(57)【要約】【課題】外観的に優れ、かつ、大きな画像を高解像度・低歪曲で視認することができる虚像表示装置を提供すること。【解決手段】本発明の虚像表示装置は、画像光を射出する画像表示素子と、前記画像表示素子から射出された前記画像光の中間像を生成するリレー光学系と、前記中間像を観察者の眼と想定される位置に向けて反射することで、拡大された虚像を生成する接眼光学素子と、を備え、前記リレー光学系は、屈曲面で構成される入射面としての第１屈曲面と、屈曲面で構成される出射面としての第２屈曲面と、前記第１屈曲面から入射した前記画像光を前記第２屈曲面に向けて反射する反射面と、を有するプリズムを含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像光を射出する画像表示素子と、
前記画像表示素子から射出された前記画像光の中間像を生成するリレー光学系と、
前記中間像を観察者の眼と想定される位置に向けて反射することで、拡大された虚像を生成する接眼光学素子と、を備え、
前記リレー光学系は、屈曲面で構成される入射面としての第１屈曲面と、屈曲面で構成される出射面としての第２屈曲面と、前記第１屈曲面から入射した前記画像光を前記第２屈曲面に向けて反射する反射面と、を有するプリズムを含むことを特徴とする虚像表示装置。
【請求項２】
前記リレー光学系は、さらに、少なくとも１つのレンズを含み、
前記プリズムは、前記リレー光学系において、最も前記接眼光学素子側に位置する請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記画像表示素子は、前記観察者の側頭部と想定される位置に配置され、前記接眼光学素子は、前記観察者の眼の前と想定される位置に配置され、前記リレー光学系は、前記画像表示素子と前記接眼光学素子との間に配置されており、
前記画像表示素子は、前記画像光を前記側頭部と想定される位置に沿って出射して前記リレー光学系に入射させる請求項１または２に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記反射面は、平面で構成される請求項１ないし３のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
前記プリズムは、前記反射面に対向する位置に、平面で構成される対向面を備える請求項１ないし４のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記プリズムは、前記反射面に対向する位置に、２つの平面で構成される凹面を対向面として備える請求項１ないし４のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記プリズムは、前記反射面に対向する位置に、湾曲凹面で構成される対向面を備える請求項１ないし４のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記接眼光学素子は、透明な光学媒質で構成されたプリズム部材と、前記プリズム部材の一部を被覆する凹面ミラーとを備え、
前記プリズム部材は、前記観察者の眼と想定される位置側に位置する平面と、前記眼と想定される位置と反対側に位置し、前記眼と想定される位置側に位置する平面と遠ざかる方向に向かって凸となる凸曲面形状からなる曲面と、を備え、
前記凹面ミラーは、前記曲面を被覆して形成されている請求項１ないし７のいずれか１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、虚像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
瞳の網膜に画像光を直接照射し、使用者に画像を視認させる表示装置としてヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）が知られている。
【０００３】
ヘッドマウントディスプレイは、一般に、画像光を生成する画像表示素子と、画像表示素子から射出された前記画像光の中間像を生成するリレー光学系と、中間像の拡大された虚像を観察者の眼と想定される位置、すなわち網膜に向けて反射（偏向）する接眼光学素子と、を備えている。このようなヘッドマウントディスプレイにより、使用者は、例えば、外界の景色と、前記画像光がリレー光学系を介して拡大して生成された虚像との双方を同時に視認することができる。
【０００４】
このようなヘッドマウントディスプレイでは、例えば、画像表示素子が観察者の頭部の側面に、接眼光学素子が眼（瞳）の前に、それぞれ配置され、さらに、リレー光学系が、これら画像表示素子と接眼光学素子との間、すなわち、頭部の側面（側頭部）と眼の前との間に配置される。
【０００５】
そのため、リレー光学系は、頭部の側面と眼の前との間において、観察者の頭部に沿って配置され、頭部に対する突出量が抑制されて、ヘッドマウントディスプレイが外観的に優れること、さらには、拡大された虚像を高解像度に生成し得ることが求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−２０８１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１では、リレー光学系に偏心プリズムを用いることが提案されている。この偏心プリズムでは、光路を折り曲げることで光学系のコンパクト化を図り、さらに、リレー光学系における中間像拡大率を高めることで、裏面鏡で構成される接眼光学素子における偏心収差の補正の負担を分担させることが提案されている。
