JP6089019B2

JP6089019B2 - 表示装置

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Publication number: JP6089019B2
Application number: JP2014234329A
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Inventors: 進平澤田; 堀内　一男; 一男堀内; 快行爰島; 馬場　雅裕; 雅裕馬場
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Publication date: 2017-03-01
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Description

本発明の実施形態は、表示装置に関する。

例えば、ディスプレイから出射された光を、観視者の眼へ向けて投影することで、画像を表示する表示装置がある。このような表示装置は、例えば、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）などの頭部装着型表示装置として用いられる。このような表示装置において、より見易い表示を提供することが望まれる。

特開平５−１３４２０８号公報

本発明の実施形態は、見易い表示装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、表示部と、光学部と、反射部と、を含む表示装置が提供される。前記表示部は、第１表示領域と、第２表示領域と、を含む。前記光学部は、第１出射領域と第２出射領域とを含む。前記反射部は、前記第１表示領域から出射され前記第１出射領域を通過する第１光束の少なくとも一部と、前記第２表示領域から出射され前記第２出射領域を通過する第２光束の少なくとも一部と、を反射し、前記第１光束の前記少なくとも一部を反射する第１反射領域と、前記第２光束の前記少なくとも一部を反射する第２反射領域と、を含む。前記反射部は、複数の反射面を有し、屈折力を有する。前記第１出射領域と前記第１反射領域との間の距離は、前記第２出射領域と前記第２反射領域との間の距離よりも短い。前記光学部は、前記光学部と前記反射部との間の前記第１光束の第１焦点を形成させ、前記光学部と前記反射部との間の前記第２光束の第２焦点を形成させる。前記第１焦点と前記第１反射領域との間の第１距離は、前記第２焦点と前記第２反射領域との間の第２距離よりも短い。

第１の実施形態に係る表示装置を示す模式図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１の実施形態に係る表示装置を示す模式図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、第１の実施形態に係る表示装置を示す模式図である。参考例に係る表示装置を示す模式図である。参考例の表示装置の動作を示す模式図である。参考例の表示装置の動作を示す模式図である。第１の実施形態に係る表示装置を示す模式図である。第２の実施形態に係る表示装置を示す模式図である。第３の実施形態に係る表示装置を示す模式図である。第３の実施形態に係る別の表示装置を示す模式図である。第３の実施形態に係る別の表示装置を示す模式図である。実施形態に係る表示装置を示す模式図である。

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、第１の実施形態に係る表示装置を例示する模式図である。
図１に表したように、表示装置１００は、表示部１１０と、光学部１２０（投影部）と、反射部１３０と、を含む。表示装置１００は、さらに処理部１４０と、保持部３２０と、を含む。表示装置１００は、例えば、頭部装着型表示装置である。

例えば、処理部１４０から表示部１１０に画像情報が入力される。表示部１１０は、映像を表示するディスプレイである。表示部１１０は、複数の画素１１０ｅを含む。複数の画素１１０ｅは、平面上に並べて設けられ、画像情報を含む光Ｌ０を光学部１２０へ向けて出射する。ディスプレイには、例えば、液晶素子、有機ＥＬ素子またはＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）素子などが用いられる。但し、実施形態は、これらに限定されない。

光学部１２０は、表示部１１０の複数の画素１１０ｅから出射された光Ｌ０の光路上において、表示部１１０と反射部１３０との間に設けられる。光学部１２０は、少なくとも１つ以上の光学部材１２１（光学素子）を含む。光学部材には、レンズ、プリズム、またはミラーなどを用いることができる。光学部１２０は、例えば、光Ｌ０の少なくとも一部の進行方向を変化させ、入射した光Ｌ０を投影する。複数の光学素子を用いた場合、それらは直線上に配置されていなくてもよい。

反射部１３０は、複数の反射面１３３を有するマルチミラーアレイ（Multi Mirror Array：ＭＭＡ）である。ＭＭＡにおいて、複数の反射面１３３は、例えば、配置面（例えば平面）１０に沿って並んで設けられている。配置面１０は、観視者８０と対向するように配置される。複数の反射面１３３のそれぞれは、配置面１０に対して傾斜している。

反射部１３０は、例えば、屈折力を有するフレネル状構造のミラーである。反射部１３０の屈折力は、例えば、−２５ディオプトリ以上−３ディオプトリ以下である。なお、実施形態においては、反射部１３０は、屈折力を有していなくてもよい。

反射部１３０は、観視者８０の眼球１５０に向けて、光学部１２０から出射された光Ｌ０の少なくとも一部を反射する。反射部１３０によって反射された光は、眼球１５０から見て、虚像として像１７０を形成する。このようにして、観視者８０は、像を見ることができる。

この例では、観視者８０の正面に虚像として像１７０を表示している。但し、像１７１のように、観視者８０の視界の端に像を表示してもよい。これにより、観視者８０の視界が遮られない。

表示部１１０、光学部１２０及び反射部１３０は、保持部３２０に保持される。保持部３２０は、眼球１５０と反射部１３０との相対的配置、及び、反射部１３０と光学部１２０との相対的配置、を規定する。保持部３２０の形状は、例えば、眼鏡フレーム状である。表示装置１００は、保持部３２０によって観視者８０の頭部に装着可能である。

