CN104423044B - 虚像显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供广视场角、高性能且小型轻量的虚像显示装置。不仅导光部件(10)包括第二面(S12)、第四面(S14)以及第五面(S15)这三个面作为两个面以上的非轴对称的曲面，投射透镜(30)也包括透镜面(31a)作为非轴对称非球面。由此，在导光部件(10)侧，存在例如作为有助于导光的面的第一面(S11)、第三面(S13)为平面这样的形状上的制约，即使在对于针对非对称的像差的修正存在限制的情况下，作为包括投射透镜(30)光学系统整体能够进行充分的像差修正。由此，虚像显示装置(100)能够成为广视场角、高性能且小型轻量的装置。

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影像提示给观察者的虚像显示装置，尤其涉及适合于佩戴在观察者头部的头戴式显示器的虚像显示装置。
背景技术
作为装入佩戴在观察者头部的头戴式显示器(以下，称为“HMD”)等虚像显示装置的光学系统，提出了各种方式(参照专利文献1～4)。
对于HMD等虚像显示装置，希望使影像光广视场角化以及小型轻量化。通过小型轻量化，例如能够使观察者的视轴方向的厚度变薄，使重心接近观察者，由此能够提高佩戴感。
另外，若成为覆盖观察者的全部视野而仅能看见影像光的状态，则观察者无法判断外界的状态，而给其带来不安。并且，通过使外界与影像重叠来观察，创造出如虚拟现实那样的新用途。因此，期望一种不妨碍外界的视野而重叠影像光来显示的显示器。
并且，为了提高观察者的佩戴感，改善外观的形式，希望不要将影像显示装置置于眼睛的上方而是配置在脸的侧面。
为了使得光学系统小型化，并且不妨碍视野，而使影像显示装置离开观察者眼睛的位置，可以使用使显示图像光一度在光学系统中成像来形成中间像，并放大该中间像使之可见的中继光学系统。
例如在专利文献1中，提出使用端面为抛物面反射镜的平行平面状的导光板和投射透镜，在导光板的内部形成中间像的中继光学系统。但是，在专利文献1的光学系统的情况下，投射透镜较大，妨碍小型轻量化。
在专利文献2中，提出使用了具备曲面的射出反射面的导光部件和使影像光向该导光部件入射的投射透镜的光学系统。但是，专利文献2的光学系统没有考虑使观察者看见外界。为了应用该光学系统看见外界，需要对扩展到导光部件整体的反射面粘贴补偿部件，在其接合面设置半透半反镜，由于影像光被该半透半反镜面反射2次，所以变得非常暗。
在专利文献3中，提出由投射透镜、凹面镜以及导光板构成的中继光学系统。在该光学系统中，通过组合波长板和偏振光半透半反镜来提高反射效率。但是，为了应用专利文献3的光学系统来看见外界，需要在凹面镜的外侧贴合补偿透镜，由此整体上变厚。
在专利文献4中，提出通过将光路折弯，来缩短全长的、紧凑地聚集的中继光学系统。但是，在专利文献4的光学系统的情况下，导光部件中央的凸部、投射透镜妨碍视野。另外，由于影像光在透过半透半反镜后折返，再次被半透半反镜反射而入射至眼睛，所以所观察的影像变暗。
专利文献1：日本专利2746697号公报
专利文献2：日本专利3787399号公报
专利文献3：日本专利4218553号公报
专利文献4：日本专利4819532号公报
发明内容
本发明的目的在于提供广视场角、高性能且小型轻量的虚像显示装置。
本发明所涉及的虚像显示装置具备：影像元件，其产生影像光；导光部件，其包含2个面以上的非轴对称的曲面并且作为光学系统的一部分在内部形成中间像；以及投射透镜，其使来自影像元件的影像光向导光部件入射，投射透镜包含至少1个面的非轴对称非球面，构成导光部件的多个面中的第一面和第三面以对置的方式配置，来自影像元件的影像光在被第三面全反射、被第一面全反射以及被第二面发生反射后，透过第一面到达观察侧。这里，对于2个面以上的非轴对称的曲面，例如成为有助于影像光反射等引导的主要面的曲面包含2个面以上。
在上述虚像显示装置中，不仅导光部件包含2个面以上的非轴对称的曲面，并且投射透镜也包含非轴对称非球面。作为导光部件的非轴对称的曲面、投射透镜的非轴对称非球面，多用例如自由曲面，能够实现像差的修正。由此，即使在例如在导光部件侧一部分的面形状存在制约而针对非对称的像差的修正存在限制的情况下，利用设置在投射透镜侧的非轴对称非球面来实现像差的修正，从而作为光学系统整体能够进行充分的像差修正，能够成为广视场角、高性能且使导光部件薄型的小型轻量的装置。另外，对于外界光，通过适当地确定第一面和第三面的形状，也能够使屈光度误差(屈光度的大小)、外观的倍率误差几乎变为零。另外，能够沿着观察者的脸的形状来设置导光部件的形状，重心能够接近脸，还能够成为设计优异的装置。
在本发明的具体的一方面，在导光部件中，第一面与第三面相互为大致平行的平面。在该情况下，对于透过第一面和第三面观察的外界光能够使屈光度误差大致为零，特别是，使对于外界像的外观倍率误差大致为零，能够成为与裸眼状态没有区别的状态。若使第一面与第三面成为完全平行的平面，则能够使屈光度误差以及外观的倍率误差为零。
在本发明的另一方面，导光部件具有第四面和第五面，第四面配置在比第三面靠光入射侧且使影像光朝向第三面进行引导的，第五面使影像光朝向第四面进行引导，在导光部件中，中间像处于影像光从第三面到第五面的光路上。在该情况下，能够隔着中间像维持光学系统的前段侧和后段侧的尺寸平衡，光学系统整体变小。
在本发明的另外一个方面，在导光部件中，第二面、第四面以及第五面为非轴对称的曲面。在该情况下，即使在例如第一面、第三面是平面或几乎接近平面的第一面、第三面而难以实现像差修正的情况下，也能够在第二面等其他的面中充分地修正像差。
在本发明的另外一个方面中，投射透镜中的投射透镜光轴与假定为观察者的视线的视线轴形成大于0°且30°以下的角度。在该情况下，例如在不将影像元件置于观察者眼睛的上方而是配置在脸的侧面的结构的情况下，能够提高观察者的佩戴感，并且在成为将外观的形式维持在良好的状态的形状时，光学系统的配置不会成为障碍。
在本发明的另外一个方面中，在以构成光学系统的各个面的原点为基准，将面形状的表达式关于从原点沿切线方向延伸的正交坐标x以及y进行多项式展开时，将表示第k面的多项式的项xm·yn的系数设为Akm，n，满足从下述(1)到(3)的条件，
－10－1＜A10，2+A12，0＜10－2 以及
－10－1＜A30，2+A32，0＜10－2…(1)
|A12，0－A10，2|＜10－1 以及
|A32，0－A30，2|＜10－1 …(2)
|A12，0－A32，0|＜10－2 以及
|A10，2－A30，2|＜10－2 …(3)
这里，包含各个面的正交坐标x以及y的本地坐标(x，y，z)以曲面(包括平面)上的某1点为原点，在面的法线方向取z轴，在面的切线方向取x轴和y轴，在该本地坐标中，规定曲面形状。曲面的原点例如为光束中心通过的位置。
在本申请发明中，通过使投射透镜的一部分的面成为例如由自由曲面等构成的非轴对称非球面(非旋转对称非球面)形状，成功得到高画质的光学系统。因此，例如在将与不仅影像光还有外界光的观察有关的第一面和第三面为平面的情况下，能够实施充分的像差修正，并能够使屈光度误差、倍率误差几乎完全为零。另外，例如在将第一面、第三面设为自由曲面的情况下，能够有效地使用这些曲面形状的自由度，构成紧凑的光学系统。
基本上表征第一面以及第三面的功能，即曲面的功能的是曲面的曲率，原点附近的曲率主要根据系数Ak2，0以及Ak0，2(k＝1、3)的值来确定，适当地设定系数Ak2，0以及Ak0，2的值很重要。
条件(1)规定原点附近的第一面的曲率和第三面的曲率的大小。若超过条件(1)的上限，则第一面以及第三面对观察者来说成为凸形状，所以整体的形状变大，像差的修正变得困难。另外，若超过条件(1)的下限，则曲率过强，像差的修正变难，并且导光部件、投射透镜的位置接近脸，破坏佩戴感。
条件(2)规定第一面以及第三面的x轴方向的曲率与y轴方向的曲率之差。若超过条件(2)的上限，则在第一面和第三面产生的像散过大，像差的修正变得困难。
条件(3)规定与x轴方向以及y轴方向相关的第一面的曲率与第三面的曲率的差，影响导光部件对外光的屈光度。若将导光部件的厚度设为T，将折射率设为N，则导光部件的光轴上的x轴方向的屈光度Dx以及y轴方向的屈光度Dy通过下式给出：
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，若远屈光度的误差超过±1D则感到不舒服，所以导光部件的屈光度优选抑制在±1D，如果可以的话进一步抑制在±0.5D以下。按照上述的式子，光轴上的屈光度还与导光部件的厚度、折射率有关，所以仅由非球面系数的值不能确定，但系数只要处于满足条件(3)的范围，就能够将光轴上的屈光度抑制在±1D的范围内。
通过使第一面以及第三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与影像光这双方的像差修正，得到优质画质。
