JP5957972B2 - 虚像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、頭部に装着して使用するヘッドマウントディスプレイ等の虚像表示装置に関する。

近年、ヘッドマウントディスプレイのように虚像の形成及び観察を可能にする虚像表示装置として、画像光を走査させて眼の網膜に画像を投影するものが種々提案されており（特許文献１〜３参照）、特に、虚像を形成する画像光と外界からの光である外界光とを重畳させるために、シースルーにしたものが提案されている（例えば特許文献１参照）。

しかし、観察者である装着者が近視等であり、外界光を観察するには眼鏡等の視度調整のための器具を用いて視力の矯正を必要とする場合、虚像を形成させるための装置が特許文献１〜３のようなものであると、眼鏡等を装用した状態から、さらに当該装置を装着することになる。このような場合、像形成用の装置側において眼鏡用の空間を確保することになるため大型化する必要が生じ、これに伴って像形成用の装置の重量が大きくなり装着時に掛かる負荷が増したり、外観のデザインが制限されたりする可能性がある。

特開２００７−１７８９４１号公報 再表ＷＯ２００９／０４１０５５号公報 特表２００７−５３７４６５号公報

本発明は、画像光と外界光とを並行して観察する場合において、外界光の観察のための視度調整を可能とし、かつ、装置の大型化を抑制できる虚像表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の虚像表示装置は、（ａ）画像に対応して変調された信号光を射出する信号光変調部と、（ｂ）信号光変調部から入射した信号光を走査させることにより、走査光として射出させる走査光学系と、（ｃ）走査光学系からの走査光の照射を受けて虚像を形成する虚像形成部材と、（ｄ）外界を見るために視度を調整する視度調整部材と、を備え、（ｅ）視度調整部材が、虚像形成部材よりも装着者の眼に対して外側に位置するように配置されている。

上記虚像表示装置では、装着者は、虚像形成部材等によって形成される画像光と視度調整部材を透過してくる外界光とを並行して観察可能となる。この際、外界を見るにあたって、虚像形成部材よりも外側に位置するように配置されている視度調整部材によって視度調整が可能となっている。従って、例えば眼鏡等の視度調整部材を装用した状態からさらに像形成用の装置を装着するという構成を取らずに済むため、装置の大型化が抑制される。

本発明の具体的な側面では、虚像形成部材が、走査光学系から射出された走査光を受けて虚像を形成するとともに、外界光を通過させて、走査光による虚像の観察と外界光の観察とを可能にする半透過膜を有する。この場合、半透過膜を用いることで、虚像と外界像とを重畳させた状態で認識できるシースルーの構成とすることができる。

本発明の別の側面では、視度調整部材が、虚像形成部材を覆うように互いに近接して配置されている。ここで、覆うように互いに近接する配置とは、視度調整部材と虚像形成部材とが互いに近づいて隣接した状態で視度調整部材が虚像形成部材を覆っている場合に限らず、両部材が一体となった状態で度調整部材が虚像形成部材を覆っている場合も含むものとする。この場合、装着者の眼前部分の構成をコンパクトにまとめることができる。

本発明のさらに別の側面では、走査光学系が、装着時に装着者の眼よりも鼻側に位置するように配置され、かつ、虚像形成部材よりも装着者に対して近くに位置するように配置される。この場合、装着した状態での装置の側方側や前方側への過度の張出しを抑制して、装置の重心の偏りによる重量感の増大を抑制し、かつ、デザインの自由度を高めることができる。

本発明のさらに別の側面では、虚像形成部材が、視度調整部材の表面のうち装着時において装着者側となる内面上に位置するように一体的に形成されている。この場合、装置の軽量化・小型化を図ることができ、かつ、虚像形成部材と視度調整部材との間に隙間がない状態にすることで、虚像や外界像をより良好にできる。

本発明のさらに別の側面では、虚像形成部材が、視度調整部材に支持される被照射膜である。この場合、薄い膜状の虚像形成部材を、視度調整部材によって支持して安定させることができる。

本発明のさらに別の側面では、視度調整部材が、着脱可能に取り付けられる。この場合、矯正の度合が異なる装着者に応じて、矯正度合の適合する視度調整部材を選択できる。

本発明のさらに別の側面では、虚像形成部材が、走査光の照射を受ける被照射膜と、被照射膜を支持する支持部材とを有する。この場合、支持部材に十分な強度を有する材料を用いることで、視度調整部材が存在しない状態であっても、虚像表示装置によって画像光を形成させ、虚像を観察可能にできる。なお、支持部材は、光透過性を有し、視度を実質的に有しないことが望ましい。

本発明のさらに別の側面では、虚像形成部材が、走査光学系から照射された走査光によって虚像を形成する回折格子を有する。この場合、回折格子を用いることで、膜状の部材で機能を達成できるため、デザインの自由度を確保しつつ画像光を形成することが可能となり、また、透明基板に回折格子を取り付けることで、虚像と外界像とを重畳して認識できるシースルーの構成とすることができる。

