JP2022086170A - 表示装置及び光学ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】ディストーションを低減して解像度を向上させること。【解決手段】表示装置１００は、映像素子１１からの画像光ＭＬを通過させる投射レンズ２１と、投射レンズ２１から射出された画像光ＭＬを、光入射面２２ａから入射させ、内反射面２２ｂで反射させ、光射出面２２ｃから射出させるプリズムミラー２２と、プリズムミラー２２から射出された画像光ＭＬを瞳位置に向けて反射するシースルーミラー２３とを備え、プリズムミラー２２とシースルーミラー２３とは、基準面に沿って光路を折り曲げて軸外し光学系を形成するように配置され、内反射面２２ｂとシースルーミラー２３との間に中間像ＩＭが形成され、基準面に関して、内反射面２２ｂとシースルーミラー２３との間において、前側に相対的に屈折力が高い前側領域Ｒ１を有し後側に相対的に屈折力が低い領域Ｒ２を有する屈折面として光射出面２２ｃを含む。【選択図】図２

Description

本発明は、虚像の観察を可能にするシースルー型の表示装置及び光学ユニットに関し、特に画像光をシースルーミラーに入射させシースルーミラーからの反射光を観察するタイプの表示装置及び光学ユニットに関する。

シースルー型の表示装置として、斜入射型の２枚のミラーによってジグザクの光路を形成し、表示素子からの画像光をジグザクの光路を介して使用者の眼に入射させるものが存在する（特許文献１参照）。

特開平０９－４３５３６号公報

上記特許文献１のようなシースルー型の表示装置では、外界を視認する領域を広く確保する必要があるため、光学部品の配置が制限され、ディストーションが大きくなる傾向があり、結像性能が劣化しやすい。

本発明の一側面における表示装置は、映像素子と、映像素子からの画像光を通過させる投射レンズと、投射レンズから射出された画像光を、光入射面から入射させ、内反射面で反射させ、光射出面から射出させるプリズムミラーと、プリズムミラーから射出された画像光を瞳位置に向けて反射するシースルーミラーとを備え、プリズムミラーとシースルーミラーとは、基準面に沿って光路を折り曲げて軸外し光学系を形成するように配置され、内反射面とシースルーミラーとの間に中間像が形成され、基準面に関して、内反射面とシースルーミラーとの間において、前側に相対的に屈折力が高い領域を有し後側に相対的に屈折力が低い領域を有する屈折面を含む。

第１実施形態の表示装置の装着状態を説明する外観斜視図である。 表示装置の内部構造を説明する側方断面図である。 表示装置の側方断面図と平面構造図とを示す。 プリズムミラーの光射出面等を説明する部分拡大断面図である。 表示像の歪曲補正を説明する図である。 比較例の光学系を説明する側方断面図である。 図６の光学系における表示像の歪曲補正を説明する図である。 変形例のプリズムミラーを説明する部分拡大断面図である。 第２実施形態の表示装置を説明する側方断面図である。 図９の光学系における表示像の歪曲補正を説明する図である。 図９に示す表示装置の変形例を示す。 図９に示す表示装置の別の変形例を示す。 図９に示す表示装置のさらに別の変形例を示す。

〔第１実施形態〕
以下、図１～３等を参照して、本発明に係る第１実施形態の表示装置及びこれに組み込まれる光学ユニットについて説明する。

図１は、ヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも称する。）２００の装着状態を説明する図であり、ＨＭＤ２００は、これを装着する観察者又は装着者ＵＳに虚像としての映像を認識させる。図１等において、Ｘ、Ｙ、及びＺは、直交座標系であり、＋Ｘ方向は、ＨＭＤ２００又は表示装置１００を装着した観察者又は装着者ＵＳの両眼ＥＹの並ぶ横方向に対応し、＋Ｙ方向は、装着者ＵＳにとっての両眼ＥＹの並ぶ横方向に直交する上方向に相当し、＋Ｚ方向は、装着者ＵＳにとっての前方向又は正面方向に相当する。±Ｙ方向は、鉛直軸又は鉛直方向に平行になっている。

ＨＭＤ２００は、右眼用の第１表示装置１００Ａと、左眼用の第２表示装置１００Ｂと、表示装置１００Ａ，１００Ｂを支持するテンプル状の一対の支持装置１００Ｃとを備える。第１表示装置１００Ａは、上部に配置される表示駆動部１０２と、メガネレンズ状で眼前を覆う外観部材１０３とで構成される。第２表示装置１００Ｂも同様に、上部に配置される表示駆動部１０２と、メガネレンズ状で眼前を覆う外観部材１０３とで構成される。支持装置１００Ｃは、表示駆動部１０２を介して外観部材１０３の上端側を支持している。第１表示装置１００Ａと第２表示装置１００Ｂとは、光学的に左右を反転させたものであり、以後では、右眼用の第１表示装置１００Ａを代表の表示装置１００として説明する。

図２は、表示装置１００の光学的構造を説明する側方断面図である。図示のように、表示装置１００は、映像素子１１と結像光学系１２と表示制御回路１３とを備える。ただし、本明細書において、表示制御回路１３を除いたものも、光学的機能を達成する観点で表示装置１００と呼ぶ。映像素子１１及び表示制御回路１３は、図１に示す表示駆動部１０２の外枠であるケース５１内に支持され、結像光学系１２の一部も、表示駆動部１０２のケース５１内に支持されている。

映像素子１１は、自発光型の表示デバイスである。映像素子１１は、例えば有機ＥＬ（有機エレクトロルミネッセンス、Organic Electro-Luminescence）ディスプレイであり、２次元の表示面１１ａにカラーの静止画又は動画を形成する。映像素子１１は、ＸＹ面に対してＸ軸のまわりに若干回転して傾いたｘｙ面に沿って配置されている。映像素子１１は、表示制御回路１３に駆動されて表示動作を行う。映像素子１１は、有機ＥＬディスプレイに限らず、マイクロＬＥＤディスプレイ、又は無機ＥＬ、有機ＬＥＤ、レーザーアレイ、量子ドット発光型素子等を用いた表示デバイスに置き換えることができる。映像素子１１は、自発光型の画像光生成装置に限らず、ＬＣＤその他の光変調素子で構成され、当該光変調素子をバックライトのような光源によって照明することによって画像を形成するものであってもよい。映像素子１１として、ＬＣＤに代えて、ＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon, ＬＣｏＳは登録商標）や、デジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。

結像光学系１２は、光学ユニット１０として、投射レンズ２１と、プリズムミラー２２と、シースルーミラー２３とを備える。本実施形態において、映像素子１１からプリズムミラー２２にかけての光路は、シースルーミラー２３の上端２３ｅよりも上側に配置されている。より詳細には、映像素子１１、投射レンズ２１、及びプリズムミラー２２は、シースルーミラー２３の上端２３ｅよりも上側に配置されている。ただし、投射レンズ２１、プリズムミラー２２等は、眼ＥＹに入射する画像光ＭＬの光路を遮らない範囲でシースルーミラー２３の上端２３ｅよりも部分的に下がった位置に配置されてもよい。つまり、投射レンズ２１、プリズムミラー２２等は、眼ＥＹに入射する画像光ＭＬの光路を遮らない範囲でシースルーミラー２３の上端２３ｅよりも部分的に下がった位置に配置することができる。