在本发明的另外一个方面，在以投射透镜所包含的一个非轴对称非球面的原点为基准，将面形状的表达式关于从原点沿切线方向延伸的正交坐标x以及y进行多项式展开时，在将表示非轴对称非球面的多项式的项xm·yn的系数设为Am，n时，A2，0与A0，2是不同符号，满足下述的条件，
10－2＜|A2，0－A0，2| …(4)。
在该情况下，由于投射透镜具有由如上述那样的非轴对称的自由曲面等构成的非轴对称非球面，所以能够对在导光部件的反射面产生的像散等像差进行修正，而得到优质的画质。
在本发明的另外一个方面，在导光部件的内部，通过包含至少2次的全反射的5次反射对来自影像元件的影像光进行引导。在该情况下，兼得影像光的显示和外界光的视认的透视，并且能够进行影像光的像差的修正。
在本发明的另外一个方面，在第二面形成半透半反镜，将影像光提示给观察者，并且在第二面的外侧一体地配置透光部件，使相对于外界光的屈光度大致设为0，并使外界光和影像光重叠来提示给观察者。在该情况下，能够减少越过第二面观察的外界光的散焦、形变。
在本发明的另外一个方面，投射透镜包含有2个面以上的轴对称非球面作为非轴对称非球面以外的面。在该情况下，通过使投射透镜包括较多的轴对称非球面，能够容易地进行投射透镜的制作、向其他部件的组装。
在本发明的另外一个方面，包含导光部件的光学系统在佩戴时覆盖观察者眼前的一部分，存在眼前不被覆盖的部分。
在本发明的另外的其它的侧面，影像元件：具有信号光形成部，其射出与图像对应地被调制的信号光；以及扫描光学系统，其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。
附图说明
图1是简单地说明本发明的一个实施方式的虚像显示装置的外观的立体图。
图2是表示虚像显示装置的外观的主视图。
图3是构成虚像显示装置的第一显示装置的主体部分的俯视的剖视图。
图4是对第一显示装置中的导光部件的光学面、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的(A)～(F)是对实施例1的光学系统的像差进行说明的图。
图7的(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是对实施例2的导光部件中的光学面、光路进行说明的剖视图。
图10的(A)～(F)是对实施例2的光学系统的像差进行说明的图。
图11的(A)～(F)是对实施例2的光学系统的像差进行说明的图。
图12是对实施例3的光学系统进行说明的图。
图13是对实施例3的导光部件中的光学面、光路进行说明的剖视图。
图14的(A)～(F)是对实施例3的光学系统的像差进行说明的图。
图15的(A)～(F)是对实施例3的光学系统的像差进行说明的图。
图16是对实施例4的光学系统进行说明的图。
图17是对实施例4的导光部件中的光学面、光路进行说明的剖视图。
图18的(A)～(F)是对实施例4的光学系统的像差进行说明的图。
图19的(A)～(F)是对实施例4的光学系统的像差进行说明的图。
图20是对实施例5的光学系统进行说明的图。
图21是对实施例5的导光部件中的光学面、光路进行说明的剖视图。
图22的(A)～(F)是对实施例5的光学系统的像差进行说明的图。
图23的(A)～(F)是对实施例5的光学系统的像差进行说明的图。
图24是对变形例的虚像显示装置进行说明的图。
图25的(A)是对导光装置以及使用了该导光装置的虚像显示装置的其他的另外一个例子进行说明的立体图，(B)是主视图。
具体实施方式
以下，参照图1等，对本发明的虚像显示装置的一个实施方式进行详细说明。
如图1所示，本实施方式的虚像显示装置100是具有像眼镜那样的外观的头戴式显示器，能够使佩戴有该虚像显示装置100的观察者或者使用者视认虚像的图像光，并且能够使观察者透视视认或者观察外界像。虚像显示装置100具备：以能够透视的方式覆盖观察者眼前的第一以及第二光学部件101a、101b；支承两光学部件101a、101b的框部102；以及附加在从框部102的左右两端到后方的镜腿部分(边撑)104的部分的第一以及第二像形成主体部105a、105b。这里，在附图上左侧的组合了第一光学部件101a和第一像形成主体部105a的第一显示装置100A是形成右眼用的虚像的部分，也单独地作为虚像显示装置发挥作用。另外，在附图上右侧的组合了第二光学部件101b和第二像形成主体部105b的第二显示装置100B是形成左眼用的虚像的部分，也单独地作为虚像显示装置发挥作用。
如图1以及图2所示，设置在虚像显示装置100的框部102具备配置在上侧的框架107和配置在下侧的保护器108。框部102中的上侧的框架107是在XZ面内折弯成U字状的细长板状的部件，具备沿左右横向(X方向)延伸的正面部107a、和沿前后纵深方向(Z方向)延伸的一对侧面部107b、107c。所谓的框架107即、正面部107a和侧面部107b、107c是由铝压铸等其他各种金属材料形成的金属制的一体部件。正面部107a在纵深方向(Z方向)的宽度比与第一以及第二光学部件101a、101b对应的导光装置20的厚度或者宽度充分厚。在框架107的左侧方，具体而言朝向正面部107a从左端部到侧面部107b的部分，将第一光学部件101a和第一像形成主体部105a对准并例如利用螺丝固定来直接固定，从而支承。另外，在框架107的右侧方，具体而言朝向正面部107a从右端部到侧面部107c的部分，将第二光学部件101b和第二像形成主体部105b对准并例如利用螺丝固定来直接固定，从而支承。此外，第一光学部件101a与第一像形成主体部105a通过嵌合相互被对准，第二光学部件101b与第二像形成主体部105b通过嵌合相互被对准。框部102中的配置在下侧的保护器108是下缘状的部件，配置并固定在框架107的下方。保护器108是折弯成2段的曲柄状的细长板状的部件，由金属材料或者树脂材料一体地形成。
框架107不光支承第一以及第二像形成主体部105a、105b，还具有与覆盖这些的罩状的外装部件105d配合保护第一以及第二像形成主体部105a、105b的内部的作用。此外，框架107以及保护器108同除了与第一以及第二像形成主体部105a、105b连结的根部侧的导光装置20的椭圆状周围部分分离或者松垮相接。因此，即使在中央的导光装置20与包含框架107以及保护器108的框部102之间存在热膨胀率之差，也允许导光装置20在框部102内膨胀，能够防止在导光装置20产生形变、变形或破损。
付随于框架107而设置有鼻托部40。鼻托部40具有通过与观察者的鼻子抵接来支承框部102的作用。换句话说，框部102通过支承于鼻子的鼻托部40和支承于耳朵的一对边撑部104，而被配置在观察者的面前。鼻托部40在构成框部102的一方的框架107的正面部107a，被夹在构成框部102的另一方的保护器108的中央部，通过螺丝固定固定。此外，如以上那样参照图1所示的外观是一个例子，例如关于通过螺丝固定来固定的机构等，对作为光学机构不能直接参与的地方等，能够适当地对设计进行变更。
如图2以及图3所示，能够看出第一显示装置100A具备作为投影用的光学系统的投射透视装置70和形成影像光的图像显示装置80。此外，图3为表示虚像显示装置100中包含光学系统的光轴AX的基准面SR(参照图2)的剖面的图。投射透视装置70具有将由第一像形成主体部105a形成的图像作为虚像投射至观察者眼睛的作用。投射透视装置70具备导光以及透视用的导光部件10、透视用的透光部件50以及成像用的投射透镜30。换句话说，第一光学部件101a或者导光装置20由导光部件10和透光部件50构成，第一像形成主体部105a由图像显示装置80和投射透镜30构成。
以下，参照图3，对构成第一像形成主体部105a的图像显示装置80和投射透镜30进行说明。
图像显示装置80具有射出照明光的照明装置81、作为透射式的空间光调制装置的影像显示元件82、以及控制照明装置81以及影像显示元件82的动作的驱动控制部84。
图像显示装置80的照明装置81具有产生包含红、绿以及蓝这3种颜色的光的光源81a、以及使来自该光源的光扩散而成为矩形剖面的光束的背光导光部81b。影像显示元件(影像元件)82例如由液晶显示器件形成，由多个像素构成，在空间上对来自照明装置81的照明光进行调制来形成应成为动态图像等显示对象的图像光。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供给电力使其射出稳定亮度的照明光。液晶驱动电路84b通过对影像显示元件(影像元件)82输出图像信号或者驱动信号，形成作为透过率图案而成为动态图像、静止图像的基础的彩色影像光或者图像光。此外，能够使液晶驱动电路84b具有图像处理功能，但也能够使外置的控制电路具有图像处理功能。
