JP2020071292A - 頭部装着型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型の頭部装着型表示装置を提供する。
【解決手段】本発明の頭部装着型表示装置は、画像光生成装置と、画像光を第１方向に偏向する第１偏向部と画像光を第２方向に偏向する第２偏向部とを有する第１偏向素子と、第１回折素子と、第２回折素子と、を備える。仮想平面上に第１方向を射影した方向を第３方向とし、第３方向に直交する方向を第４方向とし、表示領域から射出された画像光の主光線が仮想平面上を通過する平面を主光線通過平面とし、主光線通過平面の第１端を通過する主光線を第１主光線とし、第２端を通過する主光線を第２主光線とし、主光線通過平面と第１主光線と第２主光線と第１偏向部とで囲まれた平面を第１平面とし、第２偏向部と第１主光線と第２主光線と第１回折素子とで囲まれた平面を第２平面としたとき、第１平面は、第３方向から見て第２平面の少なくとも一部と重なり、かつ、第４方向から見て第２平面と重ならない。
【選択図】図３

Description

本発明は、頭部装着型表示装置に関する。

複数の反射面を用いて画像光を反射させつつ観察者の眼に導く形態の頭部装着型表示装置が知られている。下記の特許文献１には、画像光を発生する空間光変調器と、投影レンズと、投影画面と、ビームスプリッターと、反射鏡と、を備えた頭部装着型表示装置が開示されている。

特開平８−１９００７２号公報

特許文献１の頭部装着型表示装置では、投影レンズの後段に複数の反射面が設けられたことによって画像を拡大することができる反面、複数の光学部材を顔の周囲に配置する必要があるため、装置が大型化するという問題がある。また、各種光学部材のサイズ、重量、配置等の設計パラメーターによっては、使用者の鼻に過重がかかり、使い心地が悪いという問題がある。

上記の課題を解決するために、本発明の一つの態様の頭部装着型表示装置は、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第１方向に偏向する第１偏向部と、前記第１偏向部により偏向された画像光を前記第１方向に交差する第２方向に偏向する第２偏向部と、を有する第１偏向素子と、前記第２偏向部により偏向された画像光を回折する第１回折素子と、前記第１回折素子により回折された画像光を回折して射出瞳を形成する第２回折素子と、を備える。前記画像光生成装置の表示領域の中心から射出されて前記第１偏向素子に入射する画像光の主光線を中心主光線としたとき、前記中心主光線は、前記画像光生成装置から前記第１偏向部までの間に位置する仮想平面の法線に一致し、前記仮想平面上に前記第１方向を射影した方向を前記仮想平面の第３方向とし、前記第３方向に直交する方向を第４方向とし、前記表示領域の全領域から射出された画像光の主光線が前記仮想平面上を通過する平面を主光線通過平面とし、前記主光線通過平面の前記第３方向における中心であって、前記主光線通過平面の前記第４方向における第１端を通過する主光線を第１主光線とし、前記主光線通過平面の前記第４方向における第２端を通過する主光線を第２主光線とし、前記主光線通過平面と、前記第１主光線と、前記第２主光線と、前記第１偏向部と、で囲まれた平面を第１平面とし、前記第２偏向部と、前記第１主光線と、前記第２主光線と、前記第１回折素子と、で囲まれた平面を第２平面としたとき、前記第１平面は、前記第３方向から見て前記第２平面の少なくとも一部と重なり、かつ、前記第４方向から見て前記第２平面と重なっていない。

本発明の一つの態様の頭部装着型表示装置において、前記第１平面は、前記第４方向から見て前記第２平面に対して非平行であってもよい。

本発明の一つの態様の頭部装着型表示装置は、前記中心主光線の光路上における前記画像光生成装置と前記第１偏向素子との間に絞りを備えてもよい。その場合、前記中心主光線の光路上における前記絞りの位置と、前記第２方向における前記第１回折素子の位置とは、一致していてもよい。