光学部１２０は、表示装置１００を観視者８０が装着した際に、フレームの内側に配置されるように設けられることが好ましい。すなわち、表示装置１００の使用時（装着時）において、観視者８０と保持部３２０との間に光学部１２０が配置されることが好ましい。これにより、観視者は、通常の眼鏡のように表示装置１００を使用することができ、表示装置１００を使用する際の違和感を小さくすることができる。

なお、図１では、２つの表示装置１００を用いた両眼ＨＭＤが例示されている。一方の表示装置は、観視者８０の右目に対して画像を表示し、他方の表示装置は、左目に対して画像を表示する。実施形態は、１つの表示装置１００を用い、片方の眼に対して画像を表示する単眼ＨＭＤであってもよい。

次に、図２（ａ）、図２（ｂ）、図３（ａ）及び図３（ｂ）を参照して、実施形態に係る表示装置１００の、表示部１１０、光学部１２０および反射部１３０の詳細について説明する。
図２（ａ）、図２（ｂ）、図３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施形態に係る表示装置１００を例示する模式図である。
図２（ａ）は、図１に表した表示部１１０、光学部１２０及び反射部１３０を拡大して例示している。図３（ａ)は、図１に表した反射部１３０を拡大して例示している。

図２（ａ）に表したように、表示部１１０は、第１光束Ｌ１を出射する第１表示領域Ｒｄ１と、第２光束Ｌ２を出射する第２表示領域Ｒｄ２と、を含む。例えば、第１表示領域Ｒｄ１は、第２表示領域Ｒｄ２とは、重ならない。ここで、第１光束Ｌ１及び第２光束Ｌ２は、画像情報を含む光Ｌ０の一部である。第１光束Ｌ１は、第１光線Ｌ１１を含む。第２光束Ｌ２は、第２光線Ｌ２１を含む。第１光線Ｌ１１は、例えば、第１光束Ｌ１の中心の光線である。第２光線Ｌ２１は、例えば、第２光束Ｌ２の中心の光線である。

光学部１２０は、第１光学部材１２１ａと、第２光学部材１２１ｂと、を含む複数の光学部材１２１を含む。第２光学部材１２１ｂは、第１光線Ｌ１１の光路上において、第１光学部材１２１ａと表示部１１０との間に配置されている。第１光学部材１２１ａは、複数の光学部材１２１のうち、第１光線Ｌ１１の光路上において、反射部１３０に最も近い光学部材である。

光学部１２０は、例えば、第１光束Ｌ１及び第２光束Ｌ２が通過する第１レンズ１２１ｆを含む。第１レンズ１２１ｆは、光学部１２０に含まれる複数の光学部材１２１のうちのいずれか１つである。この例では、第１レンズ１２１ｆは、第１光学部材１２１ａである。

第１レンズ１２１ｆは、例えば、偏心レンズである。
例えば、第１レンズ１２１ｆは、第１光束Ｌ１が通過する第１部分Ｖ１と、第２光束Ｌ２が通過する第２部分Ｖ２と、を含む。第１光線Ｌ１１に対する第１部分Ｖ１の屈折力は、第２光線Ｌ２１に対する第２部分Ｖ２の屈折力よりも小さい。例えば、第１光束Ｌ１の進行方向に沿った第１部分Ｖ１の長さは、第２光束Ｌ２の進行方向に沿った第２部分Ｖ２の長さよりも長い。なお、第１光束Ｌ１の進行方向とは、例えば、第１光線Ｌ１１に沿った方向であり、第２光束Ｌ２の進行方向とは、例えば、第２光線Ｌ２１に沿った方向である。

反射部１３０は、凹面ミラーをフレネル状構造としたミラーアレイである。すなわち、複数の反射面１３３は、図３（ａ）に表した凹面ミラー１５を、例えば配置面１０に平行な平面によって複数の領域に分割して、得られる。このような複数の反射面を配置面１０上に並べて配置することで、反射部１３０の厚さを減らすことができる。

例えば、反射部１３０は、第１反射面１３３ａと、第２反射面１３３ｂと、を含む。第２反射面１３３ｂは、配置面１０上において、第１反射面１３３ａと並び、第１反射面１３３ａに対して傾斜している。例えば、配置面１０と第１反射面１３３ａとの間の角度は、配置面１０と第２反射面１３３ｂとの間の角度よりも小さい。なお、図３（ａ）において、凹面ミラー１５は、説明のため図示したものであり、実施形態において表示装置は凹面ミラー１５を含まない。
図３（ａ）の例では、複数の反射面１３３は、配置面１０の面内の方向に沿って、一定のピッチで並べられている。ただし、図３（ｂ）に表したように、複数の反射面１３３のピッチは、一定でなくてもよい。例えば、配置面１０の面内の方向に沿って、ピッチを徐々に変化させ、反射面１３３の高さ（配置面１０に対して垂直な方向に沿った長さ）を揃えてもよい。これにより、例えば、反射部１３０の厚さを均一とすることができる。

複数の反射面１３３は、例えば、ハーフミラーである。すなわち、反射部１３０は、第１光束Ｌ１の一部及び第２光束Ｌ２の一部を透過させる。
または、反射部１３０は、反射部１３０の光学部１２０とは反対側から入射する外光の少なくとも一部を透過させる。換言すると、反射部１３０は、光学部１２０側の第１面１１と、第１面１１と反対側の第２面１２と、を有し、第２面１２から反射部１３０に入射する外光の少なくとも一部を透過させる。

