(57)【要約】【課題】導光板と入射光学系を使用した表示装置において、画角が広く且つ小型の表示装置を提供する。【解決手段】表示素子、導光部材、表示素子からの光束を導光部材に入射する入射光学系を備える表示装置において、入射光学系は、光学パワーを有する第１反射面及び第２反射面と、内部反射をする第１平面及び第２平面とを備える。入射光学系と導光部材の間に開口絞りを備え、第１反射面及び第２反射面は、表示素子からの光束が第１反射面で反射されたのち第２反射面で開口絞りに向けて反射されるように配置され、第１平面及び第２平面は、第２反射面で反射された光束の一部が第１平面及び第２平面のいずれか一方または両方で内部反射したのちに開口絞りに到達し、残りの光束が第１平面と第２平面のいずれでも反射することなく開口絞りに到達するように、配置され、表示素子から第１反射面までの光路は、第１平面に垂直な方向に関して第１平面の下に位置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示素子、導光部材、前記表示素子からの光束を前記導光部材に入射する入射光学系を備える表示装置において、
前記入射光学系は、少なくとも、光学パワーを有する第１反射面及び第２反射面と、内部反射をする第１平面及び第２平面と、を備え、
前記入射光学系と前記導光部材の間に開口絞りを備え、
前記第１反射面及び前記第２反射面は、前記表示素子からの光束が前記第１反射面で反射されたのち前記第２反射面で前記開口絞りに向けて反射されるように、配置され、
前記第１平面及び前記第２平面は、前記第２反射面で反射された光束の一部が、前記第１平面及び前記第２平面のいずれか一方または両方で内部反射したのちに前記開口絞りに到達し、残りの光束が前記第１平面と前記第２平面のいずれでも反射することなく前記開口絞りに到達するように、配置され、
前記表示素子から前記第１反射面までの光路は、前記第１平面に垂直な方向に関して、前記第１平面の下に位置する
ことを特徴とする表示装置。
【請求項２】
表示素子、導光部材、前記表示素子からの光束を前記導光部材に入射する入射光学系を備える表示装置において、
前記入射光学系は、少なくとも、光学パワーを有する第１反射面及び第２反射面と、内部反射をする第１平面及び第２平面と、を備え、
前記入射光学系と前記導光部材の間に開口絞りを備え、
前記第１反射面及び前記第２反射面は、前記表示素子からの光束が前記第１反射面で反射されたのち前記第２反射面で前記開口絞りに向けて反射されるように、配置され、
前記第１平面及び前記第２平面は、前記第２反射面で反射された光束の一部が、前記第１平面及び前記第２平面のいずれか一方または両方で内部反射したのちに前記開口絞りに到達し、残りの光束が前記第１平面と前記第２平面のいずれでも反射することなく前記開口絞りに到達するように、配置され、
前記第１反射面、前記第２反射面、前記第１平面、及び、前記第２平面を少なくとも備える前記入射光学系が単一の部材で構成されている
ことを特徴とする表示装置。
【請求項３】
前記入射光学系は、前記開口絞りに対して４倍以上の面積の結像範囲を有する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
【請求項４】
前記入射光学系の射出瞳は、前記開口絞りに対して４倍の面積を有する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項５】
前記導光部材の長手方向をＺ方向としたとき、前記開口絞りはＺ方向に対して垂直に配置され、かつ、前記表示素子の中心から射出した光束の主光線に対して傾いて配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項６】
前記導光部材の長手方向をＺ方向、前記第１平面に垂直な方向をＹ方向、前記第１平面に平行で前記導光部材の長手方向に垂直な方向をＸ方向としたとき、
前記表示素子の中心から射出した光束の主光線の、前記第２反射面から前記開口絞りまでの光路をＺＸ平面へ投影したときの光路長をｄとしたとき、光路長ｄが以下の条件式を満たす
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の表示装置。
【数１】
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ｈは、前記開口絞りのＹ方向の長さであり、
θｙは、前記開口絞りに入射する光束がＹＺ平面においてＺ軸となす角度の最小値であり、
θｘは、角度θｙで前記開口絞りに入射する光束がＺＸ平面においてＺ軸となす角度である。
【請求項７】
前記入射光学系は、前記表示素子からの光が入射される入射面を備え、
前記入射面から入射した光束は、前記第１反射面で反射されたのち、前記第２反射面で前記開口絞りに向けて反射され、
前記入射面から前記第１反射面までの第１光路と、前記第２反射面から前記開口絞りまでの第２光路とを、前記第１平面に平行な平面に投影したときに、前記第１光路と前記第２光路が交差する
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項８】
前記導光部材の長手方向をＺ方向、前記第１平面に垂直な方向をＹ方向、前記第１平面に平行で前記導光部材の長手方向に垂直な方向をＸ方向とし、
前記表示素子の中心から射出される光束の主光線が前記第１反射面と交差する点における前記第１反射面の法線を第１法線、前記主光線が前記第２反射面と交差する点における前記第２反射面の法線を第２法線としたときに、
前記第１法線のＺＸ平面への射影と前記第２法線のＺＸ平面への射影とが交差するように、前記第１反射面及び前記第２反射面が配置される