本発明の一つの態様の頭部装着型表示装置は、前記第１回折素子により回折された画像光を前記第２回折素子に向けて反射する第２偏向素子をさらに備えていてもよい。

本発明の一つの態様の頭部装着型表示装置において、前記第１回折素子および前記第２回折素子は、反射型体積ホログラムで構成されていてもよい。

頭部装着型表示装置の外観を示す斜視図である。 第１実施形態の頭部装着型表示装置における光学系の構成を示す上面図である。 頭部装着型表示装置の光学系の構成を示す側面図である。 回折素子の干渉縞の説明図である。 第１回折素子および第２回折素子の回折特性を示す説明図である。 画像光生成装置から射出される画像光の光路を示す図である。 第２実施形態の頭部装着型表示装置における光学系の構成を示す側面図である。 第３実施形態の頭部装着型表示装置における光学系の構成を示す側面図である。 第４実施形態の頭部装着型表示装置における光学系の構成を示す側面図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図４を用いて説明する。
図１は、頭部装着型表示装置の外観を示す斜視図である。図２は、頭部装着型表示装置における光学系の構成を示す上面図である。図３は、頭部装着型表示装置の光学系の構成を示す側面図である。
以下の説明においては、頭部装着型表示装置を単に表示装置と称する。また、以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。

以下の各図面では、使用者が表示装置１００を頭部に装着した状態での前後方向、左右方向および上下方向を用いて以下の方向を規定する。上下方向を第１方向Ｙとし、上方から下方に向かう側を第１方向Ｙの一方側Ｙ１とし、下方から上方に向かう側を第１方向Ｙの他方側Ｙ２とする。前後方向を第２方向Ｚとし、前方から後方に向かう側を第２方向Ｚの一方側Ｚ１とし、後方から前方に向かう側を第２方向Ｚの他方側Ｚ２とする。左右方向を第３方向Ｘとし、左から右に向かう側を第３方向Ｘの一方側Ｘ１とし、右から左に向かう側を第３方向Ｘの他方側Ｘ２とする。第１方向Ｙ、第２方向Ｚおよび第３方向Ｘは、互いに交差する。
また、表示装置１００の構成要素を用いて上記の方向を定義すると、右眼用光学系１０ａの第２回折素子７０ａと左眼用光学系１０ｂの第２回折素子７０ｂとが並ぶ方向を第３方向Ｘとし、第２回折素子７０ｂから第２回折素子７０ａに向かう側をＸ１とし、第２回折素子７０ａから第２回折素子７０ｂに向かう側をＸ２とする。後述する光学系１０において、第１偏向部３５１と第２偏向部３５２とが並ぶ方向を第１方向Ｙとし、一方側をＹ１とし、他方側をＹ２とする。画像光投射装置３０と第１偏向部３５１とが並ぶ方向を第２方向Ｚとし、第１偏向部３５１から画像光投射装置３０に向かう側をＺ１とし、画像光投射装置３０から第１偏向部３５１に向かう側をＺ２とする。

図１に示すように、表示装置１００は、画像光Ｌ０ａを右眼Ｅａに入射させる右眼用光学系１０ａと、画像光Ｌ０ｂを左眼Ｅｂに入射させる左眼用光学系１０ｂと、を備えている。表示装置１００は、例えば眼鏡のような形状を有する。具体的に、表示装置１００は、右眼用光学系１０ａと左眼用光学系１０ｂとを保持する筐体９０をさらに備えている。表示装置１００は、筐体９０によって観察者の頭部に装着される。

表示装置１００は、筐体９０として、フレーム９１と、フレーム９１の右側に設けられ、観察者の右耳に係止されるテンプル９２ａと、フレーム９１の左側に設けられ、観察者の左耳に係止されるテンプル９２ｂと、を備えている。フレーム９１は、両側部に収納空間９１ｓを有しており、収納空間９１ｓ内に、後述する光学系１０を構成する画像光投射装置３０、導光光学系３３、第１回折素子５０等の光学素子が収容されている。テンプル９２ａ，９２ｂは、ヒンジ９５によってフレーム９１に対して折り畳み可能に連結されている。

右眼用光学系１０ａと左眼用光学系１０ｂとは基本構成が同一である。したがって、以下の説明では、右眼用光学系１０ａと左眼用光学系１０ｂとを区別せず、光学系１０として説明する。

図２および図３に示すように、表示装置１００は、光学系１０として、画像光投射装置３０と、導光光学系３３と、第１回折素子５０と、第２ミラー６０（第２偏向素子）と、第２回折素子７０と、を備えている。導光光学系３３は、レンズ系３４と、第１ミラー３５（第１偏向素子）と、を有している。第１回折素子５０および第２回折素子７０は、後述する反射型体積ホログラムから構成されている。

