JP7447628B2 - 虚像表示装置及び光学ユニット - Google Patents

Description

本発明は、ヘッドマウントディスプレイ等である虚像表示装置及びこれに組み込まれる光学ユニットに関し、特に画像光を半透過反射面で反射させて凹面ミラーに入射させ凹面ミラーからの反射光を半透過反射面越しに観察するタイプの虚像表示装置等に関する。

半透過反射面と凹面ミラーとを備える虚像表示装置として、例えば半透過反射面を組み込んだプリズム部材を備えるものが存在する（特許文献１参照）。この装置では、プリズム部材に入射した画像光をプリズム部材の全反射面で半透過反射面に向けて全反射させて半透過反射面に導くとともに、半透過反射面によって画像光をプリズム部材の前方に配置された集光反射面に向けて反射することが記載され、半透過反射面の配置角度として上下軸となるＹ軸と半透過反射面の法線とがなす角度を４５°以上とすることが記載されている。

特開２０２０－００８７４９号公報

上記特許文献１の虚像表示装置では、半透過反射面の傾きを４５°以上となるように立ててプリズム部材の厚み方向の幅を小さくすることはできるものの、シースルー性を確保する観点で、プリズム部材の外界側と使用者側とを平行平面とするように２つのプリズム部材を貼り合わせる必要があり、光学系が重くなる。また、プリズムミラーによって投射光学系の光軸が横方向に延びるようにしており、凹面ミラーが湾曲していることも影響して、投射光学系や表示デバイスが凹面ミラーの上側や横方向外側にはみ出すように配置されることになり、光学系全体が大きくなってしまっている。

本発明の一側面における虚像表示装置は、画像光生成装置と、画像光生成装置から射出された画像光を投射する投射光学系と、投射光学系からの画像光を交差方向に反射する折り返しミラーと、折り返しミラーからの画像光の一部を反射する半透過ミラーと、半透過ミラーで反射された画像光を半透過ミラーに向けて反射して射出瞳を形成する凹面ミラーとを備え、画像光生成装置から折り返しミラーに至る画像光の光軸は、半透過ミラーを仮想的に延長した第１仮想延長面と、凹面ミラーを仮想的に延長した第２仮想延長面との間に配置され、画像光生成装置から折り返しミラーに至る画像光の光軸は、半透過ミラーの法線と凹面ミラーの軸線とを含む基準平面の法線に対して１０°以上３０°以下傾いている。

第１実施形態の虚像表示装置の装着状態を説明する外観斜視図である。 図１の虚像表示装置等の構造を説明する斜視図である。 図１の虚像表示装置の平面図及び側面図である。 第２実施形態の虚像表示装置の平面図及び側面図である。 第３実施形態の虚像表示装置の側面図である。 変形例の虚像表示装置を説明する側面図である。 別の変形例の虚像表示装置を説明する側面図である。

〔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の外観を説明する斜視図であり、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。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を代表の虚像表示装置１００として説明する。

図２は、右眼用の表示装置１００Ａである虚像表示装置１００を説明する斜視図であり、図３は、虚像表示装置１００の光学的構造を説明する図である。図３において、第１領域ＡＲ１は、画像光生成装置１１及び光学ユニット１２の平面図であり、第２領域ＡＲ２は、画像光生成装置１１及び光学ユニット１２の側面図である。

図２に示すように、虚像表示装置１００は、画像光生成装置１１と光学ユニット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虚像表示装置１００と呼ぶ。

画像光生成装置１１は、自発光型の表示デバイスであり、例えば有機ＥＬ（有機エレクトロルミネッセンス、Organic Electro-Luminescence）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。画像光生成装置１１は、表示制御回路１３に駆動されて表示動作を行う。画像光生成装置１１は、有機ＥＬに限らず、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置き換えることができる。画像光生成装置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で画像を形成するものであってもよい。画像光生成装置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２及び３に示すように、光学ユニット１２は、投射光学系２１と、折り返しミラー２２と、半透過ミラー２３と、凹面ミラー２４とを備える。ここで、画像光生成装置１１から折り返しミラー２２にかけての光路が半透過ミラー２３の上側すなわち＋Ｙ側に配置されている。光学ユニット１２において、投射光学系２１の光軸である投射光軸ＡＸ０は、折り返しミラー２２から半透過ミラー２３に向かう光軸である反射光軸ＡＸ２と、凹面ミラー２４から射出瞳ＥＰに向かう光軸である射出光軸ＡＸＥとを含むＹＺ面に平行な仮想的な基準平面ＳＰ１（図３の第１領域ＡＲ１参照）に対して、交差する方向に配置されている。基準平面ＳＰ１は、半透過ミラー２３の法線ＮＬと凹面ミラー２４の軸線ＭＸとを含むものとなっている。この光学ユニット１２では、折り返しミラー２２までの投射光軸ＡＸ０が基準平面ＳＰ１の法線ＮＬ０に対して傾斜して角度をなしており、また、折り返しミラー２２からの反射光軸ＡＸ２が鉛直方向のＹ方向に対して傾斜して角度をなしており、折り返しミラー２２と半透過ミラー２３とによって、傾いてねじれて折れ曲がる光路を形成している。

投射光学系２１は、画像光生成装置１１から射出された画像光ＭＬを投射する。投射光学系２１は、画像光生成装置１１から射出された画像光ＭＬを結像するように収束させつつ折り返しミラー２２に向けて入射させる。投射光学系２１は、単レンズに限らず、図３に示す例では３つのレンズ２１ａ，２１ｂ，２１ｃを含むが、２又は４以上のレンズで構成することができる。レンズ２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、球面レンズに限らず、非球面レンズとすることができる。

