CN103592763A - 虚像显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供具有使外界光和图像光重叠而显示的透视功能、广视场角且高性能并且小型轻量、能够抑制重像的产生的虚像显示装置。将图像光之中的进行非预期的反射的分量通过配置于射出瞳位置（PP）的遮光结构即遮光构件（40）预先进行去除，由此可以对重像的产生进行抑制，形成优质的图像。并且，因为通过投影透镜（30）等在棱镜（10）的内部形成中间像，并且按第3面（S13）、第1面（S11）及第2面（S12）的顺序在2个面以上被全反射的图像光（GL）透射第1面（S11）而到达观察者的眼睛（EY），所以能够使棱镜（10）成为薄型而使光学系统整体变得小型且轻量，并实现广视场角而明亮的高性能的显示。

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形成的图像提供给观察者的虚像显示装置，尤其涉及适于在观察者的头部配戴的头戴式显示器的虚像显示装置。

背景技术

作为组装于在观察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）。

关于HMD等的虚像显示装置，期待使小型化及轻量化发展和不使像质降低而达到广视场角化。并且，若完全覆盖观察者的视场、成为仅能看到图像光的状态，则观察者不能判断外界的状态，会产生不安。反倒不如通过使外界和图像重叠来观看，产生如虚拟现实那样的新的用途。因此，期待不妨碍外界的视场地使图像光重叠进行显示的显示器。而且，为了使观察者的配戴感提高、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在脸部的横侧离开地配置。

在专利文献1中，提出以下技术：具有使显示于图像显示元件的图像成像于中间成像面的中继系统，并且尤其具有对光束的一部分进行遮光的多个光阑，由此使重像和／或光斑减少。这些光阑相对于光轴对称地配置。

可是，为了谋求虚像显示装置的小型化及轻量化，而且不使像质降低而达到广视场角化，例如在使图像光导波的棱镜等的构件中，存在想要无余裕地使用直至具有光学功能的面的边界附近为止的情况。但是，在直至边界附近为止使用的那样的部位，图像光的一部分容易被导波到并非预期的方向，容易产生重像。

专利文献1：日本特许4926432号公报

发明内容

本发明的目的在于提供具有使外界光和图像光重叠而显示的透视功能、广视角且高性能、并且小型轻量、能够抑制重像的产生的虚像显示装置。

本发明涉及的第1虚像显示装置具备：（a）使图像光产生的图像显示元件、（b）射出来自图像显示元件的图像光的投影透镜和（c）在对于图像光之中的从图像显示元件的预定部位产生的部分光束关于预定方向取入的角度范围具有偏差的棱镜；（d）是使图像光和外界光同时被观看的虚像显示装置；具备（e）遮光结构，该遮光结构在投影透镜的射出瞳位置配置于从光轴离开的周边侧，预先对从预定部位产生的图像光的部分光束之中的关于预定方向取入的角度范围变窄侧进行遮光。在此，投影透镜的射出瞳位置指的是：投影透镜内或与投影透镜相邻的位置，是与作为观察者的眼睛的配置的位置的本来的射出瞳位置处于共轭的关系即与本来的射出瞳位置等效的位置。在射出瞳位置中，可以对图像光的全部的光束进行控制。

在所述虚像显示装置中，虽然通过例如棱镜包括不对称的形状的曲面，可以确保视场角和／或像质并成为薄型而使光学系统整体成为小型，但是另一方面，存在在棱镜中在能够有效地取入图像光的角度范围方面产生限制（偏差）的情况。在如此的情况下，若存在通过该角度范围外的分量，则该分量有可能进行非预期的反射而成为重像产生的原因。相对于此，在所述虚像显示装置中，遮光结构在投影透镜的射出瞳位置，设置于从光轴离开的周边侧。由此，例如对于如来自图像显示元件的周边的图像光之中的从接近观察者的眼睛侧射出的部分光束地、包括以棱镜取入的角度范围变窄而通过角度范围外的分量的光束，能够通过遮光结构将变得无用的分量在其向棱镜入射前预先遮挡。此时，通过遮光结构在观察者的眼睛的瞳孔位置的共轭位置进行遮光，不会关于图像光之中的并非遮光的对象的其他的光束而使不均匀产生、不会连必需的分量也去除而招致辉度劣化，能够进行预期的分量去除。也就是说，能够避免遮挡作为图像光而有用的分量，并抑制起因于无用的分量的重像的产生。还有，关于外界光，能够通过使棱镜能够透视而能够观察。

