JP6848310B2 - 虚像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、頭部に装着して使用するヘッドマウントディスプレイその他の虚像表示装置に関する。

近年、ヘッドマウントディスプレイのように虚像の形成及び観察を可能にする虚像表示装置として、様々なタイプのものが提案されている。

例えば、体積位相型で反射型のホログラフィック光学素子を用いて虚像の観察を可能にする映像表示装置が公知となっている（特許文献１参照）。この装置では、ホログラフィック光学素子への入射光の光軸と反射光の光軸とを含む面を主平面として、ホログラフィック光学素子の面が、主平面を対称面とする対称形であり、主平面に平行な面内でのみ曲率を有し、かつ面内で表示面の中心から最も近い位置から最も遠い位置に向かうにつれて曲率半径が最も小さくなる観察瞳側に凹の曲面で構成されていることが開示されている。また、特許文献１の基板の観察者側の面上又は反観察者側の面上にホログラフィック光学素子が形成され、投射光学系が構成されることが開示されている。

また、映像光生成部からの光を第１の回折光学素子を介して光スキャナーに導き、光スキャナーからの光を瞳拡大用の光学素子を介して第２の回折光学素子に入射させ、第２の回折光学素子で反射された光を眼側に射出させるものも公知となっている（特許文献２参照）。

特許文献１の映像表示装置の場合、ホログラフィック光学素子やこれを支持する導光体で色分離が発生するが、このような複合的な色分離について考慮されていない。また、特許文献２の虚像表示装置の場合、レーザー光を網膜に直接照射する点で安全性の問題がつきまとう。また、光束幅を拡大するための高精度の光学素子が必要になること、複数の回折素子を用いることで光の利用効率が低下することといった課題がある。

特開２０１２−１３９０８号公報 特開２０１６−１０９９２３号公報

本発明は、上記背景技術の問題に鑑みてなされたものであり、色分離の少ない小型で軽量な虚像表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る虚像表示装置は、画像光の向きを回折によって観察者の眼の位置に向ける回折部と、回折部の眼側に配置されて回折部を支持する光透過性基材とを有する回折光学部材と、画像光を回折光学部材側に向けて射出する画像形成部とを備え、光透過性基材は、回折部によって生じる色分離を補正する色分離補正部である。

上記虚像表示装置では、光透過性基材が回折部によって生じる色分離を補正する色分離補正部であるので、回折部による回折の色分離を、投射用の光学系等を大きくすることなく補正することができ、高品位のカラー表示が可能になる。ここで、光透過性基材は、画像光の入射に伴う屈折と、回折部で角度変換された画像光の射出に伴う屈折とを合わせた色分離により、回折部による回折に際しての色分離を補正する。

本発明の具体的な側面では、上記虚像表示装置において、光透過性基材への入射時及び射出時の屈折によって生じる色分離は、回折部によって生じる色分離に対して逆方向である。光透過性基材に起因する色分離が回折部によって生じる色分離に対して逆方向であれば、互いの色分離が相殺するように作用し、色分離の補正が確実なものとなる。

本発明の別の側面では、回折光学部材への画像光の入射角は、観察者が正面視した場合を基準として５０°〜８０°である。この場合、回折光学部材への画像光の入射角を比較的大きくすることができ、画像光の光路を確保しやすくなるとともに、色分離補正部による色分離の補正量を比較的大きくすることができ、色分離の補正が確実なものとなる。

本発明のさらに別の側面では、回折部は、斜入射した像光を光透過性基材の回折部側の面の略法線方向に射出させる。この場合、観察者の眼に対して回折光学部材を比較的対称的に配置することができ、回折光学部材を薄くしつつ回折光学部材の外観を眼鏡レンズに近づけることができる。

本発明のさらに別の側面では、色分離補正部は、画像光の透過率が５０％以上である。

本発明のさらに別の側面では、光透過性基材は、平面、楕円面、円筒面、及び自由曲面のいずれかである。特に平面や円筒面である場合、回折部の作製や組み込みが容易となる。

本発明のさらに別の側面では、回折光学部材は、回折部を挟んで光透過性基材の外側に配置され光透過性を有する外側基材を有する。このような外側基材を設けることで、回折部が光透過性基材と外側基材との間に挟まれて保護される。

本発明のさらに別の側面では、回折光学部材は、外界を透視する際の視度が略ゼロである。この場合、前方視野の観察が自然なものとなる。

本発明のさらに別の側面では、回折部は、ホログラム及び表面レリーフ回折格子のいずれか一方である。一般的なホログラムの場合、それ自体については色分離をなくすことが容易でないが、光透過性基材等との組合せた色分離を低減することで、画質向上を図ることができる。特に体積ホログラムの場合、それ自体については設計により究極的には色分離をなくすことができるが、光透過性基材等と組合せた色分離を低減することで、画質向上を図ることができる。表面レリーフ回折格子の場合、それ自体については色分離をなくすことが一般的に容易でないが、光透過性基材等と組合せた色分離を低減することで、画質向上を図ることができる。

