WO2018150773A1 - 光学装置 - Google Patents

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WO2018150773A1
WO2018150773A1 PCT/JP2018/000727 JP2018000727W WO2018150773A1 WO 2018150773 A1 WO2018150773 A1 WO 2018150773A1 JP 2018000727 W JP2018000727 W JP 2018000727W WO 2018150773 A1 WO2018150773 A1 WO 2018150773A1
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light
image
gph
reflective
optical
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PCT/JP2018/000727
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美穂 西山
拓也 小松
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カラーリンク・ジャパン 株式会社
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    • G02B2027/0178—Eyeglass type

Definitions

  • the present invention relates to an optical device.
  • Patent Document 1 US Patent Registration No. 6,075,651
  • the optical device is used for so-called immersive virtual reality (VR) that does not transmit external light in the real world. Therefore, it cannot be used as it is in augmented reality (AR) in which external light and an image are superimposed.
  • VR virtual reality
  • AR augmented reality
  • an optical device that guides image light to the downstream side by superimposing it on external light, and includes an optical element having at least lens power for image light.
  • an optical element having at least lens power for image light.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram showing an optical configuration of the optical device 10.
  • FIG. An example of an object image 54 of a real object 42 that is a part of the outside light 40 is shown.
  • An example of the image light 50 is shown.
  • An example of the superimposed image 56 guided to the user's eye 30 by the optical device 10 is shown.
  • 3 is a diagram for explaining wavelength dispersion of a GPH element 130.
  • FIG. FIG. 6 is a diagram illustrating a GPH unit 140. It is a figure explaining GPH unit 154.
  • FIG. It is a figure explaining the GPH unit 156.
  • FIG. Another optical device 14 is shown.
  • the other image superimposing part 104 is shown.
  • Still another image superimposing unit 105 is shown.
  • Still another image superimposing unit 106 is shown. Still another image superimposing unit 107 is shown. Still another image superimposing unit 108 is shown.
  • Another optical device 16 is shown. An example of the glasses-type display device 400 is shown. Yet another optical device 18 is shown. It is a figure explaining the 1st state of GPH unit. It is a figure explaining the 2nd state of GPH unit.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing an optical configuration of the optical device 10 according to the present embodiment.
  • the optical device 10 superimposes the image light 50 on the external light 40 in the real world and guides it to the user's eye 30.
  • the optical device 10 is used, for example, for visual augmented reality (AR).
  • AR augmented reality
  • the optical device 10 includes an image superimposing unit 100 that superimposes the image light 50 on the external light 40, and an optical system 101 that is disposed on the downstream side of the image superimposing unit 100 in the traveling direction of the image light 50.
  • the image superimposing unit 100 includes a projector 110, a GPH element 130, and a reflecting element 200 in order from the upstream side.
  • the optical system 101 includes a reflective doublet 120, a ⁇ / 4 plate 300, a reflective polarizing plate 310, and a polarizing plate 320 in order from the upstream side.
  • the reflective element 200 includes a phase difference plate 210 and a reflection type polarizing plate 220 stacked on the downstream side of the phase difference plate 210.
  • the reflective doublet 120 has a pair of doublet pieces 121 and 123 joined by curved surfaces 122 aligned with each other.
  • FIG. 2 shows an example of an object image 54 of an actual object 42 that is a part of the external light 40. It can be said that the object image 54 is an image reflected on the user's eye 30 when the optical device 10 is not used.
  • FIG. 3 shows an example of the image light 50.
  • the image light 50 is an image generated by the projector 110, that is, a virtual image.
  • the image light 50 may be a still image or a moving image, or may be any visual content such as a picture, a photo, or a character.
  • FIG. 4 shows an example of a superimposed image 56 guided to the user's eye 30 by the optical device 10.
  • the superimposed image 56 an image of the image light 50 is superimposed on the object image 54.
  • augmented reality of vision is realized.
  • the object image 54 is an image of the actual object 42, it is preferably guided to the user's eye 30 in the same state as when the optical device 10 is not used. That is, it is preferable that the object image 54 is not subjected to optical enlargement, reduction, distortion, or the like even through the optical device 10.
  • FIG. 1 will be further described with respect to means for guiding the superimposed image 56 to the user's eye 30 by the optical device 10 of FIG.
  • the polarization directions of the image light 50 and the external light 40 are shown.
  • the polarization direction shown in FIG. 1 shows the locus of the electric field vibration when viewed from the direction in which the light beam comes in while maintaining the vertical relationship of the paper surface.
  • External light 40 is often non-polarized light.
  • the reflective polarizing plate 220 reflects one of the linearly polarized light orthogonal to each other and transmits the other linearly polarized light.
  • the linearly polarized light in the vertical direction is reflected by the reflective polarizing plate 220, and the linearly polarized light in the horizontal direction is transmitted.
  • the reflective surface of the reflective polarizing plate 220 is inclined at 45 ° with respect to a straight line from the external light 40 toward the eye 30. Accordingly, the linearly polarized light in the vertical direction is reflected in a direction orthogonal to the straight line from the external light 40 toward the eye 30.
  • the external light 40 transmitted through the reflective polarizing plate 220 is modulated in the polarization direction by the phase difference plate 210.
  • the phase difference plate 210 is a ⁇ / 4 plate. Therefore, the phase difference plate 210 modulates the horizontal direction linearly polarized light into counterclockwise (sometimes referred to as counterclockwise) circularly polarized light. Left-handed circularly polarized external light 40 enters the reflective doublet 120.
  • the curved surface 122 between the pair of doublet pieces 121 and 123 of the reflective doublet 120 has a function of a half mirror that reflects half of the intensity of incident light and transmits the remaining half regardless of the polarization direction. Therefore, the left-handed circularly polarized external light 40 incident on the reflective doublet 120 is transmitted with half the intensity while maintaining the polarization state. The other half is reflected upstream and is not guided to the eye 30.
  • the pair of doublet pieces 121 and 123 match each other within a predetermined range of the refractive index.
  • the pair of doublet pieces 121 and 123 are formed of the same material, and the refractive indexes of the pair of doublet pieces 121 and 123 coincide with each other within a tolerance range caused by impurities or the like. Accordingly, since refraction does not occur before and after passing through the curved surface 122, the external light 40 does not receive a lens action from the reflective doublet 120. That is, the external light 40 is a reflective doublet 120 and is not subjected to optical enlargement, reduction, distortion, or the like.
  • External light 40 that has passed through the reflective doublet 120 enters the ⁇ / 4 plate 300.
  • the ⁇ / 4 plate 300 modulates the left-handed circularly polarized external light 40 into linearly polarized linearly polarized light in the horizontal direction.
  • Horizontally polarized external light 40 in the horizontal direction is incident on the reflective polarizing plate 310.
  • the reflective polarizing plate 310 reflects one of the linearly polarized light orthogonal to each other and transmits the other linearly polarized light.
  • the reflective polarizing plate 310 reflects vertical linearly polarized light and transmits horizontal linearly polarized light. Accordingly, the linearly polarized external light 40 in the horizontal direction is transmitted through the reflective polarizing plate 310 while maintaining the polarization direction.
  • the polarizing plate 320 absorbs one of linearly polarized light orthogonal to each other and transmits the other.
  • the polarizing plate 320 absorbs linearly polarized light in the vertical direction and transmits the linearly polarized light in the horizontal direction. Therefore, the external light 40 of the linearly polarized light in the horizontal direction passes through the polarizing plate 320 and enters the eye 30.
  • the image light 50 is generated by the projector 110.
  • the projector 110 includes, for example, a light source and a liquid crystal panel, and outputs color image light 50 composed of three colors of red, green, and blue. Each color of the image light 50 may be time-divisionally output, may be superimposed on each other, or may be spatially divided in units of pixels and output simultaneously. Further, the projector 110 outputs the image light 50 as counterclockwise circularly polarized light.
  • the image light 50 output from the projector 110 enters the GPH element 130.
  • the GPH element 130 exerts a lens action on incident light using a diffraction phenomenon while reversing the polarization direction of the incident circularly polarized light. Accordingly, the counterclockwise circularly polarized image light 50 incident on the GPH element 130 is modulated into clockwise (sometimes clockwise) circularly polarized light while receiving the lens action.
  • the GPH element 130 will be further described later.
  • the image light 50 transmitted through the GPH element 130 is incident on the phase difference plate 210 of the reflection element 200. Since the retardation film 210 has the function of a ⁇ / 4 plate, the clockwise circularly polarized image light 50 is modulated into vertical linearly polarized light. The linearly polarized image light 50 in the vertical direction is reflected by the reflective polarizing plate 220. As a result, the image light 50 is directed to the eye 30 and, as a result, is superimposed on the external light 40. Further, since the reflected image light 50 is incident on the phase difference plate 210 again, the linearly polarized image light 50 in the vertical direction is modulated into clockwise circularly polarized light.
  • the image light 50 that has passed through the phase difference plate 210 is incident on the reflective doublet 120. Similar to the external light 40, the half intensity portion of the image light 50 is not modulated in the polarization state, and is transmitted through the reflective doublet 120 without being affected by optical effects such as enlargement, reduction, and distortion. The other half is reflected upstream and is not guided to the eye 30.
  • the image light 50 that has passed through the reflective doublet 120 is incident on the ⁇ / 4 plate 300. Since the image light 50 incident on the ⁇ / 4 plate 300 is clockwise circularly polarized light, it is modulated by the ⁇ / 4 plate 300 into linearly polarized light in the vertical direction.
