CN111566541B - 光学装置 - Google Patents

Abstract

一种光学装置，其用于沉浸式的虚拟现实(VR)，为了解决不能直接用于使外光与图像叠加的增强现实(AR)的技术问题，光学装置(10)使图像光(50)与外光(40)叠加并导入下游侧，光学装置(10)具备：图像光学系统(100、101)，其包含至少对所述图像光(50)具有透镜光学能力的光学元件(120)；以及反射元件(200)，其通过反射所述图像光(50)的至少一部分而使所述图像光(50)的至少一部分与所述外光(40)的至少一部分叠加，所述图像光学系统(101、101)具有GPH元件(130)，GPH元件(130)具有波长分散性与所述光学元件(120)相反的逆分散性。

Description

光学装置

技术领域

本发明涉及一种光学装置。

背景技术

有一种光学装置，其供使用者佩戴并向使用者的眼睛导入图像(例如参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利登记第6075651号

发明内容

(一)要解决的技术问题

但是，上述光学装置用于所谓的沉浸式的虚拟现实(VR)，不会透过现实世界的外光。因此，不能直接用于使外光与图像叠加的增强现实(AR)。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，在本发明的第一方式中，提供一种光学装置，其使图像光与外光叠加并导入下游侧，且具备：图像光学系统，其包含至少对图像光具有透镜光学能力的光学元件；以及反射元件，其通过反射图像光的至少一部分而使图像光的至少一部分与外光的至少一部分叠加，图像光学系统具有GPH元件，所述GPH元件具有波长分散性与光学元件相反的逆分散性。

此外，上述发明的概要并未列举本发明的全部必要特征。另外，这些特征组的子组合也能够另外构成发明。

附图说明

图1是表示光学装置10的光学结构的概念图。

图2表示外光40的一部分即现实的物体42的物像54的一例。

图3表示图像光50的一例。

图4表示通过光学装置10导入使用者眼睛30的叠加图像56的一例。

图5是作为比较例的光学装置12的概念图。

图6是说明GPH元件130的波长分散性的图。

图7是说明GPH单元140的图。

图8是说明GPH单元154的图。

图9是说明GPH单元156的图。

图10表示另一光学装置14。

图11表示另一图像叠加部104。

图12表示另一图像叠加部105。

图13表示另一图像叠加部106。

图14表示另一图像叠加部107。

图15表示另一图像叠加部108。

图16表示另一光学装置16。

图17表示眼镜型显示装置400的一例。

图18表示另一光学装置18。

图19是说明GPH单元157的第一状态的图。

图20是说明GPH单元157的第二状态的图。

具体实施方式

以下，通过发明的实施方式来说明本发明，但是以下的实施方式不限定权利要求所涉及的发明。另外，发明的解决方案并不一定需要在实施方式中说明的特征的组合的全部。

图1是表示本实施方式的光学装置10的光学结构的概念图。光学装置10使图像光50与现实世界的外光40叠加并导入使用者的眼睛30。光学装置10例如用于视觉的增强现实(AR)。

光学装置10具备：图像叠加部100，其使图像光50与外光40叠加；以及光学系统101，其比图像叠加部100靠向图像光50的行进方向的下游侧配置。图像叠加部100从上游侧起依次具有投影器110、GPH元件130以及反射元件200。光学系统101从上游侧起依次具有反射型双合透镜120、λ/4板300、反射型偏振光板310以及偏振光板320。

反射元件200具有相位差板210和与相位差板210的下游侧重叠的反射型偏振光板220。另外，反射型双合透镜120具有通过彼此匹配的曲面122结合的一对双合透镜片121、123。

图2至图4是对使用光学装置10映入使用者眼睛30的像进行说明的概要图。首先，图2表示外光40的一部分即现实的物体42的物像54的一例。物像54也可以说是在不使用光学装置10的情况下映入使用者眼睛30的像。

图3表示图像光50的一例。图像光50是通过投影器110生成的图像即虚拟的像。图像光50可以是静止图像，也可以是动态图像，也可以是图画、照片、文字等任意的视觉性的内容。

图4表示通过光学装置10导入使用者眼睛30的叠加图像56的一例。在叠加图像56中，图像光50的图像叠加于物像54。由此，实现视觉的增强现实。在这种情况下，物像54是现实的物体42的像，因此优选以与不使用光学装置10时相同的状态导入使用者的眼睛30。也就是说，优选物像54即使通过光学装置10也不会光学地放大、缩小、变形等。

