CN112444992A - 虚像显示装置以及导光装置 - Google Patents

Abstract

虚像显示装置以及导光装置，防止在体积全息元件中引起波长分散而导致分辨率降低。虚像显示装置(100)具有：显示元件(11)；光学元件(21)，其使从显示元件(11)射出的图像光(ML)通过；反射镜(22b)，其反射从光学元件(21)射出的图像光(ML)；透视型的透视全息镜(23)，其向瞳孔位置反射从反射镜(22b)射出的图像光(ML)；以及透射型的线性衍射元件(25)，其配置在从光学元件(21)到透视全息镜(23)的光路上，光学元件(21)、反射镜(22b)以及透视全息镜(23)配置为形成离轴***(112)，线性衍射元件(25)在离轴***(112)的离轴面(SO)中补偿由透视全息镜(23)产生的波长分散。

Description

虚像显示装置以及导光装置

技术领域

本发明涉及作为头戴显示器等的虚像显示装置以及组装于该虚像显示装置的导光装置，尤其涉及可透视观察的虚像显示装置等。

背景技术

作为能够像头戴显示器那样形成并观察虚像的虚像显示装置，提出了通过反射镜那样的光学元件将来自显示元件的图像光引导到观察者的瞳孔的类型的各种虚像显示装置。

专利文献1记载的虚像观察光学***具有图像显示装置、成像用光学元件和反射型衍射光学元件，从图像显示装置射出的光例如被成像用光学元件反射，被反射型衍射光学元件再次反射而入射到瞳孔。这里，成像用光学元件是偏心配置的非球面凹面镜，反射型衍射光学元件例如是反射型闪耀全息元件(blazed hologram)。

专利文献1：日本特开平11-326821号公报

但是，在专利文献1的光学***中，在被反射型衍射光学元件衍射的光包含规定波长的光以外的光的情况下，在反射型衍射光学元件中，发生了光按照各波长而以不同的角度衍射的波长分散，从而分辨率降低。

发明内容

本发明的一个方面的虚像显示装置具有：显示元件；光学元件，其使从显示元件射出的图像光通过；反射镜，其对从光学元件射出的图像光进行反射；透视型的全息镜，其向瞳孔位置反射从反射镜射出的图像光；以及透射型的线性衍射元件，其配置在从显示元件到全息镜的光路上，光学元件、反射镜以及全息镜配置为形成离轴***，线性衍射元件在离轴***的离轴面上补偿由全息镜产生的波长分散。

附图说明

图1是说明第1实施方式的虚像显示装置的安装状态的外观立体图。

图2是说明图1所示的虚像显示装置的侧视剖视图。

图3是说明虚像显示装置的内部结构的侧视剖视图。

图4是示出图1所示的装置的光学***的侧视剖视图和俯视图。

图5是说明线性衍射元件的放大侧视剖视图。

图6是概念性说明基于投射光学***的成像的立体图。

图7是说明形成在显示元件上的显示像的强制的畸变的图。

图8是示出组装在第2实施方式的虚像显示装置中的光学***的侧视剖视图。

标号说明

11：显示元件；12：投射光学***；21：光学元件；22：棱镜；22a：入射面；22b：内反射面；22c：出射面；23：透视全息镜；23a、23b：表面；23c：板状体；23h：全息层；25：线性衍射元件；25a：入射面；25b：衍射面；25p：衍射图案；31：内透镜；51：壳体；54：支承板；100：虚像显示装置；101A、101B：显示装置；102：光学单元；112：离轴***；AX：光轴；ER：视圈；EY：眼；IM：中间像；IP：中间光瞳；ML：图像光；ML1～ML4：图像光；OL：外界光；P1～P3：光路；PP：瞳孔位置；SO：离轴面；US：使用者。

具体实施方式

[第1实施方式]

以下，参照附图，对本发明中的第1实施方式的虚像显示装置以及组装于该虚像显示装置的导光装置进行说明。

如图1和图2所示，第1实施方式的虚像显示装置100是具有眼镜那样的外观的头戴显示器(HMD)，使佩戴该虚像显示装置100的观察者或使用者US识别作为虚像的影像。在图1以及图2中，X、Y以及Z是垂直坐标系，+X方向对应于佩戴虚像显示装置100的使用者US的双眼排列的横向，+Y方向相当于与使用者US的双眼排列的横向垂直的上方向，+Z方向相当于使用者US的前方向或正面方向。

虚像显示装置100具有针对右眼形成虚像的第1显示装置101A、针对左眼形成虚像的第2显示装置101B、以及对两个显示装置101A、101B进行支承的镜腿状的支承装置101C。第1显示装置101A由配置在上部的光学单元102和以眼镜镜片状覆盖整体的外观部件103构成。第2显示装置101B也同样，由配置在上部的光学单元102和以眼镜镜片状覆盖整体的外观部件103构成。支承装置101C通过配置在外观部件103的背后的未图示的部件，在外观部件103的上端侧支承两个显示装置101A、101B。左眼用的第2显示装置101B具有与右眼用的第1显示装置101A相同的结构。以下，对第1显示装置101A进行说明，对第2显示装置101B省略说明。

如图2和图3所示，右眼用的第1显示装置101A包含显示元件11和投射光学***12作为光学要素。从将来自显示元件11的图像光ML引导到瞳孔位置PP的观点来看，投射光学***12也称为导光装置。

