特許 7463806 虚像表示装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-01

(45)【発行日】2024-04-09

(54)【発明の名称】虚像表示装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20240402BHJP

   H04N 5/64 20060101ALI20240402BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

H04N5/64 511A

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2020062278

(22)【出願日】2020-03-31

(65)【公開番号】P2021162653

(43)【公開日】2021-10-11

【審査請求日】2023-03-10

(73)【特許権者】

【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】米窪 政敏

(72)【発明者】

【氏名】武田 高司

【審査官】鈴木 俊光

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－００８７４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－２０４０９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第９４／００１７９８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０７－１５９７１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／００５０００８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２７／０１ － ２７／０２

Ｈ０４Ｎ ５／６４

(57)【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射出された画像光を投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反射する折り返しミラーと、
前記折り返しミラーからの前記画像光の一部を反射又は透過させる半透過ミラーと、
前記半透過ミラーを経た前記画像光を前記半透過ミラーに向けて反射して射出瞳を形成
する凹面ミラーとを備え、
前記折り返しミラーから前記半透過ミラーに向かう光軸と、前記凹面ミラーから射出瞳
に向かう光軸とを含む基準平面に対して交差する方向に投射光学系の光軸が配置され、
前記折り返しミラーは、前記画像光生成装置からの光路順で、第１ミラーと第２ミラー
とを含み、
前記第２ミラーと前記半透過ミラーとは、前記凹面ミラーの軸線に垂直な平面に対して
、水平軸の周りにそれぞれ４５°傾斜させた状態を基準として、異なる傾斜角をなすよう
に傾斜させた状態で配置されている、虚像表示装置。

【請求項2】

前記第２ミラーと前記半透過ミラーとは、前記軸線に垂直な平面となす角度が４５°未
満となるように配置される、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項3】

前記折り返しミラーは、前記画像光生成装置からの光路順で、前記第１ミラーと前記第
２ミラーとを含み、
前記投射光学系から前記第１ミラーにかけての光軸は、前記第２ミラーでの反射の前後
における光軸を含む平面の法線であって前記第１ミラーからの光軸の始点を通るものを基
準として、前記第１ミラーでの反射後の光軸の周りに回転するように傾斜する、請求項１
～２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。

【請求項4】

前記第２ミラーと前記凹面ミラーとが一体的に接続されている、請求項１～３のいずれ
か一項に記載の虚像表示装置。

【請求項5】

前記画像光生成装置から前記折り返しミラーにかけての光路が前記半透過ミラーの上側
に配置される、請求項１～４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。

【請求項6】

前記画像光生成装置から前記折り返しミラーにかけての光路が前記半透過ミラーの下側
に配置される、請求項１～５のいずれか一項に記載の虚像表示装置。

【請求項7】

前記折り返しミラーは、前記凹面ミラー及び前記半透過ミラーの有効領域を遮ることを
回避するように配置される、請求項１～６のいずれか一項に記載の虚像表示装置。

【請求項8】

前記半透過ミラーと前記凹面ミラーの軸線に垂直な平面とがなす角度が、前記第２ミラ
ーと前記凹面ミラーの軸線に垂直な平面とがなす角度よりも大きいとき、前記画像光生成
装置の表示領域は前記投射光学系の光軸を回転軸として前記凹面ミラーの軸線と平行な面
を基準に時計回りに配置され、
前記半透過ミラーと前記凹面ミラーの軸線に垂直な平面とがなす角度が、前記第２ミラ
ーと前記凹面ミラーの軸線に垂直な平面とがなす角度よりも小さいとき、前記画像光生成
装置の表示領域は前記投射光学系の光軸を回転軸として前記凹面ミラーの軸線と平行な面
を基準に反時計回りに配置される、請求項１または請求項２に記載の虚像表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ヘッドマウントディスプレイ等である虚像表示装置に関し、特に半透過反射面を用いることによって画像光を凹面ミラーに入射させ凹面ミラーからの反射光を観察するタイプの虚像表示装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半透過反射面と凹面ミラーとを備える虚像表示装置として、例えば半透過反射面を組み込んだプリズム部材を備えるものが存在する（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、半透過反射面によって画像光をプリズム部材の前方に配置された集光反射面に向けて反射することが記載されている。この虚像表示装置では、表示デバイスからの横方向に沿って射出された画像光を投射光学部材に付随するプリズムミラーにより折り曲げて、下方に配置されたプリズム部材に入射させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】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、プリズム部材において外界側の面と使用者側の面とを平行にするため、２つのプリズムを貼り合わせる必要があり、光学系が重くなったり、凹面ミラーをプリズム部材の外界側に配置しなければならないため凹面ミラー部分が厚く出っ張ってしまったりすることがあった。

【0005】

さらに、半透過反射面と凹面ミラーとを組み合わせた虚像表示装置において、コンパクト化や外観をスタイリッシュにする要請から、半透過反射面の傾斜を所望の程度に調整したり、投射光学系の光軸を凹面ミラーの中心光軸を含む鉛直面に対して交差するように所望の方向に折り曲げたりする必要が生じる場合がある。このような場合、画像光の傾き又は回転が生じる可能性があるが、これを補正して傾きのない画像を表示する必要がある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

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射出された画像光を投射する投射光学系と、投射光学系からの画像光を反射する折り返しミラーと、折り返しミラーからの画像光の一部を反射又は透過させる半透過ミラーと、半透過ミラーを経た画像光を半透過ミラーに向けて反射して射出瞳を形成する凹面ミラーとを備え、折り返しミラーから半透過ミラーに向かう光軸と、凹面ミラーから射出瞳に向かう光軸とを含む基準平面に対して交差する方向に投射光学系の光軸が配置され、折り返しミラーは、画像光生成装置からの光路順で、第１ミラーと第２ミラーとを含み、第２ミラーと半透過ミラーとは、凹面ミラーの軸線に垂直な平面に対して、水平軸の周りにそれぞれ４５°傾斜させた状態を基準として、異なる傾斜角をなすように傾斜させた状態で配置されている。

【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】図１の虚像表示装置等の構造を説明する概念的な斜視図である。

【図3】図１の虚像表示装置の平面図及び側面図である。

【図4】画像光生成装置の傾斜配置について説明する斜視図である。

【図5】第２ミラー等の傾斜と画像光生成装置の傾斜配置との関係について説明する図である。

【図6】第２実施形態の虚像表示装置の平面図及び側面図である。

【図7】第３実施形態の虚像表示装置の背面図及び側面図である。

【図8】第４実施形態の虚像表示装置の側面図及び平面図である。

【図9】第５実施形態の虚像表示装置の側面図である。

【図10】第６実施形態の虚像表示装置の側面図である。

【図11】変形例の虚像表示装置を説明する側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照して、本発明に係る第１実施形態の虚像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。

