表示装置
【課題】見易く使い易い表示装置を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、映像投影部と光学ユニットと装着部とを含む表示装置が提供される。映像投影部は、映像を含む映像光を出射する。光学ユニットは、第１光学層と第２光学層と中間層とを含む。第１光学層は、第１主面と、第１主面とは反対側の第２主面と、を有する。第２主面は、曲面状の表面を有する突出部を有する。第２光学層は、第２主面に面し突出部に沿って後退する後退部を有する第３主面と、第３主面とは反対側の第４主面と、を有する。中間層は、第２、第３主面の間に設けられる。中間層は、第１主面から第２主面に向かう光を反射し、第４主面から第３主面に向かう光を透過する。第１、第４主面のいずれかは曲面である。装着部は、映像投影部と光学ユニットとに連結される。映像光は第１主面から光学ユニットに入射し、反射光が観視者の目に入射する。
【解決手段】実施形態によれば、映像投影部と光学ユニットと装着部とを含む表示装置が提供される。映像投影部は、映像を含む映像光を出射する。光学ユニットは、第１光学層と第２光学層と中間層とを含む。第１光学層は、第１主面と、第１主面とは反対側の第２主面と、を有する。第２主面は、曲面状の表面を有する突出部を有する。第２光学層は、第２主面に面し突出部に沿って後退する後退部を有する第３主面と、第３主面とは反対側の第４主面と、を有する。中間層は、第２、第３主面の間に設けられる。中間層は、第１主面から第２主面に向かう光を反射し、第４主面から第３主面に向かう光を透過する。第１、第４主面のいずれかは曲面である。装着部は、映像投影部と光学ユニットとに連結される。映像光は第１主面から光学ユニットに入射し、反射光が観視者の目に入射する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
使用者（観視者）の頭部に装着され、使用者の目に表示を行うヘッドマウントディスプレイが開発されている。例えば、透明な部材の裏面に反射面を設け、反射面で反射する光を使用者の目に導く表示装置が提案されている。
このような表示装置において、見易く使い易いことが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２２１４４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、見易く使い易い表示装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、映像投影部と、光学ユニットと、装着部と、を含む表示装置が提供される。前記映像投影部は、映像を含む映像光を出射する。前記光学ユニットは、第１光学層と、第２光学層と、中間層と、を含む。前記第１光学層は、第１主面と、前記第１主面とは反対側の第２主面と、を有する。前記第２主面は、曲面状の表面を有する突出部を有する。前記第１光学層は、光透過性である。前記第２光学層は、前記第２主面に面し前記突出部に沿って後退する後退部を有する第３主面と、前記第３主面とは反対側の第４主面と、を有する。前記第２光学層は、光透過性である。前記中間層は、前記第２主面と前記第３主面との間に設けられる。前記中間層は、前記第１主面から前記第２主面に向かう光の少なくとも一部を反射し、前記第４主面から前記第３主面に向かう光の少なくとも一部を透過する。前記第１主面及び前記第４主面の少なくともいずれかは曲面である。前記装着部は、前記映像投影部と前記光学ユニットとに連結され、前記映像光を前記第１主面から前記光学ユニットに入射させ、前記映像光が前記中間層で反射して得られる反射光が前記第２主面から出射して観視者の目に入射するように前記光学ユニットと前記観視者の前記目との相対的な位置関係を規定する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態に係る表示装置を示す模式的断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る表示装置を示す模式的斜視図である。
【図３】第１の実施形態に係る表示装置の使用状態を示す模式図である。
【図４】第１の実施形態に係る表示装置を示す模式的平面図である。
【図５】第１の実施形態に係る表示装置を示す模式的平面図である。
【図６】図６（ａ）〜図６（ｆ）は、第１の実施形態に係る表示装置を示す模式的断面図である。
【図７】図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第２の実施形態に係る表示装置を示す模式的断面図である。
【図８】第２の実施形態に係る表示装置を示す模式的平面図である。
【図９】第２の実施形態に係る表示装置の使用状態を示す模式図である。
【図１０】図１０（ａ）〜図１０（ｆ）は、第２の実施形態に係る表示装置を示す模式的断面図である。
【図１１】図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、第２の実施形態に係る表示装置を示す模式的断面図である。
【図１２】図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、第２の実施形態に係る表示装置を示す模式的断面図である。
【図１３】実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００８】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式的断面図である。
図２は、第１の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式的斜視図である。
図３は、第１の実施形態に係る表示装置の使用状態を例示する模式図である。
図４は、第１の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式的平面図である。
図１は、図４のＡ１−Ａ２線断面図である。
【０００９】
図２に表したように、本実施形態に係る表示装置１１０は、映像投影部５０と、光学ユニット４０と、装着部６０と、を備える。
映像投影部５０は、映像を含む映像光５１を出射する。映像光５１は、例えば、レーザ光である。
【００１０】
光学ユニット４０は、例えば、観視者８０（使用者）の目８１の前に配置される。光学ユニット４０として、例えば、観視者８０の右目の前に配置される右目用光学ユニット４０ａが用いられる。また、光学ユニット４０として、観視者８０の左目の前に配置される左目用光学ユニット４０ｂが用いられる。光学ユニット４０として、右目用光学ユニット４０ａ及び左目用光学ユニット４０ｂの少なくともいずれかが用いられる。
【００１１】
例えば、映像投影部５０は、右目用光学ユニット４０ａ及び左目用光学ユニット４０ｂの少なくともいずれかに映像光５１を入射させる。なお、右目用光学ユニット４０ａに映像光を入射させ右目用映像投影部と、左目用光学ユニット４０ｂに映像光を入射させる左目用映像投影部と、が設けられても良い。
【００１２】
以下では、光学ユニット４０として右目用光学ユニット４０ａが用いられる場合として説明する。以下の説明は、左目用光学ユニット４０ｂにも適用できる。
装着部６０は、映像投影部５０と光学ユニット４０とに連結される。装着部６０は、映像投影部５０と光学ユニット４０（例えば右目用光学ユニット４０ａ及び左目用光学ユニット４０ｂの少なくともいずれか）を保持する。
【００１３】
装着部６０は、例えば、右側装着部材６０ａと、左側装着部材６０ｂと、連結部６０ｃと、を含むことができる。右側装着部材６０ａは、例えば、観視者８０の右側に耳の上に配置される。左側装着部材６０ｂは、例えば、観視者８０の左側の耳の上に配置される。連結部６０ｃは、例えば、右側装着部材６０ａ及び左側装着部材６０ｂに連結される。例えば、連結部６０ｃは、右目用光学ユニット４０ａ及び左目用光学ユニット４０ｂを保持する。
【００１４】
表示装置１１０は、例えば、メガネ状やゴーグル状の形状を有する。ただし、実施形態はこれに限らず、表示装置１１０の形状は任意である。
図２に例示したように、映像投影部５０から出射した映像光５１は光学ユニット４０に入射し、光学ユニット４０で反射して得られた反射光５２が、観視者８０の目８１に入射する。
【００１５】
ここで、観視者８０から前方に向かう方向をＺ軸方向とする。観視者８０の左から右に向かう方向をＸ軸方向とする。観視者８０の下から上に向かう方向をＹ軸方向とする。Ｘ軸方向は、左目用光学ユニット４０ｂから右目用光学ユニット４０ａに向かう方向である。Ｙ軸方向は、Ｚ軸方向とＸ軸方向とに対して垂直な方向である。
【００１６】
図３に表したように、観視者８０は、光学ユニット４０を透過する透過光５３に含まれる背景像を観視することができる。表示装置１１０は、例えば光学シースルー型の頭部装着型の表示装置である。
図４に表したように、光学ユニット４０（例えば右目用光学ユニット４０ａ及び左目用光学ユニット４０ｂの少なくともいずれか）は、メガネのレンズ状の形状を有している。
【００１７】
図１は、光学ユニット４０の構成の例を示している。
図１に表したように、光学ユニット４０は、第１光学層１０と、第２光学層２０と、中間層３０と、を含む。
第１光学層１０は、第１主面１０ａと、第２主面１０ｂと、を有する。第２主面１０ｂは、第１光学層１０の、第１主面１０ａとは反対側の面である。第２主面１０ｂは、突出部１１を有する。突出部１１は、曲面状の表面を有する。第１光学層１０は、光透過性である。
【００１８】
第２光学層２０は、第３主面２０ａと、第４主面２０ｂと、を有する。第３主面２０ａは、第２主面１０ｂに面する。第３主面２０ａは、後退部２１を有する。後退部２１は、突出部１１に沿って後退する。第４主面２０ｂは、第２光学層２０の、第３主面２０ａとは反対側の面である。第２光学層２０は、光透過性である。
第１主面１０ａ及び第４主面２０ｂの少なくともいずれかは曲面である。この例では、第１主面１０ａ及び第４主面２０ｂの両方が曲面である。
【００１９】
中間層３０は、第２主面１０ｂと第３主面２０ａとの間に設けられる。中間層３０は、例えば、第２主面１０ｂと第３主面２０ａとに接する。中間層３０は、第１主面１０ａから第２主面１０ｂに向かう光（例えば映像光５１）の少なくとも一部を反射する。中間層３０は、第４主面２０ｂから第３主面２０ａに向かう光（例えば背景像を含む透過光５３）の少なくとも一部を透過する。
【００２０】
装着部６０は、映像光５１を第１主面１０ａから光学ユニット４０に入射させ、映像光５１が中間層３０で反射して得られる反射光５２が第２主面１０ｂから出射して観視者８０の目８１に入射するように、光学ユニット４０と観視者８０の目８１との相対的な位置関係を規定する。
これにより、見易く使い易い表示装置が提供できる。
【００２１】
第１光学層１０及び第２光学層２０には、可視光に対して透過性のガラスまたは樹脂などが用いられる。
中間層３０には、例えば、金属膜（例えばアルミニウム膜など）または金属化合物膜などが用いられる。中間層３０の厚さを十分薄くすることで、中間層３０は映像光５１を反射し、透過光５３を透過する。
【００２２】
中間層３０として、例えば、多層積層膜による反射透過膜などを用いても良い。この多層積層膜は、例えば、波長選択性を有する。例えば、中間層３０は、複数の第１層と、複数の第１層どうしの間に設けられ、複数の第１層の屈折率とは異なる第２層と、を含むことができる。この場合も、中間層３０は映像光５１を反射し、透過光５３を透過する。
【００２３】
