CN100424542C - 图像显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明是通过虚像光学系统使在图像显示元件上显示的二维图像作为放大虚像被观察者观察到的图像显示装置，具备：棱镜(15)，具有与第1光学平面(15b)平行并且配置于光学瞳孔(19)一侧的第2光学平面(15c)、以及具有与第1光学平面或第2光学平面的法线所成的角大于等于30度小于90度的光轴的反射透过面(16)，该反射透过面使从入射光学面(15a)入射的图像光反射或透过，该入射光学面使在图像显示元件(11)所示的、被中继光学系统(12)中转的图像光入射；反射光学元件(18)，进行反射使得在反射透过面反射的、从第1光学平面射出的图像光射向反射透过面而且成为平行光；以及相位差光学元件(17)，配置在第1光学平面与反射光学元件间的光路中，转换图像光的偏振状态。

Description

图像显示装置

技术领域

本发明涉及通过使用反射透过(兼反射光及折射光)光学元件的虚像光学系统使在图像显示元件上显示的二维图像作为放大虚像被观察者观察到的图像显示装置，具体来说涉及使用虚像光学系统的头部佩戴型的图像显示装置。

本申请以2004年3月8日在日本申请的日本专利申请号2004-064712为基础要求享有优先权，参照该申请并援引于本申请中。

背景技术

以往提出有这样的头部佩戴型的图像显示装置，即通过使用反射透过光学元件的虚像光学系统使在图像显示元件上显示的二维图像作为放大虚像被观察者观察到。此种图像显示装置在美国专利第5886822号说明书中有记载。在该文献中记载的图像显示装置所具有的虚像光学系统被希望能具有下述优点：由于采用沿着人的脸部特别是人的眼睛位置的脸部形状的光学配置而提高佩戴感、进而对于视野方向的薄型化、以及尽可能地提高光的利用率等等。

在上述专利文件中公开了如图1所示的虚像光学系统。在图1所示的虚像光学系统中，使从图像显示元件320射出的S偏振光的图像光通过透镜360入射到棱镜300内。该图像光在设置于棱镜300内的第1反射面200处发生反射，行进方向被改变了90度。

该图像光在同样设置于棱镜300内的、主要反射S偏振光的第2反射透过面920处发生反射，行进方向被改变了90度，并入射到4分之1波片930中。入射到4分之1波片930中的图像光被变成圆偏振光并在凹面镜900处发生反射。在凹面镜900上反射的图像光再次入射到4分之1波片930并转换成P偏振光，透过第2反射透过面920入射到观察者的瞳孔中。

由于图1所示的虚像光学系统需要使射出图像光的图像显示元件320的配置位置与最终使图像光到达的光学瞳孔的配置位置位于棱镜300的同侧，因此采用沿着脸部形状的光学配置非常困难。

此外，由于在第1反射面200上的图像光不能达到100％反射，必定会大幅降低光的利用率。进而，由于从图像显示元件320射出的图像光在设置于棱镜300内的棱镜的第1反射面200处被扭转了90度并直接入射到第2反射透过面920，因此设置于棱镜300内的第2反射透过面920的倾角必定为45度，在观察者的视野方向上棱镜300变厚。

此外，在上述专利文献中，还公开了如图2所示的虚像光学系统。在图2所示的虚像光学系统中，使从图像显示元件320射出的S偏振光的图像光通过透镜360入射到棱镜300内。该图像光直接入射到设置于棱镜300内的反射面324。因此，在图2所示的虚像光学系统中，入射到该棱镜300内的图像光的反射次数减少了，可以抑制光的利用率的下降。

在图2所示的虚像光学系统中，图像显示元件320、透镜360和配置于长度方向的棱镜300排列在一条直线上，与图1所示的虚像光学系统相同，沿着脸部形状进行光学配置非常困难。此外，与图1所示的虚像光学系统相同，在棱镜300中配置的反射面324的倾角必定为45度，在观察者的视野方向上棱镜300变厚。

进而，在上述专利文献中，还公开了如图3所示的虚像光学系统。在图3所示的虚像光学系统中，使从图像显示元件320射出的S偏振光的图像光通过透镜360入射到棱镜300内。入射到棱镜300内的图像光在配置成在棱镜300内倾斜成大于等于45度的第1反射面325处发生反射，在棱镜300内进行内部全反射后，在同样配置成在棱镜300内倾斜成大于等于45度的第2反射面324处发生反射，并射出棱镜300外。

