JP7375374B2 - 虚像表示装置及び導光装置 - Google Patents

Description

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及びこれに組み込まれる導光装置に関し、特にシースルー視が可能な虚像表示装置等に関する。

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、ミラーのような光学素子によって表示素子からの画像光を観察者の瞳に導くタイプのものが種々提案されている。

特許文献１に記載の虚像観察光学系は、画像表示装置と、結像用光学素子と、反射型回折光学素子とを備え、画像表示装置から射出された光は、例えば結像用光学素子で反射され、反射型回折光学素子で再度反射されて瞳に入射する。ここで、結像用光学素子は、偏心して配置された非球面凹面鏡であり、反射型回折光学素子は、例えば反射型ブレーズドホログラムである。

特開平１１－３２６８２１号公報

しかしながら、特許文献１の光学系では、反射型回折光学素子で回折される光が所定の波長の光以外の光を含む場合、反射型回折光学素において各波長ごとに異なる角度に光が回折されてしまう波長分散が起き、解像度が低下してしまう。

本本発明の一側面における虚像表示装置は、表示素子と、表示素子から射出された画像光を通過させる光学素子と、光学素子から射出された画像光を反射する反射ミラーと、反射ミラーから射出された画像光を瞳位置に向けて反射するシースルータイプのホログラムミラーと、表示素子からホログラムミラーまでの光路上に配置される透過型の線形回折素子とを備え、光学素子、反射ミラー、及びホログラムミラーは、軸外し系を形成するように配置され、線形回折素子は、軸外し系の軸外し面において、ホログラムミラーにより発生する波長分散を補償し、線形回折素子とホログラムミラーとの間に、中間像が形成され、中間像は、ホログラムミラーよりも線形回折素子の近くに形成される。

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。 図１に示す虚像表示装置を説明する側方断面図である。 虚像表示装置の内部構造を説明する側方断面図である。 図１に示す装置の光学系を示す側方断面図及び平面図である。 線形回折素子を説明する拡大側方断面図である。 投射光学系による結像を概念的に説明する斜視図である。 表示素子に形成された表示像の強制的歪曲を説明する図である。 第２実施形態の虚像表示装置に組み込まれた光学系を示す側方断面図である。

〔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導光装置について説明する。

図１及び２に示すように、第１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（ＨＭＤ）であり、これを装着する観察者又は使用者ＵＳに虚像としての映像を認識させる。図１及び２において、Ｘ、Ｙ、及びＺは、直交座標系であり、＋Ｘ方向は、虚像表示装置１００を装着した使用者ＵＳの両眼の並ぶ横方向に対応し、＋Ｙ方向は、使用者ＵＳにとっての両眼の並ぶ横方向に直交する上方向に相当し、＋Ｚ方向は、使用者ＵＳにとっての前方向又は正面方向に相当する。

虚像表示装置１００は、右眼に対して虚像を形成する第１表示装置１０１Ａと、左眼に対して虚像を形成する第２表示装置１０１Ｂと、両表示装置１０１Ａ，１０１Ｂを支持するテンプル状の支持装置１０１Ｃとを備える。第１表示装置１０１Ａは、上部に配置される光学ユニット１０２と、メガネレンズ状で全体を覆う外観部材１０３とで構成される。第２表示装置１０１Ｂも同様に、上部に配置される光学ユニット１０２と、メガネレンズ状で全体を覆う外観部材１０３とで構成される。支持装置１０１Ｃは、外観部材１０３の背後に配置された不図示の部材によって、両表示装置１０１Ａ，１０１Ｂを外観部材１０３の上端側において支持している。左眼用の第２表示装置１０１Ｂは、右眼用の第１表示装置１０１Ａと同様の構造を有する。以下では、第１表示装置１０１Ａについて説明し、第２表示装置１０１Ｂについては説明を省略する。

図２及び３に示すように、右眼用の第１表示装置１０１Ａは、光学的な要素として、表示素子１１と投射光学系１２とを備える。投射光学系１２は、表示素子１１からの画像光ＭＬを瞳位置ＰＰに導く観点で導光装置とも呼ぶ。

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）、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代表される自発光型の表示デバイスであり、２次元の表示面１１ａにモノクロ又はカラーの静止画又は動画を形成する。表示素子１１は、不図示の駆動制御回路に駆動されて表示動作を行う。表示素子１１として有機ＥＬのディスプレイ又は表示器を用いる場合、有機ＥＬ制御部を備える構成とする。表示素子１１として量子ドット発光型のディスプレイを用いカラー表示を行う場合、例えば青色発光ダイオード（ＬＥＤ）の光を量子ドットフィルムに通すことにより、緑や赤の色を出す構成とすることができる。表示素子１１は、自発光型の表示素子に限らず、ＬＣＤ及び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。

図３に示すように、投射光学系（導光装置）１２は、光学素子２１と、プリズム２２と、線形回折素子２５と、シースルーホログラムミラー２３とを備える。光学素子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。光学素子２１は、図示の例では単レンズであり、入射面２１ａと、射出面２１ｂとを有する。プリズム２２は、入射面２２ａと、内反射面２２ｂと、射出面２２ｃとを有し、光学素子２１から射出された画像光ＭＬを入射面２２ａに入射させつつ屈折させ、反射ミラーである内反射面２２ｂで全反射させ、射出面２２ｃから屈折させつつ射出させる。線形回折素子２５は、プリズム２２とシースルーホログラムミラー２３との間の光路上に配置され、プリズム２２から射出された画像光ＭＬを通過させる際に、紙面の縦方向に関して画像光ＭＬに対して一様な波長分散を与える。シースルーホログラムミラー２３は、シースルータイプのホログラムミラーである。シースルーホログラムミラー２３は、プリズム２２から射出された画像光ＭＬを瞳位置ＰＰに向けて反射する。瞳位置ＰＰは、表示面１１ａ上の各点からの画像光が所定の発散状態又は平行状態で表示面１１ａ上の各点の位置に対応する角度方向から重畳するように入射する位置となっている。図示の投射光学系１２は、ＦＯＶ（field of view）が４４°となっている。投射光学系１２による虚像の表示領域は矩形であり、上記４４°は対角方向となる。

