CN103293674B - 虚像显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及虚像显示装置。提供具有使外界光和图像光重叠地显示的透视功能、广视角·高性能且小型轻量的虚像显示装置。因为通过投影透镜（30）等在棱镜（10）的内部形成中间像，并按第3面（S13）、第1面（S11）及第2面（S12）的顺序在2个面以上全反射的图像光（GL）透射第1面（S11）而到达观看者的眼睛（EY），所以能够使棱镜（10）薄型而使光学系统整体小型而轻量，并实现广视角而明亮的高性能的显示。并且，关于外界光（HL），能够通过例如第1面（S11）和第3面（S13）而观看，因为使此时的视度基本为0，所以能够降低当透视地观看外界光（HL）时的外界光（HL）的散焦和／或失真。并且，棱镜（10）的形状能够为按照观看者的面部的形状，重心也接近面部，设计也优异。

Description

虚像显示装置
技术领域
本发明涉及将通过图像显示元件等形成的图像提供给观看者的虚像显示装置，尤其涉及适于在观看者的头部配戴的头戴式显示器的虚像显示装置。
背景技术
作为组入于在观看者的头部配戴的头戴式显示器（以下，也称为HMD）等的虚像显示装置的光学系统提出各种方案（参照专利文献1～4）。
关于HMD等的虚像显示装置，期待使图像光广视场角化和降低装置重量。尤其是，为了使配戴感舒适，重要的是使观看者的视轴方向的厚度变薄，并使重心接近观看者。
并且，若完全覆盖观看者的视场，成为仅能看到图像光的状态，则观看者判断不了外界的状态，会产生不安。而且，通过使外界和图像重叠观看，可产生如虚拟现实的各种新的用途。因此，期待不妨碍外界的视场地重叠显示图像光的显示器。
而且，为了使观看者的配戴感舒适、并使外观的形态良好，一般期望接近眼镜的形态，期望不将图像显示装置置于眼睛的上方而配置于面部的横向。
为了使光学系统小型化，并且不会妨碍视场地使图像显示装置离开观看者的眼睛的位置，可以采用使显示图像光暂时在光学系统之中成像而形成中间像，并使该中间像放大地观看的中继光学系统。
例如在专利文献1中，提出采用端面为抛物面镜的平行平面状的导光板和投影透镜，在导光板的内部形成中间像的中继光学系统。可是，在专利文献1的光学系统的情况下，投影透镜大，妨碍小型轻量化。
在专利文献2中，提出采用具备曲面的射出反射面的导光棱镜和投影透镜的中继光学系统。可是，专利文献2的光学系统未兼顾到使观看者看到外界。为了应用该光学系统而使外界可见，需要在扩展到棱镜整体的反射面贴附补偿棱镜并在接合面设置半透射半反射镜，因为图像光在该半透射半反射镜面反射2次，所以变得非常暗。
在专利文献3中，提出包括投影透镜、凹面镜和导光板的中继光学系统。该光学系统中，通过使波长板和偏振半透射半反射镜组合，提高反射效率。可是，为了应用专利文献3的光学系统而使外界可见，需要在凹面镜贴合补偿透镜，整体性地变厚。
在专利文献4中，提出通过使光路弯曲，缩短全长、紧凑集中的中继光学系统。可是，在专利文献4的光学系统的情况下，棱镜中央的凸部和／或投影透镜会妨碍视场。并且，因为图像光在透射了半透射半反射镜之后，折返并以半透射半反射镜反射而入射于眼睛，所以看到的图像变暗。
专利文献1：日本特许2746697号公报
专利文献2：日本特许3787399号公报
专利文献3：日本特许4218553号公报
专利文献4：日本特许4819532号公报
发明内容
本发明目的在于提供具备使外界光和图像光重叠显示的透视功能、广视角且高性能，并且小型轻量的虚像显示装置。
本发明涉及的虚像显示装置使图像光和外界光同时被观看；具备使图像光产生的图像元件和包括3个面以上的非轴对称的曲面并作为光学系统的一部分在内部形成中间像的1个棱镜；当通过构成棱镜的多个面之中的第1面和第3面而观看外界时，视度基本为0；第1面和第3面相对于观看侧呈凹面形状；来自图像元件的图像光在以第3面全反射、以第1面全反射、以第2面反射之后，透射第1面而到达观看侧。在此，所谓图像光是指通过图像元件等形成而对于眼睛可以识别为虚像的光，如所述地在棱镜的内部形成中间像。
在所述虚像显示装置中，因为通过光学系统等在棱镜的内部形成中间像，并且按第3面、第1面及第2面的顺序反射的图像光透射第1面而到达观看者，所以能够使棱镜薄型而使光学系统整体小型且轻量，并实现广视角而明亮的高性能的显示。并且，关于外界光，能够通过第1面和第3面而观看，因为使此时的视度基本为0，所以能够降低当透视地观看外界光时的外界光的散焦和／或失真。并且，棱镜的形状为按照观看者的面部的形状，重心也能够接近面部，在设计性方面也能够优异。
在本发明的具体的侧面中，在所述虚像显示装置中，以构成光学系统的各面的原点为基准，当设面形状的表达式为关于从原点延伸于切线方向的正交坐标x及y进行了多项式展开所得的表达式时，以表示第k面的多项式的项xm·yn的系数为Akm,n，满足下述（1）～（3）的条件，
－5×10－2＜A12,0＋A10,2＜－1×10－3以及
－5×10－2＜A32,0＋A30,2＜－1×10－3…（1）
｜A32,0－A30,2｜＜1×10－2…（2）
｜A12,0－A32,0｜＜5×10－3以及
｜A10,2－A30,2｜＜5×10－3…（3）。
还有，在以上中，各面的包括正交坐标x及y的本地坐标（x，y，z）以曲面上的某1点为原点，取z轴为面的法线方向，取x轴和y轴为面的切线方向。曲面的原点例如为光束中心通过的位置。
在本申请发明中，通过使不仅关系到图像光而且关系到外界光的观看的第1面和第3面为自由曲面，并使两个面在观看者侧成为凹面状，有效地使用它们的曲面形状的自由度，并成功地得到高像质的光学系统。因为使第1面及第3面的作用即曲面的作用成为特征的是曲面的曲率，原点附近的曲率主要通过系数Ak2,0和Ak0,2（k＝1，3）的值确定，所以重要的是适当地设定系数Ak2,0和Ak0,2的值。
条件（1）对原点附近的第1面的曲率和第3面的曲率的大小进行限定。它们的值A12,0、A10,2、A32,0、A30,2为负表示第1面或第3面相对于观看者为凹面状。若超过条件（1）的上限，则形状接近为平面，即使对外界光的观看不存在问题也不会在图像光的像差校正方面有效地起作用。并且，若超过条件（1）的下限，则曲率变得过强，像差校正难以进行，并且棱镜的位置接近面部，有损配戴感。
条件（2）对第3面的x轴方向的曲率和y轴方向的曲率之差进行限定。若超过条件（2）的上限，则在第3面产生的像散变得过大，难以进行像差校正。
条件（3）对关于x轴方向及y轴方向的第1面的曲率和第3面的曲率之差进行限定，对棱镜相对于外光的视度产生影响。若以棱镜的厚度为T、折射率为N，则棱镜的光轴上的x轴方向的视度Dx及y轴方向的视度Dy由下式给出：
Dx＝2000（N－1）（A12,0－A32,0＋（2T（N－1）／N）×A12,0×A32.0）
Dy＝2000（N－1）（A10,2－A30,2＋（2T（N－1）／N）×A10,2×A30,2）。
