虚像显示装置以及导光装置的制作方法

[0001]
本发明涉及作为头戴显示器等的虚像显示装置以及组装于该虚像显示装置的导光装置，尤其涉及可透视观察的虚像显示装置等。


背景技术：

[0002]
作为能够像头戴显示器那样形成并观察虚像的虚像显示装置，提出了通过反射镜那样的光学元件将来自显示元件的图像光引导到观察者的瞳孔的类型的各种虚像显示装置。
[0003]
专利文献1记载的目镜光学系统具有图像显示器、使基于图像显示器的显示图像进行中间成像的中继光学系统以及将来自中间像的光束引导至视点的目镜反射面。在此，中继光学系统包含折射光学系统和中继反射面。中继反射面和目镜反射面偏心且具有变形(anamorphic)非球面形状。
[0004]
专利文献1：日本特开平9-43536号公报
[0005]
在能够看到外界的透视型虚像显示装置的情况下，需要确保看到外界的区域，光学部件的配置受到限制，难以既确保光学性能又实现小型化。特别是，在要对头戴显示器实现小型化的情况下，装置有时配置在使用者的脸的前方，如果显示元件或与其连接的光学元件的尺寸变大，则光学系统的前后的厚度增加，向眼前的目镜反射面或透视镜的周围伸出的部分变大等，第3者在从外部观察佩戴了装置的使用者的情况下感到不适感的可能性变高。
[0006]
专利文献1的装置通过使中继反射面、目镜反射面成为变形非球面来校正像差，但从图像显示器到折射光学系统的光路较长，利用较少的光学元件进行的像差校正存在极限，无法在确保分辨率的同时实现小型化。


技术实现要素：

[0007]
本发明的一个方面的虚像显示装置具有：显示元件；投射透镜，其使从显示元件射出的图像光收敛；棱镜，其使从投射透镜射出的图像光在入射面折射地入射，在内反射面进行全反射，从出射面折射地射出；以及透视镜，其朝向瞳孔位置反射从棱镜射出的图像光，投射透镜、棱镜以及透视镜配置为形成离轴系统，在离轴系统的离轴面中，在投射透镜与内反射面之间的、相比于与投射透镜以及内反射面的距离更靠近棱镜的入射面侧的位置配置有中间光瞳，在棱镜与透视镜之间形成有基于图像光的成像的中间像。
附图说明
[0008]
图1是说明第1实施方式的虚像显示装置的佩戴状态的外观立体图。
[0009]
图2是说明图1所示的虚像显示装置的侧视剖视图。
[0010]
图3是说明虚像显示装置的内部结构的侧视剖视图。
[0011]
图4是示出图1所示的装置的光学系统的侧视剖视图和俯视图。
[0012]
图5是概念性说明基于投射光学系统的成像的立体图。
[0013]
图6是说明形成在显示元件上的显示像的强制的畸变的图。
[0014]
图7是示出组装在第2实施方式的虚像显示装置中的光学系统的侧视剖视图和俯视图。
[0015]
标号说明
[0016]
11：显示元件；11a：显示面；12：投射光学系统；21：投射透镜；21a：入射面；21b：出射面；22：棱镜；22a：入射面；22b：内反射面；22c：出射面；23：透视镜；23a：反射面；23b：板状体；23c：镜膜；23s：表面；31：内透镜；51：壳体；54：支承板；100：虚像显示装置；100c：支承装置；101a：第1显示装置；101b：第2显示装置；102：光学单元；103：外观部件；ax：光轴；ea：有效区域；er：视圈；ey：眼；im：中间像；ip：中间光瞳；ml：图像光；o：原点；ol：外界光；p1～p3：光路；pp：瞳孔位置；so：离轴面；us：使用者。
具体实施方式
[0017]
[第1实施方式]
[0018]
以下，参照附图，对本发明中的第1实施方式的虚像显示装置以及组装于该虚像显示装置的导光装置进行说明。
[0019]
如图1和图2所示，第1实施方式的虚像显示装置100是具有眼镜那样的外观的头戴显示器(hmd)，使佩戴该虚像显示装置100的观察者或使用者us识别作为虚像的影像。在图1以及图2中，x、y以及z是垂直坐标系，+x方向对应于佩戴虚像显示装置100的使用者us的双眼排列的横向，+y方向相当于与使用者us的双眼排列的横向垂直的上方向，+z方向相当于使用者us的前方向或正面方向。
[0020]
虚像显示装置100具有针对右眼形成虚像的第1显示装置101a、针对左眼形成虚像的第2显示装置101b、以及对两个显示装置101a、101b进行支承的镜腿状的支承装置101c。第1显示装置101a由配置在上部的光学单元102和以眼镜镜片状覆盖整体的外观部件103构成。第2显示装置101b也同样，由配置在上部的光学单元102和以眼镜镜片状覆盖整体的外观部件103构成。支承装置101c通过配置在外观部件103的背后的未图示的部件，在外观部件103的上端侧支承两个显示装置101a、101b。左眼用的第2显示装置101b具有与第1显示装置101a相同的结构。以下，对第1显示装置101a进行说明，对第2显示装置101b省略说明。