【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の外観を説明する斜視図であり、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。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を代表の虚像表示装置１００として説明する。

【0011】

図２は、右眼用の表示装置１００Ａである虚像表示装置１００を説明する斜視図であり、図３は、虚像表示装置１００の光学的構造を説明する図である。図３において、第１領域ＡＲ１は、画像光生成装置１１及び光学ユニット１２の平面図であり、第２領域ＡＲ２は、画像光生成装置１１及び光学ユニット１２の側面図である。

【0012】

図２に示すように、虚像表示装置１００は、画像光生成装置１１と光学ユニット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虚像表示装置１００と呼ぶ。

【0013】

画像光生成装置１１は、自発光型の表示デバイスであり、例えば有機ＥＬ（有機エレクトロルミネッセンス、Organic Electro-Luminescence）であり、２次元の表示領域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１１は、表示制御回路１３に駆動されて表示動作を行う。画像光生成装置１１の表示領域１１ａは、詳細は後述するが、光学ユニット１２における光路の傾きに応じて傾けて配置されている。図示の例では、画像光生成装置１１は、＋Ｘ方向に向かってつまり画像光生成装置１１の背後から見て、時計方向に回転するように傾斜した表示領域を有する。画像光生成装置１１は、有機ＥＬに限らず、無機ＥＬ、ＬＥＤアレイ、有機ＬＥＤ、レーザーアレイ、量子ドット発光型素子等に置き換えることができる。画像光生成装置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。画像光生成装置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。

【0014】

図２及び３に示すように、光学ユニット１２は、投射光学系２１と、折り返しミラー２２と、半透過ミラー２３と、凹面ミラー２４とを備える。ここで、画像光生成装置１１から折り返しミラー２２にかけての光路が半透過ミラー２３の上側に配置されている。光学ユニット１２において、投射光学系２１の光軸である投射光軸ＡＸ０は、折り返しミラー２２から半透過ミラー２３に向かう光軸である反射光軸ＡＸ２と、凹面ミラー２４から射出瞳ＥＰに向かう光軸である射出光軸ＡＸＥとを含むＹＺ面に平行で仮想平面である基準平面ＳＰ１に対して、交差する方向に配置されている。基準平面ＳＰ１は、半透過ミラー２３の法線ＮＬと凹面ミラー２４の軸線ＭＸとを含むものとなっている。この光学ユニット１２では、例えば反射光軸ＡＸ２が鉛直方向のＹ方向に対して角度をなしており、折り返しミラー２２と半透過ミラー２３とによって、傾いてねじれて折れ曲がる光路を形成している。投射光軸ＡＸ０と反射光軸ＡＸ２と射出光軸ＡＸＥとは、画像光生成装置１１の表示領域１１ａから射出される画像光ＭＬのうち表示領域１１ａの中心からの主光線が通る軸である。

【0015】

投射光学系２１は、画像光生成装置１１から射出された画像光ＭＬを投射する。投射光学系２１は、画像光生成装置１１から射出された画像光ＭＬを結像するように収束させつつ折り返しミラー２２に向けて入射させる。投射光学系２１は、単レンズに限らず、図３に示す例では３つのレンズ２１ａ，２１ｂ，２１ｃを含むが、２又は４以上のレンズで構成することができる。レンズ２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、球面レンズに限らず、非球面レンズとすることができる。投射光学系２１の光軸である投射光軸ＡＸ０は、横のＸ軸方向に平行に延びている。

【0016】

折り返しミラー２２は、画像光生成装置１１からの光路順で、第１ミラー２２ａと第２ミラー２２ｂとを含む。折り返しミラー２２は、投射光学系２１からの画像光ＭＬを交差方向に反射する。ここで、交差方向とは、投射光軸ＡＸ０に対して０°より大きな角度をなす方向であって、ねじれの関係にある方向を含む。本実施形態の場合、２つのミラー２２ａ，２２ｂによって、ねじれの関係にある垂直方向に光路が折り曲げられている。第２ミラー２２ｂの光射出側には、後述する半透過ミラー２３が配置されており、半透過ミラー２３を第３ミラーと呼ぶこともある。折り返しミラー２２の手前、つまり画像光ＭＬの進行方向に対して逆方向の画像光生成装置１１側には、虚像表示装置１００の入射瞳ＰＩが配置されている。

【0017】

第１ミラー２２ａは、平板状の光学部材であり、平面反射面ＭＳ１を有する。第１ミラー２２ａの平面反射面ＭＳ１は、金属膜又は誘電体多層膜からなる。この場合、平板平面上に、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する。第１ミラー２２ａは、平面反射面ＭＳ１によって横のＸ方向に進む画像光ＭＬを前方向に折り曲げ、第２ミラー２２ｂに入射させる。この際、投射光学系２１の光軸である投射光軸ＡＸ０と、第１ミラー２２ａから第２ミラー２２ｂに向かう反射光軸ＡＸ１とは交差する。反射光軸ＡＸ１は、ＹＺ面に沿って＋Ｚ方向及び－Ｙ方向に延びるものとなっており、前方斜め下方向に傾斜するものとなっている。第１ミラー２２ａは、不図示の部材によって図１に示す表示駆動部１０２のフレームに固定されている。

【0018】

第１ミラー２２ａ又は平面反射面ＭＳ１は、鉛直方向に延びるＸＹ面を基準とした場合、ＸＹ面に対して上から見てＹ軸の周りに時計方向に角度α１＝４５°傾いた状態となっている。平面反射面ＭＳ１の法線は、上から見て＋Ｚ方向と－Ｘ方向との中間方向であってそれぞれに対して４５°の方向に延びている。なお、第１ミラー２２ａは、Ｘ軸の周りにも第２ミラー２２ｂに向けて僅かに伏すように傾いた状態となっている。

【0019】

第２ミラー２２ｂは、平板状の光学部材であり、平面反射面ＭＳ２を有する。第２ミラー２２ｂの平面反射面ＭＳ２は、金属膜又は誘電体多層膜からなる。この場合、平板平面上に、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する。第２ミラー２２ｂは、平面反射面ＭＳ２によって前方向に進む画像光ＭＬを後方向に折り曲げ、第３ミラーである半透過ミラー２３に入射させる。この際、第１ミラー２２ａから第２ミラー２２ｂに向かう反射光軸ＡＸ１と、第２ミラー２２ｂから半透過ミラー２３に向かう反射光軸ＡＸ２とは交差する。反射光軸ＡＸ２は、ＹＺ面に沿って－Ｚ方向及び－Ｙ方向に延びるものとなっており、後方斜め下方向に傾斜するものとなっている。第２ミラー２２ｂは、不図示の部材によって図１に示す表示駆動部１０２のフレームに固定されている。