投射レンズ２１は、映像素子１１から射出された画像光ＭＬを通過させ、プリズムミラー２２に入射させる。投射レンズ２１は、映像素子１１から射出された画像光ＭＬを平行光束に近い状態に集光する。投射レンズ２１は、単レンズであり、入射面２１ａと、射出面２１ｂとを有する。プリズムミラー２２は、光入射面２２ａと、内反射面２２ｂと、光射出面２２ｃとを有し、投射レンズ２１から射出された画像光ＭＬを光入射面２２ａに入射させ、内反射面２２ｂで全反射させ、光射出面２２ｃから射出させる。この際、プリズムミラー２２は、前方から入射する画像光ＭＬを、入射方向を反転させた方向（プリズムミラー２２から見た光源の方向）に対して傾斜した方向に折り返すように射出する。本実施形態のように縦方向に偏心させた光学系の場合、光路に関する前方は、＋Ｚ方向に対して上下に４５°程度の範囲内にあるものを含み、当該前方（すなわち入射方向を反転させた方向）に対して傾斜した方向は、＋Ｚ方向及び－Ｙ方向に対して４５°を成す中間方向に対して上下に４５°程度の範囲内にあるものを含む。シースルーミラー２３は、プリズムミラー２２から射出された画像光ＭＬを瞳位置ＰＰに向けて反射する。瞳位置ＰＰは、表示面１１ａ上の各点からの画像光ＭＬが所定の発散状態又は平行状態で表示面１１ａ上の各点の位置に対応する角度方向から重畳するように入射する位置となっている。

投射レンズ２１とプリズムミラー２２とは、映像素子１１とともにケース５１に収納されている。ケース５１は、遮光性の材料で形成され、映像素子１１を動作させる表示制御回路１３を支持している。ケース５１は、金属材料や樹脂材料で形成される。樹脂材料の場合、内面側に黒色の遮光材を塗布することもできる。ケース５１は、遮光性の材料で形成された保持部材又は鏡筒（不図示）を介して映像素子１１、投射レンズ２１、及びプリズムミラー２２を支持する。ケース５１は、開口５１ａを有し、表示駆動部１０２が外部に向けて画像光ＭＬを射出させることを可能にする。表示駆動部１０２外に射出された画像光ＭＬは、シースルーミラー２３の内側に入射する。

図示の例では、ケース５１中に表示制御回路１３が配置されているが、ケース５１外に表示制御回路１３を配置することもできる。映像素子１１についても、ケース５１中に配置する必要はなく、ケース５１に映像素子１１用の開口を設け、この開口を介して表示面１１ａがケース５１の内部に臨むように、映像素子１１をケース５１の外部に固定してもよい。

ケース５１は、支持板６１を介してシースルーミラー２３を支持している。この場合、ケース５１を介してシースルーミラー２３がプリズムミラー２２等に対して安定して支持される。シースルーミラー２３と支持板６１とは、図１に示す外観部材１０３に相当する。

結像光学系１２は、シースルーミラー２３が凹面鏡であることに起因して、軸外し光学系１１２となっている。本実施形態の場合、投射レンズ２１、プリズムミラー２２、及びシースルーミラー２３は、非軸対称に配置され、非軸対称な光学面を有する。結像光学系１２が軸外し光学系１１２であるとは、結像光学系１２を構成する光学要素２１，２２，２３において、複数の反射面又は屈折面への光線の入射の前後で光路が全体として折れ曲がることを意味する。この結像光学系１２つまり軸外し光学系１１２では、紙面に対応する軸外し面（ＹＺ面に平行な面）に沿って光軸ＡＸが延びるように光軸ＡＸの折り曲げが行われている。この結像光学系１２では、ＹＺ面に平行な軸外し面内で光軸ＡＸの折り曲げを行うことで、かかる軸外し面に沿って光学要素２１，２２，２３が配列されている。結像光学系１２は、縦方向に延びる基準面である軸外し面（ＹＺ面に平行な面）に沿って配置され反射面の前後で互いに傾斜する光軸部分ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＸ３を含む。全体としての光軸ＡＸは、映像素子１１の中心から射出される主光線の光路に沿って延び、アイポイントに相当するアイリングＥＲ又は瞳の中心を通る。光軸ＡＸは、ＹＺ面に平行な横断面で見た場合、複数の光軸部分ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＸ３によって、Ｚ字状の配置となっている。つまり、ＹＺ面に平行な軸外し面において、投射レンズ２１から内反射面２２ｂまでの光路Ｐ１と、内反射面２２ｂからシースルーミラー２３までの光路Ｐ２と、シースルーミラー２３から瞳位置ＰＰまでの光路Ｐ３とが、Ｚ字状に２段階で折り返される配置となっている。結像光学系１２は、縦配列となっている。基準面である軸外し面（ＹＺ面に平行な面）は、縦のＹ方向に平行に延びる。この場合、表示装置１００を構成する光学要素２１，２２，２３が縦方向に高さ位置を変えて配列されることになり、表示装置１００の横幅の増大を防止することができる。

結像光学系１２のうち、投射レンズ２１から内反射面２２ｂまでの光路Ｐ１は、Ｚ方向に平行に近い状態となっている。つまり、光路Ｐ１において、光軸部分ＡＸ１は、Ｚ方向又は正面方向に対して略平行に延びている。結果的に、投射レンズ２１は、Ｚ方向又は正面方向に関して、プリズムミラー２２と映像素子１１とに挟まれて配置されている。光路Ｐ１における光軸部分ＡＸ１は、Ｚ方向に向かって、下向きを負として、平均的に－３０°～＋３０°程度の範囲内に収めることが望ましい。光路Ｐ１の光軸部分ＡＸ１がＺ方向に向かって下向き－３０°以上の状態とすることで、投射レンズ２１や映像素子１１がシースルーミラー２３と干渉することを回避できる。また、光路Ｐ１の光軸部分ＡＸ１がＺ方向に向かって上向き＋３０°以下の状態とすることで、投射レンズ２１や映像素子１１が上部に突起して外観上目立つものとなることを防止することができる。内反射面２２ｂからシースルーミラー２３までの光路Ｐ２において、光軸部分ＡＸ２は、Ｚ方向に向かって、下向きを負として、平均的に－７０°～－４５°程度の範囲内に収めることが望ましい。光路Ｐ２の光軸部分ＡＸ２がＺ方向に向かって下向き－７０°以上の状態とすることで、シースルーミラー２３の全体的傾斜が過度に大きくなることを回避することができ、シースルーミラー２３の内側にインナーレンズを配置する空間を確保することが容易になる。また、光路Ｐ２の光軸ＡＸがＺ方向に向かって下向き－４５°以下の状態とすることで、プリズムミラー２２がシースルーミラー２３に対して－Ｚ方向又は背面方向に大きく突出する配置になることを回避することができ、結像光学系１２の厚みが増すことを回避することができる。シースルーミラー２３から瞳位置ＰＰまでの光路Ｐ３は、Ｚ方向に平行に近い状態となっているが、図示の例では、光軸部分ＡＸ３は、Ｚ方向に向かって、下向きを負として、－１０°程度となっている。つまり、光軸部分ＡＸ３を延長した射出光軸ＥＸは、前方の＋Ｚ方向に対して１０°程度下向きに傾いて延びている。これは、人間の視線が水平方向より下側に約１０°傾いた若干の伏し目状態で安定するからである。なお、瞳位置ＰＰに対して水平方向に延びる中心軸ＨＸは、表示装置１００を装着した装着者ＵＳが直立姿勢でリラックスして正面に向いて水平方向又は水平線を注視した場合を想定したものとなっている。表示装置１００を装着する個々の装着者ＵＳの眼の配置、耳の配置等を含む頭部の形状や姿勢は、様々であるが、装着者ＵＳの平均的な頭部形状又は頭部姿勢を想定することで、着目する表示装置１００について、平均的な中心軸ＨＸを設定することができる。以上の結果、プリズムミラー２２の内反射面２２ｂにおいて、光軸ＡＸに沿った光線の反射角は、１０°～６０°程度となる。また、シースルーミラー２３において、光軸ＡＸに沿った光線の反射角は、２０°～４５°程度となる。