进一步对图1的光学装置10向使用者的眼睛30导入叠加图像56的方式进行说明。在图1中一并示出图像光50及外光40的偏振光方向。图1所示的偏振光方向表示在保持纸面的上下关系的状态下从光线来向观察时的电场振动轨迹。

外光40多为非偏振光。当非偏振光的外光40向反射型偏振光板220入射时，则反射型偏振光板220将彼此正交的直线偏振光中的一方的直线偏振光反射，并使彼此正交的直线偏振光中的另一方的直线偏振光透过。在图1的例子中，利用反射型偏振光板220将铅垂方向的直线偏振光反射，并使水平方向的直线偏振光透过。而且，反射型偏振光板220的反射面相对于从外光40朝向眼睛30的直线倾斜45°。因此，铅垂方向的直线偏振光沿着与从外光40朝向眼睛30的直线正交的方向反射。

透过反射型偏振光板220的外光40在相位差板210接受偏振光方向的调制。在图1中，相位差板210是λ/4板。因此，通过相位差板210从水平方向的直线偏振光调制为左旋(有时也称为逆时针旋转)的圆偏振光。左旋圆偏振光的外光40向反射型双合透镜120入射。

反射型双合透镜120的一对双合透镜片121、123之间的曲面122具有与偏振光方向无关地将入射光强度的一半反射并使剩余一半透过的半反射镜的功能。因此，入射至反射型双合透镜120的左旋圆偏振光的外光40保持偏振光的状态并以一半的强度透过。剩余一半向上游侧反射，因而不会导入眼睛30。

一对双合透镜片121、123彼此的折射率在预先设定的范围内一致。例如，一对双合透镜片121、123由相同的材料形成，彼此的折射率在以杂质等为主要原因的公差范围内一致。因此，不会在透过曲面122之前、之后发生折射，因此外光40不会从反射型双合透镜120受到透镜作用。即，外光40不会通过反射型双合透镜120而光学性地放大、缩小、变形等。

透过反射型双合透镜120的外光40入射至λ/4板300。左旋圆偏振光的外光40通过λ/4板300调制为水平方向的直线偏振光。

水平方向的直线偏振光的外光40入射至反射型偏振光板310。反射型偏振光板310将彼此正交的直线偏振光中的一方的直线偏振光反射，并使彼此正交的直线偏振光中的另一方的直线偏振光透过。在图1的例子中，利用反射型偏振光板310将铅垂方向的直线偏振光反射，并使水平方向的直线偏振光透过。因此，水平方向的直线偏振光的外光40保持偏振光方向并透过反射型偏振光板310。

透过反射型偏振光板310的外光40入射至偏振光板320。偏振光板320将彼此正交的直线偏振光的一方吸收并使另一方透过。在图1的例子中，偏振光板320将铅垂方向的直线偏振光吸收，并使水平方向的直线偏振光透过。因此，水平方向的直线偏振光的外光40透过偏振光板320入射至眼睛30。

图像光50利用投影器110生成。投影器110例如由光源和液晶板等构成，输出由红、绿、蓝三色构成的彩色的图像光50。图像光50的各种颜色可以分时输出，也可以彼此叠加，或以像素为单位进行空间分割并同时输出。此外，投影器110以左旋的圆偏振光输出图像光50。

从投影器110输出的图像光50入射至GPH元件130。GPH元件130使入射的圆偏振光的偏振光方向翻转，并利用衍射现象对入射光产生透镜作用。因此，入射至GPH元件130的左旋圆偏振光的图像光50受到透镜作用并调制为右旋(有时也称为顺时针旋转)的圆偏振光。后面将对GPH元件130进一步说明。

透过GPH元件130的图像光50入射至反射元件200的相位差板210。相位差板210具有λ/4板的功能，因此右旋圆偏振光的图像光50调制为垂直方向的直线偏振光。垂直方向的直线偏振光的图像光50被反射型偏振光板220反射。由此，图像光50定向于眼睛30，结果是与外光40叠加。进而，被反射的图像光50再次入射至相位差板210，因此垂直方向的直线偏振光的图像光50调制为右旋圆偏振光。

透过相位差板210的图像光50入射至反射型双合透镜120。与外光40同样地，图像光50的一半强度的部分以偏振光状态不受调制并且不受放大、缩小、变形等光学影响的方式透过反射型双合透镜120。剩余一半向上游侧反射而不会导入眼睛30。

透过反射型双合透镜120的图像光50入射至λ/4板300。入射至λ/4板300的图像光50是右旋圆偏振光，因此通过λ/4板300调制为铅垂方向的直线偏振光。

成为铅垂方向的直线偏振光的图像光50入射至反射型偏振光板310，被反射型偏振光板310反射。被反射型偏振光板310反射的图像光50再次入射至λ/4板300。被反射型偏振光板310反射的图像光50是铅垂方向的直线偏振光，因此通过λ/4板300调制为右旋圆偏振光。