本発明のさらに別の側面では、画像形成部と回折光学部材との間に配置されるレンズ系をさらに備え、光透過性基材は、レンズ系と協働して、回折部によって生じる色分離を補正する。ここで、レンズ系は、一部にミラーを含んでいてもよい。レンズ系は、回折部に入射する画像光の状態を整える役割を有し、回折光学部材によって形成される虚像をより高画質とできる。この場合、レンズ系と回折光学部材とを含めた全体で色分離を低減することで、高品位のカラー表示が可能になる。

本発明のさらに別の側面では、レンズ系は、光路を折り曲げるミラーを含む。この場合、レンズ系の配置の自由度が高まり、外観的デザインの自由度を高めることができる。

本発明のさらに別の側面では、ミラーは、回折光学部材から延長された部材によって支持されている。この場合、回折光学部材とミラーとの配置関係を維持することが容易となり、外観的デザインも簡潔なもとのしやすくなる。

本発明のさらに別の側面では、レンズ系と回折光学部材との間に中間像を形成する。この場合、回折光学部材の近くに比較的大きな中間像を形成することができ、画像形成部を眼の位置から十分離して配置しつつ画像形成部やこれに隣接する光学部分等を小さくすることができる。

本発明のさらに別の側面では、画像形成部は、主光線が略平行光な状態で画像光を射出し、回折光学部材は、中間像からの画像光を平行光にする。この場合、画像形成部の配置や仕様に関する要求精度を簡易に抑えた光学系とできる。

本発明のさらに別の側面では、回折光学部材と画像形成部とを保持して観察者の眼の前方に配置する保持部を有する。このような保持部は、回折光学部材に対する画像形成部の適正な配置を可能にする。また、保持部を眼鏡フレームのような形状とすることで、虚像表示装置の外観を眼鏡に近づけることができる。

第１実施形態に係る虚像表示装置を示す平面図である。 図１に示す虚像表示装置の斜め後方からの斜視図である。 図１に示す虚像表示装置の背面図である。 虚像表示装置のうち片側の光学系を説明する平面図である。 回折光学部材に入射する前後の画像光を説明する拡大図である。 色分散の補正の一例を説明する拡大断面図である。 色分散の補正の別の例を説明する拡大断面図である。 第２実施形態に係る虚像表示装置を説明する平面図である。 第３実施形態に係る虚像表示装置を説明する平面図である。 第４実施形態に係る虚像表示装置の平面図である。 第４実施形態の虚像表示装置の側面図である。

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る第１実施形態の虚像表示装置について説明する。

図１、２Ａ、及び２Ｂに示す虚像表示装置１００は、眼鏡型のヘッドマウントディスプレイであり、左右一対の虚像表示部１００Ａ，１００Ｂを備える。虚像表示装置１００は、装着者である観察者ＫＡの眼ＥＹの位置に虚像としての画像光ＫＫを入射させることで観察者ＫＡに動画、静止画等の各種画像を認識させるとともに、観察者ＫＡの眼ＥＹに外界像からの外界光ＧＫが入射することを許容することで観察者ＫＡに外界像又はシースルー画像を観察させる。両虚像表示部１００Ａ，１００Ｂは、共通する保持部であるフレーム１００Ｃに支持されており、このフレーム１００Ｃによって、両虚像表示部１００Ａ，１００Ｂ相互の配置関係が維持されるとともに、各虚像表示部１００Ａ，１００Ｂを構成する複数の光学部品の相対的な配置関係が維持される。

右側の虚像表示部１００Ａは、光学エンジン部１０とカバー状光学系３０とを一組として備える。左側の虚像表示部１００Ｂも、光学エンジン部１０とカバー状光学系３０とを一組として備える。以下では、主に右側の虚像表示部１００Ａの構造及び機能を説明し、左側の虚像表示部１００Ｂの構造等については、右側の虚像表示部１００Ａの構造等と同様であるので重複説明を省略する。

光学エンジン部１０は、虚像表示装置１００を装着した観察者ＫＡに提示する虚像の元となる画像を形成する。光学エンジン部１０は、カバー状光学系３０の内側又は観察者ＫＡ側の所定位置に中間像を形成し、この中間像は、カバー状光学系３０によって虚像に変換される。光学エンジン部１０は、ケース５１に収納されており、表示デバイス１１とリレー光学系本体１２ｃとを備える。なお、図２Ａでは、説明の便宜上ケース５１の一部を破断した状態で内部を露出させている。

図３を参照して、光学エンジン部１０のうち表示デバイス１１は、画像光ＫＫをカバー状光学系３０に向けて射出する画像形成部である。表示デバイス（画像形成部）１１は、不図示の制御装置の制御下で動作する駆動回路１９に駆動されて表示動作を行う。表示デバイス１１は、例えば照明装置１１ａと光変調パネル１１ｂとを組み合わせたものである。照明装置１１ａは、ＲＧＢの３色に対応した狭帯域の光源と、光源からの３色の照明光をコリメートしたり均一化する照明光学系とを有する。３色の光源として、例えばＬＥＤ、ＬＤ等を用いることができる。光変調パネル１１ｂとしては、例えば液晶表示パネルを用いることができる。なお、表示デバイス（画像形成部）１１は、照明装置１１ａ及び光変調パネル１１ｂで構成されるものに限らず、自発光型の表示パネルとすることもでき、具体的には有機ＥＬ表示パネル等を用いることができる。