【0020】

第２ミラー２２ｂ又は平面反射面ＭＳ２は、軸線である射出光軸ＡＸＥに垂直な平面であるＸＹ面となす角度が４５°未満となるように配置されている。より具体的には、平面反射面ＭＳ２は、鉛直方向に延びるＸＹ面を基準とした場合、ＸＹ面に対して、画像光生成装置１１から見て、つまり＋Ｘ方向に向かって、Ｘ軸の周りに反時計方向に角度α２＝２０～４０°程度傾いた状態となっている。平面反射面ＭＳ２の法線は、ＹＺ面に平行な面内にあって－Ｙ方向よりも－Ｚ方向に５°～２５°程度多く傾いた状態となっている。

【0021】

半透過ミラー２３は、半透過性を有する表面ミラーとして機能する平板状の光学部材であり、平面反射面ＭＳ３を有する。半透過ミラー２３は、第２ミラー２２ｂからの画像光ＭＬを反射する第３ミラーである。半透過ミラー２３は、一様な厚さを有し透過性を有する平行平板２３ａの一方面２３ｆに金属膜又は誘電体多層膜を形成して平面反射面ＭＳ３としている。平面反射面ＭＳ３の反射率及び透過率は、例えば５０％程度に設定される。なお、平行平板２３ａの他方面２３ｒ上には、反射防止膜を形成することができる。半透過ミラー２３は、平面反射面ＭＳ３によって斜め後方向に進む画像光ＭＬを前方に折り曲げ、凹面ミラー２４に入射させる。この際、第２ミラー２２ｂから半透過ミラー２３に向かう反射光軸ＡＸ２と、半透過ミラー２３から凹面ミラー２４に向かう射出光軸ＡＸＥとは交差する。射出光軸ＡＸＥは、凹面ミラー２４の軸線ＭＸと一致し、＋Ｚ方向である前方に延びるものとなっている。ここで、凹面ミラー２４の軸線ＭＸとは、通常は凹面ミラー２４の回転対称軸を意味する。例えば凹面ミラー２４が回転対称な形状からずれている場合、凹面ミラー２４の軸線ＭＸとは、射出光軸ＡＸＥと凹面ミラー２４との交点を通り、この交点における凹面ミラー２４に対する接平面の法線を意味する。半透過ミラー２３は、凹面ミラー２４と眼ＥＹ又は瞳孔が配置される射出瞳ＥＰとの間に配置されて射出瞳ＥＰを覆っている。半透過ミラー２３は、図１に示す表示駆動部１０２のフレームに対して直接又は間接的に固定することができ、凹面ミラー２４等に対する配置関係が適切に設定された状態とすることができる。

【0022】

半透過ミラー２３又は平面反射面ＭＳ３は、軸線である射出光軸ＡＸＥに垂直な平面であるＸＹ面となす角度が４５°未満となるように配置されている。より具体的には、平面反射面ＭＳ３は、鉛直方向に延びるＸＹ面を基準とした場合、ＸＹ面に対して、画像光生成装置１１から見て、つまり＋Ｘ方向に向かって、Ｘ軸の周りに反時計方向に角度α３＝２０～４０°程度傾いた状態となっている。平面反射面ＭＳ３の法線ＮＬは、ＹＺ面に平行な面内にあって、Ｚ軸に対して反時計周り２０～４０°程度傾いた状態となっている。以上のように、半透過ミラー２３は、鉛直軸であるＹ軸と半透過ミラー２３とがなす角度が４５°未満となるように配置されている。Ｙ軸と半透過ミラー２３とがなす角度が仮に４５°よりも大きくなると、半透過ミラー２３が標準より倒れた状態となって、半透過ミラーのＺ軸方向における厚みが増えてしまうが、Ｙ軸と半透過ミラー２３とがなす角度が４５°よりも小さくなると、半透過ミラー２３が標準よりも立ち上がった状態となって、半透過ミラーのＺ軸方向における厚みが減る。 この結果、つまり、本実施形態のようにＹ軸と半透過ミラー２３とがなす角度を４５°未満とすることで、凹面ミラー２４を基準として半透過ミラー２３が背面の－Ｚ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、虚像表示装置１００又は光学ユニット１２の前後のＺ方向に関する厚みが増すことを回避することができる。

【0023】

凹面ミラー２４は、半透過性の表面ミラーとして機能する湾曲した光学部材であり、射出瞳ＥＰに向かって凹形状を有する凹面反射面ＭＣを有する。凹面ミラー２４は、一様な厚さを有し透過性を有する湾曲した板状体２４ａの一方面２４ｒに金属膜又は誘電体多層膜を形成して凹面反射面ＭＣとしている。平面反射面ＭＳ３の反射率は、例えば２０～５０％程度に設定される。なお、板状体２４ａの他方面２４ｆ上には、反射防止膜を形成することができる。凹面反射面ＭＣは、球面に限らず、非球面とすることができる。凹面ミラー２４は、半透過ミラー２３で反射されて前方に進む画像光ＭＬを反射して半透過ミラー２３に戻しつつ半透過ミラー２３を部分的に透過させ射出瞳ＥＰに集める。この際、半透過ミラー２３から凹面ミラー２４に向かう射出光軸ＡＸＥは、凹面ミラー２４で折り返されて射出瞳ＥＰに向かう射出光軸と一致している。射出瞳ＥＰは、折り返しミラー２２の手前に配置された入射瞳ＰＩと共役な位置となっている。

【0024】

凹面ミラー２４は、図１に示す外観部材１０３の一部を構成するように組み込まれている。つまり、凹面ミラー２４の周囲に透過性を有し或いは透過性を有しない板状部材を拡張するように設けることで、凹面ミラー２４を含む外観部材１０３とすることができる。外観部材１０３は、メガネレンズ状のものに限らず、様々な輪郭又は外観とすることができる。

【0025】

以上において、第２ミラー２２ｂは、半透過ミラー２３に対して平行でない。つまり、半透過ミラー２３の傾斜角度である角度α３に対して、第２ミラー２２ｂの傾斜角度である角度α２は、異なるものとなっている。この結果として、投射光学系２１の投射光軸ＡＸ０について考えたとき、つまり投射光軸ＡＸ０に沿って見たとき、画像の横方向に対応する横軸Ｈは、水平なＺ方向に対して傾斜角θをなすように回転させてある。画像の横軸Ｈは、画像光生成装置１１の表示領域１１ａが図示のように矩形である場合、その横辺に対応する。画像の横軸Ｈは、射出瞳ＥＰを通る射出光軸ＡＸＥについて考えたとき、つまり射出光軸ＡＸＥに沿って見たとき、Ｘ方向に平行に延びるＨＤに相当するものとなっている。