光学素子２１とプリズム２２とは、表示素子１１ともにケース５１に収納されている。ケース５１は、遮光性の材料で形成され、表示素子１１を動作させる不図示の駆動回路を内蔵している。ケース５１の開口５１ａは、プリズム２２からシースルーホログラムミラー２３に向かう画像光ＭＬを妨げないサイズを有する。ケース５１の開口５１ａは、ＸＺ面に略平行に延びる平板状の線形回折素子２５によって覆われている。線形回折素子２５によってケース５１内の収納空間を密閉状態とすることができ、防塵、防露等の機能を高めることができる。また、線形回折素子２５をプリズム２２とシースルーホログラムミラー２３との間に配置する場合、線形回折素子２５を配置するスペースを確保しやすい。ケース５１に対しては、支持板５４を介してシースルーホログラムミラー２３が支持されている。ケース５１又は支持板５４は、図１に示す支持装置１０１Ｃに支持されていて、支持板５４とシースルーホログラムミラー２３とによって外観部材１０３が構成される。

投射光学系１２は、軸外し光学系であり、光学素子２１、プリズム２２、線形回折素子２５、及びシースルーホログラムミラー２３は、軸外し系１１２を形成するように配置されている。投射光学系１２が軸外し光学系であるとは、投射光学系１２を構成する光学要素２１，２２，２３において、少なくとも１つの反射面又は屈折面への光線の入射の前後で光路が全体として折れ曲がることを意味する。この投射光学系１２つまり軸外し系１１２では、紙面に対応する軸外し面ＳＯに沿って光軸ＡＸが延びるように光軸ＡＸの折り曲げが行われている。つまり、この投射光学系１２では、軸外し面ＳＯ内で光軸ＡＸの折り曲げを行うことで、軸外し面ＳＯに沿って光学要素２１，２２，２３が配列されている。軸外し面ＳＯは、軸外し系１１２に多段階で非対称性を生じさせている面となっている。光軸ＡＸは、表示素子１１の中心から射出される主光線の光路に沿って延び、アイポイントに相当するアイリングＥＲ又は瞳の中心を通る。つまり、光軸ＡＸが配置される軸外し面ＳＯは、ＹＺ面に平行であり、表示素子１１の中心と、アイポイントに相当するアイリングＥＲの中心とを通る。光軸ＡＸは、横断面で見た場合、Ｚ字状の配置となっている。つまり、軸外し面ＳＯにおいて、光学素子２１から内反射面２２ｂまでの光路Ｐ１と、内反射面２２ｂからシースルーホログラムミラー２３までの光路Ｐ２と、シースルーホログラムミラー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。

投射光学系１２のうち、光学素子２１から内反射面２２ｂまでの光路Ｐ１は、Ｚ方向に平行に近い状態となっている。つまり、光路Ｐ１において、光軸ＡＸは、Ｚ方向又は正面方向に対して略平行に延びている。結果的に、レンズである光学素子２１は、Ｚ方向又は正面方向に関して、プリズム２２と表示素子１１とに挟まれて配置されている。この場合、プリズム２２から表示素子１１までの光路Ｐ１が正面方向に近いものとなる。光路Ｐ１における光軸ＡＸは、Ｚ方向に向かって、下向きを負として、平均的に－３０°～＋３０°程度の範囲内に収めることが望ましい。光路Ｐ１の光軸ＡＸがＺ方向に向かって下向き－３０°以上の状態とすることで、光学素子２１や表示素子１１がシースルーホログラムミラー２３と干渉することを回避できる。また、光路Ｐ１の光軸ＡＸがＺ方向に向かって上向き＋３０°以下の状態とすることで、光学素子２１や表示素子１１が上部に突起して外観上目立つものとなることを防止することができる。内反射面２２ｂからシースルーホログラムミラー２３までの光路Ｐ２において、光軸ＡＸは、Ｚ方向に向かって、下向きを負として、平均的に－７０°～－４５°程度の範囲内に収めることが望ましい。光路Ｐ２の光軸ＡＸがＺ方向に向かって下向き－７０°以上の状態とすることで、シースルーホログラムミラー２３と瞳位置ＰＰとの間にインナーレンズ３１を配置する空間を確保することができ、シースルーホログラムミラー２３の全体的傾斜が過度に大きくなることを回避することが容易になる。また、光路Ｐ２の光軸ＡＸがＺ方向に向かって下向き－４５°以下の状態とすることで、プリズム２２がシースルーホログラムミラー２３に対して－Ｚ方向又は背面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、投射光学系１２の厚みが増すことを回避することができる。シースルーホログラムミラー２３から瞳位置ＰＰまでの光路Ｐ３は、Ｚ方向に平行に近い状態となっているが、図示の例では、光軸ＡＸ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。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に対して水平方向の中心軸ＨＸは、虚像表示装置１００を装着した使用者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。虚像表示装置１００を装着する個々の使用者ＵＳの眼の配置、耳の配置等を含む頭部の形状や姿勢は、様々であるが、使用者ＵＳの平均的な頭部形状又は頭部姿勢を想定することで、着目する虚像表示装置１００について、平均的な中心軸ＨＸを設定することができる。以上の結果、プリズム２２の内反射面２２ｂにおいて、光軸ＡＸに沿った光線の入射角及び反射角は、例えば４０～７０°程度となる。また、シースルーホログラムミラー２３において、光軸ＡＸに沿った光線の入射角及び反射角は、例えば２０～５０°程度となる。なお、シースルーホログラムミラー２３において入射角と反射角との間には、詳細は後述するが１５°程度の差がある。

主光線の光路Ｐ２及び光路Ｐ３に関しては、シースルーホログラムミラー２３及び線形回折素子２５間の距離ｄ１は、シースルーホログラムミラー２３及び瞳位置ＰＰ間の距離ｄ２以下である。この場合、光学素子２１やプリズム２２がシースルーホログラムミラー２３の周囲つまり上方に突起する突起量を抑えることができる。ここで、距離ｄ１，ｄ２は、光軸ＡＸ上で考える。シースルーミラー２３の内側において光路Ｐ２，Ｐ３上に追加の光学要素が配置される場合、この光学要素を光路長又は光学的距離に換算して距離ｄ１，ｄ２の値を決定する。