光学系１０において、画像光Ｌ０の進行方向に着目すると、画像光生成装置３１は、投射光学系３２によって導光光学系３３に向けて画像光Ｌ０を射出し、導光光学系３３は、入射した画像光Ｌ０を第１ミラー３５に向けて射出する。第１ミラー３５は、入射した画像光Ｌ０を偏向して第１回折素子５０に向けて射出する。第１回折素子５０は、第２ミラー６０を介して画像光Ｌ０を第２回折素子７０に向けて射出する。第２回折素子７０は、入射した画像光Ｌ０を観察者の眼Ｅに向けて射出する。

画像光投射装置３０は、画像光生成装置３１と、投射光学系３２と、を備えている。画像光生成装置３１は、画像光Ｌ０を生成する。投射光学系３２は、画像光生成装置３１により生成された画像光Ｌ０を投射する。投射光学系３２は、複数のレンズから構成されている。画像光生成装置３１は、有機エレクトロルミネッセンス表示素子等の表示パネルから構成されている。この構成によれば、小型で高画質な画像表示が可能な表示装置１００を提供することができる。

また、画像光生成装置３１は、照明光源（図示せず）と、照明光源から射出された照明光を変調する液晶表示素子等の表示パネルと、から構成されていてもよい。この構成によれば、照明光源を適宜選択できるため、画像光Ｌ０の波長特性の選択の自由度が広がるという利点がある。この場合、画像光生成装置３１は、カラー表示が可能な１枚の表示パネルを有していてもよい。もしくは、画像光生成装置３１は、各色に対応する複数の表示パネルと、複数の表示パネルから射出された各色の画像光を合成するダイクロイックプリズム等の合成光学系と、を有していてもよい。もしくは、画像光投射装置３０は、レーザー光をマイクロミラーデバイスで変調する構成であってもよい。

以下の説明では、画像光生成装置３１の表示領域３１ａの中心Ｃから射出されて第１ミラー３５に入射する画像光Ｌ０の主光線を中心主光線Ｌ１１と称する。また、画像光生成装置３１から第１偏向部３５１までの間の中心主光線Ｌ１１の光路に一致する軸を第１光軸ＡＸ１と称する。画像光Ｌ０が第１偏向部３５１で偏向された後の第１偏向部３５１から第２偏向部３５２までの間の中心主光線Ｌ１１の光路に一致する軸を第２光軸ＡＸ２と称する。画像光Ｌ０が第２偏向部３５２で偏向された後の第２偏向部３５２から第１回折素子５０までの間の中心主光線Ｌ１１の光路に一致する軸を第３光軸ＡＸ３と称する。

第１光軸ＡＸ１および第３光軸ＡＸ３は、概ね第２方向Ｚと一致しており、互いに平行である。第２光軸ＡＸ２は、概ね第１方向Ｙと一致しており、第１光軸ＡＸ１および第３光軸ＡＸ３と直交している。

導光光学系３３は、画像光投射装置３０から射出された画像光Ｌ０が入射するレンズ系３４と、レンズ系３４から射出された画像光Ｌ０を偏向し、光路を折り返す第１ミラー３５と、を有している。レンズ系３４は、第１光軸ＡＸ１上に配置された複数のレンズから構成されている。

本実施形態において、レンズ系３４は、第１光軸ＡＸ１上において画像光投射装置３０に近い側から順に配置された第１レンズ３４１、第２レンズ３４２、第３レンズ３４３、および第４レンズ３４４を有している。第１レンズ３４１、第２レンズ３４２、第３レンズ３４３、および第４レンズ３４４の各々は、自由曲面レンズあるいは球面レンズから構成されている。レンズ系３４を構成する複数のレンズの形状および枚数は、適宜変更が可能である。

図３に示すように、第１ミラー３５は、第１偏向部３５１と、第２偏向部３５２と、を有する。第１偏向部３５１および第２偏向部３５２の各々は、全反射ミラーから構成されている。第１偏向部３５１は、第１光軸ＡＸ１上のレンズ系３４の光射出側において第１光軸ＡＸ１および第２光軸ＡＸ２と略４５°の角度をなすように傾いて配置されている。

第２偏向部３５２は、第２光軸ＡＸ２上の第１偏向部３５１の光射出側において第２光軸ＡＸ２および第３光軸ＡＸ３と略４５°の角度をなすように傾いて配置されている。これにより、第１偏向部３５１は、画像光生成装置３１から射出された画像光Ｌ０を第１方向Ｙの一方側Ｙ１（下側）に偏向する。また、第２偏向部３５２は、第１偏向部３５１により偏向された画像光Ｌ０を第２方向Ｚの一方側Ｚ１（後側）に偏向する。

