特開 2024-17556 虚像表示装置及び光学ユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024017556

(43)【公開日】2024-02-08

(54)【発明の名称】虚像表示装置及び光学ユニット

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20240201BHJP

   G02B 5/32 20060101ALI20240201BHJP

   G02B 5/30 20060101ALI20240201BHJP

   G02B 5/10 20060101ALI20240201BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

G02B5/32

G02B5/30

G02B5/10

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022120273

(22)【出願日】2022-07-28

(71)【出願人】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100179475

【弁理士】

【氏名又は名称】仲井 智至

(74)【代理人】

【識別番号】100216253

【弁理士】

【氏名又は名称】松岡 宏紀

(74)【代理人】

【識別番号】100225901

【弁理士】

【氏名又は名称】今村 真之

(72)【発明者】

【氏名】松本 大輝

(72)【発明者】

【氏名】井出 光隆

【テーマコード（参考）】

2H042

2H149

2H199

2H249

【Ｆターム（参考）】

2H042DB07

2H042DD05

2H042DE00

2H149AA17

2H149AB01

2H149AB23

2H149BA03

2H149DA04

2H149EA02

2H149FC07

2H149FC08

2H199CA12

2H199CA23

2H199CA24

2H199CA25

2H199CA27

2H199CA29

2H199CA30

2H199CA42

2H199CA45

2H199CA46

2H199CA47

2H199CA48

2H199CA58

2H199CA59

2H199CA60

2H199CA64

2H199CA65

2H199CA68

2H199CA69

2H199CA81

2H199CA87

2H249CA01

2H249CA06

2H249CA09

2H249CA22

(57)【要約】

【課題】表面に画像光が漏れることを抑制すること。
【解決手段】虚像表示装置１００は、画像光生成装置である表示素子１１と、表示素子１１からの画像光ＭＬが入射する投射光学系１２と、投射光学系１２からの画像光ＭＬを瞳位置ＰＰに向けて部分的に反射する部分透過ミラー１２３と、を備え、部分透過ミラー１２３は、反射型偏光子２３ｐを有し、部分透過ミラー１２３の外側に離間して反射型ホログラム３０ｐが配置されている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

画像光生成装置と、
前記画像光生成装置からの画像光が入射する投射光学系と、
前記投射光学系からの前記画像光を瞳位置に向けて部分的に反射する部分透過ミラーと、を備え、
前記部分透過ミラーは、反射型偏光子を有し、
前記部分透過ミラーの外側に離間して反射型ホログラムが配置されている虚像表示装置。

【請求項2】

前記反射型偏光子は、基材の内側に設けられた反射型偏光膜である、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項3】

前記画像光生成装置と前記反射型偏光子との間にバンドパスフィルターが配置されている、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項4】

前記バンドパスフィルターは、前記画像光生成装置と前記投射光学系との間に配置されている、請求項３に記載の虚像表示装置。

【請求項5】

前記画像光生成装置は、特定方向の偏光を含む画像光を射出し、
前記反射型偏光子は、前記特定方向の偏光を部分的に反射する反射型偏光子であり、
前記反射型偏光子と前記反射型ホログラムとの間にλ／４波長板が配置されている、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項6】

前記画像光生成装置は、レーザー光源を有し、
前記レーザー光源と前記反射型偏光子との間にλ／４波長板が配置されている、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項7】

前記部分透過ミラーは、凹面ミラーである、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項8】

前記反射型ホログラムは、前記部分透過ミラーと略平行に延びる湾曲した部材である、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項9】

前記投射光学系は、前記画像光を集光する第１光学部材と、前記第１光学部材からの前記画像光を反射する第２光学部材とを含む、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項10】

前記第２光学部材は、前記画像光が入射する入射部と、入射した前記画像光が前記反射部材に向けて出射する出射部と、前記入射部から入射した前記画像光が前記出射部へ向けて反射される反射部と、を有する、請求項９に記載の虚像表示装置。

【請求項11】

画像光生成装置からの画像光が入射する投射光学系と、
前記投射光学系からの前記画像光を瞳位置に向けて部分的に反射する部分透過ミラーと、を備え、
前記部分透過ミラーは、反射型偏光子を有し、
前記部分透過ミラーの外側に離間して反射型ホログラムが配置されている光学ユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、虚像の観察を可能にする虚像表示装置に関し、特に部分透過ミラーを備える虚像表示装置及び光学ユニットに関する。

【背景技術】

【0002】

虚像表示装置として、眼前に光透過性を有する光学部材を配置し、画像光と外界光とを同時に観察可能にするものがある。例えば特許文献１には、半透過反射面を組み込んだプリズム部材と内面反射型の凹面ミラーである集光反射部材とを備えるものが開示されている（特許文献１参照）。この装置では、プリズム部材に入射した画像光をプリズム部材の全反射面で半透過反射面に向けて全反射させて導くとともに、半透過反射面で画像光をプリズム部材の前方に配置された集光反射部材に向けて反射することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－００８７４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記特許文献１の虚像表示装置では、光学系にレンズを使用した場合に瞳径に光線が入射する領域を拡大すると、レンズを大きくする必要があり、光学系が大型化するという問題がある。また、特許文献１の虚像表示装置では、集光反射部材の外側に画像光が射出されるため、画像光が集光反射部材から外部に漏れてしまい、外部から表示中の画像が見えるおそれがある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一側面における虚像表示装置は、画像光生成装置と、画像光生成装置からの画像光が入射する投射光学系と、投射光学系からの画像光を瞳位置に向けて部分的に反射する部分透過ミラーと、を備え、部分透過ミラーは、反射型偏光子を有し、部分透過ミラーの外側に離間して反射型ホログラムが配置されている。

【0006】

本発明の一側面における光学ユニットは、画像光生成装置からの画像光が入射する投射光学系と、投射光学系からの画像光を瞳位置に向けて部分的に反射する部分透過ミラーと、を備え、部分透過ミラーは、反射型偏光子を有し、部分透過ミラーの外側に離間して反射型ホログラムが配置されている。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１実施形態の虚像表示装置の装着状態を説明する外観斜視図である。