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載のリレー光学系に用いられる偏心プリズムでは、頭部に対する突出量が十分には抑制されず、外観的に優れるとは言えず、さらに、収差の補正が十分になされているとは言えないのが実情であった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
【００１０】
本発明の適用例に係る虚像表示装置は、画像光を射出する画像表示素子と、
前記画像表示素子から射出された前記画像光の中間像を生成するリレー光学系と、
前記中間像を観察者の眼と想定される位置に向けて反射することで、拡大された虚像を生成する接眼光学素子と、を備え、
前記リレー光学系は、屈曲面で構成される入射面としての第１屈曲面と、屈曲面で構成される出射面としての第２屈曲面と、前記第１屈曲面から入射した前記画像光を前記第２屈曲面に向けて反射する反射面と、を有するプリズムを含むことを特徴とする。
【００１１】
本発明の適用例に係る虚像表示装置では、前記リレー光学系は、さらに、少なくとも１つのレンズを含み、
前記プリズムは、前記リレー光学系において、最も前記接眼光学素子側に位置することが好ましい。
【００１２】
本発明の適用例に係る虚像表示装置では、前記画像表示素子は、前記観察者の側頭部と想定される位置に配置され、前記接眼光学素子は、前記観察者の眼の前と想定される位置に配置され、前記リレー光学系は、前記画像表示素子と前記接眼光学素子との間に配置されており、
前記画像表示素子は、前記画像光を前記側頭部と想定される位置に沿って出射して前記リレー光学系に入射させることが好ましい。
【００１３】
本発明の適用例に係る虚像表示装置では、前記反射面は、平面で構成されることが好ましい。
【００１４】
本発明の適用例に係る虚像表示装置では、前記プリズムは、前記反射面に対向する位置に、平面で構成される対向面を備えることが好ましい。
【００１５】
本発明の適用例に係る虚像表示装置では、前記プリズムは、前記反射面に対向する位置に、２つの平面で構成される凹面を対向面として備えることが好ましい。
【００１６】
本発明の適用例に係る虚像表示装置では、前記プリズムは、前記反射面に対向する位置に、湾曲凹面で構成される対向面を備えることが好ましい。
【００１７】
本発明の適用例に係る虚像表示装置では、前記接眼光学素子は、透明な光学媒質で構成されたプリズム部材と、前記プリズム部材の一部を被覆する凹面ミラーとを備え、
前記プリズム部材は、前記観察者の眼と想定される位置側に位置する平面と、前記眼と想定される位置と反対側に位置し、前記眼と想定される位置側に位置する平面と遠ざかる方向に向かって凸となる凸曲面形状からなる曲面と、を備え、
前記凹面ミラーは、前記曲面を被覆して形成されていることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の虚像表示装置としてヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に適用した場合の実施形態の全体像を示す概略斜視図である。
【図２】図１に示すヘッドマウントディスプレイを観察者に装着した際に、ＨＭＤが備える画像表示部の第１実施形態における概略構成を示す模式平面図である。
【図３】図２に示す画像表示部の右側の構成を拡大して示す拡大平面図である。
【図４】図２に示す画像表示部の右側の構成を拡大して示す拡大側面図である。
【図５】図４に示す画像表示部が備える接眼光学素子を拡大して示す拡大平面図である。
【図６】ＨＭＤが備える画像表示部の第２実施形態における右側の構成を拡大して示す拡大平面図である。
【図７】ＨＭＤが備える画像表示部の第３実施形態における右側の構成を拡大して示す拡大平面図である。
【図８】図１に示すヘッドマウントディスプレイを観察者に装着した際に、ＨＭＤが備える画像表示部の第４実施形態における概略構成を示す模式平面図である。
【図９】図８に示す画像表示部の右側の構成を拡大して示す拡大平面図である。
【図１０】ＨＭＤが備える画像表示部の第５実施形態における右側の構成を拡大して示す拡大平面図である。
【図１１】図１０に示す画像表示部の第５実施形態における右側の他の構成例を拡大して示す拡大平面図である。
【図１２】一般的なＨＭＤの画像表示部が備える画像表示部の右側の一部を拡大して示す拡大平面図である。
【図１３】一般的なＨＭＤの画像表示部が備える画像表示部の右側の一部を拡大して示す拡大平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の虚像表示装置を添付図面に示す好適な実施形態について説明する。
なお、以下では、本発明の虚像表示装置（画像表示装置）を、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に適用した場合を一例に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の虚像表示装置としてヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に適用した場合の実施形態の全体像を示す概略斜視図である。
【００２１】
ヘッドマウントディスプレイ１０００（ＨＭＤ）は、図１に示すように、眼鏡様の形状を有する本体部１００と、使用者の手で持つことが可能な程度の大きさを有する制御部２００（コントローラー）とを備えている。
【００２２】
本体部１００と制御部２００とは、本実施形態では、ケーブル３００により有線で通信可能に接続されている。そして、本体部１００と制御部２００とは、このケーブル３００を介して、画像信号や制御信号を通信する。なお、本体部１００と制御部２００とは、通信可能に接続されていればよく、図１に示した有線の他、無線であってもよい。
