CN102692706B - 图像中继光学系统以及具备其的虚像显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供可简易地显示像差较小的大且明亮的虚像的图像中继光学系统以及组装有该系统的虚像显示装置。在图像中继光学系统(20)中，在使图像光向导光部件(22)入射前设有光耦合部件(21)，在光耦合部件(21)设置的第一光入射面(21a)和耦合部件反射面(21b)及第一光出射面(21c)中的、耦合部件反射面(21b)和第一光出射面(21c)是曲面，因此可进行减小像差的大且明亮的虚像的显示。

Description

图像中继光学系统以及具备其的虚像显示装置
技术领域
本发明涉及在头部佩戴使用的头戴式显示器等中使用的图像中继光学系统以及具备其的虚像显示装置。
背景技术
近年来，作为像头戴式显示器那样可进行虚像的形成和观察的虚像显示装置，提出了各种通过导光板将来自显示元件的图像光导向观察者的瞳孔的类型的装置。作为此类虚像显示装置用的导光板，存在具备可传播导光角度不同的多个光模式的导光管的导光板(参照专利文献1)。
在上述专利文献1的光学系统中，以多个光模式所形成的像互相位置偏离为前提，而用在每个光模式设定为不同的入射角度的校准光来照明液晶面板。而且，通过在各光模式改变显示内容并依次实行各光模式的显示，而将各光模式的图像整合以得到整体图像。该情况下，必须用一个液晶面板来在以时间差改变构成整体图像的中央图像和左右图像的同时进行显示，虚像显示装置变复杂且观察图像也变暗。
与以上装置不同地，还存在一种虚像显示装置，可通过与光入射面附带地设置凹的反射面并与光出射面附带地设置凹的反射面的导光部件来进行虚像的观察，且不需要以时间差来整合图像(参照专利文献2)，由两个倾斜的反射面来构成无焦系统，不能改善失真等像差。因此，校准用的投射光学系统变复杂或需要图像处理。
现有技术文献
专利文献1：日本特表2008-535001号公报；
专利文献2：美国专利第7477453号公报。
发明内容
发明所要解决的问题
本发明鉴于上述背景技术而研制，其目的是提供可简易地显示像差较小的大且明亮的虚像的图像中继光学系统以及组装有该系统的虚像显示装置。
用于解决问题的手段
为解决上述问题，本发明涉及的图像中继光学系统，其具备：(a)光耦合部件，其由透光性的材料形成，且使图像光入射；和(b)导光部件，其由透光性的材料形成，其导引来自光耦合部件的图像光而向外部出射，其中，(c)光耦合部件以图像光的入射顺序至少具有第一光入射面、耦合部件反射面和第一光出射面，(d)第一光入射面、耦合部件反射面和第一光出射面中的至少一个是曲面，(e)导光部件以图像光的入射顺序至少具有第二光入射面、相对地平行延伸的第一及第二全反射面、导光部件反射面和第二光出射面，(f)导光部件反射面是曲面，(g)第二光出射面是平坦面。
在上述图像中继光学系统中，在使图像光向导光部件入射前设有光耦合部件，在光耦合部件设置的第一光入射面和耦合部件反射面及第一光出射面中的至少一个是曲面，但是，由于是曲面，因此可进行减小像差的大且明亮的虚像的显示。
在本发明的具体的方面，在上述图像中继光学系统中，耦合部件反射面是将图像光全部反射的全反射的反射镜，导光部件反射面是将导光部件内的图像光平行光束化的凹的收敛面。这里，全反射包括通过例如设置反射膜等来将光大体100％反射。该情况下，耦合部件反射面处的光的损失减小。此外，可通过导光部件反射面处的平行光束化来形成大体无限远的虚像。
在本发明的具体的方面，在上述图像中继光学系统中，在光耦合部件中，第一光入射面是作为全反射面发挥功能的面，耦合部件反射面是凹的收敛面，第一光出射面是凸的收敛面，在导光部件中，第二光入射面是凸的收敛面。该情况下，通过在光耦合部件和导光部件设置的各收敛面，可进行失真等的补偿，可形成减小像差的明亮的虚像。此外，由第一光入射面处的全反射来减小光的损失。
在本发明的其他方面，在光耦合部件中，第一光入射面是凸的收敛面，耦合部件反射面是凹的收敛面，第一光出射面是凸的收敛面，在导光部件中，第二光入射面是凸的收敛面。该情况下，通过在光耦合部件和导光部件设置的各收敛面，可进行失真等的补偿，可形成减小像差的明亮的虚像。此外，由第一光入射面处的全反射来减小光的损失。
