(57)【要約】【課題】小型の頭部装着型表示装置を提供する。【解決手段】本発明の頭部装着型表示装置は、画像生成モジュールと、画像生成モジュールからの画像光を第１光軸に交差する第２光軸に沿って偏向させる第１偏向部と、画像光を第３光軸に沿って偏向させる第２偏向部と、を有する第１偏向素子と、第２偏向部からの画像光を回折させる第１回折素子と、第１回折素子からの画像光を回折する第２回折素子と、を備える。画像生成モジュールは、複数の画像生成パネルと、複数の画像生成パネルからの射出光を合成する色合成素子と、を有する。色合成素子は、互いに交差する第１合成膜と第２合成膜とを有し、画像生成パネルは色合成素子と対向して配置され、画像生成領域の長手方向は第１合成膜と第２合成膜との交差軸と平行であり、第１光軸上における画像生成モジュールと第１偏向部との間の距離は第３光軸上における第１回折素子と第２偏向部との間の距離よりも長い。【選択図】図２
2020071305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像光を第１光軸に沿って射出する画像生成モジュールと、
前記画像生成モジュールから射出された画像光を前記第１光軸に交差する第２光軸に沿って偏向させる第１偏向部と、前記第１偏向部により偏向された画像光を前記第２光軸に交差する第３光軸に沿って偏向させる第２偏向部と、を有する第１偏向素子と、
前記第２偏向部により偏向された画像光を回折させる第１回折素子と、
前記第１回折素子により回折された画像光を回折して射出瞳を形成する第２回折素子と、
を備え、
前記画像生成モジュールは、射出光の色が互いに異なる複数の画像生成パネルと、前記複数の画像生成パネルから射出された射出光を合成する色合成素子と、を有し、
前記色合成素子は、互いに交差する第１合成膜と第２合成膜とを有し、
前記複数の画像生成パネルの各々は、前記色合成素子と対向して配置されるとともに、前記画像生成パネルの画像生成領域の長手方向は、前記第１合成膜と前記第２合成膜との交差軸と平行であり、
前記第１光軸上における前記画像生成モジュールと前記第１偏向部との間の距離は、前記第３光軸上における前記第１回折素子と前記第２偏向部との間の距離よりも長い、頭部装着型表示装置。
【請求項２】
前記色合成素子は、前記第１光軸の方向から見て前記交差軸と前記第２光軸とが交差する向きに配置されている、請求項１に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項３】
前記複数の画像生成パネルを駆動する駆動回路基板をさらに備え、
前記第１回折素子は、前記第２偏向部に対向する第１面と、前記第１面とは反対側の面である第２面と、を有し、
前記駆動回路基板は、前記第１回折素子の前記第２面と対向する位置に設けられた、請求項１または請求項２に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項４】
前記画像生成モジュール、前記第１偏向素子、前記第１回折素子および前記第２回折素子を収容するフレームと、
前記フレームに連結されたテンプルと、
前記フレームに対して前記テンプルを折り畳み可能に連結する連結部と、をさらに備え、
前記連結部は、前記第１回折素子の前記第２面と対向する位置に設けられた、請求項３に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項５】
前記第１回折素子により回折された画像光を前記第２回折素子に向けて反射するとともに、外界光を透過させる第２偏向素子をさらに備えた、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項６】
前記第１回折素子および前記第２回折素子は、反射型体積ホログラムで構成されている、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の頭部装着型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、頭部装着型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の反射面を用いて画像光を反射させつつ観察者の眼に導く形態の頭部装着型表示装置が知られている。下記の特許文献１には、フレームと、画像生成装置と、画像生成装置から射出された光を観察者の眼に導く導光板と、導光板に入射した光を反射させる第１偏向手段および第２偏向手段と、を備えた頭部装着型表示装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１８４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の頭部装着型表示装置においては、画像生成装置から射出された光を観察者の眼に導く手段として導光板が用いられている。