本実施形態において、第１偏向部３５１と第２偏向部３５２とは別体のミラーから構成されているが、一体のミラーから構成されていてもよい。その場合、平面状の反射面が折れ曲がった形状のミラーであってもよいし、曲面状の反射面を有するミラーであってもよい。また、第１偏向部３５１および第２偏向部３５２の各々は、ハーフミラーから構成されていてもよい。この構成によれば、外光を視認できる範囲を拡大することができる。

図４は、第２回折素子７０の干渉縞７５１の説明図である。
図４に示すように、第２回折素子７０は、反射型体積ホログラム７５を備えており、反射型体積ホログラム７５は部分反射型回折光学素子である。そのため、第２回折素子７０は、部分透過反射性のコンバイナーを構成している。したがって、外光が第２回折素子７０を介して観察者の眼Ｅに入射するため、観察者は、画像光生成装置３１で形成した画像光Ｌ０と外光（背景）とが重畳した画像を視認することができる。

第２回折素子７０は、観察者の眼Ｅと対向しており、画像光Ｌ０が入射する第２回折素子７０の入射面７１は、眼Ｅから離れる方向に凹んだ凹曲面になっている。換言すると、入射面７１は、画像光Ｌ０の入射方向において、周辺部に対して中央部が凹んで湾曲した形状となっている。このため、画像光Ｌ０を観察者の眼Ｅに向けて効率良く集光させることができる。

第２回折素子７０は、特定の波長に対応するピッチを有した干渉縞７５１を有している。干渉縞７５１は屈折率差としてホログラム感光層に記録されており、干渉縞７５１は特定の入射角度に対応するように、第２回折素子７０の入射面７１に対して一方方向に傾いている。したがって、第２回折素子７０は、画像光Ｌ０を所定の方向に回折して偏向する。特定の波長および特定の入射角度とは、画像光Ｌ０の波長と入射角度に対応する。この種の干渉縞７５１は、参照光Ｌｒおよび物体光Ｌｓを用いてホログラフィック感光層に干渉露光を行うことにより形成することができる。

本実施形態では、画像光Ｌ０はカラー表示用の光である。このため、第２回折素子７０においては、特定波長に対応するピッチで干渉縞７５１Ｒ、７５１Ｇ、７５１Ｂが形成されている。例えば、干渉縞７５１Ｒは、赤色域の波長５８０ｎｍから７００ｎｍの波長範囲のうち、例えば波長６１５ｎｍに対応するピッチで形成されている。干渉縞７５１Ｇは、緑色域の波長５００ｎｍから５８０ｎｍの波長範囲のうち、例えば波長５３５ｎｍに対応するピッチで形成されている。干渉縞７５１Ｂは、青色域の波長４００ｎｍから５００ｎｍの波長範囲のうち、例えば波長４６０ｎｍに対応するピッチで形成されている。

上記の構成は、各波長に対応する感度を有するホログラフィック感光層を形成した状態で、各波長の参照光ＬｒＲ、ＬｒＧ、ＬｒＢ、および物体光ＬｓＲ、ＬｓＧ、ＬｓＢを用いてホログラフィック感光層に干渉露光を行うことにより形成することができる。

なお、各波長に対応する感度を有する感光材料をホログラフィック感光層に分散させておき、各波長の参照光ＬｒＲ、ＬｒＧ、ＬｒＢおよび物体光ＬｓＲ、ＬｓＧ、ＬｓＢを用いてホログラフィック感光層に干渉露光を行うことによって、１つの層に干渉縞７５１Ｒ、７５１Ｇ、７５１Ｂを重畳して形成することもできる。また、参照光ＬｒＲ、ＬｒＧ、ＬｒＢおよび物体光ＬｓＲ、ＬｓＧ、ＬｓＢとして球面波の光を用いることもできる。

第１回折素子５０および第２回折素子７０は基本的な構成が同一であるため、第１回折素子５０の詳細な説明を省略するが、第１回折素子５０は、反射型体積ホログラム５５を備えている。第１回折素子５０は、画像光Ｌ０が入射する入射面５０ａが、凹んだ凹曲面になっている。換言すると、入射面５０ａは、画像光Ｌ０の入射方向において、周辺部に対して中央部が凹んで湾曲した形状となっている。そのため、画像光Ｌ０を第２ミラー６０に向けて効率良く偏向させることができる。