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項９】
前記第１法線と前記第２法線とがねじれの位置関係となるように、前記第１反射面及び前記第２反射面が配置される
ことを特徴とする請求項８に記載の表示装置。
【請求項１０】
前記第１反射面及び前記第２反射面は、回転非対称形状を有する
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項１１】
前記開口絞りと前記第１平面と前記第２平面は、互いに直交するように配置される
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項１２】
前記表示素子から射出される光束の主光線は、前記開口絞りと前記第１平面と前記第２平面とが交わる点に入射する
ことを特徴とする請求項１１に記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導光板と入射光学系を使用した表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ウェアラブル表示装置として、頭部や顔面に装着され、大画面の画像を表示するものや、実際に見ている現実空間にさまざまな情報を重ねて表示させるものがある。このような表示装置を実現する手段として、表示素子と導光板と導光板に表示素子からの光束を入射する入射光学系とを用いた構成が知られている。具体的には、表示素子からの光束を入射光学系により導光板へ入射させ、当該光束を導光板内部を伝搬させたのち観察者の目に画像として導く構成である。この構成は、例えば、ヘッドマウントディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ、携帯電話、３Ｄディスプレイ、スマートグラス等の表示装置に好適なものである。
【０００３】
例えば、特許文献１は、表示素子からの光束を導光板に入射するプリズムと、ホログラフィック素子を入射領域と射出領域に有する導光板とから構成される観察光学系が記載されている。この観察光学系では、プリズムからの光束は、入射領域に設けられたホログラフィック素子により導光板内部を全反射で伝搬するように臨界角以上の角度に偏向され、また射出領域では、臨界角以下の角度になるように偏向される。
【０００４】
また、特許文献２で開示されるライトガイドは、コリメートされた光を受ける第１受光面と、第１受光面からの光を第１方向に伝搬させ、第１方向と交差する第２方向に向け射出する第１導光体を備える。また、該ライトガイドは、第１導光体からの光を第２方向に伝搬させ、第１方向と第２方向に交差する第３方向に向け射出する第２導光体を備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１６２５９８号公報
【特許文献２】国際公開第２０１５／０７６３３５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、観察者の目に入射する光束の幅がプリズムの射出瞳の大きさで決まるため、画角が狭いという問題がある。例えば、観察者が少しでも視線を移動させると、視線を外した方向の画像が見えにくくなる。一方で、特許文献１の構成においてプリズムの射出瞳を拡大しようとすると、光学系も大きくなり、また光学性能も劣化する、という他の問題を招いてしまう。また、特許文献２には、ライトガイドに光を入射するコリメート光学系として、レンズ系や反射系などの公知の光学系を使用することができると記載されている。しかしながら、具体的な光学系の構成については何ら記載されていない。仮に、レンズ系で特許文献２のコリメート光学系を構成しようとすると、レンズが光軸に沿って一列に配置されるため、光学系が大型化し実用性に欠ける。
【０００７】
そこで本発明は、導光板と入射光学系を使用した表示装置において、画角が広く且つ小型の表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第一態様は、表示素子、導光部材、前記表示素子からの光束を前記導光部材に入射する入射光学系を備える表示装置において、前記入射光学系は、少なくとも、光学パ
ワーを有する第１反射面及び第２反射面と、内部反射をする第１平面及び第２平面と、を備え、前記入射光学系と前記導光部材の間に開口絞りを備え、前記第１反射面及び前記第２反射面は、前記表示素子からの光束が前記第１反射面で反射されたのち前記第２反射面で前記開口絞りに向けて反射されるように、配置され、前記第１平面及び前記第２平面は、前記第２反射面で反射された光束の一部が、前記第１平面及び前記第２平面のいずれか一方または両方で内部反射したのちに前記開口絞りに到達し、残りの光束が前記第１平面と前記第２平面のいずれでも反射することなく前記開口絞りに到達するように、配置され、前記表示素子から前記第１反射面までの光路は、前記第１平面に垂直な方向に関して、前記第１平面の下に位置することを特徴とする表示装置を提供する。
【０００９】