投射光学系２１の光軸である投射光軸ＡＸ０は、上から見て、光路上流において半透過ミラー２３側（つまり－Ｚ側）に投射光軸ＡＸ０が傾斜するように配置されている。つまり、投射光軸ＡＸ０は、横のＸ軸方向を基準として、鉛直のＹ軸の周りに時計方向に角度α０傾いた状態となっている。より具体的には、投射光学系２１を通る画像光ＭＬの光軸である投射光軸ＡＸ０は、半透過ミラー２３の法線ＮＬと凹面ミラー２４の軸線ＭＸとを含む基準平面ＳＰ１の法線ＮＬ０に対して、Ｙ軸の周りに時計方向に１０°以上３０°以下の角度α０で傾いている。角度α０を１０°以上とすることで、画像光生成装置１１が装着者ＵＳの顔面から離れて前方に突出する傾向を抑制しやすくなり、角度α０を３０°以下とすることで、折り返しミラー２２が装着者ＵＳの顔面から離れて前方に突出する傾向を抑制しやすくなる。つまり、投射光軸ＡＸ０の傾きの角度α０を基準平面ＳＰ１の法線ＮＬ０に対して１０°以上３０°以下とすることで、画像光生成装置１１や折り返しミラー２２を顔面に沿って配置しやすくなり、虚像表示装置１００をスタイリッシュにコンパクト化することができる。

本明細書において、投射光学系２１の投射光軸ＡＸ０については、画像光生成装置１１から折り返しミラー２２に至るまでで考える。投射光軸ＡＸ０の始点である第１端ＰＸ０は、表示面１１ａ上にあり、投射光軸ＡＸ０の終点である第２端ＰＸ１は、折り返しミラー２２を構成する第１ミラー２２ａ上にある。投射光軸ＡＸ０は、投射光学系２１を構成する光学面に共通する回転対称軸を通る。投射光軸ＡＸ０の第１端ＰＸ０は、表示面１１ａの中央に設定され、投射光軸ＡＸ０は、表示面１１ａの中央からその法線方向に延びる。投射光軸ＡＸ０は、半透過ミラー２３を仮想的に延長した第１仮想延長面Ｐ２１と、凹面ミラー２４を仮想的に延長した近似曲面である第２仮想延長面Ｐ１２との間に配置される（図３の第２領域ＡＲ２参照）。投射光軸ＡＸ０をこのように配置することで、画像光生成装置１１や折り返しミラー２２が凹面ミラー２４の前方や半透過ミラー２３の背面方向に出っ張ることを防止しやすくなる。より好ましくは、投射光軸ＡＸ０は、半透過ミラー２３の平面反射面ＭＳ３についてその上端を鉛直Ｙ方向に仮想的に延長した鉛直平面Ｐ２２と、上記第２仮想延長面Ｐ１２との間に配置されることが望ましい。

以上と同様の理由で、投射光学系２１と画像光生成装置１１とは、半透過ミラー２３を仮想的に延長した第１仮想延長面Ｐ２１と、凹面ミラー２４を仮想的に延長した第２仮想延長面Ｐ１２との間に挟まれた空間内に配置されることが望ましい。ただし、投射光学系２１や画像光生成装置１１は、投射光軸ＡＸ０に垂直な方向に幅を有するので、実際上は制限を緩くして、半透過ミラー２３の仮想的な第１仮想延長面Ｐ２１と、凹面ミラー２４の上端外側を鉛直Ｙ方向に仮想的に延長した鉛直円筒状曲面Ｐ１１との間に挟まれた断面楔形の空間内に配置されることが望ましい。より好ましくは、投射光学系２１と画像光生成装置１１とは、半透過ミラー２３について設定した鉛直平面Ｐ２２と、凹面ミラー２４について設定した第２仮想延長面Ｐ１２との間に配置されることが望ましい。

折り返しミラー２２は、画像光生成装置１１からの光路順で、第１ミラー２２ａと第２ミラー２２ｂとを含む。折り返しミラー２２は、投射光学系２１からの画像光ＭＬを交差方向に反射する。ここで、交差方向とは、投射光軸ＡＸ０に対して０°より大きな角度をなす方向であって、ねじれの関係にある方向を含む。本実施形態の場合、折り返しミラー２２によって、ねじれの関係にある非垂直方向に光路が折り曲げられている。第２ミラー２２ｂの光射出側には、後述する半透過ミラー２３が配置されており、半透過ミラー２３を第３ミラーと呼ぶこともある。折り返しミラー２２の手前、つまり画像光ＭＬの進行方向に対して逆方向の画像光生成装置１１側には、虚像表示装置１００の入射瞳ＰＩが配置されている。

第１ミラー２２ａは、平板状の光学部材であり、平面反射面ＭＳ１を有する。第１ミラー２２ａの平面反射面ＭＳ１は、金属膜又は誘電体多層膜からなる。この場合、平板平面上に、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する。第１ミラー２２ａは、平面反射面ＭＳ１によって略横方向に進む画像光ＭＬを略前方向に折り曲げ、第２ミラー２２ｂに入射させる。この際、投射光学系２１の光軸である投射光軸ＡＸ０と、第１ミラー２２ａから第２ミラー２２ｂに向かう反射光軸ＡＸ１とは交差する。第２ミラー２２ｂに向かう反射光軸ＡＸ１は、ＹＺ面に沿って＋Ｚ方向及び－Ｙ方向に延びるものとなっており、前方斜め下方向に傾斜するものとなっている。第１ミラー２２ａは、不図示の部材によって図１に示す表示駆動部１０２のフレームに固定されている。