投射透镜30是沿着入射侧光轴AXI具备3个光学元件(透镜)31～33作为构成要素的投射光学系统，包含收纳并支承这些光学元件31～33的镜筒(图示省略)。光学元件31～33例如是包含非轴对称的非球面(非轴对称非球面)和轴对称的非球面(轴对称非球面)这双方的非球面透镜，与导光部件10的一部分配合在导光部件10的内部形成与影像显示元件82的显示像对应的中间像。第一透镜31是配置在导光部件10侧的透镜，具有作为导光部件10中与光的入射面对置的光的射出面的透镜面31a和作为光的入射面的透镜面31b。第二透镜32被配置于光的光路上第一透镜31的上段侧，并具有作为光的射出面的透镜面32a和作为光的入射面的透镜面32b。第三透镜33被配置于光的光路上第二透镜32的上段侧，并具有作为光的射出面的透镜面33a和作为光的入射面的透镜面33b。第三透镜33的透镜面33b成为与影像显示元件82对置的入射面。这里，特别是作为3个光学元件中的一个的第一透镜31成为具有作为非轴对称非球面的透镜面31a的元件。对于非轴对称非球面，意味着非轴对称即不是旋转对称的形状、且不是球面的面，代表性地可列举出无对称性的自由曲面等。另外，作为非轴对称非球面，也可以例如是如变形非球面那样不是旋转对称但具有2个对称剖面的形状。此外，对于投射透镜30中透镜面31a以外的5个透镜面31b、32a、32b、33a、33b，成为轴对称非球面。换句话说，投射透镜30包含有2个面以上的轴对称非球面作为非轴对称非球面以外的面。投射透镜30包含比非轴对称非球面多的轴对称非球面，从而能够极力避免难以进行投射透镜30的制成、向其他部件的组装。
以下，参照图3，对投射透视装置70等的功能、动作等的详细内容进行说明。投射透视装置70中作为棱镜型的导光装置20的一部分的导光部件10是在俯视时接近耳朵(与鼻子远离)的周边侧的部分成为以沿着脸的方式例如弯曲的圆弧状，接近鼻子的中央侧(眼前侧)的部分为直线状的部件。导光部件10中，第一导光部分11被配置于接近鼻子的中央侧换句话说光射出侧，作为具有光学功能的侧面，具有第一面S11、第二面S12以及第三面S13，第二导光部分12被配置于远离鼻子的周边侧换句话说光入射侧，作为具有光学功能的侧面，具有第四面S14和第五面S15。其中，第一面S11与第四面S14连续地邻接，第三面S13与第五面S15连续地邻接。另外，在第一面S11与第三面S13之间配置第二面S12，第四面S14与第五面S15以形成较大的角度的方式邻接。并且，这里，成为对置的配置的第一面S11和第三面S13相互大致平行的平面形状。另一方面，具有光学功能的其他面，即第二面S12、第四面S14以及第五面S15为非轴对称的曲面(自由曲面)。
以下，对构成导光部件10的各面进行详细说明。在导光部件10中，第一面S11是以与Z轴平行的射出侧光轴AXO为本地z轴的平面，第二面S12是包含于与XZ面平行的基准面(图示的剖面)且以相对于Z轴倾斜的光轴AX1为本地z轴的自由曲面，第三面S13是以射出侧光轴AXO为本地z轴的平面。第四面S14是包含于与XZ面平行的上述基准面且以与相对于Z轴倾斜的一对光轴AX3、AX4的平分线平行的光轴为本地z轴的自由曲面，第五面S15是包含于与XZ面平行的上述基准面且以与相对于Z轴倾斜的一对光轴AX4、AX5的平分线平行的光轴为本地z轴的自由曲面。在光轴AX5的第五面S15侧的延长线配置有入射侧光轴AXI。此外，以上的第一～第五面S11～S15具有与沿水平(或者横向)延伸的XZ面平行且隔着光轴AX1～AX5等所通过的基准面(图示的剖面)，在垂直(或者纵向)的Y轴方向上对称的形状。
此外，对于构成导光部件10的多个面中，从第一面S11到第三面S13的面以外的面S14、S15中至少一个自由曲面，包含至少一个根据方向而曲率的符号不同的点。由此，精确地控制影像光的导光，并可实现导光部件10的小型化。
导光部件10中的主体10s由在可见区表示较高的透光性的树脂材料形成，例如通过向模具内注入/固化热塑性树脂来成型。此外，作为主体10s的材料，例如能够使用环烯烃聚合物等。主体10s为一体形成品，但导光部件10能够如已经说明那样在功能上分为第一导光部分11和第二导光部分12来考虑。第一导光部分11能够进行影像光GL的导波以及射出，并且能够进行外界光HL的透视。第二导光部分12能够进行影像光GL的入射以及导波。
在第一导光部分11，第一面S11作为使影像光GL向第一导光部分11外射出的折射面发挥作用，并且作为使影像光GL在内面侧全反射的全反射面发挥作用。第一面S11是配置在眼睛EY正面的部件，如已叙述那样，形成平面形状。此外，第一面S11是由对主体10s的表面施加的硬涂层27形成的面。
第二面S12是主体10s的表面，该表面付随有半透半反镜层15。该半透半反镜层15是具有透光性的反射膜(即半透过反射膜)。半透半反镜层(半透过反射膜)15不是形成在第二面S12的全体，而是形成在以第二面S12为主沿着Y轴的垂直方向上缩小的部分区域PA上(参照图2)。半透半反镜层15通过形成金属反射膜、电介质多层膜而形成在主体10s的基底面中的部分区域PA上。从容易透视观察外界光HL的观点来看，半透半反镜层15对影像光GL的反射率在假定的影像光GL的入射角范围内为10％以上50％以下。具体的实施例的半透半反镜层15对影像光GL的反射率例如被设定为20％，对影像光GL的透过率例如被设定为80％。
第三面S13作为使影像光GL在内面侧全反射的全反射面发挥作用。第三面S13是配置在眼睛EY的正面的面，与第一面S11相同，形成平面形状，且是第一面S11与第三面S13是相互平行的面，由此在通过第一面S11与第三面S13观看到外界光HL时，屈光度为0，特别是，也不会产生变焦。此外，第三面S13是由对主体10s的表面施加的硬涂层27形成的面。
在第二导光部分12，第四面S14作为使影像光GL在内面侧全反射的全反射面发挥作用。第四面S14也作为使影像光GL入射至第二导光部分12内的折射面发挥作用。即，第四面S14兼具作为使影像光GL从外部向导光部件10入射的光入射面、使影像光GL在导光部件10的内部传播的反射面的功能。此外，第四面S14是由对主体10s的表面施加的硬涂层27形成的面。
在第二导光部分12，第五面S15通过在主体10s的表面上形成由无机材料形成的光反射膜RM而形成，并作为反射面发挥作用。
如上所述，在本实施方式中，在导光部件10的内部，通过包含至少2次全反射的从第一面S11到第五面S15的5次反射对来自影像显示元件82的影像光进行引导。由此，能够兼得影像光GL的显示和外界光HL的视认透湿性，并且能够进行影像光GL的像差修正。
另外，在如上所述的结构中，投射透镜30中作为投射透镜光轴的入射侧光轴AXI、和与假定为观察者的视线的视线轴相当的射出侧光轴AXO形成大于0°且30°以下的角度。由此，如本实施方式所示，在例如不将影像显示元件82置于观察者的眼睛EY的上方而配置在脸的侧面的结构的情况下，能够提高观察者的佩戴感、且在是将外观的形式维持在良好状态的形状时，光学系统的配置不会成为障碍。
透光部件50如已叙述的那样与导光部件10一体地固定而成为一个导光装置20。透光部件50是辅助导光部件10的透视功能的部件(辅助光学模块)，作为具有光学功能的侧面，具有第一透过面S51、第二透过面S52以及第三透过面S53。这里，在第一透过面S51与第三透过面S53之间配置有第二透过面S52。第一透过面S51处于延长了导光部件10的第一面S11而成的面上，第二透过面S52是通过粘合层CC与该第二面S12接合而一体化的曲面，第三透过面S53在延长导光部件10的第三面S13而成的面上。其中，第二透过面S52与导光部件10的第二面S12经由较薄的粘合层CC接合而被一体化，所以具有为大致相同的曲率的形状。
透光部件(辅助光学模块)50在可见区表示较高的透光性，透光部件50的主体部分由具有与导光部件10的主体10s的折射率大致相同的折射率的热塑性树脂材料形成。此外，透光部件50是在使主体部分与导光部件10的主体10s接合后，在接合的状态下与主体10s一起进行硬质涂层的成膜而形成的部件。换句话说，透光部件50与导光部件10相同，是在主体部分的表面施加了硬涂层27而成的部件。第一透过面S51和第三透过面S53是由对主体部分的表面施加的硬涂层27形成的面。
以下，对虚像显示装置100中的影像光GL等的光路进行说明。从影像显示元件(影像元件)82射出的影像光GL通过构成投射透镜30的各透镜31～33，从而被聚焦，并赋予预期的像散而入射至设置在导光部件10的具有正折射能力的第四面S14。此外，该像散在经过导光部件10的各面期间相抵消，最终在初始的状态下影像光朝向观察者的眼睛射出。
入射至导光部件10的第四面S14并通过该第四面S14的影像光GL聚焦并且前进，在经由第二导光部分12时，被具有相对较弱的正折射能力的第五面S15反射，从内侧再次入射至第四面S14并被反射。
被第二导光部分12的第四面S14反射的影像光GL在第一导光部分11中，入射至实际不具有折射能力的第三面S13而被全反射，再入射至实际不具有折射能力的第一面S11而被全反射。
这里，影像光GL在通过第三面S13的前后，在导光部件10中形成中间像。该中间像的像面II是与影像显示元件82的像面OI对应的的像面。此外，图示的中间像的像面II形成在影像光从第三面S13到第四面S14的光路上，但有时也形成在其以外的位置，在本实施方式中，为形成在影像光从第三面S13到第五面S15的光路上的情况。