这样，由于第1反射面325、第2反射面324在棱镜300内的配置具有大于等于45度的倾斜，所以与图1、图2所示的虚像光学系统相比，可以在抑制观察者的视野方向上棱镜300变厚。

可是，这种结构的虚像光学系统，由于需要使射出图像光的图像显示元件320的配置位置与最终使图像光到达的光学瞳孔的配置位置位于棱镜300的同侧，因此采用沿着脸部形状的光学配置非常困难。

此外，在图1所示的虚像光学系统中，作为反射光学元件的凹面镜900被埋入棱镜300内。因此，在埋入凹面镜900的棱镜300的平面中，由于不能使用通过全反射对图像光进行导光的方法，因而必然需要棱镜300具有一定的厚度。

此外，在成为如图3所示的虚像光学系统那样进行内部全反射的结构的情况下，由于邻接眼部的光学元件必须使用透镜，所以因为此透镜会产生色差，或增加了厚度。

发明内容

本发明是为了解决上述以往提出的技术所具有的问题而提出的，其目的在于：提供一种头部佩戴型的图像显示装置，其具有以沿着使用者的脸部形状的方式配置光学系统、进而相对于观察者视野方向薄型化并且实现了光的高利用率的虚像光学系统。

应用了本发明的图像显示装置具备：图像显示元件，对图像进行显示；中继光学系统，对在图像显示元件上显示的图像的图像光进行中转；棱镜，至少具有：第1光学平面；第2光学平面，大致平行于第1光学平面并配置于光学瞳孔一侧；入射光学面，具有与第1光学平面或第2光学平面的法线所成的角大于等于30度小于90度的光轴，使被中继光学系统中转的图像光入射；以及反射透过面，相对于第1光学平面以及第2光学平面具有规定的倾角，使从入射光学面入射的图像光反射或透过；反射光学元件，配置于棱镜所具有的第1光学平面一侧，进行反射使得在反射透过面上反射并从第1光学平面射出的图像光射向反射透过面而且大致呈平行光；以及相位差光学元件，转换图像光的偏振状态，在棱镜的第1光学平面与反射光学元件的光路中，配置成在其与第1光学平面或反射光学元件之间夹有空气层。在该图像显示装置中，棱镜使从入射光学面入射到该棱镜内的图像光在第1光学平面以及第2光学平面处发生内部全反射，同时导光至反射透过面，在图像光的导光过程中形成上述图像的中间像。

应用了本发明的其他图像显示装置具备：图像显示元件，对图像进行显示；中继光学系统，对在图像显示元件上显示的图像的图像光进行中转；棱镜，至少具有：第1光学平面；第2光学平面，大致平行于第1光学平面并配置于光学瞳孔一侧；入射光学面，具有与第1光学平面或第2光学平面的法线所成的角大于等于30度小于90度的光轴，使被中继光学系统中转的图像光入射；以及反射透过面，相对于第1光学平面以及第2光学平面具有规定的倾角，使从入射光学面入射的图像光反射或透过；反射光学元件，配置于棱镜所具有的第1光学平面一侧，进行反射使得在反射透过面上反射并从第1光学平面射出的图像光射向反射透过面而且大致呈平行光；以及相位差光学元件，转换图像光的偏振状态，在棱镜的第1光学平面与反射光学元件的光路中，配置成在其与第1光学平面或反射光学元件之间夹有空气层。在该图像显示装置中，棱镜使从入射光学面入射到该棱镜内的图像光在第1光学平面处发生内部全反射，同时导光至反射透过面。

应用了本发明的另一其他图像显示装置具备：图像显示元件，对图像进行显示；中继光学系统，对在图像显示元件上显示的图像的图像光进行中转；棱镜，至少具有：第1光学曲面；第2光学曲面，大致平行于第1光学曲面并配置于光学瞳孔一侧；入射光学面，使被中继光学系统中转的图像光入射；以及反射透过面，相对于第1光学曲面以及第2光学曲面具有规定的倾角，使从入射光学面入射的图像光反射或透过；反射光学元件，配置于棱镜所具有的第1光学曲面一侧，进行反射使得在反射透过面上反射并从第1光学曲面射出的图像光射向反射透过面而且大致呈平行光；以及相位差光学元件，转换图像光的偏振状态，在棱镜的第1光学曲面与反射光学元件的光路中，配置成在其与第1光学曲面或反射光学元件之间夹有空气层。构成该图像显示装置的棱镜使从入射光学面入射到该棱镜内的图像光在第1光学曲面以及第2光学曲面处发生内部全反射，同时导光至反射透过面，在图像光的导光过程中形成图像的中间像。