図３を参照して、結像光学系１２の詳細について説明する。図３中で、領域ＡＲ１は、結像光学系１２の側方断面図を示し、領域ＡＲ２は、結像光学系１２の平面視の構造を説明する概念的な図である。

投射レンズ２１を構成する光学面である入射面２１ａと射出面２１ｂとは、ＹＺ面に平行で光軸ＡＸと交差する縦の第１方向Ｄ１１，Ｄ１２に関して、光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、第１方向Ｄ１１，Ｄ１２に直交する横の第２方向Ｄ０２又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。入射面２１ａに関する縦の第１方向Ｄ１１と、射出面２１ｂに関する縦の第２方向Ｄ１２とは、所定の角度をなしている。

投射レンズ２１は、例えば樹脂で形成されるが、ガラス製とすることもできる。投射レンズ２１の入射面２１ａと射出面２１ｂとは、例えば自由曲面である。入射面２１ａと射出面２１ｂとは、自由曲面に限らず、非球面とすることもできる。投射レンズ２１において、入射面２１ａと射出面２１ｂとを自由曲面又は非球面とすることで、収差低減を図ることができ、特に自由曲面を用いた場合、偏芯系の光学性能を高めることが容易となるので、非共軸の軸外し光学系１１２である結像光学系１２の収差を低減することが容易になる。なお、自由曲面は回転対称軸をもたない面であり、自由曲面の面関数としては、各種多項式を用いることができる。また、非球面は、回転対称軸を持ち多項式で表される面であるが、放物面や球面以外の面である。詳細な図示は省略するが、入射面２１ａ及び射出面２１ｂ上には、反射防止膜が形成されている。

プリズムミラー２２は、ミラーとレンズとを複合させた機能を有する屈折反射光学部材であり、投射レンズ２１からの画像光ＭＬを屈折させつつ反射する。より詳細には、プリズムミラー２２において、画像光ＭＬは、屈折面である光入射面２２ａを経て内部に入射し、反射面である内反射面２２ｂによって非正面方向に全反射され、屈折面である光射出面２２ｃを経て外部に射出される。光入射面２２ａと光射出面２２ｃとは、曲面からなる光学面であり、反射面のみの場合又はこれらを平面とした場合に比較して解像度向上に寄与する。プリズムミラー２２を構成する光学面である光入射面２２ａと内反射面２２ｂと光射出面２２ｃとは、ＹＺ面に平行で光軸ＡＸと交差する縦の第１方向Ｄ２１，Ｄ２２，Ｄ２３に関して、光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、第１方向Ｄ２１，Ｄ２２，Ｄ２３に直交する横の第２方向Ｄ０２又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。

プリズムミラー２２は、例えば樹脂で形成されるが、ガラス製とすることもできる。プリズムミラー２２の本体の屈折率は、画像光ＭＬの反射角も参酌して内面での全反射が達成されるような値に設定される。プリズムミラー２２の本体の屈折率やアッべ数は、投射レンズ２１との関係も考慮して設定されることが望ましい。特にプリズムミラー２２や投射レンズ２１のアッベ数を大きくすることで、全体として残る色分散を少なくすることになる。

プリズムミラー２２の光学面、つまり光入射面２２ａと内反射面２２ｂと光射出面２２ｃとは、例えば自由曲面である。光入射面２２ａと内反射面２２ｂと光射出面２２ｃとは、自由曲面に限らず、非球面とすることもできる。プリズムミラー２２において、光学面２２ａ，２２ｂ，２２ｃを自由曲面又は非球面とすることで、収差低減を図ることができ、特に自由曲面を用いた場合、偏芯系の光学性能を高めることが容易となる。つまり、非共軸の軸外し光学系１１２である結像光学系１２の収差を低減することが容易になり、解像度を向上させることができる。内反射面２２ｂについては、全反射によって画像光ＭＬを反射するものに限らず、金属膜又は誘電体多層膜からなる反射面とすることもできる。この場合、内反射面２２ｂ上に、例えばＡｌ、Ａｇのような金属で形成された単層膜又は多層膜からなる反射膜を蒸着等によって成膜し、或いは金属で形成されたシート状の反射膜を貼り付ける。詳細な図示は省略するが、光入射面２２ａ及び光射出面２２ｃ上には、反射防止膜が形成されている。

プリズムミラー２２の、基準面である軸外し面（ＹＺ面に平行な面）に垂直な横方向すなわち±Ｘ方向の幅ｗ２は、基準面である軸外し面に平行な前後の±Ｚ方向の幅ｗ１よりも大きい。この場合、横方向の画角を広く確保することができる。なお、プリズムミラー２２の横方向すなわち±Ｘ方向の幅ｗ２は、軸外し面に平行な上下方向すなわち±Ｙ方向の幅ｗ３よりも大きい。ここで、幅ｗ１，ｗ２，ｗ３は、実際の輪郭であってもよいが、光学面２２ａ，２２ｂ，２２ｃの有効領域を基準とすることもできる。

シースルーミラー２３は、凹の表面ミラーとして機能する湾曲した板状の光学部材であり、プリズムミラー２２からの画像光ＭＬを反射する。つまり、シースルーミラー２３は、表示駆動部１０２の射出領域からの画像光ＭＬを瞳位置ＰＰに向けて反射する。シースルーミラー２３は、眼ＥＹ又は瞳孔が配置される瞳位置ＰＰを覆うとともに瞳位置ＰＰに向かって凹形状を有し、外界に向かって凸形状を有する。シースルーミラー２３は、視界のうち画面の有効領域の全体をカバーする凹面透過ミラーである。シースルーミラー２３は、収束機能を有するコリメーターであり、表示面１１ａの各点から射出された画像光ＭＬの主光線であって、表示駆動部１０２の射出領域の近傍で結像によって一旦広がった画像光ＭＬの主光線を瞳位置ＰＰに収束させる。シースルーミラー２３は、板状体２３ｂの表面又は裏面上にミラー膜２３ｃを形成した構造を有するミラー板である。シースルーミラー２３の反射面２３ａは、透過性を有する。シースルーミラー２３や反射面２３ａは、ＹＺ面に平行で光軸ＡＸと交差する縦の第１方向Ｄ３１に関して、光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、第１方向Ｄ３１に直交する横の第２方向Ｄ０２又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。

シースルーミラー２３の反射面２３ａは、例えば自由曲面である。反射面２３ａは、自由曲面に限らず、非球面とすることもできる。シースルーミラー２３を自由曲面又は非球面とすることで、収差低減を図ることができ、特に自由曲面を用いた場合、軸外し光学系又は非共軸光学系である結像光学系１２の収差を低減することが容易になる。シースルーミラー２３は、反射面２３ａが自由曲面及び非球面のいずれである場合においても、曲面式の原点がシースルーミラー２３の有効領域よりも投射レンズ２１側又は映像素子１１側にシフトした形状を有する。この場合、光学系の設計に過度の負担をかけないで、Ｚ字状の光路を実現するシースルーミラー２３の傾斜面を設定することができる。