中間層３０の可視光（例えば緑色光）に対する透過率は、例えば、９０％以上（反射率は１０％未満）であることが好ましい。中間層３０の透過率が過度に低いと、透過光５３が十分に目８１に到達しない。中間層３０の透過率を９０％以上にすることで、明るい実景（実空間の像であり、背景像）が得られる。
【００２４】
表示装置１１０において、第２主面１０ｂに設けられる突出部１１は突出し、第３主面２０ａに設けられる後退部２１は後退している。例えば、突出部１１は、Ｚ軸方向に沿って曲面状に突出し、後退部２１は、Ｚ軸方向に沿って曲面状に後退する。これにより、映像光５１が中間層３０で反射する際に、中間層３０は、例えば、凹面鏡として機能する。中間層３０で反射して得られた反射光５２に含まれる像は、映像光５１に含まれる層よりも大きい。すなわち、中間層３０において、像が拡大される。これにより、表示装置１１０は、観視者８０に、見易い表示を提供することができる。
表示装置１１０において、例えば、第１主面１０ａの曲率は、第４主面２０ｂの曲率とは異なる。
【００２５】
図１に示した例では、第４主面２０ｂは、曲面状に突出している。そして、第１主面１０ａは、曲面状に後退している。
第１主面１０ａの曲率が第４主面２０ｂの曲率よりも大きい場合（第１主面１０ａの曲率半径が第４主面２０ｂの曲率半径よりも小さい場合）、光学ユニット４０は、透過光５３に対して凹レンズとして機能する。図１に例示した光学ユニット４０においては、この構成が適用されている。
【００２６】
また、逆に、第１主面１０ａの曲率が第４主面２０ｂの曲率よりも小さい場合（第１主面１０ａの曲率半径が第４主面２０ｂの曲率半径よりも大きい場合）、光学ユニット４０は、例えば、透過光５３に対して凸レンズとして機能する。
【００２７】
光学ユニット４０が凹レンズまたは凸レンズとして機能する場合、光学ユニット４０は、観視者８０の視力を矯正する機能を有することができる。
【００２８】
表示装置１１０によれば、観視者８０は、映像投影部５０から得られる映像を観視することに加え、光学ユニット４０を介して、視力を矯正した状態で背景像を観視することができる。表示装置１１０は、観視者８０に、例えば、表示映像を拡大して見易く表示しつつ、背景像を見易く見せることができる。
このように、本実施形態に係る表示装置１１０によれば、見易く使い易い表示装置を提供することができる。
【００２９】
頭部装着型の表示装置のうちの、特に、光学シースルー型の表示装置においては、観視者８０は、表示映像と共に背景像を重畳して観視する。このとき、観視者８０によっては、凹レンズまたは凸レンズなどの視力を矯正するメガネを用いて背景像を見る状況が存在する。従来、表示映像を見易く表示する場合において、観視者８０の視力の矯正を考慮した構成は、知られていない。
【００３０】
また、通常のメガネのレンズ（目の前に配置される光透過性の部材）は、目の周りを囲むような曲面を有していることが多い。このため、頭部装着型の表示装置におけるスクリーンも目の周りを囲むような曲面を有していることが使用者にとって違和感が少ない。例えば、目の周りを囲むような曲面形状のスクリーンが使用者に取って使い易い。この曲面の曲率は、例えば、表示装置の外見上及び使用感などに基づいて、使用者の好みに適合するように設計される。
【００３１】
一方、表示映像を観視者８０に提示するための反射スクリーンは、映像投影部５０の特性、及び、光学ユニット４０と目８１との間の距離などによって、所定の形状及び光学特性を持つように設計される。
【００３２】
このため、目８１の前に配置される反射スクリーンの光学特性及び外形は、光学ユニット４０の外形と独立して設計されることが望ましい。発明者は、光学シースルー型の表示装置においては、上記の様な、従来にない特殊な課題が存在することを見出した。本実施形態に係る表示装置１１０の構成は、この新たに見出された課題を解決すべく構築されている。
【００３３】
表示装置１１０においては、反射スクリーンとして機能する中間層３０は、表示映像の表示のための適正な設計が適用される。一方、光学ユニット４０の外形及び光学特性は、背景像を観視するための望ましい設計が適用される。
【００３４】
例えば、光学ユニット４０の第１主面１０ａ及び第４主面２０ｂの形状は、例えば、曲面状とされる。これにより、使用者にとって違和感が小さくなり、使い易くなる。また、第１主面１０ａ及び第４主面２０ｂは、例えば、円筒状（例えばＸ軸を軸とする円筒状、または、Ｙ軸を軸とする円筒状）でも良い。また、第１主面１０ａ及び第４主面２０ｂのいずれかは、平面状でも良い。
【００３５】
光学ユニット４０の第１主面１０ａ及び第４主面２０ｂの形状は、例えば、光学ユニット４０を通過する透過光５３に対して、光学ユニット４０が凹レンズまたは凸レンズとして機能するように、設計される。これにより、観視者８０の視力を矯正することができる。
【００３６】
例えば、光学ユニット４０として、第２光学層２０を設けず、第１光学層１０と、第１光学層１０の第１主面１０ａまたは第２主面１０ｂ上に設けられた反射層と、を用いる参考例の構成が考えられる。この参考例においては、映像光５１は反射層で反射して、その反射光５２が観視者８０の目８１に入射する。このとき、反射層を、反射透過性とすることで、背景像を含む透過光５３が観視者８０の目８１に入射する。この構成においては、観視者８０が、背景像を観視したときに、背景像に歪みが発生する。これは、透過光５３が反射層（反射透過層）を通過する際に、反射層において屈折効果が生じるためである。
【００３７】
これに対し、本実施形態に係る表示装置１１０においては、映像光５１を反射する中間層３０が、第１光学層１０と第２光学層２０との間に設けられる。このため、透過光５３に対する第１光学層１０の作用が、透過光５３に対する第２光学層２０の作用によって補償される。このため、透過光５３に含まれる背景像の歪みが抑制される。
【００３８】
このように、表示装置１１０は、映像投影部５０と、映像投影部５０から供給される映像を目に導く接眼光学系と、を含む。接眼光学系として、光学ユニット４０が用いられる。表示映像を含む映像光５１は、観視者８０の目８１の横、または、目８１の上方から、光学ユニット４０に向けて投影される。光学ユニット４０は、視野を広げ、外界の背景像を歪みを抑制した状態で透過させる。これと同時に、光学ユニット４０は、投影された映像を拡大して、目８１の方向に反射させる。これにより、見易く使い易い表示装置が提供される。
【００３９】
本実施形態に係る表示装置１１０において、第１光学層１０の屈折率は、第２光学層２０の屈折率と同じであることが望ましい。例えば、第１光学層１０の屈折率と、第２光学層２０の屈折率と、の差の絶対値は、１×１０−３以下であることが望ましい。これにより、透過光５３に含まれる背景像の歪みが効果的に抑制できる。
【００４０】
図５は、第１の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式的平面図である。
図５に表したように、表示装置１１０の光学ユニット４０において、透過光５３に対する光軸４０ｏ（主軸）が存在する。光軸４０ｏは、光学ユニット４０の第４主面２０ｂから入射する光（透過光５３）が、第３主面２０ａ、中間層３０、第２主面１０ｂ及び第１主面１０ａを通過するときの光軸（主軸）である。
【００４１】
光学ユニット４０が例えば、凹レンズまたは凸レンズとして機能する場合、光学ユニット４０の透過光５３に対する光軸４０ｏは、凹レンズの光軸（主軸）または凸レンズの光軸（主軸）に相当する。
【００４２】
一方、中間層３０において、映像光５１に対する光軸３０ｏ（主軸）が存在する。光軸３０ｏは、映像光５１が第１主面１０ａから光学ユニット４０に入射し、映像光５１が中間層３０で反射するときの中間層３０における光軸（主軸）である。光軸３０ｏは、例えば、反射光５２の光軸（主軸）に相当する。
【００４３】
中間層３０の映像光５１に対する光軸３０ｏは、中間層３０が凹面鏡として機能する際の、凹面鏡の光軸（主軸）に相当する。
中間層３０の映像光５１に対する光軸３０ｏは、光学ユニット４０の透過光５３に対する光軸４０ｏと、実質的に一致する。
例えば、中間層３０の映像光５１に対する光軸３０ｏの位置が、光学ユニット４０の透過光５３に対する光軸４０ｏから離れると、反射光５２に含まれる表示映像と、透過光５３に含まれる背景像と、において、歪みが大きくなり、良好な像が得られる視野が狭くなる。
【００４４】
映像光５１が第１主面１０ａから光学ユニット４０に入射し、映像光５１が中間層３０で反射するときの中間層３０における光軸３０ｏの位置（例えばＸ−Ｙ平面における位置）と、第４主面２０ｂから入射する光（透過光５３）が、第３主面２０ａ、中間層３０、第２主面１０ｂ及び第１主面１０ａを通過するときの光軸４０ｏの位置（例えばＸ−Ｙ平面における位置）と、の距離は、５００マイクロメートル（μｍ）以下であることが好ましい。
【００４５】
光軸３０ｏの位置と光軸４０ｏの位置との距離を、５００μｍ以下にすることで、像の歪みが実用的に十分に小さくでき、良好な表示が得られる視野が実用的に十分広くなる。
これにより、例えば、特に、実景（背景像）に表示映像を重畳させて表示をするＡＲ（Augmented Reality：拡張現実）表示において、観視者８０に良好な映像を提供することができる。
【００４６】
図６（ａ）〜図６（ｆ）は、第１の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式的断面図である。
これらの図は、例えば、図４のＡ１−Ａ２線断面に相当する。これらの図は、本実施形態に係る表示装置１１０に使用可能な別の光学ユニットのいくつかの例を示している。
【００４７】
図６（ａ）に表したように、光学ユニット４１ａにおいては、第１主面１０ａは実質的に平面である。第４主面２０ｂは、曲面状に突出している。
図６（ｂ）に表したように、光学ユニット４１ｂにおいては、第１主面１０ａは、曲面状に後退している。第４主面２０ｂは、曲面状に突出している。この例では、第１主面１０ａの曲率は、第４主面２０ｂの曲率よりも小さい。
図６（ｃ）に表したように、光学ユニット４１ｃにおいては、第１主面１０ａは、曲面状に突出している。第４主面２０ｂは、曲面状に突出している。
【００４８】
図６（ｄ）に表したように、光学ユニット４１ｄにおいては、第１主面１０ａは、曲面状に突出している。第４主面２０ｂは、実質的に平面である。
光学ユニット４１ａ、４１ｂ、４１ｃ及び４１ｄは、透過光５３に対して凸レンズとして機能する。
図６（ｅ）に表したように、光学ユニット４１ｅにおいては、第１主面１０ａは、曲面状に後退している。第４主面２０ｂは、実質的に平面である。光学ユニット４１ｅは、透過光５３に対して凹レンズとして機能する。
図６（ｆ）に表したように、光学ユニット４１ｆにおいては、第１主面１０ａは、曲面状に後退している。第４主面２０ｂは、曲面状に突出している。第１主面１０ａの曲率は、第４主面２０ｂの曲率と同じである。第４主面２０ｂは、第１主面１０ａに対して平行である。
光学ユニット４１ｆは、透過光５３に対して像の拡大または縮小の機能を持たない。光学ユニット４１ｆは、例えば。使用者に、デザインの好みを満足させ、または、使い易さを感じさせる。
【００４９】
（第２の実施形態）
本実施形態に係る表示装置においては、光学ユニットの構成が、第１の実施形態における光学ユニットとは異なる。以下では、光学ユニット以外の構成についての説明は省略し、本実施形態の光学ユニットの例について、第１の実施形態の光学ユニットとは異なる点について説明する。
【００５０】
