(57)【要約】【課題】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。【解決手段】虚像表示装置１００は、表示デバイス（画像形成部）１１と、表示デバイス１１からの画像光ＧＬを屈折させるレンズ４０と、レンズ４０を通過した画像光ＧＬを反射する第１ミラー部材２１と、第１ミラー部材２１で反射された画像光ＧＬを反射する第２ミラー部材２２と、第２ミラー部材２２で反射された画像光ＧＬを射出瞳ＥＰの位置に向けて反射する透過型の第３ミラー部材２３とを備え、レンズ４０は、第１ミラー部材２１及び第２ミラー部材２２によって規定され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に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。【選択図】図１
2020020858.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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する第１ミラー部材と、
前記第１ミラー部材で反射された画像光を反射する第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する透過型の第３ミラー部材とを備え、
前記レンズは、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方向に関して光軸を挟んで非対称性を有し、前記第１方向に直交する第２方向に関して前記光軸を挟んで対称性を有する、虚像表示装置。
【請求項２】
前記レンズは、前記第１方向の光学的パワーが前記第２方向の光学的パワーよりも小さい、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記レンズは、前記光軸を通る前記第１方向の断面において、互いに傾斜する一対の平坦面領域を有する、請求項１及び２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記レンズの前記一対の平坦面領域のうち前記画像形成部側の平坦面領域は、前記光軸に対して略直交する、請求項３に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
前記レンズは、前記光軸を通る前記第２方向の断面において、全系の前記画像形成部側でテレセントリック性を与える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記レンズは、前記光軸を通る前記第２方向の断面において、正の光学的パワーを有する、請求項５に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記第１ミラー部材、前記第２ミラー部材、及び前記第３ミラー部材の反射面は、非球面又は自由曲面である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記レンズのレンズ面は、非球面又は自由曲面である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項９】
前記第１ミラー部材と、前記第２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１〜８のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１０】
前記第１ミラー部材と前記レンズとの間の光路上に第４ミラー部材をさらに備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１１】
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１〜１０のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１２】
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１〜１１のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１３】
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１〜１２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１４】
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１３に記載の虚像表示装置。
【請求項１５】
前記第１ミラー部材の面積は、前記第２ミラー部材の面積よりも大きい、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１６】
前記屈折反射光学部材の前記屈折部材は、アッベ数が５０以上の材料で形成されている、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１７】
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１〜１６のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１８９８８０号公報
【発明の概要】
【０００６】
本発明の一側面における虚像表示装置は、画像形成部と、画像形成部からの画像光を屈折させるレンズと、レンズを通過した画像光を反射する第１ミラー部材と、第１ミラー部材で反射された画像光を反射する第２ミラー部材と、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する透過型の第３ミラー部材とを備え、レンズは、第１ミラー部材及び第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方向に関して光軸を挟んで非対称性を有し、第１方向に直交する第２方向に関して光軸を挟んで対称性を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態の虚像表示装置を説明する側断面図である。
【図２】第１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。
