JP2013205649A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】見易く、小型で軽量の表示装置を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、映像光を出射する映像投影部と、拡散素子と、フレネル型の凹面ミラー素子と、光学ユニットと、装着部と、を含む表示装置が提供される。光学ユニットは、第１、第２光学層と、中間層と、を含む。第１光学層は、第１、第２主面を有し、第２主面は突出部と、その周りに設けられた複数の凸部と、を有する。第２光学層は、第２主面に対向し、後退する後退部と、その周りに設けられた複数の凹部と、を有する。中間層は、第２、第３主面の間に設けられる。装着部は、映像光を拡散素子を通過させ凹面ミラー素子で反射させ、第１主面から光学ユニットに入射させる。装着部は、光学ユニットに入射した反射光が、第１主面から出射して観視者の目に入射するように、光学ユニットと観視者の目との相対的な位置関係を規定する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、表示装置に関する。

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、小型で軽量であることが望まれている。

特開２０００−２２１４４１号公報

本発明の実施形態は、見易く、小型で軽量の表示装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、映像投影部と、拡散素子と、フレネル型の凹面ミラー素子と、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。前記拡散素子は、光拡散性を有する。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、を有し、前記第２主面は曲面状の表面を有する突出部と、前記突出部の周りに設けられた複数の凸部と、を有し、光透過性である。前記第２光学層は、前記第２主面に対向する第３主面と、前記第３主面とは反対側の第４主面と、を有し、光透過性である。前記第３主面は、前記突出部の形状に沿って後退する後退部と、前記後退部の周りに設けられた複数の凹部と、を有し、前記複数の凹部のそれぞれの形状は、前記複数の凸部のそれぞれの形状に沿う。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、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。前記装着部は、前記映像投影部から出射した前記映像光を前記拡散素子を通過させ、前記拡散素子から出射した前記映像光を前記凹面ミラー素子で反射させ、前記凹面ミラー素子で反射した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るように、前記映像投影部と前記拡散素子と前記凹面ミラー素子と前記光学ユニットとを保持し、前記前記光学ユニットに入射した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１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。

第１の実施形態に係る表示装置を示す模式図である。 図２（ａ）〜図２（ｄ）は、第１の実施形態に係る表示装置を示す模式図である。 図３（ａ）〜図３（ｃ）は、第１の実施形態に係る表示装置の一部を示す模式図である。 第１の実施形態に係る別の表示装置を示す模式図である。 第１の実施形態に係る別の表示装置の構成を例示する模式的断面図である。 図６は、第２の実施形態に係る表示装置を示す模式図である。 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図である。 実施形態に係る表示装置を示す模式図である。

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。

（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図である。
図２（ａ）〜図２（ｄ）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図である。
図２（ａ）は、正面図であり、図２（ｂ）は側面図である。図２（ｃ）は、光学素子の配置を例示する上面図である。図２（ｄ）は、表示装置に含まれる光学素子の構成を例示する模式的斜視図である。
図２（ａ）及び図２（ｂ）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、拡散素子６７と、凹面ミラー素子６０ｓと、光学ユニット１０ｓと、装着部１５と、を備える。

装着部１５は、映像投影部５０と拡散素子６７と凹面ミラー素子６０ｓと光学ユニット１０ｓとを保持する。映像投影部５０、拡散素子６７、凹面ミラー素子６０ｓ及び光学ユニット１０ｓとは、装着部１５に取り付けられる。装着部１５は、光学ユニット１０ｓと、観視者８０の目８１と、の相対的な位置関係を規定する。観視者８０は、表示装置１１０の使用者である。

図２（ｂ）に表したように、観視者８０は、光学ユニット１０ｓ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。

例えば、観視者８０から見て、後から前の方向をＺ軸方向とする。観視者８０の上下方向を例えばＹ軸方向とする。観視者８０左右方向をＸ軸方向とする。

図１においては、凹面ミラー素子６０ｓ及び光学ユニット１０ｓの断面が例示されている。
図１に表したように、映像投影部５０は、映像を含む映像光５０ａを出射する。映像光５０ａは、例えば、レーザ光である。拡散素子６７に、映像光５０ａが入射する。拡散素子６７は、光拡散性を有する。拡散素子６７を出射する光（映像光５０ｂ）の光束の幅（光束の軸に対して垂直な平面で光束を切断したときの幅）は、拡散素子６７に入射する映像光５０ａの光束の幅よりも大きい。拡散素子６７は、入射する光の拡散角を拡大させる。