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第２の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式的断面図である。
図７（ａ）は、例えば、図４のＡ１−Ａ２線断面に相当し、例えば、Ｚ−Ｙ平面で切断したときの断面図である。第７（ｂ）は、図４のＡ３−Ａ４断面に相当し、例えば、Ｚ−Ｘ平面で切断したときの断面図である。
図８は、第２の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式的平面図である。
図９は、第２の実施形態に係る表示装置の使用状態を例示する模式図である。
【００５１】
図７（ａ）、図７（ｂ）及び図８に表したように、本実施形態に係る表示装置１２０における光学ユニット４２おいては、第２主面１０ｂは、複数の凸部１２をさらに有する。複数の凸部１２は、突出部１１の周りに設けられる。複数の凸部１２のそれぞれは、突出部１１をＸ−Ｙ平面内で取り囲む。複数の凸部１２のそれぞれは、突出部と同心である。
【００５２】
さらに、第３主面２０ａは、複数の凹部２２をさらに有する。複数の凹部２２は、後退部２１の周りに設けられる。複数の凹部２２のそれぞれは、後退部２１をＸ−Ｙ平面内で取り囲む。複数の凹部２２のそれぞれは、後退部２１と同心である。複数の凹部２２のそれぞれは、複数の凸部１２のそれぞれに沿う。
【００５３】
第２主面１０ｂは、フレネルレンズの表面形状を有する。第２主面１０ｂにおいて、突出部１１と、複数の凸部１２と、は、フレネルレンズの表面を形成する。第３主面２０ａは、フレネルレンズの表面形状を有する。第３主面２０ａにおいて、後退部２１と、複数の凹部２２と、は、フレネルレンズの表面を形成する。
これにより、中間層３０は、フレネルレンズの形状を有する凹面鏡として機能する。
【００５４】
第２主面１０ｂがフレネルレンズの表面形状を有し、第３主面２０ａがフレネルレンズの表面形状を有することで、中間層３０の凹面鏡の全体の曲率を大きくしつつ（維持しつつ）、光学ユニット４２の全体の厚さを薄くすることができる。
【００５５】
図９に表したように、表示装置１２０においても、映像投影部５０から出射した映像光５１は、光学ユニット４２に第１主面１０ａから入射する。映像光５１が中間層３０で反射して得られた反射光５２は、第２主面１０ｂから出射し、観視者８０の目８１に到達する。一方、第４主面２０ｂから入射した背景像を含む光（透過光５３）は、光学ユニット４２を通過して目８１に入射する。
【００５６】
表示装置１２０においては、光学ユニット４２の内部にフレネルミラー（例えば中間層３０）が設けられている。すなわち、メガネレンズの内部に、フレネルミラーを形成する凹凸面が設けられ、その凹凸面上に反射膜が形成される。例えば、第１光学層１０となる基材の表面にフレネルレンズの凹凸を形成し、その上に中間層３０を形成し、さらに、その上に第２光学層２０となる基材を形成する。または、例えば、第２光学層２０となる基材の表面にフレネルレンズの凹凸を形成し、その上に中間層３０を形成し、さらに、その上に第１光学層１０となる基材を形成する。
【００５７】
このときも、第１光学層１０及び第２光学層２０には、透明なガラスまたは樹脂などを用いる。そして、中間層３０となる、半透過反射膜（アルミなどの金属蒸着などや、多層膜による波長選択膜など）を形成する。中間層３０の透過率は、例えば９０％以上とされる。
【００５８】
なお、フレネルレンズの構成を利用することで全体の厚さを薄くすることができるため、第１光学層１０、第２光学層２０及びフレネルレンズ形状の中間層３０と、を含み、第４主面２０ｂが第１主面１０ａと平行な薄い光学シートが形成できる。そして、この薄い光学シートを、メガネのレンズの内側面または外側面に貼り付ける構成が考えられる。しかしながら、このような光学シートを曲面状のメガネのレンズ上に貼り付けると、その曲面に沿って光学シートが曲がり、フレネルレンズの複数の凸部１２及び凹部２２が所定の形状から変化し、所望の特性が得られない。
また、曲面状のメガネのレンズ上に貼り付けることを考慮して、第２主面１０ｂ及び第３主面２０ａを加工することは、実用的には非常に困難であり、現実的ではない。
【００５９】
このように、表示映像の反射面となるメガネレンズ部分にフレネルミラーを用いる構成の頭部装着型の表示装置において、曲面状のメガネレンズ部分にシート状のフレネルミラーを貼ると、所望の光学特性が確保できないことが分かった。また、曲面状に曲げたときに機能するフレネルミラーの設計は、困難であり、また、製造も困難である。
【００６０】
これに対して、本実施形態に係る表示装置１２０においては、所望の特性を有する光学ユニット４２を容易に作製することができる。例えば、表面にフレネルレンズ構造を有する金型を用いて、例えば、第２主面１０ｂを有する基材（例えば透明な樹脂など）を形成する。この基材は、ガラスなどでも良い。この場合は、第２主面１０ｂとなる面にフレネルレンズ構造の表面をエッチングや切削などの手法で形成しても良い。この後、第２主面１０ｂ上に中間層３０を例えば気相成長などにより形成する。その後、中間層３０の上に、第２光学層２０となる例えば透明な樹脂材料の層を形成する。その後、第１主面１０ａと第４主面２０ｂとを任意の方法で、任意の形状で形成する。これにより、所望の光学特性（映像光５１に対する光学特性及び透過光５３に対する光学特性）を有する光学ユニット４２が容易に得られる。なお、上記の製造方法は一例であり、実施形態においては、任意の製造方法を適用することができる。
このようして得られた光学ユニット４２、及び、映像投影部５０を、装着部６０に取り付けることで、表示装置１２０（及び表示装置１１０など）が得られる。
【００６１】
図７（ａ）及び図７（ｂ）に表したように、複数の凸部１２は、Ｚ軸方向に沿った高さｈを有している。また、複数の凹部２２は、Ｚ軸方向に沿った深さｈを有している。
また、複数の凸部１２（凹部２２）どうしのＸ軸方向に沿った距離は、例えば距離ｐｘである。複数の凹部２２（凹部２２）どうしのＹ軸方向に沿った距離は、例えば距離ｐｙである。
【００６２】
図８に表したように、表示装置１２０においても、中間層３０の映像光５１に対する光軸３０ｏは、光学ユニット４０の透過光５３に対する光軸４０ｏと、実質的に一致することが好ましい。光軸３０ｏの位置と、光軸４０ｏの位置と、の距離は、５００μｍ以下であることが好ましい。
図８に表したように、複数の凸部１２のうちの最近接の２つの凸部１２どうしの距離（例えばピッチ）は、Ｘ軸方向において、距離ｐｘ１及び距離ｐｘ２である。例えば、距離ｐｘ１は、映像光５１（反射光５２）に対する光軸３０ｏと、第１主面１０ａのＸ軸方向の一方の端と、の間の領域における複数の凸部１２どうしの間の間隔である。例えば、距離ｐｘ２は、映像光５１に対する光軸３０ｏと、第１主面１０ａのＸ軸方向の他方の端と、の間の領域における複数の凸部１２どうしの間の間隔である。この例では、距離ｐｘ１は、距離ｐｘ２と実質的に等しい。
【００６３】
また、複数の凸部１２のうちの最近接の２つの凸部１２どうしの距離（例えばピッチ）は、Ｙ軸方向において、距離ｐｙ１及び距離ｐｙ２である。例えば、距離ｐｙ１は、映像光５１に対する光軸３０ｏと、第１主面１０ａのＹ軸方向の一方の端と、の間の領域における複数の凸部１２どうしの間の間隔である。例えば、距離ｐｙ２は、映像光５１に対する光軸３０ｏと、第１主面１０ａのＹ軸方向の他方の端と、の間の領域における複数の凸部１２どうしの間の間隔である。この例では、距離ｐｙ１は、距離ｐｙ２と実質的に等しい。また、距離ｐｙ１は、距離ｐｘ１と実質的に等しい。
すなわち、この例では、突出部１１をＺ軸方向に沿って見たときの形状は円形であり、複数の凸部１２は同心円である。
【００６４】
複数の凸部１２のうちの最近接の２つの凸部１２どうしの距離（例えばピッチであり、距離ｐｘ１、距離ｐｘ２、距離ｐｙ１及び距離ｐｙ２など）は、１００μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。同様に、複数の凹部２２のうちの最近接の２つの凹部２２どうしの距離は、１００μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。
【００６５】
フレネルレンズ構造におけるピッチが過度に短いと、回折の影響により、画質が低下する。ピッチ幅を１００μｍ以上にすることで、画質の低下が実質的に抑制できる。フレネルレンズ構造のピッチが過度に長いと、複数の凸部１２または複数の凹部２２が目立ち易くなり、画質が低下する。本実施形態において、光学ユニットの第１主面１０ａと観視者８０の目８１との距離は、例えば、５ミリメートル（ｍｍ）以上、３０ｍｍ以下である。第１主面１０ａと観視者８０の目８１との距離がこのように短い場合は、目の焦点が合わないため、ピッチが１０００μｍ以下において、ピッチの粗さに起因した画質の低下は実用的に許容される程度になる。
【００６６】
表示装置１２０においては、光学ユニット４２の内部にフレネルミラー面が作り込まれている。このため、例えば、光学ユニット４２は、外界の背景像に対しては通常のメガネと同様に作用する。それと同時に、光学ユニット４２は、投影された表示映像に対して反射スクリーンとして作用する。これにより、ひずみの少ない視野の広い表示が可能となる。特に、ＡＲ表示において、観視者８０に良好な映像を提供することができる。
【００６７】
図１０（ａ）〜図１０（ｆ）は、第２の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式的断面図である。
これらの図は、例えば、図４のＡ１−Ａ２線断面に相当する。これらの図は、本実施形態に係る表示装置１２０に使用可能な光学ユニットのいくつかの例を示している。
【００６８】
図１０（ａ）に表したように、光学ユニット４２ａにおいては、第１主面１０ａは実質的に平面である。第４主面２０ｂは、曲面状に突出している。
図１０（ｂ）に表したように、光学ユニット４２ｂにおいては、第１主面１０ａは、曲面状に後退している。第４主面２０ｂは、曲面状に突出している。この例では、第１主面１０ａの曲率は、第４主面２０ｂの曲率よりも小さい。
図１０（ｃ）に表したように、光学ユニット４２ｃにおいては、第１主面１０ａは、曲面状に突出している。第４主面２０ｂは、曲面状に突出している。
図１０（ｄ）に表したように、光学ユニット４２ｄにおいては、第１主面１０ａは、曲面状に突出している。第４主面２０ｂは、実質的に平面である。
光学ユニット４２ａ、４２ｂ、４２ｃ及び４２ｄは、透過光５３に対して凸レンズとして機能する。
図１０（ｅ）に表したように、光学ユニット４２ｅにおいては、第１主面１０ａは、曲面状に後退している。第４主面２０ｂは、実質的に平面である。光学ユニット４２ｅは、透過光５３に対して凹レンズとして機能する。
図１０（ｆ）に表したように、光学ユニット４２ｆにおいては、第１主面１０ａは、曲面状に後退している。第４主面２０ｂは、曲面状に突出している。第１主面１０ａの曲率は、第４主面２０ｂの曲率と同じである。第４主面２０ｂは、第１主面１０ａに対して平行である。
光学ユニット４２ｆは、透過光５３に対して像の拡大または縮小の機能を持たない。光学ユニット４２ｆは、例えば、使用者に、デザインの好みを満足させ、または、使い易さを感じさせる。
【００６９】
実施形態に係る表示装置１１０及び１２０において、観視者８０の目８１の前に設置された光学ユニットに対して、目８１の横または上方から映像光５１が投影される。このとき、光学ユニットの反射特性を非対称にすることで、映像のひずみを低減することができる。以下、フレネルレンズの構成を用いる表示装置１２０の場合について説明する。