投射光学系１２については、縦方向又はＹ方向に関して、瞳位置ＰＰを基準として、より詳細にはその中心を基準として、縦方向の最も上側を通る光線の位置が３０ｍｍ以下となっている。このような範囲に光線を収めることで、光学素子２１や表示素子１１が上方向又は＋Ｙ方向にはみ出して配置されることを回避することができ、光学素子２１や表示素子１１が眉の上方に張り出す量を抑えてデザイン性を確保することができる。つまり、表示素子１１、光学素子２１、及びプリズム２２を含む光学ユニット１０２が小型となる。投射光学系１２については、正面方向又はＺ方向に関して、瞳位置ＰＰを基準として、シースルーホログラムミラー２３から表示素子１１までの全光線の位置が１３ｍｍ以上である。このような範囲に光線を収めることで、特にシースルーホログラムミラー２３を瞳位置ＰＰに対して正面方向又は＋Ｚ方向に十分離して配置することができ、シースルーホログラムミラー２３の奥にインナーレンズ３１を配置する空間を確保することが容易になる。投射光学系１２については、正面方向又はＺ方向に関して、瞳位置ＰＰを基準として、シースルーホログラムミラー２３から表示素子１１までの全光線の位置が４０ｍｍ以下である。このような範囲に光線を収めることで、特にシースルーホログラムミラー２３を瞳位置ＰＰに対して正面方向又は＋Ｚ方向に過度に離れないように配置することができ、シースルーホログラムミラー２３、表示素子１１等の前方突出を抑えてデザイン性を確保することが容易になる。線形回折素子２５については、縦方向又はＹ方向に関して、瞳位置ＰＰを基準として、より詳細にはその中心を基準として、１０ｍｍ以上の位置に配置される。これにより、例えば上方２０°といったシースルー視野の確保が容易になる。

軸外し面ＳＯにおいて、光軸ＡＸを基準として、光学素子２１とプリズム２２の内反射面２２ｂとの間であって光学素子２１及び内反射面２２ｂよりもプリズム２２の入射面２２ａ側に、中間瞳ＩＰが配置されている。光学素子２１と内反射面２２ｂとの間に中間瞳ＩＰが配置される場合、焦点距離を短く倍率を大きくすることが容易になり、表示素子１１を内反射面２２ｂ等に近づけつつ表示素子１１を小さくすることができる。中間瞳ＩＰは、より具体的には、プリズム２２の入射面２２ａの位置又はその近傍に配置されている。中間瞳ＩＰは、プリズム２２の入射面２２ａと交差するものであってもよい。中間瞳ＩＰは、表示面１１ａ上の各点からの画像光が最も広がって互いに重複する箇所を意味し、アイリングＥＲ又は瞳位置ＰＰの共役点に配置される。中間瞳ＩＰの位置又はその近傍には、開口絞りを配置することが望ましい。

中間像ＩＭは、線形回折素子２５とシースルーホログラムミラー２３との間に形成されている。中間像ＩＭは、シースルーホログラムミラー２３よりも線形回折素子２５の近くに形成される。このように、シースルーホログラムミラー２３よりも線形回折素子２５の近くに中間像ＩＭが形成されることにより、シースルーホログラムミラー２３による拡大の負担を低減して観察される虚像の収差を抑えることができる。ただし、中間像ＩＭは、線形回折素子２５と交差する状態となっていない。つまり、中間像ＩＭは、線形回折素子２５の外側に形成されており、この配置関係は、軸外し面ＳＯ上に限らず、軸外し面ＳＯに垂直な横方向又はＸ方向の任意の点で成立するものとなっている。このように、中間像ＩＭが線形回折素子２５を横切らないように形成されることで、線形回折素子２５の表面のゴミや傷が結像に影響することを回避することが容易になる。中間像ＩＭは、アイリングＥＲよりも光路上流であって表示面１１ａに対して共役な位置に形成される実像であり、表示面１１ａ上の表示像に対応するパターンを有するが、シャープに結像したものである必要はなく、像面湾曲、歪曲収差等の諸収差を示すものであってもよい。瞳位置ＰＰで観察される虚像について最終的に収差が良好に補正されていれば、中間像ＩＭの収差は問題とならない。

図４を参照して、光学素子２１、プリズム２２、及びシースルーホログラムミラー２３の形状の詳細について説明する。図４中で、領域ＡＲ１は、投射光学系１２の側方断面図を示し、領域ＡＲ２は、投射光学系１２の平面図を示す。なお、領域ＡＲ２において、光学素子２１の光学面２２ａ，２１ｂ、プリズム２２の光学面２２ａ，２２ｂ，２２ｃ、線形回折素子２５の回折面２５ｂ、及びシースルーホログラムミラー２３の表面２３ａ，２３ｂは、光軸ＡＸを通ってＸＺ面に投影したものを示している。

光学素子２１は、この場合、単レンズで構成され、画像光ＭＬを通過させる際に、光線の状態を調整する。光学素子２１を構成する光学面である入射面２１ａと射出面２１ｂとは、ＹＺ面に平行な軸外し面ＳＯ内にあって光軸ＡＸと交差する縦の第１方向Ｄ１１，Ｄ１２に関して、光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、第１方向Ｄ１１，Ｄ１２に直交する横の第２方向Ｄ０２又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。入射面２１ａに関する縦の第１方向Ｄ１１と、射出面２１ｂに関する縦の第２方向Ｄ１２とは、所定の角度をなしている。光学素子２１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。光学素子２１の入射面２１ａと射出面２１ｂとは、例えば自由曲面である。入射面２１ａと射出面２１ｂとは、自由曲面に限らず、非球面とすることもできる。光学素子２１において、入射面２１ａと射出面２１ｂとを自由曲面又は非球面とすることで、収差低減を図ることができ、特に自由曲面を用いた場合、軸外し光学系又は非共軸光学系である投射光学系１２の収差を低減することが容易になる。なお、自由曲面は回転対称軸をもたない面であり、自由曲面の面関数としては、各種多項式を用いることができる。また、非球面は、回転対称軸をもつ面であるが、放物面や多項式で表される球面以外の面である。詳細な説明は省略するが、入射面２１ａ及び射出面２１ｂ上には、反射防止膜が形成されている。

以上のように、光学素子２１において、入射面２１ａの第１方向Ｄ１１と、射出面２１ｂの第２方向Ｄ１２とが所定の角度をなしている結果として、表示素子１１の表示面１１ａの中心からの主光線の光路に関して、射出面２１ｂが入射面２１ａに対して傾けて形成されていることになる。つまり、入射面２１ａ及び射出面２１ｂの間に相対的な角度又は傾きが存在しており、光学素子２１において軸外し系１１２としての投射光学系１２の偏芯を部分的に補償する役割を持たせることができ、諸収差の改善に寄与する。

