JP7183611B2

JP7183611B2 - 虚像表示装置

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Publication number: JP7183611B2
Application number: JP2018142209A
Authority: JP
Inventors: 高司武田; 将行 ▲高▼木; 敏明宮尾; 論人山口
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2018-07-30
Filing date: 2018-07-30
Publication date: 2022-12-06
Anticipated expiration: 2038-07-30
Also published as: US20200033606A1; JP2020020859A; US11327309B2

Description

本発明は、ミラーを含むヘッドマウントディスプレイ及びその他の虚像表示装置に関し、特にシースルー視が可能な虚像表示装置に関する。

近年、ヘッドマウントディスプレイのように虚像の形成及び観察を可能にする虚像表示装置として、ミラー又は導光体のような光学素子によって表示素子からの画像光を観察者の瞳に導くタイプのものが種々提案されている。

特許文献１に記載の光学系は、４個の偏芯曲面ミラーで構成され、第１の偏芯曲面ミラーは、回転楕円面又は回転楕円面をベースとする非球面であり、第２の偏芯曲面ミラーは、双曲面又は双曲面をベースとする非球面である。光学系を偏芯曲面ミラーで構成することにより、導光体を用いる場合に比較して軽量化の達成が容易となる。

しかしながら、光学系を偏芯曲面ミラーだけで構成する場合、光学面同士つまり反射面同士をそのサイズ程度以下に近づけることができないため、収差の補正が不十分となりやすく、解像度その他の光学性能を確保できず画角を大きくすることが容易でない。

特開平９－１８９８８０号公報

本発明の一側面における虚像表示装置は、画像形成部と、前記画像形成部からの画像光
を屈折させるレンズと、前記レンズを通過した画像光を反射させる第１ミラー部材と、画
像光が入射される入射側で前記第１ミラー部材で反射された画像光を屈折させ、入射側で
屈折させた画像光を反射させるミラー層を有する第２ミラー部材と、前記第２ミラー部材
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透過型の第３ミラー部材と、前記
レンズと前記第２ミラー部材とを接合する接合部と、を備え、前記第２ミラー部材は、前
記第1ミラー部材で反射された画像光が入射され、前記ミラー層で反射された画像光を前
記第3ミラー部材に向けて通過させる屈折面を有する。

実施形態の虚像表示装置を説明する側断面図である。実施形態の虚像表示装置を説明する斜め下方からの斜視図である。実施形態の虚像表示装置を説明する正面図である。実施形態の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。実施形態の虚像表示装置の光学的構造等を説明する平面図である。表示デバイスに形成された表示像の強制的歪曲を説明する図である。レンズの屈折面等の構造を説明する拡大断面図である。第１ミラー部材の反射面等の構造を説明する拡大断面図である。第２ミラー部材の反射面等の構造を説明する拡大断面図である。第３ミラー部材の反射面等の構造を説明する拡大断面図である。レンズと屈折反射光学部材とを一体化した複合部材を説明する側断面図である。複合部材の内側又は射出瞳側を説明する図である。外観部材の変形例を説明する正面図である。

〔実施形態〕
以下、図面を参照して本発明に係る一実施形態の虚像表示装置について説明する。

図１～３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を装着した観察者ＵＳの両眼の並ぶ横方向に対応し、Ｙ方向は、観察者ＵＳにとっての両眼の並ぶ横方向に直交する上方向に相当し、Ｚ方向は、観察者ＵＳにとっての前方向又は正面方向に相当する。

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、観察者ＵＳに虚像としての映像を認識させる。虚像表示装置１００は、表示デバイス１１と、投射光学系１２とを備える。投射光学系１２は、レンズ４０と、第１ミラー部材２１と、第２ミラー部材２２と、第３ミラー部材２３とを備える。ここで、第２ミラー部材２２は、屈折面２２ｅとミラー面２２ｒとを複合した屈折反射光学部材３０である。表示デバイス１１とレンズ４０と第２ミラー部材２２とは、一体的に固定されて、上部でフレーム８０の本体部材８１に支持される。特に、レンズ４０と第２ミラー部材２２とは複合部材６０として一体化されている。また、第１ミラー部材２１と第３ミラー部材２３とは、相互に連結されて一体的な外観部材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、レンズ４０、及び第２ミラー部材２２よりも外側又は外界側においてこれら表示デバイス１１等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、観察者ＵＳの眼を覆って外側に凸の湾曲した形状を有する。図１では、右眼用の虚像表示装置１００のみを示しているが、同様の構造を有する左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１００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。なお、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４０を通過し、第１ミラー部材２１で反射されて第２ミラー部材２２に入射する。第２ミラー部材２２に入射した画像光ＧＬは、第２ミラー部材２２で屈折されるとともに反射されて第２ミラー部材２２外に射出される。第２ミラー部材２２から射出された画像光ＧＬは、透過型の第３ミラー部材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４及び５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１２よりも観察者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次元の表示面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。

