JP7615610B2 - 表示装置及び光学ユニット - Google Patents

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、特に映像源からの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２０２０－３４７２２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確保する観点や、外観の自由度を高める観点で、光学部品の配置が制限され、特に開口絞りを配置すべき中間瞳の位置が部分的に光学素子内となるため、開口絞りを設置できなかった。

本発明の一側面における表示装置は、映像素子と、映像素子から射出された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ことにより、画像光を傾斜した方向に折り返すように射出する、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、プリズムミラーの光入射面及び光射出面のうち一方の外側において画像光の通過を制限する基本開口絞りとを備える。

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及び部分的な断面平面図である。 プリズムミラーに対する絞り部材の配置を説明する正面図である。 プリズムミラーに対する絞り部材の配置を説明する斜視図である。 プリズムミラーに対する絞り部材の配置を説明する底面図である。 第１絞り部材の概念的な断面図である。 基本開口絞りを通過する光線の状態を説明する概念図である。 追加開口絞りを通過する光線の状態を説明する概念図である。 基本開口絞りである第１絞り部材の変形例を説明する概念図である。 追加開口絞りである第２絞り部材の変形例を説明する概念図である。 第２絞り部材の別の変形例を説明する概念的な断面図である。 映像素子に形成された表示像の強制的歪曲を説明する図である。 変形例の表示装置を説明する側方断面図である。 第２実施形態の表示装置の構造を説明する側方断面図等である。 内反射面に形成した追加開口絞りを説明する部分拡大断面図である。 追加開口絞りを通過する光線の状態を説明する概念図である。

〔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。第１表示装置１００Ａ及び第２表示装置１００Ｂにおいて、表示駆動部１０２は映像を形成する大元の部分であり、表示駆動部１０２を映像源１０とも呼ぶ。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内に収納され支持されている。

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、例えばマイクロＬＥＤ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、マイクロＬＥＤディスプレイに限らず、有機ＥＬ（有機エレクトロルミネッセンス、Organic Electro-Luminescence）、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、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、後述するケース５１は、結像光学系１２の一部である。本明細書において、結像光学系１２を光学ユニット１６とも呼ぶ。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の上端よりも上側に配置されているが、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、映像素子１１、投射レンズ２１、及びプリズムミラー２２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から射出された前記画像光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。図示の結像光学系１２を含む表示装置１００のＦＯＶ（field of view）は、例えば４４°となっている。表示装置１００による虚像の表示領域は矩形であり、上記４４°は対角方向となる。

結像光学系１２すなわち光学ユニット１６は、投射レンズ２１とプリズムミラー２２との間に、プリズムミラー２２の光入射面２２ａに対向して配置された基本開口絞り４１を有する。光学ユニット１６は、プリズムミラー２２とシースルーミラー２３との間に、プリズムミラー２２の光射出面２２ｃに対向して配置された追加開口絞り４２を有する。

基本開口絞り４１は、第１絞り部材３１の一部であり、第１絞り部材３１と一体化されている。基本開口絞り４１は、プリズムミラー２２の光入射面２２ａに入射する画像光ＭＬを必要範囲に制限する。より具体的には、基本開口絞り４１は、プリズムミラー２２に入射する画像光ＭＬの光軸部分ＡＸ１と、プリズムミラー２２から射出する画像光ＭＬの光軸部分ＡＸ２と含む所定面（ＹＺ面に平行な面）に平行な第１の方向又は縦方向に関して、開口絞りとして機能する。ここで、第１の方向は、近似的には後述する図３に示す第１方向Ｄ２１に対応する方向となっている。

一方、追加開口絞り４２は、第２絞り部材３２の一部であり、第２絞り部材３２と一体化されている。追加開口絞り４２は、プリズムミラー２２の光射出面２２ｃから射出されシースルーミラー２３に入射する画像光ＭＬを必要範囲に制限する。より具体的には、追加開口絞り４２は、プリズムミラー２２に入射する画像光ＭＬの光軸部分ＡＸ１と、プリズムミラー２２から射出する画像光ＭＬの光軸部分ＡＸ２と含む所定面（ＹＺ面に平行な面）に垂直な第２の方向又は横方向に関して、開口絞りとして機能する。ここで、第２の方向は、横のＸ方向に相当し、後述する図３に示す第２方向Ｄ０２に対応する方向となっている。

