JP6641987B2 - 虚像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像表示装置（映像素子）によって形成された映像を観察者に提示する虚像表示装置に関する。

観察者の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも言う）等の虚像表示装置に組み込まれる光学系として様々なものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このような虚像表示装置として、例えば、光学系として、映像光の導光させる２面以上の非軸対称な曲面を含むとともに内部に中間像を形成させる導光部材を適用することで、高い精度を維持しつつ装置の小型化を図るものが知られている（特許文献１参照）。

ＨＭＤ等においては、光学的精度を維持しつつ、さらなる小型化の要請があり、光学系を構成する導光部材や投射光学系について、導光部材の導光方向に関する長さや投射光学系の全長をより短くすることが望ましいとされている。しかしながら、例えば導光部材での映像光の導光のための全反射条件や、収差の抑制、画角の確保、アイリング径の確保といった種々の設計上における条件から、例えば特許文献１のような構成によって光学系の小型化を図ったとしても、限度がある。

特開２０１５−７２４３８号公報

本発明は、光学的精度を維持しつつ光学系のさらなる小型化を図り、延いては装置全体の小型化を図ることができる虚像表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る虚像表示装置は、映像光を生じさせる映像素子と、非軸対称な曲面を含む複数面での全反射により映像素子からの映像光を導光させるとともに、光学系の一部として内部に中間像が形成される導光部材と、映像素子からの映像光を導光部材に入射させる投射光学系とを備え、投射光学系の投射光学系光軸に対して垂直な面の面内方向のうち一方向を第１方向とし、当該面内方向のうち第１方向に対して垂直な方向を第２方向とした場合に、投射光学系は、第１方向に平行に延びて投射光学系光軸に交差する第１軸と投射光学系光軸とを含む第１平面について面対称であり、かつ、第２方向に平行に延びて投射光学系光軸に交差する第２軸と投射光学系光軸とを含む第２平面について非面対称である開口部を形成する絞りを有する。

上記虚像表示装置では、投射光学系が、上記第１軸と投射光学系光軸とを含む第１平面について面対称であり、かつ、上記第２軸と投射光学系光軸とを含む第２平面について非面対称である開口部を形成する絞りを有することで、例えば映像素子の各画素からの各光線束が、投射光学系における第２方向に関してそれぞれ異なる角度で射出されるものであっても、絞りにおいて適切に光の調整を行うことができる。さらに、以上の構成により、例えば特許文献１に開示の場合と同等の解像度や画角等の各種の光学的精度を維持しつつ、光学系をさらに小型化し、延いては装置全体を小型化することができる。

本発明の具体的な側面では、投射光学系において、絞りは、投射光学系光軸に対して垂直に配置され、かつ、開口部の形状は、第１軸について線対称で第２軸について非線対称な形状である。この場合、開口部の形状により絞りにおいて適切に光の調整を行うことができる。

本発明の別の側面では、投射光学系において、絞りは、投射光学系光軸に対して非垂直に配置されている。この場合、絞りの配置により絞りにおいて適切に光の調整を行うことができる。

本発明のさらに別の側面では、絞りは、投射光学系光軸に対して垂直な配置から第２軸の軸回りに所定の角度だけ回転されて非垂直になった状態で配置されている。この場合、絞りが第２軸の軸回りに所定の角度だけ回転されることにより絞りにおいて適切に光の調整を行うことができる。

本発明のさらに別の側面では、絞りにおいて、開口部の形状は、四角形状である。この場合、絞りにおいて、例えば水平方向や垂直方向について対称性がある光の調整を行うことができる。

本発明のさらに別の側面では、投射光学系において、投射光学系光軸は、映像素子の光射出面の法線方向に平行であり、かつ、映像素子の中心を通る。この場合、投射光学系光軸と映像素子の中心軸を一致させることができる。

本発明のさらに別の側面では、映像素子は、矩形状の光射出面を有し、光射出面の長手方向と短手方向とが第１方向と第２方向とにそれぞれ対応している。この場合、絞りにおいて、矩形状の光射出面に対応した光の調整を行うことができる。

本発明のさらに別の側面では、導光部材において、導光方向は、第１平面に対して平行な方向である。この場合、絞りにおいて、導光方向に合わせた光の調整を行うことができる。

本発明のさらに別の側面では、投射光学系において、絞りは、投射光学系を構成するレンズ群を固定する鏡筒の内面の一部として設けられている。この場合、例えば鏡筒との一体成形で絞りを作製できる。

本発明のさらに別の側面では、絞りは、鏡筒の内部のうち最も光線束の断面積が小さくなる位置に設けられている。この場合、絞りにおいて、効率的にかつ均一に光の調整を行うことができる。

本発明のさらに別の側面では、投射光学系は、少なくとも１面の非軸対称非球面を含み、１面の非軸対称非球面は、映像素子の光射出面において異なる隅領域の２点からそれぞれ射出された映像光の光線束のうち観察者の眼に到達すべき成分が互いに交わらない位置に配置されている。この場合、投射光学系が、上記位置に非軸対称非球面を含むことで、導光部材の内部において中間像を形成しつつ導光する光学系においてさらに小型化し、延いては装置全体を小型化することができる。

本発明のさらに別の側面では、映像素子は、第１方向に沿って配列された各画素から、第２方向について射出角度をそれぞれ異ならせた光線束をそれぞれ射出させている。この場合、絞りの形状を射出される光線束に対応させて適切な遮光ができる。

本発明のさらに別の側面では、導光部材は、非軸対称な曲面を２面以上含み、導光部材を構成する複数面のうち第１面と第３面とは、対向するように配置され、第１面と第３面とを通過させて外界を視認した時に、視度が略０になっており、映像素子からの映像光は、第３面で全反射され、第１面で全反射され、第２面で反射された後、第１面を透過して、観察側に到達する。この場合、映像光による画像に外界を重畳して視認させるシースルーの状態を良好に維持しつつ、装置の小型化を図ることができる。

本発明のさらに別の側面では、映像素子から射出された映像光の光線束の射出角度は、映像素子の中心に対して非対称である。この場合、映像光の光線束の射出角度を非対称とすることで光路がより短くなるように調整される。

本発明のさらに別の側面では、投射光学系を構成する１面の非軸対称非球面における映像素子から射出された光線束の通過位置ごとの曲率は、導光部材を構成する非軸対称な曲面における映像素子から射出された光線束の入射角度に対応して変化している。

本発明のさらに別の側面では、映像素子の画素構造は、第１方向よりも第２方向について大きく広がった開口構造を有している。この場合、輝度ムラの発生を抑えることができる。

本発明のさらに別の側面では、映像素子から射出される光線束のうち、最も輝度の高い光線方向が、映像素子の画素の位置によって異なる。この場合、映像素子の画素の位置によって輝度が異なる、すなわち映像光の発生側で予め調整をしておくことで、映像として眼に到達する時点で輝度ムラの発生が抑えられた状態にすることができる。

本発明のさらに別の側面では、映像素子は、液晶パネルを含み、ＴＦＴ画素構造と、ブラックマトリクス構造を有した対向基板画素構造でそれぞれピッチが異なっている。この場合、ＴＦＴ画素構造やブラックマトリクス構造との間において、通過させる光の範囲や角度を調整しつつ、各画素において輝度ムラや色ムラを抑制して高品質な画像を形成できる。

本発明のさらに別の側面では、映像素子は、有機ＥＬパネルを含み、発光層とカラーフィルター層とを有するとともに、発光層とカラーフィルター層とのピッチが異なっている。この場合、有機ＥＬパネルを適用することで、装置の小型化及び軽量化を図りつつ高効率に高精細な画像形成を行い、また、この場合、発光層とカラーフィルター層との間において、例えばカラーフィルター層の配列を調整することによって光を画素ごとに制御することで、通過させる光の範囲や角度を調整して、輝度ムラや色ムラを抑制して高品質な画像を形成できる。

本発明のさらに別の側面では、映像素子は、光射出側に配置される光射出部に、光の角度を偏向させる偏向部材を配している。この場合、偏向部材によって光の角度を偏向させることで、輝度ムラや色ムラを抑制して高品質な画像を形成できる。

本発明のさらに別の側面では、導光部材の非軸対称な曲面は、少なくとも光入射側に配置される光入射部と、光射出側に配置される光射出部とに設けられている。この場合、導光部材の小型化を図ることができる。

本発明のさらに別の側面では、導光部材において、光入射側に配置される光入射部と投射光学系の投射光学系光軸との交点から光射出側に配置される光射出部と観察者の視線の基準として想定される視線軸との交点までの距離が４８ｍｍ以下である。この場合、ＨＭＤとして適用するにあたって長時間の使用やデザイン性等の観点から、装置の十分な小型化を図ることができる。

本発明のさらに別の側面では、導光部材は、映像素子からの映像光と外界光との部分的な反射及び透過を行う半透過反射部を有し、半透過反射部を挟んで光透過部材と接続されている。この場合、導光部材は、光透過部材と協働して半透過反射部を挟んだ構造を構成することで、映像光を視認させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで視認又は観察させることができる。