本発明のさらに別の側面では、装着者の眼幅に応じて、装着時における装着者の眼の位置に対して、走査光学系、虚像形成部材及び視度調整部材のうち少なくとも走査光学系及び虚像形成部材を一体として可動にする眼幅調整部をさらに有する。この場合、眼幅の個人差に対応して、虚像形成部材と視度調整部材との相対的な位置関係を一定に保ちつつ、眼幅に関する位置合わせをすることができる。

本発明のさらに別の側面では、信号光変調部が、Ｒ光、Ｇ光及びＢ光を合成した合成光を信号光として形成する合成光形成部と、合成光形成部で形成された信号光を走査光学系に伝搬させる光ファイバーとを有し、信号光変調部において、合成光形成部が、耳側に対応する位置に配置され、光ファイバーが、装着時において装着者の顔面形状に沿って耳の周辺から眼の周辺を経由して鼻の周辺に向かう経路に沿って延びて合成光形成部から走査光学系へ変調された信号光を伝搬させる。この場合、装置全体としての重量を分散させることができ、装着者に掛かる装置による負荷を分散し装置の重心を調整することで装着中の重量感を軽減し、より快適に視聴を行うことができる。また、光ファイバーが側方側や前方側への張り出すことを抑制して、装置全体としてのデザインの自由度を高めることができる。

第１実施形態に係る虚像表示装置を示す図である。 （Ａ）は、視度調整部材を取り付ける前の虚像表示装置の構造を示す断面図であり、（Ｂ）は、視度調整部材を取り付けた後の虚像表示装置の構造を示す断面図である。 虚像表示装置を装着した状態を模式的に示す正面図である。 （Ａ）は、光射出装置の構造の一例について説明するための図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示す光射出装置を別方向から見た図である。 第２実施形態に係る虚像表示装置を示す図である。 第３実施形態に係る虚像表示装置を示す図である。 第４実施形態に係る虚像表示装置を示す図である。 第５実施形態に係る虚像表示装置を示す図である。 光射出装置の構造の一例について説明するための模式的な図である。 他の虚像表示装置の一例を示す図である。

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。

図１に示す実施形態の虚像表示装置１００は、眼鏡のような外観を有するヘッドマウントディスプレイであり、この虚像表示装置１００を装着した観察者となるべき装着者に対して虚像による画像光を認識させることができるとともに、装着者に外界像をシースルーで観察させることができる。図１では、装着者が虚像表示装置１００を装着した状態を一部拡大して示しており、虚像表示装置１００は一部省略したものとなっている。具体的には、第１表示装置１００Ａは、虚像表示装置１００のうち右眼用の虚像を形成する部分である。虚像表示装置１００は、右眼用の第１表示装置１００Ａと左眼用の第２表示装置とを一対とするものであるが、第２表示装置は、第１表示装置１００Ａと同様の構造を有し左右を反転させただけであるので、図示を省略している。なお、第１表示装置１００Ａは、単独でも虚像表示装置として機能する。

ここで、図示の状態において、装着者にとって真正面の方向が光軸ＯＡの方向であり、光軸ＯＡが虚像表示装置１００側から装着者側に向かう方向を＋Ｘ方向とし、装着者にとっての上下方向を±Ｙ方向とし、左右方向を±Ｚ方向とする。

以下、第１表示装置１００Ａの構造の一例について説明することで、虚像表示装置１００の構造の一例を説明する。第１表示装置１００Ａは、信号光を形成するとともに当該信号光を走査光ＳＬとして射出するための光射出装置１０と、光射出装置１０からの走査光ＳＬを受けて画像光ＰＬを形成する被照射部材である虚像形成部材２０と、外界光ＯＬを通過させるとともにその光路を装着者の視力に合わせて調整する視度調整部材３０とを備える。光射出装置１０は、装着者の鼻ＮＳ周辺に配置され、虚像形成部材２０は、光射出装置１０の前方側（−Ｘ側）において装着者の眼ＥＹの前方を覆うように配置されている。さらに、視度調整部材３０は、虚像形成部材２０の前方側（−Ｘ側）において、虚像形成部材２０の前方を覆うように近接して配置されている。言い換えると、視度調整部材３０は、光軸ＯＡに沿った方向に関して虚像形成部材２０によりも装着者の眼ＥＹに対して遠方側すなわち外側に虚像形成部材２０に近接して位置するように配置されている。なお、詳しくは図２（Ｂ）等により後述するが、虚像形成部材２０は、装置全体の外観を構成するフレームＦＬに固定的に取り付けられているのに対して、視度調整部材３０は、フレームＦＬに取り換え可能に取り付けられている。

