CN104133292B - 虚像显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够通过简单的结构得到高的亮度的虚像，并且实现小型的虚像显示装置。构成为具备：图像投射装置，投射图像光；发散元件，被入射从所述图像投射装置射出的图像光，并向规定角度范围发散射出图像光；以及光分支元件，对从所述发散元件射出的图像光进行反射，并且使来自与所述反射面不同的面的入射光透射，来自所述图像投射装置的图像光在所述发散元件中成像，在与由所述光分支元件反射了的图像光的射出方向相反的方向的延长线上，产生成像于所述发散元件的像的虚像。进而，构成为设置将从所述图像投射装置射出的图像光的光轴变换为规定的方向的光轴变换元件。

Description

虚像显示装置

技术领域

本发明涉及能够使使用者进行虚像视觉辨认的显示装置的结构。

背景技术

近年来，在现实空间中重叠显示图像信息的扩张现实技术（以下， AR：AugmentedReality）在娱乐、作业支援系统的领域中得到注目。作为实现该AR的手段之一，有使光学地生成的图像通过光分支元件等反射到使用者侧来生成虚像并将虚像和现实空间重叠而使使用者看到的显示装置。特别，向飞机、车辆搭载的AR的显示装置被称为抬头显示器（以下，HUD：Head Up Display）。用HUD进行速度显示等，降低驾驶员的视线移动，从而对安全行驶作出贡献。

在专利文献1、专利文献2中，公开了上述那样的提供虚像的显示装置的技术。

更详细而言，专利文献1记载了用凹面镜反射显示器的实像，用挡风玻璃反射显示光而提供虚像的抬头显示器，公开了设置从凹面镜向挡风玻璃的光路中的棱镜片而小型化的技术。

另外，在专利文献2中，公开了设置有调整从光学部件向挡风玻璃投射的影像光的入射角度的移动机构、和进行向挡风玻璃投射的影像的失真校正的透镜光学系统，能够从不同的视点对虚像进行视觉辨认的技术。

【专利文献1】日本特开2004-20605号公报

【专利文献2】日本特开2010-197493号公报

发明内容

在HUD中，将能够观察虚像的位置称为观察点，将即使使观察点移动也能够观察虚像的范围称为观察范围。在车载HUD中，关于观察者的视场中的像的生成范围，一般相比于左右，上下更小，关于观察范围也是，相比于左右，上下更窄。

另外，在车载HUD中，为了观察在白天的外面等明亮的现实空间上重叠的像，虚像的亮度必须高于现实空间的亮度。因此，为了提高虚像的亮度，需要以光的能量效率尽可能高的状态进行投射。

进而，在车载HUD中，有根据观察者的体型而使观察范围不同的可能性。因此，期望具有能够与观察者的体格匹配地上下调节观察范围的机构、覆盖所设想的观察者的观察范围的宽的观察范围。

在上述专利文献1的技术中，虽然能够使车载HUD小型化，但未考虑观察范围。另外，在上述专利文献2的技术中，完全未提到虚像的亮度。

本发明的目的在于解决上述课题，提供一种能够对观察范围宽且亮度高的虚像进行视觉辨认的HUD。

为了解决上述课题，本申请发明的虚像显示装置构成为具备：图像投射装置，投射图像光；发散元件，被入射从所述图像投射装置射出的图像光，并向规定角度范围发散射出图像光；以及光分支元件，对从所述发散元件射出的图像光进行反射，并且使来自与所述反射面不同的面的入射光透射，来自所述图像投射装置的图像光在所述发散元件中成像，在与由所述光分支元件反射了的图像光的射出方向相反的方向的延长线上，产生成像于所述发散元件的像的虚像。通过调整所述发散元件的发散角，能够调整观察范围。

进而，本申请发明的虚像显示装置构成为设置有将从所述图像投射装置射出的图像光的光轴变换为规定的方向的光轴变换元件。由此，能够进行观察范围的位置调整，并且能够防止虚像亮度降低。