在本发明的具体的侧面中，包括投影透镜的光学系统为在棱镜的内部形成中间像的中继光学系统。该情况下，通过形成中间像，即使在使图像显示元件的设置部位成为例如耳朵附近那样地对于观察者不会成为妨碍的从眼睛离开的位置的情况下，也能够使成像状态良好的图像形成。

在本发明的另一侧面中，遮光结构为遮光构件，其形成遮蔽圆形开口的一部分的开口形状，配置于构成投影透镜的一部分的透镜的光路前级，对图像光向该一部分的透镜入射的入射范围进行规定。该情况下，通过改变遮光构件的形状，能够调整偏振状态。

在本发明的又一侧面中，遮光结构对从投影透镜的光轴离开的周边区域之中的、棱镜延伸于观察者侧的部分区域的一部分进行遮光。该情况下，能够对最容易使重像产生的分量可靠地进行遮光。

在本发明的又一侧面中，棱镜包括3个以上的不对称的形状的曲面；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面相对于观察侧呈凹面形状；来自图像显示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，到达观察侧。该情况下，因为能够使棱镜成为薄型而使光学系统整体变得小型且轻量，所以能够使重心靠近观察者而使配戴感提高。

在本发明的又一侧面中，遮光结构对朝向棱镜的相邻于第2面的外界侧的面的图像光预先进行遮光。该情况下，能够将在棱镜内最容易产生重像的图像光的分量在遮光结构中预先进行去除。

在本发明的又一侧面中，在第2面形成半透射半反射镜，将图像光提供给观察者，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察者。该情况下，能够降低透过第2面观察的外界光的散焦和／或失真。

在本发明的又一侧面中，光透射构件在观察者侧具有第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率的形状，第2面和第2透射面被一体化。该情况下，能够使面彼此接合而一体化。

在本发明的又一侧面中，投影透镜包括轴对称的透镜，至少包括1个面以上的非球面。

本发明涉及的第2虚像显示装置具备：（a）使图像光产生的图像显示元件、（b）射出来自图像显示元件的图像光的投影透镜和（c）具有在对于图像光之中的从图像显示元件的预定部位产生的部分光束关于预定方向取入的角度范围方面使偏差产生的面形状的棱镜；（d）是使图像光和外界光同时被观看的虚像显示装置；具备（e）遮光结构，该遮光结构在投影透镜的射出瞳位置配置于从光轴离开的周边侧，对从预定部位产生的部分光束之中的、越过棱镜的面形状的边界部分而入射于规定的光路外的部分的图像光，预先进行遮光。

在所述虚像显示装置中，通过例如棱镜将不对称的形状的曲面包括于所述面形状中，可以确保视场角和／或像质并成为薄型而使光学系统整体成为小型，但是，另一方面，存在棱镜中在能够有效地取入图像光的角度范围方面产生限制（偏差）的情况。在如此的情况下，若存在通过该角度范围外的分量，则该分量有可能进行非预期的反射而成为重像产生的原因。相对于此，在所述虚像显示装置中，遮光结构在投影透镜的射出瞳位置，设置于从光轴离开的周边侧。由此，例如对于如来自图像显示元件的周边的图像光之中的从接近观察者的眼睛侧射出的部分光束那样地、越过棱镜的面形状的边界部分而入射于规定的光路外的部分的图像光的分量，能够通过遮光结构在其向棱镜入射前预先遮挡。此时，通过遮光结构在观察者的眼睛的瞳孔位置的共轭位置进行遮光，不会关于图像光之中的并非遮光的对象的其他的光束而使不均匀产生、不会连必需的分量也去除而招致辉度劣化，能够进行预期的分量去除。也就是说，能够避免遮挡作为图像光而有用的分量，并抑制起因于无用的分量的重像的产生。还有，关于外界光，能够通过使棱镜能够透视而能够观察。

在本发明的具体的侧面中，棱镜包括3个以上形成面形状的不对称的形状的曲面；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面相对于观察侧呈凹面形状；来自图像显示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，到达观察侧；当以第2面进行反射时，遮光结构对越过通过第2面和第3面形成的边界部分而朝向作为规定的光路外的部分的第3面的图像光，预先进行遮光。该情况下，使棱镜成为薄型而使配戴感提高，并且即使在伴随着薄型化而在图像光的光路方面产生限制的情况下，也能够将在棱镜内最容易产生重像的图像光的分量在遮光结构中预先进行去除。