図６に示すように、表示デバイス１１の表示面１１ａに形成される表示像ＤＡは、仮想的な格子の歪みから分かるように台形歪を持たせた修正画像となっている。後述するように、投射光学系１２が偏芯光学系であることから、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ない。よって、投射光学系１２にティスト―ションが残存していても、表示面１１ａに形成する表示像ＤＡに予め歪を持たせておくことで、投射光学系１２を経て射出瞳ＥＰの位置で観察される虚像の投影像ＩＧの画素配列を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。これにより、観察者ＵＳはティスト―ションの少ない投影像ＩＧを観察することができ、投射光学系１２におけるその他の収差の補正が容易になる。表示面１１ａに形成する表示像（修正画像）ＤＡは、画像処理によって強制的なティスト―ションを形成したものとできる。表示面１１ａが矩形である場合、強制的なティスト―ションを形成することで余白が形成されるが、このような余白に付加情報を表示させることもできる。表示面１１ａに形成する表示像（修正画像）ＤＡは、画像処理によって強制的なティスト―ションを形成したものに限らず、例えば表示面１１ａに形成された表示画素の配列を強制的なティスト―ションに対応するものしてもよい。この場合、ティスト―ションを補正する画像処理は不要となる。さらに、表示面１１ａに収差を補正する湾曲を持たせることもできる。

図４及び５に戻って、投射光学系１２は、非共軸光学系又は偏芯光学系である。投射光学系１２の偏芯方向は、第１ミラー部材２１、第２ミラー部材２２等の配置によって規定される。具体的には、レンズ４０、第１ミラー部材２１、第２ミラー部材２２、及び第３ミラー部材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４０、第１ミラー部材２１、第２ミラー部材２２、及び第３ミラー部材２３を通過する光軸ＡＸは、観察者の一対の瞳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、レンズ４０は、第１ミラー部材２１よりも観察者ＵＳの頭部側に対応する上側又は＋Ｙ側に配置され、第１ミラー部材２１は、第２ミラー部材２２よりも観察者ＵＳの頭部側に対応する上側又は＋Ｙ側に配置され、第２ミラー部材２２は、第３ミラー部材２３よりも観察者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、各ミラー部材２１，２２，２３と光軸ＡＸとの交点又は接点を基準として考える。

レンズ４０は、一対のレンズ面４１，４２を有し、表示デバイス１１からの画像光ＧＬを屈折させる。レンズ４０は、基材４０ｂの表面４０ｃ，４０ｄ上に反射防止膜４３を形成した構造を有する（図７参照）。両レンズ面４１，４２は、例えば自由曲面であるが、非球面とすることもできる。両レンズ面４１，４２は、ＹＺ面内にある偏芯方向に対応する第１方向Ｄ０１に関して光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、第１方向Ｄ０１に直交する第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。ここで、縦の第１方向Ｄ０１の非対称性は、一対のレンズ面４１，４２の傾き等として、つまり光軸ＡＸのうちレンズ４０内の部分に対する一対のレンズ面４１，４２の交差角の偏りや相違として現れる。一方、横の第２方向Ｄ０２の対称性は、光軸ＡＸのうちレンズ４０内の部分に対する一対のレンズ面４１，４２の交差角の一致として現れる。図示の場合、レンズ面４１は、光軸ＡＸに対して比較的大きく傾斜し、レンズ面４２も、光軸ＡＸに対して比較的大きく傾斜している。レンズ４０は、例えばポリカーボネート、シクロオレフィン系ポリマーのような樹脂で形成されるが、ガラス製とすることもできる。レンズ面４１，４２上には、反射防止膜を形成することもできる。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。