第１ミラー２２ａ又は平面反射面ＭＳ１は、基準平面ＳＰ１に垂直で鉛直方向に延びるＸＹ面を基準とした場合、ＸＹ面に対して上から見てＹ軸の周りに時計方向に角度α１（α１＞４５°）傾いた状態となっている。第１ミラー２２ａ又は平面反射面ＭＳ１は、基準平面ＳＰ１に垂直で鉛直方向に延びるＸＹ面に対して４５°傾いた方向を基準とした場合、投射光軸ＡＸ０の傾きの角度α０との関係で、上から見て基本的な配置の仮想面ＳＳに対してＹ軸の周りに時計方向に角度α１'＝α０／２傾いた状態となっている。なお、第１ミラー２２ａは、Ｘ軸の周りにも第２ミラー２２ｂに向けて僅かに伏すように傾いた状態となっている。

第１ミラー２２ａの平面視での姿勢と、投射光学系２１を通る投射光軸ＡＸ０の平面視での傾斜との関係について説明する。第１ミラー２２ａをＸＹ面に対して上から見てＹ軸の周りに時計方向に４５°回転させて仮想面ＳＳと平行にした状態を基準として、第１ミラー２２ａを上から見てＹ軸の周りに時計方向に回転させると、投射光軸ＡＸ０は、法線ＮＬ０を基準として、第１ミラー２２ａの倍の回転量で時計方向に回転する。なお、仮想面ＳＳに平行な基準から、第１ミラー２２ａを上から見てＹ軸の周りに反時計方向に回転させたと仮定すると、投射光軸ＡＸ０は、法線ＮＬ０を基準として、第１ミラー２２ａの倍の回転量で反時計方向に回転する。いずれにしても、投射光軸ＡＸ０の傾き角度α０は、第１ミラー２２ａの傾き角度α１'に応じて、２×α１'に保たれる。

第２ミラー２２ｂは、平板状の光学部材であり、平面反射面ＭＳ２を有する。第２ミラー２２ｂの平面反射面ＭＳ２は、金属膜又は誘電体多層膜からなる。この場合、平板平面上に、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する。第２ミラー２２ｂは、平面反射面ＭＳ２によって前方向に進む画像光ＭＬを後方向に折り曲げ、第３ミラーである半透過ミラー２３に入射させる。この際、第１ミラー２２ａから第２ミラー２２ｂに向かう反射光軸ＡＸ１と、第２ミラー２２ｂから半透過ミラー２３に向かう反射光軸ＡＸ２とは交差する。半透過ミラー２３に向かう反射光軸ＡＸ２は、ＹＺ面に沿って－Ｚ方向及び－Ｙ方向に延びるものとなっており、後方斜め下方向に傾斜するものとなっている。第２ミラー２２ｂは、不図示の部材によって図１に示す表示駆動部１０２のフレームに固定されている。

第２ミラー２２ｂ又は平面反射面ＭＳ２は、基準平面ＳＰ１に垂直で鉛直方向に延びるＸＹ面を基準とした場合、ＸＹ面に対して画像光生成装置１１側から見てＸ軸の周りに反時計方向に角度α２＝２０～４０°程度傾いた状態となっている。平面反射面ＭＳ２の法線は、ＹＺ面に平行な面内にあって、Ｚ軸に対して反時計回りに２０°～４０°程度傾いた状態となっている。

半透過ミラー２３は、半透過性を有する表面ミラーとして機能する平板状の光学部材であり、平面反射面ＭＳ３を有する。半透過ミラー２３は、一様な厚さを有し透過性を有する平行平板２３ａの一方面２３ｆに金属膜又は誘電体多層膜を形成して平面反射面ＭＳ３としている。平面反射面ＭＳ３の反射率及び透過率は、例えば５０％程度に設定される。なお、平行平板２３ａの他方面２３ｒ上には、反射防止膜を形成することができる。半透過ミラー２３は、平面反射面ＭＳ３によって斜め後方向に進む画像光ＭＬを前方に折り曲げ、凹面ミラー２４に入射させる。この際、第２ミラー２２ｂから半透過ミラー２３に向かう反射光軸ＡＸ２と、半透過ミラー２３から凹面ミラー２４に向かう射出光軸ＡＸＥとは交差する。射出光軸ＡＸＥは、凹面ミラー２４の軸線ＭＸと一致し、＋Ｚ方向である前方に延びるものとなっている。ここで、凹面ミラー２４の軸線ＭＸとは、通常は凹面ミラー２４の回転対称軸を意味する。例えば凹面ミラー２４が回転対称な形状からずれている場合、凹面ミラー２４の軸線ＭＸとは、射出光軸ＡＸＥと凹面ミラー２４との交点を通り、この交点における凹面ミラー２４に対する接平面の法線を意味する。半透過ミラー２３は、凹面ミラー２４と眼ＥＹ又は瞳孔が配置される射出瞳ＥＰとの間に配置されて射出瞳ＥＰを覆っている。半透過ミラー２３は、図１に示す表示駆動部１０２のフレームに対して直接又は間接的に固定することができ、凹面ミラー２４等に対する配置関係が適切に設定された状態とすることができる。