リレー光学系本体１２ｃは、カバー状光学系３０のうちミラー３１と組み合わせることでリレー光学系１２を構成し、リレー光学系１２は、表示デバイス１１と回折光学部材３２との間に配置されるレンズ系であり、表示デバイス１１の表示面１１ｄに形成された画像を再結像する投影光学系として機能する。リレー光学系本体１２ｃは、複数のレンズ１４〜１７を含む。これらのレンズ１４〜１７の光学面１４ａ〜１７ａは、自由曲面、非球面、球面等のいずれかで構成することができる。リレー光学系１２において、レンズ１４〜１７及びミラー３１が協働することにより、表示デバイス１１の表示面１１ｄに形成された画像から、カバー状光学系３０の内側に隣接する位置において拡大投影された中間像ＣＺが形成される。

リレー光学系１２のうち、レンズ１４，１５は、コリメーター１２ｊとして機能し、画像光ＫＫを平行光の状態で射出する。また、リレー光学系１２は、表示デバイス１１側でテレセントリックになっており、表示面１１ｄ上の各点からの主光線ＳＫ０〜ＳＫ２が互いに平行で光軸ＡＸに略平行（±１０°以内）に射出されるとともに表示面１１ｄに対して垂直方向に射出される。拡大された中間像ＣＺは、表示デバイス１１の表示面１１ｄと共役な配置となっており、コリメーター１２ｊの射出側に設けた仮想面ＣＰは、観察者ＫＡの眼ＥＹの瞳ＰＵと共役な配置となっている。

カバー状光学系３０は、薄板状の部材であり、光透過性を有する樹脂製基材を加工して光学機能を付加したものである。カバー状光学系３０は、光路を折り曲げるためのミラー３１と、コリメーターとして機能する回折光学部材３２とを有する。ミラー３１と回折光学部材３２とは、光透過性を有する連結部３３を介して一体的に連結されている。なお、右側の虚像表示部１００Ａのカバー状光学系３０と、左側の虚像表示部１００Ｂのカバー状光学系３０とは、観察者ＫＡの鼻側において連結され一体化されている。

図３を参照して、カバー状光学系３０のうちミラー３１は、上記のようにリレー光学系本体１２ｃと協働してリレー光学系１２を構成し、表示デバイス１１の表示面１１ｄに形成された画像を拡大した中間像ＣＺを形成する。ミラー３１は、樹脂基材３１ｂ上に金属膜又は誘電体多層膜等を形成した反射面３１ａを有する。反射面３１ａは、光路を折り曲げる観点からは平面で足りるが、収差補正のため、自由曲面、非球面、球面等とすることができる。ミラー３１を支持する樹脂基材３１ｂは、回折光学部材３２から延長された部材である。

回折光学部材３２は、リレー光学系１２による中間像ＣＺに対してコリメーター又はルーペとして機能する。回折光学部材３２は、全体としてｚ軸方向に平行な母線に沿って延びる円筒面状に湾曲しており、回折部３４と光透過性基材３５と外側基材３６とを有する。

回折部３４は、全体としての回折光学部材３２と同様に、円筒面状に湾曲している。回折部３４は、反射型の回折素子であり、ホログラム及び表面レリーフ回折格子のいずれか一方である。回折部３４がホログラムである場合、体積ホログラムとすることが色分離を低減する観点で好ましく、特に体積位相型ホログラムとすること好ましい。回折部３４が表面レリーフ回折格子である場合、ブレーズド格子とすることが光利用効率の観点で好ましい。ここで、体積ホログラムとは、比較的厚い記録媒体中に格子としてホログラムデータを記録したものであり、特に体積位相型ホログラムは、屈折率格子としてホログラムデータを記録して透過率を高めたものである。表面レリーフ回折格子は、薄膜表面に干渉パターンに対応する凹凸レリーフを形成したものであり、特にブレーズド格子は、断面形状が鋸歯状の凹凸レリーフを形成して回折効率を高めたものである。