透过λ/4板300的图像光50再次入射至反射型双合透镜120。图像光50的一半强度的部分被反射型双合透镜120的曲面122向下游侧反射。在这种情况下，图像光50由于被曲面122反射而受到透镜作用。基于该观点，反射型双合透镜120是至少对图像光50具有透镜光学能力的光学元件的一例。在图1的例子中，反射型双合透镜120使图像光50的反射光成为平行光。此外，通过反射使圆偏振光的朝向成为左旋。剩余一半透过反射型双合透镜120而不会导入眼睛30。

被反射型双合透镜120反射的图像光50再次入射至λ/4板300。图像光50由于是左旋圆偏振光，因而在透过λ/4板300时调制为水平方向的直线偏振光。图像光50再次入射至反射型偏振光板310，但是由于这次图像光50是水平方向的直线偏振光，因此会透过反射型偏振光板310。进而也透过偏振光板320导入眼睛30。

图5是为了说明图1的GPH元件130而作为与图1的光学装置10进行比较的比较例的光学装置12的概念图。光学装置12的光学结构除了没有在图像叠加部102上设置GPH元件130这一点之外，其他与光学装置10相同。在光学装置12中对于与光学装置10相同的结构标注相同的附图标记并省略说明。

图像光50利用投影器110等图像生成部生成。这里，由于在投影器110等图像生成部中配设有透镜等光学部件，因此图像光50在这些光学部件中透射、反射的过程中会发生折射，表现出伴随折射的折射角的波长分散。在图5的例子中，图像光50在透过反射型双合透镜120再进行反射而射出的过程中，由于该波长分散，从反射型双合透镜120的射出位置及射出角度对于红色R、绿色G以及蓝色R而言各不相同。因此存在如下不良情况：在放大虚像位置产生较大的色差，使用者看到图像光50的色偏(日文：色のにじみ)。

外光40也会在透过反射型双合透镜120时表现出波长分散，射出位置按照颜色而稍微不同。但是由于射出角度相同并且是未放大的实像，因此使用者几乎感觉不到外光40的色差。

针对图像光50的色差，例如可以考虑采用所谓的消色透镜，其通过利用反射型双合透镜120的双合透镜片121和双合透镜片123来改变折射率，从而抑制图像光50的波长分散性。但是，在这种情况下，反射型双合透镜120对透射光也具有透镜光学能力。因此，当外光40透过反射型双合透镜120时会受到放大、缩小、变形等光学影响，从而导致现实世界的像模糊、与未使用光学装置12时的外观大小不同等不自然感。

因此，在光学装置10中使用GPH元件130。由此，至少对在反射型双合透镜120中产生的图像光50的波长分散性进行补偿。

图6是说明GPH元件130的波长分散性的图。GPH元件130的GPH是Geometric PhaseHologram(几何相位全息图)的缩写，GPH元件130是使聚合性液晶取向为特定的图案而构成的。由此，如图6所示，在入射了圆偏振光的情况下，向特定的方向输出使入射的圆偏振光的偏振光状态翻转了的圆偏振光的一次衍射光。

在这种情况下，如果以各个区域(在图中例示了区域X和Y)的一次衍射光聚光的方式形成取向图案，则能够使GPH元件130具有凸透镜的功能。更具体而言，通过设置呈同心圆状且越朝靠向外侧间距越小的取向图案，从而使GPH元件130作为凸透镜发挥功能。而且，利用取向的图案，还能够在凸透镜以外具有凹透镜等所需的透镜光学能力。

在此，GPH元件130利用衍射现象，因此表现与折射相反的波长分散。在图6所示的例子中，相对于绿色G的聚光点而言，红色R聚光于接近GPH元件130的一侧，蓝色B聚光于远离GPH元件130的一侧。

因此，在光学装置10中，在入射图像光50但是不入射外光40的位置上配置GPH元件130。由此，使对图像光50产生的反射型双合透镜120的波长分散性通过在具有与其相反的逆分散性的GPH元件130预先产生相反的波长分散来进行补偿。而且，通过使GPH元件130具有透镜光学能力，从而也能够作为光学装置10的透镜使用。