本発明のさらに別の側面では、導光部材は、左右一対で構成され、左右一対の導光部材と光透過部材とは、左右一対の導光部材により光透過部材を挟んで接続して一体の光学部材となっている。この場合、両眼視による画像の認識が可能であるとともに、両眼視のための位置合わせを光透過部材により簡易かつ正確に行うことができる。

実施形態に係る虚像表示装置の一例の外観を簡単に説明する斜視図である。 虚像表示装置を構成する本体部分の光路を示す平面図である。 虚像表示装置を構成する本体部分の光路を示す側面図である。 投射光学系の光路を示す斜視図である。 （Ａ）は、投射光学系の構成について示す断面図であり、（Ｂ）は、投射光学系の鏡筒の正面図である。 （Ａ）は、映像素子と投射光学系の絞りとの配置関係についての一例を概念的に示す図であり、（Ｂ）は、映像素子と投射光学系の絞りとの配置関係について一変形例を概念的に示す図であり、（Ｃ）は、（Ａ）に示す絞りを投射光学系光軸に沿って見た状態を概念的に示す図であり、（Ｄ）は、（Ｂ）に示す絞りを特定の方向から見た状態を概念的に示す図であり、（Ｅ）は、（Ｂ）に示す絞りを投射光学系光軸に沿って見た状態を概念的に示す図である。 （Ａ）は、画像表示装置の一構成例について装置の周辺側の様子を示す概念図であり、（Ｂ）は、装置の中心側の様子を示す概念図である。 画像表示装置の一変形例について説明するための概念図である。 画像表示装置の他の一変形例について説明するための概念図である。 （Ａ）は、導光装置の一変形例について説明するための概念的に示す平面図であり、（Ｂ）は、正面図である。 （Ａ）は、虚像表示装置の他の一例を概念的に示す図であり、（Ｂ）は、虚像表示装置の別の他の一例を概念的に示す図である。 虚像表示装置のさらに別の一例について本体部分の光路を示す平面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、投射光学系の絞りについて別の一変形例を説明するための図であり、（Ｄ）及び（Ｅ）は、絞りについてさらに別の一変形例を説明するための図である。

以下、図１等を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。

図１に示すように、本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であり、この虚像表示装置１００を装着した観察者又は使用者に対して虚像による画像光（映像光）を視認させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで視認又は観察させることができる虚像表示装置である。虚像表示装置１００は、観察者の眼前を透視可能に覆う第１及び第２光学部材１０１ａ，１０１ｂと、両光学部材１０１ａ，１０１ｂを支持する枠部１０２と、枠部１０２の左右両端から後方のつる部分（テンプル）１０４にかけての部分に付加された第１及び第２像形成本体部１０５ａ，１０５ｂとを備える。ここで、図面上で左側の第１光学部材１０１ａと第１像形成本体部１０５ａとを組み合わせた第１表示装置１００Ａは、右眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。また、図面上で右側の第２光学部材１０１ｂと第２像形成本体部１０５ｂとを組み合わせた第２表示装置１００Ｂは、左眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。なお、図２を図１と比較することで、例えば第１及び第２像形成本体部１０５ａ，１０５ｂは、投射光学系である投射レンズ３０や、画像生成部８１を含む画像表示装置８０（映像素子）でそれぞれ構成されることが分かる。図２は、左眼用の表示装置について図示したものであり、右眼用の表示装置については省略しているが、右眼用の表示装置についても同様の構造を有している。なお、上記の他、観察者の鼻に当接することによって枠部１０２を支持する役割を有する鼻受部４０が設けられている。

図２に示すように、表示装置１００Ｂは、投影用の光学系である投射透視装置７０と、映像光を形成する画像表示装置８０とを備えるものと見ることができる。投射透視装置７０は、第２光学部材１０１ｂ又は導光装置２０と、結像用の投射レンズ３０とを備え、画像表示装置８０によって形成された画像を虚像として観察者の眼に投射する役割を有する。言い換えると、投射透視装置７０は、画像表示装置８０に形成される画像光（映像光）を射出する面である画像面ＯＩからの光を導光して観察者に虚像を視認させる虚像光学系であり、観察者の網膜において再結像させる結像光学系でもある。第２光学部材１０１ｂ又は導光装置２０は、導光及び透視用の導光部材１０と、透視用の光透過部材５０とで構成されている。なお、第２像形成本体部１０５ｂは、画像表示装置８０と投射レンズ３０とで構成される。また、画像面ＯＩについては、画像表示装置８０を構成するパネルのパネル位置を示すパネル面でもある。さらに、画像表示装置８０が自発光型の照明の場合、画像面ＯＩは、発光面であるとも言える。

ここで、上記の光学系の光軸基準について以下のように定める。まず、投射レンズ３０についての中心光軸をレンズ光軸（投射光学系光軸）ＬＸとする。また、導光部材１０の導光方向に沿って延びる中心軸を導光軸ＤＸとする。導光軸ＤＸは、平板状の導光部材１０において、中心を通りかつ平板形状に沿って延びる軸である。さらに、導光部材１０の光射出側において、観察者の視線の基準として想定される中心軸を視線軸ＳＸとする。視線軸ＳＸは、眼の位置として想定される眼想定位置ＥＹ（以下、実際に眼想定位置ＥＹに眼が置かれた場合も含めるために単に眼ＥＹとも記載する。）の中心位置から導光部材１０の光射出範囲の中心に向かって延びる軸である。さらに、導光部材１０において、光入射側に配置される光入射部（後述する第２導光部分１２）と投射レンズ３０のレンズ光軸ＬＸとの交点を交点Ｃ１とし、導光部材１０の光射出側に配置される光射出部（後述する第１導光部分１１）と視線軸ＳＸとの交点を交点Ｃ２とする。ここで、図中双方向矢印ＡＡで示す交点Ｃ１から交点Ｃ２までの距離（間隔）は、４８ｍｍ以下となっているものとする。また、視線軸ＳＸは、レンズ光軸ＬＸに対して約７°（より正確には６．７°）傾斜している。また、視線軸ＳＸは、導光軸ＤＸに対して垂直な状態から約１０°傾斜している。すなわち、視線軸ＳＸと導光軸ＤＸとは、約８０°の反射角をなすように交差している。また、上記の場合、レンズ光軸ＬＸと導光軸ＤＸとは、約１０６．７°の反射角をなすように交差していることになる。

また、画像表示装置８０において、画像面ＯＩは、レンズ光軸ＬＸに対して垂直な矩形状の光射出面であり、画像面ＯＩの中心をレンズ光軸ＬＸが通過している。すなわち、この例では、レンズ光軸（投射光学系光軸）ＬＸは、画像表示装置８０の光射出面である画像面ＯＩの法線方向に平行であり、かつ、画像表示装置８０の中心を通り、レンズ光軸ＬＸと画像表示装置８０の中心軸とが一致していることになる。また、ここで、画像面ＯＩに平行な面における水平方向であるｘ方向（Ｘ方向に対応する方向）を第１方向ＤＤ１とし、垂直方向であるｙ方向（Ｙ方向に対応する方向）を第２方向ＤＤ２とする。画像面ＯＩは、第１方向ＤＤ１を長手方向とし、第２方向ＤＤ２を短手方向としている。なお、ｚ方向は、画像面ＯＩの法線方向でありレンズ光軸ＬＸが延びる方向である。以上の場合、第１方向ＤＤ１と第２方向ＤＤ２とは、レンズ光軸ＬＸに対して垂直な面（ｘｙ面）の面内方向を示すものでもあり、当該面内方向のうち一方向を第１方向ＤＤ１とし、第２方向ＤＤ２が当該面内方向において第１方向ＤＤ１に対して垂直な方向として捉えることができる。また、本実施形態では、画像面ＯＩから射出される映像光の光線束の射出角度は、図２〜４に示すように、画像面ＯＩの中心線（レンズ光軸ＬＸ）に対して左右（ｘ方向）について非対称である。画像面ＯＩの中心に対して上下方向（ｙ方向）については対称となっている（図３参照）。

図２に戻って、画像表示装置８０は、有機ＥＬ（有機ＥＬパネル）を光源として含む自発光型の照明によりマトリクス状の画素で構成される画像面ＯＩを形成する画像生成部８１や、画像生成部８１の直近後段に配置されて画像生成部８１の画像面ＯＩから射出される映像光ＧＬの各成分について配光の制御を行う配光制御部８２のほか、画像生成部８１等の動作を制御する駆動制御部（図示略）を有する。なお、詳しくは後述する（図７等参照）が、ここでは、画像生成部８１の直近後段に配置されるカラーフィルター層ＣＦが、配光制御部８２として機能することで、映像光ＧＬについて画像面ＯＩの周辺側から射出される成分光の射出角度が調整されている。例えば、映像光ＧＬの部分光線束のうち、相対的に人体（観察者）に近い内側から射出される部分光線束ＧＬａと相対的に人体から遠い外側から射出される部分光線束ＧＬｂとでは、射出角度が異なっている。なお、ここでは、部分光線束ＧＬａ，ＧＬｂは、映像光ＧＬを構成する光線束のうち観察者の眼に到達すべき成分を意味するものとする。