【図2】虚像表示装置の構造を説明する側方断面図である。

【図3】部分透過ミラー及びカバー部材の周辺を説明する部分拡大断面図である。

【図4】部分透過ミラー及びカバー部材の周辺を説明する部分拡大断面図である。

【図5】第２実施形態の虚像表示装置の構造を説明する側方断面図である。

【図6】第３実施形態の虚像表示装置の構造を説明する側方断面図である。

【図7】図６の部分透過ミラー及びカバー部材の部分を示す拡大断面図である。

【図8】第４実施形態の虚像表示装置を説明する側方断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

〔第１実施形態〕
以下、図１、２等を参照して、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。

【0009】

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又は虚像表示装置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。

【0010】

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、情報端末であるユーザー端末９０とを備える。第１表示装置１００Ａは、単独で虚像表示装置として機能し、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コンバイナー１０３と、コンバイナー１０３をその前方から覆う前方コンバイナー１０４とで構成される。第２表示装置１００Ｂも同様に、単独で虚像表示装置として機能し、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コンバイナー１０３と、コンバイナー１０３を覆う前方コンバイナー１０４とで構成される。一対の前方コンバイナー１０４を組み合わせたものをカバー部材１０５と呼ぶ。カバー部材１０５は、一体の部材であり、表示駆動部１０２に対して固定されている。支持装置１００Ｃは、装着者ＵＳの頭部に装着される装着部材であり、表示駆動部１０２を介してコンバイナー１０３及び前方コンバイナー１０４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、第２表示装置１００Ｂについては、詳細な説明を省略する。

【0011】

図２は、第１表示装置１００Ａの光学的構造を説明する側方断面図である。第１表示装置１００Ａは、表示素子１１とバンドパスフィルター４０と結像光学系２０とホログラム素子３０と表示制御装置８８とを備える。結像光学系２０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とを備える。結像光学系２０のうち、投射レンズ２１とプリズムミラー２２とは、画像光生成装置である表示素子１１からの画像光ＭＬが入射する投射光学系１２として機能し、シースルーミラー２３は、上記投射光学系１２から出射される画像光ＭＬを瞳位置ＰＰ又は眼ＥＹに向けて部分的に反射する部分透過ミラー１２３として機能する。投射光学系１２を構成する投射レンズ２１及びプリズムミラー２２は、映像光又は画像光ＭＬが入射される第１光学部材及び第２光学部材にそれぞれ対応する。また、表示素子１１と投射レンズ２１とプリズムミラー２２とは、図１に示す表示駆動部１０２の一部に対応する。投射光学系１２を構成する投射レンズ２１及びプリズムミラー２２は、表示素子１１とともに相互にアライメントされた状態でケース５１内に固定されている。シースルーミラー２３は、図１に示すコンバイナー１０３、つまり後方コンバイナーに対応する。シースルーミラー２３は、外側に凸の外形を有し、その外界側は、別途設けられたホログラム素子３０によって部分的に覆われている。ホログラム素子３０は、図１に示す前方コンバイナー１０４に対応する。バンドパスフィルター４０は、表示素子１１と結像光学系２０との間、具体的には、表示素子１１と投射レンズ２１との間に配置されている。ケース５１は、筐体又は支持部材であり、遮光性の材料で形成され、表示素子１１を動作させる表示制御装置８８を支持している。ケース５１は、開口５１ａを有し、開口５１ａは、透光板５３によって塞がれている。透光板５３は、投射光学系１２がケース５１の外部に向けて画像光ＭＬを射出させることを可能にし、ケース５１の内部にゴミや水分が入り込むことを抑制する。

【0012】

第１表示装置１００Ａにおいて、表示素子１１は、自発光型の画像光生成装置である。表示素子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。画像光生成装置である表示素子１１は、制御部である表示制御装置８８に駆動されて表示動作を行う。表示素子１１は、有機ＥＬディスプレイに限らず、無機ＥＬ、有機ＬＥＤ、ＬＥＤアレイ、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。表示素子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。表示素子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。

【0013】

表示素子１１が例えばＬＣＤである場合、表示素子１１から出射される画像光ＭＬは、一般に偏光となる。後述するように、本実施形態では、シースルーミラー２３の反射型偏光膜２３ａがＳ偏光を反射するので、表示素子１１から出射される画像光ＭＬをＳ偏光又はこれを含むものとする必要がある。

【0014】

バンドパスフィルター４０は、特定波長の光を透過させるものであり、狭域な透過波長帯域を有する。表示素子１１から射出される画像光ＭＬが単色の場合、特定波長の光を効率良く抽出することができる。本実施形態の場合、バンドパスフィルター４０は、中心波長が例えば６３３ｎｍである透過波長帯域を有する。なお、表示素子１１から射出させる画像光ＭＬは３色でもよく、この場合、バンドパスフィルター４０は３つの透過波長帯域、具体的には、赤、緑、青（ＲＧＢ）の透過波長帯域を有するものとなる。ＲＧＢの透過波長帯域は、例えば６２５～７８０ｎｍ、５００～５６５ｎｍ、及び４５０～４８４ｎｍの範囲内で調整される。透過波長帯域の中心波長は、例えば６３８ｎｍ、５２３ｎｍ、及び４４９ｎｍとなる。

【0015】

結像光学系２０は、シースルーミラー２３が凹面ミラーであること等に起因して、軸外し光学系ＯＳ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。この結像光学系２０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。具体的には、ＹＺ面に平行な軸外し面において、投射レンズ２１からプリズムミラー２２の内反射面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。結果的に、シースルーミラー２３において光軸ＡＸが交差する中央箇所の法線は、Ｚ方向に対してθ＝４０～５０°程度の角度をなす。この結像光学系２０では、光路Ｐ１～Ｐ３がＺ字状に２段階で折り返される配置となっており、光路Ｐ１，Ｐ３が比較的水平に近いため、第１表示装置１００Ａ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、第１表示装置１００Ａの横幅の増大を防止することができる。さらに、プリズムミラー２２等での反射による光路の折り畳みによって、結像光学系２０を上下方向や前後方向に関しても小型化することできる。また、シースルーミラー２３の中央箇所の傾斜角θが４０～５０°であることから、視線に対応する光路Ｐ３の傾きが一定とした場合、光路Ｐ２のＺ軸に対する傾きが７０°から９０°となり、虚像表示装置１００のＺ方向の厚みを低減することが容易になる。