在本发明的其他方面，在光耦合部件中，第一光入射面是凸的收敛面，耦合部件反射面是凹的收敛面，第一光出射面是凸的收敛面，在导光部件中，第二光入射面是作为第一全反射面发挥功能的面，具有与第二光入射面相对的凹的收敛面且具有将来自该第二光入射面的图像光向第一全反射面反射的全反射的相对反射面，具有在光耦合部件的第一光出射面和导光部件的第二光入射面之间配置的收敛性的透镜。该情况下，通过在光耦合部件和导光部件设置的各收敛面，可进行失真等的补偿。此外，可通过在第一光出射面和第二光入射面之间配置的收敛性的透镜来进行图像光的光束的调整。这样，可形成减小像差的明亮的虚像。
在本发明的其他方面，在光耦合部件中，第一光入射面是作为全反射面发挥功能的面，耦合部件反射面是全反射的凹的收敛面，第一光出射面是凸的收敛面，在导光部件中，第二光入射面是凸的收敛面，具有与光耦合部件的第一光入射面相对地配置的收敛性的透镜。该情况下，通过在光耦合部件和导光部件设置的各收敛面，可进行失真等的补偿。此外，在光耦合部件和耦合部件反射面中，减小光的损失。再有，通过与光耦合部件的第一光入射面相对地配置的收敛性的透镜而可进行图像光的光束的调整。这样，可形成减小像差的明亮的虚像。
在本发明的其他方面，导光部件的导光部件反射面是半透射的反射镜，具有透光部件，其具有与半透射的反射镜接合的曲面且能进行经第二光出射面和导光部件反射面的外界像的透视。该情况下，通过在半透射型反射镜的背后接合的透光部件，可进行良好的透明观察。
在本发明的其他方面，光耦合部件的折射率和分散(dispersion)中的至少一个与导光部件的折射率和分散不同。该情况下，通过调整光耦合部件和导光部件之间的折射率和分散，也可补偿包括图像光的色差等的各种像差。
此外，本发明涉及的虚像显示装置具备：上述图像中继光学系统；和图像形成装置，其形成导向图像中继光学系统的图像光。该情况下，通过使用上述图像中继光学系统，虚像显示装置可简单地表示像差较小的大且明亮的虚像。
附图说明
图1是表示第一实施方式涉及的图像中继光学系统以及组装有该系统的虚像显示装置中的单眼侧的俯视图。
图2是表示虚像显示装置的整体的俯视图。
图3是表示透光部件的立体图。
图4是表示第二实施方式涉及的虚像显示装置的俯视图。
图5是表示第三实施方式涉及的虚像显示装置的俯视图。
图6是表示第四实施方式涉及的虚像显示装置的俯视图。
图7是表示变形例的图像中继光学系统的俯视图。
附图标记说明：
1图像形成装置    12(收敛性的)透镜    20图像中继光学系统21光耦合部件    21a第一光入射面    21b耦合部件反射面    21c第一光出射面    22导光部件    22a第二光入射面    22b、22c全反射面    22d导光部件反射面    22e第二光出射面    22f相对(对向、对置)反射面    23透光部件(架设部件)    24半反射层    25(收敛性的)透镜    31照明装置    32液晶显示器件    32a出射面100虚像显示装置    EY眼    GL’外界光    GL1、GL2、GL3、GG图像光    WP楔形部件
具体实施方式
第一实施方式
下面在参照附图的同时说明本发明的第一实施方式涉及的虚像显示装置用的图像中继光学系统以及组装有该系统的虚像显示装置。
A.图像中继光学系统以及虚像显示装置的结构
图1所示的本实施方式涉及的虚像显示装置100适用于头戴式显示器，具备图像形成装置10和图像中继光学系统20并使两者为一组。
虚像显示装置100使观察者识别虚像所形成的图像光，并且通过透明来使观察者观察到外界像。虽然图1仅表示左眼用，但是，作为整体，如图2所示，与观察者的右眼和左眼对应地各设置一组图像形成装置10和图像中继光学系统20。右眼用和左眼用是左右对称，因此，这里，仅对图1所示的左眼用进行说明，省略对右眼用详细说明。