  • the image light 50 that has become linearly polarized light in the vertical direction is incident on the reflective polarizing plate 310 and reflected by the reflective polarizing plate 310.
  • the image light 50 reflected by the reflective polarizing plate 310 is incident on the ⁇ / 4 plate 300 again. Since the image light 50 reflected by the reflective polarizing plate 310 is linearly polarized light in the vertical direction, it is modulated by the ⁇ / 4 plate 300 into clockwise circularly polarized light.
  • the image light 50 that has passed through the ⁇ / 4 plate 300 is incident on the reflective doublet 120 again.
  • a half intensity portion of the image light 50 is reflected downstream by the curved surface 122 of the reflective doublet 120.
  • the image light 50 is subjected to a lens action because it is reflected by the curved surface 122.
  • the reflective doublet 120 is an example of an optical element having lens power for at least the image light 50.
  • the reflective doublet 120 makes the reflected light of the image light 50 parallel light. Note that the direction of circularly polarized light is counterclockwise due to reflection.
  • the other half passes through the reflective doublet 120 and is not guided to the eye 30.
  • the image light 50 reflected by the reflective doublet 120 is incident on the ⁇ / 4 plate 300 again. Since the image light 50 is counterclockwise circularly polarized light, it is modulated into horizontal linearly polarized light when passing through the ⁇ / 4 plate 300. The image light 50 is incident on the reflective polarizing plate 310 again, but this time, since the image light 50 is a linearly polarized light in the horizontal direction, it passes through the reflective polarizing plate 310. Further, the light passes through the polarizing plate 320 and is guided to the eye 30.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram of an optical device 12 as a comparative example compared with the optical device 10 of FIG. 1 for explaining the GPH element 130 of FIG.
  • the optical device 12 has the same optical configuration as the optical device 10 except that the image superimposing unit 102 is not provided with the GPH element 130.
  • the same components as those in the optical device 10 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the image light 50 is generated by an image generation unit such as the projector 110.
  • an optical member such as a lens is arranged in the image generating unit such as the projector 110, the image light 50 is refracted in the process of transmitting and reflecting these optical members, and the wavelength dispersion of the refraction angle accompanying the refraction. Appears.
  • the emission position and the emission angle from the reflective doublet 120 are red R, green G, and Each blue R is different. Therefore, there is a problem in that the chromatic aberration becomes large at the magnified virtual image position and the user sees it as a color blur of the image light 50.
  • a so-called achromatic lens that suppresses the wavelength dispersion of the image light 50 by changing the refractive index between the doublet piece 121 and the doublet piece 123 of the reflective doublet 120 with respect to the chromatic aberration of the image light 50 is considered. It is done.
  • the reflective doublet 120 also has lens power for transmitted light. Therefore, when the external light 40 passes through the reflective doublet 120, it is affected by optical effects such as enlargement, reduction, and distortion, so that the real-world image is blurred or the optical device 12 is not used. Cause unnaturalness such as different.
  • the GPH element 130 is used in the optical device 10. Thereby, at least the wavelength dispersion of the image light 50 generated in the reflective doublet 120 is compensated.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the wavelength dispersion of the GPH element 130.
  • the GPH of the GPH element 130 is an abbreviation of Geometric Phase Hologram, and the GPH element 130 is obtained by aligning a polymerizable liquid crystal in a specific pattern.
  • FIG. 6 when circularly polarized light is incident, circularly polarized first-order diffracted light obtained by inverting the polarization state of the incident circularly polarized light is output in a specific direction.
  • the GPH element 130 can have a function of a convex lens. More specifically, the GPH element 130 functions as a convex lens by providing an alignment pattern that is concentric and has a pitch that decreases toward the outside. Furthermore, desired lens power such as a concave lens can be provided in addition to the convex lens by the orientation pattern.
  • the GPH element 130 uses a diffraction phenomenon, wavelength dispersion opposite to refraction appears.
  • the red R is condensed on the side closer to the GPH element 130 and the blue B is condensed on the far side with respect to the green G condensing point.
  • the GPH element 130 is disposed at a position where the image light 50 is incident but the external light 40 is not incident.
  • the wavelength dispersion of the reflective doublet 120 generated with respect to the image light 50 is compensated by causing the reverse wavelength dispersion to occur in advance by the GPH element 130 having the opposite inverse dispersion.
  • the GPH element 130 lens power it can be used as a lens of the optical device 10.
  • the GPH element 130 has reverse dispersion that compensates for the wavelength dispersion of the reflective doublet 120.
  • the GPH element 130 compensates for the wavelength dispersion of the entire optical system including the reflective doublet 120 in the optical device 10 or the wavelength dispersion of an optical element different from the reflective doublet 120.
  • the GPH element 130 is a lens that optically adjusts output light from the projector 110 immediately after the projector 110, for example, at least part of the optical system disposed upstream of the reflecting element 200 with respect to the image light 50.
  • the wavelength dispersion may be compensated for.
  • the GPH element 130 has the following optical properties.
  • clockwise circular polarized light When clockwise circular polarized light is incident, the clockwise circular circle that is emitted when the counterclockwise circular polarized light is incident on the GPH element 130 whose first-order diffraction angle is ⁇ is ⁇ .
  • the first-order diffraction angle of polarized light is - ⁇ .
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the GPH unit 140.
  • the GPH unit 140 obtains desired reverse dispersion by combining a plurality of GPH elements and polarization conversion elements.
  • a polarization conversion element 160 is disposed between the GPH elements 142 and 144.
  • the polarization conversion element 160 modulates the polarization state of a specific band of incident light, but maintains a polarization state other than the specific band. In the example of FIG. 7, the polarization conversion element 160 reverses the polarization direction of the red R band. On the other hand, the polarization conversion element 160 maintains the polarization direction of the green G and blue B bands, that is, does not reverse the polarization direction.
  • ⁇ , d, etc. written near the arrow of each light beam indicate the angle at which the light beam travels.
  • C near the arrow of each ray indicates that the ray is clockwise (clockwise) circularly polarized, and A indicates that the ray is counterclockwise (counterclockwise) circularly polarized.
  • each GPH element is the diffraction angle of the corresponding GPH element with respect to the left-handed circularly polarized light, and shows the one taking wavelength dispersion into consideration.
  • the GPH element 142 the diffraction angle of red R is ⁇
  • the diffraction angle of green G is ⁇ -d
  • the diffraction angle of blue B is ⁇ -2d.
  • the GPH element 144 has the same optical property as the GPH element 142.
  • the red R ray incident on the GPH unit 140 at an angle of 0 is received by both the GPH element 142 and the GPH element 144. Diffracted by ⁇ , and as a result, diffracted in the 2 ⁇ direction.
  • the green G ray incident at 0 degree is diffracted in the ⁇ -d direction by the GPH element 142, but when entering the GPH element 144, the rotation direction of the circularly polarized light is opposite to that when entering the GPH element 142. Diffraction at the element 144 becomes ⁇ ( ⁇ d), and as a result, it is output in the 0 degree direction.
  • the blue B ray incident at 0 degree is output in the 0 degree direction. In this way, the GPH unit 140 can direct the direction of any one of the three colors of light incident from the same direction in different directions.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining another GPH unit 154. The contents indicated by the symbols used in FIG. 8 are the same as those used in FIG.
  • a polarization conversion element 164 is disposed between the GPH elements 150 and 152.
  • the polarization conversion element 164 reverses the polarization direction of the blue B band.
  • the polarization conversion element 164 maintains the polarization direction of the red R and green G bands, that is, does not reverse the polarization direction.
  • the red R ray incident on the GPH unit 140 at an angle 2 ⁇ is diffracted by the GPH element 150 by ⁇ + 2d, but is incident on the GPH element 152.
  • the rotation direction of the circularly polarized light is opposite to that when entering the GPH element 150, the diffraction at the GPH element 152 becomes ⁇ ( ⁇ + 2d), and as a result, it is output in the 2 ⁇ direction.
  • the green G light beam incident at 2 ⁇ is also output in the 2 ⁇ direction.
  • the blue G light beam incident at 0 degree is diffracted by ⁇ by the GPH element 142 and further diffracted by ⁇ by the GPH element 144, and is output in the 2 ⁇ direction as a result.
  • the GPH unit 140 can direct the directions of the three color light beams incident from different directions in the same direction.
  • the combination of the GPH element and the polarization conversion element in the GPH unit reduces the diffraction angle of the red R and increases the diffraction angle of the blue G as a whole of the GPH unit as compared with the GPH element alone. Reverse dispersibility can be reduced. On the other hand, if the diffraction angle of red R is increased and the diffraction angle of blue G is decreased as a whole of the GPH unit as compared with a single GPH element, the reverse dispersibility can be increased.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining still another GPH unit 156. 9, the same reference numerals as those in FIGS. 7 and 8 have the same optical characteristics. Further, the contents indicated by the symbols used in FIG. 9 are the same as those used in FIG.
  • the GPH unit 156 includes six GPH elements 142, 144, 146, 148, 150, 152 and three polarization conversion elements 160, 162, 164.
  • a polarization conversion element 160 is disposed between the GPH elements 142 and 144.
  • a polarization conversion element 162 is disposed between the GPH elements 146 and 148, and a polarization conversion element 164 is disposed between the GPH elements 150 and 152.
  • the polarization conversion element 162 inverts the polarization direction of the green G band, while maintaining the polarization direction of the red R and blue B bands.
  • the polarization conversion elements 160 and 164 have the same optical properties as those described with reference to FIGS.