本発明の第二態様は、表示素子、導光部材、前記表示素子からの光束を前記導光部材に入射する入射光学系を備える表示装置において、前記入射光学系は、少なくとも、光学パワーを有する第１反射面及び第２反射面と、内部反射をする第１平面及び第２平面と、を備え、前記入射光学系と前記導光部材の間に開口絞りを備え、前記第１反射面及び前記第２反射面は、前記表示素子からの光束が前記第１反射面で反射されたのち前記第２反射面で前記開口絞りに向けて反射されるように、配置され、前記第１平面及び前記第２平面は、前記第２反射面で反射された光束の一部が、前記第１平面及び前記第２平面のいずれか一方または両方で内部反射したのちに前記開口絞りに到達し、残りの光束が前記第１平面と前記第２平面のいずれでも反射することなく前記開口絞りに到達するように、配置され、前記第１反射面、前記第２反射面、前記第１平面、及び、前記第２平面を少なくとも備える前記入射光学系が単一の部材で構成されていることを特徴とする表示装置を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、導光板と入射光学系を使用した表示装置において、画角が広く且つ小型の表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１に係る表示装置の要部概略図
【図２】実施例１に係る入射光学系の要部概略図
【図３】実施例１に係る導光板の要部概略図
【図４】実施例１に係る入射光学系の光路図
【図５】実施例１に係る入射光学系からの光束が導光板内部へ導光する説明図
【図６】実施例１に係る横収差図
【図７】本発明の実施例２に係る表示装置の要部概略図
【図８】実施例２に係る入射光学系の要部概略図
【図９】実施例２に係る入射光学系の光路図
【図１０】実施例２に係る横収差図
【図１１】実施例３に係るスマートグラスの斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図面は、便宜的に、実際とは異なる縮尺で描かれている場合がある。また、各図面において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明を省略する。
【００１３】
＜実施例１＞
図１は、本発明の実施例１に係る表示装置を示す。表示装置１は、画像を表示する表示素子１０と、表示光を観察者の瞳１１へ導く導光板１２と、表示素子１０からの光束を導光板１２へ入射する入射光学系１３を備える。図１に示すように、本実施例の座標系は、導光板１２の長手方向をＺ軸、Ｚ軸と直交し、観察者の瞳１１に垂直な方向をＸ軸、Ｚ軸
およびＸ軸に垂直な軸をＹ軸とし、Ｘ軸の正方向を観察者の瞳１１側とした右手系である。以後、特別に記載がない場合は、Ｘ軸の正方向から見た側面図を正面図、Ｘ軸の負方向から見た側面図を背面図、Ｙ軸の正方向から見た側面図を上面図、Ｚ軸の正方向から見た側面図を右側面図と呼ぶ。
【００１４】
表示素子１０は、有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイや、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）などである。
表示素子１０の各画素から発散して射出した表示光束は、入射光学系１３に入射し、入射光学系１３でコリメートされる。コリメートされた光束は、導光板１２の入射部より入射し、導光板１２の内部を伝搬し、導光板１２の射出部より取り出され、観察者の瞳１１に到達する。
【００１５】
図２Ａ〜図２Ｄに入射光学系１３の詳細を示す。本発明の実施例１に係る入射光学系１３は、プリズムである入射光学素子１３０によって構成される。図２Ａは入射光学素子１３０の正面図、図２Ｂは背面図、図２Ｃは上面図、図２Ｄは導光板側からみた左側面図である。入射光学素子１３０は、表示素子１０からの光束を入射する入射面１３００、光学パワーを有する第１反射面１３０１と第２反射面１３０２、内部反射をする第１平面１３０３と第２平面１３０４、を備えたプリズムである。また、入射光学系１３と導光板１２の間には、開口絞り１３０５が配置される。第１反射面１３０１と第２反射面１３０２は、金属膜や誘電体多層膜などによって形成される内部反射面である。内部反射は、部材の内部を伝搬する光（部材の内部から外部に向かう光）が部材表面（界面）において部材の内部に向けて反射される現象であり、内部反射面は、内部反射を生じる界面である。
【００１６】
このような入射光学系１３は、例えば、成形型を用いて製造することができる。具体的には、回転非対称面形状を高精度に加工した一対の金型に、加熱溶融した樹脂材料またはガラスモールド材料を流し込み、金型同士を閉じ、材料を加圧することで、回転非対称面形状を表面に転写する方法である。これにより、第１反射面１３０１、第２反射面１３０２、第１平面１３０３、第２平面１３０４を備える入射光学系１３を単一の部材で構成することができ、小型で低コストの入射光学系を簡易に製造することができる。
【００１７】
図３は、実施例１に係る導光板１２の要部概略図である。導光板１２は、水平導光素子１２０、水平取出素子１２１、垂直導光素子１２２、垂直取出素子１２３により構成される。なお、導光板１２の形状はかならずしも板状である必要はなく、例えば、柱状や線状の形状でもよい（したがって、導光部材ないし導光体と呼んでもよい）。
入射光学素子１３０で使用される材料は、導光板１２で使用される各素子の屈折率、分散などの組成と等価とみなせるものが好ましい。
水平導光素子１２０は、直方体であり、最も長い辺（長手方向）はＺ軸に沿い、最も短い辺はＸ軸に沿う。また、本実施例において、水平導光素子１２０は、Ｘ軸沿いに３．０ｍｍ、Ｙ軸沿いに５．５ｍｍの大きさを有する。
【００１８】
開口絞り１３０５は、入射光学素子１３０と水平導光素子１２０の間に配置される。開口絞り１３０５はＸＹ平面に平行な平面であり、導光板１２の長手方向（Ｚ軸）に対して垂直である。本実施例において、開口絞り１３０５は、Ｘ軸沿い（開口絞りの短手方向）に３．０ｍｍ、Ｙ軸沿い（開口絞りの長手方向）に５．５ｍｍの大きさを有する。
【００１９】
第１平面１３０３は導光板１２の長手方向に平行かつ開口絞り１３０５の短手方向に平行である。つまり、第１平面１３０３はＺＸ平面に平行な平面である。また、図２Ｃに示すように、第１平面１３０３は、ＺＸ平面に平行な断面（以後「ＺＸ断面」という）でみたときに、表示素子１０と第１反射面１３０１の間に配置される。
