方向に周期的に繰り返す回折パターンで形成されている。ＤＳ１方向は、＋Ｙ方向に対して時計回りに４５°回転させた方向となっており、－Ｘ方向と＋Ｙ方向との中間方向となっている。瞳拡大格子層５１ｅに形成されたパターンのＸ方向及びＹ方向に関する格子周期又はピッチは、入射回折層５１ｂに形成されたパターンのＸ方向に関する格子周期と一致し、かつ、射出回折層５１ｃに形成されたパターンのＹ方向に関する格子周期と一致する。

画像光生成装置１１からの画像光ＭＬは、導光部材５１ａを介して入射回折層５１ｂに入射し、入射回折層５１ｂに形成されたパターンの格子周期に対応する角度方向に回折されることにより、導光部材５１ａ中で全反射されつつ伝搬され、全体として＋Ｘ方向に進む。導光部材５１ａ中で＋Ｘ方向に伝搬された画像光ＭＬは、瞳拡大格子層５１ｅによって回折されて－Ｙ方向に全体としての光路を折り曲げられ、瞳拡大格子層５１ｅで回折されるまでの反射回数を反映した＋Ｘ方向の位置までシフトされる。つまり、瞳拡大格子層５１ｅは、画像光ＭＬが眼ＥＹに入射する横方向又はＸ方向の光線幅に相当する横瞳サイズを拡大する役割を有する。瞳拡大格子層５１ｅを経て導光部材５１ａ中を全体として－Ｙ方向に伝搬する画像光ＭＬは、射出回折層５１ｃによって回折され、眼ＥＹに向けて射出される。射出回折層５１ｃから射出される画像光ＭＬは、Ｘ方向及びＹ方向に関して画像光生成装置１１から出射され回折導光部材５１に入射する前の角度状態が再現されつつ、Ｘ方向及びＹ方向に関して瞳サイズが拡大されたものとなる。つまり、回折導光部材５１は、画像情報を維持しつつ縦及び横に関して瞳サイズを拡大するものとなっている。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、射出回折層５１ｃの外側つまり＋Ｚ側には、射出回折層５１ｃと略同一の面積領域に広がる迷光抑制フィルター５１ｓが配置されている。迷光抑制フィルター５１ｓは、角度制御フィルターＡＬとして機能し、射出回折層５１ｃを透過して迷光抑制フィルター５１ｓに入射する画像光ＭＬの回折光等の傾斜角度が、正面の＋Ｚ方向を基準として縦のＹ方向に関して所定以上に大きくなると、画像光ＭＬに対して遮光性を示し、画像光ＭＬが外部に漏れ出すことを阻止する。つまり、迷光抑制フィルター５１ｓは、射出回折層５１ｃを透過し＋Ｚ側に進む縦のＹ方向に関する＋１次回折光等が外部に漏れ出してアイグロウとして観察されることや、＋１次回折光等が映像として対面する相手に視認されることを防止することができる。

迷光抑制フィルター５１ｓが、縦のＹ方向だけでなく横のＸ方向に関して角度に依存する遮光特性を有する透光部材であれば、迷光抑制フィルター５１ｓがアイグロウを抑制する効果を高めることができる。このように迷光抑制フィルター５１ｓが縦方向及び横方向に角度制御特性を持つためには、ＹＺ面に関して角度制御機能を有する第１遮光層（図３に示す遮光層５１ｔに相当）に追加してＸＺ面に関して角度制御機能を有する第２遮光層を設けることが考えられる。ＸＺ面に関して角度制御機能を有する第２遮光層は、横のＸ方向に関して、光透過部と遮光部とが交互に一定周期で配置されたものとなる。迷光抑制フィルター５１ｓは、第１遮光層と第２遮光層とを積層したものに限らず、第１遮光層と第２遮光層とを一体化したものであってもよい。この場合、迷光抑制フィルター５１ｓは、例えばＸ方向及びＹ方向に延びる遮光部又はルーバーを光透過層内に埋め込んだ構造を有する。