そのため、装置が大型化、重量化するという問題がある。また、各種光学部材のサイズ、重量、配置等の設計パラメーターによって使用者の鼻に過重がかかり、使い心地が悪いという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するために、本発明の一つの形態の頭部装着型表示装置は、画像光を第１光軸に沿って射出する画像生成モジュールと、前記画像生成モジュールから射出された画像光を前記第１光軸に交差する第２光軸に沿って偏向させる第１偏向部と、前記第１偏向部により偏向された画像光を前記第２光軸に交差する第３光軸に沿って偏向させる第２偏向部と、を有する第１偏向素子と、前記第２偏向部により偏向された画像光を回折させる第１回折素子と、前記第１回折素子により回折された画像光を回折して射出瞳を形成する第２回折素子と、を備える。前記画像生成モジュールは、射出光の色が互いに異なる複数の画像生成パネルと、前記複数の画像生成パネルから射出された射出光を合成する色合成素子と、を有し、前記色合成素子は、互いに交差する第１合成膜と第２合成膜とを有する。前記複数の画像生成パネルの各々は、前記色合成素子と対向して配置されるとともに、前記画像生成パネルの画像生成領域の長手方向は、前記第１合成膜と前記第２合成膜との交差軸と平行であり、前記第１光軸上における前記画像生成モジュールと前記第１偏向部との間の距離は、前記第３光軸上における前記第１回折素子と前記第２偏向部との間の距離よりも長い。
【０００６】
本発明の一つの形態の頭部装着型表示装置において、前記色合成素子は、前記第１光軸の方向から見て前記交差軸と前記第２光軸とが交差する向きに配置されていてもよい。
【０００７】
本発明の一つの形態の頭部装着型表示装置は、前記複数の画像生成パネルを駆動する駆動回路基板をさらに備えていてもよい。この構成において、前記第１回折素子は、前記第２偏向部に対向する第１面と、前記第１面とは反対側の面である第２面と、を有し、前記駆動回路基板は、前記第１回折素子の前記第２面と対向する位置に設けられていてもよい。
【０００８】
本発明の一つの形態の頭部装着型表示装置は、前記画像生成モジュール、前記第１偏向素子、前記第１回折素子、および前記第２回折素子を収容するフレームと、前記フレームに連結されたテンプルと、前記フレームに対して前記テンプルを折り畳み可能に連結する連結部と、をさらに備えていてもよい。この構成において、前記連結部は、前記第１回折素子の前記第２面と対向する位置に設けられていてもよい。
【０００９】
本発明の一つの形態の頭部装着型表示装置は、前記第１回折素子により回折された画像光を前記第２回折素子に向けて反射するとともに、外界光を透過させる第２偏向素子をさらに備えていてもよい。
【００１０】
本発明の一つの形態の頭部装着型表示装置において、前記第１回折素子および前記第２回折素子は、反射型体積ホログラムで構成されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態の頭部装着型表示装置を示す斜視図である。
【図２】頭部装着型表示装置の光学系を示す斜視図である。
【図３】画像生成モジュールの斜視図である。
【図４】第１回折素子および第２回折素子の断面図である。
【図５】第２実施形態の頭部装着型表示装置の光学系を示す斜視図である。
【図６】第３実施形態の頭部装着型表示装置の光学系を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図４を用いて説明する。
図１は、頭部装着型表示装置の外観を示す斜視図である。
以下の説明においては、頭部装着型表示装置を単に表示装置と称する。また、以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
【００１３】
以下の各図面では、使用者が表示装置を頭部に装着した状態での前後方向、左右方向および上下方向を用いて以下の方向を規定する。上下方向を第１方向Ｙとし、上方から下方に向かう側を第１方向Ｙの一方側Ｙ１とし、下方から上方に向かう側を第１方向Ｙの他方側Ｙ２とする。前後方向を第２方向Ｚとし、前方から後方に向かう側を第２方向Ｚの一方側Ｚ１とし、後方から前方に向かう側を第２方向Ｚの他方側Ｚ２とする。左右方向を第３方向Ｘとし、左から右に向かう側を第３方向Ｘの一方側Ｘ１とし、右から左に向かう側を第３方向Ｘの他方側Ｘ２とする。第１方向Ｙ、第２方向Ｚおよび第３方向Ｘは、互いに交差する。
【００１４】