本実施形態において例示する光線経路では、基本開口絞り４１が縦の第１の方向に関して開口絞りとして機能するだけでなく、横の第２の方向に関しても十分ではないものの開口絞りとして機能し、機能面で相対的に重要度が高い。追加開口絞り４２については基本開口絞り４１の絞り機能を補完するものであり、究極的には省略することもできる。このような観点で、基本及び追加という語を付している。なお、開口絞りは、解像度に関係する開口数を決定する絞りであり、一般的に主光線が交差する箇所に配置され、結像に寄与する必要光の通過を確保しつつ結像に寄与しない不要光を効率的に遮断する役割を有する。しかしながら、本実施形態の光路のように主光線が交差する箇所が光軸ＡＸに沿った異なる位置に分散する場合、例えば主光線が交差する複数箇所又はその近傍にそれぞれ開口絞りを設けることで、結像性能の向上を図ることができる。

以上では、基本開口絞り４１が機能面で重要度が高く、追加開口絞り４２が補助的又は補完的であるとしているが、光線経路の変更によって、追加開口絞り４２の位置に配置された開口絞りが機能面で重要度が高く、基本開口絞り４１の位置に配置された開口絞りが補助的又は補完的になる場合もある。このような場合、プリズムミラー２２の光射出面２２ｃに対向して配置される開口絞り（図示の追加開口絞り４２の位置に配置されるもの）を基本開口絞りと呼び、プリズムミラー２２の光入射面２２ａに対向して配置される開口絞り（図示の基本開口絞り４１の位置に配置されるもの）を追加開口絞りと呼ぶ。上記開口絞り４１，４２については、複数の開口絞り４１，４２のいずれが機能的に重要か不明である場合を含め、光線経路の上流にあるものを第１開口絞りと呼び、その下流つまり光路後段に配置されるものを第２開口絞りと呼ぶ。第１開口絞り及び第２開口絞りのいずれを基本開口絞りとするかは、結像に寄与しない不要光を遮断する程度を考慮して判断するが、あまり厳密に区別することを意図するものではない。

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、本体５２と保持部材３０とを組み合わせたものである。本体５２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。本体５２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。本体５２は、保持部材３０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。保持部材３０も、遮光性の材料で形成されている。ケース５１は、保持部材３０の第２絞り部材３２において開口５１ａを有し、表示駆動部１０２又は映像源１０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、少なくとも１つ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、所定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。つまり、所定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。つまり、光路Ｐ３において、光軸部分ＡＸ３は、－Ｚ方向又は後方向に対して略平行に延びている。

図３を参照して、表示駆動部１０２の詳細について説明する。図３中で、領域ＡＲ１は、光学ユニット１６すなわち結像光学系１２の側方断面図を示し、領域ＡＲ２は、結像光学系１２の部分的な平面構造を示す。領域ＡＲ２に示す平面構造の図では、プリズムミラー２２からシースルーミラー２３を介して瞳位置ＰＰに向かう部分的な光線が示されている。

表示駆動部１０２を構成する映像素子１１の側方の端部１１ｅは、一点鎖線で示すケース５１内に固定されている保持部材３０に設けられた一対の支持部材３３に保持されている。これらの支持部材３３より、映像素子１１のケース５１内におけるアライメントが達成される。表示駆動部１０２を構成する投射レンズ２１の側方の端部２１ｅも、一対の支持部材３３に保持され、投射レンズ２１のケース５１に対するアライメントが達成される。表示駆動部１０２を構成するプリズムミラー２２の側方の端部２２ｅも、一対の支持部材３３に保持され、プリズムミラー２２のケース５１に対するアライメントが達成される。なお、図示の例では、投射レンズ２１の端部２１ｅがケース５１中に配置されているが、端部２１ｅをケース５１又は本体５２の側壁において外部に露出させることもできる。同様に、プリズムミラー２２の端部２２ｅをケース５１中に配置する必要はなく、端部２２ｅをケース５１又は本体５２の側壁において外部に露出させることもできる。なお、ケース５１の本体５２は、例えばＹＺ面に平行な面で半分に分割した枠部材を組み合わせて構成することができ、これらの枠部材を接合する際に、支持部材３３とともに映像素子１１、投射レンズ２１等を内部に組み込むことができる。ケース５１は、２つの部分からなるものに限らず、３つ以上の部分からなるものとすることができる。

図示を省略しているが、投射レンズ２１とプリズムミラー２２との間に配置される第１絞り部材３１は、保持部材３０の一部として保持部材３０に支持されている。プリズムミラー２２の光射出側に配置される第２絞り部材３２も、保持部材３０の一部として保持部材３０に支持されている。

投射レンズ２１は、単レンズであり、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。

図４Ａ～４Ｃを参照して、第１絞り部材３１及び第２絞り部材３２の形状及び配置について説明する。図４Ａは、主に第１絞り部材３１を説明する＋Ｚ側から見た正面図であり、図４Ｂは、第１絞り部材３１及び第２絞り部材３２を説明する＋Ｚ及び－Ｙ側からの斜視図であり、図４Ｃは、主に第２絞り部材３２を説明する－Ｙ側からの底面図である。