如图1所示，图像形成装置10具有：出射二维照明光的照明装置31；作为透射型空间光调制装置的液晶显示器件32；和在照明装置31和液晶显示器件32之间配置的出射角调整部件33。液晶显示器件32将来自照明装置31的照明光空间调制而形成应成为动图像等显示对象的图像光。出射角调整部件33根据画面内的位置来使照明光的出射角度分布变化，进行调整以使从液晶显示器件32的出射面32a出射的图像光高效地向观察者的眼EY入射。
图像中继光学系统20具备：光耦合部件21；导光部件22；和透光部件23。光耦合部件21是由透光性的材料形成，且在使来自图像形成装置10的图像光适当地收敛的同时进行传播并向导光部件22出射图像光的部件。导光部件22是由透光性的材料形成，且导引来自光耦合部件21的图像光而最终成为平行光束化的图像光来向外部出射的部件。透光部件23由与导光部件22相同折射率的透光性的材料形成，且与导光部件22的内侧接合，使观察者可进行外界像的透视。此外，如图2所示，透光部件23在与观察者的左右眼EY、EY对应地设置的一对导光部件22、22之间配置，并与这两者接合。这样，将一对导光部件22、22和透光部件23连接为一个而一体化。即，透光部件23是从一个导光部件22架设到另一导光部件22的架设部件。
如图1所示，光耦合部件21是沿Y方向延伸的柱状的导光体，具有第一光入射面21a、耦合部件反射面21a和第一光出射面21c。这些面21a、21b、21c在考虑图像光的路径的情况下以图像光的入射顺序排列。再有，在第一光入射面21a和耦合部件反射面21b之间，存在用于将两者连接的面即光学上不使用的连接面CF1，在耦合部件反射面21b和第一光出射面21c之间存在连接面CF2。此外，第一光入射面21a和第一光出射面21c相邻地直接连接。该光学利用的面中的、第一光入射面21a是与液晶显示器件32的出射面32a相对地延伸的平坦面，是将从图像形成装置10出射的图像光取入光耦合部件21内的面。再有，第一光入射面21a具有延长面ES，该延长面ES作为图像光从图像形成装置10进入的区域外的延长区域上的面。耦合部件反射面21b是凹的收敛面(具体地，为凹的球面或非球面)，通过具有用铝蒸镀等形成的反射膜ML而成为几乎将从第一光入射面21a取入的图像光都反射的全反射的反射镜。即，由反射膜ML将图像光几乎100％反射。第一光出射面21c是凸的收敛面(具体地，为凸的球面或非球面)，并将图像光向位于光路下游侧的导光部件22出射。
导光部件22是在YZ方向上延伸的板状的导光体，且具有第二光入射面22a、第一全反射面22b及第二全反射面22c、导光部件反射面22d和第二光出射面22e。这些面22a、22b、22c、22d、22e在考虑图像光的路径的情况下以图像光的入射顺序排列。再有，在第二光入射面22a和第二全反射面22c之间存在连接面CF3，其他面将相邻的面彼此直接连接。该光学利用的面中的第二光入射面22a是凸的收敛面(具体地，为凸的球面或非球面)，与光耦合部件21的第一光出射面21c相对配置，并使从光耦合部件21出射的图像光入射。第一全反射面22b及第二全反射面22c是相对向并以平行的状态在Z方向上延伸的面，将从第二光入射面22a入射的图像光通过全反射而在导光部件22内从入口侧导向内侧。导光部件反射面22d是凹的收敛面(具体地，为凹的球面或非球面)，使图像光平行光束化并弯折。此外，导光部件反射面22d成为附带有作为具有透光性的反射面(即半透射反射膜)的半反射层24的半透射型反射镜。第二光出射面22e是沿位于第二全反射面22c的延长上的平坦面即YZ面延伸的面，将经导光部件反射面22d的图像光向观察者的眼出射。即，图像光从第二光出射面22e向导光部件22的外部出射并到达观察者的眼EY。
这里，如上所述，光耦合部件21和导光部件22皆具有凹和/或凸的曲面(具体为，第一光出射面21c、第二光入射面22a等)，从而可改变图像光的收敛、发散状态。这里，将由曲率、曲率中心、非球面系数等确定的上述曲面的形状适当调整以向图像光施加适于其配置的反射、折射作用。这样，可减少以失真为代表的像差的发生。此外，在光耦合部件21和导光部件22中，使折射率和/或分散的特性中的至少一个互不相同，从而使向图像光施加的反射、折射作用不同。这样，也可应对色差的产生。
