(57)【要約】【課題】小型に構成された照明ユニット及びそれに用いられる光学部材、並びにそれらを用いたウェアラブルディスプレイを提供する。【解決手段】本技術に係る照明ユニットは、光変調素子に光を供給することが可能な照明ユニットであって、光源と、光学部材とを具備する。  上記光学部材は、上記光源から光が入射される入射部と、出射部と、上記入射された光を上記出射部へ向けて内部反射させて集光することが可能な曲面部とを有し、透光性材料で構成され上記光源と上記光変調素子との間に配置される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光変調素子に光を供給することが可能な照明ユニットであって、
光源と、
前記光源から光が入射される入射部と、出射部と、前記入射された光を前記出射部へ向けて内部反射させて集光することが可能な曲面部とを有し、透光性材料で構成され前記光源と前記光変調素子との間に配置された光学部材と
を具備する照明ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の照明ユニットであって、
前記曲面部は、反射面が形成された反射膜を有する
照明ユニット。
【請求項３】
請求項１に記載の照明ユニットであって、
前記曲面部は、自由曲面を含む
照明ユニット。
【請求項４】
請求項１に記載の照明ユニットであって、
前記入射部は、
入射面と、
前記入射面から前記曲面部に向かって前記光源から発せられた光束を広げることが可能な光源拡大部とを有する
照明ユニット。
【請求項５】
請求項４に記載の照明ユニットであって、
前記光学部材は、前記曲面部及び前記出射部を含む本体部をさらに有し、
前記光源拡大部は、前記本体部と一体に形成される
照明ユニット。
【請求項６】
請求項４に記載の照明ユニットであって、
前記曲面部は、第１の軸方向に沿って広げられた第１の光束が反射する第１の領域における第１の曲率と、前記第１の軸方向と直交する第２の軸方向に沿って広げられた第２の光束が反射する第２の領域における第２の曲率とを有する
照明ユニット。
【請求項７】
請求項６に記載の照明ユニットであって、
前記第１の軸方向は、前記光変調素子により生成された画像の正立方向と直交する方向に対応し、
前記第２の軸方向は、前記画像の前記正立方向に対応する
照明ユニット。
【請求項８】
請求項７に記載の照明ユニットであって、
前記第１の曲率は、前記第２の曲率よりも小さい
照明ユニット。
【請求項９】
請求項７に記載の照明ユニットであって、
前記第１の曲率は、前記第１の光束をテレセントリックな照明光として反射させることが可能な曲率であり、
前記第２の曲率は、前記第２の光束を非テレセントリックな照明光として反射させることが可能な曲率である
照明ユニット。
【請求項１０】
請求項１に記載の照明ユニットであって、
前記透光性材料は、熱可塑性樹脂を含む
照明ユニット。
【請求項１１】
光源から発せられた光を光変調素子に供給することが可能な光学部材であって、
前記光源から発せられた光束が入射する入射面と、前記光束を広げることが可能な光源拡大部とを有し、前記光源から光が入射される入射部と、
出射部と、
前記入射された光を前記出射部へ向けて内部反射させて集光することが可能な曲面部と
を具備する透光性材料で構成された光学部材。
【請求項１２】
光源と、
前記光源から光が入射される入射部と、出射部と、前記入射された光を前記出射部へ向けて内部反射させて集光することが可能な曲面部とを有し、透光性材料で構成され前記光源と前記光変調素子との間に配置された光学部材と
を有する照明ユニットと、
前記照明ユニットから発せられた光を変調する光変調素子と、
前記光変調素子からの画像光の虚像を生成する虚像光学ユニットと
を具備するウェアラブルディスプレイ。
【請求項１３】
光源と、
前記光源から光が入射される入射部と、出射部と、前記入射された光を前記出射部へ向けて内部反射させて集光することが可能な曲面部とを有し、透光性材料で構成され前記光源と前記光変調素子との間に配置された光学部材と
を有する照明ユニットと、
前記照明ユニットから発せられた光を変調する光変調素子と
を具備する画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、光学部材、それを用いた照明ユニット、ウェアラブルディスプレイ及び画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ユーザの頭部に装着され、眼前に配置されたディスプレイ等によってユーザ個人に画像を提示することが可能な、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）が知られている。
【０００３】
