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特開2024-39700虚像表示装置用光学系、虚像表示装置及びヘッドマウントディスプレイ
(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】P2024039700
(43)【公開日】2024-03-25
(54)【発明の名称】虚像表示装置用光学系、虚像表示装置及びヘッドマウントディスプレイ
(51)【国際特許分類】
G02B 27/02 20060101AFI20240315BHJP
G02C 11/00 20060101ALI20240315BHJP
H04N 5/64 20060101ALI20240315BHJP
【ＦＩ】
G02B27/02 Z
G02C11/00
H04N5/64 511A
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022144262
(22)【出願日】2022-09-12
(71)【出願人】
【識別番号】000006747
【氏名又は名称】株式会社リコー
(74)【代理人】
【識別番号】110004185
【氏名又は名称】インフォート弁理士法人
(74)【代理人】
【識別番号】100121083
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 宏義
(72)【発明者】
【氏名】筒井 猛壮
(72)【発明者】
【氏名】須藤 芳文
【テーマコード（参考）】
2H006
2H199
【Ｆターム（参考）】
2H006CA00
2H199CA04
2H199CA06
2H199CA12
2H199CA25
2H199CA27
2H199CA30
2H199CA42
2H199CA46
2H199CA47
2H199CA53
2H199CA62
2H199CA64
2H199CA65
(57)【要約】
【課題】光利用効率を向上させること。
【解決手段】虚像表示装置用光学系は、画像を表示する画像表示素子からの画像光を導光する導光部材と、第１の側から導光部材内を導光される第１方向の画像光を透過させ、かつ第１の側とは異なる第２の側から導光部材内を導光される第２方向の画像光を反射させて外部に射出する、部分反射部と、部分反射部を挟んで第１の側とは異なる第２の側に位置し、部分反射部を透過した第１方向の画像光を第２方向の画像光として部分反射部に向けて反射する反射部と、部分反射部を透過した第１方向の画像光の偏光を回転させ、更に、反射部にて反射された第２方向の画像光の偏光を回転させることにより、部分反射部の透過時に第１の偏光方向にあった画像光を第２の偏光方向に回転させる偏光部と、含む。部分反射部は、第１の偏光方向の反射率が第２の偏光方向の反射率より低い。
【選択図】図２
【解決手段】虚像表示装置用光学系は、画像を表示する画像表示素子からの画像光を導光する導光部材と、第１の側から導光部材内を導光される第１方向の画像光を透過させ、かつ第１の側とは異なる第２の側から導光部材内を導光される第２方向の画像光を反射させて外部に射出する、部分反射部と、部分反射部を挟んで第１の側とは異なる第２の側に位置し、部分反射部を透過した第１方向の画像光を第２方向の画像光として部分反射部に向けて反射する反射部と、部分反射部を透過した第１方向の画像光の偏光を回転させ、更に、反射部にて反射された第２方向の画像光の偏光を回転させることにより、部分反射部の透過時に第１の偏光方向にあった画像光を第２の偏光方向に回転させる偏光部と、含む。部分反射部は、第１の偏光方向の反射率が第２の偏光方向の反射率より低い。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
画像を表示する画像表示素子からの画像光を導光する導光部材と、
第１の側から前記導光部材内を導光される第１方向の前記画像光を透過させ、かつ前記第１の側とは異なる第２の側から前記導光部材内を導光される第２方向の前記画像光を反射させて外部に射出する、部分反射部と、
前記部分反射部を挟んで前記第１の側とは異なる前記第２の側に位置し、前記部分反射部を透過した前記第１方向の画像光を前記第２方向の画像光として前記部分反射部に向けて反射する反射部と、
前記部分反射部を透過した前記第１方向の画像光の偏光を回転させ、更に、前記反射部にて反射された前記第２方向の画像光の偏光を回転させることにより、前記部分反射部の透過時に第１の偏光方向にあった前記画像光を第２の偏光方向に回転させる偏光部と、を含み、
前記部分反射部は、前記第１の偏光方向の反射率が前記第２の偏光方向の反射率より低い、
虚像表示装置用光学系。
第１の側から前記導光部材内を導光される第１方向の前記画像光を透過させ、かつ前記第１の側とは異なる第２の側から前記導光部材内を導光される第２方向の前記画像光を反射させて外部に射出する、部分反射部と、
前記部分反射部を挟んで前記第１の側とは異なる前記第２の側に位置し、前記部分反射部を透過した前記第１方向の画像光を前記第２方向の画像光として前記部分反射部に向けて反射する反射部と、
前記部分反射部を透過した前記第１方向の画像光の偏光を回転させ、更に、前記反射部にて反射された前記第２方向の画像光の偏光を回転させることにより、前記部分反射部の透過時に第１の偏光方向にあった前記画像光を第２の偏光方向に回転させる偏光部と、を含み、
前記部分反射部は、前記第１の偏光方向の反射率が前記第２の偏光方向の反射率より低い、
虚像表示装置用光学系。
【請求項2】
前記部分反射部は、前記虚像表示装置用光学系の光軸方向に間隔を空けて複数配置される、
請求項１に記載の虚像表示装置用光学系。
請求項１に記載の虚像表示装置用光学系。
【請求項3】
複数の前記部分反射部は、前記虚像表示装置用光学系の光軸方向に間隔ｄで並んで配置され、
前記間隔ｄは、次式
０．５ｍｍ＜ｄ＜３．０ｍｍ
を満たす、
請求項２に記載の虚像表示装置用光学系。
前記間隔ｄは、次式
０．５ｍｍ＜ｄ＜３．０ｍｍ
を満たす、
請求項２に記載の虚像表示装置用光学系。
【請求項4】
複数の前記部分反射部は、第１の前記部分反射部と、第１の前記部分反射部よりも前記偏光部から光路上で遠い位置に配置された第２の部分反射部と、を含み、
前記第１の部分反射部の前記第２の偏光方向の反射率をＲ１とし、前記第２の部分反射部の前記第２の偏光方向の反射率をＲ２としたとき、次式
Ｒ１＜Ｒ２
を満たす、
請求項２に記載の虚像表示装置用光学系。
前記第１の部分反射部の前記第２の偏光方向の反射率をＲ１とし、前記第２の部分反射部の前記第２の偏光方向の反射率をＲ２としたとき、次式
Ｒ１＜Ｒ２
を満たす、
請求項２に記載の虚像表示装置用光学系。
【請求項5】
前記部分反射部は、平面に形成された部分反射面よりなる、
請求項１に記載の虚像表示装置用光学系。
請求項１に記載の虚像表示装置用光学系。
【請求項6】
前記部分反射部は、前記第２の偏光方向の反射率が５％以上かつ５０％以下である、
請求項１に記載の虚像表示装置用光学系。
請求項１に記載の虚像表示装置用光学系。
【請求項7】
前記部分反射部は、前記第１の偏光方向の反射率が２５％以下である、
請求項１に記載の虚像表示装置用光学系。
請求項１に記載の虚像表示装置用光学系。
【請求項8】
前記導光部材の側面に沿う、前記部分反射部の辺の長さは、前記側面の短手方向の長さの０．３倍以上かつ１．５倍以下である、
請求項１に記載の虚像表示装置用光学系。
請求項１に記載の虚像表示装置用光学系。
【請求項9】
前記反射部は、正のパワーを有する、
請求項１に記載の虚像表示装置用光学系。
請求項１に記載の虚像表示装置用光学系。
【請求項10】
前記第１の側から前記部分反射部に向かう画像光を前記第１の偏光方向の画像光に変換する偏光板が、前記画像表示素子と前記部分反射部との間に配置された、
請求項１に記載の虚像表示装置用光学系。
請求項１に記載の虚像表示装置用光学系。