应用了本发明的另一其他图像显示装置具备：图像显示元件，对图像进行显示；中继光学系统，对在图像显示元件上显示的图像的图像光进行中转；棱镜，至少具有：第1光学曲面；第2光学曲面，大致平行于第1光学曲面并配置于光学瞳孔一侧；入射光学面，使被中继光学系统中转的图像光入射；以及反射透过面，相对于第1光学曲面以及第2光学曲面具有规定的倾角，使从入射光学面入射的图像光反射或透过；反射光学元件，配置于棱镜所具有的第1光学曲面一侧，进行反射使得在反射透过面上反射并从第1光学曲面射出的图像光射向反射透过面而且大致呈平行光；以及相位差光学元件，转换图像光的偏振状态，在棱镜的第1光学曲面与反射光学元件的光路中，配置成在其与第1光学曲面或反射光学元件之间夹有空气层。在该图像显示装置中，棱镜使从入射光学面入射到该棱镜内的图像光在第1光学曲面处发生内部全反射，同时导光至反射透过面。

应用了本发明的图像显示装置通过将棱镜的入射光学面的光轴与第1光学平面或第2光学平面的法线所成的角规定为大于等于30度小于90度，从而能够使虚像光学系统的光学配置不排列在一条直线上而是沿着观察者的脸部形状进行配置。这样，可以在减轻观察者在佩戴该图像显示装置时的不舒适感的同时提高该图像显示装置的设计性。

此外，通过使图像光在棱镜内通过内部全反射进行导光，从而也可以比使用反射镜等进行导光的虚像光学系统更提高光的利用率。

进而，在使应用了本发明的图像显示装置的虚像光学系统成为共轴光学系统的情况下，当入射光学面的光轴和第1光学平面或第2光学平面的法线所成的角为A、棱镜所具有的反射透过面和第1光学平面所成的角为C时，在用A＝2C规定的角度范围内，对于观察者的视野方向能够实现棱镜的薄型化。

此外，本发明的图像显示装置通过具备具有第1光学曲面和第2光学曲面的棱镜，从而能够使虚像光学系统的光学配置不排列在一条直线上而是沿着观察者的脸部形状进行配置。这样，可以在减轻观察者在佩戴该图像显示装置时的不舒适感的同时提高该图像显示装置的设计性。

本发明的进一步其他的目的和通过本发明得到的具体优点从以下参照附图说明的实施方式中就能进一步清楚了。

附图说明

图1是表示本发明以往的图像显示装置所具备的第1虚像光学系统的侧视图。

图2是表示本发明以往的图像显示装置所具备的第2虚像光学系统的侧视图。

图3是表示本发明以往的图像显示装置所具备的第3虚像光学系统的侧视图。

图4是表示与本发明相关的图像显示装置的第1实施方式的平面图。

图5是表示图像显示装置的使用方式的平面图。

图6是表示图像光入射到图像显示装置所具备的棱镜上时的角度的光路图。

图7是表示使图像光入射到图像显示装置所具备的棱镜上时的角度根据棱镜的形状进一步被规定的情况的光路图。

图8是表示与本发明相关的图像显示装置的第2实施方式的平面图。

图9是表示与本发明相关的图像显示装置的第3实施方式的平面图。

图10是表示与本发明相关的图像显示装置的第4实施方式的平面图。

具体实施方式

下面参照附图就与本发明相关的图像显示装置的发明的几个实施方式进行详细说明。

{第1实施方式}

参照图4说明与本发明相关的图像显示装置的第1实施方式。图4所示的图像显示装置10具备显示图像的图像显示元件11、以及使在图像显示元件11显示的图像的图像光入射并导入光学瞳孔19中的虚像光学系统。

图像显示元件11是例如有机EL(Electro Luminescence：电致发光)显示器、无机EL显示器或液晶显示器(LCD：Liquid CrystalDisplay)等。

另外，在本实施方式中，图像显示元件11使用的是如液晶显示器那样射出直线偏振光的图像光的显示器，但是当图像显示元件11使用射出非偏振光的图像光的显示器时，在图像显示元件11的后级就需要有从非偏振光提取直线偏振光的偏振片。