第２平面１３０４は導光板１２の長手方向に平行かつ開口絞り１３０５の長手方向に平行である。つまり、ＹＺ平面に平行な平面である。また、第２平面１３０４は、ＹＺ断面でみたときに、導光板１２と第１反射面１３０１の間に配置される。
【００２０】
図４Ａ〜図４Ｄは入射光学素子１３０の内部を伝搬する光束の光路を示している。図４Ａは、表示素子１０の画面中心からの光束（中心光束と呼ぶ）が、入射光学素子１３０の内部を進む光路の上面図、図４Ｂは背面図である。また、図４Ｃは、表示素子１０の各位置からの光束のうち、主光線が入射光学素子１３０の内部を進む光路の上面図であり、図４Ｄは背面図である。主光線は、絞りまたは瞳の中心を通過する光線である。
【００２１】
まず、図４Ａを参照してＺＸ平面に投影した光路を説明する。表示素子１０の各画素から、所定の拡がりをもった光束が射出される。本明細書では、各画素から発せられた光束を「画角光束」と称す。画角光束は、入射面１３００より入射光学系１３に入射し、第１反射面１３０１で反射されたのち、第２反射面１３０２で反射され開口絞り１３０５に向かう。このとき、画角光束の一部は第２平面１３０４で内部反射したのち、開口絞り１３０５へ到達する。一方、残りの光束は第２平面１３０４で内部反射することなく、直接開口絞り１３０５へ到達する。
【００２２】
次に、図４Ｂを参照してＹＺ平面に投影した光路について説明する。第２反射面１３０２で反射され開口絞り１３０５に向かう画角光束の一部は第１平面１３０３で内部反射したのち、開口絞り１３０５へ到達する。一方、残りの光束は第１平面１３０３で内部反射することなく、直接開口絞り１３０５へ到達する。
【００２３】
このようにＺＸ平面とＹＺ平面のそれぞれにおいて、各画角光束が開口絞り１３０５に入射する光路は、平面で反射したのち入射する光路と平面で反射せずに入射する光路が２光路ずつあり、合計で４光路となる。つまり、各画角光束は、第１平面１３０３および第２平面１３０４のいずれか一方または両方で内部反射する光路と、第１平面１３０３および第２平面１３０４のいずれにも反射しない光路と有している。
【００２４】
入射光学素子１３０と水平導光素子１２０は一体となっており、開口絞り１３０５を通過した光束は水平導光素子１２０へと入射する。
また、図４Ｃと図４Ｄに示すように、表示素子１０上の互いに異なる点（画素）から射出した光は、入射光学素子１３０に入射し、中心光束と同様の順序で入射光学素子１３０の内部を伝搬して、互いに異なる角度で水平導光素子１２０に入射する。
【００２５】
表示素子１０から第１反射面１３０１までの光路は、Ｙ方向（第１平面１３０３に垂直な方向）に関して、第１平面１３０３の下に位置する。言い換えると、表示素子１０から第１反射面１３０１までの光路は、Ｙ方向に投影したときに、光路のほとんど又は全部が第１平面１３０３に重なる。こうすることで、表示素子１０から第１反射面１３０１までの光路と第１平面１３０３を反射し開口絞り１３０５に向かう光路との交差位置が、Ｙ方向に関して第１平面１３０３の下になる。したがって、第２反射面１３０２と開口絞り１３０５の間隔を短くすることができる。その結果、入射光学素子１３０をコンパクトにすることが可能となる。
【００２６】
また、ＺＸ断面で考えたときに、第１平面１３０３の少なくとも一部は、表示素子１０と第１反射面１３０１の間に配置される。こうすることで、表示素子１０から第１反射面１３０１までの光路と第１平面１３０３を反射し開口絞り１３０５に向かう光路との交差位置が、Ｙ方向に関して第１平面１３０３の下になり、第２反射面１３０２と開口絞り１３０５の間隔を短くすることができる。その結果、入射光学素子１３０をコンパクトにすることが可能となる。
【００２７】
図５Ａ〜図５Ｄを用いて、第２反射面１３０２を反射後、開口絞り１３０５を通過し水平導光素子１２０へ結合される様子を説明する。図５Ａと図５Ｂは正面図であり、図５Ａに表示素子１０の中心光束の様子を、図５Ｂに表示素子１０の中央水平端からの光束の様子を示す。また、図５Ｃと図５Ｄは上面図であり、図５Ｃは表示素子１０の中心光束の様子を、図５Ｄに表示素子１０の中央垂直端からの光束の様子を示す。
【００２８】
表示素子１０の中心光束について説明する。図５Ａに示すように、開口絞り１３０５に入射する光束がＹＺ平面においてＺ軸となす角度を考える。第２反射面１３０２を反射した光束のうち、第１平面１３０３を反射して開口絞り１３０５に入射する光束は、第１平面１３０３を反射せず開口絞り１３０５に入射する光束と符号が異なるが大きさの等しい角度を有する。言い換えると、前者の光束と後者の光束はＺ軸を挟んで対称な光路を有する。
【００２９】
図５Ｃに示すように、ＺＸ平面においても同様に、第２平面１３０４を反射して開口絞り１３０５に入射する光束と第２平面１３０４を反射せず開口絞り１３０５に入射する光束は符号が異なるが大きさの等しい角度を有する。つまり、ＺＸ平面とＹＺ平面のそれぞれについて、Ｚ軸となす角度が正になる方向と負になる方向の２つの方向があるため、開口絞り１３０５に入射する光束の入射方向は合計で４方向となる。
【００３０】