根据本发明，可提供能够对观察范围宽且亮度高的虚像进行视觉辨认的虚像显示装置。

附图说明

图1是说明实施例1的虚像显示装置的概要的图。

图2是说明发散元件32的功能的图。

图3是说明发散元件33的功能的图。

图4是示出通过了发散元件30之后的光束的指向性的图。

图5是说明相对y轴平行的方向的观察范围的尺寸与发散角度的关系的图。

图6是说明相对x轴平行的方向的观察范围的尺寸与发散角度的关系的图。

图7是光轴变换元件21的结构图。

图8是光轴变换元件22的结构图。

图9是光轴变换元件23的结构图。

图10是光轴变换元件24的结构图。

图11是说明光轴变换元件20的驱动与光轴的变化的关系的图。

图12是说明光轴变换 元件20与角度θp以及观察范围Dv的位置的关系的图。

图13是实施例2的虚像显示装置的结构图。

图14是实施例3的虚像显示装置的结构图。

图15是实施例4的虚像显示装置的结构图。

图16是实施例5的虚像显示装置的结构图。

图17是实施例6的虚像显示装置的结构图。

（附图标记说明）

10：图像投射装置；20：光轴变换元件；30：发散元件；50：光分支元件。

具体实施方式

以下，使用附图，详细说明本发明的实施例。

【实施例1】

图1是说明实施例的虚像显示装置的概要的图。图是示出与地面垂直的剖面结构的图，图的Y轴方向是与地面垂直的方向、图的由X 轴和Z轴构成的面形成与地面平行的面。在将实施例的虚像显示装置应用于车载HUD的情况下，观察范围的上下方向对应于Y轴方向，左右方向对应于X轴方向。

虚像显示装置的本体100由图像投射装置10、光轴变换元件20、发散元件30构成。此处，从图像投射装置10射出的影像光透过光轴变换元件20，而在发散元件30中使图像成像为规定的大小。将此时的投射在发散元件30上的图像的侧面的尺寸设为Sv、将图像的中心位置设为点30o。另外，图像投射装置10如图所示，与本体100 的底面平行地设置，朝向图中z方向投射图像。

在图像投射装置10中，例如，应用：利用MEMS等微小反射镜在发散元件30上使激光二维扫描的装置；具有LED（Light Emitting Diode）光源且通过被称为所谓DMD（DigitalMicromirror Device）的微小反射镜对光强度进行调制并用投射透镜在发散元件中成像的小型投影仪装置。

光轴变换元件20具有使从图像投射装置10向z方向射出的光向图中θp方向弯曲的功能。进而，详细后述，光轴变换元件20能够以图中x轴为旋转轴而旋转，进行虚像的位置调整。

发散元件30在与纸面平行的方向和垂直的方向上，向不同的角度发散光，由发散元件30发散的光到达设置于本体100 外面的光分支元件50。

光分支元件50成为对规定的能量（power）进行反射而使除此以外的能量透射的半透半反镜。例如，其材料由玻璃、塑料构成，也可以是车辆的挡风玻璃。另外，光分支元件50被设置成将光向使用者侧反射。

如图1所示，从发散元件30上的点30o射出的光在光分支元件 50上的点50o反射而到达观察点60。在从观察点60观察时，点30o 被观察成与连接观察点60和点50o的直线上的点70o相同。向发散元件30投射的其他光也通过同样的光路而到达观察点60。其结果，从观察点60，以发散元件30上的点30o为中心的实像被观察为以70o 为中心且与图像尺寸Sv相同的尺寸Iv的虚像70。

接下来，叙述此时的光线的角度关系。将光分支元件50的x轴设为中心，将从z轴向y方向旋转的角度设为角度θw。同样地，将连接观察点60和虚像70的中心的点70o的光线的角度设为θe。例如，如果设想在车辆中搭载的情况，则角度θw对应于挡风玻璃的角度、角度θe对应于虚像的规定位置。

此处，虚像的规定位置是指，使用者在驾驶中不感到麻烦的位置、例如是能够将视线稍微向下降低而认知的位置等。这样，通过搭载实施例的虚像显示装置的装置，角度θw和角度θe被大致决定。

关于角度θp，根据对光分支元件50的光的反射的关系，需要成为θp=2×θw-θe。本实施例的光轴变换元件20与规定的角度θw、θe 匹配地，针对从图像投射装置10向z轴方向射出的光，使光轴向θp=2×θw-θe的角度弯曲。