【請求項11】
前記画像表示素子と前記部分反射部との間に配置された光学素子の面上に形成された偏光膜を含み、
前記偏光膜は、前記第１の側から前記部分反射部に向かう画像光を前記第１の偏光方向の画像光に変換する
請求項１に記載の虚像表示装置用光学系。
前記偏光膜は、前記第１の側から前記部分反射部に向かう画像光を前記第１の偏光方向の画像光に変換する
請求項１に記載の虚像表示装置用光学系。
【請求項12】
前記画像表示素子からの画像光を前記導光部材に伝搬する伝搬光学系を更に含み、
前記伝搬光学系は、前記画像光の中間像を前記導光部材内に形成する、
請求項１に記載の虚像表示装置用光学系。
前記伝搬光学系は、前記画像光の中間像を前記導光部材内に形成する、
請求項１に記載の虚像表示装置用光学系。
【請求項13】
前記画像表示素子と、
請求項１から請求項１２の何れか一項に記載の虚像表示装置用光学系と、を備える、
虚像表示装置。
請求項１から請求項１２の何れか一項に記載の虚像表示装置用光学系と、を備える、
虚像表示装置。
【請求項14】
請求項１３に記載の虚像表示装置を備える、
ヘッドマウントディスプレイ。
ヘッドマウントディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、虚像表示装置用光学系、虚像表示装置及びヘッドマウントディスプレイに関する。
【背景技術】
【0002】
２次元の画像を拡大し、拡大された虚像を観察者に観察させるように表示する虚像表示装置が知られている。例えば特許文献１に、この種の虚像表示装置の具体的構成が記載されている。
【0003】
特許文献１に記載の虚像表示装置は、グラスデバイスであり、画像表示素子がフレーム部に埋設されている。この虚像表示装置は、画像表示素子の各画素から発せられた光（以下「画像光」と記す。）をレンズ内で導光する。レンズ内において、画像光は、部分反射面を透過し、反射面にて反射されて部分反射面に戻り、部分反射面にて反射されて観察者に向けて射出される。観察者は、この画像光を、拡大された虚像として観察することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】米国特許第１０，３５３，２０３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、特許文献１に記載の虚像表示装置では、画像光が部分反射面を透過する際の反射光の量が多い。部分反射面で反射されて外部へ漏れる画像光の量が多いため、光利用効率が低いという問題が指摘される。
【0006】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光利用効率を向上させることができる虚像表示装置用光学系、このような虚像表示装置用光学系を備える虚像表示装置及びヘッドマウントディスプレイを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一実施形態に係る虚像表示装置用光学系は、画像を表示する画像表示素子からの画像光を導光する導光部材と、第１の側から導光部材内を導光される第１方向の画像光を透過させ、かつ第１の側とは異なる第２の側から導光部材内を導光される第２方向の画像光を反射させて外部に射出する、部分反射部と、部分反射部を挟んで第１の側とは異なる第２の側に位置し、部分反射部を透過した第１方向の画像光を第２方向の画像光として部分反射部に向けて反射する反射部と、部分反射部を透過した第１方向の画像光の偏光を回転させ、更に、反射部にて反射された第２方向の画像光の偏光を回転させることにより、部分反射部の透過時に第１の偏光方向にあった画像光を第２の偏光方向に回転させる偏光部と、含む。部分反射部は、第１の偏光方向の反射率が第２の偏光方向の反射率より低い。
【発明の効果】
【0008】
本発明の一実施形態によれば、光利用効率を向上させることができる虚像表示装置用光学系、このような虚像表示装置用光学系を備える虚像表示装置及びヘッドマウントディスプレイが提供される。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の一実施形態に係る虚像表示装置を備えるヘッドマウントディスプレイの概略図である。
【図2】本発明の一実施形態に係る虚像表示装置の基本的な構成を示す概略構成図である。
【図3】本発明の一実施形態において、画像表示素子の画像光の中間像を導光部材内に形成した場合に導光部材を薄型化させられる理由を説明する図である。
【図4A】本発明の数値実施例１に係る虚像表示装置の光学構成を示す図である。
【図4B】本発明の数値実施例１に係る虚像表示装置の光学構成を示す図である。
【図5】本発明の数値実施例１における、装用者の網膜上の照度分布について説明する図である。
【図6】本発明の数値実施例１における遮光率について説明する図である。
【図7】本発明の数値実施例２における、装用者の網膜上の照度分布について説明する図である。
【図8】本発明の数値実施例２における遮光率について説明する図である。
【図9A】本発明の数値実施例３に係る虚像表示装置の光学構成を示す図である。
【図9B】本発明の数値実施例３に係る虚像表示装置の光学構成を示す図である。
【図10】本発明の数値実施例３における、装用者の網膜上の照度分布について説明する図である。
【図11】本発明の数値実施例３における遮光率について説明する図である。
【図12A】本発明の数値実施例４に係る虚像表示装置の光学構成を示す図である。
【図12B】本発明の数値実施例４に係る虚像表示装置の光学構成を示す図である。
【図13】本発明の数値実施例４における、装用者の網膜上の照度分布について説明する図である。
【図14】本発明の数値実施例４における遮光率について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の一実施形態に係る虚像表示装置用光学系、虚像表示装置及びヘッドマウントディスプレイについて図面を参照しながら説明する。以下の説明において、共通の又は対応する要素については、同一又は類似の符号を付して、重複する説明を適宜簡略又は省略する。
【0011】
図１は、本発明の一実施形態に係る虚像表示装置を備えるヘッドマウントディスプレイ１の概略図である。本実施形態において、ヘッドマウントディスプレイ１は、例えばメガネ型ウェアラブル端末であるスマートグラスである。スマートグラスは、グラスデバイスやグラスディスプレイと呼ばれてもよい。
【0012】
ヘッドマウントディスプレイ１は、ＶＲ（Virtual Reality）グラス、ＡＲ（Augmented Reality）グラス、ＭＲ（Mixed Reality）グラス、ＸＲ（eXtended Reality）グラス等と呼称されるウェアラブル端末であってもよい。
【0013】
図１の例では、ヘッドマウントディスプレイ１は、両眼タイプのヘッドマウントディスプレイである。別の実施形態では、ヘッドマウントディスプレイ１は、左右一方の眼に対応する単眼タイプのヘッドマウントディスプレイであってもよい。
【0014】
図１に示されるように、ヘッドマウントディスプレイ１は、フレーム部２及びレンズ部３を備える。レンズ部３は、フレーム部２に嵌め込まれている。レンズ部３は、装用者の左右の眼に対応して一対備えられる。
【0015】
画像を表示する画像表示素子１０がフレーム部２に内蔵されている。図１の例では、フレーム部２内の、レンズ部３の上側縁を覆う部分に、画像表示素子１０が埋設されている。なお、画像表示素子１０の設置位置は、図１に例示される位置に限らない。例えば、フレーム部２内の、レンズ部３の下側縁を覆う部分に、画像表示素子１０が埋設されてもよい。
【0016】