開口絞り１３０５と第１平面１３０３と第２平面１３０４は互いに直交するように配置されている。主光線１４００は、開口絞り１３０５のＸＹ断面において、第１平面１３０３と第２平面１３０４の交点（つまり、開口絞り１３０５と第１平面１３０３と第２平面１３０４の３つの面が交わる点）に入射する。また、第１マージナル光線１４０１は、第１平面１３０３を反射したのち、開口絞り１３０５の第１エッジ部（第１平面１３０３から遠い側のＸ軸沿いの端縁）で入射する。また、第２マージナル光線１４０２は、開口絞り１３０５の第１エッジ部を通過する。第３マージナル光線１４０３は、第２平面１３０４を反射したのち、開口絞り１３０５の第２エッジ部（第２平面１３０４から遠い側のＹ軸沿いの端縁）で入射する。また、第４マージナル光線１４０４は、開口絞り１３０５の第２エッジ部を通過する。このように配置することで、入射光学系１３の射出瞳１３０６の大きさは、開口絞り１３０５に対して、ＸＹ断面でＸ方向、Ｙ方向ともに２倍となる。
【００３１】
図５Ｂと図５Ｄで示すように、異なる画角光束においても同様に、主光線１５００および１６００は開口絞り１３０５のＸＹ断面において、第１平面１３０３と第２平面１３０４の交点に入射する。つまり、射出瞳の中心がこの交点に位置する。また、第１マージナル光線１５０１は、第１平面１３０３を反射したのち、開口絞り１３０５の第１エッジ部で入射する。また、第２マージナル光線１５０２は、開口絞り１３０５の第１エッジ部を通過する。第３マージナル光線１５０３は、第２平面１３０４を反射したのち、開口絞り１３０５の第２エッジ部で入射する。また、第４マージナル光線１５０４は、開口絞り１３０５の第２エッジ部を通過する。このように配置することで、異なる画角光束においても同様に、入射光学系１３の射出瞳１３０６の大きさは、開口絞り１３０５に対して、ＸＹ断面でＸ方向、Ｙ方向ともに２倍となる。
【００３２】
このように、本実施例の入射光学系１３は、表示素子１０上の各点から射出された光束を開口絞り１３０５に対して４方向から入射することで、射出瞳１３０６の大きさを開口絞り１３０５に対してＸ方向とＹ方向に２倍に拡大することができる。したがって広い画角をもつ表示装置を実現できる。また、水平導光素子１２０内を光束で満たすことができ、どの位置で光束が取り出されても、観察者の目に均一な光束を入射することができる。
【００３３】
表１は入射光学系１３の各種データである。表１に示すように、本実施例に係る入射光
学系１３は、射出瞳１３０６のＹ方向の大きさである水平瞳径が１１．００ｍｍであり、導光板１２の高さ５．５ｍｍに対して２倍の大きさを有している。また、射出瞳１３０６のＸ方向の大きさである垂直瞳径は、６．００ｍｍであり、導光板１２の幅３．００ｍｍに対して、こちらも２倍の大きさを有している。そのため、水平導光素子１２０内は、表示素子１０からの光束で満たされ、水平導光素子１２０内のどこで取り出されても、光束の光量分布が均一となる。
【００３４】
導光板１２に入射する各画角光束の角度範囲（光束がＺ軸となす角度の範囲）は、ＺＸ平面において０〜±７．７°、ＹＺ平面において０〜±１３．５°である。
【表１】
2019132956.tif 000003
【００３５】
上記のように、本実施例の入射光学系１３は、開口絞り１３０５に比べてＸ方向、Ｙ方向それぞれ２倍の大きさ（面積で４倍の大きさ）の射出瞳１３０６をもつ。したがって、入射光学系１３は、射出瞳１３０６を包含する大きさの結像範囲を有するように設計されることが好ましい。言い換えると、入射光学系１３は、開口絞り１３０５に対してＸ方向、Ｙ方向それぞれ２倍以上の大きさ（面積で４倍以上の大きさ）の結像範囲を有することが好ましい。結像範囲とは、像面における結像性能（光学性能）が所期の性能を満たす範囲であり、有効像円やイメージサークルとも呼ばれる。結像範囲の外側は収差や光量低下が著しく、実用的な像が得られない。
【００３６】
導光板１２の長手方向をＺ方向としたとき、開口絞り１３０５はＺ方向に対して垂直に配置され、表示素子１０の中心光束の主光線１４００に対して傾いて配置されることが好ましい。すなわち、開口絞り１３０５が入射光学系１３の主光線１４００と非垂直であることが好ましい。開口絞り１３０５を主光線１４００に対して傾けることで、開口絞り１３０５を主光線１４００に垂直にした場合よりも、入射光学系１３に要求される結像範囲の大きさを小さくできる。結像範囲が小さい方が収差補正が容易であるため、結像性能（光学性能）に優れた入射光学系１３の作製が容易となる。
【００３７】
表示素子１０の中心光束の主光線の、第２反射面１３０２から開口絞り１３０５までの光路をＺＸ平面（第１平面１３０３に平行な平面）へ投影した時の光路長をｄとしたとき（図４Ａ参照）、光路長ｄが以下の条件式を満たすことが好ましい。
【数１】
2019132956.tif 000004
ｈは開口絞り１３０５の長手方向（Ｙ方向）の長さである。θｙは、開口絞り１３０５に入射する画角光束がＹＺ平面においてＺ軸となす角度の最小値である。θｘは、角度θｙで開口絞り１３０５に入射する画角光束がＺＸ平面においてＺ軸となす角度である。
【００３８】
条件式（１）は、水平導光素子１２０内を光束で満たすために必要なｄを規定する条件である。ｄが条件式（１）の右辺より短いと、画角光束の一部が第２反射面１３０２を反射後、本来反射すべき第１平面１３０３で反射することができない。そのため、その光束は開口絞り１３０５に到達できず、ケラレが生じてしまう。その結果、水平導光素子１２０内を光束で満たすことができない。
【００３９】
本実施例においては、ｄは２４．５７ｍｍであり、θｙ＝１６．２７度、θｘ＝３３．７７度、ｈ＝５．５ｍｍにより計算される条件式（１）の右辺は、２２．６７ｍｍである。したがって、光路長ｄは条件式（１）を満たし、全ての画角光束についてケラレがなく、水平導光素子１２０内を光束で満たすことができる。
【００４０】
