CN110196492B

CN110196492B - 虚像显示装置

Info

Publication number: CN110196492B
Application number: CN201910137389.7A
Authority: CN
Inventors: 高木将行; 武田高司; 小松朗; 宫尾敏明; 山口论人
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2018-02-26
Filing date: 2019-02-25
Publication date: 2022-02-22
Anticipated expiration: 2039-02-25
Also published as: CN110196492A; JP7077656B2; US10606095B2; EP3531183A1; US20190265494A1; JP2019148626A

Abstract

虚像显示装置。提供实现小型化或薄型化、并且能够进行广视场角的图像形成的虚像显示装置。对第1透镜(L1)和第2透镜(L2)进行接合，设光射出平面(SE)和光入射平面(SI)为平面，构成为在光轴方向上较短，并且，能够在平面部位安装透射反射选择部件(30)等各种光学元件。进而，通过在凸面(CV)与凹面(CC)的接合部(CN)设置半反射镜(21)，在光路的折曲时具有光焦度，由此能够进行广视场角的图像形成。

Description

虚像显示装置

技术领域

本发明涉及佩戴于头部且向观察者提示由影像元件等形成的影像的虚像显示装置。

背景技术

作为佩戴于观察者的头部的头戴显示器等虚像显示装置或头部佩戴型显示装置，例如，如专利文献1所示，公知有如下的装置：该装置是广视野的封闭型，通过设置利用半反射镜的部分光学折返部，实现薄型且广视场角的光学系统。下面，将头戴显示器也记为HMD。

但是，在HMD中，当要实现薄型且广视场角的光学系统、并且实现装置的小型化或薄型化时，对光学系统的负担增大。即，优选构成光学系统的透镜的曲面形状和折射率容易得到光焦度。该情况下，根据构成光学系统的透镜的形状等，例如，不仅在周边侧产生各种像差的可能性较高，认为还可能无法在全反射条件下入射光等。即，设计上的制约增加。特别是在放大基于小型影像元件的图像并进行投射的情况下，上述这种光的入射角度的问题可能变得显著。

此外，在上述这种折返光学系统中，还可以想到例如在使用偏振板等作为用于对光进行折返的光学元件时，优选或必须设置成平面。

专利文献1：日本特开平8-327940号公报

发明内容

本发明的虚像显示装置具有：影像元件，其显示图像；第1透镜，其配置在来自影像元件的影像光的取出位置，具有射出影像光的光射出平面和面向影像元件侧的凸面；第2透镜，其配置为比第1透镜靠影像元件侧，具有与第1透镜的凸面接合的凹面和入射来自影像元件的影像光的光入射平面；半反射镜，其设置在凸面与凹面的接合部；以及透射反射选择部件，其与光射出平面接触地设置，根据光的偏振状态选择性地进行透射或反射。

在上述虚像显示装置中，在构成为对第1透镜和第2透镜进行接合的基础上，设第1透镜的光射出侧和第2透镜的光入射侧为平面，由此实现小型化或薄型化。此外，通过设为平面，例如能够容易地安装用于对光进行折返的光学元件等各种光学元件。此外，例如与凸球面透镜这种具有曲面的透镜的情况相比，能够缓和来自影像元件的光的入射角度的条件。另一方面，在光路中，在凸面与凹面的接合部处设置半反射镜，由此，在光路的折曲时具有光焦度，从而能够形成广视场角的图像。