【0016】

結像光学系２０のうち、投射レンズ２１からプリズムミラー２２の内反射面２２ｂまでの光路Ｐ１は、視点を基準とする後方に向かってやや斜め上方向又はＺ方向に平行に近い方向に延びている。内反射面２２ｂからシースルーミラー２３までの光路Ｐ２は、前方に向かって斜め下方向に延びている。水平面方向（ＸＺ面）を基準とした場合、光路Ｐ２の傾斜が光路Ｐ１の傾斜よりも大きくなっている。シースルーミラー２３から瞳位置ＰＰまでの光路Ｐ３は、後方に向かってやや斜め上方向又はＺ方向に平行に近い方向に延びている。図示の例では、光軸ＡＸのうち光路Ｐ３に対応する部分は、＋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、部分透過ミラー１２３は、光軸ＡＸ又は光路Ｐ３が所定角度上向き、つまり１０°程度上向きとなるように画像光ＭＬを反射する。結果的に、光軸ＡＸのうち光路Ｐ３に対応する部分を延長した射出光軸ＥＸは、前方の＋Ｚ方向に平行な中心軸ＨＸに対して１０°程度下向きに傾いて延びる。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、第１表示装置１００Ａ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。

【0017】

なお、結像光学系２０における全体的な光路は、図示のようにＺ字となるような３つの光路Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３からなるものに限らず、２つ又は４つ以上の光路を含む様々なものに変更することができる。図示の例では、最初の光路Ｐ１と最後の光路Ｐ３が中間の光路Ｐ２に比較して水平に近いが、各光路Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の角度も、虚像表示装置１００の用途等を顧慮して様々なものに設定することができる。ただし、最後の光路Ｐ３については、一般的には、上記のように視線を考慮した設定とすることが望ましい。部分透過ミラー１２３の姿勢については、特に光軸ＡＸが通る中央部において、中間の光路Ｐ２の角度設定と最後の光路Ｐ３との角度設定との影響を受けることになる。

【0018】

結像光学系２０のうち、投射レンズ２１は、第１レンズ２１ｏ、第２レンズ２１ｐ、及び第３レンズ２１ｑを含む。投射レンズ２１は、表示素子１１から射出された画像光ＭＬを受けて、プリズムミラー２２に入射させる。投射レンズ２１は、表示素子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を構成する第１レンズ２１ｏ、第２レンズ２１ｐ、及び第３レンズ２１ｑの光学面すなわち入射面及び出射面は、自由曲面又は非球面であり、ＹＺ面に平行で光軸ＡＸと交差する縦方向に関して、光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、横方向又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。第１レンズ２１ｏ、第２レンズ２１ｐ、及び第３レンズ２１ｑ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を構成する第１レンズ２１ｏ、第２レンズ２１ｐ、及び第３レンズ２１ｑの光学面には、反射防止膜を形成することができる。

【0019】

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機能を有する光学部材であり、投射レンズ２１からの画像光ＭＬを屈折させつつ反射する。プリズムミラー２２は、入射部に対応する入射面２２ａと、反射部に対応する内反射面２２ｂと、出射部に対応する出射面２２ｃとを有する。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）に対して下方に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２２を構成する光学面である入射面２２ａと内反射面２２ｂと出射面２２ｃとは、ＹＺ面に平行で光軸ＡＸと交差する縦方向に関して、光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、横方向又は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の光学面、つまり入射面２２ａと内反射面２２ｂと出射面２２ｃとは、例えば自由曲面である。入射面２２ａと内反射面２２ｂと出射面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。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、入射面２２ａ及び出射面２２ｃ上には、反射防止膜を形成することができる。

【0020】

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反射光学部材であり、プリズムミラー２２からの画像光ＭＬを反射するとともに外界光ＯＬを部分的に透過させる。シースルーミラー２３は、投射光学系１２の射出領域に配置されたプリズムミラー２２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、反射面２３ｃと外側面２３ｏとを有する。

【0021】

シースルーミラー２３は、画像光ＭＬを部分的に反射し、プリズムミラー２２の光射出側に形成された中間像を拡大する。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凹面ミラーである。瞳位置ＰＰ又はその開口ＰＰａは、アイポイント又はアイボックスと呼ばれる。瞳位置ＰＰ又は開口ＰＰａは、結像光学系２０の射出側における射出瞳ＥＰに相当する。シースルーミラー２３は、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、投射光学系１２のプリズムミラー２２の射出側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、凹面ミラーとして、画像光生成装置である表示素子１１に形成され投射光学系１２によって再結像された中間像（不図示）を拡大視することを可能にする。より詳細には、シースルーミラー２３は、視野レンズと同様に機能し、プリズムミラー２２の出射面２２ｃの後段に形成された中間像（不図示）の各点からの画像光ＭＬをコリメートした状態で瞳位置ＰＰに全体として集めるように入射させる。シースルーミラー２３は、中間像と瞳位置ＰＰとの間に配置される観点で、画角（眼ＥＹの正面方向に延びる光軸ＡＸを基準として上下左右における視野角を合わせたもの）に相当する有効領域ＥＡ以上の広がりを有することが必要となる。シースルーミラー２３において、有効領域ＥＡよりも外側に延びる外領域については、結像に直接影響しないので、任意の面形状とすることができるが、メガネレンズ状の外観を確保する観点からは、有効領域ＥＡの外縁の面形状の曲率と同じ、又は当該外縁から連続的に変化するものであることが望ましい。

【0022】

シースルーミラー２３は、板状体２３ｂの裏面上に反射型偏光膜２３ａを形成した構造を有する半透過型のミラー板である。板状体２３ｂの裏面は、眼ＥＹ又は瞳位置ＰＰ側の面であり、シースルーミラー２３の反射面２３ｃに対応する。シースルーミラー２３の反射面２３ｃは、ＹＺ面に平行で光軸ＡＸと交差する縦方向に関して、光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、横方向又は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２３ｃは、例えば自由曲面である。反射面２３ｃは、自由曲面に限らず、非球面とすることもできる。反射面２３ｃは、有効領域ＥＡ以上の広がりを有する必要がある。反射面２３ｃが有効領域ＥＡよりも広い外領域に形成されている場合、有効領域ＥＡの背後からの外界像と、上記外領域の背後からの外界像とに関して、見え方の差が生じにくくなる。