显示元件11例如是以有机EL(有机电致发光：OrganicElectro-Luminescence)、无机EL、LED阵列、有机LED、激光器阵列、量子点发光型元件等为代表的自发光型的显示器件，在二维的显示面11a上形成单色或彩色的静态图像或动态图像。显示元件11被未图示的驱动控制电路驱动而进行显示动作。在使用有机EL的显示器或显示器件作为显示元件11的情况下，构成为具有有机EL控制部。在使用量子点发光型的显示器作为显示元件11进行彩色显示的情况下，例如使蓝色发光二极管(LED)的光通过量子点膜，由此，可以成为发出绿色或红色的颜色的结构。显示元件11不限于自发光型的显示元件，也可以由LCD以及其他的光调制元件构成，通过利用背光源那样的光源对该光调制元件进行照明而形成图像。作为显示元件11，也可以使用LCOS(Liquid crystal on silicon，LCoS为注册商标)或数字微镜器件等来代替LCD。

如图3所示，投射光学***(导光装置)12具有光学元件21、棱镜22、线性衍射元件25和透视全息镜23。光学元件21将从显示元件11射出的图像光ML会聚成接***行光束的状态。光学元件21在图示的例子中是单透镜，具有入射面21a和出射面21b。棱镜22具有入射面22a、内反射面22b和出射面22c，使从光学元件21射出的图像光ML入射到入射面22a并折射，在作为反射镜的内反射面22b进行全反射，从出射面22c折射并射出。线性衍射元件25配置在棱镜22和透视全息镜23之间的光路上，在使从棱镜22射出的图像光ML通过时，在纸面的纵向上对图像光ML赋予同样的波长分散。透视全息镜23是透视型的全息镜。透视全息镜23将从棱镜22射出的图像光ML向瞳孔位置PP反射。瞳孔位置PP是来自显示面11a上的各点的图像光以规定的发散状态或平行状态从与显示面11a上的各点的位置对应的角度方向重叠入射的位置。图示的投射光学***12的FOV(field of view)为44°。基于投射光学***12的虚像的显示区域为矩形，上述44°成为对角方向。

光学元件21以及棱镜22与显示元件11一起收纳在壳体51中。壳体51由遮光性的材料形成，内置有使显示元件11动作的未图示的驱动电路。壳体51的开口51a具有不妨碍从棱镜22朝向透视全息镜23的图像光ML的尺寸。壳体51的开口51a被与XZ面大致平行地延伸的平板状的线性衍射元件25覆盖。通过线性衍射元件25能够使壳体51内的收纳空间成为密闭状态，能够提高防尘、防结露等功能。另外，在将线性衍射元件25配置在棱镜22与透视全息镜23之间的情况下，容易确保配置线性衍射元件25的空间。经由支承板54将透视全息镜23支承在壳体51上。壳体51或支承板54由图1所示的支承装置101C支承，由支承板54和透视全息镜23构成外观部件103。

投射光学***12是离轴光学***，光学元件21、棱镜22、线性衍射元件25以及透视全息镜23配置为形成离轴***112。投射光学***12是离轴光学***意味着在构成投射光学***12的光学元件21、22、23中，在光线向至少1个反射面或者折射面入射的前后，光路整体弯折。在该投射光学***12即离轴***112中，进行光轴AX的弯折，使得光轴AX沿着对应于纸面的离轴面SO延伸。即，在该投射光学***12中，通过在离轴面SO内进行光轴AX的弯折，沿着离轴面SO排列光学元件21、22、23。离轴面SO成为使离轴***112多阶段地产生非对称性的面。光轴AX沿着从显示元件11的中心射出的主光线的光路延伸，通过相当于视点的视圈ER或者瞳孔的中心。即，配置有光轴AX的离轴面SO与YZ面平行，通过显示元件11的中心和相当于视点的视圈ER的中心。在以横截面观察时，光轴AX成为Z字状的配置。即，在离轴面SO中，成为从光学元件21到内反射面22b的光路P1、从内反射面22b到透视全息镜23的光路P2、从透视全息镜23到瞳孔位置PP的光路P3以Z字状按照两个阶段折返的配置。

投射光学***12中的从光学元件21到内反射面22b的光路P1成为接近与Z方向平行的状态。即，在光路P1中，光轴AX相对于Z方向或正面方向大致平行地延伸。结果，作为透镜的光学元件21在Z方向或正面方向上配置成夹在棱镜22和显示元件11之间。此时，从棱镜22到显示元件11的光路P1接近正面方向。期望光路P1中的光轴AX朝向Z方向以向下为负，收敛在平均-30°～+30°左右的范围内。通过将光路P1的光轴AX设为朝向Z方向且朝下-30°以上的状态，能够避免光学元件21或显示元件11与透视全息镜23干扰。另外，通过使光路P1的光轴AX成为朝向Z方向且朝上+30°以下的状态，能够防止光学元件21或显示元件11向上部突起而在外观上变得显眼。在从内反射面22b到透视全息镜23的光路P2中，期望光轴AX朝向Z方向以向下为负，收敛在平均-70°～-45°左右的范围内。通过使光路P2的光轴AX成为朝向Z方向且朝下-70°以上的状态，可以在透视全息镜23和瞳孔位置PP之间确保配置内透镜31的空间，容易避免透视全息镜23的整体倾斜过大。另外，通过使光路P2的光轴AX成为朝向Z方向且朝下-45°以下的状态，能够避免棱镜22成为相对于透视全息镜23向-Z方向或背面方向大幅突出的配置，能够避免投射光学***12的厚度增加。从透视全息镜23到瞳孔位置PP的光路P3成为接近与Z方向平行的状态，但在图示的例子中，光轴AX朝向Z方向，以向下为负，成为-10°左右。这是因为人的视线在从水平方向向下侧倾斜约10°的稍微向下看的状态下稳定。另外，关于相对于瞳孔位置PP处于水平方向的中心轴HX，假设佩戴虚像显示装置100的使用者US以直立姿势放松并朝向正面注视水平方向或水平线的情况。佩戴虚像显示装置100的各个使用者US的包含眼的配置、耳朵的配置等的头部的形状、姿势是各种各样的，但通过假设使用者US的平均的头部形状或头部姿势，能够对所关注的虚像显示装置100设定平均的中心轴HX。以上的结果为，在棱镜22的内反射面22b中，沿着光轴AX的光线的入射角以及反射角例如成为40°～70°左右。另外，在透视全息镜23中，沿着光轴AX的光线的入射角以及反射角例如为20°～50°左右。另外，在透视全息镜23中，在入射角和反射角之间存在15°左右的差，详细情况将在后面叙述。