虚像表示装置１００の光軸は、表示面１１ａの中央から投射光学系２１を通って第１ミラー２２ａまで延びる投射光軸ＡＸ０と、第１ミラー２２ａから第２ミラー２２ｂまで延びる反射光軸ＡＸ１と、第２ミラー２２ｂから半透過ミラー２３まで延びると反射光軸ＡＸ２と、半透過ミラー２３と交差し凹面ミラー２４と射出瞳ＥＰとの間に延びる射出光軸ＡＸＥとを含み、これらの光軸ＡＸ０，ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＸＥは、折れ曲がりながらつながっている。つまり、第１ミラー２２ａ、第２ミラー２２ｂ、半透過ミラー２３等で路の折り返しが生じないように光路を展開した場合、光軸ＡＸ０，ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＸＥは、一直線に延びる軸となり、投射光学系２１や凹面ミラー２４は、この一直線に延びる軸の周りに対称的に配置される。なお、投射光軸ＡＸ０の第１端ＰＸ０については、表示面１１ａの中央に設定する必要はなく、表示面１１ａの中央からずらすことができる。この場合、装着者ＵＳの両眼ＥＹに対して正面からずれた方向に映像を表示させることができる。

半透過ミラー２３又は平面反射面ＭＳ３は、基準平面ＳＰ１に垂直で鉛直方向に延びるＸＹ面を基準とした場合、ＸＹ面に対して画像光生成装置１１側から見てＸ軸の周りに反時計方向に角度α３＝２０～４０°程度傾いた状態となっている。平面反射面ＭＳ３の法線ＮＬは、ＹＺ面に平行な面内にあって、Ｚ軸に対して反時計回りに２０°～４０°程度傾いた状態となっている。以上のように、半透過ミラー２３は、鉛直軸であるＹ軸と半透過ミラー２３とがなす角度が４５°未満となるように配置されている。Ｙ軸と半透過ミラー２３とがなす角度が仮に４５°よりも大きくなると、半透過ミラー２３が標準より倒れた状態となって、半透過ミラーのＺ軸方向における厚みが増えてしまうが、Ｙ軸と半透過ミラー２３とがなす角度が４５°よりも小さくなると、半透過ミラー２３が標準よりも立ち上がった状態となって、半透過ミラーのＺ軸方向における厚みが減る。つまり、本実施形態のようにＹ軸と半透過ミラー２３とがなす角度を４５°未満とすることで、凹面ミラー２４を基準として半透過ミラー２３が背面の－Ｚ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、虚像表示装置１００又は光学ユニット１２の前後のＺ方向に関する厚みが増すことを回避することができる。

凹面ミラー２４は、図１に示す半透過性の表面ミラーとして機能する湾曲した光学部材であり、射出瞳ＥＰに向かって凹形状を有する凹面反射面ＭＣを有する。凹面ミラー２４は、一様な厚さを有し透過性を有する湾曲した板状体２４ａの一方面２４ｒに金属膜又は誘電体多層膜を形成して凹面反射面ＭＣとしている。平面反射面ＭＳ３の反射率は、例えば２０～５０％程度に設定される。なお、板状体２４ａの他方面２４ｆ上には、反射防止膜を形成することができる。凹面反射面ＭＣは、球面に限らず、非球面とすることができる。凹面ミラー２４は、半透過ミラー２３で反射されて前方に進む画像光ＭＬを反射して半透過ミラー２３に戻しつつ半透過ミラー２３を部分的に透過させ射出瞳ＥＰに集める。この際、半透過ミラー２３から凹面ミラー２４に向かう射出光軸ＡＸＥは、凹面ミラー２４で折り返されて射出瞳ＥＰに向かう光軸と一致している。射出瞳ＥＰは、折り返しミラー２２の手前に配置された入射瞳ＰＩと共役な位置となっている。

凹面ミラー２４は、外観部材１０３の一部を構成するように組み込まれている。つまり、凹面ミラー２４の周囲に透過性を有し或いは透過性を有しない板状部材を拡張するように設けることで、凹面ミラー２４を含む外観部材１０３とすることができる。外観部材１０３は、メガネレンズ状のものに限らず、様々な輪郭又は外観とすることができる。

以上において、第２ミラー２２ｂは、半透過ミラー２３に対して平行でない。つまり、半透過ミラー２３の傾斜角度である角度α３に対して、第２ミラー２２ｂの傾斜角度である角度α２は、異なるものとなっている。この結果として、投射光学系２１の投射光軸ＡＸ０について考えたとき、つまり投射光軸ＡＸ０に沿って背後から見たとき、画像の横方向に対応する横軸Ｈは、水平なＺ方向に対して傾斜角θをなすように回転させている。画像の横軸Ｈは、画像光生成装置１１の表示面１１ａが図示のように矩形である場合、その横辺に対応する。画像の横軸Ｈは、射出瞳ＥＰを通る射出光軸ＡＸＥについて考えたとき、つまり射出光軸ＡＸＥに沿って見たとき、Ｘ方向に平行に延びるＨＤに相当するものとなっている。画像の横軸と縦軸との比は、例えば１６：９といった値に設定される。