図１に示すように、表示装置１００は、画像光Ｌ０ａを右眼Ｅａに入射させる右眼用光学系１０ａと、画像光Ｌ０ｂを左眼Ｅｂに入射させる左眼用光学系１０ｂと、を備えている。表示装置１００は、例えば眼鏡のような形状を有する。具体的に、表示装置１００は、右眼用光学系１０ａと左眼用光学系１０ｂとを保持する筐体９０をさらに備えている。表示装置１００は、筐体９０によって観察者の頭部に装着される。
【００１５】
表示装置１００は、筐体９０として、フレーム９１と、フレーム９１の右側に設けられ、観察者の右耳に係止されるテンプル９２ａと、フレーム９１の左側に設けられ、観察者の左耳に係止されるテンプル９２ｂと、を備えている。フレーム９１は、後述する光学系１０を構成する画像生成モジュール２１、第１偏向素子２３、第１回折素子５０および第２回折素子７０を収容する。テンプル９２ａ，９２ｂは、ヒンジ９５によってフレーム９１に対して折り畳み可能に連結されている。
【００１６】
右眼用光学系１０ａと左眼用光学系１０ｂとは基本構成が同一である。したがって、以下の説明では、右眼用光学系１０ａと左眼用光学系１０ｂとを区別せず、光学系１０として説明する。
【００１７】
図２は、表示装置１００における光学系１０を示す斜視図である。図２においては、筐体９０を構成するフレーム９１、テンプル９２ａ，９２ｂ等の図示を省略し、リム９４のみを図示する。
図２に示すように、表示装置１００は、光学系１０として、画像生成モジュール２１と、導光光学系２５と、投射光学系２７と、第１偏向素子２３と、第１回折素子５０と、第２偏向素子６０と、第２回折素子７０と、駆動回路基板３１と、を備えている。第１偏向素子２３は、第１ミラー２３１（第１偏向部）と、第２ミラー２３２（第２偏向部）と、を有する。第１回折素子５０および第２回折素子７０は、後述する反射型体積ホログラムから構成されている。
【００１８】
画像生成モジュール２１は、３枚の画像生成パネル２１２Ｒ，２１２Ｇ，２１２Ｂと、色合成素子２１３と、を有する。３枚の画像生成パネル２１２Ｒ，２１２Ｇ，２１２Ｂは、射出する画像光Ｌ０の色が互いに異なる。色合成素子２１３は、３枚の画像生成パネルから射出された互いに異なる色の画像光Ｌ０を合成する。画像生成モジュール２１の詳細な構成については後述する。
【００１９】
画像生成モジュール２１は、後述する色合成素子２１３の射出面である第４面２１３ｄを有する。第４面２１３ｄの中心から射出された画像光Ｌ０の主光線を中心主光線Ｌ１０と称する。画像生成モジュール２１から第１ミラー２３１までの間の中心主光線Ｌ１０の光路に一致する軸を第１光軸ＡＸ１と称する。すなわち、画像生成モジュール２１は、画像光Ｌ０を第１光軸ＡＸ１に沿って射出する。
【００２０】
また、画像光Ｌ０が第１ミラー２３１で偏向された後の第１ミラー２３１から第２ミラー２３２までの間の中心主光線Ｌ１０の光路に一致する軸を第２光軸ＡＸ２と称する。画像光Ｌ０が第２ミラー２３２で偏向された後の第２ミラー２３２から第１回折素子５０までの間の中心主光線Ｌ１０の光路に一致する軸を第３光軸ＡＸ３と称する。
【００２１】
導光光学系２５は、画像生成モジュール２１に近い側から順に配置された第１レンズ２５１と、第２レンズ２５２と、から構成されている。導光光学系２５は、画像生成モジュール２１から射出された画像光Ｌ０を投射光学系２７に導く。第１レンズ２５１および第２レンズ２５２の各々は、凸レンズから構成されている。導光光学系２５を構成する複数のレンズの形状および枚数は、適宜変更が可能である。
【００２２】
投射光学系２７は、複数の投射レンズ（図示略）から構成されている。投射光学系２７は、画像生成モジュール２１により生成された画像光Ｌ０を投射する。
【００２３】
第１偏向素子２３は、第１ミラー２３１と、第２ミラー２３２と、を有する。第１ミラー２３１および第２ミラー２３２の各々は、全反射ミラーから構成されている。第１ミラー２３１は、第１光軸ＡＸ１上の投射光学系２７の光射出側において第１光軸ＡＸ１および第２光軸ＡＸ２と略４５°の角度をなすように傾いて配置されている。これにより、第１ミラー２３１は、画像生成モジュール２１から射出された画像光Ｌ０を、第１光軸ＡＸ１に直交する第２光軸ＡＸ２に沿って第１方向Ｙの他方側Ｙ２（上側）に偏向する。
【００２４】
第２ミラー２３２は、第２光軸ＡＸ２上の第１ミラー２３１の光射出側において第２光軸ＡＸ２および第３光軸ＡＸ３と略４５°の角度をなすように傾いて配置されている。これにより、第２ミラー２３２は、第１ミラー２３１により偏向された画像光Ｌ０を、第２光軸ＡＸ２に直交する第３光軸ＡＸ３に沿って第２方向Ｚの一方側Ｚ１（後側）に偏向する。
【００２５】
