JP2024004616A - 虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表面に外光パターンが映されてキラキラと光って見え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である表示素子１１である表示素子１１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の外側に透過型偏光子３０ｐが配置されている。【選択図】図３

Description

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に関する。

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、映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、画像光生成装置からの画像光を反射する透過傾斜ミラーと、透過傾斜ミラーで反射された画像光を透過傾斜ミラーに向けて反射する凹面透過ミラーとを備え、凹面透過ミラーの外界側に吸収材層を配置したものが開示されている。

特開２０２０－００８７４９号公報

上記先行技術文献では、吸収材層によって表示中の画像が外部から見えてしまうことを抑制できるが、外部の者には、メガネ状の凹面透過ミラーの表面に外界に存在する様々な光源が反射されるため、凹面透過ミラーの凸状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。

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、部分透過ミラーの外側に透過型偏光子が配置されている。

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。 虚像表示装置の構造を説明する側方断面図である。 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。 光線の偏光状態をより詳細に説明する概念図である。 シースルーミラーの変形例を説明する断面図である。 偏光フィルターの変形例を説明する断面図である。 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。 部分透過ミラーの周辺を説明する部分拡大断面図である。 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。 部分透過ミラーの周辺を説明する部分拡大断面図である。 光線の偏光状態をより詳細に説明する概念図である。 図１０等に示すシースルーミラーの変形例を説明する図である。 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。 変形例の虚像表示装置を説明する側方断面図である。 第５実施形態の虚像表示装置を説明する側方断面図である。

〔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。

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。

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カバー部材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を覆うカバー部材１０４とで構成される。一対のカバー部材１０４を組み合わせたものをシェード１０５と呼ぶ。シェード１０５は、一体の部材であり、不図示の支持機構を介して表示駆動部１０２に対して着脱可能になっている。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。

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と結像光学系２０と偏光フィルター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の一部に対応し、シースルーミラー２３は、図１に示すコンバイナー１０３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、別途設けられた偏光フィルター３０によって部分的に覆われている。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。偏光フィルター３０は、図１に示すカバー部材１０４に対応する。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。

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。

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。

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、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、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、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。

結像光学系２０のうち、投射レンズ２１から内反射面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。

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とが中間の光路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の角度設定との影響を受けることになる。

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。

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、或いは金属等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。

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。

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。

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。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。

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偏光を反射する偏向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が偏光フィルター３０を通過した場合、通過した外界光ＯＬがＳ偏光であればシースルーミラー２３によって遮断され、通過した外界光ＯＬがＰ偏光であればシースルーミラー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。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。

偏光フィルター３０は、外界光ＯＬのうち第１方向の偏光つまりＰ偏光を透過し、外界光ＯＬのうち第２方向の偏光つまりＳ偏光を減衰又は遮断する。偏光フィルター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。偏光フィルター３０は、板状体３０ｂの表面上に透過型偏光膜３０ａを形成した構造を有する。透過型偏光膜３０ａは、Ｐ偏光を透過させる偏向膜によって形成され、透過型偏光子３０ｐとして機能している。ここで、透過型偏光子３０ｐ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の外側に、透過型偏光子３０ｐとして透過型偏光膜３０ａを設けたカバー部材１０４を備えるものとなっている。透過型偏光膜３０ａは、その偏光軸が上下方向に設定されている。つまり、透過型偏光膜３０ａは、透過軸が上下方向に設定されており、上下方向に対応する±Ｙ方向を偏光方向とするＰ偏光を少ない減衰で効率的に透過させ、左右方向に対応する±Ｘ方向を偏光方向とするＳ偏光を吸収によって殆ど減衰させる。透過型偏光膜３０ａの透過軸は、上下方向つまり±Ｙ方向となっており、シースルーミラー２３の反射型偏光膜２３ａの透過軸と一致している。透過型偏光膜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。偏光フィルター３０の基材である板状体３０ｂは、例えば樹脂で形成される。透過型偏光膜３０ａは、例えばヨウ素化合物や染料を含有させた高分子材料を特定方向に延伸することによって得た偏光膜からなり、板状体３０ｂ上に直接形成することができ、或いはシート状に形成して板状体３０ｂ上に貼り付けることができる。透過型偏光膜３０ａは、液晶やその他の吸収材量を含む液体材料を板状体３０ｂ上に塗布し特定偏光状態の紫外線照射によって配光特性を持たせることで偏光性能を持たせるものでもよい。板状体３０ｂの内側面３０ｉには、反射防止膜を形成することができる。