关于主光线的光路P2和光路P3，透视全息镜23和线性衍射元件25之间的距离d1是透视全息镜23和瞳孔位置PP之间的距离d2以下。此时，能够抑制光学元件21、棱镜22向透视全息镜23的周围即上方突起的突起量。这里，在光轴AX上考虑距离d1、d2。当在透视全息镜23的内侧，在光路P2、P3上配置追加的光学要素的情况下，将该光学要素换算成光路长度或光学距离来决定距离d1、d2的值。

关于投射光学***12，在纵向或Y方向上，以瞳孔位置PP为基准，更详细地说是以其中心为基准，通过纵向的最上侧的光线的位置为30mm以下。通过使光线收敛在这样的范围内，可以避免光学元件21或显示元件11向上方向或+Y方向伸出配置，可抑制光学元件21或显示元件11向眼眉的上方伸出的量，确保设计性。即，包含显示元件11、光学元件21以及棱镜22的光学单元102变得小型。关于投射光学***12，在正面方向或Z方向上，以瞳孔位置PP为基准，从透视全息镜23到显示元件11的全部光线的位置为13mm以上。通过使光线收敛在这样的范围内，特别是能够将透视全息镜23相对于瞳孔位置PP在正面方向或+Z方向上充分分离地配置，容易确保在透视全息镜23的里侧配置内透镜31的空间。关于投射光学***12，在正面方向或Z方向上，以瞳孔位置PP为基准，从透视全息镜23到显示元件11的全部光线的位置为40mm以下。通过使光线收敛在这样的范围内，特别是可以将透视全息镜23配置成相对于瞳孔位置PP在正面方向或+Z方向上不过度分离，从而抑制透视全息镜23、显示元件11等向前方突出，容易确保设计性。关于线性衍射元件25，在纵向或Y方向上，以瞳孔位置PP为基准，更详细地说是以其中心为基准，配置在10mm以上的位置处。由此，容易确保例如上方20°这样的透视视野。

在离轴面SO中，以光轴AX为基准，在光学元件21和棱镜22的内反射面22b之间且比光学元件21和内反射面22b靠棱镜22的入射面22a侧的位置配置有中间光瞳IP。在光学元件21和内反射面22b之间配置中间光瞳IP的情况下，容易缩短焦距并增大倍率，可以使显示元件11接近内反射面22b等并且减小显示元件11。更具体地说，中间光瞳IP配置在棱镜22的入射面22a的位置或其附近。中间光瞳IP也可以与棱镜22的入射面22a交叉。中间光瞳IP意味着来自显示面11a上的各点的图像光最宽地相互重叠的部位，配置在视圈ER或瞳孔位置PP的共轭点。期望在中间光瞳IP的位置或其附近配置开口光圈。

中间像IM形成在线性衍射元件25和透视全息镜23之间。中间像IM形成为比透视全息镜23靠近线性衍射元件25。这样，通过在比透视全息镜23靠近线性衍射元件25的位置形成中间像IM，可以减轻基于透视全息镜23的放大的负担，抑制观察到的虚像的像差。然而，中间像IM不处于与线性衍射元件25交叉的状态。即，中间像IM形成在线性衍射元件25的外侧，其配置关系不限于离轴面SO上，在垂直于离轴面SO的横向或X方向上的任意点处成立。这样，通过形成为中间像IM不横穿线性衍射元件25，可以容易地避免线性衍射元件25的表面的异物或伤痕影响成像。中间像IM是在比视圈ER靠光路上游且相对于显示面11a共轭的位置形成的实像，具有与显示面11a上的显示像对应的图案，但不需要清晰地成像，也可以显现像面弯曲、畸变像差等各像差。对于在瞳孔位置PP处观察到的虚像，如果像差最终被良好地校正，则中间像IM的像差不会成为问题。

参照图4，对光学元件21、棱镜22以及透视全息镜23的形状进行详细说明。在图4中，区域AR1表示投射光学***12的侧视剖视图，区域AR2表示投射光学***12的俯视图。另外，在区域AR2中示出这样的情况：光学元件21的光学面21a、21b、棱镜22的光学面22a、22b、22c、线性衍射元件25的衍射面25b、以及透视全息镜23的表面23a、23b通过光轴AX投射到XZ面。

在该情况下，光学元件21由单透镜构成，在使图像光ML通过时，对光线的状态进行调整。作为构成光学元件21的光学面的入射面21a和出射面21b在与YZ面平行的离轴面SO内关于与光轴AX交叉的纵的第1方向D11、D12隔着光轴AX具有非对称性，并且关于与第1方向D11、D12垂直的横的第2方向D02或X方向，隔着光轴AX具有对称性。关于入射面21a的纵的第1方向D11和关于出射面21b的纵的第2方向D12形成规定的角度。光学元件21例如由树脂形成，但也可以是玻璃制。光学元件21的入射面21a和出射面21b例如是自由曲面。入射面21a和出射面21b不限于自由曲面，也可以是非球面。在光学元件21中，通过将入射面21a和出射面21b设为自由曲面或非球面，能够实现像差降低，尤其在采用了自由曲面的情况下，容易降低作为离轴光学***或非共轴光学***的投射光学***12的像差。另外，自由曲面是不具有旋转对称轴的面，作为自由曲面的面函数，可以使用各种多项式。另外，非球面是具有旋转对称轴的面，是抛物面或由多项式表示的球面以外的面。省略详细的说明，在入射面21a以及出射面21b上形成有防反射膜。

