CN104698588A - 虚像显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供降低了放大色像差、高性能且小型轻量的虚像显示装置。在有作为平面状棱镜的第1及第2棱镜(10、30)和在这些棱镜所设置的反射面构成的结构非常简单的光学系统之中，在配置于靠近眼睛一侧即从影像显示元件(82)某中程度地离开的一侧的第1棱镜(10)中，具有用于校正影像光的色像差的校正透镜面(AS)。由此，虚像显示装置(100)小型轻量、降低了放大色像差且高性能。

Description

虚像显示装置

技术领域

本发明涉及将通过影像显示元件等形成的图像提示给观察者的虚像显示装置，尤其涉及适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

作为组装入在佩戴于观察者头部的头戴式显示器(以下，也称为HMD)等的虚像显示装置中的光学系统，提出了各种方案(参照专利文献1～3)。

关于HMD等的虚像显示装置，从提高佩戴感出发期待减轻其重量。利用反射面使光路弯曲，这有利于使光学系统小型化、减轻重量，所以开发出了利用棱镜的各种光学系统。

例如在专利文献1中，示出了包括平板或棱柱状的棱镜与1个反射面的光学系统。该光学系统为非常地简单的构成、有利于轻量化，但是例如残留有放大色像差，若欲形成例如广视场角和/或高分辨率的图像，则有时光学性能变得并不充分。

在专利文献2中，示出了包括平板或棱柱状的棱镜与多个透镜的光学系统。可是，例示的光学系统，其中透镜的块数多、构成复杂。并且，从影像元件射出的光线束(光束)相对于面板的法线倾斜，有可能产生图像的不均匀和/或效率下降。

在专利文献3中，也示出了包括平板或棱柱状的棱镜与多个透镜的光学系统。在该光学系统中，在棱镜与观察者之间配置透镜，在能够观察到外界光的情况下，会对透视产生影响。虽然通过在棱镜的物侧配置凹透镜，也能够使屈光度接近为0，但是在该情况下，因为放大倍数与裸眼状态不同，所以例如在观察者为平常不需要眼镜的人者的情况下可能会令其产生不适感，透视的质量降低。

现有技术文献

专利文献

专利文献1美国专利申请公开第2013/0033756号公报

专利文献2美国专利申请公开第2005/0219152号公报

专利文献3美国专利第5886822号公报

发明内容

本发明目的在于提供降低了放大色像差等、高性能且小型轻量的虚像显示装置。

本发明涉及的虚像显示装置具备：影像元件，其使影像光产生；和导光部件，其具有：使来自影像元件的影像光的一部分透射及反射的分光部；和将经过分光部的影像光聚光并将其向分光部折返的聚光镜部，使经过分光部及聚光镜部的影像光向观察者侧射出，导光部件具有对通过的影像光的放大色像差进行校正的至少1个以上的校正透镜面。

在所述虚像显示装置中，通过设为在导光部件的内部具有分光部和聚光镜部的构成，能够将光路设定在预期的范围内、将整个装置维持为小型轻量并且成为比较简单的构造。在此，导光部件具有至少1个以上的校正透镜面，由此，即使显示装置为简单的构造，也能够降低影像光的放大色像差等，能够形成高性能的图像。

在本发明的具体的侧面中，在导光部件中，校正透镜面为球面或非球面。该情况下，通过球面或非球面的校正透镜面能够充分地降低影像光的放大色像差。尤其是，在校正透镜面为球面的情况下，能够比较简单地制作导光部件，在校正透镜面为非球面的情况的情况下，能够进一步降低像差。

在本发明的另外的侧面中，导光部件为分光部与聚光镜部接合成一体的光透射性的棱镜型部件。该情况下，使在分光部和/或聚光镜部对光的控制变得稳定，并且，导光部件成为一体，因而易于搬运。

在本发明的另外的其他侧面中，导光部件不使从光入射面入射的影像光在从该光入射面经分光部直至到达聚光镜部为止的光路中在内部反射而直接地导向。该情况下，能够使导光部件成为简易的构造，并且能够降低伴随于内部反射而产生像差等的情况。

在本发明的另外的其他侧面中，在导光部件中，校正透镜面及聚光镜部的光反射面为光轴对称的面。该情况下，能够降低例如因导光而引起的图像的非点像差等的产生，能够进行高画质的显示。

在本发明的另外的其他侧面中，进一步具备中间导光部件，该中间导光部件配置于影像元件与导光部件之间，使来自影像元件的影像光入射，并且对影像光在内部进行导光使其朝向导光部件射出。该情况下，中间导光部件存在于具有校正透镜面的导光部件的上级，由此，例如，即使在导光部件中将光入射面作为校正透镜面的情况下，通过在光路上确保距影像元件某种程度的距离，也能够使校正透镜面具有充分的像差校正的效果。

在本发明的另外的其他侧面中，导光部件使影像光与外界光重叠地被看到。该情况下，观察者能够透视地观看外界光。此时，例如将导光部件设为长方体状的棱镜，尤其是由平行的面构成构成眼前部分的面，由此，能够使外界光的散焦和/或失真不会产生。