【0026】

図４を参照して、画像光生成装置１１の表示領域１１ａを投射光軸ＡＸ０の周りで回転させている傾斜配置について説明する。ここでは、表示領域１１ａのうち投射光軸ＡＸ０から外れた周辺部から射出される周辺光ＬＰについて考える。第１ミラー２２ａから第２ミラー２２ｂに向かう光線ＬＰａが、第２ミラー２２ｂから半透過ミラー２３に向かう光線ＬＰｂと、半透過ミラー２３から凹面ミラー２４に向かう光線ＬＰｃとがなす面ＳＩから外れているとき、画像が回転し、観察される虚像の傾きを回避する観点で、画像光生成装置１１又は表示領域１１ａを座標軸に沿った標準的な配置から投射光軸ＡＸ０の周りに回転又は傾斜させる姿勢調整の必要が生じる。

【0027】

図５を参照して、第２ミラー２２ｂや半透過ミラー２３の傾斜の画像光生成装置１１の姿勢への影響について具体的に説明する。図５において、第１領域ＢＲ１は、一般的な光学ユニット１２の側面図であり、第２領域ＢＲ２は、一般的な光学ユニット１２の平面図である。一般的な光学ユニット１２では、第１ミラー２２ａが上から見てＸＹ面に対してＹ軸の周りに時計方向に回転するように角度α１０＝４５°傾いた状態となっているだけでなく、第２ミラー２２ｂが画像光生成装置１１のある側から見てＸＹ面に対してＸ軸の周りに反時計方向に回転するように角度α２０＝４５°傾いた状態であり、かつ、半透過ミラー２３がＸＹ面に対して画像光生成装置１１のある側から見てＸ軸の周りに反時計方向に回転するように角度α３０＝４５°傾いた状態である。つまり、図示のように基準状態にある第２ミラー２２ｂは、凹面ミラー２４の軸線ＭＸに垂直な平面ＳＰ２を、軸線ＭＸに垂直に延びる水平軸ＨＸ２の周りに＋Ｘに向かって反時計方向に４５°傾斜させた状態となっている。図示のように基準状態にある半透過ミラー２３は、凹面ミラー２４の軸線ＭＸに垂直な平面ＳＰ３を、軸線ＭＸに垂直な水平軸ＨＸ３の周りに＋Ｘに向かって反時計方向に４５°傾斜させた状態となっている。このような一般的な光学ユニット１２において、像の回転は生じない。

【0028】

ここで、図示の第２ミラー２２ｂを単独で２点鎖線で示すようにＸ軸の周りに反時計方向Ｒ１により倒れるように回転させると、画像光ＭＬの入射角が小さくなって、画像光生成装置１１や表示領域１１ａは、２点鎖線で示すようにＸ軸の周りに反時計方向に回転させる必要がある。例えば、第２ミラー２２ｂをＸ軸の周りに反時計方向Ｒ１に５°回転させる場合、画像光生成装置１１の表示領域１１ａをＸ軸の周りに反時計方向に１０°回転させることで、射出瞳ＥＰから見て傾きのない画像を観察することができる。逆に、第２ミラー２２ｂを単独でＸ軸の周りに時計方向により立てるように回転させると、画像光ＭＬの入射角が大きくなって、画像光生成装置１１や表示領域１１ａは、Ｘ軸の周りに時計方向に回転させる必要がある。なお、以上の説明では、表示領域１１ａの上下方向又は±Ｙ方向の並進的な移動は無視している。

【0029】

また、図示の半透過ミラー２３を単独で２点鎖線で示すようにＸ軸の周りに時計方向Ｒ２により立てるように回転させると、画像光ＭＬの入射角が小さくなって、画像光生成装置１１や表示領域１１ａは、２点鎖線で示すようにＸ軸の周りに反時計方向に回転させる必要がある。例えば、半透過ミラー２３をＸ軸の周りに時計方向Ｒ２に５°回転させると、第２ミラー２２ｂの姿勢に変化がなければ、画像光生成装置１１をＸ軸の周りに反時計方向に１０°回転させることで、射出瞳ＥＰから見て傾きのない画像を観察することができる。逆に、半透過ミラー２３を単独でＸ軸の周りに反時計方向により倒れるように回転させると、画像光ＭＬの入射角が大きくなって、画像光生成装置１１や表示領域１１ａは、Ｘ軸の周りに時計方向に回転させる必要がある。なお、以上の説明では、表示領域１１ａの上下方向又は±Ｙ方向の並進的な移動は無視している。

【0030】

つまり、第２ミラー２２ｂと半透過ミラー２３とが平行であれば、結果的に、画像光生成装置１１を回転させなくても、傾きのない画像を観察することができる。本実施形態では、図３に示すように、半透過ミラー２３の角度α３と第２ミラー２２ｂの角度α２とを異なるものとして（α３＞α２）、半透過ミラー２３が図５に示す基準状態から立ち上がる角度よりも第２ミラー２２ｂが図５に示す基準状態から立ち上がる角度を大きくしている。これにより、光路に関する設計の自由度と光学系の省スペース化を図りつつ、これを補償するように、画像光生成装置１１や表示領域１１ａの横軸Ｈが水平のＺ方向に対して傾斜角θとなるように画像光生成装置１１の表示領域１１ａを時計方向に回転させている。この結果、画像の欠けがなくなり、表示領域１１ａの画面全体を有効に活用することができる。