【００２３】
制御部２００は、操作部２１０と操作ボタン部２２０とを備え、使用者は、制御部２００の操作部２１０や操作ボタン部２２０に対して操作入力を行い、本体部１００が備える各部に対する指示を行うよう構成されている。
【００２４】
本体部１００は、使用者が眼鏡を掛ける感覚で頭部に装着して使用されるものであり、フレーム１４０と、このフレーム１４０内に収容された画像表示部１１０とを有している。
【００２５】
画像表示部１１０は、フレーム１４０の右側の部分に収容され、右眼用画像の画像光を形成して、観察者の右眼に向けて射出する右眼用の画像表示部１１０Ａと、フレーム１４０の左側の部分に収容され、左眼用画像の画像光を形成して、観察者の左眼に向けて射出する左眼用の画像表示部１１０Ｂとを備えている。
【００２６】
なお、フレーム１４０の右側に収納された画像表示部１１０Ａと左側に収納された画像表示部１１０Ｂとは、同様の構成を有しており、双方の画像表示部内の各構成要素は左右対称に配置されている。そのため、以下では、画像表示部１１０Ａを代表に説明し、画像表示部１１０Ｂの説明を省略する。
【００２７】
＜第１実施形態＞
まず、画像表示部１１０Ａの第１実施形態について説明する。
図２は、図１に示すヘッドマウントディスプレイを観察者に装着した際に、ＨＭＤが備える画像表示部の第１実施形態における概略構成を示す模式平面図、図３、図４は、図２に示す画像表示部の右側の構成を拡大して示す拡大図、図５は、図４に示す画像表示部が備える接眼光学素子を拡大して示す拡大平面図、図１２、図１３は、一般的なＨＭＤの画像表示部が備える画像表示部の右側の一部を拡大して示す拡大平面図である。なお、以下では、説明の都合上、図２中の上側を「前（Ｚ方向）」、下側を「後（−Ｚ方向）」、紙面手前側を「上（Ｘ方向）」、紙面奥側を「下（−Ｘ方向）」、右側を「右（Ｙ方向）」、左側を「左（−Ｙ方向）」として説明を行う。換言すれば、後述するリレー光学系１２が並ぶ方向を「±Ｚ方向」、リレー光学系１２の幅方向を「±Ｙ方向」、リレー光学系１２の高さ方向を「±Ｘ方向」として説明を行う。
【００２８】
図２〜図４に示すように、画像表示部１１０Ａは、画像表示素子１１と、リレー光学系１２（導光光学系）と、接眼光学素子１３（プリズム光学素子）とを備えている。
【００２９】
なお、図３、図４において、観察者の眼ＭＥの瞳孔中心を通り、かつ観察される画像の中心画角となる光線が通る経路を光軸ａｘとする。
【００３０】
画像表示素子１１は、画像情報を含む画像光Ｇを射出するものであり、本実施形態では、観察者の右側の側頭部において、この画像表示素子１１と接眼光学素子１３との間に位置するリレー光学系１２に面（対向）して配置されており、リレー光学系１２に向けて、すなわち、観察者の側頭部に沿って画像光Ｇを射出することで、この画像光Ｇをリレー光学系１２に入射させる。
【００３１】
この画像表示素子１１は、本実施形態では、例えば、バックライトで照明された液晶表示素子や、有機ＥＬ表示素子等の二次元画像表示素子で構成される。
【００３２】
ただし、画像表示素子１１は、このような二次元画像表示素子に限定されず、レーザー光源により射出されたレーザー光を走査することで画像を生成する走査型画像表示素子で構成されていてもよい。
【００３３】
接眼光学素子１３（プリズム光学素子）は、リレー光学系１２を介して画像表示素子１１から射出された画像光Ｇを偏向（反射）させて、観察者の右の眼ＭＥ（右眼）に導くことにより、眼ＭＥ（右眼）の網膜上に映像を表示させるためのものであり、観察者の右の眼ＭＥ（右眼）の前に配置されている。
【００３４】
この接眼光学素子１３は、プリズム部材１４（第１プリズム部材）と、プリズム部材１４の一部を被覆する凹面ミラー１５とを有している。
【００３５】
プリズム部材１４は、例えば、透明な光学樹脂または光学ガラスのような光学媒質で構成されるものであり、面１４ａ（眼ＭＥ側の面）と面１４ｂ（眼ＭＥと反対側の面）とを有し、一方の面１４ａ（眼ＭＥ側の面）が光屈折面１６（第１光屈折面）で構成され、他方の面１４ｂ（眼ＭＥと反対側の面）が曲面１７で構成されている。これらのうち、光屈折面１６は、平面からなり、これに対して、曲面１７は光屈折面１６から遠ざかる方向に向かって凸となる凸曲面形状からなる。
【００３６】
かかる構成のプリズム部材１４において、光屈折面１６は、画像光Ｇを屈折（偏向）させることで凹面ミラー１５へと導く。この際、光屈折面１６は、光軸ａｘを観察者から遠ざける方向に画像光Ｇを屈折させる。
【００３７】
ここで、凹面ミラー１５は、例えば、曲面１７に対して金属膜を蒸着することにより、曲面１７を被覆して形成される。そのため、凹面ミラー１５は、曲面１７の形状に倣った曲面形状を有する。本実施形態において、凹面ミラー１５は接眼光学系としての凹面ミラーとして機能し、画像表示素子１１から射出された画像光Ｇを反射して良好に観察者の眼ＭＥに導く。より具体的には、凹面ミラー１５は、中間像Ｆからの光を集光して観察者の眼ＭＥの瞳孔近傍に射出瞳２５を形成する。これにより、観察者は、接眼光学素子１３越しに拡大された虚像を見ることができる。なお、本実施形態において、凹面ミラー１５は、光の透過性を有しないことから、かかる凹面ミラー１５を備える接眼光学素子１３を有するヘッドマウントディスプレイ１０００は、反射型のものに適用される。
【００３８】
凹面ミラー１５で反射された画像光Ｇは、プリズム部材１４から出射される際、光屈折面１６で屈折されることで観察者の眼ＭＥに入射する。そのため、観察者は、凹面ミラー１５越しに拡大された虚像を視認することができる。
【００３９】