特許文献１には、ヘッドマウントディスプレイ等に利用される虚像表示装置が開示されている。この虚像表示装置は、照明光源、ライトパイプ、画像表示素子を備えている。照明光源から発せられた光はライトパイプに伝送され、画像表示素子へ入射する。画像表示素子から出射された表示光は、導光板へ入射され、導光板の内部で全反射を繰り返すことで観察者の瞳に入射するように構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３５０１２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ヘッドマウントディスプレイ等のウェアラブル機器においては、装着するユーザの負担を軽減するため、小型化及び軽量化が求められている。したがって、これらの機器に用いられる虚像表示装置においても、小型化の要求が高まっている。
【０００６】
以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、小型に構成された照明ユニット及びそれに用いられる光学部材、並びにそれらを用いたウェアラブルディスプレイ及び画像表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本技術に係る照明ユニットは、光変調素子に光を供給することが可能な照明ユニットであって、光源と、光学部材とを具備する。
上記光学部材は、上記光源から光が入射される入射部と、出射部と、上記入射された光を上記出射部へ向けて内部反射させて集光することが可能な曲面部とを有し、透光性材料で構成され上記光源と上記光変調素子との間に配置される。
【０００８】
上記照明ユニットによれば、光学部材の曲面部が集光作用を有するため、光学部材によって２次光源を形成することができる。これにより、光源から光変調素子までの光路長を短縮し、小型に構成することができるとともに、部品点数を減少させることが可能となる。
【０００９】
また、上記曲面部は、反射面が形成された反射膜を有してもよい。
【００１０】
これにより、全反射条件を考慮せずに曲面部を構成することができ、光学設計上の自由度を高めることができる。
【００１１】
具体的に、上記曲面部は、自由曲面を含んでいてもよい。
【００１２】
これにより、光学設計上の自由度をより高めることができ、所望の２次光源を形成することが容易になる。
【００１３】
また、上記入射部は、
入射面と、
上記入射面から上記曲面部に向かって上記光源から発せられた光束を広げることが可能な光源拡大部とを有していてもよい。
【００１４】
上記光源拡大部により、光源の見かけ上の大きさを拡大することができる。
【００１５】
また、上記光学部材は、上記曲面部及び上記出射部を含む本体部をさらに有し、
上記光源拡大部は、上記本体部と一体に形成されてもよい。
【００１６】
これにより、本体部に対する光源拡大部の位置精度を高めることができるとともに、長期にわたり所望の光学特性を維持することができる。
【００１７】
また、上記曲面部は、第１の軸方向に沿って広げられた第１の光束が反射する第１の領域における第１の曲率と、上記第１の軸方向と直交する第２の軸方向に沿って広げられた第２の光束が反射する第２の領域における第２の曲率とを有していてもよい。
【００１８】
これにより、光変調素子のアスペクト比その他の画像表示装置の特性に鑑みて、所望の照明光を出射させることが可能となる。
【００１９】
この場合、例えば、上記第１の曲率は、上記第２の曲率よりも小さい構成とすることができる。
【００２０】
また、上記第１の曲率は、上記第１の光束をテレセントリックな照明光として反射させることが可能な曲率であり、
上記第２の曲率は、上記第２の光束を非テレセントリックな照明光として反射させることが可能な曲率とすることができる。
【００２１】
これにより、上記照明ユニットが、例えばホログラムグレーティングと導光板とを備えた虚像光学ユニットに対して照明光を出射する場合に、当該導光板内における画像光の導光特性に適した照明光を形成することができる。
【００２２】
また、上記透光性材料は、熱可塑性樹脂を含んでいてもよい。
【００２３】
これにより、各種成形法により光学部材を容易に形成することができる。
【００２４】
また、本技術に係る光学部材は、光源から発せられた光を光変調素子に供給することが可能な透光性材料で構成された光学部材であって、入射部と、出射部と、曲面部とを具備する。
上記入射部は、上記光源から発せられた光束が入射する入射面と、上記光束を広げることが可能な光源拡大部とを有し、上記光源から光が入射される。
上記曲面部は、上記入射された光を上記出射部へ向けて内部反射させて集光することが可能に構成される。
【００２５】
さらに、本技術に係るウェアラブルディスプレイは、照明ユニットと、光変調素子と、虚像光学ユニットとを具備する。
上記照明ユニットは、光源と、光学部材とを有する。
上記光学部材は、上記光源から光が入射される入射部と、出射部と、上記入射された光を上記出射部へ向けて内部反射させて集光することが可能な曲面部とを有し、透光性材料で構成され上記光源と上記光変調素子との間に配置される。
上記光変調素子は、上記照明ユニットから発せられた光を変調する。
上記虚像光学ユニットは、上記光変調素子からの画像光の虚像を生成する。
【００２６】
あるいは、本技術に係る画像表示装置は、照明ユニットと、光変調素子と、虚像光学ユニットとを具備する。
上記照明ユニットは、光源と、光学部材とを有する。