入射光学系１３は、媒質で満たされ、表示素子１０からの光が入射される入射面１３００を備える。入射面１３００から入射された光束は、第１反射面１３０１で反射されたのち、第２反射面１３０２で開口絞り１３０５に向けて反射される。ここで、入射面１３００から第１反射面１３０１までの第１光路と第２反射面１３０２から開口絞り１３０５に向かう第２光路を、ＺＸ平面に投影したときに、第１光路と第２光路とが交差することが好ましい。このような配置にすることで、入射面１３００から開口絞り１３０５までの光路が折り畳まれるため、コンパクトな光学系を実現できる。また、第１反射面１３０１と第２反射面１３０２への入射角は小さくなり、収差の発生を抑制することができる。
【００４１】
また、第１反射面１３０１と第２反射面１３０２の相対的な傾きは次のように設定することが好ましい。中心光束の主光線が第１反射面１３０１と交差する点における第１反射面１３０１の法線で、第１反射面１３０１の傾きを代表する。同様に、中心光束の主光線が第２反射面１３０２と交差する点における第２反射面１３０２の法線で、第２反射面１３０２の傾きを代表する。この場合に、第１反射面１３０１の法線のＺＸ平面への射影と第２反射面１３０２の法線のＺＸ平面への射影とが交差するように、第１反射面１３０１と第２反射面１３０２が配置されるとよい。このような配置にすることで、瞳径が小さい軸方向、かつ画角が狭い方向で光路が折り畳まれるため、コンパクトな光学系を実現できる。
【００４２】
ここまでは、表示素子１０からの光束が入射光学系１３、導光板１２、観察者の瞳１１の順に伝搬する本来の順路で説明した。これを順光線追跡とする。しかし、以後の説明では、表示素子１０から入射光学系１３までの光路については、順光線追跡とは逆の光路である逆光線追跡で説明する。具体的には、光束は、開口絞り１３０５から入射したものとし、各画角光束の一部は、第１平面１３０３および第２平面１３０４のいずれか一方または両方で内部反射したのち、第２反射面１３０２へ向かう。残りの画角光束は、第１平面１３０３および第２平面１３０４のいずれにも反射せず、第２反射面１３０２へ到達する。そして、いずれの光束も第２反射面１３０２で反射し、さらに第１反射面１３０１で反射後、入射面１３００を透過し、表示素子１０の位置で結像する。
【００４３】
本実施例における回転非対称形状の光学面の夫々は、以下の式（２）により表現される。
【数２】
2019132956.tif 000005
【００４４】
ここで、ｚは回転非対称形状面の光軸方向のサグ量（ｍｍ）、ｃは頂点曲率（１／ｍｍ）、ｋは円錐係数、Ｃｊ（ｊは２以上の整数）は係数である。なお、この非球面式において、第１項はベース球面のサグ量を示しており、このベース球面の曲率半径はＲ＝１／ｃである。また、第２項以降の項は、ベース球面上に付与される非球面成分のサグ量を示している。本実施例においては、式（２）を用いて回転非対称形状面を表現しているが、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式やスプライン面などほかの表現式を用いても同様の効果が得られる。
【００４５】
表２及び表３は入射光学素子１３０における各光学面の面データであり、表２において、ｒは曲率半径（ｍｍ）、ｄは面間隔（ｍｍ）、ｎｄはｄ線に対する屈折率、νｄはｄ線に対するアッベ数、を表す。ただし、面間隔は、光路に沿って像側に向かうときに正、物体側に向かうときに負、としている。表２及び表３において、面番号２は第２反射面１３０２、面番号３は第１反射面１３０１、面番号４は入射面１３００、面番号５、６は表示素子１０の前にあるカバーガラス（不図示）、面７は表示素子１０である。本実施例に係る入射光学素子１３０において、入射面１３００、反射面１３０１および反射面１３０２は、回転非対称曲面である。
【表２】
2019132956.tif 000006
【表３】
2019132956.tif 000007
【００４６】
表４は各光学面の面頂点の偏心データであり、表４において、Ｘ、Ｙ、Ｚの夫々は、面番号１の光学面の面頂点を基準とした座標を表し、αはＸ軸周りの回転、βはＹ軸周りの回転、γはＺ軸周りの回転、を表す。回転方向は、αはＸ軸の正方向に向いて左回り、βはＹ軸の正方向に向いて左回り、γはＺ軸の正方向に向いて右回りである。
【表４】
2019132956.tif 000008
【００４７】
第２反射面１３０２は、Ｘ軸回りに傾きを有することが好ましい。言い換えると、中心光束の主光線の光路が１つの平面に収まらないように、第１反射面１３０１と第２反射面１３０２が配置されるとよい。具体的には、第１反射面１３０１の法線と第２反射面１３０２の法線とがねじれの位置関係となるように、第１反射面１３０１と第２反射面１３０２が配置されるとよい。このような配置により、第２反射面１３０２から第１反射面１３０１までの光路で、第１反射面１３０１に各光束が反射することなく、取回すことができる。
【００４８】
図６は、本実施例に係る入射光学系１３の横収差図である。図６では、表示素子１０の画面中心、画面中心の両垂直端、画面中心の両水平端における、６５６ｎｍ、５８７ｎｍ、４８６ｎｍ、４３５ｎｍ、の各波長の光に関する横収差を示している。画面中心の座標は（ｘ，ｙ）＝（０，０）であり、画面中心の両垂直端の座標は（ｘ，ｙ）＝（０，−２．６７５）、（ｘ，ｙ）＝（０，２．６７５）であり、画面中心の両水平端の座標は（ｘ，ｙ）＝（４．８，０）、（ｘ，ｙ）＝（−４．８，０）である。なお、小文字のｘ、ｙは画面上のローカル座標を表しており、グローバル座標のＸ、Ｙとは異なる。
【００４９】
入射光学系１３の反射面は、回転非対称形状を有することが好ましい。本実施例においては、各光学面が同一光軸上にはない偏心光学系である。偏心光学系では、回転対称系では発生しない偏心収差が多く発生するため、回転対称の面形状のみで収差補正を行うのでは不十分である。特に本実施例においては、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のいずれの軸においても光学面を偏心しており、光学面形状を回転非対称形状とすることで、偏心収差の補正を行っている。