被第一面S11全反射的影像光GL向第二面S12入射，但特别是入射至半透半反镜层15的影像光GL部分透过该半透半反镜层15、部分被反射而再次入射至第一面S11并通过。此外，半透半反镜层15作为针对在这里被反射的影像光GL具有比较强的正折射能力的部件发挥作用。另外，第一面S11作为对通过其的影像光GL不具有折射能力的部件发挥作用。
通过第一面S11的影像光GL作为与观察者的眼睛EY的瞳孔或者其等效位置大致平行的光束入射。换句话说，观察者通过作为虚像的影像光GL来观察形成在影像显示元件(影像元件)82上的图像。
另一方面，外界光HL中，入射至比导光部件10的第二面S12靠－X侧的光通过第一导光部分11的第三面S13和第一面S11，但此时第三面S13与第一面S11为相互大致平行的平面，由此几乎不会产生像差等。换句话说，观察者越过导光部件10观察没有形变的外界像。同样，外界光HL中，入射至比导光部件10的第二面S12靠+X侧的光，换句话说，入射至透光部件50的光在通过设置在透光部件50的第三透过面S53和第一透过面S51时，第三透过面S53与第一透过面S51成为相互大致平行的平面，由此不会产生像差等。换句话说，观察者越过透光部件50观察没有形变的外界像。并且，外界光HL中，入射至与导光部件10的第二面S12对应的透光部件50的光通过第三透过面S53与第一面S11时，第三透过面S53与第一面S11成为相互大致平行的平面，由此几乎不会产生像差等。换句话说，观察者越过透光部件50观察没有形变的外界像。此外，导光部件10的第二面S12与透光部件50的第二透过面S52都具有大致相同的曲面形状，且都具有大致相同的折射率，两者的缝隙被大致相同的折射率的粘合层CC填充。换句话说，导光部件10的第二面S12、透光部件50的第二透过面S52对于外界光HL不作为折射面发挥作用。
但是，由于入射至半透半反镜层15的外界光HL部分透过该半透半反镜层15并且部分被反射，所以来自与半透半反镜层15对应的方向的外界光HL被半透半反镜层15的透过率削弱。另一方面，由于影像光GL从与半透半反镜层15对应的方向入射，所以观察者能够在半透半反镜层15的方向上与形成在影像显示元件(影像元件)82上的图像一起观察外界像。
在导光部件10内传播而入射至第二面S12的影像光GL中没有被半透半反镜层15反射的光入射至透光部件50内，但通过设置在透光部件50的未图示的防反射部来防止返回到导光部件10。换句话说，防止通过第二面S12的影像光GL返回到光路上而成为杂光。另外，从透光部件50侧入射而被半透半反镜层15反射的外界光HL返回到透光部件50，但通过设置在透光部件50的上述的未图示的防反射部防止射出至导光部件10。换句话说，防止被半透半反镜层15反射的外界光HL返回到光路上而成为杂光。
图4是对导光部件10中的光轴AX1～AX5、本地坐标进行说明的图。在以下的说明中，考虑到光学系统的评价、表达的方便，对于从观察者的眼睛EY朝向图像显示装置80的影像显示元件82的逆行方向，规定光学面、光路。在实际的光学系统中，从影像显示元件82发出的光依次通过投射透镜30和导光部件10到达眼睛EY，但在该状态下难以进行光学系统的评价。因此，作为来自无限远的光源的光通过眼睛EY所在位置的光圈进入导光部件10，通过投射透镜30在影像显示元件82成像，进行评价、设计，在以下详细叙述的光学系统的数据也按照该顺序来显示。此外，对于与导光部件10接合而作为一体来使用的透光部件50，是延长了导光部件10的形状所成的部件，省略说明。
在图示的导光部件10中，第一面S11的光轴与射出侧光轴AXO一致，第一面S11的本地坐标(x，y，z)处于与整体坐标(X，Y，Z)并进关系，在第一面S11上具有原点。换句话说，本地坐标的z方向在射出侧光轴AXO上为行进方向(光线的逆行方向)，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。
第二面S12的光轴相对于射出侧光轴AXO适当地倾斜，第二面S12的本地坐标相对于整体坐标围绕Y轴适当地旋转并并进，在第二面S12上具有原点。第二面S12的本地坐标的z方向为射出侧光轴AXO与从第二面S12朝向第一面S11的光束中心的光轴AX1的中间方向。
第三面S13的光轴与射出侧光轴AXO一致，第三面S13的本地坐标处于与整体坐标并进关系，在第三面S13的延长面即第三透过面S53上具有原点。
综上所述，从第二面S12朝向第一面S11的光束中心的光轴AX1、和从第一面S11朝向第三面S13的光束中心的光轴AX2的中间方向同第一面S11上的光束中心(光轴AX1、AX2的交点)中的第一面S11的法线方向一致。另外，从第一面S11朝向第三面S13的光束中心的光轴AX2和从第三面S13朝向第四面S14的光束中心的光轴AX3的中间方向同第三面S13上的光束中心(光轴AX2、AX3的交点)中的第三面S13的法线方向一致。
在从第三面S13朝向下一个第四面S14的光路中，其本地坐标为与行进方向(光线的逆行方向)对应的坐标。换句话说，从第三面S13到第四面S14的本地坐标的z方向与光束中心的光轴AX3一致，该本地坐标的y方向与整体坐标的Y方向平行。
第四面S14的本地坐标的原点位于该第四面S14上。另外，第四面S14的本地坐标的z方向即第四面S14的光轴为从第三面S13到第四面S14的光束中心的光轴AX3与从第四面S14到第五面S15的光束中心的光轴AX4的平分线。
第五面S15的本地坐标的原点位于该第五面S15上。另外，第五面S15的本地坐标的z方向即第五面S15的光轴为从第四面S14到第五面S15的光束中心的光轴AX4与从第五面S15到第四面S14的光束中心的光轴AX5的平分线。
导光部件10的第一面S11的形状利用第一面S11的本地坐标(x，y，z)表示为：
z＝Σ{A1m，n·(xm·yn)}…(5)
这里，A1m，n为多项式展开后的第m·n项的系数
m、n为0以上的整数。其中，在图3以及图4所示的例子中，第一面S11为是平面形状，各系数A1m，n为0。
导光部件10的第二面S12的形状利用第二面S12的本地坐标(x，y，z)表示为：
z＝Σ{A2m，n·(xm·yn)}…(6)
这里，A2m，n是多项式展开后的第m·n项的系数。
导光部件10的第三面S13的形状利用第三面S13的本地坐标(x，y，z)表示为：
z＝Σ{A3m，n·(xm·yn)}…(7)
这里，A3m，n为多项式展开后的第m·n项的系数。但是，在图3以及图4所示的例子中，第三面S13为平面形状，各系数A1m，n为0。
在本实施方式中，导光部件10的第一～第三面S11～S13满足如下三个条件：
－10－1＜A10，2+A12，0＜10－2 以及
－10－1＜A30，2+A32，0＜10－2…(1)
|A12，0－A10，2|＜10－1 以及
|A32，0－A30，2|＜10－1 …(2)
|A12，0－A32，0|＜10－2 以及
|A10，2－A30，2|＜10－2 …(3)。
为了满足这三个条件，通过设定第一～第三面S11～S13的形状，能够良好地进行外界光HL与影像光GL双方的像差的修正，从而得到优质的画质。
导光部件10的第一面S11与第三面S13的间隔为5mm以上15mm以下。另外，第二面S12相对于第一面S11的倾斜角为20°以上40°以下。
另外，导光部件10的第四面S14或者第五面S15是为了光路的调整、像差的更精确的修正而设置的。
导光部件10的第四面S14的形状利用第四面S14的本地坐标(x，y，z)表示为：
z＝Σ{A4m，n·(xm·yn)} …(8)
这里，A4m，n是多项式展开后的第m·n项的系数。
导光部件10的第五面S15的形状利用第五面S15的本地坐标(x，y，z)来表示：
z＝Σ{A5m，n·(xm·yn)} …(9)
这里，A5m，n是多项式展开后的第m·n项的系数。
此外，在本实施方式中，由上式(8)以及(9)表示的第四面S14、第五面S15的曲面形状为包含至少一个曲率的符号根据方向而不同的曲率不同符号点的曲率不同符号面。
并且，在本实施方式中，如上述那样，导光部件10不仅具有第二面S12等自由曲面，在投射透镜30中还具有作为自由曲面的非轴对称的非球面，从而实现像差的修正。
以下，对投射透镜30所包含的非轴对称非球面(自由曲面)进行说明。构成投射透镜30的三个透镜31～33中与导光部件10对置的第一透镜31为具有作为非轴对称非球面(自由曲面)的透镜面31a的透镜。透镜面31a也与上述相同，基于本地坐标来规定形状。具体而言，透镜面31a的本地坐标的原点位于该透镜面31a上。另外，透镜面31a的本地坐标的z方向即透镜面31a的光轴同与光轴AX5和第四面S14的交点(通过点)连接的入射侧光轴AXI一致，该本地坐标的y方向与整体坐标的Y方向平行。
第一透镜31的透镜面31a的形状利用透镜面31a的本地坐标(x，y，z)表示为：
z＝Σ{Am，n·(xm·yn)} …(10)
这里，Am，n是多项式展开后的第m·n项的系数。
在本实施方式中，投射透镜30的透镜面31a在上式(10)中，系数A2，0与A0，2是不同符号，并且满足