画像表示素子１０は、虚像として観察すべき画像を表示する素子であり、例示的には、ＯＬＥＤ（Organic Light Emitting Diode）アレイ、ＬＤ（laser diode）アレイ、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）アレイ、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等である。
【0017】
以下の説明において、図１中、レンズ部３から装用者の眼に向かう第１の水平方向をｚ方向とし、ｚ方向と直交する第２の水平方向をｘ方向とし、ｘ方向とｚ方向の双方に直交する鉛直方向をｙ方向とする。互いに直交するｘ方向、ｙ方向及びｚ方向は、左手系をなす。
【0018】
なお、方向の呼称は、構成要素の相対的な位置関係を説明するために便宜上用いる呼称であり、絶対的な方向を示すものではない。ヘッドマウントディスプレイ１を装用する装用者の姿勢によっては、例えば、ｚ方向が必ずしも水平方向とは限らず、鉛直方向になることもある。
【0019】
画像表示素子１０の各画素から発せられた光（すなわち画像光）は、画像表示素子１０からｙ方向負側に射出されてレンズ部３内に入射され、レンズ部３内を導光されて、ｚ方向正側に向かって（言い換えると、装用者の各眼に向かって）虚像表示のために射出される。すなわち、左右一対のレンズ部３は、それぞれ、対応する眼を含む領域にアイボックスを形成する。
【0020】
【0021】
本実施形態では、画像表示素子１０の有効画素領域の中心から画素配列面に対して垂直方向に射出された光線が通る光路を「光軸ＡＸ」と定義する。光軸ＡＸは、虚像表示装置１Ａの光軸でもあり、また、虚像表示装置用光学系に含まれる各光学素子（例えば後述する導光部材３０）の光軸でもある。
【0022】
虚像表示装置１Ａは、一例として、ヘッドマウントディスプレイ１に搭載される。
【0023】
なお、本実施形態に係る虚像表示装置１Ａは、ヘッドマウントディスプレイに限らず、他の形態の装置にも搭載可能である。一例として、ヘッドアップディスプレイにも搭載することができる。
【0024】
虚像表示装置１Ａは、画像表示素子１０と虚像表示装置用光学系を備える。図２の概略構成図において、虚像表示装置１Ａは、画像表示素子１０、中間像形成部２０、導光部材３０、反射部４０、偏光板５０及び６０を備える。なお、図２Ａ中、符号ＥＹは装用者の左右一方の眼を示す。
【0025】
導光部材３０は、画像表示素子１０からの画像光を導光する光学部材である。虚像表示装置１Ａをヘッドマウントディスプレイ１に搭載した場合、レンズ部３が導光部材３０に相当する。
【0026】
導光部材３０は、画像表示素子１０からの画像光が入射される第１面３１０（入射面）を有する。導光部材３０の内部に、第１面３１０より入射された画像光を反射光と透過光に分岐する部分反射部３２０が配置される。
【0027】
部分反射部３２０は、導光部材３０内をｙ方向負側に導光される画像光（言い換えると、画像表示素子１０が位置する第１の側から導光部材３０内を導光される、第１方向の画像光）の一部を透過させ、かつ導光部材３０内をｙ方向正側に導光される画像光（言い換えると、第１の側とは異なる第２の側から導光部材３０内を導光される、第２方向の画像光）の一部をｚ方向正側に反射させて、導光部材３０の第３面３４０（射出面）から外部に射出する。
【0028】
後述する数値実施例１～４で示されるように、複数の部分反射部３２０が導光部材３０内に光軸ＡＸ方向に間隔ｄで並んで配置されてもよい。言い換えると、隣接する２つの部分反射部３２０の光軸ＡＸ上の間隔が間隔ｄ（後述の図４Ａ参照）であってもよい。
【0029】
複数の部分反射部３２０により画像光が複数の光束に分岐されることにより、アイボックスが拡大し、また、画角も拡大する。これにより、例えば装用者が虚像表示装置１Ａに対して眼ＥＹを動かした場合にも装用者に虚像を視認させやすくなり、また、広い画角をもつ虚像を装用者に視認させることができる。
【0030】
上記の間隔ｄは、適切なアイボックスを確保するため、例えば次式（１）を満たす。
【0031】
式（１）
０．５ｍｍ＜ｄ＜３．０ｍｍ
０．５ｍｍ＜ｄ＜３．０ｍｍ
【0032】
間隔ｄが０．５ｍｍ以下になると、例えば、ある部分反射部３２０で反射された画像光が隣接する部分反射部３２０でも反射されることに起因する光量ムラ（虚像の輝度ムラ）が発生しやすくなる。また、多数の部分反射部３２０が装用者の視界に入るため、例えば装用者が外界の景色を見る際の妨げとなり得る。間隔ｄが３．０ｍｍ以上になると、間隔ｄが広すぎることに起因して、例えばアイボックス内の場所によって、虚像が欠けて見えることがある。
【0033】
複数の部分反射部３２０が配置される間隔ｄは等間隔であってもよく、また、等間隔でなくてもよい。
【0034】
部分反射部３２０は、画像光が光軸ＡＸ（及びｚ方向正側に向けて射出される第３面３４０）に対して所定の角度（例えば４５度）をなす向きで配置される。部分反射部３２０は、例えばハーフミラーである。部分反射部３２０は、ＰＢＳ（Polarizing Beam Splitter）であってもよい。
【0035】
部分反射部３２０は、例えば、平面に形成された部分反射面よりなる。部分反射部３２０を平面で形成することにより、例えば、製造容易性が向上し、また、収差補正の面で有利である。
【0036】
非平面（曲率をもつ面等）の部分反射部３２０を複数有する場合を考える。この場合、適切に収差が補正された高画質の虚像を表示するためには、隣接する部分反射部３２０同士を異なる形状に形成する必要がある。更に、収差を適切に補正するためには、画像光の光路上における、部分反射部３２０よりも画像表示素子１０側に位置する光学系と、それぞれの部分反射部３２０とで、収差補正を分担する必要がある。その結果、複数の部分反射部３２０は、それぞれが異なる自由曲面を有する形状とすることが必要となる。そのため、製造容易性を確保することが難しく、また、収差を補正することが難しくなる。
【0037】
図２の例では、導光部材３０は、複数の光学ブロックよりなる。光学ブロックの傾斜面に、部分反射部３２０をなす部分反射面が成膜される。部分反射面が成膜された光学ブロックの傾斜面と他方の（部分反射面が成膜されていない）光学ブロックの傾斜面とを接着剤で接着することにより、導光部材３０が完成する。
【0038】
部分反射面は、例えば金属材を蒸着することによって形成された蒸着膜よりなる。光学ブロック同士の密着性を向上させるため、光学ブロックの傾斜面にプライマー層を成膜したうえで部分反射面を成膜してもよい。
【0039】
導光部材３０の各光学ブロックは、例えばプラスチック等の合成樹脂製の成形品である。これにより、導光部材３０を軽量化させることができる。導光部材３０を軽量化させることにより装用者の鼻にかかる荷重が低減するため、例えばヘッドマウントディスプレイ１を装用者が長時間装用したときの疲労感が軽減される。
【0040】
虚像表示装置１Ａは、画像表示素子１０からの画像光の中間像Ｉを導光部材３０内に形成する中間像形成部２０を含む。
【0041】
図２の例では、導光部材３０の第１面３１０が球面又は非球面で形成されており、画像表示素子１０からの画像光の中間像Ｉを導光部材３０内（例えば部分反射部３２０付近）に形成する中間像形成部２０をなしている。第１面３１０が中間像形成部２０を兼ねることにより、虚像表示装置１Ａを小型化することができ、また、製造コストを抑えることができる。
【0042】
なお、後述する数値実施例１～４で示されるように、虚像表示装置１Ａは、画像表示素子１０と導光部材３０との間の画像光の光路上に、画像表示素子１０からの画像光を導光部材３０に伝搬する伝搬光学系を含む構成としてもよい。この場合、例えば、この伝搬光学系が中間像形成部２０をなす。伝搬光学系に収差補正を負担させることができるため、例えば各種収差を良好に補正することができる。
【0043】