光透過性基材（色分離補正部）３５は、円筒面状に湾曲している。光透過性基材３５は、ポリカーボネート、ガラスその他の透明樹脂材料で形成された板状の部材であり、回折部３４を支持するとともに回折部３４を内側から保護する。光透過性基材（色分離補正部）３５は、全体として湾曲するが、各部において等しい厚みを有し、斜め入射光に対しては各色で屈折角を比較的大きく異ならせる色分離を生じさせる。回折部３４は、光透過性基材３５の外側面３５ａ上に密着した状態で固定されている。光透過性基材３５は、可視光波長域で高い光透過性を有する。具体的には、光透過性基材（色分離補正部）３５は、画像光ＫＫの損失を抑える観点で、表面での反射を除いたバルクで考えた透過率が例えば５０％以上であることが望ましい。また、光透過性基材（色分離補正部）３５は、画像光ＫＫや外界光の色バランスを変化させない観点で、可視波長域内での透過率の分布が３０％以下であることが望ましい。このような条件を満たす場合、光透過性基材（色分離補正部）３５は、その前提となる望ましい光透過性を有するとする。ただし、画像光ＫＫがＲ、Ｇ、及びＢの３色の光源光で構成される場合、光透過性基材３５がこれら光源光に対して５０％以上の透過率を有するものであれば、光透過性基材３５は望ましい光透過性を有するとみなす。光透過性基材（色分離補正部）３５の厚さとしては、１０μｍ以上であり、具体的には例えば１〜２ｍｍの樹脂板とすることができる。

外側基材３６は、ポリカーボネートその他の透明樹脂材料で形成された板状の部材であり、回折部３４を外側から保護する。外側基材３６は、光透過性基材３５と同様に可視光波長域で高い光透過性を有する。外側基材３６は、ミラー３１の樹脂基材３１ｂと共通の部材とすることができ、樹脂基材３１ｂと一体成形することができる。外側基材３６は、内側面３６ａが回折部３４に密着することで回折部３４を含めた回折光学部材３２の強度を増すことができるが、回折部３４から離間して回折部３４の外周で光透過性基材３５に接着又は接合する構造とすることもできる。

回折部３４は、それ自体が湾曲した凹面であることによる効果と、これに形成されたホログラム又は回折パターンによる効果とによって、リレー光学系１２による中間像ＣＺの各点から画像光ＫＫを平行光として眼ＥＹの瞳ＰＵに集めるように入射させる。この際、表示デバイス１１の表示面１１ｄ上の一方の隅（図面右側の隅）からの主光線ＳＫ１は、瞳ＰＵに対して右側前方から入射する。また、表示デバイス１１の表示面１１ｄ上の他方の隅（図面左側の隅）からの主光線ＳＫ２は、瞳ＰＵに対して左側前方から入射する。結果的に、表示デバイス１１の表示面１１ｄに形成された画像が回折光学部材３２の背後に存在する虚像として観察される。

回折光学部材３２は、回折部３４、光透過性基材３５、及び外側基材３６を含めた全体が画像光ＫＫ以外については略透明である。すなわち、回折部３４のホログラム又は回折パターンは、狭帯域の単色光に対しては、遮光性や反射特性を有するが、外界光ＧＫのように広帯域の光に対しては遮光や反射といった作用を殆ど生じさせず、外界光ＧＫを略均一に透過させる。また、回折光学部材３２は、回折部３４、光透過性基材３５、及び外側基材３６を含めた全体が略一様な厚みを有し、その厚みが十分薄い。このことから、回折光学部材３２は、外界を透視する際の視度が略ゼロとなる。つまり、観察者ＫＡは、明るい外界像を少ない歪みで観察することができる。

回折光学部材３２の内側面３２ａは、図示を省略するが、ハードコート層で被覆され、このハードコート層上には、これを覆うように誘電体多層膜からなる反射防止膜が形成されている。回折光学部材３２の外側面３２ｂも、ハードコート層で被覆され、これを覆うように誘電体多層膜からなる反射防止膜が形成されている。

回折光学部材３２の製造方法の一例について説明すると、予め外側基材３６を準備し、この上に回折部３４を形成し或いは貼り付け、その後、回折部３４上に光透過性基材３５を貼り付け、仕上げとしてハードコートを施す。なお、光透過性基材３５を貼り付けるのではなく、成膜によって作製することもできる。

図２Ａ等に戻って、フレーム（保持部）１００Ｃは、虚像表示部１００Ａ，１００Ｂを上部から支持する金属その他の剛体製の本体７１と、本体の両端から延びる弾性体製のテンプル部７２とを有する。本体７１の中央寄りの領域において、その下面側には、カバー状光学系３０の上端３０ｔが埋め込むように固定されている。また、本体７１の両端寄りの領域において、その下面側には、光学エンジン部１０の上部１０ｔが接着等によって固定されている。本体７１の中央には、図２Ａ等では図示を省略しているが、一対のノーズパッド７４が取り付けられている（図１参照）。