【0023】

シースルーミラー２３は、画像光ＭＬの特定方向の偏光を反射させ、特定方向と異なる方向の偏光を透過させる。シースルーミラー２３の反射型偏光膜２３ａでは、特定方向の偏光は所定の反射率で反射され、残りの特定方向の偏光は吸収又は透過する。また、反射型偏光膜２３ａでは、特定方向と異なる方向の偏光は所定の透過率で透過し、残りの特定方向と異なる方向の偏光は吸収又は反射される。シースルーミラー２３を透過した特定方向と異なる方向の偏光は、後述するホログラム素子３０において反射され、反射された光は、シースルーミラー２３を所定の透過率で透過する。また、シースルーミラー２３は、ホログラム素子３０を透過した外界光ＯＬのうち特定方向と異なる方向の偏光を所定の透過率で透過する。結果的に、画像光ＭＬのうち、シースルーミラー２３又はホログラム素子３０で反射した一部の光が瞳位置ＰＰに入射する。外界光ＯＬのうち、ホログラム素子３０及びシースルーミラー２３を透過した一部の光が瞳位置ＰＰに入射する。

【0024】

具体的には、シースルーミラー２３の反射面２３ｃ又は反射型偏光膜２３ａは、Ｓ偏光を反射する偏光膜によって形成され、反射型偏光子２３ｐとして機能している。反射型偏光膜２３ａは、その偏光軸が上下方向に設定されている。つまり、反射型偏光膜２３ａは、反射軸が左右方向に設定されており、左右方向に対応する±Ｘ方向を偏光方向とするＳ偏光を少ない減衰で効率的に反射し、上下方向に対応する±Ｙ方向を偏光方向とするＰ偏光を殆ど透過させる。反射型偏光膜２３ａの透過軸は、上下方向つまり±Ｙ方向となっている。これにより、画像光ＭＬのうちＳ成分が反射されるとともにＰ成分が透過し、画像光ＭＬに対してハーフミラーのように機能する。一方、外界光ＯＬが後述するホログラム素子３０を通過した場合、通過した外界光ＯＬのうちＳ偏光がシースルーミラー２３によって遮断され、通過した外界光ＯＬのうちＰ偏光がシースルーミラー２３を通過する。このため、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、反射型偏光膜２３ａ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。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。反射型偏光膜２３ａ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。反射型偏光膜２３ａ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。反射型偏光膜２３ａの積層膜は、板状体２３ｂが曲面であっても形成しやすい。また、シースルーミラー２３は、反射型偏光子２３ｐとして、板状体２３ｂの裏面上にアルミ製の薄いマイクロワイヤー層を形成し、反射面２３ｃをワイヤーグリッド面としてもよい。板状体２３ｂの外側面２３ｏには、反射防止膜を形成することができる。

【0025】

以上において、Ｓ偏光の反射率はＰ偏光の反射率よりも大きいため、反射型偏光膜２３ａとしては、光の利用効率からすれば、Ｓ偏光を反射する偏光膜を用いることが好ましい。

【0026】

ホログラム素子３０は、光の進行方向を制御する反射型ホログラフィック光学素子であり、回折光学素子に相当する。ホログラム素子３０は、所定の角度範囲で入射した光を光学設計上の目的とする方向に回折反射し、所定の角度範囲以外で入射した光を透過する。具体的には、ホログラム素子３０は、シースルーミラー２３を通過した画像光ＭＬのＰ偏光を反射し、外界光ＯＬを透過する。このため、シースルーミラー２３と併せて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。また、ホログラム素子３０は、凹面ミラーと等価の光学素子である。ホログラム素子３０は、シースルーミラー２３を透過直進した入射光をコリメートするものであり、シースルーミラー２３から離間している結果として、縦方向に関して瞳に光線が入射する領域を拡大する。ホログラム素子３０は、図示の例ではシースルーミラー２３と同様に外界に向かって凸形状を有する。ホログラム素子３０は、平面でもよいが、曲面を有することが好ましい。ホログラム素子３０は、光の波面を制御することにより、位相を制御することができる。シースルーミラー２３に入射する画像光ＭＬ、つまり光路Ｐ２を進む画像光ＭＬは、シースルーミラー２３に対して傾斜して入射する。シースルーミラー２３において、光路Ｐ２を進む画像光ＭＬは、光路Ｐ３に対応する部分を延長した射出光軸ＥＸに対して、所定角度δ傾斜している。結果的に、シースルーミラー２３を斜めに透過した画像光ＭＬの特定方向の偏光は、ホログラム素子３０に対してシースルーミラー２３への入射角と略等しい入射角で傾斜して入射する。これにより、シースルーミラー２３とホログラム素子３０との間隔に合わせて、画像光ＭＬの下方シフト、つまり下方への瞳拡大を達成できる。

【0027】

ホログラム素子３０は、反射層３１ｃと外側面３１ｏとを有する。ホログラム素子３０の反射層３１ｃは、ＹＺ面に平行で光軸ＡＸと交差する縦方向に関して、光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、横方向又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。ホログラム素子３０の反射層３１ｃの表面は、例えば自由曲面である。反射層３１ｃの表面は、自由曲面に限らず、非球面とすることもできる。

【0028】

ホログラム素子３０は、板状体３０ｂの裏面上に反射型ホログラム膜３０ａを形成した構造を有する。反射型ホログラム膜３０ａは、予め記録された干渉縞により光を回折することで、光の進行方向の制御、すなわち、光路制御を実現し、反射型ホログラム３０ｐとして機能する。反射型ホログラム膜３０ａは、例えば体積ホログラム層であり、所定の干渉パターンを立体的に記録したものである。反射型ホログラム膜３０ａは、複数の屈折率の回折パターン又は縞を複合したものとなっている。