図５は、第１回折素子５０および第２回折素子７０の回折特性を示す説明図である。図５は、体積ホログラム上の１点に光線が入射したときの特定波長と周辺波長の回折角の差を示したものである。図５には、特定波長を５３１ｎｍとしたとき、波長が５２６ｎｍの周辺波長の光の回折角度のずれを実線Ｌ５２６で示し、波長が５３６ｎｍの周辺波長の光の回折角度のずれを破線Ｌ５３６で示してある。

図５に示すように、体積ホログラムに記録された同じ干渉縞に光線が入射した場合でも、光線の波長が長い程、大きく回折し、光線の波長が短い程、小さく回折する。したがって、２つの回折素子（第１回折素子５０および第２回折素子７０）を用いた場合、特定波長に対して長波長の光および短波長の光の入射角度を考慮して入射させないと、収差を適切に補償することができない。また、干渉縞の本数によって回折角が異なるため、干渉縞の構成を考慮する必要がある。図２および図３に示す光学系１０では、第１回折素子５０と第２回折素子７０との間での中間像の形成回数と、第２ミラー６０での反射回数の和が奇数か偶数かに対応して、第２回折素子７０への入射方向等を適正化してあるため、収差の補償が可能である。

第２ミラー６０は、周辺部よりも中央部が凹んだ反射面６０ａを有する。反射面６０ａは、球面、非球面もしくは自由曲面からなる。第２ミラー６０は、第１回折素子５０から射出された画像光Ｌ０を反射して第２回折素子７０に向けて射出する。第２ミラー６０は、ハーフミラーから構成されている。これにより、外光を視認できる範囲を拡大することができる。

図３に示すように、画像光投射装置３０、レンズ系３４を構成する第１レンズ３４１、第２レンズ３４２、第３レンズ３４３および第４レンズ３４４、および第１ミラー３５の第１偏向部３５１は、第１方向Ｙ（上下方向）において第１の高さに配置されている。また、第１回折素子５０、第１ミラー３５の第２偏向部３５２、第２ミラー６０、および第２回折素子７０は、第１方向Ｙ（上下方向）において第２の高さに配置されている。第２の高さは、第１の高さよりも低い。

言い換えると、画像光投射装置３０から射出された画像光Ｌ０の進行方向に沿ってみると、画像光Ｌ０は、レンズ系３４を経て第１ミラー３５に到達するまで略一定の高さで進み、第１ミラー３５によって光路が下方に折り曲げられた後、第１ミラー３５に入射する前よりも低い位置において略一定の高さで進み、第１回折素子５０および第２ミラー６０を経て第２回折素子７０に到達する。

上記の光学素子の配置を、光の経路で表現すると、以下のようになる。
図６は、画像光生成装置３１から射出される画像光Ｌ０の光路を立体的に示す図である。図６においては、表示装置１００の構成要素のうち、画像光生成装置３１、第１ミラー３５、第１回折素子５０、および第２回折素子７０のみを抜き出して図示している。

図６に示すように、画像光生成装置３１から第１偏向部３５１までの間に、画像光生成装置３１の表示面３１ｃに平行な仮想平面Ｋを想定する。この場合、画像光生成装置３１からの中心主光線Ｌ１１は、画像光生成装置３１から第１偏向部３５１までの間に位置する仮想平面Ｋの法線に一致する。

ここで、仮想平面Ｋ上に第１方向Ｙを射影した方向を仮想平面Ｋの第３方向Ｋ３とし、第３方向Ｋ３に直交する方向を第４方向Ｋ４とする。また、表示領域３１ａ内の全領域から射出された画像光Ｌ０の主光線が仮想平面Ｋ上を通過する平面を主光線通過平面ＫＣとする。主光線通過平面ＫＣの第３方向Ｋ３における中心であって、主光線通過平面ＫＣの第４方向Ｋ４における第１端Ｈ１を通過する主光線を第１主光線Ｌ１２とし、主光線通過平面ＫＣの第４方向Ｋ４における第２端Ｈ２を通過する主光線を第２主光線Ｌ１３とする。

また、主光線通過平面ＫＣと、第１主光線Ｌ１２と、第２主光線Ｌ１３と、第１偏向部３５１と、で囲まれた平面を第１平面Ｆ１とする。第２偏向部３５２と、第１主光線Ｌ１２と、第２主光線Ｌ１３と、第１回折素子５０と、で囲まれた平面を第２平面Ｆ２とする。以上のように、第１平面Ｆ１および第２平面Ｆ２を定義する。