〔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実施形態及び第２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５に示すように、導光光学系５０の回折導光部材５１は、導光部材５１ａと、入射回折層５１ｂと、第１瞳拡大格子層５１ｅａと、第２瞳拡大格子層５１ｅｂと、第１射出回折層５１ｃａと、第２射出回折層５１ｃｂと、迷光抑制フィルター５１ｓとを有する。入射回折層５１ｂは、第１回折素子ＤＥ１であり、縦のＹ方向に直線的に延び横のＸ方向に周期的に繰り返す回折パターンで形成されている。第１瞳拡大格子層５１ｅａは、第３回折素子ＤＥ３であり、－Ｘ方向及び－Ｙ方向の第１中間方向に延び、この第１中間方向に垂直な第１直交方向に周期的に繰り返す回折パターンで形成されている。第２瞳拡大格子層５１ｅｂは、第３回折素子ＤＥ３であり、－Ｘ方向及び＋Ｙ方向の第２中間方向（第１中間方向の第１直交方向に相当）に延び、この第２中間方向に垂直な第２直交方向に周期的に繰り返す回折パターンで形成されている。第１射出回折層５１ｃａは、第１瞳拡大格子層５１ｅａの－Ｙ方向に配置された第２回折素子ＤＥ２であり、横のＸ方向に直線的に延び縦のＹ方向に周期的に繰り返す回折パターンで形成されている。第２射出回折層５１ｃｂは、第２瞳拡大格子層５１ｅｂの－Ｙ方向に配置された第２回折素子ＤＥ２であり、横のＸ方向に直線的に延び縦のＹ方向に周期的に繰り返す回折パターンで形成されている。

以上において、入射回折層５１ｂは、例えば導光部材５１ａを挟んで第１瞳拡大格子層５１ｅａ及び第２瞳拡大格子層５１ｅｂの反対側に配置されている。

画像光生成装置１１からの画像光ＭＬは、入射回折層５１ｂに入射し、入射回折層５１ｂに形成されたパターンの格子周期に対応する角度方向に回折されることにより、導光部材５１ａ中で全反射されつつ伝搬され、全体として±Ｘ方向に進む。入射回折層５１ｂを経て導光部材５１ａ中で－Ｘ方向に伝搬された画像光ＭＬは、第１瞳拡大格子層５１ｅａによって回折されて－Ｙ方向に全体としての光路を折り曲げられ、第１瞳拡大格子層５１ｅａで回折されるまでの反射回数を反映した－Ｘ方向の位置までシフトされる。他方、入射回折層５１ｂを経て導光部材５１ａ中で＋Ｘ方向に伝搬された画像光ＭＬは、第２瞳拡大格子層５１ｅｂによって回折されて－Ｙ方向に全体としての光路を折り曲げられ、第２瞳拡大格子層５１ｅｂで回折されるまでの反射回数を反映した＋Ｘ方向の位置までシフトされる。第１瞳拡大格子層５１ｅａは、Ｚ方向を基準として－Ｘ方向に偏った例えば０°から＋２０°までの画角を受け持ち、第２瞳拡大格子層５１ｅｂは、Ｚ方向を基準として＋Ｘ方向に偏った例えば－２０°から０°までの画角を受け持つ。第１瞳拡大格子層５１ｅａや第２瞳拡大格子層５１ｅｂは、横瞳サイズを拡大する。第１瞳拡大格子層５１ｅａを経て導光部材５１ａ中を全体として－Ｙ方向に伝搬する画像光ＭＬは、第１射出回折層５１ｃａによって回折され、眼ＥＹに向けて射出される。他方、第２瞳拡大格子層５１ｅｂを経て導光部材５１ａ中を全体として－Ｙ方向に伝搬する画像光ＭＬは、第２射出回折層５１ｃｂによって回折され、眼ＥＹに向けて射出される。第１射出回折層５１ｃａや第２射出回折層５１ｃｂは、縦瞳サイズを拡大する。

本実施形態においても、第１実施形態等と同様に、射出回折層５１ｃａ，５１ｃｂの外側つまり＋Ｚ側には、射出回折層５１ｃと略同一の面積領域に広がる迷光抑制フィルター５１ｓが配置されている。迷光抑制フィルター５１ｓは、角度制御フィルターＡＬとして機能し、画像光ＭＬが外部に漏れ出すことを阻止する。