以上のレンズ４０において、レンズ面４１，４２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。

レンズ４０のレンズ面４１，４２は、光軸ＡＸを通る第１方向Ｄ０１のＹＺ断面において、互いに傾斜する一対の面領域４１ａ，４２ａを有する。なお、面領域４１ａ，４２ａについては、いずれか一方を光軸ＡＸに対して直交させることができるが、双方を光軸ＡＸに対して傾斜させてもよい。レンズ４０は、面領域４１ａ，４２ａを含む全体で、第１方向Ｄ０１において楔角を有するプリズムのような作用を有するものとでき、第１ミラー部材２１、第２ミラー部材２２等で発生する台形歪みを補正することができる。つまり、投射光学系１２が偏芯光学系であることから、台形歪のような歪曲歪みが生じやすく、第１ミラー部材２１、第２ミラー部材２２等で生じる台形歪を、レンズ４０の逆の台形歪みで相殺させることができ、虚像である投影像の歪曲歪みを簡易に低減できる。なお、レンズ４０のみで歪曲歪みを無くすことは困難であり、図６で説明したように表示面１１ａに形成する表示像ＤＡに予め歪を持たせる手法と組み合わせることで、歪曲歪みをより低減した投影像を形成することができる。

レンズ４０は、第１方向Ｄ０１の光学的パワーと第２方向Ｄ０２の光学的パワーとが異なるものとなっている。具体的には、第１方向Ｄ０１の光学的パワーが第２方向Ｄ０２の光学的パワーよりも小さい。レンズ４０は、主に光軸ＡＸを通る第２方向Ｄ０２の断面において、全系の表示デバイス（画像形成部）１１側でテレセントリック性を与える。既に説明したように、投射光学系１２が偏芯光学系であることから、第１方向Ｄ０１と第２方向Ｄ０２とでは結像特性が大きく異なる傾向が生じる。よって、縦方又はＹ方向においては、ミラー部材２１，２２，２３と、僅かな光学的パワーを有するレンズ４０とによって物体側テレセントリックとし、横方向又はＸ方向においては、ミラー部材２１，２２，２３と、大きな光学的パワーを有するレンズ４０とによって物体側テレセントリックとする。以上のように、レンズ４０を利用して縦横で調整差を与えてテレセントリック性を持たせることで、表示デバイス１１の光軸方向の位置ズレによって倍率変化が生じにくくなり、表示デバイス１１によるフォーカス調整が可能になる。

第１ミラー部材２１は、凹の表面ミラーとして機能する板状の部品であり、レンズ４０を通過した画像光ＧＬを反射する。つまり、第１ミラー部材２１は、板状体２１ｂの一方の表面２１ｓ上にミラー膜２１ｃを形成した構造を有するミラー板２１ａである（図８参照）。第１ミラー部材２１の反射面２１ｒは、例えば自由曲面であり、ミラー膜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。反射面２１ｒは、自由曲面に限らず、非球面とすることもできる。反射面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ミラー部材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。ミラー膜２１ｃは、例えばＡｌ、Ａｇ等の金属の単層膜Ｌ１１又は多層膜Ｌ１２で形成されるが、誘電体多層膜Ｌ１３とすることもできる。ミラー膜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。

第２ミラー部材２２は、レンズ及びミラーとして機能するプリズム状の部材である屈折反射光学部材３０であり、第１ミラー部材２１からの画像光ＧＬを屈折させつつ反射する。第２ミラー部材２２又は屈折反射光学部材３０は、屈折面２２ｅを有する屈折部材２２ｂと、当該屈折部材２２ｂの非屈折面２２ｄ上に形成されてミラー面２２ｒとして機能するミラー層２２ｃとを有する（図９参照）。つまり、屈折反射光学部材３０は、屈折部材２２ｂを挟んで屈折面２２ｅとミラー面２２ｒとを設けた光学素子である。屈折面２２ｅの面積は、ミラー面２２ｒの面積よりも大きくなっている。第２ミラー部材２２の屈折部材２２ｂは、例えばシクロオレフィン系ポリマー、ポリカーボネートのような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。ミラー層２２ｃは、例えばＡｌ、Ａｇ等の金属の単層膜Ｌ２１又は多層膜Ｌ２２で形成されるが、誘電体多層膜Ｌ２３とすることもできる。ミラー膜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。