附图说明

图1是用于概念地说明实施方式的虚像显示装置及其影像光的光路的侧方剖视图。

图2是用于说明放大光学系统的结构的分解图。

图3是虚像显示装置的一例中的光线图。

图4A是虚像显示装置的另一例中的光线图。

图4B是虚像显示装置的又一例中的光线图。

图5是比较例的虚像显示装置的一例中的光线图。

图6是示出第1透镜和第2透镜的折射率之差与曲率半径、佩茨瓦尔和的关系的曲线图。

图7A是示出第1透镜和第2透镜的折射率之差与像差的关系的曲线图。

图7B是示出玻璃材料与纵向色差的关系的曲线图。

图8是用于说明色散的状况的光线图。

图9A是示出构成一个变形例的虚像显示装置的光学系统的概念侧视图。

图9B是示出构成另一个变形例的虚像显示装置的光学系统的概念侧视图。

图10是示出又一个变形例的虚像显示装置的概念侧方剖视图。

标号说明

10：图像显示装置；11：面板部；11a：光射出面；12：偏振板；13：入射侧偏振转换部件；20：放大光学系统；21：半反射镜；22：射出侧偏振转换部件；23：半透射反射型偏振板；30：透射反射选择部件；100：虚像显示装置；AD：粘接膜；AX：光轴；C1-C3：曲线；CC：凹面；CG：玻璃罩；CN：接合部；CT：切口部；CV：凸面；EY：眼睛；f：焦距；GL：影像光；L1：第1透镜；L2：第2透镜；n、n1、n2：折射率；P1、P2：曲线；Q1-Q3：曲线；R：曲率半径；LL1、LD1、LE1：长度；RE1：直径；SE：光射出平面；SI：光入射平面；ν1、ν2：阿贝数；

光焦度。

具体实施方式

下面，参照图1等对本发明的一个实施方式的虚像显示装置进行详细说明。

如图1中概念示出的那样，本实施方式的虚像显示装置100具有影像元件(图像显示部)即图像显示装置10和放大光学系统20，是能够使佩戴了虚像显示装置100的观察者或使用者目视基于虚像的图像光(影像光)的虚像显示装置即头戴显示器(HMD)。这里，图1概念地示出观察者佩戴了虚像显示装置100的情况下的从侧方观察的状况，设虚像显示装置100中的光学系统的光轴AX为Z方向。进而，设与Z方向垂直的面的面内方向中的水平方向即左右方向为X方向，设面内方向中的与X方向垂直的方向为Y方向。该情况下，假设为观察者的左右眼的排列方向的水平方向成为X方向。而且，与水平方向正交的方向即对于观察者来说的上下方向是垂直方向，成为Y方向。此外，在图示中，观察者的眼睛EY的位置在虚像显示装置100的结构上成为假设为观察者的眼睛EY所在的场所的瞳孔的位置。

另外，图像显示装置10和放大光学系统20成为针对右眼用和左眼用而分别准备的左右一对结构，左侧的构造和右侧的构造具有对称性，因此，这里省略而仅示出左右中的一方(左眼用)。即，在图1中，+X侧是外侧(耳侧)，-X侧是内侧(鼻侧)。另外，在虚像显示装置100中，仅左右一对中的一方、即单独作为虚像显示装置发挥功能。此外，也可以不是左右一对结构，而构成单眼用的虚像显示装置。

下面，概念地说明虚像显示装置100的用于进行影像光的导光的各部的构造等的一例。

图像显示装置10具有进行图像形成的主要的主体部分即射出影像光GL的面板部11、以及覆盖面板部11的光射出面11a的玻璃罩CG。这里，图像显示装置10采用小型装置，如图所示，图像显示装置10构成为在与光轴AX垂直的方向上，至少小于放大光学系统20。具体而言，例如，在图示的例子中，可知图像显示装置10的图像显示区域的尺寸小于后述放大光学系统20的第2透镜L2的光学面的尺寸。

面板部11例如能够设为由有机EL等自发光型元件(OLED)构成的影像元件(影像显示元件)。此外，例如，也可以构成为，除了透射型的空间光调制装置即影像显示元件(影像元件)以外，还具有向影像显示元件射出照明光的背光源即照明装置(未图示)、对动作进行控制的驱动控制部(未图示)。

这里，从高精细化等的观点来看，考虑如下情况：作为图像显示装置10的面板部11所使用的影像元件，例如优选采用微显示器等小型部件。为了实现高精细化，例如需要应用使用HTPS或Si底板的液晶面板或者OLED面板，这是因为面板尺寸和面板单价存在比例关系。即，从降低产品成本等的实用观点来看，需要应用更小的面板。但是，当要实现广视场角化且使面板更加小型化时，即，当要应用更小的面板尺寸时，需要使光学系统的焦距也减小。即，需要减小透镜的曲率半径。该情况下，在广视野角侧的光的成分中，由于透镜面中的全反射条件的限制，无法成为较强曲率的形状，可能无法实现期望的面板尺寸的缩小化。在本实施方式的虚像显示装置100中，考虑这点，实现面板部11的小型化。

如图1和图2所示，放大光学系统20在从观察者侧起依次接合而排列的2个第1透镜L1和第2透镜L2的基础上，在光入射侧具有偏振板12和入射侧偏振转换部件13，在第1透镜L1与第2透镜L2的接合部位具有半反射镜21，在光射出侧具有透射反射选择部件30。透射反射选择部件30由射出侧偏振转换部件22和半透射反射型偏振板23构成。另外，第1透镜L1和第2透镜L2是玻璃透镜。