一般地，因为若远方视度的误差超过±1D则会感到不愉快，所以优选：棱镜的视度抑制为±1D。但是，根据与外周部的视度和／或像差之间的平衡，也存在设计上将光轴上的视度设定为±2D的范围的情况。虽然光轴上的视度如所述的式地，因为与棱镜的厚度和／或折射率也有关系，所以仅以非球面系数的值确定不了，但是只要系数处于满足条件（3）的范围，则可以将光轴上的视度抑制为±2D的范围。
通过使第1面及第3面成为满足以上的条件（1）～（3）的形状，能够良好地进行外界光和图像光的双方的像差校正，带来优异的像质。
在本发明的另一侧面中，棱镜具有光射出侧的第1棱镜部分和光入射侧的第2棱镜部分，所述光射出侧的第1棱镜部分具有第1面、第2面和第3面；并且第1棱镜部分和第2棱镜部分一体形成。
在本发明的又一侧面中，在第2面形成半透射半反射镜，将图像光提供给观看者，并在第2面的外侧一体地配置光透射构件，使相对于外界光的视度基本为0，将外界光和图像光重叠地提供给观看者。该情况下，能够降低透过第2面观看的外界光的散焦和／或失真。
在本发明的又一侧面中，光透射构件在观看者侧具有第1透射面和第2透射面并在外界侧具有第3透射面，棱镜的第2面和光透射构件的第2透射面具有基本相同的曲面形状，第2面和第2透射面一体化。该情况下，能够使面彼此接合而一体化，能够在第1面及第3面侧分别形成连续的表面。
在本发明的又一侧面中，进一步具备使来自图像元件的图像光入射于棱镜的投影透镜；至少棱镜的一部分和投影透镜构成形成中间像的中继光学系统。
在本发明的又一侧面中，投影透镜包括轴对称的透镜，包括至少1个面以上的非球面。
在本发明的又一侧面中，第2棱镜部分具有至少1个以上的光学面，并通过图像元件、投影透镜和第2棱镜部分形成中间像。该情况下，第2棱镜部分的光学面作为中继光学系统的一部分参与中间像的形成。
在本发明的又一侧面中，图像元件为从显示位置射出图像光的图像显示元件；投影透镜和第2棱镜部分作为中继光学系统，使从图像显示元件的显示位置射出的图像光在棱镜的内部成像而形成中间像。该情况下，通过投影透镜等作为中继光学系统而起作用，能够使从图像显示元件的显示位置上的各点射出的图像光在棱镜内再成像而形成中间像。
在本发明的又一侧面中，第2棱镜部分具有兼具作为折射面及反射面的功能的至少1个以上的光学面。
在本发明的又一侧面中，第1面与第3面的间隔为5mm以上且15mm以下。该情况下，通过为5mm以上，能够使覆盖眼前的第1棱镜的大小充分地大；通过为15mm以下，能够对重量增加进行抑制。
在本发明的又一侧面中，第2面相对于第1面的倾斜角为20°以上且40°以下。该情况下，通过倾斜角处于所述范围，容易将图像光以适当的反射次数及反射角度导入眼睛。
在本发明的又一侧面中，包括棱镜的光学系统在配戴时覆盖观看者的眼前之中的一部分，使眼前未被覆盖的部分存在。
在本发明的又一侧面中，图像元件具有射出对应于图像调制的信号光的信号光形成部和通过使从信号光形成部入射的信号光扫描而作为扫描光射出的扫描光学系统。
附图说明
图1是对实施方式的虚像显示装置的外观进行说明的立体图。
图2是对虚像显示装置的主体结构进行说明的立体图。
图3（A）是构成虚像显示装置的第1显示装置的主体部分的俯视的剖视图，（B）是主体部分的主视图。
图4是对第1显示装置中的棱镜中的光学面和／或光路进行说明的剖视图。
图5是对实施例1的光学系统进行说明的图。
图6（A）～（F）是对实施例1的光学系统的像差进行说明的图。
图7（A）～（F）是对实施例1的光学系统的像差进行说明的图。
图8是对实施例2的光学系统进行说明的图。
图9（A）～（F）是对实施例2的光学系统的像差进行说明的图。
图10（A）～（F）是对实施例2的光学系统的像差进行说明的图。
图11是对实施例3的光学系统进行说明的图。
图12（A）～（F）是对实施例3的光学系统的像差进行说明的图。
图13（A）～（F）是对实施例3的光学系统的像差进行说明的图。
图14是对实施例4的光学系统进行说明的图。
图15（A）～（F）是对实施例4的光学系统的像差进行说明的图。
图16（A）～（F）是对实施例4的光学系统的像差进行说明的图。
图17是对实施例5的光学系统进行说明的图。
图18（A）～（F）是对实施例5的光学系统的像差进行说明的图。
图19（A）～（F）是对实施例5的光学系统的像差进行说明的图。
图20是对实施例6的光学系统进行说明的图。
图21（A）～（F）是对实施例6的光学系统的像差进行说明的图。
图22（A）～（F）是对实施例6的光学系统的像差进行说明的图。
图23是对变形例的虚像显示装置进行说明的图。
图24（A）是关于导光装置及采用其的虚像显示装置的另一例进行说明的立体图，（B）是主视图。
符号说明
AX1—AX4…光轴，AXI…入射侧光轴，AXO…射出侧光轴，EY…眼睛，GL…图像光，HL…外界光，II…中间像的像面，PA…部分区域，S11—S16…第1—第6面，S51—S53…第1—第3透射面，SL…照明光，SR…基准面，10…棱镜，10s…主体部分，11、12…棱镜部分，15…半透射半反射镜层，30…投影透镜，31、32、33…透镜，50…光透射构件，70…投影透视装置，80…图像显示装置，81…照明装置，82…图像显示元件（图像元件），84…驱动控制部，100…虚像显示装置，100A、100B…显示装置，103a、103b…光学部分，101…透视构件，102…框架，15…镜面，CC…粘接剂
具体实施方式
以下，一边参照附图，一边关于本发明涉及的一个实施方式的虚像显示装置详细进行说明。
A．虚像显示装置的外观
示于图1的实施方式的虚像显示装置100为具有如眼镜的外观的头戴式显示器，对于配戴该虚像显示装置100的观看者能够使对应于虚像的图像光被观看，并能够使观看者透视地观看或观察外界像。虚像显示装置100具备覆盖观看者的眼前的透视构件101、对透视构件101进行支持的框架102和附加于框架102的左右两端的从罩部到后方的悬挂部分（鬓角）的部分的第1及第2内置装置部105a、105b。在此，透视构件101为以覆盖观看者的眼前的厚度而弯曲的光学构件（透射眼罩），分为第1光学部分103a和第2光学部分103b。在附图中使左侧的第1光学部分103a和第1内置装置部105a组合的第1显示装置100A为形成右眼用的虚像的部分，即使单独也可作为虚像显示装置而起作用。并且，在附图中使右侧的第2光学部分103b和第2内置装置部105b组合的第2显示装置100B为形成左眼用的虚像的部分，即使单独也可作为虚像显示装置而起作用。
B．显示装置的结构
如示于图2、图3（A）、3（B）等地，第1显示装置100A具备投影透视装置70和图像显示装置80。其中，投影透视装置70具备作为导光构件的棱镜10、光透射构件50和成像用的投影透镜30。棱镜10和光透射构件50通过接合而一体化，例如牢固地固定于框架61的下侧，使得棱镜10的顶面10e和框架61的底面61e相接。投影透镜30介由对其进行收置的镜筒62而固定于棱镜10的端部。投影透视装置70之中的棱镜10和光透射构件50相当于图1中的第1光学部分103a，并且投影透视装置70的投影透镜30和图像显示装置80相当于图1中的第1内置装置部105a。还有，因为示于图1的第2显示装置100B具有与第1显示装置100A同样的结构并仅使左右反转，所以第2显示装置100B的详细的说明进行省略。
