CN110780444A - 虚像显示装置 - Google Patents

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Abstract

虚像显示装置。在宽视场角的范围内提高分辨率等光学性能。虚像显示装置(100)具有：显示器件(图像形成部)(11)；使来自显示器件(11)的图像光(GL)折射的透镜(40)、反射通过透镜(40)后的图像光(GL)的第1反射镜部件(21)、反射被第1反射镜部件(21)反射后的图像光(GL)的第2反射镜部件(22)、朝向出射光瞳(EP)的位置反射被第2反射镜部件(22)反射后的图像光(GL)的透过型的第3反射镜部件(23)，透镜(40)在与由第1反射镜部件(21)和第2反射镜部件(22)规定的偏芯方向对应的第1方向(D01)上隔着光轴(AX)具有非对称性，在与第1方向(D01)正交的第2方向(D02)上隔着光轴(AX)具有对称性。

Description

虚像显示装置
技术领域
本发明涉及包含反射镜的头戴显示器和其他虚像显示装置，特别涉及能够进行透视观察的虚像显示装置。
背景技术
近年来，作为如头戴显示器那样能够进行虚像的形成和观察的虚像显示装置，提出了通过反射镜或导光体这样的光学元件将来自显示元件的图像光引导至观察者的瞳孔的类型的各种装置。
专利文献1所记载的光学系统由4个偏芯曲面反射镜构成，第1偏芯曲面反射镜是旋转椭圆面或基于旋转椭圆面的非球面，第2偏芯曲面反射镜是双曲面或基于双曲面的非球面。通过利用偏芯曲面反射镜构成光学系统，与使用导光体的情况相比，容易实现轻量化。
但是，在仅利用偏芯曲面反射镜构成光学系统的情况下，无法使光学面彼此即反射面彼此接近到其尺寸以下的程度，因此，像差的校正容易不充分，无法确保分辨率及其它光学性能，不容易增大视场角。
专利文献1：日本特开平9-189880号公报
发明内容
本发明的一个侧面的虚像显示装置具有：图像形成部；透镜，其使来自图像形成部的图像光折射；第1反射镜部件，其反射通过透镜后的图像光；第2反射镜部件，其反射被第1反射镜部件反射后的图像光；以及透过型的第3反射镜部件，其朝向出射光瞳的位置反射被第2反射镜部件反射后的图像光，透镜在与由第1反射镜部件和第2反射镜部件规定的偏芯方向对应的第1方向上隔着光轴具有非对称性，在与第1方向正交的第2方向上隔着光轴具有对称性。
附图说明
图1是说明第1实施方式的虚像显示装置的侧剖视图。
图2是说明第1实施方式的虚像显示装置的从斜下方观察的立体图。
图3是说明第1实施方式的虚像显示装置的主视图。
图4是说明第1实施方式的虚像显示装置的光学构造等的侧剖视图。
图5是说明第1实施方式的虚像显示装置的光学构造等的俯视图。
图6是说明显示器件上形成的显示像的强制畸变的图。
图7是说明透镜的形状的立体图。
图8是说明透镜的折射面等的构造的放大剖视图。
图9是说明第1反射镜部件的反射面等的构造的放大剖视图。
图10是说明第2反射镜部件的反射面等的构造的放大剖视图。
图11是说明第3反射镜部件的反射面等的构造的放大剖视图。
图12是说明光学面的偏芯和倾斜的概念图。
图13是说明第2实施方式的虚像显示装置的光学构造等的侧剖视图。
图14是说明第2实施方式的虚像显示装置的光学构造等的俯视图。
标号说明
11：显示器件；11a：显示面；12：投射光学系统；21：第1反射镜部件；21a、22a、23a：反射镜板；21c、22c、23c：反射镜膜；21s、21t：表面；22s、22t：表面；23r、23r：反射面；22：第2反射镜部件；23：第3反射镜部件；24：第4反射镜部件；24a：反射镜板；24c：反射镜膜；24r：反射面；40：透镜；41、42：透镜面；41a、42a：平坦面区域；50：外观部件；80：框架；100：虚像显示装置；AX：光轴；DA：显示像；EP：出射光瞳；EY：瞳孔；GL：图像光；IG：投影像；II：中间像；OL：外界光。
具体实施方式
[第1实施方式]
下面，参照附图对本发明的第1实施方式的虚像显示装置进行说明。
在图1～3中，X、Y和Z是正交坐标系，X方向对应于佩戴了虚像显示装置100的观察者US的双眼排列的横向，Y方向相当于与观察者US的双眼排列的横向正交的上方向，Z方向相当于观察者US的前方向或正面方向。