首先，第1透镜L1是构成放大光学系统20的透镜中的平凸透镜，该平凸透镜在观察者的眼前侧即接近眼睛EY的-Z侧配置在向装置外部取出影像光GL的取出位置，在眼前侧具有光射出平面SE，在光射出平面SE的相反侧即图像显示装置10侧具有凸面CV。第1透镜L1例如成为折射率1.8以上的高折射透镜，以使图像充分成为广视场角的图像。此外，凸面CV成为球面。即，第1透镜L1是球面平凸透镜。另外，下面，设折射率的值示出nd的值。此外，设阿贝数的值示出νd的值。

接着，第2透镜L2是平凹透镜，配置在比第1透镜L1更靠图像显示装置10侧，在眼前侧具有凹面CC，在凹面CC的相反侧即图像显示装置10侧具有光入射平面SI，该光入射平面SI入射来自图像显示装置10的影像光GL。第2透镜L2的折射率与第1透镜L1的折射率相同或小于第1透镜L1的折射率。此外，凹面CC具有与第1透镜L1的凸面CV对应的曲面形状的球面。即，第2透镜L2是球面平凹透镜。

第1透镜L1和第2透镜L2利用凸面CV和凹面CC进行接合，形成接合部CN。

此外，光射出平面SE和光入射平面SI均与图像显示装置10的光射出面11a平行。在图示的例子中，与XY面平行。另外，作为这里的平行的容许范围，例如考虑±2°以内。

半反射镜21是透射影像光的一部分、并且反射另一部分的半反射半透射膜，例如由电介质多层膜或金属膜等构成。如图所示，半反射镜21形成在第1透镜L1与第2透镜L2之间。即，设置在接合部CN。因此，从观察者侧观察，半反射镜21成为凹的曲面形状。

这里，对半反射镜21或接合部CN的形成的一例进行说明。如图2的分解图中例示放大光学系统20的结构那样，首先，在第1透镜L1的凸面CV上通过蒸镀形成应该成为半反射镜21的膜。接着，通过粘接剂对所形成的半反射镜21的膜和第2透镜L2的凹面CC进行粘接，其固化而形成粘接膜AD，由此形成接合部CN。另外，在后面详细叙述，但是，通过将粘接膜AD设置在第2透镜L2侧而不设置在第1透镜L1侧，在影像光GL通过放大光学系统20时，能够减少粘接膜AD的通过次数。

偏振板12隔着入射侧偏振转换部件13粘贴在第2透镜L2的光入射平面SI上，位于放大光学系统20中的最靠图像显示装置10侧。偏振板12是透射型偏振板，是如下部件：在来自图像显示装置10的影像光GL通过时，提取影像光GL中的线偏振光的成分。

入射侧偏振转换部件13是1/4波长板即λ/4板，对通过的光的偏振状态进行转换。如图所示，粘贴在第2透镜L2的光入射平面SI上。此外，该入射侧偏振转换部件13位于偏振板12的光路下游侧，使经过偏振板12而成为线偏振光的影像光GL成为圆偏振光。

如上所述，透射反射选择部件30由射出侧偏振转换部件22和半透射反射型偏振板23构成，根据光的偏振状态选择性地进行透射或反射。

透射反射选择部件30中的射出侧偏振转换部件22是1/4波长板即λ/4板，对通过的光的偏振状态进行转换。如图所示，偏振转换部件22粘贴在第1透镜L1的光射出平面SE上，设置在第1透镜L1与半透射反射型偏振板23之间。偏振转换部件22对在半透射反射型偏振板23与半反射镜21之间往复的成分的偏振状态进行转换。这里，1/4波长板即偏振转换部件22将处于圆偏振的状态的影像光GL转换为线偏振，或者，相反地将处于线偏振的状态的影像光GL转换为圆偏振。

透射反射选择部件30中的半透射反射型偏振板23隔着射出侧偏振转换部件22粘贴在光射出平面SE上。即，半透射反射型偏振板23是配置在最接近假设为观察者的眼睛EY的位置的瞳孔的位置的一侧的部件，向观察者的眼前侧射出影像光GL。这里，设半透射反射型偏振板23由反射型线栅偏振板构成。即，半透射反射型偏振板23根据要入射的成分的偏振状态是否是偏振透射轴的方向，改变透射/反射的特性。该情况下，通过在半透射反射型偏振板23的光路上游侧配置偏振转换部件22，每当经过偏振转换部件22时，光的偏振状态变化，半透射反射型偏振板23根据该变化使要入射的成分进行透射或反射。这里，作为一例，设假设为观察者的眼睛的排列方向的水平方向(X方向)为偏振透射轴的方向。另外，由反射型线栅偏振板构成的半透射反射型偏振板23根据要入射的成分的偏振状态改变透射/反射的特性，因此，有时也称为反射型偏振板。