図２（Ａ）において一部拡大して示すように、虚像形成部材２０は、走査光の照射を受ける被照射膜（半透過膜）である半透過反射膜２０ａと、半透過反射膜２０ａを支持固定する支持部材２０ｂとを有する透明基材である。つまり、虚像形成部材２０は、樹脂製の透明基板である支持部材２０ｂ上に半透過反射膜２０ａを有して構成されるハーフミラーである。なお、支持部材２０ｂは、半透過反射膜２０ａを支持可能とするのに十分な強度を有しており、略一定の厚さを有することで、透過させる外界光ＯＬ（図１参照）の光路に対しては、何ら影響を及ぼさない、すなわち実質的に視度を有しないものである。

虚像形成部材２０は、ホルダＨＤによってフレームＦＬに組み付けられ固定されている。なお、虚像形成部材２０は、図１に示すように、装着者の眼ＥＹの前方であって光射出装置１０よりも装着者に対して遠方側（−Ｘ側）に位置するように配置されている。逆に言えば、光射出装置１０は、光軸ＯＡに沿った方向に関して虚像形成部材２０よりも装着者に近い側に配置されている。つまり、装着者の眼ＥＹと虚像形成部材２０との間に光射出装置１０が配置されている。

虚像形成部材２０は、装着者の眼ＥＹを前方から覆うのに十分な大きさを有しており、光射出装置１０の走査光学系１２から−Ｘ方向に傾いて照射された走査光ＳＬを受け、これを反射することで虚像を形成し、装着者に認識させるものとなっている。なお、虚像形成部材２０の形状は、虚像表示装置１００の外観すなわちフレームＦＬの形状に沿った形状を有している。

また、光を透過させるハーフミラーである虚像形成部材２０は、厚さの略均一な板状の部材であり、実質的に視度がない。従って、上記のようにして虚像を形成するだけでなく、視度調整部材３０を経た外界光ＯＬについて光路を変更させることなくこれを通過させるものとなっている。つまり、装着者の眼ＥＹには、虚像のみならず、外界からの光も入ることになり、虚像表示装置１００は、双方を重畳して観察可能にするシースルーの構成となっている。

視度調整部材３０は、視度調整（視力矯正）用の樹脂製レンズである。すなわち、視度調整部材３０が外界光ＯＬを装着者の視力に応じて屈折させることにより、装着者は、外界像を鮮明な状態で観察することができる。装着者によって異なる矯正の度合に対応させるため、図２（Ａ）及び２（Ｂ）に示すように、虚像表示装置１００において、視度調整部材３０は、取り外しすなわち付け替えが可能なものとなっている。なお、図示のように、視度調整部材３０は、虚像形成部材２０に略沿った形状を有している。つまり、視度調整部材３０も、虚像形成部材２０と同様に、フレームＦＬの形状に沿った形状を有している。

以下、図２（Ａ）及び２（Ｂ）を用いて、虚像表示装置１００のうち視度調整部材３０を含む眼前部分ＦＰの構造について説明する。まず、図２（Ａ）に示すように、虚像形成部材２０と視度調整部材３０とのうち、視度調整部材３０が取り付けられる前の状態では、虚像表示装置１００において、眼前部分ＦＰに虚像形成部材２０のみがホルダＨＤによってフレームＦＬの定位置に固定され組み付けられている。なお、支持部材２０ｂに十分な強度を有する材料を用いることで、視度調整部材３０が存在しない状態であっても、虚像表示装置１００は、画像光の形成が可能であり、例えば視力の矯正を要しない者であれば、図２（Ａ）に示す状態であっても虚像表示装置１００を使用して、シースルー観察ができる。

これに対して、図２（Ｂ）に示すように、光軸ＯＡに沿った方向に関して虚像形成部材２０よりも装着者に対して遠方側すなわち外側に位置するように視度調整部材３０が取り付けられた状態では、視度調整された状態となることで、視力の矯正を要する装着者であっても、外界像を鮮明な状態で観察することができる。なお、図２（Ｂ）において、視度調整部材３０は、ホルダＨＤによって虚像形成部材２０に近接した状態で配置されるような位置で固定されている。

ここで、視度調整部材３０となるべき部材は、装着者の矯正の度合に応じて調整されている。このため、例えば視度調整部材３０となるべき部材は、複数用意されていてもよい。より具体的には、虚像表示装置１００の購入時に、複数用意されたレンズの中から自己の視力にあった適合する矯正度合のレンズを視度調整部材３０として選択するものとしてもよく、複数の装着者が虚像表示装置１００を使用する場合には、個々人の視力に応じて適合する矯正度合のレンズを視度調整部材３０として選択するものとしてもよい。つまり、装着者は、自己の視力に基づいて、複数準備されたレンズの中から適した矯正度合のレンズを視度調整部材３０として適宜選択することができる。以上のように、視度調整部材３０をフレームＦＬに対して着脱可能としている場合、矯正の度合が異なる装着者に応じて最適な矯正度合のレンズを選択することができる。

なお、上記では、視度調整部材３０が取り換え可能であるものとしているが、装着者の視力の矯正度合に適合する一のレンズを視度調整部材３０として一旦選択したら、これをフレームＦＬに固定して組み付け、以後は取り外さない構成としてもよい。