此外，说明了GPH元件130具有对反射型双合透镜120的波长分散性进行补偿的逆分散性的例子。也可以取而代之，通过GPH元件130来补偿：在光学装置10中包含反射型双合透镜120的光学系统整体所具有的波长分散性、或者与反射型双合透镜120不同的光学元件的波长分散性。在这种情况下，GPH元件130可以补偿对于图像光50而言比反射元件200靠向上游侧配置的光学系统的至少一部分，例如是在紧邻投影器110的后方对来自投影器110的输出光进行光学调整的透镜的波长分散性。

此外，GPH元件130具有以下的光学性质。相对于当入射右旋圆偏振光时射出的左旋圆偏振光的一次衍射角是θ的GPH元件130而言，当入射左旋圆偏振光时射出的右旋圆偏振光的一次衍射角是－θ。

图7是说明GPH单元140的图。在上述的GPH元件130中，如果材料、透镜光学能力等确定，则波长分散的特性基本上确定。因此，在单一的GPH元件130中，有时无法获得所需的逆分散性。因此，在GPH单元140中，通过组合多个GPH元件和偏振光转换元件，从而获得所需的逆分散性。

在GPH单元140中，在GPH元件142、144之间配置有偏振光转换元件160。偏振光转换元件160对入射光中的特定波段的偏振光状态进行调制，并保持特定波段以外的偏振光状态。在图7的例子中，偏振光转换元件160使红色R的波段的偏振光方向翻转。另一方面，偏振光转换元件160保持绿色G及蓝色B的波段的偏振光方向、即不使偏振光方向翻转。

在图7中，各光线的箭头附近标注的0、θ、d等表示光线行进的角度。各光线的箭头附近的C表示该光线是右旋(顺时针旋转)圆偏振光，A表示该光线是左旋(逆时针旋转)圆偏振光。

在各GPH元件的下方所示的θ等是对应的GPH元件相对于左旋圆偏振光的衍射角，表示考虑了波长分散的情况。关于GPH元件142，红色R的衍射角是θ，绿色G的衍射角是θ－d，蓝色B的衍射角是θ－2d。另外，GPH元件144在光学上具有与GPH元件142相同的性质。

如果使GPH元件142、144和偏振光转换元件160如图7那样组合，则以角度0(法线方向)入射GPH单元140的红色R的光线在GPH元件142和GPH元件144双方以θ衍射，结果是向2θ方向衍射。另一方面，以0度入射的绿色G的光线在GPH元件142向θ－d方向衍射，但是在入射GPH元件144时，圆偏振光的旋转方向与入射GPH元件142时相反，因此在GPH元件144衍射为－(θ－d)，结果是向0度方向输出。以0度入射的蓝色B的光线也同样地向0度方向输出。这样，GPH单元140能够使从相同的方向入射的三种颜色的光中的任意一种颜色的光线的方向朝向不同的方向。

图8是说明另一GPH单元154的图。在图8中使用的标记所示的内容与在图7中使用的相同。

在GPH单元154中，在GPH元件150、152之间配置有偏振光转换元件164。在图8的例子中，偏振光转换元件164使蓝色B的波段的偏振光方向翻转。另一方面，偏振光转换元件164保持红色R及绿色G的波段的偏振光方向，即不使偏振光方向翻转。

如果使GPH元件150、152和偏振光转换元件164如图8那样组合，则以角度2θ入射GPH单元140的红色R的光线在GPH元件150以θ+2d衍射，当入射GPH元件152时，圆偏振光的旋转方向与入射GPH元件150时相反，因此在GPH元件152衍射为－(θ+2d)，结果是向2θ方向输出。以2θ入射的绿色G的光线也同样地向2θ方向输出。另一方面，以0度入射的蓝色G的光线在GPH元件142以θ衍射，而且在GPH元件144以θ衍射，结果是向2θ方向输出。这样，GPH单元140能够使从不同的方向入射的三种颜色的光线的方向朝向相同的方向。

如上所述，利用GPH单元中的GPH元件和偏振光转换元件的组合，作为GPH单元整体，与GPH元件单体相比，如果减小红色R的衍射角并增大蓝色G的衍射角，则能够减小逆分散性。另一方面，作为GPH单元整体，与GPH元件单体相比，如果增大红色R的衍射角并减小蓝色G的衍射角，则能够增大逆分散性。

图9是说明另一GPH单元156的图。在图9中标注与图7及图8相同的附图标记的具有相同的光学特性。另外，在图9中使用的标记所示的内容与在图7中使用的相同。

GPH单元156具有六个GPH元件142、144、146、148、150、152和三个偏振光转换元件160、162、164。在GPH元件142、144之间配置有偏振光转换元件160。同样地，在GPH元件146、148之间配置有偏振光转换元件162，在GPH元件150、152之间配置有偏振光转换元件164。