【００７０】
図１１（ａ）〜図１１（ｃ）及び図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、第２の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式的断面図である。
これらの図は、本実施形態に係る表示装置１２０に使用可能な光学ユニットのいくつかの例を示している。これらの図は、光学ユニットに設けられるフレネルレンズの形状、すなわち、突出部１１及び複数の凸部１２の形状（後退部２１及び複数の凹部２２の形状）を例示している。
【００７１】
図１１（ａ）に表したように、光学ユニット４３ａにおいては、突出部１１の、Ｚ軸に沿ってみたときの形状は、扁平円（楕円を含む）である。そして、複数の凸部１２のそれぞれの、Ｚ軸に沿ってみたときの形状は、同心の扁平円である。
この例では、突出部１１のＸ軸方向に沿う長さは、突出部１１のＹ軸方向に沿う長さよりも長い。１つの凸部１２において、Ｘ軸方向に沿う長さは、Ｙ軸方向に沿う長さよりも長い。そして、距離ｐｘ１及び距離ｐｘ２は、距離ｐｙ１及び距離ｐｙ２よりも長い。
【００７２】
図１１（ｂ）に表したように、光学ユニット４３ｂにおいては、突出部１１の、Ｚ軸に沿ってみたときの形状は、扁平円（楕円を含む）である。そして、複数の凸部１２のそれぞれの、Ｚ軸に沿ってみたときの形状は、同心の扁平円である。
この例では、突出部１１のＸ軸方向に沿う長さは、突出部１１のＹ軸方向に沿う長さよりも短い。１つの凸部１２において、Ｘ軸方向に沿う長さは、Ｙ軸方向に沿う長さよりも短い。そして、距離ｐｘ１及び距離ｐｘ２は、距離ｐｙ１及び距離ｐｙ２よりも短い。
【００７３】
このように、第１主面１０ａから第２主面１０ｂに向かう第１方向（例えばＺ軸方向）に対して垂直な第２方向（例えばＸ軸方向）に沿った、複数の凸部１２どうしの間隔（例えば距離ｐｘ１及び距離ｐｘ２）は、第１方向と第２方向とに対して垂直な第３方向（例えばＹ軸方向）に沿った複数の凸部１２どうしの間隔（例えば距離ｐｙ１及び距離ｐｙ２）とは異なることができる。
【００７４】
例えば、光学ユニットと、映像投影部５０と、観視者８０の目８１と、の相対的な位置に基づいて、例えば、Ｘ軸方向に沿う距離ｐｘ１及び距離ｐｘ２と、Ｙ軸方向に沿う距離ｐｙ１及び距離ｐｙ２と、の関係が適切に定められる。
また、複数の凸部１２のそれぞれの高さｈの、複数の凸部１２の間での変化を、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで変えても良い。
【００７５】
また、図１１（ｃ）に表したように、光学ユニット４３ｃにおいては、突出部１１の、Ｚ軸に沿ってみたときの形状は、扁平円（楕円を含む）であり、扁平円の軸が、Ｚ軸を軸にして回転している。例えば、突出部１１の長軸の方向をＸ１軸方向とし、短軸方向の軸をＹ１軸方向とする。この例では、Ｘ１軸はＸ軸に対して非平行であり、Ｙ１軸はＹ軸に対して非平行である。
【００７６】
図１２（ａ）に表したように、光学ユニット４３ｄにおいては、突出部１１の、Ｚ軸に沿ってみたときの形状は、Ｘ軸（軸３０ｘ）に対して非対称である。この例では、ある位置における複数の凸部１２どうしの間隔（例えば距離ｐｙ１）は、その位置のＸ軸に対して対称な位置における複数の凸部１２どうしの間隔（例えば距離ｐｙ２）とは異なる。このように、複数の凸部１２どうしの間隔は、Ｘ軸方向に関して非対称とすることができる。
【００７７】
図１２（ｂ）に表したように、光学ユニット４３ｅにおいては、突出部１１の、Ｚ軸に沿ってみたときの形状は、Ｙ軸（軸３０ｙ）に対して非対称である。この例では、ある位置における複数の凸部１２どうしの間隔（例えば距離ｐｘ１）は、その位置のＹ軸に対して対称な位置における複数の凸部１２どうしの間隔（例えば距離ｐｘ２）とは異なる。このように、複数の凸部１２どうしの間隔は、Ｙ軸方向に関して非対称とすることができる。
【００７８】
図１２（ｃ）に表したように、光学ユニット４３ｆにおいては、突出部１１の、Ｚ軸に沿ってみたときの形状は、Ｘ軸（軸３０ｘ）に対して非対称であり、さらに、Ｙ軸（軸３０ｙ）に対して非対称である。この例では、距離ｐｙ１は距離ｐｙ２とは異なり、距離ｐｘ１は距離ｐｘ２とは異なる。
【００７９】
なお、光学ユニット４３ｆにおける複数の凸部１２は、光学ユニット４３ｅにおける複数の凸部１２を、Ｚ軸を軸として回転させたものとしても良い。すなわち、光学ユニット４３ｆにおけるＸ１軸はＸ軸に対して非平行であり、Ｙ１軸はＹ軸に対して非平行である。
さらに、実施形態はこれに限らず、複数の凸部１２のそれぞれの形状は、任意である。
【００８０】
また、複数の凸部１２のそれぞれの高さｈの、複数の凸部１２の間での変化を、観視者８０からみた上側と下側とで変えても良い。また、複数の凸部１２のそれぞれの高さｈの、複数の凸部１２の間での変化を、観視者８０からみた左側と右側とで変えても良い。複数の凸部１２のそれぞれの高さｈの、複数の凸部１２の間での変化を、観視者８０からみた上側と下側とで変え、同時に左側と右側とで変えても良い。
また、複数の凸部１２のそれぞれの高さｈは、Ｚ軸方向に対して垂直な任意の軸（例えば第２軸）と、第２主面１０ｂの一方の端と、の間の領域と、その第２軸と、第２主面１０ｂの他方の端と、の間の領域と、で異なっていても良い。
【００８１】
図１３は、実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。
図１３は、上記の実施形態に係る表示装置１１０及び１２０に用いることができる映像投影部５０の構成の１つの例を示している。
この例では、映像投影部５０として、レーザ走査型の網膜直描ディスプレイが用いられている。
【００８２】
図１３に表したように、映像投影部５０は、画像エンジン１１２と、光学素子７０と、を含む。この例では、画像エンジン１１２は、光源１１１（青色光源１１１Ｂ、緑色光源１１１Ｇ及び赤色光源１１１Ｒ）と、光スイッチ１１２ａとを含む。この例では、光学素子７０は、接眼光学系（例えばレンズなど）を含む。光学素子７０には、例えばリレー光学系などが用いられる。
【００８３】
青色光源１１１Ｂ、緑色光源１１１Ｇ及び赤色光源１１１Ｒには、それぞれ青色レーザ、緑色レーザ及び赤色レーザのそれぞれが用いられる。光スイッチ１１２ａには、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スキャナが用いられる。
【００８４】
光源１１１から、映像信号に応じて輝度調整された光が出力される。光源１１１から出力された光は、ＭＥＭＥＳデバイスの反射面に入射する。ＭＥＭＳスキャナは、入射した光の方向を変える。ＭＥＭＳスキャナで反射した光は、水平及び垂直方向に沿ってスキャンされる。これにより画像が形成される。
【００８５】
光の光路上において、ＭＥＭＳスキャナと観視者８０の目８１との間に光学素子７０と光学ユニットとが設けられる。光学ユニットには、第１及び第２の実施形態に関して説明した光学ユニットのいずれか、または、その変形を用いることができる。以下では、光学ユニットとして光学ユニット４０を用いる場合として説明する。
【００８６】
光学ユニット４０は、スキャンされた光（映像光５１）を反射して、反射光５２を観視者８０の目８１に入射させる。これにより、目８１の網膜面に映像が表示される。この例では、ＭＥＭＳスキャナと目８１との間の光路上に光学素子７０が設けられ、光学素子７０と目８１との間の光路上に光学ユニット４０が設けられる。
【００８７】
観視者８０は、光学ユニット４０を通して、実景と、映像投影部５０により表示される表示映像と、の両方を見ることができる。これにより、表示映像が実景に重なって見える。
実施形態によれば、見易く使い易い表示装置が提供される。
【００８８】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、表示装置に含まれる映像投影部、光学ユニット、第１光学層、第２光学層、中間層及び装着部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【００８９】
その他、本発明の実施の形態として上述した表示装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての表示装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【００９０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９１】
１０…第１光学層、 １０ａ…第１主面、 １０ｂ…第２主面、 １１…突出部、 １２…凸部、 ２０…第２光学層、 ２０ａ…第３主面、 ２０ｂ…第４主面、 ２１…後退部、 ２２…凹部、 ３０…中間層、 ３０ｏ…光軸（主軸）、 ３０ｘ、３０ｙ…軸、 ４０…光学ユニット、 ４０ａ…右目用光学ユニット、 ４０ｂ…左目用光学ユニット、 ４０ｏ…光軸（主軸）、 ４１ａ〜４１ｆ、４２、４２ａ〜４２ｆ、４３ａ〜４３ｆ…光学ユニット、 ５０…映像投影部、 ５１…映像光、 ５２…反射光、 ５３…透過光、 ６０…装着部、 ６０ａ…右側装着部材、 ６０ｂ…左側装着部材、 ６０ｃ…連結部、 ７０…光学素子、 ８０…観視者、 ８１…目、 １１０、１２０…表示装置、 １１１…光源、 １１１Ｂ…青色光源、 １１１Ｇ…緑色光源、 １１１Ｒ…赤色光源、 １１２…画像エンジン、 １１２ａ…光スイッチ、 ｈ…高さ（深さ）、 ｐｘ、ｐｘ１、ｐｘ２、ｐｙ、ｐｙ１、ｐｙ２…距離
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
使用者（観視者）の頭部に装着され、使用者の目に表示を行うヘッドマウントディスプレイが開発されている。例えば、透明な部材の裏面に反射面を設け、反射面で反射する光を使用者の目に導く表示装置が提案されている。
このような表示装置において、見易く使い易いことが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２２１４４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、見易く使い易い表示装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、映像投影部と、光学ユニットと、装着部と、を含む表示装置が提供される。前記映像投影部は、映像を含む映像光を出射する。前記光学ユニットは、第１光学層と、第２光学層と、中間層と、を含む。前記第１光学層は、第１主面と、前記第１主面とは反対側の第２主面と、を有する。前記第２主面は、曲面状の表面を有する突出部を有する。前記第１光学層は、光透過性である。前記第２光学層は、前記第２主面に面し前記突出部に沿って後退する後退部を有する第３主面と、前記第３主面とは反対側の第４主面と、を有する。前記第２光学層は、光透過性である。前記中間層は、前記第２主面と前記第３主面との間に設けられる。前記中間層は、前記第１主面から前記第２主面に向かう光の少なくとも一部を反射し、前記第４主面から前記第３主面に向かう光の少なくとも一部を透過する。前記第１主面及び前記第４主面の少なくともいずれかは曲面である。前記装着部は、前記映像投影部と前記光学ユニットとに連結され、前記映像光を前記第１主面から前記光学ユニットに入射させ、前記映像光が前記中間層で反射して得られる反射光が前記第２主面から出射して観視者の目に入射するように前記光学ユニットと前記観視者の前記目との相対的な位置関係を規定する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態に係る表示装置を示す模式的断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る表示装置を示す模式的斜視図である。