上記光学部材は、上記光源から光が入射される入射部と、出射部と、上記入射された光を上記出射部へ向けて内部反射させて集光することが可能な曲面部とを有し、透光性材料で構成され上記光源と上記光変調素子との間に配置される。
上記光変調素子は、上記照明ユニットから発せられた光を変調する。
上記虚像光学ユニットは、上記光変調素子からの画像光の虚像を生成する。
【発明の効果】
【００２７】
以上のように、本技術によれば、小型に構成された照明ユニット及びそれに用いられる光学部材、並びにそれらを用いたウェアラブルディスプレイ及び画像表示装置を提供することができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本技術の一実施形態に係るウェアラブルディスプレイの一部を示す模式的な平面図である。
【図２】図１の要部をＸ軸方向から見た断面図である。
【図３】図１の要部をＹ軸方向から見た断面図である。
【図４】上記ウェアラブルディスプレイの光変調素子を示す模式的な平面図である。
【図５】上記ウェアラブルディスプレイの虚像光学ユニットの要部の平面図であり、画像表示ユニット側からＺ軸方向に見た図である。
【図６】上記ウェアラブルディスプレイの光学部材の断面図である。
【図７】Ａ，Ｂは上記光学部材の斜視図であり、Ｃは上記光学部材の平面図である。
【図８】上記光学部材の曲面部における曲率と光束との関係を示す図であり、ＡはＹ軸方向から見た断面図、ＢはＸ軸方向から見た断面図である。
【図９】上記光学部材の他の実施例を示す断面図である。
【図１０】上記実施形態の参照例に係る照明ユニットを示す断面図である。
【図１１】上記実施形態の変形例に係る光学部材を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本技術に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【００３０】
（ウェアラブルディスプレイの全体構成）
図１は、本技術の一実施形態に係るウェアラブルディスプレイの一部を示す模式的な平面図である。なお、図中のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向は、相互に直交する３軸方向を示し、Ｘ軸方向は水平方向（左右方向）、Ｙ軸方向は鉛直方向（上下方向）を示す。
【００３１】
ウェアラブルディスプレイ１００は、頭部に装着可能な眼鏡型のディスプレイであり、同図はその主要部を示す。ウェアラブルディスプレイ１００は、照明ユニット１１０、画像表示ユニット１２０、及び虚像光学ユニット１３０を備える。
【００３２】
虚像光学ユニット１３０の導光板１３３は、テンプル状の装着具やフレーム等によって、ウェアラブルディスプレイ１００の装着者の眼前に保持されるように構成される。一方、照明ユニット１１０及び画像表示ユニット１２０は、例えば上記装着具に形成された筐体内部に配置される。
【００３３】
（照明ユニットの構成）
図２は、図１の要部をＸ軸方向から見た断面図である。同図において、瞳の位置は模式的に表されている。照明ユニット１１０は、光源１１１、光学部材１０、偏光板１１２、及び拡散板１１３を有し、後述する光変調素子１２２に光を供給することが可能に構成される。
【００３４】
光源１１１は、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）で構成されるが、レーザ半導体やＥＬ（Electro-Luminescence）等の照明が用いられてもよい。光源１１１は、例えば矩形の面光源とすることができる。また光源はＲＧＢなど複数の色光源から構成されていてもよい。
【００３５】
光学部材１０は、光源１１１から発せられた光を画像表示ユニット１２０側へ折り曲げ、かつ反射光を集光して光源１１１の２次光源を形成することが可能に構成される。光学部材１０は、光源１１１と光変調素子１２２との間に配置され、本実施形態においては、光源１１１と偏光板１１２の間に配置される。光学部材１０の詳細な構成は後述する。
【００３６】
偏光板１１２は、光学部材１０から出射した光のうち特定の偏光成分（例えばｐ偏光成分又はｓ偏光成分）のみを通過させる板状の素子である。
【００３７】
拡散板１１３は、偏光板１１２から出射された光を拡散させて、照度ムラを抑制する板状の素子である。拡散板１１３の材料として、透明樹脂、ガラス、セラミックス等の透過性材料が用いられる。透明樹脂としては、例えば、ポリカーボネート、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等が用いられる。
【００３８】
（画像表示ユニットの構成）
図３は、図１の要部をＹ軸方向から見た断面図である。同図においても、瞳の位置は模式的に表されている。図２及び図３に示すように、画像表示ユニット１２０は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ；Polarization Beam Splitter）１２１、及び光変調素子１２２を有する。
【００３９】