図３及び４を参照して、回折光学部材３２に入射する前後の画像光ＫＫの状態について説明する。画像光ＫＫは斜入射状態で回折光学部材３２に入射する。以下では、観察者ＫＡが正面視した場合を基準とする。虚像表示部１００Ａの光軸ＡＸは、設計上の眼ＥＹの瞳ＰＵの中心から正面方向（図面中では−ｘ方向）に延び、カバー状光学系３０及びリレー光学系本体１２ｃを経て表示デバイス１１の表示面１１ｄの中央と交差する。つまり、表示デバイス１１の表示面１１ｄの中央から射出された主光線ＳＫ０は、光軸ＡＸに沿って進んで正面方向から眼ＥＹの瞳ＰＵの中心に入射する。この場合、回折光学部材３２の内側面３２ａを基準として画像光ＫＫの入射角や射出角を考える。画像光ＫＫの内側面３２ａへの入射角θ１は、内側面３２ａの法線ＮＬに対する角度であり、図面上で反時計方向を正として５０°〜８０°（より好ましくは６０°〜７０°）の傾きを有する。内側面３２ａで屈折された後の画像光ＫＫは、回折光学部材３２の回折部３４で回折されて画像光ＫＫの向きが変わるが、この際の正反射方向ＳＲが基準となり、正反射方向ＳＲに対する画像光ＫＫの傾き角は、回折角φ１を表すものとなる。回折角φ１は、図面上で反時計方向を正として入射角θ１の半分程度となっている。画像光ＫＫの内側面３２ａからの屈折による射出角θ２は、図面上で反時計方向を正として僅かな負の値であり殆ど傾きを有しない。つまり、画像光ＫＫは、射出角θ２≒０°〜２０°の略法線方向に射出される。なお、回折光学部材３２が眼ＥＹの正面方向に延びる正面視軸に対して比較的大きく傾斜して配置される場合、光軸ＡＸが正面視軸に平行になる結果として、画像光ＫＫの射出角θ２が２０°を超えてもよい。

以上は、観察者ＫＡが正面視した場合に観察される画像光ＫＫについて説明したが、観察者ＫＡが斜め方向を見る場合も、上記と類似する角度条件となる。すなわち、光軸ＡＸから外れた光路においても、回折光学部材３２の内側面３２ａへの画像光ＫＫの入射角は、５０°〜８０°（より好ましくは６０°〜７０°）程度の斜入射状態となっている。また、画像光ＫＫの内側面３２ａからの射出角θ２は、光軸ＡＸから外れた光路においても、略０°で殆ど傾きを有しない状態となっている。

図５Ａを参照して、回折光学部材３２による色分離又は色分散について説明する。この場合、回折部３４は、単一波長の画像光ＫＫ（例えば緑色光）を基準として設計されているものとする。

回折光学部材３２の内側面３２ａの点Ｐ１に外側から入射して屈折される画像光ＫＫの入射角θ１が５０°〜８０°である場合、画像光ＫＫの屈折角θ１２は点線で示す赤色等の長波長光ＫＲ側で大きくなり、屈折角θ１２の色分離は波長の増加に応じて反時計方向に増加する。回折光学部材３２の回折部３４の点Ｐ２に入射して回折される画像光ＫＫの回折角φ１は、赤色等の長波長光ＫＲ側で大きくなり、回折角φ１の色分離は波長の増加に応じて反時計方向に増加する。ただし、図示のような状態では、点Ｐ１からの屈折光と点Ｐ２からの回折光とは、折り返されて向きが逆であるので、入射時の屈折に伴う屈折角θ１２の色分離Ｓ１（Δλ，θ１）と、回折角φ１の色分離Ｓ２（Δλ，φ１）とは、符号が異なる逆方向となっている。さらに、回折光学部材３２の内側面３２ａの点Ｐ３に内側から入射して屈折される画像光ＫＫの射出角θ２は、赤色等の長波長光ＫＲ側で小さくなり、射出角θ２の色分離は波長の増加に応じて反時計方向に減少する。つまり、図示のような状態では、回折角φ１の色分離Ｓ２（Δλ，φ１）と、射出時の屈折に伴う射出角θ２の色分離Ｓ３（Δλ，θ２）とは、符号が同じである同一方向となっている。以上をまとめると、回折光学部材３２による全色分離ＣＳ（Δλ）は、
ＣＳ（Δλ）
＝Ｓ１（Δλ，θ１）−Ｓ２（Δλ，φ１）−Ｓ３（Δλ，θ２） … （１）
で与えられる。なお、図示のように画像光ＫＫが内側面３２ａの法線よりも正反射方向ＳＲ寄りである場合、射出角θ２の色分離Ｓ３（Δλ，θ２）が回折角φ１の色分離Ｓ２（Δλ，φ１）と同一方向となるが、画像光ＫＫが内側面３２ａの法線よりも画像光ＫＫの入射側に傾いている場合、射出角θ２の色分離Ｓ３（Δλ，θ２）が回折角φ１の色分離Ｓ２（Δλ，φ１）と逆方向となる。このような場合も、射出角θ２の符号に応じて色分離Ｓ３（Δλ，θ２）の符号が定まるようにすれば、上記式（１）によって射出角θ２の正負に応じた全色分離ＣＳ（Δλ）を得ることができる。ここで、入射時の屈折に伴う色分離Ｓ１（Δλ，θ１）から、射出時の屈折に伴う正又は負の色分離Ｓ３（Δλ，θ２）を減算したものは、色分離Ｓ１（Δλ，θ１）の絶対値の方が相対的に大きく支配的であり、回折角φ１の色分離Ｓ２（Δλ，φ１）と符号が異なる逆方向となっている。つまり、光透過性基材３５によって生じる色分離は、回折部３４によって生じる色分離を打ち消し或いは減じるようなものとなっている。