第１絞り部材３１は、プリズムミラー２２の光入射面２２ａの近傍に配置される第１開口ＡＰ１を有し、この第１開口ＡＰ１の周囲は、基本開口絞り４１として機能する。第１絞り部材３１は、樹脂材や金属材料で形成される。第１開口ＡＰ１は、円形ではなく楕円形である。このように楕円形とすることで、必要な画像光ＭＬを無駄なく効率的に通過させることができ、かつ、不要光の通過を極力回避することができる。第１開口ＡＰ１の周囲の基本開口絞り４１には斜面３１ｊが形成され、必要光が遮断されることを防止している。第１絞り部材３１において、上部３１ｐは、第１絞り部材３１を図３に示す保持部材３０に取り付ける部分となっている。

第２絞り部材３２は、プリズムミラー２２の光射出面２２ｃの近傍に配置される第２開口ＡＰ２を有し、この第２開口ＡＰ２の周囲は、追加開口絞り４２として機能する。第２絞り部材３２は、樹脂材や金属材料で形成される。第２開口ＡＰ２は、円形ではなく角を丸くした五角形である。追加開口絞り４２又は第２開口ＡＰ２は、第１の方向（ここではＺ方向）に関して、反転させると形状が変わる非対称な形状を有する。具体的には、第２開口ＡＰ２の中心を固定して第１の方向に垂直なＸ方向に延びる回転軸の周りに第２開口ＡＰ２を１８０°回転させると、Ｘ方向の幅が逆転する。追加開口絞り４２を通過させるべき画像光ＭＬの光線束のサイズは、第１の方向の位置に応じて変化しており、このように第１の方向に関して非対称な五角形とすることで、必要な画像光ＭＬを無駄なく効率的に通過させることができ、かつ、不要光の通過を極力回避することができる。つまり、五角形の追加開口絞り４２によって、より細かな画像光ＭＬの遮光が可能なる。第２開口ＡＰ２の周囲の追加開口絞り４２には斜面３２ｊが形成され、必要光が遮断されることを防止している。第２絞り部材３２は、第１絞り部材３１よりも厚みのある部材で形成されている。第２絞り部材３２において、外周部３２ｐは、第２絞り部材３２を図３に示す保持部材３０に取り付ける部分となっている。

図５Ａに示すように、第１絞り部材３１は、楔状の部材であり、光軸ＡＸの周囲を開放した第１開口ＡＰ１を有する。第１絞り部材３１は、楔状の部材に限らず、平行平板を含む様々な形状とすることができる。第１絞り部材３１において、第１開口ＡＰ１を画成する内側のエッジＩＥは、１ｍｍ以下の厚みｔを有する。図示のように、斜面３１ｊを設け、エッジＩＥの厚みｔを薄くすることで、迷光の発生を抑制することができる。第１絞り部材３１は、光吸収性を有する基材で形成することができるが、光透過性を有する基材で形成する場合、表面に光吸収性を有する被覆を施すことができる。被覆は、塗布、蒸着、メッキ等によって形成される。第１絞り部材３１の表面３１ｓには、散乱性を高める加工を施すこともできる。エッジＩＥを含む基本開口絞り４１は、第１絞り部材３１の本体に対して貼り付けられ、或いは第１絞り部材３１の本体の隙間に挿入される別部材であってもよい。

図５Ｂを参照して、第１絞り部材３１を通過する画像光ＭＬを説明する。映像素子１１の表示面１１ａの中心から射出される画像光ＭＬａの光線束は、楕円の第１開口ＡＰ１の中央寄りの領域を通過し、映像素子１１の表示面１１ａの＋Ｚ側から見て右端から射出される画像光ＭＬｂの光線束は、楕円の第１開口ＡＰ１の右側の領域を通過し、映像素子１１の表示面１１ａの＋Ｚ側から見て左端から射出される画像光ＭＬｃの光線束は、楕円の第１開口ＡＰ１の左側の領域を通過する。結果的に、表示面１１ａの中央をＸ方向に横切る横断面で考えた場合、表示面１１ａ上の各点からの結像に寄与する光線束は、基本開口絞り４１によって遮断されることなく基本開口絞り４１を通過する。一方、画像光ＭＬａ，ＭＬｂ，ＭＬｃ等の一連の光線束の包絡線は、第１開口ＡＰ１よりも僅かに小さい相似的な楕円形となっており、基本開口絞り４１は、結像に寄与しない光線を殆ど遮断するものとなっている。ただし、基本開口絞り４１は、横方向の不要光の通過を若干許容するものとなっている。つまり、画像光ＭＬａの光線束に対して左右の外側つまり±Ｚ方向の外側には、第１開口ＡＰ１との間に隙間ＧＡが存在する。同様に、右の画像光ＭＬｂの光線束に対して左の外側つまり－Ｚ方向の外側には、第１開口ＡＰ１との間に隙間が存在し、左の画像光ＭＬｃの光線束に対して右の外側つまり＋Ｚ方向の外側には、第１開口ＡＰ１との間に隙間が存在する。このような隙間ＧＡの影響を低減するため、図４Ｃ等に示す第２絞り部材３２を設けることで、第１開口ＡＰ１を通過した横方向の不要光をカットすることができる。