また、装着者が視力の矯正を要しない者であっても、図２（Ｂ）において、素通しのレンズすなわち調整度ゼロのレンズを視度調整部材３０として選択し、組み付けてもよい。つまり、視度調整部材３０には、調整度のゼロのレンズも含まれる。この場合、視度調整部材３０によって虚像形成部材２０をより確実に保護することができる。また、視度調整部材３０について、種々の機能をさらに付加させることも考えられる。例えば、視度調整部材３０にＵＶカットレンズを使用して眼を紫外線から保護したり、視度調整部材３０がシェードの役割を果たしたりするものとしてもよい。なお、虚像形成部材２０に上記のような機能を持たせることも可能である。例えば、虚像形成部材２０のうち支持部材２０ｂがＵＶカットやシェードの機能をもっていてもよい。

なお、図３は、以上のような虚像表示装置１００を装着した状態を、正面から見た様子を模式的に示すものである。図示の例では、光射出装置１０は、フレームＦＬから延びる支持体ＳＳによって支持されることで、上述したような鼻ＮＳ周辺であって虚像形成部材２０や視度調整部材３０よりも＋Ｘ側の位置に配置されている。なお、図示の例では、フレームＦＬの中央部から延びて虚像形成部材２０を側方から支持する支柱部ＰＰを有し、支柱部ＰＰの先端側には、装着時に虚像表示装置１００を鼻ＮＳで支持可能にするための鼻パッド部ＮＰを有している。

以下、図４（Ａ）等により、光射出装置１０の構造の一例について説明する。光射出装置１０は、図４（Ａ）及び４（Ｂ）に示すように、信号光形成部である信号光変調部１１と、走査光学系１２と、駆動制御回路１３とを有する。なお、虚像表示装置１００に送られる画像や音声に関する各種信号は、虚像表示装置１００のフレームＦＬ（図１参照）中に収納されているケーブル（不図示）によって駆動制御回路１３に伝達される。

図４（Ａ）に示すように、信号光変調部１１は、合成光形成部１１ａと、リレーレンズＭＬとを有する。合成光形成部１１ａは、画像光ＰＬ（図１参照）となるべき信号光ＧＬである合成光を形成する。このため、合成光形成部１１ａは、赤（Ｒ光）、緑（Ｇ光）、及び青（Ｂ光）の各色光を発生させる色光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂと、色光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂを経た各色光を合成するための第１及び第２ダイクロイックミラーＤＭ１，ＤＭ２とを有する。リレーレンズＭＬは、信号光ＧＬの光束状態を調整する。また、走査光学系１２は、リレーレンズＭＬを経た信号光ＧＬを虚像形成部材２０において２次元走査させるスキャン部であるＭＥＭＳミラー部１２ｂを有する。

信号光変調部１１において、各色光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂは、ダイオードレーザ光源又はＬＥＤ光源であり、赤色光源１１ｒは、赤色光を発生させる特定波長帯域の光を射出し、緑色光源１１ｇは、緑色光を発生させる特定波長帯域の光を射出し、青色光源１１ｂは、青色光を発生させる特定波長帯域の光を射出する。各色光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂは、第１ダイクロイックミラーＤＭ１又は第２ダイクロイックミラーＤＭ２の方向に向かうように光束の方向を調整して各色光を射出する。

第１ダイクロイックミラーＤＭ１は、赤色光を発生させる特定波長帯域にある光を透過させるとともに他の特定波長帯域にある光を反射し、第２ダイクロイックミラーＤＭ２は、赤色光及び緑色光を発生させる特定波長帯域にある光を透過させるとともに他の特定波長帯域にある光を反射する。これにより、３色の色光を合成した信号光ＧＬが形成される。

リレーレンズＭＬは、合成光形成部１１ａで形成された合成光である信号光ＧＬの発散角を調整し、走査光学系１２のうちスキャン部であるＭＥＭＳミラー部１２ｂに向けて射出する。

図４（Ｂ）に示すように、走査光学系１２は、ＭＥＭＳミラー部１２ｂと、周辺部材１２ｃとを有する。ＭＥＭＳミラー部１２ｂは、周辺部材１２ｃによって中央部に設けた矩形の孔ＨＬに収められ、任意の方向に傾斜可能となっている。

以下、ＭＥＭＳミラー部１２ｂについて説明する。ＭＥＭＳミラー部１２ｂは、一軸方向について回転可能なＭＥＭＳミラー本体部１２ｘと、ＭＥＭＳミラー本体部１２ｘを囲む枠であるとともに当該一軸方向に垂直な軸方向について回転可能なミラー枠体１２ｙと、ミラー枠体１２ｙに接続する一対の第１軸ＳＨ１と、周辺部材１２ｃに接続する一対の第２軸ＳＨ２とを有している。ＭＥＭＳミラー部１２ｂは、第１軸ＳＨ１の軸方向と第２軸ＳＨ２の軸方向とが互いに垂直であることにより、２軸方向について回転可能となっており、任意の方向に傾斜可能であり、射出するビームである走査光ＳＬの２次元走査を可能にしている。