如上所述，在光学元件21中，入射面21a的第1方向D11与出射面21b的第2方向D12形成规定的角度，作为其结果，关于来自显示元件11的显示面11a的中心的主光线的光路，出射面21b相对于入射面21a倾斜地形成。即，在入射面21a以及出射面21b之间存在相对的角度或倾斜，能够具有在光学元件21中部分地补偿作为离轴***112的投射光学***12的偏心的作用，有助于各像差的改善。

棱镜22是具有使反射镜和透镜复合的功能的折射反射光学部件，使来自光学元件21的图像光ML折射并反射。更详细而言，在棱镜22中，图像光ML经过作为折射面的入射面22a入射到内部，通过作为反射面的内反射面22b向非正反射方向进行全反射，经过作为折射面的出射面22c向外部射出。入射面22a和出射面22c是由曲面构成的光学面，与仅为反射面的情况或将它们设为平面的情况相比，有助于提高分辨率。作为构成棱镜22的光学面的入射面22a、内反射面22b以及出射面22c在与YZ面平行的离轴面SO内关于与光轴AX交叉的纵的第1方向D21、D22、D23隔着光轴AX具有非对称性，关于与第1方向D21、D22、D23垂直的横的第2方向D02或X方向，隔着光轴AX具有对称性。棱镜22或内反射面(反射镜)22b的横向或X方向的横向宽度Ph大于纵向或Y方向的纵向宽度Pv。在棱镜22中，不仅是外形，对于其光学的有效区域，横向或X方向的横向宽度也比纵向或Y方向的纵向宽度大。由此，能够增大横向或Y方向的视场角，并且，如后所述，即使与眼EY的移动在横向上较大对应地，视线在横向上较大地变化，也能够看到图像。

棱镜22例如由树脂形成，但也可以是玻璃制。棱镜22的主体的折射率也参考图像光ML的反射角而设定为实现内表面的全反射的值。棱镜22的主体的折射率、阿贝数期望还考虑与光学元件21的关系来设定。棱镜22的光学面即入射面22a、内反射面22b和出射面22c例如是自由曲面。入射面22a、内反射面22b和出射面22c不限于自由曲面，也可以是非球面。在棱镜22中，通过使光学面22a、22b、22c为自由曲面或非球面，能够实现像差降低，尤其在采用了自由曲面的情况下，容易降低作为离轴光学***或非共轴光学***的投射光学***12的像差，能够提高分辨率。关于内反射面22b，不限于通过全反射对图像光ML进行反射，也可以是由金属膜或电介质多层膜构成的反射面。此时，在内反射面22b上，通过蒸镀等形成例如由Al、Ag这样的金属形成的单层膜或多层膜所构成的反射膜、或者粘贴由金属形成的片状的反射膜。省略详细的说明，在入射面22a以及出射面22c上形成有防反射膜。

棱镜22能够通过注射成型而一并形成入射面22a、内反射面22b和出射面22c，因此，部件数量变少，3面的相互位置也能够以较低的成本而高精度化为例如20μm以下的级别。

线性衍射元件25是平行平板状的光学部件，配置成与XZ面大致平行。线性衍射元件25是透射型的元件，通过将来自棱镜22的图像光ML以规定的色散进行衍射，对由透视全息镜23产生的波长分散进行补偿。更详细地说，线性衍射元件25具有入射面25a和衍射面25b，通过透射型的衍射面25b以规定的波长分散对图像光ML进行衍射。入射面25a是平面，不具有曲率。在入射面25a上形成有防反射膜。衍射面25b在宏观上为平面，但微观上具有衍射结构。线性衍射元件25例如由玻璃形成，但也可以是树脂制。

根据线性衍射元件25为平行平板状可知，构成线性衍射元件25的入射面25a和衍射面25b在与YZ面平行的离轴面SO内，在与光轴AX交叉的纵的第1方向D51上，在光学上具有均匀的特性，在与第1方向D51垂直的横的第2方向D02或X方向上，隔着光轴AX具有对称性。

如图5所放大示出的那样，线性衍射元件25是闪耀衍射光栅，具有在与离轴***112的离轴面SO垂直的X方向上延伸的衍射图案25p，利用衍射图案25p补偿沿着离轴面SO的方向的波长分散。线性衍射元件25的衍射面25b具有三角形或锯齿状的横截面作为衍射图案25p，整体具有阶梯结构。线性衍射元件25是在离轴面SO内或YZ面内进行均等的衍射的元件，具体而言，图示的衍射图案25p在X方向上延伸并且在Z方向或第1方向D51上均等地重复，即使使线性衍射元件25在与入射面25a平行的方向即第1方向D51或第2方向D02上移动，衍射特性也不变化。因此，对于线性衍射元件25，所要求的配置精度可以较低。这里，通过将线性衍射元件25设为闪耀衍射光栅，能够抑制由线性衍射元件25引起的光的衰减，有助于提高虚像的亮度。在图示的例子中，图像光ML为单色光，对入射到衍射面25b的图像光ML取出1级衍射光DE1。通过使用1级衍射光而非2级以上的衍射光作为图像光ML，可以提高从线性衍射元件25取出的光的利用效率。构成衍射面25b的光栅形状面25g与从线性衍射元件25射出的图像光ML大致垂直。在这种情况下，进一步提高了从衍射面25b或线性衍射元件25取出的光的利用效率。1级衍射光DE1相对于0级光DE0的角度δ由图像光ML的波长、光栅间隔、基材的折射率等决定，考虑波长分散的补偿程度来设定，在具体例中设为15°～30°左右。当1级衍射光DE1的角度δ为10°以下时，与0级光DE0重叠而观察为重影的可能性提高。关于基于闪耀衍射光栅的波长分散的补偿，在图像光ML为单色光、例如包含基本波长±5nm的波长范围内的光的情况下，抵消由这样的波长差引起的射出方向的偏移，防止在从透视全息镜23射出的图像光ML的射出方向上产生依赖于波长的偏移。在具体例中，光栅形状面25g的周期间隔为1μm～4μm左右。