【図３】第１の実施形態に係る表示装置の使用状態を示す模式図である。
【図４】第１の実施形態に係る表示装置を示す模式的平面図である。
【図５】第１の実施形態に係る表示装置を示す模式的平面図である。
【図６】図６（ａ）〜図６（ｆ）は、第１の実施形態に係る表示装置を示す模式的断面図である。
【図７】図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第２の実施形態に係る表示装置を示す模式的断面図である。
【図８】第２の実施形態に係る表示装置を示す模式的平面図である。
【図９】第２の実施形態に係る表示装置の使用状態を示す模式図である。
【図１０】図１０（ａ）〜図１０（ｆ）は、第２の実施形態に係る表示装置を示す模式的断面図である。
【図１１】図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、第２の実施形態に係る表示装置を示す模式的断面図である。
【図１２】図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、第２の実施形態に係る表示装置を示す模式的断面図である。
【図１３】実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００８】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式的断面図である。
図２は、第１の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式的斜視図である。
図３は、第１の実施形態に係る表示装置の使用状態を例示する模式図である。
図４は、第１の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式的平面図である。
図１は、図４のＡ１−Ａ２線断面図である。
【０００９】
図２に表したように、本実施形態に係る表示装置１１０は、映像投影部５０と、光学ユニット４０と、装着部６０と、を備える。
映像投影部５０は、映像を含む映像光５１を出射する。映像光５１は、例えば、レーザ光である。
【００１０】
光学ユニット４０は、例えば、観視者８０（使用者）の目８１の前に配置される。光学ユニット４０として、例えば、観視者８０の右目の前に配置される右目用光学ユニット４０ａが用いられる。また、光学ユニット４０として、観視者８０の左目の前に配置される左目用光学ユニット４０ｂが用いられる。光学ユニット４０として、右目用光学ユニット４０ａ及び左目用光学ユニット４０ｂの少なくともいずれかが用いられる。
【００１１】
例えば、映像投影部５０は、右目用光学ユニット４０ａ及び左目用光学ユニット４０ｂの少なくともいずれかに映像光５１を入射させる。なお、右目用光学ユニット４０ａに映像光を入射させ右目用映像投影部と、左目用光学ユニット４０ｂに映像光を入射させる左目用映像投影部と、が設けられても良い。
【００１２】
以下では、光学ユニット４０として右目用光学ユニット４０ａが用いられる場合として説明する。以下の説明は、左目用光学ユニット４０ｂにも適用できる。
装着部６０は、映像投影部５０と光学ユニット４０とに連結される。装着部６０は、映像投影部５０と光学ユニット４０（例えば右目用光学ユニット４０ａ及び左目用光学ユニット４０ｂの少なくともいずれか）を保持する。
【００１３】
装着部６０は、例えば、右側装着部材６０ａと、左側装着部材６０ｂと、連結部６０ｃと、を含むことができる。右側装着部材６０ａは、例えば、観視者８０の右側に耳の上に配置される。左側装着部材６０ｂは、例えば、観視者８０の左側の耳の上に配置される。連結部６０ｃは、例えば、右側装着部材６０ａ及び左側装着部材６０ｂに連結される。例えば、連結部６０ｃは、右目用光学ユニット４０ａ及び左目用光学ユニット４０ｂを保持する。
【００１４】
表示装置１１０は、例えば、メガネ状やゴーグル状の形状を有する。ただし、実施形態はこれに限らず、表示装置１１０の形状は任意である。
図２に例示したように、映像投影部５０から出射した映像光５１は光学ユニット４０に入射し、光学ユニット４０で反射して得られた反射光５２が、観視者８０の目８１に入射する。
【００１５】
ここで、観視者８０から前方に向かう方向をＺ軸方向とする。観視者８０の左から右に向かう方向をＸ軸方向とする。観視者８０の下から上に向かう方向をＹ軸方向とする。Ｘ軸方向は、左目用光学ユニット４０ｂから右目用光学ユニット４０ａに向かう方向である。Ｙ軸方向は、Ｚ軸方向とＸ軸方向とに対して垂直な方向である。
【００１６】
図３に表したように、観視者８０は、光学ユニット４０を透過する透過光５３に含まれる背景像を観視することができる。表示装置１１０は、例えば光学シースルー型の頭部装着型の表示装置である。
図４に表したように、光学ユニット４０（例えば右目用光学ユニット４０ａ及び左目用光学ユニット４０ｂの少なくともいずれか）は、メガネのレンズ状の形状を有している。
【００１７】
図１は、光学ユニット４０の構成の例を示している。
図１に表したように、光学ユニット４０は、第１光学層１０と、第２光学層２０と、中間層３０と、を含む。
第１光学層１０は、第１主面１０ａと、第２主面１０ｂと、を有する。第２主面１０ｂは、第１光学層１０の、第１主面１０ａとは反対側の面である。第２主面１０ｂは、突出部１１を有する。突出部１１は、曲面状の表面を有する。第１光学層１０は、光透過性である。
【００１８】
第２光学層２０は、第３主面２０ａと、第４主面２０ｂと、を有する。第３主面２０ａは、第２主面１０ｂに面する。第３主面２０ａは、後退部２１を有する。後退部２１は、突出部１１に沿って後退する。第４主面２０ｂは、第２光学層２０の、第３主面２０ａとは反対側の面である。第２光学層２０は、光透過性である。
第１主面１０ａ及び第４主面２０ｂの少なくともいずれかは曲面である。この例では、第１主面１０ａ及び第４主面２０ｂの両方が曲面である。
【００１９】
中間層３０は、第２主面１０ｂと第３主面２０ａとの間に設けられる。中間層３０は、例えば、第２主面１０ｂと第３主面２０ａとに接する。中間層３０は、第１主面１０ａから第２主面１０ｂに向かう光（例えば映像光５１）の少なくとも一部を反射する。中間層３０は、第４主面２０ｂから第３主面２０ａに向かう光（例えば背景像を含む透過光５３）の少なくとも一部を透過する。
【００２０】
装着部６０は、映像光５１を第１主面１０ａから光学ユニット４０に入射させ、映像光５１が中間層３０で反射して得られる反射光５２が第２主面１０ｂから出射して観視者８０の目８１に入射するように、光学ユニット４０と観視者８０の目８１との相対的な位置関係を規定する。
これにより、見易く使い易い表示装置が提供できる。
【００２１】
第１光学層１０及び第２光学層２０には、可視光に対して透過性のガラスまたは樹脂などが用いられる。
中間層３０には、例えば、金属膜（例えばアルミニウム膜など）または金属化合物膜などが用いられる。中間層３０の厚さを十分薄くすることで、中間層３０は映像光５１を反射し、透過光５３を透過する。
【００２２】
中間層３０として、例えば、多層積層膜による反射透過膜などを用いても良い。この多層積層膜は、例えば、波長選択性を有する。例えば、中間層３０は、複数の第１層と、複数の第１層どうしの間に設けられ、複数の第１層の屈折率とは異なる第２層と、を含むことができる。この場合も、中間層３０は映像光５１を反射し、透過光５３を透過する。
【００２３】
中間層３０の可視光（例えば緑色光）に対する透過率は、例えば、９０％以上（反射率は１０％未満）であることが好ましい。中間層３０の透過率が過度に低いと、透過光５３が十分に目８１に到達しない。中間層３０の透過率を９０％以上にすることで、明るい実景（実空間の像であり、背景像）が得られる。
【００２４】
表示装置１１０において、第２主面１０ｂに設けられる突出部１１は突出し、第３主面２０ａに設けられる後退部２１は後退している。例えば、突出部１１は、Ｚ軸方向に沿って曲面状に突出し、後退部２１は、Ｚ軸方向に沿って曲面状に後退する。これにより、映像光５１が中間層３０で反射する際に、中間層３０は、例えば、凹面鏡として機能する。中間層３０で反射して得られた反射光５２に含まれる像は、映像光５１に含まれる層よりも大きい。すなわち、中間層３０において、像が拡大される。これにより、表示装置１１０は、観視者８０に、見易い表示を提供することができる。
表示装置１１０において、例えば、第１主面１０ａの曲率は、第４主面２０ｂの曲率とは異なる。
【００２５】
図１に示した例では、第４主面２０ｂは、曲面状に突出している。そして、第１主面１０ａは、曲面状に後退している。
第１主面１０ａの曲率が第４主面２０ｂの曲率よりも大きい場合（第１主面１０ａの曲率半径が第４主面２０ｂの曲率半径よりも小さい場合）、光学ユニット４０は、透過光５３に対して凹レンズとして機能する。図１に例示した光学ユニット４０においては、この構成が適用されている。
【００２６】
また、逆に、第１主面１０ａの曲率が第４主面２０ｂの曲率よりも小さい場合（第１主面１０ａの曲率半径が第４主面２０ｂの曲率半径よりも大きい場合）、光学ユニット４０は、例えば、透過光５３に対して凸レンズとして機能する。
【００２７】
光学ユニット４０が凹レンズまたは凸レンズとして機能する場合、光学ユニット４０は、観視者８０の視力を矯正する機能を有することができる。
【００２８】
表示装置１１０によれば、観視者８０は、映像投影部５０から得られる映像を観視することに加え、光学ユニット４０を介して、視力を矯正した状態で背景像を観視することができる。表示装置１１０は、観視者８０に、例えば、表示映像を拡大して見易く表示しつつ、背景像を見易く見せることができる。
このように、本実施形態に係る表示装置１１０によれば、見易く使い易い表示装置を提供することができる。
【００２９】
頭部装着型の表示装置のうちの、特に、光学シースルー型の表示装置においては、観視者８０は、表示映像と共に背景像を重畳して観視する。このとき、観視者８０によっては、凹レンズまたは凸レンズなどの視力を矯正するメガネを用いて背景像を見る状況が存在する。従来、表示映像を見易く表示する場合において、観視者８０の視力の矯正を考慮した構成は、知られていない。
【００３０】
また、通常のメガネのレンズ（目の前に配置される光透過性の部材）は、目の周りを囲むような曲面を有していることが多い。このため、頭部装着型の表示装置におけるスクリーンも目の周りを囲むような曲面を有していることが使用者にとって違和感が少ない。例えば、目の周りを囲むような曲面形状のスクリーンが使用者に取って使い易い。この曲面の曲率は、例えば、表示装置の外見上及び使用感などに基づいて、使用者の好みに適合するように設計される。
【００３１】
一方、表示映像を観視者８０に提示するための反射スクリーンは、映像投影部５０の特性、及び、光学ユニット４０と目８１との間の距離などによって、所定の形状及び光学特性を持つように設計される。
【００３２】
このため、目８１の前に配置される反射スクリーンの光学特性及び外形は、光学ユニット４０の外形と独立して設計されることが望ましい。発明者は、光学シースルー型の表示装置においては、上記の様な、従来にない特殊な課題が存在することを見出した。本実施形態に係る表示装置１１０の構成は、この新たに見出された課題を解決すべく構築されている。