在本实施方式中，为了便于说明，将从图像显示元件11射出的图像光作为S型的直线偏振光。

虚像光学系统具备中继镜12、13、14、在内部具有偏振光束分光面16的棱镜15、4分之1波片17和凹面镜18。构成虚像光学系统的上述光学元件如图4所示在图像显示元件11和光学瞳孔19之间的光路上配有：中继镜12、13、14、棱镜15、棱镜15内的偏振光束分光面16、4分之1波片17和凹面镜18。图像显示装置10的虚像光学系统中的中继镜12、13、14、棱镜15偏振光束分光面16、4分之1波片17、凹面镜18的光学面的光轴全部一致，是光轴对称结构的共轴光学系统。

如图5所示，当自身的瞳孔101与光学瞳孔19的位置相一致时，观察者100可以通过该虚像光学系统放大观察在图像显示元件11上显示的图像光。如图5所示，图像显示装置10具备的图像显示元件11、中继镜12、13、14成为沿着观察者100的头部形状那样的形状。

中继镜12、13、14将从图像显示元件11射出的作为S型的直线偏振光的图像光中转到后级的棱镜15中。此外，在作为第1实施方式所示的图像显示装置10中，中继镜12、13、14在后级的棱镜15内形成图像光的中间像。

图像显示元件11和中继镜12、13、14与下述的棱镜15的入射光学面15a相平行设置，即，各自的光轴相一致。棱镜15使在图像显示元件11射出的、通过中继镜12、13、14入射的作为S型的直线偏振光的图像光从入射光学面15a入射，在相互大致平行配置的第1光学平面15b进行2次、在第2光学平面15c进行1次内部全反射。另外，本发明并不限定入射到棱镜15内的图像光通过第1光学平面、第2光学平面的内部全反射的次数。

将入射光学面15a设置于棱镜15内，使其光轴和第1光学平面15b的法线或第2光学平面15c的法线所成的角A在大于等于30度小于90度的范围内。以后会就此角A的角度范围进行详细说明。

从入射光学面15a入射的图像光在第1光学平面15b的区域15b1上，进行第1次全反射，在第2光学平面15c的区域15c1上进行第2次的全反射，再在第1光学平面15b的区域15b2上进行第3次全反射。在区域15b2上全反射的图像光在棱镜15内入射到作为反射透过面而形成的偏振光束分光面16上。入射到棱镜15内的图像光在第2光学平面15c的区域15c1上的全反射后，在该棱镜15内形成中间像。当在该棱镜15内形成中间像时，即使焦距很短也可以使放大观察的虚像的尺寸变大。也就是说，在形成中间像的虚像光学系统中，可以节省焦距。

偏振光束分光面16是根据入射的图像光的偏振光的不同而进行反射或透过的反射透过面。偏振光束分光面16可以使S型的直线偏振光反射，使在与S型的直线偏振光的振动面垂直的振动面上振动的P型的直线偏振光透过。因此，在第1光学平面15b的区域15b2上进行第2次全反射的图像光入射到此偏振光束分光面16上，并被反射。由于被偏振光束分光面16反射后的图像光对第1光学平面15b的区域15b2在临界角以内即不满足全反射条件的角度时入射，所以被射出到棱镜15之外。射出到棱镜15之外的图像光入射到4分之1波片17上。

虽然使在棱镜15内形成的反射透过面成为根据直线偏振光的振动方向的不同而进行反射或透过的偏振光束分光面16，但是本实施方式并不限于此，反射透过面也可以使用例如根据图像光的入射角度而改变反射透过特性的电介质多层膜、全息层等。

4分之1波片17是改变入射的图像光的偏振状态的相位差光学元件，将入射的直线偏振光转换成圆偏振光，将入射的圆偏振光转换成直线偏振光。具体来说，将从棱镜15射出的作为S型的直线偏振光的图像光变换成左旋的圆偏振光。此外，1/4波片17将在后级的凹面镜18上反射成为右旋的圆偏振光的图像光变换成P型的直线偏振光。

1/4波片17被安装于在棱镜15的第1光学平面15b的区域15b2的附近配置的凹面镜18上。配置有1/4波片17的凹面镜18配置成在其与第1光学平面15b之间设有规定间隔的空气层Air。为了使入射到棱镜15内的图像光进行第2次的全反射，在区域15b2处设置了此空气层Air。