投射レンズ３０は、画像表示装置８０から射出された映像光ＧＬを導光装置２０向けて投射する投射光学系である。本実施形態では、特に、非軸対称な非球面（非軸対称非球面または自由曲面）を有するレンズを画像表示装置８０に近い側に配置することで、光学系全体の小型化を可能にしている。ここで、投射レンズ３０には、絞りＳＴが付随して設けられている。絞りＳＴは、一例として、非線対称な四角形状の開口部を形成することで、上記のような非対称に射出される映像光ＧＬの部分光線束ＧＬａ等の各成分に対して適切な遮光を行う。なお、絞りＳＴの詳しい形状・構造等については、図５等を参照して後述する。

導光装置２０は、既述のように、導光及び透視用の導光部材１０と、透視用の光透過部材５０とで構成されている。導光部材１０は、プリズム型の導光装置２０の一部であり、一体の部材であるが、光射出側の第１導光部分１１（光射出部）と光入射側の第２導光部分１２（光入射部）とに分けて捉えることができる。光透過部材５０は、導光部材１０の透視機能を補助する部材（補助光学ブロック）であり、導光部材１０と一体的に固定され１つの導光装置２０となっている。

以下、図２を参照して、虚像光学系である投射透視装置７０の役割について、すなわち導光装置２０と投射レンズ３０とについて詳細に説明する。

投射レンズ３０は、画像表示装置８０からの映像光ＧＬを入射させて投射を行う光学系であり、構成要素として、投射光学系光軸であるレンズ光軸ＬＸに沿って３つの光学素子（第１〜第３レンズ）３１〜３３を備える投射光学系である。光学素子３１〜３３は、非軸対称な非球面（非軸対称非球面）と軸対称な非球面（軸対称非球面）との双方を含む非球面レンズで構成され、導光部材１０の一部と協働して導光部材１０の内部に画像生成部８１の表示像に対応する中間像を形成する。本実施形態では、特に、光射出側に配置される第１レンズ３１の各レンズ面のうち光射出側のレンズ面３１ａのみならず、光入射側に配置される第３レンズ３３の各レンズ面のうち光射出側のレンズ面３３ａが、非軸対称非球面となっている。なお、投射レンズ３０を構成する第１〜第３レンズ３１〜３３は、例えば鏡筒（図５参照）によって第２像形成本体部１０５ｂ内に収納・支持されている。また、投射レンズ３０は、第１〜第３レンズ３１〜３３のうち、第２レンズ３２と第３レンズ３３との間に絞りＳＴを有している。絞りＳＴは、投射レンズ３０において、映像光ＧＬが最も多く重畳する箇所に配置され、適切に光を絞っている。なお、映像光ＧＬが最も多く重畳する箇所については、例えば、投射レンズ３０の射出瞳やその近傍である。また、見方を変えると、この場所に絞りＳＴを配置することで、例えば、第１〜第３レンズ３１〜３３を収納する鏡筒３９（図５参照）を大きくすることなく絞りＳＴとして適切に機能する部材を設けることができるとも言える。また、ここでは、レンズ面に非軸対称な非球面が含まれるため、各部分光線束の成分も複雑に折れ曲がるものとなる。絞りＳＴは、これに対応した形状や構造を有している。

導光装置２０は、上述のように、導光部材１０と光透過部材５０とで構成されている。このうち、導光部材１０は、平面視において、鼻に近い中央側（眼前側）の部分が直線状に延びている。導光部材１０のうち、鼻に近い中央側つまり光射出側に配置されている第１導光部分１１は、光学的な機能を有する側面として、第１面Ｓ１１と、第２面Ｓ１２と、第３面Ｓ１３とを有し、鼻から離れた周辺側つまり光入射側に配置されている第２導光部分１２は、光学的な機能を有する側面として、第４面Ｓ１４と、第５面Ｓ１５とを有する。このうち、第１面Ｓ１１と第４面Ｓ１４とが連続的に隣接し、第３面Ｓ１３と第５面Ｓ１５とが連続的に隣接する。また、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３との間に第２面Ｓ１２が配置され、第４面Ｓ１４と第５面Ｓ１５とは大きな角度を成して隣接している。さらに、ここでは、対向した配置となっている第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３とが互いに略平行な平面形状となっている。一方、光学的な機能を有する他の面、すなわち第２面Ｓ１２、第４面Ｓ１４及び第５面Ｓ１５は、非軸対称な曲面（自由曲面）となっている。

光透過部材５０は、既述のように導光部材１０と一体的に固定され１つの導光装置２０となっており、導光部材１０の透視機能を補助する部材（補助光学ブロック）である。光透過部材５０は、光学的な機能を有する側面として、第１透過面Ｓ５１と、第２透過面Ｓ５２と、第３透過面Ｓ５３とを有する。ここで、第１透過面Ｓ５１と第３透過面Ｓ５３との間に第２透過面Ｓ５２が配置されている。第１透過面Ｓ５１は、導光部材１０の第１面Ｓ１１を延長した面上にあり、第２透過面Ｓ５２は、当該第２面Ｓ１２に対して接着層ＣＣによって接合され一体化されている曲面であり、第３透過面Ｓ５３は、導光部材１０の第３面Ｓ１３を延長した面上にある。このうち第２透過面Ｓ５２と導光部材１０の第２面Ｓ１２とは、薄い接着層ＣＣを介しての接合によって一体化されるため、略同じ曲率の形状を有する。

なお、導光部材１０を構成する複数の面のうち、第１面Ｓ１１から第３面Ｓ１３までの面以外の面Ｓ１４，Ｓ１５については、少なくとも１つの自由曲面について、方向によって曲率の符号が異なっている点を少なくとも１つ含むものとなっている。これにより、映像光の導光を精密に制御しつつ、導光部材１０の小型化を可能にしている。

導光部材１０のうち本体１０ｓは、可視域で高い光透過性を示し、一体形成品とされているが、導光部材１０は、既に説明したように機能的に第１導光部分１１と第２導光部分１２とに分けて考えることができる。第１導光部分１１は、映像光ＧＬの導波及び射出を可能にするとともに、外界光ＨＬの透視を可能にする。第２導光部分１２は、映像光ＧＬの入射及び導波を可能にする。

第１導光部分１１において、第１面Ｓ１１は、映像光ＧＬを第１導光部分１１外に射出させる屈折面として機能するとともに、映像光ＧＬを内面側で全反射させる全反射面として機能する。第１面Ｓ１１は、眼想定位置ＥＹ（眼ＥＹ）の正面に配されるものであり、既述のように、平面形状を成している。なお、第１面Ｓ１１は、本体１０ｓの表面に施されたハードコート層２７によって形成される面である。

第２面Ｓ１２は、本体１０ｓの表面にハーフミラー層１５が付随し、映像光ＧＬを反射するとともに外界光ＨＬを通過させる半透過反射面（半透過反射部）として機能している。

第３面Ｓ１３は、映像光ＧＬを内面側で全反射させる全反射面として機能する。第３面Ｓ１３は、眼ＥＹの略正面に配されるものであり、第１面Ｓ１１と同様に、平面形状を成しており、かつ、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３とが互いに平行な面であることにより、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３とを通過させて外界光ＨＬを見たときに、視度が０になっており、特に、変倍も生じさせないものとなっている。なお、第３面Ｓ１３は、本体１０ｓの表面に施されたハードコート層２７によって形成される面である。

第２導光部分１２において、第４面Ｓ１４は、映像光ＧＬを内面側で全反射させる全反射面として機能する。第４面Ｓ１４は、映像光ＧＬを第２導光部分１２内に入射させる屈折面としても機能する。すなわち、第４面Ｓ１４は、外部から導光部材１０に映像光ＧＬを入射させる光入射面と、導光部材１０の内部において映像光ＧＬを伝搬させる反射面としての機能を兼用している。なお、第４面Ｓ１４は、本体１０ｓの表面に施されたハードコート層２７によって形成される面である。

第２導光部分１２において、第５面Ｓ１５は、本体１０ｓの表面上に無機材料で形成される光反射膜ＲＭを成膜することで形成され、反射面として機能する。

光透過部材５０は、可視域で高い光透過性を示し、光透過部材５０の本体部分は、導光部材１０の本体１０ｓと略同一の屈折率を有する材料で形成されている。なお、光透過部材５０は、本体部分を導光部材１０の本体１０ｓに接合した後、接合された状態で本体１０ｓとともにハードコートによる成膜がなされて形成されるものである。つまり、光透過部材５０は、導光部材１０と同様、本体部分の表面にハードコート層２７が施されたものとなっている。第１透過面Ｓ５１と第３透過面Ｓ５３とは、本体部分の表面に施されたハードコート層２７によって形成される面である。

なお、導光装置２０は、導光部材１０及び光透過部材５０となるべき基材が接合された上で、接合された基材をディップ処理によってコーティングされることで形成されている。つまり、導光部材１０のハードコート層２７は、光透過部材５０とともに導光装置２０全体に設けられている。