シースルーミラー２３は、反射に際して一部の光を透過させる透過型の反射素子であり、シースルーミラー２３の反射面２３ａ又はミラー膜２３ｃは、半透過性を有する反射層によって形成されている。これにより、外界光ＯＬがシースルーミラー２３を通過するので、外界のシースルー視が可能になり、外界像に虚像を重ねることができる。この際、ミラー膜２３ｃを支持する板状体２３ｂが数ｍｍ程度以下に薄ければ、外界像の倍率変化を小さく抑えることができる。ミラー膜２３ｃの画像光ＭＬや外界光ＯＬに対する反射率は、画像光ＭＬの輝度確保や、シースルーによる外界像の観察を容易にする観点で、想定される画像光ＭＬの入射角範囲において１０％以上５０％以下とする。シースルーミラー２３の基材である板状体２３ｂは、例えば樹脂で形成されるが、ガラス製とすることもできる。板状体２３ｂは、これを周囲から支持する支持板６１と同一の材料で形成され、支持板６１と同一の厚みを有する。ミラー膜２３ｃは、例えば膜厚を調整した複数の誘電体層からなる誘電体多層膜で形成される。ミラー膜２３ｃは、膜厚を調整したＡｌ、Ａｇ等の金属の単層膜又は多層膜であってもよい。ミラー膜２３ｃは、積層によって形成できるが、シート状の反射膜を貼り付けることによっても形成できる。板状体２３ｂの外側面２３ｏには、反射防止膜が形成されている。

光路について説明すると、映像素子１１からの画像光ＭＬは、投射レンズ２１に入射して略コリメートされた状態で射出される。投射レンズ２１を通過した画像光ＭＬは、プリズムミラー２２に入射して光入射面２２ａを屈折されつつ通過し、内反射面２２ｂによって１００％に近い高い反射率で反射され、再度光射出面２２ｃで屈折される。プリズムミラー２２からの画像光ＭＬは、シースルーミラー２３に入射して反射面２３ａによって５０％程度以下の反射率で反射される。シースルーミラー２３で反射された画像光ＭＬは、装着者ＵＳの眼ＥＹ又は瞳孔が配置される瞳位置ＰＰに入射する。瞳位置ＰＰには、シースルーミラー２３やその周囲の支持板６１を通過した外界光ＯＬも入射する。つまり、表示装置１００を装着した装着者ＵＳは、外界像に重ねて、画像光ＭＬによる虚像を観察することができる。

この結像光学系１２では、プリズムミラー２２の光入射面２２ａの近傍に、縦方向に関する中間瞳ＩＰａが配置されている（図３の領域ＡＲ１参照）。縦方向の中間瞳ＩＰａは、映像素子１１の表示面１１ａの中心から±ｙ方向に延びる縦の線分上の各点からの画像光ＭＬが縦に広がって相互の重複が多くなる箇所を意味する。プリズムミラー２２の内部には、縦方向に関する中間瞳ＩＰｂが配置されている（図３の領域ＡＲ２参照）。横方向の中間瞳ＩＰｂは、映像素子１１の表示面１１ａの中心から±ｘ方向に延びる横の線分上の各点からの画像光ＭＬが横に広がって相互の重複が多くなる箇所を意味する。中間瞳ＩＰａ，ＩＰｂは、アイリングＥＲ又は瞳位置ＰＰの共役点に配置される。

中間像ＩＭは、プリズムミラー２２とシースルーミラー２３との間に形成されている。中間像ＩＭは、シースルーミラー２３よりもプリズムミラー２２の近くに形成される。このように、シースルーミラー２３よりもプリズムミラー２２の近くに中間像ＩＭが形成されることにより、シースルーミラー２３による拡大の負担を低減して観察される虚像の収差を抑えることができる。中間像ＩＭは、アイリングＥＲよりも光路上流であって表示面１１ａに対して共役な位置に形成される実像であり、表示面１１ａ上の表示像に対応するパターンを有するが、シャープに結像したものである必要はなく、像面湾曲、ディストーション等の諸収差を示すものであってもよい。

図４は、プリズムミラー２２の側方断面である。ＹＺ断面において、プリズムミラー２２の光射出面２２ｃは、前側である＋Ｚ側と後側である－Ｚ側とで屈折力又はパワーが異なる屈折面となっている。ここで、屈折力は、着目する領域に円弧又は球面を最小二乗法等によってフィッティングさせ、かかるフィッティングによって得られる曲率とプリズムミラー２２の本体の屈折率とから決定される。

図３に示すような軸外し型の結像光学系１２では、シースルーミラー２３が偏芯した状態で配置されており、シースルーミラー２３の上部（頭頂部側）と下部（地面側）とに入射する光線は、反射面２３ａへの入射角が異なるため、斜入射による光線拡大率に差が発生する。具体的には、シースルーミラー２３の上部に入射する光線Ｌ１は斜入射状態が強くなり、シースルーミラー２３の下部に入射する光線Ｌ２は斜入射状態が弱くなる。このため、特に工夫しなければ、シースルーミラー２３の上部に入射する光線Ｌ１については、シースルーミラー２３の下部に入射する光線Ｌ２に比較して、光線角度差が相対的に小さくなりやすく、縦方向に関して拡大率の差が生じたディストーションの大きな光学系となる。ここで、映像素子１１の表示面１１ａに形成する表示像を予め歪を持たせた修正画像とすることで、観察される虚像の歪を低減することができるが、元のディストーションが大きいと、或る程度の解像度劣化すなわち画質劣化も免れ得ない。

一方、本実施形態の場合、図４に示すように、プリズムミラー２２の光射出面２２ｃは、ＹＺ断面において、正の屈折力を有する前側領域Ｒ１と負の屈折力を有する後側領域Ｒ２とを有する。ただし、図示の例では、側領域Ｒ２は平坦に近く弱い負の屈折力を有するものとなっている。前側領域Ｒ１や後側領域Ｒ２は、光軸ＡＸを含むＹＺ面を挟んで光射出面２２ｃ上において対称的に延びる領域ＲＡ１，ＲＡ２に含まれる。ここで、屈折力は、ＹＺ断面で見た単一面の屈折力であり、球面で近似した場合、光射出面２２ｃの内側における光線の光軸との交点又は像位置までの距離をｓとし、プリズムミラー２２の本体の屈折率ｎとし、光射出面２２ｃの外側（つまり空気中）における光線の光軸との交点又は像位置までの距離をｓ’とした場合に、ｎ／ｓ＋１／ｓ’で与えられる。なお、距離ｓは、虚像が光射出面２２ｃの外側に形成される場合、負の値となる。光射出面２２ｃの着目箇所が外側に向かって凹面であれば、焦点距離は負で表され屈折力も負になる。一方、光射出面２２ｃの着目箇所が外側に向かって凸面であれば、焦点距離は正で表され屈折力も正になる。前側領域Ｒ１と後側領域Ｒ２との間には、屈折力を殆ど有しない中間領域Ｒ３が存在し、中間領域Ｒ３には、屈折力の符号の切り替わりに対応して変曲点ＩＢが存在する。以上から明らかなように、本実施形態の場合、光射出面２２ｃが、屈折力が相対的に高い前側領域Ｒ１を有するとともに屈折力が相対的に低い後側領域Ｒ２を有する。つまり、光射出面２２ｃにおいて前側領域Ｒ１の屈折力が後側領域Ｒ２の屈折力よりも大きくなっている。結果的に、後側領域Ｒ２を通る光線に対する後側領域Ｒ２の収束度合いは、前側領域Ｒ１を通る光線に対する前側領域Ｒ１の収束度合いよりも弱くなっている。このように、前側領域Ｒ１の屈折力が後側領域Ｒ２の屈折力よりも大きい場合、結像光学系１２において、縦のＹＺ断面に沿って発生する倍率差を抑制することができ、ディストーションの発生を抑制することができるので、観察される虚像に関して画質を向上させることができる。ここで、光射出面２２ｃの前側領域Ｒ１及び後側領域Ｒ２間に屈折力の差を設けている理由は、光射出面２２ｃが中間瞳ＩＰａから比較的離れた位置に配置されているからであり、シースルーミラー２３の上部に入射する光線Ｌ１とシースルーミラー２３の下部に入射する光線Ｌ２とに対して異なる屈折作用を及ぼすことができるからである。さらに、光射出面２２ｃにおいて、前側領域Ｒ１の屈折力を後側領域Ｒ２の屈折力よりも大きくすることで、シースルーミラー２３の上部（頭頂部側）で斜入射状態が強くなって光線が拡大され倍率が付与されるといったシースルーミラー２３の入射位置による影響を相殺するような作用を生じさせ、シースルーミラー２３の上部に入射する光線Ｌ１の、表示面１１ａにおける光線角度差を比較的大きくすることが容易になる。