より詳細に説明すると、第２ミラー２２ｂの角度α２と半透過ミラー２３の角度α３とは、α３＞α２なる関係を満たしており、半透過ミラー２３が４５°傾斜した基準状態から立ち上がる角度よりも第２ミラー２２ｂが４５°傾斜した基準状態から立ち上がる角度を大きくしている。これを補償するように、画像光生成装置１１や表示面１１ａの横軸Ｈが水平のＺ方向に対して傾斜角θとなるように画像光生成装置１１の表示面１１ａを背後から見て時計方向に回転させている。さらに、投射光学系２１の投射光軸ＡＸ０の水平面内での回転は、第２ミラー２２ｂでの反射の前後における反射光軸ＡＸ１，ＡＸ２を含む平面の法線であって第１ミラー２２ａからの反射光軸ＡＸ１の始点を通るもの（具体的には図３示す法線ＮＬ０に相当）を基準として、第１ミラー２２ａでの反射後の反射光軸ＡＸ１の周りに回転するように傾斜する成分を僅かに有するので、この傾斜に応じて画像光生成装置１１の表示面１１ａを背後から見て時計方向に追加的に回転させている。以上の結果、画像の欠けがなくなり、表示面１１ａの画面全体を有効に活用することができる。

以下に、投射光学系２１の投射光軸ＡＸ０の傾きの画像光生成装置１１の姿勢への影響について説明する。まず、理解を簡単にするために、第２ミラー２２ｂの角度α２と半透過ミラー２３の角度α３とが等しく反射光軸ＡＸ１が水平のＺ軸方向に延びるものとする。この場合、投射光軸ＡＸ０を第１ミラー２２ａとの交点を基点としてＹ軸の周りに回転させても、つまり投射光軸ＡＸ０を水平面内で回転させても、表示面１１ａは、水平なＹＺ面に沿って投射光軸ＡＸ０とともに横方向に移動するだけであり、投射光軸ＡＸ０の周りに回転する傾きは生じない。一方、投射光軸ＡＸ０をＹ軸に非平行な軸の周りに回転させると、表示面１１ａは、投射光軸ＡＸ０の周りに回転して画像が傾く傾向が生じる。例えば、画像光生成装置１１が－Ｘ側において－Ｙ側に下がるように投射光軸ＡＸ０を回転させると、正面に向いて時計方向の回転であり、表示面１１ａつまり表示領域を＋Ｘ方向に向いて時計方向に回転させることで観察される画像を正立させることができる。逆に、画像光生成装置１１が－Ｘ側おいて＋Ｙ側に上がるように投射光軸ＡＸ０を回転させると、正面に向いて反時計方向の回転であり、表示面１１ａつまり表示領域を＋Ｘに向いて反時計方向に回転させることで観察される画像を正立させることができる。本実施形態の場合、第２ミラー２２ｂの角度α２と半透過ミラー２３の角度α３とが等しくない。よって、既述のように、第２ミラー２２ｂでの反射の前後における反射光軸ＡＸ１，ＡＸ２を含む平面の法線であって第１ミラー２２ａからの反射光軸ＡＸ１の始点を通るもの（具体的には図３示す法線ＮＬ０に相当）を基準として、投射光学系２１の投射光軸ＡＸ０の水平面内での回転であっても、第１ミラー２２ａでの反射後の反射光軸ＡＸ１の周りに回転するように傾斜する成分を僅かに有する。本実施形態の場合、このような反射光軸ＡＸ１の傾斜成分に応じて、角度α２，α３の相違に起因するものとは別に、画像光生成装置１１の表示面１１ａを背後から見て時計方向に追加的に回転させている。

半透過ミラー２３と凹面ミラー２４とに対する折り返しミラー２２の配置関係について説明する。折り返しミラー２２は、半透過ミラー２３と凹面ミラー２４との間に配置されている。具体的には、第１ミラー２２ａと第２ミラー２２ｂとは、半透過ミラー２３の平面反射面ＭＳ３についてこれを仮想的に延長した第１仮想延長面Ｐ２１と、凹面ミラー２４の上端外側を鉛直Ｙ方向に仮想的に延長した鉛直円筒状曲面Ｐ１１との間に挟まれた断面楔形の空間内に配置されている。さらに、より好ましい条件を満たすように、第１ミラー２２ａと第２ミラー２２ｂは、半透過ミラー２３の平面反射面ＭＳ３についてその上端を鉛直Ｙ方向に仮想的に延長した鉛直平面Ｐ２２と、凹面ミラー２４の上端外側を仮想的に延長した２次の第２仮想延長面Ｐ１２との間に配置されている。以上では、半透過ミラー２３の平面反射面ＭＳ３についてこれを仮想的に延長した第１仮想延長面Ｐ２１と凹面ミラー２４の上端外側を鉛直Ｙ方向に仮想的に延長した鉛直円筒状曲面Ｐ１１との間に挟まれた空間を、断面楔形の空間と称しているが、折り返しミラー２２を配置する空間は、半透過ミラー２３や凹面ミラー２４の配置や形状に依存し、断面楔形に限るものではない。以下に説明する別の実施形態や変形例においても同様である。

折り返しミラー２２を構成する第２ミラー２２ｂについては、半透過ミラー２３の上端を鉛直Ｙ方向に仮想的に延長した鉛直平面Ｐ２２よりも、凹面ミラー２４の上端外側を側を鉛直Ｙ方向に仮想的に延長した鉛直円筒状曲面Ｐ１１の近くに配置されている。第２ミラー２２ｂの位置については、反射光軸ＡＸ１，ＡＸ２の交点で判断する。このように第２ミラー２２ｂが鉛直平面Ｐ２２よりも鉛直円筒状曲面Ｐ１１に近い場合、第２ミラー２２ｂに隣接して第１ミラー２２ａを組み込むことが容易になり、画像光生成装置１１を半透過ミラー２３側に突出しにくくすることができる。