如图1～图3所示，透光部件23具有与导光部件22的主体相同的折射率，且具有第一面23a、第二面23b和第三面23c。第一和第二面23a、23b沿YZ面在第一和第二全反射面22b、22c的延长平面上延伸。此外，第三面23c成为沿导光部件22的导光部件反射面22d配置的曲面。即，透光部件23成为具有由第二面23b和第三面23c夹持的楔形部件WP的部件，第三面23c成为与导光部件22的半反射层24接合的接合面。透光部件23与导光部件22同样地在可视区域表现出该透光性，因此可进行经导光部件22的第二光出射面22e和导光部件反射面22d的外界像的透视。例如，观察者可通过半反射层24的反射率的调整来观察使减小为20％的图像光GL和减小为80％的外界光GL’重叠的光。
B.图像光的光路
下面，对图像光的光路进行说明。这里，画出从图1所示的图像形成装置10出射的各图像光的成分中的、从液晶显示器件32的中央部和两端侧出射的图像光GL1、GL2、GL3的光路来进行说明。对于其他图像光的成分的光路，由于是图像光GL1、GL2、GL3的中间的光且与图像光GL1、GL2、GL3的情况相同，因此省略说明。
首先，从液晶显示器件32的出射面32a上的中央部出射的图像光GL1在从出射面32a上的一点发散的状态下向光耦合部件21出射，并向作为平坦面的第一光入射面21a入射。通过第一光入射面21a并在光耦合部件21内传播的图像光GL1由耦合部件反射面21b反射。此时，耦合部件反射面21b是凹的收敛面，从而使图像光GL2成为大体平行光束化的状态，且使传播方向弯折而再次射向第一光入射面21a。这里，图像光GL1通过耦合部件反射面21b的反射作用而使对于第一光入射面21a的角度和/或入射位置从最初的入射时变化。该情况下，图像光GL1在包括延长面ES的第一光入射面21a中以不需要反射膜等地进行全反射那样的角度即临界角以上的角度入射。即，该情况下的第一光入射面21a作为将图像光GL1全反射的全反射面发挥功能。通过该全反射，图像光GL1几乎不损失光量地向第一光出射面21c传播，受到由第一光出射面21c收敛的作用，从第一光出射面21c向导光部件22出射。通过以上过程，从光耦合部件21出射的图像光GL1向导光部件22的第二光入射面22a入射。
其次，从第二光入射面22a取入导光部件22内的图像光GL1受到由第二光入射面22a收敛的作用。即，第一光出射面21c和第二光入射面22a皆是凸的收敛面，通过这些面的折射作用，图像光GL1从大体平行光束化的状态变为收敛的状态。经第二光入射面22a的图像光GL1首先由关于Z方向相对而平行地延伸的即与YZ平面平行的第一和第二全反射面22b、22c中的、位于+X侧的第一全反射面22b全反射，然后，由位于-X侧的第二全反射面22c全反射。这样，在由全反射面22b、22c全反射期间内，收敛状态的图像光GL1第一次成像且再次成为发散的状态而射向导光部件反射面22d。这里，导光部件反射面22d是凹的收敛面。因此，图像光GL1通过导光部件反射面22d的反射作用来使光路弯折并且从发散的状态下的光变为平行光束化的状态而射向第二光出射面22e。图像光GL1从第二出射面22e的中央侧相对于+Z方向垂直即在-X方向上朝向观察者的眼EY作为构成虚像的平行光束出射。
从液晶显示器件32的出射面32a中的+Z侧的端出射的图像光GL2和从液晶显示器件32的出射面32a中的-Z侧的端出射的图像光GL3也具有与上述图像光GL1的情况相同的光路。即，图像光GL2、GL3在分别从出射面32a上的一点发散的状态下向光耦合部件21出射，经光耦合部件21和导光部件22的各面而第一次在导光部件22内成像后，向观察者的眼EY作为虚像光出射。图像光GL2在通过第二光出射面22e时以相对于沿第二光出射面22e的+Z方向为锐角的角度出射。图像光GL3在通过第二光出射面22e时以相对于沿第二光出射面22e的+Z方向为钝角的角度出射。除了图像光GL1之外，该图像光GL2、GL3和其他图像光成分的任一个皆在具有凹凸的曲面形状的第一光入射面21a、第一光出射面21c、第二光入射面22a等中以不同的程度受到折射、反射作用。