〔第４実施形態〕
以下、本発明の第４実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、第４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６は、第４実施形態における虚像表示装置１１０又はＨＭＤ２００の構造を説明する断面図であり、回折導光部材５１の外側である＋Ｚ側に薄板状のカバー部材４０が配置されている。カバー部材４０の樹脂製の基材４０ａの眼位置ＥＰ側である裏面４０ｉには、第１迷光抑制フィルター４１が貼り付けられている。また、基材４０ａの外界側である表面４０ｏには、第２迷光抑制フィルター４２が貼り付けられている。第１迷光抑制フィルター４１や第２迷光抑制フィルター４２は、角度制御フィルターＡＬとして機能し、画像光ＭＬが外部に漏れ出すことを阻止する。なお、カバー部材４０の基材４０ａが樹脂製であれば、道光部材５１ａがガラス製であっても、飛散防止の効果を確保することができる。

図７を参照して、特に第１迷光抑制フィルター４１は、図３に示す迷光抑制フィルター５１ｓと同様の構造を有し、＋１次回折光Ｌｄ_＋１の遮光を目的とする。第２迷光抑制フィルター４２は、＋２次回折光Ｌｄ_＋２の遮光を目的とする。

本実施形態では、カバー部材４０に設けた第２迷光抑制フィルター４２が高次の＋２次回折光Ｌｄ_＋２の遮光も可能にする。第１迷光抑制フィルター４１や第２迷光抑制フィルター４２は、目的とする回折光にそれぞれ適合させたものであり、外界光の遮光量が多くなることを防止している。

カバー部材４０において、第２迷光抑制フィルター４２を省略することができる。この場合、第１迷光抑制フィルター４１を裏面４０ｉに貼り付ける必要はなく、第１迷光抑制フィルター４１を表面４０ｏに貼り付けてもよい。

図８は、変形例を説明する断面図である。この場合、射出回折層５１ｃ上に第１迷光抑制フィルター４１と第２迷光抑制フィルター４２とが貼り付けられている。

図９は、別の変形例を説明する断面図である。この場合、入射回折層５１ｂと射出回折層５１ｃとが導光部材５１ａの内側の全反射面５１ｉ上に形成されており、透過型の回折素子となっている。第１迷光抑制フィルター４１と第２迷光抑制フィルター４２とは、導光部材５１ａの外側の全反射面５１ｏ上に貼り付けられている。

〔第５実施形態〕
以下、本発明の第５実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、第５実施形態の虚像表示装置は、第１実施形態や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１０は、第５実施形態における虚像表示装置１１０又はＨＭＤ２００の構造を説明する断面図であり、回折導光部材５１の外側に配置されたカバー部材４０の基材４０ａの表面４０ｏには、第１迷光抑制フィルター４１が貼り付けられており、カバー部材４０の裏面４０ｉには、波長カットフィルター４４が貼り付けられている。波長カットフィルター４４は、波長制限フィルターＮＦである。波長カットフィルター４４は、具体的にはノッチフィルターであり、第２回折素子ＤＥ２である射出回折層５１ｃの外界側に回折光が射出されることを防止する。波長制限フィルターＮＦは、射出回折層５１ｃ又は第２回折素子ＤＥ２による複数波長の回折光のうち特定波長の回折光の通過を制限するフィルターである。表示パネル１１ａから出射する画像光ＭＬの波長域が広い場合、入射回折層５１ｂ及び射出回折層５１ｃの設計上の対象波長からずれた波長の画像光ＭＬが、導光部材５１ａ及び入射回折層５１ｂを介して射出回折層５１ｃへ伝搬する。そのため、ずれた波長の画像光ＭＬは、第１迷光抑制フィルター４１を透過して、アイグロウとして外界から観察される可能性がある。しかしながら、波長カットフィルター４４を画像光ＭＬの光路上に設けることで、ずれた波長の画像光ＭＬによるアイグロウを抑制することができる。つまり、目的の波長からずれた特定波長の回折光にいずれについても、アイグロウの抑制効果を高めることができる。

図１１は、変形例を説明する断面図である。この場合、表示パネル１１ａとコリメーターレンズ１１ｂとの間に波長カットフィルター１４を設けている。この波長カットフィルター１４は、図１１に示す波長カットフィルター４４と同様の機能を有する。このように、波長カットフィルター４４は、表示素子である表示パネル１１ａから第２回折素子ＤＥ２である射出回折層５１ｃの光射出側までの光路上のいずれに配置されえもよい。