返回到图4等，透视全息镜23是弯曲成球壳状的板状的光学部件，将从棱镜22射出并经过线性衍射元件25入射的图像光ML反射。透视全息镜23覆盖配置有眼EY或者瞳孔的瞳孔位置PP并且朝向瞳孔位置PP具有凹形状。透视全息镜23具有一对表面23a、23b，在里侧即瞳孔位置PP侧的表面23a上形成防反射膜，在前侧即+Z侧的表面23b上形成全息层23h。全息层23h是具有透过性的反射型体积全息元件，是形成有立体的干涉图案的薄膜。全息层23h在反射图像光ML时，关于平行于YZ平面的离轴面SO，将图像光ML以与期望的光焦度对应的方式非线性地衍射，并将其作为平行或期望的发散度的光束而引导到瞳孔位置PP。另外，对于透视全息镜23的表面23a，几乎无助于成像，具有与表面23b相同的形状。

作为透视全息镜23的基材的板状体23c例如由树脂形成，但也可以是玻璃制。板状体23c由与从周围对其进行支承的支承板54相同的材料形成，具有与支承板54相同或近似的厚度。全息层23h可以直接形成在板状体23c上。例如，在透视全息镜23的表面23b上粘贴或涂敷全息感光材料。此后，使物体光从瞳孔位置PP侧入射到全息感光材料层并且使参照光从线性衍射光栅25侧照射到上述全息感光材料，从而进行在全息感光材料层中形成折射率图案的曝光，完成全息层23h。

透视全息镜23的表面23b在与YZ面平行的离轴面SO内，在与光轴AX交叉的纵的第1方向D31上，隔着光轴AX具有非对称性，在与第1方向D31垂直的横的第2方向D02或X方向上，隔着光轴AX具有对称性。透视全息镜23的表面23b例如是自由曲面。表面23b不限于自由曲面，也可以是非球面。透视全息镜23的表面23b采用在第2方向D02或X方向上具有有助于图像光ML的成像的光焦度的设计。即，全息层23h在沿着第1方向D31或离轴面SO的方向上具有有助于成像的衍射作用，在与第2方向D02或离轴面SO垂直的X方向上几乎无助于成像。根据这样的情况，通过将透视全息镜23设为自由曲面或非球面，能够主要在与离轴面SO垂直的X方向上实现像差减少，特别是在使用自由曲面的情况下，容易减少作为离轴光学***或非共轴光学***的投射光学***12的像差。无论表面23b是自由曲面和非球面中的哪一个，透视全息镜23都具有曲面式的原点O比透视全息镜23的有效区域EA向光学元件21侧或显示元件11侧偏移的形状。在该情况下，不会对光学***特别是表面23b的设计施加过度的负担，能够设定实现Z字状光路的***的倾斜面。上述表面23b的曲面式在离轴面SO上成为例如由双点划线的曲线CF表示的曲面式。因此，赋予对称性的原点O配置在***23的上端与显示元件11的下端之间。

在透视全息镜23中，在从棱镜22射出并经过线性衍射元件25入射到全息层23h的图像光ML被衍射而朝向-Z方向的情况下，向下或者朝向-Y方向射出，而不是被正反射。在考虑从瞳孔位置PP的中央逆行的光线的情况下，基于全息层23h的正反射方向即0级光DD0比图像光ML向下，不入射到线性衍射元件25或棱镜22。即，透视全息镜23的全息层23h在离轴***112的离轴面SO中朝向这样的方向：与相对于全息层23h的入射侧的光轴AX相比，更接近相对于全息层23h的出射侧的光轴AX。在该情况下，能够使透视全息镜23的姿势接近瞳孔位置PP的平行于视圈ER的纵向或Y方向，能够抑制透视全息镜23的前后方向即+Z方向的厚度增加。如果0级光DD0相对于图像光ML的角度

为10°～15°左右，则虽然也取决于透视全息镜23以及线性衍射元件25之间的距离d1，但可以防止来自透视全息镜23的0级光入射到瞳孔位置PP。

透视全息镜23是在反射时使一部分光透过的透射型反射元件，透视全息镜23的全息层23h具有半透过性。由此，外界光OL通过透视全息镜23，因此，能够进行外界的透视观察，能够使虚像与外界像重叠。此时，如果板状体23c薄至几mm程度以下，则能够将外界像的倍率变化抑制得较小。从确保图像光ML的亮度和容易通过透视来观察外界像的观点来看，全息层23h对外界光OL的透过率在10％以上且50％以下。

以上，以透视全息镜23的波长分散比棱镜22或光学元件21大为前提，通过线性衍射元件25补偿透视全息镜23的波长分散，但在棱镜22或光学元件21的波长分散比透视全息镜23大到不能无视的程度的情况下，也可以通过线性衍射元件25补偿将棱镜22或光学元件21的波长分散的影响与透视全息镜23的波长分散相加后的结果。

以上，在通过线性衍射元件25补偿透视全息镜23的波长分散时，对图像光ML为单色光的情况进行了说明，但在图像光ML为彩色光的情况下，透视全息镜23的全息层23h例如需要与RGB的3色对应，例如可以是将适合于RGB的各色而制作的3个全息要素层层叠而成的层叠体。此外，对于线性衍射元件25，也可以是适合于全息层23h的RGB的颜色分散特性地将作为体积全息的全息要素层层叠多个而成的层叠体。在该情况下，线性衍射元件25也是在离轴面SO内或YZ面内进行均等的衍射的元件，即使使线性衍射元件25在与入射面25a平行的方向上移动，衍射特性也不变化。