10－2＜|A2，0－A0，2|…(4)。
在该情况下，如上述那样，利用投射透镜30所具有的非轴对称非球面即透镜面31a，对在导光部件10的反射面中产生的像散等像差进行修正，能够得到优质的画质的部件。
如以上那样，在本实施方式中，不仅导光部件10包含2个面以上的非轴对称的曲面(在图示的情况下，相当于第二面S12、第四面S14以及第五面S15这3个面，它们均为进行影像光GL的反射等，有助于影像光GL导光的曲面。)，并且投射透镜30还包括透镜面31a作为非轴对称非球面。由此，在导光部件10侧，有例如作为有助于导光的面的第一面S11、第三面S13为平面这样的形状上的制约，即使在对非对称的像差的修正存在限制的情况下，包括投射透镜30的光学系统整体也能够进行充分的像差修正。由此，虚像显示装置100能够广视场角、高性能且小型轻量。另外，在上述的虚像显示装置100中，在导光部件10中，通过使第一面S11与第三面S13成为相互大致平行的平面，对于外界光能够使屈光度误差几乎为零，特别是，将外观的倍率误差大致设为零，能够成为与裸眼状态没有区别的状态。这里，倍率误差是指若通过导光部件那样的透光性的部件观看外界像，则与实际的外界像的大小相比被放大或者缩小地看见时的误差。通过透光性的部件观察的外界光因该部件具有有限的曲率的曲面或受到厚度、折射率等的影响，除了是完全的平面的情况以外，或多或少都会产生倍率误差。在上述的情况下，第一面S11以及第三面S13是平面，从而能够使外观的倍率误差为零。
另外，在本实施方式的虚像显示装置100中，通过投射透镜30等在导光部件10的内部形成中间像，并且按照第三面S13、第一面S11、以及第二面S12的顺序被2个面以上全反射的影像光GL透过第一面S11到达观察者的眼睛EY，所以能够例如使偏向横向延伸的导光部件10薄型并使光学系统整体为小型、轻量，并且实现广视场角且明亮的高性能的显示。另外，对于外界光HL，例如能够使其通过第一面S11和第三面S13来观察，使此时的屈光度大致为0，所以能够减少通过透视观察外界光HL时的外界光HL的散焦、形变。另外，能够将导光部件10的形状设为沿着观察者的脸的形，能够成为重心也接近脸、设计也优异的装置。特别是，由于第一面S11以及第三面S13以外的面即第四面S14等为根据沿着面的方向的不同而存在曲率不同的点的曲面，所以能够使导光部件10成为小型的部件，进而能够实现虚像显示装置100整体的小型化、轻量化。
另外，在以上，在导光部件10中，第一面S11、第三面S13为平面，但如后述的实施例(实施例2～5)中所示，包括第一面S11、第三面S13的各面也可以为非轴对称的曲面。在该情况下，第一面S11、第三面S13的曲面形状为例如基于由上式(5)以及(7)所示的系数所规定的形状。
实施例
以下，对装入本发明所涉及的虚像显示装置的投射透视装置的实施例进行说明。以下对在各实施例中所使用的附图标记进行归纳。
SPH：瞳孔
FFSk：自由曲面(导光部件或者投射光学系统中的k＝面编号，其中，也有一部分包含平面的情况。)
ASPk：轴对称非球面(投射光学系统中的k＝面编号)
SPH：球面或者平面(保护玻璃表面)
R：曲率半径
T：轴上面间隔
Nd：光学材料相对于d线的折射率
Vd：光学材料对于d线的阿贝数
TLY：特定面的横剖面(XZ剖面)中的光轴倾斜角度(°)(对于TLY，有时在特定面的前后发生变化)
DCX：特定面的横剖面(XZ剖面)中的X轴方向的光轴的偏差量
实施例1
在以下的表1示出实施例1的投射透视装置中构成导光部件以及投射透镜(投射光学系统)的光学面的数据。这里，从眼睛的位置开始对相对于影像光的行进逆行的光线进行追踪，并进行测定。此外，例如FFS1意味着第一面S11，FFS2意味着第二面S12，FFS3意味着第三面S13。其中，FFS6意味着投射透镜的第一透镜的射出面即透镜面31a。另外，ASP1意味着不是投射透镜的第一透镜的射出面而是入射面，ASP2意味着第二透镜的射出面。
表1
在以下的表2中示出对于构成实施例1的导光部件中的光学面，将其横剖面中的光轴倾斜角度(倾角)TLY和光轴偏差量(偏心)DCX。此外，关于第四面S14，考虑第二次通过时的角度的倾斜。
表2
在以下的表3中示出对于构成实施例1的导光部件中的各光学面，将自由曲面(包括平面)的多项式展开后的系数Akm，n、和对于投射透镜中的各光学面中非轴对称非球面，多项式展开后的系数Am，n。此外，在表3中，符号m，n意味着系数Akm，n以及系数Am，n中的变量或者次数。另外，符号FFSk(k＝1～5)意味着作为自由曲面的第一～第五面S11～S15中的第k面。另外，符号FFSk(k＝6)意味着作为非轴对称非球面的透镜面31a。此外，系数Akm，n意味着构成表示作为对象的第k面的多项式的各项xm·yn的系数。另外，系数Am，n意味着构成表示作为对象的非轴对称非球面的多项式的各项xm·yn的系数。此外，各面的本地坐标与图4所示的情况相当，所以省略图示等。
表3
在以上的表3以及以下的表中，数值E以后意味着十进制的指数部，例如“－1.022E－02”意味着－1.022×10－02。
在以下的表4中示出实施例1的投射透视装置中构成投射透镜的光学面(上述非轴对称非球面即透镜面31a以外的面的轴对称非球面)的非球面的系数。
表4
在以上的表4中，符号K、Bi表示用于确定构成投射透镜30的三个透镜31、32、33中作为透镜面31a以外的透镜面的符号ASP1～ASP5的非球面的系数。非球面通过以下的多项式(非球面式)来确定。
这里，R是各个面的曲率半径，h是距离光轴的高度，K是对象透镜面的圆锥系数，Bi(i＝4、6、8、…)是对象透镜面的高次非球面系数。
图5是实施例1的投射透视装置70的剖视图。其中，对于光束，不光在基准面SR上，还示出从基准面SR离开Y方向的光束。投射透视装置70中的导光部件10具有实际上不具有折射能力的第一面S11、具有比较强的正折射能力的第二面S12、实际上不具有折射能力的第三面S13、具有比较强的正折射能力的第四面S14、以及具有比较弱的负折射能力的第五面S15。这里，第四面S14作为反射面以及折射面发挥作用。具体而言，第四面S14对于从第三面S13逆行的光束(实际上是来自第五面S15的光)成为全反射面，对于从第五面S15逆行的光束(实际上是来自投射透镜30的光)成为透过面。换句话说，第四面S14兼具光路的折弯的功能、和与光束的聚焦相关的功能。投射透镜30具备具有正折射能力的第一透镜31、具有负折射能力的第二透镜32、以及具有正折射能力的第三透镜33。若对实施例1的光学系统的具体规格进行说明，则水平视场角为20.1°、垂直视场角为11.4°、影像显示元件的显示区域的大小为9.22×5.18mm，瞳孔直径为5mm、焦距约为26mm。
图6的(A)～6的(F)以及图7的(A)～7的(F)表示实施例1的像差。在各像差图中，横轴表示瞳孔中的位置，纵轴以微米单位表示像差量。具体而言，图6的(A)以及6的(B)表示X方向10°、Y方向5.7°的方位中的Y以及X方向的像差，图6的(C)以及6的(D)表示X方向0.0°、Y方向5.7°的方位中的Y以及X方向的像差，图6的(E)以及6的(F)表示X方向－10°、Y方向5.7°的方位中的Y以及X方向的像差。图7的(A)以及7的(B)表示X方向10°、Y方向0.0°的方位中的Y以及X方向的像差，图7的(C)以及7的(D)表示X方向0.0°、Y方向0.0°的方位中的Y以及X方向的像差，图7的(E)以及7的(F)表示X方向－10°、Y方向0.0°的方位中的Y以及X方向的像差。此外，为了方便，图示的像差量为使光线逆行的情况下的影像显示元件的像面中的像差量。
实施例2
在以下的表5中示出实施例2的投射透视装置中构成导光部件以及投射透镜的光学面的数据。
在以下的表5中示出实施例2的投射透视装置中构成导光部件以及投射透镜(投射光学系统)的光学面的数据。此外，FFS7意味着投射透镜的第一透镜的射出面即透镜面31a。另外，ASP1意味着不是投射透镜的第一透镜的射出面而是入射面，ASP2意味着第二透镜的射出面。
表5
在以下的表6示出对于构成实施例2的导光部件中的光学面，其横剖面中的光轴倾斜角度(倾角)TLY和光轴偏差量(偏心)DCX。
表6
在以下的表7中示出对于构成实施例2的导光部件中的各光学面，自由曲面(包括平面)的多项式展开后的系数Akm，n、和对于投射透镜中的各光学面中非轴对称非球面，多项式展开后的系数Am，n。此外，在表7中，符号m、n意味着系数Akm，n以及系数Am，n中的变量或者次数。另外，符号FFSk(k＝1～6)意味着自由曲面的第一～第六面S11～S16中的第k面。另外，符号FFSk(k＝7)意味着作为非轴对称非球面的透镜面31a。此外，系数Akm，n意味着构成表示作为对象的第k面的多项式的各项xm·yn的系数。另外，系数Am，n意味着构成表示作为对象的非轴对称非球面的多项式的各项xm·yn的系数。如图8所示，在本实施例中，导光部件10具有与第四面S14邻接的第六面S16。此外，如图示那样，第六面S16是光入射面，具有与光束的聚焦相关的功能。另一方面，第四面S14承担有光路折弯的功能。换句话说，在实施例1的第四面S14兼具的功能在实施例2中被分给第四面S14和第六面S16。