在本发明的另外的其他侧面中，导光部件之中，分光部配置于眼前部分，聚光镜部配置为在与影像元件之间夹着分光部，分光部使来自影像元件的影像光的至少一部分透射而导向聚光镜部，聚光镜部使入射的影像光向分光部折返，分光部使来自聚光镜部的影像光的至少一部分反射而朝向观察者的眼睛射出，并且使外界光透射、使影像光与外界光被看到。该情况下，通过在分光部的影像光的透射及反射和在聚光镜部的影像光的反射(折返)，进行影像光的导光，并且在分光部使外界光透射，由此，能够使影像光与外界光在重叠的状态下被看到。

在本发明的另外的其他侧面中，导光部件具有使光向观察者侧射出的光射出面来作为校正透镜面。该情况下，能够在光路上在从影像元件离开的位置形成校正透镜面。

在本发明的另外的其他侧面中，进一步具有屈光度补偿元件，该屈光度补偿元件与作为导光部件的光射出面的校正透镜面对置而配置在离观察者眼睛远的一侧，并具有抵消校正透镜面上针对外界光的屈光度的非球面。该情况下，通过屈光度补偿元件，能够抵消屈光度即补偿起因于校正透镜面的外界光的失真，在透视的情况下，能够良好地维持外界像的状态。

在本发明的另外的其他侧面中，分光部为偏振分离元件。该情况下，能够高效地获取影像光。

在本发明的另外的其他侧面中，包括导光部件的整个光学系统，在佩戴时覆盖观察者的眼前之中的一部分，使眼前存在未被覆盖的部分。该情况下，例如即便使导光部件的一部分成为不能透视的构成，观察者也能够从导光部件的周围观看外界。

附图说明

图1是构成第1实施方式涉及的虚像显示装置的第1显示装置的主体部分的俯视剖视图。

图2是示意性地示出佩戴有虚像显示装置的状况的主视图。

图3是对实施例1的光学系统进行说明的图。

图4(A)～(I)是对实施例1的光学系统的影像元件的像差进行说明的图。

图5是对比较例的光学系统进行说明的图。

图6(A)～(I)是对比较例的光学系统的影像元件的像差进行说明的图。

图7是对实施例2的光学系统进行说明的图。

图8(A)～(I)是对实施例2的光学系统的影像元件的像差进行说明的图。

图9是用于对第2实施方式涉及的虚像显示装置进行说明的图。

图10是用于对虚像显示装置的一个变形例进行说明的图。

图11是用于对虚像显示装置的另一个变形例进行说明的图。

附图标记说明

AX…光轴，CM…聚光镜部，CS…曲面，CV1…保护部件，CV2…保护部件，EY…眼睛，FR…框架部，GL…影像光，HL…外界光，OI…像面，PS…偏振分离元件，RF…波长相位差板，S11-S15、S31-S33…面，SR…基准面，SS…分光部，10…第1棱镜(导光部件)。10a…块部分，10b…块部分，10s、30s…主体，15…半透射半反射镜层，20、220…导光装置，30…第2棱镜(中间导光部件)，41、42、43…侧面，80…图像显示装置，81…照明装置，81a…光源，81b…背光导光部，82…影像显示元件(影像元件)，82a…偏振板，84…驱动控制部，84a…驱动控制部，84a…光源驱动电路，84b…液晶驱动电路，100、200…虚像显示装置，210…棱镜，210a…块部分，210b…块部分，210c…块部分，210d…块部分(屈光度补偿元件)

具体实施方式

第1实施方式

以下，一边参照图1等，一边关于本发明的第1实施方式涉及的虚像显示装置详细进行说明。

图1所示的本实施方式的虚像显示装置100应用为头戴式显示器(HMD)，作为一组而具备图像显示装置80和导光装置20。

虚像显示装置100通过利用影像光形成虚像而使观察者识别图像，并且通过透视使观察者观察到外界像。图像显示装置80与导光装置20通常设置于观察者的左右眼睛之中的任一方，但是在此示出右眼用的情况，关于左眼用的虚像显示装置，只要使右眼用的虚像显示装置左右反转即可，所以省略了图示及说明。还有，虚像显示装置100作为整体，例如如图2所示，具有在一般的眼镜框上安装有小型装置而成的外观。

以下，参照图1关于图像显示装置80与导光装置20所涉及的功能、工作等的详情进行说明。还有，图1表示虚像显示装置100中的光学系统的沿包括光轴AX在内的基准面SR的截面。

图像显示装置80具有：射出照明光的照明装置81；作为透射型的空间光调制装置的影像显示元件82；和对照明装置81及影像显示元件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、蓝这3色的光的光源81a；和使来自该光源的光扩散而成为矩形截面的光线束的背光导光部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，对来自照明装置81的照明光进行三维调制以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供给电力而使其射出辉度稳定的照明光。液晶驱动电路84b通过对于影像显示元件(影像元件)82输出图像信号或驱动信号，以形成成为动态图像和/或静态图像的基础的彩色影像光或图像光而作为透射率图案。还有，虽然能够使液晶驱动电路84b具有图像处理功能，但是也能够使外带的控制电路具有图像处理功能。