プリズム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光学部材であり、光学素子２１からの画像光ＭＬを屈折させつつ反射する。より詳細には、プリズム２２において、画像光ＭＬは、屈折面である入射面２２ａを経て内部に入射し、反射面である内反射面２２ｂによって非正反射方向に全反射され、屈折面である射出面２２ｃを経て外部に射出される。入射面２２ａと射出面２２ｃとは、曲面からなる光学面であり、反射面のみの場合又はこれらを平面とした場合に比較して解像度向上に寄与する。プリズム２２を構成する光学面である入射面２２ａと内反射面２２ｂと射出面２２ｃとは、ＹＺ面に平行な軸外し面ＳＯ内にあって光軸ＡＸと交差する縦の第１方向Ｄ２１，Ｄ２２，Ｄ２３に関して、光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、第１方向Ｄ２１，Ｄ２２，Ｄ２３に直交する横の第２方向Ｄ０２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２２又は内反射面（反射ミラー）２２ｂは、縦方向又はＹ方向の縦幅Ｐｖより横方向又はＸ方向の横幅Ｐｈが大きい。プリズム２２は、外形だけでなく、その光学的な有効領域に関しても、縦方向又はＹ方向の縦幅より横方向又はＸ方向の横幅が大きくなっている。これにより、横方向又はＹ方向の画角を大きくすることができ、かつ、後述するように眼ＥＹの移動が横に大きいことに対応して視線が横に大きく変化しても画像を視認することできる。

プリズム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。プリズム２２の本体の屈折率は、画像光ＭＬの反射角も参酌して内面での全反射が達成されるような値に設定される。プリズム２２の本体の屈折率やアッべ数は、光学素子２１との関係も考慮して設定されることが望ましい。プリズム２２の光学面、つまり入射面２２ａと内反射面２２ｂと射出面２２ｃとは、例えば自由曲面である。入射面２２ａと内反射面２２ｂと射出面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２２において、光学面２２ａ，２２ｂ，２２ｃを自由曲面又は非球面とすることで、収差低減を図ることができ、特に自由曲面を用いた場合、軸外し光学系又は非共軸光学系である投射光学系１２の収差を低減することが容易になり、解像度を向上させることができる。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、或いは金属で形成されたシート状の反射膜を貼り付ける。詳細な説明は省略するが、入射面２２ａ及び射出面２２ｃ上には、反射防止膜が形成されている。

プリズム２２は、入射面２２ａと内反射面２２ｂと射出面２２ｃとを射出成形によって一括して形成できるので、部品点数が少なくなり、３面の相互位置も、比較的安価に例えば２０μｍ以下といったレベルに高精度化できる。

線形回折素子２５は、平行平板状の光学部材であり、ＸＺ面に略平行に配置されている。線形回折素子２５は、透過型の素子であり、プリズム２２からの画像光ＭＬを所定の色分散で回折することにより、シースルーホログラムミラー２３により発生する波長分散を補償する。より詳細には、線形回折素子２５は、入射面２５ａと回折面２５ｂとを有し、透過型の回折面２５ｂによって所定の波長分散で画像光ＭＬを回折する。入射面２５ａは、平面であり曲率を持たない。入射面２５ａ上には、反射防止膜が形成されている。回折面２５ｂは、巨視的には平面であるが、微視的には回折構造を有する。線形回折素子２５は、例えばガラスで形成されるが、樹脂製とすることもできる。

線形回折素子２５が平行平板状であることから明らかなように、線形回折素子２５を構成する入射面２５ａと回折面２５ｂとは、ＹＺ面に平行な軸外し面ＳＯ内にあって光軸ＡＸと交差する縦の第１方向Ｄ５１に関して、光学的に一様な特性を有し、第１方向Ｄ５１に直交する横の第２方向Ｄ０２又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。

図５に拡大して示すように、線形回折素子２５は、ブレーズド回折格子であり、軸外し系１１２の軸外し面ＳＯに垂直なＸ方向に延びる回折パターン２５ｐを有し、回折パターン２５ｐによって軸外し面ＳＯに沿った方向の波長分散を補償する。線形回折素子２５の回折面２５ｂは、回折パターン２５ｐとして、三角形又は鋸歯状の横断面を有し、全体として階段構造を有する。線形回折素子２５は軸外し面ＳＯ内又はＹＺ面内で一様な回折を行う素子であり、具体的には図示の回折パターン２５ｐがＸ方向に延びるとともにＺ方向又は第１方向Ｄ５１に一様に繰り返されており、線形回折素子２５を入射面２５ａに平行な方向である第１方向Ｄ５１或いは第２方向Ｄ０２に移動させても、回折特性が変化しない。よって、線形回折素子２５については、要求される配置精度を比較的低くすることができる。ここで、線形回折素子２５をブレーズド回折格子とすることにより、線形回折素子２５による光の減衰を抑えることができ、虚像の輝度向上に寄与する。図示の例では、画像光ＭＬが単色光であるとして、回折面２５ｂに入射した画像光ＭＬに対して１次回折光ＤＥ１が取り出される。画像光ＭＬとして２次以上の回折光ではなく１次回折光を用いることで、線形回折素子２５から取り出される光の利用効率を高めることができる。回折面２５ｂを構成する格子形状面２５ｇは、線形回折素子２５から射出される画像光ＭＬに対して略直交している。この場合、回折面２５ｂ又は線形回折素子２５から取り出される光の利用効率をさらに高めることになる。ゼロ次光ＤＥ０に対する１次回折光ＤＥ１の角度δは、画像光ＭＬの波長、格子間隔、基材の屈折率等によって定まり、波長分散の補償の程度を考慮して設定されるが、具体例では１５～３０°程度としている。１次回折光ＤＥ１の角度δが１０°以下になると、ゼロ次光ＤＥ０と重なってゴーストとして観察される可能性が高まる。ブレーズド回折格子による波長分散の補償は、画像光ＭＬがモノクロ光であるとして、例えば基本波長±５ｎｍの波長範囲内の光を含む場合に、このような波長差による射出方向のずれを相殺して、シースルーホログラムミラー２３から射出される画像光ＭＬの射出方向に波長に依存するずれが生じることを防止する。具体例では、格子形状面２５ｇの周期間隔は、１～４μｍ程度となる。

図４等に戻って、シースルーホログラムミラー２３は、球殻状に湾曲した板状の光学部材であり、プリズム２２から射出され線形回折素子２５を経て入射した画像光ＭＬを反射する。シースルーホログラムミラー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する。シースルーホログラムミラー２３は、一対の表面２３ａ，２３ｂを有し、奧側つまり瞳位置ＰＰ側の表面２３ａ上に反射防止膜が形成され、前側つまり＋Ｚ側の表面２３ｂ上にホログラム層２３ｈが形成されている。ホログラム層２３ｈは、透過性を有する反射型の体積ホログラムであり、立体的な干渉パターンが形成された薄膜である。ホログラム層２３ｈは、画像光ＭＬを反射する際に、ＹＺ面に平行な軸外し面ＳＯに関して、画像光ＭＬを所望の光パワーに対応するように非線形的に回折させ、平行又は所望の発散度の光束として瞳位置ＰＰに導く。なお、シースルーホログラムミラー２３の表面２３ａについては、殆ど結像に寄与せず、表面２３ｂと同様の形状を有する。