【００３３】
表示装置１１０においては、反射スクリーンとして機能する中間層３０は、表示映像の表示のための適正な設計が適用される。一方、光学ユニット４０の外形及び光学特性は、背景像を観視するための望ましい設計が適用される。
【００３４】
例えば、光学ユニット４０の第１主面１０ａ及び第４主面２０ｂの形状は、例えば、曲面状とされる。これにより、使用者にとって違和感が小さくなり、使い易くなる。また、第１主面１０ａ及び第４主面２０ｂは、例えば、円筒状（例えばＸ軸を軸とする円筒状、または、Ｙ軸を軸とする円筒状）でも良い。また、第１主面１０ａ及び第４主面２０ｂのいずれかは、平面状でも良い。
【００３５】
光学ユニット４０の第１主面１０ａ及び第４主面２０ｂの形状は、例えば、光学ユニット４０を通過する透過光５３に対して、光学ユニット４０が凹レンズまたは凸レンズとして機能するように、設計される。これにより、観視者８０の視力を矯正することができる。
【００３６】
例えば、光学ユニット４０として、第２光学層２０を設けず、第１光学層１０と、第１光学層１０の第１主面１０ａまたは第２主面１０ｂ上に設けられた反射層と、を用いる参考例の構成が考えられる。この参考例においては、映像光５１は反射層で反射して、その反射光５２が観視者８０の目８１に入射する。このとき、反射層を、反射透過性とすることで、背景像を含む透過光５３が観視者８０の目８１に入射する。この構成においては、観視者８０が、背景像を観視したときに、背景像に歪みが発生する。これは、透過光５３が反射層（反射透過層）を通過する際に、反射層において屈折効果が生じるためである。
【００３７】
これに対し、本実施形態に係る表示装置１１０においては、映像光５１を反射する中間層３０が、第１光学層１０と第２光学層２０との間に設けられる。このため、透過光５３に対する第１光学層１０の作用が、透過光５３に対する第２光学層２０の作用によって補償される。このため、透過光５３に含まれる背景像の歪みが抑制される。
【００３８】
このように、表示装置１１０は、映像投影部５０と、映像投影部５０から供給される映像を目に導く接眼光学系と、を含む。接眼光学系として、光学ユニット４０が用いられる。表示映像を含む映像光５１は、観視者８０の目８１の横、または、目８１の上方から、光学ユニット４０に向けて投影される。光学ユニット４０は、視野を広げ、外界の背景像を歪みを抑制した状態で透過させる。これと同時に、光学ユニット４０は、投影された映像を拡大して、目８１の方向に反射させる。これにより、見易く使い易い表示装置が提供される。
【００３９】
本実施形態に係る表示装置１１０において、第１光学層１０の屈折率は、第２光学層２０の屈折率と同じであることが望ましい。例えば、第１光学層１０の屈折率と、第２光学層２０の屈折率と、の差の絶対値は、１×１０−３以下であることが望ましい。これにより、透過光５３に含まれる背景像の歪みが効果的に抑制できる。
【００４０】
図５は、第１の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式的平面図である。
図５に表したように、表示装置１１０の光学ユニット４０において、透過光５３に対する光軸４０ｏ（主軸）が存在する。光軸４０ｏは、光学ユニット４０の第４主面２０ｂから入射する光（透過光５３）が、第３主面２０ａ、中間層３０、第２主面１０ｂ及び第１主面１０ａを通過するときの光軸（主軸）である。
【００４１】
光学ユニット４０が例えば、凹レンズまたは凸レンズとして機能する場合、光学ユニット４０の透過光５３に対する光軸４０ｏは、凹レンズの光軸（主軸）または凸レンズの光軸（主軸）に相当する。
【００４２】
一方、中間層３０において、映像光５１に対する光軸３０ｏ（主軸）が存在する。光軸３０ｏは、映像光５１が第１主面１０ａから光学ユニット４０に入射し、映像光５１が中間層３０で反射するときの中間層３０における光軸（主軸）である。光軸３０ｏは、例えば、反射光５２の光軸（主軸）に相当する。
【００４３】
中間層３０の映像光５１に対する光軸３０ｏは、中間層３０が凹面鏡として機能する際の、凹面鏡の光軸（主軸）に相当する。
中間層３０の映像光５１に対する光軸３０ｏは、光学ユニット４０の透過光５３に対する光軸４０ｏと、実質的に一致する。
例えば、中間層３０の映像光５１に対する光軸３０ｏの位置が、光学ユニット４０の透過光５３に対する光軸４０ｏから離れると、反射光５２に含まれる表示映像と、透過光５３に含まれる背景像と、において、歪みが大きくなり、良好な像が得られる視野が狭くなる。
【００４４】
映像光５１が第１主面１０ａから光学ユニット４０に入射し、映像光５１が中間層３０で反射するときの中間層３０における光軸３０ｏの位置（例えばＸ−Ｙ平面における位置）と、第４主面２０ｂから入射する光（透過光５３）が、第３主面２０ａ、中間層３０、第２主面１０ｂ及び第１主面１０ａを通過するときの光軸４０ｏの位置（例えばＸ−Ｙ平面における位置）と、の距離は、５００マイクロメートル（μｍ）以下であることが好ましい。
【００４５】
光軸３０ｏの位置と光軸４０ｏの位置との距離を、５００μｍ以下にすることで、像の歪みが実用的に十分に小さくでき、良好な表示が得られる視野が実用的に十分広くなる。
これにより、例えば、特に、実景（背景像）に表示映像を重畳させて表示をするＡＲ（Augmented Reality：拡張現実）表示において、観視者８０に良好な映像を提供することができる。
【００４６】
図６（ａ）〜図６（ｆ）は、第１の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式的断面図である。
これらの図は、例えば、図４のＡ１−Ａ２線断面に相当する。これらの図は、本実施形態に係る表示装置１１０に使用可能な別の光学ユニットのいくつかの例を示している。
【００４７】
図６（ａ）に表したように、光学ユニット４１ａにおいては、第１主面１０ａは実質的に平面である。第４主面２０ｂは、曲面状に突出している。
図６（ｂ）に表したように、光学ユニット４１ｂにおいては、第１主面１０ａは、曲面状に後退している。第４主面２０ｂは、曲面状に突出している。この例では、第１主面１０ａの曲率は、第４主面２０ｂの曲率よりも小さい。
図６（ｃ）に表したように、光学ユニット４１ｃにおいては、第１主面１０ａは、曲面状に突出している。第４主面２０ｂは、曲面状に突出している。
【００４８】
図６（ｄ）に表したように、光学ユニット４１ｄにおいては、第１主面１０ａは、曲面状に突出している。第４主面２０ｂは、実質的に平面である。
光学ユニット４１ａ、４１ｂ、４１ｃ及び４１ｄは、透過光５３に対して凸レンズとして機能する。
図６（ｅ）に表したように、光学ユニット４１ｅにおいては、第１主面１０ａは、曲面状に後退している。第４主面２０ｂは、実質的に平面である。光学ユニット４１ｅは、透過光５３に対して凹レンズとして機能する。
図６（ｆ）に表したように、光学ユニット４１ｆにおいては、第１主面１０ａは、曲面状に後退している。第４主面２０ｂは、曲面状に突出している。第１主面１０ａの曲率は、第４主面２０ｂの曲率と同じである。第４主面２０ｂは、第１主面１０ａに対して平行である。
光学ユニット４１ｆは、透過光５３に対して像の拡大または縮小の機能を持たない。光学ユニット４１ｆは、例えば。使用者に、デザインの好みを満足させ、または、使い易さを感じさせる。
【００４９】
（第２の実施形態）
本実施形態に係る表示装置においては、光学ユニットの構成が、第１の実施形態における光学ユニットとは異なる。以下では、光学ユニット以外の構成についての説明は省略し、本実施形態の光学ユニットの例について、第１の実施形態の光学ユニットとは異なる点について説明する。
【００５０】
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第２の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式的断面図である。
図７（ａ）は、例えば、図４のＡ１−Ａ２線断面に相当し、例えば、Ｚ−Ｙ平面で切断したときの断面図である。第７（ｂ）は、図４のＡ３−Ａ４断面に相当し、例えば、Ｚ−Ｘ平面で切断したときの断面図である。
図８は、第２の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式的平面図である。
図９は、第２の実施形態に係る表示装置の使用状態を例示する模式図である。
【００５１】
図７（ａ）、図７（ｂ）及び図８に表したように、本実施形態に係る表示装置１２０における光学ユニット４２おいては、第２主面１０ｂは、複数の凸部１２をさらに有する。複数の凸部１２は、突出部１１の周りに設けられる。複数の凸部１２のそれぞれは、突出部１１をＸ−Ｙ平面内で取り囲む。複数の凸部１２のそれぞれは、突出部と同心である。
【００５２】
さらに、第３主面２０ａは、複数の凹部２２をさらに有する。複数の凹部２２は、後退部２１の周りに設けられる。複数の凹部２２のそれぞれは、後退部２１をＸ−Ｙ平面内で取り囲む。複数の凹部２２のそれぞれは、後退部２１と同心である。複数の凹部２２のそれぞれは、複数の凸部１２のそれぞれに沿う。
【００５３】
第２主面１０ｂは、フレネルレンズの表面形状を有する。第２主面１０ｂにおいて、突出部１１と、複数の凸部１２と、は、フレネルレンズの表面を形成する。第３主面２０ａは、フレネルレンズの表面形状を有する。第３主面２０ａにおいて、後退部２１と、複数の凹部２２と、は、フレネルレンズの表面を形成する。
これにより、中間層３０は、フレネルレンズの形状を有する凹面鏡として機能する。
【００５４】
第２主面１０ｂがフレネルレンズの表面形状を有し、第３主面２０ａがフレネルレンズの表面形状を有することで、中間層３０の凹面鏡の全体の曲率を大きくしつつ（維持しつつ）、光学ユニット４２の全体の厚さを薄くすることができる。
【００５５】
図９に表したように、表示装置１２０においても、映像投影部５０から出射した映像光５１は、光学ユニット４２に第１主面１０ａから入射する。映像光５１が中間層３０で反射して得られた反射光５２は、第２主面１０ｂから出射し、観視者８０の目８１に到達する。一方、第４主面２０ｂから入射した背景像を含む光（透過光５３）は、光学ユニット４２を通過して目８１に入射する。
【００５６】
表示装置１２０においては、光学ユニット４２の内部にフレネルミラー（例えば中間層３０）が設けられている。すなわち、メガネレンズの内部に、フレネルミラーを形成する凹凸面が設けられ、その凹凸面上に反射膜が形成される。例えば、第１光学層１０となる基材の表面にフレネルレンズの凹凸を形成し、その上に中間層３０を形成し、さらに、その上に第２光学層２０となる基材を形成する。または、例えば、第２光学層２０となる基材の表面にフレネルレンズの凹凸を形成し、その上に中間層３０を形成し、さらに、その上に第１光学層１０となる基材を形成する。
【００５７】
このときも、第１光学層１０及び第２光学層２０には、透明なガラスまたは樹脂などを用いる。そして、中間層３０となる、半透過反射膜（アルミなどの金属蒸着などや、多層膜による波長選択膜など）を形成する。中間層３０の透過率は、例えば９０％以上とされる。
【００５８】
なお、フレネルレンズの構成を利用することで全体の厚さを薄くすることができるため、第１光学層１０、第２光学層２０及びフレネルレンズ形状の中間層３０と、を含み、第４主面２０ｂが第１主面１０ａと平行な薄い光学シートが形成できる。そして、この薄い光学シートを、メガネのレンズの内側面または外側面に貼り付ける構成が考えられる。しかしながら、このような光学シートを曲面状のメガネのレンズ上に貼り付けると、その曲面に沿って光学シートが曲がり、フレネルレンズの複数の凸部１２及び凹部２２が所定の形状から変化し、所望の特性が得られない。