导光装置20为将从图像显示装置80射出的影像光朝向观察者的眼睛EY射出的棱镜型部件，具备作为第1导光部件的第1棱镜10和作为第2导光部件的第2棱镜30。

还有，在第1棱镜10及第2棱镜30中，各棱镜10、30的主体10s、30s分别由在可见区域内呈现高的光透射性的树脂材料形成，例如通过在金属模具内注入热塑性树脂并使之固化来成型。还有，作为主体10s、30s的材料，例如能够采用环聚烯烃聚合物(cycloolefin polymer)等。

第1棱镜10为在具备具有曲面的长方体状棱镜型部件，为构成导光装置20的导光部件之中的、配置在相对靠近鼻子的中央侧的第1导光部件。第1棱镜10具有第1块部分10a、第2块部分10b和半透射半反射镜层15，这些部分接合成一体而使第1棱镜10呈1个长方体状。

关于构成第1棱镜10的各部分，若进一步具体地进行说明，则首先，第1块部分10a为局部具有曲面的柱状部件，配置在靠近鼻子的中央侧也就是说光射出侧，作为具有光学功能的侧面而具有第1面S11、第2面S12和第3面S13。并且，第1块部分10a具有作为平面的侧面41，该侧面41作为无助于影像光的导光的侧面。接下来，第2块部分10b为局部具有曲面的柱状部件，配置在从鼻子离开的周边侧也就是说光入射侧，作为具有光学功能的侧面而具有第4面S14和第5面S15。并且，第2块部分10b具有作为平面的侧面42、43，这两个侧面作为无助于影像光的导光的侧面。最后，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)，配置于在佩戴时相对于观察者的眼睛EY成为眼前的位置，为透射影像光和/或外界光的一部分并反射一部分的分光器。第1块部分10a及第2块部分10b的各面之中，第2面S12与第4面S14为互相对置地配置而贴合的面，在这些面中，第1块部分10a与第2块部分10b协同工作以夹持半透射半反射镜层15。具有被夹持的半透射半反射镜层15的接合部分，作为使通过第1棱镜20的内部的影像光和/或外界光的一部分透射或反射的分光部SS发挥作用。还有，关于半透射半反射镜层15相对于影像光的反射率及透射率，可以适当设定，但是例如也可以将反射率设为50％且将透射率设为50％。即，也可以在一次通过时，使影像光之中的一半的分量透射而反射剩余的一半。

在第1棱镜10中，第1块部分10a的各面之中，第1面S11为配置于在佩戴时变为眼睛EY正前方的位置的平面，为使影像光朝向观察者的眼睛EY射出的光射出面。第2面S12为相对于第1面S11呈45°的角度的平面。第3面S13具有轴对称的曲面形状，具有透镜功能。例如在第1棱镜10中，通过在与第3面S13相当的部分的表面实施通过铝蒸镀等所形成的镜膜，以形成聚光镜部CM。第3面S13作为通过该聚光镜部CM反射影像光的光反射面发挥作用。

在第1棱镜10中，第2块部分10b的各面之中，第4面S14为与第2面S12相对应的平坦的斜面，如上所述，为与第2面S12协同工作而夹持半透射半反射镜层15的面。第5面S15为使来自第2棱镜30的影像光入射的光入射面。在此，第5面S15为轴对称的球面或非球面(在图1所示的例子中为球面)，作为具有作为对影像光进行校正的透镜的功能的校正透镜面AS发挥作用，进行各种像差之中的尤其是对放大色像差的校正。

还有，第1棱镜10如已述那样，除上述各面外，作为不具有光学功能的其他面还具有侧面41和/或侧面42、43。例如侧面41为第1块部分10a的连接第2面S12与第3面S13的平面，侧面42、43为第2块部分10b的连接第4面S14与第5面S15的平面。侧面41为相对于第1面S11平行的平面，侧面42及侧面43为使第3面S11及侧面41分别延长而成的平面。各面如此地连接，由此第1棱镜10的外观成为长方体状。

如上所述，第1棱镜10中，包括分光部SS和/或聚光镜部CM等的各部分接合为一体，另外通过各面划定外形形状而成为1个光透射性的棱镜型部件。还有，在上述情况下，在佩戴时，分光部SS配置于眼前部分，相对于此聚光镜部CM相对地配置于观察者的鼻子(图示省略)侧。若换言之，则聚光镜部CM配置为在与影像显示元件82之间夹着分光部SS。