シースルーホログラムミラー２３の基材である板状体２３ｃ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２３ｃは、これを周囲から支持する支持板５４と同一の材料で形成され、支持板５４と同一の厚み又は近似する厚みを有する。ホログラム層２３ｈは、板状体２３ｃ上に直接形成することができる。例えば、シースルーホログラムミラー２３の表面２３ｂ上に、ホログラム感光材料を貼り付け或いは塗布する。その後、瞳位置ＰＰ側から物体光をホログラム感光材料層に入射させつつ、線形回折格子２５側から参照光を上記ホログラム感光材料に照射することで、ホログラム感光材料層中に屈折率パターンが形成される露光が行われ、ホログラム層２３ｈが完成する。

シースルーホログラムミラー２３の表面２３ｂは、ＹＺ面に平行な軸外し面ＳＯ内にあって光軸ＡＸと交差する縦の第１方向Ｄ３１に関して、光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、第１方向Ｄ３１に直交する横の第２方向Ｄ０２又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。シースルーホログラムミラー２３の表面２３ｂは、例えば自由曲面である。表面２３ｂは、自由曲面に限らず、非球面とすることもできる。シースルーホログラムミラー２３の表面２３ｂは、第２方向Ｄ０２又はＸ方向に関して、画像光ＭＬの結像に寄与する光学的パワーを有する設計となっている。つまり、ホログラム層２３ｈは、第１方向Ｄ３１又は軸外し面ＳＯに沿った方向に関して結像に寄与する回折作用を有し、第２方向Ｄ０２又は軸外し面ＳＯに垂直なＸ方向に関して結像に殆ど寄与しない。このような事情から、シースルーホログラムミラー２３を自由曲面又は非球面とすることで、主に軸外し面ＳＯに垂直なＸ方向に関して収差低減を図ることができ、特に自由曲面を用いた場合、軸外し光学系又は非共軸光学系である投射光学系１２の収差を低減することが容易になる。シースルーホログラムミラー２３は、表面２３ｂが自由曲面及び非球面のいずれである場合においても、曲面式の原点Ｏがシースルーホログラムミラー２３の有効領域ＥＡよりも光学素子２１側又は表示素子１１側にシフトした形状を有する。この場合、光学系特に表面２３ｂの設計に過度の負担をかけないで、Ｚ字状の光路を実現するシースルーミラーの傾斜面を設定することができる。上記した表面２３ｂの曲面式は、軸外し面ＳＯ上で例えば二点差線の曲線ＣＦで示すようなものとなっている。よって、対称性を与える原点Ｏは、シースルーミラー２３の上端と表示素子１１の下端との間に配置されている。

シースルーホログラムミラー２３は、プリズム２２から射出され線形回折素子２５を経てホログラム層２３ｈに入射した画像光ＭＬが回折されて－Ｚ方向に向かう場合、正反射されるよりも下向き又は－Ｙ向きとなるように射出させる。瞳位置ＰＰの中央から逆行させる光線を考えた場合、ホログラム層２３ｈによる正反射方向、つまりゼロ次光ＤＤ０は、画像光ＭＬよりも下向きになって線形回折素子２５やプリズム２２に入射しないものとなっている。つまり、シースルーホログラムミラー２３のホログラム層２３ｈは、軸外し系１１２の軸外し面ＳＯにおいて、ホログラム層２３ｈに対する入射側の光軸ＡＸよりもホログラム層２３ｈに対する射出側の光軸ＡＸに近い方向に向いている。この場合、シースルーホログラムミラー２３の姿勢を瞳位置ＰＰのアイリングＥＲに平行な縦方向又はＹ方向に近づけることができ、シースルーホログラムミラー２３について前後方向つまり＋Ｚ方向の厚み増加を抑制することができる。ゼロ次光ＤＤ０の画像光ＭＬに対する角度φが１０～１５°程度あれば、シースルーホログラムミラー２３及び線形回折素子２５間の距離ｄ１にもよるが、シースルーホログラムミラー２３からのゼロ次光が瞳位置ＰＰに入射することを防止できる。

シースルーホログラムミラー２３は、反射に際して一部の光を透過させる透過型の反射素子であり、シースルーホログラムミラー２３のホログラム層２３ｈは、半透過性を有する。これにより、外界光ＯＬがシースルーホログラムミラー２３を通過するので、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、板状体２３ｃ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。ホログラム層２３ｈの外界光ＯＬに対する透過率は、画像光ＭＬの輝度確保や、シースルーによる外界像の観察を容易にする観点で、１０％以上５０％以下となっている。

以上では、シースルーホログラムミラー２３の波長分散がプリズム２２や光学素子２１に比較して大きいことを前提として、シースルーホログラムミラー２３の波長分散を線形回折素子２５によって補償するとしているが、プリズム２２や光学素子２１の波長分散がシースルーホログラムミラー２３に比較して無視できない程度に大きい場合、シースルーホログラムミラー２３の波長分散にプリズム２２や光学素子２１の波長分散の影響を加算したものを線形回折素子２５によって補償してもよい。

以上では、シースルーホログラムミラー２３の波長分散を線形回折素子２５によって補償する際に、画像光ＭＬがモノクロ光であるとして説明したが、画像光ＭＬがカラー光である場合、シースルーホログラムミラー２３のホログラム層２３ｈは、例えばＲＧＢの３色に対応させる必要があり、例えばＲＧＢの各色に適合させて作製した３つのホログラム要素層を積層した積層体とすることができる。また、線形回折素子２５についても、ホログラム層２３ｈのＲＧＢの色分散特性に適合させて、体積ホログラムとしてのホログラム要素層を複数積層した積層体とすることができる。この場合も、線形回折素子２５は、軸外し面ＳＯ内又はＹＺ面内で一様な回折を行う素子であり、線形回折素子２５を入射面２５ａに平行な方向に移動させても、回折特性が変化しない。