偏光ビームスプリッタ１２１は、特定の偏光成分（例えばＰ偏光成分）を選択的に透過させるとともに、他方の偏光成分（例えばＳ偏光成分）を選択的に反射させる素子である。これにより、照明ユニット１１０からの照明光（例えばＳ偏光成分）が選択的に反射されて光変調素子１２２へ入射するとともに、この光変調素子１２２から出射した画像光Ｌ（例えばＰ偏光成分）が選択的に透過し、虚像光学ユニット１３０のコリメート光学系１３１へ入射することができる。
【００４０】
偏光ビームスプリッタ１２１は、キューブ型のものを用いることができるが、これに限定されない。
【００４１】
光変調素子１２２は、照明ユニット１１０から発せられた光を変調し、画像制御信号に基づく画像光Ｌを出射する。光変調素子１２２としては、例えば光反射型の液晶表示素子が用いられ、より具体的にはＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）等の液晶素子が用いられる。光反射型の液晶表示素子は、入射時と出射時とにおける各偏光成分（例えば、Ｓ偏光成分又はＰ偏光成分）を変化させる。なお、光変調素子１２２は、光透過型の液晶表示素子であってもよく、液晶表示素子は、単板式でも３板式でもよい。
【００４２】
図４は、光変調素子１２２を示す模式的な平面図である。同図に示すように、光変調素子１２２は、矩形の板状の入出射面１２２ａを有する。入出射面１２２ａは、照明ユニット１１０から入射された光束を変調し、画像光Ｌとして出射する。入出射面１２２ａにおいて、図中の白抜き矢印で示す画像の正立方向はＹ軸方向と略平行であり、画像の正立方向と直交する左右方向はＸ軸方向と略平行である。
【００４３】
（虚像光学ユニットの構成）
図５は、虚像光学ユニット１３０の要部の平面図であり、画像表示ユニット１２０側からＺ軸方向に見た図である。図１及び図５に示すように、虚像光学ユニット１３０は、コリメート光学系１３１、アパーチャ１３２、導光板１３３、第１のホログラムグレーティング１３４、及び第２のホログラムグレーティング１３５を有し、光変調素子１２２からの画像光Ｌの虚像を生成する。
【００４４】
コリメート光学系１３１は、導光板１３３へ向けて所定の画角の画像光Ｌを出射する。コリメート光学系１３１は、１又は複数のレンズを含む構成とすることができるが、これに限定されない。
【００４５】
コリメート光学系１３１は、図３に示すＸＺ平面において、光変調素子１２２の入出射面１２２ａに対して略垂直な第１の光束Ｌ１を入射させることができ、光変調素子１２２側を「物側」とした場合の物側テレセントリックな光学系を構成することができる。この場合の射出瞳は、装着者の瞳とする。コリメート光学系１３１は、例えば、第１の光束Ｌ１を、画角が互いに異なる複数の平行光束として導光板１３３へ出射する。
【００４６】
一方、図２に示すＹＺ平面においては、コリメート光学系１３１は、光変調素子１２２の入出射面１２２ａの中心から離れるほど射出角が垂直から離れる第２の光束Ｌ２を入射させることができ、非テレセントリックな光学系を構成することができる。コリメート光学系１３１は、例えば、第２の光束Ｌ２を、画角が互いに異なる非平行な光束として導光板１３３へ出射する。
【００４７】
アパーチャ１３２は、コリメート光学系１３１と導光板１３３との間に接続されている。アパーチャ１３２は、図５に示すように、開口１３２ａを有する。開口１３２ａは、例えばＸ軸方向及びＹ軸方向に沿った矩形であり、後述するように、Ｘ軸方向及びＹ軸方向で開口１３２ａの大きさが異なるように構成される。
【００４８】
導光板１３３は、導光板１３３のコリメート光学系１３１側に対向する第１の面１３３ａと、第１の面１３３ａに対向する第２の面１３３ｂとを有し、薄型の略平行平板状に構成される。第１の面１３３ａには、入射口１３３ｃと、出射口１３３ｄとが形成される。入射口１３３ｃは、コリメート光学系１３１から画像光Ｌを入射させる。出射口１３３ｄは、瞳に向かって画像光Ｌを出射させる。
【００４９】
第１及び第２のホログラムグレーティング１３４，１３５は、いずれも、反射型体積ホログラムグレーティングとして構成され得る。
【００５０】
第１のホログラムグレーティング１３４は、導光板１３３の第２の面１３３ｂの、入射口１３３ｃに対向する位置に配置される。第１のホログラムグレーティング１３４は、入射口１３３ｃから入射した光束の平行性を維持しつつ、導光板１３３における内部全反射条件を満たす角度で回折反射させる。
【００５１】
第２のホログラムグレーティング１３５は、導光板１３３の第２の面１３３ｂの、出射口１３３ｄに対向する位置に配置される。第２のホログラムグレーティング１３５は、導光板１３３内を進行した光束を出射口１３３ｄへ向けて回折反射させる。
【００５２】
次に、導光板１３３内の画像光Ｌの進行について説明する。
【００５３】
図１を参照し、入射口１３３ｃから導光板１３３内に入射した画像光Ｌは、Ｙ軸方向には反射せず、Ｚ軸方向に反射を繰り返しながらＸ軸方向に進行する。画像光Ｌに含まれる光束は、画角に応じてそれぞれ反射の回数が異なるため、光路長もそれぞれ異なる。第１の光束Ｌ１は、上述のように平行光束として導光板１３３に入射するため、光線の光路長が異なっても平行性が維持されるため、画像を乱すことはない。またこれにより、瞳の開口径（約３ｍｍ程度）とアパーチャ１３２のＸ軸方向における開口径を同程度の大きさに設定することができる。