第2棱镜30为三棱柱状的棱镜型部件，在构成导光装置20的导光部件之中，为配置在相对地远离鼻子的周边侧且配置在影像显示元件(影像元件)82与第1棱镜10(第1导光部件)之间的第2导光部件。第2棱镜30使来自影像显示元件82的影像光入射，并且在内部对影像光进行导光、使其朝向第1棱镜10射出。也就是说，第2棱镜30为在影像光的导光时形成连接从影像显示元件82直至第1棱镜10为止的光路的中间导光部件。还有，第2棱镜30具有作为光射出面的第1面S31、作为使影像光在内部反射的反射面的第2面S32和作为光入射面的第3面S33。在第2棱镜30中，第1～第3面S31～S33均是平面，为不具有作为透镜的功能的面。第1面S31为平行于YZ面的面，第3面S33为平行于XY面的面。也就是说，第1面S31与第3面S33为相垂直的面。并且，第2面S32为平行于Y方向且相对于第1面S31与第3面S33这两方倾斜45°的面。还有，通过在与第2面S32相当的部分的表面实施通过铝蒸镀等所形成的镜膜，第2面S32作为反射影像光的光反射面发挥作用。

以下，关于影像光GL的光路，沿着光路的顺序进行说明。首先，如所述地，由相对地配置于观察者的耳朵(图示省略)侧的图像显示装置80利用照明光SL形成并射出的影像光GL，沿着光轴AX从第2棱镜30的第3面S33入射，并在相对于第3面S33倾斜45°的第2面S32反射而折弯，并从第1面S31朝向第1棱镜10射出。从第2棱镜30的第1面S31射出的影像光GL，从第1棱镜10的第2块部分10b的各面之中的作为光入射面且作为校正透镜面AS的第5面S15入射，并在第2块部分10b的内部导波，从第4面S14入射于构成分光部S的半透半反镜层15。影像光GL的分量的一部分通过半透半反镜层15，并从第2面S12入射于第1块部分10a。入射于第1块部分10a的影像光GL在第1块部分10a的内部进行导波，在第3面S13反射、再次射向第2面S12。从第2面S12射出的影像光GL的分量的一部分在半透半反镜层15反射而折弯，再次从第2面S12入射于第1块部分10a，并射向第1块部分10a的第1面S11，从第1面S11朝向观察者的眼睛EY射出。通过了第1面S11的影像光GL作为基本平行的光线束入射于观察者的眼睛EY的瞳孔或其等效位置。也就是说，观察者通过作为虚像的影像光GL观察形成于影像显示元件(影像元件)82上的图像。

以上进行了说明的沿光轴AX的光路上的各面，为相对于光轴AX光轴对称的面。更具体地，在影像光GL在沿光轴AX的光路上透射或反射的各面之中，作为存在折射能力的曲面的校正透镜面AS及第3面S13(聚光镜部CM的光反射面)关于光轴AX分别为光轴对称的面。该情况下，在影像光GL的导光中，能够降低图像的非点像差等的产生，进而能够对形成的图像进行高像质的显示。

并且，第1棱镜10在影像光GL的导波时，在从作为光入射面的第5面S15经由分光部SS直至到达聚光镜部CM为止的光路中，在第1棱镜10的内部不使影像光GL反射而直接地导向。而且，第1棱镜10使该影像光GL在聚光镜部CM反射，而且使其在分光部SS反射并使其从作为光射出面的第1面S11朝向观察者的眼睛EY射出，在此期间，除在聚光镜部CM的反射以外，也不使影像光GL反射而直接地导向。通过设为走如此的光路的简单结构，能够降低伴随于内部反射而产生像差等的情况。并且，此时，也能够使第1棱镜10小型化，并进而使虚像显示装置100整体小型化。该情况下，能够减轻例如在图2所示那样的佩戴时施加于观察者的重量等的负担。

可是，即使在上述那样的简单构造中，有时例如放大色像差之类的像差也会产生不少。尤其是，在上述光学系统那样构成为通过不具有复杂曲面的简单结构的棱镜进行导光的情况下，由于具有透镜功能即存在光焦度(power)的面受限，有可能无法充分地进行放大色像差等的降低。相对于此，在本实施方式中，通过使第5面S15具有曲率并作为校正透镜面AS发挥作用，消除了该问题。尤其是，在本实施方式中，在第1棱镜10与图像显示装置80之间具有与作为次导光部件的中间导光部件相应的第2棱镜30，其中，该第1棱镜10为主要的导光部件并具有校正透镜面AS，该图像显示装置80形成并射出影像光光GL。由此，通过将从图像显示装置80直到校正透镜面AS为止的光路上的距离确保为某种程度以上，能够充分地具有作为用校正透镜面AS实现像差校正的透镜的功能。

还有，在上述中，由于第3面S13为具有折射能力的曲面，通过影像光GL产生的图像作为与从影像显示元件82射出的状态相比被放大后的图像而被看到。

并且，导光装置20之中，作为第1导光部件的第1棱镜10能够进行影像光GL的导波及射出并且能够透视外界光HL。具体地，如上所述，通过第1块部分10a与第2块部分10b，第1棱镜10成为长方体状，尤其是构成眼前部分的面成为平行的平面。由此，在从观察者的EY穿过第1棱镜10看到外界光HL时(例如通过第1面S11与侧面42看到外界光HL时)，屈光度为0。