図５Ｃを参照して、第２絞り部材３２を通過する画像光ＭＬを説明する。映像素子１１の表示面１１ａの中心から射出される画像光ＭＬａの光線束は、五角形の第２開口ＡＰ２の中央寄りの領域を通過し、映像素子１１の表示面１１ａの＋Ｚ側から見て下端から射出される画像光ＭＬｆの光線束は、第２開口ＡＰ２の前側又は＋Ｚ側の領域を通過し、映像素子１１の表示面１１ａの＋Ｚ側から見て上端から射出される画像光ＭＬｇの光線束は、第２開口ＡＰ２の後側又は－Ｚ側の領域を通過する。結果的に、表示面１１ａの中央をＸ方向に縦切る縦断面で考えた場合、表示面１１ａ上の各点からの結像に寄与する光線束は、追加開口絞り４２によって遮断されることなく追加開口絞り４２を通過する。一方、画像光ＭＬａ，ＭＬｆ，ＭＬｇ等の一連の光線束の包絡線は、第２開口ＡＰ２よりも僅かに小さい相似的な形状となっており、追加開口絞り４２は、結像に寄与しない光線の多くを遮断するものとなっている。ただし、追加開口絞り４２は、縦方向の不要光の通過をかなり許容するものとなっている。つまり、各画像光ＭＬａ，ＭＬｆ，ＭＬｇ等の一連の光線束については、第２開口ＡＰ２との間にかなりの隙間が存在するが、このような隙間を通過する光線は、第１絞り部材３１又は基本開口絞り４１によって予めカットされて第２絞り部材３２に殆ど到達しない。

図６Ａは、図５Ｂに示す第１絞り部材３１の変形例を説明する図である。この場合、第１絞り部材３１又は基本開口絞り４１は、矩形状の第１開口ＡＰ１を有する。図示を省略するが、第１開口ＡＰ１は、長円形であってもよい。第１開口ＡＰ１の形状は、画像光ＭＬａ，ＭＬｆ，ＭＬｇのサイズや配置に応じて適宜設定することができる。

図６Ｂは、図５Ｃに示す第２絞り部材３２の変形例を説明する図である。この場合、第２絞り部材３２又は追加開口絞り４２は、台形状の第２開口ＡＰ２を有する。追加開口絞り４２又は第２開口ＡＰ２は、第１の方向（ここではＺ方向）に関して非対称な形状を有する。

図７は、第２絞り部材３２の別の変形例を説明する図である。この場合、第２絞り部材３２は、光透過性を有する平板３２ｑ上に遮光性を有するマスク３２ｒを形成し、マスク３２ｒに設けた窓３２ｓを第２開口ＡＰ２としている。第２絞り部材３２は、ケース５１又は本体５２の取り付け孔（不図示）に対して気密に接着されている。これにより、ケース５１の内部空間が外部から封止され、プリズムミラー２２の光射出面２２ｃが外界に露出することが防止される。結果的に、プリズムミラー２２の光射出面２２ｃだけでなく、光入射面２２ａや、投射レンズ２１の入射面２１ａ、射出面２１ｂ等が外部から侵入した塵やごみなどで汚染され或いはこれらに水滴が付着することを回避することができ、使用による光学性能の劣化を抑制することができる。なお、マスク３２ｒは、第２絞り部材３２の厚み全体に亘って延びる立体的で厚いものであってもよい。

図３に戻って、シースルーミラー２３は、凹の表面ミラーとして機能する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、映像源１０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、映像源１０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、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。

この結像光学系１２では、プリズムミラー２２の光入射面２２ａの位置又はその近傍に、縦方向に関する中間瞳ＩＰａが配置されている。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ＭＬａ，ＭＬｂ，ＭＬｃ（図５Ｂ参照）が縦に広がって相互の重複が多くなる箇所を意味し、アイリングＥＲ又は瞳位置ＰＰの共役点に配置される。縦の中間瞳ＩＰａは、画像光ＭＬａ，ＭＬｂ，ＭＬｃのうちの主光線Ｐａ（図２参照）が交わる位置である。この縦方向に関する中間瞳ＩＰａの近傍には、既述のように第１絞り部材３１又は基本開口絞り４１の第１開口ＡＰ１が配置され、縦方向の開口絞りとして機能する。