[0021]
如图2和图3所示，右眼用的第1显示装置101a包含显示元件11和投射光学系统12作为光学要素。从将来自显示元件11的图像光ml引导到瞳孔位置pp的观点来看，投射光学系统12也称为导光装置。
[0022]
显示元件11例如是以有机el(有机电致发光：organicelectro-luminescence)、无机el、led阵列、有机led、激光器阵列、量子点发光型元件等为代表的自发光型的显示器件，在二维的显示面11a上形成彩色的静态图像或动态图像。显示元件11被未图示的驱动控制电路驱动而进行显示动作。在使用有机el的显示器或显示器件作为显示元件11的情况下，构成为具有有机el控制部。在使用量子点发光型的显示器作为显示元件11的情况下，例如使蓝色发光二极管(led)的光通过量子点膜，由此，成为发出绿色或红色的颜色的结构。显示元件11不限于自发光型的显示元件，也可以由lcd以及其他的光调制元件构成，通过利用背光源那样的光源对该光调制元件进行照明而形成图像。作为显示元件11，也可以使用
lcos(liquid crystal on silicon，lcos为注册商标)或数字微镜器件等来代替lcd。
[0023]
如图3所示，投射光学系统(导光装置)12具有投射透镜21、棱镜22和透视镜23。投射透镜21将从显示元件11射出的图像光ml会聚成接近平行光束的状态。投射透镜21在图示的例子中是单透镜，具有入射面21a和出射面21b。棱镜22具有入射面22a、内反射面22b和出射面22c，使从投射透镜21射出的图像光ml入射到入射面22a并折射，在内反射面22b进行全反射，从出射面22c折射并射出。透视镜23将从棱镜22射出的图像光ml向瞳孔位置pp反射。瞳孔位置pp是来自显示面11a上的各点的图像光以规定的发散状态或平行状态从与显示面11a上的各点的位置对应的角度方向重叠入射的位置。图示的投射光学系统12的fov(field of view)为44
°
。基于投射光学系统12的虚像的显示区域为矩形，上述44
°
成为对角方向。
[0024]
投射透镜21以及棱镜22与显示元件11一起收纳在壳体51中。壳体51由遮光性的材料形成，内置有使显示元件11动作的未图示的驱动电路。壳体51的开口51a具有不妨碍从棱镜22朝向透视镜23的图像光ml的尺寸。壳体51的开口51a不是单纯的开口，能够被具有透光性的保护盖52覆盖。保护盖52不具有光学屈光力，由使图像光ml不衰减地通过的树脂材料形成。通过保护盖52能够使壳体51内的收纳空间成为密闭状态，能够提高防尘、防结露、防光学面的接触等功能。经由支承板54将透视镜23支承在壳体51上。壳体51或支承板54由图1所示的支承装置101c支承，由支承板54和透视镜23构成外观部件103。
[0025]
投射光学系统12是离轴光学系统，投射透镜21、棱镜22以及透视镜23配置为形成离轴系统112。投射光学系统12是离轴光学系统意味着在构成投射光学系统12的光学元件21、22、23中，在光线向至少1个反射面或者折射面入射的前后，光路整体弯折。在该投射光学系统12即离轴系统112中，进行光轴ax的弯折，使得光轴ax沿着对应于纸面的离轴面so延伸。即，在该投射光学系统12中，通过在离轴面so内进行光轴ax的弯折，沿着离轴面so排列光学元件21、22、23。离轴面so成为使离轴系统112多阶段地产生非对称性的面。光轴ax沿着从显示元件11的中心射出的主光线的光路延伸，通过相当于视点的视圈er或者瞳孔的中心。即，配置有光轴ax的离轴面so与yz面平行，通过显示元件11的中心和相当于视点的视圈er的中心。在以横截面观察时，光轴ax成为z字状的配置。即，在离轴面so中，成为从投射透镜21到内反射面22b的光路p1、从内反射面22b到透视镜23的光路p2、从透视镜23到瞳孔位置pp的光路p3以z字状按照两阶段折返的配置。
[0026]
投射光学系统12中的从投射透镜21到内反射面22b的光路p1成为接近与z方向平行的状态。即，在光路p1中，光轴ax相对于z方向或正面方向大致平行地延伸。结果，投射透镜21在z方向或正面方向上配置成夹在棱镜22和显示元件11之间。此时，从棱镜22到显示元件11的光路p1接近正面方向。期望光路p1中的光轴ax朝向z方向以向下为负，收敛在平均-30