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、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。なお、シースルーミラー２３の反射面２３ｃのＰ偏光に対する透過率が例えば５０％程度である場合、表示素子１１からの画像光ＭＬが偏光に関して偏りを持たない場合、シースルーミラー２３を通過したＰ偏光の画像光ＭＬは、偏光フィルター３０も通過する。仮に、偏光フィルター３０のＰ偏光に対する透過率が５０％であるとすると、偏光フィルター３０によって、画像光ＭＬの外界側への漏れ出しを５０％抑制することができ、漏れ出し光は元の２５％程度となる。

図３を参照して、偏光フィルター３０の外側から外界光ＯＬが入射した場合について詳細に説明する。外界光ＯＬは、Ｐ偏光及びＳ偏光を含み、偏光フィルター３０の透過型偏光膜３０ａを通過する際に、Ｓ偏光は吸収され、Ｐ偏光は高い透過率で通過する。ここで、偏光フィルター３０は、透過型であり、外界光ＯＬは、殆ど反射されない。透過型偏光膜３０ａを通過した光ＯＬ１は、Ｐ偏光のみであり、シースルーミラー２３の反射型偏光膜２３ａを高い透過率で通過する。反射型偏光膜２３ａを通過した光ＯＬ２は、装着者ＵＳの眼ＥＹに入射する。これにより、装着者ＵＳは、光ＯＬ２に対応する外界像に重ねて、画像光ＭＬに対応する映像を観察することができる。この際、偏光フィルター３０及びシースルーミラー２３を介しての外界光ＯＬの透過率は５０％程度とすることができる。一方で、外界光ＯＬが偏光フィルター３０によって殆ど反射されないことから、偏光フィルター３０の凸状の表面に外光パターンが縮小された状態で映されてキラキラと光って見えてしまう現象が抑制される。これにより、ＨＭＤ２００又は虚像表示装置１００の装着時に高輝度パターンが映る外観の違和感を防止できるだけでなく、装着者と対面する者との間でのアイコンタクトを容易にすることになる。なお、反射型偏光子２３ｐの透過軸と透過型偏光子３０ｐの透過軸とが上下方向に延びることで、偏光フィルター３０が左右方向又は横のＳ偏光を若干反射し或いは透過させるものであっても、外界光ＯＬに水面での反射光のように横の偏光が多く含まれる場合に、偏光フィルター３０の表面がキラキラ光ることを効果的に抑制することができる。

外界光ＯＬがシースルーミラー２３の下部に直接入射した場合、外界光ＯＬのうちＰ偏光は、シースルーミラー２３の反射型偏光膜２３ａを高い透過率で通過し、外界光ＯＬのうちＳ偏光は、反射型偏光膜２３ａによって比較的高い反射率で反射される。反射型偏光膜２３ａを透過したＰ偏光の光ＯＬ３は、装着者ＵＳの眼ＥＹに入射する。一方、反射型偏光膜２３ａで反射されたＳ偏光の光ＯＬ４は、偏光フィルター３０に裏側から入射した場合、透過型偏光膜３０ａに吸収され、外界側には出射されない。

図４は、図３に示す偏光フィルター３０やシースルーミラー２３を通過する外界光ＯＬの電界を具体的に説明する図である。図中で、ｘ、ｙ、及びｚは、外界光ＯＬの進行方向を基準とする局在的な座標系であり、±ｘ方向は、左右方向を示し、±ｙ方向は、上下方向を示し、＋ｚ方向は、光の伝搬方向を示す。図３に示す外界光ＯＬが－Ｚ方向に伝搬する場合、＋ｘ方向は、－Ｘ方向に対応し、＋ｙ方向は、＋Ｙ方向に対応し、＋ｚ方向は、－Ｚ方向に対応するものとなる。外界光ＯＬは、偏光に偏りがない場合、ｙｚ面に平行な振幅を有する直線偏光成分つまり上下方向のＰ偏光と、ｘｚ面に平行な振幅を有する直線偏光成分つまり左右方向のＳ偏光とを含む。外界光ＯＬが外空間ＯＡから偏光フィルター３０に入射した場合、偏光フィルター３０を通過してこれから＋ｚ方向に出射する光ＯＬ１は、上下方向のＰ偏光のみとなり、或いは上下方向のＰ偏光と左右方向の微弱なＳ偏光とを含むものとなる。偏光フィルター３０を通過した光ＯＬ１がシースルーミラー２３に入射した場合、シースルーミラー２３を通過して内空間ＩＡに出射する光ＯＬ２は、上下方向のＰ偏光のみとなる。シースルーミラー２３で微弱なＳ偏光が－ｚ方向に反射されても、偏光フィルター３０によって殆ど吸収される。