凹面ミラー素子６０ｓは、フレネル型である。凹面ミラー素子６０ｓは、例えば、ミラー主面６３ａを有する。ミラー主面６３ａは、凹曲面状の後退部６３と、後退部６３の周りに設けられた複数の凹部６４と、を有する。例えば、複数の凹部６４のそれぞれは、後退部６３と同心円である。複数の凹部６４のそれぞれは、後退部６３の中心を中心とする、同心円（扁平円を含む）である。凹面ミラー素子６０ｓは、光反射性である。

光学ユニット１０ｓ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主面１０ａとは反対側の面である。第２主面１０ｂは、突出部１１と、複数の凸部１２と、を有する。突出部１１は、曲面状の表面１１ｓを有する。複数の凸部１２は、突出部１１の周りに設けられる。第１光学層１０は、光透過性である。

第２光学層２０は、第３主面２０ｃと、第４主面２０ｄと、を有する。第３主面２０ｃは、第２主面１０ｂに対向する。第４主面２０ｄは、第３主面２０ｃとは反対側の面である。第３主面２０ｃは、後退部２１と、複数の凹部２２と、を有する。後退部２１は、突出部１１の形状に沿って後退する。すなわち、後退部２１は、突出部１１の突出方向に沿って後退する。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のそれぞれの形状は、複数の凸部１２のそれぞれの形状に沿う。第２光学層２０は、光透過性である。

中間層３０は、第２主面１０ｂと第３主面２０ｃとの間に設けられる。中間層３０は、第１主面１０ａから第２主面１０ｂに向かう光Ｌ１（例えば映像光５１）の少なくとも一部を反射する。中間層３０で反射した光Ｌ１の少なくとも一部は、第１光学層１０を介して第１主面１０ａから出射する。中間層３０は、第４主面２０ｄから第３主面２０ｃに向かう光Ｌ２（例えば透過光５３）の少なくとも一部を透過する。

装着部１５は、映像投影部５０から出射した映像光５０ａを、拡散素子６７を通過させ、拡散素子６７から出射した映像光５０ｂを凹面ミラー素子６０ｓで反射させ、凹面ミラー素子６０ｓで反射した映像光５１を第１主面１０ａから光学ユニット１０ｓに入射させるように、映像投影部５０と拡散素子６７と凹面ミラー素子６０ｓと光学ユニット１０ｓとを保持する。装着部１５は、光学ユニット１０ｓに入射した映像光５１が中間層３０で反射して得られる反射光５２が第１主面１０ａ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１０ｓと、観視者８０の目８１と、の相対的な位置関係を規定する。

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２０ｃに設けられる後退部２１は後退している。複数の凸部１２のそれぞれは、突出部１１を取り囲む。複数の凸部１２のそれぞれは、突出部１１と同心である。複数の凸部１２のそれぞれは、突出部１１の中心を中心とする、同心円（扁平円を含む）である。複数の凹部２２のそれぞれは、後退部２１と同心円である。複数の凹部２２のそれぞれは、後退部２１の中心を中心とする、同心円（扁平円を含む）である。

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２０ｃは、フレネルレンズの表面形状を有する。第３主面２０ｃ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。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。すなわち、光学ユニット１０ｓは、フレネルハーフミラーとして機能する。

そして、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２０ｃ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１０ｓの全体の厚さを薄くすることができる。

これにより、補正レンズなどを用いることなく、見易い表示を提供できる小型で軽量の表示装置が得られる。

一方、接眼部にフレネルハーフミラー（光学ユニット１０ｓ）を用いると、投影する映像の結像面が湾曲する。これを補正するために、もし、補正レンズを用いると、部品数が多くなり、装置の全体が大きくなり、重くなる。

これに対して、実施形態に係る表示装置１１０においては、フレネルハーフミラー（光学ユニット１０ｓ）と、凹面ミラー素子６０ｓと、組み合わせて用いることで、補正レンズが省略できる。表示装置１１０によれば、見易く、小型で軽量の表示装置を提供できる。フレネル型の凹面ミラー素子６０ｓを用いることで、より小型で軽量の表示装置を提供できる。

表示装置１１０においては、映像光５０ａの拡散性を制御するための拡散制御部として、拡散素子６７が設けられている。拡散制御部を設けることで、焦点深度が深くなる。さらに、目８１において、眼球運動がある場合においても、映像が見える範囲を確保できる。