接下来，使用图2以及图3，说明发散元件30的功能。

如上所述，发散元件30的特征在于，具有使所入射的光在与纸面平行的方向和垂直的方向以不同的规定的角度发散的功能。由此，调整观察者视觉辨认的观察范围的大小、形状。

发散元件30例如是如图2所示使发散光向矩形形状的方向射出而发散的元件、如图3所示使发散光向椭圆形形状的方向射出而发散的元件。发散元件32以及发散元件33能够通过例如图中x方向和y 方向具有不同的焦距的微透镜阵列、菲涅尔元件、全息元件、x方向和y方向的粒子的密度不同的波束扩散板等实现。

图4是示出从图1的发散元件30射出的光束的指向性的图。横轴表示光的发散角度、纵轴表示用以0度通过的光的强度进行标准化而得到的光的强度。图4还对应于例如发散元件30由微透镜阵列等构成的情况。从发散元件射出的光的强度的特性在于，如图所示，在发散角度是0度时成为最大，如果发散角度变大则变小。在本实施例中，发散角度ω被定义为，相对发散角度0度的中心强度，强度成为大致一半的角度。

接下来，使用图5以及图6，说明观察范围D与发散元件30的发散角度ω的关系。在图中，对于观察范围D以及发散角度ω的下标，关于相对将与使用者的右眼和左眼相当的2个观察点连接的直线成为水平的方向，设为h，关于垂直的方向，设为v。

图5是说明在实施例1的虚像显示装置中，相对y轴平行的方向的观察范围的尺寸与发散角度的关系的图。

如图所示，将以观察点60为中心的规定范围设为观察范围Dv，将观察点60与虚像70的距离设为距离L，将从虚像的中心的点70o 向观察范围Dv的范围扩展的发散角度设为ωv’，将通过发散元件30 的点30o的光的发散角度设为ωv。在此，发散角度ωv’以及ωv也设为从最大强度成为大致一半的强度。图中示出扩散范围，其大小成为 2ωv’、2ωv。

为了在观察范围Dv全域中观察作为虚像70的中心的点70o，虚像的点70o和观察范围Dv需要满足如下的关系。

根据图，发散角度ωv’与观察范围Dv以及距离L的关系能够如（1）式那样表示。详细而言，距离L被视为观察点至虚像的光路长度。

ωv’=tan^-1（Dv/2/L）（1）

如果是发散角度ωv’=tan^-1（Dv/2/L），则能够在观察范围Dv全域中观察虚像70的点70o。

另外，发散角度ωv’是强度成为大致一半的角度，所以向观察范围Dv的两端入射的光强度也成为大致一半。因此，从观察范围Dv 的两端观察的虚像70的亮度也相比于最大值成为大致一半。但是，在观察范围Dv的两端观察的亮度相比于最大值是大致一半以上即可，也可以将观察范围Dv设为比扩散角度ωv小的范围。即，也可以设为ωv’≤tan^-1（Dv/2/L）。

为了使点70o的发散角ωh’成为规定的角度，调整作为点70o的共轭的点30o的发散角度即可。因此，本实施例的发散元件30的发散角度ωv成为ωv≤tan^-1（Dh/2/L）。

同样地，使用图6，还说明观察范围60的横向。

图6示出实施例1的显示装置的平面图，是说明相对x轴平行的方向的观察范围的尺寸与发散角度的关系的图。另外，x轴设想了相对使用者的2个观察点成为水平的方向。

在观察范围Dh中，如图所示，有与右眼和左眼相当的2个观察点60r、60l。

将从作为虚像的中心的点70o向图中x-z平面的方向的发散角度设为ωh’，将发散元件30的点30o的发散角度设为ωh。在此，发散角度ωh’、ωh也设为强度成为大致一半的角度。为了简化附图，省略虚像70以及发散角度ωh’。

为了在观察范围Dh全域中观察作为虚像的中心的点70o（未图示），需要使从虚像的点70o发散的光通过观察范围Dh全域。关于发散角度ωh’，使用观察范围Dh和距离L，处于ωh’=tan^-1（Dh/2/L）的关系。与角度ωv’同样地，为了在使虚像范围Dh的两端的亮度确保大致一半以上的同时观察虚像70，设为ωh’≤tan^-1（Dh/2/L）即可。

为了使点70o的发散角ωh’成为规定的角度，调整作为点70o的共轭的点30o的发散角度即可。即，本实施例的发散元件30的特征在于，图中x-z平面的方向的发散角度ωh成为ωh≤tan^-1（Dh/2/L）。