プリズムミラー２２の光入射面２２ａと光射出面２２ｃとの繋ぎ目では、端部の面同士が平行に近い状態で段違いとなっている。このため、光入射面２２ａと光射出面２２ｃとの間には、段差を形成する平坦な接続面２２ｊが設けられている。光入射面２２ａと接続面２２ｊとの境界Ｊ１は、鈍角α１で接続される窪みＤＰとなっており、光射出面２２ｃと接続面２２ｊとの境界Ｊ２は鈍角α２で接続される突起ＰＲとなっている。つまり、プリズムミラー２２は、基準面に沿ったＹＺ断面において、光入射面２２ａと光射出面２２ｃとの境界に鈍角の窪みＤＰを有する。

以上では、前側領域Ｒ１が正の屈折力を有し、後側領域Ｒ２が負の屈折力を有するとしたが、本発明はこれに限るものではない。例えば、前側領域Ｒ１及び後側領域Ｒ２がともに正の屈折力を有し、かつ、前側領域Ｒ１の屈折力が後側領域Ｒ２の屈折力よりも大きい状態とすることができる。この場合、前側領域Ｒ１の凸が大きく、後側領域Ｒ２は平面に近い凸となる。

図５に示すように、映像素子１１の表示面１１ａに形成する表示像を予め台形歪のような歪を持たせた修正画像ＤＡ１とする。つまり、結像光学系１２が軸外し光学系１１２であることから、光学系自体で台形歪のようなディストーションを取りきることは容易でない。よって、映像素子１１に表示される画像を、投射レンズ２１、プリズムミラー２２、及びシースルーミラー２３によって形成される歪を相殺する逆の歪を有するものとすることで、結像光学系１２を経て瞳位置ＰＰで観察される虚像の投影像ＩＧ１の画素配列を、元の表示像ＤＡ０に対応する格子パターンとすることができ輪郭を矩形とすることができる。つまり、映像素子１１は、投射レンズ２１、プリズムミラー２２、及びシースルーミラー２３によって形成されるディストーションを補正する。結果的に、シースルーミラー２３等で発生するディストーションを許容しつつ映像素子１１を含めた全体として収差を抑えることができる。これにより、プリズムミラー２２等の光学要素の配置やサイズの自由度が高まり、表示装置１００の小型化を達成しつつ、表示装置１００の光学性能の確保を容易にすることができる。なお、図示の修正画像ＤＡ１のアスペクト比は、１７：９であり、投影像ＩＧ１又は表示像ＤＡ０のアスペクト比は、１６：９であり、両アスペクトの差は比較的少ない。つまり、実施形態の結像光学系１２のディストーションは比較的小さくなっている。この結果、表示面１１ａに形成する表示像を歪ませてディストーションを補正しても解像度低下の発生を抑えることができる。

図６は、比較例の結像光学系９１２を示す側方断面図である。この結像光学系９１２は、図３等に示す結像光学系１２と共通する光学要素２１，２２，２３を有し結像光学系１２と類似する光学系であるが、プリズムミラー２２の光射出面２２ｃが一様な凸面となっている。つまり、光射出面２２ｃは、前側である＋Ｚ側と後側である－Ｚ側とで屈折力が略等しい屈折面となっている。この場合、シースルーミラー２３の上部に入射する光線Ｌ１は、斜入射状態が強いことに起因して光線角度差が相対的に小さくなってＮＡが減少し、光線の分布が粗になって倍率が相対的に増加する。

図７は、図６に示す比較例の結像光学系９１２において、映像素子１１の表示面１１ａに形成する表示像を説明する図である。この場合も、映像素子１１の表示面１１ａに形成する表示像を予め歪を持たせた修正画像ＤＡ２とする。ただし、図７に示す修正画像ＤＡ２は、光射出面２２ｃが一様な凸面であることに起因して、図５に示す修正画像ＤＡ２よりも歪が大きく、縦方向つまりｙ方向の倍率差の分布が大きいものとなっている。このため、比較例の結像光学系９１２では、図３等に示す実施形態の結像光学系１２と比較して歪補正の負担が増加し、観察される虚像について解像度が低下し画質の劣化が生じる。なお、図示の修正画像ＤＡ２のアスペクト比は、２０：９であり、投影像ＩＧ１又は表示像ＤＡ０のアスペクト比は、１６：９であり、両アスペクトの差は比較的大きい。つまり、比較例の結像光学系９１２のディストーションは、実施形態の結像光学系１２のディストーションよりも大きくなっている。

図８は、図４に対応する拡大側方断面図であり、プリズムミラー２２の形状に変更を加えた例を示している。この場合、光入射面２２ａと光射出面２２ｃとの繋ぎ目にＳ字断面の接続面２２ｋが設けられている。接続面２２ｋは、光入射面２２ａと光射出面２２ｃとを滑らかに繋ぐ曲面であり、光入射面２２ａに近い位置に変曲点ＩＢ２を有し、光射出面２２ｃに近い位置に凹面領域２２ｍを有している。

以上で説明した、第１実施形態の表示装置１００は、映像素子１１と、映像素子１１からの画像光ＭＬを通過させる投射レンズ２１と、投射レンズ２１から射出された画像光ＭＬを、光入射面２２ａから入射させ、内反射面２２ｂで反射させ、光射出面２２ｃから射出させるプリズムミラー２２と、プリズムミラー２２から射出された画像光ＭＬを瞳位置に向けて反射するシースルーミラー２３とを備え、プリズムミラー２２とシースルーミラー２３とは、基準面であるＹＺ面に沿って光路を折り曲げて軸外し光学系１１２を形成するように配置され、内反射面２２ｂとシースルーミラー２３との間に中間像ＩＭが形成され、基準面に関して、内反射面２２ｂとシースルーミラー２３との間において、前側に相対的に屈折力が高い前側領域Ｒ１を有し後側に相対的に屈折力が低い後側領域Ｒ２を有する屈折面として光射出面２２ｃを含む。これにより中間瞳ＩＰａから比較的離れた位置で光線の角度調整が可能になり、前側を通る光線Ｌ１について結像倍率の相対的増加が生じることを抑えて投影像のディストーションを低減し、画質の劣化を抑制することができる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態に係る表示装置等について説明する。なお、第２実施形態の表示装置は、第１実施形態の表示装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。