プリズムミラー２２の光射出面２２ｃの位置又はその近傍には、横方向に関する中間瞳ＩＰｂが配置されている。横方向の中間瞳ＩＰｂは、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ＭＬａ，ＭＬｆ，ＭＬｇ（図５Ｃ参照）が横に広がって相互の重複が比較的多くなる箇所を意味し、アイリングＥＲ又は瞳位置ＰＰの共役点に配置される。横の中間瞳ＩＰｂは、画像光ＭＬａ，ＭＬｆ，ＭＬｇのうちの主光線Ｐｂ（図３の領域ＡＲ２参照）が交わる位置である。この横方向に関する中間瞳ＩＰｂの近傍には、既述のように第２絞り部材３２又は追加開口絞り４２の第２開口ＡＰ２が配置され、横方向の開口絞りとして機能する。

以上のように、本実施形態の表示装置１００では、光軸に直交する異なる方向、すなわちＹＺ面に平行な縦の第１の方向とＸ軸に平行な横の第２の方向とに関して、一方の主光線Ｐａの交わる位置と、他方の主光線Ｐｂが交わる位置とは、光軸ＡＸに沿って離間した異なる位置となっている。ここで、縦の第１の方向は、プリズムミラー２２の入出射面２２ａ，２２ｃにおいて第１方向Ｄ２１，Ｄ２３に相当し、横の第２の方向は、プリズムミラー２２の入出射面２２ａ，２２ｃにおいて第２方向Ｄ０２に相当する。縦横の異なる方向に関して主光線Ｐａ，Ｐｂが交わる異なる位置のうち、光路的に上流の第１位置又はその近傍には、第１絞り部材３１又は基本開口絞り４１が配置され、光路的に下流の第２位置又はその近傍には、第２絞り部材３２又は追加開口絞り４２が配置されている。つまり、複数の開口絞り４１，４２は、光軸ＡＸに直交する異なる方向に関して主光線が交わる異なる位置又は近傍にそれぞれ配置されている。

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、歪曲収差等の諸収差を示すものであってもよい。

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、基本開口絞り４１を介してプリズムミラー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、追加開口絞り４２を介してシースルーミラー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。

図８に示すように、結像光学系１２による結像状態を示す本来の投影像ＩＧ０は、比較的大きなディストーションを有するものとなっている。つまり、結像光学系１２は、ディストーションを形成する。結像光学系１２が軸外し光学系１１２であることから、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、結像光学系１２にディストーションが残存していても、元の表示像をＤＡ０とした場合において、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、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みを相殺する逆の歪み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。結果的に、シースルーミラー２３等で発生する歪曲収差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。結果的に、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。

図９に示すように、光路Ｐ３の光軸部分ＡＸ３については、＋Ｚ方向に向かって、下向きを負として、－１０°程度とすることができる。この場合、下向に傾いた方向に虚像表示又は視界を設定するべく、図２に示す光学系全体をＸ軸の周りに１０°程度回転させている。このように、光軸部分ＡＸ３を、中心軸ＨＸを基準として＋Ｚ方向で下向きとすることで、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。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。

以上で説明した、第１実施形態の表示装置１００では、プリズムミラー２２の光入射面２２ａの外側において画像光ＭＬの通過を制限する基本開口絞り４１を備えるので、結像に必要な画像光ＭＬを選択的に通過させつつ結像を劣化させる光を遮断することができ、表示装置１００の結像性能を向上させることができる。

〔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１０を参照して、第２実施形態の表示装置について説明する。図１０中で、領域ＢＲ１は、結像光学系１２の側方断面図を示し、領域ＢＲ２は、結像光学系１２の部分的な平面構造を示す。

本実施形態の表示装置１００の場合、図１０の領域ＢＲ２に示す平面視の光路に変更を加え、横方向に関する主光線Ｐｂがプリズムミラー２２の内反射面２２ｂの付近で交差するように設定し、この位置に中間瞳ＩＰｂが形成されている。これに対応して、横方向に関する追加開口絞り４２は、プリズムミラー２２の内反射面２２ｂの位置に形成されている。なお、保持部材３０において、第２絞り部材３２が形成されていた箇所には、開口３０ｓが形成され、遮光絞りとして機能している。