投影透视装置70之中，棱镜10为俯视按照面部而弯曲的圆弧状的构件，能够考虑分为靠近鼻子的中央侧的第1棱镜部分11和离开鼻子的周边侧的第2棱镜部分12。第1棱镜部分11配置于光射出侧，作为具有光学功能的侧面，具有第1面S11、第2面S12和第3面S13；第2棱镜部分12配置于光入射侧，作为具有光学功能的侧面，具有第4面S14、第5面S15和第6面S16。其中，第1面S11和第4面S14相邻，第3面S13和第5面S15相邻，并在第1面S11和第3面S13之间配置第2面S12，在第4面S14和第5面S15之间配置第6面S16。并且，棱镜10具有相邻于第1～第6面S11～S16并互相对置的第1侧面10e和第2侧面10f。
在棱镜10中，第1面S11为以平行于Z轴的射出侧光轴AXO为中心轴或基准轴的自由曲面，第2面S12为以包括于平行于XZ面的基准面SR且相对于Z轴倾斜的光轴AX1为中心轴或基准轴的自由曲面，第3面S13为以射出侧光轴AXO为中心轴或基准轴的自由曲面。第4面S14为以包括于平行于XZ面的基准面SR且相对于Z轴倾斜的一对光轴AX3、AX4的2等分线为中心轴或基准轴的自由曲面，第5面S15为以包括于平行于XZ面的基准面SR且相对于Z轴倾斜的一对光轴AX4、AX5的2等分线为中心轴或基准轴的自由曲面，第6面S16为以包括于平行于XZ面的基准面SR且相对于Z轴倾斜的光轴AX4为中心轴或基准轴的自由曲面。还有，以上的第1～第6面S11～S16具有：夹着水平（或横向）地延伸而平行于XZ面且光轴AX1～AX4等通过的基准面SR，关于铅垂（或纵向）的Y轴方向对称的形状。
棱镜10以在可见光范围呈现高的光透射性的树脂材料形成，例如通过在模具内注入热塑性树脂·使之固化，而成形。棱镜10的主体部分10s虽然为一体形成品，但是能够考虑分为第1棱镜部分11和第2棱镜部分12。第1棱镜部分11可以进行图像光GL的导波及射出，并可以进行外界光HL的透视。第2棱镜部分12可以进行图像光GL的入射及导波。
在第1棱镜部分11中，第1面S11作为使图像光GL射出到第1棱镜部分11外的折射面而起作用，并作为使图像光GL在内面侧全反射的全反射面而起作用。第1面S11配置于眼睛EY的正面，相对于观看者呈凹面形状。还有，第1面S11以防止表面的损伤并防止图像的分辨率下降为目的，也能够对主体部分10s以硬涂层进行覆盖。该硬涂层通过在主体部分10s的基底面上通过对包括树脂等的涂敷剂进行浸渍处理和／或喷涂处理进行成膜而形成。
第2面S12具有半透射半反射镜层15。该半透射半反射镜层15为具有光透射性的反射膜（即半透射半反射膜）。半透射半反射镜层（半透射半反射膜）15并非形成于第2面S12的整体，而是形成于其部分区域PA上。也就是说，半透射半反射镜层15形成于使第2面S12扩展的整体区域QA主要关于铅垂方向收窄的部分区域PA上。更详细地，该部分区域PA配置于关于铅垂的Y轴方向的中央侧，关于沿着水平的基准面SR的方向基本配置于整体。半透射半反射镜层15在主体部分10s的基底面之中的部分区域PA上，通过使金属反射膜和／或电介质多层膜进行成膜而形成。因容易通过透视进行外界光HL的观看的观点，半透射半反射镜层15的对于图像光GL的反射率在假想的图像光GL的入射角范围内为10％以上且50％以下。具体的实施例的半透射半反射镜层15的对于图像光GL的反射率例如设定为20％，对于图像光GL的透射率例如设定为80％。
第3面S13作为使图像光GL在内面侧全反射的全反射面而起作用。还有，第3面S13以防止表面损伤并防止图像的分辨率下降为目的，也能够对主体部分10s以硬涂层进行覆盖。第3面S13配置于眼睛EY的正面，与第1面S11同样地相对于观看者呈凹面形状，当通过第1面S11和第3面S13看到外界光HL时，视度基本为0。
在第2棱镜部分12中，第4面S14及第5面S15作为使图像光GL在内面侧全反射的全反射面而起作用或者以镜层17覆盖作为反射面而起作用。还有，在使第4面S14及第5面S15作为全反射面而起作用的情况下，以防止表面损伤并防止图像的分辨率下降为目的，也能够对主体部分10s以硬涂层进行覆盖。
第6面S16作为使图像光GL入射于第2棱镜部分12内的折射面而起作用。还有，第6面S16虽然以防止表面损伤并防止图像的分辨率下降为目的，也能够对主体部分10s以硬涂层进行覆盖，但是以进一步通过防止反射对重影进行抑制为目的，也能够对主体部分10s以多层膜进行覆盖。
光透射构件50与棱镜10一体地固定。光透射构件50为辅助棱镜10的透视功能的构件（辅助棱镜），作为具有光学功能的侧面，具有第1透射面S51、第2透射面S52和第3透射面S53。在此，在第1透射面S51和第3透射面S53之间配置第2透射面S52。第1透射面S51处于使棱镜10的第1面S11延长了的曲面上；第2透射面S52为相对于该第2面S12通过粘接剂CC接合而一体化的曲面；第3透射面S53处于使棱镜10的第3面S13延长了的曲面上。其中的第2透射面S52和棱镜10的第2面S42因为通过接合而一体化，所以具有基本相同的曲率的形状。
光透射构件（辅助棱镜）50，以在可见光范围呈现高的光透射性、并具有与棱镜10的主体部分10s基本相同的折射率的树脂材料形成。光透射构件50例如通过热塑性树脂的成形而形成。
投影透镜30保持于镜筒62内，图像显示装置80固定于镜筒62的一端。棱镜10的第2棱镜部分12连接于对投影透镜30进行保持的镜筒62，间接地支持投影透镜30及图像显示装置80。棱镜10的光入射侧与投影透镜30等一起被遮光构件63覆盖。棱镜10上端部或下端部也被遮光构件63覆盖。在棱镜10的周边，能够设置防止外光入射于棱镜10的追加的遮光部。遮光部例如能够以遮光性的涂层和／或光散射层构成。
投影透镜30沿着入射侧光轴AXI例如具有3个透镜31、32、33。各透镜31、32、33为轴对称的透镜，至少1个以上具有非球面。投影透镜30使从图像显示装置80射出的图像光GL用于再成像而介由棱镜10的第6面S16入射于棱镜10内。也就是说，投影透镜30为用于使从图像显示元件82的像面（显示位置）OI上的各点射出的影像光或图像光在棱镜10内再成像的中继光学系统。还有，棱镜10的各面通过与投影透镜30协同作用作为中继光学系统的一部分而起作用。
图像显示装置80具有射出2维的照明光SL的照明装置81、作为透射型的空间光调制装置的图像显示元件82和对照明装置81及图像显示元件82的工作进行控制的驱动控制部84。
图像显示装置80的照明装置81具有产生包括红、绿、蓝的3色的光的光源81a、和使来自光源81a的光扩散而成为矩形截面的光束的背光导光部81b。图像显示元件82例如为以液晶显示器件形成的图像元件，对来自照明装置81的照明光SL空间性地进行调制而形成应当成为动态图像等的显示对象的图像光。驱动控制部84具备光源驱动电路84a和液晶驱动电路84b。光源驱动电路84a对照明装置81的光源81a供给电功率而使稳定的辉度的照明光SL射出。液晶驱动电路84b通过对于图像显示元件（图像元件）82输出图像信号或驱动信号，作为透射率图形而形成成为动态图像和／或静态图像的基础的彩色的图像光。还有，虽然能够使液晶驱动电路84b具有图像处理功能，但是也能够使外附的控制电路具有图像处理功能。