第２ミラー部材２２の屈折面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。屈折面２２ｅは、ミラー面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ミラー部材２１からの光線は、屈折面２２ｅで屈折されて第２ミラー部材２２中に入射し、ミラー面２２ｒで反射されて第２ミラー部材２２外に射出される際に、屈折面２２ｅで再度屈折される。屈折面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。屈折面２２ｅには、反射防止膜Ｌ２４が形成されている。

第２ミラー部材２２のミラー面２２ｒは、例えば自由曲面であり、ミラー層２２ｃの内面又は屈折部材２２ｂの非屈折面２２ｄに対応する形状を有する。ミラー面２２ｒは、自由曲面に限らず、非球面とすることもできる。ミラー面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。

なお、第２ミラー部材２２の屈折面２２ｅは、上下２領域に分割することができる。すなわち、屈折面２２ｅは、第１ミラー部材２１からの画像光ＧＬがミラー面２２ｒで反射される前に入射する入射面と、ミラー面２２ｒで反射された後の画像光ＧＬが入射する出射面とを有するものとでき、これらの入射面及び出射面は、光路的に独立したものとなる。

第３ミラー部材２３は、凹の表面ミラーとして機能する板状の部品であり、第２ミラー部材２２からの画像光ＧＬを反射する。第３ミラー部材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３ミラー部材２３は、板状体２３ｂの一方の表面２３ｓ上にミラー膜２３ｃを形成した構造を有するミラー板２３ａである（図１０参照）。第３ミラー部材２３の反射面２３ｒは、例えば自由曲面であり、ミラー膜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。反射面２３ｒは、自由曲面に限らず、非球面とすることもできる。反射面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３ミラー部材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、第３ミラー部材２３のミラー膜２３ｃは、半透過性を有する。これにより、外界光ＯＬが第３ミラー部材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３ミラー部材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。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Ｌ３１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Ｌ３２又は多層膜Ｌ３３であってもよいミラー膜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。

第２ミラー部材２２と射出瞳ＥＰの位置との距離や、第３ミラー部材２３と射出瞳ＥＰの位置との光路上の距離は、射出側の光軸ＡＸ又はＺ軸に沿って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３ミラー部材２３の外界側には反射防止膜を形成することができる。

以上において、第１ミラー部材２１の反射面２１ｒ、第２ミラー部材２２の屈折面２２ｅ、第２ミラー部材２２のミラー面２２ｒ、及び第３ミラー部材２３の反射面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１２の収差を低減することが容易になる。

図１１及び１２に示すように、レンズ４０と屈折反射光学部材３０とは、一体化されて複合部材６０を構成している。レンズ４０と屈折反射光学部材３０との間には、断面楔状の接合部６１を介在させてレンズ４０と屈折反射光学部材３０とを相互に位置決めして固定している。レンズ４０と屈折反射光学部材３０とは、同一材料で形成することができる。この場合、レンズ４０の屈折率と屈折反射光学部材３０の屈折率とが一致するが、複合部材６０の本体部分を射出成形、キャスト成形等によって一体成形することができる。レンズ４０と屈折反射光学部材３０とは、別材料で形成することもできる。この場合、レンズ４０の屈折率と屈折反射光学部材３０の屈折率とを異なるものとすることができ、両者４０，３０の組合せによって色収差を補正する効果を持たせることができる。レンズ４０と屈折反射光学部材３０とを別材料で形成する場合、２色成形や接着といった手法を用いることができる。レンズ４０と屈折反射光学部材３０とを別材料で形成する場合、個別の工程で射出成形等によって形成した、レンズ４０と屈折反射光学部材３０とを固定部材を介して互いに固定し、フレーム８０の本体部材８１に取り付けることもできる。

レンズ４０と屈折反射光学部材３０とを一体化することで、フレーム８０への取り付け機構を簡単なものとでき、レンズ４０や屈折反射光学部材３０の保持が容易になる。また、上記のような一体化により、レンズ４０と屈折反射光学部材３０とについて、光学的な位置調整を別途行う必要がなくなる。さらに、レンズ４０と屈折反射光学部材３０とを含む投射光学系１２を小型化することができる。特に、レンズ４０と屈折反射光学部材３０とを一体成形等によって当初から一体型の複合部材６０とし、或いはレンズ４０と屈折反射光学部材３０とを相互の接合によって一体化して複合部材６０とすることで、レンズ４０及び屈折反射光学部材３０の位置調整の高精度化及び簡易化を達成することがより容易になり、投射光学系１２を小型化することがより容易になる。