以下、画像形成の動作について説明する。図４（Ａ）に示すように、まず、光射出装置１０のうち、信号光変調部１１は、信号光ＧＬを形成し、射出する。射出された信号光ＧＬは、リレーレンズＭＬに入射し、リレーレンズＭＬを経た信号光ＧＬは、スキャン部であるＭＥＭＳミラー部１２ｂに入射する。ＭＥＭＳミラー部１２ｂは、信号光ＧＬを、走査光ＳＬとして虚像形成部材２０に向けて射出する。虚像形成部材２０において、ＭＥＭＳミラー部１２ｂにより走査光ＳＬを走査させて入射させることで、図１に示す画像光ＰＬによって虚像が形成され、この虚像を装着者が眼ＥＹで捉えることで、画像が認識される。

なお、駆動制御回路１３は、走査光学系１２を用いた虚像形成部材２０上での走査光ＳＬの照射動作において、光射出装置１０と虚像形成部材２０との位置関係や虚像形成部材２０の被照射領域の形状を加味してＭＥＭＳミラー部１２ｂを制御している。上記のように、虚像形成部材２０は、上記のように、フレームＦＬに合わせて曲がった形状を有しており、これに対応して走査を行うことで、虚像の形成において歪み等が生じないようにしている。

また、上記のような虚像の形成に際して、装着者にピントの合った虚像を見せる方法は、いくつかある。まず、１つの方法として、駆動制御回路１３によって光射出装置１０を動作させ、虚像の位置を光軸方向について変化させる、すなわち眼ＥＹに入る光の平行度を変化させることで、装着者の視度に合わせて裸眼視できるように調整を行うことができる。また、別の方法として、上記のようなスキャンタイプにおいて、画像光のビーム径を十分細いものとしておくことで、Ｆナンバーを大きくし、焦点深度を大きくし、ボケの無い画像を形成できる。この場合、視力の矯正を要する人も要しない人も虚像による画像を観察できる、すなわち視度調整が必要ないことになる。

以上のように、本実施形態に係る虚像表示装置１００では、光射出装置１０及び虚像形成部材２０によって形成される画像光ＰＬと視度調整部材３０及び虚像形成部材２０を透過してくる外界光ＯＬとを並行してシースルー観察が可能である。この際、外界光ＯＬの観察において、視度調整部材３０によって装着者の視力に応じた視度調整が可能となっている。従って、装着者は眼鏡等の視度調整用の器具を装用することなく、外界光ＯＬの観察が可能となり、虚像表示装置１００の大型化を抑制できる。

また、以上の構成において、視度調整部材３０として、例えばスライド移動可能な２枚のレンズを組み合わせることで視度を変化させることができるものを用いてもよい。この場合、１種類の視度調整部材３０で種々の度合に調整することができる。

また、上述した図４（Ａ）等に示す信号光変調部１１の構造では、合成光形成部１１ａでの信号光ＧＬの形成において各色光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂからの光を合成するものとしているが、これは、本実施形態の信号光形成における一例であり、他の構成によって信号光ＧＬを形成することもできる。

〔第２実施形態〕
以下、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、本実施形態に係る虚像表示装置は、第１実施形態に係る虚像表示装置１００の変形例であり、特に説明しない場合、第１実施形態の虚像表示装置１００と同様であるものとする。

図５に示すように、本実施形態に係る虚像表示装置２００を構成する第１表示装置２００Ａにおいて、虚像形成部材２２０と、視度調整部材２３０とは、一体化したものとなっている。より詳しく説明すると、視度調整部材２３０の表面のうち、装着者側に対向する面である内面２３０ａ上に半透過反射膜２０ａが成膜されており、この半透過反射膜２０ａが虚像形成部材２２０として機能する。言い換えると、虚像形成部材２２０である半透過反射膜２０ａは、視度調整部材２３０に支持される被照射膜である。なお、この場合、虚像形成部材２２０は、ほぼ一様な膜で形成され、視度調整部材２３０のレンズ効果にはほとんど影響を与えないすなわち視度を有しないものとなっている。

以上のように、虚像形成部材２２０は、視度調整部材２３０の表面のうち装着時において装着者側の面である内面２３０ａ上に位置するように視度調整部材２３０と一体的に形成された一部材の構成とすることで、薄い膜状の虚像形成部材２２０を、視度調整部材２３０によって支持して安定させ、装置の軽量化・小型化を図ることができる。また、この場合、虚像形成部材２２０と視度調整部材２３０との間に隙間がない状態にできるので、画像光や外界光に他の不要光が影響を及ぼすといった可能性を低減できる。つまり、虚像形成部材２２０と視度調整部材２３０とを別体とする場合に比べて虚像や外界像の劣化をより抑制できる。なお、半透過反射膜２０ａを視度調整部材２３０の内面２３０ａに密着させた状態となるように接着することで同様の構成としてもよい。