【0031】

以下では、投射光学系２１の投射光軸ＡＸ０の傾きの画像光生成装置１１の姿勢への影響について説明する。まず、図５に示す基準状態に対して投射光軸ＡＸ０を第１ミラー２２ａとの交点を基点としてＹ軸の周りに回転させても、表示領域１１ａは、水平なＸＺ面に沿って投射光軸ＡＸ０とともに横方向に移動するだけであり、投射光軸ＡＸ０の周りに回転する傾きは生じない。一方、投射光軸ＡＸ０をＹ軸に非平行な軸の周りに回転させると、表示領域１１ａは、投射光軸ＡＸ０の周りに回転して画像が傾く傾向が生じる。具体的には、投射光学系２１から第１ミラー２２ａにかけての投射光軸ＡＸ０は、第２ミラー２２ｂでの反射の前後における反射光軸ＡＸ１，ＡＸ２を含む平面ＰＬ１の法線であって第１ミラー２２ａからの反射光軸ＡＸ１の始点を通るもの（具体的には、図５の場合、半透過ミラー２３の法線ＮＬと凹面ミラー２４の軸線ＭＸとを含む基準平面ＳＰ１の法線ＮＬ０に相当）を基準として、第１ミラー２２ａでの反射後の反射光軸ＡＸ１の周りに回転するように傾斜する成分があると、この傾斜に応じて画像光生成装置１１の表示領域１１ａを回転させる必要がある。例えば、画像光生成装置１１が－Ｘ側において－Ｙ側に下がるように投射光軸ＡＸ０を回転させると、正面に向いて時計方向の回転であり、表示領域１１ａは＋Ｘ方向に向いて時計方向に回転し、逆に、画像光生成装置１１が－Ｘ側おいて＋Ｙ側に上がるように投射光軸ＡＸ０を回転させると、正面に向いて反時計方向の回転であり、表示領域１１ａは＋Ｘに向いて反時計方向に回転する。

【0032】

第２ミラー２２ｂと半透過ミラー２３との相対角度に起因する表示領域１１ａの投射光軸ＡＸ０の周りに関する回転又は傾斜と、投射光軸ＡＸ０の反射光軸ＡＸ１の周りの回転に起因する表示領域１１ａの投射光軸ＡＸ０の周りに関する回転又は傾斜とは、相互に加算するように作用するので、これらを総合して、射出瞳の位置ＥＰで像の傾きを相殺するように表示領域１１ａの傾斜状態を設定することで、傾きの少ない画像表示が可能になる。

【0033】

図３を参照して、半透過ミラー２３と凹面ミラー２４とに対する折り返しミラー２２の配置関係について説明する。折り返しミラー２２は、半透過ミラー２３と凹面ミラー２４との間に配置されている。具体的には、第１ミラー２２ａと第２ミラー２２ｂとは、半透過ミラー２３の平面反射面ＭＳ３についてこれを仮想的に延長した延長平面Ｐ２１と、凹面ミラー２４の上端外側を鉛直Ｙ方向に仮想的に延長した鉛直円筒状曲面Ｐ１１との間に挟まれた断面楔形の空間内に配置されている。さらに、より好ましい条件を満たすように、第１ミラー２２ａと第２ミラー２２ｂは、半透過ミラー２３の平面反射面ＭＳ３についてその上端を鉛直Ｙ方向に仮想的に延長した鉛直平面Ｐ２２と、凹面ミラー２４の上端外側を仮想的に延長した２次の近似曲面Ｐ１２との間に配置されている。以上では、凹面ミラー２４の上端外側を鉛直Ｙ方向に仮想的に延長した鉛直円筒状曲面Ｐ１１との間に挟まれた空間を、断面楔形の空間と称しているが、折り返しミラー２２を配置する空間は、半透過ミラー２３や凹面ミラー２４の配置や形状に依存し、断面楔形に限るものではない。以下に説明する別の実施形態や変形例においても同様である。

【0034】

半透過ミラー２３と凹面ミラー２４とに対する投射光学系２１及び画像光生成装置１１の配置関係も折り返しミラー２２と同様であることが望ましいが、投射光学系２１の長さ等のサイズ上の制限を受ける。投射光学系２１と画像光生成装置１１とは、半透過ミラー２３の延長平面Ｐ２１と、凹面ミラー２４について設定した鉛直円筒状曲面Ｐ１１との間に挟まれた断面楔形の空間内に配置されることが望ましいが、これが容易でない場合、画像光生成装置１１の表示領域１１ａから折り返しミラー２２まで延びる投射光軸ＡＸ０が延長平面Ｐ２１と鉛直円筒状曲面Ｐ１１との間に配置されることが望ましい。より好ましくは、投射光学系２１と画像光生成装置１１とは、半透過ミラー２３について設定した鉛直平面Ｐ２２と、凹面ミラー２４について設定した近似曲面Ｐ１２との間に配置されることが望ましいが、これが容易でない場合、表示領域１１ａから折り返しミラー２２まで延びる投射光軸ＡＸ０が鉛直平面Ｐ２２と近似曲面Ｐ１２との間に配置されることが望ましい。

【0035】

折り返しミラー２２を構成する第１ミラー２２ａと第２ミラー２２ｂとは、凹面ミラー２４の有効領域ＥＡ１や半透過ミラー２３の有効領域ＥＡ２を遮ることを回避するように配置されている。例えば有効領域ＥＡ１については、半透過ミラー２３の近傍に点線で示している。具体的には、第２ミラー２２ｂの位置は、側面から見て、有効領域ＥＡ１と、有効領域ＥＡ２と、半透過ミラー２３によって反射される画像光ＭＬの上下の最端の画角の光線とで形成される領域よりも画像表示装置側１１に配置されている。光学設計上は、折り返しミラー２２を構成する第２ミラー２２ｂを－Ｙ側に下げることは容易であるが、第２ミラー２２ｂ等を過度に下げると射出瞳ＥＰからの視界が妨げられる。このように、折り返しミラー２２が凹面ミラー２４及び半透過ミラー２３の有効領域ＥＡ１，ＥＡ２を遮ることを回避するように配置されることで、折り返しミラー２２を過度に下げて凹面ミラー２４や半透過ミラー２３との間で干渉が生じることを防止できる。つまり、装着者ＵＳの眼ＥＹ又は射出瞳ＥＰから見て、折り返しミラー２２が映像領域に対応する画角を遮らないように配置されている。

【0036】

光路について説明すると、画像光生成装置１１からの画像光ＭＬは、投射光学系２１によって結像されるように集光され、折り返しミラー２２の第１ミラー２２ａと第２ミラー２２ｂとによって順次反射され、半透過ミラー２３に入射する。半透過ミラー２３で例えば５０％程度反射された画像光ＭＬは、凹面ミラー２４に入射して凹面反射面ＭＣによって例えば５０％程度以下の反射率で反射される。凹面ミラー２４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射出瞳ＥＰに入射する。半透過ミラー２３と第２ミラー２２ｂと間には、中間像ＩＩが形成されている。中間像ＩＩは、画像光生成装置１１の表示領域１１ａに形成された画像を適宜拡大したものとなっている。射出瞳ＥＰには、凹面ミラー２４を通過した外界光ＯＬも入射する。つまり、ＨＭＤ２００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。

【0037】

以上で説明した、第１実施形態の虚像表示装置１００では、折り返しミラー２２と半透過ミラー２３との配置の傾きに応じて画像光生成装置１１の表示領域１１ａを傾けて配置するので、光路の設定によって画像の傾き又は回転が生じても、これを補償するように画像光生成装置１１の表示領域１１ａを傾けて配置することで、装着者ＵＳにとって傾きのない画像を表示することができる。