°
～+30
°
左右的范围内。通过将光路p1的光轴ax设为朝向z方向且朝下-30
°
以上的状态，能够避免投射透镜21或显示元件11与透视镜23干扰。另外，通过使光路p1的光轴ax成为朝向z方向且朝上+30
°
以下的状态，能够防止投射透镜21或显示元件11向上部突起而在外观上变得显眼。在从内反射面22b到透视镜23的光路p2中，期望光轴ax朝向z方向以向下为负，收敛在平均-70
°
～-45
°
左右的范围内。通过使光路p2的光轴ax成为朝向z方向且朝下-70
°
以上的状态，可以在透视镜23和瞳孔位置pp之间确保配置内透镜31的空间，容易避免透视镜23的整体倾斜过大。另外，通过使光路p2的光轴ax成为朝向z方向且朝下-45
°
以下的状态，能够避免棱镜22成为相对于透视镜23向-z方向或背面方向大幅突出的配置，能够避免
投射光学系统12的厚度增加。从透视镜23到瞳孔位置pp的光路p3成为接近与z方向平行的状态，但在图示的例子中，光轴ax朝向z方向，以向下为负，成为-10
°
左右。这是因为人的视线在从水平方向向下侧倾斜约10
°
的稍微向下看的状态下稳定。另外，关于相对于瞳孔位置pp处于水平方向的中心轴hx，假设佩戴虚像显示装置100的使用者us以直立姿势放松并朝向正面注视水平方向或水平线的情况。佩戴虚像显示装置100的各个使用者us的包含眼的配置、耳朵的配置等的头部的形状、姿势是各种各样的，但通过假设使用者us的平均的头部形状或头部姿势，能够对所关注的虚像显示装置100设定平均的中心轴hx。以上的结果为，在棱镜22的内反射面22b中，沿着光轴ax的光线的反射角为10
°
～60
°
左右。另外，在透视镜23中，沿着光轴ax的光线的反射角为20
°
～45
°
左右。
[0027]
关于主光线的光路p2和光路p3，透视镜23和棱镜22之间的距离d1是透视镜23和瞳孔位置pp之间的距离d2以下。此时，能够抑制棱镜22向透视镜23的周围即上方突起的突起量。这里，在光轴ax上考虑距离d1、d2。当在透视镜23的内侧，在光路p2、p3上配置追加的光学要素的情况下，将该光学要素换算成光路长度或光学距离来决定距离d1、d2的值。
[0028]
关于投射光学系统12，在纵向或y方向上，以瞳孔位置pp为基准，通过纵向的最上侧的光线的位置为30mm以下。通过使光线收敛在这样的范围内，可以避免投射透镜21或显示元件11向上方向或+y方向伸出配置，可抑制投射透镜21或显示元件11向眼眉的上方伸出的量，确保设计性。即，包含显示元件11、投射透镜21以及棱镜22的光学单元102变得小型。关于投射光学系统12，在正面方向或z方向上，以瞳孔位置pp为基准，从透视镜23到显示元件11的全部光线的位置为13mm以上。通过使光线收敛在这样的范围内，特别是能够将透视镜23相对于瞳孔位置pp在正面方向或+z方向上充分分离地配置，容易确保在透视镜23的里侧配置内透镜31的空间。关于投射光学系统12，在正面方向或z方向上，以瞳孔位置pp为基准，从透视镜23到显示元件11的全部光线的位置为40mm以下。通过使光线收敛在这样的范围内，特别是可以将透视镜23配置成相对于瞳孔位置pp在正面方向或+z方向上不过度分离，从而抑制透视镜23、显示元件11等向前方突出，容易确保设计性。关于棱镜22的下端，在纵向或y方向上，以瞳孔位置pp为基准，配置在10mm以上的位置处。由此，容易确保例如上方20
°
这样的透视视野。
[0029]
在离轴面so中，在投射透镜21和棱镜22的内反射面22b之间的相比于与投射透镜21以及内反射面22b的距离更靠近棱镜22的入射面22a侧的位置配置有中间光瞳ip。更具体地说，中间光瞳ip配置在棱镜22的入射面22a的位置或其附近。例如，中间光瞳ip相对于棱镜22的入射面22a配置在内反射面22b侧。在该情况下，中间光瞳ip的位置成为相比于与投射透镜21的出射面21b的距离更靠近入射面22a的状态。中间光瞳ip也可以与棱镜22的入射面22a交叉。中间光瞳ip意味着来自显示面11a上的各点的图像光最宽地相互重叠的部位，配置在视圈er或瞳孔位置pp的共轭点。期望在中间光瞳ip的位置或其附近配置开口光圈。
[0030]
中间像im形成在棱镜22和透视镜23之间。中间像im形成为相比于与透视镜23的距离更靠近棱镜22。这样，通过在相比于与透视镜23的距离更靠近棱镜22的位置形成中间像im，可以减轻基于透视镜23的放大的负担，抑制观察到的虚像的像差。然而，中间像im不处于与棱镜22的出射面22c交叉的状态。即，中间像im形成在出射面22c的外侧，其配置关系不限于离轴面so上，在出射面22c在垂直于离轴面so的横向或x方向上的任意点处成立。这样，通过形成为中间像im不横穿棱镜22的出射面22c，可以容易地避免出射面22c的表面的异物