本実施形態において、第２光軸ＡＸ２は第１光軸ＡＸ１に直交しているが、必ずしも直交していなくてもよく、第２光軸ＡＸ２は第１光軸ＡＸ１に交差していればよい。すなわち、第１ミラー２３１は、画像生成モジュール２１から射出された画像光Ｌ０の光路を必ずしも垂直に曲げなくてもよい。同様に、第３光軸ＡＸ３は第２光軸ＡＸ２に直交しているが、必ずしも直交していなくてもよく、第３光軸ＡＸ３は第２光軸ＡＸ２に交差していればよい。すなわち、第２ミラー２３２は、第１ミラー２３１によって偏向された画像光Ｌ０の光路を必ずしも垂直に曲げなくてもよい。
【００２６】
本実施形態では、第１ミラー２３１と第２ミラー２３２とは別体のミラーから構成されているが、一体のミラーから構成されていてもよい。その場合、平面状の反射面が折れ曲がった形状のミラーであってもよいし、曲面状の反射面を有するミラーであってもよい。また、第１ミラー２３１および第２ミラー２３２の各々は、全反射ミラーに代えて、ハーフミラーから構成されていてもよい。この構成によれば、外界光を視認できる範囲を拡大することができる。
【００２７】
図３は、画像生成モジュール２１の斜視図である。
図３に示すように、色合成素子２１３は、クロスダイクロイックプリズムから構成されている。クロスダイクロイックプリズムは、三角柱状の４個のプリズム部材２１５が貼り合わされた構成を有する四角柱状の部材である。より具体的に説明すると、４個のプリズム部材２１５は、合同な形状であって、底面および頂面の形状が直角二等辺三角形である。４個のプリズム部材２１５は、底面の直角部分の頂点同士、頂面の直角部分の頂点同士がそれぞれ揃うように側面が貼り合わされた構成を有する。この場合、各プリズム部材２１５の底面の頂点と頂面の頂点とを結ぶ稜線が４本重なり合って１つの交差軸ＣＲが形成される。
【００２８】
各プリズム部材２１５の側面である貼り合わせ面には、例えば誘電体多層膜で構成されるダイクロイック膜によって互いに交差する第１合成膜ＤＭ１と第２合成膜ＤＭ２とが形成されている。すなわち、第１合成膜ＤＭ１と第２合成膜ＤＭ２とが互いに交差する軸が上記の交差軸ＣＲである。
【００２９】
交差軸ＣＲに平行な色合成素子２１３の４つの面のうち、３つの面２１３ａ，２１３ｂ，２１３ｃに、画像生成パネル２１２Ｒ，２１２Ｇ，２１２Ｂが貼り合わされている。赤色の第１画像光ＬＲを射出する第１画像生成パネル２１２Ｒは、第１面２１３ａに貼り合わされている。緑色の第２画像光ＬＧを射出する第２画像生成パネル２１２Ｇは、第２面２１３ｂに貼り合わされている。青色の第３画像光ＬＢを射出する第３画像生成パネル２１２Ｂは、第３面２１３ｃに貼り合わされている。以下、第１画像生成パネル２１２Ｒ、第２画像生成パネル２１２Ｇ、および第３画像生成パネル２１２Ｂのそれぞれを区別する必要がない場合は、単に画像生成パネル２１２と称する。
【００３０】
ダイクロイック膜からなる第１合成膜ＤＭ１は、赤色光を反射し、緑色光および青色光を透過する特性を有する。また、ダイクロイック膜からなる第２合成膜ＤＭ２は、青色光を反射し、緑色光および赤色光を透過する特性を有する。これにより、第１画像光ＬＲ、第２画像光ＬＧ、および第３画像光ＬＢは合成され、フルカラーの画像光Ｌ０が第４面２１３ｄから射出される。
【００３１】
色合成素子２１３の第１面２１３ａ、第２面２１３ｂ、第３面２１３ｃおよび第４面２１３ｄに垂直な面であって、互いに対向する２つの面をそれぞれ第５面２１３ｅ、第６面２１３ｆとする。第５面２１３ｅおよび第６面２１３ｆの形状は、正方形である。
【００３２】
画像生成パネル２１２は、例えば有機エレクトロルミネッセンスパネル等の自発光パネルから構成されている。もしくは、画像生成パネル２１２は、透過型液晶パネル等の光変調装置とバックライト等の照明装置から構成されていてもよい。
【００３３】
画像生成パネル２１２は、長辺と短辺とを有する長方形状の画像生成領域２１２ｆを有する。画像生成領域２１２ｆは、画像生成パネル２１２の色合成素子２１３との対向面のうち、周縁部の額縁領域を除く領域であって、実質的に画像を生成する領域である。画像生成パネル２１２は、色合成素子２１３と対向して配置されるとともに、画像生成領域２１２ｆの長手方向ＦＲが色合成素子２１３の交差軸ＣＲと平行になるように貼り合わされている。
【００３４】
画像生成パネル２１２には、画像生成領域２１２ｆの長辺の外側に、駆動回路基板３１と画像生成パネル２１２とが電気的に接続されるための外部端子領域が設けられる場合がある。この場合、外部端子領域は、画像の生成に寄与しないため、色合成素子２１３と対向するように配置される必要はない。したがって、画像生成パネル２１２は、画像生成領域２１２ｆが色合成素子２１３と対向し、外部端子領域が色合成素子２１３の外側にはみ出すように貼り合わされればよい。
【００３５】