上記の定義を用いると、本実施形態の表示装置１００において、第１平面Ｆ１は、第３方向Ｋ３から見て第２平面Ｆ２の少なくとも一部と重なり、かつ、第４方向Ｋ４から見て第２平面Ｆ２とは重ならない。特に本実施形態の場合、第４方向Ｋ４から見たとき、第１平面Ｆ１と第２平面Ｆ２とは概ね平行である。

概略言い換えると、図２で示すように、画像光生成装置３１から射出された後に第１ミラー３５に入射するまでの画像光Ｌ０と、第１ミラー３５によって折り返された後に第１回折素子５０に入射するまでの画像光Ｌ０とは、上下方向（第１方向Ｙ）から見たとき、少なくとも一部が重なっている。一方、図３で示すように、画像光生成装置３１から射出された後に第１ミラー３５に入射するまでの画像光Ｌ０と、第１ミラー３５によって折り返された後に第１回折素子５０に入射するまでの画像光Ｌ０とは、左右方向（第３方向Ｘ）から見たとき、重なっていない。

本実施形態の表示装置１００においては、図２および図３に示すように、画像光生成装置３１から第２回折素子７０までに至る画像光Ｌ０の光路が上下方向に折り曲げられ、高さの異なる２つの平面のそれぞれに各種光学部品が配置されている。これにより、第１方向Ｙ（上下方向）から見たときの面積を従来よりも小さくすることができ、表示装置１００の小型化を図ることができる。

また、第１回折素子５０と第２回折素子７０との間では画像光Ｌ０を空中で導波させており、導光板等の部材が用いられていない。そのため、表示装置１００の重心が観察者の耳Ｍの近くに位置し、鼻Ｎに掛かる荷重を低減することができる。これにより、表示装置１００がずれ落ちにくく、表示装置１００の使い心地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実施形態について、図７を用いて説明する。
第２実施形態の表示装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、一部の光学部品の配置が第１実施形態と異なる。そのため、表示装置の全体構成の説明は省略する。
図７は、第２実施形態の表示装置における光学系の構成を示す側面図である。
図７において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

図７に示すように、第２実施形態の表示装置１０２において、第１光軸ＡＸ１は、第３光軸ＡＸ３と平行ではなく、第３光軸ＡＸ３に対して略１０°傾いている。この説明では、第１光軸ＡＸ１の傾斜角は、時計回りで見た角度を正の値で表し、反時計回りで見た角度を負の値で表す。画像光投射装置３０とレンズ系３４とは、第１光軸ＡＸ１上に配置されている。画像光投射装置３０とレンズ系３４とは、画像光投射装置３０の位置が第１実施形態における画像光投射装置３０の位置よりも高くなる向きに傾いている。

第３光軸ＡＸ３は、第１実施形態と同様、概ね第２方向Ｚと一致している。したがって、第１回折素子５０、第２ミラー６０および第２回折素子７０の配置は、第１実施形態と同様である。また、第１光軸ＡＸ１が第３光軸ＡＸ３に対して傾いていることに伴って、第２光軸ＡＸ２も第１方向Ｙに対して略１０°傾いている。
表示装置１０２のその他の構成は、第１実施形態と同様である。

本実施形態において、第１実施形態と同様、図６に示した各平面を用いて各光学素子の配置を表現すると、第１平面Ｆ１は、第４方向Ｋ４から見て第２平面Ｆ２に対して非平行である。

本実施形態においても、第１方向Ｙ（上下方向）から見たときの面積を従来よりも小さくでき、表示装置１０２の小型化を図ることができる、鼻に掛かる荷重を低減し、表示装置１０２の使い心地を向上させることができる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

例えば第１光軸ＡＸ１上に配置された各レンズ３４１，３４２，３４３，３４４の位置と第３光軸ＡＸ３上に配置された第１回折素子５０の位置とが接近し、これらの素子同士の干渉が問題となる場合には、本実施形態の表示装置１０２のように、第１光軸ＡＸ１を第３光軸ＡＸ３に対して傾けて配置することにより、上記の問題を改善することができる。

なお、第１光軸ＡＸ１の傾斜角は、表示装置１０２の上下方向の寸法の増加を許容できる範囲内で大きくすることができる。ただし、第３光軸ＡＸ３に対する第１光軸ＡＸ１の傾斜角は、概ね４５°以下であることが望ましい。また、各素子の配置によっては、第１光軸ＡＸ１の傾斜角が負になる向き、すなわち、画像光投射装置３０の位置が第１実施形態における画像光投射装置３０の位置よりも低くなる向きに第１光軸ＡＸ１を傾けてもよい。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図８を用いて説明する。
第３実施形態の表示装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、一部の光学部品の配置が第１実施形態と異なる。そのため、表示装置の全体構成の説明は省略する。
図８は、第３実施形態の表示装置における光学系の構成を示す側面図である。
図８において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