光路について説明すると、表示素子１１からの画像光ＭＬは、光学素子２１に入射して略コリメートされた状態で射出される。光学素子２１を通過した画像光ＭＬは、プリズム２２に入射して入射面２１ａで屈折され、内反射面２２ｂによって１００％に近い高い反射率で反射され、再度射出面２２ｃから屈折されつつ射出される。プリズム２２からの画像光ＭＬは、線形回折素子２５を介してシースルーホログラムミラー２３に入射してホログラム層２３ｈで回折されて瞳位置ＰＰに向けて略コリメートされた状態で折り返される。シースルーホログラムミラー２３で折り返された画像光ＭＬは、使用者ＵＳの眼ＥＹ又は瞳孔が配置される瞳位置ＰＰに入射する。プリズム２２とシースルーホログラムミラー２３と間であって、プリズム２２の射出面２２ｃ寄りには、中間像ＩＭが形成されている。中間像ＩＭは、表示素子１１の表示面１１ａに形成された画像を適宜拡大したものとなっている。瞳位置ＰＰには、シースルーホログラムミラー２３やその周囲の支持板５４を通過した外界光ＯＬも入射する。つまり、虚像表示装置１００を装着した使用者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。

投射光学系１２のＦＯＶは、図４の領域ＡＲ１，ＡＲ２を比較すると明らかなように、縦の視野角α１よりも横の視野角α２が大きくなっている。このことは、表示素子１１の表示面１１ａに形成する表示像が水平方向に長いことに対応している。横対縦のアスペクト比は、例えば４：３や１６：９といった値に設定される。

図６は、投射光学系１２による結像を概念的に説明する斜視図である。図中において、画像光ＭＬ１は、視野中の右上方向からの光線を示し、画像光ＭＬ２は、視野中の右下方向からの光線を示し、画像光ＭＬ３は、視野中の左上方向からの光線を示し、画像光ＭＬ４は、視野中の左下方向からの光線を示す。この場合、瞳位置ＰＰに設定されるアイリングＥＲは、軸外し面ＳＯに垂直な横方向又はＸ方向の横瞳サイズＷｈが、軸外し面ＳＯ内にあって光軸ＡＸに直交する縦方向又はＹ方向の縦瞳サイズＷｖよりも大きくなるようなアイリング形状又は瞳サイズを有する。つまり、瞳位置における瞳サイズは、軸外し面ＳＯに直交する横方向又はＸ方向が、横方向に直交する縦方向又はＹ方向よりも広い。横の画角又は視野を縦よりも大きくした場合、画角に合わせて視線を変化させると眼の位置は横方向に大きく動くので、瞳サイズを横方向に大きくすることが望ましい。つまり、アイリングＥＲの横瞳サイズＷｈを縦瞳サイズＷｖを大きくすることにより、横方向に大きく視線を変化させた場合に、画像がカットされることを防止又は抑制することができる。図４に示す投射光学系１２の場合、ＦＯＶが横に大きく縦に小さい。この結果、使用者ＵＳの眼ＥＹ又は瞳孔も、横に大きな角度範囲で回転し縦に小さな角度範囲で回転する。よって、眼ＥＹの動きに合わせて、アイリングＥＲの横瞳サイズＷｈをアイリングＥＲの縦瞳サイズＷｖよりも大きくしている。以上の説明から明らかなように、例えば投射光学系１２のＦＯＶが横よりも縦で大きくなるように設定した場合、アイリングＥＲの横瞳サイズＷｈをアイリングＥＲの縦瞳サイズＷｖよりも小さくすることが望ましい。以上において、シースルーホログラムミラー２３から瞳位置ＰＰまでの光軸ＡＸが下向きの場合、厳密な意味でのアイリングＥＲの傾きやアイリングＥＲのサイズは、光軸ＡＸをＺ０方向とする下向きに傾いた座標系Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０を基準として考える必要がある。この場合、縦のＹ０方向は、厳密には鉛直方向又はＹ方向とならない。ただし、このような傾きが大きくない場合、アイリングＥＲの傾きやアイリングＥＲのサイズは、座標系Ｘ，Ｙ，Ｚで考えても、近似的に問題は生じない。

図示を省略するが、アイリングＥＲの横瞳サイズＷｈ及び縦瞳サイズＷｖの大小関係に対応させて、投射光学系１２のＦＯＶが縦よりも横で大きい場合、中間瞳ＩＰも、Ｘ方向の横瞳サイズがＹ方向の縦瞳サイズよりも小さくなるようにすることが望ましい。

図７に示すように、投射光学系１２による結像状態を示す本来の投影像ＩＧ０は、比較的大きなディストーションを有するものとなっている。投射光学系１２が軸外し系１１２であることから、台形歪のようなディストーションを取りきることは容易でない。よって、投射光学系１２にディストーションが残存していても、元の表示像をＤＡ０とした場合において、表示面１１ａに形成する表示像を予め歪を持たせた台形歪を持たせた修正画像ＤＡ１とする。つまり、表示素子１１に表示される画像を、光学素子２１、プリズム２２、及びシースルーホログラムミラー２３によって形成される歪みを相殺する逆の歪みを有するものとすることで、投射光学系１２を経て瞳位置ＰＰで観察される虚像の投影像ＩＧ１の画素配列を、元の表示像をＤＡ０に対応する格子パターンとすることができ輪郭を矩形とすることができる。結果的に、シースルーホログラムミラー２３等で発生する歪曲収差を許容しつつ表示素子１１を含めた全体として収差を抑えることができる。表示面１１ａの外形が矩形である場合、強制的なディストーションを形成することで余白が形成されるが、このような余白に付加情報を表示させることもできる。表示面１１ａに形成する修正画像ＤＡ１は、画像処理によって強制的なディストーションを形成したものに限らず、例えば表示面１１ａに形成された表示画素の配列を強制的なディストーションに対応するものにしてもよい。この場合、ディストーションを補正する画像処理は不要となる。さらに、表示面１１ａに収差を補正する湾曲を持たせることもできる。

以上で説明した、第１実施形態の虚像表示装置１００では、光学素子２１、内反射面（反射ミラー）２２ｂ、及びシースルーホログラムミラー２３を軸外し系１１２を形成するように配置しており、内反射面（反射ミラー）２２ｂやシースルーホログラムミラー２３によって収差の発生を抑えつつ、光学系の小型化、ひいては装置全体の小型化を達成することができる。また、線形回折素子２５により、軸外し系１１２の軸外し面ＳＯにおいてシースルーホログラムミラー２３により発生する波長分散を補償するので、虚像表示装置１００によって表示される虚像の解像度を高めることができる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態に係る虚像表示装置等について説明する。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８は、第２実施形態の虚像表示装置の光学系を説明する側方断面図である。図示の投射光学系（導光装置）１２は、光学素子２１と、反射ミラー１２２と、線形回折素子２５と、シースルーホログラムミラー２３とを備える。