另外，如上述说明，发散元件30具有在图中x方向上相比于y 方向更大地扩展光的特征。发散角度ωh相当于x方向的规定发散角、发散角度ωv相当于y方向的发散角度，分别成为ωh≤tan^-1（Dh/2/L）、ωv≤tan^-1（Dv/2/L）。

此处，说明观察范围Dv以及Dh的大小、和从观察点60观察的虚像70的亮度。

一般，关于使用者的头的动作范围，相比于与地面平行的方向，垂直的方向更小。进而，与地面水平的方向的观察点是2个，但垂直的方向的观察点是1个。关于观察范围Dv，即使是比观察范围Dh小的范围，也能够覆盖使用者的动作范围。

另外，已知虚像的亮度与发散角度成反比。

为了在观察范围全域中观察虚像，使光发散到观察范围的范围以上即可。但是，如果使光发散到必要范围上，则观察范围内的光密度降低，虚像的亮度降低。

如果使虚像的发散角度与观察范围匹配地最佳化，则能够在观察范围内高效地取入光。如上所述，虚像的发散角度ωv’、ωh’和观察范围Dv、Dh处于大致比例关系。在本发明中，通过与虚像显示装置的设置状态匹配地，按照观察范围Dv、Dh以及虚像70与观察点60之间的距离L决定发散元件30的发散角度ωv、ωh，使发散角度ωv’、ωh’最佳化，提高光的效率。其结果，具有能够显示高的亮度的虚像的特征。

接下来，详细说明光轴变换元件20。

光轴变换元件20具有使光轴向规定的方向弯曲的功能，例如，由图7所示的1个棱镜21、图8所示的棱镜板22、图9所示的透镜 23、图10所示的反射镜24等构成。

在将本实施例的虚像显示装置搭载于车辆等中的情况下，根据使用者的体格，可观察虚像70的适合的观察范围Dv的位置、角度θe 分别不同。因此，观察范围Dv的位置、角度θe优选可调整，通过在下面详细叙述的光轴变换元件20的调整来进行。

使用图11、图12，说明上述观察范围Dv以及角度θe的调整。图11是说明光轴变换元件20的驱动与光轴的变化的关系的图。在图 11中，仅抽出图1的显示装置的光轴变换元件20、发散元件30，省略其他部件。另外，图12是说明光轴变换 元件20与角度θp以及观察范围Dv的位置的关系的图。

如图11所示，通过光轴变换元件20从光轴变换元件20a向20b 旋转，向发散元件30入射的光轴从角度θpa旋转为角度θpb。通过了发散元件30的光向角度θpb的方向以发散角ωv行进。

如上所述，关于能够从观察点观察虚像的中心的角度θe、和从本体射出光的角度θp，使用光分支元件50的角度θw，处于θp=2×θe-θw的关系。如果设想角度θw固定，则根据式求出用于调整为角度θeb的角度θpb。为了将角度θea调整为角度θeb，从角度θpa 设为角度θpb即可。

进而，如果使角度θpa变化为角度θpb，则如图所示，光分支元件50的入射位置也从50oa变化为50ob。因此，观察点也从观察点 60a变化为观察点60b。如果设想发散元件30的发散角度ωv恒定，则观察范围Dv伴随观察点的变化而其位置移动。

这样，如果使光轴变换 元件20旋转，则能够使观察范围Dv以及可观察虚像的角度θe变化。根据本实施例，能够通过光轴变换 元件20的旋转，与使用者匹配地调整观察范围Dv和角度θe。

此处，光轴变换元件20还有使本体100成为小型的效果。以下，说明其内容。

即使代替光轴变换元件20，而使图像投射装置10的角度可变，也能够使角度θp变化。

图像投射装置10以规定的视场角投射图像。为了在发散元件30 中得到规定的大小的图像，在图像投射装置10与发散元件30之间需要规定的光路长度。如果使图像投射装置10的角度变化，则发散元件30上的图像的位置的变化变大，发散元件30必须大型化。伴随发散元件30的大型化，本体100也变大。

另一方面，在本实施例中，通过光轴变换元件20的旋转调整了角度θp，所以发散元件30上的图像的位置的变化小。因此，发散元件30成为小型，得到使本体100成为小型的效果。