折り返しミラー２２を構成する第１ミラー２２ａと第２ミラー２２ｂとは、凹面ミラー２４の有効領域ＥＡ１や半透過ミラー２３の有効領域ＥＡ２を遮ることを回避するように配置されている。例えば有効領域ＥＡ１については、半透過ミラー２３の近傍に点線で示している。具体的には、第２ミラー２２ｂの位置は、側面から見て、有効領域ＥＡ１と、有効領域ＥＡ２と、半透過ミラー２３によって反射される画像光ＭＬの上下の最端の画角の光線とで形成される領域よりも画像光生成装置１１側に配置されている。光学設計上は、折り返しミラー２２を構成する第２ミラー２２ｂを－Ｙ側に下げることは容易であるが、第２ミラー２２ｂ等を過度に下げると射出瞳ＥＰからの視界が妨げられる。このように、折り返しミラー２２が凹面ミラー２４及び半透過ミラー２３の有効領域ＥＡ１，ＥＡ２を遮ることを回避するように配置されることで、折り返しミラー２２を過度に下げて凹面ミラー２４や半透過ミラー２３との間で干渉が生じることを防止できる。つまり、装着者ＵＳの眼ＥＹ又は射出瞳ＥＰから見て、折り返しミラー２２が映像領域に対応する画角を遮らないように配置されている。

光路について説明すると、画像光生成装置１１からの画像光ＭＬは、投射光学系２１によって結像されるように集光され、折り返しミラー２２の第１ミラー２２ａと第２ミラー２２ｂとによって順次反射され、半透過ミラー２３に入射する。半透過ミラー２３で例えば５０％程度反射された画像光ＭＬは、凹面ミラー２４に入射して凹面反射面ＭＣによって例えば５０％程度以下の反射率で反射される。凹面ミラー２４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射出瞳ＥＰに入射する。半透過ミラー２３と第２ミラー２２ｂと間には、中間像ＩＩが形成されている。中間像ＩＩは、画像光生成装置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には、凹面ミラー２４を通過した外界光ＯＬも入射する。つまり、ＨＭＤ２００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。

以上で説明した、第１実施形態の虚像表示装置１００では、画像光生成装置１１から折り返しミラー２２に至る画像光ＭＬの投射光軸ＡＸ０が半透過ミラー２３を仮想的に延長した第１仮想延長面Ｐ２１と、凹面ミラー２４を仮想的に延長した第２仮想延長面Ｐ１２との間に配置されるので、画像光生成装置１１や折り返しミラー２２が凹面ミラー２４の前方や半透過ミラー２３の背面方向に出っ張ることを防止でき、光学系全体を小さく収めることができ、虚像表示装置１００を小型化することができる。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態の虚像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。第２実施形態の虚像表示装置等は、第１実施形態の虚像表示装置等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は、第２実施形態の虚像表示装置１００の光学的構造を説明する図である。第１領域ＢＲ１は、画像光生成装置１１及び光学ユニット１２の平面図であり、第２領域ＢＲ２は、画像光生成装置１１及び光学ユニット１２の側面図である。この場合、折り返しミラー２２は、単一のミラー１２２ａのみからなる。ミラー１２２ａの平面反射面ＭＳ１２の法線は、－Ｘ方向、－Ｙ方向、及び－Ｚ方向に延びるものとなっている。折り返しミラー２２は、投射光学系２１からの画像光ＭＬを交差方向に反射する。具体的には、投射光学系２１の投射光軸ＡＸ０は、横のＸ軸方向を基準として、鉛直のＹ軸の周りに時計方向に角度α０傾いた状態となっている。より具体的には、投射光軸ＡＸ０は、半透過ミラー２３の法線ＮＬと凹面ミラー２４の軸線ＭＸとを含む基準平面ＳＰ１の法線ＮＬ０に対して、Ｙ軸の周りに時計方向に１０°以上３０°以下の角度α０で傾いている。また、折り返しミラー２２から半透過ミラー２３に向かう反射光軸ＡＸ２はＹＺ面に沿って－Ｙ方向と－Ｚ方向との間の斜め下方向に設定されている。

第２実施形態の虚像表示装置１００では、半透過ミラー２３の角度α３は、２０～４０°程度に設定され、基準の４５°に対して立ち上がるように傾斜させた状態で配置されている。投射光軸ＡＸ０に沿って見たとき、表示面１１ａにおいて画像の横方向に対応する横軸Ｈは、鉛直なＹ方向が本来の長手方向であるが、これに対して傾斜角θをなすように回転させたものとなっている。画像の横軸Ｈは、射出瞳ＥＰを通る射出光軸ＡＸＥについて考えたとき、つまり射出光軸ＡＸＥに沿って見たとき、Ｘ方向に平行に延びるＨＤに相当するものとなっている。なお、半透過ミラー２３の角度α３が標準的な４５°であるとき、仮に投射光軸ＡＸ０が法線ＮＬ０に平行であるとすれば、画像の横軸Ｈは、鉛直のＹ方向に平行となり、表示面１１ａは、鉛直方向に長い状態で配置される。