对光路进行说明，来自显示元件11的图像光ML入射到光学元件21，并且以大致准直的状态射出。通过了光学元件21的图像光ML入射到棱镜22而在入射面21a被折射，被内反射面22b以接近100％的高反射率反射，再次从出射面22c折射并射出。来自棱镜22的图像光ML经由线性衍射元件25入射到透视全息镜23，在全息层23h被衍射，朝向瞳孔位置PP以大致准直的状态折返。被透视全息镜23折返的图像光ML入射到配置有使用者US的眼EY或瞳孔的瞳孔位置PP。在棱镜22和透视全息镜23之间，在靠近棱镜22的出射面22c的位置形成有中间像IM。中间像IM是将形成在显示元件11的显示面11a上的图像适当放大后的像。通过了透视全息镜23或其周围的支承板54的外界光OL也入射到瞳孔位置PP。即，佩戴虚像显示装置100的使用者US能够与外界像重叠地观察基于图像光ML的虚像。

比较图4的区域AR1、AR2可知，投射光学***12的FOV的横的视野角α2比纵的视野角α1大。这对应于在显示元件11的显示面11a上形成的显示像在水平方向上较长的情况。横与纵的纵横比被设定为例如4：3、16：9这样的值。

图6是概念性地说明基于投射光学***12的成像的立体图。在图中，图像光ML1表示来自视野中的右上方向的光线，图像光ML2表示来自视野中的右下方向的光线，图像光ML3表示来自视野中的左上方向的光线，图像光ML4表示来自视野中的左下方向的光线。在这种情况下，在瞳孔位置PP处设定的视圈ER具有如下视圈形状或瞳尺寸：垂直于离轴面SO的横向或X方向上的横瞳尺寸Wh在离轴面SO内大于垂直于光轴AX的纵向或Y方向上的纵瞳尺寸Wv。即，垂直于离轴面SO的横向或X方向的瞳孔位置处的瞳尺寸比垂直于横向的纵向或Y方向的瞳孔位置处的瞳尺寸大。在使横的视场角或视野比纵的视场角或视野大的情况下，如果与视场角对应地使视线变化，则眼的位置在横向上大幅移动，因此，期望使瞳尺寸在横向上增大。即，通过使视圈ER的横瞳尺寸Wh比纵瞳尺寸Wv大，在使视线在横向上大幅变化的情况下，能够防止或抑制图像被剪切。在图4所示的投射光学***12的情况下，FOV在横向上较大，在纵向上较小。其结果，使用者US的眼EY或瞳孔也是在横向上以较大的角度范围旋转，在纵向上以较小的角度范围旋转。因此，与眼EY的动作对应地，使视圈ER的横瞳尺寸Wh比视圈ER的纵瞳尺寸Wv大。从以上的说明可知，例如在将投射光学***12的FOV设定为纵向比横向大的情况下，期望使视圈ER的横瞳尺寸Wh比视圈ER的纵瞳尺寸Wv小。以上，在从透视全息镜23到瞳孔位置PP的光轴AX向下的情况下，严格意义上的视圈ER的倾斜、视圈ER的尺寸需要将以光轴AX为Z0方向的向下倾斜的坐标系X0、Y0、Z0作为基准来考虑。在这种情况下，严格地说，纵的Y0方向不是铅直方向或Y方向。但是，在这样的倾斜不大的情况下，即使在坐标系X、Y、Z中进行考虑，视圈ER的倾斜、视圈ER的尺寸也不会近似地产生问题。

虽然省略了图示，但当与视圈ER的横瞳尺寸Wh以及纵瞳尺寸Wv的大小关系对应地使投射光学***12的FOV在横向上比在纵向上大时，期望中间光瞳IP的X方向的横瞳尺寸也比Y方向的纵瞳尺寸小。

如图7所示，表示基于投射光学***12的成像状态的本来的投影像IG0具有比较大的畸变。由于投射光学***12是离轴***112，因此不容易消除梯形畸变那样的畸变。因此，即使在投射光学***12中残存畸变，在将原来的显示像设为DA0的情况下，使形成于显示面11a的显示像成为具有预先带有畸变的梯形畸变的修正图像DA1。即，通过使显示于显示元件11的图像具有抵消由光学元件21、棱镜22以及透视全息镜23形成的畸变的相反畸变，能够使经过投射光学***12在瞳孔位置PP观察的虚像的投影像IG1的像素排列成为使原来的显示像对应于DA0的光栅图案，能够使轮廓成为矩形。结果为，能够容许在透视全息镜23等中产生的畸变像差，并且作为包含显示元件11的整体来说，能够抑制像差。在显示面11a的外形是矩形的情况下，通过形成强制的畸变来形成空白，但是也可以在这样的空白中显示附加信息。在显示面11a上形成的修正图像DA1不限于通过图像处理形成强制的畸变的图像，例如也可以使在显示面11a上形成的显示像素的排列与强制的畸变对应。在这种情况下，不需要校正畸变的图像处理。进而，也可以使显示面11a具有校正像差的弯曲。

在以上说明的第1实施方式的虚像显示装置100中，将光学元件21、内反射面(反射镜)22b以及透视全息镜23配置为形成离轴***112，通过内反射面(反射镜)22b、透视全息镜23抑制像差的产生，并且能够实现光学***的小型化，进而实现装置整体的小型化。并且，通过线性衍射元件25对在离轴***112的离轴面SO中由透视全息镜23产生的波长分散进行补偿，因此，能够提高由虚像显示装置100显示的虚像的分辨率。

[第2实施方式]

以下，对本发明的第2实施方式的虚像显示装置等进行说明。另外，第2实施方式的虚像显示装置是部分地改变了第1实施方式的虚像显示装置而得的，关于相同的部分，省略说明。

图8是说明第2实施方式的虚像显示装置的光学***的侧视剖视图。图示的投射光学***(导光装置)12具有光学元件21、反射镜122、线性衍射元件25和透视全息镜23。