表7
在以下的表8中示出实施例2的投射透视装置中构成投射透镜的光学面(上述非轴对称非球面即透镜面31a以外的面的轴对称非球面)的非球面的系数。
表8
在以上的表8中，符号K、Bi表示用于确定作为构成投射透镜30的三个透镜31、32、33中透镜面31a以外的透镜面的符号ASP1～ASP5的非球面的系数。
图8是实施例2的投射透视装置70的剖视图。另外，图9是表示导光部件中的本地坐标的图。投射透视装置70中的导光部件10具备具有较弱的负折射能力的第一面S11、具有比较强的正折射能力的第二面S12、具有比较弱的正折射能力的第三面S13、具有比较弱的负的折射能力的第四面S14、具有比较弱的正折射能力的第五面S15、以及具有比较强的正折射能力的第六面S16。投射透镜30具备具有正折射能力的第一透镜31、具有负折射能力的第二透镜32、以及具有正折射能力的第三透镜33。若对实施例2的光学系统的具体的规格进行说明，则水平视场角为20.1°、垂直视场角为11.4°、影像显示元件的显示区域的大小为9.22×5.18mm、瞳孔直径为5mm、焦距约为26mm。
图10的(A)～图10的(F)以及图11的(A)～图11的(F)表示实施例2的像差。在各像差图中，横轴表示在瞳孔中的位置，纵轴以微米单位表示像差量。具体而言，图10的(A)以及图10的(B)表示X方向10°、Y方向5.7°的方位中的Y以及X方向的像差，图10的(C)以及图10的(D)表示X方向0.0°、Y方向5.7°的方位中的Y以及X方向的像差，图10的(E)以及图10的(F)表示X方向－10°、Y方向5.7°的方位中的Y以及X方向的像差。图11的(A)以及图11的(B)表示X方向10°、Y方向0.0°的方位中的Y以及X方向的像差，图11的(C)以及图11的(D)表示X方向0.0°、Y方向0.0°的方位中的Y以及X方向的像差，图11的(E)以及图11的(F)表示X方向－10°、Y方向0.0°的方位中的Y以及X方向的像差。此外，为了方便，图示的像差量为使光线逆行的情况下的影像显示元件的像面中的像差量。
实施例3
在以下的表9中示出实施例3的投射透视装置中构成导光部件以及投射透镜(投射光学系统)的光学面的数据。此外，如图12所示，在实施例3中，投射透镜30中作为不是第一透镜31而是第二透镜32的入射面的透镜面32b为非轴对称非球面，FFS6意味着透镜面32b。另外，例如ASP1意味着投射透镜的第一透镜的入射面，ASP2意味着第一透镜的入射面，ASP4意味着不是第二透镜的入射面而是第三透镜的射出面。
表9
在以下的表10中，示出对于构成实施例3的导光部件中的光学面，其横剖面中的光轴倾斜角度(倾角)TLY和光轴偏差量(偏心)DCX。
表10
在以下的表11中示出对于构成实施例3的导光部件中的各光学面，自由曲面(包括平面)的多项式展开后的系数Akm，n、和对于投射透镜中的各光学面中非轴对称非球面，多项式展开后的系数Am，n。此外，在表11中，符号m、n意味着系数Akm，n以及系数Am，n中的变量或者次数。另外，符号FFSk(k＝1～5)意味着作为自由曲面的第一～第五面S11～S15中的第k面。另外，符号FFSk(k＝6)意味着作为非轴对称非球面的透镜面32b。此外，系数Akm，n意味着构成表示作为对象的第k面的多项式的各项xm·yn的系数。另外，系数Am，n意味着构成表示作为对象的非轴对称非球面的多项式的各项xm·yn的系数。如图12所示，在本实施例中，与实施例1的第四面S14相同，兼具光路折弯的功能和与光束的聚焦相关的功能。
表11
在以下的表12中示出实施例3的投射透视装置中构成投射透镜的光学面(作为上述非轴对称非球面即透镜面32b以外的面的轴对称非球面)的非球面的系数。
表12
在以上的表12中，符号K、Bi表示用于确定作为构成投射透镜30的三个透镜31、32、33中透镜面32b以外的透镜面的符号ASP1～ASP5的非球面的系数。
图12是实施例3的投射透视装置70的剖视图。另外，图13是表示导光部件中的本地坐标的图。投射透视装置70中的导光部件10具备具有较弱的负折射能力的第一面S11、具有比较强的正折射能力的第二面S12、具有比较弱的正折射能力的第三面S13、具有比较弱的负折射能力的第四面S14、具有比较弱的正折射能力的第五面S15、以及具有比较强的正折射能力的第六面S16。投射透镜30具备具有正折射能力的第一透镜31、具有负折射能力的第二透镜32、以及具有正折射能力的第三透镜33。若对实施例3的光学系统的具体的规格进行说明，则水平视场角为20.1°、垂直视场角为11.4°、影像显示元件的显示区域的大小为9.22×5.18mm、瞳孔直径为5mm、焦距约为26mm。
图14的(A)～图14的(F)以及图15的(A)～图15的(F)表示实施例3的像差。在各像差图中，横轴表示在瞳孔中的位置，纵轴以微米单位表示像差量。具体而言，图14的(A)以及图14的(B)表示X方向10°、Y方向5.7°的方位中的Y以及X方向的像差，图14的(C)以及图14的(D)表示X方向0.0°、Y方向5.7°的方位中的Y以及X方向的像差，图14的(E)以及图14的(F)表示X方向－10°、Y方向5.7°的方位中的Y以及X方向的像差。图15的(A)以及图的15(B)表示X方向10°、Y方向0.0°的方位中的Y以及X方向的像差，图15的(C)以及图15的(D)表示X方向0.0°、Y方向0.0°的方位中的Y以及X方向的像差，图15的(E)以及图15的(F)表示X方向－10°、Y方向0.0°的方位中的Y以及X方向的像差。此外，为了方便，图示的像差量为使光线逆行的情况下的影像显示元件的像面中的像差量。
实施例4
在以下的表13中示出实施例4的投射透视装置中构成导光部件以及投射透镜(投射光学系统)的光学面的数据。此外，如图16所示，在实施例4中，投射透镜30中作为不是第一透镜31而是第二透镜32的入射面的透镜面32b为非轴对称非球面，FFS7意味着透镜面32b。另外，例如ASP1意味着投射透镜的第一透镜的入射面，ASP2意味着第一透镜的入射面，ASP4意味着不是第二透镜的入射面而是第三透镜的射出面。
表13
在以下的表14中示出对于构成实施例4的导光部件中的光学面，其横剖面中的光轴倾斜角度(倾角)TLY和光轴偏差量(偏心)DCX。
表14
在以下的表15中示出对于构成实施例4的导光部件中的各光学面，自由曲面(包括平面)的多项式展开后的系数Akm，n、和对于投射透镜中的各光学面中非轴对称非球面，多项式展开后的系数Am，n。此外，在表15中，符号m、n意味着系数Akm，n以及系数Am，n中的变量或者次数。另外，符号FFSk(k＝1～6)意味着作为自由曲面的第一～第六面S11～S16中的第k面。另外，符号FFSk(k＝7)意味着作为非轴对称非球面的透镜面32b。此外，系数Akm，n意味着构成表示作为对象的第k面的多项式的各项xm·yn的系数。另外，系数Am，n意味着构成表示作为对象的非轴对称非球面的多项式的各项xm·yn的系数。如图16所示，在本实施例中，导光部件10具有与第四面S14连续地邻接的第六面S16。此外，如图示那样，第六面S16为光入射面，具有与光束的聚焦相关的功能。另一方面，第四面S14承担光路的折弯的功能。换句话说，在实施例1的第四面S14中兼具的功能在实施例4中被分给第四面S14和第六面S16。
表15
在以下的表16中示出实施例4的投射透视装置中构成投射透镜的光学面(作为上述非轴对称非球面即透镜面32b以外的面的轴对称非球面)的非球面的系数。
表16
在以上的表16中，符号K、Bi表示用于确定作为构成投射透镜30的三个透镜31、32、33中透镜面32b以外的透镜面的符号ASP1～ASP5的非球面的系数。
图16是实施例4的投射透视装置70的剖视图。另外，图17是表示导光部件中的本地坐标的图。投射透视装置70中的导光部件10具备具有较弱的负折射能力的第一面S11、具有比较强的正折射能力的第二面S12、具有比较弱的正折射能力的第三面S13、具有比较弱的负折射能力的第四面S14、具有比较弱的正折射能力的第五面S15、以及具有比较强的正折射能力的第六面S16。投射透镜30具备具有正折射能力的第一透镜31、具有负折射能力的第二透镜32、以及具有正折射能力的第三透镜33。若对实施例4的光学系统的具体的规格进行说明，则水平视场角为20.1°、垂直视场角为11.4°、影像显示元件的显示区域的大小为9.22×5.18mm、瞳孔直径为5mm、焦距约为26mm。