这里，通常，在从倾斜方向出射图像光或使用反射光学系统的情况下，特别易于发生失真等像差。因此，在本实施方式那样的光学系统中，像差发生的可能性高。与之相对，在图像中继光学系统20中，各图像光成分皆在第一光出射面21c、第二光入射面22a等中以不同的程度受到折射、反射作用。因此，图像中继光学系统20可进行产生的失真的补偿。另外，此时，也可一并进行色差的补偿。
另外，任一图像光的光束皆在导光部件22内第一次成像后，成为发散的状态，而后射向导光部件反射面22d。因此，各图像光通过作为凹的收敛面的导光部件反射面22d而在从图像中继光学系统20出射时被平行光束化。即，导光部件反射面22d是在导光部件22中使形成为中间像的各图像光平行光束化的面。由导光部件反射面22d平行光束化的图像光在观察者的眼EY的位置中合成而作为虚像被识别。再有，如上所述，图像光在比导光部件反射面22d更靠光路上游侧已进行失真等的补偿的状态下向导光部件反射面22d入射，因此经过导光部件反射面22d的图像光成为已进行修正的良好状态。此外，在因导光部件反射面22d处的反射而产生像差的情况下，可在比导光部件反射面22d更靠光路上游侧的光学系统中预先对该像差相加来进行补偿。此外，如上所述，也可调整光耦合部件21和导光部件22的折射率及分散来一并补偿图像光的色差。
此外，该情况下，通过图像中继光学系统20具有曲面，在眼EY侧，可使从图像光GL2到图像光GL3出射的图像光的角度Φ较大。再有，由于可扩大已平行化的图像光的光束宽度，因此，其结果，可扩大作为有效瞳径的艾林直径PP。
再有，在第一光入射面21a和第一全反射面22b及第二全反射面22c的任一全反射中，图像光的成分中的图像光GL2成为最大的全反射角度，与之相对，图像光GL3成为最小的全反射角度。因此，条件最严格的图像光GL3以满足全反射条件的角度传播，从而可不需要反射膜等地使全部图像光全反射。
此外，如上所述，导光部件反射面22d是半透射型的半反射面，透光部件23由透光性的材料构成。因此，观察者可经透光部件23和导光部件反射面22d来识别图像光和外界光GL’。
如上所述，在本实施方式的图像中继光学系统20中，在使图像光向导光部件22入射前设置有光耦合部件21，且在光耦合部件21设置的第一光入射面21a、耦合部件反射面21b和第一光出射面21c中存在曲面，因此可显示减小像差的较大且明亮的虚像。另外，该情况下，通过成为光耦合部件21和导光部件22这两部分构成，而在两者间夹持空气层地设置折射率差，且可增大折射所形成的作用。
第二实施方式
下面，通过图4来说明将第一实施方式变形的第二实施方式。本实施方式涉及的图像中继光学系统以及虚像显示装置除了光耦合部件21和导光部件22之外具有与图1所示的实施例相同的结构，因此对于作为图像形成装置10等的功能部分的各要素省略说明。再有，对透光部件省略图示。
如图4所示，在本实施方式中，在图像中继光学系统20的光耦合部件21中，第一光入射面21a是凸的收敛面(具体地，为凸的球面或非球面)，耦合部件反射面21b是凹的收敛面(具体地，为凹的球面或非球面)，第一光出射面21c是凸的收敛面(具体地，为凸的球面或非球面)。此外，在导光部件22中，第二光入射面22a是凸的收敛面(具体地，为凸的球面或非球面)。通过这些部件，图像光可适当地受到反射、折射作用。
该情况下，从图像形成装置10出射的各图像光GL1、GL2、GL3从第一光入射面21a向光耦合部件21入射，在耦合部件反射面21b中通过全反射来反射从而大体平行光束化，且没有返回第一光入射面21a侧地直接射向第一光出射面21c，受到由第一光出射面21c收敛的作用，从第一光出射面21c出射。
其次，各图像光GL1、GL2、GL3向导光部件22的第二光入射面22a入射，受到收敛的作用，由关于Z方向相对而平行地延伸的第一及第二的全反射面22b、22c全反射，从在此间收敛的状态第一次成像并再次成为发散的状态而射向导光部件反射面22d。各图像光GL1、GL2、GL3通过作为凹的收敛面(具体地，为凹的球面或非球面)的导光部件反射面22d处的反射作用而使光路弯折并且从发散的状态变为平行光束化的状态而射向第二光出射面22e。