【００５４】
一方で、第２の光束Ｌ２について開口径が規定された瞳から逆光線追跡を行うと、図５に示すように、瞳（出射口１３３ｄ）から各光線Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの画角に応じてＹ軸方向に広がるように進行する。すなわち、第２の光束Ｌ２は、各光線Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの画角に応じて、入射口１３３ｃから出射口１３３ｄへ向けて収束するように進行する。図５中のＬａ，Ｌｂ，Ｌｃは、それぞれ画角の異なる光線を示すものとする。
【００５５】
これにより、アパーチャ１３２は、Ｘ軸方向に沿った開口径よりもＹ軸方向に沿った開口径の方が大きくなるように構成され、Ｘ軸方向よりもＹ軸方向に広がりを持つ画像光Ｌを入射させることが可能に構成される。
【００５６】
続いて、光学部材１０について詳細に説明する。
【００５７】
（光学部材の構成）
図６及び図７は、光学部材１０の構成を示す図であり、図６は断面図、図７Ａ，Ｂはそれぞれ異なる方向から見た斜視図、図７ＣはＺ軸方向から入射部１１を見た平面図である。
【００５８】
光学部材１０は、透光性材料で構成される。透光性材料は、熱可塑性樹脂を含んでいてもよい。これにより、各種成形法によって光学部材１０を容易に成形することができる。熱可塑性樹脂としては、例えば、シクロオレフィンポリマー（商品名  ゼオネックス（登録商標））、ポリメタクリ酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ；Polymethyl methacrylate）、ポリカーボネート樹脂等を用いることができる。
【００５９】
光性材料の屈折率は、例えば、１．４８以上、より好ましくは１．５２以上とすることができる。これにより、所望の光学特性を実現することができる。
【００６０】
光学部材１０は、入射部１１、曲面部１２、及び出射部１３とを備える。また、曲面部１２及び出射部１３を含む領域を、本体部１９とする。
【００６１】
入射部１１は、入射面１４、及び光源拡大部１５を有する。入射面１４は、光源１１１から出射された光を入射させる。入射面１４は、平坦な面であってもよいし、曲面であってもよい。
【００６２】
光源拡大部１５は、例えば、入射面１４が形成された入射口１５ａと、本体部１９へ接続された出射口１５ｂと、これらを連接する導光部１５ｃとを有する。光源拡大部１５は、入射口１５ａから入射した光束を導光部１５ｃの内周面で内部反射させ、出射口１５ｂへ出射させることが可能に構成される。すなわち、光源拡大部１５は、ライトパイプ、ライトトンネル、又はロッド等の機能を有する。光源拡大部１５は、導光部１５ｃの周面に、反射率の高い金属（例えば銀、アルミニウム等）からなる膜を有していてもよい。
【００６３】
光源拡大部１５は、入射面１４から曲面部１２に向かって光源１１１から発せられた光束を広げることが可能であり、例えば、入射口１５ａよりも出射口１５ｂの方が大きく構成される。光源拡大部１５は、例えば導光部１５ｃで１回反射するように構成された場合、光源１１１の複数の像を形成可能な光束を出射でき、結果として光源１１１よりも大きなサイズの２次光源を形成することができる。さらに、反射の回数を増加させるに従い、２次光源光の均一性を向上させることができる。
【００６４】
光源拡大部１５は、全方向に光線を広げることができる。例えば、光源拡大部１５は、Ｘ軸方向（第１の軸方向）に沿って第１の光束Ｌ１を広げることができ、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向（第２の軸方向）に沿って第２の光束Ｌ２を広げることができる（図７Ａ、図８参照）。
【００６５】
光源拡大部１５は、例えば、本体部１９と一体に形成される。これにより、本体部１９に対する光源拡大部１５の位置精度が高められるとともに、製造上も一体に成形することが可能となる。
【００６６】
曲面部１２は、入射された光を出射部１３へ向けて内部反射させて集光することが可能に構成される。すなわち、曲面部１２は、正の屈折力を有する凹面鏡として構成され得る。曲面部１２の集光作用により、より短い光路長で所望の大きさの２次光源を形成することができ、光源１１１から画像表示ユニット１２０へ要する光路長を短縮することができる。
【００６７】
曲面部１２は、反射面１６が形成された反射膜１７を有する。曲面部１２が反射膜１７を有することにより、全反射条件等を考慮する必要がなく、設計上の自由度を高めることができる。
【００６８】
反射膜１７は、例えば銀又はアルミニウムにより形成することができる。これにより、高い反射率を有する反射面１６を形成することができる。また反射膜１７は、例えば、蒸着により形成した蒸着膜とすることができる。これにより、反射膜１７の密着性を高めることができる。
【００６９】
曲面部１２は、自由曲面を含む構成とすることができ、本実施形態において、反射面１６を自由曲面とすることができる。自由曲面とは、平面や円筒面、球面では表現できず、回転対称軸を有さない曲面形状のことをいう。このような曲面部１２により、形状の自由度を高め、画像表示ユニット１２０や虚像光学ユニット１３０の光学設計に適合した２次光源を形成することができる。