図１１に示すように、内反射面２２ｂは、遮光領域ＯＡに囲まれて画像光ＭＬの伝搬を許容し光学面領域に相当する有効領域ＥＡに形成された反射ミラー２２ｙを有する。反射ミラー２２ｙは、プリズムミラー２２の基材２２ｚのうち光学面領域に相当する表面２２ｓ上に形成されている。この場合、反射ミラー２２ｙを必要最小限の領域に配置することで間接的に追加開口絞り４２としても機能させることができる。反射ミラー２２ｙの周囲には、遮光領域ＯＡに設けられた吸収構造ＡＳとして、プリズムミラー２２の基材２２ｚ上に遮光性を有するマスク４２ｒが形成されている。マスク４２ｒは、シート状の遮光体を表面２２ｓ上に張り付けることによって形成されるが、これに限らず、遮光塗料や遮光物質を塗布、蒸着等することによって形成されてもよい。吸収構造ＡＳによって、反射ミラー２２ｙの周囲の遮光領域で形成される意図しない迷光を抑制することができる。さらに、反射ミラー２２ｙの周囲には、吸収構造ＡＳの下地として、散乱構造ＳＳが形成されている。散乱構造ＳＳは、プリズムミラー２２の基材２２ｚのうち有効領域ＥＡの外側に設けられた遮光領域ＯＡの表面２２ｓを粗面化したものであり、微細でランダムな凹凸を有する。この場合、反射ミラー２２ｙの周囲の遮光領域ＯＡで形成される意図しない迷光を散乱構造ＳＳによって抑制することができる。なお、図面では、有効領域ＥＡと遮光領域ＯＡとの境界に屈曲が形成されているが、これらの境界を滑らかな曲面とすることもできる。

以上では、遮光領域ＯＡに吸収構造ＡＳ及び散乱構造ＳＳを設けたが、吸収構造ＡＳ及び散乱構造ＳＳのいずれか一方のみを設けてもよい。反射ミラー２２ｒについては、金属膜のような反射部材を伴わない全反射面とすることができる。

図１２は、追加開口絞り４２を通過する画像光の状態を説明する概念図である。この場合、追加開口絞り４２は、円の一部である弓形部分をカットした形状の第２開口ＡＰ２を有する。

本実施形態において、第１絞り部材３１又は基本開口絞り４１は、追加開口絞り４２と同様にプリズムミラー２２の光入射面２２ａ上に形成することができる。この場合も、プリズムミラー２２の基材２２ｚのうち、光入射面２２ａについての有効領域ＥＡの外側にマスク４２ｒ等と同様のものを形成することができる。

本実施形態のように、光軸ＡＸの周りにおける第１の方向（ここでは、縦のＹ方向に相当）に関して、プリズムミラー２２の光入射面２２ａの近傍で画像光ＭＬが集まる場合、ここに配置される基本開口絞り４１によって不要光を遮断することができ、光軸の周りにおける第２の方向（ここでは、横方向に相当）に関して、プリズムミラー２２の内反射面２２ｂの近傍で画像光ＭＬが集まる場合、ここに配置される追加開口絞り４２によって不要光を遮断することができる。

〔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、追加開口絞り４２を基本開口絞り４１とは別に設けているが、横方向に関する主光線Ｐｂがプリズムミラー２２の光入射面２２ａの付近或いはこれからあまり離れていない位置で交差するような光路設計とした場合、縦横の主光線Ｐａ，Ｐｂの交差箇所が近づくことから、追加開口絞り４２を省略して基本開口絞り４１のみで通常の開口絞りとしての機能を発揮させることができる。逆に、縦方向に関する主光線Ｐａがプリズムミラー２２の光射出面２２ｃの付近或いはこれからあまり離れていない位置で交差するような光路設計とした場合、縦横の主光線Ｐａ，Ｐｂの交差箇所が近づき、基本開口絞り４１を省略して追加開口絞り４２のみで通常の開口絞りとしての機能を発揮させることができる。このように追加開口絞り４２の位置に開口絞りが単独で組み込まれる場合、追加開口絞り４２の位置に単独で組み込まれる開口絞りを基本開口絞りと呼ぶものとする。

投射レンズ１１は、一枚のレンズで構成するものに限らず、複数枚のレンズで構成することができる。

基本開口絞り４１や追加開口絞り４２は、２段で設けてもよい。つまり、基本開口絞り４１は、光路方向に沿って異なる位置に配置される複数の絞りとして組み込むことができ、追加開口絞り４２も、光路方向に沿って異なる位置に配置される複数の絞りとして組み込むことができる。

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、映像素子から射出された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ことにより、画像光を傾斜した方向に折り返すように射出する、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、プリズムミラーの光入射面及び光射出面のうち一方の外側において画像光の通過を制限する基本開口絞りとを備える。

上記表示装置では、プリズムミラーの光入射面又は光射出面の外側において画像光の通過を制限する基本開口絞りを備えるので、結像に必要な画像光を選択的に通過させつつ結像を劣化させる光を遮断することができ、表示装置の結像性能を向上させることができる。