これにより、観視者８０は、表示装置１００が表示する像と、外界と、を見ることができる。すなわち、表示装置１００は、シースルー表示を行うことができる。なお、反射面１３３において、反射率と透過率とは、例えば、同率である。但し、実施形態は、同率である例に限られない。反射面に用いられる材料は、一部の光を透過し一部の光を反射する材料であれば、どのようなものでも構わない。

さらに、図２（ａ）、図２（ｂ）及び図３（ａ）を参照して、表示装置１００の動作の詳細について説明する。
図２（ａ）に表したように、表示部１１０から出射された第１光束Ｌ１および第２光束Ｌ２は、光学部１２０に入射する。

光学部１２０は、第１出射位置Ｐｅ１（第１出射領域Ｒｅ１）と、第２出射位置Ｐｅ２（第２出射領域Ｒｅ２）と、を含む。第１出射領域Ｒｅ１の一部は、第２出射領域Ｒｅ２の一部と重なってもよいし、重ならなくてもよい。
第１光束Ｌ１は、第１出射領域Ｒｅ１を通過し、第２光束Ｌ２は、第２出射領域Ｒｅ２を通過する。
光学部１２０に入射した第１光線Ｌ１１は、第１出射位置Ｐｅ１から出射される。光学部１２０に入射した第２光線Ｌ２１は、光学部１２０の第２出射位置Ｐｅ２から出射される。第１出射領域Ｒｅ１及び第２出射領域Ｒｅ２は、第１光学部材１２１ａ上に位置する。

光学部１２０を通過した第１光束Ｌ１及び第２光束Ｌ２は、反射部１３０に入射する。表示装置１００において画像情報を含む光は、反射部１３０に対して斜めに入射する。例えば、配置面１０に対する第１光線Ｌ１１の入射角度θ１１は、２５度以上４５度以下である（図２（ｂ））。反射部１３０は、光学部１２０を通過した第１光束Ｌ１の少なくとも一部と、光学部１２０を通過した第２光束Ｌ２の少なくとも一部と、を反射する。

反射部１３０は、第１反射領域Ｒｒ１と、第２反射領域Ｒｒ２と、を含む。第１反射領域Ｒｒ１は、第１光束Ｌ１の少なくとも一部を反射する。第２反射領域Ｒｒ２は、第２光束Ｌ２の少なくとも一部を反射する。
例えば、第１反射領域Ｒｒ１と第２反射領域Ｒｒ２とは、互いに重ならない。あるいは、例えば、第１反射領域Ｒｒ１の一部は、第２反射領域Ｒｒ２の一部と重なってもよい。
第１反射領域Ｒｒ１の中心（第１反射位置Ｐｒ１）は、第１反射面１３３ａ上に位置し、第２反射領域Ｒｒ２の中心（第２反射位置Ｐｒ２）は、第２反射面１３３ｂ上に位置する。
反射部１３０は、第１反射位置Ｐｒ１において、第１光線Ｌ１１を反射する。また、反射部１３０は、第２反射位置Ｐｒ２において、第２光線Ｌ２１を反射する。

第１出射領域Ｒｅ１と第１反射領域Ｒｒ１との間の距離は、第２出射領域Ｒｅ２と第２反射領域Ｒｒ２との間の距離よりも短い。すなわち、例えば、第１光束Ｌ１は、観視者８０の頭部側（観視者８０から見て内側）を通り、第２光束Ｌ２は、観視者８０の頭部とは反対側（観視者８０から見て外側）を通る。なお、第１出射領域Ｒｅ１と第１反射領域Ｒｒ１との間の距離は、第１出射領域Ｒｒ１に含まれる１点と第１反射領域Ｒｒ１に含まれる１点とを結ぶ線分が最も短くなる時の、その線分の長さである。同様に、第２出射領域Ｒｅ２と第２反射領域Ｒｒ２との間の距離は、第２出射領域Ｒｅ２に含まれる１点と第２反射領域Ｒｒ２に含まれる１点とを結ぶ線分が最も短くなる時の、その線分の長さである。

前述したように、反射部１３０は、フレネル状構造のミラーである。このため、例えば、第１反射面１３３ａにおける第１光線Ｌ１１の入射角度（第１入射角度θ１）は、第２反射面１３３ｂにおける第２光線Ｌ２１の入射角度（第２入射角度θ２）よりも、大きい（図２（ｂ））。例えば、第１入射角度θ１は、１５度以上３０度以下である。例えば、第２入射角度θ２は、５度以上２０度以下である。

反射部１３０で反射された、第１光束Ｌ１の少なくとも一部および第２光束Ｌ２の少なくとも一部は、眼球１５０へ投影される。これにより、観視者８０は、画像情報に対応した像を見ることができる。

図３（ａ）に表したように、光学部１２０によって、中間像５０が形成される。

中間像５０は、表示部１１０が出射する画像情報に対応した像である。中間像５０は、第１光束Ｌ１による像５１と、第２光束Ｌ２による像５２と、を含む。

光学部１２０は、光学部１２０と反射部１３０との間の第１光束Ｌ１に第１焦点Ｑ１を形成させ、光学部１２０と反射部１３０との間の第２光束Ｌ２に第２焦点Ｑ２を形成させる。そして、実施形態においては、第１焦点Ｑ１と第１反射領域Ｒｒ１との間の第１距離Ｄ１は、第２焦点Ｑ２と第２反射領域Ｒｒ２との間の第２距離Ｄ２よりも、短い。なお、第１焦点Ｑ１と第１反射領域Ｒｒ１との間の距離は、第１焦点Ｑ１と第１反射領域Ｒｒ１に含まれる点とを結ぶ線分が最も短くなるときの、その線分の長さである。同様に、第２焦点Ｑ２と第２反射領域Ｒｒ２との距離は、第２焦点Ｑ２と第２反射領域Ｒｒ２に含まれる点とを結ぶ線分が最も短くなるときの、その線分の長さである。なお、第１焦点Ｑ１および第２焦点Ｑ２は、光学部１２０から放出され反射部１３０に入射する光束が形成する虚像に含まれる焦点である。