図２に戻って、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。

図５は、図３等に示すシースルーミラー２３の変形例を説明する図である。この場合、シースルーミラー２３には、反射面２３ｃとして、半透過ミラー膜２３ｒが形成されている。半透過ミラー膜２３ｒは、非偏光型の反射特性及び透過特性を有し、例えば膜厚を調整したＡｌ、Ａｇ等の金属の単層膜又は多層膜で形成される。半透過ミラー膜２３ｒは、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てもよい。この場合、偏光フィルター３０を通過した外界からの光ＯＬ１は、半透過ミラー膜２３ｒを部分的に透過し部分的に反射される。半透過ミラー膜２３ｒの透過率が５０％である場合、シースルーミラー２３を通過して瞳位置ＰＰ側に出射される光ＯＬ２は、元の外界光ＯＬの１／４程度の強度を有するものとなる。また、半透過ミラー膜２３ｒで反射されて偏光フィルター３０を通過し、外界側に出射される光ＯＬ５も、元の外界光ＯＬの１／４程度の強度を有するものとなる。なお、表示素子１１からの画像光ＭＬが偏光に関して偏りを持たない場合、シースルーミラー２３を通過したＰ偏光の画像光ＭＬは、偏光フィルター３０も通過するが、Ｓ偏光の画像光ＭＬは、偏光フィルター３０で遮断される。結果的に、画像光ＭＬの外界側への漏れ出しを抑制することができる。

図６は、図３等に示す偏光フィルター３０の変形例を説明する図である。偏光フィルター３０は、平板領域ＦＡを有する。透過型偏光膜３０ａは、平板領域ＦＡに形成されている。この場合、透過型偏光膜３０ａをシート状に形成して板状体３０ｂに貼り付けることが容易になる。

以上で説明した第１実施形態の虚像表示装置１００によれば、部分透過ミラー１２３の外側に透過型偏光子３０ｐが配置されているので、透過型偏光子３０ｐは、外界光ＯＬのうち特定方向の偏光が部分透過ミラー１２３を透過して瞳位置ＰＰに入射することを許容しつつ、外界光ＯＬのうち特定方向やこれに直交する方向の偏光が反射されることを抑制するので、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。

特に、第１実施形態では、部分透過ミラー１２３が反射型偏光子２３ｐを有し、反射型偏光子２３ｐの外側に反射型偏光子２３ｐと透過軸を一致させた透過型偏光子３０ｐが配置されている。この場合、部分透過ミラー１２３において外界光のうち特定方向の偏光を無駄なく透過させることができる。

上記実施形態では、反射型偏光子２３ｐの透過軸と透過型偏光子３０ｐの透過軸とが上下方向つまり±Ｙ方向に平行になるようにしているが、反射型偏光子２３ｐの透過軸と透過型偏光子３０ｐの透過軸とを一致させるとは、反射型偏光子２３ｐの透過軸と透過型偏光子３０ｐの透過軸とが±４５°以下の角度をなすことを意味する。つまり、反射型偏光子２３ｐの透過軸と透過型偏光子３０ｐの透過軸とが４５°の角度をなしていても、両者の透過軸が一致している。ただし、外界光ＯＬの観察を容易にする観点からは、反射型偏光子２３ｐの透過軸と透過型偏光子３０ｐの透過軸とがなす角度が±２０°以下望ましくは±１０°以下となるようにすることで、外界光ＯＬを効率よく瞳位置ＰＰに入射させることができる。さらに、上記実施形態では、反射型偏光子２３ｐ及び透過型偏光子３０ｐの透過軸が上下方向つまり±Ｙ方向に平行になっているが、反射型偏光子２３ｐ及び透過型偏光子３０ｐの透過軸が左右方向つまり±Ｘ方向に平行になるようにしてもよい。

〔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。

図７は、第２実施形態の虚像表示装置における第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。この場合、シースルーミラー２３が、第１実施形態の偏光フィルター３０（図２参照）を一体的に組み込んだものとなっている。具体的には、板状体２３ｂの眼ＥＹ側に反射型偏光膜２３ａが形成され、板状体２３ｂの外界側に透過型偏光膜３０ａが形成されている。シースルーミラー２３又は部分透過ミラー２２３において、基材である板状体２３ｂの内側に設けられた反射型偏光膜２３ａは、反射型偏光子２３ｐとして機能し、基材である板状体２３ｂの外側に貼り付けられた透過型偏光膜３０ａは、透過型偏光子３０ｐとして機能する。