具体的な側面において、基本開口絞りは、投射レンズとプリズムミラーとの間に配置される。投射レンズとプリズムミラーとの間には空間を確保しやすく基本開口絞りを配置しやすい。

別の側面において、プリズムミラーの光射出面に対向して配置される追加開口絞りをさらに備える。映像素子から射出された画像光が集まる位置が光軸の周りにおける方向によって異なる場合、基本開口絞りと追加開口絞りとを組み合わせることによって一般的な開口絞りと同様の機能を持たせることができる。具体的には、光軸の周りにおける特定の方向に関して、プリズムミラーの光入射面の近傍で画像光が集まる場合、ここに配置される基本開口絞りによって不要光を遮断することができ、光軸の周りにおける別の方向に関して、プリズムミラーの光射出面の近傍で画像光が集まる場合、ここに配置される追加開口絞りによって不要光を遮断することができる。

別の側面において、プリズムミラーの内反射面の位置に形成される追加開口絞りをさらに備える。光軸の周りにおける特定の方向に関して、プリズムミラーの光入射面の近傍で画像光が集まる場合、ここに配置される基本開口絞りによって不要光を遮断することができ、光軸の周りにおける別の方向に関して、プリズムミラーの内反射面の近傍で画像光が集まる場合、ここに配置される追加開口絞りによって不要光を遮断することができる。

別の側面において、内反射面は、遮光領域に囲まれて画像光の伝搬を許容する有効領域に形成された反射ミラーを有する。この場合、反射ミラーを必要最小限の領域に配置することで間接的に追加開口絞りとしても機能させることができる。

別の側面において、反射ミラーの周囲の遮光領域に設けられた吸収構造を有する。反射ミラーの周囲の遮光領域で形成される意図しない迷光を吸収構造によって抑制することができる。

別の側面において、反射ミラーの周囲の遮光領域に設けられた散乱構造を有する。反射ミラーの周囲の遮光領域で形成される意図しない迷光を散乱構造によって抑制することができる。

別の側面において、基本開口絞りは、プリズムミラーに入射する画像光の光軸と、プリズムミラーから射出する画像光の光軸とを含む所定面に平行な第１の方向に関して開口絞りとして機能する。第１の方向は、プリズムミラーによって光軸が逸れる方向に対応している。

別の側面において、基本開口絞りは、第１の方向に関する中間瞳位置に対応付けて配置される。基本開口絞りは、設計上の中間瞳位置に正確に一致させる必要はなく、多少ずらした位置に配置してもよい。

別の側面において、中間瞳位置は、第１の方向に関して異なる画素位置から射出される複数の主光線が交わる位置である。

別の側面において、追加開口絞りは、プリズムミラーに入射する画像光の光軸と、プリズムミラーから射出する画像光の光軸とを含む所定面に垂直な第２の方向に関して開口絞りとして機能する。第２の方向は、プリズムミラーによって光軸が逸れる方向に直交する方向に対応する。

別の側面において、追加開口絞りは、第２の方向に関する中間瞳位置に対応付けて配置される。

別の側面において、追加開口絞りは、所定面に平行な第１の方向に関して非対称な形状を有する。追加開口絞りを通過させるべき画像光の光線束のサイズは、第１の方向の位置に応じて変化する場合があり、このような場合において、必要な画像光を無駄なく効率的に通過させることができる。

別の側面において、基本開口絞りは、プリズムミラーを支持する保持部材の一部である。この場合、保持部材によってプリズムミラーと基本開口絞りを一括してアライメントして支持することができる。保持部材には追加開口絞りを支持させることもできる。

別の側面において、投射レンズは、自由曲面を有し、プリズムミラーの光入射面、内反射面、及び光射出面は、自由曲面である。表示装置が自由曲面を含むことで光学性能を高めることが容易となる。

別の側面において、映像源は、所定基準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を含む軸外し光学系である。

別の側面において、所定基準面は、縦方向に延びる。

別の側面において、プリズムミラーとシースルーミラーとを含む光学系は、ディストーションを形成する。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別の表示装置は、映像素子と、映像素子から射出された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ことにより、画像光を傾斜した方向に折り返すように射出する、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、光軸に直交する異なる方向に関して、主光線が光軸に沿って離間した異なる位置で交わり、当該異なる位置又は近傍にそれぞれ配置される複数の開口絞りを有する。

本発明の一側面における光学ユニットは、映像素子から射出された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ことにより、画像光を傾斜した方向に折り返すように射出する、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、プリズムミラーの光入射面及び光射出面のうち一方の外側において画像光の通過を制限する基本開口絞りとを備える。