图示的虚像显示装置100是头戴显示器，使观察者US识别作为虚像的影像。虚像显示装置100具有显示器件11和投射光学系统12。投射光学系统12具有透镜40、第1反射镜部件21、第2反射镜部件22、第3反射镜部件23。显示器件11、透镜40和第2反射镜部件22一体地固定，在上部支承在框架80的主体部件81上。此外，第1反射镜部件21和第3反射镜部件23相互连结而构成一体的外观部件50，在上部和侧部支承在框架80的主体部件81上。外观部件50在比显示器件11、透镜40和第2反射镜部件22更靠外侧或外界侧以相对于这些显示器件11进行定位的状态进行配置。外观部件50具有眼镜片状的轮廓，覆盖观察者US的眼睛且具有向外侧凸出的弯曲形状。另外，在图1等中，仅示出右眼用的虚像显示装置100，但是，左眼用的虚像显示装置100也具有相同构造，通过组合双眼用的虚像显示装置，成为整体具有眼镜这种外观的虚像显示装置。另外，关于双眼用的虚像显示装置，能够省略右眼用或左眼用的部分中的一方，该情况下，成为单眼型的头戴显示器。对光路的概要进行说明，从显示器件11射出的图像光GL通过透镜40，被第1反射镜部件21反射而入射到第2反射镜部件22。入射到第2反射镜部件22的图像光GL被第2反射镜部件22反射后被透过型的第3反射镜部件23反射而入射到出射光瞳EP的位置。
框架80具有与眼镜相似的构造，具有与主体部件81的侧方端部连结的镜腿部82，在从主体部件81的中央延伸的金属件的前端具有鼻托83。
参照图4和图5，显示器件11是图像形成部，配置在比投射光学系统12更靠与观察者US的头部侧对应的上侧或+Y侧。显示器件(图像形成部)11例如是以有机EL(有机电致发光、Organic Electro-Luminescence)、无机EL、LED阵列、有机LED、激光器阵列、量子点发光型元件等为代表的自发光型显示元件，在二维的显示面11a上形成彩色的静态图像或动态图像。显示器件11被未图示的驱动控制电路驱动而进行显示动作。在使用有机EL的显示器作为显示器件11的情况下，成为具有有机EL控制部的结构。在使用量子点显示器作为显示器件11的情况下，构成为使蓝色发光二极管(LED)的光通过量子点膜而出现绿色或红色。显示器件11不限于自发光型显示元件，也可以由LCD及其它光调制元件构成，通过背光这种光源对该光调制元件进行照明，由此形成图像。作为显示器件11，还能够代替LCD而使用LCOS(Liquid crystal on silicon，LCoS为注册商标)、数字微镜器件等。
如图6所示，根据虚拟网格畸变可知，显示器件11的显示面11a上形成的显示像DA成为具有梯形畸变的修正图像。如后所述，投射光学系统12是偏芯光学系统，因此，不容易去除梯形畸变这种畸变。由此，即使在投射光学系统12中残存有畸变，通过使显示面11a上形成的显示像DA预先具有畸变，也能够使经过投射光学系统12而在出射光瞳EP的位置观察到的虚像的投影像IG的像素排列成为网格图案，能够使轮廓成为矩形。由此，观察者US能够观察畸变较少的投影像IG，投射光学系统12中的其他像差的校正容易。显示面11a上形成的显示像(修正图像)DA可以是通过图像处理形成了强制畸变的像。在显示面11a为矩形的情况下，通过形成强制畸变，形成有空白，但是，在这种空白中也能够显示附加信息。显示面11a上形成的显示像(修正图像)DA不限于通过图像处理形成了强制畸变的像，例如，也可以使显示面11a上形成的显示像素的排列对应于强制畸变。该情况下，不需要进行用于校正畸变的图像处理。进而，还能够使显示面11a具有用于校正像差的弯曲。
返回图4和图5，投射光学系统12是以斜入射为前提的非共轴光学系统或偏芯光学系统。投射光学系统12的偏芯方向通过第1反射镜部件21、第2反射镜部件22等的配置来规定。具体而言，透镜40、第1反射镜部件21、第2反射镜部件22和第3反射镜部件23将偏芯方向设定在YZ面内。即，通过透镜40、第1反射镜部件21、第2反射镜部件22和第3反射镜部件23的光轴AX沿着与观察者的一对瞳孔EY排列的横向即X方向交叉且在大致纵向上延伸的平面进行配置，更具体而言，沿着与X方向正交且在纵向上延伸的YZ平面进行配置。通过沿着纵向的YZ平面配置光轴AX，容易扩大横向的视场角。即使包含光轴AX的面绕Z轴向顺时针方向或逆时针方向(即左右)倾斜几10°左右，只要在大致纵向上延伸，则对视场角的影响不会太大。此外，透镜40配置在比第1反射镜部件21更靠与观察者US的头部侧对应的上侧或+Y侧，第1反射镜部件21配置在比第2反射镜部件22更靠与观察者US的头部侧对应的上侧或+Y侧，第2反射镜部件22配置在比第3反射镜部件23更靠与观察者US的头部侧对应的上侧或+Y侧。这里，以各反射镜部件21、22、23与光轴AX的交点或切点为基准来考虑上侧或+Y侧。