虚像表示装置１Ａは、反射部４０を含む。反射部４０は、部分反射部３２０を挟んで第１の側（図２の例では、画像表示素子１０が位置する側）とは異なる第２の側（図２の例では、第１の側とは反対側）に位置する。虚像表示装置１Ａをヘッドマウントディスプレイ１に搭載した場合、反射部４０は、レンズ部３の上部に配置された画像表示素子１０と対向するレンズ部３の下部に位置する。
【0044】
第１面３１０より入射されて部分反射部３２０を透過した画像光は、反射部４０まで導光される。反射部４０は、反射面を含む。この反射面により、反射部４０まで導光された画像光が反射され、部分反射部３２０に向けてｚ方向正側に導光される。この反射面は、平面であってもよく、また、パワーを持つ面であってもよい。
【0045】
すなわち、反射部４０は、部分反射部３２０を透過した第１方向の画像光（ｙ方向負側に導光される画像光）を第２方向の画像光（ｙ方向正側に導光される画像光）として部分反射部３２０に向けて反射する。
【0046】
反射部４０（図２の例では反射面）は、正のパワーを有する。反射部４０は、部分反射部３２０を介して入射された画像光をコリメート光又は略コリメート光に変換して、部分反射部３２０に向けて反射する。これにより、コリメート光又は略コリメート光が、導光部材３０内をｙ方向正側に導光されて、部分反射部３２０にてｚ方向正側に反射され、導光部材３０の第３面３４０から外部に射出されて、装用者の眼ＥＹに到達する。コリメート光の場合、装用者は、無限遠の虚像を良好に視認することができる。略コリメート光の場合、装用者は、適切な虚像距離（虚像が形成される面と眼ＥＹとの距離）の虚像を良好に視認することができる。虚像距離は、虚像表示装置１Ａの用途に適宜変えてもよい。
【0047】
導光部材３０は、部分反射部３２０を挟んで第１面３１０と対向して位置する第２面３３０を有する。図２の例では、第２面３３０が反射面となっており、反射部４０をなしている。第２面３３０が反射部４０を兼ねることにより、虚像表示装置１Ａを小型化することができ、また、製造コストを抑えることができる。
【0048】
なお、後述する数値実施例１～３で示されるように、虚像表示装置１Ａは、導光部材３０の後段の光路上に、導光部材３０とは別の光学部材を含む構成としてもよい。この場合、例えば、この別の光学部材が上記反射面を含む反射部４０をなす。反射部４０は、部分反射部３２０を透過して導光部材３０の第２面３３０より射出された画像光が入射され、入射された画像光をコリメート光又は略コリメート光に変換して、部分反射部３２０に向けて反射する。これにより、コリメート光又は略コリメート光が、第２面３３０より導光部材３０内に入射されてｙ方向正側に導光されて、部分反射部３２０にてｚ方向正側に反射され、導光部材３０の第３面３４０から外部に射出されて、装用者の眼ＥＹに到達する。
【0049】
上記構成では、別の光学部材よりなる反射部４０に収差補正を負担させることができるため、例えば各種収差を良好に補正することができる。
【0050】
本実施形態に係る虚像表示装置１Ａでは、画像表示素子１０からの画像光の中間像Ｉが中間像形成部２０により導光部材３０内に形成される。これにより、導光部材３０を薄型化すること（言い換えると、導光部材３０のｚ方向のサイズを小さく抑えること）ができる。これにより、導光部材３０を軽量化させることができる。導光部材３０を軽量化させることにより装用者の鼻にかかる荷重が低減するため、例えばヘッドマウントディスプレイ１を装用者が長時間装用したときの疲労感が軽減される。
【0051】
また、画像表示素子１０からの画像光の中間像Ｉを導光部材３０内に形成することにより、虚像表示装置用光学系の瞳を装用者の眼ＥＹの付近に配置することができる。そのため、広い画角を確保しつつ広いアイボックスを確保することもできる。
【0052】
画像表示素子１０からの画像光の中間像Ｉを導光部材３０内に形成した場合に導光部材３０を薄型化させられる理由を、図３を用いて説明する。
【0053】
図３のＡ図は、中間像Ｉの倍率を１倍としたときの、本実施形態に係る虚像表示装置１Ａの概略構成図である。Ａ図中、ｆ１は、中間像形成部２０の焦点距離を示し、ｆ２は、反射部４０の焦点距離を示す。図３のＢ図は、本実施形態に係る虚像表示装置１Ａに対して中間像形成部２０を省いた虚像表示装置の概略構成図である。Ｂ図中、ｆ３は、反射部４０の焦点距離を示す。図３のＣ図は、本実施形態に係る虚像表示装置１Ａに対し、中間像形成部２０に代えて、伝搬光学系２０’を備えた虚像表示装置の概略構成図である。伝搬光学系２０’は、画像表示素子１０からの画像光をコリメート光に変換し、このコリメート光を導光部材３０に向けて射出する。Ｃ図の反射部４０は、入射する画像光はコリメートされているので屈折力をもたない反射面（平面）等で構成される。Ｃ図では、画角がＡ図と同じである。Ａ図～Ｃ図の各図中、実線の光束は軸上の光束を示し、破線の光束は軸外の光束を示す。Ａ図～Ｃ図の各図中、画像表示素子１０の位置にある矢印で示される、画像表示素子１０による表示画像の大きさは同じである。
【0054】
外界の景色や映像を装用者に見せるためには、画像表示素子１０又は中間像形成部２０と反射部４０（より詳細には、反射面）との間隔を十分に確保する必要がある。Ａ図において、中間像形成部２０と反射部４０との間隔は、図１のレンズ部３の縦方向（ｙ方向）の幅に対応する。レンズ部３の縦方向の幅は、装用者が外界の景色等を見ることができるように広く設定することが必要なためである。同様にＢ図において、画像表示素子１０と反射部４０との間隔が、レンズ部３の縦方向の幅に対応するので、広く設定することが必要である。同様にＣ図において、伝搬光学系２０’と反射部４０との間隔がレンズ部３の縦方向の幅に対応するため、同様に広く設定することが必要である。Ｂ図において虚像距離を無限遠とする場合、薄型の導光部材３０に軸上及び軸外の光束を導光させるため、焦点距離ｆ３を長くする必要がある。具体的には、Ｂ図の例における焦点距離ｆ３は、前述の画像表示素子１０と反射部４０との間隔に対応するように設定される。それにより、画像光は反射部４０でコリメートされて、装用者が虚像を視認することができるようになる。前述の通り、焦点距離ｆ３は、レンズ部３の幅に制約される。そのため、焦点距離ｆ３を短くすることができない。そのため、Ｂ図の構成では、広い画角を確保することができない。Ｂ図の構成において、画角をＡ図と同等に確保するためには、画像表示素子１０を大型化することが必要であり、虚像表示装置そのものが大型化してしまう。Ｃ図において虚像距離を無限遠とする場合、Ａ図と同じ画角を確保する必要上（言い換えると、広い画角を形成するために必要な軸外の光束も導光部材３０が導光できるように）、導光部材３０の厚さを厚くする必要がある。具体的には、Ｃ図における伝搬光学系２０’は、画像表示素子１０からの軸外光線（破線）を導光するために、光軸ＡＸ方向に垂直な方向に大きく（図中の上下方向に広く）する必要がある。それに伴い、伝搬光学系２０’から射出される画像光を導光部材３０が取り込むためには、導光部材３０の厚さ（図中の上下方向）を厚くすることが必要である。
【0055】
これに対し、本実施形態に係る虚像表示装置１Ａでは、Ａ図に示されるように、反射部４０（より詳細には、反射面）により近い導光部材３０内に中間像Ｉを形成することにより、反射部４０の焦点距離ｆ２を短くすることができるので、広い画角を確保しつつも導光部材３０を薄型化することができる。言い換えると、導光部材３０を薄型化した場合でも、導光部材３０は、広い画角を形成するために必要な軸外の光束も導光できる。
【0056】
本実施形態に係る虚像表示装置１Ａの具体的構成について更に説明する。
【0057】