屈折反射光学部材３０の非屈折面２２ｄ上にミラー層２２ｃを形成する際には、例えば蒸着といった手法が用いられる。蒸着によってミラー層２２ｃを形成する場合、図１２に示すように配置されるマスクＭＡによって、レンズ４０の入射側のレンズ面４１を覆う。なお、出射側のレンズ面４２と、入出射共通の屈折面２２ｅとについては、一括して反射防止膜を形成することができる。

複合部材６０において、レンズ４０の外縁の一部には、例えば一対の細長い部材で構成される支持体６３を形成することができる。この支持体６３は、レンズ４０又は複合部材６０に対して表示デバイス１１を位置決めして固定するために利用することができる。

図４及び５に戻って、第１ミラー部材２１と第３ミラー部材２３とは、連結部５１によって連結され、全体で外観部材５０を形成する。

光路について説明すると、表示デバイス１１からの画像光ＧＬは、レンズ４０を通過し、第１ミラー部材２１に入射して反射面２１ｒによって１００％に近い高い反射率で反射される。第１ミラー部材２１で反射された画像光ＧＬは、第２ミラー部材２２に入射して屈折面２２ｅで屈折されミラー面２２ｒによって１００％に近い高い反射率で反射される。第２ミラー部材２２からの画像光ＧＬは、第３ミラー部材２３に入射して反射面２３ｒによって５０％程度以下の反射率で反射される。第３ミラー部材２３で反射された画像光ＧＬは、観察者ＵＳの瞳ＥＹが配置される射出瞳ＥＰに入射する。第２ミラー部材２２と第３ミラー部材２３との間には中間像ＩＩが形成されている。中間像ＩＩは、表示デバイス１１の表示面１１ａに形成された画像を適宜拡大したものとなっている。射出瞳ＥＰの位置で観察される画角は対角約４８°を想定している。

以上で説明した第１ミラー部材２１及び第３ミラー部材２３は、表面ミラーに限られるものではなく、板状体２１ｂ，２３ｂの裏面にミラー膜２１ｃ，２３ｃを形成した裏面ミラーとすることができる。

以上で説明した実施形態の虚像表示装置１００によれば、投射光学系１２の入射側にレンズ４０を有するとともに、第２ミラー部材２２が屈折面２２ｅとミラー面２２ｒとを有する屈折反射光学部材３０であるので、複数のミラーを備える偏芯ミラー系を基本としつつもレンズ４０のレンズ面４１，４２や第２ミラー部材２２の屈折面２２ｅに収差を補正する役割を持たせ、広い画角に亘って解像度その他の光学性能を高めることができる。また、レンズ４０と屈折反射光学部材３０とが複合部材６０として一体型されているので、レンズ４０と屈折反射光学部材３０との位置決め精度を向上させることができ、組み立て部品点数を減らして投射光学系１２の小型化や信頼性向上を達成できる。

〔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。

第２ミラー部材２２のミラー面２２ｒは、ミラー層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。この場合、ミラー層２２ｃが不要となり、マスクＭＡを利用する蒸着も不要となる。

第２ミラー部材２２を屈折反射光学部材３０とするだけでなく、第１ミラー部材２１を屈折反射光学部材３０とすることもできる。

第３ミラー部材２３の外界側には、第３ミラー部材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。

図１３に例示する装置では、調光デバイス５５は、外観部材５０の略全体を覆っているが、第１ミラー部材２１の外界側は覆っていない。一方、調光デバイス５５は、第３ミラー部材２３の外界側やその周囲を覆っている。調光デバイス５５は、透過率を電気的に調整でき、透過率を約０％～約１００％の範囲で連続的に変化させることができる。調光デバイス５５を透過率略０％とすれば、いわゆる完全クローズド型のＶＲタイプのＨＭＤになり、透過率を上げて行けば、シースルー型になる。つまり、電子シェード等である調光デバイス５５の制御により、クローズド型及びシースルー型の双方に対応した両用タイプのＨＭＤとすることが可能になる。さらに、シースルー型のＨＭＤとして使用する場合であっても、外光照度に応じて調光デバイス５５の透過率を調整することで、表示像についてダイナミックレンジの拡張が可能となる。