  • the optical characteristics of the GPH element arranged on the input side of the polarization conversion element and the GPH element arranged on the output side are the same.
  • the GPH unit 156 in FIG. 9 does not have reverse dispersion. Furthermore, by changing the angle of diffraction in each GPH element from ⁇ , a GPH unit 156 having desired reverse dispersion can be configured. Furthermore, a desired reverse dispersion may be obtained by taking out narrow wavelength bands in the respective colors of red R, green G, and blue B using a band pass filter and combining them with the GPH unit 156.
  • FIG. 10 shows another optical device 14.
  • the optical device 14 has the same configuration as the optical device 10 except that the external light adjustment unit 340 is provided.
  • the same components as those in the optical device 10 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • the external light adjusting unit 340 is disposed upstream of the reflective element 200 with respect to the external light 40.
  • the external light adjustment unit 340 can adjust the intensity of the transmitted external light 40 by adjusting the transmittance.
  • An example of the external light adjustment unit 340 is a liquid crystal shutter.
  • the polarization direction of the external light 40 output from the external light adjustment unit 340 is changed to a reflective element. It is preferable to set the polarization direction to transmit 200. Thereby, the external light 40 output from the external light adjustment part 340 can be used efficiently.
  • the external light adjustment unit 340 may use a polarizing plate instead of the liquid crystal shutter.
  • the size of the linearly polarized light component transmitted through the reflective element 200 out of the transmitted external light 40 is determined according to the direction of the optical axis of the polarizing plate. Therefore, the intensity of the external light 40 can be adjusted by the cooperation between the polarizing plate and the reflective element 200.
  • FIG. 11 shows another image superimposing unit 104.
  • the image superimposing unit 104 includes a backlight 170, a polarizing beam splitter 172, a liquid crystal panel 174, a ⁇ / 4 plate 176, a GPH element 130, and a reflecting element 200.
  • the backlight 170 emits non-polarized red, green, and blue light in a time-sharing manner.
  • the polarization beam splitter 172 reflects the S-polarized light of the light incident from the backlight and directs it to the liquid crystal panel 174.
  • the liquid crystal panel 174 has a plurality of pixels arranged two-dimensionally. Each of the pixels can switch between a state of reflecting incident light and a state of absorbing incident light using polarized light. Color image light 50 can be obtained by the output from these pixels.
  • gradation is expressed by the duty ratio of the time when the polarization direction of the incident light is rotated by 90 ° and the time when the incident light is not rotated, and the image light 50 is represented by a straight line in the horizontal direction. Output with polarized light.
  • the liquid crystal panel 174 is an analog gradation method
  • the image light 50 is output by rotating the polarization direction of the incident light at an angle that matches the gradation.
  • the component of linearly polarized light in the horizontal direction in the image light 50 passes through the polarization beam splitter 172 and enters the ⁇ / 4 plate 176.
  • the image light 50 is modulated from horizontal linearly polarized light into counterclockwise circularly polarized light by the ⁇ / 4 plate 176 and is incident on the GPH element 130.
  • FIG. 12 shows still another image superimposing unit 105.
  • the image superimposing unit 105 includes a backlight 170, a polarization beam splitter 172, a liquid crystal panel 174, and ⁇ / 4 plates 173 and 176.
  • the backlight 170 is arranged on the opposite side of the polarization beam splitter 172.
  • the polarization beam splitter 172 transmits the component of the linearly polarized light in the horizontal direction out of the light incident from the backlight and makes it incident on the liquid crystal panel 174.
  • the liquid crystal panel 174 outputs the image light 50 whose polarization direction is rotated when the incident light is reflected.
  • the component of linearly polarized light in the vertical direction in the image light 50 is reflected by the polarization beam splitter 172 and enters the ⁇ / 4 plate 176.
  • the linearly polarized image light 50 in the vertical direction is modulated into clockwise circularly polarized light by the ⁇ / 4 plate 176 and enters the reflective doublet 120.
  • the component of the linearly polarized light in the horizontal direction in the external light 40 is transmitted through the polarization beam splitter 172 and is incident on ⁇ / 4.
  • Horizontally polarized external light 40 in the horizontal direction is modulated into counterclockwise circularly polarized light by the ⁇ / 4 plate 176 and is incident on the reflective doublet 120.
  • the GPH element 130 is disposed between the ⁇ / 4 plate 173 and the liquid crystal panel 174.
  • FIG. 13 shows still another image superimposing unit 106.
  • the image superimposing unit 106 includes a set of the projector 110, the GPH element 130, and the reflective element 200, and a set of the projector 112, the GPH element 132, and the reflective element 202 that are arranged symmetrically with the set.
  • the set of the projector 112, the GPH element 132, and the reflecting element 202 generates the image light 52 and superimposes it on the external light 40. Since projector 112, GPH element 132, and reflective element 202 have the same functions as projector 110, GPH element 130, and reflective element 200, descriptions thereof are omitted.
  • FIG. 14 shows still another image superimposing unit 107.
  • the image superimposing unit 107 includes a set of a projector 110, a mirror 180, and a reflective element 200, and a set of a projector 112, a mirror 182 and a reflective element 202.
  • the GPH element 130 is shared by the above two sets.
  • image light 50 from the projector 110 is reflected by the mirror 180 and the reflection element 200 and superimposed on the external light 40.
  • image light 52 is generated by projector 112, reflected by mirror 182 and reflecting element 202, and superimposed on external light 40.
  • the optical path of the image light 50 is preferably an optical path that does not interfere with the image light 52 light.
  • a half mirror that transmits and reflects at a desired ratio may be provided instead of the mirror 182 regardless of the polarization state.
  • the number of sets of projectors, mirrors, and reflecting elements is not limited to two, and may be three or more.
  • FIG. 15 shows still another image superimposing unit 108.
  • the image superimposing unit 108 includes an erecting optical system 190 between the projector 110 and the GPH element 130.
  • the erecting optical system 190 includes, for example, an erecting imaging lens and a magnifying optical system.
  • the erecting imaging lens is a SELFOC (registered trademark) lens, an erecting imaging lens composed of a plurality of lens arrays, or the like.
  • the magnifying optical system is a Fresnel lens or the like. Note that the erecting optical system 190 may be used in any of the image superimposing units 104 in FIG. 11 to FIG.
  • FIG. 16 shows another optical device 16.
  • the same components as those in the optical device 10 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the direction in which the reflecting element 200 is inclined is opposite to that of the optical device 10. Thereby, in the optical device 16, the reflection element 200 reflects the image light 50 to the upstream side of the external light 40.
  • a curved half mirror 330 is arranged on the upstream side of the reflection element 200 with respect to the external light 40.
  • the curved half mirror 330 has a curved surface 332, transmits a half intensity portion of incident light regardless of the polarization state, and reflects the other half by the curved surface 332.
  • a half-intensity portion of the image light 50 is reflected and a lens action is applied on the curved surface 332.
  • the reflected image light 50 is made into parallel light.
  • a half-intensity portion of the external light 40 passes through the curved half mirror 330 but does not receive the lens action on the curved surface 332.
  • the image light 50 is superimposed on the external light 40 and guided to the user's eyes.
  • the reflective element 200 reflects one of linearly polarized light orthogonal to each other and transmits the other.
  • a half mirror that reflects a half intensity portion of incident light and transmits the remaining portion regardless of the polarization state may be used.
  • the half mirror in any of the above embodiments has a ratio of reflection to transmission of 1: 1, but may be any ratio instead.
  • the reflective element 200 is inclined at 45 ° with respect to the incident direction of the external light 40 and the image light 50, but the inclination angle may be other than 45 °.
  • the polarization state is described as linearly polarized light and circularly polarized light.
  • the present invention can also be applied to the case of elliptically polarized light due to a design tolerance or the like.
  • the reflective doublet 120 and the curved half mirror 330 have a lens power that makes the image light 50 parallel light.
  • the reflective doublet 120 and the curved half mirror 330 may have other lens powers.
  • another optical element such as a convex lens may be disposed between the GPH element 130 and the reflective element 200 and the like.
  • a reflective optical system including three or more optical elements and having a curved surface that transmits a part of incident light and reflects the other part is used. May be. In that case, it is preferable that the optical elements are aligned with each other on the alignment surface, and the refractive indexes of the optical elements coincide with each other within a predetermined range, for example, are equal.
  • a reflective doublet may be used in which the matching surfaces are flat and the non-matching surfaces have the same curvature.
  • FIG. 17 shows an example of a glasses-type display device 400 using the optical device 10 of the present embodiment.
  • the eyeglass-type display device 400 includes the optical device 10 and the eyeglass-type frame 402, and may be attached to an observer by the frame 402 in the same manner as the eyeglasses.
  • the eyeglass-type display device 400 includes projectors 114 and 116 at the upper part of the portion corresponding to the eye position of the eyeglasses, and the projectors 114 and 116 output image light for the left eye and the right eye in the downward direction. Further, members other than the projector of the optical device 10 including the reflection elements 204 and 206 are disposed inside the rim 404 on the right eye side and the rim 406 on the left eye side of the glasses-type display device 400. Thus, the image light output from the projectors 114 and 116 is guided to the eyes of the user.
  • the glasses-type display device 400 may further include other optical systems such as a lens.
  • the glasses-type display device 400 may be provided with projectors 114 and 116 in other portions.
  • the eyeglass-type display device 400 may be provided with the projectors 114 and 116 below, inside, or outside the portion corresponding to the eyes.