図４は、参考例に係る表示装置を例示する模式図である。
参考例に係る表示装置１０９は、表示装置１００と同様に、表示部１１０と、光学部１２９と、反射部１３９と、を含む。なお、図４には、反射部１３９の一部のみを示す。

参考例の反射部１３９は、フレネル状構造のミラーアレイではなく、凹面ミラー１５である。また、参考例の光学部１２９は、反射部１３９の反射面に応じて適宜調整されている。これ以外の表示装置１０９の構成は、表示装置１００の構成と同様である。

図４に表したように、例えば、参考例の表示装置１０９において、表示部１１０から、光束Ｌ８と、光束Ｌ９と、が出射される。

光束Ｌ８の中心の光線Ｌ８１は、凹面ミラー１５上の位置Ｐ８において反射され、眼球１５０へ向けて進行する。光束Ｌ９の中心の光線Ｌ９１は、凹面ミラー１５上の位置Ｐ９において反射され、眼球１５０へ向けて進行する。

このようにして、光学部１２９は、中間像５９を形成する。そして、光学部１２９は、光束Ｌ８に焦点Ｑ８を形成させ、光束Ｌ９に焦点Ｑ９を形成させる。なお、焦点Ｑ８および焦点Ｑ９は、光学部１２９から放出され反射部１３９に入射する光束が形成する虚像に含まれる焦点である。

表示装置１０９において、焦点Ｑ８と、反射部１３９上の位置Ｐ８と、の間の距離Ｄ８は、焦点Ｑ９と、反射部１３９上の位置Ｐ９と、の間の距離Ｄ９と、実質的に同じとされる。このように、凹面ミラー１５を用いた表示装置１０９においては、反射部１３９と中間像５９との間の距離は、実質的に一定とされる。

参考例の表示装置１０９のように、反射部に凹面ミラーを用いることで、表示装置の画角を広くすることができる。しかしながら、凹面ミラーを用いた場合には、反射部が厚くなる。このため、頭部装着用の表示装置において、利便性やデザイン性が損なわれるおそれがある。

これに対して、例えば、凹面ミラー１５を、フレネル状構造のミラーアレイとすることで、画角を広くし、さらに、反射部を薄くすることができる。しかし、参考例の表示装置１０９において、フレネル状構造のミラーアレイを用いると、表示される像に大きな収差が生じる場合がある。

次に、表示装置に生じる収差について説明する。
図５及び図６（ａ）〜図６（ｄ）は、参考例の表示装置の動作を例示する模式図である。
図５及び図６（ａ）〜図６（ｄ）に示した表示装置は、実施形態に係る表示装置１００と同様に、表示部、光学部及び反射部を有する。但し、ここでは、反射部の一部のみを例示している。図５及び図６（ａ）〜図６（ｄ）のそれぞれにおいては、反射部の構成が互いに異なるものとする。

図５は、フレネル状構造の反射部１３１を用いた場合の、中間像の結像位置を例示している。さらに、図５は、凹面ミラー１５を反射部として用いた場合の、中間像の結像位置を例示している。
例えば、中間像５０の結像位置（形状）は、観視者８０の前方に平面の映像を表示するために最適な形状とされる。これは、平面の映像から逆光線追跡（映像が結像する位置から表示部への光路追跡）によって求めることができる。逆光線追跡によって求められた中間像の位置に、投影部（光学部１２０）が形成する中間像が重なると、観視者は、平面の映像を見ることができる。
図５及び図６（ａ）〜図６（ｄ）では、このような逆光線追跡によって求められた、中間像の結像位置を示す。

凹面ミラー１５を用いた場合、表示部１１０から出射された画像情報を含む光Ｌａは、凹面ミラー１５を経由して、眼球１５０に投影される。このとき、焦点２１において中間像が結像する。一方、フレネル状構造の反射部１３１を用いた場合、光Ｌａによって、焦点２２において中間像が結像する。

凹面ミラー１５をフレネル状構造の反射部１３１とすることで、逆光線追跡によって考えた場合の、光Ｌａの光路（反射方向）が変化する。光Ｌａの光路は、凹面ミラー１５を用いた場合の光路Ｐａ２から、フレネル状構造の反射部１３１を用いた場合の光路Ｐａ１に変化する。すなわち、光路が頭部方向に移動する。これにより、光Ｌａによる中間像の結像位置は、焦点２１の位置から焦点２２の位置へ変化する。

このように、凹面ミラーをフレネル状構造のミラーアレイとすることで、逆光線追跡によって考えた場合に、画像情報を含む光の焦点位置が、反射面に向かう方向に移動する。つまり、焦点位置が反射部に近くなる。

図６（ａ）は、反射部にミラー１５ａを用いた場合の、中間像の結像位置を例示する。例えば、図６（ａ）の例では、焦点２１ａにおいて中間像が結像する。

図６（ｂ）は、フレネル状構造の反射部１３１ａを用いた場合の、中間像の結像位置を例示する。反射部１３１ａは、図６（ａ）に示したミラー１５ａを複数の領域に分割し、配置面１０上に並べたミラーアレイである。図６（ｂ）の例では、焦点２２ａにおいて中間像が結像する。