ところで、近年、ヘッドマウントディスプレイにおいては、さらなる広画角化が要求されている。
【００４０】
ここで、画角を大きくする場合に生じる問題点について、接眼光学素子が凹面ミラー１５Ａのみで構成される場合を参照しながら説明する。
【００４１】
なお、図１２では、ヘッドマウントディスプレイが備える画像表示部１１０Ａにおいて画角を小さくする場合を示し、図１３では、画像表示部１１０Ａにおいて画角を大きくする場合を示している。
【００４２】
一般的なヘッドマウントディスプレイにおける、画像表示部１１０Ａが備える接眼光学素子では、画像光Ｇを凹面ミラー１５Ａのみで観察者の眼ＭＥに導く点で、本実施形態で説明したヘッドマウントディスプレイ１０００における画像表示部１１０Ａが備える接眼光学素子１３と構成が異なる。
【００４３】
なお、図１２、図１３において、観察者の眼ＭＥの瞳孔中心を通り、かつ観察される画像光Ｇの中心画角となる光線が通る経路を光軸ａｘとする。
【００４４】
まず、図１２に示すように、凹面ミラー１５Ａの曲面は、観察者の鼻側では顔に近く、耳側では顔から離れるように配置される。そこで、画角θが大きくなると、図１２に示すように、凹面ミラー１５Ａの突出量（以下、「ミラー突出量Ｄ」と称す）が大きくなる。このように、ミラー突出量Ｄが大きくなると外観デザインが損なわれるため、好ましくない。
【００４５】
そこで、画角θを維持した状態でミラー突出量Ｄを小さくすることが考えられる。このように画角θを維持した状態でミラー突出量Ｄを小さくする手法として凹面ミラー１５Ａの傾斜角αを小さくすることが考えられる。ここで、図１３に示す通り、傾斜角αとは、凹面ミラー１５Ａのミラー面法線Ｈ１と光軸ａｘとが成す角度である。
【００４６】
しかしながら、図１３から分かるように、傾斜角αを小さくすると、凹面ミラー１５Ａによる光軸ａｘの偏向角βが小さくなる。これにより、画像表示素子１１やリレー光学系１２が観察者の頭部に近づくことで接触するといった問題が生じる。
【００４７】
これに対し、本実施形態のヘッドマウントディスプレイ１０００では、接眼光学素子１３が備える光屈折面１６により画像光Ｇが屈折される。すなわち、上述したミラー突出量Ｄを抑えるために前記傾斜角αを小さくしたとしても、光屈折面１６によって画像光Ｇを屈折させることで光軸ａｘを折り曲げて画像表示素子１１およびリレー光学系１２を観察者の頭部に接触しない位置に配置させることができる。
【００４８】
より具体的には、図１３において、例えば、傾斜角αを３０度としなければならない場合でも、凹面ミラー１５Ａに代えて接眼光学素子１３を用いることで、傾斜角αを１５度程度に抑えることができる。また、図１３に示した偏向角βを６０度程度とした場合であっても、画像表示素子１１およびリレー光学系１２が観察者の頭部に接触するのを防止することができる。
【００４９】
そこで、例えば、水平画角４０度の虚像を観察可能とする場合、図１２に示したような凹面ミラー１５Ａだけの構成ではミラー突出量Ｄが約１７ｍｍ程度となるが、接眼光学素子１３を用いた構成によればミラー突出量Ｄを約１０ｍｍ程度にまで薄くすることができる。
【００５０】
また、図５に示すように、射出瞳２５の中心を通る視軸ａｘｏの設定を考慮すると、例えば、プリズム部材１４の屈折率を１．７４とし、視軸に垂直な面ａｘｖに対する眼側平面としての面１４ａの傾斜角を１０度、視軸ａｘｏ位置での凹面ミラー１５Ａの傾斜角を約２０度である時に、視軸ａｘｏに平行に入射した光は約６７度の角度で偏向され、顔の外側に向かう。
【００５１】
また、画面水平方向の画角を３０度、射出瞳２５の直径を４．５ｍｍとした時に、プリズム部材１４内で光が通過する領域の厚さは５ｍｍ程度であり、プリズム部材１４すなわち接眼光学素子１３の厚さを薄くできる。このように、眼側平面での屈折を利用することにより、接眼光学素子１３の視軸ａｘｏ方向へのミラー突出量Ｄを抑えながらも顔の外側からの光を大きく偏向することができるため、図２に示すような顔の側面に沿ったリレー光学系１２の配置を実現することができる。
【００５２】
また、接眼光学素子１３の視軸ａｘｏ方向へのミラー突出量Ｄを抑えるには、眼側平面としての面１４ａの傾斜角を小さくすることが好ましいが、例えば、５度未満のように小さくし過ぎると、画像光Ｇが面１４ａで大きく屈折したとしても大きく偏向させることが困難となり、画像光Ｇの一部が顔の側面に当たって虚像の一部が欠けて表示されてしまうおそれがある。そのため、眼側平面としての面１４ａの傾斜角は、好ましくは５度以上２０度未満、より好ましくは１０度以上１５度未満に設定される。
【００５３】
以上のように、接眼光学素子１３を用いることで、ミラー突出量Ｄを小さくすることが可能であるため、観察者の眼ＭＥの前に位置する部材の厚さを薄くすることでヘッドマウントディスプレイ１０００の外観デザインを向上させることができる。
【００５４】
なお、接眼光学素子１３は、リレー光学系１２を介して画像表示素子１１から射出された画像光Ｇを偏向（反射）させて、観察者の右の眼ＭＥに導くことができるものであれば、本実施形態のように、プリズム部材１４と凹面ミラー１５とを有する構成のものに限定されず、例えば、ホログラムミラーやフレネルミラー等で構成することもできる。
【００５５】
リレー光学系１２は、画像表示素子１１から射出された画像光Ｇを、観察者の側頭部に沿って、接眼光学素子１３へと導く（入射させる）ためのものであり、本実施形態では、観察者の右側の側頭部において、画像光Ｇが通過する光路上における画像表示素子１１と接眼光学素子１３との間に配置されており、接眼光学素子１３に対して、画像表示素子１１からの画像光Ｇを、このリレー光学系１２内を伝達した後に、射出する。このリレー光学系１２は、少なくとも正のパワーと負のパワーとを含む光学系であり、全体として正のパワーを有する。そのため、リレー光学系１２は、このリレー光学系１２に画像光Ｇを通過させることで、画像表示素子１１から射出された画像光Ｇを集光して、接眼光学素子１３の手前に中間像Ｆを形成する。