  • the optical device 10 and the like and the eyeglass-type display device 400 may include necessary elements such as a processor that controls the image superimposing unit 100 and the like, and a battery that supplies power to the processor.
  • the glasses-type display device 400 may have a configuration in which a reflective element or the like that superimposes an image is provided on one of the left and right eyes, and a reflective element or the like that superimposes an image is not provided on the other.
  • FIG. 18 shows still another optical device 18.
  • the optical device 18 uses the light guide plate 352 to superimpose the image light 50 on the external light 40 in the real world and guide it to the user's eye 30.
  • the optical device 18 includes a projector 110, a GPH element 130, a lens 350, a light guide plate 352, and deflection elements 354 and 356.
  • the projector 110 generates image light 50 and emits it as diffused light.
  • the lens 350 collects the image light 50 on the eye 30.
  • the image light 50 emitted from the lens 350 is incident on the light guide plate 352.
  • a deflection element 354 is attached to the light guide plate 352.
  • the deflecting element 354 deflects the direction of the image light 50 incident on the light guide plate 352 in such a direction that total reflection occurs in the light guide plate 352.
  • the light guide plate 352 causes the incident light to be totally reflected inside and propagates, it can be said that it is an example of a reflective element.
  • Examples of the deflecting element 354 are a mirror, a hologram, a diffractive element, a half mirror having a multilayer laminated structure, and the like.
  • a deflection element 356 is further attached to the light guide plate 352.
  • the deflection element 356 totally reflects the inside of the light guide plate 352 and deflects the direction of the image light 50 that has reached the deflection element 356 toward the eye 30.
  • Examples of the deflecting element 356 are a hologram, a diffractive element, a half mirror having a multilayer laminated structure, and the like.
  • the image light 50 is superimposed on the external light 40 in the optical device 18 and guided to the user's eye 30.
  • the image light 50 exhibits wavelength dispersion of a refraction angle accompanying refraction in the projector 110, the lens 350, and the like.
  • the wavelength dispersion is compensated by providing the GPH element 130.
  • the optical device 18 using the light guide plate 352 does not have to use polarized light in superimposing images. Therefore, the description of the polarization direction is omitted in FIG. Further, the optical device 18 may be configured such that a light guide plate or the like that superimposes an image is provided on one of the left and right eyes, and a light guide plate or the like that superimposes an image is not provided on the other.
  • FIG. 19 and 20 are diagrams illustrating a GPH unit 157 that is a modification of the GPH unit 140 of FIG.
  • the same components as those in the GPH unit 140 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the GPH unit 157 is different from the GPH unit 140 in that a polarization switching element 165 is disposed between the polarization conversion element 160 and the GPH element 144.
  • the polarization switching element 165 maintains the polarization state of the incident light regardless of the wavelength of the light and outputs the first state, and the second state that converts the polarization state of the incident light into the inverted polarization state and outputs it. And can be switched. In any state, the polarization switching element 165 outputs the incident light without being deflected, that is, as it is.
  • a liquid crystal panel in which a first state and a second state are switched by a voltage is sandwiched between ⁇ / 4 plates in a direction in which their slow axes are orthogonal to each other.
  • FIG. 19 shows that the polarization switching element 165 is in the first state, thereby causing the GPH unit 157 to be in the first state.
  • the polarization switching element 165 includes a liquid crystal panel as in the above example, for example, the first state is a state where a voltage is applied to the liquid crystal panel.
  • the polarization switching element 165 maintains the polarization state of the incident light and outputs it. Therefore, in the first state, the GPH unit 157 has the same optical function as the GPH unit 140 despite the presence of the polarization switching element 165.
  • FIG. 20 shows that the polarization switching element 165 is in the second state, thereby causing the GPH unit 157 to be in the second state.
  • the polarization switching element 165 includes a liquid crystal panel, for example, the second state is a state where no voltage is applied to the liquid crystal panel.