偏振光转换元件162使绿色G的波段的偏振光方向翻转，另一方面，保持红色R及蓝色B的波段的偏振光方向。偏振光转换元件160、164具有与在图7及图8中说明的相同的光学性质。另外，配置于偏振光转换元件的输入侧的GPH元件与配置于输出侧的GPH元件的光学特性相同。

如果使GPH元件142、144、146、148、150、152和偏振光转换元件160、162、164如图9那样组合，则以角度0(法线方向)入射GPH单元140的红色R、绿色G以及蓝色B的光线全部以2θ射出。因此，图9的GPH单元156不具有逆分散性。而且，通过使各GPH元件中的衍射的角度从θ起改变，从而能够构成具有所需的逆分散性的GPH单元156。而且，也可以使用带通滤波器将红色R、绿色G以及蓝色B各色的窄波长范围取出并与GPH单元156组合，从而获得所需的逆分散性。

图10表示另一光学装置14。光学装置14除了设置了外光调整部340这一点之外具有与光学装置10相同的结构。在光学装置14中，对于与光学装置10相同的结构标注相同的附图标记并省略说明。

外光调整部340对于外光40而言比反射元件200靠向上游侧配置。外光调整部340能够通过调整透射率来调整透射的外光40的强度。外光调整部340的一例是液晶快门。

在此，在外光调整部340如液晶快门那样利用偏振光来调整透射率的情况下，优选使从外光调整部340输出的外光40的偏振光方向为透过反射元件200的偏振光方向。由此，能够高效地利用从外光调整部340输出的外光40。

此外，外光调整部340也可以使用偏振光板来代替液晶快门。在这种情况下，按照偏振光板的光轴的方向来确定透射的外光40中的、透过反射元件200的直线偏振光成分的大小。因此，能够通过偏振光板与反射元件200的协作来调整外光40的强度。

图11表示另一图像叠加部104。在图像叠加部104中，对于与图像叠加部100相同的结构标注相同的附图标记并省略说明。图像叠加部104具有：背光源170、偏振光分束器172、液晶板174、λ/4板176、GPH元件130、反射元件200。

背光源170分时地射出非偏振光的红色、绿色以及蓝色的光。偏振光分束器172将从背光源入射的光中的S偏振光反射并定向于液晶板174。

液晶板174具有二维地配置的多个像素。各个像素能够利用偏振光来切换反射入射光的状态和吸收入射光的状态。能够利用从这些像素的输出而获得彩色的图像光50。在液晶板174是数字灰度方式的情况下，利用使入射光偏振光方向旋转90°的时间与未旋转的时间的占空比来表现灰度，并利用水平方向的直线偏振光来输出图像光50。另一方面，在液晶板174是模拟灰度方式的情况下，输出使入射光的偏振光方向以与灰度匹配的角度进行了旋转的图像光50。

图像光50中的水平方向的直线偏振光的成分透过偏振光分束器172并入射λ/4板176。图像光50通过λ/4板176从水平方向的直线偏振光调制为左旋圆偏振光并入射GPH元件130。

图12表示又一图像叠加部105。在图像叠加部105中，对于与图像叠加部100、104相同的结构标注相同的附图标记并省略说明。图像叠加部105具有：背光源170、偏振光分束器172、液晶板174、λ/4板173、176。

背光源170与图像叠加部104的背光源170不同，配置于偏振光分束器172的相反侧。偏振光分束器172使从背光源入射的光中的水平方向的直线偏振光的成分透过而入射液晶板174。

液晶板174与图11的情况同样地，在反射入射光的情况下输出使偏振光方向进行了旋转的图像光50。图像光50中的铅垂方向的直线偏振光的成分被偏振光分束器172反射，并入射λ/4板176。铅垂方向的直线偏振光的图像光50通过λ/4板176调制为右旋圆偏振光，并入射反射型双合透镜120。

另一方面，外光40中的水平方向的直线偏振光的成分透过偏振光分束器172并入射λ/4。水平方向的直线偏振光的外光40通过λ/4板176调制为左旋圆偏振光，并入射反射型双合透镜120。由此，将图像光50与外光40叠加。GPH元件130配置于λ/4板173与液晶板174之间。

图13表示又一图像叠加部106。在图像叠加部106中，对于与图像叠加部100相同的结构标注相同的附图标记并省略说明。图像叠加部106具有：投影器110、GPH元件130和反射元件200的组；以及与它们对称地配置的投影器112、GPH元件132和反射元件202的组。