以上のように、導光部材１０の内部において、画像生成部８１からの映像光を、少なくとも２回の全反射を含む第１面Ｓ１１から第５面Ｓ１５までにおける５回の反射によって導光している。これにより、映像光ＧＬの表示と外界光ＨＬの視認させるシースルーとを両立させ、かつ、映像光ＧＬの収差の補正を行うことが可能になる。

以下、虚像表示装置１００における映像光ＧＬ等の光路について説明する。画像表示装置８０から射出された映像光ＧＬは、投射レンズ３０を構成する各レンズ３１〜３３を通過することによって、収束されつつ、所期の非点収差が与えられ導光部材１０に設けた正の屈折力を有する第４面Ｓ１４に入射する。なお、この非点収差は、導光部材１０の各面を経る間に相殺されるものとなっており、最終的に所期の状態で観察者の眼に向けて映像光が射出される。

導光部材１０の第４面Ｓ１４に入射してこれを通過した映像光ＧＬは、収束しつつ進み、第２導光部分１２を経由する際に、比較的弱い正の屈折力を有する第５面Ｓ１５で反射され、第４面Ｓ１４に内側から再度入射して反射される。

第２導光部分１２の第４面Ｓ１４で反射された映像光ＧＬは、第１導光部分１１において、実質的に屈折力を有しない第３面Ｓ１３に入射して全反射され、実質的に屈折力を有しない第１面Ｓ１１に入射して全反射される。

ここで、映像光ＧＬは、第３面Ｓ１３を経由する前後において、導光部材１０中に中間像を形成する。この中間像の像面は、画像生成部８１の画像面ＯＩに対応するものである。

第１面Ｓ１１で全反射された映像光ＧＬは、発散しつつ第２面Ｓ１２に入射するが、特にハーフミラー層１５に入射した映像光ＧＬは、このハーフミラー層１５を部分的に透過しつつも部分的に反射されて第１面Ｓ１１に再度入射して通過する。なお、ハーフミラー層１５は、ここで反射される映像光ＧＬに対して比較的強い正の屈折力を有するものとして作用する。また、第１面Ｓ１１は、これを通過する映像光ＧＬに対して屈折力を有しないものとして作用する。

第１面Ｓ１１を通過した映像光ＧＬは、観察者の眼ＥＹの瞳又はその等価位置に略平行光束として入射する。つまり、観察者は、虚像としての映像光ＧＬにより、画像生成部８１上に形成された画像を観察することになる。

一方、外界光ＨＬのうち、導光部材１０の第２面Ｓ１２よりも＋Ｘ側に入射するものは、第１導光部分１１の第３面Ｓ１３と第１面Ｓ１１とを通過するが、この際、第３面Ｓ１３と第１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ない。つまり、観察者は、導光部材１０越しに歪みのない外界像を観察することになる。同様に、外界光ＨＬのうち、導光部材１０の第２面Ｓ１２よりも−Ｘ側に入射するもの、つまり、光透過部材５０に入射したものは、これに設けた第３透過面Ｓ５３と第１透過面Ｓ５１とを通過する際に、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いることで、収差等を生じない。つまり、観察者は、光透過部材５０越しに歪みのない外界像を観察することになる。さらに、外界光ＨＬのうち、導光部材１０の第２面Ｓ１２に対応する光透過部材５０に入射するものは、第３透過面Ｓ５３と第１面Ｓ１１とを通過する際に、第３透過面Ｓ５３と第１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ない。つまり、観察者は、光透過部材５０越しに歪みの少ない外界像を観察することになる。なお、導光部材１０の第２面Ｓ１２と光透過部材５０の第２透過面Ｓ５２とは、略同一の曲面形状をともに有し、略同一の屈折率をともに有し、両者の隙間が略同一の屈折率の接着層ＣＣで充填されている。つまり、導光部材１０の第２面Ｓ１２や光透過部材５０の第２透過面Ｓ５２は、外界光ＨＬに対して屈折面として作用しない。

以上のように、中間像を形成し、かつ、導光部材での全反射を利用して導光を行う構成の光学系では、従来からも、装置の小型化を図りつつ精度を高く維持すべく、導光部材等において自由曲面を用いることで収差を抑えつつ光路の調整を行っている。例えば特許文献１（特開２０１５−７２４３８号公報）では、導光部材に加え、投射レンズの一部（光射出側のレンズ面）においても自由曲面を設けることで収差の補正をしつつ小型化の要請に応えている。しかしながら、例えば導光部材において導光のために全反射条件を維持する必要がある等の制約から、小型化には設計上の限界があった。具体的には、例えば図２に示す導光装置２０における交点Ｃ１から交点Ｃ２までの距離を縮めたい、すなわち導光装置２０の導光方向の長さを短くしたい、という場合に映像光の全反射条件が問題となりやすい。この場合、仮に、本願のようにレンズ面３３ａを非軸対称非球面で構成しないものとすると、画像表示装置８０のうち人体に近い内側から射出される成分である部分光線束ＧＬａが各面Ｓ１１，Ｓ１３，Ｓ１４上において全反射条件を満たすようにコントロールすることが特に困難になる可能性がある。例えば部分光線束ＧＬａが全反射条件を満たすように、特に全反射条件が厳しくなる成分が通過する面Ｓ１２のうち面Ｓ１３に近い側の形状を調整することが考えられる。しかしながら、このような調整をする場合、面Ｓ１３に近い側のみならず、面Ｓ１２のうち部分光線束ＧＬａを通過させる全範囲である面Ｓ１３に近い側から中央側までの部分を全体的に調整する必要がある。この際、調整した部分のうちの一部（面Ｓ１２のうち中央寄りの部分）は、画像表示装置８０のうち人体から遠い外側から射出される成分である部分光線束ＧＬｂを通過させる範囲でもあるため、面Ｓ１２の形状調整には種々の制約が課されることになり、光学系全体として収差補正がしにくくなる。また、この他の調整箇所の候補として、例えば、非軸対称非球面であり、部分光線束ＧＬａと部分光線束ＧＬｂとが互いに離れた領域で反射している面Ｓ１４を調整することも考えられる。しかし、面Ｓ１４は、映像光ＧＬの反射のみならず、透過も行う箇所であり、例えば部分光線束ＧＬａの反射領域と部分光線束ＧＬｂの透過領域とは重畳している。このため、面Ｓ１４を調整する場合にも種々の制約が課されることになる。

これに対して、本実施形態では、特に、光射出側に配置される第１レンズ３１のレンズ面３１ａのみならず、光入射側に配置される第３レンズ３３の光射出側のレンズ面３３ａを非軸対称非球面としている。レンズ面３３ａは、既述のように、投射レンズ３０のうち画像表示装置８０に比較的近い側に位置するレンズ面である。このため、例えば図示のように、画像面ＯＩの周辺側の領域（隅領域と呼ぶものとする）うち、内側と外側との異なる隅領域ＩＡ，ＯＡの２点Ｐ１，Ｐ２からそれぞれ射出される部分光線束ＧＬａ，ＧＬｂは、互いに交わる前にレンズ面３３ａに通過するものとなる。すなわち、上記の場合、非軸対称非球面であるレンズ面３３ａは、画像表示装置８０の光射出面である画像面ＯＩにおいて異なる隅領域の２点Ｐ１，Ｐ２からそれぞれ射出された映像光の光線束のうち、観察者の眼に到達すべき成分である部分光線束ＧＬａ，ＧＬｂが互いに交わらない位置に配置されている。このような位置にあるレンズ面３３ａを非軸対称非球面（自由曲面）としていることで、レンズ面３３ａは、画像面ＯＩのうち人体に近い内側の領域から射出される部分光線束ＧＬａと、画像面ＯＩのうち人体から遠い外側の領域から射出される部分光線束ＧＬｂとに対して、個別の作用を及ぼすものとなる。つまり、例えば部分光線束ＧＬａに対する収差補正と部分光線束ＧＬｂに対する収差補正とを個別に行う、といったことが可能になる。さらに、部分光線束ＧＬａ，ＧＬｂ等の各部分光線束の射出状況の違いに応じて、投射レンズ３０の内面に設けられた絞りＳＴが非対称に変形されていることで、通過する成分の適切な遮光を可能としている。