还有，作为佩戴时的状态，如图2中示意性地表示一例那样，导光装置20之中，第1棱镜10的一部分与整个第2棱镜30由第1保护部件CV1覆盖，图像显示装置80的各部分由连接于第1保护部件CV1的第2保护部件CV2覆盖，成为第2保护部件CV2由框架部FR支持的形态。还有，关于佩戴中的框架部FR等的支持、固定，也可以例如图示那样，在虚像显示装置100中，通过设为设置有相对于框架部FR向垂直下方延伸的鼻托部NP的结构，用观察者的鼻子NS来支持装置。而且，也可以通过在框架部FR设置用于附加作用力的弹簧结构和/或用于挂住人体的一部分的钩结构等，而将装置安装并固定于佩戴者的额头和/或耳朵等。还有，如图所示，从观察者的眼睛EY和/或鼻子NS的位置可知，也可以使虚像显示装置100的配置比眼睛的中心稍微靠下方侧。该情况下，通过成为观察者闭眼时的休闲状态下所有的视线角度，能够调整为，在观察者针对图像的视线方向(视线)对于观察者而言自然地成为下方侧的状态下进行观看。

利用由上述实施方式所例示的平面状棱镜与反射面构成的光学系统所实现的非常简单的构成，这有利于轻量化，但是容易残留放大色像差等，例如在形成广视场角和/或高分辨率的图像的情况下，有时无法成为具有充分的光学性能的构成。相对于此，在本实施方式中构成为：在配置于靠近眼睛的一侧即从影像显示元件(影像元件)82某中程度地离开的一侧的第1棱镜10中，具有用于对影像光的色像差进行校正的校正透镜面AS。由此，虚像显示装置100能够设为小型轻量且降低了放大色像差等的高性能的虚像显示装置。

还有，在图2所示的情况下，导光装置20之中的配置于眼前部分的第1棱镜10，在佩戴时覆盖观察者的眼睛EY之前即眼前部分之中的一部分，眼前仍存在未覆盖的部分。该情况下，即使假设第1棱镜10为非透视的构成，观察者也能够从导光部件的周围观察外界。

(实施例)

下面，关于组装入本发明涉及的虚像显示装置中的包括第1棱镜及第2棱镜的导光装置的实施例进行说明。下面归纳在各实施例所使用的附图标记。

SPH：球面

ASP：非球面(轴对称非球面)

R：曲率半径

T：轴顶面间隔

Nd：光学材料相对于d线的折射率

Vd：光学材料关于d线的色散系数

TLY：特定面在横截面(XZ截面)中的光轴的倾斜角度(°)(关于TLY，有时在特定面的前后变化)

(实施例1)

将构成实施例1的投影透视装置之中的导光装置的光学面的数据示于以下的表1。还有，表中的2个SPH分别是指作为第1棱镜10的反射面的第3面S13和作为校正透镜面AS的第5面S15(参照图3)。

(表1)

关于构成实施例1的导光部件中的光学面，将其横截面中的光轴倾斜角度(倾斜)TLY示于以下的表2。

(表2)

图3为实施例1的虚像显示装置100的剖视图。在虚像显示装置100的导光装置20中，第1棱镜10的校正透镜面AS(第5面S15)成为球面。并且，关于导光装置20的其他的面，除第3面S13以外，为平面。并且，第2棱镜30的各面也为平面。若关于实施例1的光学系统的具体方式进行说明，则水平视场角为10°、垂直视场角为6°、影像显示元件的显示区域的大小为5.6mm、瞳径Φ为5mm且焦距约为27.5mm。

图4(A)～4(I)示出实施例1的光学系统之中在影像显示元件82的基准位置即像面OI的位置上的像差。还有，以下，图4的各像差图中的X方向及Y方向设为在将图3的光路关于Z方向展开后的状态下想到的方向。即，将在展开图3所示的光路的情况下的光轴的延伸的方向为Z方向，关于图4所示的像差，在垂直于该Z方向的Y方向及X方向上捕获。在图4所示的各像差图的情况下，关于Y方向使其与图3所示的Y方向一致，但是关于X方向，因为要展开图3中的光路的折返所以未必与图3的情况一致。并且，在此，附图的各曲线之中，以实线表示的曲线C1示出关于656nm的波段(R)的分量的值，以虚线表示的曲线C2示出关于588nm的波段(G)的分量的值，以一点划线表示的曲线C3示出关于486nm的波段(B)的分量的值。并且，为了方便，各图中示出的像差量为使光线逆行的情况下的、影像显示元件的像面上的像差量。在各像差图中，横轴表示瞳孔中的位置，纵轴表示像差量，数值在两轴均以微米为单位。具体而言，图4(A)示出X方向为5.0°且Y方向为3.0°的方位上的Y及X方向的像差，图4(B)示出X方向为0.0°且Y方向为3.0°的方位上的Y及X方向的像差，图4(C)示出X方向为－5.0°且Y方向为3.0°的方位上的Y及X方向的像差。图4(D)示出X方向为5.0°且Y方向为0.0°的方位上的Y及X方向的像差，图4(E)示出X方向为0.0°且Y方向为0.0°的方位上的Y及X方向的像差，图4(F)示出X方向为－5.0°且Y方向为0.0°的方位上的Y及X方向的像差，图4(G)示出X方向为5.0°且Y方向为－3.0°的方位上的Y及X方向的像差，图4(H)示出X方向为0.0°且Y方向为－3.0°的方位上的Y及X方向的像差，图4(I)示出X方向为－5.0°且Y方向为－3.0°的方位上的Y及X方向的像差。