図８に示すように、第３実施形態の表示装置１０３は、画像光投射装置３０と、導光光学系３３と、第１回折素子５０と、第２ミラー６０と、第２回折素子７０と、絞り８０と、を備えている。絞り８０は、中心主光線Ｌ１１の光路上、すなわち第１光軸ＡＸ１上における画像光生成装置３１と第１ミラー３５との間に設けられている。より具体的には、絞り８０は、レンズ系３４において画像光Ｌ０の光束径が最も細く絞られた位置である第２レンズ３４２と第３レンズ３４３との間に設けられている。

第１実施形態と同様、第１光軸ＡＸ１および第３光軸ＡＸ３は、概ね第２方向Ｚと一致しており、互いに平行である。中心主光線Ｌ１１の光路上、すなわち第１光軸ＡＸ１上における絞り８０の位置と、第２方向Ｚ、すなわち第３光軸ＡＸ３上における第１回折素子５０の位置とは、一致している。
表示装置１０３のその他の構成は、第１実施形態と同様である。

本実施形態においても、第１方向Ｙ（上下方向）から見たときの面積を従来よりも小さくでき、表示装置１０３の小型化を図ることができる、鼻に掛かる荷重を低減し、表示装置１０３の使い心地を向上させることができる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

第１回折素子５０は、画像光Ｌ０の光束径が比較的に広がった位置に配置され、上下方向の寸法が大きくなる場合がある。この場合であっても、本実施形態の表示装置１０３によれば、画像光Ｌ０が最もくびれた位置に第１回折素子５０を収めることができる。その結果、表示装置１０３の高さ方向の寸法を小さくすることができる。

［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態について、図９を用いて説明する。
第４実施形態の表示装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、一部の光学部品の配置が第１実施形態と異なる。そのため、表示装置の全体構成の説明は省略する。
図９は、第４実施形態の表示装置における光学系の構成を示す側面図である。
図９において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

図９に示すように、第４実施形態の表示装置１０４は、画像光投射装置３０と、導光光学系３３と、第１回折素子５０と、第２ミラー６０と、第２回折素子７０と、を備えている。

導光光学系３３を構成する第１ミラー３５は、第１実施形態と同様、第１偏向部３５１と、第２偏向部３５２と、を有する。ただし、第１ミラー３５の向きは、第１実施形態における第１ミラー３５の向きに対して１８０°回転しており、第１偏向部３５１が下側に位置し、第２偏向部３５２が上側に位置している。これにより、第１偏向部３５１は、画像光生成装置３１から射出された画像光Ｌ０を第１方向Ｙの他方側Ｙ２（上側）に偏向する。また、第２偏向部３５２は、第１偏向部３５１により偏向された画像光Ｌ０を第２方向Ｚの一方側Ｚ１（後側）に偏向する。

画像光投射装置３０、レンズ系３４を構成する第１レンズ３４１、第２レンズ３４２、第３レンズ３４３、第４レンズ３４４、および第１ミラー３５の第１偏向部３５１は、第１方向Ｙ（上下方向）において第１の高さに配置されている。また、第１回折素子５０、第１ミラー３５の第２偏向部３５２、第２ミラー６０、および第２回折素子７０は、第１方向Ｙ（上下方向）において第２の高さに配置されている。本実施形態の場合、第１実施形態とは逆に、第２の高さは、第１の高さよりも高い。

すなわち、画像光投射装置３０から射出された画像光Ｌ０の進行方向に沿ってみると、画像光Ｌ０は、第１ミラーに到達するまでレンズ系３４を経て略一定の高さで進み、第１ミラー３５によって光路が上方に折り曲げられた後、第１ミラー３５に入射する前よりも高い位置で略一定の高さで進み、第１回折素子５０、第２ミラー６０を経て第２回折素子７０に到達する。
表示装置１０４のその他の構成は、第１実施形態と同様である。

本実施形態においても、第１方向Ｙ（上下方向）から見たときの面積を従来よりも小さくでき、表示装置１０４の小型化を図ることができる、鼻に掛かる荷重を低減し、表示装置１０４の使い心地を向上させることができる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