如图7所示，透镜40是厚度在上下的Y方向的两端不同且在纵向上具有非对称性的透镜。透镜40使来自显示器件11的图像光GL折射。透镜40具有在基材40b的表面40c、40d上形成了防反射膜43的构造(参照图8)。透镜面41、42中的至少透镜面42是自由曲面，但也可以设为非球面。两个透镜面41、42在位于YZ面内的与偏芯方向对应的纵向的第1方向D01上隔着光轴AX具有非对称性，在与第1方向D01正交的横向的第2方向D02或X方向上隔着光轴AX具有对称性。这里，纵向的第1方向D01的非对称性表现为一对透镜面41、42的倾斜、即一对透镜面41、42相对于光轴AX中的透镜40内的部分的交叉角的差异或偏移。另一方面，横向的第2方向D02的对称性表现为一对透镜面41、42相对于光轴AX中的透镜40内的部分的交叉角的一致。透镜40例如由树脂形成，但是，也可以设为玻璃制。在抑制产生色像差的观点中，优选透镜40由阿贝数为50以上的材料形成。
在以上的透镜40中，通过设透镜面41、42为自由曲面或非球面，能够实现像差减少，特别是在使用自由曲面的情况下，容易减少作为非共轴光学系统或偏芯光学系统的投射光学系统12的像差。另外，自由曲面是不具有旋转对称轴的面，作为自由曲面的面函数，能够使用各种多项式。此外，非球面是具有旋转对称轴的面，但是，是抛物面或多项式所表示的球面以外的面。
透镜40的透镜面41、42在穿过光轴AX的第1方向D01的YZ截面中具有相互倾斜的一对平坦面区域41a、42a。一对平坦面区域41a、42a中的显示器件(图像形成部)11侧的平坦面区域41a与光轴AX大致正交，但是，第1反射镜部件21侧的平坦面区域41b相对于光轴AX呈几10°以下的角度。其结果，透镜40在包含平坦面区域41a、42a的整体中具有在第1方向D01上具有楔角θ的棱镜的作用，对第1反射镜部件21、第2反射镜部件22等产生的梯形畸变进行校正。即，投射光学系统12是偏芯光学系统，因此，容易产生梯形畸变这种畸变，能够利用透镜40的相反的梯形畸变来抵消第1反射镜部件21、第2反射镜部件22等产生的梯形畸变，能够简易地减少作为虚像的投影像的畸变。另外，很难仅通过透镜40消除畸变，如图6中说明的那样，通过与使显示面11a上形成的显示像DA预先具有畸变的方法进行组合，能够形成进一步减少了畸变的投影像。
透镜40的第1方向D01的屈光力小于第2方向D02的屈光力。更详细地讲，在透镜40中，第1方向D01的屈光力为第2方向D02的屈光力的1/10以下。在本实施方式的情况下，透镜40在穿过光轴AX的第1方向D01的截面中几乎不具有屈光力，但是，在穿过光轴AX的第2方向D02的截面中具有正屈光力。透镜40不仅在与穿过光轴AX的横向或X方向对应的第2方向D02的截面中、在整个系统的显示器件(图像形成部)11侧赋予远心性，在与穿过光轴AX的纵向或Y方向对应的第1方向D01的截面中，也在整个系统的显示器件(图像形成部)11侧赋予远心性。即，在纵向的第1方向D01上，投射光学系统12是偏心系统，因此，仅通过轴对称的校正很难实现，因此，在透镜40中还使用倾斜的面，关于纵向确保远心性。另一方面，在横向的第2方向D02上，投射光学系统12为轴对称，因此，仅通过透镜40的正屈光力就能够确保远心性。这里，当视场角增大时，来自显示器件11的主光线向外方向倾斜，因此，在横向的第2方向D02上设透镜40为正屈光力，但是，在来自显示器件11的主光线向内方向倾斜的情况下，在横向的第2方向D02上设透镜40为负屈光力。如上所述，通过在纵横方向具有远心性，不容易由于显示器件11的光轴方向的位置偏移而产生倍率变化，能够进行基于显示器件11的对焦调整。