将构成比较例的投影透视装置之中的导光装置的光学面的数据示于以下的表3。

(表3)

关于构成比较例的导光部件中的光学面，将其横截面中的光轴倾斜角度(倾斜)TLY示于以下的表4。

(表4)

图5及图6(A)～6(I)为表示比较例的虚像显示装置的图，图5为与图3相对应的比较例的图，图6为与图4相对应的比较例的像差图。如图5所示，在本比较例中，不存在与图3所示的校正透镜面AS相对应的面。即，第5面S15既不是球面也不是非球面而是成为不作为校正透镜发挥作用的平面。如若将图6(A)～6(I)所示的像差与图4(A)～4(I)所示的像差分别进行比较则清楚可知地那样，实施例1的情况下，放大色像差变小。例如，若将图4(A)的X方向的像差图与图6(A)的X方向的像差图相比，则在主光线的位置，在实施例中B-G为4μm，与比较例(现有例)的10.4μm相比减少了约6成。即，可以说，通过如本实施方式那样具有校正透镜面AS，成为降低了放大色像差等像差的构造。

(实施例2)

将构成实施例2的投影透视装置之中的导光装置的光学面的数据示于以下的表5。还有，表中的SPH是指作为第1棱镜10的反射面的第3面S13，ASP是指作为校正透镜面AS的第5面S15(参照图7)。

(表5)

关于构成实施例2的导光部件中的光学面，将其横截面中的光轴倾斜角度(倾斜)TLY示于以下的表6。

(表6)

将实施例2的光学面之中的非球面的系数示于以下的表7。

(表7)

在以上的表中，数值E以后是指10进值数的指数部分，例如所谓“7.312E－07”是指7.312×10^－07。并且，符号K、Bi表示用于特定作为非球面的校正透镜面AS(第5面S15)的系数。非球面通过以下的多项式(非球面式)来特定。

$z=\frac{(1/R)\×h^2}{1+\sqrt{1-(K+1)\×{(1/R)}^2\×h^2}}+B_4{h}^4+B_6{h}^6+B_8{h}^8+...$

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7为实施例2的虚像显示装置100的剖视图。与实施例1的不同点在于，在虚像显示装置100的导光装置20中，第1棱镜10的校正透镜面AS(第5面S15)为非球面(轴对称非球面)。并且，关于导光装置20的其他的面，除第3面S13以外，为平面。并且，第2棱镜30的各面也为平面。若关于实施例2的光学系统的具体方式进行说明，则水平视场角为10°、垂直视场角为6°、影像显示元件的显示区域的大小为5.6mm、瞳径Φ为5mm且焦距约为27.5mm。

图8(A)～8(I)示出实施例2的光学系统之中在影像显示元件82的基准位置即像面OI的位置上的像差。在此，附图的各曲线之中，以实线表示的曲线C1示出关于656nm的波段的分量的值，以虚线表示的曲线C2示出关于588nm的波段的分量的值，以一点划线表示的曲线C3示出关于486nm的波段的分量的值。并且，为了方便，在各图表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上的像差量。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。具体而言，图8(A)示出X方向为5.0°且Y方向为3.0°的方位上的Y及X方向的像差，图8(B)示出X方向为0.0°且Y方向为3.0°的方位上的Y及X方向的像差，图8(C)示出X方向为－5.0°且Y方向为3.0°的方位上的Y及X方向的像差。图8(D)示出X方向为5.0°且Y方向为0.0°的方位上的Y及X方向的像差，图8(E)示出X方向为0.0°且Y方向为0.0°的方位上的Y及X方向的像差，图8(F)示出X方向为－5.0°且Y方向为0.0°的方位上的Y及X方向的像差。图8(G)示出X方向为5.0°且Y方向为－3.0°的方位上的Y及X方向的像差，图8(H)示出X方向为0.0°且Y方向为－3.0°的方位上的Y及X方向的像差，图8(I)示出X方向为－5.0°且Y方向为－3.0°的方位上的Y及X方向的像差。

在实施例2的情况下，可知：通过使校正透镜面AS成为非球面，进一步降低了像差。例如，若将图8(A)的X方向的像差图与图6(A)的X方向的像差图相比较，则在主光线的位置，在实施例中，B-G为2.2μm，与现有例的10.4μm相比减少了约8成。

(第2实施方式)

以下，一边参照图9，一边关于本发明的第2实施方式涉及的虚像显示装置详细地进行说明。还有，本实施方式的虚像显示装置为第1实施方式的虚像显示装置100的变形例，关于导光装置的构造以外，都相同，所以省略关于整体构成等的说明。