【００５６】
リレー光学系１２は、本実施形態では、第１レンズ１２ａと、第２レンズ１２ｂと、第３レンズ１２ｃと、第４レンズ１２ｄと、プリズム１２ｅとを有し、これらが、画像光Ｇが通過する光路上の光入射側（画像表示素子１１）から光出射側（接眼光学素子１３側）までこの順で、観察者の右側の側頭部に沿って並んで配置されている。なお、本実施形態では、リレー光学系１２は、画像光Ｇが通過する光路上の最も光出射側（接眼光学素子１３側）に位置するプリズム１２ｅと、第１レンズ１２ａ、第２レンズ１２ｂ、第３レンズ１２ｃおよび第４レンズ１２ｄの４枚のレンズとで構成されているが、プリズム１２ｅと少なくとも１つレンズとを含んでいればよく、レンズの枚数は、１枚以上であれば４枚に特に限定されるものではない。
【００５７】
プリズム１２ｅ（光偏向素子）は、リレー光学系１２の最も接眼光学素子１３側（最終段）に配置され、プリズム部材１４と同様に、例えば、光学的に透明な光学樹脂または光学ガラスのような光学媒質で構成される。
【００５８】
このプリズム１２ｅは、その全体形状がＺ方向に長い直方体状をなし、入射面１２１（画像表示素子１１側の面）と、出射面１２２（接眼光学素子１３側の面）と、反射面１２３（側頭部と反対側の面）と、対向面１２４（側頭部側の面）とを有している。かかる構成のプリズム１２ｅにおいて、入射面１２１と出射面１２２とが、入射面１２１を画像表示素子１１側とし、出射面１２２を接眼光学素子１３側として、対向するように形成され、反射面１２３と対向面１２４とが、反射面１２３を側頭部の反対側とし、対向面１２４を側頭部側として、対向するように形成されている。そして、入射面１２１が、凸形状をなす屈曲面（凸面）からなる第１屈曲面（第１屈折面）で構成され、出射面１２２が、凸形状をなす屈曲面からなる第２屈曲面（第２屈折面）で構成され、反射面１２３および対向面１２４が、平坦面からなる平面で構成されている。
【００５９】
かかる構成のプリズム１２ｅにおいて、画像表示素子１１から射出された画像光Ｇが、レンズ１２ｄを介して入射面１２１に入射すると、反射面１２３により出射面１２２に向けて反射される。そして、反射された画像光Ｇが出射面１２２から、接眼光学素子１３に向けて出射される。
【００６０】
ここで、画像表示部１１０Ａが備えるリレー光学系１２を、観察者の側頭部に沿った形状とするには、側頭部に配置された画像表示素子１１から顔の前方に向かって進行する（射出された）画像光Ｇを、観察者の眼の前に配置された接眼光学素子１３の方向に偏向させる必要があるが、リレー光学系１２が備えるプリズム１２ｅでは、かかる偏向を、前述した、反射面１２３による画像光Ｇの出射面１２２に向けた反射により実現している。
【００６１】
ところで、画像光Ｇを偏向させると言う観点からは、反射面１２３の位置に、光を反射可能なミラーを配置することも考えられるが、この場合、単一なミラーで反射（偏向）させるため収差補正の自由度が小さいという問題がある。特に、本実施形態のように、プリズム部材１４の面１４ａ（眼側平面）において大きな角度での屈折が生じる場合には、大きな収差が発生する。そのため、リレー光学系１２の最も接眼光学素子１３側に位置するプリズム１２ｅに、より強力な収差補正を行い得ることが求められる。
【００６２】
このような要求に対して、プリズム１２ｅでは、反射面１２３に加えて、入射面１２１が第１屈曲面（第１屈折面）と、出射面１２２が第２屈曲面（第２屈折面）と、を備えるため、これら２つの屈折面を収差補正に利用することができる。したがって、収差補正の自由度を大きく保つことができ、その結果、より強力な収差補正を行うことができる。そのため、観察者は、接眼光学素子１３越しに拡大された虚像を高解像度・低歪曲なものとして視認することができる。
【００６３】
なお、反射面１２３には画像光Ｇが斜めに入射することから、大きな範囲に渡って画像光Ｇが入射することとなるため、本実施形態では、画像光Ｇの波面を乱さないように反射面１２３を平面としているが、光学系の収差補正に有効であれば、反射面１２３は、平面で構成される必要はなく、屈曲面で構成されていてもよい。
【００６４】
また、本実施形態では、プリズム１２ｅの入射面１２１から入射した画像光Ｇは、臨界角以上の角度で反射面１２３に入射する。そのため、画像光Ｇは、反射面１２３で全反射される。そのため、反射面１２３における、金属膜等の反射膜（ミラー）の形成を省略することができる。この場合、本実施形態のように、対向面１２４が反射面１２３に対して平行であることにより、プリズム１２ｅを通して外界（外側）の景色を視認することができる。さらに、外界の光を取り込むことが可能となり、観察者は、ヘッドマウントディスプレイ１０００の装着時に開放感を感じることができる。また、Ｚ方向すなわち側頭部に沿って伸びる平面である反射面１２３で全反射させる構成とすることで、入射面１２１と出射面１２２とを交差させることなくプリズム１２ｅを形成することができ、プリズム１２ｅの厚さが厚くなるのを抑制することができる。すなわち、プリズム１２ｅの小型軽量化を実現することができる。そのため、Ｙ方向すなわち頭部に対する突出量を小さくすることができることから、ヘッドマウントディスプレイ１０００を、優れた外観を備えるものとすることができる。
【００６５】