C．图像光等的光路
以下，关于虚像显示装置100中的图像光GL等的光路进行说明。
从图像显示元件（图像元件）82射出的图像光GL边通过投影透镜30汇聚，边入射于设置于棱镜10的具有比较强的正的折射（能）力的第6面S16。
通过了棱镜10的第6面S16的图像光GL边会聚边行进，当通过第2棱镜部分12时，在具有比较弱的正的折射力的第5面S15反射，在具有比较弱的负的折射力的第4面S14反射。
在第2棱镜部分12的第4面S14反射的图像光GL在第1棱镜部分11中，入射于具有比较弱的正的折射力的第3面S13而全反射，入射于具有比较弱的负的折射力的第1面S11而全反射。还有，图像光GL在通过第3面S13的前后，在棱镜10中形成中间像。该中间像的像面II虽然对应于图像显示元件82的像面（显示位置）OI，但是在第3面S13折返。
在第1面S11全反射的图像光GL虽然入射于第2面S12，但是尤其是入射于半透射半反射镜层15的图像光GL边部分性地透射该半透射半反射镜层15也边部分性地反射而再次入射于第1面S11并通过。还有，半透射半反射镜层15相对于在此反射的图像光GL具有比较强的正的折射力而起作用。并且，第1面S11相对于通过其的图像光GL具有负的折射力而起作用。
通过了第1面S11的图像光GL作为基本平行光束入射于观看者的眼EY的瞳孔。也就是说，观看者通过作为虚像的图像光GL，观看到形成于图像显示元件82上的图像。
另一方面，外界光HL之中，入射于比棱镜10的第2面S12靠＋X侧的光虽然通过第1棱镜部分11的第3面S13和第1面S11，但是此时，正负的折射力抵消并校正像差。也就是说，观看者隔着棱镜10看到失真少的外界像。同样地，外界光HL之中，入射于比棱镜10的第2面S12靠－X侧也就是说入射于光透射构件50的光当通过设置于此的第3透射面S53和第1透射面S51时，正负的折射力抵消并校正像差。也就是说，观看者隔着光透射构件50看到失真少的外界像。而且，外界光HL之中，入射到对应于棱镜10的第2面S12的光透射构件50的光当通过第3透射面S53和第1面S11时，正负的折射力抵消并校正像差。也就是说，观看者隔着光透射构件50看到失真少的外界像。还有，棱镜10的第2面S12和光透射构件50的第2透射面S52都具有基本相同的曲面形状，都具有基本相同的折射率，并且两者的间隙以基本相同的折射率的粘接层CC填充。也就是说，棱镜10的第2面S12和／或光透射构件50的第2透射面S52相对于外界光HL并不作为折射面起作用。
但是，因为入射于半透射半反射镜层15的外界光HL边部分性地透射该半透射半反射镜层15也边部分性地反射，所以来自对应于半透射半反射镜层15的方向的外界光HL在半透射半反射镜层15的透射率弱。另一方面，因为图像光GL从对应于半透射半反射镜层15的方向进行入射，所以观看者在半透射半反射镜层15的方向与形成于图像显示元件82上的图像一起看到外界像。
在棱镜10内传播而入射于第2面S12的图像光GL之中，未在半透射半反射镜层15反射的光虽然入射于光透射构件50内，但是通过设置于光透射构件50的未图示的反射防止部可防止返回到棱镜10。也就是说，可防止通过了第2面S12的图像光GL返回到光路上而成为杂散光。并且，从光透射构件50侧入射而在半透射半反射镜层15反射的外界光HL虽然返回到光透射构件50，但是通过设置于光透射构件50的所述的未图示的反射防止部可防止射出到棱镜10。也就是说，可防止在半透射半反射镜层15反射的外界光HL返回到光路上而成为杂散光。
D．光学面和／或光路的限定方法
图4为对棱镜10中的光轴AX1～AX4和／或本地坐标进行说明的图。在以下的说明中，对光学系统的评价和／或表达的方便加以考虑，从观看者的眼睛EY朝向图像显示装置80的图像显示元件82关于反向行进方向，对光学面和／或光路进行限定。在实际的光学系统中，从图像显示元件82发出的光虽然依次通过投影透镜30和棱镜10而到达眼睛EY，但是在该状态下难以进行光学系统的评价。因此，设通过处于眼睛EY的位置的光圈而来自无限远的光源的光进入棱镜10，通过投影透镜30而在图像显示元件82成像，进行评价·设计，在以下详述的光学系统的数据也按该顺序表示。还有，关于接合于棱镜10而作为一体使用的光透射构件50，使棱镜10的形状进行了延长，将说明进行省略。
在图示的棱镜10中，第1面S11的光轴与射出侧光轴AXO相一致，第1面S11的本地坐标（x，y，z）与整体坐标（X，Y，Z）为平移关系，在第1面S11上具有原点。也就是说，本地坐标的z方向处于射出侧光轴AXO上成为行进方向（光线的逆进方向），本地坐标的y方向与整体坐标的Y方向平行。在以后的各面中，本地坐标的y方向也与整体坐标的Y方向平行。
第2面S12的光轴相对于射出侧光轴AXO适当倾斜，第2面S12的本地坐标相对于整体坐标绕Y轴适当旋转且平移，在第2面S12上具有原点。第2面S12的本地坐标的z方向为射出侧光轴AXO和从第2面S12到第1面S11的光束中心的光轴AX1的中间方向。
第3面S13的光轴与射出侧光轴AXO相一致，第3面S13的本地坐标与整体坐标为平移关系，在第3面S13的延长面即第3透射面S53上具有原点。
通过以上，从第2面S12到第1面S11的光束中心的光轴AX1和从第1面S11到第3面S13的光束中心的光轴AX2的中间方向与第1面S11上的光束中心（光轴AX1、AX2的交点）处的第1面S11的法线方向相一致。并且，从第1面S11到第3面S13的光束中心的光轴AX2和从第3面S13到第4面S14的光束中心的光轴AX3的中间方向与第3面S13上的光束中心（光轴AX2、AX3的交点）处的第3面S13的法线方向相一致。
在从第3面S13朝向下一个第4面S14的光路中，其本地坐标对应于行进方向（光线的逆进方向）。也就是说，从第3面S13到第4面S14的本地坐标的z方向与光束中心的光轴AX3相一致，该本地坐标的y方向与整体坐标的Y方向平行。
第4面S14的本地坐标的原点处于该第4面S14上。并且，第4面S14的本地坐标的z方向即第4面S14的光轴为从第3面S13到第4面S14的光束中心的光轴AX3和从第4面S14到第5面S15的光束中心的光轴AX4的2等分线。
第5面S15的本地坐标的原点处于该第5面S15上。并且，第5面S15的本地坐标的z方向即第5面S15的光轴为从第4面S14到第5面S15的光束中心的光轴AX4和从第5面S15到第6面S16的光束中心的光轴AX5的2等分线。
还有，第6面S16的光轴与光轴AX5相一致，与从图像显示装置80延伸的入射侧光轴AXI相一致。
E．光学面的优选特征
棱镜10的第1面S11的形状利用第1面S11的本地坐标（x，y，z）以下式表示：
z＝Σ｛A1m,n·（xm·yn）｝…（4）
在此，A1m,n为多项式展开的第m·n项的系数
m、n为0以上的整数。
棱镜10的第2面S12的形状利用第2面S12的本地坐标（x，y，z）以下式表示：
z＝Σ｛A2m,n·（xm·yn）｝…（5）