図９を参照して、第２実施形態の表示装置１００について説明する。本実施形態の表示装置１００の場合、投射レンズ２１が２つのレンズ要素２１ｐ，２１ｑからなり、プリズムミラー２２とシースルーミラー２３との間に、板状の光学素子２８が配置されている。光学素子２８の屈折率とプリズムミラー２２の屈折率とは異なる。これにより、光学素子２８とプリズムミラー２２等との間で屈折や分散の程度を調整することができ、例えば色消しの達成が容易になる。光学素子２８の入射側に設けられている第１面２８ａは、平坦であるが自由曲面となっており、ＹＺ面に平行な縦方向に関して光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、ＹＺ面に垂直なＸ方向すなわち横方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。第１面２８ａには反射防止膜が形成されている。光学素子２８の射出側に設けられている第２面２８ｂは、平面であり、反射防止膜が形成されている。光学素子２８は、前側である＋Ｚ側で厚みが増す楔状プリズム１２８である。つまり、光学素子２８の前端２８ｆの厚みをｔａとし、光学素子２８の後端２８ｒの厚みをｔｂとした場合、ｔａ＞ｔｂなる関係がなり立っている。なお、前端２８ｆや後端２８ｒの厚みは、第１面２８ａ及び第２面２８ｂの有効領域で考え、光軸ＡＸ方向に沿った寸法を比較する。

光学素子２８は、プリズムミラー２２との組み合わせで結像に寄与するものであり、中間像ＩＭよりもプリズムミラー２２側又は映像素子１１側に配置されている。

以上の説明では、光学素子２８の入射側の第１面２８ａを自由曲面とし、射出側の第２面２８ｂを平面としているが、第１面２８ａを平面とし第２面２８ｂを自由曲面としてもよい。さらに、第１面２８ａ及び第２面２８ｂをともに自由曲面とすることができ、第１面２８ａ及び第２面２８ｂをともに平面とすることができる。

プリズムミラー２２の光射出面２２ｃは、前側である＋Ｚ側と後側である－Ｚ側とで屈折力が異なる屈折面である。光射出面２２ｃにおいて、前側領域Ｒ１が正の屈折力を有する面であり後側領域Ｒ２が負の屈折力を有する面であるとすると、シースルーミラー２３の上部に入射する光線Ｌ１の、表示面１１ａにおける光線角度差を比較的大きくすることができ、支配的なディストーション成分を除去することができる。その一方で、上記のような光線角度差又は倍率差に対する配慮によって、シースルーミラー２３の下部に入射する光線Ｌ２については、中間像ＩＭの位置がシースルーミラー２３に近づくようにシフトし、シースルーミラー２３の上部に入射する光線Ｌ１については、中間像ＩＭの位置がシースルーミラー２３から離れるようにシフトする傾向が生じる。この結果、支配的なディストーション成分を除去できても、光射出面２２ｃの修正に応じて内反射面２２ｂや投射レンズ２１によって結像を調整する状態が生じ、ＹＺ面に平行な縦方向やこれに垂直な横方向に関して倍率差が生じ、ディストーションの除去が不十分となる傾向が生じる。このようなディストーションの低減については、シースルーミラー２３の上部に入射する光線Ｌ１の光路を長くすることが効果的である。このため、プリズムミラー２２の光射出面２２ｃに対向する位置に、前端２８ｆが厚く後端２８ｒが薄い楔状プリズム１２８を配置することで、台形補正のような効果を与えて、全体としてのディストーションをより低減することができる。

楔状プリズム１２８の意義について、より詳細に説明する。例えば図３に示す第１実施形態の結像光学系１２において、シースルーミラー２３の上部に入射する光線Ｌ１が中間像ＩＭとして集光する点を避けるように光射出面２２ｃを配置する場合、光射出面２２ｃは、＋Ｚ側で＋Ｙ側に位置するような傾斜したものとなる。このような場合、シースルーミラー２３の上部に入射する光線Ｌ１については、光路長が相対的に減少し、その集光点がシースルーミラー２３から離れる方向にシフトし、シースルーミラー２３の上部に入射する光線Ｌ１とシースルーミラー２３の下部に入射する光線Ｌ２との間で倍率差すなわち歪が増加して光学性能つまり解像度の向上が容易でなくなる。これに対し、第２実施形態の結像光学系１２のように、プリズムミラー２２の光射出面２２ｃに対向して前側である＋Ｚ側で厚みが増す楔状プリズム１２８を配置することで、シースルーミラー２３の上部に入射する光線Ｌ１について相対的に光路長を伸ばすことができ、その集光点をシースルーミラー２３に近づく方向にシフトさせることができる。特に楔状プリズム１２８の屈折率がプリズムミラー２２の屈折率よりも高い場合、上記のような光線Ｌ１の集光点をシースルーミラー２３に近づく方向にシフトさせる効果が高まり、結果的に結像光学系１２の解像度を向上させることが容易になる。本実施形態の場合、プリズムミラー２２に対してレンズ要素２１ｑが高屈折率であり、レンズ要素２１ｑに対してレンズ要素２１ｐが低屈折率である。

映像素子１１、投射レンズ２１、及びプリズムミラー２２は、ケース５１内に支持され固定されている。ケース５１の開口５１ａは、光学素子２８によって封止されている。つまり、ケース５１は、内部の映像素子１１からプリズムミラー２２にかけての光路空間ＯＳを気密又は液密に封止しており、映像素子１１、投射レンズ２１等を塵や水滴さらには外気から保護している。

以上で説明した、第２実施形態の表示装置１００は、プリズムミラー２２とシースルーミラー２３との間に配置される楔状プリズム１２８を有するので、プリズムミラー２２等に起因するディストーションの発生を抑制するこことができる。

図１０は、図６に示す比較例の結像光学系９１２において、映像素子１１の表示面１１ａに形成する表示像を説明する図である。第２実施形態の場合も、映像素子１１の表示面１１ａに形成する表示像を予め歪を持たせた修正画像ＤＡ１とする。ただし、図１０に示す修正画像ＤＡ１は、プリズムミラー２２の光射出面２２ｃに対向して楔状プリズム１２８を配置していることにより、図５に示す修正画像ＤＡ１よりも歪又はティストーションが少ないものとなっている。このため、第２実施形態の表示装置１００の結像光学系１２では、観察される虚像について解像度が向上し画質の劣化をより少なくすることができる。

図１１は、図９に示す表示装置１００の変形例を示す。この場合、プリズムミラー２２の光射出面２２ｃが平坦となっているが、楔状プリズム１２８の第１面２８ａにおいて、前側領域Ｒ１が縦のＹＺ面に関して正の屈折力を有する面となっており、後側領域Ｒ２が縦のＹＺ面に関して負の屈折力を有する面となっている。つまり、第１面２８ａは、前側領域Ｒ１の屈折力が後側領域Ｒ２の屈折力よりも大きくなっている屈折面である。なお、楔状プリズム１２８の第２面２８ｂは平面となっている。

図示を省略するが、図１１の楔状プリズム１２８の第１面２８ａと第２面２８ｂとを形状的に入れ替えることができる。つまり、第１面２８ａを平面とし、第２面２８ｂにおいて、前側領域で縦のＹＺ面に関して正の屈折力を有する面を形成し、後側領域で縦のＹＺ面に関して負の屈折力を有する面を形成することができる。この場合、第２面２８ｂが前側である＋Ｚ側と後側である－Ｚ側とで屈折力又はパワーが異なる屈折面である。或いは、第１面２８ａと第２面２８ｂとの双方において、前側領域で縦のＹＺ面に関して正の屈折力を有する面を形成し、後側領域で縦のＹＺ面に関して負の屈折力を有する面を形成することができる。