図６（ｃ）は、反射部にミラー１５ｂを用いた場合の、中間像の結像位置を例示する。ミラー１５ｂは、図６（ａ）に示したミラー１５ａに比べて、傾きが緩やかな（傾きが小さい）面である。すなわち、配置面１０とミラー１５ｂの反射面との間の角度は、配置面１０とミラー１５ａの反射面との間の角度よりも小さい。この場合には、焦点２１ｂにおいて中間像が結像する。

図６（ｄ）は、フレネル状構造の反射部１３１ｂを用いた場合の、中間像の結像位置を例示する。反射部１３１ｂは、図６（ｃ）に示したミラー１５ｂを複数の領域に分割し、配置面１０上に並べたミラーアレイである。図６（ｄ）の例では、焦点２２ｂにおいて中間像が結像する。

図５において説明した場合と同様に、図６（ｂ）の焦点２２ａの位置は、図６（ａ）の焦点２１ａが反射面に向かう方向に移動した位置である。また、図６（ｄ）の焦点２２ｂの位置は、図６（ｃ）の焦点２１ｂが反射面に向かう方向に移動した位置である。

焦点２１ａから焦点２２ａへの移動距離Ｄａは、焦点２１ｂから焦点２２ｂへの移動距離Ｄｂよりも長い。つまり、配置面１０に対して大きな傾きを有する（傾きが急な）ミラーほど、フレネル状構造にした場合に、焦点の位置が大きく移動する。ここで、「傾きが大きい」とは、配置面１０とミラー（反射面）との間の角度が大きいことをいう。

このように、フレネル状構造のミラーアレイを用いることで、逆光線追跡で考えた場合の、焦点の位置が移動する。このとき、投影部（光学部１２０）が形成する中間像の位置が、逆光線追跡で考えた場合の理想的な中間像の位置から離れると観視者から見える像が歪んでしまう。例えば、反射部１３０の一端で反射した光束の焦点の移動距離と、反射部１３０の他端で反射した光束の焦点の移動距離と、が異なる場合がある。このため、観視者８０が見る画像において、画像の一端が他端よりも遠く見える場合がある。このようにして、観視者８０が見る画像の全体に、傾きや像面湾曲などの収差が生じる場合がある。

凹面ミラー１５のように、屈折力を有するミラーをフレネル状構造のミラーアレイとした場合には、特に収差が生じやすい。ミラーアレイが屈折力を有する場合には、図３に表したように、反射面１３３ごとに配置面１０との間の角度が異なる。例えば、第２反射面１３３ｂは、第１反射面１３３ａよりも、大きな傾きを有している。このため、図６（ａ）〜図６（ｄ）における説明と同様に、第２反射面１３３ｂを介して観視される像の結像位置は、第１反射面１３３ａを介して観視される像の結像位置に比べて、反射部に近くなりやすい。すなわち、収差が生じやすい。

これに対して、実施形態においては、図３（ａ）に表したように中間像５０の形状をＭＭＡに適した形状とすることで、上述の収差を抑制する。
フレネル状構造のミラーアレイを用いた表示装置において、逆光線追跡を行った場合、平面の映像から中間像までの間では、反射部（ＭＭＡ）と、眼球１５０と、反射部と眼球１５０との相対位置と、が光路に影響を与える。つまり、平面の映像を表示する位置と、アイレリーフ（反射部と眼球との間の距離）と、反射部の形状と、によって中間像の形状が決められる。これらの要素から求められる中間像の形状は、図３（ａ）に表したような形状となる。そこで、この形状と一致する中間像を形成することのできる投影部を用意することで、収差を抑制することができる。
具体的には、第２反射面１３３ｂに対応した中間像（像５２）が結像する点を、第２反射面１３３ｂ（第２反射位置Ｐｒ２）から遠い位置に配置する。そして、第１反射面１３３ａに対応した中間像（像５１）が結像する点を、第１反射面１３３ａ（第１反射位置Ｐｒ１）から近い位置に配置する。これにより、第１焦点Ｑ１と第１反射領域Ｒｒ１との間の第１距離Ｄ１は、第２焦点Ｑ２と第２反射領域Ｒｒ２との間の第２距離Ｄ２よりも短くなる。
このように、中間像の形状をＭＭＡに適した形状とすることによって、反射部をフレネル状構造としたことで生ずる光路（焦点）のずれを補正し、収差を抑制することができる。

具体的には、光学部１２０に正の屈折力を有する偏心レンズを用いる。これにより、例えば、図２のように、第２光線Ｌ２１は迂回して反射部１３０へ向かい、第１光線Ｌ１１は、直線的に反射部１３０へ向かう。このため、第１光線Ｌ１１の光路は短くなり、第２光線Ｌ２１の光路は長くなる。また、偏心レンズのうち第２光線Ｌ２１が通過する部分の屈折力を比較的大きくする。これにより、中間像５０の像５２の位置を、表示部１１０に近づけることができる。このような光路とすることで、収差を抑制することができる。