比較として、例えば、レンズ面３１ａについてみると、この位置ではすでに部分光線束ＧＬａの通過範囲と部分光線束ＧＬｂの通過範囲とが重なっており、部分光線束ＧＬａと部分光線束ＧＬｂとを分離して個別に収差補正を行うことができず、光線束全体としての収差補正ができるのみである。本実施形態では、映像光の光線束のうち観察者の眼に到達すべき成分（部分光線束ＧＬａ，ＧＬｂ）が互いに交わらない位置に非軸対称非球面（レンズ面３３ａ）を配置することで、例えば特許文献１（特開２０１５−７２４３８号公報）に開示の虚像表示装置の場合と同等の解像度や画角等の各種の光学的精度を維持しつつ、光学系をさらに小型化し、延いては装置全体を小型化することができる。具体的には、上記のように、導光装置２０において、例えば交点Ｃ１から交点Ｃ２までの距離（間隔）を、４８ｍｍ以下とすることができる。このような小型化を図った光学系においては、導光範囲が短いため、導光中に光が入り込んでゴースト光が発生する、という問題への対処が特に重要となり得る。本実施形態では、上記のように、導光部材１０の内部においてのゴースト光発生への対処が可能となっている。なお、交点Ｃ１から交点Ｃ２までの距離（間隔）については、４８ｍｍ以下とする場合のほか、例えば５１ｍｍ以下とするものであってもよく、より具体的には、例えば５０．１ｍｍ程度とすることが考えられる。なお、交点Ｃ１から交点Ｃ２までの距離（間隔）を５１ｍｍ以下の長さにした場合、例えば眼鏡をつけたまま装着可能なＨＭＤを実現できる。

さらに、この場合、従来よりも投射レンズ３０の全長を短くし、かつ各レンズ３１〜３３のレンズ厚を薄くすることができる。これにより、さらなる小型化が実現でき、デザイン的にもよりスタイリッシュな外観を実現できる。

また、本実施形態では、既述のように、視線軸ＳＸをレンズ光軸ＬＸに対して６．７°傾斜させ、導光軸ＤＸに対して垂直な状態から約１０°傾斜させていることによっても外観形状をよりスタイリッシュにしている。

また、本実施形態では、上記のように、投射レンズ３０の構成に関して複雑な軸外し光学系であって、かつ、より過密なレンズ配置としている。これに対応して、さらに、画像表示装置８０からの射出光について調整がなされている。すなわち、画像表示装置８０の光射出面である画像面ＯＩから射出される各部分光線束について射出角度が画像表示装置８０の中心を示すレンズ光軸ＬＸに対して非対称となっている。

以下、図３及び図４を参照して、映像光ＧＬを構成する部分光線束の射出角度についてより具体的に説明する。まず、図示のように、画像表示装置８０のうち矩形状の領域のうち、右下（内側）、右上（内側）、左下（外側）、左上（外側）の４隅（隅領域ＩＡ１，ＩＡ２，ＯＡ１，ＯＡ２）からそれぞれ射出された部分光線束ＧＬａ１，ＧＬａ２，ＧＬｂ１，ＧＬｂ２のうち、内側から射出される部分光線束ＧＬａ１，ＧＬａ２よりも外側から射出される部分光線束ＧＬｂ１，ＧＬｂ２のほうが射出角度が大きくなっている（左右非対称である）ことが分かる。これにより、上記のような複雑な形状の光学系により投射レンズ３０等を構成した場合であっても、視認される映像の輝度ムラ等を抑制することができる。一方、内側同士または外側同士では、射出角度が等しい（上下対称である）ことが分かる。なお、部分光線束ＧＬａ１，ＧＬａ２，ＧＬｂ１，ＧＬｂ２は、レンズ面３３ａにおいて互いに交わらないものとなっている。

以上について第１及び第２方向ＤＤ１，ＤＤ２で説明すると、映像光ＧＬを構成する各部分光線束に関して、画像表示装置８０の画像面ＯＩの面内に平行な面（ｘｙ面）内において、ｘ方向（水平方向）である第１方向ＤＤ１に沿って配列された各画素からそれぞれ射出される光線束のｙ方向（垂直方向）である第２方向ＤＤ２についての射出角度がそれぞれ異なっていることになる。さらに、本実施形態では、投射レンズ３０のレンズ面３３ａにおける曲率を、画像表示装置８０から射出された部分光線束の通過位置ごとに応じて変化させている。さらには、レンズ面３３ａにおける曲率を、導光部材１０の面Ｓ１２における部分光線束（例えば図２の部分光線束ＧＬａと部分光線束ＧＬｂ）の入射角度に対応して変化させている。

本実施形態のような構成の場合、例えば上述した部分光線束ＧＬａと部分光線束ＧＬｂとの関係から明らかなように、射出される光線束全体としての対称性が崩れているため、光を絞るに際して、通常の対称な形状及び配置の絞りを設けても所望の機能を果たすことができるとは限らず、ゴースト光等を十分に除去できない可能性がある。これに対して、本実施形態では、投射レンズ３０に設ける絞りＳＴに映像光ＧＬの成分に対応した非対称性をもたせることで、確実な余剰光の除去を可能にし、高性能な画像形成を可能としている。

以下、図５、図６等を参照して、投射レンズ３０に設ける絞りＳＴの構造について説明する。図５（Ａ）は、投射レンズ３０の一例についての構成について示す断面図であり、図５（Ｂ）は、投射レンズ３０を構成する鏡筒３９の正面図である。また、図６（Ａ）は、画像表示装置８０と投射レンズ３０の絞りＳＴとの配置関係について図５に示す一例において概念的に示す図である。また、図６（Ｂ）は、画像表示装置８０と投射レンズ３０の絞りＳＴとの配置関係について一変形例を概念的に示す図である。図６（Ｃ）は、図６（Ａ）に示す絞りＳＴを投射光学系光軸であるレンズ光軸ＬＸに沿って見た状態を概念的に示す図である。図６（Ｄ）及び６（Ｅ）は、図６（Ｂ）に示す絞りＳＴを特定の方向からや投射光学系光軸に沿って見た状態を概念的に示す図である。

以下、まず、図５（Ａ）、５（Ｂ）、図６（Ａ）及び６（Ｃ）に示す一例から説明する。ここでは、図示のように、鏡筒３９の内面の一部として絞りＳＴが設けられているものとする。なお、絞りＳＴは、既述のように、投射レンズ３０において、映像光ＧＬが最も多く重畳する箇所に配置される（例えば図２、３等参照）、すなわち、鏡筒３９の内部のうち最も映像光ＧＬの光線束の断面積が小さくなる位置に設けられ、適切に光を絞っている。また、図５（Ａ）に示すように、絞りＳＴは、第２レンズ３２と第３レンズ３３との間においてレンズ光軸ＬＸに対して垂直に配置される枠上の構造を有しており、特に、図５（Ｂ）に示すように、絞りＳＴは、正面視において、台形状となっている。これにより、上記した非対称な状態で画像面ＯＩから射出される各部分光線束に対応して適切に不必要な光のカットを行い、映像内外に余計な光（ゴースト光）を発生させないようにすることを可能にしている。

以下、絞りＳＴの形状や構造についてより詳しく説明する。まず、図５（Ａ）及び５（Ｂ）に示すように、ここでは、上記と同様に、ｘ方向を第１方向ＤＤ１とし、ｙ方向を第２方向ＤＤ２とする。これを言い換えると、画像面ＯＩの法線方向（図２のレンズ光軸ＬＸの延びるＺ方向）に対して垂直で、かつ、導光部材１０の導光方向（図２の導光軸ＤＸの延びる方向）に対応する方向（図２において導光方向と同じくＸＺ面内において延びる方向）を第１方向ＤＤ１とし、画像面ＯＩの法線方向と第１方向ＤＤ１とに対して垂直な方向を第２方向ＤＤ２とする、ということになる。また、第１方向ＤＤ１と第２方向ＤＤ２とについて、投射レンズ３０に関してみれば、投射レンズ３０のレンズ光軸ＬＸに対して垂直な面（ｘｙ面）の面内方向のうち一方向（水平方向）が第１方向ＤＤ１であり、当該面内方向のうち第１方向ＤＤ１に対して垂直な方向（垂直方向）が第２方向ＤＤ２である。さらにここでは、図５（Ｂ）及び図６（Ａ）に示すように、絞りＳＴにおいて、画像面ＯＩの中心を通るレンズ光軸ＬＸと交差しかつ第１方向ＤＤ１に平行な軸を第１軸ＸＸ１とし、レンズ光軸ＬＸと交差しかつ第２方向ＤＤ２に平行な軸を第２軸ＸＸ２とする。また、図６（Ａ）等に示すように、第１軸ＸＸ１、第２軸ＸＸ２及びレンズ光軸ＬＸが交差する点を交点ＣＳとする。交点ＣＳは、絞りＳＴの中心を示すものとなる。さらに、第１軸ＸＸ１とレンズ光軸ＬＸとを含む面（ｚｘ面）を第１平面ＫＳ１とし、第２軸ＸＸ２とレンズ光軸ＬＸとを含む面（ｙｚ面）を第２平面ＫＳ２とする。以上の場合、映像光ＧＬを構成する各部分光線束の第１方向ＤＤ１についての非対称性と第２方向ＤＤ２についての対称性に対応して、絞りＳＴによって形成される四角形状の開口部ＯＰは、第１軸ＸＸ１について線対称であり、第２軸ＸＸ２について非線対称な形状となっている。さらに第１平面ＫＳ１及び第２平面ＫＳ２に基づけば、開口部ＯＰは、第１平面ＫＳ１について面対称（鏡対称）であり、かつ、第２平面ＫＳ２について非面対称である。特に、図示の場合、第１軸ＸＸ１を対象軸として外側から内側に向かって広がる等脚台形状（四角形状）となっている。ここで、以上の場合、レンズ光軸ＬＸ上の一点からレンズ光軸ＬＸに沿って（すなわち矢印Ａ２の方向に沿って）交点ＣＳを見ると、交点ＣＳを中心として、図６（Ｃ）に概念的に例示するように見えることになる。