【図３】第１実施形態の虚像表示装置を説明する正面図である。
【図４】第１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。
【図５】第１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。
【図６】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。
【図７】レンズの形状を説明する斜視図である。
【図８】レンズの屈折面等の構造を説明する拡大断面図である。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】光学面の偏芯及びチルトを説明する概念図である。
【図１３】第２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。
【図１４】第２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。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
〔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について説明する。
【０００９】
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。
【００１０】
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。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。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。なお、図１等では、右眼用の虚像表示装置１００のみを示しているが、左眼用の虚像表示装置１００も同様の構造を有し、両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。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で反射された後、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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
図４及び５に戻って、投射光学系１２は、斜入射を前提とする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。
【００１５】
図７に示すように、レンズ４０は、上下のＹ方向の両端で厚みが異なる縦方向に非対称性を有するレンズである。レンズ４０は、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８参照）。レンズ面４１，４２のうち、少なくともレンズ面４２は、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縦の第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に直交する横の第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、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の交差角の相違や偏りとして現れる。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。レンズ４０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。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。
【００１６】
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。
【００１７】
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平坦面領域４１ａ，４２ａを有する。一対の平坦面領域４１ａ，４２ａのうち表示デバイス（画像形成部）１１側の平坦面領域４１ａは、光軸ＡＸに対して略直交するが、第１ミラー部材２１側の平坦面領域４１ｂは、光軸ＡＸに対して数１０°以下の角度をなす。この結果、レンズ４０は、平坦面領域４１ａ，４２ａを含む全体で、第１方向Ｄ０１において楔角θを有するプリズムのような作用を有するものとなり、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。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。
【００１８】
レンズ４０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。より詳細には、レンズ４０は、第１方向Ｄ０１の光学的パワーが第２方向Ｄ０２の光学的パワーの１／１０以下となっている。本実施形態の場合、レンズ４０は、光軸ＡＸを通る第１方向Ｄ０１の断面において殆ど光学的パワーを有しないが、光軸ＡＸを通る第２方向Ｄ０２の断面において正の光学的パワーを有する。レンズ４０は、光軸ＡＸを通る横又はＸ方向に対応する第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だけでなく、光軸ＡＸを通る縦又はＹ方向に対応する第１方向Ｄ０１の断面においても、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。つまり、縦の第１方向Ｄ０１に関しては、投射光学系１２が偏心系なので、軸対称の補正だけでは難しいので、レンズ４０において傾いた面も使い、縦方向に関してテレセントリック性を確保する。一方、横の第２方向Ｄ０２に関しては、投射光学系１２が軸対称なので、レンズ４０の正のパワーのみでテレセントリック性を確保できる。ここでは、画角が大きくなると表示デバイス１１からの主光線が外方向に主光線が傾くので、横の第２方向Ｄ０２についてレンズ４０を正のパワーとしているが、表示デバイス１１からの主光線が内方向に傾く場合、横の第２方向Ｄ０２についてレンズ４０を負のパワーとする。以上のように、縦横で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。