通过以上构成，图像光GL1在通过第二光出射面22e时从第二光出射面22e的中央侧相对于+Z方向垂直即在-X方向上向观察者的眼EY出射。图像光GL2在通过第二光出射面22e时以相对于沿第二光出射面22e的+Z方向为锐角的角度出射。图像光GL3在通过第二光出射面22e时以相对于沿第二光出射面22e的+Z方向为钝角的角度出射。
如上所述，在本实施方式的情况下，通过光耦合部件21和导光部件22的各曲面，可进行减小像差的大且明亮的虚像的显示。
第三实施方式
下面，通过图5来说明将第一实施方式变形的第三实施方式。本实施方式涉及的图像中继光学系统以及虚像显示装置除了光耦合部件21和导光部件22之外具有与图1所示的实施例相同的结构，因此对于作为图像形成装置10等的功能部分的各要素省略说明。再有，对透光部件省略图示。
如图5所示，在本实施方式中，在图像中继光学系统20的光耦合部件21中，第一光入射面21a是凸的收敛面(具体地，为凸的球面或非球面)，耦合部件反射面21b是凹的收敛面(具体地，为凹的球面或非球面)，第一光出射面21c是凸的收敛面(具体地，为凸的球面或非球面)。此外，在导光部件22中，第二光入射面22a是作为第一全反射面发挥功能的平面。即，在导光部件22中，第二光入射面22a和第一全反射面22b在同一平面上连续而成为一体的面。另外，导光部件22作为与第二光入射面22a相对的面而在第二光入射面22a和第二全反射面22c之间具有相对反射面22f。相对反射面22f是凹的收敛面(具体地，为凹的球面或非球面)，且是具有反射面ML并将来自第二光入射面22a的图像光向第一全反射面反射的全反射的反射面。再有，图像中继光学系统20在光耦合部件21的第一光出射面21c和导光部件22的第二光入射面22a之间配置有收敛性的透镜25(具体地，为凸的球面或非球面)。通过这些部件，图像光适当地受到反射、折射作用。
该情况下，从图像形成装置10出射的各图像光GL1、GL2、GL3从第一光入射面21a向光耦合部件21入射，在耦合部件反射面21b中通过全反射来反射，再射向第一光出射面21c，并从第一光出射面21c出射。
其次，各图像光GL1、GL2、GL3向透镜25入射并通过受到折射作用而大体平行光束化以向导光部件22入射。
其次，各图像光GL1、GL2、GL3向导光部件22的第二光入射面22a入射，通过在相对反射面22f处的反射，而受到收敛的作用，并向第二光入射面22a侧折回。此时，通过各图像光GL1、GL2、GL3相对于第二光入射面22a即第一全反射面22b的角度变化，而使各图像光GL1、GL2、GL3由第一全反射面22b全反射。各图像光GL1、GL2、GL3由关于Z方向相对而平行地延伸的第一及第二全反射面22b、22c重复进行全反射，从在其间收敛的状态第一次成像并再次成为发散的状态而射向导光部件反射面22d。各图像光GL1、GL2、GL3通过作为凹的收敛面(具体地，为凹的球面或非球面)的导光部件反射面22d处的反射作用而使光路弯折并从发散的状态变为平行光束化的状态而射向第二光出射面22e。
通过以上构成，图像光GL1在通过第二光出射面22e时从第二光出射面22e的中央侧相对于+Z方向垂直即在-X方向上向观察者的眼EY出射。图像光GL2在通过第二光出射面22e时以相对于沿第二光出射面22e的+Z方向为锐角的角度出射。图像光GL3在通过第二光出射面22e时以相对于沿第二光出射面22e的+Z方向为钝角的角度出射。
如上所述，在本实施方式的情况下，通过光耦合部件21和导光部件22的各曲面，可进行减小像差的大且明亮的虚像的显示。
第四实施方式
下面，通过图6来说明将第一实施方式变形的第四实施方式。本实施方式涉及的图像中继光学系统以及虚像显示装置除了光耦合部件21和导光部件22之外具有与图1所示的实施例相同的结构，因此对于作为图像形成装置10等的功能部分的各要素省略说明。再有，对透光部件省略图示。