また、曲面状のメガネのレンズ上に貼り付けることを考慮して、第２主面１０ｂ及び第３主面２０ａを加工することは、実用的には非常に困難であり、現実的ではない。
【００５９】
このように、表示映像の反射面となるメガネレンズ部分にフレネルミラーを用いる構成の頭部装着型の表示装置において、曲面状のメガネレンズ部分にシート状のフレネルミラーを貼ると、所望の光学特性が確保できないことが分かった。また、曲面状に曲げたときに機能するフレネルミラーの設計は、困難であり、また、製造も困難である。
【００６０】
これに対して、本実施形態に係る表示装置１２０においては、所望の特性を有する光学ユニット４２を容易に作製することができる。例えば、表面にフレネルレンズ構造を有する金型を用いて、例えば、第２主面１０ｂを有する基材（例えば透明な樹脂など）を形成する。この基材は、ガラスなどでも良い。この場合は、第２主面１０ｂとなる面にフレネルレンズ構造の表面をエッチングや切削などの手法で形成しても良い。この後、第２主面１０ｂ上に中間層３０を例えば気相成長などにより形成する。その後、中間層３０の上に、第２光学層２０となる例えば透明な樹脂材料の層を形成する。その後、第１主面１０ａと第４主面２０ｂとを任意の方法で、任意の形状で形成する。これにより、所望の光学特性（映像光５１に対する光学特性及び透過光５３に対する光学特性）を有する光学ユニット４２が容易に得られる。なお、上記の製造方法は一例であり、実施形態においては、任意の製造方法を適用することができる。
このようして得られた光学ユニット４２、及び、映像投影部５０を、装着部６０に取り付けることで、表示装置１２０（及び表示装置１１０など）が得られる。
【００６１】
図７（ａ）及び図７（ｂ）に表したように、複数の凸部１２は、Ｚ軸方向に沿った高さｈを有している。また、複数の凹部２２は、Ｚ軸方向に沿った深さｈを有している。
また、複数の凸部１２（凹部２２）どうしのＸ軸方向に沿った距離は、例えば距離ｐｘである。複数の凹部２２（凹部２２）どうしのＹ軸方向に沿った距離は、例えば距離ｐｙである。
【００６２】
図８に表したように、表示装置１２０においても、中間層３０の映像光５１に対する光軸３０ｏは、光学ユニット４０の透過光５３に対する光軸４０ｏと、実質的に一致することが好ましい。光軸３０ｏの位置と、光軸４０ｏの位置と、の距離は、５００μｍ以下であることが好ましい。
図８に表したように、複数の凸部１２のうちの最近接の２つの凸部１２どうしの距離（例えばピッチ）は、Ｘ軸方向において、距離ｐｘ１及び距離ｐｘ２である。例えば、距離ｐｘ１は、映像光５１（反射光５２）に対する光軸３０ｏと、第１主面１０ａのＸ軸方向の一方の端と、の間の領域における複数の凸部１２どうしの間の間隔である。例えば、距離ｐｘ２は、映像光５１に対する光軸３０ｏと、第１主面１０ａのＸ軸方向の他方の端と、の間の領域における複数の凸部１２どうしの間の間隔である。この例では、距離ｐｘ１は、距離ｐｘ２と実質的に等しい。
【００６３】
また、複数の凸部１２のうちの最近接の２つの凸部１２どうしの距離（例えばピッチ）は、Ｙ軸方向において、距離ｐｙ１及び距離ｐｙ２である。例えば、距離ｐｙ１は、映像光５１に対する光軸３０ｏと、第１主面１０ａのＹ軸方向の一方の端と、の間の領域における複数の凸部１２どうしの間の間隔である。例えば、距離ｐｙ２は、映像光５１に対する光軸３０ｏと、第１主面１０ａのＹ軸方向の他方の端と、の間の領域における複数の凸部１２どうしの間の間隔である。この例では、距離ｐｙ１は、距離ｐｙ２と実質的に等しい。また、距離ｐｙ１は、距離ｐｘ１と実質的に等しい。
すなわち、この例では、突出部１１をＺ軸方向に沿って見たときの形状は円形であり、複数の凸部１２は同心円である。
【００６４】
複数の凸部１２のうちの最近接の２つの凸部１２どうしの距離（例えばピッチであり、距離ｐｘ１、距離ｐｘ２、距離ｐｙ１及び距離ｐｙ２など）は、１００μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。同様に、複数の凹部２２のうちの最近接の２つの凹部２２どうしの距離は、１００μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。
【００６５】
フレネルレンズ構造におけるピッチが過度に短いと、回折の影響により、画質が低下する。ピッチ幅を１００μｍ以上にすることで、画質の低下が実質的に抑制できる。フレネルレンズ構造のピッチが過度に長いと、複数の凸部１２または複数の凹部２２が目立ち易くなり、画質が低下する。本実施形態において、光学ユニットの第１主面１０ａと観視者８０の目８１との距離は、例えば、５ミリメートル（ｍｍ）以上、３０ｍｍ以下である。第１主面１０ａと観視者８０の目８１との距離がこのように短い場合は、目の焦点が合わないため、ピッチが１０００μｍ以下において、ピッチの粗さに起因した画質の低下は実用的に許容される程度になる。
【００６６】
表示装置１２０においては、光学ユニット４２の内部にフレネルミラー面が作り込まれている。このため、例えば、光学ユニット４２は、外界の背景像に対しては通常のメガネと同様に作用する。それと同時に、光学ユニット４２は、投影された表示映像に対して反射スクリーンとして作用する。これにより、ひずみの少ない視野の広い表示が可能となる。特に、ＡＲ表示において、観視者８０に良好な映像を提供することができる。
【００６７】
図１０（ａ）〜図１０（ｆ）は、第２の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式的断面図である。
これらの図は、例えば、図４のＡ１−Ａ２線断面に相当する。これらの図は、本実施形態に係る表示装置１２０に使用可能な光学ユニットのいくつかの例を示している。
【００６８】
図１０（ａ）に表したように、光学ユニット４２ａにおいては、第１主面１０ａは実質的に平面である。第４主面２０ｂは、曲面状に突出している。
図１０（ｂ）に表したように、光学ユニット４２ｂにおいては、第１主面１０ａは、曲面状に後退している。第４主面２０ｂは、曲面状に突出している。この例では、第１主面１０ａの曲率は、第４主面２０ｂの曲率よりも小さい。
図１０（ｃ）に表したように、光学ユニット４２ｃにおいては、第１主面１０ａは、曲面状に突出している。第４主面２０ｂは、曲面状に突出している。
図１０（ｄ）に表したように、光学ユニット４２ｄにおいては、第１主面１０ａは、曲面状に突出している。第４主面２０ｂは、実質的に平面である。
光学ユニット４２ａ、４２ｂ、４２ｃ及び４２ｄは、透過光５３に対して凸レンズとして機能する。
図１０（ｅ）に表したように、光学ユニット４２ｅにおいては、第１主面１０ａは、曲面状に後退している。第４主面２０ｂは、実質的に平面である。光学ユニット４２ｅは、透過光５３に対して凹レンズとして機能する。
図１０（ｆ）に表したように、光学ユニット４２ｆにおいては、第１主面１０ａは、曲面状に後退している。第４主面２０ｂは、曲面状に突出している。第１主面１０ａの曲率は、第４主面２０ｂの曲率と同じである。第４主面２０ｂは、第１主面１０ａに対して平行である。
光学ユニット４２ｆは、透過光５３に対して像の拡大または縮小の機能を持たない。光学ユニット４２ｆは、例えば、使用者に、デザインの好みを満足させ、または、使い易さを感じさせる。
【００６９】
実施形態に係る表示装置１１０及び１２０において、観視者８０の目８１の前に設置された光学ユニットに対して、目８１の横または上方から映像光５１が投影される。このとき、光学ユニットの反射特性を非対称にすることで、映像のひずみを低減することができる。以下、フレネルレンズの構成を用いる表示装置１２０の場合について説明する。
【００７０】
図１１（ａ）〜図１１（ｃ）及び図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、第２の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式的断面図である。
これらの図は、本実施形態に係る表示装置１２０に使用可能な光学ユニットのいくつかの例を示している。これらの図は、光学ユニットに設けられるフレネルレンズの形状、すなわち、突出部１１及び複数の凸部１２の形状（後退部２１及び複数の凹部２２の形状）を例示している。
【００７１】
図１１（ａ）に表したように、光学ユニット４３ａにおいては、突出部１１の、Ｚ軸に沿ってみたときの形状は、扁平円（楕円を含む）である。そして、複数の凸部１２のそれぞれの、Ｚ軸に沿ってみたときの形状は、同心の扁平円である。
この例では、突出部１１のＸ軸方向に沿う長さは、突出部１１のＹ軸方向に沿う長さよりも長い。１つの凸部１２において、Ｘ軸方向に沿う長さは、Ｙ軸方向に沿う長さよりも長い。そして、距離ｐｘ１及び距離ｐｘ２は、距離ｐｙ１及び距離ｐｙ２よりも長い。
【００７２】
図１１（ｂ）に表したように、光学ユニット４３ｂにおいては、突出部１１の、Ｚ軸に沿ってみたときの形状は、扁平円（楕円を含む）である。そして、複数の凸部１２のそれぞれの、Ｚ軸に沿ってみたときの形状は、同心の扁平円である。
この例では、突出部１１のＸ軸方向に沿う長さは、突出部１１のＹ軸方向に沿う長さよりも短い。１つの凸部１２において、Ｘ軸方向に沿う長さは、Ｙ軸方向に沿う長さよりも短い。そして、距離ｐｘ１及び距離ｐｘ２は、距離ｐｙ１及び距離ｐｙ２よりも短い。
【００７３】
このように、第１主面１０ａから第２主面１０ｂに向かう第１方向（例えばＺ軸方向）に対して垂直な第２方向（例えばＸ軸方向）に沿った、複数の凸部１２どうしの間隔（例えば距離ｐｘ１及び距離ｐｘ２）は、第１方向と第２方向とに対して垂直な第３方向（例えばＹ軸方向）に沿った複数の凸部１２どうしの間隔（例えば距離ｐｙ１及び距離ｐｙ２）とは異なることができる。
【００７４】
例えば、光学ユニットと、映像投影部５０と、観視者８０の目８１と、の相対的な位置に基づいて、例えば、Ｘ軸方向に沿う距離ｐｘ１及び距離ｐｘ２と、Ｙ軸方向に沿う距離ｐｙ１及び距離ｐｙ２と、の関係が適切に定められる。
また、複数の凸部１２のそれぞれの高さｈの、複数の凸部１２の間での変化を、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで変えても良い。
【００７５】
また、図１１（ｃ）に表したように、光学ユニット４３ｃにおいては、突出部１１の、Ｚ軸に沿ってみたときの形状は、扁平円（楕円を含む）であり、扁平円の軸が、Ｚ軸を軸にして回転している。例えば、突出部１１の長軸の方向をＸ１軸方向とし、短軸方向の軸をＹ１軸方向とする。この例では、Ｘ１軸はＸ軸に対して非平行であり、Ｙ１軸はＹ軸に対して非平行である。
【００７６】
図１２（ａ）に表したように、光学ユニット４３ｄにおいては、突出部１１の、Ｚ軸に沿ってみたときの形状は、Ｘ軸（軸３０ｘ）に対して非対称である。この例では、ある位置における複数の凸部１２どうしの間隔（例えば距離ｐｙ１）は、その位置のＸ軸に対して対称な位置における複数の凸部１２どうしの間隔（例えば距離ｐｙ２）とは異なる。このように、複数の凸部１２どうしの間隔は、Ｘ軸方向に関して非対称とすることができる。
【００７７】
図１２（ｂ）に表したように、光学ユニット４３ｅにおいては、突出部１１の、Ｚ軸に沿ってみたときの形状は、Ｙ軸（軸３０ｙ）に対して非対称である。この例では、ある位置における複数の凸部１２どうしの間隔（例えば距離ｐｘ１）は、その位置のＹ軸に対して対称な位置における複数の凸部１２どうしの間隔（例えば距離ｐｘ２）とは異なる。このように、複数の凸部１２どうしの間隔は、Ｙ軸方向に関して非対称とすることができる。