図１２は、図９に示す表示装置１００の別の変形例を示す。この場合、プリズムミラー２２の光射出面２２ｃが平坦となっているが、楔状プリズム１２８の第１面２８ａは、縦のＹＺ面に関して全体として凸面となっている。このように楔状プリズム１２８に凸面を形成することで、楔状プリズム１２８に屈折力を持たせることができ、結像状態を調整することができる。さらに、楔状プリズム１２８の第１面２８ａにおいて、前側領域Ｒ１が縦のＹＺ面に関して強い正の屈折力を有する面となっており、後側領域Ｒ２が縦のＹＺ面に関して弱い正の屈折力を有する面となっている。つまり、第１面２８ａは、前側領域Ｒ１の屈折力が後側領域Ｒ２の屈折力よりも大きくなっている屈折面である。なお、楔状プリズム１２８の第２面２８ｂは平面となっている。

図示を省略するが、図１２の楔状プリズム１２８の第１面２８ａと第２面２８ｂとを形状的に入れ替えることができる。つまり、第１面２８ａを平面とし、第２面２８ｂにおいて、前側領域で縦のＹＺ面に関して強い正の屈折力を有する面を形成し、後側領域で縦のＹＺ面に関して弱い正の屈折力を有する面を形成することができる。この場合、第２面２８ｂが前側である＋Ｚ側と後側である－Ｚ側とで屈折力又はパワーが異なる屈折面である。或いは、第１面２８ａと第２面２８ｂとの双方において、前側領域で縦のＹＺ面に関して強い正の屈折力を有する面を形成し、後側領域で縦のＹＺ面に関して弱い正の屈折力を有する面を形成することができる。

図１３は、図９に示す表示装置１００のさらに別の変形例を示す。この場合、プリズムミラー２２の光射出面２２ｃは、縦のＹＺ面に関して全体として凸面となっており、楔状プリズム１２８の第１面２８ａは、縦のＹＺ面に関して全体として凹面となっている。このように楔状プリズム１２８に凹面を形成することで、楔状プリズム１２８に屈折力を持たせることができ、結像状態を調整することができる。さらに、光射出面２２ｃは、前側領域Ｒ１において縦のＹＺ面に関して強い正の屈折力を有する面となっており、後側領域Ｒ２において縦のＹＺ面に関して弱い正の屈折力を有する面となっている。つまり、光射出面２２ｃは、屈折力が正で相対的に高い前側領域Ｒ１と屈折力が正で相対的に低い後側領域Ｒ２とを有する。光射出面２２ｃは、前側領域Ｒ１の屈折力が後側領域Ｒ２の屈折力よりも大きい屈折面である。なお、楔状プリズム１２８の第２面２８ｂは平面となっている。楔状プリズム１２８の第１面２８ａを凹面とし、第２面２８ｂを平面とすることで、楔状プリズム１２８を軽量化することができる。

図示を省略するが、図１３の楔状プリズム１２８の第１面２８ａと第２面２８ｂとを形状的に入れ替えることができる。つまり、第１面２８ａを平面とし、第２面２８ｂを凹面とすることができる。或いは、第１面２８ａと第２面２８ｂとの双方を凹面とすることができる。

〔変形例その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

上記実施形態の表示装置１００では、映像素子１１として有機ＥＬ素子等の自発光型の表示デバイスやＬＣＤ及びその他の光変調素子を用いているが、これに代えて、レーザー光源とポリゴンミラー等であるスキャナーとを組みあわせたレーザスキャナーを用いた構成も可能である。つまり、レーザー網膜投影型のヘッドマウントディスプレイに対して本発明を適用することも可能である。

シースルーミラー２３の外界側には、シースルーミラー２３の透過光を制限することで調光を行う調光デバイスを取り付けることができる。調光デバイスは、例えば電動で透過率を調整する。調光デバイスとして、ミラー液晶、電子シェード等を用いることができる。調光デバイスは、外光照度に応じて透過率を調整するものであってもよい。

以上では、表示装置１００が頭部に装着されて使用されることを前提としたが、上記表示装置１００は、頭部に装着せず双眼鏡のようにのぞき込むハンドヘルドディスプレイとしても用いることができる。つまり、本発明において、ヘッドマウントディスプレイには、ハンドヘルドディスプレイも含まれる。

具体的な態様における表示装置は、映像素子と、映像素子からの画像光を通過させる投射レンズと、投射レンズから射出された画像光を、光入射面から入射させ、内反射面で反射させ、光射出面から射出させるプリズムミラーと、プリズムミラーから射出された画像光を瞳位置に向けて反射するシースルーミラーとを備え、プリズムミラーとシースルーミラーとは、基準面に沿って光路を折り曲げて軸外し光学系を形成するように配置され、内反射面とシースルーミラーとの間に中間像が形成され、基準面に関して、内反射面とシースルーミラーとの間において、前側に相対的に屈折力が高い領域を有し後側に相対的に屈折力が低い領域を有する屈折面を含む。

上記表示装置では、基準面に関して内反射面とシースルーミラーとの間に前側に相対的に屈折力が高い領域を有し後側に相対的に屈折力が低い領域を有する光学面を含むので、中間瞳から比較的離れた位置で光線の角度調整が可能になり、上記前側を通る光線について結像倍率の相対的増加が生じることを抑えて投影像のディストーションを低減し画質の劣化を抑制することができる。

具体的な側面において、屈折力が高い領域と屈折力が低い領域との間に変曲点を有する。

具体的な側面において、屈折力が高い領域は、正の屈折力を有し、屈折力が低い領域は、負の屈折力を有する。屈折力が高い領域は、結像倍率の相対的増加を抑え、屈折力が低い領域は、結像倍率の相対的減少を抑える。

具体的な側面において、屈折力が高い領域と屈折力が低い領域とは、正の屈折力を有する。この場合、光学面に全体として正の屈折力を持たせつつ、上記前側を通る光線と上記後側を通る光線とについて結像の倍率差が生じることを抑制できる。

具体的な側面において、屈折面は、プリズムミラーの光射出面である。この場合、プリズムミラー自体に投影像のディストーションを低減する機能を持たせることができる。

具体的な側面において、プリズムミラーとシースルーミラーとの間に配置され屈折面を有する光学素子をさらに備える。この場合、プリズムミラーに射出側に配置される光学素子に投影像のディストーションを低減する機能を持たせることになる。

具体的な側面において、光学素子の屈折率とプリズムミラーの屈折率とは異なる。光学素子とプリズムミラー等との間で屈折や分散の程度を調整することができ、例えば色消しの達成が容易になる。

具体的な側面において、光学素子は、前側で厚みが増す楔状プリズムである。楔状プリズムは、プリズムミラー等に起因するディストーションの発生を抑制する。

具体的な側面において、楔状プリズムの屈折率は、プリズムミラーの屈折率よりも高い。この場合、プリズムミラーの形状の自由度を高めつつ解像度を向上させることが容易になる。

具体的な側面において、楔状プリズムは、凸面又は凹面を有する。このように楔状プリズムに凸面又は凹面を形成することで、楔状プリズムに屈折力を持たせることができ、結像状態を調整することができる。