本実施形態の虚像表示装置１００では、上記のように半透過ミラー２３の角度α３が基準の４５°に対して立ち上がるように傾斜させた状態で配置されているだけでなく、投射光軸ＡＸ０が横のＸ軸方向を基準として鉛直のＹ軸の周りに時計方向に角度α０傾いた状態となっている。この結果、投射光軸ＡＸ０は、半透過ミラー２３での反射の前後における反射光軸ＡＸ２及び射出光軸ＡＸＥを含む平面の法線であってミラー１２２ａからの反射光軸ＡＸ２の始点を通るもの（具体的には図４に示す法線ＮＬ０に相当）を基準として、ミラー１２２ａでの反射後の反射光軸ＡＸ２の周りに回転するように傾斜する成分を有するので、この傾斜に応じて画像光生成装置１１の表示面１１ａを背後から見て時計方向に追加的に回転させている。以上の結果、画像の欠けがなくなり、表示面１１ａの画面全体を有効に活用することができる。

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態の虚像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。第３実施形態の虚像表示装置等は、第１実施形態の虚像表示装置等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は、第３実施形態の虚像表示装置１００の光学的構造を説明する図である。この場合、第１実施形態の虚像表示装置１００を上下反転させたものである。結果的に、画像光生成装置１１、投射光学系２１、及び折り返しミラー２２が、半透過ミラー２３や凹面ミラー２４の下端以下に配置される。

以上において、投射光学系２１の投射光軸ＡＸ０は、横のＸ軸方向を基準として、鉛直のＹ軸の周りに時計方向に角度α０傾いた状態となっている。図示を省略するが、投射光軸ＡＸ０は、図３の第１領域ＡＲ１に示す状態と同様に、半透過ミラー２３の法線ＮＬと凹面ミラー２４の軸線ＭＸとを含む基準平面ＳＰ１の法線ＮＬ０に対して、Ｙ軸の周りに時計方向に１０°以上３０°以下の角度α０で傾いている。

〔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。

図６に示すように、投射光学系２１の投射光軸ＡＸ０を水平面に対して傾斜させることもできる。この場合、投射光学系２１は、半透過ミラー２３の背面から正面に向いて横のＸ軸方向又は水平面ＨＰを基準として水平のＺ軸の周りに時計方向に角度α０１傾いた状態となっている。なお、図示を省略するが、投射光軸ＡＸ０は、図３の第１領域ＡＲ１に示すものと同様に、上から見て、光路上流において半透過ミラー２３側（つまり－Ｚ側）に投射光軸ＡＸ０が傾斜するように配置されており、横のＸ軸方向を基準として、鉛直のＹ軸の周りに時計方向に角度α０傾いた状態となっている。

上記実施形態の虚像表示装置１００では、画像光生成装置１１として有機ＥＬ素子等の自発光型の表示デバイスやＬＣＤ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。

図２、３等において、第２ミラー２２ｂは、凹面ミラー２４とは別体として配置されているが、第２ミラー２２ｂの配置や角度の調整等の工夫によって凹面ミラー２４から上側に連続するように連結することもできる。

図７に示すように、第２ミラー２２ｂは、凹面ミラー２４の上端から延びる連結部材２８を介して連結されている。凹面ミラー２４、第２ミラー２２ｂ、及び連結部材２８は、略等しい厚みを有する。また、凹面ミラー２４と連結部材２８との境界は滑らかに変形し、第２ミラー２２ｂと連結部材２８との境界は滑らかに変形している。この場合、図１に示す外観部材１０３は、凹面ミラー２４や第２ミラー２２ｂを含む一体的な部材とすることができる。

虚像表示装置１００の光学ユニット１２については、凹面ミラー２４の軸線ＭＸを射出光軸ＡＸＥに対して、例えばＹＺ面内で傾けた軸外し系とすることもできる。

凹面ミラー２４の外界側には、凹面ミラー２４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、エレクトロクロミック素子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することができる。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。

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、画像光生成装置と、画像光生成装置から射出された画像光を投射する投射光学系と、投射光学系からの画像光を交差方向に反射する折り返しミラーと、折り返しミラーからの画像光の一部を反射する半透過ミラーと、半透過ミラーで反射された画像光を半透過ミラーに向けて反射して射出瞳を形成する凹面ミラーとを備え、画像光生成装置から折り返しミラーに至る画像光の光軸は、半透過ミラーを仮想的に延長した第１仮想延長面と、凹面ミラーを仮想的に延長した第２仮想延長面との間に配置される。

上記虚像表示装置では、画像光生成装置から折り返しミラーに至る画像光の光軸が半透過ミラーを仮想的に延長した第１仮想延長面と、凹面ミラーを仮想的に延長した第２仮想延長面との間に配置されるので、画像光生成装置や折り返しミラーが凹面ミラーの前方や半透過ミラーの背面方向に出っ張ることを防止でき、光学系全体を小さく収めることができ、虚像表示装置を小型化することができる。

具体的な側面において、画像光生成装置から折り返しミラーに至る画像光の光軸は、半透過ミラーの法線と凹面ミラーの軸線とを含む基準平面の法線に対して１０°以上３０°以下傾く。この場合、画像光生成装置や折り返しミラーを顔面に沿って配置しやすくなり、虚像表示装置をスタイリッシュにコンパクト化することができる。

具体的な側面において、半透過ミラーは、鉛直軸と半透過ミラーとがなす角度が４５°未満となるように配置され、折り返しミラーは、半透過ミラーと凹面ミラーとの間に配置される。この場合、凹面ミラーを基準として半透過ミラーが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、かつ、折り返しミラーの突出を抑えることができ、光学系の前後方向の厚みが増すことを回避することができる。