また、反射面１２３と対向する位置の対向面１２４は、平面で構成され、反射面１２３に対して平行に設けられている。このような対向面１２４を備えるプリズム１２ｅとすることで、プリズム１２ｅは、反射面１２３および対向面１２４を予め備える平行平板の両端面に、屈曲面（屈折面）を加工して入射面１２１および出射面１２２を形成することで得られることから、プリズム１２ｅを製造する際の製造工程の簡略化を図ることができる。なお、プリズム１２ｅは、上記のような製造方法の他、反射面１２３および対向面１２４を予め備える平行平板の両端面に、入射面１２１が作り込まれた部材と、出射面１２２が作り込まれた部材とを、それぞれ接合する方法によっても製造することができる。
【００６６】
前記で説明した、画像表示素子１１と、リレー光学系１２と、接眼光学素子１３とを備える画像表示部１１０Ａにおいて、リレー光学系１２が備えるレンズ１２ａ〜１２ｄおよびプリズム１２ｅと、接眼光学素子１３が備えるプリズム部材１４が有する面１４ｂ（光反射面）との面形状は、ＸＹ多項式で表される曲面となっている。この画像表示部１１０Ａでは、水平方向（Ｙ方向）には大きな非対称性を有するが、垂直方向（Ｘ方向）では上下対称となっていることから、ＸＹ多項式はＸについて偶数次数の項だけを含む。
【００６７】
以上のように、本発明では、画像光Ｇを射出する画像表示素子１１と、画像表示素子１１から射出された画像光Ｇの中間像Ｆを生成するリレー光学系１２と、中間像Ｆを観察者の眼ＭＥと想定される位置（射出瞳２５）に向けて反射することで、拡大された虚像を生成する接眼光学素子１３と、を備える画像表示部１１０Ａ（ヘッドマウントディスプレイ１０００）において、リレー光学系１２は、屈曲面で構成される入射面１２１としての第１屈曲面と、屈曲面で構成される出射面１２２としての第２屈曲面と、第１屈曲面から入射した画像光Ｇを第２屈曲面に向けて反射する反射面１２３と、を有するプリズム１２ｅを含むことを特徴とする。
【００６８】
これにより、プリズム１２ｅひいてはリレー光学系１２の小型軽量化を実現することができ、リレー光学系１２を観察者（使用者）の側頭部に、その突出量を低減させた状態で、沿うように配置させることができる。そのため、かかるリレー光学系１２を備えるヘッドマウントディスプレイ１０００を、優れた外観を備えるものとすることができる。
【００６９】
さらに、プリズム１２ｅにおいて、入射面１２１、出射面１２２および反射面１２３の３つの面を収差補正に利用して、収差補正の自由度を大きく保つことができ、その結果、より強力な収差補正を行うことができるため、観察者は、接眼光学素子１３越しに拡大された虚像を高解像度・低歪曲なものとして視認することができる。
【００７０】
したがって、観察者の頭部からの突出量を抑制して外観的に優れ、かつ、大きな画像（虚像）を高解像度・低歪曲で視認することができるヘッドマウントディスプレイ１０００を提供することができる。
【００７１】
＜第２実施形態＞
次に、画像表示部１１０Ａの第２実施形態について説明する。
図６は、ＨＭＤが備える画像表示部の第２実施形態における右側の構成を拡大して示す拡大平面図である。
【００７２】
以下、第２実施形態の画像表示部１１０Ａについて、前記第１実施形態の画像表示部１１０Ａとの相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
【００７３】
図６に示す第２実施形態の画像表示部１１０Ａでは、プリズム１２ｅが備える対向面１２４が２つの平面１２４ａ、１２４ｂで構成されていること以外は、第１実施形態の画像表示部１１０Ａと同様である。
【００７４】
プリズム１２ｅでは、画像光Ｇが入射面１２１から入射して反射面１２３で反射され、その後、出射面１２２から出射して接眼光学素子１３に向かうが、プリズム１２ｅ内において画像光Ｇが伝搬する領域以外は、プリズムで構成する必要がない、すなわち、プリズム媒質が不要である。
【００７５】
そのため、本実施形態では、図６に示すように、反射面１２３と対向する位置の対向面１２４を平面１２４ａと平面１２４ｂとの２つの面で分割して構成されるものとし、プリズム１２ｅのＺ方向における２つの縁部から中央部に向かって、その厚さが漸減するように、対向面１２４を２つの平面１２４ａ、１２４ｂからなる凹面で構成している。
【００７６】
プリズム１２ｅをこのような構造とすることで、リレー光学系１２の軽量化が図られるとともに、プリズム１２ｅの厚さが薄くなることから、リレー光学系１２を観察者の側頭部にさらに沿うように配置できるようになる。
【００７７】
このような第２実施形態の画像表示部１１０Ａによっても、前記第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００７８】
＜第３実施形態＞
次に、画像表示部１１０Ａの第３実施形態について説明する。
図７は、ＨＭＤが備える画像表示部の第３実施形態における右側の構成を拡大して示す拡大平面図である。
【００７９】
以下、第３実施形態の画像表示部１１０Ａについて、前記第１実施形態の画像表示部１１０Ａとの相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
【００８０】
図７に示す第３実施形態の画像表示部１１０Ａでは、プリズム１２ｅが備える対向面１２４が曲面で構成されていること以外は、第１実施形態の画像表示部１１０Ａと同様である。
【００８１】
プリズム１２ｅでは、画像光Ｇが入射面１２１から入射して反射面１２３で反射され、その後、出射面１２２から出射して接眼光学素子１３に向かうが、プリズム１２ｅ内において画像光Ｇが伝搬する領域以外は、プリズムで構成する必要がない、すなわち、プリズム媒質が不要である。
【００８２】