另外，也可以以使形成图像投射装置10的实像时的影像光的入射角成为光分支元件50的方向的方式，在光轴变换元件20的光轴的弯曲方向上调整。特别，在图像投射装置10中应用了波束扫描型的投射装置的情况下，在成像面的面方向上波束的入射角不同，所以产生亮度分布。通过以在面内补偿入射角的变化的方式设定光轴变换元件20的光轴的弯曲方向，能够消除成像面中的亮度分布，提高照明效率。

【实施例2】

接下来，说明代替实施例1的发散元件30而使用了反射型发散元件33的结构的例子。对与实施例1相同的构成部件赋予相同的编号，省略详细的说明。

图13是实施例2的虚像显示装置的结构图。在实施例2的虚像显示装置中，成为将来自图像投射装置10的投射光照射到光轴变换 元件20而变换光轴的朝向，通过反射型发散元件33反射到光分支元件50的方向的结构。

关于实施例2的结构，如果使光轴变换 元件20绕x轴旋转，则能够使可观察虚像70的角度θe和观察范围Dv的位置产生变化，所以也能够调整观察范围。此时，也可以与实施例1同样地，对光轴变换 元件20单独地进行旋转调整，也可以对光轴变换 元件20和反射型发散元件33一起进行旋转调整。

【实施例3】

接下来，图14示出在图像投射装置10与光轴变换元件20之间插入折回反射镜40而构成的虚像显示装置的例子。对与实施例1相同的构成部件赋予相同的编号，省略详细的说明。

在该例子中，当然能够通过上述光轴变换元件20的旋转来调节角度θp，还能够通过折回反射镜40的旋转来调整角度θp。

进而，折回反射镜40的形状为凹面或者自由曲面，也可以具有以增大从图像投射装置10射出的光的视场角的方式校正的功能。

【实施例4】

接下来，图15示出在图像投射装置10与光轴变换元件20之间插入透镜80而构成的虚像显示装置的例子。对与实施例1相同的构成部件赋予相同的编号，省略详细的说明。

详细而言，在图15中，如果将点30o与点50o之间的距离设为 L1、将点50o与点70o之间的距离设为L2、将透镜的焦距设为f，则使用距离L1和焦距f，距离L2成为1/L2=1/L1+1/f。关于发散元件 30上的图像尺寸Sv和虚像70的尺寸Iv，使用通过距离L1与距离L2之比求出的横向倍率M，成为Iv=Sv×M。因此，通过调整透镜80 的焦距f，能够调节虚像70的距离L2和尺寸Sv。

关于发散元件30的发散角ωv和虚像70的发散角ωv’，使用横向倍率M表示为ωv=ωv’×M。根据图可知，关于发散角ωv’，使用观察范围Dv、以及观察点60和虚像70的距离L，成为ωv’=tan-1 （Dv/2/L）。因此，为了得到规定的观察范围Dv，使发散元件30的发散角至少成为ωv≤M×tan-1（Dv/2/L）即可。

虽然未图示，关于相对x方向的发散角ωh，也同样地，使用规定的观察范围Dh、距离L、横向倍率M，成为ωh≤M×tan-1（Dh/2/L）。

另外，实施例3的显示元件没有透镜80，所以也可以考虑为实施例4的横向倍率M=1的方式。

【实施例5】

说明本发明的实施例5。图16是实施例5的显示装置的结构图。实施例5是，在实施例1的显示装置中，在光分支元件50与发散元件30之间设置了凹面反射镜81。其他部件与实施例1相同，赋予相同的编号，省略详细的说明。

即使在搭载了凹面反射镜81的情况下，也能够与实施例4的透镜80同样地，通过凹面反射镜81的焦距f的调整，调整虚像70的尺寸以及距离L2。进而，关于发散元件30的相对纸面垂直的方向的发散角度ωv，使用观察范围Dv、横向倍率M、距离L，成为ωv=M×tan-1（Dv/L）。虽然未图示，关于发散元件30中的相对纸面平行的方向的发散角度ωh，也同样地，使用观察范围Dh、横向倍率M、距离L，成为ωh=M×tan-1（Dh/L）。

在将本实施例的虚像显示装置应用于车载系统的情况下，光分支元件50对应于车辆的挡风玻璃。此时，光分支元件50的角度θw有时局部地根据光的入射位置而分别不同。将光分支元件50的局部的场所所致的从角度θw的偏移设为角度Δθw。凹面反射镜81也可以形成自由曲面形状，以使得即使在光分支元件50中有局部的偏移角度Δθw，也使能够从观察点60观察虚像70的角度成为规定的角度θv。