或伤痕影响成像。中间像im是在比视圈er靠光路上游且相对于显示面11a共轭的位置形成的实像，具有与显示面11a上的显示像对应的图案，但不需要清晰地成像，也可以显现像面弯曲、畸变像差等各像差。对于在瞳孔位置pp处观察到的虚像，如果像差最终被良好地校正，则中间像im的像差不会成为问题。
[0031]
参照图4，对投射透镜21、棱镜22以及透视镜23的形状进行详细说明。在图4中，区域ar1表示投射光学系统12的侧视剖视图，区域ar2表示投射光学系统12的俯视图。另外，在区域ar2中示出这样的情况：投射透镜21的光学面21a、21b、棱镜22的光学面22a、22b、22c、以及透视镜23的表面23a通过光轴ax投射到xz面。
[0032]
在该情况下，投射透镜21由单透镜构成。作为构成投射透镜21的光学面的入射面21a和出射面21b在与yz面平行的离轴面so内关于与光轴ax交叉的纵的第1方向d11、d12隔着光轴ax具有非对称性，并且关于与第1方向d11、d12垂直的横的第2方向d02或x方向隔着光轴ax具有对称性。关于入射面21a的纵的第1方向d11和关于出射面21b的纵的第2方向d12形成规定的角度。投射透镜21例如由树脂形成，但也可以是玻璃制。投射透镜21的入射面21a和出射面21b例如是自由曲面。入射面21a和出射面21b不限于自由曲面，也可以是非球面。在投射透镜21中，通过将入射面21a和出射面21b设为自由曲面或非球面，能够实现像差减少，尤其在采用了自由曲面的情况下，容易减少作为离轴光学系统或非共轴光学系统的投射光学系统12的像差。另外，自由曲面是不具有旋转对称轴的面，作为自由曲面的面函数，可以使用各种多项式。另外，非球面是具有旋转对称轴的面，是抛物面或由多项式表示的球面以外的面。省略详细的说明，但在入射面21a以及出射面21b上形成有防反射膜。
[0033]
如上所述，在投射透镜21中，作为入射面21a的第1方向d11与出射面21b的第2方向d12形成规定的角度，其结果是，关于来自显示元件11的显示面11a的中心的主光线的光路，出射面21b相对于入射面21a倾斜地形成。即，在入射面21a以及出射面21b之间存在相对的角度或倾斜，能够具有在投射透镜21中部分地补偿作为离轴系统112的投射光学系统12的偏心的作用，有助于各像差的改善。并且，通过入射面21a以及出射面21b的相对的倾斜，能够使投射透镜21具有部分地补偿色像差的功能。
[0034]
棱镜22是具有使反射镜和透镜复合的功能的折射反射光学部件，使来自投射透镜21的图像光ml折射并反射。更详细而言，在棱镜22中，图像光ml经过作为折射面的入射面22a入射到内部，通过作为反射面的内反射面22b向非正反射方向全反射，经过作为折射面的出射面22c向外部射出。入射面22a和出射面22c是由曲面构成的光学面，与仅为反射面的情况或将它们设为平面的情况相比，有助于提高分辨率。作为构成棱镜22的光学面的入射面22a、内反射面22b以及出射面22c在与yz面平行的离轴面so内关于与光轴ax交叉的纵的第1方向d21、d22、d23隔着光轴ax具有非对称性，关于与第1方向d21、d22、d23垂直的横的第2方向d02或x方向隔着光轴ax具有对称性。棱镜22的横向或x方向的横向宽度ph大于纵向或y方向的纵向宽度pv。在棱镜22中，不仅是外形，对于其光学的有效区域，横向或x方向的横向宽度也比纵向或y方向的纵向宽度大。由此，能够增大横向或y方向的视场角，并且如后所述，即使与眼ey的移动在横向上较大对应地，视线在横向上较大地变化，也能够看到图像。
[0035]
棱镜22例如由树脂形成，但也可以是玻璃制。棱镜22的主体的折射率也参考图像光ml的反射角而设定为实现在内表面的全反射的值。优选的是，棱镜22的主体的折射率、阿贝数还考虑与投射透镜21的关系来设定。特别是，通过增大棱镜22、投射透镜21的阿贝数，
整体上减少了残留的颜色分散。棱镜22的光学面、即入射面22a、内反射面22b和出射面22c例如是自由曲面。入射面22a、内反射面22b和出射面22c不限于自由曲面，也可以是非球面。在棱镜22中，通过使光学面22a、22b、22c为自由曲面或非球面，能够实现像差减少，尤其在采用了自由曲面的情况下，容易减少作为离轴光学系统或非共轴光学系统的投射光学系统12的像差，能够使分辨率提高。关于内反射面22b，不限于通过全反射对图像光ml进行反射，也可以是由金属膜或电介质多层膜构成的反射面。此时，在内反射面22b上，通过蒸镀等形成例如由al、ag这样的金属形成的单层膜或多层膜所构成的反射膜、或者粘贴由金属形成的片状反射膜。省略详细的说明，但在入射面22a以及出射面22c上形成有防反射膜。