参照图4等，第1反射镜部件21是作为凹的正面反射镜发挥功能的板状部件，反射通过透镜40后的图像光GL。即，第1反射镜部件21是具有在板状体21b的一个表面21s上形成了反射镜膜21c的构造的反射镜板21a(参照图9)。第1反射镜部件21的反射面21r例如是自由曲面，具有与反射镜膜21c的表面或板状体21b的表面21s对应的形状。反射面21r不限于自由曲面，也可以设为非球面。反射面21r在位于YZ面内的与偏芯方向对应的第1方向D1上隔着光轴AX具有非对称性，在与第1方向D1正交的第2方向D2或X方向上隔着光轴AX具有对称性。第1反射镜部件21的板状体21b例如由树脂形成，但是，也可以设为玻璃制。反射镜膜21c例如由Al、Ag等金属的单层膜L11或多层膜L12形成，但是，也可以设为电介质多层膜L13。反射镜膜21c能够通过包含蒸镀等方法在内的层叠来形成，但是，也可以通过粘贴片状的反射膜来形成。
第2反射镜部件22是作为正面反射镜发挥功能的板状部件，反射来自第1反射镜部件21的图像光GL。即，第2反射镜部件22是具有在板状体22b的一个表面22s上形成了反射镜膜22c的构造的反射镜板22a(参照图10)。第2反射镜部件22的反射镜面即反射面22r例如是自由曲面，具有与反射镜膜22c的表面或板状体22b的表面22s对应的形状。反射面(反射镜面)22r不限于自由曲面，也可以设为非球面。反射面22r在与位于YZ面内的偏芯方向对应的第1方向D31上隔着光轴AX具有非对称性，在与第1方向D31正交的第2方向D32或X方向上隔着光轴AX具有对称性。第2反射镜部件22的板状体22b例如由树脂形成，但是，也可以设为玻璃制。反射镜膜22c例如由Al、Ag等金属的单层膜L21或多层膜L22形成，但是，也可以设为电介质多层膜L23。反射镜膜22c能够通过层叠来形成，但是，也可以通过粘贴片状的反射膜来形成。
第3反射镜部件23是作为凹的正面反射镜发挥功能的板状部件，反射来自第2反射镜部件22的图像光GL。第3反射镜部件23覆盖配置有瞳孔EY的出射光瞳EP的位置，并且朝向出射光瞳EP的位置具有凹形状。第3反射镜部件23是具有在板状体23b的一个表面23s上形成了反射镜膜23c的构造的反射镜板23a(参照图11)。第3反射镜部件23的反射面23r例如是自由曲面，具有与反射镜膜23c的表面或板状体23b的表面23s对应的形状。反射面23r不限于自由曲面，也可以设为非球面。反射面23r在位于YZ面内的与偏芯方向对应的第1方向D41上隔着光轴AX具有非对称性，在与第1方向D41正交的第2方向D42或X方向上隔着光轴AX具有对称性。
第3反射镜部件23是在反射时使一部分光透过的透过型反射元件，第3反射镜部件23的反射镜膜23c具有半透过性。由此，外界光OL通过第3反射镜部件23，因此，能够进行外界的透视观察，能够在外界像上重叠虚像。此时，如果板状体23b薄到几mm程度以下，则能够将外界像的倍率变化抑制为较小。在容易进行图像光GL的亮度确保、基于透视的外界像观察的观点中，反射镜膜23c的对于图像光GL或外界光OL的反射率在假设的图像光GL的入射角范围内为10％以上且50％以下。第3反射镜部件23的板状体23b例如由树脂形成，但也可以设为玻璃制。反射镜膜23c例如通过电介质多层膜L31形成，该电介质多层膜L31由调整了膜厚的多个电介质层构成。反射镜膜23c也可以是调整了膜厚的Al、Ag等金属的单层膜L32或多层膜L33。反射镜膜22c能够通过层叠来形成，但是，也可以通过粘贴片状的反射膜来形成。
第2反射镜部件23与出射光瞳EP的位置的距离、第3反射镜部件23与出射光瞳EP的位置的距离沿着射出侧的光轴AX或Z轴设定为14mm以上，确保了配置眼镜片的空间。能够在第3反射镜部件23的外界侧形成防反射膜。
在以上的实施方式中，通过设第1反射镜部件21的反射面21r、第2反射镜部件22的反射镜面22r和第3反射镜部件23的反射面23r为自由曲面或非球面，能够实现像差减少，特别是在使用自由曲面的情况下，容易减少作为非共轴光学系统或偏芯光学系统的投射光学系统12的像差。
对光路进行说明，来自显示器件11的图像光GL通过透镜40，入射到第1反射镜部件21，被反射面21r以接近100％的高反射率反射。被第1反射镜部件21反射后的图像光GL入射到第2反射镜部件22而被反射镜面22r以接近100％的高反射率反射。来自第2反射镜部件22的图像光GL入射到第3反射镜部件23，被反射面23r以50％程度以下的反射率反射。被第3反射镜部件23反射后的图像光GL入射到配置有观察者US的瞳孔EY的出射光瞳EP。在第2反射镜部件22与第3反射镜部件23之间形成有中间像II。第1反射镜部件21比第2反射镜部件22更远离中间像II，第1反射镜部件21的面积大于第2反射镜部件22的面积。中间像II是对显示器件11的显示面11a上形成的图像进行适当放大后的像。为了避免附着于反射面22r上的异物等的影响，中间像II不与反射面22r交叉。关于在出射光瞳EP的位置观察到的视场角，假设对角大约48°。