反射镜122具有反射面122b，与图3等所示的棱镜22的内反射面(反射镜)22b同样地，使来自光学元件21的图像光ML经由线性衍射元件25入射到透视全息镜23。反射面122b例如是自由曲面。反射面122b不限于自由曲面，也可以为非球面。反射镜122通过如下过程形成：在基材22f的表面上通过蒸镀等形成由例如Al、Ag这样的金属形成的单层膜或多层膜所构成的反射膜、或者粘贴由金属形成的片状反射膜。

[变形例以及其他]

以上，就实施方式对本发明进行了说明，但是本发明并不限于上述的实施方式，可以在不脱离其主旨的范围内在各种方式中实施，例如也可以是如下的变形。

线性衍射元件25不限于闪耀衍射光栅，例如也可以是具有正弦波状的截面形状的衍射光栅。

在线性衍射元件25中，衍射面25b不需要配置在出射侧，也可以配置在入射侧。线性衍射元件25不限于配置在棱镜22和透视全息镜23之间，也可以配置在从显示元件11到透视全息镜23的光路上，例如配置在棱镜22和光学元件21之间或光学元件21和显示元件11之间中的任意一个。进而，在光学元件21具有平面的情况下、或在对光学元件21配置追加的光学元件时追加的光学元件具有平面的情况下，能够在这些平面形成衍射面25b。在棱镜22具有平面的情况下，也可以在该平面上形成衍射面25b。

光学元件21不限于透镜，可以置换为棱镜，也可以在透镜上组合棱镜。

在上述实施方式的虚像显示装置100中，作为显示元件11而使用有机EL元件等自发光型显示器件或LCD以及其他的光调制元件，但也可以取而代之，而构成为使用组合了激光光源和作为多面镜等的扫描仪而得的激光扫描仪。即，本发明可以应用于激光视网膜投影型的头戴显示器。

透视全息镜23的全息层23h不限于形成在表面23b侧，也可以形成在表面23a侧。

可以在透视全息镜23的外界侧安装通过限制透视全息镜23的透过光而进行调光的调光器件。调光器件例如电动地调整透过率。作为调光器件，可以使用反射镜液晶、电子遮罩等。调光器件也可以根据外光照度调整透过率。在通过调光器件遮断外界光OL的情况下，能够仅观察未受到外界像作用的虚像。另外，本申请发明的虚像显示装置能够应用于遮断外光而仅观察图像光的所谓闭合型头部搭载型显示装置(HMD)。这种情况下，也可以应对由虚像显示装置和拍摄装置构成的所谓视频透视的产品。

以上，以虚像显示装置100安装在头部使用为前提，但上述虚像显示装置100也可以作为不安装在头部而像双筒望远镜那样进行观察的手持显示器使用。即，在本发明中，头戴显示器也包含手持显示器。

以上，离轴面SO为纵向或Y方向，但也可以是使离轴面SO为横向或X方向的横置或横向展开。

具体方式中的虚像显示装置具有：显示元件；光学元件，其使从显示元件射出的图像光通过；反射镜，其对从光学元件射出的图像光进行反射；透视型的全息镜，其向瞳孔位置反射从反射镜射出的图像光；以及透射型的线性衍射元件，其配置在从显示元件到全息镜的光路上，光学元件、反射镜以及全息镜配置为形成离轴***，线性衍射元件在离轴***的离轴面上补偿由全息镜产生的波长分散。

在上述虚像显示装置中，将光学元件、反射镜以及全息镜配置为形成离轴***，通过反射镜、全息镜抑制像差的产生并且能够实现光学***的小型化，进而实现装置整体的小型化。此外，通过线性衍射元件在离轴***的离轴面中补偿由全息镜产生的波长分散，因此，能够提高由虚像显示装置显示的虚像的分辨率。

在具体的方面中，在离轴面上，从光学元件到反射镜的光路、从反射镜到全息镜的光路、以及从全息镜到瞳孔位置的光路配置为以Z字状按照两个阶段折返。在这种情况下，通过折叠的光路，可以节省空间地收纳显示元件、光学元件。

在其他方面，线性衍射元件具有在与离轴***的离轴面垂直的方向上延伸的衍射图案。在该情况下，能够通过衍射图案补偿沿着离轴面的方向的波长分散。

在另一方面，线性衍射元件是闪耀衍射光栅。在这种情况下，可以抑制基于线性衍射元件的光的衰减，有助于提高虚像的亮度。

在另一方面，虚像显示装置使基于线性衍射元件的1级衍射光入射到全息镜。在这种情况下，可以提高从线性衍射元件取出的光的利用效率。

在另一方面，线性衍射元件配置在反射镜和全息镜之间。在该情况下，容易确保配置线性衍射元件的空间。

在另一方面中，在来自显示面的中心的主光线的光路上，全息镜与瞳孔位置之间的距离为全息镜与线性衍射元件之间的距离以下。在该情况下，能够抑制反射镜、光学元件向***的周围(上下方向、左右方向)突起的突起量。

在另一方面中，在线性衍射元件与全息镜之间形成有中间像。在这种情况下，能够减小反射镜，能够抑制因线性衍射元件的表面的污垢等引起中间像劣化。

在另一方面中，中间像形成得比全息镜接近线性衍射元件。在该情况下，能够降低基于***的放大的负担而抑制所观察的虚像的像差。

在另一方面中，全息镜的全息层在离轴***的离轴面中朝向这样的方向：与相对于全息层的入射侧的光轴相比，更接近相对于全息层的出射侧的光轴。在这种情况下，能够使全息镜的姿势接近与离轴面平行且与瞳孔位置的瞳孔面平行的纵向，能够抑制全息镜的厚度增加。