透射反射选择部件30由上述这种射出侧偏振转换部件22和半透射反射型偏振板23构成，由此，能够使光的偏振状态变化，并且根据该变化选择性地进行光的透射或反射。

如上所述，在本实施方式的虚像显示装置100中，在放大光学系统20中，将作为光学系统的主要部分的透镜设为2枚结构，并且，构成为对它们进行接合而不设置空气间隔，进而，设透镜的表面即光入射平面SI和光射出平面SE为平面。由此，特别是能够沿着光轴方向变短，能够实现小型化或薄型化。此外，光入射平面SI和光射出平面SE为平面，因此，在这些面中，如上所述，能够容易地直接贴合偏振板、1/4波长板、反射型线栅偏振板这样的部件作为各种光学片，能够实现部件数量的削减、光学部件的小型化、性能的提高。

下面，参照图1对影像光GL的光路进行概略说明。首先，由图像显示装置10的面板部11调制后的影像光GL朝向放大光学系统20射出。所射出的影像光GL在位于放大光学系统20中的最靠图像显示装置10侧的透射型偏振板即偏振板12中，被转换为线偏振光。这里，设通过偏振板12后的线偏振光的偏振方向为第1方向。

影像光GL在通过偏振板12转换为第1方向的线偏振光后，通过第一1/4波长板即入射侧偏振转换部件13转换为圆偏振光，从光入射平面SI入射到第2透镜L2。然后，影像光GL到达设置在第2透镜L2与第1透镜L1的边界面即接合部CN的半反射镜21。影像光GL中的一部分成分穿过半反射镜21，被第二1/4波长板即偏振转换部件22转换为线偏振光。关于这里的线偏振光的偏振方向，在通过偏振板12后，2次通过1/4波长板，因此，成为与第1方向相差90°的方向。这里，设该方向为第2方向。影像光GL在通过偏振转换部件22转换为第2方向的线偏振光后，到达半透射反射型偏振板23或反射型偏振板。

这里，设半透射反射型偏振板23设定为透射第1方向的线偏振光，反射第2方向的线偏振光。改变看法时，这样构成偏振板12的透射特性和半透射反射型偏振板23的透射反射选择特性。该情况下，第2方向的线偏振光即影像光GL利用半透射反射型偏振板23进行反射，再次利用1/4波长板即偏振转换部件22成为圆偏振光，到达半反射镜21。在半反射镜21中，影像光GL中的一部分成分直接透射，但是，其余成分反射，反射后的影像光GL的成分利用1/4波长板即偏振转换部件22本次被转换为第1方向的线偏振光。成为第1方向的线偏振光的影像光GL的成分穿过半透射反射型偏振板23，影像光GL到达假设为观察者的眼睛EY所在的场所的瞳孔的位置。

另外，如上所述，半反射镜21构成为，首先，在第1透镜L1侧进行蒸镀，然后，隔着粘接膜AD粘接固定在第2透镜L2上。因此，影像光GL在上述光路上的半透射反射型偏振板23进行反射后，不穿过粘接膜AD，而在半反射镜21进行反射。即，关于粘接膜AD的穿过，构成为只是最初穿过第1透镜L1与第2透镜L2之间时的1次。如上所述，通过极力削减粘接膜AD的穿过，抑制影像光GL的成分量的降低和劣化。

如上所述，在本实施方式的虚像显示装置100中，在放大光学系统20中，通过半反射镜21和透射反射选择部件30折曲影像光GL的光路，并且，通过利用设置成曲面的半反射镜21中的反射等，能够使影像光GL成为广视场角的光。

这里，在本实施方式的情况下，在放大光学系统20中，在2个透镜L1、L2中，设光入射平面SI和光射出平面SE为平面。因此，2个透镜L1、L2的接合的曲面部分的部位负责构成影像光GL的各光线束的光路调整。即，通过该面上形成的半反射镜21中的反射作用以及基于2个透镜L1、L2之间的折射率之差等的折射作用进行光路调整。