以上说明的第1反射镜部件21、第2反射镜部件22和第3反射镜部件23不限于正面反射镜，也可以设为在板状体21b、22b、23b的反面形成了反射镜膜21c、22c、23c的反面反射镜。
根据以上说明的第1实施方式的虚像显示装置100，透镜40在与由第1反射镜部件21和第2反射镜部件22规定的偏芯方向对应的第1方向D01上隔着光轴AX具有非对称性，在与第1方向D01正交的第2方向D02上隔着光轴AX具有对称性，因此，将具有多个反射镜的偏芯反射镜系统作为基础，并且使透镜40的透镜面41、42具有校正适于第1方向和第2方向的像差的作用，能够在宽视场角的范围内提高分辨率及其它光学性能。
[实施例1]
下面，说明对第1实施方式的虚像显示装置100的光学系统进行具体化的实施例1。在实施例1的数据中，利用xy多项式面表示自由曲面。设z为光轴方向，通过下式给出xy多项式面的系数。
Figure BDA0002147377970000081
其中，
z：与z轴平行的面的下垂(sag)量
c：顶点曲率
k：圆锥系数
Cj：单项式xmyn的系数
r：半径方向的距离
Figure BDA0002147377970000091
另外，Ci＝Cj×{(归一化半径)(m+n-1)}
以下的表1是具体说明系数Ci的表。
[表1]
Figure BDA0002147377970000092
图12是说明光学面的偏芯和倾斜的概念图。实施例1的光学系统是在光学面间对偏芯和倾斜进行复合而得到的。具体而言，针对原来的(x，y，z)坐标进行基于偏芯矢量(XDE，YDE，ZDE)的平移移动的操作，得到(xi，yi，zi)坐标。然后，使(xi，yi，zi)坐标以相对于其原点移动了倾斜偏置矢量(XOD，YOD，ZOD)的倾斜偏置点为中心旋转，得到赋予了偏芯和倾斜的(x′，y′，z′)坐标。
以下的表2示出构成实施例1的虚像显示装置的各面的参数。在表中，距离的单位为mm。
[表2]
面编号 面名称 面类型 y曲率半径 面间隔 材质 折射/反射
像 球 0 无限 折射
光圈 球 0 0 折射
2 球 0 33.7 折射
3 M1 xy多项式面 -0.042 -15.2 反射
4 球 0 0 折射
5 M2 xy多项式面 -0.1 14.7 反射
6 球 0 0 折射
7 M3 xy多项式面 -0.045 0 反射
8 球 0 -18.1 折射
9 球 0 0 折射
10 xy多项式面 0 -4.4 树脂A 折射
11 xy多项式面 0 -1 折射
12 球 0 -1.1 SILICA 折射
13 球 0 0 折射
物体 球 0 0 折射
在表中，“像”意味着出射光瞳EP，“物体”意味着显示器件11的显示面11a。该情况下，从出射光瞳EP朝向显示面11a追踪光线。作为面名称的M1～M3分别意味着第3反射镜部件23的反射面23r、第2反射镜部件22的反射镜面22r和第1反射镜部件21的反射面21r。在表2中，记载了纵向的y曲率半径、相邻的面间的面间隔、折射介质的材质以及面的折射和反射。另外，在折射介质的材质中，树脂A意味着在可视域内折射率为1.51左右且阿贝数为56的树脂材质，SILICA意味着可视域内折射率为1.47左右的石英玻璃。
以下的表3是总结了给出实施例1中包含的自由曲面的多项式的系数Ci的表。。
[表3]
s3 s5 s7 s10 s11
归一化半径 10 10 10 10 10
C1 -1 0 0 0 0
C2 0 0 0 0 0
C3 0 0 0 -2.6 0
C4 0.064 2.315 -0.242 -6.39 4.603
C5 0 0 0 0 0
C6 0.556 5.61 -0.139 0 0
C7 0 0 0 0 0
C8 0 0 0 0 0
C9 0 0 0 0 0
C10 0.653 0.31 -0.38 0 0
C11 -0.023 4.859 -0.017 0 0
C12 0 0 0 0 0