【００５０】
さらに、好ましくは、入射光学系１３の反射面は、回転対称軸をひとつも有しないことが好ましい。図６から明らかなように、可視波長域（４００〜７００ｎｍ）において諸収差が良好に補正されており、高精細で小型のディスプレイの解像度を十分に発揮することができる。
本実施例では、入射光学系１３の反射面は、回転非対称面であるが、面形状は回転非対称面に限られない。
以上、本実施例に係る表示装置１によれば、広画角で表示可能な小型の表示装置を提供することができる。このような表示装置によれば、例えば観察者が瞳を移動しても高品位な画像表示を維持できる。
【００５１】
＜実施例２＞
図７は、本発明の実施例２に係る表示装置を示す。表示装置２は、画像を表示する表示素子１０と、表示光を観察者の瞳１１へ導く導光板１２と、表示素子１０からの光束を導
光板１２へ入射する入射光学系２３を備える。入射光学系２３を除く構成は実施例１と同じであり、説明を省略する。
【００５２】
本発明の実施例２に係る入射光学系２３は、プリズムである入射光学素子２３０によって構成される。図８Ａは入射光学素子２３０の正面図、図８Ｂは背面図、図８Ｃは上面図、図８Ｄは導光板側からみた左側面図である。入射光学素子２３０は、表示素子１０からの光束を入射する入射面２３００、光学パワーを有する第１反射面２３０１と第２反射面２３０２、内部反射をする第１平面２３０３と第２平面２３０４、を備えたプリズムである。また、入射光学系２３と導光板１２の間には、開口絞り２３０５が配置される。第１反射面２３０１と第２反射面２３０２は、金属膜や誘電体多層膜などによって形成される内部反射面である。本実施例の入射光学系２３も、実施例１と同様、成形型を用いて製造することができる。
【００５３】
開口絞り２３０５は、入射光学素子２３０と水平導光素子１２０の間に配置される。開口絞り２３０５はＸＹ平面に平行な平面であり、導光板１２の長手方向（Ｚ軸）に対して垂直である。本実施例において、開口絞り２３０５は、Ｘ軸沿い（開口絞りの短手方向）に３．０ｍｍ、Ｙ軸沿い（開口絞りの長手方向）に５．５ｍｍの大きさを有する。
【００５４】
第１平面２３０３は導光板１２の長手方向に平行かつ開口絞り２３０５の短手方向に平行である。つまり、第１平面２３０３はＺＸ平面に平行な平面である。また、第１平面２３０３は、ＺＸ断面でみたときに、表示素子１０と第１反射面２３０１の間に配置される。
【００５５】
第２平面２３０４は導光板１２の長手方向に平行かつ開口絞り２３０５の長手方向に平行である。つまり、ＹＺ平面に平行な平面である。また、第２平面２３０４は、ＹＺ断面でみたときに、導光板１２と第１反射面２３０１の間に配置される。
【００５６】
図９Ａは、表示素子１０の各画素からの光束が、入射光学素子２３０の内部を進む光路の上面図であり、図９Ｂは、背面図である。
図９Ａを参照してＺＸ平面に投影した光路を説明する。表示素子１０の各画素から射出された画角光束は、入射面２３００より入射光学系２３に入射し、第１反射面２３０１で反射されたのち、第２反射面２３０２で反射され開口絞り２３０５に向かう。このとき、画角光束の一部は第２平面２３０４で内部反射したのち、開口絞り２３０５へ到達する。一方、残りの光束は第２平面２３０４で内部反射することなく、直接開口絞り２３０５へ到達する。
【００５７】
次に、図９Ｂを参照してＹＺ平面に投影した光路について説明する。第２反射面２３０２で反射され開口絞り２３０５に向かう画角光束の一部は第１平面２３０３で内部反射したのち、開口絞り２３０５へ到達する。一方、残りの光束は第１平面２３０３で内部反射することなく、直接開口絞り２３０５へ到達する。
このようにＺＸ平面とＹＺ平面のそれぞれにおいて、各画角光束が開口絞り２３０５に入射する光路は、平面で反射したのち入射する光路と平面で反射せずに入射する光路が２光路ずつあり、合計で４光路となる。
入射光学素子２３０と水平導光素子１２０は一体となっており、開口絞り２３０５を通過した光束は水平導光素子１２０へと入射する。
【００５８】
表示素子１０から第１反射面２３０１までの光路は、Ｙ方向に関して、第１平面２３０３の下に位置する。言い換えると、表示素子１０から第１反射面２３０１までの光路は、Ｙ方向に投影したときに、光路のほとんど又は全部が第１平面２３０３に重なる。また、ＺＸ断面で考えたときに、第１平面２３０３の少なくとも一部は、表示素子１０と第１反
射面２３０１の間に配置される。
【００５９】
表５は入射光学系２３の各種データである。表５に示すように、本実施例に係る入射光学系１３は、Ｙ方向である水平瞳径が１１．００ｍｍであり、導光板１２の高さは５．５ｍｍに対して２倍の大きさを有している。また、Ｘ方向である垂直瞳径は、６．００ｍｍであり、導光板１２の幅は３．００ｍｍに対して、こちらも２倍の大きさを有している。
【表５】
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【００６０】
導光板１２の長手方向をＺ方向としたとき、開口絞り２３０５はＺ方向に対して垂直に配置され、表示素子１０の中心光束の主光線に対して傾いて配置されることが好ましい。
【００６１】
本実施例においては、ｄは２５．９９ｍｍであり、θｙ＝１６．２７度、θｘ＝３３．７７度、ｈ＝５．５ｍｍにより計算される条件式（１）の右辺は、２２．６７ｍｍである。したがって、本実施例の入射光学系２３の光路長ｄは条件式（１）を満たす。
【００６２】