【0029】

ホログラム素子３０は、シースルーミラー２３の反射型偏光膜２３ａ又は反射型偏光子２３ｐの外側に離間して配置されている。つまり、虚像表示装置１００は、部分透過ミラー１２３又はシースルーミラー２３の外側に、反射型ホログラム３０ｐとして反射型ホログラム膜３０ａを設けた前方コンバイナー１０４を備えるものとなっている。ホログラム素子３０又は反射型ホログラム３０ｐは、シースルーミラー２３と略平行に延びる湾曲した部材である。これにより、シースルーミラー２３と反射型ホログラム３０ｐとの間の距離が略同じとなり、シースルーミラー２３で反射する画像光ＭＬと反射型ホログラム３０ｐで反射する画像光ＭＬとの位相ずれを調整しやすくなる。図３に示すように、シースルーミラー２３とホログラム素子３０との間の距離ｄは、例えば３～５ｍｍである。反射型ホログラム膜３０ａを支持する板状体３０ｂは、１ｍｍ程度以下と薄く、外界像の倍率変化を小さく抑えている。ホログラム素子３０の基材である板状体３０ｂは、例えば樹脂で形成される。反射型ホログラム膜３０ａは、板状体３０ｂ上に直接形成することができるが、例えば重クロム酸ゼラチンや銀塩乳剤等のホログラフィック記録材料をフィルム３０ｄに形成して、反射型ホログラム膜３０ａを形成したフィルム３０ｄを板状体３０ｂ上に貼り付けることができる。反射型ホログラム膜３０ａの厚さは、２０μｍ程度であり、フィルム３０ｄの厚さは１００μｍ程度である。ホログラム素子３０の全体の厚さは例えば１．１ｍｍ程度となる。反射型ホログラム膜３０ａの干渉パターンは、例えばレーザー光をスキャンして干渉縞を生成するスキャン露光等の手法を用いて形成する。また、表示素子１１がカラー表示の場合には、反射型ホログラム膜３０ａは、ＲＧＢの各光により露光された３種類の反射型ホログラム３０ｐを積層したものとすることができる。また、反射型ホログラム膜３０ａは、例えば多重露光が可能なフォトポリマー等を用いてもよい。この場合、反射型ホログラム膜３０ａには、互いに波長の異なる光で露光された干渉縞が含まれる。板状体３０ｂの外側面３１ｏには、反射防止膜を形成することができる。

【0030】

一般に、瞳に光線が入射する領域を拡大するためには、投射光学系１２のレンズを大きくする必要がある。本実施形態の虚像表示装置１００では、光学系に反射型ホログラム３０ｐを使用することで、レンズのサイズを大きくすることなく、瞳に光線が入射する領域を拡大できる。つまり、瞳に光線が入射する領域について、瞳拡大の領域と同じ大きさにする場合、反射型ホログラム３０ｐを使用することで、投射光学系１２の投射レンズ２１を小さくすることができる。また、瞳に入射する光線、具体的には、画像光ＭＬ及び外界光ＯＬを確保しつつ、反射型偏光子２３ｐ及び反射型ホログラム３０ｐにより、外部に漏れる光線を減衰させ、プライバシー性に寄与する。

【0031】

反射型ホログラム３０ｐは、凹面ミラーとして機能する対象である画像光ＭＬに関して反射する光線の帯域が狭い。バンドパスフィルター４０を設けることにより、画像光ＭＬの波長が狭帯域となり、シースルーミラー２３の反射型偏光子２３ｐを通過した画像光ＭＬの偏光が反射型ホログラム３０ｐで効率的に反射され、プライバシー性をより確保できる。また、外部から瞳に入射する光線については、反射型ホログラム３０ｐで反射する帯域以外の光線は透過するため、シースルー性を確保できる。

【0032】

光路について説明すると、表示素子１１からの画像光ＭＬは、バンドパスフィルター４０に入射して、特定波長の画像光ＭＬが透過する。バンドパスフィルター４０を通過した画像光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投射レンズ２１から射出される。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、再度出射面２２ｃで屈折される。プリズムミラー２２からの画像光ＭＬは、一旦中間像を形成した後、シースルーミラー２３に入射し、反射面２３ｃによって９０％程度以下の反射率で反射される。図３では、シースルーミラー２３に入射する画像光ＭＬにＳ偏光が含まれ、シースルーミラー２３の反射型偏光子２３ｐがＳ偏光を主に反射する例を挙げている。この場合、反射型偏光子２３ｐでは主にＳ偏光が反射されＰ偏光が透過する。シースルーミラー２３で反射された画像光ＭＬのＳ偏光は、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。シースルーミラー２３を通過した画像光ＭＬのＰ偏光はホログラム素子３０に入射し、反射層３１ｃによって反射される。ホログラム素子３０で反射された画像光ＭＬのＰ偏光は、シースルーミラー２３を外側に進行する場合よりも低い位置で通過し、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、ホログラム素子３０、シースルーミラー２３、及びその周囲の支持板６１を通過した外界光ＯＬも入射する。つまり、第１表示装置１００Ａ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４に示すように、シースルーミラー２３の反射型偏光子２３ｐがＳ偏光を主に反射する場合、外界光ＯＬのうちＰ偏光がシースルーミラー２３を通過する。

【0033】

以下の表１に、第１実施形態の虚像表示装置１００を構成する各部材の透過率又は反射率、及び虚像表示装置１００の光利用効率の具体例について示す。
〔表１〕

【0034】

表１に示すように、虚像表示装置１００において、Ｓ偏光の光利用効率は４．５％であり、Ｐ偏光の光利用効率は３．８５％であり、全体の光利用効率は８．３５％である。

【0035】

図２に示す表示制御装置８８は、表示制御回路であり、表示素子１１に対して画像に対応する駆動信号を出力し表示素子１１の表示動作を制御する。表示制御装置８８は、例えばＩＦ回路、信号処理回路等を備え、外部から受け取った画像データ又は画像信号に応じて、表示素子１１に２次元的な画像表示を行わせる。表示制御装置８８は、第１表示装置１００Ａと第２表示装置１００Ｂとを統括するメイン基板を含むものであってもよい。メイン基板は、図１に示すユーザー端末９０との間で通信を行いユーザー端末９０から受信した信号に対して信号変換を行うインターフェース機能や、第１表示装置１００Ａの表示動作と第２表示装置１００Ｂの表示動作とを連携させる統合機能を有するものとすることができる。なお、表示制御装置８８やユーザー端末９０を備えないＨＭＤ２００又は虚像表示装置１００も虚像表示装置である。