图3是虚像显示装置100的一例中的光线图，例示如下情况：关于2个透镜L1、L2，作为不同的折射率玻璃材料，第1透镜L1使用折射率n₁＝2.00的材料，第2透镜L2使用折射率n₂＝1.55的材料。即，第1透镜L1的折射率n₁大于第2透镜L2的折射率n₂。另外，关于各玻璃材料的阿贝数，第1透镜L1成为阿贝数ν₁＝29.1，第2透镜L2成为阿贝数ν₂＝75.5。

此外，如图所示，这里，设与图像显示装置10的图像显示区域的尺寸相当的面板尺寸的一边的长度为长度LL1，设放大光学系统20的光轴方向的全长为长度LD1，设从放大光学系统20到眼睛EY的位置的距离即眼睛间隙的长度为长度LE1，设眼睛EY的位置中的视圈的直径为直径RE1。

其中，关于面板尺寸的一边的长度LL1，从小型化的要求的观点来看，优选为2.5英寸以下、进而为1英寸以下(更优选为12～13mm左右)。在本实施方式中，使用微显示器这样的小型面板作为图像显示装置10，能够利用放大光学系统20对基于该图像显示装置10的图像进行放大，形成广视场角的图像。作为这里的值，设为一边的长度LL1＝0.8英寸。

此外，在HMD等虚像显示装置中，广视场角化取得了发展，光学系统变得焦距非常短。这里，关于FOV，设半视场角为50°，即全视场角为100°。为了满足以上条件，上述各尺寸成为放大光学系统20的全长的长度LD1＝14mm、眼睛间隙的长度LE1＝10mm、视圈的直径RE1＝6mm。此外，透镜面的曲率半径即第1透镜L1的凸面CV和第2透镜L2的凹面CC的曲率半径成为44.2mm。

图4A是虚像显示装置100的另一例中的光线图，例示如下情况：关于2个透镜L1、L2，作为不同的折射率玻璃材料，第1透镜L1使用折射率n₁＝1.95的材料，第2透镜L2使用折射率n₂＝1.82的材料。此外，关于各玻璃材料的阿贝数，第1透镜L1成为阿贝数ν₁＝32.3，第2透镜L2成为阿贝数ν₂＝24.1。该情况下，成为ν₁>ν₂的关系。

作为使用不同的折射率玻璃材料的情况，除了图3和图4A中例示的情况以外，例如还考虑如下情况：第1透镜L1使用折射率n₁＝1.85、阿贝数ν₁＝40的材料，第2透镜L2使用折射率n₂＝1.50、阿贝数ν₁＝82的材料。

另一方面，图4B是虚像显示装置100的又一例中的光线图，例示如下情况：关于2个透镜L1、L2，作为相同的高折射率玻璃材料，使用折射率n＝2.0的材料。

在图3和图4A等的情况下，通过利用透镜面的面形状以及2个透镜L1、L2的折射率之差，进行成为上述这种视场角的图像光即影像光GL的光路形成。

另一方面，在图4B的情况下，在第1透镜L1和第2透镜L2中应用相同材料，因此，不会产生2个透镜L1、L2之间的接合面即透镜面中的折射，仅通过该透镜面中的反射作用进行上述这种影像光GL的光路形成。但是，该情况下，不产生折射作用，因此，能够抑制色差。

此外，在上述各图的情况下，通过设该透镜面为球面透镜，能够应用更高折射的材料。通过应用更高折射的材料，在能够抑制透镜面的曲率的情况下，可认为能够抑制佩茨瓦尔曲率，还能够减小像面弯曲。另外，根据要应用的材料，能够讨论与透镜面的曲率有关的调整、减小累积基于折射和反射作用的光学系统整体中的佩茨瓦尔曲率而得到的佩茨瓦尔和等，在后面详细叙述。