尽管图示中没有显示，1/4波片17可以直接粘贴在第1光学平面15b的区域15b2上。这种情况下，变为在1/4波片17和凹面镜18之间设置空气层Air。

凹面镜18对于从1/4波片17射出的作为左旋的圆偏振光的图像光，给与虚像成像用的正的光学能量，作为大致平行光进行反射，再次使其入射到1/4波片17。

入射到1/4波片17的作为左旋的圆偏振光的图像光被转换成P型的直线偏振光，并入射到棱镜15内。于是，此图像光透过偏振光束分光面16，再次射出到棱镜15，到达光学瞳孔19。

这里，就入射光学面15a的光轴和第1光学平面15b或第2光学平面15c的法线所成的角A的角度范围进行说明。如上所述，此角A在大于等于30度小于90度的范围内，在图像显示装置10中，配置成图像显示元件11、中继镜12、13、14的光轴与入射光学面15a的光轴相一致。

首先，就角A的上限90度进行说明。当角A为90度时，棱镜15的入射光学面15a的光轴为与第1光学平面15b或第2光学平面15c的法线相对垂直的状态。即，以角A为90度的方式决定棱镜15的入射光学面15a在棱镜15上的位置，当图像显示元件11、中继镜12、13、14与之相对应配置时，成为了完全无视于观察者的脸部形状的光学配置，也使头部佩戴该图像显示装置10的不舒适感达到了最大。因此，角A为小于90度。

接下来，就角A的下限值30度进行说明。角A的下限值是由从图像显示元件11射出的图像光的中心视角的主光线在棱镜15内进行全反射的条件所决定的。现在，以具有最大的折射率的光学材料做成棱镜15时，角A的值最小。

具体来说，如图6所示，从图像显示元件11射出的图像光的中心视角的主光线L，在棱镜15内从光入射面15a入射，根据在第1光学平面15b上发生内部全反射的条件，可以求得角A(临界角)。

也就是说，如果棱镜15的折射率n＝2、空气的折射率n′＝1，应用折射的法则使得角A成为临界角时，由于2·sinA＝1·sin90＝1，所以sinA＝1/2，故A＝30度。

这样，角A的角度范围可以定为大于等于30度小于90度。

如上所述，图像显示装置10的虚像光学系统是中继镜12、13、14、棱镜15、偏振光束分光面16、1/4波片17和凹面镜18的光学面的光轴全部一致的、光轴对称结构的共轴光学系统。

在作为这样的共轴光学系统的图像显示装置10的虚像光学系统中，可以将上述角A用如图6所示的、在棱镜15内配置的偏振光束分光面16和第1光学平面15b所成的角即角C做进一步的规定。因为角C是偏振光束分光面16和第1光学平面15b所成的角，所以角C的值越小，越能够使棱镜15的第1光学平面15b和第2光学平面15c之间的间隔变窄，也就能够实现棱镜15的薄型化。但是，角C不是能够无限变小的，佩戴在观察者的头部上，在想要保持充分的视角和合适的眼睛间隙时，角C需要保持某一程度的角度。

以下，就角A和角C的关系进行说明。首先，角C与入射光学面15a和第1光学平面15b所成的角即角B之间，具有第1式所示的关系。

B-2C＝0...(1)

此第1式是为了将从入射光学面15a入射到棱镜15内的、在内部全反射的同时到达偏振光束分光面16的图像光能反射成与光学平面15b垂直、并射出到棱镜15外而必要的关系式。

此外，由于角B和角A在几何图形上是B＝A的关系，所以第2式中表示的关系成立。

A-2C＝0...(2)

由此，可以使用角C如第3式所示来规定角A。

A＝2C...(3)

例如将图像显示装置10设计成：视角为15度左右、瞳孔直径为4mm左右、眼睛间隙为20mm左右时，角度C至少需要20度左右。因此，从第3式可得角A需要为大于等于40度的角度。这样，以大于等于30度小于90度的范围所规定的角度A根据角度C即棱镜15的形状进一步做了规定。

接下来，在图像显示装置10具有的虚像光学系统中，就到达观察者的图像光的光路进行说明。首先图像显示元件11显示并射出的图像光通过中继镜12、13、14从入射光学面15a入射到棱镜15中。

入射到棱镜15内的图像光在第1光学平面15b上进行第1次的内部全反射，接下来，在第2光学平面15c上进行第2次的内部全反射，再在第1光学平面15b上进行第3次的内部全反射，然后入射到偏振光束分光面16上。