[0036]
棱镜22能够通过注射成型而一并形成入射面22a、内反射面22b和出射面22c，因此，部件数量变少，3面的相互位置也能够比较低成本地高精度化为例如20μm以下的级别。
[0037]
透视镜23是作为凹的表面反射镜发挥功能的板状光学部件，反射来自棱镜22的图像光ml。透视镜23覆盖配置有眼ey或者瞳孔的瞳孔位置pp并且朝向瞳孔位置pp具有凹形状。透视镜23是具有在板状体23b的一个表面23s上形成有镜膜23c的结构的反射镜板。透视镜23的反射面23a是透射性的表面反射面。透视镜23、反射面23a在与yz面平行的离轴面so内，在与光轴ax交叉的纵的第1方向d31上，隔着光轴ax具有非对称性，在与第1方向d31垂直的横的第2方向d02或x方向上，隔着光轴ax具有对称性。透视镜23的反射面23a例如是自由曲面。反射面(表面反射面)23a不限于自由曲面，也可以是非球面。通过将透视镜23设为自由曲面或非球面，能够实现像差减少，特别是在使用自由曲面的情况下，容易减少作为离轴光学系统或非共轴光学系统的投射光学系统12的像差。无论反射面23a是自由曲面和非球面中的哪一个，透视镜23都具有曲面式的原点o比透视镜23的有效区域ea向投射透镜21侧或显示元件11侧偏移的形状。在该情况下，不会对光学系统的设计施加过度的负担，能够设定实现z字状的光路的透视镜的倾斜面。上述反射面23a的曲面式在离轴面so上成为例如由双点划线的曲线cf表示的曲面式。因此，赋予对称性的原点o配置在透视镜23的上端与显示元件11的下端之间。
[0038]
透视镜23是在反射时使一部分光透过的透过型反射元件，透视镜23的镜膜23c具有半透射性。由此，外界光ol通过透视镜23，因此，能够进行外界的透视观察，能够使虚像与外界像重叠。此时，如果板状体23b薄至几mm程度以下，则能够将外界像的倍率变化抑制得较小。从确保图像光ml的亮度和容易通过透视来观察外界像的观点出发，镜膜23c对图像光ml、外界光ol的反射率在设想的图像光ml的入射角范围中为10％以上且50％以下。作为透视镜23的基材的板状体23b例如由树脂形成，但也可以为玻璃制。板状体23b由与从周围对其进行支承的支承板54相同的材料形成，具有与支承板54相同的厚度。镜膜23c例如由调整了膜厚的多个电介质层所构成的电介质多层膜形成。镜膜23c也可以是调整了膜厚的al、ag等金属的单层膜或多层膜。镜膜23c可以通过层叠形成，但也可以通过粘贴片状反射膜形成。
[0039]
对光路进行说明，来自显示元件11的图像光ml入射到投射透镜21，以大致准直的状态射出。通过了投射透镜21的图像光ml入射到棱镜22而从入射面21a折射并射出，被内反射面22b以接近100％的高反射率反射，再次被出射面22c折射。来自棱镜22的图像光ml入射到透视镜23，被反射面23a以50％左右以下的反射率反射。被透视镜23反射的图像光ml入射到配置有使用者us的眼ey或瞳孔的瞳孔位置pp。在棱镜22和透视镜23之间，在靠近棱镜22
的出射面22c的位置形成有中间像im。中间像im是将形成在显示元件11的显示面11a上的图像适当放大后的像。通过了透视镜23或其周围的支承板54的外界光ol也入射到瞳孔位置pp。即，佩戴虚像显示装置100的使用者us能够与外界像重叠地观察基于图像光ml的虚像。
[0040]
比较图4的区域ar1、ar2可知，投射光学系统12的fov的横的视野角α2比纵的视野角α1大。这对应于在显示元件11的显示面11a上形成的显示像在水平方向上较长的情况。横与纵的纵横比被设定为例如4：3、16：9这样的值。
[0041]