【0038】

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態の虚像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。第２実施形態の虚像表示装置等は、第１実施形態の虚像表示装置等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。

【0039】

図６は、第２実施形態の虚像表示装置１００の光学的構造を説明する図である。図６において、第１領域ＣＲ１は、画像光生成装置１１及び光学ユニット１２の平面図であり、第２領域ＣＲ２は、画像光生成装置１１及び光学ユニット１２の側面図である。

【0040】

この場合、投射光学系２１の光軸である投射光軸ＡＸ０は、上から見て横のＸ軸方向に対して鉛直のＹ軸の周りに時計方向に角度α０傾いた状態となっている。これに対応して、第１ミラー２２ａ又は平面反射面ＭＳ１は、鉛直方向に延びるＸＹ面に対してＹ軸の周りに４５°傾いた方向を基準とした場合、上から見て基準面ＳＳに対してＹ軸の周りに時計方向に角度α１＝α０／２傾いた状態となっている。

【0041】

第２実施形態の虚像表示装置１００や光学ユニット１２において、画像光生成装置１１や投射光学系２１は、半透過ミラー２３の法線と凹面ミラー２４の軸線ＭＸに一致する射出光軸ＡＸＥとを含む基準面（ＹＺ面）の法線（Ｘ軸に平行な線）に対して、光路上流において半透過ミラー２３側（つまり－Ｚ側）に投射光軸ＡＸ０が傾斜するように配置されている。

【0042】

以上において、第１ミラー２２ａがＸＹ面に対してＹ軸の周りに４５°傾いた方向を基準として、上から見て基準面ＳＳに対してＹ軸の周りに時計方向に回転させているだけであり、第１実施形態の場合と同様に、画像光生成装置１１や表示領域１１ａの横軸Ｈが水平方向に対して傾斜角θとなるように、画像光生成装置１１等を背後から見て投射光軸ＡＸ０の周りに時計方向に回転させている。

【0043】

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態の虚像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。第３実施形態の虚像表示装置等は、第１実施形態及び第２実施形態の虚像表示装置等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。

【0044】

図７は、第３実施形態の虚像表示装置１００の光学的構造を説明する図である。図７において、第１領域ＤＲ１は、画像光生成装置１１及び光学ユニット１２の背面図であり、第２領域ＤＲ２は、画像光生成装置１１及び光学ユニット１２の側面図である。

【0045】

この場合、投射光学系２１の光軸である投射光軸ＡＸ０は、背後から正面に向いて横のＸ軸方向を基準として水平のＺ軸の周りに時計方向に角度α０１傾いた状態となっているが、上から見て横のＸ軸方向に対して平行な状態となっている。

【0046】

第３実施形態の虚像表示装置１００や光学ユニット１２において、投射光学系２１から第１ミラー２２ａにかけての投射光軸ＡＸ０は、第２ミラー２２ｂでの反射の前後における反射光軸ＡＸ１，ＡＸ２を含む平面ＰＬ１の法線であって第１ミラー２２ａからの反射光軸ＡＸ１の始点を通るもの（具体的には、図７の場合、半透過ミラー２３の法線ＮＬと凹面ミラー２４の軸線ＭＸとを含む基準平面ＳＰ１の法線ＮＬ０に相当）を基準として、第１ミラー２２ａでの反射後の反射光軸ＡＸ１の周りに回転するように傾斜しており、画像光生成装置１１の表示領域１１ａにおいて像を回転させる必要がある。具体的には、投射光軸ＡＸ０は、背後から正面に向いて横のＸ軸方向を基準として水平のＺ軸の周りに時計方向に角度α０１傾いた状態となっており、表示領域１１ａは＋Ｘに向いて反時計方向に追加的に微小回転させる必要がある。結果的に、第１実施形態や第２実施形態の場合と同様に、画像光生成装置１１の表示領域１１ａの横軸Ｈが水平方向に対して傾斜角θとなるように、画像光生成装置１１の表示領域１１ａを背後から見て投射光軸ＡＸ０の周りに時計方向に回転させている。

【0047】

〔第４実施形態〕
以下、第４実施形態の虚像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。第４実施形態の虚像表示装置等は、第１実施形態及び第２実施形態の虚像表示装置等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。

【0048】

図８は、第４実施形態の虚像表示装置１００の光学的構造を説明する図である。図８において、第１領域ＥＲ１は、画像光生成装置１１及び光学ユニット１２の側面図であり、第２領域ＥＲ２は、画像光生成装置１１及び光学ユニット１２の平面図である。この場合、折り返しミラー２２は、単一のミラー１２２ａのみからなる。ミラー１２２ａの平面反射面ＭＳ１２の法線は、－Ｘ方向、－Ｙ方向、及び－Ｚ方向に延びるものとなっている。折り返しミラー２２は、投射光学系２１からの画像光ＭＬを交差方向に反射する。具体的には、投射光学系２１の投射光軸ＡＸ０はＸ方向に延び、折り返しミラー２２から半透過ミラー２３に向かう反射光軸ＡＸ２はＹＺ面に沿って－Ｙ方向と－Ｚ方向との間の斜め方向に設定されている。この光学ユニット１２では、反射光軸ＡＸ２が鉛直方向のＹ方向に対して角度をなしており、折り返しミラー２２と半透過ミラー２３とによって、傾いてねじれて折れ曲がる光路を形成している。

【0049】

図示を省略するが、上記のような光学ユニット１２において、半透過ミラー２３については、凹面ミラー２４の軸線ＭＸに垂直な平面ＳＰ３に対する角度α３が４５°となるように傾斜させた状態が基準となる。また、ミラー１２２ａは、ＸＹ面を基準として、上から見てＸＹ面に対してＹ軸の周りに時計方向に４５°回転させるとともに、画像光生成装置１１や表示領域１１ａのある側から見てＸ軸の周りに時計方向に４５°回転させた状態が基準となる。基準状態のミラー１２２ａの法線は、－Ｘ方向、－Ｙ方向、及び－Ｚ方向に対してそれぞれ４５°傾いた状態となる。これに対し、第４実施形態の虚像表示装置１００では、半透過ミラー２３の角度α３は、２０～４０°程度に設定され、基準の４５°に対して傾斜させた状態で配置されている。結果的に、ミラー１２２ａから半透過ミラー２３に向かう反射光軸ＡＸ２が標準的なＹ軸に対して角度β＝９０°－２×α３だけ傾斜することになり、ミラー１２２ａは、上記のような基準状態から、画像光生成装置１１等のある側から見てＸ軸の周りに時計方向に回転して立ち上がるように傾いた状態となっている。投射光軸ＡＸ０に沿って見たとき、画像の横方向に対応する横軸Ｈは、鉛直なＹ方向が本来の長手方向であるが、これに対して傾斜角θをなすように回転させたものとなっている。画像の横軸Ｈは、射出瞳ＥＰを通る射出光軸ＡＸＥについて考えたとき、つまり射出光軸ＡＸＥに沿って見たとき、Ｘ方向に平行に延びるＨＤに相当するものとなっている。