図８に示すように、第２実施形態の虚像表示装置において、シースルーミラー２３又は部分透過ミラー２２３の外側から外界光ＯＬが入射した場合、外界光ＯＬが偏光フィルター３０の透過型偏光膜３０ａを通過する際に、Ｓ偏光は吸収され、Ｐ偏光は高い透過率で通過する。つまり、外界光ＯＬは、偏光フィルター３０によって殆ど反射されない。本実施形態のように、シースルーミラー２３の表面に反射型偏光膜２３ａが形成されることで、部分透過ミラー２２３と透過型偏光子３０ｐとが一体化し、虚像表示装置１００の構造が簡単化されている。第１実施形態の場合と同様に、シースルーミラー２３の透過型偏光膜３０ａを通過した光ＯＬ１は、Ｐ偏光のみであり、反射型偏光膜２３ａを高い透過率で通過する。反射型偏光膜２３ａを通過した光ＯＬ２は、装着者ＵＳの眼ＥＹに入射する。

〔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。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。

図９は、第３実施形態の虚像表示装置における第１表示装置１００Ａの光学的構造を説明する側方断面図であり、図１０は、シースルーミラー２３を説明する部分拡大断面図である。この場合、シースルーミラー２３又は部分透過ミラー３２３は、基材である板状体２３ｂと、板状体２３ｂの眼ＥＹ側に設けられた半透過ミラー膜３２３ｒと、板状体２３ｂの外界側に設けられたλ/４波長板３３４と、λ/４波長板３３４の外界側に形成された透過型偏光膜３０ａとを備える。半透過ミラー膜３２３ｒと、透過型偏光子３０ｐである透過型偏光膜３０ａとの間には、λ/４波長板３３４が配置されている。半透過ミラー膜３２３ｒは、非偏光型の反射特性及び透過特性を有し、例えば膜厚を調整したＡｌ、Ａｇ等の金属の単層膜又は多層膜で形成される。λ/４波長板３３４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、透過型偏光子３０ｐとλ/４波長板３３４とが円偏光フィルターのように機能し、外界光ＯＬが透過型偏光子３０ｐを介して部分透過ミラー３２３に入射し、裏面の半透過ミラー膜３２３ｒで反射されて逆行する反射光が形成されても、このような反射光が透過型偏光子３０ｐを通過することが抑制される。すなわち、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、外界光ＯＬは、透過型偏光膜３０ａを通過することによってＰ偏光のみとなる。透過型偏光膜３０ａを通過した光ＯＬ１は、λ/４波長板３３４を透過する際に円偏光となり、半透過ミラー膜３２３ｒで反射される。半透過ミラー膜３２３ｒで反射された光ＯＬ１'は、λ/４波長板３３４を再度透過する際にＳ偏光となるので、透過型偏光膜３０ａで吸収され、外界側には出射されない。

なお、透過型偏光膜３０ａを通過した光ＯＬ１のうち、λ/４波長板３３４を通過して半透過ミラー膜３２３ｒに入射し、半透過ミラー膜３２３ｒを部分的に通過した円偏光は、光ＯＬ２として瞳位置ＰＰに入射する。

図１１は、図１０に示すシースルーミラー２３又は部分透過ミラー３２３を通過する外界光ＯＬの電界を具体的に説明する図である。図１１中の領域Ａ１に示すように、外界光ＯＬが部分透過ミラー３２３に入射した場合、透過型偏光膜３０ａを通過して＋ｚ方向に出射する光ＯＬ１は、上下方向のＰ偏光となる。Ｐ偏光の光ＯＬ１は、λ/４波長板３３４に入射することにより、進相軸に平行な第１成分Ｃ１と遅相軸に平行な第２成分Ｃ２とを含むものとなる。光ＯＬ１は、λ/４波長板３３４を通過する際に、複屈折の作用によって第１成分Ｃ１と第２成分Ｃ２との間にπ／２の位相差が生じることから、円偏光となる。λ/４波長板３３４を通過した光ＯＬ１は、半透過ミラー膜３２３ｒに入射して部分的に透過する。半透過ミラー膜３２３ｒを通過して内空間ＩＡに出射する光ＯＬ２は、円偏光Ｃである。