【００１９】
図４等を参照して、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９参照）。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。
【００２０】
第２ミラー部材２２は、表面ミラーとして機能する板状の部品であり、第１ミラー部材２１からの画像光ＧＬを反射する。つまり、第２ミラー部材２２は、板状体２２ｂの一方の表面２２ｓ上にミラー膜２２ｃを形成した構造を有するミラー板２２ａである（図１０参照）。第２ミラー部材２２のミラー面である反射面２２ｒは、例えば自由曲面であり、ミラー膜２２ｃの表面又は板状体２２ｂの表面２２ｓに対応する形状を有する。反射面（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。反射面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。第２ミラー部材２２の板状体２２ｂ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。
【００２１】
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１１参照）。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。
【００２２】
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。
【００２３】
第２ミラー部材２３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。
【００２４】
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の反射面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。
【００２５】
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に入射して反射面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。第１ミラー部材２１は、第２ミラー部材２２よりも中間像ＩＩから離れており、第１ミラー部材２１の面積は、第２ミラー部材２２の面積よりも大きくなっている。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。中間像ＩＩは、反射面２２ｒに付着したゴミ等の影響を回避するため、反射面２２ｒと交差しないものとなっている。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。
【００２６】
以上で説明した第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、表面ミラーに限られるものではなく、板状体２１ｂ，２２ｂ，２３ｂの裏面にミラー膜２１ｃ，２２ｃ，２３ｃを形成した裏面ミラーとすることができる。
【００２７】
以上で説明した第１実施形態の虚像表示装置１００によれば、レンズ４０が、第１ミラー部材２１及び第２ミラー部材２２によって規定され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に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有するので、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に第１方向と第２方向とに適合した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。
【００２８】
〔実施例１〕
以下では、第１実施形態の虚像表示装置１００の光学系を具体化した実施例１について説明する。実施例１のデータにおいて、自由曲面をｘｙ多項式面で表している。ｘｙ多項式面の係数は、ｚを光軸方向として、以下の式で与えられる。
2020020858.tif 000003
ここで、
ｚ：ｚ軸に平行な面のサグ量
ｃ：頂点曲率
ｋ：コーニック係数
Ｃｊ：単項式ｘｍｙｎの係数
ｒ：半径方向の距離（ｒ＝√（ｘ２＋ｙ２））
なお、Ｃi＝Ｃj×｛（正規化半径）（ｍ＋ｎ−１）｝である。
【００２９】
以下の表１は、係数Ｃiを具体的に説明する表である。
［表１］
2020020858.tif 000004
【００３０】
図１２は、光学面の偏芯とチルトを説明する概念図である。実施例１の光学系は、光学面間で偏芯とチルトとを複合したものとなっている。具体的には、元の（ｘ，ｙ，ｚ）座標に対して偏芯ベクトル（ＸＤＥ，ＹＤＥ，ＺＤＥ）による並進移動の操作を行って（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）座標を得る。その後、（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）座標を、その原点に対してティルトオフセットベクトル（ＸＯＤ，ＹＯＤ，ＺＯＤ）だけ移動したティルトオフセット点を中心として回転させて、偏芯とチルトとを与えた（ｘ'，ｙ'，ｚ'）座標を得ている。
【００３１】
以下の表２は、実施例１の虚像表示装置を構成する各面のパラメーターを示す。表中で距離の単位はｍｍである。
［表２］
2020020858.tif 000005
表中で、「像」は、射出瞳ＥＰを意味し、「物体」は、表示デバイス１１の表示面１１ａを意味する。この場合、射出瞳ＥＰから表示面１１ａに向けて光線を辿っていることになる。面名称であるＭ１〜Ｍ３は、第３ミラー部材２３の反射面２３ｒ、第２ミラー部材２２の反射面２２ｒ、及び第１ミラー部材２１の反射面２１ｒをそれぞれ意味する。表２には、縦のｙ曲率半径、隣接する面間の面間隔、屈折媒体の材質、及び面の屈折及び反射の別が記載されている。なお、屈折媒体の材質において、樹脂Ａは、可視域で屈折率が１．５１程度でアッべ数が５６の樹脂材を意味し、ＳＩＬＩＣＡは、可視域で屈折率１．４７程度の石英ガラスを意味する。
【００３２】