第１方向の画像光（導光部材３０内をｙ方向負側に導光される画像光）は、部分反射部３２０へ入射すると、一部が透過して反射部４０に向かう一方、残りの一部が反射されて、第３面３４０と対向する面３５０から外部へ放射される。外部へ漏れる画像光の量を低減させるためには、部分反射部３２０の透過率を高くすること（言い換えると、反射率を低くすること）が求められる。しかし、部分反射部３２０の透過率を高くすると、第２方向の画像光（導光部材３０内をｙ方向正側に導光される画像光）が部分反射部３２０へ入射した際、その多くが部分反射部３２０を透過してしまう。すなわち、部分反射部３２０にてｚ方向正側に反射されて装用者の眼ＥＹに向かう画像光の量が少なくなってしまう。
【0058】
そこで、本実施形態では、光利用効率を向上させるべく、偏光板５０及び６０が虚像表示装置１Ａに備えられる。
【0059】
偏光板５０は、画像表示素子１０と部分反射部３２０との間に配置されており、画像表示素子１０が位置する第１の側から部分反射部３２０に向かう画像光を第１の偏光方向の画像光に変換する。なお、部分反射部３２０が複数備えられる場合、偏光板５０は、画像表示素子１０と、複数の部分反射部３２０のうち画像表示素子１０に最も近い部分反射部３２０と、の間に配置される。
【0060】
偏光板５０は、例えば、画像表示素子１０と導光部材３０との間に配置されており、部分反射部３２０に向かう画像光をＰ偏光（第１の偏光方向の一例）に変換する。
【0061】
なお、偏光板５０は、画像表示素子１０が位置する第１の側から部分反射部３２０に向かう画像光を第１の偏光方向の画像光に変換する偏光膜に置き換えられてもよい。偏光膜５０は、画像表示素子１０と部分反射部３２０との間に配置された何れかの光学素子の面上に形成される。偏光膜５０は、例えば、導光部材３０の第１面３１０に形成され、部分反射部３２０に向かう画像光をＰ偏光に変換する。
【0062】
光学素子の面上に偏光膜５０を形成する場合、偏光板５０が不要となる。そのため、虚像表示装置１Ａの部品点数が減る。
【0063】
部分反射部３２０は、Ｐ偏光（第１の偏光方向の一例）の反射率がＳ偏光（第２の偏光方向の一例）の反射率より低い。偏光板５０によりＰ偏光に変換された画像光は、その多くが部分反射部３２０を透過しかつ部分反射部３２０での反射光量が少ない。すなわち、上記の如く部分反射部３２０の反射率を設定することにより、部分反射部３２０で反射されて面３５０から外部へ漏れる画像光の量が低減される。
【0064】
偏光板６０は、部分反射部３２０と反射部４０（より詳細には反射部４０に含まれる反射面）との間に配置される。偏光板６０は、部分反射部３２０を透過した第１方向の画像光の偏光を回転させ、更に、反射部４０にて反射された第２方向の画像光の偏光を回転させることにより、部分反射部３２０の透過時に第１の偏光方向にあった画像光（Ｐ偏光の画像光）を第２の偏光方向（Ｓ偏光）に回転させる。
【0065】
具体的には、偏光板６０は、１／４波長板である。部分反射部３２０を透過したＰ偏光の画像光は、偏光板６０により偏光方向が４５度回転して反射部４０にて反射された後、再び偏光板６０に入射される。画像光は、偏光板６０により更に４５度回転してＳ偏光となって、部分反射部３２０に入射される。
【0066】
部分反射部３２０は、Ｓ偏光（第２の偏光方向の一例）の反射率がＰ偏光（第１の偏光方向の一例）の反射率より高い。Ｓ偏光に変換された画像光は、その多くが部分反射部３２０を透過せず反射して、導光部材３０の第３面３４０から外部に射出されて、装用者の眼ＥＹに到達する。
【0067】
このように、本実施形態に係る虚像表示装置１Ａによれば、部分反射部３２０で反射されて外部へ漏れる画像光の量を低減しつつも多くの画像光を眼ＥＹへ導くことができる。そのため、高い光利用効率が達成される。
【0068】
部分反射部３２０は、装用者の視界内に位置する。部分反射部３２０の反射率が高い場合、シースルー性を確保することが難しい。しかし、外界の光が無偏光であり、また、部分反射部３２０がＰ偏光に対する透過率が高いことから、本実施形態では、シースルー性が確保される。
【0069】
上述したように、部分反射部３２０が装用者の視界を遮りにくいことから、広い面積を持つ部分反射部３２０を導光部材３０内に配置しやすい。部分反射部３２０の面積を広くすることにより、光束幅の広い画像光を眼ＥＹに導光しやすくなる。この点から、虚像表示装置１Ａは、画質の向上に有利となっている。
【0070】
複数の部分反射部３２０が導光部材３０内に配置される場合を考える。この場合、複数の部分反射部３２０のうち、任意の１つを「第１の部分反射部」と称し、第１の部分反射部よりも偏光板６０（偏光部の一例）から光路上で遠い位置に配置された、任意の１つを「第２の部分反射部」と称する。虚像表示装置１Ａは、第１の部分反射部の第２の偏光方向の反射率をＲ１とし、第２の部分反射部の第２の偏光方向の反射率をＲ２としたとき、次式
Ｒ１＜Ｒ２
を満たす構成としてもよい。
Ｒ１＜Ｒ２
を満たす構成としてもよい。
【0071】
偏光板６０から光路上で遠い位置に配置された部分反射部３２０ほど、入射光が前段の（つまり偏光板６０に近い）部分反射部３２０を透過する毎に減光するため、入射光の量が少ない。そのため、例えば複数の部分反射部３２０の反射率を全て同じにすると、偏光板６０から光路上で遠い位置に配置された部分反射部３２０にて反射されて眼ＥＹに向かう画角の光の量ほど少なくなり、光量ムラが生じやすい。そこで、上記の如く、部分反射部３２０の反射率を設定することにより、画角間の光量差が少なくなり光量ムラが抑えられる。
【0072】
部分反射部３２０は、シースルー性及び光利用効率を確保するため、第２の偏光方向の反射率Ｒｓが５％以上かつ５０％以下に設定されてもよい。
【0073】
反射率Ｒｓが５％未満になると、光利用効率が低すぎて、眼ＥＹに到達する画像光の量を確保することが難しい。反射率Ｒｓが５０％を超えると、部分反射部３２０で反射される外界の光の量が多すぎて、シースルー性の低下を抑えることが難しい。
【0074】
部分反射部３２０は、面３５０から外部へ漏れる画像光の量を抑えるため、第１の偏光方向の反射率Ｒｐが２５％以下に設定されてもよい。
【0075】
反射率Ｒｐが２５％を超えると、部分反射部３２０における反射光量が多いため、面３５０から外部へ漏れる画像光の量を抑えることが難しい。
【0076】
図２中、符号Ｌ１は、導光部材３０の側面に沿う、部分反射部３２０の辺の長さを示す。また、符号Ｌ２は、導光部材３０の厚さを示し、また、導光部材３０の側面の短手方向（図２においてｚ方向）の長さを示す。長さＬ１は、シースルー性及び良好な画像を確保するため、長さＬ２の０．３倍以上かつ１．５倍以下に設定されてもよい。
【0077】
長さＬ１が長さＬ２の０．３倍未満になると、画像光が眼ＥＹに届きにくくなり、例えばアイボックス内の場所によって、虚像が欠けて見えることがある。長さＬ１が長さＬ２の１．５倍を超えると、視界に入る部分反射部３２０が大きすぎるため、シースルー性を確保し難くなる。
【0078】
次に、虚像表示装置１Ａの具体的な数値実施例１～４を示す。なお、以下の数値実施例１～４では、便宜上、光軸ＡＸ方向をｚ方向とし、光軸ＡＸ方向と直交する２方向をｘ方向、ｙ方向とする。例えば、虚像表示装置１Ａをヘッドマウントディスプレイ１に搭載した場合、ｘ方向は、レンズ部３の幅方向である。ｙ方向は、光軸ＡＸ方向及びレンズ部３の幅方向と直交する。なお、部分反射部３２０により光路が９０度折り曲げられると、光軸ＡＸ方向も９０度変わるため、ｘｙｚ座標系も９０度回転する。
【0079】
［数値実施例１］
本発明の数値実施例１に係る虚像表示装置１Ａの光学構成は図４Ａ及び図４Ｂに示される。図４Ａは、虚像表示装置１Ａのｙｚ断面を示す。図４Ｂは、虚像表示装置１Ａのｘｙ断面を示す。なお、図４Ａのｙｚ断面及び図４Ｂのｘｙ断面は、装用者の眼ＥＹに向かう光軸ＡＸ方向をｚ方向としたときの断面である。
本発明の数値実施例１に係る虚像表示装置１Ａの光学構成は図４Ａ及び図４Ｂに示される。図４Ａは、虚像表示装置１Ａのｙｚ断面を示す。図４Ｂは、虚像表示装置１Ａのｘｙ断面を示す。なお、図４Ａのｙｚ断面及び図４Ｂのｘｙ断面は、装用者の眼ＥＹに向かう光軸ＡＸ方向をｚ方向としたときの断面である。