在本实施方式的虚像显示装置200中，导光装置220由作为1个导光部件的棱镜210构成。若换言之，则不同于第1实施方式的情况，成为不具有中间导光部件(第2导光部件)的构成。具体而言，构成导光装置220的1个棱镜210，作为与第1实施方式中的第1导光部件即第1棱镜10相对应的导光部件而具有作为用于导光的棱镜部分的第1块部分210a、第2块部分210b和半反射半透射经层15，构成为，由第1及第2块部分210a、210b夹着半透半反镜层15。而且，棱镜210除第1及第2块部分210a、210b之外，还具有配置于光射出侧的第3块部分210c和与第3块部分210c相对配置的第4块部分210d。

第2块部分210c由与第1块部分210a等相同的部件形成，配置于第1块部分210a的光射出侧即眼睛EY之前的位置，作为校正透镜面AS而具有作为光射出面的第1面S11。即，导光装置220通过在第3块部分210c所设置的校正透镜面AS降低放大色像差等的像差。另外，该情况下，第2块部分210b的第5面S15为与影像显示元件82对置配置的光入射面，成为不具有折射能力的平面形状。

在本实施方式的情况下，因为第3块部分210c处于光路上最远离影像显示元件82的位置，所以即使用不具有中间导光部件的单独的导光部件构成导光装置220，也能够进行足够需要的像差校正。

并且，在本实施方式中，在与第3块部分210c对置的位置即夹着第1块部分210a及第2块部分210b的第3块部分210c的相反侧的位置具有第4块部分210d。该第4块部分210d在表面侧具有曲面CS，该曲面CS的曲率对第3块部分210c的校正透镜面AS的曲率相对应，以抵消校正透镜面AS上的屈光度。由此，减轻因透视所致的外界光HL的失真等。若换言之，则第4块部分210d作为补偿起因于第3块部分210c的校正透镜面AS的外界光HL的失真的屈光度补偿元件发挥作用。

(其他)

虽然以上按照各实施方式对本发明进行了说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在不脱离其主旨的范围能够在各种方式下实施，例如也可以进行如下变形。

虽然在上述说明中，对影像显示元件82中的显示辉度的分布并未特别进行调整，但是在因位置而产生辉度差等情况下，能够不均匀地调整显示辉度的分布。

虽然在上述说明中，通过半透射半反射膜构成使影像光和/或外界光的一部分透射或反射的分光部SS，但是并不限于此，例如也可以考虑通过偏振分离元件来构成。具体而言，例如也可以构成为，如图10所示，在分光部SS中代替图1的半透半反镜层而设置有偏振分离元件PS，并且在分光部SS的后级且在分光部SS与聚光镜部CM之间设置有λ/4波长相位差板RF，而且，在影像显示元件82中，在光射出侧设置有使偏振状态一致的偏振板82a。在此，偏振分离元件PS为电介质多层膜，一方面使入射的光之中的相对于偏振分离元件PS的入射面为P偏振光(向第1方向偏振的偏振光)的分量透射，另一方面使垂直于P偏振方向的偏振光即S偏振(向第2方向偏振的偏振光)的分量反射。并且，从影像显示元件82射出的影像光GL，由偏振板82a变换为偏振了的直线偏振光使得在相对于后级的偏振分离元件PS入射时成为P偏振光。通过如以上那样调整偏振状态，经由第2块部分10b入射于偏振分离元件PS的影像光GL几乎不会产生损失地入射于偏振分离元件PS。并且，如上所述，在第1块部分10a中，通过在分光部SS与聚光镜部CM之间设置λ/4波长相位差板RF，从而，在振分离元件PS中几乎不会损失地反射、射向作为光射出面的第1面S11。通过设为上述构成，能够高效率地获取影像光GL。还有，在上述中，也可以构成为，在设置λ/4波长相位差板RF时，采用以分体的凹面镜构成的聚光镜部CM。若具体地进行说明，则例如也可以构成为，使第1块部分10a的第3面S13侧的端面成为平坦面，在该端面设置λ/4波长相位差板RF，而且通过由分体的凹面镜构成的聚光镜部CM覆盖λ/4波长相位差板RF。

并且，虽然设为具有1个的校正透镜面AS，但是校正透镜面AS也可以有2个以上。例如，在第1实施方式中，并不限于作为光入射面的第5面S15，作为光射出面的第1面S11也可以为球面或非球面、并作为校正放大色像差等像差的校正透镜面发挥作用。

虽然在上述说明中，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影像显示元件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影像显示元件82也可以利用各种元件。例如，也可以为采用反射型的液晶显示器件的构成，该情况下，只要使用偏振分束器(偏振分离元件)作为影像显示元件82正前的棱镜30、并在与影像元件相对置的位置配置光源，则作为整体能够成为紧凑的构成。并且，也可以代替包括液晶显示器件等的影像显示元件82而采用数字微镜器件等。并且，作为图像显示装置80，也可以采用由LED阵列和/或OLED(有机EL)等所代表的自发光型元件。