１０…映像源、１１…映像素子、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、２１ａ…入射面、２１ｂ…射出面、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、２３ｏ…外側面、３０…保持部材、３１…第１絞り部材、３２…第２絞り部材、４１…基本開口絞り、４２…追加開口絞り、３２ｒ…マスク、３２ｓ…窓、３３…支持部材、４１…第１口絞り、４２…第２口絞り、４２ｒ…マスク、５１…ケース、１００Ａ，１００Ｂ…表示装置、１００Ｃ…支持装置、１０２…表示駆動部、１１２…軸外し光学系、ＡＸ…光軸、ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＸ３…光軸部分、ＥＲ…アイリング、ＩＰａ，ＩＰｂ…中間瞳、ＭＬ…画像光、ＭＬａ，ＭＬｂ，ＭＬｃ…画像光、ＭＬａ，ＭＬｆ，ＭＬｇ…画像光、ＯＬ…外界光、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…光路、ＰＰ…瞳位置、Ｐａ，Ｐｂ…主光線

Claims (18)

1. 映像素子と、
   前記映像素子から射出された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前記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ことにより、前記画像光を傾斜した方向に折り返すように射出する、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、
   前記プリズムミラーの前記光入射面及び前記光射出面のうち一方の外側において前記画像光の通過を制限する基本開口絞りと、
   前記プリズムミラーの前記内反射面の位置に形成される追加開口絞りとを備える、表示装置。
2. 前記基本開口絞りは、前記投射レンズと前記プリズムミラーとの間に配置される、請求項１に記載の表示装置。
3. 前記内反射面は、遮光領域に囲まれて前記画像光の伝搬を許容する有効領域に形成された反射ミラーを有する、請求項１及び２のいずれか一項に記載の表示装置。
4. 前記反射ミラーの周囲の前記遮光領域に設けられた吸収構造を有する、請求項３に記載の表示装置。
5. 前記反射ミラーの周囲の前記遮光領域に設けられた散乱構造を有する、請求項３に記載の表示装置。
6. 前記基本開口絞りは、前記プリズムミラーに入射する前記画像光の光軸と、前記プリズムミラーから射出する前記画像光の光軸とを含む所定面に平行な第１の方向に関して開口絞りとして機能する、請求項１～５のいずれか一項に記載の表示装置。
7. 前記基本開口絞りは、前記第１の方向に関する中間瞳位置に対応付けて配置される、請求項６に記載の表示装置。
8. 前記中間瞳位置は、前記第１の方向に関して異なる画素位置から射出される複数の主光線が交わる位置である、請求項７に記載の表示装置。
9. 前記追加開口絞りは、前記所定面に垂直な第２の方向に関して開口絞りとして機能する、請求項６～８のいずれか一項に記載の表示装置。
10. 前記追加開口絞りは、前記第２の方向に関する中間瞳位置に対応付けて配置される、請求項９に記載の表示装置。
11. 前記追加開口絞りは、前記第１の方向に関して非対称な形状を有する、請求項９及び１０のいずれか一項に記載の表示装置。
12. 前記基本開口絞りは、前記プリズムミラーを支持する保持部材の一部である、請求項１～１１のいずれか一項に記載の表示装置。
13. 前記投射レンズは、自由曲面を有し、
    前記プリズムミラーの前記光入射面、前記内反射面、及び前記光射出面は、自由曲面である、請求項１～１２のいずれか一項に記載の表示装置。
14. 前記映像素子、前記投射レンズ及び前記プリズムミラーは、所定基準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を含む軸外し光学系である、請求項１～１３のいずれか一項に記載の表示装置。
15. 前記所定基準面は、縦方向に延びる、請求項１４に記載の表示装置。
16. 前記プリズムミラーと前記シースルーミラーとを含む光学系は、ディストーションを形成する、請求項１～１５のいずれか一項に記載の表示装置。
17. 映像素子と、
    前記映像素子から射出された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前記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ことにより、前記画像光を傾斜した方向に折り返すように射出する、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、
    光軸に直交する異なる方向に関して、主光線が前記光軸に沿って離間した異なる位置で交わり、
    前記異なる位置又は近傍にそれぞれ配置される複数の開口絞りを有し、
    前記複数の開口絞りは、前記プリズムミラーの前記光入射面及び前記光射出面のうち一方の外側において前記画像光の通過を制限する基本開口絞りと、前記プリズムミラーの前記内反射面の位置に形成される追加開口絞りとである、表示装置。
18. 映像素子から射出された画像光を通過させる通す投射レンズと、
    前記投射レンズから射出された前記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ことにより、前記画像光を傾斜した方向に折り返すように射出する、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、
    前記プリズムミラーの前記光入射面に入射する前記画像光を制限する基本開口絞りと、
    前記プリズムミラーの前記内反射面の位置に形成される追加開口絞りとを備える、光学ユニット。

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