以下の表３は、実施例１に含まれる自由曲面を与える多項式の係数Ｃｉをまとめた表である。
［表３］
2020020858.tif 000006
表中で、記号ｓ３，ｓ５，ｓ７，ｓ１０，ｓ１１は、表２の面番号に対応し、ｓ３は、第３ミラー部材２３の反射面２３ｒを意味し、ｓ５は、第２ミラー部材２２の反射面２２ｒを意味し、ｓ７は、第１ミラー部材２１の反射面２１ｒを意味し、ｓ１０及びｓ１１は、レンズ４０を構成する一対のレンズ面４１，４２を意味する。なお、係数の数値は、正規化曲率半径を用いて表している。
【００３３】
以下の表４は、実施例１に含まれる光学面の偏芯とチルトをまとめた表である。表中で距離の単位はｍｍであり、角度の単位は°である。
［表４］
2020020858.tif 000007
表中で、記号ｓ３，ｓ５，ｓ７，ｓ１０は、表２又は表３に示すものと同じ光学面を示している。
【００３４】
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、第２実施形態の虚像表示装置は、第１実施形態の虚像表示装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。
【００３５】
図１３及び１４に示すように、第２実施形態の虚像表示装置１００は、第１実施形態と同様に、投射光学系１２として、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とを備えるが、レンズ４０と第１ミラー部材２１との間の光路上に第４ミラー部材２４をさらに備える。
【００３６】
第４ミラー部材２４は、凹の表面ミラーとして機能する板状の部品である。つまり、第４ミラー部材２４は、板状体２４ｂの一方の表面２４ｓ上にミラー膜２４ｃを形成した構造を有するミラー板２４ａである。第４ミラー部材２４の反射面２４ｒは、例えば自由曲面であり、ミラー膜２４ｃの表面又は板状体２４ｂの表面２４ｓに対応する形状を有する。反射面２４ｒは、自由曲面に限らず、非球面とすることもできる。反射面２４ｒは、ＹＺ面内にある偏芯方向に対応する第１方向Ｄ５１に関して光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、第１方向Ｄ５１に直交する第２方向Ｄ５２又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。第４ミラー部材２４の板状体２４ｂ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２４ｃは、例えば金属で形成されるが、誘電体多層膜とすることもできる。なお、第１実施形態の場合と異なり、第２ミラー部材２２については、凸面ミラーとして機能している。
【００３７】
レンズ４０のレンズ面４１，４２は、自由曲面であるが、第１方向Ｄ０１及び第２方向Ｄ０２において光軸ＡＸ周辺で光学的パワーを有する。ただし、レンズ４０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。また、レンズ面４１，４２は、光軸ＡＸを通る縦の第１方向Ｄ０１において互いに傾いている。結果的に、レンズ面４１，４２は、光軸ＡＸを通る第１方向Ｄ０１の断面において、互いに傾斜する一対の平坦面領域４１ａ，４２ａを有する。図面では、明確には分からないが、レンズ４０の下側で間隔が狭まっている。例えばＸ軸のまわりで座標的なチルトを与えていたり、自由曲面の奇数次の係数に差があったりすれば、レンズ面４１，４２は、縦の第１方向Ｄ０１において互いに傾いているといえる。
【００３８】
第１ミラー部材２１や第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。
【００３９】
〔実施例２〕
以下では、第３実施形態の虚像表示装置１００の光学系を具体化した実施例２について説明する。実施例２のデータも、実施例１のデータと同様の様式で表現されており、用語の定義等についての重複説明を省略する。
【００４０】
以下の表５は、実施例２の虚像表示装置を構成する各面のパラメーターを示す。表中で距離の単位はｍｍである。
［表５］
2020020858.tif 000008
表中で、面名称であるＭ１〜Ｍ４は、第３ミラー部材２３の反射面２３ｒ、第２ミラー部材２２の反射面２２ｒ、第１ミラー部材２１の反射面２１ｒ、及び第４ミラー部材２４の反射面２４ｒをそれぞれ意味する。
【００４１】
以下の表６は、実施例２に含まれる自由曲面を与える多項式の係数Ｃｉをまとめた表である。
［表６］
2020020858.tif 000009
表中で、記号ｓ３，ｓ５，ｓ７，ｓ１０，ｓ１３，ｓ１４は、表５の面番号に対応する。
【００４２】
以下の表７は、実施例２に含まれる光学面の偏芯とチルトをまとめた表である。表中で距離の単位はｍｍであり、角度の単位は°である。
［表７］
2020020858.tif 000010
表中で、記号ｓ３，ｓ５，ｓ６，ｓ７，ｓ１０，ｓ１１は、表５又は表６に示すものと同じ光学面を示している。
【００４３】
〔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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【符号の説明】
【００４８】
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，２２ａ，２３ａ…ミラー板、２１ｃ，２２ｃ，２３ｃ…ミラー膜、２１ｓ，２１ｔ…表面、２２ｓ，２２ｔ…表面、２３ｒ，２３ｒ…反射面、２２…第２ミラー部材、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、４０…レンズ、４１，４２…レンズ面、４１ａ，４２ａ…平坦面領域、５０…外観部材、８０…フレーム、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
【図１】
2020020858.tif 000011
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2020020858.tif 000019
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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