在此，A2m,n为多项式展开的第m·n项的系数。
棱镜10的第3面S13的形状利用第3面S13的本地坐标（x，y，z）以下式表示：
z＝Σ｛A3m,n·（xm·yn）｝…（6）
在此，A3m,n为多项式展开的第m·n项的系数。
在本实施方式中，棱镜10的第1～第3面S11～S13满足以下的3个条件：
－5×10－2＜A12,0＋A10,2＜－1×10－3以及
－5×10－2＜A32,0＋A30,2＜－1×10－3…（1）
｜A32,0－A30,2｜＜1×10－2…（2）
｜A12,0－A32,0｜＜5×10－3以及
｜A10,2－A30,2｜＜5×10－3…（3）。
通过设定第1～第3面S11～S13的形状以满足这3个条件，能够良好地进行外界光HL和图像光GL的双方的像差校正，带来优异的像质。
棱镜10的第1面S11和第3面S13的间隔为5mm以上且15mm以下。并且，第2面S12相对于第1面S11的倾斜角为20°以上且40°以下。
还有，关于棱镜10的第4面S14或第5面S15，用于光路的调整和／或像差的更加精密的校正而设置，考虑到投影透视装置70的规格等能够进行省略。
在本实施方式的虚像显示装置100中，因为通过投影透镜30等在棱镜10的内部形成中间像，并按第3面S13、第1面S11及第2面S12的顺序在2个面以上全反射的图像光GL透射第1面S11而到达观看者的眼睛EY，所以能够使棱镜10薄型而使光学系统全体小型而轻量，并实现广视角而明亮的高性能的显示。并且，关于外界光HL，例如能够通过第1面S11和第3面S13进行观看，因为使此时的视度基本为0，所以能够降低当透视地观看外界光HL时的外界光HL的散焦和／或失真。并且，棱镜10的形状为按照观看者的面部的形状，重心既接近面部，设计也能够优异。
实施例
以下，关于组入于本发明涉及的虚像显示装置的投影透视装置的实施例进行说明。将在各实施例中使用的记号归纳为以下。
SPH：瞳孔
FFSk：自由曲面（棱镜中的k＝面编号）
ASPk：轴对称非球面（投影光学系统中的k＝面编号）
SPH：球面或平面（保护玻璃表面）
Ｒ：曲率半径
T：轴顶面间隔
Nd：光学材料的相对于d线的折射率
Vd：光学材料的关于d线的色散系数
TLY：特定面的横截面（XZ截面）上的光轴的倾斜角度（°）（关于TLY，有时在特定面的前后变化）
DCX：特定面的横截面（XZ截面）上的X轴方向的光轴的偏离量
实施例1
将构成实施例1的投影透视装置之中的棱镜及投影透镜的光学面的数据示于以下的表1。还有，例如FFS1是指第1面S11，FFS2是指第2面S12，FFS3是指第3面S13，并且，ASP1是指投影透镜的第1透镜的射出面，ASP2是指第1透镜的入射面。
（表1）
关于构成实施例1的棱镜中的光学面，将其横截面中的光轴倾斜角度（倾角）TLY和光轴偏离量（离心）DCX示于以下的表2。
（表2）
关于构成实施例1的棱镜中的各光学面，将自由曲面的多项式展开的系数Akm,n示于以下的表3。还有，在表3中，记号m、n是指系数Akm,n中的变量或阶数。并且，记号FFSk（k＝1～6）是指作为自由曲面的第1～第6面S11～S16之中的第k面。还有，系数Akm,n是指构成表示作为对象的第k面的多项式的各项xm·yn的系数。
（表3）
在以上的表3及以下的表中，数值E以后是指10进制的指数部，例如所谓“－6.511E－03”是指－6.511×10－03。
将构成实施例1的投影透视装置之中的投影透镜的光学面的非球面的系数示于以下的表4。
（表4）
在以上的表4中，记号K、Bi表示用于对作为构成投影透镜30的3个透镜31、32、33的透镜面的非球面APS1～APS6的非球面进行特定的系数。非球面通过以下的多项式（非球面式）而特定。
在此，Ｒ为各面的曲率半径，h为距光轴的高度，K为对象透镜面的圆锥系数，Bi（i＝4、6、8、…）为对象透镜面的高阶非球面系数。
图5为实施例1的投影透视装置70的剖视图。但是，关于光束，不仅示出基准面SR上的光，也示出从基准面SR偏离于Y方向的光。投影透视装置70之中的棱镜10具有：具有弱的负的折射力的第1面S11；具有比较强的正的折射力的第2面S12；具有比较弱的正的折射力的第3面S13；具有比较弱的负的折射力的第4面S14；具有比较弱的正的折射力的第5面S15；和具有比较强的正的折射力的第6面S16。投影透镜30具有：具有正的折射力的第1透镜31；具有负的折射力的第2透镜32；和具有正的折射力的第3透镜33。若关于实施例1的光学系统的具体的规格进行说明，则水平视角为20.1°，垂直视角为11.4°，图像显示元件的显示区域的大小为9.22×5.18mm，瞳径（瞳孔直径）为5mm，焦点距离约为26mm。
图6（A）～6（F）及图7（A）～7（F）表示实施例1的像差。在各像差图中，横轴表示瞳孔的位置，纵轴以微米为单位表示像差量。具体地，图6（A）及6（B）表示在X方向为10°在Y方向为5.7°的方位上的Y及X方向的像差，图6（C）及6（D）表示在X方向为0.0°在Y方向为5.7°的方位上的Y及X方向的像差，图6（E）及6（F）表示在X方向为－10°在Y方向为5.7°的方位上的Y及X方向的像差。图7（A）及7（B）示出在X方向为10°在Y方向为0.0°的方位上的Y及X方向的像差，图7（C）及7（D）表示在X方向为0.0°在Y方向为0.0°的方位上的Y及X方向的像差，图7（E）及7（F）表示在X方向为－10°在Y方向为0.0°的方位上的Y及X方向的像差。还有，图示的像差量为了方便为使光线逆行的情况下的图像显示元件的像面上的像差量。
实施例2
将构成实施例2的投影透视装置之中的棱镜及投影透镜的光学面的数据示于以下的表5。
（表5）
关于构成实施例2的棱镜中的光学面，将其横截面中的光轴倾斜角度（倾角）TLY和光轴偏离量（离心）DCX示于以下的表6。
（表6）
关于构成实施例2的棱镜中的各光学面将自由曲面的多项式展开的系数示于以下的表7。还有，在表7中，记号m、n是指系数Akm,n中的变量或阶数。并且，记号FFSk（k＝1～6）是指作为自由曲面的第1～第6面S11～S16之中的第k面。
（表7）
将构成实施例2的投影透视装置之中的投影透镜的光学面的非球面的系数示于以下的表8。
（表8）
在以上的表8中，记号K、Bi表示对作为构成投影透镜30的3个透镜31、32、33的透镜面的非球面APS1～APS6的非球面进行特定的系数。
图8为实施例2的投影透视装置70的剖视图。投影透视装置70之中的棱镜10具有：具有弱的负的折射力的第1面S11；具有比较强的正的折射力的第2面S12；具有比较弱的正的折射力的第3面S13；具有比较弱的负的折射力的第4面S14；具有比较弱的正的折射力的第5面S15；和具有比较强的正的折射力的第6面S16。投影透镜30具有：具有正的折射力的第1透镜31；具有负的折射力的第2透镜32；和具有正的折射力的第3透镜33。若关于实施例2的光学系统的具体的规格进行说明，则水平视角为20.1°，垂直视角为11.4°，图像显示元件的显示区域的大小为9.22×5.18mm，瞳径为5mm，焦点距离约为26mm。