【００７０】
出射部１３は、出射面１８を有し、曲面部１２により反射された光を画像表示ユニット１２０に向けて出射する。出射面１８は、例えば、凸レンズ面として構成されてもよい。これにより、上記反射光の集光性を高めることができる。より具体的に、出射面１８は、自由曲面で構成されてもよい。
【００７１】
以上のような光学部材１０は、例えば、曲面部１２が１つの反射面１６を有し、この反射面１６と出射面１８とが連接して構成される。本体部１９は、反射面１６と出射面１８の他、反射面１６及び出射面１８と連接された２以上の非光学面２０と、光源拡大部１５が接続される本体部入射面２１との少なくとも５面を有する。このような構成により、より小型の光学部材１０を実現することができる。
続いて、光学部材１０の曲面部１２の詳細な形状についてさらに説明する。
【００７２】
（曲面部の形状）
図８は、曲面部１２における曲率と光束との関係を示す図であり、ＡはＹ軸方向から見た断面図、ＢはＸ軸方向から見た断面図である。図７Ａ及び図８を参照し、曲面部１２は、光源拡大部１５により広げられた第１の光束Ｌ１が反射する第１の領域Ｓ１における第１の曲率と、第２の光束Ｌ２が反射する第２の領域Ｓ２における第２の曲率とを有していてもよい。本実施形態において、第１の曲率は、第２の曲率と異なる曲率とすることができる。すなわち、図８に示すように、第１の曲率は第１の曲率半径Ｒ１を有し、第２の曲率は第１の曲率半径Ｒ１と異なる第２の曲率半径Ｒ２を有する。
【００７３】
上述のように第１の光束Ｌ１は、Ｘ軸方向に沿って広げられた光であり、曲面部１２で反射して光変調素子１２２のＸ軸方向に沿った領域に入射する。図４に示すように、Ｘ軸方向は、光変調素子１２２により生成された画像の正立方向に直交する方向に対応する。その後、第１の光束Ｌ１は、図３に示すように、略平行にコリメート光学系１３１に入射し、導光板１３３を平行光束として導光され出射口１３３ｄから出射される。
【００７４】
このため、第１の光束Ｌ１は、曲面部１２においても略平行な光線を含む光束として反射され得る。すなわち、第１の曲率は、例えば第１の光束Ｌ１をテレセントリックな照明光として反射させることが可能な曲率で構成される。
【００７５】
一方、第２の光束Ｌ２は、Ｙ軸方向に沿って広げられた光であり、曲面部１２で反射して光変調素子１２２のＹ軸方向に沿った領域に入射する。図４に示すように、Ｙ軸方向は、本実施形態において、光変調素子１２２により生成された画像の正立方向に対応する。その後、第２の光束Ｌ２は、図２に示すように、非平行な光束としてコリメート光学系１３１に入射し、導光板１３３に入射する。第２の光束Ｌ２は、上述のように、その画角に応じて導光板１３３内を出射口１３３ｄに向かって収束するように導光され（図５参照）、出射口１３３ｄから出射する。
【００７６】
このため、第２の光束Ｌ２は、曲面部１２において平行な光線を含まない光束として反射され得る。すなわち、第２の曲率は、例えば第２の光束Ｌ２を非テレセントリックな照明光として反射させることが可能な曲率で構成される。より具体的には、第２の曲率は、第２の光束Ｌ２を光学部材１０と光変調素子１２２の間で集光させることが可能な曲率であって、Ｘ軸方向から見たＹＺ平面においてケーラー照明系を構成することが可能な曲率で構成され得る。これにより、より均一な輝度の２次照明光を形成することができる。
【００７７】
また、上記光学設計を実現するため、第１の曲率は、第２の曲率よりも小さい値となり得る。すなわち、第１の曲率半径Ｒ１は、第２の曲率半径Ｒ２よりも大きい値となり得る。
【００７８】
以下、光学部材１０の設計例を示す。但し、光学部材１０は、以下の構成に限定されない。
【００７９】
図９は、光学部材１０の一実施例を示す断面図である。同図に示すように、点Ｏを座標原点に取り、基準座標系として図のようなｘｙｚ座標系を設定する。ここで、ｘ軸はＸ軸に、ｙ軸はＺ軸に、ｚ軸はＹ軸に対応する。また、Ｓｏ１は入射面１４のローカル座標系における原点、Ｓｏ２は反射面１６のローカル座標系における原点、Ｓｏ３は出射面１８のローカル座標系における原点とする。なお、以下の数値の単位は、ｍｍとする。また、同図において、反射膜の図示は省略している。
【００８０】
Ｓｏ１のｘｙｚ座標系における座標は、以下の式（１）、式（２）で表される。なお、θｘは、ｘ軸を正方向に左回転させる方向を正の向きとする。
（ｘ１、ｙ１）＝（６．２，２．６５）…式（１）
θｘ＝８５．２（度）…式（２）
Ｓｏ２のｘｙｚ座標系における座標は、以下の式（３）、式（４）で表される。
（ｘ２、ｙ２）＝（−０．０８６，３．４１）…式（３）
θｘ＝＋４３．０５（度）…式（４）
Ｓｏ３のｘｙｚ座標系における座標は、以下の式（５）式（６）で表される。
（ｘ３、ｙ３）＝（−０．１，０）…式（５）
θｘ＝＋９．１（度）…式（６）
【００８１】
また、入射面１４の短辺の長さｔ１は１．３０、光源拡大部１５の長さｔ２は３．００、入射面１４と導光部１５ｃの周面とのなす角度αは１０４．０度とすることができる。
【００８２】