虚像表示部１００Ａの他の部分で色分離が生じていないとするならば、上記全色分離ＣＳ（Δλ）を略ゼロとすることで、回折部３４での回折によって生じた色分離Ｓ２（Δλ，φ１）を、光透過性基材３５での屈折によって生じた色分離Ｓ１（Δλ，θ１），Ｓ３（Δλ，θ２）によって補正することができ、色分離の相殺によって色の滲みの発生を防止できる。

以上は、光軸ＡＸ近傍の色分離の説明であったが、光軸ＡＸからｙ方向やｚ方向に離れた箇所でも、同様に回折部３４での回折によって生じた色分離を光透過性基材３５での屈折によって生じた色分離によって補正することができる。この場合、光透過性基材３５は、回折部３４によって生じる色分離を補正する色分離補正部として機能する。

回折光学部材３２による色分離又は色分散については、光透過性基材（色分離補正部）３５の色分散の度合の指標としてアッベ数を用いることが望ましい。アッベ数は、以下の式
νｄ＝（ｎｄ−１）／ｎＦ−Ｃ）
ただし、
ｎｄ：ｄ線（５８７．５６ｎｍ）に対する屈折率
ｎＦ：Ｆ線（４８６．１ｎｍ）に対する屈折率
ｎＣ：Ｃ線（６５６．３ｎｍ）に対する屈折率
で与えられる。上記のように色分離補正部として光透過性基材３５を用いる場合、色分散を比較的大きくすることが望ましく、光透過性基材３５のアッベ数は例えば４０程度以下とする。

図５Ｂは、リレー光学系１２等において楔プリズム成分１２ｋが存在する場合を説明する図である。ここで、楔プリズム成分１２ｋは、図面左側であって観察者ＫＡの鼻のある−ｙ側に頂部を有する。この場合、楔プリズム成分１２ｋでの偏向によって、屈曲箇所Ｐ４での偏角θ４は、画像光ＫＫを時計方向に回転させるように傾けた方向となる。楔プリズム成分１２ｋによる偏角θ４は、赤色等の長波長光ＫＲ側で小さくなり、偏角θ４の色分離は波長の増加に応じて反時計方向に減少する。つまり、図示のような状態では、偏角θ４の色分離Ｓ４（Δλ，θ４）と、入射角θ１の色分離Ｓ１（Δλ，θ１）とは、符号が同じである同一方向となっている。結果的に、回折光学部材３２及び楔プリズム成分１２ｋによる全色分離ＣＳ（Δλ）は、
ＣＳ（Δλ）
＝Ｓ１（Δλ，θ１）−Ｓ２（Δλ，φ１）
−Ｓ３（Δλ，θ２）＋Ｓ４（Δλ，θ４） … （２）
で与えられる。つまり、回折部３４での回折によって生じた色分離を光透過性基材３５や楔プリズム成分１２ｋでの屈折によって生じた色分離によって補正することができる。この場合、光透過性基材３５や楔プリズム成分１２ｋは、回折部３４によって生じる色分離を補正する色分離補正部として機能する。換言すれば、光透過性基材３５は、レンズ系であるリレー光学系１２と協働して回折部３４によって生じる色分離を補正する。

なお、楔プリズム成分１２ｋがミラー３１よりも光路上流にある場合、楔プリズム成分１２ｋの作用は左右逆転する。また、楔プリズム成分１２ｋが図示と異なり図面右側であって観察者ＫＡの耳のある＋ｙ側に頂部を有する場合、Ｓ４（Δλ，θ４）の符号は反転する。つまり、楔プリズム成分１２ｋの配置をミラー３１の前後とするか、その姿勢の左右を入れ替えることで、楔プリズム成分１２ｋの色分離の方向性を入れ替える調整が可能になる。楔プリズム成分１２ｋは、リレー光学系１２を構成する独立した要素とできるが、リレー光学系１２のレンズ１４〜１７と一体化できる。この場合、レンズ１４〜１７は、ｙｚ面に平行な断面において光学面１４ａ〜１７ａが相対的な傾斜角を有するものとなる。

以上の説明では、回折部３４が単一波長の画像光ＫＫを基準として設計されている回折素子等であるとした。しかしながら、回折部３４が体積位相型ホログラムである場合、それ自体では色分離が生じないような設計が可能である。このような場合であっても、光透過性基材３５による色分離は残るので、光透過性基材３５と回折部３４とを合わせた色分離つまり全色分離ＣＳ（Δλ）がゼロとなるように、回折部３４において適度な色分離が生じるように調整することが望ましい。