【0080】
数値実施例１に係る虚像表示装置１Ａは、中間像形成部２０として伝搬光学系を備える。導光部材３０の前段に偏光板５０が配置される。導光部材３０の厚さは、５．５ｍｍである。導光部材３０内には、平面形状で形成された７つの部分反射部３２０が１．６ｍｍの間隔ｄで配置される。導光部材３０の後段には、偏光板６０の一例として１／４波長板が配置される。図４Ａ、図４Ｂ中、最もｙ方向負側に位置する光学素子面が、反射部４０の反射面である。
【0081】
数値実施例１において、虚像画像の垂直方向、水平方向、対角方向の画角は、それぞれ、２０．０度、３５．４度、４０．０度である。虚像距離は、無限遠である。開口絞りは、垂直方向に１．５ｍｍで水平方向に６．９ｍｍの矩形の開口を有する。
【0082】
数値実施例１において、部分反射部３２０の辺の長さＬ１は、偏光板６０に近い部分反射部３２０から順に、３ｍｍ、３ｍｍ、３ｍｍ、３．５ｍｍ、３．５ｍｍ、３ｍｍ、３ｍｍである。
【0083】
数値実施例１において、部分反射部３２０のＰ偏光（第１の偏光方向の一例）の反射率は、偏光板６０に近い部分反射部３２０から順に、１％、１％、２％、２％、４％、６％、２０％である。
【0084】
数値実施例１において、部分反射部３２０のＳ偏光（第２の偏光方向の一例）の反射率は、偏光板６０に近い部分反射部３２０から順に、１１％、１２％、１８％、２３％、３２％、４６％、８８％である。
【0085】
数値実施例１に係る虚像表示装置１Ａの具体的数値構成は、表１に示される。表１中、Ｒｙ（単位：ｍｍ）は光学素子の各面の、ｙ方向の軸（光軸ＡＸと直交するｙ軸）での曲率半径（又は近軸曲率半径）を示し、Ｒｘ（単位：ｍｍ）は光学素子の各面の、ｘ方向の軸（光軸ＡＸと直交するｘ軸）での曲率半径（又は近軸曲率半径）を示し、Ｄ（単位：ｍｍ）は光軸ＡＸ上の光学素子の厚さ又は光学素子の間隔を示し、Ｎｄはｄ線（波長５８７．５６２ｎｍ）の屈折率を示し、νｄはｄ線のアッベ数を示す。アッベ数の右欄には、光学素子の材質の商品名及び製造者を記す。
【0086】
表１の番号は、画像表示素子１０側から順に、虚像表示装置１Ａの各面に付されたものである。補足すると、表１の番号０は、画像表示素子１０の画像表示面（画素配列面）を示す。表１の番号１～２は、画像表示素子１０に備えられるカバーガラスの各面を示す。カバーガラスは、画像表示素子１０の画像表示面をカバーするガラス製部材である。
【0087】
表１の番号３～１４は、伝搬光学系２０から反射部４０の反射面までの光路に対応し、表１の１５以降は、反射部４０の反射面から眼ＥＹまでの光路に対応する。
【0088】
表１の番号１７の間隔Ｄの欄の標記Ａは、反射部４０の反射面から、各部分反射部３２０（部分反射面）までの、光軸ＡＸ方向の間隔を示す。便宜上、この間隔を間隔Ａと記す。間隔Ａは、反射部４０の反射面に近い部分反射部３２０から順に、１３．２ｍｍ、１４．８ｍｍ、１６．４ｍｍ、１８．０ｍｍ、１９．６ｍｍ、２１．２ｍｍ、２２．８ｍｍである。このように、７つの部分反射部３２０は、１．６ｍｍの等間隔で配置される。
【0089】
［表１］
【0090】
表１中、「＊」印が付された番号の面は、非球面である。より詳細には、これらの非球面は、アナモフィックなパワーを有するアナモフィック非球面となっている。表２に、各非球面のデータを示す。表２中、標記Ｅは、１０を基数、Ｅの右の数字を指数とする累乗を示す。非球面素子における曲率半径Ｒは、光軸ＡＸ上での曲率半径（近軸曲率半径）を示す。非球面形状は、サグ量をＺとし、近軸曲率（１／Ｒ）をＣとし、光軸ＡＸからの高さをｈ（単位：ｍｍ）とし、円錐係数（コーニック係数）をＫとし、４次以上の偶数次の非球面係数をＡ４、Ａ６、・・・とした場合に、次式で示される。
【0091】
Z＝Ch２/{1+√(1-(1+K)C２h２)}+A４・h４+A６・h６+A８・h８+A１０・h１０
【0092】
附言するに、アナモフィック非球面形状は、ｘ軸での近軸曲率（１／Ｒｘ）をＣｘとし、ｙ軸での近軸曲率（１／Ｒｙ）をＣｙとし、光軸ＡＸからの、ｘ軸での高さをＸ（単位：ｍｍ）とし、光軸ＡＸからの、ｙ軸での高さをＹ（単位：ｍｍ）とし、ｘ軸での円錐係数をＫｘとし、ｙ軸での円錐係数をＫｙとし、４次以上の偶数次の、回転対称の係数をＡＲ４、ＡＲ６、・・・とし、４次以上の偶数次の、回転非対称の係数をＡＰ４、ＡＰ６、・・・とした場合に、次式で示される。
【0093】
Z＝(CxX2 + CyY2)/{1+√(1-(1+Kx)Cx2X2-(1+Ky)Cy2Y2)} +AR4・((1-AP4)X2+(1+AP4)Y2)2+AR6・((1-AP6)X2+(1+AP6)Y2)3+AR8・((1-AP8)X2+(1+AP8)Y2)4+AR10・((1-AP10)X2+(1+AP10)Y2)5
【0094】
なお、表の記載形式は、以降の数値実施例２～４においても同じである。
【0095】
［表２］
【0096】
図５は、数値実施例１における、装用者の網膜上の照度分布について説明する図である。図５のシミュレーション図は、眼ＥＹの瞳孔径を２．５ｍｍとし、アイレリーフを１５ｍｍとしたときの照度分布を示す。この照度分布は、焦点距離１２ｍｍの理想レンズで結像する場合で計算されている。このシミュレーション図は、３５度（横）×２０度（縦）の画角の光を投影したものとなっている。
【0097】
次に、眼ＥＹの位置を導光部材３０の面３５０から５００ｍｍ離れた位置に設定して、同様のシミュレーションを行った。言い換えると、装用者の近くにいる第三者の網膜上の照度分布を計算した。これらのシミュレーション結果から、第三者の網膜上の照度が装用者の網膜上の照度に対して僅か０．０７８％の強さであることが分かった。このように、数値実施例１によれば、部分反射部３２０で反射されて面３５０から外部へ漏れる画像光の量が少なく抑えられることが分かった。
【0098】
【0099】
遮光率＝（｜照度ＬＤ１－照度ＬＤ２｜／照度ＬＤ１）×１００
［照度ＬＤ１］
虚像表示装置１Ａから十分離れた距離に置かれた光源を、部分反射部３２０を備えない虚像表示装置１Ａを通して装用者の眼ＥＹで見たときの、ある画角に対応する、網膜上の照度
［照度ＬＤ２］
上記距離に置かれた光源を、部分反射部３２０を備える虚像表示装置１Ａを通して装用者の眼ＥＹで見たときの、上記画角に対応する、網膜上の照度
［照度ＬＤ１］
虚像表示装置１Ａから十分離れた距離に置かれた光源を、部分反射部３２０を備えない虚像表示装置１Ａを通して装用者の眼ＥＹで見たときの、ある画角に対応する、網膜上の照度
［照度ＬＤ２］
上記距離に置かれた光源を、部分反射部３２０を備える虚像表示装置１Ａを通して装用者の眼ＥＹで見たときの、上記画角に対応する、網膜上の照度
【0100】
図６に示されるように、数値実施例１では、部分反射部３２０を視界内に配置することによるシースルー性の低下が低い水準で抑えられていることが分かる。
【0101】
［数値実施例２］
数値実施例２に係る虚像表示装置１Ａは、部分反射部３２０の反射率が数値実施例１に係る虚像表示装置１Ａと異なる点を除き、数値実施例１に係る虚像表示装置１Ａと同じ構成を有する。
数値実施例２に係る虚像表示装置１Ａは、部分反射部３２０の反射率が数値実施例１に係る虚像表示装置１Ａと異なる点を除き、数値実施例１に係る虚像表示装置１Ａと同じ構成を有する。
【0102】
数値実施例２において、部分反射部３２０のＰ偏光（第１の偏光方向の一例）の反射率は、偏光板６０に近い部分反射部３２０から順に、１％、１％、１％、２％、２％、３％、５％である。
【0103】
数値実施例２において、部分反射部３２０のＳ偏光（第２の偏光方向の一例）の反射率は、偏光板６０に近い部分反射部３２０から順に、１０％、１１％、１２％、１８％、２３％、２９％、４２％である。
【0104】