次に、図６（Ｂ）、図６（Ｄ）及び６（Ｅ）に示す一変形例について説明する。既述のように、図６（Ｂ）は、画像表示装置８０と投射レンズ３０の絞りＳＴとの配置関係について概念的に示す図であり、図６（Ａ）に対応する図である。なお、図６（Ｂ）では、図６（Ａ）との比較をしやすくするため、図６（Ａ）において規定した第１軸ＸＸ１等について同様に記載している。上記の例では、画像面ＯＩの法線方向（図２のレンズ光軸ＬＸの延びるＺ方向）に対して垂直に配置される絞りを一例として示しているが、本変形例の絞りＳＴは、図６（Ｂ）に示すように、矩形状の開口部ＯＰを投射光学系光軸に対して斜めに配置して設けられている。すなわち、図６（Ａ）と比較して分かるように、図６（Ｂ）に示す絞りＳＴは、図６（Ａ）に例示する垂直な配置状態からｙ軸の回りに回転させて傾けた配置となっている。図６（Ｄ）は、斜めに配置された絞りＳＴの開口部ＯＰの形状を正面から見た状態を概念的に示している。すなわち、開口部ＯＰの正面方向である図６（Ｂ）において矢印Ａ１で示す方向（方向Ａ２からｙ軸の回りに絞りＳＴの場合と同じだけ回転した方向）から交点ＣＳを中心とするように絞りＳＴを見たときの様子を示している。このように見た場合、開口部ＯＰの形状は矩形状（長方形状）に見える。一方、図６（Ｅ）は、図６（Ｃ）の場合と同様に、レンズ光軸ＬＸ上の一点からレンズ光軸ＬＸに沿って（すなわち矢印Ａ２の方向に沿って）交点ＣＳを見たときの様子を示している。このように見た場合、開口部ＯＰの形状は等脚台形状に見える。以上のように、絞りＳＴをレンズ光軸ＬＸに対して傾けて配置し、すなわち非垂直に配置することで、開口部を例えば台形状ではなく矩形状（長方形状）としておいても、正面視において台形状となっているように見える形状とすることができる。絞りＳＴのレンズ光軸ＬＸに対する傾け度合を射出角度の変化に対応させることで、より厳密に不要光を除去することが可能になる。また、別の見方をすれば、この場合、レンズ光軸ＬＸに沿った奥行き方向までを考慮して空間的（３次元的）に遮光を行うものとなっている。なお、この場合、非垂直な平面に沿って絞りＳＴを形成させる場合のほか、曲面（非平面）に沿って絞りＳＴを形成させてもよい。

以下、別の観点として、画像表示装置８０からの光の射出に関して説明する。画像表示装置８０から射出される光は、角度輝度特性を有しており、角度輝度特性は画素開口形状に大きく依存する。一般的に開口形状が大きければ大きいほど、角度輝度特性の全値半角は大きくなる、すなわち、パネル法線に対してより大きな角度方向でも高い輝度で射出され、開口形状が小さければ小さいほど、全値半角は小さくなり、ピーキーとなる。特に、本実施形態の虚像表示装置１００等のＨＭＤに使用されるような超小型の表示デバイスでは、１画素の開口形状が１０μｍを下回ることがあり、この場合、例えば画像面ＯＩの法線方向に対して２０°程傾いた方向での輝度は、法線方向に対して５０％を切ってしまう。これにより、映像の輝度ムラの発生することがある。特に、本実施形態のように、パネル位置によって光線束の状態が異なるような光学系である場合、輝度ムラが大きな課題となり得る。そこで、本実施形態では、射出角度がより大きくなるにしたがって画素の開口が大きくなるように画素レイアウトを調整することによって、輝度ムラの発生を抑制している。本実施形態の場合、第１方向ＤＤ１（ｘ方向）に関しての位置によって第２方向ＤＤ２（ｙ方向）について射出角度が異なるものとする調整ができるように例えば第１方向ＤＤ１よりも第２方向ＤＤ２について大きく広がった開口構造とし、各開口画素の大きさを第１方向ＤＤ１の位置ごとによって変えればよい。また、パネルの基板構造によって、パネル法線方向に対してある傾斜した角度の輝度が最も高くなるようにすることも可能である。すなわち、画像表示装置８０から射出される光線束のうち、最も輝度の高い光線方向が、画像表示装置８０の画素の位置によって異なるようにすることができる。

以下、図７を参照して、虚像表示装置１００のうち、画像表示装置８０に関して、光学的構成のより具体的な一例について詳細に説明する。

まず、画像表示装置８０は、上述したように、画像生成部８１や配光制御部８２として画像生成部８１の直近後段に配置されるカラーフィルター層ＣＦの他に、画像生成部８１の動作を制御する駆動制御部（図示略）を有する自発光型の画像表示装置である。画像表示装置８０の一構成例について図７（Ａ）及び７（Ｂ）を参照してより具体的に説明すると、画像表示装置８０のうち画像生成部８１は、画素電極である複数の透明電極（陽極）７１ａと、対向電極（陰極）７２ａと、透明電極７１ａと対向電極７２ａとの間に配置された発光機能層（発光層）としての有機ＥＬ層７３ａと、保護層７４ａとを備える。配光制御部８２としてのカラーフィルター層ＣＦは、保護層７４ａ上に形成される。カラーフィルター層ＣＦは、赤色、緑色及び青色用カラーフィルター部ＣＦｒ，ＣＦｇ，ＣＦｂで構成され、各色用カラーフィルター部ＣＦｒ，ＣＦｇ，ＣＦｂは、画素電極である複数の透明電極（陽極）７１ａにそれぞれ対応してマトリクス状に配列されている。以上のような構成により、画像表示装置８０は、電極７１ａ，７２ａを適宜動作させて有機ＥＬ層７３ａを発光させることで、画像生成部８１は、画像面ＯＩから映像光ＧＬを射出するものとなっている。すなわち、画像表示装置８０は、光源として有機ＥＬを含むことで、画像面ＯＩを構成する画素ごとに映像光ＧＬを発光するものとなっている。また、映像光ＧＬとして画像生成部８１で発光した光がカラーフィルター層ＣＦを映像光ＧＬが通過することで、画像表示装置８０からカラーの映像光（画像光）ＧＬが射出される。ここで、本実施形態では、配光制御部８２としてのカラーフィルター層ＣＦにおいて、画像面ＯＩを構成するマトリクス状の画素のピッチすなわちマトリクス状に配置される複数の透明電極７１ａ，７１ａ，７１ａのピッチに対して、各色用カラーフィルター部ＣＦｒ，ＣＦｇ，ＣＦｂのピッチが異なるように配列させている。これにより、図７（Ａ）に示すように、画像表示装置８０の中心光軸であるレンズ光軸ＬＸから離れた周辺側では、各色用カラーフィルター部ＣＦｒ，ＣＦｇ，ＣＦｂの位置が対応する各電極７１ａ，７１ａ，７１ａに対してずれている（図示の場合各色用カラーフィルター部ＣＦｒ，ＣＦｇ，ＣＦｂの位置が右側にずれている又は外縁の位置がずれている）ことで、カラーフィルター層ＣＦを経て射出される成分光の配光状態が斜め方向（図示の場合、右斜め方向）に傾き、当該成分光は、レンズ光軸ＬＸ側に近づくように射出される。一方、図７（Ｂ）に示すように、画像表示装置８０のレンズ光軸ＬＸの付近すなわち中心側では、上記のようなずれが生じないか生じてもわずかであることで、射出される成分光の配光状態は傾くことなく、当該成分光は垂直にあるいは略垂直に射出される。このように射出される光の傾き具合を位置ごとにあるいはある程度の領域単位で調整することで、所望の射出状態（非対称な状態）を構成することが可能となる。

以上をまとめて言い換えると、画像表示装置８０において、画像生成部８１は、画素電極である複数の透明電極７１ａによって画像面ＯＩをマトリクス状に画素を配置させることで形成する画素マトリクスであり、配光制御部８２としてのカラーフィルター層ＣＦは、中心側から周辺側に向かって画像面ＯＩを構成するマトリクス状の画素のピッチ（透明電極７１ａのピッチ）に対するずれが大きくなるように画像面ＯＩの位置ごとに異なる形状を有するものとなっている。これにより、画像面ＯＩの位置ごとに光の配光状態が適したものとなるように制御している。すなわち、各位置で射出される光の主光線となるべき角度の光が最も強くなるようにしており、結果的に、配光制御部８２としてのカラーフィルター層ＣＦは、画像面ＯＩの各位置から射出する成分の主光線の軸方向について最も強くなる強度分布で光を射出するように制御を行っている。以上のように、本実施形態では、カラーフィルター層ＣＦが、射出光である映像光ＧＬの配光を制御する配光制御部８２として機能するものとなっている。