投影器112、GPH元件132和反射元件202的组生成图像光52并与外光40叠加。投影器112、GPH元件132和反射元件202分别具有与投影器110、GPH元件130和反射元件200相同的功能，因此省略说明。

图14表示又一图像叠加部107。在图像叠加部107中，对于与图像叠加部100相同的结构标注相同的附图标记并省略说明。图像叠加部107具有：投影器110、反射镜180和反射元件200的组；投影器112、反射镜182和反射元件202的组。GPH元件130在上述两个组中共用。

来自投影器110的图像光50在反射镜180及反射元件200被反射，并与外光40叠加。同样地，由投影器112生成图像光52，在反射镜182及反射元件202被反射，并与外光40叠加。

此外，优选图像光50的光路是不与图像光52光干涉的光路。在光路干涉的情况下，可以取代反射镜182而设置半反射镜，该半反射镜与偏振光状态无关地以所需的比率进行透射及反射。而且，投影器、反射镜和反射元件的组的数量不限于两个，也可以是三个以上。

图15表示又一图像叠加部108。在图像叠加部108中，对于与图像叠加部100相同的结构标注相同的附图标记并省略说明。图像叠加部108在投影器110与GPH元件130之间具有正立光学系统190。

正立光学系统190例如具有正立成像透镜、放大光学系统。正立成像透镜是由SELFOC(注册商标)透镜、多个透镜阵列构成的正立成像透镜等。放大光学系统是菲涅耳透镜等。此外，正立光学系统190也可以用于图11到图15的各图像叠加部104等。

图16表示又一光学装置16。在光学装置16中，对于与光学装置10相同的结构标注相同的附图标记并省略说明。

在光学装置16中，反射元件200倾斜的方向与光学装置10相反。由此，在光学装置16中，反射元件200将图像光50向外光40的上游侧反射。

对于外光40而言在反射元件200的上游侧配置有曲面半反射镜330。曲面半反射镜330具有曲面332，与偏振光状态无关地使入射光的一半强度的部分透过，并利用曲面332将剩余一半反射。由此，将图像光50的一半强度的部分反射并利用曲面332施加透镜作用。在图16的例子中，使反射的图像光50成为平行光。

另一方面，外光40中的一半强度的部分透过曲面半反射镜330，但是没有在曲面332受到透镜作用。由此，图像光50与外光40叠加并导入使用者的眼睛。

在以上各实施方式中，反射元件200将相互正交的直线偏振光的一方反射并使另一方透过。也可以取而代之使用半反射镜，该半反射镜与偏振光状态无关地将入射光的一半强度的部分反射并使剩余部分透过。而且，虽然上述各实施方式中的半反射镜的反射与透射的比率均为1：1，但是也可以取而代之为任意的比率。

此外，在上述各实施方式中都是反射元件200相对于外光40及图像光50的入射方向倾斜45°，但倾斜的角度也可以不是45°。另外，在上述各实施方式中，对偏振光状态是直线偏振光和圆偏振光的情况进行了说明，但是基于设计公差等理由也能够适用于椭圆偏振光的情况。

此外，在上述各实施方式中都是反射型双合透镜120及曲面半反射镜330具有使图像光50成为平行光的透镜光学能力。但是，反射型双合透镜120及曲面半反射镜330也可以具有其它大小的透镜光学能力。

而且，在上述各实施方式中，也可以在GPH元件130等与反射元件200等之间配置凸透镜等其它光学元件。

在上述各实施方式中，也可以取代反射型双合透镜120而使用反射型光学系统，该反射型光学系统由三个以上的光学要素构成，并具有使入射光的一部分透过并将其它部分反射的曲面。在这种情况下，优选光学要素彼此通过匹配面进行匹配，且彼此的折射率在预先设定的范围内一致，例如相等。或者，也可以取代反射型双合透镜120而使用如下所述的反射型双合透镜，该反射型双合透镜彼此的匹配面是平面且非匹配面彼此具有相同的曲率。

图17表示使用了本实施方式的光学装置10的眼镜型显示装置400的一例。眼镜型显示装置400具有光学装置10以及眼镜型的框架402，可以通过框架402以与眼镜相同的方式供观察者佩戴。

眼镜型显示装置400在与眼镜的眼睛位置对应的部分的上部具备投影器114、116，投影器114、116朝向下方输出左眼用及右眼用的图像光。另外，在眼镜型显示装置400的右眼侧的框缘404及左眼侧的框缘406的内部配置有光学装置10的包含反射元件204、206在内的投影器以外的部件。利用这些将从投影器114、116输出的图像光导入使用者的各眼。眼镜型显示装置400还可以具备透镜等其它光学系统。