图5是概念性地说明基于投射光学系统12的成像的立体图。在图中，图像光ml1表示来自视野中的右上方向的光线，图像光ml2表示来自视野中的右下方向的光线，图像光ml3表示来自视野中的左上方向的光线，图像光ml4表示来自视野中的左下方向的光线。在这种情况下，在瞳孔位置pp处设定的视圈er具有如下视圈形状或瞳孔尺寸：垂直于离轴面so的横向或x方向上的横瞳孔尺寸wh在离轴面so内大于垂直于光轴ax的纵向或y方向上的纵瞳孔尺寸wv。即，垂直于离轴面so的横向或x方向的瞳孔位置处的瞳孔尺寸比垂直于横向的纵向或y方向的瞳孔位置处的瞳孔尺寸大。在使横的视场角或视野比纵的视场角或视野大的情况下，如果与视场角对应地使视线变化，则眼的位置在横向上大幅移动，因此，期望使瞳孔尺寸在横向上增大。即，通过使视圈er的横瞳孔尺寸wh比纵瞳孔尺寸wv大，当使视线在横向上大幅变化的情况下，能够防止或抑制图像被剪切。在图4所示的投射光学系统12的情况下，fov在横向上较大，在纵向上较小。其结果，使用者us的眼ey或瞳孔也是在横向上以较大的角度范围旋转，在纵向上以较小的角度范围旋转。因此，与眼ey的动作对应地使视圈er的横瞳孔尺寸wh比视圈er的纵瞳孔尺寸wv大。从以上的说明可知，例如在将投射光学系统12的fov设定为纵向比横向大的情况下，期望使视圈er的横瞳孔尺寸wh比视圈er的纵瞳孔尺寸wv小。以上，在从透视镜23到瞳孔位置pp的光轴ax向下的情况下，严格意义上的视圈er的倾斜、视圈er的尺寸需要将以光轴ax为z0方向的向下倾斜的坐标系x0、y0、z0作为基准来考虑。在这种情况下，严格地说，纵的y0方向不是铅直方向或y方向。但是，在这样的倾斜不大的情况下，即使在坐标系x、y、z中进行考虑，视圈er的倾斜、视圈er的尺寸也不会近似地产生问题。
[0042]
虽然省略了图示，但当与视圈er的横瞳孔尺寸wh以及纵瞳孔尺寸wv的大小关系对应地使投射光学系统12的fov在横向上比在纵向上大时，期望中间光瞳ip的x方向的横瞳孔尺寸也比y方向的纵瞳孔尺寸小。
[0043]
如图6所示，表示基于投射光学系统12的成像状态的本来的投影像ig0具有比较大的畸变。由于投射光学系统12是离轴系统112，因此，不容易消除梯形畸变那样的畸变。因此，即使在投射光学系统12中残存畸变，在将原来的显示像设为da0的情况下，使形成于显示面11a的显示像成为具有预先带有畸变的梯形畸变的修正图像da1。即，通过使显示于显示元件11的图像具有抵消由投射透镜21、棱镜22以及透视镜23形成的畸变的相反畸变，能够使经过投射光学系统12在瞳孔位置pp观察的虚像的投影像ig1的像素排列成为使原来的显示像对应于da0的光栅图案，能够使轮廓成为矩形。结果为，能够容许在透视镜23等中产生的畸变像差，并且作为包含显示元件11的整体能够抑制像差。在显示面11a的外形是矩形的情况下，通过形成强制的畸变来形成空白，但是也可以在这样的空白中显示附加信息。在显示面11a上形成的修正图像da1不限于通过图像处理形成强制的畸变的图像，例如也可以使在显示面11a上形成的显示像素的排列与强制的畸变对应。在这种情况下，不需要校正畸
变的图像处理。进而，也可以使显示面11a具有校正像差的弯曲。
[0044]
在以上说明的第1实施方式的虚像显示装置100中，通过棱镜22能够进行像差的校正从而使分辨率提高，能够实现光学系统的小型化，进而实现装置整体的小型化。在上述装置的离轴系统112的离轴面so中，中间光瞳ip配置在投射透镜21和内反射面22b之间并且比投射透镜21和内反射面22b靠棱镜22的入射面22a侧的位置，因此，可以避免光学系统的大型化，并且容易在显示元件11侧确保远心性。此外，通过在该位置配置中间光瞳ip，容易缩短焦距，增大倍率，能够使显示元件11接近棱镜22等并且减小显示元件11。在上述装置中，由于中间像im形成在棱镜22和透视镜23之间，因此，能够减小棱镜22。并且，通过在该位置形成中间像im，能够利用以投射透镜21以及棱镜22为一组的光学系统的作用减少色像差以及其他像差。
[0045]
[第2实施方式]
[0046]
以下，对本发明的第2实施方式的虚像显示装置等进行说明。另外，第2实施方式的虚像显示装置是部分地改变了第1实施方式的虚像显示装置而得的，关于相同的部分，省略说明。
[0047]
参照图7，对第2实施方式的虚像显示装置的光学系统进行说明。在图7中，区域ar1表示投射光学系统12的侧视剖视图，区域ar2表示投射光学系统12的俯视图。图示的投射光学系统12的fov为34
°
。基于投射光学系统12的虚像的显示区域为矩形，上述44
°
为对角方向。在投射光学系统(导光装置)12包含投射透镜21、棱镜22和透视镜23并且成为离轴系统的方面、以及投射透镜21、棱镜22和透视镜23由自由曲面或非球面形成并且关于纵向具有非对称性、关于横向具有对称性的方面，具有与第1实施方式的装置相同的特征。此外，在光轴ax所穿过的离轴面so中，在投射透镜21和棱镜22的内反射面22b之间并且比投射透镜21和内反射面22b靠棱镜22的入射面22a侧的位置配置有中间光瞳ip。中间像im形成在棱镜22和透视镜23之间，并且形成得相比于与透视镜23的距离更靠近棱镜22。