以上のように、本実施形態に係る虚像表示装置１００では、投射レンズ３０において、画像表示装置８０の光射出面である画像面ＯＩにおいて異なる隅領域ＩＡ、ＯＡの２点Ｐ１，Ｐ２からそれぞれ射出された映像光の光線束のうち観察者の眼に到達すべき成分が互いに交わらない位置にあるレンズ面３３ａを非軸対称非球面とすることで、解像度や画角等の各種の光学的精度を維持しつつ、光学系をさらに小型化し、延いては装置全体を小型化することができる。この際、特に、非線対称性を有する四角形状の開口部ＯＰを形成する絞りＳＴを有することで、上記のように画像表示装置８０の各点からの各光線束が、第２方向ＤＤ２についてそれぞれ異なる角度で射出されるものであっても、絞りＳＴにおいて適切に光の調整を行うことができ、高画質な映像が提供可能となっている。

なお、以上の説明では、絞りＳＴに形成された開口部ＯＰを四角形状としているが、これに限らず、例えば光学系等に影響が出ない範囲で、開口部ＯＰが異なる形状であってもよい。すなわち、上述した四角形状の開口部ＯＰの一部を変形させる、例えば四角形状の一部を内側または外側に出っ張ったような形状とする、あるいは三角形等とするといった他の形状の開口部ＯＰを有した絞りＳＴとすることも可能である。

図８は、画像表示装置８０の一変形例について説明するための概念図であり、図７（Ａ）に対応する図である。図８に示す一変形例では、カラーフィルター層ＣＦ上にマイクロレンズアレイＭＬＡが配置されている。本変形例では、このマイクロレンズアレイＭＬＡ、あるいはマイクロレンズアレイＭＬＡとカラーフィルター層ＣＦとが協働して配光制御部８２として機能する。具体的には、マイクロレンズアレイＭＬＡを構成する複数の要素レンズＥＬが、カラーフィルター層ＣＦを構成する各色用カラーフィルター部ＣＦｒ，ＣＦｇ，ＣＦｂに対応してマトリクス状に配置されており、各要素レンズＥＬの形状が各色用カラーフィルター部ＣＦｒ，ＣＦｇ，ＣＦｂの配置される位置、すなわち画像面ＯＩを構成するマトリクス状の画素の位置（電極７１ａの位置）に応じて、画素の配列に対して非一様に配置されている。具体的には、例えば、外形形状の異なるものとなっていたり、各画素に対して対応する各要素レンズＥＬの位置がずらして配置されていたり、あるいは、画素ピッチよりもピッチを狭めてマイクロレンズアレイＭＬＡが配列されていたりするものとなっている。これにより、マイクロレンズアレイＭＬＡは単独で、もしくはカラーフィルター層ＣＦと協働して映像光ＧＬを構成する各成分光の調整を行う配光制御部８２として機能する。言い換えると、マイクロレンズアレイＭＬＡが射出される光の角度を偏向させる偏向部材として機能する。

〔その他〕
以上各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る。例えば、上記ではシースルーの虚像表示装置について説明しているが、シースルーでないタイプの虚像表示装置においても、本実施形態に示す構造を適用することができる。

上記の説明では、画像表示装置（映像素子）８０として、ＯＬＥＤ（有機ＥＬ）を含む画像生成部８１を用いているが、これに限らず、画像表示装置８０として、透過型の液晶表示デバイスとバックライトとで構成されるもの等種々のものを利用可能である。

図９は、画像表示装置の他の一変形例について説明するための概念図である。図９に示す一変形例の画像表示装置１８０では、透過型の液晶表示デバイスを用いるものであり、画像生成部１８１が液晶パネルで構成され、ＴＦＴ画素構造と、ブラックマトリクス構造とを有している。すなわち、一対の透明電極１７１ａ，１７１ｂと、一対の配向膜１７２ａ，１７２ｂとにより液晶層１７３ａを挟むとともに、カラーフィルター層ＣＦを設けており、光源光であるバックライトＢＬから照射される光を変調している。ここで、カラーフィルター層ＣＦを構成する各色用カラーフィルター部ＣＦｒ，ＣＦｇ，ＣＦｂの間にブラックマトリクスＢＭを設けている。本変形例では、このブラックマトリクスＢＭの形状を各色用カラーフィルター部ＣＦｒ，ＣＦｇ，ＣＦｂの配置される位置、すなわち画像面ＯＩを構成するマトリクス状の画素の位置（電極１７１ａの位置）に応じて変えることで、映像光ＧＬを構成する各成分光の調整を行う配光制御部８２として機能させている。なお、以上の構造について、言い換えると、ＴＦＴ画素構造と、ブラックマトリクス構造を有した対向基板画素構造でそれぞれピッチが異なっている、ということになる。

また、例えば、反射型の液晶表示デバイスを用いた構成も可能であり、液晶表示デバイス等からなる画像生成部８１に代えてデジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。また、自発光型素子として、ＬＥＤアレイ等を用いることもできる。

また、上記実施形態では、ＯＬＥＤ（有機ＥＬ）を含むパネル型の画像表示装置８０を用いているが、これに代えて走査型の画像表示装置を用いることもできる。具体的には、例えば画像面ＯＩに光拡散素子を配置し、走査型の照明光学系によって画像面ＯＩの位置において光を走査させ画像を形成させるとともに当該光拡散素子の拡散作用によって、映像光を射出させることで、上記と同様の構成を適用させることができる。

また、上記実施形態では、左右の導光装置２０をそれぞれ個別に作製されるものであるが、これに限らず、例えば、光透過部材を共有する構成とすることもできる。図１０（Ａ）及び１０（Ｂ）は、導光装置の一変形例について説明するための概念図である。この例では、左右一対の導光部材１０，１０と光透過部材１５０とは、左右一対の導光部材１０，１０により１つの光透過部材１５０を挟んで接続して一体の光学部材となって左右が一体化した導光装置２０として機能している。この場合、両眼視のための位置合わせを光透過部材１５０により簡易かつ正確に行うことができる。例えば図１０（Ａ）に示すように、光透過部材１５０の中心部ＣＥを適度に曲げておくことで、左右の角度を規定することも可能である。また、例えば図１０（Ｂ）に示すように、中心部ＣＥにおいて、上下の端部に窪み部ＣＶａ，ＣＶｂを設けておくことで、窪み部ＣＶａ，ＣＶｂを、製造工程において光透過部材１５０に対する導光部材１０，１０の接着固定のための位置決め（位置固定）に利用したり、鼻受部を設けるための箇所として用いたりすることが可能である。

上記の説明では、導光装置２０について、光入射部（第２導光部分１２）から光射出部（第１導光部分１１）を一部材で構成されるものとしているが、このような構成以外にも、例えば図１１（Ａ）に示すように、光反射膜ＲＭ（図２参照）で構成されるような光反射面を経ることなく映像光ＧＬを全反射による導光部分に直接入射させたり、図１１（Ｂ）に示すように、導光装置２０の導光部材１０をプリズム等で構成される光入射部１０ｐと導光部１０ｑとに分離した構成としたりするものとしてもよい。また、全反射についても、図１１（Ａ）及び１１（Ｂ）に示すように、導光部において対向して延びる面のうち一方の面だけで全反射をさせて他方の面では全反射させずに取り出す構成としてもよい。

上記の説明では、投射光学系として複数のレンズで構成される投射レンズ３０を採用しているが、これに限らず、例えば図１２に示すように、プリズム状の部材である投射プリズム光学系２３０によって投射光学系を構成するものとしてもよい。この場合においても、例えば、投射プリズム光学系２３０において光路変更に寄与する各面２３１ａ〜２３３ａのうち、画像表示装置８０からそれぞれ射出された映像光の光線束のうち、観察者の眼に到達すべき成分である部分光線束ＧＬａ，ＧＬｂが互いに交わらない位置に配置されている光入射面２３３ａを非軸対称非球面（自由曲面）とすることで、適切な収差補正が可能になる。なお、光入射面２３３ａ以外の面である反射面２３２ａや光射出面２３１ａについても非軸対称非球面（自由曲面）としてもよい。さらに、図示では、投射光学系である投射プリズム光学系２３０と導光装置２０（導光部材１０）とが接続されておらず別体となっているが、これらが接続されて一体になっている構成とすることも可能である。ここでは、例えば投射プリズム光学系２３０の後段に上記と同様に各部分光線束に対応した非線形性の形状を有し、また、配置される絞りＳＴを設けることで、適切な遮光の処理を行うことができる。

上記のうち、図６（Ｂ）等において、一変形例として斜めに配置する絞りＳＴについて説明しているが、斜めに配置するにあたっての配置のしかたや開口部ＯＰの形状については、上記の他にも、種々の態様が可能である。例えば図１３（Ａ）〜１３（Ｃ）に示すように、図６（Ｂ）等に示した場合とは傾ける方向を逆にしてもよい。絞りＳＴの配置や形状については、光線束の形状や取り込むべき光の違い等種々の状況に応じて最適なものとすることができる。例えば、開口部ＯＰの形状について水平方向に関して左右どちらを大きくするか等適宜変更可能である。また、図１３（Ｄ）及び１３（Ｅ）に示すように、正面視において台形状の開口部ＯＰが形成された絞りＳＴを斜めに配置するものとしてもよい。