  • the polarization switching element 165 converts the polarization state of the incident light into an inverted direction regardless of the wavelength, and outputs it.
  • red R is converted from counterclockwise circularly polarized light to clockwise circularly polarized light
  • green G and blue B are converted from clockwise circularly polarized light to counterclockwise circularly polarized light.
  • the GPH unit 157 emits RGB light in a polarization state and a deflection direction different from those in the first state.
  • the wavelength dispersion generated as a whole in the optical device 10 can be switched by switching the state of the polarization switching element 165.
  • the second state that reverses the polarization state corresponds to outputting linearly polarized light that is orthogonal to the input linearly polarized light.
  • Optical device 30 eyes, 40 external light, 42 objects, 50, 52 image light, 54 object images, 56 superimposed images, 100, 102, 104, 105, 106, 107, 108 images Superimposing part, 101 optical system, 110, 112, 114, 116 projector, 120 reflective doublet, 121, 123 doublet piece, 122 curved surface, 130, 132, 142, 144, 146, 148, 150, 152 GPH element, 140, 154, 156, 157 GPH unit, 160, 162, 164 polarization conversion element, 165 polarization switching element, 170 backlight, 172 polarization beam splitter, 173 ⁇ / 4 plate, 174 liquid crystal panel, 176 ⁇ / 4 plate, 180 mirror, 182 mirror, 190 erecting optical system , 200, 202, 204, 206, reflective element, 210 phase difference plate, 220 reflective polarizing plate, 300 ⁇ / 4 plate, 310 reflective polarizing plate, 320

Landscapes

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Abstract

没入型の仮想現実（ＶＲ）に用いられる光学装置は、そのままでは外光と画像とを重畳させる拡張現実（ＡＲ）には用いることができないという課題を解決するために、画像光（５０）を外光（４０）に重畳させて下流側に導く光学装置（１０）であって、少なくとも前記画像光（５０）に対してレンズパワーを有する光学素子（１２０）を含む画像光学系（１００，１０１）と、前記画像光（５０）の少なくとも一部を反射することで前記画像光（５０）の少なくとも一部と前記外光（４０）の少なくとも一部とを重畳させる反射素子（２００）とを備え、前記画像光学系（１０１，１０１）は、前記光学素子（１２０）とは波長分散性が逆の逆分散性を有するＧＰＨ素子（１３０）を有する、光学装置（１０）。

Description

光学装置
　本発明は、光学装置に関する。
　使用者に装着されて、画像を使用者の眼に導く光学装置がある（例えば、特許文献１参照）。
　特許文献１　米国特許登録第６，０７５，６５１号
解決しようとする課題
　しかしながら、上記光学装置は現実世界の外光を通さない、いわゆる没入型の仮想現実（ＶＲ）に用いられるものである。よって、そのままでは外光と画像とを重畳させる拡張現実（ＡＲ）には用いることができない。
　上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、画像光を外光に重畳させて下流側に導く光学装置であって、少なくとも画像光に対してレンズパワーを有する光学素子を含む画像光学系と、画像光の少なくとも一部を反射することで、画像光の少なくとも一部と外光の少なくとも一部とを重畳させる反射素子とを備え、画像光学系は、光学素子とは波長分散性が逆の逆分散性を有するＧＰＨ素子を有する。
　なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
光学装置１０の光学的な構成を示す概念図である。 外光４０の一部である、現実の物体４２の物体像５４の一例を示す。 画像光５０の一例を示す。 光学装置１０により使用者の眼３０に導かれる重畳画像５６の一例を示す。 比較例としての光学装置１２の概念図である。 ＧＰＨ素子１３０の波長分散性を説明する図である。 ＧＰＨユニット１４０を説明する図である。 ＧＰＨユニット１５４を説明する図である。 ＧＰＨユニット１５６を説明する図である。 他の光学装置１４を示す。 他の画像重畳部１０４を示す。 さらに他の画像重畳部１０５を示す。 さらに他の画像重畳部１０６を示す。 さらに他の画像重畳部１０７を示す。 さらに他の画像重畳部１０８を示す。 他の光学装置１６を示す。 眼鏡型表示装置４００の一例を示す。 さらに他の光学装置１８を示す。 ＧＰＨユニット１５７の第１の状態を説明する図である。 ＧＰＨユニット１５７の第２の状態を説明する図である。
　以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
　図１は、本実施形態に係る光学装置１０の光学的な構成を示す概念図である。光学装置１０は、画像光５０を現実世界の外光４０に重畳させて使用者の眼３０に導く。光学装置１０は、例えば視覚の拡張現実（ＡＲ）に用いられる。
　光学装置１０は、画像光５０を外光４０に重畳させる画像重畳部１００と、画像重畳部１００よりも、画像光５０の進行方向の下流側に配された光学系１０１とを備える。画像重畳部１００は、上流側から順に、プロジェクタ１１０、ＧＰＨ素子１３０および反射素子２００を有する。光学系１０１は、上流側から順に、反射型ダブレット１２０、λ／４板３００、反射型偏光板３１０および偏光板３２０を有する。
　反射素子２００は、位相差板２１０と、位相差板２１０の下流側に重ねられた反射型偏光板２２０を有する。また、反射型ダブレット１２０は、互いに整合する曲面１２２で結合された一対のダブレット片１２１、１２３を有する。
　図２から図４は、光学装置１０を用いて使用者の眼３０に映る像を説明する概略図である。まず、図２は、外光４０の一部である、現実の物体４２の物体像５４の一例を示す。物体像５４は、光学装置１０を用いない場合に使用者の眼３０に映る像であるともいえる。
　図３は、画像光５０の一例を示す。画像光５０はプロジェクタ１１０で生成された画像、いわば仮想の像である。画像光５０は静止画でも動画でもよいし、絵、写真、文字等のいかなる視覚的なコンテンツであってもよい。
　図４は、光学装置１０により使用者の眼３０に導かれる重畳画像５６の一例を示す。重畳画像５６においては、物体像５４に画像光５０による画像が重畳されている。これにより、視覚の拡張現実が実現されている。この場合に、物体像５４は現実の物体４２の像なので、光学装置１０を用いない場合と同じ状態で使用者の眼３０に導かれることが好ましい。すなわち、光学装置１０を通しても、物体像５４は光学的な拡大、縮小、歪等を受けないことが好ましい。
　図１の光学装置１０が重畳画像５６を使用者の眼３０に導く手段についてさらに説明する。図１には画像光５０および外光４０の偏光方向が併記されている。図１に示す偏光方向は、紙面の上下関係を維持した状態で、光線が向かって来る方向から見た場合の電場の振動の軌跡を示している。
　外光４０は非偏光である場合が多い。非偏光の外光４０が反射型偏光板２２０に入射すると、反射型偏光板２２０は、互いに直交する直線偏光のうちの一方の直線偏光を反射し、他方の直線偏光を透過する。図１の例において、反射型偏光板２２０で鉛直方向の直線偏光が反射し、水平方向の直線偏光が透過している。さらに、反射型偏光板２２０の反射面が外光４０から眼３０へ向かう直線に対して４５°に傾いている。よって、鉛直方向の直線偏光は外光４０から眼３０へ向かう直線に対して直交する方向に反射される。
　反射型偏光板２２０を透過した外光４０は、位相差板２１０で偏光方向の変調を受ける。図１では位相差板２１０はλ／４板である。よって、位相差板２１０で水平方向の直線偏光から左回り（反時計回り、という場合もある）の円偏光に変調される。左回り円偏光の外光４０は、反射型ダブレット１２０に入射する。
　反射型ダブレット１２０の一対のダブレット片１２１、１２３の間の曲面１２２は、偏光方向によらず、入射する光の強度の半分を反射し、残りの半分を透過するハーフミラーの機能を有する。よって、反射型ダブレット１２０に入射した左回り円偏光の外光４０は、偏光の状態を維持して、半分の強度で透過する。残りの半分は上流側に反射されるので、眼３０には導かれない。
　一対のダブレット片１２１、１２３は、互いの屈折率が予め定められた範囲で一致する。例えば、一対のダブレット片１２１、１２３は同じ材料で形成され、不純物等を要因とする公差の範囲で互いの屈折率が一致する。よって、曲面１２２を透過する前後で屈折が起こらないから、外光４０は反射型ダブレット１２０からレンズ作用を受けない。すなわち、外光４０は反射型ダブレット１２０で、光学的な拡大、縮小、歪等を受けない。
　反射型ダブレット１２０を透過した外光４０は、λ／４板３００に入射する。λ／４板３００により、左回り円偏光の外光４０は水平方向の直線偏光の直線偏光に変調される。