〔第６実施形態〕
以下、本発明の第６実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、第６実施形態の虚像表示装置は、第１実施形態や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１２に示す虚像表示装置１１０又はＨＭＤ２００の場合、射出回折層５１ｃ上に第３迷光抑制フィルター４３が貼り付けられている。つまり、図２等に示す迷光抑制フィルター５１ｓに代えて第３迷光抑制フィルター４３が配置されている。第３迷光抑制フィルター４３は、表示パネル１１ａから出射する画像光ＭＬに含まれるＲＧＢの波長成分を選択的にカットする波長制限フィルターＮＦ２である。この場合、画像光ＭＬの外界側への漏れを直接的かつ確実に回避することができる。

〔その他の事項〕
以上で説明した構造は例示であり、同様の機能を達成できる範囲で、種々変更することができる。

迷光抑制フィルター５１ｓは、ＸＹ面内で一様な遮光特性を有するものに限らず、ＸＹ面内で遮光特性に分布を持たせてもよい。上記実施形態において、迷光抑制フィルター５１ｓは、射出回折層５１ｃをカバーする範囲に形成されているが、射出回折層５１ｃを局所的にカバーするものであってもよい。

迷光抑制フィルター５１ｓは、光透過部Ｐ１中に直線上に延びる遮光部Ｐ２を周期的に配置するものに限らず、回折素子を用いたものであってもよい。

第１回折素子ＤＥ１や第２回折素子ＤＥ２は、パワーを有しないものに限らず、パワーを有するものであってもよい。例えば、第１回折素子ＤＥ１を導光部材５１ａ中に画像光ＭＬを結合させるコリメーターとして機能させ、第２回折素子ＤＥ２を導光部材５１ａ中で伝搬する画像光ＭＬを眼位置ＥＰに取り出す接眼レンズとして機能させることができる。

以上では、虚像表示装置１１０等を、ＨＭＤとして利用可能としているが、これに限らず、種々の光学機器に適用可能であり、例えばヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Head-Up Display）において、本願発明を適用することも可能である。

具体的な態様における虚像表示装置は、画像光を出射する表示素子と、第１全反射面と第２全反射面とを有する導光部材と、導光部材に付随して設けられた光入射側の第１回折素子と、導光部材に付随して設けられた光射出側の第２回折素子と、第２回折素子が設けられた画像取出部の外界側に設けられて、第２回折素子による回折光の通過を制限する迷光抑制フィルターとを備える。

上記虚像表示装置では、迷光抑制フィルターが第２回折素子による回折光の通過を制限するので、第２回折素子から前方に射出された画像光がアイグロウとして観察されることを防止することができる。また、第２回折素子から前方に射出された画像光が映像として対面する相手に視認されることを防止することができる。

具体的な側面において、迷光抑制フィルターは、平板中に所定間隔で繰り返し配置された遮光部を含む角度制限フィルターである。この場合、薄型の角度制限フィルターによって迷光抑制フィルターを軽量化しつつ回折光の阻止効率を高めることができる。

具体的な側面において、前記第２回折素子による複数波長の回折光のうち特定波長の回折光の通過を制限するフィルターを含む。この場合、目的の波長からずれた特定波長の回折光について、アイグロウの抑制効果を高めることができる。

具体的な側面において、迷光抑制フィルターは、第２回折素子による複数次数の回折光の通過を制限する複数のフィルターを含む。この場合、複数次数の回折光のいずれについても、アイグロウの抑制効果を高めることができる。

具体的な側面において、画像取出部の外界側に配置される平板状の光透過部材をさらに備え、迷光抑制フィルターは、光透過部材の外界側及び眼位置側のいずれかに設けられる。この場合、迷光抑制フィルターの性能を維持しつつ迷光抑制フィルターの配置の自由度を高めることができる。

具体的な側面において、光透過部材は、樹脂製であり、導光部材は、ガラス製である。光透過部材は、全反射角を比較的大きくできる導光部材を防護する役割を有する。

具体的な側面において、迷光抑制フィルターは、光透過部材の外界側及び眼位置側の両方に設けられる。

具体的な側面において、第１回折素子及び第２回折素子は、複数波長の画像光を個別に回折する。つまり、第１回折素子及び第２回折素子は、カラー表示を可能にする。

具体的な側面において、第１回折素子と第２回折素子との間に介在して、第１回折素子の回折方向に対して交差する方向に画像光を導く第３回折素子を含む。第３回折素子は、画像光が眼に入射する光線幅を第１回折素子の回折方向に対して交差する方向に拡大する役割を有する。