以上をまとめると、第１実施形態の虚像表示装置１００では、光透過性基材３５が回折部３４によって生じる色分離を補正する色分離補正部であるので、回折部３４による回折の色分離を、リレー光学系１２等を大きくすることなく補正することができ、高品位のカラー表示が可能になる。ここで、光透過性基材３５は、画像光ＫＫの入射に伴う屈折と、回折部３４で角度変換された画像光ＫＫの射出に伴う屈折とを合わせた色分離により、回折部３４による回折に際しての色分離を補正する。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態の虚像表示装置ついて説明する。本実施形態に係る虚像表示装置は、第１実施形態の虚像表示装置を変形したものであり、第１実施形態と共通する部分については説明を省略する。

図６は、第２実施形態の虚像表示装置のうち虚像表示部１００Ａの光学的な構成を説明する図である。この場合、カバー状光学系３０は、回折光学部材３２のみからなり、リレー光学系１２は、ミラー３１を省略したリレー光学系本体１２ｃからなる。リレー光学系本体１２ｃは、入射側から順に、コリメーター１１２ｊと、３つのレンズ１１２ｄ，１１２ｅ，１１２ｆとを備える。さらに、コリメーター１１２ｊは、３つのレンズ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃを含む。

リレー光学系本体１２ｃにおいて、例えばレンズ１１２ｄは、楔プリズム成分１２ｋを含むものとなっており、回折部３４での回折によって生じた色分離を光透過性基材３５等によって補正する際に、補正に影響する要素となる。

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態の虚像表示装置ついて説明する。本実施形態に係る虚像表示装置は、第１実施形態の虚像表示装置を変形したものであり、第１実施形態と共通する部分については説明を省略する。

図７は、第３実施形態の虚像表示装置のうち虚像表示部１００Ａの光学的な構成を説明する図である。この場合、カバー状光学系３０のうちミラー３１のあった箇所にプリズム１３１を貼り付けている。プリズム１３１は、斜面に内側反射面１３１ａを有し、カバー状光学系３０の外側に配置された光変調パネル１１ｂからリレー光学系本体１２ｃを経て入射した画像光ＫＫの光路を折り曲げて回折光学部材３２に斜入射させる。内側反射面１３１ａは、平面、自由曲面、非球面、球面等とすることができる。なお、リレー光学系本体１２ｃについては、詳細な説明を省略するが、第１実施形態の場合と同様に複数のレンズを含む。リレー光学系本体１２ｃは、光路折曲げ用のミラーを含むものであってもよい。

〔第４実施形態〕
以下、第４実施形態の虚像表示装置ついて説明する。本実施形態に係る虚像表示装置は、第１実施形態の虚像表示装置を変形したものであり、第１実施形態と共通する部分については説明を省略する。

図８Ａは、第４実施形態の虚像表示装置１００の光学的な構成を説明する概念的な平面図であり、図８Ｂは、第４実施形態の虚像表示装置１００の光学的な構成を説明する概念的な側面図である。虚像表示装置１００のうち、例えば右側の虚像表示部１００Ａは、第１虚像表示部２００Ａと第２虚像表示部２００Ｂとを眼ＥＹの並ぶ横方向に隣接して配置したものである。ここで、第１虚像表示部２００Ａの回折光学部材３２は、第２虚像表示部２００Ｂの回折光学部材３２と共通の部材であり、共通の回折光学部材３２を介して連続的な画像を投影できるものとなっている。第１虚像表示部２００Ａは、図３等に示す虚像表示部１００Ａと同様の構造を有するが、画像光ＫＫを回折光学部材３２に対して眼ＥＹの並ぶ横方向から斜めに入射させるのではなく、画像光ＫＫを回折光学部材３２に対して縦方向から斜め下に入射させる縦型の投射光学系を有する。第２虚像表示部２００Ｂも、図３等に示す虚像表示部１００Ａと同様の構造を有するが、画像光ＫＫを回折光学部材３２に対して眼ＥＹの並ぶ横方向から斜めに入射させるのではなく、画像光ＫＫを回折光学部材３２に対して縦方向から斜め下に入射させる縦型の投射光学系を有する。第１虚像表示部２００Ａと第２虚像表示部２００Ｂとの横方向の間隔は適宜調整され、光学部分の間隔Ｌが比較的大きなものとなっている。

第４実施形態の虚像表示装置１００は、片側の虚像表示部１００Ａにおいて、複数の虚像表示部２００Ａ，２００Ｂを有し、各虚像表示部２００Ａ，２００Ｂは、画像形成装置を構成する光変調パネル１１ｂと、投射光学系を構成するリレー光学系１２とをぞれぞれ有する。各虚像表示部２００Ａ，２００Ｂは、眼ＥＹに対して入射させる画像光の画角のうち所定画角（具体的には右半画角及び左半画角）ごとの画像光ＫＫを独立して入射させる。両虚像表示部２００Ａ，２００Ｂの光変調パネル１１ｂ及びリレー光学系１２は、正面視の方向に対して上側に配置されており、上下方向に関しては、回折光学部材３２に対して略同様の角度範囲で画像光ＫＫを入射させるが、左右方向に関しては、回折光学部材３２に対して異なる角度範囲（図示の例では左右を反転させた角度範囲）で画像光ＫＫを入射させる。