【0036】

以上で説明した虚像表示装置１００は、画像光生成装置１１と、画像光生成装置１１からの画像光ＭＬが入射する投射光学系１２と、投射光学系１２からの画像光ＭＬを瞳位置ＰＰに向けて部分的に反射する部分透過ミラー１２３と、を備え、部分透過ミラー１２３は、反射型偏光子２３ｐを有し、部分透過ミラー１２３の外側に離間して反射型ホログラム３０ｐが配置されている。

【0037】

上記虚像表示装置１００では、部分透過ミラー１２３の反射型偏光子２３ｐの外側に配置された反射型ホログラム３０ｐにより、縦方向に瞳に光線が入射する領域を拡大することができる。つまり、縦方向の瞳拡大が可能となり、投射光学系１２にレンズを設けてもレンズ、具体的には、投射レンズ２１を小さくできる。また、反射型ホログラム３０ｐにより、部分透過ミラー１２３からの射出光を反射型ホログラム３０ｐでフィルタリングすることにより外部に漏れる画像光ＭＬを減衰させることができる。以上により、虚像表示装置１００の光学系の厚みを抑えるとともに、瞳に入る画像光ＭＬ及び外界光ＯＬを確保しつつ、外部へ漏れる画像光ＭＬを抑制し、プライバシー性を確保することができる。

【0038】

また、外界光ＯＬは反射型ホログラム３０ｐをほぼ透過するため、部分透過ミラー１２３の表面に外光パターンが映されてキラキラと光って見えてしまうことを抑制することができる。これにより、虚像表示装置１００の装着時における外観の違和感を防止しつつ、アイコンタクトを容易にすることができる。

【0039】

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、第２実施形態の虚像表示装置は、第１実施形態の虚像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。

【0040】

図５に示すように、本実施形態の虚像表示装置１００は、第１実施形態の虚像表示装置１００とは異なり、バンドパスフィルターを有していない。すなわち、虚像表示装置１００は、表示素子１１と結像光学系２０とホログラム素子３０と表示制御装置８８とを備える。

【0041】

光路について説明すると、表示素子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投射レンズ２１から射出される。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、再度出射面２２ｃで屈折される。プリズムミラー２２からの画像光ＭＬは、一旦中間像を形成した後、シースルーミラー２３に入射し、反射面２３ｃによって９０％程度以下の反射率で反射される。画像光ＭＬにＳ偏光が含まれ、シースルーミラー２３の反射型偏光子２３ｐがＳ偏光を主に反射する場合、反射型偏光子２３ｐでは主にＳ偏光が反射されＰ偏光が透過する。シースルーミラー２３で反射された画像光ＭＬのＳ偏光は、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。シースルーミラー２３を通過した画像光ＭＬのＰ偏光はホログラム素子３０に入射し、反射層３１ｃによって反射される。ホログラム素子３０で反射された画像光ＭＬのＰ偏光は、シースルーミラー２３を通過し、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、ホログラム素子３０、シースルーミラー２３、及びその周囲の支持板６１を通過した外界光ＯＬも入射する。つまり、虚像表示装置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。

【0042】

以下の表２に、第２実施形態の虚像表示装置１００を構成する各部材の透過率又は反射率、及び虚像表示装置１００の光利用効率の具体例について示す。
〔表２〕

【0043】

表２に示すように、虚像表示装置１００において、Ｓ偏光の光利用効率は４５％であり、Ｐ偏光の光利用効率は４．０５％であり、全体の光利用効率は４９．１％である。

【0044】

〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、第３実施形態の虚像表示装置は、第１実施形態の虚像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。

【0045】

図６に示すように、本実施形態の虚像表示装置１００は、第１実施形態の虚像表示装置１００とは異なり、バンドパスフィルターを有していない。虚像表示装置１００は、表示素子１１と結像光学系２０とホログラム素子３０と表示制御装置８８とを備える。

【0046】

本実施形態の画像光生成装置である表示素子１１は、特定方向の偏光、具体的には、Ｓ偏光を有する画像光ＭＬを射出するものである。表示素子１１は、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。表示素子１１として、ＬＣＤに代えて、ＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon, ＬＣｏＳは登録商標）を用いることができる。

【0047】

結像光学系２０のうち、部分透過ミラー１２３であるシースルーミラー２３は、反射型偏光子２３ｐは、特定方向の偏光を部分に反射する偏光子である。反射型偏光子２３ｐは、特定方向の偏光を、例えば４０～６０％、好ましくは５０％反射する。具体的には、反射型偏光子２３ｐは、５０％Ｓ偏光反射板である。すなわち、シースルーミラー２３の反射面２３ｃ又は反射型偏光膜２３ａは、画像光ＭＬのうちＳ偏光を５０％反射する。また、虚像表示装置１００は、シースルーミラー２３とホログラム素子３０との間に、λ／４波長板７０が設けられている。すなわち、５０％Ｓ偏光反射板として機能する反射型偏光子２３ｐの外界側にλ／４波長板７０、そのさらに外界側に反射型ホログラム３０ｐが配置されている。図示では、λ／４波長板７０は、反射型偏光子２３ｐや反射型ホログラム３０ｐとは別部材としているが、λ／４波長板７０は反射型ホログラム３０ｐに貼り付けてもよい。

【0048】

λ／４波長板７０は、位相差をλ／４（９０°）与え、直線偏光を円偏光に変換する。λ／４波長板７０の主軸は、例えば－Ｘ方向と＋Ｙ方向との間であって、両方向に対して４５°をなす方向に設定されている。この場合、反射型偏光子２３ｐとλ／４波長板７０とが円偏光フィルターのように機能する。反射型偏光子２３ｐを通過した画像光ＭＬのＳ偏光は、λ／４波長板７０を通過することで円偏光となる。この円偏光は、ホログラム素子３０の反射層３１ｃで反射され、再度λ／４波長板７０を通過することでＰ偏光となる。シースルーミラー２３の外側から外界光ＯＬが入射した場合、ホログラム素子３０を通過した外界光ＯＬは、λ／４波長板７０を通過し、シースルーミラー２３の反射型偏光子２３ｐを通過することでＰ偏光のみとなる。