【００７８】
図１２（ｃ）に表したように、光学ユニット４３ｆにおいては、突出部１１の、Ｚ軸に沿ってみたときの形状は、Ｘ軸（軸３０ｘ）に対して非対称であり、さらに、Ｙ軸（軸３０ｙ）に対して非対称である。この例では、距離ｐｙ１は距離ｐｙ２とは異なり、距離ｐｘ１は距離ｐｘ２とは異なる。
【００７９】
なお、光学ユニット４３ｆにおける複数の凸部１２は、光学ユニット４３ｅにおける複数の凸部１２を、Ｚ軸を軸として回転させたものとしても良い。すなわち、光学ユニット４３ｆにおけるＸ１軸はＸ軸に対して非平行であり、Ｙ１軸はＹ軸に対して非平行である。
さらに、実施形態はこれに限らず、複数の凸部１２のそれぞれの形状は、任意である。
【００８０】
また、複数の凸部１２のそれぞれの高さｈの、複数の凸部１２の間での変化を、観視者８０からみた上側と下側とで変えても良い。また、複数の凸部１２のそれぞれの高さｈの、複数の凸部１２の間での変化を、観視者８０からみた左側と右側とで変えても良い。複数の凸部１２のそれぞれの高さｈの、複数の凸部１２の間での変化を、観視者８０からみた上側と下側とで変え、同時に左側と右側とで変えても良い。
また、複数の凸部１２のそれぞれの高さｈは、Ｚ軸方向に対して垂直な任意の軸（例えば第２軸）と、第２主面１０ｂの一方の端と、の間の領域と、その第２軸と、第２主面１０ｂの他方の端と、の間の領域と、で異なっていても良い。
【００８１】
図１３は、実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。
図１３は、上記の実施形態に係る表示装置１１０及び１２０に用いることができる映像投影部５０の構成の１つの例を示している。
この例では、映像投影部５０として、レーザ走査型の網膜直描ディスプレイが用いられている。
【００８２】
図１３に表したように、映像投影部５０は、画像エンジン１１２と、光学素子７０と、を含む。この例では、画像エンジン１１２は、光源１１１（青色光源１１１Ｂ、緑色光源１１１Ｇ及び赤色光源１１１Ｒ）と、光スイッチ１１２ａとを含む。この例では、光学素子７０は、接眼光学系（例えばレンズなど）を含む。光学素子７０には、例えばリレー光学系などが用いられる。
【００８３】
青色光源１１１Ｂ、緑色光源１１１Ｇ及び赤色光源１１１Ｒには、それぞれ青色レーザ、緑色レーザ及び赤色レーザのそれぞれが用いられる。光スイッチ１１２ａには、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スキャナが用いられる。
【００８４】
光源１１１から、映像信号に応じて輝度調整された光が出力される。光源１１１から出力された光は、ＭＥＭＥＳデバイスの反射面に入射する。ＭＥＭＳスキャナは、入射した光の方向を変える。ＭＥＭＳスキャナで反射した光は、水平及び垂直方向に沿ってスキャンされる。これにより画像が形成される。
【００８５】
光の光路上において、ＭＥＭＳスキャナと観視者８０の目８１との間に光学素子７０と光学ユニットとが設けられる。光学ユニットには、第１及び第２の実施形態に関して説明した光学ユニットのいずれか、または、その変形を用いることができる。以下では、光学ユニットとして光学ユニット４０を用いる場合として説明する。
【００８６】
光学ユニット４０は、スキャンされた光（映像光５１）を反射して、反射光５２を観視者８０の目８１に入射させる。これにより、目８１の網膜面に映像が表示される。この例では、ＭＥＭＳスキャナと目８１との間の光路上に光学素子７０が設けられ、光学素子７０と目８１との間の光路上に光学ユニット４０が設けられる。
【００８７】
観視者８０は、光学ユニット４０を通して、実景と、映像投影部５０により表示される表示映像と、の両方を見ることができる。これにより、表示映像が実景に重なって見える。
実施形態によれば、見易く使い易い表示装置が提供される。
【００８８】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、表示装置に含まれる映像投影部、光学ユニット、第１光学層、第２光学層、中間層及び装着部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【００８９】
その他、本発明の実施の形態として上述した表示装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての表示装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【００９０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９１】
１０…第１光学層、 １０ａ…第１主面、 １０ｂ…第２主面、 １１…突出部、 １２…凸部、 ２０…第２光学層、 ２０ａ…第３主面、 ２０ｂ…第４主面、 ２１…後退部、 ２２…凹部、 ３０…中間層、 ３０ｏ…光軸（主軸）、 ３０ｘ、３０ｙ…軸、 ４０…光学ユニット、 ４０ａ…右目用光学ユニット、 ４０ｂ…左目用光学ユニット、 ４０ｏ…光軸（主軸）、 ４１ａ〜４１ｆ、４２、４２ａ〜４２ｆ、４３ａ〜４３ｆ…光学ユニット、 ５０…映像投影部、 ５１…映像光、 ５２…反射光、 ５３…透過光、 ６０…装着部、 ６０ａ…右側装着部材、 ６０ｂ…左側装着部材、 ６０ｃ…連結部、 ７０…光学素子、 ８０…観視者、 ８１…目、 １１０、１２０…表示装置、 １１１…光源、 １１１Ｂ…青色光源、 １１１Ｇ…緑色光源、 １１１Ｒ…赤色光源、 １１２…画像エンジン、 １１２ａ…光スイッチ、 ｈ…高さ（深さ）、 ｐｘ、ｐｘ１、ｐｘ２、ｐｙ、ｐｙ１、ｐｙ２…距離
【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像を含む映像光を出射する映像投影部と、
第１主面と、前記第１主面とは反対側の第２主面と、を有し、前記第２主面は曲面状の表面を有する突出部を有し、光透過性の第１光学層と、
前記第２主面に面し前記突出部に沿って後退する後退部を有する第３主面と、前記第３主面とは反対側の第４主面と、を有し、光透過性の第２光学層と、
前記第２主面と前記第３主面との間に設けられ、前記第１主面から前記第２主面に向かう光の少なくとも一部を反射し、前記第４主面から前記第３主面に向かう光の少なくとも一部を透過する中間層と、
を含み、前記第１主面及び前記第４主面の少なくともいずれかは曲面である光学ユニットと、
前記映像投影部と前記光学ユニットとに連結され、前記映像光を前記第１主面から前記光学ユニットに入射させ、前記映像光が前記中間層で反射して得られる反射光が前記第２主面から出射して観視者の目に入射するように前記光学ユニットと前記観視者の前記目との相対的な位置関係を規定する装着部と、
を備えた表示装置。
【請求項２】
前記第１主面の曲率は、前記第４主面の曲率とは異なる請求項１記載の表示装置。
【請求項３】
前記映像光が前記第１主面から前記光学ユニットに入射し前記映像光が前記中間層で反射するときの前記中間層における光軸は、
前記第４主面から入射する光が、前記第３主面、前記中間層、前記第２主面及び前記第１主面を通過するときの光軸と一致する請求項１または２に記載の表示装置。
【請求項４】
前記第２主面は、前記突出部の周りに設けられ前記突出部と同心の複数の凸部をさらに含み、
前記第３主面は、前記後退部の周りに設けられ前記後退部と同心の複数の凹部をさらに含み、前記複数の凹部のそれぞれは、前記複数の凸部のそれぞれに沿う請求項１〜３のいずれか１つに記載の表示装置。
【請求項５】
前記複数の凸部のうちの最近接の２つの前記凸部どうしの距離は、１００マイクロメートル以上１０００マイクロメートル以下である請求項４記載の表示装置。
【請求項６】
前記第１主面から前記第２主面に向かう第１方向に対して垂直な第２方向に沿った前記複数の凸部どうしの間隔は、前記第１方向と前記第２方向とに対して垂直な第３方向に沿った前記複数の凸部どうしの間隔とは異なる請求項４または５に記載の表示装置。
【請求項７】
前記第１光学層の屈折率は、前記第２光学層の屈折率と同じである請求項１〜６のいずれか１つに記載の表示装置。
【請求項８】
前記中間層は、金属膜または金属化合物膜である請求項１〜７のいずれか１つに記載の表示装置。
【請求項９】
前記映像光は、レーザ光である請求項１〜８のいずれか１つに記載の表示装置。
【請求項１】
映像を含む映像光を出射する映像投影部と、
第１主面と、前記第１主面とは反対側の第２主面と、を有し、前記第２主面は曲面状の表面を有する突出部を有し、光透過性の第１光学層と、
前記第２主面に面し前記突出部に沿って後退する後退部を有する第３主面と、前記第３主面とは反対側の第４主面と、を有し、光透過性の第２光学層と、
前記第２主面と前記第３主面との間に設けられ、前記第１主面から前記第２主面に向かう光の少なくとも一部を反射し、前記第４主面から前記第３主面に向かう光の少なくとも一部を透過する中間層と、
を含み、前記第１主面及び前記第４主面の少なくともいずれかは曲面である光学ユニットと、
前記映像投影部と前記光学ユニットとに連結され、前記映像光を前記第１主面から前記光学ユニットに入射させ、前記映像光が前記中間層で反射して得られる反射光が前記第２主面から出射して観視者の目に入射するように前記光学ユニットと前記観視者の前記目との相対的な位置関係を規定する装着部と、
を備えた表示装置。
【請求項２】
前記第１主面の曲率は、前記第４主面の曲率とは異なる請求項１記載の表示装置。
【請求項３】
前記映像光が前記第１主面から前記光学ユニットに入射し前記映像光が前記中間層で反射するときの前記中間層における光軸は、
前記第４主面から入射する光が、前記第３主面、前記中間層、前記第２主面及び前記第１主面を通過するときの光軸と一致する請求項１または２に記載の表示装置。
【請求項４】
前記第２主面は、前記突出部の周りに設けられ前記突出部と同心の複数の凸部をさらに含み、
前記第３主面は、前記後退部の周りに設けられ前記後退部と同心の複数の凹部をさらに含み、前記複数の凹部のそれぞれは、前記複数の凸部のそれぞれに沿う請求項１〜３のいずれか１つに記載の表示装置。
【請求項５】
前記複数の凸部のうちの最近接の２つの前記凸部どうしの距離は、１００マイクロメートル以上１０００マイクロメートル以下である請求項４記載の表示装置。
【請求項６】
前記第１主面から前記第２主面に向かう第１方向に対して垂直な第２方向に沿った前記複数の凸部どうしの間隔は、前記第１方向と前記第２方向とに対して垂直な第３方向に沿った前記複数の凸部どうしの間隔とは異なる請求項４または５に記載の表示装置。
【請求項７】
前記第１光学層の屈折率は、前記第２光学層の屈折率と同じである請求項１〜６のいずれか１つに記載の表示装置。
【請求項８】
前記中間層は、金属膜または金属化合物膜である請求項１〜７のいずれか１つに記載の表示装置。
【請求項９】
前記映像光は、レーザ光である請求項１〜８のいずれか１つに記載の表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−７３０７０（Ｐ２０１３−７３０７０Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１２６６３（Ｐ２０１１−２１２６６３）
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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