C13 -0.027 4.168 -0.002 0 0
C14 0 0 0 0 0
C15 0.339 1.227 0.578 0 0
C16 0 0 0 0 0
C17 0 0 0 0 0
C18 0 0 0 0 0
C19 0.009 -0.632 -0.038 0 0
C20 0 0 0 0 0
C21 0.0751 -1.5417 -0.3334 0 0
C22 0 0 0.016 0 0
C23 0 0 0 0 0
C24 0 0 -0.009 0 0
C25 0 0 0 0 0
C26 0 0 0 0 0
C27 0 0 0 0 0
C28 0 3.056 0.073 0 0
在表中，记号s3、s5、s7、s10、s11对应于表2的面编号，s3意味着第3反射镜部件23的反射面23r，s5意味着第2反射镜部件22的反射面22r，s7意味着第1反射镜部件21的反射面21r，s10和s11意味着构成透镜40的一对透镜面41、42。另外，系数的数值使用归一化曲率半径来表示。
以下的表4是总结了实施例1中包含的光学面的偏芯和倾斜的表。在表中，距离的单位为mm，角度的单位为°。
[表4]
s3 s5 s7 s10
x坐标 0 0 0 0
y坐标 13.09 4.13 2.484 7.99
z坐标 0 0 0 0
以x轴为中心而旋转 -1.23 -10.84 -3.5 27.48
以y轴为中心而旋转 0 0 0 0
以z轴为中心而旋转 0 0 0 0
在表中，记号s3、s5、s7、s10表示与表2或表3所示的记号相同的光学面。
[第2实施方式]
下面，对本发明的第2实施方式的虚像显示装置进行说明。另外，第2实施方式的虚像显示装置对第1实施方式的虚像显示装置进行部分变更，省略共通部分的说明。
如图13和14所示，与第1实施方式同样，第2实施方式的虚像显示装置100具有透镜40、第1反射镜部件21、第2反射镜部件22、第3反射镜部件23作为投射光学系统12，但是，在透镜40与第1反射镜部件21之间的光路上还具有第4反射镜部件24。
第4反射镜部件24是作为凹的正面反射镜发挥功能的板状部件。即，第4反射镜部件24是具有在板状体24b的一个表面24s上形成了反射镜膜24c的构造的反射镜板24a。第4反射镜部件24的反射面24r例如是自由曲面，具有与反射镜膜24c的表面或板状体24b的表面24s对应的形状。反射面24r不限于自由曲面，也可以设为非球面。反射面24r在位于YZ面内的与偏芯方向对应的第1方向D51上隔着光轴AX具有非对称性，在与第1方向D51正交的第2方向D52或X方向上隔着光轴AX具有对称性。第4反射镜部件24的板状体24b例如由树脂形成，但是，也可以设为玻璃制。反射镜膜24c例如由金属形成，但是，也可以设为电介质多层膜。另外，与第1实施方式的情况不同，第2反射镜部件22作为凸面反射镜发挥功能。
透镜40的透镜面41、42是自由曲面，但是，在第1方向D01和第2方向D02上在光轴AX周边具有屈光力。但是，透镜40的第1方向D01的屈光力小于第2方向D02的屈光力。此外，透镜面41、42在穿过光轴AX的纵向的第1方向D01上相互倾斜。其结果，透镜面41、42在穿过光轴AX的第1方向D01的截面中具有相互倾斜的一对平坦面区域41a、42a。虽然在附图中无法明确地知道，但是，在透镜40的下侧，间隔变窄。例如，如果绕X轴赋予坐标的倾斜、或者使自由曲面的奇数次的系数具有差，则透镜面41、42在纵向的第1方向D01上相互倾斜。
第1反射镜部件21和第3反射镜部件23不限于正面反射镜，也可以设为在板状体21b、23b的反面形成了反射镜膜21c、23c的反面反射镜。
[实施例2]
下面，说明对第2实施方式的虚像显示装置100的光学系统进行具体化的实施例2。实施例2的数据也通过与实施例1的数据相同的样式来表现，省略用语的定义等的重复说明。
以下的表5示出构成实施例2的虚像显示装置的各面的参数。在表中，距离的单位为mm。
[表5]
面编号 面名称 面类型 y曲率半径 面间隔 材质 折射/反射
像 球 0 无限 折射
光圈 球 0 0 折射
2 球 0 38.3 折射
3 M1 xy多项式面 -0.0169 -27.2 反射
4 球 0 0 折射
5 M2 xy多项式面 -0.0454 0 反射
6 球 0 25.6 折射
7 M3 xy多项式面 -0.0128 -13.3 反射