反射ミラー１２２は、反射面１２２ｂを有し、図３等に示すプリズム２２の内反射面（反射ミラー）２２ｂと同様に、光学素子２１からの画像光ＭＬを、線形回折素子２５を介してシースルーホログラムミラー２３に入射させる。反射面１２２ｂは、例えば自由曲面である。反射面１２２ｂは、自由曲面に限らず、非球面とすることもできる。反射ミラー１２２は、基材２２ｆの表面上に、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し、或いは金属で形成されたシート状の反射膜を貼り付けることによって形成される。

〔変形例及びその他〕
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。

線形回折素子２５は、ブレーズド回折格子に限るものではなく、例えばサイン波状の断面形状を有する回折格子であってもよい。

線形回折素子２５において、回折面２５ｂは、射出側に配置されるものである必要はなく、入射側に配置されるものであってもよい。線形回折素子２５は、プリズム２２とシースルーホログラムミラー２３との間に限らず、表示素子１１からシースルーホログラムミラー２３までの光路上、例えばプリズム２２と光学素子２１との間や光学素子２１と表示素子１１との間のいずれに配置してもよい。さらに、光学素子２１が平面を有する場合や、光学素子２１に対して追加の光学素子を配置する場合において追加の光学素子が平面を有する場合、これらの平面に回折面２５ｂを形成することができる。プリズム２２が平面を有する場合、その平面に回折面２５ｂを形成することもできる。

光学素子２１は、レンズに限らず、プリズムに置き換えることができ、レンズにプリズムを組み合わせたものとしてもよい。

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

シースルーホログラムミラー２３のホログラム層２３ｈは、表面２３ｂ側に限らず表面２３ａ側に形成することができる。

シースルーホログラムミラー２３の外界側には、シースルーホログラムミラー２３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。

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。

以上では、軸外し面ＳＯを縦方向又はＹ方向としたが、軸外し面ＳＯを横方向又はＸ方向とする横置き又は横展開も可能である。

具体的な態様における虚像表示装置は、表示素子と、表示素子から射出された画像光を通過させる光学素子と、光学素子から射出された画像光を反射する反射ミラーと、反射ミラーから射出された画像光を瞳位置に向けて反射するシースルータイプのホログラムミラーと、表示素子からホログラムミラーまでの光路上に配置される透過型の線形回折素子とを備え、光学素子、反射ミラー、及びホログラムミラーは、軸外し系を形成するように配置され、線形回折素子は、軸外し系の軸外し面において、ホログラムミラーにより発生する波長分散を補償する。

上記虚像表示装置では、光学素子、反射ミラー、及びホログラムミラーを軸外し系を形成するように配置しており、反射ミラーやホログラムミラーによって収差の発生を抑えつつ、光学系の小型化、ひいては装置全体の小型化を達成することができる。また、線形回折素子により、軸外し系の軸外し面においてホログラムミラーにより発生する波長分散を補償するので、虚像表示装置によって表示される虚像の解像度を高めることができる。

具体的な側面において、軸外し面において、光学素子から反射ミラーまでの光路と、反射ミラーからホログラムミラーまでの光路と、ホログラムミラーから瞳位置までの光路とが、Ｚ字状に２段階で折り返される配置となっている。この場合、折り畳んだ光路によって、表示素子や光学素子を省スペースで収納することができる。

別の側面において、線形回折素子は、軸外し系の軸外し面に垂直な方向に延びる回折パターンを有する。この場合、回折パターンによって軸外し面に沿った方向の波長分散を補償することができる。

さらに別の側面において、線形回折素子は、ブレーズド回折格子である。この場合、線形回折素子による光の減衰を抑えることができ、虚像の輝度向上に寄与する。

さらに別の側面において、線形回折素子による１次回折光をホログラムミラーに入射させる。この場合、線形回折素子から取り出される光の利用効率を高めることができる。

さらに別の側面において、線形回折素子は、反射ミラーとホログラムミラーとの間に配置される。この場合、線形回折素子を配置するスペースを確保しやすい。

さらに別の側面において、表示面の中心からの主光線の光路に関して、ホログラムミラー及び瞳位置間の距離は、ホログラムミラー及び線形回折素子間の距離以上である。この場合、反射ミラーや光学素子がシースルーミラーの周囲（上下方向や左右方向）に突起する突起量を抑えることができる。

さらに別の側面において、線形回折素子とホログラムミラーとの間に、中間像が形成されている。この場合、反射ミラーを小さくすることができ、線形回折素子の表面の汚れ等によって中間像が劣化することを抑制できる。

さらに別の側面において、中間像は、ホログラムミラーよりも線形回折素子の近くに形成される。この場合、シースルーミラーによる拡大の負担を低減して観察される虚像の収差を抑えることができる。

さらに別の側面において、ホログラムミラーのホログラム層は、軸外し系の軸外し面において、ホログラム層に対する入射側の光軸よりもホログラム層に対する射出側の光軸に近い方向に向く。この場合、ホログラムミラーの姿勢を軸外し面に平行で瞳位置の瞳面と平行な縦方向に近づけることができ、ホログラムミラーについて厚み増加を抑制することができる。

さらに別の側面において、ホログラムミラーは、曲面式の原点がホログラムミラーの有効領域よりも光学素子側にシフトした形状を有する。この光学系では、軸外し系の軸外し面に垂直な方向に関しては、ホログラムミラーの曲率を生かした結像を行う。上記のように、曲面式の原点を光学素子側にシフトさせることで、光学系の設計に過度の負担をかけないで、Ｚ字状の光路を実現するホログラムミラーの傾斜面を設定することができる。

さらに別の側面において、表示素子に表示される画像は、光学素子、反射ミラー、及びホログラムミラーによって形成される歪みを相殺する歪みを有する。この場合、ホログラムミラー等で発生する歪曲収差を許容しつつ表示素子を含めた全体として収差を抑えることができる。

さらに別の側面において、軸外し系の軸外し面において、光学素子と反射ミラーとの間に、中間瞳が配置されている。この場合、焦点距離を短く倍率を大きくすることが容易になり、表示素子を反射ミラー等に近づけつつ表示素子を小さくすることができる。

さらに別の側面において、光学素子、反射ミラー、及びホログラムミラーは、軸外し系の軸外し面に直交する方向に関して光学的に対称な形状を有する。この場合、軸外し面に直交する交差方向については、通常の光学設計に近いものとなる。

さらに別の側面において、軸外し面に直交する方向は、眼の並ぶ横方向に対応し、反射ミラーは、横方向に直交する縦方向の縦幅より横方向の横幅が大きい。この場合、横方向の画角を大きくすることができ、かつ、眼の移動が横に大きいことに対応して視線が横に大きく変化しても画像を視認することできる。

