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公開番号2025006918
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-17
出願番号2023107969
出願日2023-06-30
発明の名称虚像表示装置及び光学ユニット
出願人セイコーエプソン株式会社
代理人個人,個人,個人
主分類G02B 27/02 20060101AFI20250109BHJP(光学)
要約【課題】光学系が全体的に大きくなることを防止する。
【解決手段】虚像表示装置100A,100Bは、直接虚像型の虚像表示装置であって、表示素子11と、正の屈折力を有し、表示素子11からの映像光MLが入射する第1レンズ30と、第1レンズ30を通過した映像光MLが入射する第1プリズム41と、第1プリズム41に接合されてプリズム導光部材48を形成する第2プリズム42と、第1プリズム41中で導光された映像光MLを偏光方向に応じて反射する偏光分離膜45と、プリズム導光部材48において、外側面48cに配置される角度選択膜60と、対向して配置される平凸の第2レンズ53と、第2レンズ53の凸面53g上に配置され映像光MLを部分的に反射する透過性ミラー56と、角度選択膜60と第2レンズ53の平面53fとの間に配置される1/4波長板51と、凸面53gに接合される補償レンズ54とを備える。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
直接虚像型の虚像表示装置であって、
映像光を射出する表示素子と、
正の屈折力を有し、前記表示素子からの前記映像光が入射する第１レンズと、
前記第１レンズを通過した前記映像光が入射する第１プリズムと、
前記第１プリズムに接合されて平行平板状のプリズム導光部材を形成する第２プリズムと、
前記第１プリズムと前記第２プリズムとの接合箇所に設けられ、前記第１プリズム中で導光された前記映像光を偏光方向に応じて選択的に反射する平面の偏光分離膜と、
前記プリズム導光部材において、前記第１プリズム中で導光され前記偏光分離膜で反射された前記映像光が入射する外側面に配置され前記映像光の入射角度に応じて異なる分離特性を示す角度選択膜と、
前記角度選択膜に対向して配置される平面を有する平凸の第２レンズと、前記第２レンズの凸面上に配置され前記偏光分離膜で反射された前記映像光を前記偏光分離膜に向けて部分的に反射する透過性ミラーと、
前記角度選択膜と前記第２レンズの平面との間に配置される１／４波長板と、
前記第２レンズの凸面を反転させた形状を有し前記透過性ミラーを介して前記凸面に接合される凹面と、前記第１プリズムの前記外側面に平行な平面とを有する補償レンズと、
を備える、虚像表示装置。
続きを表示（約 860 文字）【請求項２】
前記第１レンズ、前記プリズム導光部材、前記偏光分離膜、前記角度選択膜、前記第２レンズ、前記透過性ミラー、及び前記１／４波長板は、正立像を形成する単式顕微鏡型の結像光学系を構成し、
前記第１プリズムは、前記映像光を発散させつつ２回内部反射する、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記角度選択膜は、誘電体多層膜で構成され、前記角度選択膜への入射角が２０°以下の場合に前記映像光を透過させ、前記角度選択膜への前記入射角が４０°以上の場合に前記映像光を反射させる、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記補償レンズの周囲に設けられて前記プリズム導光部材に平行に延びる補償平板をさらに備える、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
前記角度選択膜と前記１／４波長板とは、接合する、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記第１レンズは、前記表示素子に接合される平面の光入射面と、凸面の光射出面とを有する、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記第１プリズムは、正の屈折力を有する入射光学面を有し、
前記入射光学面は、内側面の法線に対して９０°未満の方向に延びる光軸を有する、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記偏光分離膜は、ｓ偏光の前記映像光を反射し、前記透過性ミラーで反射され前記１／４波長板を通過して戻されることによってｐ偏光となった前記映像光を透過させる、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項９】
前記第２レンズは、前記補償レンズと前記１／４波長板とを接合する接着剤で形成される、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項１０】
前記第２レンズは、前記補償レンズと前記１／４波長板との間の充填空間に充填した液体で形成される、請求項１に記載の虚像表示装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、虚像の観察を可能にするシースルー型の虚像表示装置及び光学ユニットに関する。
続きを表示（約 2,900 文字）【背景技術】
【０００２】