偏振光束分光面16将作为S型的直线偏振光的图像光反射到第1光学平面15b的方向上。不符合全反射条件的图像光被射出到棱镜15外，入射到1/4波片17上，S型的直线偏振光被转换成左旋的圆偏振光。转换成左旋的圆偏振光的图像光被凹面镜18反射，成为右旋的圆偏振光，再次入射到1/4波片17。作为右旋的圆偏振光的图像光在1/4波片17处被变换成P型的直线偏振光，入射到棱镜15，透过偏振光束分光面16到达配置有观察者的瞳孔的光学瞳孔19。

这样构成的图像显示装置10中，通过将棱镜15的入射光学面15a的光轴与第1光学平面15b或第2光学平面15c的法线所成的角A规定为大于等于30度小于90度，从而能够使虚像光学系统的光学配置不排列在一条直线上而是沿着观察者的脸部形状进行配置。

此外，通过在棱镜15内利用内部全反射对图像光进行导光，从而比使用反射镜等进行导光的虚像光学系统更能够提高光的利用率。

{第2实施方式}

接下来，参照图8说明与本发明相关的图像显示装置的第2实施方式。图像显示装置20具有将使用图6说明的图像显示装置10的棱镜15取代为棱镜21的构成。另外，由于图像显示装置20除了将图像显示装置10的棱镜15取代为棱镜21之外，所有的构成都相同，所以在同一地方使用同一符号，并省略详细说明。

棱镜21比棱镜15在长度方向变短，从图像显示元件11射出、经过中继镜12、13、14并通过入射光学面21a入射的图像光并不在该棱镜21内形成中间像，也不在第2光学平面21c上进行内部全反射，而是通过第1光学平面21b仅进行1次内部全反射，并入射到偏振光束分光面16上。

在上述的实施方式的图像显示装置10中规定的大于等于30度小于90度的角A的角度范围也可以保持原样应用到图像显示装置20上。此外，由于图像显示装置20的虚像光学系统也是共轴光学系统，所以在第3式所示的角A和角C的关系也同样可以适用于图像显示装置20的偏振光束分光面16和第1光学平面21b所成的角C上。

接着，在图像显示装置20具有的虚像光学系统中，就到达观察者的图像光的光路进行说明。在图像显示元件11上显示并射出的图像光首先通过中继镜12、13、14从入射光学面21a入射到棱镜21。

入射到棱镜21内的图像光在第1光学平面21b上仅进行一次内部全反射后入射到偏振光束分光面16上。

偏振光束分光面16将作为S型的直线偏振光的图像光反射到第1光学平面21b的方向上。不符合全反射条件的图像光射出到棱镜21外，入射到1/4波片17上，S型的直线偏振光被变换成左旋的圆偏振光。变换成左旋的圆偏振光的图像光被凹面镜18反射，成为右旋的圆偏振光，再次入射到1/4波片17上。右旋的圆偏振光的图像光在1/4波片17上被变换成P型的直线偏振光，入射到棱镜15，透过偏振光束分光面16到达配置有观察者的瞳孔的光学瞳孔22。

这种结构的图像显示装置20通过将棱镜21的入射光学面21a的光轴与第1光学平面21b或第2光学平面21c的法线所成的角A规定为大于等于30度小于90度，从而能够使虚像光学系统的光学配置不排列在一条直线上而是沿着观察者的脸部形状进行配置。

此外，通过使图像光在棱镜21内通过内部全反射进行导光，从而比使用反射镜等进行导光的虚像光学系统更能提高光的利用率。

进而，图像显示装置20中，通过在棱镜21内进行1次全反射、对图像光进行导光使得不形成中间像，从而与图像显示装置10相比，可以变得小型、轻量化。

{第3实施方式}

接下来，参照图9说明与本发明相关的图像显示装置的第3实施方式。图像显示装置30具有将使用上述图6说明的图像显示装置10的棱镜15取代为棱镜31的构成。另外，由于图像显示装置30除了将图像显示装置10的棱镜15取代为棱镜31之外，所有的构成都相同，所以在同一地方使用同一符号，并省略详细说明。

棱镜31不是如棱镜15上的第1光学平面15b和第2光学平面15c那样的平行的平面，而是利用作为平行的曲面的第1光学曲面31b和第2光学曲面31c、使通过入射光学面31a入射的图像光一边进行内部全反射一边进行导光的棱镜。在棱镜31中，与棱镜15相同，中间像形成于该棱镜31内。

具有这样的棱镜31的图像显示装置30的虚像光学系统并不是如图像显示装置10一样的全部光轴相一致的共轴光学系统，而是具有偏光轴的偏心光学系统。由于在虚像光学系统上，使用了具有第1光学曲面31b、第2光学曲面31c的棱镜31，因此图像显示装置30实现了沿着观察者的脸部形状的光学配置。