附图说明

图1是对第1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剖视图，图3（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是对比较例的棱镜中的光学面和／或光路进行说明的剖视图。

图6是关于变形例的遮光结构进行说明的图。

图7是关于第2实施方式的虚像显示装置进行说明的图。

图8是关于第3实施方式的虚像显示装置进行说明的图。

符号说明

AX1—AX5…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，40…遮光构件（遮光结构），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，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…粘接层，PP…射出瞳位置

具体实施方式

第1实施方式

以下，一边参照附图，一边关于本发明涉及的第1实施方式的虚像显示装置详细地进行说明。

A．虚像显示装置的外观

示于图1的本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的观察者能够使通过虚像产生的图像光被观看，并能够使观察者透视地观看或观察外界像。虚像显示装置100具备覆盖观察者的眼前的透视构件101、对透视构件101进行支持的框架102和附加到框架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为以覆盖观察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组合而成的第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组合而成的第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、成像用的投影透镜30和作为对图像光的一部分进行遮光的遮光结构的遮光构件40。棱镜10和光透射构件50通过接合而一体化，使得棱镜10的顶面10e和框架61的底面61e相接地牢固地固定于框架61的下侧。投影透镜30介由对其进行收置的镜筒62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翻转，所以对于第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为俯视按照沿着面部的方式弯曲的圆弧状的构件，能够认为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为中心轴的自由曲面，第3面S13为以射出侧光轴AXO为中心轴的自由曲面。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为中心轴的自由曲面。还有，以上的第1～第6面S11～S16夹着水平（或横向）地延伸而平行于XZ面且光轴AX1～AX5等通过的基准面SR，具有关于铅垂（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，通过在模具内注入热塑性树脂使之固化，而成型。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，相对于观察者呈凹面形状。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的方向基本整体地配置。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的观察的观点，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。第3面S13配置于眼睛EY的正面，与第1面S11同样地相对于观察者呈凹面形状，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。

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以防止表面的损伤并防止图像的分辨率下降为目的，虽然也能够对主体部分10s以硬涂层进行覆盖，但是代之于硬涂层或者也能够从硬涂层之上进一步以反射防止膜17进行覆盖。

如以上地，虽然第1面S11～第6面S16形成棱镜10的表面的面形状，尤其是引导图像光GL，但是反过来说，则第1面S11～第6面S16对作为图像光GL能够到达观察者的范围即能够容许的入射光的角度范围进行限制，结果在角度范围方面使偏差产生。尤其是，在本实施方式的情况下，因为棱镜10的各面S11～S16相对于图像光GL为不对称的形状的曲面，所以因射出图像光GL的位置而使得在棱镜10中被导波一方变得不对称。具体地，例如在图像光GL之中，设从图像显示装置80的中央侧射出的分量为第1部分光束GL1，设从周边侧射出的分量的从离观察者（或半透射半反射镜层15）较远侧射出的分量为第2部分光束GL2，设从离观察者（或半透射半反射镜层15）较近侧射出的分量为第3部分光束GL3时，则在这些各部分光束GL1、GL2、GL3之间，能够在棱镜10中传播的角度范围不同。因此，例如，在第3部分光束GL3之中的一部分分量中，有可能包括能够在棱镜10传播的角度范围以外的分量，尤其是，当第3部分光束GL3在第2面S12与第3面S13的边界部分K传播时，进行非预期的反射的可能性变高。也就是说，在图示的情况下，边界部分K附近最限制图像光GL的角度范围。假设如此的分量在棱镜10传播，则有可能使重像产生。

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，间接地支撑投影透镜30及图像显示装置80。棱镜10的光入射侧与投影透镜30等一起被盖构件63覆盖而遮光。棱镜10的上端部或下端部也被盖构件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。遮光部例如能够包括遮光性的涂层和／或光散射层。

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为了使从图像显示装置80射出的图像光GL再成像而使其介由棱镜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OI上的各点射出的影像光或图像光再成像于棱镜10内的中继光学系统。还有，棱镜10的各面通过与投影透镜30协同工作而作为中继光学系统的一部分起作用。