画像生成パネル２１２の外部端子領域が色合成素子２１３の外側にはみ出す方向は、隣り合う画像生成パネル２１２同士が干渉しない方向であれば、特に限定されない。例えば第１画像生成パネル２１２Ｒが図３における色合成素子２１３の左側にはみ出し、第２画像生成パネル２１２Ｇが図３における色合成素子２１３の上側にはみ出し、第３画像生成パネル２１２Ｂが図３における色合成素子２１３の右側にはみ出してもよい。もしくは、第１画像生成パネル２１２Ｒと第３画像生成パネル２１２Ｂとがともに図３における色合成素子２１３の右側にはみ出し、第２画像生成パネル２１２Ｇが図３における色合成素子２１３の下側にはみ出してもよい。
【００３６】
本実施形態の場合、上述したように、画像生成パネル２１２が、画像生成領域２１２ｆの長手方向ＦＲが色合成素子２１３の交差軸ＣＲと平行になるように貼り合わされたことにより、画像生成領域２１２ｆの長手方向ＦＲが色合成素子２１３の交差軸ＣＲと垂直になるように貼り合わされた場合と比べて、色合成素子２１３の第５面２１３ｅおよび第６面２１３ｆの一辺の寸法Ａを小さくすることができる。
【００３７】
図２に示すように、画像生成モジュール２１は、第１光軸ＡＸ１の方向から見て色合成素子２１３の交差軸ＣＲと第２光軸ＡＸ２とが交差する向きに配置されている。換言すると、表示装置１００の側方から見て、すなわち観察者が表示装置１００を装着した状態で観察者の耳の側から見て、画像生成モジュール２１は、色合成素子２１３の第５面２１３ｅもしくは第６面２１３ｆが見える向きに配置されている。以下、本明細書では、説明を簡単にするために、色合成素子２１３の上記の配置を横置きと称し、色合成素子２１３の第５面２１３ｅおよび第６面２１３ｆが上下方向を向いた配置を縦置きと称する。
【００３８】
図４は、第２回折素子７０の干渉縞７５１の説明図である。
図４に示すように、第２回折素子７０は、反射型体積ホログラム７５を備えており、反射型体積ホログラム７５は部分反射型回折光学素子である。そのため、第２回折素子７０は、部分透過反射性のコンバイナーを構成している。したがって、外界光が第２回折素子７０を介して観察者の眼Ｅに入射するため、観察者は、画像生成モジュール２１で生成した画像光Ｌ０と外界光（背景）とが重畳した画像を視認することができる。
【００３９】
第２回折素子７０は、第１回折素子５０により回折された画像光Ｌ０を回折して射出瞳を形成する。第２回折素子７０は、観察者の眼Ｅと対向しており、画像光Ｌ０が入射する第２回折素子７０の入射面７１は、眼Ｅから離れる方向に凹んだ凹曲面になっている。換言すると、入射面７１は、画像光Ｌ０の入射方向において、周辺部に対して中央部が凹んで湾曲した形状となっている。このため、画像光Ｌ０を観察者の眼Ｅに向けて効率良く集光させることができる。
【００４０】
第２回折素子７０は、特定の波長に対応するピッチを有する干渉縞７５１を有している。干渉縞７５１は屈折率差としてホログラム感光層に記録されており、干渉縞７５１は特定の入射角度に対応するように、第２回折素子７０の入射面７１に対して一方方向に傾いている。したがって、第２回折素子７０は、画像光Ｌ０を所定の方向に回折して偏向する。特定の波長および特定の入射角度とは、画像光Ｌ０の波長と入射角度に対応する。この種の干渉縞７５１は、参照光Ｌｒおよび物体光Ｌｓを用いてホログラフィック感光層に干渉露光を行うことにより形成することができる。
【００４１】
本実施形態では、画像光Ｌ０はカラー表示用の光である。このため、第２回折素子７０においては、特定波長に対応するピッチで干渉縞７５１Ｒ、７５１Ｇ、７５１Ｂが形成されている。例えば、干渉縞７５１Ｒは、赤色域の波長５８０ｎｍから７００ｎｍの波長範囲のうち、例えば波長６１５ｎｍに対応するピッチで形成されている。干渉縞７５１Ｇは、緑色域の波長５００ｎｍから５８０ｎｍの波長範囲のうち、例えば波長５３５ｎｍに対応するピッチで形成されている。干渉縞７５１Ｂは、青色域の波長４００ｎｍから５００ｎｍの波長範囲のうち、例えば波長４６０ｎｍに対応するピッチで形成されている。
【００４２】
上記の構成は、各波長に対応する感度を有するホログラフィック感光層を形成した状態で、各波長の参照光ＬｒＲ、ＬｒＧ、ＬｒＢ、および物体光ＬｓＲ、ＬｓＧ、ＬｓＢを用いてホログラフィック感光層に干渉露光を行うことにより形成することができる。
【００４３】
なお、各波長に対応する感度を有する感光材料をホログラフィック感光層に分散させておき、各波長の参照光ＬｒＲ、ＬｒＧ、ＬｒＢおよび物体光ＬｓＲ、ＬｓＧ、ＬｓＢを用いてホログラフィック感光層に干渉露光を行うことによって、１つの層に干渉縞７５１Ｒ、７５１Ｇ、７５１Ｂを重畳して形成することもできる。また、参照光ＬｒＲ、ＬｒＧ、ＬｒＢおよび物体光ＬｓＲ、ＬｓＧ、ＬｓＢとして球面波の光を用いることもできる。