表示装置１１０においては、フレネルハーフミラー（光学ユニット１０ｓ）により発生する結像面の湾曲を、フレネル型の凹面ミラー素子６０ｓを用いることで抑制する。これにより、補正レンズを用いることなく、見易い表示を提供できる小型で軽量の表示装置が得られる。

このように、フレネルハーフミラーとフレネルミラーとを組み合わせて用いることで、結像面の湾曲を抑制できる。

映像投影部５０から出射した映像光５０ａの光路上において、映像投影部５０と拡散素子６７との間に種々の光学素子を設けても良い。
例えば、図２（ｃ）及び図２（ｄ）に例示したように、映像投影部５０と拡散素子６７との間に第１レンズ素子５５ａを設け、第１レンズ素子５５ａと拡散素子６７との間にミラー５５ｂを設け、ミラー５５ｂと拡散素子６７との間に第２レンズ素子５５ｃを設けても良い。ミラー５５ｂにより、光路を折り曲げることで、装置全体の容積を小さくできる。

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。

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。

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。

本実施形態において、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。

凹面ミラー素子６０ｓ（フレネル型ミラー）のピッチ（複数の凹部６４のピッチ）は、光学ユニット１０ｓ（フレネルハーフミラー）で反射される映像（映像光５０ａ）の画素ピッチ程度とすることが好ましい。

例えば、表示装置１１０の仕様の例は、以下である。水平解像度（水平方向の画素数）は、８００であり、垂直解像度（垂直方向の画素数）は、４８０である。虚像距離は、２５００ミリメートル（ｍｍ）である。水平画角は、２０度である。アイレンジ（最低）は、１０ｍｍである。瞳とミラー（光学ユニット１０ｓ、フレネルハーフミラー）との間の距離は、１５ｍｍである。このとき、例えば、凹面ミラー素子６０ｓ（フレネル型ミラー）のピッチ（複数の凹部６４のピッチ）は、約５μｍである。このときに、凹面ミラー素子６０ｓの複数の凹部６４のピッチは、画素ピッチと同等となり、良好な画質が得られる。

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。フレネルレンズ構造におけるピッチを画素ピッチと同じ程度にすることで、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。フレネルレンズ構造のピッチが画素ピッチの１０倍程度以下においては凹凸構造が目立つようになる。実施形態において、フレネルレンズ構造のピッチ（例えば複数の凸部１２のうちの最近接の２つの凸部１２どうしの距離）は、映像光５１の画素のピッチの１／２倍以上１０倍以下であることが望ましい。なお、映像光５１の画素のピッチは、例えば、映像光５１の光学ユニット１０ｓ（フレネルハーフミラー）上での画素のピッチである。

同様に、凹面ミラー素子６０ｓ（フレネル型ミラー）において、フレネルレンズ構造のピッチ（例えば複数の凹部６４のうちの最近接の２つの凸部６４どうしの距離）は、映像光５１の画素のピッチの１／２倍以上１０倍以下であることが望ましい。この場合には、映像光５１の画素のピッチは、例えば、映像光５１の凹面ミラー素子６０ｓ（フレネル型ミラー）上での画素のピッチである。

なお、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、５ｍｍ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、ピッチが例えば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。

実施形態において、第１主面１０ａの曲率を第４主面２０ｄの曲率と変えても良い。これにより、例えば、光学ユニット１０ｓ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１０ｓ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。

図３（ａ）〜図３（ｃ）は、第１の実施形態に係る表示装置の一部の構成を例示する模式図である。
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、模式的斜視図である。図３（ｃ）は、図３（ｂ）のＡ１−Ａ２線断面図である。これらの図は、拡散素子６７の構成の例を示している。
図３（ａ）に表したように、拡散素子６７は、第１レンチキュラーレンズ６８と、第２レンチキュラーレンズ６９と、を含むことができる。第１レンチキュラーレンズ６８は、第１方向に延びる複数の凸部６８ａを有する。凸部６８ａは、略半円筒形を有する。その円筒の軸は、第１方向に延びる。第２レンチキュラーレンズ６９は、第２方向に延びる複数の凸部６９ａを有する。第２方向は、第１方向に対して、実質的に垂直である。凸部６９ａは、略半円筒形を有する。その円筒の軸は、第２方向に延びる。このように、拡散素子６７として、軸が垂直に組み合わされた、２つのレンチキュラーレンズを用いることができる。この構成により、簡単な構成で、高い精度で拡散性を制御できる。