在此，在投影透镜30中，使光束成为最收窄的状态的射出瞳位置PP位于3个透镜31、32、33之中的位于图像显示装置80侧的透镜32和透镜33之间。也就是说，如图示地，在射出瞳位置PP处成为各部分光束GL1、GL2、GL3基本重叠的状态。在此，虚像显示装置100中的本来的射出瞳位置为应当配置眼睛EY的位置。图中的射出瞳位置PP相对于观察者的眼睛EY的射出瞳位置处于共轭的关系。也就是说，射出瞳位置PP为投影侧的射出瞳位置，位于与本来的射出瞳位置等效的位置，通过在射出瞳位置PP进行通过遮光实现的光的控制，能够对应当入射于观察者的眼睛EY的图像光GL的状态进行控制。

遮光构件40例如为涂黑的光吸收性的板状构件，在投影透镜30之中，配置于所述的射出瞳位置PP。而且，遮光构件40在该位置，从接近观察者的眼睛EY侧（＋X侧）朝向作为投影透镜30的光轴的光轴AXI延伸，对离开光轴AXI的周边区域之中的棱镜10延伸于观察者侧的部分区域的一部分的分量进行遮光。也就是说，遮光构件40通过在投影透镜30内或与投影透镜30相邻地配置，发挥作为对图像光GL的一部分进行遮光的遮光结构的功能。更具体地，遮光构件40关于通过投影透镜30的图像光GL之中的例如第3部分光束GL3，仅对通过作为图像显示装置80的周边侧的接近观察者侧的分量进行遮光。由此，遮光构件40对包括于第3部分光束GL3的有可能产生重像的分量预先进行去除。此时，通过将遮光构件40配置于各光束成为基本重叠的状态的相对于眼睛EY的瞳孔位置处于共轭的关系的射出瞳位置PP，不会关于图像光GL的其他的光束不均匀地遮光而使不均匀产生、不会连必需的分量也去除而招致辉度劣化，可以有效地进行引起重像的分量的去除。

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位于使棱镜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通过粘接层CC接合而一体化的曲面；第3透射面S53位于使棱镜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S12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，包括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热塑性树脂材料。

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的光漫射而成为矩形截面的光束的背光源导光部81b。图像显示元件82例如包括液晶显示器件，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／或静态图像的来源的彩色的图像光。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82射出的图像光GL边通过投影透镜30会聚，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，被具有比较弱的正的折射力的第5面S15反射，被具有比较弱的负的折射力的第4面S14反射。

被第2棱镜部分12的第4面S14反射了的图像光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而被全反射，入射于具有比较弱的负的折射力的第1面S11而被全反射。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对应于图像显示元件82的像面OI，但是通过第3面S13折返。

被第1面S11全反射的图像光GL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也边部分性地被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作为相对于在此被反射的图像光GL具有比较强的正的折射力的部件而起作用。并且，第1面S11作为相对于通过其的图像光GL具有负的折射力的部件而起作用。

通过了第1面S11的图像光GL作为基本平行光束入射于观察者的眼EY的瞳孔。也就是说，观察者通过作为虚像的图像光GL，观察形成于图像显示元件82上的图像。

另一方面，外界光HL之中的入射于比棱镜10的第2面S12靠-X侧处的光，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，观察者透过棱镜10观察到失真少的外界像。同样地，外界光HL之中的入射于比棱镜10的第2面S12靠+X侧处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，观察者透过光透射构件50观察到失真少的外界像。而且，外界光HL之中的入射到对应于棱镜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，观察者透过光透射构件50观察到失真少的外界像。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也边部分性地被反射，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，所以观察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上的图像一并还观察到外界像。

在棱镜10内传播而入射于第2面S12的图像光GL之中的未被半透射半反射镜层15反射的光，入射于光透射构件50内，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侧入射并被半透射半反射镜层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向棱镜10射出。也就是说，可防止被半透射半反射镜层15反射的外界光HL返回到光路上而成为杂散光。