【００４４】
第１回折素子５０および第２回折素子７０は基本的な構成が同一であるため、第１回折素子５０の詳細な説明を省略するが、第１回折素子５０は、反射型体積ホログラム７５を備えている。
【００４５】
図２に示すように、第１回折素子５０は、第２偏向素子６０に対向する第１面５０ａと、第１面５０ａとは反対側の面である第２面５０ｂと、を有する。すなわち、第１面５０ａは、画像光Ｌ０が入射する入射面であって、凹んだ凹曲面になっている。換言すると、第１面５０ａは、画像光Ｌ０の入射方向において、周辺部に対して中央部が凹んで湾曲した形状となっている。そのため、第１回折素子５０は、画像光Ｌ０を第２偏向素子６０に向けて効率良く偏向させることができる。
【００４６】
体積ホログラムに記録された同じ干渉縞に光線が入射した場合であっても、光線の波長が長い程、大きく回折し、光線の波長が短い程、小さく回折する。したがって、２つの回折素子（第１回折素子５０および第２回折素子７０）を用いた場合、特定波長に対して長波長の光および短波長の光の入射角度を考慮して入射させないと、収差を適切に補償することができない。また、干渉縞の本数によって回折角が異なるため、干渉縞の構成を考慮する必要がある。図２に示す光学系１０では、第２回折素子７０への画像光Ｌ０の入射方向等のパラメーターが適正化されているため、収差の補償が可能である。
【００４７】
第２偏向素子６０は、周辺部よりも中央部が凹んだ反射面を有する。反射面は、球面、非球面もしくは自由曲面からなる。第２偏向素子６０は、第１回折素子５０から射出された画像光Ｌ０を反射して第２回折素子７０に向けて射出する。第２偏向素子６０は、第１回折素子５０により回折された画像光Ｌ０を第２回折素子７０に向けて反射するとともに、外界光を透過させるハーフミラーから構成されている。これにより、表示装置１００の外界を視認できる範囲を拡大することができる。
【００４８】
図２に示すように、画像生成モジュール２１、導光光学系２５、投射光学系２７および第１偏向素子２３の第１ミラー２３１は、第１方向Ｙ（上下方向）において第１の高さに配置されている。また、第１偏向素子２３の第２ミラー２３２、第１回折素子５０、第２偏向素子６０、および第２回折素子７０は、第１方向Ｙ（上下方向）において第２の高さに配置されている。第２の高さは、第１の高さよりも高い。
【００４９】
言い換えると、画像生成モジュール２１から射出された画像光Ｌ０の進行方向に沿ってみると、画像光Ｌ０は、導光光学系２５および投射光学系２７を経て第１ミラー２３１に到達するまで略一定の高さで進み、第１ミラー２３１によって光路が上方に折り曲げられた後、第１ミラー２３１に入射する前よりも高い位置において略一定の高さで進み、第１回折素子５０および第２偏向素子６０を経て第２回折素子７０に到達する。
【００５０】
また、画像生成モジュール２１は、第１回折素子５０よりも後方にはみ出すように配置されている。すなわち、第１光軸ＡＸ１上における画像生成モジュール２１と第１ミラー２３１との間の距離をＴ１とし、第３光軸ＡＸ３上における第１回折素子５０と第２ミラー２３２との間の距離をＴ２とすると、距離Ｔ１は距離Ｔ２よりも長い。さらに本実施形態の場合、導光光学系２５も、第１回折素子５０よりも後方にはみ出すように配置されている。
【００５１】
光学系１０を構成する各種光学素子の上記の配置によって、第１回折素子５０の後方、かつ、画像生成モジュール２１および導光光学系２５の上方に、空間ＳＰ１が設けられている。駆動回路基板３１は、空間ＳＰ１に配置されている。換言すると、駆動回路基板３１は、第１回折素子５０の第２面５０ｂと対向する位置に設けられている。
【００５２】
画像生成モジュール２１の各画像生成パネル２１２Ｒ，２１２Ｇ，２１２Ｂと駆動回路基板３１とは、フレキシブル回路基板（図示略）によってそれぞれ電気的に接続されている。フレキシブル回路基板の配置は、特に限定されることなく、任意の位置において引き回すことができる。
【００５３】
なお、画像光Ｌ０の光路が上下に折り曲げられたことにより、第１光軸ＡＸ１と第３光軸ＡＸ３との間に位置する空間にベース基板（図示略）が設けられてもよい。この構成によれば、画像生成モジュール２１、導光光学系２５、投射光学系２７、および第１偏向素子２３等の光学素子をベース基板に固定することができる。
【００５４】
本実施形態の表示装置１００においては、図２に示すように、画像生成モジュール２１から第２回折素子７０までに至る画像光Ｌ０の光路が上下方向に折り曲げられ、高さの異なる２つの平面のそれぞれに各種光学素子が配置されている。さらに、この配置によってできた空間ＳＰ１を利用して駆動回路基板３１が配置されているため、駆動回路基板３１を配置するための空間を別途設ける必要がない。