图5是比较例的虚像显示装置的一例中的光线图。在比较例的虚像显示装置100中，与本实施方式的情况不同，利用1枚透镜构成光学系统。具体说明，设图5的透镜L1是平凸透镜，在平面侧具有透射反射选择部件30，在凸面侧具有半反射镜21。此外，设为将偏振板12和入射侧偏振转换部件13设置在图像显示装置10侧。在以上这种情况下，关于影像光的光路，与其他图的情况同样进行折返。但是，在图5的结构中，例如，当要进行与本申请相同的图像形成时，如放大附图的一部分示出的那样，例如在半角即单侧FOV50°的光线、即最上方的光线入射到第1透镜L1的透镜面时，成为满足全反射条件的极限的状态。具体而言，关于透镜L1，在折射率2.0的情况下，曲率半径R＝-54mm是满足全反射条件的极限。该情况下，在减小焦距的方面也产生极限，例如很难成为本申请这样的面板尺寸较小的结构。此外，另一方面，在图5的情况下，透镜面是透镜与空气的边界，因此，折射时的作用较大，如果合并折射时和反射时的双方，则能够产生较强的光焦度，但是，相应地，在周边部也产生较强的像面弯曲和色差。与此相对，在本申请中，如上所述，除了组合第1透镜L1和第2透镜L2以外，还具有上述各种结构，由此，与图5的比较例所示的使用凸球面透镜即第1透镜L1这种具有曲面的透镜的情况相比，缓和了与光的入射角度有关的要件。

如上所述，在本实施方式中，在构成为对第1透镜L1和第2透镜L2进行接合的基础上，设第1透镜L1的光射出侧即光射出平面SE和第2透镜L2的光入射侧即光入射平面SI为平面，由此实现小型化或薄型化。此外，通过设为平面，例如能够容易地安装用于对光进行折返的透射反射选择部件30等各种光学元件。此外，例如与凸球面透镜这种具有曲面的透镜的情况相比，能够缓和来自图像显示装置10的光的入射角度的条件。另一方面，在光路中，在凸面CV与凹面CC的接合部CN处设置半反射镜21，由此，在光路的折曲时具有光焦度，从而能够形成广视场角的图像。

下面，参照图6等考察应用于第1透镜L1和第2透镜L2的玻璃材料。

另外，图6是示出第1透镜L1和第2透镜L2的折射率之差与曲率半径、佩茨瓦尔和的关系的曲线图。图7A是示出第1透镜L1和第2透镜L2的折射率之差与像差的关系的曲线图。图7B是示出玻璃材料与纵向色差的关系的曲线图。

首先，作为前提，在本实施方式的结构中，光学面较少，通过第1透镜L1和第2透镜L2抑制各像差是非常困难的。即，事实上不可能抑制赛德尔的5个像差即球面、慧差、像散、像面弯曲、散焦、色差全部。此外，在上述这种广视场角的设定中，根据视场角和像高的关系，光学系统的焦距大约成为6mm，很难新追加透镜。因此，这里，关于能够通过图像处理进行校正的像差即散焦和横向色差，不进行光学系统的像差校正，优先讨论球面、慧差、像散、像面弯曲、纵向色差的抑制。

这里，考察周边视场角的图像识别。首先，人的有效视野(仅通过眼球运动瞬时能够接收信息的区域)设为水平±30°、垂直±20°，在与该范围相当的区域即有效视野区域中，为了不移动头部而读取细致的信息，HMD的分辨性能也要求较高性能。即，关于FOV±30°的周边视场角的区域，需要抑制球面、慧差、像散、像面弯曲的像差。

另一方面，各透镜的曲率越大(曲率半径越小)，则产生越强的像差。当要通过曲面形状实现例如焦距6mm时，需要较强光焦度的光学面，即，不得不增大曲率。因此，在上述中，通过进一步增大第1透镜L1的折射率n₁，即使是相同光焦度，也能够减小曲率，进而能够抑制像差。

此外，在作为校正对象的像差中，影响较大的是像面弯曲。为了抑制像面弯曲，需要使佩茨瓦尔和接近于0。在设为各光学面中的光焦度

入射侧折射率n_i、出射侧折射率n_i+1、焦距f时，佩茨瓦尔和能够用下式表示。

此外，在透射面和凹面镜中，光焦度

能够分别用下式表示。

这里，讨论将虚像显示装置100中的光学系统的焦距f固定在f＝6mm、改变第1透镜L1和第2透镜L2的折射率时的透镜曲率半径和佩茨瓦尔和。

如上所述，在图6中，示出第1透镜L1和第2透镜L2的折射率之差与曲率半径、佩茨瓦尔和的关系。在图6中的左侧的曲线图中，横轴示出第1透镜L1和第2透镜L2的折射率之差，纵轴示出上述f＝6mm的设定中需要的曲率半径。各曲线C1～C3分别示出设第1透镜L1的折射率n₁为1.9、1.75、1.6的情况下的状况。