【实施例6】

本实施例是如图17所示，代替实施例5的显示装置的光分支元件50和凹面反射镜81，设置一并具有两方的功能的半透射凹面反射镜51而设为光分支元件的情况的例子。图17示出本实施例6的结构。

如以上说明，本发明的显示装置由画面投射装置10、光轴变换元件20、发散元件30、光分支元件50构成即可，当然也可以在光路的途中用反射镜、衍射光栅等使光路分支。

另外，向光分支元件50入射的光的角度成为角度θp即可，在发散元件30的前后插入2个以上的角度变换元件也完全没有问题。

Claims (11)

1.一种虚像显示装置，其特征在于，具备：

图像投射装置，投射图像光；

光轴变换元件，使从所述图像投射装置射出的图像光透过，将所述图像光的光轴变换为规定的方向；

发散元件，被入射从所述光轴变换元件射出的图像光，并向规定角度范围发散射出图像光；以及

光分支元件，对从所述发散元件射出的图像光进行反射，并且使来自与进行所述反射的面不同的面的入射光透射，

来自所述图像投射装置的图像光在所述发散元件中成像，

在与由所述光分支元件反射了的图像光的射出方向相反的方向的延长线上，产生成像于所述发散元件的像的虚像，

将连接所述虚像和观察点的直线从规定的水平轴起的角度设为θe，将所述光分支元件从水平轴起的角度设为θw，将作为所述规定角度范围的来自所述发散元件的射出光从水平轴起的角度设为θp时，所述光轴变换元件使得θp＝2×θw-θe。

2.一种虚像显示装置，其特征在于，具备：

图像投射装置，投射图像光；

光轴变换元件，被入射从所述图像投射装置射出的图像光，使所述图像光透过，将入射光的光轴变换为规定的方向而射出；

发散元件，被入射从所述光轴变换元件射出的图像光，并向规定角度范围反射而向所述光轴变换元件发散射出图像光；以及

光分支元件，对从所述光轴变换元件射出的图像光进行反射，并且使来自与进行所述反射的面不同的面的入射光透射，

来自所述图像投射装置的图像光在所述发散元件中成像，

在与由所述光分支元件反射了的图像光的射出方向相反的方向的延长线上，产生成像于所述发散元件的像的虚像，

将连接所述虚像和观察点的直线从规定的水平轴起的角度设为θe，将所述光分支元件从水平轴起的角度设为θw，将作为所述规定角度范围的来自所述发散元件的射出光从水平轴起的角度设为θp时，所述光轴变换元件使得θp＝2×θw-θe。

3.一种虚像显示装置，其特征在于，具备：

图像投射装置，投射图像光；

折回反射镜，使从所述图像投射装置射出的图像光的光轴弯曲；

光轴变换元件，使由所述折回反射镜反射的图像光透过，将所述图像光的光轴变换为规定的方向；

发散元件，被入射从所述光轴变换元件射出的图像光，并向规定角度范围发散射出图像光；以及

光分支元件，对从所述发散元件射出的图像光进行反射，并且使来自与进行所述反射的面不同的面的入射光透射，

来自所述图像投射装置的图像光在所述发散元件中成像，

在与由所述光分支元件反射了的图像光的射出方向相反的方向的延长线上，产生成像于所述发散元件的像的虚像，

将连接所述虚像和观察点的直线从规定的水平轴起的角度设为θe，将所述光分支元件从水平轴起的角度设为θw，将作为所述规定角度范围的来自所述发散元件的射出光从水平轴起的角度设为θp时，所述光轴变换元件使得θp＝2×θw-θe。

4.一种虚像显示装置，其特征在于，具备：

图像投射装置，投射图像光；

折回反射镜，使从所述图像投射装置射出的图像光的光轴弯曲；

光轴变换元件，使由所述折回反射镜反射的图像光透过，将所述图像光的光轴变换为规定的方向；

发散元件，被入射从所述光轴变换元件射出的图像光，并向规定角度范围发散射出图像光；

透镜，将从所述发散元件射出的图像光扩大而射出；以及

光分支元件，对从所述透镜射出的图像光进行反射，并且使来自与进行所述反射的面不同的面的入射光透射，

来自所述图像投射装置的图像光在所述发散元件中成像，

在与由所述光分支元件反射了的图像光的射出方向相反的方向的延长线上，产生成像于所述发散元件的像的虚像，

将连接所述虚像和观察点的直线从规定的水平轴起的角度设为θe，将所述光分支元件从水平轴起的角度设为θw，将作为所述规定角度范围的来自所述发散元件的射出光从水平轴起的角度设为θp时，所述光轴变换元件使得θp＝2×θw-θe。