8 球 0 -5.5 折射
9 球 0 0 折射
10 M4 xy多项式面 0.0006 0 反射
11 球 0 0 折射
12 球 0 15.1 折射
13 xy多项式面 0.0933 4.7 树脂A 折射
14 xy多项式面 -0.0351 0.9 折射
15 球 0 1.1 SILICA 折射
物体 球 0 0 折射
在表中，作为面名称的M1～M4分别意味着第3反射镜部件23的反射面23r、第2反射镜部件22的反射面22r、第1反射镜部件21的反射面21r和第4反射镜部件24的反射面24r。
以下的表6是总结了给出实施例2中包含的自由曲面的多项式的系数Ci的表。
[表6]
s3 s5 s7 s10 s13 s14
归一化半径 10 10 10 10 10 10
C1 -1 0 0 0 0 0
C2 0 0 0 0 0 0
C3 0 0 0 0 0 0
C4 -1.084 2.265 -1.017 0.849 -2.886 0
C5 0 0 0 0 0 0
C6 -1.351 12.981 -0.565 0.983 -0.201 4.781
C7 0 0 0 0 0 0
C8 0 0 0 0 0 4.27
C9 0 0 0 0 0 0
C10 -0.481 -8.314 0.221 -0.002 -0.592 1.876
C11 -0.019 3.179 -0.041 -0.092 -1.241 1.084
C12 0 0 0 0 0 0
C13 -0.056 -2.625 0.038 -0.139 1.387 -9.724
C14 0 0 0 0 0 0
C15 -0.318 5.798 0.145 -0.034 2.02 -10.538
C16 0 0 0 0 0 0
C17 0 0 0 0 0 0
C18 0 0 0 0 0 0
C19 -0.04 -0.516 0.057 0 0 0
C20 0 0 0 0 0 0
C21 -0.092 -3.008 0.062 0 0 0
C22 -0.004 1.236 -0.002 0 0 0
C23 0 0 0 0 0 0
C24 -0.007 -0.576 -0.001 0 0 0
C25 0 0 0 0 0 0
C26 -0.014 0.826 0.011 0 0 0
C27 0 0 0 0 0 0
C28 -0.012 0.664 0.01 0 0 0
在表中，记号s3、s5、s7、s10、s13、s14对应于表5的面编号。
以下的表7是总结了实施例2中包含的光学面的偏芯和倾斜的表。在表中，距离的单位为mm，角度的单位为°。
[表7]
s3 s5 s6 s7 s10 s11
x坐标 0 0 0 0 0 0
y坐标 18.53 -10.58 14.8 32.02 -1.11 2.9
z坐标 0 0 0 0 0 0
以x轴为中心而旋转 8.95 -6.72 25.77 12.2 -21.83 -5.22
以y轴为中心而旋转 0 0 0 0 0 0
以z轴为中心而旋转 0 0 0 0 0 0
在表中，记号s3、s5、s6、s7、s10、s11表示与表5或表6所示的记号相同的光学面。
[变形例等]
以上，按照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，例如还能够进行如下变形。
在上述实施方式的头虚像显示装置100中，作为显示器件11使用了有机EL元件等自发光型的显示元件，但是，取而代之，还能够构成为使用组合了激光光源和作为多面镜等的扫描仪而成的激光扫描仪。
能够在第3反射镜部件23的外界侧安装通过限制第3反射镜部件23的透过光来进行调光的调光器件。调光器件例如以电动方式调整透过率。作为调光器件，能够使用反射镜液晶、电子遮光板等。调光器件也可以根据外光照度来调整透过率。在通过调光器件遮断外界光OL的情况下，能够仅观察未受外界像的作用的虚像。此外，本发明的虚像显示装置能够应用于遮断外光而仅观察图像光的所谓闭合型的头部搭载型显示装置(HMD)。该情况下，也可以应对由虚像显示装置和摄像装置构成的所谓视频透视的产品。
第3反射镜部件23的反射镜膜23c不限于具有半透过性，也可以如线栅元件那样反射特定偏振成分。第3反射镜部件的23的反射镜膜23c能够由体积全息元件和其它全息图元件构成，还能够由衍射光栅构成。