具体的な側面において、プリズムミラーは、基準面に沿った断面において、光入射面と光射出面との境界に鈍角の窪みを有する。

具体的な側面において、基準面は、縦方向に延びる。この場合、表示装置を構成する光学要素が縦方向に配列されることになり、表示装置の横幅の増大を防止することができる。

具体的な側面において、映像素子からプリズムミラーにかけての光路は、シースルーミラーの上端よりも上側に配置されている。この場合、光学ユニットが上置きとなり、表示装置を顔面にフィットさせることが容易となる。

具体的な側面において、プリズムミラーの基準面に垂直な横方向の幅は、基準面に平行な前後方向の幅よりも大きい。この場合、横方向の画角を広く確保することができる。

具体的な側面において、映像素子は、投射レンズ、プリズムミラー、及びシースルーミラーによって形成されるディストーションを補正する。この場合、プリズムミラー等の光学要素の配置やサイズの自由度が高まり、表示装置の小型化を達成しつつ表示装置の光学性能の確保を容易にすることができる。

具体的な態様における表示装置は、映像素子と、映像素子からの画像光を通過させる投射レンズと、投射レンズから射出された画像光を、光入射面から入射させ、内反射面で反射させ、光射出面から射出させるプリズムミラーと、プリズムミラーから射出された画像光を瞳位置に向けて反射するシースルーミラーとを備え、プリズムミラーとシースルーミラーとは、基準面に沿って光路を折り曲げて軸外し光学系を形成するように配置され、内反射面とシースルーミラーとの間に中間像が形成され、プリズムミラーとシースルーミラーとの間に配置される楔状プリズムを有する。

具体的な態様における光学ユニットは、映像素子からの画像光を通過させる投射レンズと、投射レンズから射出された画像光を、光入射面から入射させ、内反射面で反射させ、光射出面から射出させるプリズムミラーと、プリズムミラーから射出された画像光を瞳位置に向けて反射するシースルーミラーとを備え、プリズムミラーとシースルーミラーとは、基準面に沿って光路を折り曲げて軸外し光学系を形成するように配置され、内反射面とシースルーミラーとの間に中間像が形成され、基準面に関して、内反射面とシースルーミラーとの間において、前側に相対的に屈折力が高い領域を有し後側に相対的に屈折力が低い領域を有する屈折面を含む。

１１…映像素子、１１ａ…表示面、１２…結像光学系、１３…表示制御回路、１６…光学ユニット、２１…投射レンズ、２２…プリズムミラー、２２ａ…光入射面、２２ｂ…内反射面、２２ｃ…光射出面、２３…シースルーミラー、２３ａ…反射面、２３ｅ…上端、２８…光学素子、２８ｆ…前端、２８ｒ…後端、５１…ケース、１００Ａ，１００Ｂ…表示装置、１００Ｃ…支持装置、１０２…表示駆動部、１０３…外観部材、１１２…軸外し光学系、１２８…楔状プリズム、ＡＸ…光軸、ＤＡ０…表示像、ＤＡ１…修正画像、ＥＲ…アイリング、ＥＹ…眼、ＩＢ…変曲点、ＩＧ１…投影像、ＩＭ…中間像、ＩＰａ，ＩＰｂ…中間瞳、Ｌ１,Ｌ２…光線、ＭＬ…画像光、ＰＰ…瞳位置、Ｒ１…前側領域、Ｒ２…後側領域、ＵＳ…装着者

Claims (17)

1. 映像素子と、
   前記映像素子からの画像光を通過させる投射レンズと、
   前記投射レンズから射出された画像光を、光入射面から入射させ、内反射面で反射させ、光射出面から射出させるプリズムミラーと、
   前記プリズムミラーから射出された前記画像光を瞳位置に向けて反射するシースルーミラーとを備え、
   前記プリズムミラーと前記シースルーミラーとは、基準面に沿って光路を折り曲げて軸外し光学系を形成するように配置され、
   前記内反射面と前記シースルーミラーとの間に中間像が形成され、
   前記基準面に関して、前記内反射面と前記シースルーミラーとの間において、前側に相対的に屈折力が高い領域を有し後側に相対的に屈折力が低い領域を有する屈折面を含む、表示装置。
2. 前記屈折力が高い領域と前記屈折力が低い領域との間に変曲点を有する、請求項１に記載の表示装置。
3. 前記屈折力が高い領域は、正の屈折力を有し、前記屈折力が低い領域は、負の屈折力を有する、請求項１に記載の表示装置。
4. 前記屈折力が高い領域と前記屈折力が低い領域とは、正の屈折力を有する、請求項１に記載の表示装置。
5. 前記屈折面は、前記プリズムミラーの前記光射出面である、請求項１～４のいずれか一項に記載の表示装置。
6. 前記プリズムミラーと前記シースルーミラーとの間に配置され前記屈折面を有する光学素子をさらに備える、請求項１～５のいずれか一項に記載の表示装置。
7. 前記光学素子の屈折率と前記プリズムミラーの屈折率とは異なる、請求項６に記載の表示装置。
8. 前記光学素子は、前側で厚みが増す楔状プリズムである、請求項６及び７のいずれか一項に記載の表示装置。
9. 前記楔状プリズムの屈折率は、前記プリズムミラーの屈折率よりも高い、請求項８に記載の表示装置。
10. 前記楔状プリズムは、凸面又は凹面を有する、請求項８及び９のいずれか一項に記載の表示装置。
11. 前記プリズムミラーは、前記基準面に沿った断面において、前記光入射面と前記光射出面との境界に鈍角の窪みを有する、請求項１～１０のいずれか一項に記載の表示装置。
12. 前記基準面は、縦方向に延びる、請求項１～１１のいずれか一項に記載の表示装置。
13. 前記映像素子から前記プリズムミラーにかけての光路は、前記シースルーミラーの上端よりも上側に配置されている、請求項１２に記載の表示装置。
14. 前記プリズムミラーの前記基準面に垂直な横方向の幅は、前記基準面に平行な前後方向の幅よりも大きい、請求項１～１３のいずれか一項に記載の表示装置。
15. 前記映像素子は、前記投射レンズ、前記プリズムミラー、及び前記シースルーミラーによって形成されるディストーションを補正する、請求項１～１４のいずれか一項に記載の表示装置。
16. 映像素子と、
    前記映像素子からの画像光を通過させる投射レンズと、
    前記投射レンズから射出された画像光を、光入射面から入射させ、内反射面で反射させ、光射出面から射出させるプリズムミラーと、
    前記プリズムミラーから射出された前記画像光を瞳位置に向けて反射するシースルーミラーとを備え、
    前記プリズムミラーと前記シースルーミラーとは、基準面に沿って光路を折り曲げて軸外し光学系を形成するように配置され、
    前記内反射面と前記シースルーミラーとの間に中間像が形成され、
    前記プリズムミラーと前記シースルーミラーとの間に配置される楔状プリズムを有する、表示装置。
17. 映像素子からの画像光を通過させる投射レンズと、
    前記投射レンズから射出された画像光を、光入射面から入射させ、内反射面で反射させ、光射出面から射出させるプリズムミラーと、
    前記プリズムミラーから射出された前記画像光を瞳位置に向けて反射するシースルーミラーとを備え、
    前記プリズムミラーと前記シースルーミラーとは、基準面に沿って光路を折り曲げて軸外し光学系を形成するように配置され、
    前記内反射面と前記シースルーミラーとの間に中間像が形成され、
    前記基準面に関して、前記内反射面と前記シースルーミラーとの間において、前側に相対的に屈折力が高い領域を有し後側に相対的に屈折力が低い領域を有する屈折面を含む、光学ユニット。

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