眼镜型显示装置400也可以在其它部分设置投影器114、116。例如，眼镜型显示装置400可以在与眼睛对应的部分的下侧、内侧、或者外侧设置投影器114、116。另外，虽然没有图示，光学装置10等以及眼镜型显示装置400也可以包含对图像叠加部100等进行控制的处理器、以及向其供电的电池等必要部件。此外，也可以构成为在眼镜型显示装置400中对左右其中一方的眼睛设置使图像叠加的反射元件等而对另一方不设置使图像叠加的反射元件等。

图18表示又一光学装置18。光学装置18利用导光板352使图像光50与现实世界的外光40叠加并导入使用者的眼睛30。

光学装置18具有投影器110、GPH元件130、透镜350、导光板352、偏向元件354、356。投影器110生成图像光50并作为扩散光射出。透镜350使图像光50聚光于眼睛30。

从透镜350射出的图像光50入射至导光板352。在导光板352上安装有偏向元件354。偏向元件354使入射至导光板352的图像光50的方向朝向在导光板352中引起全反射的方向偏向。在此，导光板352使入射的光在内部全反射并传输，因此可以说是反射元件的一例。偏向元件354的例子是反射镜、全息透镜、衍射元件、具有多层层叠结构的半反射镜等。

在导光板352上还安装有偏向元件356。偏向元件356使在导光板352的内部进行全反射而到达偏向元件356的图像光50的方向朝向眼睛30的方向偏向。偏向元件356的例子是全息透镜、衍射元件、具有多层层叠结构的半反射镜等。

利用以上的结构，在光学装置18中将图像光50与外光40叠加并导入使用者的眼睛30。在此，虽然图像光50在投影器110及透镜350等中表现出伴随折射的折射角的波长分散，但是在本实施方式中通过设置GPH元件130，从而补偿了该波长分散性。由此，即使在使用导光板352的光学装置18中，也能够抑制使用者感受的图像光50的颜色的色偏。

此外，使用导光板352的光学装置18也可以在图像的叠加中不使用偏振光。因此，在图18中也省略了偏振光的方向的记载。另外，光学装置18也可以构成为对左右其中一方的眼睛设置使图像叠加的导光板等而对另一方不设置使图像叠加的导光板等。

图19及图20是说明图7的GPH单元140的变形例即GPH单元157的图。在GPH单元157中，对于与GPH单元140相同的结构标注相同的附图标记并省略说明。

GPH单元157与GPH单元140的区别是：在偏振光转换元件160与GPH元件144之间配置有偏振光切换元件165。偏振光切换元件165能够切换：与光的波长无关地保持入射光的偏振光状态进行输出的第一状态、和使入射光的偏振光状态转换为翻转的偏振光状态进行输出的第二状态。在各状态下，偏振光切换元件165都不会使入射光的光线方向偏向，即保持方向输出。作为偏振光切换元件165的一例，可举出将利用电压来切换第一状态和第二状态的液晶板以彼此的滞相轴正交的朝向利用λ/4板夹持的结构。

图19表示偏振光切换元件165处于第一状态并因此GPH单元157处于第一状态。在偏振光切换元件165如上述例子那样包含液晶板的情况下，例如第一状态是向该液晶板施加电压的状态。

在第一状态下，偏振光切换元件165保持入射光的偏振光状态进行输出。因此，在第一状态下，GPH单元157不论是否存在偏振光切换元件165都具有与GPH单元140相同的光学功能。

图20表示偏振光切换元件165处于第二状态并因此GPH单元157处于第二状态。在偏振光切换元件165包含液晶板的情况下，例如第二状态是未向该液晶板施加电压的状态。

在第二状态下，偏振光切换元件165与波长无关地将入射光的偏振光状态转换为翻转的方向进行输出。在图20的例子中，将红色R从左旋圆偏振光转换为右旋圆偏振光，将绿色G及蓝色B从右旋圆偏振光转换为左旋圆偏振光。由此，在第二状态下，GPH单元157以不同于第一状态的偏振光状态及偏向方向射出RGB的光。

根据具有以上结构的GPH单元157，通过切换偏振光切换元件165的状态，从而能够转换在光学装置10上作为整体产生的波长分散性。此外，在向偏振光切换元件165输入直线偏振光的情况下，使偏振光状态翻转的第二状态对应于输出与输入的直线偏振光正交的直线偏振光。

以上，使用实施方式说明了本发明，但本发明的技术范围不限于上述实施方式所述的范围。显然，本领域技术人员能够对上述实施方式进行多种变更或者改进。根据权利要求书可知，进行了这样的变更或者改进的方式也包含于本发明的技术范围。