【００５５】
このような光学系の採用により、第１方向Ｙ（上下方向）から見たときの面積を従来よりも小さくすることができ、表示装置１００の小型化を図ることができる。特に、光学系１０を収容するフレーム９１の第２方向Ｚ（上下方向）の長さを短くできるため、フレーム９１が観察者の耳の方まで長く延びることがなく、観察者の使い心地が向上する。
【００５６】
また、画像生成モジュール２１においては、上述したように、色合成素子２１３の第５面２１３ｅおよび第６面２１３ｆの一辺の寸法Ａを従来よりも小さくでき、かつ、第５面２１３ｅおよび第６面２１３ｆの一辺が上下方向を向くように、色合成素子２１３が横置きされている。これにより、各種光学素子が異なる２つの平面のそれぞれに配置され、画像光Ｌ０の光路が上下方向に折り曲げられていても、表示装置１００の高さ方向の寸法の増大を抑えることができる。
【００５７】
また、第１回折素子５０と第２回折素子７０との間では画像光Ｌ０を空中で導波させており、導光板等の部材が用いられていない。そのため、表示装置１００の重心が後方側、すなわち観察者の耳側に位置し、鼻に掛かる荷重を低減することができる。これにより、表示装置１００がずれ落ちにくく、表示装置１００の使い心地を向上させることができる。
【００５８】
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図５を用いて説明する。
第２実施形態の表示装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、一部の光学部品の配置が第１実施形態と異なる。そのため、表示装置の全体構成の説明は省略する。
図５は、第２実施形態の表示装置における光学系を示す斜視図である。
図５において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００５９】
図５に示すように、第２実施形態の表示装置１０２は、光学系１１として、画像生成モジュール２１と、導光光学系２５と、投射光学系２７と、第１偏向素子２３と、第１回折素子５０と、第２偏向素子６０と、第２回折素子７０と、駆動回路基板３１と、を備えている。
【００６０】
第１偏向素子２３は、第１実施形態と同様、第１ミラー２３１と、第２ミラー２３２と、を有する。ただし、第１偏向素子２３の向きは、第１実施形態における第１偏向素子２３の向きに対して上下反転しており、第１ミラー２３１が上側に位置し、第２ミラー２３２が下側に位置している。これにより、第１ミラー２３１は、画像生成モジュール２１から射出された画像光Ｌ０を第１方向Ｙの一方側Ｙ１（下側）に偏向する。また、第２ミラー２３２は、第１ミラー２３１により下向きに偏向された画像光Ｌ０を第２方向Ｚの一方側Ｚ１（後側）に偏向する。
【００６１】
画像生成モジュール２１、導光光学系２５、投射光学系２７および第１偏向素子２３の第１ミラー２３１は、第１方向Ｙ（上下方向）において第１の高さに配置されている。また、第１偏向素子２３の第２ミラー２３２、第１回折素子５０、第２偏向素子６０および第２回折素子７０は、第１方向Ｙ（上下方向）において第２の高さに配置されている。本実施形態の場合、第１実施形態とは逆に、第２の高さは、第１の高さよりも低い。
【００６２】
すなわち、画像生成モジュール２１から射出された画像光Ｌ０の進行方向に沿って見ると、画像光Ｌ０は、第１ミラー２３１に到達するまで導光光学系２５および投射光学系２７を経て略一定の高さで進み、第１ミラー２３１によって光路が下方に折り曲げられた後、第１ミラー２３１に入射する前よりも低い位置で略一定の高さで進み、第１回折素子５０、第２偏向素子６０を経て第２回折素子７０に到達する。
【００６３】
本実施形態においては、第１回折素子５０の後方、かつ、画像生成モジュール２１および導光光学系２５の下方に、空間ＳＰ２が設けられている。駆動回路基板３１は、空間ＳＰ２に配置されている。
表示装置１０２のその他の構成は、第１実施形態と同様である。
【００６４】
本実施形態においても、第１方向Ｙ（上下方向）から見たときの面積を従来よりも小さくでき、表示装置１０２の小型化を図ることができる、表示装置１０２の高さ方向の寸法の増大を抑えることができる、鼻に掛かる荷重を低減できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００６５】
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図６を用いて説明する。
第３実施形態の表示装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、一部の光学部品の配置が第１実施形態と異なる。そのため、表示装置の全体構成の説明は省略する。