【0050】

なお、光学ユニット１２が、半透過ミラー２３が角度α３＝４５°傾斜し、ミラー１２２ａが各軸方向に対して４５°傾斜した基準状態にある一般的なものと仮定して、ミラー１２２ａを背後から見て前後のＺ軸の周りに時計方向又は反時計方向に回転させても、像の高さ位置が変化するだけで像の回転は生じないので、画像光生成装置１１の表示領域１１ａを投射光軸ＡＸ０のまわりに回転させる必要は生じない。一方、ミラー１２２ａを上から見て鉛直のＹ軸の周りに例えば時計方向に回転させると、像の回転が生じ、画像光生成装置１１の表示領域１１ａを、ミラー１２２ａの回転に合わせて投射光軸ＡＸ０のまわりに画像光生成装置１１のある側から見て時計方向に回転させる必要が生じる。具体的には、ミラー１２２ａをＹ軸の周りに５°傾けると、表示領域１１ａが７°傾く。

【0051】

図８に示す状態では、反射光軸ＡＸ２が標準的なＹ軸に対して傾いているので、ミラー１２２ａを横軸Ｈに垂直な縦軸Ｖに平行な軸の周りに回転させても、画像光生成装置１１の表示領域１１ａを投射光軸ＡＸ０のまわりに回転させる必要が生じないが、ミラー１２２ａを横軸Ｈに平行な軸の周りに回転させると、画像光生成装置１１の表示領域１１ａを投射光軸ＡＸ０のまわりに回転させる必要が生じる。つまり、投射光学系２１からミラー１２２ａにかけての投射光軸ＡＸ０が、半透過ミラー２３での反射の前後における反射光軸ＡＸ２及び射出光軸ＡＸＥを含む平面ＰＬ２の法線であってミラー１２２ａからの反射光軸ＡＸ２の始点を通るもの（具体的には、図８の場合、半透過ミラー２３の法線ＮＬと凹面ミラー２４の軸線ＭＸとを含む基準平面ＳＰ１の法線ＮＬ０に相当）を基準として、ミラー１２２ａでの反射後の反射光軸ＡＸ２の周りに回転するように傾斜する成分があると、この傾斜に応じて画像光生成装置１１の表示領域１１ａにおいて像を回転させる必要がある。

【0052】

〔第５実施形態〕
以下、第５実施形態の虚像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。第５実施形態の虚像表示装置等は、第１実施形態の虚像表示装置等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。

【0053】

図９は、第５実施形態の虚像表示装置１００の光学的構造を説明する図である。この場合、第１実施形態の虚像表示装置１００を上下反転させたものである。結果的に、画像光生成装置１１、投射光学系２１、及び折り返しミラー２２が、半透過ミラー２３や凹面ミラー２４の下端以下に配置される。つまり、画像光生成装置１１から折り返しミラー２２にかけての光路が半透過ミラー２３の下側に配置されている。

【0054】

〔第６実施形態〕
以下、第６実施形態の虚像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。第６実施形態の虚像表示装置等は、第４実施形態の虚像表示装置等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。

【0055】

図１０は、第６実施形態の虚像表示装置１００の光学的構造を説明する図である。この場合、凹面ミラー２４を半透過ミラー２３の下側に配置している。

【0056】

光路について説明すると、画像光生成装置１１からの画像光ＭＬは、投射光学系２１を経て折り返しミラー２２を構成する単一のミラー１２２ａによって反射され、半透過ミラー２３に入射する。半透過ミラー２３を例えば５０％程度で部分的に透過した画像光ＭＬは、凹面ミラー２４に入射して凹面反射面ＭＣによって反射される。凹面ミラー２４で反射された画像光ＭＬは、半透過ミラー２３で部分的に反射され、装着者ＵＳの眼ＥＹ又は瞳孔が配置される射出瞳ＥＰに入射する。射出瞳ＥＰには、凹面ミラー２４を通過した外界光ＯＬも入射する。

【0057】

この場合、半透過ミラー２３が角度α３＝４５°傾斜し、ミラー１２２ａが背後から見て前後のＺ軸の周りに時計方向に４５°回転する状態が基本であるが、投射光軸ＡＸ０を上から見て－Ｘ方向を基準として時計方向に傾斜させており、像の回転が生じ、画像光生成装置１１の表示領域１１ａを、ミラー１２２ａの回転に合わせて投射光軸ＡＸ０のまわりに回転させる必要が生じる。

【0058】

〔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。

【0059】

上記実施形態の虚像表示装置１００では、画像光生成装置１１として有機ＥＬ素子等の自発光型の表示デバイスやＬＣＤ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。

【0060】

図２、３等において、第２ミラー２２ｂは、凹面ミラー２４とは別体として配置されているが、第２ミラー２２ｂの配置や角度の調整等の工夫によって凹面ミラー２４から上側に連続するように連結することもできる。

【0061】

図１１に示すように、第２ミラー２２ｂは、凹面ミラー２４の上端から延びる連結部材２８を介して連結されている。凹面ミラー２４、第２ミラー２２ｂ、及び連結部材２８は、略等しい厚みを有する。また、凹面ミラー２４と連結部材２８との境界は滑らかに変形し、第２ミラー２２ｂと連結部材２８との境界は滑らかに変形している。この場合、図１に示す外観部材１０３は、凹面ミラー２４や第２ミラー２２ｂを含む一体的な部材とすることができる。

【0062】

以上の実施形態では、凹面ミラー２４に画像光を入射させ反射させる射出光軸ＡＸＥが水平方向又はＸ方向に延びていたが、射出光軸ＡＸＥは、半透過ミラー２３側からみて水平方向に対して所定角度下側に向きに設定することもできる。

【0063】

凹面ミラー２４の外界側には、凹面ミラー２４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、エレクトロクロミック素子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。調光デバイスによって外界光ＯＬを遮断する場合、外界像の作用を受けていない虚像のみを観察することができる。また、本願発明の虚像表示装置は、外光を遮断し画像光のみを視認させるいわゆるクローズ型の頭部搭載型表示装置（ＨＭＤ）に適用できる。この場合、虚像表示装置と撮像装置とで構成されるいわゆるビデオシースルーの製品に対応させたりするものとしてもよい。