第４実施形態の虚像表示装置１００によれば、回折部３４においてホログラム素子を用いて高画角化を行う際に、複数の光変調パネル１１ｂとして小型のものを採用することができ、かつ、光学部分（光変調パネル１１ｂ及びリレー光学系１２）の間隔Ｌを十分に確保した配置が可能になり、虚像表示部１００Ａにおける各光学部分の配置の自由度を高めることができる。

〔その他の変形例等〕
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。

例えば、光透過性基材３５又は回折部３４は、円筒面に限らず、平面、楕円面、円筒面、及び自由曲面のいずれかとすることができる。

上記実施形態において、中間像ＣＺの各点から射出される画像光ＫＫは、回折部３４を経て眼ＥＹの瞳ＰＵに向けて平行光として射出されているが、これは虚像が無限遠にあることを意味する。しかしながら、虚像を無限遠に配置することは必須でなく、用途に応じて虚像の配置を適宜調整することができる。

以上では、シースルー型の虚像表示装置について説明しているが、外界像を観察させる必要がない場合、回折光学部材３２の外側面３２ｂを遮光体で覆うこともできる。

上記の説明では、実施形態の虚像表示装置１００がヘッドマウントディスプレイであるとして具体的な説明を行ったが、実施形態の虚像表示装置１００は、ヘッドアップディスプレイに改変することもできる。

上記の説明では、虚像表示装置１００は、右眼及び左眼の双方に対応して、一対の虚像表示部１００Ａ，１００Ｂを備えるとしているが、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ虚像表示部を設け画像を片眼視する構成にしてもよい。

１４−１７…レンズ、１０…光学エンジン部、１１…表示デバイス（画像形成部）、１１ａ…照明装置、１１ｂ…光変調パネル、１１ｄ…表示面、１２…リレー光学系、１２ｃ…リレー光学系本体、１２ｊ…コリメーター、１９…駆動回路、３０…カバー状光学系、３１…ミラー、３１ａ…反射面、３２…回折光学部材、３３…連結部、３４…回折部、３５…光透過性基材、３６…外側基材、５１…ケース、７１…本体、７２…テンプル部、１００…虚像表示装置、１００Ａ，１００Ｂ…虚像表示部、１００Ｃ…フレーム、１１２ｊ…コリメーター、１３１…プリズム、１３１ａ…内側反射面、２００Ａ，２００Ｂ…虚像表示部、ＡＸ…光軸、ＣＰ…仮想面、ＣＺ…中間像、ＥＹ…眼、ＧＫ…外界光、ＫＡ…観察者、ＫＫ…画像光、ＮＬ…法線、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…点、Ｐ４…屈曲箇所、ＰＵ…瞳、ＳＫ０-ＳＫ２…主光線

Claims (14)

1. 画像光の向きを回折によって観察者の眼の位置に向ける回折部と、前記回折部の眼側に配置されて前記回折部を支持する光透過性基材と、を有する回折光学部材と、
   前記画像光を前記回折光学部材側に向けて射出する画像形成部と、
   前記画像形成部と前記回折光学部材との間に配置されるレンズ系と、を備え、
   前記光透過性基材は、前記レンズ系と共に、前記回折部によって生じる色分離に対して逆方向の色分離を生じさせて、前記回折部によって生じる色分離を補正する、虚像表示装置。
2. 前記光透過性基材への入射時及び射出時の屈折によって生じる色分離は、前記回折部によって生じる色分離に対して逆方向である、請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記回折光学部材への画像光の入射角は、観察者が正面視した場合を基準として５０°〜８０°である、請求項１及び２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
4. 前記回折部は、斜入射した像光を前記光透過性基材の前記回折部側の面の略法線方向に射出させる、請求項３に記載の虚像表示装置。
5. 前記光透過性基材は、画像光の透過率が５０％以上である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
6. 前記光透過性基材は、平面、楕円面、円筒面、及び自由曲面のいずれかである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
7. 前記回折光学部材は、前記回折部を挟んで前記光透過性基材の外側に配置され光透過性を有する外側基材を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
8. 前記回折光学部材は、外界を透視する際の視度が略ゼロである、請求項１〜７のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
9. 前記回折部は、ホログラム及び表面レリーフ回折格子のいずれか一方である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
10. 前記レンズ系は、光路を折り曲げるミラーを含む、請求項１に記載の虚像表示装置。
11. 前記ミラーは、前記回折光学部材から延長された部材によって支持されている、請求項１０に記載の虚像表示装置。
12. 前記レンズ系と前記回折光学部材との間に中間像を形成する、請求項１０及び１１のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
13. 前記画像形成部は、主光線が略平行光な状態で画像光を射出し、前記回折光学部材は、中間像からの画像光を平行光にする、請求項１２に記載の虚像表示装置。
14. 前記回折光学部材と前記画像形成部とを保持して観察者の眼の前方に配置する保持部を有する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の虚像表示装置。

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