レンチキュラーレンズのピッチは、画素サイズと同等（例えば、画素ピッチの７５％以上１２５％以下）であることが好ましい。例えば、レンチキュラーレンズのピッチは、２０μｍ以上３０μｍ以下である。このときに、良好な画像が得られることを確認している。例えば、１つの例においては、レンチキュラーレンズのピッチは０．０３ｍｍであり、曲率半径は、０．０５ｍｍであり、発散角θは、８．６度である。

図３（ｂ）及び図３（ｃ）に表したように、拡散素子６７には、マイクロレンズアレイ６７ｍａを用いることができる。マイクロレンズアレイ６７ｍａは、基体６７ｂと、基体６７ｂの表面上に設けられた複数のレンズ６７ｍｌと、を有する。拡散素子６７として、マイクロレンズアレイ６７ｍａを用いると、１枚で必要な拡散特性を得ることができる。このときマイクロレンズアレイ６７ｍａのピッチは、画素サイズと同等（例えば、画素ピッチの７５％以上１２５％以下）であることが好ましい。マイクロレンズアレイ６７ｍａのピッチは、例えば、２０μｍ以上３０μｍ以下である。

なお、マイクロレンズアレイ６７ｍａにおいて、複数のレンズ６７ｍｌどうしの間の平坦部に、遮光層６７ｓを設けても良い。これにより、複数のレンズ６７ｍｌどうしの間の平坦部からの光漏れを抑制できる。これにより、より高画質の映像を得ることができる。

図３（ａ）〜図３（ｃ）に関して説明した拡散素子６７を用いることで、見易い表示を提供できる小型で軽量の表示装置が得られる。ただし、実施形態において、拡散素子６７の構成は任意である。

図４は、第１の実施形態に係る別の表示装置の構成を例示する模式図である。
図４に表したように、本実施形態に係る表示装置１１１においては、シリンドリカルレンズ５６がさらに設けられている。シリンドリカルレンズ５６は、光路上において、凹面ミラー素子６０ｓと光学ユニット１０ｓとの間に配置されている。

例えば、凹面ミラー素子６０ｓ（フレネルミラー素子）に、凹面ミラー素子６０ｓの主面に対して傾斜した方向から光が入射する場合は、入射角度によっては非点収差が発生する。このとき、シリンドリカルレンズ５６を用いて、この非点収差を補償することができる。

また、凹面ミラー素子６０ｓ（フレネルミラー）の、後退部６３及び複数の凹部６４の平面形状を扁平円（楕円）とすることで、上記の非点収差を抑制することができる。

図５は、第１の実施形態に係る別の表示装置の構成を例示する模式的断面図である。
図５に表したように、本実施形態に係る表示装置１１２においては、凹面ミラー素子６０ｓとして、光学ユニット１０ｓと類似の構成が用いられている。これ以外は、表示装置１２０と同様である。

この例では、凹面ミラー素子６０ｓは、第３光学層６０と、第４光学層７０と、中間反射層６５と、を有する。第３光学層６０は、第５主面６０ａと、第５主面６０ａとは反対側の第６主面６０ｂと、を有する。第６主面６０ｂは、曲面状の表面を有するミラー突出部６１と、ミラー突出部６１の周りに設けられた複数のミラー凸部６２と、を有する。第３光学層６０は、光透過性である。

第４光学層７０は、第６主面６０ｂに対向する第７主面７０ｃと、第７主面７０ｃとは反対側の第８主面７０ｄと、を有する。第４光学層７０は、光透過性である。第７主面７０ｃは、ミラー突出部６１の形状に沿って後退するミラー後退部７１と、ミラー後退部７１の周りに設けられた複数のミラー凹部７２と、を有する。複数のミラー凹部７２のそれぞれの形状は、複数のミラー凸部６２のそれぞれの形状に沿う。

中間反射層６５は、第６主面６０ｂと第７主面７０ｃとの間に設けられる。中間反射層６５は、第５主面６０ａから第６主面６０ｂに向かう光の少なくとも一部を反射する。

凹面ミラー素子６０ｓの各設計パラメータは、例えば、光学ユニット１０ｓの各設計パラメータと実質的に同じとしても良い。
表示装置１１２によっても、見易く、小型で軽量の表示装置が提供できる。

（第２の実施形態）
図６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図である。
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図である。
図７（ａ）は、正面図であり、図７（ｂ）は側面図である。
図７（ａ）及び図７（ｂ）に表したように、本実施形態に係る表示装置１２０は、映像投影部５０と、拡散素子４０と、光学ユニット１０ｓと、装着部１５と、を備える。