入射光学系２３は、媒質で満たされ、表示素子１０からの光を入射する入射面２３００を備える。表示素子１０からの光束は、順に、入射面２３００から入射し、第１反射面２３０１で反射し、第２反射面２３０２で開口絞り２３０５に向かうように反射する。このとき、入射面２３００から第１反射面２３０１までの光路と第２反射面２３０２から開口絞り２３０５に向かう光路とが交差する。
【００６３】
実施例１と同様に、本実施例に対応する逆光線追跡時の面データを表６及び表７に、偏心データを表８に示す。
【表６】
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【表７】
2019132956.tif 000011
【表８】
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【００６４】
第１反射面２３０１と第２反射面２３０２の相対的な傾きは次のように設定することが好ましい。中心光束の主光線が第１反射面２３０１と交差する点における第１反射面２３０１の法線で、第１反射面２３０１の傾きを代表する。同様に、中心光束の主光線が第２反射面２３０２と交差する点における第２反射面２３０２の法線で、第２反射面２３０２の傾きを代表する。この場合に、第１反射面２３０１の法線のＺＸ平面への射影と第２反射面２３０２の法線のＺＸ平面への射影とが交差するように、第１反射面２３０１と第２反射面２３０２が配置されるとよい。このような配置により、表示素子１０から開口絞り２３０５までの各画角光束の光路が折り畳まれている。
【００６５】
第２反射面２３０２は、Ｘ軸回りに傾きを有することが好ましい。言い換えると、中心光束の主光線の光路が１つの平面に収まらないように、第１反射面２３０１と第２反射面２３０２が配置されるとよい。具体的には、第１反射面２３０１の法線と第２反射面２３０２の法線とがねじれの位置関係となるように、第１反射面２３０１と第２反射面２３０２が配置されるとよい。
【００６６】
入射光学系２３の反射面は、回転非対称形状を有する。図１０は、本実施例に係る入射光学系２３の横収差図である。図１０では、表示素子１０の画面中心、画面中心の両垂直端、画面中心の両水平端における、６５６ｎｍ、５８７ｎｍ、４８６ｎｍ、４３５ｎｍ、の各波長の光に関する横収差を示している。画面中心の座標は（ｘ，ｙ）＝（０，０）であり、画面中心の両垂直端の座標は（ｘ，ｙ）＝（０，−２．６７５）、（ｘ，ｙ）＝（０，２．６７５）であり、画面中心の両水平端の座標は（ｘ，ｙ）＝（４．８，０）、（ｘ，ｙ）＝（−４．８，０）である。図１０から明らかなように、可視波長域（４００〜７００ｎｍ）において諸収差が良好に補正されており、高精細で小型のディスプレイの解像度を十分に発揮することができる。
【００６７】
＜実施例３＞
本発明の表示装置は、例えば、ヘッドマウントディスプレイ（スマートグラスやＡＲグラスやスカウター等を含む）、ヘッドアップディスプレイ、携帯電話ディスプレイ、３Ｄディスプレイなどに応用が可能である。以下に述べる本発明の実施例３では、ヘッドマウントディスプレイの一例であるスマートグラスに対して、本発明の表示装置を応用している。
【００６８】
図１１は、本発明の実施例３に係るスマートグラス６００の図である。スマートグラス６００は、メガネ型のウエアラブル端末であり、実際に見えている現実の世界に対してさまざまな情報を重ねて表示する、いわゆる拡張現実（ＡＲ）のための端末である。
【００６９】
スマートグラス６００は、フレームと２つの表示装置１ａ及び表示装置１ｂとを有する。フレームは、表示装置１ａと表示装置１ｂとが下面に接合されているリム６１と、リム６１の両サイドに接合されているテンプル６２ａ及びテンプル６２ｂと、を有する。表示装置１ａ及び表示装置１ｂとしては、実施例１〜２のいずれかの表示装置を使用することができる。
【００７０】
表示装置１ａの表示素子（不図示）からの光が入射光学系３ａ及び導光板２ａによってスマートグラス６００を装着した観察者の右眼に導かれて、観察者の右眼に画像が表示される。同様に、表示装置１ｂの表示素子（不図示）からの光が入射光学系３ｂ及び導光板２ｂによってスマートグラス６００を装着した観察者の左眼に導かれて、観察者の左眼に画像が表示される。
【００７１】
なお、本実施例のスマートグラス６００では、観察者の左右の眼が並ぶ方向を水平導光素子２１が光束を伝搬する水平方向（第１方向）と等しくし、リム６１に垂直な方向を垂直導光素子２２が光束を伝搬する垂直方向（第２方向）と等しくしている。
本実施例のスマートグラスによれば、スマートグラスを装着した観察者に画角の広い高画質な画像を表示することができる。
【００７２】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
例えば、実施例１、２の表示装置では、２つの反射面と２つの平面を有する入射光学系を例示したが、入射光学系の構成はこれに限られない。例えば、３つ以上の反射面を有する構成、３つ以上の平面（内部反射面）を有する構成、これら以外の光学構造を有する構成を採用してもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１、１ａ、１ｂ、２：表示装置
２ａ、２ｂ、１２：導光板
３ａ、３ｂ、１３、２３：入射光学系
１０：表示素子
１３０１、２３０１：第１反射面
１３０２、２３０２：第２反射面
１３０３、２３０３：第１平面
１３０４、２３０４：第２平面
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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