根据上述曲线图，可知越增大第1透镜L1的折射率，则越能够抑制曲率半径。这意味着通过增大第1透镜L1的折射率n₁，即使是更大的曲率半径，也产生相同的光焦度。此外，第2透镜L2的折射率越小于第1透镜L1的折射率，则越能够减小曲率半径。这是因为，在从第2透镜L2入射到第1透镜L1时，由于两者的折射率差而产生正光焦度。作为光学系统整体，通过在第1透镜L1的曲面的透射时和第1透镜L1的曲面的反射时双方产生正光焦度，能够产生更大的光焦度。

在图6中的右侧的曲线图中，横轴示出第1透镜L1和第2透镜L2的折射率之差，纵轴示出佩茨瓦尔和。各曲线Q1～Q3分别示出设第1透镜L1的折射率n₁为1.9、1.75、1.6的情况下的状况。

根据上述曲线图，可知越增大第1透镜L1的折射率、此外越增大第1透镜L1和第2透镜L2的折射率差，则佩茨瓦尔和越接近零。这是因为，如上所述，越增大折射率差，曲率半径越小，由此，佩茨瓦尔和越接近零。

此外，如上所述，图7A是示出第1透镜L1和第2透镜L2的折射率之差与基于视场角的面板面中的像面弯曲的产生的关系的缩小侧像差图。

在图7A中，针对设第1透镜L1的折射率为n₁＝1.9的情况，分别示出设第2透镜L2的折射率为n₂＝1.9、1.7、1.5的情况下的像面弯曲的状态，能够进行比较。根据图7A可知，在视野角30°以下的有效视野区域中，在折射率n₂＝1.7～1.5附近以某种程度抑制了像面弯曲。但是，在作为比有效视野区域更靠周边侧的非近轴区域的周边视野区域中，产生较大的像面弯曲。此外，在广视野角区域中，存在像散增大的倾向，但是，越增大折射率差，则即使是相同的视野角，像散也越大。

如上所述，如图6所示，越增大折射率，则越抑制佩茨瓦尔和，但是，考虑像散和广视野角区域中的像面弯曲时，在上述例示中，可认为n₁＝1.9/n₂＝1.6成为像差程度最良好的状态。此外，考虑以上所示的事项时，作为一个思路，可知设置某种程度以上的折射率之差是重要的。特别是根据图3等所例示的事项，可认为优选第1透镜L1和第2透镜L2的折射率之差为0.4以上。另一方面，根据状况，可认为具有某种程度的折射率之差且设为某种程度的差的范围内有时也是有效的。该情况下，可认为优选第1透镜L1和第2透镜L2的折射率之差为0.3以上且0.5以下。

此外，在本结构中，优选第1透镜L1的折射率n₁为1.8以上。通过设折射率n₁为1.8以上，在上述设定中，能够将有效视野区域的像面弯曲抑制为0.15mm以下，能够确保实用方面所需的分辨性能。

进而，关于第1透镜L1的阿贝数ν₁和第2透镜L2的阿贝数ν₂，可认为通过以ν₁>ν₂的方式选定材料，能够抑制纵向色差。

如上所述，图7B示出第1透镜L1和第2透镜L2的玻璃材料与纵向色差的关系。在图7B中，在利用曲线P1示出特性的第1透镜L1的玻璃材料中，折射率n₁＝1.82，阿贝数ν₁＝33.3。与此相对，在利用曲线P2示出特性的第2透镜L2的玻璃材料中，折射率n₂＝1.81，阿贝数ν₂＝24.1。这样，在应用与第1透镜L1的玻璃材料大致相同折射率、不同阿贝数的玻璃材料作为第2透镜L2的玻璃材料的情况下，如上述例子那样，可知在第2透镜L2使用比第1透镜L1的玻璃材料小的阿贝数的玻璃材料时，有时几乎能够消除纵向色差。

另外，图8是示出与阿贝数的状况对应的RGB各波长的色散的状况的光线图。在本光线图中，示出从射出光瞳侧实施光线追踪的情况下产生的色散的状况。在两个透镜的阿贝数相同的情况下，仅在第2透镜L2的平面中的折射时产生作为轴上色差的原因的色散。因此，在图8中，产生该平面中的色差。为了抵消这种色差，通过以ν1>ν2的方式应用材料，能够抑制由于光学系统元件而产生的纵向色差。