図６は、第３実施形態の表示装置における光学系を示す斜視図である。
図６において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００６６】
図６に示すように、第３実施形態の表示装置１０４は、光学系１２として、画像生成モジュール２１と、導光光学系２５と、投射光学系２７と、第１偏向素子２３と、第１回折素子５０と、第２偏向素子６０と、第２回折素子７０と、駆動回路基板３１と、を備えている。さらに、表示装置１０４は、筐体として、フレーム９１と、テンプル９２と、ヒンジ９５（連結部）と、を備えている。
【００６７】
フレーム９１は、画像生成モジュール２１、第１偏向素子２３、第１回折素子５０、第２偏向素子６０、および第２回折素子７０を収容する。ただし、図６では、フレーム９１のうち、各光学素子を収容する部分の図示を省略している。テンプル９２は、フレーム９１の端部に連結されており、観察者が耳に掛けるための部材である。ヒンジ９５は、フレーム９１に対してテンプル９２を折り畳み可能に連結する。
【００６８】
本実施形態においては、第１実施形態と同様、第１回折素子５０の後方、かつ、画像生成モジュール２１および導光光学系２５の上方に、空間ＳＰ１が設けられている。駆動回路基板３１は、空間ＳＰ１の第１回折素子５０の第２面５０ｂに対向する位置に配置されている。さらに、ヒンジ９５は、空間ＳＰ１の第１回折素子５０の第２面５０ｂに対向する位置であって、駆動回路基板３１の上方に配置されている。
表示装置１０４のその他の構成は、第１実施形態と同様である。
【００６９】
本実施形態においても、第１方向Ｙ（上下方向）から見たときの面積を従来よりも小さくでき、表示装置１０４の小型化を図ることができる、表示装置１０４の高さ方向の寸法の増大を抑えることができる、鼻に掛かる荷重を低減できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００７０】
特に本実施形態の場合、ヒンジ９５が第１回折素子５０の上端よりも低い位置に配置されることによって、表示装置１０４の高さ方向の寸法の増大を抑えることができる。また、表示装置１０４を上下方向から見た場合、ヒンジ９５が導光光学系２５や駆動回路基板３１と重なる位置に配置されるため、例えばヒンジ９５を画像生成モジュール２１よりも後方に配置する場合に比べて、テンプル９２を長くすることができる。その結果、テンプル９２の弾性を高めることができ、観察者の頭部への表示装置１０４の保持力を高めることができる。また、観察者から見て、ヒンジ９５が比較的前方に位置していることにより、観察者は表示装置１０４を眼鏡に近い感覚で使用することができる。
【００７１】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態では、第１偏向素子が全反射ミラーで構成されている例を挙げたが、例えば全反射プリズムで構成されていてもよい。また、表示装置は、必ずしも第２偏向素子を備えていなくてもよい。
【００７２】
また、上記実施形態では、第１回折素子および第２回折素子が反射型体積ホログラムで構成されている例を示したが、第１回折素子および第２回折素子が他のホログラム素子、例えば表面レリーフホログラム、ブレーズドホログラムなどで構成されていてもよい。これらのホログラム素子を用いた場合であっても、薄型で回折効率が高い回折素子が得られる。
【００７３】
また、上記実施形態で例示した頭部装着型表示装置の各構成要素の数、配置、形状等の具体的構成については、適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００７４】
２１…画像生成モジュール、２３…第１偏向素子、３１…駆動回路基板、５０…第１回折素子、５０ａ…第１面、５０ｂ…第２面、６０…第２偏向素子、７０…第２回折素子、７５…反射型体積ホログラム、９１…フレーム、９２，９２ａ，９２ｂ…テンプル、９５…ヒンジ（連結部）、２１２…画像生成パネル、２１２Ｒ…第１画像生成パネル、２１２Ｇ…第２画像生成パネル、２１２Ｂ…第３画像生成パネル、２１２ｆ…画像生成領域、２１３…色合成素子、ＡＸ１…第１光軸、ＡＸ２…第２光軸、ＡＸ３…第３光軸、ＣＲ…交差軸、ＤＭ１…第１合成膜、ＤＭ２…第２合成膜、Ｌ０，Ｌ０ａ，Ｌ０ｂ…画像光。
【図１】
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【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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