图9（A）～9（F）及图10（A）～10（F）表示实施例2的像差。具体地，图9（A）及9（B）表示在X方向为10°在Y方向为5.7°的方位上的Y及X方向的像差，图9（C）及9（D）表示在X方向为0.0°在Y方向为5.7°的方位上的Y及X方向的像差，图9（E）及9（F）表示在X方向为－10°在Y方向为5.7°的方位上的Y及X方向的像差。图10（A）及10（B）表示在X方向为10°在Y方向为0.0°的方位上的Y及X方向的像差，图10（C）及10（D）表示在X方向为0.0°在Y方向为0.0°的方位上的Y及X方向的像差，图10（E）及10（F）表示在X方向为－10°在Y方向为0.0°的方位上的Y及X方向的像差。
实施例3
将构成实施例3的投影透视装置之中的棱镜及投影透镜的光学面的数据示于以下的表9。
（表9）
关于构成实施例3的棱镜中的光学面，将其横截面中的光轴倾斜角度（倾角）TLY和光轴偏离量（离心）DCX示于以下的表10。
（表10）
关于构成实施例3的棱镜中的各光学面将自由曲面的多项式展开的系数示于以下的表11。还有，在表11中，记号m、n是指系数Akm,n中的变量或阶数。并且，记号FFSk（k＝1～5）是指作为自由曲面的第1～第5面S11～S15之中的第k面。
（表11）
将构成实施例3的投影透视装置之中的投影透镜的光学面的非球面的系数示于以下的表12。
（表12）
在以上的表12中，记号K、Bi表示用于对作为构成投影透镜30的3个透镜31、32、33的透镜面的非球面APS1～APS6的非球面进行特定的系数。
图11为实施例3的投影透视装置70的剖视图。投影透视装置70之中的棱镜10具有：具有弱的负的折射力的第1面S11；具有比较强的正的折射力的第2面S12；具有比较弱的正的折射力的第3面S13；具有比较强的正的折射力的第4面S14；和具有比较弱的负的折射力的第5面S15。在此，第4面S14与实施例1等不同，作为反射面及折射面而起作用。具体地，第4面S14相对于从第3面S13逆行的光束（实际上为来自第5面S15的光）为全反射面，相对于从第5面S15逆行的光束（实际上为来自投影透镜30的光）为透射面。也就是说，第4面S14关于光路的折弯具有与实施例1的第4面S14同样的功能，关于光束的会聚兼备实施例1的第6面S16的功能。投影透镜30具有：具有正的折射力的第1透镜31；具有负的折射力的第2透镜32；和具有正的折射力的第3透镜33。若关于实施例3的光学系统的具体的规格进行说明，则水平视角为20.1°，垂直视角为11.4°，图像显示元件的显示区域的大小为9.22×5.18mm，瞳径为5mm，焦点距离约为26mm。
图12（A）～12（F）及图13（A）～13（F）表示实施例3的像差。具体地，图12（A）及12（B）表示在X方向为10°在Y方向为5.7°的方位上的Y及X方向的像差，图12（C）及12（D）表示在X方向为0.0°在Y方向为5.7°的方位上的Y及X方向的像差，图12（E）及12（F）表示在X方向为－10°在Y方向为5.7°的方位上的Y及X方向的像差。图13（A）及13（B）表示在X方向为10°在Y方向为0.0°的方位上的Y及X方向的像差，图13（C）及13（D）表示在X方向为0.0°在Y方向为0.0°的方位上的Y及X方向的像差，图13（E）及13（F）表示在X方向为－10°在Y方向为0.0°的方位上的Y及X方向的像差。
（实施例4）
将构成实施例4的投影透视装置之中的棱镜及投影透镜的光学面的数据示于以下的表13。
（表13）
关于构成实施例4的棱镜中的光学面，将其横截面中的光轴倾斜角度（倾角）TLY和光轴偏离量（离心）DCX示于以下的表14。
（表14）
关于构成实施例4的棱镜中的各光学面将自由曲面的多项式展开的系数示于以下的表15。还有，在表15中，记号m、n是指系数Akm,n中的变量或阶数。并且，记号FFSk（k＝1～6）是指作为自由曲面的第1～第6面S11～S16之中的第k面。
（表15）
将构成实施例4的投影透视装置之中的投影透镜的光学面的非球面的系数示于以下的表16。
（表16）
在以上的表16中，记号K、Bi表示用于对作为构成投影透镜30的2个透镜31、32的透镜面的非球面APS1～APS4的非球面进行特定的系数。
图14为实施例4的投影透视装置70的剖视图。投影透视装置70之中的棱镜10具有：具有弱的负的折射力的第1面S11；具有比较强的正的折射力的第2面S12；具有比较弱的正的折射力的第3面S13；具有比较弱的负的折射力的第4面S14；具有比较弱的正的折射力的第5面S15；和具有比较强的正的折射力的第6面S16。也就是说，实施例4的棱镜10具有与实施例1同样的第1～第6面S11～S16。投影透镜30具有：具有负的折射力的第1透镜31；和具有正的折射力的第2透镜32。若关于实施例4的光学系统的具体的规格进行说明，则水平视角为20.1°，垂直视角为11.4°，图像显示元件的显示区域的大小为9.22×5.18mm，瞳径为5mm，焦点距离约为26mm。
图15（A）～15（F）及图16（A）～16（F）表示实施例4的像差。具体地，图15（A）及15（B）表示在X方向为10°在Y方向为5.7°的方位上的Y及X方向的像差，图15（C）及15（D）表示在X方向为0.0°在Y方向为5.7°的方位上的Y及X方向的像差，图15（E）及15（F）表示在X方向为－10°在Y方向为5.7°的方位上的Y及X方向的像差。图16（A）及16（B）表示在X方向为10°在Y方向为0.0°的方位上的Y及X方向的像差，图16（C）及16（D）表示在X方向为0.0°在Y方向为0.0°的方位上的Y及X方向的像差，图16（E）及16（F）表示在X方向为－10°在Y方向为0.0°的方位上的Y及X方向的像差。
实施例5
将构成实施例5的投影透视装置之中的棱镜及投影透镜的光学面的数据示于以下的表17。
（表17）
关于构成实施例5的棱镜中的光学面，将其横截面中的光轴倾斜角度（倾角）TLY和光轴偏离量（离心）DCX示于以下的表18。
（表18）
关于构成实施例5的棱镜中的各光学面将自由曲面的多项式展开后的系数示于以下的表19。还有，在表19中，记号m、n是指系数Akm,n中的变量或阶数。并且，记号FFSk（k＝1～5）是指作为自由曲面的第1～第5面S11～S15之中的第k面。
（表19）
将构成实施例5的投影透视装置之中的投影透镜的光学面的非球面的系数示于以下的表20。
（表20）
在以上的表20中，记号K、Bi表示用于对作为构成投影透镜30的3个透镜31、32、33的透镜面的非球面APS1～APS6的非球面进行特定的系数。
图17为实施例5的投影透视装置70的剖视图。投影透视装置70之中的棱镜10具有：具有弱的负的折射力的第1面S11；具有比较强的正的折射力的第2面S12；具有比较弱的正的折射力的第3面S13；具有比较弱的负的折射力的第4面S14；和具有比较强的正的折射力的第5面S15。在此，第5面S15关于光束的会聚具有实施例1的第6面S16的功能。也就是说，图17的实施例5能够视为省略了示于图5的实施例1的第1～第6面S11～S16之中的第5面S15的实施例。投影透镜30具有：具有正的折射力的第1透镜31；具有负的折射力的第2透镜32；和具有正的折射力的第3透镜33。若关于实施例5的光学系统的具体的规格进行说明，则水平视角为20.1°，垂直视角为11.4°，图像显示元件的显示区域的大小为9.22×5.18mm，瞳径为5mm，焦点距离约为26mm。