図７は、図５と同様の図であり、数値実施例２における、装用者の網膜上の照度分布について説明する図である。図７のシミュレーション図は、眼ＥＹの瞳孔径を２．５ｍｍとし、アイレリーフを１５ｍｍとしたときの照度分布を示す。この照度分布は、焦点距離１２ｍｍの理想レンズで結像する場合で計算されている。このシミュレーション図は、３５度（横）×２０度（縦）の画角の光を投影したものとなっている。
【0105】
次に、眼ＥＹの位置を導光部材３０の面３５０から５００ｍｍ離れた位置に設定して、同様のシミュレーションを行った。これらのシミュレーション結果から、第三者の網膜上の照度が装用者の網膜上の照度に対して僅か０．０４％の強さであることが分かった。このように、数値実施例２によれば、部分反射部３２０で反射されて面３５０から外部へ漏れる画像光の量が少なく抑えられることが分かった。
【0106】
図８は、図６と同様の図であり、数値実施例２における遮光率について説明する図である。図８に示されるように、数値実施例２においても、部分反射部３２０を視界内に配置することによるシースルー性の低下が低い水準で抑えられていることが分かる。
【0107】
［数値実施例３］
本発明の数値実施例３に係る虚像表示装置１Ａの光学構成は図９Ａ及び図９Ｂに示される。数値実施例３に係る虚像表示装置１Ａは、次の４つの要素が数値実施例１に係る虚像表示装置１Ａと異なる点を除き、数値実施例１に係る虚像表示装置１Ａと同じ構成を有する。
（１）部分反射部３２０の辺の長さＬ１
（２）部分反射部３２０の反射率
（３）各部分反射部３２０の間隔Ａ
（４）偏光板５０に代えて、導光部材３０の第１面３１０に偏光膜５０が形成
本発明の数値実施例３に係る虚像表示装置１Ａの光学構成は図９Ａ及び図９Ｂに示される。数値実施例３に係る虚像表示装置１Ａは、次の４つの要素が数値実施例１に係る虚像表示装置１Ａと異なる点を除き、数値実施例１に係る虚像表示装置１Ａと同じ構成を有する。
（１）部分反射部３２０の辺の長さＬ１
（２）部分反射部３２０の反射率
（３）各部分反射部３２０の間隔Ａ
（４）偏光板５０に代えて、導光部材３０の第１面３１０に偏光膜５０が形成
【0108】
数値実施例３において、部分反射部３２０の辺の長さＬ１は、偏光板６０に近い部分反射部３２０から順に、７ｍｍ、６ｍｍ、５．５ｍｍ、５ｍｍ、５．５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍである。
【0109】
数値実施例３において、部分反射部３２０のＰ偏光（第１の偏光方向の一例）の反射率は、偏光板６０に近い部分反射部３２０から順に、１％、１％、１％、２％、２％、３％、５％である。
【0110】
数値実施例３において、部分反射部３２０のＳ偏光（第２の偏光方向の一例）の反射率は、偏光板６０に近い部分反射部３２０から順に、１０％、１１％、１２％、１８％、２３％、２９％、４２％である。
【0111】
数値実施例３において、間隔Ａは、反射部４０の反射面に近い部分反射部３２０から順に、１５．３ｍｍ、１６．２ｍｍ、１７．１ｍｍ、１８．０ｍｍ、１８．９ｍｍ、１９．８ｍｍ、２０．７ｍｍである。このように、７つの部分反射部３２０は、０．９ｍｍの等間隔で配置される。
【0112】
図１０は、図５と同様の図であり、数値実施例３における、装用者の網膜上の照度分布について説明する図である。図１０のシミュレーション図は、眼ＥＹの瞳孔径を２．５ｍｍとし、アイレリーフを１５ｍｍとしたときの照度分布を示す。この照度分布は、焦点距離１２ｍｍの理想レンズで結像する場合で計算されている。このシミュレーション図は、３５度（横）×２０度（縦）の画角の光を投影したものとなっている。
【0113】
次に、眼ＥＹの位置を導光部材３０の面３５０から５００ｍｍ離れた位置に設定して、同様のシミュレーションを行った。これらのシミュレーション結果から、第三者の網膜上の照度が装用者の網膜上の照度に対して僅か０．３％の強さであることが分かった。このように、数値実施例３によれば、部分反射部３２０で反射されて面３５０から外部へ漏れる画像光の量が少なく抑えられることが分かった。
【0114】
図１１は、図６と同様の図であり、数値実施例３における遮光率について説明する図である。図１１に示されるように、数値実施例３においても、部分反射部３２０を視界内に配置することによるシースルー性の低下が低い水準で抑えられていることが分かる。
【0115】
【0116】
数値実施例４に係る虚像表示装置１Ａは、中間像形成部２０として伝搬光学系を備える。導光部材３０の前段に偏光板５０が配置される。導光部材３０の厚さは、６ｍｍである。導光部材３０内には、平面形状で形成された３つの部分反射部３２０が２．５ｍｍの間隔ｄで配置され、また、偏光板６０の一例として１／４波長板が配置される。図１２Ａ、図１２Ｂ中、最もｙ方向負側に位置する光学素子面が、反射部４０の反射面である。
【0117】
数値実施例４において、虚像画像の垂直方向、水平方向、対角方向の画角は、それぞれ、１７．５度、２８．９度、３１．４度である。虚像距離は、無限遠である。開口絞りは、垂直方向に２．０ｍｍで水平方向に５．６ｍｍの矩形の開口を有する。
【0118】
数値実施例４において、部分反射部３２０の辺の長さＬ１は、偏光板６０に近い部分反射部３２０から順に、５ｍｍ、５ｍｍ、４ｍｍである。
【0119】
数値実施例４において、部分反射部３２０のＰ偏光（第１の偏光方向の一例）の反射率は、偏光板６０に近い部分反射部３２０から順に、５％、４％、４％である。
【0120】
数値実施例４において、部分反射部３２０のＳ偏光（第２の偏光方向の一例）の反射率は、偏光板６０に近い部分反射部３２０から順に、２１％、２９％、２９％である。
【0121】
数値実施例４に係る虚像表示装置１Ａの具体的数値構成、各非球面のデータは、それぞれ、表３、表４に示される。
【0122】
表３の番号０は、画像表示素子１０の画像表示面を示す。表３の番号１～２は、画像表示素子１０に備えられるカバーガラスの各面を示す。表３の番号３～１５は、伝搬光学系２０から反射部４０の反射面までの光路に対応し、表の１６以降は、反射部４０の反射面から眼ＥＹまでの光路に対応する。
【0123】
間隔Ａは、反射部４０の反射面に近い部分反射部３２０から順に、１１．５ｍｍ、１４．０ｍｍ、１６．５ｍｍである。このように、３つの部分反射部３２０は、２．５ｍｍの等間隔で配置される。
【0124】
［表３］
【0125】
［表４］
【0126】
図１３は、図５と同様の図であり、数値実施例４における、装用者の網膜上の照度分布について説明する図である。図１３のシミュレーション図は、眼ＥＹの瞳孔径を２．５ｍｍとし、アイレリーフを１５ｍｍとしたときの照度分布を示す。この照度分布は、焦点距離１２ｍｍの理想レンズで結像する場合で計算されている。このシミュレーション図は、２９度（横）×１７度（縦）の画角の光を投影したものとなっている。
【0127】
次に、眼ＥＹの位置を導光部材３０の面３５０から５００ｍｍ離れた位置に設定して、同様のシミュレーションを行った。これらのシミュレーション結果から、第三者の網膜上の照度が装用者の網膜上の照度に対して僅か１．３％の強さであることが分かった。このように、数値実施例４によれば、部分反射部３２０で反射されて面３５０から外部へ漏れる画像光の量が少なく抑えられることが分かった。
【0128】
図１４は、図６と同様の図であり、数値実施例４における遮光率について説明する図である。図１４に示されるように、数値実施例４においても、部分反射部３２０を視界内に配置することによるシースルー性の低下が低い水準で抑えられていることが分かる。
【0129】
以上が本発明の例示的な実施形態の説明である。本発明の実施形態は、上記に説明したものに限定されず、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。例えば明細書中に例示的に明示される実施形態等又は自明な実施形態等を適宜組み合わせた内容も本願の実施形態に含まれる。
【0130】