在此，如示于图4地，关于图像光GL的各部分光束之中的例如从离开图像显示装置80的中心的周边侧产生的第3部分光束GL3，关于平行于XZ面（即平行于基准面SR）且关于垂直于光轴AXI的方向从离开光轴AXI侧射出的分量，通过遮光构件40成为一部分被预先遮光的状态而在棱镜10的内部传播。通过如此的光的调整，第3部分光束GL3不会在棱镜10内向非预期的方向进行反射而成为重像产生的原因，仅射出应当可被有效地利用的分量。如示于图4地，第3部分光束GL3在通过棱镜10进行的导波中，虽然从第6面S16入射，并经由第5面S15、第4面S14、第3面S13，进而在以第1面S11全反射之后，从第1面S11入射于第2面S12，但是此时，直至第2面S12之中的与第3面S13之间的边界附近为止而使用。也就是说，对第2面S12的范围进行限制的结果是，关于第3部分光束GL3取入的角度范围变窄。当向该第2面S12入射时，若存在越过边界部分K而入射于作为规定的光路外的部分的第3面S13的分量，则该分量有可能向非预期的方向反射，被识别为重像光。在本实施方式中，通过遮光构件40对第3部分光束GL3之中的取入的角度范围变窄侧的分量预先进行去除，由此对重像的产生进行抑制。换言之，则遮光构件40成为如下遮光结构：对于在棱镜10中作为在取入作为入射光的图像光GL的角度范围方面使偏差产生的面之1的第2面S12（包括半透射半反射镜层15），预先防止应当向第2面S12入射的分量越过边界部分K而入射于第3面S13。

相对于此，如示于图5的比较例地，若未设置遮光构件40，则在图像显示元件82中第3部分光束GL3之中的最外侧的分量GG在棱镜10内进行导波。该分量GG如图示地，与其他的分量不同，进行非预期的反射，结果成为重像产生的原因。若具体地沿着光路，则分量GG在通过棱镜10进行的导波中，从第6面S16入射，并经由第5面S15、第4面S14、第3面S13，进而在以第1面S11全反射之后，在应当从第1面S11朝向第2面S12时，并不入射于第2面S12，而越过边界部分K地入射于相邻于第2面S12的外界侧的面、即入射于作为规定的光路外的部分的第3面S13之中的接近第2面S12的面部分SA，而向非预期的方向反射。因此，分量GG在以面部分SA进行了反射之后，再次以第1面S11全反射后朝向第2面S12被反射，从第1面S11射出。通过以上，分量GG以与第3部分光束GL3的本来的射出角度不同的射出角度到达观察者的眼睛EY，被识别为重像光。相对于此，在本实施方式中，通过如上述地具有遮光构件40，对如分量GG那样的光在其向棱镜10进行入射之前的阶段进行去除。也就是说，如示于图4地，通过以遮光构件40进行的事先的遮光，可避免下述情况：在从棱镜10射出前的阶段中应当在第2面S12进行最终的反射而取出的分量越过边界部分K而入射于作为规定的光路外的部分的第3面S13，进行非预期的反射而成为重像。

如以上地，在本实施方式的虚像显示装置100中，能够将图像光的分量之中的如所述地进行非预期的反射的分量GG，通过在射出瞳位置PP配置于离开光轴AXI的周边侧的遮光构件40预先进行去除。由此，可以对重像的产生进行抑制，形成优质的图像。并且，在虚像显示装置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且按第3面S13、第1面S11及第2面S12的顺序以2个面以上被全反射的图像光GL透射第1面S11到达观察者的眼睛EY，所以能够使棱镜10成为薄型而使光学系统整体成为小型且轻量，并能够实现宽视场角而明亮的高性能的显示。并且，关于外界光HL，例如能够使其通过第1面S11和第3面S13而观察，使此时的视度基本为0，所以能够降低当透视地观察外界光HL时的外界光HL的散焦和／或失真。并且，棱镜10的形状成为沿着观察者的面部的形状，能够使得重心既接近面部、设计也优异。还有，在使左右翻转的左眼用的第2显示装置100B（参照图1）的情况下，虽然有可能按相反的朝向产生重像，但是与所述同样地能够预先进行去除。

还有，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。

并且，棱镜10的第1面S11关于X方向的宽度例如为10mm以上且30mm以下。并且，第2面S12相对于第3面S13的倾斜角例如为140°以上且160°以下。

并且，关于棱镜10的第4面S14或第5面S15，为了进行光路的调整和／或像差的更加精密的校正而设置，能够考虑投影透视装置70的规格等而省略。

并且，虽然在上述方案中构成为，在第2面S12中具有半透射半反射镜层15，但是也可以代替该半透射半反射镜层15，通过使全息图进行成膜而进行图像形成。在该情况下，通过遮光构件40，也能够预先防止：应当入射于具有全息图的第2面S12的分量越过边界部分K而入射于作为规定的光路外的部分的第3面S13并使重像产生。