图18（A）～18（F）及图19（A）～19（F）表示实施例5的像差。具体地，图18（A）及18（B）表示在X方向为10°在Y方向为5.7°的方位上的Y及X方向的像差，图18（C）及18（D）表示在X方向为0.0°在Y方向为5.7°的方位上的Y及X方向的像差，图18（E）及18（F）表示在X方向为－10°在Y方向为5.7°的方位上的Y及X方向的像差。图19（A）及19（B）表示在X方向为10°在Y方向为0.0°的方位上的Y及X方向的像差，图19（C）及19（D）表示在X方向为0.0°在Y方向为0.0°的方位上的Y及X方向的像差，图19（E）及19（F）表示在X方向为－10°在Y方向为0.0°的方位上的Y及X方向的像差。
实施例6
将构成实施例6的投影透视装置之中的棱镜及投影透镜的光学面的数据示于以下的表21。
（表21）
关于构成实施例6的棱镜中的光学面，将其横截面中的光轴倾斜角度（倾角）TLY和光轴偏离量（离心）DCX示于以下的表22。
（表22）
关于构成实施例6的棱镜中的各光学面将自由曲面的多项式展开的系数示于以下的表23。还有，在表23中，记号m、n是指系数Akm,n中的变量或阶数。并且，记号FFSk（k＝1～4）是指作为自由曲面的第1～第4面S11～S14之中的第k面。
（表23）
将构成实施例6的投影透视装置之中的投影透镜的光学面的非球面的系数示于以下的表24。
（表24）
在以上的表24中，记号K、Bi表示用于对作为构成投影透镜30的3个透镜31、32、33的透镜面的非球面APS1～APS6的非球面进行特定的系数。
图20为实施例6的投影透视装置70的剖视图。投影透视装置70之中的棱镜10具有：具有弱的负的折射力的第1面S11；具有比较强的正的折射力的第2面S12；具有比较弱的正的折射力的第3面S13；和具有比较强的正的折射力的第4面S14。在此，第4面S14关于光束的会聚具有实施例1的第6面S16的功能。也就是说，图20的实施例6能够视为省略了示于图5的实施例1的第1～第6面S11～S16之中的第4面S14及第5面S15的实施例。投影透镜30具有：具有正的折射力的第1透镜31；具有负的折射力的第2透镜32；和具有正的折射力的第3透镜33。若关于实施例6的光学系统的具体的规格进行说明，则水平视角为20.1°，垂直视角为11.4°，图像显示元件的显示区域的大小为9.22×5.18mm，瞳径为5mm，焦点距离约为26mm。
图21（A）～21（F）及图22（A）～22（F）表示实施例6的像差。具体地，图21（A）及21（B）表示在X方向为10°在Y方向为5.7°的方位上的Y及X方向的像差，图21（C）及21（D）表示在X方向为0.0°在Y方向为5.7°的方位上的Y及X方向的像差，图21（E）及21（F）表示在X方向为－10°在Y方向为5.7°的方位上的Y及X方向的像差。图22（A）及22（B）表示在X方向为10°在Y方向为0.0°的方位上的Y及X方向的像差，图22（C）及22（D）表示在X方向为0.0°在Y方向为0.0°的方位上的Y及X方向的像差，图22（E）及22（F）表示在X方向为－10°在Y方向为0.0°的方位上的Y及X方向的像差。
在以下的表25，关于各实施例1～6，归纳关于条件式（1）～（3）的数值数据。
（表25）
并且，在以下的表26，关于各实施例1～6，归纳关于第1面S11和第3面S13的间隔及第2面S12相对于第1面S11的倾斜角的数值数据。
（表26）
并且，条件式（3）对棱镜相对于外光的视度产生影响，若以棱镜的厚度为T，以折射率为N，则棱镜的光轴上的x轴方向的视度Dx及y轴方向的视度Dy以下式给出：
Dx＝2000（N－1）（A12,0－A32,0＋（2T（N－1）／N）×A12,0×A32，0）
Dy＝2000（N－1）（A10,2－A30,2＋（2T（N－1）／N）×A10,2×A30,2）。
基于上式，在以下的表27，归纳关于各实施例1～6的关于视度的数值数据。
（表27）
（其他）
虽然以上就各实施方式对本发明进行了说明，但是本发明并不限于所述的实施方式，在不脱离其主旨的范围内可以在各种方式下实施，例如也可以为如下的变形。
虽然在所述的说明中，半透射半反射镜层（半透射半反射膜）15形成为横长的矩形区域，但是半透射半反射镜层15的轮廓能够相应于用途及其他的使用而适当变更。并且，半透射半反射镜层15的透射率和／或反射率也能够相应于用途等而变更。
虽然在所述的说明中，并未对图像显示元件82中的显示辉度的分布特别进行调整，但是在根据位置而产生辉度差等的情况下，能够将显示辉度的分布调整为不均等。
虽然在所述的说明中，作为图像显示装置80，采用包括透射型的液晶显示器件等的图像显示元件82，但是作为图像显示装置80，并不限于包括透射型的液晶显示器件等的图像显示元件82而可以利用各种元件。例如，既可以为采用反射型的液晶显示器件的构成，也能够代替包括液晶显示器件等的图像显示元件82而采用数字微镜器件等。并且，作为图像显示装置80，也能够采用为LED阵列和／或OLED（有机EL）等所代表的自发光型元件。
虽然在所述实施方式中，采用包括透射型的液晶显示器件等的图像显示装置80，但是也能够代之于采用扫描型的图像显示装置。
具体地如示于图23地，作为虚像显示装置的第1显示装置100A具备导光部20和图像显示装置380。因为导光部20相当于所述实施方式的图1中的第1光学部分103a，即相当于使棱镜10和光透射构件50相接合所得的构件，所以在此将说明进行省略。图像显示装置380为形成强度调制的信号光并使该信号光作为扫描光TL射出的装置，具有信号光形成部381和扫描光学系统382。
信号光形成部381具备光源，射出基于来自未图示的控制电路的控制信号进行调制而形成的信号光LL。扫描光学系统382使经由信号光形成部381的信号光LL边扫描边射出。在此，扫描光学系统382以MEMS镜等构成，进行如下的2维扫描：通过同步于通过信号光形成部381进行的信号光LL的调制使姿势变化对信号光LL的光路进行调整而使光线（扫描光TL）的射出角度纵横地变化。通过以上，图像显示装置380使应当成为图像光GL的扫描光TL入射于导光部20并相对于第2面S12之中的形成半透射半反射镜层15的部分区域的整体扫描。
若关于图示的第1显示装置100A的工作进行说明，则图像显示装置380如所述地，以信号光LL为扫描光TL朝向导光部20的第6面S16射出。导光部20使通过了第6面S16的扫描光TL通过全反射等在内部导光，到达半透射半反射镜层15。此时，通过扫描光TL在半透射半反射镜层15的面上扫描，通过作为扫描光TL的轨迹的图像光GL形成虚像，通过配戴者以眼睛EY捕捉该虚像，观看图像。还有，在图示的情况下，导光部20之中的作为光入射面的第6面S16相对于扫描光TL的光轴为垂直的平面。并且，第5面S15及第4面S14也是平面。