[0048]
关于第2实施方式的投射光学系统12，关于纵向或y方向，以瞳孔位置pp为基准，更详细地说，以其中心为基准，通过纵向的最上侧的光线的位置为30mm以下。此外，对于该投射光学系统12，关于正面方向或z方向，以瞳孔位置pp为基准，从透视镜23到显示元件11的全部光线的位置为13mm以上。此外，对于该投射光学系统12，关于正面方向或z方向，以瞳孔位置pp为基准，从透视镜23到显示元件11的全部光线的位置为40mm以下。
[0049]
[实施例]
[0050]
以下，对将第1实施方式等的虚像显示装置100具体化的实施例进行说明。在实施例的数据中，用xy多项式面表示自由曲面。xy多项式面的系数以z为光轴方向，由下式给出。
[0051][0052]
这里，
[0053]
x、y、z：局部坐标系中的坐标轴
[0054]
c：曲率(＝1/r)
[0055]
a
n，m
：非球面系数
[0056]
(n意味着x的次数，m意味着y的次数，a意味着该次数的系数)
[0057]
r0：归一化半径
[0058]
k：圆锥系数
[0059]
r：半径方向的距离
[0060]
以下的表1是汇总了提供构成实施例1的光学系统的自由曲面的多项式的非球面系数a
n，m
的表。在表中，距离的单位为mm。在表1中，各面以瞳孔位置pp(图3)更详细地说以其中心为起点进行记载。
[0061]
[表1]
[0062]
[0063][0064]
以下的表2表示构成实施例1的光学系统的自由曲面的斜率和光学原点位置。在表2中，整个系统的全局坐标轴xyz以瞳孔位置pp(图3)为原点来记载。α、β、γ表示绕xyz轴的局部坐标系的旋转角。
[0065]
[表2]
[0066]
[表2]
[0067][0068]
[变形例以及其他]
[0069]
以上，就实施方式对本发明进行了说明，但是本发明并不限于上述的实施方式，可以在不脱离其主旨的范围内在各种方式中实施，例如也可以是如下的变形。
[0070]
在上述实施方式的虚像显示装置100中，作为显示元件11而使用有机el元件等自发光型显示器件或lcd以及其他的光调制元件，但也可以取而代之，而构成为使用组合了激光光源和作为多面镜等的扫描仪而得的激光扫描仪。即，本发明可以应用于激光视网膜投影型的头戴显示器。
[0071]
可以在透视镜23的外界侧安装通过限制透视镜23的透过光而进行调光的调光器件。调光器件例如以电动地调整透过率。作为调光器件，可以使用反射镜液晶、电子遮罩等。调光器件也可以根据外光照度调整透过率。在通过调光器件遮断外界光ol的情况下，能够仅观察未受到外界像作用的虚像。另外，本申请发明的虚像显示装置能够应用于遮断外光而仅看到图像光的所谓闭合型头部搭载型显示装置(hmd)。这种情况下，也可以应对由虚像显示装置和拍摄装置构成的所谓视频透视的产品。
[0072]
以上，以虚像显示装置100安装在头部使用为前提，但上述虚像显示装置100也可以作为不安装在头部而像双筒望远镜那样进行观察的手持显示器使用。即，在本发明中，头戴显示器也包含手持显示器。
[0073]
以上，离轴面so为纵向或y方向，但也可以是使离轴面so为横向或x方向的横置或横向展开。
[0074]
具体的方式中的虚像显示装置具有：显示元件；投射透镜，其使从显示元件射出的图像光收敛；棱镜，其使从投射透镜射出的图像光在入射面折射地入射，在内反射面进行全反射，从出射面折射地射出；以及透视镜，其朝向瞳孔位置反射从棱镜射出的图像光，投射透镜、棱镜以及透视镜配置为形成离轴系统，在离轴系统的离轴面中，在投射透镜与内反射面之间的、相比于与投射透镜以及内反射面的距离更靠近棱镜的入射面侧的位置配置有中间光瞳，在棱镜与透视镜之间形成有基于图像光的成像的中间像。
[0075]
在上述虚像显示装置中，通过棱镜，能够进行像差的校正而提高分辨率，能够实现
光学系统的小型化，进而实现装置整体的小型化。在上述装置的离轴系统的离轴面中，中间光瞳配置于投射透镜和内反射面之间的相比于与投射透镜以及内反射面的距离更靠近棱镜的入射面侧的位置，因此，避免光学系统的大型化并且容易在显示元件侧确保远心性。另外，通过在该位置配置中间光瞳，容易缩短焦距，增大倍率，可以使显示元件接近棱镜等，并且减小显示元件。在上述装置中，由于中间像形成在棱镜和透视镜之间，因此，能够减小棱镜。并且，通过在该位置形成中间像，能够利用以投射透镜以及棱镜为一组的光学系统的作用减少色像差以及其他像差。
[0076]