なお、観察者が表示装置１０４を装着した状態での表示装置１０４の姿勢として、図３に示した第１実施形態のように、第１光軸ＡＸ１および第３光軸ＡＸ３が略水平方向に一致していてもよい。もしくは、図９に示した第４実施形態のように、第２回折素子７０の側が下がる方向に第１光軸ＡＸ１および第３光軸ＡＸ３が前傾していてもよい。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態では、第１偏向素子が全反射ミラーで構成されている例を挙げたが、例えば全反射プリズムで構成されていてもよい。また、表示装置は、必ずしも第２偏向素子を備えていなくてもよい。

また、上記実施形態では、第１回折素子および第２回折素子が反射型体積ホログラムで構成されている例を示したが、第１回折素子および第２回折素子が他のホログラム素子、例えば表面レリーフホログラム、ブレーズドホログラムなどで構成されていてもよい。これらのホログラム素子を用いた場合であっても、薄型で回折効率が高い回折素子が得られる。

また、上記実施形態で例示した頭部装着型表示装置の各構成要素の数、配置、形状等の具体的構成については、適宜変更が可能である。

３１…画像光生成装置、３１ａ…表示領域、３５…第１ミラー（第１偏向素子）、５０…第１回折素子、６０…第２ミラー（第２偏向素子）、７０，７０ａ，７０ｂ…第２回折素子、７５…反射型体積ホログラム、８０…絞り、１００，１０２，１０３，１０４…表示装置（頭部装着型表示装置）、３５１…第１偏向部、３５２…第２偏向部、Ｆ１…第１平面、Ｆ２…第２平面、Ｈ１…第１端、Ｈ２…第２端、Ｋ…仮想平面、Ｋ３…第３方向、Ｋ４…第４方向、ＫＣ…主光線通過平面、Ｌ０，Ｌ０ａ，Ｌ０ｂ…画像光、Ｌ１１…中心主光線、Ｌ１２…第１主光線、Ｌ１３…第２主光線、Ｙ…第１方向、Ｚ…第２方向。

Claims (5)

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第１方向に偏向する第１偏向部と、前記第１偏向部により偏向された画像光を前記第１方向に交差する第２方向に偏向する第２偏向部と、を有する第１偏向素子と、
   前記第２偏向部により偏向された画像光を回折する第１回折素子と、
   前記第１回折素子により回折された画像光を回折して射出瞳を形成する第２回折素子と、
   を備え、
   前記画像光生成装置の表示領域の中心から射出されて前記第１偏向素子に入射する画像光の主光線を中心主光線としたとき、
   前記中心主光線は、前記画像光生成装置から前記第１偏向部までの間に位置する仮想平面の法線に一致し、
   前記仮想平面上に前記第１方向を射影した方向を前記仮想平面の第３方向とし、前記第３方向に直交する方向を第４方向とし、
   前記表示領域の全領域から射出された画像光の主光線が前記仮想平面上を通過する平面を主光線通過平面とし、
   前記主光線通過平面の前記第３方向における中心であって、前記主光線通過平面の前記第４方向における第１端を通過する主光線を第１主光線とし、前記主光線通過平面の前記第４方向における第２端を通過する主光線を第２主光線とし、
   前記主光線通過平面と、前記第１主光線と、前記第２主光線と、前記第１偏向部と、で囲まれた平面を第１平面とし、
   前記第２偏向部と、前記第１主光線と、前記第２主光線と、前記第１回折素子と、で囲まれた平面を第２平面としたとき、
   前記第１平面は、前記第３方向から見て前記第２平面の少なくとも一部と重なり、かつ、前記第４方向から見て前記第２平面と重ならない、頭部装着型表示装置。
2. 前記第１平面は、前記第４方向から見て前記第２平面に対して非平行である、請求項１に記載の頭部装着型表示装置。
3. 前記中心主光線の光路上における前記画像光生成装置と前記第１偏向素子との間に絞りを備え、
   前記中心主光線の光路上における前記絞りの位置と、前記第２方向における前記第１回折素子の位置とは、一致している、請求項１または請求項２に記載の頭部装着型表示装置。
4. 前記第１回折素子により回折された画像光を前記第２回折素子に向けて反射するとともに、外界光を透過させる第２偏向素子をさらに備えた、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の頭部装着型表示装置。
5. 前記第１回折素子および前記第２回折素子は、反射型体積ホログラムで構成されている、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の頭部装着型表示装置。

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