图18的(A)～图18的(F)以及图19的(A)～图19的(F)表示实施例4的像差。在各像差图中，横轴表示在瞳孔中的位置，纵轴以微米单位表示像差量。具体而言，图18的(A)以及图18的(B)表示X方向10°、Y方向5.7°的方位中的Y以及X方向的像差、图18的(C)以及18的(D)表示X方向0.0°、Y方向5.7°的方位中的Y以及X方向的像差、图18的(E)以及图18的(F)表示X方向－10°、Y方向5.7°的方位中的Y以及X方向的像差。图19的(A)以及图19的(B)表示X方向10°、Y方向0.0°的方位中的Y以及X方向的像差、图19的(C)以及图19的(D)表示X方向0.0°、Y方向0.0°的方位中的Y以及X方向的像差、图19的(E)以及图19的(F)表示X方向－10°、Y方向0.0°的方位中的Y以及X方向的像差。此外，为了方便，图示的像差量为使光线逆行的情况下的影像显示元件的像面中的像差量。
实施例5
在以下的表17中示出实施例5的投射透视装置中构成导光部件以及投射透镜(投射光学系统)的光学面的数据。此外，FFS7意味着作为投射透镜的第一透镜的射出面的透镜面31b。另外，ASP1意味着不是投射透镜的第一透镜的射出面而是入射面，ASP2意味着第二透镜的射出面。如图20所示，在实施例5中，投射透镜30由两个透镜31、32构成。
表17
在以下的表18中示出对于构成实施例5的导光部件中的光学面，其横剖面中的光轴倾斜角度(倾角)TLY和光轴偏差量(偏心)DCX。
表18
在以下的表19中示出对于实施例5的导光部件中构成各光学面，自由曲面(包括平面)的多项式展开后的系数Akm，n、和对于投射透镜中的各光学面中非轴对称非球面，多项式展开后的系数Am，n。此外，在表19中，符号m、n意味着系数Akm，n以及系数Am，n中的变量或者次数。另外，符号FFSk(k＝1～6)意味着作为自由曲面的第一～第六面S11～S16中的第k面。另外，符号FFSk(k＝7)意味着作为非轴对称非球面的透镜面31b。此外，系数Akm，n意味着构成表示作为对象的第k面的多项式的各项xm·yn的系数。另外，系数Am，n意味着构成表示作为对象的非轴对称非球面的多项式的各项xm·yn的系数。如图20所示，在本实施例中，导光部件10具有与第四面S14连续地邻接的第六面S16。此外，如图示那样，第六面S16是光入射面，具有与光束的聚焦相关的功能。另一方面，第四面S14承担着光路的折弯的功能。换句话说，在实施例1的第四面S14中兼具的功能在实施例5中被分给第四面S14和第六面S16。
表19
在以下的表20中示出实施例5的投射透视装置中构成投射透镜的光学面(作为上述非轴对称非球面即透镜面31b以外的面的轴对称非球面)的非球面的系数。
表20
在以上的表20中，符号K、Bi表示用于确定作为构成投射透镜30的2个透镜31、32中透镜面31b以外的透镜面的符号ASP1～ASP3的非球面的系数。
图20是实施例5的投射透视装置70的剖视图。另外，图21是表示导光部件中的本地坐标的图。投射透视装置70中的导光部件10具备具有较弱的负折射能力的第一面S11、具有比较强的正折射能力的第二面S12、具有比较弱的正折射能力的第三面S13、具有比较弱的负折射能力的第四面S14、具有比较弱的正折射能力的第五面S15、以及具有比较强的正折射能力的第六面S16。投射透镜30具备具有负折射能力的第一透镜31、和具有正折射能力的第二透镜32。若对实施例5的光学系统的具体的规格进行说明，则水平视场角为20.1°、垂直视场角为11.4°、影像显示元件的显示区域的大小为9.22×5.18mm、瞳孔直径为5mm、焦距约为26mm。
图22的(A)～图22的(F)以及图23的(A)～图23的(F)表示实施例5的像差。在各像差图中，横轴表示在瞳孔中的位置，纵轴以微米单位表示像差量。具体而言，图22的(A)以及图22的(B)表示X方向10°、Y方向5.7°的方位中的Y以及X方向的像差，图22的(C)以及图22的(D)表示X方向0.0°、Y方向5.7°的方位中的Y以及X方向的像差，图22的(E)以及图22的(F)表示X方向－10°、Y方向5.7°的方位中的Y以及X方向的像差。图23的(A)以及图23的(B)表示X方向10°、Y方向0.0°的方位中的Y以及X方向的像差，图23的(C)以及图23的(D)表示X方向0.0°、Y方向0.0°的方位中的Y以及X方向的像差，图23的(E)以及图23的(F)表示X方向－10°、Y方向0.0°的方位中的Y以及X方向的像差。此外，为了方便，图示的像差量为使光线逆行的情况下的影像显示元件的像面中的像差量。
在以下的表21中，对与各实施例1～5总结与条件式(1)～(3)相关的数值数据。
表21
另外，在以下的表22中，对于各实施例1～5总结同第一面S11与第三面S13的间隔以及与视线轴(射出侧光轴AXO)和第二面S12的z轴的角度相关的数值数据。
表22
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
S11与S12的间隔(mm) 10.46 8.00 9.00 8.50 8.50
视线轴与S12的Z轴的角度(°) 23.8 23 25 24 24
另外，条件式(3)影响导光部件对外光的屈光度，若将导光部件的厚度设为T、将折射率设为N，则导光部件的光轴上的x轴方向的屈光度Dx以及y轴方向的屈光度Dy通过下式给出：
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23中，总结与各实施例1～5的屈光度相关的数值数据。
表23
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
屈光度Dx(D：视度) 0.00 0.20 0.00 -0.17 -0.07
屈光度Dy(D：视度) 0.00 -0.26 -0.02 -0.34 0.03
棱镜的厚度T(mm) 10.46 8.0 9.0 8.5 8.5
折射率N 1.525 1.525 1.525 1.525 1.525
另外，与非轴对称非球面相关的系数A2，0和A0，2为不同符号，并且，满足下述的条件式(4)
10-2＜|A2，0-A0，2| ...(4)
是表示用于通过投射透镜所具有的非轴对称非球面，对在导光部件的反射面中产生的像散等像差进行修正，能够得到优质画质的指标的值。在以下的表24中，总结各实施例1～5的上述要件。在任意的实施例中，都满足上述要件。
表24
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
A<sub>2，0</sub> 4.99E-02 1.13E-01 9.36E-03 -1.42E-02 -4.70E-02
A<sub>0，2</sub> -6.96E-02 -6.69E-03 -3.92E-02 1.01E-01 8.93E-02
|A2，0-A0，2| 1.20E-01 1.20E-01 4.86E-02 1.15E-01 1.36E-01
另外，在以下的表25中，总结各实施例1～5的投射透镜30的入射侧光轴AXI(投射透镜光轴)与射出侧光轴AXO(视线轴)所成的角度。在任意的实施例中，该角度都为大于0°且为30°以下。
表25
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
透镜光轴与视线轴的角度 2.67 0.92 6.31 11.30 9.87
其他
根据以上各实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不限于上述的实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内在各种方式中实施，例如也能够进行如下的变形。
在上述的说明中，将投射透镜所具有的非轴对称非球面设为1个面，但投射透镜也可以具有2个面以上的非轴对称非球面。
在上述的说明中，半透半反镜层(半透过反射膜)15形成为横长的矩形区域，但半透半反镜层15的轮廓能够根据用途之外其他规格适当地变更。另外，半透半反镜层15的透过率、反射率也能够根据用途之外其他规格来变更。
在上述的说明中，并未对影像显示元件82中的显示亮度的分布进行特别调整，但在因位置而产生亮度差的情况等，能够不均衡地调整显示亮度的分布。
在上述的说明中，作为图像显示装置80，使用由透射式的液晶显示器件等构成的影像显示元件82，但作为图像显示装置80，并不限于由透射式的液晶显示器件等构成的影像显示元件82，能够利用各种元件。例如，也可以是使用了反射型的液晶显示器件的结构，也可以代替由液晶显示器件等构成的影像显示元件82而使用数字微镜器件。另外，作为图像显示装置80，也能够使用以LED阵列、OLED(有机EL)等为代表的自发光型元件。
在上述实施方式中，使用由透射式的液晶显示器件等构成的图像显示装置80，但也能够取而代之而使用扫描式的图像显示装置。
具体而言如图24所示，作为虚像显示装置的第一显示装置100A具备导光装置20和图像显示装置380。导光装置20相当于将导光部件10和透光部件50接合的部件，所以在这里省略说明。图像显示装置380是形成强度调制后的信号光并且将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扫描并射出经过信号光形成部381的信号光LL。这里，扫描光学系统382由MEMS反射镜等构成，通过与信号光形成部381对信号光LL的调制同步地使姿势变化来调整信号光LL的光路，来进行使光线(扫描光TL)的射出角度纵横地变化的二维扫描。通过以上那样，图像显示装置380使应成为影像光GL的扫描光TL入射至导光装置20并且对第二面S12中形成半透半反镜层15的部分区域的整体进行扫描。