図７（ａ）〜図７（ｄ）は、第１の実施形態に係る表示装置を例示する模式図である。図７（ａ）〜図７（ｄ）に表した表示装置１００ａ〜１００ｄは、表示装置１００の変形例である。表示装置１００ａ〜１００ｄのそれぞれは、表示装置１００と同様に、表示部１１０と、光学部１２０と、反射部１３０と、を含む。表示装置１００ａ〜１００ｄにおいては、アイレリーフ（反射部１３０と眼球１５０との間の距離）を変化させている。なお、図７（ａ）〜図７（ｄ）においては、反射部１３０の一部のみを示す。

表示装置１００ａにおいては、アイレリーフは、１５ミリメートル（ｍｍ）である。表示装置１００ｂにおいては、アイレリーフは、３０ｍｍである。表示装置１００ｃにおいては、アイレリーフは、５０ｍｍである。表示装置１００ｄにおいては、アイレリーフは、７０ｍｍである。

表示装置１００ａ〜１００ｄにおいても、第１距離Ｄ１は、第２距離Ｄ２よりも短い。そして、アイレリーフの長さに応じて、中間像５０の形状を変化させる。図７（ａ）〜図７（ｄ）に表したように、アイレリーフが短いほど、中間像５０の傾きを大きくする。すなわち、アイレリーフが短いほど、第１距離Ｄ１と第２距離Ｄ２との差を大きくする。さらに、アイレリーフの長さが短い程、第１光線Ｌ１１の反射位置（第１反射位置Ｐｒ１）と、第２光線Ｌ２１の反射位置（第２反射位置Ｐｒ２）と、の間の距離を短くする。このように、アイレリーフの長さに応じて、中間像の形状を変化させることで、収差を抑制し、見易い表示を得ることができる。

アイレリーフが長すぎる場合、表示装置が大型となり、利便性やデザイン性が損なわれる。実施形態においては、アイレリーフは、好ましくは、１０ｍｍ以上４０ｍｍ以下である。このとき、第１距離Ｄ１は、第２距離Ｄ２の１．５倍以上５．０倍以下である。

以上説明したように、実施形態に係る表示装置においては、フレネル状構造の反射部１３０を用い、さらに、アイレリーフを短くする。これにより、表示装置の大型化を抑制する。そして、反射部１３０が屈折力を有する場合には、画角を広くすることができる。この際、第１距離Ｄ１を、第２距離Ｄ２よりも短くする。これにより、収差を抑制することができ、見易い表示を提供することができる。

（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態に係る表示装置を例示する模式図である。
図８に表したように、第２の実施形態に係る表示装置１０２は、表示部１１０と、光学部１２２と、反射部１３０と、を含む。第２の実施形態は、光学部１２２において、第１の実施形態と異なる。

光学部１２２は、複数の光学部材１２１を含む。また、光学部１２２は、第１光束Ｌ１および第２光束Ｌ２が通過するプリズム１２１ｐを含む。プリズム１２１ｐは、複数の光学部材１２１のうちのいずれかである。

プリズム１２１ｐのうち第１光束Ｌ１が通過する部分の、第１光束Ｌ１の進行方向に沿った光学的距離は、プリズム１２１ｐのうち第２光束Ｌ２が通過する部分の、第２光束Ｌ２の進行方向に沿った光学的距離よりも長い。これにより、光路を曲げて、内側と外側とで光路差をつけることができる。つまり、第２光線Ｌ２１の反射部１３０までの光路長を、第１光線Ｌ１１の反射部１３０までの光路長よりも長くすることができる。これにより、焦点の位置を調整することができ、収差を抑制することができる。

（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態に係る表示装置を例示する模式図である。
図９に表したように、第３の実施形態に係る表示装置１０３は、表示部１１０と、光学部１２３と、反射部１３０と、を含む。第３の実施形態は、光学部１２３において、第１の実施形態と異なる。

光学部１２３は、複数の光学部材１２１を含む。また、光学部１２３は、反射部材１２１ｍを含む。反射部材１２１ｍは、複数の光学部材１２１のうちのいずれかである。反射部材１２１ｍは、第１光束Ｌ１および第２光束Ｌ２を反射する反射面Ｓ１を有する。反射部材１２１ｍの反射面Ｓ１は、平面である。

反射部材１２１ｍを用いることで、表示部１１０から出射された画像情報を含む光の進行方向を変化させる。これにより、例えば、第１光線Ｌ１１の光路および第２光線Ｌ２１の光路が、眼鏡フレーム（保持部３２０）の形状に沿うようにすることができる。例えば、表示装置１０３を、観視者８０の頭部に密着させ、装着しやすくすることができる。例えば、光学部が眼鏡フレームから、はみ出さないようにすることができ、デザイン性やバランスを向上させることができる。

図１０は、第３の実施形態に係る別の表示装置を例示する模式図である。
図１０に表した表示装置１０４の光学部１２４は、反射部材１２１ｎを含む。これ以外の表示装置１０４の構成は、表示装置１０３と同様である。

反射部材１２１ｎは、第１光束Ｌ１の少なくとも一部および第２光束Ｌ２の少なくとも一部を反射する反射面Ｓ２を有する。反射部材１２１ｎの反射面Ｓ２は、例えば、凹面状であり、屈折力を有する。

反射部材１２１ｎを用いることで、表示装置１０３と同様に、光路が眼鏡フレームの形状に沿うようにすることができる。反射面Ｓ２が屈折力を有することにより、さらに光路を調整することができる。これにより、例えば、光学部材１２１の数（例えばレンズの数）を減らすことができる。