在另一方面中，全息镜具有曲面式的原点比全息镜的有效区域向光学元件侧偏移的形状。在该光学***中，在与离轴***的离轴面垂直的方向上，进行有效利用了全息镜曲率的成像。如上所述，通过使曲面式的原点向光学元件侧偏移，能够不对光学***的设计施加过度的负担地设定实现Z字状光路的全息镜的倾斜面。

在另一方面中，显示在显示元件上的图像具有将由光学元件、反射镜以及全息镜形成的畸变抵消的畸变。在这种情况下，能够容许由全息镜等产生的畸变像差，并且作为包含显示元件的整体抑制像差。

在另一方面中，在离轴***的离轴面上，在光学元件与反射镜之间配置有中间光瞳。在该情况下，容易缩短焦距而增大倍率，能够使显示元件接近反射镜等并减小显示元件。

在另一方面，光学元件、反射镜以及全息镜具有关于与离轴***的离轴面垂直的方向呈光学对称的形状。在这种情况下，在与离轴面垂直的交叉方向上，接近通常的光学设计。

在另一方面中，与离轴面垂直的方向对应于眼排列的横向，反射镜的横向的横向宽度比与横向垂直的纵向的纵向宽度大。在该情况下，能够增大横向的视场角，并且，即使对应于眼的移动在横向上较大，而视线在横向上大幅变化，也能够看到图像。

在另一方面中，光学元件在正面方向上配置成夹在反射镜和显示元件之间，该正面方向垂直于与离轴面垂直的横向以及与横向垂直的纵向。在该情况下，从反射镜到显示元件的光路接近正面方向，能够使从光学元件经过反射镜以及全息镜而到达瞳孔位置的光路成为从横向观察时以Z字状按照两个阶段折返的配置。

本发明的一个方面的导光装置具有：光学元件，其使从显示元件射出的图像光通过；反射镜，其对从光学元件射出的图像光进行反射；透视型的全息镜，其向瞳孔位置反射从反射镜射出的图像光；以及透射型的线性衍射元件，其配置在从显示元件到全息镜的光路上，光学元件、反射镜以及全息镜配置为形成离轴***，线性衍射元件在离轴***的离轴面上补偿由全息镜产生的波长分散。

在上述导光装置中，将光学元件、反射镜以及全息镜配置为形成离轴***，通过反射镜、全息镜抑制像差的发生，并且能够实现光学***的小型化，进而实现装置整体的小型化。此外，通过线性衍射元件在离轴***的离轴面中补偿由全息镜产生的波长分散，因此，能够提高由虚像显示装置显示的虚像的分辨率。

Claims (17)

1.一种虚像显示装置，其具有：

显示元件；

光学元件，其使从所述显示元件射出的图像光通过；

反射镜，其对从所述光学元件射出的所述图像光进行反射；

透视型的全息镜，其向瞳孔位置反射从所述反射镜射出的所述图像光；以及

透射型的线性衍射元件，其配置在从所述显示元件到所述全息镜的光路上，

所述光学元件、所述反射镜以及所述全息镜配置为形成离轴***，

所述线性衍射元件在所述离轴***的离轴面上补偿由所述全息镜产生的波长分散。

2.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

在所述离轴面上，从所述光学元件到所述反射镜的光路、从所述反射镜到所述全息镜的光路、以及从所述全息镜到所述瞳孔位置的光路配置为以Z字状按照两个阶段折返。

3.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，

所述线性衍射元件具有在与所述离轴***的离轴面垂直的方向上延伸的衍射图案。

4.根据权利要求3所述的虚像显示装置，其中，

所述线性衍射元件是闪耀衍射光栅。

5.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述虚像显示装置使基于所述线性衍射元件的1级衍射光入射到所述全息镜。

6.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述线性衍射元件配置在所述反射镜和所述全息镜之间。

7.根据权利要求6所述的虚像显示装置，其中，

在来自显示面的中心的主光线的光路上，所述全息镜与所述瞳孔位置之间的距离为所述全息镜与所述线性衍射元件之间的距离以下。

8.根据权利要求7所述的虚像显示装置，其中，

在所述线性衍射元件与所述全息镜之间形成有中间像。

9.根据权利要求8所述的虚像显示装置，其中，

所述中间像形成得比所述全息镜接近所述线性衍射元件。

10.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述全息镜的全息层在所述离轴***的离轴面中朝向这样的方向：与相对于所述全息层的入射侧的光轴相比，更接近相对于所述全息层的出射侧的光轴。

11.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述全息镜具有曲面式的原点比所述全息镜的有效区域向所述光学元件侧偏移的形状。

12.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

显示在所述显示元件上的图像具有将由所述光学元件、所述反射镜以及所述全息镜形成的畸变抵消的畸变。

13.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

在所述离轴***的离轴面上，在所述光学元件与所述反射镜之间配置有中间光瞳。

14.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述光学元件、所述反射镜以及所述全息镜具有关于与所述离轴***的离轴面垂直的方向呈光学对称的形状。

15.根据权利要求14所述的虚像显示装置，其中，

与所述离轴面垂直的方向对应于眼排列的横向，所述反射镜的所述横向的横向宽度比与所述横向垂直的纵向的纵向宽度大。

16.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述光学元件在正面方向上配置成夹在所述反射镜和所述显示元件之间，该正面方向垂直于与所述离轴面垂直的横向以及与所述横向垂直的纵向。

17.一种导光装置，其具有：

光学元件，其使从显示元件射出的图像光通过；

反射镜，其对从所述光学元件射出的所述图像光进行反射；

透视型的全息镜，其向瞳孔位置反射从所述反射镜射出的所述图像光；以及

透射型的线性衍射元件，其配置在从所述显示元件到所述全息镜的光路上，

所述光学元件、所述反射镜以及所述全息镜配置为形成离轴***，

所述线性衍射元件在所述离轴***的离轴面上补偿由所述全息镜产生的波长分散。

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