【0049】

光路について説明すると、表示素子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投射レンズ２１から射出される。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、再度出射面２２ｃで屈折される。プリズムミラー２２からの画像光ＭＬは、一旦中間像を形成した後、シースルーミラー２３に入射し、反射面２３ｃによって５０％程度の反射率で反射される。図７では、シースルーミラー２３に入射する画像光ＭＬがＳ偏光を有し、シースルーミラー２３の反射型偏光子２３ｐがＳ偏光を５０％反射する例を挙げている。この場合、５０％のＳ偏光が反射され、残りのＳ偏光が透過する。シースルーミラー２３で反射された画像光ＭＬのＳ偏光は、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。シースルーミラー２３を通過した画像光ＭＬのＳ偏光はλ／４波長板７０に入射し円偏光の光となる。その後、円偏光はホログラム素子３０に入射し、反射層３１ｃによって反射される。ホログラム素子３０で反射された円偏光は、再度λ／４波長板７０に入射しＰ偏光となる。λ／４波長板７０を通過したＰ偏光はシースルーミラー２３を効率良く通過し、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、ホログラム素子３０、シースルーミラー２３、及びその周囲の支持板６１を通過した外界光ＯＬも入射する。つまり、虚像表示装置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。

【0050】

以下の表３に、第３実施形態の虚像表示装置１００を構成する各部材の透過率又は反射率、及び虚像表示装置１００の光利用効率の具体例について示す。
〔表３〕

【0051】

表３に示すように、虚像表示装置１００において、Ｓ偏光の光利用効率は５０％であり、Ｐ偏光の光利用効率は３．５％であり、全体の光利用効率は５３．５％である。

【0052】

以上において、表示素子１１は、Ｐ偏光の光が出射するものとしてもよく、この場合、シースルーミラー２３は、反射型偏光子２３ｐとして、５０％Ｐ偏光反射板となっている。この場合、シースルーミラー２３を透過し、反射型ホログラム３０ｐで反射し、再度シースルーミラー２３を透過して瞳位置ＰＰに入る光線はＳ偏光となる。

【0053】

〔第４実施形態〕
以下、本発明の第４実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、第４実施形態の虚像表示装置は、第１実施形態の虚像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。

【0054】

図８に示すように、本実施形態の虚像表示装置１００は、第１実施形態の虚像表示装置１００とは異なり、バンドパスフィルターを有していない。虚像表示装置１００は、表示素子１１と結像光学系２０とホログラム素子３０と表示制御装置８８とを備える。

【0055】

本実施形態の画像光生成装置である表示素子１１は、レーザー光源１３とＭＥＭＳミラー１４とを有する。表示素子１１の光源としてレーザー光源１３のような単一波長の光源を使用した場合、反射型ホログラム３０ｐで反射する波長に関して、レーザー光源１３の波長と同じものを使用する。これにより、反射型ホログラム３０ｐにおいて、外部に漏れる光線をより減衰させることができる。ＭＥＭＳミラー１４の射出側に、奥行方向に像を拡大させるレンズを設けることが好ましい。なお、ＭＥＭＳミラー１４の代わりにバックライト、デジタル・マイクロミラー・デバイス等を使用してもよい。また、虚像表示装置１００は、表示素子１１との結像光学系２０との間に、λ／４波長板１７０が設けられている。具体的には、表示素子１１のＭＥＭＳミラー１４と結像光学系２０の投射レンズ２１との間に、λ／４波長板１７０が配置されている。

【0056】

また、虚像表示装置１００において、部分透過ミラー１２３であるシースルーミラー２３は、第１及び第２実施形態と同様に、反射型偏光子２３ｐとして、Ｓ偏光をほとんど反射する、例えば９０％Ｓ偏光反射板となっている。

【0057】

光路について説明すると、表示素子１１において、レーザー光源１３から出た画像光ＭＬは、ＭＥＭＳミラー１４により角度を振られ、λ／４波長板１７０を透過して円偏光となる。画像光ＭＬとしての円偏光は、投射レンズ２１に入射して投射レンズ２１から射出される。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、再度出射面２２ｃで屈折される。プリズムミラー２２からの画像光ＭＬは、一旦中間像を形成した後、シースルーミラー２３に入射し、反射面２３ｃによって９０％程度以下の反射率で反射される。この際、主にＳ偏光が反射されＰ偏光が透過する。シースルーミラー２３で反射された画像光ＭＬのＳ偏光は、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。シースルーミラー２３を通過した画像光ＭＬのＰ偏光はホログラム素子３０に入射し、反射層３１ｃによって反射される。ホログラム素子３０で反射された画像光ＭＬのＰ偏光は、シースルーミラー２３を通過し、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、ホログラム素子３０、シースルーミラー２３、及びその周囲の支持板６１を通過した外界光ＯＬも入射する。つまり、虚像表示装置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。

【0058】

以下の表４に、第４実施形態の虚像表示装置１００を構成する各部材の透過率又は反射率、及び虚像表示装置１００の光利用効率の具体例について示す。
〔表４〕

【0059】

表４に示すように、虚像表示装置１００において、Ｓ偏光の光利用効率は４５％であり、Ｐ偏光の光利用効率は３８．５％であり、全体の光利用効率は８３．５％である。

【0060】

以上の虚像表示装置１００では、レーザー光源１３の使用波長と反射型ホログラム３０ｐで反射する波長帯域とを合わせることで、反射型ホログラム３０ｐで透過する光線を減らし、光利用効率を上げることができる。