具体的な側面において、表示素子から第２回折素子の光射出側までの光路上に配置されて、第２回折素子の外界側に回折光が射出されることを防止する波長制限フィルターをさらに備える。この場合、第２回折素子から前方に意図しない波長の画像光が射出されアイグロウとして観察されることを防止することができる。

前記迷光抑制フィルターは、画像光が第２回折素子の外界側に射出されることを防止する波長制限フィルターである。

具体的な態様における光学ユニットは、画像光を出射する表示素子と、第１全反射面と、第２全反射面とを有する導光部材と、導光部材に付随して設けられた光入射側の第１回折素子と、導光部材に付随して設けられた光射出側の第２回折素子と、第２回折素子が設けられた画像取出部の外界側に設けられて、第２回折素子による回折光の通過を制限する迷光抑制フィルターとを備える。

１０…投影装置、１１…画像光生成装置、１１ａ…表示パネル、１４，４４…波長カットフィルター、４０…カバー部材、５０…導光光学系、５１…回折導光部材、５１ａ…導光部材、５１ｂ…入射回折層、５１ｃ…射出回折層、５１ｅ…瞳拡大格子層、５１ｉ，５１ｏ…全反射面、５１ｓ…迷光抑制フィルター、５１ｔ…遮光層、６０…駆動回路、９１…カバー、１１０，１１０Ａ，１１０Ｂ…虚像表示装置、ＡＬ…角度制御フィルター、ＥＰ…眼位置、ＥＳ…射出面、ＥＹ…眼、ＧＬ…表示光、ＩＩ…画像取込部、ＩＯ…画像取出部、ＩＳ…入射面、ＭＬ…画像光、ＮＦ…波長制限フィルター、ＯＬ…外界光、ＯＵ…光学ユニット、ＵＳ…装着者

Claims (12)

1. 画像光を出射する表示素子と、
   第１全反射面と第２全反射面とを有する導光部材と、
   前記導光部材に付随して設けられた光入射側の第１回折素子と、
   前記導光部材に付随して設けられた光射出側の第２回折素子と、
   前記第２回折素子が設けられた画像取出部の外界側に設けられて、前記第２回折素子による回折光の通過を制限する迷光抑制フィルターと、
   を備える虚像表示装置。
2. 前記迷光抑制フィルターは、平板中に所定間隔で繰り返し配置された遮光部を含む角度制限フィルターである、請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記第２回折素子による複数波長の回折光のうち特定波長の回折光の通過を制限するフィルターを含む、請求項１に記載の虚像表示装置。
4. 前記迷光抑制フィルターは、前記第２回折素子による複数次数の回折光の通過を制限する複数のフィルターを含む、請求項１に記載の虚像表示装置。
5. 前記画像取出部の外界側に配置される平板状の光透過部材をさらに備え、
   前記迷光抑制フィルターは、前記光透過部材の外界側及び眼位置側のいずれかに設けられる、請求項１に記載の虚像表示装置。
6. 前記光透過部材は、樹脂製であり、
   前記導光部材は、ガラス製である、請求項５に記載の虚像表示装置。
7. 前記迷光抑制フィルターは、前記光透過部材の外界側及び眼位置側の両方に設けられる、請求項５に記載の虚像表示装置。
8. 前記第１回折素子及び前記第２回折素子は、複数波長の画像光を個別に回折する、請求項１に記載の虚像表示装置。
9. 前記第１回折素子と前記第２回折素子との間に介在して、前記第１回折素子の回折方向に対して交差する方向に画像光を導く第３回折素子を含む、請求項１に記載の虚像表示装置。
10. 前記表示素子から前記第２回折素子の光射出側までの光路上に配置されて、前記第２回折素子の外界側に前記回折光が射出されることを防止する波長制限フィルターをさらに備える、請求項１に記載の虚像表示装置。
11. 前記迷光抑制フィルターは、前記画像光が前記第２回折素子の外界側に射出されることを防止する波長制限フィルターである、請求項１に記載の虚像表示装置。
12. 画像光を出射する表示素子と、
    第１全反射面と、第２全反射面とを有する導光部材と、
    前記導光部材に付随して設けられた光入射側の第１回折素子と、
    前記導光部材に付随して設けられた光射出側の第２回折素子と、
    前記第２回折素子が設けられた画像取出部の外界側に設けられて、前記第２回折素子による回折光の通過を制限する迷光抑制フィルターと、
    を備える光学ユニット。

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