具体的な側面において、折り返しミラーは、画像光生成装置からの光路順で、第１ミラーと第２ミラーとを含み、第２ミラーと半透過ミラーとは、凹面ミラーの軸線に垂直な平面に対して垂直な水平軸の周りにそれぞれ４５°傾斜させた状態を基準として、異なる傾斜角をなすように傾斜させた状態で配置されている。この場合、第２ミラーの配置の自由度が高まる。

具体的な側面において、第２ミラーは、半透過ミラーの上端を鉛直方向に仮想的に延長した面よりも、凹面ミラーの上端を鉛直方向に仮想的に延長した面の近くに配置されている。この場合、第１ミラーの組み込みが容易になり、画像光生成装置を半透過ミラー側に吐出しにくくすることができる。

具体的な側面において、折り返しミラーは、凹面ミラー及び半透過ミラーの有効領域を遮ることを回避するように配置される。この場合、折り返しミラーを過度に下げて凹面ミラーや半透過ミラーとの間で干渉が生じることを防止できる。

具体的な態様における光学ユニットは、画像光生成装置から射出された画像光を投射する投射光学系と、投射光学系からの画像光を交差方向に反射する折り返しミラーと、折り返しミラーからの画像光の一部を反射する半透過ミラーと、半透過ミラーで反射された画像光を半透過ミラーに向けて反射して射出瞳を形成する凹面ミラーとを備え、画像光生成装置を設置する個所から折り返しミラーに至る画像光の光軸は、半透過ミラーを仮想的に延長した第１仮想延長面と、凹面ミラーを仮想的に延長した第２仮想延長面との間に配置される。

上記光学ユニットでは、画像光生成装置を設置する個所から折り返しミラーに至る画像光の光軸が半透過ミラーを仮想的に延長した第１仮想延長面と、凹面ミラーを仮想的に延長した第２仮想延長面との間に配置されるので、画像光生成装置や折り返しミラーが凹面ミラーの前方や半透過ミラーの背面方向に出っ張ることを防止でき、光学系全体を小さく収めることができ、光学ユニット延いては虚像表示装置を小型化することができる。

１１…画像光生成装置、１１ａ…表示領域、１２…光学ユニット、１３…表示制御回路、２１…投射光学系、２２…折り返しミラー、２２ａ…第１ミラー、２２ｂ…第２ミラー、２３…半透過ミラー、２４…凹面ミラー、１００…虚像表示装置、１００Ａ，１００Ｂ…表示装置、１００Ｃ…支持装置、１０２…表示駆動部、１０３…外観部材、ＡＸ０…投射光軸、ＡＸ１，ＡＸ２…反射光軸、ＡＸＥ…射出光軸、ＥＡ１，ＥＡ２…有効領域、ＥＰ…射出瞳、ＥＹ…眼、ＩＩ…中間像、ＭＣ…凹面反射面、ＭＳ１，ＭＳ１２，ＭＳ２，ＭＳ３…平面反射面、ＭＬ…画像光、ＯＬ…外界光、Ｐ１２…第１仮想延長面、Ｐ２１…第２仮想延長面、Ｐ１１…鉛直円筒状曲面、Ｐ２２…鉛直平面、ＰＩ…入射瞳、ＳＰ１…基準平面、ＵＳ…装着者

Claims (4)

1. 画像光生成装置と、
   前記画像光生成装置から射出された画像光を投射する投射光学系と、
   前記投射光学系からの前記画像光を交差方向に反射する折り返しミラーと、
   前記折り返しミラーからの前記画像光の一部を反射する半透過ミラーと、
   前記半透過ミラーで反射された前記画像光を前記半透過ミラーに向けて反射して射出瞳を形成する凹面ミラーとを備え、
   前記画像光生成装置から前記折り返しミラーに至る前記画像光の光軸は、前記半透過ミラーを仮想的に延長した第１仮想延長面と、前記凹面ミラーを仮想的に延長した第２仮想延長面との間に配置され、
   前記画像光生成装置から前記折り返しミラーに至る前記画像光の光軸は、前記半透過ミラーの法線と前記凹面ミラーの軸線とを含む基準平面の法線に対して１０°以上３０°以下傾いている、虚像表示装置。
2. 前記半透過ミラーは、鉛直軸と前記半透過ミラーとがなす角度が４５°未満となるように配置され、前記折り返しミラーは、前記半透過ミラーと前記凹面ミラーとの間に配置される、請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記折り返しミラーは、前記凹面ミラー及び前記半透過ミラーの有効領域を遮ることを回避するように配置される、請求項１～２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
4. 画像光生成装置から射出された画像光を投射する投射光学系と、
   前記投射光学系からの前記画像光を交差方向に反射する折り返しミラーと、
   前記折り返しミラーからの前記画像光の一部を反射する半透過ミラーと、
   前記半透過ミラーで反射された前記画像光を前記半透過ミラーに向けて反射して射出瞳を形成する凹面ミラーとを備え、
   前記画像光生成装置を設置する個所から前記折り返しミラーに至る前記画像光の光軸は、前記半透過ミラーを仮想的に延長した第１仮想延長面と、前記凹面ミラーを仮想的に延長した第２仮想延長面との間に配置され、
   前記画像光生成装置から前記折り返しミラーに至る前記画像光の光軸は、前記半透過ミラーの法線と前記凹面ミラーの軸線とを含む基準平面の法線に対して１０°以上３０°以下傾いている、光学ユニット。

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