　水平方向の直線偏光の外光４０は、反射型偏光板３１０に入射する。反射型偏光板３１０は、互いに直交する直線偏光のうちの一方の直線偏光を反射し、他方の直線偏光を透過する。図１の例において、反射型偏光板３１０は垂直方向の直線偏光を反射し、水平方向の直線偏光を透過する。よって、水平方向の直線偏光の外光４０は偏光方向を維持して反射型偏光板３１０を透過する。
　反射型偏光板３１０を透過した外光４０は偏光板３２０に入射する。偏光板３２０は互いに直交する直線偏光の一方を吸収して、他方を透過する。図１の例において、偏光板３２０は鉛直方向の直線偏光を吸収して、水平方向の直線偏光を透過する。よって、水平方向の直線偏光の外光４０は偏光板３２０を透過して眼３０に入射する。
　画像光５０はプロジェクタ１１０で生成される。プロジェクタ１１０は例えば、光源と液晶パネル等から構成され、赤色、緑色および青色の３色からなるカラーの画像光５０を出力する。画像光５０の各色は時分割されて出力されてもよいし、互いに重畳されたり、画素単位で空間分割されて同時に出力されてもよい。さらに、プロジェクタ１１０は画像光５０を左回りの円偏光で出力する。
　プロジェクタ１１０から出力された画像光５０はＧＰＨ素子１３０に入射する。ＧＰＨ素子１３０は、入射された円偏光の偏光方向を反転しつつ、回折現象を用いて、入射光にレンズ作用を及ぼす。よって、ＧＰＨ素子１３０に入射した左回り円偏光の画像光５０は、レンズ作用を受けつつ右回り（時計回りということがある）の円偏光に変調される。ＧＰＨ素子１３０についてはさらに後述する。
　ＧＰＨ素子１３０を透過した画像光５０は、反射素子２００の位相差板２１０に入射する。位相差板２１０はλ／４板の機能を有するので、右回り円偏光の画像光５０は垂直方向の直線偏光に変調される。垂直方向の直線偏光の画像光５０は反射型偏光板２２０で反射される。これにより、画像光５０は眼３０へ方向付けられ、結果として、外光４０に重畳されることになる。さらに、反射された画像光５０は再び位相差板２１０に入射するので、垂直方向の直線偏光の画像光５０は右回り円偏光に変調される。
　位相差板２１０を透過した画像光５０は、反射型ダブレット１２０に入射する。外光４０と同様に、画像光５０の半分の強度の部分が偏光状態に変調を受けず、かつ、拡大、縮小、歪等の光学的な影響も受けずに反射型ダブレット１２０を透過する。残りの半分は上流側に反射されるので、眼３０には導かれない。
　反射型ダブレット１２０を透過した画像光５０は、λ／４板３００に入射する。λ／４板３００に入射する画像光５０は右回り円偏光なので、λ／４板３００で鉛直方向の直線偏光に変調される。
　鉛直方向の直線偏光となった画像光５０は反射型偏光板３１０に入射し、反射型偏光板３１０で反射される。反射型偏光板３１０で反射された画像光５０は再びλ／４板３００に入射する。反射型偏光板３１０で反射された画像光５０は鉛直方向の直線偏光なので、λ／４板３００で右回り円偏光に変調される。
　λ／４板３００を透過した画像光５０は、再び反射型ダブレット１２０に入射する。反射型ダブレット１２０の曲面１２２で画像光５０の半分の強度の部分が下流側に反射される。この場合に、曲面１２２で反射するので画像光５０はレンズ作用を受ける。この観点から、反射型ダブレット１２０は、少なくとも画像光５０に対してレンズパワーを有する光学素子の一例となっている。図１の例で、反射型ダブレット１２０は画像光５０の反射光を平行光にしている。なお、反射によって円偏光の向きが左回りとなる。残りの半分は反射型ダブレット１２０を透過するので眼３０には導かれない。
　反射型ダブレット１２０で反射された画像光５０は再びλ／４板３００に入射する。画像光５０は左回り円偏光なので、λ／４板３００を透過するときに水平方向の直線偏光に変調される。画像光５０は再び反射型偏光板３１０に入射するが、今度は画像光５０が水平方向の直線偏光であるので、反射型偏光板３１０を透過する。さらに、偏光板３２０も透過して、眼３０に導かれる。
　図５は、図１のＧＰＨ素子１３０を説明するために図１の光学装置１０と比較される比較例としての光学装置１２の概念図である。光学装置１２は、画像重畳部１０２にＧＰＨ素子１３０が設けられていない点を除いて光学装置１０と光学的な構成は同一である。光学装置１２において光学装置１０と同一の構成には同じ参照番号を付して説明を省略する。
　画像光５０はプロジェクタ１１０などの画像生成部により生成される。ここで、プロジェクタ１１０などの画像生成部にはレンズなどの光学部材が配されるので、画像光５０はこれらの光学部材を透過や反射する過程で屈折が生じ、屈折に伴う屈折角の波長分散が表れる。図５の例では、画像光５０が反射型ダブレット１２０を透過してから反射して出射する過程で、当該波長分散により、反射型ダブレット１２０からの出射位置および出射角度が赤色Ｒ、緑色Ｇおよび青色Ｒでそれぞれ異なる。したがって、拡大虚像位置では大きな色収差となって、使用者に画像光５０の色のにじみとして見えてしまうという不具合がある。
　外光４０も反射型ダブレット１２０を透過するときにも波長分散が表れて、色ごとに出射位置は少し異なる。しかしながら、出射角度は同じであるし、拡大されない実像なので、使用者に外光４０の色収差はほとんど感じられない。
　画像光５０の色収差に対して、例えば、反射型ダブレット１２０のダブレット片１２１とダブレット片１２３とで屈折率を変えることで画像光５０の波長分散性を抑える、いわゆる色消しレンズにすることが考えられる。しかしながら、その場合には、反射型ダブレット１２０は透過光に対してもレンズパワーを有することになる。したがって、外光４０が反射型ダブレット１２０を透過するときに拡大、縮小、歪等の光学的な影響を受けるので、現実世界の像がぼやけたり、光学装置１２を用いない場合と見た目の大きさが異なるなどの不自然さが生じる。
　そこで、光学装置１０ではＧＰＨ素子１３０を用いる。これにより、少なくとも反射型ダブレット１２０で生じる画像光５０の波長分散性を補償する。
　図６は、ＧＰＨ素子１３０の波長分散性を説明する図である。ＧＰＨ素子１３０のＧＰＨはGeometric Phase Hologramの略であって、ＧＰＨ素子１３０は、重合性液晶を特定のパターンに配向させたものである。これにより、図６に示すように、円偏光が入射した場合に、入射した円偏光の偏光状態を反転した円偏光の１次回折光を特定の方向に出力する。
　この場合に各々の領域（図では領域ＸとＹを例示した）の１次回折光が集光するように配向パターンを形成すれば、ＧＰＨ素子１３０に凸レンズの機能を持たせることができる。より具体的には、同心円状であって、外側に行くほどピッチを小さくした配向パターンを設けることにより、ＧＰＨ素子１３０が凸レンズとして機能する。さらに、配向のパターンによって、凸レンズ以外にも凹レンズなど所望のレンズパワーを持たせることができる。
　ここで、ＧＰＨ素子１３０は回折現象を用いているので、屈折とは逆の波長分散が表れる。図６に示した例では、緑色Ｇの集光点に対して赤色ＲはＧＰＨ素子１３０に近い側に集光し、青色Ｂは遠い側に集光する。
　したがって、光学装置１０において、画像光５０は入射するが外光４０は入射しない位置にＧＰＨ素子１３０を配する。これにより、画像光５０に対して生じる反射型ダブレット１２０の波長分散性を、それと逆の逆分散性を有するＧＰＨ素子１３０で予め逆の波長分散を生じさせることで補償する。さらにＧＰＨ素子１３０にレンズパワーを持たせることにより、光学装置１０のレンズとしても用いることができる。
　なお、ＧＰＨ素子１３０が反射型ダブレット１２０の波長分散性を補償するような逆分散性を有する例を説明した。これに代えて、ＧＰＨ素子１３０で、光学装置１０において反射型ダブレット１２０を含む光学系の全体が有する波長分散性か、または、反射型ダブレット１２０とは異なる光学素子の波長分散性を補償してもよい。この場合に、ＧＰＨ素子１３０は、画像光５０について反射素子２００よりも上流側に配された光学系の少なくとも一部、例えばプロジェクタ１１０の直後にプロジェクタ１１０からの出力光を光学的に調整するレンズ、の波長分散性を補償してもよい。
　なお、ＧＰＨ素子１３０には以下の光学的性質がある。右回り円偏光が入射したときに、出射される左回り円偏光の１次の回折角がθであるＧＰＨ素子１３０に対して、左回り円偏光が入射したときの、出射される右回り円偏光の１次の回折角は－θである。
　図７は、ＧＰＨユニット１４０を説明する図である。上記のＧＰＨ素子１３０において、材料やレンズパワー等が決まると、波長分散の特性がほぼ決まる。よって、単一のＧＰＨ素子１３０では所望の逆分散性を得られない場合がある。そこで、ＧＰＨユニット１４０では複数のＧＰＨ素子と偏光変換素子を組み合わせることで、所望の逆分散性を得る。
　ＧＰＨユニット１４０において、ＧＰＨ素子１４２、１４４の間に偏光変換素子１６０が配される。偏光変換素子１６０は、入射光のうちの特定の帯域の偏光状態は変調するが、特定の帯域以外の偏光状態を維持する。図７の例において、偏光変換素子１６０は赤色Ｒの帯域の偏光方向を反転する。一方、偏光変換素子１６０は、緑色Ｇおよび青色Ｂの帯域の偏光方向は維持する、すなわち、偏光方向を反転させない。
　図７において各光線の矢印の近くに記載された０、θ、ｄ等は光線が進む角度を示している。各光線の矢印の近くのＣはその光線が右回り（時計回り）円偏光であることを示し、Ａはその光線が左回り（反時計回り）円偏光であることを示す。
　各ＧＰＨ素子の下方に示されたθ等は、対応するＧＰＨ素子の左回り円偏光に対する回折角であり、波長分散を考慮したものが示されている。ＧＰＨ素子１４２については、赤色Ｒの回折角がθであり、緑色Ｇの回折角がθ－ｄであり、青色Ｂの回折角がθ－２ｄである。また、ＧＰＨ素子１４４はＧＰＨ素子１４２と光学的に同じ性質を有する。
　ＧＰＨ素子１４２、１４４と偏光変換素子１６０とを図７のように組み合わせると、ＧＰＨユニット１４０に角度０（法線方向）で入射した赤色Ｒの光線は、ＧＰＨ素子１４２とＧＰＨ素子１４４の両方でθだけ回折し、結果として２θ方向に回折される。一方、０度で入射した緑色Ｇの光線はＧＰＨ素子１４２でθ－ｄ方向に回折するが、ＧＰＨ素子１４４に入射するときにはＧＰＨ素子１４２に入射したときと円偏光の回転方向が反対なので、ＧＰＨ素子１４４での回折が－（θ－ｄ）となり、結果として０度方向に出力される。０度で入射した青色Ｂの光線も同様に０度方向に出力される。このように、ＧＰＨユニット１４０は、同じ方向から入射する３色の光のうちいずれか１色の光線の方向を異なる方向に向けることができる。
　図８は、他のＧＰＨユニット１５４を説明する図である。図８に用いられている記号が示す内容は図７に用いられているものと同じである。
　ＧＰＨユニット１５４において、ＧＰＨ素子１５０、１５２の間に偏光変換素子１６４が配される。図８の例において、偏光変換素子１６４は青色Ｂの帯域の偏光方向を反転する。一方、偏光変換素子１６４は、赤色Ｒおよび緑色Ｇの帯域の偏光方向は維持する、すなわち、偏光方向を反転させない。