图6是用于关于变形例的遮光构件40进行说明的图。虽然在所述方案中，使作为遮光结构的遮光构件40为1个板状构件，但是作为本实施方式的遮光结构的遮光构件40并不限于此，也可以为如下那样的构件：设置为示于图2等的镜筒62的一部分，使用于使光通过的开口形状从圆筒的对称的形状变形。具体地，如示于图6地，遮光构件40也可以设置为镜筒62的一部分，该镜筒62形成为，将作为设置于开口光阑位置的圆形的开口形状的圆孔的一部分填埋。该情况下，通过堵塞设置为镜筒62的一部分的环状的开口光阑IR之中的一部分地安装遮光构件40，使得作为结果所形成的开口部OP成为相应于需要的遮光区域填埋关于光轴AXI对称的圆形的一部分的形状，关于光轴AXI成为关于水平方向（X方向）不对称的形状的孔。该情况下，遮光构件40配置于作为构成投影透镜30的一部分的透镜的透镜33的光路前级，对图像光GL向透镜33入射的入射范围进行规定，发挥作为遮光结构的功能。

并且，关于如遮光构件40的遮光结构，可以为各种结构和／或方法，例如，也可以对应当遮光的光通过的透镜部分进行切除。并且，遮光构件40并不限于涂黑使其具有光吸收性，只要不存在产生新的杂散光等的问题，例如也可以为光漫射性的构件。

第2实施方式

以下，关于第2实施方式涉及的虚像显示装置进行说明。还有，本实施方式涉及的虚像显示装置为第1实施方式涉及的虚像显示装置100的变形例，因为除了投影透视装置70的结构以外，与虚像显示装置100相同，所以将整体的说明进行省略。

图7是构成本实施方式涉及的虚像显示装置的投影透视装置70的剖视图。如图示地，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：具有正的折射力的透镜31；具有负的折射力的透镜32；和具有正的折射力的透镜33。

在此，遮光构件40在构成投影透镜30的透镜之中的透镜32和透镜33之间的射出瞳位置PP配置于离开光轴AXI的周边侧。也就是说，即使在棱镜10的各面S11～S16和／或构成投影透镜30的透镜31～33的形状和／或放大能力与第1实施方式不同的情况下，通过将遮光构件40在射出瞳位置PP配置于离开光轴AXI的周边侧，在本实施方式的情况下，也可以对在棱镜10中应当入射于第2面S12的分量入射于第3面S13而进行非预期的反射的分量预先进行去除，对重像的产生进行抑制，形成优质的图像。

第3实施方式

以下，关于第3实施方式涉及的虚像显示装置进行说明。还有，本实施方式涉及的虚像显示装置为第1实施方式涉及的虚像显示装置100的变形例，因为除了投影透视装置70的结构以外，与虚像显示装置100相同，所以将整体的说明进行省略。

图8是构成本实施方式涉及的虚像显示装置的投影透视装置70的剖视图。如图示地，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：具有负的折射力的透镜31；和具有正的折射力的透镜32。也就是说，投影透镜30包括2个透镜。

在此，遮光构件40在构成投影透镜30的透镜之中的透镜31和透镜32之间的射出瞳位置PP配置于离开光轴AXI的周边侧。也就是说，即使在棱镜10的各面的形状和／或构成投影透镜30的透镜的片数与第1实施方式等不同的情况下，通过将遮光构件40在射出瞳位置PP配置于离开光轴AXI的周边侧，在本实施方式的情况下，也可以将在棱镜10中应当入射于第2面S12的分量入射于第3面S13而进行非预期的反射的分量预先进行去除，对重像的产生进行抑制，形成优质的图像。

其他

虽然就以上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进行实施，例如也可以为如以下的变形。

虽然在所述的说明中，遮光构件40配置于投影透镜30的射出瞳位置PP上，但是只要能够去除应当遮光的分量且不会对其他的有用的分量产生严重影响则不限于正确地配置于射出瞳位置PP，例如也可以配置于基本接近其的位置且稍微接近图像显示元件82侧。但是，该情况下条件为：例如不会对图像光GL之中的从比第3部分光束GL3稍微接近光轴AXI的中心侧射出的分量超出需要地进行遮光等。