図１１は、第３の実施形態に係る別の表示装置を例示する模式図である。
図１１に表した表示装置１０５の光学部１２５は、反射部材１２１ｒを含む。これ以外の表示装置１０５の構成は、表示装置１０３と同様である。

反射部材１２１ｒは、第１光束Ｌ１及び第２光束Ｌ２を反射する反射面Ｓ３を有する。反射部材１２１ｒの反射面Ｓ３は、平面である。

さらに、反射部材１２１ｒは、反射面Ｓ３の面内の方向に延在する回転軸１２１ｘを含む。回転軸１２１ｘは、反射面Ｓ３の法線ｎ１と垂直な方向に延在する。反射面Ｓ３は、回転軸１２１ｘを中心軸として回転することができる。反射面Ｓ３の回転に応じて、第１光線Ｌ１１の光路および第２光線Ｌ２１の光路が変化する。

反射部材１２１ｒを回転させても、第１光線Ｌ１１の光路長と、第２光線Ｌ２１の光路長と、の関係は変わらない。これにより、例えば、表示部１１０と、反射部１３０と、の位置関係を調節することができ、表示装置を装着しやすくすることができる。例えば、眼鏡フレームのつるを折り曲げられるようになり、装着性を向上させることができる。また、つるを折り曲げられることで、収納性を向上させることができる。

図１２は、実施形態に係る表示装置を例示する模式図である。
図１２は、実施形態に係る表示装置のシステム構成の一例を例示している。なお、図１２に表した例は、実施形態に係る表示装置の一例であり、必ずしも実際のモジュールとは一致しない場合がある。

図１２に表したように、処理部１４０は、例えば、インターフェース４２、処理回路（プロセッサ）４３、及びメモリ４４を含む。

例えば、処理部１４０は、インターフェース４２を介して、外部の記憶媒体やネットワークと接続され、画像情報を取得する。外部との接続には、有線及び無線のいずれの方法を用いてもよい。

メモリ４４には、例えば取得した画像情報を処理するプログラム４５が記憶されている。例えばプログラム４５に基づいて画像情報が適宜変換され、これにより、表示部１１０において適切な表示が行われる。メモリ４４において、画像情報が保持されていてもよい。プログラム４５は、予めメモリ４４に記憶された状態で提供されてもよいし、ＣＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体やネットワークを介して提供され、適宜インストールされてもよい。

処理部１４０は、センサ４６を含んでもよい。センサ４６には、例えば、カメラ、マイク、位置センサ又は加速度センサなどの任意のセンサを用いることができる。例えば、センサ４６から得られる情報に基づいて、表示部１１０に表示される画像を適宜変更する。これにより、表示装置の利便性や見易さを向上させることができる。

例えば、処理回路４３において、センサ４６から得られる情報や画像情報などが、プログラム４５に基づいて処理される。

このようにして得られた画像情報が、処理部１４０から表示部１１０に入力され、表示装置において表示が行われる。

処理部１４０の各ブロックの一部、又は全部には、ＬＳＩ（Large Scale Integration）等の集積回路またはＩＣ（Integrated Circuit）チップセットを用いることができる。各ブロックに個別の回路を用いてもよいし、一部又は全部を集積した回路を用いてもよい。各ブロック同士が一体として設けられてもよいし、一部のブロックが別に設けられてもよい。また、各ブロックのそれぞれにおいて、その一部が別に設けられてもよい。集積化には、ＬＳＩに限らず、専用回路又は汎用プロセッサを用いてもよい。

実施形態によれば、見易い表示装置が提供できる。

なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、表示部、光学部、反射部、保持部および処理部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した表示装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての表示装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…配置面、１１…第１面、１２…第２面、１５…凹面ミラー、１５ａ、１５ｂ…ミラー、２１、２１ａ、２１ｂ、２２、２２ａ、２２ｂ…焦点、４２…インターフェース、４３…処理回路、４４…メモリ、４５…プログラム、４６…センサ、５０…中間像、５１、５２…像、５９…中間像、８０…観視者、１００、１００ａ〜１００ｄ、１０２〜１０５、１０９…表示装置、１１０…表示部、１１０ｅ…画素、１２０…光学部、１２１…光学部材、１２１ａ…第１光学部材、１２１ｂ…第２光学部材、１２１ｆ…レンズ、１２１ｍ、１２１ｎ、１２１ｒ…反射部材、１２１ｐ…プリズム、１２１ｘ…回転軸、１２２〜１２５、１２９…光学部、１３０、１３１、１３１ａ、１３１ｂ…反射部、１３３…反射面、１３３ａ…第１反射面、１３３ｂ…第２反射面、１３９…反射部、１４０…処理部、１５０…眼球、１７０、１７１…像、３２０…保持部、Ｄ１…第１距離、Ｄ２…第２距離、Ｄ８、Ｄ９…距離、Ｄａ、Ｄｂ…移動距離、Ｌ０…光、Ｌ１…第１光束、Ｌ１１…第１光線、Ｌ２…第２光束、Ｌ２１…光線、Ｌ８、Ｌ９…光束、Ｌ８１、Ｌ９１…光線、Ｌａ…光、Ｌｅ…外光、Ｐｅ１…第１出射位置、Ｐｅ２…第２出射位置、Ｐｒ１…第１反射位置、Ｐｒ２…第２反射位置、Ｐ８、Ｐ９…位置、Ｐａ１、Ｐａ２…光路、Ｑ１…第１焦点、Ｑ２…第２焦点、Ｑ８、Ｑ９…焦点、Ｒｄ１…第１表示領域、Ｒｄ２…第２表示領域、Ｒｅ１…第１出射領域、Ｒｅ２…第２出射領域、Ｒｒ１…第１反射領域、Ｒｒ２…第２反射領域、Ｓ１〜Ｓ３…反射面、ｎ１…法線、Ｖ１…第１部分、Ｖ２…第２部分