接下来，在图像显示装置30具有的虚像光学系统中，就到达观察者的图像光的光路进行说明。首先图像显示元件11显示并射出的图像光通过中继镜12、13、14从入射光学面31a入射到棱镜31。

入射到棱镜31内的图像光在第1光学平面31b上进行第1次的内部全反射，接下来，在第2光学平面31c上进行第2次的内部全反射，再在第1光学平面31b上进行第3次的内部全反射，然后入射到偏振光束分光面16上。

偏振光束分光面16将作为S型的直线偏振光的图像光反射到第1光学曲面31b的方向上。不符合全反射条件的图像光被射出到棱镜31外，入射到1/4波片17，S型的直线偏振光被变换成左旋的圆偏振光。变换成左旋的圆偏振光的图像光被凹面镜18反射，成为右旋的圆偏振光，再次入射到1/4波片17。作为右旋的圆偏振光的图像光在1/4波片17被变换成P型的直线偏振光，入射到棱镜31，透过偏振光束分光面16到达配置有观察者的瞳孔的光学瞳孔32。

这样构成的图像显示装置30中，通过具备具有第1光学曲面31b、第2光学曲面32b的棱镜31，从而能够使虚像光学系统的光学配置不排列在一条直线上而是沿着观察者的脸部形状进行配置。

此外，通过使图像光在棱镜31内通过内部全反射进行导光，从而比使用反射镜等进行导光的虚像光学系统更能够提高光的利用率。

[第4实施方式]

接下来，参照图10说明与本发明相关的图像显示装置的第4实施方式。图像显示装置40具有将参照上述图9说明的图像显示装置30的棱镜31取代为棱镜41的构成。另外，由于图10所示的图像显示装置40除了将图像显示装置30的棱镜31取代为棱镜41之外，所有的构成都相同，所以在同一地方使用同一符号，并省略详细说明。

棱镜41比棱镜31在长度方向变短，从图像显示元件11射出、经过中继镜12、13、14并通过入射光学面41a入射的图像光并不在该棱镜41内形成中间像，也不在第2光学平面41c上进行内部全反射，而是通过第1光学平面41b仅进行1次内部全反射，并入射到偏振光束分光面16上。

具有这样的棱镜41的图像显示装置40的虚像光学系统与图像显示装置30一样是具有偏光轴的偏心光学系统。由于在虚像光学系统上，使用了具有第1光学曲面41b、第2光学曲面41c的棱镜41，因此图像显示装置40实现了沿着观察者的脸部形状的光学配置。

接下来，在图像显示装置40具有的虚像光学系统中，就到达观察者的图像光的光路进行说明。在图像显示元件11上显示并射出的图像光首先通过中继镜12、13、14从入射光学面41a入射到棱镜41。

入射到棱镜41内的图像光在第1光学平面41b上仅进行1次内部全反射，就入射到偏振光束分光面16上。

偏振光束分光面16将作为S型的直线偏振光的图像光反射到第1光学平面41b的方向上。不符合全反射条件的图像光被射出到棱镜41外，入射到1/4波片17上，S型的直线偏振光被变换成左旋的圆偏振光。变换成左旋的圆偏振光的图像光被凹面镜18反射，成为右旋的圆偏振光，再次入射到1/4波片17。作为右旋的圆偏振光的图像光在1/4波片17上被变换成P型的直线偏振光，入射到棱镜41，透过偏振光束分光面16到达配置有观察者的瞳孔的光学瞳孔42。

这种结构的图像显示装置40通过具备具有第1光学曲面41b、第2光学曲面42b的棱镜41，从而能够使虚像光学系统的光学配置不排列在一条直线上而是沿着观察者的脸部形状进行配置。

此外，通过使图像光在棱镜41内通过内部全反射进行导光，从而比使用反射镜等进行导光的虚像光学系统更能够提高光的利用率。

另外，虽然记载了第1至第4实施方式表示的图像显示装置10、20、30、40各自具备的棱镜15、21、31、41的入射光学面15a、21a、31a、41a是平面，但是通过将其非球面化，也可以成为提高象差特性的结构。

另外，本发明并不限于参照附图说明的上述实施例，对于本领域技术人员来说，可以清楚的认识到在不脱离一同附上的权利要求的范围以及其主旨的前提下可以进行各种各样的变更、置换或与其同等的行为。

Claims (10)