〔第３実施形態〕
以下、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、本実施形態に係る虚像表示装置は、第１実施形態に係る虚像表示装置１００の変形例であり、特に説明しない場合、第１実施形態の虚像表示装置１００と同様であるものとする。

図６に示すように、本実施形態に係る虚像表示装置３００を構成する第１表示装置３００Ａのうち虚像形成部材３２０は、透明基板ＴＰと、ホログラム素子ＨＥとを有する。具体的には、虚像形成部材３２０は、光を通過させる透明基板ＴＰ上に回折格子の一例であるホログラム素子ＨＥが設けられた構成となっている。ホログラム素子ＨＥは、走査光ＳＬが照射される範囲である被照射領域上に形成され、特定波長帯域にある光については回折させ、それ以外の波長帯域にある光については透過する性質を有する半透過膜である。ホログラム素子ＨＥは、特定の波長帯域にある画像光ＰＬについては、回折を利用して入射角度や光束状態を所望のものとなるように調整することで虚像を形成し、広範囲な波長帯域にある外界光ＯＬについては、その成分の大半を通過させる。なお、ホログラム素子ＨＥは、薄い膜状の部材であり、透明基板ＴＰに支持されている。虚像形成部材３２０は、以上のような構成であることから、画像光ＰＬに関してはホログラム素子ＨＥでの回折によって虚像を形成させる一方、外界光ＯＬに関しては透明基板ＴＰ及びホログラム素子ＨＥを通過させるものとなっている。この場合、虚像表示装置３００は、視度調整部材３０と、虚像形成部材３２０を構成する透明基板ＴＰ及びホログラム素子ＨＥとを通過した外界光ＯＬについて認識可能なシースルーの構成となる。また、上記の構成では、薄い膜状の部材であるホログラム素子ＨＥ側において光の射出方向を調整できるので、虚像形成部材３２０形状の自由度を高めることができ、虚像表示装置３００をデザイン性に優れたものとすることができる。

〔第４実施形態〕
以下、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、本実施形態に係る虚像表示装置は、第１実施形態に係る虚像表示装置１００の変形例であり、特に説明しない場合、第１実施形態の虚像表示装置１００と同様であるものとする。

図７に示すように、本実施形態に係る虚像表示装置４００を構成する第１表示装置４００Ａは、装着者の眼幅（人間の両眼間の距離）に応じて、光射出装置４１０、虚像形成部材４２０、及び視度調整部材４３０の位置を調整する眼幅調整部ＳＡを有している。人間の眼幅には、人種や性別あるいは個体間等によって差がある。ここでは、眼幅に相当するものとして、鼻ＮＳから眼ＥＹまでの距離を眼幅調整部ＳＡによって調整可能とすることで、眼幅調整をしている。

眼幅調整部ＳＡは、不図示のスライド機構により、装着者にとっての横方向であるＺ方向について、走査光学系１２を含む光射出装置４１０及び虚像形成部材４２０と、視度調整部材４３０とを一体的に動かすことができる。ここでは、図示のようにＺ方向について調整幅ＤＤの範囲で調整が可能となっている。調整幅ＤＤを一般的な人間の眼幅の差を包含する範囲とすることで、十分な位置調整ができる。以上の眼幅調整部ＳＡによる調整では、光射出装置４１０、虚像形成部材４２０、及び視度調整部材４３０が一体的に移動するものとなっているため、光射出装置４１０側から虚像形成部材４２０への投射状態や、虚像形成部材４２０と視度調整部材４３０との相対的な位置関係を一定に保ちつつ、眼幅の位置合わせをすることができる。

なお、以上では、光射出装置４１０、虚像形成部材４２０、及び視度調整部材４３０の３つについて一体的に移動させるものとしているが、眼幅調整部ＳＡによって少なくとも光射出装置４１０と虚像形成部材４２０とが一体的に移動可能であれば、光射出装置４１０側から虚像形成部材４２０への投射状態は変化しないようにでき、画像形成が確保される。

〔第５実施形態〕
以下、第５実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置は、第１実施形態に係る虚像表示装置１００の変形例であり、特に説明しない場合、第１実施形態の虚像表示装置１００と同様であるものとする。

図８に示すように、本実施形態に係る虚像表示装置５００は、光射出装置５１０と、虚像形成部材２０と、視度調整部材３０とを有する。このうち、光射出装置５１０は、光源部を含む信号光変調部５１１と、スキャン部を含む走査光学系５１２とを有する。信号光変調部５１１は、画像光となるべき合成光を形成するための合成光形成部５１１ａと、光ファイバーＦＢと、リレーレンズＭＬ（図９参照）とを有している。図８に示すように、光射出装置５１０において、合成光形成部５１１ａと走査光学系５１２とが切り離されており、その間を光ファイバーＦＢが繋ぐものとなっている。つまり、光射出装置５１０を構成する部材が分散して配置可能となっている。ここでは、一例として、光ファイバーＦＢは、装着者の顔面形状に沿って耳ＥＡ側から眼ＥＹ周辺を経由して鼻ＮＳ側に向かって延びていることで、耳ＥＡ側にある合成光形成部５１１ａと鼻ＮＳ周辺にある走査光学系５１２とを繋いでいるものとする。