并且，虽然在所述实施方式中构成为，作为导光构件的棱镜10和作为辅助棱镜的光透射构件50覆盖配戴者的眼睛EY的前方整体，但是并不限于此，例如如示于图24（A）及24（B）地，也可以为以下的小型的构成：包括作为具有半透射半反射镜层15的曲面形状的第2面S12的部分仅覆盖眼睛EY的一部分，即覆盖眼前的一部分，也存在不覆盖的部分。并且，该情况下，通过使棱镜10及光透射构件50充分小，即使为不透视地代替半透射半反射镜层15而配置进行全反射的镜的构成，配戴者也能够从棱镜10及光透射构件50的周围观看外界。还有，虽然在图示的情况下，在第2面S12的整体或基本整体形成半透射半反射镜层15，但是也可以仅在第2面S12的一部分形成半透射半反射镜层15。并且，虽然在图24（B）的例中，在眼睛EY的基本正面配置半透射半反射镜层15，但是也可以偏离正面地配置半透射半反射镜层15，并通过移动视线而可以观看图像。例如，也可以为眼睛EY的位置稍稍向下（稍稍提高棱镜10及光透射构件50的位置）。该情况下，例如成为能够从棱镜10及光透射构件50之下看到眼睛EY的下半部分的状态。
虽然在所述的说明中，关于具备一对显示装置100A、100B的虚像显示装置100进行了说明，但是也能够为单个的显示装置。也就是说，也可以构成为：并非对应于右眼及左眼的双方，各一组地设置投影透视装置70及图像显示装置80，而是仅对于右眼或左眼的某一方设置投影透视装置70及图像显示装置80，单眼观看图像。
虽然在所述的说明中，关于一对显示装置100A、100B的X方向的间隔并未进行说明，但是两显示装置100A、100B的间隔并不限定于固定，可以通过机械机构等进行间隔的调整。也就是说，两显示装置100A、100B的X方向的间隔能够相应于配戴者的眼宽等进行调整。
虽然在所述的说明中，半透射半反射镜层15仅为半透射性的膜（例如金属反射膜和／或电介质多层膜），但是半透射半反射镜层15能够替换为平面或曲面的全息元件。
虽然在所述的说明中，虚像显示装置100作为头戴式显示器进行了具体的说明，但是虚像显示装置100也能够改变为平视显示器。
虽然在所述的说明中，在棱镜10的第1面S11及第3面S13中，在表面上不施加镜和／或半透射半反射镜等而通过与空气的界面使图像光全反射地引导，但是关于本申请发明的虚像显示装置100中的全反射，也包括在第1面S11或第3面S13上的整体或一部分形成镜涂层和／或半透射半反射镜膜而进行的反射。例如，也包括以下情况：在图像光的入射角度满足全反射条件的基础上，在所述第1面S11或第3面S13的整体或一部分施加镜涂层等，实质上对全部的图像光进行反射。并且，只要能够得到足够的亮度的图像光，也可以通过多少具有透射性的镜涂敷第1面S11或第3面S13的整体或一部分。
虽然在所述的说明中，棱镜10等沿着眼睛EY排列的横向方向延伸，但是也能够配置为，使棱镜10沿着纵向方向延伸。该情况下，光学构件110具有并非直列而是并列地平行配置的结构。

Claims (13)

1.一种虚像显示装置，其特征在于：
使图像光和外界光同时被观看；
具备使图像光产生的图像元件和1个棱镜，
该1个棱镜包括3个面以上的非轴对称的曲面并作为光学系统的一部分在内部形成中间像；
当通过构成所述棱镜的多个面之中的第1面和第3面而观看外界时，视度基本为0；
所述第1面和所述第3面相对于观看侧呈凹面形状；
来自所述图像元件的图像光在以所述第3面全反射、以所述第1面全反射、以第2面反射之后，透射所述第1面而到达观看侧；
以构成所述光学系统的各面的原点为基准，当设面形状的表达式为关于从原点延伸于切线方向的正交坐标x及y进行了多项式展开的表达式时，以表示第k面的多项式的项xm·yn的系数为Akm,n，满足下述(1)～(3)的条件，
－5×10－2＜A12,0+A10,2＜－1×10－3以及
－5×10－2＜A32,0+A30,2＜－1×10－3…(1)
|A32,0－A30,2|＜1×10－2…(2)
|A12,0－A32,0|＜5×10－3以及
|A10,2－A30,2|＜5×10－3…(3)。
2.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其特征在于：
所述棱镜具有光射出侧的第1棱镜部分和光入射侧的第2棱镜部分，所述光射出侧的第1棱镜部分具有第1面、第2面和第3面；并且所述第1棱镜部分和所述第2棱镜部分一体形成。
3.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其特征在于：
在所述第2面形成半透射半反射镜，将图像光提供给观看者，并在所述第2面的外侧一体地配置光透射构件，使相对于外界光的视度基本为0，将外界光和图像光重叠地提供给观看者。
4.根据权利要求3所述的虚像显示装置，其特征在于：
所述光透射构件在观看者侧具有第1透射面和第2透射面并在外界侧具有第3透射面，所述棱镜的第2面和所述光透射构件的第2透射面具有基本相同的曲面形状，所述第2面和所述第2透射面一体化。
5.根据权利要求2所述的虚像显示装置，其特征在于：
进一步具备使来自所述图像元件的图像光入射于所述棱镜的投影透镜；
至少所述棱镜的一部分和所述投影透镜构成形成中间像的中继光学系统。
6.根据权利要求5所述的虚像显示装置，其特征在于：
所述投影透镜包括轴对称的透镜，包括至少1个面以上的非球面。
7.根据权利要求5所述的虚像显示装置，其特征在于：
所述第2棱镜部分至少具有1个以上的光学面，并通过所述图像元件、所述投影透镜和所述第2棱镜部分形成中间像。
8.根据权利要求7所述的虚像显示装置，其特征在于：
所述图像元件为从显示位置射出图像光的图像显示元件；
所述投影透镜和所述第2棱镜部分作为所述中继光学系统，使从所述图像显示元件的显示位置射出的图像光在所述棱镜的内部成像而形成中间像。
9.根据权利要求7或8所述的虚像显示装置，其特征在于：
所述第2棱镜部分具有兼具作为折射面及反射面的功能的至少1个以上的光学面。
10.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其特征在于：
所述第1面与所述第3面的间隔为5mm以上且15mm以下。
11.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其特征在于：
所述第2面相对于所述第1面的倾斜角为20°以上且40°以下。
12.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其特征在于：
包括所述棱镜的所述光学系统在配戴时覆盖观看者的眼前之中的一部分，使眼前未被覆盖的部分存在。
13.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其特征在于：
所述图像元件具有射出对应于图像调制的信号光的信号光形成部和通过使从所述信号光形成部入射的信号光扫描而作为扫描光射出的扫描光学系统。
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