若对图示的第一显示装置100A的动作进行说明，则图像显示装置380如上述那样，将信号光LL作为扫描光TL，经由由包含非轴对称非球面的透镜面31a的透镜31和其他的透镜32、33构成的投射透镜30朝向作为导光装置20的光入射面的第四面S14射出。导光装置20使通过第四面S14的扫描光TL全反射等从而在内部进行引导，使其到达半透半反镜层15。此时，在半透半反镜层15的面上扫描扫描光TL，从而通过作为扫描光TL的轨迹的影像光GL形成虚像，佩戴者通过眼睛EY捕捉该虚像，就可识别图像。
另外，在上述实施方式中，导光部件10和作为辅助光学模块的透光部件50构成为覆盖佩戴者的眼睛EY的前面整体，但并限于此，例如图25的(A)以及图25的(B)所示，包含具有半透半反镜层15的曲面形状即第二面S12的部分仅覆盖眼睛EY的一部分，即也可以为覆盖眼前的一部分，也存在未覆盖的部分的小型结构。另外，在该情况下，使导光部件10以及透光部件50充分小，从而即使为不透视，代替半透半反镜层15配置进行全反射的反射镜的结构，佩戴者也能够从导光部件10以及透光部件50的周围观察外界。此外，在图示的情况下，在第二面S12的整体或者大致整体形成有半透半反镜层15，但也可以仅在第二面S12的一部分形成有半透半反镜层15。另外，在图25的(B)的例子中，在眼睛EY的大致正面配置半透半反镜层15，但也可以偏离正面配置半透半反镜层15，通过视线移动能够视认影像。例如，也可以为稍微降低眼睛EY的位置(稍微提高导光部件10以及透光部件50的位置)。在该情况下，为例如眼睛EY的下半部分从导光部件10以及透光部件50的下方能看见的状态。
在上述的说明中，对具备一对显示装置100A、100B的虚像显示装置100进行说明，但能够作为单个显示装置。换句话说，也可以为不是与右眼以及左眼双方对应，按照每一组设置投射透视装置70以及图像显示装置80，而是仅对右眼或者左眼中的任意一方设置投射透视装置70以及图像显示装置80，来单眼观看图像的结构。
在上述的说明中，未对一对显示装置100A、100B的X方向的间隔进行说明，但两个显示装置100A、100B的间隔并不限于固定，能够通过机械机构等进行间隔的调整。换句话说，两个显示装置100A、100B的X方向的间隔能够根据佩戴者的眼宽度等来进行调整。
在上述的说明中，半透半反镜层15仅为半透过性的膜(例如金属反射膜、电介质多层膜)，但半透半反镜层15能够置换为平面或者曲面的全息元件。
在上述的说明中，在导光部件10的第一面S11以及第三面S13中，不在表面上施加反射镜、半透半反镜等，而是利用与空气的界面使影像光全反射来传导，但本申请发明的虚像显示装置100中的全反射也包括在第一面S11或者第三面S13上的整体或者一部分形成镜面涂层、半透半反镜膜而完成的反射。例如，在图像光的入射角度满足全反射条件的基础上，对上述第一面S11或者第三面S13的整体或者一部分施加镜面涂层等，实际上也包括反射全部图像光的情况。另外，只要能够得到足够亮度的图像光，通过具有一些透过性的镜面涂层第一面S11或者第三面S13的整体或者一部分即可。
在上述的说明中，导光部件10等沿与眼睛EY排列的横向延伸，但也能够配置为沿纵向延伸导光部件10。该情况下，导光部件10不是串联而是具有并列地平行配置的构造。此外，根据使影像光(图像光)引导的方向，与上述的说明的情况相比较也能够适当地更换与纵向以及横向相关的结构。
附图标记说明
AX1－AX5…光轴；AXI…入射侧光轴；AXO…射出侧光轴；EY…眼睛；GL…影像光；HL…外界光；II…中间像的像面；PA…部分区域；S11－S16…第一－第六面；S51－S53…透过面；SL…照明光；SR…基准面；10…导光部件；10s…主体；11、12…导光部分；15…半透半反镜层；20…导光装置；30…投射透镜；31、32、33…透镜；31a、31b、32b…透镜面(非轴对称非球面)；32a、33a、33b…透镜面；50…透光部件；70…投射透视装置；80…图像显示装置；81…照明装置；82…影像显示元件(影像元件)；OI…像面；84…驱动控制部；100…虚像显示装置；100A、100B…显示装置；101a、101b…光学部件；102…框部；104…边撑部；105a、105b…像形成主体部；105d…外装部件；107…框架；107a…正面部；107b、107c…侧面部；108…保护器；15…半透半反镜层；CC…粘合层。

Claims (10)

1.一种虚像显示装置，其特征在于，具备：
影像元件，其产生影像光；
导光部件，其包含2个面以上的非轴对称的曲面，并且作为光学系统的一部分在内部形成中间像；以及
投射透镜，其使来自所述影像元件的影像光向所述导光部件入射，
所述投射透镜至少包括1个面的非轴对称非球面，
构成所述导光部件的多个面中的第一面和第三面以对置的方式配置，在通过所述第一面和所述第三面视认外界时，屈光度大致为0，
在所述导光部件中，所述第一面和所述第三面为相互大致平行的平面，
所述导光部件具有第四面和第五面，所述第四面配置在比所述第三面靠光入射侧且使影像光朝向所述第三面进行引导，所述第五面使影像光朝向所述第四面进行引导，所述第四面是所述导光部件中影像光的入射面，
在所述导光部件中，所述第二面、所述第四面以及所述第五面是非轴对称的曲面，
来自所述影像元件的影像光在通过所述第四面、被所述第五面反射、进而按照所述第四面、所述第三面、所述第一面的顺序被全反射、又被所述第二面反射后，透过所述第一面到达观察侧。
2.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其特征在于，
在所述导光部件中，所述中间像处于影像光从所述第三面到所述第五面的光路上。
3.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其特征在于，
所述投射透镜中的投射透镜光轴与假定为观察者的视线的视线轴形成大于0°且30°以下的角度。
4.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其特征在于，
在以构成所述光学系统的各个面的原点为基准，将面形状的表达式关于从原点沿切线方向延伸的正交坐标x以及y进行多项式展开时，将表示第k面的多项式的项xm·yn的系数设为Akm，n，满足下述(1)～(3)的条件，
－10－1＜A10，2+A12，0＜10－2以及
－10－1＜A30，2+A32，0＜10－2…(1)
|A12，0－A10，2|＜10－1以及
|A32，0－A30，2|＜10－1…(2)
|A12，0－A32，0|＜10－2以及
|A10，2－A30，2|＜10－2…(3)。
5.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其特征在于，
在以所述投射透镜的所述非轴对称非球面的原点为基准，将面形状的表达式关于从原点沿切线方向延伸的正交坐标x以及y进行多项式展开时，在将表示所述非轴对称非球面的多项式的项xm·yn的系数设为Am，n时，A2，0与A0，2是不同符号，满足下述的条件，
10－2＜|A2，0－A0，2|…(4)。
6.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其特征在于，
在所述导光部件的内部，通过包括至少2次全反射的5次反射对来自所述影像元件的影像光进行引导。
7.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其特征在于，
在所述第二面形成半透半反镜，将影像光提示给观察者，并且在所述第二面的外侧一体地配置透光部件，使相对于外界光的屈光度大致为0，并使外界光与影像光重叠来提示给观察者。
8.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其特征在于，
所述投射透镜包含2个面以上的轴对称非球面作为所述非轴对称非球面以外的面。
9.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其特征在于，
包含所述导光部件的所述光学系统在佩戴时覆盖观察者眼前的一部分，存在眼前未被覆盖的部分。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的虚像显示装置，其特征在于，
所述影像元件具有：信号光形成部，其射出与图像对应地被调制的信号光；以及扫描光学系统，其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。
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