一方、自由曲面形状は、一般に、基準となるｘｙｚ座標系からの各ローカル座標系のサグ量をＺとして、以下の式（７）で表される。
【００８３】
【数１】
2016033867.tif 000003
【００８４】
式（７）において、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆは、それぞれ各項の係数である。これらの係数は、例えば、以下の表１に示す数値とすることができる。
【００８５】
【表１】
2016033867.tif 000004
【００８６】
上記構成により、本実施形態の光学部材１０を実現することができる。
【００８７】
以上、本実施形態によれば、光学部材１０が曲面部１２を有するため、強力な集光作用を発揮することができる。したがって、光源１１１から光変調素子１２２までの距離の短縮化を図ることができる。
以下、参照例を用いて光学部材１０及び照明ユニット１１０の作用効果を説明する。
【００８８】
図１０は、本実施形態の参照例に係る照明ユニット３１０を示す断面図である。同図に示すように、照明ユニット３１０は、光源１１１、ライトパイプ３１２、反射ミラー３１３、集光レンズ３１４、偏光板１１２、拡散板１１３を有する。この照明ユニット３１０は、反射ミラー３１３で反射した光を集光レンズ３１４により集光し、２次光源を形成することが可能に構成される。なお、光源１１１、偏光板１１２、拡散板１１３等は上述の構成と同様であるため、説明を省略する。
【００８９】
同図に示すように、光学部材１０を用いずに光変調素子１２２への照明光を生成する照明光学系を構成しようとした場合、より多くの部品が必要であった。これにより、光路長が長くなり、構成の小型化が難しかった。また、各部品間を精度よく配置することが難しく、長期的な信頼性を維持することも難しかった。加えて、集光レンズ３１５を十分な集光性を確保することができる程度の凸面で構成しなければならず、やはり構成の小型化が妨げられた。
【００９０】
したがって、同図の破線で示す光学部材１０によれば、上記照明ユニット３１０の構成と比較して、照明ユニット１１０の小型化を実現することができる。さらに、光学部材１０は、ライトパイプ機能を有する光源拡大部１５を有するため、上述のライトパイプ３１２の構成を不要とし、より小型化に貢献することができる。また、光源拡大部１５が本体部１９と一体化しているため、光学的な位置精度をより高めることができる。
【００９１】
また、光学部材１０によれば、曲面部１２の反射面１６と出射部１３の出射面１８とが連接しているため、曲面部１２で反射された光線を即出射部１３から出射させることができ、より小型化を実現することができる。
【００９２】
さらに、本実施形態に係る光学部材１０（照明ユニット１１０）を有するウェアラブルディスプレイ１００によれば、装置全体の小型化・軽量化を図ることができる。また、部品数の減少により、光学的な位置精度を高めることができるとともに、生産時の組み立てを容易にし、生産性を高めることができる。
【００９３】
また、曲面部１２が自由曲面を含むことから、虚像光学ユニット１３０を有するウェアラブルディスプレイ１００に対して最適な照明光学系を提供することができる。
【００９４】
さらに、本技術は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更され得る。
【００９５】
例えば、出射部１３の出射面１８は、図１１に示すように、フレネルレンズ面として構成されてもよい。これにより、出射面１８を、薄型かつ所望のレンズ機能を有する面とすることができる。
【００９６】
また出射面１８は、拡散機能を有する面として構成されてもよい。より具体的には、出射面１８は、スクリーン印刷等されてもよいし、微細なレンズアレイ状に構成されてもよい。この場合、出射面１８は、平坦面でもよいし、曲面であってもよい。
【００９７】
以上の実施形態では、曲面部１２が金属製の反射膜を有するとしたが、これに限定されない。例えば、曲面部は、反射面が形成されたワイヤグリッドを有する構成であってもよい。これにより、反射面において特定の偏光成分のみ反射させることができる。したがって偏光板を不要とし、さらなる小型化に貢献することができる。
【００９８】
また、以上の実施形態では、光源拡大部１５が本体部１９と一体化していると説明したが、これに限定されない。例えば、光源拡大部１５は、透光性材料からなる接着材を介して本体部１９に接合されていてもよい。また、光源拡大部１５は、ライトパイプ状の構成に限定されず、例えばマイクロレンズアレイ等の構造を用いてもよい。
【００９９】
以上の実施形態では、照明ユニット１１０が偏光板１１２及び拡散板１１３を有すると説明したが、いずれか一方のみ有していてもよいし、いずれも有さない構成としてもよい。
【０１００】
また、画像表示ユニット１２０は、偏光ビームスプリッタ１２１を含む構成に限定されず、光変調素子１２２の構成に応じて適宜構成することができる。光変調素子１２２も、液晶表示素子に限定されず、例えばデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ；Digital Micromirror Device）等を用いてもよい。さらに、虚像光学ユニット１３０も、上記構成に限定されない。