　ＧＰＨ素子１５０、１５２と偏光変換素子１６４とを図８のように組み合わせると、ＧＰＨユニット１４０に角度２θで入射した赤色Ｒの光線は、ＧＰＨ素子１５０でθ＋２ｄだけ回折するが、ＧＰＨ素子１５２に入射するときはＧＰＨ素子１５０に入射したときと円偏光の回転方向が反対なので、ＧＰＨ素子１５２での回折が－（θ＋２ｄ）となり、結果として２θ方向に出力される。２θで入射した緑色Ｇの光線も同様に２θ方向に出力される。一方、０度で入射した青色Ｇの光線はＧＰＨ素子１４２でθだけ回折し、さらにＧＰＨ素子１４４でθだけ回折し、結果として２θ方向に出力される。このように、ＧＰＨユニット１４０は、異なる方向から入射する３色の光線の方向を同じ方向に向けることができる。
　上記の通り、ＧＰＨユニットにおけるＧＰＨ素子と偏光変換素子の組み合わせにより、ＧＰＨユニットの全体として、ＧＰＨ素子単体に比較して赤色Ｒの回折角を小さくして、青色Ｇの回折角を大きくすれば、逆分散性を小さくすることができる。一方、ＧＰＨユニットの全体として、ＧＰＨ素子単体に比較して赤色Ｒの回折角を大きくして、青色Ｇの回折角を小さくすれば、逆分散性を大きくすることができる。
　図９はさらに他のＧＰＨユニット１５６を説明する図である。図９において図７および図８と同じ参照番号を付したものは同じ光学的特性を有する。また、図９に用いられている記号が示す内容は図７に用いられているものと同じである。
　ＧＰＨユニット１５６は、６つのＧＰＨ素子１４２、１４４、１４６、１４８、１５０、１５２と、３つの偏光変換素子１６０、１６２、１６４を有する。ＧＰＨ素子１４２、１４４の間に偏光変換素子１６０が配される。同様に、ＧＰＨ素子１４６、１４８の間に偏光変換素子１６２が配され、ＧＰＨ素子１５０、１５２の間に偏光変換素子１６４が配される。
　偏光変換素子１６２は緑色Ｇの帯域の偏光方向を反転する一方、赤色Ｒおよび青色Ｂの帯域の偏光方向は維持する。偏光変換素子１６０、１６４は図７および図８に説明したものと同じ光学的性質を有する。また、偏光変換素子の入力側に配されたＧＰＨ素子と出力側に配されたＧＰＨ素子との光学的特性は同一となっている。
　ＧＰＨ素子１４２、１４４、１４６、１４８、１５０、１５２と偏光変換素子１６０、１６２、１６４とを図９のように組み合わせれば、ＧＰＨユニット１４０に角度０（法線方向）で入射した赤色Ｒ、緑色Ｇおよび青色Ｂの光線がすべて２θで出射される。よって、図９のＧＰＨユニット１５６は逆分散性を有しない。さらに、各ＧＰＨ素子における回折の角度をθから変えることで、所望の逆分散性を有するＧＰＨユニット１５６を構成することができる。さらに、バンドパスフィルタを用いて赤色Ｒ、緑色Ｇおよび青色Ｂのそれぞれの色における狭い波長帯域を取り出してＧＰＨユニット１５６と組み合わせることで所望の逆分散性を得るようにしてもよい。
　図１０は、他の光学装置１４を示す。光学装置１４は、外光調整部３４０を設けた点を除いて光学装置１０と同じ構成を有する。光学装置１４において光学装置１０と同じ構成には同じ参照番号を付して説明を省略する。
　外光調整部３４０は、外光４０について反射素子２００よりも上流側に配される。外光調整部３４０は透過率を調整することで、透過する外光４０の強度を調整可能である。外光調整部３４０の一例は液晶シャッタである。
　ここで、外光調整部３４０が液晶シャッタのように偏光を利用して透過率を調整するものである場合には、外光調整部３４０から出力される外光４０の偏光方向を、反射素子２００を透過する偏光方向にすることが好ましい。これにより、外光調整部３４０から出力される外光４０を効率よく用いることができる。
　なお、外光調整部３４０は液晶シャッタに代えて、偏光板を用いてもよい。この場合に偏光板の光学軸の方向に従って、透過する外光４０のうち、反射素子２００を透過する直線偏光成分の大きさが決まる。よって、偏光板と反射素子２００との協働により外光４０の強度を調整することができる。
　図１１は、他の画像重畳部１０４を示す。画像重畳部１０４において、画像重畳部１００と同じ構成には同じ参照番号を付して説明を省略する。画像重畳部１０４は、バックライト１７０と、偏光ビームスプリッタ１７２と、液晶パネル１７４と、λ／４板１７６と、ＧＰＨ素子１３０と、反射素子２００とを有する。
　バックライト１７０は時分割で非偏光の赤色、緑色および青色の光を出射する。偏光ビームスプリッタ１７２は、バックライトから入射した光のうちＳ偏光を反射して液晶パネル１７４へと方向付ける。
　液晶パネル１７４は２次元に配された複数の画素を有する。画素の各々は、偏光を利用して、入射光を反射する状態と吸収する状態とを切替可能である。これらの画素からの出力によりカラーの画像光５０を得ることができる。液晶パネル１７４がデジタル階調方式の場合には、入射光を偏光方向を９０°回転させている時間と回転させていない時間のデューティ比で階調を表現し、画像光５０を水平方向の直線偏光で出力する。一方、液晶パネル１７４がアナログ階調方式の場合には、入射光の偏光方向を階調に合せた角度で回転した画像光５０を出力する。
　画像光５０のうちの水平方向の直線偏光の成分は偏光ビームスプリッタ１７２を透過して、λ／４板１７６に入射する。λ／４板１７６により画像光５０は水平方向の直線偏光から左回り円偏光に変調されて、ＧＰＨ素子１３０に入射する。
　図１２は、さらに他の画像重畳部１０５を示す。画像重畳部１０５において、画像重畳部１００、１０４と同じ構成には同じ参照番号を付して説明を省略する。画像重畳部１０５は、バックライト１７０と、偏光ビームスプリッタ１７２と、液晶パネル１７４と、λ／４板１７３、１７６とを有する。
　バックライト１７０は、画像重畳部１０４のバックライト１７０とは異なり、偏光ビームスプリッタ１７２の反対側に配される。偏光ビームスプリッタ１７２は、バックライトから入射した光のうち水平方向の直線偏光の成分を透過して液晶パネル１７４へ入射させる。
　液晶パネル１７４は、図１１の場合と同様に、入射光を反射する場合に偏光方向を回転した画像光５０を出力する。画像光５０のうち垂直方向の直線偏光の成分は偏光ビームスプリッタ１７２で反射して、λ／４板１７６に入射する。垂直方向の直線偏光の画像光５０はλ／４板１７６で右回り円偏光に変調されて、反射型ダブレット１２０に入射する。
　一方、外光４０のうち水平方向の直線偏光の成分は偏光ビームスプリッタ１７２を透過して、λ／４に入射する。水平方向の直線偏光の外光４０はλ／４板１７６で左回り円偏光に変調されて、反射型ダブレット１２０に入射する。これにより、外光４０に画像光５０が重畳される。ＧＰＨ素子１３０は、λ／４板１７３と液晶パネル１７４との間に配される。
　図１３は、さらに他の画像重畳部１０６を示す。画像重畳部１０６において、画像重畳部１００と同じ構成には同じ参照番号を付して説明を省略する。画像重畳部１０６は、プロジェクタ１１０、ＧＰＨ素子１３０および反射素子２００の組と、これと対称に配された、プロジェクタ１１２、ＧＰＨ素子１３２および反射素子２０２の組とを有する。
　プロジェクタ１１２、ＧＰＨ素子１３２および反射素子２０２の組は、画像光５２を生成して外光４０に重畳する。プロジェクタ１１２、ＧＰＨ素子１３２および反射素子２０２の各々は、プロジェクタ１１０、ＧＰＨ素子１３０および反射素子２００と同じ機能を有するので説明を省略する。
　図１４は、さらに他の画像重畳部１０７を示す。画像重畳部１０７において、画像重畳部１００と同じ構成には同じ参照番号を付して説明を省略する。画像重畳部１０７は、プロジェクタ１１０、ミラー１８０および反射素子２００の組と、プロジェクタ１１２、ミラー１８２および反射素子２０２の組とを有する。ＧＰＨ素子１３０は上記二つの組で共用されている。
　プロジェクタ１１０からの画像光５０は、ミラー１８０および反射素子２００で反射されて、外光４０に重畳される。同様に、プロジェクタ１１２で画像光５２が生成され、ミラー１８２および反射素子２０２で反射されて、外光４０に重畳される。
　なお、画像光５０の光路は画像光５２光と干渉しない光路にすることが好ましい。光路が干渉する場合には、ミラー１８２に代えて偏光状態によらず所望の比率で透過および反射するハーフミラーを設けてもよい。さらに、プロジェクタ、ミラーおよび反射素子の組の数は２つに限られず、３つ以上であってもよい。
　図１５は、さらに他の画像重畳部１０８を示す。画像重畳部１０８において、画像重畳部１００と同じ構成には同じ参照番号を付して説明を省略する。画像重畳部１０８は、プロジェクタ１１０とＧＰＨ素子１３０との間に、正立光学系１９０を有する。
　正立光学系１９０は、例えば正立結像レンズ、拡大光学系を有する。正立結像レンズは、ＳＥＬＦＯＣ（登録商標）レンズや、複数枚のレンズアレイで構成された正立結像レンズ等である。拡大光学系はフレネルレンズ等である。なお、正立光学系１９０は、図１１から図１５のいずれの画像重畳部１０４等に用いられてもよい。
　図１６は、他の光学装置１６を示す。光学装置１６において光学装置１０と同じ構成には同じ参照番号を付して説明を省略する。
　光学装置１６において、反射素子２００の傾いている方向は光学装置１０とは逆である。これにより、光学装置１６において、反射素子２００は画像光５０を、外光４０の上流側に反射する。
　外光４０について反射素子２００の上流側には、曲面ハーフミラー３３０が配される。曲面ハーフミラー３３０は曲面３３２を有し、偏光状態によらず入射光の半分の強度の部分を透過し、他の半分を曲面３３２で反射する。これにより、画像光５０の半分の強度の部分を反射して曲面３３２でレンズ作用を施す。図１６の例では、反射した画像光５０を平行光にしている。
　一方、外光４０のうちの半分の強度の部分が、曲面ハーフミラー３３０を透過するが、曲面３３２でのレンズ作用を受けない。これにより、画像光５０が外光４０に重畳されて使用者の眼に導かれる。
　以上、いずれの実施形態においても、反射素子２００は互いに直交する直線偏光の一方を反射して他方を透過する。これに代えて、偏光状態によらず入射光の半分の強度の部分を反射して残りの部分を透過するハーフミラーを用いてもよい。さらに、上記いずれの実施形態におけるハーフミラーも、反射と透過の比率が１：１であるが、これに代えて、任意の比率であってもよい。
　なお、上記いずれの実施形態においても反射素子２００は外光４０および画像光５０の入射方向に対して４５°に傾いているが、傾きの角度は４５°以外であってもよい。また、上記いずれの実施形態においても、偏光状態を直線偏光と円偏光であるとして説明したが、設計公差等の理由により楕円偏光になる場合にも適用できる。
　なお、上記いずれの実施形態においても、反射型ダブレット１２０および曲面ハーフミラー３３０は画像光５０を平行光にするレンズパワーを有する。しかしながら、反射型ダブレット１２０および曲面ハーフミラー３３０は他の大きさのレンズパワーを有していてもよい。
　さらに、上記いずれの実施形態においても、ＧＰＨ素子１３０等と反射素子２００等との間に、凸レンズなど他の光学的素子が配されていてもよい。