そのため、本実施形態では、図７に示すように、反射面１２３と対向する位置の対向面１２４を、プリズム１２ｅのＺ方向における２つの縁部から中央部に向かって、その厚さが漸減する曲面、すなわち、湾曲凹面で構成している。
【００８３】
プリズム１２ｅをこのような構造とすることで、リレー光学系１２の軽量化が図られるとともに、プリズム１２ｅの厚さが薄くなることから、リレー光学系１２を観察者の側頭部にさらに沿うように配置できるようになる。
【００８４】
このような第３実施形態の画像表示部１１０Ａによっても、前記第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００８５】
＜第４実施形態＞
次に、画像表示部１１０Ａの第４実施形態について説明する。
図８は、図１に示すヘッドマウントディスプレイを観察者に装着した際に、ＨＭＤが備える画像表示部の第４実施形態における概略構成を示す模式平面図、図９は、図８に示す画像表示部の右側の構成を拡大して示す拡大平面図である。
【００８６】
以下、第４実施形態の画像表示部１１０Ａについて、前記第１実施形態の画像表示部１１０Ａとの相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
【００８７】
図８、図９に示す第４実施形態の画像表示部１１０Ａでは、接眼光学素子１３（プリズム光学素子）の構成が異なること以外は、第１実施形態の画像表示部１１０Ａと同様である。
【００８８】
なお、第１実施形態の画像表示部１１０Ａは、反射型のＨＭＤに適用するものとして説明したが、本実施形態の画像表示部１１０Ａは外界に画像光Ｇを重畳させるいわゆるシースルー型のＨＭＤに適用されるものである。
【００８９】
本実施形態の画像表示部１１０Ａでは、図９に示すように、接眼光学素子１３は、プリズム部材１４と、プリズム部材２０（第２プリズム部材）と、凹面ミラー１１５とを有している。
【００９０】
凹面ミラー１１５は、部分反射膜で構成される。この部分反射膜としては、例えば、ハーフミラーを用いることができる。また、ハーフミラーとしては、例えば、金属を極薄く成膜して画像光Ｇ（入射光）の強度の一部を透過させる金属薄膜等が挙げられる。
【００９１】
なお、ハーフミラーを構成する金属薄膜は光の吸収も大きい。そのため、誘電体多層膜を用いて凹面ミラー１１５を形成することもできる。この場合、凹面ミラー１１５は、振幅分割型の反射膜から構成されたものとなり、画像光Ｇを効率良く反射させることができる。
【００９２】
さらに、凹面ミラー１１５としては、特定の波長だけを反射（回折）させる体積ホログラム層を用いてもよい。この場合、凹面ミラー１１５は波長分割型の反射膜から構成されたものとなり、画像光Ｇに含まれる所望の波長帯の光を効率良く反射させることができる。
【００９３】
プリズム部材２０は、凹面ミラー１１５を介して、プリズム部材１４と反対側に設けられる。このプリズム部材２０は、例えば、プリズム部材１４と同様に、光学的に透明な光学樹脂または光学ガラスから構成され、プリズム部材１４と略同一の屈折率を有する。
【００９４】
プリズム部材２０は、凹面ミラー１１５と反対側の光屈折面１６と平行をなす、平面からなる外面側光屈折面２１（第２光屈折面）を有している。
【００９５】
ここで、観察者（使用者）の眼ＭＥの前に、前記第１実施形態のように、プリズム部材１４のみが配置されていると、観察者によりプリズム部材１４を介して視認される外界（外側の景色）が歪んで見えてしまう。これに対して、本実施形態によれば、凹面ミラー１１５の外界側にプリズム部材２０を配置することで、外界からの光の光路を補償することができるため、外界が歪んで見えるのを的確に抑制または防止することができる。
【００９６】
より具体的には、凹面ミラー１１５に対して眼ＭＥ側の光学樹脂（プリズム部材１４）と外界側の光学樹脂（プリズム部材２０）の屈折率とを、前記の通り、略同一とすることで、プリズム部材１４の曲面１７で光が屈折しないようにしている。
【００９７】
特に、前記第１実施形態で説明したように、水平画角が４０度程度の大きな虚像を観察する場合、接眼光学素子１３のミラー突出量Ｄは１０ｍｍ程度になる。このように厚いプリズム部材１４を通して外界を見る場合、シースルー像Ｇ１に歪みが生じやすくなる。
【００９８】
これに対し、本実施形態の接眼光学素子１３によれば外界からの光入射面としての光屈折面１６と、光出射面としての外面側光屈折面２１とが平行な平面で構成されている。そのため、外界から接眼光学素子１３に入射する光線の角度と、接眼光学素子１３で屈折された後に出射される際の光線の角度とが変化しない。したがって、ヘッドマウントディスプレイ１０００の観察者は、凹面ミラー１１５越しに見える外界の像（図８、９に示すシースルー像Ｇ１）を、歪みが生じることなく観察することができる。そのため、観察者の使用時における疲労感および不快感を低減させることができる。
【００９９】
したがって、本実施形態の画像表示部１１０Ａを備えるヘッドマウントディスプレイ１０００とすることで、観察者は、歪みのないシースルー像Ｇ１に画像表示素子１１からの画像光Ｇを重畳させて視認することができる。
【０１００】
なお、外界の像を見ても歪みを認識できない程度の屈折が凹面ミラー１１５により許容される場合には、眼ＭＥ側の光学樹脂（プリズム部材１４）と外界側の光学樹脂（プリズム部材２０）の屈折率とは、必ずしも同一である必要がなく、若干異なっていてもよい。
【０１０１】
このような第４実施形態の画像表示部１１０Ａによっても、前記第１実施形態と同様の効果が得られる。
【０１０２】
＜第５実施形態＞
次に、画像表示部１１０Ａの第５実施形態について説明する。