在具体的方面中，在离轴面中，从投射透镜到内反射面的光路、从内反射面到透视镜的光路、以及从透视镜到瞳孔位置的光路成为以z字状按照两个阶段折返的配置。在该情况下，通过折叠的光路，能够节省空间地收纳显示元件、投射透镜。
[0077]
在其他方面中，投射透镜具有自由曲面作为光学面。在该情况下，能够减少投射透镜的构成要素并实现高精度化。
[0078]
在另一方面中，在投射透镜中，在来自显示面的中心的主光线的光路上，出射面相对于入射面倾斜地形成。在这种情况下，通过入射面和出射面的相对倾斜，能够具有补偿离轴系统的偏心的作用，有助于改善各像差。并且，通过入射面以及出射面的相对的倾斜，能够使投射透镜具有补偿色像差的功能。
[0079]
在另一方面中，在来自显示面的中心的主光线的光路上，透视镜与棱镜之间的距离为透视镜与瞳孔位置之间的距离以下。在该情况下，能够抑制棱镜向透视镜的周围(上下方向、左右方向)突起的突起量。
[0080]
在另一方面中，透视镜具有曲面式的原点比透视镜的有效区域向投射透镜侧偏移的形状。在该情况下，能够不对光学系统的设计施加过度的负担地设定实现z字状光路的透视镜的倾斜面。
[0081]
在另一方面中，显示在显示元件上的图像具有将由投射透镜、棱镜和透视镜形成的畸变抵消的畸变。在这种情况下，能够容许在透视镜等中产生的畸变像差，并且作为包含显示元件在内的整体能够抑制像差。
[0082]
在另一方面中，透视镜具有透射性的表面反射面。在这种情况下，能够抑制基于透视镜的反射像即使用者所观察到的虚像产生像差或多重像。
[0083]
在另一方面中，中间像形成为相比于与透视镜的距离，更靠近棱镜。在该情况下，能够降低基于透视镜的放大的负担而抑制所观察的虚像的像差。
[0084]
在另一方面，投射透镜、棱镜和透视镜具有关于与离轴系统的离轴面垂直的方向呈光学对称的形状。在这种情况下，在与离轴面垂直的交叉方向上，接近通常的光学设计。
[0085]
在另一方面中，与离轴面垂直的方向对应于眼排列的横向，棱镜的横向的横向宽度比与横向垂直的纵向的纵向宽度大。在该情况下，能够增大横向的视场角，并且，即使对应于眼的移动在横向上较大，而视线在横向上大幅变化，也能够看到图像。
[0086]
在另一方面中，投射透镜在正面方向上配置成夹在棱镜和显示元件之间，该正面方向垂直于与离轴面垂直的横向以及与横向垂直的纵向。在该情况下，从棱镜到显示元件的光路接近于正面方向，容易使从投射透镜经过棱镜以及透视镜到瞳孔位置的光路成为从横向观察时以z字状按照两阶段折返的配置。
[0087]
在另一方面中，在与离轴面平行并且与瞳孔位置的瞳面平行的纵向上，以瞳孔位
置为基准，穿过纵向的最上侧的光线的位置在30mm以下。在这种情况下，能够抑制投射透镜、显示元件向眉的上方伸出的量，确保设计性。
[0088]
在另一方面中，在与离轴面平行且与瞳孔位置的瞳面交叉的正面方向上，以瞳孔位置为基准，从透视镜到显示元件的全部光线的位置在13mm以上。在这种情况下，容易确保在透视镜的深处配置内透镜的空间。
[0089]
在另一方面中，在与离轴面平行且与瞳孔位置的瞳面交叉的正面方向上，以瞳孔位置为基准，从透视镜到显示元件的全部光线的位置在40mm以下。在这种情况下，容易抑制透视镜、显示元件等向前方突出，从而确保设计性。
[0090]
在另一方面中，与离轴面垂直的横向上的瞳孔位置处的瞳孔尺寸比与横向垂直的纵向上的瞳孔位置处的瞳孔尺寸大。在增大横向的视场角的情况下，当根据视场角改变视线时，眼的位置在横向上大幅移动，因此，期望在横向上增大瞳孔尺寸。
[0091]
具体的方式中的导光装置具有：投射透镜，其使从显示元件射出的图像光收敛；棱镜，其使从投射透镜射出的图像光在入射面折射地入射，在内反射面进行全反射，从出射面折射地射出；以及透视镜，其朝向瞳孔位置反射从棱镜射出的图像光，投射透镜、棱镜以及透视镜排列为形成离轴系统，在离轴系统的离轴面中，在投射透镜与内反射面之间的、相比于投射透镜和内反射面更靠近棱镜的入射面侧的位置配置有中间光瞳，在棱镜与透视镜之间形成有基于图像光的成像的中间像。
[0092]
在上述导光装置中，通过棱镜能够进行像差的校正从而提高分辨率，能够实现装置整体的小型化。另外，在离轴面中，中间光瞳配置在相比于与投射透镜以及内反射面的距离更靠近棱镜的入射面侧的位置，因此，能够避免光学系统的大型化，并且容易在显示元件侧确保远心性，并且容易缩短焦距，增大倍率，能够使显示元件靠近棱镜等，并且减小显示元件。在上述装置中，中间像形成于棱镜和透视镜之间，因此能够使棱镜变小，能够通过以投射透镜以及棱镜为一组的光学系统的作用来减少色像差以及其他像差。