図１１中の領域Ａ２に示すように、半透過ミラー膜３２３ｒで反射された光ＯＬ１'は、λ/４波長板３３４を逆行する際にπの位相差が生じてＳ偏光となるので、透過型偏光膜３０ａを通過する際に吸収され、外空間ＯＡには出射されない。なお、図１１中の領域Ａ２では、半透過ミラー膜３２３ｒでの反射によって電磁波の位相が反転していないが、図１１中の領域Ａ３に示すように半透過ミラー膜３２３ｒでの反射によって電磁波の位相が反転する場合であっても、半透過ミラー膜３２３ｒで反射された光ＯＬ１'は、λ/４波長板３３４を逆行する際に同様にＳ偏光となり、外空間ＯＡには出射されない。

図１０に示す例では、板状体２３ｂの裏面上に半透過ミラー膜３２３ｒを形成しているが、板状体２３ｂを省略し、λ/４波長板３３４の裏面上に半透過ミラー膜３２３ｒを形成してもよい。

図１２は、図１０等に示すシースルーミラー２３の変形例を説明する図である。この場合、シースルーミラー２３又は部分透過ミラー３２３は、板状体２３ｂと、反射型偏光膜２３ａと、λ/２波長板３３５と、透過型偏光膜３０ａとを備える。透過型偏光膜３０ａの透過軸は、左右方向としている。これにより、透過型偏光膜３０ａを通過して＋ｚ方向に出射する光ＯＬ１は、λ/２波長板３３５を通過する際に、複屈折の作用によって、Ｐ偏光となる。λ/２波長板３３５を通過した光ＯＬ１は、反射型偏光膜２３ａを殆ど透過し、シースルーミラー２３の内側に光ＯＬ２として出射される。このため、外界光ＯＬは、シースルーミラー２３によって殆ど反射されない。

〔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。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。

図１３に示すように、第４実施形態の虚像表示装置１００は、表示素子１１と結像光学系２０と偏光フィルター３０とを備え、結像光学系２０は、投射光学系１２とハーフミラー４０とシースルーミラー２３とを有する。ハーフミラー４０は、平行平板上に半透過性を有する反射層からなるミラー膜４０ａを形成したものである。ミラー膜４０ａは、画像光ＭＬに対して５０％程度の反射率を示す。シースルーミラー２３には、反射型偏光膜２３ａすなわち反射型偏光子２３ｐが形成され、偏光フィルター３０には、透過型偏光膜３０ａすなわち透過型偏光子３０ｐが形成されている。なお、ハーフミラー４０のミラー膜４０ａは、例えば反射型偏光膜すなわち反射型偏光子４０ｐとすることができる。

虚像表示装置１００において、表示素子１１からの画像光ＭＬは、投射光学系１２を経ることで一旦結像され、ハーフミラー４０で反射されて、シースルーミラー２３に入射する。シースルーミラー２３に入射した画像光ＭＬのうちＳ偏光は、反射されてコリメートされ、ハーフミラー４０を透過して瞳位置ＰＰに入射する。

この場合も、第１実施形態等の場合と同様に、外界光ＯＬが偏光フィルター３０によって殆ど反射されないことから、偏光フィルター３０の凸状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現象が抑制される。

図１４は、図１３に示す第４実施形態の虚像表示装置１００の変形例を示す。この場合、ハーフミラー４０を省略して投射光学系１２を経た画像光ＭＬをシースルーミラー２３に直接入射させている。シースルーミラー２３の反射型偏光膜２３ａは、ホログラムミラーであってもよい。

〔第５実施形態〕
以下、本発明の第５実施形態に係る虚像表示装置について説明する。第５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。

図１５に示すように、第５実施形態の虚像表示装置１００は、偏光フィルター３０をＺ軸の周りに回転させる回転機構７０を有する。偏光フィルター３０の回転軸は、偏光フィルター３０の中央部において、その接平面に垂直に設定される。偏光フィルター３０の回転角度を調整することで、反射型偏光膜２３ａの透過軸と、透過型偏光膜３０ａの透過軸との角度関係を調整でき、外界光ＯＬに対する偏光フィルター３０の透過率の調整が可能になる。

〔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。

偏光フィルター３０の外界側の表面上に偏光解消膜を設けることもできる。この場合、外界側に偏光を利用したディスプレイが存在し、透過型偏光膜３０ａの吸収軸がこのようなディスプレイの表示光の偏光方向と一致する場合であっても、虚像表示装置１００越しにこの種のディスプレイの表示内容を観察可能になる。