映像投影部５０、光学ユニット１０ｓ及び装着部１５の構成は、第１の実施形態に関して説明したのと同様とすることができるので、説明を省略する。

装着部１５は、映像投影部５０と拡散素子４０と光学ユニット１０ｓとを保持する。この場合も、観視者８０は、光学ユニット１０ｓ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１２０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６においては、凹面ミラー素子６０ｓ及び光学ユニット１０ｓの断面が例示されている。
図６に表したように、装着部１５は、映像投影部５０から出射した映像光５０ａを、拡散素子４０の前面４２を通過させて、第１主面１０ａから光学ユニット１０ｓに入射させるように、映像投影部５０と拡散素子４０と光学ユニット１０ｓとを保持する。さらに、装着部１５は、光学ユニット１０ｓに入射した映像光５１が中間層３０で反射して得られる反射光５２が第１主面１０ａ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１０ｓと観視者８０の目８１との相対的な位置関係を規定する。

拡散素子４０は、光拡散性を有する凸曲面状の前面４２を有する。前面４２は、凸状の湾曲面である。そして、前面４２には、凹凸は形成されており、これにより、前面４２は、光を散乱する。また、前面４２には、微粒子を含む層が形成されており、これにより、前面４２は、光を散乱する。拡散素子４０は、前面４２とは反対側の裏面４１を有する。裏面４１は、例えば拡散性を有していない。拡散素子４０は、光透過性である。裏面４１は、平坦面、凸曲面または凹曲面である。裏面４１が曲面である場合、裏面４１の曲率は、前面４２の曲率よりも低い。拡散素子４０は、例えば、凸レンズのレンズ効果を有する。

拡散素子４０の裏面４１に映像光５０ａが入射し、入射した映像光５０ａは、前面４２から映像光５１として出射する。前面４２から出射する映像光５１の光束の幅（光束の軸に対して垂直な平面で光束を切断したときの幅）は、裏面４１に入射する映像光５０ａの光束の幅よりも大きい。前面４２は、入射する光の拡散角を拡大させる。

拡散素子４０は、凸レンズのレンズ効果と、拡散効果と、を有する。拡散素子４０には、例えば透明なガラスまたは透明な樹脂などが用いられる。

表示装置１２０においては、映像光５０ａの拡散性を制御するための拡散制御部として、拡散素子４０が設けられている。拡散制御部を設けることで、焦点深度が深くなる。さらに、目８１において、眼球運動がある場合においても、映像が見える範囲を確保できる。

一方、接眼部にフレネルハーフミラー（光学ユニット１０ｓ）を用いると、投影する映像の結像面が湾曲する。これを補正するために、もし、補正レンズを用いると、部品数が多くなり、装置の全体が大きくなり、重くなる。

これに対して、実施形態に係る表示装置１２０においては、拡散制御部として、上記の拡散素子４０を用いる、拡散素子４０の前面４２は、光拡散性を有する凸曲面状である。すなわち、前面４２は、フレネルハーフミラー（光学ユニット１０ｓ）の結像面に対応させる。これにより、ことにより、結像面のひずみを抑制できる。すなわち、前面４２は、結像面のひずみを抑制するように設計される。これにより、拡散制御部として機能する拡散素子４０が、フレネルハーフミラー（光学ユニット１０ｓ）による結像面の湾曲を抑制（例えばキャンセル）する。

これにより、補正レンズを用いることなく、見易い表示を提供できる小型で軽量の表示装置が得られる。

図８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８は、上記の実施形態に係る表示装置１１０、１１１、１１２及び１２０など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。
図８においては、拡散素子４０、拡散素子６７及び凹面ミラー素子６０ｓなどは省略している。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。

図８に表したように、映像投影部５０は、画像エンジン３１２を含む。この例では、画像エンジン３１２は、光源３１１（青色光源３１１Ｂ、緑色光源３１１Ｇ及び赤色光源３１１Ｒ）と、光スイッチ３１２ａとを含む。

青色光源３１１Ｂ、緑色光源３１１Ｇ及び赤色光源３１１Ｒ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３１２ａには、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スキャナが用いられる。

光源３１１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３１１から出力された光は、ＭＥＭＳ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。

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（拡散素子４０、拡散素子６７及び凹面ミラー素子６０ｓなど）と、光学ユニット１０ｓと、が設けられる。

光学ユニット１０ｓ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。

観視者８０は、光学ユニット１０ｓ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、小型で軽量の表示装置が提供される。

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、拡散素子、凹面ミラー素子、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。