如图6所示，在本实施方式中，在图像中继光学系统20的光耦合部件21中，第一光入射面21a是作为全反射面发挥功能的平面，耦合部件反射面21b是全反射的凹的收敛面(具体地，为凹的球面或非球面)，第一光出射面21c是凸的收敛面(具体地，为凸的球面或非球面)。即，在光耦合部件21中，第一光入射面21a具有延长面ES1，该延长面是图像光从外部进入的区域外的延长区域上的面，包含延长面ES1的第一光入射面21a作为图像光的全反射面发挥功能。此外，耦合部件反射面21b是全反射，可将由延长面ES1反射的图像光反射。此外，在导光部件22中，第二光入射面22a是凸的收敛面(具体地，为凸的球面或非球面)。再有，图像中继光学系统20在图像形成装置10和光耦合部件21之间与光耦合部件21的第一光入射面21a相对地配置有收敛性的透镜12(具体地，为凸的球面或非球面)。通过这些部件，图像光适当地受到反射、折射作用。
该情况下，从图像形成装置10出射的各图像光GL1、GL2、GL3由收敛性的透镜12大体平行光束化，从第一光入射面21a向光耦合部件21入射，且在耦合部件反射面21b中通过全反射来反射，从而在受到收敛的作用的同时射向包含延长面ES的第一光入射面21a。此时，通过各图像光GL1、GL2、GL3相对于第一光入射面21a的角度变化，而使各图像光GL1、GL2、GL3由第一光入射面21a全反射。由第一光入射面21a全反射的各图像光GL1、GL2、GL3在耦合部件反射面21b中再次被通过全反射来进行反射，几乎不损失光量地射向第一光出射面21c，受到由第一光出射面21c收敛的作用，并从第一光出射面21c出射。
其次，各图像光GL1、GL2、GL3向导光部件22的第二光入射面22a入射，受到收敛的作用，由关于Z方向相对地平行延伸的第一和第二的全反射面22b、22c全反射，从在其间收敛的状态第一次成像并再次成为发散的状态而射向导光部件反射面22d。各图像光GL1、GL2、GL3通过作为凹的收敛面(具体地，为凹的球面或非球面)的导光部件反射面22d的反射作用来使光路弯折并且从发散的状态下的光变为成为平行光束化的状态而射向第二光出射面22e。
通过以上的结构，图像光GL1在通过第二光出射面22e时从第二光出射面22e的中央侧相对于+Z方向垂直即在-X方向上向观察者的眼EY出射。图像光GL2在通过第二光出射面22e时以相对于沿第二光出射面22e的+Z方向为锐角的角度出射。图像光GL3在通过第二光出射面22e时以相对于沿第二光出射面22e的+Z方向为钝角的角度出射。
如上所述，在本实施方式的情况下，通过光耦合部件21和导光部件22的各曲面，可进行减小像差的大且明亮的虚像的显示。
变形例
除此之外，如例如图7所示，有效活用形成图像光GG那样的光路的成分，可减小导光部件22的厚度。具体地，图像光GG首先通过导光部件22的导光部件反射面22d，且由透光部件23的第一面23a全反射。由第一面23a全反射的图像光GG再次通过导光部件反射面22d，且由位于第二全反射面22c的延长上的第二光出射面22e全反射。由第二光出射面22e全反射的图像光GG第三次射向第二光出射面22d，此次由导光部件反射面22d反射而到达观察者的眼EY。通过也使用形成以上那样的光路的图像光GG，而提高图像光的利用效率，从而可实现导光部件22的薄型化。
其他
根据以上实施方式来说明本发明，但是，本发明不限于上述实施方式，在不脱离其主旨的范围内可用各种方式来实施，例如，也可进行以下那样的变形。
在上述的说明中，使用透射型液晶显示器件，但是，不限于透射型液晶显示器件，可使用各种器件。例如，也可采用使用反射型液晶面板的构成，亦可使用数字微型反射镜器件等来代替液晶显示器件32。此外，也可采用使用以LED阵列和/或OLED(有机EL)等为代表的自发光型元件的构成。再有，也可采用将激光光源和多角镜此外的扫描器组合的激光扫描器的构成。
在上述说明中，虚像显示装置100与右眼和左眼两者对应地各具备一组图像形成装置10和图像中继光学系统20，但是，也可采用仅对右眼或左眼中任一个设置图像形成装置10和图像中继光学系统20的图像而单眼观看图像的构成。