并且，虽然在上述中，图像显示装置80相对于导光装置20配置在+Z侧，但是例如也可以通过改变作为第2棱镜30的反射面的第2面S32的朝向，而将图像显示装置80配置在－Z侧或－Y侧。在此，关于第2面S32，既能够用通过铝蒸镀等所产生的镜膜来形成第2面S32并使之作为光反射面发挥作用，并且，也可以为在镜膜以外例如还用偏振分束器(偏振分离元件)构成的方式。如果如图1所示由半透半反镜层构成分光部SS，则能够变更由镜膜和/或偏振分离膜构成的第2面S32的朝向以进行图像显示装置80的配置变更。但是，在分光部SS例如由图10所示的偏振分离元件PS构成的情况下，有必要对入射于偏振分离元件PS时的影像光的偏振状态进行调整，有必要根据图像显示装置80的配置即第2面S32的朝向，采取配合反射面的第2面S32的方式或配合使影像光从图像显示装置80射出时的影像光的偏振状态等适当措施。

在上述实施方式中，虽然采用包括透射型的液晶显示器件等的图像显示装置80，但是也可以取代其而采用扫描型的图像显示装置。

具体而言，如图11所示，虚像显示装置100具备导光装置20和图像显示装置380。导光装置20因为与由第1棱镜10与第2棱镜30构成的装置相应，所以在此省略说明。图像显示装置380为形成强度调制后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所形成的信号光LL一边扫描一边射出。在此，扫描光学系统382由MEMS镜等构成，进行通过与由信号光形成部381对信号光LL的调制同步地使姿势变化以调整信号光LL的光路而使光线(扫描光TL)的射出角度纵横变化的2维扫描。由此，图像显示装置380使应当成为影像光GL的扫描光TL入射于导光装置20。

若关于图示的虚像显示装置100的工作进行说明，则图像显示装置380如上所述，以信号光LL为扫描光TL，朝向作为导光装置20的光入射面的第3面S13射出。导光装置20之中的第2棱镜30，使扫描光TL在内部导光并朝向第1棱镜10射出。而且，第1棱镜10使扫描光TL在内部导光并到达半透半反镜层15。此时，扫描光TL在半透半反镜层15的面上进行扫描，由此，由作为扫描光TL的轨迹的影像光GL形成虚像，佩戴者用眼睛EY捕捉到该虚像而识别到图像。

虽然在上述的说明中，作为导光部件的第1棱镜10、第2棱镜30等在眼睛EY排列的横向方向上延伸，但是也可以配置为使各棱镜在纵向方向上延伸。该情况下，第1棱镜10等具有并非串行而是并行地平行配置的构造。

Claims (12)

1.一种虚像显示装置，其特征在于，具备：

影像元件，其使影像光产生；和

导光部件，其具有：使来自所述影像元件的影像光的至少一部分透射及反射的分光部；和将经过所述分光部的影像光聚光并将其向所述分光部折返的聚光镜部，使经过所述分光部及所述聚光镜部的影像光向观察者侧射出，

所述导光部件具有对通过的影像光的放大色像差进行校正的至少1个以上的校正透镜面。

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，所述校正透镜面为球面或非球面。

3.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其特征在于：

所述导光部件为所述分光部与所述聚光镜部接合为一体的光透射性的棱镜型部件。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的虚像显示装置，其特征在于：

所述导光部件不使从光入射面入射的影像光在从该光入射面经所述分光部直至到达所述聚光镜部为止的光路中在内部反射而直接地导向。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的虚像显示装置，其特征在于：

在所述导光部件中，所述校正透镜面及所述聚光镜部的光反射面为光轴对称的面。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的虚像显示装置，其特征在于：

进一步具备中间导光部件，

所述中间导光部件配置于所述影像元件与所述导光部件之间，使来自所述影像元件的影像光入射，并且对影像光在内部进行导光使其朝向所述导光部件射出。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的虚像显示装置，其特征在于：

所述导光部件使影像光与外界光被看到。

8.根据权利要求7所述的虚像显示装置，其特征在于：

所述导光部件之中，所述分光部配置于眼前部分，所述聚光镜部配置为在与所述影像元件之间夹着所述分光部，

所述分光部使来自所述影像元件的影像光的至少一部分透射而导向所述聚光镜部，

所述聚光镜部使入射的影像光向所述分光部折返，

所述分光部使来自所述聚光镜部的影像光的至少一部分反射而朝向观察者的眼睛射出，并且使外界光透射、使影像光与外界光被看到。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的虚像显示装置，其特征在于：

所述导光部件具有使光向观察者侧射出的光射出面来作为所述校正透镜面。

10.根据权利要求9所述的虚像显示装置，其特征在于：

进一步具有屈光度补偿元件，

所述屈光度补偿元件与作为所述导光部件的所述光射出面的所述校正透镜面对置而配置在离观察者眼睛远的一侧，并具有抵消所述校正透镜面上针对外界光的屈光度的非球面。

11.根据权利要求1～10中任一项所述的虚像显示装置，其特征在于：

所述分光部为偏振分离元件。

12.根据权利要求1～11中任一项所述的虚像显示装置，其特征在于：

包括所述导光部件的整个光学系统，在佩戴时覆盖观察者的眼前之中的一部分，使眼前存在未被覆盖的部分。