【0064】

画像光生成装置１１の表示領域１１ａの輪郭は、矩形に限らず、平行四辺形、三角形、六角形等の各種多角形とすることができ、円形や楕円形とすることもできる。

【0065】

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。

【0066】

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射出された画像光を投射する投射光学系と、投射光学系からの画像光を反射する折り返しミラーと、折り返しミラーからの画像光の一部を反射又は透過させる半透過ミラーと、半透過ミラーを経た画像光を半透過ミラーに向けて反射して射出瞳を形成する凹面ミラーとを備え、折り返しミラーから半透過ミラーに向かう光軸と、凹面ミラーから射出瞳に向かう光軸とを含む基準平面に対して交差する方向に投射光学系の光軸が配置され、折り返しミラーと半透過ミラーとの配置の傾きに応じて画像光生成装置の表示領域を傾けて配置する。

【0067】

上記虚像表示装置では、折り返しミラーと半透過ミラーとの配置の傾きに応じて画像光生成装置の表示領域を傾けて配置するので、光路の設定によって画像の傾き又は回転が生じても、これを補償するように画像光生成装置の表示領域を傾けて配置することで、傾きのない画像を表示することができる。

【0068】

具体的な側面において、折り返しミラーは、画像光生成装置からの光路順で、第１ミラーと第２ミラーとを含み、第２ミラーと半透過ミラーとは、凹面ミラーの軸線に垂直な平面に対して、水平軸の周りにそれぞれ４５°傾斜させた状態を基準として、異なる傾斜角をなすように傾斜させた状態で配置されている。この場合、画像を画像光生成装置の光軸の周りに回転させる作用が生じ、それを相殺するように、画像光生成装置の表示領域を回転又は傾斜させる。

【0069】

別の側面において、第２ミラーと半透過ミラーとは、軸線に垂直な平面となす角度が４５°未満となるように配置される。この場合、半透過ミラー等の射出光軸方向の幅が減少し、虚像表示装置の薄型化が容易となる。

【0070】

さらに別の側面において、折り返しミラーは、画像光生成装置からの光路順で、第１ミラーと第２ミラーとを含み、投射光学系から第１ミラーにかけての光軸は、第２ミラーでの反射の前後における光軸を含む平面の法線であって第１ミラーからの光軸の始点を通るものを基準として、第１ミラーでの反射後の光軸の周りに回転するように傾斜する。この場合、画像を画像光生成装置の光軸の周りに回転させる作用が生じ、それを相殺するように、画像光生成装置の表示領域を回転又は傾斜させる。

【0071】

さらに別の側面において、第２ミラーと凹面ミラーとが一体的に接続されている。この場合、第２ミラーや凹面ミラーの支持が容易になり、凹面ミラーや第２ミラーを一体化して外観部材とすることができる。

【0072】

さらに別の側面において、折り返しミラーは、単一のミラーを含み、半透過ミラーは、凹面ミラーの軸線に垂直な平面を軸線に垂直な水平軸の周りに４５°傾斜させた状態を基準として、基準に対して傾斜させた状態で配置されている。この場合、画像を画像光生成装置の光軸の周りに回転させる作用が生じ、それを相殺するように、画像光生成装置の表示領域を回転又は傾斜させる。

【0073】

さらに別の側面において、折り返しミラーは、単一のミラーを含み、投射光学系から単一のミラーにかけての光軸は、半透過ミラーの反射の前後における光軸を含む平面の法線であって単一のミラーからの光軸の始点を通るものを基準として、単一のミラーでの反射後の光軸の周りに回転するように傾斜する。この場合、画像を画像光生成装置の光軸の周りに回転させる作用が生じ、それを相殺するように、画像光生成装置の表示領域を回転又は傾斜させる。

【0074】

さらに別の側面において、画像光生成装置から折り返しミラーにかけての光路が半透過ミラーの上側に配置される。この場合、凹面ミラーの下側をスマートな配置とすることができる。

【0075】

さらに別の側面において、画像光生成装置から折り返しミラーにかけての光路が半透過ミラーの下側に配置される。この場合、凹面ミラーの上側をスマートな配置とすることができる。

【0076】

さらに別の側面において、折り返しミラーは、凹面ミラー及び半透過ミラーの有効領域を遮ることを回避するように配置される。この場合、折り返しミラーを過度に下げて凹面ミラーや半透過ミラーとの間で干渉が生じることを防止できる。

【0077】

さらに別の側面において、半透過ミラーと凹面ミラーの軸線に垂直な平面とがなす角度が、第２ミラーと凹面ミラーの軸線に垂直な平面とがなす角度よりも大きいとき、画像光生成装置の表示領域は、投射光軸を回転軸として凹面ミラーの軸線と平行な面を基準に時計回りに配置され、半透過ミラーと凹面ミラーの軸線に垂直な平面とがなす角度が、第２ミラーと凹面ミラーの軸線に垂直な平面とがなす角度よりも小さいとき、画像光生成装置の表示領域は、投射光軸を回転軸として凹面ミラーの軸線と平行な面を基準に反時計回りに配置される。

【符号の説明】

【0078】

１１…画像光生成装置、１１ａ…表示領域、１２…光学ユニット、１３…表示制御回路、２１…投射光学系、２２…折り返しミラー、２２ａ…第１ミラー、２２ｂ…第２ミラー、２３…半透過ミラー、２３ａ…平行平板、２４…凹面ミラー、２４ａ…板状体、２８…連結部材、１００…虚像表示装置、１００Ａ，１００Ｂ…表示装置、１００Ｃ…支持装置、１０２…表示駆動部、１０３…外観部材、１２２ａ…単一のミラー、ＡＸ０…投射光軸、ＡＸ１，ＡＸ２…反射光軸、ＡＸＥ…射出光軸、ＥＡ１，ＥＡ２…有効領域、ＥＰ…射出瞳、Ｈ…横軸、ＩＩ…中間像、ＬＰ…周辺光、ＬＰａ，ＬＰｂ，ＬＰｃ…光線、ＭＣ…凹面反射面、ＭＬ…画像光、ＭＳ１，ＭＳ１２，ＭＳ２，ＭＳ３…平面反射面、ＭＸ…軸線、ＯＬ…外界光、ＰＩ…入射瞳、ＰＬ１，ＰＬ２…平面、ＳＰ１…基準平面、ＳＰ２，ＳＰ３…平面、ＳＳ…基準面、ＵＳ…装着者

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】