　上記いずれの実施形態においても、反射型ダブレット１２０に代えて、三つ以上の光学要素からなり、入射光の一部を透過し、他の一部を反射する曲面を有する反射型光学系が用いられてもよい。その場合に、光学要素は互いに整合面で整合しており、かつ、互いの屈折率が予め定められた範囲で一致、例えば等しい、ことが好ましい。または、反射型ダブレット１２０に代えて、互いの整合面が平面であり、整合していない方の面が互いに同じ曲率を有する反射型ダブレットを用いてもよい。
　図１７は、本実施形態の光学装置１０を利用した眼鏡型表示装置４００の一例を示す。眼鏡型表示装置４００は、光学装置１０及び眼鏡型のフレーム４０２を備え、フレーム４０２により眼鏡と同様の形態で観察者に装着されてよい。
　眼鏡型表示装置４００は、眼鏡の眼の位置に対応する部分の上部にプロジェクタ１１４、１１６を備え、プロジェクタ１１４、１１６は下方向に向けて左眼用及び右眼用の画像光を出力する。また、眼鏡型表示装置４００の右眼側のリム４０４及び左眼側のリム４０６の内部に、反射素子２０４、２０６を含む光学装置１０のプロジェクタ以外の部材が配される。これらにより、プロジェクタ１１４、１１６から出力された画像光を使用者のそれぞれの眼に導く。眼鏡型表示装置４００は、更にレンズ等のその他の光学系を備えてもよい。
　眼鏡型表示装置４００はプロジェクタ１１４、１１６を他の部分に設けてもよい。例えば、眼鏡型表示装置４００はプロジェクタ１１４、１１６を、眼に対応する部分の下側、内側、又は、外側に設けてよい。また、図示しないが、光学装置１０等及び眼鏡型表示装置４００は、画像重畳部１００等を制御するプロセッサ、及び、これらに電力を供給するバッテリー等の必要な要素を含んでよい。なお、眼鏡型表示装置４００において左右の一方の眼に対して画像を重畳させる反射素子等を設け、他方に対しては画像を重畳させる反射素子等を設けない構成としてもよい。
　図１８は、さらに他の光学装置１８を示す。光学装置１８は導光板３５２を利用して画像光５０を現実世界の外光４０に重畳させて使用者の眼３０に導く。
　光学装置１８はプロジェクタ１１０と、ＧＰＨ素子１３０と、レンズ３５０と、導光板３５２と、偏向素子３５４、３５６とを有する。プロジェクタ１１０は画像光５０を生成して拡散光として出射する。レンズ３５０は画像光５０を眼３０に集光させる。
　導光板３５２にはレンズ３５０から出射した画像光５０が入射する。導光板３５２には偏向素子３５４が取り付けられている。偏向素子３５４は、導光板３５２に入射した画像光５０の方向を、導光板３５２の中で全反射が起きるような方向へ偏向する。ここで、導光板３５２は入射した光を内部で全反射させて伝搬させるので、反射素子の一例になっているといえる。偏向素子３５４の例は、ミラー、ホログラム、回折素子、多層積層構造を有するハーフミラー等である。
　導光板３５２にはさらに偏向素子３５６が取り付けられている。偏向素子３５６は、導光板３５２の内部を全反射して偏向素子３５６に到達した画像光５０の方向を眼３０の方向へ偏向する。偏向素子３５６の例は、ホログラム、回折素子、多層積層構造を有するハーフミラー等である。
　以上の構成により、光学装置１８において画像光５０が外光４０に重畳されて、使用者の眼３０に導かれる。ここで、画像光５０はプロジェクタ１１０およびレンズ３５０などにおいて屈折に伴う屈折角の波長分散が表れるが、本実施形態においてはＧＰＨ素子１３０を設けることにより、この波長分散性を補償する。これにより、導光板３５２を利用した光学装置１８においても、使用者が感じる画像光５０の色のにじみを抑えることができる。
　なお、導光板３５２を用いる光学装置１８は画像の重畳において偏光を用いなくてもよい。よって、図１８においても偏光の方向の記載を省略した。また、光学装置１８も左右の一方の眼に対して画像を重畳させる導光板等を設け、他方に対しては画像を重畳させる導光板等を設けない構成としてもよい。
　図１９および図２０は、図７のＧＰＨユニット１４０の変形例であるＧＰＨユニット１５７を説明する図である。ＧＰＨユニット１５７においてＧＰＨユニット１４０と同じ構成には同じ参照番号を付して説明を省略する。
　ＧＰＨユニット１５７は、偏光変換素子１６０とＧＰＨ素子１４４との間に偏光切替素子１６５が配されている点が、ＧＰＨユニット１４０と異なる。偏光切替素子１６５は、光の波長に関わらず、入射光の偏光状態を維持して出力する第１の状態と、入射光の偏光状態を反転した偏光状態に変換して出力する第２の状態とを切り替え可能である。いずれの状態においても、偏光切替素子１６５は入射光の光線方向は偏向せずに、すなわち、そのまま維持して出力する。偏光切替素子１６５の一例として、電圧によって第１の状態と第２の状態とが切り替わる液晶パネルを、互いの遅相軸が直交する向きでλ／４板で挟んだものが挙げられる。
　図１９は、偏光切替素子１６５が第１の状態にあり、それによってＧＰＨユニット１５７が第１の状態にあることを示す。偏光切替素子１６５が上記の例のように液晶パネルを含む場合には、例えば第１の状態は当該液晶パネルに電圧が加えられている状態である。
　第１の状態において、偏光切替素子１６５は入射光の偏光状態を維持して出力する。よって、第１の状態において、ＧＰＨユニット１５７は偏光切替素子１６５の存在にも関わらずＧＰＨユニット１４０と同じ光学的機能を有する。
　図２０は、偏光切替素子１６５が第２の状態にあり、それによってＧＰＨユニット１５７が第２の状態にあることを示す。偏光切替素子１６５が液晶パネルを含む場合には、例えば第２の状態は当該液晶パネルに電圧が加えられていない状態である。
　第２の状態において、偏光切替素子１６５は入射光の偏光状態を波長に関わらず反転した方向に変換して出力する。図２０の例において、赤色Ｒを左回り円偏光から右回り円偏光へ変換し、緑色Ｇおよび青色Ｂを右回り円偏光から左回り円偏光へ変換する。これにより、第２の状態において、ＧＰＨユニット１５７は第１の状態とは異なる偏光状態および偏向方向へＲＧＢの光を出射する。
　以上の構成を有するＧＰＨユニット１５７によれば、偏光切替素子１６５の状態を切り替えることにより、光学装置１０に全体として生じる波長分散性を切り替えることができる。なお、偏光切替素子１６５に直線偏光が入力される場合には、偏光状態を反転させる第２の状態は、入力された直線偏光と直交する直線偏光を出力することに対応する。
　以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。
　請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
　１０、１２、１４、１６、１８　光学装置、３０　眼、４０　外光、４２　物体、５０、５２　画像光、５４　物体像、５６　重畳画像、１００、１０２、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８　画像重畳部、１０１　光学系、１１０、１１２、１１４、１１６　プロジェクタ、１２０　反射型ダブレット、１２１、１２３　ダブレット片、１２２　曲面、１３０、１３２、１４２、１４４、１４６、１４８、１５０、１５２　ＧＰＨ素子、１４０、１５４、１５６、１５７　ＧＰＨユニット、１６０、１６２、１６４　偏光変換素子、１６５　偏光切替素子、１７０　バックライト、１７２　偏光ビームスプリッタ、１７３　λ／４板、１７４　液晶パネル、１７６　λ／４板、１８０　ミラー、１８２　ミラー、１９０　正立光学系、２００、２０２、２０４、２０６　反射素子、２１０　位相差板、２２０　反射型偏光板、３００　λ／４板、３１０　反射型偏光板、３２０　偏光板、３３０　曲面ハーフミラー、３３２　曲面、３４０　外光調整部、３５０　レンズ、３５２　導光板、３５４、３５６　偏向素子、４００　眼鏡型表示装置、４０２　フレーム、４０４　リム、４０６　リム

Claims (11)

  1. 　画像光を外光に重畳させて下流側に導く光学装置であって、
    　少なくとも前記画像光に対してレンズパワーを有する光学素子を含む画像光学系と、
    　前記画像光の少なくとも一部を反射することで、前記画像光の前記少なくとも一部と前記外光の前記少なくとも一部とを重畳させる反射素子と
    を備え、
    　前記画像光学系は、前記光学素子とは波長分散性が逆の逆分散性を有するＧＰＨ素子を有する光学装置。
  2. 　前記光学素子は、前記反射素子の下流側に配され、互いに整合面で整合し、互いの屈折率が予め定められた範囲で一致する複数の光学部材からなる反射型光学系であって、入射光の一部を透過し、他の一部を反射する曲面を有する反射型光学系を有し、
    　前記反射型光学系の下流側に配された四分の一波長板と、
    　前記四分の一波長板の下流側に配され、第１の直線偏光を反射し、第２の直線偏光を透過する反射型偏光板と
    をさらに備え、
    　前記ＧＰＨ素子は少なくとも前記反射型光学系の波長分散性を補償する前記逆分散性を有する請求項１に記載の光学装置。
  3. 　前記外光について前記反射素子の上流側に配され、曲面を有し、前記曲面において入射光の一部を透過し、他の一部を反射する曲面ハーフミラーをさらに備える請求項１に記載の光学装置。
  4. 　前記反射素子は、
    　前記画像光の光軸に対して斜めに配置され、前記画像光および前記外光の偏光状態を変調する位相差板と、
    　前記位相差板の下流側に重ねられ、前記位相差板を透過した前記画像光の第１の偏光成分を反射するとともに、前記外光の第２の偏光成分を透過する反射型偏光板と
    を有する請求項１から３のいずれか１項に記載の光学装置。
  5. 　前記反射素子はハーフミラーである請求項１から３のいずれか１項に記載の光学装置。
  6. 　前記反射素子は、前記画像光の第１の偏光成分を反射するとともに、前記外光の第２の偏光成分を透過する偏光ビームスプリッタである請求項１から３のいずれか１項に記載の光学装置。
  7. 　前記ＧＰＨ素子は、前記画像光について前記反射素子よりも上流側に配された前記画像光学系の少なくとも一部の波長分散性を補償する前記逆分散性を有する請求項１から６のいずれか１項に記載の光学装置。
  8. 　前記画像光学系は、前記ＧＰＨ素子に重ねて配され、入射光のうちの特定の波長帯域の偏光状態を変調し、他の波長帯域の偏光状態を維持する偏光変換素子をさらに有する請求項１から７のいずれか１項に記載の光学装置。
  9. 　前記偏光変換素子と前記ＧＰＨ素子との間に配され、入射光の偏光状態を維持して出力する第１の状態と、入射光の偏光状態を反転した偏光状態に変換して出力する第２の状態とを切り替える偏光切替素子をさらに有する請求項８に記載の光学装置。
  10. 　前記外光について前記反射素子よりも上流側に配され、透過する外光の強度を調整可能な外光調整部をさらに備える請求項１から９のいずれか１項に記載の光学装置。
  11. 　使用者に装着され、前記画像光を前記外光に重畳させて前記使用者の眼に導く、拡張現実用の、請求項１から１０のいずれか１項に記載の光学装置。
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