1. 一种图像显示装置，其特征在于，具有：

图像显示元件，对图像进行显示；

中继光学系统，对在上述图像显示元件上显示的上述图像的图像光进行中转；

棱镜，至少具有：第1光学平面；第2光学平面，平行于上述第1光学平面并配置于光学瞳孔一侧；入射光学面，具有与上述第1光学平面或上述第2光学平面的法线所成的角大于等于30度小于90度的光轴，使被上述中继光学系统中转的上述图像光入射；以及反射透过面，相对于上述第1光学平面以及上述第2光学平面具有规定的倾角，使从上述入射光学面入射的上述图像光反射或透过；

反射光学元件，配置于上述棱镜所具有的上述第1光学平面一侧，进行反射使得在上述反射透过面上反射并从上述第1光学平面射出的上述图像光射向上述反射透过面而且呈平行光；以及

相位差光学元件，转换上述图像光的偏振状态，在上述棱镜的上述第1光学平面与上述反射光学元件的光路中，配置成在其与上述第1光学平面或上述反射光学元件之间夹有空气层，

上述棱镜使从上述入射光学面入射到该棱镜内的上述图像光在上述第1光学平面以及上述第2光学平面处发生内部全反射，同时导光至上述反射透过面，在上述图像光的导光过程中形成上述图像的中间像。

2. 如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于：

包含上述棱镜、上述棱镜所具有的上述反射透过面、上述反射型光学元件、上述相位差光学元件的该图像显示装置的虚像光学系统是所有光学面的光轴一致的共轴光学系统。

3. 如权利要求2所述的图像显示装置，其特征在于：

当上述入射光学面的上述光轴和上述第1光学平面或上述第2光学平面的上述法线所成的角为A、上述棱镜所具有的上述反射透过面和上述第1光学平面所成的角为C时，上述角A及上述角C满足下面所示的第1式A＝2C......(1)。

4. 如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于：

上述反射光学元件是配置于上述第1光学平面一侧使得凹面形状的反射面面向上述光学瞳孔一侧的凹面镜。

5. 如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于：

上述反射光学元件是配置于上述第1光学平面一侧使得全息面面向上述光学瞳孔一侧的反射型全息光学元件。

6. 一种图像显示装置，其特征在于，具有：

图像显示元件，对图像进行显示；

中继光学系统，对在上述图像显示元件上显示的上述图像的图像光进行中转；

棱镜，至少具有：第1光学平面；第2光学平面，平行于上述第1光学平面并配置于光学瞳孔一侧；入射光学面，具有与上述第1光学平面或上述第2光学平面的法线所成的角大于等于30度小于90度的光轴，使被上述中继光学系统中转的上述图像光入射；以及反射透过面，相对于上述第1光学平面以及上述第2光学平面具有规定的倾角，使从上述入射光学面入射的上述图像光反射或透过；

反射光学元件，配置于上述棱镜所具有的上述第1光学平面一侧，进行反射使得在上述反射透过面上反射并从上述第1光学平面射出的上述图像光射向上述反射透过面而且呈平行光；以及

相位差光学元件，转换上述图像光的偏振状态，在上述棱镜的上述第1光学平面与上述反射光学元件的光路中，配置成在其与上述第1光学平面或上述反射光学元件之间夹有空气层，

上述棱镜使从上述入射光学面入射到该棱镜内的上述图像光在上述第1光学平面处发生内部全反射，同时导光至上述反射透过面。

7. 如权利要求6所述的图像显示装置，其特征在于：

包含上述棱镜、上述棱镜所具有的上述反射透过面、上述反射型光学元件、上述相位差光学元件的该图像显示装置的虚像光学系统是所有光学面的光轴一致的共轴光学系统。

8. 如权利要求7所述的图像显示装置，其特征在于：

当上述入射光学面的上述光轴和上述第1光学平面或上述第2光学平面的上述法线所成的角为A、上述棱镜所具有的上述反射透过面和上述第1光学平面所成的角为C时，上述角A及上述角C满足下面所示的第1式A＝2C......(1)。

9. 如权利要求6所述的图像显示装置，其特征在于：

上述反射光学元件是配置于上述第1光学平面一侧使得凹面形状的反射面面向上述光学瞳孔一侧的凹面镜。

10. 如权利要求6所述的图像显示装置，其特征在于：

上述反射光学元件是配置于上述第1光学平面一侧使得全息面面向上述光学瞳孔一侧的反射型全息光学元件。

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