偏光フィルター３０の透過型偏光膜３０ａは、全体的に一様な消光比の特性を有するものに限らず、消光比の分布パターンを有するものであってもよい。

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。

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、部分透過ミラーの外側に透過型偏光子が配置されている。

上記虚像表示装置では、部分透過ミラーの外側に透過型偏光子が配置されているので、透過型偏光子は、外界光のうち特定方向の偏光が部分透過ミラーを透過して瞳位置に入射することを許容しつつ、外界光のうち特定方向やこれに直交する方向の偏光が反射されることを抑制するので、部分透過ミラー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。

具体的な側面において、部分透過ミラーは、反射型偏光子を有し、反射型偏光子の外側に反射型偏光子と透過軸を一致させた透過型偏光子が配置されている。この場合、部分透過ミラーにおいて外界光のうち特定方向の偏光を無駄なく透過させることができる。

具体的な側面において、部分透過ミラーの外側に、透過型偏光子として透過型偏光膜を設けたカバー部材を備える。この場合、部分透過ミラーの外側に透過型偏光膜の支持体としても機能するカバー部材を部分透過ミラーとは別に設けたものとなる。

具体的な側面において、部分透過ミラーにおいて、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り、透過型偏光子は、基材の外側に貼り付けられた透過型偏光膜である。この場合、部分透過ミラーと透過型偏光子とが一体化し、虚像表示装置の構造を簡単化することができる。

具体的な側面において、部分透過ミラーは、半透過ミラー膜を有し、半透過ミラー膜と透過型偏光子との間にλ/４波長板が配置されている。この場合、透過型偏光子とλ/４波長板とが円偏光フィルターのように機能し、外界光が透過型偏光子を介して部分透過ミラーに入射しても、部分透過ミラーで反射されて逆行する反射光が透過型偏光子を通過することが抑制される。

具体的な側面において、透過型偏光子は、λ/４波長板の外側に貼り付けられた透過型偏光膜である。この場合、部分透過ミラーとλ/４波長板と透過型偏光子とが一体化し、虚像表示装置の構造を簡単化することができる。

具体的な側面において、透過型偏光子の透過軸は、上下方向に延びる。この場合、水面での反射光のように横の偏光が多い場合に、部分透過ミラーがキラキラ光ることを効果的に抑制することができる。

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。

具体的な側面において、投射光学系は、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。

具体的な側面において、部分透過ミラーは、光軸が所定角度上向きとなるように画像光を反射する。この場合、人間の視線が若干の伏し目状態で安定することに対応させて虚像の投影方向を下側寄りに設定することができる。

１１…表示素子、１２…投射光学系、２０…結像光学系、２１…投射レンズ、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、２３ｒ…半透過ミラー膜、３０…偏光フィルター、３０ａ…透過型偏光膜、３０ｉ…内側面、３０ｐ…透過型偏光子、４０…ハーフミラー、７０…回転機構、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…カバー部材、１２３，２２３，３２３…部分透過ミラー、３２３ｒ…半透過ミラー膜、３３４…λ／４波長板、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

Claims (10)

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の外側に透過型偏光子が配置されている、
   虚像表示装置。
2. 前記部分透過ミラーは、反射型偏光子を有し、
   前記反射型偏光子の外側に前記反射型偏光子と透過軸を一致させた透過型偏光子が配置されている、請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記部分透過ミラーの外側に、前記透過型偏光子として透過型偏光膜を設けたカバー部材を備える、請求項２に記載の虚像表示装置。
4. 前記部分透過ミラーにおいて、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り、前記透過型偏光子は、前記基材の外側に貼り付けられた透過型偏光膜である、請求項２に記載の虚像表示装置。
5. 前記部分透過ミラーは、半透過ミラー膜を有し、
   前記半透過ミラー膜と前記透過型偏光子との間に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。
6. 前記透過型偏光子は、前記λ/４波長板の外側に貼り付けられた透過型偏光膜である、請求項５に記載の虚像表示装置。
7. 前記透過型偏光子の透過軸は、上下方向に延びる、請求項１～６のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
8. 前記部分透過ミラーは、凹面ミラーである、請求項１～６のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
9. 前記投射光学系は、前記第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１～６のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
10. 前記部分透過ミラーは、光軸が所定角度上向きとなるように前記画像光を反射する、請求項１～６のいずれか一項に記載の虚像表示装置。

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