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。

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。

１０…第１光学層、 １０ａ…第１主面、 １０ｂ…第２主面、 １０ｓ…光学ユニット、 １１…突出部、 １１ｓ…表面、 １２…凸部、 １５…装着部、 ２０…第２光学層、 ２０ｃ…第３主面、 ２０ｄ…第４主面、 ２１…後退部、 ２２…凹部、 ３０…中間層、 ４０…拡散素子、 ４１…裏面、 ４２…前面、 ５０…映像投影部、 ５０ａ…映像光、 ５０ｂ…映像光、 ５１…映像光、 ５２…反射光、 ５３…透過光、 ５５ａ…第１レンズ素子、 ５５ｂ…ミラー、 ５５ｃ…第２レンズ素子、 ５６…シリンドリカルレンズ、 ６０…第３光学層、 ６０ａ…第５主面、 ６０ｂ…第６主面、 ６０ｓ…凹面ミラー素子、 ６１…ミラー突出部、 ６２…ミラー凸部、 ６３…後退部、 ６３ａ…ミラー主面、 ６４…凹部、 ６５…中間反射層、 ６７…拡散素子、 ６７ｂ…基体、 ６７ｍａ…マイクロレンズアレイ、 ６７ｍｌ…レンズ、 ６７ｓ…遮光層、 ６８…第１レンチキュラーレンズ、 ６８ａ…凸部、 ６９…第２レンチキュラーレンズ、 ６９ａ…凸部、 ７０…第４光学層、 ７０ｃ…第７主面、 ７０ｄ…第８主面、 ７１…ミラー後退部、 ７２…ミラー凹部、 ８０…観視者、 ８１…目、 １１０、１１１、１１２、１２０…表示装置、 ３１１…光源、 ３１１Ｂ…青色光源、 ３１１Ｇ…緑色光源、 ３１１Ｒ…赤色光源、 ３１２…画像エンジン、 ３１２ａ…光スイッチ、 Ｌ１、Ｌ２…光

Claims (8)

1. 映像を含む映像光を出射する映像投影部と、
   光拡散性を有する拡散素子と、
   フレネル型の凹面ミラー素子と、
   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と、前記突出部の周りに設けられた複数の凸部と、を有し、光透過性の第１光学層と、
   前記第２主面に対向する第３主面と、前記第３主面とは反対側の第４主面と、を有する光透過性の第２光学層であって、前記第３主面は、前記突出部の形状に沿って後退する後退部と、前記後退部の周りに設けられた複数の凹部と、を有し、前記複数の凹部のそれぞれの形状は、前記複数の凸部のそれぞれの形状に沿う、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、
   を含む光学ユニットと、
   前記映像投影部から出射した前記映像光を前記拡散素子を通過させ、前記拡散素子から出射した前記映像光を前記凹面ミラー素子で反射させ、前記凹面ミラー素子で反射した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るように、前記映像投影部と前記拡散素子と前記凹面ミラー素子と前記光学ユニットとを保持し、前記前記光学ユニットに入射した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１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。
2. 映像を含む映像光を出射する映像投影部と、
   光拡散性を有する凸曲面状の前面を有する拡散素子と、
   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と、前記突出部の周りに設けられた複数の凸部と、を有し、光透過性の第１光学層と、
   前記第２主面に対向する第３主面と、前記第３主面とは反対側の第４主面と、を有する光透過性の第２光学層であって、前記第３主面は、前記突出部の形状に沿って後退する後退部と、前記後退部の周りに設けられた複数の凹部と、を有し、前記複数の凹部のそれぞれの形状は、前記複数の凸部のそれぞれの形状に沿う、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、
   を含む光学ユニットと、
   前記映像投影部から出射した前記映像光を前記表面を通過させて前記第１主面から前記光学ユニットに入射させるように、前記映像投影部と前記拡散素子と前記光学ユニットとを保持し、前記光学ユニットに入射した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１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。
3. 前記複数の凸部は、前記突出部の周りに設けられた同心円状であり、
   前記複数の凹部は、前記後退部の周りに設けられた同心円状である請求項１または２に記載の表示装置。
4. 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、前記映像光の画素のピッチの１／２倍以上１０倍以下である請求項１〜３のいずれか１つに記載の表示装置。
5. 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１〜４のいずれか１つに記載の表示装置。
6. 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１〜５のいずれか１つに記載の表示装置。
7. 前記中間層は、金属膜または金属化合物膜である請求項１〜６のいずれか１つに記載の表示装置。
8. 前記映像光は、レーザ光である請求項１〜７のいずれか１つに記載の表示装置。

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