また、本願発明の虚像表示装置は、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３ミラー部材２３のミラー膜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３ミラー部材の２３のミラー膜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。

１１…表示デバイス、１１ａ…表示面、１２…投射光学系、２１…第１ミラー部材、２１ａ，２３ａ…ミラー板、２１ｃ，２３ｃ…ミラー膜、２１ｓ，２１ｔ…表面、２３ｒ，２３ｒ…反射面、２２…第２ミラー部材、２２ｂ…屈折部材、２２ｃ…ミラー層、２２ｄ…非屈折面、２２ｅ…屈折面、２２ｒ…ミラー面、２３…第３ミラー部材、２４…第４ミラー部材、２４ａ…ミラー板、２４ｃ…ミラー膜、２４ｒ…反射面、３０…屈折反射光学部材、４０…レンズ、４１，４２…レンズ面、４１ａ，４２ａ…面領域、５０…外観部材、６０…複合部材、８０…フレーム、８１…本体部材、８２…ツル部、１００…虚像表示装置、ＡＸ…光軸、ＤＡ…表示像、ＥＰ…射出瞳、ＥＹ…瞳、ＧＬ…画像光、ＩＧ…投影像、ＩＩ…中間像、ＯＬ…外界光、ＵＳ…観察者

Claims

画像形成部と、
前記画像形成部からの画像光を屈折させるレンズと、
前記レンズを通過した画像光を反射させる第１ミラー部材と、
画像光が入射される入射側で前記第１ミラー部材で反射された画像光を屈折させ、入射
側で屈折させた画像光を反射させるミラー層を有する第２ミラー部材と、
前記第２ミラー部材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透過型の第
３ミラー部材と、
前記レンズと前記第２ミラー部材とを接合する接合部と、を備え、
前記第２ミラー部材は、前記第1ミラー部材で反射された画像光が入射され、前記ミラ
ー層で反射された画像光を前記第3ミラー部材に向けて通過させる屈折面を有する、虚像
表示装置。
前記第２ミラー部材は、前記第1ミラー部材で反射された画像光が入射される入射側の
屈折面と、前記ミラー層で反射された画像光を前記第3ミラー部材に向けて通過させる出
射側の屈折面と、を有する、請求項１に記載の虚像表示装置。
前記レンズの入射面は、前記第１ミラー部材及び前記第２ミラー部材によって規定され
る偏芯方向に対応する第１方向の光軸を含む断面において前記光軸に対して傾斜している
、請求項１または請求項２に記載の虚像表示装置。
前記レンズのレンズ面及び前記第2ミラー部材の前記屈折面は、非球面又は自由曲面で
ある、請求項１～３のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
前記第2ミラー部材の前記ミラーは、非球面又は自由曲面である、請求項４に記載の虚
像表示装置。
前記第１ミラー部材と前記第３ミラー部材とは、板状体の一方の表面上にミラー膜を形
成した構造を有するミラー板である、請求項１～５のいずれか一項に記載の虚像表示装置
。
前記第１ミラー部材及び前記第３ミラー部材の反射面は、非球面又は自由曲面である、
請求項６に記載の虚像表示装置。
前記画像形成部は、前記レンズ、前記第１ミラー部材、前記第２ミラー部材、及び前記
第３ミラー部材による歪曲収差を補正する歪んだ修正画像を表示する、請求項１～７のい
ずれか一項に記載の虚像表示装置。
前記第３ミラー部材は、前記射出瞳の位置を覆うとともに前記射出瞳の位置に向かって
凹形状を有する、請求項１～８のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
前記第１ミラー部材、前記第２ミラー部材、及び前記第３ミラー部材を通過する光軸は
、観察者の一対の瞳が並ぶ横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
れる、請求項１～９のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
前記第１ミラー部材及び前記第２ミラー部材は、前記第３ミラー部材よりも観察者の頭
部側に対応する上側に配置される、請求項１０に記載の虚像表示装置。
前記第2ミラー部材と前記レンズとは、アッベ数が５０以上の材料で形成されている、
請求項１～１１のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
前記第２ミラー部材と前記射出瞳の位置との距離は、１４ｍｍ以上である、請求項１～
１２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。