以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［付記１］
画像を表示する画像表示素子からの画像光を導光する導光部材と、
第１の側から前記導光部材内を導光される第１方向の前記画像光を透過させ、かつ前記第１の側とは異なる第２の側から前記導光部材内を導光される第２方向の前記画像光を反射させて外部に射出する、部分反射部と、
前記部分反射部を挟んで前記第１の側とは異なる前記第２の側に位置し、前記部分反射部を透過した前記第１方向の画像光を前記第２方向の画像光として前記部分反射部に向けて反射する反射部と、
前記部分反射部を透過した前記第１方向の画像光の偏光を回転させ、更に、前記反射部にて反射された前記第２方向の画像光の偏光を回転させることにより、前記部分反射部の透過時に第１の偏光方向にあった前記画像光を第２の偏光方向に回転させる偏光部と、を含み、
前記部分反射部は、前記第１の偏光方向の反射率が前記第２の偏光方向の反射率より低い、
虚像表示装置用光学系。
［付記２］
前記部分反射部は、前記虚像表示装置用光学系の光軸方向に間隔を空けて複数配置される、
付記１に記載の虚像表示装置用光学系。
［付記３］
複数の前記部分反射部は、前記虚像表示装置用光学系の光軸方向に間隔ｄで並んで配置され、
前記間隔ｄは、次式
０．５ｍｍ＜ｄ＜３．０ｍｍ
を満たす、
付記２に記載の虚像表示装置用光学系。
［付記４］
複数の前記部分反射部は、第１の前記部分反射部と、第１の前記部分反射部よりも前記偏光部から光路上で遠い位置に配置された第２の部分反射部と、を含み、
前記第１の部分反射部の前記第２の偏光方向の反射率をＲ１とし、前記第２の部分反射部の前記第２の偏光方向の反射率をＲ２としたとき、次式
Ｒ１＜Ｒ２
を満たす、
付記２又は付記３に記載の虚像表示装置用光学系。
［付記５］
前記部分反射部は、平面に形成された部分反射面よりなる、
付記１から付記４の何れか一つに記載の虚像表示装置用光学系。
［付記６］
前記部分反射部は、前記第２の偏光方向の反射率が５％以上かつ５０％以下である、
付記１から付記５の何れか一つに記載の虚像表示装置用光学系。
［付記７］
前記部分反射部は、前記第１の偏光方向の反射率が２５％以下である、
付記１から付記６の何れか一つに記載の虚像表示装置用光学系。
［付記８］
前記導光部材の側面に沿う、前記部分反射部の辺の長さは、前記側面の短手方向の長さの０．３倍以上かつ１．５倍以下である、
付記１から付記７の何れか一つに記載の虚像表示装置用光学系。
［付記９］
前記反射部は、正のパワーを有する、
付記１から付記８の何れか一つに記載の虚像表示装置用光学系。
［付記１０］
前記第１の側から前記部分反射部に向かう画像光を前記第１の偏光方向の画像光に変換する偏光板が、前記画像表示素子と前記部分反射部との間に配置された、
付記１から付記９の何れか一つに記載の虚像表示装置用光学系。
［付記１１］
前記画像表示素子と前記部分反射部との間に配置された光学素子の面上に形成された偏光膜を含み、
前記偏光膜は、前記第１の側から前記部分反射部に向かう画像光を前記第１の偏光方向の画像光に変換する
付記１から付記９の何れか一つに記載の虚像表示装置用光学系。
［付記１２］
前記画像表示素子からの画像光を前記導光部材に伝搬する伝搬光学系を更に含み、
前記伝搬光学系は、前記画像光の中間像を前記導光部材内に形成する、
付記１から付記１１の何れか一つに記載の虚像表示装置用光学系。
［付記１３］
前記画像表示素子と、
付記１から付記１２の何れか一つに記載の虚像表示装置用光学系と、を備える、
虚像表示装置。
［付記１４］
付記１３に記載の虚像表示装置を備える、
ヘッドマウントディスプレイ。
［付記１］
画像を表示する画像表示素子からの画像光を導光する導光部材と、
第１の側から前記導光部材内を導光される第１方向の前記画像光を透過させ、かつ前記第１の側とは異なる第２の側から前記導光部材内を導光される第２方向の前記画像光を反射させて外部に射出する、部分反射部と、
前記部分反射部を挟んで前記第１の側とは異なる前記第２の側に位置し、前記部分反射部を透過した前記第１方向の画像光を前記第２方向の画像光として前記部分反射部に向けて反射する反射部と、
前記部分反射部を透過した前記第１方向の画像光の偏光を回転させ、更に、前記反射部にて反射された前記第２方向の画像光の偏光を回転させることにより、前記部分反射部の透過時に第１の偏光方向にあった前記画像光を第２の偏光方向に回転させる偏光部と、を含み、
前記部分反射部は、前記第１の偏光方向の反射率が前記第２の偏光方向の反射率より低い、
虚像表示装置用光学系。
［付記２］
前記部分反射部は、前記虚像表示装置用光学系の光軸方向に間隔を空けて複数配置される、
付記１に記載の虚像表示装置用光学系。
［付記３］
複数の前記部分反射部は、前記虚像表示装置用光学系の光軸方向に間隔ｄで並んで配置され、
前記間隔ｄは、次式
０．５ｍｍ＜ｄ＜３．０ｍｍ
を満たす、
付記２に記載の虚像表示装置用光学系。
［付記４］
複数の前記部分反射部は、第１の前記部分反射部と、第１の前記部分反射部よりも前記偏光部から光路上で遠い位置に配置された第２の部分反射部と、を含み、
前記第１の部分反射部の前記第２の偏光方向の反射率をＲ１とし、前記第２の部分反射部の前記第２の偏光方向の反射率をＲ２としたとき、次式
Ｒ１＜Ｒ２
を満たす、
付記２又は付記３に記載の虚像表示装置用光学系。
［付記５］
前記部分反射部は、平面に形成された部分反射面よりなる、
付記１から付記４の何れか一つに記載の虚像表示装置用光学系。
［付記６］
前記部分反射部は、前記第２の偏光方向の反射率が５％以上かつ５０％以下である、
付記１から付記５の何れか一つに記載の虚像表示装置用光学系。
［付記７］
前記部分反射部は、前記第１の偏光方向の反射率が２５％以下である、
付記１から付記６の何れか一つに記載の虚像表示装置用光学系。
［付記８］
前記導光部材の側面に沿う、前記部分反射部の辺の長さは、前記側面の短手方向の長さの０．３倍以上かつ１．５倍以下である、
付記１から付記７の何れか一つに記載の虚像表示装置用光学系。
［付記９］
前記反射部は、正のパワーを有する、
付記１から付記８の何れか一つに記載の虚像表示装置用光学系。
［付記１０］
前記第１の側から前記部分反射部に向かう画像光を前記第１の偏光方向の画像光に変換する偏光板が、前記画像表示素子と前記部分反射部との間に配置された、
付記１から付記９の何れか一つに記載の虚像表示装置用光学系。
［付記１１］
前記画像表示素子と前記部分反射部との間に配置された光学素子の面上に形成された偏光膜を含み、
前記偏光膜は、前記第１の側から前記部分反射部に向かう画像光を前記第１の偏光方向の画像光に変換する
付記１から付記９の何れか一つに記載の虚像表示装置用光学系。
［付記１２］
前記画像表示素子からの画像光を前記導光部材に伝搬する伝搬光学系を更に含み、
前記伝搬光学系は、前記画像光の中間像を前記導光部材内に形成する、
付記１から付記１１の何れか一つに記載の虚像表示装置用光学系。
［付記１３］
前記画像表示素子と、
付記１から付記１２の何れか一つに記載の虚像表示装置用光学系と、を備える、
虚像表示装置。
［付記１４］
付記１３に記載の虚像表示装置を備える、
ヘッドマウントディスプレイ。
【符号の説明】
【0131】
１ ：ヘッドマウントディスプレイ
１Ａ ：虚像表示装置
２ ：フレーム部
３ ：レンズ部
１０ ：画像表示素子
２０ ：中間像形成部
３０ ：導光部材
４０ ：反射部
５０ ：偏光板
６０ ：偏光板
３２０ ：部分反射部
１Ａ ：虚像表示装置
２ ：フレーム部
３ ：レンズ部
１０ ：画像表示素子
２０ ：中間像形成部
３０ ：導光部材
４０ ：反射部
５０ ：偏光板
６０ ：偏光板
３２０ ：部分反射部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【図11】
【図12A】
【図12B】
【図13】
【図14】