さらに別の側面において、光学素子は、軸外し面に直交する横方向と、横方向に直交する縦方向とに対して直交する正面方向に関して、反射ミラーと表示素子とに挟まれて配置されている。この場合、反射ミラーから表示素子までの光路が正面方向に近いものとなり、光学素子から反射ミラー及びホログラムミラーを経て瞳位置に至るまでの光路を、横方向から見てＺ字状に２段階で折り返される配置とすることができる。

本発明の一側面における導光装置は、表示素子から射出された画像光を通過させる光学素子と、光学素子から射出された画像光を反射する反射ミラーと、反射ミラーから射出された画像光を瞳位置に向けて反射するシースルータイプのホログラムミラーと、表示素子からホログラムミラーまでの光路上に配置される透過型の線形回折素子とを備え、光学素子、反射ミラー、及びホログラムミラーは、軸外し系を形成するように配置され、線形回折素子は、軸外し系の軸外し面において、ホログラムミラーにより発生する波長分散を補償する。

上記導光装置では、光学素子、反射ミラー、及びホログラムミラーを軸外し系を形成するように配置しており、反射ミラーやホログラムミラーによって収差の発生を抑えつつ、光学系の小型化、ひいては装置全体の小型化を達成することができる。また、線形回折素子により、軸外し系の軸外し面においてホログラムミラーにより発生する波長分散を補償するので、虚像表示装置によって表示される虚像の解像度を高めることができる。

１１…表示素子、 １２…投射光学系、 ２１…光学素子、 ２２…プリズム、 ２２ａ…入射面、 ２２ｂ…内反射面、 ２２ｃ…射出面、 ２３…シースルーホログラムミラー、 ２３ａ，２３ｂ…表面、 ２３ｃ…板状体、 ２３ｈ…ホログラム層、 ２５…線形回折素子、 ２５ａ…入射面、 ２５ｂ…回折面、 ２５ｐ…回折パターン、 ３１…インナーレンズ、 ５１…ケース、 ５４…支持板、 １００…虚像表示装置、 １０１Ａ，１０１Ｂ…表示装置、 １０２…光学ユニット、 １１２…軸外し系、 ＡＸ…光軸、 ＥＲ…アイリング、 ＥＹ…眼、 ＩＭ…中間像、 ＩＰ…中間瞳、 ＭＬ…画像光、 ＭＬ１～ＭＬ４…画像光、 ＯＬ…外界光、 Ｐ１～Ｐ３…光路、 ＰＰ…瞳位置、 ＳＯ…軸外し面、 ＵＳ…使用者

Claims (15)

1. 表示素子と、
   前記表示素子から射出された画像光を通過させる光学素子と、
   前記光学素子から射出された前記画像光を反射する反射ミラーと、
   前記反射ミラーから射出された前記画像光を瞳位置に向けて反射するシースルータイプのホログラムミラーと、
   前記表示素子から前記ホログラムミラーまでの光路上に配置される透過型の線形回折素子を備え、
   前記光学素子、前記反射ミラー、及び前記ホログラムミラーは、軸外し系を形成するように配置され、
   前記線形回折素子は、前記軸外し系の軸外し面において、前記ホログラムミラーにより発生する波長分散を補償し、
   前記線形回折素子と前記ホログラムミラーとの間に、中間像が形成され、前記中間像は、前記ホログラムミラーよりも前記線形回折素子の近くに形成される、虚像表示装置。
2. 前記軸外し面において、前記光学素子から前記反射ミラーまでの光路と、前記反射ミラーから前記ホログラムミラーまでの光路と、前記ホログラムミラーから前記瞳位置までの光路とが、Ｚ字状に２段階で折り返される配置となっている、請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記線形回折素子は、前記軸外し系の軸外し面に垂直な方向に延びる回折パターンを有する、請求項１及び２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
4. 前記線形回折素子は、ブレーズド回折格子である、請求項３に記載の虚像表示装置。
5. 前記線形回折素子による１次回折光を前記ホログラムミラーに入射させる、請求項１～４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
6. 前記線形回折素子は、前記反射ミラーと前記ホログラムミラーとの間に配置される、請求項１～５のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
7. 表示面の中心からの主光線の光路に関して、前記ホログラムミラー及び前記瞳位置間の距離は、前記ホログラムミラー及び前記線形回折素子間の距離以上である、請求項６に記載の虚像表示装置。
8. 前記ホログラムミラーのホログラム層は、前記軸外し系の軸外し面において、前記ホログラム層に対する入射側の光軸よりも前記ホログラム層に対する射出側の光軸に近い方向に向く、請求項１～７のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
9. 前記ホログラムミラーは、曲面式の原点が前記ホログラムミラーの有効領域よりも前記光学素子側にシフトした形状を有する、請求項１～８のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
10. 前記表示素子に表示される画像は、前記光学素子、前記反射ミラー、及び前記ホログラムミラーによって形成される歪みを相殺する歪みを有する、請求項１～９のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
11. 前記軸外し系の軸外し面において、前記光学素子と前記反射ミラーとの間に、中間瞳が配置されている、請求項１～１０のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
12. 前記光学素子、前記反射ミラー、及び前記ホログラムミラーは、前記軸外し系の軸外し面に直交する方向に関して光学的に対称な形状を有する、請求項１～１１のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
13. 前記軸外し面に直交する方向は、眼の並ぶ横方向に対応し、前記反射ミラーは、前記横方向に直交する縦方向の縦幅より前記横方向の横幅が大きい、請求項１２に記載の虚像表示装置。
14. 前記光学素子は、前記軸外し面に直交する横方向と、前記横方向に直交する縦方向とに対して直交する正面方向に関して、前記反射ミラーと前記表示素子とに挟まれて配置されている、請求項１～１３のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
15. 表示素子から射出された画像光を通過させる光学素子と、
    前記光学素子から射出された前記画像光を反射する反射ミラーと、
    前記反射ミラーから射出された前記画像光を瞳位置に向けて反射するシースルータイプのホログラムミラーと、
    前記表示素子から前記ホログラムミラーまでの光路上に配置される透過型の線形回折素子を備え、
    前記光学素子、前記反射ミラー、及び前記ホログラムミラーは、軸外し系を形成するように配置され、
    前記線形回折素子は、前記軸外し系の軸外し面において、前記ホログラムミラーにより発生する波長分散を補償し、
    前記線形回折素子と前記ホログラムミラーとの間に、中間像が形成され、前記中間像は、前記ホログラムミラーよりも前記線形回折素子の近くに形成される、導光装置。

Images