以上，以虚像显示装置100佩戴在头部进行使用为前提，但是，上述虚像显示装置100还能够用作不佩戴在头部而如双筒望远镜那样进行窥视的手持型显示器。即，在本发明中，头戴显示器还包括手持型显示器。

Claims (17)

1.一种虚像显示装置，其具有：
图像形成部；
透镜，其使来自所述图像形成部的图像光折射；
第1反射镜部件，其反射通过所述透镜后的图像光；
第2反射镜部件，其反射被所述第1反射镜部件反射后的图像光；以及
透过型的第3反射镜部件，其朝向出射光瞳的位置反射被所述第2反射镜部件反射后的图像光，
所述透镜在与由所述第1反射镜部件和所述第2反射镜部件规定的偏芯方向对应的第1方向上隔着光轴具有非对称性，在与所述第1方向正交的第2方向上隔着所述光轴具有对称性。
2.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
所述透镜的所述第1方向的屈光力小于所述第2方向的屈光力。
3.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，
所述透镜在穿过所述光轴的所述第1方向的截面中具有相互倾斜的一对平坦面区域。
4.根据权利要求3所述的虚像显示装置，其中，
所述透镜的所述一对平坦面区域中的所述图像形成部侧的平坦面区域与所述光轴大致正交。
5.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
所述透镜在穿过所述光轴的所述第2方向的截面中、在整个系统的所述图像形成部侧赋予远心性。
6.根据权利要求5所述的虚像显示装置，其中，
所述透镜在穿过所述光轴的所述第2方向的截面中具有正屈光力。
7.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
所述第1反射镜部件、所述第2反射镜部件和所述第3反射镜部件的反射面是非球面或自由曲面。
8.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
所述透镜的透镜面是非球面或自由曲面。
9.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
所述第1反射镜部件、所述第2反射镜部件、所述第3反射镜部件是具有在板状体的一个表面上形成了反射镜膜的构造的反射镜板。
10.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
所述虚像显示装置在所述第1反射镜部件与所述透镜之间的光路上还具有第4反射镜部件。
11.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
所述图像形成部显示对由所述透镜、所述第1反射镜部件、所述第2反射镜部件和所述第3反射镜部件引起的畸变像差进行校正的畸变的修正图像。
12.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
所述第3反射镜部件覆盖所述出射光瞳的位置，并且朝向所述出射光瞳的位置具有凹形状。
13.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
通过所述透镜、所述第1反射镜部件、所述第2反射镜部件和所述第3反射镜部件的光轴沿着与观察者的一对瞳孔排列的横向交叉且在大致纵向上延伸的平面配置。
14.根据权利要求13所述的虚像显示装置，其中，
所述第1反射镜部件和所述第2反射镜部件配置在比所述第3反射镜部件更靠与观察者的头部侧对应的上侧的位置。
15.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
所述第1反射镜部件的面积大于所述第2反射镜部件的面积。
16.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
所述透镜由阿贝数为50以上的材料形成。
17.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
所述第2反射镜部件与所述出射光瞳的位置的距离为14mm以上。
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