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及其他而变更。

虽然在所述的说明中，对图像显示元件82中的显示辉度的分布并未特别进行调整，但是在因位置产生辉度差等的情况下，能够对显示辉度的分布不均等地进行调整。

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，而可以采用各种构成。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，也能够采用由LED阵列和／或OELD（有机EL）等所代表的自发光型元件。

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，各设置一组投影透视装置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使用者的眼宽等进行调整。

虽然在所述的说明中，关于虚像显示装置100是头戴式显示器的情况进行了具体的说明，但是虚像显示装置100也能够改变为平视显示器。进而，也能够将虚像显示装置100应用于取景器光学系统。

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其与空气的界面使图像光全反射地引导，但是关于本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，只要能够得到充分的明亮度的图像光，也可以通过稍微具有透射性的镜而涂敷第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101具有并非直列而是并列地平行配置的结构。

Claims (11)

1.一种虚像显示装置，其特征在于，

具备：

图像显示元件，其使图像光产生，

投影透镜，其射出来自所述图像显示元件的图像光，和

棱镜，其在对于图像光之中的从所述图像显示元件的预定部位产生的部分光束关于预定方向取入的角度范围方面具有偏差；

该虚像显示装置使图像光和外界光同时被观看；

具备遮光结构，该遮光结构在所述投影透镜的射出瞳位置配置于从光轴离开的周边侧，对从所述预定部位产生的图像光的部分光束之中的关于所述预定方向取入的角度范围变窄侧，预先进行遮光。

2.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其特征在于：

包括所述投影透镜的光学系统为在所述棱镜的内部形成中间像的中继光学系统。

3.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其特征在于：

所述遮光结构为下述遮光构件：形成遮蔽圆形开口的一部分的开口形状，配置于构成所述投影透镜的一部分的透镜的光路前级，对图像光向该一部分的透镜入射的入射范围进行规定。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的虚像显示装置，其特征在于：

所述遮光结构对从所述投影透镜的光轴离开的周边区域之中的所述棱镜延伸于观察者侧的部分区域的一部分进行遮光。

5.根据权利要求1～4中的任一项所述的虚像显示装置，其特征在于：

所述棱镜包括3个以上的不对称的形状的曲面；

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面相对于观察侧呈凹面形状；

来自所述图像显示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、以所述第2面反射之后，透射所述第1面，到达观察侧。

6.根据权利要求5所述的虚像显示装置，其特征在于：

所述遮光结构对朝向所述棱镜的与所述第2面的外界侧相邻的面的图像光预先进行遮光。

7.根据权利要求5或6所述的虚像显示装置，其特征在于：

在所述第2面形成有半透射半反射镜，将图像光提供给观察者，并在所述第2面的外侧一体地配置有光透射构件，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察者。

8.根据权利要求7所述的虚像显示装置，其特征在于：

所述光透射构件在观察者侧具有第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率的形状，所述第2面和所述第2透射面一体化。

9.根据权利要求1～8中的任一项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，至少包括1个面以上的非球面。

10.一种虚像显示装置，其特征在于，

具备：

图像显示元件，其使图像光产生，

投影透镜，其射出来自所述图像显示元件的图像光，和

棱镜，其具有下述面形状：在对于图像光之中的从所述图像显示元件的预定部位产生的部分光束关于预定方向取入的角度范围方面使偏差产生；

该虚像显示装置使图像光和外界光同时被观看；

具备遮光结构，该遮光结构在所述投影透镜的射出瞳位置配置于从光轴离开的周边侧，对从所述预定部位产生的部分光束之中的、越过所述棱镜的所述面形状的边界部分而入射于规定的光路外的部分的图像光，预先进行遮光。

11.根据权利要求10所述的虚像显示装置，其特征在于：

所述棱镜包括3个以上的形成所述面形状的不对称的形状的曲面；

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面相对于观察侧呈凹面形状；

来自所述图像显示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、以所述第2面反射之后，透射所述第1面，到达观察侧；

以所述第2面进行反射时，所述遮光结构对越过通过所述第2面与所述第3面形成的所述边界部分而朝向作为规定的光路外的部分的所述第3面的图像光，预先进行遮光。

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