【０１０１】
また、以上の実施形態に係る光学素子及び照明ユニットは、ウェアラブルディスプレイに適用される例に限定されない。例えば、光学素子及び照明ユニットは、プロジェクタ装置、ＰＣ（Personal Computer）、タブレットＰＣ、スマートフォン、タブレット端末等、光変調素子により画像表示を行う種々の画像表示装置に搭載されることができる。
【０１０２】
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）光変調素子に光を供給することが可能な照明ユニットであって、
光源と、
上記光源から光が入射される入射部と、出射部と、上記入射された光を上記出射部へ向けて内部反射させて集光することが可能な曲面部とを有し、透光性材料で構成され上記光源と上記光変調素子との間に配置された光学部材と
を具備する照明ユニット。
（２）上記（１）に記載の照明ユニットであって、
上記曲面部は、反射面が形成された反射膜を有する
照明ユニット。
（３）上記（１）又は（２）に記載の照明ユニットであって、
上記曲面部は、自由曲面を含む
照明ユニット。
（４）上記（１）から（３）のうちいずれか１つに記載の照明ユニットであって、
上記入射部は、
入射面と、
上記入射面から上記曲面部に向かって上記光源から発せられた光束を広げることが可能な光源拡大部とを有する
照明ユニット。
（５）上記（４）に記載の照明ユニットであって、
上記光学部材は、上記曲面部及び上記出射部を含む本体部をさらに有し、
上記光源拡大部は、上記本体部と一体に形成される
照明ユニット。
（６）上記（４）又は（５）に記載の照明ユニットであって、
上記曲面部は、第１の軸方向に沿って広げられた第１の光束が反射する第１の領域における第１の曲率と、上記第１の軸方向と直交する第２の軸方向に沿って広げられた第２の光束が反射する第２の領域における第２の曲率とを有する
照明ユニット。
（７）上記（６）に記載の照明ユニットであって、
上記第１の軸方向は、上記光変調素子により生成された画像の正立方向と直交する方向に対応し、
上記第２の軸方向は、上記画像の上記正立方向に対応する
照明ユニット。
（８）上記（７）に記載の照明ユニットであって、
上記第１の曲率は、上記第２の曲率よりも小さい
照明ユニット。
（９）上記（７）又は（８）に記載の照明ユニットであって、
上記第１の曲率は、上記第１の光束をテレセントリックな照明光として反射させることが可能な曲率であり、
上記第２の曲率は、上記第２の光束を非テレセントリックな照明光として反射させることが可能な曲率である
照明ユニット。
（１０）上記（１）から（９）のうちいずれか１つに記載の照明ユニットであって、
上記透光性材料は、熱可塑性樹脂を含む
照明ユニット。
（１１）光源から発せられた光を光変調素子に供給することが可能な光学部材であって、
上記光源から発せられた光束が入射する入射面と、上記光束を広げることが可能な光源拡大部とを有し、上記光源から光が入射される入射部と、
出射部と、
上記入射された光を上記出射部へ向けて内部反射させて集光することが可能な曲面部と
を具備する透光性材料で構成された光学部材。
（１２）  光源と、
上記光源から光が入射される入射部と、出射部と、上記入射された光を上記出射部へ向けて内部反射させて集光することが可能な曲面部とを有し、透光性材料で構成され上記光源と上記光変調素子との間に配置された光学部材と
を有する照明ユニットと、
上記照明ユニットから発せられた光を変調する光変調素子と、
上記光変調素子からの画像光の虚像を生成する虚像光学ユニットと
を具備するウェアラブルディスプレイ。
（１３）  光源と、
上記光源から光が入射される入射部と、出射部と、上記入射された光を上記出射部へ向けて内部反射させて集光することが可能な曲面部とを有し、透光性材料で構成され上記光源と上記光変調素子との間に配置された光学部材と
を有する照明ユニットと、
上記照明ユニットから発せられた光を変調する光変調素子と、
上記光変調素子からの画像光の虚像を生成する虚像光学ユニットと
を具備する画像表示装置。
【符号の説明】
【０１０３】
１０…光学部材
１１…入射部
１２…曲面部
１３…出射部
１４…入射面
１５…光拡散部
１６…反射面
１７…反射膜
１８…出射面
１００…ウェアラブルディスプレイ
１１０…照明ユニット
１１１…光源
１２２…光変調素子
１３０…虚像光学ユニット
【図１】
2016033867.tif 000005
【図２】
2016033867.tif 000006
【図３】
2016033867.tif 000007
【図４】
2016033867.tif 000008
【図５】
2016033867.tif 000009
【図６】
2016033867.tif 000010
【図７】
2016033867.tif 000011
【図８】
2016033867.tif 000012
【図９】
2016033867.tif 000013
【図１０】
2016033867.tif 000014
【図１１】
2016033867.tif 000015