5.一种虚像显示装置，其特征在于，具备：

图像投射装置，投射图像光；

光轴变换元件，使从所述图像投射装置射出的图像光透过，将所述图像光的光轴变换为规定的方向；

发散元件，被入射从所述光轴变换元件射出的图像光，并向规定角度范围发散射出图像光；

凹面反射镜，对从所述发散元件射出的图像光进行反射；以及

光分支元件，对从所述凹面反射镜射出的图像光进行反射，并且使来自与进行所述反射的面不同的面的入射光透射，

来自所述图像投射装置的图像光在所述发散元件中成像，

在与由所述光分支元件反射了的图像光的射出方向相反的方向的延长线上，产生成像于所述发散元件的像的虚像，

将连接所述虚像和观察点的直线从规定的水平轴起的角度设为θe，将所述光分支元件从水平轴起的角度设为θw，将作为所述规定角度范围的来自所述发散元件的射出光从水平轴起的角度设为θp时，所述光轴变换元件使得θp＝2×θw-θe。

6.一种虚像显示装置，其特征在于，具备：

图像投射装置，投射图像光；

光轴变换元件，使从所述图像投射装置射出的图像光透过，将所述图像光的光轴变换为规定的方向；

发散元件，被入射从所述光轴变换元件射出的图像光，并向规定角度范围发散射出图像光；以及

半透射凹面反射镜，对从所述发散元件射出的图像光进行凹面反射，并且使来自与进行所述反射的面不同的面的入射光透射，

来自所述图像投射装置的图像光在所述发散元件中成像，

在与由所述半透射凹面反射镜反射了的图像光的射出方向相反的方向的延长线上，产生成像于所述发散元件的像的虚像，

将连接所述虚像和观察点的直线从规定的水平轴起的角度设为θe，将所述半透射凹面反射镜从水平轴起的角度设为θw，将作为所述规定角度范围的来自所述发散元件的射出光从水平轴起的角度设为θp时，所述光轴变换元件使得θp＝2×θw-θe。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的虚像显示装置，其特征在于，

所述光轴变换元件被设置成能够以与射出方向垂直的方向为中心来转动，

变更从所述发散元件射出的图像光的方向，来变更虚像的观察范围的位置。

8.根据权利要求7所述的虚像显示装置，其特征在于，

所述光轴变换元件是棱镜、棱镜板、全息元件或者透镜。

9.根据权利要求1至6中的任一项所述的虚像显示装置，其特征在于，

所述发散元件以如下角度发散射出图像光：在规定的第1方向上的发散角度不同于在与所述第1方向垂直的第2方向上的发散角度；

所述光轴变换元件将光轴的方向变换为所述第1方向。

10.根据权利要求1至3中的任一项所述的虚像显示装置，其特征在于，

将能够观察所述虚像的范围设为观察范围，

将从观察点至所述虚像的距离设为L，

将所述观察范围的垂直方向的大小设为Dv，将水平方向的大小设为Dh，

将所述发散元件的垂直方向的发散角度设为ωv，将水平方向的发散角度设为ωh时，

满足如下关系：

ωv≤tan^-1(Dv/2/L)

ωh≤tan^-1(Dh/2/L)。

11.根据权利要求4至6中的任一项所述的虚像显示装置，其特征在于，

将能够观察所述虚像的范围设为观察范围，

将从观察点至所述虚像的距离设为L，

将所述透镜、所述凹面反射镜或者所述半透射凹面反射镜的图像光的倍率设为M，

将所述观察范围的垂直方向的大小设为Dv，将水平方向的大小设为Dh，

将所述发散元件的垂直方向的发散角度设为ωv，将水平方向的发散角度设为ωh时，

满足如下关系：

ωv≤M×tan^-1(Dv/L)

ωh≤M×tan^-1(Dh/L)。