上記の説明では、ハーフミラー層（半透過反射膜）１５が横長の矩形領域に形成されるとしたが、ハーフミラー層１５の輪郭は用途その他の仕様に応じて適宜変更することができる。また、ハーフミラー層１５の透過率や反射率も用途その他に応じて変更することができる。

上記の説明では、一対の表示装置１００Ａ，１００Ｂを備える虚像表示装置１００について説明しているが、単一の表示装置とできる。つまり、右眼及び左眼の双方に対応して、一組ずつ投射透視装置７０及び画像表示装置８０を設けるのではなく、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ投射透視装置７０及び画像表示装置８０を設け、画像を片眼視する構成にしてもよい。

上記の説明では、ハーフミラー層１５が単なる半透過性の膜（誘電体多層膜）であるとしたが、ハーフミラー層１５は、平面又は曲面のホログラム素子に置き換えることができる。また、この他、ハーフミラー層１５に代えて、曲面上に複数の微細な反射面を並べたり、フレネルミラーを用いたり、他の回折素子を用いたりすることもできる。

上記の説明では、導光部材１０等が眼ＥＹの並ぶ横方向に延びているが、導光部材１０を縦方向に延びるように配置することもできる。この場合、導光部材１０は、直列的ではなく並列的に平行配置された構造を有することになる。

また、上記では、鏡筒３９の内面の一部として絞りＳＴが設けられているものとしているが、これに限らず、例えば、投射レンズ３０や導光装置２０を形成するプリズムの面等に絞りＳＴとなる部材を貼り付けて構成する、鏡筒３９とは別体の枠状の部材により絞りＳＴを構成する、または、鏡筒３９の内部と他の部材とを組み合わせることで絞りＳＴを構成する等といったことも考えられる。なお、当該他の部材としては、例えば、上下分の遮光を行う別部材とし、これを鏡筒３９の内部の側面とを組み合わせて枠形状を形成する構造の絞りＳＴ等が考えられる。

また、単眼タイプまたは両眼タイプであって、映像素子（画像表示装置８０）から導光部材等（導光部材１０又は導光装置２０）までを組み込んだ一体型の光学エンジンユニットによりＨＭＤを構成する場合において、本願発明を適用することも可能である。

Ａ１，Ａ２…矢印、ＢＬ…バックライト、ＢＭ…ブラックマトリクス、Ｃ１…交点、Ｃ２…交点、ＣＣ…接着層、ＣＥ…中心部、ＣＦ…カラーフィルター層、ＣＦｒ，ＣＦｇ，ＣＦｂ…色用カラーフィルター部、ＣＳ…交点、ＣＶａ，ＣＶｂ…部、ＤＤ１…第１方向、ＤＤ２…第２方向、ＤＸ…導光軸、ＥＬ…要素レンズ、ＥＹ…眼想定位置（眼）、ＧＬ…映像光、ＧＬａ，ＧＬｂ，ＧＬａ１，ＧＬａ２，ＧＬｂ１，ＧＬｂ２…部分光線束、ＨＬ…外界光、ＩＡ，ＯＡ，ＩＡ１，ＩＡ２，ＯＡ１，ＯＡ２…隅領域、ＫＳ１…第１平面、ＫＳ２…第２平面、ＬＸ…レンズ光軸、ＭＬＡ…マイクロレンズアレイ、ＯＩ…画像面、ＯＰ…開口部、Ｐ１，Ｐ２…点、ＲＭ…光反射膜、Ｓ１１−Ｓ１５…面、Ｓ５１−Ｓ５３…透過面、ＳＸ…視線軸、ＸＸ１…第１軸、ＸＸ２…第２軸、１０…導光部材、１０ｐ…光入射部、１０ｑ…導光部、１０ｓ…本体、１１…導光部分（光射出部）、１２…導光部分（光入射部）、１５…ハーフミラー層（半透過反射部）、２０…導光装置、２７…ハードコート層、３０…投射レンズ（投射光学系）、３１−３３…レンズ（光学素子）、３１ａ…レンズ面、３３ａ…レンズ面（非軸対称非球面）、３９…鏡筒、４０…鼻受部、５０…光透過部材、７０…投射透視装置、７１ａ…透明電極、７２ａ…対向電極、７３ａ…有機ＥＬ層（発光層）、７４ａ…保護層、８０…画像表示装置（映像素子）、８１…画像生成部、８２…配光制御部、１００…虚像表示装置、１００Ａ，１００Ｂ…表示装置、１０１ａ，１０１ｂ…光学部材、１０２…枠部、１０５ａ，１０５ｂ…像形成本体部、１５０…光透過部材、１７１ａ，１７１ｂ…透明電極、１７２ａ，１７２ｂ…配向膜、１７３ａ…液晶層、１８０…画像表示装置、１８１…画像生成部、２３０…投射プリズム光学系（投射光学系）、２３１ａ…光射出面、２３２ａ…反射面、２３３ａ…光入射面

Claims (16)

1. 映像光を生じさせる映像素子と、
   非軸対称な曲面を含む複数面での全反射により前記映像素子からの映像光を導光させるとともに、光学系の一部として内部に中間像が形成される導光部材と、
   前記映像素子からの映像光を前記導光部材に入射させる投射光学系とを備え、
   前記投射光学系の投射光学系光軸に対して垂直な面の面内方向のうち一方向を第１方向とし、当該面内方向のうち前記第１方向に対して垂直な方向を第２方向とした場合に、
   前記投射光学系は、前記第１方向に平行に延びて前記投射光学系光軸に交差する第１軸と前記投射光学系光軸とを含む第１平面について面対称であり、かつ、前記第２方向に平行に延びて前記投射光学系光軸に交差する第２軸と前記投射光学系光軸とを含む第２平面について非面対称である開口部を形成する絞りを有し、
   前記絞りにおいて、前記開口部の形状は、四角形状である、虚像表示装置。
2. 前記投射光学系において、前記絞りは、前記投射光学系光軸に対して垂直に配置され、かつ、前記開口部の形状は、前記第１軸について線対称で前記第２軸について非線対称な形状である、請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記投射光学系において、前記絞りは、前記投射光学系光軸に対して非垂直に配置されている、請求項１に記載の虚像表示装置。
4. 前記絞りは、前記投射光学系光軸に対して垂直な配置から前記第２軸の軸回りに所定の角度だけ回転されて非垂直になった状態で配置されている、請求項３に記載の虚像表示装置。
5. 前記投射光学系において、前記投射光学系光軸は、前記映像素子の光射出面の法線方向に平行であり、かつ、前記映像素子の中心を通る、請求項１から４までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
6. 前記映像素子は、矩形状の光射出面を有し、前記光射出面の長手方向と短手方向とが前記第１方向と前記第２方向とにそれぞれ対応している、請求項１から５までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
7. 前記導光部材において、導光方向は、前記第１平面に対して平行な方向である、請求項１から６までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
8. 前記投射光学系において、前記絞りは、前記投射光学系を構成するレンズ群を固定する鏡筒の内面の一部として設けられている、請求項１に記載の虚像表示装置。
9. 前記絞りは、前記鏡筒の内部のうち最も光線束の断面積が小さくなる位置に設けられている、請求項８に記載の虚像表示装置。
10. 前記投射光学系は、少なくとも１面の非軸対称非球面を含み、前記１面の非軸対称非球面は、前記映像素子の光射出面において異なる隅領域の２点からそれぞれ射出された映像光の光線束のうち観察者の眼に到達すべき成分が互いに交わらない位置に配置されている、請求項１から９までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
11. 前記映像素子は、前記第１方向に沿って配列された各画素から、前記第２方向について射出角度をそれぞれ異ならせた光線束をそれぞれ射出させている、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
12. 前記導光部材は、前記非軸対称な曲面を２面以上含み、
    前記導光部材を構成する複数面のうち第１面と第３面とは、対向するように配置され、前記第１面と前記第３面とを通過させて外界を視認した時に、視度が略０になっており、
    前記映像素子からの映像光は、前記第３面で全反射され、前記第１面で全反射され、第２面で反射された後、前記第１面を透過して、観察側に到達する、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
13. 前記映像素子から射出された映像光の光線束の射出角度は、前記映像素子の中心に対して非対称である、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
14. 前記映像素子から射出される光線束のうち、最も輝度の高い光線方向が、前記映像素子の画素の位置によって異なる、請求項１から１３までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
15. 前記導光部材の非軸対称な曲面は、少なくとも光入射側に配置される光入射部と、光射出側に配置される光射出部とに設けられている、請求項１から１４までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
16. 前記導光部材は、前記映像素子からの映像光と外界光との部分的な反射及び透過を行う半透過反射部を有し、前記半透過反射部を挟んで光透過部材と接続されている、請求項１から１５までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。

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