Claims

第１表示領域と、第２表示領域と、を含む表示部と、
第１出射領域と、第２出射領域と、を含む光学部と、
前記第１表示領域から出射され前記第１出射領域を通過する第１光束の少なくとも一部と、前記第２表示領域から出射され前記第２出射領域を通過する第２光束の少なくとも一部と、を反射する反射部であって、前記第１光束の前記少なくとも一部を反射する第１反射領域と、前記第２光束の前記少なくとも一部を反射する第２反射領域と、を含み、複数の反射面を有し屈折力を有する前記反射部と、
を備え、
前記第１出射領域と前記第１反射領域との間の距離は、前記第２出射領域と前記第２反射領域との間の距離よりも短く、
前記光学部は、前記光学部と前記反射部との間の前記第１光束の第１焦点を形成させ、前記光学部と前記反射部との間の前記第２光束の第２焦点を形成させ、
前記第１焦点と前記第１反射領域との間の第１距離は、前記第２焦点と前記第２反射領域との間の第２距離よりも短い表示装置。
前記反射部は、第１反射面と、前記第１反射面に対して傾斜した第２反射面と、を含み、
前記第１反射領域の中心は、前記第１反射面上に位置し、
前記第２反射領域の中心は、前記第２反射面上に位置する請求項１記載の表示装置。
前記第１反射面における前記第１光束の中心の第１光線の第１入射角は、前記第２反射面における前記第２光束の中心の２光線の第２入射角とは異なる請求項２記載の表示装置。
前記第１反射面における前記第１光束の中心の第１光線の第１入射角は、前記第２反射面における前記第２光束の中心の第２光線の第２入射角よりも大きい請求項２記載の表示装置。
前記第１反射面は、配置面上において前記第２反射面と並び、
前記第１反射面と前記配置面との間の角度は、前記第２反射面と前記配置面との間の角度よりも小さい請求項２記載の表示装置。
前記光学部は、第１光学部材と、前記第１光束に含まれる光線の光路上において前記第１光学部材と前記表示部との間に設けられた第２光学部材と、をさらに含み、
前記第１出射領域及び前記第２出射領域は、前記第１光学部材上に位置する請求項１〜５のいずれか１つに記載の表示装置。
前記光学部は、前記第１光束及び前記第２光束が通過する第１レンズを含み、
前記第１レンズは、
前記第１光束が通過する第１部分と、
前記第２光束が通過する第２部分と、
を含み、
前記第１部分の前記第１光束の方向に沿った長さは、前記第２部分の前記第２光束の方向に沿った長さよりも長い請求項１〜６のいずれか１つに記載の表示装置。
前記光学部は、前記第１光束及び前記第２光束が通過する第１レンズを含み、
前記第１レンズは、
前記第１光束が通過する第１部分と、
前記第２光束が通過する第２部分と、
を含み、
前記第１部分の屈折力は、前記第２部分の屈折力よりも小さい請求項１〜６のいずれか１つに記載の表示装置。
前記光学部は、前記第１光束及び前記第２光束が通過するプリズムを含み、
前記プリズムは、
前記第１光束が通過する部分と、
前記第２光束が通過する部分と、
を含み、
前記第１光束が通過する前記部分の前記第１光束の方向に沿った光学的距離は、前記第２光束が通過する前記部分の前記第２光束の方向に沿った光学的距離よりも長い請求項１〜８のいずれか１つに記載の表示装置。
前記反射部は、前記第１光束の一部及び前記第２光束の一部を透過させる請求項１〜９のいずれか１つに記載の表示装置。
前記反射部は、前記光学部の側の第１面と、前記第１面と反対側の第２面と、を有し、
前記反射部は、前記第２面から前記反射部に入射する外光の少なくとも一部を透過させる請求項１〜１０のいずれか１つに記載の表示装置。
前記光学部は、前記第１光束の少なくとも一部及び前記第２光束の少なくとも一部を反射する面を有する反射部材をさらに含む請求項１〜１１のいずれか１つに記載の表示装置。
前記反射部材の前記面は、屈折力を有する請求項１２記載の表示装置。
前記反射部材は、回転軸を含み、
前記反射部材の前記面は、前記回転軸を軸として回転可能であり、
前記第１光束に含まれる光線の光路は、前記反射面の回転に応じて変化する請求項１２または１３記載の表示装置。
前記第１距離は、前記第２距離の１．５倍以上５．０倍以下である請求項１〜１４のいずれか１つに記載の表示装置。
前記反射部、前記光学部及び前記表示部の少なくともいずれかを保持する保持部をさらに備え、
観視者の頭部に装着可能な請求項１〜１５のいずれか１つに記載の表示装置。
前記保持部は、前記観視者の眼球と、前記表示部と、の間の距離を規定する請求項１６記載の表示装置。
前記観視者の眼球と、前記表示部と、の間の前記距離は、１０ミリメートル以上４０ミリメートル以下である請求項１７記載の表示装置。
前記表示部及び前記光学部は、装着時において前記頭部と前記保持部との間に配置される請求項１６〜１８のいずれか１つに記載の表示装置。