下面，参照图9A等对各种变形例进行说明。

首先，图9A是用于示出一个变形例的虚像显示装置的图，是虚像显示装置中的放大光学系统20的概念侧视图。图9A是与图1所示的虚像显示装置中的放大光学系统20对应的图。在本变形例中，在第2透镜L2中设置切口部CT。例如，如图3等所示，在本实施方式中，在第1透镜L1中，影像光GL的光线束的宽度最宽，在第2透镜L2中，影像光GL的光线束的宽度比较窄。因此，在第2透镜L2中的、例如影像光GL的光路外且成为杂散光等产生要因的可能性较低的部位，如图所示切掉一部分，由此能够实现第2透镜L2的轻量化。另外，关于切口部CT的形状，可考虑各种形状，只要能够确保其他部件的功能即可，例如，如图9B所示的另一个变形例那样，还可考虑露出半反射镜21的一部分这样的切法。另外，该情况下，例如可考虑半反射镜21由金属膜构成。

此外，在上述中，构成为将偏振板12和入射侧偏振转换部件13设置在放大光学系统20侧，但是，例如如图10所示，也可以构成为在图像显示装置10侧设置偏振板12和入射侧偏振转换部件13。

〔其他〕

以上结合实施方式说明了本发明，但是，本发明不限于上述实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内以各种方式进行实施。

在上述中，作为图像显示装置10，例如由有机EL等自发光型元件(OLED)构成，但是，该情况下，例如也可以采用射出圆偏振的影像光的部件，省略偏振板和1/4波长板。

此外，在上述中，设第1透镜L1和第2透镜L2为玻璃透镜，但是，根据要件等，还能够应用树脂透镜，例如，由零双折射性的树脂透镜或低双折射性的树脂透镜(即取向双折射±0.01以下或光弹性常数10[10^-12/Pa]以下的树脂透镜)中的任意一方构成，可认为不容易产生双折射。

此外，作为图像显示装置10，除了作为透射型液晶显示器件的HTPS以外，还能够利用上述以外的各种部件，例如，也可以构成为使用反射型液晶显示器件，还能够代替由液晶显示器件等构成的影像显示元件而使用数字微镜器件等。

此外，也可以在各透镜的透镜面适当设置AR涂层，由此进一步抑制重像光的产生等。

此外，本申请发明的技术除了应用于仅目视图像光的所谓封闭型(非透视)类型的虚像显示装置以外，还应用于能够使观察者透视地目视或观察外界像的装置，或者可以应对由显示器和摄像装置构成的所谓视频透视的产品。

此外，本申请发明的技术还能够应用于双筒望远镜型的手持显示器等。

此外，在上述中，关于设置由透射影像光的一部分并且反射另一部分的半反射半透射膜构成的半反射镜21的部位，取而代之，例如可考虑通过设置体积全息元件等衍射元件这样的光学功能面，发挥与半反射镜21的作用相同的作用。

Claims

1.一种虚像显示装置，其具有：

影像元件，其显示图像；

第1透镜，其配置在来自所述影像元件的影像光的取出位置，具有射出影像光的光射出平面和面向所述影像元件侧的凸面；

第2透镜，其配置为比所述第1透镜靠所述影像元件侧，具有与所述第1透镜的所述凸面接合的凹面和入射来自所述影像元件的影像光的光入射平面；

半反射镜，其设置在所述凸面与所述凹面的接合部；以及

透射反射选择部件，其与所述光射出平面接触地设置，根据光的偏振状态选择性地进行透射或反射，

所述第1透镜的折射率大于所述第2透镜的折射率，所述第1透镜的折射率为1.8以上，所述第1透镜与所述第2透镜的折射率之差为0.4以上，

所述半反射镜蒸镀在所述凸面上而设置，并隔着形成于所述凹面的粘接膜而粘接固定于所述第2透镜。

2.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述光射出平面和所述光入射平面与所述影像元件的光射出面平行。

3.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述透射反射选择部件具有对通过的光的偏振状态进行转换的射出侧偏振转换部件、以及根据经过所述偏振转换部件后的光的偏振状态进行透射或反射的半透射反射型偏振板。

4.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述虚像显示装置具有入射侧偏振转换部件，该入射侧偏振转换部件设置在所述光入射平面上，对通过的光的偏振状态进行转换。

5.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述第1透镜和所述第2透镜是玻璃透镜，所述凸面和所述凹面是球面。

6.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述影像元件的图像显示区域的尺寸小于所述第2透镜的光学面的尺寸。

7.根据权利要求6所述的虚像显示装置，其中，

所述影像元件是图像显示区域的一边的长度为2.5英寸以下的微显示器。

8.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述第2透镜具有切口部。