表示デバイスと、投射光学部材と、プリズム部材と、集光反射面とを備えるヘッドマウントディスプレイであって、投射光学部材からの画像光が、プリズム部材の第１プリズムに入射して外側面で全反射され、プリズム部材の第１プリズム及び第２プリズムの境界に形成された半透過反射面で部分的に反射された後、プリズム部材の外側面を透過して集光反射面で反射され、プリズム部材に戻されて半透過反射面を透過し、さらに瞳に対向する内側面を通過するものが公知となっている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０２０－０８７４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したヘッドマウントディスプレイでは、第１プリズム中に中間像が形成されるので、光路長が長くなり、光学系が全体的に大きくなってしまう。また、投射光学部材がプリズム部材の上方よりも顔に傾斜した方向に配置されるので、投射光学部材が顔に近く配置されて干渉が生じやすくなり、投射光学部材の配置やサイズに関して制限が生じる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一側面における虚像表示装置は、直接虚像型の虚像表示装置であって、映像光を射出する表示素子と、正の屈折力を有し、表示素子からの映像光が入射する第１レンズと、第１レンズを通過した映像光が入射する第１プリズムと、第１プリズムに接合されて平行平板状のプリズム導光部材を形成する第２プリズムと、第１プリズムと第２プリズムとの接合箇所に設けられ、第１プリズム中で導光された映像光を偏光方向に応じて選択的に反射する平面の偏光分離膜と、プリズム導光部材において、第１プリズム中で導光され偏光分離膜で反射された映像光が入射する外側面に配置され映像光の入射角度に応じて異なる分離特性を示す角度選択膜と、角度選択膜に対向して配置される平面を有する平凸の第２レンズと、第２レンズの凸面上に配置され偏光分離膜で反射された映像光を偏光分離膜に向けて部分的に反射する透過性ミラーと、角度選択膜と第２レンズの平面との間に配置される１／４波長板と、第２レンズの凸面を反転させた形状を有し透過性ミラーを介して凸面に接合される凹面と、第１プリズムの外側面に平行な平面とを有する補償レンズと、を備える。
【０００６】
本発明の一側面における光学ユニットは、直接虚像型の光学ユニットであって、正の屈折力を有し、映像光を射出する表示素子からの映像光が入射する第１レンズと、第１レンズを通過した映像光が入射する第１プリズムと、第１プリズムに接合されて平行平板状のプリズム導光部材を形成する第２プリズムと、第１プリズムと第２プリズムとの接合箇所に設けられ、第１プリズム中で導光された映像光を偏光方向に応じて選択的に反射する平面の偏光分離膜と、プリズム導光部材において、第１プリズム中で導光され偏光分離膜で反射された映像光が入射する外側面に配置され映像光の入射角度に応じて異なる分離特性を示す角度選択膜と、角度選択膜に対向して配置される平面を有する平凸の第２レンズと、第２レンズの凸面上に配置され偏光分離膜で反射された映像光を偏光分離膜に向けて部分的に反射する透過性ミラーと、角度選択膜と第２レンズの平面との間に配置される１／４波長板と、第２レンズの凸面を反転させた形状を有し透過性ミラーを介して凸面に接合される凹面と、第１プリズムの外側面に平行な平面とを有する補償レンズと、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
第１実施形態の虚像表示装置の使用状態を説明する外観図である。
片側の表示装置の内部構造を説明する側方断面図である。
角度選択膜の反射及び透過特性を示す図である。
第１プリズム内を透過又は反射する光線を説明する部分拡大図である。
視野角の上方向の画角についての各角度の例を示す表である。
視野角の下方向の画角についての各角度の例を示す表である。
第１表示部の外観的構造を説明する斜視図である。
第１画像形成素子及び第１レンズの形状等について説明する図である。
第１表示部の構造や組み立ての一例について説明する斜視図である。
第１表示部の組み立ての一例について説明する断面図である。
第２実施形態の虚像表示装置の第１表示部の組み立ての一例について説明する断面図である。
第３実施形態の虚像表示装置を説明する側方断面図である。
図１２に示す虚像表示装置の動作を説明する概念図である。
図１２に示す虚像表示装置の変形例の動作を説明する概念図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
〔第１実施形態〕
以下、図１、２等を参照して、本発明に係る虚像表示装置等の第１実施形態について説明する。
【０００９】
図１は、頭部装着型虚像表示装置（以下、ヘッドマウントディスプレイ又は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。
【００１０】
ＨＭＤ２００は、右眼用であって直接虚像型の第１虚像表示装置１００Ａと、左眼用であって直接虚像型の第２虚像表示装置１００Ｂと、これらの虚像表示装置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虚像表示装置１００Ａは、単独でＨＭＤとして機能し、上部に配置される第１表示駆動部１０２ａと、メガネレンズ状で眼前を覆う第１コンバイナー１０３ａとで構成される。第２虚像表示装置１００Ｂも同様に、単独でＨＭＤとして機能し、上部に配置される第２表示駆動部１０２ｂと、メガネレンズ状で眼前を覆う第２コンバイナー１０３ｂとで構成される。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、外観上一体化されている表示駆動部１０２ａ，１０２ｂを介して一対のコンバイナー１０３ａ，１０３ｂの上端側を支持している。第１虚像表示装置１００Ａと第２虚像表示装置１００Ｂとは、光学的に同一又は左右反転させたものであり、第２虚像表示装置１００Ｂについては、詳細な説明を省略する。
（【００１１】以降は省略されています）

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