需要注意的是：在权利要求书、说明书以及附图中示出的装置、系统、程序以及方法中的动作、顺序、步骤以及阶段等各处理的执行顺序只要没有特别明示“之前”、“在先”等并且没有限定于将前处理的输出用于后处理，则能够以任意的顺序实现。关于权利要求书、说明书以及附图中的动作流程，即使为了方便而使用“首先”、“接着”等进行说明，也并不表示必须以该顺序实施。

附图标记说明

10、12、14、16、18-光学装置；30-眼睛；40-外光；42-物体；50、52-图像光；54-物像；56-叠加图像；100、102、104、105、106、107、108-图像叠加部；101-光学系统；110、112、114、116-投影器；120-反射型双合透镜；121、123-双合透镜片；122-曲面；130、132、142、144、146、148、150、152-GPH元件；140、154、156、157-GPH单元；160、162、164-偏振光转换元件；165-偏振光切换元件；170-背光源；172-偏振光分束器；173-λ/4板；174-液晶板；176-λ/4板；180-反射镜；182-反射镜；190-正立光学系统；200、202、204、206-反射元件；210-相位差板；220-反射型偏振光板；300-λ/4板；310-反射型偏振光板；320-偏振光板；330-曲面半反射镜；332-曲面；340-外光调整部；350-透镜；352-导光板；354、356-偏向元件；400-眼镜型显示装置；402-框架；404-框缘；406-框缘。

Claims (10)

1.一种光学装置，其使图像光与外光叠加并导入下游侧，

其特征在于，具备：

图像光学系统，其包含至少对所述图像光具有透镜光学能力的光学元件；以及

反射元件，其通过反射所述图像光的至少一部分而使所述图像光的所述至少一部分与所述外光的所述至少一部分叠加，

所述图像光学系统具有：

GPH元件，所述GPH元件具有波长分散性与所述光学元件相反的逆分散性；以及

偏振光转换元件，所述偏振光转换元件与所述GPH元件重叠配置，对入射光中的特定波长范围的偏振光状态进行调制，并保持入射光中的其它波长范围的偏振光状态。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，

所述光学元件具有反射型光学系统，所述反射型光学系统由多个光学部件构成，所述多个光学部件配置于所述反射元件的下游侧，彼此通过匹配面进行匹配，彼此的折射率在预先设定的范围内一致，所述反射型光学系统具有使入射光的一部分透过并将入射光的其它部分反射的曲面，

所述光学装置还具备：

四分之一波长板，其配置于所述反射型光学系统的下游侧；以及

反射型偏振光板，其配置于所述四分之一波长板的下游侧，反射第一直线偏振光，并使第二直线偏振光透过，

所述GPH元件至少具有对所述反射型光学系统的波长分散性进行补偿的所述逆分散性。

3.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，

所述光学装置还具备曲面半反射镜，所述曲面半反射镜对于所述外光而言配置于所述反射元件的上游侧，且具有曲面，在所述曲面使入射光的一部分透过并将入射光的其它部分反射。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学装置，其特征在于，

所述反射元件具有：

相位差板，其相对于所述图像光的光轴倾斜地配置，对所述图像光及所述外光的偏振光状态进行调制；以及

反射型偏振光板，其与所述相位差板的下游侧重叠，将透过了所述相位差板的所述图像光的第一偏振光成分反射，并且使所述外光的第二偏振光成分透过。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的光学装置，其特征在于，

所述反射元件是半反射镜。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的光学装置，其特征在于，

所述反射元件是偏振光分束器，该偏振光分束器将所述图像光的第一偏振光成分反射，并且使所述外光的第二偏振光成分透过。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的光学装置，其特征在于，

所述GPH元件具有所述逆分散性，所述逆分散性补偿对于所述图像光而言比所述反射元件靠向上游侧配置的所述图像光学系统的至少一部分的波长分散性。

8.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，

还具有偏振光切换元件，所述偏振光切换元件配置于所述偏振光转换元件与所述GPH元件之间，对保持入射光的偏振光状态进行输出的第一状态、和转换成使入射光的偏振光状态翻转后的偏振光状态进行输出的第二状态进行切换。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的光学装置，其特征在于，

还具备外光调整部，所述外光调整部对于所述外光而言比所述反射元件靠向上游侧配置，能够对透过的外光的强度进行调整。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的光学装置，其特征在于，

所述光学装置供使用者佩戴，用于使所述图像光与所述外光叠加并导入所述使用者眼睛的增强现实。

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