在上述说明中，对透明型虚像显示装置进行说明，但是，在不需要观察外界像的情况下，可使导光部件反射面22d的光反射率大体为100％。
在上述说明中，实施方式的虚像显示装置100是头戴式显示器来进行具体说明，但是，实施方式的虚像显示装置100也可改变为头戴式显示器。
在上述说明中，在第一和第二全反射面22b、22c中，可在表面上不施加反射镜或半反射镜地通过与空气的界面而使图像光全反射以进行导引，但是，对于本申请发明的全反射，也包括在第一和第二全反射面22b、22c上整体或一部分形成反射涂层或半反射膜而进行的反射。例如，图像光的入射角度满足全反射条件，而且在全反射面22b、22c的整体或一部分施行反射涂层等，实质上将全部的图像光反射的情况也包括。此外，如果能得到足够的亮度的图像光，则也可通过具有一些透射性的反射镜来将全反射面22b、22c的整体或一部分覆盖。

Claims (10)

1.一种图像中继光学系统，其特征在于，具备：
光耦合部件，其由透光性的材料形成，且使图像光入射；和
导光部件，其由透光性的材料形成，其导引来自所述光耦合部件的图像光而向外部出射；
所述光耦合部件以图像光的入射顺序至少具有第一光入射面、耦合部件反射面和第一光出射面，
所述第一光入射面、所述耦合部件反射面和所述第一光出射面中的至少一个是曲面，
所述导光部件以图像光的入射顺序至少具有第二光入射面、相对地平行延伸的第一及第二全反射面、导光部件反射面和第二光出射面，
所述导光部件反射面是曲面，
所述第二光出射面是平坦面，
所述光耦合部件的折射率和色散率中的至少一个与所述导光部件的折射率和色散率不同。
2.根据权利要求1所述的图像中继光学系统，其特征在于，
所述耦合部件反射面是将图像光全部反射的全反射的反射镜，
所述导光部件反射面是将所述导光部件内的图像光平行光束化的凹的收敛面。
3.根据权利要求2所述的图像中继光学系统，其特征在于，
在所述光耦合部件中，所述第一光入射面是作为全反射面发挥功能的面，所述耦合部件反射面是凹的收敛面，所述第一光出射面是凸的收敛面，
在所述导光部件中，所述第二光入射面是凸的收敛面。
4.根据权利要求2所述的图像中继光学系统，其特征在于，
在所述光耦合部件中，所述第一光入射面是凸的收敛面，所述耦合部件反射面是凹的收敛面，所述第一光出射面是凸的收敛面，
在所述导光部件中，所述第二光入射面是凸的收敛面。
5.根据权利要求2所述的图像中继光学系统，其特征在于，
在所述光耦合部件中，所述第一光入射面是凸的收敛面，所述耦合部件反射面是凹的收敛面，所述第一光出射面是凸的收敛面，
在所述导光部件中，所述第二光入射面是作为所述第一全反射面发挥功能的面，具有与所述第二光入射面相对的凹的收敛面且具有将来自该第二光入射面的图像光向所述第一全反射面反射的全反射的相对反射面，
具有在所述光耦合部件的所述第一光出射面和所述导光部件的所述第二光入射面之间配置的收敛性的透镜。
6.根据权利要求2所述的图像中继光学系统，其特征在于，
在所述光耦合部件中，所述第一光入射面是作为全反射面发挥功能的面，所述耦合部件反射面是全反射的凹的收敛面，所述第一光出射面是凸的收敛面，
在所述导光部件中，所述第二光入射面是凸的收敛面，
具有与所述光耦合部件的所述第一光入射面相对地配置的收敛性的透镜。
7.根据权利要求1所述的图像中继光学系统，其特征在于，
所述导光部件的所述导光部件反射面是半透射的反射镜，
具有透光部件，其具有与所述半透射的反射镜接合的曲面且能进行经所述第二光出射面和所述导光部件反射面的外界像的透视。
8.根据权利要求1所述的图像中继光学系统，其特征在于，
所述导光部件反射面是凹的收敛面，使图像光平行光束化并弯折。
9.根据权利要求1所述的图像中继光学系统，其特征在于，
具有透光部件，其具有第一面和第二面，所述第一及第二面在所述第一及第二全反射面的延长平面上延伸。
10.一种虚像显示装置，其特征在于，具备：
根据权利要求1至9中任一项所述的图像中继光学系统；和
图像形成装置，其形成导向所述图像中继光学系统的所述图像光。
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