以下、光射出装置５１０の構造を模式的に示した図９を用いて、光射出装置５１０の各部の概要について説明する。まず、光射出装置５１０のうち、信号光変調部５１１は、合成光形成部５１１ａとして、赤、緑、及び青の光源部である３色の色光源５１１ｒ，５１１ｇ，５１１ｂと、各色光源５１１ｒ，５１１ｇ，５１１ｂから射出された色光をそれぞれ集光する集光レンズＣＬｒ，ＣＬｇ，ＣＬｂと、集光レンズＣＬｒ，ＣＬｇ，ＣＬｂを経た各色光を合成するための第１及び第２ダイクロイックミラーＤＭ１，ＤＭ２とを有する。また、信号光変調部５１１は、合成光形成部５１１ａで形成された信号光ＧＬである合成光を走査光学系５１２に伝搬させる光ファイバーＦＢを有する。さらに、信号光変調部５１１は、光ファイバーＦＢで伝搬された光の発散状態を調整するためのリレーレンズＭＬを有する。

光ファイバーＦＢは、信号光変調部５１１側に接続する第１ファイバー端ＥＧ１と、走査光学系５１２側に接続する第２ファイバー端ＥＧ２とを有する。合成光形成部６１１ａから射出された合成光である信号光ＧＬは、一方の端部である第１ファイバー端ＥＧ１から光ファイバーＦＢに取り込まれ、光ファイバーＦＢの内部を伝搬されて、他方の端部である第２ファイバー端ＥＧ２から走査光学系５１２側に配置されるリレーレンズＭＬに向けて射出される。

リレーレンズＭＬは、光ファイバーＦＢを経た信号光ＧＬを、光束の発散状態を調整（例えば平行光束化）して、走査光学系５１２に向けて射出する。

走査光学系５１２は、リレーレンズＭＬを経た信号光ＧＬを走査光ＳＬとして射出し、射出虚像形成部材２０において２次元走査させるスキャン部であるＭＥＭＳミラー部５１２ｂを有する。

以下、画像形成の動作について説明する。まず、光射出装置５１０のうち各色光源５１１ｒ，５１１ｇ，５１１ｂから射出されたダイオードレーザ又はＬＥＤ光は、それぞれ対応する集光レンズＣＬｒ，ＣＬｇ，ＣＬｂにおいて集光され、ダイクロイックミラーＤＭ１，ＤＭ２で合成され、信号光ＧＬである合成光を形成する。合成光である信号光ＧＬは、光ファイバーＦＢの第１ファイバー端ＥＧ１に集光され、結合される。さらに、この信号光ＧＬは、光ファイバーＦＢ内を伝搬され、第２ファイバー端ＥＧ２から射出された後、リレーレンズＭＬに入射する。信号光ＧＬは、リレーレンズＭＬにおいて光束の発散状態を調整され、走査光学系５１２のスキャン部であるＭＥＭＳミラー部５１２ｂに入射する。ＭＥＭＳミラー部５１２ｂは、当該信号光ＧＬを走査光ＳＬとして、ハーフミラーである虚像形成部材２０上を走査させることで、虚像が形成され、当該虚像を認識させる画像光ＰＬが装着者の眼ＥＹに導かれる。

本実施形態の場合、実質的に画像光ＰＬを形成する装置である合成光形成部５１１ａを鼻ＮＳ側や眼ＥＹ側ではなく耳ＥＡ側に配置し、鼻ＮＳの周辺には走査光学系５１２のみを配置して、合成光形成部５１１ａから走査光学系５１２へ変調された信号光ＧＬを伝搬させる構成とすることで、装置全体としての重量を分散させ重心のバランスを調整することができる。これにより、装着者に掛かる装置の重量感を軽減し、より快適な視聴を可能にする。また、光ファイバーＦＢは、フレームＦＬに沿って配置することで、デザイン上目立たないようにできる。

また、上記では、合成光形成部５１１ａを耳ＥＡ側に配置するものとしているが、光ファイバーＦＢの長さや形状を適宜変更すれば、耳ＥＡ側以外の箇所に合成光形成部５１１ａを配置することも可能である。これにより、装置全体としてのデザインの自由度を高めることができる。

この発明は、上記の各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で実施することが可能である。

上記では、光源として、ダイオードレーザ光源又はＬＥＤ光源を用いるものとしているが、光源は、例えば有機ＥＬ等の上記以外のものであってもよい。

また、上記各実施形態の虚像表示装置１００等では、右眼及び左眼の双方に対応して設ける構成としているが、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ光射出装置１０等を設け画像を片眼視する構成にしてもよい。