【0061】

〔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。

【0062】

シースルーミラー２３は、Ｓ偏光を反射する反射型偏光子２３ｐに限らず、Ｐ偏光を反射する反射型偏光子２３ｐしとしてもよい。この場合、シースルーミラー２３において、画像光ＭＬのうちＰ偏光が反射し、Ｓ偏光が透過する。シースルーミラー２３を透過し、反射型ホログラム３０ｐで反射し、再度シースルーミラー２３を透過して瞳位置ＰＰに入射する光線はＳ偏光となる。

【0063】

虚像表示装置１００は、プリズムミラー２２の射出側にレンズを設けてもよい。

【0064】

第１実施形態の虚像表示装置１００において、バンドパスフィルター４０は、投射光学系１２のプリズムミラー２２の射出側に設けてもよい。

【0065】

虚像表示装置１００は、横方向に非対称な結像光学系を含む構成でもよい。この場合、結像光学系は、例えば投射レンズと導光部材とを有し、画像光は反射されつつ横方向に延びる光路となる。

【0066】

以上では、虚像表示装置１００が頭部に装着されて使用されることを前提としたが、上記虚像表示装置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。

【0067】

具体的な態様における虚像表示装置は、画像光生成装置と、画像光生成装置からの画像光が入射する投射光学系と、投射光学系からの画像光を瞳位置に向けて部分的に反射する部分透過ミラーと、を備え、部分透過ミラーは、反射型偏光子を有し、部分透過ミラーの外側に離間して反射型ホログラムが配置されている。

【0068】

上記虚像表示装置では、部分透過ミラーの反射型偏光子の外側に配置された反射型ホログラムにより、縦方向に瞳に光線が入射する領域を拡大することができる。つまり、縦方向の瞳拡大が可能となり、投射光学系にレンズを設けてもレンズを小さくできる。また、反射型ホログラムにより、部分透過ミラーからの射出光を反射型ホログラムでフィルタリングすることにより外部に漏れる画像光を減衰させることができる。

【0069】

具体的な側面において、反射型偏光子は、基材の内側に設けられた反射型偏光膜である。この場合、部分透過ミラーにおいて、画像光のうち特定方向の偏光を無駄なく反射させることができる。

【0070】

具体的な側面において、画像光生成装置と反射型偏光子との間にバンドパスフィルターが配置されている。この場合、画像光の波長が狭帯域となり、部分透過ミラーの反射型偏光子を通過した画像光の偏光が反射型ホログラムで効率的に反射し、プライバシー性をより確保できる。

【0071】

具体的な側面において、バンドパスフィルターは、画像光生成装置と投射光学系との間に配置されている。この場合、画像光生成装置から射出される画像光が単色の場合、特定波長の光を効率良く抽出することができる。

【0072】

具体的な側面において、画像光生成装置は、特定方向の偏光を含む画像光を射出し、反射型偏光子は、特定方向の偏光を５０％する反射型偏光子であり、反射型偏光子と反射型ホログラムとの間にλ／４波長板が配置されている。この場合、反射型偏光子を通過し、反射型ホログラムで反射し、再度反射型偏光子を通過する光路において、λ／４波長板を２回通過した光は、特定方向の偏光以外の偏光に変換されるため、光利用効率を上げることができる。

【0073】

具体的な側面において、画像光生成装置は、レーザー光源を有し、レーザー光源と反射型偏光子との間にλ／４波長板が配置されている。この場合、レーザー光源の使用波長と反射型ホログラムで反射する波長帯域とを合わせることで、反射型ホログラムで透過する光線を減らし、光利用効率を上げることができる。

【0074】

具体的な側面において、部分透過ミラーは、凹面ミラーである。この場合、画像光生成装置に形成された像や投射光学系によって再結像された像を凹面ミラーによって拡大視することができる。

【0075】

具体的な側面において、反射型ホログラムは、部分透過ミラーと略平行に延びる湾曲した部材である。この場合、部分透過ミラーと反射型ホログラムとの間の距離が略同じとなり、部分透過ミラーで反射する画像光と反射型ホログラムで反射する画像光との位相ずれが調整しやすくなる。

【0076】

具体的な側面において、投射光学系は、画像光を集光する第１光学部材と、第１光学部材からの画像光を反射する第２光学部材とを含む。この場合、反射による光路の折り畳みによって光学系を小型化することが容易になる。

【0077】

具体的な側面において、第２光学部材は、画像光が入射する入射部と、入射した画像光が反射部材に向けて出射する出射部と、入射部から入射した画像光が出射部へ向けて反射される反射部と、を有する。

【0078】

具体的な態様における光学ユニットは、画像光生成装置からの画像光が入射する投射光学系と、投射光学系からの画像光を瞳位置に向けて部分的に反射する部分透過ミラーと、を備え、部分透過ミラーは、反射型偏光子を有し、部分透過ミラーの外側に離間して反射型ホログラムが配置されている。

【0079】

上記光学ユニットでは、部分透過ミラーの反射型偏光子の外側に配置された反射型ホログラムにより、縦方向に瞳に光線が入射する領域を拡大することができる。また、反射型ホログラムにより、部分透過ミラーからの射出光を反射型ホログラムでフィルタリングすることにより外部に漏れる画像光を減衰させることができる。

【符号の説明】

【0080】

１１…表示素子、１２…投射光学系、１３…レーザー光源、１４…ＭＥＭＳミラー、２０…結像光学系、２１…投射レンズ、２２…プリズムミラー、２２ａ…入射面、２２ｂ…内反射面、２２ｃ…出射面、２３…シースルーミラー、２３ａ…反射型偏光膜、２３ｃ…反射面、２３ｏ…外側面、２３ｐ…反射型偏光子、３０…ホログラム素子、３０ａ…反射型ホログラム膜、３０ｐ…反射型ホログラム、３１ｃ…反射層、３１ｏ…外側面、４０…バンドパスフィルター、５１…ケース、７０，１７０…λ／４波長板、８８…表示制御装置、１００…虚像表示装置、１００Ｃ…支持装置、１０２…表示駆動部、１０３…コンバイナー、１０４…前方コンバイナー、１２３…部分透過ミラー、ＡＸ…光軸、ＥＹ…眼、ＭＬ…画像光、ＯＬ…外界光、ＯＳ…軸外し光学系、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…光路、ＰＰ…瞳位置、ＵＳ…装着者

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】