図１０は、ＨＭＤが備える画像表示部の第５実施形態における右側の構成を拡大して示す拡大平面図、図１１は、図１０に示す画像表示部の第５実施形態における右側の他の構成例を拡大して示す拡大平面図である。
【０１０３】
以下、第５実施形態の画像表示部１１０Ａについて、前記第４実施形態の画像表示部１１０Ａとの相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
【０１０４】
図１０に示す第５実施形態の画像表示部１１０Ａでは、接眼光学素子１３（プリズム光学素子）の構成が異なること以外は、第４実施形態の画像表示部１１０Ａと同様である。
【０１０５】
本実施形態の画像表示部１１０Ａでは、図１０に示すように、接眼光学素子１３において、プリズム部材１４は、外面側光屈折面２１と光屈折面１６とで構成される平行平板構造が、凹面ミラー１１５（プリズム部材２０）が形成されている領域を越えて、観察者の鼻と反対側の外側（Ｙ方向）に向かって延在する、直方体状をなす延在部１４１（突出部）を備えている。
【０１０６】
プリズム部材１４（接眼光学素子１３）がこのような延在部１４１を備えることで、接眼光学素子１３越しに観察者が外界を見ているときに、延在部１４１が左右方向（Ｙ方向）に突出しているため、平板構造を有する接眼光学素子１３のエッジが認識されるのを、的確に低減または防止することができる。すなわち、観察者の視野が邪魔されるのを、的確に抑制または防止することができる。
【０１０７】
なお、延在部１４１は、図１０に示すような、平行平板形状（直方体形状）をなす場合に限らず、図１１に示す他の構成例のように、リレー光学系１２側に向かって平板が湾曲する湾曲形状をなすものであってもよい。これにより、接眼光学素子１３のミラー突出量Ｄの低減が図られる。
【０１０８】
また、接眼光学素子１３の厚さが５ｍｍ程度である場合、延在部１４１の延在幅（突出量）は、１０ｍｍ以上４０ｍｍ以下程度であることが好ましく、１５ｍｍ以上３０ｍｍ以下程度であることがより好ましい。これにより、接眼光学素子１３のミラー突出量Ｄの低減を図りつつ、延在部１４１を形成することにより得られる効果を確実に発揮させることができる。
【０１０９】
このような第５実施形態の画像表示部１１０Ａによっても、前記第１実施形態と同様の効果が得られる。
【０１１０】
以上、本発明の虚像表示装置を、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものでない。
【０１１１】
例えば、本発明の虚像表示装置において、各構成は、同様の機能を発揮し得る任意のものと置換することができ、あるいは、任意の構成のものを付加することができる。
【０１１２】
例えば、本発明では、前記第１〜第５実施形態で示した任意の２以上の構成を組み合わせるようにしてもよい。
【０１１３】
また、前記実施形態の虚像表示装置では、いずれも、画像表示素子が観察者の側頭部に配置されており、この画像表示素子で生成された画像光を、観察者の眼の前に配置された接眼光学素子に対して、観察者の側頭部において画像表示素子と接眼光学素子との間に配置されたリレー光学系を介して射出する場合について説明したが、本発明の虚像表示装置は、かかる構成に限定されるものではない。すなわち、画像表示素子を観察者の頭頂部に配置し、さらに、リレー光学系を、観察者の頭頂部において、画像表示素子と接眼光学素子との間に配置し、これにより、リレー光学系を介して、画像表示素子で生成された画像光を、観察者の眼の前に配置された接眼光学素子に対して射出するようにしてもよい。
【０１１４】
さらに、前記実施形態では、本発明の虚像表示装置（画像表示装置）を、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に適用した場合を一例に説明したが、これに限定されず、本発明の虚像表示装置は、物に固定されたヘッドアップディスプレイや、双眼鏡型のハンドヘルドディスプレイにも適用することができる。
【符号の説明】
【０１１５】
１１…画像表示素子、１２…リレー光学系、１２ａ…第１レンズ、１２ｂ…第２レンズ、１２ｃ…第３レンズ、１２ｄ…第４レンズ、１２ｅ…プリズム、１３…接眼光学素子、１４…プリズム部材、１４ａ…面、１４ｂ…面、１５…凹面ミラー、１５Ａ…凹面ミラー、１６…光屈折面、１７…曲面、２０…プリズム部材、２１…外面側光屈折面、２５…射出瞳、１００…本体部、１１０…画像表示部、１１０Ａ…画像表示部、１１０Ｂ…画像表示部、１１５…凹面ミラー、１２１…入射面、１２２…出射面、１２３…反射面、１２４…対向面、１２４ａ…平面、１２４ｂ…平面、１４０…フレーム、１４１…延在部、２００…制御部、２１０…操作部、２２０…操作ボタン部、３００…ケーブル、１０００…ヘッドマウントディスプレイ、Ｄ…ミラー突出量、Ｆ…中間像、Ｇ…画像光、Ｇ１…シースルー像、Ｈ１…ミラー面法線、ＭＥ…眼、ａｘ…光軸、ａｘｏ…視軸、ａｘｖ…面、α…傾斜角、β…偏向角、θ…画角
【図１】
2019144515.tif 000003
【図２】
2019144515.tif 000004
【図３】
2019144515.tif 000005
【図４】
2019144515.tif 000006
【図５】
2019144515.tif 000007
【図６】
2019144515.tif 000008
【図７】
2019144515.tif 000009
【図８】
2019144515.tif 000010
【図９】
2019144515.tif 000011
【図１０】
2019144515.tif 000012
【図１１】
2019144515.tif 000013
【図１２】
2019144515.tif 000014
【図１３】
2019144515.tif 000015