また、上記の実施形態では、例えば図１において視度調整部材３０が虚像形成部材２０の略全体を覆うような構成となっているが、これに限らず、例えば図１０に示すように、眼ＥＹの位置に合わせて設置される視度調整部材３０が被照射部材２０よりも小さく、被照射部材２０の一部のみを覆っている構成としてもよい。

１０，４１０，５１０…光射出装置、 １１，５１１…信号光変調部、 １１ａ，６１１ａ…合成光形成部、 １１ｒ，１１ｇ，１１ｂ，５１１ｒ，５１１ｇ，５１１ｂ…色光源、 ＣＬｒ，ＣＬｇ，ＣＬｂ…集光レンズ、 ＤＭ１，ＤＭ２…ダイクロイックミラー、 １２，５１２…走査光学系、 ＭＬ…リレーレンズ、 １２ｂ，６１２ｂ…ＭＥＭＳミラー、 ２０，２２０，３２０，４２０…虚像形成部材、 ３０，２３０，４３０…視度調整部材、 １００，２００，３００，４００，５００…虚像表示装置、 １００Ａ，２００Ａ，３００Ａ，４００Ａ，５００Ａ…表示装置、 ＨＥ…ホログラム素子（回折格子）、 ＯＡ…光軸、 ＴＰ…透明基板、 ＮＰ…鼻パッド、 ＳＡ…眼幅調整部、 ＦＢ…光ファイバー、 ＮＳ…鼻、 ＥＹ…眼、 ＥＡ…耳、 ＧＬ…信号光、 ＳＬ…走査光、 ＰＬ…画像光

Claims (14)

1. 画像に対応して変調された信号光を射出する信号光変調部と、
   前記信号光変調部から入射した信号光を走査させることにより、走査光として射出させる走査光学系と、
   前記走査光学系からの前記走査光の照射を受けて虚像を形成する虚像形成部材と、
   外界を見るために視度を調整する視度調整部材と、
   を備え、
   前記視度調整部材は、前記虚像形成部材よりも装着者の眼に対して外側に位置するように配置され、
   前記走査光学系は、前記装着者の鼻周辺に配置され、前記信号光変調部により前記観察者側に向かって射出された前記信号光を前記走査光として前記虚像形成部材に射出させ、
   前記信号光変調部は、前記装着者の耳側に対応する位置に配置され、前記信号光を形成する信号光形成部と、前記信号光形成部で形成された前記信号光を前記走査光学系に伝播させる光ファイバーと、を有する、虚像表示装置。
2. 前記光ファイバーは、装着時において前記装着者の顔面形状に沿って耳の周辺から鼻周辺に向かって延びて前記信号光形成部から射出された前記信号光を前記走査光学系へ伝搬させる、請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記信号光形成部は、Ｒ光、Ｇ光及びＢ光を合成した合成光を前記信号光として形成する合成光形成部である、請求項１及び請求項２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
4. 前記虚像形成部材は、前記走査光学系から射出された前記走査光を受けて前記虚像を形成するとともに、外界光を通過させて、前記走査光による前記虚像の観察と前記外界光の観察とを可能にする半透過膜を有する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の前記虚像表示装置。
5. 前記視度調整部材は、前記虚像形成部材を覆うように互いに近接して配置されている、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
6. 前記虚像形成部材は、前記視度調整部材の表面のうち装着時において前記装着者側となる内面上に位置するように一体的に形成されている、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
7. 前記虚像形成部材は、前記視度調整部材に支持される被照射膜である、請求項６に記載の虚像表示装置。
8. 前記視度調整部材は、着脱可能に取り付けられる、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
9. 前記虚像形成部材と前記視度調整部材とを取り付けるフレームをさらに有し、
   前記虚像形成部材は、前記フレームに固定して取り付けられ、
   前記視度調整部材は、前記フレームに着脱可能に取り付けられる、請求項８に記載の虚像表示装置。
10. 前記フレームは、前記虚像形成部材と前記視度調整部材とが取り付けられるホルダ部材を有し、
    前記虚像形成部材は、前記ホルダ部材により前記フレームの定位置に固定して取り付けられ、
    前記視度調整部材は、前記ホルダ部材により前記虚像形成部材に近接した状態で配置される位置に取り付けられる、請求項９に記載の虚像表示装置。
11. 前記虚像形成部材と前記視度調整部材とは、前記フレームの形状に沿った形状を有している、請求項９及び請求項１０のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
12. 前記虚像形成部材は、前記走査光の照射を受ける被照射膜と、前記被照射膜を支持する支持部材とを有する、請求項８から請求項１１のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
13. 前記虚像形成部材は、前記走査光学系から照射された前記走査光によって前記虚像を形成する回折格子を有する、請求項１から請求項１２までのいずれか一項に記載の前記虚像表示装置。
14. 前記装着者の眼幅に応じて、装着時における前記装着者の眼の位置に対して、前記走査光学系、前記虚像形成部材及び前記視度調整部材のうち少なくとも前記走査光学系及び前記虚像形成部材を一体として可動にする眼幅調整部をさらに有する、請求項１から請求項１３までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。

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